JP2905123B2 - Semiconductor laser, manufacturing method thereof, and strained quantum well crystal - Google Patents

Semiconductor laser, manufacturing method thereof, and strained quantum well crystal

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JP2905123B2 JP7219169A JP21916995A JP2905123B2 JP 2905123 B2 JP2905123 B2 JP 2905123B2 JP 7219169 A JP7219169 A JP 7219169A JP 21916995 A JP21916995 A JP 21916995A JP 2905123 B2 JP2905123 B2 JP 2905123B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ及び
その製造方法ならびに歪量子井戸結晶及びその製造方法
に関する。
The present invention relates to a semiconductor laser and a method for manufacturing the same, and a strained quantum well crystal and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】図15(a)及び(b)を参照して、従
来の歪量子井戸型半導体レーザを説明する。このような
歪量子井戸型半導体レーザは、例えば、テムキン他、シ゛ャーナル
オフ゛ クリスタル ク゛ロース J. Cryst. Growth,93,353(1988)に開
示されている。
2. Description of the Related Art A conventional strained quantum well semiconductor laser will be described with reference to FIGS. Such a strained quantum well type semiconductor laser is disclosed in, for example, Temkin et al., Journal of Crystal Cloth J. Cryst. Growth, 93, 353 (1988).

【0003】図15(b)に示されるように、この半導
体レーザは、InP単結晶基板1と、基板1上に設けら
れたストライプ状の積層構造と、積層構造の両側面を覆
うFe−InP電流ブロック層7とを備えている。半導
体レーザの底面にはn側電極9が、上面にはp側電極8
が設けられ、半導体レーザの端面にはSiO2及びSi
の両方または一方を含む誘電体膜が設けられている。
As shown in FIG. 15B, this semiconductor laser is composed of an InP single crystal substrate 1, a stripe-shaped laminated structure provided on the substrate 1, and Fe-InP that covers both side surfaces of the laminated structure. And a current blocking layer 7. An n-side electrode 9 is on the bottom surface of the semiconductor laser, and a p-side electrode 8 is on the top surface.
Is provided, SiO 2 and Si on the end face of the semiconductor laser
Is provided.

【0004】ストライプ状積層構造は、第1の光導波路
層2、歪井戸層3とバリア層4よりなる多重量子井戸部
5、及び第2の光導波路層6を含んでいる。この部分の
エネルギーバンドギャップは、図15(a)に示されて
いる。
[0004] The striped laminated structure includes a first optical waveguide layer 2, a multiple quantum well portion 5 composed of a strain well layer 3 and a barrier layer 4, and a second optical waveguide layer 6. The energy band gap of this portion is shown in FIG.

【0005】電流をp側電極8からn側電極9へ流す
と、多重量子井戸部5にホールと電子が閉じ込められ、
そこでホールと電子とは再結合し発光する。その結果、
レーザ発振が生ずる。この従来例においては、歪井戸層
3は、In0.7Ga0.3Asの混晶組成を持ち、1%の圧
縮歪を有するように形成されている。井戸層3に圧縮歪
を導入することで、ホールのバンド構造を電子のバンド
構造と同様にしている。その結果、キャリア注入量が低
くとも、レーザ発振が生じる。
When a current flows from the p-side electrode 8 to the n-side electrode 9, holes and electrons are confined in the multiple quantum well 5,
Then, the holes and electrons recombine to emit light. as a result,
Laser oscillation occurs. In this conventional example, the strain well layer 3 has a mixed crystal composition of In 0.7 Ga 0.3 As and is formed to have a compressive strain of 1%. By introducing compressive strain to the well layer 3, the band structure of holes is made similar to the band structure of electrons. As a result, laser oscillation occurs even if the carrier injection amount is low.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな半導体レーザでは、半導体レーザの温度が上昇する
に従ってレーザ発振波長が長波長側にシフトする。この
ため、環境温度の変化によって発振波長が変動するとい
う問題がある。
However, in such a semiconductor laser, the laser oscillation wavelength shifts to a longer wavelength side as the temperature of the semiconductor laser increases. Therefore, there is a problem that the oscillation wavelength fluctuates due to a change in environmental temperature.

【0007】また、半導体レーザに注入する電流を大き
くすると半導体レーザの温度が上昇するために、レーザ
発振波長が注入電流に依存して大きく変動するという問
題点もある。
In addition, when the current injected into the semiconductor laser is increased, the temperature of the semiconductor laser rises, so that the laser oscillation wavelength varies greatly depending on the injection current.

【0008】さらに、この歪量子井戸構造をDFB(分
布帰還型)レーザに適用した場合には、半導体レーザの
環境温度が変化することにより単一モード性が劣化す
る。つまり、サイドモードが出現し、発振波長のピーク
とサイドモードとの抑圧比がとれないといった問題点を
有していた。この現象は歪量子井戸レーザにおいて特に
顕著に観測された。原因としては、格子歪を導入するこ
とで閾値キャリア密度が低下するためにレーザの利得が
急峻になるためである。
Further, when this strained quantum well structure is applied to a DFB (distributed feedback) laser, the single mode characteristic is deteriorated due to a change in the ambient temperature of the semiconductor laser. That is, there is a problem that a side mode appears and a suppression ratio between the peak of the oscillation wavelength and the side mode cannot be obtained. This phenomenon was observed particularly remarkably in the strained quantum well laser. The cause is that the gain of the laser becomes steep because the threshold carrier density is reduced by introducing lattice distortion.

【0009】図12(a)は、無歪多重量子井戸(MQ
W)構造の半導体レーザにおける利得プロファイルの温
度依存性を示し、図12(b)は、歪MQW構造の半導
体レーザにおける利得プロファイルの温度依存性を示
す。図12(a)及び(b)のグラフの縦軸は利得で、
横軸は波長である。
FIG. 12A shows a distortion-free multiple quantum well (MQ).
FIG. 12B shows the temperature dependence of the gain profile in the semiconductor laser having the W) structure, and FIG. 12B shows the temperature dependence of the gain profile in the semiconductor laser having the strained MQW structure. The vertical axis of the graphs in FIGS. 12A and 12B is the gain,
The horizontal axis is the wavelength.

【0010】図12(a)に示されるように、無歪MQ
Wの場合には、利得が大きくないために、広い波長領域
においてほぼフラットな利得分布が存在する。この利得
分布のピーク波長はレーザの温度(T)を、高温にする
ほど(T大)長波長側にシフトする。ただし、無歪MQ
Wの場合には利得分布が平坦であるために、温度が変化
して利得のピーク波長とDFB発振波長が離れても、D
FB発振波長において利得を有しているためにDFB波
長において優先的にレーザ発振し、サイドモード抑圧比
は大きくなる。したがって、単一モード性は高くなる。
[0010] As shown in FIG.
In the case of W, since the gain is not large, a substantially flat gain distribution exists in a wide wavelength region. The peak wavelength of this gain distribution shifts to the longer wavelength side (larger T) as the temperature (T) of the laser increases. However, no distortion MQ
In the case of W, since the gain distribution is flat, even if the temperature changes and the gain peak wavelength and the DFB oscillation wavelength are separated, D
Since there is gain at the FB oscillation wavelength, laser oscillation occurs preferentially at the DFB wavelength, and the side mode suppression ratio increases. Therefore, the single mode property is enhanced.

