JPH07249828A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 量子井戸構造の活性層を備える半導体レーザ
において価電子帯頂上におけるキャリアの有効質量を低
減する。 【構成】 障壁層10及び井戸層12を交互に積層して量子
井戸構造の活性層14を構成する。そして障壁層10の軽い
正孔に対する価電子帯と井戸層12の軽い正孔に対する価
電子帯との間のバンド不連続量を零とする。これと共に
障壁層10の重い正孔に対する価電子帯と井戸層12の重い
正孔に対する価電子帯との間のバンド不連続量を、重い
正孔に対して量子井戸を形成する大きさとする。これに
より軽い正孔及び重い正孔のバンド構造に拘らず、これ
ら正孔の間のバンド混合効果を低減できるので、目的を
達成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、量子井戸構造の活性
層を備える半導体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体レーザの性能改善を目
的として半導体レーザの活性層を量子井戸構造としたも
のが提案されており、それに関する種々の研究及び検討
が成されている。量子井戸構造の活性層は、バンドギャ
ップの小さな井戸層とバンドギャップの大きな障壁層と
を交互に積層して井戸層に対応する領域に量子井戸（ポ
テンシャル井戸）を形成するようにしたものである。

【０００３】この半導体レーザにおいて発振閾値の低減
及び変調速度の高速化を効果的に行なうためには、井戸
層へのキャリア注入効率を高めることが重要であり（文
献１：IEEE Photonics Technology Letters, Vol.13, N
o.9, 1991 参照）、さらにこれに加え井戸層の価電子帯
頂上においてキャリアの有効質量を軽くすることが重要
であると考えられる（文献２：Applied Physics Letter
s, 60(15), 13 April1992, pp1842〜1844及び文献３：P
hysical Review B, Vol.43, Num.17, 1991, p14 099〜1
4 106参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】キャリアの有効質量軽
減には、バンド混合効果を低減することが有用である。
活性層においては、伝導帯のキャリアとして電子が存在
し、価電子帯のキャリアとして軽い正孔、重い正孔及び
スピンオービットスプリットオフ電子の３種が存在す
る。キャリアの有効質量を考える場合、厳密には、これ
ら４種のキャリア間でのバンド混合効果を考慮する必要
がある。しかしながら周知のように、伝導帯上の電子及
び価電子帯上のスピンオービットスプリットオフ電子に
よるバンド混合効果は実質的に無視しえる程度に小さ
い。そこで価電子帯頂上におけるキャリアの有効質量を
考える場合には、一般には、軽い正孔及び重い正孔の間
のバンド混合効果のみが考慮される。

【０００５】上記文献２及び３には井戸層に歪みを導入
することにより軽い正孔及び重い正孔の間のバンド混合
効果を低減する手法が開示されており、この手法が従来
広く一般に行なわれている。図１１はこの手法を用いた
活性層の量子井戸構造を模式的に示す図である。図中、
太い実線は井戸層及び障壁層の双方に歪みを加えていな
い状態での価電子帯頂上のポテンシャルを示す。この場
合、重い正孔及び軽い正孔に対する価電子帯頂上のポテ
ンシャルは一致する。図中、このときのポテンシャル井
戸の深さを符号Ｄで表す。

【０００６】これに対し、上記文献２及び３の手法では
障壁層には歪みを加えないまま井戸層に歪みを加える。
この歪みのエネルギーにより、井戸層においては重い正
孔及び軽い正孔に対する価電子帯頂上のポテンシャルが
シフトする。井戸層に圧縮歪みを導入した場合において
シフトした価電子帯頂上のポテンシャルを、図中、点線
及び一転鎖線で示す。点線は重い正孔に対するもの及び
一転鎖線は軽い正孔に対するものであって、これら重い
正孔及び軽い正孔に対するポテンシャルのシフト量はΔ
及び−Δとなり互いに符号が逆で絶対値が等しくなる
（Δ＞０）。従ってポテンシャル井戸は重い正孔に対し
ては深く及び軽い正孔に対しては浅くなる。尚、井戸層
に引張歪みを加えれば、井戸層においては重い正孔に対
する価電子帯頂上のポテンシャルシフト量は−Δ及び軽
い正孔に対する価電子帯頂上のポテンシャルシフト量は
Δとなる。

【０００７】重い正孔及び軽い正孔に対する基底量子準
位（エネルギー準位ｎ＝１）は、それぞれのポテンシャ
ル井戸の量子閉じ込め効果によるエネルギー上昇分−δ
_H 及び−δ_L だけシフトしたところにある（δ_H ＞０、
δ_L ＞０）。これら基底量子準位の差を大きくすること
により、バンド混合効果を低減し従って価電子帯頂上に
おける有効質量を低減できる。しかし井戸層に導入でき
る歪みの大きさには限界があり、従って歪みの導入によ
る有効質量の低減にも限界がある。

【０００８】一方、ポテンシャル井戸の幅を狭くするこ
とによっても、有効質量を低減できる。従って歪みの導
入のみならず、ポテンシャル井戸の幅を狭くすることに
よって、一層効果的に、バンド混合効果を低減し価電子
帯頂上における有効質量を低減できる。

【０００９】しかしながら文献１によれば、キャリアの
注入効率を高めるためには、ポテンシャル井戸の幅を広
くする（井戸層の厚さを厚くする）必要がある。井戸幅
を広げた場合には重い正孔及び軽い正孔の有効質量の差
は殆どなくなり、従ってこの場合、ポテンシャル井戸の
幅による有効質量の低減は望めない。

【００１０】ところで文献２及び３によれば、価電子帯
頂上におけるキャリアの有効質量を低減することによ
り、発振閾値を低減できると共に微分利得を増大できる
ことが明らかにされている。微分利得の増大によって高
速変調が可能になる。これら発振閾値の低減及び微分利
得の増大は、専ら、キャリア有効質量の低減によっても
たらされるものである。従って有効質量を低減する手法
は特定の手法に限定されず、何らかの手法を用いて有効
質量を低減すれば、発振閾値の低減及び微分利得の増大
を図れる。このことは、文献２及び３の解析手法に照ら
して当業者が容易に理解できる事項である。

