JPH07221395A - 多重量子井戸半導体レーザ - Google Patents
多重量子井戸半導体レーザInfo
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- JPH07221395A JPH07221395A JP6030830A JP3083094A JPH07221395A JP H07221395 A JPH07221395 A JP H07221395A JP 6030830 A JP6030830 A JP 6030830A JP 3083094 A JP3083094 A JP 3083094A JP H07221395 A JPH07221395 A JP H07221395A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 長波長半導体レーザにおいて、キャリアの量
子井戸への不均一注入を防止し、量子井戸内の電子の溢
れ出しを防止し、かつ、利得不足から生じる閾値の増
大、内部ロスから生じる閾値の増大やスロープ効率の低
下を抑制する。 【構成】 ｐ−ＩｎＰクラッド層１、ｎ−ＩｎＰクラッ
ド層６の内側にＩｎＧａＡｓＰ光導波路層２、３を設
け、その間にＩｎＧａＡｓＰ障壁層４、歪ＩｎＧａＡｓ
Ｐ量子井戸層５を設けた半導体レーザにおいて、量子井
戸におけるホールの第１量子準位と障壁層の価電子帯の
トップとのエネルギー差δＥｖを１６０ｍｅＶ以下と
し、かつ、量子井戸における電子の第１量子準位と障壁
層の伝導帯のボトムとのエネルギー差δＥｃを３０ｍｅ
Ｖ以上とし、かつ、量子井戸層への光閉じ込め係数を
０．０１から０．０７の範囲とする。
子井戸への不均一注入を防止し、量子井戸内の電子の溢
れ出しを防止し、かつ、利得不足から生じる閾値の増
大、内部ロスから生じる閾値の増大やスロープ効率の低
下を抑制する。 【構成】 ｐ−ＩｎＰクラッド層１、ｎ−ＩｎＰクラッ
ド層６の内側にＩｎＧａＡｓＰ光導波路層２、３を設
け、その間にＩｎＧａＡｓＰ障壁層４、歪ＩｎＧａＡｓ
Ｐ量子井戸層５を設けた半導体レーザにおいて、量子井
戸におけるホールの第１量子準位と障壁層の価電子帯の
トップとのエネルギー差δＥｖを１６０ｍｅＶ以下と
し、かつ、量子井戸における電子の第１量子準位と障壁
層の伝導帯のボトムとのエネルギー差δＥｃを３０ｍｅ
Ｖ以上とし、かつ、量子井戸層への光閉じ込め係数を
０．０１から０．０７の範囲とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ＭＱＷ（Multi Quantu
m Well：多重量子井戸）半導体レーザの構造に関し、特
に、ＩｎＰを基板とした、光通信用光源などの用途に利
用される長波長ＭＱＷ半導体レーザの構造に関するもの
である。
m Well：多重量子井戸）半導体レーザの構造に関し、特
に、ＩｎＰを基板とした、光通信用光源などの用途に利
用される長波長ＭＱＷ半導体レーザの構造に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】活性層に多重量子井戸を用いた半導体レ
ーザは、レーザ特性の著しい改善を図ることができるこ
とから、その研究・開発が盛んに行われており、近年、
これに関する数多くの研究発表がなされている。図７
（ａ）は、IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, vol.
3, pp.415-417, 1991において開示された従来の１．４
８μｍ帯多重量子井戸半導体レーザチップを模式的に示
した斜視図であり、図７（ｂ）はその活性層部のバンド
ダイアグラムである。
ーザは、レーザ特性の著しい改善を図ることができるこ
とから、その研究・開発が盛んに行われており、近年、
これに関する数多くの研究発表がなされている。図７
（ａ）は、IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, vol.
3, pp.415-417, 1991において開示された従来の１．４
８μｍ帯多重量子井戸半導体レーザチップを模式的に示
した斜視図であり、図７（ｂ）はその活性層部のバンド
ダイアグラムである。
【０００３】同図において、２０１はｎ−ＩｎＰ基板、
２０２は多重量子井戸活性層、２０３はｐ−ＩｎＰクラ
ッド層、２０４はｐ−ＩｎＰブロック層、２０５はｎ−
ＩｎＰブロック層、２０６はｐ−ＩｎＰ埋め込み層、２
０７はｐ+ −ＩｎＧａＡｓＰキャップ層、２０８は電極
である。この半導体レーザは、ＤＣ−ＰＢＨ（Double-C
hannel Planar Buried Heterostructure）型と呼ばれる
埋め込み構造を有しており、活性層幅は１．６μｍであ
る。また、２１１は１．１５μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ
光導波路層、２１２は１．１５μｍ組成のＩｎＧａＡｓ
Ｐ障壁層、２１３はＩｎＧａＡｓ量子井戸層、２１４は
ｐ側の１．１５μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層で
ある。
２０２は多重量子井戸活性層、２０３はｐ−ＩｎＰクラ
ッド層、２０４はｐ−ＩｎＰブロック層、２０５はｎ−
ＩｎＰブロック層、２０６はｐ−ＩｎＰ埋め込み層、２
０７はｐ+ −ＩｎＧａＡｓＰキャップ層、２０８は電極
