JPH08250807A

JPH08250807A - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JPH08250807A
Application number: JP5254195A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Ohashi; 弘美大橋; 卓夫 ▲廣▼野; Takuo Hirono; Shunji Seki; 関　　俊司
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1995-03-13
Filing date: 1995-03-13
Publication date: 1996-09-27
Anticipated expiration: 2017-01-28
Also published as: JP3249999B2

Abstract

(57)【要約】【目的】多重量子井戸構造の活性層を有する半導体レ
ーザ装置において、量子井戸層の層数を増やして、高出
力化ができるようにすることを目的とする。【構成】量子井戸層４１ａは膜厚３．５ｎｍ、量子井
戸層４１ｂは膜厚４．５ｎｍ、量子井戸層４１ｃは膜厚
５．５ｎｍ、量子井戸層４１ｄは膜厚６．５ｎｍ、量子
井戸層４１ｅは膜厚７．５ｎｍとする。そして、量子井
戸層４１ａ〜４１ｅは、ｎ型領域である下部ガイド層３
に近いほどバンドギャップを広げるようにして、それぞ
れの量子準位が等しくなるようにすることで、その発振
波長が一致する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、多重量子井戸構造の
活性層を有する高出力の半導体レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザ装置は、各種のレーザの中
でも大きさが微小なため、各種の装置に組み込みやすい
という大きな特徴を備えており、広範囲な応用例を有し
ている。その高性能化を一層進めるためには、低しきい
値化と高出力化が課題として挙げられる。これらの課題
のため、活性層に多重量子井戸構造を用いた、注入型の
半導体レーザ装置がある。

【０００３】図７は、注入型の半導体レーザ装置の構成
を示す断面図である。同図において、１はｎ型のＩｎＰ
からなる基板、２は基板１上にＭＯＣＶＤ法などにより
形成されたｎ型のＩｎＰからなる下部クラッド層、３は
同様にして下部クラッド層２上に形成されたＩｎＧａＡ
ｓＰからなる下部ガイド層である。また、４ａはＩｎＧ
ａＡｓＰからなる量子井戸層とそれよりＰが多いなどに
よりバンドギャップが広いＩｎＧａＡｓＰからなる障壁
層とが複数形成された多重量子井戸構造となっている活
性層、５は活性層４ａ上に形成されたＩｎＧａＡｓＰか
らなる上部ガイド層、６はｐ型のＩｎＰからなる上部ク
ラッド層、７はｐ型のＩｎＧａＡｓＰからなるキャップ
層である。そして、８は下部電極、９は上部電極であ
る。

【０００４】この半導体レーザ装置において、上部電極
９に（＋）、下部電極８に（−）の順方向電圧を印加す
ることで、上部クラッド層６などのｐ型領域より活性層
４ａに対して正孔が注入され、下部クラッド層２などの
ｎ型領域より活性層４ａに対して電子が注入される。そ
して、活性層４ａとｐ型領域およびｎ型領域との間に
は、バンドギャップ差に基づく電位障壁が形成され、活
性層４ａに電子および正孔が閉じ込められる。これらの
密度はわずかな電流で高くなり、光の増幅（誘導放出）
が生じやすい状態となり、そして、活性層４ａにおいて
レーザが発振する。

【０００５】このような半導体レーザ装置において、多
重量子井戸構造は、発振しきい値電流密度を低減化する
なかで、活性層の厚みを極限まで薄くできるという効果
がある。そして、これらのみならず、量子井戸構造にお
いては、電子や正孔が量子力学的な波動としての振る舞
いを示すことから、半導体レーザ装置のさらなる高性能
化に大きな効果をもたらしている。ここで、このような
半導体レーザ装置においては、多重量子井戸構造の量子
井戸の層数を増加させることで、実効的な光電変換部の
体積を増加させることができ、高出力化が期待できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
多重量子井戸構造では、以下に示すような原因により、
量子井戸層の層数を増加させても、この層数がある程度
以上になると、期待どおりの高出力化が得られないとい
う問題があった。多重量子井戸構造において、その量子
井戸層数がある程度以上となっていくと、正孔の分布が
一様でなくなっていく。これは、正孔が電子に比較して
その有効質量がかなり大きく、拡散長が短いためであ
る。

