JPH06334265A - 量子井戸型半導体レーザ - Google Patents
量子井戸型半導体レーザInfo
- Publication number
- JPH06334265A JPH06334265A JP5116782A JP11678293A JPH06334265A JP H06334265 A JPH06334265 A JP H06334265A JP 5116782 A JP5116782 A JP 5116782A JP 11678293 A JP11678293 A JP 11678293A JP H06334265 A JPH06334265 A JP H06334265A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- quantum well
- barrier
- well
- semiconductor laser
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- 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
-
- 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
- H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
-
- 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
- H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
- H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure
- H01S5/2009—Confining in the direction perpendicular to the layer structure by using electron barrier layers
- H01S5/2013—MQW barrier reflection layers
-
- 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
- H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
- H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
- H01S5/227—Buried mesa structure ; Striped active layer
- H01S5/2275—Buried mesa structure ; Striped active layer mesa created by etching
-
- 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
- H01S5/34306—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 emitting light at a wavelength longer than 1000nm, e.g. InP based 1300 and 1500nm lasers
-
- 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
- H01S5/3434—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 with a well layer comprising at least both As and P as V-compounds
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S977/00—Nanotechnology
- Y10S977/70—Nanostructure
- Y10S977/755—Nanosheet or quantum barrier/well, i.e. layer structure having one dimension or thickness of 100 nm or less
- Y10S977/759—Quantum well dimensioned for intersubband transitions, e.g. for use in unipolar light emitters or quantum well infrared photodetectors
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S977/00—Nanotechnology
- Y10S977/70—Nanostructure
- Y10S977/755—Nanosheet or quantum barrier/well, i.e. layer structure having one dimension or thickness of 100 nm or less
- Y10S977/761—Superlattice with well or barrier thickness adapted for increasing the reflection, transmission, or filtering of carriers having energies above the bulk-form conduction or valence band energy level of the well or barrier, i.e. well or barrier with n-integer-λ-carrier-/4 thickness
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Geometry (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Recrystallisation Techniques (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 量子井戸型半導体レーザの特性を向上する。
【構成】 量子井戸構造の活性層４に接して配置され
た、相互に組成の異なる半導体層を交互に複数層積層し
てなり、上記半導体層の組成，層厚，及び積層数が、上
記活性層内に注入されるキャリアに対して材料固有のエ
ネルギー障壁よりも高いエネルギー障壁を形成し、かつ
活性層近傍の屈折率分布が電界を活性層部分に集中させ
る屈折率分布となるように調整された、多重量子障壁
（ＭＱＢ）構造の光閉じ込め層３，５を備えた構成とし
た。 【効果】 活性層内への光の閉じ込め量を増大できると
ともに、ＭＱＢの電子波干渉効果により、キャリアの光
閉じ込め層へのオーバーフローを抑制でき、これによ
り、しきい値の低減，外部量子効率の向上，動特性の向
上が図れる。
た、相互に組成の異なる半導体層を交互に複数層積層し
てなり、上記半導体層の組成，層厚，及び積層数が、上
記活性層内に注入されるキャリアに対して材料固有のエ
ネルギー障壁よりも高いエネルギー障壁を形成し、かつ
活性層近傍の屈折率分布が電界を活性層部分に集中させ
る屈折率分布となるように調整された、多重量子障壁
（ＭＱＢ）構造の光閉じ込め層３，５を備えた構成とし
た。 【効果】 活性層内への光の閉じ込め量を増大できると
ともに、ＭＱＢの電子波干渉効果により、キャリアの光
閉じ込め層へのオーバーフローを抑制でき、これによ
り、しきい値の低減，外部量子効率の向上，動特性の向
上が図れる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、光通信等に用いられ
る量子井戸型半導体レーザに関し、特に、しきい値電流
を低減でき、かつレーザの動特性を向上できる量子井戸
型半導体レーザに関するものである。
る量子井戸型半導体レーザに関し、特に、しきい値電流
を低減でき、かつレーザの動特性を向上できる量子井戸
型半導体レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザが活性層に量子井戸構造を
導入することにより飛躍的にその性能を向上させたこと
は、よく知られたことである。量子井戸とは、層厚を電
子のドブロイ波長程度まで薄膜化、即ち約１００オング
ストローム以下にすることにより生ずる量子サイズ効果
を利用したもので、半導体レーザに適用する場合には、
活性層に単層、もしくは周期的な複数の層を導入する。
このような量子井戸型レーザでは、量子井戸層にキャリ
アが注入され、発光再結合することにより、従来のバル
ク結晶に比べ、著しく大きい光学利得を得ることができ
る。この結果、半導体レーザの低いしきい値化，スペク
トル線幅の狭小化，あるいは、ダイナミック特性の向上
等が実現される。
導入することにより飛躍的にその性能を向上させたこと
は、よく知られたことである。量子井戸とは、層厚を電
子のドブロイ波長程度まで薄膜化、即ち約１００オング
ストローム以下にすることにより生ずる量子サイズ効果
を利用したもので、半導体レーザに適用する場合には、
活性層に単層、もしくは周期的な複数の層を導入する。
このような量子井戸型レーザでは、量子井戸層にキャリ
アが注入され、発光再結合することにより、従来のバル
ク結晶に比べ、著しく大きい光学利得を得ることができ
る。この結果、半導体レーザの低いしきい値化，スペク
トル線幅の狭小化，あるいは、ダイナミック特性の向上
等が実現される。
【０００３】図１１は量子井戸型半導体レーザの開発当
初において提案された量子井戸型半導体レーザの主要部
の構造を示す図である。図において、１１０はｐ型Ｉｎ
Ｐ基板、１２０は基板１１０上に配置されたｐ型ＩｎＰ
下クラッド層である。１４０は下クラッド層１２０上に
配置された、ＩｎＧａＡｓウェル層とＩｎＰバリア層と
を複数層交互に積層してなる多重量子井戸構造の活性層
である。１６０は量子井戸活性層１４０上に配置された
ｎ型ＩｎＰ上クラッド層、１７０は上クラッド層１６０
上に配置されたＩｎＧａＡｓＰコンタクト層である。ｐ
側電極１８０は基板１１０裏面に、ｎ側電極１９０はコ
ンタクト層１７０上にそれぞれ設けられる。また、図１
３は図１１に示す量子井戸型半導体レーザの動作を説明
するための図であり、図１３(a) はその活性層付近にお
ける伝導帯のバンド構造を示すバンドダイアグラム図、
図１３(b) は図１３(a) に対応する屈折率分布図、図１
３(c) は図１３(a) に対応する電界分布図である。図に
おいて、図１１と同一符号は同一又は相当部分であり、
１４１はＩｎＧａＡｓウェル層、１４２はＩｎＰバリア
層である。なお、ウェル層１４１の層厚は例えば５０オ
ングストローム程度、バリア層１４２の層厚は例えば１
００オングストローム程度であり、下クラッド層１２０
及び上クラッド層１６０の層厚は例えば１．５μｍ程度
である。
初において提案された量子井戸型半導体レーザの主要部
の構造を示す図である。図において、１１０はｐ型Ｉｎ
Ｐ基板、１２０は基板１１０上に配置されたｐ型ＩｎＰ
下クラッド層である。１４０は下クラッド層１２０上に
配置された、ＩｎＧａＡｓウェル層とＩｎＰバリア層と
を複数層交互に積層してなる多重量子井戸構造の活性層
である。１６０は量子井戸活性層１４０上に配置された
ｎ型ＩｎＰ上クラッド層、１７０は上クラッド層１６０
上に配置されたＩｎＧａＡｓＰコンタクト層である。ｐ
側電極１８０は基板１１０裏面に、ｎ側電極１９０はコ
ンタクト層１７０上にそれぞれ設けられる。また、図１
３は図１１に示す量子井戸型半導体レーザの動作を説明
するための図であり、図１３(a) はその活性層付近にお
ける伝導帯のバンド構造を示すバンドダイアグラム図、
図１３(b) は図１３(a) に対応する屈折率分布図、図１
３(c) は図１３(a) に対応する電界分布図である。図に
おいて、図１１と同一符号は同一又は相当部分であり、
１４１はＩｎＧａＡｓウェル層、１４２はＩｎＰバリア
層である。なお、ウェル層１４１の層厚は例えば５０オ
ングストローム程度、バリア層１４２の層厚は例えば１
００オングストローム程度であり、下クラッド層１２０
及び上クラッド層１６０の層厚は例えば１．５μｍ程度
である。
【０００４】次に動作について説明する。クラッド層１
６０から活性層１４０に注入された電子は、ウェル層１
４１において正孔と再結合し、光を発生する。ここで、
図１１に示す量子井戸型半導体レーザでは、薄いウェル
層１４１内に注入されたキャリアが量子力学的な波動と
して振る舞うことにより現れる量子サイズ効果によっ
て、層厚が７００〜１０００オングストローム程度のバ