である。この半導体レーザは、ＤＣ−ＰＢＨ（Double-C
hannel Planar Buried Heterostructure）型と呼ばれる
埋め込み構造を有しており、活性層幅は１．６μｍであ
る。また、２１１は１．１５μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ
光導波路層、２１２は１．１５μｍ組成のＩｎＧａＡｓ
Ｐ障壁層、２１３はＩｎＧａＡｓ量子井戸層、２１４は
ｐ側の１．１５μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層で
ある。
【０００４】ここで量子井戸層の層数は２層から７層に
なされる。量子井戸層の厚さは４ｎｍ、障壁層の厚さは
１３ｎｍ、量子井戸層、障壁層、光導波路層をあわせた
導波路層全体の厚さは２００ｎｍである。この構成で量
子井戸層数を２層から７層へと変化させると、内部吸収
ロスは５ｃｍ-1から１０ｃｍ-1に変化するが、内部微分
量子効率は約６０から７０％と低いままである。この例
では、量子井戸のヘビーホールの第１量子準位と障壁層
の価電子帯のトップとのエネルギー差（以下、この値を
δＥｖと記す）は約１８０ｍｅＶであり、量子井戸の電
子の第１準位と障壁層の伝導帯の底とのエネルギー差
（以下、この値をδＥｃと記す）は約８０ｍｅＶであ
る。
なされる。量子井戸層の厚さは４ｎｍ、障壁層の厚さは
１３ｎｍ、量子井戸層、障壁層、光導波路層をあわせた
導波路層全体の厚さは２００ｎｍである。この構成で量
子井戸層数を２層から７層へと変化させると、内部吸収
ロスは５ｃｍ-1から１０ｃｍ-1に変化するが、内部微分
量子効率は約６０から７０％と低いままである。この例
では、量子井戸のヘビーホールの第１量子準位と障壁層
の価電子帯のトップとのエネルギー差（以下、この値を
δＥｖと記す）は約１８０ｍｅＶであり、量子井戸の電
子の第１準位と障壁層の伝導帯の底とのエネルギー差
（以下、この値をδＥｃと記す）は約８０ｍｅＶであ
る。
【０００５】このようなキャリアが量子井戸層および障
壁層を横切る方向から量子井戸層に注入される構造を有
する半導体レーザにおいては、δＥｖが１８０ｍｅＶと
大きいとホールの不均一注入がおきるため内部微分量子
効率が小さくなっていると推定される。また、量子井戸
層数が２層と少ない場合は光閉じ込め係数が小さいため
内部ロスは５ｃｍ-1と小さくなるものの、利得が小さく
短い共振器長で構成した場合には閾値が増大する。
壁層を横切る方向から量子井戸層に注入される構造を有
する半導体レーザにおいては、δＥｖが１８０ｍｅＶと
大きいとホールの不均一注入がおきるため内部微分量子
効率が小さくなっていると推定される。また、量子井戸
層数が２層と少ない場合は光閉じ込め係数が小さいため
内部ロスは５ｃｍ-1と小さくなるものの、利得が小さく
短い共振器長で構成した場合には閾値が増大する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】多重量子井戸半導体レ
ーザにおいては、量子井戸組成、量子井戸の格子歪、量
子井戸層厚、障壁層組成、量子井戸層数等設計パラメー
タが極めて多く、ある発振波長における量子井戸構造を
最適化するにはトライアンドエラーを繰り返す必要があ
り膨大な労力、費用が必要になり、開発期間が長期化す
るという問題があった。本発明は以上の状況に鑑みてな
されたものであり、その目的とするところは、長波長Ｍ
ＱＷレーザの諸特性を総合的に高める上で必要な構造上
の条件の提供することであり、このことにより特性の優
れたＭＱＷ半導体レーザを少ない労力で短期間で開発し
うるようにすることである。
ーザにおいては、量子井戸組成、量子井戸の格子歪、量
子井戸層厚、障壁層組成、量子井戸層数等設計パラメー
タが極めて多く、ある発振波長における量子井戸構造を
最適化するにはトライアンドエラーを繰り返す必要があ
り膨大な労力、費用が必要になり、開発期間が長期化す
るという問題があった。本発明は以上の状況に鑑みてな
されたものであり、その目的とするところは、長波長Ｍ
ＱＷレーザの諸特性を総合的に高める上で必要な構造上
の条件の提供することであり、このことにより特性の優
れたＭＱＷ半導体レーザを少ない労力で短期間で開発し
うるようにすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によれば、ＩｎＰを基板として用いる長波長
帯の多重量子井戸半導体レーザにおいて、量子井戸にお
けるホールの第１量子準位と障壁層の価電子帯のトップ
とのエネルギー差が１６０ｍｅＶ以下であり、かつ、前
記量子井戸における電子の第１量子準位と障壁層の伝導
帯のボトムとのエネルギー差が３０ｍｅＶ以上であり、
かつ、前記量子井戸層への光閉じ込め係数が０．０１か
ら０．０７の範囲にあることを特徴とする多重量子井戸
半導体レーザが提供される。
め、本発明によれば、ＩｎＰを基板として用いる長波長
帯の多重量子井戸半導体レーザにおいて、量子井戸にお
けるホールの第１量子準位と障壁層の価電子帯のトップ
とのエネルギー差が１６０ｍｅＶ以下であり、かつ、前
記量子井戸における電子の第１量子準位と障壁層の伝導
帯のボトムとのエネルギー差が３０ｍｅＶ以上であり、
かつ、前記量子井戸層への光閉じ込め係数が０．０１か
ら０．０７の範囲にあることを特徴とする多重量子井戸
半導体レーザが提供される。
【０００８】
