JP3033717B2 - 面発光半導体レーザ素子 - Google Patents
面発光半導体レーザ素子Info
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- JP3033717B2 JP3033717B2 JP21669497A JP21669497A JP3033717B2 JP 3033717 B2 JP3033717 B2 JP 3033717B2 JP 21669497 A JP21669497 A JP 21669497A JP 21669497 A JP21669497 A JP 21669497A JP 3033717 B2 JP3033717 B2 JP 3033717B2
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- quantum well
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光通信および光情報
処理用の光源として使われる量子井戸構造を用いた面発
光半導体レーザに関する
処理用の光源として使われる量子井戸構造を用いた面発
光半導体レーザに関する
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザ素子の特性として望ましい
ことは、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どである。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。
ことは、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どである。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。
【０００３】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。
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。
【０００４】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、ある臨界膜厚値以内にしなければならない。
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、ある臨界膜厚値以内にしなければならない。
【０００５】また、従来の歪量子井戸半導体レーザ素子
として例えば図１（ａ）に示すものが知られている。こ
の従来の歪量子井戸半導体レーザ素子においては、ｎ型
ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２および
ｎ型Ｇａ0.6 Ａｌ0.4 Ａｓクラッド層３が順次薄層さ
れ、次いで０．２μｍ厚さで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Ｇａ0.63Ｉｎ0.37Ａ
ｓ量子井戸層４からなる活性層が横層され、さらに傾斜
領域６の上にｐ型Ｇａ0.6 Ａｌ0.4 Ａｓ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。
として例えば図１（ａ）に示すものが知られている。こ
の従来の歪量子井戸半導体レーザ素子においては、ｎ型
ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２および
ｎ型Ｇａ0.6 Ａｌ0.4 Ａｓクラッド層３が順次薄層さ
れ、次いで０．２μｍ厚さで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Ｇａ0.63Ｉｎ0.37Ａ
ｓ量子井戸層４からなる活性層が横層され、さらに傾斜
領域６の上にｐ型Ｇａ0.6 Ａｌ0.4 Ａｓ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。
【０００６】この量子井戸半導体レーザ素子は発振波長
が９．９μｍであり、閾値電流密度は１９５Ａｃｍ-2で
あった。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している。
が９．９μｍであり、閾値電流密度は１９５Ａｃｍ-2で
あった。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している。
【０００７】
【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１．３μｍ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-x Ｉｎx Ａｓの活性層により得るた
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-x Ｉｎx Ａｓでは格子定数が大
きくなり、図１（ａ）に示した従来の歪量子井戸レーザ
の量子井戸層４に適用せんとすると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。
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１．３μｍ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-x Ｉｎx Ａｓの活性層により得るた
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-x Ｉｎx Ａｓでは格子定数が大
