JPH07111366A - 半導体レーザ素子 - Google Patents
半導体レーザ素子Info
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- JPH07111366A JPH07111366A JP25671493A JP25671493A JPH07111366A JP H07111366 A JPH07111366 A JP H07111366A JP 25671493 A JP25671493 A JP 25671493A JP 25671493 A JP25671493 A JP 25671493A JP H07111366 A JPH07111366 A JP H07111366A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】共振器端面近傍での温度上昇による端面破壊を
避ける。 【構成】半導体基板上に設けられた、禁制帯幅の大きな
光導波層とそれに挾まれた単一量子井戸又は多重量子井
戸構造の活性層において、前記多重量子井戸構造は格子
歪を導入した量子井戸層と量子障壁層から形成され、歪
量子井戸構造の全体に対して引張歪による応力を残存さ
せる。 【効果】劈開により引張歪の応力が解放されると、共振
器端面近傍における活性層の禁制帯幅が無歪の場合に近
接して大きくなり、従来高出力半導体レーザにおいて問
題となっていた表面準位による共振器端面近傍の光吸収
を避けることができる。これにより、レーザの最大光出
力は共振器端面の温度上昇に起因する端面破壊に制限さ
れずに、従来より３倍以上に向上できた。
避ける。 【構成】半導体基板上に設けられた、禁制帯幅の大きな
光導波層とそれに挾まれた単一量子井戸又は多重量子井
戸構造の活性層において、前記多重量子井戸構造は格子
歪を導入した量子井戸層と量子障壁層から形成され、歪
量子井戸構造の全体に対して引張歪による応力を残存さ
せる。 【効果】劈開により引張歪の応力が解放されると、共振
器端面近傍における活性層の禁制帯幅が無歪の場合に近
接して大きくなり、従来高出力半導体レーザにおいて問
題となっていた表面準位による共振器端面近傍の光吸収
を避けることができる。これにより、レーザの最大光出
力は共振器端面の温度上昇に起因する端面破壊に制限さ
れずに、従来より３倍以上に向上できた。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信や光情報端末或
いは光応用計測用の光源に適する半導体レーザ素子に関
する。
いは光応用計測用の光源に適する半導体レーザ素子に関
する。
【０００２】
【従来の技術】従来の技術では、短波長領域における半
導体レーザでは、高出力特性を目標としてＧａＩｎＰ量
子井戸(ＱＷ)層に対して圧縮歪を導入することが、例え
ば、公知例１）アプライド・フィジクス・レターズ1993
年，62巻，1173頁(Appl.Ｐhys.Lett.，62，1173(199
3).)において述べられている。
導体レーザでは、高出力特性を目標としてＧａＩｎＰ量
子井戸(ＱＷ)層に対して圧縮歪を導入することが、例え
ば、公知例１）アプライド・フィジクス・レターズ1993
年，62巻，1173頁(Appl.Ｐhys.Lett.，62，1173(199
3).)において述べられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、量
子井戸(以下ＱＷ)層と量子障壁(以下ＱＢ)層に対する歪
量の導入やＱＷ及びＱＢ幅及びその層数に関して最適化
することや歪量子井戸構造全体に対する設計について詳
細は述べられておらず、横モ−ドを制御した屈折率導波
構造のレーザにおいて１００ｍＷ以上の高出力特性を得
る方法についての内容を言及していない。
子井戸(以下ＱＷ)層と量子障壁(以下ＱＢ)層に対する歪
量の導入やＱＷ及びＱＢ幅及びその層数に関して最適化
することや歪量子井戸構造全体に対する設計について詳
細は述べられておらず、横モ−ドを制御した屈折率導波
構造のレーザにおいて１００ｍＷ以上の高出力特性を得
る方法についての内容を言及していない。
【０００４】本発明の目的は、歪量子井戸構造のうち歪
ＱＷ層とは反対符号の格子歪を歪ＱＢ層に導入しかつ該
歪量子井戸構造全体において引張歪による応力が残存す
るように設定することにより、５０℃以上の高温域にお
いて従来より高出力化を図り１００ｍＷ以上の高出力特
性を得ることにある。
ＱＷ層とは反対符号の格子歪を歪ＱＢ層に導入しかつ該
歪量子井戸構造全体において引張歪による応力が残存す
るように設定することにより、５０℃以上の高温域にお
いて従来より高出力化を図り１００ｍＷ以上の高出力特