【作用】本発明による長波長量子井戸半導体レーザにお
いては、量子井戸におけるホールの第１量子準位と障壁
層の価電子帯のトップとのエネルギー差（δＥｖ）が１
６０ｍｅＶ以下であるため、キャリアが量子井戸層およ
び障壁層を横切る方向から量子井戸層に注入される構造
のものにおいて生じるキャリアの不均一注入による内部
微分量子効率の低下を抑制することができる。また、量
子井戸における電子の第１量子準位と障壁層の伝導帯の
ボトムとのエネルギー差が３０ｍｅＶ以上であるため、
電子の障壁層上への溢れ出しを抑制することができ、内
部ロスの増大を抑制することができる。さらに、本発明
では、量子井戸層への光閉じ込め係数を０．０１から
０．０７の範囲にあるようにしているため、利得不足か
ら生じる閾値の増大を抑え、内部ロスから生じる閾値の
増大やスロープ効率の低下を抑制することができる。
いては、量子井戸におけるホールの第１量子準位と障壁
層の価電子帯のトップとのエネルギー差（δＥｖ）が１
６０ｍｅＶ以下であるため、キャリアが量子井戸層およ
び障壁層を横切る方向から量子井戸層に注入される構造
のものにおいて生じるキャリアの不均一注入による内部
微分量子効率の低下を抑制することができる。また、量
子井戸における電子の第１量子準位と障壁層の伝導帯の
ボトムとのエネルギー差が３０ｍｅＶ以上であるため、
電子の障壁層上への溢れ出しを抑制することができ、内
部ロスの増大を抑制することができる。さらに、本発明
では、量子井戸層への光閉じ込め係数を０．０１から
０．０７の範囲にあるようにしているため、利得不足か
ら生じる閾値の増大を抑え、内部ロスから生じる閾値の
増大やスロープ効率の低下を抑制することができる。
【０００９】以下に、図面を参照して本発明の作用につ
いてさらに詳細に説明する。図３は、一般的な多重量子
井戸半導体レーザの活性部のバンドダイアクラムを示し
たものである。同図において、１０１はｐ−ＩｎＰクラ
ッド層、１０２および１０９はＩｎＧａＡｓＰ光導波路
層、１０３、１０５、１０６、１０７、１０８はｐ側か
ら数えた第１、第２、第３、第４、第５のＩｎＧａＡｓ
Ｐ量子井戸層、１０４はＩｎＧａＡｓＰ障壁層、１１０
はｎ−ＩｎＰクラッド層であり、１２１は電子の第１量
子準位を、１２２はホールの第１量子準位を示す。
いてさらに詳細に説明する。図３は、一般的な多重量子
井戸半導体レーザの活性部のバンドダイアクラムを示し
たものである。同図において、１０１はｐ−ＩｎＰクラ
ッド層、１０２および１０９はＩｎＧａＡｓＰ光導波路
層、１０３、１０５、１０６、１０７、１０８はｐ側か
ら数えた第１、第２、第３、第４、第５のＩｎＧａＡｓ
Ｐ量子井戸層、１０４はＩｎＧａＡｓＰ障壁層、１１０
はｎ−ＩｎＰクラッド層であり、１２１は電子の第１量
子準位を、１２２はホールの第１量子準位を示す。
【００１０】また、Ｅｇｂは障壁層のバンドギャップエ
ネルギーを、Ｅｇｗは量子井戸層のバンドギャップエネ
ルギーを、Ｅｇｌは発振波長をエネルギー換算したもの
を、Ｅｅは電子の第１量子準位の量子化エネルギー、Ｅ
ｈｈはホールの第１量子準位の量子化エネルギー、δＥ
ｃは電子の第１量子準位と障壁層の伝導帯の底とのエネ
ルギー差、δＥｖはホールの第１量子準位と障壁層の価
電子帯のトップとのエネルギー差を示している。
ネルギーを、Ｅｇｗは量子井戸層のバンドギャップエネ
ルギーを、Ｅｇｌは発振波長をエネルギー換算したもの
を、Ｅｅは電子の第１量子準位の量子化エネルギー、Ｅ
ｈｈはホールの第１量子準位の量子化エネルギー、δＥ
ｃは電子の第１量子準位と障壁層の伝導帯の底とのエネ
ルギー差、δＥｖはホールの第１量子準位と障壁層の価
電子帯のトップとのエネルギー差を示している。
【００１１】ここで、電子やホールの第１量子準位１２
１、１２２は量子井戸層組成、量子井戸層厚、障壁層組
成で任意に決定でき、その結果として発振波長も所要の
波長にあわせることができる。ところで、量子井戸の障
壁層についてはホールの障壁層高さが高ければ高いほど
微分利得が大きくなり、緩和振動周波数が大きくなる等
のメリットがあり、障壁層高さは高い方がよいとの指摘
がある（IEEE J. Quantum Electron vol.29，pp.885-8
95,1993 ）。
１、１２２は量子井戸層組成、量子井戸層厚、障壁層組
成で任意に決定でき、その結果として発振波長も所要の
波長にあわせることができる。ところで、量子井戸の障
壁層についてはホールの障壁層高さが高ければ高いほど
微分利得が大きくなり、緩和振動周波数が大きくなる等
のメリットがあり、障壁層高さは高い方がよいとの指摘
がある（IEEE J. Quantum Electron vol.29，pp.885-8
95,1993 ）。
【００１２】しかし、キャリアが量子井戸層および障壁
層を横切る方向から量子井戸層に注入されている構造の
場合には、障壁層を高くすると必然的にδＥｖも大きく
なり内部微分量子効率が低下するというデメリットがあ
る。図４は、横軸にδＥｖをとり縦軸に内部微分量子効
率をとって両者の相関をプロットしたグラフである。サ
ンプルは１．３μｍ帯（○印）、１．４８μｍ帯（□
印）および１．５５μｍ帯（△印）のファブリペローレ
ーザである（以下の図５や図６も同じキャラクターは同
じ波長を示す）。
層を横切る方向から量子井戸層に注入されている構造の
場合には、障壁層を高くすると必然的にδＥｖも大きく
なり内部微分量子効率が低下するというデメリットがあ
