JPH0346385A - 量子井戸型半導体レーザ - Google Patents
量子井戸型半導体レーザInfo
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- JPH0346385A JPH0346385A JP2177222A JP17722290A JPH0346385A JP H0346385 A JPH0346385 A JP H0346385A JP 2177222 A JP2177222 A JP 2177222A JP 17722290 A JP17722290 A JP 17722290A JP H0346385 A JPH0346385 A JP H0346385A
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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
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- 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
- H01S5/34—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）
本発明は量子井戸型半導体レーザに関するものである。
（従来技術と問題点）
半導体レーザの原理は公知である。最も一般に使用され
る構造は複式へテロ構造レーザである。
る構造は複式へテロ構造レーザである。
この型のレーザの構造、屈折指数およびエネルギー準位
を第１図に示す。材料１．２．３の屈折指数（それぞれ
ｎ１〜ｎ３で示す）の間の指数差によって誘発された光
学閉じ込めの故に、レーザの光学電磁波は均質媒質中の
電磁波の自然延長より小さい空間の中に閉じ込められる
。伝導帯と価電子帯のそれぞれのエネルギー準位（Ｅｅ
ｌ〜Ｅｃ３：Ｅｖｌ〜Ｅｖ３）の不連続の故に、電子と
正孔が層２に集中され、この層２が、電子−正孔対の再
結合の誘導によって光学電磁波に利得を与えてレーザの
活性媒体として作用する。
を第１図に示す。材料１．２．３の屈折指数（それぞれ
ｎ１〜ｎ３で示す）の間の指数差によって誘発された光
学閉じ込めの故に、レーザの光学電磁波は均質媒質中の
電磁波の自然延長より小さい空間の中に閉じ込められる
。伝導帯と価電子帯のそれぞれのエネルギー準位（Ｅｅ
ｌ〜Ｅｃ３：Ｅｖｌ〜Ｅｖ３）の不連続の故に、電子と
正孔が層２に集中され、この層２が、電子−正孔対の再
結合の誘導によって光学電磁波に利得を与えてレーザの
活性媒体として作用する。
この活性層２が量子現像を生じる程度に狭いように成さ
れた量子井戸型レーザが最近開発された。
れた量子井戸型レーザが最近開発された。
さらにこれらのレーザは適当な用途においては複式へテ
ロ構造レーザよりすぐれた性能を有する事が証明された
。第２図にこれらの量子井戸型レーザの４種の相異なる
実施態様を示す。
ロ構造レーザよりすぐれた性能を有する事が証明された
。第２図にこれらの量子井戸型レーザの４種の相異なる
実施態様を示す。
これらのレーザの詳細なモデリングは、これらのレーザ
の性能特性の制限に際して２つのパラメータが本質的役
割を果たす事を示す。すなわち量子井戸ΔＢｅとΔＥｖ
が十分に深くない。また量子準位ｎ−１とｎ−２の間の
エネルギー分離が特に価電子帯において正孔について十
分に大きくない。
の性能特性の制限に際して２つのパラメータが本質的役
割を果たす事を示す。すなわち量子井戸ΔＢｅとΔＥｖ
が十分に深くない。また量子準位ｎ−１とｎ−２の間の
エネルギー分離が特に価電子帯において正孔について十
分に大きくない。
後者のパラメータは非常に浅い量子井戸を使用するよっ
て改良する事ができる。これは量子準位間のギャップを
