JPH07307524A - 半導体レーザ - Google Patents
半導体レーザInfo
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- JPH07307524A JPH07307524A JP9981594A JP9981594A JPH07307524A JP H07307524 A JPH07307524 A JP H07307524A JP 9981594 A JP9981594 A JP 9981594A JP 9981594 A JP9981594 A JP 9981594A JP H07307524 A JPH07307524 A JP H07307524A
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- Japan
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- quantum well
- active layer
- semiconductor
- electrons
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 閾値電流が低く、量子効率が高く、温度特性
や高速変調に優れた半導体レーザを提供する。 【構成】 ＩｎＰ基板１１上に、ノンドープＺｎＳｅ
0.54Ｔｅ0.46クラッド層１２、ノンドープでバンドギャ
ップ波長が１．１μm の基板に格子整合したＩｎＧａＡ
ｓＰバッファー層１３、バンドギャップ波長が１．３５
μm で格子定数が基板より０．５％短いＩｎＧａＡｓＰ
井戸層とＺｎＳｅ0.54Ｔｅ0.46障壁層をそれぞれ５nmと
７nm交互に２０層ずつ積層した厚さ０．２４μm の量子
井戸活性層１４、ノンドープでバンドギャップ波長が
１．１μm の基板に格子整合したＩｎＧａＡｓＰバッフ
ァー層１５、ＺｎＳｅ0.54Ｔｅ0.46クラッド層１６を形
成する。導波路２４を形成し、一側面にｐ型コンタクト
層１８とその上の電極を、他の側面にｎ型コンタクト層
２０とその上の電極を形成する。
や高速変調に優れた半導体レーザを提供する。 【構成】 ＩｎＰ基板１１上に、ノンドープＺｎＳｅ
0.54Ｔｅ0.46クラッド層１２、ノンドープでバンドギャ
ップ波長が１．１μm の基板に格子整合したＩｎＧａＡ
ｓＰバッファー層１３、バンドギャップ波長が１．３５
μm で格子定数が基板より０．５％短いＩｎＧａＡｓＰ
井戸層とＺｎＳｅ0.54Ｔｅ0.46障壁層をそれぞれ５nmと
７nm交互に２０層ずつ積層した厚さ０．２４μm の量子
井戸活性層１４、ノンドープでバンドギャップ波長が
１．１μm の基板に格子整合したＩｎＧａＡｓＰバッフ
ァー層１５、ＺｎＳｅ0.54Ｔｅ0.46クラッド層１６を形
成する。導波路２４を形成し、一側面にｐ型コンタクト
層１８とその上の電極を、他の側面にｎ型コンタクト層
２０とその上の電極を形成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光通信および光情報処理
用の光源として用いられる半導体レーザに関する。
用の光源として用いられる半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、光通信を加入者にまで広げるため
に光源となる半導体レーザには従来よりも低閾値、かつ
温度特性の良いものが求められている。さらに、低価格
化のため外部変調器を用いないとすると変調特性も１Ｇ
ｂ／ｓ程度あることが望まれる。半導体レーザの閾値電
流を低減し、量子効率を向上させ、高温動作を可能にす
るため、また、高速変調を可能にするために活性層に多
重量子井戸構造を導入することが広く行われてきた。こ
のとき、量子井戸層と障壁層の伝導帯の不連続が小さい
と電子が量子井戸層だけでなく障壁層にも熱的に分布す
るため多重量子井戸構造を導入しても諸特性が向上しな
くなる。このため、量子井戸層と障壁層の禁制帯の差は
大きいことが望ましいとされてきた。また、最近量子井
戸層に基板より格子定数の大きい半導体を用いる、いわ
ゆる歪量子井戸の利用が盛んに検討されているが、これ
は歪みによって価電子帯のバンド構造を変化させ最低準
位の正孔の有効質量が小さくできるためである。この歪
量子井戸の効果を得るには価電子帯の不連続を大きくし
て正孔の最低準位と励起準位とのエネルギー差を大きく
する必要がある。
に光源となる半導体レーザには従来よりも低閾値、かつ
温度特性の良いものが求められている。さらに、低価格
化のため外部変調器を用いないとすると変調特性も１Ｇ
ｂ／ｓ程度あることが望まれる。半導体レーザの閾値電
流を低減し、量子効率を向上させ、高温動作を可能にす
るため、また、高速変調を可能にするために活性層に多
重量子井戸構造を導入することが広く行われてきた。こ
のとき、量子井戸層と障壁層の伝導帯の不連続が小さい
と電子が量子井戸層だけでなく障壁層にも熱的に分布す
るため多重量子井戸構造を導入しても諸特性が向上しな
くなる。このため、量子井戸層と障壁層の禁制帯の差は
大きいことが望ましいとされてきた。また、最近量子井
戸層に基板より格子定数の大きい半導体を用いる、いわ
ゆる歪量子井戸の利用が盛んに検討されているが、これ
は歪みによって価電子帯のバンド構造を変化させ最低準
位の正孔の有効質量が小さくできるためである。この歪
量子井戸の効果を得るには価電子帯の不連続を大きくし
て正孔の最低準位と励起準位とのエネルギー差を大きく
する必要がある。
【０００３】ところが量子井戸層と障壁層の禁制帯の差
が大きく、価電子帯の不連続が大きいと正孔は量子井戸
に強く閉じ込められるため、多重量子井戸にしたときｐ
クラッド層に近い井戸に正孔がたまり、離れた井戸には