る。図４は、横軸にδＥｖをとり縦軸に内部微分量子効
率をとって両者の相関をプロットしたグラフである。サ
ンプルは１．３μｍ帯（○印）、１．４８μｍ帯（□
印）および１．５５μｍ帯（△印）のファブリペローレ
ーザである（以下の図５や図６も同じキャラクターは同
じ波長を示す）。
【００１３】発振波長帯に関わらずδＥｖが１６０ｍｅ
Ｖを越えたあたりから内部微分量子効率が急激に低下し
ている。これは、δＥｖが大きくなると有効質量の重い
ホールは図３におけるｐ側の量子井戸層１０３や１０５
に注入されてしまうと量子井戸層から脱出することが困
難になり、ｎ側の量子井戸層１０７や１０８に注入され
るホールの数が減少するため不均一注入状態になってい
るためと考えられる。この効果は量子井戸層数が多いと
きに顕著になる。本発明によれば、δＥｖの値が１６０
ｍｅＶ以下に設定されているため、内部微分量子効率の
低下を抑えることができ、したがって、半導体レーザの
重要な特性であるスロープ効率の低下を抑制することが
できる。
Ｖを越えたあたりから内部微分量子効率が急激に低下し
ている。これは、δＥｖが大きくなると有効質量の重い
ホールは図３におけるｐ側の量子井戸層１０３や１０５
に注入されてしまうと量子井戸層から脱出することが困
難になり、ｎ側の量子井戸層１０７や１０８に注入され
るホールの数が減少するため不均一注入状態になってい
るためと考えられる。この効果は量子井戸層数が多いと
きに顕著になる。本発明によれば、δＥｖの値が１６０
ｍｅＶ以下に設定されているため、内部微分量子効率の
低下を抑えることができ、したがって、半導体レーザの
重要な特性であるスロープ効率の低下を抑制することが
できる。
【００１４】一方、量子井戸層厚は薄ければ薄いほど量
子効果が顕著になり利得が増大するため薄い方が望まし
い。しかしながら、量子井戸層厚を薄くしていくとδＥ
ｃが小さくなり電子が量子井戸から溢れ出て光導波路層
や障壁層上に分布するため、光導波路層および障壁層で
の損失が大きくなり内部吸収ロスが増大してしまう。図
５にＭＱＷファブリペロー半導体レーザのδＥｃと内部
吸収ロスαｉの相関を示す。但し、量子井戸層数は全て
５層である。明らかにδＥｃが３０ｍｅＶ以下で内部吸
収ロスが増大している。本発明では、δＥｃを３０ｍｅ
Ｖ以上に設定しているため、内部吸収ロスの増大を阻止
して半導体レーザの重要な特性である閾値を増大させな
いようにすることができる。
子効果が顕著になり利得が増大するため薄い方が望まし
い。しかしながら、量子井戸層厚を薄くしていくとδＥ
ｃが小さくなり電子が量子井戸から溢れ出て光導波路層
や障壁層上に分布するため、光導波路層および障壁層で
の損失が大きくなり内部吸収ロスが増大してしまう。図
５にＭＱＷファブリペロー半導体レーザのδＥｃと内部
吸収ロスαｉの相関を示す。但し、量子井戸層数は全て
５層である。明らかにδＥｃが３０ｍｅＶ以下で内部吸
収ロスが増大している。本発明では、δＥｃを３０ｍｅ
Ｖ以上に設定しているため、内部吸収ロスの増大を阻止
して半導体レーザの重要な特性である閾値を増大させな
いようにすることができる。
【００１５】また、多重量子井戸半導体レーザにおいて
は利得および内部ロスは量子井戸層の光閉じ込め係数に
比例する。利得が小さければ発振に必要となるキャリア
の数が多くなるため閾値は増大する。一方、利得が大き
くても内部ロスが大きければやはり内部ロスに打ち勝つ
だけの利得が必要になり閾値が増大しかつスロープ効率
も低下する。したがって、低閾値、高効率を両立させる
には光閉じ込め係数に最適範囲が存在する。
は利得および内部ロスは量子井戸層の光閉じ込め係数に
比例する。利得が小さければ発振に必要となるキャリア
の数が多くなるため閾値は増大する。一方、利得が大き
くても内部ロスが大きければやはり内部ロスに打ち勝つ
だけの利得が必要になり閾値が増大しかつスロープ効率
も低下する。したがって、低閾値、高効率を両立させる
には光閉じ込め係数に最適範囲が存在する。
【００１６】図６は、光閉じ込め係数以外の上述したδ
ＥｖやδＥｃなどのパラメータがほぼ等しいサンプルに
ついての内部ロスの光閉じ込め係数依存性を示したグラ
フである。内部ロスは光閉じ込め係数が増加するに従っ
て増加している。しかし、光閉じ込め係数が０．０１を
切るといずれの波長でも内部ロスが急激に増加してい
る。光閉じ込め係数が０．０１以下のところでは利得も
さらに減少しているので閾値の増加が激しくなる。本発
明では、光閉じ込め係数を０．０１以上とすることによ
り、内部ロスの増大を抑え、閾値の増大を抑制してい
る。また、最も内部ロスが大きい１．５５μｍ帯のバル
ク活性層の内部ロスは２０〜３０ｃｍ-1あるので、量子
井戸を適用した効果を享受するためには内部ロスが２０
ｃｍ-1以下である必要があり、そのために本発明では光
閉じ込め係数を０．０７以下としている。
ＥｖやδＥｃなどのパラメータがほぼ等しいサンプルに
ついての内部ロスの光閉じ込め係数依存性を示したグラ
フである。内部ロスは光閉じ込め係数が増加するに従っ
て増加している。しかし、光閉じ込め係数が０．０１を
切るといずれの波長でも内部ロスが急激に増加してい
る。光閉じ込め係数が０．０１以下のところでは利得も
さらに減少しているので閾値の増加が激しくなる。本発
明では、光閉じ込め係数を０．０１以上とすることによ
り、内部ロスの増大を抑え、閾値の増大を抑制してい
る。また、最も内部ロスが大きい１．５５μｍ帯のバル
