JPH04291981A - 半導体レーザ装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信、光情報処理、
光計測等に用いる半導体レーザ装置、特に、多重量子井
戸構造体を活性層に用いた半導体レーザ装置に関する。

【０００２】半導体による多重量子井戸構造体は、同じ
厚さの均一な半導体と比較して、光吸収率が小さく、光
増幅作用をもつ波長範囲が狭く、利得が飽和する光出力
が大きいという長所をもっている。

【０００３】このような長所を利用して、多重量子井戸
構造体を活性層に使用し、低しきい値特性、高効率特性
をもつ光通信、光情報処理、光計測等に用いるのに適し
た半導体レーザ装置、狭い発信線幅をもつコヒーレント
光通信用光源としての応用に適した半導体レーザ装置、
あるいは、高利得と高飽和パワーをもつレーザ増幅器等
を実現できる可能性がある。

【０００４】しかし、量子井戸としての効果を得るため
には非常に薄い半導体層を用いるため、従来から半導体
活性層に用いた場合、光の活性層への閉じ込め率が低く
なるという欠点が問題となっている。近年、光の活性層
への閉じ込め率を高くする方法を開発することが要求さ
れている。

【０００５】

【従来の技術】従来から、光の活性層への閉じ込め率を
高くした半導体レーザ装置として、ＧＲＩＮＳＣＨ（ｇ
ｒａｄｅｄ−ｉｎｄｅｘ　　ｓｅｐａｒａｔｅ　　ｃｏ
ｎｆｉｎｅｍｅｎｔ　　ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒ
ｅ）レーザ装置が知られている。活性層が単層の量子井
戸層であるものがＧＲＩＮＳＱＷレーザ装置、活性層が
多重の量子井戸層であるものがＧＲＩＮＭＱＷレーザ装
置と称されている。

【０００６】図８は、ＧＲＩＮＳＱＷレーザ装置の活性
層の構成図である。この図において、１は下部クラッド
層、１４２は下部光ガイド層、２０４は活性層、１４１
は上部光ガイド層、３は上部クラッド層である。図８に
示されているように、このＧＲＩＮＳＱＷレーザ装置の
活性層は、中央の単層量子井戸活性層２０４の上下に、
上部光ガイド層１４１、下部光ガイド層１４２、上部ク
ラッド層３、下部クラッド層１を有している。

【０００７】図９は、ＧＲＩＮＳＱＷレーザ装置の活性
層のバンドギャップエネルギ分布図である。この図にお
いて、１’は下部クラッド層、１４２’は下部光ガイド
層、２０４’は単層量子井戸活性層、１４１’は上部光
ガイド層、３’は上部クラッド層の導電帯のエネルギで
ある。この図は、図８におけるＡ−Ａ’上の伝導帯のバ
ンドギャップエネルギ分布を示しているが、光閉じ込め
層のバンドギャップエネルギは、連続的に変化している
。

【０００８】なお、この図ではバンドギャップエネルギ
が階段状に変化しているように示されているが、この階
段は、連続的に変化するバンドギャップエネルギ分布を
実現することを志向して、成長過程で、段階的に原料ガ
スの組成を変えたことによって生じたものであって、レ
ーザの波長に比較してみると連続的に変化しているとい
うことができる。

【０００９】図１０は、ＧＲＩＮＳＱＷレーザ装置の活
性層の屈折率分布図である。この図において、１″は下
部クラッド層、１４２″は下部光ガイド層、２０４″は
単層量子井戸活性層、１４１″は上部光ガイド層、３″
は上部クラッド層の屈折率を示している。この図は、図
８におけるＡ−Ａ’上の屈折率分布を示しているが、光
閉じ込め層の屈折率は、前記の意味において、連続的に
変化している。

【００１０】光ガイド層と活性層の屈折率が一定である
場合は、光閉じ込め係数が活性層の厚さｄの２乗に比例
するが、このように、光ガイド層の屈折率を連続的に変
化させた場合は、光閉じ込め係数が活性層厚ｄの１乗に
比例するため、量子井戸層２０４を薄くしても、光閉じ
込め係数が極端に小さくならないようにすることができ
る。

