JPH02130988A - 量子井戸半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光通信用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半導体し―ザ素子に関する。

〔従来の技術〕

半導体レーザ素子の特性として望ましいことは、閾電流
密度が低いこと、閾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３００人よ
りも薄い層からなる活性層を有する量子井戸半導体レー
ザ素子によって向上する。量子井戸半導体レーザ素子の
活性層は、量子井戸と称す小さいエネルギーバンドギャ
ップをもつ層と、バリア層と称す大きいエネルギーバン
ドギャップをもつ層から構成されている。電子と正孔は
量子井戸に閉じ込められ、量子力学に従った挙動をする
。量子井戸半導体レーザ素子の特性は、量子井戸が歪の
ある構造であり、その格子定数をバリア層の格子定数よ
り大きくすることにより向上する。その理由は、価電子
帯の軽い正孔は有効質量が薄膜層に垂直な方向で重くな
り、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軽い正孔と
の間の光学遷移が促進される。電子と軽い正孔とはほぼ
等しい有効質量をもつ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、ある臨界値以内になければならない。

従来の歪層量子井戸半導体レーザ素子は、例えば第４図
（ａ）に示すように、ｎ型ＣａＡｓ基板（１）上に、ｎ
型ＧａＡｓバッファ層（２）およびｎ型Ｇａ、、。

Ａｊ！、、、Ａｓクラッド層（３）が順次積層され、次
いで、０．２ｎ厚さでＡＮ成分が４０％から０％まで連
続的に変化する傾斜領域（５）と（６）を両側にもち、
これをはさんで歪を有する４０人厚さのＧａｏ、ｂｓＩ
ｎ、、、□Ａｓ量子井戸層（４）からなる活性層が積層
され、さらに、傾斜領域（６）の上にｐ型Ｇａ、０．Ａ
ｆｏ、４Ａｓクラッド層（７）およびｐ型ＣａＡｓ　Ｐ
キヤツプ層が順次積層され、最後に、ｎ型電極（９）お
よびｐ型電橿０［＋１が蒸着された構造となっている。

この量子井戸半導体レーザ素子は発振波長が０．９９　
ｐｐｌｇであり、閾電流密度はｌ　９５　ＡＣＩＩ−”
であった、第４図（ｂ）は第４図（ａ）に対応するバン
ドギャップの伝導帯側を示している。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、従来の歪層量子井戸半導体レーザ素子で
は、光フアイバ通信において重要な波長１．３ｎまたは
１．５５１Ｍの発振を得ることができない。１．３−ま
たはこれよりも長い波長の発振をＧａ　ｌ−Ｘ　Ｉ　ｎ
、Ａ　ｓの活性層より得るためには、エネルギーバンド
ギャップの大きさから、Ｘ≧０．５のＩｎｌ［ｌ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Ｇ
ａ＋−ｘｌｎｘＡｓでは格子定数が大きくなり、第４図
（ａ）に示した従来の歪Ｊ！ＩＩ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。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は以上のような点にかんがみななされたもので、
その目的とするところは、１．３−以上の長い波長で発
振する高性能な歪層量子井戸半導体レーザ素子を提供す
ることにあり、その要旨は、ＩｎＰ基板上に、量子井戸
層とバリア層からなる活性層を含む■−ｖ族化合物半導
体層を有する量子井戸半導体レーザ素子において、組成
０．４の量子井戸層の格子定数ａ　（ＣＷ）、ＩｎＰの
格子定数ａ　（ＩｎＰ）および組成ＣＢのバリア層の格
子定数ａ（Ｃ−の間に、ａ　（ＣＢ）＝ａ　（ＩｎＰ）
＜ａ（ＣＷ）またはａ　（ＣＢ）　＜ａ　（ＩｎＰ）　
＜ａ（ＣＷ）の関係があることを特徴とする量子井戸半
導体レーザ素子である。

〔作用〕

■−Ｖ族化合物半導体のバンドギャップおよび格子定数
はその組成によって変化する０本発明では、バンドギャ
ップがレーザ発振の条件を満足することに加えて、格子
定数を適切に選択して、量子井戸半導体レーザ素子の性
能を向上させようとする。上記格子定数の選択条件によ
れば、まず、ａ　（ＣＢ）　＜ａ　（ＣＷ）とすること
により、量子井戸層の価電子帯の軽い正孔の膜面に垂直
方向の有効質量を重い正孔の有効質量よりも重くする。

