JPH10284795A - Semiconductor laser element providing distortion amount and layer thickness modulating multiple quantum-well structure and manufacture therefor - Google Patents

Semiconductor laser element providing distortion amount and layer thickness modulating multiple quantum-well structure and manufacture therefor

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JPH10284795A
JPH10284795A JP8499997A JP8499997A JPH10284795A JP H10284795 A JPH10284795 A JP H10284795A JP 8499997 A JP8499997 A JP 8499997A JP 8499997 A JP8499997 A JP 8499997A JP H10284795 A JPH10284795 A JP H10284795A
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quantum well
layer
strain
amount
thickness
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Shoji Hirata
照二 平田
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Sony Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance a threshold current characteristic by suppressing a generation of a carrier overflow phenomenon, increase carrier injection efficiency, and obtain a stable light-emitting wavelength. SOLUTION: When this element has a p-type clad layer Cd1 and an n-type clad layer Cd2 which nip and active region Act which forms a plurality of quantum-well layers QW1 to QW4, the respective quantum-well layers QW1 to QW4 form potential barriers ΔEc1 to ΔEc4 between adjacent clad layers Cd1, Cd2 and/or barrier layers. Here, distortion amounts ε1 to ε4 of the respective quantum-well layers QW1 to QW4 are formed, or distortion amounts ε1 to ε4 and layer thicknesses T1 to T4 are formed, so that a difference between quantizing levels μ1 (-μ4) of carriers in the respective quantum-well layers QW1 to QW4 and the potential barriers ΔEc1 to ΔEc4 is a specific value.

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、多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子および製造方法に関し、とり
わけ歪み量及び層厚変調型の多重量子井戸構造を備える
半導体レーザ素子および製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor laser device having a multiple quantum well structure and a method of manufacturing the same, and more particularly to a semiconductor laser device having a multiple quantum well structure of a strain amount and layer thickness modulation type and a method of manufacturing the same. .

【0002】[0002]

【従来の技術】量子井戸半導体レーザ(QWレーザ)
は、活性層がキャリアである電子、正孔のドブロイ波長
程度以下の厚さの量子井戸構造である半導体レーザであ
り、とりわけ量子井戸層(ウエル)と障壁層(バリア
ー)が交互に積層され、量子井戸層が2層以上のものが
多重量子井戸(MQW)半導体レーザとなる。
2. Description of the Related Art Quantum well semiconductor lasers (QW lasers)
Is a semiconductor laser in which the active layer has a quantum well structure with a thickness of about the de Broglie wavelength of electrons and holes as carriers, and in particular, a quantum well layer (well) and a barrier layer (barrier) are alternately stacked, A multiple quantum well (MQW) semiconductor laser has two or more quantum well layers.

【0003】このような量子井戸半導体レーザでは、活
性層内に形成された量子化準位間の電子遷移がレーザ発
振を支配し、キャリア状態密度がステップ関数状である
ため、光学利得スペクトルの半値幅が狭くなる。この結
果、小さな注入電流密度で利得係数が急激に上昇し、し
きい値電流Ithが減少する。
In such a quantum well semiconductor laser, the electron transition between the quantized levels formed in the active layer controls the laser oscillation, and the carrier state density is a step function. Price range narrows. As a result, the gain coefficient sharply increases at a small injection current density, and the threshold current Ith decreases.

【0004】さらに、量子井戸層と障壁層に格子不整合
系の材料を用い、ミスフィット転移発生のないように量
子井戸層の厚みを臨界層厚以下にした、歪量子井戸半導
体レーザまたは歪超格子半導体レーザが広く適用されて
いる。
Further, a strained quantum well semiconductor laser or a strained ultra-strained laser is used in which a lattice mismatched material is used for the quantum well layer and the barrier layer, and the thickness of the quantum well layer is less than the critical layer thickness so that misfit transition does not occur. Lattice semiconductor lasers are widely applied.

【0005】これらの歪み量型のレーザでは、格子ひず
みによる圧縮または引っ張り応力の大きさを制御するこ
とにより、量子井戸層と障壁層の伝導帯側のポテンシャ
ル差すなわち電子のポテンシャル障壁ΔEc、または/
および、量子井戸層と障壁層の価電子帯側のポテンシャ
ル差すなわち正孔のポテンシャル障壁ΔEvを制御し
て、バンドギャップΔEgを変化させることが可能であ
る。
In these strain type lasers, the potential difference between the conduction band side of the quantum well layer and the barrier layer, that is, the potential barrier ΔEc of electrons, or /
Further, it is possible to change the band gap ΔEg by controlling the potential difference between the quantum well layer and the barrier layer on the valence band side, that is, the potential barrier ΔEv of holes.

【0006】例えば、図14は組成Ga(x)In(1
−x)Pの歪み量子井戸における、伝導帯の電子のポテ
ンシャル障壁ΔEcの歪み量ε依存度を示す線図であ
る。歪み量εは、着目する量子井戸の格子定数をΛq、
隣接するバリアー層あるいはクラッド層の格子定数をΛ
bcとした場合、 ε=(Λq−Λbc)/Λq として定義され、ε>0で圧縮歪みとなり、ε<0で引
張り歪みとなる。同図によれば、バンドギャップΔEg
で正規化された電子のポテンシャル障壁ΔEcは、ε=
0すなわち無歪時の値に対し、圧縮歪(ε>0)で増加
し、引張り歪(ε<0)で減少する。
For example, FIG. 14 shows a composition Ga (x) In (1
FIG. 11 is a diagram showing the dependence of the potential barrier ΔEc of electrons in the conduction band on the strain ε in the strained quantum well of −x) P. The strain amount ε is represented by 格子 q, the lattice constant of the quantum well of interest,
Set the lattice constant of the adjacent barrier layer or cladding layer to Λ
In the case of bc, ε = (Λq−Λbc) / Λq, where ε> 0 results in compressive strain, and ε <0 results in tensile strain. According to the figure, the band gap ΔEg
The electron potential barrier ΔEc normalized by
0, that is, the value increases at a compressive strain (ε> 0) and decreases at a tensile strain (ε <0) from the value at the time of no strain.

【0007】歪の導入はバンドギャップの変化だけでな
くバンド構造を変化させる。ε>0(圧縮歪)の領域で
は、価電子帯最頂上に位置するバンドは成長面方向の正
孔質量が軽い。このため、前記組成の物質を半導体レー
ザの利得媒質として用いると、より少数の正孔の注入で
正孔の擬フェルミレベルが容易に上昇しキャリアの反転
分布が得やすくなるなどのため、レーザの低しきい値発
振が可能となる。
The introduction of strain changes not only the band gap but also the band structure. In the region of ε> 0 (compression strain), the band located at the top of the valence band has a small hole mass in the growth plane direction. For this reason, when a substance having the above composition is used as a gain medium of a semiconductor laser, the injection of a smaller number of holes easily increases the pseudo-Fermi level of holes and makes it easy to obtain a population inversion distribution. Low threshold oscillation becomes possible.

【0008】また、ε>0(引っ張り歪み)の領域にお
いても、価電子の状態と伝導帯との光学的遷移確率が大
きく、そのため微分利得が増大するなどのため、この結
晶を活性層に用い、レーザの発振しきい値低減が可能で
ある。
Also, in the region where ε> 0 (tensile strain), the optical transition probability between the state of the valence electrons and the conduction band is large, so that the differential gain is increased. The laser oscillation threshold can be reduced.

【0009】図15は、発振波長が一定値633nmに
なるよう層厚が設計された2重量子井戸構造レーザ発振
しきい値のGa(x)In(1−x)P井戸層組成、す
なわち、歪量(ε)依存性である。歪のないレーザと比
較し、歪量が正負それぞれの適切な値、例えばε=+
0.6%あるいはε=−0.5%近傍それぞれで低発振
しきい値Ithが実現している。なお圧縮歪量子井戸で
はTEモードで、引っ張り歪ではTMモードで発振す
る。
FIG. 15 shows the composition of a Ga (x) In (1-x) P well layer having a double quantum well structure laser oscillation threshold whose thickness is designed so that the oscillation wavelength becomes a constant value of 633 nm. This is dependent on the amount of strain (ε). Compared to a laser without distortion, the amount of distortion is an appropriate value for each of positive and negative, for example, ε =
A low oscillation threshold value Ith is realized at around 0.6% or ε = −0.5%. Note that oscillation occurs in the TE mode in the compression strain quantum well and in the TM mode in the tensile strain.

【0010】歪結晶は、このように、レーザ発振波長や
利得制御の有力な手段となる。このほか歪は、伝導帯、
価電子帯のエネルギー準位を変えるため、各種ヘテロ接
合デバイスで重要なヘテロ接合のバンド不連続量が変わ
る。このため、逆にバンド不連続量を制御する手段とも
なる。
[0010] Thus, the strained crystal is an effective means for controlling the laser oscillation wavelength and gain. In addition, the distortion is conduction band,
Changing the energy level of the valence band changes the band discontinuity of the heterojunction, which is important in various heterojunction devices. Therefore, it also serves as a means for controlling the amount of band discontinuity.

【0011】図11は、前記のような従来の歪多重量子
井戸(MQW)構造におけるエネルギーバンドギャップ
の模式図である。同図で、量子井戸層に加える歪み量ε
は格子ずれ(Δa/a)で定義され、この構造は量子井
戸層がεが+0.5%のGaInP層で構成され、また
バリアー層が無歪みの(Al0.5Ga0.5)0.5
InP層で構成される。
FIG. 11 is a schematic diagram of an energy band gap in the conventional strained multiple quantum well (MQW) structure as described above. In the figure, the strain ε applied to the quantum well layer
Is defined by a lattice shift (Δa / a). In this structure, the quantum well layer is composed of a GaInP layer having ε of + 0.5%, and the barrier layer is (Al0.5Ga0.5) 0.5 having no distortion.
It is composed of an InP layer.

【0012】この構成においては各量子井戸QW101
〜QW104に加えられた歪み量εは+0.5%で一定
であり、伝導帯CBD側のポテンシャル障壁ΔEcは各
量子井戸QW101〜QW104につき等しい値とな
り、同様に価電子帯VBD側のポテンシャル障壁ΔEv
も各量子井戸QW101〜QW104につき等しくな
る。したがって、バンドギャップΔEgも等しく、また
伝導帯CBD側の電子の量子化準位μと価電子帯VBD
側の正孔の量子化準位νの差(=フェルミ準位差ΔEf
ermi)も等しい構成となっている。
In this configuration, each quantum well QW101
QQW104 is constant at + 0.5%, the potential barrier ΔEc on the conduction band CBD side has the same value for each of the quantum wells QW101 to QW104, and similarly the potential barrier ΔEv on the valence band VBD side.
Is also equal for each of the quantum wells QW101 to QW104. Therefore, the band gap ΔEg is equal, and the quantization level μ of electrons on the conduction band CBD side and the valence band VBD
Of the quantization level ν of the hole on the side (= Fermi level difference ΔEf
ermi) have the same configuration.

【0013】ここで歪み量の制御は、GaとInの組成
比を0.5からいずれか一方にずらせて成膜することで
なされる。例えばInを0.57、Gaを0.43と若
干In組成を上げてIn過剰側(x<0.5)に成膜す
ることで、格子ずれ(Δa/a)は約+0.65%とな
り、伝導帯CBD側のポテンシャル障壁ΔEcが増加
し、エネルギーバンドが縮小することが知られている
(IEEE Jounalof Quantum El
ectronics、V29 No.6 1863−1
867)。
The amount of strain is controlled by shifting the composition ratio of Ga and In from 0.5 to one of them to form a film. For example, by slightly increasing the In composition to 0.57 for In and 0.43 for Ga and forming a film on the In excess side (x <0.5), the lattice shift (Δa / a) becomes about + 0.65%. It is known that the potential barrier ΔEc on the conduction band CBD side increases and the energy band shrinks (IEEE Junalof Quantum El).
electronics, V29 No. 6 1863-1
867).

【0014】Ga過剰側(x>0.5)で引張りの、I
n過剰側(x<0.5)で圧縮の、2軸性応力が働き、
歪が生ずる。前記と逆にGaの組成比を上げると、引張
り(マイナス)歪みが発生し、伝導帯CBD側のポテン
シャル障壁ΔEcが減少してエネルギーバンドギャップ
が拡大する。また、歪みを量子井戸層に加えることによ
り生じる利点として、価電子帯の縮退が解け、ゲインが
とれやすくなるためレーザ素子の発振しきい値が下がる
ことが知られている。例えば赤色波長帯のレーザ素子の
うち、635nmのレーザ素子にはマイナス歪みが、6
50nmのレーザ素子にはプラス歪みが加えられてい
る。
I, which is pulled on the Ga excess side (x> 0.5),
On the n excess side (x <0.5), a compressive biaxial stress acts,
Distortion occurs. Conversely, when the composition ratio of Ga is increased, tensile (minus) strain occurs, the potential barrier ΔEc on the conduction band CBD side decreases, and the energy band gap increases. Further, it is known that as an advantage caused by applying strain to the quantum well layer, the degeneracy of the valence band is released and the gain is easily obtained, so that the oscillation threshold of the laser element is lowered. For example, among the laser elements in the red wavelength band, the laser element of 635 nm has minus distortion, and 6
A positive distortion is applied to the 50 nm laser element.

【0015】図12は、各量子井戸層が等しい層厚を有
し、歪量を量子井戸層毎に異ならせた構成における活性
領域の伝導帯側エネルギーレベルの模式図であり、この
図には伝導帯側のみが示されている。同図で、量子井戸
層QW110〜QW113はn型クラッド層N110と
p型クラッド層P110とに挟まれて配置され、各量子
井戸層QW110〜QW113はすべて同一の層厚T1
10で構成されている。
FIG. 12 is a schematic diagram of the conduction band side energy level of the active region in a configuration in which each quantum well layer has the same layer thickness and the amount of strain differs for each quantum well layer. Only the conduction band side is shown. In the figure, the quantum well layers QW110 to QW113 are disposed between an n-type cladding layer N110 and a p-type cladding layer P110, and all the quantum well layers QW110 to QW113 have the same layer thickness T1.
10.

