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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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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