JPH03166785A - 半導体レーザ素子 - Google Patents
半導体レーザ素子Info
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- JPH03166785A JPH03166785A JP1307339A JP30733989A JPH03166785A JP H03166785 A JPH03166785 A JP H03166785A JP 1307339 A JP1307339 A JP 1307339A JP 30733989 A JP30733989 A JP 30733989A JP H03166785 A JPH03166785 A JP H03166785A
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- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 35
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- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract 1
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
-
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
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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。
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、歪量子井戸半導体レーザ素子の改良に関する
ものである. 〔従来の技術〕 I n.G a I−.A s ( x =0.1 〜
0.5)歪量子井戸層及びGaAs障壁層からなる歪量
子井戸構造の活性層をGaAs基板上に形成した歪量子
井戸半導体レーザ素子は、従来のGaAs/AIGaA
sおよびGalnAsP/InP等の格子整合系レーザ
ではちょうど谷間となっていた波長0.9〜1.1−の
光源として期待されている.ところで、半導体レーザ素
子は、活性層にキャリアおよび光を閉じ込めるために、
発振波長の光に対して透明で、活性層(または活性層近
傍の光閉じ込め層)よりも屈折率が小さく、またエネル
ギー・ギャップが大きい半導体をクラッドとして用いる
必要がある。
ものである. 〔従来の技術〕 I n.G a I−.A s ( x =0.1 〜
0.5)歪量子井戸層及びGaAs障壁層からなる歪量
子井戸構造の活性層をGaAs基板上に形成した歪量子
井戸半導体レーザ素子は、従来のGaAs/AIGaA
sおよびGalnAsP/InP等の格子整合系レーザ
ではちょうど谷間となっていた波長0.9〜1.1−の
光源として期待されている.ところで、半導体レーザ素
子は、活性層にキャリアおよび光を閉じ込めるために、
発振波長の光に対して透明で、活性層(または活性層近
傍の光閉じ込め層)よりも屈折率が小さく、またエネル
ギー・ギャップが大きい半導体をクラッドとして用いる
必要がある。
従来1 n xG a l−11A s歪量子井戸半導
体レーザ素子では、Y>0.3のA l yG a +
−yA Sがクラッドとして用いられている。
体レーザ素子では、Y>0.3のA l yG a +
−yA Sがクラッドとして用いられている。
従来例を第3図を用いて説明する.1は約350μ厚の
n型GaAs基板であり、この上にMBEあるいはMO
CVD等のエピタキシャル威長により2以下の層を積層
する。2は0.5n厚のn型GaAsバッファ層であり
、3は、L5n厚のn型A j! a. sG a l
?A Sクラッド層である.4は、I n e. s
sG a @. 6SA S歪量子井戸、GaAs障壁
層等からなる活性層および光閉じ込め層である. 5は、1.5戸厚のp型AIt.1Gao.,Asクラ
ッド層であり、6は0.2一厚のp型コンタクト層であ
る. 4の詳細は、第4図を用いて説明する.7は、上下それ
ぞれ1500人厚のGaAs光閉じ込め層であり、8は
各々100人厚のGaAs障壁層であり、9は各々40
人厚のI no.zsG a o.isA S歪董子井