【００１１】この出願の発明者等はこの点に着目したも
のであって、有効質量を低減するための新規な手段を提
供するものである。すなわち第一の新規な手段は、軽い
正孔に対しては井戸層及び障壁層の価電子帯バンド不連
続量を量子井戸を形成しない大きさとし、かつ、重い正
孔に対しては井戸層及び障壁層の価電子帯バンド不連続
量を量子井戸を形成する大きさとする。これによって、
有効質量を低減する。このようなバンド構造を実現でき
るのであれば、その実現方法は問わないが、一例として
例えば、井戸層に圧縮歪みを導入して井戸層においては
重い正孔及び軽い正孔に対する価電子帯ポテンシャルの
シフト量をΔ及び−Δとし、かつ、障壁層に引張歪みを
導入して重い正孔及び軽い正孔に対する価電子帯ポテン
シャルのシフト量を−Δ及びΔとするという、ものが考
えられる。但しこの例では、井戸層及び障壁層に歪みを
導入していない状態の活性層においてポテンシャル井戸
の深さＤがＤ＝２・Δであるとする。

【００１２】第二の新規な手法は、重い正孔に対しては
井戸層及び障壁層の価電子帯バンド不連続量を量子井戸
を形成しない大きさとし、かつ、軽い正孔に対しては井
戸層及び障壁層の価電子帯バンド不連続量を量子井戸を
形成する大きさとする。これによって、有効質量を低減
する。このようなバンド構造を実現できるのであれば、
その実現方法は問わないが、一例として例えば、井戸層
に引張歪みを導入して井戸層においては重い正孔及び軽
い正孔に対する価電子帯ポテンシャルのシフト量を−Δ
及びΔとし、かつ、障壁層に圧縮歪みを導入して重い正
孔及び軽い正孔に対する価電子帯ポテンシャルのシフト
量をΔ及び−Δとするという、ものが考えられる。但し
この例では、井戸層及び障壁層に歪みを導入していない
状態の活性層においてポテンシャル井戸の深さＤがＤ＝
２・Δであるとする。

【００１３】さらに上述した有効質量の低減に関わる問
題のほか、活性層中に多重量子井戸を形成した従来の量
子井戸型半導体レーザにおいては、活性層におけるキャ
リア分布の偏りに起因する問題もある。すなわちこの場
合、複数の量子井戸（ポテンシャル井戸）が周期的に繰
り返し形成されるので、活性層におけるキャリアの分布
に偏りを生じる。その結果、変調速度の高速化に限界を
生じる。

【００１４】この発明は上述した点に鑑み成されたもの
であって、この発明の目的は、井戸層を厚くした場合で
もより効果的に有効質量を低減できしかも活性層におけ
るキャリア分布の偏りを軽減できる量子井戸型の半導体
レーザを提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、第一発明の半導体レーザは、障壁層及び井戸層を交
互に積層して構成した量子井戸構造の活性層を備え、障
壁層の軽い正孔に対する価電子帯と井戸層の軽い正孔に
対する価電子帯との間のバンド不連続量を、軽い正孔に
対して量子井戸を形成しない大きさとし、障壁層の重い
正孔に対する価電子帯と井戸層の重い正孔に対する価電
子帯との間のバンド不連続量を、重い正孔に対して量子
井戸を形成する大きさとして成ることを特徴とする。

【００１６】第二発明の半導体レーザは、障壁層及び井
戸層を交互に積層して構成した量子井戸構造の活性層を
備え、障壁層の軽い正孔に対する価電子帯と井戸層の軽
い正孔に対する価電子帯との間のバンド不連続量を、軽
い正孔に対して量子井戸を形成する大きさとし、障壁層
の重い正孔に対する価電子帯と井戸層の重い正孔に対す
る価電子帯との間のバンド不連続量を、重い正孔に対し
て量子井戸を形成しない大きさとして成ることを特徴と
する。

【００１７】

【作用】第一発明によれば、軽い正孔に対しては量子井
戸を形成しないが重い正孔に対しては量子井戸を形成す
るので、軽い正孔は井戸層内に実質的に閉じ込めずに
（束縛せずに）、重い正孔は井戸層内に実質的に閉じ込
めるようにすることができる（束縛することができ
る）。

【００１８】このように井戸層内に、軽い正孔は閉じ込
めずに重い正孔は閉じ込めるようにすることにより、軽
い正孔のバンド構造及び重い正孔のバンド構造に拘ら
ず、軽い正孔と重い正孔との間のバンド混合効果を抑制
できる。例えば、軽い正孔のエネルギー準位系列と重い
正孔のエネルギー準位系列とが全体的に近接していて
も、バンド混合効果を抑制できる。さらに軽い正孔を、
井戸層内に閉じ込めないので活性層の厚み方向全体にわ
たって均一に分布させることができる。

【００１９】また第二発明によれば、軽い正孔に対して
は量子井戸を形成するが重い正孔に対しては量子井戸を
形成するので、軽い正孔は井戸層内に実質的に閉じ込
め、重い正孔は井戸層内に実質的に閉じ込めないように
することができる。

【００２０】このように井戸層内に、軽い正孔は閉じ込
め重い正孔は閉じ込めないようにすることにより、軽い
正孔のバンド構造及び重い正孔のバンド構造に拘らず、
軽い正孔と重い正孔との間のバンド混合効果を抑制でき
る。例えば、軽い正孔のエネルギー準位系列と重い正孔
のエネルギー準位系列とが全体的に近接していても、バ
ンド混合効果を抑制できる。さらに重い正孔を、井戸層
内に閉じ込めないので活性層の厚み方向全体にわたって
均一に分布させることができる。

【００２１】

【実施例】以下、図面を参照し、発明の実施例につき説
明する。尚、図面は発明が理解できる程度に概略的に示
してあるにすぎず、従って発明を図示例に限定するもの
ではない。

