JPS62193192A - 半導体レ−ザ素子 - Google Patents

半導体レ−ザ素子

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JPS62193192A
JPS62193192A JP61035721A JP3572186A JPS62193192A JP S62193192 A JPS62193192 A JP S62193192A JP 61035721 A JP61035721 A JP 61035721A JP 3572186 A JP3572186 A JP 3572186A JP S62193192 A JPS62193192 A JP S62193192A
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Kousei Takahashi
向星 高橋
Toshiro Hayakawa
利郎 早川
Naohiro Suyama
尚宏 須山
Masafumi Kondo
雅文 近藤
Saburo Yamamoto
三郎 山本
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Sharp Corp
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は主に可視光領域に発振波長を有する半導体レー
ザに関するもので、特にＭ　Ｂ　Ｅ　（分子線エピタキ
シー）法等を用いて容易に製作が可能な高性能半導本レ
ーザ素子に関するものである。
（従来の技術） 近年、分子線エピタキシー（ＭＢＣ）法あるいは有機金
属を用いた気相成長（ＭＯ−ＣＶＤ）法などの薄膜単結
晶成長技術の進歩は著しく、これらの成長技術を用いれ
ば１０人程度の極めて薄いエピタキシャルＴＩｉ、長層
を得ることが可能となってきている。このような製造技
術の進歩は、半導体レーザにおいてら、従来の液相エピ
タキシャル成長法（ＬＰＥ）では製作が困難であった極
めて薄い層を有する素子構造に基く新しい効果を利用し
たレーザ素子の製作を可能とした。その代表的ならのは
量子井戸（Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ　；略してＱＷ）
レーザである。このＱＷレーザは、従来の二重へテロ接
合（Ｄ　Ｉ−１）レーザでは数百Å以上あった活性層厚
を１００人程程度るいはそれ以下とすることによって活
性層中に量子化準位が形成されることを利用しており、
従来のＤＨレーザに比べて閾値電流が下がる、温度特性
が良い、あるいは過渡特性に優れている等の数々の利点
を有している。これに関する参考文献としては次のよう
なものがある。
（１）　　Ｗ、　Ｔ、　Ｔｓａｎｇ＋　Ｐｂｙｓ、　Ｌ
ｅｔＬ、　ｖｏｌ、　３９゜ｐ、７８Ｇ（１９８１）。
（２）　　Ｎ、　Ｋ、　ＤｕＬＬａ、　　Ｊ、　Ａｐｐ
ｌ、　Ｐｈｙｓ、　ｖｏｌ。
５３．１１．７２１１（１９８２）。
（３）　　Ｈ，Ｉｕｌａ＋ｏｕｒａ、　Ｔ、　５ａｋｕ
、　Ｔ、　Ｉｓｌ＋ｉｌ＋ａｓｌ＋ｉ。
Ｋ、　　０ｔｓｕｋａ、　　Ｙ、　　１Ｉｏｒｉｋｏｓ
ｌ＋ｉ、　　ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅＬＬ、　ｖｏ
ｌ、　　］　９．　＋＋、　　１８　（１（１９８３）
。
このように、ＭＢＥ法やＭ　Ｏ−ＣＶ　Ｄ法などの薄膜
単結晶成長技術を用いることにより、新しい多層構造を
有する高性能半導体レーザの実用化への道が開けてきた
。
従来の量子井戸レーザの代表的な構造としてＡ９ＧａＡ
ｓ系ＧＲＩＮ−３Ｃｔ（（Ｇｒａｄｅｄ　　Ｉｎｄｅｘ
　−８ｅｐａｒａＬｅ　　ＣｏＪｉｎｅｍｅｎｔ　　Ｈ
ｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）し　−ザが知られてい
る。この半導体レーザの活性領域におけるＡ、ｆｌｊ混
晶比分布を第５図に示す。このＧＲＩＮ−９ＣＨレーザ
は、クラッド層１．１４１層２、量子井戸活性層３、ガ
イド層・ｔおよびクラッド層５を順次積層してなる。量
子井戸活性層３においてキャリアの再結合が起り、レー
ザ発振がおこる。発振したレーザ光は、２．３．４層で
構成される光ガイド層でガイドされる。
（発明が解決しようとする問題点） ＧＲＩＮ−３ＣＨレーザにおいてレーザ光を２．３．４
層で構成される光ガイド層でガイドするためには、量子
井戸活性層３から両側の層２．４に向って充分な屈折率
差へ〇をつけなければならない。このためには層３から
面外側の層２．４に向って充分な混晶比Ｘの差をもうけ
なければならない。
一方、このＧＩＮ−３ＣＨレーザで発振波長の短かい可
視光半導体レーザを作成する場合、活性層３内でのキャ
リアのとヒこめを充分ｔこするためには、充分に高い量
子井戸障壁を用いなければならない。
第６図に、ＡＱＸＧａｌ　、Ａｓの伝導帯及び価電子帯
のバンド端の相対的高さの混晶比Ｘに対する依存性を示
す。第６図に示すバンド端の高さは、多くの実験により
確められた、伝導帯と価電子帯へのへテロ界面における
バンド不連続の分配比が６（）％と４０％であることを
根拠としでいる。第６図より判るように、伝導帯のバン
ド端はＸく０６４５においては直接遷移型のＰ点にあり
×と共に単調に増加しているか、ｘ＞０．４５では間接
遷移型のＸ点がバンド端となっており×が増加すると単
調減少しでいる。これに関する参考文献として次があげ
られる。
（４）　　　Ｈ，Ｋｒｏｅｍｅｒ＋　　Ｔｈｅ　　２ｎ
ｄ　　ＩｎＬｅｒｎａＬｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃ
ｅ　　ｏｎ　　Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ　　Ｓｅｍ１ｃｏｎ
ｄｕｃＬｏｒＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　　Ｖ−（２４Ｌ　
ｐ、　７９７（１９８５）。
（５）　　　ｌ−１，ｃ、　　Ｃａ５ｅｙ　　ａｎｄ　
　Ｍ、　　　Ｂ、　　Ｐａｎ１ｓｈ。
ＨｅｔｅｒｏｓＬｒｕｅＬｕｒｅ　Ｌａ５ｅｒｓ　（Ａ
ｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ＋１９７８）。
（６）Ｍ、○、ＷａＬａｎａｂｅ　ｅＬ、　ａｌ、　＋
　Ｊ、　Ａｐｐｌ。
Ｐｈｙｓ、Ｓ　７．ｐ、５３４０（１９８５）。
（７）　　Ｄ、Ａｒｎｏｌｃｌ　ｅＬ、ａｌ、　＋　Ａ
ｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ。
Ｌｅｔｌ、４４．ｐ、１２３７（１９８４）。
したがって、充分に高い量子井戸障壁を設けるためには
両側ガイド層２及び４の層３に近い部分のＡ　（ｌ混晶
比を充分高くする必要がある。この場合、先の充分なと
しこめのためには、ガイド層２．４の外側のクランド層
１．５に近い部分にさらに高い混晶比を用いなければな
らない。この目的のために光ガイド層２．４には、ｘ＝
０．４５以」二の間接遷移領域の高混晶を用いることが
要求される。
ところか、間接遷移領域の高混晶をガイド層２、・１に
利用する場合、以下に述べるような問題点がある。
第７図にｘ＞０．４５　　をガイド層として用いたＧＲ
ＩＮ−３ＣＨレーザの一例の活性頭載の伝導帯のバンド
端を示す。ここに、層２、・ｔは外部から内側にむかっ
