JPH01236668A - 半導体レーザ装置 - Google Patents
半導体レーザ装置Info
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- JPH01236668A JPH01236668A JP6186288A JP6186288A JPH01236668A JP H01236668 A JPH01236668 A JP H01236668A JP 6186288 A JP6186288 A JP 6186288A JP 6186288 A JP6186288 A JP 6186288A JP H01236668 A JPH01236668 A JP H01236668A
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- Japan
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- layer
- superlattice
- semiconductor laser
- semiconductor
- band gap
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の目的〕
(産業上の利用分野)
本発明は低動作電圧で、高信頼性を有する半導体レーザ
に関する。
に関する。
(従来の技術)
ダブルヘテロ構造に有する半導体レーザは1種々の装置
の光源として多くの応用が期待されている。現在大別し
て2つの材料系が実用化されている。1つは、 InP
を基板材料とするInGaAsPであり、発光波長を光
ファイバーにおいて低損失な領域に設定できることから
、主として光通信用の光源に応用されている。もう1つ
はGaAsを基板材料とするGaA(!As系であり1
発光波長が0.7−0.94で光デイスク用光源やレー
ザプリンタの光源として広く用いられている。
の光源として多くの応用が期待されている。現在大別し
て2つの材料系が実用化されている。1つは、 InP
を基板材料とするInGaAsPであり、発光波長を光
ファイバーにおいて低損失な領域に設定できることから
、主として光通信用の光源に応用されている。もう1つ
はGaAsを基板材料とするGaA(!As系であり1
発光波長が0.7−0.94で光デイスク用光源やレー
ザプリンタの光源として広く用いられている。
これに対して、現在半導体レーザの研究開発の方向の1
つに発振波長の短波長化がある。例えば光デイスク用の
光源を考えた場合でも、発振波長が短い方がより高密度
な記録が可能である。また、可視領域の半導体レーザが
出来れば、目に見えるレーザとしてその潜在的なニーズ
には計り知れないものがあると考えられる。
つに発振波長の短波長化がある。例えば光デイスク用の
光源を考えた場合でも、発振波長が短い方がより高密度
な記録が可能である。また、可視領域の半導体レーザが
出来れば、目に見えるレーザとしてその潜在的なニーズ
には計り知れないものがあると考えられる。
近年、短波長化の1つの成果として、GaAsを基板と
しこれに格子整合するInGaQP系半導体レーザが実
用になりつつある。GaAsに格子整合するInGaA
12Pは、バンドギャップエネルギ1.9−2.35e
Vあり、GaAs系の1.422−2.17eVに比べ
て大きな値をもつ。これをクラッド層の材料として用い
れば、GaAl2As系の半導体レーザで実現しなかっ
た58〇−700nmでのレーザ発振が可能になる。こ
の波長は人間の目に見える他、他の応用についても前記
の°様なメリットがある。また、He−Noレーザの発
振波長もこれに含まれるため、l1e−Neレーザがす
べてこの半導体レーザダイオードに置き代わる可能性も
ある。
しこれに格子整合するInGaQP系半導体レーザが実
用になりつつある。GaAsに格子整合するInGaA
12Pは、バンドギャップエネルギ1.9−2.35e
Vあり、GaAs系の1.422−2.17eVに比べ
て大きな値をもつ。これをクラッド層の材料として用い
れば、GaAl2As系の半導体レーザで実現しなかっ
た58〇−700nmでのレーザ発振が可能になる。こ
の波長は人間の目に見える他、他の応用についても前記
の°様なメリットがある。また、He−Noレーザの発
振波長もこれに含まれるため、l1e−Neレーザがす
べてこの半導体レーザダイオードに置き代わる可能性も
ある。
しかし、この種の半導体レーザには次のような問題点が
ある。その事情を以下に述べる。
ある。その事情を以下に述べる。
InGaAl2P系の結晶成長は、有機金属熱分解法(
Metalorganic Chemical Vap
or Deposition :MOCVD)あるいは
、分子線エピタキシー法(Molecular Bea