正孔がわずかしか注入されなくなる正孔の局在化が起き
る。正孔が注入されない井戸は利得に寄与できないため
レーザの特性は向上しない。つまり、量子井戸の効果と
正孔の局在化の効果はトレードオフの関係にある。従来
は量子井戸層と障壁層の禁制帯の差を最適化することが
試みられてきた。例えば、高岡と櫛部は第５４回応用物
理学会学術講演会講演番号２８ｐ−Ｈ−３（１９９３
年）において、１．３μm 帯ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸レ
ーザで、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層組成が禁制帯波長１．１
３μm のとき量子効率の特性温度が最適となることを報
告している。荻田らは同講演会講演番号２８ｐ−Ｈ−５
で１．３μm 帯歪ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸レーザで、Ｉ
ｎＧａＡｓＰ障壁層組成が禁制帯波長１．１μm のとき
特性温度が最大になることを、鬼頭らは同講演会講演番
号２８ｐ−Ｈ−６で１．３μm 帯歪ＩｎＧａＡｓＰ量子
井戸レーザで、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層組成が禁制帯波長
１．０５μm のとき緩和振動周波数が最適化されること
を報告している。
が大きく、価電子帯の不連続が大きいと正孔は量子井戸
に強く閉じ込められるため、多重量子井戸にしたときｐ
クラッド層に近い井戸に正孔がたまり、離れた井戸には
正孔がわずかしか注入されなくなる正孔の局在化が起き
る。正孔が注入されない井戸は利得に寄与できないため
レーザの特性は向上しない。つまり、量子井戸の効果と
正孔の局在化の効果はトレードオフの関係にある。従来
は量子井戸層と障壁層の禁制帯の差を最適化することが
試みられてきた。例えば、高岡と櫛部は第５４回応用物
理学会学術講演会講演番号２８ｐ−Ｈ−３（１９９３
年）において、１．３μm 帯ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸レ
ーザで、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層組成が禁制帯波長１．１
３μm のとき量子効率の特性温度が最適となることを報
告している。荻田らは同講演会講演番号２８ｐ−Ｈ−５
で１．３μm 帯歪ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸レーザで、Ｉ
ｎＧａＡｓＰ障壁層組成が禁制帯波長１．１μm のとき
特性温度が最大になることを、鬼頭らは同講演会講演番
号２８ｐ−Ｈ−６で１．３μm 帯歪ＩｎＧａＡｓＰ量子
井戸レーザで、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層組成が禁制帯波長
１．０５μm のとき緩和振動周波数が最適化されること
を報告している。
【０００４】また、正孔の局在化を抑えるために障壁層
を薄膜化し、正孔が隣の井戸へトンネリングにより移動
する確率を高めることも試みられている。例えば、魚見
らは第５１回応用物理学会学術講演会講演番号２８ｐ−
Ｈ−３（１９９１年）において、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧ
ａＡｓＰ量子井戸レーザで障壁層厚を１０nmから５nmに
することで緩和振動周波数が約２倍になることを報告し
ている。また、山田らは第５４回応用物理学会学術講演
会講演番号２８ｐ−Ｈ−１０（１９９３年）において、
１．３μm 帯ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸レーザで障壁層厚
を３nmから１０nmまで変化させ障壁層が薄いほど微分利
得が大きくなることを報告している。
を薄膜化し、正孔が隣の井戸へトンネリングにより移動
する確率を高めることも試みられている。例えば、魚見
らは第５１回応用物理学会学術講演会講演番号２８ｐ−
Ｈ−３（１９９１年）において、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧ
ａＡｓＰ量子井戸レーザで障壁層厚を１０nmから５nmに
することで緩和振動周波数が約２倍になることを報告し
ている。また、山田らは第５４回応用物理学会学術講演
会講演番号２８ｐ−Ｈ−１０（１９９３年）において、
１．３μm 帯ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸レーザで障壁層厚
を３nmから１０nmまで変化させ障壁層が薄いほど微分利
得が大きくなることを報告している。
【０００５】別の面でレーザの特性を改善する試みとし
て、クラッド層にＩＩ−ＶＩ族半導体を用いて活性層か
らクラッド層へのキャリアのもれを低減することが、西
田により特開昭５９−８６２８２号公報（特願昭５７−
１９５２５４号）で、柊元によって特開平１−１７５７
８９号公報（特願昭６２−３３５８６８号）で、提案さ
れている。また、クラッド層にＩＩ−ＶＩ族半導体を用
いると活性層からクラッド層へのキャリアのもれを低減
すると同時に光の活性層への閉じ込めも増大し閾値キャ
リア密度を下げることができレーザ特性の向上が期待で
きる。
て、クラッド層にＩＩ−ＶＩ族半導体を用いて活性層か
らクラッド層へのキャリアのもれを低減することが、西
田により特開昭５９−８６２８２号公報（特願昭５７−
１９５２５４号）で、柊元によって特開平１−１７５７
８９号公報（特願昭６２−３３５８６８号）で、提案さ
れている。また、クラッド層にＩＩ−ＶＩ族半導体を用
