JPH08236857A - 長波長半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents
長波長半導体レーザおよびその製造方法Info
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- JPH08236857A JPH08236857A JP7058282A JP5828295A JPH08236857A JP H08236857 A JPH08236857 A JP H08236857A JP 7058282 A JP7058282 A JP 7058282A JP 5828295 A JP5828295 A JP 5828295A JP H08236857 A JPH08236857 A JP H08236857A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 多重量子井戸層へのキャリアの注入効率を向
上させて、しきい値を低減しスロープ効率を向上させ
る。 【構成】 半絶縁性ＩｎＰ基板１上に、ＭＱＷ活性層
２、絶縁性ＩｎＰクラッド層３を設け、ストライプ状に
加工したＭＱＷ活性層２、絶縁性ＩｎＰクラッド層３の
側面に、バンドギャップエネルギーが、ＭＱＷ活性層２
の井戸層のそれより大きく、障壁層のそれより小さい材
料であるＩｎＧａＡｓＰを用いてｐ型キャリア注入ガイ
ド層４、ｎ型キャリア注入ガイド層７を形成する。
上させて、しきい値を低減しスロープ効率を向上させ
る。 【構成】 半絶縁性ＩｎＰ基板１上に、ＭＱＷ活性層
２、絶縁性ＩｎＰクラッド層３を設け、ストライプ状に
加工したＭＱＷ活性層２、絶縁性ＩｎＰクラッド層３の
側面に、バンドギャップエネルギーが、ＭＱＷ活性層２
の井戸層のそれより大きく、障壁層のそれより小さい材
料であるＩｎＧａＡｓＰを用いてｐ型キャリア注入ガイ
ド層４、ｎ型キャリア注入ガイド層７を形成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信システムの光源
や光計測器の光源として用いられる長波長半導体レーザ
に関するものである。
や光計測器の光源として用いられる長波長半導体レーザ
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザでは、近年、活性層に多重
量子井戸を用いることでレーザ特性の著しい改善が図ら
れている。図４は、従来の１．３μｍ多重量子井戸型半
導体レーザの活性層におけるバンド構造を模式的に示し
たものである。同図において、１０１はｎ型ＩｎＰ基板
上に形成されたｎ−ＩｎＰバッファ層、１０２は１．１
３μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層、１０３は１．１
３μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ障壁層、１０４は、層数７の
１．４μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層、１０５はｐ
−ＩｎＰクラッド層、１１１は電子の第１量子準位、１
１２はヘビーホールの第１量子準位をそれぞれ示す。
量子井戸を用いることでレーザ特性の著しい改善が図ら
れている。図４は、従来の１．３μｍ多重量子井戸型半
導体レーザの活性層におけるバンド構造を模式的に示し
たものである。同図において、１０１はｎ型ＩｎＰ基板
上に形成されたｎ−ＩｎＰバッファ層、１０２は１．１
３μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層、１０３は１．１
３μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ障壁層、１０４は、層数７の
１．４μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層、１０５はｐ
−ＩｎＰクラッド層、１１１は電子の第１量子準位、１
１２はヘビーホールの第１量子準位をそれぞれ示す。
【０００３】この場合、量子井戸層の厚さは電子とヘビ
ーホールの第１量子準位間のエネルギー差が波長換算で
１．３μｍになるように４．２ｎｍ程度になされ、障壁
層の厚さはキャリアの波動関数が隣接する量子井戸間で
重ならないように１０ｎｍ程度になされている。
ーホールの第１量子準位間のエネルギー差が波長換算で
１．３μｍになるように４．２ｎｍ程度になされ、障壁
層の厚さはキャリアの波動関数が隣接する量子井戸間で
重ならないように１０ｎｍ程度になされている。
【０００４】しかしながら、従来の多重量子井戸レーザ
では多重量子井戸を構成する半導体層に対して垂直にキ
ャリアの注入を行っているために、各量子井戸間で注入
されるキャリアの数に不均一が起きることが問題にな
る。図５は、Ｘ軸にｎ側からの距離、Ｙ軸に注入を開始
してからの時間、Ｚ軸に二次元電子密度もしくは二次元
ホール密度をとり、注入されたキャリアの量子井戸層へ
の蓄積の程度を計算して示したものである（N. Tessler
et al. 13th IEEE Semicon. Laser Conf., Takamatsu,
Japan (1992) paper D5,44.）。
では多重量子井戸を構成する半導体層に対して垂直にキ
ャリアの注入を行っているために、各量子井戸間で注入
されるキャリアの数に不均一が起きることが問題にな
る。図５は、Ｘ軸にｎ側からの距離、Ｙ軸に注入を開始
してからの時間、Ｚ軸に二次元電子密度もしくは二次元
ホール密度をとり、注入されたキャリアの量子井戸層へ
の蓄積の程度を計算して示したものである（N. Tessler
et al. 13th IEEE Semicon. Laser Conf., Takamatsu,
Japan (1992) paper D5,44.）。
【０００５】この図から明らかなように、キャリアはｐ
側に多く蓄積されておりｎ側の量子井戸に蓄積されるキ
ャリアは少ない。その結果、注入キャリアに量子井戸間
でアンバランスが生じるようになるため、多重量子井戸
を構成する量子井戸層数を大きくすることができず、利
得の大きな多重量子井戸レーザを実現することは困難で
あった。
側に多く蓄積されておりｎ側の量子井戸に蓄積されるキ
