JP7038913B1 - Semiconductor laser device - Google Patents
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Abstract
半導体レーザ装置(50)は、半導体基板(1)と、井戸層(13)及び障壁層(14)が交互に積層された多重量子井戸構造の活性層(3)と、を備えている。障壁層(14)は、半導体基板(1)よりも小さな格子定数(SLb)を有している。少なくとも1つの井戸層(13a)は、半導体基板(1)の格子定数(SLs)以上の格子定数である第一格子定数(SLwc)を有しており、他の井戸層(13b、13c)は、半導体基板(1)よりも大きな格子定数であって、第一格子定数(SLwc)よりも大きい格子定数(SLwp)を有している。第一格子定数(SLwc)を有する井戸層(13a)は、活性層(3)における積層方向の中央部に配置されている。The semiconductor laser apparatus (50) includes a semiconductor substrate (1) and an active layer (3) having a multiple quantum well structure in which well layers (13) and barrier layers (14) are alternately laminated. The barrier layer (14) has a lattice constant (SLb) smaller than that of the semiconductor substrate (1). At least one well layer (13a) has a first lattice constant (SLwc) which is a lattice constant equal to or higher than the lattice constant (SLs) of the semiconductor substrate (1), and the other well layers (13b, 13c) have. , It has a lattice constant larger than that of the semiconductor substrate (1) and has a lattice constant (SLwp) larger than that of the first lattice constant (SLwc). The well layer (13a) having the first lattice constant (SLwc) is arranged at the center of the active layer (3) in the stacking direction.
Description
本願は、半導体レーザ装置に関するものである。 The present application relates to a semiconductor laser device.
現在、光通信システムなどに用いられている半導体レーザ装置の光を発光させる活性層には多重量子井戸(MQW:Multi Quantum Well)構造が広く使用されている。この多重量子井戸構造は、厚さが数nmの井戸層(ウエル層)を障壁層(バリア層)で挟むようにして、井戸層と障壁層とが多層に積層された構造である。 Currently, a multiple quantum well (MQW: MultiQuantum Well) structure is widely used as an active layer for emitting light of a semiconductor laser device used in an optical communication system or the like. This multiple quantum well structure is a structure in which a well layer (well layer) having a thickness of several nm is sandwiched between barrier layers (barrier layers), and the well layer and the barrier layer are laminated in multiple layers.
開発当初の多重量子井戸構造は、基板に格子整合した井戸層又は障壁層を用いた構造であった。しかし、その後、歪多重量子井戸構造(歪MQW構造)を活性層に用いた半導体レーザ装置の優位性が多くの研究機関から報告されてきた。 The multiple quantum well structure at the beginning of development was a structure using a well layer or a barrier layer lattice-matched to the substrate. However, since then, many research institutes have reported the superiority of semiconductor laser devices using a strain multiple quantum well structure (strain MQW structure) as an active layer.
例えば、基板より数パーセント格子定数が大きく、数nmの厚さの井戸層を、基板と同じ格子定数で、数nmの厚さの井戸層よりバンドギャップの大きな障壁層で挟み込む多重量子井戸構造を考える。こうすると井戸層が周りの障壁層の格子定数にむりやり一致させられて格子定数を小さくしようとする圧縮歪が井戸層に加わった構造となる。歪多重量子井戸構造では、歪の作用で正孔のエネルギーバンドが変わり、状態密度に大きな変化を生じることが一般に知られている。また、井戸層に引張歪を加えると軽い正孔に対応したエネルギーバンドが最もエネルギーの低い準位となり、その状態密度が大きくなる。井戸層に圧縮歪を加えると重い正孔に対応したエネルギーバンドが低エネルギーとなり、その状態密度が小さくなる。このようなエネルギーバンド構造の変化を利用して、発振しきい値の低減、発振スペクトル線幅の狭線幅化、変調周波数の高速化など半導体レーザ装置の大幅な特性の改善が行われている。 For example, a multiple quantum well structure in which a well layer having a lattice constant of several percent larger than that of a substrate and having a thickness of several nm is sandwiched by a barrier layer having the same lattice constant as that of a substrate and having a larger bandgap than a well layer having a thickness of several nm. think. In this way, the well layer is forced to match the lattice constant of the surrounding barrier layer, and a compressive strain that tries to reduce the lattice constant is added to the well layer. In the strain multiplex quantum well structure, it is generally known that the energy band of holes changes due to the action of strain, causing a large change in the density of states. Further, when tensile strain is applied to the well layer, the energy band corresponding to light holes becomes the lowest energy level, and its density of states becomes large. When compressive strain is applied to the well layer, the energy band corresponding to heavy holes becomes low energy, and its density of states becomes small. Utilizing such changes in the energy band structure, the characteristics of semiconductor laser devices such as reduction of oscillation threshold value, narrowing of oscillation spectral line width, and speeding up of modulation frequency have been significantly improved. ..
ところが、前述した所望の格子定数を持つ井戸層を基板と同じ格子定数の障壁層で挟むようにして、井戸層及び障壁層を交互に多層に積層して多重量子井戸構造を形成した場合、井戸層の全体の厚さ(膜厚)が所定の一定の臨界値(臨界膜厚)を超えると、井戸層と障壁層との界面にミスフィット転位が発生する。そして井戸層の歪が大きい程、臨界膜厚は小さくなる。すなわち、井戸層の数が増えるに従って、井戸層の歪による応力が蓄積され、ミスフィット転位が発生してしまう。半導体レーザ装置の特性を向上させるためには、井戸層の歪を大きくし、井戸層の数を増やす必要があるが、多重量子井戸の膜厚が臨界膜厚で制限されるというトレードオフの関係が存在する。この臨界膜厚の制限を緩和するため、いわゆる歪補償多重量子井戸構造が開発された。 However, when the well layer having the desired lattice constant described above is sandwiched between the barrier layers having the same lattice constant as the substrate and the well layers and the barrier layers are alternately laminated in multiple layers to form a multiple quantum well structure, the well layer is formed. When the total thickness (thickness) exceeds a predetermined constant critical value (critical thickness), misfit dislocations occur at the interface between the well layer and the barrier layer. The greater the strain of the well layer, the smaller the critical film thickness. That is, as the number of well layers increases, stress due to strain in the well layers accumulates and misfit dislocations occur. In order to improve the characteristics of semiconductor laser devices, it is necessary to increase the strain of well layers and increase the number of well layers, but there is a trade-off relationship that the film thickness of multiple quantum wells is limited by the critical film thickness. Exists. In order to relax this limitation of the critical film thickness, a so-called strain-compensated multiple quantum well structure was developed.
この歪補償多重量子井戸構造は圧縮歪を有する井戸層と引張歪を有する障壁層とを組み合わせたものであり、これによって、ミスフィット転位を発生させる応力を相殺又は低減し、ミスフィット転位の発生を抑制するものである。従って、歪補償多重量子井戸構造を用いれば、大きな歪を持つ井戸層を使用しても大きな厚みを持つ歪補償多重量子井戸構造を作成することができ、半導体レーザ装置の特性を向上できる。 This strain-compensated multiple quantum well structure is a combination of a well layer with compressive strain and a barrier layer with tensile strain, thereby canceling or reducing the stress that causes misfit dislocations and generating misfit dislocations. It suppresses. Therefore, if the strain-compensated multiple quantum well structure is used, it is possible to create a strain-compensated multiple quantum well structure having a large thickness even if a well layer having a large strain is used, and the characteristics of the semiconductor laser device can be improved.