いると活性層からクラッド層へのキャリアのもれを低減
すると同時に光の活性層への閉じ込めも増大し閾値キャ
リア密度を下げることができレーザ特性の向上が期待で
きる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述のような
最適化では量子井戸層と障壁層の禁制帯の差が小さくな
ることにより量子井戸の効果が犠牲になる。障壁層を薄
膜化した場合でも電子が３次元化するため、バンド端で
の状態密度が小さくなって利得が低下する他、正孔のバ
ンド構造も変わるため特に歪量子井戸にした時の効果が
小さくなってここでも量子井戸の効果と正孔の局在化の
効果はトレードオフの関係が現れる。このため、さらに
レーザ特性を向上させるには量子井戸の効果と正孔の局
在化の効果のトレードオフの関係を解消する必要があ
る。
最適化では量子井戸層と障壁層の禁制帯の差が小さくな
ることにより量子井戸の効果が犠牲になる。障壁層を薄
膜化した場合でも電子が３次元化するため、バンド端で
の状態密度が小さくなって利得が低下する他、正孔のバ
ンド構造も変わるため特に歪量子井戸にした時の効果が
小さくなってここでも量子井戸の効果と正孔の局在化の
効果はトレードオフの関係が現れる。このため、さらに
レーザ特性を向上させるには量子井戸の効果と正孔の局
在化の効果のトレードオフの関係を解消する必要があ
る。
【０００７】また、クラッド層にＩＩ−ＶＩ族半導体を
用いることには、ＩＩ−ＶＩ族半導体でＩＩＩ−Ｖ族半
導体並みの十分低抵抗なｐ型半導体を得るのは現在でも
困難であり素子抵抗の増大による温度上昇を招き特性の
向上を妨げるという問題がある。さらにキャリア閉じ込
めと光閉じ込めの向上をめざしてクラッド層にＩ−ＶＩ
Ｉ族半導体や絶縁体を用いるとキャリアの電流注入自体
が困難となる。量子効果の増大を目的として活性層をな
す量子井戸の障壁層をバンドギャップの大きい材料であ
るＩＩ−ＶＩ族半導体、Ｉ−ＶＩＩ族半導体や絶縁体を
用いたときにも同様の問題が生じる。
用いることには、ＩＩ−ＶＩ族半導体でＩＩＩ−Ｖ族半
導体並みの十分低抵抗なｐ型半導体を得るのは現在でも
困難であり素子抵抗の増大による温度上昇を招き特性の
向上を妨げるという問題がある。さらにキャリア閉じ込
めと光閉じ込めの向上をめざしてクラッド層にＩ−ＶＩ
Ｉ族半導体や絶縁体を用いるとキャリアの電流注入自体
が困難となる。量子効果の増大を目的として活性層をな
す量子井戸の障壁層をバンドギャップの大きい材料であ
るＩＩ−ＶＩ族半導体、Ｉ−ＶＩＩ族半導体や絶縁体を
用いたときにも同様の問題が生じる。
【０００８】従って、本発明の目的は高いキャリアと光
閉じ込めおよび量子効果による低閾値キャリア密度動作
を可能とするバンドギャップの大きな材料を活性層をな
す量子井戸の障壁層やクラッド層に用いてしかもキャリ
アの電流注入を効率的に行うことのできる構造を持つこ
とにより、閾値電流、量子効率、温度特性、高速変調と
いった諸特性の優れた半導体レーザを提供することにあ
る。
閉じ込めおよび量子効果による低閾値キャリア密度動作
を可能とするバンドギャップの大きな材料を活性層をな
す量子井戸の障壁層やクラッド層に用いてしかもキャリ
アの電流注入を効率的に行うことのできる構造を持つこ
とにより、閾値電流、量子効率、温度特性、高速変調と
いった諸特性の優れた半導体レーザを提供することにあ
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザは
以下のような特徴を持つ。
以下のような特徴を持つ。
【００１０】１）ＩＩＩ−Ｖ族半導体を活性層とし、活
性層を挟むクラッド層を活性層より誘電率が小さいＩ−
ＶＩＩ族またはＩＩ−ＶＩ族半導体、または絶縁体から
なり、レーザ発振に必要なキャリアを積層方向に平行に
注入する。
性層を挟むクラッド層を活性層より誘電率が小さいＩ−
ＶＩＩ族またはＩＩ−ＶＩ族半導体、または絶縁体から
なり、レーザ発振に必要なキャリアを積層方向に平行に
注入する。
【００１１】２）レーザ発振をおこなう活性層がＩＩＩ
−Ｖ族半導体を井戸層とし、Ｉ−ＶＩＩ族またはＩＩ−
ＶＩ族半導体、または絶縁体を障壁層とする量子井戸を
含む。
−Ｖ族半導体を井戸層とし、Ｉ−ＶＩＩ族またはＩＩ−
ＶＩ族半導体、または絶縁体を障壁層とする量子井戸を
含む。
【００１２】３）レーザ発振をおこなう活性層がＩＩＩ
−Ｖ族半導体を井戸層としＩ−ＶＩＩ族またはＩＩ−Ｖ
Ｉ族半導体、あるいは絶縁体を障壁層とする量子井戸か
らなり、量子井戸のバンド間遷移のエネルギーが所要の
光子エネルギーより大きく、電子のサブバンド間遷移の
エネルギーが所要の光子エネルギーにほぼ等しくなるよ
うに設定され、量子井戸の電子の高次サブレベルに選択
的に電子を注入する機構により電子のサブバンド間遷移
によりレーザ発振する。
−Ｖ族半導体を井戸層としＩ−ＶＩＩ族またはＩＩ−Ｖ
Ｉ族半導体、あるいは絶縁体を障壁層とする量子井戸か
らなり、量子井戸のバンド間遷移のエネルギーが所要の
光子エネルギーより大きく、電子のサブバンド間遷移の
エネルギーが所要の光子エネルギーにほぼ等しくなるよ
うに設定され、量子井戸の電子の高次サブレベルに選択
的に電子を注入する機構により電子のサブバンド間遷移
によりレーザ発振する。
【００１３】４）３）の半導体レーザで、活性層を構成
する量子井戸の電子のレーザ発振にかかわる高次サブレ
ベル以上のエネルギーに伝導帯端をもつｎ型半導体から
なる電子注入層を持つ。
する量子井戸の電子のレーザ発振にかかわる高次サブレ
ベル以上のエネルギーに伝導帯端をもつｎ型半導体から
なる電子注入層を持つ。
【００１４】５）３）の半導体レーザで、ｎ型半導体か
らなる電子注入層が活性層を構成する量子井戸の電子の
レーザ発振にかかわる高次サブレベル以上のエネルギー
