JP2877107B2 - 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

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信システムに
用いられる耐環境用半導体レーザや高速変調用半導体レ
ーザ装置に関し、特に多重量子井戸構造を活性層に持つ
多重量子井戸型半導体レーザに関する。
【0002】
【従来の技術】従来の光通信用半導体レーザ装置の活性
層における分離閉じ込め構造(SCH:Separate Confi
nement Heterostructure)は、量子井戸と呼ばれる超薄
膜の活性層構造に、電子―正孔対と光子を共に閉じこ
め、電子−正孔対と光子の相互作用による変換効率を最
大化する目的で用いられている。例えば、特開平6-4569
7号公報には、量子井戸活性層の両側の構造をGRIN
−SCH構造(グレーデイッド・インデックス形分離閉
じ込めへテロ構造)にした半導体レーザ装置が記載され
ている。
【0003】図7は、その半導体レーザ装置の一例で、
活性層近傍のエネルギーバンド構造図である。井戸層1
06と障壁層107からなる歪多重量子井戸活性層10
0の両側には、多重量子井戸層から離れるに従ってエネ
ルギー・ギヤツプが増大するp-InGaAsP GRIN-SCH層10
1とn-InGaAsP GRIN-SCH層102が配置され、さらに両
側にp-InPクラッド層104とn-InPクラッド層105が
配置されている。このGRIN-SCH層の組成傾斜は、エネル
ギー・ギャップ傾斜および光の屈折率傾斜を与える。エ
ネルギー・ギャップ傾斜はMQW(Multi Quantum Wel
l:多重量子井戸型)への電子及び正孔の良好な閉じ込
めを、光の屈折率傾斜は活性層への光の良好な閉じ込め
を可能にする。
【0004】このGRIN−SCH構造は、極めて小さ
いレーザ発振しきい値を得ることが可能であり、それは
現在のIII−V族半導体レーザダイオードにおいて用い
られる公知の構造である。また、このGRIN−SCH
構造を例えば図8に示すような曲線的組成傾斜を用いた
構造とする技術も知られている(特開平1-181492号公報
参照)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来例に挙げたSCH構造では、静特性面で良
好な特性が得られる点は考慮されているものの、高速変
調動作において良好な特性が得られるようには最適化さ
れていないという問題点がある。その理由は、電子と正
孔ではクラッド層から活性層へ到達する時間が異なるた
め、従来のSCH構造では高速動作において電子と正孔
がバランスよく活性層へ注入されないことにある。
【0006】また、第2の問題点として、電子と光子を
共に同一の狭い箇所に閉じ込めると、電子のプラズマ効
果による自由キャリア吸収が、電子密度の高い所ほど大
きく光子を吸収するためレーザの特性が劣化してしまう
点がある。
【0007】本発明の第1の目的は、上記のような従来
の多重量子井戸型半導体レーザにおけるSCH構造の問
題を除去し、高速応答特性に優れた多重量子井戸型半導
体レーザを提供することにある。
【0008】第2の目的は、温度変化による特性変化が
小さい多重量子井戸型半導体レーザを提供することにあ
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、第1の発明は、多重量子井戸構造を活性層に持つ多
重量子井戸型半導体レーザにおいて、前記多重量子井戸
構造層、該多重量子井戸における障壁層よりもエネル
ギー・ギャップの大きなn型およびp型の2つの分離閉
じ込めヘテロ構造層により挟まれた構造を有し、前記n
型の分離閉じ込めヘテロ構造層が前記p型の分離閉じ込
めヘテロ構造層よりも厚く、かつ、前記n型の分離閉じ
込めヘテロ構造層のみが前記多重量子井戸から離れるに
したがってエネルギー・ギャップが大きくなるように構
