JP2644729B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents
半導体レーザ装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、特に高速変調が可能な量子井戸型の半導体
レーザ素子に関するものである。
レーザ素子に関するものである。
半導体レーザ素子の高速変調は、上記半導体レーザ素
子の変調における周波数限界に比例する。したがつて半
導体レーザ素子の高速化をはかるためには、上記半導体
レーザ素子の直接変調における周波数限界をできるだけ
高くする必要がある。通常、半導体レーザの直接変調に
おける周波数限界は〜5GHz程度であるが、最近活性層の
厚さが結晶内の電子波束の大きさより小さい、いわゆる
量子井戸型レーザ素子にすると、周波数限界が高くなる
と理論的に予測されている（Y,ARAKAWA.他：アプライド
・フイジツクス・レターズ,45,950（1984））。一方従
来の半導体レーザ素子においても、活性層に不純物を高
濃度にドープすると、周波数限界が高くなるということ
が実験的に確かめられている（C,B,SU他：アプライド・
フイジツクス・レターズ,46,344（1985）参照）。
子の変調における周波数限界に比例する。したがつて半
導体レーザ素子の高速化をはかるためには、上記半導体
レーザ素子の直接変調における周波数限界をできるだけ
高くする必要がある。通常、半導体レーザの直接変調に
おける周波数限界は〜5GHz程度であるが、最近活性層の
厚さが結晶内の電子波束の大きさより小さい、いわゆる
量子井戸型レーザ素子にすると、周波数限界が高くなる
と理論的に予測されている（Y,ARAKAWA.他：アプライド
・フイジツクス・レターズ,45,950（1984））。一方従
来の半導体レーザ素子においても、活性層に不純物を高
濃度にドープすると、周波数限界が高くなるということ
が実験的に確かめられている（C,B,SU他：アプライド・
フイジツクス・レターズ,46,344（1985）参照）。
上記従来技術は、いずれの場合も、他の特別の工夫を
しない限り、上記直接変調の周波数限界は10GHz付近で
あり、通常の半導体レーザの周波数限界の5GHzに比べ
て、顕著な効果とはならなかつた。
しない限り、上記直接変調の周波数限界は10GHz付近で
あり、通常の半導体レーザの周波数限界の5GHzに比べ
て、顕著な効果とはならなかつた。
本発明の目的は、周波数限界が10GHzをこえる直接変
調が行える高速の半導体レーザ素子を得ることにある。
調が行える高速の半導体レーザ素子を得ることにある。
本発明者らは、この量子井戸型レーザの量子井戸活性
層のバリヤ層を高濃度ｐ型不純物ドーピングすることに
より、達成される。この際、ウエル層にまで不純物ドー
ピングするとその不純物イオンの影響でバンドテイリン
グ生じ、量子効果に悪影響を与え、キヤリアの二次元性
が低下することが懸念される。そこで本発明は、キヤリ
アの存在するウエル層にはドーピングを行わず、バリヤ
層のみに選択的にｐ型ドーピングする変調ドープMQW
（多重量子井戸）レーザあるいは、変調ドープGRIN−SC
Hレーザを発明した。
層のバリヤ層を高濃度ｐ型不純物ドーピングすることに
より、達成される。この際、ウエル層にまで不純物ドー
ピングするとその不純物イオンの影響でバンドテイリン
グ生じ、量子効果に悪影響を与え、キヤリアの二次元性
が低下することが懸念される。そこで本発明は、キヤリ
アの存在するウエル層にはドーピングを行わず、バリヤ
層のみに選択的にｐ型ドーピングする変調ドープMQW
（多重量子井戸）レーザあるいは、変調ドープGRIN−SC
Hレーザを発明した。
量子井戸型レーザに変調Ｐドーピングを行うとバリヤ
層のアクセプタから放出した正孔は、エネルギーの低い
ウエル層に緩和され、ウエル層内に局在する。その結
果、ウエル層内では、正孔密度の方が電子密度より、は
るかに大きくなる。その結果、利得スペクトル幅が狭ま
り、微分利得が上昇する。本発明者は、変調ドープ量子
井戸レーザの利得スペクトル解析モデルを作成し、これ
を用いて、半導体レーザの直接変調の周波数限界を決め
ている緩和振動周波数ｒを計算した。その計算結果第
２図，第３図に示す。まず、第２図は、ウエル層の厚さ
を5nmに固定して、Ｐもしくは、ｎドーピングのそれぞ
れについて不純物濃度を横軸にしてｒを示した。ま
ず、ｎドーピングでは、１×1018cm-3以上行うと、逆に
ｒは低下することが判明した。一方、Ｐドーピングを
行うと、１×1018cm-3以上では、ｒは急激に増大し、
１×1019cm-3のＰドーピングでは、ｒは24GHzに達す
ることが判明した。また、Ｐドーピングにおいて５×10
18cm-3の不純物濃度に固定して、ウエル層の厚さを横軸
にして示したのが第３図である。ウエル層の厚さが小さ
いほど、ｒは増大することがわかる。以上の検討か
ら、変調Ｐドーピング量子井戸レーザにより、ｒを増