【0016】各量子井戸層QW110〜QW113に加
えられた歪み量は、量子井戸層QW110につきε11
0=0%で無歪、量子井戸層QW111につきε111
=0.1%、量子井戸層QW112につきε112=
0.3%、量子井戸層QW113につきε113=0.
5%と、漸増している。
The amount of strain applied to each of the quantum well layers QW110 to QW113 is ε11 per quantum well layer QW110.
0 = 0% at no strain, ε111 per quantum well layer QW111
= 0.1%, ε112 = per quantum well layer QW112
0.3%, ε113 = 0.0.0 per quantum well layer QW113.
It is gradually increasing to 5%.

【0017】各量子井戸層のポテンシャル障壁は、主と
して歪み量に依存する。したがって無歪の量子井戸層Q
W110のポテンシャル障壁をΔEc110とすると、
量子井戸層QW111のポテンシャル障壁ΔEc111
はそれより大きく(井戸は深く)、以下順に量子井戸層
QW112〜QW113のポテンシャル障壁ΔEc11
2〜ΔEc113は漸増している。
The potential barrier of each quantum well layer mainly depends on the amount of strain. Therefore, the strain-free quantum well layer Q
Assuming that the potential barrier of W110 is ΔEc110,
Potential barrier ΔEc111 of quantum well layer QW111
Is larger than that (the depth of the well is deeper), and the potential barrier ΔEc11 of the quantum well layers QW112 to QW113 in the following order.
2 to ΔEc113 are gradually increasing.

【0018】一方、各量子井戸層内のキャリア、同図で
は電子の量子化準位は、主として電子の有効質量と層厚
に依存するが、ここで有効質量は略同一と見做せるか
ら、層厚に依存することになる。この構成では層厚は各
量子井戸層とも同一であるから、よって各量子井戸層の
量子化準位は各井戸の底を原点として同じ高さに位置す
る。
On the other hand, the carriers in each quantum well layer, that is, the quantization levels of the electrons in the figure mainly depend on the effective mass of the electrons and the layer thickness. Here, since the effective mass can be regarded as substantially the same, It will depend on the layer thickness. In this configuration, since the layer thickness is the same for each quantum well layer, the quantization level of each quantum well layer is located at the same height with the bottom of each well as the origin.

【0019】各量子井戸層のポテンシャル障壁は前記の
ように各量子井戸層で異なるから、よって伝導帯側の電
子の量子化準位μ110〜μ113と価電子帯側(図示
されない)の正孔の量子化準位νの差(=フェルミ準位
差ΔEfermi)に差異が生じる。これは主に価電子
帯側の正孔の量子化準位νのプロファイルが異なること
による。このため、発光過程に寄与するエネルギーが各
量子井戸層で異なることから、発振波長分布がブロード
になってしまう。
Since the potential barrier of each quantum well layer is different in each quantum well layer as described above, the quantum levels μ110 to μ113 of the electrons in the conduction band and the holes of the holes in the valence band (not shown) are thus determined. A difference occurs in the difference between the quantization levels ν (= Fermi level difference ΔEfermi). This is mainly because the profile of the quantization level ν of holes on the valence band side is different. For this reason, since the energy contributing to the light emitting process is different in each quantum well layer, the oscillation wavelength distribution becomes broad.

【0020】図13は、量子井戸層厚を調整した従来の
構成における活性領域の伝導帯側エネルギーレベルの模
式図であり、同図に示される構成は、前記図12の構成
に改善が試みられたものである。また同図には伝導帯側
のみが示されている。前記図12の説明で明らかなよう
に、歪量の大小によってエネルギーバンドギャップが変
動して、発振波長にばらつきが発生する。これを解決す
べく、各量子井戸層に加えられる歪量を与件として、発
振波長を一定に維持するように各量子井戸層厚を調整す
る構成となっている。
FIG. 13 is a schematic diagram of the energy level on the conduction band side of the active region in the conventional structure in which the quantum well layer thickness is adjusted. The structure shown in FIG. 13 is an attempt to improve the structure of FIG. It is a thing. Also, only the conduction band side is shown in FIG. As is clear from the description of FIG. 12, the energy band gap fluctuates depending on the magnitude of the distortion, and the oscillation wavelength varies. In order to solve this problem, the thickness of each quantum well layer is adjusted so as to keep the oscillation wavelength constant, given the amount of strain applied to each quantum well layer.

【0021】同図で、量子井戸層QW120〜QW12
4はn型クラッド層N120とp型クラッド層P120
とに挟まれて配置されている。各量子井戸層QW120
〜QW124に加えられた歪み量は、量子井戸層QW1
20につきε120=0%で無歪、量子井戸層QW12
1につきε121=0.1%、量子井戸層QW122に
つきε122=0.3%、量子井戸層QW123につき
ε123=0.3%、量子井戸層QW124につきε1
24=0.5%と、漸増している。
In the figure, the quantum well layers QW120 to QW12
4 is an n-type cladding layer N120 and a p-type cladding layer P120
And it is arranged between. Each quantum well layer QW120
WQW124 are applied to the quantum well layer QW1.
20 without strain at ε120 = 0%, quantum well layer QW12
Ε121 = 0.1% for each, ε122 = 0.3% for the quantum well layer QW122, ε123 = 0.3% for the quantum well layer QW123, and ε1 for the quantum well layer QW124.
24 = 0.5%, gradually increasing.

【0022】各量子井戸層のポテンシャル障壁は、主と
して歪み量に依存する。したがって無歪の量子井戸層Q
W120のポテンシャル障壁をΔEc120とすると、
量子井戸層QW121のポテンシャル障壁ΔEc121
はそれより大きく(井戸は深く)、以下順に量子井戸層
QW122〜QW124のポテンシャル障壁ΔEc12
2〜ΔEc124は横這い又は漸増している。
The potential barrier of each quantum well layer mainly depends on the amount of strain. Therefore, the strain-free quantum well layer Q
Assuming that the potential barrier of W120 is ΔEc120,
Potential barrier ΔEc121 of quantum well layer QW121
Is larger (the well is deeper), and the potential barrier ΔEc12 of the quantum well layers QW122 to
2 to ΔEc124 are leveling or gradually increasing.

【0023】ここで、各量子井戸層内の電子の量子化準
位は、前記例のように層厚に依存するから、よってこの
構成においては各量子井戸層の量子化準位が一律のμ1
20となるように、各量子井戸層QW120〜QW12
4の層厚T120〜T124がそれぞれ独立に調整され
る。このようにして、発振波長分布をシャープにするも
のである。
Here, since the quantization level of the electrons in each quantum well layer depends on the layer thickness as in the above example, therefore, in this configuration, the quantization level of each quantum well layer is uniform μ1.
20 so that each of the quantum well layers QW120 to QW12
4 are independently adjusted. Thus, the oscillation wavelength distribution is sharpened.

【0024】[0024]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
ような従来技術では、一律の量子化準位となるように層
厚を調整するから、例えば図13の量子井戸層QW12
2〜QW124の層厚T122〜T124にみられるよ
うに、特定の井戸の層厚が極端に薄くなるような設計値
となる場合がある。例えば量子井戸層厚が30オングス
トローム程度以下の非常に薄い層厚になると、形成が難
しくなり、量子井戸層厚の管理も困難になる。
However, in the prior art as described above, since the layer thickness is adjusted so as to have a uniform quantization level, for example, the quantum well layer QW12 shown in FIG.
As shown in the layer thicknesses T122 to T124 of 2 to QW124, the design value may be such that the layer thickness of a specific well becomes extremely thin. For example, if the quantum well layer has a very small thickness of about 30 angstroms or less, it becomes difficult to form the quantum well layer, and it becomes difficult to control the quantum well layer thickness.

【0025】また、量子井戸層厚が薄くなると出力に関
与する活性領域内の有効エリアが減少してゲインが低下
する。そこで充分なゲインを得るために、活性領域内の
量子井戸の数(multi数)を図13のように増やす
必要があるが、これはバリアー数の増加をまねき、量子
井戸層へのキャリアの注入効率が悪くなり、しきい値上
昇や効率の悪化を引き起こすという問題があった。
When the thickness of the quantum well layer is reduced, the effective area in the active region related to the output is reduced, and the gain is reduced. Therefore, in order to obtain a sufficient gain, it is necessary to increase the number of quantum wells (multi number) in the active region as shown in FIG. 13, but this leads to an increase in the number of barriers and injection of carriers into the quantum well layer. There has been a problem that the efficiency is deteriorated and the threshold value is increased and the efficiency is deteriorated.

【0026】さらに、最低限界層厚よりも薄い層厚にな
ると、実際に製作した場合、ダレ(なまり)が生じるこ
とが多い。この場合井戸型ポテンシャルの劣化で井戸の
底上げが主として起こり、発光波長の短波化を招くほ
か、各量子井戸層の発光波長に差が生じ、動作条件の変
動や利得の低下をまねくという問題があった。
Further, if the layer thickness is smaller than the minimum limit layer thickness, sagging often occurs in actual production. In this case, the well-type potential is deteriorated to raise the bottom of the well, which causes a short emission wavelength, and also causes a difference in the emission wavelength of each quantum well layer, resulting in a change in operating conditions and a decrease in gain. Was.

【0027】このように、歪み量の絶対値を大にする
と、ゲインが得やすく、偏向比が大になる利点があるも
のの、層厚限界が狭くなる欠点がある。一方、層厚を大
にすると、キャリアの捕獲が容易になり、製造が容易で
層厚揺らぎの影響が減り、ダレが少ないという利点があ
るものの、MQWでのキャリア均一注入に難があり、Q
W効果(ゲイン大、偏向選択大)が減るという欠点があ
り、最適化が容易ではなかった。したがって従来技術
は、キャリア、とりわけ電子の閉じ込め効果に関わるオ
ーバーフロー特性の改善や、しきい値電流特性の改善に
ついても効果的な技術とはなりえなかった。
As described above, when the absolute value of the amount of distortion is increased, gain is easily obtained and the deflection ratio is increased, but there is a disadvantage that the limit of the layer thickness is narrowed. On the other hand, when the layer thickness is increased, the carrier is easily trapped, the manufacturing is easy, the influence of the layer thickness fluctuation is reduced, and there is an advantage that the sag is small. However, it is difficult to uniformly inject the carrier by MQW.
There is a disadvantage that the W effect (large gain, large deflection selection) is reduced, and optimization is not easy. Therefore, the prior art cannot be an effective technique for improving the overflow characteristics related to the effect of confining carriers, particularly electrons, and the threshold current characteristics.

【0028】本発明は、前記のような従来技術における
問題点を解決するためなされたもので、キャリアを有効
に閉じ込め、あふれ現象の発生を抑えてしきい値電流特
性を改善し、同時にキャリア注入効率の改善がなされる
とともに、安定な発光波長が得られる多重量子井戸構造
の半導体レーザ素子および製造方法を提供することを目
的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems in the prior art, and effectively confine carriers, suppress the occurrence of overflow phenomenon, improve the threshold current characteristics, and simultaneously perform carrier injection. It is an object of the present invention to provide a semiconductor laser device having a multiple quantum well structure and a manufacturing method capable of improving the efficiency and obtaining a stable emission wavelength.

【0029】[0029]

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
本発明に係る多重量子井戸構造を備える半導体レーザ素
子は、活性領域および該活性領域を挟むp型クラッド層
およびn型クラッド層を有し、前記活性領域が複数の量
子井戸層からなり、前記各量子井戸層は隣接する前記ク
ラッド層又は/およびバリアー層間でポテンシャル障壁
を形成する多重量子井戸構造である半導体レーザ素子で
あって、前記各量子井戸層内のキャリアの量子化準位と
前記ポテンシャル障壁との差が所定値になるよう前記各
量子井戸層の歪量が形成、または歪量および層厚が形成
されたことを特徴とする。
A semiconductor laser device having a multiple quantum well structure according to the present invention has an active region and a p-type cladding layer and an n-type cladding layer sandwiching the active region. A semiconductor laser device having a multiple quantum well structure in which the active region includes a plurality of quantum well layers and each of the quantum well layers forms a potential barrier between the adjacent cladding layer and / or barrier layer. The amount of strain or the amount of strain and the thickness of each of the quantum well layers are formed such that the difference between the quantization level of carriers in the quantum well layer and the potential barrier becomes a predetermined value. .

【0030】前記の構成を有する本発明にかかる多重量
子井戸構造を備える半導体レーザ素子によれば、歪量
が、または歪量および層厚の両方が調整されたことによ
り、各量子井戸層内のキャリアの量子化準位とポテンシ
ャル障壁との差を所望の値にでき、よってキャリア閉じ
込めが有効になされてオーバーフロー特性が改善され
る。
According to the semiconductor laser device having the multiple quantum well structure according to the present invention having the above-described structure, the amount of strain, or both the amount of strain and the layer thickness, are adjusted, so that each quantum well layer has The difference between the quantization level of the carrier and the potential barrier can be set to a desired value, so that the carrier is effectively confined and the overflow characteristics are improved.

【0031】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子について、各量子井戸層の層
厚が狭くなる場合に、予めマイナス歪量を少なくする
か、あるいはプラス歪量を多くしてバンドギャップが調
整される場合は、量子井戸層において生起される井戸型
ポテンシャルの劣化を前以て予防することが可能にな
る。
Alternatively, in the semiconductor laser device having the multiple quantum well structure according to the present invention, when the thickness of each quantum well layer becomes narrow, the amount of minus strain is reduced or the amount of plus strain is increased beforehand. When the band gap is adjusted, it is possible to prevent the deterioration of the well-type potential caused in the quantum well layer in advance.

【0032】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子について、p型クラッド層あ
るいはn型クラッド層の少なくとも一方に隣接する量子
井戸層の層厚が他の量子井戸層の層厚よりも厚く構成さ
れる場合は、電子あるいは/およびホールのオーバーフ
ロー特性、とりわけ電子のオーバーフロー特性が改善さ
れるとともに、ヘテロ界面の数が減少してキャリア注入
効率が改善され、しきい値電流特性の改善がなされる。
さらに、活性領域内の有効出力エリアが拡大される。
Alternatively, in the semiconductor laser device having the multiple quantum well structure according to the present invention, the thickness of the quantum well layer adjacent to at least one of the p-type cladding layer and the n-type cladding layer is the same as that of another quantum well layer. When the thickness is thicker, the overflow characteristics of electrons and / or holes, particularly the overflow characteristics of electrons, are improved, the number of heterointerfaces is reduced, the carrier injection efficiency is improved, and the threshold current characteristics are improved. Improvements are made.
Further, the effective output area in the active area is enlarged.

