JPH1197790A - 半導体レーザ - Google Patents
半導体レーザInfo
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- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 波長２μｍ帯で発振する高性能の半導体レー
ザの提供。 【解決手段】 本発明の半導体レーザは、波長２μｍ帯
で発振するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ材料を用いた
圧縮歪み量子井戸半導体レーザであって、光閉じ込め層
のバンドギャップＥoclと量子井戸層の基底準位間の発
光遷移エネルギーＥwellとの差ΔＥが２７５〜３００ｍ
ｅＶであることを特徴としている。
ザの提供。 【解決手段】 本発明の半導体レーザは、波長２μｍ帯
で発振するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ材料を用いた
圧縮歪み量子井戸半導体レーザであって、光閉じ込め層
のバンドギャップＥoclと量子井戸層の基底準位間の発
光遷移エネルギーＥwellとの差ΔＥが２７５〜３００ｍ
ｅＶであることを特徴としている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮歪み量子井戸
レーザに関し、詳しくはＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ
材料を用いた波長２μｍ帯で発振する半導体レーザに関
する。
レーザに関し、詳しくはＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ
材料を用いた波長２μｍ帯で発振する半導体レーザに関
する。
【０００２】
【従来の技術】ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ材料は、
半導体レーザの最も重要な材料の一つであり、特に活性
層に量子井戸を持つＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ系半
導体レーザは、１．３μｍないし１．５５μｍの波長帯
の通信用光源として実用化されている。従来、この種の
量子井戸活性層は、格子整合により形成していた。近
年、レーザ諸特性の向上や特性制御性を更に改善するこ
とが望まれ、活性層を必ずしも格子整合せず、圧縮歪み
層とすることによってレーザ諸特性の向上や特性制御性
を改善することが試みられている。さらに高歪みの量子
井戸を用いることにより、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ
Ｐ系半導体レーザを波長２．０μｍ付近で発振すること
も可能であることが報告されている（例えば、S.Forouh
ar etal., "InGaAs/InGaAsP/InP strained-layer quant
um well lasers at 2μm", Electron. Lett., Vol.28,p
p.1431-1432, 1992）。これによって、ＩｎＧａＡｓ／
ＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザの応用範囲が、これまで
の光通信のみでなく、レーザ分光を用いたガスセンサ技
術やアイセーフのレーザ距離計などに広がる。しかしな
がら、従来のこの材料系における半導体レーザの研究開
発は、１．３μｍおよび１．５５μｍの波長帯にほとん
ど集中していて、１．６μｍより長波のレーザの設計に
ついては、１．３μｍおよび１．５５μｍの波長のレー
ザの設計指針がそのまま用いられることが多く、技術課
題も十分明らかにされていないのが実状であった。
半導体レーザの最も重要な材料の一つであり、特に活性
層に量子井戸を持つＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ系半
導体レーザは、１．３μｍないし１．５５μｍの波長帯
の通信用光源として実用化されている。従来、この種の
量子井戸活性層は、格子整合により形成していた。近
年、レーザ諸特性の向上や特性制御性を更に改善するこ
とが望まれ、活性層を必ずしも格子整合せず、圧縮歪み
層とすることによってレーザ諸特性の向上や特性制御性
を改善することが試みられている。さらに高歪みの量子
井戸を用いることにより、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ
Ｐ系半導体レーザを波長２．０μｍ付近で発振すること
も可能であることが報告されている（例えば、S.Forouh
ar etal., "InGaAs/InGaAsP/InP strained-layer quant
um well lasers at 2μm", Electron. Lett., Vol.28,p
p.1431-1432, 1992）。これによって、ＩｎＧａＡｓ／
ＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザの応用範囲が、これまで