ルク結晶の活性層を有する半導体レーザに比して、極め
て大きな、注入電流量あたりの光学利得を発生させるこ
とができる。一方、レーザのしきい値は光学利得と光閉
じ込めの大きさの積で表される。従ってレーザの低しき
い値電流化のためには、注入電流量あたりの光学利得を
向上させると共に、光閉じ込め量を増大させることが重
要である。図１１に示す量子井戸型半導体レーザでは、
上述のように注入電流量あたりの光学利得を向上させる
ことができるが、以下に述べるように光閉じ込め量を増
大させることができない。即ち、図１１の量子井戸型半
導体レーザの活性層近傍は、図１３(b) に示す屈折率分
布を有するが、活性層（ウェル層１４１）の層厚が５０
オングストローム程度と極めて薄いため、活性層内で発
生した光は活性層とクラッド層との屈折率差を十分に感
じることができず、この結果、その電界分布は図１３
(c) に示すように、活性層内への集中の度合いの小さ
い、層方向になだらかに広がった形状となる。これは、
層厚が７００〜１０００オングストローム程度のバルク
結晶の活性層を有する半導体レーザではみられない現象
である。ここで、光閉じ込め量は図１３(c) の電界分布
の斜線部の面積で表わされるが、上述のように、電界分
布が層方向に大きく広がるため、量子井戸層への光閉じ
込め量を大きくできない。従って、図１１に示すレーザ
構造によっては、しきい値電流を低くすることが困難で
ある。
６０から活性層１４０に注入された電子は、ウェル層１
４１において正孔と再結合し、光を発生する。ここで、
図１１に示す量子井戸型半導体レーザでは、薄いウェル
層１４１内に注入されたキャリアが量子力学的な波動と
して振る舞うことにより現れる量子サイズ効果によっ
て、層厚が７００〜１０００オングストローム程度のバ
ルク結晶の活性層を有する半導体レーザに比して、極め
て大きな、注入電流量あたりの光学利得を発生させるこ
とができる。一方、レーザのしきい値は光学利得と光閉
じ込めの大きさの積で表される。従ってレーザの低しき
い値電流化のためには、注入電流量あたりの光学利得を
向上させると共に、光閉じ込め量を増大させることが重
要である。図１１に示す量子井戸型半導体レーザでは、
上述のように注入電流量あたりの光学利得を向上させる
ことができるが、以下に述べるように光閉じ込め量を増
大させることができない。即ち、図１１の量子井戸型半
導体レーザの活性層近傍は、図１３(b) に示す屈折率分
布を有するが、活性層（ウェル層１４１）の層厚が５０
オングストローム程度と極めて薄いため、活性層内で発
生した光は活性層とクラッド層との屈折率差を十分に感
じることができず、この結果、その電界分布は図１３
(c) に示すように、活性層内への集中の度合いの小さ
い、層方向になだらかに広がった形状となる。これは、
層厚が７００〜１０００オングストローム程度のバルク
結晶の活性層を有する半導体レーザではみられない現象
である。ここで、光閉じ込め量は図１３(c) の電界分布
の斜線部の面積で表わされるが、上述のように、電界分
布が層方向に大きく広がるため、量子井戸層への光閉じ
込め量を大きくできない。従って、図１１に示すレーザ
構造によっては、しきい値電流を低くすることが困難で
ある。
【０００５】図１２は上述の問題点を解消するために考
えられた改良案による量子井戸型半導体レーザの構造を
示す図であり、図において、図１１と同一符号は同一又
は相当部分であり、１３０は下クラッド層１２０と量子
井戸活性層１４０との間に配置されたｐ型ＩｎＧａＡｓ
Ｐ光閉じ込め層、１５０は量子井戸活性層１４０と上ク
ラッド層１６０との間に配置されたｎ型ＩｎＧａＡｓＰ
光閉じ込め層である。
えられた改良案による量子井戸型半導体レーザの構造を
示す図であり、図において、図１１と同一符号は同一又
は相当部分であり、１３０は下クラッド層１２０と量子
井戸活性層１４０との間に配置されたｐ型ＩｎＧａＡｓ
Ｐ光閉じ込め層、１５０は量子井戸活性層１４０と上ク
ラッド層１６０との間に配置されたｎ型ＩｎＧａＡｓＰ
光閉じ込め層である。
【０００６】また、図１４は図１２に示す量子井戸型半
導体レーザの動作を説明するための図であり、図１４
(a) はその活性層付近における伝導帯のバンド構造を示
すバンドダイアグラム図、図１４(b) は図１４(a) に対
応する屈折率分布図、図１４(c) は図１４(a) に対応す
る電界分布図である。図において、図１２と同一符号は
同一又は相当部分であり、１４１はＩｎＧａＡｓ量子井
戸層、１４３はＩｎＧａＡｓＰバリア層である。
導体レーザの動作を説明するための図であり、図１４
(a) はその活性層付近における伝導帯のバンド構造を示
すバンドダイアグラム図、図１４(b) は図１４(a) に対
応する屈折率分布図、図１４(c) は図１４(a) に対応す
る電界分布図である。図において、図１２と同一符号は
同一又は相当部分であり、１４１はＩｎＧａＡｓ量子井
戸層、１４３はＩｎＧａＡｓＰバリア層である。
【０００７】次に動作について説明する。クラッド層１
６０から注入された電子は光閉じ込め層１５０を拡散
し、量子井戸活性層１４０に注入され、ウェル層１４１
において正孔と再結合し、光を発生する。そして、図１
１に示す量子井戸型半導体レーザと同様、量子サイズ効
果により大きな光学利得を発生させることができる。ま
た、光閉じ込め量は電界分布の斜線部の面積で表わさ
れ、屈折率分布の最適な設計によって大きく向上させる
ことができる。光閉じ込め層は屈折率分布の最適設計に
おいて不可欠な役割を果たしている。先に述べたよう
に、図１１のような単純な構造では、電界分布が層方向
に大きく広がるため、光閉じ込め量の向上を図ることは
極めて困難であるが、図１２のレーザ構造では光閉じ込
め層１３０，１５０の層厚または組成を変えることによ
り屈折率分布を最適化し、電界を量子井戸層付近に集中
させることができる。この結果、光閉じ込め層がない場
合に比べ、光閉じ込め層を導入した場合の光閉じ込め量
は３〜５倍程度に向上する。
６０から注入された電子は光閉じ込め層１５０を拡散
し、量子井戸活性層１４０に注入され、ウェル層１４１
において正孔と再結合し、光を発生する。そして、図１
１に示す量子井戸型半導体レーザと同様、量子サイズ効
果により大きな光学利得を発生させることができる。ま
た、光閉じ込め量は電界分布の斜線部の面積で表わさ
れ、屈折率分布の最適な設計によって大きく向上させる
ことができる。光閉じ込め層は屈折率分布の最適設計に
おいて不可欠な役割を果たしている。先に述べたよう
に、図１１のような単純な構造では、電界分布が層方向
に大きく広がるため、光閉じ込め量の向上を図ることは
極めて困難であるが、図１２のレーザ構造では光閉じ込
め層１３０，１５０の層厚または組成を変えることによ
り屈折率分布を最適化し、電界を量子井戸層付近に集中
させることができる。この結果、光閉じ込め層がない場
合に比べ、光閉じ込め層を導入した場合の光閉じ込め量
は３〜５倍程度に向上する。
【０００８】以下、図１１，図１２の量子井戸型半導体
レーザにおける光閉じ込め係数，及び電界分布の計算例
を示す。図１１において、活性層１４０を、図１７(a)
に示すように、三層の層厚８０オングストロームのＩｎ
ＧａＡｓからなるウェル層と二層の層厚１００オングス
トロームのＩｎＰからなるバリア層を交互に積層した構
造とした場合のウェル層への光閉じ込め係数は０．５％
であり、その電界分布は図１７(b) に示すように、活性
層への集中の度合が小さい、なだらかな形状となる。一
方、図１２において、活性層１４０を、図１８(a) に示
すように、三層の層厚６０オングストロームのＩｎＧａ
Ａｓからなるウェル層と、二層の層厚１００オングスト
ロームの波長１．３１μｍに相当する組成のＩｎＧａＡ
ｓＰからなるバリア層を交互に積層した構造とし、光閉
じ込め層１３０，及び１５０を、いずれも層厚６８０オ
ングストロームの波長１．３１μｍに相当する組成のＩ
ｎＧａＡｓＰからなるものとした場合のウェル層への光
閉じ込め係数は１．８％であり、光閉じ込め層のない場
合に比して大幅に向上することがわかる。また、その電
界分布は、図１８(b) に示すように、活性層への集中の
度合が大きい、急峻な形状となる。
レーザにおける光閉じ込め係数，及び電界分布の計算例
を示す。図１１において、活性層１４０を、図１７(a)
に示すように、三層の層厚８０オングストロームのＩｎ
ＧａＡｓからなるウェル層と二層の層厚１００オングス
トロームのＩｎＰからなるバリア層を交互に積層した構
造とした場合のウェル層への光閉じ込め係数は０．５％
であり、その電界分布は図１７(b) に示すように、活性
層への集中の度合が小さい、なだらかな形状となる。一
方、図１２において、活性層１４０を、図１８(a) に示
すように、三層の層厚６０オングストロームのＩｎＧａ
Ａｓからなるウェル層と、二層の層厚１００オングスト
ロームの波長１．３１μｍに相当する組成のＩｎＧａＡ
ｓＰからなるバリア層を交互に積層した構造とし、光閉
じ込め層１３０，及び１５０を、いずれも層厚６８０オ
ングストロームの波長１．３１μｍに相当する組成のＩ
ｎＧａＡｓＰからなるものとした場合のウェル層への光
閉じ込め係数は１．８％であり、光閉じ込め層のない場
合に比して大幅に向上することがわかる。また、その電
界分布は、図１８(b) に示すように、活性層への集中の
度合が大きい、急峻な形状となる。
【０００９】このように活性層を量子井戸構造とするこ
とによる半導体レーザの性能の向上は、単に、活性層に
量子井戸層を導入するだけでは不十分であり、光閉じ込
め層を挿入することによって初めて実現されるのであ
る。
とによる半導体レーザの性能の向上は、単に、活性層に
量子井戸層を導入するだけでは不十分であり、光閉じ込
め層を挿入することによって初めて実現されるのであ
る。
【００１０】ところで、半導体レーザのしきい値電流を
低くするためには、活性層に効率良くキャリアを閉じ込
める必要がある。特に、活性層の層厚が約１００オング
ストローム以下と非常に薄い量子井戸型半導体レーザで
は、活性層に注入されたキャリアがクラッド層まで溢れ
出して、キャリアが有効に利用されないという問題が生
じやすい。このようなキャリアのオーバーフローを防止
して半導体レーザの発振しきい値を低くすることを目的
として、従来、図１５に示す構造が提案されている。図
１５は例えばエレクトロニクスレターズ，２８巻，２
号，１５０頁（ELECTRONICS LETTERS, 16th January 19
92, Vol.28, No.2, p.150 ）に示された、従来のＩｎＧ
ａＡｌＰ系材料からなる量子井戸型半導体レーザを示す
断面図であり、図において、２０１はｎ形ＧａＡｓ基板
である。２０２はｎ形Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.
5 Ｐクラッド層、２０３はＩｎ0.5 （Ｇａ0.5 Ａｌ0.5
）0.5 Ｐガイド層、２０４はＩｎＧａＰウェル層とＩ
ｎ0.5 （Ｇａ0.5 Ａｌ0.5 ）0.5 Ｐバリア層が交互に複
数層積層されてなる多重量子井戸（Multi Quantum Wel
l：ＭＱＷ）活性層、２０５はＩｎ0.5 （Ｇａ0.5 Ａｌ
0.5 ）0.5 Ｐガイド層、２０６はＩｎＧａＰ層とＩｎ0.
5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ層が交互に複数層積層さ
れてなる多重量子障壁（Multi Quantum Barrier ：ＭＱ
Ｂ）構造、２０７はｐ形Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）
0.5 Ｐクラッド層、２０８はｐ形ＩｎＧａＰキャップ
層、２０９はｎ形ＧａＡｓ電流ブロック層、２１０はｐ
形ＧａＡｓ層、２１１はｎ側電極、２１２はｐ側電極で
ある。
低くするためには、活性層に効率良くキャリアを閉じ込
める必要がある。特に、活性層の層厚が約１００オング
ストローム以下と非常に薄い量子井戸型半導体レーザで
は、活性層に注入されたキャリアがクラッド層まで溢れ
出して、キャリアが有効に利用されないという問題が生
じやすい。このようなキャリアのオーバーフローを防止
して半導体レーザの発振しきい値を低くすることを目的
として、従来、図１５に示す構造が提案されている。図
１５は例えばエレクトロニクスレターズ，２８巻，２
号，１５０頁（ELECTRONICS LETTERS, 16th January 19
92, Vol.28, No.2, p.150 ）に示された、従来のＩｎＧ
ａＡｌＰ系材料からなる量子井戸型半導体レーザを示す
断面図であり、図において、２０１はｎ形ＧａＡｓ基板
である。２０２はｎ形Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.
