JPS6332982A - 半導体レ−ザ - Google Patents

半導体レ−ザ

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JPS6332982A
JPS6332982A JP61175970A JP17597086A JPS6332982A JP S6332982 A JPS6332982 A JP S6332982A JP 61175970 A JP61175970 A JP 61175970A JP 17597086 A JP17597086 A JP 17597086A JP S6332982 A JPS6332982 A JP S6332982A
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JP
Japan
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active layer
layer
semiconductor laser
quantum
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JP61175970A
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Teruhito Matsui
松井　輝仁
Yoshitoku Nomura
野村　良徳
Yasuki Tokuda
徳田　安紀
Kenzo Fujiwara
藤原　賢三
Noriaki Tsukada
塚田　紀昭
Keisuke Kojima
啓介 小島
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Priority to DE3751535T priority patent/DE3751535T2/de
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Priority to EP87306520A priority patent/EP0254568B1/en
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    • H01S5/3216—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures characterised by special cladding layers, e.g. details on band-discontinuities quantum well or superlattice cladding layers
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    • H01S5/3418—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers using transitions from higher quantum levels
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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〕 この発明は、複数の発振波長で発光する半導体レーザの
改良に関するものである。
〔従来の技術〕
第４図は例えば、アプライド　フィジクス　レター１．
３９巻、　１３４〜１３７頁（Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌ
ｅｔｔ、　。
ｖｏｌ、３９．ｐｐ１３４〜１３７）に示された従来の
量子井戸型半導体レーザを示す断面図であり、図におい
て、１１はｎ”−ＧａＡｓ基板、１２はｎ−Ａｌ、Ｇａ
＋−５Ａｓクラフト層、１３はｎ　　Ａ　ｌ　ｔ　Ｇ　
ａ　Ｉ−ｚＡｓ放物型屈折率分布層（２は徐々にｙに変
化）、１４はｐ　　Ａ　Ｉ　Ｘ　Ｇ　ａ　ｒ−ｘ　Ａ　
ｓｌ子井戸活性層、１５はｐ−ＡＩ、Ｇａ、−、Ａｓ放
物型屈折率分布層（ｙは徐々に２に変化）、１６はｐ　
　ｘｌ、Ｃａｔ−ｚＡｓクラッド層、１７はｐ”　−Ｇ
ａＡｓコンタクト層である。
次に動作について説明する。
