JP2833396B2 - Strained multiple quantum well semiconductor laser - Google Patents

Strained multiple quantum well semiconductor laser

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JP2833396B2
JP2833396B2 JP5012291A JP1229193A JP2833396B2 JP 2833396 B2 JP2833396 B2 JP 2833396B2 JP 5012291 A JP5012291 A JP 5012291A JP 1229193 A JP1229193 A JP 1229193A JP 2833396 B2 JP2833396 B2 JP 2833396B2
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【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光通信、光情報処理分
野などに用いられる半導体レーザに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor laser used in optical communication and optical information processing fields.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、多くの分野で半導体レーザの需要
が高まり、GaAs系、およびInP系を中心として活発に研
究開発が進められてきた。その中でMBE, MOVPEをはじめ
とする半導体レーザの結晶成長技術が大きな進展を遂
げ、量子井戸などの非常に薄い層を再現性よくしかも大
面積にわたって均一に作製できるようになった。これら
の量子井戸は半導体レーザの活性層に用いられ、量子サ
イズ効果によってレーザの消費電力を非常に小さくでき
ることが実証され,現在では一部が製品化されるに至っ
ている。さらに最近になって,量子井戸層の格子定数を
意図的に基板からずらして歪ませることにより発光効率
が増大し、より低消費電力化が可能であることも理論
的,あるいは実験的に示されている。
2. Description of the Related Art In recent years, the demand for semiconductor lasers has been increasing in many fields, and research and development have been actively promoted mainly on GaAs and InP systems. Among them, MBE, MOVPE and other semiconductor laser crystal growth technologies have made great progress, and extremely thin layers such as quantum wells can be fabricated with good reproducibility and uniformly over a large area. These quantum wells are used for the active layer of a semiconductor laser, and it has been demonstrated that the power consumption of the laser can be extremely reduced by the quantum size effect. At present, some of them have been commercialized. More recently, it has been theoretically or experimentally shown that the luminous efficiency is increased by intentionally displacing the lattice constant of the quantum well layer from the substrate and distorting it, thereby enabling lower power consumption. ing.

【0003】図9(a)〜(c)に各半導体レーザの活性層の
屈折率分布に対応する光強度分布を示す。一般に量子井
戸レーザにおいては活性層に用いられる井戸層が10nm以
下と非常に薄いので,図9(b)に示すように活性層を単
一量子井戸とした半導体レーザの場合、自然放出光の井
戸層へ閉じ込められる割合(以下,光閉じ込め係数)が
従来の厚膜の活性層を用いたダブルヘテロ型の半導体レ
ーザ(a)に比べて非常に小さくなってしまう。自然放出
光はレーザ発振のための活性領域の反転分布を起こさせ
るのに必要なもので,光閉じ込め係数が小さいと量子井
戸あるいは歪量子井戸によって発光効率が増加しても、
より大きな自然放出光を起こさせないと活性領域に十分
な光が閉じ込められないことになり、本来の量子井戸層
の性質を十分活かしきれない。そこで、図9(c)のよう
に活性層を多重量子井戸として光閉じ込め係数を増加さ
せる方法が採られるようになり非常に消費電力の小さい
多重量子井戸レーザが実現されるようになった。それを
図10に示す。
FIGS. 9A to 9C show light intensity distributions corresponding to the refractive index distribution of the active layer of each semiconductor laser. Generally, in a quantum well laser, the well layer used for the active layer is very thin, 10 nm or less. Therefore, as shown in FIG. The ratio of being confined in the layer (hereinafter, the light confinement coefficient) is much smaller than that of the conventional double hetero type semiconductor laser (a) using a thick active layer. Spontaneous emission is necessary to cause the population inversion of the active region for laser oscillation. If the light confinement coefficient is small, even if the luminous efficiency increases due to the quantum well or the strained quantum well,
Unless larger spontaneous emission light is caused, sufficient light cannot be confined in the active region, and the original properties of the quantum well layer cannot be fully utilized. Therefore, as shown in FIG. 9C, a method of increasing the optical confinement coefficient by using an active layer as a multiple quantum well has been adopted, and a multiple quantum well laser with extremely low power consumption has been realized. It is shown in FIG.

