JP2867819B2 - 多重量子井戸型半導体レーザ - Google Patents
多重量子井戸型半導体レーザInfo
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
- H01S5/3403—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers having a strained layer structure in which the strain performs a special function, e.g. general strain effects, strain versus polarisation
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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、光通信システム、光計
測器、光情報処理等の光源として用いられる多重量子井
戸型半導体レーザに関する。
測器、光情報処理等の光源として用いられる多重量子井
戸型半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の多重量子井戸を有する半導体レー
ザの活性層は、図３に示すように光閉じこめを大きくす
るためのクラッド層の半導体よりバンドギャップが狭く
屈折率の大きい半導体光導波路層２，１０と、量子井戸
に閉じこめられたキャリアーの波動関数が隣の量子井戸
にしみ出さない程の厚さをもつ光導波路層の半導体より
バンドギャップが狭い半導体障壁層４，６，８と、量子
化された電子とホールのエネルギー差が目的の波長にな
る様に厚さを調整された障壁層の半導体のバンドギャッ
プより狭く屈折率が大きい半導体量子井戸層３，５，
７，９からなっている。なお、１はバッファ層，１１は
クラッド層，１２は電子の第１量子準位，１３はホール
の第１量子準位である。
ザの活性層は、図３に示すように光閉じこめを大きくす
るためのクラッド層の半導体よりバンドギャップが狭く
屈折率の大きい半導体光導波路層２，１０と、量子井戸
に閉じこめられたキャリアーの波動関数が隣の量子井戸
にしみ出さない程の厚さをもつ光導波路層の半導体より
バンドギャップが狭い半導体障壁層４，６，８と、量子
化された電子とホールのエネルギー差が目的の波長にな
る様に厚さを調整された障壁層の半導体のバンドギャッ
プより狭く屈折率が大きい半導体量子井戸層３，５，
７，９からなっている。なお、１はバッファ層，１１は
クラッド層，１２は電子の第１量子準位，１３はホール
の第１量子準位である。
【０００３】最近では、量子井戸層の半導体に意図的に
歪を導入して半導体レーザの特性改善が試みられてい
る。また、光閉じこめの為の光導波路層には、クラッド
層の半導体のバンドギャップ及び屈折率から障壁層の半
導体のバンドギャップおよび屈折率までなだらかにバン
ドギャップ及び屈折率を変化させたいわゆるＧＲＩＮ構
造や、複数のバンドギャップや屈折率の半導体を階段状
に積層させたいわゆる多段ＳＣＨ構造を採用することも
行われている。
歪を導入して半導体レーザの特性改善が試みられてい
る。また、光閉じこめの為の光導波路層には、クラッド
層の半導体のバンドギャップ及び屈折率から障壁層の半
導体のバンドギャップおよび屈折率までなだらかにバン
ドギャップ及び屈折率を変化させたいわゆるＧＲＩＮ構
造や、複数のバンドギャップや屈折率の半導体を階段状
に積層させたいわゆる多段ＳＣＨ構造を採用することも
行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】この従来の多重量子井
戸型半導体レーザでは、例え量子井戸に歪を導入したと
しても量子井戸層と障壁層のバンドギャップの組み合わ
せは一定であり、それゆえ目的の波長を得るためにすべ
ての量子井戸層の厚さは一定になっている。従って、利
得飽和を避ける為に量子井戸層数を増加した場合、反対
の導電型側の量子井戸へのキャリアーの注入が困難にな
り、各量子井戸に注入されるキャリアーが不均一にな
る。最悪の場合は、ある量子井戸では利得が生じていて
もべつの量子井戸ではまだ利得が得られずその結果とし
て共振器全体としては損失が大きくなり閾値、効率等の
特性に悪影響を及ぼしていた。特に、電子に比べてホー
ルは有効質量が大きい為に、ｎ側に近い量子井戸にはホ
ールが注入されにくいという欠点を有していた。
戸型半導体レーザでは、例え量子井戸に歪を導入したと
しても量子井戸層と障壁層のバンドギャップの組み合わ
せは一定であり、それゆえ目的の波長を得るためにすべ
ての量子井戸層の厚さは一定になっている。従って、利
得飽和を避ける為に量子井戸層数を増加した場合、反対
の導電型側の量子井戸へのキャリアーの注入が困難にな
り、各量子井戸に注入されるキャリアーが不均一にな
る。最悪の場合は、ある量子井戸では利得が生じていて
