JPH01241884A - 多重量子井戸半導体レーザ - Google Patents
多重量子井戸半導体レーザInfo
- Publication number
- JPH01241884A JPH01241884A JP63070026A JP7002688A JPH01241884A JP H01241884 A JPH01241884 A JP H01241884A JP 63070026 A JP63070026 A JP 63070026A JP 7002688 A JP7002688 A JP 7002688A JP H01241884 A JPH01241884 A JP H01241884A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- semiconductor laser
- quantum well
- mqw
- barrier layer
- Prior art date
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- Pending
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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】
産業上の利用分野
本発明は光通信に用いられる石英ガラスファイバーの低
損失波長領域１．３μｍ−１，６５μｍ （長波長帯）
の光源となる半導体レーザに関するものであり、詳しく
は低しきい超電流の多重量子井戸（以下ＭＱＷと記す）
レーザに関するものである。
損失波長領域１．３μｍ−１，６５μｍ （長波長帯）
の光源となる半導体レーザに関するものであり、詳しく
は低しきい超電流の多重量子井戸（以下ＭＱＷと記す）
レーザに関するものである。
従来の技術
近年、活性層に工ｎＧａＡｓＰの材料を用いた長波長帯
の半導体レーザが実用化される様になってきた。この半
導体レーザは活性層の厚さが０．１μｍ〜０．２μｍと
厚く、この活性層をｎ型とｐ型のＩｎＰのクラッド層で
はさんだダブルへテロ（ＤＨ）構造となっている。光通
信用光源として利用する半導体レーザには、低しきい超
電流、良好な温度特性、動的単一モード化および高い信
頼性等が要求される。特に長波長帯レーザは砒化ガリウ
ム（ＧａＡｓ ）系の短波長帯レーザに比べて発振しき
い超電流の温度特性が悪く、温度特性の改善が最大の課
題となっている。
の半導体レーザが実用化される様になってきた。この半
導体レーザは活性層の厚さが０．１μｍ〜０．２μｍと
厚く、この活性層をｎ型とｐ型のＩｎＰのクラッド層で
はさんだダブルへテロ（ＤＨ）構造となっている。光通
信用光源として利用する半導体レーザには、低しきい超
電流、良好な温度特性、動的単一モード化および高い信
頼性等が要求される。特に長波長帯レーザは砒化ガリウ
ム（ＧａＡｓ ）系の短波長帯レーザに比べて発振しき
い超電流の温度特性が悪く、温度特性の改善が最大の課
題となっている。
３１、−７
この問題を解決する方法として、ＭＱＷレーザが注目さ
れている。電子や正孔をド・ブロイ波長と同程鶏（数百
へ）以下の幅のポテンシャル井戸（量子井戸）に閉じ込
めると、電子や正孔が量子力学的な波動としてのふる捷
いを示すため、量子化された離散的なエネルギー準位が
形成される。
れている。電子や正孔をド・ブロイ波長と同程鶏（数百
へ）以下の幅のポテンシャル井戸（量子井戸）に閉じ込
めると、電子や正孔が量子力学的な波動としてのふる捷
いを示すため、量子化された離散的なエネルギー準位が
形成される。
その結果、状態密度関数は階段状となる。この量子井戸