の光通信のみでなく、レーザ分光を用いたガスセンサ技
術やアイセーフのレーザ距離計などに広がる。しかしな
がら、従来のこの材料系における半導体レーザの研究開
発は、１．３μｍおよび１．５５μｍの波長帯にほとん
ど集中していて、１．６μｍより長波のレーザの設計に
ついては、１．３μｍおよび１．５５μｍの波長のレー
ザの設計指針がそのまま用いられることが多く、技術課
題も十分明らかにされていないのが実状であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事情に鑑
みてなされたもので、波長２μｍ帯で発振する高性能の
半導体レーザの提供を課題としている。
みてなされたもので、波長２μｍ帯で発振する高性能の
半導体レーザの提供を課題としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ
は、波長２μｍ帯で発振するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡ
ｓＰ材料を用いた圧縮歪み量子井戸半導体レーザであっ
て、光閉じ込め層のバンドギャップＥoclと量子井戸層
の基底準位間の発光遷移エネルギーＥwellとの差ΔＥが
２７５〜３００ｍｅＶであることを特徴としている。
は、波長２μｍ帯で発振するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡ
ｓＰ材料を用いた圧縮歪み量子井戸半導体レーザであっ
て、光閉じ込め層のバンドギャップＥoclと量子井戸層
の基底準位間の発光遷移エネルギーＥwellとの差ΔＥが
２７５〜３００ｍｅＶであることを特徴としている。
【０００５】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明を詳
細に説明する。図１にＳＣＨ（Separated Confinement
Heterostructure）構造を用いた量子井戸数２個の場合
の量子井戸半導体レーザ素子の構造を示す。この素子
は、ｐ−ＩｎＰの基板１に、ｐ型バッファ層２（ｐ−Ｉ
ｎＰ）、格子整合の光閉じ込め層３（ＩｎＧａＡｓ
Ｐ）、圧縮歪み層である量子井戸層４（ＩｎxＧａ1-xＡ
ｓ）、格子整合のバリア層５（ＩｎＧａＡｓＰ）、量子
井戸層６（ＩｎxＧａ1-xＡｓ）、格子整合の光閉じ込め
層７（ＩｎＧａＡｓＰ）、ｎ型クラッド層８（ｎ−Ｉｎ
Ｐ）を順次、積み重ねた構造になっている。そして、上
記量子井戸層４，６のＩｎの組成比を示すｘを０．５３
以上にすれば、格子定数が大きいために圧縮歪みを生
じ、膜厚さが薄いので積層方向に膨張する。
細に説明する。図１にＳＣＨ（Separated Confinement
Heterostructure）構造を用いた量子井戸数２個の場合
の量子井戸半導体レーザ素子の構造を示す。この素子
は、ｐ−ＩｎＰの基板１に、ｐ型バッファ層２（ｐ−Ｉ
ｎＰ）、格子整合の光閉じ込め層３（ＩｎＧａＡｓ
Ｐ）、圧縮歪み層である量子井戸層４（ＩｎxＧａ1-xＡ
ｓ）、格子整合のバリア層５（ＩｎＧａＡｓＰ）、量子
井戸層６（ＩｎxＧａ1-xＡｓ）、格子整合の光閉じ込め
層７（ＩｎＧａＡｓＰ）、ｎ型クラッド層８（ｎ−Ｉｎ
Ｐ）を順次、積み重ねた構造になっている。そして、上
記量子井戸層４，６のＩｎの組成比を示すｘを０．５３
以上にすれば、格子定数が大きいために圧縮歪みを生
じ、膜厚さが薄いので積層方向に膨張する。
【０００６】図２に、図１の構造の素子をバンド構造で
示す。活性層に圧縮歪み量子井戸（量子井戸層４，６）
を用いたことによって、電子（●）とホール（○）の反
転分布を促進し、量子井戸内で反転分布となっている伝
導帯にある電子と価電子帯にあるホールが再結合してレ
ーザ光を発生する。レーザ光を効率的に発生させるため
には、活性層（量子井戸層４，６）への電子とホールの
閉じ込め、および光の閉じ込めの２つの閉じ込め効果が
重要である。光閉じ込め構造は、光閉じ込め係数を大き
くすることによって、活性層領域における光利得を大き
くすることが目的である。ＳＣＨ構造において光閉じ込
め係数は、光閉じ込め層３，７の厚みと組成波長（λg,
ocl）或いは屈折率に依存するが、ＩｎＧａＡｓＰ材料
の場合、一般的に、大きな光閉じ込め係数を得るには光
閉じ込め層３，７のバンドギャップEocl（＝1.2398/λ
g,ocl）の小さい組成が望ましい。また、電子とホール
の閉じ込めは光閉じ込め層３，７のバンドギャップＥoc
lと量子井戸層４，６の基底準位間の差Ｅwellとの差が
大きくなるほど効果的に行われる。
示す。活性層に圧縮歪み量子井戸（量子井戸層４，６）
を用いたことによって、電子（●）とホール（○）の反
転分布を促進し、量子井戸内で反転分布となっている伝
導帯にある電子と価電子帯にあるホールが再結合してレ
ーザ光を発生する。レーザ光を効率的に発生させるため
には、活性層（量子井戸層４，６）への電子とホールの
閉じ込め、および光の閉じ込めの２つの閉じ込め効果が
重要である。光閉じ込め構造は、光閉じ込め係数を大き
くすることによって、活性層領域における光利得を大き