ク活性層の内部ロスは２０〜３０ｃｍ-1あるので、量子
井戸を適用した効果を享受するためには内部ロスが２０
ｃｍ-1以下である必要があり、そのために本発明では光
閉じ込め係数を０．０７以下としている。
【００１７】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は、本発明の第１の実施例の１．５５
μｍ帯多重量子井戸半導体レーザの活性層におけるバン
ド構造図である。同図において、１はｐ−ＩｎＰクラッ
ド層、２および３は１．１３μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ
光導波路層、４は１．２μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ障壁
層、５は１．７μｍ組成の歪ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸
層、６はｎ−ＩｎＰクラッド層である。それぞれの層の
厚さは１．１３μｍ組成のＩｎＧａＡｓ光導波路層がｐ
側２、ｎ側３それぞれ３３ｎｍ、１．２μｍ組成のＩｎ
ＧａＡｓＰ障壁層４は７ｎｍ、歪ＩｎＧａＡｓＰ量子井
戸層５は３．６ｎｍ、ｐ−Ｉｎクラッド１が０．７μｍ
である。量子井戸の層数を５とした。量子井戸層や障壁
層のように極めて薄い半導体層を形成する方法として有
機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いた。この後、例
えばホトリソグラフィ法とＬＰＥ成長法を用いて図７
（ａ）に示されるようなＤＣ−ＰＢＨ構造の埋め込み構
造の半導体レーザを形成した。
て説明する。図１は、本発明の第１の実施例の１．５５
μｍ帯多重量子井戸半導体レーザの活性層におけるバン
ド構造図である。同図において、１はｐ−ＩｎＰクラッ
ド層、２および３は１．１３μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ
光導波路層、４は１．２μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ障壁
層、５は１．７μｍ組成の歪ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸
層、６はｎ−ＩｎＰクラッド層である。それぞれの層の
厚さは１．１３μｍ組成のＩｎＧａＡｓ光導波路層がｐ
側２、ｎ側３それぞれ３３ｎｍ、１．２μｍ組成のＩｎ
ＧａＡｓＰ障壁層４は７ｎｍ、歪ＩｎＧａＡｓＰ量子井
戸層５は３．６ｎｍ、ｐ−Ｉｎクラッド１が０．７μｍ
である。量子井戸の層数を５とした。量子井戸層や障壁
層のように極めて薄い半導体層を形成する方法として有
機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いた。この後、例
えばホトリソグラフィ法とＬＰＥ成長法を用いて図７
（ａ）に示されるようなＤＣ−ＰＢＨ構造の埋め込み構
造の半導体レーザを形成した。
【００１８】この実施例では、δＥｖ、δＥｃおよび量
子井戸層への光閉じ込め係数はそれぞれ１４７．６ｍｅ
Ｖ、６３．１ｍｅＶおよび０．０１３である。δＥｖが
１４７．６ｍｅＶと小さくしてあるため、図４における
不均一注入が悪影響を及ぼす範囲からはずれて内部微分
量子効率は８８％に達している。これは、量子井戸層に
ＩｎＧａＡｓを用い障壁層に１．１３μｍ組成のＩｎＧ
ａＡｓを用いた発振波長１．５５μｍの従来のＭＱＷレ
ーザの場合に、δＥｖが約２００ｍｅＶありその結果内
部微分量子効率が６７％程度だったのに対し、著しい改
善であるといえる。また、δＥｃを６３ｍｅＶとし、光
閉じ込め係数を０．０１３と小さくしたため、内部ロス
を従来例の場合における１０ｃｍ-1から８．７ｃｍ-1と
低く抑えることができた。
子井戸層への光閉じ込め係数はそれぞれ１４７．６ｍｅ
Ｖ、６３．１ｍｅＶおよび０．０１３である。δＥｖが
１４７．６ｍｅＶと小さくしてあるため、図４における
不均一注入が悪影響を及ぼす範囲からはずれて内部微分
量子効率は８８％に達している。これは、量子井戸層に
ＩｎＧａＡｓを用い障壁層に１．１３μｍ組成のＩｎＧ
ａＡｓを用いた発振波長１．５５μｍの従来のＭＱＷレ
ーザの場合に、δＥｖが約２００ｍｅＶありその結果内
部微分量子効率が６７％程度だったのに対し、著しい改
善であるといえる。また、δＥｃを６３ｍｅＶとし、光
閉じ込め係数を０．０１３と小さくしたため、内部ロス
を従来例の場合における１０ｃｍ-1から８．７ｃｍ-1と
低く抑えることができた。
【００１９】第１の実施例において、共振器長を９００
μｍにし端面に６％−９０％のＡＲコートとＨＲコート
を施しパルス高出力特性を測定したところ駆動電流１Ａ
で光出力３４０ｍＷが得られた。これは従来品の約１．
９倍の光出力である。なお、この実施例ではＤＣ−ＰＢ
Ｈ構造を用いているため高電流注入状態においてもブロ
ック構造のｐｎｐｎサイリスタがターンオンすることな
く良好な高出力特性が得られる。
μｍにし端面に６％−９０％のＡＲコートとＨＲコート
を施しパルス高出力特性を測定したところ駆動電流１Ａ
で光出力３４０ｍＷが得られた。これは従来品の約１．
９倍の光出力である。なお、この実施例ではＤＣ−ＰＢ
Ｈ構造を用いているため高電流注入状態においてもブロ
ック構造のｐｎｐｎサイリスタがターンオンすることな
く良好な高出力特性が得られる。
