JPH04234184A - 半導体レーザ - Google Patents
半導体レーザInfo
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- JPH04234184A JPH04234184A JP41693590A JP41693590A JPH04234184A JP H04234184 A JPH04234184 A JP H04234184A JP 41693590 A JP41693590 A JP 41693590A JP 41693590 A JP41693590 A JP 41693590A JP H04234184 A JPH04234184 A JP H04234184A
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- quantum well
- semiconductor laser
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- 238000002347 injection Methods 0.000 description 4
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 4
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Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
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
【０００１】
【産業上の利用分野】ＩｎＰ基板上のＩｎＸ Ｇａ１−
Ｘ Ａｓ、ＩｎＸ Ｇａ１−Ｘ ＡｓＹ Ｐ１−Ｙ 系
材料の多層膜を用いた半導体レーザは、光ファイバー通
信用の光源として極めて重要である。本発明は、このよ
うな半導体レーザに関するものである。
Ｘ Ａｓ、ＩｎＸ Ｇａ１−Ｘ ＡｓＹ Ｐ１−Ｙ 系
材料の多層膜を用いた半導体レーザは、光ファイバー通
信用の光源として極めて重要である。本発明は、このよ
うな半導体レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバーの損失が小さい１．３μｍ
から１．６μｍの波長で発振する、ＩｎＰ基板に格子
整合したＩｎＸ Ｇａ１−Ｘ Ａｓ、ＩｎＸ Ｇａ１−
Ｘ ＡｓＹ Ｐ１−Ｙ 系の長波長帯半導体レーザは、
実際の光ファイバ通信システムに用いられているが、近
来、レーザ特性の向上の為に量子井戸構造を活性層に用
いる検討が多くの研究機関で行われている（例えば、Ｍ
．Ｋｉｔａｍｕｒａほか、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉ
ｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖ
ｏｌ．２、ＮＯ．５、３１０から３１１頁（１９９０年
））。図５は、従来例の量子井戸活性層長波長半導体レ
ーザの層構造を示す断面図、図６は図５のレーザにおけ
る結晶のバンド構造図、図７は別の従来例のレーザにお
ける結晶のバンド構造図である。
から１．６μｍの波長で発振する、ＩｎＰ基板に格子
整合したＩｎＸ Ｇａ１−Ｘ Ａｓ、ＩｎＸ Ｇａ１−
Ｘ ＡｓＹ Ｐ１−Ｙ 系の長波長帯半導体レーザは、
実際の光ファイバ通信システムに用いられているが、近
来、レーザ特性の向上の為に量子井戸構造を活性層に用
いる検討が多くの研究機関で行われている（例えば、Ｍ
．Ｋｉｔａｍｕｒａほか、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉ
ｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖ
ｏｌ．２、ＮＯ．５、３１０から３１１頁（１９９０年
））。図５は、従来例の量子井戸活性層長波長半導体レ
ーザの層構造を示す断面図、図６は図５のレーザにおけ
る結晶のバンド構造図、図７は別の従来例のレーザにお
ける結晶のバンド構造図である。
【０００３】図５において、半導体レーザは、ｎ電極２
１、ｎ型ＩｎＰ基板２２、ｎ型ＩｎＰクラッド層２３、
Ｉｎ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓ０．６４４ Ｐ０．３５
６ ガイド層２４、層厚７ｎｍのＩｎ０．５３Ｇａ０．
４７Ａｓ量子井戸層２５と層厚２０ｎｍのＩｎ０．７
Ｇａ０．３ Ａｓ０．６４４ Ｐ０．３５６ バリア層
２６を交互に積層した多重量子井戸活性層と、Ｉｎ０．
７ Ｇａ０．３ Ａｓ０．６４４ Ｐ０．３５６ ガイ
ド層２７、ｐ型ＩｎＰクラッド層２８、ｐ型Ｉｎ０．５
３Ｇａ０．４７Ａｓキャップ層２９、ｐ電極３０とから
構成されている。これらの半導体層は全てｎ型ＩｎＰ基
板２２に格子整合している。ここでは、量子井戸数は４
とした。
１、ｎ型ＩｎＰ基板２２、ｎ型ＩｎＰクラッド層２３、
