JPH0282680A - 量子井戸レーザ - 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） この発明は、コヒーレント光通信や波長多重光通信等の
光源に用いて好適な半導体レーザに関するもので、特に
単一波長で発振しかつその発振波長を変化させることが
可能な量子井戸レーザに関するものである。

（従来の技術） 情報伝達の有力な手段としで、光通信に対する期待は非
常に大きい。そして、このような光通信の実用化を図る
ためには好適な光源が必要であり、半導体レーザはこの
光源に非常に適している。ところで、光通信の方式には
種々のものがあり、この中の例えばコヒーレント光通信
においてはある特定の波長で発振する半導体レーザが必
要になり、また、多重光通信においでは互いにわずかず
つ発振波長が異なる複数の半導体レーザが必要になる。

このような各半導体レーザは、それぞれの発振波長毎に
個別に製造出来るが、所望の波長で発振する半導体レー
ザのみを歩留り良く得ることは非常に難しく、製造終了
後の半導体レーザの発振波長はどうしても多少のバラツ
キを示す。

このようなとき、半導体レーザ自体が製造後においても
発振波長が可変なものであれば、製造のし易さ等を含め
、ｆｉ々の意味で好都合と云える。

従って、発振波長を可変出来る半導体レーザについての
１！々の研究が従来からなされてきていた。

この種の従来の半導体レーザとしては、例えば文献（昭
和６２年電子情報通信学会全国大会予稿Ｐ、４−２５講
演Ｎｏ、８２５）に開示されでいる波長可変半導体レー
ザがあった。

第６図（Ａ）及び（Ｂ）は、この文献に開示されている
波長可変半導体レーザの概略構成を模式的に示した平面
図及び側面図である。これら図を参照して、従来の半導
体レーザにつき簡単に説明する。

この半導体レーザては、同一基板１１上に、発光に供す
る活性領域２１と、位相調整領域３１と、凹凸が連続す
るグレーティングを有するＤ　Ｂ　Ｒ（Ｄｉｓｔｒｉｂ
ｕｔｅｄ　Ｂｒａｑｑ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）領域４１
とが設けられている。基板１１の活性領域２１には、こ
の基板側から光導波層（、ＩｎＧａＡｓＰ層）２３、バ
ッファ層（ＩｎＰ層）２５及び活゛注層（ＩｎＧａＡｓ
層）２７が設けられている。なあこの光導波層２３及び
バ・ソファ層２５は、位相調整領域３１を経てＤＢＲ領
戚４１まで延在してしする。そして光導波層２３のＤＢ
Ｒ領域４１に対応する部分と基板１１との界面には４３
で示すグレーティングが形成されている。またバッファ
層２５の活性領域２１に対応する領域上にはＩｎＰ層２
９ａが、バッファ層２５の位相調整領域に対応する領域
上にはＩｎＰ層２９ｂか、バッファ層２５のＤＢＲ領域
に対応する領域上にはＩｎＰ層２９ｃがそれぞれ設けら
れでいる。

このような構造の半導体レーザにおいては、活性領域２
１で発生した光か光導波層２３に導波されてＤＬＲ領域
４１に到達し、グレーティング４３によって反射を受け
る。このとき、グレーティング４３の凹凸の周期を△と
し、光導波層２３のＤＢＲ領ｔ１！ｔ４１に対応する部
分の実効屈折率をｎ０１．とすると、λ６＝２・ｎ　ａ
ｆｆ　　・△で決定されるブラッグ波長λ８の光のみ反
射率が大きくなり、このため、この半導体レーザはλ８
の波長でのみ発振するよつになる（分布反射型レーザ）
。ここで、ＤＢＲ領１或４１のＩｎＰ層２９ｃと基板１
１との間に電流を流すと、プラズマ効果によってこの部
分の結晶の屈１斤率か変化するのでこの部分の実効屈折
率ｎ　ｏｆｆが変化し、この結果λ８も変化することに
なり、よって、波長可変型の半導体レーザか実現される
。但し、単にＤＢ日領域４１に流す電流を変化させるだ
けでは波長の変化は不連続なものになるため、活性領域
２１と、ＤＢＲ領域４１との間に設けてある位相調整領
域３１のＩｎＰ層２９ｂ及び基板１１間に電流を流して
活性領域２１の光とＤＢＲ領域の光との位相を一敗させ
るようにし、発振波長が連続的に変わるようにしていた
。この従来の発振波長可変型の半導体レーザによれば、
４．５ｎｍの波長幅に亘って発振波長を連続的に変える
ことか出来た。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、第６図を用いで説明したような従来の半
導体レーザでは、以下に説明するような種々の問題点が
あった。