【００２２】図１及び図２は第一発明の実施例の構成を
概略的に示す断面図である。図１においては半導体レー
ザの活性層に沿って取った断面を、また図２においては
図１のII−II線に沿って取った断面を示す。

【００２３】同図にも示すように、この実施例の半導体
レーザは、障壁層１０及び井戸層１２を交互に積層して
構成した量子井戸構造の活性層１４を備えて成る。そし
て障壁層１０の軽い正孔に対する価電子帯と井戸層１２
の軽い正孔に対する価電子帯との間のバンド不連続量Ａ
を、軽い正孔に対して量子井戸を形成しない大きさとす
る。これと共に、障壁層１０の重い正孔に対する価電子
帯と井戸層１２の重い正孔に対する価電子帯との間のバ
ンド不連続量Ｂを、重い正孔に対して量子井戸を形成す
る大きさとする。

【００２４】この実施例では、ファブリペロ型の半導体
レーザを構成するものであって、ｎ−ＩｎＰ基板１６の
一方の主面１６ａ上に順次に、活性層１４及びｐ−Ｉｎ
Ｐクラッド層１８を設ける。活性層１４はノンドープＩ
ｎ_X Ｇａ_1-X Ａｌ_Z Ａｓ_1-Z障壁層１０及びノンドープ
Ｉｎ_Z Ｇａ_1-Z Ａｓ_W Ｐ_1-W 井戸層１２を交互に積層し
て構成した量子井戸構造の活性層である。バンドギャッ
プの小さな井戸層１２をバンドギャップの大きな障壁層
１０の間に挟むことによって、井戸層１２に対応する領
域に量子井戸（ポテンシャル井戸）を形成する。

【００２５】そしてこれら活性層１４及びクラッド層１
８によりメサストライプ構造を構成し、これら各層１
４、１８の一方の側部を電流狭窄層２０で及び他方の側
部を電流狭窄層２２で埋め込む。電流狭窄層２０は基板
主面１６ａ上に順次に設けたｐ−ＩｎＰ層２０ａ及びｎ
−ＩｎＰ層２０ｂから成り、電流狭窄層２２は基板主面
１６ａ上に順次に設けたｐ−ＩｎＰ層２２ａ及びｎ−Ｉ
ｎＰ層２２ｂから成る。クラッド層１８上にｐ側電極２
４を、及び他方の主面１６ｂ上にｎ側電極２６を設け
る。

【００２６】さらにこの実施例では、障壁層１０の軽い
正孔に対する価電子帯と井戸層１２の軽い正孔に対する
価電子帯との間のバンド不連続量Ａを零とする。

【００２７】障壁層１０をノンドープＩｎ_X Ｇａ_1-X Ａ
ｌ_Y Ａｓ_1-Y 層及び井戸層１２をノンドープＩｎ_Z Ｇａ
_1-Z Ａｓ_W Ｐ_1-W 層とした場合、障壁層１０の組成Ｘ、
Ｙと井戸層の組成Ｚ、Ｗとをそれぞれ任意好適に選択す
ることにより、不連続量Ａを零とすることは可能であ
る。しかしながらこの場合に、障壁層１０の重い正孔に
対する価電子帯と井戸層１２の重い正孔に対する価電子
帯との間のバンド不連続量Ｂを、重い正孔に対して量子
井戸を形成するように充分に大きくすることができな
い。そこでここでは障壁層１０に引張歪みを有する（内
在する）障壁層とすると共に、井戸層１２を圧縮歪みを
有する（内在する）井戸層とし、これにより不連続量Ｂ
を大きくする。この点につき図３を参照し、説明する。

【００２８】図３は軽い正孔に対するバンド不連続量Ａ
を零とする障壁層及び井戸層の組み合わせを示す図であ
る。図中、ノンドープＩｎ_X Ｇａ_1-X Ａｌ_Y Ａｓ_1-Y 障
壁層１０の重い正孔に対するバンドギャップ波長［μ
ｍ］を縦軸に及びノンドープＩｎ_Z Ｇａ_1-Z Ａｓ_W Ｐ
_1-W 井戸層１２の重い正孔に対するバンドギャップ波長
［μｍ］を横軸に取って示す。同図にあっては、ｎ−Ｉ
ｎＰ基板１６からの格子不整合をａ％とした障壁層１０
及び−ａ％とした井戸層１２を用い、ａ＝０、０．５及
び１としたそれぞれの場合においてバンド不連続量Ａを
零とする障壁層１０及び井戸層１２の組み合わせを数値
解析により調べた。そしてａ＝０、０．５及び１とした
場合にバンド不連続量Ａを零とする障壁層１０及び井戸
層１２の組み合わせをそれぞれ、図中に、符号０％を付
した黒丸、符号−０．５％を付した白丸及び符号−１％
を付した白抜き三角で示した。

【００２９】例えば、発振波長１．５５μｍの半導体レ
ーザを構成する場合、井戸層１２のバンドギャップ波長
を１．６μｍ及び井戸層１２の厚さを１０ｎｍとすれ
ば、発振波長を１．５５μｍとすることができる。

【００３０】一方、図３に示すように、井戸層１２のバ
ンドギャップ波長を１．６μｍとする場合に、ａ＝０の
時すなわち井戸層１２及び障壁層１０の双方に歪みを与
えていない時は、障壁層１０のバンドギャップ波長を
１．５２μｍとすることによりバンド不連続量Ａを零と
することができる。しかしながらこの時、井戸層１２及
び障壁層１０のバンドギャップ波長の差は０．０８μｍ
と小さくなるので、重い正孔に対するバンド不連続量Ｂ
を重い正孔に対して量子井戸を形成するに足りるだけ充
分に大きくできず、従って重い正孔に対する量子井戸効
果を充分に期待できない。

