JPH04372188A - 半導体レーザ素子 - Google Patents
半導体レーザ素子Info
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- JPH04372188A JPH04372188A JP17715591A JP17715591A JPH04372188A JP H04372188 A JPH04372188 A JP H04372188A JP 17715591 A JP17715591 A JP 17715591A JP 17715591 A JP17715591 A JP 17715591A JP H04372188 A JPH04372188 A JP H04372188A
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- 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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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】本発明は、1μm付近で発振する
半導体レーザ素子に関する。
半導体レーザ素子に関する。
【0002】
【従来技術】化合物半導体レーザ素子は、材料の組み合
わせにより種々の波長での発振が可能である。例えば、
AlGaAsからなる活性層をGaAs基板上に形成し
た0.78μm発振の半導体レーザ素子はコンパクトデ
ィスクプレイヤー(CD)の信号の読出しに利用されて
いる。また、InGaAsPからなる活性層をInP基
板上に形成した1.3μmあるいは1.55μmの発振
波長の半導体レーザ素子は、石英ガラス光ファイバーを
用いた光通信に用いられる。半導体レーザ素子は、半導
体基板の上に、LPE(Liquid Phase E
pitaxy) 、MOCVD(Metal Orga
nic Chemical Vapor Deposi
tion )などのエピタキシャル成長法により、発光
を行わせる活性層、活性層に光およびキャリア、ホール
を有効に閉じ込めるクラッド層などからなるダブルヘテ
ロ構造を形成して成る。前記活性層およびクラッド層な
どのエピタキシャル成長層を良質な結晶にするためには
、エピタキシャル成長層の格子定数を基板の格子定数に
ほぼ等しくしなければならない。従って、用いる基板に
よってエピタキシャル成長層の組成が制限され、発振波
長もある範囲に制限される。現在入手可能な半導体レー
ザ素子は、GaAsまたはInP基板上に形成されたも
のである。表1に、これらの基板を用いた場合にカバー
できる波長範囲を示す。
わせにより種々の波長での発振が可能である。例えば、
AlGaAsからなる活性層をGaAs基板上に形成し
た0.78μm発振の半導体レーザ素子はコンパクトデ
ィスクプレイヤー(CD)の信号の読出しに利用されて
いる。また、InGaAsPからなる活性層をInP基
板上に形成した1.3μmあるいは1.55μmの発振
波長の半導体レーザ素子は、石英ガラス光ファイバーを
用いた光通信に用いられる。半導体レーザ素子は、半導
体基板の上に、LPE(Liquid Phase E
pitaxy) 、MOCVD(Metal Orga
nic Chemical Vapor Deposi
tion )などのエピタキシャル成長法により、発光
を行わせる活性層、活性層に光およびキャリア、ホール
を有効に閉じ込めるクラッド層などからなるダブルヘテ
ロ構造を形成して成る。前記活性層およびクラッド層な
どのエピタキシャル成長層を良質な結晶にするためには
、エピタキシャル成長層の格子定数を基板の格子定数に
ほぼ等しくしなければならない。従って、用いる基板に
よってエピタキシャル成長層の組成が制限され、発振波
長もある範囲に制限される。現在入手可能な半導体レー
ザ素子は、GaAsまたはInP基板上に形成されたも
のである。表1に、これらの基板を用いた場合にカバー
できる波長範囲を示す。
【0003】
【表1】
【0004】表1に示したように、一般的にGaAs基
板上の半導体レーザ素子の方が短波長域をカバーし、I
nP基板上の半導体レーザ素子は長波長域をカバーして
いる。No.4の半導体レーザ素子は、In1−P G
aP AsQ P1−Q 活性層のPとQを、活性層と
基板の格子定数が等しくなるように選ぶ必要はあるが、
かなり広い波長範囲で発振が可能である。しかし、1.
2μm以下の波長では、クラッド層として用いるInP
と活性層の屈折率およびバンドギャップエネルギーが近
くなり、活性層内に光、キャリアおよびホールを閉じ込
め難くなり、発振しきい値電流、発光効率などの特性が
悪化する。また、No.3の半導体レーザ素子は、活性
層にGaAs基板よりも格子定数が最大3%程度大きい
InR Ga1−RAsを用いている。この場合、活性
層の格子定数が基板の格子定数と異なるので、活性層を
通常の半導体レーザ素子の活性層の厚さに相当する0.