増大するであろうが、この場合には量子準位がすべて量
子井戸の上縁に近接する。
て改良する事ができる。これは量子準位間のギャップを
増大するであろうが、この場合には量子準位がすべて量
子井戸の上縁に近接する。
その結果、これらの量子井戸が注入によって電子と正孔
を充填される際に、これらの量子井戸からのオーバフロ
ーを生じ、これらの量子井戸が実際上無効になる。
を充填される際に、これらの量子井戸からのオーバフロ
ーを生じ、これらの量子井戸が実際上無効になる。
通常の解決法は、半導体素子の量子井戸について、非常
に狭い禁制帯を有し従って大きなエネルギー不連続ΔＥ
ｃとΔＥｖを有する材料を使用し、これによって前記の
オーバフロー状態に達する事なく非常に薄い層を使用す
る事を可能とするにある。
に狭い禁制帯を有し従って大きなエネルギー不連続ΔＥ
ｃとΔＥｖを有する材料を使用し、これによって前記の
オーバフロー状態に達する事なく非常に薄い層を使用す
る事を可能とするにある。
しかしこの方法は冶金学的理由がら実際的でない。
すなわち、相互に大きなエネルギー帯ギャップを有する
材料は一般に相異なる結晶メツシュを有する。このよう
な条件のもとにこれらの材料をエピタキシー成長させよ
うとする時、厚さが臨界値としての限度に近づくやいな
や非常に多数の転移が形成される。これらの多数の転移
の故に、これらの材料はレーザの操作に不適当となる。
材料は一般に相異なる結晶メツシュを有する。このよう
な条件のもとにこれらの材料をエピタキシー成長させよ
うとする時、厚さが臨界値としての限度に近づくやいな
や非常に多数の転移が形成される。これらの多数の転移
の故に、これらの材料はレーザの操作に不適当となる。
本発明の目的は従来のレーザより効果的に作動する量子
井戸型半導体レーザにある。
井戸型半導体レーザにある。
本発明による量子井戸型半導体レーザは、少なくとも２
層の量子井戸の間に挿入された少なくとも１層の超薄層
を含み、これらの単数または複数の超薄層が量子井戸層
の材料に対して等電子の材料から成る。超薄層の厚さが
単数または複数の単原子層の厚さであり、いずれにせよ
臨界厚さより小である。望ましくは、単数または複数の
超薄層の材料は量子井戸層の材料と同様に、■−ｖ族の
物質とする。
層の量子井戸の間に挿入された少なくとも１層の超薄層
を含み、これらの単数または複数の超薄層が量子井戸層
の材料に対して等電子の材料から成る。超薄層の厚さが
単数または複数の単原子層の厚さであり、いずれにせよ
臨界厚さより小である。望ましくは、単数または複数の
超薄層の材料は量子井戸層の材料と同様に、■−ｖ族の
物質とする。
（実施例）
第１図に図示の構造において、材料層１と３は多くの場
合に、ｎとｐ導通性を得るためのドーパント以外は同一
の化学組成を有する。層２の代表的厚さは１００ＯＡ乃
至２０００人である。
合に、ｎとｐ導通性を得るためのドーパント以外は同一
の化学組成を有する。層２の代表的厚さは１００ＯＡ乃
至２０００人である。
第２図の構造（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、単一量子井戸
構造、複数量子井戸構造、別個の閉じ込めを有する単一
量子井戸型レーザ、および光学キャビティの材料組成の
変動によるグラジェント指数をもって別個の光学閉じ込
めを有する単一量子井戸型構造である。構造（ｃ）と（
ｄ）の公知の変形（図示されず）は、それぞれ別個の閉
じ込めを備えた複数量子井戸型構造に関するものである
。
構造、複数量子井戸構造、別個の閉じ込めを有する単一
量子井戸型レーザ、および光学キャビティの材料組成の
変動によるグラジェント指数をもって別個の光学閉じ込
めを有する単一量子井戸型構造である。構造（ｃ）と（
ｄ）の公知の変形（図示されず）は、それぞれ別個の閉
じ込めを備えた複数量子井戸型構造に関するものである
。