【００３１】これに対し、ａ＝０．５の時すなわち格子
不整合０．５％の引張歪みを有する障壁層１０及び格子
不整合−０．５％の圧縮歪みを有する井戸層１２を用い
る時は、障壁層１２のバンドギャップ波長を１．２５μ
ｍとすることによりバンド不連続量Ａを零とすることが
でき、この時、井戸層１２及び障壁層１０のバンドギャ
ップ波長の差は０．３５μｍとなる。またａ＝１の時す
なわち格子不整合１％の引張歪みを有する障壁層１０及
び格子不整合−１％の圧縮歪みを有する井戸層１２を用
いる時は、障壁層１２のバンドギャップ波長を１．０９
μｍとすることによりバンド不連続量Ａを零とすること
ができ、この時、井戸層１２及び障壁層１０のバンドギ
ャップ波長の差は０．５１μｍとなる。従ってこれら井
戸層１２及び障壁層１０に歪みを導入した２つの例にお
いては、重い正孔に対するバンド不連続量Ｂを、重い正
孔に対して量子井戸を形成するに足りるだけ充分に大き
くできるので、重い正孔に対する量子井戸効果を期待で
きる。

【００３２】このように障壁層１０及び井戸層１２のそ
れぞれについて組成及び歪み量を任意好適に選択するこ
とにより、軽い正孔に対するバンド不連続量Ａを零とし
かつ重い正孔に対するバンド不連続量Ｂを重い正孔に対
して量子井戸を形成する大きさとすることができる。

【００３３】またここでは、障壁層１０の引張歪み量の
絶対値｜ａ｜と井戸層１２の圧縮歪み量の絶対値｜−ａ
｜とを等しくしかつこれら障壁層１０及び井戸層１２の
層厚を等しくするように（すなわち歪み補償を行なうよ
うに）、障壁層１０及び井戸層１２を積層する。これは
活性層１４の全体の厚さを厚くするため障壁層１０及び
井戸層１２の積層回数を増やした場合に、障壁層１０及
び井戸層１２の転位密度を低くするための手法である。
歪み補償により、理論上、積層回数を無限大とすること
ができる。また井戸層１２と同程度の厚さを有する障壁
層１０は障壁層として充分に機能し得る。

【００３４】歪み補償を行なう場合、障壁層１０及び井
戸層１２の厚さを、１層毎に、臨界膜厚以下とする必要
がある。図４に、基板からの格子不整合がａ或は−ａ％
である膜の臨界膜厚を示す。膜の歪み量の絶対値｜ａ｜
或は｜−ａ｜［％］を図の横軸に及び歪み量｜ａ｜或は
｜−ａ｜を有する膜の臨界膜厚を対数目盛りで図の縦軸
に示す。同図に示すように、歪み量を０．５％とした膜
の臨界膜厚は５０ｎｍであり、歪み量の絶対値を１％と
した膜の臨界膜厚は２０ｎｍである。これら臨界膜厚は
上述した障壁層１０及び井戸層１２の厚さ１０μｍより
も充分に大きい。

【００３５】図５に、歪み補償の効果を検証するための
実験データを示す。この実験においては、障壁層１０に
対応する半導体層として歪み量ａを有するＩｎ_U Ｇａ
_1-U Ａｓ層、及び井戸層１２に対応する半導体層として
歪み量−ａを有するＩｎ_V Ｇａ_1-V Ａｓ層を用い、これ
らＩｎ_U Ｇａ_1-U Ａｓ層及びＩｎ_V Ｇａ_1-V Ａｓ層を交
互にＩｎＰ基板上に積層する。これらＩｎ_U Ｇａ_1-U Ａ
ｓ層及びＩｎ_V Ｇａ_1-VＡｓ層の厚さを１０μｍとして
等しくし、組成ＵをＩｎＰ基板に格子整合する値０．５
３よりも小さな値及び組成ＶをＩｎＰ基板に格子整合す
る値０．５３よりも大きな値とする。また量子井戸構造
の活性層１４を構成する場合には各井戸層１２をそれぞ
れ障壁層１０の間に挟むのが好ましいが、この実験では
Ｉｎ_U Ｇａ_1-U Ａｓ層及びＩｎ_V Ｇａ_1-V Ａｓ層の積層
回数を等しくし従ってＩｎ_U Ｇａ_1-U Ａｓ層の間に挟ん
でいないＩｎ_V Ｇａ_1-V Ａｓ層がある。組成Ｖを図の横
軸に及び転位密度［ｃｍ^-2］を図の左側の縦軸に取り、
組成Ｖと最上層のＩｎ_V Ｇａ_1-V Ａｓ層の転位密度との
関係を黒丸で示す。またＸ線回折強度がピークとなる回
折角θの半値幅［ｓｅｃ］を図の右側の縦軸に取り、組
成Ｖと回折角θとの関係を白丸で示す。歪み量の小さい
Ｉｎ_U Ｇａ_1-U Ａｓ層及びＩｎ_V Ｇａ_1-V Ａｓ層につい
ては積層回数を３０回とし、また歪み量の大きなＩｎ_U
Ｇａ_1-U Ａｓ層及びＩｎ_V Ｇａ_1-V Ａｓ層については積
層回数を１０回とし積層回数１０回の実験データを表す
黒丸及び白丸には矢印を付した。

【００３６】図５から理解できるように、組成ＶをＶ＝
０．６８程度とする時、歪み量ａは１％程度となり、積
層回数を１０回としても転位密度を５×１０⁵ 程度に抑
えることができる。従って歪み補償を行なうことによ
り、活性層１４の全体の厚さを厚くしても転位密度が実
用上充分に小さな活性層１４を構成できると考えられ
る。

【００３７】ここでは活性層１４における転位密度を低
減するために歪み補償を行なったが、歪み補償は必ずし
も行なわなくて良い。バンド不連続量Ｂを大きくするた
めに、障壁層１０及び井戸層１２の一方の歪み量を他方
の歪み量よりも大きくしたり、或は一方の厚さを他方の
厚さよりも厚くしたり、或は障壁層１０を歪みを有さな
い障壁層としたりすることもできる。