を活性層とす半導体レーザを作成すると、高いエネルギ
ーを持った余分なキャリアの数が減少し、小さな注入電
流密度で発振するとともに、利得係数の温度変化が小さ
く、しきい値電流の温度安定性もよい。しかし、活性層
の厚さが極めて薄いために光の閉じ込め係数が減少し、
逆にしきい値が増大する。光閉じ込め係数を改善するた
めに、多数の量子井戸を隣接して並べたのがＭＱＷ構造
である。
を活性層とす半導体レーザを作成すると、高いエネルギ
ーを持った余分なキャリアの数が減少し、小さな注入電
流密度で発振するとともに、利得係数の温度変化が小さ
く、しきい値電流の温度安定性もよい。しかし、活性層
の厚さが極めて薄いために光の閉じ込め係数が減少し、
逆にしきい値が増大する。光閉じ込め係数を改善するた
めに、多数の量子井戸を隣接して並べたのがＭＱＷ構造
である。
長波長帯レーザではウェル層（井戸層）としてＩｎＧａ
ＡｓＰまたはＩｎＧａＡＳが、バリア層（障壁層）とし
て、ＩｎＰまだはウェル層よシも禁制帯幅（バンドギャ
ップ）が大きいＩｎＧａＡｓＰが用いられる。
ＡｓＰまたはＩｎＧａＡＳが、バリア層（障壁層）とし
て、ＩｎＰまだはウェル層よシも禁制帯幅（バンドギャ
ップ）が大きいＩｎＧａＡｓＰが用いられる。
一般に通常のＤＨレーザやＭＱＷレーザでは、活性層は
アンドープとなっている。
アンドープとなっている。
発明が解決しようとする課題
しかしながら、Ｇ ａ Ａ ｓ系短波長帯のＭＱＷレー
ザは極めて良好な特性が実現きれているにもかかわらず
、ＩｎＰ系の長波長帯ＭＱＷレーザでは、通常のＤＨレ
ーザに比べ温度特性は改善されているものの、低しきい
値化は達成されていない。これはクラッド層から注入を
れたキャリアが、多数のバリア層を超える必要があるた
め、注入効率が悪くなっていることが原因である。特に
電子に比べて正孔の有効質量は約１桁大きく、拡散しに
くいため、正孔の注入効率が悪い。
ザは極めて良好な特性が実現きれているにもかかわらず
、ＩｎＰ系の長波長帯ＭＱＷレーザでは、通常のＤＨレ
ーザに比べ温度特性は改善されているものの、低しきい
値化は達成されていない。これはクラッド層から注入を
れたキャリアが、多数のバリア層を超える必要があるた
め、注入効率が悪くなっていることが原因である。特に
電子に比べて正孔の有効質量は約１桁大きく、拡散しに
くいため、正孔の注入効率が悪い。
本発明は上記従来の問題点を解決するもので、低しきい
値電流の長波長帯半導体レーザを提供することを目ｎ勺
とする。
値電流の長波長帯半導体レーザを提供することを目ｎ勺
とする。
課題を解決するだめの手段
この目的を達成するために、本発明のＭＱＷレーザは、
バリア層となるＩｎＰ層捷たはＩｎＧａＡｓＰ層に亜鉛
（Ｚｎ）等のアクセプタ不純物をドーピン５７、−７ グするとともに、その濃度を結晶性が悪化しない程度に
高濃度にしたものである。
バリア層となるＩｎＰ層捷たはＩｎＧａＡｓＰ層に亜鉛
（Ｚｎ）等のアクセプタ不純物をドーピン５７、−７ グするとともに、その濃度を結晶性が悪化しない程度に
高濃度にしたものである。
作 用
この構造の半導体レーザでは、ＭＱＷのバリア層にドー
ピングされたアクセプタ不純物から価電子帯に熱的励起
した正孔が隣接したバンドギャップの小さいウェル層に
落ち込む。発光領域はウェル層であり、バリア層への高
濃度不純物ドーピングのため発光効率が低下することは
ない。寸だ発光波長に対してバリア層は透明であシ、不
純物の光吸収損失は小さい。さらにクラッド層からＭＱ
Ｗに注入される正孔の注入効率は悪くても、あらかじめ
正孔がウェル層に均一に存在するため、注入された電子
との再結合確率は高（、ＭＱＷレーザの低しきｂ値を達
成することができる。
ピングされたアクセプタ不純物から価電子帯に熱的励起