【0004】図10は活性層が歪多重量子井戸構造であ
る歪多重量子井戸半導体レーザである。この構造は、n-
GaAs基板101上に、p-AlGaInPクラッド層4a、歪量
子井戸層3、p-AlGaInPクラッド層4bを成長させ、ク
ラッド層4bをストライプ状にエッチングし、n-GaAs電
流ブロック層102で埋め込んで、さらにp−GaAs
コンタクト層103を成長したものである。最後にn-Ga
As基板101にカソード電極105、コンタクト層10
3にアノード電極106が形成されている。活性層は歪
多重量子井戸構造となっているので、基板と同じ格子定
数をもつバリア層と、基板より大きい格子定数の井戸層
からできている。
FIG. 10 shows a strained multiple quantum well semiconductor laser in which the active layer has a strained multiple quantum well structure. This structure is n-
On the GaAs substrate 101, a p-AlGaInP cladding layer 4a, a strained quantum well layer 3, and a p-AlGaInP cladding layer 4b are grown, and the cladding layer 4b is etched in a stripe shape and buried with an n-GaAs current blocking layer 102. Furthermore, p-GaAs
The contact layer 103 is grown. Finally n-Ga
As substrate 101, cathode electrode 105, contact layer 10
3, an anode electrode 106 is formed. Since the active layer has a strained multiple quantum well structure, it is composed of a barrier layer having the same lattice constant as the substrate and a well layer having a lattice constant larger than that of the substrate.

【0005】この従来の歪多重量子井戸半導体レーザの
構造のうち、n-クラッド層4a、歪多重量子井戸3、お
よびp-クラッド層4bの格子の状態を図11(a)に示
す。図のように、歪多重量子井戸3内の井戸層111
は、バリア層112およびクラッド層4a4bより、大きな
格子定数をもっているので図11(b)のように圧縮歪を
もっている。そして、バリア層112には引っ張り歪が
生じている。井戸層111およびバリア層112に歪が
入ることにより図11(c)のようにエネルギーギャップ
は変化している。
FIG. 11A shows the state of the lattice of the n-cladding layer 4a, the strained multiple quantum well 3, and the p-cladding layer 4b in the structure of the conventional strained multiple quantum well semiconductor laser. As shown, the well layer 111 in the strained multiple quantum well 3
Has a larger lattice constant than the barrier layer 112 and the cladding layers 4a4b, and thus has a compressive strain as shown in FIG. Then, tensile strain occurs in the barrier layer 112. The energy gap changes as shown in FIG. 11 (c) due to strain in the well layer 111 and the barrier layer 112.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】このように歪量子井戸
レーザにおいても同様に光閉じ込め係数が小さいので多
重化が試みられ歪多重量子井戸としているが、特に歪多
重量子井戸の井戸層が0.5%以上の大きな歪みをもってい
る場合には期待される多重化の効果が得られないことが
ある。
Since the optical confinement coefficient of the strained quantum well laser is also small as described above, multiplexing has been attempted and a strained multiple quantum well has been used. If the distortion is large, the expected multiplexing effect may not be obtained.

【0007】図10のn-クラッド層4a、歪量子井戸層
3、p-クラッド層4bの拡大断面図を図11に示し
た。図11(a)に示すように、歪量子井戸層3は井戸層
111とバリア層112からできている。ここで井戸層
111は基板より格子定数が大きく、バリア層112は
基板と同じ格子定数である。なお、クラッド層4a,4bは
基板と同じ格子定数である。したがって、図11(a)に
示すようにバリア層112はその両側にある、それ自身
より格子定数の小さい層(クラッド層、バリア層)に囲
まれているので、それ自身の格子定数より小さくなり、
その結果圧縮歪を受けることになる。それとは逆に、バ
リア層112はそれ自身より格子定数が大きい井戸層1
11に囲まれているので、引っ張り歪が生じる。それを
図11(b)に示す。
FIG. 11 shows an enlarged sectional view of the n-clad layer 4a, the strained quantum well layer 3, and the p-clad layer 4b of FIG. As shown in FIG. 11A, the strained quantum well layer 3 includes a well layer 111 and a barrier layer 112. Here, the well layer 111 has a larger lattice constant than the substrate, and the barrier layer 112 has the same lattice constant as the substrate. The cladding layers 4a and 4b have the same lattice constant as the substrate. Therefore, as shown in FIG. 11A, the barrier layer 112 is surrounded by layers (cladding layers and barrier layers) having smaller lattice constants on both sides thereof, so that the barrier layer 112 becomes smaller than its own lattice constant. ,
As a result, they are subject to compressive strain. Conversely, the barrier layer 112 is a well layer 1 having a larger lattice constant than itself.
11, tensile strain occurs. This is shown in FIG.

【0008】図11(b)の通り、井戸層111には圧縮
歪、バリア層112には引っ張り歪が生じる。それによ
ってレーザの作製やその動作に種々の悪影響を及ぼす。
As shown in FIG. 11B, a compressive strain is generated in the well layer 111 and a tensile strain is generated in the barrier layer 112. This has various adverse effects on the production and operation of the laser.