Ｉｎ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓ０．６４４ Ｐ０．３５
６ ガイド層２４、層厚７ｎｍのＩｎ０．５３Ｇａ０．
４７Ａｓ量子井戸層２５と層厚２０ｎｍのＩｎ０．７
Ｇａ０．３ Ａｓ０．６４４ Ｐ０．３５６ バリア層
２６を交互に積層した多重量子井戸活性層と、Ｉｎ０．
７ Ｇａ０．３ Ａｓ０．６４４ Ｐ０．３５６ ガイ
ド層２７、ｐ型ＩｎＰクラッド層２８、ｐ型Ｉｎ０．５
３Ｇａ０．４７Ａｓキャップ層２９、ｐ電極３０とから
構成されている。これらの半導体層は全てｎ型ＩｎＰ基
板２２に格子整合している。ここでは、量子井戸数は４
とした。
【０００４】図６は、この半導体レーザの多重量子井戸
活性層周辺での伝導帯端２９、価電子帯端３０のエネル
ギーを層厚方向に示している。全ての半導体層はＩｎＰ
基板２２に格子整合しているので、価電子帯端３０はヘ
ビーホールバンドとライトホールバンドが縮退している
。この層構造の場合、量子井戸層２５とバリヤ層２６と
の、伝導帯端２９でのエネルギー差が８６ｍｅＶ 、価
電子帯端でのエネルギー差が１３０ｍｅＶ となってい
る。このような構造の多重量子井戸半導体レーザは、光
ファイバの損失の低い１．５５μｍ の波長で発振し、
従来のバルク活性層の半導体レーザよりも低閾値で発振
し、より高い温度での動作が可能になった。
活性層周辺での伝導帯端２９、価電子帯端３０のエネル
ギーを層厚方向に示している。全ての半導体層はＩｎＰ
基板２２に格子整合しているので、価電子帯端３０はヘ
ビーホールバンドとライトホールバンドが縮退している
。この層構造の場合、量子井戸層２５とバリヤ層２６と
の、伝導帯端２９でのエネルギー差が８６ｍｅＶ 、価
電子帯端でのエネルギー差が１３０ｍｅＶ となってい
る。このような構造の多重量子井戸半導体レーザは、光
ファイバの損失の低い１．５５μｍ の波長で発振し、
従来のバルク活性層の半導体レーザよりも低閾値で発振
し、より高い温度での動作が可能になった。
【０００５】更に、最近では量子井戸層を、ＩｎＰ基板
よりも大きい格子定数を持つＩｎＸ Ｇａ１−Ｘ Ａｓ
（Ｘ＞０．５３）として、量子井戸層に圧縮歪がかかる
ようにする歪多重量子井戸半導体レーザが盛んに研究開
発されている（例えば、Ｊ．Ｎ．Ｔｏｔｈｉｌｌほか、
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、ｖｏｌ．１９、Ｎｏ．６、５１５
から５１９頁（１９９０年））。図７はこの従来の歪多
重量子井戸半導体レーザのバンド構造図である。量子井
戸層２５が歪量子井戸層３１に代わっている以外は図５
の半導体レーザと同じ層構造である。歪量子井戸層３１
は３．５ｎｍのＩｎ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓ層であり
、１％程度の圧縮歪がかかっている。発振波長は約１．
５３μｍ である。歪量子井戸層３１において価電子帯
端３３は圧縮歪によって縮退が解け、ヘビーホールバン
ド端がエネルギー的に高く、ライトホールバンド端３４
が低くなる。すなわち、ヘビーホールが価電子帯端とな
る。また、量子井戸界面方向のヘビーホールの有効質量
はこの歪によって軽くなる。したがって、歪量子井戸層
３１の価電子帯端での有効質量状態密度が減少して伝導
帯端での有効質量状態密度に近づく。この結果、レーザ
発振に必要なキャリア密度が減少して、発振閾電流値が
低くなる。実際、歪多重量子井戸半導体レーザにおいて
、通常の多重量子井戸半導体レーザよりも低い発振閾値
が得られている。このレーザでは、量子井戸層とバリア
層のΔＥｃ、ΔＥｖはそれぞれ１７３ｍｅＶ 、１７７
ｍｅＶ となる。
よりも大きい格子定数を持つＩｎＸ Ｇａ１−Ｘ Ａｓ
（Ｘ＞０．５３）として、量子井戸層に圧縮歪がかかる
ようにする歪多重量子井戸半導体レーザが盛んに研究開
発されている（例えば、Ｊ．Ｎ．Ｔｏｔｈｉｌｌほか、
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、ｖｏｌ．１９、Ｎｏ．６、５１５
から５１９頁（１９９０年））。図７はこの従来の歪多
重量子井戸半導体レーザのバンド構造図である。量子井
戸層２５が歪量子井戸層３１に代わっている以外は図５
の半導体レーザと同じ層構造である。歪量子井戸層３１
は３．５ｎｍのＩｎ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓ層であり
、１％程度の圧縮歪がかかっている。発振波長は約１．
５３μｍ である。歪量子井戸層３１において価電子帯
端３３は圧縮歪によって縮退が解け、ヘビーホールバン
ド端がエネルギー的に高く、ライトホールバンド端３４
が低くなる。すなわち、ヘビーホールが価電子帯端とな
る。また、量子井戸界面方向のヘビーホールの有効質量
はこの歪によって軽くなる。したがって、歪量子井戸層
３１の価電子帯端での有効質量状態密度が減少して伝導
帯端での有効質量状態密度に近づく。この結果、レーザ
発振に必要なキャリア密度が減少して、発振閾電流値が
低くなる。実際、歪多重量子井戸半導体レーザにおいて