成されことを特徴とする。
【0010】第2の発明は、多重量子井戸構造を活性層
に持つ多重量子井戸型半導体レーザにおいて、前記多重
量子井戸構造層が、該多重量子井戸における障壁層より
もエネルギー・ギャップの大きなn型およびp型の2つ
の分離閉じ込めヘテロ構造層により挟まれた構造を有
し、前記n型の分離閉じ込めヘテロ構造層は、伝導帯の
ポテンシャルのみが前記多重量子井戸から離れるにした
がって高くなるように構成され、前記p型の分離閉じ込
めヘテロ構造層は、価電子帯ポテンシャルのみが前記多
重量子井戸から離れるにしたがって低くなるように構成
されたことを特徴とする。
【0011】第3の発明は、多重量子井戸構造を活性層
に持つ多重量子井戸型半導体レーザにおいて、前記多重
量子井戸構造層が、該多重量子井戸における障壁層より
もエネルギー・ギャップの大きなn型およびp型の2つ
の分離閉じ込めヘテロ構造層により挟まれた構造を有
し、前記n型の分離閉じ込めヘテロ構造層は、III族原
子のみの組成比を変えることで、その伝導帯のポテンシ
ャルが、前記多重量子井戸から離れるにしたがって高く
なるように構成され、前記p型の分離閉じ込めヘテロ構
造層はV族原子のみの組成比を変えることで、その価電
子帯ポテンシヤルが、前記多重量子井戸から離れるにし
たがって低くなるように構成されたことを特徴とする。
【0012】第4の発明は、多重量子井戸構造を活性層
に持つ多重量子井戸型半導体レーザにおいて、前記多重
量子井戸構造層、該多重量子井戸における障壁層より
もエネルギー・ギャップの大きなn型およびp型の2つ
の分離閉じ込めヘテロ構造層により挟まれた構造を有
し、前記n型の分離閉じ込めヘテロ構造層のみが、前記
多重量子井戸のうちn側にもっとも近い井戸との間にト
ンネル障壁層を有し、該トンネル障壁層に電子のトンネ
ル注入が可能な構造となっており、その伝導帯のポテン
シャルが、前記多重量子井戸に近づくにしたがって前記
障壁層のポテンシャルよりも低くなるように構成された
ことを特徴とする。
【0013】上記の場合、前記n型の分離閉じ込めヘテ
ロ構造層は、電子の第一準位が前記多重量子井戸のうち
n側にもっとも近い井戸の第一準位と一致するように形
成されることが望ましい。
【0014】上述のように構成される本発明によれば、
以下のような作用により前述の課題が解決される。
【0015】半導体レーザの変調帯域は、電子や正孔の
活性層への注入効率で決定される。通常電子がSCH
層を走行する時間は、例えば図6(a)に示す構造では
40ピコ秒と正孔の走行する時間(約400ピコ秒)に
比ベ10倍程度速いが、電子の量子井戸への捕獲時間
は数ピコ秒と正孔の捕獲時間に比ベて10倍程度遅い。
【0016】本発明では、SCH層はP側の方がn側よ
り薄くなっているので、正孔のSCH層を走行する時間
を短縮することができ、さらにn側はそのエネルギー・
ギャップが多重量子井戸から離れるにしたがって大きく
なるGRIN型構造になっているので、電子の量子井戸
への捕獲時間を短縮することができる。このように、電
子が量子井戸層へ捕獲される時間および正孔がSCH層
を走行する時間を短縮することで、量子井戸層へのキャ
リアの注入効率が増大される。
【0017】また、n側のみGRIN型構造とし、p側
のSCH層にはGRIN型を採用しない非対称構造にな
っているので、例えば図6(b)に示すように電子の第
二準位は、p側およびn側ともにGRIN・SCH構造
とされる従来のものよりも低くなり、電子の量子井戸へ
の捕獲時間は1万倍程度短くなる。
【0018】本発明のうち、p側のSCH層の価電子帯
のみをGRIN構造にし、かつ、n側のSCH層の伝導
帯のみをGRIN構造とするものにおいては、上述の構
造のものよりも正孔がSCH層を走行する時間がさらに
短くなり、また電子のみならず正孔も第二準位が低くな
るので、正孔の量子井戸への捕獲時間はさらに1.5倍
程度短くなる。
【0019】本発明のうち、n側のSCH層から活性層