【００１１】例えば、ＩｎＧａＡｓＰ系の発振波長１．
５μｍ帯の半導体レーザの場合、活性層２０４の厚さが
０．１μｍよりも厚ければ、光閉じ込め係数は光ガイド
層の屈折率分布によらずほぼ一定で約０．２程度とする
ことができる。しかし、活性層の厚さを１０分の１にす
ると、光閉じ込め係数は、光ガイド層の屈折率分布が一
定の場合は１００分の１、ＧＲＩＮＳＱＷの場合は１０
分の１になり、ＧＲＩＮＳＱＷを用いることで閉じ込め
係数の低下を抑制することができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＱＷレ
ーザの活性層（量子井戸層）は１００Å〜２００Å程度
で非常に薄いため、ＧＲＩＮＳＣＨ構造でも、従来のバ
ルク活性層をもつＤＨレーザに比べ光の閉じ込め係数（
Γ）が小さくなり、その結果正味利得Γ・Ｇ（ここでＧ
は活性層の利得）が小さくなるという欠点がある。その
ため、ＱＷレーザの活性層を用いることによってＧを大
きくできるという特徴があるにもかかわらず、それに見
合ったしきい値の低下や効率の上昇がないという欠点を
有している。

【００１３】発明者が製作した素子によって比較すると
、バルク活性層をもつレーザの光閉じ込め係数Γが０．
２程度であるのに対して、５層のＭＱＷ活性層をもつレ
ーザの光閉じ込め係数Γは０．０７程度で、１／３にす
ぎない。そのため、活性層のキャリア密度が同じ場合、
ＱＷ活性層をもつレーザの利得Ｇが、バルク活性層をも
つレーザの２倍程度あるにもかかわらず、正味利得Γ・
Ｇで比較すると、バルク活性層をもつレーザのほうがＭ
ＱＷ活性層をもつレーザより大きくなる。

【００１４】このように、ＭＱＷ活性層をもつレーザの
光閉じ込め係数Γが小さいため、その大きな利得Ｇを有
効に利用できない欠点がある。また、ＭＱＷ活性層の正
味利得Γ・Ｇがバルク活性層に比較し小さいため、レー
ザ光増幅器における増幅率が小さいという欠点がある。 本発明は、光の閉じ込め係数Γが大きく、正味利得Γ・
Ｇが、バルク活性層を用いた従来の装置に比較して大き
な半導体レーザあるいは半導体レーザ光増幅器を提供す
ることを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる半導体レ
ーザ装置においては、量子井戸層とバリア層が交互に積
層され、該量子井戸層が中央部で薄く、中央部から離れ
るにつれて厚くなり、かつ、各該量子井戸層に形成され
る価電子帯と伝導帯内の量子準位間のエネルギ差が同じ
である多重量子井戸構造を活性層として用いる構成を採
用した。

【００１６】

【作用】図１は、本発明のＭＱＷレーザ装置の斜視図で
ある。この図において、１は半導体基板、２は活性層、
３は埋め込み層および上部クラッド層、４は電流ブロッ
ク層、５は下部電極、６は上部電極、９、１０はレーザ
ミラー、１１、１２は反射防止膜である。なお、この図
には装置の寸方を示す記号１７〜２３があるが、後に実
施例の説明において引用する。

【００１７】このＭＱＷレーザは、下部クラッド層を兼
ねる半導体基板１の上に、活性層２を形成し、その側面
および上面に埋め込み層および上部クラッド層３を形成
し、埋め込み層３の上に電流を狭窄するための電流ブロ
ック層４を形成し、下面に下部電極５、上面に上部電極
を形成し、手前にレーザミラー９、その反対側の面にレ
ーザミラー１０を形成し、この両側のレーザミラー上に
反射防止膜１１、１２を形成して構成されている。そし
て、このＭＱＷレーザの活性層２は図１には示されてい
ないがＭＱＷ層によって構成されている。

【００１８】図２は、本発明のＭＱＷ活性層の一例の構
成図である。この図において、１は下部クラッド層、３
は上部クラッド層、２０１、２０７はＳＣＨ光ガイド層
、２０２は上部量子井戸層、２０３、２０５はバリア層
、２０４は中央量子井戸層、２０６は下部量子井戸層で
ある。

【００１９】この例は、量子井戸層の数が３で、ＳＣＨ
構造（ｓｅｐａｒａｔｅｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ　　ｈ
ｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）にしたものである。中
央の量子井戸層２０４がその上下の量子井戸層２０２、
２０６よりも薄く形成されている。量子井戸層の数が３
より多い場合は、中央の量子井戸層２０４を最も薄くし
、この中央の量子井戸層から上にいくほど厚い量子井戸
層、また、下にいくほど厚い量子井戸層を形成する。な
お、ＳＣＨ構造の光ガイド層２０１と２０７は必ずしも
必要ではない。