ャリアは少ない。その結果、注入キャリアに量子井戸間
でアンバランスが生じるようになるため、多重量子井戸
を構成する量子井戸層数を大きくすることができず、利
得の大きな多重量子井戸レーザを実現することは困難で
あった。
【０００６】この問題を解決するために、ＧａＡｓ／Ａ
ｌＧａＡｓ系の多重量子井戸レーザにおいては、ｐｎ接
合界面を多重量子井戸層面に垂直に形成し、量子井戸層
へのキャリア注入を横方向から行ういわゆる横注入型多
重量子井戸レーザが提案されている。例えば、特開昭６
３−５６９７７号公報に記載されているように、不純物
拡散（またはイオン注入）を行って活性層領域の外側の
超格子構造を無秩序化することにより、ｐ型、ｎ型領域
を形成し、かつ横方向にダブルヘテロ構造を形成するこ
とで量子井戸層にキャリアを横方向から注入できるよう
にして前述のキャリア不均一注入の問題を回避してい
る。
ｌＧａＡｓ系の多重量子井戸レーザにおいては、ｐｎ接
合界面を多重量子井戸層面に垂直に形成し、量子井戸層
へのキャリア注入を横方向から行ういわゆる横注入型多
重量子井戸レーザが提案されている。例えば、特開昭６
３−５６９７７号公報に記載されているように、不純物
拡散（またはイオン注入）を行って活性層領域の外側の
超格子構造を無秩序化することにより、ｐ型、ｎ型領域
を形成し、かつ横方向にダブルヘテロ構造を形成するこ
とで量子井戸層にキャリアを横方向から注入できるよう
にして前述のキャリア不均一注入の問題を回避してい
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】多重量子井戸レーザで
は量子効果を十分に発揮させるために隣接する量子井戸
間でのキャリアの波動関数が交わらないように障壁層厚
を厚くすることが必要である。しかしながら、前述した
ように従来の縦方向からキャリアを注入する多重量子井
戸レーザでは、キャリアの量子井戸層への不均一注入が
生じるため、多重量子井戸を構成する量子井戸層数を大
きくすることができず、利得の大きな多重量子井戸レー
ザを実現することは困難であった。
は量子効果を十分に発揮させるために隣接する量子井戸
間でのキャリアの波動関数が交わらないように障壁層厚
を厚くすることが必要である。しかしながら、前述した
ように従来の縦方向からキャリアを注入する多重量子井
戸レーザでは、キャリアの量子井戸層への不均一注入が
生じるため、多重量子井戸を構成する量子井戸層数を大
きくすることができず、利得の大きな多重量子井戸レー
ザを実現することは困難であった。
【０００８】また、特開昭６３−５６９７７号公報に示
されたような不純物拡散により超格子を無秩序化し横方
向にダブルヘテロ構造を形成する方法は、無秩序化に伴
い横注入の入り口になる部分の量子井戸構造の破壊が避
けられず特性低下の原因になる。さらに、光通信に使用
するＩｎＰ系の長波長レーザでは、多重量子井戸構造の
無秩序化により結晶構造そのものが無秩序化してしまう
ため、上記の手段を採用することができない。
されたような不純物拡散により超格子を無秩序化し横方
向にダブルヘテロ構造を形成する方法は、無秩序化に伴
い横注入の入り口になる部分の量子井戸構造の破壊が避
けられず特性低下の原因になる。さらに、光通信に使用
するＩｎＰ系の長波長レーザでは、多重量子井戸構造の
無秩序化により結晶構造そのものが無秩序化してしまう
ため、上記の手段を採用することができない。
【０００９】その上、横注入構造に形成できたとして
も、活性層に上下から接するクラッド層のバンドギャッ
プエネルギーが多重量子井戸層の障壁層に用いられる半
導体のバンドギャップエネルギーより大きい場合には、
多重量子井戸と接するｐ型、ｎ型半導体のバンドギャッ
プエネルギーの大きさが量子井戸構造の障壁層のバンド
ギャップエネルギーよりも大きくなってしまい、障壁層
上に一部のキャリアが存在し活性層に注入されたキャリ
アの内量子井戸層に注入されない部分が生じることにな
る。利得の増大を狙って量子井戸層数を増加させた場
合、必然的に障壁層の数も増加するため、この障壁層上
に分布するキャリアの割合は増加することになる。この
場合、量子効果を十分に発揮させるため障壁層の厚さを
増加させた場合もやはり、障壁層上に分布するキャリア
の割合は増加する。従って、横注入本来の注入効率の向
上を実現することができない。
も、活性層に上下から接するクラッド層のバンドギャッ
プエネルギーが多重量子井戸層の障壁層に用いられる半
導体のバンドギャップエネルギーより大きい場合には、
多重量子井戸と接するｐ型、ｎ型半導体のバンドギャッ
プエネルギーの大きさが量子井戸構造の障壁層のバンド
ギャップエネルギーよりも大きくなってしまい、障壁層
上に一部のキャリアが存在し活性層に注入されたキャリ
アの内量子井戸層に注入されない部分が生じることにな
る。利得の増大を狙って量子井戸層数を増加させた場
合、必然的に障壁層の数も増加するため、この障壁層上
に分布するキャリアの割合は増加することになる。この
場合、量子効果を十分に発揮させるため障壁層の厚さを
増加させた場合もやはり、障壁層上に分布するキャリア
の割合は増加する。従って、横注入本来の注入効率の向
上を実現することができない。
【００１０】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたもので、ＩｎＰ系の半導体レーザにおいて、多重
量子井戸からなる活性層に横方向から注入されたキャリ
アを効果的に量子井戸層に注入しうるようにして、長波
長半導体レーザのしきい値、スロープ効率等の特性を向
上させることを目的とする。
されたもので、ＩｎＰ系の半導体レーザにおいて、多重
量子井戸からなる活性層に横方向から注入されたキャリ
アを効果的に量子井戸層に注入しうるようにして、長波
長半導体レーザのしきい値、スロープ効率等の特性を向
上させることを目的とする。
【００１１】
【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、メサ状に形成された、多重量子井
戸活性層とこれを上下から挟む絶縁性または半絶縁性半
導体層とによりなるストライプ状半導体層と、前記スト
ライプ状半導体層の左右の側面に形成されたｎ型および
ｐ型のキャリア注入ガイド薄層とを有する長波長半導体
