JP2748838B2 - 量子井戸半導体レーザ装置 - Google Patents

量子井戸半導体レーザ装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光通信および光情報処理
用の光源として用いられる半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザの閾値電流を低減し、量子
効率を向上させ、高温動作を可能にするため、また、高
速変調を可能にするために活性層に多重量子井戸構造を
導入することが広く行われてきた。このとき、量子井戸
層と障壁層の伝導帯の不連続が小さいと電子が量子井戸
層だけでなく障壁層にも熱的に分布するため多重量子井
戸構造を導入しても諸特性が向上しなくなる。このた
め、量子井戸層と障壁層の禁制帯の差は大きいことが望
ましいとされていた。また、最近量子井戸層に基板より
格子定数の大きい半導体を用いる、いわゆる歪量子井戸
の利用が盛んに検討されているが、これは歪みによって
価電子帯のバンド構造を変化させ最低準位の正孔の有効
質量が小さくできるためである。この歪量子井戸の効果
を得るには価電子帯の不連続を大きくして正孔の最低準
位と励起準位とのエネルギー差を大きくする必要があ
る。
【０００３】ところが量子井戸層と障壁層の禁制帯の差
が大きく、価電子帯の不連続が大きいと正孔は量子井戸
に強く閉じこめられるため、多重量子井戸にしたときｐ
クラッド層に近い井戸に正孔がたまり、離れた井戸には
正孔がわずかしか注入されなくなる正孔の局在化が起き
る。正孔が注入されない井戸は利得に寄与できないため
レーザの特性は向上しない。つまり、量子井戸の効果と
正孔の局在化の効果はトレードオフの関係にある。従来
は量子井戸層と障壁層の禁制帯の差を最適化することが
試みられてきた。例えば、高岡と櫛部は第５４回応用物
理学会学術講演会講演番号２８ｐ−Ｈ−３において、
１．３μｍ帯ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸レーザで、ＩｎＧ
ａＡｓＰ障壁層組成が禁制帯波長１．１３μｍのとき量
子効率の特性温度が最適となることを報告している。荻
田らは同講演会講演番号２８ｐ−Ｈ−５で１．３μｍ帯
歪ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸レーザで、ＩｎＧａＡｓＰ障
壁層組成が禁制帯波長１．１μｍのとき特性温度が最大
になることを、鬼頭らは同講演会講演番号２８ｐ−Ｈ−
６で１．３μｍ帯歪ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸レーザで、
ＩｎＧａＡｓＰ障壁層組成が禁制帯波長１．０５μｍの
とき緩和振動周波数が最適化されることを報告してい
る。
【０００４】また、正孔の局在化を抑えるために障壁層
を薄膜化し、正孔が隣の井戸へトンネリングにより移動
する確率を高めることも試みられている。例えば、魚見
らは第５１回応用物理学会学術講演会講演番号２８ｐ−
Ｈ−３において、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ量子井
戸レーザで障壁層厚を１０ｎｍから５ｎｍにすることで
緩和振動周波数が約２倍になることを報告している。ま
た、山田らは第５４回応用物理学会講演会講演番号２８
ｐ−Ｈ−３において、１．３μｍ帯ＩｎＧａＡｓＰ量子
井戸レーザで障壁層厚を３ｎｍから１０ｎｍまで変化さ
せ障壁層が薄いほど微分利得が大きくなることを報告し
ている。
【０００５】別の面で量子井戸レーザの特性を改善する
試みとして粕川等が特開平４−１２０７８６号公報で提
案しているように量子井戸活性層の上下に組成が階段状
に変化する閉じ込め層を設けるいわゆるＧＲＩＮＳＣＨ
構造で光電界の分布と電子の閉じ込めを最適化すること
も行なわれている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述のような
最適化では量子井戸層と障壁層の禁制帯の小さくなるこ
とにより量子井戸の効果を犠牲になる。障壁層を薄膜化
した場合でも電子が３次元化するため、バンド端での状
態密度が小さくなって利得が低下する他、正孔のバンド
構造も変わるため特に歪量子井戸にした時の効果が小さ
くなってここでも量子井戸の効果と正孔の局在化の効果
はトレードオフの関係が現れる。量子井戸活性層の上下
に組成が階段状に変化する閉じ込め層を設けたＧＲＩＮ
−ＳＣＨ構造では全体の閾値キャリア密度は低下するが
正孔の輸送は改善されず正孔の局在化の問題は解消され
ない。
【０００７】このため、さらにレーザ特性を向上させる
には量子井戸の効果と正孔の局在化の効果のトレードオ