先す、□ＢＲ早Ｌｔ或４１の実効屈折率をプラズマ効果
を利用して変化させているため、波長可変幅をある幅よ
り大きくすることが出来ないという問題点があった。こ
の理由は以下の通りである。プラズマ効果は、注入され
たキャリアがＩｎＰ基板１１及びＩｎＰ層２５に挟まれ
るＩｎＧａＡｓＰ光導波層２３にバシトギャップの関係
（ＩｎＰ　＞ＩｎＧａＡｓＰ　）により閉し込められキ
ャリア密度が増加することによって起こる。しかし、こ
のキャリア密度がある値以上になると、キャリアは光導
波層２３から流れ出してゆくようになり、注入電流をそ
れ以上増やしたとしてもキャリア密度は上らなくなる。

キャリア密度か飽和することは屈折率変化も飽和するこ
とを意味するから、従って、プラズマ効果を用いた場合
の波長可変幅には限界が生じる。

また、第６図を用いて説明した従来の半導体レーザでは
、ファブリペローモードで決まる多数の発振モードのう
ちのあるモードが、グレーティングで決まる発振モード
によって選択され一つの発振波長が決定されるため、キ
ャリア損失によりグレーティング部（ＤＢＲ領域）の共
振器損失を変化させてゆくと発振モードの飛びが起こっ
てしまうという問題点があった。

また、活性領域、位相調整領域及びＤＢＲ領域という３
つの領域をそれぞれ作製しなければならいこと、然も、
グレーティング領域は高度な微細加工技術か必要になる
こと等、素子製造に当たっても種々の問題点があった。

この発明は、上述した点に鑑みなされたものであり、従
って、この発明の目的は、上述した問題点を解決し、従
来より特性に優れる発振波長可変型の半導体レーザを提
供することにある。

（課題を解決するための手段） この目的の達成を図るため、この発明によれば、バリヤ
層、井戸層及びバリヤ層がこの順で積層された積層部を
少なくとも１つ具えると共にこの積層部の上側及び下側
に電流注入用電極を具える量子井戸レーザにおいて、 前述の積層方向と直交する方向で前記井戸層を挟む互い
に電気的に絶縁された第一及び第二電極を具えたことを
特徴とする。

この発明の実施に当たり、前述の井戸層をストライプ状
のものとし該ストライプ状井戸層に沿う一方の側に第一
電極を他方の側に第二電極を前述のバリヤ層とは絶縁さ
せてそれぞれ設けるのが好適である。

（作用） このような構成の量子井戸レーザによれば、第一及び第
二電極間に印加される電圧に応し、量子井戸部の電子の
エネルギー順位と正孔のエネルギー順位との差が変化す
るので、放出される光のエネルギーが変化し、この結果
、発振波長を可変出来るようになる。ざらに量子井戸レ
ーザは非常に薄い活性層を有するためエネルギー順位は
離散的である。このため、あるエネルギー順位（通常最
低エネルギー順位）の発振モードから他のエネルギー順
位の発振モードに飛ぶことは起こりにくい。

従って、発振モートの飛びが無く然も第一及び第二電極
間に印加する電圧の大きざに応し発振波長か変化するよ
うになる。

（実施例） 以下、この発明の量子井戸レーザの実施例を、井戸層ｊ
ｉＩｎＧａＡｓ層、この井戸層を挟むバリヤ層をＩｎＧ
ａＡｓＰ層とし、かつ、バリア層、井戸層及びバリア層
で構成される積層部（量子井戸）を１つとした場合のモ
デル（単一量子井戸レーザ）により説明する。しかしこ
れは単なる例示にすぎず、従って、ＩｎＧａＡｓ−Ｉｎ
ＧａＡｓＰ以外の他の材料で構成された量子井戸レーザ
や、量子井戸を多数有する多重量子井戸レーザ等に対し
てもこの発明を適用出来ることは明らかである。また実
施例の説明で用いる各図はこの発明が理解出来る程度に
概略的に示しであるにすぎず、従って、この発明が図示
例のみに限定されるものでないことは理解されたい。