例えば、非特許文献1、非特許文献2には、歪補償多重量子井戸構造を備えた半導体レーザ装置が開示されている。非特許文献1には、1.43%の圧縮歪を有する5つの井戸層を有する歪補償多重量子井戸構造の活性層を備えた半導体レーザ装置が開示されている。非特許文献2には、1.44%の圧縮歪を有する5つの井戸層を有する歪補償多重量子井戸構造の活性層を備えた半導体レーザ装置が開示されている。歪補償多重量子井戸構造の活性層を備えた半導体レーザ装置において、通常の場合、各井戸層における厚さ、組成、歪量は同一であり、各障壁層における厚さ、組成、歪量は同一である。また、一般に井戸層の格子定数が半導体基板の格子定数より大きい状態、いわゆる圧縮歪を加えるほど、微分利得が大きく、光出力が大きくなるなどの特性向上が図れることは前述した通りである。
For example, Non-Patent
歪補償多重量子井戸構造を備えた半導体レーザ装置であっても、歪補償多重量子井戸構造の活性層における井戸層の圧縮歪量を増加させた場合、歪応力の増大により井戸層と障壁層との間に格子不整合によるミスフィット転位すなわち欠陥が発生する。このようなミスフィット転位は理想的な結晶構造からのずれにより、エネルギーバンドの禁制帯内に局所準位を形成し、それらが発光ではなく、キャリア再結合過程により発熱をもたらす。このような局所準位は非発光再結合準位と呼ばれている。この欠陥は非発光中心となる。非発光中心では、発光しないのでレーザ光に対する吸収領域となる。 Even in a semiconductor laser device equipped with a strain-compensated multiple quantum well structure, when the amount of compressive strain of the well layer in the active layer of the strain-compensated multiple quantum well structure is increased, the strain stress increases, causing the well layer and the barrier layer. Misfit shifts, or defects, occur due to lattice mismatch. Such misfit dislocations form local levels within the forbidden zone of the energy band due to deviations from the ideal crystal structure, which cause heat generation due to the carrier recombination process rather than luminescence. Such a local level is called a non-luminescent recombination level. This defect is the center of non-emission. In the non-light emitting center, since it does not emit light, it becomes an absorption region for laser light.
多くの非発光中心がある場合は発生する熱が多くなり、活性層のバンドギャップの低下に伴ってさらに光吸収量が多くなり、温度が上昇して最後には活性層等の結晶が溶融するようなデバイス劣化が生じる問題がある。 When there are many non-emission centers, more heat is generated, the amount of light absorption increases as the band gap of the active layer decreases, the temperature rises, and finally the crystals of the active layer and the like melt. There is a problem that such device deterioration occurs.
非特許文献1、2では、5つの井戸層を有する歪補償多重量子井戸構造の活性層を備え、可能な限り井戸層の圧縮歪量を大きくした半導体レーザ装置が開示されている。非特許文献1、2に開示された半導体レーザ装置は、基板と同じ格子定数の障壁層を用いた多重量子井戸構造にくらべて活性層の歪は低減されている。しかし、可能な限り井戸層の圧縮歪量を大きくしているため、非特許文献1、2に開示された半導体レーザ装置は、製造ばらつき等によりミスフィット転位すなわち欠陥が発生しやすくなっている。
Non-Patent
歪補償多重量子井戸構造の活性層の井戸層の圧縮歪量を低減させ、歪応力を小さくすることにより井戸層と障壁層間の格子不整合によるミスフィット転位の発生を防ぐことができる。しかし、歪補償多重量子井戸構造の活性層の全ての井戸層の圧縮歪量を低減させると微分利得が低下し、半導体レーザ装置の特性が悪化してしまう。 Strain Compensation By reducing the amount of compressive strain in the well layer of the active layer of the multiple quantum well structure and reducing the strain stress, it is possible to prevent the occurrence of misfit dislocations due to lattice mismatch between the well layer and the barrier layer. However, if the amount of compression strain in all the well layers of the active layer of the strain-compensated multiple quantum well structure is reduced, the differential gain is lowered and the characteristics of the semiconductor laser device are deteriorated.
本願明細書に開示される技術は、特性を維持しながら活性層の非発光中心となる欠陥を減少できる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。 The technique disclosed herein is an object of the present invention to provide a semiconductor laser device capable of reducing defects that are non-emission centers of an active layer while maintaining characteristics.
本願明細書に開示される一例の半導体レーザ装置は、半導体基板と、井戸層及び障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造の活性層と、を備えている。障壁層は、半導体基板よりも小さな格子定数を有している。少なくとも1つの井戸層は、半導体基板の格子定数以上の格子定数である第一格子定数を有しており、他の井戸層は、半導体基板よりも大きな格子定数であって、第一格子定数よりも大きい格子定数を有している。第一格子定数を有する井戸層は、活性層における積層方向の中央部に配置されている。他の井戸層の格子定数と第一格子定数との差は8.8pm以下である。井戸層は、材料がAlGaInAsであり、膜厚が4から6nmである。障壁層は、材料がAlGaInAsであり、膜厚が6から10nmである。井戸層の層数は10から13であり、障壁層の層数は井戸層の層数よりも1つ少ない数である。第一格子定数を有する井戸層の歪量は、中央値が0.153%であり、最小値が0.000%であり、最大値が0.307%である。他の井戸層の歪量は、中央値が0.903%であり、最小値が0.307%であり、最大値が1.499%である。障壁層の歪量は、中央値が-0.392%であり、最小値が-1.193%であり、最大値が0.409%である。 An example of a semiconductor laser diode disclosed in the present specification includes a semiconductor substrate and an active layer having a multiple quantum well structure in which well layers and barrier layers are alternately laminated. The barrier layer has a smaller lattice constant than the semiconductor substrate. At least one well layer has a first lattice constant that is equal to or greater than the lattice constant of the semiconductor substrate, and the other well layers have a larger lattice constant than that of the semiconductor substrate and are larger than the first lattice constant. Also has a large lattice constant. The well layer having the first lattice constant is arranged in the central portion of the active layer in the stacking direction. The difference between the lattice constants of other well layers and the first lattice constant is 8.8 pm or less. The well layer is made of AlGaInAs and has a film thickness of 4 to 6 nm. The barrier layer is made of AlGaInAs and has a film thickness of 6 to 10 nm. The number of layers of the well layer is 10 to 13, and the number of layers of the barrier layer is one less than the number of layers of the well layer. The strain amount of the well layer having the first lattice constant has a median value of 0.153%, a minimum value of 0.000%, and a maximum value of 0.307%. The median strain amount of the other well layers is 0.903%, the minimum value is 0.307%, and the maximum value is 1.499%. The median strain amount of the barrier layer is −0.392%, the minimum value is −1.193%, and the maximum value is 0.409%.
本願明細書に開示される一例の半導体レーザ装置は、井戸層及び障壁層の材料がAlGaInAsであり、他の井戸層よりも小さい第一格子定数を有する井戸層が活性層における積層方向の中央部に配置されており、他の井戸層の格子定数と第一格子定数との差は8.8pm以下であり、第一格子定数を有する井戸層、他の井戸層の歪量、障壁層の歪量における中央値がそれぞれ、0.153%、0.903%、-0.392%であるので、特性を維持しながら活性層の非発光中心となる欠陥を減少できる。
In the example semiconductor laser apparatus disclosed in the present specification, the material of the well layer and the barrier layer is AlGaInAs, and the well layer having a first lattice constant smaller than that of other well layers is the central portion of the active layer in the stacking direction. The difference between the lattice constant of the other well layer and the first lattice constant is 8.8 pm or less, and the well layer having the first lattice constant, the strain amount of the other well layer, and the barrier layer Since the median values of the strain amount are 0.153%, 0.903%, and −0.392%, respectively, it is possible to reduce the defects that are the non-emissive centers of the active layer while maintaining the characteristics.
実施の形態1.