きくなり、図１（ａ）に示した従来の歪量子井戸レーザ
の量子井戸層４に適用せんとすると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。
【０００８】また、１．３乃至１．５５μｍのいわゆる
通信波長帯においては、２次元的な配列が可能な面発光
レーザが望まれているが、面発光レーザでは上述の状況
に加えて、端面出射型のしーザと比較すると高多層の量
子井戸構造を実現することが必要となるため、この波長
帯において面発光レーザを実現することはより困難であ
るとされていた。
通信波長帯においては、２次元的な配列が可能な面発光
レーザが望まれているが、面発光レーザでは上述の状況
に加えて、端面出射型のしーザと比較すると高多層の量
子井戸構造を実現することが必要となるため、この波長
帯において面発光レーザを実現することはより困難であ
るとされていた。
【０００９】
【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〜１．５５
μｍの長波長帯で発振する高性能な面発光半導体レーザ
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３−５
族化合物半導体層を有する面発光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
りも大きく、バリア層はその格子定数がＩｎＰの格子定
数よりも小さく構成されており、かつ、量子井戸層、バ
リア層はＧａＩｎＡｓＰの４元系半導体またはＡｌＧａ
ＩｎＡｓの４元系半導体により構成されていることを特
徴とする１．３〜１．５５μｍ用面発光半導体レーザ素
子である。
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〜１．５５
μｍの長波長帯で発振する高性能な面発光半導体レーザ
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３−５
族化合物半導体層を有する面発光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
りも大きく、バリア層はその格子定数がＩｎＰの格子定
数よりも小さく構成されており、かつ、量子井戸層、バ
リア層はＧａＩｎＡｓＰの４元系半導体またはＡｌＧａ
ＩｎＡｓの４元系半導体により構成されていることを特
徴とする１．３〜１．５５μｍ用面発光半導体レーザ素
子である。
【００１０】即ち、量子井戸層の格子定数をＩｎＰ基板
の格子定数よりも大きく、バリア層の格子定数をＩｎＰ
基板の格子定数よりも小さくし、かつ、量子井戸層、バ
リア層を構成する材料としてＧａＩｎＡｓＰの４元系半
導体またはＡｌＧａＩｎＡｓの４元系半導体を採用する
ことにより、各量子井戸層の膜厚を低閾値電流、低チャ
ーピングなどの効果が得られる膜厚（２．５〜３０ｎ
ｍ）とし、かつ、量子井戸層中の価電子帯における重い
正孔の膜面に水平方向の有効質量が小さくなり、低キャ
リアにて反転分布がおこり、実用可能な注入電流でレー
ザ発振が可能となるように量子井戸層中に圧縮歪が印加
された量子井戸構造を、光通信において重要な波長帯で
ある１．３〜１．５５μｍにおいて面発光レーザとして
実現することが可能となることを見いだしたものであ
る。
の格子定数よりも大きく、バリア層の格子定数をＩｎＰ
基板の格子定数よりも小さくし、かつ、量子井戸層、バ
リア層を構成する材料としてＧａＩｎＡｓＰの４元系半
導体またはＡｌＧａＩｎＡｓの４元系半導体を採用する
ことにより、各量子井戸層の膜厚を低閾値電流、低チャ
ーピングなどの効果が得られる膜厚（２．５〜３０ｎ
ｍ）とし、かつ、量子井戸層中の価電子帯における重い
正孔の膜面に水平方向の有効質量が小さくなり、低キャ
リアにて反転分布がおこり、実用可能な注入電流でレー
ザ発振が可能となるように量子井戸層中に圧縮歪が印加
された量子井戸構造を、光通信において重要な波長帯で
ある１．３〜１．５５μｍにおいて面発光レーザとして
実現することが可能となることを見いだしたものであ
る。
【００１１】
【発明の実施の態様】本発明の特徴は、ＩｎＰ基板上に
形成された、垂直キャビティーを構成する活性層構造に
あり、例えば垂直キャビティー両端に設ける反射鏡構造
や、レーザ駆動のための電極構造など、活性層構造以外
の部分については周知の面発光レーザと同様の構造を採
用することができるので、ここでは本発明の要点である
活性層構造について詳述する。
形成された、垂直キャビティーを構成する活性層構造に
あり、例えば垂直キャビティー両端に設ける反射鏡構造
や、レーザ駆動のための電極構造など、活性層構造以外
の部分については周知の面発光レーザと同様の構造を採
用することができるので、ここでは本発明の要点である
活性層構造について詳述する。
【００１２】本発明における活性層は各層の厚さ２．５
〜３０ｎｍである（ｎ−１）層のバリア層で交互に隔て
られた各層の厚さ２．５〜３０ｎｍのｎ層の量子井戸層
から構成されている。この場合には、活性層の両側面は
量子井戸層になるが、（ｎ＋１）層のバリア層を配し
て、活性層の両側面をバリア層にしてもよい。量子井戸
層の組成は、図２における発振波長１．３μｍに相当す
る等バンドギャップ線Ｃ上にあり、かつ、格子定数がＩ
ｎＰ基板よりも大きいＰＴ間のＴに近い組成、ＧａX1Ｉ
ｎ1-X1ＡｓY1Ｐ1-Y1（０＜Ｘ１，Ｙ１＜１）の４元系半
導体実線Ｌ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ととする。