【0033】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子について、p型クラッド層あ
るいはn型クラッド層の少なくとも一方に隣接する量子
井戸層の層厚が他の量子井戸層の層厚よりも厚く構成さ
れ、かつ各量子井戸層の層厚が狭くなる場合に、予めマ
イナス歪量を少なくするか、あるいはプラス歪量を多く
してバンドギャップが調整される場合は、従来技術で発
生していたような量子井戸層で発生する井戸型ポテンシ
ャルの劣化を回避でき、さらに電子あるいは/およびホ
ールのオーバーフロー特性が改善されるとともに、活性
領域内の有効出力エリアが拡大し、かつバリアー層の数
が抑えられることでキャリア注入効率が改善され、しき
い値電流特性の改善がなされる。
Alternatively, in the semiconductor laser device having a multiple quantum well structure according to the present invention, the thickness of the quantum well layer adjacent to at least one of the p-type cladding layer and the n-type cladding layer is the same as that of another quantum well layer. When the band gap is adjusted by reducing the amount of negative strain in advance or increasing the amount of positive strain in the case where the quantum well layer is configured to be thicker and the layer thickness of each quantum well layer becomes narrower, the conventional technology has a problem. The deterioration of the well-type potential generated in the quantum well layer as described above can be avoided, the overflow characteristics of electrons and / or holes are improved, the effective output area in the active region is enlarged, and the barrier layer By suppressing the number, carrier injection efficiency is improved, and threshold current characteristics are improved.

【0034】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子について、各量子井戸層内の
キャリア密度が異なる際に、キャリア密度に応じた歪量
を各量子井戸層に形成することにより発光波長変動を抑
制する構成とされる場合は、精度のよい歪量制御によっ
て発光波長変動が効果的に抑制される。
Alternatively, in the semiconductor laser device having the multiple quantum well structure according to the present invention, when the carrier density in each quantum well layer is different, a strain amount corresponding to the carrier density is formed in each quantum well layer. When the configuration is such that the emission wavelength variation is suppressed, the emission wavelength variation is effectively suppressed by accurate distortion amount control.

【0035】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子について、各量子井戸層の層
厚が狭くなる場合に、予めマイナス歪量を少なくする
か、あるいはプラス歪量を多くしてバンドギャップが調
整され、かつ各量子井戸層内のキャリア密度が異なる際
に、キャリア密度に応じた歪量を各量子井戸層に形成す
ることにより発光波長変動を抑制する構成とされる場合
は、量子井戸層において発生する井戸型ポテンシャルの
劣化を予防でき、また精度のよい歪量制御によって効果
的な発光波長変動の抑制がなされる。
Alternatively, in the semiconductor laser device having a multiple quantum well structure according to the present invention, when the thickness of each quantum well layer is reduced, the amount of minus strain is reduced or the amount of plus strain is increased beforehand. When the band gap is adjusted, and when the carrier density in each quantum well layer is different, a configuration in which the amount of distortion according to the carrier density is formed in each quantum well layer to suppress the emission wavelength variation, The deterioration of the well-type potential generated in the quantum well layer can be prevented, and the fluctuation of the emission wavelength can be effectively suppressed by controlling the amount of distortion with high accuracy.

【0036】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子について、p型クラッド層あ
るいはn型クラッド層の少なくとも一方に隣接する量子
井戸層の層厚が他の量子井戸層の層厚よりも厚く形成さ
れ、かつ各量子井戸層内のキャリア密度が異なる際に、
キャリア密度に応じた歪量を各量子井戸層に形成するこ
とにより発光波長変動を抑制する構成とされる場合は、
電子あるいは/およびホールのオーバーフロー特性、と
りわけ電子のオーバーフロー特性が改善されるととも
に、ヘテロ界面の数が減少してキャリア注入効率が改善
され、しきい値電流特性の改善がなされる。さらに、活
性領域内の有効出力エリアが拡大され、また精度のよい
歪量制御によって効果的な発光波長変動の抑制がなされ
る。
Alternatively, in the semiconductor laser device having a multiple quantum well structure according to the present invention, the thickness of the quantum well layer adjacent to at least one of the p-type cladding layer and the n-type cladding layer is the same as that of another quantum well layer. Thicker and the carrier density in each quantum well layer is different,
When the configuration is such that a variation in emission wavelength is suppressed by forming a strain amount corresponding to the carrier density in each quantum well layer,
The overflow characteristics of electrons and / or holes, especially the overflow characteristics of electrons, are improved, the number of heterointerfaces is reduced, carrier injection efficiency is improved, and threshold current characteristics are improved. Further, the effective output area in the active region is expanded, and the fluctuation of the emission wavelength is effectively suppressed by accurate distortion amount control.

【0037】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子について、前記各量子井戸層
の層厚が狭くなる場合に、予めマイナス歪量を少なくす
るか、あるいはプラス歪量を多くしてバンドギャップが
調整され、かつp型クラッド層あるいはn型クラッド層
の少なくとも一方に隣接する量子井戸層の層厚が他の量
子井戸層の層厚よりも厚く構成され、かつ各量子井戸層
内のキャリア密度が異なる際に、キャリア密度に応じた
歪量を各量子井戸層に形成することにより発光波長変動
を抑制する構成とされる場合は、量子井戸層における井
戸型ポテンシャルの劣化を未然に予防できる。
Alternatively, in the semiconductor laser device having a multiple quantum well structure according to the present invention, when the thickness of each of the quantum well layers becomes narrow, the amount of minus strain is reduced or the amount of plus strain is increased beforehand. And the thickness of the quantum well layer adjacent to at least one of the p-type cladding layer and the n-type cladding layer is thicker than the other quantum well layers. When the carrier density of the quantum well layer is different, the variation of the emission wavelength is suppressed by forming a strain amount corresponding to the carrier density in each quantum well layer. Can be prevented.

【0038】また、電子あるいは/およびホールのオー
バーフロー特性、とりわけ電子のオーバーフロー特性が
改善されるとともに、活性領域内の有効出力エリアが拡
大し、かつバリアー層の数が抑えられることでキャリア
注入効率が改善され、しきい値電流特性の改善がなされ
る。また精度のよい歪量制御によって効果的な発光波長
変動の抑制がなされる。
Further, the overflow characteristics of electrons and / or holes, especially the overflow characteristics of electrons, are improved, the effective output area in the active region is enlarged, and the number of barrier layers is suppressed, so that the carrier injection efficiency is improved. The threshold current characteristics are improved. Further, the variation of the emission wavelength is effectively suppressed by the accurate distortion amount control.

【0039】つぎに本発明に係る多重量子井戸構造を備
える半導体レーザ素子の製造方法は、活性領域および該
活性領域を挟むp型クラッド層およびn型クラッド層を
有し、活性領域が複数の量子井戸層からなり、各量子井
戸層は隣接するクラッド層又は/およびバリアー層間で
ポテンシャル障壁を形成する多重量子井戸構造である半
導体レーザ素子の、各量子井戸層内のキャリアの量子化
準位とポテンシャル障壁との差が所定値になるよう各量
子井戸層の歪量を形成、または歪量および層厚を形成す
る製造方法とする。
Next, a method for manufacturing a semiconductor laser device having a multiple quantum well structure according to the present invention has an active region, a p-type cladding layer and an n-type cladding layer sandwiching the active region, and the active region has a plurality of quantum wells. In a semiconductor laser device having a multiple quantum well structure in which a quantum well layer is formed, and each quantum well layer forms a potential barrier between adjacent cladding layers and / or barrier layers, the quantization level and potential of carriers in each quantum well layer The manufacturing method is to form the strain amount of each quantum well layer or to form the strain amount and the layer thickness so that the difference from the barrier becomes a predetermined value.

【0040】前記の構成を有する本発明にかかる多重量
子井戸構造を備える半導体レーザ素子の製造方法によれ
ば、歪量が、または歪量および層厚の両方が調整されて
形成されることにより、各量子井戸層内のキャリアの量
子化準位とポテンシャル障壁との差が所望の値になされ
た、よってオーバーフロー特性が改善された半導体レー
ザ素子の製造が可能になる。
According to the method of manufacturing a semiconductor laser device having a multiple quantum well structure according to the present invention having the above-described structure, the amount of strain or both the amount of strain and the layer thickness are adjusted to form the semiconductor laser device. The difference between the quantization level of the carriers in each quantum well layer and the potential barrier is set to a desired value, so that a semiconductor laser device having improved overflow characteristics can be manufactured.

【0041】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子の製造方法について、各量子
井戸層の層厚が狭くなる場合に、予めマイナス歪量を少
なくするか、あるいはプラス歪量を多くしてバンドギャ
ップを調整する場合は、従来にみられたような量子井戸
層で生起される井戸型ポテンシャルの劣化の予防が可能
な半導体レーザ素子が製造される。
Alternatively, in the method of manufacturing a semiconductor laser device having a multiple quantum well structure according to the present invention, when the thickness of each quantum well layer becomes narrow, the amount of minus strain is reduced or the amount of plus strain is reduced in advance. When the band gap is adjusted at most, a semiconductor laser device capable of preventing the deterioration of the well-type potential caused in the quantum well layer as seen in the related art is manufactured.

【0042】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子の製造方法について、p型ク
ラッド層あるいはn型クラッド層の少なくとも一方に隣
接する量子井戸層の層厚を他の量子井戸層の層厚よりも
厚く形成する場合は、電子あるいは/およびホールのオ
ーバーフロー特性、とりわけ電子のオーバーフロー特性
が改善されるとともに、キャリア注入効率が改善され、
しきい値電流の改善がなされた半導体レーザ素子の製造
が可能になる。
Alternatively, in the method of manufacturing a semiconductor laser device having a multiple quantum well structure according to the present invention, the thickness of a quantum well layer adjacent to at least one of a p-type clad layer and an n-type clad layer is changed to another quantum well layer. When it is formed thicker than the layer thickness, the overflow characteristics of electrons and / or holes, especially the overflow characteristics of electrons are improved, and the carrier injection efficiency is improved.
A semiconductor laser device with an improved threshold current can be manufactured.

【0043】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子の製造方法について、p型ク
ラッド層あるいはn型クラッド層の少なくとも一方に隣
接する量子井戸層の層厚を他の量子井戸層の層厚よりも
厚く形成し、かつ前記各量子井戸層の層厚が狭くなる場
合に、予めマイナス歪量を少なくするか、あるいはプラ
ス歪量を多くしてバンドギャップを調整する場合は、量
子井戸層において生起される井戸型ポテンシャルの劣化
を予防でき、さらに電子あるいは/およびホールのオー
バーフロー特性、とりわけ電子のオーバーフロー特性が
改善されるとともに、キャリア注入効率が改善され、よ
ってしきい値電流の改善がなされた半導体レーザ素子の
製造が可能になる。
Alternatively, in the method of manufacturing a semiconductor laser device having a multiple quantum well structure according to the present invention, the thickness of a quantum well layer adjacent to at least one of a p-type cladding layer and an n-type cladding layer may be changed to another quantum well layer. When the band gap is adjusted by reducing the amount of negative strain in advance or increasing the amount of positive strain when the thickness of each quantum well layer is reduced and the layer thickness of each quantum well layer is narrowed, It is possible to prevent the well-type potential from deteriorating in the well layer and further improve the overflow characteristics of electrons and / or holes, in particular, the overflow characteristics of electrons, and also improve the carrier injection efficiency, thereby improving the threshold current. In this way, it becomes possible to manufacture a semiconductor laser device in which the above-mentioned operation is performed.

【0044】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子の製造方法について、各量子
井戸層内のキャリア密度が異なる際に、キャリア密度に
応じた歪量を各量子井戸層に形成する場合は、精度のよ
い歪量制御によって発光波長動が効果的に抑制される半
導体レーザ素子の製造が可能になる。
Alternatively, in the method of manufacturing a semiconductor laser device having a multiple quantum well structure according to the present invention, when the carrier density in each quantum well layer is different, a strain amount corresponding to the carrier density is formed in each quantum well layer. In this case, it becomes possible to manufacture a semiconductor laser device in which the fluctuation of the emission wavelength is effectively suppressed by accurate distortion amount control.

【0045】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子の製造方法について、各量子
井戸層の層厚が狭くなる場合に、予めマイナス歪量を少
なくするか、あるいはプラス歪量を多くしてバンドギャ
ップが調整され、かつ各量子井戸層内のキャリア密度が
異なる際に、キャリア密度に応じた歪量を各量子井戸層
に形成する場合は、量子井戸層にあって井戸型ポテンシ
ャルの劣化が予防され、また精度のよい歪量制御によっ
て効果的な発光波長変動の抑制がなされる半導体レーザ
素子の製造が可能になる。
Alternatively, in the method of manufacturing a semiconductor laser device having a multiple quantum well structure according to the present invention, when the thickness of each quantum well layer becomes narrow, the amount of minus strain is reduced or the amount of plus strain is reduced in advance. When the band gap is adjusted and the carrier density in each quantum well layer is different, and a strain amount corresponding to the carrier density is formed in each quantum well layer, a well-type potential is formed in the quantum well layer. Of the semiconductor laser device in which the deterioration of the light emission wavelength is prevented, and the fluctuation of the emission wavelength is effectively suppressed by accurate distortion amount control.

【0046】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子の製造方法について、p型ク
ラッド層あるいはn型クラッド層の少なくとも一方に隣
接する量子井戸層の層厚が他の量子井戸層の層厚よりも
厚く形成され、かつ各量子井戸層内のキャリア密度が異
なる際に、キャリア密度に応じた歪量を各量子井戸層に
形成する構成とされる場合は、電子あるいは/およびホ
ールのオーバーフロー特性、とりわけ電子のオーバーフ
ロー特性が改善される。
Alternatively, in the method of manufacturing a semiconductor laser device having a multiple quantum well structure according to the present invention, the quantum well layer adjacent to at least one of the p-type clad layer and the n-type clad layer may have a different thickness. In the case where the quantum well layer is formed to be thicker than the layer thickness of each of the layers and the carrier density in each quantum well layer is different, the amount of strain corresponding to the carrier density is formed in each quantum well layer. , Especially the overflow characteristics of electrons.

【0047】さらに、ヘテロ界面の数が減少してキャリ
ア注入効率が改善され、しきい値電流特性の改善がなさ
れ、活性領域内の有効出力エリアが拡大され、また精度
のよい歪量制御によって効果的な発光波長変動の抑制が
なされる半導体レーザ素子の製造が可能になる。
Furthermore, the number of heterointerfaces is reduced, carrier injection efficiency is improved, threshold current characteristics are improved, the effective output area in the active region is expanded, and the effect is improved by accurate distortion amount control. It is possible to manufacture a semiconductor laser device capable of effectively suppressing fluctuation in emission wavelength.