もべつの量子井戸ではまだ利得が得られずその結果とし
て共振器全体としては損失が大きくなり閾値、効率等の
特性に悪影響を及ぼしていた。特に、電子に比べてホー
ルは有効質量が大きい為に、ｎ側に近い量子井戸にはホ
ールが注入されにくいという欠点を有していた。
【０００５】この発明は上記の問題点を解決するために
成されたもので量子井戸層へのキャリアーの注入を改善
し閾値、効率等の半導体レーザの特性を向上させること
を目的とする。
成されたもので量子井戸層へのキャリアーの注入を改善
し閾値、効率等の半導体レーザの特性を向上させること
を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の多重量子井戸型
半導体レーザは、活性層に量子サイズ効果が現れる厚さ
以下の厚さをもつ複数の半導体量子井戸層と、量子井戸
層の半導体より広いバンドギャップを有する複数の半導
体障壁層と、障壁層の半導体と同じかそれより広いバン
ドギャップを有し屈折率が小さい半導体光導波路層とを
備える多重量子井戸型半導体レーザにおいて、前記複数
の量子井戸層及び障壁層の少なくとも一つの半導体層に
歪を導入することでバンドギャップを変化させ、量子井
戸層の半導体と障壁層の半導体のバンドギャップの組み
合わせが少なくても２種類以上あり、かつ、それぞれの
組み合わせで量子化された電子及びホールのエネルギー
差が同一である。
半導体レーザは、活性層に量子サイズ効果が現れる厚さ
以下の厚さをもつ複数の半導体量子井戸層と、量子井戸
層の半導体より広いバンドギャップを有する複数の半導
体障壁層と、障壁層の半導体と同じかそれより広いバン
ドギャップを有し屈折率が小さい半導体光導波路層とを
備える多重量子井戸型半導体レーザにおいて、前記複数
の量子井戸層及び障壁層の少なくとも一つの半導体層に
歪を導入することでバンドギャップを変化させ、量子井
戸層の半導体と障壁層の半導体のバンドギャップの組み
合わせが少なくても２種類以上あり、かつ、それぞれの
組み合わせで量子化された電子及びホールのエネルギー
差が同一である。
【０００７】
【作用】この発明においては、量子井戸層か障壁層の半
導体の少なくとも一層に歪を導入することで量子井戸層
と障壁層のエネルギーギャップの組み合わせを複数にし
ており、かつ、量子化された電子及びホールのエネルギ
ー差が同一になるようにしている為、量子井戸層の厚さ
を変えることができ、また、障壁層の障壁高さも変える
ことができるのでそれぞれの量子井戸へのキャリアーの
注入を制御することができる。
導体の少なくとも一層に歪を導入することで量子井戸層
と障壁層のエネルギーギャップの組み合わせを複数にし
ており、かつ、量子化された電子及びホールのエネルギ
ー差が同一になるようにしている為、量子井戸層の厚さ
を変えることができ、また、障壁層の障壁高さも変える
ことができるのでそれぞれの量子井戸へのキャリアーの
注入を制御することができる。
【０００８】
【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。図１は本発明の第１の実施例の１．４８μｍ帯多重
量子井戸型半導体レーザの活性層のバンド構造の概念図
である。この半導体レーザの製造にあたっては、ｎ型Ｉ
ｎＰ基板上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層１を０．４μｍ程
度成長し、その上にノンドープの１．０５μｍ組成のＩ
ｎＧａＡｓＰ光導波路層２を６００オングストローム程
度成長し、第一の量子井戸層として無歪のＩｎＧａＡｓ
３を５１オングストローム程度成長し、障壁層として
１．０５μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ４を１００オングス
トローム成長し、第二の量子井戸層として０．１％圧縮
歪のＩｎＧａＡｓ５を４０オングストローム成長し、障
壁層として１．０５μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ６を１０
０オングストローム成長し、第三の量子井戸層として
０．２％圧縮歪のＩｎＧａＡｓ７を３３オングストロー
ム成長し、障壁層として１．０５μｍ組成のＩｎＧａＡ
ｓＰ８を１００オングストローム成長し、第四の量子井
戸層として０．８％圧縮歪のＩｎＧａＡｓ９を２５オン
グストローム成長し、ノンドープの１．０５μｍ組成の
ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層１０を６００オングストロー
ム程度成長し、最後に、ｐ型ＩｎＰクラッド層１１を
０．８μｍ成長してＤＨ成長を終える。この場合のエピ
タキシャル成長法としては有機金属気相成長法もしくは
分子線成長法を用いる。
る。図１は本発明の第１の実施例の１．４８μｍ帯多重
量子井戸型半導体レーザの活性層のバンド構造の概念図
