JPS6254988A - 半導体レ−ザ装置 - Google Patents

半導体レ−ザ装置

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JPS6254988A
JPS6254988A JP60193739A JP19373985A JPS6254988A JP S6254988 A JPS6254988 A JP S6254988A JP 60193739 A JP60193739 A JP 60193739A JP 19373985 A JP19373985 A JP 19373985A JP S6254988 A JPS6254988 A JP S6254988A
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渡辺　明禎
Shinji Tsuji
伸二 辻
Akio Oishi
大石　昭夫
Hiroyoshi Matsumura
宏善 松村
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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】 〔発明の利用分野〕 本発明は半導体レーザ装置に係わり、特に短波長発振、
長波長発振、低しきい値、高信頼性などの点に従来にな
い秀れた特性を有する量子井戸レーザ装置に関する。
〔発明の背景〕
最近、ＧａＡ　Ｑ　Ａｓ超格子を用いた量子井戸型構造
の半導体レーザの開発が盛んに行われている（半導体超
格子の物理と応用、第８３〜８５頁１日本物理学会編、
（株）培風館刊、昭和５９年１１月１０日発行　参照）
。
また、光フアイバ通信により適した長波長半導体レーザ
として、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓＰ　４元結晶層を
活性層や光ガイド層として設けた゛ものや。
光ディスク、レーザプリンタ用に適した短波長半導体レ
ーザとしてＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓＰ　４元結晶
層を活性層や光ガイド層として設けたものが注目されて
いる。しかし、このように■−■族基板基板にＩＩＩＩ
ＩＩ−［２−Ｖ’−Ｖ２４２４元結晶格子整合した状態
で形成する技術は未だ制御性の点で多くの問題を有して
いる。（クレツセル他、″セミコンダクタ　レーザとへ
テロ接合発光ダイオード”第３０４〜３１８頁、アカデ
ミツク　プレス社刊。
１９７７年（Ｈ，Ｋｒｅｓｓｅｌ　ａｔ　ａｌ、　　”
Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒＬａｓｅｒｓ　ａｎｄ　Ｈ
ｅｔｅｒｏｊｕｎｓｔｉｏｎ　ＬＥＤｓ”Ａｃａｄｅｍ
ｉｃＰｒｅｓｓｓ　１９７７）参照）。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、長波長領域もしくは短波長領域で安定
に発振する半導体レーザ装置を提供することにある。
［発明の概要〕 本発明者は、■−■族結高結晶基板上成した、基板と格
子整合するｍｌ−Ｖ’２元結晶層、及び、これも基板と
格子整合する１ｕＩＩＩ−Ｉｎ”−Ｖ”　３元結晶層か
らなる超格子構造が、製造容易で、かつその平均的バン
ドギャップがＩｎ１−ＩＩＩＩ”−ｖｌ−１４元結晶層
に相当し得ることに着目した研究を推進するうちに、ｍ
’−Ｖ’２元結晶層の膜厚（ＬＦＩ）と、■ローｎｕ”
−Ｖ”　３元結晶層の膜厚（Ｌｗ）　　の比、すなわち
、Ｌｘ／ＬＢを後述の計算で決まる値にして形成した超
格子構造は、成長中に自然に生じる混晶化、又はＺｎ拡
散やＳｉ注入などで混晶化した後にも基板と格子整合を
しており、極めて安定であることを見出した。
すなわち、本発明の内容は、ＧａＡｓのようなｍ−■族
