JP3145718B2 - 半導体レーザ - Google Patents
半導体レーザInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】ＩｎＰ基板上のＩｎX Ｇａ1-X Ａ
ｓ、ＩｎX Ｇａ1-X ＡｓY Ｐ1-Y 系材料の多層膜を用い
た半導体レーザは、光ファイバー通信用の光源として極
めて重要である。本発明は、このような半導体レーザに
関するものである。
ｓ、ＩｎX Ｇａ1-X ＡｓY Ｐ1-Y 系材料の多層膜を用い
た半導体レーザは、光ファイバー通信用の光源として極
めて重要である。本発明は、このような半導体レーザに
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバーの損失が小さい１．３μm
から１．６μmの波長で発振する、ＩｎＰ基板に格子整
合したＩｎX Ｇａ1-X Ａｓ、ＩｎX Ｇａ1-X ＡｓY Ｐ
1-Y 系の長波長帯半導体レーザは、実際の光ファイバ通
信システムに用いられているが、近来、レーザ特性の向
上の為に量子井戸構造を活性層に用いる検討が多くの研
究機関で行われている（例えば、Ｍ．Ｋｉｔａｍｕｒａ
ほか、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌ
ｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ．２、ＮＯ．５、３１
０から３１１頁（１９９０年））。図５は、従来例の量
子井戸活性層長波長半導体レーザの層構造を示す断面
図、図６は図５のレーザにおける結晶のバンド構造図、
図７は別の従来例のレーザにおける結晶のバンド構造図
である。
から１．６μmの波長で発振する、ＩｎＰ基板に格子整
合したＩｎX Ｇａ1-X Ａｓ、ＩｎX Ｇａ1-X ＡｓY Ｐ
1-Y 系の長波長帯半導体レーザは、実際の光ファイバ通
信システムに用いられているが、近来、レーザ特性の向
上の為に量子井戸構造を活性層に用いる検討が多くの研
究機関で行われている（例えば、Ｍ．Ｋｉｔａｍｕｒａ
ほか、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌ
ｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ．２、ＮＯ．５、３１
０から３１１頁（１９９０年））。図５は、従来例の量
子井戸活性層長波長半導体レーザの層構造を示す断面
図、図６は図５のレーザにおける結晶のバンド構造図、
図７は別の従来例のレーザにおける結晶のバンド構造図
である。
【０００３】図５において、半導体レーザは、ｎ電極２
１、ｎ型ＩｎＰ基板２２、ｎ型ＩｎＰクラッド層２３、
Ｉｎ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ0.644 Ｐ0.356 ガイド層２４、層
厚７nmのＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ量子井戸層２５と層厚２
０nmのＩｎ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ0.644 Ｐ0.356 バリア層２
６を交互に積層した多重量子井戸活性層と、Ｉｎ0.7 Ｇ
ａ0.3 Ａｓ0.644 Ｐ0.356 ガイド層２７、ｐ型ＩｎＰク
ラッド層２８、ｐ型Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓキャップ層２
９、ｐ電極３０とから構成されている。これらの半導体
層は全てｎ型ＩｎＰ基板２２に格子整合している。ここ
では、量子井戸数は４とした。
１、ｎ型ＩｎＰ基板２２、ｎ型ＩｎＰクラッド層２３、
Ｉｎ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ0.644 Ｐ0.356 ガイド層２４、層
厚７nmのＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ量子井戸層２５と層厚２
０nmのＩｎ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ0.644 Ｐ0.356 バリア層２
