JPH0823136A - 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

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JPH0823136A
JPH0823136A JP6155920A JP15592094A JPH0823136A JP H0823136 A JPH0823136 A JP H0823136A JP 6155920 A JP6155920 A JP 6155920A JP 15592094 A JP15592094 A JP 15592094A JP H0823136 A JPH0823136 A JP H0823136A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体レーザのしきい値電流の温度依存性を
小さくする。 【構成】 MQW活性層103を含むストライプ構造1
12の幅が正孔の拡散長の2倍程度以下であり、かつM
QW活性層103に正孔を注入するためのp型半導体1
05がストライプ構造112の側面の両側に形成されて
いる。しきい値電流温度依存性減少のためにどのような
MQW構造をMQW活性層として採用した場合に於いて
も、MQW活性層103内の全てのQW層に直接接して
いるp型半導体105からQW層へ正孔が注入されるた
め、一部のQW層への正孔の局在という問題は生じな
い。また、ストライプ構造111の幅が正孔の拡散長の
2倍程度以下であるため、正孔はQW面と平行な方向に
も均一に注入される。即ち、正孔の局在を回避しつつ、
従来の構造では正孔の局在を伴うような、しきい値電流
の温度依存性減少のためのMQW活性層103の改良を
行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、しきい値電流の温度依
存性の小さい多重量子井戸(Multiple Qua
ntum Well、以下MQW)半導体レーザ(以下
単にMQWレーザ)に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、MQW構造を活性層に用い、かつ
その量子井戸(Quantum Well、以下QW)
層に圧縮性の面内歪を加えて、QW1層当たりのしきい
値2次元キャリア密度(以下N2D th)を低減することに
よって、しきい値電流の温度依存性の小さいMQWレー
ザの実現がなされている。
【0003】従来技術による、しきい値電流の温度依存
性が小さい発振波長1.3μm のMQWレーザの構造を
図7に、そのMQW活性層の構造を図8に示す(A.O
ishi et al.,19回ヨーロッパ光通信会
議、講演論文集 19th European Con
ference on Optical Commun
ication,Proceedings,Vol.
3,p.21)。図7に於いて、MQWレーザの構造
は、p型InP基板701と、その上に形成されたp型
InPクラッド層702およびMQW活性層703およ
びn型InPクラッド層704からなる幅1.5μm の
ストライプ構造712と、ストライプ構造712の両側
面に形成されたp型InP層705およびn型InP電
流ブロック層706およびp型InP層707とからな
る電流ブロック構造と、n型InP層708と、n型I
nGaAsPコンタクト層709と、n電極710と、
p電極711とからなる。図8に於いて、活性層は、層
厚4nmの1.4%圧縮歪InGaAsP量子井戸層80
2と層厚10nmかつバンドギャップ波長1.15μm の
InGaAsP障壁層803を1周期とする5周期のM
QWを、層厚20nmかつバンドギャップ波長1.15μ
m のp型InGaAsP光ガイド層801と、層厚15
0nmかつバンドギャップ波長1.15μm のn型InG
aAsP光ガイド層804で挟んだMQW構造となって
いる。
【0004】従来技術によるこのMQWレーザでは、2
5℃でしきい値電流1.8mA、80℃でしきい値電流
4.7mAという温度特性が得られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しきい値電流の温度依
存性を従来よりも更に下げるためには、N2D thの低減が
重要である。何故なら、しきい値電流に温度依存性があ
ることの主な要因はオージェ再結合の割合の温度依存性
が大きいことであるが、N2D thを低減することによって
オージェ再結合の割合を小さくすることが出来るからで
ある。そして、理論的にはN2D thの低減のためには障壁
層組成の短波長化が有効である(例えばM.Nido
et al.,アイトリプルイー ジャーナル オブ
カンタムエレクトロニクス IEEE J.Quant
um Electron.Vol.29,p.885,
1993)。
【0006】ところが、図7に示したような従来構造の
MQWレーザでは、MQW活性層703へキャリアを注
入するためのp型InPクラッド層702やn型InP
クラッド層704が各QW層802に直接接していな
い。p型InP層705は各QW層802に直接接して
いるが、p型InP層705の厚さはストライプ構造7
12から十分離れたところで1μm 程度、ストライプ構