性を得ることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】活性層構造全体において
少なくとも引張歪による応力が残存するように、活性層
に導入する格子歪の符号や歪量を活性層膜厚に対して考
慮した設計を行う。歪量子井戸構造において量子井戸層
に引張歪を導入するときには量子障壁層に圧縮歪を加
え、また量子井戸層に圧縮歪を導入するときには量子障
壁層に引張歪を加えるが、歪量子井戸構造活性層全体で
は引張歪が必ず残るように設定する。
少なくとも引張歪による応力が残存するように、活性層
に導入する格子歪の符号や歪量を活性層膜厚に対して考
慮した設計を行う。歪量子井戸構造において量子井戸層
に引張歪を導入するときには量子障壁層に圧縮歪を加
え、また量子井戸層に圧縮歪を導入するときには量子障
壁層に引張歪を加えるが、歪量子井戸構造活性層全体で
は引張歪が必ず残るように設定する。
【０００６】
【作用】活性層を歪量子井戸構造とした場合に、歪量子
井戸構造全体で少なくとも引張歪による応力が必ず残存
するように設定するために、量子井戸層と量子障壁層に
対して導入すべき格子歪の符号と歪量、かつ量子井戸層
幅と層数を含めた関係について以下に述べる。
井戸構造全体で少なくとも引張歪による応力が必ず残存
するように設定するために、量子井戸層と量子障壁層に
対して導入すべき格子歪の符号と歪量、かつ量子井戸層
幅と層数を含めた関係について以下に述べる。
【０００７】量子井戸層の膜厚をＬW，層数をＮW，歪量
をεW(圧縮歪のとき符号＋，引張歪のとき符号−)と
し、量子障壁層の膜厚をＬB，層数をＮB，歪量をε
B（圧縮歪のとき符号＋，引張歪のとき符号−）とした
ときに、ＬWＮWεW＋ＬBＮBεB＜０の関係が常に成立す
るようにすれば、歪量子井戸構造全体に引張歪が残存す
るようにできる。このとき、歪量子井戸構造活性層を成
長中に積層欠陥を生じないようにするために、格子歪が
残存した活性層全体の層厚平均をＬZ＝(ＬWＮWεW＋ Ｌ
BＮBεB)／(ＮWεW＋ＮBεB)とするとき、残存する重み
付き平均の引張歪量であるεZ＝(ＬWＮWεW＋ＬBＮ
BεB)／(ＬWＮW＋ＬBＮB）に規定される臨界膜厚より少
なくともＬZを小さくする必要がある。
をεW(圧縮歪のとき符号＋，引張歪のとき符号−)と
し、量子障壁層の膜厚をＬB，層数をＮB，歪量をε
B（圧縮歪のとき符号＋，引張歪のとき符号−）とした
ときに、ＬWＮWεW＋ＬBＮBεB＜０の関係が常に成立す
るようにすれば、歪量子井戸構造全体に引張歪が残存す
るようにできる。このとき、歪量子井戸構造活性層を成
長中に積層欠陥を生じないようにするために、格子歪が
残存した活性層全体の層厚平均をＬZ＝(ＬWＮWεW＋ Ｌ
BＮBεB)／(ＮWεW＋ＮBεB)とするとき、残存する重み
付き平均の引張歪量であるεZ＝(ＬWＮWεW＋ＬBＮ
BεB)／(ＬWＮW＋ＬBＮB）に規定される臨界膜厚より少
なくともＬZを小さくする必要がある。
【０００８】一例として図５に示したように、引張歪に
よる応力が生じたＧａＩｎＰ層では無歪の場合に比べて
禁制帯幅が縮小し長波長化する。一方、半導体レーザの
作製工程における劈開により共振器端面を形成すると
き、共振器端面近傍における歪活性層の応力が一部解放
されることになる。
よる応力が生じたＧａＩｎＰ層では無歪の場合に比べて
禁制帯幅が縮小し長波長化する。一方、半導体レーザの
作製工程における劈開により共振器端面を形成すると
き、共振器端面近傍における歪活性層の応力が一部解放
されることになる。
【０００９】上記のように活性層全体に引張歪が残存す
るようにしておくと、劈開により引張歪の応力が解放さ
れると、共振器端面近傍における活性層の禁制帯幅が無
歪の場合に近接して大きくなり、従来高出力半導体レー
ザにおいて問題となっていた表面準位による共振器端面
近傍の光吸収を避けることができる。これにより、レー
ザの最大光出力は共振器端面の温度上昇に起因する端面
破壊に制限されずに、従来より３倍以上に向上できた。
るようにしておくと、劈開により引張歪の応力が解放さ
れると、共振器端面近傍における活性層の禁制帯幅が無
歪の場合に近接して大きくなり、従来高出力半導体レー
ザにおいて問題となっていた表面準位による共振器端面
近傍の光吸収を避けることができる。これにより、レー
ザの最大光出力は共振器端面の温度上昇に起因する端面
破壊に制限されずに、従来より３倍以上に向上できた。
【００１０】歪量子井戸構造における引張歪の重み付き
平均εZ＝(ＬWＮWεW＋ＬBＮBεB)／(ＬWＮW＋ＬBＮB)
は少なくともεZ＜０であるが、できるだけεZの絶対値
を大きくすることが有効である。これにより、劈開によ
