JPH06104530A

JPH06104530A - 半導体発光装置

Info

Publication number: JPH06104530A
Application number: JP25005392A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Ogita; 省一荻田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1992-09-18
Filing date: 1992-09-18
Publication date: 1994-04-15

Abstract

(57)【要約】【目的】量子井戸構造の活性層を有する半導体発光装置
に関し、注入電流の変化による励起光の波長変動を抑制
すること。【構成】量子井戸層７とそれを挟む障壁層６の伝導帯の
エネルギー差が、バイアス電流の注入によって該量子井
戸層７から該障壁層６にキャリアを溢れさせる大きさを
有する量子井戸構造によって構成され、該量子井戸層７
のサブバンドで決定される発光波長より短い波長で発光
する活性層４を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体発光装置に関
し、より詳しくは、量子井戸構造の活性層を有する半導
体発光装置に関する。

【０００２】光ファイバ通信は、公衆電話回線の幹線系
用として幅広く普及している。最近では、高品位ＴＶ画
像の伝送などが可能となる広帯域ＩＳＤＮ等、一層の大
容量通信サービスが計画されている。このような大容量
光ファイバ通信システムにおいては、光の信号を光のま
ま直接増幅できる光ファイバアンプが多数必要とされ
る。

【０００３】

【従来の技術】光ファイバアンプは、石英製の光ファイ
バに微量の希土類元素をドープしてなる特殊なファイバ
を用いた光増幅器である。そして、ドープされた希土類
元素によって決まる特定の波長の光を、そのファイバに
注入する（励起する）ことにより、ファイバを通る光の
信号を増幅することができる。

【０００４】例えば、エルビウムをドープしたファイバ
を数十ｍＷ程度の波長1.４８μｍのレーザ光で励起する
ことにより、波長1.５５μｍ付近の微弱な光の信号を２
０〜３０ｄＢ増幅することができる。

【０００５】この光ファイバアンプを実現するために
は、ドープした希土類元素によって決まる特定の波長の
励起光を高効率で発振する半導体レーザが要求される。
そこで、レーザ発振に必要なキャリア密度（閾値キャリ
ア密度）を低くし、かつレーザ共振器内の損失をできる
だけ少なくして半導体レーザを高効率化することが行わ
れている。一方、共振器内の損失を減らすためには、活
性層を薄くする方法が有利であるが、活性層を薄くする
ほどレーザ発振に必要な利得が大きくなるため、閾値キ
ャリア密度が増大してしまう。

【０００６】これに対して、閾値キャリア密度の増大を
抑えるために、図５(a) のエネルギーバンドに示すよう
に障壁層５１により量子井戸層５２を挟んでなる量子井
戸構造を半導体レーザの活性層に適用する方法が良く用
いられており、このような量子井戸構造とすることで、
同じキャリア密度であっても従来のバルクの場合に比べ
て数倍以上の利得を得ることができ、閾値キャリア密度
を著しく増大させることなく、活性層を薄層化できる。

【０００７】この場合、閾値キャリア密度をさらに低減
するために、光子エネルギーに換算する障壁層５１の組
成と発振波長の差を２００meV 以上、又は量子井戸層５
２の厚さを３nm以上としている。

【０００８】その結果、低駆動電流で、高出力のレーザ
光を得ることができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このように活
性層を量子井戸構造にした場合でも、また、従来のバル
クの場合でも、注入電流の増大に伴い発生する熱によ
り、活性層５２におけるバンドギャップエネルギーＥｇ
が狭くなる。実際の素子で測定してみると、図５(b) に
示すように駆動電流の増加にともなって発振ピークの波
長が長波長側にシフトするという問題が生じている。

【００１０】とくに、励起光の強度を一定として動作さ
せた場合、素子の経時的劣化に伴う駆動電流の増大と共
に発振波長が変化してしまうため、光ファイバアンプの
利得を一定に保つのが困難になる。

