JPH0712103B2 - Semiconductor laser device - Google Patents

Semiconductor laser device

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JPH0712103B2
JPH0712103B2 JP60164002A JP16400285A JPH0712103B2 JP H0712103 B2 JPH0712103 B2 JP H0712103B2 JP 60164002 A JP60164002 A JP 60164002A JP 16400285 A JP16400285 A JP 16400285A JP H0712103 B2 JPH0712103 B2 JP H0712103B2
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semiconductor laser
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和久 魚見
董 福沢
秀明 松枝
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、特に高速変調が可能な量子井戸型の半導体レ
ーザ素子に関するものである。
Description: FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a quantum well type semiconductor laser device capable of particularly high-speed modulation.

〔発明の背景〕 半導体レーザ素子の高速変調は、上記半導体レーザ素子
の変調における周波数限界に比例する。したがって半導
体レーザ素子の高速化をはかるためには、上記半導体レ
ーザ素子の直接変調における周波数限界をできるだけ高
くする必要がある。通常、半導体レーザの直接変調にお
ける周波数限界は〜5GHz程度であるが、最近活性層の厚
さが結晶内の電子波束の大きさより小さい、いわゆる量
子井戸型レーザ素子にすると、周波数限界が高くなると
理論的に予測されている〔Y,ARAKAWA他:アプライド・
フィジックス・レターズ,45,950(1984))。一方従来
の半導体レーザ素子においても、活性層に不純物を高濃
度にドープすると、周波数限界が高くなるということが
実験的に確かめられている(C,B,SU他:アプライド・フ
ィジックス・レターズ,46,344(1985))。しかしなが
らいずれの場合も、他に特別の工夫をしない限り、上記
直接変調の周波数限界は10GHz付近である。
BACKGROUND OF THE INVENTION The high speed modulation of a semiconductor laser device is proportional to the frequency limit in the modulation of the semiconductor laser device. Therefore, in order to increase the speed of the semiconductor laser device, it is necessary to increase the frequency limit of direct modulation of the semiconductor laser device as much as possible. Normally, the frequency limit for direct modulation of semiconductor lasers is about 5 GHz, but recently, when a so-called quantum well type laser device in which the thickness of the active layer is smaller than the size of the electron wave packet in the crystal, the frequency limit becomes higher Forecast [Y, ARAKAWA et al .: Applied
Physics Letters, 45,950 (1984)). On the other hand, it has been experimentally confirmed that even in the conventional semiconductor laser device, if the active layer is heavily doped with impurities, the frequency limit becomes high (C, B, SU et al .: Applied Physics Letters, 46, 344). (1985)). However, in any case, unless otherwise devised, the frequency limit of the above direct modulation is around 10 GHz.

〔発明の目的〕[Object of the Invention]

本発明は、周波数限界が10GHzをこえる直接変調が行え
る高束の半導体レーザ素子を得ることを目的とする。
An object of the present invention is to obtain a semiconductor laser device having a high flux capable of performing direct modulation whose frequency limit exceeds 10 GHz.

〔発明の概要〕[Outline of Invention]

半導体レーザの直接変調の周波数限界を決めているの
は、ほぼ緩和振動周波数frである。緩和振動周波数frは
光と電子の変動における位相のずれから生じるものであ
るが、上記frを大きくするために有力な方法として、キ
ャリア密度の増加Δnに対する利得の増加Δgの比Δg/
Δn、すなわち微分利得を大きくする方法が考えられ
る。半導体レーザ素子の活性層を薄くして結晶内の自由
電子の波束の大きさより小さくしたいわゆる量子井戸型
レーザ素子では、微分利得が大きくなることが上記Y,AR
AKAWA他の文献に報告されている。一方、従来の半導体
レーザ素子の活性層内に不純物を高濃度にドープすると
frが増加することが上記C,B,SUらによって報告されてい
るが、これも高濃度の不純物によって微分利得が増加す
るためであると考えられる。
It is the relaxation oscillation frequency fr that determines the frequency limit of direct modulation of the semiconductor laser. The relaxation oscillation frequency fr is generated due to the phase shift due to the fluctuations of light and electrons. As a promising method for increasing fr, the ratio Δg / of the increase Δg of gain to the increase Δn of carrier density Δg /
A method of increasing Δn, that is, the differential gain can be considered. In the so-called quantum well type laser device in which the active layer of the semiconductor laser device is thinned to be smaller than the wave packet size of free electrons in the crystal, the differential gain is increased as described above in Y, AR.
Reported in AKAWA et al. On the other hand, if impurities are heavily doped in the active layer of a conventional semiconductor laser device,
It has been reported by C, B, SU et al. that the fr is increased, which is also considered to be due to the increase of the differential gain due to the high concentration of impurities.