て、ｘ＝ｏ、７からｘ：０．４５まで徐々に変化させた
光ガイド層を、層３はＧａＡｓ活性層を示す。この図か
ら判るように、１４１層２．４から電子が活性層３に注
入される時、ガイドＪ？ｉ！２．４で活性層３に向って
バンド端が上昇するため、電子に対して障壁となる。こ
の−例から判るように、ガイド層２．４にｘ　＞０．４
５の混晶を用いる場合、光の閉じ込めを強くするｒこめ
にΔ１１を大きくすればする程、注入電子に対する高い
障壁ができ、注入効率が低下する。このように光ガイド
層に、間接遷移領域のＡ、９ＸＧａ１−ＸＡｓ高混晶を
用いる限り、強い光の閉じこめと、高いキャリア注入効
率を同時に実現することは難かし本発明は、以上のよう
な問題点に鑑み、ＧＲＴＮ−８ＣＩＩレーザにおいて、
強い尤の閉じ込めと高いキャリア注入効率を同時に実現
することを目的とする。
（Ｉｆ！１題、αを解決するための手段）本発明に係る
半導体レーザ素子は、レーザ発振用の活性層と、この活
性層に接して設けられるレーザ光〃イド用の光ガイド層
とを有し、少なくとも片側の光ガイド層は、キャリアの
平均自由行程と同し程度か、それより小さい層厚ＬＢ、
ＬＺをそれぞれ有するＡ　、Ｑ　、　Ｇ　ａ　１−　Ｘ
Ａ　ｓ層とＡ　、９−　、　Ｇａ　１−　。
Ａｓ層（１≧に〉ｙ≧０）とを文旦に積層してなり、層
厚ＬＢおよびＬＺにより表わされる平均の混晶比ｘｅ「
［＝（ＬＢ・ｘ＋ＬＺ−ｙ　）／（ＬＢ＋ＬＺ）によっ
て決る光学的屈折率を活性層の屈折率よＩ）低く、かつ
ＬＢＢよびＬＺを徐々に変化させ、活性層に隣接する部
分から外側に向って光学的屈折率が徐々に低くしてなる （作　用） 本発明にかかる半導体レーザ素子の作用を理解するため
に、ガイド層に利用する超格子の伝導帯のバンド端に関
してまず説明する。
−例として厚さＬＢのＡｌＡｓ層と厚さＬＺのＧ　ａ　
Ａ　ｓ層を文旦に積層した超格子（ＬＢとＬＺとは、キ
ャリアの平均自由行程と同じ程度かそれより小さい）の
伝導帯のバンド端を第３図に示す。
超格子の平均の混晶比ｘ８ｔ　ｔ　＝Ｌ　Ｂ　／　（Ｌ
　Ｂ　＋　Ｌ　ｚ　）を一定としてｘｅｒｒ　＝０．４
５及び”ｅ［＝　’７０についてＬＢを変化させて、間
接遷移型Ｘ点の量子準位の作る超格子バンド端をクロー
二ンヒ・ベニーモチ゛ル１こよって計算したものである
。Ｘ点における超格子の許容エネルギーは、Ａ、９Ａｓ
およびＧａＡｓのＸ点のバンド端の高さのちがいによっ
てできる周期ポテンシャルによって決定される。第６図
かららｆｑるように、Ａ（ｌＡｓ／ＧａＡｓ超格子の伝
導帯においては、第２図に示すように、ｔＸＯ−Ａｓが
井戸、Ｇ　ａ　Ａ　ｓが障壁となる。ｆｉＳ３図には、
平均の混晶比をＸｅ［”　ｔ）　、４５または０　、７
０で一定に固定して１．、Ｂ（お上！、！ＬＺ）を変化
させｒこときのＸ点とＦ点での伝導帯バンド端エネルギ
ーを示す。なお、参考のため、ｘ＝０．４５と×＝０．
７０　のバルク混晶の伝導帯バンド端エネルギーら示す
。
ｐｔＳ３図より明らかなように、超格子においては、平
均の混晶比ｘｅｒ「を一定にして伝導帯のバンド端を広
い範囲で制御できる。半導体レーザ内でガイドされる光
は、超格子の周期ＬＢ＋ＬＺ力弓００Å以下と非常に小
さい場合上述の平均の混晶比Ｘｅｃｆによってきまる屈
折率によって制御できるため、超格子においては、光学
的屈折率とキャリアに対するバンド端の高さとを独立に
制御できることが判る。この超格子の性質をガイド層に
利用すると、Ｘｅｒ、＞０．４５の平均混晶比の組成を
ＧＲＩ　Ｎ　−Ｓ　ＣＩ−ル−ザのブイに層に用いた時
も、注入電子に対する障壁を作らないようにすることが
できる。しｒこがって、レーザ発振用の活性層の少くと