1μm程度の厚さの成長層にすると、転移が発生し、ま
ともな結晶が得られない。しかしながら、弾性変形のみ
で転移が生じない範囲(臨界膜厚以下)まで薄くすると
、良質の結晶を得ることができる。この膜厚は100Å
〜50Å程度であり、この厚さでは量子サイズ効果が現
れる。この量子効果により、格子定数を大きくするか、
膜厚を厚くすることによって長波長化することができる
が、いずれの場合も臨界膜厚に近づくため、発振の信頼
性が悪くなる。実用的な信頼性が得られる波長は1.0
μm程度までとなっている。
板上の半導体レーザ素子の方が短波長域をカバーし、I
nP基板上の半導体レーザ素子は長波長域をカバーして
いる。No.4の半導体レーザ素子は、In1−P G
aP AsQ P1−Q 活性層のPとQを、活性層と
基板の格子定数が等しくなるように選ぶ必要はあるが、
かなり広い波長範囲で発振が可能である。しかし、1.
2μm以下の波長では、クラッド層として用いるInP
と活性層の屈折率およびバンドギャップエネルギーが近
くなり、活性層内に光、キャリアおよびホールを閉じ込
め難くなり、発振しきい値電流、発光効率などの特性が
悪化する。また、No.3の半導体レーザ素子は、活性
層にGaAs基板よりも格子定数が最大3%程度大きい
InR Ga1−RAsを用いている。この場合、活性
層の格子定数が基板の格子定数と異なるので、活性層を
通常の半導体レーザ素子の活性層の厚さに相当する0.
1μm程度の厚さの成長層にすると、転移が発生し、ま
ともな結晶が得られない。しかしながら、弾性変形のみ
で転移が生じない範囲(臨界膜厚以下)まで薄くすると
、良質の結晶を得ることができる。この膜厚は100Å
〜50Å程度であり、この厚さでは量子サイズ効果が現
れる。この量子効果により、格子定数を大きくするか、
膜厚を厚くすることによって長波長化することができる
が、いずれの場合も臨界膜厚に近づくため、発振の信頼
性が悪くなる。実用的な信頼性が得られる波長は1.0
μm程度までとなっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、これま
では1.0〜1.2μmの範囲で実用的な信頼性をもち
、低しきい値電流、高発光効率で発振する半導体レーザ
素子が得られなかった。
では1.0〜1.2μmの範囲で実用的な信頼性をもち
、低しきい値電流、高発光効率で発振する半導体レーザ
素子が得られなかった。
【0006】
【課題を解決するための手段】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、InZ G
a1−Z As基板上に、InY Ga1−Y Pクラ
ッド層、InZ Ga1−Z As光閉じ込め層、In
X Ga1−X As単一歪量子井戸活性層、InZ
Ga1−Z As光閉じ込め層、InY Ga1−Y
Pクラッド層を順次積層したことを第1発明とし、第1
発明において、X≧Zであることを第2発明とし、第1
発明において、InZ Ga1−Z As基板とInY
Ga1−Y Pクラッド層の格子定数の比が、0.9
99以上、1.001以下であることを第3発明とする
ものである。
決した半導体レーザ素子を提供するもので、InZ G
a1−Z As基板上に、InY Ga1−Y Pクラ
ッド層、InZ Ga1−Z As光閉じ込め層、In
X Ga1−X As単一歪量子井戸活性層、InZ
Ga1−Z As光閉じ込め層、InY Ga1−Y
Pクラッド層を順次積層したことを第1発明とし、第1
発明において、X≧Zであることを第2発明とし、第1
発明において、InZ Ga1−Z As基板とInY
Ga1−Y Pクラッド層の格子定数の比が、0.9
99以上、1.001以下であることを第3発明とする
ものである。
【0007】
【作用】前述のように、活性層を構成する歪量子井戸層
の膜厚を厚くすると、発振波長は長くなる。そこで、本
発明では、InX Ga1−X As歪量子井戸層の臨
界膜厚がInZ Ga1−Z As基板上では、GaA
s基板上よりも厚くなるという新しい実験的知見を利用
したものである。即ち、InZ Ga1−Z As基板
上に活性層としてInX Ga1−X As歪量子井戸
層を形成すると、活性層の厚さを従来のGaAs基板上
よりも厚くすることが可能になり、その結果、発振波長
を1.0μmよりも長くすることができる。