【0009】歪多重量子井戸層3の格子定数は以上のよ
うに基板と完全に一致しているわけではなく、層数が多
くなると井戸層111とバリア層112とが互いに引っ
張り合って釣り合った格子(一般にフリースタンディン
グな格子定数という)に近づこうとする。従って,歪多
重量子井戸層3には平均的に歪みが存在するのでトータ
ルの膜厚がある値(臨界膜厚)を越えると転位欠陥が発
生する。このためレーザの活性層には臨界膜厚を越えな
い範囲で歪多重量子井戸3を作製しなければならない。
As described above, the lattice constant of the strained multiple quantum well layer 3 does not completely coincide with the substrate. As the number of layers increases, the lattice in which the well layer 111 and the barrier layer 112 are pulled and balanced with each other. (Generally called a free-standing lattice constant). Accordingly, since the strain is present on the strained multiple quantum well layer 3 on average, dislocation defects occur when the total film thickness exceeds a certain value (critical film thickness). For this reason, the strained multiple quantum well 3 must be formed in the active layer of the laser so as not to exceed the critical film thickness.

【0010】また,歪多重量子井戸の両端は基板に格子
整合した厚いクラッド層4によって格子が固定されるの
で、図11(b)のように歪みの大きさに分布ができ、
それに伴い(c)に示すようにエネルギーギャップにも
不均一が生じ、レーザの発光効率を低下させてしまう。
しかもバリア層112に引っ張り歪みが入ると井戸層1
11へのキャリアの閉じ込めが減少するので発光効率の
低下は一層大きなものとなる。
[0010] Further, since the lattice is fixed at both ends of the strained multiple quantum well by the thick cladding layer 4 lattice-matched to the substrate, the magnitude of the strain is distributed as shown in FIG.
As a result, the energy gap becomes non-uniform as shown in (c), and the luminous efficiency of the laser decreases.
Moreover, when tensile strain is applied to the barrier layer 112, the well layer 1
Since the confinement of carriers into the luminous efficiency is reduced, the luminous efficiency is further reduced.

【0011】また,GaInP/AlGaInPやInGaAsP/InPなどは
キャリアの有効質量はホールのほうが電子の数倍ほど大
きい。すると図12に示すようにホールは井戸層の価電
子帯端から100meV程度までしか分布しないが、電子の方
は200meV程度の範囲まで広いエネルギーにわたって分布
する。しかも歪みがない場合の伝導帯と価電子帯とのバ
ンドオフセット(バリア障壁)の比率は4:6程度と価電
子帯の方が大きくなっているので電子の閉じ込めを十分
できるバンドギャップの材料をバリア層として用いる
と、価電子帯のバリア障壁が必要以上に大きくなってし
まう。
In addition, in GaInP / AlGaInP, InGaAsP / InP, and the like, the effective mass of carriers is several times larger in holes than in electrons. Then, as shown in FIG. 12, holes are distributed only up to about 100 meV from the valence band edge of the well layer, but electrons are distributed over a wide energy range up to about 200 meV. In addition, the ratio of the band offset (barrier barrier) between the conduction band and the valence band when there is no distortion is about 4: 6, which is larger in the valence band, so a band gap material that can sufficiently confine electrons should be used. When used as a barrier layer, a valence band barrier becomes unnecessarily large.

【0012】そうするとホールの閉じ込めが強くなりす
ぎて量子井戸を多重化した場合、質量の大きいホールの
拡散が抑制されてしまい各井戸層でのホール密度の不均
一性が顕著となってレーザの効率を低下させてしまうと
いう問題も生じていた。
If the quantum wells are multiplexed because the confinement of holes becomes too strong, the diffusion of holes having a large mass is suppressed, and the non-uniformity of the hole density in each well layer becomes remarkable, so that the efficiency of the laser is increased. There is also a problem of lowering the image quality.

【0013】以上のように従来の歪多重量子井戸レーザ
では、 (1)歪多重量子井戸には臨界膜厚が存在し、井戸層お
よびバリア層の数を多くして多重数を大きくしようとし
てもできない。 (2)歪量子井戸の歪の分布も一様でなく、それにより
エネルギーギャップにも不均一が発生している。 (3)注入キャリア密度に各量子井戸間で不均一な分布
ができる。
As described above, in the conventional strained multiple quantum well laser, (1) a critical thickness exists in the strained multiple quantum well, and even if the number of well layers and barrier layers is increased to increase the multiplexing number. Can not. (2) The strain distribution of the strained quantum well is not uniform, and the energy gap is uneven. (3) An uneven distribution of the injected carrier density among the quantum wells can be obtained.