くすることが目的である。ＳＣＨ構造において光閉じ込
め係数は、光閉じ込め層３，７の厚みと組成波長（λg,
ocl）或いは屈折率に依存するが、ＩｎＧａＡｓＰ材料
の場合、一般的に、大きな光閉じ込め係数を得るには光
閉じ込め層３，７のバンドギャップEocl（＝1.2398/λ
g,ocl）の小さい組成が望ましい。また、電子とホール
の閉じ込めは光閉じ込め層３，７のバンドギャップＥoc
lと量子井戸層４，６の基底準位間の差Ｅwellとの差が
大きくなるほど効果的に行われる。
【０００７】一般に、レーザ特性を損なう要因は、キ
ャリアのオーバーフロー、光閉じ込め層内の光吸収損
失、オージェ（Auger）損失、価電子帯間遷移（IVB
A）などが挙げられる。電子は有効質量が小さく、一方
ホールは有効質量が大きいので、ホールよりも電子の閉
じ込めの方が高いポテンシャル障壁を要するため、キ
ャリアのオーバーフローを防ぐためには、伝導帯におけ
るバンドオフセットΔＥｃが、主要なパラメータであ
り、その値は通常、０．６×ΔＥｇ程度である。また、
歪み量子井戸の形成によって、ヘビーホールとライトホ
ールが分離され、価電子帯の状態密度が小さくなること
によって、活性層におけるオージェ（Auger）損失と
価電子帯間遷移による光吸収損失の低減を図ってい
る。
ャリアのオーバーフロー、光閉じ込め層内の光吸収損
失、オージェ（Auger）損失、価電子帯間遷移（IVB
A）などが挙げられる。電子は有効質量が小さく、一方
ホールは有効質量が大きいので、ホールよりも電子の閉
じ込めの方が高いポテンシャル障壁を要するため、キ
ャリアのオーバーフローを防ぐためには、伝導帯におけ
るバンドオフセットΔＥｃが、主要なパラメータであ
り、その値は通常、０．６×ΔＥｇ程度である。また、
歪み量子井戸の形成によって、ヘビーホールとライトホ
ールが分離され、価電子帯の状態密度が小さくなること
によって、活性層におけるオージェ（Auger）損失と
価電子帯間遷移による光吸収損失の低減を図ってい
る。
【０００８】前記ΔＥは、光閉じ込め層３，７のバンド
ギャップＥoclと量子井戸４，６の基底準位間の発光遷
移エネルギーＥwellとの差（ΔＥ＝Ｅocl−Ｅwell）で
あり、通信用に用いる波長１．５μｍ帯の歪み量子井戸
においては出来るだけ大きくすることによって、キャ
リアのオーバーフローと閉じ込め層内の光吸収損失を
防ぐことができるが、大き過ぎても、光閉じ込め効率を
下げることになる。後述の実施例の表２に示すように、
波長１．５μｍ帯のレーザでは、前記エネルギー差ΔＥ
が大きい程、外部微分効率がよくなり、高出力が得られ
る。また特性温度Ｔoも大きく、動作電流の温度依存性
が優れている。ΔＥが１６５〜３５３ｍｅＶの広い範囲
で実用的なレーザが得られ、この波長範囲で歪み量子井
戸の効果により優れた性能が発現する。
ギャップＥoclと量子井戸４，６の基底準位間の発光遷
移エネルギーＥwellとの差（ΔＥ＝Ｅocl−Ｅwell）で
あり、通信用に用いる波長１．５μｍ帯の歪み量子井戸
においては出来るだけ大きくすることによって、キャ
リアのオーバーフローと閉じ込め層内の光吸収損失を
防ぐことができるが、大き過ぎても、光閉じ込め効率を
下げることになる。後述の実施例の表２に示すように、
波長１．５μｍ帯のレーザでは、前記エネルギー差ΔＥ
が大きい程、外部微分効率がよくなり、高出力が得られ
る。また特性温度Ｔoも大きく、動作電流の温度依存性
が優れている。ΔＥが１６５〜３５３ｍｅＶの広い範囲
で実用的なレーザが得られ、この波長範囲で歪み量子井
戸の効果により優れた性能が発現する。
【０００９】ところが、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ
系半導体レーザを、波長２．０μｍ帯（ほぼ波長１．９
〜２．１μｍ程度）で発振させようとすると、まず、量
子井戸の厚さを厚くし、歪量を大きくする必要があり、
結晶成長に問題がある。例えば歪量と井戸幅の増大に伴
って結晶膜が応力緩和され、高品質の歪み量子井戸が得
られ難いことが予想されるため、多層量子井戸構造は好
ましくない。また、発光波長が長いことから、大きなオ
ージェ損失などが予想されるため、十分なレーザ性能が
得られないと考えられる。さらに、量子井戸幅が広いの
で価電子帯の状態密度の改善はあまり期待できない。し
たがって、量子井戸の構造や機能は、波長１．６μｍ帯
未満の場合とは異なって、未知の領域である。そのため
波長２．０μｍ帯半導体レーザの実現にあたっては、光
閉じ込め層３，７のバンドギャップＥoclおよび量子井
戸の組成、そしてエネルギー差ΔＥを、どのように設定
するかが要点となる。
系半導体レーザを、波長２．０μｍ帯（ほぼ波長１．９
〜２．１μｍ程度）で発振させようとすると、まず、量
子井戸の厚さを厚くし、歪量を大きくする必要があり、
結晶成長に問題がある。例えば歪量と井戸幅の増大に伴
って結晶膜が応力緩和され、高品質の歪み量子井戸が得
られ難いことが予想されるため、多層量子井戸構造は好
ましくない。また、発光波長が長いことから、大きなオ
ージェ損失などが予想されるため、十分なレーザ性能が