り歪が開放された共振器端面近傍とレーザ素子の内部に
おける活性層禁制帯幅のエネルギ差を大きく設定でき
る。このエネルギ差は少なくとも動作温度の熱エネルギ
ｋＴ(ｋはBoltzman定数,Ｔは動作温度）よりも大きく、
レーザ光が導波されるストライプ部の温度上昇を考慮し
てさらに大きい平均引張歪量εZを設定することが望ま
しい。
平均εZ＝(ＬWＮWεW＋ＬBＮBεB)／(ＬWＮW＋ＬBＮB)
は少なくともεZ＜０であるが、できるだけεZの絶対値
を大きくすることが有効である。これにより、劈開によ
り歪が開放された共振器端面近傍とレーザ素子の内部に
おける活性層禁制帯幅のエネルギ差を大きく設定でき
る。このエネルギ差は少なくとも動作温度の熱エネルギ
ｋＴ(ｋはBoltzman定数,Ｔは動作温度）よりも大きく、
レーザ光が導波されるストライプ部の温度上昇を考慮し
てさらに大きい平均引張歪量εZを設定することが望ま
しい。
【００１１】
（実施例１）本発明の一実施例を図１，図２により説明
する。まず図１において、(００１)面から〔１１０〕
〔-１-１０〕方向に５°傾いた面を有するｎ型ＧａＡｓ
基板１を用いて、その上にｎ型ＧａＩｎＰバッファ層２
（ｄ＝０.５μｍ，ＮD＝１×1018cm-3)，ｎ型(Ａｌy2Ｇ
ａ1-y2)αＩｎ1-αＰ光導波層３(ｄ＝２.０μｍ，ＮD＝
９×１０17cm-3，ｙ2＝０.７，αはＧａＡｓ基板と格子
整合する値０.５１)，膜厚５ｎｍのアンドープ(ＡｌxＧ
ａ1-x)γＩｎ1-γＰ(Ｘ＝０，γ＝０.３８，格子歪量＋
１.０％)歪量子井戸層３層と、膜厚４ｎｍのアンドープ
(Ａｌy1Ｇａ1-y1)βＩｎ1-βＰ(ｙ1＝０.２，β＝０.６
７，格子歪量−１.２％)引張歪量子障壁層４層、及び両
側に膜厚７ｎｍのアンドープ無歪(Ａｌy3Ｇａ1-y3)αＩ
ｎ1-αＰ光分離閉じ込め層（ｙ3＝０.５，αはＧａＡｓ
基板と格子整合する値０.５１)から構成される(多重量
子井戸層周辺の伝導帯バンド構造概略は図２のようにな
る)歪多重量子井戸活性層４，ｐ型(Ａｌy2Ｇａ1-y2)α
Ｉｎ1-αＰ光導波層５(ｄ＝１.８μｍ，ＮA＝７〜８×
１０17cm-3，ｙ2＝０.７ ，αはＧａＡｓ基板と格子整
合する値０.５１)，ｐ型Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐバッファ層
６（ｄ＝０.０５μｍ，ＮA＝２×１０18cm-3）を成長温
度６７０℃において有機金属気相成長法によりエピタキ
シャル成長した。この後、ホトリソグラフィによりＳｉ
Ｏ2 マスク（膜厚ｄ＝０.２μｍ，ストライプ幅４μｍ)
を形成し、ケミカルエッチングにより層５を０.２μｍ
残すところまで層６と層５をエッチング除去してリッジ
ストライプを形成する。次に、ＳｉＯ2 マスクを残した
まま、ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄兼光吸収層７（ｄ＝１.３
μｍ，ＮD＝２×１０18cm-3）を選択成長する。さら
に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層８(ｄ＝２〜３μｍ，ＮA
＝５×１０18〜１×１０19cm-3)を埋め込み成長した
後、ｐ電極９及びｎ電極１０を蒸着する。さらに、劈開
スクライブして素子の形に切り出し、図１の断面を有す
る素子を得る。
する。まず図１において、(００１)面から〔１１０〕
〔-１-１０〕方向に５°傾いた面を有するｎ型ＧａＡｓ
基板１を用いて、その上にｎ型ＧａＩｎＰバッファ層２
（ｄ＝０.５μｍ，ＮD＝１×1018cm-3)，ｎ型(Ａｌy2Ｇ
ａ1-y2)αＩｎ1-αＰ光導波層３(ｄ＝２.０μｍ，ＮD＝
９×１０17cm-3，ｙ2＝０.７，αはＧａＡｓ基板と格子
整合する値０.５１)，膜厚５ｎｍのアンドープ(ＡｌxＧ
ａ1-x)γＩｎ1-γＰ(Ｘ＝０，γ＝０.３８，格子歪量＋
１.０％)歪量子井戸層３層と、膜厚４ｎｍのアンドープ
(Ａｌy1Ｇａ1-y1)βＩｎ1-βＰ(ｙ1＝０.２，β＝０.６
７，格子歪量−１.２％)引張歪量子障壁層４層、及び両
側に膜厚７ｎｍのアンドープ無歪(Ａｌy3Ｇａ1-y3)αＩ
ｎ1-αＰ光分離閉じ込め層（ｙ3＝０.５，αはＧａＡｓ
基板と格子整合する値０.５１)から構成される(多重量
子井戸層周辺の伝導帯バンド構造概略は図２のようにな
る)歪多重量子井戸活性層４，ｐ型(Ａｌy2Ｇａ1-y2)α
Ｉｎ1-αＰ光導波層５(ｄ＝１.８μｍ，ＮA＝７〜８×
１０17cm-3，ｙ2＝０.７ ，αはＧａＡｓ基板と格子整
合する値０.５１)，ｐ型Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐバッファ層