である。この半導体レーザの製造にあたっては、ｎ型Ｉ
ｎＰ基板上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層１を０．４μｍ程
度成長し、その上にノンドープの１．０５μｍ組成のＩ
ｎＧａＡｓＰ光導波路層２を６００オングストローム程
度成長し、第一の量子井戸層として無歪のＩｎＧａＡｓ
３を５１オングストローム程度成長し、障壁層として
１．０５μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ４を１００オングス
トローム成長し、第二の量子井戸層として０．１％圧縮
歪のＩｎＧａＡｓ５を４０オングストローム成長し、障
壁層として１．０５μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ６を１０
０オングストローム成長し、第三の量子井戸層として
０．２％圧縮歪のＩｎＧａＡｓ７を３３オングストロー
ム成長し、障壁層として１．０５μｍ組成のＩｎＧａＡ
ｓＰ８を１００オングストローム成長し、第四の量子井
戸層として０．８％圧縮歪のＩｎＧａＡｓ９を２５オン
グストローム成長し、ノンドープの１．０５μｍ組成の
ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層１０を６００オングストロー
ム程度成長し、最後に、ｐ型ＩｎＰクラッド層１１を
０．８μｍ成長してＤＨ成長を終える。この場合のエピ
タキシャル成長法としては有機金属気相成長法もしくは
分子線成長法を用いる。
【０００９】次に、ホトリソグラフ法を用いて幅２μｍ
程度の光導波路を形成する。さらに、光導波路以外の部
分にｐｎｐｎのサイリスタ構造もしくは半絶縁層で電流
阻止層を成長させる。この場合のエピタキシャル成長法
としては液相成長もしくは有機金属気相成長法を用い
る。最後に、ｐ側、ｎ側に電極を形成し、共振器長１０
００μｍにへき開し半導体レーザチップにする。
程度の光導波路を形成する。さらに、光導波路以外の部
分にｐｎｐｎのサイリスタ構造もしくは半絶縁層で電流
阻止層を成長させる。この場合のエピタキシャル成長法
としては液相成長もしくは有機金属気相成長法を用い
る。最後に、ｐ側、ｎ側に電極を形成し、共振器長１０
００μｍにへき開し半導体レーザチップにする。
【００１０】以上のようにして作成した多重量子井戸型
半導体レーザでは、ｎ側に向かって量子井戸層のＩｎＧ
ａＡｓの圧縮歪量は小さくなっているため量子井戸層の
バンドギャップもｎ側に向かって大きくなっている。従
って、目的の波長１．４８μｍにすべての量子井戸にお
ける電子とホールのエネルギー差をあわせるために、ｎ
側の量子井戸層厚はｐ側の量子井戸層厚より厚くなって
いる。このため、有効質量が大きいために各量子井戸層
への注入が不均一だったホールは、ｎ側に向かって量子
井戸厚が徐々に厚くなっているため、ｐ側よりもｎ側の
ほうの量子井戸に注入され易くなっているので注入の不
均一性が解消されている。
半導体レーザでは、ｎ側に向かって量子井戸層のＩｎＧ
ａＡｓの圧縮歪量は小さくなっているため量子井戸層の
バンドギャップもｎ側に向かって大きくなっている。従
って、目的の波長１．４８μｍにすべての量子井戸にお
ける電子とホールのエネルギー差をあわせるために、ｎ
側の量子井戸層厚はｐ側の量子井戸層厚より厚くなって
いる。このため、有効質量が大きいために各量子井戸層
への注入が不均一だったホールは、ｎ側に向かって量子
井戸厚が徐々に厚くなっているため、ｐ側よりもｎ側の
ほうの量子井戸に注入され易くなっているので注入の不
均一性が解消されている。
【００１１】図２は本発明の第２の実施例の１．５５μ
ｍ帯の多重量子井戸型半導体レーザの活性層のバンド構
造の概念図である。この例では量子井戸層の半導体は無
歪のＩｎＧａＡｓ３、５、７、９に固定し、障壁層の半
導体としては１．２μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰを採用し
ｐ側に向かって、無歪４、０．５％引っ張り歪６、１．
５％引っ張り歪８とすることでｎ側に無かって障壁層の
バンドギャップを小さくしている。従って、ｎ側に向か
って価電子帯の障壁高さが徐々に下がる為、キャリアー
の高注入時でも各量子井戸層に均一にホールを注入する
ことができる。この場合も製造の仕方は量子井戸の形成
以外は第１の実施例と全く同じである。
ｍ帯の多重量子井戸型半導体レーザの活性層のバンド構
造の概念図である。この例では量子井戸層の半導体は無
歪のＩｎＧａＡｓ３、５、７、９に固定し、障壁層の半
導体としては１．２μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰを採用し
ｐ側に向かって、無歪４、０．５％引っ張り歪６、１．
５％引っ張り歪８とすることでｎ側に無かって障壁層の
バンドギャップを小さくしている。従って、ｎ側に向か