に量子準位がある量子井戸を持つ。
らなる電子注入層が活性層を構成する量子井戸の電子の
レーザ発振にかかわる高次サブレベル以上のエネルギー
に量子準位がある量子井戸を持つ。
【００１５】６）３）の半導体レーザで、活性層に電流
によりキャリアを注入し、同時に活性層を構成する量子
井戸の電子のサブバンド間遷移のエネルギーより大きな
エネルギーを持つ光を注入して高次サブバンドに電子を
生成する。
によりキャリアを注入し、同時に活性層を構成する量子
井戸の電子のサブバンド間遷移のエネルギーより大きな
エネルギーを持つ光を注入して高次サブバンドに電子を
生成する。
【００１６】７）３）の半導体レーザで、光子エネルギ
ーが活性層を構成する量子井戸の電子と正孔の最低サブ
バンドの間の遷移のエネルギーより小さく電子の高次サ
ブバンドと正孔との間の遷移エネルギーの１／２より大
きな光を用いて２光子吸収により高次サブバンドに電子
を生成する。
ーが活性層を構成する量子井戸の電子と正孔の最低サブ
バンドの間の遷移のエネルギーより小さく電子の高次サ
ブバンドと正孔との間の遷移エネルギーの１／２より大
きな光を用いて２光子吸収により高次サブバンドに電子
を生成する。
【００１７】
【実施例】図１は本発明の第１の実施例の構造を示す断
面図である。ＩｎＰの基板１１の上に、ノンドープのＺ
ｎＳｅ0.54Ｔｅ0.46を１μm 積層したクラッド層１２、
ノンドープでバンドギャップ波長が１．１μm の基板に
格子整合したＩｎＧａＡｓＰからなる厚さ４０nmのバッ
ファー層１３、バンドギャップ波長が１．３５μmで格
子定数が基板より０．５％短いＩｎＧａＡｓＰの井戸層
とＺｎＳｅ0.54Ｔｅ0.46の障壁層をそれぞれ５nmと７nm
交互に２０層ずつ積層した厚さ０．２４μmの量子井戸
活性層１４、ノンドープでバンドギャップ波長が１．１
μm の基板に格子整合したＩｎＧａＡｓＰからなる厚さ
４０nmのバッファー層１５、ＺｎＳｅ0.54Ｔｅ0.46を１
μm 積層したクラッド層１６の各層をＭＢＥ装置により
成長した後、クラッド層１６、バッファー層１５、量子
井戸活性層１４およびバッファー層１３を幅０．５μm
の導波路を残してＲＩＢＥで除去する。導波路の一側面
にＢｅ濃度５×１０17cm-3のｐ型ＩｎＰのｐクラッド層
１７とＢｅ濃度２×１０18cm-3のｐ型ＩｎＧａＡｓＰの
コンタクト層１８を、他方の側面にＳｉ濃度５×１０17
cm-3のｎ型ＩｎＰのｎクラッド層１９とＳｉ濃度１×１
０18cm-3のｎ型ＩｎＰのコンタクト層２０を選択成長に
より積層し、それぞれの上に電極を形成する。
面図である。ＩｎＰの基板１１の上に、ノンドープのＺ
ｎＳｅ0.54Ｔｅ0.46を１μm 積層したクラッド層１２、
ノンドープでバンドギャップ波長が１．１μm の基板に
格子整合したＩｎＧａＡｓＰからなる厚さ４０nmのバッ
ファー層１３、バンドギャップ波長が１．３５μmで格
子定数が基板より０．５％短いＩｎＧａＡｓＰの井戸層
とＺｎＳｅ0.54Ｔｅ0.46の障壁層をそれぞれ５nmと７nm
交互に２０層ずつ積層した厚さ０．２４μmの量子井戸
活性層１４、ノンドープでバンドギャップ波長が１．１
μm の基板に格子整合したＩｎＧａＡｓＰからなる厚さ
４０nmのバッファー層１５、ＺｎＳｅ0.54Ｔｅ0.46を１
μm 積層したクラッド層１６の各層をＭＢＥ装置により
成長した後、クラッド層１６、バッファー層１５、量子
井戸活性層１４およびバッファー層１３を幅０．５μm
の導波路を残してＲＩＢＥで除去する。導波路の一側面
にＢｅ濃度５×１０17cm-3のｐ型ＩｎＰのｐクラッド層
１７とＢｅ濃度２×１０18cm-3のｐ型ＩｎＧａＡｓＰの
コンタクト層１８を、他方の側面にＳｉ濃度５×１０17
cm-3のｎ型ＩｎＰのｎクラッド層１９とＳｉ濃度１×１
０18cm-3のｎ型ＩｎＰのコンタクト層２０を選択成長に
より積層し、それぞれの上に電極を形成する。
【００１８】このような構造のレーザにおいて量子井戸
活性層１４とバッファー層１３、１５からなる導波層の
屈折率は約３でありＺｎＳｅ0.54Ｔｅ0.46のクラッド層
１２、１６の屈折率は２．４である。このとき光の閉じ
込め係数は導波層の厚さが０．３μm 程度のとき図２に
示すように０．７程度となり、通常のＩｎＰをクラッド
層とし、１０層程度の量子井戸層を活性層とした構造の
閉じ込め係数が０．１程度であるのに比べると７倍大き
くなる。このことは本実施例の半導体レーザの量子井戸
一層あたりの閾値利得が通常の１０層量子井戸レーザの
１４分の１であることを示しており閾値キャリア密度が
大幅に減少する。このため、活性層の微分利得が増大し
効率や高速性が向上する。さらにオージェ電流が減少す
るため温度特性が向上する。導波層とクラッド層の屈折
率差が大きくなると高次モードが立ちやすくなるが図３
に示すように厚さが０．３４μm 以下では基本モードだ
けが存在しうる。
活性層１４とバッファー層１３、１５からなる導波層の
屈折率は約３でありＺｎＳｅ0.54Ｔｅ0.46のクラッド層
１２、１６の屈折率は２．４である。このとき光の閉じ
込め係数は導波層の厚さが０．３μm 程度のとき図２に
示すように０．７程度となり、通常のＩｎＰをクラッド
層とし、１０層程度の量子井戸層を活性層とした構造の
閉じ込め係数が０．１程度であるのに比べると７倍大き
くなる。このことは本実施例の半導体レーザの量子井戸
一層あたりの閾値利得が通常の１０層量子井戸レーザの
１４分の１であることを示しており閾値キャリア密度が
大幅に減少する。このため、活性層の微分利得が増大し
効率や高速性が向上する。さらにオージェ電流が減少す
るため温度特性が向上する。導波層とクラッド層の屈折
率差が大きくなると高次モードが立ちやすくなるが図３
に示すように厚さが０．３４μm 以下では基本モードだ