これによって量子井戸層内の価電子帯では軽い正孔の量
子準位が最低となる０次に、ａ　（ＣＢ）　−ａ（Ｉｎ
Ｐ）とすることにより、ＩｎＰ基板上のバリア層の歪を
防ぐ。なお、ａ　（ＣＢ）　＜ａ　（Ｉｎｐ）　＜ａ　
（ｃｗ）の場合には、量子井戸層とバリア層の厚さを調
整して、活性層全体としての平均的な格子定数をＩｎＰ
の格子定数に等しくする。

このようにして、活性層内の歪を防ぎ、レーザ特性に悪
影響を及ぼす転位の発生を防ぐことができる。

〔実施例〕

以下図面に示した実施例に基づいて本発明を説明する。

第１図（ａ）は本発明にかかる量子井戸半導体レーザ素
子の要部断面図であり、その構造は、ｎ型ＩｎＰ基板０
０上に、ｎ型１ｎＰバッファ層０２１が０．１〜０．２
μの厚さにエピタキシャル成長されている。

ｎ型１ｎＰ基板θ０とｎ型１ｎＰバッファ層０りにはＳ
ｉまたはＳｅが２　Ｘ　１０　”〜５　Ｘ　Ｉ　Ｑ　”
ｃｍ−’ドープされている０次に光閉込め層（ＩＩ、活
性層（１７）、および光閉込め層０９が順次積層される
。さらに、厚さ０．１〜０．２ｎ、２×１０１ｔ〜５×
１ＯＬＩＣＢ１−３ドープされたｐ型１ｎＰクラッド層
（１３１および厚さ０、１〜２−　Ｏｔｎａ　ｓ〜５　
Ｘ　１０　”ｃｍ−’に高ドープされたｐ型１ｎＰギャ
ップＮ０４）が順次積層され、最後に、ｎ側電極θつお
よびｐ側電極０６）が形成される。

光閉じ込め層ＱｆＯはｒｎＰと同じ格子定数を有し、そ
の組成はｎ型１ｎＰバッファ層（＋２１から活性層θη
のバリア層ｒ２υの組成に厚さ方向に徐々に変わり、ア
ンドープか、またはバッファ層０２１から活性層Ｏηに
かけて徐々に減少するようにｎ型にドープされる。光閉
じ込め層ＯＢ）の組成は、第２図の［ｎＧａＡｓＰのダ
イヤグラムにおいて、５．８５人の等格子定数線（実線
）Ｌ上に常にあり、最終組成、すなわち活性層０″７）
に接する部分の組成は、発振波長１、３　ｎより大きな
エネルギーバンドギャップを存し、第２図上においては
、１．３ｉｎｓのバンドギャップに相当する等バンドギ
ャップ線（点線）Ｃと実線りとの交点Ｐよりも左側のし
線上の組成となっている。なお、ＬはＩｎＰとＧａｅ、
ｓｓｌ　ｎａ、ａｔＡＳを結んでいる。光閉じ込め層０
９はｐ型にドープされることを除いては、光閉じ込め層
側と鐘像ともいえる関係にあり、活性層０力からｐ型１
ｎＰクラッド層側へかけてバンドギャップとドーピング
レベルが徐々に変化する。活性層０力は各層の厚さ２５
人〜３００人である（ｎ−１）層のバリア層Ｑ１１で交
互に隔てられた各層の厚さ２５人〜３００人のｎ層の量
子井戸層（至）から構成されている。この場合には、活
性層０力の両側面は量子井戸層（至）になるが、（ｎ＋
１）層のバリア層（２Ｉｌを配して、活性層０７）の両
側面をバリア層Ｑυにしてもよい。バリア層ａυの組成
は、光閉じ込め層側、０！Ｉｌのバリア層Ｉ２υに接す
る部分の組成に相当し、Ｇ　ａ　Ｘ！　Ｉ　ｎ　１−ｘ
ｘＡｓ□Ｐ　＋−ｙ＊とする。量子井戸層Ｉ２Φの組成
は、第２図における発振波長１．３μに相当する等バン
ドギャップ線Ｃ上にあり、かつ、格子定数がバリア層Ｑ
υよりも大きいＰＴ間のＴに近い組成、Ｇａ、。

Ｉ　ｎ　１−ＸＩＡ　Ｓ　ｙ＋　Ｐ　＋−ｙ＋とする。

量子井戸の数ｎは小さい整数、例えばｎ−３に定める。

各量子井戸層［相］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２００〜３００人である。ｎ−３に対応する発振波
長は１．３μから若干ずれた値になる。その原因は、歪
によりバンドギャップが狭くなることによる長波長化と
、電子の量子閉込めによる短波長化の影響を受けるから
である。発振波長を厳密に１．３−に一致させるには、
上記の歪によるバンドギャップ縮小の効果と量子閉じ込
め効果によるバンドギャップ拡大の効果とを勘案して組
成を第２図のＴ点から多少ずらして調整することにする
。