って価電子帯の障壁高さが徐々に下がる為、キャリアー
の高注入時でも各量子井戸層に均一にホールを注入する
ことができる。この場合も製造の仕方は量子井戸の形成
以外は第１の実施例と全く同じである。
【００１２】尚、上記実施例では量子井戸層もしくは障
壁層の一方にのみ歪を導入したが、もちろん両方同時に
歪を導入しても良いしその歪量は圧縮から引っ張りにわ
たっても良い。
壁層の一方にのみ歪を導入したが、もちろん両方同時に
歪を導入しても良いしその歪量は圧縮から引っ張りにわ
たっても良い。
【００１３】また、上記実施例ではへき開によって作成
したミラーで共振器を構成するＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ
半導体レーザを例示したが、回折格子を有するＤＦＢレ
ーザにも適用できるし、１．４８μｍ帯や１．５５μｍ
帯以外の波長の半導体レーザにも適用できることはいう
までもない。更に、上記実施例は量子井戸層数が４層の
場合のみ例示したが単層以外のすべての多重量子井戸型
半導体レーザに適用可能である。
したミラーで共振器を構成するＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ
半導体レーザを例示したが、回折格子を有するＤＦＢレ
ーザにも適用できるし、１．４８μｍ帯や１．５５μｍ
帯以外の波長の半導体レーザにも適用できることはいう
までもない。更に、上記実施例は量子井戸層数が４層の
場合のみ例示したが単層以外のすべての多重量子井戸型
半導体レーザに適用可能である。
【００１４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による多重
量子井戸型半導体レーザではある発振波長に対して歪を
量子井戸層の半導体または障壁層の半導体に導入し量子
井戸層と障壁層の半導体のエネルギーギャップの組み合
わせを複数にしてあるため量子井戸層の厚さを変えるこ
とや、障壁層の価電子帯の高さを変えることができるの
でキャリアーの注入を制御することができる。
量子井戸型半導体レーザではある発振波長に対して歪を
量子井戸層の半導体または障壁層の半導体に導入し量子
井戸層と障壁層の半導体のエネルギーギャップの組み合
わせを複数にしてあるため量子井戸層の厚さを変えるこ
とや、障壁層の価電子帯の高さを変えることができるの
でキャリアーの注入を制御することができる。
【００１５】第１の実施例では共振器長１０００μｍで
端面に低反射膜と高反射膜をつけて光出力特性を測定し
たところ温度２５℃、注入電流５００ｍＡで光出力２０
０ｍＷの値が得られた。これは、従来の多重量子井戸型
半導体レーザの値の約１．３倍である。
端面に低反射膜と高反射膜をつけて光出力特性を測定し
たところ温度２５℃、注入電流５００ｍＡで光出力２０
０ｍＷの値が得られた。これは、従来の多重量子井戸型
半導体レーザの値の約１．３倍である。
【００１６】また、第２の実施例では共振器長１０００
μｍで端面に低反射膜と高反射膜をつけてパルス（パル
ス幅１μｓ，ｄｕｔｙ１％）で光出力特性を測定したと
ころ光出力特性が注入電流６５０ｍＡの高注入状態まで
飽和がはじまることがなかった。これは従来の多重量子
井戸型半導体レーザで注入電流が５００ｍＡで飽和が始
まったのに比べ、約１．３倍の飽和電流の上昇である。
μｍで端面に低反射膜と高反射膜をつけてパルス（パル
ス幅１μｓ，ｄｕｔｙ１％）で光出力特性を測定したと
ころ光出力特性が注入電流６５０ｍＡの高注入状態まで
飽和がはじまることがなかった。これは従来の多重量子
井戸型半導体レーザで注入電流が５００ｍＡで飽和が始
まったのに比べ、約１．３倍の飽和電流の上昇である。
【図１】本発明の第１の実施例の多重量子井戸型半導体
レーザ活性層のバンド構造の概念図である。
レーザ活性層のバンド構造の概念図である。
【図２】本発明の第２の実施例の多重量子井戸型半導体
レーザ活性層のバンド構造の概念図である。
レーザ活性層のバンド構造の概念図である。
【図３】従来の多重量子井戸型半導体レーザ活性層のバ
ンド構造の概念図である。
ンド構造の概念図である。
１ ｎ−ＩｎＰバッファ層 ２，１０ 光導波路層 ３，５，７，９ 量子井戸層 ４，６，８ 障壁層 １１ ｐ−ＩｎＰクラッド層 １２ 電子の第一量子準位 １３ ホールの第一量子準位
Claims (1)
- 【請求項１】 活性層に量子サイズ効果が現れる厚さ以
下の厚さをもつ複数の半導体量子井戸層と、量子井戸層
の半導体より広いバンドギャップを有する複数の半導体
障壁層と、障壁層の半導体と同じかそれより広いバンド
ギャップを有し屈折率が小さい半導体光導波路層とを備
える多重量子井戸型半導体レーザにおいて、前記複数の
量子井戸層及び障壁層の少なくとも一つの半導体層に歪
を導入することでバンドギャップを変化させ、量子井戸
層の半導体と障壁層の半導体のバンドギャップの組み合
わせが少なくても２種類以上あり、かつ、それぞれの組