m Epitaxiy: M B E )により、Ga
As基板上に行う。基板上に順次異なる層を積み重ねる
ことによって、厚み方向にダブルヘテロ横進を形成し、
基板及びエピタキシャル成長層(コンタクト層)から電
極をとってダイオードとする。−般に、コンタクト層に
も基板と同様にGaAsが用いられる。GaAsを基板
及びコンタクト層として用いるのには次の様な理由があ
る。
Metalorganic Chemical Vap
or Deposition :MOCVD)あるいは
、分子線エピタキシー法(Molecular Bea
m Epitaxiy: M B E )により、Ga
As基板上に行う。基板上に順次異なる層を積み重ねる
ことによって、厚み方向にダブルヘテロ横進を形成し、
基板及びエピタキシャル成長層(コンタクト層)から電
極をとってダイオードとする。−般に、コンタクト層に
も基板と同様にGaAsが用いられる。GaAsを基板
及びコンタクト層として用いるのには次の様な理由があ
る。
■ GaAsは、基板として比較的高品質の結晶が安価
に得られる。
に得られる。
■ GaAs結品は高濃度にドーピングを行うことが可
能であり、容易に低抵抗の層が得られる。
能であり、容易に低抵抗の層が得られる。
■ コンタクト抵抗の低いオーミック電極を容易に形成
できる。
できる。
(イ) 熱抵抗がInGaAQP系より小さく、 ロス
により発生する熱の放散が良い などである。
により発生する熱の放散が良い などである。
ところが、 GaAsとInGaAl2Pでヘテロ接合
を形成すると次の様な電気的問題が生じる。即ち、発振
波長620nmのレーザを製作するためには、活性層と
してバンドギャップエネルギが2 、 OeVになる組
成のInGa1Pを用いる必要がある。従って、クラッ
ド層にはそれよりもバンドギャップエネルギの大きな組
成のInGaAffiPが必要で、少なくとも2.35
eVのバンドギャップエネルギが望ましい。
を形成すると次の様な電気的問題が生じる。即ち、発振
波長620nmのレーザを製作するためには、活性層と
してバンドギャップエネルギが2 、 OeVになる組
成のInGa1Pを用いる必要がある。従って、クラッ
ド層にはそれよりもバンドギャップエネルギの大きな組
成のInGaAffiPが必要で、少なくとも2.35
eVのバンドギャップエネルギが望ましい。
ところがGaAsのバンドギャップエネルギは1.42
eV程度でありクラッド層のバンドギャップエネルギと
の間に大きな隔差が存在する。一般に同じ導電型を有し
バンドギャップエネルギが異なる2つの半導体層の界面
にはバンドの不連続が存在する為に、ポテンシャルバリ
アが形成される。このバリアの高さはバンドの不連続が
大きなものほど大きい。バンドの不連続の大きさは、2
つの半導体のバンドギャップエネルギの差が大きいほど
大きいと考えられる。従って、バンドギャップエネルギ
の差が大きな2つの半導体層の界面には、大きなポテン
シャルバリアが形成される。また、ポテンシャルバリア
の厚さは主にバンドギャップエネルギの大きな層のキャ
リア濃度によって決まり、キャリヤ濃度が高いほうが薄
くなることが知られている。
eV程度でありクラッド層のバンドギャップエネルギと
の間に大きな隔差が存在する。一般に同じ導電型を有し
バンドギャップエネルギが異なる2つの半導体層の界面
にはバンドの不連続が存在する為に、ポテンシャルバリ
アが形成される。このバリアの高さはバンドの不連続が
大きなものほど大きい。バンドの不連続の大きさは、2
つの半導体のバンドギャップエネルギの差が大きいほど
大きいと考えられる。従って、バンドギャップエネルギ
の差が大きな2つの半導体層の界面には、大きなポテン
シャルバリアが形成される。また、ポテンシャルバリア
の厚さは主にバンドギャップエネルギの大きな層のキャ
リア濃度によって決まり、キャリヤ濃度が高いほうが薄
くなることが知られている。
ポテンシャルバリアの存在する界面を通して電流を流す
ためには、大きな電圧をかけるか、あるいはクラッド層
に高濃度のドーピングを行うことによってポテンシャル
バリアの厚さを薄くし、トンネル効果を助長することが
必要である。
ためには、大きな電圧をかけるか、あるいはクラッド層
に高濃度のドーピングを行うことによってポテンシャル
バリアの厚さを薄くし、トンネル効果を助長することが
必要である。
本発明者らが実験を繰り返したところ、第3図に示した
InGaPを活性層、InGaAQPをクラッド層とし
、GaAsを基板及びキャップ層とした従来構造の半導
体レーザにおいて、クラッド層のバンドギャップエネル
ギが2.15eV程度以下であれば電流注入に支障はな
く、動作電圧も2.0v程度と低い値を示した。しかし
、 InGaAQPクラッド層のバンドギャップエネ