得られないと考えられる。さらに、量子井戸幅が広いの
で価電子帯の状態密度の改善はあまり期待できない。し
たがって、量子井戸の構造や機能は、波長１．６μｍ帯
未満の場合とは異なって、未知の領域である。そのため
波長２．０μｍ帯半導体レーザの実現にあたっては、光
閉じ込め層３，７のバンドギャップＥoclおよび量子井
戸の組成、そしてエネルギー差ΔＥを、どのように設定
するかが要点となる。
【００１０】一般的には、伝導帯のバンドオフセットΔ
Ｅｃが主要なパラメータで、通常の１．５μｍ帯レーザ
において、Ｑｃ＝ΔＥｃ／ΔＥｇ＝０．６となる。しか
し、２．０μｍ帯で発振させるための歪み量子井戸層を
形成するために、ＩｎxＧａ1 -xＡｓのＩｎの組成比ｘ
を、約０．８とし、そのｘによってＱｃ値が変わる可能
性がある。そのため、０．６という数値をそのまま適用
できないと考えられるので、本発明ではΔＥをパラメー
タとして採用した。つまり、本発明者らは、主としてＥ
oclおよびＥwell、そして両者の差ΔＥなどのレーザ特
性に与える影響を解明し、２．０μｍ帯で発振するＩｎ
ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザを実現したの
である。
Ｅｃが主要なパラメータで、通常の１．５μｍ帯レーザ
において、Ｑｃ＝ΔＥｃ／ΔＥｇ＝０．６となる。しか
し、２．０μｍ帯で発振させるための歪み量子井戸層を
形成するために、ＩｎxＧａ1 -xＡｓのＩｎの組成比ｘ
を、約０．８とし、そのｘによってＱｃ値が変わる可能
性がある。そのため、０．６という数値をそのまま適用
できないと考えられるので、本発明ではΔＥをパラメー
タとして採用した。つまり、本発明者らは、主としてＥ
oclおよびＥwell、そして両者の差ΔＥなどのレーザ特
性に与える影響を解明し、２．０μｍ帯で発振するＩｎ
ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザを実現したの
である。
【００１１】本発明者らは、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡ
ｓＰ系半導体レーザにおけるＥoclおよびエネルギー差
ΔＥがレーザ特性に与える影響を考究したところ、Ｉｎ
ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザを２．０μｍ
帯で発振させるためには、意外にも、前記ΔＥと外部微
分効率と特性温度Ｔoとは直線的関係になく、最適値が
あることを見出した。すなわち、本発明の波長２μｍ帯
のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ材料を用いた圧縮歪み
量子井戸半導体レーザは、光閉じ込め層のバンドギャッ
プＥoclと量子井戸層の基底準位間の発光遷移エネルギ
ーＥwellとの差ΔＥが、２７５〜３００ｍｅＶであるこ
とを特徴としている。
ｓＰ系半導体レーザにおけるＥoclおよびエネルギー差
ΔＥがレーザ特性に与える影響を考究したところ、Ｉｎ
ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザを２．０μｍ
帯で発振させるためには、意外にも、前記ΔＥと外部微
分効率と特性温度Ｔoとは直線的関係になく、最適値が
あることを見出した。すなわち、本発明の波長２μｍ帯
のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ材料を用いた圧縮歪み
量子井戸半導体レーザは、光閉じ込め層のバンドギャッ
プＥoclと量子井戸層の基底準位間の発光遷移エネルギ
ーＥwellとの差ΔＥが、２７５〜３００ｍｅＶであるこ
とを特徴としている。
【００１２】本発明者らは、後述する表２に示した波長
１．５μｍ帯の歪み量子井戸半導体レーザのデータを一
応参考にして、２．０μｍ帯レーザ構造について検討し
た。まず、発振波長を２．０μｍにするため、歪み量子
井戸層の組成ＩｎxＧａ1-xＡｓについて、Ｉｎの組成比
ｘを０．６７〜０．８８とし、歪み量子井戸層の歪量の
発振波長に対する影響について検討した。図３に、量子
井戸層の歪量をパラメータとして量子井戸の厚さと発振
波長の関係を図示した。この図から判るように、波長
２．０μｍで発光させるためには井戸幅１０ｎｍ程度で
歪み量は２％程度が必要であることが判る。
１．５μｍ帯の歪み量子井戸半導体レーザのデータを一
応参考にして、２．０μｍ帯レーザ構造について検討し
た。まず、発振波長を２．０μｍにするため、歪み量子
井戸層の組成ＩｎxＧａ1-xＡｓについて、Ｉｎの組成比
ｘを０．６７〜０．８８とし、歪み量子井戸層の歪量の
発振波長に対する影響について検討した。図３に、量子
井戸層の歪量をパラメータとして量子井戸の厚さと発振
波長の関係を図示した。この図から判るように、波長
２．０μｍで発光させるためには井戸幅１０ｎｍ程度で
歪み量は２％程度が必要であることが判る。
【００１３】そこで、量子井戸数を２個、井戸の厚さ
（Ｌｗ）１０ｎｍとし、光閉じ込め層の組成波長λg,oc