６を交互に積層した多重量子井戸活性層と、Ｉｎ0.7 Ｇ
ａ0.3 Ａｓ0.644 Ｐ0.356 ガイド層２７、ｐ型ＩｎＰク
ラッド層２８、ｐ型Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓキャップ層２
９、ｐ電極３０とから構成されている。これらの半導体
層は全てｎ型ＩｎＰ基板２２に格子整合している。ここ
では、量子井戸数は４とした。
【０００４】図６は、この半導体レーザの多重量子井戸
活性層周辺での伝導帯端２９、価電子帯端３０のエネル
ギーを層厚方向に示している。全ての半導体層はＩｎＰ
基板２２に格子整合しているので、価電子帯端３０はヘ
ビーホールバンドとライトホールバンドが縮退してい
る。この層構造の場合、量子井戸層２５とバリヤ層２６
との、伝導帯端２９でのエネルギー差が８６meV 、価電
子帯端でのエネルギー差が１３０meV となっている。こ
のような構造の多重量子井戸半導体レーザは、光ファイ
バの損失の低い１．５５μm の波長で発振し、従来のバ
ルク活性層の半導体レーザよりも低閾値で発振し、より
高い温度での動作が可能になった。
活性層周辺での伝導帯端２９、価電子帯端３０のエネル
ギーを層厚方向に示している。全ての半導体層はＩｎＰ
基板２２に格子整合しているので、価電子帯端３０はヘ
ビーホールバンドとライトホールバンドが縮退してい
る。この層構造の場合、量子井戸層２５とバリヤ層２６
との、伝導帯端２９でのエネルギー差が８６meV 、価電
子帯端でのエネルギー差が１３０meV となっている。こ
のような構造の多重量子井戸半導体レーザは、光ファイ
バの損失の低い１．５５μm の波長で発振し、従来のバ
ルク活性層の半導体レーザよりも低閾値で発振し、より
高い温度での動作が可能になった。
【０００５】更に、最近では量子井戸層を、ＩｎＰ基板
よりも大きい格子定数を持つＩｎX Ｇａ1-X Ａｓ（Ｘ＞
０．５３）として、量子井戸層に圧縮歪がかかるように
する歪多重量子井戸半導体レーザが盛んに研究開発され
ている（例えば、Ｊ．Ｎ．Ｔｏｔｈｉｌｌほか、Ｊｏｕ
ｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉ
ａｌｓ、ｖｏｌ．１９、Ｎｏ．６、５１５から５１９頁
（１９９０年））。図７はこの従来の歪多重量子井戸半
導体レーザのバンド構造図である。量子井戸層２５が歪
量子井戸層３１に代わっている以外は図５の半導体レー
ザと同じ層構造である。歪量子井戸層３１は３．５nmの
Ｉｎ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ層であり、１％程度の圧縮歪がか
かっている。発振波長は約１．５３μm である。歪量子
井戸層３１において価電子帯端３３は圧縮歪によって縮
退が解け、ヘビーホールバンド端がエネルギー的に高
く、ライトホールバンド端３４が低くなる。すなわち、
ヘビーホールが価電子帯端となる。また、量子井戸界面
方向のヘビーホールの有効質量はこの歪によって軽くな
る。したがって、歪量子井戸層３１の価電子帯端での有
効質量状態密度が減少して伝導帯端での有効質量状態密
度に近づく。この結果、レーザ発振に必要なキャリア密
度が減少して、発振閾電流値が低くなる。実際、歪多重
量子井戸半導体レーザにおいて、通常の多重量子井戸半
導体レーザよりも低い発振閾値が得られている。このレ
ーザでは、量子井戸層とバリア層のΔＥｃ、ΔＥｖはそ
れぞれ１７３meV 、１７７meV となる。
よりも大きい格子定数を持つＩｎX Ｇａ1-X Ａｓ（Ｘ＞
０．５３）として、量子井戸層に圧縮歪がかかるように
する歪多重量子井戸半導体レーザが盛んに研究開発され
ている（例えば、Ｊ．Ｎ．Ｔｏｔｈｉｌｌほか、Ｊｏｕ
ｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉ
ａｌｓ、ｖｏｌ．１９、Ｎｏ．６、５１５から５１９頁
（１９９０年））。図７はこの従来の歪多重量子井戸半
導体レーザのバンド構造図である。量子井戸層２５が歪
量子井戸層３１に代わっている以外は図５の半導体レー
ザと同じ層構造である。歪量子井戸層３１は３．５nmの
Ｉｎ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ層であり、１％程度の圧縮歪がか