図1は実施の形態1に係る半導体レーザ装置の断面構造を示す図である。図2~図5は、それぞれ図1の半導体レーザ装置の製造方法を示す図である。図6は図1の活性層の断面構造を示す図であり、図7は図6の井戸層の配置を示す図である。図8は図1の活性層のエネルギーバンド構造を示す図であり、図9は図1の活性層の格子定数差を示す図である。図10は図1の活性層の格子定数を示す図であり、図11は図1の活性層における井戸層の格子定数の例を示す図である。実施の形態1の半導体レーザ装置50は、半導体基板1と、井戸層13及び障壁層14が交互に積層された多重量子井戸構造の活性層3と、を備えている。多重量子井戸構造の活性層3は歪が補償されており、多重量子井戸構造の活性層3は歪補償多重量子井戸構造の活性層3でもある。
FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional structure of the semiconductor laser device according to the first embodiment. 2 to 5 are diagrams showing a method of manufacturing the semiconductor laser device of FIG. 1, respectively. FIG. 6 is a diagram showing a cross-sectional structure of the active layer of FIG. 1, and FIG. 7 is a diagram showing the arrangement of the well layer of FIG. FIG. 8 is a diagram showing the energy band structure of the active layer of FIG. 1, and FIG. 9 is a diagram showing the lattice constant difference of the active layer of FIG. 10 is a diagram showing the lattice constant of the active layer of FIG. 1, and FIG. 11 is a diagram showing an example of the lattice constant of the well layer in the active layer of FIG. The
半導体レーザ装置50の断面構造を説明する。半導体レーザ装置50は、例えば面方位(110)のn型InPの半導体基板1と、半導体基板1の表面に形成され、[011]方向に延伸しているメサストライプ5と、メサストライプ5の両側に形成されたFeドープInPの半絶縁性層6と、半絶縁性層6の表面に形成されたn型InPのブロック層7と、メサストライプ5及びブロック層7の表面に形成されたp型InPのクラッド層8と、クラッド層8の表面に形成されたp型InGaAsのコンタクト層9と、コンタクト層9の表面に形成されたアノード電極10と、半導体基板1の裏面に形成されたカソード電極11と、を備えている。メサストライプ5が半導体基板1から突出している方向はy方向であり、メサストライプ5が半導体基板1において延伸している方向はz方向であり、y方向及びz方向に垂直な方向はx方向である。半導体基板1の表面はy方向正側の面であり、半導体基板1の裏面はy方向負側の面である。半導体レーザ装置50における各構成物の表面側はy方向正側であり、半導体レーザ装置50における各構成物の裏面側はy方向負側である。
The cross-sectional structure of the
メサストライプ5は、n型InPの第一クラッド層2と、歪補償多重量子井戸構造の活性層3と、p型InPの第二クラッド層4と、を備えている。活性層3は、第一クラッド層2の表面に形成されたAlGaInAsの光閉込層12と、光閉込層12の表面に形成された複数の井戸層13及び障壁層14を有する積層体30と、積層体30の表面に形成されたAlGaInAsの光閉込層15と、を備えている。積層体30は、複数のAlGaInAsの井戸層13と、隣接する井戸層13の間に配置された複数のAlGaInAsの障壁層14と、を備えている。積層体30は、井戸層13及び障壁層14が交互に積層されている。半導体基板1に最も近い井戸層13は光閉込層12に接続されており、半導体基板1にから最も離れている井戸層13は光閉込層15に接続されている。
The
第一クラッド層2は、厚さが1000~2000nmであり、キャリア濃度が1.0~4.0×1018cm-3である。第二クラッド層4は、厚さが50~400nmであり、キャリア濃度が0.5~3.0×1018cm-3である。半絶縁性層6は、厚さが1000~4000nmであり、キャリア濃度が1.0~10.0×1016cm-3である。ブロック層7は、厚さが300~1000nmであり、キャリア濃度が2.0~9.0×1018cm-3である。クラッド層8は、厚さが100~4000nmであり、キャリア濃度が0.1~3.0×1018cm-3である。コンタクト層9は、厚さが100~1000nmであり、キャリア濃度が1.0~10.0×1018cm-3である。なお、メサストライプ5を埋める埋込構造は、半絶縁性層6のみに限らず、p型InPのクラッド層と、FeドープInPの半絶縁性層と、n型InPのブロック層を順に積層したものでもよい。The first
メサストライプ5の一例を説明する。メサストライプの5のx方向の幅であるリッジ幅は0.5~2.0μm程度である。井戸層13の膜厚は4~6nmであり、井戸層13の総数は10~13層である。井戸層13は、例えば格子定数で2種類あり、配置位置を考慮して3種類に区別できる。井戸層13は、格子定数が586.9~588.7pmの第一の井戸層13a、格子定数が格子定数は588.7~595.7pmの第二の井戸層13b及び第三の井戸層13cに区別できる。図7に示すように、第二の井戸層13bは第一の井戸層13aよりも半導体基板1側に配置された井戸層であり、第三の井戸層13cは第一の井戸層13aよりも半導体基板1から離れた側に配置された井戸層である。第一の井戸層13aは、活性層3の中央部に配置されており、中央部の井戸層ということもできる。第二の井戸層13b及び第三の井戸層13cは、y方向すなわち活性層3の積層方向における第一の井戸層13aの周辺に配置されているので、周辺部の井戸層ということもできる。なお、井戸層の符号は、総括的に13を用い、区別する場合に13a、13b、13cを用いる。
An example of the
障壁層14の膜厚は6~10nmであり、障壁層14の総数は9~12層である。障壁層14の格子定数は579.9~589.3pmであり、障壁層14の組成は1.08~1.12μmである。光閉込層12の膜厚は10~20nmであり、光閉込層12の格子定数は586.9pmであり、光閉込層12の組成は0.95~1.12μmである。半導体基板1の格子定数は586.9pmである。障壁層14、半導体基板1、中央部の井戸層13、周辺部の井戸層13における格子定数を図10に示した。障壁層14の格子定数SLbを第一行に示し、半導体基板1の格子定数SLsを第二行に示した。中央部の井戸層すなわち第一の井戸層13aの格子定数SLwcを第三行に示し、周辺部の井戸層すなわち第二の井戸層13b及び第三の井戸層13cの格子定数SLwpを第四行に示した。なお、半導体基板1の格子定数SLsは、ばらつきの範囲はなく、最小値、中央値、最大値の各欄に同じ数値が記載されている。なお、第一の井戸層13a、第二の井戸層13b、第三の井戸層13cを区別しない場合の井戸層13の格子定数は、SLwと表記する。なお、適宜、第一の井戸層13a、第二の井戸層13b、第三の井戸層13cを、井戸層13a、井戸層13b、井戸層13cと表記する。
The film thickness of the
活性層3は、歪補償多重量子井戸構造の活性層である。半導体基板1の格子定数SLs、井戸層13のSLw、障壁層14の格子定数SLbの関係は、式(1)のようになっている。また、第一の井戸層13aの格子定数SLwcと第二の井戸層13b及び第三の井戸層13cの格子定数SLwpとの関係は、式(2)のようになっている。
SLb<SLs≦SLw ・・・(1)
SLwc<SLwp ・・・(2)The
SLb <SLs ≤ SLw ・ ・ ・ (1)
SLwc <SLwp ・ ・ ・ (2)
多数の井戸層13は半導体基板1を基準にして圧縮歪を有しており、少なくとも1つの井戸層13は半導体基板1を基準にして圧縮歪又は無歪を有しており、障壁層14は半導体基板1を基準にして引張歪を有している。活性層3は、半導体基板1を基準にして圧縮歪を有する又は無歪の井戸層13と引張歪を有する障壁層14とを組み合わせた歪補償多重量子井戸構造の活性層である。なお、図10では、井戸層13、障壁層14の格子定数の設定範囲を示している。第一の井戸層13aの格子定数SLwcの最大値は第二の井戸層13b及び第三の井戸層13cの格子定数SLwpの最小値と同じ値を記載したが、式(2)の関係が成立するように、井戸層13は成膜されている。また、第一の井戸層13aの格子定数SLwcの最小値は、半導体基板1の格子定数と同じあってもよい。なお、図10に示した、障壁層14の格子定数SLb、第一の井戸層13aの格子定数SLwc、第二の井戸層13b及び第三の井戸層13cの格子定数SLwpは、成膜の際のばらつきを考慮したものであり、中央値になるように成膜条件を設定している。図11の例1が格子定数SLb、格子定数SLwc、格子定数SLwpが中央値になっている例である。図11については、後述する。
Many well layers 13 have compression strain based on the