、通常の多重量子井戸半導体レーザよりも低い発振閾値
が得られている。このレーザでは、量子井戸層とバリア
層のΔＥｃ、ΔＥｖはそれぞれ１７３ｍｅＶ 、１７７
ｍｅＶ となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】第１の課題としては、
半導体レーザの温度特性の向上があげられる。上に述べ
た従来の半導体レーザでは、発振閾値の特性温度が６０
から８０Ｋであり、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の半導体
レーザの特性温度１５０から２００Ｋに比較して非常に
低い。その大きな原因の一つに、伝導帯における量子井
戸層からバリア層、ガイド層への電子のオーバーフロー
が大きいことがある。ヘビーホールの有効質量は電子の
有効質量に比べて１０倍程度大きいので、ホールのオー
バーフローは問題にならない。量子井戸層２５または３
１とバリア層２６、ガイド層２４、２７との伝導帯での
エネルギー差ΔＥｃは図６、図７のバンド構造ではそれ
ぞれ８６ｍｅＶ 、１００ｍｅＶ であり、ＧａＡｓ／
ＡｌＧａＡｓ系のばあいの２５０から３００ｍｅＶ 程
度に比較して非常に小さい。これを大きくするには、バ
リア層、ガイド層の組成をＩｎＰ近づけることがもっと
も簡単である。例えば、バリア層、ガイド層をすべてＩ
ｎＰにした場合、ΔＥｃは２４０ｍｅＶ 程度となるが
、価電子帯でのエネルギー差ΔＥｖはより大きく、３７
０ｍｅＶ 程度となるため、ホールが多重量子井戸のｐ
側の数周期内にトラップされてしまい、ホールが均一に
量子井戸全領域にわたって均一に注入されず、半導体レ
ーザの閾値が上昇するという問題が生じる。これは、ヘ
ビーホールの有効質量が大きく、モビリティが小さいた
め、ホールの拡張長が小さいことも原因となっている。
半導体レーザの温度特性の向上があげられる。上に述べ
た従来の半導体レーザでは、発振閾値の特性温度が６０
から８０Ｋであり、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の半導体
レーザの特性温度１５０から２００Ｋに比較して非常に
低い。その大きな原因の一つに、伝導帯における量子井
戸層からバリア層、ガイド層への電子のオーバーフロー
が大きいことがある。ヘビーホールの有効質量は電子の
有効質量に比べて１０倍程度大きいので、ホールのオー
バーフローは問題にならない。量子井戸層２５または３
１とバリア層２６、ガイド層２４、２７との伝導帯での
エネルギー差ΔＥｃは図６、図７のバンド構造ではそれ
ぞれ８６ｍｅＶ 、１００ｍｅＶ であり、ＧａＡｓ／
ＡｌＧａＡｓ系のばあいの２５０から３００ｍｅＶ 程
度に比較して非常に小さい。これを大きくするには、バ
リア層、ガイド層の組成をＩｎＰ近づけることがもっと
も簡単である。例えば、バリア層、ガイド層をすべてＩ
ｎＰにした場合、ΔＥｃは２４０ｍｅＶ 程度となるが
、価電子帯でのエネルギー差ΔＥｖはより大きく、３７
０ｍｅＶ 程度となるため、ホールが多重量子井戸のｐ
側の数周期内にトラップされてしまい、ホールが均一に
量子井戸全領域にわたって均一に注入されず、半導体レ
ーザの閾値が上昇するという問題が生じる。これは、ヘ
ビーホールの有効質量が大きく、モビリティが小さいた
め、ホールの拡張長が小さいことも原因となっている。
【０００７】第２の課題としては、半導体レーザの高速
変調時の問題がある。半導体レーザの高速変調に関して
は多くの問題があるが、そのひとつにバリア層、ガイド
層から量子井戸層へのキャリアの注入の問題がある。ク
ラッド層から注入されたキャリアは量子井戸にトラップ
される前に、バリア層、ガイド層を移動するが、ヘビー
ホールは電子に比べて有効質量が大きく、モビリティが
小さいために、ホールの移動時間が量子井戸へのキャリ
アの注入時間を制限する。この問題は、１０ＧＨｚ 以
上の極めて高速のレーザ変調動作時に問題になってくる
といわれている。
変調時の問題がある。半導体レーザの高速変調に関して
は多くの問題があるが、そのひとつにバリア層、ガイド
層から量子井戸層へのキャリアの注入の問題がある。ク
ラッド層から注入されたキャリアは量子井戸にトラップ
される前に、バリア層、ガイド層を移動するが、ヘビー
ホールは電子に比べて有効質量が大きく、モビリティが
小さいために、ホールの移動時間が量子井戸へのキャリ
アの注入時間を制限する。この問題は、１０ＧＨｚ 以
上の極めて高速のレーザ変調動作時に問題になってくる
といわれている。
【０００８】これら２つの課題は、図６及び図７に挙げ
た２種類のバンド構造のレーザに共通の問題である。更
に、特に図７のバンド構造のレーザにおいて解決すべき
第３の課題としては、歪量子井戸層３１における結晶歪
が多重量子井戸とする事によってレーザ結晶に蓄積され
、周期数の大きい多重量子井戸において許容歪の限界を
越え、歪量子井戸層の発光特性が劣化することである。 したがって、歪多重量子井戸半導体レーザでは、良好な
発振特性を得るための、歪量子井戸層の歪量、歪多重量
子井戸の周期に制限がある。
