WO2024105723A1 - 多重量子井戸構造、半導体レーザおよび多重量子井戸構造の製造方法 - Google Patents

多重量子井戸構造、半導体レーザおよび多重量子井戸構造の製造方法 Download PDF

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WO2024105723A1
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well
wavelength
layer
well layer
layers
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PCT/JP2022/042211
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English (en)
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Inventor
学 満原
亘 小林
隆彦 進藤
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—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
    • H01S5/343—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 in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser

Definitions

  • the present invention relates to a multiple quantum well structure that can suppress changes in laser characteristics when the temperature changes, a semiconductor laser, and a method for manufacturing the multiple quantum well structure.
  • semiconductor lasers are being used not only for long-distance optical communication but also for short-distance optical communication within access networks and data centers.
  • Semiconductor lasers are also used as light sources for gas sensing.
  • gas sensing various gases absorb light of specific wavelengths (absorption lines), so gas concentration and its local distribution can be measured in real time by analyzing the change in light intensity when laser light is passed through the gas.
  • the basic condition for a semiconductor laser to oscillate is that the gain in the active layer is greater than the loss. For this reason, in a semiconductor laser in which the cleavage facets serve as the mirrors of the resonator (hereafter referred to as a "Fabry-Perot laser"), the laser oscillation wavelength is close to the peak wavelength of the gain in the active layer.
  • the oscillation wavelength of a distributed feedback semiconductor laser (hereinafter also referred to as "DFB laser") that oscillates at a single wavelength is determined mainly by the period and refractive index of a diffraction grating formed near the waveguide, such as the upper or lower part of the active layer.
  • the period of the diffraction grating is ⁇ and the refractive index (equivalent refractive index) felt by the light propagating through the laser waveguide is n eff and a first-order diffracted light is used
  • Non-Patent Document 1 It is known that the oscillation wavelength of a distributed feedback semiconductor laser changes when the operating temperature is changed, but the effect of the change in the period of the diffraction grating due to thermal expansion is small in this wavelength change, and the effect of the temperature change in the refractive index is large (for example, Non-Patent Document 1).
  • the temperature change of the oscillation wavelength of a Fabry-Perot laser depends mainly on the change in the gain peak wavelength.
  • the temperature change of the oscillation wavelength of a distributed feedback semiconductor laser depends mainly on the change in the refractive index of the diffraction grating.
  • the oscillation wavelength is set to a wavelength where the gain of the active layer is small due to the diffraction grating configuration, good laser characteristics (threshold current, efficiency, etc.) cannot be obtained because the light emission efficiency is low. Therefore, in order to improve the characteristics of a distributed feedback semiconductor laser, it is necessary to set the oscillation wavelength to a wavelength where the gain of the active layer is large. In this way, it is desirable to set the oscillation wavelength taking into consideration the gain of the active layer as well as the diffraction grating configuration.
  • Figure 10 shows the change of the oscillation wavelength with temperature for Fabry-Perot lasers and DFB lasers.
  • the active layer of the Fabry-Perot laser and DFB laser is InGaAsP on an InP substrate.
  • the rate of change of the oscillation wavelength with temperature is about 0.4 nm/K for Fabry-Perot lasers and about 0.1 nm/K for distributed feedback semiconductor lasers.
  • the rate of change of the oscillation wavelength with temperature is different, so the gain of the active layer at the operating temperature must be taken into consideration.
  • the oscillation wavelength of a distributed feedback semiconductor laser is set to match the gain peak near room temperature, this laser will have good laser characteristics near room temperature, but as the temperature difference from room temperature increases due to temperature changes, the difference between the set wavelength of the semiconductor laser and the gain peak will increase, causing the laser characteristics to deteriorate.
  • a temperature adjustment element is generally installed to keep the temperature of the semiconductor laser constant while operating the semiconductor laser.
  • temperature control elements such as Peltier elements consume a lot of power, accounting for nearly half of the power required to drive the laser.
  • the power consumption of the entire laser module, which is equipped with a temperature control element in a semiconductor laser increases, which is a problem.
  • a semiconductor laser is needed that can suppress changes in laser characteristics due to temperature changes without using a temperature adjustment element.
  • FIG. 11 shows a schematic diagram of the change in the gain spectrum due to temperature immediately before laser oscillation.
  • ⁇ g (T) is a wavelength corresponding to the band gap of the semiconductor used in the active layer, and in the case of using a quantum well structure in the active layer, it is a wavelength (hereinafter referred to as the "quantum level wavelength") corresponding to the energy difference between the ground quantum level on the valence band side of the well layer and the ground quantum level on the conduction band side.
  • g p (T) is the peak wavelength (hereinafter referred to as the "gain wavelength") of the gain of the active layer (multiple quantum well structure).
  • the quantum level wavelength ⁇ g (T) shifts to the long wavelength side with an increase in temperature.
  • the gain wavelength g p (T) is located on the short wavelength side with respect to the quantum level wavelength ⁇ g (T).
  • Eg (T) is the band gap (eV) of the semiconductor.
  • the band gap Eg (T) of the semiconductor is empirically expressed by the Varshni formula in formula (1).
  • T is temperature in Kelvin
  • Eg (T) is the band gap at temperature T
  • ⁇ and ⁇ are constants determined by the material.
  • ⁇ and ⁇ of a ternary or more mixed crystal semiconductor can be determined by linearly interpolating the values of a binary mixed crystal according to the composition ratio.
  • the temperature change of the band gap E g (T) is determined by ⁇ and ⁇ , and therefore depends on the material. Therefore, in order to prevent the laser characteristics of a semiconductor laser from changing significantly due to the operating temperature, it is effective to use a material whose band gap changes little with temperature to reduce the temperature change of the gain peak wavelength of the active layer.
  • Figure 12 shows the results of calculating the temperature change of the quantum level wavelength using equation (1) for InGaAs and InGaAsP, which are lattice-matched to InP.
  • InGaAsP two different compositions were used, with quantum level wavelengths of approximately 1.3 ⁇ m and 1.55 ⁇ m near room temperature.
  • the rate of change of the quantum level wavelength with respect to temperature change is 0.5 nm/K or more. This rate of change is several times the rate of change of the oscillation wavelength of a DFB laser with respect to temperature change (up to 0.1 nm/K).
  • semiconductor lasers have been disclosed that use materials containing bismuth or thallium, which can reduce the temperature change of the band gap (for example, non-patent documents 2 and 3).
  • materials containing bismuth or thallium which can reduce the temperature change of the band gap.
  • crystal growth is difficult, and it is currently difficult to obtain good laser characteristics.
  • the gain wavelength g p (T) is located on the shorter wavelength side than the quantum level wavelength ⁇ g (T), and as a result, the oscillation wavelength of the Fabry-Perot laser is shorter than the quantum level wavelength ⁇ g (T).
  • the gain wavelength g p (T) is located on the shorter wavelength side than the quantum level wavelength ⁇ g (T) because band filling occurs in the conduction band and the valence band.
  • carriers electron and holes
  • the Fermi level to shift toward the inside of the band.
  • the quantum level wavelength becomes longer, and the gain peak wavelength becomes shorter due to an increase in injected carriers.
  • the longer quantum level wavelength is dominant over the shorter gain peak wavelength, so the gain peak wavelength becomes longer overall, as shown in Figure 11.
  • the wavelength intervals of gp ( T1 ), gp ( T2 ), and gp ( T3 ) in FIG. 11 are almost the same as the wavelength intervals of ⁇ g ( T1 ), ⁇ g ( T2 ), and ⁇ g ( T3 ).
  • the multiple quantum well structure of the present invention is a multiple quantum well structure disposed between a p-type semiconductor and an n-type semiconductor in a semiconductor laser, and is characterized in that it comprises multiple well layers and multiple barrier layers having a composition wavelength shorter than that of the multiple well layers, and that in the multiple well layers, the quantum level wavelength of at least one well layer, excluding the p-side well layer closest to the p-type semiconductor, is shorter than the quantum level wavelength of the p-side well layer.
  • the method for manufacturing a multiple quantum well structure is a method for manufacturing a multiple quantum well structure for use in a semiconductor laser, and includes the steps of growing the multiple quantum well structure, which is made up of, in order, a plurality of InGaAsSb well layers and a plurality of InGaAsSb barrier layers having a shorter composition wavelength than the InGaAsSb well layers, on an n-type InP substrate, and growing a p-type InP cladding layer, in which the amount of As supplied and the amount of Sb supplied when growing each of the InGaAsSb well layers are equal, and the Sb content increases in order from the InGaAsSb well layer closest to the n-type InP substrate to the InGaAsSb well layer closest to the p-type InP cladding layer.
  • the present invention provides a multiple quantum well structure, a semiconductor laser, and a method for manufacturing a multiple quantum well structure that can suppress changes in laser characteristics due to temperature changes.
  • FIG. 1A is a schematic diagram showing the configuration of a multiple quantum well structure in a semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a schematic diagram showing the configuration of a multiple quantum well structure in a conventional semiconductor laser.
  • FIG. 2A is a diagram for explaining the function of a multiple quantum well structure in a conventional semiconductor laser.
  • FIG. 2B is a diagram for explaining the function of a multiple quantum well structure in a conventional semiconductor laser.
  • FIG. 2C is a diagram for explaining the function of a multiple quantum well structure in a conventional semiconductor laser.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the function of a multiple quantum well structure in a conventional semiconductor laser.
  • FIG. 1A is a schematic diagram showing the configuration of a multiple quantum well structure in a semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a schematic diagram showing the configuration of a multiple quantum well structure in a conventional semiconductor laser.
  • FIG. 2A is a diagram for explaining the function of
  • FIG. 4A is a diagram for explaining the function of the multiple quantum well structure in the semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4B is a diagram for explaining the function of the multiple quantum well structure in the semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4C is a diagram for explaining the function of the multiple quantum well structure in the semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5A is a diagram for explaining the function of the multiple quantum well structure in the semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5B is a diagram for explaining the function of the multiple quantum well structure in the semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5C is a diagram for explaining the function of the multiple quantum well structure in the semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5A is a diagram for explaining the function of the multiple quantum well structure in the semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5B is a diagram for explaining the function of the multiple quantum
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of a semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the effect of the semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the effect of the semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing the configuration of a semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a conventional semiconductor laser.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining a conventional semiconductor laser.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining a conventional semiconductor laser.