造712の側面では1μm 程度以下と薄いためp型In
P層705は抵抗が大きい。また、MQW活性層703
の厚さに比べストライプ構造712の幅の方が大きい。
即ち、正孔のQW層802への注入は、p型InP層7
05からではなく、主にp型InPクラッド層702か
ら行われる。よって、キャリアは光ガイド層801や障
壁層803とQW層802の間で捕獲と熱励起を繰り返
しながらMQW構造内を拡散し、各QW層に注入され
る。
【0007】正孔のQW内束縛状態から非束縛状態への
熱励起の割合は小さいため、このようにキャリアが注入
される場合、正孔はMQW活性層703内でp型InP
クラッド層702側に近い一部のQW層に局在するとい
う傾向がある。また、正孔が局在する場合、電子は有効
質量が軽いため、電子も正孔とのクーロン引力により正
孔の局在している付近に局在する傾向がある(例えば
N.Tessler et al.,アイトリプルイー
ジャーナル オブ カンタム エレクトロニクス I
EEE J.Quantum Electron.Vo
l.29,p.1586,1993)。
【0008】このキャリアの局在は、図7に示した従来
技術によるレーザのように障壁層組成が長波長(図7の
例では1.15μm )である場合はさほど問題とならな
いが、障壁層組成をさらに短波長化した場合は顕著にな
る。何故なら、障壁層組成をさらに短波長化した場合、
正孔のQW内束縛状態から非束縛状態への熱励起の割合
が、QW層802内での電子と正孔の再結合による自然
放出の割合と同程度となるためである。このキャリアの
局在に起因するN2D thの上昇は無視出来ず、現実には、
必ずしも障壁層組成の短波長化がしきい値電流の温度依
存性の減少に結び付かない。
【0009】即ち、図7に示した従来の構造のままでM
QW活性層703の障壁層組成のみを短波長化しても、
しきい値電流の温度依存性の減少は不可能であった。本
発明は、従来構造のMQWレーザにみられるキャリアの
局在を解消する構造を提供することにより、MQW活性
層703の障壁層組成を短波長化して、しきい値の温度
依存性を減少させることを可能にするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】第1の発明は、MQWレ
ーザに於いて、活性層を含むストライプ構造の幅が正孔
の拡散長の2倍程度以下であり、かつQW層に正孔を注
入するためのp型半導体が、活性層を含むストライプの
両側に、活性層内の全ての量子井戸層に接するよう形成
されており、かつストライプの両側からの活性層への正
孔の注入が他からの注入に比べ同程度以上となるよう前
記p型半導体層がストライプの側面で厚くその抵抗が低
いことを特徴とする。
【0011】第2の発明は、MQWレーザに於いて、活
性層を含むストライプ構造の幅が正孔の拡散長の2倍程
度以下であり、かつQW層に正孔を注入するためのp型
半導体が、活性層を含むストライプの両側に、活性層内
の全ての量子井戸層に接するよう形成されており、かつ
MQW構造活性層の両側に形成された、活性層よりも禁
制帯幅が広く、かつ活性層よりも屈折率が小さいクラッ
ド層のうち、一方が電子を活性層に注入するためのn型
半導体で、他方が半絶縁型半導体層または絶縁体層であ
ることを特徴とする。
【0012】
【実施例】本発明を適用した発振波長1.3μm のMQ
Wレーザ3種の構造を図1および図2および図3に、そ
れらのレーザのMQW活性層の構造を図4に示す。
【0013】図1は請求項2の発明の実施例を示す図で
ある。図1に於いて、MQWレーザは、濃度3×1018
cm-3でZnをドープした面方位(100)のp型InP
基板101と、その上に形成されたTiとFeをそれぞ
れ濃度5×1016cm-3でドープした半絶縁型InPクラ
ッド層102およびMQW活性層103および濃度1×
1018cm-3でSiをドープしたn型InPクラッド層1
04からなる幅0.5μm のストライプ構造112と、
MQW活性層103に接してストライプ構造112の側
面に形成された濃度1×1018cm-3でZnをドープした
p型InP層105と、濃度1×1018cm-3でSiをド
ープしたn型InP電流ブロック層106と、濃度1×
1018cm-3でZnをドープしたp型InP層107と、
濃度1×1018cm-3でSiをドープしたn型InP層1
08と、濃度1×1019cm-3でSiをドープしたn型I
nGaAsコンタクト層109と、厚さ500オングス
トロームのTiと厚さ400オングストロームのAuか
らなるn電極110と、同じく厚さ500オングストロ
ームのTiと厚さ400オングストロームのAuからな
るp電極111とからなる。p型InP層105はスト
ライプ構造112の側面で十分に厚いため抵抗が低く、
正孔はストライプ構造112の両側のp型InP層10
5からMQW活性層103へ注入される。
【0014】図2は請求項1の発明の実施例を示す図で
ある。図2に於いて、MQWレーザは、濃度3×1018
cm-3でZnをドープした面方位(100)のp型InP
基板201と、その上に形成された濃度1×1018cm-3
でZnをドープしたp型InPクラッド層202および
MQW活性層203および濃度1×1018cm-3でSiを
ドープしたn型InPクラッド層204からなる幅0.