けが存在しうる。
【００１９】この構造ではキャリアは量子井戸活性層の
側面のクラッド層から注入されるため、上下のクラッド
層の電気的特性の影響を受けない。また、高い量子障壁
にもかかわらずキャリアはすべての量子井戸に一様に注
入される。
側面のクラッド層から注入されるため、上下のクラッド
層の電気的特性の影響を受けない。また、高い量子障壁
にもかかわらずキャリアはすべての量子井戸に一様に注
入される。
【００２０】また、量子井戸活性層１４の障壁層にバン
ドギャップエネルギーの大きなＩＩ−ＶＩ族半導体を用
いることにより、電子の障壁の高さは０．９ｅＶ、正孔
の障壁の高さは０．７ｅＶとなりキャリアの井戸層への
閉じ込めが増大するため量子効果によって量子井戸での
光学利得が増大する。さらに、障壁層と井戸層の屈折率
差が大きくなるため励起子の束縛エネルギーが大きくな
り利得にたいする励起子による増強が顕著になり微分利
得が増大する。
ドギャップエネルギーの大きなＩＩ−ＶＩ族半導体を用
いることにより、電子の障壁の高さは０．９ｅＶ、正孔
の障壁の高さは０．７ｅＶとなりキャリアの井戸層への
閉じ込めが増大するため量子効果によって量子井戸での
光学利得が増大する。さらに、障壁層と井戸層の屈折率
差が大きくなるため励起子の束縛エネルギーが大きくな
り利得にたいする励起子による増強が顕著になり微分利
得が増大する。
【００２１】本実施例ではクラッド層と量子井戸の障壁
層にＩＩ−ＶＩ族半導体を用いたが、さらにバンドギャ
ップエネルギーの大きいＩ−ＶＩＩ像半導体のＣｕＣｌ
0.27Ｉ0.73、ＣｕＢｒ0.5 Ｉ0.5 や絶縁体であるＣａＳ
ｒＦ2 などを用いることもできる。これらをクラッド層
に用いたときにも基本モードだけが存在しうる導波層厚
での閉じ込め係数は０．７−０．８であまり変化しない
が同じ閉じ込め係数を得るための導波層厚を小さくでき
るので閾値電流が小さくなる。また、量子井戸の障壁層
に用いることによりさらに量子効果が強まって量子井戸
での光学利得が増大し、同時に障壁層と井戸層の間の誘
電率の差が大きいため鏡像電荷により励起子の束縛エネ
ルギーが増大し励起子増強による微分利得も増大する。
層にＩＩ−ＶＩ族半導体を用いたが、さらにバンドギャ
ップエネルギーの大きいＩ−ＶＩＩ像半導体のＣｕＣｌ
0.27Ｉ0.73、ＣｕＢｒ0.5 Ｉ0.5 や絶縁体であるＣａＳ
ｒＦ2 などを用いることもできる。これらをクラッド層
に用いたときにも基本モードだけが存在しうる導波層厚
での閉じ込め係数は０．７−０．８であまり変化しない
が同じ閉じ込め係数を得るための導波層厚を小さくでき
るので閾値電流が小さくなる。また、量子井戸の障壁層
に用いることによりさらに量子効果が強まって量子井戸
での光学利得が増大し、同時に障壁層と井戸層の間の誘
電率の差が大きいため鏡像電荷により励起子の束縛エネ
ルギーが増大し励起子増強による微分利得も増大する。
【００２２】本実施例では活性層に量子井戸を用いたが
活性層とクラッド層の大きな屈折率差による光の閉じ込
めの増大には必ずしもこの必要はなくバルク半導体を用
いても閾値キャリア密度の減少による閾値電流の低減、
量子効率、高速性、温度特性などの向上が実現される。
活性層とクラッド層の大きな屈折率差による光の閉じ込
めの増大には必ずしもこの必要はなくバルク半導体を用
いても閾値キャリア密度の減少による閾値電流の低減、
量子効率、高速性、温度特性などの向上が実現される。
【００２３】また、基板にＩｎＰを用い、これにほぼ格
子整合する材料を用いたがＧａＡｓ、ＧａＳｂなどの他
のＩＩＩ−Ｖ族半導体やＩＩ−ＶＩ族半導体、Ｓｉなど
のその他の半導体、サファイアなどの絶縁体を基板とし
この上に良好な結晶の得られる半導体を活性層の材料と
して用いることもできる。
子整合する材料を用いたがＧａＡｓ、ＧａＳｂなどの他
のＩＩＩ−Ｖ族半導体やＩＩ−ＶＩ族半導体、Ｓｉなど
のその他の半導体、サファイアなどの絶縁体を基板とし
この上に良好な結晶の得られる半導体を活性層の材料と
して用いることもできる。
【００２４】図４は本発明の第２の実施例の構造を示す
断面図である。ＩｎＰの基板１１の上にＣａＳｒＦ2 を
１μm 積層したクラッド層１２、ノンドープＩｎＰから
なる厚さ４０nmのバッファー層１３、ＩｎＰに格子整合
したＩｎＧａＡｓの井戸層とＣａＳｒＦ2 の障壁層をそ
れぞれ６nmと４nm交互に２０層ずつ積層した厚さ０．２
μm の量子井戸活性層１４、ノンドープＩｎＰからなる
厚さ４０nmのバッファー層１５、ＣａＳｒＦ2 を１μm
積層したクラッド層１６の各層をＭＢＥ装置により成長
した後、クラッド層１６、バッファー層１５、量子井戸
活性層１４およびバッファー層１３を幅０．３μm の導
波路を残してＲＩＢＥで除去する。導波路の側面にｎ型
ＺｎＳｅ0.54Ｔｅ0.46のｎクラッド層１９、２３とｎ型
ＩｎＰのコンタクト層１８、２０を選択成長により積層
し、それぞれの上に電極を形成した。
断面図である。ＩｎＰの基板１１の上にＣａＳｒＦ2 を
１μm 積層したクラッド層１２、ノンドープＩｎＰから
なる厚さ４０nmのバッファー層１３、ＩｎＰに格子整合
したＩｎＧａＡｓの井戸層とＣａＳｒＦ2 の障壁層をそ
れぞれ６nmと４nm交互に２０層ずつ積層した厚さ０．２
μm の量子井戸活性層１４、ノンドープＩｎＰからなる
厚さ４０nmのバッファー層１５、ＣａＳｒＦ2 を１μm
積層したクラッド層１６の各層をＭＢＥ装置により成長
した後、クラッド層１６、バッファー層１５、量子井戸
活性層１４およびバッファー層１３を幅０．３μm の導
波路を残してＲＩＢＥで除去する。導波路の側面にｎ型
ＺｎＳｅ0.54Ｔｅ0.46のｎクラッド層１９、２３とｎ型
ＩｎＰのコンタクト層１８、２０を選択成長により積層