かっている。発振波長は約１．５３μm である。歪量子
井戸層３１において価電子帯端３３は圧縮歪によって縮
退が解け、ヘビーホールバンド端がエネルギー的に高
く、ライトホールバンド端３４が低くなる。すなわち、
ヘビーホールが価電子帯端となる。また、量子井戸界面
方向のヘビーホールの有効質量はこの歪によって軽くな
る。したがって、歪量子井戸層３１の価電子帯端での有
効質量状態密度が減少して伝導帯端での有効質量状態密
度に近づく。この結果、レーザ発振に必要なキャリア密
度が減少して、発振閾電流値が低くなる。実際、歪多重
量子井戸半導体レーザにおいて、通常の多重量子井戸半
導体レーザよりも低い発振閾値が得られている。このレ
ーザでは、量子井戸層とバリア層のΔＥｃ、ΔＥｖはそ
れぞれ１７３meV 、１７７meV となる。
【０００６】第１の課題としては、半導体レーザの温度
特性の向上があげられる。上に述べた従来の半導体レー
ザでは、発振閾値の特性温度が６０から８０Ｋであり、
ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザの特性温度１
５０から２００Ｋに比較して非常に低い。その大きな原
因の一つに、伝導帯における量子井戸層からバリア層、
ガイド層への電子のオーバーフローが大きいことがあ
る。ヘビーホールの有効質量は電子の有効質量に比べて
１０倍程度大きいので、ホールのオーバーフローは問題
にならない。量子井戸層２５または３１とバリア層２
６、ガイド層２４、２７との伝導帯でのエネルギー差Δ
Ｅｃは図６、図７のバンド構造ではそれぞれ８６meV、
１７３meVであり、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系のばあい
の２５０から３００meV程度に比較して非常に小さい。
これを大きくするには、バリア層、ガイド層の組成をＩ
ｎＰに近づけることがもっとも簡単である。例えば、バ
リア層、ガイド層をすべてＩｎＰにした場合、ΔＥｃは
２４０meV程度となるが、価電子帯でのエネルギー差Δ
Ｅｖはより大きく、３７０meV程度となるため、ホール
が多重量子井戸のｐ側の数周期内にトラップされてしま
い、ホールが均一に量子井戸全領域にわたって均一員注
入されず、半導体レーザの閾値が上昇するという問題が
生じる。これはヘビーホールの有効質量が大きく、モビ
リティが小さいため、ホールの拡散長が小さいことも原
因となっている。
特性の向上があげられる。上に述べた従来の半導体レー
ザでは、発振閾値の特性温度が６０から８０Ｋであり、
ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザの特性温度１
５０から２００Ｋに比較して非常に低い。その大きな原
因の一つに、伝導帯における量子井戸層からバリア層、
ガイド層への電子のオーバーフローが大きいことがあ
る。ヘビーホールの有効質量は電子の有効質量に比べて
１０倍程度大きいので、ホールのオーバーフローは問題
にならない。量子井戸層２５または３１とバリア層２
６、ガイド層２４、２７との伝導帯でのエネルギー差Δ
Ｅｃは図６、図７のバンド構造ではそれぞれ８６meV、
１７３meVであり、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系のばあい
の２５０から３００meV程度に比較して非常に小さい。
これを大きくするには、バリア層、ガイド層の組成をＩ
ｎＰに近づけることがもっとも簡単である。例えば、バ
リア層、ガイド層をすべてＩｎＰにした場合、ΔＥｃは
２４０meV程度となるが、価電子帯でのエネルギー差Δ
Ｅｖはより大きく、３７０meV程度となるため、ホール
が多重量子井戸のｐ側の数周期内にトラップされてしま
い、ホールが均一に量子井戸全領域にわたって均一員注
入されず、半導体レーザの閾値が上昇するという問題が
生じる。これはヘビーホールの有効質量が大きく、モビ
リティが小さいため、ホールの拡散長が小さいことも原
因となっている。
【０００７】第２の課題としては、半導体レーザの高速
変調時の問題がある。半導体レーザの高速変調に関して
は多くの問題があるが、そのひとつにバリア層、ガイド
層から量子井戸層へのキャリアの注入の問題がある。ク