【0011】一方、歪MQWの場合には、図12(b)
に示されるように、歪を導入することにより利得が特定
範囲の波長領域で局所的に大きくなる。温度が低いとき
(T小)、利得ピークとDFB発振波長が多少ずれた場
合、DFB発振してサイドモード抑圧比は大きくなる しかしながら、温度が高くなると(T大)、利得ピーク
は無歪MQWの場合と同様に長波長側にシフトするため
に、DFB発振波長における利得は殆どなくなる。その
結果、DFB発振波長における利得が減少するととも
に、利得ピークにおいてもレーザ発振するようになり、
単一モード抑圧比が減少して単一モード性が劣化するこ
ととなる。すなわち、歪量子井戸レーザの場合は特に利
得が急峻であるためにDFB発振波長と利得ピーク波長
の差(ディチューニング)が小さくてもサイドモード抑
圧比が減少して単一モード性は劣化することになる。従
って、歪量子井戸レーザは無歪量子井戸レーザに比べ
て、小さいディチューニング量であっても単一モード性
が劣化するため利得波長の温度依存性が小さいことが強
く望まれる。
On the other hand, in the case of the distortion MQW, FIG.
As shown in (1), the gain is locally increased in a specific range of wavelength region by introducing distortion. When the temperature is low (small T), if the gain peak slightly deviates from the DFB oscillation wavelength, the DFB oscillation occurs and the side mode suppression ratio increases. However, when the temperature increases (large T), the gain peak changes to the distortion-free MQW. As in the case, since the wavelength shifts to the longer wavelength side, the gain at the DFB oscillation wavelength is almost eliminated. As a result, the gain at the DFB oscillation wavelength decreases, and the laser oscillates even at the gain peak,
The single mode suppression ratio is reduced, and the single mode property is degraded. That is, in the case of a strained quantum well laser, the gain is steep, so that even if the difference (detuning) between the DFB oscillation wavelength and the gain peak wavelength is small, the side mode suppression ratio decreases and the single mode property deteriorates. become. Therefore, it is strongly desired that the strained quantum well laser has less temperature dependence of the gain wavelength because the single mode property is deteriorated even with a small detuning amount, as compared with the non-strained quantum well laser.

【0012】本発明は、発振波長の温度変動や注入電流
依存性が小さく、広い温度範囲や注入電流範囲で高い単
一モード特性を有する半導体レーザおよびその製造方
法、並びに半導体結晶を提供することを目的とする。
It is an object of the present invention to provide a semiconductor laser having a small single-mode characteristic over a wide temperature range and a wide range of injection current, which has a small oscillation wavelength dependence on temperature and injection current, a method of manufacturing the same, and a semiconductor crystal. Aim.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ
は、井戸層及び障壁層を含む歪量子井戸構造と、該歪量
子井戸構造を支持する半導体基板とを備えた半導体レー
ザであって、該井戸層及び該障壁層のうちの少なくとも
一方が、オーダリングしている混晶から形成されてお
り、そのことにより上記目的が達成される。
A semiconductor laser according to the present invention includes a strained quantum well structure including a well layer and a barrier layer, and a semiconductor substrate supporting the strained quantum well structure. At least one of the well layer and the barrier layer is formed of an ordered mixed crystal, thereby achieving the above object.

【0014】前記歪量子井戸構造を挟む第1の光導波路
層と第2の光導波路層とを更に備えていてもよい。
[0014] The semiconductor device may further include a first optical waveguide layer and a second optical waveguide layer sandwiching the strained quantum well structure.

【0015】ある実施形態では、前記半導体基板は、I
nPから形成されており、前記井戸層及び前記障壁層の
各々は、エネルギバンドギャップの異なるInGaAs
P結晶から形成されている。
In one embodiment, the semiconductor substrate is I
Each of the well layer and the barrier layer is formed of InGaAs having a different energy band gap.
It is formed from a P crystal.

【0016】本発明の半導体レーザの製造方法は、井戸
層及び障壁層を含む歪量子井戸構造を備えた半導体レー
ザの製造方法であって、該歪量子井戸構造を形成する工
程は、該井戸層及び該障壁層のうちの少なくとも一方
を、オーダリングしている混晶から形成する工程を含ん
でおり、そのことにより上記目的が達成される。
The method of manufacturing a semiconductor laser according to the present invention is a method of manufacturing a semiconductor laser having a strained quantum well structure including a well layer and a barrier layer, wherein the step of forming the strained quantum well structure comprises the steps of: And forming at least one of the barrier layers from an ordered mixed crystal, thereby achieving the above object.

【0017】ある実施形態では、前記井戸層を形成する
工程は、歪量(%)=1.0−0.10×(井戸層数)
で示される歪量以上の格子歪を該井戸層に導入し、58
0度以下で結晶成長を行う。
In one embodiment, the step of forming the well layer includes the step of distorting (%) = 1.0-0.10 × (the number of well layers)
Is introduced into the well layer at a strain amount equal to or larger than
Crystal growth is performed at 0 degrees or less.

【0018】前記井戸層を形成する工程は、歪量(%)
=1.2−0.02×(井戸層数)で示される歪量以上
の格子歪を導入し、600度以下で結晶成長を行っても
よい。
In the step of forming the well layer, the amount of strain (%)
Lattice strain greater than or equal to 1.2−0.02 × (the number of well layers) may be introduced, and crystal growth may be performed at 600 degrees or less.

【0019】前記井戸層を形成する工程は、歪量(%)
=1.6−0.02×(井戸層数)で示される歪量以上
の格子歪を導入し、700度以下で結晶成長を行っても
よい。
In the step of forming the well layer, the amount of strain (%)
The crystal growth may be performed at 700 degrees or less by introducing a lattice strain equal to or greater than the strain amount represented by = 1.6-0.02 × (the number of well layers).

【0020】本発明の歪量子井戸結晶は、半導体結晶
と、該半導体結晶の格子定数とは異なる格子定数を持つ
InGaAsP結晶とを備えた歪量子井戸結晶であっ
て、該InGaAsP結晶がオーダリングしており、そ
のことにより上記目的が達成される。
The strained quantum well crystal of the present invention is a strained quantum well crystal comprising a semiconductor crystal and an InGaAsP crystal having a lattice constant different from the lattice constant of the semiconductor crystal, wherein the InGaAsP crystal is ordered. Therefore, the above object is achieved.

【0021】[0021]

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】本発明は、井戸層及び障壁層のう
ちの少なくとも一方にオーダリングを導入することで、
利得ピーク波長の温度変動依存性の小さい半導体レーザ
等の発光素子に適した歪量子井戸結晶を提供する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS According to the present invention, an ordering is introduced into at least one of a well layer and a barrier layer.
Provided is a strained quantum well crystal suitable for a light emitting device such as a semiconductor laser in which the gain peak wavelength has little dependence on temperature fluctuation.

【0023】一般に、ACで表現される2原子化合物と
BCで表現される2原子化合物の混晶を作成した場合に
は、A原子とB原子とが均一に混合した(AB)C2
いう混晶が得られる。しかしながら、低温で混晶を作成
した場合、A原子とB原子とが均一に混合されず、AC
化合物とBC化合物が層状に積層された混晶が得られる
場合がある。その結果、AC化合物の格子面とBC化合
物の格子面が交互に配列された超格子構造が観察され
る。また、低温の結晶成長では、超格子が自動的に作成
されるため、量子井戸構造などの人工超格子と区別し
て、自然超格子と呼ばれている。このような自然超格子
が部分的にでも形成されることを、本願明細書では、
「オーダリングを有する」あるいは「オーダリングが生
じた」と称することとする。以下に、本発明をInGa
AsP結晶について説明する。620℃以上で成長した
InGaAsP結晶は、無歪ではオーダリングを生じな
かった。今回、この結晶において、歪量、井戸層数及び
成長温度を変えて実験していくうちに、ある条件下でオ
ーダリングが生じることがわかった。
In general, when a mixed crystal of a diatomic compound represented by AC and a diatomic compound represented by BC is prepared, a mixture of (AB) C 2 in which A atoms and B atoms are uniformly mixed. A crystal is obtained. However, when a mixed crystal is formed at a low temperature, A atoms and B atoms are not uniformly mixed, and AC
In some cases, a mixed crystal in which the compound and the BC compound are stacked in layers is obtained. As a result, a superlattice structure in which the lattice planes of the AC compound and the lattice planes of the BC compound are alternately arranged is observed. In addition, when a crystal is grown at a low temperature, a superlattice is automatically created. Therefore, the superlattice is called a natural superlattice to distinguish it from an artificial superlattice such as a quantum well structure. In the present specification, such a natural superlattice is formed even partially,
It is referred to as "having an ordering" or "ordering has occurred". The present invention will be described below with reference to InGa.
The AsP crystal will be described. The InGaAsP crystal grown at 620 ° C. or higher did not cause ordering without distortion. In this study, it was found that ordering occurs under certain conditions in experiments with changing the amount of strain, the number of well layers, and the growth temperature.