5 Ｐクラッド層、２０３はＩｎ0.5 （Ｇａ0.5 Ａｌ0.5
）0.5 Ｐガイド層、２０４はＩｎＧａＰウェル層とＩ
ｎ0.5 （Ｇａ0.5 Ａｌ0.5 ）0.5 Ｐバリア層が交互に複
数層積層されてなる多重量子井戸（Multi Quantum Wel
l：ＭＱＷ）活性層、２０５はＩｎ0.5 （Ｇａ0.5 Ａｌ
0.5 ）0.5 Ｐガイド層、２０６はＩｎＧａＰ層とＩｎ0.
5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ層が交互に複数層積層さ
れてなる多重量子障壁（Multi Quantum Barrier ：ＭＱ
Ｂ）構造、２０７はｐ形Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）
0.5 Ｐクラッド層、２０８はｐ形ＩｎＧａＰキャップ
層、２０９はｎ形ＧａＡｓ電流ブロック層、２１０はｐ
形ＧａＡｓ層、２１１はｎ側電極、２１２はｐ側電極で
ある。
【００１１】図１６は図１５に示す半導体レーザの活性
層近傍の伝導帯のバンド構造を示す図であり、図におい
て図１５と同一符号は同一又は相当部分である。
層近傍の伝導帯のバンド構造を示す図であり、図におい
て図１５と同一符号は同一又は相当部分である。
【００１２】ＭＱＢ構造は、数原子層程度の厚みの相互
に組成の異なる半導体層によって形成されるヘテロ接合
を数周期から数十周期重ね合わせて構成されるものであ
る。半導体レーザにＭＱＢ構造を導入した最初の例は、
東京工業大学の伊賀教授らによって、例えば特開昭６３
−４６７８８号公報において提案されている。これはバ
ルク結晶の活性層とクラッド層との間にＧａＩｎＡｓＰ
薄膜とＩｎＰ薄膜を交互に複数層積層したＭＱＢ構造層
を挿入したものであり、これにより半導体レーザの高温
動作時においてキャリアが活性層からクラッド層に溢れ
出すのを抑制して、レーザの温度特性を向上したもので
ある。
に組成の異なる半導体層によって形成されるヘテロ接合
を数周期から数十周期重ね合わせて構成されるものであ
る。半導体レーザにＭＱＢ構造を導入した最初の例は、
東京工業大学の伊賀教授らによって、例えば特開昭６３
−４６７８８号公報において提案されている。これはバ
ルク結晶の活性層とクラッド層との間にＧａＩｎＡｓＰ
薄膜とＩｎＰ薄膜を交互に複数層積層したＭＱＢ構造層
を挿入したものであり、これにより半導体レーザの高温
動作時においてキャリアが活性層からクラッド層に溢れ
出すのを抑制して、レーザの温度特性を向上したもので
ある。
【００１３】一方、量子井戸型半導体レーザにおいて
は、常温動作においてもキャリアのオーバーフローの現
象が見られるため、ＭＱＢ構造の導入は常温動作時にお
けるレーザの低しきい値電流化という効果をもたらす。
図１５に示す従来例では、厚さがすべて２０オングスト
ロームの６層のＩｎＧａＰ層と、厚さがガイド層２０５
に接する側から順に５００オングストローム，６０オン
グストローム，３０オングストローム，３０オングスト
ローム，３０オングストローム，３０オングストローム
である６層のＩｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ層が
交互に積層されている。このような短周期のポテンシャ
ル障壁が存在すると電子は波動として振る舞い、しかも
適当な設計をすることにより干渉効果が生じるので、電
子は実際の材料が有するポテンシャル障壁以上のエネル
ギー障壁を感じ、反射される。即ち、活性層から溢れ出
した電子はＭＱＢ構造により反射されて再び活性層，及
びガイド層の領域に戻される。図では、電子が感じるエ
ネルギー障壁の増加分を伝導帯のバンド不連続量に加
え、ΔＵｅとして示した。
は、常温動作においてもキャリアのオーバーフローの現
象が見られるため、ＭＱＢ構造の導入は常温動作時にお
けるレーザの低しきい値電流化という効果をもたらす。
図１５に示す従来例では、厚さがすべて２０オングスト
ロームの６層のＩｎＧａＰ層と、厚さがガイド層２０５
に接する側から順に５００オングストローム，６０オン
グストローム，３０オングストローム，３０オングスト
ローム，３０オングストローム，３０オングストローム
である６層のＩｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ層が
交互に積層されている。このような短周期のポテンシャ
ル障壁が存在すると電子は波動として振る舞い、しかも
適当な設計をすることにより干渉効果が生じるので、電
子は実際の材料が有するポテンシャル障壁以上のエネル
ギー障壁を感じ、反射される。即ち、活性層から溢れ出
した電子はＭＱＢ構造により反射されて再び活性層，及
びガイド層の領域に戻される。図では、電子が感じるエ
ネルギー障壁の増加分を伝導帯のバンド不連続量に加
え、ΔＵｅとして示した。
【００１４】このように、図１５に示す従来の量子井戸
型半導体レーザでは、ガイド層（光閉じ込め層）とクラ
ッド層との間にＭＱＢ構造を設けた構造としているの
で、活性層からクラッド層への電子のオーバーフローを
抑制し、電子を活性層内に効果的に閉じ込めることがで
き、半導体レーザのしきい値電流の低減を図ることがで
きる。
型半導体レーザでは、ガイド層（光閉じ込め層）とクラ
ッド層との間にＭＱＢ構造を設けた構造としているの
で、活性層からクラッド層への電子のオーバーフローを
抑制し、電子を活性層内に効果的に閉じ込めることがで
き、半導体レーザのしきい値電流の低減を図ることがで
きる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、量子井
戸構造の活性層を有する半導体レーザは光閉じ込め層の
導入が不可欠となっている。しかし通常、光閉じ込め層
は量子井戸活性層のウェル層とクラッド層の中間組成に
設計されるため、ウェル層に注入される電子に対するポ
テンシャルバリアは光閉じ込め層で制限される。このた
め、電子は量子井戸活性層のバリア層もしくは光閉じ込
め層にオーバーフローしやすくなり、レーザのしきい値
電流が増加する、もしくはレーザの動特性（ダイナミッ
ク特性）を著しく劣化させる原因となる。これは例え
ば、ＩＥＥＥ フォトニクステクノロジーレターズ（W.
Rideout et al.,IEEE Photon Tech Lett.,vol.3 pp784
-786 1991 ）において指摘された通りである。
戸構造の活性層を有する半導体レーザは光閉じ込め層の
導入が不可欠となっている。しかし通常、光閉じ込め層
は量子井戸活性層のウェル層とクラッド層の中間組成に
設計されるため、ウェル層に注入される電子に対するポ
テンシャルバリアは光閉じ込め層で制限される。このた
め、電子は量子井戸活性層のバリア層もしくは光閉じ込
め層にオーバーフローしやすくなり、レーザのしきい値
電流が増加する、もしくはレーザの動特性（ダイナミッ
ク特性）を著しく劣化させる原因となる。これは例え
ば、ＩＥＥＥ フォトニクステクノロジーレターズ（W.