た２種類のバンド構造のレーザに共通の問題である。更
に、特に図７のバンド構造のレーザにおいて解決すべき
第３の課題としては、歪量子井戸層３１における結晶歪
が多重量子井戸とする事によってレーザ結晶に蓄積され
、周期数の大きい多重量子井戸において許容歪の限界を
越え、歪量子井戸層の発光特性が劣化することである。 したがって、歪多重量子井戸半導体レーザでは、良好な
発振特性を得るための、歪量子井戸層の歪量、歪多重量
子井戸の周期に制限がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】第１、第２の課題を解決
するための請求項１の半導体レーザは、ＩｎＰ基板上に
、前記基板と格子整合するＰ型クラッド層およびＮ型ク
ラッド層で活性を挟んでなる積層構造を有する半導体レ
ーザにおいて、前記活性層が、ＩｎＸ Ｇａ１−Ｘ Ａ
ｓまたはＩｎＸ Ｇａ１−Ｘ ＡｓＹ Ｐ１−Ｙ 量子
井戸層とＩｎＺ Ｇａ１−Ｚ ＡｓＵ Ｐ１−Ｕ バリ
ア層とからなる単一または複数の周期の多層膜であり、
かつ前記バリア層の格子定数が前記基板の格子定数より
も小さくかつ前記バリア層のバンドギャップが前記量子
井戸層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする
。更に、第１、第２、第３の課題を解決するための請求
項２の半導体レーザは、請求項１の半導体レーザにおい
て、前記活性層を形成する前記ＩｎＸ Ｇａ１−ＸＡｓ
またはＩｎＸ Ｇａ１−Ｘ ＡｓＹ Ｐ１−Ｙ 量子井
戸層の格子定数が、前記基板の格子定数よりも大きいこ
とを特徴とする。
するための請求項１の半導体レーザは、ＩｎＰ基板上に
、前記基板と格子整合するＰ型クラッド層およびＮ型ク
ラッド層で活性を挟んでなる積層構造を有する半導体レ
ーザにおいて、前記活性層が、ＩｎＸ Ｇａ１−Ｘ Ａ
ｓまたはＩｎＸ Ｇａ１−Ｘ ＡｓＹ Ｐ１−Ｙ 量子
井戸層とＩｎＺ Ｇａ１−Ｚ ＡｓＵ Ｐ１−Ｕ バリ
ア層とからなる単一または複数の周期の多層膜であり、
かつ前記バリア層の格子定数が前記基板の格子定数より
も小さくかつ前記バリア層のバンドギャップが前記量子
井戸層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする
。更に、第１、第２、第３の課題を解決するための請求
項２の半導体レーザは、請求項１の半導体レーザにおい
て、前記活性層を形成する前記ＩｎＸ Ｇａ１−ＸＡｓ
またはＩｎＸ Ｇａ１−Ｘ ＡｓＹ Ｐ１−Ｙ 量子井
戸層の格子定数が、前記基板の格子定数よりも大きいこ
とを特徴とする。
【００１０】
【作用】請求項１の半導体レーザにおいては、多重量子
井戸のバリア層に、ＩｎＰ基板よりも格子定数の大きく
かつ量子井戸層よりもバンドギャップの大きいＩｎＺ
Ｇａ１−Ｚ ＡｓＵ Ｐ１−Ｕ 層を用いることを特徴
とする。この結果、バリア層には引っ張り歪が加わり、
価電子帯端はライトホールバンド端がエネルギー的に高
く、ヘビーホールバンド端がエネルギー的に低くなるよ
うに分裂する。ＩｎＺ Ｇａ１−Ｚ ＡｓＵ Ｐ１−Ｕ
層のバンドギャップ、引っ張り歪量を適当に選ぶこと
により、量子井戸とバリア層の間のΔＥｃが２００ｍｅ
Ｖ 以上でかつΔＥｖが１００ｍｅＶ 程度となるよう
にする事ができる。更に、このときのバリア層の価電子
帯端は有効質量が伝導帯端と同じ程度となるライトホー
ルバンドとなるので、バリア層内でのホールのモビリテ
ィは従来実施例の場合に比較して１０倍近く大きくなる
。この結果、多重量子井戸への高速のキャリア注入が可
能となる。請求項２の半導体レーザにおいては、請求項
１の効果に加えて、量子井戸を圧縮歪の歪量子井戸とす
るため、量子井戸の圧縮歪量とバリア層の引っ張り歪量
を同程度とすることにより量子井戸１周期あたりの歪を
相殺でき、多くの周期の多重量子井戸においても歪が蓄
積することなく、歪多重量子井戸活性層の発光特性を良
好に保つことができる。
井戸のバリア層に、ＩｎＰ基板よりも格子定数の大きく
かつ量子井戸層よりもバンドギャップの大きいＩｎＺ
Ｇａ１−Ｚ ＡｓＵ Ｐ１−Ｕ 層を用いることを特徴
とする。この結果、バリア層には引っ張り歪が加わり、
価電子帯端はライトホールバンド端がエネルギー的に高
く、ヘビーホールバンド端がエネルギー的に低くなるよ
うに分裂する。ＩｎＺ Ｇａ１−Ｚ ＡｓＵ Ｐ１−Ｕ
層のバンドギャップ、引っ張り歪量を適当に選ぶこと
により、量子井戸とバリア層の間のΔＥｃが２００ｍｅ
Ｖ 以上でかつΔＥｖが１００ｍｅＶ 程度となるよう
にする事ができる。更に、このときのバリア層の価電子
帯端は有効質量が伝導帯端と同じ程度となるライトホー
ルバンドとなるので、バリア層内でのホールのモビリテ
ィは従来実施例の場合に比較して１０倍近く大きくなる
。この結果、多重量子井戸への高速のキャリア注入が可
能となる。請求項２の半導体レーザにおいては、請求項
１の効果に加えて、量子井戸を圧縮歪の歪量子井戸とす
るため、量子井戸の圧縮歪量とバリア層の引っ張り歪量
を同程度とすることにより量子井戸１周期あたりの歪を
相殺でき、多くの周期の多重量子井戸においても歪が蓄