半導体レーザ装置50の製造方法を説明する。図2に示すように、面方位(110)の半導体基板1の表面に第一クラッド層2と、レーザ光の発光層となる歪補償多重量子井戸構造の活性層3と、第二クラッド層4をMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)により順に積層する。第二クラッド層4の表面にSiO2等の絶縁膜16を成膜し、設定されたリッジ幅の絶縁膜16に加工する。リッジ幅は0.5~2.0μm程度である。次に、図3に示すように、絶縁膜16をマスクとして用いて、第二クラッド層4から第一クラッド層2又は半導体基板1の途中までドライエッチングしてメサストライプ5を形成する。ここではドライエッチングを行ったが、ウエットエッチングでメサストライプ5を形成してもよい。エッチング深さは1~4μm程度である。メサストライプ5は[011]方向に延伸している。A method of manufacturing the
次に、図4に示すように、メサストライプ5の両側すなわちy方向の両側面を埋めるように、半絶縁性層6と、ブロック層7で埋込成長を行う。この場合の埋込構造は半絶縁性層6と、ブロック層7との積層構造であるが、他の埋込構造でも構わない。他の埋込構造は、p型InPのクラッド層と、FeドープInPの半絶縁性層と、n型InPのブロック層とを順に積層した構造である。次に、図5に示すように、絶縁膜16をバッファードフッ酸、又はフッ酸を用いて除去する。その後、クラッド層8と、コンタクト層9とを順に積層する。次に、図1に示すように、コンタクト層9の表面に表面電極であるアノード電極10を設け、半導体基板1の裏面に裏面電極であるカソード電極11を設ける。
Next, as shown in FIG. 4, the
活性層3の成膜は、図6に示すように、第一クラッド層2の表面に、光閉込層12と、複数の井戸層13及び障壁層14を有する積層体30と、光閉込層15とをMOCVDにより順に積層する。積層体30は、井戸層13及び障壁層14が交互に積層されている。積層体30における半導体基板1に最も近い側及び半導体基板1から最も離れる側に井戸層13が配置されるように、複数の井戸層13及び障壁層14が交互に積層される。
As shown in FIG. 6, the
図8に、活性層3のエネルギーバンド構造を示した。図8において縦軸はエネルギーであり、横軸はy方向の概略位置である。図8に伝導帯43、価電子帯44が記載されており、破線41aから左側は半導体基板1から離れた側の第二クラッド層4であり、破線41aから破線42aまでが活性層3であり、破線42aから右側は半導体基板1側の第一クラッド層2である。メサストライプ5における半導体基板1からの積層順番は、図8の右から左への方向に進むことになる。半導体基板1からの積層順番に従って説明する。破線42a~破線42bは光閉込層12であり、破線42b~破線42cは井戸層13であり、破線42c~破線42dは障壁層14である。破線42b~破線41bまで積層体30の井戸層13、障壁層14が交互に並んでいる。破線41bから破線41aは光閉込層15である。図8において、井戸層13は、破線42b~破線42c、破線42d~破線42e、破線42f~破線42g、破線41g~破線41f、破線41e~破線41d、破線41c~破線41bの各範囲である。図8において、障壁層14は、破線42c~破線42d、破線42e~破線42f、破線41f~破線41e、破線41d~破線41cの各範囲である。
FIG. 8 shows the energy band structure of the
図8では、光閉込層12、障壁層14の伝導帯43のエネルギー値が同じで第一クラッド層2及び第二クラッド層4よりも低く、光閉込層12、障壁層14の価電子帯44のエネルギー値が同じで第一クラッド層2及び第二クラッド層4よりも高い例を示した。
In FIG. 8, the energy values of the
次に、半導体レーザ装置50の動作について説明する。アノード電極10からカソード電極11に電流を流すと、歪補償多重量子井戸構造の活性層3内では第二クラッド層4からホールが注入され、第一クラッド層2から電子が注入される。その結果、活性層3内でホールと電子が再結合し、レーザ発振する。具体的には、ホール及び電子は、光閉込層12、光閉込層15及び障壁層14を通過して、井戸層13に蓄積され、再結合して発光する。
Next, the operation of the
活性層3の格子定数差、歪量を説明する。図6、図7、図9には、井戸層13の数が11で障壁層14の数が10の例を示した。図9において、横軸は積層体30における積層された層の層番号であり、縦軸は半導体基板1の格子定数を基準にした格子定数差である。歪量εは式(3)で表される。
ε=(SLm-SLs)/SLs ・・・(3)
ここで、格子定数SLmは、対象材料の格子定数である。The lattice constant difference and the amount of strain of the
ε = (SLm-SLs) / SLs ... (3)
Here, the lattice constant SLm is the lattice constant of the target material.
式(3)のSLm-SLsは、半導体基板1の格子定数を基準にした対象材料の格子定数差である。図9では、中央部の井戸層13a、周辺部の井戸層13b、13cの格子定数、障壁層14の格子定数は図10に示した中央値を用いている。層番号が2~20の偶数の層は障壁層14であり、障壁層14の格子定数差20a、20b、20c、20d、20e、20f、20g、20h、20i、20jは、同じ値の-2.3pmである。層番号が11の層は中央部の井戸層13aであり、井戸層13aの格子定数差21は0.9pmである。層番号が1~9の奇数の層は半導体基板1側に配置された周辺部の井戸層13bであり、井戸層13bの格子定数差22a、22b、22c、22d、22eは、同じ値の5.3pmである。層番号が13~21の奇数の層は半導体基板1から離れた側に配置された周辺部の井戸層13cであり、井戸層13cの格子定数差23a、23b、23c、23d、23eは、同じ値の5.3pmである。中央部の井戸層13aの格子定数SLwcと半導体基板1の格子定数SLsである基板格子定数との差は、基板格子定数と障壁層14の格子定数SLbとの差よりも小さい例を示している。
SLm-SLs of the formula (3) is the lattice constant difference of the target material based on the lattice constant of the
障壁層14における579.9~589.3pmの格子定数に対して、井戸層13の格子定数が586.9~588.7pm程度まで小さくすると、中央部の井戸層13aと障壁層14と間の格子不整合によるミスフィット転位の発生は減少する。
When the lattice constant of the
これに伴い、歪補償多重量子井戸構造の活性層3で、非発光中心となる欠陥の発生も減少する。このことにより、活性層3に注入されたキャリアが非発光再結合で失われることが減少し、非発光中心となる欠陥で吸収される光の量も減少する。結果的に半導体レーザ装置の温度が上昇して活性層等の結晶が溶融するデバイス劣化を抑制できる。したがって、実施の形態1の半導体レーザ装置50は、活性層3の中央部及び周辺部の非発光中心となる欠陥を減少でき、光吸収を抑制して、活性層等の結晶溶融に繋がるデバイス劣化を抑制することができる。
Along with this, in the
実施の形態1の半導体レーザ装置50は、前述した歪補償多重量子井戸構造の活性層の全ての井戸層の圧縮歪量を低減させた例である比較例2と異なり、周辺部の井戸層13b、13cは十分大きな圧縮歪量を有しているので、比較例1と同等の特性が得られる。したがって、実施の形態1の半導体レーザ装置50は、特性を維持しながら活性層3の非発光中心となる欠陥を減少できる。井戸層13aが配置されている活性層3の中央部は、レーザ光の光強度が大きい部分、すなわち光強度分布の最大値を含む部分でもある。
The
図9に示した格子定数差を有する活性層3の歪量εは、中央部の井戸層13aが0.153×10-2であり、周辺部の井戸層13b、13cが0.903×10-2である。歪量εを%で表現すれば、中央部の井戸層13aの歪量εは0.153%であり、周辺部の井戸層13b、13cの歪量εは0.903%である。The strain amount ε of the
非特許文献1の活性層における1.43%の圧縮歪、非特許文献2の活性層における1.44%の圧縮歪は、式(4)の関係に基づいたε1を%表記したものである。
ε1=(SLb-SLw)/SLb ・・・(4)
式(4)に基づいて、図9に示した格子定数差を有する活性層3の歪量ε1を計算すると次のようになる。中央部の井戸層13aの歪量ε1は-0.55%であり、周辺部の井戸層13b、13cの歪量εは-1.30%である。非特許文献1、2では符号の-を付けずにA%の圧縮歪と表現しているので、非特許文献1、2と同じ表現では、中央部の井戸層13aは0.55%の圧縮歪を有し、周辺部の井戸層13b、13cは1.30%の圧縮歪を有しているということになる。実施の形態1の半導体レーザ装置50は、中央部の井戸層13aと共に周辺部の井戸層13b、13cにおいても非特許文献1、2の半導体レーザ装置よりも圧縮歪を低減できるので、活性層3の井戸層13の数を5より大きくして特性の低下を抑制しながら、製造ばらつき等によりミスフィット転位すなわち欠陥を特許文献1、2の半導体レーザ装置よりも低減することができる。The 1.43% compression strain in the active layer of
ε1 = (SLb-SLw) / SLb ・ ・ ・ (4)
Based on the equation (4), the strain amount ε1 of the
図11に格子定数がばらついた場合の活性層3の例を示した。図11において、第一行は障壁層14の格子定数SLbであり、第二行は半導体基板1の格子定数SLsであり、第三行~第十三行は井戸層13の格子定数である。井戸層13の格子定数は、図10よりも配置位置を細かくした例を示した。井戸層13aよりも半導体基板1側の周辺部の井戸層13bについて、半導体基板1からの積層方向にしたがって、格子定数SLwpl1~SLwpl5を示した。同様に、井戸層13aよりも半導体基板1から離れた側の周辺部の井戸層13cについて、半導体基板1からの積層方向にしたがって、格子定数SLwpu1~SLwpu5を示した。格子定数SLwcは、図9の層番号11の井戸層13aの格子定数である。格子定数SLwpl1、SLwpl2、SLwpl3、SLwpl4、SLwpl5は、図9の層番号1、3、5、7、9の各井戸層13bの格子定数である。格子定数SLwpu1、SLwpu2、SLwpu3、SLwpu4、SLwpu5は、図9の層番号13、15、17、19、21の各井戸層13cの格子定数である。