【0048】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子の製造方法について、各量子
井戸層の層厚が狭くなる場合に、予めマイナス歪量を少
なくするか、あるいはプラス歪量を多くしてバンドギャ
ップが調整され、かつp型クラッド層あるいはn型クラ
ッド層の少なくとも一方に隣接する量子井戸層の層厚が
他の量子井戸層の層厚よりも厚く形成され、かつ各量子
井戸層内のキャリア密度が異なる際に、キャリア密度に
応じた歪量を各量子井戸層に形成する構成とされる場合
は、量子井戸層において井戸型ポテンシャルの劣化が予
防され、電子あるいは/およびホールのオーバーフロー
特性、とりわけ電子のオーバーフロー特性が改善され、
活性領域内の有効出力エリアが拡大し、かつバリアー層
の数を抑えてキャリア注入効率が改善されるとともに、
しきい値電流特性の改善がなされ、精度のよい歪量制御
によって効果的な発光波長変動の抑制がなされる半導体
レーザ素子の製造が可能になる。
Alternatively, in the method of manufacturing a semiconductor laser device having a multiple quantum well structure according to the present invention, when the thickness of each quantum well layer becomes narrow, the amount of negative strain is reduced or the amount of positive strain is reduced in advance. In many cases, the band gap is adjusted, and the thickness of the quantum well layer adjacent to at least one of the p-type cladding layer and the n-type cladding layer is formed to be thicker than the other quantum well layers. If the quantum well layer has a structure in which a strain amount corresponding to the carrier density is formed when the carrier density in the layer is different, the well-type potential is prevented from deteriorating in the quantum well layer and electrons and / or holes are prevented. The overflow characteristics of electrons, especially the overflow characteristics of electrons,
The effective output area in the active region is expanded, and the number of barrier layers is suppressed to improve the carrier injection efficiency.
The threshold current characteristics are improved, and it becomes possible to manufacture a semiconductor laser device in which the emission wavelength variation is effectively suppressed by accurate distortion amount control.

【0049】[0049]

【発明の実施の形態】以下、この発明の好適な実施形態
を添付図を参照して詳細に説明する。なお、以下に述べ
る実施形態は、この発明の好適な具現例の一部であり、
技術構成上好ましい種々の限定が付されているが、この
発明の範囲は、以下の説明において特にこの発明を限定
する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるもの
ではない。
Preferred embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiment described below is a part of a preferred embodiment of the present invention,
Although various limitations that are preferable in terms of the technical configuration are given, the scope of the present invention is not limited to these embodiments unless otherwise specified in the following description.

【0050】図1は、本発明に係る多重量子井戸半導体
レーザ素子の第1実施形態における活性領域の伝導帯側
エネルギーレベルの模式図である。図1に示されるよう
に、本発明に係る多重量子井戸半導体レーザ素子の活性
領域Actは、p型又はn型クラッド層Cd1およびn
型又はp型クラッド層Cd2に挟まれる。
FIG. 1 is a schematic diagram of the conduction band side energy level of the active region in the first embodiment of the multiple quantum well semiconductor laser device according to the present invention. As shown in FIG. 1, the active region Act of the multiple quantum well semiconductor laser device according to the present invention has p-type or n-type cladding layers Cd1 and n.
Sandwiched between the mold or p-type cladding layers Cd2.

【0051】活性領域Actは、第1量子井戸層QW1
(歪量ε1:層厚T1)、バリア層B1、第2量子井戸
層QW2(歪量ε2:層厚T2)、バリア層B2、第3
量子井戸層QW3(歪量ε3:層厚T3)、バリア層B
3、第4量子井戸層QW4(歪量ε4:層厚T4)が、
この順に、p型又はn型クラッド層Cd1からn型又は
p型クラッド層Cd2に至り形成されている。
The active region Act is the first quantum well layer QW1
(Strain amount ε1: layer thickness T1), barrier layer B1, second quantum well layer QW2 (strain amount ε2: layer thickness T2), barrier layer B2, third layer
Quantum well layer QW3 (strain ε3: layer thickness T3), barrier layer B
3. The fourth quantum well layer QW4 (strain ε4: layer thickness T4)
In this order, the layers are formed from the p-type or n-type cladding layer Cd1 to the n-type or p-type cladding layer Cd2.

【0052】ここで、p型又はn型クラッド層Cd1に
隣接する第1量子井戸層QW1の層厚T1を大に設定す
る。同様に、n型又はp型クラッド層Cd2に隣接する
第4量子井戸層QW4の層厚T4を大に設定する。この
ように、クラッド層に隣接する量子井戸層の幅を広くと
ることによって、キャリア捕獲を容易にし、量子井戸層
からクラッド層へのキャリアのあふれを抑制する。
Here, the thickness T1 of the first quantum well layer QW1 adjacent to the p-type or n-type cladding layer Cd1 is set to be large. Similarly, the layer thickness T4 of the fourth quantum well layer QW4 adjacent to the n-type or p-type cladding layer Cd2 is set to be large. As described above, by increasing the width of the quantum well layer adjacent to the clad layer, carrier capture is facilitated, and overflow of carriers from the quantum well layer to the clad layer is suppressed.

【0053】このように量子井戸層の層厚を厚くする
と、量子化準位が価電子帯側にシフトする。そこでこの
シフト分を補償する目的で、第1量子井戸層QW1にお
いては歪量ε1を、マイナス歪では大きく、あるいはプ
ラス歪では小さくすると、ポテンシャル障壁ΔEc1が
減少することにより、量子化準位は伝導帯CBD側にシ
フトして戻り、量子化準位μ1となる。
As described above, when the thickness of the quantum well layer is increased, the quantization level shifts toward the valence band. Therefore, in order to compensate for this shift, if the strain amount ε1 in the first quantum well layer QW1 is large for negative strain or small for positive strain, the potential barrier ΔEc1 decreases, and the quantized level becomes conductive. It shifts back to the band CBD side and becomes the quantization level μ1.

【0054】同様に、第4量子井戸層QW4においても
歪量ε4を、マイナス歪では大きく、あるいはプラス歪
では小さくすると、ポテンシャル障壁ΔEc4が減少す
ることにより、量子化準位は伝導帯CBD側にシフトし
て戻る。このとき歪量ε4、層厚T4を選定して、量子
化準位を前記μ1とすることもできる。図では、同じ量
子化準位μ1を構成する場合を示している。
Similarly, in the fourth quantum well layer QW4, when the strain amount ε4 is large for negative strain or small for positive strain, the potential barrier ΔEc4 decreases, and the quantization level shifts to the conduction band CBD side. Shift back. At this time, the distortion level ε4 and the layer thickness T4 may be selected, and the quantization level may be set to μ1. The figure shows a case where the same quantization level μ1 is formed.

【0055】ここで量子化準位μ1は、予め定めた所定
値が与えられている場合は、ポテンシャル障壁ΔEc1
やΔEc4等との差がこの所定値になるよう、各量子井
戸層の歪量、または歪量および層厚を選定・設定する。
Here, when the quantization level μ1 is given a predetermined value, the potential barrier ΔEc1
The amount of strain, or the amount of strain and the thickness of each quantum well layer is selected and set so that the difference between the quantum well layer and ΔEc4 becomes the predetermined value.

【0056】つぎに、中央部の第2量子井戸層QW2と
第3量子井戸層QW3については、層厚T2、T3を狭
く、プラス歪量ε2、ε3を大(あるいはマイナス歪量
ε2、ε3を小)として高い発振効率を確保するととも
に、層厚T2と歪量ε2、層厚T3と歪量ε3を可制御
量とみなして、量子化準位の変動を最小とする値を選定
・設定する。とりわけ、量子化準位を前記μ1とするよ
うに選定することが好ましい。このように、挟まれた領
域の量子井戸層は幅狭−高ひずみとすることで、しきい
値電流Ithの改善(低下)をはかることができる。
Next, regarding the second quantum well layer QW2 and the third quantum well layer QW3 in the center, the layer thicknesses T2 and T3 are narrow and the positive strain amounts ε2 and ε3 are large (or the negative strain amounts ε2 and ε3 are large). Small), a high oscillation efficiency is secured, and the layer thickness T2 and the strain amount ε2, and the layer thickness T3 and the strain amount ε3 are regarded as controllable amounts, and a value that minimizes the fluctuation of the quantization level is selected and set. . In particular, it is preferable to select the quantization level to be the aforementioned μ1. As described above, the threshold current Ith can be improved (decreased) by setting the quantum well layer in the sandwiched region to have a narrow width and a high strain.

【0057】また、これら層厚が狭い量子井戸層につい
ては、層厚の選定において最小限界層厚を限度値として
選定・設定作業することが好ましい。これにより、井戸
型ポテンシャルのなまりが生じるような寸法の層厚を排
除することができる。
For these quantum well layers having a small layer thickness, it is preferable to select and set the minimum critical layer thickness as a limit value in selecting the layer thickness. This makes it possible to eliminate a layer thickness having such a size that a well-type potential is rounded.

【0058】このように、本実施形態ではキャリアのオ
ーバーフローを両端に作った幅広の井戸で防ぐ構成であ
る。これによって、従来温度特性的に不利であった、6
50nm帯のAlGaInP系レーザの高温動作の改善
が可能となる。また、このように層厚の量子井戸層を混
在させることで、全体のヘテロ界面の数を減らすことが
でき、キャリアの注入効率や素子の信頼性の向上も実現
される。
As described above, in the present embodiment, the overflow of the carrier is prevented by the wide wells formed at both ends. As a result, 6
It is possible to improve the high-temperature operation of a 50 nm band AlGaInP-based laser. Further, by mixing the quantum well layers having such a thickness, the number of the entire heterointerfaces can be reduced, and the carrier injection efficiency and the reliability of the device can be improved.

【0059】図2は、本発明に係る多重量子井戸半導体
レーザ素子の第2実施形態における活性領域の伝導帯側
エネルギーレベルの模式図である。本実施形態の活性領
域Act2の構成は、前記第1実施形態の第1量子井戸
層QW1(歪量ε1:層厚T1)を、第1’量子井戸層
QW1’(歪量ε1’)に変更したものであり、歪量ε
1’を前記歪量ε1よりも若干変え、井戸を浅くしたも
のである。前記第1実施形態はプロファイルが対称形で
あったが、本実施形態は非対称のプロファイルとなって
いる。図では特に、全量子井戸層に共通の量子化準位μ
1の他に、量子化準位μ1’が形成されるものを示して
いるが、実施形態はこれに限られない。作用効果は前記
第1実施形態に準ずる。
FIG. 2 is a schematic diagram of the conduction band side energy level of the active region in the multiple quantum well semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention. In the configuration of the active region Act2 of the present embodiment, the first quantum well layer QW1 (strain amount ε1: layer thickness T1) of the first embodiment is changed to a first quantum well layer QW1 ′ (strain amount ε1 ′). And the amount of strain ε
1 ′ is slightly changed from the strain amount ε1 to make the well shallow. While the profile of the first embodiment is symmetric, the profile of the present embodiment is asymmetric. In the figure, in particular, the quantization level μ common to all the quantum well layers is shown.
1 shows that a quantization level μ1 ′ is formed, but the embodiment is not limited to this. The function and effect are the same as those of the first embodiment.

【0060】図3は、本発明に係る多重量子井戸半導体
レーザ素子の第3実施形態における活性領域の伝導帯側
エネルギーレベルの模式図である。図3に非対称な歪み
変調QW構造の1例を示す。これは、前記第1実施形態
におけるような、pおよびn型両クラッド層にそれぞれ
層厚の量子井戸を設ける構成ではなく、特にp型クラッ
ド層Cd11側だけに層厚の量子井戸層を設け、オーバ
ーフローしやすい電子の溜めを意図したものである。一
般にホールは、有効質量も重いため、キャリアオーバー
フローは電子に比べ少ないと言われている。そこで、電
子にのみ大きく効果がある、非対称構造としたものであ
る。
FIG. 3 is a schematic view showing the energy level on the conduction band side of the active region in the third embodiment of the multiple quantum well semiconductor laser device according to the present invention. FIG. 3 shows an example of an asymmetric distortion modulation QW structure. This is not a structure in which the p-type and n-type cladding layers are provided with the quantum wells having the respective layer thicknesses as in the first embodiment. In particular, the quantum well layer having the layer thickness is provided only on the p-type cladding layer Cd11 side. It is intended to store electrons that easily overflow. It is generally said that holes have a large effective mass, so that carrier overflow is smaller than electrons. Therefore, an asymmetric structure having a large effect only on electrons is adopted.

【0061】第3実施形態に係る多重量子井戸半導体レ
ーザ素子の活性領域Act3は、p型クラッド層Cd1
1およびn型クラッド層Cd12に挟まれる。活性領域
Act3は、第1量子井戸層QW11(歪量ε11:層
厚T11)、バリア層B11、第2量子井戸層QW12
(歪量ε12:層厚T12)、バリア層B12、第3量
子井戸層QW13(歪量ε13:層厚T13)、バリア
層B13、第4量子井戸層QW14(歪量ε14:層厚
T14)が、この順に、p型クラッド層Cd11からn
型クラッド層Cd12に至り形成されている。
The active region Act3 of the multiple quantum well semiconductor laser device according to the third embodiment has a p-type cladding layer Cd1.
1 and n-type cladding layer Cd12. The active region Act3 includes a first quantum well layer QW11 (strain ε11: layer thickness T11), a barrier layer B11, and a second quantum well layer QW12.
(Strain amount ε12: layer thickness T12), barrier layer B12, third quantum well layer QW13 (strain amount ε13: layer thickness T13), barrier layer B13, and fourth quantum well layer QW14 (strain amount ε14: layer thickness T14). In this order, the p-type cladding layers Cd11 to n
It is formed up to the mold clad layer Cd12.