  • the semiconductor laser 10 includes a multiple quantum well (MQW) 11.
  • the multiple quantum well (MQW) 11 is disposed between an n-type region 14 having an n-type semiconductor and a p-type region 15 having a p-type semiconductor.
  • the MQW 11 comprises three well layers 121-123 and four barrier layers 13.
  • the composition wavelength of the barrier layer 13 is shorter than that of the well layers 121-123.
  • each of the three well layers 121-123 is set so that the quantum level wavelength increases from the well layer (hereinafter also referred to as the "n-side well layer”) 123 closest to the n-type region 14 (n-type semiconductor) to the well layer (hereinafter also referred to as the "p-side well layer”) 121 closest to the p-type region 15.
  • the three well layers 121-123 are InGaAsP with different compositions, and each layer has the same thickness of about 6 nm.
  • the four barrier layers 13 are made of InGaAsP with the same composition and have the same thickness of about 8 nm.
  • FIG. 1B shows an example of a multiple quantum well (MQW) in a typical semiconductor laser 20.
  • the multiple quantum well (MQW) 21 is disposed between an n-type region 24 and a p-type region 25, and comprises three well layers 221-223 and four barrier layers 23, with the three well layers 221-223 having the same composition.
  • the rest of the configuration is the same as that shown in FIG. 1A.
  • MQW 21 in a typical semiconductor laser 20 will be explained from the viewpoint of carrier distribution, taking into account the movement of carriers between well layers 221-223.
  • the details of the carrier distribution must be analyzed taking into account not only band discontinuity but also drift, diffusion, carrier lifetime, etc., but an overview of the carrier distribution will be explained based on band discontinuity.
  • the carrier density required for laser oscillation could be reached simultaneously in each of the well layers 221-223, allowing operation with favorable characteristics.
  • FIGS. 2A to 2C are schematic diagrams showing changes in the distribution state of holes 1 and electrons 2 in each well layer 221 to 223 in the MQW 21 of a typical semiconductor laser 20 with respect to changes in operating temperature.
  • the operating temperatures are T1 ⁇ T2 ⁇ T3 .
  • the quantum level wavelengths ⁇ g of each well layer 221 to 223 are equal.
  • the dashed dotted lines indicate the ground quantum levels on the valence band side and the conduction band side of the well layers, respectively.
  • the carrier distribution in the figures is shown without taking into consideration the increase in injected carriers that accompanies an increase in operating temperature.
  • electrons injected from the n-type region into the n-side well layer 223 can move between the well layers 221-223 even if the conduction band discontinuity is large, and are electrically attracted to the holes (arrow 6 in Figure 2A). As a result, the electron density increases in the well layer 221, where the hole density is large.
  • the quantum level wavelength becomes longer and the gain peak wavelength becomes shorter due to an increase in injected carriers, and the movement of holes 1 between the well layers 221 to 223 changes, and the distribution state of holes 1 and electrons 2 in each of the well layers 221 to 223 changes.
  • the change in carrier movement between well layers due to temperature involves complex physical phenomena, but it basically depends on the probability that carriers are thermally excited and overcome the band discontinuity between the well layer and the barrier layer.
  • Figure 3 shows the temperature change of the index of the probability that carriers (holes 1, electrons 2) are thermally excited at an interface with a band discontinuity and overcome the band discontinuity.
  • the index of the probability that carriers are thermally excited and overcome the band discontinuity is calculated using exp ⁇ -[band discontinuity]/( kB ⁇ T) ⁇ , where kB is the Boltzmann constant and T is temperature. The index was calculated for band discontinuities of 10 to 160 meV.
  • the index of the probability that carriers will be thermally excited and overcome the band discontinuity decreases rapidly as the band discontinuity increases. However, this index increases with increasing temperature, regardless of the size of the band discontinuity. This indicates that carriers can move more easily between the well layers 221-223 as the temperature increases, and the non-uniform distribution of carriers between the well layers 221-223 becomes uniform.
  • this index is significantly reduced when the band discontinuity exceeds 140 meV, and the number of carriers that cross the potential barrier decreases. As a result, the threshold current increases, making laser oscillation difficult. For example, it has been reported that when the band discontinuity exceeds 140 meV, the time it takes for hole 1 to cross the potential barrier increases (see the above-mentioned article by Silfvenius et al.).
  • the change in the gain spectrum is roughly the same as that in FIG. 11, and the gain peak wavelength becomes longer as the temperature increases.
  • the oscillation wavelength of the semiconductor laser 20 becomes longer as the operating temperature increases.
  • the quantum level wavelength shifts to the longer wavelength side with increasing temperature in any well layer.
  • FIGS. 4A to 4C each show a schematic distribution state of holes 1 and electrons 2 in the MQW 10 at operating temperatures T 1 , T 2 , and T 3.
  • the operating temperatures are T 1 ⁇ T 2 ⁇ T 3.
  • the quantum level wavelengths of the well layers 121 to 123 are ⁇ g,1 , ⁇ g,2 , and ⁇ g,3 in order from the p-side well layer 121, and ⁇ g,1 > ⁇ g,2 > ⁇ g ,3 regardless of the operating temperature.
  • the dashed dotted lines indicate the ground quantum levels on the valence band side and the conduction band side of the well layers, respectively.
  • the carrier distribution in the figures is shown without taking into consideration the increase in injected carriers that accompanies an increase in the operating temperature.
  • electrons injected from the n-type region into the n-side well layer 123 can easily move between the well layers 121 to 123 and are electrically attracted to the holes (arrow 6 in Figure 4A). As a result, the electron density increases in the well layer 121, where the hole density is large.
  • both holes 1 and electrons 2 tend to concentrate in the p-side well layer 121, that is, in the well layer 121 with a long quantum level wavelength, resulting in a non-uniform carrier density distribution in the well layers 121 to 123.
  • the quantum level wavelength becomes longer and the gain peak wavelength becomes shorter due to an increase in injected carriers, and the movement of holes 1 between well layers 121-123 changes, changing the distribution state of holes 1 and electrons 2 in each well layer 121-123.
  • the increase in operating temperature increases the number of carriers present in well layers with short quantum level wavelengths.
  • the quantum level wavelengths of the well layers 121 to 123 are ⁇ g,1 , ⁇ g,2 , and ⁇ g,3 in order from the p-side well layer 121, then ⁇ g,1 > ⁇ g,2 > ⁇ g,3 holds regardless of the operating temperature. This is because, unless the composition of the well layer changes significantly, ⁇ and ⁇ in formula (1) do not change significantly for each well layer. Furthermore, unless the composition of the well layer changes significantly, the wavelength intervals between ⁇ g,1 , ⁇ g,2 , and ⁇ g,3 do not change significantly regardless of the operating temperature.
  • the gain wavelengths of the well layers 121 to 123 are denoted as gp,1 , gp ,2 , and gp ,3 , starting from the p-side well layer 121.
  • the gain wavelength changes not only with the operating temperature but also with the density of injected carriers.
  • the gain of the entire active layer is the sum of the gains of the well layers 121 to 123, and the peak wavelength due to the sum of the gains (hereinafter referred to as the "total gain wavelength”) is denoted as gALL .
  • the carrier density in the p-side well layer 121 is high, so that the proportion of the gain on the p-type region 15 side, i.e., the gain of the well layer 121 with a long quantum level wavelength, in the gain of the entire active layer is large. As a result, the overall gain wavelength g ALL becomes close to the gain wavelength g p,1 of the p-side well layer.
  • the carrier density increases not only in the p-side well layer 121 but also in the well layers 122 and 123 close to the n-type region 14, so that the proportion of the gain of the well layers 122 and 123 in the overall gain of the active layer increases.
  • the overall gain wavelength gALL shifts from the gain wavelength gp ,1 of the p-side well layer 121 toward the gain wavelengths gp ,2 and gp,3 of the well layers 122 and 123 close to the n-type region 14.
  • the overall gain wavelength g ALL is close to the gain wavelength g p,1 of the p-side well layer 121 when the operating temperature is low, and approaches the gain wavelengths g p,2 and g p,3 of the well layers 122 and 123 close to the n-type region 14 as the operating temperature rises.
  • the quantum level wavelength of the well layers 122 and 123 close to the n-type region 14 is shorter than the quantum level wavelength of the p-side well layer 121, so that when the operating temperature rises, the light emission of the well layers 122 and 123 close to the n-type region 14, i.e., the light emission at short wavelengths, increases, and the gain wavelength of the entire active layer shifts to the short wavelength side, suppressing the shift to the long wavelength side.
  • the semiconductor laser according to this embodiment can suppress changes in the oscillation wavelength when the operating temperature changes, compared to conventional semiconductor lasers.
  • the semiconductor laser according to this embodiment particularly in the distributed feedback laser, the shift of the gain wavelength to longer wavelengths due to an increase in temperature is suppressed, so that the difference between the gain wavelength and the desired oscillation wavelength set by the diffraction grating does not increase, and a large gain can be obtained near the oscillation wavelength.
  • the increase in threshold current and the decrease in efficiency at high temperatures can be suppressed, and good laser characteristics can be obtained.
  • each well layer 121-123 has a different gain wavelength, so the width of the gain peak in the entire active layer tends to increase, that is, the gain tends to be distributed over a wide wavelength range. As a result, the gain in the entire active layer at the desired oscillation wavelength decreases, which may cause degradation of the laser characteristics, such as an increase in threshold current and a decrease in efficiency (the rate of change of optical output with respect to the injected current).
  • the interval between the gain wavelengths of each well layer 121 to 123 is approximately the same as the interval between the quantum level wavelengths, unless extremely uneven distribution of carriers occurs. Therefore, by appropriately setting the interval between the quantum level wavelengths of the p-side well layer 121 and the n-side well layer 123, the gains of each well layer 121 to 123 can be overlapped, and the gain of the entire active layer can be increased at the desired oscillation wavelength.
  • the quantum level wavelength differs for each well layer, so the quantum level wavelength interval between the p-side well layer 121 and the n-side well layer 123 is greater than 0 nm.