６（ｄ＝０.０５μｍ，ＮA＝２×１０18cm-3）を成長温
度６７０℃において有機金属気相成長法によりエピタキ
シャル成長した。この後、ホトリソグラフィによりＳｉ
Ｏ2 マスク（膜厚ｄ＝０.２μｍ，ストライプ幅４μｍ)
を形成し、ケミカルエッチングにより層５を０.２μｍ
残すところまで層６と層５をエッチング除去してリッジ
ストライプを形成する。次に、ＳｉＯ2 マスクを残した
まま、ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄兼光吸収層７（ｄ＝１.３
μｍ，ＮD＝２×１０18cm-3）を選択成長する。さら
に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層８(ｄ＝２〜３μｍ，ＮA
＝５×１０18〜１×１０19cm-3)を埋め込み成長した
後、ｐ電極９及びｎ電極１０を蒸着する。さらに、劈開
スクライブして素子の形に切り出し、図１の断面を有す
る素子を得る。
【００１２】本実施例では、共振器端面近傍の禁制帯幅
を内部よりも少なくとも３０meV 以上大きくなり、端面
における光吸収を大幅に低減できた。高出力特性では、
共振器長６００μｍの素子で動作温度７０℃における最
大光出力がこれまで得られているより３倍高い１５０ｍ
Ｗであるとともに、光出力７０ｍＷの定出力動作で２０
００時間以上の長期信頼性が達成された。また、上記量
子障壁層に引張歪を導入することにより、量子井戸層の
臨界膜厚を拡大できているとともに、四元(Ａｌy1Ｇａ
1-y1)βＩｎ1-βＰ量子障壁層のＡｌ組成を従来無歪層
の場合に用いていたｙ1＝０.４〜０.５ からｙ1＝０.２
にまで減少できた。これにより、量子障壁層の導波され
るレーザ光の光散乱損失を低減できるため、低閾値動作
にも有利であった。図２の実線で各層のＡｌ組成の関係
を示すが、量子障壁層における伝導帯端は点線で示すよ
うに高くでき、無歪層の場合におけるＡｌ組成０.４ に
相当する禁制帯幅を増大できた。
を内部よりも少なくとも３０meV 以上大きくなり、端面
における光吸収を大幅に低減できた。高出力特性では、
共振器長６００μｍの素子で動作温度７０℃における最
大光出力がこれまで得られているより３倍高い１５０ｍ
Ｗであるとともに、光出力７０ｍＷの定出力動作で２０
００時間以上の長期信頼性が達成された。また、上記量
子障壁層に引張歪を導入することにより、量子井戸層の
臨界膜厚を拡大できているとともに、四元(Ａｌy1Ｇａ
1-y1)βＩｎ1-βＰ量子障壁層のＡｌ組成を従来無歪層
の場合に用いていたｙ1＝０.４〜０.５ からｙ1＝０.２
にまで減少できた。これにより、量子障壁層の導波され
るレーザ光の光散乱損失を低減できるため、低閾値動作
にも有利であった。図２の実線で各層のＡｌ組成の関係
を示すが、量子障壁層における伝導帯端は点線で示すよ
うに高くでき、無歪層の場合におけるＡｌ組成０.４ に
相当する禁制帯幅を増大できた。
【００１３】このため、量子井戸層のポテンシャル深さ
を変えることなく、同程度の量子サイズ効果を利用でき
無歪層のときと同じ発振波長を得た。本実施例では、共
振器長６００μｍの素子において室温における閾値電流
は１５〜２５ｍＡであり、無歪量子障壁層を用いた場合
に比べて３０〜５０％の低減が図られた。さらに、発振
波長は長波長化させずに６７０〜６８０ｎｍの範囲を得
ることができた。
を変えることなく、同程度の量子サイズ効果を利用でき
無歪層のときと同じ発振波長を得た。本実施例では、共
振器長６００μｍの素子において室温における閾値電流
は１５〜２５ｍＡであり、無歪量子障壁層を用いた場合
に比べて３０〜５０％の低減が図られた。さらに、発振
波長は長波長化させずに６７０〜６８０ｎｍの範囲を得
ることができた。
【００１４】（実施例２）本発明の他の実施例を図３，
図４により説明する。まず図３において、(001)面から
〔１１０〕〔-１-１０〕方向に１５.８° 傾いた面を有
するｎ型ＧａＡｓ基板１を用いて、その上にｎ型ＧａＩ
ｎＰバッファ層２（ｄ＝０.５μｍ，ＮD＝１×１０18cm
-3)，ｎ型(Ａｌy2Ｇａ1-y2)αＩｎ1-αＰ光導波層３
（ｄ＝２.０μｍ，ＮD＝９×１０17cm-3，ｙ2＝０.７，
αはＧａＡｓ基板と格子整合する値0.51)，膜厚1０ｎｍ
のアンドープ(ＡｌxＧａ1-x)γＩｎ1-γＰ(Ｘ＝０，γ
＝０.６４,格子歪量−１.１％)引張歪量子井戸層３層
と，膜厚５ｎｍのアンドープ(Ａｌy1Ｇａ1-y1)βＩｎ
1-βＰ(ｙ1＝０.５，β＝０.４０，格子歪量＋０.９％)
量子障壁層４層，及び両側に膜厚５ｎｍのアンドープ無
歪（Ａｌy3Ｇａ1-y3)αＩｎ1-αＰ光分離閉じ込め層
（ｙ3＝０.５，αはＧａＡｓ基板と格子整合する値０.