戸層である. 以上のGaAs基板上に一様に形戒したダブルへテロ構
造に、電流狭窄層形戒、電極形或、素子分離等の微細加
工を施してレーザ・チップを得る.なお、以上は、従来
例の一例であり混晶の組或比、量子井戸の層数、各層の
膜厚等はさまざまである.また、光閉じ込め層としては
、Alの組戊比をパラボリックに変化させたAIGaA
sを用いたGRIN−SCH構造も良く用いられる.(
発明が解決しようとする課題〕 従来のInxGa+−xAs/GaAs量子井戸構造を
活性層とするレーザ・ダイオード用ダブルヘテロ構造は
、常にGaAs基板よりも格子定数の大きな半導体層を
積層して或るものである。すなわち、GaAs基板の格
子定数は5.65人である。
n型GaAs基板であり、この上にMBEあるいはMO
CVD等のエピタキシャル威長により2以下の層を積層
する。2は0.5n厚のn型GaAsバッファ層であり
、3は、L5n厚のn型A j! a. sG a l
?A Sクラッド層である.4は、I n e. s
sG a @. 6SA S歪量子井戸、GaAs障壁
層等からなる活性層および光閉じ込め層である. 5は、1.5戸厚のp型AIt.1Gao.,Asクラ
ッド層であり、6は0.2一厚のp型コンタクト層であ
る. 4の詳細は、第4図を用いて説明する.7は、上下それ
ぞれ1500人厚のGaAs光閉じ込め層であり、8は
各々100人厚のGaAs障壁層であり、9は各々40
人厚のI no.zsG a o.isA S歪董子井
戸層である. 以上のGaAs基板上に一様に形戒したダブルへテロ構
造に、電流狭窄層形戒、電極形或、素子分離等の微細加
工を施してレーザ・チップを得る.なお、以上は、従来
例の一例であり混晶の組或比、量子井戸の層数、各層の
膜厚等はさまざまである.また、光閉じ込め層としては
、Alの組戊比をパラボリックに変化させたAIGaA
sを用いたGRIN−SCH構造も良く用いられる.(
発明が解決しようとする課題〕 従来のInxGa+−xAs/GaAs量子井戸構造を
活性層とするレーザ・ダイオード用ダブルヘテロ構造は
、常にGaAs基板よりも格子定数の大きな半導体層を
積層して或るものである。すなわち、GaAs基板の格
子定数は5.65人である。
これに、対して、A I! ,G a .−,A sは
、0.14y%大きな格子定数を持つ.また、I nx
G a +−gA sは、7.3X%大きな格子定数を
持つ.例えば、In.Ga.−XAs,Aj!,Ga,
−,Asの組威をそれぞれ、x−0.35、7−0.3
とするとGaAsとの格子不整合率はそれぞれ+2.5
6%、+0.04%となる. ALGa.−,AsのGaAsとの格子不整合率は、小
さな値ではあるが、この層のwA厚は、3R(約1万原
子層)と厚いために、120人(約40原子層)と薄い
ながらも格子不整の大きいIn.Ga .−.A s層
と併せて基板の格子から圧縮応力を受け、この圧縮応力
により、高注入、高励起のレーザ動作時に、歪量子井戸
活性層に転移やすべりが発生し、D L D (dar
k line defect)が生じ易くなり、レーザ
発振の寿命が低下するという問題があった. 〔課題を解決するための手段と作用〕 本発明は上記問題点を解決した半導体レーザ素子を提供
するもので、I n IIG a 1−xA sを量子
井戸層とし、GaAsを障壁層とする歪量子井戸構造の
活性層と、この活性層の上下に配置されるクラフド層と
が、G a A S基板上にエビタヰシャル威長によっ
て形成された半導体レーザ素子において、活性層に隣接
する上下のクラッド層と活性層との間にI n..Ga
.P (ただし、Z >0.51)からなる応力緩和層
を介在させることを特徴とするものである. In+−@GagPの格子定数は、ベガード則によれば
、1式で与えられ、Z=0.51でGaAsに格子整合
し、Z>0.51のときにGaAsよりも小さな格子定
数を持つ。
、0.14y%大きな格子定数を持つ.また、I nx
G a +−gA sは、7.3X%大きな格子定数を
持つ.例えば、In.Ga.−XAs,Aj!,Ga,
−,Asの組威をそれぞれ、x−0.35、7−0.3
とするとGaAsとの格子不整合率はそれぞれ+2.5
6%、+0.04%となる. ALGa.−,AsのGaAsとの格子不整合率は、小
さな値ではあるが、この層のwA厚は、3R(約1万原
子層)と厚いために、120人(約40原子層)と薄い