【0062】ここで、p型クラッド層Cd11に隣接す
る第1量子井戸層QW11の層厚T11を大に設定す
る。また、図示されるような、つぎに隣接する第2量子
井戸層QW12も同様に、層厚T12を大に設定する構
成も可能である。一方、n型クラッド層Cd12に隣接
する第4量子井戸層QW14の層厚T4は小とする。こ
のように、p型クラッド層に隣接する量子井戸層の幅を
広くとることによって、電子の捕獲を容易にし、量子井
戸層からクラッド層への電子のあふれを抑制する。
Here, the layer thickness T11 of the first quantum well layer QW11 adjacent to the p-type cladding layer Cd11 is set to be large. Further, as shown in the figure, a configuration in which the layer thickness T12 of the next adjacent second quantum well layer QW12 is similarly set to a large value is also possible. On the other hand, the thickness T4 of the fourth quantum well layer QW14 adjacent to the n-type cladding layer Cd12 is small. As described above, by increasing the width of the quantum well layer adjacent to the p-type cladding layer, the capture of electrons is facilitated, and the overflow of electrons from the quantum well layer to the cladding layer is suppressed.

【0063】前記のように、本実施形態では電子のオー
バーフローをp型クラッド層側に作った層厚の井戸で防
ぐ構成である。また、層厚の量子井戸層を混在させるこ
とで、全体のヘテロ界面の数を減らすことができ、キャ
リアの注入効率や素子の信頼性の向上も実現される。
As described above, in this embodiment, the structure is such that the overflow of electrons is prevented by the well having the layer thickness formed on the p-type cladding layer side. In addition, by mixing quantum well layers having a large thickness, the total number of heterointerfaces can be reduced, and carrier injection efficiency and device reliability can be improved.

【0064】図4は、本発明に係る多重量子井戸半導体
レーザ素子の第4実施形態における活性領域の伝導帯側
エネルギーレベルの模式図である。本実施形態の活性領
域Act4の構成は、前記第3実施形態の第2量子井戸
層QW12(歪量ε12:層厚T12)を、第2’量子
井戸層QW12’(歪量ε12’)に変更したものであ
り、歪量ε12’を前記歪量ε12よりも若干変え、井
戸を浅くしたものである。図では特に、全量子井戸層に
共通の量子化準位μ11の他に、量子化準位μ12’が
形成されるものを示しているが、実施形態はこれに限ら
れない。作用効果は前記第3実施形態に準ずる。
FIG. 4 is a schematic view of the conduction band side energy level of the active region in the multiple quantum well semiconductor laser device according to the fourth embodiment of the present invention. In the configuration of the active region Act4 of the present embodiment, the second quantum well layer QW12 (strain ε12: layer thickness T12) of the third embodiment is changed to a second quantum well layer QW12 ′ (strain ε12 ′). The strain amount ε12 ′ is slightly changed from the strain amount ε12 to make the well shallower. Although the figure particularly shows the case where the quantization level μ12 ′ is formed in addition to the quantization level μ11 common to all the quantum well layers, the embodiment is not limited to this. The function and effect are similar to those of the third embodiment.

【0065】図5は、本発明に係る多重量子井戸半導体
レーザ素子の第5実施形態における活性領域の伝導帯側
エネルギーレベルの模式図である。本実施形態は、ホー
ルのキャリア注入に発生しがちである不均一を、歪み変
調によって補正する構成としている。
FIG. 5 is a schematic diagram of the conduction band side energy level of the active region in the multiple quantum well semiconductor laser device according to the fifth embodiment of the present invention. This embodiment has a configuration in which non-uniformity that tends to occur in hole carrier injection is corrected by distortion modulation.

【0066】第5実施形態に係る多重量子井戸半導体レ
ーザ素子の活性領域Act5は、p型クラッド層Cd2
1およびn型クラッド層Cd22に挟まれる。活性領域
Act5は、第1量子井戸層QW21(歪量ε21:層
厚T21)、バリア層B21、第2量子井戸層QW22
(歪量ε22:層厚T21)、バリア層B22、第3量
子井戸層QW23(歪量ε23:層厚T21)、バリア
層B23、第4量子井戸層QW24(歪量ε24:層厚
T21)が、この順に、p型クラッド層Cd21からn
型クラッド層Cd22に至り形成されている。このよう
に、全ての量子井戸層の層厚は同じT21である。
The active region Act5 of the multiple quantum well semiconductor laser device according to the fifth embodiment has a p-type cladding layer Cd2.
1 and n-type cladding layer Cd22. The active region Act5 includes a first quantum well layer QW21 (strain amount ε21: layer thickness T21), a barrier layer B21, and a second quantum well layer QW22.
(Strain amount ε22: layer thickness T21), barrier layer B22, third quantum well layer QW23 (strain amount ε23: layer thickness T21), barrier layer B23, and fourth quantum well layer QW24 (strain amount ε24: layer thickness T21). In this order, the p-type cladding layers Cd21 to n
It is formed up to the mold clad layer Cd22. Thus, the thickness of all the quantum well layers is the same T21.

【0067】歪量ε21が最大のプラス値で、歪量ε2
4に向かい漸減する構成となっている。ここで、例えば
第1量子井戸層QW21に右側からホールが注入される
ことを考えると、最初の最も右の第1量子井戸層QW2
1には充分にホールが注入される。しかし量子井戸層を
トンネルして移動するホール量は、エネルギー減衰にと
もない次第に減少する。
The strain amount ε21 is the largest plus value and the strain amount ε2
4 and gradually decreases. Here, considering that holes are injected into the first quantum well layer QW21 from the right side, for example, the first rightmost first quantum well layer QW2
1 is sufficiently filled with holes. However, the amount of holes moving through the quantum well layer gradually decreases with energy decay.

【0068】このため、擬フェルミレベルは左の量子井
戸層ほどエネルギーバンド的に小さくなり、よって各量
子井戸層からの発光波長が第1量子井戸層QW21から
第4量子井戸層QW24に進むにしたがい、長波長化す
る。これはゲイン的に不利であり、各量子井戸層からの
発光波長は一定にするのが望ましい。
For this reason, the pseudo-Fermi level becomes smaller in the energy band in the left quantum well layer, so that the emission wavelength from each quantum well layer advances from the first quantum well layer QW21 to the fourth quantum well layer QW24. , To increase the wavelength. This is disadvantageous in terms of gain, and it is desirable that the emission wavelength from each quantum well layer be constant.

【0069】この補正は、well幅の変調、すなわち
量子井戸層厚の調整による制御でも原理的には可能であ
るが、後述するように実際には制御が容易ではない。そ
こで本実施形態では、制御の容易な歪み変調によって実
現する。
This correction can be performed in principle by modulation of the well width, that is, control by adjusting the thickness of the quantum well layer. However, control is not easy in practice, as will be described later. Thus, in the present embodiment, this is realized by easily controlled distortion modulation.

【0070】すなわち、各量子井戸層内のキャリア密度
が異なる際に、このキャリア密度に応じた歪量を各量子
井戸層に形成することにより、発光波長変動を抑制す
る。この構成は、発光波長を一定にするために、キャリ
ア密度に応じて歪み量を変化させる。この結果、製作等
が容易な構造を混在させることで、目的の発光波長を出
力させることが可能になる。
That is, when the carrier density in each quantum well layer is different, the amount of distortion corresponding to the carrier density is formed in each quantum well layer, thereby suppressing the emission wavelength fluctuation. This configuration changes the amount of distortion according to the carrier density in order to keep the emission wavelength constant. As a result, it is possible to output a desired emission wavelength by mixing structures that are easy to manufacture or the like.

【0071】図6は、本発明に係る多重量子井戸半導体
レーザ素子の第6実施形態における活性領域の伝導帯側
エネルギーレベルの模式図である。本実施形態の活性領
域Act6の構成は、前記第5実施形態の第1量子井戸
層QW21(歪量ε21:層厚T21)と第2量子井戸
層QW22(歪量ε22:層厚T21)を、交換して新
たな符号:第1’量子井戸層QW21’(歪量ε2
1’:層厚T21)と第2’量子井戸層QW22’(歪
量ε22’:層厚T21)に変更したものである。した
がってp型クラッド層Cd21から2番目の第2’量子
井戸層QW22’に、最大のポテンシャル障壁が位置す
ることになる。作用効果は前記第5実施形態に準ずる。
FIG. 6 is a schematic diagram of the conduction band side energy level of the active region in the multiple quantum well semiconductor laser device according to the sixth embodiment of the present invention. The configuration of the active region Act6 of the present embodiment is obtained by combining the first quantum well layer QW21 (strain amount ε21: layer thickness T21) and the second quantum well layer QW22 (strain amount ε22: layer thickness T21) of the fifth embodiment. Replaced with a new code: the first 'quantum well layer QW21' (strain ε2
1 ': layer thickness T21) and second' quantum well layer QW22 '(strain ε22': layer thickness T21). Therefore, the maximum potential barrier is located in the second 2 'quantum well layer QW22' from the p-type cladding layer Cd21. The function and effect are the same as in the fifth embodiment.

【0072】図7は、本発明に係る多重量子井戸半導体
レーザ素子の第7実施形態における活性領域の伝導帯側
エネルギーレベルの模式図である。本実施形態では、各
量子井戸層の層厚が狭くなる場合に、井戸型ポテンシャ
ルの劣化が発生しないように、予め歪量を少なくしてバ
ンドギャップを調整するものである。これにより、生起
される井戸型ポテンシャルの劣化を回避することができ
る。
FIG. 7 is a schematic diagram of the conduction band side energy level of the active region in the multiple quantum well semiconductor laser device according to the seventh embodiment of the present invention. In the present embodiment, the band gap is adjusted by reducing the amount of distortion in advance so that the well-type potential does not deteriorate when the thickness of each quantum well layer is reduced. Thus, the deterioration of the well-type potential caused can be avoided.

【0073】図7で、第7実施形態に係る多重量子井戸
半導体レーザ素子の活性領域Act7は、pまたはn型
クラッド層Cd31および、nまたはp型クラッド層C
d32に挟まれる。
In FIG. 7, the active region Act7 of the multiple quantum well semiconductor laser device according to the seventh embodiment has a p-type or n-type cladding layer Cd31 and an n-type or p-type cladding layer Cd31.
d32.

【0074】活性領域Act7は、第1量子井戸層QW
31(歪量ε31:層厚T31)、バリア層B31、第
2量子井戸層QW32(歪量ε32:層厚T32)、バ
リア層B32、第3量子井戸層QW33(歪量ε33:
層厚T33)、バリア層B33、第4量子井戸層QW3
4(歪量ε34:層厚T34)が、この順に、p型クラ
ッド層Cd31からn型クラッド層Cd32に至り形成
されている。
The active region Act7 has a first quantum well layer QW
31 (strain ε31: layer thickness T31), barrier layer B31, second quantum well layer QW32 (strain ε32: layer thickness T32), barrier layer B32, third quantum well layer QW33 (strain ε33:
Layer thickness T33), barrier layer B33, fourth quantum well layer QW3
4 (strain amount ε34: layer thickness T34) are formed in this order from the p-type cladding layer Cd31 to the n-type cladding layer Cd32.

【0075】ここで、各量子井戸層のうち、層厚が狭
く、かつ周囲のクラッド層やバリア層の状態において’
ダレ’(なまり)が生じやすいを量子井戸層を予測し
て、前以て歪量を調整し、前以てバンドギャップを調整
しておく。図7においてはとりわけ、両クラッド層に隣
接する第1量子井戸層QW31と、第4量子井戸層QW
34との歪量ε31、ε34を変化させ、前以てポテン
シャル障壁ΔEc31、ΔEc34’を調整することに
より、バンドギャップを調整しておく。これにより、好
ましくない井戸型ポテンシャルの劣化(所謂’ダレ’)
の発生を未然に防止することができる。
Here, in each of the quantum well layers, when the layer thickness is narrow and the surrounding cladding layer and barrier layer are in a state of “
The amount of distortion is adjusted in advance, and the band gap is adjusted in advance by predicting the quantum well layer that sagging (rounding) is likely to occur. In FIG. 7, the first quantum well layer QW31 and the fourth quantum well layer QW
The band gap is adjusted in advance by changing the strain amounts ε31 and ε34 with respect to 34 and adjusting the potential barriers ΔEc31 and ΔEc34 ′ in advance. As a result, undesired deterioration of the well-type potential (so-called “drip”)
Can be prevented from occurring.

【0076】なお図7においては、活性領域Act7の
端部に位置する量子井戸層がダレやすく、そのバンドギ
ャップを狭くしやすい場合の補正を示している。すなわ
ち、端部に位置する量子井戸層の歪量を変更し、予めバ
ンドギャップを調整しておくものである。製作条件によ
っては、中央に位置する量子井戸層がダレやすい場合も
あり、この場合は図7とは逆に、中央領域の量子井戸層
の歪みを変更設定すればよい。
FIG. 7 shows a correction in the case where the quantum well layer located at the end of the active region Act7 is easily sagged and its band gap is easily narrowed. That is, the strain amount of the quantum well layer located at the end is changed, and the band gap is adjusted in advance. Depending on the manufacturing conditions, the quantum well layer located at the center may be easily sagged. In this case, the distortion of the quantum well layer in the central region may be changed and set, contrary to FIG.

【0077】図8は、本発明に係る多重量子井戸半導体
レーザ素子の第8実施形態における活性領域の伝導帯側
エネルギーレベルの模式図である。本実施形態の活性領
域Act8の構成は、前記第7実施形態の第4量子井戸
層QW34を第4量子井戸層QW34’に変更し、第1
量子井戸層QW31に隣接してp型クラッド層Cd3
1’、第4量子井戸層QW34’に隣接してn型クラッ
ド層Cd32’を配したものである。したがってp型ク
ラッド層Cd31’に隣接する量子井戸層のポテンシャ
ル障壁は、全量子井戸層のポテンシャル障壁のうちで最
大のものではない。作用効果は前記第7実施形態に準ず
る。
FIG. 8 is a schematic diagram of the conduction band side energy level of the active region in the multiple quantum well semiconductor laser device according to the eighth embodiment of the present invention. The configuration of the active region Act8 of the present embodiment is different from that of the seventh embodiment in that the fourth quantum well layer QW34 is changed to a fourth quantum well layer QW34 ',
The p-type cladding layer Cd3 is adjacent to the quantum well layer QW31.
1 ', an n-type cladding layer Cd32' is arranged adjacent to the fourth quantum well layer QW34 '. Therefore, the potential barrier of the quantum well layer adjacent to the p-type cladding layer Cd31 'is not the largest of the potential barriers of all the quantum well layers. The function and effect are the same as in the seventh embodiment.