積することなく、歪多重量子井戸活性層の発光特性を良
好に保つことができる。
【００１１】
【実施例】図１は本発明の半導体レーザの請求項１、２
に共通の層構造の一例を示す断面図、図２は請求項１の
発明の実施例である半導体レーザのバンド構造図、図３
はＩｎＰ上に形成したＩｎＸ Ｇａ１−Ｘ Ａｓ０．６
４４ Ｐ０．３５６ のＸを変化させたときの温度４Ｋ
でのバンドエネルギーの変化をＩｎＰの価電子帯端のエ
ネルギーを基準として計算した図、図４は請求項２の発
明の実施例である半導体レーザのバンド構造図、をそれ
ぞれ示す。始めに、請求項１の半導体レーザの実施例に
ついて説明する。図１において、半導体レーザは、ｎ電
極１、ｎ型ＩｎＰ基板２、ｎ型ＩｎＰクラッド層３、層
厚１０ｎｍのＩｎ０．５６Ｇａ０．４４Ａｓ０．６４４
Ｐ０．３５６ バリア層４、層厚７ｎｍのＩｎ０．５
３Ｇａ０．４７Ａｓ量子井戸層５を交互に積層した多重
量子井戸活性層、ｐ型ＩｎＰクラッド層６、ｐ型Ｉｎ０
．５３Ｇａ０．４７Ａｓキャップ層７、ｐ電極８とから
構成されている。これらの半導体層のうちＩｎ０．５６
Ｇａ０．４４Ａｓ０．６４４ Ｐ０．３５６ バリア層
４には１％の引っ張り歪がかかっているが、その他の層
は全てｎ型ＩｎＰ基板２に格子整合している。ここでは
、量子井戸数は６とした。
に共通の層構造の一例を示す断面図、図２は請求項１の
発明の実施例である半導体レーザのバンド構造図、図３
はＩｎＰ上に形成したＩｎＸ Ｇａ１−Ｘ Ａｓ０．６
４４ Ｐ０．３５６ のＸを変化させたときの温度４Ｋ
でのバンドエネルギーの変化をＩｎＰの価電子帯端のエ
ネルギーを基準として計算した図、図４は請求項２の発
明の実施例である半導体レーザのバンド構造図、をそれ
ぞれ示す。始めに、請求項１の半導体レーザの実施例に
ついて説明する。図１において、半導体レーザは、ｎ電
極１、ｎ型ＩｎＰ基板２、ｎ型ＩｎＰクラッド層３、層
厚１０ｎｍのＩｎ０．５６Ｇａ０．４４Ａｓ０．６４４
Ｐ０．３５６ バリア層４、層厚７ｎｍのＩｎ０．５
３Ｇａ０．４７Ａｓ量子井戸層５を交互に積層した多重
量子井戸活性層、ｐ型ＩｎＰクラッド層６、ｐ型Ｉｎ０
．５３Ｇａ０．４７Ａｓキャップ層７、ｐ電極８とから
構成されている。これらの半導体層のうちＩｎ０．５６
Ｇａ０．４４Ａｓ０．６４４ Ｐ０．３５６ バリア層
４には１％の引っ張り歪がかかっているが、その他の層
は全てｎ型ＩｎＰ基板２に格子整合している。ここでは
、量子井戸数は６とした。
【００１２】図２は、この半導体レーザの多重量子井戸
活性層周辺での伝導帯端９、価電子帯端１０のエネルギ
ーを層厚方向に示している。バリア層４では、引っ張り
歪によってライトホールバンド端１２がヘビーホールバ
ンド端１１よりもエネルギー的に高くなっている。その
他の層では、歪がかかっていないのでライトホールバン
ド端１２とヘビーホールバンド端１１は重なっている。 この状況を説明するのが図３である。
活性層周辺での伝導帯端９、価電子帯端１０のエネルギ
ーを層厚方向に示している。バリア層４では、引っ張り
歪によってライトホールバンド端１２がヘビーホールバ
ンド端１１よりもエネルギー的に高くなっている。その
他の層では、歪がかかっていないのでライトホールバン
ド端１２とヘビーホールバンド端１１は重なっている。 この状況を説明するのが図３である。
【００１３】図３では、ＩｎＰ上に形成したＩｎＸ Ｇ
ａ１−Ｘ Ａｓ０．６４４ Ｐ０．３５６ のＸを変化
させたときの温度４Ｋでのバンドエネルギーの変化をＩ
ｎＰの価電子帯端のエネルギーを基準として計算したも
のを示しており、Ｘ＝０．７でＩｎＰに格子整合してヘ
ビーホールバンド端１４とライトホールバンド端１５が
エネルギー的に重なっている。Ｘ＜０．７ではＩｎＰよ
りも格子定数が小さくなるので引っ張り歪がかかり、ヘ
ビーホールバンド端１４とライトホールバンド端１５が
分裂し、ライトホールバンド端１５の方がエネルギー的
に高くなることがわかる。伝導帯端１３はＸの減少に対
して単調に増加する。量子井戸層５を形成するＩｎ０．
５３Ｇａ０．４７の伝導帯端、価電子帯端はそれぞれ１
．１８２ｅＶ、０．３７ｅＶのところにあるので、バリ
ア層にＩｎ０．５６Ｇａ０．４４Ａｓ０．６４４ Ｐ０
．３５６ を用いれば伝導帯端のエネルギー差ΔＥｃは
１８２ｍｅＶ になり、量子井戸層の価電子帯端とバリ
ア層のライトホールバンド端とのエネルギー差、すなわ
ち実効的なΔＥｖは９１ｍｅＶ となる。こうして、Δ
Ｅｃを大きくして、かつΔＥｖを小さく抑えることが可
能となる。
ａ１−Ｘ Ａｓ０．６４４ Ｐ０．３５６ のＸを変化
させたときの温度４Ｋでのバンドエネルギーの変化をＩ
ｎＰの価電子帯端のエネルギーを基準として計算したも
のを示しており、Ｘ＝０．７でＩｎＰに格子整合してヘ
ビーホールバンド端１４とライトホールバンド端１５が
エネルギー的に重なっている。Ｘ＜０．７ではＩｎＰよ
りも格子定数が小さくなるので引っ張り歪がかかり、ヘ
ビーホールバンド端１４とライトホールバンド端１５が
分裂し、ライトホールバンド端１５の方がエネルギー的
に高くなることがわかる。伝導帯端１３はＸの減少に対