【００２０】図３は、図２のＭＱＷのエネルギバンド構
造図である。この図において、３’は半導体層３の価電
子帯の上端と伝導帯の底のエネルギ、２０１’は半導体
層２０１の価電子帯の上端と伝導帯の底のエネルギ、２
０３’は半導体層２０３の価電子帯の上端と伝導帯の底
のエネルギ、２０４’は半導体層２０４の価電子帯の上
端と伝導帯の底のエネルギ、２０５’は半導体層２０５
の価電子帯の上端と伝導帯の底のエネルギ、２０６’は
半導体層２０６の価電子帯の上端と伝導帯の底のエネル
ギ、２０７’は半導体層２０７の価電子帯の上端と伝導
帯の底のエネルギ、７０２は量子井戸層２０２の中の電
子の第１量子準位エネルギ、８０２は量子井戸層２０２
の中の正孔の第１量子準位エネルギ、７０４は量子井戸
層２０４の中の電子の第１量子準位エネルギ、８０４は
量子井戸層２０４の中の正孔の第１量子準位エネルギ、
７０６は量子井戸層２０６の中の電子の第１量子準位エ
ネルギ、８０６は量子井戸層２０６の中の正孔の第１量
子準位エネルギ、１’は半導体層１の価電子帯の上端と
伝導帯の底のエネルギである。

【００２１】このように、量子井戸層の幅を中央から離
れるにしたがって広くしたから、各量子井戸層を構成す
る半導体材料のフォトルミネッセンス波長が異なってい
ても、各量子井戸層中に形成された電子の第１量子準位
エネルギと正孔の第１量子準位エネルギ７０２−８０２
、７０４−８０４、７０６−８０６のエネルギ差がいず
れも等しくなっている。

【００２２】図４は、図２のＭＱＷ活性層の屈折率分布
図である。この図において、１″は半導体層１の屈折率
、２０７″は半導体層２０７の屈折率、２０６″は半導
体層２０６の屈折率、２０５″は半導体層２０５の屈折
率、２０４″は半導体層２０４の屈折率、２０３″は半
導体層２０３の屈折率、２０２″は半導体層２０２の屈
折率、２０１″は半導体層２０１の屈折率、３″は半導
体層３の屈折率、１５は平均的屈折率分布、１６はガイ
ドされる光の強度分布である。ここで、活性層に相当す
るのは、半導体層２０２、半導体層２０４および半導体
層２０６である。

【００２３】この屈折率分布の形状は図１０の屈折率分
布とほとんど同じであり、ＧＲＩＮＳＣＨと同じ光ガイ
ドが行われる。さらに、図１０の屈折率分布と比較する
と、図４の場合には活性層の占める合計面積が大きいか
ら、活性層とガイドされる光の強度分布が重なる部分の
、全体の光強度に対する比率で表される閉じ込め係数Γ
が大きくなる。図２、図３、図４は量子井戸層の数が３
の場合を示しているが、量子井戸層はこれより多くても
よいことはもちろんである。この活性層を構成する量子
井戸層の数を増加すると、光の閉じ込め係数Γはさらに
大きくなる。

【００２４】図５は、量子井戸層の数が５のＭＱＷ活性
層の屈折率分布図である。この図における符号は、２０
９″が半導体層２０９の屈折率、２１０″が半導体層２
１０の屈折率、２１１″が半導体層２１１の屈折率、２
１２″が半導体層２１２の屈折率であるほかは、図８で
説明したものと同じである。図９に示したものは、図８
に示したものに、新たに２０８、２１１の光ガイド層、
２０９、２１０の量子井戸層（ＱＷ）を付加したもので
ある（この場合の構成図は省略する。）。このように量
子井戸層の総数を増やすと、その平均的屈折率分布が滑
らかになり、さらに、図１０の屈折率に近づくようにな
る。

【００２５】図６は、本発明のＭＱＷのエネルギ状態密
度図である。この図は、図２の２０４と２０２あるいは
２０６のエネルギ状態密度を表している。

【００２６】この図の横軸はエネルギ、縦軸は状態密度
である。そして、２３、２４は、それぞれ図２の２０４
と２０２あるいは２０６の半導体層のバンドギャップエ
ネルギであり、ａとｂはそれぞれ図２の半導体層２０４
と２０２あるいは２０６のエネルギ状態密度である。こ
の図に示したように、中央の薄い量子井戸層２０４の状
態密度ａのほうが、厚い量子井戸層２０２あるいは２０
６の状態密度ｂより大きくなる。そのために、状態密度
が大きい中央の薄い量子井戸層２０４における利得が大
きくなる。