【0024】具体的には、(1)InGaAsP結晶の歪
量が大きいとき、(2)井戸層数が多いとき、(3)成長温度
が低いとき、にオーダリングをおこしやすいことを実験
により確認した。上記(1)〜(3)のいずれかの条件下でオ
ーダリングが発生しやすいことがわかったが、初めは結
晶中に転位が入っているのではないかと考えられた。透
過型電子顕微鏡による観察で、結晶中には転位は観測さ
れず、InGaAsP結晶にオーダリングが生じている
ことがわかった。また、この結晶のPL発光強度の温度
依存性は、図1(b)のグラフに示されるように、室温
でのPL強度のピークと77Kでのピークとの差が小さ
いこともわかった。オーダリングの無い場合は、図1
(a)に示されるように、室温でのPL強度のピークと
77Kでのピークとの差は大きい。従来、図1(b)の
グラフに基づき、歪量子井戸構造体にオーダリングが発
生するとPL特性が劣化すると考えられていた。これに
対して、本発明者は、オーダリング現象を積極的に利用
することによって、発振波長の温度変動や注入電流依存
性が小さい半導体レーザを提供できることを見いだし
た。
Specifically, it was confirmed by experiments that ordering easily occurs when (1) the amount of strain of the InGaAsP crystal is large, (2) when the number of well layers is large, and (3) when the growth temperature is low. . It was found that ordering was likely to occur under any of the conditions (1) to (3) above, but it was initially thought that dislocations were present in the crystal. By observation with a transmission electron microscope, no dislocation was observed in the crystal, and it was found that ordering had occurred in the InGaAsP crystal. Further, as shown in the graph of FIG. 1B, the temperature dependence of the PL emission intensity of this crystal showed that the difference between the PL intensity peak at room temperature and the peak at 77K was small. If there is no ordering,
As shown in (a), the difference between the PL intensity peak at room temperature and the peak at 77K is large. Conventionally, based on the graph of FIG. 1B, it has been considered that when ordering occurs in the strained quantum well structure, the PL characteristic deteriorates. On the other hand, the present inventor has found that a semiconductor laser with small temperature fluctuation of the oscillation wavelength and small injection current dependency can be provided by actively utilizing the ordering phenomenon.

【0025】以下に、図面を参照しながら、InGaA
sP結晶を用いた実施例について、本発明を説明する。
Hereinafter, InGaAs will be described with reference to the drawings.
The present invention will be described with reference to examples using sP crystals.

【0026】(実施例1)図2(a)及び(b)を参照
しながら、本発明による歪量子井戸結晶の実施例を説明
する。
(Embodiment 1) An embodiment of a strained quantum well crystal according to the present invention will be described with reference to FIGS. 2 (a) and 2 (b).

【0027】図2(a)は、SnドープInP半導体単
結晶基板1と、SnドープInP半導体単結晶基板1上
に設けられた積層構造体とを備えた歪量子井戸結晶の断
面を模式的に示している。この積層構造体は、InGa
AsP(λg=1.05μm)第1の光導波路層2、多
重量子井戸構造5、及びInGaAsP(λg=1.0
5μm)第2の光導波路層6が、この順序でInP半導
体単結晶基板1上に成長させられたものである。多重量
子井戸構造5は、交互に積層された7層のInGaAs
P歪井戸層(0.8%圧縮歪)3とオーダリングしたI
nGaAsP(λg=1.15μm)障壁層4とを含ん
でいる。多重量子井戸構造5のフォトルミネッセンス
(PL)発光波長は、1.3μmであった。本実施例で
は、歪井戸層3に0.8%の圧縮歪を導入するととも
に、その結晶成長温度を580度とすることで、障壁層
4にオーダリングを発生させた。なお、前記積層構造体
のエネルギバンドギャップは、図2(b)に模式的に示
されている。
FIG. 2A schematically shows a cross section of a strained quantum well crystal including a Sn-doped InP semiconductor single crystal substrate 1 and a laminated structure provided on the Sn-doped InP semiconductor single crystal substrate 1. Is shown. This laminated structure is made of InGa
AsP (λg = 1.05 μm) First optical waveguide layer 2, multiple quantum well structure 5, and InGaAsP (λg = 1.05 μm)
(5 μm) The second optical waveguide layer 6 is grown on the InP semiconductor single crystal substrate 1 in this order. The multiple quantum well structure 5 has seven layers of InGaAs alternately stacked.
I ordered with P strain well layer (0.8% compressive strain) 3
nGaAsP (λg = 1.15 μm) barrier layer 4. The photoluminescence (PL) emission wavelength of the multiple quantum well structure 5 was 1.3 μm. In the present example, ordering was generated in the barrier layer 4 by introducing a compressive strain of 0.8% into the strain well layer 3 and setting the crystal growth temperature to 580 degrees. The energy band gap of the laminated structure is schematically shown in FIG.

【0028】本発明者は、オーダリングが障壁層4に存
在していることを透過型電子顕微鏡観察によって確認し
た。しかし、井戸層3内にもオーダリングの影響が及ん
でいることが十分に考えられる。この実施例では、圧縮
歪を井戸層3に導入したために、障壁層4には引っ張り
歪が発生している。したがって、オーダリングは引っ張
り歪のほうが発生しやすいと考えられる。井戸層3内に
優先的にオーダリングを発生させるためには、井戸層の
組成を調整して、井戸層に引っ張り歪を発生させればよ
いと考えられる。
The present inventor has confirmed by transmission electron microscope observation that the ordering exists in the barrier layer 4. However, it is sufficiently conceivable that the ordering influence is exerted on the well layer 3 as well. In this embodiment, since a compressive strain is introduced into the well layer 3, a tensile strain is generated in the barrier layer 4. Therefore, it is considered that tensile strain is more likely to occur in ordering. It is considered that the ordering is preferentially generated in the well layer 3 by adjusting the composition of the well layer to generate tensile strain in the well layer.

【0029】上記歪量子井戸結晶のPL発光スペクトル
を測定した。図3(a)は、オーダリングの無い歪量子
井戸結晶のPL発光ピークを示し、図3(b)は、オー
ダリングを有する歪量子井戸結晶のPLピークを示す。
オーダリングの無い場合には、温度を室温(T=300
K)から77Kへ低下させることで60meVの短波長
シフトを生じているが、オーダリングがある場合には1
0meV程度と短波長シフトは殆ど認められない。ま
た、室温の場合はオーダリングがあってもオーダリング
が無い場合に対して発光強度が低下していないことが分
かる。このように、オーダリングのある歪量子井戸結晶
は、温度依存性の低い発光特性を示す。
The PL emission spectrum of the strained quantum well crystal was measured. FIG. 3A shows a PL emission peak of the strained quantum well crystal without ordering, and FIG. 3B shows a PL peak of the strained quantum well crystal having ordering.
If there is no ordering, the temperature is set to room temperature (T = 300
Although the short wavelength shift of 60 meV is caused by lowering from K) to 77 K, when there is ordering, 1
A short wavelength shift of about 0 meV is hardly recognized. Also, it can be seen that the emission intensity at room temperature does not decrease even if there is an ordering as compared to the case where there is no ordering. As described above, a strained quantum well crystal having ordering exhibits light emission characteristics with low temperature dependence.

【0030】図4は、PL発光ピーク波長の温度依存性
を示す。オーダリングがある場合は、オーダリングの無
い場合に比べて、PL発光ピーク波長の温度依存性が1
/5以下に低減していることが分かる。
FIG. 4 shows the temperature dependence of the PL emission peak wavelength. When there is ordering, the temperature dependence of the PL emission peak wavelength is 1 compared to the case without ordering.
It can be seen that it has been reduced to / 5 or less.

【0031】このように結晶に歪を与え、結晶成長温度
Tを低下させることにより、オーダリングが生じやすく
なる理由について、発明者の見解は以下の通りである。
The inventor's view as to why the ordering is likely to occur when the crystal is strained and the crystal growth temperature T is lowered as described above is as follows.