Rideout et al.,IEEE Photon Tech Lett.,vol.3 pp784
-786 1991 ）において指摘された通りである。
【００１６】図１５に示す従来の量子井戸型半導体レー
ザでは、電子のクラッド層へのオーバーフローは抑制で
きるが、量子井戸活性層のバリア層，及び光閉じ込め層
への電子のオーバーフローについてはその防止が考慮さ
れておらず、この従来例においても上述の問題点は発生
する。
ザでは、電子のクラッド層へのオーバーフローは抑制で
きるが、量子井戸活性層のバリア層，及び光閉じ込め層
への電子のオーバーフローについてはその防止が考慮さ
れておらず、この従来例においても上述の問題点は発生
する。
【００１７】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、光閉じ込め量を大きく保持する
とともに、電子がバリア層もしくは光閉じ込め層にオー
バーフローすることを抑制できる量子井戸型半導体レー
ザを提供することを目的としている。
ためになされたもので、光閉じ込め量を大きく保持する
とともに、電子がバリア層もしくは光閉じ込め層にオー
バーフローすることを抑制できる量子井戸型半導体レー
ザを提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】この発明に係る量子井戸
型半導体レーザは、量子井戸構造の活性層に接して配置
された、相互に組成の異なる半導体層を交互に複数層積
層してなり、上記半導体層の組成，層厚，及び積層数
が、上記活性層内に注入されるキャリアに対して材料固
有のエネルギー障壁よりも高いエネルギー障壁を形成
し、かつ活性層近傍の屈折率分布が電界を活性層部分に
集中させる屈折率分布となるように調整された、多重量
子障壁構造の光閉じ込め層を備えたものである。
型半導体レーザは、量子井戸構造の活性層に接して配置
された、相互に組成の異なる半導体層を交互に複数層積
層してなり、上記半導体層の組成，層厚，及び積層数
が、上記活性層内に注入されるキャリアに対して材料固
有のエネルギー障壁よりも高いエネルギー障壁を形成
し、かつ活性層近傍の屈折率分布が電界を活性層部分に
集中させる屈折率分布となるように調整された、多重量
子障壁構造の光閉じ込め層を備えたものである。
【００１９】また、この発明に係る量子井戸型半導体レ
ーザは、多重量子井戸構造の活性層を構成するバリア層
として、相互に組成の異なる半導体層を交互に複数層積
層してなり、多重量子井戸構造の活性層を構成するウェ
ル層内に注入されるキャリアに対して材料固有のエネル
ギー障壁よりも高いエネルギー障壁を形成する多重量子
障壁構造のバリア層を備えたものである。
ーザは、多重量子井戸構造の活性層を構成するバリア層
として、相互に組成の異なる半導体層を交互に複数層積
層してなり、多重量子井戸構造の活性層を構成するウェ
ル層内に注入されるキャリアに対して材料固有のエネル
ギー障壁よりも高いエネルギー障壁を形成する多重量子
障壁構造のバリア層を備えたものである。
【００２０】
【作用】この発明においては、量子井戸構造の活性層に
接して配置された、相互に組成の異なる半導体層を交互
に複数層積層してなり、上記半導体層の組成，層厚，及
び積層数が、上記活性層内に注入されるキャリアに対し
て材料固有のエネルギー障壁よりも高いエネルギー障壁
を形成し、かつ活性層近傍の屈折率分布が電界を活性層
部分に集中させる屈折率分布となるように調整された、
多重量子障壁構造の光閉じ込め層を備えた構成としたか
ら、活性層内への光の閉じ込め量を増大できるととも
に、キャリアの光閉じ込め層へのオーバーフローを抑制
でき、これにより、量子井戸型半導体レーザのしきい値
を低減でき、外部量子効率を向上でき、さらに動特性を
向上できる。
接して配置された、相互に組成の異なる半導体層を交互
に複数層積層してなり、上記半導体層の組成，層厚，及
び積層数が、上記活性層内に注入されるキャリアに対し
て材料固有のエネルギー障壁よりも高いエネルギー障壁
を形成し、かつ活性層近傍の屈折率分布が電界を活性層
部分に集中させる屈折率分布となるように調整された、
多重量子障壁構造の光閉じ込め層を備えた構成としたか
ら、活性層内への光の閉じ込め量を増大できるととも
に、キャリアの光閉じ込め層へのオーバーフローを抑制
でき、これにより、量子井戸型半導体レーザのしきい値
を低減でき、外部量子効率を向上でき、さらに動特性を
向上できる。
【００２１】また、この発明においては、多重量子井戸
構造の活性層を構成するバリア層として、相互に組成の
異なる半導体層を交互に複数層積層してなり、多重量子
井戸構造の活性層を構成するウェル層内に注入されるキ
ャリアに対して材料固有のエネルギー障壁よりも高いエ
ネルギー障壁を形成する多重量子障壁構造のバリア層を
備えた構成としたから、バリア層へのキャリアのオーバ
ーフローを抑制でき、これにより、量子井戸型半導体レ
ーザのしきい値を低減でき、外部量子効率を向上でき、
さらに動特性を向上できる。
構造の活性層を構成するバリア層として、相互に組成の
異なる半導体層を交互に複数層積層してなり、多重量子
井戸構造の活性層を構成するウェル層内に注入されるキ
ャリアに対して材料固有のエネルギー障壁よりも高いエ
ネルギー障壁を形成する多重量子障壁構造のバリア層を
備えた構成としたから、バリア層へのキャリアのオーバ
ーフローを抑制でき、これにより、量子井戸型半導体レ
ーザのしきい値を低減でき、外部量子効率を向上でき、
さらに動特性を向上できる。
【００２２】
【実施例】実施例１．以下、この発明の一実施例を図に
ついて説明する。図１は本発明の第１の実施例による量
子井戸型半導体レーザを示す斜視図であり、図におい
て、１はｐ型ＩｎＰ基板、２は基板１上に配置されたｐ
型ＩｎＰ下クラッド層である。多重量子障壁（Multi Qu
antum Barrier ：ＭＱＢ）構造を有するｐ型光閉じ込め
層３は下クラッド層２上に配置され、量子井戸活性層４
はｐ型光閉じ込め層３上に配置され、ＭＱＢ構造を有す
るｎ型光閉じ込め層５は量子井戸活性層４上に配置さ
れ、ｎ型ＩｎＰ第１上クラッド層６はｎ型光閉じ込め層
５上に配置される。下クラッド層２〜第１上クラッド層
６からなる半導体積層構造は、基板１まで達するように
メサエッチングを行なうことによってメサストライプ状
に成形されている。また、メサストライプの両脇にはｐ
型ＩｎＰ第１埋込み層７，ｎ型ＩｎＰ第２埋込み層８，
及びｐ型ＩｎＰ第３埋込み層９がメサストライプを埋め
込むように順次配置されている。また、ｎ型ＩｎＰ第２
上クラッド層１０はメサストライプ上及びｐ型ＩｎＰ第
３埋込み層９上に配置され、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰコンタ
クト層１１は第２上クラッド層１０上に配置される。１
２は絶縁膜であり、ｎ側電極１４は絶縁膜１２上に設け
られ、該絶縁膜１２に設けられたストライプ状開口部に
おいてコンタクト層１１と接触する。ｐ側電極１３は基
板１裏面に設けられる。また、図２は図１に示す量子井
戸型半導体レーザの主要部を模式的に示す断面図であ
り、図において、図１と同一符号は同一又は相当部分で
ある。
ついて説明する。図１は本発明の第１の実施例による量
子井戸型半導体レーザを示す斜視図であり、図におい
て、１はｐ型ＩｎＰ基板、２は基板１上に配置されたｐ
型ＩｎＰ下クラッド層である。多重量子障壁（Multi Qu
antum Barrier ：ＭＱＢ）構造を有するｐ型光閉じ込め
層３は下クラッド層２上に配置され、量子井戸活性層４
はｐ型光閉じ込め層３上に配置され、ＭＱＢ構造を有す
るｎ型光閉じ込め層５は量子井戸活性層４上に配置さ
れ、ｎ型ＩｎＰ第１上クラッド層６はｎ型光閉じ込め層
５上に配置される。下クラッド層２〜第１上クラッド層
６からなる半導体積層構造は、基板１まで達するように
メサエッチングを行なうことによってメサストライプ状
に成形されている。また、メサストライプの両脇にはｐ
型ＩｎＰ第１埋込み層７，ｎ型ＩｎＰ第２埋込み層８，
及びｐ型ＩｎＰ第３埋込み層９がメサストライプを埋め
込むように順次配置されている。また、ｎ型ＩｎＰ第２
上クラッド層１０はメサストライプ上及びｐ型ＩｎＰ第
３埋込み層９上に配置され、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰコンタ
クト層１１は第２上クラッド層１０上に配置される。１
２は絶縁膜であり、ｎ側電極１４は絶縁膜１２上に設け
られ、該絶縁膜１２に設けられたストライプ状開口部に
おいてコンタクト層１１と接触する。ｐ側電極１３は基
板１裏面に設けられる。また、図２は図１に示す量子井
戸型半導体レーザの主要部を模式的に示す断面図であ
り、図において、図１と同一符号は同一又は相当部分で
ある。
【００２３】量子井戸活性層４は３層のＩｎＧａＡｓウ
ェル層４１と２層のＩｎＰバリア層４２を交互に積層し
た多重量子井戸（Multi Quantum Well：ＭＱＷ）構造と
している。ウェル層４１の層厚は例えば５０オングスト
ローム、バリア層４２の層厚は例えば１００オングスト
ロームであり、量子井戸活性層４全体の層厚ｔ4 は３５
０オングストロームである。
ェル層４１と２層のＩｎＰバリア層４２を交互に積層し
た多重量子井戸（Multi Quantum Well：ＭＱＷ）構造と
している。ウェル層４１の層厚は例えば５０オングスト
ローム、バリア層４２の層厚は例えば１００オングスト
ロームであり、量子井戸活性層４全体の層厚ｔ4 は３５
０オングストロームである。
【００２４】ｐ型ＭＱＢ光閉じ込め層３は量子井戸活性
層４に接して配置されたＩｎＰからなる第１層目のバリ
ア層（トンネル防止層）３３と、１０層のＩｎＧａＡｓ
ウェル層３１及び９層のＩｎＰバリア層３２を交互に積
層してなる超格子構造とから構成されている。トンネル
防止層３３は超格子構造領域への電子のトンネルを防止
するため、その層厚を２００オングストロームと比較的
厚くしている。超格子構造領域においては、ＩｎＧａＡ
ｓウェル層３１を７原子層（１原子層の厚みは３オング
ストローム）、即ち２１オングストロームの層厚とし、
ＩｎＰバリア層３２は９原子層、即ち２７オングストロ
ームの層厚としている。即ち、光閉じ込め層３全体の層
厚ｔ3 は、６５３オングストロームである。
層４に接して配置されたＩｎＰからなる第１層目のバリ
ア層（トンネル防止層）３３と、１０層のＩｎＧａＡｓ
ウェル層３１及び９層のＩｎＰバリア層３２を交互に積
層してなる超格子構造とから構成されている。トンネル
防止層３３は超格子構造領域への電子のトンネルを防止
するため、その層厚を２００オングストロームと比較的
厚くしている。超格子構造領域においては、ＩｎＧａＡ
ｓウェル層３１を７原子層（１原子層の厚みは３オング
ストローム）、即ち２１オングストロームの層厚とし、
ＩｎＰバリア層３２は９原子層、即ち２７オングストロ
ームの層厚としている。即ち、光閉じ込め層３全体の層
厚ｔ3 は、６５３オングストロームである。
【００２５】ｎ型ＭＱＢ光閉じ込め層５は量子井戸活性
層４に接して配置されたＩｎＰトンネル防止層５３と、
１０層のＩｎＧａＡｓウェル層５１及び９層のＩｎＰバ
リア層５２を交互に積層してなる超格子構造とから構成
されている。トンネル防止層５３，ウェル層５１，及び
バリア層５２の層厚はそれぞれ、ｐ型光閉じ込め層３を
構成するトンネル防止層３３，ウェル層３１，及びバリ
ア層３２の層厚と同じであり、光閉じ込め層５全体の層
厚ｔ5 は、６５３オングストロームである。
層４に接して配置されたＩｎＰトンネル防止層５３と、