  • the quantum level wavelength interval between the p-side well layer 121 and the n-side well layer 123 is too wide, the area (wavelength range) where the gain of each well layer overlaps will become small, and some well layers will not contribute to laser oscillation. Whether the gain of each well layer overlaps depends on the shape of the gain spectrum of each well layer. If the wavelength range of the gain of each well layer (width of the gain peak) is 40 nm, it is possible to maintain a large gain (for example, N. Nonoy et al., “Tunable distributed amplification (TDA-) DFB lasers with asymmetric structure,” IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron., Vol. 17, No. 6, 2011, 1505-1512.). Therefore, if the gain wavelength of the p-side well layer 121 and the gain wavelength of the n-side well layer 123 are in the positive region (light emission region) within a wavelength range of 40 nm, all well layers can contribute to laser oscillation.
  • TDA- distributed amplification
  • the interval between the gain wavelengths of each well layer is approximately the same as the interval between the quantum level wavelengths. Therefore, by setting the quantum level wavelength of the n-side well layer 123 within a wavelength range of 40 nm from the quantum level wavelength of the p-side well layer 121, the gain peaks from each well layer can be overlapped at the oscillation wavelength.
  • the distance between the quantum level wavelength of the well layer on the p-type region side and the quantum level wavelength of the well layer on the n-type region side is desirable to be greater than 0 nm and equal to or less than 40 nm. This allows the gain peaks from each well layer to overlap at the desired oscillation wavelength, suppressing gain reduction and suppressing deterioration of the laser characteristics.
  • the semiconductor laser according to this embodiment can suppress changes in laser characteristics due to temperature changes without using a temperature adjustment element such as a Peltier element. This allows the semiconductor laser to be miniaturized, making it possible to realize a small, lightweight mobile system in fields such as gas sensing.
  • the semiconductor laser 30 is a Fabry-Perot laser, which includes, in this order, an n-type InP substrate 341, an n-type InP 342, an InGaAsP optical confinement layer 343 having a composition wavelength of 1.17 ⁇ m, an MQW 31 consisting of four InGaAsSb well layers 321-324 and five InGaAsSb barrier layers 33, an InGaAsP optical confinement layer 351 having a composition wavelength of 1.17 ⁇ m, a p-type InP cladding layer 352, and a p-type InGaAs contact layer 353. Furthermore, a p-type electrode 362 is provided on the surface of the p-type InGaAs contact layer 353, and an n-type electrode 361 is provided on the back surface of the InP substrate 341.
  • n-type InP 342 an InGaAsP optical confinement layer 343 having a composition wavelength of 1.17 ⁇ m, an MQW 31 consisting of four InGaAsSb well layers 321-324 and five InGaAsSb barrier layers 33, an InGaAsP optical confinement layer 351 having a composition wavelength of 1.17 ⁇ m, and a part of a p-type InP cladding layer 352 are grown on an n-type InP substrate 341 in this order.
  • the flow rates of the gas supplying As and the gas supplying Sb are a 1 and b 1 , respectively, which are equivalent.
  • the flow rates of the gas supplying As and the gas supplying Sb are a 2 and b 2 , respectively, which are equivalent.
  • Sb undergoes surface segregation during crystal growth and is incorporated into the film growing thereon (for example, O. Pitts et al., "Antimony segregation in GaAs-based multiple quantum well structures," J. Cryst. Growth, Vol. 254, 2003, 28-34.).
  • the effect of surface segregation of Sb becomes greater in the well layer (for example, well layer 321) closer to the p-type InP cladding layer 352 on the growth surface side, and the molar composition ratio of Sb in the well layer becomes larger.
  • the quantum level wavelength is longer in the InGaAsSb well layer (e.g., well layer 321) on the p-type InP cladding layer 352 side than in the InGaAsSb well layer (e.g., well layer 324) on the n-type InP layer 342 side.
  • the InGaAsSb well layer (e.g., well layer 321) on the p-type InP cladding layer 352 side is considered to have a quantum level wavelength that is approximately 10 nm longer than the InGaAsSb well layer (e.g., well layer 324) on the n-type InP layer 342 side.
  • the remaining portion of the p-type InP cladding layer 352 and the p-type InGaAs contact layer 353 are grown on part of the p-type InP cladding layer 352 by metal organic vapor phase epitaxy.
  • the p-type InP cladding layer 352 and the p-type InGaAs contact layer 353 are processed into a mesa structure with a stripe width of 2.5 ⁇ m using dry etching and wet etching.
  • a silicon oxide film is deposited on the surface of the mesa structure (p-type InP cladding layer 352 and p-type InGaAs contact layer 353) and on the surface of the InGaAsP optical confinement layer 351, and then the silicon oxide film on the p-type InGaAs contact layer 353 is removed.
  • the silicon oxide film is removed to expose the p-type InGaAs contact layer 353, and a p-type electrode 362 is formed on the exposed p-type InGaAs contact layer 353.
  • the back surface of the n-type InP substrate 341 is polished, and then an n-type electrode 361 is formed on the back surface.
  • a cavity is formed by cleavage to produce a Fabry-Perot laser with a ridge waveguide structure.
  • the cavity length is 600 ⁇ m.
  • Figure 7 shows the temperature change of the oscillation spectrum of the semiconductor laser 30.
  • the semiconductor laser 30 was operated in continuous oscillation with an injection current of 40 mA.
  • the operating temperatures were 15°C, 25°C, 35°C, and 45°C.
  • the oscillation wavelength is 2.186 ⁇ m at an operating temperature of 15°C and 2.190 ⁇ m at an operating temperature of 45°C, and the rate of change of wavelength due to temperature is 0.13 nm/K.
  • This rate of change of wavelength is a small value that is difficult to achieve with a typical Fabry-Perot laser (up to 0.4 nm/K) as shown in Figure 10, and is close to the rate of change of a distributed feedback laser (up to 0.1 nm/K).
  • the rate of change in the oscillation wavelength due to temperature is small.
  • the contribution of the InGaAsSb well layer near the p-type InP cladding layer is large.
  • the contribution of the InGaAsSb well layer which has a short quantum level wavelength near the n-type InP layer 342, increases. This suppresses the shift of the oscillation wavelength to the long wavelength side with increasing temperature, and reduces the rate of change in the wavelength due to temperature.
  • Figure 8 shows the temperature change of the current-optical output characteristics of the semiconductor laser 30.
  • the threshold current is 21 mA at an operating temperature of 15°C and 31 mA at an operating temperature of 35°C, and the increase in threshold current due to an increase in operating temperature is suppressed.
  • the efficiency (the rate of change of optical output from both end faces due to the injected current) is about 0.08 W/A regardless of the operating temperature, and the decrease in efficiency due to an increase in operating temperature is also suppressed.
  • the suppression of the decrease in efficiency when the operating temperature increases is thought to be due to the fact that the gain peaks overlap between each well layer at all operating temperatures.
  • the semiconductor laser according to this embodiment can suppress changes in oscillation wavelength due to temperature changes. It can also suppress changes in laser characteristics due to temperature changes, improving the temperature characteristics of the laser.
  • an example of a laser using InGaAsSb for the well layer and barrier layer and having an oscillation wavelength exceeding 2 ⁇ m is shown, but the material for the well layer and barrier layer is not limited to InGaAsSb, and the laser is not limited to an oscillation wavelength exceeding 2 ⁇ m.
  • the oscillation wavelength can also be a wavelength that can be realized on an InP substrate.
  • the quantum level wavelength of the InGaAsSb well layer is automatically longer for well layers closer to the p-type region by utilizing the surface segregation of Sb, but the composition ratio may be changed by adjusting the amount of raw material supplied.
  • the method of changing the composition ratio by adjusting the amount of raw material supplied is particularly effective when using well layers that do not contain Sb.
  • the device may be fabricated after evaluating the composition of samples fabricated (grown) individually for each well layer with a different quantum level wavelength to determine the growth conditions for the well layer, or the composition of the well layer may be evaluated using secondary ion mass spectrometry or the like after the device is fabricated.
  • the quantum level wavelength is changed by changing the composition of the well layer
  • the quantum level wavelength of the well layer may be changed by changing the thickness of the well layer.
  • both the composition and thickness of the well layer may be changed.
  • a binary mixed crystal such as InAs may be used for the well layer.
  • a Fabry-Perot laser with a ridge waveguide structure was used for the laser structure, but a buried structure or a distributed feedback laser may also be used.
  • the semiconductor laser 40 is a distributed feedback laser, and includes, in order, an n-type InP substrate 441, an n-type InP 442, an InGaAsP light confinement layer 443 having a composition wavelength of 1.1 ⁇ m, an MQW 41 consisting of six InAsP well layers 421 to 426 and seven InGaAsP barrier layers 43, an InGaAsP light confinement layer 451 having a composition wavelength of 1.1 ⁇ m, a p-type InP cladding layer 452, and a p-type InGaAs contact layer 453.
  • a p-type electrode 462 is provided on the surface of the p-type InGaAs contact layer 453, and an n-type electrode 461 is provided on the back surface of the InP substrate 441.
  • a diffraction grating 47 is formed between the InGaAsP light confinement layer 451 and the p-type InP cladding layer 452.
  • the thickness of the well layers increases in order from InAsP well layer 426 to InAsP well layer 421 of MQW13.
  • the InAsP well layers 421 to 426 have the same composition.
  • the seven InGaAsP barrier layers 43 have the same composition and thickness.
  • n-type InP 442 an InGaAsP optical confinement layer 443 with a composition wavelength of 1.1 ⁇ m
  • MQW 41 consisting of six InAsP well layers 421-426 and seven InGaAsP barrier layers 43
  • InGaAsP optical confinement layer 451 with a composition wavelength of 1.1 ⁇ m
  • InP protective layer (not shown).
  • the InAsP well layers 421 to 426 included in the MQW 41 are grown by gradually increasing the growth time from the InAsP well layer 426 on the n-type InP substrate 441 side to the InAsP well layer 421 on the p-type InP cladding layer 452 side, so that as the growth progresses, the thickness of the InAsP well layers is increased in sequence from the InAsP well layer 426 to the InAsP well layer 421. This increases the quantum level wavelength from 1.295 ⁇ m to 1.32 ⁇ m from the InAsP well layer 426 to the InAsP well layer 421 as the well layer thickness increases.
  • the crystal (wafer) on which the above layer structure has been grown is removed from the growth apparatus, the InP protective layer is removed, and a diffraction grating 47 with a first-order diffracted light wavelength of approximately 1.3 ⁇ m is formed on the surface of the InGaAsP optical confinement layer 451 using electron beam exposure and wet etching.