FIG. 11 shows an example of the
図11において、格子定数SLbは中央値であり、井戸層13の格子定数が最小値、中央値、最大値にばらついている例を例2~例4に示した。井戸層13の格子定数が区別しやすいように、左側に符号a:、b:、c:、A:、B:、C:を付した。符号a:、b:、c:は、それぞれ周辺部の井戸層13の最小値、中央値、最大値を示している。符号A:、B:、C:は、それぞれ中央部の井戸層13の最小値、中央値、最大値を示している。例2~例4に示した格子定数を有する活性層3も式(1)、式(2)の関係を満たしいているので、例2~例4に示した格子定数を有する活性層3を備えた半導体レーザ装置50も、特性を維持しながら活性層3の非発光中心となる欠陥を減少できる。
In FIG. 11, the lattice constant SLb is the median value, and examples 2 to 4 show examples in which the lattice constant of the
図7では、格子定数SLwcを有する井戸層13aよりも半導体基板1側に配置された井戸層13bの数は、格子定数SLwcを有する井戸層13aよりも半導体基板1から離れる側に配置された井戸層13cの数と同じである例を示した。このため、格子定数SLwcを有する井戸層13aよりも半導体基板1側に配置された障壁層14(y方向負側の障壁層14)の数は、格子定数SLwcを有する井戸層13aよりも半導体基板1から離れる側に配置された障壁層14(y方向正側の障壁層14)の数と同じである。図7に示した井戸層13の総数が11であり、障壁層14の総数が10である例では、井戸層13bの数と井戸層13cの数は共に5であり、井戸層13aからy方向負側の障壁層14と井戸層13aからy方向正側の障壁層14の数は共に5である。
In FIG. 7, the number of
以上のように、実施の形態1の半導体レーザ装置50は、半導体基板1と、井戸層13及び障壁層14が交互に積層された多重量子井戸構造の活性層3と、を備えている。障壁層14は、半導体基板1よりも小さな格子定数SLbを有している。少なくとも1つの井戸層13aは、半導体基板1の格子定数SLs以上の格子定数である第一格子定数(格子定数SLwc)を有しており、他の井戸層13b、13cは、半導体基板1よりも大きな格子定数であって、第一格子定数(格子定数SLwc)よりも大きい格子定数SLwpを有している。第一格子定数(格子定数SLwc)を有する井戸層13aは、活性層3における積層方向の中央部に配置されている。実施の形態1の半導体レーザ装置50は、この構成により、他の井戸層13b、13cよりも小さい第一格子定数(格子定数SLwc)を有する井戸層13aが活性層3における積層方向の中央部に配置されているので、すなわち第一格子定数(格子定数SLwc)を有する井戸層13aが他の井戸層13b、13cに囲まれているので、特性を維持しながら活性層3の非発光中心となる欠陥を減少できる。
As described above, the semiconductor
実施の形態2.
図12は、実施の形態2に係る半導体レーザ装置の第一例の要部の断面構造を示す図である。図13は図12の活性層の格子定数差を示す図であり、図14は図12の活性層の格子定数を示す図である。図15は、実施の形態2に係る半導体レーザ装置の第二例の要部の断面構造を示す図である。図16は図15の活性層の格子定数差を示す図であり、図17は図15の活性層の格子定数を示す図である。図18は、図15の活性層における井戸層の格子定数の例を示す図である。実施の形態2の半導体レーザ装置50は、実施の形態1の半導体レーザ装置50とは、歪補償多重量子井戸構造の活性層3における他の井戸層13すなわち第二の井戸層13b及び第三の井戸層13cの格子定数SLwpよりも小さい第一の井戸層13aが2つ以上である点で異なる。実施の形態1の半導体レーザ装置50と異なる部分を主に説明する。
FIG. 12 is a diagram showing a cross-sectional structure of a main part of a first example of the semiconductor laser device according to the second embodiment. 13 is a diagram showing the lattice constant difference of the active layer of FIG. 12, and FIG. 14 is a diagram showing the lattice constant of the active layer of FIG. FIG. 15 is a diagram showing a cross-sectional structure of a main part of a second example of the semiconductor laser device according to the second embodiment. 16 is a diagram showing the lattice constant difference of the active layer of FIG. 15, and FIG. 17 is a diagram showing the lattice constant of the active layer of FIG. FIG. 18 is a diagram showing an example of the lattice constant of the well layer in the active layer of FIG. The
実施の形態2の半導体レーザ装置50の活性層3は、井戸層13の総数は10~13層であり、障壁層14の総数は9~12層である。図12に示した第一例の活性層3は、井戸層13の総数が12であり、障壁層14の総数が11である例を示した。図15に示した第二例の活性層3は、井戸層13の総数が13であり、障壁層14の総数が12である例を示した。図12に示した第一例の活性層3は、第一の井戸層13aが2つの例であり、井戸層13の数が12で障壁層14の数が11の例である。図12に示した第一例の活性層3は、図7に示した活性層3から、井戸層13a及び障壁層14がそれぞれ1個増加している。図15に示した活性層3は第一の井戸層13aが3つの例であり、井戸層13の数が13で障壁層14の数が12の例である。障壁層14、半導体基板1、中央部の井戸層13、周辺部の井戸層13における格子定数を図14、図17に示した。
In the
図14に、実施の形態2に係る半導体レーザ装置50の第一例の活性層3の各層の格子定数を示した。中央部の2つの第一の井戸層13aにおける格子定数をSLwc1、SLwc2として示した。格子定数SLwc1と格子定数SLwc2の範囲は同じである。第一例の活性層3における格子定数差を図13に示した。図13において、横軸は積層体30における積層された層の層番号であり、縦軸は半導体基板1の格子定数を基準にした格子定数差である。
FIG. 14 shows the lattice constants of each layer of the
図13では、中央部の井戸層13a、周辺部の井戸層13b、13cの格子定数、障壁層14の格子定数は図14に示した中央値を用いている。層番号が2~22の偶数の層は障壁層14であり、障壁層14の格子定数差20a、20b、20c、20d、20e、20f、20g、20h、20i、20j、20kは、同じ値の-2.3pmである。層番号が11、13の層は中央部の井戸層13aであり、それぞれの井戸層13aの格子定数差21a、21bは0.9pmである。層番号が1~9の奇数の層は半導体基板1側に配置された周辺部の井戸層13bであり、井戸層13bの格子定数差22a、22b、22c、22d、22eは、同じ値の5.3pmである。層番号が15~23の奇数の層は半導体基板1から離れた側に配置された周辺部の井戸層13cであり、井戸層13cの格子定数差23a、23b、23c、23d、23eは、同じ値の5.3pmである。層番号11の井戸層13aの格子定数はSLwc1であり、番号13の井戸層13aの格子定数はSLwc2である。
In FIG. 13, the median values shown in FIG. 14 are used for the lattice constants of the
図17に、実施の形態2に係る半導体レーザ装置50の第二例の活性層3の各層の格子定数を示した。中央部の3つの第一の井戸層13aにおける格子定数をSLwc1、SLwc2、SLwc3として示した。格子定数SLwc1、SLwc2、SLwc3におけるそれぞれの範囲は同じである。第一例の活性層3における格子定数差を図16に示した。図16において、横軸は積層体30における積層された層の層番号であり、縦軸は半導体基板1の格子定数を基準にした格子定数差である。
FIG. 17 shows the lattice constants of each layer of the
図16では、中央部の井戸層13a、周辺部の井戸層13b、13cの格子定数、障壁層14の格子定数は図17に示した中央値を用いている。層番号が2~24の偶数の層は障壁層14であり、障壁層14の格子定数差20a、20b、20c、20d、20e、20f、20g、20h、20i、20j、20k、20lは、同じ値の-2.3pmである。層番号が11、13、15の層は中央部の井戸層13aであり、それぞれの井戸層13aの格子定数差21a、21b、21cは0.9pmである。層番号が1~9の奇数の層は半導体基板1側に配置された周辺部の井戸層13bであり、井戸層13bの格子定数差22a、22b、22c、22d、22eは、同じ値の5.3pmである。層番号が17~25の奇数の層は半導体基板1から離れた側に配置された周辺部の井戸層13cであり、井戸層13cの格子定数差23a、23b、23c、23d、23eは、同じ値の5.3pmである。層番号11の井戸層13aの格子定数はSLwc1であり、番号13の井戸層13aの格子定数はSLwc2であり、番号15の井戸層13aの格子定数はSLwc3である。