【0014】これらの理由により半導体レーザの特性が
を悪化していた。本発明は、以上のような問題を鑑みて
なされたもので、均一でかつ強い歪みを有するひずみ多
重量子井戸をもつ、高効率の歪多重量子井戸レーザを提
供することを目的とする。
For these reasons, the characteristics of the semiconductor laser have deteriorated. The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a highly efficient strained multiple quantum well laser having a strained multiple quantum well having uniform and strong strain.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の歪多重量子井戸半導体レーザは、 (1)化合物半導体基板と、前記化合物半導体基板上に
形成された第1のクラッド層と、前記第1のクラッド層
上に形成され、互いに逆の歪を有する井戸層とバリア層
が交互に積層された歪多重量子井戸構造をもつ活性層
と、前記活性層上に形成された第2のクラッド層とを備
え、前記井戸層及び前記バリア層の格子定数、層厚、弾
性定数により決定される前記歪多重量子井戸のフリース
タンディング格子定数が前記化合物半導体基板とほぼ一
致している歪多重量子井戸半導体レーザとする。 (2)歪多重量子井戸のフリースタンディング格子定数
が、 a0=(a111+a222)/(G11+G22) (a1、d1は各々井戸層の格子定数及び層厚を示し、
a2、d2は各々バリア層の格子定数及び層厚を示し、
1、G2は各々井戸層とバリア層を構成する材料の弾性
定数C11及びC12によりG=2(C11+C12)(1−C
12/C11)で決定される定数)である歪多重量子井戸半
導体レーザとする。 (3)活性層の歪多重量子井戸において、バリア層に引
っ張りの歪を加えた歪多重量子井戸半導体レーザとす
る。
In order to achieve the above object, a strained multiple quantum well semiconductor laser according to the present invention comprises: (1) a compound semiconductor substrate and a first cladding layer formed on the compound semiconductor substrate. And an active layer having a strained multiple quantum well structure formed on the first cladding layer, in which well layers and barrier layers having opposite strains are alternately stacked, and a second active layer formed on the active layer. Wherein the free-standing lattice constant of the strained multiple quantum well, which is determined by the lattice constant, the layer thickness, and the elastic constant of the well layer and the barrier layer, substantially matches the compound semiconductor substrate. It is a multiple quantum well semiconductor laser. (2) free standing lattice constant of a strained multiple quantum well, a 0 = (a 1 G 1 d 1 + a 2 G 2 d 2) / (G 1 d 1 + G 2 d 2) (a1, d1 each well layer The lattice constant and layer thickness of
a2 and d2 indicate the lattice constant and the layer thickness of the barrier layer, respectively.
G 1, G 2 each G = 2 (C 11 + C 12) by the elastic constants C 11 and C 12 of the material constituting the well layer and the barrier layer (1-C
12 / C 11 ). (3) A strained multiple quantum well semiconductor laser in which tensile strain is applied to a barrier layer in a strained multiple quantum well of an active layer.

【0016】[0016]

【作用】第1および第2の手段により、各井戸層の歪み
が均一になり、各井戸層でのエネルギーギャップが等し
くなる。したがって、本発明の歪多重量子井戸半導体レ
ーザは高い光学利得が得られる。
According to the first and second means, the strain in each well layer becomes uniform, and the energy gap in each well layer becomes equal. Therefore, the strained multiple quantum well semiconductor laser of the present invention can obtain a high optical gain.

【0017】また第3の手段により伝導帯のバリア障壁
を十分大きくしたまま価電子帯のバリア障壁を小さくで
きるのでホールの拡散が起こりやすくなり各井戸で均一
なキャリア密度が得られる。
Further, the third means can reduce the valence band barrier while keeping the conduction band barrier sufficiently large, so that diffusion of holes is likely to occur and uniform carrier density can be obtained in each well.

【0018】[0018]

【実施例】(実施例1)図1に第1の実施例による半導
体レーザ構造のうちのクラッド層と歪多重量子井戸の断
面図を示す。なおこの部分以外は図10の構造と同一で
ある。またクラッド層、井戸層、バリア層の組成、およ
び基板との格子不整合率は図7,8に説明した。
(Embodiment 1) FIG. 1 is a sectional view of a cladding layer and a strained multiple quantum well in a semiconductor laser structure according to a first embodiment. Except for this part, the structure is the same as that of FIG. The compositions of the cladding layer, the well layer, and the barrier layer, and the lattice mismatch with the substrate are described in FIGS.

【0019】実施例1においては、井戸層11は厚さ5n
mのGa0.44In0.56P、バリア層12は5nmの(Al0.45G
a0.55)0.57In0.43Pから構成されている。この場合井戸
層11およびバリア層12はGaAs基板との格子不整
合によってそれぞれ圧縮歪み0.5%、引っ張り歪み0.5%を
含んでいる。従来の歪多重量子井戸半導体レーザと比較
してバリア層に、井戸層とは逆の歪を入れたところが異
なる点である。ただし、井戸層およびバリア層は、次式
で示すこの歪多重量子井戸3のフリースタンディングで
の格子定数a0は、基板の格子定数に一致するような条件
を満たしている。
In the first embodiment, the well layer 11 has a thickness of 5n.
m 0.44 In 0.56 P, the barrier layer 12 is 5 nm (Al 0.45 G
a 0.55 ) Consists of 0.57 In 0.43 P. In this case, the well layer 11 and the barrier layer 12 have a compressive strain of 0.5% and a tensile strain of 0.5%, respectively, due to lattice mismatch with the GaAs substrate. This is different from the conventional strained multiple quantum well semiconductor laser in that a strain opposite to that of the well layer is applied to the barrier layer. However, the well layers and barrier layers, lattice constant a 0 in the free-standing of the strained MQW 3 shown by the following formula satisfies the condition to match the lattice constant of the substrate.

