JPH0373154B2 - - Google Patents
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- JPH0373154B2 JPH0373154B2 JP60159148A JP15914885A JPH0373154B2 JP H0373154 B2 JPH0373154 B2 JP H0373154B2 JP 60159148 A JP60159148 A JP 60159148A JP 15914885 A JP15914885 A JP 15914885A JP H0373154 B2 JPH0373154 B2 JP H0373154B2
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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
- H01S5/343—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 in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
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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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Description
【発明の詳細な説明】
＜技術分野＞
本発明は半導体レーザに関するもので、特に分
子線エピタキシー（MBE）法あるいは有機金属
気相成長（MO−CVD）法等によつて製作可能
な量子井戸を活性層としかつ700nｍ以下の可視
領域に発振波長を有する低閾値、高効率の半導体
レーザに関するものである。
子線エピタキシー（MBE）法あるいは有機金属
気相成長（MO−CVD）法等によつて製作可能
な量子井戸を活性層としかつ700nｍ以下の可視
領域に発振波長を有する低閾値、高効率の半導体
レーザに関するものである。
＜従来技術＞
最近、半導体レーザ装置を信号光源として利用
した光デイスク装置やレーザビームプリンタの如
き光情報処理機器の発達に伴つて可視半導体レー
ザ素子に対する発振波長の短波長化が要求される
ようになつてきた。この要求に即応して、Ga1-x
AlxAs系半導体レーザ素子は著しい進歩をとげ
特に780nｍ帯の素子は室温で106時間以上の長寿
命を実現しており、コンパクトデイスク用の光源
として広く用いられるようになつた。
した光デイスク装置やレーザビームプリンタの如
き光情報処理機器の発達に伴つて可視半導体レー
ザ素子に対する発振波長の短波長化が要求される
ようになつてきた。この要求に即応して、Ga1-x
AlxAs系半導体レーザ素子は著しい進歩をとげ
特に780nｍ帯の素子は室温で106時間以上の長寿
命を実現しており、コンパクトデイスク用の光源
として広く用いられるようになつた。
しかしながら、Ga1-xAlxAsはAl混晶比ｘを増
加させると間接遷移に近づくため、従来のGa1-x
AlxAsを活性層に用いた２重ヘテロ構造の半導
体レーザにおいては、公知の分献（T.
Hayakawa他、Journal of Applied Physics
vol.54、p.2209（1983））にあるように、ｘ≧0.2で
発振波長が750nｍ以下になると内部効率の低下
により閾値電流が上昇するという欠点があつた。
加させると間接遷移に近づくため、従来のGa1-x
AlxAsを活性層に用いた２重ヘテロ構造の半導
体レーザにおいては、公知の分献（T.
Hayakawa他、Journal of Applied Physics
vol.54、p.2209（1983））にあるように、ｘ≧0.2で
発振波長が750nｍ以下になると内部効率の低下