ら片側に超格子を用いたガイド層を設けると、従来のＸ
＞０．４５の混晶を用いｒこガイド層を有するＧＲＩＮ
−９ＣＨレーザでは実現できながった、強い兜の閉しこ
めと高いキャリア注入効率とを同時に実現することがで
きる。
すなわち、平均の混晶比ソ、を活性層に接する部分から
外側に向って徐々に増加させて、光学的屈折率を増加さ
せ、レーザ光を閉しこめる。同時に、層厚ＬＢを活性層
に接する部分から外（ｔｉｌｌに向って徐々に減少させ
て、伝導帯Ｘ点でのバンド端エネルギーを大きくして、
キャリア注入効率を改善する。
このような効果を実現させるには、上記のｔＸｅＡ　ｓ
／　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ超格子に限らず、一般的に、ＡζＧ
ａ１−ＸＡｓ　とＡすＧａ１　、Ａｓ（１≧ｘ＞ｙ≧（
）。
ｘ＞０．４５　　）の任意の２種の混晶を用いた超格子
を利用して設計することができる。（この場合、”ｅ［
ｒ＝（ＬＢ・ｘ＋ＬＺ−ｙ）／（ＬＢ＋ＬＺ）である。
）以上に述べたような層厚の非常に薄い超格子は、Ｍ　
Ｂ　Ｅ法によって容易に作成可能である。
（実施例） 本発明の実施例として、第１図に示すような超格子ガイ
ド層可視ＧＲＩＮ−３ＣＩ−（レーザを作製した。ＭＢ
Ｅ法により　ｎ　望Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板２１」二に、ｎ
型ＡＱにａＡｓ　（ｘ＝０．７）（Ｓｉ：　５Ｘ１０”
ｃｍ−３）のクラ、ド層２２を１．５μ＋ｏ、／ンドー
プノ＼０−Ａｓ／ＧａＡｓ　Ｍ格子のＧＲＩＮ＊イド層
２３を０　、２　ｕ　ｍ、７ンドープＡｅＧａＡｓ（ｘ
　＝０．２）の量子井戸活性層２４を７０人、ノンドー
プＡ　（ｌ　Ａｓ／ＧａＡｓ超格子のＧＲＩＮガイド層
２５全２５２Ａｉｍ、■）型Ａ　、ｆｊＧａＡｓ（Ｘ＝
０．７　）（Ｂｅ　：　５　Ｘ　１０１７ＣＩＩｌ−３
）のクラッド層２Ｇを１．５μｍ０．１）型ＧａＡｓ　
（Ｂｅ：　　５　Ｘ　１０　”ｃａＩｌ−コ）のキャン
プ層２７を０．５μｍ、ｎ”ＪＡｅＧａＡｓ　（ｘ　＝
０．５）の電流ブロック層２８を（）、６μＩｎ、順次
成長する。ここで、ＧＲＩＮガイド層２３および２５は
、それぞれ、クラッド層２２おより２６に隣接する部分
ではＬＢ＝２．８３人、ＬＺ＝１．２１人とし、ｘｅｒ
（＝　（１。
７であり、活性層２４に向ってＸｅｒｒがなめらかにつ
ながるように、ＬＢとｌ−ｚを徐々に増加させ、活性層
２４に隣接する部分では、ＬＢ＝１５．６人、ＬＺ＝１
９．１人とし、ｘｅｒｒ　＝　０　、４５　　としてい
る。
このようにした場合のＧＲＩＮ−３ＣＨ構造２３〜２５
の伝導帯のバンド端のプロファイルは第４図のようにな
る。活性層２４の量子重性はＰ点によって決定されるた
め、ｐ３４図に破線で示した高さにある。これより判る
ように、超格子ＧＲＩＮ−３ＣＨ構造では、注入された
電子は、エネルギーの高い部分から低い部分へ自然とお
ちこみ、活性層２４に注入される。
Ｍ　Ｂ　Ｅによる成長の後、マスクエツチングにより電
流ブロンク層２８をエツチングし、電極ストライプ型レ
ーザを作成したところ、ストライブ中５μ悄、共振器長
２５０μｍｎで、発振波長λ＝７００μｍｎ、閾値電流
臂＋、＝　８０　ｍＡを得た。
比較のために、第１図においてＧＲＩＮガイド層２３．
２５をｘ＝０．１０から０．４５になめらかに変化させ
た）昆品ｌ＼Ｉ：ＧａＡｓを用いて作り、池は全く同様
の構造を持つ電極人ドライブ型レーザを作成したところ
、λ＝　７００μＩ１１．１，１．＝　１２０＋ｎ　Ａ
　て・発振している。この場合のＧＲＩＮ、？フィト層
の伝導帯バンド端は第７図に示され、注入された電子は
、活性層に注入されるためには、一度ＧＲＩＮ層のエネ
