JP3249999B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、多重量子井戸構造の
活性層を有する高出力の半導体レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザ装置は、各種のレーザの中
でも大きさが微小なため、各種の装置に組み込みやすい
という大きな特徴を備えており、広範囲な応用例を有し
ている。その高性能化を一層進めるためには、低しきい
値化と高出力化が課題として挙げられる。これらの課題
のため、活性層に多重量子井戸構造を用いた、注入型の
半導体レーザ装置がある。

【０００３】図７は、注入型の半導体レーザ装置の構成
を示す断面図である。同図において、１はｎ型のＩｎＰ
からなる基板、２は基板１上にＭＯＣＶＤ法などにより
形成されたｎ型のＩｎＰからなる下部クラッド層、３は
同様にして下部クラッド層２上に形成されたＩｎＧａＡ
ｓＰからなる下部ガイド層である。また、４ａはＩｎＧ
ａＡｓＰからなる量子井戸層とそれよりＰが多いなどに
よりバンドギャップが広いＩｎＧａＡｓＰからなる障壁
層とが複数形成された多重量子井戸構造となっている活
性層、５は活性層４ａ上に形成されたＩｎＧａＡｓＰか
らなる上部ガイド層、６はｐ型のＩｎＰからなる上部ク
ラッド層、７はｐ型のＩｎＧａＡｓＰからなるキャップ
層である。そして、８は下部電極、９は上部電極であ
る。

【０００４】この半導体レーザ装置において、上部電極
９に（＋）、下部電極８に（−）の順方向電圧を印加す
ることで、上部クラッド層６などのｐ型領域より活性層
４ａに対して正孔が注入され、下部クラッド層２などの
ｎ型領域より活性層４ａに対して電子が注入される。そ
して、活性層４ａとｐ型領域およびｎ型領域との間に
は、バンドギャップ差に基づく電位障壁が形成され、活
性層４ａに電子および正孔が閉じ込められる。これらの
密度はわずかな電流で高くなり、光の増幅（誘導放出）
が生じやすい状態となり、そして、活性層４ａにおいて
レーザが発振する。

【０００５】このような半導体レーザ装置において、多
重量子井戸構造は、発振しきい値電流密度を低減化する
なかで、活性層の厚みを極限まで薄くできるという効果
がある。そして、これらのみならず、量子井戸構造にお
いては、電子や正孔が量子力学的な波動としての振る舞
いを示すことから、半導体レーザ装置のさらなる高性能
化に大きな効果をもたらしている。ここで、このような
半導体レーザ装置においては、多重量子井戸構造の量子
井戸の層数を増加させることで、実効的な光電変換部の
体積を増加させることができ、高出力化が期待できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
多重量子井戸構造では、以下に示すような原因により、
量子井戸層の層数を増加させても、この層数がある程度
以上になると、期待どおりの高出力化が得られないとい
う問題があった。多重量子井戸構造において、その量子
井戸層数がある程度以上となっていくと、正孔の分布が
一様でなくなっていく。これは、正孔が電子に比較して
その有効質量がかなり大きく、拡散長が短いためであ
る。

【０００７】そして、このために、多重量子井戸構造の
量子井戸層数を増加させると、ｐ型領域から注入された
正孔が、活性層の中で全ての量子井戸層に行き渡り難く
なり、ｎ型領域近くの量子井戸層には、正孔が注入され
難くなる。このことは、キャリアの注入効率の低下や、
光学的損失の増加を招くものであり、高出力化の妨げと
なっていた。

【０００８】この発明は、以上のような問題点を解消す
るためになされたものであり、多重量子井戸構造の活性
層を有する半導体レーザ装置において、量子井戸層の層
数を増やして、高出力化ができるようにすることを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明の半導体レーザ
装置は、活性層を構成する障壁層中に、それよりバンド
ギャップが小さい材料からなる中間層を有し、この中間
層の量子準位が障壁層より小さく活性層を構成する量子
井戸層の量子準位より高く、量子井戸層は、ｎ型半導体
領域側よりｐ型半導体領域側になるにつれて、それぞれ
の量子準位が一致した状態でその膜厚が薄くなっていく
ことを特徴とする。