ながらも格子不整の大きいIn.Ga .−.A s層
と併せて基板の格子から圧縮応力を受け、この圧縮応力
により、高注入、高励起のレーザ動作時に、歪量子井戸
活性層に転移やすべりが発生し、D L D (dar
k line defect)が生じ易くなり、レーザ
発振の寿命が低下するという問題があった. 〔課題を解決するための手段と作用〕 本発明は上記問題点を解決した半導体レーザ素子を提供
するもので、I n IIG a 1−xA sを量子
井戸層とし、GaAsを障壁層とする歪量子井戸構造の
活性層と、この活性層の上下に配置されるクラフド層と
が、G a A S基板上にエビタヰシャル威長によっ
て形成された半導体レーザ素子において、活性層に隣接
する上下のクラッド層と活性層との間にI n..Ga
.P (ただし、Z >0.51)からなる応力緩和層
を介在させることを特徴とするものである. In+−@GagPの格子定数は、ベガード則によれば
、1式で与えられ、Z=0.51でGaAsに格子整合
し、Z>0.51のときにGaAsよりも小さな格子定
数を持つ。
a − 5.869−0.42X Z−・−= 1 )
そこで本発明は、GaAs基板上に形或する歪量子井戸
半導体レーザ素子において、GaAsよりも格子定数が
小さくなるようにZの値を選んだI n 1−@C a
l−Jを応力緩和層として歪量子井戸活性層の近傍に
設けている. In+−++Ga1P応力緩和層は、2式で与えられる
エピタキシャル層の平均格子定数がGaAs基板の格子
定数と等しくなるように設計されていることが望ましい
. a一Σa!tt /Σ1,・・・・・・2)注)a!、
t▲はそれぞれ各エピタキシャル或長層の格子定数およ
び層厚. このように設計されたエピタキシャル戒長層は基板に格
子整合しているので、基板とエピタキシャル威長層の界
面での応力はほぼなくなり、界面での転移発生を抑える
ことができ、従って、寿命の長い歪量子井戸半導体レー
ザ素子を得ることができる. 〔実施例〕 以下、図面に示した実施例に基づいて本発明を詳細に説
明する. 第1図は本発明にかかる半導体レーザ素子の一実施例の
断面図であり、350nWI−のn型GaAs基Fi1
1上に、MBEあるいはMOCVDなどのエピタキシャ
ル威長により、0.5Xta厚のn型GaAsバッファ
層12、1.5μ厚のn型I no.aqG a o.
s+Pクラッド層l3、0. 12n厚のI no.a
tGas.ssP応力緩和層17、活性層および光閉じ
込め層14、0.12JnA厚のI no.atG a
o.ssP応力緩和層18、1.5μ厚のl no.
avG a o.s+ Pクラツド層15および0.2
μ厚のp型コンタクト層工6を順次積層させる。ここで
、活性層および光閉じ込め層14は、第4図に示すよう
に、上下それぞれ1500入厚のGaAs光閉じ込めN
7、それぞれl00人厚のGaAs障壁層8およびそれ
ぞれ40人厚の1no.ssGa。.&SAS歪量子井
戸層9より構威されている。
そこで本発明は、GaAs基板上に形或する歪量子井戸
半導体レーザ素子において、GaAsよりも格子定数が
小さくなるようにZの値を選んだI n 1−@C a
l−Jを応力緩和層として歪量子井戸活性層の近傍に
設けている. In+−++Ga1P応力緩和層は、2式で与えられる
エピタキシャル層の平均格子定数がGaAs基板の格子
定数と等しくなるように設計されていることが望ましい
. a一Σa!tt /Σ1,・・・・・・2)注)a!、
t▲はそれぞれ各エピタキシャル或長層の格子定数およ
び層厚. このように設計されたエピタキシャル戒長層は基板に格
子整合しているので、基板とエピタキシャル威長層の界
面での応力はほぼなくなり、界面での転移発生を抑える
ことができ、従って、寿命の長い歪量子井戸半導体レー
ザ素子を得ることができる. 〔実施例〕 以下、図面に示した実施例に基づいて本発明を詳細に説
明する. 第1図は本発明にかかる半導体レーザ素子の一実施例の
断面図であり、350nWI−のn型GaAs基Fi1
1上に、MBEあるいはMOCVDなどのエピタキシャ
ル威長により、0.5Xta厚のn型GaAsバッファ
層12、1.5μ厚のn型I no.aqG a o.
s+Pクラッド層l3、0. 12n厚のI no.a
tGas.ssP応力緩和層17、活性層および光閉じ
込め層14、0.12JnA厚のI no.atG a
o.ssP応力緩和層18、1.5μ厚のl no.