１０層のＩｎＧａＡｓウェル層５１及び９層のＩｎＰバ
リア層５２を交互に積層してなる超格子構造とから構成
されている。トンネル防止層５３，ウェル層５１，及び
バリア層５２の層厚はそれぞれ、ｐ型光閉じ込め層３を
構成するトンネル防止層３３，ウェル層３１，及びバリ
ア層３２の層厚と同じであり、光閉じ込め層５全体の層
厚ｔ5 は、６５３オングストロームである。
【００２６】図３は図１に示す量子井戸型半導体レーザ
の動作を説明するための図であり、図３(a) はその活性
層近傍の伝導帯のバンド構造を示すバンドダイアグラム
図、図３(b) は図３(a) に対応する屈折率分布図、図３
(c) は図３(a) に対応する電界分布図である。図におい
て、図１または図２と同一符号は同一又は相当部分であ
る。
の動作を説明するための図であり、図３(a) はその活性
層近傍の伝導帯のバンド構造を示すバンドダイアグラム
図、図３(b) は図３(a) に対応する屈折率分布図、図３
(c) は図３(a) に対応する電界分布図である。図におい
て、図１または図２と同一符号は同一又は相当部分であ
る。
【００２７】レーザの動作時においては、クラッド層６
から注入された電子は量子井戸活性層のウェル層４１に
おいて再結合し、巨大な光学利得を発生する。ここで、
ウェル層４１内で比較的高いエネルギーを有する電子は
ウェル層４１の外へオーバーフローし、光閉じ込め層に
拡散しようとする。
から注入された電子は量子井戸活性層のウェル層４１に
おいて再結合し、巨大な光学利得を発生する。ここで、
ウェル層４１内で比較的高いエネルギーを有する電子は
ウェル層４１の外へオーバーフローし、光閉じ込め層に
拡散しようとする。
【００２８】本実施例では、光閉じ込め層を上述のよう
なＭＱＢ構造としており、これにより光閉じ込め層にオ
ーバーフローしていく電子を著しく低減することができ
る。即ち、上述のような短周期のポテンシャル障壁が存
在すると電子は波動として振る舞い、しかも適当な設計
をすることにより、干渉効果が生じるので電子は実際の
材料が有するポテンシャル障壁以上のエネルギー障壁１
５を感じ、反射され、再び量子井戸内に捕獲される。
なＭＱＢ構造としており、これにより光閉じ込め層にオ
ーバーフローしていく電子を著しく低減することができ
る。即ち、上述のような短周期のポテンシャル障壁が存
在すると電子は波動として振る舞い、しかも適当な設計
をすることにより、干渉効果が生じるので電子は実際の
材料が有するポテンシャル障壁以上のエネルギー障壁１
５を感じ、反射され、再び量子井戸内に捕獲される。
【００２９】以下、本実施例に用いたＭＱＢ構造による
具体的なポテンシャル障壁の増大効果を、その計算結果
に基づいて説明する。図４は本実施例に用いたＭＱＢ構
造における電子に対するエネルギー障壁の計算値を示す
図であり、横軸に電子のエネルギーをＩｎＰとＩｎＧａ
Ａｓとの間の実の（材料固有の）エネルギー障壁の値で
規格化した値を、縦軸に電子のＭＱＢに対する反射率を
とっている。ＩｎＰとＩｎＧａＡｓとの間における実の
エネルギー障壁は、ΔＥc ＝０．３とすると、約１８０
ｍｅＶとなり、横軸での１．０は１８０ｍｅＶに相当す
る。計算結果によると、ＭＱＢによるエネルギー障壁
は、特定のエネルギーに対し透過する電子が存在するも
のの、材料固有のエネルギー障壁の約２．８倍まで高め
られる。これは、室温における電子のフェルミ・ディラ
ック分布に対し、十分なエネルギー高さを持つ障壁であ
る。従って、量子井戸活性層４内に注入されたキャリア
の光閉じ込め層３，又は５へのオーバーフローはＩｎＧ
ａＡｓＰ単層の光閉じ込め層を用いた場合に比して、大
幅に抑制されることとなる。なお、上述の計算では、電
子の有効質量比は、ウェル層では０．０４１、バリア層
では０．０７７とした。
具体的なポテンシャル障壁の増大効果を、その計算結果
に基づいて説明する。図４は本実施例に用いたＭＱＢ構
造における電子に対するエネルギー障壁の計算値を示す
図であり、横軸に電子のエネルギーをＩｎＰとＩｎＧａ
Ａｓとの間の実の（材料固有の）エネルギー障壁の値で
規格化した値を、縦軸に電子のＭＱＢに対する反射率を
とっている。ＩｎＰとＩｎＧａＡｓとの間における実の
エネルギー障壁は、ΔＥc ＝０．３とすると、約１８０
ｍｅＶとなり、横軸での１．０は１８０ｍｅＶに相当す
る。計算結果によると、ＭＱＢによるエネルギー障壁
は、特定のエネルギーに対し透過する電子が存在するも
のの、材料固有のエネルギー障壁の約２．８倍まで高め
られる。これは、室温における電子のフェルミ・ディラ
ック分布に対し、十分なエネルギー高さを持つ障壁であ
る。従って、量子井戸活性層４内に注入されたキャリア
の光閉じ込め層３，又は５へのオーバーフローはＩｎＧ
ａＡｓＰ単層の光閉じ込め層を用いた場合に比して、大
幅に抑制されることとなる。なお、上述の計算では、電
子の有効質量比は、ウェル層では０．０４１、バリア層
では０．０７７とした。
【００３０】一方、ＭＱＢ構造の光閉じ込め層を構成す
るＩｎＰバリア層とＩｎＧａＡｓウェル層の積層の周期
は極めて短いため、活性層で発生した光は、ＭＱＢ光閉
じ込め層の屈折率として、ＩｎＰバリア層とＩｎＧａＡ
ｓウェル層の中間の屈折率を感じる。即ち、このＭＱＢ
構造の光閉じ込め層は、活性層で発生した光に対して
は、ＩｎＧａＡｓＰからなる光閉じ込め層と同様に機能
し、電界を活性層部分に集中させることができる。
るＩｎＰバリア層とＩｎＧａＡｓウェル層の積層の周期
は極めて短いため、活性層で発生した光は、ＭＱＢ光閉
じ込め層の屈折率として、ＩｎＰバリア層とＩｎＧａＡ
ｓウェル層の中間の屈折率を感じる。即ち、このＭＱＢ
構造の光閉じ込め層は、活性層で発生した光に対して
は、ＩｎＧａＡｓＰからなる光閉じ込め層と同様に機能
し、電界を活性層部分に集中させることができる。
【００３１】以下、本実施例の量子井戸型半導体レーザ
における光閉じ込め係数，及び電界分布の計算例を示
す。図２において、活性層４を、図１９(a) に示すよう
に、三層の層厚８０オングストロームのＩｎＧａＡｓか
らなるウェル層と二層の層厚１００オングストロームの
ＩｎＰからなるバリア層を交互に積層した構造とし、Ｍ
ＱＷ光閉じ込め層３，及び５を、上述した構造、即ち活
性層４に接して配置された層厚２００オングストローム
のＩｎＰからなるトンネル防止層と、十層の層厚２１オ
ングストロームのＩｎＧａＡｓウェル層及び九層の層厚
２７オングストロームのＩｎＰバリア層を交互に積層し
てなる超格子構造とからなる構造とした場合のウェル層
への光閉じ込め係数は１．４％であり、光閉じ込め層の
ない場合に比して大幅に向上することがわかる。また、
その電界分布は、図１９(b) に示すように、活性層への
集中の度合が大きい、急峻な形状となる。
における光閉じ込め係数，及び電界分布の計算例を示
す。図２において、活性層４を、図１９(a) に示すよう
に、三層の層厚８０オングストロームのＩｎＧａＡｓか
らなるウェル層と二層の層厚１００オングストロームの
ＩｎＰからなるバリア層を交互に積層した構造とし、Ｍ
ＱＷ光閉じ込め層３，及び５を、上述した構造、即ち活
性層４に接して配置された層厚２００オングストローム
のＩｎＰからなるトンネル防止層と、十層の層厚２１オ
ングストロームのＩｎＧａＡｓウェル層及び九層の層厚
２７オングストロームのＩｎＰバリア層を交互に積層し
てなる超格子構造とからなる構造とした場合のウェル層
への光閉じ込め係数は１．４％であり、光閉じ込め層の
ない場合に比して大幅に向上することがわかる。また、
その電界分布は、図１９(b) に示すように、活性層への
集中の度合が大きい、急峻な形状となる。
【００３２】このように、本実施例では、量子井戸型半
導体レーザにおいて、量子井戸活性層に隣接してＭＱＢ
構造の光閉じ込め層を配置し、かつ、このＭＱＢ構造を
構成する半導体層の組成，層厚，及び積層数が、上記活
性層内に注入されるキャリアに対して材料固有のエネル
ギー障壁よりも高いエネルギー障壁を形成し、かつ活性
層近傍の屈折率分布が電界を活性層部分に集中させる屈
折率分布となるように設計したので、光閉じ込め層の導
入による屈折率分布の最適化によって活性層内への光閉
じ込め量を増大できるとともに、ＭＱＢ構造により増大
されたエネルギー障壁によって、量子井戸活性層に注入
されたキャリアの光閉じ込め層へのオーバーフローを抑
制でき、これにより、量子井戸型半導体レーザのしきい
値を低減でき、外部量子効率を向上でき、さらに動特性
を向上できる。
導体レーザにおいて、量子井戸活性層に隣接してＭＱＢ
構造の光閉じ込め層を配置し、かつ、このＭＱＢ構造を
構成する半導体層の組成，層厚，及び積層数が、上記活
性層内に注入されるキャリアに対して材料固有のエネル
ギー障壁よりも高いエネルギー障壁を形成し、かつ活性
層近傍の屈折率分布が電界を活性層部分に集中させる屈
折率分布となるように設計したので、光閉じ込め層の導
入による屈折率分布の最適化によって活性層内への光閉
じ込め量を増大できるとともに、ＭＱＢ構造により増大
されたエネルギー障壁によって、量子井戸活性層に注入
されたキャリアの光閉じ込め層へのオーバーフローを抑
制でき、これにより、量子井戸型半導体レーザのしきい
値を低減でき、外部量子効率を向上でき、さらに動特性
を向上できる。
【００３３】実施例２．図５は本発明の第２の実施例に
よる量子井戸型半導体レーザを説明するための図であ
り、図５(a) は本発明の第２の実施例による量子井戸型
半導体レーザの活性層近傍の伝導帯のバンド構造を示す
バンドダイアグラム図、図５(b) は図５(a) に対応する
屈折率分布図、図５(c) は図５(a) に対応する電界分布
図である。図において、図１または図２と同一符号は同
一又は相当部分である。また３５はｐ型ＩｎＧａＡｓＰ
バリア層、３６はｐ型ＩｎＧａＡｓＰトンネル防止層、
４５はＩｎＧａＡｓＰバリア層、５５はｎ型ＩｎＧａＡ
ｓＰバリア層、５６はｎ型ＩｎＧａＡｓＰトンネル防止
層である。本第２の実施例においても、上記第１の実施
例と同様、ＭＱＢ構造によるエネルギー障壁の増大効果
によって、図５(a) に示すように、量子井戸活性層４に
注入されたキャリアが感じる光閉じ込め層のエネルギー
障壁は、ＩｎＧａＡｓＰとＩｎＧａＡｓとの間の材料固
有のエネルギー障壁よりも高いエネルギー障壁１５とな
り、量子井戸活性層４内に注入されたキャリアの光閉じ
込め層３，又は５へのオーバーフローを、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ単層の光閉じ込め層を用いた場合に比して、大幅に抑
制できる。従って、上記第１の実施例と同様、量子井戸
型半導体レーザのしきい値を低減でき、外部量子効率を
向上でき、さらに動特性を向上できる。
よる量子井戸型半導体レーザを説明するための図であ
り、図５(a) は本発明の第２の実施例による量子井戸型
半導体レーザの活性層近傍の伝導帯のバンド構造を示す
バンドダイアグラム図、図５(b) は図５(a) に対応する
屈折率分布図、図５(c) は図５(a) に対応する電界分布
図である。図において、図１または図２と同一符号は同
一又は相当部分である。また３５はｐ型ＩｎＧａＡｓＰ
バリア層、３６はｐ型ＩｎＧａＡｓＰトンネル防止層、
４５はＩｎＧａＡｓＰバリア層、５５はｎ型ＩｎＧａＡ
ｓＰバリア層、５６はｎ型ＩｎＧａＡｓＰトンネル防止
層である。本第２の実施例においても、上記第１の実施
例と同様、ＭＱＢ構造によるエネルギー障壁の増大効果
によって、図５(a) に示すように、量子井戸活性層４に
注入されたキャリアが感じる光閉じ込め層のエネルギー
