JP2898643B2 - 量子井戸半導体レーザ素子 - Google Patents
量子井戸半導体レーザ素子Info
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Description
量子井戸構造を用いた半導体レーザに関する。
電流密度が低いこと、閾値電流密度の温度依存性が小さ
いこと、変調周波数が高いこと、および波長チャーピン
グが小さいことなである。これらの特性は、通常30nmよ
りも薄い層からなる活性層を有する量子井戸半導体レー
ザ素子によって向上する。
す小さいエネルギーバンドギャップをもつ層と、バリア
層と称す大きいエネルギーバンドギャップをもつ層から
構成されている。
井戸に閉じ込められ、量子力学に従った挙動をする。
定数をバリア層の格子定数より大きくし、量子井戸に歪
を導入することにより向上する。
に水平な方向で軽くなった状態で価電子帯の基底量子準
位を形成することになるからである。その結果、量子井
戸層内では電子と重い正孔との間の光学遷移が促進され
る。電子と重い正孔とはほぼ等しい有効質量をもち、重
い正孔の有効質量が小さくなるためにレーザ発振に必要
な反転分布の形成が容易となるからである。なお、量子
井戸層の歪の大きさと層の厚さは、歪により転位が誘起
されないように、ある臨界薄膜値以内になければならな
い。
(a)に示すように、n型GaaS基板(1)上に、n型Ga
Asバッファ層(2)およびn型Ga0.6Al0.4Asクラッド層
(3)が順次積層され、次いで0.2μm厚さAl成分が40
%から0%まで連続的に変化する傾斜領域(5)と
(6)を両側に持ち、これを挟んで歪を有する4nm厚さ
のGa0.63In0.37As量子井戸層(4)からなる活性層が積
層され、さらに傾斜領域(6)の上にp型Ga0.6Al0.4As
クラッド層(7)およびp型GaAsPキャップ層が順次積
層され、最後にn型電極(9)およびp型電極(10)が
蒸着された構造となっている。
であり、閾値電流密度は195Acm-2であった。第4図
(b)は第4図(a)に対応するバンドギャップの伝導
帯側を示している。
は、光ファイバ通信において、重要な波長である1.3μ
m乃至1.55μmの発振を得ることができない。1.3μm
またはこれより長い波長の発振をGa1-xInxAsの活性層よ
り得るためには、エネルギーバンドギャップの大きさか
ら、X≧0.5のIn組成でなければならない。しかしなが
らこのような高いXのGa1-xInxAsでは格子定数が大きく
なり、第4図(a)に示した従来の歪量子井戸レーザの
量子井戸層(4)に適用せんとする量子井戸層に臨界値
以上の大きな歪が生じ、それに伴う転位の発生によりレ
ーザ特性が劣化するという問題がある。
の目的とするところは、光通信において重要な波長帯で
ある1.3μm〜1.55μmの長波長帯で発振する高性能な
歪量子井戸半導体レーザ素子を提供することにあり、そ
の要旨は、InP基板上に、量子井戸層とバリア層からな
る活性層を含むIII−V族化合物半導体層を有する量子
井戸半導体レーザ素子において、量子井戸層はその格子
定数がInPの格子定数よりも大きい膜厚2.5nm〜30nmのGa
x1In1-x1Asy1P1-y1(0<x1,y1<1)であり、バリア層
はその格子定数がInPの格子定数よりも小さいGax2In
1-x2Asy2P1-y2(0<x2,y2<1)であることを特徴とす
る1.3〜1.55μm用量子井戸半導体レーザ素子である。
数よりも大きいGax1In1-x1Asy1P1-y1(0<x1,y1<1)
を選択するとともにその膜圧を2.5nmから30nmに設定
し、バリア層として、格子定数がInP基板の格子定数よ
りも小さく、そのバンドギャップが量子井戸層を構成す
るGax1In1-x1Asy1P1-y1よりも大きくGax2In1-x2Asy2P
1-y2(0<x2,y2<1)を選択することにより、光通信
において重要な波長帯である1.3〜1.55μmにおいて、
量子井戸層の薄厚を低閾値電流、低チャーピングなどの
効果が得られ、かつ、実用上使用可能な程度の低注入電
流にて反転分布が生じるように量子井戸層中に圧縮歪が
印加されており、さらに、歪による転位の発生が緩和さ
れた高性能レーザを、実現することが可能となるのであ
る。
素子の要部断面図であり、その構造は、n型InP基板11
上にn型InPバッファ層12が0.1〜0.2μmの厚さにエピ
タキシャル成長されている。n型InP基板11とn型InPバ
ッファ層12にはSiまたはSeが2×1017〜5×1018cm-3ド
ープされている。次に光閉じ込め層18,活性層17および
光閉じ込め層19が順次積層される。さらに、厚さ1〜2
μm、2×1017〜5×1018cm-3ドープされたp型InPク
ラッド層13および厚さ0.1〜2μm、5×1018cm-3に高
ドープされたp型GaInAsPキャップ層14が順次積層さ
れ、最後にn型電極15、p型電極16が形成される。
成はn型InPバッファ層12から活性層17のバリア層21の
組成に厚さ方向に徐々に変わる、アンドープか、または
バッファ層12から活性層17にかけて徐々に減少するよう
にn型ドープされる。光閉じ込め層18の組成は第2図の
InGaAsPのダイヤグラムにおいて、5.85Åの等格子定数
線(実線)L上に常にあり、最終組成、即ち活性層17に
接する部分の組成は、発振波長1.3μmより大きなエネ
ルギーバンドギャップを有し、第2図においては1.3μ
mのバンドギャップに相当する等バンドギャップ線(点
線)C線と実線L線との交点Pよりも左側のL線上の組
成となっている。なお、LはInPとGa0.53In0.47Asを結