により閾値電流が上昇するという欠点があつた。
このことにより、室温連続発振の最短波長は
683nｍにとどまつている（Ｓ，Yamamoto他、
Appl，Phys.Lett.vol.41，p.796（1982））。
683nｍにとどまつている（Ｓ，Yamamoto他、
Appl，Phys.Lett.vol.41，p.796（1982））。
また、従来800nｍ台の赤外領域においては200
Å以下のGaAs量子井戸を有するGRIN−SCH
（Graded−Index Seperate Confinement
Heterostracture）型レーザを用いて200A／cm2以
下という極めて低い閾値電流密度を実現している
（T.Fujii他，Extended Absracts of the 16th
Conference on Solid State Devices and
Materials P.145（1984））。
Å以下のGaAs量子井戸を有するGRIN−SCH
（Graded−Index Seperate Confinement
Heterostracture）型レーザを用いて200A／cm2以
下という極めて低い閾値電流密度を実現している
（T.Fujii他，Extended Absracts of the 16th
Conference on Solid State Devices and
Materials P.145（1984））。
GRIN−SCH型レーザのAl混晶比分布を第４
図に示す。赤外発振のGRIN−SCH型レーザにお
いては、例えばGaAs量子井戸（ｘ＝０）バリア
のAl混晶比ｙ＝0.2、クラツド層のAl混晶比ｚ＝
0.5のように設定することにより、ｙ−ｘ＝0.2に
対応した十分なエネルギー障壁を有する量子井戸
を形成し、かつｚ−ｙ＝0.3に対応したクラツド
層へのキヤリア漏出を防止するとともにAl混晶
比の変化したGRIN領域のAl混晶比の傾きを大き
くしてキヤリアを量子井戸へ有効に導くとともに
量子井戸内への光の集束を大きくしている。
図に示す。赤外発振のGRIN−SCH型レーザにお
いては、例えばGaAs量子井戸（ｘ＝０）バリア
のAl混晶比ｙ＝0.2、クラツド層のAl混晶比ｚ＝
0.5のように設定することにより、ｙ−ｘ＝0.2に
対応した十分なエネルギー障壁を有する量子井戸
を形成し、かつｚ−ｙ＝0.3に対応したクラツド
層へのキヤリア漏出を防止するとともにAl混晶
比の変化したGRIN領域のAl混晶比の傾きを大き
くしてキヤリアを量子井戸へ有効に導くとともに
量子井戸内への光の集束を大きくしている。
このような従来のGRIN−SCH構造を用いて
700nｍ以下に発振波長を有する可視レーザを製
作する場合、例えばｘ＝0.3、ｙ＝0.5、ｚ＝0.8の
Al混晶比を用いることにより可能となる。しか
しながら、AlGaAsはAl混晶比0.45以上で間接遷
移となり、Al混晶比の増加に伴なうエネルギー
ギヤツプの増加率が0.45以下に比べて減少するた
め、大きなエネルギーギヤツプ差をとることが難
しくなり、例えばｙ＝0.2、ｚ＝0.5ではクラツド
層と障壁とのエネルギーギヤツプ差は325meVあ
るが、ｙ＝0.5、ｚ＝0.8では93meVと小さくなり
量子井戸に有効にキヤリアを導くことが難しくな
るとともにクラツド層へのキヤリア漏れが多くな
り閾値電流の上昇をきたす。
700nｍ以下に発振波長を有する可視レーザを製
作する場合、例えばｘ＝0.3、ｙ＝0.5、ｚ＝0.8の
Al混晶比を用いることにより可能となる。しか
しながら、AlGaAsはAl混晶比0.45以上で間接遷
移となり、Al混晶比の増加に伴なうエネルギー
ギヤツプの増加率が0.45以下に比べて減少するた
め、大きなエネルギーギヤツプ差をとることが難
しくなり、例えばｙ＝0.2、ｚ＝0.5ではクラツド
層と障壁とのエネルギーギヤツプ差は325meVあ
るが、ｙ＝0.5、ｚ＝0.8では93meVと小さくなり
量子井戸に有効にキヤリアを導くことが難しくな