【0020】a0=(a1G1d1+a2G2d2)/(G1d1+G2d2) ここでa, dは各々格子定数,層厚で添字1が井戸層1
1,2がバリア層12の値を示している。またGは各材料
の弾性定数C11, C12から決まる定数で,次式より求めら
れる。G=2(C11+C12)(1-C12/C11) 以上の条件においては、歪多重量子井戸をn−クラッド
層4a(基板と同じ格子定数)の上に成長しても、この条
件で作成した歪多重量子井戸のフリースタンディングの
格子定数は、基板(クラッド層)と同じであるから、平
均として歪多重量子井戸3に加わる歪みはゼロとなり、
無限の周期にわたってエピタキシャル成長を行なっても
転位欠陥等の発生がなく良好な品質の結晶が作製でき
る。これを半導体レーザの活性層として用いても同様に
無限の数の井戸層を形成できる。良好な特性をもつ歪量
子井戸半導体レーザには、最適の井戸層、バリア層の多
重数があるが、本実施例によれば最適の多重数にあわせ
ることができ、良好な特性の半導体レーザを製造するこ
とができる。
A 0 = (a 1 G 1 d 1 + a 2 G 2 d 2 ) / (G 1 d 1 + G 2 d 2 ) where a and d are lattice constants, respectively, and the subscript 1 is the well thickness. Layer 1
Reference numerals 1 and 2 indicate values of the barrier layer 12. G is a constant determined from the elastic constants C 11 and C 12 of each material, and can be obtained from the following equation. G = 2 (C 11 + C 12 ) (1-C 12 / C 11 ) Under the above conditions, even if the strained multiple quantum well is grown on the n-cladding layer 4a (the same lattice constant as the substrate), Since the lattice constant of the free standing of the strained multiple quantum well created under these conditions is the same as that of the substrate (cladding layer), the strain applied to the strained multiple quantum well 3 on average is zero,
Even when epitaxial growth is performed over an infinite period, a crystal of good quality can be produced without generating dislocation defects or the like. Even if this is used as an active layer of a semiconductor laser, an infinite number of well layers can be similarly formed. A strained quantum well semiconductor laser having good characteristics has an optimum multiplex number of well layers and barrier layers. According to the present embodiment, the optimum multiplex number can be adjusted, and a semiconductor laser having good characteristics can be obtained. Can be manufactured.

【0021】図2に歪多重量子井戸の構造、その歪およ
びエネルギーギャップの分布をそれぞれ示す。図2(a)
のとおり井戸層11の圧縮歪とバリア層12の引っ張り
歪とがちょうど基板の格子定数のところで釣り合ってい
る状態なので図のように井戸層11に加わる歪みの量は
ほぼ均一となり、それによりエネルギーギャップも均一
となり従来の問題であった光学利得の低下を防ぐことが
できる。
FIG. 2 shows the structure of the strained multiple quantum well, and the distribution of the strain and the energy gap thereof. Fig. 2 (a)
As described above, since the compressive strain of the well layer 11 and the tensile strain of the barrier layer 12 are in balance at the lattice constant of the substrate, the amount of strain applied to the well layer 11 becomes almost uniform as shown in FIG. And the optical gain, which is a conventional problem, can be prevented.

【0022】また、バリア層12に引っ張り歪みを加え
た場合価電子帯のバンド端がライトホールのサブバンド
となりホールの質量が軽くできるので井戸層数を増加さ
せたときに問題となる井戸間の注入キャリア密度の不均
一性も抑制でき、良好なレーザ特性が得られる。
Further, when tensile strain is applied to the barrier layer 12, the band edge of the valence band becomes a sub-band of the light hole and the mass of the hole can be reduced, so that a problem arises when the number of well layers is increased. Non-uniformity of injected carrier density can also be suppressed, and good laser characteristics can be obtained.

【0023】なお、本実施例ではGaInP/AlGaInP系を用
いたが、いかなる材料の半導体レーザにおいても同様で
あることは言うまでもない。また、本実施例とは逆に井
戸層に引っ張り歪み、バリア層に圧縮歪みを加えた場合
でも同様である。
Although the present embodiment uses the GaInP / AlGaInP system, it goes without saying that the same applies to semiconductor lasers of any material. The same applies to the case where tensile strain is applied to the well layer and compressive strain is applied to the barrier layer.