大するためには、ウエル層の厚さとして10nm以下、不純
物濃度として２×1018cm-3以上に設定する必要がある。
層のアクセプタから放出した正孔は、エネルギーの低い
ウエル層に緩和され、ウエル層内に局在する。その結
果、ウエル層内では、正孔密度の方が電子密度より、は
るかに大きくなる。その結果、利得スペクトル幅が狭ま
り、微分利得が上昇する。本発明者は、変調ドープ量子
井戸レーザの利得スペクトル解析モデルを作成し、これ
を用いて、半導体レーザの直接変調の周波数限界を決め
ている緩和振動周波数ｒを計算した。その計算結果第
２図，第３図に示す。まず、第２図は、ウエル層の厚さ
を5nmに固定して、Ｐもしくは、ｎドーピングのそれぞ
れについて不純物濃度を横軸にしてｒを示した。ま
ず、ｎドーピングでは、１×1018cm-3以上行うと、逆に
ｒは低下することが判明した。一方、Ｐドーピングを
行うと、１×1018cm-3以上では、ｒは急激に増大し、
１×1019cm-3のＰドーピングでは、ｒは24GHzに達す
ることが判明した。また、Ｐドーピングにおいて５×10
18cm-3の不純物濃度に固定して、ウエル層の厚さを横軸
にして示したのが第３図である。ウエル層の厚さが小さ
いほど、ｒは増大することがわかる。以上の検討か
ら、変調Ｐドーピング量子井戸レーザにより、ｒを増
大するためには、ウエル層の厚さとして10nm以下、不純
物濃度として２×1018cm-3以上に設定する必要がある。
つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。
実施例１ 第１図において、ｎ型GaAs基板１上に有機金属気相成
長法によりｎ型Ga1-xAlxAsクラツド層（ｘ＝0.45）２を
成長させ、その上に多重量子井戸構造を成長させる。多
重量子井戸層は、アンドープGa1-yAlyAsウエル層（ｙ＝
０〜0.2,厚さ３〜10nm）３と、ｐ型Ga1-zAlzAsバリア層
（ｚ＞y,厚さ３〜20nm）４とを交互に２〜10層成長させ
たものである。つぎにｐ型Ga1-xAlxAs層５およびｐ型Ga
As層６を成長させ、ｐ型電極Cr−Au7およびｎ側電極AuG
eNi−Au8を蒸着して素子に切離した。ここで上記バリヤ
層に少なくとも２×1018cm-3以上のｐ型不純物をドープ
すると、従来の10GHzから20GHzに周波数限界が高くなつ
た。ドープする不純物の濃度は１×1019cm-3をこえると
格子欠陥が大きくなるので、不純物濃度は８×1018cm-3
に留めた方が実用的である。またZnをドープすると拡散
による無秩序化が生じ、量子井戸構造が消失することも
あるので、望ましくはMg,Beなどを用いた方が効果は大
きい。
長法によりｎ型Ga1-xAlxAsクラツド層（ｘ＝0.45）２を
成長させ、その上に多重量子井戸構造を成長させる。多
重量子井戸層は、アンドープGa1-yAlyAsウエル層（ｙ＝
０〜0.2,厚さ３〜10nm）３と、ｐ型Ga1-zAlzAsバリア層
（ｚ＞y,厚さ３〜20nm）４とを交互に２〜10層成長させ
たものである。つぎにｐ型Ga1-xAlxAs層５およびｐ型Ga
As層６を成長させ、ｐ型電極Cr−Au7およびｎ側電極AuG
eNi−Au8を蒸着して素子に切離した。ここで上記バリヤ
層に少なくとも２×1018cm-3以上のｐ型不純物をドープ
すると、従来の10GHzから20GHzに周波数限界が高くなつ
た。ドープする不純物の濃度は１×1019cm-3をこえると
格子欠陥が大きくなるので、不純物濃度は８×1018cm-3
に留めた方が実用的である。またZnをドープすると拡散
による無秩序化が生じ、量子井戸構造が消失することも
あるので、望ましくはMg,Beなどを用いた方が効果は大
きい。
さらに、第１図のレーザ素子の共振器長を100μｍと
短かくした場合は、光子寿命が短かくなるため、なお一
層の緩和振動周波数の増大を可能にした。その実験可能
を横軸に端面破壊限界光出力Pcで正規化した光出力Ｐの
平方根にして第４図に実線で示した。本図には、従来の
量子井戸型半導体レーザ素子のデータを破線で示した。
すなわち、本実施例においては、ｒは約30GHzまで達
し、従来の半導体レーザの約３倍弱近い高速化が可能と
なつた。
短かくした場合は、光子寿命が短かくなるため、なお一
層の緩和振動周波数の増大を可能にした。その実験可能
を横軸に端面破壊限界光出力Pcで正規化した光出力Ｐの
平方根にして第４図に実線で示した。本図には、従来の
量子井戸型半導体レーザ素子のデータを破線で示した。
すなわち、本実施例においては、ｒは約30GHzまで達
し、従来の半導体レーザの約３倍弱近い高速化が可能と
なつた。
実施例２ 本発明による他の実施例を第５図を用いて説明する。
第５図（ａ）は素子の断面図を示す。ｎ型GaAs基板１上
に分子線エピタキシー法によりｎ型Ga1-xAlxAsクラツド
層（ｘ＝0.45）２を成長した後、その上にAlの組成が徐