〜３０ｎｍである（ｎ−１）層のバリア層で交互に隔て
られた各層の厚さ２．５〜３０ｎｍのｎ層の量子井戸層
から構成されている。この場合には、活性層の両側面は
量子井戸層になるが、（ｎ＋１）層のバリア層を配し
て、活性層の両側面をバリア層にしてもよい。量子井戸
層の組成は、図２における発振波長１．３μｍに相当す
る等バンドギャップ線Ｃ上にあり、かつ、格子定数がＩ
ｎＰ基板よりも大きいＰＴ間のＴに近い組成、ＧａX1Ｉ
ｎ1-X1ＡｓY1Ｐ1-Y1（０＜Ｘ１，Ｙ１＜１）の４元系半
導体実線Ｌ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ととする。
【００１３】各量子井戸層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
に対しては２０〜３０ｎｍである。
の値は歪の誘起する転位の発生によって決まり、組成Ｔ
に対しては２０〜３０ｎｍである。
【００１４】バリア層の組成は、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よりも左側の組成から選択する。
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よりも左側の組成から選択する。
【００１５】この場合、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ために、発振波長は１．３μｍ
から若干ずれることになる。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Ｃ線から多少ずらし
て調整すればよい。
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ために、発振波長は１．３μｍ
から若干ずれることになる。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Ｃ線から多少ずらし
て調整すればよい。
【００１６】このように構成することで、通信波長とし
て重要な１．３μｍ帯で発振し、低関値密度、低チャー
ピングが実現できる活性層構造を、量子井戸層およびバ
リア層の層数が数百まで、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となり、このことにより、
垂直キャビティをもつ面発光レーザを１．３μｍ帯で実
現することが可能となる。
て重要な１．３μｍ帯で発振し、低関値密度、低チャー
ピングが実現できる活性層構造を、量子井戸層およびバ
リア層の層数が数百まで、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となり、このことにより、
垂直キャビティをもつ面発光レーザを１．３μｍ帯で実
現することが可能となる。
【００１７】なお、活性層の平均格子定数は、量子井戸
層とバリア層の厚みと組成を調整することによって、Ｉ
ｎＰの格子定数に等しくすることができる。また、本発
明の面発光半導体レーザは、量子井戸層、バリア層をＡ
ｌＧａＩｎＡｓの４元系半導体で構成することもでき
る。ここで、量子井戸層をＡｌＧａＩｎＡｓの４元系半
導体とする場合は、図３におけるＬ' 線（ＩｎＰとの格
子定数線）よりもＩｎＡｓよりの領域、即ち図３中の斜
線領域からバンドギャップ波長１．３μｍの組成を選択
すれば良く、バリア層をＡｌＧａＩｎＡｓの４元系半導
体とする場合は、図３におけるＬ' 線のＧａＡｓまたは
ＡｌＡｓよりの領域、即ち図３中の斜線の無い領域から
バンドギャップ波長が１．３μｍ以下の組成を選択すれ
ばよい。
層とバリア層の厚みと組成を調整することによって、Ｉ
ｎＰの格子定数に等しくすることができる。また、本発
明の面発光半導体レーザは、量子井戸層、バリア層をＡ
ｌＧａＩｎＡｓの４元系半導体で構成することもでき
る。ここで、量子井戸層をＡｌＧａＩｎＡｓの４元系半
導体とする場合は、図３におけるＬ' 線（ＩｎＰとの格
子定数線）よりもＩｎＡｓよりの領域、即ち図３中の斜
線領域からバンドギャップ波長１．３μｍの組成を選択
すれば良く、バリア層をＡｌＧａＩｎＡｓの４元系半導
体とする場合は、図３におけるＬ' 線のＧａＡｓまたは
ＡｌＡｓよりの領域、即ち図３中の斜線の無い領域から
バンドギャップ波長が１．３μｍ以下の組成を選択すれ
ばよい。
【００１８】これにより、量子井戸層、バリア層ともに
ＧａＩｎＡｓＰの４元系半導体とするタイプ、量子井戸
をＧａＩｎＡｓＰの４元系半導体とし、バリア層をＡｌ
ＧａＩｎＡｓの４元系半導体とするタイプ、量子井戸層
をＡｌＧａＩｎＡｓの４元系半導体とし、バリア層をＧ
ａＩｎＡｓＰの４元系半導体とするタイプ、量子井戸
層、バリア層ともにＡｌＧａＩｎＡｓの４元系半導体と
するタイプの４つのタイプの面発光レーザを実現するこ
とができる。
ＧａＩｎＡｓＰの４元系半導体とするタイプ、量子井戸
をＧａＩｎＡｓＰの４元系半導体とし、バリア層をＡｌ
ＧａＩｎＡｓの４元系半導体とするタイプ、量子井戸層
をＡｌＧａＩｎＡｓの４元系半導体とし、バリア層をＧ
ａＩｎＡｓＰの４元系半導体とするタイプ、量子井戸
層、バリア層ともにＡｌＧａＩｎＡｓの４元系半導体と
するタイプの４つのタイプの面発光レーザを実現するこ
とができる。
【００１９】また、上記実施例においては、１．３μｍ
帯において発振する面発光半導体レーザ装置について説
明したが、１．３〜１．５５μｍ帯においても上述と同
様にして、本発明の構成を得ることができることは当業
者に明らかである。