  • a p-type InP cladding layer 452 and a p-type InGaAs contact layer 453 are grown by metal organic vapor phase epitaxy on the surface of the InGaAsP optical confinement layer 451 on which the diffraction grating 47 is formed.
  • a ridge waveguide structure with a stripe width of 1.5 ⁇ m is fabricated.
  • the cavity length is 300 ⁇ m.
  • the semiconductor laser (distributed feedback laser) 40 according to this embodiment is fabricated.
  • the oscillation threshold current of the semiconductor laser (distributed feedback laser) 40 in this embodiment is 12 mA at an operating temperature of 25°C and 26 mA at an operating temperature of 85°C, and the characteristic temperature of the threshold current is 79K.
  • a distributed feedback laser was fabricated that has a well layer grown over a constant growth time and that has an MQW quantum level wavelength of 1.31 ⁇ m.
  • the structure other than the well layer is the same as that of semiconductor laser (distributed feedback laser) 40.
  • the oscillation threshold current of the comparative semiconductor laser is 10 mA at an operating temperature of 25°C and 26 mA at an operating temperature of 85°C, and the characteristic temperature of the threshold current is 64 K.
  • the threshold current at an operating temperature of 25°C is higher than that of the comparative semiconductor laser, it is roughly the same at an operating temperature of 85°C and the characteristic temperature is also higher. This is because in the distributed feedback laser, the shift of the gain wavelength to longer wavelengths due to an increase in temperature is suppressed, so the difference between the gain wavelength and the desired oscillation wavelength set by the diffraction grating does not increase, and a large gain can be obtained near the oscillation wavelength.
  • the semiconductor laser according to this embodiment can suppress changes in gain wavelength due to temperature changes, improving the temperature characteristics of the laser.
  • a distributed feedback laser with a ridge waveguide structure is used for the laser structure, but a buried structure or a Fabry-Perot laser may also be used.
  • the number of well layers in the MQW is 3, 4, or 6, but the number is not limited to this and may be multiple well layers.
  • the number of well layers may be 2.
  • the number of well layers may be increased.
  • the number of well layers is 10 or less.
  • the quantum level wavelengths in the MQW increase in order from the n-side well layer to the p-side well layer, but this is not limiting.
  • the quantum level wavelength of at least one well layer out of the well layers excluding the p-side well layer is shorter than the quantum level wavelength of the p-side well layer.
  • the quantum level wavelength of the third well layer from the n-side well layer may be shorter than the quantum level wavelength of the p-side well layer, and the quantum level wavelengths of the other well layers may be equal to the quantum level wavelength of the p-side well layer.
  • the present invention relates to a multiple quantum well structure and a semiconductor laser, and can be applied to optical communication systems, gas sensing systems, etc.

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Abstract

本発明の多重量子井戸構造（１１）は、半導体レーザ（１０）においてｐ型半導体とｎ型半導体との間に配置される多重量子井戸構造であって、複数の井戸層（１２１～１２３）と、複数の井戸層より組成波長が短い複数の障壁層（１３）とを備え、複数の井戸層において、ｐ型半導体に最も近いｐ側井戸層（１２１）を除く井戸層のうち少なくとも１層の井戸層の量子準位波長が、ｐ側井戸層の量子準位波長より短い。　これにより、本発明は、温度変化に対するレーザ特性の変化を抑制できる多重量子井戸構造を提供できる。

Description

多重量子井戸構造、半導体レーザおよび多重量子井戸構造の製造方法
　本発明は、温度変化時のレーザ特性の変化を抑制できる多重量子井戸構造、半導体レーザおよび多重量子井戸構造の製造方法に関する。
　近年、５Ｇやクラウドサービスなど、大容量のデータ通信が必要なサービスの急速な発展に伴い、長距離光通信だけでなくアクセスネットワークやデータセンタ内における短距離光通信でも半導体レーザが用いられている。また、半導体レーザはガスセンシング用の光源としても用いられている。ガスセンシングでは、各種ガスが固有の波長（吸収線）の光を吸収するため、ガス中にレーザ光を通過させた際の光強度の変化を解析することによりガス濃度やその局所的な分布がリアルタイムで計測される。
　半導体レーザが発振するための基本条件は、活性層の利得が損失よりも大きいことである。このため、劈開面が共振器のミラーとなる半導体レーザ（以下、「ファブリペローレーザ」という。）では、レーザ発振波長は、活性層の利得のピーク波長付近となる。
　一方、単一波長で発振する分布帰還型半導体レーザ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄ　Ｂａｃｋ　Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ、以下、「ＤＦＢレーザ」ともいう。）の発振波長は、主として活性層の上部や下部など導波路近くに形成した回折格子の周期と屈折率により決まる。具体的には、回折格子の周期をΛ、レーザ導波路を伝搬する光が感じる屈折率（等価屈折率）をｎｅｆｆとして１次の回折光を利用する場合、分布帰還型半導体レーザにおける所望の発振波長λＤＦＢは、λＤＦＢ＝２Λ×ｎｅｆｆで与えられる。分布帰還型半導体レーザは、動作温度を変えると発振波長が変化するが、この波長変化では熱膨張による回折格子の周期の変化による影響は小さく、屈折率の温度変化の影響が大きいことが知られている（例えば、非特許文献１）。
　このように、ファブリペローレーザの発振波長の温度変化は、主に利得のピーク波長の変化に依存する。一方、分布帰還型半導体レーザの発振波長の温度変化は、主に回折格子の屈折率変化に依存する。
　ここで、分布帰還型半導体レーザにおいて、回折格子の構成により発振波長を活性層の利得が小さい波長に設定すると、発光効率が低いために良好なレーザ特性（しきい値電流や効率など）を得られない。したがって、分布帰還型半導体レーザの特性の向上のためには、発振波長を活性層の利得が大きい波長に設定する必要がある。このように、回折格子の構成とともに活性層の利得を考慮して設定することが望ましい。
　以上より、ファブリペローレーザと分布帰還型半導体（ＤＦＢ）レーザでは、発振波長の温度による変化率が異なる（例えば、非特許文献１）。図１０に、ファブリペローレーザとＤＦＢレーザの発振波長の温度による変化を示す。ファブリペローレーザとＤＦＢレーザの活性層は、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰを活性層とする。発振波長の温度による変化率は、ファブリペローレーザで０．４ｎｍ／Ｋ程度、分布帰還型半導体レーザで０．１ｎｍ／Ｋ程度である。
　ファブリペローレーザと分布帰還型半導体レーザの発振波長の設定において、温度による発振波長の変化率が異なるため、動作温度での活性層の利得を考慮する必要がある。例えば、分布帰還型半導体レーザにおいて室温付近での利得のピークに合わせて発振波長を設定した場合、このレーザは室温付近では良好なレーザ特性が得られるが、温度変化により室温との温度差が増加するにしたがい半導体レーザの設定波長と利得のピークとの差が大きくなるためレーザ特性が劣化する。
　この温度変化によるレーザ特性の劣化を抑制するために、一般的に、動作温度が変動する環境下で分布帰還型半導体レーザ等の半導体レーザを用いる場合、温度調整素子を搭載して半導体レーザの温度を一定にして半導体レーザを動作させる。
K. One et al., "Proposal on a temperature-insensitive wavelength semiconductor laser," IEICE Trans. Electron, Vol. E79-C, No. 12, 1996, 1751-1759. J. Liu et al., "Electrically injected Asabi/GaAs single quantum well laser diodes," AIP Advance, Vol. 7, No. 12, 2017, 115006. A. Inada et al., "Temperature stability of the refractive index and the direct band edge in Lingaa quaternary allows," Appl. Phys. Lett., Vol. 84, No. 21, 2004, 4212-4214.