障壁は、ＩｎＧａＡｓＰとＩｎＧａＡｓとの間の材料固
有のエネルギー障壁よりも高いエネルギー障壁１５とな
り、量子井戸活性層４内に注入されたキャリアの光閉じ
込め層３，又は５へのオーバーフローを、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ単層の光閉じ込め層を用いた場合に比して、大幅に抑
制できる。従って、上記第１の実施例と同様、量子井戸
型半導体レーザのしきい値を低減でき、外部量子効率を
向上でき、さらに動特性を向上できる。
【００３４】以下、本実施例の量子井戸型半導体レーザ
における光閉じ込め係数，及び電界分布の計算例を示
す。活性層４を、図２０(a) に示すように、三層の層厚
６０オングストロームのＩｎＧａＡｓからなるウェル層
と二層の層厚１００オングストロームの波長１．３μｍ
に相当する組成のＩｎＧａＡｓＰからなるバリア層を交
互に積層した構造とし、ＭＱＷ光閉じ込め層３，及び５
を、上述した構造、即ち活性層４に接して配置された層
厚２００オングストロームの波長１．３μｍに相当する
組成のＩｎＧａＡｓＰからなるトンネル防止層と、十層
の層厚２１オングストロームのＩｎＧａＡｓウェル層及
び九層の層厚２７オングストロームの波長１．３μｍに
相当する組成のＩｎＧａＡｓＰバリア層を交互に積層し
てなる超格子構造とからなる構造とした場合のウェル層
への光閉じ込め係数は１．９％であり、光閉じ込め層の
ない場合に比して大幅に向上することがわかる。また、
その電界分布は、図２０(b) に示すように、活性層への
集中の度合が大きい、急峻な形状となる。
における光閉じ込め係数，及び電界分布の計算例を示
す。活性層４を、図２０(a) に示すように、三層の層厚
６０オングストロームのＩｎＧａＡｓからなるウェル層
と二層の層厚１００オングストロームの波長１．３μｍ
に相当する組成のＩｎＧａＡｓＰからなるバリア層を交
互に積層した構造とし、ＭＱＷ光閉じ込め層３，及び５
を、上述した構造、即ち活性層４に接して配置された層
厚２００オングストロームの波長１．３μｍに相当する
組成のＩｎＧａＡｓＰからなるトンネル防止層と、十層
の層厚２１オングストロームのＩｎＧａＡｓウェル層及
び九層の層厚２７オングストロームの波長１．３μｍに
相当する組成のＩｎＧａＡｓＰバリア層を交互に積層し
てなる超格子構造とからなる構造とした場合のウェル層
への光閉じ込め係数は１．９％であり、光閉じ込め層の
ない場合に比して大幅に向上することがわかる。また、
その電界分布は、図２０(b) に示すように、活性層への
集中の度合が大きい、急峻な形状となる。
【００３５】なお、上記第１，第２の実施例では、ｐ型
光閉じ込め層，ｎ型光閉じ込め層の両方をＭＱＢ構造と
したものについて示したが、活性層からのキャリアのオ
ーバーフロー現象は電子において特に顕著であるので、
ｐ型光閉じ込め層のみをＭＱＢ構造とし、ｎ型光閉じ込
め層は単層の光閉じ込め層としてもある程度の効果を得
ることができる。
光閉じ込め層，ｎ型光閉じ込め層の両方をＭＱＢ構造と
したものについて示したが、活性層からのキャリアのオ
ーバーフロー現象は電子において特に顕著であるので、
ｐ型光閉じ込め層のみをＭＱＢ構造とし、ｎ型光閉じ込
め層は単層の光閉じ込め層としてもある程度の効果を得
ることができる。
【００３６】また、上記第１，第２の実施例では、活性
層の上下に配置される光閉じ込め層をそれぞれｐ型，ｎ
型にドープしたものとしたが、アンドープの半導体層で
構成してもよい。
層の上下に配置される光閉じ込め層をそれぞれｐ型，ｎ
型にドープしたものとしたが、アンドープの半導体層で
構成してもよい。
【００３７】実施例３．次に本発明の第３の実施例を図
について説明する。図６は本発明の第３の実施例による
量子井戸型半導体レーザの主要部を模式的に示す断面図
であり、図において図２と同一符号は同一又は相当部分
である。本第３の実施例は、量子井戸活性層４を構成す
るバリア層をＭＱＢ構造としたものである。ＭＱＢバリ
ア層４９は量子井戸活性層４を構成するウェル層４１に
接して配置されたＩｎＰトンネル防止層４８と、ＩｎＧ
ａＡｓウェル層４６及びＩｎＰバリア層４７を交互に積
層した構造とから構成される。また、３０はｐ型ＩｎＧ
ａＡｓＰ光閉じ込め層、５０はｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉
じ込め層である。図７は図６のＭＱＢバリア層４９近傍
の伝導帯のバンド構造を示すバンドダイアグラム図であ
り、図において図６と同一符号は同一又は相当部分であ
る。
について説明する。図６は本発明の第３の実施例による
量子井戸型半導体レーザの主要部を模式的に示す断面図
であり、図において図２と同一符号は同一又は相当部分
である。本第３の実施例は、量子井戸活性層４を構成す
るバリア層をＭＱＢ構造としたものである。ＭＱＢバリ
ア層４９は量子井戸活性層４を構成するウェル層４１に
接して配置されたＩｎＰトンネル防止層４８と、ＩｎＧ
ａＡｓウェル層４６及びＩｎＰバリア層４７を交互に積
層した構造とから構成される。また、３０はｐ型ＩｎＧ
ａＡｓＰ光閉じ込め層、５０はｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光閉
じ込め層である。図７は図６のＭＱＢバリア層４９近傍
の伝導帯のバンド構造を示すバンドダイアグラム図であ
り、図において図６と同一符号は同一又は相当部分であ
る。
【００３８】ＭＱＷ構造におけるバリア層は、隣接する
ウェル間での波動関数の重なりが十分小さくなる程度に
厚くする必要がある。しかし、一方で、バリア層を無制
限に厚く設計した場合には、活性層全体の層厚が厚くな
りすぎ、レーザ光の横モードの制御性が悪くなる。従っ
て、通常はバリア層を１５０オングストローム〜３００
オングストロームに設計する。本実施例では、両側に５
０オングストロームの電子に対するトンネル防止層４８
を設け、この間に、層厚２１オングストロームのウェル
層４６を２層、層厚２７オングストロームのバリア層４
７を１層交互に積層した。バリア層４９全体の層厚は１
６９オングストロームである。図８は、図７に示す構造
を有するＭＱＢにおける電子に対するエネルギー障壁の
計算値を示す図であり、横軸に電子のエネルギーをＩｎ
ＰとＩｎＧａＡｓとの間の実のエネルギー障壁の値で規
格化した値を、縦軸に電子のＭＱＢに対する反射率をと
っている。横軸での１．０は１８０ｍｅＶに相当する。
図に示すように、図７のＭＱＢ構造では、特定のエネル
ギーでの透過は存在するものの、実のエネルギー障壁の
約１．８倍まで７０％以上の反射率が得られる。
ウェル間での波動関数の重なりが十分小さくなる程度に
厚くする必要がある。しかし、一方で、バリア層を無制
限に厚く設計した場合には、活性層全体の層厚が厚くな
りすぎ、レーザ光の横モードの制御性が悪くなる。従っ
て、通常はバリア層を１５０オングストローム〜３００
オングストロームに設計する。本実施例では、両側に５
０オングストロームの電子に対するトンネル防止層４８
を設け、この間に、層厚２１オングストロームのウェル
層４６を２層、層厚２７オングストロームのバリア層４
７を１層交互に積層した。バリア層４９全体の層厚は１
６９オングストロームである。図８は、図７に示す構造
を有するＭＱＢにおける電子に対するエネルギー障壁の
計算値を示す図であり、横軸に電子のエネルギーをＩｎ
ＰとＩｎＧａＡｓとの間の実のエネルギー障壁の値で規
格化した値を、縦軸に電子のＭＱＢに対する反射率をと
っている。横軸での１．０は１８０ｍｅＶに相当する。
図に示すように、図７のＭＱＢ構造では、特定のエネル
ギーでの透過は存在するものの、実のエネルギー障壁の
約１．８倍まで７０％以上の反射率が得られる。
【００３９】ウェル層４１に注入された電子は、再結合
し、巨大な光学利得を発生する。ここで、ウェル層４１
内で比較的高いエネルギーを有する電子はウェル層４１
の外へオーバーフローし、量子井戸活性層を構成するバ
リア層にも拡散しようとするが、ＭＱＢ構造のより増大
されたエネルギー障壁に反射され、再び量子井戸内に捕
獲される。この結果、本実施例ではウェル層４１に注入
された電子のバリア層へのオーバーフローを顕著に低減
できる。
し、巨大な光学利得を発生する。ここで、ウェル層４１
内で比較的高いエネルギーを有する電子はウェル層４１
の外へオーバーフローし、量子井戸活性層を構成するバ
リア層にも拡散しようとするが、ＭＱＢ構造のより増大
されたエネルギー障壁に反射され、再び量子井戸内に捕
獲される。この結果、本実施例ではウェル層４１に注入
された電子のバリア層へのオーバーフローを顕著に低減
できる。
【００４０】このように、本実施例では、多重量子井戸
構造の活性層４を構成するバリア層として、相互に組成
の異なる半導体層を交互に複数層積層してなり、多重量
子井戸構造の活性層を構成するウェル層内に注入される
キャリアに対して材料固有のエネルギー障壁よりも高い
エネルギー障壁を形成する多重量子障壁構造のバリア層
４９を備えた構成としたから、バリア層へのキャリアの
オーバーフローを抑制でき、これにより、量子井戸型半
導体レーザのしきい値を低減でき、外部量子効率を向上
でき、さらに動特性を向上できる。
構造の活性層４を構成するバリア層として、相互に組成
の異なる半導体層を交互に複数層積層してなり、多重量
子井戸構造の活性層を構成するウェル層内に注入される
キャリアに対して材料固有のエネルギー障壁よりも高い
エネルギー障壁を形成する多重量子障壁構造のバリア層
４９を備えた構成としたから、バリア層へのキャリアの
オーバーフローを抑制でき、これにより、量子井戸型半
導体レーザのしきい値を低減でき、外部量子効率を向上
でき、さらに動特性を向上できる。
【００４１】実施例４．図９は本発明の第４の実施例に
よる量子井戸型半導体レーザの多重量子井戸活性層のバ
リア層近傍の伝導帯のバンド構造を示すバンドダイアグ
ラム図であり、図において図７と同一符号は同一又は相
当部分である。また、本第４の実施例のバリア層４９以
外の構造は上記第３の実施例と全く同じである。
よる量子井戸型半導体レーザの多重量子井戸活性層のバ
リア層近傍の伝導帯のバンド構造を示すバンドダイアグ
ラム図であり、図において図７と同一符号は同一又は相
当部分である。また、本第４の実施例のバリア層４９以
外の構造は上記第３の実施例と全く同じである。
【００４２】上記第３の実施例では、ＭＱＢバリア層４
９に２層のＩｎＧａＡｓウェル層４６を設けたが、本第
４の実施例では４層のＩｎＧａＡｓウェル層４６を設け
ている。即ち、両側に５０オングストロームの電子に対
するトンネル防止層４８を設け、この間に、層厚２１オ
ングストロームのウェル層４６を４層、層厚２７オング
ストロームのバリア層４７を３層交互に積層した。バリ
ア層４９全体の層厚は２６５オングストロームである。
図１０は、図９に示す構造を有するＭＱＢにおける電子
に対するエネルギ障壁の計算値を示す図であり、横軸に
電子のエネルギをＩｎＰとＩｎＧａＡｓとの間の実のエ
ネルギ障壁の値で規格化した値を、縦軸に電子のＭＱＢ
に対する反射率をとっている。横軸での１．０は１８０
ｍｅＶに相当する。図に示すように、図９のＭＱＢ構造
では、特定のエネルギでの透過は存在するものの、実の
エネルギ障壁の約３．０倍まで７０％以上の反射率が得
られる。従って、本実施例では、ウェル層４１内に注入
される電子のバリア層４９へのオーバーフローを、上記
第３の実施例よりもさらに顕著に低減できる。
９に２層のＩｎＧａＡｓウェル層４６を設けたが、本第
４の実施例では４層のＩｎＧａＡｓウェル層４６を設け