帯において発振する面発光半導体レーザ装置について説
明したが、１．３〜１．５５μｍ帯においても上述と同
様にして、本発明の構成を得ることができることは当業
者に明らかである。
【００２０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
１．３〜１．５５μｍ帯の発振波長を有し、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。
１．３〜１．５５μｍ帯の発振波長を有し、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１】従来例の要部断面図（ａ）およびそのバンドギ
ャップの伝導帯側を示す図（ｂ）
ャップの伝導帯側を示す図（ｂ）
【図２】ＧａＩｎＡｓＰのダイヤグラム
【図３】ＡｌＧａＩｎＡｓのダイヤグラム
１はｎ型ＧａＡｓ基板 ２はｎ型ＧａＡｓバッファ層 ３はｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層 ４はＧａＩｎＡｓ量子井戸層 ５、６は傾斜領域 ７はｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層 ８はｐ型ＧａＡｓキャップ層 ９はｎ型電極 １０はｐ型電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 1988年 第49回応用物理学会学術講演 会予稿集 第３分冊 ５ｐ−ＺＣ−12, Ｐ861 Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．53 ［15］（1988）ｐ1378〜1380 Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．59［７ ］（1986）ｐ1845〜1855
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３−５族化合物半導体層を有する
面発光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く、バリア層はそ
の格子定数がＩｎＰの格子定数よりも小さく構成されて
おり、かつ、量子井戸層、バリア層はＧａＩｎＡｓＰの
４元系半導体またはＡｌＧａＩｎＡｓの４元系半導体に
より構成されていることを特徴とする１．３〜１．５５
μｍ用面発光半導体レーザ素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21669497A JP3033717B2 (ja) | 1997-08-11 | 1997-08-11 | 面発光半導体レーザ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21669497A JP3033717B2 (ja) | 1997-08-11 | 1997-08-11 | 面発光半導体レーザ素子 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63285549A Division JP2898643B2 (ja) | 1988-11-11 | 1988-11-11 | 量子井戸半導体レーザ素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1070342A JPH1070342A (ja) | 1998-03-10 |
| JP3033717B2 true JP3033717B2 (ja) | 2000-04-17 |
Family
ID=16692465
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21669497A Expired - Lifetime JP3033717B2 (ja) | 1997-08-11 | 1997-08-11 | 面発光半導体レーザ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3033717B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10230217B2 (en) * | 2016-10-31 | 2019-03-12 | Sumitomo Electric Device Innovations, Inc. | Semiconductor laser diode having multi-quantum well structure |
-
1997
- 1997-08-11 JP JP21669497A patent/JP3033717B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| １９８８年 第４９回応用物理学会学術講演会予稿集 第３分冊 ５ｐ−ＺＣ−１２，Ｐ８６１ |
| Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５３［１５］（１９８８）ｐ１３７８〜１３８０ |
| Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５９［７］（１９８６）ｐ１８４５〜１８５５ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH1070342A (ja) | 1998-03-10 |
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