　しかしながら、ペルチェ素子等の温度調整素子の消費電力は大きく、レーザを駆動するために必要となる消費電力の半分近くを占める。その結果、半導体レーザに温度調整素子を搭載したレーザモジュール全体での消費電力が増加するので問題となる。
　そこで、消費電力を低減するために、温度調整素子を用いずに温度変化に対するレーザ特性の変化を抑制できる半導体レーザが必要とされる。
　このレーザ特性の温度変化を抑制するためには、温度変化時の半導体レーザの設定波長と利得のピークとの差の変化を抑制する必要がある。すなわち、温度変化時の利得のピークの変化を抑制する必要がある。
　図１１に、レーザ発振する直前の利得スペクトルの温度による変化を模式的に示す。図中、λｇ（Ｔ）は、活性層に用いる半導体のバンドギャップに相当する波長であり、活性層に量子井戸構造を用いる場合には井戸層の価電子帯側の基底量子準位と伝導帯側の基底量子準位とのエネルギー差に相当する波長（以下、「量子準位波長」という。）である。また、ｇｐ（Ｔ）は、活性層（多重量子井戸構造）の利得のピーク波長（以下、「利得波長」という。）である。図１１に示すように、量子準位波長λｇ（Ｔ）は温度の上昇に伴い長波長側にシフトする。また、利得波長ｇｐ（Ｔ）は、量子準位波長λｇ（Ｔ）に対して短波長側に位置する。
　図１１に示す利得スペクトルの温度変化において、まず、量子準位波長の温度変化について説明する。量子準位波長（μｍ）は、半導体のバンドギャップ（ｅＶ）をＥｇ（Ｔ）とすると、λｇ（Ｔ）＝１．２４／Ｅｇ（Ｔ）である。ここで、半導体のバンドギャップＥｇ（Ｔ）は、経験的に式（１）のＶａｒｓｈｎｉの式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　式（１）において、Ｔは温度で単位はケルビン、Ｅｇ（Ｔ）は温度Ｔでのバンドギャップ、Ｅｇ（Ｔ＝０）は温度０Ｋでのバンドギャップ、αとβは材料によって決まる定数である。３元以上の混晶半導体のαとβは、２元混晶の値を組成比に応じて線形補間して求めることができる。
　式（１）より、バンドギャップＥｇ（Ｔ）の温度変化はαとβで決まるので、材料に依存する。そこで、半導体レーザにおいて、動作温度によりレーザ特性を大きく変化させないためには、温度によるバンドギャップの変化が小さい材料を用いることで、活性層の利得ピーク波長の温度変化を小さくすることが有効である。
　図１２は、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓとＩｎＧａＡｓＰについて、式（１）を用いて量子準位波長の温度変化を計算した結果である。ＩｎＧａＡｓＰには、室温付近で量子準位波長が１．３μｍと１．５５μｍ程度である２つの異なる組成を用いた。いずれの組成においても、量子準位波長の温度変化に対する変化率は０．５ｎｍ／Ｋ以上である。この変化率は、ＤＦＢレーザの発振波長の温度変化に対する変化率（～０．１ｎｍ／Ｋ）の数倍である。
　このように、従来ＩｎＰ基板上の成長で用いられてきたＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰなどの材料を用いて、量子準位波長の温度変化をＤＦＢレーザと同等にすることは困難である。
　この問題を解決するために、バンドギャップの温度変化を小さくできるビスマスやタリウムなどを含む材料を用いた半導体レーザが開示されている（例えば、非特許文献２、３）。しかしながら、新規材料のために結晶成長が難しく、現状で良好なレーザ特性を得ることは困難である。
　次に、利得波長ｇｐ　（Ｔ）の温度変化について説明する。
　上述のように、利得波長ｇｐ（Ｔ）は、量子準位波長λｇ（Ｔ）に対して短波長側に位置する。その結果、ファブリペローレーザの発振波長は、量子準位波長λｇ（Ｔ）に比べて短波長になる。
　ここで、利得波長ｇｐ（Ｔ）は、伝導帯ならびに価電子帯でバンドフィリングが起きるため、量子準位波長λｇ（Ｔ）に比べて短波長側に位置する。詳細には、レーザ発振させるためには、光吸収等による損失を打ち消すだけの利得を得るためにキャリア（電子と正孔）を活性層に注入する必要があり、これに伴いフェルミ準位がバンドの内部にシフトするためである。
　動作温度の上昇に伴い、オージェ再結合や価電子帯内吸収等により光吸収が起きるため、レーザ発振には低温時よりも多くのキャリアを注入する必要がある。注入されるキャリアが増加する分、バンドフィリングによる利得波長は短波長側にシフトする。
　以上のように、温度の上昇にともない、量子準位波長が長波長化し、注入キャリアの増加により利得ピーク波長が短波長化する。ここで、量子準位波長の長波長化の方が利得ピーク波長の短波長化より支配的であるので、図１１に示すように全体として利得ピーク波長が長波長化する。
　ここで、半導体レーザのしきい値電流密度が動作温度で大きく変化しない場合には、レーザ発振開始時に活性層に注入されるキャリアは動作温度で大きく変化しない。その結果、利得ピーク波長と量子準位波長の間隔は、温度変化に対して大きく変化しない。このとき、図１１におけるｇｐ（Ｔ１）、ｇｐ（Ｔ２）、ｇｐ（Ｔ３）それぞれの波長間隔は、λｇ（Ｔ１）、λｇ（Ｔ２）、λｇ（Ｔ３）それぞれの波長間隔とほぼ一致する。
　上述したような課題を解決するために、本発明に係る多重量子井戸構造は、半導体レーザにおいてｐ型半導体とｎ型半導体との間に配置される多重量子井戸構造であって、複数の井戸層と、前記複数の井戸層より組成波長が短い複数の障壁層とを備え、前記複数の井戸層において、前記ｐ型半導体に最も近いｐ側井戸層を除く井戸層のうち少なくとも１層の井戸層の量子準位波長が、前記ｐ側井戸層の量子準位波長より短いことを特徴とする。
　また、本発明に係る多重量子井戸構造の製造方法は、半導体レーザに用いる多重量子井戸構造の製造方法であって、ｎ型ＩｎＰ基板を用いて、順に、複数のＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層と、前記ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層より組成波長が短い複数のＩｎＧａＡｓＳｂ障壁層とからなる前記多重量子井戸構造を結晶成長するステップと、ｐ型ＩｎＰクラッド層を結晶成長するステップとを備え、前記ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層それぞれを成長するときのＡｓの供給量とＳｂの供給量が同等であり、前記ｎ型ＩｎＰ基板に最も近いＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層から前記ｐ型ＩｎＰクラッド層に最も近いＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層まで、順に、Ｓｂの含有量が増加することを特徴とする。
　本発明によれば、温度変化に対するレーザ特性の変化を抑制できる多重量子井戸構造、半導体レーザおよび多重量子井戸構造の製造方法を提供できる。
図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザにおける多重量子井戸構造の構成を示す概要図である。 図１Ｂは、従来の半導体レーザにおける多重量子井戸構造の構成を示す概要図である。 図２Ａは、従来の半導体レーザにおける多重量子井戸構造の作用を説明するための図である。 図２Ｂは、従来の半導体レーザにおける多重量子井戸構造の作用を説明するための図である。 図２Ｃは、従来の半導体レーザにおける多重量子井戸構造の作用を説明するための図である。 図３は、従来の半導体レーザにおける多重量子井戸構造の作用を説明するための図である。 図４Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザにおける多重量子井戸構造の作用を説明するための図である。 図４Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザにおける多重量子井戸構造の作用を説明するための図である。 図４Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザにおける多重量子井戸構造の作用を説明するための図である。 図５Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザにおける多重量子井戸構造の作用を説明するための図である。 図５Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザにおける多重量子井戸構造の作用を説明するための図である。 図５Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザにおける多重量子井戸構造の作用を説明するための図である。 図６は、本発明の第１の実施例に係る半導体レーザの構成を示す概要図である。 図７は、本発明の第１の実施例に係る半導体レーザの効果を説明するための図である。 図８は、本発明の第１の実施例に係る半導体レーザの効果を説明するための図である。 図９は、本発明の第２の実施例に係る半導体レーザの構成を示す概要図である。 図１０は、従来の半導体レーザを説明するための図である。 図１１は、従来の半導体レーザを説明するための図である。 図１２は、従来の半導体レーザを説明するための図である。
＜第１の実施の形態＞
　本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザについて図１Ａ～図５Ｃを参照して説明する。
＜半導体レーザの構成＞
　本実施の形態に係る半導体レーザ１０は、一例として、図１Ａに示す多重量子井戸（ＭＱＷ）１１を備える。多重量子井戸（ＭＱＷ）１１は、ｎ型半導体を有するｎ型領域１４とｐ型半導体を有するｐ型領域１５との間に配置される。
　ＭＱＷ１１は、３層の井戸層１２１～１２３と４層の障壁層１３とを備える。ここで、障壁層１３の組成波長は、井戸層１２１～１２３のそれよりが短い。
　３層の井戸層１２１～１２３それぞれの組成は、ｎ型領域１４（ｎ型半導体）に最も近い井戸層（以下、「ｎ側井戸層」ともいう。）１２３からｐ型領域１５に最も近い井戸層（以下、「ｐ側井戸層」ともいう。）１２１に向けて量子準位波長が増加するように設定される。例えば、３層の井戸層１２１～１２３は組成の異なるＩｎＧａＡｓＰであり、それぞれの層厚は６ｎｍ程度であり同等である。
　また、例えば、４層の障壁層１３は同じ組成のＩｎＧａＡｓＰであり、層厚も８ｎｍ程度であり同等である。
　比較のために、図１Ｂに、通常の半導体レーザ２０における多重量子井戸（ＭＱＷ）の一例を示す。多重量子井戸（ＭＱＷ）２１は、ｎ型領域２４とｐ型領域２５との間に配置され、３層の井戸層２２１～２２３と４層の障壁層２３とを備え、３層の井戸層２２１～２２３の組成は同等である。その他の構成は、図１Ａに示す構成と同等である。
＜作用＞
　本実施の形態に係る半導体レーザ１０の作用について、図２Ａ～図５Ｃを参照して説明する。
　初めに、通常の半導体レーザ２０におけるＭＱＷ２１の作用について、井戸層２２１～２２３間のキャリアの移動を考慮して、キャリアの分布の観点から説明する。ここで、キャリアの分布の詳細についてはバンド不連続だけでなくドリフト、拡散、キャリアの寿命などを考慮して解析する必要があるが、キャリアの分布の概要についてバンド不連続に基づき説明する。
　通常の半導体レーザ２０のＭＱＷ２１において、理想的には各井戸層２２１～２２３におけるキャリア密度分布がすべて同じであれば、各井戸層２２１～２２３で同時にレーザ発振に必要なキャリア密度に達することができ、良好な特性で動作できる。