レーザであって、一方の注入ガイド層のバンドギャップ
エネルギーは、前記多重量子井戸活性層の量子井戸層組
成と層厚および障壁層組成によって決定される電子とホ
ールの第１量子準位間のエネルギー差より大きく、か
つ、前記多重量子井戸活性層の障壁層に用いられる半導
体のバンドギャップエネルギーより小さく、他方の注入
ガイド層のバンドギャップエネルギーは、前記多重量子
井戸活性層の量子井戸層組成と層厚および障壁層組成に
よって決定される電子とホールの第１量子準位間のエネ
ルギー差より大きく、かつ、前記多重量子井戸活性層の
障壁層に用いられる半導体のバンドギャップエネルギー
に等しいかこれより小さいことを特徴とする長波長半導
体レーザ、が提供される。
め、本発明によれば、メサ状に形成された、多重量子井
戸活性層とこれを上下から挟む絶縁性または半絶縁性半
導体層とによりなるストライプ状半導体層と、前記スト
ライプ状半導体層の左右の側面に形成されたｎ型および
ｐ型のキャリア注入ガイド薄層とを有する長波長半導体
レーザであって、一方の注入ガイド層のバンドギャップ
エネルギーは、前記多重量子井戸活性層の量子井戸層組
成と層厚および障壁層組成によって決定される電子とホ
ールの第１量子準位間のエネルギー差より大きく、か
つ、前記多重量子井戸活性層の障壁層に用いられる半導
体のバンドギャップエネルギーより小さく、他方の注入
ガイド層のバンドギャップエネルギーは、前記多重量子
井戸活性層の量子井戸層組成と層厚および障壁層組成に
よって決定される電子とホールの第１量子準位間のエネ
ルギー差より大きく、かつ、前記多重量子井戸活性層の
障壁層に用いられる半導体のバンドギャップエネルギー
に等しいかこれより小さいことを特徴とする長波長半導
体レーザ、が提供される。
【００１２】また、本発明によれば、（１）半絶縁性半
導体基板上に多重量子井戸活性層および絶縁性または半
絶縁性半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、
（２）ストライプ状半導体領域となる前記多重量子井戸
活性層の一方の側の側面を露出させるように前記半導体
層および前記多重量子井戸活性層をエッチング除去する
工程と、（３）露出した前記半導体層および前記多重量
子井戸活性層の一方の側の側面に、バンドギャップエネ
ルギーが、前記多重量子井戸活性層の量子井戸層組成と
層厚および障壁層組成によって決定される電子とホール
の第１量子準位間のエネルギー差より大きく、かつ、前
記多重量子井戸活性層の障壁層に用いられる半導体のバ
ンドギャップエネルギーより小さい半導体材料からなる
第１のキャリア注入ガイド薄層をエピタキシャル成長さ
せる工程と、（４）ストライプ状半導体領域となる前記
多重量子井戸活性層の他方の側の側面を露出させるよう
に前記半導体層および前記多重量子井戸活性層をエッチ
ング除去する工程と、（５）露出した前記半導体層およ
び前記多重量子井戸活性層の他方の側の側面に、バンド
ギャップエネルギーが、前記多重量子井戸活性層の量子
井戸層組成と層厚および障壁層組成によって決定される
電子とホールの第１量子準位間のエネルギー差より大き
く、かつ、前記多重量子井戸活性層の障壁層に用いられ
る半導体のバンドギャップエネルギーに等しいかまたは
これより小さい半導体材料からなる第２のキャリア注入
ガイド薄層をエピタキシャル成長させる工程と、を含む
長波長半導体レーザの製造方法、が提供される。
導体基板上に多重量子井戸活性層および絶縁性または半
絶縁性半導体層をエピタキシャル成長させる工程と、
（２）ストライプ状半導体領域となる前記多重量子井戸
活性層の一方の側の側面を露出させるように前記半導体
層および前記多重量子井戸活性層をエッチング除去する
工程と、（３）露出した前記半導体層および前記多重量
子井戸活性層の一方の側の側面に、バンドギャップエネ
ルギーが、前記多重量子井戸活性層の量子井戸層組成と
層厚および障壁層組成によって決定される電子とホール
の第１量子準位間のエネルギー差より大きく、かつ、前
記多重量子井戸活性層の障壁層に用いられる半導体のバ
ンドギャップエネルギーより小さい半導体材料からなる
第１のキャリア注入ガイド薄層をエピタキシャル成長さ
せる工程と、（４）ストライプ状半導体領域となる前記
多重量子井戸活性層の他方の側の側面を露出させるよう
に前記半導体層および前記多重量子井戸活性層をエッチ
ング除去する工程と、（５）露出した前記半導体層およ
び前記多重量子井戸活性層の他方の側の側面に、バンド
ギャップエネルギーが、前記多重量子井戸活性層の量子
井戸層組成と層厚および障壁層組成によって決定される
電子とホールの第１量子準位間のエネルギー差より大き
く、かつ、前記多重量子井戸活性層の障壁層に用いられ
る半導体のバンドギャップエネルギーに等しいかまたは
これより小さい半導体材料からなる第２のキャリア注入
ガイド薄層をエピタキシャル成長させる工程と、を含む
長波長半導体レーザの製造方法、が提供される。
【００１３】
【作用】キャリア注入ガイド層のバンドギャップは量子
井戸の障壁層のバンドギャップよりも小さいため一度キ
ャリア注入ガイド層に注入されたキャリアは熱励起によ
る少数のキャリアを除いて障壁層に分布することなく殆
ど全てが量子井戸層に注入されることになる。また、電
子、ホールのどちらかのキャリアが注入ガイド層によっ
て効果的に量子井戸層に注入されればクーロン力により
異種のキャリアを引きつけるため、どちらかのキャリア
注入ガイド層が量子井戸の障壁層のバンドギャプよりも
小さければ同様の効果が実現できる。
井戸の障壁層のバンドギャップよりも小さいため一度キ
ャリア注入ガイド層に注入されたキャリアは熱励起によ
る少数のキャリアを除いて障壁層に分布することなく殆
ど全てが量子井戸層に注入されることになる。また、電
子、ホールのどちらかのキャリアが注入ガイド層によっ
て効果的に量子井戸層に注入されればクーロン力により
異種のキャリアを引きつけるため、どちらかのキャリア
注入ガイド層が量子井戸の障壁層のバンドギャプよりも
小さければ同様の効果が実現できる。
【００１４】更に、キャリア注入ガイド層のバンドギャ
ップが発振波長の光子エネルギーよりも大きいため、キ
ャリア注入ガイド層が吸収ロスの原因になることはな
く、特性の低下を回避することができる。