【0024】(実施例2)図3に第2の実施例による歪
多重量子井戸半導体レーザの歪多重量子井戸の断面図を
示す。実施例1と同じで図3に示すクラッド層、井戸
層、バリア層以外は図10と同じである。また図7,8
に各層の組成、および格子不整合率を説明している。
Embodiment 2 FIG. 3 is a sectional view of a strained multiple quantum well of a strained multiple quantum well semiconductor laser according to a second embodiment. 10 is the same as FIG. 10 except for the clad layer, well layer, and barrier layer shown in FIG. 7 and 8
Describes the composition of each layer and the lattice mismatch rate.

【0025】図4に歪多重量子井戸3、クラッド層4a,4
bの構造を示す。井戸層31は厚さ5nmのGa0.44In
0.56P,バリア層32は5nmの(Al0.50Ga0.50)0.44In0.56
Pから構成されている。(b)から井戸層31、バリア層3
2ともに0.5%の圧縮歪みが加えられた状態であることが
わかる。
FIG. 4 shows the strained multiple quantum well 3 and the cladding layers 4a and 4a.
2 shows the structure of b. The well layer 31 is made of Ga 0.44 In having a thickness of 5 nm.
0.56 P, barrier layer 32 is 5 nm (Al 0.50 Ga 0.50 ) 0.44 In 0.56
Consists of P. (b) From well layer 31, barrier layer 3
It can be seen that each of the samples No. 2 was in a state where a compression strain of 0.5% was applied.

【0026】この場合、歪多重量子井戸部3では実施例
1で述べたフリースタンディングが基板と一致していな
いので転位欠陥を発生する臨界の膜厚は存在する。従っ
て、歪多重量子井戸3全体の膜厚をその臨界膜厚以下と
しなければならない。このため本実施例では井戸数を3
としたが,これは当然井戸層31、およびバリア層32
の膜厚や加える歪みの大きさによっても変化する。
In this case, since the free standing described in the first embodiment does not coincide with the substrate in the strained multiple quantum well 3, there is a critical film thickness at which dislocation defects occur. Therefore, the film thickness of the entire strained multiple quantum well 3 must be less than the critical film thickness. Therefore, in this embodiment, the number of wells is 3
However, this is because the well layer 31 and the barrier layer 32
It varies depending on the thickness of the film and the magnitude of the applied strain.

【0027】井戸層31とバリア層32とがともに同じ
量の歪みを持っているのでこの2層は互いに引っ張り合
うことはなく、均一な歪みの分布を有している。この2
層はいずれも基板より大きな格子定数をもっているの
で、基板に対して同量の圧縮歪を有している。したがっ
て、歪量子井戸に大きな歪を導入することができる。た
だしここで注意しなくてはいけないのはこの歪量子井戸
の膜厚を、臨界膜厚以下にすることである。そうでない
と、歪量子井戸に転位が入り、半導体レーザの特性が劣
化するからである。
Since both the well layer 31 and the barrier layer 32 have the same amount of strain, the two layers do not pull each other and have a uniform strain distribution. This 2
Since each layer has a larger lattice constant than the substrate, it has the same amount of compressive strain with respect to the substrate. Therefore, a large strain can be introduced into the strained quantum well. However, it should be noted here that the thickness of the strained quantum well is set to a critical thickness or less. Otherwise, dislocations will enter the strained quantum well, and the characteristics of the semiconductor laser will be degraded.

【0028】このように実施例2では、実施例1と同様
に高い光学利得を得ることができる。
As described above, in the second embodiment, a high optical gain can be obtained as in the first embodiment.

【0029】なお,本実施例においても,いかなる材料
の半導体レーザでも同様である。また、本実施例とは逆
に井戸層31、バリア層32にともに引っ張り歪みを加
え、この膜厚を臨界膜厚以下とした場合でも同様であ
る。
In this embodiment, the same applies to semiconductor lasers of any material. Further, contrary to the present embodiment, the same applies when tensile strain is applied to both the well layer 31 and the barrier layer 32 and the thickness is set to be equal to or less than the critical thickness.

【0030】(実施例3)図5に第3の実施例による歪
多重量子井戸半導体レーザの歪多重量子井戸の断面図を
示す。この層以外は図10と同じ構造である。また各組
成と格子不整合率は図7,8に説明した。
(Embodiment 3) FIG. 5 is a sectional view showing a strained multiple quantum well of a strained multiple quantum well semiconductor laser according to a third embodiment. The structure other than this layer is the same as that of FIG. The compositions and lattice mismatch rates are described in FIGS.

【0031】井戸層51は厚さ5nmのGa0.51In0.49P,バ
リア層52は5nmの(Al0.50Ga0.60)0 .44In0.56Pから構成
されている。この構造は、バリア層52に圧縮歪が入っ
ている点に特徴がある。圧縮歪eが加わったときバリア
層52の伝導帯および価電子帯のバンド端(図6(a)参
照)のエネルギーは歪の静水圧成分によって次式のよう
に各々δEC,δEVずつ変化する。
The well layer 51 is Ga 0.51 In 0.49 P having a thickness of 5 nm, the barrier layer 52 is composed of (Al 0.50 Ga 0.60) 0 .44 In 0.56 P of 5 nm. This structure is characterized in that the barrier layer 52 has a compressive strain. When compressive strain e is applied, the energy at the band edge of the conduction band and the valence band of the barrier layer 52 (see FIG. 6A) changes by ΔE C and ΔE V respectively according to the hydrostatic pressure component of the strain as shown in the following equation. I do.