るとともにクラツド層へのキヤリア漏れが多くな
り閾値電流の上昇をきたす。
＜発明の目的＞
本発明は、以上のような問題に鑑み、短波長化
における全体的なAl混晶比の増加による高Al混
晶比領域の間接遷移化に伴なうキヤリア利用効果
の低下を防止して発振波長700nｍ以下において
も低閾値の半導体レーザ素子を提供することを目
的とする。
における全体的なAl混晶比の増加による高Al混
晶比領域の間接遷移化に伴なうキヤリア利用効果
の低下を防止して発振波長700nｍ以下において
も低閾値の半導体レーザ素子を提供することを目
的とする。
＜発明の構成＞
上記目的を達成するために、本発明の半導体レ
ーザ素子は、クラツド層とキヤリア供給領域ある
いはGRIN領域との間にクラツド層よりAl混晶比
の高い障壁層を設けた構造を具設し、クラツド層
へのキヤリア漏れを低減するとともにGRIN領域
におけるエネルギー勾配を大きくしてより有効に
キヤリアを量子井戸内へ導くことにより閾値電流
の低減化を計つたことを特徴とする。
ーザ素子は、クラツド層とキヤリア供給領域ある
いはGRIN領域との間にクラツド層よりAl混晶比
の高い障壁層を設けた構造を具設し、クラツド層
へのキヤリア漏れを低減するとともにGRIN領域
におけるエネルギー勾配を大きくしてより有効に
キヤリアを量子井戸内へ導くことにより閾値電流
の低減化を計つたことを特徴とする。
＜実施例＞
第１図は本発明の一実施例にGRIN−SCH型半
導体レーザ素子の断面構造の一部におけるAl組
成比の分布を示す説明図であり、縦軸はAlAsの
組成比を表わしている。即ち縦軸の１はAlAsの
みから成る組成に、同０はGaAsのみから成る組
成にそれぞれ対応する。一方、横軸は基板上に多
層に形成される成長層の厚さ方向を示しているが
各層の実際の寸法比とは異なり、定性的にAl混
晶比の変化の様子を表わしたものである。
導体レーザ素子の断面構造の一部におけるAl組
成比の分布を示す説明図であり、縦軸はAlAsの
組成比を表わしている。即ち縦軸の１はAlAsの
みから成る組成に、同０はGaAsのみから成る組
成にそれぞれ対応する。一方、横軸は基板上に多
層に形成される成長層の厚さ方向を示しているが
各層の実際の寸法比とは異なり、定性的にAl混
晶比の変化の様子を表わしたものである。
この半導体レーザ素子は、ｎ型GaAs基板上
に、ｎ型Al0.8Ga0.2Asクラツド層（1μｍ厚）１、
ｎ型AlxGa1-xAs（ｘ＝0.8→１へ線型に組成が変
化する）帯結合層（100Å厚）２、ｎ型AlAs障壁
層（100Å厚）３、ノンドープAlxGa1-xAs（ｘ＝
１→0.5の２乗変化）GRIN層（2000Å厚）４、
ノンドープAl0.3Ga0.7As量子井戸層（70Å厚）
５、ノンドープAlxGa1-xAs（ｘ＝0.5→１の２乗
変化）GRIN層（2000Å厚）６、ｐ型AlAs障壁
層（100Å厚）７、ｐ型AlxGa1-xAs（ｘ＝１→0.8
へ線型に組成が変化する）帯結合層（100Å厚）
８、ｐ型Al0.8Ga0.2Asクラツド層（1μｍ厚）９、
ｐ型GaAsキヤツプ層をMBE法により連続的に
成長させたものである。第１図の横軸に示す符号
が各成長層に対応している。このウエハより共振
器長250μｍで100μｍ幅のブロードエリアレーザ
を作製したところ、発振波長660nｍでパルス動
作時の閾値電流密度は1KA／cm2であつた。
に、ｎ型Al0.8Ga0.2Asクラツド層（1μｍ厚）１、
ｎ型AlxGa1-xAs（ｘ＝0.8→１へ線型に組成が変
化する）帯結合層（100Å厚）２、ｎ型AlAs障壁
層（100Å厚）３、ノンドープAlxGa1-xAs（ｘ＝
１→0.5の２乗変化）GRIN層（2000Å厚）４、
ノンドープAl0.3Ga0.7As量子井戸層（70Å厚）
５、ノンドープAlxGa1-xAs（ｘ＝0.5→１の２乗
変化）GRIN層（2000Å厚）６、ｐ型AlAs障壁
層（100Å厚）７、ｐ型AlxGa1-xAs（ｘ＝１→0.8