した正孔が隣接したバンドギャップの小さいウェル層に
落ち込む。発光領域はウェル層であり、バリア層への高
濃度不純物ドーピングのため発光効率が低下することは
ない。寸だ発光波長に対してバリア層は透明であシ、不
純物の光吸収損失は小さい。さらにクラッド層からＭＱ
Ｗに注入される正孔の注入効率は悪くても、あらかじめ
正孔がウェル層に均一に存在するため、注入された電子
との再結合確率は高（、ＭＱＷレーザの低しきｂ値を達
成することができる。
実施例
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明
する。長波長帯のＭＱＷレーザの作成には、ヘテロ界面
の急峻性、膜厚の均一性および薄膜の制御性に優れた有
機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ６ ヘ一〕 法）を採用し、まだ、原料ガスとしてトリメチルインジ
ウム（ＴＭＩ）、）リエチルガリウム（ＴＥＧ）、アル
シン（ＡｓＨ３）およびホスフィン（ＰＨ３）を用い、
さらに、不純物としてセレン化水素（Ｈ２Ｓｅ）とジエ
チル亜鉛（ＤＥＺ）にょシそれぞれＳｅとＺｎをドーピ
ングしたつ第１図は本発明のＭＱＷレーザの断面構造を
示すもので、右上にそのＭＱＷ活性層の拡大図をＵ［せ
て示す。単一横モード化と電流を効率良く活性層へ導く
ため、埋込型構造となっている。
する。長波長帯のＭＱＷレーザの作成には、ヘテロ界面
の急峻性、膜厚の均一性および薄膜の制御性に優れた有
機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ６ ヘ一〕 法）を採用し、まだ、原料ガスとしてトリメチルインジ
ウム（ＴＭＩ）、）リエチルガリウム（ＴＥＧ）、アル
シン（ＡｓＨ３）およびホスフィン（ＰＨ３）を用い、
さらに、不純物としてセレン化水素（Ｈ２Ｓｅ）とジエ
チル亜鉛（ＤＥＺ）にょシそれぞれＳｅとＺｎをドーピ
ングしたつ第１図は本発明のＭＱＷレーザの断面構造を
示すもので、右上にそのＭＱＷ活性層の拡大図をＵ［せ
て示す。単一横モード化と電流を効率良く活性層へ導く
ため、埋込型構造となっている。
まずｎ型ＩｎＰ基板（１００）面１上に、ｎ型ＩｎＰク
ラッド層２を成長したのち、ＭＱＷ活性層として、厚さ
２００人のＩｎＧａＡｓＰ ウｘ ル層３と厚き２０
０人のＩｎＰバリア層４を交互に成長し、さらにｐ型Ｉ
ｎＰクラッド層７の一部を薄く成長した。ウェル層３の
層数は６層でアンドープであシ、バリア層４にばＺｎを
ドーピングした。
ラッド層２を成長したのち、ＭＱＷ活性層として、厚さ
２００人のＩｎＧａＡｓＰ ウｘ ル層３と厚き２０
０人のＩｎＰバリア層４を交互に成長し、さらにｐ型Ｉ
ｎＰクラッド層７の一部を薄く成長した。ウェル層３の
層数は６層でアンドープであシ、バリア層４にばＺｎを
ドーピングした。
次に上記ウェハのく０１１〉方向に８１０２膜のストラ
イプを形成し、これに覆われることのない部分を臭素メ
タノール溶液および塩酸、リン酸溶７７、−７ 液でエツチングすることによシ、メサ状ストライプ形状
を作成した。なお、この処理で形成するＭＱＷ活性層の
幅は約２μｍに設定した。続いて２回目のＭＯＣＶＤ成
長により、ＭＱＷ活性層の両側に、ｐ型ＩｎＰ埋込層５
およびｎ型ＩｎＰ埋込層６を順次成長し電流ブロック層
とした。
イプを形成し、これに覆われることのない部分を臭素メ
タノール溶液および塩酸、リン酸溶７７、−７ 液でエツチングすることによシ、メサ状ストライプ形状
を作成した。なお、この処理で形成するＭＱＷ活性層の
幅は約２μｍに設定した。続いて２回目のＭＯＣＶＤ成
長により、ＭＱＷ活性層の両側に、ｐ型ＩｎＰ埋込層５
およびｎ型ＩｎＰ埋込層６を順次成長し電流ブロック層