フの関係を解消する必要がある。従って、本発明の目的
は量子井戸層と障壁層の価電子帯不連続が大きく、しか
も正孔の局在が起こりにくい多重量子井戸構造を活性層
とする、閾値電流、量子効率、温度特性、高速変調とい
った諸特性の優れた半導体レーザを提供することにあ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明のＩｎＧａＡｓＰ
系量子井戸半導体レーザ装置は以下のような特徴を持
つ。 １）量子井戸層を挟む障壁層の組成が段階状に変化し、
これを量子井戸層に近い側から第１の障壁層及び第２の
障壁層とすると、第１の障壁層を構成する半導体のΓ点
での価電子帯のエネルギーが第２の障壁層を構成する半
導体のΓ点での価電子帯のエネルギーよりも高い多重量
子井戸構造を活性層とし、第１の障壁層の厚さが１ｎｍ
から５ｎｍの間であり、第１の障壁層を構成する半導体
と第２の障壁層を構成する半導体とのΓ点における価電
子帯のエネルギー差が２０ｍｅＶから１５０ｍｅＶの間
にある。 ２）（１）のＩｎＧａＡｓＰ系量子井戸半導体レーザで
第２の障壁層の厚さが２ｎｍから１０ｎｍの間にある。
【０００９】
【作用】量子井戸にステップ状のバリア層を設けること
により、ステップバリアが正孔に対するＡＲコートをし
たことになって透過率を増大させ正孔の局在を抑制す
る。また、バリア層を薄くすることにより軽い正孔の準
位がステップ状のバリア層にくるので波動関数がひろが
り、大きくなのるのでトンネル確率が大きくなる。
【００１０】
【実施例】図１は本発明の量子井戸半導体レーザの第１
の実施例の断面図及び禁制帯のダイアグラムである。本
実施例の量子井戸半導体レーザはＭＯＶＰＥ法によりｎ
型ＩｎＰの基板１１上にｎ型ＩｎＰのクラッド層１２、
アンドープＩｎＰの光閉じ込め層１３、アンドープＩｎ
Ｐの厚さ１０ｎｍの第２の障壁層１４１、バンドギャッ
プ波長０．９８μｍのアンドープＩｎＧａＡｓＰ混晶か
らなる厚さ２ｎｍの第１の障壁層１４２とアンドープＩ
ｎ0 . 5 3 Ｇａ0 . 4 7 Ａｓ混晶からなる厚さ７ｎｍの
井戸層１４３、バンドギャップ波長０．９８μｍのアン
ドープＩｎＧａＡｓＰ混晶からなる厚さ２ｎｍの第１の
障壁層１４２、アンドープＩｎＰの厚さ１０ｎｍの第２
の障壁層１４１からなる量子井戸を１０層積層した活性
層１４、アンドープＩｎＰの光閉じ込め層１５、ｐ型Ｉ
ｎＰのクラッド層１６を順次積層した後、メサエッチン
グして、ｐ型ＩｎＰとｎ型ＩｎＰからなる電流ブロック
層１７、ｐ型ＩｎＰのクラッド層１８、バンドギャップ
波長１．１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ混晶のコンタクト
層１９をＭＯＶＰＥ法により埋め込み、最後に電極２
０、２１を形成して作成される。
【００１１】このような構造をとることにより、量子井
戸のポテンシャルは階段状に変化する。第２の障壁層１
４１から計って、価電子帯のΓ点のエネルギーは井戸層
１４３と第１の障壁層１４２でそれぞれ３５４ｍｅＶと
５０ｍｅＶである。正孔はこのポテンシャルによって井
戸層１４３と第１の障壁層１４２の界面と第１の障壁層
１４２と第２の障壁層１４１の界面で多重反射される。
この多重反射による正孔の波動関数の干渉のため井戸層
１４３から第２の障壁層１４１への透過率が増大する。
つまり、第１の障壁層１４２をおいたことは正孔にたい
する無反射コーティングをしたことに相当する。
【００１２】図２は第１の障壁層の導入により正孔の透
過率が向上することを示す図である。井戸層１４３とし
てＩｎ0 . 5 3 Ｇａ0 . 4 7 Ａｓ、第２の障壁層１４１
としてＩｎＰを用いたときの第１の障壁層１４２の厚さ
と第１の障壁層１４２と第２の障壁層１４１との間の価
電子帯の不連続にたいする正孔の透過率を第１の障壁層
１４２が無い場合を１として示している。図２からわか
るように第１の障壁層１４２によって正孔の透過率は増
加する。特に第１の障壁層１４２の厚さが２ｎｍ、第１
の障壁層１４２と第２の障壁層１４１との間の価電子帯
の不連続が５０ｍｅＶのとき透過率は最大で第１の障壁
層１４２が無い場合の１．６３倍になる。このように量
子井戸界面での反射を低減することにより、正孔はより
隣の井戸に透過しやすくなり第２の障壁層が高くなって
も正孔の局在が抑えされる。第１の障壁層１４２を挿入
したことによる正孔の最低準位の変化は約２ｍｅＶでほ
とんど影響を受けない。
【００１３】図３は本発明の第２の実施例の断面図及び
禁制帯のダイアグラムである。本実施例の量子井戸半導
体レーザはＭＯＶＰＥ法によりｎ型ＩｎＰの基板１１上
にｎ型ＩｎＰのクラッド層１２、バンドギャップ波長
０．９５μｍのアンドープＩｎＧａＡｓＰの光閉じ込め