【００１０】

【作用】量子井戸層の膜厚やバンドギャップをｎ型半導
体領域側よりｐ型半導体領域側にかけて変化させるよう
にしたので、ｐ型半導体領域側の量子井戸層における注
入された正孔の捕獲確率が低くなる。また、障壁層の膜
厚やバンドギャップをｎ型半導体領域側よりｐ型半導体
領域側にかけて変化させるようにしたので、ｐ型半導体
領域側の障壁層における正孔のトンネリングの確率が高
くなる。そして、障壁層中に、中間層を設けるようにし
たので、ｐ型半導体領域側の障壁層における正孔のトン
ネリングの確率が高くなる。

【００１１】

【実施例】まず、この発明の１実施例の説明の前に、本
発明の概要について説明する。量子井戸構造内でのキャ
リア（電子，正孔）の挙動は、拡散方程式で取り扱うこ
とができ、正孔は量子井戸構造内をｐ型領域からｎ型領
域へ拡散する。正孔の拡散には複数の過程が考えられ、
量子井戸層で捕獲される確率と量子井戸層に捕獲された
ものが一部障壁層に染み出し、隣の量子井戸層にトンネ
リングする確率が含まれる。正孔が量子井戸層に捕らわ
れる捕獲確率は、その量子井戸層の膜厚に関係し、厚い
ほどその捕獲確率が大きいことが知られている。

【００１２】ここで、正孔がｐ型領域からｎ型領域へ拡
散することを助長させるための手段の１つとして、例え
ば量子井戸層の膜厚をそれぞれ異なるものにし、ｐ型領
域の近くの層はその膜厚を最小として正孔の捕獲確率を
低減する。この場合、各量子井戸層は、ｐ型領域からｎ
型領域に近づくに従って、遷移波長が短波長化するよう
にして量子準位を一致させ、それぞれの発振波長が一致
するようにする。このことによって、発振波長を単一に
保ったまま、ｎ型領域に近い部分に正孔が分布する確率
を増加させる作用を与える。

【００１３】また、同様な作用を得られる手段として、
障壁層の膜厚をそれぞれ異なるものとし、ｐ型半導体領
域の近くの層の膜厚を最小とし、ｎ型領域に近づくに従
ってその膜厚を厚くするようにしてもよい。この場合、
量子井戸内の正孔が染み出して隣の量子井戸層へトンネ
リングする確率を、ｐ型領域に近いほど高くしておくこ
とになり、正孔の拡散を助長することになる。

【００１４】さらに同様な作用を得られる手段として、
障壁層を構成する材料の組成比をそれぞれ異なるものと
するようにしても良い。この場合、ｐ型領域に近い障壁
層ほど、その障壁エネルギーを低くするように、バンド
ギャップが小さくなるような組成比とすればよい。正孔
は、障壁エネルギーが低いほど、隣の量子井戸層に拡散
しやすくなり、結果として、多重量子井戸構造の活性層
内におけるｎ型領域近傍への正孔の拡散過程を助長する
ことになる。

【００１５】本発明の一形態では、上述と同様な作用を
得られる手段として、量子障壁層に極めて薄い中間層を
設けるようにした。これによれば、正孔がｎ型領域に拡
散しやすい作用を与えることができる。一般に、量子井
戸構造内のキャリアの存在確率は量子井戸層内にほとん
ど集中するが、前述したように、これら正孔の一部が障
壁層へ染み出し、この染み出した正孔がある一定の割合
で隣の量子井戸層へトンネリングする。ここで、障壁層
中に、この障壁層よりバンドギャップエネルギーが小さ
く、かつ、量子準位の低い中間層を設けておくと、その
トンネリングの確率をより高くすることができる。な
お、この中間層の量子準位は量子井戸層よりは高いもの
である。