発明者らは、量子井戸型レーザ素子など活性層の厚さが
結晶内自由電子の波束の大きさより小さいレーザ素子の
frを、さらに高くして変調の高速化をするためには、従
来アンドープであった活性層もしくは量子井戸型レーザ
のように活性層が2以上の活性層からなる場合には、そ
れらの活性層または活性層間のバリア層に不純物を導入
すればよいこと、および、その不純物濃度については、
レーザ発振時に活性層に注入されるキャリア密度より高
濃度に不純物を導入する必要があることを見出した。な
おこの際、不純物のタイプとしてドナーを導入すると、
電子の2次元性が失われて微分利得が小さくなりやすい
ので、アクセプタの方がより効果があることが判った。
またバリア層を中間に挾んで薄い活性層を複数個設けた
多重量子井戸型レーザ素子においては、バリア層にドー
プした不純物により発生したキャリアは活性層にトラッ
プされる。この場合は不純物ドープにより形成されるバ
ンドティルによって電子や正孔の2次元性が失われるこ
とがなく、微分利得が低下しないので、変調のより高速
化をはかれることが判った。すなわち、本発明による半
導体レーザ素子は、活性層の厚さが結晶内自由電子の波
束の大きさより小さい半導体レーザ素子において、上記
活性層、あるいは2層以上の活性層を有するときは活性
層の厚さより大きなバンドギャップを有し、上記活性層
内に注入されたキャリアを実質的に閉じ込めているバリ
ア層に、上記活性層に注入するキャリア密度より大きな
密度のキャリアを発生する不純物をドープしたものであ
ることにより、量子井戸型レーザ素子のfrを高くして周
波数限界を大きくし、変調の高速化をはかったものであ
る。
The inventors of the present invention have confirmed that the thickness of an active layer such as a quantum well laser device is smaller than the wave packet size of free electrons in the crystal.
In order to further increase fr and speed up the modulation, in the case where the active layer is composed of two or more active layers which are conventionally undoped or a quantum well type laser, those active layers are used. Alternatively, it suffices to introduce impurities into the barrier layer between the active layers, and regarding the impurity concentration,
It was found that it is necessary to introduce impurities at a higher concentration than the carrier density injected into the active layer during laser oscillation. At this time, if a donor is introduced as an impurity type,
It was found that the acceptor is more effective because the two-dimensionality of the electron is lost and the differential gain tends to be small.
In a multi-quantum well type laser device in which a plurality of thin active layers are provided with a barrier layer sandwiched in the middle, carriers generated by impurities doped in the barrier layer are trapped in the active layer. In this case, it was found that the two-dimensionality of electrons and holes is not lost due to the band-tilt formed by the impurity doping, and the differential gain is not lowered, so that the speed of modulation can be increased. That is, the semiconductor laser device according to the present invention is a semiconductor laser device in which the thickness of the active layer is smaller than the wave packet size of free electrons in the crystal, and when the active layer has two or more active layers, the thickness of the active layer is large. A barrier layer having a larger bandgap and substantially confining the carriers injected into the active layer is doped with impurities that generate carriers with a density higher than the carrier density injected into the active layer. As a result, the fr of the quantum well laser device is increased to increase the frequency limit and speed up the modulation.