【０００７】そして、このために、多重量子井戸構造の
量子井戸層数を増加させると、ｐ型領域から注入された
正孔が、活性層の中で全ての量子井戸層に行き渡り難く
なり、ｎ型領域近くの量子井戸層には、正孔が注入され
難くなる。このことは、キャリアの注入効率の低下や、
光学的損失の増加を招くものであり、高出力化の妨げと
なっていた。

【０００８】この発明は、以上のような問題点を解消す
るためになされたものであり、多重量子井戸構造の活性
層を有する半導体レーザ装置において、量子井戸層の層
数を増やして、高出力化ができるようにすることを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明の半導体レーザ
装置は、活性層を構成する量子井戸層は、ｎ型半導体領
域側よりｐ型半導体領域側になるにつれて、それぞれの
量子準位が一致した状態でその膜厚が薄くなっていくこ
とを特徴とする。また、この発明の半導体レーザ装置
は、活性層を構成する障壁層は、ｎ型半導体領域側より
ｐ型半導体領域側になるにつれて、その膜厚が薄くなっ
ていくことを特徴とする。また、この発明の半導体レー
ザ装置は、活性層を構成する障壁層は、ｎ型半導体領域
側よりｐ型半導体領域側になるにつれて、そのバンドギ
ャップが小さくなっていくことを特徴とする。そして、
この発明の半導体レーザ装置は、活性層を構成する障壁
層中に、それよりバンドギャップが小さい材料からなる
中間層を有し、この中間層の量子準位が障壁層より小さ
く活性層を構成する量子井戸層より高いことを特徴とす
る。

【００１０】

【作用】量子井戸層の膜厚やバンドギャップをｎ型半導
体領域側よりｐ型半導体領域側にかけて変化させるよう
にしたので、ｐ型半導体領域側の量子井戸層における注
入された正孔の捕獲確率が低くなる。また、障壁層の膜
厚やバンドギャップをｎ型半導体領域側よりｐ型半導体
領域側にかけて変化させるようにしたので、ｐ型半導体
領域側の障壁層における正孔のトンネリングの確率が高
くなる。そして、障壁層中に、中間層を設けるようにし
たので、ｐ型半導体領域側の障壁層における正孔のトン
ネリングの確率が高くなる。

【００１１】

【実施例】まず、この発明の１実施例の説明の前に、本
発明の概要について説明する。量子井戸構造内でのキャ
リア（電子，正孔）の挙動は、拡散方程式で取り扱うこ
とができ、正孔は量子井戸構造内をｐ型領域からｎ型領
域へ拡散する。正孔の拡散には複数の過程が考えられ、
量子井戸層で捕獲される確率と量子井戸層に捕獲された
ものが一部障壁層に染み出し、隣の量子井戸層にトンネ
リングする確率が含まれる。正孔が量子井戸層に捕らわ
れる捕獲確率は、その量子井戸層の膜厚に関係し、厚い
ほどその捕獲確率が大きいことが知られている。

【００１２】ここで、この発明は、正孔がｐ型領域から
ｎ型領域へ拡散することを助長させるための手段の１つ
として、例えば量子井戸層の膜厚をそれぞれ異なるもの
にし、ｐ型領域の近くの層はその膜厚を最小として正孔
の捕獲確率を低減する。この場合、各量子井戸層は、ｐ
型領域からｎ型領域に近づくに従って、遷移波長が短波
長化するようにして量子準位を一致させ、それぞれの発
振波長が一致するようにする。このことによって、発振
波長を単一に保ったまま、ｎ型領域に近い部分に正孔が
分布する確率を増加させる作用を与える。