み合わせで量子化された電子及びホールのエネルギー差
が同一であることを特徴とする多重量子井戸型半導体レ
ーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29944892A JP2867819B2 (ja) | 1992-11-10 | 1992-11-10 | 多重量子井戸型半導体レーザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29944892A JP2867819B2 (ja) | 1992-11-10 | 1992-11-10 | 多重量子井戸型半導体レーザ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06152052A JPH06152052A (ja) | 1994-05-31 |
| JP2867819B2 true JP2867819B2 (ja) | 1999-03-10 |
Family
ID=17872711
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29944892A Expired - Fee Related JP2867819B2 (ja) | 1992-11-10 | 1992-11-10 | 多重量子井戸型半導体レーザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2867819B2 (ja) |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7577172B2 (en) * | 2005-06-01 | 2009-08-18 | Agilent Technologies, Inc. | Active region of a light emitting device optimized for increased modulation speed operation |
| JP4720522B2 (ja) * | 2006-01-27 | 2011-07-13 | 住友電気工業株式会社 | 半導体レーザ |
| KR20080035865A (ko) * | 2006-10-20 | 2008-04-24 | 삼성전자주식회사 | 반도체 발광 소자 |
| KR101018217B1 (ko) * | 2008-10-01 | 2011-02-28 | 삼성엘이디 주식회사 | 질화물 반도체 소자 |
| KR101886437B1 (ko) * | 2012-04-26 | 2018-08-07 | 엘지디스플레이 주식회사 | 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법 |
| WO2014051137A1 (en) * | 2012-09-28 | 2014-04-03 | Canon Kabushiki Kaisha | Optical semiconductor device, driving method thereof, and optical coherence tomography apparatus having the optical semiconductor device |
| TWI685080B (zh) * | 2018-12-19 | 2020-02-11 | 禾達材料科技股份有限公司 | 電磁波屏蔽件以及應用其的傳輸線組件與電子封裝結構 |
| CN111726976B (zh) * | 2019-03-18 | 2023-04-07 | 禾达材料科技股份有限公司 | 电磁波屏蔽件以及应用其的传输线组件与电子封装结构 |
| CN112135502A (zh) * | 2019-06-24 | 2020-12-25 | 禾达材料科技股份有限公司 | 电磁波屏蔽件以及应用电磁波屏蔽件的传输线组件 |
| CN112135503A (zh) * | 2019-06-24 | 2020-12-25 | 禾达材料科技股份有限公司 | 电磁波屏蔽件以及应用电磁波屏蔽件的传输线组件 |
| JP2021034497A (ja) * | 2019-08-22 | 2021-03-01 | 株式会社東芝 | 半導体発光デバイス |
| WO2024105723A1 (ja) * | 2022-11-14 | 2024-05-23 | 日本電信電話株式会社 | 多重量子井戸構造、半導体レーザおよび多重量子井戸構造の製造方法 |
-
1992
- 1992-11-10 JP JP29944892A patent/JP2867819B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06152052A (ja) | 1994-05-31 |
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