〔発明の実施例〕Example of Invention

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。第1図
は本発明による半導体レーザ素子の一実施例を示す断面
図、第2図は量子井戸構造のエネルギーバンドを示す
図、第3図は緩和振動周波数frの実験結果を示す図であ
る。第1図において、n型GaAs基板1上に有機金属気相
成長法によりn型Ga1-xAlxAsクラッド層(x=0.45)2
を成長させ、その上に多重量子井戸構造を成長させる。
多重量子井戸層は、p型Ga1-yAlyAs活性層(y=0〜0.
2,厚さ3〜15nm)3と、アンドープGa1-zAlzAsバリア層
(z>y,厚さ3〜20nm)4とを交互に2〜10層成長させ
たものである。つぎにp型Ga1-xAlxAs層5およびp型Ga
As層6を成長させ、p側電極Cr-Au7およびn側電極AuGe
Ni-Au8を蒸着して素子に切離した。ここで上記活性層3
に少なくとも1×1018cm-3以上のp型不純物をドープす
ると微分利得が大きくなり、従来の10GHzから20GHzに周
波数限界が高くなった。ドープする不純物の濃度は1×
1019cm-3をこえると格子欠陥が大きくなるので、不純物
濃度は1×1018cm-3台に留めた方がよい。またZnをドー
プすると拡散による無秩序化が生じ、量子井戸構造が消
失することもあるので、望ましくはMg,Beなどを用いた
方が効果は大きい。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of a semiconductor laser device according to the present invention, FIG. 2 is a view showing an energy band of a quantum well structure, and FIG. 3 is a view showing experimental results of relaxation oscillation frequency fr. In FIG. 1, an n-type Ga 1- xAlxAs cladding layer (x = 0.45) 2 is formed on the n-type GaAs substrate 1 by metalorganic vapor phase epitaxy.
And a multiple quantum well structure is grown on it.
The multi-quantum well layer is a p-type Ga 1- yAlyAs active layer (y = 0 to 0.
2 and thickness 3 to 15 nm) 3 and undoped Ga 1 -zAlzAs barrier layer (z> y, thickness 3 to 20 nm) 4 are alternately grown in 2 to 10 layers. Next, the p-type Ga 1- x AlxAs layer 5 and the p-type Ga
As layer 6 is grown, p-side electrode Cr-Au7 and n-side electrode AuGe
Ni-Au8 was vapor-deposited and separated into elements. Here, the active layer 3
If at least 1 × 10 18 cm −3 or more of p-type impurity is doped, the differential gain becomes large and the frequency limit becomes high from the conventional 10 GHz to 20 GHz. The concentration of impurities to be doped is 1 ×
If it exceeds 10 19 cm -3 , lattice defects become large, so it is better to keep the impurity concentration in the range of 1 × 10 18 cm -3 . Further, when Zn is doped, disorder due to diffusion may occur and the quantum well structure may disappear, so Mg, Be or the like is preferably used to obtain a larger effect.

本発明の他の実施例を、同じく第1図を用いて説明す
る。n型GaAs基板1上にn型Ga1-xAlxAsクラッド層2を
有機金属気相成長法によって成長させる。本実施例では
上記クラッド層2の上に形成する多重量子井戸構造は、
アンドープGa1-yAlyAs活性層(y=0〜0.2,厚さ3〜15
nm)3と、p型Ga1-zAlzAsバリア層(z>y,厚さ3〜20
nm)4とを交互に2〜10層成長させている。ここで上記
バリア層4に1×1018cm-3以上のp型不純物をドープす
ると、生じた正孔はほとんど活性層3にトラップされ
る。このときのエネルギーバンド図を第2図に示す。図
示のように活性層3には高密度の正孔9が存在すること
になり、上記実施例と同じく微分利得が大きくなり、周
波数限界が高くなる。バリア層4に3×1018cm-3のMgを
ドープしたときの緩和振動周波数の実験結果を第3図に
示す。第3図は横軸に端面破壊限界光出力Pcで正規化し
た光出力Pの2乗根を、縦軸に緩和振動周波数frを示し
ているが、破線で示した従来の量子井戸型レーザ素子の
データ10に較べて、本実施例では実線11に示すように20
GHz以上に周波数限界が向上した。
Another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The n-type Ga 1- xAlxAs cladding layer 2 is grown on the n-type GaAs substrate 1 by a metal organic chemical vapor deposition method. In this embodiment, the multiple quantum well structure formed on the cladding layer 2 is
Undoped Ga 1- yAlyAs active layer (y = 0 to 0.2, thickness 3 to 15
nm) 3 and a p-type Ga 1 -zAlzAs barrier layer (z> y, thickness 3 to 20)
nm) 4 and 2 to 10 layers are alternately grown. Here, when the barrier layer 4 is doped with a p-type impurity of 1 × 10 18 cm −3 or more, most of the generated holes are trapped in the active layer 3. The energy band diagram at this time is shown in FIG. As shown in the figure, the holes 9 having a high density are present in the active layer 3, the differential gain becomes large and the frequency limit becomes high as in the above embodiment. FIG. 3 shows the experimental results of the relaxation oscillation frequency when the barrier layer 4 was doped with 3 × 10 18 cm −3 of Mg. In FIG. 3, the horizontal axis shows the square root of the optical output P normalized by the end-face breakdown limit optical output Pc, and the vertical axis shows the relaxation oscillation frequency fr. In comparison with the data 10 of FIG.
The frequency limit is improved above GHz.