【0078】前記から明らかなように、量子井戸層厚の
制御は難しく、層厚揺らぎを伴いやすい。一方、歪み制
御は、量子井戸層厚の制御に比べ、その精度が高い。例
えばΔλ/Δ量子井戸層厚は、凡そ1.5nm/1オン
グストロームの精度にとどまるが、これに対して、Δλ
/Δ歪み量は、例えばAlGaInP系の場合、凡そ
0.15nm/0.001%の精度の精密制御が可能で
ある。このように本発明は歪み変調MQWを導入するこ
とで、微妙なエネルギーバンド制御においてとりわけ有
効である。
As is apparent from the above, it is difficult to control the thickness of the quantum well layer, and the thickness of the quantum well layer tends to fluctuate. On the other hand, the strain control has higher accuracy than the control of the quantum well layer thickness. For example, the Δλ / Δ quantum well layer thickness has an accuracy of about 1.5 nm / 1 Å, whereas
For example, in the case of AlGaInP, the amount of / Δ strain can be precisely controlled with an accuracy of about 0.15 nm / 0.001%. Thus, the present invention is particularly effective in delicate energy band control by introducing distortion modulation MQW.

【0079】図9は、本発明に係る歪み量及び層厚変調
型の多重量子井戸半導体レーザ素子の一実施形態の概略
断面図である。図示される多重量子井戸半導体レーザ素
子はAlGaInP系混晶の積層構造を有し、この積層
構造は図10に示される製造方法の一実施形態のシーケ
ンスチャートのような工程で製造される。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of a multiple quantum well semiconductor laser device of the present invention, which is of a strain amount and layer thickness modulation type. The illustrated multiple quantum well semiconductor laser device has an AlGaInP-based mixed crystal stacked structure, and this stacked structure is manufactured by steps as shown in a sequence chart of one embodiment of the manufacturing method shown in FIG.

【0080】図9において、本発明によるAlGaIn
P系混晶の多重量子井戸半導体レーザLscは、GaA
s基板1の上に、GaAsバッファ層2、AlGaIn
Pクラッド層3、GaInP/AlGaInPのMQW
(多重量子井戸)構造からなるMQW活性領域4、Al
GaInPクラッド層5、GaInP層6、GaAsキ
ャップ層7が、順次積層された構造を有する。
In FIG. 9, the AlGaIn according to the present invention is shown.
The P-based mixed crystal multiple quantum well semiconductor laser Lsc is made of GaAs.
GaAs buffer layer 2, AlGaIn
P clad layer 3, MQW of GaInP / AlGaInP
MQW active region 4 of (multiple quantum well) structure, Al
It has a structure in which a GaInP clad layer 5, a GaInP layer 6, and a GaAs cap layer 7 are sequentially stacked.

【0081】さらにAlGaInPクラッド層5、Ga
InP層6、GaAsキャップ層7が、例えばフォトリ
ソグラフィを用いた選択的エッチング処理されたメサ構
造を形成しており、さらにメサ部分の両側にGaAs電
流ブロック層8が積層されている。ドーパントはn型が
SeやSi、p型がZnである。
Further, the AlGaInP cladding layer 5, Ga
The InP layer 6 and the GaAs cap layer 7 form a mesa structure which is selectively etched using, for example, photolithography, and a GaAs current blocking layer 8 is laminated on both sides of the mesa portion. The dopant is Se or Si for the n-type and Zn for the p-type.

【0082】MQW(多重量子井戸)構造からなるMQ
W活性領域4は、第1量子井戸層QW1(歪量ε1:層
厚T1)、バリア層B1、第2量子井戸層QW2(歪量
ε2:層厚T2)、バリア層B2、第3量子井戸層QW
3(歪量ε3:層厚T3)、バリア層B3、第4量子井
戸層QW4(歪量ε4:層厚T4)から構成されてい
る。
MQ having MQW (Multiple Quantum Well) structure
The W active region 4 includes a first quantum well layer QW1 (strain ε1: layer thickness T1), a barrier layer B1, a second quantum well layer QW2 (strain ε2: layer thickness T2), a barrier layer B2, and a third quantum well. Layer QW
3 (strain ε3: layer thickness T3), barrier layer B3, and fourth quantum well layer QW4 (strain ε4: layer thickness T4).

【0083】MQW活性領域4は、微分利得の増大、発
振波長の短波化などの目的で使われ、電子のドブロイ波
長程度以下の層厚を持ち、両側をエネルギー障壁により
キャリアが閉じ込められているような超薄構造の、禁制
帯幅の狭い物質による第1〜第4量子井戸層QW1〜Q
W4と、禁制帯幅の広い物質の障壁層B1〜B3からな
るヘテロ接合などにより実現されている。
The MQW active region 4 is used for the purpose of increasing the differential gain, shortening the oscillation wavelength, etc., has a layer thickness of about the de Broglie wavelength of electrons or less, and has carriers confined on both sides by energy barriers. First to fourth quantum well layers QW1 to QW made of a material having an ultra-thin structure and a narrow band gap
This is realized by a heterojunction or the like composed of W4 and barrier layers B1 to B3 of a substance having a wide band gap.

【0084】第1〜第4量子井戸層QW1〜QW4内で
は、薄層に垂直な方向の電子の運動は量子化されている
ため、それに伴う電子のエネルギーは離散的な値(エネ
ルギー固有値)をとるとともに、電子の自由な運動は、
量子井戸層の層厚方向への自由度が束縛されて層に平行
な方向のみに限られた2次元的なものになる(2次元電
子)。この結果、量子井戸層中に溜められた電子は2次
元電子ガスを形成する。こうした閉じ込めを反映して、
キャリアのエネルギー固有値はバルクと顕著に異なるエ
ネルギーを持つ。
In the first to fourth quantum well layers QW1 to QW4, the motion of the electrons in the direction perpendicular to the thin layer is quantized, and the energy of the electrons associated therewith has a discrete value (energy characteristic value). And the free movement of electrons
The degree of freedom in the layer thickness direction of the quantum well layer is restricted, and the quantum well layer becomes two-dimensional (only two-dimensional electrons) limited only in the direction parallel to the layer. As a result, the electrons stored in the quantum well layer form a two-dimensional electron gas. Reflecting this confinement,
The energy eigenvalue of the carrier has a significantly different energy from that of the bulk.

【0085】したがって、従来の厚い活性層(厚さ0.
1μm程度、電子やホールは3次元的)をもつDHレー
ザに比べると少ない注入電流量でレーザ発振する。すな
わち、レーザ発振のためのしきい値電流密度(しきい値
電流Ithを活性領域の有効電流断面積で割った量)が
小さくなる。これは状態密度の相違による。
Therefore, the conventional thick active layer (having a thickness of 0.1 mm) can be used.
The laser oscillates with a smaller injection current than a DH laser having about 1 μm and electrons and holes are three-dimensional. That is, the threshold current density (the amount obtained by dividing the threshold current Ith by the effective current cross-sectional area of the active region) for laser oscillation is reduced. This is due to the difference in density of states.

【0086】従来の厚い活性層をもつDHレーザ素子で
は電子の波動関数が3次元系であり、したがってコンダ
クション・バンドに存する電子の状態密度はEの1/2
乗(Eは電子のエネルギー)に比例して変わるが、多重
量子井戸半導体レーザ素子では前記のように電子の波動
関数が2次元系であるから、コンダクション・バンドに
存する電子の状態密度はEについてステップ関数状にな
る。すなわち、幅がナノメートル級の量子井戸構造中で
は、バルク結晶中での放物線形状の状態密度と大きく異
なって、伝導帯、価電子帯の状態密度が階段状になる。
In a conventional DH laser device having a thick active layer, the wave function of electrons is a three-dimensional system, and therefore, the density of states of electrons in the conduction band is 1 / of E.
Although it changes in proportion to the power (E is the energy of electrons), since the electron wave function is a two-dimensional system in the multiple quantum well semiconductor laser device as described above, the state density of electrons in the conduction band is E. Becomes a step function. That is, in a quantum well structure having a nanometer-class width, the state density of the conduction band and the valence band becomes stepwise, greatly different from the parabolic state density in the bulk crystal.

【0087】この結果、ホールとの再結合に関与する、
最もエネルギー準位の低い電子の状態密度が、2次元系
では3次元系よりも大きくなり、よってレーザ発振のた
めのしきい値電流密度が低下し、さらに電流利得が改善
されることになる。
As a result, it is involved in recombination with holes.
The state density of electrons having the lowest energy level is larger in a two-dimensional system than in a three-dimensional system, so that the threshold current density for laser oscillation is reduced and the current gain is further improved.

【0088】各量子井戸層内のキャリアの量子準位につ
きのべると、例えば第1量子井戸層QW1に着目する
と、有限の障壁高さのヘテロ接合を用いた量子井戸を形
成していて、その中の電子状態は、前記のように障壁の
方向をz方向とすると、z方向に閉じ込められ、x、y
方向には自由な2次元電子となる。電子のエネルギー固
有値E(井戸の底を原点に取る)は、障壁高さVbより
十分低いとき、z方向の運動が障壁の存在で量子化され
ることを反映して、〔数1〕で表示される。
In terms of the quantum level of carriers in each quantum well layer, for example, focusing on the first quantum well layer QW1, a quantum well using a heterojunction having a finite barrier height is formed. Is confined in the z direction when the direction of the barrier is the z direction as described above, and x, y
It becomes a free two-dimensional electron in the direction. The energy eigenvalue E of the electron (taken from the bottom of the well as the origin) is represented by [Equation 1], reflecting that the motion in the z direction is quantized by the presence of the barrier when the barrier height is sufficiently lower than Vb. Is done.

【0089】[0089]

【数1】 (Equation 1)

【0090】ここに、kx、kyはx、y方向の波数、
Lzは井戸の幅、m’は有効質量、nは自然数である。
GaAsの伝導帯の量子井戸では、有効質量が0.06
8me(meは自由電子の質量)であるので、kx=k
y=0のときLz=10nmでE=55meVとなる。
Where kx and ky are wave numbers in the x and y directions,
Lz is the width of the well, m 'is the effective mass, and n is a natural number.
For a quantum well in the conduction band of GaAs, the effective mass is 0.06.
Since 8me (me is the mass of free electrons), kx = k
When y = 0, L = 10 nm and E = 55 meV.

【0091】多重量子井戸構造では量子井戸の数だけ離
散的なエネルギー準位が複数個に分裂し、障壁(バリア
ー層)の厚さが薄い場合には電子は層に垂直z方向にも
トンネル効果で伝搬する。z方向の波動関数は、量子井
戸の中心を原点にとって、〔数2〕で表示される。
In the multiple quantum well structure, discrete energy levels are split into a plurality of energy levels by the number of quantum wells, and when the thickness of the barrier (barrier layer) is small, electrons are also tunneled in the z direction perpendicular to the layer. Propagate at The wave function in the z direction is represented by [Equation 2] with the origin of the center of the quantum well.

【0092】[0092]

【数2】 (Equation 2)

【0093】以上に示されるように、量子井戸内に形成
される量子化準位の高次項は、キャリアの有効質量に反
比例し、かつ量子井戸層の厚さ(幅)の2乗に反比例す
る。したがって、伝導帯中の電子の量子化準位は、量子
井戸層厚を変えることによって制御可能になる。一方、
価電子帯においても有効質量の異なる重い正孔(HH)
と軽い正孔(LH)との量子化エネルギー準位に差が生
じ、バルク結晶中では縮退していた2種の正孔が異なっ
たエネルギーをもつようになる。
As described above, the higher order term of the quantization level formed in the quantum well is inversely proportional to the effective mass of the carrier and inversely proportional to the square of the thickness (width) of the quantum well layer. . Therefore, the quantization level of the electrons in the conduction band can be controlled by changing the thickness of the quantum well layer. on the other hand,
Heavy holes (HH) with different effective masses in the valence band
A difference occurs between the quantization energy levels of the light and the light holes (LH), and the two kinds of holes that have been degenerated in the bulk crystal have different energies.

【0094】多重量子井戸MQWは、このように量子井
戸QWが複数個、周期的に積層し、かつ隣接する量子井
戸間のエネルギー障壁が大きい構造であるから、とりわ
け、バリアーであるエネルギー障壁層が極めて薄く、量
子井戸間の量子力学的結合が強い構造では超格子とな
る。
Since the multiple quantum well MQW has a structure in which a plurality of quantum wells QW are periodically stacked and the energy barrier between adjacent quantum wells is large, the energy barrier layer serving as a barrier is particularly preferable. In a structure that is extremely thin and has strong quantum mechanical coupling between quantum wells, a superlattice is formed.

【0095】また、第1〜第4量子井戸層QW1〜QW
4は歪量ε1〜ε4の歪み構造となっている。このよう
な量子井戸層の歪構造では、井戸を形成する材料の格子
定数を、基板結晶やクラッド層の格子定数と異なった値
に設定することで、井戸の結晶格子を歪ませる。この
際、転位などによる格子緩和が生じない条件とする。一
般的に混晶の格子定数は成分比に比例して変化し、物理
的性質は成分比に対して連続的に変化する。
The first to fourth quantum well layers QW1 to QW
No. 4 has a strain structure with strain amounts ε1 to ε4. In such a strained structure of the quantum well layer, the crystal lattice of the well is distorted by setting the lattice constant of the material forming the well to a value different from the lattice constant of the substrate crystal or the cladding layer. At this time, conditions are set such that lattice relaxation due to dislocation or the like does not occur. Generally, the lattice constant of a mixed crystal changes in proportion to the component ratio, and the physical properties change continuously with respect to the component ratio.

【0096】圧縮応力が働いた場合には、バンドギャッ
プが広がるとともに、価電子帯の頂上にHH(重い正
孔)バンドが位置する。圧縮応力下では基板面内方向で
のHHの有効質量が小さくなり、しきい値が低減され
る。さらに、バンド構造の変化により正孔がγ点付近に
集中するのでオージェ再結合と価電子帯間吸収が大幅に
減少する結果、低しきい値・高効率動作、温度特性の向
上、微分利得の増大、線幅の狭小化、高速変調動作など
が可能になる。
When a compressive stress is applied, the band gap is widened and an HH (heavy hole) band is located at the top of the valence band. Under compressive stress, the effective mass of HH in the in-plane direction of the substrate becomes small, and the threshold value is reduced. In addition, holes are concentrated near the γ point due to changes in the band structure, which greatly reduces Auger recombination and absorption between valence bands, resulting in low threshold and high efficiency operation, improved temperature characteristics, and improved differential gain. Increase, reduction in line width, high-speed modulation operation, and the like can be performed.