漿３砒汎用 先ず、第１図を参照して実施例の量子井戸レーザの構造
につき説明する。第１図はその構造を概略的に示した斜
視図である。第１図において、５１で示すものは第一の
バリヤ層（ポテンシャルバリヤ層）としてのＩｎＧａＡ
ｓＰ層、５３で示すものは井戸層（ポテンシャル井戸層
）としてのＩｎＧａＡｓ層、５５で示すものは第二のバ
リヤ層としてのＩｎＧａＡｓＰ層である。ＩｎＧａＡｓ
井戸層５３は、両１ｎＧａＡｓＰバリア層５１．５５に
よって挟まれており、これら５１，５３．５５の各層で
積層部（ｊ１子井戸）５７を構成しでいる。さらに第一
のバリヤ層５１の上側には第一のＩｎＰ層５９が、他方
のバリア層５５の下側には第このＩｎＰ層６１かそれぞ
れ設けてある。なお、第二のＩｎＰ層６１を、ＩｎＰ基
板、或いはＩｎＰ基板及びＩｎＰｎツバ９フの積層基板
を以って構成する。そして、第一及び第二のＩｎＰ層５
９．６１にはレーザ発振に供する電流注入用電極６３ａ
　、　６３ｂか設けてある。なおこの実施例では電流注
入用電極６３ａ、６３ｂ　％各ＩｎＰ層５９゜６１の全
面に設けているがこれら電極の構造はこれに限られるも
のではなく設計に応した適正な形状に出来る。

またざらにこの発明の量子井戸レーザは、第一のバリア
層５１、井戸層５３及び第二バリア層５５の積層方向と
直交する方向でこの井戸層５３ヲ挟む互いに電気的に絶
縁された第一電極６５及び第二電極６７を具えている。

特にこの実施例の場合は第１図に示す如く、井戸層５３
がレーザ共振器に相当するストライプ状のものとしてあ
り、このストライプ状井戸層５３に沿う一方の側に第一
電極６５が他方の側に第二電極６７が前記第一及び第二
のバリヤ層５１゜５５とは絶縁膜６９でそれぞれ絶Ｒさ
れて設けてある。ここで、井戸層５３の厚さしと、これ
（こ並ぶ第一電極６５及び第二電極６７の厚ざＬは、量
子井戸の形成が可能な厚さ好ましくはＬ≦２００人程度
の適正な厚さである必要がある。またストライプの幅Ｗ
は設計に応した適正な寸法としである。また、第一電極
６５、第二電極６７及び絶縁膜６９はそれぞれ設計に応
した適正な材料で構成出来、第一及び第二電極６５．６
７の材料としでは、例えば金（Ａｕ）を挙げることか出
来、絶縁膜６９としでは、例えばＳｉＯ２膜を挙げるこ
とか出来る。

なあ、実施例ではストライプ状の井戸層５３に沿う一方
の側に第一電極６５ヲ他方の側に第二電極６７そ井戸層
５３の全長にわたって設けているが、画電極は必ずしも
このように設ける必要はなく、井戸層５３の一部に沿っ
て設けるようにしでも良い。

また、この発明を多重量子井戸レーザに適用する場合は
、各井戸層毎に実施例と同様な第−電極及び第二電極を
設けるようにすれば良い。

告り告　法の−の８日 次にこの発明の理解を深めるため、第１図に示した量子
井戸レーザの製造方法の一例につき簡単に説明する。こ
の量子井戸レーザは、ＭＢＥ法（分子線エピタキシー法
）或いはＭＯＣＶＤ法（有機金属熱分解気相成長法）に
よる結晶成長技術、通常の成膜技術及びフォトリソグラ
フィー技術を用い、例えば以下の手順で形成出来る。第
２図（Ａ）〜（Ｆ）は、製造方法の説明に供する製造工
程図であり、工程中の主な工程での素子の様子を断面図
を以って示した図である。なあ、第二のＩｎＰ層６１は
ＩｎＰ基板、或いはＩｎＰ基板及びＩｎＰｎツバ９フフ 先ず、例えばＩｎＰ基板及びＩｎＰｎツバ９フフ成され
た積層基板から成る第二のＩｎＰ層６層上１上例えばＭ
ＢＥ法により第二のＩｎＧａＡｓＰバリヤ層５５及びＩ
ｎＧａＡｓ井戸層５３ヲとの順で結晶成長させる（第２
図（八））。次いて、Ｉｎ（ｉａＡｓ井戸層５３上に従
来公知の成膜方法及びフォトエツチング技術によりスト
ライプ状のマスク５３ａ　’ｌＦｒ形成し、その後１、
ＩｎＧａＡｓ井戸層５３のこのマスク５３ａから露出し
ている部分全部と、第二のＩｎＧａＡｓＰバリヤ層５５
のマスク５３ａから露出している部分の厚み方向の一部
とを除去する（第２図（８））。次いで、絶縁膜を全面
に形成し、第二のＩｎＧａＡｓＰバリヤ層５５の厚みが
減じられた領域上のみに絶縁膜６９が残存するように加
工する（第２図（Ｃ））。次に、絶縁膜６９及びストラ
イプ状井戸層５３上に第一及び第二電極形成用の金属膜
例えばＡｕｔ形成し、その後、この金属膜のストライプ
状井戸層５３（こ対応する部分を除去して第一電極６５
及び第二電極６７を形成する（第２図（Ｄ））。次に、
第一及び第二電極６５。

