JP2555974B2 - 量子井戸半導体レーザ - Google Patents
量子井戸半導体レーザInfo
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- JP2555974B2 JP2555974B2 JP7908494A JP7908494A JP2555974B2 JP 2555974 B2 JP2555974 B2 JP 2555974B2 JP 7908494 A JP7908494 A JP 7908494A JP 7908494 A JP7908494 A JP 7908494A JP 2555974 B2 JP2555974 B2 JP 2555974B2
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- Japan
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- layer
- semiconductor laser
- quantum well
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- well
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、発振閾電流値を低減す
る多重量子井戸構造活性層の半導体レーザに関する。
る多重量子井戸構造活性層の半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体レーザは分子線成長法（以
下ＭＢＥ法と略す）や有機金属気相結晶成長法（以下Ｍ
ＯＶＰＥ法と略す）により形成され、この成長法の特質
故に、非常に薄い半導体層からなる多重量子井戸（以下
ＭＱＷと略す）構造活性層を有する半導体レーザ（以下
ＭＱＷレーザと略す）が容易に作製されている。ＭＱＷ
レーザは量子効果により注入キャリア当たりの利得が増
大するため、レーザの発振閾値の低減に有効である。こ
のＭＱＷレーザは、一般的に図１に示すようなＭＱＷ活
性層をｐ型クラッド層とｎ型クラッド層で挟みんだダブ
ルヘテロ構造がとられ、そのＭＱＷ構造は図４に示すよ
うな厚さ一様の、バンドギャップエネルギーの小さいウ
エル層とバンドギャップエネルギーの大きいバリア層と
からで構成されている。このダブルヘテロ構造に電極を
通して電圧を印加することにより、ｐ型クラッド層から
ＭＱＷ活性層にホールが注入され、ｎ型クラッド層から
ＭＱＷ活性層に電子が注入され、ＭＱＷ活性層内で電子
とホールが再結合することによりレーザ発光が起こる。
下ＭＢＥ法と略す）や有機金属気相結晶成長法（以下Ｍ
ＯＶＰＥ法と略す）により形成され、この成長法の特質
故に、非常に薄い半導体層からなる多重量子井戸（以下
ＭＱＷと略す）構造活性層を有する半導体レーザ（以下
ＭＱＷレーザと略す）が容易に作製されている。ＭＱＷ
レーザは量子効果により注入キャリア当たりの利得が増
大するため、レーザの発振閾値の低減に有効である。こ
のＭＱＷレーザは、一般的に図１に示すようなＭＱＷ活
性層をｐ型クラッド層とｎ型クラッド層で挟みんだダブ
ルヘテロ構造がとられ、そのＭＱＷ構造は図４に示すよ
うな厚さ一様の、バンドギャップエネルギーの小さいウ
エル層とバンドギャップエネルギーの大きいバリア層と
からで構成されている。このダブルヘテロ構造に電極を
通して電圧を印加することにより、ｐ型クラッド層から
ＭＱＷ活性層にホールが注入され、ｎ型クラッド層から
ＭＱＷ活性層に電子が注入され、ＭＱＷ活性層内で電子
とホールが再結合することによりレーザ発光が起こる。
【０００３】上述した構造において、ウエル数が多い場
合やウエル層−バンド層間の価電子帯不連続ΔＥｖが大
きい場合には、ホールの有効質量が大きいためホールが
バリア層を超える確率が小さくなり、ｐ型クラッド層よ
りのウエル層のみに局在してしまう。このようなことが
起こると、多数あるウエル層の内一部のウエル層のみで
しか利得が得られず、そのほかのウエル層が損失になっ
てしまうため、閾値が上昇し微分量子効率が低下する欠
点があった。
合やウエル層−バンド層間の価電子帯不連続ΔＥｖが大
きい場合には、ホールの有効質量が大きいためホールが
バリア層を超える確率が小さくなり、ｐ型クラッド層よ
りのウエル層のみに局在してしまう。このようなことが
起こると、多数あるウエル層の内一部のウエル層のみで
しか利得が得られず、そのほかのウエル層が損失になっ
てしまうため、閾値が上昇し微分量子効率が低下する欠
点があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記の欠点を克服する
ために、バリア層を薄くすることも考えられるがこの場
合、有効質量の小さい電子のウエル層への閉じ込めが不
十分になり、結果的に量子効果が低減しレーザの発振閾
値が上昇するという欠点がある。本発明の目的は、量子
効果を維持しながら、ホールのウエルへの注入を向上さ
せることにより、発振閾値の小さく微分量子効率の大き
いＭＱＷレーザを提供することにある。
ために、バリア層を薄くすることも考えられるがこの場
合、有効質量の小さい電子のウエル層への閉じ込めが不