【００１１】本発明はこのような問題に鑑みてなされた
ものであって、駆動電流の変化による励起光の波長変動
を抑制することができる半導体発光装置を提供すること
を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記した課題は、図１に
例示するように、量子井戸層７とそれを挟む障壁層６の
伝導帯のエネルギー差が、バイアス電流の注入によって
該量子井戸層７から該障壁層６にキャリアを溢れさせる
大きさを有する量子井戸構造によって構成され、該量子
井戸層７のサブバンドで決定される発光波長より短い波
長で発光する活性層４を有することを特徴とする半導体
発光装置により達成する。

【００１３】または、前記障壁層６のバンドギャップエ
ネルギーと発光波長とのエネルギー差は１００meV 以
下、又は、前記量子井戸層７の層厚が３nm未満であるこ
とを特徴とする半導体発光装置により達成する。

【００１４】または、前記量子井戸層７を構成する半導
体の格子定数は前記障壁層６と異なり、前記活性層４が
歪量子井戸構造となっていることを特徴とする半導体発
光装置によって達成する。

【００１５】

【作用】本発明によれば、キャリア注入量の増大に伴
って、キャリアを量子井戸層７から障壁層６へ溢れさせ
るようにし、かつ量子井戸層７における高エネルギー側
のキャリア密度を高くしている。また、量子井戸層７か
らキャリアを溢れさせて障壁層６内のキャリア濃度を高
くすると、障壁層６での自由キャリアの吸収が増大し、
共振器内の損失が増え、閾値キャリア密度が高くなる。

【００１６】その結果、図３(c) に例示するように、活
性層４内の利得のピークは短波長側に大幅にシフトす
る。また、障壁層６の伝導帯のエネルギーが低い状態で
は、活性層４の温度上昇と共に溢れるキャリアの数は増
大し、活性層４の温度が高いほど利得のピークはさらに
短波長側にシフトすることになる。

【００１７】従って、活性層４における量子井戸の量子
準位と障壁との高さを適当に設定することで、温度上昇
による活性層４のバンドキャップエネルギーの減少、即
ち長波長側へのシフトを、キャリアの障壁層６へのオー
バーフロー効果によりキャンセルすることができ、発振
波長の変動が抑制される。

【００１８】なお、量子井戸層の厚さを１nm程度と非常
に薄くしたり、また、障壁層６のバンドギャップエネル
ギーを小さめに設定すると、キャリア密度の増大に伴っ
て、高エネルギー側にあるキャリアが量子井戸層７に隣
接する障壁層６へ溢れ易くなる。

【００１９】また、活性層４を歪量子井戸構造にする
と、従来のバルクの半導体を用いた活性層（厚さ＞５０
nm）に比べて発光効率が高く、厚さ２nm程度の量子井戸
層７でも十分に大きな利得が得られる。

【００２０】

【実施例】そこで、以下に本発明の実施例を図面に基づ
いて説明する。図１は、本発明の一実施例を示す装置の
斜視図、図２は、その活性層のエネルギーバンド図であ
る。

【００２１】図１において符号１は、n-InP 基板２に形
成された発振波長約１．４２μｍの半導体レーザで、こ
のn-InP 基板２の上部の断面メサ状に形成された帯状の
領域には、第一の光閉じ込め層（ＳＣＨ層）３と、歪多
重量子井戸構造の活性層４と、第二の光閉じ込め層５が
順に形成されている。

【００２２】その歪多重量子井戸構造の活性層４は、図
１(b) に示すように、例えば、波長1.３μｍ組成のInGa
AsP 障壁層６によって挟まれたIn₀.₇ Ga₀.₃As量子井戸
層７を３層ずつ積層して構成されている。また、光閉じ
込め層３，５は波長1.１μｍ組成のInGaAsP から構成さ
れている。

【００２３】この場合、量子井戸層７の厚さを1.５nm、
障壁層６の厚さを１０nm、光閉じ込め層３，５の厚さを
１００nmとする。また、第二の光閉じ込め層５の両側に
は、p-InP 層８、n-InP 層９が埋め込まれ、さらに、そ
のn-InP 層９と第二の光閉じ込め層５の上には、p-InP
層１０が積層され、これにより活性層４の両側では高さ
方向にｐｎｐｎ構造が設けられることになる。