【００１３】また、同様な作用を得られる手段として、
障壁層の膜厚をそれぞれ異なるものとし、ｐ型半導体領
域の近くの層の膜厚を最小とし、ｎ型領域に近づくに従
ってその膜厚を厚くするようにしてもよい。この場合、
量子井戸内の正孔が染み出して隣の量子井戸層へトンネ
リングする確率を、ｐ型領域に近いほど高くしておくこ
とになり、正孔の拡散を助長することになる。

【００１４】さらに同様な作用を得られる手段として、
障壁層を構成する材料の組成比をそれぞれ異なるものと
するようにしても良い。この場合、ｐ型領域に近い障壁
層ほど、その障壁エネルギーを低くするように、バンド
ギャップが小さくなるような組成比とすればよい。正孔
は、障壁エネルギーが低いほど、隣の量子井戸層に拡散
しやすくなり、結果として、多重量子井戸構造の活性層
内におけるｎ型領域近傍への正孔の拡散過程を助長する
ことになる。

【００１５】また、同様な作用を得られる手段として、
量子障壁層に極めて薄い中間層を設けると、正孔がｎ型
領域に拡散しやすい作用を与えることができる。一般
に、量子井戸構造内のキャリアの存在確率は量子井戸層
内にほとんど集中するが、前述したように、これら正孔
の一部が障壁層へ染み出し、この染み出した正孔がある
一定の割合で隣の量子井戸層へトンネリングする。ここ
で、障壁層中に、この障壁層よりバンドギャップエネル
ギーが小さく、かつ、量子準位の低い中間層を設けてお
くと、そのトンネリングの確率をより高くすることがで
きる。なお、この中間層の量子準位は量子井戸層よりは
高いものである。

【００１６】バンドギャップエネルギーが小さい材料、
例えば量子井戸層に用いる材料における量子準位は、そ
の厚さによって変化するものであり、薄いほど高いもの
となる。すなわち、障壁層の中に形成する中間層とし
て、例えば、より薄い量子井戸層を設けるようにすれば
よい。以上のことにより、正孔がｐ型領域からｎ型領域
へ拡散することを助長し、多重量子井戸構造の活性層内
におけるｎ型領域近傍への正孔の拡散過程を助長するこ
とになる。ただし、この中間層は幅が狭く、電子の量子
準位が障壁層における電子の量子準位とほぼ一致するた
め、量子井戸層とは異なり、レーザ発振には寄与しな
い。

【００１７】以下この発明の１実施例を図を参照して説
明する。実施例１．図１は、この発明の１実施例における、多重
量子井戸構造の活性層におけるバンドギャップの状態を
示す説明図である。同図において、同一符号は図７と同
様であり、４１ａ〜４１ｅは活性層４を構成するＩｎＧ
ａＡｓＰからなる量子井戸層である。また、４２は、量
子井戸層４１ａ〜４１ｅよりはバンドギャップが広いＩ
ｎＧａＡｓＰからなり、活性層４を構成する膜厚１０ｎ
ｍの障壁層である。

【００１８】そして、膜厚が、量子井戸層４１ａは３．
５ｎｍ、量子井戸層４１ｂは４．５ｎｍ、量子井戸層４
１ｃは５．５ｎｍ、量子井戸層４１ｄは６．５ｎｍ、量
子井戸層４１ｅは７．５ｎｍである。また、量子井戸層
４１ａ〜４１ｅは、ｎ型領域である下部ガイド層３に近
いほどバンドギャップを広げるようにして、それぞれの
量子準位が等しくなるようにすることで、その発振波長
が一致するようにしている。このバンドギャップを広げ
るためには、例えばＰの組成比を多くするようにすれば
よい。

【００１９】以上の構成で、共振器長を５００μｍと
し、発振するレーザの室温における特性を調べた。この
結果、発振波長は１．５３μｍであり、図２の相関図に
実線で示すように、注入電流の増加に対して、光出力も
増加している。そして、図２において、破線で示す従来
構成の半導体レーザ装置の特性に比較して、高出力とな
っていることが分かる。