ラッド層から注入されたキャリアは量子井戸にトラップ
される前に、バリア層、ガイド層を移動するが、ヘビー
ホールは電子に比べて有効質量が大きく、モビリティが
小さいために、ホールの移動時間が量子井戸へのキャリ
アの注入時間を制限する。この問題は、１０GHz 以上の
極めて高速のレーザ変調動作時に問題になってくるとい
われている。
変調時の問題がある。半導体レーザの高速変調に関して
は多くの問題があるが、そのひとつにバリア層、ガイド
層から量子井戸層へのキャリアの注入の問題がある。ク
ラッド層から注入されたキャリアは量子井戸にトラップ
される前に、バリア層、ガイド層を移動するが、ヘビー
ホールは電子に比べて有効質量が大きく、モビリティが
小さいために、ホールの移動時間が量子井戸へのキャリ
アの注入時間を制限する。この問題は、１０GHz 以上の
極めて高速のレーザ変調動作時に問題になってくるとい
われている。
【０００８】これら第１及び第２の課題は、図６及び図
７に挙げた２種類のバンド構造のレーザに共通の問題で
ある。
７に挙げた２種類のバンド構造のレーザに共通の問題で
ある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】第１、第２の課題を解決
するための請求項１の半導体レーザは、InP基板上に、
前記基板と格子整合するｐ型クラッド層およびｎ型クラ
ッド層で活性層を挟んでなる積層構造を有する半導体レ
ーザにおいて、前記活性層が、量子井戸層とバリア層と
からなる単一または複数の周期の多層膜であり、前記量
子井戸層はInGaAsまたはInGaAsP混晶から構成され、前
記量子井戸層の格子定数が前記基板の格子定数と等しく
該量子井戸層面内には歪がかかっておらず、前記バリア
層はInGaAsP混晶から構成され、前記バリア層の格子定
数が前記基板の格子定数よりも小さく該バリア層面内に
引張歪がかかっており、かつ前記量子井戸層の伝導帯端
と前記バリア層の伝導帯端とのエネルギー差が、前記量
子井戸層の価電子帯端と前記バリア層の価電子帯端との
エネルギー差よりも大きいことを特徴とする。
するための請求項１の半導体レーザは、InP基板上に、
前記基板と格子整合するｐ型クラッド層およびｎ型クラ
ッド層で活性層を挟んでなる積層構造を有する半導体レ
ーザにおいて、前記活性層が、量子井戸層とバリア層と
からなる単一または複数の周期の多層膜であり、前記量
子井戸層はInGaAsまたはInGaAsP混晶から構成され、前
記量子井戸層の格子定数が前記基板の格子定数と等しく
該量子井戸層面内には歪がかかっておらず、前記バリア
層はInGaAsP混晶から構成され、前記バリア層の格子定
数が前記基板の格子定数よりも小さく該バリア層面内に
引張歪がかかっており、かつ前記量子井戸層の伝導帯端
と前記バリア層の伝導帯端とのエネルギー差が、前記量
子井戸層の価電子帯端と前記バリア層の価電子帯端との
エネルギー差よりも大きいことを特徴とする。
【００１０】
【作用】本発明の半導体レーザにおいては、多重量子井
戸のバリア層に、ＩｎＰ基板よりも格子定数が小さくか
つ量子井戸層よりもバンドギャップが大きいＩｎ Z Ｇａ
1-Z Ａｓ U Ｐ 1-U 層を用いることを特徴とする。この結
果、バリア層には引っ張り歪みが加わり、価電子帯端は
ライトホールバンド端がエネルギー的に高く、ヘビーホ
ールバンド端がエネルギー的に低くなるように分裂す
る。ＩｎZＧａ1-ZＡｓUＰ1-U層のバンドギャップ、引っ
張り歪量を適当に選ぶことにより、量子井戸とバリア層
の間のΔＥｃが２００meV以上でかつΔＥｖが１００meV
程度となるようにすることができる。更に、このときの
バリア層の価電子帯端は有効質量が伝導帯端と同じ程度
となるライトホールバンドとなるので、バリア層内での
ホールのモビリティは従来例の場合に比較して１０倍近
く大きくなる。この結果、多重量子井戸への高速のキャ
リア注入が可能となる。
戸のバリア層に、ＩｎＰ基板よりも格子定数が小さくか
つ量子井戸層よりもバンドギャップが大きいＩｎ Z Ｇａ
1-Z Ａｓ U Ｐ 1-U 層を用いることを特徴とする。この結
果、バリア層には引っ張り歪みが加わり、価電子帯端は
ライトホールバンド端がエネルギー的に高く、ヘビーホ