　しかしながら、ＭＱＷ２１において井戸層２２１～２２３と障壁層２３との間にキャリアの移動を妨げるバンド不連続が存在するため、各井戸層２２１～２２３におけるキャリア分布は不均一になる（例えば、N. Tessler et al., “Distributed nature of quantum-well lasers,” Appl. Phys. Lett., Vol. 62, No. 10, 1993, 10-12.、H. Yamazaki et al., “Evidence of nonuniform carrier distribution in multiple quantum well lasers,” Appl. Phys. Lett., Vol. 71, No. 6, 1997, 767-769.、J. Piper et al., “Carrier nonuniformity effects on the internal efficiency of multiquanta-well lasers,” Appl. Phys. Lett., Vol. 74, No. 4, 1999, 489-491. 、C. Silvanus et al., “Hole distribution in Ingas 1.3-μm multiple-quantum-well laser structures with different hole confinement energies,” IEEE J. Quantum Electron., Vol. 35, No. 4, 1999, 603-607.）。この現象は、正孔の有効質量が電子に比べて大きいため、井戸層２２１～２２３間を容易に移動できないことに起因している。
　図２Ａ～Ｃに、通常の半導体レーザ２０のＭＱＷ２１における、動作温度の変化に対する各井戸層２２１～２２３での正孔１と電子２の分布状態の変化を模式的に示す。ここで、動作温度は、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３とする。また、各井戸層２２１～２２３の量子準位波長λｇは同等である。図中、一点鎖線は、それぞれ井戸層の価電子帯側の基底量子準位と伝導帯側の基底量子準位を示す。また、説明を簡略化するために、図中のキャリアの分布は、動作温度の増加の上昇に伴う注入キャリア増加を考慮せずに表されている。
　図２Ａに示すように、動作温度が低いとき（Ｔ＝Ｔ１）、井戸層２２１～２２３でキャリアの不均一な密度分布が生じ、正孔１、電子２ともにｐ側井戸層２２１に集中する傾向にある。
　詳細には、価電子帯のバンド不連続が大きく、動作温度が低いとき、ｐ型領域側からｐ側井戸層２２１に注入された正孔（図２Ａ中、矢印３）は、一部はｎ側井戸層２２３に向けて移動するものの（図中２Ａ、矢印５）、障壁を乗り越えられずにそのままｐ側井戸層２２１に留まる確率が高いために、ｐ側井戸層２２１での正孔の密度が高くなる。
　一方、ｎ型領域側からｎ側井戸層２２３に注入された電子（図２Ａ中、矢印４）は、伝導帯のバンド不連続が大きくても井戸層２２１～２２３間を移動でき、電気的に正孔に引き寄せられる（図中２Ａ中、矢印６）。その結果、電子の密度は、正孔の密度が大きい井戸層２２１で増加する。
　図２Ｂ、Ｃそれぞれに示すように、動作温度がＴ１からＴ２、Ｔ３と上昇するとき、正孔１は、熱的に励起されるために障壁を乗り越える確率が上がり、結果としてｐ側井戸層２２１からｎ側井戸層２２３へと移動する。この場合、電子２は正孔１に引き寄せられるように移動する。すなわち、動作温度の上昇により井戸層２２１～２２３でのキャリア密度の不均一な分布が改善され、井戸層２２１～２２３間でキャリアが均一になるように変化する。
　このように、動作温度が上昇するとき、上述の量子準位波長の長波長化、注入キャリアの増加に伴う利得ピーク波長の短波長化とともに、井戸層２２１～２２３間における正孔１の移動が変化し、各井戸層２２１～２２３での正孔１と電子２の分布状態が変化する。
　ここで、井戸層間のキャリア移動の温度による変化は、複雑な物理現象を含むが、基本的に、キャリアが熱的に励起され井戸層と障壁層との間のバンド不連続を乗り越える確率に依存する。
　図３に、バンド不連続がある界面において、キャリア（正孔１、電子２）が熱的に励起されバンド不連続を乗り越える確率の指標の温度変化を示す。キャリアが熱的に励起されバンド不連続を乗り越える確率の指標は、ｅｘｐ｛－［バンド不連続］／（ｋＢ・Ｔ）｝を用いて算出される。ここで、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは温度である。指標は、バンド不連続が１０～１６０ｍｅＶについて算出された。
　キャリアが熱的に励起されバンド不連続を乗り越える確率の指標は、バンド不連続の増加にともない急激に減少する。一方、この指標は、バンド不連続の大きさによらず、温度上昇とともに増加する。このことは、キャリアが温度上昇にともない井戸層２２１～２２３間を容易に移動できるようになり、井戸層２２１～２２３間のキャリアの不均一分布状態が均一分布状態になることを示す。
　また、この指標は、バンド不連続が１４０ｍｅＶを超えると著しく低減し、ポテンシャル障壁を越えるキャリアは減少する。その結果、しきい値電流が増大し、レーザ発振が困難になる。例えば、バンド不連続が１４０ｍｅＶを超えると、正孔１がポテンシャル障壁を越えて移動する時間が増加することが報告されている（上記のSilfveniusらの文献）。
　以上より、半導体レーザ２０におけるＭＱＷ２１において、バンド不連続により井戸層２２１～２２３ごとにキャリアの不均一分布が生じ、このキャリア分布は温度の上昇により均一化される傾向にある。
　このとき、利得スペクトルの変化は、概略的に図１１と同様であり、温度の上昇にともない利得ピーク波長が長波長化する。その結果、半導体レーザ２０の発振波長は、動作温度の上昇にともない長波長化する。
　上述のバンドギャップおよびキャリアに対する温度の上昇の影響を、以下にまとめる。
・量子準位波長は、いずれの井戸層でも、温度の上昇により長波長側へシフトする。
　
・正孔と電子は、温度が低いときにｐ側井戸層に集中する傾向にある。温度の上昇に伴い、ｎ側井戸層に注入される傾向にある。
・バンドフィリングの影響は、温度が低いときにｐ側井戸層で大きい。温度が上昇すると、キャリアがｐ側井戸層からｎ側井戸層へ容易に移動できるようになるため、ｎ側井戸層でのバンドフィリングの影響が増加する。
　次に、本実施の形態に係る半導体レーザ１０におけるＭＱＷ１０の作用について説明する。
　図４Ａ～Ｃそれぞれに、ＭＱＷ１０における、動作温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３での正孔１と電子２の分布状態を模式的に示す。ここで、動作温度は、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３とする。また、井戸層１２１～１２３の量子準位波長をｐ側井戸層１２１から順にλｇ、１、λｇ、２、λｇ、３とし、動作温度によらず、λｇ、１＞λｇ、２＞λｇ、３である。図中、一点鎖線は、それぞれ井戸層の価電子帯側の基底量子準位と伝導帯側の基底量子準位を示す。また、説明を簡略化するために、図中のキャリアの分布は、動作温度の増加の上昇に伴う注入キャリア増加を考慮せずに表されている。
　図４Ａに示すように、動作温度が低いとき（Ｔ＝Ｔ１）、量子準位波長が長いｐ側井戸層１２１では価電子帯のバンド不連続が大きいので、ｐ型領域側から注入された正孔（図４Ａ中、矢印３）は、一部はｎ側井戸層１２３に向けて移動するものの（図中４Ａ、矢印５）、障壁を乗り越えられずにｐ側井戸層１２１に留まる確率が高いために、ｐ側井戸層１２１での正孔の密度が高くなる。
　一方、ｎ型領域側からｎ側井戸層１２３に注入された電子（図４Ａ中、矢印４）は、井戸層１２１～１２３間を容易に移動でき、電気的に正孔に引き寄せられる（図中４Ａ中、矢印６）。その結果、電子の密度は、正孔の密度が大きい井戸層１２１で増加する。
　このように、正孔１、電子２ともにｐ側井戸層１２１に集中する傾向にあり、すなわち、正孔１、電子２ともに量子準位波長が長い井戸層１２１に集中する傾向にあり、井戸層１２１～１２３でキャリアの不均一な密度分布が生じる。
　図４Ｂ、Ｃそれぞれに示すように、動作温度がＴ１からＴ２、Ｔ３と上昇するとき、正孔１はｐ側井戸層１２１からｎ側井戸層１２２、１２３へと移動し、電子２も正孔１とともに移動する。その結果、動作温度の上昇により井戸層１２１～１２３ごとのキャリア密度の不均一な分布が改善され、井戸層１２１～１２３間でキャリアが均一になるように変化する。このように、量子準位波長が短い井戸層１２２、１２３に存在する電子２も正孔１が増加する。
　このように、動作温度が上昇するとき、上述の量子準位波長の長波長化、注入キャリアの増加に伴う利得ピーク波長の短波長化とともに、井戸層１２１～１２３間における正孔１の移動が変化し、各井戸層１２１～１２３での正孔１と電子２の分布状態が変化する。その結果、動作温度の上昇により、量子準位波長が短い井戸層に存在するキャリアが増加する。
　このときの発振直前での各井戸層１２１～１２３の利得スペクトルの変化を、図５Ａ～Ｃに模式的に示す。図中、利得が正の場合は発光、負の場合は吸収を示し、活性層全体としての利得は各井戸層１２１～１２３の利得を足し合わせたものである。
　井戸層１２１～１２３の量子準位波長をｐ側井戸層１２１から順にλｇ、１、λｇ、２、λｇ、３とするとき、動作温度によらず、λｇ、１＞λｇ、２＞λｇ、３である。これは、井戸層の組成が大きく変化しない限り、式（１）におけるαとβは各井戸層で大きく変化しないためである。また、井戸層の組成が大きく変化しない限り、動作温度によらず、λｇ、１、λｇ、２、λｇ、３の波長間隔が大きく変化しない。
　各井戸層１２１～１２３の利得波長をｐ側井戸層１２１から順にｇｐ、１、ｇｐ、２、ｇｐ、３とする。利得波長は動作温度だけでなく、注入されるキャリア密度によっても変化する。活性層全体の利得は、各井戸層１２１～１２３の利得の総和であり、利得の総和によるピーク波長（以下、「全体の利得波長」という。）をｇＡＬＬとする。
　動作温度が低いとき（Ｔ＝Ｔ１）、ｐ側井戸層１２１でのキャリア密度が高いために、活性層全体の利得におけるｐ型領域１５側、すなわち量子準位波長が長い井戸層１２１の利得の割合が大きい。その結果、全体の利得波長ｇＡＬＬは、ｐ側井戸層の利得波長ｇｐ、１に近くなる。
　動作温度が上昇するとき（Ｔ＝Ｔ２、Ｔ３）、キャリア密度はｐ側井戸層１２１だけでなくｎ型領域１４に近い井戸層１２２、１２３でも増加するため、活性層全体の利得では井戸層１２２、１２３の利得の割合が増加する。その結果、全体の利得波長ｇＡＬＬは、ｐ側井戸層１２１の利得波長ｇｐ、１からｎ型領域１４に近い井戸層１２２、１２３の利得波長ｇｐ、２、ｇｐ、３に向けてシフトする。
　このように、温度が上昇するとき、活性層全体の利得に占めるｎ型領域１４に近い井戸層１２２、１２３の利得の割合が増加する。その結果、全体の利得波長ｇＡＬＬは、動作温度が低いときはｐ側井戸層１２１の利得波長ｇｐ、１に近く、動作温度が上昇するとｎ型領域１４に近い井戸層１２２、１２３の利得波長ｇｐ、２、ｇｐ、３に近づく。
　本実施の形態では、ｐ側井戸層１２１の量子準位波長に比べてｎ型領域１４に近い井戸層１２２、１２３の量子準位波長が短波長なので、動作温度の上昇時にｎ型領域１４に近い井戸層１２２、１２３の発光すなわち短波長での発光が増加するので、活性層全体の利得波長が短波長側にシフトし、長波長側へのシフトが抑制される。
　したがって、本実施の形態に係る半導体レーザによれば、従来の半導体レーザに比べて、動作温度の変化時の発振波長の変化を抑制できる。
　これにより、本実施の形態に係る半導体レーザ、とくに分布帰還型レーザでは、温度の上昇による利得波長の長波長へのシフトが抑制されるので、利得波長と回折格子により設定される所望の発振波長との差が増加せず、発振波長付近で大きな利得を得ることができる。その結果、高温でしきい値電流の増加や効率の低下を抑制でき、良好なレーザ特性を得ることができる。