【００１６】バンドギャップエネルギーが小さい材料、
例えば量子井戸層に用いる材料における量子準位は、そ
の厚さによって変化するものであり、薄いほど高いもの
となる。すなわち、障壁層の中に形成する中間層とし
て、例えば、より薄い量子井戸層を設けるようにすれば
よい。以上のことにより、正孔がｐ型領域からｎ型領域
へ拡散することを助長し、多重量子井戸構造の活性層内
におけるｎ型領域近傍への正孔の拡散過程を助長するこ
とになる。ただし、この中間層は幅が狭く、電子の量子
準位が障壁層における電子の量子準位とほぼ一致するた
め、量子井戸層とは異なり、レーザ発振には寄与しな
い。

【００１７】以下この発明の１実施例を図を参照して説
明する。図１は、多重量子井戸構造の活性層におけるバ
ンドギャップの状態を示す説明図である。同図におい
て、同一符号は図７と同様であり、４１ａ〜４１ｅは活
性層４を構成するＩｎＧａＡｓＰからなる量子井戸層で
ある。また、４２は、量子井戸層４１ａ〜４１ｅよりは
バンドギャップが広いＩｎＧａＡｓＰからなり、活性層
４を構成する膜厚１０ｎｍの障壁層である。

【００１８】そして、膜厚が、量子井戸層４１ａは３．
５ｎｍ、量子井戸層４１ｂは４．５ｎｍ、量子井戸層４
１ｃは５．５ｎｍ、量子井戸層４１ｄは６．５ｎｍ、量
子井戸層４１ｅは７．５ｎｍである。また、量子井戸層
４１ａ〜４１ｅは、ｎ型領域である下部ガイド層３に近
いほどバンドギャップを広げるようにして、それぞれの
量子準位が等しくなるようにすることで、その発振波長
が一致するようにしている。このバンドギャップを広げ
るためには、例えばＰの組成比を多くするようにすれば
よい。

【００１９】以上の構成で、共振器長を５００μｍと
し、発振するレーザの室温における特性を調べた。この
結果、発振波長は１．５３μｍであり、図２の相関図に
実線で示すように、注入電流の増加に対して、光出力も
増加している。そして、図２において、破線で示す従来
構成の半導体レーザ装置の特性に比較して、高出力とな
っていることが分かる。

【００２０】ところで、上述においては、量子井戸層を
ｐ型領域側よりｎ型領域側へとその状態を変化させるよ
うにしたが、これに限るものではない。図３に示すよう
に、まず、膜厚６ｎｍの量子井戸層４１は、上部ガイド
層５側から下部ガイド層３側にかけて、膜厚など同一の
特性としておく。そして、膜厚１０ｎｍの障壁層４２ａ
〜４２ｃは、上部ガイド層３側ほど、そのバンドギャッ
プが小さくなるように構成してある。このように構成す
ることで、活性層４の上部ガイド層５側では、このｐ型
領域から注入される正孔の拡散を助長することになる。
そして、活性層４では、下部ガイド層３近くまで正孔が
注入されやすくなる。

【００２１】また、障壁層の厚さをｐ型領域に近いほど
薄くするようにしても良い。図４に示すように、障壁層
４２ａ’〜４２ｃ’を、上部ガイド層５側より下部ガイ
ド層３側にかけて、その膜厚が４ｎｍから１０ｎｍまで
変化するように構成する。このことにより、活性層４の
ｐ型領域である上部ガイド層５側では、トンネリングに
より正孔が障壁層を通り抜ける確率が高くなり、下部ガ
イド層３近くまで正孔が注入されやすくなる。

【００２２】図５は、この発明の実施例における、多重
量子井戸構造の活性層におけるバンドギャップの状態を
示す説明図である。同図において、同一符号は、図１と
同様であり、４１はＩｎＧａＡｓＰからなる膜厚５．５
ｎｍの活性層４を構成する量子井戸層である。また、４
２’は中間層５１が挿入された膜厚１３ｎｍの障壁層で
ある。中間層５１は量子井戸層４１と同一材料により形
成し、その膜厚を２ｎｍとする。そして、２つの中間層
５１を３ｎｍの間隔をあけて、均等に障壁層４２’内に
配置する。