の２元混晶基板（■１−　ｙ　１　）に格子整合した（
■１−ＩＩＩ２−Ｖ”−Ｖ２）４元混晶層の代りに。
（ＩＩＩ”−１）　２元及び（ＩＩＩＩＩ−Ｉｎ”−Ｖ
”）　　３元混晶（これも基板に格子整合している）の
超格子構造を用いることにある。ここで２元層と３元層
のうちバンドギャップＥｇの小さい方をｗｅＩＩＩ　（
井戸）。
大きい方をｂａｒｒｉｅｒ　　（障壁）とよび、各厚み
をＬｗ。
ＬＢとすると、上記超格子構造が無秩序化したと仮定し
てできる冶金学的平均組成の混晶も、また元の基板結晶
に格子整合がとれているよう、あらかじめＬｗ／ＬＢ比
を調整しておくことが重要である。
この成長法による利点としては、２種類の■族元素が同
時に供給される場合に必要とされる、ｙｌ／Ｖ”元素比
及び基板温度の厳密な制御が著しく緩和されること、一
般に超格子の成長の間に２元層をはさみこむと、成長表
面のミクロな凹凸がならされて極めて平坦な表面モホロ
ジーにすぐれた結晶となり、界面準位の発生や界面に、
基板と格子整合しない多元混晶部分が成長したりするこ
とが防がれる。また、Ｌｗ／Ｌｎ比をうまく選んで、こ
の超格子が仮に素子作製プロセス中にまじりあって無秩
序化することがあっても、格子整合のとれた４元混晶と
なるために、大きな内部格子歪やミスフィツト転位の発
生することはない、ことなどがあげられる。
Ｌｗ、ＬＢはＭＢＥ法やＯＭＶＰＥ法では人オーダーま
で制御可能であり、Ｌａ＜２５人位の超格子では電子の
自由なトンネリングがおこり、クローニピペニー模型か
ら知られるように、この場合、電気的にはこの超格子は
、冶金学的平均組成の４元混晶とほぼ同じとみなしてよ
い。
具体的な例として、ＩｎＰ基板上に、ＩｎＰとＩｎｏ、
ａａＧａｏ、ａ７Ａｓの超格子を成長する場合と、Ｇａ
Ａｓ基板上にＧａＡｓとＩｎｏ、ａｓＧａｏ、ｓｔＰの
超格子を成長する場合について説明する。前者では、Ｉ
ｎＧａＡｓがｗｅＩＩＩ、　Ｉ　ｎ　Ｐがｂａｒｒｊ　
ｓｒとなり、冶金学的平均４元混晶ＩｎｘＧａｘ−Ｊｓ
ｙＰｔ−ｙがＩｎＰと格子整合するためには、ｙ二２．
１６　（１−ｘ）　　でなければな　゛らない（″半導
体レーザとへテロ接合発光ダイオード″″クレツセル他
著、アカデミツク　プレス社刊第３９２頁、　１９７７
年（“Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ’　Ｌａ５ｅｒｓａ
ｎｄ　１（ｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　ＬＥＤｓ”　
Ｈ，Ｋｒｅｓｓｅｌ、Ｊ、に、ＢｕｔｌｅｒＡｃａｄｅ
ｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ　ＮｅｖＹｏｒｋ、　１９７７　Ｐ
　３９２）参照、）ことから、Ｌ　ｗ／　Ｌ　Ｂ二〇、
３９２でなければならない。
この時平均４元混晶はＩｎｏ、ａ７Ｇａｏ、工ａＡｓｏ
、ｚａＰｏ、７ｚとなる。　Ｉ　ｎ　Ｐ　、　工ｎｏ、
ａ７Ｇａｏ、ｔａＡｓｏ、ｚｓＰｏ、７ｚ＋Ｉｎｏ、６
８Ｇａｏ、ｔ７Ａｓのバンドギャップは各々１．３５ｅ
Ｖ、１．１４ｅＶ、０．７５ｅＶであり、（“ペテロ構
造レーザ、パートＢ′″キャセイ他著、アカデミツクプ
レス社刊、第４０頁、　１９７８年（”）Ｉｅｔｅｒｏ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｌａ５ｅｒｓ、　Ｐａｒｔ　Ｂ”
　）１．Ｃ，Ｃａ５ｅｙ。
Ｊｒ、Ｍ、Ｂ、Ｐａｎ１ｓｈ　ＡｃａｄｅｍｉＳＰｒｅ
ｓｓ、ＮｅｗＹｏｒｋ、　１９７８Ｐ４０）参照）、Ｇ
ａＡ　ＱＡｓ系の多重量子井戸レーザの最適化構造（″
ツアン、アプライド・フィジックス・レター第３９巻、
第７８６頁、　１９８１年（ｉＩＩＩ、　Ｔ、　Ｔｓａ
ｎｇ　Ａｐｐｌ　Ｐｈｙｓ　Ｌｅｔｔ　３９　（１９８