十分になり、結果的に量子効果が低減しレーザの発振閾
値が上昇するという欠点がある。本発明の目的は、量子
効果を維持しながら、ホールのウエルへの注入を向上さ
せることにより、発振閾値の小さく微分量子効率の大き
いＭＱＷレーザを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めの本発明の半導体レーザは、ｐ型クラッド層とｎ型ク
ラッド層に挟まれた、少なくともウエル層とバリア層と
からなる多重量子井戸構造活性層において、前記バリア
層一層の中に、厚さ５nm以上の領域と厚さ３nm以下の領
域とが存在することを特徴としている。
めの本発明の半導体レーザは、ｐ型クラッド層とｎ型ク
ラッド層に挟まれた、少なくともウエル層とバリア層と
からなる多重量子井戸構造活性層において、前記バリア
層一層の中に、厚さ５nm以上の領域と厚さ３nm以下の領
域とが存在することを特徴としている。
【０００６】
【作用】以下に本発明の原理について図面を用いて説明
する。
する。
【０００７】本発明の多重量子井戸構造の一例の断面図
を図２に示す。この図ではウエル層の数は４であり、バ
リア層の数は３である。本発明の特徴はバリア層の厚さ
が一様ではなく、厚さが５nm以上の厚い領域と、厚さが
３nm以下の薄い領域が存在することである。バリア層の
厚さが３nm以下の領域を通してホールはウエル層間を容
易に移動できる。ウエル層間を移動したホールは、ウエ
ル層内では高い障壁がないため、バリア層の厚さが５nm
以上の領域にまで速やかに拡散する。すなわち各ウエル
層すべての領域にホールは均一に注入される。電子は有
効質量が小さくバリア層を超えることが容易であるた
め、ＭＱＷ内での分布は、主にホールのクーロン力に支
配され、ホールとほぼ同じ分布となる。従ってホールが
均一に注入されれば電子も均一に注入される。このよう
にして各ウエル層に均一に注入された電子やホールは、
バリア層の厚さが５nm以上の領域において強く閉じ込め
られ量子効果が顕著に現れる。以上のようにして電子や
ホールがＭＱＷ全体に均一に注入されすべてのウエル層
がレーザ発振に寄与し、さらに量子効果を維持すること
により発振閾値の低減や微分量子効率の向上が実現され
る。
を図２に示す。この図ではウエル層の数は４であり、バ
リア層の数は３である。本発明の特徴はバリア層の厚さ
が一様ではなく、厚さが５nm以上の厚い領域と、厚さが
３nm以下の薄い領域が存在することである。バリア層の
厚さが３nm以下の領域を通してホールはウエル層間を容
易に移動できる。ウエル層間を移動したホールは、ウエ
ル層内では高い障壁がないため、バリア層の厚さが５nm
以上の領域にまで速やかに拡散する。すなわち各ウエル
層すべての領域にホールは均一に注入される。電子は有
効質量が小さくバリア層を超えることが容易であるた
め、ＭＱＷ内での分布は、主にホールのクーロン力に支
配され、ホールとほぼ同じ分布となる。従ってホールが
均一に注入されれば電子も均一に注入される。このよう
にして各ウエル層に均一に注入された電子やホールは、
バリア層の厚さが５nm以上の領域において強く閉じ込め
られ量子効果が顕著に現れる。以上のようにして電子や
ホールがＭＱＷ全体に均一に注入されすべてのウエル層
がレーザ発振に寄与し、さらに量子効果を維持すること
により発振閾値の低減や微分量子効率の向上が実現され
る。
【０００８】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。
説明する。
【０００９】図１は本発明の一実施例を示す半導体レー
ザの斜視図であり、図２は本発明の実施例の半導体レー
ザを共振器軸に垂直な面で切断したときのＭＱＷ構造活
性層部分の断面図である。図３はこの半導体レーザの製
作工程図である。以下、ＡｌＧａＩｎＰ系可視光半導体
レーザを例として説明する。
ザの斜視図であり、図２は本発明の実施例の半導体レー
ザを共振器軸に垂直な面で切断したときのＭＱＷ構造活
性層部分の断面図である。図３はこの半導体レーザの製
作工程図である。以下、ＡｌＧａＩｎＰ系可視光半導体
レーザを例として説明する。
【００１０】本実施例の製作においては、まず一回目の
減圧ＭＯＶＰＥ法による成長で、ｎ型ＧａＡｓ基板１上
に、ｎ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐクラッド
層２（厚さ１μm ）、Ｇａ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ（厚さ１０n
m）ウエル層と（Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ
（厚い領域の厚さ５nm、薄い領域の厚さ３nm）バリア層
からなるウエル数１０の量子井戸構造活性層３、ｐ型
（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐクラッド層４（厚
さ１μm ）、ｐ型Ｇａ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ層５、ｐ型ＧａＡ
ｓキャップ層６を順次形成した（図３（ａ））。
減圧ＭＯＶＰＥ法による成長で、ｎ型ＧａＡｓ基板１上