ルギを2.15eVよりも大きくすると動作電圧を徐々
に増加し、バンドギャップエネルギ2.35eVのIn
GaAl2Pをクラッド層として用いると動作電圧は3
.5v以上と高い値を示した。これは、InGa−AQ
Pクラッド層とGaAsとのバンドギャップエネルギの
差が大きいため、界面にポテンシャルバリアが形成され
ているためであると考えられる。InGalP層のキャ
リア濃度を高くしてポテンシャルバリアの厚さを十分に
薄くできれば、トンネル効果によりポテンシャルバリア
の効果は緩和されるが、バンドギャップエネルギのおお
きなInGaAQPにおいては高いキャリア濃度の層を
作ることは困難である。
InGaPを活性層、InGaAQPをクラッド層とし
、GaAsを基板及びキャップ層とした従来構造の半導
体レーザにおいて、クラッド層のバンドギャップエネル
ギが2.15eV程度以下であれば電流注入に支障はな
く、動作電圧も2.0v程度と低い値を示した。しかし
、 InGaAQPクラッド層のバンドギャップエネ
ルギを2.15eVよりも大きくすると動作電圧を徐々
に増加し、バンドギャップエネルギ2.35eVのIn
GaAl2Pをクラッド層として用いると動作電圧は3
.5v以上と高い値を示した。これは、InGa−AQ
Pクラッド層とGaAsとのバンドギャップエネルギの
差が大きいため、界面にポテンシャルバリアが形成され
ているためであると考えられる。InGalP層のキャ
リア濃度を高くしてポテンシャルバリアの厚さを十分に
薄くできれば、トンネル効果によりポテンシャルバリア
の効果は緩和されるが、バンドギャップエネルギのおお
きなInGaAQPにおいては高いキャリア濃度の層を
作ることは困難である。
(発明が解決しようとする課題)
本発明は上記事情を考慮してなされたもので。
クラッド層と電極コンタクト層の間に大きなバンドギャ
ップエネルギの差が存在するDHレーザにおいても低電
圧で動作する半導体レーザダイオードを提供する事を目
的とする。
ップエネルギの差が存在するDHレーザにおいても低電
圧で動作する半導体レーザダイオードを提供する事を目
的とする。
(課題を解決するための手段)
本発明の骨子は、バンドギャップエネルギの異なる2つ
の半導体層の間に超格子層を挿入することにより、半導
体へテロ接合部に形成されるヘテロバリアが電気電導に
与える影響を軽減することにある。
の半導体層の間に超格子層を挿入することにより、半導
体へテロ接合部に形成されるヘテロバリアが電気電導に
与える影響を軽減することにある。
(作 用)
本発明によれば、大きなバンドギャップエネルギ差をも
つヘテロ接合を有する半導体装置においても、低電圧で
の動作が可能となり、高信頼の半導体レーザを製作する
上であり有用性は絶大である。
つヘテロ接合を有する半導体装置においても、低電圧で
の動作が可能となり、高信頼の半導体レーザを製作する
上であり有用性は絶大である。
(実 施 例)
以下に本発明の詳細を実施例によって説明する。
第1図は、本発明の一実施例に係わる半導体レーザダイ
オードの概略構造を示す断面図である。
オードの概略構造を示す断面図である。
図中11はGaAs基板であり、この基板11上にn−
GaAsとn−In。、s (Gax−xAQx)o、
sPからなる超格子層12、n−In0.5CGax−
xAI2x)o 、 s Pクラッド層13. In6
.s (Ga1−yAQ、)P活性層14、p−Inn
、 s (Ga、 −xAI2x)o 、 s Pク
ラッド層15、p−GaAsとp−In、 、 s (
Gat−xAffx)o 、 s Pからなる超格子層
16、p−GaAs電極コンタクト層17が順次MOC
VD法によって形成されている。電極コンタクト層上に
はSin、膜18が形成され一部スドライブ状にSin
、が除去されている。 19.20はそれぞれn側、p
側の電極である。
GaAsとn−In。、s (Gax−xAQx)o、
sPからなる超格子層12、n−In0.5CGax−
xAI2x)o 、 s Pクラッド層13. In6
.s (Ga1−yAQ、)P活性層14、p−Inn
、 s (Ga、 −xAI2x)o 、 s Pク
ラッド層15、p−GaAsとp−In、 、 s (
Gat−xAffx)o 、 s Pからなる超格子層
16、p−GaAs電極コンタクト層17が順次MOC
VD法によって形成されている。電極コンタクト層上に
はSin、膜18が形成され一部スドライブ状にSin
、が除去されている。 19.20はそれぞれn側、p
側の電極である。
超格子層を除く各層のバンドギャップエネルギ、層厚、
キャリア濃度は次の様である。
キャリア濃度は次の様である。
n−GaAs基板: 1.42aV、 704.3X1
0”am−’n−クラッド層: 2.35eV、 1.