６７及びストライプ状井戸層５３上に再び絶縁膜を形成
し、その後、絶縁膜のストライプ状井戸層５３に対応す
る部分を除去して上側の絶縁膜６９を形成する（第２図
（Ｅ））。なおストライプ状のマスク５３ａはここまで
の製造工程中の適正な工程で除去する。次に、ストライ
プ状の井戸層５３と、第一電極６５及び第二電極６７上
の絶縁膜５９との上に、ＭＢＥ法により第一のＩｎＧａ
ＡｓＰバリヤ層５１及び第一のＩｎＰ層５９をこの順に
結晶成長きせる（第２図（Ｆ））。次いで、第一のＴｎ
Ｐ層５９及び第二のＩｎＰ層６１のそれぞれの上側に電
流注入用電極６３ａ。

６３ｂを形成する。このようにして第１図に示した量子
井戸レーザを得た。

１作説朋 次に、この発明の理解を深めるため第１図に示した実施
例の】子井戸レーザの動作原理につき説明する。

この量子井戸レーザは、第１図中のＸ軸に平行な方向に
１ノーザ光を出射する。このため通常は第１図に示した
電流注入用電極６３ａ，６３ｂ間に電圧を印加して駆動
する。しかしこの発明の量子井戸レーザは、これに加え
て第一電極６５及び第二電極６７間に電圧を印加するこ
とが出来これによって、発振波長の可変を可能にしでい
る。

第３図は、第１図に示した量子井戸レーザの第１図の２
方向のエネルギー順位を示した図である。第３図中７１
ヲ付したものが電子のエネルギ準位であり、７３ヲ付し
たものが正孔のエネルギー準位である。この量子井戸レ
ーザでは電子及び正孔の両者のエネルギー準位の差に対
応する光が放出される。ここで、第一電極６５及び第二
電極６７間に電圧を例えば第１図に示すように第一電極
６５を正の電極とし第二電極６７ヲ負の電極として印加
しｙ方向に電界を加えると、井戸層のポテンシャルは第
４図に示すように変化する。なお、第４図において、７
５で示すものは第一及び第二電極間に電圧を印加する前
の伝導帯の位置であり、７５ａで示すものは電圧印加後
の伝導帯の位置である。ざらに、７７で示すものは第一
及び第二電極間に電圧を印加する前の価電子帯の位置で
あり、？？ａで示すものは電圧印加後の価電子帯の位置
である。第一及び第二電極間に印加する電圧の極性が上
述の例と逆の場合は、電圧印加後の伝導帯及び価電子帯
のｙ方向に対する勾配は第４図の場合の逆になる。この
ような現象を整理すると、ＩｎＧａＡｓ井戸層をこの厚
み方向と直交する方向で挟む第−電極及び第二電極間に
電圧を印加することによって、電子の井戸はほぼｅ　Ｖ
　／　２深くなり、正孔の井戸はｅＶ／２浅くなると考
えることが出来る。このような井戸の深さの変化を第５
図に示す、第５図において７９で示すものは第一及び第
二電極間に電圧を印加する前の伝導帯の井戸の深さであ
り、７９ａで示すものが電圧印加後の伝導帯の井戸の深
さである。ざらに、８１で示すものは第一及び第二電極
間に電圧を印加する前の価電子帯の井戸の深さであり、
８１ａで示すものが電圧印加後の価電子帯の井戸の深さ
である。このようなとき、ＩｎＧａＡｓ井戸層５３の２
方向の幅（井戸層の厚さ）ｉ２ａとし井戸の深さｔＶ。

とすると、井戸内の電子或いは正孔のエネルギー準位は
下記の連立方程式を解くことによって求めることが出来
る（但し、ｋ、は井戸内での波数、ｋ２は井戸外での波
数、ｍ８はキャリアの有効質量、ｔはブランク定数であ
る。）。