の膜厚を厚くすると、発振波長は長くなる。そこで、本
発明では、InX Ga1−X As歪量子井戸層の臨
界膜厚がInZ Ga1−Z As基板上では、GaA
s基板上よりも厚くなるという新しい実験的知見を利用
したものである。即ち、InZ Ga1−Z As基板
上に活性層としてInX Ga1−X As歪量子井戸
層を形成すると、活性層の厚さを従来のGaAs基板上
よりも厚くすることが可能になり、その結果、発振波長
を1.0μmよりも長くすることができる。
【0008】
【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。 実施例1.図1は本発明にかかる半導体レーザ素子の一
実施例の断面構造の説明図である。図中、1はS(硫黄
)をドープしたn型In0.1 Ga0.9 As基板
であり、面方位は(100)とした。2は0.5μm厚
さのn型In0.1 Ga0.9 Asバッファ層であ
り、3は前記In0.1 Ga0.9 Asにほぼ格子
整合する1.5μm厚さのn型In0.57Ga0.4
3Pクラッド層であり、4は厚さ500ÅのIn0.1
Ga0.9 Asからなる光閉じ込め層兼障壁層であ
り、5は70Å厚さのIn0.4 Ga0.6 As単
一歪量子井戸活性層であり、6は500Å厚さのIn0
.1 Ga0.9 Asからなる光閉じ込め層兼障壁層
であり、7は1.5μm厚さのp型In0.57Ga0
.43Pクラッド層であり、8は0.5μm厚さのp型
In0.1 Ga0.9 Asコンタクト層である。と
ころで、ベガード則によれば、In1−XGaX As
Y P1−Y の組成で表される半導体結晶の格子定数
a(Å)は次式で表される。即ち、 a(Å)= 5.869 − 0.42X + 0.1
8Y + 0.02XYこの式によれば、基板1、バッ
ファ層2、光閉じ込め層4、6、コンタクト層8を構成
するIn0.1 Ga0.9 Asの格子定数は、X=
0.9、Y=1として、5.689Åとなり、クラッド
層3、7を構成するIn0.57Ga0.43Pの格子
定数は5.688Åとなる。したがって、クラッド層3
、7と隣接する各層との格子不整合率は約0.02%と
なり、格子定数の差は問題にならないほど小さい(通常
、0.1%以下なら問題はない)。また、単一歪量子井
戸活性層5を構成する70Å厚さのIn0.4 Ga0
.6 Asの格子定数は5.809Åとなり、基板1よ
りも2.1%大きいが、以下に述べるように、臨界膜厚
が90Åであるため、70Å厚さの単一歪み量子井戸活
性層5は、転位を生じることなく成長することができる
。ところで本実施例は、以下の実験事実に基づいている
。図2は、In0.1 Ga0.9 As基板上にIn
Z Ga1−Z As(Z=0.4、0.5、0.6)
単一量子井戸層を形成し、転位の有無を調べた結果を示
したものである。実線は、Zを変えた場合の臨界膜厚を
示している。同様に、基板をGaAsにした場合の臨界
膜厚を点線で示した。図2からわかるように、基板をG
aAsからIn0.1 Ga0.9 Asに変えること
により、臨界膜厚は20〜30Å増加する。Z=0.4
では、臨界膜厚は90Åになる。上記ダブルヘテロ構造
の上面および下面にそれぞれ、AuZn、AuGeNi
/Auの合金電極を真空蒸着法により形成し、へき開し
て作製した幅250μm、共振器長600μmの全面電
極型半導体レーザ素子の発振しきい値電流密度は130
A/cm2 であり、発振波長は1.12μmであった
。因みに、発振しきい値電流密度はGaAs基板上に形
成した0.98μm発振の半導体レーザ素子と同様に低
い値であり、発振波長はGaAs基板上に形成したIn
GaAs歪量子井戸半導体レーザ素子では発振しえない
波長であった。 実施例2.前記実施例と同一構造のダブルヘテロ構造で
、100Å厚さのIn0.2 Ga0.8 As歪量子
井戸活性層をIn0.1 Ga0.9 As基板とGa
As基板上に形成し、幅5μmのリッジ導波型で、共振
器長600μmの2種類の半導体レーザ素子を製作した
。発振波長は室温で何れも0.980±0.005μm
であった。このようにして製作した2種類、各20個の
素子について、70℃、50mWの定出力駆動1000
時間の信頼性試験を行った。その結果、1000時間後
の駆動電流の上昇率は、GaAs基板上のものは+8.