ールバンド端がエネルギー的に低くなるように分裂す
る。ＩｎZＧａ1-ZＡｓUＰ1-U層のバンドギャップ、引っ
張り歪量を適当に選ぶことにより、量子井戸とバリア層
の間のΔＥｃが２００meV以上でかつΔＥｖが１００meV
程度となるようにすることができる。更に、このときの
バリア層の価電子帯端は有効質量が伝導帯端と同じ程度
となるライトホールバンドとなるので、バリア層内での
ホールのモビリティは従来例の場合に比較して１０倍近
く大きくなる。この結果、多重量子井戸への高速のキャ
リア注入が可能となる。
【００１１】
【実施例】図１は本発明の半導体レーザの層構造の一例
を示す断面図、図２は本発明の第１の実施例である半導
体レーザのバンド構造図、図３はＩｎＰ基板上に形成さ
れたＩｎ X Ｇａ 1-X Ａｓ 0.644 Ｐ 0.356 層のＸを変化させた
ときの温度４Ｋでのバンドエネルギーの変化をＩｎＰの
価電子帯端のエネルギーを基準として計算した図、図４
は本発明の第２の実施例である半導体レーザのバンド構
造図、をそれぞれ示す。始めに、本発明の第１の実施例
である半導体レーザについて説明する。図１において、
半導体レーザは、ｎ電極１、ｎ型ＩｎＰ基板２、ｎ型Ｉ
ｎＰクラッド層３、層厚１０ｎｍのＩｎ0.56Ｇａ0.44Ａ
ｓ0.644Ｐ0.356バリア層４、層厚７ｎｍのＩｎ0.53Ｇａ
0.47Ａｓ量子井戸層５を交互に積層した多重量子井戸活
性層、ｐ型ＩｎＰクラッド層６、ｐ型Ｉｎ0.53Ｇａ0.47
Ａｓキャップ層７、ｐ電極８とから構成されている。こ
れらの半導体層のうちＩｎ0.56Ｇａ0.44Ａｓ0.644Ｐ
0.356バリア層４には１％の引っ張り歪がかかっている
が、その他の層は全てｎ型ＩｎＰ基板２に格子整合して
いる。ここでは、量子井戸数は６とした。
を示す断面図、図２は本発明の第１の実施例である半導
体レーザのバンド構造図、図３はＩｎＰ基板上に形成さ
れたＩｎ X Ｇａ 1-X Ａｓ 0.644 Ｐ 0.356 層のＸを変化させた
ときの温度４Ｋでのバンドエネルギーの変化をＩｎＰの
価電子帯端のエネルギーを基準として計算した図、図４
は本発明の第２の実施例である半導体レーザのバンド構
造図、をそれぞれ示す。始めに、本発明の第１の実施例
である半導体レーザについて説明する。図１において、
半導体レーザは、ｎ電極１、ｎ型ＩｎＰ基板２、ｎ型Ｉ
ｎＰクラッド層３、層厚１０ｎｍのＩｎ0.56Ｇａ0.44Ａ
ｓ0.644Ｐ0.356バリア層４、層厚７ｎｍのＩｎ0.53Ｇａ
0.47Ａｓ量子井戸層５を交互に積層した多重量子井戸活
性層、ｐ型ＩｎＰクラッド層６、ｐ型Ｉｎ0.53Ｇａ0.47
Ａｓキャップ層７、ｐ電極８とから構成されている。こ
れらの半導体層のうちＩｎ0.56Ｇａ0.44Ａｓ0.644Ｐ
0.356バリア層４には１％の引っ張り歪がかかっている
が、その他の層は全てｎ型ＩｎＰ基板２に格子整合して
いる。ここでは、量子井戸数は６とした。
【００１２】図２は、この半導体レーザの多重量子井戸
活性層周辺での伝導帯端９、価電子帯端１０のエネルギ
ーを層厚方向に示している。バリア層４では、引っ張り
歪によってライトホールバンド端１２がヘビーホールバ
ンド端１１よりもエネルギー的に高くなっている。その
他の層では、歪がかかっていないのでライトホールバン
ド端１２とヘビーホールバンド端１１は重なっている。
この状況を説明するのが図３である。
活性層周辺での伝導帯端９、価電子帯端１０のエネルギ
ーを層厚方向に示している。バリア層４では、引っ張り
歪によってライトホールバンド端１２がヘビーホールバ
ンド端１１よりもエネルギー的に高くなっている。その
他の層では、歪がかかっていないのでライトホールバン
ド端１２とヘビーホールバンド端１１は重なっている。
この状況を説明するのが図３である。
【００１３】図３では、ＩｎＰ上に形成したＩｎX Ｇａ
1-X Ａｓ0.644 Ｐ0.356 のＸを変化させたときの温度４
Ｋでのバンドエネルギーの変化をＩｎＰの価電子帯端の
エネルギーを基準として計算したものを示しており、Ｘ
＝０．７でＩｎＰに格子整合してヘビーホールバンド端
１４とライトホールバンド端１５がエネルギー的に重な
っている。Ｘ＜０．７ではＩｎＰよりも格子定数が小さ
くなるので引っ張り歪がかかり、ヘビーホールバンド端