層１３、バンドギャップ波長０．９５μｍのアンドープ
ＩｎＧａＡｓＰの厚さ５ｎｍの第２の障壁層１４１、バ
ンドギャップ波長１．６μｍのアンドープＩｎＧａＡｓ
Ｐ混晶からなる厚さ２．５ｎｍの第１の障壁層１４２と
アンドープＩｎ0 . 8 Ｇａ0 . 2 Ａｓ混晶からなる厚さ
２．３ｎｍの井戸層１４３、バンドギャップ波長１．６
μｍのアンドープＩｎＧａＡｓＰ混晶からなる厚さ２．
５ｎｍの第１の障壁層１４２、アンドープＩｎＰの厚さ
１０ｎｍの第２の障壁層１４１からなる量子井戸を１０
層積層した活性層１４、バンドギャップ波長０．９５μ
ｍのアンドープＩｎＧａＡｓＰの光閉じ込め層１５、ｐ
型ＩｎＰのクラッド層１６を順次積層した後、メサエッ
チングして、ｐ型ＩｎＰとｎ型ＩｎＰからなる電流ブロ
ック層１７、ｐ型ＩｎＰのクラッド層１８、バンドギャ
ップ波長１．１μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ混晶のコンタ
クト層１９をＭＯＶＰＥ法により埋め込み、最後に電極
２０、２１を形成して作成される。
【００１４】この構造では第２の障壁層１４１から計っ
て、価電子帯のΓ点のエネルギーは井戸層１４３で重い
正孔にたいして５６０ｍｅＶ、軽い正孔にたいして４２
７ｍｅＶであり、第１の障壁層１４２で３２０ｍｅＶで
ある。正孔の最低準位は−４８６ｍｅＶのところにで
き、軽い正孔の準位は−３１５ｍｅＶにできる。このと
き、軽い正孔の準位は第１の障壁層１４２により高いた
め波動関数は第１の障壁層１４２に広がりさらに第２の
障壁層１４１までしみだす。このため、軽い正孔が隣の
井戸にトンネルする時間は１７０ｆｓとなり、これは軽
い正孔が最低準位に緩和する時間よりも短いため正孔の
輸送が効率良く行われる。一方最低準位の正孔の波動関
数は井戸層１４３に局在しているため、隣の井戸の影響
をうけず量子効果は損なわれない。
【００１５】図４に第２の障壁層の厚さと軽い正孔のト
ンネル時間の関係を示す。障壁層の材料等のちがいによ
る厚さとトンネル時間を考慮に入れると第２障壁層の厚
さは１０ｎｍ以下が望ましい。
【００１６】第１の実施例では井戸層に基板のＩｎＰに
格子整合したＩｎＧａＡｓを第２の実施例では２．５％
の格子歪みをもつＩｎＧａＡｓを用いたがいずれの場合
にも井戸層には格子整合したＩｎＧａＡｓまたは格子歪
みをもつＩｎＧａＡｓのいずれを用いてもよい。また、
第２の障壁層、光閉じ込め層にＡｌを含む混晶を用いて
もよい。
【００１７】
【発明の効果】以上説明したように本発明の効果を要約
すると、障壁層の組成が階段状に変化した多重量子井戸
構造を活性層とすることにより正孔の局在化を抑制し
て、閾値電流、量子効率、温度特性、高速変調といった
諸特性の優れた量子井戸半導体レーザを提供できること
である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の量子井戸半導体レーザの第１の実施例
の断面図及び禁制帯のダイアグラムを示す図である。
【図２】第１の障壁層の導入により正孔の透過率が向上
することを示す図。
【図３】第２の実施例の断面図及び禁制帯のダイアグラ
ムを示す図である。
【図４】第２の障壁層の厚さと軽い正孔のトンネル時間
との関係を示した図である。
【符号の説明】
１１ 基板 １２ クラッド層 １３ 光閉じ込め層 １４ 活性層 １５ 光閉じ込め層 １６ クラッド層 １７ 電流ブロック層 １８ クラッド層 １９ コンタクト層 ２０ 電極 ２１ 電極 １４１ 第２の障壁層 １４２ 第１の障壁層 １４３ 井戸層

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】量子井戸層を挟む障壁層の組成が段階状に
    変化し、これを量子井戸層に近い側から第１の障壁層及
    び第２の障壁層とすると、第１の障壁層を構成する半導
    体のΓ点での価電子帯のエネルギーが第２の障壁層を構
    成する半導体のΓ点での価電子帯のエネルギーよりも高
    い多重量子井戸構造を活性層とするＩｎＧａＡｓＰ系量
    子井戸半導体レーザ装置において、前記第１の障壁層の
    厚さが１ｎｍから５ｎｍの間であり、前記第１の障壁層
    を構成する半導体と前記第２の障壁層を構成する半導体
    とのΓ点における価電子帯のエネルギー差が２０ｍｅＶ
    から１５０ｍｅＶの間にあることを特徴とするＩｎＧａ
    ＡｓＰ系量子井戸半導体レーザ装置。
  2. 【請求項２】前記第２の障壁層の厚さが２ｎｍから１０
    ｎｍの間にある請求項１記載のＩｎＧａＡｓＰ系量子井
    戸半導体レーザ装置。
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