５００　Å以下の薄い半導体層をバンドキャンプの大き
い半導体バリヤ層ではさんでやると、この薄い半導体層
は第５図のエネルギーバンド構造図に示すようにポテン
シャルの井戸を形成する。この井戸に閉じ込められた電
子または正孔の伝導帯の底から測った固有エネルギーＢ
ｎはシュレーディンガ−（Ｓｃｈｒｏｄｉｎｇｅｒ　）
方程式よりｎ＝１，２．３ となり、離散的なエネルギー準位を形成する。ここでｍ
、′は電子の有効質量、ｈはブランク定数を２πで割っ
たもの、Ｌ、は量子井戸層の厚さである。
このように量子井戸中では電子は量子化されたエネルギ
ーＥｎを持ち、その状態密度ρ（Ｅ）は図６に示すよう
に、バルク結晶では破線で示す放物線型であったものが
、実線で示すように階段型となる。
従って、量子井戸層を活性層とし、両側をバンドギャッ
プの大きいｐ型半導体層、ｎ型半導体層とすると、キャ
リア（電子および正札）と光を閉じ込めることができる
、量子井戸型半導体レーザを作ることができる。このよ
うにして作られた半導体レーザは、通常のダブルへテロ
接合により構成された半導体レーザに比べ、活性層のバ
ンドギャップ（禁制帯幅）が同じ材料で作られていれば
、最低量子準位であるｎ＝１のエネルギー準位が伝導帯
の底よりも高く　（第６図の実線）、伝導帯の底と価電
子帯の天井のエネルギー差で発振する通常のダブルへテ
ロ接合半導体レーザに比べて、エネルギー差が大きいた
め、より短波長で発振する。
また量子井戸型半導体レーザでは、エネルギー準位が離
散的であるため、そのスペクトル線幅も狭く単色性の良
いレーザ光が得られるといった特徴を持っている。
第４図の従来例について説明する。
まず、ｎ　＋Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板１１上にクラッド層と
なるｎ　　Ａ　ｌｘ　Ｃａｔ−ｚ　Ａｓ　１２を成長さ
せ、続いて、放物型屈折率分布層ｎ−Ａｌ□Ｇ　ａ　＋
−１１Ａ、ｓ（ｚはその厚み方向に徐々にｙに変化する
）１３、量子井戸型活性ＲＩ）　　Ａ　ｌ　ｘ　Ｇ　ａ
　Ｉ−Ｘ　Ａ　ｓ１４、放物型屈折率分布層ｐＡ　ｌｙ
　Ｃａｔ−、Ａｓ　　（ｙはその厚み方向に徐々に２に
変化する）１５、ｐ　　Ａ　１　ｚ　Ｇ　ａ　＋−ｚ　
Ａ　”クラッド１ｉ１６、ｐ゛ＧａＡｓコンタクト層１
７を成長させる（ただし・　ｚ＞ｙ＞ｘである）。
このようにして作られた半導体レーザのクラッド層、屈
折率分布層、活性層のエネルギーバンド構造図を第４図
（ｂ）に示す。
まず、本従来例においては、活性層の両側には、ＡＩの
組成比を活性層から離れる程徐々に高めている領域があ
るので、バンド構造と同様に、屈折率も活性Ｊ！１１４
の外側は放物型に屈折率が減少する形になり、活性層１
４で発光した光は、この放物型屈折率分布層で閉じ込め
られ、活性層１４と垂直な端面を反射面として形成し、
横閉じ込めをしてやれば、レーザ発振させることが可能
になる。
この型のレーザは、放物型の屈折率分布導波路と、キャ
リアと光の閉じ込めを分離した構造とを持つことからＧ
　ＲＩ　Ｎ　−Ｓ　ＣＨ（ｇｒａｎｄｅｄ−ｉｎｄｅｘ
　ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　ａｎｄ　５ｅｐａｒａｔｅ　ｃ
ａｒｒｉｅｒ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｃｏｎｆｉｎ
ｅｍｅｎｔｓ）レーザと呼ばれている。
本従来例装置においては、これに順方向にバイアスして
キャリア（電子、正孔）を注入すると、キャリアは量子
井戸活性層１４に閉じ込められ、伝導帯と価電子帯の離
散的な（ｎ−１，ｎ＝２゜・・・）エネルギー準位間で
電子と正孔が再結合し、発光する。この際、エネルギー
準位に応じた鋭い発光波長ピーク（λ１．λ２．λ０．
・・・）が得られる。そして一般のレーザではｎ＝１で
の利得が共振器損失より大きくなり、ｎ＝１の量子準位
での発振が起こるが、注入電流を大きく増加させてゆく
と、伝導帯９の量子エネルギー準位のうちｎ＝１の準位
ばかりでなくｎ＝２の準位と、価電子帯１０の対応する
準位との間でのキャリアの結合が可能となり、ｎ＝２の
発振を起こすことができる。このｎ＝２の発振波長はｎ
＝１とｎ−２の量子エネルギー準位の差が非常に大きい