lを１．２５〜１．５μｍ（バンドギャップＥocl＝１．
２３９８／λg,ocl）に変えることによって、光閉じ込
め層のバンドギャップＥoclと量子井戸層の基底準位間
の発光遷移エネルギーＥwellとの差ΔＥを、１９７〜３
５７ｍｅＶの範囲に変えた時、レーザ特性がどう変わる
のかを調べた。その結果、ΔＥは大きければ良いという
のではなく、意外にも狭い範囲の最適値があることが判
明した。
（Ｌｗ）１０ｎｍとし、光閉じ込め層の組成波長λg,oc
lを１．２５〜１．５μｍ（バンドギャップＥocl＝１．
２３９８／λg,ocl）に変えることによって、光閉じ込
め層のバンドギャップＥoclと量子井戸層の基底準位間
の発光遷移エネルギーＥwellとの差ΔＥを、１９７〜３
５７ｍｅＶの範囲に変えた時、レーザ特性がどう変わる
のかを調べた。その結果、ΔＥは大きければ良いという
のではなく、意外にも狭い範囲の最適値があることが判
明した。
【００１４】ΔＥが２７５ｍｅＶ未満であると、キャリ
アのオーバーフローが抑えられない。さらに閉じ込め層
内の吸収損失、価電子帯間遷移やオージェ損失が顕著に
レーザ特性に影響を与えることによって、外部微分効率
と特性温度が小さく、レーザーとしての実用性がない。
ΔＥが３００ｍｅＶを超えると、光閉じ込め層の屈折率
と、バッファ層とクラッド層としてのＩｎＰの屈折率と
の差が小さいため、充分な光閉じ込め係数が得られず、
しきい値電流密度が大きく、外部微分効率と特性温度が
小さいので、レーザとしての実用性がない。ΔＥが２７
５〜３００ｍｅＶの範囲では、光閉じ込め係数が大き
く、しきい値電流が低減されることにより、キャリアの
オーバーフローの低減に伴ってレーザの内部損失が抑え
られ、実用性のあるレーザ特性が得られた。なお、上述
した本発明の一形態の説明においては、量子井戸数を２
個の場合について述べたが、本発明は量子井戸数が２個
の半導体レーザに限定されるものではない。歪み膜の結
晶の向上によって、３層或いは４層多重量子井戸構造が
可能となるが、前述の内部損失がこの波長帯のレーザの
本質的な問題であるため、さらに波長２．１μｍ以上の
レーザにおいて結晶成長の面から考えると、単層量子井
戸を使用することが望ましい。
アのオーバーフローが抑えられない。さらに閉じ込め層
内の吸収損失、価電子帯間遷移やオージェ損失が顕著に
レーザ特性に影響を与えることによって、外部微分効率
と特性温度が小さく、レーザーとしての実用性がない。
ΔＥが３００ｍｅＶを超えると、光閉じ込め層の屈折率
と、バッファ層とクラッド層としてのＩｎＰの屈折率と
の差が小さいため、充分な光閉じ込め係数が得られず、
しきい値電流密度が大きく、外部微分効率と特性温度が
小さいので、レーザとしての実用性がない。ΔＥが２７
５〜３００ｍｅＶの範囲では、光閉じ込め係数が大き
く、しきい値電流が低減されることにより、キャリアの
オーバーフローの低減に伴ってレーザの内部損失が抑え
られ、実用性のあるレーザ特性が得られた。なお、上述
した本発明の一形態の説明においては、量子井戸数を２
個の場合について述べたが、本発明は量子井戸数が２個
の半導体レーザに限定されるものではない。歪み膜の結
晶の向上によって、３層或いは４層多重量子井戸構造が
可能となるが、前述の内部損失がこの波長帯のレーザの
本質的な問題であるため、さらに波長２．１μｍ以上の
レーザにおいて結晶成長の面から考えると、単層量子井
戸を使用することが望ましい。
【００１５】
【実施例】光閉じ込め層のバンドギャップＥoclと量子
井戸層の基底準位間の発光遷移エネルギーＥwellとの差
ΔＥを１９７〜３９７ｍｅＶの範囲で変え、表１に示す
サンプルＡ〜Ｄの半導体レーザを試作し、ΔＥの値がレ
ーザ諸特性に及ぼす影響を調べた。その結果を表１に示
す。また図４に、サンプルＡ〜Ｄの半導体レーザの動作
温度を（ｉ）１０℃、（ii）２０℃、（iii）３０℃、
（iv）４０℃とし、それぞれの温度における注入電流と
レーザ出力との関係を示す。
井戸層の基底準位間の発光遷移エネルギーＥwellとの差
ΔＥを１９７〜３９７ｍｅＶの範囲で変え、表１に示す
サンプルＡ〜Ｄの半導体レーザを試作し、ΔＥの値がレ
ーザ諸特性に及ぼす影響を調べた。その結果を表１に示
す。また図４に、サンプルＡ〜Ｄの半導体レーザの動作
温度を（ｉ）１０℃、（ii）２０℃、（iii）３０℃、
（iv）４０℃とし、それぞれの温度における注入電流と
レーザ出力との関係を示す。
【００１６】
【表１】
【００１７】・サンプルＡ（比較例１） ΔＥを１９７ｍｅＶとしたサンプルＡは、しきい値電流
密度が小さいが、キャリアのオーバーフロー及び内部損
失の影響によって、外部微分効率と特性温度が小さく、
それぞれ２８％と２９Ｋとなっている。さらに高温動作
が不能であり、レーザとして充分な特性が得られなかっ
た。
密度が小さいが、キャリアのオーバーフロー及び内部損
失の影響によって、外部微分効率と特性温度が小さく、
それぞれ２８％と２９Ｋとなっている。さらに高温動作
が不能であり、レーザとして充分な特性が得られなかっ
た。
【００１８】・サンプルＢ（実施例１） ΔＥを２７８ｍｅＶとしたサンプルＢは、外部微分効率