【００２３】この結果、障壁層４２’の中に、量子準位
の低い部分が形成される。すなわち、中間層５１におけ
る電子の量子準位５２ａは、障壁層４２’の量子準位よ
りも低く、正孔の量子準位５２ｂも障壁層のそれより低
い。ただし、電子の量子準位５２ａは量子井戸４１にお
ける電子の量子準位５３ａより高く、また、正孔の量子
準位５２ｂも量子井戸４１における正孔の量子準位５３
ｂより高くしておく。これは、バンドギャップのせまい
材料が、形成膜厚に依存してその量子準位を変化させる
特性を利用したものである。膜厚が薄いほど量子準位は
高くなり、障壁層のそれに近づく。

【００２４】このように、障壁層４２’の中に、量子準
位の低くなった領域を設けておくことで、障壁層４２’
における正孔のトンネリングの確率が高くなり、結果と
して、ｎ型領域側の量子井戸層４１にまで正孔が注入さ
れやすくなる。以上の構成で、共振器長を５００μｍと
し、発振するレーザの室温における特性を調べた。この
結果、発振波長は１．５３μｍであり、前述と同様に、
注入電流の増加に対して光出力も増加し、従来構成の半
導体レーザ装置の特性に比較して、より高出力となっ
た。

【００２５】ここで、その中間層の厚さを変化させたと
きの、光出力の変化の状態を調べた。図６は、その結果
を示す特性図である。ここでは、１つの障壁層全体の厚
さは１３ｎｍと一定にして、中間層の厚さを変化させ
た。例えば、中間層の厚さが１ｎｍの場合、障壁層内に
２つの中間層を１１／３ｎｍの間隔で均一に配置した。

【００２６】この結果、中間層の厚さが１〜２．５ｎｍ
の範囲である場合に、効果を発揮していることが分か
る。中間層の厚さが２．５ｎｍ以上に厚くなると量子準
位が低くなり、量子井戸層の量子準位に近くなり、正孔
拡散の助長効果が無くなってくる。また、中間層を１ｎ
ｍよりも薄くすると、中間層における量子準位が障壁層
よりも高くなり、正孔のトンネリングの確率を高くする
効果はなくなる。すなわち、中間層においては、量子準
位を量子井戸層より高く、障壁層より低くしておく必要
がある。

【００２７】なお、上記実施例において、障壁層に中間
層を２層配置するようにしたが、これに限るものではな
い。障壁層中に中間層を１層配置するようにしても、同
様に効果が得られる。ただし、中間層１層の場合、中間
層と量子井戸層との距離が離れるため、中間層２層を配
置して、中間層と量子井戸層との距離を縮めるようにし
た方が、より高い効果が得られる。通常、障壁層として
は、最低１０ｎｍ程度あった方がよい。ここで、厚さ
２．５ｎｍの中間層を１つだけ厚さ１０ｎｍの障壁層内
に配置した場合、中間層と量子井戸層との距離は３．２
５ｎｍとなり、図３に示した場合より離れることにな
る。

【００２８】ところで、上述においては、量子井戸層の
みを変化させたり、障壁層のみを変化させるようにした
が、これらを組み合わせるようにしても良い。例えば、
ｐ型半導体領域の近くの量子井戸層の膜厚を最小とし、
ｎ型領域に近づくに従ってその膜厚を厚くすることに加
え、ｐ型半導体領域近くの障壁層の膜厚を最小とし、ｎ
型領域に近づくに従ってその膜厚を厚くするようにして
もよい。また、例えば、図３の構成において、ｐ型半導
体領域側になるにつれて、それぞれの量子準位が一致し
た状態で量子井戸層４１の膜厚を薄くしていくようにし
ても良い。