５１）とから構成される(量子井戸層周辺の伝導帯バン
ド構造概略は図４のようになる)歪多重量子井戸活性層
１１，ｐ型（Ａｌy2Ｇａ1-y2)αＩｎ1-αＰ光導波層５
（ｄ＝１.８μｍ，ＮA＝７〜８×１０17cm-3，ｙ2＝０.
７，αはＧａＡｓ基板と格子整合する値０.５１)，ｐ型
Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐバッファ層６（ｄ＝０.０３μｍ，
ＮA＝２×１０18cm-3）を成長温度７６０℃において有
機金属気相成長法によりエピタキシャル成長した。この
後は、実施例１と全く同様に素子を作製し、図３の断面
を有する素子を得る。
図４により説明する。まず図３において、(001)面から
〔１１０〕〔-１-１０〕方向に１５.８° 傾いた面を有
するｎ型ＧａＡｓ基板１を用いて、その上にｎ型ＧａＩ
ｎＰバッファ層２（ｄ＝０.５μｍ，ＮD＝１×１０18cm
-3)，ｎ型(Ａｌy2Ｇａ1-y2)αＩｎ1-αＰ光導波層３
（ｄ＝２.０μｍ，ＮD＝９×１０17cm-3，ｙ2＝０.７，
αはＧａＡｓ基板と格子整合する値0.51)，膜厚1０ｎｍ
のアンドープ(ＡｌxＧａ1-x)γＩｎ1-γＰ(Ｘ＝０，γ
＝０.６４,格子歪量−１.１％)引張歪量子井戸層３層
と，膜厚５ｎｍのアンドープ(Ａｌy1Ｇａ1-y1)βＩｎ
1-βＰ(ｙ1＝０.５，β＝０.４０，格子歪量＋０.９％)
量子障壁層４層，及び両側に膜厚５ｎｍのアンドープ無
歪（Ａｌy3Ｇａ1-y3)αＩｎ1-αＰ光分離閉じ込め層
（ｙ3＝０.５，αはＧａＡｓ基板と格子整合する値０.
５１）とから構成される(量子井戸層周辺の伝導帯バン
ド構造概略は図４のようになる)歪多重量子井戸活性層
１１，ｐ型（Ａｌy2Ｇａ1-y2)αＩｎ1-αＰ光導波層５
（ｄ＝１.８μｍ，ＮA＝７〜８×１０17cm-3，ｙ2＝０.