【0032】 δEC=ac[(C11-C12)/C11]e δEV=av[(C11-C12)/C11]e ここで,acおよびavは伝導帯,価電子帯のデフォーメー
ションポテンシャルである。通常の化合物半導体ではac
がavよりもおおきく例えばGaInPではacがavの4倍程度大
きくなっている。
ΔE C = a c [(C 11 -C 12 ) / C 11 ] e δE V = a v [(C 11 -C 12 ) / C 11 ] e where a c and a v are conduction bands , The deformation potential of the valence band. A c for ordinary compound semiconductors
There the big example GaInP a c is greater 4 times the a v than a v.

【0033】図6に歪みのない場合(a)と、バリア層に
圧縮歪が加えられた場合(b)のエネルギーギャップを示
す。図から明らかなように(b)が相対的に伝導帯5のバリ
ア障壁が大きく,価電子帯6のバリア障壁が小さくなっ
ている。その結果バリア層のバンドギャップを小さくし
ても伝導帯5には電子を閉じ込めるのにほぼ十分な150me
Vのバリア障壁が得られ、一方価電子帯6は150meV程度と
ホールの拡散を阻害しない程度に抑えることができる。
その結果、井戸数を増やしてもキャリアが各井戸とも均
一に分布し、低い損失と高い光学利得を得ることができ
る。
FIG. 6 shows the energy gap when there is no distortion (a) and when the barrier layer is subjected to compressive strain (b). As is clear from the figure, (b) shows that the barrier in the conduction band 5 is relatively large and the barrier in the valence band 6 is relatively small. As a result, even if the band gap of the barrier layer is reduced, the conduction band 5 is almost enough to confine electrons in 150 me.
A V barrier is obtained, while the valence band 6 can be suppressed to about 150 meV, which does not hinder the diffusion of holes.
As a result, even if the number of wells is increased, carriers are uniformly distributed in each well, so that low loss and high optical gain can be obtained.

【0034】なお、井戸層のみに引っ張り歪をいれた場
合も本実施例と同様のバリア障壁を得ることができる
し、両方を組み合わせて井戸層に引っ張り歪、バリア層
に圧縮歪を入れるとより効果的となる。
When the tensile strain is applied only to the well layer, the same barrier and barrier as in this embodiment can be obtained. When both are combined, tensile strain is applied to the well layer and compressive strain is applied to the barrier layer. Be effective.

【0035】[0035]

【発明の効果】以上説明しましたように本発明により、
低しきい値電流等の良好な光学特性をもつ歪多重量子井
戸半導体レーザが実現できる。
As described above, according to the present invention,
A strained multiple quantum well semiconductor laser having good optical characteristics such as a low threshold current can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】第1の実施例による歪多重量子井戸の構成断面
FIG. 1 is a sectional view showing the configuration of a strained multiple quantum well according to a first embodiment.

【図2】第1の実施例による格子定数、歪み、エネルギ
ーギャップの分布を示す図
FIG. 2 is a diagram showing distributions of lattice constants, strains, and energy gaps according to the first embodiment.

【図3】第2の実施例による歪多重量子井戸の構成断面
FIG. 3 is a configuration sectional view of a strained multiple quantum well according to a second embodiment.

【図4】第2の実施例による格子定数、歪み、エネルギ
ーギャップの分布を示す図
FIG. 4 is a diagram showing distributions of lattice constant, strain, and energy gap according to a second embodiment.

【図5】第3の発明による歪多重量子井戸の構成断面図FIG. 5 is a sectional view showing the configuration of a strained multiple quantum well according to the third invention.

【図6】第3の実施例によるエネルギーギャップを示す
FIG. 6 is a diagram showing an energy gap according to a third embodiment.

【図7】各実施例のクラッド層、バリア層、井戸層の組
成を示す図
FIG. 7 is a diagram showing compositions of a clad layer, a barrier layer, and a well layer in each embodiment.

【図8】各実施例のクラッド層、バリア層、井戸層の基
板との格子不整合率を示す図
FIG. 8 is a diagram showing a lattice mismatch ratio between a clad layer, a barrier layer, and a well layer of a substrate according to each embodiment.

【図9】活性層の構造の違いによる光閉じ込めを示す図FIG. 9 is a diagram showing light confinement due to the difference in the structure of the active layer.

【図10】歪多重量子井戸半導体レーザの構成断面図FIG. 10 is a sectional view showing the configuration of a strained multiple quantum well semiconductor laser.