１４とライトホールバンド端１５が分裂し、ライトホー
ルバンド端１５の方がエネルギー的に高くなることがわ
かる。伝導帯端１３はＸの減少に対して単調に増加す
る。量子井戸層５を形成するＩｎ0.53Ｇａ0.47の伝導帯
端、価電子帯端はそれぞれ１．１８２eV、０．３７eVの
ところにあるので、バリア層にＩｎ0.56Ｇａ0.44Ａｓ
0.644 Ｐ0.356 を用いれば伝導帯端のエネルギー差ΔＥ
ｃは１８２meV になり、量子井戸層の価電子帯端とバリ
ア層のライトホールバンド端とのエネルギー差、すなわ
ち実効的なΔＥｖは９１meV となる。こうして、ΔＥｃ
を大きくして、かつΔＥｖを小さく抑えることが可能と
なる。
1-X Ａｓ0.644 Ｐ0.356 のＸを変化させたときの温度４
Ｋでのバンドエネルギーの変化をＩｎＰの価電子帯端の
エネルギーを基準として計算したものを示しており、Ｘ
＝０．７でＩｎＰに格子整合してヘビーホールバンド端
１４とライトホールバンド端１５がエネルギー的に重な
っている。Ｘ＜０．７ではＩｎＰよりも格子定数が小さ
くなるので引っ張り歪がかかり、ヘビーホールバンド端
１４とライトホールバンド端１５が分裂し、ライトホー
ルバンド端１５の方がエネルギー的に高くなることがわ
かる。伝導帯端１３はＸの減少に対して単調に増加す
る。量子井戸層５を形成するＩｎ0.53Ｇａ0.47の伝導帯
端、価電子帯端はそれぞれ１．１８２eV、０．３７eVの
ところにあるので、バリア層にＩｎ0.56Ｇａ0.44Ａｓ
0.644 Ｐ0.356 を用いれば伝導帯端のエネルギー差ΔＥ
ｃは１８２meV になり、量子井戸層の価電子帯端とバリ
ア層のライトホールバンド端とのエネルギー差、すなわ
ち実効的なΔＥｖは９１meV となる。こうして、ΔＥｃ
を大きくして、かつΔＥｖを小さく抑えることが可能と
なる。
【００１４】本発明の第２の実施例の半導体レーザで
は、第１の実施例の半導体層のうち、量子井戸層５を
３．５ｎｍの層厚のＩｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓ量子井戸層１６
に置き変える。量子井戸層１６には約１％の圧縮歪がか
かり、バリア層４には１％の引っ張り歪がかかってお
り、双方の歪が相殺する方向になっている。このときの
バンド構造を図４に示す。バリア層については第１の実
施例と同様であるが、この場合は量子井戸層１６に圧縮
歪がかかっているのでへビーホールバンド端１９とライ
トホールバンド端２０が分裂し、ヘビーホールバンド端
がエネルギー的に高くなっている。このときの△Ｅｃ、
実効的な△Ｅｖはそれぞれ２６９ｍｅＶ、１３６ｍｅＶ
となっており、第１の実施例に比較して△Ｅｃ、△Ｅｖ
ともに大きくなっているが、△Ｅｃの増加に比較して△
Ｅｖの増加が小さく、△Ｅｃを大きく、かつ△Ｅｖを小
さく抑える効果がこの場合も同様である。
は、第１の実施例の半導体層のうち、量子井戸層５を
３．５ｎｍの層厚のＩｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓ量子井戸層１６
に置き変える。量子井戸層１６には約１％の圧縮歪がか
かり、バリア層４には１％の引っ張り歪がかかってお
り、双方の歪が相殺する方向になっている。このときの
バンド構造を図４に示す。バリア層については第１の実
施例と同様であるが、この場合は量子井戸層１６に圧縮
歪がかかっているのでへビーホールバンド端１９とライ
トホールバンド端２０が分裂し、ヘビーホールバンド端
がエネルギー的に高くなっている。このときの△Ｅｃ、
実効的な△Ｅｖはそれぞれ２６９ｍｅＶ、１３６ｍｅＶ
となっており、第１の実施例に比較して△Ｅｃ、△Ｅｖ
ともに大きくなっているが、△Ｅｃの増加に比較して△
Ｅｖの増加が小さく、△Ｅｃを大きく、かつ△Ｅｖを小
さく抑える効果がこの場合も同様である。
【００１５】第１の実施例の半導体レーザにおいては、
多重量子井戸のバリア層に、引っ張り歪がかかりかつ量
子井戸層よりもバンドギャップの大きいＩｎ0.56Ｇａ
0.44Ａｓ0.644Ｐ0.356層を用いることを特徴とする。こ
の結果、バリア層において価電子帯端はライトホールバ
ンド端がエネルギー的に高く、ヘビーホールバンド端が
エネルギー的に低くなるように分裂する。この場合量子
井戸層とバリア層の間の△Ｅｃが１８２ｍｅＶで実効的