ップが発振波長の光子エネルギーよりも大きいため、キ
ャリア注入ガイド層が吸収ロスの原因になることはな
く、特性の低下を回避することができる。
【００１５】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て詳細に説明する。 ［第１の実施例］図１は、本発明の第１の実施例の横注
入型１．３μｍ帯多重量子井戸分布帰還型の半導体レー
ザの断面図である。同図において、１は回折格子が刻ま
れた半絶縁性ＩｎＰ基板（ＳＩ−ＩｎＰ基板）、２は多
重量子井戸活性層（ＭＱＷ活性層）、３は絶縁性または
半絶縁性ＩｎＰクラッド層（ＨＲ−ＩｎＰクラッド
層）、４は１．１３μｍ組成のｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャ
リア注入ガイド層、５はｐ−ＩｎＰチャネル埋め込み
層、６はｐ+ −ＩｎＧａＡｓコンタクト層、７は１．１
３μｍ組成のｎ−ＩｎＧａＡｓＰキャリア注入ガイド
層、８はｎ−ＩｎＰチャネル埋め込み層、９はＳｉＯ2
絶縁膜、１０はｐ側電極、１１はｎ側電極である。
て詳細に説明する。 ［第１の実施例］図１は、本発明の第１の実施例の横注
入型１．３μｍ帯多重量子井戸分布帰還型の半導体レー
ザの断面図である。同図において、１は回折格子が刻ま
れた半絶縁性ＩｎＰ基板（ＳＩ−ＩｎＰ基板）、２は多
重量子井戸活性層（ＭＱＷ活性層）、３は絶縁性または
半絶縁性ＩｎＰクラッド層（ＨＲ−ＩｎＰクラッド
層）、４は１．１３μｍ組成のｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャ
リア注入ガイド層、５はｐ−ＩｎＰチャネル埋め込み
層、６はｐ+ −ＩｎＧａＡｓコンタクト層、７は１．１
３μｍ組成のｎ−ＩｎＧａＡｓＰキャリア注入ガイド
層、８はｎ−ＩｎＰチャネル埋め込み層、９はＳｉＯ2
絶縁膜、１０はｐ側電極、１１はｎ側電極である。
【００１６】また、ＭＱＷ活性層２は、１．４μｍ組成
で厚さ５．５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層および
１．０５μｍ組成で厚さ１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ障壁
層からなり、量子井戸層数は１５層であり、電子とホー
ルの第１量子準位間のエネルギー差は波長換算で１．３
μｍである。このＭＱＷ活性層２の各層に歪みを導入し
て特性の向上を図るようにすることができる。
で厚さ５．５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層および
１．０５μｍ組成で厚さ１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ障壁
層からなり、量子井戸層数は１５層であり、電子とホー
ルの第１量子準位間のエネルギー差は波長換算で１．３
μｍである。このＭＱＷ活性層２の各層に歪みを導入し
て特性の向上を図るようにすることができる。
【００１７】次に、本発明の第１の実施例の作製方法に
ついて説明する。まず、最初に干渉露光法もしくは電子
ビーム露光法を用いてＳＩ−ＩｎＰ基板１上に回折格子
を形成する。次に、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Mo
lecular Organic Vapor Phase Epitaxy ）法もしくは分
子線成長（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法を用い
て、膜厚５．５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層と膜厚
１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ障壁層のＭＱＷ活性層（井戸
層数１５層）２を成長させ、引き続きエピタキシャル成
長を行ってＨＲ−ＩｎＰクラッド層３を形成する。
ついて説明する。まず、最初に干渉露光法もしくは電子
ビーム露光法を用いてＳＩ−ＩｎＰ基板１上に回折格子
を形成する。次に、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Mo
lecular Organic Vapor Phase Epitaxy ）法もしくは分
子線成長（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法を用い
て、膜厚５．５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層と膜厚
１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ障壁層のＭＱＷ活性層（井戸
層数１５層）２を成長させ、引き続きエピタキシャル成
長を行ってＨＲ−ＩｎＰクラッド層３を形成する。
【００１８】この後、例えばホトリソグラフ法とドライ
エッチングもしくはウエットエッチング法を用いてｎ側
電極形成側にチャネルを形成し、液相成長（ＬＰＥ：Li
quidPhase Epitaxy）法もしくはＭＯＶＰＥ法を用いて
ｎ−ＩｎＧａＡｓＰキャリア注入ガイド層７を１００ｎ
ｍの膜厚に形成し、さらにチャネルを埋め込むｎ−Ｉｎ
Ｐチャネル埋め込み層８を順次形成する。続いて、ｐ側
電極形成側をエッチングしてチャネルを形成し、同様な
手法を用いて膜厚１００ｎｍのｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャ
リア注入ガイド層４を成長させ、さらにｐ−ＩｎＰチャ
ネル埋め込み層５およびｐ+ −ＩｎＧａＡｓコンタクト
層６を順次成長させる。次に、化学気相成長（ＣＶＤ）
法を用いてＳｉＯ2 絶縁膜９を形成し、電極形成領域を
窓明けを行った後に、ｐ側電極１０とｎ側電極１１を形
成する。
エッチングもしくはウエットエッチング法を用いてｎ側
電極形成側にチャネルを形成し、液相成長（ＬＰＥ：Li
quidPhase Epitaxy）法もしくはＭＯＶＰＥ法を用いて
ｎ−ＩｎＧａＡｓＰキャリア注入ガイド層７を１００ｎ
ｍの膜厚に形成し、さらにチャネルを埋め込むｎ−Ｉｎ
Ｐチャネル埋め込み層８を順次形成する。続いて、ｐ側