【図11】従来の歪多重量子井戸における格子定数、歪
み、エネルギーギャップの分布を示す図
FIG. 11 is a diagram showing distributions of lattice constant, strain, and energy gap in a conventional strained multiple quantum well.

【図12】電子およびホールのエネルギー分布を示す図FIG. 12 is a diagram showing energy distribution of electrons and holes.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

3 歪多重量子井戸 4a n−クラッド層 4b p−クラッド層 5 伝導帯 6 価電子帯 7 電子のエネルギー分布 8 ホールのエネルギー分布 11 Ga0.44In0.56P歪量子井戸層 12 (Al0.45Ga0.55)0.57In0.43P歪バリア層 31 Ga0.44In0.56P歪量子井戸層 32 (Al0.50Ga0.50)0.44In0.56P歪バリア層 51 Ga0.51In0.49P歪量子井戸層 52 (Al0.50Ga0.50)0.44In0.56P歪バリア層 111 Ga0.44In0.56P井戸層 112 (Al0.45Ga0.55)0.51In0.49Pバリア層Reference Signs List 3 Strained multiple quantum well 4an n-cladding layer 4b p-cladding layer 5 conduction band 6 valence band 7 electron energy distribution 8 hole energy distribution 11 Ga 0.44 In 0.56 P strained quantum well layer 12 (Al 0.45 Ga 0.55 ) 0.57 In 0.43 P strain barrier layer 31 Ga 0.44 In 0.56 P strain quantum well layer 32 (Al 0.50 Ga 0.50 ) 0.44 In 0.56 P strain barrier layer 51 Ga 0.51 In 0.49 P strain quantum well layer 52 (Al 0.50 Ga 0.50 ) 0.44 In 0.56 P strain barrier layer 111 Ga 0.44 In 0.56 P well layer 112 (Al 0.45 Ga 0.55 ) 0.51 In 0.49 P barrier layer

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−267784(JP,A) 特開 平3−21093(JP,A) 特開 平4−22185(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01S 3/18 JICSTファイル(JOIS)Continuation of the front page (56) References JP-A-5-267784 (JP, A) JP-A-3-21093 (JP, A) JP-A-4-22185 (JP, A) (58) Fields investigated (Int) .Cl. 6 , DB name) H01S 3/18 JICST file (JOIS)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】化合物半導体基板と、前記化合物半導体基
板上に形成された第1のクラッド層と、前記第1のクラ
ッド層上に形成され、互いに逆の歪を有する井戸層とバ
リア層が交互に積層された歪多重量子井戸構造をもつ活
性層と、前記活性層上に形成された第2のクラッド層と
を備え、前記井戸層及び前記バリア層の格子定数、層
厚、弾性定数により決定される前記歪多重量子井戸のフ
リースタンディング格子定数が前記化合物半導体基板と
ほぼ一致していることを特徴とする歪多重量子井戸半導
体レーザ。
1. A compound semiconductor substrate, a first cladding layer formed on the compound semiconductor substrate, and a well layer and a barrier layer formed on the first cladding layer and having strains opposite to each other. An active layer having a strained multiple quantum well structure and a second cladding layer formed on the active layer, and are determined by a lattice constant, a layer thickness, and an elastic constant of the well layer and the barrier layer. Wherein the free standing lattice constant of the strained multiple quantum well is substantially equal to that of the compound semiconductor substrate.
【請求項2】歪多重量子井戸のフリースタンディング格
子定数が、 a0=(a111+a222)/(G11+G22) (a1、d1は各々井戸層の格子定数及び層厚を示し、
a2、d2は各々バリア層の格子定数及び層厚を示し、
1、G2は各々井戸層とバリア層を構成する材料の弾性
定数C11及びC12によりG=2(C11+C12)(1−C
12/C11)で決定される定数)であることを特徴とする
請求項1に記載の歪多重量子井戸半導体レーザ。
2. A free-standing lattice constant of a strained multiple quantum well, a 0 = (a 1 G 1 d 1 + a 2 G 2 d 2) / (G 1 d 1 + G 2 d 2) (a1, d1 each The lattice constant and layer thickness of the well layer;
a2 and d2 indicate the lattice constant and the layer thickness of the barrier layer, respectively.
G 1, G 2 each G = 2 (C 11 + C 12) by the elastic constants C 11 and C 12 of the material constituting the well layer and the barrier layer (1-C
2. The strained multiple quantum well semiconductor laser according to claim 1, wherein the constant is determined by ( 12 / C 11 ).
【請求項3】活性層の歪多重量子井戸において、バリア
層に引っ張りの歪を加えたことを特徴とする請求項1に
記載の歪多重量子井戸半導体レーザ。
3. The semiconductor laser according to claim 1, wherein a tensile strain is applied to the barrier layer in the strained multiple quantum well of the active layer.
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