な△Ｅｖが９１ｍｅＶとなり、△Ｅｃを大きく、かつ△
Ｅｖを小さくすることが実現する。したがって、このよ
うな半導体レーザは発振閾値の温度特性が向上する。更
に、このときのバリア層の価電子帯端は有効質量が伝導
帯端と同し程度のライトホールバンドとなるので、バリ
ア層内でのホールのモビリティは従来例の場合に比較し
て１０倍近く大きくなる。この結果と、実効的な△Ｅｖ
を低く抑える効果によって多重量子井戸への高速のキャ
リア注入が可能となる。
多重量子井戸のバリア層に、引っ張り歪がかかりかつ量
子井戸層よりもバンドギャップの大きいＩｎ0.56Ｇａ
0.44Ａｓ0.644Ｐ0.356層を用いることを特徴とする。こ
の結果、バリア層において価電子帯端はライトホールバ
ンド端がエネルギー的に高く、ヘビーホールバンド端が
エネルギー的に低くなるように分裂する。この場合量子
井戸層とバリア層の間の△Ｅｃが１８２ｍｅＶで実効的
な△Ｅｖが９１ｍｅＶとなり、△Ｅｃを大きく、かつ△
Ｅｖを小さくすることが実現する。したがって、このよ
うな半導体レーザは発振閾値の温度特性が向上する。更
に、このときのバリア層の価電子帯端は有効質量が伝導
帯端と同し程度のライトホールバンドとなるので、バリ
ア層内でのホールのモビリティは従来例の場合に比較し
て１０倍近く大きくなる。この結果と、実効的な△Ｅｖ
を低く抑える効果によって多重量子井戸への高速のキャ
リア注入が可能となる。
【００１６】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明の実施に
より高温動作特性に優れ、かつ高速変調特性に優れた半
導体レーザを得ることができる。
より高温動作特性に優れ、かつ高速変調特性に優れた半
導体レーザを得ることができる。
【図１】本発明の半導体レーザの層構造を示す断面図。
【図２】本発明の第１の実施例の半導体レーザのバンド
構造図。
構造図。
【図３】本発明の第１の実施例におけるＩｎＰ基板上に
形成されたＩｎXＧａ1-XＡｓ0.644Ｐ0.356層のバンド端
エネルギーの組成Ｘ依存性を示す特性図。
形成されたＩｎXＧａ1-XＡｓ0.644Ｐ0.356層のバンド端
エネルギーの組成Ｘ依存性を示す特性図。
【図４】本発明の第２の実施例の半導体レーザのバンド
構造図。
構造図。
【図５】従来例１，２の半導体レーザの層構造を示す断
面図。
面図。
【図６】従来例１の半導体レーザのバンド構造図。
【図７】従来例２の半導体レーザのバンド構造図。
１，２１ ｎ電極 ２，２２ ｎ型ＩｎＰ基板 ３，２３ ｎ型ＩｎＰクラッド層 ４ Ｉｎ0.56Ｇａ0.44Ａｓ0.644Ｐ0.356バリア層 ５，２５ Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ量子井戸層 ６，２８ ｐ型ＩｎＰクラッド層 ７，２９ ｐ型Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓキャップ層 ８，３０ ｐ電極 ９，１７，２９，３２ 伝導帯端 １０，１８，３０，３３ 価電子帯端 １１，１９ ヘビーホールバンド端 １２，２０，３４ ライトホールバンド端 １６，３１ Ｉｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓ歪量子井戸層 ２４，２７ Ｉｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓ0.644Ｐ0.356ガイド層 ２６ Ｉｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓ0.644Ｐ0.356バリア層
Claims (1)
- 【請求項１】 InP基板上に、前記基板と格子整合する
ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層で活性層を挟んで
なる積層構造を有する半導体レーザにおいて、 前記活性層が、量子井戸層とバリア層とからなる単一ま
たは複数の周期の多層膜であり、前記量子井戸層はInGaAsまたはInGaAsP混晶から構成さ
れ 、前記量子井戸層の格子定数が前記基板の格子定数と
等しく該量子井戸層面内には歪がかかっておらず、前記バリア層はInGaAsP混晶から構成され、 前記バリア