へ線型に組成が変化する）帯結合層（100Å厚）
８、ｐ型Al0.8Ga0.2Asクラツド層（1μｍ厚）９、
ｐ型GaAsキヤツプ層をMBE法により連続的に
成長させたものである。第１図の横軸に示す符号
が各成長層に対応している。このウエハより共振
器長250μｍで100μｍ幅のブロードエリアレーザ
を作製したところ、発振波長660nｍでパルス動
作時の閾値電流密度は1KA／cm2であつた。
一方、これと比較するために第２図に示すよう
にクラツド層及び量子井戸層は同じで、障壁層を
具備せず、ｘ＝0.8→0.5のAlxGa1-xAsから成る
GRIN層（2000Å厚）を有するレーザ素子を作製
したところ、発振波長660nｍでパルス動作時の
閾値電流密度は10KA／cm2と高くなつた。
にクラツド層及び量子井戸層は同じで、障壁層を
具備せず、ｘ＝0.8→0.5のAlxGa1-xAsから成る
GRIN層（2000Å厚）を有するレーザ素子を作製
したところ、発振波長660nｍでパルス動作時の
閾値電流密度は10KA／cm2と高くなつた。
以上より上記実施例では、660nｍの短波長に
おいても障壁層の効果により低閾値であることが
わかる。これはクラツド層とGRIN層との間に、
よりエネルギーギヤツプの大きい障壁層を挿入す
ることによりGRIN層からクラツド層へ漏れる無
効キヤリアを低減するとともに、GRIN層の混晶
比変化をより大きく設定することにより大きなエ
ネルギー勾配を設け、より有効にキヤリアを量子
井戸内へ導くとともに大きな屈折率分布を設けて
量子井戸内のフオトン密度を増加させているから
である。
おいても障壁層の効果により低閾値であることが
わかる。これはクラツド層とGRIN層との間に、
よりエネルギーギヤツプの大きい障壁層を挿入す
ることによりGRIN層からクラツド層へ漏れる無
効キヤリアを低減するとともに、GRIN層の混晶
比変化をより大きく設定することにより大きなエ
ネルギー勾配を設け、より有効にキヤリアを量子
井戸内へ導くとともに大きな屈折率分布を設けて
量子井戸内のフオトン密度を増加させているから
である。
ｘ＜0.3のAlxGa1-xAsを量子井戸とした半導体
レーザでは、例えばGaAs量子井戸の場合ｘ＝0.2
→0.8のAlxGa1-xAsをGRIN層としてAl0.8Ga0.2
Asをクラツド層とすることにより十分大きなエ
ネルギー障壁が形成され、かつGRIN層における
エネルギー勾配及び屈折率変化も大きくとること
が可能である。また、ｘ≧0.3のAlxGa1-xAsを量
子井戸とした場合、同様にして全体混晶比を増加
させることが考えられるが、その場合クラツド層
にAlAsを用いなければならなくなる。AlAsは極
めて酸化が速く不安定な物質であるため、厚い
AlAsを用いることは素子の寿命、信頼性の点か
ら問題がある。本発明によれば、最小のAlAsを
用いてAlAsクラツド層と同様の特性を得ること
が可能になる。
レーザでは、例えばGaAs量子井戸の場合ｘ＝0.2
→0.8のAlxGa1-xAsをGRIN層としてAl0.8Ga0.2
Asをクラツド層とすることにより十分大きなエ
ネルギー障壁が形成され、かつGRIN層における
エネルギー勾配及び屈折率変化も大きくとること
が可能である。また、ｘ≧0.3のAlxGa1-xAsを量
子井戸とした場合、同様にして全体混晶比を増加
させることが考えられるが、その場合クラツド層
にAlAsを用いなければならなくなる。AlAsは極
めて酸化が速く不安定な物質であるため、厚い
AlAsを用いることは素子の寿命、信頼性の点か
ら問題がある。本発明によれば、最小のAlAsを
用いてAlAsクラツド層と同様の特性を得ること
が可能になる。
上記実施例では、線型に変化する組成を有する
帯結合層２，８を設けているが、これはエネルギ
ーバンドをスムーズに結合するために設けたもの
であり必ずしも必要とするものではない。
帯結合層２，８を設けているが、これはエネルギ