して単調に増加する。量子井戸層５を形成するＩｎ０．
５３Ｇａ０．４７の伝導帯端、価電子帯端はそれぞれ１
．１８２ｅＶ、０．３７ｅＶのところにあるので、バリ
ア層にＩｎ０．５６Ｇａ０．４４Ａｓ０．６４４ Ｐ０
．３５６ を用いれば伝導帯端のエネルギー差ΔＥｃは
１８２ｍｅＶ になり、量子井戸層の価電子帯端とバリ
ア層のライトホールバンド端とのエネルギー差、すなわ
ち実効的なΔＥｖは９１ｍｅＶ となる。こうして、Δ
Ｅｃを大きくして、かつΔＥｖを小さく抑えることが可
能となる。
【００１４】請求項２の発明の実施例である半導体レー
ザでは、請求項１の発明の実施例における半導体層のう
ち、量子井戸層５を３．５ｎｍの層厚のＩｎ０．７ Ｇ
ａ０．３ Ａｓ量子井戸層１６に置き変える。量子井戸
層１６には約１％の圧縮歪がかかり、バリア層４には１
％の引っ張り歪がかかっており、双方の歪が相殺する方
向になっている。このときのバンド構造を図４に示す。 バリア層については請求項１の実施例と同様であるが、
この場合は量子井戸層１６に圧縮歪がかかっているので
ヘビーホールバンド端１９とライトホールバンド端２０
が分裂し、ヘビーホールバンド端がエネルギー的に高く
なっている。このときのΔＥｃ、実行的なΔＥｖはそれ
ぞれ２６９ｍｅＶ 、１３６ｍｅＶ となっており、請
求項１の実施例に比較してΔＥｃ、ΔＥｖともに大きく
なっているが、ΔＥｃの増加に比較してΔＥｖの増加が
小さく、ΔＥｃを大きく、かつΔＥｖを小さく抑える効
果がこの場合も同様である。
ザでは、請求項１の発明の実施例における半導体層のう
ち、量子井戸層５を３．５ｎｍの層厚のＩｎ０．７ Ｇ
ａ０．３ Ａｓ量子井戸層１６に置き変える。量子井戸
層１６には約１％の圧縮歪がかかり、バリア層４には１
％の引っ張り歪がかかっており、双方の歪が相殺する方
向になっている。このときのバンド構造を図４に示す。 バリア層については請求項１の実施例と同様であるが、
この場合は量子井戸層１６に圧縮歪がかかっているので
ヘビーホールバンド端１９とライトホールバンド端２０
が分裂し、ヘビーホールバンド端がエネルギー的に高く
なっている。このときのΔＥｃ、実行的なΔＥｖはそれ
ぞれ２６９ｍｅＶ 、１３６ｍｅＶ となっており、請
求項１の実施例に比較してΔＥｃ、ΔＥｖともに大きく
なっているが、ΔＥｃの増加に比較してΔＥｖの増加が
小さく、ΔＥｃを大きく、かつΔＥｖを小さく抑える効
果がこの場合も同様である。
【００１５】請求項１の半導体レーザの実施例において
は、多重量子井戸のバリア層に、引っ張り歪がかかりか
つ量子井戸層よりもバンドギャップの大きいＩｎ０．５
６Ｇａ０．４４Ａｓ０．６４４ Ｐ０．３５６ 層を用
いることを特徴とする。この結果、バリア層において価
電子帯端はライトホールバンド端がエネルギー的に高く
、ヘビーホールバンド端がエネルギー的に低くなるよう
に分裂する。この場合量子井戸とバリア層の間のΔＥｃ
が１８２ｍｅＶ で実効的なΔＥｖが９１ｍｅＶ とな
り、ΔＥｃを大きく、かつΔＥｖを小さくすることが実
現する。したがって、このような半導体レーザは発振閾
値の温度特性が向上する。更に、このときのバリア層の
価電子帯端は有効質量が伝導帯端と同じ程度のライトホ
ールバンドとなるので、バリア層内でのホールのモビリ
ティは従来実施例の場合に比較して１０倍近く大きくな
る。この結果と、実効的なΔＥｖを低く抑える効果によ
って多重量子井戸への高速のキャリア注入が可能となる
。請求項２の半導体レーザの実施例においては、請求項
１の実施例における効果に加えて量子井戸を圧縮歪の歪
量子井戸とするため、量子井戸の圧縮歪量とバリア層の
引っ張り歪量を同程度とすることにより量子井戸１周期
あたりの歪を相殺でき、多くの周期の多重量子井戸にお
いても歪が蓄積することなく、多重量子井戸活性層の発
光特性を良好に保つことができる。したがって歪多重量
子井戸の周期を１０周期以上の大きい周期にしてレーザ
利得の飽和レベルを高くする事ができる。
は、多重量子井戸のバリア層に、引っ張り歪がかかりか
つ量子井戸層よりもバンドギャップの大きいＩｎ０．５
６Ｇａ０．４４Ａｓ０．６４４ Ｐ０．３５６ 層を用
いることを特徴とする。この結果、バリア層において価
電子帯端はライトホールバンド端がエネルギー的に高く
、ヘビーホールバンド端がエネルギー的に低くなるよう
に分裂する。この場合量子井戸とバリア層の間のΔＥｃ
が１８２ｍｅＶ で実効的なΔＥｖが９１ｍｅＶ とな
り、ΔＥｃを大きく、かつΔＥｖを小さくすることが実
現する。したがって、このような半導体レーザは発振閾
値の温度特性が向上する。更に、このときのバリア層の
価電子帯端は有効質量が伝導帯端と同じ程度のライトホ
ールバンドとなるので、バリア層内でのホールのモビリ
ティは従来実施例の場合に比較して１０倍近く大きくな
る。この結果と、実効的なΔＥｖを低く抑える効果によ
って多重量子井戸への高速のキャリア注入が可能となる
。請求項２の半導体レーザの実施例においては、請求項
１の実施例における効果に加えて量子井戸を圧縮歪の歪
量子井戸とするため、量子井戸の圧縮歪量とバリア層の