とした。
さらに、上記ＳｉＯ２膜のストライプを除去した後、３
回目のＭＯＣＶＤ成長によってｐ型ＩｎＰクラッド層７
およびｐ型ＩｎＧａＡ８Ｐコンタクト層８を順次成長し
た。
回目のＭＯＣＶＤ成長によってｐ型ＩｎＰクラッド層７
およびｐ型ＩｎＧａＡ８Ｐコンタクト層８を順次成長し
た。
この様な構造のＭＱＷレーザにおける発振しきい値電流
のＩｎＰバリア層４中のＺｎ濃度依存性を第２図に示す
。なお、ｎ型ＩｎＰクラッド層２のＳｅ濃度は２Ｘ１０
Ｃ７ｎ 、ｐ型ＩｎＰクラッド層７のＺｎ濃度は
７ Ｘ １０１７０ｆｆ−５である。ＩｎＰバリア層４
のＺｎ濃度が１×１０１８（７）−３以下特に７Ｘ１０
１７１ ”のところではアンドープの場合と大差がなり
、Ｚｎドーピングの効果が見られなかった。寸だ、Ｚｎ
濃度が２．５ Ｘ １０１８Ｃ７１＋−５以上になると
、結晶性が悪化し、ヘテロ界面の劣化から逆にしきい値
電流が上昇した。また、ＩｎＰバリア層４にＳｅを１．
７Ｘｌ○１８Ｃ２ｎ−３ドーピングした場合は、発振し
きい値電流は５ｏ〜ｅｏｍＡと上昇し、ＭＱＷへの電子
の注入効率よシ正孔の注入効率が問題であることが判明
した。正孔の注入効率の改善にはＩｎＰバリア層４への
Ｚｎドーピングが効果的であり、その最適Ｚｎ濃度は１
×１０ ｃｍ から２．５ Ｘ １０１８１−３の範
囲である。Ｚｎ濃度をこの範囲に設定することにより、
低しきい値電流の長波長帯ＭＱＷレーザが作製できるこ
とが確認された。
のＩｎＰバリア層４中のＺｎ濃度依存性を第２図に示す
。なお、ｎ型ＩｎＰクラッド層２のＳｅ濃度は２Ｘ１０
Ｃ７ｎ 、ｐ型ＩｎＰクラッド層７のＺｎ濃度は
７ Ｘ １０１７０ｆｆ−５である。ＩｎＰバリア層４
のＺｎ濃度が１×１０１８（７）−３以下特に７Ｘ１０
１７１ ”のところではアンドープの場合と大差がなり
、Ｚｎドーピングの効果が見られなかった。寸だ、Ｚｎ
濃度が２．５ Ｘ １０１８Ｃ７１＋−５以上になると
、結晶性が悪化し、ヘテロ界面の劣化から逆にしきい値
電流が上昇した。また、ＩｎＰバリア層４にＳｅを１．
７Ｘｌ○１８Ｃ２ｎ−３ドーピングした場合は、発振し
きい値電流は５ｏ〜ｅｏｍＡと上昇し、ＭＱＷへの電子
の注入効率よシ正孔の注入効率が問題であることが判明
した。正孔の注入効率の改善にはＩｎＰバリア層４への
Ｚｎドーピングが効果的であり、その最適Ｚｎ濃度は１
×１０ ｃｍ から２．５ Ｘ １０１８１−３の範
囲である。Ｚｎ濃度をこの範囲に設定することにより、
低しきい値電流の長波長帯ＭＱＷレーザが作製できるこ
とが確認された。
なお、実施例では、ウェル層３は４元混晶のＩｎＧａＡ
ｓＰとしたが、３元混晶のＩｎＧａＡｓとしてもよく、
寸だバリア層４はＩｎＰとしたが、ウェル層よりも禁制
帯幅の大きいＩｎＧａＡｓＰとしてもよいととは言うま
でもない。
ｓＰとしたが、３元混晶のＩｎＧａＡｓとしてもよく、
寸だバリア層４はＩｎＰとしたが、ウェル層よりも禁制
帯幅の大きいＩｎＧａＡｓＰとしてもよいととは言うま
でもない。
発明の効果
以上のように本発明は多重量子井戸（ＭＱＷ）のバリア
層に１．０Ｘ１０ ｃｍ から２．５×１Ｑ１８０
ｎ″′３の濃度範囲でアクセプタ不純物をドーピングし
だ９、−ノ ものであって、この構造により、低しきい値電流の長波
長帯ＭＱＷ半導体レーザを実現することができる。
層に１．０Ｘ１０ ｃｍ から２．５×１Ｑ１８０
ｎ″′３の濃度範囲でアクセプタ不純物をドーピングし
だ９、−ノ ものであって、この構造により、低しきい値電流の長波
長帯ＭＱＷ半導体レーザを実現することができる。
第１図は本発明の一実施例におけるＭＱＷ半導体レーザ
の断面図、第２図はＭＱＷ半導体レーザのしきい値電流
とバリア層中のＺｎドーピング濃度の関係を示す図であ