5μm のストライプ構造212と、MQW活性層203
に接してストライプ構造212の側面に形成された濃度
1×1018cm-3でZnをドープしたp型InP層205
と、濃度1×1018cm-3でSiをドープしたn型InP
電流ブロック層206と、濃度1×1018cm-3でZnを
ドープしたp型InP層207と、濃度1×1018cm-3
でSiをドープしたn型InP層208と、濃度1×1
19cm-3でSiをドープしたn型InGaAsコンタク
ト層209と、厚さ500オングストロームのTiと厚
さ400オングストロームのAuからなるn電極210
と、同じく厚さ500オングストロームのTiと厚さ4
00オングストロームのAuからなるp電極211とか
らなる。p型InP層205はストライプ構造212の
側面で十分に厚く抵抗が低いため、MQW活性層203
への正孔の注入は、p型InPクラッド層202および
ストライプ構造212の両側のp型InP層205から
行われる。
【0015】図3は請求項2の発明の別の実施例を示す
図である。図3に於いて、MQWレーザは、濃度2×1
18cm-3でSnをドープした面方位(100)のn型I
nP基板301と、その上に形成された濃度1×1018
cm-3でSiをドープしたn型InPクラッド層302お
よびMQW活性層303およびTiとFeをそれぞれ濃
度5×1016cm-3でドープした半絶縁型InPクラッド
層304からなる幅0.5μm のストライプ構造310
と、MQW活性層303に接してストライプ構造310
の側面に形成された濃度1×1018cm-3でZnをドープ
したp型InP層305と、濃度1×1018cm-3でZn
をドープしたp型InP層306と、濃度1×1019cm
-3でZnをドープしたp型InGaAsコンタクト層3
07と、厚さ500オングストロームのTiと厚さ40
0オングストロームのAuからなるp電極308と、同
じく厚さ500オングストロームのTiと厚さ400オ
ングストロームのAuからなるn電極309とからな
る。正孔はストライプ構造310の両側のp型InP層
305からMQW活性層303へ注入される。
【0016】図4は、図1および図2および図3に示し
た実施例のMQW活性層103、203、303の内部
構造を示す図である。図4に於いて、活性層は、層厚4
nmの1.4%圧縮歪InGaAsP量子井戸層402と
層厚10nmかつバンドギャップ波長1.05μm のIn
GaAsP障壁層403を1周期とする5周期のMQW
を、層厚200nmかつバンドギャップ波長1.05μm
のInGaAsP光ガイド層401と、層厚200nmか
つバンドギャップ波長1.05μm のInGaAsP光
ガイド層404で挟んだMQW構造となっている。
【0017】本発明を適用した構造を持つMQWレーザ
では、MQW構造内の全てのQW層に接しているp型半
導体からQW層へ正孔が注入されるため(図1および図
2および図3参照)、p型InPクラッド層側に近いQ
W層への正孔の局在という問題は生じない。また、本発
明を適用したMQWレーザのストライプ構造の幅は図1
および図2および図3に示した実施例では0.5μm と
狭く、正孔の拡散長(0.5μm 程度)の2倍程度以下
であるため、正孔はQW層内でQW面と平行な方向にも
均一に注入される。電子は正孔に比べ熱励起の割合が大
きく、また拡散長も長いので、正孔が局在しなければ電
子も局在しない。
【0018】本発明の適用は図4に示される活性層を持
つMQWレーザにのみ限定されるものではない。本発明
は、図4に示された活性層とは異なるInGaAsP組
成で異なる層厚を持つQW層と、異なるInGaAsP
組成で異なる層厚を持つ障壁層と、異なるInGaAs
P組成で異なる層厚を持つ光ガイド層からなる、異なる
QW層数のMQW構造の活性層を持つMQWレーザに於
いても、支障なく実施することが出来る。よって当然、
本発明の適用は発振波長が1.3μm のMQWレーザに
のみ限定されるものではなく、QW層がInGaAsP
で障壁層がInGaAsPのMQW構造を活性層とする
MQWレーザであれば、いかなる発振波長のMQWレー
ザであっても、支障なく実施することが出来る。また、
各半導体層のドーパントおよびドーピング濃度は、必ず
しも図1および図2および図3に示した実施例の通りで
ある必要はなく、キャリアの活性層への注入および漏れ
電流のブロックという各半導体層の役割を果たすもので
あれば、本発明の実施に支障はない。さらに、本発明の
実施のためには、図1および図2および図3に示した3
種の実施例のようにInP基板の面方位は(100)で
ある必要はない。本発明は(100)とは異なる面方位
を持つInP基板上に形成されたMQWレーザに於いて
も支障なく実施することが出来る。また、活性層のMQ