なお、第１図（ハ）は第１図（ａ）の構造に対応するバ
ンドギャップの伝導帯側を示し、第２図の斜線部分は格
子定数がａ　（Ｇａｘ＋Ｉｎ＋−ｘ＋Ａｓｙ＋Ｐ＋−ｙ
１）＞ａ　（ＩｎＰ）を満たす領域である０本実施例で
は、活性層Ｏ′７）の平均格子定数はＩｎＰより大きく
、ＩｎＰとは格子整合になっていない、したがって、各
量子層の厚さが上限値を越えず、小さいｎに対して歪の
誘起する転位が生じないとしても、ｎが大きくなると転
位が起り、活性層ｃ′７）全体にわたる歪が発生するこ
とに注意する必要がある。

本発明の第２の実施例は、平均の格子定数がＩｎＰに格
子整合する活性層０７）を有し、その他については前記
実施例を示す第１図（ａ）と同じものである。この場合
の活性層０７）は、バリア層ｅＩｌが歪のない、ｌｎＰ
より小さい格子定数をもつＣａ１ｎＡｓＰ化合物であり
、量子井戸Ｎ［相］は歪のない、ＩｎＰより大きい格子
定数をもつものである。活性層０ηの平均格子定数は、
量子井戸Ｎ＠とバリア層ＱＤの厚みと組成を調整するこ
とによってＩｎＰの格子定数に等しくすることができる
。活性層は、ｎが数百の量子井戸層およびバリア暦数ま
で、歪の誘起する転位を生じることなく成長させること
ができる。このような構成の量子井戸半導体レーザ素子
は、垂直キャビティをもつ面発光レーザを実現するのに
適している。

本発明の第３の実施例は、ＩｎＰ系以外の■−Ｖ族化合
物半導体をＩｎＰ基板上に積層した例である。Ａｎ！ｏ
、５ｌｎｏ、ｓＡｓはＩｎＰに格子整合するため、第１
図（ａ）において、バッファ層０２１およびクラッド層
（１３１のＩｎＰのかわりにＡｆｏ、ｓｒｎ、ｏ、ｓＡ
ｓを用いる。光閉込め層００、ｃつにはＧａＡｆｆｉｌ
ｎＡｓを用い、その組成は第３図のダイヤグラムにおい
て、ＩｎＰと同じ格子定数の等格子定数線Ｌ′上にそっ
て徐々に変化する　Ｌ　ｒはＧａｏ、ｓｒｎ＊、ｓＡｓ
とＡｌｌ＠、５１ｎａ、ｓＡｓを結んでいる。