々に変化するｎ型GaAlAsGAIN層9,5×1018cm-3のMgドー
ピングを行つたｐ型Ga1-zAlzAsバリヤ層（ｚ＞ｙ、厚さ
３〜20nm）10,アンドープGa1-yAlyAsウエル層（ｙ＝０
〜0.2,厚さ３〜10nm）３、５×1018cm-3のMgドーピング
を行つたｐ型Ga1-zAlzAsバリヤ層（ｚ＞ｙ、厚さ３〜20
nm）、10、Alの組成が徐々に変化しているｐ型GaAlAsGR
IN層11,p型Ga1-xAlxAs層５およびｐ型GaAs層６を成長さ
せ、ｐ型電極７、ｎ型電極８を形成し、共振器長約100
μｍの素子に切断した。本レーザ構造においては、アン
ドープウエル層３の両側の高濃度ｐ型バリヤ層のアクセ
プタから放出した正孔は、第５図（ｂ）の如く、ウエル
層内に局在化した正孔12となる。本実施例においても、
緩和振動周波数ｒは、実施例１と同様に約30GHzにま
で達した。さらに、本発明は、横モード制御を行つたレ
ーザ構造たとえばBH（Buried Hetero structure）構
造、SAS（Self−Aligned Structrue）構造等に対して適
用できることは言うまでもない。さらに上記実施例にお
いて、バリア層をInP,活性層をInGaAsPにして、同様の
不純物をドープすれば、いずれも同様の効果を得ること
ができた。
第５図（ａ）は素子の断面図を示す。ｎ型GaAs基板１上
に分子線エピタキシー法によりｎ型Ga1-xAlxAsクラツド
層（ｘ＝0.45）２を成長した後、その上にAlの組成が徐
々に変化するｎ型GaAlAsGAIN層9,5×1018cm-3のMgドー
ピングを行つたｐ型Ga1-zAlzAsバリヤ層（ｚ＞ｙ、厚さ
３〜20nm）10,アンドープGa1-yAlyAsウエル層（ｙ＝０
〜0.2,厚さ３〜10nm）３、５×1018cm-3のMgドーピング
を行つたｐ型Ga1-zAlzAsバリヤ層（ｚ＞ｙ、厚さ３〜20
nm）、10、Alの組成が徐々に変化しているｐ型GaAlAsGR
IN層11,p型Ga1-xAlxAs層５およびｐ型GaAs層６を成長さ
せ、ｐ型電極７、ｎ型電極８を形成し、共振器長約100
μｍの素子に切断した。本レーザ構造においては、アン
ドープウエル層３の両側の高濃度ｐ型バリヤ層のアクセ
プタから放出した正孔は、第５図（ｂ）の如く、ウエル
層内に局在化した正孔12となる。本実施例においても、
緩和振動周波数ｒは、実施例１と同様に約30GHzにま
で達した。さらに、本発明は、横モード制御を行つたレ
ーザ構造たとえばBH（Buried Hetero structure）構
造、SAS（Self−Aligned Structrue）構造等に対して適
用できることは言うまでもない。さらに上記実施例にお
いて、バリア層をInP,活性層をInGaAsPにして、同様の
不純物をドープすれば、いずれも同様の効果を得ること
ができた。
上記のように本発明による半導体レーザ素子は、ウエ
ル層の厚さが結晶内自由電子の波束の大きさより小さい
半導体レーザ素子において、バリヤ層に高濃度のｐ型不
純物をドープしたことによつて、量子井戸型レーザ素子
のｒを高くして周波数限界が30GHz以上、すなわち10G
Hzをはるかにこえる直接変調が可能であり、半導体レー
ザ素子の大幅な高速化を簡単にはかることができる。
ル層の厚さが結晶内自由電子の波束の大きさより小さい
半導体レーザ素子において、バリヤ層に高濃度のｐ型不
純物をドープしたことによつて、量子井戸型レーザ素子
のｒを高くして周波数限界が30GHz以上、すなわち10G
Hzをはるかにこえる直接変調が可能であり、半導体レー
ザ素子の大幅な高速化を簡単にはかることができる。
第１図および、第５図は本発明の実施例に示す半導体レ
ーザ装置の断面図、第２図および第３図は緩和振動周波
数の理論計算値を示す図、第４図は本発明による緩和振
動周波数の実験値を示す図である。 １……ｎ型GaAs基板、２……ｎ型Ga1-xAlxAs層、３……
アンドープウエル層、４……ｐ型バリヤ層、５……ｐ型
Ga1-xAlxAs層、６……ｐ型GaAs層、７……ｐ型電極、８
……ｎ型電極、９……ｎ型GaAlAsGRIN層、10……ｐ型バ
リヤ層、11……ｐ型GaAlAsGRIN層、12……アクセプタか
ら放出した正孔。
ーザ装置の断面図、第２図および第３図は緩和振動周波
数の理論計算値を示す図、第４図は本発明による緩和振
動周波数の実験値を示す図である。 １……ｎ型GaAs基板、２……ｎ型Ga1-xAlxAs層、３……
アンドープウエル層、４……ｐ型バリヤ層、５……ｐ型
Ga1-xAlxAs層、６……ｐ型GaAs層、７……ｐ型電極、８
……ｎ型電極、９……ｎ型GaAlAsGRIN層、10……ｐ型バ
リヤ層、11……ｐ型GaAlAsGRIN層、12……アクセプタか