WのQW層または障壁層または光ガイド層がInGaA
sP以外であるようなMQWレーザに於いても、それが
InP基板上に形成されたものであれば、本発明が支障
なく実施出来ることは明らかである。さらに、InP以
外の基板上に形成されたMQWレーザに於いても本発明
の実施は可能である。その実施例として、本発明をGa
As基板上に形成された発振波長690nmのMQWレー
ザに適用したものを図5に、そのMQW活性層の構造を
図6に示す。これは請求項1の発明の別の実施例であ
る。
【0019】図5に於いて、MQWレーザは、濃度1×
1019cm-3でZnをドープした面方位(100)のp型
GaAs基板501と、その上に形成されたTiとFe
をそれぞれ濃度5×1016cm-3でドープした半絶縁型
(Al0.6 Ga0.4 0.5 In0.5 Pクラッド層502
およびMQW活性層503および濃度2×1017cm-3
Siをドープしたn型(Al0.6 Ga0.4 0.5 In
0.5 Pクラッド層504からなる幅0.5μm のストラ
イプ構造512と、MQW活性層503に接してストラ
イプ構造512の側面に形成された濃度1×1018cm-3
でZnをドープしたp型(Al0.6 Ga0.4 0.5 In
0.5 P層505と、濃度2×1018cm-17 でSiをドー
プしたn型(Al0.6 Ga0.4 0.5 In0.5 P電流ブ
ロック層506と、濃度1×1018cm-3でZnをドープ
したp型(Al0.6 Ga0.4 0.5 In0.5 P層507
と、濃度1×1018cm-3でSiをドープしたn型(Al
0.6 Ga0.4 0.5 In0.5 P層508と、厚さ500
オングストロームのTiGeNiと厚さ1000オング
ストロームのAuNiと厚さ500オングストロームの
Crと厚さ4000オングストロームのAuからなるn
電極510と、厚さ700オングストロームのTiと厚
さ1000オングストロームのTiと厚さ4000オン
グストロームのAuからなるp電極511とからなる。
p型(Al0.6 Ga0.4 0.5 In0.5 P層505はス
トライプ構造512の側面で十分に厚く抵抗が低いた
め、MQW活性層503への正孔の注入は、ストライプ
構造512の両側のp型(Al0.6 Ga0.4 0.5 In
0.5 P層505から行われる。
【0020】図6は、図5に示した実施例のMQW活性
層503の内部構造を示す図である。図6に於いて、活
性層は、層厚10nmの0.3%圧縮歪Ga0.47In0.53
P量子井戸層602と層厚5nmの(Al0.6 Ga0.4
0.5 In0.5 P障壁層503を1周期とする4周期のM
QW構造となっている。
【0021】なお、本発明の実施例はIII族とV族の
元素からなる活性層を持つMQWレーザにのみ限られる
ものではなく、その他の元素、例えばII族とVI族の
元素からなる活性層を持つMQWレーザに於いても支障
なく実施することが出来る。
【0022】
【発明の効果】本発明を適用したMQWレーザに於いて
は、MQW活性層内の全てのQW層に直接接しているp
型半導体からQW層へ正孔が注入されるため(図1およ
び図2および図3および図5参照)、一部のQW層への
正孔の局在という問題は生じない。また、ストライプ構
造の幅が正孔の拡散長(0.5μm 程度)の2倍程度以
下のため、正孔はQW層内でQW面と平行な方向にも均
一に注入される。即ち、本発明を適用したMQWレーザ
に於いて正孔は局在しない。電子は正孔に比べ熱励起の
割合が大きく、また拡散長も長いため、正孔が局在しな
ければ電子も局在しない。よって、本発明を適用したM
QWレーザに於いては、短波長組成の障壁層を持つMQ
W構造を活性層として採用した場合でも、キャリアの局
在は生じない。そのため、従来構造のMQWレーザより
も低いN2D thの実現が可能であり、よってしきい値電流
の温度依存性を小さくすることが出来る。
【0023】なお、従来構造のレーザの場合、障壁層の
短波長化のみならず、MQWの多周期化によってもまた
p型クラッド層に近い一部のQW層へのキャリアの局在
によるN2D thの上昇が顕著になるが、本発明を適用した
MQWレーザでは、MQWの多周期化に伴うキャリアの
局在も回避出来ることは言うまでもない。MQWの多周
期化もまたしきい値電流の温度依存性の減少に有効であ
るため、本発明を適用してMQWを多周期化したレーザ
はしきい値電流の温度特性に優れている。
【0024】さらに、正孔の局在という問題が回避でき
る場合、障壁層組成の短波長化やMQWの多周期化は、
しきい値電流の温度依存性の減少のみならずMQWレー
ザのその他の特性の向上、即ちしきい値電流の低減・変
調帯域の拡大・発振線幅の狭線幅化に対してもまた有効