る。 １・・・・・・ＩｎＰ基板、２・・・・・・ｎ型ＩｎＰ
クラッド層、３・・・・・ＭＱＷのウェル層、４・・・
・ＭＱＷのバリア層、５・・・・・・ｐ型ＩｎＰ埋込層
、６・・・・・・ｎ型ＩｎＰ埋込層、７・・・ ｐ型Ｉ
ｎＰクラッド層、８・・・・・・ｐ型ＪｎＧａＡｓＰコ
ンタクト層。
の断面図、第２図はＭＱＷ半導体レーザのしきい値電流
とバリア層中のＺｎドーピング濃度の関係を示す図であ
る。 １・・・・・・ＩｎＰ基板、２・・・・・・ｎ型ＩｎＰ
クラッド層、３・・・・・ＭＱＷのウェル層、４・・・
・ＭＱＷのバリア層、５・・・・・・ｐ型ＩｎＰ埋込層
、６・・・・・・ｎ型ＩｎＰ埋込層、７・・・ ｐ型Ｉ
ｎＰクラッド層、８・・・・・・ｐ型ＪｎＧａＡｓＰコ
ンタクト層。
Claims (3)
- （１）４元混晶インジウム、ガリウム、砒素、燐（Ｉｎ
ＧａＡｓＰ）もしくは３元混晶インジウム、ガリウム、
砒素（ＩｎＧａＡｓ）を材料とするウェル層と、インジ
ウム燐（ＩｎＰ）もしくはウェル層の材料より禁制帯幅
の大きいインジウム、ガリウム、砒素、燐（ＩｎＧａＡ
ｓＰ）を材料とするバリア層とからなる多重量子井戸を
活性層に有し、上記バリア層にアクセプタ不純物がドー
ピングされていることを特徴とする多重量子井戸半導体
レーザ。 - （２）アクセプタ不純物のドーピング濃度が、１．０×
１０＾１＾８ｃｍ＾−＾３から２．５×１０＾１＾８ｃ
ｍ＾−＾３の範囲に選定されていることを特徴とする特
許請求の範囲第１項に記載の多重量子井戸半導体レーザ
。 - （３）アクセプタ不純物が亜鉛（Ｚｎ）であることを特
徴とする特許請求の範囲第１項に記載の多重量子井戸半
導体レーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63070026A JPH01241884A (ja) | 1988-03-24 | 1988-03-24 | 多重量子井戸半導体レーザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63070026A JPH01241884A (ja) | 1988-03-24 | 1988-03-24 | 多重量子井戸半導体レーザ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01241884A true JPH01241884A (ja) | 1989-09-26 |
Family
ID=13419678
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63070026A Pending JPH01241884A (ja) | 1988-03-24 | 1988-03-24 | 多重量子井戸半導体レーザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01241884A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01292874A (ja) * | 1988-05-20 | 1989-11-27 | Hitachi Ltd | 半導体レーザ素子 |
-
1988
- 1988-03-24 JP JP63070026A patent/JPH01241884A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01292874A (ja) * | 1988-05-20 | 1989-11-27 | Hitachi Ltd | 半導体レーザ素子 |
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