んでいる。
光閉じ込め層18と鏡像ともいえる関係にあり、活性層17
からp型InPクラッド層13へかけてバンドギャップとド
ーピングレベルが徐々に変化する。
のバリア層21で交互に隔てられた各層の厚さ2.5〜30nm
のn層の量子井戸層20から構成されている。この場合に
は活性層17の両側面は量子井戸層20になるが、(n+
1)層のバリア層21を配して、活性層17の両側面をバリ
ア層21にしてもよい。
μmに相当する等バンドギャップ線C線上にあり、か
つ、格子定数がバリア層21よりも大きいPT間のTに近い
組成、GaX1In1-X1AsY1P1-Y1とする。
の誘起する転位の発生によって決まり、組成Tに対しは
20〜30nmである。
のレーザの発振波長は1.3μmから若干ずれた値とな
る。その原因は歪によりバンドギャップが狭くなること
による長波長化と、電子の量子閉じ込めによる短波長化
の影響を受けるからである。
歪によるバンドギャップ縮小の効果と量子閉じ込め効果
によるバンドギャップ拡大の効果とを勘案して組成を第
2図のT点から多少ずらして調整すればよい。
バンドギャップよりも大きく、かつ、格子定数がInPの
格子定数よりも小さくなる組成を選択する。即ち、図2
において斜線が入っていない領域で、等バンドギャップ
線Cよりも右側の組成から選択する。
21の厚みと組成を調整することによって、InPの格子定
数に等しくすることができる。
で、歪の誘起する転位を生じることなく成長させること
が可能である。このような構成の量子井戸半導体レーザ
素子は、垂直キャビティをもつ面発光レーザを実現する
のに適している。
mの帯発振波長を有し、高性能である量子井戸半導体レ
ーザが得られるという優れた効果がある。
第1図(b)は第1図(a)に対応するバンドギャップ
の伝導帯側を示す図、第2図はGaInAsPのダイヤグラ
ム、第3図はAlGaInAsのダイヤグラム、第4図(a)は
従来例の要部断面図、第4図(b)は第4図(a)に対
応するバンドギャップの伝導帯側を示す図である。 1……n型GaAs基板、2……n型GaAsバッファ層、3…
…n型GaAlAsクラッド層、4……GaInAs量子井戸層、
5、6……傾斜領域、7……p型GaAsAsクラッド層、8
……P型GaAsギャップ層、9、15……n型電極、10、16
……p型電極、11……n型InP基板、12……バッファ
層、13……p型クラッド層、14……p型キャップ層、17
……活性層、18、19……光閉じ込め層、20……量子井戸
層、21……バリア層
Claims (1)
- 【請求項1】InP基板上に、量子井戸層とバリア層から
なる活性層を含むIII−V族化合物半導体層を有する量
子井戸半導体レーザ素子において、量子井戸層はその格
子定数がInPの格子定数よりも大きい膜厚2.5nm〜30nmの
Gax1In1-x1Asy1P1-y1(0<x1,y1<1)であり、バリア
層はその格子定数がInPの格子定数よりも小さいGax2In
1-x2Asy2P1-y2(0<x2,y2<1)であることを特徴とす
る1.3〜1.55μm用量子井戸半導体レーザ素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP63285549A JP2898643B2 (ja) | 1988-11-11 | 1988-11-11 | 量子井戸半導体レーザ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP63285549A JP2898643B2 (ja) | 1988-11-11 | 1988-11-11 | 量子井戸半導体レーザ素子 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP21669397A Division JP3041381B2 (ja) | 1997-08-11 | 1997-08-11 | 量子井戸半導体レーザ素子 |
JP21669497A Division JP3033717B2 (ja) | 1997-08-11 | 1997-08-11 | 面発光半導体レーザ素子 |
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Family Applications (1)
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JP63285549A Expired - Lifetime JP2898643B2 (ja) | 1988-11-11 | 1988-11-11 | 量子井戸半導体レーザ素子 |
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-
1988
- 1988-11-11 JP JP63285549A patent/JP2898643B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (3)
Title |
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Electronics letters ,Vol.22,No.5,1986,pp.249−250 |
Journal of Applied physics,59(7),1April 1986,pp.2447−2450 |
Physical Review,Vol.31,No.12,1985,pp.8298−8301 |
Also Published As
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