し、それぞれの上に電極を形成した。
【００２５】この実施例においては導波層とクラッド層
の屈折率差が大きいため、第１の実施例の説明で述べた
ように光の閉じ込め係数が大きく小さな閾値利得でレー
ザ発振する。さらに図５に示すように本実施例の量子井
戸活性層は電子の第１サブレベルと第２サブレベルとの
エネルギー差が波長１．５５μm に対応する０．８ｅＶ
である。また、ｎクラッド層のＺｎＳｅ0.54Ｔｅ0.46の
伝導帯のエネルギー端は量子井戸の電子の第２サブレベ
ルより０．１４ｅＶだけ高エネルギーであるから電子は
量子井戸の第２サブレベルに選択的に注入される。第１
サブレベルと第２サブレベルとのエネルギー差が大きい
ためフォノン放出による電子の第２サブレベルから第１
サブレベルへの緩和の確率は小さく注入された電子は第
２サブレベルに溜まるため第１サブレベルと第２サブレ
ベルとの間に反転分布が実現され光学利得が生じる。こ
のように本実施例のレーザにおいては電子のサブバンド
間遷移による利得を利用しており通常の半導体レーザに
おけるような電子と正孔の発光再結合を利用していない
ためｐｎ接合を設ける必要はなく、クラッド層の導電型
はｎ型のみでよい。電流は電子がｎクラッド層から量子
井戸の第２サブレベルに注入され、光を出しながら第１
サブレベルに落ち、もう一方のｎクラッド層から外へ流
れることによって生じる。ここで、二つのサブレベルの
電子の層面内の有効質量はほぼ等しいから利得はサブレ
ベル間の双極子能率と反転分布の積に比例し、通常のバ
ンド間遷移のような結合状態密度と分布関数の積を積分
する必要はない。このため、光学利得はキャリアの分布
すなわち温度によらなくなり、温度特性の極めてよいレ
ーザが実現される。実際上、温度特性は第２サブレベル
からｎクラッド層への電子のもれだけに支配される。な
お、量子井戸活性層の量子井戸の電子と正孔の最低サブ
レベル間の遷移エネルギーは約１．１ｅＶでレーザ発振
光はバンド間吸収による損失を受けない。
の屈折率差が大きいため、第１の実施例の説明で述べた
ように光の閉じ込め係数が大きく小さな閾値利得でレー
ザ発振する。さらに図５に示すように本実施例の量子井
戸活性層は電子の第１サブレベルと第２サブレベルとの
エネルギー差が波長１．５５μm に対応する０．８ｅＶ
である。また、ｎクラッド層のＺｎＳｅ0.54Ｔｅ0.46の
伝導帯のエネルギー端は量子井戸の電子の第２サブレベ
ルより０．１４ｅＶだけ高エネルギーであるから電子は
量子井戸の第２サブレベルに選択的に注入される。第１
サブレベルと第２サブレベルとのエネルギー差が大きい
ためフォノン放出による電子の第２サブレベルから第１
サブレベルへの緩和の確率は小さく注入された電子は第
２サブレベルに溜まるため第１サブレベルと第２サブレ
ベルとの間に反転分布が実現され光学利得が生じる。こ
のように本実施例のレーザにおいては電子のサブバンド
間遷移による利得を利用しており通常の半導体レーザに
おけるような電子と正孔の発光再結合を利用していない
ためｐｎ接合を設ける必要はなく、クラッド層の導電型
はｎ型のみでよい。電流は電子がｎクラッド層から量子
井戸の第２サブレベルに注入され、光を出しながら第１
サブレベルに落ち、もう一方のｎクラッド層から外へ流
れることによって生じる。ここで、二つのサブレベルの
電子の層面内の有効質量はほぼ等しいから利得はサブレ
ベル間の双極子能率と反転分布の積に比例し、通常のバ
ンド間遷移のような結合状態密度と分布関数の積を積分
する必要はない。このため、光学利得はキャリアの分布
すなわち温度によらなくなり、温度特性の極めてよいレ
ーザが実現される。実際上、温度特性は第２サブレベル
からｎクラッド層への電子のもれだけに支配される。な
お、量子井戸活性層の量子井戸の電子と正孔の最低サブ
レベル間の遷移エネルギーは約１．１ｅＶでレーザ発振
光はバンド間吸収による損失を受けない。
【００２６】この実施例におけるｎクラッド層は量子井
戸又は超格子で構成してもよい。例えば上で説明した第
２の実施例のｎクラッド層を片側だけＩｎ0.52Ａｌ0.48
ＡｓとＺｎＳｅ0.54Ｔｅ0.46を２原子層（約１．２nm）
ずつ積層した超格子とすると超格子の電子のサブバンド
端がほぼ量子井戸の第２サブレベルに一致するため電子
が共鳴的に効率良く注入される。
戸又は超格子で構成してもよい。例えば上で説明した第
２の実施例のｎクラッド層を片側だけＩｎ0.52Ａｌ0.48
ＡｓとＺｎＳｅ0.54Ｔｅ0.46を２原子層（約１．２nm）
ずつ積層した超格子とすると超格子の電子のサブバンド
端がほぼ量子井戸の第２サブレベルに一致するため電子
が共鳴的に効率良く注入される。
【００２７】また、基板にＧａＡｓを用い、ＣａＦ2 を
１μm 積層したクラッド層２、ノンドープＧａＡｓから
なる厚さ４０nmのバッファー層１３、ＧａＡｓの井戸層
とＣａＦ2 の障壁層をそれぞれ４．６５nmと５nm交互に
２０層ずつ積層した厚さ約０．２μm の量子井戸活性層
１４、ノンドープＧａＡｓからなる厚さ４０nmのバッフ
ァー層１５、ＣａＦ2 を１μm 積層したクラッド層１６
の各層と導波路の側面に積層するｎ型ＡｌＡｓのｎクラ
ッド層１９、２３とｎ型ＧａＡｓのコンタクト層１８、
２０の組み合わせでも電子の第１サブレベルと第２サブ
レベルとのエネルギー差が波長１．５５μm に対応する
０．８ｅＶとなるがｎクラッド層からの電子は第１サブ
レベルに注入される。このため０．９８μm の光を発振
するＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸レーザ構造をサ
ブレベル間遷移で発振させるレーザに結合するように集
積化する。０．９８μm の光により電子は第１サブレベ
ルから第２サブレベルに励起され反転分布が実現されて