【0032】例えばInGaAsP歪量子井戸層に圧縮
歪を導入した場合には、歪のエネルギーの分だけ結晶の
内部エネルギーが上昇する。しかしながら、格子定数の
大きいIn−Asの結合が結晶成長方向に自然に配向
し、オーダリングが生じると、歪量子井戸層の持つ歪エ
ネルギーは小さくなる。
For example, when compressive strain is introduced into the InGaAsP strained quantum well layer, the internal energy of the crystal increases by the energy of the strain. However, when the In-As bond having a large lattice constant is naturally oriented in the crystal growth direction and ordering occurs, the strain energy of the strained quantum well layer decreases.

【0033】結晶の内部エネルギーUは、一般に、次式
で示される。
The internal energy U of the crystal is generally expressed by the following equation.

【0034】U=H−TS Hはエンタルピー、Tは温度、Sはエントロピー(S<
0)である。内部エネルギーUが小さいほど結晶は安定
である。結晶に歪を導入すると、エンタルピーHが大き
くなるため、エントロピーSを小さくして、それによつ
て内部エネルギUを低下させる傾向を持つと考えられ
る。言い換えると、大きな歪を量子井戸に導入して、エ
ンタルピHを大きくしてSを小さくする必要があること
がわかる。一方、結晶の成長温度とオーダリングの関係
は次のように考えられる。UとHがTの2乗に比例して
変化するために、結晶の成長温度Tが減少した場合には
SもTに比例して変化して減少することとなり、Sの減
少すなわちオーダリングを発生し易くなる。
U = H-TS H is enthalpy, T is temperature, S is entropy (S <
0). The smaller the internal energy U, the more stable the crystal. When strain is introduced into the crystal, the enthalpy H increases, so that it is considered that the entropy S tends to decrease and thereby the internal energy U tends to decrease. In other words, it is understood that it is necessary to introduce a large strain into the quantum well to increase the enthalpy H and reduce the S. On the other hand, the relationship between the crystal growth temperature and the ordering is considered as follows. Since U and H change in proportion to the square of T, when the crystal growth temperature T decreases, S also changes in proportion to T and decreases, and a decrease in S, that is, ordering occurs. Easier to do.

【0035】また、オーダリングを起こした方が温度依
存性が小さくなる理由としては、発明者は次のように考
える。オーダリングを起こしてエントロピーSが小さく
なると、内部エネルギーUの温度依存性が小さくなる。
発振波長を決めるエネルギーバンドギャップEgは内部
エネルギーUによって変わるため、内部エネルギーUの
温度依存性を小さくすることによってバンドギャップE
gの温度変動を小さくすることができる。こうして、オ
ーダリングによって波長の温度変動を小さくすることが
できる。
The inventor considers the reason why the ordering causes the temperature dependency to be smaller as follows. When the entropy S decreases due to the ordering, the temperature dependency of the internal energy U decreases.
Since the energy band gap Eg that determines the oscillation wavelength changes depending on the internal energy U, the band gap Eg can be reduced by reducing the temperature dependence of the internal energy U.
g can be reduced. Thus, the temperature fluctuation of the wavelength can be reduced by the ordering.

【0036】図5は、成長温度Tgを580、600、
及び700℃とした場合に、オーダリングを発生させる
歪量と量子井戸層数の関係を示している。歪量を大きく
し、かつ、井戸層数を大きくすると、オーダリングが発
生し易くなることがわかる。この実験から、成長温度T
gが580℃のとき、オーダリングが起こる歪量580は、
井戸層数を用いて以下の式1で表現される。
FIG. 5 shows that the growth temperatures Tg are 580 and 600,
7 shows the relationship between the amount of strain that causes ordering and the number of quantum well layers at 700 ° C. and 700 ° C. It can be seen that when the strain amount is increased and the number of well layers is increased, ordering easily occurs. From this experiment, the growth temperature T
When g is 580 ° C, the strain 580 at which ordering occurs is
It is expressed by the following equation 1 using the number of well layers.

【0037】 歪量580(%)=1.0−0.10×井戸層数・・・式1 つまり、式1で求められる歪量580よりも大きな歪量を
与えると、オーダリングが起こり、式1で求められる歪
580よりも小さな歪量を与えると、オーダリングがお
こらないといえる。
Strain 580 (%) = 1.0−0.10 × the number of well layers Equation 1 That is, if a strain larger than the strain 580 obtained by Equation 1 is given, ordering occurs, and If a distortion amount smaller than the distortion amount 580 obtained in 1 is given, it can be said that ordering does not occur.

【0038】図5に示されるように、成長温度Tgを大
きくしていくと、オーダリングが起こりにくくなる傾向
がある。したがって、成長温度Tgが580℃未満の場
合でも、歪量(%)≧1.0−0.10×井戸層数の不
等式で示される領域では、オーダリングが起こると考え
られる。
As shown in FIG. 5, as the growth temperature Tg is increased, ordering tends to be less likely to occur. Therefore, even when the growth temperature Tg is lower than 580 ° C., it is considered that ordering occurs in a region represented by an inequality of strain amount (%) ≧ 1.0−0.10 × the number of well layers.

【0039】同様に、成長温度Tgが600℃、700
℃のときは、それぞれ、以下の式2、式3で示される領
域で、オーダリングが生じる。
Similarly, when the growth temperature Tg is 600.degree.
At ° C., ordering occurs in the regions represented by the following equations 2 and 3, respectively.

【0040】 歪量(%)≧1.2−0.02×井戸層数・・・式2、Tg=600℃ 歪量(%)≧1.6−0.02×井戸層数・・・式3、Tg=700℃ 実際に半導体レーザを製造するとき、結晶成長は600
℃程度以上の温度で実行されることが多く、また、半導
体レーザの光出力を低下させない最適条件の範囲として
は、井戸層数を10層以下にする必要がある。このた
め、600℃程度で結晶成長を行う場合にオーダリング
を発生させるには、1%程度の圧縮歪を形成することが
必要となる。他方、結晶成長温度を580℃に低下させ
た場合には、井戸層数を7層とすれば、0.7%程度の
圧縮歪を与えることでオーダリングを発生させることが
できる。
Strain amount (%) ≧ 1.2−0.02 × the number of well layers Formula 2, Tg = 600 ° C. Strain amount (%) ≧ 1.6-0.02 × the number of well layers Equation 3, Tg = 700 ° C. When a semiconductor laser is actually manufactured, the crystal growth is 600
It is often performed at a temperature of about ° C or higher, and the number of well layers needs to be 10 or less as an optimum condition that does not reduce the optical output of the semiconductor laser. Therefore, in order to generate ordering when crystal growth is performed at about 600 ° C., it is necessary to form a compressive strain of about 1%. On the other hand, when the crystal growth temperature is lowered to 580 ° C., if the number of well layers is seven, ordering can be generated by applying a compressive strain of about 0.7%.

【0041】なお、歪みの量は、成長させる結晶の組成
を調整することにより、所望の格子定数を持つ結晶を成
長させればよい。
The amount of strain may be adjusted by adjusting the composition of the crystal to be grown to grow a crystal having a desired lattice constant.

【0042】本発明の歪量子井戸結晶構造体は、ファイ
バアンプの励起用光源などに使用される半導体レーザの
発光領域に特に適している。ファイバアンプで充分な利
得を得るには、特定の波長を持つレーザ光を用いる必要
がある。しかしながら、半導体レーザに500mA以上
の大きな駆動電流を印加する場合、駆動電流の大きさを
変調することによって半導体レーザの発熱量が大きく変
化するため、レーザ発振波長が変化してしまうという問
題がある。本発明の半導体レーザによれば、発振波長の
温度依存性が小さい。このため、駆動電流を増加しても
発振波長をファイバアンプの要求する所定範囲内に維持
することが容易である。
The strained quantum well crystal structure of the present invention is particularly suitable for a light emitting region of a semiconductor laser used for a light source for excitation of a fiber amplifier. In order to obtain sufficient gain with a fiber amplifier, it is necessary to use laser light having a specific wavelength. However, when a large drive current of 500 mA or more is applied to the semiconductor laser, the amount of heat generated by the semiconductor laser changes significantly by modulating the magnitude of the drive current, and thus there is a problem that the laser oscillation wavelength changes. According to the semiconductor laser of the present invention, the temperature dependence of the oscillation wavelength is small. For this reason, even if the drive current is increased, it is easy to maintain the oscillation wavelength within a predetermined range required by the fiber amplifier.