１）Ｐ　７８０）参照）にならって量子井戸型の長波長
レーザを設計できる。
次に、後者の例では、ＧａＡｓがｗｅＩＩＩ、　ＩｎＧ
ａＰがｂａｒｒｉｅｒとなり、冶金学的平均４元混晶Ｉ
ｎｘＧａｔ−ｘＡｓｙＰｔ−ｙがＧａＡｓと格子整合す
る条件ｙ：１−２．０４ｘ　　を求めてみるとＬｗ／Ｌ
Ｂ比が何であってもほぼ満たされることがわかる。この
ことは、Ｌｗ、Ｌｐを適当にとることによりＧａＡｓと
Ｉｎｏ　、　４９Ｇａｏ、ｓｓＰの間の任意の平均組成
４元層１ｎｘＧａｔ−ｘＡｓｙＰｔ−ｙ を作製できることを意味する。また、ＭＢＥやＯＭＶＰ
Ｅ法で超格子を成長する際に、ＧａＡｓとＩｎＧａＰの
膜厚比がわずかにずれても、格子整合の条件はみたされ
ているから多少の組成のズレを気にしない素子構造なら
ば、ミスフィツト転位発生を気にすることなく容易に作
製できることになる。また、膜厚比をゆっくりと変えて
ゆくと、エネルギーレベルの傾斜したｇｒａｄｅｄ層を
作製できることになる。
さらに、４元成長層の代りに、（２元／８元）超格子を
用いることにより、いわゆるミシピリテイギャップの存
在による成長時の混合不安定性の問題（尾鍋、応用物理
第５３巻（１９８４）　Ｒ８０１参照）を回避でき、比
較的低い成長温度でも鏡面エピタキシャル膜を得ること
が可能となる。
〔発明の実施例〕
以下、本実施例に基づいて詳細に説明する。
第１図は、ＯＭＶＰＥ法でｎ＋−ＩｎＰ　基板上に、ｎ
　−Ｉ　ｎ　Ｐクラッド層（ｎ−１Ｘ　１０”、　３　
μｍ）。
アンドープ量子井戸活性層、Ｐ−ＩｎＰクラッド層（Ｐ
〜１×１０ｔａ、２μｍ）を順次成長した量子井戸型長
波長レーザの活性層部分の伝導帯エネルギー図を示す。
ここで、量子井戸層はＩｎｏ、５ａＧａｏ、４７Ａｓの
厚さｄｗ＝７０人〜１２０人の単一層で、障壁層に、本
発明による（丁ｎ　Ｐ／Ｉｎｏ、ｓｇＧａｏ、４７Ａｓ
）超格子を用いである。ＩｎＰの厚さＬＢは電子のトン
ネリングが十分におこるようＬａ＜２５人とし、Ｌｗ／
ＬＢ：０．３９　の条件より（Ｌｗ／ＬＢ）＝（８人／
２０人）と（４人／１０人）の２種類を作製した。障壁
層を構成する超格子の１グループの厚みｄＢは、多重量
子井戸の各井戸内の電子がトンネリングをおこさぬよう
６８３８４〜１１２人　とした。この結晶を通常のホト
リソグラフィにより幅２μｍのメサ状にエツチングした
のち、液相成長法によって埋め込み型（ＢＭ）レーザを
作製したところ、波長１．３〜１．５５μｍで、しきい
電流値が通常の波相成長法によるＩｎＧａＡｓＰ／　Ｉ
　ｎ　Ｐ　系のレーザの約半分（１０ｍＡ以下）と小さ
く、温度特性のすぐれた素子が得られた。ＭＢＥ法で作
製したものも同様のすぐれた特性が得られた。
第２図は、ＭＢＥ法で、ｎ　＋　−ＧａＡｓ基板上に、
ｎ　　ＩｎｕＧａｖＡ　Ｑ　１−ｕ−ｖＰクラッド層（
ｎ−ＩＸＩＯ”。
３μｍ）、アンドープ量子井戸活性層Ｐ−ＩｎｕＧａｖ
Ａ　Ｑ　１−ｕ−ｖＰクラッド層（Ｐ−ＩＸＩＯ１８゜
２μｍ）　、　Ｐ−ＧａＡｓギャップ（１μｍ）を順次
成長した、量子井戸型可視レーザの活性層部分の伝導帯
エネルギー図を示す。ここで量子井戸層はＧａＡｓの厚
さｄｗ＝４０人〜１００人の単一層で、障壁層に本発明
による（ＧａＡｓギャップ、４ｏＧａｏ、５ｚＰ）超格
子を用いである。ＩｎＧａＰの厚さＬＢは電子のトンネ
リングが十分におこるようにＬａ＜２５人とし、障壁層
を構成する超格子の１グループの厚みｄＢは、各井戸内
の電子がトンネリングしないように４１３２６０人〜１
００人とした。この場合、Ｌｗ／ＬＢ比は１発振波長に
より、　Ｌｗ、　ＬＢ＜３０人の範囲で適当に調節した
。クラッド層のＩｎｕＧａｖＡ　Ｑ　Ｌ−１１−ＶＰは
、Ｉｎｏ、ａｅＧａｏ、ｓｔＰ　（ＥｇＮｌ、８８ｅＶ
）から、　Ｉｎｏ、ｉｅＡ　Ｑ　Ｏ，１ＩＩＰ　（Ｅｇ
〜２　、２５　ｅ　Ｖ）までのＧａＡｓに格子整合した
ものを、発振波長に対して適当に選んだ。この結晶から