【００２４】上側のp-InP 層１０は、p-InGaAsP コンタ
クト層１１に覆われ、その上には、活性層４に沿った窓
１２を有するSiO₂層１３が形成されており、その窓１２
を通してTi／Pt／Auの多層構造よりなるｐ電極１４が形
成されている。一方、n-InP基板２の底面にはAuGe／Au
の層構造のｎ電極１５が形成されている。

【００２５】なお、この半導体レーザは、共振器長が６
００μｍで、両端面が劈開面のファブリペロータイプで
ある。上記した実施例において、ｐ型電極１４からｎ型
電極１５に向けて駆動電流を流してレーザ発振させる
と、図２(a) に示すように、量子井戸における伝導帯と
価電子帯の量子準位間の遷移によって発光が生じ、電流
増加により温度が高くなると図２(b) に示すように、伝
導帯下端Ｅc と価電子帯上端Ｅv とのエネルギーバンド
ギャップＥg₁が小さくなる。

【００２６】ところで、従来の半導体レーザでは、電流
の注入量を多くすると図３(a) に示すように、電子密度
のピークがＡからＢへとエネルギーが大きい方に変化し
てゆくことになる。

【００２７】ここで、駆動電流による熱が生じないとす
れば、図３(b) の実線で示すように電流密度の増加によ
り利得のピークの波長が短波長側に変化することにな
る。しかし、実際には、伝導帯と価電子帯の量子準位間
のエネルギーギャップＥg は、駆動電流の増加による熱
の発生によって狭くなり、利得の特性は図３(b) の二点
鎖線で示すように、長波長側にシフトする。その波長の
変化は、利得の増加による波長の変化よりも大きくな
る。この結果、図５(b) に示すような駆動電流・ピーク
波長特性となる。

【００２８】これに対して、本実施例では、活性層４の
量子井戸層７の厚さが、１．５nmと薄く、量子サイズ効
果による量子準位が従来よりも高くなる。しかも、障壁
層６の組成波長を１．３μｍとしているので、光子エネ
ルギーに換算した障壁層６の組成は、発振波長に比べて
８０〜１００meV 程度高いエネルギーとなり、従来より
も小さくなる。なお、発振波長は、図２(a) に示す伝導
帯と価電子帯の量子準位間のエネルギーＥg₀である。

【００２９】このような構造で、駆動電流と発振ピーク
波長との関係を調べてみると、図４に示すようになる。
すなわち、駆動電流の増加につれて発振波長は僅かに短
波長側にシフトするが、図５(b) に示すような従来に比
べて波長の大きな変化はみられない。これは、次のよう
な理由による。

【００３０】上記した実施例では、障壁層６の伝導帯下
端に対する量子井戸の量子準位は、例えば１００meV と
従来よりも浅いので、電流注入量を増加させると、量子
井戸層７から障壁層６へ溢れ易い構造となっている。

【００３１】したがって、電流注入量を増加させると、
量子井戸のキャリア濃度が高くなるとともに、障壁層に
溢れるキャリアも多くなり、図２(b) に示すように、キ
ャリア密度が高くなる。

【００３２】この場合、障壁層６では、電子密度が高く
なるほどプラズマ効果による自由電子の吸収が増大する
ので、共振器内の損失が増えて閾値電子密度が高くな
り、量子井戸層４内の電子密度のピークは、図３(a) に
示すように従来の装置よりもエネルギーの高い部分Ｃに
シフトするため、量子準位により決定される発光波長よ
りも短い波長の発光量が増える。さらに、活性層４の温
度上昇とともに、溢れるキャリアの数は増大する。

【００３３】その温度上昇を考慮した利得と波長の関係
を示すと、図３(b) の実線から図３(c) の実線のような
状態に変化し、電流の増加による利得のピークは従来装
置よりも短波長側に大幅にシフトし、熱の増加による波
長の変化をキャンセルすることになる。これにより、図
４に示すような特性が得られる。

【００３４】なお、従来は、閾値キャリア密度の低減だ
けを考えて、図２(c) に示すように、量子井戸層２１か
らキャリアが溢れないように量子井戸層２１の厚さと障
壁層２２の組成を決定し、量子井戸層２１の量子準位と
障壁層２２の伝導帯下端とのエネルギー差ΔＥg を２０
０meV よりも大きくしていた。