ている。即ち、両側に５０オングストロームの電子に対
するトンネル防止層４８を設け、この間に、層厚２１オ
ングストロームのウェル層４６を４層、層厚２７オング
ストロームのバリア層４７を３層交互に積層した。バリ
ア層４９全体の層厚は２６５オングストロームである。
図１０は、図９に示す構造を有するＭＱＢにおける電子
に対するエネルギ障壁の計算値を示す図であり、横軸に
電子のエネルギをＩｎＰとＩｎＧａＡｓとの間の実のエ
ネルギ障壁の値で規格化した値を、縦軸に電子のＭＱＢ
に対する反射率をとっている。横軸での１．０は１８０
ｍｅＶに相当する。図に示すように、図９のＭＱＢ構造
では、特定のエネルギでの透過は存在するものの、実の
エネルギ障壁の約３．０倍まで７０％以上の反射率が得
られる。従って、本実施例では、ウェル層４１内に注入
される電子のバリア層４９へのオーバーフローを、上記
第３の実施例よりもさらに顕著に低減できる。
【００４３】なお、上記第３，第４の実施例では、光閉
じ込め層が単層のＩｎＧａＡｓＰ層からなるものについ
て示したが、光閉じ込め層として上記第１，又は第２の
実施例に示すＭＱＢ構造を導入することにより、電子の
バリア層へのオーバーフロー，及び電子の光閉じ込め層
へのオーバーフローの両方を効果的に抑制することがで
き、量子井戸型半導体レーザのしきい値電流の低減，レ
ーザの動特性の向上にさらに大きな効果が得られること
は言うまでもない。
じ込め層が単層のＩｎＧａＡｓＰ層からなるものについ
て示したが、光閉じ込め層として上記第１，又は第２の
実施例に示すＭＱＢ構造を導入することにより、電子の
バリア層へのオーバーフロー，及び電子の光閉じ込め層
へのオーバーフローの両方を効果的に抑制することがで
き、量子井戸型半導体レーザのしきい値電流の低減，レ
ーザの動特性の向上にさらに大きな効果が得られること
は言うまでもない。
【００４４】また、本発明の量子井戸型半導体レーザの
全体構造、特にその電流狭窄構造については、図１に示
すＰＰＩＢＨ（P-SUBSTRATE PARTIALLY INVERTED BURIE
D HETEROSTRUCTURE ）構造に限られるものではなく、量
子井戸型半導体レーザに適用されるその他の構造、例え
ば、リッジ導波路構造等であってもよい。
全体構造、特にその電流狭窄構造については、図１に示
すＰＰＩＢＨ（P-SUBSTRATE PARTIALLY INVERTED BURIE
D HETEROSTRUCTURE ）構造に限られるものではなく、量
子井戸型半導体レーザに適用されるその他の構造、例え
ば、リッジ導波路構造等であってもよい。
【００４５】また、上記各実施例では、ｐ型基板上に形
成したものについて示したが、各層の導電型を反転し
て、ｎ型基板に形成する構造としてもよい。
成したものについて示したが、各層の導電型を反転し
て、ｎ型基板に形成する構造としてもよい。
【００４６】また、上記各実施例では、ＩｎＰ基板を用
い、活性層としてＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いた波長
１．２〜１．６μｍ帯のレーザについて示したが、本発
明は、ＧａＡｓ基板を用い、活性層としてＡｌＧａＡｓ
系材料を用いた波長０．７５〜０．９μｍ帯のレーザ、
あるいは、ＧａＡｓ基板を用い、活性層としてＩｎＧａ
Ｐ系材料を用いた波長０．６６〜０．６９μｍ帯のレー
ザにも同様に適用することができ、上記実施例と同様の
効果を奏する。
い、活性層としてＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いた波長
１．２〜１．６μｍ帯のレーザについて示したが、本発
明は、ＧａＡｓ基板を用い、活性層としてＡｌＧａＡｓ
系材料を用いた波長０．７５〜０．９μｍ帯のレーザ、
あるいは、ＧａＡｓ基板を用い、活性層としてＩｎＧａ
Ｐ系材料を用いた波長０．６６〜０．６９μｍ帯のレー
ザにも同様に適用することができ、上記実施例と同様の
効果を奏する。
【００４７】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、量子
井戸型半導体レーザにおいて、ＭＱＢ構造の光閉じ込め
層を備えた構成としたので、活性層内への光の閉じ込め
量を増大できるとともに、キャリアの光閉じ込め層への
オーバーフローを抑制でき、これにより、量子井戸型半
導体レーザのしきい値を低減でき、外部量子効率を向上
でき、さらに動特性を向上できる効果がある。
井戸型半導体レーザにおいて、ＭＱＢ構造の光閉じ込め
層を備えた構成としたので、活性層内への光の閉じ込め
量を増大できるとともに、キャリアの光閉じ込め層への
オーバーフローを抑制でき、これにより、量子井戸型半
導体レーザのしきい値を低減でき、外部量子効率を向上
でき、さらに動特性を向上できる効果がある。
【００４８】また、この発明によれば、多重量子井戸構
造の活性層を有する量子井戸型半導体レーザにおいて、
多重量子井戸構造を構成するバリア層としてＭＱＢ構造
のバリア層を備えた構成としたので、バリア層へのキャ
リアのオーバーフローを抑制でき、これにより、量子井
戸型半導体レーザのしきい値を低減でき、外部量子効率
を向上でき、さらに動特性を向上できる効果がある。
造の活性層を有する量子井戸型半導体レーザにおいて、
多重量子井戸構造を構成するバリア層としてＭＱＢ構造
のバリア層を備えた構成としたので、バリア層へのキャ
リアのオーバーフローを抑制でき、これにより、量子井
戸型半導体レーザのしきい値を低減でき、外部量子効率
を向上でき、さらに動特性を向上できる効果がある。
【図１】この発明の第１の実施例による量子井戸型半導
体レーザの構造を示す斜視図である。
体レーザの構造を示す斜視図である。
【図２】図１の量子井戸型半導体レーザの主要部を模式
的に示す断面図である。
的に示す断面図である。
【図３】図１の量子井戸型半導体レーザの動作を説明す
るための図である。
るための図である。
【図４】図１の量子井戸型半導体レーザに用いたＭＱＢ
構造に対する電子の反射率を示す図である。
構造に対する電子の反射率を示す図である。
【図５】この発明の第２の実施例による量子井戸型半導
体レーザの動作を説明するための図である。
体レーザの動作を説明するための図である。
【図６】この発明の第３の実施例による量子井戸型半導
体レーザの主要部を模式的に示す断面図である。
体レーザの主要部を模式的に示す断面図である。
【図７】図６の量子井戸型半導体レーザのバリア層近傍
の伝導帯のバンド構造を示すバンドダイアグラム図であ
る。
の伝導帯のバンド構造を示すバンドダイアグラム図であ
る。
【図８】図６の量子井戸型半導体レーザのバリア層を構
成するＭＱＢ構造に対する電子の反射率を示す図であ
る。
成するＭＱＢ構造に対する電子の反射率を示す図であ
る。
【図９】この発明の第４の実施例による量子井戸型半導
体レーザのバリア層近傍の伝導帯のバンド構造を示すバ
ンドダイアグラム図である。
体レーザのバリア層近傍の伝導帯のバンド構造を示すバ
ンドダイアグラム図である。
【図１０】この発明の第４の実施例による量子井戸型半
導体レーザのバリア層を構成するＭＱＢ構造に対する電
子の反射率を示す図である。
導体レーザのバリア層を構成するＭＱＢ構造に対する電
子の反射率を示す図である。
【図１１】開発当初の量子井戸型半導体レーザの主要図
の構造を示す断面図である。
の構造を示す断面図である。
【図１２】光閉じ込め層を備えた量子井戸型半導体レー
ザの主要図の構造を示す断面図である。
ザの主要図の構造を示す断面図である。
【図１３】図１１に示す量子井戸型半導体レーザの動作
を説明するための図である。
を説明するための図である。
【図１４】図１２に示す量子井戸型半導体レーザの動作
を説明するための図である。
を説明するための図である。
【図１５】ＭＱＢ構造を備えた従来の量子井戸型半導体
レーザの構造を示す断面図である。
レーザの構造を示す断面図である。
【図１６】図１５の量子井戸型半導体レーザの活性層近
傍の伝導帯のバンド構造を示すバンドダイアグラム図で
ある。
傍の伝導帯のバンド構造を示すバンドダイアグラム図で
ある。
【図１７】図１１に示す量子井戸型半導体レーザにおけ
る光閉じ込め量の計算例を説明するための図である。
る光閉じ込め量の計算例を説明するための図である。
【図１８】図１２に示す量子井戸型半導体レーザにおけ
る光閉じ込め量の計算例を説明するための図である。
る光閉じ込め量の計算例を説明するための図である。
【図１９】本発明の第１の実施例による量子井戸型半導
体レーザにおける光閉じ込め量の計算例を説明するため
の図である。
体レーザにおける光閉じ込め量の計算例を説明するため
の図である。
【図２０】本発明の第２の実施例による量子井戸型半導
体レーザにおける光閉じ込め量の計算例を説明するため
の図である。
体レーザにおける光閉じ込め量の計算例を説明するため
の図である。
１ ｐ型ＩｎＰ基板 ２ ｐ型ＩｎＰ下クラッド層 ３ ｐ型ＭＱＢ光閉じ込め層 ４ 量子井戸活性層 ５ ｎ型ＭＱＢ光閉じ込め層 ６ ｎ型ＩｎＰ第１上クラッド層 ７ ｐ型ＩｎＰ第１埋込み層 ８ ｎ型ＩｎＰ第２埋込み層 ９ ｐ型ＩｎＰ第３埋込み層 １０ ｎ型ＩｎＰ第２上クラッド層 １１ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層 １２ 絶縁膜 １３ ｐ側電極 １４ ｎ側電極 ３１ ｐ型ＩｎＧａＡｓウェル層 ３２ ｐ型ＩｎＰバリア層 ３３ ｐ型ＩｎＰトンネル防止層 ４１ ＩｎＧａＡｓウェル層 ４２ ＩｎＰバリア層 ５１ ｎ型ＩｎＧａＡｓウェル層 ５２ ｎ型ＩｎＰバリア層 ５３ ｎ型ＩｎＰトンネル防止層
Claims (4)
- 【請求項１】 量子井戸構造の活性層を有する量子井戸
型半導体レーザにおいて、 上記量子井戸構造の活性層に接して配置された、相互に
組成の異なる半導体層を交互に複数層積層してなり、上
記半導体層の組成，層厚，及び積層数が、上記活性層内
に注入されるキャリアに対して材料固有のエネルギー障
壁よりも高いエネルギー障壁を形成し、かつ活性層近傍
の屈折率分布が電界を活性層部分に集中させる屈折率分
布となるように調整された、多重量子障壁構造の光閉じ
込め層を備えたことを特徴とする量子井戸型半導体レー
ザ。 - 【請求項２】 請求項１記載の量子井戸型半導体レーザ
において、 上記多重量子障壁構造の光閉じ込め層は、第１種半導体
からなる数原子層の層厚のウェル層と上記第１種半導体
よりもバンドギャップの大きい第２種半導体からなる数
原子層の層厚のバリア層とを交互に複数層積層してなる
超格子構造体と、該超格子構造体と上記量子井戸構造の
活性層との間に配置された上記活性層内のキャリアが上
記超格子構造体にトンネルすることを防止するトンネル
防止層とからなるものであることを特徴とする量子井戸
型半導体レーザ。 - 【請求項３】 複数のウェル層と該ウェル層間に配置さ
れたバリア層からなる多重量子井戸構造の活性層を有す
る量子井戸型半導体レーザにおいて、 上記バリア層として、相互に組成の異なる半導体層を交
互に複数層積層してなり、上記ウェル層内に注入される
キャリアに対して材料固有のエネルギー障壁よりも高い
エネルギー障壁を形成する多重量子障壁構造のバリア層
を備えたことを特徴とする量子井戸型半導体レーザ。 - 【請求項４】 請求項３記載の量子井戸型半導体レーザ
において、 上記多重量子障壁構造のバリア層は、第１種半導体から
なる数原子層の層厚のウェル層と上記第１種半導体より
もバンドギャップの大きい第２種半導体からなる数原子
層の層厚のバリア層とを交互に複数層積層してなる超格
子構造体と、該超格子構造体と上記ウェル層との間に配