【００２０】次に、本発明の第２の実施例について説明
する。図２は、この実施例の１．３μｍ帯多重量子井戸
分布帰還型半導体レーザの活性層におけるバンド構造図
である。同図において、１１はｎ−ＩｎＰ基板、１２は
１．０５μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層である。
回折格子が基板１１上に形成されており、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ光導波路層１２で埋め込まれている。１３はｎ−Ｉｎ
Ｐスペーサ層、１４、１７は１．１３μｍ組成ＩｎＧａ
ＡｓＰ光導波路層、１５は１．１３μｍ組成のＩｎＧａ
ＡｓＰ障壁層、１６は１．４２μｍ組成の歪ＩｎＧａＡ
ｓＰ量子井戸層、１８は１．０５μｍ組成ＩｎＧａＡｓ
Ｐ光導波路層、１９はｐ−ＩｎＰクラッド層である。
する。図２は、この実施例の１．３μｍ帯多重量子井戸
分布帰還型半導体レーザの活性層におけるバンド構造図
である。同図において、１１はｎ−ＩｎＰ基板、１２は
１．０５μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層である。
回折格子が基板１１上に形成されており、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ光導波路層１２で埋め込まれている。１３はｎ−Ｉｎ
Ｐスペーサ層、１４、１７は１．１３μｍ組成ＩｎＧａ
ＡｓＰ光導波路層、１５は１．１３μｍ組成のＩｎＧａ
ＡｓＰ障壁層、１６は１．４２μｍ組成の歪ＩｎＧａＡ
ｓＰ量子井戸層、１８は１．０５μｍ組成ＩｎＧａＡｓ
Ｐ光導波路層、１９はｐ−ＩｎＰクラッド層である。
【００２１】回折格子の高さおよびピッチはそれぞれ２
５ｎｍ、２０２．７ｎｍである。それぞれの層の厚さは
１．０５μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層がｎ側
（１２）、ｐ側（１８）でそれぞれ４０ｎｍ、５０ｎ
ｍ、１．１３μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層がｎ
側（１４）、ｐ側（１７）でそれぞれ２０ｎｍ、１０ｎ
ｍであり、また１．１３μｍＩｎＧａＡｓＰ障壁層１５
は５ｎｍ、１．４２μｍ組成の歪ＩｎＧａＡｓＰ量子井
戸層１６は４．２ｎｍ、ｐ−ＩｎＰクラッド層１９が
０．７μｍである。量子井戸の数は１２層とした。この
実施例において、回折格子の形成には干渉露光法とウェ
ットエッチング法を用いた。ＭＱＷ構造の形成方法や埋
め込み構造は第１の実施例の場合と同様である。
５ｎｍ、２０２．７ｎｍである。それぞれの層の厚さは
１．０５μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層がｎ側
（１２）、ｐ側（１８）でそれぞれ４０ｎｍ、５０ｎ
ｍ、１．１３μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層がｎ
側（１４）、ｐ側（１７）でそれぞれ２０ｎｍ、１０ｎ
ｍであり、また１．１３μｍＩｎＧａＡｓＰ障壁層１５
は５ｎｍ、１．４２μｍ組成の歪ＩｎＧａＡｓＰ量子井
戸層１６は４．２ｎｍ、ｐ−ＩｎＰクラッド層１９が
０．７μｍである。量子井戸の数は１２層とした。この
実施例において、回折格子の形成には干渉露光法とウェ
ットエッチング法を用いた。ＭＱＷ構造の形成方法や埋
め込み構造は第１の実施例の場合と同様である。
【００２２】この実施例では、δＥｖ、δＥｃの値はそ
れぞれ１１０ｍｅＶおよび４０ｍｅＶであり、また光閉
じ込め率は０．０６６％であった。本実施例において、
δＥｖが１１０ｍｅＶと小さいため量子井戸層数が１２
層と多いにも関わらず内部微分量子効率は良好であり、
またδＥｃが４０ｍｅＶであるため電子の障壁層への溢
れだしを抑えることができ余分な内部ロスの増加は抑制
されている。また、光閉じ込め係数は０．０６６と大き
いものの利得が極めて大きいため閾値の増大はなかっ
た。
れぞれ１１０ｍｅＶおよび４０ｍｅＶであり、また光閉
じ込め率は０．０６６％であった。本実施例において、
δＥｖが１１０ｍｅＶと小さいため量子井戸層数が１２
層と多いにも関わらず内部微分量子効率は良好であり、
またδＥｃが４０ｍｅＶであるため電子の障壁層への溢
れだしを抑えることができ余分な内部ロスの増加は抑制
されている。また、光閉じ込め係数は０．０６６と大き
いものの利得が極めて大きいため閾値の増大はなかっ
た。
【００２３】本実施例において、共振器長を３００μｍ
に形成し端面に１％−７０％のＡＲコートおよびＨＲコ
ートを施したところ、２５℃の閾値が１１ｍＡと小さ
く、８５℃においても閾値が２９ｍＡと極めて小さい値
に抑えることができた。この第２の実施例においてもＤ
Ｃ−ＰＢＨ構造を用いているため高温でもｐｎｐｎ電流
ブロック層のｐｎ接合のポテンシャル差を大きく保つこ
とができ良好な高温特性が得られたものと考えられる。
に形成し端面に１％−７０％のＡＲコートおよびＨＲコ
ートを施したところ、２５℃の閾値が１１ｍＡと小さ
く、８５℃においても閾値が２９ｍＡと極めて小さい値
に抑えることができた。この第２の実施例においてもＤ
Ｃ−ＰＢＨ構造を用いているため高温でもｐｎｐｎ電流
ブロック層のｐｎ接合のポテンシャル差を大きく保つこ
とができ良好な高温特性が得られたものと考えられる。