avG a o.s+ Pクラツド層15および0.2
μ厚のp型コンタクト層工6を順次積層させる。ここで
、活性層および光閉じ込め層14は、第4図に示すよう
に、上下それぞれ1500入厚のGaAs光閉じ込めN
7、それぞれl00人厚のGaAs障壁層8およびそれ
ぞれ40人厚の1no.ssGa。.&SAS歪量子井
戸層9より構威されている。
また、40人厚の1 n o1sG a O. &SA
S歪量子井戸層9(格子不整合率: +2.56%)
と、1200人厚のI no1tGa*.ssP応力緩
和層17、18(格子不整合率:−0.13%)の平均
格子定数はGaAs基仮にほぼ等しくなり、基板に対す
るエピタキシャル成長層の平均格子不整合率をΔM /
a。とすれば、下記のように非常に小さい値となる.
ΔX/ a o −1.2 XIO−’なお、比較例と
して、第3図に示すように、350一厚のn型GaAs
基板1上に、0.5μ厚のn型GaAsバッファ層2、
1.5μ厚のn型A!。,3Ga@.yA5クラッド層
3、活性層および光閉じ込め層4、1.5μ厚のp型A
j! *. s G a @. ? A Sクラッド
層5、および0.2μ厚のp型GaAsコンタクト層6
を順次積層させた試料を製作した.ここで、活性層およ
び光閉じ込め層4は、第4図に示すように、1500人
厚のGaAs光閉じ込め層7、1000人厚のGaAs
障壁層8および40人厚のI n o. ssG a
*. hsA S歪量子井戸層9より構成されている. ダブルへテロ構造をキャビティ一長300μの全面1l
極型レーザ素子に加工し、室温パルス発振させ、発振し
きい値電流密度を測定した結果を第1表に示す. 第1表 次に他の実施例として、この全面電極型レーザ素子を加
工して、第1図に示す断面形状から第2図に示すような
りフジウェイブガイド型歪量子井戸半導体レーザ素子を
製作した. 21. 23は合金電極、22はSin.
絶縁膜、24は電流の流れである.同様に比較例として
、前記比較例の素子を加工してリッジウェイブガイド型
歪量子井戸半導体レーザ素子を製作した.これらの素子
についてしきい値電流密度と寿命を測定した結果を第2
表に示す.第2表 以上の結果から、本発明により歪量子井戸半導体レーザ
素子のしきい値電流密度と寿命が著しく改善されている
. なお、本実施例では、クラッド層としてIn*.aqG
a*.%+Pを用いたが、y >0.3のAffi,G
a .,A sを用いてもよい. また、エピタキシャル層の平均格子定数は、GaAs基
板と等しいことが望ましいが、1Δ’i / a *
I < 2 xto−’程度の不整合率は許容範囲で
ある. さらに、各層の層厚、組或、歪量子井戸の暦数は実施例
に限らず、光閉じ込め層にGRIN構造を用いてもよい
. 〔発明の効果〕 以上説明したように本発明によれば、活性層に隣接して
応力緩和層としてI n+−gGa,P (ただし、Z
>0.51)を介在させることにより、長寿命の歪量
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.
S歪量子井戸層9(格子不整合率: +2.56%)
と、1200人厚のI no1tGa*.ssP応力緩
和層17、18(格子不整合率:−0.13%)の平均
格子定数はGaAs基仮にほぼ等しくなり、基板に対す
るエピタキシャル成長層の平均格子不整合率をΔM /
a。とすれば、下記のように非常に小さい値となる.
ΔX/ a o −1.2 XIO−’なお、比較例と
して、第3図に示すように、350一厚のn型GaAs
基板1上に、0.5μ厚のn型GaAsバッファ層2、
1.5μ厚のn型A!。,3Ga@.yA5クラッド層
3、活性層および光閉じ込め層4、1.5μ厚のp型A
j! *. s G a @. ? A Sクラッド
層5、および0.2μ厚のp型GaAsコンタクト層6
を順次積層させた試料を製作した.ここで、活性層およ
び光閉じ込め層4は、第4図に示すように、1500人
厚のGaAs光閉じ込め層7、1000人厚のGaAs
障壁層8および40人厚のI n o. ssG a
*. hsA S歪量子井戸層9より構成されている. ダブルへテロ構造をキャビティ一長300μの全面1l
極型レーザ素子に加工し、室温パルス発振させ、発振し
きい値電流密度を測定した結果を第1表に示す. 第1表 次に他の実施例として、この全面電極型レーザ素子を加
工して、第1図に示す断面形状から第2図に示すような
りフジウェイブガイド型歪量子井戸半導体レーザ素子を
製作した. 21. 23は合金電極、22はSin.