第２図の構造において、゛層５，８，１０，１２゜１６
および２１は活性媒体の役割を果たし、３０〜２００人
の代表的厚さを有する。
および２１は活性媒体の役割を果たし、３０〜２００人
の代表的厚さを有する。
第３図は本発明による構造の簡単な実施態様を示す。（
ａ）構造においては、バリヤ層２４゜２８によって挾ま
れた量子井戸を成す層２５゜２７の間に、この量子井戸
の中心に挿入された超薄層２６を含む。波関数ｎ＋ｗｌ
が超薄層２６と強く干渉するのでこの超薄層２６は準位
ｎ−１を低下させる。すなわち、もしこの超薄層が量子
井戸の材料より低い伝導帯準位と価電子帯準位とを有す
れば、エネルギー準位ｎ−１が低下される。これに対し
て、第３図の部分（ａ）のグラフに見られるように、エ
ネルギー準位ｎ−２が量子井戸の中心に存在する可能性
はゼロであるから、この準位は、実際上量子井戸の中心
に局在する超薄層２６の存在によって影響されない。
ａ）構造においては、バリヤ層２４゜２８によって挾ま
れた量子井戸を成す層２５゜２７の間に、この量子井戸
の中心に挿入された超薄層２６を含む。波関数ｎ＋ｗｌ
が超薄層２６と強く干渉するのでこの超薄層２６は準位
ｎ−１を低下させる。すなわち、もしこの超薄層が量子
井戸の材料より低い伝導帯準位と価電子帯準位とを有す
れば、エネルギー準位ｎ−１が低下される。これに対し
て、第３図の部分（ａ）のグラフに見られるように、エ
ネルギー準位ｎ−２が量子井戸の中心に存在する可能性
はゼロであるから、この準位は、実際上量子井戸の中心
に局在する超薄層２６の存在によって影響されない。
第３図の部分（ｂ）の場合、２つの超薄層３１゜３３が
量子井戸３０，３２．３４の間に挿入され、構造全体が
バリヤ層２９．３５によって包囲されている。
量子井戸３０，３２．３４の間に挿入され、構造全体が
バリヤ層２９．３５によって包囲されている。
この実施例において、超薄層３１．３３の位置は準位ｎ
−２の波関数の極大値の位置にほぼ対応する。この場合
、この準位は、準位ｎ−１の位置のはるかに小さな変更
によって実質的に変更される。例えば、準位ｎ−２を上
昇させるために、量子井戸の材料よりも高いエネルギー
準位を有する材料の超薄層を配置する事ができる。
−２の波関数の極大値の位置にほぼ対応する。この場合
、この準位は、準位ｎ−１の位置のはるかに小さな変更
によって実質的に変更される。例えば、準位ｎ−２を上
昇させるために、量子井戸の材料よりも高いエネルギー
準位を有する材料の超薄層を配置する事ができる。
第４図は本発明の好ましい実施態様を示す。第４図の構
造は、第１バリヤ層３６．４６と第１バリヤ層によって
挟持された第２バリヤ層３７゜４５とを有する。
造は、第１バリヤ層３６．４６と第１バリヤ層によって
挟持された第２バリヤ層３７゜４５とを有する。
３層の超薄層３９．４１．４３によって相互に分離され
た４層３ｇ、４０，４２．４４によって量子井戸が形成
される。
た４層３ｇ、４０，４２．４４によって量子井戸が形成
される。
本発明の１実施態様によれば、層３６と４６は、Ａ Ｉ
、６０ａ、４Ａｓによって形成され、層３７と４５は、
Ａ １ ｏ、ｓ Ｇ ａ Ｏ，７Ａ Ｓによって形成さ
れる。中心層４１はＩｎＡｓから成り、層３９゜４３は
ＡｌＡｓから成る。
、６０ａ、４Ａｓによって形成され、層３７と４５は、
Ａ １ ｏ、ｓ Ｇ ａ Ｏ，７Ａ Ｓによって形成さ
れる。中心層４１はＩｎＡｓから成り、層３９゜４３は
ＡｌＡｓから成る。
この実施態様においては、ＧａＡｓから成る単−ｍ子井
戸と比較して、厚さ３人のＩｎＡｓｎＡｓ層厚１１．５
人のＡｌＡｓ層３９．４３について、電子と正孔の準位
（１ｍ ｌはそれぞれ７ ｍｅＶと４８１１１ｅ■低下
されるが電子と正孔の準位ｎ−２はそれぞれ３７ｍｅＶ
と２２ＩＩｅＶ上昇される事が計算された。
戸と比較して、厚さ３人のＩｎＡｓｎＡｓ層厚１１．５