【0097】引っ張り応力が働いた場合には、バンドギ
ャップが狭くなり、価電子帯の頂上には応力の大きさと
井戸幅に応じて重い正孔(HH)と軽い正孔(LH)の
どちらかのバンドが位置するようになる。これら価電子
帯頂上に位置するバンドの制御によってTE/TMモー
ド制御が可能になる。この結果、歪量子井戸の出力は無
歪量子井戸の125%、バルク活性層LDに比べて15
0%と向上する。
When a tensile stress is applied, the band gap becomes narrower, and either a heavy hole (HH) or a light hole (LH) is formed at the top of the valence band depending on the magnitude of the stress and the well width. Band will be located. Control of the band located at the top of these valence bands enables TE / TM mode control. As a result, the output of the strained quantum well is 125% of that of the unstrained quantum well, which is 15% of that of the bulk active layer LD.
It is improved to 0%.

【0098】なお、マイナス歪みによって発振波長を一
定にする場合は、歪みを大きくし層厚を拡げる。臨界層
厚に注意し、あるいはバリアー層に歪み補償を入れる等
の工夫も効果的である。プラス歪みによって発振波長を
一定にする場合は、ゲインを得やすくするため歪みを増
やすが、同時に層厚を狭くする必要があり、かつ量子井
戸層の数も増やす必要がある。
When the oscillation wavelength is kept constant by minus distortion, the distortion is increased and the layer thickness is increased. It is also effective to pay attention to the critical layer thickness or to add distortion compensation to the barrier layer. When the oscillation wavelength is made constant by the positive distortion, the distortion is increased to make it easy to obtain the gain, but it is necessary to reduce the thickness of the layer at the same time, and it is necessary to increase the number of quantum well layers.

【0099】本発明に係る、このAlGaInP系半導
体レーザ素子Lscの製造には、図10に示される、本
発明に係る多重量子井戸構造を備える半導体レーザ素子
の製造方法が適用される。図10は、それぞれの積層半
導体層を成長させる時に反応領域に搬送する材料の組み
合わせを示すシーケンスチャートで、横軸は時間を示し
ている。また各半導体層は図9に示された各半導体層に
対応しており、よって以下の説明では図9を適宜参照し
ている。
For manufacturing the AlGaInP-based semiconductor laser device Lsc according to the present invention, the method for manufacturing a semiconductor laser device having a multiple quantum well structure according to the present invention shown in FIG. 10 is applied. FIG. 10 is a sequence chart showing a combination of materials to be transported to the reaction region when each of the stacked semiconductor layers is grown, and the horizontal axis indicates time. Further, each semiconductor layer corresponds to each semiconductor layer shown in FIG. 9, and therefore, in the following description, FIG. 9 is appropriately referred to.

【0100】成長反応が開始されると、GaAs基板上
にGaAsバッファ層2がエピタキシャル成長される。
ここで基板1上にはTMG(トリメチル・ガリウム)、
AsH3 (三水素化砒素:アルシン)およびH2 Se
(セレン化水素)が、気相状態で供給される。これによ
り、GaAsバッファ層2はn型となる。
When the growth reaction is started, the GaAs buffer layer 2 is epitaxially grown on the GaAs substrate.
Here, on the substrate 1, TMG (trimethyl gallium),
AsH 3 (arsenic trihydride: arsine) and H 2 Se
(Hydrogen selenide) is supplied in a gaseous state. Thereby, the GaAs buffer layer 2 becomes n-type.

【0101】所定の層厚のGaAsバッファ層2が形成
されると、ついでこのGaAsバッファ層2上に、Al
GaInPクラッド層3が積層成長される。ここでTM
G(トリメチル・ガリウム)、TMA(トリメチル・ア
ルミニウム)、TMI(トリメチル・インジウム)、P
3 (ホスフィン)およびH2 Se(セレン化水素)
が、気相状態で供給される。これにより、AlGaIn
Pクラッド層3はn型となる。
After the GaAs buffer layer 2 having a predetermined thickness is formed, an Al layer is formed on the GaAs buffer layer 2.
The GaInP cladding layer 3 is grown by lamination. Where TM
G (trimethyl gallium), TMA (trimethyl aluminum), TMI (trimethyl indium), P
H 3 (phosphine) and H 2 Se (hydrogen selenide)
Is supplied in a gaseous state. Thereby, AlGaIn
The P cladding layer 3 becomes n-type.

【0102】前記のようにして所定の層厚のAlGaI
nPクラッド層3が形成されると、ついでこのAlGa
InPクラッド層3上に、MQW(多重量子井戸)構造
からなるMQW活性領域4が、積層成長される。MQW
活性領域4は、第1量子井戸層QW1、バリア層B1、
第2量子井戸層QW2、バリア層B2、第3量子井戸層
QW3、バリア層B3、第4量子井戸層QW4が、この
順に積層される。
As described above, the AlGaI having a predetermined thickness
When the nP cladding layer 3 is formed, the AlGa
On the InP cladding layer 3, an MQW active region 4 having an MQW (multiple quantum well) structure is grown by lamination. MQW
The active region 4 includes a first quantum well layer QW1, a barrier layer B1,
The second quantum well layer QW2, the barrier layer B2, the third quantum well layer QW3, the barrier layer B3, and the fourth quantum well layer QW4 are stacked in this order.

【0103】この間、第1量子井戸層QW1の形成期間
では、例えば第1量子井戸層QW1が Ga(0.43)In(0.57)P ε1=+0.65% であると、減量されたTMG(トリメチル・ガリウ
ム)、増量されたTMI(トリメチル・インジウム)、
PH3 (ホスフィン)が、気相状態で供給される。第2
〜4量子井戸層QW2〜QW4についても、指定された
組成に対応した原料ガスが、指定された組成比に対応し
た濃度あるいは/および流量で供給される。
In the meantime, during the formation period of the first quantum well layer QW1, for example, if the first quantum well layer QW1 is Ga (0.43) In (0.57) P ε1 = + 0.65%, the weight is reduced. TMG (trimethyl gallium), increased TMI (trimethyl indium),
PH 3 (phosphine) is supplied in a gaseous state. Second
For the .about.4 quantum well layers QW2 to QW4, source gas corresponding to the specified composition is supplied at a concentration or / and flow rate corresponding to the specified composition ratio.

【0104】バリア層B1〜B3の形成期間では、TM
G(トリメチル・ガリウム)、TMA(トリメチル・ア
ルミニウム)、TMI(トリメチル・インジウム)、P
3(ホスフィン)が、気相状態で供給される。
In the formation period of the barrier layers B1 to B3, TM
G (trimethyl gallium), TMA (trimethyl aluminum), TMI (trimethyl indium), P
H 3 (phosphine) is supplied in a gaseous state.

【0105】所定の層厚のMQW活性領域4が形成され
ると、ついでAlGaInPクラッド層5が積層成長さ
れる。ここでTMG(トリメチル・ガリウム)、TMA
(トリメチル・アルミニウム)、TMI(トリメチル・
インジウム)、DMZ(ジメチル亜鉛)、PH3 (ホス
フィン)が、気相状態で供給される。これにより、Al
GaInPクラッド層5はp型となる。
When the MQW active region 4 having a predetermined thickness is formed, an AlGaInP clad layer 5 is grown by lamination. Where TMG (trimethyl gallium), TMA
(Trimethyl aluminum), TMI (trimethyl
Indium), DMZ (dimethylzinc), PH 3 (phosphine) are supplied in gaseous phase. Thereby, Al
The GaInP cladding layer 5 becomes p-type.

【0106】所定の層厚のAlGaInPクラッド層5
が形成されると、ついでこのAlGaInPクラッド層
5上に、GaInP層6が積層成長される。ここでTM
G(トリメチル・ガリウム)、TMI(トリメチル・イ
ンジウム)、DMZ(ジメチル亜鉛)、PH3 (ホスフ
ィン)が、気相状態で供給される。
An AlGaInP clad layer 5 having a predetermined thickness
Is formed, a GaInP layer 6 is then grown on the AlGaInP clad layer 5. Where TM
G (trimethyl gallium), TMI (trimethyl indium), DMZ (dimethyl zinc), and PH 3 (phosphine) are supplied in a gas phase.

【0107】このようにして、GaInP層6が所定の
層厚に形成されると、ついでこのGaInP層6上に、
GaAsキャップ層7が積層成長される。ここでは、T
MG(トリメチル・ガリウム)とAsH3 (アルシン)
とDMZ(ジメチル亜鉛)のみが、気相状態で時間t6
まで供給される。こののち、エッチング工程でGaAs
電流ブロック層8が形成され、メサ型構造となる。
When the GaInP layer 6 is formed to a predetermined thickness in this way, the GaInP layer 6
The GaAs cap layer 7 is stacked and grown. Here, T
MG (trimethyl gallium) and AsH 3 (arsine)
And DMZ (dimethylzinc) alone in the gas phase for time t6
Is supplied up to. After that, GaAs is used in the etching process.
The current block layer 8 is formed to form a mesa structure.

【0108】[0108]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明は主として
量子井戸層の歪み量を可制御量として、あるいは歪み量
と層厚(well幅)とを可制御量として最適化された
素子構造を実現するものであり、量子井戸層内のキャリ
アの量子化準位とポテンシャル障壁との差を所定値にす
ることによって電子あるいは/およびホールのオーバー
フロー特性、とりわけ電子のオーバーフロー特性を改善
するとともに、キャリア注入効率の改善と、しきい値電
流Ithの改善を可能にし、かつ発振波長の安定化を実
現することができる。
As described in detail above, the present invention is mainly directed to an element structure which is optimized by using the amount of strain of the quantum well layer as a controllable amount, or the amount of strain and the layer thickness (well width) as a controllable amount. By setting the difference between the quantization level of carriers in the quantum well layer and the potential barrier to a predetermined value, the overflow characteristics of electrons or / and holes, especially the overflow characteristics of electrons, are improved. The carrier injection efficiency and the threshold current Ith can be improved, and the oscillation wavelength can be stabilized.

【0109】さらに、量子井戸層の層厚を最低限界厚さ
以上にすることにより、最低限界厚さ以下の構成で生起
される井戸型ポテンシャルの劣化を回避することが可能
になるという効果を奏する。
Further, by setting the thickness of the quantum well layer to be equal to or more than the minimum limit thickness, there is an effect that it is possible to avoid the deterioration of the well-type potential caused by the configuration having the minimum limit thickness or less. .

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

【図1】本発明に係る多重量子井戸半導体レーザ素子の
第1実施形態における活性領域の伝導帯側エネルギーレ
ベルの模式図である。
FIG. 1 is a schematic view of a conduction band side energy level of an active region in a multiple quantum well semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明に係る多重量子井戸半導体レーザ素子の
第2実施形態における活性領域の伝導帯側エネルギーレ
ベルの模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram of a conduction band side energy level of an active region in a multiple quantum well semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention.

【図3】本発明に係る多重量子井戸半導体レーザ素子の
第3実施形態における活性領域の伝導帯側エネルギーレ
ベルの模式図である。
FIG. 3 is a schematic diagram of a conduction band side energy level of an active region in a multiple quantum well semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention.

【図4】本発明に係る多重量子井戸半導体レーザ素子の
第4実施形態における活性領域の伝導帯側エネルギーレ
ベルの模式図である。
FIG. 4 is a schematic diagram of a conduction band side energy level of an active region in a multiple quantum well semiconductor laser device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図5】本発明に係る多重量子井戸半導体レーザ素子の
第5実施形態における活性領域の伝導帯側エネルギーレ
ベルの模式図である。
FIG. 5 is a schematic diagram of a conduction band side energy level of an active region in a multiple quantum well semiconductor laser device according to a fifth embodiment of the present invention.

【図6】本発明に係る多重量子井戸半導体レーザ素子の
第6実施形態における活性領域の伝導帯側エネルギーレ
ベルの模式図である。
FIG. 6 is a schematic diagram of a conduction band side energy level of an active region in a multiple quantum well semiconductor laser device according to a sixth embodiment of the present invention.

【図7】本発明に係る多重量子井戸半導体レーザ素子の
第7実施形態における活性領域の伝導帯側エネルギーレ
ベルの模式図である。
FIG. 7 is a schematic diagram of a conduction band side energy level of an active region in a multiple quantum well semiconductor laser device according to a seventh embodiment of the present invention.

【図8】本発明に係る多重量子井戸半導体レーザ素子の
第8実施形態における活性領域の伝導帯側エネルギーレ
ベルの模式図である。
FIG. 8 is a schematic diagram of a conduction band side energy level of an active region in an eighth embodiment of the multiple quantum well semiconductor laser device according to the present invention.

【図9】本発明に係る歪み量及び層厚変調型の多重量子
井戸半導体レーザ素子の一実施形態の概略断面図であ
る。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of a multiple quantum well semiconductor laser device of a strain amount and layer thickness modulation type according to the present invention.

【図10】本発明に係る歪み量及び層厚変調型の多重量
子井戸半導体レーザ素子の製造方法の一実施形態のシー
ケンスチャートである。
FIG. 10 is a sequence chart of an embodiment of a method for manufacturing a multiple quantum well semiconductor laser device of a strain amount and layer thickness modulation type according to the present invention.

【図11】従来の歪み量一定のMQW構造におけるエネ
ルギーバンドギャップの模式図である。
FIG. 11 is a schematic diagram of an energy band gap in a conventional MQW structure having a constant distortion amount.

【図12】量子井戸層厚一定で歪量を漸増させた構成に
おける活性領域の伝導帯側エネルギーレベルの模式図で
ある。
FIG. 12 is a schematic diagram of a conduction band side energy level of an active region in a configuration in which the strain amount is gradually increased with a constant quantum well layer thickness.

【図13】量子井戸層厚を調整した従来の構成における
活性領域の伝導帯側エネルギーレベルの模式図である。
FIG. 13 is a schematic diagram of a conduction band side energy level of an active region in a conventional configuration in which the thickness of a quantum well layer is adjusted.

【図14】伝導帯における電子ポテンシャル障壁の歪量
依存を示す線図である。
FIG. 14 is a diagram showing a strain amount dependence of an electron potential barrier in a conduction band.