電極形成側をエッチングしてチャネルを形成し、同様な
手法を用いて膜厚１００ｎｍのｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャ
リア注入ガイド層４を成長させ、さらにｐ−ＩｎＰチャ
ネル埋め込み層５およびｐ+ −ＩｎＧａＡｓコンタクト
層６を順次成長させる。次に、化学気相成長（ＣＶＤ）
法を用いてＳｉＯ2 絶縁膜９を形成し、電極形成領域を
窓明けを行った後に、ｐ側電極１０とｎ側電極１１を形
成する。
【００１９】図２は、第１の実施例におけるキャリアの
注入状況を模式的に示したバンドダイアグラムである
（但し、図２では、図を見やすくするために、価電子帯
側のｐ−ＩｎＰチャネル埋め込み層５、ｐ−ＩｎＧａＡ
ｓＰキャリア注入ガイド層４のバンドの表示は省略し
た。これらは、伝導帯側のｎ−ＩｎＰチャネル埋め込み
層８、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰキャリア注入ガイド層７のバ
ンド構造と同様である。）。
注入状況を模式的に示したバンドダイアグラムである
（但し、図２では、図を見やすくするために、価電子帯
側のｐ−ＩｎＰチャネル埋め込み層５、ｐ−ＩｎＧａＡ
ｓＰキャリア注入ガイド層４のバンドの表示は省略し
た。これらは、伝導帯側のｎ−ＩｎＰチャネル埋め込み
層８、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰキャリア注入ガイド層７のバ
ンド構造と同様である。）。
【００２０】この実施例の場合、図２に示すように、ｎ
側電極１１（ｐ側電極１０）から注入されたキャリア
（同図中ｅは電子を、ｈはホールを示す）は、ｎ−Ｉｎ
Ｐチャネル埋め込み層８（ｐ−ＩｎＰチャネル埋め込み
層５）を通りまずエネルギーの低いｎ−ＩｎＧａＡｓＰ
キャリア注入ガイド層７（ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャリア
注入ガイド層４）に注入される。キャリア注入ガイド層
のバンドギャップは量子井戸の障壁層のバンドギャップ
よりも小さいため一度キャリア注入ガイド層に注入され
たキャリアは熱励起された少数のキャリアを除いて殆ど
全てが量子井戸層に注入されることになる。
側電極１１（ｐ側電極１０）から注入されたキャリア
（同図中ｅは電子を、ｈはホールを示す）は、ｎ−Ｉｎ
Ｐチャネル埋め込み層８（ｐ−ＩｎＰチャネル埋め込み
層５）を通りまずエネルギーの低いｎ−ＩｎＧａＡｓＰ
キャリア注入ガイド層７（ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャリア
注入ガイド層４）に注入される。キャリア注入ガイド層
のバンドギャップは量子井戸の障壁層のバンドギャップ
よりも小さいため一度キャリア注入ガイド層に注入され
たキャリアは熱励起された少数のキャリアを除いて殆ど
全てが量子井戸層に注入されることになる。
【００２１】従って、従来の縦注入多重量子井戸レーザ
では不均一注入のために実現が困難であった量子井戸層
数が極めて多い多重量子井戸構造が可能になり、更にキ
ャリア注入ガイド層なしの横注入レーザに比べて障壁層
上に分布するキャリア数が少ない分、量子井戸層に対す
るキャリア注入効率が向上する。
では不均一注入のために実現が困難であった量子井戸層
数が極めて多い多重量子井戸構造が可能になり、更にキ
ャリア注入ガイド層なしの横注入レーザに比べて障壁層
上に分布するキャリア数が少ない分、量子井戸層に対す
るキャリア注入効率が向上する。
【００２２】また、キャリア注入ガイド層の組成に対応
する波長が発振波長よりも短いため、キャリア注入ガイ
ド層が吸収ロスの原因になることも回避できる。この実
施例のような活性層をエッチングでメサ状に形成する方
法は、活性層（量子井戸層、障壁層、光導波路層、クラ
ッド層）の材料がＡｌを含んでいる場合には、Ａｌの酸
化等による特性低下が懸念されるが、長波長レーザの場
合には上記の方法により高品質の製品を得ることができ
る。
する波長が発振波長よりも短いため、キャリア注入ガイ
ド層が吸収ロスの原因になることも回避できる。この実
施例のような活性層をエッチングでメサ状に形成する方
法は、活性層（量子井戸層、障壁層、光導波路層、クラ
ッド層）の材料がＡｌを含んでいる場合には、Ａｌの酸
化等による特性低下が懸念されるが、長波長レーザの場
合には上記の方法により高品質の製品を得ることができ
る。
【００２３】第１の実施例では、共振器長３００μｍで
前方、後方端面にそれぞれ反射率１％、７０％のコーテ
ィングを施し光出力特性を測定したところ室温でしきい
値：５ｍＡ、スロープ効率：０．６Ｗ／Ａの値が得られ
た。また、量子井戸層数を１５層と極めて大きくするこ
とができたため、微分利得も向上ししきい値の２倍の駆
動電流の時の緩和振動周波数は１２ＧＨｚと極めて大き
い値を得ることができた。これら値は従来の注入ガイド
層なしの横注入型多重量子井戸レーザにくらべてしきい
値で約５ｍＡ低く、スロープ効率で約一割程大きく、緩
和振動周波数は約１．５倍高かった。
前方、後方端面にそれぞれ反射率１％、７０％のコーテ
ィングを施し光出力特性を測定したところ室温でしきい
値：５ｍＡ、スロープ効率：０．６Ｗ／Ａの値が得られ
た。また、量子井戸層数を１５層と極めて大きくするこ
とができたため、微分利得も向上ししきい値の２倍の駆
動電流の時の緩和振動周波数は１２ＧＨｚと極めて大き
い値を得ることができた。これら値は従来の注入ガイド
層なしの横注入型多重量子井戸レーザにくらべてしきい
値で約５ｍＡ低く、スロープ効率で約一割程大きく、緩
和振動周波数は約１．５倍高かった。
【００２４】［第２の実施例］図３は、本発明の第２の
実施例のリッジ型１．３μｍ帯多重量子井戸型半導体レ
ーザの断面図である。同図において、１はＳＩ−ＩｎＰ
基板、２はＭＱＷ活性層、３ａ、３ｂはＨＲ−ＩｎＰク
ラッド層、４ａはｐ−ＩｎＰキャリア注入ガイド層、６
はｐ+ −ＩｎＧａＡｓコンタクト層、７は１．１３μｍ
組成のｎ−ＩｎＧａＡｓＰキャリア注入ガイド層、９は
ＳｉＯ2 絶縁膜、１０はｐ側電極、１１はｎ側電極であ
る。
実施例のリッジ型１．３μｍ帯多重量子井戸型半導体レ
ーザの断面図である。同図において、１はＳＩ−ＩｎＰ