（Ｌ・ａ）ｔａｎ（ｋ＋・ａ）　　＝　ｋ２・ａ（ｋ＋
　・ａ）２＋　（Ｌ・ａ）２＝　２＝傘・ｖｏ−ａ２／
）２ここでＩｎＰ系化合物半導体においては、電子の有
効質量ｍ、＊と、正孔の有効質ｊ１ｍｈ”との比ｍ　、
　Ｉ　／ｍｈ′は０．１程度であるため、井戸の深さｖ
ｏの変化は電子のエネルギー準位及び正孔のエネルギー
準位にそれぞれ違った大きざの変化をもたらす（有効質
量の小さい電子の準位の変化のほうが大きくなる）。即
ち、第一及び第二電極間に電圧Ｖを印加することにより
電子の井戸及び正孔の井戸の深さか共にｅＶ／２変化し
ても、電子のエネルギ準位と正孔のエネルギー準位は互
いに異なった大きさで変化することになる。従って、印
加電圧Ｖを変えると電子のエネルギー準位及び正孔のエ
ネルギー準位間の差は印加電圧に応した異なった値に変
化するようになるので、放出される光のエネルギーか変
化するようになる。実際、第一及び第二電極間に０．１
ｖ程度の電圧を印加すると井戸の深さはｅ　Ｖ／　２　
＝　８　ｘ　１０−”　（Ｊ）程度変化し、電子のエネ
ルギー準位は上述の連立方程式（第１７ページに記載の
連立方程式）により解を求めると波長にして数１０ｎｍ
変化する。このとき正孔のエネルギー準位は有効質量の
大きざのために電子はど大きな変化をしない。この結果
発振波長は２０〜３゜ｎｍ変化する。

（発明の効果） 上述した説明からも明らかなように、この発明の量子井
戸レーザによれば、第一及び第二電極間に電圧を印加す
ることによって井戸層に横方向から電界を加えることが
出来る。そして、第一及び第二電極間に印加する電圧の
大きざを変えることによって発振波長を可変出来、その
可変幅はプラズマ効果を利用しでいた従来のレーザ素子
より広く、数１０ｎｍまでの可変幅が期待出来る。

ざらに量子井戸レーザであることから、エネルギー準位
は離散的であるため、あるエネルギー準位（通常最低エ
ネルギー準位）の発振モードから他のエネルギー準位の
発振モートに飛ぶことは起こりにくい。

従って、単一波長で発振しかつ発振波長が可変出来熱も
その可変幅が従来より大きく、ざらに発振モードの飛び
が無い半導体レーザヲ提供出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例の量子井戸レーザの構造を概略的に示
す斜視図、 第２図（Ａ）〜（Ｆ）は、実施例の量子井戸レーザの製
造方法の一例を示す工程図、第３図は、実施例の量子井
戸レーザの２方向のエネルギー変化を示す図、 第４図は、実施例の量子井戸レーザの第一及び第二電極
間に電圧を印加したときのｙ方向のエネルギー変化を示
す図、 第５図は、実施例の量子井戸レーザの第一及び第二電極
間に電圧を印加したときの２方向のエネルギー変化を示
す図、 第６図（Ａ）及び（Ｂ）は、従来の発振波長可変型の半
導体レーザを示す平面図及び側面図であ乞。 ５１　・・・第一のバリヤ層（ＩｎＧａＡｓＰ層）５３
　・・・井戸層（ＩｎＧａＡｓ層）５３ａ・・・マスク ５５・・・第二のバリヤ層（ＩｎＧａＡｓＰ層）５７・
・・積層部（量子井戸） ５９・・・第一のＩｎＰ層、　　６１・・・第二のＩｎ
Ｐ層６３ａ　６３ｂ・・・電流注入用電極 ６５・・・第一電極、　　　　６７・・・第二電極６９
・・・絶縁層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）バリヤ層、井戸層及びバリヤ層がこの順で積層さ
   れた積層部を少なくとも１つ具えると共に該積層部の上
   側及び下側に電流注入用電極を具える量子井戸レーザに
   おいて、 前記積層方向と直交する方向で前記井戸層を挟む互いに
   電気的に絶縁された第一及び第二電極を具えたことを特
   徴とする量子井戸レーザ。
2. （２）前記井戸層がストライプ状であり該ストライプ状
   井戸層に沿う一方の側に前記第一電極が他方の側に前記
   第二電極が前記バリヤ層とは絶縁されてそれぞれ設けて
   ある請求項１に記載の量子井戸レーザ。