量子井戸層（至）の組成は、第３図の斜線部内の組成で
あり、かつバンドギャップの条件を満たす、ものである
、斜線のＭ域はＧａｓ＋Ａｆ□Ｉｎ、−□−□Ａｓ　（
０＜ａ＋＋ｍ＋＜０．５）を表わす。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、量子井戸層の格子
定数ａ（ＣＷ）、ＩｎＰの格子定数ａ（ＩｎＰ）および
バリア層の格子定数ａ（ＣＢ）の間に、ａ　（（、ａ）
　−ａ　（ＩｎＰ）　＜ａ　（ＣＷ）またはａ　（Ｃａ
）　＜ａ　（ＩｎＰ）　＜ａ　（ＣＢ）の関係があるた
め、１．３μまたはそれ以上の長い発振波長を有し、高
性能である量子井戸半導体レーザ素子が得られるという
優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明にかかる一実施例の要部断面図、
第１図（ロ）は第１図（ａ）に対応するバンドギャップ
の伝導帯側を示す図、第２図はＧａＴｎＡｓＰのダイヤ
グラム、第３図はＧａ１ｎＡｓのダイヤグラム、第４図
（ａ）は従来例の要部断面図、第４図［有］）は第４図
（ａ）に対応するバンドギャップの伝導帯側を示す図で
ある。 １−ｎ型ＧａＡｓ基板、　２−”　ｎ型ＧａＡｓバッフ
ァ層、　３　・ｎ型Ｇａ＠、ｉＡｊ！ｏ、４Ａｓクラッ
ド層、　４−Ｇａｏ、ｈｓＩ　ｎｏ、５ｔＡｓ量子井戸
層、５．６・−・傾斜領域、　７　・Ｐ型Ｇａｏ、ｉＡ
、ｅｏ、４ＡＳクラッド層、　８・・・Ｐ型ＧａＡｓキ
ャップ層、９．１５−ｎ型電極、　　１０．１６−ｐ型
電極、１１　・・・ｎ型１ｎＰ基板、　１２−　ｎ型Ｉ
ｎＰバンファ層、　　１３・・・Ｐ型ｆｎＰクラッド層
、　１４・・・ｐ型１ｎＰキャップ層、　　１７・・・
活性層、１８．１９・・・光閉込め層、　２０・・・量
子井戸層、２１・・・バリア層。 エネルギー （ａ） １１図 （ｂ）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＩｎＰ基板上に、量子井戸層とバリア層からなる
   活性層を含むIII−Ｖ族化合物半導体層を有する量子井
   戸半導体レーザ素子において、組成Ｃ＿Ｗの量子井戸層
   の格子定数ａ（Ｃ＿Ｗ）、ＩｎＰの格子定数ａ（ＩｎＰ
   ）および組成Ｃ＿Ｂのバリア層の格子定数ａ（Ｃ＿Ｂ）
   が、ａ（Ｃ＿Ｂ）＝ａ（ＩｎＰ）＜ａ（Ｃ＿Ｗ）または
   ａ（Ｃ＿Ｂ）＜ａ（ＩｎＰ）＜ａ（Ｃ＿Ｗ）であること
   を特徴とする量子井戸半導体レーザ素子。
2. （２）量子井戸層は、ａ（Ｇａ＿ｘ＿１Ｉｎ＿１＿−＿
   ｘ＿１Ａｓ＿ｙ＿１Ｐ＿１＿−＿ｙ＿１）＞ａ（ＩｎＰ
   ）であるＧａ＿ｘ＿１Ｉｎ＿１＿−＿ｘ＿１Ａｓ＿ｙ＿
   １Ｐ＿１＿−＿ｙ＿１（０≦＿ｘ＿１、＿ｙ＿１≦１）
   であり、バリア層はＧａ＿ｘ＿２Ｉｎ＿１＿−＿ｘ＿２
   Ａｓ＿ｙ＿２Ｐ＿１＿−＿ｙ＿２（０≦＿ｘ＿２、＿ｙ
   ＿２≦１）であることを特徴とする請求項１記載の量子
   井戸半導体レーザ素子。
3. （３）量子井戸層はＧａ＿ｍ＿１Ａｌ＿ｎ＿１Ｉｎ＿１
   ＿−＿ｍ＿１＿−＿ｎ＿１Ａｓ（０＜ｍ＿１＋＿ｎ＿１
   ＜０．５）であり、バリア層はＧａ＿ｍ＿２Ａｌ＿ｎ＿
   ２Ｉｎ＿１＿−＿ｍ＿２＿−＿ｎ＿２Ａｓ（０＜＿ｍ＿
   ２＋＿ｎ＿２≦１）であることを特徴とする請求項１記
   載の量子井戸半導体レーザ素子。
4. （４）量子井戸層は、ａ（Ｇａ＿ｘ＿１、Ｉｎ＿１＿−
   ＿ｘ＿１Ａｓ＿ｙ＿１Ｐ＿１＿−＿ｙ＿１）＞ａ（Ｉｎ
   Ｐ）であるＧａ＿ｘ＿１Ｉｎ＿１＿−＿ｘ＿１Ａｓ＿ｙ
   ＿１Ｐ＿１＿−＿ｙ＿１（０≦＿ｘ＿１、＿ｙ＿１≦１
   ）であり、バリア層はＧａ＿ｍ＿２Ａｌ＿ｍ＿２Ｉｎ＿
   １＿ｍ＿２＿−＿ｎ＿２Ａｓ（０＜＿ｍ＿２＋＿ｎ＿２
   ≦１）であることを特徴とする請求項１記載の量子井戸
   半導体レーザ素子。
5. （５）量子井戸層はＧａ＿ｍ＿１Ａｌ＿ｍ＿１Ｉｎ＿１
   ＿−＿ｍ＿１＿−＿ｎ＿１Ａｓ（０＜ｍ＿１＋＿ｎ＿１
   ＜０．５であり、バリア層はＧａ＿ｘ＿２＿Ｉｎ＿１＿
   −＿ｘ＿２Ａｓ＿ｙ＿２Ｐ＿１＿−＿ｙ＿２（０≦＿ｘ
   ＿２、＿ｙ＿２≦１）であることを特徴とする請求項１
   記載の量子井戸半導体レーザ素子。