引っ張り歪量を同程度とすることにより量子井戸１周期
あたりの歪を相殺でき、多くの周期の多重量子井戸にお
いても歪が蓄積することなく、多重量子井戸活性層の発
光特性を良好に保つことができる。したがって歪多重量
子井戸の周期を１０周期以上の大きい周期にしてレーザ
利得の飽和レベルを高くする事ができる。
【００１６】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明の実施に
より高温動作特性に優れ、かつ高速変調特性に優れた半
導体レーザを得ることができる。
より高温動作特性に優れ、かつ高速変調特性に優れた半
導体レーザを得ることができる。
【図１】本発明の実施例１，２の半導体レーザの層構造
を示す断面図。
を示す断面図。
【図２】請求項１に記載した発明の実施例（実施例１）
の半導体レーザのバンド構造図。
の半導体レーザのバンド構造図。
【図３】本発明の実施例１におけるＩｎＰ上に形成した
ＩｎＸ Ｇａ１−Ｘ Ａｓ０．６４４ Ｐ０．３５６
層のバンド端エネルギーの組成Ｘ依存性を示す特性図。
ＩｎＸ Ｇａ１−Ｘ Ａｓ０．６４４ Ｐ０．３５６
層のバンド端エネルギーの組成Ｘ依存性を示す特性図。
【図４】請求項２に記載した発明の実施例（実施例２）
の半導体レーザのバンド構造図。
の半導体レーザのバンド構造図。
【図５】従来例１，２の半導体レーザの層構造を示す断
面図。
面図。
【図６】従来例１の半導体レーザのバンド構造図。
【図７】従来例２の半導体レーザのバンド構造図。
１，２１ ｎ電極
２，２２ ｎ型ＩｎＰ基板
３，２３ ｎ型ＩｎＰクラッド層４ Ｉｎ
０．５６Ｇａ０．４４Ａｓ０．６４４ Ｐ０．３５６
バリア層５，２５ Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａ
ｓ量子井戸層６，２８ ｐ型ＩｎＰクラッド層７
，２９ ｐ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓキャ
ップ層８，３０ ｐ電極 ９，１７，２９，３２ 伝導帯端１０，１８，３
０，３３ 価電子帯端１１，１９ ヘビー
ホールバンド端１２，２０，３４ ライトホール
バンド端１６，３１ Ｉｎ０．７ Ｇａ０．３
Ａｓ歪量子井戸層２４，２７ Ｉｎ０．７ Ｇａ
０．３ Ａｓ０．６４４Ｐ０．３５６ ガイド層
０．５６Ｇａ０．４４Ａｓ０．６４４ Ｐ０．３５６
バリア層５，２５ Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａ
ｓ量子井戸層６，２８ ｐ型ＩｎＰクラッド層７
，２９ ｐ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓキャ
ップ層８，３０ ｐ電極 ９，１７，２９，３２ 伝導帯端１０，１８，３
０，３３ 価電子帯端１１，１９ ヘビー
ホールバンド端１２，２０，３４ ライトホール
バンド端１６，３１ Ｉｎ０．７ Ｇａ０．３
Ａｓ歪量子井戸層２４，２７ Ｉｎ０．７ Ｇａ
０．３ Ａｓ０．６４４Ｐ０．３５６ ガイド層
Claims (2)
- 【請求項１】 ＩｎＰ基板上に、前記基板と格子整合
するＰ型クラッド層およびＮ型クラッド層で活性を挟ん
でなる積層構造を有する半導体レーザにおいて、前記活
性層が、ＩｎＸ Ｇａ１−Ｘ ＡｓまたはＩｎＸ Ｇａ
１−Ｘ ＡｓＹ Ｐ１−Ｙ 量子井戸層とＩｎＺ Ｇａ
１−Ｚ ＡｓＵ Ｐ１−Ｕ バリア層とからなる単一ま
たは複数の周期の多層膜であり、かつ前記バリア層の格
子定数が前記基板の格子定数よりも小さくかつ前記バリ
ア層のバンドギャップが前記量子井戸層のバンドギャッ
プよりも大きいことを特徴とする半導体レーザ。 - 【請求項２】 前記活性層を形成する前記ＩｎＸ Ｇ
ａ１−Ｘ ＡｓまたはＩｎＸ Ｇａ１−Ｘ ＡｓＹ Ｐ
１−Ｙ 量子井戸層の格子定数が、前記基板の格子定数
よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体
レーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP41693590A JP3145718B2 (ja) | 1990-12-28 | 1990-12-28 | 半導体レーザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP41693590A JP3145718B2 (ja) | 1990-12-28 | 1990-12-28 | 半導体レーザ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04234184A true JPH04234184A (ja) | 1992-08-21 |
| JP3145718B2 JP3145718B2 (ja) | 2001-03-12 |
Family
ID=18525109