5μs、 lXl0”c+s−”活 性 層: 2
.OeV、 0.14.アンドープp−クラッド層:
2.35eV、 1.54.5X1017c+s−’p
−コンタクト層: 1.42eV、 0.2g++、
3X10”cm−’超格子層は超格子を挟む2種類の半
導体組成の繰り返しとし、厚さは16人周期で20層、
計3200人とした。超格子層を超格子を挟む2種類の
半導体組成の繰り返しとしたのには、次の様な理由があ
る。
0”am−’n−クラッド層: 2.35eV、 1.
5μs、 lXl0”c+s−”活 性 層: 2
.OeV、 0.14.アンドープp−クラッド層:
2.35eV、 1.54.5X1017c+s−’p
−コンタクト層: 1.42eV、 0.2g++、
3X10”cm−’超格子層は超格子を挟む2種類の半
導体組成の繰り返しとし、厚さは16人周期で20層、
計3200人とした。超格子層を超格子を挟む2種類の
半導体組成の繰り返しとしたのには、次の様な理由があ
る。
良好なダブルヘテロ構造を作るためには、下地の結晶に
きちんと格子整合のとれた結晶をエピタキシャル成長さ
せなければならない。GaA12As系の結晶成長にお
いては結晶の組成が変化しても、結晶の格子定数は殆ど
変化しない。逆に言うと結晶成長時に組成の制御にあま
り気を使わなくても、格子整合のとれたエピタキシャル
ができるということである。 しかしながら、InGa
Al2P系の結晶成長の場合には、結晶の組成によって
格子定数が大きく異なるため、格子整合の条件をよく見
きわめた上で結晶成長を行わなければならない。従って
、超格子層を超格子を挟む2つの結晶の組成の繰り返し
に選べば、新たに超格子層の格子整合の条件を押さえる
必要がない。
きちんと格子整合のとれた結晶をエピタキシャル成長さ
せなければならない。GaA12As系の結晶成長にお
いては結晶の組成が変化しても、結晶の格子定数は殆ど
変化しない。逆に言うと結晶成長時に組成の制御にあま
り気を使わなくても、格子整合のとれたエピタキシャル
ができるということである。 しかしながら、InGa
Al2P系の結晶成長の場合には、結晶の組成によって
格子定数が大きく異なるため、格子整合の条件をよく見
きわめた上で結晶成長を行わなければならない。従って
、超格子層を超格子を挟む2つの結晶の組成の繰り返し
に選べば、新たに超格子層の格子整合の条件を押さえる
必要がない。
付は加えれば、ヘテロ接合部におけるポテンシャルバリ
アの影響を小さくするには、バンドギャップの中間の層
を何層か挿入したり、あるいは組成をグレーテッドに変
化させたりすることでも効果はあるが、結晶成長の面で
は今のべたように格子整合条件の問題があり、なかなか
技術的に困難なところがある。ここに本発明の大きなメ
リットがあるのである。
アの影響を小さくするには、バンドギャップの中間の層
を何層か挿入したり、あるいは組成をグレーテッドに変
化させたりすることでも効果はあるが、結晶成長の面で
は今のべたように格子整合条件の問題があり、なかなか
技術的に困難なところがある。ここに本発明の大きなメ
リットがあるのである。
超格子層を挿入することによる効果を、pクラッド層と
コンタクト層のへテロ接合の場合を例にとって説明する
。
コンタクト層のへテロ接合の場合を例にとって説明する
。
図2に、ヘテロ接合部に格子層を挿入しない場合(a)
と挿入した場合(b)についての模式的なエネルギバン
ドダイアグラムを示す。ヘテロ接合部に超格子層を挿入
しても原理的にポテンシャルバリアは消失しない。しか
し、超格子層の周期を正孔のドブロイ波長よりも小さい
値は設定することにより、正孔の波動関数をバリアを越
えてしみださせることが可能となる。これはトンネル電
導を示しており、バリアの影響は超格子層を挿入しない
場合に比較して格段に小さくできる。
と挿入した場合(b)についての模式的なエネルギバン
ドダイアグラムを示す。ヘテロ接合部に超格子層を挿入
しても原理的にポテンシャルバリアは消失しない。しか
し、超格子層の周期を正孔のドブロイ波長よりも小さい
値は設定することにより、正孔の波動関数をバリアを越
えてしみださせることが可能となる。これはトンネル電
導を示しており、バリアの影響は超格子層を挿入しない
場合に比較して格段に小さくできる。
本実施例の場合には、超格子層を挿入しないものは動作
電圧が3v程度あったのに対し、超格子層を挿入するこ
とによって約2vにまで動作電圧を減少させることがで
きる。
電圧が3v程度あったのに対し、超格子層を挿入するこ
とによって約2vにまで動作電圧を減少させることがで
きる。
また、ヘテロ接合部におけるポテンシャルバリアの形成
は原理的に避けられない問題である。本発明は、クラッ
