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

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JP2898643B2 JP63285549A JP28554988A JP2898643B2 JP 2898643 B2 JP2898643 B2 JP 2898643B2 JP 63285549 A JP63285549 A JP 63285549A JP 28554988 A JP28554988 A JP 28554988A JP 2898643 B2 JP2898643 B2 JP 2898643B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光通信及び光情報処理の光源として使われる
量子井戸構造を用いた半導体レーザに関する。
〔従来の技術〕
半導体レーザ素子の特性として望ましいことが、閾値
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。
量子井戸半導体レーザ素子の活性層は、量子井戸と称
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。
かかる量子井戸活性層においては、電子と正孔は量子
井戸に閉じ込められ、量子力学に従った挙動をする。
量子井戸半導体レーザ素子の特性は、量子井戸の格子
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。
その理由は、価電子帯の重い正孔は有効質量が薄膜層
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。
従来の歪量子井戸半導体レーザ素子は、例えば図4
(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。
この量子井戸半導体レーザ素子は発振波長が0.99μm
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。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら従来の歪量子井戸半導体レーザ素子で
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。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は以上のような点に鑑みてなされたもので、そ
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。
即ち、量子井戸層として、格子定数がInP基板格子定
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。
〔実施例〕
以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。
第1図(a)は本発明にかかる量子井戸半導体レーザ
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
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。
光閉じ込め層18はInPと同じ格子定数を有し、その組
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19はp型にドープされることを除いては
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。
活性層17は各層の厚さ2.5〜30nmである(n−1)層
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。
量子井戸層20の組成は、第2図における発振波長1.3
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。
各量子井戸層20の厚みには上限値があり、その値は歪
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。
例えば量子井戸層の層数nを3とした場合、本実施例
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。
発振波長を1.3μmに厳密に一致させるには、上記の
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。
バリア層21の組成は、バンドギャップが量子井戸層の
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。
活性層17の平均格子定数は、量子井戸層20とバリア層
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。
活性層は、nが数百の量子井戸層およびバリア層数ま
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。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、1.3〜1.55μ
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。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)は本発明にかかる一実施例の要部断面図、
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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−29988(JP,A) 特開 昭61−32590(JP,A) Electronics lette rs ,Vol.22,No.5,1986, pp.249−250 Journal of Applie d physics,59(7),1Ap ril 1986,pp.2447−2450 Physical Review,V ol.31,No.12,1985,pp.8298 −8301

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  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。
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