７，αはＧａＡｓ基板と格子整合する値０.５１)，ｐ型
Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐバッファ層６（ｄ＝０.０３μｍ，
ＮA＝２×１０18cm-3）を成長温度７６０℃において有
機金属気相成長法によりエピタキシャル成長した。この
後は、実施例１と全く同様に素子を作製し、図３の断面
を有する素子を得る。
【００１５】本実施例では、共振器端面近傍の禁制帯幅
が内部よりも少なくとも３０meV 以上大きくなり、端面
における光吸収を大幅に低減できた。高出力特性では、
共振器長６００μｍの素子で動作温度６０℃における最
大光出力がこれまで得られているより３倍高い１００ｍ
Ｗであり、光出力４０ｍＷの定出力動作で２０００時間
以上の長期信頼性が達成された。また、量子障壁層に圧
縮歪を導入することにより、量子井戸層の臨界膜厚を拡
大できているとともに、四元(Ａｌy1Ｇａ1-y1)βＩｎ
1-βＰ量子障壁層において無歪層ｙ1＝０.５の禁制帯幅
をｙ1が０.３５に相当する禁制帯幅にまで下げる設計が
可能となる。図２の実線は各層のＡｌ組成の関係を示す
が、量子障壁層における伝導帯端は点線で示すように低
くなったことに相当し、ＳＴＩＮ(Step Index)型の光閉
じ込め層が形成される。これは、同時にキャリアの閉じ
込めを向上させることに働くため、低閾値動作に有利と
成る。このとき、量子井戸層のポテンシャル深さは小さ
くなるが、量子障壁層が無歪の場合よりも量子井戸層に
より大きな引張歪を導入できるので、長波長化させるこ
となく同じ発振波長を得ることができた。
が内部よりも少なくとも３０meV 以上大きくなり、端面
における光吸収を大幅に低減できた。高出力特性では、
共振器長６００μｍの素子で動作温度６０℃における最
大光出力がこれまで得られているより３倍高い１００ｍ
Ｗであり、光出力４０ｍＷの定出力動作で２０００時間
以上の長期信頼性が達成された。また、量子障壁層に圧
縮歪を導入することにより、量子井戸層の臨界膜厚を拡
大できているとともに、四元(Ａｌy1Ｇａ1-y1)βＩｎ
1-βＰ量子障壁層において無歪層ｙ1＝０.５の禁制帯幅
をｙ1が０.３５に相当する禁制帯幅にまで下げる設計が
可能となる。図２の実線は各層のＡｌ組成の関係を示す
が、量子障壁層における伝導帯端は点線で示すように低
くなったことに相当し、ＳＴＩＮ(Step Index)型の光閉
じ込め層が形成される。これは、同時にキャリアの閉じ
込めを向上させることに働くため、低閾値動作に有利と
成る。このとき、量子井戸層のポテンシャル深さは小さ
くなるが、量子障壁層が無歪の場合よりも量子井戸層に
より大きな引張歪を導入できるので、長波長化させるこ
となく同じ発振波長を得ることができた。
【００１６】本実施例では、共振器長６００μｍの素子
において室温における閾値電流は３０〜４０ｍＡであ
り、無歪量子障壁層を用いた場合に比べて３０〜５０％
の低減が図られた。さらに、発振波長は長波長化させず
に６２５〜６３５ｎｍの範囲を得ることができた。
において室温における閾値電流は３０〜４０ｍＡであ
り、無歪量子障壁層を用いた場合に比べて３０〜５０％
の低減が図られた。さらに、発振波長は長波長化させず
に６２５〜６３５ｎｍの範囲を得ることができた。
【００１７】
【発明の効果】本発明では、歪量子井戸構造全体におい
て引張歪が残存するように歪ＱＷ層と歪ＱＢ層の格子歪
の符号と歪量，及び幅と層数の関係を明確にすることに
より、共振器端面近傍の禁制帯幅を内部よりも少なくと
も素子の動作温度の熱エネルギ以上に大きくすることを
設計し、光吸収の低減を図った。このことにより、共振
器端面近傍での温度上昇による端面破壊を避け、従来よ
り５０℃以上の高温域における最大光出力を向上させる
ことが可能となった。
て引張歪が残存するように歪ＱＷ層と歪ＱＢ層の格子歪
の符号と歪量，及び幅と層数の関係を明確にすることに
より、共振器端面近傍の禁制帯幅を内部よりも少なくと
も素子の動作温度の熱エネルギ以上に大きくすることを
設計し、光吸収の低減を図った。このことにより、共振
器端面近傍での温度上昇による端面破壊を避け、従来よ
り５０℃以上の高温域における最大光出力を向上させる
ことが可能となった。
【００１８】発振波長が６７０〜６８０ｎｍの範囲にお
いて共振器長６００μｍの素子で室温における閾値電流
は１５〜２５ｍＡを得るとともに、高出力特性では動作
温度７０℃における最大光出力はこれまで得られている
より３倍高い１５０ｍＷを得ることができ、光出力７０
ｍＷの定出力動作で２０００時間以上の長期信頼性が達
成された。また、発振波長が６２５〜６３５ｎｍの範囲
においては共振器長６００μｍの素子で室温における閾
値電流は３０〜４０ｍＡを得るとともに、高出力特性で
は動作温度６０℃における最大光出力はこれまで得られ
ているより３倍高い１００ｍＷを得ることができ、光出
力４０ｍＷの定出力動作で２０００時間以上の長期信頼
性が達成された。
いて共振器長６００μｍの素子で室温における閾値電流
は１５〜２５ｍＡを得るとともに、高出力特性では動作
温度７０℃における最大光出力はこれまで得られている
より３倍高い１５０ｍＷを得ることができ、光出力７０
ｍＷの定出力動作で２０００時間以上の長期信頼性が達
成された。また、発振波長が６２５〜６３５ｎｍの範囲
においては共振器長６００μｍの素子で室温における閾
値電流は３０〜４０ｍＡを得るとともに、高出力特性で
は動作温度６０℃における最大光出力はこれまで得られ
ているより３倍高い１００ｍＷを得ることができ、光出
力４０ｍＷの定出力動作で２０００時間以上の長期信頼
性が達成された。