基板、２はＭＱＷ活性層、３ａ、３ｂはＨＲ−ＩｎＰク
ラッド層、４ａはｐ−ＩｎＰキャリア注入ガイド層、６
はｐ+ −ＩｎＧａＡｓコンタクト層、７は１．１３μｍ
組成のｎ−ＩｎＧａＡｓＰキャリア注入ガイド層、９は
ＳｉＯ2 絶縁膜、１０はｐ側電極、１１はｎ側電極であ
る。
【００２５】また、ＭＱＷ活性層２は、１．４μｍ組成
で厚さ６．２ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層および厚
さ１０ｎｍのＩｎＰ障壁層からなり、電子とホールの第
１量子準位間のエネルギー差は波長に換算すると１．３
μｍで、量子井戸層数は５層である。この実施例の場合
は、ｐ側およびｎ側のＩｎＰチャネル埋め込み層５、８
が除去され、ｎ側ではキャリア注入ガイド層がそのまま
電極とのコンタクト層になっている点、およびｐ側のキ
ャリア注入ガイド層４ａがＭＱＷ活性層２の障壁層と同
じＩｎＰであることに特徴がある。この第２の実施例の
半導体レーザは、第１の実施例の製造方法からｎ−、ｐ
−ＩｎＰチャネル埋め込み層８、５のエピタキシャル成
長工程を削除するだけでほぼ第１の実施例の場合と同様
の工程により作製することができる。
で厚さ６．２ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層および厚
さ１０ｎｍのＩｎＰ障壁層からなり、電子とホールの第
１量子準位間のエネルギー差は波長に換算すると１．３
μｍで、量子井戸層数は５層である。この実施例の場合
は、ｐ側およびｎ側のＩｎＰチャネル埋め込み層５、８
が除去され、ｎ側ではキャリア注入ガイド層がそのまま
電極とのコンタクト層になっている点、およびｐ側のキ
ャリア注入ガイド層４ａがＭＱＷ活性層２の障壁層と同
じＩｎＰであることに特徴がある。この第２の実施例の
半導体レーザは、第１の実施例の製造方法からｎ−、ｐ
−ＩｎＰチャネル埋め込み層８、５のエピタキシャル成
長工程を削除するだけでほぼ第１の実施例の場合と同様
の工程により作製することができる。
【００２６】本実施例の半導体レーザにおいては、ｎ側
電極１１から注入された電子はもともと障壁層よりもエ
ネルギーの低いキャリア注入ガイド層７から量子井戸活
性層に注入されるため障壁層上には分布できず極めて効
率的に量子井戸層に注入されることになる。一方、ホー
ルは電子によって引きつけられるため同様に効率良く量
子井戸層に注入されることになる。更に、この実施例の
場合はｐ側のキャリア注入ガイド層が障壁層と同じＩｎ
Ｐであるため、電子のｐ側キャリア注入ガイド層へのオ
ーバーフローも抑止できるため第１の実施例に比べてさ
らに注入効率が向上し、高温での特性の低下も抑制でき
る。
電極１１から注入された電子はもともと障壁層よりもエ
ネルギーの低いキャリア注入ガイド層７から量子井戸活
性層に注入されるため障壁層上には分布できず極めて効
率的に量子井戸層に注入されることになる。一方、ホー
ルは電子によって引きつけられるため同様に効率良く量
子井戸層に注入されることになる。更に、この実施例の
場合はｐ側のキャリア注入ガイド層が障壁層と同じＩｎ
Ｐであるため、電子のｐ側キャリア注入ガイド層へのオ
ーバーフローも抑止できるため第１の実施例に比べてさ
らに注入効率が向上し、高温での特性の低下も抑制でき
る。
【００２７】また、この実施例では、従来の縦注入方法
のリッジ型多重量子井戸レーザで問題になるメサトップ
上のコンタクト面積の狭小さからくるコンタクト抵抗の
増大を完全に回避することができ、高温特性を更に向上
させることができるという利点を有している。この第２
の実施例においては、共振器長を１５０μｍとし、端面
にそれぞれ反射率７０％、９５％の高反射膜をつけた場
合のしきい値は、室温および８５℃でそれぞれ約１ｍ
Ａ、２．５ｍＡで従来の横注入型多重量子井戸半導体レ
ーザに比較してそれぞれ約半減した。
のリッジ型多重量子井戸レーザで問題になるメサトップ
上のコンタクト面積の狭小さからくるコンタクト抵抗の
増大を完全に回避することができ、高温特性を更に向上
させることができるという利点を有している。この第２
の実施例においては、共振器長を１５０μｍとし、端面
にそれぞれ反射率７０％、９５％の高反射膜をつけた場
合のしきい値は、室温および８５℃でそれぞれ約１ｍ
Ａ、２．５ｍＡで従来の横注入型多重量子井戸半導体レ
ーザに比較してそれぞれ約半減した。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による長波
長半導体レーザは、多重量子井戸の側面に、バンドギャ
ップエネルギーが量子井戸のそれより大きく障壁層のそ
れより小さい半導体材料からなるキャリア注入ガイド層
を設けたものであるので、量子効果を十分に引き出すた
め各量子井戸間のキャリアの波動関数の重なりを抑制す
るのに十分な厚さの障壁層を持ち、高い利得を実現する
ために量子井戸層数即ち障壁層数を多くしても、量子井
戸層への高い注入効率を維持し障壁層上に存在するキャ
リアの数を抑制することができるため、しきい値、スロ
ープ効率等のレーザ特性の向上を図ることができる。
長半導体レーザは、多重量子井戸の側面に、バンドギャ
ップエネルギーが量子井戸のそれより大きく障壁層のそ
れより小さい半導体材料からなるキャリア注入ガイド層
を設けたものであるので、量子効果を十分に引き出すた
め各量子井戸間のキャリアの波動関数の重なりを抑制す
るのに十分な厚さの障壁層を持ち、高い利得を実現する
ために量子井戸層数即ち障壁層数を多くしても、量子井
戸層への高い注入効率を維持し障壁層上に存在するキャ
リアの数を抑制することができるため、しきい値、スロ
ープ効率等のレーザ特性の向上を図ることができる。
【図１】本発明の第１の実施例の断面図。
【図２】本発明の第１の実施例でのキャリア注入状態を
模式的に示した図。
模式的に示した図。
【図３】本発明の第２の実施例の断面図。
【図４】従来の多重量子井戸半導体レーザのバンド構造
図。
図。
【図５】従来の縦注入型多重量子井戸半導体レーザのキ
ャリア蓄積状態を示すキャリア密度分布図。
ャリア蓄積状態を示すキャリア密度分布図。
１ 半絶縁性ＩｎＰ基板（ＳＩ−ＩｎＰ基板） ２ 多重量子井戸活性層（ＭＱＷ活性層） ２ａ ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層 ２ｂ ＩｎＧａＡｓＰ障壁層 ３、３ａ、３ｂ 絶縁性または半絶縁性ＩｎＰクラッド