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP41693590A Expired - Fee Related JP3145718B2 (ja) | 1990-12-28 | 1990-12-28 | 半導体レーザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3145718B2 (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04373190A (ja) * | 1991-06-24 | 1992-12-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 歪量子井戸半導体レーザおよびその製造方法 |
| JPH05175601A (ja) * | 1991-12-20 | 1993-07-13 | Fujikura Ltd | 多重量子井戸半導体レーザ |
| JPH06224516A (ja) * | 1993-01-28 | 1994-08-12 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 歪多重量子井戸半導体レーザ |
| JPH06342959A (ja) * | 1993-03-12 | 1994-12-13 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 多重量子井戸半導体レーザ及びそれを用いた光通信システム |
| JPH08102566A (ja) * | 1994-09-30 | 1996-04-16 | Nec Corp | 量子井戸構造光半導体装置及びその製造方法 |
| US5671242A (en) * | 1994-09-02 | 1997-09-23 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Strained quantum well structure |
| US5694410A (en) * | 1996-03-01 | 1997-12-02 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser device |
| JP2007165798A (ja) * | 2005-12-16 | 2007-06-28 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 半導体レーザ素子 |
-
1990
- 1990-12-28 JP JP41693590A patent/JP3145718B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04373190A (ja) * | 1991-06-24 | 1992-12-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 歪量子井戸半導体レーザおよびその製造方法 |
| JPH05175601A (ja) * | 1991-12-20 | 1993-07-13 | Fujikura Ltd | 多重量子井戸半導体レーザ |
| JPH06224516A (ja) * | 1993-01-28 | 1994-08-12 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 歪多重量子井戸半導体レーザ |
| JPH06342959A (ja) * | 1993-03-12 | 1994-12-13 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 多重量子井戸半導体レーザ及びそれを用いた光通信システム |
| US5671242A (en) * | 1994-09-02 | 1997-09-23 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Strained quantum well structure |
| JPH08102566A (ja) * | 1994-09-30 | 1996-04-16 | Nec Corp | 量子井戸構造光半導体装置及びその製造方法 |
| US5694410A (en) * | 1996-03-01 | 1997-12-02 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser device |
| JP2007165798A (ja) * | 2005-12-16 | 2007-06-28 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 半導体レーザ素子 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3145718B2 (ja) | 2001-03-12 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 19990727 |
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