【００３８】活性層１４の作成に当っては、膜厚制御性
に優れた有機金属気相成長法を用いれば良い。この成長
法によれば、膜厚１ｎｍ以下であっても膜厚均一な膜を
作成でき、量子井戸構造の活性層１４を作成するのに適
している。作成条件としては、例えば、成膜温度を６５
０℃程度、ノンドープＩｎ_X Ｇａ_1-X Ａｌ_Y Ａｓ_1-Y障
壁層１０の原料ガスをトリメチルインジウム（ＴＭ
Ｉ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルアル
ミニウム（ＴＭＡ）及びアルシン（ＡｓＨ₃ ）の混合ガ
ス、ノンドープＩｎ_Z Ｇａ_1-Z Ａｓ_W Ｐ_1-W 井戸層１２
の原料ガスをトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリエ
チルガリウム（ＴＥＧ）、アルシン（ＡｓＨ₃ ）及びホ
スフィン（ＰＨ₃ ）の混合ガス、これら原料ガスにおけ
るＶ族元素／III 族元素比を５０〜２００とすれば良
い。

【００３９】図６はこの実施例の活性層における伝導帯
及び価電子帯の構造の一例を示す図である。同図にあっ
ては、活性層１４を構成する障壁層１０及び井戸層１２
の界面位置を原点としこれら各層１０及び１２の積層方
向（基板主面１６ａの法線方向）における原点からの距
離ｔ［ｎｍ］を横軸に、及び、真空準位を基準としたポ
テンシャルエネルギー［ｅＶ］を図の左側の縦軸に取
り、活性層１４の電子、軽い正孔及び重い正孔に対する
バンド構造をそれぞれ曲線ＣＢ、ＬＨ及びＨＨで示す。
曲線ＣＢは距離ｔにおける伝導帯底のポテンシャルエネ
ルギーの分布状態、曲線ＬＨ及びＨＨは距離ｔにおける
価電子帯頂上のポテンシャルエネルギーの、分布状態を
表す。ここでは障壁層１０を、膜厚７ｎｍ、組成Ｘ＝
０．４２９、Ｙ＝０．１１８及び歪み量ａ＝０．７％の
ノンドープＩｎ_X Ｇａ_1-X Ａｌ_Y Ａｓ_1-Y 層とし、井戸
層１２を、膜厚７ｎｍ、組成Ｚ＝０．７１７、Ｗ＝０．
８２６及び歪み量−ａ＝−０．７％のノンドープＩｎ_Z
Ｇａ_1-Z Ａｓ_W Ｐ_1-W 井戸層１２とする。この場合、伝
導帯底のバンド不連続量は１７５ｍｅＶ、軽い正孔に対
する価電子帯頂上のバンド不連続量Ａは零及び重い正孔
に対する価電子帯頂上のバンド不連続量Ｂは９６．８ｍ
ｅＶである。また伝導帯の電子、価電子帯の軽い正孔及
び重い正孔を波動と見て波動関数から求めたこれら波動
の振幅を図の右側の縦軸に取り、距離ｔにおける伝導帯
の電子の振幅を曲線１ｅ、距離ｔにおける価電子帯の軽
い正孔の振幅を曲線ｌｈ、さらに距離ｔにおける価電子
帯の重い正孔の振幅を曲線１ｈｈ、２ｈｈ及び３ｈｈで
示す。曲線１ｅはエネルギー準位ｎ＝１の電子、曲線１
ｈｈ、２ｈｈ及び３ｈｈはエネルギー準位ｎ＝１、２及
び３の重い正孔の振幅を表す。軽い正孔に対するバンド
不連続量Ａは零であるので、軽い正孔の振幅はエネルギ
ー準位によらずほぼ零となる。

【００４０】図６にも示すように、伝導帯の電子及び価
電子帯の重い正孔は井戸層１２内に閉じ込められ（束縛
され）、これら電子及び重い正孔の運動は井戸層１２内
に制限される。これに対し価電子帯の軽い正孔は、井戸
層１２内に閉じ込められず（束縛されず）従って活性層
１４全体にわたって自由に運動することができる。その
結果、価電子帯の軽い正孔が井戸層１２内に存在する確
率は非常に小さくなる。エネルギー準位が近接するキャ
リアの間のバンド混合効果は、これらキャリアの波動関
数の重なり積分の減少に対応して弱くなり、その結果、
キャリアの有効質量を低減できる。価電子帯のスピンオ
ービットスプリットオフ電子は半導体レーザの性能に与
える影響は無視し得る程に小さいので、活性層１４はこ
のスプリットオフ電子に対しては量子井戸を形成しても
形成しなくとも良い。

【００４１】障壁層１０及び井戸層１２の膜厚、組成、
歪み量を上述のようにした場合、軽い正孔と重い正孔と
の間の振幅の重なり積分は０．０４７となる。この０．
０４７という値は、軽い正孔及び重い正孔の波動の重な
りが最も大きくなる場合を１として規格化した値であ
り、この値１の約１／２０の値である。このように価電
子帯の軽い正孔及び重い正孔の間の重なり積分を非常に
小さくできるのは、価電子帯の軽い正孔が井戸層１２内
に存在する確率が非常に小さくなることに起因する。

【００４２】ここでは軽い正孔に対するバンド不連続量
Ａを零としたが、バンド不連続量Ａを、軽い正孔及び重
い正孔の間のバンド混合効果を抑制できる範囲内で零を
越える微小な値とし或は近似的に零とみなせる微小な値
とすることもできる。