【００１９】本実施例は、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ
／ＧａＡｓ材料系において説明したが、圧縮及び引張歪
が導入できる材料系、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧ
aＡs／ＩｎＰ材料系やＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ／Ｉ
ｎＰ材料系その他II−VI族半導体材料系の含めて適用で
きる。
／ＧａＡｓ材料系において説明したが、圧縮及び引張歪
が導入できる材料系、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧ
aＡs／ＩｎＰ材料系やＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ／Ｉ
ｎＰ材料系その他II−VI族半導体材料系の含めて適用で
きる。
【図１】本発明の一実施例を示す素子の断面図。
【図２】歪多重量子井戸構造の各層におけるＡｌ組成
(実線)と歪量子障壁層の伝導帯バンド構造(破線)の関係
を示す説明図。
(実線)と歪量子障壁層の伝導帯バンド構造(破線)の関係
を示す説明図。
【図３】本発明の他実施例を示す素子の断面図。
【図４】歪多重量子井戸構造の各層におけるＡｌ組成
(実線)と歪量子障壁層の伝導帯バンド構造(破線)の関係
を示す説明図。
(実線)と歪量子障壁層の伝導帯バンド構造(破線)の関係
を示す説明図。
【図５】圧縮と引張歪を導入したときのＩｎ組成に対し
てＧａＩｎＰ層における禁制帯幅を波長で示す特性図。
てＧａＩｎＰ層における禁制帯幅を波長で示す特性図。
１…ｎ型ＧａＡｓ基板、２…ｎ型ＧａＩｎＰバッファ
層、３…光導波層、４…歪多重量子井戸構造活性層、５
…光導波層、６…バッファ層、７…光吸収層、８…ｐ型
ＧａＡｓコンタクト層、９…ｐ電極、１０…ｎ電極、１
１…歪多重量子井戸構造活性層。
層、３…光導波層、４…歪多重量子井戸構造活性層、５
…光導波層、６…バッファ層、７…光吸収層、８…ｐ型
ＧａＡｓコンタクト層、９…ｐ電極、１０…ｎ電極、１
１…歪多重量子井戸構造活性層。
Claims (10)
- 【請求項１】半導体基板上に設けられた、禁制帯幅の大
きな光導波層とそれに挾まれた単一量子井戸又は多重量
子井戸構造の活性層において、前記多重量子井戸構造は
格子歪を導入した量子井戸層と量子障壁層から形成さ
れ、歪量子井戸構造の全体に対して引張歪による応力を
残存させ、前記量子井戸層の膜厚をＬW，層数をＮW，歪
量をεW(圧縮歪のとき符号＋，引張歪のとき符号−）と
し、前記量子障壁層の膜厚をＬB，層数をＮB，歪量をε
B(圧縮歪のとき符号＋，引張歪のとき符号−）としたと
きに、ＬWＮWεW＋ＬBＮBεB＜０の関係が常に維持され
ることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 【請求項２】請求項１において、前記量子井戸層に圧縮
歪を導入した時には前記量子障壁層に対して前記量子井
戸層の圧縮歪量の絶対値より大きい引張歪を導入し、前
記量子井戸層に引張歪を導入した時には前記量子障壁層
に対して前記量子井戸層の引張歪量の絶対値より小さい
圧縮歪を導入することにより、前記ＬWＮWεW＋ ＬB
ＮBεB＜０の関係が成立する半導体レーザ素子。 - 【請求項３】請求項１または２において、前記歪量子井
戸構造全体に残存する引張歪の重み付き平均に対してε
Z＝(ＬWＮWεW＋ＬBＮBεB)／(ＬWＮW＋ＬBＮB)とする
とき、εZ は−２.０％≦εZ＜０％の範囲において設定
し、前記歪量子井戸活性層の禁制帯幅が無歪の場合より
もΔＥだけ小さいエネルギを有している場合に、ΔＥが
レーザ素子の動作温度Ｔのときの熱エネルギｋＴ(ｋは
ボルツマン定数)より少なくとも大きく設定でき、望ま
しくは２ｋＴ≦ΔＥの関係を満足するεZ とした半導体
レーザ素子。 - 【請求項４】請求項１，２または３において、前記歪量
子井戸構造において残存している格子歪が生じた全体の
層厚平均をＬZ＝(ＬWＮWεW＋ＬBＮBεB)／(ＮWεW＋Ｎ
BεB)とするとき、残存する引張歪の重み付き平均εZ＝
(ＬWＮWεW＋ＬBＮBεB)／(ＬWＮW＋ＬBＮB)のときに規
定される臨界膜厚より少なくともＬZ が小さい半導体レ
ーザ素子。 - 【請求項５】請求項１，２，３または４において、前記
量子井戸層に対して圧縮歪を導入するときには格子歪量
を＋０.４％から＋１.６％の範囲とし、引張歪を導入す
るときには格子歪量を−０.４％から−１.６％の範囲と
した半導体レーザ素子。 - 【請求項６】請求項１，２，３，４または５において、
前記半導体基板に用いる基板面方位が(００１)面から
〔１１０〕〔-１-１０〕方向又は〔１-１０〕〔-１１
０〕（〔〕内の負記号は負の方向を示す）方向に０°か
ら５４.７° の範囲、望ましくは５°以上３０°以下の
傾いた基板面を有する前記量子井戸層個々の間に設ける
前記量子障壁層個々の膜厚を５ｎｍから３０ｎｍの範
囲、望ましくは８ｎｍ以上１５ｎｍ以下の範囲に設定
し、前記量子井戸層に導入する歪量が大きいほど前記量
子障壁層個々の膜厚を大きく設定する半導体レーザ素
子。 - 【請求項７】請求項１，２，３，４または５において、
前記量子井戸層の幅について圧縮歪を導入したときには
２ｎｍから１５ｎｍの範囲とし、引張歪を導入したとき
には８ｎｍから４０ｎｍの範囲とし、前記量子障壁層の
幅については３ｎｍから１５ｎｍの範囲とする半導体レ
ーザ素子。 - 【請求項８】請求項１，２，３，４，５または７におい
て、前記歪量子井戸層の膜厚を薄くするに従って量子井