が３４．５％、特性温度が４３Ｋとなり、良好なレーザ
諸特性が得られた。
が３４．５％、特性温度が４３Ｋとなり、良好なレーザ
諸特性が得られた。
【００１９】・サンプルＣ（実施例２） ΔＥを２９９ｍｅＶとしたサンプルＣは、歪み量が大き
くなったため、歪み量子井戸の膜厚が臨界膜厚に近いた
めに、外部微分効率が２７％と実施例１に比べて外部微
分効率が若干低いが、ほぼ同等の特性温度となってい
る。また、外部微分効率に対する動作温度の影響が小さ
い。
くなったため、歪み量子井戸の膜厚が臨界膜厚に近いた
めに、外部微分効率が２７％と実施例１に比べて外部微
分効率が若干低いが、ほぼ同等の特性温度となってい
る。また、外部微分効率に対する動作温度の影響が小さ
い。
【００２０】・サンプルＤ（比較例２） ΔＥを３５７ｍｅＶとしたサンプルＤは、光閉じ込め係
数が小さいため、しきい値電流が大きく、それぞれ２
４．１％と２９Ｋとなっている。また、動作温度の上昇
に伴って、外部微分効率が急激に減少するので、充分な
特性が得られなかった。
数が小さいため、しきい値電流が大きく、それぞれ２
４．１％と２９Ｋとなっている。また、動作温度の上昇
に伴って、外部微分効率が急激に減少するので、充分な
特性が得られなかった。
【００２１】上記の結果から、光閉じ込め層のバンドギ
ャップＥoclと量子井戸層の基底準位間の発光遷移エネ
ルギーＥwellとの差ΔＥが２７５〜３００ｍｅＶの範囲
では、良好なレーザ特性が得られ、波長２．０μｍ帯で
発振する実用的な半導体レーザを提供できることが判
る。一方、ΔＥが２７５ｍｅＶよりも小さい場合（サン
プルＡ）、また３００ｍｅＶを超える場合（サンプル
Ｄ）には、良好なレーザ特性が得られず、実用に供し得
ないことが判る。
ャップＥoclと量子井戸層の基底準位間の発光遷移エネ
ルギーＥwellとの差ΔＥが２７５〜３００ｍｅＶの範囲
では、良好なレーザ特性が得られ、波長２．０μｍ帯で
発振する実用的な半導体レーザを提供できることが判
る。一方、ΔＥが２７５ｍｅＶよりも小さい場合（サン
プルＡ）、また３００ｍｅＶを超える場合（サンプル
Ｄ）には、良好なレーザ特性が得られず、実用に供し得
ないことが判る。
【００２２】（参考例）発振波長１．５μｍ帯のＩｎＧ
ａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ材料歪み量子井戸レーザの典型
的な例を表２に示す。１．５μｍ帯のレーザの理想的な
歪量は＋１％前後であり、表１に示した波長２．０μｍ
帯のレーザの歪み量（＋２％程度）より小さく、歪量と
量子井戸の幅を設定する上で比較的自由度が大きい。表
２中のサンプルＥ〜Ｇは、歪量を＋１．１％、量子井戸
幅を４ｎｍとした６周期の多層量子井戸構造となってい
る。比較のため、ΔＥを１６５〜３５３ｍｅＶとした。
レーザ構造はさらに最適化できるが、すべてのパラメー
タが相互に影響し一意的な解を解明することは容易では
ない。ΔＥが大きい程、外部微分効率がよくなり、特性
温度Ｔoが大きくなる。ΔＥが１６５〜３５３ｍｅＶの
広い範囲で実用的なレーザが得られている。
ａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ材料歪み量子井戸レーザの典型
的な例を表２に示す。１．５μｍ帯のレーザの理想的な
歪量は＋１％前後であり、表１に示した波長２．０μｍ
帯のレーザの歪み量（＋２％程度）より小さく、歪量と
量子井戸の幅を設定する上で比較的自由度が大きい。表
２中のサンプルＥ〜Ｇは、歪量を＋１．１％、量子井戸
幅を４ｎｍとした６周期の多層量子井戸構造となってい
る。比較のため、ΔＥを１６５〜３５３ｍｅＶとした。
レーザ構造はさらに最適化できるが、すべてのパラメー
タが相互に影響し一意的な解を解明することは容易では
ない。ΔＥが大きい程、外部微分効率がよくなり、特性
温度Ｔoが大きくなる。ΔＥが１６５〜３５３ｍｅＶの
広い範囲で実用的なレーザが得られている。
【００２３】
【表２】
【００２４】ところが、波長２．０μｍ帯の場合は、歪
量が約＋２％、量子井戸の幅が１０ｎｍ以上であり、歪
みの臨界膜厚に近いので、結晶成長に注意を払わねばな
らない。このため、多層量子井戸構造は好ましくない。
また、量子井戸幅が広いので、従来の歪み量子井戸のメ
リットの一つである価電子帯の状態密度の改善はあまり
期待できない点で、波長１．５μｍ帯レーザとは閉じ込
め構造の最適化に関する設計思想が異なっている。すな
わち、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ材料圧縮歪み量子
井戸レーザにおいて、２．０μｍ帯レーザの場合は、
１．５μｍ帯レーザと違い、歪み量と量子井戸幅が大き
く、両者は設計思想が根本的に異なる。
量が約＋２％、量子井戸の幅が１０ｎｍ以上であり、歪
みの臨界膜厚に近いので、結晶成長に注意を払わねばな
らない。このため、多層量子井戸構造は好ましくない。
また、量子井戸幅が広いので、従来の歪み量子井戸のメ
リットの一つである価電子帯の状態密度の改善はあまり
期待できない点で、波長１．５μｍ帯レーザとは閉じ込
め構造の最適化に関する設計思想が異なっている。すな