【図15】二重量子井戸半導体レーザにおける発振しき
い値電流の歪量依存を示す線図である。
FIG. 15 is a diagram showing the dependence of the oscillation threshold current on the amount of distortion in a double quantum well semiconductor laser.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

QW1……第1量子井戸層、QW2……第2量子井戸
層、QW3……第3量子井戸層、QW4……第4量子井
戸層、T1……第1量子井戸層の層厚、T2……第2量
子井戸層の層厚、T3……第3量子井戸層の層厚、T4
……第4量子井戸層の層厚、ε1……第1量子井戸層の
歪量、ε2……第2量子井戸層の歪量、ε3……第3量
子井戸層の歪量、ε4……第4量子井戸層の歪量、ΔE
c1……第1量子井戸層の伝導帯のポテンシャル障壁、
ΔEc2……第2量子井戸層の伝導帯のポテンシャル障
壁、ΔEc3……第3量子井戸層の伝導帯のポテンシャ
ル障壁、ΔEc4……第4量子井戸層の伝導帯のポテン
シャル障壁、μ1……電子の量子化準位、CBD……伝
導帯、Cd1……p型またはn型クラッド層、Cd2…
…n型またはp型クラッド層、B1……第1バリアー
層、B2……第2バリアー層、B3……第3バリアー層
QW1 first quantum well layer, QW2 second quantum well layer, QW3 third quantum well layer, QW4 fourth quantum well layer, T1 layer thickness of first quantum well layer, T2 ... Layer thickness of second quantum well layer, T3... Layer thickness of third quantum well layer, T4
... Layer thickness of fourth quantum well layer, ε1... Strain amount of first quantum well layer, ε2... Strain amount of second quantum well layer, ε3... Strain amount of third quantum well layer, ε4. Strain amount of the fourth quantum well layer, ΔE
c1... potential barrier of the conduction band of the first quantum well layer;
ΔEc2: potential barrier of the conduction band of the second quantum well layer; ΔEc3: potential barrier of the conduction band of the third quantum well layer; ΔEc4: potential barrier of the conduction band of the fourth quantum well layer; Quantization level, CBD, conduction band, Cd1, p-type or n-type cladding layer, Cd2,
... n-type or p-type cladding layer, B1 ... first barrier layer, B2 ... second barrier layer, B3 ... third barrier layer

Claims (16)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 活性領域および該活性領域を挟むp型ク
ラッド層およびn型クラッド層を有し、前記活性領域が
複数の量子井戸層からなり、前記各量子井戸層は隣接す
る前記クラッド層又は/およびバリアー層間でポテンシ
ャル障壁を形成する多重量子井戸構造である半導体レー
ザ素子であって、 前記各量子井戸層内のキャリアの量子化準位と前記ポテ
ンシャル障壁との差が所定値になるよう前記各量子井戸
層の歪量が形成、または歪量および層厚が形成されたこ
とを特徴とする多重量子井戸構造を備える半導体レーザ
素子。
An active region includes a p-type cladding layer and an n-type cladding layer sandwiching the active region, wherein the active region includes a plurality of quantum well layers, and each of the quantum well layers is adjacent to the cladding layer or And / or a semiconductor laser device having a multiple quantum well structure forming a potential barrier between barrier layers, wherein a difference between a quantization level of carriers in each of the quantum well layers and the potential barrier is a predetermined value. A semiconductor laser device having a multiple quantum well structure, wherein a strain amount of each quantum well layer is formed, or a strain amount and a layer thickness are formed.
【請求項2】 前記各量子井戸層の層厚が狭くなる場合
に、予めマイナス歪量を少なくするか、あるいはプラス
歪量を多くしてバンドギャップが調整されたことを特徴
とする請求項1記載の多重量子井戸構造を備える半導体
レーザ素子。
2. The band gap is adjusted by previously reducing the amount of negative strain or increasing the amount of positive strain when the thickness of each quantum well layer is reduced. A semiconductor laser device having the multiple quantum well structure according to the above.
【請求項3】 前記p型クラッド層あるいはn型クラッ
ド層の少なくとも一方に隣接する量子井戸層の層厚が他
の量子井戸層の層厚よりも厚く構成されたことを特徴と
する請求項1記載の多重量子井戸構造を備える半導体レ
ーザ素子。
3. The quantum well layer adjacent to at least one of the p-type cladding layer and the n-type cladding layer has a greater thickness than other quantum well layers. A semiconductor laser device having the multiple quantum well structure according to the above.
【請求項4】 前記p型クラッド層あるいはn型クラッ
ド層の少なくとも一方に隣接する量子井戸層の層厚が他
の量子井戸層の層厚よりも厚く構成され、かつ前記各量
子井戸層の層厚が狭くなる場合に、予めマイナス歪量を
少なくするか、あるいはプラス歪量を多くしてバンドギ
ャップが調整されたことを特徴とする請求項1記載の多
重量子井戸構造を備える半導体レーザ素子。
4. The quantum well layer adjacent to at least one of the p-type clad layer and the n-type clad layer is configured to be thicker than other quantum well layers, and each of the quantum well layers has a thickness. 2. The semiconductor laser device having a multiple quantum well structure according to claim 1, wherein the band gap is adjusted by decreasing the amount of negative strain or increasing the amount of positive strain in advance when the thickness becomes narrow.
【請求項5】 前記各量子井戸層内のキャリア密度が異
なる際に、前記キャリア密度に応じた歪量を前記各量子
井戸層に形成することにより発光波長変動を抑制する構
成としたことを特徴とする請求項1記載の多重量子井戸
構造を備える半導体レーザ素子。
5. When the carrier density in each of the quantum well layers is different, a variation in emission wavelength is suppressed by forming a strain amount corresponding to the carrier density in each of the quantum well layers. A semiconductor laser device having a multiple quantum well structure according to claim 1.
【請求項6】 前記各量子井戸層の層厚が狭くなる場合
に、予めマイナス歪量を少なくするか、あるいはプラス
歪量を多くしてバンドギャップが調整され、かつ前記各
量子井戸層内のキャリア密度が異なる際に、前記キャリ
ア密度に応じた歪量を前記各量子井戸層に形成すること
により発光波長変動を抑制する構成としたことを特徴と
する請求項1記載の多重量子井戸構造を備える半導体レ
ーザ素子。
6. When the thickness of each of the quantum well layers is reduced, the band gap is adjusted by reducing the amount of negative strain or increasing the amount of positive strain in advance, and 2. The multiple quantum well structure according to claim 1, wherein when the carrier density is different, a variation in emission wavelength is suppressed by forming a strain amount corresponding to the carrier density in each of the quantum well layers. Semiconductor laser device.
【請求項7】 前記p型クラッド層あるいはn型クラッ
ド層の少なくとも一方に隣接する量子井戸層の層厚が他
の量子井戸層の層厚よりも厚く形成され、かつ前記各量
子井戸層内のキャリア密度が異なる際に、前記キャリア
密度に応じた歪量を前記各量子井戸層に形成することに
より発光波長変動を抑制する構成としたことを特徴とす
る請求項1記載の多重量子井戸構造を備える半導体レー
ザ素子。
7. The quantum well layer adjacent to at least one of the p-type clad layer and the n-type clad layer is formed to be thicker than the other quantum well layers, and each quantum well layer has 2. The multiple quantum well structure according to claim 1, wherein when the carrier density is different, a variation in emission wavelength is suppressed by forming a strain amount corresponding to the carrier density in each of the quantum well layers. Semiconductor laser device.
【請求項8】 前記各量子井戸層の層厚が狭くなる場合
に、予めマイナス歪量を少なくするか、あるいはプラス
歪量を多くしてバンドギャップが調整され、かつ前記p
型クラッド層あるいはn型クラッド層の少なくとも一方
に隣接する量子井戸層の層厚が他の量子井戸層の層厚よ
りも厚く構成され、かつ前記各量子井戸層内のキャリア
密度が異なる際に、前記キャリア密度に応じた歪量を前
記各量子井戸層に形成することにより発光波長変動を抑
制する構成としたことを特徴とする請求項1記載の多重
量子井戸構造を備える半導体レーザ素子。
8. When the thickness of each quantum well layer is reduced, the band gap is adjusted by decreasing the amount of negative strain or increasing the amount of positive strain in advance, and
When the layer thickness of the quantum well layer adjacent to at least one of the n-type cladding layer or the n-type cladding layer is configured to be thicker than the layer thickness of the other quantum well layers, and the carrier density in each of the quantum well layers is different, 2. The semiconductor laser device having a multiple quantum well structure according to claim 1, wherein a variation in emission wavelength is suppressed by forming a strain amount corresponding to the carrier density in each of the quantum well layers.
【請求項9】 活性領域および該活性領域を挟むp型ク
ラッド層およびn型クラッド層を有し、前記活性領域が
複数の量子井戸層からなり、前記各量子井戸層は隣接す
る前記クラッド層又は/およびバリアー層間でポテンシ
ャル障壁を形成する多重量子井戸構造である半導体レー
ザ素子の製造方法であって、 前記各量子井戸層内のキャリアの量子化準位と前記ポテ
ンシャル障壁との差が所定値になるよう前記各量子井戸
層の歪量を形成、または歪量および層厚を形成すること
を特徴とする多重量子井戸構造を備える半導体レーザ素
子の製造方法。
9. An active region, comprising a p-type cladding layer and an n-type cladding layer sandwiching the active region, wherein the active region comprises a plurality of quantum well layers, and each of the quantum well layers is adjacent to the cladding layer or And / or a method of manufacturing a semiconductor laser device having a multiple quantum well structure in which a potential barrier is formed between barrier layers, wherein a difference between a quantization level of carriers in each of the quantum well layers and the potential barrier is a predetermined value. A method of manufacturing a semiconductor laser device having a multiple quantum well structure, wherein a strain amount of each of the quantum well layers is formed, or a strain amount and a layer thickness are formed.
【請求項10】 前記各量子井戸層の層厚が狭くなる場
合に、予めマイナス歪量を少なくするか、あるいはプラ
ス歪量を多くしてバンドギャップを調整することを特徴
とする請求項9記載の多重量子井戸構造を備える半導体
レーザ素子の製造方法。
10. The band gap is adjusted by previously reducing the amount of negative strain or increasing the amount of positive strain when the thickness of each quantum well layer becomes narrow. Of manufacturing a semiconductor laser device having a multiple quantum well structure.
【請求項11】 前記p型クラッド層あるいはn型クラ
ッド層の少なくとも一方に隣接する量子井戸層の層厚を
他の量子井戸層の層厚よりも厚く形成することを特徴と
する請求項9記載の多重量子井戸構造を備える半導体レ
ーザ素子の製造方法。
11. The quantum well layer adjacent to at least one of the p-type clad layer and the n-type clad layer is formed to be thicker than other quantum well layers. Of manufacturing a semiconductor laser device having a multiple quantum well structure.
【請求項12】 前記p型クラッド層あるいは/および
n型クラッド層に隣接する量子井戸層の層厚を他の量子
井戸層の層厚よりも厚く形成し、かつ前記各量子井戸層
の層厚が狭くなる場合に、予めマイナス歪量を少なくす
るか、あるいはプラス歪量を多くしてバンドギャップを
調整することを特徴とする請求項9記載の多重量子井戸
構造を備える半導体レーザ素子の製造方法。
12. The quantum well layer adjacent to the p-type cladding layer and / or the n-type cladding layer is formed to be thicker than other quantum well layers, and the thickness of each of the quantum well layers is made larger. 10. The method of manufacturing a semiconductor laser device having a multi-quantum well structure according to claim 9, wherein the band gap is adjusted by reducing the amount of negative strain or increasing the amount of positive strain in advance when the width becomes narrow. .
【請求項13】 前記各量子井戸層内のキャリア密度が
異なる際に、前記キャリア密度に応じた歪量を前記各量
子井戸層に形成することを特徴とする請求項9記載の多
重量子井戸構造を備える半導体レーザ素子の製造方法。
13. The multiple quantum well structure according to claim 9, wherein when each of the quantum well layers has a different carrier density, a strain amount corresponding to the carrier density is formed in each of the quantum well layers. A method for manufacturing a semiconductor laser device comprising:
【請求項14】 前記各量子井戸層の層厚が狭くなる場
合に、予めマイナス歪量を少なくするか、あるいはプラ
ス歪量を多くしてバンドギャップを調整し、かつ前記各
量子井戸層内のキャリア密度が異なる際に、前記キャリ
ア密度に応じた歪量を前記各量子井戸層に形成すること
を特徴とする請求項9記載の多重量子井戸構造を備える
半導体レーザ素子の製造方法。
14. When the thickness of each of the quantum well layers is reduced, the band gap is adjusted by previously reducing the amount of negative strain or increasing the amount of positive strain, and 10. The method according to claim 9, wherein when the carrier density is different, a strain amount corresponding to the carrier density is formed in each of the quantum well layers.
【請求項15】 前記p型クラッド層あるいはn型クラ
ッド層の少なくとも一方に隣接する量子井戸層の層厚を
他の量子井戸層の層厚よりも厚く形成し、かつ前記各量
子井戸層内のキャリア密度が異なる際に、前記キャリア
密度に応じた歪量を前記各量子井戸層に形成することを
特徴とする請求項9記載の多重量子井戸構造を備える半
導体レーザ素子の製造方法。
15. The quantum well layer adjacent to at least one of the p-type clad layer and the n-type clad layer is formed to be thicker than the other quantum well layers. 10. The method according to claim 9, wherein when the carrier density is different, a strain amount corresponding to the carrier density is formed in each of the quantum well layers.
【請求項16】 前記各量子井戸層の層厚が狭くなる場
合に、予めマイナス歪量を少なくするか、あるいはプラ
ス歪量を多くしてバンドギャップを調整し、かつ前記p
型クラッド層あるいはn型クラッド層の少なくとも一方
に隣接する量子井戸層の層厚を他の量子井戸層の層厚よ
りも厚く形成し、かつ前記各量子井戸層内のキャリア密
度が異なる際に、前記キャリア密度に応じた歪量を前記
各量子井戸層に形成することを特徴とする請求項9記載
の多重量子井戸構造を備える半導体レーザ素子の製造方
法。
16. When the thickness of each of the quantum well layers is reduced, the band gap is adjusted by reducing the amount of negative strain or increasing the amount of positive strain in advance, and
Forming a layer thickness of the quantum well layer adjacent to at least one of the n-type cladding layer or the n-type cladding layer larger than the layer thickness of the other quantum well layers, and when the carrier density in each of the quantum well layers is different, 10. The method according to claim 9, wherein a strain amount corresponding to the carrier density is formed in each of the quantum well layers.
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