【００４３】図７はキャリアが持つ全エネルギーＥ_tot
と、キャリアの波数ベクトルｋ及び有効質量ｍ^* との関
係を示す図である。これらの関係は、障壁層１０及び井
戸層１２の膜厚、組成、歪み量を図６の場合と同様とし
た場合のものである。同図にあっては、キャリアが持つ
全エネルギーＥ_tot を図の横軸に及びキャリアの波数ベ
クトルｋを図の上側の右側縦軸に取り、キャリアの全エ
ネルギーがＥ_tot である時に当該キャリアが有する波数
ベクトルｋを、図の上側に黒丸で示す。実線矢印ＨＨ
１、ＨＨ２及びＨＨ３に沿って並ぶ黒丸はエネルギー準
位ｎ＝１、２及び３の重い正孔に関するＥ_tot 及びｋの
関係を示し、符号ＨＨ１_k0、ＨＨ２_k0及びＨＨ３_k0を付
した黒丸はｋ＝０である場合においてエネルギー準位ｎ
＝１、２及び３の重い正孔が持つＥ_tot を表す。また実
線矢印ＬＨ１に沿って並ぶ黒丸はエネルギー準位ｎ＝１
の軽い正孔に関するＥ_tot 及びｋの関係を示し、符号Ｌ
Ｈ１_k0を付した黒丸はｋ＝０である場合においてエネル
ギー準位ｎ＝１の軽い正孔が持つＥ_tot を示す。さらに
真空中における電子の質量ｍ₀ に対するキャリアの有効
質量ｍ^* の比の値ｍ^* ／ｍ₀ を図の下側の左側縦軸に取
り、キャリアの全エネルギーがＥ_tot である時に当該キ
ャリアが有する有効質量ｍ^* を、図の下側に白丸で示
す。破線矢印ＨＨ１、ＨＨ２及びＨＨ３に沿って並ぶ白
丸はエネルギー準位ｎ＝１、２及び３の重い正孔に関す
るＥ_tot 及びｍ^* ／ｍ₀ の関係を示し、符号ＨＨ１_k0、
ＨＨ２_k0及びＨＨ３_k0を付した白丸はｋ＝０である場合
においてエネルギー準位ｎ＝１、２及び３の重い正孔が
持つｍ^* ／ｍ₀ を表す。また破線矢印ＬＨ１に沿って並
ぶ白丸はエネルギー準位ｎ＝１の軽い正孔に関するＥ
_tot 及びｍ^* の関係を示し、符号ＬＨ１_k0を付した白丸
はｋ＝０である場合においてエネルギー準位ｎ＝１の軽
い正孔が持つｍ^* ／ｍ₀ を示す。

【００４４】図７に示す例では、Ｅ_tot 及びｋの関係か
ら理解できるように、軽い正孔及び重い正孔のエネルギ
ーＥ_tot は近接している。しかしこの場合でも、Ｅ_tot
及びｍ^* の関係から理解できるように、有効質量ｍ^* を
低減できる。

【００４５】従来の量子井戸構造においては、エネルギ
ー準位ｎ＝１の軽い正孔及び重い正孔のバンド混合効果
がガンマ点においても強く、そのためこれら正孔の有効
質量ｍ^* はｍ^* ＝０．４ｍ₀ 〜０．５ｍ₀ 程度となり重
くなる。これに対し図７の例では、エネルギー準位ｎ＝
１の軽い正孔及び重い正孔の有効質量ｍ^* はｍ^* ＝０．
０４ｍ₀ 〜０．１２ｍ₀ となり従来よりも軽くなる。図
７の例では、エネルギー準位ｎ＝２、３の重い正孔にお
いても有効質量ｍ^* を従来より低減できている。

【００４６】図７に示す例では、井戸層１２に圧縮歪み
を導入したので、ｋ＝０においてエネルギー準位が最も
大きいキャリアはエネルギー準位ｎ＝１の重い正孔であ
り、その結果、発生する利得はＴＥモードに偏波する。

【００４７】図８に、障壁層１０及び井戸層１２の膜
厚、組成、歪み量を図６の場合と同様とした場合におい
て発生する利得と微分利得とを、算出した結果を示す。
同図にあっては、活性層１４へのキャリア注入密度を横
軸に及び活性層１４で生じるＴＥモードの利得を左側の
縦軸に取り、これらキャリア注入密度及び利得の関係を
実線の曲線で示す。またこのＴＥモードの微分利得を右
側の縦軸に取り、これらキャリア注入密度及び微分利得
の関係を破線の曲線で示す。レーザ発振に必要な利得を
５００ｃｍ^-1として、この実施例の半導体レーザと無歪
量子井戸構造の半導体レーザとを比較すれば、この実施
例では閾値電流を無歪量子井戸構造の７５％まで低減で
き、またこの実施例では微分利得を無歪量子井戸構造の
２００％まで増大させることができる。

【００４８】図９は第二発明の実施例の説明に供する断
面図であって、図２と同様の断面を示す。この実施例
は、活性層の構成が異なるほかは上述した第一発明の実
施例と同様の構成となっている。以下の説明では第一発
明の実施例と同様の点についてはその詳細な説明を省略
する。

【００４９】この実施例の半導体レーザは、障壁層２８
及び井戸層３０を交互に積層して構成した量子井戸構造
の活性層３２を備えて成る。そして障壁層２８の軽い正
孔に対する価電子帯と井戸層３０の軽い正孔に対する価
電子帯との間のバンド不連続量Ｃを、軽い正孔に対して
量子井戸を形成する大きさとする。これと共に、障壁層
２８の重い正孔に対する価電子帯と井戸層３０の重い正
孔に対する価電子帯との間のバンド不連続量Ｄを、重い
正孔に対して量子井戸を形成しない大きさとする。

【００５０】伝導帯の電子及び価電子帯の軽い正孔は井
戸層３０内に閉じ込められ（束縛され）、これら電子及
び軽い正孔の運動は井戸層３０内に制限される。これに
対し価電子帯の重い正孔は、井戸層３０内に閉じ込めら
れず（束縛されず）従って活性層３２全体にわたって自
由に運動することができる。その結果、価電子帯の軽い
正孔が井戸層３０内に存在する確率は非常に小さくな
る。エネルギー準位が近接するキャリアの間のバンド混
合効果は、これらキャリアの波動関数の重なり積分の減
少に対応して弱くなり、その結果、キャリアの有効質量
を低減できる。価電子帯のスピンオービットスプリット
オフ電子は半導体レーザの性能に与える影響は無視し得
る程に小さいので、活性層３２はこのスプリットオフ電
子に対しては量子井戸を形成しても形成しなくとも良
い。