ルギーの低い部分から高い部分へ昇らなければならない
。二のため、この構造によるレーザの■、１１は大きな
値になっていると考えられる。
以上の実施例においては、クラッド層２２．２６はｘ＝
０．７のＡ、９ＧａＡｓ混晶としているか、クラッド層
をｘｅｒｒ　＝　０　、７のＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超格子
でおきかえでらよい。
また、第Ｘ図において、ＧＲＩＮ層は、必ずしも１）型
クラッド側の層２６を超格子にする必要はなく、混晶で
作成してもよい。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の一実施例である超格子を〃イド層に
導入したＧＲＩＮ−３ＣＨレーザ素子の模式断面図であ
る。 第２図は、Ａｌ−Ａｓ／ＧａＡｓ超格子の伝導帯Ｘ点バ
ルクバンド端の分布図である。 第３図は、７＼之Ａｓ／ＧａＡｓ超格子の伝導帯バンド
端の高さを示す図である。 第４図は、本発明の一実施例である第５図に示す超格子
をガイド層に導入したＧＲＩＮ−３ＣＨレーザの伝導帯
のバンド端エネルギーの分布図である。 第５図は、ＧＲＩＮ−３Ｃ）（レーザのＡ　、１７−　
ｉ１’ｉ品比分布図である。 第６図は、Ａ／−ＧａＡｓの価電子帯及び伝導帯のバン
ド端エネルギーのＡ、（ｌ混晶比依存性を示す図である
。 第７図は、ガイド層にＨＨ品を用いたＧＲＩＮ−３ＣＨ
レーザの伝導帯のバンド端エネルギーの分布図である。 ２２・・・クラッド層、　　２３・・・超格子ガイド層
、２４・・・活性層、　　　　２５・・・超格子ガイド
層、２Ｇ・・・クラッド層。 特許出願人　　　　　シャープ株式会社代　　理　　人
　弁理士　前出　葆ほか２名第５図 繊Ｉ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）レーザ発振用の活性層と、この活性層に接して設
    けられるレーザ光ガイド用の光ガイド層とを有し、少な
    くとも片側の光ガイド層は、キャリアの平均自由行程と
    同じ程度か、それより小さい層厚Ｌ＿Ｂ、Ｌ＿Ｚをそれ
    ぞれ有するＡｌ＿ｘＧａ＿１＿−＿ｘＡｓ層とＡｌ＿ｙ
    Ｇａ＿１＿−＿ｙＡｓ層（１≧ｘ＞ｙ≧０）とを交互に
    積層してなり、層厚Ｌ＿ＢおよびＬ＿Ｚにより表わされ
    る平均の混晶比ｘ＿ｅ＿ｆ＿ｆ＝（Ｌ＿Ｂ・ｘ＋Ｌ＿Ｚ
    ・ｙ）／（Ｌ＿Ｂ＋Ｌ＿Ｚ）によって決る光学的屈折率
    を活性層の屈折率より低く、かつＬ＿ＢおよびＬ＿Ｚを
    徐々に変化させ、活性層に隣接する部分から外側に向っ
    て光学的屈折率が徐々に低くしてなる半導体レーザ素子
    。
  2. （２）上記の平均混晶比ｘ＿ｅ＿ｆ＿ｆが、ＡｌＧａＡ
    ｓ混晶において伝導帯のＸ点バンド端がΓ点バンド端よ
    り低エネルギーにある間接遷移領域にあるような混晶比
    の値に等しい部分を光ガイド層に含み、かつ、その光ガ
    イド層のｘ＿ｅ＿ｆ＿ｆの大きい部分のＬ＿Ｂをｘ＿ｅ
    ＿ｆ＿ｆの小さい部分のＬ＿Ｂより小さくすることによ
    りｘ＿ｅ＿ｆ＿ｆの大きい部分の伝導帯の下端のＸ点の
    量子準位をｘ＿ｅ＿ｆ＿ｆの小さい部分のＸ点の量子準
    位より高くした特許請求の範囲第１項記載の半導体レー
    ザ素子。
  3. （３）すくなくとも光ガイド層のｘ＿ｅ＿ｆ＿ｆの最も
    大きい部分の伝導帯の下端のＸ点量子準位がΓ点の量子
    準位より低い特許請求の範囲第１項又は第２項記載の半
    導体レーザ素子。
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