層の格子定数が前記基板の格子定数よりも小さく該バリ
ア層面内に引張歪がかかっており、かつ前記量子井戸層の伝導帯端と前記バリア層の伝導帯
端とのエネルギー差が、前記量子井戸層の価電子帯端と
前記バリア層の価電子帯端とのエネルギー差よりも大き
い ことを特徴とする半導体レーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP41693590A JP3145718B2 (ja) | 1990-12-28 | 1990-12-28 | 半導体レーザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP41693590A JP3145718B2 (ja) | 1990-12-28 | 1990-12-28 | 半導体レーザ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04234184A JPH04234184A (ja) | 1992-08-21 |
| JP3145718B2 true JP3145718B2 (ja) | 2001-03-12 |
Family
ID=18525109
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP41693590A Expired - Fee Related JP3145718B2 (ja) | 1990-12-28 | 1990-12-28 | 半導体レーザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3145718B2 (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04373190A (ja) * | 1991-06-24 | 1992-12-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 歪量子井戸半導体レーザおよびその製造方法 |
| JPH05175601A (ja) * | 1991-12-20 | 1993-07-13 | Fujikura Ltd | 多重量子井戸半導体レーザ |
| JP2833396B2 (ja) * | 1993-01-28 | 1998-12-09 | 松下電器産業株式会社 | 歪多重量子井戸半導体レーザ |
| JP2713144B2 (ja) * | 1993-03-12 | 1998-02-16 | 松下電器産業株式会社 | 多重量子井戸半導体レーザ及びそれを用いた光通信システム |
| JPH0878786A (ja) * | 1994-09-02 | 1996-03-22 | Mitsubishi Electric Corp | 歪量子井戸の構造 |
| JPH08102566A (ja) * | 1994-09-30 | 1996-04-16 | Nec Corp | 量子井戸構造光半導体装置及びその製造方法 |
| JPH09246654A (ja) * | 1996-03-01 | 1997-09-19 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ装置 |
| JP2007165798A (ja) * | 2005-12-16 | 2007-06-28 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 半導体レーザ素子 |
-
1990
- 1990-12-28 JP JP41693590A patent/JP3145718B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
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|---|---|
| JPH04234184A (ja) | 1992-08-21 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 19990727 |
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