に、ｎ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐクラッド
層２（厚さ１μm ）、Ｇａ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ（厚さ１０n
m）ウエル層と（Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ
（厚い領域の厚さ５nm、薄い領域の厚さ３nm）バリア層
からなるウエル数１０の量子井戸構造活性層３、ｐ型
（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐクラッド層４（厚
さ１μm ）、ｐ型Ｇａ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ層５、ｐ型ＧａＡ
ｓキャップ層６を順次形成した（図３（ａ））。
【００１１】成長条件は、温度６６０℃、圧力７０ｔｏ
ｒｒ、Ｖ／ＩＩＩ＝１５００である。原料としては、ト
リメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルガリウ
ム（ＴＥＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、
ホスフィン（ＰＨ3 ）、アルシン（ＡｓＨ3 ）、ｎ型ド
ーパントとしてジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）、ｐ型ドーパン
トとしてジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用いた。ただし
バリア層の厚さを一層内で変化させるために、基板は
（００１）から［１１０］方向に６゜傾いた面方位の基
板を用い、バリア層成長時にはＶ／ＩＩＩ＝２００と低
くした。このような成長条件の基ではステップバンチン
グ（マルチステップ）成長となり一層内で厚さが変化し
（特願平５−３８２４５号参考）、図２の構造となる。
ｒｒ、Ｖ／ＩＩＩ＝１５００である。原料としては、ト
リメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルガリウ
ム（ＴＥＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、
ホスフィン（ＰＨ3 ）、アルシン（ＡｓＨ3 ）、ｎ型ド
ーパントとしてジシラン（Ｓｉ2 Ｈ6 ）、ｐ型ドーパン
トとしてジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用いた。ただし
バリア層の厚さを一層内で変化させるために、基板は
（００１）から［１１０］方向に６゜傾いた面方位の基
板を用い、バリア層成長時にはＶ／ＩＩＩ＝２００と低
くした。このような成長条件の基ではステップバンチン
グ（マルチステップ）成長となり一層内で厚さが変化し
（特願平５−３８２４５号参考）、図２の構造となる。
【００１２】こうして成長したウエハにフォトリソグラ
フィにより幅５μm のストライプ状のＳｉＯ2 マスク９
を形成した（図３（ｂ））。次にこのＳｉＯ2 マスク９
を用いてｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐクラ
ッド層４の途中までメサ状にエッチングした（図３
（ｃ））。
フィにより幅５μm のストライプ状のＳｉＯ2 マスク９
を形成した（図３（ｂ））。次にこのＳｉＯ2 マスク９
を用いてｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐクラ
ッド層４の途中までメサ状にエッチングした（図３
（ｃ））。
【００１３】さらに同じマスク９を用いた２回目のＭＯ
ＶＰＥ成長によりＳｉドープＧａＡｓ層８を選択的にメ
サ部両脇に埋め込んだ（図３（ｄ））。そしてＳｉＯ2
マスク９を除去し（図３（ｅ））、３回目のＭＯＶＰＥ
成長によりｐ型ＧａＡｓコンタクト層７を形成した（図
３（ｆ））。この後、電極を形成し、劈開してレーザ光
放射端面を形成して図１に示す量子井戸半導体レーザが
完成した。
ＶＰＥ成長によりＳｉドープＧａＡｓ層８を選択的にメ
サ部両脇に埋め込んだ（図３（ｄ））。そしてＳｉＯ2
マスク９を除去し（図３（ｅ））、３回目のＭＯＶＰＥ
成長によりｐ型ＧａＡｓコンタクト層７を形成した（図
３（ｆ））。この後、電極を形成し、劈開してレーザ光
放射端面を形成して図１に示す量子井戸半導体レーザが
完成した。
【００１４】このようにして製作した本発明の半導体レ
ーザと、バリア層の厚さが３nmまたは５nmで均一である
従来のレーザとを比較したところ、発振閾電流は、それ
ぞれ４０ｍＡと４７ｍＡ、６０ｍＡであり、微分量子効
率は、それぞれ０．７５、０．７、０．５であった。従
来に比べ本発明の半導体レーザは発振閾電流値が低く、
微分量子効率が向上した。
ーザと、バリア層の厚さが３nmまたは５nmで均一である
従来のレーザとを比較したところ、発振閾電流は、それ
ぞれ４０ｍＡと４７ｍＡ、６０ｍＡであり、微分量子効
率は、それぞれ０．７５、０．７、０．５であった。従
来に比べ本発明の半導体レーザは発振閾電流値が低く、
微分量子効率が向上した。