【0043】また、半導体レーザの活性層幅等が素子毎
に変化し、それによって同じ駆動電流(注入電流)に対
する発熱量が個々のレーザで異なったとしても、発振波
長は一定に維持される。このため、本発明によれば、所
望の仕様を満たす半導体レーザの製造歩留まりを著しく
向上させることができる。
Further, even if the active layer width and the like of the semiconductor laser vary from element to element, the oscillation wavelength is kept constant even if the amount of heat generated for the same drive current (injection current) differs for each laser. Therefore, according to the present invention, the manufacturing yield of semiconductor lasers satisfying desired specifications can be significantly improved.

【0044】図6は、InGaAsP歪量子井戸層数が
10の場合のオーダリングを起こす歪量(%)と結晶成
長温度(℃)との関係を示すグラフである。図6のグラ
フ中の曲線が示す歪よりも大きな歪みを示す領域では、
オーダリングが発生する。InGaAsP歪量子井戸層
の結晶成長は、約600から620℃までの範囲で行わ
れるのが通常である。このため、オーダリングを起こさ
ないようにするためには、領域Aの条件で結晶成長を行
う必要があった。これに対して、InGaAsP歪量子
井戸層の結晶成長を620℃以上で行う場合、グラフの
領域Bで示される条件を採用すれば、オーダリングは起
きない。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the amount of strain (%) that causes ordering and the crystal growth temperature (° C.) when the number of InGaAsP strained quantum well layers is 10. In the region where the distortion is larger than the distortion indicated by the curve in the graph of FIG.
Ordering occurs. The crystal growth of the InGaAsP strained quantum well layer is usually performed at a temperature in the range of about 600 to 620 ° C. For this reason, in order to prevent the ordering from occurring, it is necessary to perform the crystal growth under the condition of the region A. On the other hand, when the crystal growth of the InGaAsP strained quantum well layer is performed at 620 ° C. or higher, no ordering occurs if the conditions shown in the region B of the graph are adopted.

【0045】本発明は、オーダリングを意図的に引き起
こすことによって、温度に依存して変化しにくい発光特
性を持つ歪量子井戸結晶を提供することを目的としてい
る。しかしながら、オーダリングを引き起こす条件を見
いだす過程で、逆にオーダリングを引き起こさない条件
を明確化した。大きな歪を量子井戸層に与えながら、図
1(a)のPL特性を発揮させようとする場合、図6の
グラフの領域Bの条件で結晶成長を行えばよいことがわ
かる。
An object of the present invention is to provide a strained quantum well crystal having a light emission characteristic which is hardly changed depending on temperature by intentionally causing ordering. However, in the process of finding the conditions that cause ordering, the conditions that do not cause ordering were clarified. It can be seen that when trying to exert the PL characteristic of FIG. 1A while applying a large strain to the quantum well layer, the crystal should be grown under the conditions of the region B in the graph of FIG.

【0046】(実施例2)図7(a)及び(b)を参照
しながら、本発明による歪量子井戸半導体レーザの実施
例を説明する。図7(a)は、ストライプ状リッジ
(幅:1.2〜1.5μm、高さ:1.5〜2.5μ
m)を有するSnドープInP半導体単結晶基板1と、
SnドープInP半導体単結晶基板1のリッジ上に設け
られたストライプ状積層構造体とを備えた半導体レーザ
の構造を模式的に示している。このストライプ状積層構
造体は、InGaAsP(λg=1.05μm)第1の
光導波路層2、多重量子井戸構造5、及びInGaAs
P(λg=1.05μm)第2の光導波路層6が、この
順序でInP半導体単結晶基板1上に成長させられたも
のである。第1の光導波路層2及び第2の光導波路層6
の厚さは、それぞれ、30及び150nmに設定され
る。
(Embodiment 2) An embodiment of a strained quantum well semiconductor laser according to the present invention will be described with reference to FIGS. 7 (a) and 7 (b). FIG. 7A shows a stripe-shaped ridge (width: 1.2 to 1.5 μm, height: 1.5 to 2.5 μm).
m) a Sn-doped InP semiconductor single crystal substrate 1 having:
1 schematically illustrates a structure of a semiconductor laser including a striped laminated structure provided on a ridge of a Sn-doped InP semiconductor single crystal substrate 1. This striped laminated structure is composed of an InGaAsP (λg = 1.05 μm) first optical waveguide layer 2, a multiple quantum well structure 5, and InGaAsP.
P (λg = 1.05 μm) A second optical waveguide layer 6 is grown on the InP semiconductor single crystal substrate 1 in this order. First optical waveguide layer 2 and second optical waveguide layer 6
Are set to 30 and 150 nm, respectively.

【0047】多重量子井戸構造5は、7層のInGaA
sP歪井戸層(0.8%圧縮歪)3と、オーダリングし
たInGaAsP(λg=1.15μm)障壁層4とが
交互に積層されたものである。InGaAsP歪井戸層
3の厚さは、3〜6nmに、InGaAsP障壁層4の
厚さは、5〜20nmに設定される。この多重量子井戸
構造5から得られるフォトルミネッセンス(PL)発光
波長は、1.3μmであった。本実施例では、歪井戸層
3に0.8%の圧縮歪を導入するとともに、その結晶成
長温度を580度とすることで、障壁層4にオーダリン
グを発生させた。なお、図7(b)は、積層構造体のエ
ネルギバンド構造を示している。
The multiple quantum well structure 5 has seven layers of InGaAs.
The sP strain well layers (0.8% compressive strain) 3 and the ordered InGaAsP (λg = 1.15 μm) barrier layers 4 are alternately stacked. The thickness of the InGaAsP strain well layer 3 is set to 3 to 6 nm, and the thickness of the InGaAsP barrier layer 4 is set to 5 to 20 nm. The photoluminescence (PL) emission wavelength obtained from the multiple quantum well structure 5 was 1.3 μm. In the present example, ordering was generated in the barrier layer 4 by introducing a compressive strain of 0.8% into the strain well layer 3 and setting the crystal growth temperature to 580 degrees. FIG. 7B shows the energy band structure of the laminated structure.

【0048】図7(b)に示されるように、ストライプ
状積層構造の両側には、厚さが3〜6μmのp−InG
aAsP/p−InP/n−InP/p−InP電流狭
窄構造7が設けられており、その電流狭窄層7の一部に
は、溝が設けられている。溝の表面は、SiO2層で覆
われている。半導体レーザの上部には、p側電極8が設
けられ、下部にはn側電極9が設けられている。
As shown in FIG. 7B, p-InG having a thickness of 3 to 6 μm is formed on both sides of the stripe-shaped laminated structure.
An aAsP / p-InP / n-InP / p-InP current confinement structure 7 is provided, and a groove is provided in a part of the current confinement layer 7. The surface of the groove is covered with a SiO 2 layer. A p-side electrode 8 is provided above the semiconductor laser, and an n-side electrode 9 is provided below.

【0049】次に、図8(a)から図8(d)を参照し
ながら、図7(a)の歪量子井戸レーザの製造方法を説
明する。まず、図8(a)に示すように、InP基板1
上に、第1のInGaAsP光導波路層2、InGaA
sP歪井戸層3、InGaAsP障壁層4、多重量子井
戸構造5、第2のInGaAsP光導波路層6を成長す
る第1の結晶成長工程を行う。次に、図8(b)に示す
ように、これらの層をストライプ状にエッチングするエ
ッチング工程を行う。
Next, a method of manufacturing the strained quantum well laser shown in FIG. 7A will be described with reference to FIGS. 8A to 8D. First, as shown in FIG.
On top of the first InGaAsP optical waveguide layer 2, InGaAs
A first crystal growth step for growing the sP strain well layer 3, the InGaAsP barrier layer 4, the multiple quantum well structure 5, and the second InGaAsP optical waveguide layer 6 is performed. Next, as shown in FIG. 8B, an etching step of etching these layers in a stripe shape is performed.