ため、ｎ＝１の発振波長よりかなり短いものとなる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
従来の量子井戸型半導体レーザでは以上のように量子エ
ネルギー準位ｎ＝ｌとｎ＝２のエネルギー差ΔＥ１２に
相当する発振波長差が、例えば量子井戸型活性層が厚さ
１００人のＧａＡｓ層の場合は、ΔＥ、ｔが約１１Ｑｍ
ｅＶ、波長差が５７０人となり、大きい。また、ｎ＝１
の発振からｎ＝２の発振への切り替えには注入電流差を
大きくとる必要があるなどの問題があった。
この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、レーザ発振する複数の波長間隔を小さくでき
るとともに、少しの注入電流差で発振波長を変えること
のできる量子井戸型半導体レーザを得ることを目的とす
る。
〔問題点を解決するための手段〕
この発明に係る半導体レーザは量子井戸構造の活性層を
有する半導体レーザにおいて、活性層となる量子井戸を
複数にし、それぞれの量子井戸の離散的エネルギー準位
を互いに異なるようにしたものである。
〔作用〕
この発明においては、複数の量子井戸活性層のエネルギ
ー準位を変えることにより、発光波長間隔を小さくでき
、且つ小さな注入電流差で発振波長を切りかえることが
できる。
〔実施例〕
以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図（ａ）は本発明の一実施例による半導体レーザを示す
構造図であり、図において、１はｎ゛−ＧａＡｓ基板、
２はｎ−Ａ１．Ｇａ、−、Ａｓクラッド層、３はｎ−Ａ
ｌ、Ｃａｔ−ｇ　Ａｓ放物型屈折率分布層（２は徐々に
ｙに変化）、４ａは第１のＡｌｘＧａ、−ＸＡｓ活性層
、５はＡＩ、Ｃａｔ−ｙＡｓバリア層、４ｂは第２のＡ
ＩＸ　Ｃａｔ−ｘ　Ａｓ活性層、６はｐ−Ａｌ、Ｇａ、
−ｙＡｓ放物型屈折率分布層（ｙは徐々に２に変化）、
７はｐ−Ａｔ。
Ｇ　ａ　ｌ−ｇ　Ａ　ｓクラッド層、８はｐ”　−Ｇａ
Ａｓコンタクト層である。
また、第１図（ｂ）は第１図（ａｌに示す本発明の一実
施例による半導体レーザのエネルギーバンド構造を示す
図であり、本実施例がＧＲＩＮ−３ＣＨ構造であること
を示している。
第２図は、バリア層５をはさんで、二つの量子井戸活性
１ｉ４ａ、４ｂを配置した場合のバンド構造を示す。こ
の活性Ｊｉ４ａ、４ｂはＬＺＩ＋　　Ｌｚｔと異なる厚
みをもつ、従って離散的なエネルギー準位は（１）式に
よって、Ｌ２が小さくなると伝導帯の底からの測ったエ
ネルギーは大きくなる。従って、Ｌｚ＋、　　Ｌｚ□の
値をうまく設計すると、活性層４ａのｎ＝１とｎ＝２の
エネルギー準位の間に活性層４ｂのｎｗｌのエネルギー
準位を設定することができる（Ｌｚ＋〉Ｌｚｚ）。
次に動作について説明する。上記のような活性層を持つ
半導体レーザを順方向にバイアスしてキャリア（電子、
正孔）を注入してやると、まず活性層４ａの伝導帯９の
ｎ＝１準位と価電子帯１０間で電子と正札の結合が起こ
り、第１の波長で発光し、さらにキャリアを注入してや
ると活性層４ｂの伝導帯９のｎ−１準位と活性層１０間
で結合が起こり、Ａ２の波長で発光する。次に活性層４
ａの伝導帯９のｎ＝２準位と価電子帯間で結合が起こり
、λ、の波長で発光する。
このように、注入電流を増加させてゆくと、Ａ１からλ
２．λ３とだんだん波長の短いレーザ発振を得ることが
できる。
次にこの発明の一実施例である第１図に示す半導体レー
ザの製造について説明する。まず、ｎ゛−ＧａＡｓ基板
１上に、クラッド層であるｎ−Ａｌ、Ｇａ、、Ａ！１層
２、放物型屈折率分布層ｎ　＝Ａ　１ｍ　Ｇ　ａ　＋−
＋＋　Ａ　ｓ　　（ｚは徐々にｙに変化する）３、第１
の活性層であるＡ　１．Ｘ　Ｇａ、−、Ａｓ量子井戸層
４ａ、バリア層であるＡ　１　ｙＧ　ａ　＋−ｙ　Ａ　
Ｓ５、第２の活性層であるＡＩＸ　Ｃａｔ−＋ｃ　Ａｓ
量子井戸層４し、放物型屈折率分布Ｎｐ　　Ａｔ、Ｃａ
ｔ−ｙ　Ａ　３　（”！は徐々に２に変化する）６．ク
ラッドｒｆＡｐ−ＡＩ、Ｇａ＋−＋＋　　Ａｓ層７、ｐ
”　　−ＧａＡＳコンタクト１５８を順次成長させる。
さらにｎ゛−Ｑ　ａ　Ａ　ｓ基板１側にｎ型電極を全面
に、上部ｐ・−ＧａＡｓコンタクト層側にｐ型ストライ
プ電極を形成し、活性層４ａ、４ｂと垂直にレーザ共振
器ミラーをヘキ開等で形成すれば複数の量子井戸活性層