【００５１】この実施例では、障壁層２８の重い正孔に
対する価電子帯と井戸層３０の重い正孔に対する価電子
帯との間のバンド不連続量Ｄを、零とする。

【００５２】例えば障壁層２８をノンドープＩｎ_X Ｇａ
_1-X Ａｌ_Y Ａｓ_1-Y 層及び井戸層３０をノンドープＩｎ
_Z Ｇａ_1-Z Ａｓ_W Ｐ_1-W 層とした場合、障壁層２８の組
成Ｘ、Ｙと井戸層の組成Ｚ、Ｗとをそれぞれ任意好適に
選択することにより、不連続量Ｄを零とすることは可能
である。しかしながらこの場合に、障壁層２８の軽い正
孔に対する価電子帯と井戸層３０の軽い正孔に対する価
電子帯との間のバンド不連続量Ｃを、軽い正孔に対して
量子井戸を形成するように充分に大きくすることができ
ない。そこでここでは障壁層２８に圧縮歪みを有する
（内在する）障壁層とすると共に、井戸層３０を引張歪
みを有する（内在する）井戸層とし、これにより不連続
量Ｃを大きくする。この点につき図９を参照し、説明す
る。

【００５３】図１０は重い正孔に対するバンド不連続量
Ｄを零とする障壁層及び井戸層の組み合わせを示す図で
ある。図中、ノンドープＩｎ_X Ｇａ_1-X Ａｌ_Y Ａｓ_1-Y
障壁層２８の軽い正孔に対するバンドギャップ波長［μ
ｍ］を縦軸に及びノンドープＩｎ_Z Ｇａ_1-Z Ａｓ_W Ｐ
_1-W 井戸層３０の軽い正孔に対するバンドギャップ波長
［μｍ］を横軸に取って示す。同図にあっては、ｎ−Ｉ
ｎＰ基板１６からの格子不整合を−ａ％とした障壁層２
８及びａ％とした井戸層３０を用い、ａ＝０、０．５及
び１としたそれぞれの場合においてバンド不連続量Ｄを
零とする障壁層２８及び井戸層３０の組み合わせを数値
解析により調べた。そしてａ＝０、０．５及び１とした
場合にバンド不連続量Ｄを零とする障壁層２８及び井戸
層３０の組み合わせをそれぞれ、図中に、符号０％を付
した黒丸、符号０．５％を付した白丸及び符号１％を付
した白抜き三角で示した。

【００５４】例えば、発振波長１．５５μｍの半導体レ
ーザを構成する場合、井戸層３０のバンドギャップ波長
を１．６μｍ及び井戸層３０の厚さを１０ｎｍとすれ
ば、発振波長を１．５５μｍとすることができる。

【００５５】一方、図１０に示すように、井戸層３０の
バンドギャップ波長を１．６μｍとする場合に、ａ＝０
の時すなわち井戸層３０及び障壁層２８の双方に歪みを
与えていない時は、障壁層２８のバンドギャップ波長を
１．５２μｍとすることによりバンド不連続量Ｄを零と
することができる。しかしながらこの時、井戸層３０及
び障壁層２８のバンドギャップ波長の差は０．０８μｍ
と小さくなるので、軽い正孔に対するバンド不連続量Ｃ
を軽い正孔に対して量子井戸を形成するに足りるだけ充
分に大きくできず、従って軽い正孔に対する量子井戸効
果を充分に期待できない。

【００５６】これに対し、ａ＝０．５の時すなわち格子
不整合−０．５％の圧縮歪みを有する障壁層２８及び格
子不整合−０．５％の引張歪みを有する井戸層３０を用
いる時は、障壁層１２のバンドギャップ波長を１．４３
μｍとすることによりバンド不連続量Ｄを零とすること
ができ、この時、井戸層３０及び障壁層２８のバンドギ
ャップ波長の差は０．１７μｍとなる。またａ＝１の時
すなわち格子不整合−１％の圧縮歪みを有する障壁層２
８及び格子不整合１％の引張歪みを有する井戸層３０を
用いる時は、障壁層２８のバンドギャップ波長を１．３
３μｍとすることによりバンド不連続量Ｄを零とするこ
とができ、この時、井戸層３０及び障壁層２８のバンド
ギャップ波長の差は０．２７μｍとなる。従ってこれら
井戸層３０及び障壁層２８に歪みを導入した２つの例に
おいては、軽い正孔に対するバンド不連続量Ｃを、軽い
正孔に対して量子井戸を形成するに足りるだけ充分に大
きくできるので、軽い正孔に対する量子井戸効果を期待
できる。

【００５７】このように障壁層２８及び井戸層３０のそ
れぞれについて組成及び歪み量を任意好適に選択するこ
とにより、重い正孔に対するバンド不連続量Ｄを零とし
かつ軽い正孔に対するバンド不連続量Ｃを軽い正孔に対
して量子井戸を形成する大きさとすることができる。
尚、バンド不連続量Ｄを、軽い正孔及び重い正孔の間の
バンド混合効果を抑制できる範囲内で零を越える微小な
値とし或は近似的に零とみなせる微小な値としても良
い。

【００５８】さらにこの実施例では、障壁層２８の圧縮
歪み量の絶対値｜ａ｜と井戸層３０の引張歪み量の絶対
値｜ａ｜とを等しくしかつこれら障壁層２８及び井戸層
３０の層厚を等しくするように（すなわち歪み補償を行
なうように）、障壁層２８及び井戸層３０を積層する。
障壁層２８及び井戸層３０に歪みを導入しても歪み補償
を行なうことにより、転位密度を低減しつつ活性層１４
全体の厚さを厚くすることができる。井戸層３０に引張
歪みを導入した場合、ｋ＝０において最もエネルギー準
位が大きなキャリアはエネルギー準位ｎ＝１の軽い正孔
であり従って発生する利得はＴＭモードに偏波してい
る。尚、歪み補償は必ずしも行なわなくて良い。従って
バンド不連続量Ｃを大きくするために、障壁層２８及び
井戸層３０の一方の歪み量を他方の歪み量よりも大きく
したり、或は一方の厚さを他方の厚さよりも厚くした
り、或は障壁層２８を歪みを有さない障壁層としたりす
ることもできる。