【００２７】したがって、図４で示した光強度分布１６
と、利得の両方が、中央で大きく、上下にいくほど小さ
くなるので、非常に効率がよい光のガイドが行われる。 以上説明したＭＱＷは、井戸層の上下方向の厚み分布が
対称であった。井戸層の厚み分布が対称であると、電流
分布が周辺に尾をひくことがなく、電流の閉じ込め係数
が大きくなる。しかし、活性層の量子井戸層の厚み分布
が完全に対称でなくても、上記本発明の効果は、その程
度に応じて奏される。また、先の説明は量子井戸層の数
が奇数の場合であったが、偶数の場合でも同等の効果を
奏する。

【００２８】図７は、活性層の数が偶数のＭＱＷの構成
図である。この図において、２０８がバリア層である他
は図２において説明したものと同様である。この場合は
、中央の２つの活性層が薄く対称に形成され、その中心
から離れるにつれて活性層が厚く形成されている。この
構成による効果は先に説明したところと同様である。 なお、図１に示したＭＱＷレーザにおいて、レーザミラ
ー面９と１０に反射防止膜１１と１２を形成したものを
示したが、これはこの半導体レーザに光増幅機能をもた
せる場合の処置である。半導体レーザの端面の反射が少
なくなると、これに入射した光は増幅されて反対側の端
面から出射する。

【００２９】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。 （第１実施例）本実施例の構成は、図１ないし図３に示
したものである。ただし、光増幅器として使用する場合
に必要な反射防止膜１１、１２を含まないものとする。

【００３０】本実施例の主要な特徴は以下のとおりであ
る。 本装置の長さＬ１７（図１参照）は、３００μｍ本装置
の幅Ｗ１８（図１参照）は、３００μｍ活性層の幅ｗ１
９（図１参照）は、１．５μｍ半導体基板１は、厚み１
００μｍ、キャリア濃度１×１０１８ メサ部の厚さ２０（図１参照）は、１μｍでｎ−ＩｎＰ
活性層２（図１参照）は、量子井戸層とバリア層２０１
〜２０７で構成されるＭＱＷ

【００３１】量子井戸層の材料、フォトルミネッセンス
波長（ＰＬ）、厚さは下記のとおりである。 　　　　　　　　　　　　　　　　材料　　　　フォト
ルミネッセンス波長（μｍ）厚さ（ｎｍ）　　半導体層
２０１　　　　ＩｎＧａＡｓＰ　　　　　　λＰＬ１．
３　　　　　　　　　　５００　　半導体層２０２　　
　　ＩｎＧａＡｓＰ　　　　　　　　　　１．５６　　
　　　　　　３００　　半導体層２０３　　　　ＩｎＧ
ａＡｓＰ　　　　　　　　　　１．３　　　　　　　　
　　１００　　半導体層２０４　　　　ＩｎＧａＡｓ　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　８０　　半導体層２０５　　　　ＩｎＧａＡｓ
Ｐ　　　　　　　　　　１．３　　　　　　　　　　１
００　　半導体層２０６　　　　ＩｎＧａＡｓＰ　　　
　　　　　　　１．５６　　　　　　　　３００　　半
導体層２０７　　　　ＩｎＧａＡｓＰ　　　　　　　　
　　１．３　　　　　　　　　　５００

【００３２】埋
め込み層３はｐ−ＩｎＰでキャリア濃度５×１０１７、
厚み２１（図１参照）は、１．５μｍ、厚み２２（図１
参照）は１μｍである。電流ブロック層４はｎ−ＩｎＰ
でキャリア濃度５×１０１７、厚み２１は０．５μｍで
ある。下部電極５は金電極であり、上部電極６は下から
順にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕと積層されたものである。

【００３３】なお、図７のように、中央の量子井戸層２
０４が２層以上であってもよいが、この場合にはバリア
２０８が新たに加わる。この場合、バリア２０８の組成
と厚さは２０３と同じである。本実施例の効果は下記の
とおりである。図４のような屈折率分布と光分布１６が
得られ、光の閉じ込め係数は従来例に比較して３倍程度
高くなる。

【００３４】そして、正味利得Γ・Ｇが従来の装置の３
倍になり、しきい値が約６０％に低減され、微分効率が
約１．７倍に改善された。図５のように、量子井戸層の
数をさらに増やしていくと、図９のように、より滑らか
な屈折率分布が得られ、閉じ込め率も更によくなる。さ
らに、図６のように中央の光強度の大きい部分における
状態密度が周辺より大きくなるので、中央ほど飽和利得
が大きくなり、高出力化に適した利得分布となる。

【００３５】本実施例においては、多重量子井戸構造の
組成と厚み変化が、量子井戸層に垂直な方向で対称であ
る構成を採用した。この場合、上下対称構造にした場合
、前記のように最も大きな閉じ込めが行われるため、し
きい値低下、微分効率上昇等の効果が最も大きくなる。