本実施例では活性層3に直接不純物をドープしていない
ので、不純物ドープによるバンドテールが形成されるこ
となく、量子井戸型構造において電子、正孔の2次元性
は損われない。このため量子井戸構造による微分利得が
低下せず、直接変調の高速化がより可能になる。p型不
純物としては前記実施例と同じくMg,Beなどが有効であ
る。また上記実施例の場合にはp型不純物だけでなく、
n型不純物Si,Te,Seなどでも効果がある。さらに上記各
実施例において、バリア層をInP、活性層をInGaAsPにし
て、同様の不純物をドープすれば、いずれも同様の効果
を得ることができる。また、両実施例とも選択ドーピン
グを行ったが、活性層、バリア層とも一様にドーピング
してもよい。
In this embodiment, since the active layer 3 is not directly doped with impurities, a band tail is not formed by the impurity doping, and the two-dimensionality of electrons and holes is not impaired in the quantum well structure. Therefore, the differential gain due to the quantum well structure does not decrease, and the speed of direct modulation can be further increased. As the p-type impurities, Mg, Be and the like are effective as in the above embodiment. In the case of the above embodiment, not only p-type impurities but also
It is also effective for n-type impurities such as Si, Te, and Se. Further, in each of the above embodiments, the same effect can be obtained by using InP as the barrier layer and InGaAsP as the active layer and doping the same impurities. Although selective doping is performed in both of the examples, the active layer and the barrier layer may be uniformly doped.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

上記のように本発明による半導体レーザ素子は、活性層
の厚さが結晶内自由電子の波束の大きさより小さい半導
体レーザ素子において、上記活性層、あるいは2層以上
の活性層を有するときは活性層の厚さより大きなバンド
ギャップを有し、上記活性層内に注入されたキャリアを
実質的に閉じ込めているバリア層に、上記活性層に注入
するキャリア密度より大きな密度のキャリアを発生する
不純物をドープしたことによって、量子井戸型レーザ素
子のfrを高くして周波数限界が20GHz以上、すなわち10G
Hzをはるかにこえる直接変調が可能であり、半導体レー
ザ素子の大幅な高速化をはかることができる。
As described above, the semiconductor laser device according to the present invention is a semiconductor laser device in which the thickness of the active layer is smaller than the wave packet size of free electrons in the crystal, and when the active layer has two or more active layers. A barrier layer having a bandgap larger than the thickness of the active layer and substantially confining the carriers injected into the active layer, is doped with impurities that generate carriers with a density higher than the density of carriers injected into the active layer. By increasing the fr of the quantum well laser device, the frequency limit is 20 GHz or more, that is, 10 G
Direct modulation far exceeding Hz is possible, and the speed of semiconductor laser devices can be greatly increased.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明による半導体レーザ素子の一実施例を示
す断面図、第2図は量子井戸構造のエネルギーバンドを
示す図、第3図は緩和振動周波数frの実験結果を示す図
である。 3……活性層 4……バリア層
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of a semiconductor laser device according to the present invention, FIG. 2 is a view showing an energy band of a quantum well structure, and FIG. 3 is a view showing experimental results of relaxation oscillation frequency fr. 3 ... Active layer 4 ... Barrier layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松枝 秀明 東京都国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 梶村 俊 東京都国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭58−216489(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Hideaki Matsueda, Hideaki Matsueda, 1-280 Higashi Koigakubo, Kokubunji, Tokyo Inside Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor, Toshi Kajimura 1-280, Higashi Koigakubo, Kokubunji, Tokyo Hitachi, Ltd. Central Research Laboratory (56) Reference JP-A-58-216489 (JP, A)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】活性層の厚さが結晶内自由電子の波束の大
きさより小さい半導体レーザ素子において、上記活性
層、あるいは上記活性層が2層以上の活性層からなると
きは、上記活性層またはこれら活性層間にあって該活性
層より大きなバンドギャップを有し、上記活性層内に注
入されたキャリアを実質的に閉じ込めているバリア層
に、上記活性層に注入するキャリア密度より大きな密度
のキャリアを発生する不純物をドープしたものであるこ
とを特徴とする半導体レーザ素子。
1. In a semiconductor laser device having an active layer with a thickness smaller than the wave packet of free electrons in a crystal, the active layer, or when the active layer comprises two or more active layers, the active layer or Carriers having a band gap larger than that of the active layer and substantially confining the carriers injected into the active layer are filled with carriers having a density higher than the carrier density injected into the active layer. A semiconductor laser device characterized by being doped with generated impurities.
JP60164002A 1985-07-26 1985-07-26 Semiconductor laser device Expired - Lifetime JPH0712103B2 (en)

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