、５ｉＯｚ膜を電流狭窄に用いたストライプレーザを作
製したところ１発振波長が０．７５μｍ−０，６５μｍ
で、しきい電流密度がＩＫＡ／（！＃以下と小さく、温
度特性にすぐれた素子が得られた。光出力は２０ｍＷま
で直線性のよい電流対先出力特性を得た。
第３図は、活性層も超格子構造にしたもので、波長０．
７０〜０．６５μｍの素子が得られた。
ここでのべた内容は、他の化合物半導体の多元混晶にも
適用可能であることはいうまでもない。
また、応用例も半導体レーザにかぎらず、発光ダイオー
ドその他の素子にも全く同様に適用可能なことはいうま
でもない。
〔発明の効果〕
以上のべてきたように、本発明の結晶構造により、長波
長及び短波長レーザの量子井戸型構造が容易に作製でき
、特性改善に著しい効果のあることがわかった。
【図面の簡単な説明】
第１図は、ＩｎＰ基板上に成長した、ＩｎＰをクラッド
層とし、量子井戸活性層の井戸層をＩｎｏ＋５３Ｇａｏ
、４７Ａｓ、障壁層を（Ｉ　ｎ　Ｐ　／Ｉｎｏ、ａａＧ
ａｏ、１７Ａｓ）超格子（平均組成はＩｎｏ、＋７Ｇａ
ｏ、ｔａＡｓｏ、ｚａＰｏ、７ｚ　４元混晶に同じ）と
する量子井戸レーザを説明する図で、（ａ）は伝導帯の
エネルギー模式図、（ｂ）は電子のトンネル効果あるい
は超格子の無秩序化を考えた（ａ）に等価なモデルの図
、第２図は、ＧａＡｓ基板上に成長した、ＩｎＧａＡ　
Ｑ　ｐをクラッド層とし、量子井戸活性層の井戸層をＧ
ａＡｓ、障壁層を（ＧＦＩＡＳ／　１ｎｏ、４ｓＧａｏ
、４１Ｐ）超格子（平均組成は両者の膜厚比により両者
の中間組成を自由にとれる）とする量子井戸レーザを説
明する図（（ａ）、（ｂ）は第１図と同じ）、第３図は
、第２図において、井戸層も（ＧａＡｓ／Ｉｎｏ、＋５
Ｇａｏ、ａｚＰ）　　を超格子として、より短波長化し
た量子井戸レーザを説明する図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、III族およびＶ族元素からなるIII＾１−Ｖ＾１２元
    結晶基板上に、該基板と格子整合するIII＾１−Ｖ＾１
    ２元結晶およびIII＾１−III＾２−Ｖ＾２３元結晶から
    なる超格子層で少なくとも活性層、光ガイド層、および
    クラッド層のいずれかを形成した超格子構造を有する半
    導体レーザ装置において、該超格子構造の混晶化物が該
    基板と結晶整合をするように、該III＾１−Ｖ＾１２元
    結晶超格子層と該III＾１−III＾２−Ｖ＾２３元結晶超
    格子層の膜厚比が選定されていることを特徴とする半導
    体レーザ装置。 ２、上記基板をＩｎＰとし、上記活性層を ＩｎｚＧａ＿１−ｚＡｓ（Ｚ≒０．５３７）層、上記光
    ガイド層をＩｎＰ（膜厚：Ｌ＿Ｂ）とＩｎｚＧａ＿１−
    ｚＡｓ（膜厚：Ｌ＿ｗ）をＬ＿ｗ／Ｌ＿Ｂ＝０．３９に
    なるように形成した超格子層、および上記クラッド層を
    ＩｎＰ層とすることを特徴とする特許請求の範囲第１項
    記載の半導体レーザ装置。 ３、上記基板をＧａＡｓとし、上記活性層および／もし
    くは光ガイド層をＧａＡｓ層とＩｎｚＧａ＿１−ｚＰ（
    Ｚ−０．４９０）で構成した超格子層、クラッド層をＩ
    ｎＧａＡｌＱＰ層としたことを特徴とする特許請求の範
    囲第１項記載の半導体レーザ装置。 ４、上記超格子層が分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法
    および／又は有機金属熱分解（ＯＭＶＰＥ）法で形成さ
    れていることを特徴とする特許請求の範囲第１から３項
    のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
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