へトンネル注入するようなSCH構造とし、電子の量子
井戸への注入効率を改善したものにおいては、量子井戸
への捕獲時間をさらに半分にすることができる。さらに
は、n側のSCH層はエネルギー・ギャップが多重量子
井戸から離れるにしたがって井戸層のエネルギー・ギャ
ップから増大する組成となっているので、量子井戸への
捕獲時間はさらに短くなる。このように、電子や正孔の
活性層への注入効率を向上させることで、電子や正孔の
活性層からのオーバーフローが抑制され、温度特性が向
上する。
【0020】以上のような本発明によれば、p側のSC
H層とn側のSCH層の層厚が等しくないため、活性層
での光強度分布は非対称になり、活性層領域での自由キ
ャリア吸収は従来のものに比べて減少するので、従来の
ようにレーザの特性が劣化することはない。また、高速
動作においても電子と正孔がバランスよく活性層へ注入
されるので、高速変調動作においても良好な特性が得ら
れる。
【0021】
【発明の実施の形態】
<実施例1>図1は、本発明の第1の実施例の多重量子
井戸型半導体レーザの活性層近傍のエネルギー・バンド
構造図である。
【0022】本実施例の半導体レーザは、多重量子井戸
構造を活性層に持つ多重量子井戸型半導体レーザであっ
て、歪多重量子井戸層1がp-InGaAsP SCH層2とn-InGaA
sP GRIN-SCH層3とにより挟まれ、さらにこれらがp-InP
クラッド層4とn-InPクラッド層5とにより挟まれた構
造となっている。これらの層は周知のエピタキシャル成
長により形成することができる。
【0023】p-InGaAsP SCH層2とn-InGaAsP GRIN-SCH
層3はともに、井戸層6における障壁層7よりもエネル
ギーギャップが大きくなっている。n-InGaAsP GRIN-SCH
層3は、p-InGaAsP SCH層2より厚くなっており、その
エネルギー・ギャップが多重量子井戸から離れるにした
がって大きくなっている。
【0024】ここでは、歪多重量子井戸層1は井戸層6
が1.4μm波長に対応するバンドギャップを持つ0.
7%圧縮歪みを施したInGaAsP組成で、層厚が5nm、
層数が7となっており、障壁層7が1.13μm波長に
対応するバンドギャップを持つInGaAsP組成で、層厚が
7nm、層数が6となっている。この活性層における発
光波長は1.3μmである。
【0025】p-InGaAsP SCH層2は1.13μm波長に
対応するバンドギャップを持つp-InGaAsP組成で、その
層厚は20nmである。n-InGaAsP GRIN-SCH層3は1.
13μm波長に対応するバンドギャップを持つn-InGaAs
P組成から、多重量子井戸から離れるにしたがってバン
ドギャップが増大する構成となっており、その層厚は4
0nm〜60nmである。すなわち、本実施例では、n
型SCH層は40nm〜60nm厚程度のGRIN型に
して電子の量子井戸への捕獲時間をできる限り短縮する
一方、p型SCH層を20nmと薄くして正孔のSCH
層を走行する時間を短縮するようになっている。
【0026】上述のように構成された活性層近傍の構造
をpnpn電流ブロック構造を有するBH(buried het
ero:埋め込みヘテロ)構造プレーナ型に埋め込み、電極
を形成し、半導体レーザを完成する。このSCH構造を
持つレーザを、共振器長300μmに切り出し、前面、
後面にそれぞれ30%、90%のコーテイングを施した
場合、10mW出力におけるカットオフ周波数は20℃
で11GHz、85℃で8GHzであった。
【0027】比較のために、図7に示すように歪多重量
子井戸層の両側がGRIN-SCH層である従来型の半導体レー
ザ装置では、カットオフ周波数は20℃で9.5GH
z、85℃で6GHz程度である。
【0028】<実施例2>図2は本発明の第2の実施例
の多重量子井戸型半導体レーザの活性層近傍のエネルギ
ー・バンド構造図である。
【0029】本実施例の半導体レーザ装置は、多重量子