【００２９】なお、上述では、量子井戸層と障壁層にＰ
の濃度を変えたＩｎＧａＡｓＰを用いるようにしたが、
これに限るものではない。量子井戸層としてＩｎＡｓＰ
を用い、障壁層にＩｎＧａＡｓＰを用いるようにしても
良い。また、量子井戸層にＧａＡｓ，障壁層にＡｌＧａ
Ａｓ、量子井戸層にＩｎＧａＡｌＰ，障壁層にＩｎＧａ
ＡｌＰ、量子井戸層にＩｎＧａＰ，障壁層にＩｎＧａ
Ｐ、また、量子井戸層にＩｎＧａＰ，障壁層にＩｎＧａ
ＡｌＰを用いるようにしても良い。ここで、量子井戸層
と障壁層とで、同一組成の材料を用いる場合、その組成
比を変えて、障壁層に用いる材料の方のバンドギャップ
を大きくすればよい。すなわち、量子井戸層に用いる材
料より、障壁層に用いる材料の方をバンドギャップの大
きいものとし、かつ、それらが格子整合する関係にあれ
ばよい。

【００３０】また、上記実施例において、中間層に量子
井戸層と同一の材料を用いるようにしたが、これに限る
ものではない。障壁層と格子整合し、バンドギャップが
小さい材料を用いるようにすれば、同様の効果を奏す
る。ところで、上記実施例においては、説明を簡略にす
るために、４，５層の量子井戸から構成されている多重
量子井戸構造の場合について説明した。実際には、８層
以上の量子井戸からなる多重量子井戸構造の活性層にお
いて、顕著な効果を発揮するものである。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、多重量子井戸構造
の活性層における量子井戸層を、この活性層を挾むｎ型
領域側よりｐ型領域側になるにつれて、その量子準位が
一致した状態で膜厚を薄くなっていくようにし、バンド
ギャップが小さくなっていくようにした。また、多重量
子井戸構造の活性層における障壁層を、この活性層を挾
むｎ型領域側よりｐ型領域側になるにつれて、バンドギ
ャップが小さくなるようにしたり、膜厚が薄くなるよう
にした。そして、本発明では、多重量子井戸構造の活性
層における障壁層の中に、障壁層より量子準位が低い中
間層を設けるようにした。

【００３２】この結果、多重量子井戸構造の活性層にお
いて、この活性層を挾むｐ型領域側より注入された正孔
が、ｎ型領域側の量子井戸にまで、より均一に注入され
るようになる。このため、量子井戸層の層数が多い場合
でも光出力を低下させず、量子井戸層の層数を増やし
て、高出力化ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 多重量子井戸構造の活性層におけるバンドギ
ャップの状態を示す説明図である。

【図２】 注入電流と光出力の関係を示す相関図であ
る。

【図３】 多重量子井戸構造の活性層におけるバンドギ
ャップの状態を示す説明図である。

【図４】 多重量子井戸構造の活性層におけるバンドギ
ャップの状態を示す説明図である。

【図５】 この発明の実施例における多重量子井戸構造
の活性層におけるバンドギャップの状態を示す説明図で
ある。

【図６】 中間層の厚さを変化させたときの、光出力の
変化の状態を示す特性図である。

【図７】 従来の注入型の半導体レーザ装置の構成を示
す断面図である。

【符号の説明】

２…下部クラッド層、３…下部ガイド層、４…活性層、
５…上部ガイド層、６…上部クラッド層、４１，４１ａ
〜４１ｅ…量子井戸層、４２，４２ａ〜４２ｃ，４２’
…障壁層、５１…中間層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−102604（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−152052（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−164069（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−104191（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域に挟ま
   れ、前記ｐ型半導体領域より順方向電圧が加えられたと
   き、前記ｐ型半導体領域より正孔が注入される多重量子
   井戸構造の活性層を有する半導体レーザ装置において、 前記活性層を構成する障壁層中に、それよりバンドギャ
   ップが小さい材料からなる中間層を有し、前記中間層の量子準位が前記障壁層より小さく前記活性
   層を構成する量子井戸層の量子準位より高 いことを特徴
   とする半導体レーザ装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体レーザ装置におい
   て、 前記活性層を構成する量子井戸層は、前記ｎ型半導体領
   域側よりｐ型半導体領域側になるにつれて、それぞれの
   量子準位が一致した状態でその膜厚が薄くなっていく こ
   とを特徴とする半導体レーザ装置。