わち、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ材料圧縮歪み量子
井戸レーザにおいて、２．０μｍ帯レーザの場合は、
１．５μｍ帯レーザと違い、歪み量と量子井戸幅が大き
く、両者は設計思想が根本的に異なる。
【００２５】
【発明の効果】本発明では、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡ
ｓＰ材料圧縮歪み量子井戸レーザにおいて、光閉じ込め
層のバンドギャップＥoclと、量子井戸層の基底準位間
の発光遷移エネルギーＥwellとの差ΔＥを、ある程度大
きく２７５ｍｅＶ以上にすることによって、キャリアオ
ーバーフローと光閉じ込め層の光吸収損失を抑えられる
とともに、ΔＥを３００ｍｅＶ以下にすることによっ
て、光閉じ込め係数を充分な大きさに維持し、レーザの
しきい値電流密度が下げられ、オージェ損失及び価電子
帯間遷移を小さくすることができる。すなわち本発明に
よれば、ΔＥを、２７５〜３００ｍｅＶの範囲にするこ
とによって、キャリアオーバーフローと光閉じ込め層の
光吸収損失の低減及びオージェ損失と価電子帯間遷移の
改善が同時にでき、出力特性と温度特性が１．５μｍ帯
レーザと同レベルの実用的な２．０μｍ帯レーザを提供
することができる。
ｓＰ材料圧縮歪み量子井戸レーザにおいて、光閉じ込め
層のバンドギャップＥoclと、量子井戸層の基底準位間
の発光遷移エネルギーＥwellとの差ΔＥを、ある程度大
きく２７５ｍｅＶ以上にすることによって、キャリアオ
ーバーフローと光閉じ込め層の光吸収損失を抑えられる
とともに、ΔＥを３００ｍｅＶ以下にすることによっ
て、光閉じ込め係数を充分な大きさに維持し、レーザの
しきい値電流密度が下げられ、オージェ損失及び価電子
帯間遷移を小さくすることができる。すなわち本発明に
よれば、ΔＥを、２７５〜３００ｍｅＶの範囲にするこ
とによって、キャリアオーバーフローと光閉じ込め層の
光吸収損失の低減及びオージェ損失と価電子帯間遷移の
改善が同時にでき、出力特性と温度特性が１．５μｍ帯
レーザと同レベルの実用的な２．０μｍ帯レーザを提供
することができる。
【図１】 本発明に係る半導体レーザの構成を示す断面
図。
図。
【図２】 同じ半導体レーザのバンド構造を説明する概
略図。
略図。
【図３】 本発明に係る実施例の半導体レーザの井戸厚
さと発振波長の関係を示すグラフ。
さと発振波長の関係を示すグラフ。
【図４】 本発明に係る実施例の半導体レーザの注入電
流と光出力の関係を示すグラフ。
流と光出力の関係を示すグラフ。
１ 基板 ２ ｐ型バッファ層 ３．７ 光閉じ込め層 ４，６ 量子井戸層 ８ ｎ型クラッド層
Claims (1)
- 【請求項１】 波長２μｍ帯で発振するＩｎＧａＡｓ／
ＩｎＧａＡｓＰ材料を用いた圧縮歪み量子井戸半導体レ
ーザであって、光閉じ込め層のバンドギャップＥoclと
量子井戸層の基底準位間の発光遷移エネルギーＥwellと
の差ΔＥが２７５〜３００ｍｅＶであることを特徴とす
る半導体レーザ。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9252539A JPH1197790A (ja) | 1997-09-17 | 1997-09-17 | 半導体レーザ |
| TW087114633A TW388142B (en) | 1997-09-17 | 1998-09-03 | Semiconductor laser |
| CN98801362A CN1118120C (zh) | 1997-09-17 | 1998-09-07 | 半导体激光器 |
| PCT/JP1998/003990 WO1999014833A1 (fr) | 1997-09-17 | 1998-09-07 | Laser a semi-conducteurs |
| KR1019997004128A KR100356103B1 (ko) | 1997-09-17 | 1998-09-07 | 반도체 레이저 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9252539A JPH1197790A (ja) | 1997-09-17 | 1997-09-17 | 半導体レーザ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1197790A true JPH1197790A (ja) | 1999-04-09 |
Family
ID=17238789
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9252539A Pending JPH1197790A (ja) | 1997-09-17 | 1997-09-17 | 半導体レーザ |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1197790A (ja) |
| KR (1) | KR100356103B1 (ja) |
| CN (1) | CN1118120C (ja) |