【００２０】実施例２．ところで、上記実施例において
は、量子井戸層をｐ型領域側よりｎ型領域側へとその状
態を変化させるようにしたが、これに限るものではな
い。図３に示すように、まず、膜厚６ｎｍの量子井戸層
４１は、上部ガイド層５側から下部ガイド層３側にかけ
て、膜厚など同一の特性としておく。そして、膜厚１０
ｎｍの障壁層４２ａ〜４２ｃは、上部ガイド層３側ほ
ど、そのバンドギャップが小さくなるように構成してあ
る。このように構成することで、活性層４の上部ガイド
層５側では、このｐ型領域から注入される正孔の拡散を
助長することになる。そして、活性層４では、下部ガイ
ド層３近くまで正孔が注入されやすくなる。

【００２１】実施例３．また、障壁層の厚さをｐ型領域
に近いほど薄くするようにしても良い。図４に示すよう
に、障壁層４２ａ’〜４２ｃ’を、上部ガイド層５側よ
り下部ガイド層３側にかけて、その膜厚が４ｎｍから１
０ｎｍまで変化するように構成する。このことにより、
活性層４のｐ型領域である上部ガイド層５側では、トン
ネリングにより正孔が障壁層を通り抜ける確率が高くな
り、下部ガイド層３近くまで正孔が注入されやすくな
る。

【００２２】実施例４．図５は、この発明の第４の実施
例における、多重量子井戸構造の活性層におけるバンド
ギャップの状態を示す説明図である。同図において、同
一符号は、図１と同様であり、４１はＩｎＧａＡｓＰか
らなる膜厚５．５ｎｍの活性層４を構成する量子井戸層
である。また、４２’は中間層５１が挿入された膜厚１
３ｎｍの障壁層である。中間層５１は量子井戸層４１と
同一材料により形成し、その膜厚を２ｎｍとする。そし
て、２つの中間層５１を３ｎｍの間隔をあけて、均等に
障壁層４２’内に配置する。

【００２３】この結果、障壁層４２’の中に、量子準位
の低い部分が形成される。すなわち、中間層５１におけ
る電子の量子準位５２ａは、障壁層４２’の量子準位よ
りも低く、正孔の量子準位５２ｂも障壁層のそれより低
い。ただし、電子の量子準位５２ａは量子井戸４１にお
ける電子の量子準位５３ａより高く、また、正孔の量子
準位５２ｂも量子井戸４１における正孔の量子準位５３
ｂより高くしておく。これは、バンドギャップのせまい
材料が、形成膜厚に依存してその量子準位を変化させる
特性を利用したものである。膜厚が薄いほど量子準位は
高くなり、障壁層のそれに近づく。

【００２４】このように、障壁層４２’の中に、量子準
位の低くなった領域を設けておくことで、障壁層４２’
における正孔のトンネリングの確率が高くなり、結果と
して、ｎ型領域側の量子井戸層４１にまで正孔が注入さ
れやすくなる。以上の構成で、共振器長を５００μｍと
し、発振するレーザの室温における特性を調べた。この
結果、発振波長は１．５３μｍであり、上記実施例と同
様に、注入電流の増加に対して光出力も増加し、従来構
成の半導体レーザ装置の特性に比較して、より高出力と
なった。

【００２５】ここで、その中間層の厚さを変化させたと
きの、光出力の変化の状態を調べた。図６は、その結果
を示す特性図である。ここでは、１つの障壁層全体の厚
さは１３ｎｍと一定にして、中間層の厚さを変化させ
た。例えば、中間層の厚さが１ｎｍの場合、障壁層内に
２つの中間層を１１／３ｎｍの間隔で均一に配置した。

【００２６】この結果、中間層の厚さが１〜２．５ｎｍ
の範囲である場合に、効果を発揮していることが分か
る。中間層の厚さが２．５ｎｍ以上に厚くなると量子準
位が低くなり、量子井戸層の量子準位に近くなり、正孔
拡散の助長効果が無くなってくる。また、中間層を１ｎ
ｍよりも薄くすると、中間層における量子準位が障壁層
よりも高くなり、正孔のトンネリングの確率を高くする
効果はなくなる。すなわち、中間層においては、量子準
位を量子井戸層より高く、障壁層より低くしておく必要
がある。