　本実施の形態に係る半導体レーザ１０では、各井戸層１２１～１２３で異なる利得波長を有するので、活性層全体の利得のピーク幅が増加する傾向、すなわち利得が広い波長範囲に分布する傾向にある。その結果、所望の発振波長において活性層全体の利得が低減して、レーザ特性の劣化、例えば、しきい値電流の上昇や効率（注入電流に対する光出力の変化率）の低下が起きる可能性がある。
　このレーザ特性の劣化を抑制するためには、各井戸層１２１～１２３からの利得ピークを重複させ、所望の発振波長において活性層全体の利得を増加させる必要がある。そこで、ｐ側井戸層１２１の利得波長（利得ピーク）とｎ側井戸層１２３の利得波長（利得ピーク）との間隔が狭くなるように設定されることが望ましい。
　一方、ｐ側井戸層１２１の利得波長（利得ピーク）とｎ側井戸層１２３の利得波長（利得ピーク）との間隔が狭くすると、温度変化に対する波長変化を抑制する効果が低下する。
　そこで、ｐ側井戸層１２１の利得波長（利得ピーク）とｎ側井戸層１２３の利得波長（利得ピーク）との間隔が適切な波長範囲に設定されることが望ましい。
　ここで、各井戸層１２１～１２３の利得波長の間隔は、極端なキャリアの不均一な分布が生じない限り、量子準位波長の間隔と同程度である。そこで、ｐ側井戸層１２１とｎ側井戸層１２３の量子準位波長の間隔を適切に設定することで、各井戸層１２１～１２３の利得を重複させることができ、所望の発振波長において活性層全体の利得を増加できる。
　本実施の形態では、量子準位波長が井戸層ごとに異なるため、ｐ側井戸層１２１とｎ側井戸層１２３の量子準位波長の間隔は０ｎｍより大きい。
　一方、ｐ側井戸層１２１とｎ側井戸層１２３の量子準位波長の間隔が広すぎると、各井戸層で利得が重複する部分（波長範囲）が小さくなるとともに、レーザ発振に寄与しない井戸層が生じる。各井戸層の利得が重複するか否かは、各井戸層の利得スペクトルの形状に依存する。各井戸層の利得の波長範囲（利得ピークの幅）が４０ｎｍあれば、大きな利得を維持することが可能である（例えば、N. Nonoy et al., “Tunable distributed amplification (TDA-) DFB lasers with asymmetric structure,” IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron., Vol. 17, No. 6, 2011, 1505-1512.）。そこで、ｐ側井戸層１２１の利得波長とｎ側井戸層１２３の利得波長が４０ｎｍの波長範囲内で正の領域（発光の領域）にあれば、すべての井戸層がレーザ発振に寄与できる。
　上述のように、極端なキャリアの不均一な分布が生じない限り、各井戸層の利得波長の間隔が量子準位波長の間隔と同程度である。そこで、ｎ側井戸層１２３の量子準位波長をｐ側井戸層１２１の量子準位波長から４０ｎｍの波長範囲内に設定することにより、発振波長において各井戸層からの利得ピークを重複できる。
　このように、本実施の形態におけるＭＱＷにおいて、ｐ型領域側の井戸層の量子準位波長とｎ型領域側の井戸層の量子準位波長との間隔が０ｎｍより大きく４０ｎｍ以下に設定されることが望ましい。これにより、所望の発振波長において各井戸層からの利得ピークを重複でき、利得の低減を抑制でき、レーザ特性の劣化を抑制できる。
　本実施の形態に係る半導体レーザによれば、ペルチェ素子等の温度調整素子を用いずに温度変化に対するレーザ特性の変化を抑制できる。これにより、半導体レーザを小型化でき、ガスセンシング分野等で小型軽量のモバイルシステムを実現できる。
＜第１の実施例＞
　次に、本発明の第１の実施例に係る半導体レーザについて、図６～図８を参照して説明する。
＜半導体レーザの構成＞
　本実施例に係る半導体レーザ３０はファブリペローレーザであり、図６に示すように、順に、ｎ型ＩｎＰ基板３４１と、ｎ型ＩｎＰ３４２と、組成波長が１．１７μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３４３と、４層のＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層３２１～３２４と５層のＩｎＧａＡｓＳｂ障壁層３３からなるＭＱＷ３１と、組成波長が１．１７μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３５１と、ｐ型ＩｎＰクラッド層３５２と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３５３を備える。さらに、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３５３の表面にｐ型電極３６２と、ＩｎＰ基板３４１の裏面にｎ型電極３６１とを備える。
＜半導体レーザの製造方法＞
　以下に、本実施例に係る半導体レーザ３０の製造方法の一例を説明する。
　初めに、有機金属分子線エピタキシー法により、ｎ型ＩｎＰ基板３４１上に、順に、ｎ型ＩｎＰ３４２と、組成波長が１．１７μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３４３と、４層のＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層３２１～３２４と５層のＩｎＧａＡｓＳｂ障壁層３３からなるＭＱＷ３１と、組成波長が１．１７μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３５１と、ｐ型ＩｎＰクラッド層３５２の一部とを成長する。このとき、４層の井戸層３２１～３２４の成長において、Ａｓを供給するガスの流量とＳｂを供給するガスの流量はそれぞれａ１、ｂ１であり同等である。また、５層の障壁層３２の成長において、Ａｓを供給するガスの流量とＳｂを供給するガスの流量はそれぞれａ２、ｂ２であり同等である。
　ここで、Ｓｂを含む材料では、結晶成長時にＳｂが表面偏析を起こし、その上に成長する膜中に取り込まれる（例えば、Ｏ．　Ｐｉｔｔｓ　ｅｔ　ａｌ．，　“Ａｎｔｉｍｏｎｙ　ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ　ｉｎ　ＧａＡｓ－ｂａｓｅｄ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｑｕａｎｔｕｍ　ｗｅｌｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，”　Ｊ．　Ｃｒｙｓｔ．　Ｇｒｏｗｔｈ，　Ｖｏｌ．　２５４，　２００３，　２８－３４．）。ＭＱＷ３１におけるＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層３２１～３２４において、成長表面側のｐ型ＩｎＰクラッド層３５２側の井戸層（例えば、井戸層３２１）ほどＳｂの表面偏析の影響が大きくなり、井戸層中のＳｂのモル組成比が大きくなる。このＳｂのモル組成比の変化により、ｐ型ＩｎＰクラッド層３５２側のＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層（例えば、井戸層３２１）では、ｎ型ＩｎＰ層３４２側のＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層（例えば、井戸層３２４）よりも量子準位波長が長くなる。
　図６のＭＱＷ３１の場合、ｐ型ＩｎＰクラッド層３５２側のＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層（例えば、井戸層３２１）は、ｎ型ＩｎＰ層３４２側のＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層（例えば、井戸層３２４）と比べて量子準位波長が１０ｎｍ程度長いと考えられる。
　次に、ｐ型ＩｎＰクラッド層３５２の一部の上に、有機金属気相エピタキシー法により、ｐ型ＩｎＰクラッド層３５２の残りの部分とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３５３を成長する。
　次に、ドライエッチングとウェットエッチングを用いて、ｐ型ＩｎＰクラッド層３５２とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３５３をストライプ幅が２．５μｍのメサ構造に加工する。
　次に、メサ構造の表面（ｐ型ＩｎＰクラッド層３５２とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３５３）とＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３５１の表面にシリコン酸化膜を蒸着した後、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３５３上のシリコン酸化膜を除去する。
　次に、シリコン酸化膜を除去されて露出されたｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３５３にｐ型電極３６２を形成する。
　次に、ｎ型ＩｎＰ基板３４１の裏面を研磨した後、裏面にｎ型電極３６１を形成する。
　最後に、劈開により共振器を形成して、リッジ導波路構造のファブリペローレーザを作製する。ここで、共振器長は６００μｍである。
　図７に、半導体レーザ３０の発振スペクトルの温度変化を示す。半導体レーザ３０を注入電流４０ｍＡで連続発振動作させた。動作温度は、１５℃、２５℃、３５℃、４５℃である。
　発振波長は、動作温度１５℃で２．１８６μｍ、動作温度４５℃で２．１９０μｍであり、温度による波長の変化率は０．１３ｎｍ／Ｋである。この波長の変化率は、図１０で示したような一般的なファブリペローレーザの変化率（～０．４ｎｍ／Ｋ）では実現困難な小さい値であり、分布帰還型レーザの変化率（～０．１ｎｍ／Ｋ）に近い。
　このように、本実施例に係る半導体レーザ３０において、温度による発振波長の変化率は小さい。このとき、活性層全体の利得において、低い動作温度では、ｐ型ＩｎＰクラッド層近傍のＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層の寄与が大きい。動作温度が上昇すると、ｎ型ＩｎＰ層３４２近傍量子準位波長が短いＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層の寄与が増加する。これにより、温度上昇にともなう発振波長の長波長側へのシフトが抑制され、温度による波長の変化率が低減される。
　図８に、半導体レーザ３０の電流－光出力特性の温度変化を示す。しきい値電流は、動作温度１５℃で２１ｍＡ、動作温度３５℃で３１ｍＡであり、動作温度の上昇によるしきい値電流の増加が抑制されている。また、効率（注入電流による両端面からの光出力の変化率）は、動作温度によらず０．０８Ｗ／Ａ程度あり、動作温度の上昇による効率の低下も抑制されている。動作温度の上昇時の効率の低下の抑制は、いずれの動作温度でも各井戸層間で利得ピークが重複していることによると考えられる。
　本実施例に係る半導体レーザによれば、温度変化に対する発振波長の変化を抑制できる。また、温度変化に対するレーザ特性の変化を抑制でき、レーザの温度特性を向上できる。