ド層−コンタクト層間のみならず、他のへテロ界面にも
適用可能である。動作電圧の低減化は高信頼の半導体レ
ーザを開発する上で1つの重要な要素であり1本発明の
有用性は絶大である。
は原理的に避けられない問題である。本発明は、クラッ
ド層−コンタクト層間のみならず、他のへテロ界面にも
適用可能である。動作電圧の低減化は高信頼の半導体レ
ーザを開発する上で1つの重要な要素であり1本発明の
有用性は絶大である。
第1図は本発明の一実施例に係る半導体レーザ装置の概
略構造を示す断面図、第2図は従来構造の半導体レーザ
装置のポテンシャル分布及び本発明の一実施例に係る半
導体レーザ装置のポテンシャル分布を示す図、第3図は
従来の半導体レーザ装置の概略構造を示す断面図である
。 11・・・n−GaAs基板、 12・・・超格子
層、13−n−InGa1Pクラッド層、 14・・・活性層、 15−p−InGaAffPクラッド層、16・・・超
格子層、 】7・・・GaAsコンタクト層、1
8・・・絶縁層、 19・・・n電極、20−
p H1極、 31− p−GaAs層。 32−p−InGaAfP層5 33・・・超格子層
。 代理人 弁理士 則 近 憲 佑 同 松山光之 第1図 第2図 第3図
略構造を示す断面図、第2図は従来構造の半導体レーザ
装置のポテンシャル分布及び本発明の一実施例に係る半
導体レーザ装置のポテンシャル分布を示す図、第3図は
従来の半導体レーザ装置の概略構造を示す断面図である
。 11・・・n−GaAs基板、 12・・・超格子
層、13−n−InGa1Pクラッド層、 14・・・活性層、 15−p−InGaAffPクラッド層、16・・・超
格子層、 】7・・・GaAsコンタクト層、1
8・・・絶縁層、 19・・・n電極、20−
p H1極、 31− p−GaAs層。 32−p−InGaAfP層5 33・・・超格子層
。 代理人 弁理士 則 近 憲 佑 同 松山光之 第1図 第2図 第3図
Claims (2)
- (1)半導体基板上に、第1のクラッド層、活性層、第
2のクラッド層よりなるダブルヘテロ接合部及びコンタ
クト層を具備する半導体レーザ装置において、前記基板
を含めた各層間の少なくとも1カ所に超格子層を有する
ことを特徴とする半導体レーザ装置。 - (2)前記超格子層の周期が該超格子層を挟む半導体層
における多数キャリアのドブロテ波長程度か、或いはそ
れよりも薄いことを特徴とする請求項1記載の半導体レ
ーザ装置。(3)前記超格子層が、該超格子層を挟む2
種の半導体層の組成と略同じ組成の2種の半導体の繰り
返しからなることを特徴とする請求項1記載の半導体レ
ーザ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6186288A JPH01236668A (ja) | 1988-03-17 | 1988-03-17 | 半導体レーザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6186288A JPH01236668A (ja) | 1988-03-17 | 1988-03-17 | 半導体レーザ装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01236668A true JPH01236668A (ja) | 1989-09-21 |
Family
ID=13183348
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6186288A Pending JPH01236668A (ja) | 1988-03-17 | 1988-03-17 | 半導体レーザ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01236668A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04333298A (ja) * | 1991-05-08 | 1992-11-20 | Sharp Corp | AlGaInP系半導体レーザ素子 |
-
1988
- 1988-03-17 JP JP6186288A patent/JPH01236668A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04333298A (ja) * | 1991-05-08 | 1992-11-20 | Sharp Corp | AlGaInP系半導体レーザ素子 |
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