層（ＨＲ−ＩｎＰクラッド層） ４ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャリア注入ガイド層 ４ａ ｐ−ＩｎＰキャリア注入ガイド層 ５ ｐ−ＩｎＰチャネル埋め込み層 ６ ｐ+ −ＩｎＧａＡｓコンタクト層 ７ ｎ−ＩｎＧａＡｓＰキャリア注入ガイド層 ８ ｎ−ＩｎＰチャネル埋め込み層 ９ ＳｉＯ2 絶縁膜 １０ ｐ側電極 １１ ｎ側電極 １０１ ｎ−ＩｎＰバッファ層 １０２ １．１３μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層 １０３ １．１３μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ障壁層 １０４ １．４μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層 １０５ ｐ−ＩｎＰクラッド層 １１１ 電子の第１量子準位 １１２ ホールの第１量子準位
層（ＨＲ−ＩｎＰクラッド層） ４ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャリア注入ガイド層 ４ａ ｐ−ＩｎＰキャリア注入ガイド層 ５ ｐ−ＩｎＰチャネル埋め込み層 ６ ｐ+ −ＩｎＧａＡｓコンタクト層 ７ ｎ−ＩｎＧａＡｓＰキャリア注入ガイド層 ８ ｎ−ＩｎＰチャネル埋め込み層 ９ ＳｉＯ2 絶縁膜 １０ ｐ側電極 １１ ｎ側電極 １０１ ｎ−ＩｎＰバッファ層 １０２ １．１３μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層 １０３ １．１３μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ障壁層 １０４ １．４μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層 １０５ ｐ−ＩｎＰクラッド層 １１１ 電子の第１量子準位 １１２ ホールの第１量子準位
Claims (6)
- 【請求項１】 メサ状に形成された、多重量子井戸活性
層とこれを上下から挟む絶縁性または半絶縁性半導体層
とによりなるストライプ状半導体層と、前記ストライプ
状半導体層の左右の側面に形成されたｎ型およびｐ型の
キャリア注入ガイド薄層とを有する長波長半導体レーザ
であって、一方のキャリア注入ガイド薄層のバンドギャ
ップエネルギーは、前記多重量子井戸活性層の量子井戸
層組成と層厚および障壁層組成によって決定される電子
とホールの第１量子準位間のエネルギー差より大きく、
かつ、前記多重量子井戸活性層の障壁層に用いられる半
導体のバンドギャップエネルギーより小さく、他方のキ
ャリア注入ガイド薄層のバンドギャップエネルギーは、
前記多重量子井戸活性層の量子井戸層組成と層厚および
障壁層組成によって決定される電子とホールの第１量子
準位間のエネルギー差より大きいことを特徴とする長波
長半導体レーザ。 - 【請求項２】 前記多重量子井戸活性層に歪みが導入さ
れていることを特徴とする請求項１記載の長波長半導体
レーザ。 - 【請求項３】 前記ストライプ状半導体層およびこれを
側面から被覆するキャリア注入ガイド薄層をｐ型および
ｎ型のチャネル埋め込み層によって埋め込んでいること
を特徴とする請求項１記載の長波長半導体レーザ。 - 【請求項４】 （１）半絶縁性半導体基板上に多重量子
井戸活性層および絶縁性または半絶縁性半導体層をエピ
タキシャル成長させる工程と、 （２）ストライプ状半導体領域となる前記多重量子井戸
活性層の一方の側の側面を露出させるように前記半導体
層および前記多重量子井戸活性層をエッチング除去する
工程と、 （３）露出した前記半導体層および前記多重量子井戸活
性層の一方の側の側面に、バンドギャップエネルギー
が、前記多重量子井戸活性層の量子井戸層組成と層厚お
よび障壁層組成によって決定される電子とホールの第１
量子準位間のエネルギー差より大きく、かつ、前記多重
量子井戸活性層の障壁層に用いられる半導体のバンドギ
ャップエネルギーより小さい半導体材料からなる第１の
キャリア注入ガイド薄層をエピタキシャル成長させる工
程と、 （４）ストライプ状半導体領域となる前記多重量子井戸
活性層の他方の側の側面を露出させるように前記半導体
層および前記多重量子井戸活性層をエッチング除去する
工程と、 （５）露出した前記半導体層および前記多重量子井戸活
性層の他方の側の側面に、バンドギャップエネルギー
が、前記多重量子井戸活性層の量子井戸層組成と層厚お
よび障壁層組成によって決定される電子とホールの第１
量子準位間のエネルギー差より大きい半導体材料からな
る第２のキャリア注入ガイド薄層をエピタキシャル成長
させる工程と、を含むことを特徴とする長波長半導体レ
ーザの製造方法。 - 【請求項５】 （１）半絶縁性半導体基板上に多重量子
井戸活性層および絶縁性または半絶縁性半導体層をエピ
タキシャル成長させる工程と、 （２）ストライプ状半導体領域となる前記多重量子井戸
活性層の一方の側の側面を露出させるように前記半導体
層および前記多重量子井戸活性層をエッチング除去する
工程と、 （３）露出した前記半導体層および前記多重量子井戸活
性層の一方の側の側面に、バンドギャップエネルギー
が、前記多重量子井戸活性層の量子井戸層組成と層厚お
よび障壁層組成によって決定される電子とホールの第１
量子準位間のエネルギー差より大きい半導体材料からな
る第２のキャリア注入ガイド薄層をエピタキシャル成長
させる工程と、 （４）ストライプ状半導体領域となる前記多重量子井戸
活性層の他方の側の側面を露出させるように前記半導体
層および前記多重量子井戸活性層をエッチング除去する
工程と、 （５）露出した前記半導体層および前記多重量子井戸活
性層の他方の側の側面に、バンドギャップエネルギー
が、前記多重量子井戸活性層の量子井戸層組成と層厚お
よび障壁層組成によって決定される電子とホールの第１
量子準位間のエネルギー差より大きく、かつ、前記多重
量子井戸活性層の障壁層に用いられる半導体のバンドギ
ャップエネルギーより小さい半導体材料からなる第１の
キャリア注入ガイド薄層をエピタキシャル成長させる工