In FIG. 16, the median values shown in FIG. 17 are used for the lattice constants of the
実施の形態2の半導体レーザ装置50は、歪補償多重量子井戸構造の活性層3における他の井戸層13すなわち第二の井戸層13b及び第三の井戸層13cの格子定数SLwpよりも小さい第一の井戸層13aが2つ以上であるが、他の構成は実施の形態1の半導体レーザ装置50と同様なので、実施の形態1の半導体レーザ装置50と同様の効果を奏する。
The
図18に格子定数がばらついた場合における第二の活性層3の例を示した。なお、格子定数がばらついた場合における第一の活性層3の例は、図18の格子定数SLwc3がない場合である。図18において、第一行は障壁層14の格子定数SLbであり、第二行は半導体基板1の格子定数SLsであり、第三行~第十五行は井戸層13の格子定数である。井戸層13aよりも半導体基板1側の周辺部の井戸層13bについて、半導体基板1からの積層方向にしたがって、格子定数SLwpl1~SLwpl5を示した。同様に、井戸層13aよりも半導体基板1から離れた側の周辺部の井戸層13cについて、半導体基板1からの積層方向にしたがって、格子定数SLwpu1~SLwpu5を示した。格子定数SLwc1、SLwc2、SLwc3は、図16の層番号11、13、15の井戸層13aの格子定数である。格子定数SLwpl1、SLwpl2、SLwpl3、SLwpl4、SLwpl5は、図16の層番号1、3、5、7、9の各井戸層13bの格子定数である。格子定数SLwpu1、SLwpu2、SLwpu3、SLwpu4、SLwpu5は、図16の層番号17、19、21、23、25の各井戸層13cの格子定数である。
FIG. 18 shows an example of the second
図18において、格子定数SLbは中央値であり、井戸層13の格子定数が中央値である例を例5に示し、格子定数SLbは中央値であり、井戸層13の格子定数が最小値、中央値、最大値にばらついている例を例6~例8に示した。井戸層13の格子定数において左側に付した符号a:、b:、c:、A:、B:、C:は図11と同じである。例5~例8に示した格子定数を有する活性層3も式(1)、式(2)の関係を満たしいているので、例5~例8に示した格子定数を有する活性層3を備えた半導体レーザ装置50も、特性を維持しながら活性層3の非発光中心となる欠陥を減少できる。
In FIG. 18, an example in which the lattice constant SLb is the median and the lattice constant of the
実施の形態3.
図19は、実施の形態3に係る半導体レーザ装置の要部の断面構造を示す図である。図20は図19の活性層のエネルギーバンド構造を示す図であり、図21は図19の活性層の格子定数を示す図である。実施の形態3の半導体レーザ装置50は、実施の形態1の半導体レーザ装置50とは、活性層3において中央部の井戸層13aが無く、活性層3において中央部に膜厚がtb1の障壁層14が配置され、活性層3における他の障壁層14の膜厚tb2が膜厚tb1より薄くなっている点で異なる。実施の形態1の半導体レーザ装置50と異なる部分を主に説明する。
FIG. 19 is a diagram showing a cross-sectional structure of a main part of the semiconductor laser device according to the third embodiment. 20 is a diagram showing the energy band structure of the active layer of FIG. 19, and FIG. 21 is a diagram showing the lattice constant of the active layer of FIG. The
実施の形態3の半導体レーザ装置50の活性層3は、井戸層13の総数は10~13層であり、障壁層14の総数は9~12層である。図19に示した活性層3は、井戸層13の総数が10であり、障壁層14の総数が9である例を示した。実施の形態3の半導体レーザ装置50は、実施の形態1の半導体レーザ装置50における、歪補償多重量子井戸構造の活性層3におけるレーザ光の光強度が強い部分である中央部の井戸層13aを障壁層14に置き換えた構造又は中央部の井戸層13aを削除した構造と考えることもできる。また、歪補償多重量子井戸構造の活性層3におけるレーザ光の光強度が強い部分である中央部の障壁層14の一つが他の障壁層14よりも厚膜化された構造でもある。障壁層14は、例えば膜厚で2種類あり、配置位置を考慮して3種類に区別できる。障壁層14の膜厚tb1、tb2は、活性層3における積層方向の幅すなわちy方向の幅である。第一の障壁層14aは、膜厚tb1を有する障壁層である。第二の障壁層14bは、膜厚tb1よりも小さい膜厚tb2を有する障壁層であり、第一の障壁層14aよりも半導体基板1側に配置されている。第三の障壁層14cは、膜厚tb1よりも小さい膜厚tb2を有する障壁層であり、第一の障壁層14aよりも半導体基板1から離れる側に配置されている。
In the
図19に示すように、第二の障壁層14bは第一の障壁層14aよりも半導体基板1側に配置された障壁層であり、第三の障壁層14cは第一の障壁層14aよりも半導体基板1から離れた側に配置された障壁層である。第一の障壁層14aは、活性層3の中央部に配置されており、中央部の障壁層ということもできる。第二の障壁層14b及び第三の障壁層14cは、y方向すなわち活性層3の積層方向における第一の障壁層14aの周辺に配置されているので、周辺部の障壁層ということもできる。なお、障壁層の符号は、総括的に14を用い、区別する場合に14a、14b、14cを用いる。
As shown in FIG. 19, the
障壁層14、半導体基板1、井戸層13における格子定数を図21に示した。障壁層14の格子定数SLbを第一行に示し、半導体基板1の格子定数SLsを第二行に示し、井戸層13の格子定数SLwを第三行に示した。図21の格子定数SLbの範囲は、図10の格子定数SLbの範囲と同じである。図21の格子定数SLwは、図10の格子定数SLwpの範囲と同じである。なお、半導体基板1の格子定数SLsは、ばらつきの範囲はなく、最小値、中央値、最大値の各欄に同じ数値が記載されている。
The lattice constants in the
図20に、活性層3のエネルギーバンド構造を示した。図20において縦軸はエネルギーであり、横軸はy方向の概略位置である。図20は、図8の破線42gと破線41gとの間に中央部の障壁層14aと障壁層14aに隣接する井戸層13が追加された図に相当する。図8と異なる部分を主に説明する。図20において、井戸層13は、破線42b~破線42c、破線42d~破線42e、破線42f~破線42g、破線42h~破線42i、破線41i~破線41h、破線41g~破線41f、破線41e~破線41d、破線41c~破線41bの各範囲である。図20において、中央部の障壁層14aは破線42i~破線41iの範囲である。中央部の障壁層14aよりもy方向負側に位置する障壁層14bは、破線42c~破線42d、破線42e~破線42fの各範囲である。中央部の障壁層14aよりもy方向正側に位置する障壁層14cは、破線41f~破線41e、破線41d~破線41cの各範囲である。
FIG. 20 shows the energy band structure of the
図20では、図8と同様に、光閉込層12、障壁層14の伝導帯43のエネルギー値が同じで第一クラッド層2及び第二クラッド層4よりも低く、光閉込層12、障壁層14の価電子帯44のエネルギー値が同じで第一クラッド層2及び第二クラッド層4よりも高い例を示した。
In FIG. 20, similarly to FIG. 8, the energy values of the
中央部の障壁層14aの膜厚tb1と周辺部の障壁層14b、14cの膜厚tb2の例を示す。実施の形態1では、井戸層13の膜厚は4~6nmであり、障壁層14の膜厚は6~10nmである例を示した。図7の中央部の井戸層13aを障壁層14に置き換えて、中央部の障壁層14aとする場合を考える。障壁層14b、14cの膜厚tb2は、6~10nmである。中央部の障壁層14aの膜厚tb1は、図7の中央部の井戸層13aとこれに隣接する2つの障壁層14の膜厚になるので、16~26nmになる。また、中央部の障壁層14aの膜厚tb1は、図7の中央部の井戸層13aを削除した例でも構わない。この場合は、中央部の障壁層14aの膜厚tb1は2×tb2になる。また、中央部の障壁層14aの膜厚tb1は、活性層3におけるレーザ光の光強度が強い部分を包含する厚さであればよい。
An example of the film thickness tb1 of the
実施の形態3の半導体レーザ装置50は、歪補償多重量子井戸構造の活性層3におけるレーザ光の光強度が強い部分である中央部の障壁層14の一つが他の障壁層14よりも厚膜化された構造なので、非発光中心となる欠陥を無くし、光吸収を抑制して、活性層等の結晶溶融に繋がるデバイス劣化を抑制することができる。
In the
図19では、膜厚tb1の障壁層14aよりも半導体基板1側に配置された障壁層14bの数は、障壁層14aよりも半導体基板1から離れる側に配置された障壁層14cの数と同じである例を示した。このため、膜厚tb1の障壁層14aよりも半導体基板1側に配置された井戸層13bの数は、障壁層14aよりも半導体基板1から離れる側に配置された井戸層13cの数と同じである。図19に示した井戸層13の総数が10であり、障壁層14の総数が9である例では、障壁層14bの数と障壁層14cの数は共に4であり、井戸層13bの数と井戸層13cの数は共に5である。