【００２４】以上好ましい実施例について説明したが、
本発明はこれら実施例に限定されるされるものではな
く、本願発明の要旨を逸脱しない範囲内において各種の
変更が可能である。また、実施例では、ファブリペロー
レーザと均一回折格子分布帰還型半導体レーザについて
説明したが、本発明はλ／４シフトＤＦＢレーザやＤＢ
Ｒレーザ等の単一軸モードレーザにも適用できるもので
ある。
本発明はこれら実施例に限定されるされるものではな
く、本願発明の要旨を逸脱しない範囲内において各種の
変更が可能である。また、実施例では、ファブリペロー
レーザと均一回折格子分布帰還型半導体レーザについて
説明したが、本発明はλ／４シフトＤＦＢレーザやＤＢ
Ｒレーザ等の単一軸モードレーザにも適用できるもので
ある。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の多重量子
井戸半導体レーザは、量子井戸におけるホールの第１量
子準位と障壁層の価電子帯のトップとのエネルギー差δ
Ｅｖを１６０ｍｅＶ以下、量子井戸における電子の第１
量子準位と障壁層の伝導帯のボトムとのエネルギー差δ
Ｅｃを３０ｍｅＶ以上とし、量子井戸層への光閉じ込め
係数を０．０１から０．０７としたものであるので、キ
ャリアが量子井戸層および障壁層の積層方向から量子井
戸層に注入される構造のものにおいて生じるキャリアの
不均一注入による内部微分量子効率の低下を抑制するこ
とができ、また、電子の障壁層上への溢れ出しを抑制し
て内部ロスの増大を抑制することができ、さらに、利得
不足から生じる閾値の増大を抑え、かつ内部ロスから生
じる閾値の増大やスロープ効率の低下を抑制することが
できる。よって、本発明によれば、上記条件を同時に満
たすようにデバイスを設計することにより、閾値が低く
かつ内部量子効率およびスロープ効率の等の諸特性が総
合的に高められた長波長多重量子井戸半導体レーザを少
ない労力でかつ短時間で開発することが可能となる。
井戸半導体レーザは、量子井戸におけるホールの第１量
子準位と障壁層の価電子帯のトップとのエネルギー差δ
Ｅｖを１６０ｍｅＶ以下、量子井戸における電子の第１
量子準位と障壁層の伝導帯のボトムとのエネルギー差δ
Ｅｃを３０ｍｅＶ以上とし、量子井戸層への光閉じ込め
係数を０．０１から０．０７としたものであるので、キ
ャリアが量子井戸層および障壁層の積層方向から量子井
戸層に注入される構造のものにおいて生じるキャリアの
不均一注入による内部微分量子効率の低下を抑制するこ
とができ、また、電子の障壁層上への溢れ出しを抑制し
て内部ロスの増大を抑制することができ、さらに、利得
不足から生じる閾値の増大を抑え、かつ内部ロスから生
じる閾値の増大やスロープ効率の低下を抑制することが
できる。よって、本発明によれば、上記条件を同時に満
たすようにデバイスを設計することにより、閾値が低く
かつ内部量子効率およびスロープ効率の等の諸特性が総
合的に高められた長波長多重量子井戸半導体レーザを少
ない労力でかつ短時間で開発することが可能となる。
【図１】 本発明の第１の実施例のバンド構造図。
【図２】 本発明の第２の実施例のバンド構造図。
【図３】 本発明の作用を説明するための多重量子井戸
のバンド構造図。
のバンド構造図。
【図４】 本発明の作用を説明するための内部微分量子
効率のδＥｖ依存性を示すグラフ。
効率のδＥｖ依存性を示すグラフ。
【図５】 本発明の作用を説明するための内部ロスのδ
Ｅｃ依存性を示すグラフ。
Ｅｃ依存性を示すグラフ。
【図６】 本発明の作用を説明するための内部ロスの光
閉じ込め係数依存性を示すグラフ。
閉じ込め係数依存性を示すグラフ。
【図７】 従来のＤＣ−ＰＢＨ型多重量子井戸レーザの
斜視図およびバンド構造図。
斜視図およびバンド構造図。
１、１９、１０１、２０３ ｐ−ＩｎＰクラッド層 ２、３、１２、１４、１７、１８、１０２、１０９、２
１１、２１４ ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層 ４、１５、１０４、２１２ ＩｎＧａＡｓＰ障壁層 ５、１６ 歪ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層 ６、１１０ ｎ−ＩｎＰクラッド層 １１、２０１ ｎ−ＩｎＰ基板 １３ ｎ−ＩｎＰスペーサ層 １０３、１０５、１０６、１０７、１０８ 第１、第
２、第３、第４、第５のＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層 １２１ 電子の第１量子準位 １２２ ホールの第１量子準位 ２０２ 多重量子井戸活性層 ２０４ ｐ−ＩｎＰブロック層 ２０５ ｎ−ＩｎＰブロック層 ２０６ ｐ−ＩｎＰ埋め込み層 ２０７ ｐ+ −ＩｎＧａＡｓＰキャップ層 ２０８ 電極 ２１３ ＩｎＧａＡｓ量子井戸層
１１、２１４ ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層 ４、１５、１０４、２１２ ＩｎＧａＡｓＰ障壁層 ５、１６ 歪ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層 ６、１１０ ｎ−ＩｎＰクラッド層 １１、２０１ ｎ−ＩｎＰ基板 １３ ｎ−ＩｎＰスペーサ層 １０３、１０５、１０６、１０７、１０８ 第１、第