【００５９】第一及び第二発明は上述した実施例にのみ
限定されるものでは無く、従って角構成成分の材料、組
成、導電型、配設位置、配設個数、作成方法、寸法、形
状、数値条件及びそのほかを任意好適に変更できる。

【００６０】例えば、半導体レーザの構造は、ファブリ
ペロ型、ＤＦＢ（Distributed Feedback）型、ＤＢＲ
（Distributed Bragg Reflector ）型そのほかの任意好
適な構造とすることができる。

【００６１】

【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、第
一発明の半導体レーザによれば、軽い正孔に対しては量
子井戸を実質的に形成しないようにし重い正孔に対して
は量子井戸を実質的に形成するようにするので、軽い正
孔のバンド構造及び重い正孔のバンド構造に拘らず、軽
い正孔と重い正孔との間のバンド混合効果を抑制でき
る。例えば、軽い正孔のエネルギー準位系列と重い正孔
のエネルギー準位系列とが全体的に近接していても、バ
ンド混合効果を抑制できる。その結果、価電子帯頂上に
おける有効質量を低減できるので、発振閾値電流を効果
的に低減し或はまた変調速度を効果的に速くすることが
できる。

【００６２】さらに軽い正孔に対しては量子井戸を実質
的に形成しないようにするので、軽い正孔を活性層の厚
み方向全体にわたって均一に分布させることができる。
その結果、軽い正孔の注入密度を均一化でき従って活性
層におけるキャリア密度の不均一に起因する半導体レー
ザの性能劣化を抑制できる。

【００６３】また第二発明によれば、軽い正孔に対して
は量子井戸を実質的に形成するようにするが重い正孔に
対しては量子井戸を実質的に形成しないようにするの
で、軽い正孔のバンド構造及び重い正孔のバンド構造に
拘らず、軽い正孔と重い正孔との間のバンド混合効果を
抑制できる。例えば、軽い正孔のエネルギー準位系列と
重い正孔のエネルギー準位系列とが全体的に近接してい
ても、バンド混合効果を抑制できる。その結果価電子帯
頂上における有効質量を低減できるので、発振閾値電流
を効果的に低減し或はまた変調速度を効果的に速くする
ことができる。

【００６４】さらに重い正孔に対する量子井戸を実質的
に形成しないようにするので、重い正孔を活性層の厚み
方向全体にわたって均一に分布させることができる。そ
の結果、重い正孔の注入密度を均一化でき従って活性層
におけるキャリア密度の不均一に起因する半導体レーザ
の性能劣化を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一発明の実施例の構成を概略的に示す断面図
である。

【図２】第一発明の実施例の構成を概略的に示す断面図
である。

【図３】軽い正孔に対するバンド不連続量を零とする障
壁層及び井戸層の組み合わせを示す図である。

【図４】臨界膜厚と歪み量との関係を示す図である。

【図５】歪み補償の検証データを示す図である。

【図６】第一発明の実施例における伝導帯及び価電子帯
の構造の一例を示す図である。

【図７】第一発明の実施例におけるキャリアの全エネル
ギーＥ_tot と、キャリアの波数ベクトルｋ及び有効質量
ｍ^* との関係を示す図である。

【図８】第一発明の実施例においてキャリア注入密度と
ＴＥモードの利得及び微分利得との関係を示す図であ
る。

【図９】第二発明の実施例の構成を概略的に示す断面図
である。

【図１０】重い正孔に対するバンド不連続量を零とする
障壁層及び井戸層の組み合わせを示す図である。

【図１１】従来の量子井戸型半導体レーザの活性層にお
いて井戸層に歪みを導入した活性層の価電子帯バンド構
造の説明に供する図である。

【符号の説明】

１０、２８：障壁層 １２、３０：井戸層 １４、３２：量子井戸構造の活性層

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 障壁層及び井戸層を交互に積層して構成
   した量子井戸構造の活性層を備えて成る半導体レーザに
   おいて、 障壁層の軽い正孔に対する価電子帯と井戸層の軽い正孔
   に対する価電子帯との間のバンド不連続量を、軽い正孔
   に対して量子井戸を形成しない大きさとし、 前記障壁層の重い正孔に対する価電子帯と前記井戸層の
   重い正孔に対する価電子帯との間のバンド不連続量を、
   重い正孔に対して量子井戸を形成する大きさとして成る
   ことを特徴とする半導体レーザ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体レーザにおいて、 障壁層の軽い正孔に対する価電子帯と井戸層の軽い正孔
   に対する価電子帯との間のバンド不連続量を、零として
   成ることを特徴とする半導体レーザ。
3. 【請求項３】 請求項１記載の半導体レーザにおいて、 障壁層を引張歪みを有する障壁層とし、井戸層を圧縮歪
   みを有する井戸層としたことを特徴とする半導体レー
   ザ。
4. 【請求項４】 障壁層及び井戸層を交互に積層して構成
   した量子井戸構造の活性層を備えて成る半導体レーザに
   おいて、 障壁層の軽い正孔に対する価電子帯と井戸層の軽い正孔
   に対する価電子帯との間のバンド不連続量を、軽い正孔
   に対して量子井戸を形成する大きさとし、 前記障壁層の重い正孔に対する価電子帯と前記井戸層の
   重い正孔に対する価電子帯との間のバンド不連続量を、
   重い正孔に対して量子井戸を形成しない大きさとして成
   ることを特徴とする半導体レーザ。
5. 【請求項５】 請求項４記載の半導体レーザにおいて、 障壁層の重い正孔に対する価電子帯と井戸層の重い正孔
   に対する価電子帯との間のバンド不連続量を、零として
   成ることを特徴とする半導体レーザ。
6. 【請求項６】 請求項４記載の半導体レーザにおいて、 障壁層を圧縮歪みを有する障壁層とし、井戸層を引張歪
   みを有する井戸層として成ることを特徴とする半導体レ
   ーザ。