In FIG. 19, the number of the barrier layers 14b arranged on the
以上のように、実施の形態3の半導体レーザ装置50は、半導体基板1と、井戸層13及び障壁層14が交互に積層された多重量子井戸構造の活性層3と、を備えている。井戸層13は、半導体基板1よりも大きな格子定数SLwを有している。1つの障壁層14aは、半導体基板1よりも小さな格子定数SLbを有しており、かつ活性層3における積層方向の幅が第一幅(膜厚tb1)である。他の障壁層14b、14cは、半導体基板1よりも小さな格子定数SLbを有しており、かつ活性層3における積層方向の幅(膜厚tb2)が第一幅(膜厚tb1)よりも小さくなっている。第一幅(膜厚tb1)を有する障壁層14aは、活性層3における積層方向の中央部に配置されている。実施の形態3の半導体レーザ装置50は、この構成により、レーザ光の光強度が強い部分である中央部の障壁層14aが他の障壁層14b、14cよりも厚膜化された構造なので、特性を維持しながら活性層3の非発光中心となる欠陥を減少できる。
As described above, the semiconductor
なお、本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。 Although various exemplary embodiments and examples are described in the present application, the various features, embodiments, and functions described in one or more embodiments are specific embodiments. It is not limited to the application of, but can be applied to the embodiment alone or in various combinations. Therefore, innumerable variations not illustrated are envisioned within the scope of the techniques disclosed herein. For example, it is assumed that at least one component is modified, added or omitted, and further, at least one component is extracted and combined with the components of other embodiments.
1…半導体基板、3…活性層、12…光閉込層、13、13a、13b、13c…井戸層、14…障壁層、14a…障壁層(第一障壁層)、14b、14c…障壁層、15…光閉込層、20a、20b、20c、20d、20e、20f、20g、20h、20i、20j、20k、20l…格子定数差、21、21a、21b、21c…格子定数差、50…半導体レーザ装置、SLb…格子定数、SLs…格子定数(基板格子定数)、SLwc、SLwc1、SLwc2、SLwc3…格子定数(第一格子定数)、SLwp…格子定数、tb1…膜厚(第一幅)、tb2…膜厚 1 ... Semiconductor substrate, 3 ... Active layer, 12 ... Optical confinement layer, 13, 13a, 13b, 13c ... Well layer, 14 ... Barrier layer, 14a ... Barrier layer (first barrier layer), 14b, 14c ... Barrier layer , 15 ... Optical confinement layer, 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f, 20g, 20h, 20i, 20j, 20k, 20l ... Lattice constant difference, 21, 21a, 21b, 21c ... Lattice constant difference, 50 ... Semiconductor laser device, SLb ... lattice constant, SLs ... lattice constant (substrate lattice constant), SLwc, SLwc1, SLwc2, SLwc3 ... lattice constant (first lattice constant), SLwp ... lattice constant, tb1 ... film thickness (first width) , Tb2 ... Film thickness
Claims (5)
前記障壁層は、前記半導体基板よりも小さな格子定数を有しており、
少なくとも1つの前記井戸層は、前記半導体基板の格子定数以上の格子定数である第一格子定数を有しており、
他の前記井戸層は、前記半導体基板よりも大きな格子定数であって、前記第一格子定数よりも大きい格子定数を有しており、
前記第一格子定数を有する前記井戸層は、前記活性層における積層方向の中央部に配置されており、
他の前記井戸層の格子定数と前記第一格子定数との差は8.8pm以下であり、
前記井戸層は、
材料がAlGaInAsであり、膜厚が4から6nmであり、
前記障壁層は、
材料がAlGaInAsであり、膜厚が6から10nmであり、
前記井戸層の層数は10から13であり、前記障壁層の層数は前記井戸層の層数よりも1つ少ない数であり、
前記第一格子定数を有する前記井戸層の歪量は、
中央値が0.153%であり、最小値が0.000%であり、最大値が0.307%であり、
他の前記井戸層の歪量は、
中央値が0.903%であり、最小値が0.307%であり、最大値が1.499%であり、
前記障壁層の歪量は、
中央値が-0.392%であり、最小値が-1.193%であり、最大値が0.409%である、
半導体レーザ装置。 A semiconductor laser device including a semiconductor substrate and an active layer having a multiple quantum well structure in which well layers and barrier layers are alternately laminated.
The barrier layer has a lattice constant smaller than that of the semiconductor substrate, and has a lattice constant smaller than that of the semiconductor substrate.
At least one of the well layers has a first lattice constant which is a lattice constant equal to or higher than the lattice constant of the semiconductor substrate.
The other well layer has a lattice constant larger than that of the semiconductor substrate and has a lattice constant larger than that of the first lattice constant.
The well layer having the first lattice constant is arranged in the central portion of the active layer in the stacking direction.
The difference between the lattice constants of the other well layers and the first lattice constant is 8.8 pm or less .
The well layer is
The material is AlGaInAs, the film thickness is 4 to 6 nm, and
The barrier layer is
The material is AlGaInAs, the film thickness is 6 to 10 nm, and
The number of layers of the well layer is 10 to 13, and the number of layers of the barrier layer is one less than the number of layers of the well layer.
The amount of strain of the well layer having the first lattice constant is
The median is 0.153%, the minimum is 0.000%, the maximum is 0.307%, and so on.
The amount of strain in the other well layer is
The median is 0.903%, the minimum is 0.307%, the maximum is 1.499%, and so on.
The amount of strain in the barrier layer is
The median is -0.392%, the minimum is -1.193%, and the maximum is 0.409%.
Semiconductor laser device.