ら放出した正孔。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大歳 創 国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式 会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 森岡 誠 国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式 会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 三島 友義 国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式 会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−104191（ＪＰ，Ａ)
Claims (5)
- 【請求項１】ウエル層と、禁制帯幅の大きさが上記ウエ
ル層よりも大きいバリヤ層とからなる量子井戸活性層を
有する半導体レーザ装置において、上記ウエル層の厚さ
は10nm以下であり、かつ上記バリヤ層の導電型はｐ型で
その不純物濃度が２×1018cm-3以上であることを特徴と
する半導体レーザ装置。 - 【請求項２】上記量子井戸活性層は上記ウエル層及び上
記バリヤ層とを交互に重ね合わせた多重量子井戸層であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体
レーザ装置。 - 【請求項３】上記量子井戸活性層は単一の上記ウエル層
と上記ウエル層を挟んで配置された２つの上記バリヤ層
とからなるGRIN−SCH（Graded Index Separate Confine
ment Hetero Structure）型であることを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の半導体レーザ装置。 - 【請求項４】上記バリヤ層の不純物濃度は２×1018cm-3
乃至１×1019cm-3の範囲にあることを特徴とする特許請
求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記載の半導体レ
ーザ装置。 - 【請求項５】上記不純物はMg又はBeであることを特徴と
する特許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれかに記載
の半導体レーザ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61028806A JP2644729B2 (ja) | 1986-02-14 | 1986-02-14 | 半導体レーザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61028806A JP2644729B2 (ja) | 1986-02-14 | 1986-02-14 | 半導体レーザ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62188390A JPS62188390A (ja) | 1987-08-17 |
| JP2644729B2 true JP2644729B2 (ja) | 1997-08-25 |
Family
ID=12258664
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61028806A Expired - Lifetime JP2644729B2 (ja) | 1986-02-14 | 1986-02-14 | 半導体レーザ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2644729B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5023419B2 (ja) | 2001-07-10 | 2012-09-12 | 日本電気株式会社 | 半導体量子ドット・デバイス |
| US11552217B2 (en) * | 2018-11-12 | 2023-01-10 | Epistar Corporation | Semiconductor device |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07112089B2 (ja) * | 1982-12-07 | 1995-11-29 | 富士通株式会社 | 半導体発光装置 |
-
1986
- 1986-02-14 JP JP61028806A patent/JP2644729B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62188390A (ja) | 1987-08-17 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
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