２、第３、第４、第５のＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層 １２１ 電子の第１量子準位 １２２ ホールの第１量子準位 ２０２ 多重量子井戸活性層 ２０４ ｐ−ＩｎＰブロック層 ２０５ ｎ−ＩｎＰブロック層 ２０６ ｐ−ＩｎＰ埋め込み層 ２０７ ｐ+ −ＩｎＧａＡｓＰキャップ層 ２０８ 電極 ２１３ ＩｎＧａＡｓ量子井戸層
Claims (4)
- 【請求項１】 ＩｎＰを基板として用いる長波長帯の多
重量子井戸半導体レーザにおいて、量子井戸におけるホ
ールの第１量子準位と障壁層の価電子帯のトップとのエ
ネルギー差が１６０ｍｅＶ以下であり、かつ、前記量子
井戸における電子の第１量子準位と障壁層の伝導帯のボ
トムとのエネルギー差が３０ｍｅＶ以上であり、かつ、
前記量子井戸層への光閉じ込め係数が０．０１から０．
０７の範囲にあることを特徴とする多重量子井戸半導体
レーザ。 - 【請求項２】 電流ブロック層を有する屈折率導波型で
あり、かつ、キャリアが量子井戸層および障壁層を横切
る方向から注入されることを特徴とする請求項１記載の
多重量子井戸半導体レーザ。 - 【請求項３】 活性層が第１導電型ＩｎＰ基板上にメサ
ストライプ状に形成され、その上面および両サイドが第
２導電型ＩｎＰによって囲まれていることを特徴とする
請求項１記載の多重量子井戸半導体レーザ。 - 【請求項４】 共振器に沿って波長選択手段が形成され
ていることを特徴とする請求項１記載の多重量子井戸半
導体レーザ。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06030830A JP3080831B2 (ja) | 1994-02-03 | 1994-02-03 | 多重量子井戸半導体レーザ |
| US08/384,333 US5509026A (en) | 1994-02-03 | 1995-02-01 | Multiple quantum well semiconductor laser |
| EP95101439A EP0666624B1 (en) | 1994-02-03 | 1995-02-02 | Multiple quantum well semiconductor laser |
| DE69500371T DE69500371T2 (de) | 1994-02-03 | 1995-02-02 | Multi-Quantumwell-Halbleiterlaser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06030830A JP3080831B2 (ja) | 1994-02-03 | 1994-02-03 | 多重量子井戸半導体レーザ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07221395A true JPH07221395A (ja) | 1995-08-18 |
| JP3080831B2 JP3080831B2 (ja) | 2000-08-28 |
Family
ID=12314623
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06030830A Expired - Fee Related JP3080831B2 (ja) | 1994-02-03 | 1994-02-03 | 多重量子井戸半導体レーザ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5509026A (ja) |
| EP (1) | EP0666624B1 (ja) |
| JP (1) | JP3080831B2 (ja) |
| DE (1) | DE69500371T2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US5923688A (en) * | 1996-09-02 | 1999-07-13 | Nec Corporation | Semiconductor laser |
| JP2003060285A (ja) * | 2001-08-10 | 2003-02-28 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 光集積デバイス |
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| US5633886A (en) * | 1995-08-28 | 1997-05-27 | Motorola | Short wavelength VCSEL with Al-free active region |
| US5760939A (en) * | 1995-10-23 | 1998-06-02 | Sdl, Inc. | Optical transmission link capable of high temperature operation without cooling with an optical receiver module having temperature independent sensitivity performance and optical transmitter module with laser diode source |
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