【００１５】なお、上記実施例においてはＡｌＧａＩｎ
Ｐ系可視光半導体レーザの場合について説明したが、本
発明は、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＩｎＰＡｓ系、ＧａＳｂ
系、ＧａＮ系などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体やＩＩ−
ＶＩ系半導体など材料を問わず半導体レーザに適用でき
ることは勿論である。
Ｐ系可視光半導体レーザの場合について説明したが、本
発明は、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＩｎＰＡｓ系、ＧａＳｂ
系、ＧａＮ系などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体やＩＩ−
ＶＩ系半導体など材料を問わず半導体レーザに適用でき
ることは勿論である。
【００１６】
【発明の効果】本発明により、発振閾電流値が低く微分
量子効率の高い量子井戸半導体レーザが得られた。
量子効率の高い量子井戸半導体レーザが得られた。
【図１】本発明の半導体レーザの斜視図である。
【図２】本発明の半導体レーザのＭＱＷ活性層部分の断
面図である。
面図である。
【図３】半導体レーザの製造工程図である。
【図４】従来の半導体レーザのＭＱＷ活性層部分の断面
図である。
図である。
１ ｎ型ＧａＡｓ基板 ２ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層 ３ ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ多重量子井戸構造活性
層 ４ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層 ５ ｐ型ＧａＩｎＰ層 ６ ｐ型ＧａＡｓキャップ層 ７ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層 ８ ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層 ９ ＳｉＯ2 １０ ＧａＩｎＰウエル層 １１ ＡｌＧａＩｎＰバリア層
層 ４ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層 ５ ｐ型ＧａＩｎＰ層 ６ ｐ型ＧａＡｓキャップ層 ７ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層 ８ ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層 ９ ＳｉＯ2 １０ ＧａＩｎＰウエル層 １１ ＡｌＧａＩｎＰバリア層
Claims (2)
- 【請求項１】ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層に挟まれ
た、ウエル層とバリア層とを有する多重量子井戸構造活
性層において、前記バリア層一層の中に、厚さ５nm以上
の領域と厚さ３nm以下の領域が存在することを特徴とす
る量子井戸半導体レーザ。 - 【請求項２】基板は（００１）面から［１１０］方向に
６°傾いた面方位のＧａＡｓ基板であり、活性層はＧａ
ＩｎＰウェル層とＡｌＧａＩｎＰバリア層の量子井戸構
造であることを特徴とする請求項１記載の量子井戸半導
体レーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7908494A JP2555974B2 (ja) | 1994-04-19 | 1994-04-19 | 量子井戸半導体レーザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7908494A JP2555974B2 (ja) | 1994-04-19 | 1994-04-19 | 量子井戸半導体レーザ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07288363A JPH07288363A (ja) | 1995-10-31 |
| JP2555974B2 true JP2555974B2 (ja) | 1996-11-20 |
Family
ID=13680026
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7908494A Expired - Lifetime JP2555974B2 (ja) | 1994-04-19 | 1994-04-19 | 量子井戸半導体レーザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2555974B2 (ja) |
-
1994
- 1994-04-19 JP JP7908494A patent/JP2555974B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07288363A (ja) | 1995-10-31 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19960709 |