レーザ発振を起こす。このときの温度特性は主に励起用
のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸レーザの温度特性
で決まり、１５０Ｋ程度の高い特性温度が得られる。
１μm 積層したクラッド層２、ノンドープＧａＡｓから
なる厚さ４０nmのバッファー層１３、ＧａＡｓの井戸層
とＣａＦ2 の障壁層をそれぞれ４．６５nmと５nm交互に
２０層ずつ積層した厚さ約０．２μm の量子井戸活性層
１４、ノンドープＧａＡｓからなる厚さ４０nmのバッフ
ァー層１５、ＣａＦ2 を１μm 積層したクラッド層１６
の各層と導波路の側面に積層するｎ型ＡｌＡｓのｎクラ
ッド層１９、２３とｎ型ＧａＡｓのコンタクト層１８、
２０の組み合わせでも電子の第１サブレベルと第２サブ
レベルとのエネルギー差が波長１．５５μm に対応する
０．８ｅＶとなるがｎクラッド層からの電子は第１サブ
レベルに注入される。このため０．９８μm の光を発振
するＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸レーザ構造をサ
ブレベル間遷移で発振させるレーザに結合するように集
積化する。０．９８μm の光により電子は第１サブレベ
ルから第２サブレベルに励起され反転分布が実現されて
レーザ発振を起こす。このときの温度特性は主に励起用
のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸レーザの温度特性
で決まり、１５０Ｋ程度の高い特性温度が得られる。
【００２８】上に述べたレーザでは導波路側面のクラッ
ド層にノンドープＡｌＡｓや絶縁体を用いて０．９８μ
m の光を発振するＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸レ
ーザからの光だけによってもレーザ発振が可能である。
このとき、励起用のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸
レーザの光は２光子吸収によってＧａＡｓ／ＣａＦ2量
子井戸の電子の第２サブバンドを直接励起する。ＧａＡ
ｓ／ＣａＦ2 量子井戸の電子と正孔の最低サブレベル間
の遷移エネルギーは１．７ｅＶで励起用レーザの光は１
光子による吸収は受けない。このときの温度特性も主に
励起用のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸レーザの温
度特性で決まり、１５０Ｋ程度の高い特性温度が得られ
る。
ド層にノンドープＡｌＡｓや絶縁体を用いて０．９８μ
m の光を発振するＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸レ
ーザからの光だけによってもレーザ発振が可能である。
このとき、励起用のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸
レーザの光は２光子吸収によってＧａＡｓ／ＣａＦ2量
子井戸の電子の第２サブバンドを直接励起する。ＧａＡ
ｓ／ＣａＦ2 量子井戸の電子と正孔の最低サブレベル間
の遷移エネルギーは１．７ｅＶで励起用レーザの光は１
光子による吸収は受けない。このときの温度特性も主に
励起用のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸レーザの温
度特性で決まり、１５０Ｋ程度の高い特性温度が得られ
る。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように本発明の効果を要約
すると、高いキャリアと光閉じ込めおよび量子効果によ
る低閾値キャリア密度動作を可能とするバンドギャップ
の大きな材料を活性層をなす量子井戸の障壁層やクラッ
ド層に用いてしかもキャリアの電流注入を行うことので
きる構造を持つことにより、閾値電流、量子効率、温度
特性、高速変調といった諸特性の優れた半導体レーザが
得られることである。
すると、高いキャリアと光閉じ込めおよび量子効果によ
る低閾値キャリア密度動作を可能とするバンドギャップ
の大きな材料を活性層をなす量子井戸の障壁層やクラッ
ド層に用いてしかもキャリアの電流注入を行うことので
きる構造を持つことにより、閾値電流、量子効率、温度
特性、高速変調といった諸特性の優れた半導体レーザが
得られることである。
【図１】本発明の第１の実施例の構造を示す断面図。
【図２】本発明のレーザ構造における導波層の厚さと閉
じ込め係数の関係を示す図。
じ込め係数の関係を示す図。
【図３】本発明のレーザ構造において導波層とクラッド
層との屈折率差と１次横モードがカットオフになる導波
層の厚さの関係を示す図。
層との屈折率差と１次横モードがカットオフになる導波
層の厚さの関係を示す図。
【図４】本発明の第２の実施例の構造を示す断面図。
【図５】本発明の第２の実施例のバンドダイアグラム。
１１ 基板 １２ クラッド層 １３ バッファー層 １４ 量子井戸活性層 １５ バッファー層 １６ クラッド層 １７ ｐクラッド層 １８ コンタクト層 １９ ｎクラッド層 ２０ コンタクト層 ２１ 電極 ２２ 電極 ２３ ｎクラッド層 ２４ 導波路 １４１ 井戸層 １４２ 障壁層 ４０ ＩｎＧａＡｓの伝導帯端 ４１ ＩｎＧａＡｓ／ＣａＳｒＦ2 量子井戸の電子の第
１サブレベル ４２ ＩｎＧａＡｓ／ＣａＳｒＦ2 量子井戸の電子の第
２サブレベル ４３ ＩｎＧａＡｓの価電子帯端 ４４ ＩｎＧａＡｓ／ＣａＳｒＦ2 量子井戸の正孔の第
１サブレベル ４５ ＺｎＳｅ0.54Ｔｅ0.46の伝導帯端 ４６ ＺｎＳｅ0.54Ｔｅ0.46の価電子帯端
１サブレベル ４２ ＩｎＧａＡｓ／ＣａＳｒＦ2 量子井戸の電子の第