【００２７】なお、上記実施例４において、障壁層に中
間層を２層配置するようにしたが、これに限るものでは
ない。障壁層中に中間層を１層配置するようにしても、
同様に効果が得られる。ただし、中間層１層の場合、中
間層と量子井戸層との距離が離れるため、中間層２層を
配置して、中間層と量子井戸層との距離を縮めるように
した方が、より高い効果が得られる。通常、障壁層とし
ては、最低１０ｎｍ程度あった方がよい。ここで、厚さ
２．５ｎｍの中間層を１つだけ厚さ１０ｎｍの障壁層内
に配置した場合、中間層と量子井戸層との距離は３．２
５ｎｍとなり、上記実施例２の場合より離れることにな
る。

【００２８】ところで、上記実施例においては、量子井
戸層のみを変化させたり、障壁層のみを変化させるよう
にしたが、これらを組み合わせるようにしても良い。例
えば、ｐ型半導体領域の近くの量子井戸層の膜厚を最小
とし、ｎ型領域に近づくに従ってその膜厚を厚くするこ
とに加え、ｐ型半導体領域近くの障壁層の膜厚を最小と
し、ｎ型領域に近づくに従ってその膜厚を厚くするよう
にしてもよい。また、例えば、実施例２に示した図５の
構成において、ｐ型半導体領域側になるにつれて、それ
ぞれの量子準位が一致した状態で量子井戸層４１の膜厚
を薄くしていくようにしても良い。

【００２９】なお、上記実施例では、量子井戸層と障壁
層にＰの濃度を変えたＩｎＧａＡｓＰを用いるようにし
たが、これに限るものではない。量子井戸層としてＩｎ
ＡｓＰを用い、障壁層にＩｎＧａＡｓＰを用いるように
しても良い。また、量子井戸層にＧａＡｓ，障壁層にＡ
ｌＧａＡｓ、量子井戸層にＩｎＧａＡｌＰ，障壁層にＩ
ｎＧａＡｌＰ、量子井戸層にＩｎＧａＰ，障壁層にＩｎ
ＧａＰ、また、量子井戸層にＩｎＧａＰ，障壁層にＩｎ
ＧａＡｌＰを用いるようにしても良い。ここで、量子井
戸層と障壁層とで、同一組成の材料を用いる場合、その
組成比を変えて、障壁層に用いる材料の方のバンドギャ
ップを大きくすればよい。すなわち、量子井戸層に用い
る材料より、障壁層に用いる材料の方をバンドギャップ
の大きいものとし、かつ、それらが格子整合する関係に
あればよい。

【００３０】また、上記実施例４において、中間層に量
子井戸層と同一の材料を用いるようにしたが、これに限
るものではない。障壁層と格子整合し、バンドギャップ
が小さい材料を用いるようにすれば、同様の効果を奏す
る。ところで、上記実施例においては、説明を簡略にす
るために、４，５層の量子井戸から構成されている多重
量子井戸構造の場合について説明した。実際には、８層
以上の量子井戸からなる多重量子井戸構造の活性層にお
いて、顕著な効果を発揮するものである。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、多重量子井戸構造の活性層における量子井戸層を、
この活性層を挾むｎ型領域側よりｐ型領域側になるにつ
れて、その量子準位が一致した状態で膜厚を薄くなって
いくようにし、バンドギャップが小さくなっていくよう
にした。また、多重量子井戸構造の活性層における障壁
層を、この活性層を挾むｎ型領域側よりｐ型領域側にな
るにつれて、バンドギャップが小さくなるようにした
り、膜厚が薄くなるようにした。そして、多重量子井戸
構造の活性層における障壁層の中に、障壁層より量子準
位が低い中間層を設けるようにした。

【００３２】それらの結果、多重量子井戸構造の活性層
において、この活性層を挾むｐ型領域側より注入された
正孔が、ｎ型領域側の量子井戸にまで、より均一に注入
されるようになる。このため、量子井戸層の層数が多い
場合でも光出力を低下させず、量子井戸層の層数を増や
して、高出力化ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の１実施例における多重量子井戸構
造の活性層におけるバンドギャップの状態を示す説明図
である。

【図２】注入電流と光出力の関係を示す相関図であ
る。

【図３】この発明の他の実施例における多重量子井戸
構造の活性層におけるバンドギャップの状態を示す説明
図である。

【図４】この発明の他の実施例における多重量子井戸
構造の活性層におけるバンドギャップの状態を示す説明
図である。

【図５】この発明の第２の実施例における多重量子井
戸構造の活性層におけるバンドギャップの状態を示す説
明図である。

【図６】中間層の厚さを変化させたときの、光出力の
変化の状態を示す特性図である。

【図７】従来の注入型の半導体レーザ装置の構成を示
す断面図である。

【符号の説明】

２…下部クラッド層、３…下部ガイド層、４…活性層、
５…上部ガイド層、６…上部クラッド層、４１，４１ａ
〜４１ｅ…量子井戸層、４２，４２ａ〜４２ｃ，４２’
…障壁層、５１…中間層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域に挟ま
れ、前記ｐ型半導体領域より順方向電圧が加えられたと
き、前記ｐ型半導体領域より正孔が注入される多重量子
井戸構造の活性層を有する半導体レーザ装置において、前記活性層を構成する量子井戸層は、前記ｎ型半導体領
域側よりｐ型半導体領域側になるにつれて、それぞれの
量子準位が一致した状態でその膜厚が薄くなっていくこ
とを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域に挟ま
れ、前記ｐ型半導体領域より順方向電圧が加えられたと
き、前記ｐ型半導体領域より正孔が注入される多重量子
井戸構造の活性層を有する半導体レーザ装置において、前記活性層を構成する障壁層は、前記ｎ型半導体領域側
よりｐ型半導体領域側になるにつれて、その膜厚が薄く
なっていくことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項３】ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域に挟ま
れ、前記ｐ型半導体領域より順方向電圧が加えられたと
き、前記ｐ型半導体領域より正孔が注入される多重量子
井戸構造の活性層を有する半導体レーザ装置において、前記活性層を構成する障壁層は、前記ｎ型半導体領域側
よりｐ型半導体領域側になるにつれて、そのバンドギャ
ップが小さくなっていくことを特徴とする半導体レーザ
装置。
【請求項４】請求項２記載の半導体レーザ装置におい
て、前記障壁層は、前記ｎ型半導体領域側よりｐ型半導体領
域側になるにつれて、そのバンドギャップが小さくなっ
ていくことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項５】請求項１記載の半導体レーザ装置におい
て、前記活性層を構成する障壁層は、前記ｎ型半導体領域側
よりｐ型半導体領域側になるにつれて、その膜厚が薄く
なっていくことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項６】請求項１または請求項５記載の半導体レ
ーザ装置において、前記活性層を構成する障壁層は、前記ｎ型半導体領域側
よりｐ型半導体領域側になるにつれて、そのバンドギャ
ップが小さくなっていくことを特徴とする半導体レーザ
装置。
【請求項７】ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域に挟ま
れ、前記ｐ型半導体領域より順方向電圧が加えられたと
き、前記ｐ型半導体領域より正孔が注入される多重量子
井戸構造の活性層を有する半導体レーザ装置において、前記活性層を構成する障壁層中に、それよりバンドギャ
ップが小さい材料からなる中間層を有し、前記中間層の量子準位が前記障壁層より小さく前記活性
層を構成する量子井戸層より高いことを特徴とする半導
体レーザ装置。
【請求項８】請求項７記載の半導体レーザ装置におい
て、前記活性層を構成する量子井戸層は、前記ｎ型半導体領
域側よりｐ型半導体領域側になるにつれて、それぞれの
量子準位が一致した状態でその膜厚が薄くなっていくこ
とを特徴とする半導体レーザ装置。