程と、を含むことを特徴とする長波長半導体レーザの製
造方法。 - 【請求項６】 前記第（３）の工程および前記第（５）
の工程に続けて、ストライプ状の前記多重量子井戸活性
層および前記半導体層を埋め込むチャネル埋め込み層を
成長させる工程が付加されていることを特徴とする請求
項４または５記載の長波長半導体レーザの製造方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7058282A JP2677232B2 (ja) | 1995-02-23 | 1995-02-23 | 長波長半導体レーザおよびその製造方法 |
| US08/606,314 US5956358A (en) | 1995-02-23 | 1996-02-23 | Semiconductor laser having an improved lateral carrier injection structure to multiple quantum well layers |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7058282A JP2677232B2 (ja) | 1995-02-23 | 1995-02-23 | 長波長半導体レーザおよびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08236857A true JPH08236857A (ja) | 1996-09-13 |
| JP2677232B2 JP2677232B2 (ja) | 1997-11-17 |
Family
ID=13079842
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7058282A Expired - Fee Related JP2677232B2 (ja) | 1995-02-23 | 1995-02-23 | 長波長半導体レーザおよびその製造方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5956358A (ja) |
| JP (1) | JP2677232B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000277857A (ja) * | 1999-03-19 | 2000-10-06 | Nec Corp | 半導体光素子およびその製造方法 |
| US6798552B2 (en) | 2002-02-18 | 2004-09-28 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor light modulator |
| JP2020021865A (ja) * | 2018-08-02 | 2020-02-06 | 日本ルメンタム株式会社 | 半導体光素子及び光送受信モジュール |
| WO2024048882A1 (ko) * | 2022-08-31 | 2024-03-07 | 주식회사 오이솔루션 | 레이저 소자 제조방법 |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6573530B1 (en) | 2001-02-09 | 2003-06-03 | Nortel Networks Limited | Multiple quantum well optoelectronic devices |
| GB2406213B (en) * | 2003-09-20 | 2006-07-26 | Agilent Technologies Inc | Semiconductor device |
| CN106253055B (zh) * | 2016-08-26 | 2019-08-20 | 武汉光迅科技股份有限公司 | 一种基于侧向p-i-n结构的电吸收激光器及其制造方法 |
| US10355453B2 (en) * | 2017-11-08 | 2019-07-16 | International Business Machines Corporation | Electro-optical device with lateral electron blocking layer |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6267890A (ja) * | 1985-09-20 | 1987-03-27 | Hitachi Ltd | 半導体レ−ザ |
| JP2772000B2 (ja) * | 1988-11-25 | 1998-07-02 | 工業技術院長 | 電極分離型半導体レーザ装置 |
| JP2672851B2 (ja) * | 1989-01-30 | 1997-11-05 | 工業技術院長 | 自励発振半導体レーザ装置 |
| JPH02298090A (ja) * | 1989-05-12 | 1990-12-10 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 半導体発光素子及びその製造方法 |
| JP2553731B2 (ja) * | 1990-04-13 | 1996-11-13 | 三菱電機株式会社 | 半導体光素子 |
| JP2697615B2 (ja) * | 1994-07-07 | 1998-01-14 | 日本電気株式会社 | 多重量子井戸半導体レーザ |
-
1995
- 1995-02-23 JP JP7058282A patent/JP2677232B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1996
- 1996-02-23 US US08/606,314 patent/US5956358A/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2000277857A (ja) * | 1999-03-19 | 2000-10-06 | Nec Corp | 半導体光素子およびその製造方法 |
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