２サブレベル ４３ ＩｎＧａＡｓの価電子帯端 ４４ ＩｎＧａＡｓ／ＣａＳｒＦ2 量子井戸の正孔の第
１サブレベル ４５ ＺｎＳｅ0.54Ｔｅ0.46の伝導帯端 ４６ ＺｎＳｅ0.54Ｔｅ0.46の価電子帯端
Claims (7)
- 【請求項１】ＩＩＩ−Ｖ族半導体を活性層とし、活性層
を挟むクラッド層を活性層より誘電率が小さいＩ−ＶＩ
Ｉ族またはＩＩ−ＶＩ族半導体、または絶縁体からな
り、レーザ発振に必要なキャリアを積層方向に平行に注
入することを特徴とする半導体レーザ。 - 【請求項２】レーザ発振をおこなう活性層がＩＩＩ−Ｖ
族半導体を井戸層とし、Ｉ−ＶＩＩ族またはＩＩ−ＶＩ
族半導体、または絶縁体を障壁層とする量子井戸を含む
ことを特徴とする半導体レーザ。 - 【請求項３】レーザ発振をおこなう活性層がＩＩＩ−Ｖ
族半導体を井戸層としＩ−ＶＩＩ族またはＩＩ−ＶＩ族
半導体、あるいは絶縁体を障壁層とする量子井戸からな
り、量子井戸のバンド間遷移のエネルギーが所要の光子
エネルギーより大きく、電子のサブバンド間遷移のエネ
ルギーが所要の光子エネルギーにほぼ等しくなるように
設定され、量子井戸の電子の高次サブレベルに選択的に
電子を注入する機構により電子のサブバンド間遷移によ
りレーザ発振することを特徴とする半導体レーザ。 - 【請求項４】活性層を構成する量子井戸の電子のレーザ
発振にかかわる高次サブレベル以上のエネルギーに伝導
帯端をもつｎ型半導体からなる電子注入層を持つことを
特徴とする請求項３記載の半導体レーザ。 - 【請求項５】ｎ型半導体からなる電子注入層が活性層を
構成する量子井戸の電子のレーザ発振にかかわる高次サ
ブレベル以上のエネルギーに量子準位がある量子井戸を
持つことを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ。 - 【請求項６】活性層に電流によりキャリアを注入し、同
時に活性層を構成する量子井戸の電子のサブバンド間遷
移のエネルギーより大きなエネルギーを持つ光を注入し
て高次サブバンドに電子を生成することを特徴とする請
求項３記載の半導体レーザ。 - 【請求項７】光子エネルギーが活性層を構成する量子井
戸の電子と正孔の最低サブバンドの間の遷移エネルギー
より小さく電子の高次サブバンドと正孔との間の遷移エ
ネルギーの１／２より大きな光を用いて２光子吸収によ
り高次サブバンドに電子を生成することを特徴とする請
求項３記載の半導体レーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9981594A JP2556288B2 (ja) | 1994-05-13 | 1994-05-13 | 半導体レーザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9981594A JP2556288B2 (ja) | 1994-05-13 | 1994-05-13 | 半導体レーザ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07307524A true JPH07307524A (ja) | 1995-11-21 |
| JP2556288B2 JP2556288B2 (ja) | 1996-11-20 |
Family
ID=14257348
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9981594A Expired - Fee Related JP2556288B2 (ja) | 1994-05-13 | 1994-05-13 | 半導体レーザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2556288B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002353569A (ja) * | 2001-05-23 | 2002-12-06 | Akihiro Ishida | 半導体レーザ素子、半導体レーザ装置 |
| JP2007149937A (ja) * | 2005-11-28 | 2007-06-14 | Hitachi Ltd | 光半導体素子 |
| JP2018152458A (ja) * | 2017-03-13 | 2018-09-27 | 住友電気工業株式会社 | 発光ダイオード |
-
1994
- 1994-05-13 JP JP9981594A patent/JP2556288B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002353569A (ja) * | 2001-05-23 | 2002-12-06 | Akihiro Ishida | 半導体レーザ素子、半導体レーザ装置 |
| JP2007149937A (ja) * | 2005-11-28 | 2007-06-14 | Hitachi Ltd | 光半導体素子 |
| JP4718309B2 (ja) * | 2005-11-28 | 2011-07-06 | 株式会社日立製作所 | 光半導体素子 |
| JP2018152458A (ja) * | 2017-03-13 | 2018-09-27 | 住友電気工業株式会社 | 発光ダイオード |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2556288B2 (ja) | 1996-11-20 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19960716 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |