JPH10145003A - Semiconductor laser and optical communication system using the same - Google Patents

Semiconductor laser and optical communication system using the same

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JPH10145003A
JPH10145003A JP30441496A JP30441496A JPH10145003A JP H10145003 A JPH10145003 A JP H10145003A JP 30441496 A JP30441496 A JP 30441496A JP 30441496 A JP30441496 A JP 30441496A JP H10145003 A JPH10145003 A JP H10145003A
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JP
Japan
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layer
semiconductor laser
semiconductor
strain
type
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JP30441496A
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Japanese (ja)
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Masahiko Kondo
正彦 近藤
Takeshi Kitatani
健 北谷
Shinichi Nakatsuka
慎一 中塚
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GIJUTSU KENKYU KUMIAI SHINJOHO
GIJUTSU KENKYU KUMIAI SHINJOHO SHIYORI KAIHATSU KIKO
Hitachi Ltd
Original Assignee
GIJUTSU KENKYU KUMIAI SHINJOHO
GIJUTSU KENKYU KUMIAI SHINJOHO SHIYORI KAIHATSU KIKO
Hitachi Ltd
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Publication date
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    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
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    • H01S5/32358Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength longer than 1000 nm, e.g. InP-based 1300 nm and 1500 nm lasers containing very small amounts, usually less than 1%, of an additional III or V compound to decrease the bandgap strongly in a non-linear way by the bowing effect
    • H01S5/32366(In)GaAs with small amount of N
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    • H01S5/343Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34346Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser characterised by the materials of the barrier layers

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laser having high performance by reducing a strain of an active quantum well layer under the condition of sufficiently ensuring an electron and hole confinement energy of a long wave length band semiconductor laser. SOLUTION: An active layer 7 is made to have a quantum well structure, a nitrogen system V group mixed crystal semiconductor such as GaInNAs is used for a well layer 6, and a semiconductor of stretching strain for barrier layers (light guide layers) 4 and 5. GaNAs or GaNPAs is preferable for the semiconductor having stretching strain. Electron and positive hole confinement energy can be sufficiently ensured by using the nitrogen based V group mixed crystal semiconductor for both the well layer 6 and the barrier layers 4 and 5. Also each layer's strain of the quantum well active layer and the total strain can be simultaneously reduced by stress compensation by the well layer 6 and the barrier layers 4 and 5. By this means a semiconductor laser having a high performance can be provided.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ技術
に関し、特に、長波長帯半導体レーザの設計の許容度を
高めた高性能な半導体レーザおよびそれを用いた光通信
システムに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to semiconductor laser technology, and more particularly, to a high-performance semiconductor laser in which the design tolerance of a long-wavelength semiconductor laser is increased and an optical communication system using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在実用化されている光通信システム用
半導体レーザは、全てInP基板上に作製され、活性層
にGaInPAsまたはAlGaInAs混晶半導体を
用いている。量子井戸構造および屈折率導波型構造の採
用により非常に高性能になっている。しかし、高温動作
時に特性が大きく劣化する大きな欠点を持っている。幹
線系光ファイバ通信では半導体レーザをペルチェ電熱素
子で冷却しながら使用しているが、光ファイバ通信が各
家庭・オフィスへ、各コンピュータへと導入される今後
の加入者系光ファイバ通信では半導体レーザ送信モジュ
ールの低価格化と低消費電力化が必須であり、冷却素子
を必要としない温度特性に非常に優れる光通信システム
用半導体レーザが強く求められている。
2. Description of the Related Art Semiconductor lasers for optical communication systems currently in practical use are all fabricated on an InP substrate, and use GaInPAs or AlGaInAs mixed crystal semiconductor for the active layer. Extremely high performance is achieved by employing a quantum well structure and a refractive index waveguide structure. However, it has a major drawback in that the characteristics are greatly deteriorated during high-temperature operation. In mainline optical fiber communication, semiconductor lasers are used while being cooled by Peltier heating elements, but in the future subscriber optical fiber communication, in which optical fiber communication is introduced to homes and offices and to computers, semiconductor lasers will be used. It is essential to reduce the cost and power consumption of the transmission module, and there is a strong demand for a semiconductor laser for an optical communication system which does not require a cooling element and has excellent temperature characteristics.

【0003】最近、光通信システム用半導体レーザの温
度特性の大幅な改善が期待できる新材料GaInNAs
を使用した半導体レーザが報告された(近藤等、第43
回応用物理学関係連合講演会予稿集 第1,046頁参
照)。また、Nを含むIII-V族混晶半導体は、III族元素
の組成を一定としてN組成を変化させたとき、その禁制
帯幅がいったん減少してから再び増加するボーイングを
示すことが明らかになってきた。Jpn.J.App
l.Phys.vol.35(1996)pp.127
3には、このような物性を有するガリウムインジウム窒
素砒素(GaInNAs)を半導体レーザの活性層に用
いることにより、ガリウム砒素(GaAs)基板上に温
度特性に優れた光通信用半導体レーザが実現できると記
載されている。ここでGaAs基板上に作成可能である
ことは、半導体多層膜反射鏡形成の容易さから、面発光
レーザ作成に有利であることを意味する。なお、ここで
いう光通信システムは、長距離通信のみを指すものでは
なく、光インターコネクトション等の短距離伝送も含
む。
Recently, a new material, GaInNAs, is expected to greatly improve the temperature characteristics of a semiconductor laser for an optical communication system.
A semiconductor laser using a laser was reported (Kondo et al., No. 43).
Proceedings of the Annual Conference of Japan Society of Applied Physics (1,046 pages). In addition, it is clear that when the N composition is changed while the composition of the group III element is kept constant, the bandgap of the N-containing III-V mixed crystal semiconductor decreases and then increases again. It has become. Jpn. J. App
l. Phys. vol. 35 (1996) pp. 127
Third, by using gallium indium nitrogen arsenide (GaInNAs) having such physical properties for the active layer of the semiconductor laser, a semiconductor laser for optical communication having excellent temperature characteristics on a gallium arsenide (GaAs) substrate can be realized. Have been described. Here, being able to be formed on a GaAs substrate means that it is advantageous for forming a surface emitting laser because of the ease of forming a semiconductor multilayer reflector. Note that the optical communication system referred to here does not indicate only long-distance communication, but also includes short-distance transmission such as optical interconnection.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】上記報告された半導体
レーザは、GaInNAsを量子井戸層に、GaAsを
障壁層(光ガイド層)に用いた量子井戸活性層を有して
いる。GaInNAsとGaAsのバンドラインナップ
について図2を用いて説明する。図2の右半分にGaI
nAsのバンドラインナップを、左半分にGaNAsの
バンドラインナップを示す。GaInAsとGaNAs
のバンドラインナップを同じ図中に示すため、横軸を格
子の歪量で目盛った。従って、GaAsがy軸上にく
る。同図より、GaAsへInを加えてGaInAs混
晶半導体とすると、つまり+歪(圧縮歪)を増大させる
と、伝導帯は下降し価電子帯は上昇することがわかる。
一方、GaAsへNを加えてGaNAs混晶半導体とす
ると、つまり−歪(伸張歪)を増大させると、伝導帯、
価電子帯の両方とも下降することがわかる。GaNAs
の場合、伝導帯が下降する割合が価電子帯が下降する割
合より大きいので、Nを加えて伸張歪を増大させるとバ
ンドギャップは減少する。
The semiconductor laser reported above has a quantum well active layer using GaInNAs as a quantum well layer and GaAs as a barrier layer (light guide layer). The band lineup of GaInNAs and GaAs will be described with reference to FIG. In the right half of FIG.
The band lineup of nAs is shown in the left half, and the band lineup of GNAs is shown in the left half. GaInAs and GaNAs
In order to show the band lineup in the same figure, the horizontal axis is scaled by the amount of lattice distortion. Therefore, GaAs is on the y-axis. It can be seen from the figure that when In is added to GaAs to form a GaInAs mixed crystal semiconductor, that is, when + strain (compression strain) is increased, the conduction band is lowered and the valence band is raised.
On the other hand, when N is added to GaAs to form a GaNAs mixed crystal semiconductor, that is, when the strain (extension strain) is increased, the conduction band,
It can be seen that both valence bands fall. GNAs
In the case of (1), the rate of decrease in the conduction band is greater than the rate of decrease in the valence band. Therefore, if N is added to increase the tensile strain, the band gap decreases.

【0005】今、GaInAsにNを加えてGaInN
As混晶半導体とする場合を考える。図2において伝導
帯はA点からB点,C点へと下降する。同様に、価電子
帯はD点からE点,F点へと下降する。歪量に対する価
電子帯の上昇/下降の割合がGaInAsとGaNAs
で同一なため、GaAsと格子整合するGaInNAs
の価電子帯、つまりF点は、GaAsの価電子帯のレベ
ルと一致する。従って、量子井戸層にGaAsに格子整
合したGaInNAsを障壁層にGaAsを使用する量
子井戸構造では、電子は閉じ込めることができても、正
孔を閉じ込めることができない。
Now, N is added to GaInAs to obtain GaInN.
Consider the case of an As mixed crystal semiconductor. In FIG. 2, the conduction band descends from point A to points B and C. Similarly, the valence band falls from point D to points E and F. The ratio of the rise / fall of the valence band to the strain amount is GaInAs and GaNAs.
GaInNAs lattice-matched with GaAs
, The point F coincides with the level of the GaAs valence band. Therefore, in a quantum well structure using GaInNAs lattice-matched to GaAs for the quantum well layer and GaAs for the barrier layer, electrons cannot be confined but holes cannot be confined.

【0006】この問題に対して、上記報告ではGaIn
NAsの価電子帯を図2のE点へ移動させることによっ
て対処している。つまり、GaInNAsを圧縮歪層と
することで価電子帯を持ち上げ、GaAsの価電子帯と
エネルギー差を作っている。レーザ発振に必要な正孔の
閉じ込めエネルギー(50meV以上)を得るために
は、GaInNAsを+1.5%以上歪まさなければな
らない。高歪下のGaInNAs量子井戸層で結晶欠陥
の発生を抑制するためにはGaInNAs量子井戸層の
層厚や層数が大きく制限され、レーザを設計するうえで
障害となっている。そこで、本発明の第1の目的は、電
子と正孔の閉じ込めエネルギーを十分に確保し、なおか
つ、量子井戸層の歪を軽減させる構造を提供することに
より、長波長帯半導体レーザの設計の許容度を高めた高
性能な半導体レーザ、および該半導体レーザを用いた光
通信システムを提供することである。
In order to solve this problem, the above report reports that GaIn
This is dealt with by moving the valence band of NAs to point E in FIG. In other words, the valence band is raised by using GaInNAs as the compression strain layer, and an energy difference from the valence band of GaAs is created. To obtain the hole confinement energy (50 meV or more) required for laser oscillation, GaInNAs must be distorted by + 1.5% or more. In order to suppress the occurrence of crystal defects in a GaInNAs quantum well layer under a high strain, the thickness and the number of the GaInNAs quantum well layers are greatly restricted, which is an obstacle in designing a laser. Accordingly, a first object of the present invention is to provide a structure which sufficiently secures the confinement energy of electrons and holes and reduces the strain of the quantum well layer, thereby allowing the design of a long wavelength band semiconductor laser. It is an object of the present invention to provide a high-performance semiconductor laser with an increased degree and an optical communication system using the semiconductor laser.

【0007】さらに前述した報告では、GaInNAs
を活性層に用いた光通信用半導体レーザにおいて室温で
のレーザ発振が報告されている。そこでの活性領域は光
ガイド層をGaAs、井戸層をGaInNAsとする単
一量子井戸構造を有している。発光領域である井戸層に
は、厚さ7nmのGaInNAs単膜が用いられてい
る。本報告におけるGaInNAsのN組成は1%以下
である。このような活性層構造で、発振波長が1.3μ
m帯あるいは1.55μm帯に適合した高性能なレーザ
を作製するには、N組成が1〜4%程度必要である。
Further, in the above-mentioned report, GaInNAs
Laser oscillation at room temperature has been reported in semiconductor lasers for optical communication using GaN as an active layer. The active region has a single quantum well structure in which the light guide layer is GaAs and the well layer is GaInNAs. A GaInNAs single film having a thickness of 7 nm is used for a well layer which is a light emitting region. The N composition of GaInNAs in this report is 1% or less. With such an active layer structure, the oscillation wavelength is 1.3 μm.
To produce a high-performance laser suitable for the m band or the 1.55 μm band, an N composition of about 1 to 4% is required.

【0008】Nは、その原子半径が従来から用いられて
きたIII-V族半導体材料よりも非常に小さいため、Ga
InNAsを構成する他の元素とうまく混合させること
が難しい。よって、従来構造と同様に井戸層をGaIn
NAs単膜とした場合、N組成の増大につれ、結晶性の
低下が起き、レーザの性能が劣化する可能性がある。実
際に、GaInNAsを井戸層に用いた量子井戸におい
て、窒素組成の増大に伴うフォトルミネッセンス特性の
劣下が観測されている。特に、3%以上のN組成が要求
される1.55μm帯半導体レーザにおいては、この問
題が顕著となる。そこで、本発明の第2の目的は、Ga
InNAsを活性層に用いた温度特性に優れる光通信用
長波長半導体レーザにおいて、N組成を1%以下として
も、1.55μmを超える長波長で発振する活性層構造
を提供することにある。
N has an atomic radius much smaller than that of a conventionally used III-V semiconductor material.
It is difficult to mix well with other elements constituting InNAs. Therefore, similarly to the conventional structure, the well layer is formed of GaIn.
In the case of a single NAs film, as the N composition increases, the crystallinity may decrease, and the laser performance may deteriorate. Actually, in the quantum well using GaInNAs for the well layer, deterioration of the photoluminescence characteristic due to an increase in the nitrogen composition has been observed. In particular, this problem is remarkable in a 1.55 μm band semiconductor laser that requires an N composition of 3% or more. Therefore, a second object of the present invention is to provide Ga
An object of the present invention is to provide an active layer structure that oscillates at a long wavelength exceeding 1.55 μm in a long wavelength semiconductor laser for optical communication using InNAs for an active layer and having excellent temperature characteristics even if the N composition is 1% or less.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明の上記第1の目的
は、長波長帯半導体レーザの活性層を量子井戸構造と
し、井戸層に圧縮歪みの半導体を用い、障壁層(光ガイ
ド層)に伸張歪の半導体を用い、これらをGaAs基板
上に設けることにより達成される。上記圧縮歪みの半導
体として窒素系5族混晶半導体を用い、上記伸張歪の半
導体としてGaNAsまたはGaNPAsを用いること
が好ましい。
SUMMARY OF THE INVENTION The first object of the present invention is to provide a long wavelength band semiconductor laser having a quantum well structure as an active layer, using a compressively strained semiconductor for the well layer, and forming a barrier layer (optical guide layer). This is achieved by using a semiconductor having a tensile strain and providing them on a GaAs substrate. It is preferable to use a nitrogen-based group V mixed crystal semiconductor as the semiconductor having the compressive strain and to use GaNAs or GaNPAs as the semiconductor having the tensile strain.

【0010】図3を用いて、井戸層がGaInNAs、
障壁層がGaNAsの場合について説明する。GaNA
sの伝導帯はS点、価電子帯はT点となる。今50me
Vの正孔の閉じ込めエネルギーを得ることを考える。障
壁層がGaAsの場合はGaInNAsの価電子帯はE
点でなければならないが、障壁層がGaNAsの場合は
Y点でよい。よって、GaInNAsの歪を低減でき
る。また、その場合、GaNAs障壁層の伸張歪でGa
InNAs井戸層の圧縮歪を相殺(補償)でき、量子井
戸構造全体の歪を大幅に低減できる。電子は、S点とX
点のエネルギー差によって閉じ込められる。GaInN
Asレーザの良好な温度特性を維持するためには、その
差を150meV以上保つことが重要である。例えば、
電子の閉じ込めエネルギーを150meV以上とし、正
孔の閉じ込めエネルギーを50meV以上とする。
Referring to FIG. 3, the well layer is made of GaInNAs,
The case where the barrier layer is made of GaNAs will be described. GNA
The conduction band of s is the S point, and the valence band is the T point. Now 50me
Consider obtaining the confinement energy of V holes. When the barrier layer is GaAs, the valence band of GaInNAs is E
It must be a point, but if the barrier layer is GaNAs, it may be at the Y point. Therefore, the strain of GaInNAs can be reduced. In that case, the tensile strain of GaNAs barrier layer
The compressive strain of the InNAs well layer can be canceled (compensated), and the strain of the entire quantum well structure can be greatly reduced. The electron is S point and X
It is confined by the energy difference between points. GaInN
In order to maintain good temperature characteristics of the As laser, it is important to keep the difference at 150 meV or more. For example,
The confinement energy of electrons is 150 meV or more, and the confinement energy of holes is 50 meV or more.

【0011】障壁層にGaNPAsを用いる場合は、P
の混晶組成を調節することで、電子と正孔の閉じ込めエ
ネルギーを大きく保ったまま、GaInNAs井戸層の
歪量をより低減することができる。井戸層は、GaIn
NAsに、Al,P,またはSbを多少含ませたもので
もよい。5族元素に窒素と他の5族原子を同時に含む窒
素系5族混晶半導体であれば、上述した本発明の目的が
達成される。
When GaNPAs is used for the barrier layer, P
By adjusting the mixed crystal composition of the GaInNAs well layer, the strain amount of the GaInNAs well layer can be further reduced while keeping the confinement energy of electrons and holes large. The well layer is GaIn
NAs may contain Al, P, or Sb to some extent. The above-described object of the present invention is achieved by a nitrogen-based group V mixed crystal semiconductor containing a group V element and nitrogen and another group V atom at the same time.

【0012】また、本発明の上記第2の目的は、半導体
基板上に光を発生する活性層と、光を閉じこめるクラッ
ド層と、発生した光からレーザ光を得るための共振器構
造を有する半導体レーザにおいて、活性層が障壁層と井
戸層から形成される量子井戸型構造から構成され、井戸
層に窒素を含むIII-V族混晶半導体による第一の半導体
層と窒素を含むIII-V族混晶半導体による第二の半導体
層を各々1原子層づつ交互に積層した超格子構造を用い
ることによって達成される。
A second object of the present invention is to provide a semiconductor device having an active layer for generating light on a semiconductor substrate, a cladding layer for confining light, and a resonator structure for obtaining laser light from the generated light. In a laser, an active layer has a quantum well type structure formed of a barrier layer and a well layer, and a first semiconductor layer of a III-V mixed crystal semiconductor containing nitrogen in a well layer and a III-V group containing nitrogen. This is achieved by using a superlattice structure in which second semiconductor layers made of a mixed crystal semiconductor are alternately laminated one by one atomic layer.

【0013】さらに詳しく述べると、図5に示すよう
に、活性層を量子井戸型構造とする半導体レーザの井戸
層に、ガリウム窒素砒素:GaN(0.0085)As(0.9915)
1/インジウム窒素砒素:InN(0.0085)As(0.9915)
1超格子を用いる。このとき、各層におけるNの組成比
を0.0085とすることにより、素子の発振波長を
1.55μmに適合させることができる。つまり、1%
以下の低いN組成においても、波長1.55μmで発光
する活性層を形成することができる。
More specifically, as shown in FIG. 5, gallium nitrogen arsenide: GaN (0.0085) As (0.9915) is formed in a well layer of a semiconductor laser having a quantum well structure as an active layer.
1 / Indium nitrogen arsenic: InN (0.0085) As (0.9915)
One superlattice is used. At this time, by setting the composition ratio of N in each layer to 0.0085, the oscillation wavelength of the device can be adjusted to 1.55 μm. That is, 1%
Even with the following low N composition, an active layer that emits light at a wavelength of 1.55 μm can be formed.

【0014】また、Appl.Phys.Lett.v
ol.59(1991)pp.2688に、(GaA
s)1/(インジウム砒素:InAs)1超格子を井戸
層に用いたGaAsを障壁層とする歪量子井戸におい
て、室温で波長1.3μmを超える1.34μmでのフ
ォトルミネッセンスが観測されたと記載されている。上
記報告に記載されているように、(GaAs)1/(I
nAs)1超格子が、同様にGaAs基板上に形成した
無秩序状態のGa(0.5)In(0.5)As単膜よりも長波長
の発光を示す理由は、人工的に導入された周期構造によ
り無秩序状態のGa(0.5)In(0.5)Asのバンド構造に
変化が起こり、実質的な禁制帯幅の減少(バンドギャッ
プナロウイング)が起こることにより説明される。
Also, Appl. Phys. Lett. v
ol. 59 (1991) pp. 2688, (GaA
s) Photoluminescence at 1.34 μm exceeding 1.3 μm at room temperature was observed at room temperature in a strained quantum well using GaAs as a barrier layer using a 1 / (indium arsenide: InAs) 1 superlattice as a well layer. Have been. As described in the above report, (GaAs) 1 / (I
The reason that the nAs) 1 superlattice emits light of a longer wavelength than a disordered Ga (0.5) In (0.5) As single film similarly formed on a GaAs substrate is that the superlattice is disordered due to an artificially introduced periodic structure. This is explained by the fact that the band structure of Ga (0.5) In (0.5) As in the state changes and the band gap narrowing substantially occurs.

【0015】このような周期構造によるバンドギャップ
ナロウイングはガリウムインジウム燐Ga(0.5)In(0.
5)Pにおける自然超格子形成の際にも観測されている。
また、超格子構造を、無秩序状態のGa(0.5)In(0.5)
Asの臨界膜厚より厚く積層しても、結晶性が低下しな
いことがフォトルミネッセンス測定により確認されてい
る。これまで記述してきたと同様の効果が、(GaNA
s)1/(InNAs)1超格子を井戸層に用いた場合
にも利用できるため、N導入量を1%以下にしたまま、
波長1.55μmを超える長波長での発光を実現でき
る。以上により、本発明構造を用いることで、N組成を
1%以下に低下させた状態でも、波長1.55μm帯で
発振する温度特性に優れた光通信用半導体レーザの作製
が可能となる。尚、同様の効果は、GaNAs、InN
As以外に、AlNAs、GaNP、InNP、AlN
P、GaNSb、InNSb、AlNSbを用いて超格
子構造を作製した場合にも得られる。
The band gap narrowing due to such a periodic structure is based on gallium indium phosphide Ga (0.5) In (0.
5) Observed during the formation of a natural superlattice in P.
Further, the superlattice structure is changed to Ga (0.5) In (0.5)
It has been confirmed by photoluminescence measurement that the crystallinity does not decrease even when the layers are stacked thicker than the critical thickness of As. An effect similar to that described so far is (GaNA
s) Since 1 / (InNAs) 1 superlattice can be used in the case of using a well layer, the N introduction amount is kept at 1% or less.
Light emission at a long wavelength exceeding 1.55 μm can be realized. As described above, by using the structure of the present invention, it is possible to manufacture an optical communication semiconductor laser having excellent temperature characteristics that oscillates in a wavelength band of 1.55 μm even when the N composition is reduced to 1% or less. Note that a similar effect can be obtained with GaNAs, InN
In addition to As, AlNAs, GaNP, InNP, AlN
It is also obtained when a superlattice structure is manufactured using P, GaNSb, InNSb, and AlNSb.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて詳細に説明する。本発明の上記第1の目的を達成す
るための実施例として、図1に示した第1実施例および
図4に示した第2実施例がある。 (第1実施例)第1実施例は、本発明を逆メサ構造を有
する端面発光型半導体レーザに適用したものである。以
下、図1を用いて本実施例を詳細に説明する。図1
(a)は、本実施例の半導体レーザの断面構造を、図1
(b)は本実施例の活性層の拡大図を示している。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Embodiments for achieving the first object of the present invention include the first embodiment shown in FIG. 1 and the second embodiment shown in FIG. (First Embodiment) In a first embodiment, the present invention is applied to an edge emitting semiconductor laser having an inverted mesa structure. Hereinafter, this embodiment will be described in detail with reference to FIG. FIG.
FIG. 1A shows a cross-sectional structure of the semiconductor laser of this embodiment, which is shown in FIG.
(B) is an enlarged view of the active layer of this embodiment.

【0017】次に、図1(a)を参照して素子の作製方
法を詳細に説明する。まず、n型GaAs基板1上に、
n型GaAsバッファ層2、n型Al(0.4)Ga(0.6)A
sクラッド層3、応力補償型歪量子井戸活性層7、p型
Al(0.4)Ga(0.6)Asクラッド層8、p型Ga(0.5)
In(0.5)Pエッチング停止層9、p型Al(0.4)Ga
(0.6)Asクラッド層10、p型GaAsキャップ層1
1を化学線エピタキシー法により順次形成する。この時
の、GaInNAs歪量子井戸層の歪量は+1%であ
る。
Next, a method for fabricating the device will be described in detail with reference to FIG. First, on an n-type GaAs substrate 1,
n-type GaAs buffer layer 2, n-type Al (0.4) Ga (0.6) A
s clad layer 3, stress-compensated strained quantum well active layer 7, p-type Al (0.4) Ga (0.6) As clad layer 8, p-type Ga (0.5)
In (0.5) P etching stop layer 9, p-type Al (0.4) Ga
(0.6) As clad layer 10, p-type GaAs cap layer 1
1 are sequentially formed by actinic ray epitaxy. At this time, the strain amount of the GaInNAs strained quantum well layer is + 1%.

【0018】なお、応力補償型歪量子井戸活性層7は、
その拡大図を図1(a)に示すように、GaN(0.02)A
s(0.98)障壁層(光ガイド層)(層厚150nm)4お
よび5と、Ga(0.80)In(0.20)N(0.02)As(0.98)井
戸層(層厚7nm)6とから構成される。
The stress-compensated strained quantum well active layer 7 is
FIG. 1 (a) shows an enlarged view of the GaN (0.02) A
An s (0.98) barrier layer (optical guide layer) (layer thickness 150 nm) 4 and 5 and a Ga (0.80) In (0.20) N (0.02) As (0.98) well layer (layer thickness 7 nm) 6 .

【0019】次に、酸化膜をマスクとしてホトエッチン
グ工程により、図1(a)に示すようなリッジをウエッ
トエッチングにより形成する。エッチングはp型Ga
(0.5)In(0.5)Pエッチング停止層9で止まるようにす
る。このときのリッジ幅は1〜15μmとする。次に、
エッチングマスクとして用いた酸化膜を選択成長のマス
クとして、図1(a)に示すようにn型Al(0.4)Ga
(0.6)As電流狭窄層12を選択成長する。その後、成
長炉からウエファを取りだし、エッチングにより選択成
長マスクとして用いた酸化膜を除去する。その後、p型
GaAsコンタクト層13を形成する。
Next, a ridge as shown in FIG. 1A is formed by wet etching using a photo-etching process using the oxide film as a mask. Etching is p-type Ga
(0.5) In (0.5) P Stop at the etching stop layer 9. The ridge width at this time is 1 to 15 μm. next,
Using the oxide film used as an etching mask as a mask for selective growth, as shown in FIG. 1A, n-type Al (0.4) Ga
(0.6) As current confinement layer 12 is selectively grown. Thereafter, the wafer is taken out from the growth furnace, and the oxide film used as the selective growth mask is removed by etching. After that, a p-type GaAs contact layer 13 is formed.

【0020】最後に、p型GaAsコンタクト層13に
p側電極14を、n型GaAs基板1にn側電極15を
形成した後、劈開法により共振器長約900μmのレー
ザ素子を得た。この後、このレーザ素子の前面にλ/4
(λ:発振波長)の厚みのSiO2による低反射膜を、
素子の後面にSiO2とアモルファスSiからなる4層
膜による高反射膜を形成した。その後、該レーザ素子を
接合面を下にして、ヒートシンク上にボンディングし
た。
Finally, after forming a p-side electrode 14 on the p-type GaAs contact layer 13 and an n-side electrode 15 on the n-type GaAs substrate 1, a laser device having a cavity length of about 900 μm was obtained by a cleavage method. After that, λ / 4 is applied to the front of the laser device.
(Λ: oscillation wavelength) of a low reflection film of SiO 2
On the rear surface of the device, a high-reflection film composed of a four-layer film made of SiO 2 and amorphous Si was formed. Thereafter, the laser element was bonded on a heat sink with the bonding surface facing down.

【0021】試作した素子はリッジ幅3μmの素子で、
しきい値電流約10mAで室温連続発振し、その発振波
長は約1.3μmであった。また、25℃から85℃の
範囲における特性温度T0は150Kであった。また、
本レーザは、活性層の歪量が小さいので、10万時間以
上の長い素子寿命を有した。
The prototype device is a device having a ridge width of 3 μm.
It oscillated continuously at room temperature with a threshold current of about 10 mA, and its oscillation wavelength was about 1.3 μm. The characteristic temperature T 0 in the range of 25 ° C. to 85 ° C. was 150K. Also,
This laser has a long element life of 100,000 hours or more because the amount of strain in the active layer is small.

【0022】(第2実施例)第2実施例は、本発明を面
発光型半導体レーザに適用したものである。以下、本実
施例を図4を用いて詳細に説明する。図4(a)は本実
施例の断面構造を、図4(b)は本実施例の活性層の拡
大図を示している。次に、図4(a)を参照して素子の
作製方法を詳細に説明する。まず、n型GaAs基板1
上に、n型半導体多層膜反射鏡20、GaAsスペーサ
層21、3重量子井戸活性層24、GaAsスペーサ層
25、GaAs基板に格子整合したp型Ga(0.5)In
(0.5)Pクラッド層26、p型GaAsコンタクト層2
7を有機金属気相エピタキシー法により順次形成する。
(Second Embodiment) In a second embodiment, the present invention is applied to a surface-emitting type semiconductor laser. Hereinafter, this embodiment will be described in detail with reference to FIG. FIG. 4A shows a cross-sectional structure of the present embodiment, and FIG. 4B shows an enlarged view of the active layer of the present embodiment. Next, a method for manufacturing an element will be described in detail with reference to FIG. First, the n-type GaAs substrate 1
An n-type semiconductor multilayer mirror 20, a GaAs spacer layer 21, a triple quantum well active layer 24, a GaAs spacer layer 25, and p-type Ga (0.5) In lattice-matched to a GaAs substrate are formed thereon.
(0.5) P cladding layer 26, p-type GaAs contact layer 2
7 are sequentially formed by a metalorganic vapor phase epitaxy method.

【0023】なお、3重量子井戸活性層24は、その拡
大図を図4(b)に示すように、GaN(0.02)As(0.9
8)障壁層(層厚5nm)22とGa(0.80)In(0.20)N
(0.02)As(0.98)井戸層(層厚5nm)23から構成さ
れる。3重量子井戸活性層24は、応力補償型量子井戸
構造を有している。
As shown in FIG. 4B, the triple quantum well active layer 24 has a GaN (0.02) As (0.9
8) Barrier layer (layer thickness 5 nm) 22 and Ga (0.80) In (0.20) N
It is composed of a (0.02) As (0.98) well layer (layer thickness 5 nm) 23. The triple quantum well active layer 24 has a stress compensation type quantum well structure.

【0024】半導体多層膜反射鏡20は、半導体中で1
/4波長厚の高屈折率のGaAs層と半導体中で1/4
波長厚の低屈折率のAlInP層を交互に積層したもの
であり、反射率を99%以上にするために反射鏡層の積
層数を15対とした。なお、半導体多層膜反射鏡20は
高屈折率層と低屈折率層が交互に積層されていればよい
ので、例えば、GaAsとAlAs、GaAsとGaI
nP、或いはGaInNAsとAlAs等の他の材料系
を用いてもよい。
The semiconductor multi-layer film reflecting mirror 20 is a semiconductor mirror.
屈折 wavelength thick GaAs layer with high refractive index and 1 /
It is formed by alternately laminating AlInP layers having a wavelength and a low refractive index, and the number of laminated reflective mirror layers is set to 15 pairs in order to make the reflectivity 99% or more. Note that the semiconductor multilayer film reflecting mirror 20 only needs to alternately stack high-refractive index layers and low-refractive index layers. For example, GaAs and AlAs, and GaAs and GaI
Other material systems such as nP or GaInNAs and AlAs may be used.

【0025】次に、化学気相堆積工程とホトレジスト工
程により直径10μmの円形のSiO2膜(後の工程で
除去するため同図には示していない)を形成し、これを
マスクとしてn型の半導体多層膜反射鏡20の途中まで
ウエットエッチングしてメサ状にする。その後、マスク
になるSiO2膜を残したまま化学気相堆積工程により
SiO2保護層28を形成し、その上にポリイミド29
を塗布して硬化させる。次に、反応性イオンビームエッ
チングによりSiO2マスクが露出するまでポリイミド
29をエッチングし、メサの上部のSiO2マスクを図
に示したように除去することで平坦な面が得られる。
Next, a circular SiO 2 film having a diameter of 10 μm (not shown in the figure for removal in a later step) is formed by a chemical vapor deposition step and a photoresist step, and this is used as a mask to form an n-type semiconductor. The multi-layer reflector 20 is wet-etched halfway to form a mesa. Thereafter, an SiO 2 protective layer 28 is formed by a chemical vapor deposition process while leaving the SiO 2 film serving as a mask, and a polyimide 29 is formed thereon.
Is applied and cured. Then, the polyimide 29 until the SiO 2 mask is exposed by reactive ion beam etching is etched, it is a flat surface to remove the upper portion of the SiO 2 mask mesa as illustrated in FIG. Is obtained.

【0026】この後、リフトオフ法によりリング状のp
側電極13を形成した後、スッパタ蒸着法により誘電体
多層膜反射鏡30を形成し、さらにn型GaAs基板面
にn側電極14を形成した。誘電体多層膜反射鏡30
は、誘電体中で1/4波長厚さの高屈折率アモルファス
Si層と誘電体中で1/4波長厚さの低屈折率SiO2
層を交互に積層して作製した。反射率を99%以上にす
るために積層数を4対とした。なお、誘電体多層膜反射
鏡30は高屈折率層と低屈折率層が交互に積層されてい
ればよいので、例えば、SiNとSiO2、アモルファ
スSiとSiN、或いはTiO2とSiO2等の他の材料
系を用いてもよい。
Then, the ring-shaped p is lifted off by a lift-off method.
After forming the side electrode 13, a dielectric multilayer film reflecting mirror 30 was formed by sputtering evaporation method, and an n-side electrode 14 was formed on the surface of the n-type GaAs substrate. Dielectric multilayer mirror 30
Is a high-refractive-index amorphous Si layer having a quarter-wave thickness in the dielectric and a low-refractive-index SiO 2 having a quarter-wave thickness in the dielectric.
It was made by alternately stacking the layers. In order to make the reflectance 99% or more, the number of layers was set to four pairs. Note that the dielectric multilayer film reflecting mirror 30 only needs to alternately stack high-refractive-index layers and low-refractive-index layers. For example, SiN and SiO 2 , amorphous Si and SiN, or TiO 2 and SiO 2 Other material systems may be used.

【0027】以上のようにして製作した面発光レーザに
電流を注入したところ、室温連続発振した。レーザ光は
誘電体多層膜反射鏡30側から出射された。発振波長は
1.3μmであった。本実施例の面発光レーザは、活性
層の歪量が小さいので、10万時間以上の長い素子寿命
を有した。
When a current was injected into the surface emitting laser manufactured as described above, continuous oscillation occurred at room temperature. The laser light was emitted from the dielectric multilayer film reflecting mirror 30 side. The oscillation wavelength was 1.3 μm. The surface emitting laser of this example had a long element life of 100,000 hours or more because the amount of strain in the active layer was small.

【0028】本発明の実施態様の一つであるGaNAs
なる3元系またはGaNPAsなる4元系の化合物半導
体から構成される障壁層は、特にGaInNAsの4元
系の化合物半導体からなる量子井戸層に正孔及び電子を
閉じこめる上で効果を奏する。
GANAs which is one of the embodiments of the present invention
The barrier layer composed of a ternary compound semiconductor of GaN or GaNPAs is particularly effective in confining holes and electrons in a quantum well layer composed of a quaternary compound semiconductor of GaInNAs.

【0029】次に、本発明の上記第2の目的を達成する
ための実施例として、図5に示した第3実施例および図
6に示した第4実施例がある。 (第3実施例)第3実施例は、本発明を端面発光型半導
体レーザに適用したものである。以下、図5を用いて本
実施例を詳細に説明する。図5(a)は、本実施例の半
導体レーザの断面構造を、図5(b)は本実施例の活性
層の拡大図を示している。本素子構造の作製には精密な
膜厚制御や材料の瞬時の切り替えが必要であり、また、
窒素(N)の導入には非平衡状態での成長法が適してい
るという点で分子線エピタキシー(MBE)法や有機金
属化学気相成長(MOCVD)法等が適している。ここ
では成長方法をガスソースMBE(GS−MBE)法と
する。これはV族の供給に気体原料を用いる方法であ
る。本形態例ではV族元素の供給源として、砒素(A
s)に関してはアルシン(AsH3)を熱クラッキング
して用い、NについてはN2ガスをRFプラズマ励起し
て使用する。作製する半導体基板はn型のGaAs基板
51を用いる。AsH3供給下のAs雰囲気において、
基板表面の酸化膜を10分間の熱クリーニングにより除
去した後、基板51上にシリコン(Si)をドープした
n型GaAsバッファ層52を成長する。
Next, as embodiments for achieving the second object of the present invention, there are a third embodiment shown in FIG. 5 and a fourth embodiment shown in FIG. (Third Embodiment) In a third embodiment, the present invention is applied to an edge emitting semiconductor laser. Hereinafter, this embodiment will be described in detail with reference to FIG. FIG. 5A shows a cross-sectional structure of the semiconductor laser of this embodiment, and FIG. 5B shows an enlarged view of the active layer of this embodiment. The fabrication of this device structure requires precise film thickness control and instantaneous switching of materials.
In order to introduce nitrogen (N), a growth method in a non-equilibrium state is suitable, and a molecular beam epitaxy (MBE) method, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, and the like are suitable. Here, the growth method is a gas source MBE (GS-MBE) method. This is a method that uses a gaseous raw material to supply the V group. In this embodiment, arsenic (A
For s), arsine (AsH 3 ) is used by thermal cracking, and for N, N 2 gas is used by RF plasma excitation. An n-type GaAs substrate 51 is used as a semiconductor substrate to be manufactured. In the As atmosphere under the supply of AsH 3 ,
After removing the oxide film on the substrate surface by thermal cleaning for 10 minutes, an n-type GaAs buffer layer 52 doped with silicon (Si) is grown on the substrate 51.

【0030】この後、n型AlGaAsクラッド層5
3、ノンドープGaAs障壁層(光ガイド層)54の順
に成長する。次に、NプラズマとAsH3を供給しなが
らGaとInのシヤッターを交互に開閉して、GaN
(0.0085)As(0.9915)1/InN(0.0085)As(0.9915)
1超格子層55を各々1原子層づつ15周期成長する。
このとき合計の膜厚は約9nmである。その後、Nプラ
ズマの供給を止め、ノンドープGaAs障壁層(光ガイ
ド層)54、p型AlGaAsクラッド層56の順に形
成する。最後にp型GaAsキャップ層57を成長す
る。このようにして作製された膜に酸化膜58を形成
し、それをマスクにしてフォトエッチング工程により酸
化膜を除去した後、p型電極59を形成する。続いて、
n型電極60を形成した後、劈開工程を経て、共振器長
400μmのレーザ素子を得た。続いて、素子前面に低
反射膜を、後面に高反射膜を形成した。試作した素子は
ストライプ幅を5μmとし、閾値電流値約50mAで室
温連続発振した。発振波長は1.55μmであった。ま
た、25℃から80℃の範囲における特性温度(T0
は140Kであった。
Thereafter, the n-type AlGaAs cladding layer 5
3. A non-doped GaAs barrier layer (light guide layer) 54 is grown in this order. Next, while supplying N plasma and AsH 3 , the Ga and In shutters are alternately opened and closed to obtain GaN.
(0.0085) As (0.9915) 1 / InN (0.0085) As (0.9915)
One superlattice layer 55 is grown for one atomic layer for 15 periods.
At this time, the total film thickness is about 9 nm. Thereafter, the supply of N plasma is stopped, and a non-doped GaAs barrier layer (light guide layer) 54 and a p-type AlGaAs cladding layer 56 are formed in this order. Finally, a p-type GaAs cap layer 57 is grown. An oxide film 58 is formed on the film thus manufactured, and after using the mask as a mask to remove the oxide film by a photoetching process, a p-type electrode 59 is formed. continue,
After forming the n-type electrode 60, a laser device having a cavity length of 400 μm was obtained through a cleavage step. Subsequently, a low reflection film was formed on the front surface of the device, and a high reflection film was formed on the rear surface. The prototype device had a stripe width of 5 μm and continuously oscillated at room temperature with a threshold current value of about 50 mA. The oscillation wavelength was 1.55 μm. The characteristic temperature (T 0 ) in the range of 25 ° C. to 80 ° C.
Was 140K.

【0031】(第4実施例)次に、本発明の第4実施例
を図6を用いて説明する。本実施例は、本発明の構造を
面発光型半導体レーザに適用した実施例である。ここで
も成長方法はガスソースMBE(GS−MBE)法とし
た。作製する半導体基板はn型のGaAs基板61を用
いる。AsH3供給下のAs雰囲気において、基板表面
の酸化膜を10分間の熱クリーニングにより除去した
後、基板61上にn型AlAs/n型GaAsによる下
部多層膜反射鏡62を25周期積層した。その膜厚は、
それぞれ半導体中で1/4波長厚になるようにした。そ
の後、ノンドープGaAs障壁層(スペーサ層)63を
成長する。次に、井戸層として、NプラズマとAsH3
を供給しながらGaとInのシヤッターを交互に開閉
し、GaN(0.0085)As(0.9915)1/InN(0.0085)A
s(0.9915)1超格子層64を各々1原子層づつ15周期
成長する。このとき合計の膜厚は約9nmである。その
後、Nプラズマの供給を止め、ノンドープGaAs障壁
層(スペーサ層)13、p型GaInPクラッド層65
の順に形成する。
(Fourth Embodiment) Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This embodiment is an embodiment in which the structure of the present invention is applied to a surface-emitting type semiconductor laser. Again, the growth method was gas source MBE (GS-MBE). As a semiconductor substrate to be manufactured, an n-type GaAs substrate 61 is used. After removing the oxide film on the substrate surface by thermal cleaning for 10 minutes in an As atmosphere under the supply of AsH 3, a lower multilayer film reflecting mirror 62 of n-type AlAs / n-type GaAs was laminated on the substrate 61 for 25 periods. The film thickness is
Each was made to have a quarter wavelength thickness in the semiconductor. Thereafter, a non-doped GaAs barrier layer (spacer layer) 63 is grown. Next, N plasma and AsH 3 were used as well layers.
While the Ga and In shutters are alternately opened and closed while supplying GaN (0.0085) As (0.9915) 1 / InN (0.0085) A.
The s (0.9915) 1 superlattice layer 64 is grown for one atomic layer for 15 periods. At this time, the total film thickness is about 9 nm. Thereafter, the supply of the N plasma is stopped, and the non-doped GaAs barrier layer (spacer layer) 13 and the p-type GaInP clad layer 65 are removed.
Are formed in this order.

【0032】最後にp型GaAsコンタクト層66を成
長する。このようにして作製された膜に直径10μmの
円形の酸化膜を形成し、それをマスクにしてメサエッチ
を行う。続いて、酸化膜保護層67を形成した後、 ポ
リイミド68を塗布し硬化する。次に、ポリイミドをエ
ッチングし、メサ上部の酸化膜を除去し、平坦化する。
リング状のp側電極69を上部に形成した後、SiO2
/TiO2による誘電体多層膜反射鏡70を形成する。
膜厚は、それぞれ半導体中で1/4波長厚になるように
した。最後にn側電極71を裏面に形成し、素子として
完成した。試作した素子は、電流注入により室温連続発
振した。発振波長は1.55μmであった。
Finally, a p-type GaAs contact layer 66 is grown. A circular oxide film having a diameter of 10 μm is formed on the film thus manufactured, and a mesa etch is performed using the film as a mask. Subsequently, after forming the oxide film protection layer 67, a polyimide 68 is applied and cured. Next, the polyimide is etched, and the oxide film on the mesa is removed and planarized.
After a ring-shaped p-side electrode 69 is formed on the upper part, SiO 2
/ TiO 2 to form a dielectric multilayer film reflecting mirror 70.
The film thickness was set to be 1/4 wavelength thick in the semiconductor. Finally, an n-side electrode 71 was formed on the back surface to complete the device. The prototype device oscillated continuously at room temperature due to current injection. The oscillation wavelength was 1.55 μm.

【0033】第3実施例および第4実施例では、量子井
戸型構造から構成される半導体レーザの井戸層に、窒素
を含むIII-V族混晶半導体による第一の半導体層(Ga
NAs)と窒素を含むIII-V族混晶半導体による第二の
半導体層(InNAs)を各々1原子層づつ交互に積層
した超格子構造を用いることにより、周期構造導入によ
るバンドギャップナロウイングの効果で、1%以下のN
組成でも、波長1.55μm帯で発振する温度特性に優
れた光通信用半導体レーザを得ることができる。
In the third and fourth embodiments, the first semiconductor layer (Ga) made of a group III-V mixed crystal semiconductor containing nitrogen is formed in the well layer of a semiconductor laser having a quantum well structure.
The effect of band gap narrowing by introducing a periodic structure by using a superlattice structure in which second semiconductor layers (InNAs) made of a group III-V mixed crystal semiconductor containing nitrogen (NAs) and nitrogen are alternately laminated one by one atomic layer. And N of 1% or less
Even with the composition, it is possible to obtain an optical communication semiconductor laser having excellent temperature characteristics oscillating in the wavelength band of 1.55 μm.

【0034】以上、第1実施例〜第4実施例の説明から
明らかなように、本発明の半導体レーザは活性層の構造
に特徴を有するものであって、それ以外の、例えば端面
発光型か面発光型か等の構造や、化学線エピタキシー法
で作成するか有機金属気相エピタキシー法で作成するか
等の作製方法に依存しない。
As is clear from the description of the first to fourth embodiments, the semiconductor laser of the present invention has a feature in the structure of the active layer. It does not depend on a structure such as a surface emission type or a manufacturing method such as a method using an actinic ray epitaxy method or a method using a metalorganic vapor phase epitaxy method.

【0035】[0035]

【発明の効果】本発明によれば、井戸層と障壁層との両
方に窒素系5族混晶半導体を用いることで、電子と正孔
の閉じ込めエネルギーを共に十分に確保できる。また、
井戸層と障壁層とで応力補償することにより、量子井戸
活性層の各層の歪と全体の歪を共に低減できる。本発明
は半導体レーザの構造および作製方法に依存しないの
で、長波長帯半導体レーザの設計の許容度を非常に高め
ることができ、より高性能な半導体レーザを提供するこ
とが可能となる。
According to the present invention, by using a nitrogen-based group V mixed semiconductor for both the well layer and the barrier layer, both the confinement energy of electrons and holes can be sufficiently ensured. Also,
By compensating the stress in the well layer and the barrier layer, both the strain in each layer of the quantum well active layer and the entire strain can be reduced. Since the present invention does not depend on the structure and manufacturing method of the semiconductor laser, the design tolerance of the long-wavelength band semiconductor laser can be greatly increased, and a higher-performance semiconductor laser can be provided.

【0036】また、本発明によれば、量子井戸型構造か
ら構成される半導体レーザの井戸層に、窒素を含むIII-
V族混晶半導体による第一の半導体層と窒素を含むIII-V
族混晶半導体による第二の半導体層を各々1原子層づつ
交互に積層した超格子構造を用いることにより、周期構
造導入によるバンドギャップナロウイングの効果で、1
%以下のN組成でも、波長1.55μm帯で発振する温
度特性に優れた光通信用半導体レーザを得ることができ
る。
Further, according to the present invention, the well layer of a semiconductor laser having a quantum well structure has a III-
III-V containing nitrogen and first semiconductor layer of group V mixed crystal semiconductor
By using a superlattice structure in which second semiconductor layers made of a group-III mixed crystal semiconductor are alternately laminated one by one atomic layer, the effect of band gap narrowing due to the introduction of the periodic structure is one.
%, It is possible to obtain an optical communication semiconductor laser having excellent temperature characteristics oscillating in a wavelength band of 1.55 μm.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1実施例の半導体レーザの素子構造
を示した図である。
FIG. 1 is a diagram showing an element structure of a semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention.

【図2】GaInNAs/GaAsのバンドラインナッ
プを説明する図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a band lineup of GaInNAs / GaAs.

【図3】GaInNAs/GaNAsのバンドラインナ
ップを説明する図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a band lineup of GaInNAs / GaNAs.

【図4】本発明の第2実施例の半導体レーザの素子構造
を示した図である。
FIG. 4 is a diagram showing an element structure of a semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第3実施例の半導体レーザの素子構造
を示した図である。
FIG. 5 is a diagram showing an element structure of a semiconductor laser according to a third embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第4実施例の半導体レーザの素子構造
を示した図である。
FIG. 6 is a diagram showing an element structure of a semiconductor laser according to a fourth embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:n型GaAs基板、2:n型GaAsバッファ層、
3:n型AlGaAsクラッド層、4,5:GaNAs
光ガイド層、6:GaInNAs井戸層、7:応力補償
型歪量子井戸活性層、8:p型AlGaAsクラッド
層、9:p型GaInPエッチング停止層、10:p型
AlGaAsクラッド層、11:p型GaAsキャップ
層、12:n型AlGaAs電流狭窄層、13:p型G
aAsコンタクト層、14:p側電極、15:n側電
極、20:n型半導体多層膜反射鏡、21:GaAsス
ペーサ層、22:GaNAs障壁層、23:GaInN
As井戸層、24:3重量子井戸活性層、25:GaA
sスペーサ層、26:p型GaInPクラッド層、2
7:p型GaAsコンタクト層、28:SiO2保護
層、29:ポリイミド、30:誘電体多層膜反射鏡、5
1:n型GaAs基板、52:n型GaAsバッファ
層、53:n型AlGaAsクラッド層、54:ノンド
ープGaAs障壁層、55:超格子層、56:p型Al
GaAsクラッド層、57:p型GaAsキャップ層、
58:酸化膜絶縁層、59:p型電極、60:n型電
極、61:n型GaAs基板、62:下部多層膜反射
鏡、63:ノンドープGaAs障壁層、64:超格子
層、65:p型GaInPクラッド層、66:p型Ga
Asコンタクト層、67:酸化膜保護層、68:ポリイ
ミド、69:p側電極、70:誘電体多層膜反射鏡、7
1:n側電極
1: n-type GaAs substrate, 2: n-type GaAs buffer layer,
3: n-type AlGaAs cladding layer, 4, 5: GaNAs
Light guide layer, 6: GaInNAs well layer, 7: stress compensation type strain quantum well active layer, 8: p-type AlGaAs cladding layer, 9: p-type GaInP etching stop layer, 10: p-type AlGaAs cladding layer, 11: p-type GaAs cap layer, 12: n-type AlGaAs current confinement layer, 13: p-type G
aAs contact layer, 14: p-side electrode, 15: n-side electrode, 20: n-type semiconductor multilayer mirror, 21: GaAs spacer layer, 22: GaN barrier layer, 23: GaInN
As well layer, 24: 3 quantum well active layer, 25: GaAs
s spacer layer, 26: p-type GaInP cladding layer, 2
7: p-type GaAs contact layer, 28: SiO 2 protective layer, 29: polyimide, 30: dielectric multilayer reflector, 5
1: n-type GaAs substrate, 52: n-type GaAs buffer layer, 53: n-type AlGaAs cladding layer, 54: non-doped GaAs barrier layer, 55: superlattice layer, 56: p-type Al
GaAs clad layer, 57: p-type GaAs cap layer,
58: oxide insulating layer, 59: p-type electrode, 60: n-type electrode, 61: n-type GaAs substrate, 62: lower multilayer reflector, 63: non-doped GaAs barrier layer, 64: superlattice layer, 65: p GaInP cladding layer, 66: p-type Ga
As contact layer, 67: oxide protective layer, 68: polyimide, 69: p-side electrode, 70: dielectric multilayer mirror, 7
1: n-side electrode

フロントページの続き (72)発明者 北谷 健 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 中塚 慎一 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内Continuing on the front page (72) Inventor Ken Kenya 1-280 Higashi Koikekubo, Kokubunji-shi, Tokyo Inside the Hitachi, Ltd.Central Research Laboratories

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 GaAs基板結晶上に光を発生する活性
層と、光を閉じ込めるクラッド層(またはスペーサ層)
と、発生した光からレーザ光を得るための共振器構造を
有する半導体レーザにおいて、 上記活性層が井戸層と障壁層とで構成される量子井戸構
造であり、 井戸層と障壁層の歪の種類が異なる応力補償型壁であ
り、 井戸層に窒素系5族混晶半導体を用いることを特徴とす
る半導体レーザ。
1. An active layer for generating light on a GaAs substrate crystal, and a cladding layer (or a spacer layer) for confining light.
And a semiconductor laser having a resonator structure for obtaining laser light from generated light, wherein the active layer has a quantum well structure composed of a well layer and a barrier layer, and the type of strain in the well layer and the barrier layer Wherein the stress compensation type walls are different from each other, and a nitrogen-based Group V mixed crystal semiconductor is used for the well layer.
【請求項2】 請求項1に記載の半導体レーザにおい
て、 上記井戸層の歪の種類が圧縮歪であり、 上記障壁層の歪の種類が伸張歪であることを特徴とする
半導体レーザ。
2. The semiconductor laser according to claim 1, wherein the strain type of said well layer is compressive strain, and said strain type of said barrier layer is extensional strain.
【請求項3】 請求項1または2に記載の半導体レーザ
において、 上記障壁層がGaNAsまたはGaNPAsであること
を特徴とする半導体レーザ。
3. The semiconductor laser according to claim 1, wherein said barrier layer is made of GaNAs or GaNPAs.
【請求項4】 請求項1または2に記載の半導体レーザ
において、 上記井戸層がGaInNAsであることを特徴とする半
導体レーザ。
4. The semiconductor laser according to claim 1, wherein said well layer is made of GaInNAs.
【請求項5】 請求項1ないし4のいずれか1項に記載
の半導体レーザにおいて、 電子の閉じ込めエネルギーが150meV以上あり、な
おかつ、正孔の閉じ込めエネルギーが50meV以上あ
ることを特徴とする半導体レーザ。
5. The semiconductor laser according to claim 1, wherein the confinement energy of electrons is 150 meV or more, and the confinement energy of holes is 50 meV or more.
【請求項6】 半導体基板上に、光を発生する活性層
と、光を閉じこめるクラッド層(またはスペーサ層)
と、発生した光からレーザ光を得るための共振器構造を
有する半導体レーザにおいて、活性層が障壁層と井戸層
から形成される量子井戸型構造から構成され、井戸層に
窒素を含むIII-V族混晶半導体による第一の半導体層と
窒素を含むIII-V族混晶半導体による第二の半導体層を
各々1原子層づつ交互に繰り返し積層した超格子構造が
用いられていることを特徴とする半導体レーザ。
6. An active layer for generating light and a cladding layer (or spacer layer) for confining light on a semiconductor substrate.
And a semiconductor laser having a resonator structure for obtaining laser light from generated light, wherein the active layer is formed of a quantum well type structure formed of a barrier layer and a well layer, and the well layer contains nitrogen. A superlattice structure is used in which a first semiconductor layer made of a group-III mixed crystal semiconductor and a second semiconductor layer made of a III-V mixed-crystal semiconductor containing nitrogen are alternately and repeatedly stacked one by one atomic layer. Semiconductor laser.
【請求項7】 請求項6に記載の半導体レーザにおい
て、上記超格子構造を形成する半導体材料が、GaNA
s、InNAs、AlNAs、GaNP、InNP、A
lNP、GaNSb、InNSb、AlNSbの中から
選ばれることを特徴とする半導体レーザ。
7. The semiconductor laser according to claim 6, wherein the semiconductor material forming the superlattice structure is GaNA.
s, InNAs, AlNAs, GaNP, InNP, A
A semiconductor laser selected from the group consisting of 1NP, GaNSb, InNSb, and AlNSb.
【請求項8】 請求項6または7に記載の半導体レーザ
において、発振波長が1.55μm帯であり、かつ、上
記半導体レーザの井戸層に用いられる窒素を含むIII-V
族混晶半導体の窒素の組成比が、全V族元素に対して1
%以下であることを特徴とする半導体レーザ。
8. The semiconductor laser according to claim 6, wherein said semiconductor laser has an oscillation wavelength in a 1.55 μm band and contains nitrogen used for a well layer of said semiconductor laser.
The nitrogen composition ratio of the group V mixed crystal semiconductor is 1
% Or less.
【請求項9】 請求項1ないし8のいずれか1項に記載
の半導体レーザにおいて、 上記半導体レーザが端面発光型であることを特徴とする
半導体レーザ。
9. The semiconductor laser according to claim 1, wherein said semiconductor laser is of an edge emitting type.
【請求項10】 請求項1ないし8のいずれか1項に記
載の半導体レーザにおいて、 上記半導体レーザが面発光型であることを特徴とする半
導体レーザ。
10. The semiconductor laser according to claim 1, wherein said semiconductor laser is of a surface-emitting type.
【請求項11】 請求項1ないし10のいずれか1項に
記載の半導体レーザを用いた光通信システム。
11. An optical communication system using the semiconductor laser according to claim 1.
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