人のＡｌＡｓ層３９．４３について、電子と正孔の準位
（１ｍ ｌはそれぞれ７ ｍｅＶと４８１１１ｅ■低下
されるが電子と正孔の準位ｎ−２はそれぞれ３７ｍｅＶ
と２２ＩＩｅＶ上昇される事が計算された。
材料の原子メツシュ差によって誘発される歪により、他
の有利な効果が得られる。これは重い正孔の準位を低下
させ、軽い正孔の準位を上昇させる（大間隙を有する材
料よりも大きな原子メツシュの小間隙材料の最も通常の
例）。これは重い正孔と軽い正孔の準位ｎ−１のギャッ
プを増大させる。その場合、重い正孔準位は、擾乱作用
により重い正孔準位ｎｗｍ ２から分離され、歪によっ
て準位ｎｍｌから分離される。
の有利な効果が得られる。これは重い正孔の準位を低下
させ、軽い正孔の準位を上昇させる（大間隙を有する材
料よりも大きな原子メツシュの小間隙材料の最も通常の
例）。これは重い正孔と軽い正孔の準位ｎ−１のギャッ
プを増大させる。その場合、重い正孔準位は、擾乱作用
により重い正孔準位ｎｗｍ ２から分離され、歪によっ
て準位ｎｍｌから分離される。
光学閉じ込め層および基板と比較して歪作用を受ける量
子井戸材料（前記の層２５−２７．３０−３２−３４．
３８−４０−４２−４４および４９−５１）を使用する
事により歪効果を任意に増大する事ができる。
子井戸材料（前記の層２５−２７．３０−３２−３４．
３８−４０−４２−４４および４９−５１）を使用する
事により歪効果を任意に増大する事ができる。
求められる効果に従って、適当な結晶成長方向を使用し
、１つの方向と他の方向において非常に相違する量子準
位ギャップ効果と歪効果とを得る事ができる。このよう
にして重い正孔準位と軽い正孔準位とを正確に一致させ
る事ができる。若干の条件においては、これがレーザ特
性を改良するであろう。
、１つの方向と他の方向において非常に相違する量子準
位ギャップ効果と歪効果とを得る事ができる。このよう
にして重い正孔準位と軽い正孔準位とを正確に一致させ
る事ができる。若干の条件においては、これがレーザ特
性を改良するであろう。
もちろん前記の各層の化学組成と厚さは一例にすぎず、
特に超薄層と量子井戸については等電子材料など種々の
材料を組合せる事ができる。量子井戸層の間に挿入され
る超薄層の特性の故にその殆ど完全なエピタキシャル成
長が可能だからである。若干の非等電子の組合せも可能
である。
特に超薄層と量子井戸については等電子材料など種々の
材料を組合せる事ができる。量子井戸層の間に挿入され
る超薄層の特性の故にその殆ど完全なエピタキシャル成
長が可能だからである。若干の非等電子の組合せも可能
である。
前記の場合には、Ｃ； ａ Ａ ｓ ／ Ｇ ａ Ａ
Ｉ Ａ ｓレーザの場合に付いて説明したが、多くの場
合にＧａ Ｉ ｎＡｓ５Ｇａ Ｉ ｎＡｓ ＰおよびＩ
ｎＰ合金から成る層を使用する近赤外線範囲のレーザに
ついては、最適化パラメータは相違する事ができる。
Ｉ Ａ ｓレーザの場合に付いて説明したが、多くの場
合にＧａ Ｉ ｎＡｓ５Ｇａ Ｉ ｎＡｓ ＰおよびＩ
ｎＰ合金から成る層を使用する近赤外線範囲のレーザに
ついては、最適化パラメータは相違する事ができる。
量子井戸レーザはしばしば、光学閉じ込め層（第２Ｃ図
、層１５．１６）の中の電子の熱力学的ポピユレーショ
ンによって制限される。これは、量子井戸の電子準位ｎ
−１とこれらの光学閉じ込め層中の電子のエネルギー準
位との間に小さなエネルギーギャップがあるからである
。この場合に最適化されるべきパラメータはこのギャッ
プであってこの点に関して最も適当な材料が超薄層につ
いて使用される。
、層１５．１６）の中の電子の熱力学的ポピユレーショ
ンによって制限される。これは、量子井戸の電子準位ｎ
−１とこれらの光学閉じ込め層中の電子のエネルギー準
位との間に小さなエネルギーギャップがあるからである
。この場合に最適化されるべきパラメータはこのギャッ
プであってこの点に関して最も適当な材料が超薄層につ