【0050】この後、図8(c)に示すように、電流狭
窄構造7を成長する第2の結晶成長工程を行った後、図
8(d)に示すように、p側電極8及びn側電極9を形
成する電極形成工程を行う。
After that, as shown in FIG. 8C, a second crystal growth step for growing the current confinement structure 7 is performed, and then, as shown in FIG. An electrode forming step of forming the side electrode 9 is performed.

【0051】オーダリングを起こすためには、井戸層3
に0.8%の歪を導入するとともに、成長温度を580
℃とし、V族およびIII族ガスの供給比V/IIIを250
とした。この結晶成長条件は、図5のグラフ上では、点
Aで示される。このように、本実施例の半導体レーザ
は、ストライプ状積層構造体中に実施例1の歪量子井戸
結晶と同様の結晶を含んでいる。このような歪み量子井
戸結晶は、実施例1について説明した条件で作成され
る。
In order to cause the ordering, the well layer 3
At a growth temperature of 580
° C, and the supply ratio V / III of the group V and group III gas is 250
And This crystal growth condition is indicated by a point A on the graph of FIG. As described above, the semiconductor laser according to the present embodiment includes the same crystal as the strained quantum well crystal according to the first embodiment in the striped laminated structure. Such a strained quantum well crystal is formed under the conditions described in the first embodiment.

【0052】オーダリングを有する歪量子井戸結晶を有
する半導体レーザの発振波長は1.3μmで、最高光出
力は300mWを示した。これは、オーダリングの無い
半導体レーザのレーザ出力と同レベルであり、また、同
程度のしきい値電流でレーザ発振が生じた。
The oscillation wavelength of the semiconductor laser having the strained quantum well crystal having the ordering was 1.3 μm, and the maximum light output was 300 mW. This was at the same level as the laser output of the semiconductor laser without ordering, and laser oscillation occurred at the same level of threshold current.

【0053】図9は、レーザ発振波長の温度依存性を示
す。半導体レーザの温度を−40℃から100℃に変化
させた場合、オーダリングの無い歪量子井戸型半導体レ
ーザの発振波長が1.26μmから1.44μmに変化
するのに対して、オーダリングを有する歪量子井戸型半
導体レーザの発振波長は1.29μmから1.31μm
に変化する。このように、オーダリングによって、波長
変動量が1/5以下に低減した。温度に対する発振波長
の変化量が低減したことで、半導体レーザの温度を特に
コントロールしなくとも、−40℃から100℃までの
温度範囲で安定してレーザ発振する半導体レーザを提供
することができる。
FIG. 9 shows the temperature dependence of the laser oscillation wavelength. When the temperature of the semiconductor laser is changed from −40 ° C. to 100 ° C., the oscillation wavelength of the strain quantum well semiconductor laser without ordering changes from 1.26 μm to 1.44 μm, whereas the strain quantum well having ordering changes. The oscillation wavelength of the well type semiconductor laser is 1.29 μm to 1.31 μm.
Changes to In this way, the ordering reduced the wavelength variation to 1/5 or less. Since the change amount of the oscillation wavelength with respect to the temperature is reduced, it is possible to provide a semiconductor laser that stably oscillates in a temperature range from −40 ° C. to 100 ° C. without particularly controlling the temperature of the semiconductor laser.

【0054】さらに、発振波長の注入電流依存性を図1
0に示す。通常、半導体レーザへの注入電流が増大する
ことにより、半導体レーザの内部抵抗によってジュール
熱が発生して半導体レーザの温度が上昇する。このため
に発振波長が変動する。しかしながら、本実施例の半導
体レーザによれば、発振波長の温度依存性が小さいため
に、注入電流を変化させても殆ど発振波長が変化してい
ない。特に、大電流を注入する高出力半導体レーザに
は、発振波長の変化が小さいことが要望されている。ま
た、高出力時の発振波長をPL発光波長から容易に推定
できるという利点もある。
FIG. 1 shows the dependence of the oscillation wavelength on the injection current.
0 is shown. Normally, when the injection current to the semiconductor laser increases, Joule heat is generated by the internal resistance of the semiconductor laser, and the temperature of the semiconductor laser rises. As a result, the oscillation wavelength fluctuates. However, according to the semiconductor laser of this embodiment, the oscillation wavelength hardly changes even if the injection current is changed because the temperature dependence of the oscillation wavelength is small. In particular, a high-power semiconductor laser to which a large current is injected is required to have a small change in oscillation wavelength. Another advantage is that the oscillation wavelength at high output can be easily estimated from the PL emission wavelength.

【0055】このように、本実施例によれば、発振波長
の温度依存性や注入電流依存性が小さい半導体レーザが
提供される。
As described above, according to the present embodiment, there is provided a semiconductor laser having a small dependence of the oscillation wavelength on temperature and injection current.

【0056】(実施例3)図11(a)及び(b)を参
照しながら、本発明による他の歪量子井戸半導体レーザ
の実施例を説明する。図11(a)は、ストライプ状リ
ッジを有するSnドープInP半導体単結晶基板1と、
SnドープInP半導体単結晶基板1のリッジ上に設け
られたストライプ状積層構造体とを備えた半導体レーザ
の構造を模式的に示している。ストライプ状リッジの上
面には、ピッチが180nmの回折格子10が形成され
ている。ストライプ状積層構造体は、InGaAsP
(λg=1.05μm)第1の光導波路層2、多重量子
井戸構造5、及びInGaAsP(λg=1.05μ
m)第2の光導波路層6が、この順序でInP半導体単
結晶基板1上に成長させられたものである。多重量子井
戸構造5は、7層のInGaAsP歪井戸層(0.8%
圧縮歪)3とオーダリングしたInGaAsP(λg=
1.15μm)障壁層4とを含んでいる。各半導体層の
厚さは、実施例3について説明した厚さの範囲内にあれ
ばよい。多重量子井戸構造5のフォトルミネッセンス
(PL)発光波長は、1.3μmであった。本実施例で
は、歪井戸層3に0.8%の圧縮歪を導入するととも
に、その結晶成長温度を580度とすることで、障壁層
4にオーダリングを発生させた。なお、図11(b)
は、積層構造体のエネルギバンド構造を示している。
(Embodiment 3) An embodiment of another strained quantum well semiconductor laser according to the present invention will be described with reference to FIGS. 11 (a) and 11 (b). FIG. 11A shows an Sn-doped InP semiconductor single crystal substrate 1 having a stripe-shaped ridge,
1 schematically illustrates a structure of a semiconductor laser including a striped laminated structure provided on a ridge of a Sn-doped InP semiconductor single crystal substrate 1. On the upper surface of the stripe-shaped ridge, a diffraction grating 10 having a pitch of 180 nm is formed. The striped laminated structure is made of InGaAsP.
(Λg = 1.05 μm) First optical waveguide layer 2, multiple quantum well structure 5, and InGaAsP (λg = 1.05 μm)
m) The second optical waveguide layer 6 is grown on the InP semiconductor single crystal substrate 1 in this order. The multiple quantum well structure 5 has seven InGaAsP strained well layers (0.8%
InGaAsP (λg =
1.15 μm) barrier layer 4. The thickness of each semiconductor layer may be within the range of the thickness described in the third embodiment. The photoluminescence (PL) emission wavelength of the multiple quantum well structure 5 was 1.3 μm. In the present example, ordering was generated in the barrier layer 4 by introducing a compressive strain of 0.8% into the strain well layer 3 and setting the crystal growth temperature to 580 degrees. Note that FIG.
Shows the energy band structure of the laminated structure.