8%であるのに対し、In0.1 Ga0.9 As基
板上のものは+1.2%とはるかに小さかった。これは
、基板に対する活性層の格子不整合が小さくなるために
、DLD(Dark Line Defect) の成
長速度が減少することによると考えられる。 このことから、従来のGaAs基板上に形成した歪量子
井戸半導体レーザ素子から得られた1μm付近の発振波
長域についても、本発明により信頼性が向上した半導体
レーザ素子をえることができる。なお、量子井戸活性層
はInGaAs基板に格子整合していてもよい。また、
InZ Ga1−Z As基板の組成は実施例に限定さ
れることはない。また、量子井戸層は多層でもよい。ま
た、各層の組成、層厚は実施例に限定されることはない
。また、光閉じ込め層にGRIN構造を用いても良い。
を詳細に説明する。 実施例1.図1は本発明にかかる半導体レーザ素子の一
実施例の断面構造の説明図である。図中、1はS(硫黄
)をドープしたn型In0.1 Ga0.9 As基板
であり、面方位は(100)とした。2は0.5μm厚
さのn型In0.1 Ga0.9 Asバッファ層であ
り、3は前記In0.1 Ga0.9 Asにほぼ格子
整合する1.5μm厚さのn型In0.57Ga0.4
3Pクラッド層であり、4は厚さ500ÅのIn0.1
Ga0.9 Asからなる光閉じ込め層兼障壁層であ
り、5は70Å厚さのIn0.4 Ga0.6 As単
一歪量子井戸活性層であり、6は500Å厚さのIn0
.1 Ga0.9 Asからなる光閉じ込め層兼障壁層
であり、7は1.5μm厚さのp型In0.57Ga0
.43Pクラッド層であり、8は0.5μm厚さのp型
In0.1 Ga0.9 Asコンタクト層である。と
ころで、ベガード則によれば、In1−XGaX As
Y P1−Y の組成で表される半導体結晶の格子定数
a(Å)は次式で表される。即ち、 a(Å)= 5.869 − 0.42X + 0.1
8Y + 0.02XYこの式によれば、基板1、バッ
ファ層2、光閉じ込め層4、6、コンタクト層8を構成
するIn0.1 Ga0.9 Asの格子定数は、X=
0.9、Y=1として、5.689Åとなり、クラッド
層3、7を構成するIn0.57Ga0.43Pの格子
定数は5.688Åとなる。したがって、クラッド層3
、7と隣接する各層との格子不整合率は約0.02%と
なり、格子定数の差は問題にならないほど小さい(通常
、0.1%以下なら問題はない)。また、単一歪量子井
戸活性層5を構成する70Å厚さのIn0.4 Ga0
.6 Asの格子定数は5.809Åとなり、基板1よ
りも2.1%大きいが、以下に述べるように、臨界膜厚
が90Åであるため、70Å厚さの単一歪み量子井戸活
性層5は、転位を生じることなく成長することができる
。ところで本実施例は、以下の実験事実に基づいている
。図2は、In0.1 Ga0.9 As基板上にIn
Z Ga1−Z As(Z=0.4、0.5、0.6)
単一量子井戸層を形成し、転位の有無を調べた結果を示
したものである。実線は、Zを変えた場合の臨界膜厚を
示している。同様に、基板をGaAsにした場合の臨界
膜厚を点線で示した。図2からわかるように、基板をG
aAsからIn0.1 Ga0.9 Asに変えること
により、臨界膜厚は20〜30Å増加する。Z=0.4
では、臨界膜厚は90Åになる。上記ダブルヘテロ構造
の上面および下面にそれぞれ、AuZn、AuGeNi
/Auの合金電極を真空蒸着法により形成し、へき開し
て作製した幅250μm、共振器長600μmの全面電
極型半導体レーザ素子の発振しきい値電流密度は130
A/cm2 であり、発振波長は1.12μmであった
。因みに、発振しきい値電流密度はGaAs基板上に形
成した0.98μm発振の半導体レーザ素子と同様に低
い値であり、発振波長はGaAs基板上に形成したIn
GaAs歪量子井戸半導体レーザ素子では発振しえない
波長であった。 実施例2.前記実施例と同一構造のダブルヘテロ構造で
、100Å厚さのIn0.2 Ga0.8 As歪量子
井戸活性層をIn0.1 Ga0.9 As基板とGa
As基板上に形成し、幅5μmのリッジ導波型で、共振
器長600μmの2種類の半導体レーザ素子を製作した
。発振波長は室温で何れも0.980±0.005μm
であった。このようにして製作した2種類、各20個の
素子について、70℃、50mWの定出力駆動1000
時間の信頼性試験を行った。その結果、1000時間後
の駆動電流の上昇率は、GaAs基板上のものは+8.