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Citations (24)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04263483A (en) * | 1991-02-19 | 1992-09-18 | Nec Corp | Distorted quantum well semiconductor structure |
JPH0529715A (en) * | 1991-07-25 | 1993-02-05 | Nec Kansai Ltd | Semiconductor element having distortion quantum well structure |
JPH05335682A (en) * | 1992-05-29 | 1993-12-17 | Toshiba Corp | Quantum well type semiconductor light emitting element |
JPH0661570A (en) * | 1992-08-04 | 1994-03-04 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Strain multiple quantum well semiconductor laser |
JPH06104534A (en) * | 1992-09-22 | 1994-04-15 | Hitachi Ltd | Semiconductor laser element |
JPH06224516A (en) * | 1993-01-28 | 1994-08-12 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Multi-strain quantum well semiconductor laser |
JPH07147454A (en) * | 1993-11-26 | 1995-06-06 | Hitachi Ltd | Semiconductor element |
JPH07170022A (en) * | 1993-12-16 | 1995-07-04 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor laser device |
JPH07312465A (en) * | 1994-03-24 | 1995-11-28 | Sanyo Electric Co Ltd | Semiconductor laser system |
JPH0818161A (en) * | 1994-04-26 | 1996-01-19 | Sony Corp | Ii-vi compound semiconductor light emission element |
JPH0832176A (en) * | 1994-07-18 | 1996-02-02 | Sony Corp | Compound semiconductor multiple distorted quantum well structure |
JPH09260769A (en) * | 1996-03-21 | 1997-10-03 | Nec Corp | Semiconductor laser |
JPH09283837A (en) * | 1996-04-09 | 1997-10-31 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Distributed semiconductor feed back laser device |
JPH1084170A (en) * | 1997-08-11 | 1998-03-31 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Quantum well semiconductor laser element |
JPH10284795A (en) * | 1997-04-03 | 1998-10-23 | Sony Corp | Semiconductor laser element providing distortion amount and layer thickness modulating multiple quantum-well structure and manufacture therefor |
JPH11330636A (en) * | 1994-03-24 | 1999-11-30 | Sanyo Electric Co Ltd | Semiconductor laser device |
JP2001223436A (en) * | 2000-02-09 | 2001-08-17 | Fuji Photo Film Co Ltd | Semiconductor laser device |
JP2006190853A (en) * | 2005-01-07 | 2006-07-20 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Quantum well structure and its manufacturing method |
US20070248135A1 (en) * | 2006-04-19 | 2007-10-25 | Mawst Luke J | Quantum well lasers with strained quantum wells and dilute nitride barriers |
JP2008103498A (en) * | 2006-10-18 | 2008-05-01 | Dowa Electronics Materials Co Ltd | Light-emitting element |
JP2010165869A (en) * | 2009-01-15 | 2010-07-29 | Opnext Japan Inc | Semiconductor laser element |
JP2011124443A (en) * | 2009-12-11 | 2011-06-23 | Opnext Japan Inc | Method of manufacturing semiconductor photonic device |
JP2014064038A (en) * | 2013-12-25 | 2014-04-10 | Toshiba Corp | Semiconductor light-emitting device |
US20180269658A1 (en) * | 2016-05-05 | 2018-09-20 | Macom Technology Solutions Holdings, Inc. | Semiconductor laser incorporating an electron barrier with low aluminum content |
-
2020
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Patent Citations (24)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04263483A (en) * | 1991-02-19 | 1992-09-18 | Nec Corp | Distorted quantum well semiconductor structure |
JPH0529715A (en) * | 1991-07-25 | 1993-02-05 | Nec Kansai Ltd | Semiconductor element having distortion quantum well structure |
JPH05335682A (en) * | 1992-05-29 | 1993-12-17 | Toshiba Corp | Quantum well type semiconductor light emitting element |
JPH0661570A (en) * | 1992-08-04 | 1994-03-04 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Strain multiple quantum well semiconductor laser |
JPH06104534A (en) * | 1992-09-22 | 1994-04-15 | Hitachi Ltd | Semiconductor laser element |
JPH06224516A (en) * | 1993-01-28 | 1994-08-12 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Multi-strain quantum well semiconductor laser |
JPH07147454A (en) * | 1993-11-26 | 1995-06-06 | Hitachi Ltd | Semiconductor element |
JPH07170022A (en) * | 1993-12-16 | 1995-07-04 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor laser device |
JPH07312465A (en) * | 1994-03-24 | 1995-11-28 | Sanyo Electric Co Ltd | Semiconductor laser system |
JPH11330636A (en) * | 1994-03-24 | 1999-11-30 | Sanyo Electric Co Ltd | Semiconductor laser device |
JPH0818161A (en) * | 1994-04-26 | 1996-01-19 | Sony Corp | Ii-vi compound semiconductor light emission element |
JPH0832176A (en) * | 1994-07-18 | 1996-02-02 | Sony Corp | Compound semiconductor multiple distorted quantum well structure |
JPH09260769A (en) * | 1996-03-21 | 1997-10-03 | Nec Corp | Semiconductor laser |
JPH09283837A (en) * | 1996-04-09 | 1997-10-31 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Distributed semiconductor feed back laser device |
JPH10284795A (en) * | 1997-04-03 | 1998-10-23 | Sony Corp | Semiconductor laser element providing distortion amount and layer thickness modulating multiple quantum-well structure and manufacture therefor |
JPH1084170A (en) * | 1997-08-11 | 1998-03-31 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Quantum well semiconductor laser element |
JP2001223436A (en) * | 2000-02-09 | 2001-08-17 | Fuji Photo Film Co Ltd | Semiconductor laser device |
JP2006190853A (en) * | 2005-01-07 | 2006-07-20 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Quantum well structure and its manufacturing method |
US20070248135A1 (en) * | 2006-04-19 | 2007-10-25 | Mawst Luke J | Quantum well lasers with strained quantum wells and dilute nitride barriers |
JP2008103498A (en) * | 2006-10-18 | 2008-05-01 | Dowa Electronics Materials Co Ltd | Light-emitting element |
JP2010165869A (en) * | 2009-01-15 | 2010-07-29 | Opnext Japan Inc | Semiconductor laser element |
JP2011124443A (en) * | 2009-12-11 | 2011-06-23 | Opnext Japan Inc | Method of manufacturing semiconductor photonic device |
JP2014064038A (en) * | 2013-12-25 | 2014-04-10 | Toshiba Corp | Semiconductor light-emitting device |
US20180269658A1 (en) * | 2016-05-05 | 2018-09-20 | Macom Technology Solutions Holdings, Inc. | Semiconductor laser incorporating an electron barrier with low aluminum content |
Non-Patent Citations (8)
Title |
---|
MA, ShaoJun et al.,Strain-compensation measurement and simulation of inGaAs/GaAsP multiple quantum wells by metal organic vapor phase epitaxy using wafer-curvature,JOURNAL OF APPLIED PHYSICS,米国,American Institute of Physics,2011年12月01日,Vol.110,pp.113501-1 - pp.113501-5 |
MA, SHAOJUN ET AL.: "Strain-compensation measurement and simulation of inGaAs/GaAsP multiple quantum wells by metal organ", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 110, JPN7021004364, 1 December 2011 (2011-12-01), US, pages 113501 - 1, ISSN: 0004618482 * |
SELMIC, S. R. et al.,Design and Characterization of 1.3-μm AlGaInAs-InP Multiple-Quantum-Well Lasers,IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS,米国,2001年03月,VOL.7, NO.2,pp.340-349 |
SELMIC, S. R. ET AL.: "Design and Characterization of 1.3-μm AlGaInAs-InP Multiple-Quantum-Well Lasers", IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, vol. 7, no. 2, JPN6021040783, March 2001 (2001-03-01), US, pages 340 - 349, XP002378592, ISSN: 0004618479, DOI: 10.1109/2944.954148 * |
SUGIURA, H. et al.,Metalorganic molecular beam epitaxy of strain-compensated InAsP/InGaAsP multi-quantum-well lasers,Journal of Applied Physics,米国,American Insitute of Physics,1996年02月,Vol.79, No.3,pp.1233-1237 |
SUGIURA, H. ET AL.: "Metalorganic molecular beam epitaxy of strain-compensated InAsP/InGaAsP multi-quantum-well lasers", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 79, no. 3, JPN7021004366, February 1996 (1996-02-01), US, pages 1233 - 1237, ISSN: 0004618480 * |
SWEENEY, S. J. et al.,The impact of strained layers on current and emerging semiconductor laser systems,Journal of Applied Physics,米国,American Institute of Physics,2019年02月01日,Vol.125,pp.082538-1 - pp.082538-11 |
SWEENEY, S. J. ET AL.: "The impact of strained layers on current and emerging semiconductor laser systems", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 125, JPN7021004365, 1 February 2019 (2019-02-01), US, pages 082538 - 1, ISSN: 0004618481 * |
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