【0057】図11(b)に示されるように、ストライ
プ状積層構造の両側には、p−InGaAsP/p−I
nP/n−InP/p−InP電流狭窄構造7が設けら
れており、その電流狭窄構造7の一部には、溝が設けら
れている。溝の表面は、SiO2層で覆われている。半
導体レーザの上部には、p側電極8が設けられ、下部に
はn側電極9が設けられている。
As shown in FIG. 11B, p-InGaAsP / p-I is provided on both sides of the stripe-shaped laminated structure.
An nP / n-InP / p-InP current confinement structure 7 is provided, and a part of the current confinement structure 7 is provided with a groove. The surface of the groove is covered with a SiO 2 layer. A p-side electrode 8 is provided above the semiconductor laser, and an n-side electrode 9 is provided below.

【0058】本半導体レーザは、回折格子10のピッチ
によって決められた発振波長で発振することを特徴とし
ており、分布帰還型レーザ(DFBレーザ)と呼ばれて
いる。
The present semiconductor laser is characterized in that it oscillates at an oscillation wavelength determined by the pitch of the diffraction grating 10 and is called a distributed feedback laser (DFB laser).

【0059】本半導体レーザの利得ピーク波長の温度ま
たは注入電流依存性は、実施例2の半導体レーザと同様
である。
The temperature or injection current dependence of the gain peak wavelength of the present semiconductor laser is the same as that of the semiconductor laser of the second embodiment.

【0060】理想的には、DFBレーザは単一モードで
発振する。しかし、図12(b)に示したように、回折
格子のピッチで決まる「DFB発振波長」と「利得ピー
ク波長」との差が20nmより大きい場合には、レーザ
の単一モード発振の確率は急激に低下する。図13は、
単一モード特性の出現率の温度依存性を示す。オーダリ
ングの無い半導体レーザを温度コントロールしないで駆
動した場合、単一モード発振が実現できる温度範囲は0
℃から40℃になる。他方、オーダリングを有する歪量
子井戸結晶を用いて半導体レーザを試作した場合、−8
0℃から120℃までの範囲内で半導体レーザの温度を
変化させても、単一モード発振が維持される。この結
果、温度コントロール用のペルチェ素子を使用する必要
がなくなり、レーザモジュールの価格を大きく低減でき
る。
Ideally, a DFB laser oscillates in a single mode. However, as shown in FIG. 12B, when the difference between the “DFB oscillation wavelength” and the “gain peak wavelength” determined by the pitch of the diffraction grating is larger than 20 nm, the probability of single mode oscillation of the laser is It drops sharply. FIG.
The temperature dependence of the appearance rate of the single mode characteristic is shown. If a semiconductor laser without ordering is driven without temperature control, the temperature range in which single mode oscillation can be realized is 0
From 40 ° C to 40 ° C. On the other hand, when a semiconductor laser is prototyped using a strained quantum well crystal having ordering, -8
Even when the temperature of the semiconductor laser is changed within a range from 0 ° C. to 120 ° C., the single mode oscillation is maintained. As a result, there is no need to use a Peltier element for temperature control, and the price of the laser module can be greatly reduced.

【0061】さらに、DFBレーザの高出力駆動も可能
となる。図14に示すように、オーダリングが無い場合
には300mA以上で単一モードの出現率が減少する
が、オーダリングを有する場合には、600mA以上で
も単一モード性が維持されており、低い光出力から高い
光出力まで単一モード発振を示す高出力DFBレーザを
高歩留まりで実現することができる。
Further, it is possible to drive the DFB laser at a high output. As shown in FIG. 14, when there is no ordering, the appearance rate of a single mode decreases at 300 mA or more, but when ordering is performed, the single mode property is maintained at 600 mA or more, and the low light output is obtained. A high-power DFB laser exhibiting single mode oscillation from high to high optical output can be realized with a high yield.

【0062】このように、本実施例によれば、単一モー
ド特性が周囲温度や注入電流に影響されにくいDFBレ
ーザを提供することができるとともに、ペルチェ素子を
必要としない安価なレーザモジュールを提供することが
できる。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a DFB laser whose single mode characteristics are hardly affected by the ambient temperature and the injection current, and to provide an inexpensive laser module which does not require a Peltier element. can do.

【0063】なお、上記各実施例の説明では、障壁層1
4をInGaAsP(λg=1.15μm)から形成し
たが、InGaAsP(λg=1.05μm)から形成
すれば、よりオーダリングが発生しやすくなるために、
更に効果的にオーダリングを障壁層内に発生させること
ができる。また、SCH(spectrum confinment hetero
structure)構造を持つ半導体レーザを説明してきたが、
その他の半導体レーザにも本発明は適用される。また、
InGaAsP/InP系以外にも、AlGaAs/G
aAsおよびInGaP/AlGaInP、ZnSe
系、GaN系でも同様な効果が実現される。
In the description of each of the above embodiments, the barrier layer 1
Although No. 4 was formed from InGaAsP (λg = 1.15 μm), if it was formed from InGaAsP (λg = 1.05 μm), ordering would occur more easily.
Further, the ordering can be effectively generated in the barrier layer. In addition, SCH (spectrum confinment hetero
structure)
The present invention is applicable to other semiconductor lasers. Also,
In addition to the InGaAsP / InP system, AlGaAs / G
aAs and InGaP / AlGaInP, ZnSe
A similar effect can be achieved with a GaN-based system.

【0064】半導体レーザのタイプは、ファブリペロタ
イプやDFBタイプに限定されず、DBRタイプなどの
高い付加価値を持つ半導体レーザであってもよい。さら
に、半導体レーザ等の発光素子のみならず、受光素子
や、HFETなど高速電子素子に本発明の歪量子井戸結
晶を応用しても、それらの素子の温度変動特性が向上す
る。
The type of the semiconductor laser is not limited to the Fabry-Perot type or the DFB type, but may be a high value-added semiconductor laser such as a DBR type. Further, even if the strained quantum well crystal of the present invention is applied to not only light emitting elements such as semiconductor lasers but also light receiving elements and high-speed electronic elements such as HFETs, the temperature fluctuation characteristics of those elements are improved.

【0065】[0065]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
歪量子井戸層にオーダリングを発生させることで環境温
度や注入電流によって発振波長が影響されない半導体レ
ーザを提供するとともに、ペルチェ素子等の温度制御素
子が不要な低価格DFBレーザモジュールを提供するこ
とができ、その実用的効果はきわめて大きい。
As described above, according to the present invention,
By providing ordering in the strained quantum well layer, it is possible to provide a semiconductor laser whose oscillation wavelength is not affected by environmental temperature or injection current, and to provide a low-cost DFB laser module that does not require a temperature control element such as a Peltier element. The practical effect is extremely large.

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

【図1】(a)は、オーダリングの無い場合のPL発光
の温度によるシフトを示すグラフ、(b)は、オーダリ
ングのある場合のPL発光の温度によるシフトを示すグ
ラフ。
FIG. 1A is a graph showing a shift of PL light emission due to a temperature when there is no ordering, and FIG. 1B is a graph showing a shift of PL light emission due to a temperature when ordering is present.

【図2】(a)は、本発明による歪量子井戸結晶構造体
の実施例の構造断面図、(b)は、歪量子井戸構造体の
エネルギーバンドダイヤグラム。
2A is a structural sectional view of an embodiment of a strained quantum well crystal structure according to the present invention, and FIG. 2B is an energy band diagram of the strained quantum well structure.

【図3】(a)及び(b)は、オーダリングの有無によ
るPL発光強度の差異を説明するグラフ。
FIGS. 3A and 3B are graphs for explaining a difference in PL emission intensity depending on the presence or absence of ordering.

【図4】オーダリングの有無による利得ピーク波長シフ
ト量の差異を説明するグラフ。
FIG. 4 is a graph illustrating a difference in a gain peak wavelength shift amount depending on the presence or absence of ordering.

【図5】成長温度をパラメータとした場合の、オーダリ
ングの有無と井戸層数及び格子歪の量との関係を示すグ
ラフ。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the presence or absence of ordering, the number of well layers, and the amount of lattice distortion when the growth temperature is used as a parameter.

【図6】InGaAsP歪量子井戸層数が10の場合の
オーダリングを起こす歪量(%)と結晶成長温度(℃)
との関係を示すグラフである。
FIG. 6 shows the amount of strain (%) that causes ordering and the crystal growth temperature (° C.) when the number of InGaAsP strained quantum well layers is 10.
6 is a graph showing a relationship with the graph.