絶縁膜、24は電流の流れである.同様に比較例として
、前記比較例の素子を加工してリッジウェイブガイド型
歪量子井戸半導体レーザ素子を製作した.これらの素子
についてしきい値電流密度と寿命を測定した結果を第2
表に示す.第2表 以上の結果から、本発明により歪量子井戸半導体レーザ
素子のしきい値電流密度と寿命が著しく改善されている
. なお、本実施例では、クラッド層としてIn*.aqG
a*.%+Pを用いたが、y >0.3のAffi,G
a .,A sを用いてもよい. また、エピタキシャル層の平均格子定数は、GaAs基
板と等しいことが望ましいが、1Δ’i / a *
I < 2 xto−’程度の不整合率は許容範囲で
ある. さらに、各層の層厚、組或、歪量子井戸の暦数は実施例
に限らず、光閉じ込め層にGRIN構造を用いてもよい
. 〔発明の効果〕 以上説明したように本発明によれば、活性層に隣接して
応力緩和層としてI n+−gGa,P (ただし、Z
>0.51)を介在させることにより、長寿命の歪量
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.
第1図は本発明にかかる半導体レーザ素子の一実施例の
断面説明図、第2図は他の実施例の断面説明図、第3図
は従来例の断面説明図、第4図は第3図の部分拡大図で
ある. 1.11−GaAs基板、 2.12・・・バッファ層
、3. 5, 13. 15・・・クラッド層、 4
.14・・・活性層および光閉じ込め層、 6.16
・・・コンタクト層、7・・・光閉じ込め層、 8・・
・障壁層、 9・・・歪量子井戸層、 17. 18・
・・応力緩和層、 21. 23・・・合金電極、 2
2・・・S i O z絶縁膜、 24・・・電流の流
れ。 特許出廟人 古河電気工業株式会社 第 1 図 第2図
断面説明図、第2図は他の実施例の断面説明図、第3図
は従来例の断面説明図、第4図は第3図の部分拡大図で
ある. 1.11−GaAs基板、 2.12・・・バッファ層
、3. 5, 13. 15・・・クラッド層、 4
.14・・・活性層および光閉じ込め層、 6.16
・・・コンタクト層、7・・・光閉じ込め層、 8・・
・障壁層、 9・・・歪量子井戸層、 17. 18・
・・応力緩和層、 21. 23・・・合金電極、 2
2・・・S i O z絶縁膜、 24・・・電流の流
れ。 特許出廟人 古河電気工業株式会社 第 1 図 第2図
Claims (1)
- In_XGa_1_−_XAsを量子井戸層とし、G
aAsを障壁層とする歪量子井戸構造の活性層と、この
活性層の上下に配置されるクラッド層が、GaAs基板
上にエピタキシャル成長によって形成された半導体レー
ザ素子において、活性層に隣接する上下のクラッド層と
活性層との間にIn_1_−_ZGa_ZP(ただし、
Z>0.51)よりなる応力緩和層を介在させたことを
特徴とする半導体レーザ素子。
Priority Applications (8)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP30733989A JP2786276B2 (ja) | 1989-11-27 | 1989-11-27 | 半導体レーザ素子 |
ES90311854T ES2109231T3 (es) | 1989-10-31 | 1990-10-30 | Elementos laser de semi-conductores y metodo de fabricacion. |
EP90311854A EP0426419B1 (en) | 1989-10-31 | 1990-10-30 | Semiconductor laser elements and method for the production thereof |
DE69031415T DE69031415T2 (de) | 1989-10-31 | 1990-10-30 | Halbleiterlaser-Elemente und Verfahren zu ihrer Herstellung |
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