　また、本実施例では、井戸層と障壁層にＩｎＧａＡｓＳｂを用い、発振波長が２μｍを超えるレーザの例を示したが、井戸層と障壁層の材料はＩｎＧａＡｓＳｂに限られるものではなく、発振波長が２μｍを超えるレーザに限らない。具体的には、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓなどＩｎＰ基板上で成長可能で、組成によりバンドギャップを変えることができる材料であれば良く、発振波長もＩｎＰ基板上で実現できる波長であればよい。
　また、本実施例では、Ｓｂの表面偏析を利用して、自動的にＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層の量子準位波長がｐ型領域近傍の井戸層ほど長波長になる例を示したが、これに限らず、原料供給量を調整して組成比を変化させてもよい。原料供給量を調整して組成比を変化させる方法は、特にＳｂを含まない井戸層を用いる場合に有効である。この場合、量子準位波長が異なる井戸層ごとに個別に作製（成長）した試料について組成を評価して井戸層の成長条件を決定した後にデバイスを作製してもよく、デバイスを作製した後に二次イオン質量分析等を用いて井戸層の組成を評価してもよい。
　また、本実施例では、井戸層の組成を変えることにより量子準位波長を変化させる例を示したが、これに限らない。井戸層の量子準位波長は井戸層の層厚の変化により量子準位波長を変化させてもよい。また、井戸層の組成と層厚の両方を変化させてもよい。井戸層の層厚を変化させる場合、ＩｎＡｓなどの２元混晶を井戸層に用いてもよい。
　また、本実施例では、レーザ構造にリッジ導波路構造のファブリペローレーザを用いる例を示したが、埋め込み型構造でもよく、分布帰還型レーザでもよい。
＜第２の実施例＞
　本発明の第２の実施例に係る半導体レーザについて、図９を参照して説明する。
＜半導体レーザの構成＞
　本実施例に係る半導体レーザ４０は分布帰還型レーザであり、図９に示すように、順に、ｎ型ＩｎＰ基板４４１と、ｎ型ＩｎＰ４４２、組成波長が１．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層４４３と、６層のＩｎＡｓＰ井戸層４２１～４２６と７層のＩｎＧａＡｓＰ障壁層４３からなるＭＱＷ４１と、組成波長が１．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層４５１と、ｐ型ＩｎＰクラッド層４５２と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層４５３とを備える。さらに、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層４５３の表面にｐ型電極４６２と、ＩｎＰ基板４４１の裏面にｎ型電極４６１とを備える。また、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層４５１と、ｐ型ＩｎＰクラッド層４５２との間に回折格子４７が形成される。
　ＭＱＷ１３のＩｎＡｓＰ井戸層４２６からＩｎＡｓＰ井戸層４２１まで、順に、井戸層の層厚が増加する。ここで、ＩｎＡｓＰ井戸層４２１～４２６で組成は同等である。
　また、７層のＩｎＧａＡｓＰ障壁層４３において、組成、層厚は同等である。
＜半導体レーザの製造方法＞
　以下に、本実施例に係る半導体レーザ４０の製造方法の一例を説明する。
　初めに、有機金属気相エピタキシー法により、ｎ型ＩｎＰ基板４４１上に、順に、ｎ型ＩｎＰ４４２、組成波長が１．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層４４３と、６層のＩｎＡｓＰ井戸層４２１～４２６と７層のＩｎＧａＡｓＰ障壁層４３からなるＭＱＷ４１と、組成波長が１．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層４５１と、ＩｎＰ保護層（図示せず）とを成長する。
　ここで、ＭＱＷ４１に含まれるＩｎＡｓＰ井戸層４２１～４２６は、ｎ型ＩｎＰ基板４４１側のＩｎＡｓＰ井戸層４２６からｐ型ＩｎＰクラッド層４５２側のＩｎＡｓＰ井戸層４２１まで井戸層の成長時間を段階的に増加させることにより、成長の進行にともない、ＩｎＡｓＰ井戸層４２６からＩｎＡｓＰ井戸層４２１まで順にＩｎＡｓＰ井戸層の膜厚を増加させる。これにより、井戸層の膜厚を増加にともない、ＩｎＡｓＰ井戸層４２６からＩｎＡｓＰ井戸層４２１まで、量子準位波長が１．２９５μｍから１．３２μｍまで増加させる。
　次に、上記の層構造が成長された結晶（ウェハ）を成長装置から取り出して、ＩｎＰ保護層を除去し、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層４５１の表面に電子ビーム露光とウェットエッチングを用いて、１次の回折光の波長が１．３μｍ付近となる回折格子４７を形成する。
　次に、上記の回折格子４７が形成されたＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層４５１の表面に、有機金属気相エピタキシー法により、ｐ型ＩｎＰクラッド層４５２と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層４５３とを成長する。
　次に、第１の実施例と同様に、ストライプ幅が１．５μｍのリッジ導波路構造を作製する。
　最後に、劈開により共振器を形成した後に、一方の端面に高反射率膜を形成し、他方の端面に低反射率膜を形成する。ここで、共振器長は３００μｍである。
　このように、本実施例に係る半導体レーザ（分布帰還型レーザ）４０を作製する。
　本実施例に係る半導体レーザ（分布帰還型レーザ）４０の発振しきい値電流は、動作温度２５℃で１２ｍＡ、動作温度８５℃で２６ｍＡであり、しきい値電流の特性温度は７９Ｋである。
　比較のために、一定の成長時間で成長された井戸層を有し、量子準位波長が１．３１μｍであるＭＱＷを備えた分布帰還型レーザが作製された。井戸層以外の構成は半導体レーザ（分布帰還型レーザ）４０と同じである。
　比較用の半導体レーザの発振しきい値電流は、動作温度２５℃で１０ｍＡ、動作温度８５℃で２６ｍＡであり、しきい値電流の特性温度は６４Ｋである。
　このように、半導体レーザ（分布帰還型レーザ）４０では、動作温度２５℃でのしきい値電流が比較用の半導体レーザよりも高いにもかかわらず、動作温度８５℃で同程度になり特性温度も高い。これは、分布帰還型レーザでは温度の上昇による利得波長の長波長へのシフトが抑制されるので、利得波長と回折格子により設定される所望の発振波長との差が増加せず、発振波長付近で大きな利得を得ることができるためである。
　このように、本実施例に係る半導体レーザによれば、温度変化による利得波長の変化を抑制でき、レーザの温度特性を向上できる。
　本実施例では、レーザ構造にリッジ導波路構造の分布帰還型レーザを用いる例を示したが、埋め込み型構造でもよく、ファブリペローレーザでもよい。
　本発明の実施の形態および実施例では、ＭＱＷにおける井戸層数が３、４又は６とする例を示したが、これに限らず、複数の井戸層を有すればよい。具体的には、動作させる温度範囲が狭い場合は、井戸層数は２でもよい。または、動作させる温度範囲が広い場合や価電子帯のバンド不連続が大きい場合は、井戸層数を増やせばよい。ただし、キャリアがポテンシャル障壁を超えるときに損失が生じる可能性が高いので、必要以上に井戸層数を増加させることは好ましくない。具体的には、通常のＭＱＷを用いたレーザと同様、井戸層数は１０以下であることが望ましい。
　本発明の実施の形態および実施例では、ＭＱＷにおいて、ｎ側井戸層からｐ側井戸層まで、順に、量子準位波長が長くなる例を示したが、これに限らない。ＭＱＷにおいて、ｐ側井戸層を除く井戸層のうち少なくとも１層の井戸層の量子準位波長が、ｐ側井戸層の量子準位波長より短い構成であればよい。例えば、８層の井戸層を有するＭＱＷにおいて、ｎ側井戸層から３番目の井戸層の量子準位波長がｐ側井戸層の量子準位波長より短く、他の井戸層の量子準位波長がｐ側井戸層の量子準位波長と同等である構成でもよい。
　本発明の実施の形態では、多重量子井戸構造および半導体レーザの構成、製造方法などにおいて、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。多重量子井戸構造および半導体レーザの製造方法の機能を発揮し効果を奏するものであればよい。
  本発明は、多重量子井戸構造および半導体レーザに関するものであり、光通信システムやガスセンシングシステム等に適用することができる。
１０　半導体レーザ
１１　多重量子井戸構造
１２１、１２２，１２３　井戸層
１３　障壁層

Claims (8)

  1. 　半導体レーザにおいてｐ型半導体とｎ型半導体との間に配置される多重量子井戸構造であって、
    　複数の井戸層と、
    　前記複数の井戸層より組成波長が短い複数の障壁層と
    　を備え、
    　前記複数の井戸層において、前記ｐ型半導体に最も近いｐ側井戸層を除く井戸層のうち少なくとも１層の井戸層の量子準位波長が、前記ｐ側井戸層の量子準位波長より短い
    　ことを特徴とする多重量子井戸構造。
  2. 　前記複数の井戸層において、前記ｐ側井戸層の量子準位波長と、前記ｎ型半導体に最も近いｎ側井戸層の量子準位波長の間隔が、０ｎｍより広く４０ｎｍ以下である
    　ことを特徴とする請求項１に記載の多重量子井戸構造。
  3. 　前記ｐ側井戸層を除く井戸層のうち少なくとも１層の井戸層と、前記ｐ側井戸層とにおいて、組成と層厚との少なくともいずれか一方または両方が異なること
    　ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の多重量子井戸構造。
  4. 　前記複数の井戸層において、前記ｎ型半導体に最も近いｎ側井戸層から前記ｐ側井戸層まで、順に、量子準位波長が長くなること
    　ことを特徴とする請求項１に記載の多重量子井戸構造。
  5. 　前記井戸層がＩｎＧａＡｓＳｂであって、前記ｎ型半導体に最も近いｎ側井戸層から前記ｐ側井戸層まで、順に、Ｓｂの含有量が増加する
    　ことを特徴とする請求項１に記載の多重量子井戸構造。
  6. 　請求項１に記載の多重量子井戸構造を
    　備える半導体レーザ。
  7. 　温度の増加にともない、前記ｎ型半導体に最も近いｎ側井戸層に存在する正孔と電子が増加し、前記多重量子井戸構造全体の利得波長が、井戸層それぞれの量子準位波長が同等である多重量子井戸構造の利得波長に比べて、短波長側にシフトする
    　ことを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ。
  8. 　半導体レーザに用いる多重量子井戸構造の製造方法であって、
    　ｎ型ＩｎＰ基板を用いて、順に、
    　複数のＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層と、前記ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層より組成波長が短い複数のＩｎＧａＡｓＳｂ障壁層とからなる前記多重量子井戸構造を結晶成長するステップと、
    　ｐ型ＩｎＰクラッド層を結晶成長するステップと
    　を備え、
    　前記ＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層それぞれを成長するときのＡｓの供給量とＳｂの供給量が同等であり、
    　前記ｎ型ＩｎＰ基板に最も近いＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層から前記ｐ型ＩｎＰクラッド層に最も近いＩｎＧａＡｓＳｂ井戸層まで、順に、Ｓｂの含有量が増加する
    　ことを特徴とする多重量子井戸構造の製造方法。
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