【００３５】ところで、上記した実施例によれば、InGa
As量子井戸層７は数原子と非常に薄く、InP 基板２や障
壁層６より格子定数が大きくても整合が取れるので、上
記した活性層４は歪量子井戸構造であり、少ないキャリ
アで強度の大きな光が出力されることになる。

【００３６】このような歪量子井戸構造にする場合に
は、量子井戸層４を構成する半導体の格子定数が、基板
２に対して２％〜−２％であればよい。なお、上記した
発振波長は1.４２μｍとしたが、1.４８μｍの励起光源
とする場合には、障壁層６の組成を1.３３〜1.３５μｍ
程度とすれば、障壁層６と発振波長のエネルギー差を１
００meV 以下にすることができる。

【００３７】上記した実施例では、両端面を反射鏡とし
て利用したファブリペロータイプの半導体レーザの活性
層について説明したが、量子井戸活性層の電極側に回折
格子を設けてＤＦＢレーザとしたり、或いは、多重量子
井戸活性層の両端にＤＢＲミラーを設けたＤＢＲレーザ
としてもよい。

【００３８】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、電流
注入の増大に伴って、キャリアを量子井戸層から障壁層
へ溢れさせるようにしたので、量子井戸層からキャリア
を溢れさせて障壁層内のキャリア濃度を高くすると、自
由キャリアの吸収が増大し、共振器内の損失が増え、閾
値キャリア密度が高くなり、また、量子井戸層における
高エネルギー側のキャリア密度が高くなり、この結果、
活性層内の利得のピークは短波長側に大幅にシフトす
る。

【００３９】また、障壁層が低い状態では、活性層の温
度上昇と共に溢れるキャリアの数は増大し、活性層の温
度が高いほど利得のピークは短波長側にシフトすること
になる。

【００４０】従って、活性層における量子井戸の量子準
位と障壁との高さを適当に設定することで、温度上昇に
よる活性層のバンドキャップエネルギーの減少、即ち長
波長側へのシフトを、キャリアの障壁層へのオーバーフ
ロー効果によりキャンセルすることができ、発振波長の
変動を抑制できる。

【００４１】なお、量子井戸層の厚さを３nm未満と薄く
したり、また、障壁層のバンドギャップエネルギーを小
さめに設定すると、キャリア密度の増大に伴って、高エ
ネルギー側にあるキャリアが量子井戸層に隣接する障壁
層へ溢れ易くすることができる。

【００４２】また、活性層を歪量子井戸構造にすると、
従来のバルクの半導体を用いた活性層に比べて発光効率
が高く、厚さ２nm程度の量子井戸層でも十分に大きな利
得を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す半導体レーザの斜視図
及びその活性層のエネルギーバンド図である。

【図２】本発明の一実施例における量子井戸構造のエネ
ルギーバンド図である。

【図３】本発明の一実施例におけるキャリア状態密度
と、利得を示す特性図である。

【図４】本発明の一実施例の駆動電流とピーク波長の関
係を示す特性図である。

【図５】従来装置における量子井戸構造活性層のエネル
ギーバンド図と、駆動電流・ピーク波長特性図である。

【符号の説明】

１半導体レーザ２ n-InP 基板３、５光閉じ込め層４活性層６障壁層７井戸層８ p-InP 層９ n-InP 層１０ p-InP 層１１ p-InGaAsP コンタクト層１２窓１３ SiO₂膜１４ｐ電極１５ｎ電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】量子井戸層（７）とそれを挟む障壁層
（６）の伝導帯のエネルギー差が、バイアス電流の注入
によって該量子井戸層（７）から該障壁層（６）にキャ
リアを溢れさせる大きさを有する量子井戸構造によって
構成され、該量子井戸層（７）のサブバンドで決定され
る発光波長より短い波長で発光する活性層（４）を有す
ることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】前記障壁層（６）のバンドギャップエネル
ギーと前記発光波長とのエネルギー差は１００meV 以
下、又は、前記量子井戸層（７）の層厚が３nm未満であ
ることを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
【請求項３】前記量子井戸層（７）を構成する半導体の
格子定数は前記障壁層（６）と異なり、前記活性層
（４）が歪量子井戸構造となっていることを特徴とする
半導体発光装置。