戸層数を増加させ、量子井戸層数を１層から１０層の範
囲で設定する半導体レーザ素子。 - 【請求項９】請求項１，２，３，４，５または７におい
て、前記歪量子井戸構造において前記光導波層から前記
歪量子障壁層へ至る中間に光閉じ込め層として、層を構
成する元素の組成を変えて屈折率を徐々に変化させたＧ
ＲＩＮ層、または階段状に変化させたＳＴＩＮ層を設け
た半導体レーザ素子。 - 【請求項１０】請求項１，２，３，４，５，６，７，８
または９において、前記光導波層や前記歪量子井戸構造
活性層が有機金属気相成長法又は分子線エピタキシ法に
より成長された半導体レーザ素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25671493A JPH07111366A (ja) | 1993-10-14 | 1993-10-14 | 半導体レーザ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25671493A JPH07111366A (ja) | 1993-10-14 | 1993-10-14 | 半導体レーザ素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07111366A true JPH07111366A (ja) | 1995-04-25 |
Family
ID=17296447
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25671493A Pending JPH07111366A (ja) | 1993-10-14 | 1993-10-14 | 半導体レーザ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07111366A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003086902A (ja) * | 2001-09-13 | 2003-03-20 | Sharp Corp | 半導体レーザ装置および光ディスク記録再生装置 |
| JP2007234747A (ja) * | 2006-02-28 | 2007-09-13 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 半導体レーザ装置 |
| CN102683202A (zh) * | 2012-05-03 | 2012-09-19 | 上海华力微电子有限公司 | 一种制作内建应力硅纳米线、以及制作半导体的方法 |
| CN111108614A (zh) * | 2017-07-28 | 2020-05-05 | 亮锐有限责任公司 | 用于发光器件中高效电子和空穴阻挡的应力algainp层 |
| US11322650B2 (en) | 2017-07-28 | 2022-05-03 | Lumileds Llc | Strained AlGaInP layers for efficient electron and hole blocking in light emitting devices |
-
1993
- 1993-10-14 JP JP25671493A patent/JPH07111366A/ja active Pending
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003086902A (ja) * | 2001-09-13 | 2003-03-20 | Sharp Corp | 半導体レーザ装置および光ディスク記録再生装置 |
| JP4627132B2 (ja) * | 2001-09-13 | 2011-02-09 | シャープ株式会社 | 半導体レーザ装置および光ディスク記録再生装置 |
| JP2007234747A (ja) * | 2006-02-28 | 2007-09-13 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 半導体レーザ装置 |
| CN102683202A (zh) * | 2012-05-03 | 2012-09-19 | 上海华力微电子有限公司 | 一种制作内建应力硅纳米线、以及制作半导体的方法 |
| CN102683202B (zh) * | 2012-05-03 | 2014-12-10 | 上海华力微电子有限公司 | 一种制作内建应力硅纳米线、以及制作半导体的方法 |
| CN111108614A (zh) * | 2017-07-28 | 2020-05-05 | 亮锐有限责任公司 | 用于发光器件中高效电子和空穴阻挡的应力algainp层 |
| JP2020529129A (ja) * | 2017-07-28 | 2020-10-01 | ルミレッズ リミテッド ライアビリティ カンパニー | 発光装置における効率的な電子およびホールブロック用の歪みＡｌＧａＩｎＰ層 |
| US11322650B2 (en) | 2017-07-28 | 2022-05-03 | Lumileds Llc | Strained AlGaInP layers for efficient electron and hole blocking in light emitting devices |
| CN111108614B (zh) * | 2017-07-28 | 2024-02-06 | 亮锐有限责任公司 | 用于发光器件中高效电子和空穴阻挡的应力algainp层 |
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