ーバンドをスムーズに結合するために設けたもの
であり必ずしも必要とするものではない。
本発明は上記実施例のGRIN−SCH型半導体レ
ーザに限定されるものではなく、一般のSCH型
半導体レーザにも適用できる。この場合には例え
ば第４図に示すように、キヤリア供給層１３，１
６とクラツド層１１，１７との間に障壁層１２，
１６を設ければ良い。また、更に上記２つの実施
例ではAl0.3Ga0.7As単一量子井戸であつたが、こ
れは例えばAl0.3Ga0.7As量子井戸とAl0.5Ga0.5As
バリア層を交互に積層した多重量子井戸構造とす
ることもできる。
ーザに限定されるものではなく、一般のSCH型
半導体レーザにも適用できる。この場合には例え
ば第４図に示すように、キヤリア供給層１３，１
６とクラツド層１１，１７との間に障壁層１２，
１６を設ければ良い。また、更に上記２つの実施
例ではAl0.3Ga0.7As単一量子井戸であつたが、こ
れは例えばAl0.3Ga0.7As量子井戸とAl0.5Ga0.5As
バリア層を交互に積層した多重量子井戸構造とす
ることもできる。
＜発明の効果＞
以上より明らかなように、本発明によれば、発
振波長700nｍ以下においても低閾値の半導体レ
ーザを得ることができる。
振波長700nｍ以下においても低閾値の半導体レ
ーザを得ることができる。
第１図は本発明の一実施例の説明に供する半導
体レーザ素子断面におけるAlAs組成比の分布を
示す説明図である。第２図は第１図の実施例と比
較するために作製したGRIN−SCH型半導体レー
ザ素子断面におけるAlAs組成比の分布を示す説
明図である。第３図は本発明の他の実施例の説明
に供する半導体レーザ素子断面におけるAlAs組
成比の分布を示す説明図である。第４図はGRIN
−SCH型半導体レーザ断面のAlAs組成比の分布
を示す説明図である。
体レーザ素子断面におけるAlAs組成比の分布を
示す説明図である。第２図は第１図の実施例と比
較するために作製したGRIN−SCH型半導体レー
ザ素子断面におけるAlAs組成比の分布を示す説
明図である。第３図は本発明の他の実施例の説明
に供する半導体レーザ素子断面におけるAlAs組
成比の分布を示す説明図である。第４図はGRIN
−SCH型半導体レーザ断面のAlAs組成比の分布
を示す説明図である。
Claims (1)
- １ AlxGa1-xAs（ｘ≧0.3）から成る厚さ200Å以
下の量子井戸構造活性領域をAlyGa1-yAs（ｙ＞
ｘ）から成るキヤリア供給層で挾み、該キヤリア
供給層に積層されるAlzGa1-zAs（ｚ＞ｙ）から成
るクラツド層と前記キヤリア供給層との間に
AlwGa1-wAs（ｗ＞ｚ）から成る障壁層を介設し
たことを特徴とする半導体レーザ素子。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60159148A JPS6218082A (ja) | 1985-07-16 | 1985-07-16 | 半導体レ−ザ素子 |
| US06/884,554 US4745612A (en) | 1985-07-16 | 1986-07-11 | Separate confinement heterostructure semiconductor laser device |
| EP86305419A EP0213705B1 (en) | 1985-07-16 | 1986-07-15 | A semiconductor laser device |
| DE8686305419T DE3687329T2 (de) | 1985-07-16 | 1986-07-15 | Halbleiterlaser-vorrichtung. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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