いて使用される。
一般に最も分離しようとするのは正孔準位であるから、
必要なら電子準位ｎ−１を上昇させる材料を使用する事
ができる。これは導電体の準位が量子井戸の中より高い
からである。しかしこの場合、前記の実施例の場合より
もエネルギーギャップΔＥｖが大でとなるので、価電子
帯の中での効果が大になるであろう。
必要なら電子準位ｎ−１を上昇させる材料を使用する事
ができる。これは導電体の準位が量子井戸の中より高い
からである。しかしこの場合、前記の実施例の場合より
もエネルギーギャップΔＥｖが大でとなるので、価電子
帯の中での効果が大になるであろう。
第５図は他の実施態様を示す。（ａ）の構造は外側バリ
ヤ４７，５３と内側バリヤ４８，５２とを有する。２つ
の量子井戸層４９．５１の間に超薄層５０が挿入されて
いる。
ヤ４７，５３と内側バリヤ４８，５２とを有する。２つ
の量子井戸層４９．５１の間に超薄層５０が挿入されて
いる。
第５図（ｂ）は（ａ）と同様の構造を有し、すなわち外
側バリヤ層５４，６０、内側バリヤ５５゜５９、量子井
戸層５６．５８および超薄層５７を含む。
側バリヤ層５４，６０、内側バリヤ５５゜５９、量子井
戸層５６．５８および超薄層５７を含む。
高い量子準位を制御するため同一の原理から層を追加す
る事もできるが、これは一般に不必要である。
る事もできるが、これは一般に不必要である。
電子または正孔のフェルミ準位の位置効果をエネルギー
準位の制御効果に対応させるため、超薄層をＳｉ、Ｚｎ
、ＭｇまたはＢｅ原子などの原子と組合わす事ができる
。
準位の制御効果に対応させるため、超薄層をＳｉ、Ｚｎ
、ＭｇまたはＢｅ原子などの原子と組合わす事ができる
。
これらの層は超薄層であるから、光学電磁波の閉じ込め
に対してほとんど影響しない。従って、これらの層は、
この閉じ込めを最適化するように考慮された構造、例え
ば第２ （ｂ）、 （ｃ）。
に対してほとんど影響しない。従って、これらの層は、
この閉じ込めを最適化するように考慮された構造、例え
ば第２ （ｂ）、 （ｃ）。
（ｄ）図の構造に組合わされる。
第１図は公知の二重へテロ接合レーザの半導体層の簡略
断面図であって、対応の屈折指数、伝導帯エネルギー、
価電子帯エネルギーのグラフを示す図、第２図は４種の
量子井戸型レーザの半導体層の断面図であって、それぞ
れ対応の屈折指数、伝導帯エネルギー、価電子帯エネル
ギーのグラフを示す図、また第３図乃至第５図は本発明
によるレーザの２実施態様の半導体層の断面図であって
、それぞれ対応の伝導帯エネルギー、および価電子エネ
ルギーのグラフを示す図である。 ２４．２８．２９．３５・・・バリヤ、２５．２７，３
０，３２．３４・・・量子井戸、２６．３２．３４・・
・超薄層、 ３６．４６，４７．５３，５４．６０・・・外側バリヤ
、３７，４５，４８．５２．５５．５９・・・内側バリ
ヤ、３８，４０，４２．４４，４９，５１゜５６．５８
・・・量子井戸、３９．４１．４３． ５０゜５７・・
・超薄層。
断面図であって、対応の屈折指数、伝導帯エネルギー、
価電子帯エネルギーのグラフを示す図、第２図は４種の
量子井戸型レーザの半導体層の断面図であって、それぞ
れ対応の屈折指数、伝導帯エネルギー、価電子帯エネル
ギーのグラフを示す図、また第３図乃至第５図は本発明
によるレーザの２実施態様の半導体層の断面図であって
、それぞれ対応の伝導帯エネルギー、および価電子エネ
ルギーのグラフを示す図である。 ２４．２８．２９．３５・・・バリヤ、２５．２７，３
０，３２．３４・・・量子井戸、２６．３２．３４・・
・超薄層、 ３６．４６，４７．５３，５４．６０・・・外側バリヤ
、３７，４５，４８．５２．５５．５９・・・内側バリ
ヤ、３８，４０，４２．４４，４９，５１゜５６．５８
・・・量子井戸、３９．４１．４３． ５０゜５７・・