であり、本発明を適用して正孔の局在を解決し、MQW
活性層の障壁層組成の短波長化やMQWの多周期化を行
ったMQWレーザはこれらの特性にも優れている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用したMQWレーザの構造の断面図
である。
【図2】本発明の他の実施例を示すMQWレーザの構造
の断面図である。
【図3】本発明の他の実施例の示すMQWレーザの構造
の断面図である。
【図4】本発明を適用したMQWレーザ(図1および図
2および図3)の活性層の断面図である。
【図5】本発明の他の実施例を示すMQWレーザの構造
の断面図である。
【図6】本発明を適用したMQWレーザ(図5)の活性
層の断面図である。
【図7】従来技術によるしきい値電流の温度依存性が小
さいMQWレーザの構造の断面図である。
【図8】従来技術によるしきい値電流の温度依存性が小
さいMQWレーザの活性層の断面図である。
【符号の説明】
101 p型InP基板 102 半絶縁性InPクラッド層 103 MQW活性層 104 n型InPクラッド層 105 p型InP層 106 n型InP電流ブロック層 107 p型InP層 108 n型InP層 109 n型InGaAsコンタクト層 110 n電極 111 p電極 112 ストライプ構造 201 p型InP基板 202 p型InPクラッド層 203 MQW活性層 204 n型InPクラッド層 205 p型InP層 206 n型InP電流ブロック層 207 p型InP層 208 n型InP層 209 n型InGaAsコンタクト層 210 n電極 211 p電極 212 ストライプ構造 301 n型InP基板 302 n型InPクラッド層 303 MQW活性層 304 半絶縁性InPクラッド層 305 p型InP層 306 p型InP層 307 p型InGaAsコンタクト層 308 p電極 309 n電極 310 ストライプ構造 401 InGaAsP光ガイド層 402 InGaAsP量子井戸層 403 InGaAsP障壁層 404 InGaAsP光ガイド層 501 p型GaAs基板 502 半絶縁性AlGaInPクラッド層 503 MQW活性層 504 n型AlGaInPクラッド層 505 p型AlGaInP層 506 n型AlGaInP電流ブロック層 507 p型AlGaInP層 508 n型GaAs層 510 n電極 511 p電極 512 ストライプ構造 602 GaInP量子井戸層 603 AlGaInP障壁層 701 p型InP基板 702 p型InPクラッド層 703 MQW活性層 704 n型InPクラッド層 705 p型InP層 706 n型InP電流ブロック層 707 p型InP層 708 n型InP層 709 n型InGaAsPコンタクト層 710 n電極 711 p電極 712 ストライプ構造 801 p型InGaAsP光ガイド層 802 InGaAsP量子井戸層 803 InGaAsP障壁層 804 n型InGaAsP光ガイド層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 明 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気株 式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】多重量子井戸半導体レーザに於いて、活性
    層を含むストライプ構造の幅が正孔の拡散長の2倍程度
    以下であり、かつ量子井戸層に正孔を注入するためのp
    型半導体が、活性層を含むストライプの両側に、活性層
    内の全ての量子井戸層に接するよう形成されており、か
    つストライプの両側からの活性層への正孔の注入が他か
    らの注入に比べ同程度以上となるよう前記p型半導体層
    がストライプの側面で厚くその抵抗が低いことを特徴と
    する多重量子井戸半導体レーザ。
  2. 【請求項2】多重量子井戸半導体レーザに於いて、活性
    層を含むストライプ構造の幅が正孔の拡散長の2倍程度
    以下であり、かつ量子井戸層に正孔を注入するためのp
    型半導体が、活性層を含むストライプの両側に、活性層
    内の全ての量子井戸層に接するよう形成されており、か
    つMQW構造活性層の両側に形成された、活性層よりも
    禁制帯幅が広く、かつ活性層よりも屈折率が小さいクラ
    ッド層のうち、一方が電子を活性層に注入するためのn
    型半導体で、他方が半絶縁型半導体層または絶縁体層で
    あることを特徴とする多重量子井戸半導体レーザ。
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