井戸構造を有する発光層を備えた半導体レーザ装置であ
って、歪多重量子井戸層11がp-InAsP価電子帯GRIN-SC
H層12とn-InAlAs伝導帯GRIN-SCH層13とにより挟ま
れ、さらにこれらがp-InPクラッド層14とn-InPクラッ
ド層15とにより挟まれた構成となっている。これらの
層は周知のエピタキシャル成長により形成することがで
きる。
【0030】歪多重量子井戸層11は上述の図1に示し
た歪多重量子井戸層1と同様の構成である。p-InAsP価
電子帯GRIN-SCH層12とn-InAlAs伝導帯GRIN-SCH層13
はともに、井戸層6における障壁層7よりもエネルギー
ギャップが大きくなっている。n-InAlAs伝導帯GRIN-SCH
層13はp-InAsP価電子帯GRIN-SCH層12より厚くなっ
ており、伝導帯のポテンシャルが多重量子井戸6から離
れるにしたがって高くなっている。また、p-InAsP価電
子帯GRIN-SCH層12は、価電子帯ポテンシャルが多重量
子井戸6から離れるにしたがって低くなっている。
【0031】具体的には、p-InAsP価電子帯GRIN-SCH層
12は、井戸層16より離れるにしたがって、1.13
μm波長に対応するバンドギャップを持つp-InAsP組成
からエネルギー・ギヤップを徐々に増大させるととも
に、価電子帯のポテンシャルのみ減少するように組成を
InAsPに近づけるよう形成されており、その層厚は20
nmとなっている。また、n-InAlAs伝導帯GRIN-SCH層1
3は、井戸層6より離れるにしたがって、1.13μm
波長に対応するバンドギャップを持つn-InAlAs組成から
エネルギー・ギャップを徐々に増大させるとともに、伝
導帯のポテンシャルのみ増大するように組成をInGaAsP
に近づけるよう生成されており、その層厚は40nmと
なっている。
【0032】上述のように、p型SCH層の価電子帯の
みをGRIN構造にし、かつ、n型SCH層の伝導帯の
みをGRIN構造にすることで、前述の第1の実施例の
ものよりも正孔がSCH層を走行する時間は短くなり、
また電子のみならず正孔も第二準位が低くなり、正孔の
量子井戸への捕獲時間が1.5倍程度短くなる。
【0033】なお、この構造において、p-InAsP価電子
帯GRIN-SCH層12における価電子帯ポテンシャルの減少
およびn-InAlAs伝導帯GRIN-SCH層13における伝導帯ポ
テンシャルの増大は、図3に示すように、エネルギー・
ギヤップが歪多重量子井戸層から離れるに従って曲線的
に変化する構造にすることもできる。この構造において
も、同様の効果を得られる。
【0034】上述のように構成された活性層近傍の構造
を用いて前述の実施例1と同様に半導体レーザ構造を作
製した場合、10mW出力におけるカットオフ周波数は
20℃で11.5GHz、85℃で8.5GHzであっ
た。
【0035】<実施例3>電子の量子井戸への注入効率
をさらに改善するために、例えば図4に示すように、電
子がn側SCH層から活性層へトンネル注入するような
SCH構造にすることにより、量子井戸への捕獲時間を
前述の図1に示した構造のものよりさらに半分にするこ
とができる。加えて、n型SCH層のエネルギー・ギャ
ップを、多重量子井戸から離れるにしたっがて井戸層の
エネルギー・ギャップから増大する組成にすると、さら
に量子井戸への捕獲時間を短くすることができる。ここ
では、その電子の量子井戸への注入効率を改善した半導
体レーザ装置について説明する。
【0036】図5は、本発明の第3の実施例の多重量子
井戸型半導体レーザの活性層近傍のエネルギー・バンド
構造図である。
【0037】本実施例の半導体レーザ装置は、n-InGaAs
P GRIN-SCH層の構成が異なる以外は図1に示したものと
同様の構成となっている。図中、同じ構成には同じ符号
を付している。
【0038】n-InGaAsP GRIN-SCH層3’は、多重量子井
戸のn側にもっとも近い井戸との間にトンネル障壁層を
有し、その井戸に電子のトンネル注入を可能とする構造
になっている。また、このn-InGaAsP GRIN-SCH層3’
は、p-InGaAsP SCH層2より厚くなっており、伝導帯の
ポテンシャルが、多重量子井戸に近づくにしたがって障
壁層のポテンシャルよりも低くなるように構成されてい
る。
【0039】具体的には、n-InGaAsP GRIN-SCH層3’は
エピタキシヤル成長により、井戸層6から離れるにした
がって、1.4μm波長に対応するバンドギャップを持
つn-InGaAsP組成からエネルギー・ギヤップが増大する
よう形成され、その層厚は40nmとなっている。ここ
では、電子の共鳴トンネル注入を可能にするために、井
戸の第一準位とn型SCH層の電子の第一準位が一致す
るように形成されている。
【0040】このように電子や正孔の活性層への注入効
率を向上させることで、例えば85℃といった温度で
の、電子や正孔の活性層からのオーバーフローを抑制す
ることができる。
【0041】この構造を用いて実施例1と同様に半導体
レーザ構造を作製した場合、10mW出力におけるカツ
トオフ周波数は20で13GHz、85において1
0GHzが得られた。
【0042】なお、上述の説明では、n-InGaAsP GRIN-S
CH層3’はエネルギー・ギャップが井戸層から離れるに
したがって直線的に増大するようになっているが、この
エネルギー・ギャップの増加が図8に示すような曲線的
な増大となるような構造にすることもできる。この構造
においても、同様の効果を得ることができる。
【0043】
【発明の効果】以上説明したように構成される本発明に
よれば、電子や正孔の活性層への注入効率を改善し、自
由キャリア吸収を抑制することにより、変調帯域と温度
特性を向上させることができ、温度変化による特性変化
が小さい、高速応答特性に優れた多重量子井戸型半導体
レーザを実現できる。
【0044】上記効果に加えて、光通信において大容量
の伝送が可能となり、加入者の増大、通信サービスの拡
大を実現できる。さらにまた、環境の変化に強く信頼性
の向上した光通信システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の多重量子井戸型半導体
レーザの活性層近傍のエネルギー・バンド構造図であ
る。本発明の多重量子井戸型半導体レーザの活性層近傍
構造のを示すバンド構造図である。
【図2】本発明の第2の実施例の多重量子井戸型半導体
レーザの活性層近傍のエネルギー・バンド構造図であ
る。
【図3】本発明による活性層近傍構造の一実施例を示す
エネルギー・バンド構造図である。
【図4】本発明の多重量子井戸型半導体レーザの活性層
への電子のトンネル注入の様子を示すバンド構造図であ
る。
【図5】本発明の第3の実施例の多重量子井戸型半導体
レーザの活性層近傍のエネルギー・バンド構造図であ
る。
【図6】(a)は従来の多重量子井戸型半導体レーザの
活性層への電子と正孔の注入の様子を示すエネルギー・
バンド構造図、(b)は本発明の多重量子井戸型半導体
レーザの活性層への電子と正孔の注入の様子を示すエネ
ルギー・バンド構造図である。
【図7】従来の多重量子井戸型半導体レーザの活性層近
傍のエネルギー・バンド構造図である。
【図8】従来の多重量子井戸型半導体レーザの活性層近
傍のエネルギー・バンド構造図である。
【符号の説明】
1,11 歪多重量子井戸層 2 p-InGaAsP SCH層 3,3’ n-InGaAsP GRIN-SCH層 4,14 p-InP クラッド層 5,15 n-InP クラッド層 6,16 井戸層 7,17 障壁層 12 p-InGaAsP価電子帯GRIN-SCH層 13 n-InAlAs伝導帯GRIN-SCH層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−342959(JP,A) 特開 平2−228088(JP,A) 特開 平6−45697(JP,A) 特開 平5−243669(JP,A) 特開 平9−148682(JP,A) 特開 平7−135370(JP,A) 特開 平6−268320(JP,A) 特開 平6−350193(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01S 3/18

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 多重量子井戸構造を活性層に持つ多重量
    子井戸型半導体レーザにおいて、 前記多重量子井戸構造層、該多重量子井戸における障
    壁層よりもエネルギー・ギャップの大きなn型およびp
    型の2つの分離閉じ込めヘテロ構造層により挟まれた構
    造を有し、 前記n型の分離閉じ込めヘテロ構造層が前記p型の分離
    閉じ込めヘテロ構造層よりも厚く、かつ、前記n型の分
    離閉じ込めヘテロ構造層のみが前記多重量子井戸から離
    れるにしたがってエネルギー・ギャップが大きくなるよ
    うに構成されことを特徴とする多重量子井戸型半導体
    レーザ。
  2. 【請求項2】 多重量子井戸構造を活性層に持つ多重量
    子井戸型半導体レーザにおいて、 前記多重量子井戸構造層が、該多重量子井戸における障
    壁層よりもエネルギー・ギャップの大きなn型およびp
    型の2つの分離閉じ込めヘテロ構造層により挟まれた構
    造を有し、 前記n型の分離閉じ込めヘテロ構造層は、伝導帯のポテ
    ンシャルのみが前記多重量子井戸から離れるにしたがっ
    て高くなるように構成され、前記p型の分離閉じ込めヘ
    テロ構造層は、価電子帯ポテンシャルのみが前記多重量
    子井戸から離れるにしたがって低くなるように構成され
    たことを特徴とする多重量子井戸型半導体レーザ。
  3. 【請求項3】 多重量子井戸構造を活性層に持つ多重量
    子井戸型半導体レーザにおいて、 前記多重量子井戸構造層が、該多重量子井戸における障
    壁層よりもエネルギー・ギャップの大きなn型およびp
    型の2つの分離閉じ込めヘテロ構造層により挟まれた構
    造を有し、 前記n型の分離閉じ込めヘテロ構造層は、III族原子の
    みの組成比を変えることで、その伝導帯のポテンシャル
    が、前記多重量子井戸から離れるにしたがって高くなる
    ように構成され、前記p型の分離閉じ込めヘテロ構造層
    はV族原子のみの組成比を変えることで、その価電子帯
    ポテンシヤルが、前記多重量子井戸から離れるにしたが
    って低くなるように構成されたことを特徴とする多重量
    子井戸型半導体レーザ。
  4. 【請求項4】 多重量子井戸構造を活性層に持つ多重量
    子井戸型半導体レーザにおいて、 前記多重量子井戸構造層、該多重量子井戸における障
    壁層よりもエネルギー・ギャップの大きなn型およびp
    型の2つの分離閉じ込めヘテロ構造層により挟まれた構
    造を有し、 前記n型の分離閉じ込めヘテロ構造層のみが、前記多重
    量子井戸のうちn側にもっとも近い井戸との間にトンネ
    ル障壁層を有し、該トンネル障壁層に電子のトンネル注
    入が可能な構造となっており、その伝導帯のポテンシャ
    ルが、前記多重量子井戸に近づくにしたがって前記障壁
    層のポテンシャルよりも低くなるように構成されたこと
    を特徴とする多重量子井戸型半導体レーザ。
  5. 【請求項5】 請求項4に記載の多重量子井戸型半導体
    レーザにおいて、 前記n型の分離閉じ込めヘテロ構造層は、電子の第一準
    位が前記多重量子井戸のうちn側にもっとも近い井戸の
    第一準位と一致するように形成されたことを特徴とする
    多重量子井戸型半導体レーザ。
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