を持った量子井戸型半導体レーザが出来上がる。複数の
量子井戸活性層を持つ以外は従来例と同様の構成である
。
以上のように本実施例では活性層を層厚の異なる複数の
量子井戸で構成したから、単一の量子井戸活性層では得
られない短い波長間隔で複数のレーザ光を得ることがで
き、且つ小さな注入電流差でそれら複数のレーザ光を切
りかえることができる。
なお、上記実施例では、量子井戸間のエネルギー準位を
変えるこめ、量子井戸の厚みを変えたものを示したが、
第３図に示すように、量子井戸の厚みを変えずに（Ｌ□
＝Ｌ、）に、材料組成（ｘｔ〉Ｘ、）を変えても同様の
効果がある。
また、上記実施例では、量子井戸の数が二つの場合につ
いて述べたが、三つ以上の場合であっても良く、量子井
戸の厚みの異なるものと、材料組成の異なるものとを組
み合わせてもよい。
また、上記実施例では、レーザ光の閉じ込めに０ＲＩＮ
−３ＣＨ構造の場合について述べたが、他の閉じ込め法
を用いてもよい。
また、上記実施例では、材料としてＧａＡｓ系について
述べたが、ＩｎＰ系や他の材料系についても同様の効果
が期待できる。
〔発明の効果〕
以上のように、この発明によれば、半導体レーザの活性
層をエネルギー準位の異なる複数の量子井戸層で構成し
たので、簡単な構造で波長の異なるレーザ光を１個の半
導体レーザで得ることができ、安価で、精度の高いもの
が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａ）はこの発明の一実施例による量子井戸型半
導体レーザの構造図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）に示
す量子井戸型半導体レーザのエネルギーバンド構造図、
第２図は第１図の量子井戸型半導体レーザの量子井戸エ
ネルギーバンド構造図、第３図はこの発明の他の実施例
による量子井戸型半導体レーザの量子井戸エネルギーバ
ンド構造図、第４図ｆａｔは従来の量子井戸型半導体レ
ーザを示す構造図、第４図（ｂ）は第４図（ａ）に示す
量子井戸型半導体レーザのエネルギーバンド構造図、第
５図は第４図に示す量子井戸型半導体レーザの動作を説
明するための量子井戸構造図、第６図は量子井戸の状態
密度とエネルギー準位を示す図である。 １はｎ”　−ＧａＡｓ基板、２はｎ−Ａｌ、Ｇａ１−１
ＩＡｓクラフト層、３はｎ　−Ａ　１　ｇ　Ｇ　ａ　＋
−ｓ　Ａｓ放物型屈折率分布層（２は徐々にｙに変化）
、４ａ、４ｂはＡ　］　ｘ　Ｇ　ａ　＋−ｘ　Ａ　５ｆ
ｉｔ子井戸子弁層、５はＡＩ、Ｇａ、−、Ａｓバリア層
、６はｐ−ＡｌｙＧａ＋−、Ａｓ放物型屈折率分布層（
ｙは徐々に２に変化）、７はｐ−Ａ　１．Ｇａ、−、Ａ
ｓクラッド層、８はｐ′″−ＧａＡｓコンタクト層であ
る。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）量子井戸構造の活性層を有する半導体レーザにお
    いて、 該活性層は異なる量子エネルギー準位を有する複数の量
    子井戸を近接させて構成したことを特徴とする半導体レ
    ーザ。
  2. （２）上記異なる量子エネルギー準位を有する複数の量
    子井戸は、同じ組成の材料からなり、その層厚が異なる
    ものであ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。
  3. （３）上記異なる量子エネルギー準位を有する複数の量
    子井戸は、その層厚は同じで異なる組成の材料からなる
    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。
  4. （４）上記異なる量子エネルギー準位を有する複数の量
    子井戸は、その層厚が異なり、かつ異なる組成の材料か
    らな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。
  5. （５）上記活性層の注入電流を変えることにより複数の
    量子井戸の各量子エネルギー準位に対応した複数の波長
    で発振することを特徴とする特許請求の範囲第１項ない
    し第４項のいずれかに記載の半導体レーザ。
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