置された該ウェル層内のキャリアが上記超格子構造体に
トンネルすることを防止するトンネル防止層とからなる
ものであることを特徴とする量子井戸型半導体レーザ。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5116782A JPH06334265A (ja) | 1993-05-19 | 1993-05-19 | 量子井戸型半導体レーザ |
| EP94107080A EP0625812A3 (en) | 1993-05-19 | 1994-05-05 | Semiconductor laser device of the quantum well type. |
| US08/242,087 US5528614A (en) | 1993-05-19 | 1994-05-12 | Quantum well semiconductor laser device structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5116782A JPH06334265A (ja) | 1993-05-19 | 1993-05-19 | 量子井戸型半導体レーザ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06334265A true JPH06334265A (ja) | 1994-12-02 |
Family
ID=14695580
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5116782A Pending JPH06334265A (ja) | 1993-05-19 | 1993-05-19 | 量子井戸型半導体レーザ |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5528614A (ja) |
| EP (1) | EP0625812A3 (ja) |
| JP (1) | JPH06334265A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6356572B1 (en) | 1998-03-19 | 2002-03-12 | Hitachi, Ltd. | Semiconductor light emitting device |
Families Citing this family (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09270558A (ja) * | 1996-03-29 | 1997-10-14 | Fuji Photo Film Co Ltd | 半導体レーザ |
| US6154475A (en) * | 1997-12-04 | 2000-11-28 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Silicon-based strain-symmetrized GE-SI quantum lasers |
| JP3014364B2 (ja) * | 1998-05-26 | 2000-02-28 | カナレ電気株式会社 | 量子波干渉層を有した半導体素子 |
| JP4316171B2 (ja) * | 2001-03-27 | 2009-08-19 | 富士フイルム株式会社 | 半導体レーザ素子およびその製造方法 |
| JP4316172B2 (ja) * | 2001-09-28 | 2009-08-19 | 富士フイルム株式会社 | 半導体レーザ素子 |
| WO2006044314A1 (en) | 2004-10-12 | 2006-04-27 | Alfalight Inc | Semiconductor laser diode |
| KR100653652B1 (ko) * | 2004-12-16 | 2006-12-05 | 한국전자통신연구원 | 광 반도체 소자 |
| WO2010059132A1 (en) * | 2008-11-21 | 2010-05-27 | Agency For Science, Technology And Research | A light emitting diode structure and a method of forming a light emitting diode structure |
| FR2973946B1 (fr) * | 2011-04-08 | 2013-03-22 | Saint Gobain | Dispositif électronique a couches |
| CN103368074B (zh) * | 2013-07-18 | 2015-12-23 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 半导体激光器有源区、半导体激光器及其制作方法 |
| JP6220614B2 (ja) * | 2013-09-20 | 2017-10-25 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | 半導体装置の製造方法および半導体装置 |
| DE102021119596A1 (de) * | 2021-07-28 | 2023-02-02 | OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Strahlungsemittierender halbleiterkörper, laserdiode und lichtemittierende diode |
| CN115241736A (zh) * | 2022-07-26 | 2022-10-25 | 江苏华兴激光科技有限公司 | 一种GaAs基高可靠性激光芯片外延片 |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS59104189A (ja) * | 1982-12-07 | 1984-06-15 | Kokusai Denshin Denwa Co Ltd <Kdd> | 半導体レ−ザ |
| JPH0666519B2 (ja) * | 1986-08-14 | 1994-08-24 | 東京工業大学長 | 超格子構造体 |
| JPS647587A (en) * | 1987-06-29 | 1989-01-11 | Nec Corp | Semiconductor laser |
| JPS6455888A (en) * | 1987-08-26 | 1989-03-02 | Nec Corp | Semiconductor element |
| JPH0465887A (ja) * | 1990-07-06 | 1992-03-02 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ |
| JP3181063B2 (ja) * | 1991-02-28 | 2001-07-03 | 健一 伊賀 | 超格子構造体，それを用いた電子またはホールの閉じ込め構造および半導体発光素子 |
| JPH04350988A (ja) * | 1991-05-29 | 1992-12-04 | Nec Kansai Ltd | 量子井戸構造発光素子 |
| AU2401792A (en) * | 1991-08-01 | 1993-03-02 | Optronics Ireland | A laser structure |
| JPH05175605A (ja) * | 1991-10-23 | 1993-07-13 | Toshiba Corp | 半導体レ−ザ装置 |
| JPH05243676A (ja) * | 1992-02-28 | 1993-09-21 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ装置 |
| JP2833952B2 (ja) * | 1992-12-21 | 1998-12-09 | 三菱電機株式会社 | 半導体レーザ |
-
1993
- 1993-05-19 JP JP5116782A patent/JPH06334265A/ja active Pending
-
1994
- 1994-05-05 EP EP94107080A patent/EP0625812A3/en not_active Ceased
- 1994-05-12 US US08/242,087 patent/US5528614A/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6356572B1 (en) | 1998-03-19 | 2002-03-12 | Hitachi, Ltd. | Semiconductor light emitting device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0625812A3 (en) | 1995-06-14 |
| EP0625812A2 (en) | 1994-11-23 |
| US5528614A (en) | 1996-06-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JPH06334265A (ja) | 量子井戸型半導体レーザ | |
| JPH11330605A (ja) | 半導体レーザ | |
| JP2515051B2 (ja) | 半導体光素子及びその製造方法 | |
| JPH05283791A (ja) | 面発光型半導体レーザ | |
| JPH07221395A (ja) | 多重量子井戸半導体レーザ | |
| JPH09106946A (ja) | 半導体装置，及び半導体レーザ，並びに高電子移動度トランジスタ装置 | |
| JP2543551B2 (ja) | 半導体レ―ザ― | |
| JPH04218994A (ja) | 半導体発光装置 | |
| EP2169792B1 (en) | Semiconductor laser and method for manufacturing the same | |
| JPH0786678A (ja) | 半導体レーザ装置 | |
| JP2697615B2 (ja) | 多重量子井戸半導体レーザ | |
| JP3658048B2 (ja) | 半導体レーザ素子 | |
| JPS60145687A (ja) | 半導体レ−ザ− | |
| JP2748838B2 (ja) | 量子井戸半導体レーザ装置 | |
| JP3609446B2 (ja) | 半導体レーザ装置 | |
| JPH06209139A (ja) | 半導体レーザ装置 | |
| JPH09129969A (ja) | 半導体レーザ | |
| JP3146821B2 (ja) | 半導体光集積素子の製造方法 | |
| JP2555984B2 (ja) | 半導体レーザおよびその製造方法 | |
| JP2555983B2 (ja) | 光半導体素子 | |
| JP2504372B2 (ja) | 超格子構造体 | |
| JP2794743B2 (ja) | 量子井戸型半導体レーザ素子 | |
| JPH07321395A (ja) | 自励発振型半導体レーザ素子 | |
| JPWO2004112208A1 (ja) | 半導体レーザ | |
| JPH0728093B2 (ja) | 半導体レ−ザ素子 |