【００３６】（第２実施例）本実施例においては、レー
ザミラーとなる面に反射防止処理を施した構成を採用す
る。図１に示したように、レーザミラー面である９、１
０に反射防止膜１１、１２を形成すると半導体レーザ光
増幅器となる。この反射防止膜は、屈折率１．９、厚み
２９９９Åの窒化シリコン（ＳｉＮ）膜である。この場
合、Γ・Ｇが大きいため、利得が大きいレーザ光増幅器
となる。そして、中央の量子井戸層の状態密度が大きい
ので飽和パワーが大きくなる効果がある。

【００３７】

【発明の効果】本発明の半導体レーザ装置は、ＧＲＩＮ
ＳＣＨ構造の光ガイド層と同じ屈折率分布を実現でき、
しかも、活性層として機能する量子井戸を多数もつ量子
井戸レーザである。

【００３８】そして、従来のＧＲＩＮＳＣＨ構造との比
較から、ＧＲＩＮＳＣＨの光ガイド層を厚い量子井戸層
で置き換えた物と同じ光ガイド機構をもつとみなせるの
で、光の閉じ込め係数が大きく、利得が大きく、微分利
得が大きく、かつ、αパラメータが小さくなるため、低
しきい値、高効率、狭線幅のレーザ装置が実現でき、さ
らに、レーザ光増幅器として使用する場合は、高利得、
高飽和パワーが実現できる。そのため、本発明は、光通
信、光情報処理、光計測等の技術分野において寄与する
ところが大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＭＱＷレーザ装置の斜視図である。

【図２】本発明のＭＱＷ活性層の一例の構成図である。

【図３】図２のＭＱＷ活性層のエネルギバンド構造図で
ある。

【図４】図２のＭＱＷ活性層の屈折率分布図である。

【図５】量子井戸層の数が５のＭＱＷ活性層の屈折率分
布図である。

【図６】本発明のＭＱＷのエネルギ状態密度図である。

【図７】量子井戸層数が偶数のＭＱＷの構成図である。

【図８】ＧＲＩＮＳＱＷレーザ装置の活性層の構成図で
ある。

【図９】ＧＲＩＮＳＱＷレーザ装置の活性層のエネルギ
分布図である。

【図１０】ＧＲＩＮＳＱＷレーザ装置の活性層の屈折率
分布図である。

【符号の説明】

１’　　半導体基板１の価電子帯の上端と伝導帯の底の
エネルギ ３’　　上部クラッド層３の価電子帯の上端と伝導帯の
底のエネルギ ２０１’　　ＳＣＨ光ガイド層２０１の価電子帯の上端
と伝導帯の底のエネルギ ２０３’　　バリア層２０３の価電子帯の上端と伝導帯
の底のエネルギ ２０４’　　中央量子井戸層２０４の価電子帯の上端と
伝導帯の底のエネルギ ２０５’　　バリア層２０５の価電子帯の上端と伝導帯
の底のエネルギ ２０６’　　下部量子井戸層２０６の価電子帯の上端と
伝導帯の底のエネルギ ２０７’　　ＳＣＨ光ガイド層２０７の価電子帯の上端
と伝導帯の底のエネルギ ７０２　　　　上部量子井戸層２０２の中の電子の第１
量子準位エネルギ ８０２　　　　上部量子井戸層２０２の中の正孔の第１
量子準位エネルギ ７０４　　　　中央量子井戸層２０４の中の電子の第１
量子準位エネルギ ８０４　　　　中央量子井戸層２０４の中の正孔の第１
量子準位エネルギ ７０６　　　　下部量子井戸層２０６の中の電子の第１
量子準位エネルギ ８０６　　　　下部量子井戸層２０６の中の正孔の第１
量子準位エネルギ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　量子井戸層とバリア層が交互に積層さ
   れ、該量子井戸層が中央部で薄く、中央部から離れるに
   つれて厚くなり、かつ、各該量子井戸層に形成される価
   電子帯と伝導帯内の量子準位間のエネルギ差が同じであ
   る組成の多重量子井戸構造を活性層として用いたことを
   特徴とする半導体レーザ装置。
2. 【請求項２】　　多重量子井戸構造の組成と厚み変化が
   、その厚み方向の中央を境として量子井戸層に垂直な方
   向で対称であることを特徴とする請求項１記載の半導体
   レーザ装置。
3. 【請求項３】　　レーザミラーとなる面に反射防止処理
   を施したことを特徴とする請求項１または請求項２記載
   の半導体レーザ装置。