・超薄層。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、少なくとも２層の量子井戸の間に挿入された少なく
とも１層の超薄層を含むことを特徴とする量子井戸型半
導体レーザ。 ２、単数または複数の超薄層が量子井戸層の材料に対し
て等電子の材料から成ることを特徴とする請求項１に記
載のレーザ。 ３、単数または複数の超薄層の厚さが臨界厚さより小で
あることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。 ４、超薄層の厚さが単数または複数の単原子層の厚さで
あることを特徴とする請求項３に記載のレーザ。 ５、単数または複数の超薄層の材料はIII−Ｖ族の原子
であることを特徴とする請求項３に記載のレーザ。 ６、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｂｅから選ばれたドーパント原
子が単数または複数の超薄層に対して添加されることを
特徴とする請求項１に記載のレーザ。 ７、超薄層を有し、この超薄層が量子井戸層の中央に配
置されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。 ８．２層の超薄層を有し、これらの超薄層は準位ｎ＝２
の波関数の極大値の位置に近接配置されることを特徴と
する請求項１に記載のレーザ。 ９．３層の超薄層を有し、中心超薄層が ＩｎＡｓから成り、他の超薄層がＡｌＡｓから成ること
を特徴とする請求項１に記載のレーザ。 １０、別個の閉じ込めを有する単一量子井戸型構造を含
むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。 １１、光学キャビティの材料の可変的組成によって指数
グラジェントを持つ別個の光学閉じ込めを有する単一量
子井戸型構造を含むことを特徴とする請求項１に記載の
レーザ。 １２、別個の閉じ込めを有する複式量子井戸型構造を含
むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。 １３、光学キャビティの材料の可変的組成によって指数
グラジェントを持つ別個の光学閉じ込めを有する複式量
子井戸型構造を含むことを特徴とする請求項１に記載の
レーザ。
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|
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Family
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Family Applications (1)
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1996020522A1 (fr) * | 1994-12-28 | 1996-07-04 | Mitsui Petrochemical Industries, Ltd. | Element de laser a semi-conducteur |
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- 1990-07-04 JP JP2177222A patent/JPH0346385A/ja active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1996020522A1 (fr) * | 1994-12-28 | 1996-07-04 | Mitsui Petrochemical Industries, Ltd. | Element de laser a semi-conducteur |
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