| TW (1) | TW388142B (ja) |
| WO (1) | WO1999014833A1 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001102686A (ja) * | 1999-09-29 | 2001-04-13 | Denso Corp | 半導体レーザ |
| JP2007019335A (ja) * | 2005-07-08 | 2007-01-25 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 半導体レーザ |
| JP2009059843A (ja) * | 2007-08-31 | 2009-03-19 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 量子井戸構造、光閉じ込め型量子井戸構造、半導体レーザ、分布帰還型半導体レーザ、分光計測装置及び量子井戸構造の製造方法 |
| WO2019244297A1 (ja) * | 2018-06-21 | 2019-12-26 | 三菱電機株式会社 | 発光電子デバイスの検査方法および発光電子デバイスの製造方法 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104538843A (zh) * | 2014-12-24 | 2015-04-22 | 中国科学院半导体研究所 | 二氧化碳检测用半导体激光芯片的制作方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2707183B2 (ja) * | 1992-03-12 | 1998-01-28 | 国際電信電話株式会社 | ひずみ超格子を有する半導体デバイス |
| JPH05258571A (ja) * | 1992-03-16 | 1993-10-08 | Sharp Corp | スタチックｒａｍ |
| JPH08288586A (ja) * | 1995-04-17 | 1996-11-01 | Nec Corp | ２μｍ帯半導体レーザ |
| JPH09298338A (ja) * | 1996-05-09 | 1997-11-18 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 量子井戸結晶体および半導体レーザ |
-
1997
- 1997-09-17 JP JP9252539A patent/JPH1197790A/ja active Pending
-
1998
- 1998-09-03 TW TW087114633A patent/TW388142B/zh not_active IP Right Cessation
- 1998-09-07 WO PCT/JP1998/003990 patent/WO1999014833A1/ja active IP Right Grant
- 1998-09-07 KR KR1019997004128A patent/KR100356103B1/ko not_active IP Right Cessation
- 1998-09-07 CN CN98801362A patent/CN1118120C/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001102686A (ja) * | 1999-09-29 | 2001-04-13 | Denso Corp | 半導体レーザ |
| JP2007019335A (ja) * | 2005-07-08 | 2007-01-25 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 半導体レーザ |
| JP2009059843A (ja) * | 2007-08-31 | 2009-03-19 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 量子井戸構造、光閉じ込め型量子井戸構造、半導体レーザ、分布帰還型半導体レーザ、分光計測装置及び量子井戸構造の製造方法 |
| WO2019244297A1 (ja) * | 2018-06-21 | 2019-12-26 | 三菱電機株式会社 | 発光電子デバイスの検査方法および発光電子デバイスの製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO1999014833A1 (fr) | 1999-03-25 |
| TW388142B (en) | 2000-04-21 |
| CN1239599A (zh) | 1999-12-22 |
| KR20000068944A (ko) | 2000-11-25 |
| KR100356103B1 (ko) | 2002-10-19 |
| CN1118120C (zh) | 2003-08-13 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20011016 |