【図7】(a)は、本発明による歪量子井戸半導体レー
ザの実施例の構造断面図、(b)は、歪量子井戸構造の
エネルギーバンドダイヤグラム。
7A is a structural sectional view of an embodiment of a strained quantum well semiconductor laser according to the present invention, and FIG. 7B is an energy band diagram of the strained quantum well structure.

【図8】(a)から(d)は、本発明による歪量子井戸
レーザの製造方法を示す工程断面図。
FIGS. 8A to 8D are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a strained quantum well laser according to the present invention.

【図9】オーダリングの有無による利得ピーク波長の差
異を説明するグラフ。
FIG. 9 is a graph illustrating a difference in gain peak wavelength depending on the presence or absence of ordering.

【図10】本発明と従来例とについて、発振波長の注入
電流依存性を示すグラフ。
FIG. 10 is a graph showing the injection current dependency of the oscillation wavelength for the present invention and the conventional example.

【図11】(a)は、本発明による歪量子井戸半導体レ
ーザの他の実施例の構造断面図、(b)は、歪量子井戸
構造のエネルギーバンドダイヤグラム。
FIG. 11A is a structural cross-sectional view of another embodiment of the strained quantum well semiconductor laser according to the present invention, and FIG. 11B is an energy band diagram of the strained quantum well structure.

【図12】(a)及び(b)は、歪の有無による多重量
子井戸構造の発光強度の差異を説明するグラフ。
12A and 12B are graphs for explaining a difference in light emission intensity of a multiple quantum well structure depending on the presence or absence of strain.

【図13】オーダリングの有無による単一モード発振の
出現率の温度依存性の差異を説明するグラフ。
FIG. 13 is a graph illustrating the difference in the temperature dependence of the appearance rate of single mode oscillation depending on the presence or absence of ordering.

【図14】オーダリングの有無による単一モード発振の
出現率の注入電流依存性の差異を説明するグラフ。
FIG. 14 is a graph illustrating the difference in the injection current dependence of the appearance rate of single mode oscillation depending on the presence or absence of ordering.

【図15】(a)は、従来の歪量子井戸型半導体レーザ
の歪量子井戸構造のエネルギーバンドダイヤグラム、
(b)は、その半導体レーザの斜視図。
FIG. 15A is an energy band diagram of a strained quantum well structure of a conventional strained quantum well semiconductor laser,
(B) is a perspective view of the semiconductor laser.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 単結晶基板 2 第1の導波路層 3 歪井戸層 4 障壁層 5 歪量子井戸構造 6 第2の導波路層 7 電流狭窄層 8 p側電極 9 n側電極 REFERENCE SIGNS LIST 1 single crystal substrate 2 first waveguide layer 3 strained well layer 4 barrier layer 5 strained quantum well structure 6 second waveguide layer 7 current confinement layer 8 p-side electrode 9 n-side electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松井 康 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平5−55699(JP,A) 特開 平7−7217(JP,A) J.Lightwave Techn ology 12[1](1994)p.28− 37 J.Appl.Phys.72[9 ](1992)p.4118−4124 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01S 3/18 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing from the front page (72) Yasushi Matsui 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (56) References JP-A-5-55699 (JP, A) JP-A-7- 7217 (JP, A) Lightwave Technology 12 [1] (1994) p. 28-37 J.C. Appl. Phys. 72 [9] (1992) p. 4118-4124 (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) H01S 3/18

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 井戸層及び障壁層を含む歪量子井戸構造
と、該歪量子井戸構造を支持する半導体基板と、該歪量
子井戸構造を挟む第1の光導波路層及び第2の光導波路
層と、を備えた半導体レーザであって、 該障壁層が、オーダリングしている混晶から形成されて
いる、 半導体レーザ。
1. A strained quantum well structure including a well layer and a barrier layer.
When a semiconductor substrate for supporting the strained quantum well structure, a semiconductor laser with a first optical waveguide layer and the second optical waveguide layers sandwiching the strained quantum well structure, and the barrier layer, Formed from ordered mixed crystals
Yes, a semiconductor laser.
【請求項2】 井戸層及び障壁層を含む歪量子井戸構造
と、該歪量子井戸構造を支持するInP基板と、を備え
た半導体レーザであって、 井戸層及び障壁層の各々は、エネルギバンドギャッ
プの異なるInGaAsP結晶から形成されており、該
障壁層がオーダリングしている混晶から形成されてい
る、半導体レーザ。
2. A strained quantum well structure including a well layer and a barrier layer.
And an InP substrate that supports the strained quantum well structure.
And a semiconductor laser, each of the well layers and the barrier layers are formed from different InGaAsP crystals energy band gap, the
The barrier layer is made of ordered mixed crystals
That, semiconductor laser.
【請求項3】 井戸層及び障壁層を含む歪量子井戸構造
を備えた半導体レーザの製造方法であって、 該歪量子井戸構造を形成する工程は、 該障壁層をオーダリングしている混晶から形成する工程
と、 歪量(%)=1.0−0.10×(井戸層数)で示され
る歪量以上の格子歪を導入して580度以下の温度で結
晶成長を行うことにより該井戸層を形成する工程と、 を含む、 半導体レーザの製造方法。
3. A strained quantum well structure including a well layer and a barrier layer.
A method of manufacturing a semiconductor laser comprising a step of forming a strained quantum well structure, a step of forming a mixed crystal that ordering a said barrier layer
And a crystal strain at a temperature of 580 ° C. or less by introducing a lattice strain equal to or more than the strain amount represented by strain amount (%) = 1.0−0.10 × (number of well layers). and forming a manufacturing method of a semiconductor laser.
【請求項4】 井戸層及び障壁層を含む歪量子井戸構造
を備えた半導体レーザの製造方法であって、 該歪量子井戸構造を形成する工程は、 該障壁層をオーダリングしている混晶から形成する工程
と、 歪量(%)=1.2−0.02×(井戸層数)で示され
る歪量以上の格子歪を導入して600度以下の温度で結
晶成長を行うことにより該井戸層を形成する工程と、 を含む、 半導体レーザの製造方法。
4. A strained quantum well structure including a well layer and a barrier layer.
A method of manufacturing a semiconductor laser comprising a step of forming a strained quantum well structure, a step of forming a mixed crystal that ordering a said barrier layer
If, strain amount (%) = 1.2-0.02 × well layer by performing crystal growth at a strain amount or more of lattice strain introduced to 6 00 degrees or less temperature represented by (the number of well layers) and forming a manufacturing method of a semiconductor laser.
【請求項5】 井戸層及び障壁層を含む歪量子井戸構造
を備えた半導体レーザの製造方法であって、 該歪量子井戸構造を形成する工程は、 該障壁層をオーダリングしている混晶から形成する工程
と、 歪量(%)=1.6−0.02×(井戸層数)で示され
る歪量以上の格子歪を導入して700度以下の温度で結
晶成長を行うことにより該井戸層を形成する工程と、 を含む、 半導体レーザの製造方法。
5. A strained quantum well structure including a well layer and a barrier layer.
A method of manufacturing a semiconductor laser comprising a step of forming a strained quantum well structure, a step of forming a mixed crystal that ordering a said barrier layer
If, strain amount (%) = 1.6-0.02 × well layer by performing crystal growth at a strain amount or more introduce lattice distortion to 7 00 degrees or less temperature represented by (the number of well layers) and forming a manufacturing method of a semiconductor laser.
【請求項6】 半導体結晶と、該半導体結晶の格子定数
とは異なる格子定数を持つInGaAsP結晶と、を備
えた歪量子井戸結晶であって、 該InGaAsP結晶のうちで障壁層を形成する部分が
オーダリングしている、歪量子井戸結晶。
6. A strained quantum well crystal comprising a semiconductor crystal and an InGaAsP crystal having a lattice constant different from the lattice constant of the semiconductor crystal, wherein a portion of the InGaAsP crystal where a barrier layer is formed is formed. Ordered strained quantum well crystal.
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