8%であるのに対し、In0.1 Ga0.9 As基
板上のものは+1.2%とはるかに小さかった。これは
、基板に対する活性層の格子不整合が小さくなるために
、DLD(Dark Line Defect) の成
長速度が減少することによると考えられる。 このことから、従来のGaAs基板上に形成した歪量子
井戸半導体レーザ素子から得られた1μm付近の発振波
長域についても、本発明により信頼性が向上した半導体
レーザ素子をえることができる。なお、量子井戸活性層
はInGaAs基板に格子整合していてもよい。また、
InZ Ga1−Z As基板の組成は実施例に限定さ
れることはない。また、量子井戸層は多層でもよい。ま
た、各層の組成、層厚は実施例に限定されることはない
。また、光閉じ込め層にGRIN構造を用いても良い。
【0009】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
InZ Ga1−Z As基板上に、InY Ga1−
Y Pクラッド層、InZ Ga1−Z As光閉じ込
め層、InX Ga1−X As単一歪量子井戸活性層
、InZ Ga1−Z As光閉じ込め層、InY G
a1−Y Pクラッド層を順次積層してあるため、1.
0〜1.2μmの発振波長を有する半導体レーザ素子が
得られ、また、0.9〜1.1μの発振波長域において
も信頼性の高い半導体レーザ素子が得られるという優れ
た効果がある。
InZ Ga1−Z As基板上に、InY Ga1−
Y Pクラッド層、InZ Ga1−Z As光閉じ込
め層、InX Ga1−X As単一歪量子井戸活性層
、InZ Ga1−Z As光閉じ込め層、InY G
a1−Y Pクラッド層を順次積層してあるため、1.
0〜1.2μmの発振波長を有する半導体レーザ素子が
得られ、また、0.9〜1.1μの発振波長域において
も信頼性の高い半導体レーザ素子が得られるという優れ
た効果がある。
【図1】本発明に係る半導体レーザ素子の一実施例の断
面構造説明図である。
面構造説明図である。
【図2】InZ Ga1−Z As歪量子井戸膜厚と転
位発生の関係を示す図である。
位発生の関係を示す図である。
1 基板
2 バッファ層
3、7 クラッド層
4、6 光閉じ込め層
5 単一歪量子井戸活性層8
コンタクト層
コンタクト層
Claims (3)
- 【請求項1】 InZ Ga1−Z As基板上に、
InY Ga1−Y Pクラッド層、InZ Ga1−
Z As光閉じ込め層、InX Ga1−X As単一
歪量子井戸活性層、InZ Ga1−Z As光閉じ込
め層、InY Ga1−Y Pクラッド層を順次積層し
たことを特徴とする半導体レーザ素子。 - 【請求項2】 X≧Zであることを特徴とする請求項
1記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項3】 InZ Ga1−Z As基板とIn
Y Ga1−Y Pクラッド層の格子定数の比が、0.
999以上、1.001以下であることを特徴とする請
求項1記載の半導体レーザ素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17715591A JPH04372188A (ja) | 1991-06-20 | 1991-06-20 | 半導体レーザ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17715591A JPH04372188A (ja) | 1991-06-20 | 1991-06-20 | 半導体レーザ素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04372188A true JPH04372188A (ja) | 1992-12-25 |
Family
ID=16026151
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP17715591A Pending JPH04372188A (ja) | 1991-06-20 | 1991-06-20 | 半導体レーザ素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH04372188A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2703188A1 (fr) * | 1993-03-23 | 1994-09-30 | Fujitsu Ltd | Dispositif à semiconducteur optique doté d'un puits quantique contraint. |
NL1000253C2 (nl) * | 1994-04-28 | 1996-11-12 | Mitsubishi Electric Corp | Halfgeleiderlasertoestel en de wijze van vervaardiging daarvan. |
JP2007066930A (ja) * | 2005-08-29 | 2007-03-15 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光半導体装置 |
JP2008209863A (ja) * | 2007-02-28 | 2008-09-11 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 半導体変調器及び光半導体装置 |
-
1991
- 1991-06-20 JP JP17715591A patent/JPH04372188A/ja active Pending
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2703188A1 (fr) * | 1993-03-23 | 1994-09-30 | Fujitsu Ltd | Dispositif à semiconducteur optique doté d'un puits quantique contraint. |
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JP4641230B2 (ja) * | 2005-08-29 | 2011-03-02 | 日本電信電話株式会社 | 光半導体装置 |
JP2008209863A (ja) * | 2007-02-28 | 2008-09-11 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 半導体変調器及び光半導体装置 |
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