JPH02228088A - 量子井戸レーザ - Google Patents
量子井戸レーザInfo
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- JPH02228088A JPH02228088A JP4802189A JP4802189A JPH02228088A JP H02228088 A JPH02228088 A JP H02228088A JP 4802189 A JP4802189 A JP 4802189A JP 4802189 A JP4802189 A JP 4802189A JP H02228088 A JPH02228088 A JP H02228088A
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- Japan
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- 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
-
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01S5/00—Semiconductor lasers
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- 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
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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、光演算あるいは光計測装置の光源とし
て用いられる量子井戸レーザに関する。
て用いられる量子井戸レーザに関する。
（従来の技術）
近年、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＣＶ Ｄ）技術
、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）技術などの薄膜結晶成
長技術の急速な進展に伴い、単原子層の厚さの精度で急
峻な組成変化を持った良質な半導体へテロ接合界面が製
作されるようになった。
、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）技術などの薄膜結晶成
長技術の急速な進展に伴い、単原子層の厚さの精度で急
峻な組成変化を持った良質な半導体へテロ接合界面が製
作されるようになった。
これらへテロ接合によって形成されるポテンシャル井戸
構造、超格子構造はバルク半導体に比べて特異な光学特
性、電気特性を示しデバイス応用への研究が活発化して
いる。
構造、超格子構造はバルク半導体に比べて特異な光学特
性、電気特性を示しデバイス応用への研究が活発化して
いる。
量子井戸層を活性層とする量子井戸構造半導体レーザは
このような量子サイズ効果によって生じる高い状態密度
をもつ量子準位間の電子遷移を利用したもので、従来の
ダブルへテロ接合半導体レーザに比べ ■低発振しきい
電流■温度安定性■高い発光効率■緩和振動周波数の増
大■スペクトル線幅、チャーピングの低減など、多くの
特徴を有していることが報告されている。これらの優れ
た特性は２次元平面内に電子および正孔を局在させたた
めに生じた量子力学的効果による。
このような量子サイズ効果によって生じる高い状態密度
をもつ量子準位間の電子遷移を利用したもので、従来の
ダブルへテロ接合半導体レーザに比べ ■低発振しきい
電流■温度安定性■高い発光効率■緩和振動周波数の増
大■スペクトル線幅、チャーピングの低減など、多くの
特徴を有していることが報告されている。これらの優れ
た特性は２次元平面内に電子および正孔を局在させたた
めに生じた量子力学的効果による。
（発明が解決しようとする課題）
しかしこのように薄い活性層をもつレーザ構造では、量
子井戸層厚の減少と共に光閉じ込め係数は著しく減少し
、従ってしきい電流密度は増加してしまう。量子井戸レ
ーザのこのような欠点を解決する方法としては、量子井
戸を多重化し光閉じ込め係数を増加させた多重量子井戸
（Ｍｕ ｌ ｔ ＩＱｕａｎｔｕａ＋ ｌ／ｅｌｆ）レ
ーザや光−キャリア分離閉じ込め構造（Ｓｅｐａｒａｔ
ｅ Ｃｏｎｆ’１ｎｓＩＩｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒ
ｕｃｔｕｒｅ）レーザがある。しかしさらに閾値を低減
、発光効率を増大させるためにはキャリアの量子準位へ
の注入効率を増大することが必要である。このように従
来の量子井戸レーザには、キャリアの量子準位への注入
効率を改善して従来のものより閾値を低減するという課
題があった。
子井戸層厚の減少と共に光閉じ込め係数は著しく減少し
、従ってしきい電流密度は増加してしまう。量子井戸レ
ーザのこのような欠点を解決する方法としては、量子井
戸を多重化し光閉じ込め係数を増加させた多重量子井戸
（Ｍｕ ｌ ｔ ＩＱｕａｎｔｕａ＋ ｌ／ｅｌｆ）レ
ーザや光−キャリア分離閉じ込め構造（Ｓｅｐａｒａｔ
ｅ Ｃｏｎｆ’１ｎｓＩＩｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒ
ｕｃｔｕｒｅ）レーザがある。しかしさらに閾値を低減
、発光効率を増大させるためにはキャリアの量子準位へ
の注入効率を増大することが必要である。このように従
来の量子井戸レーザには、キャリアの量子準位への注入
効率を改善して従来のものより閾値を低減するという課
題があった。
（課題を解決するための手段）
前述の課題を解決するために本発明が提供する手段は、
半導体基板上に半導体多層薄膜から成る活性層を積層し
た量子井戸レーザであって、前記量子井戸活性層が複数
の量子準位を有する量子井戸構造と、前記量子井戸構造
の最低の量子準位以外のうち少なくとも一つと同一のエ
ネルギー準位を有する第一の半導体層と、前記複数の量
子準位を有する量子井戸構造と前記第一の半導体層とを
互いに分離する第二の半導体層とから成り、前記第二半
導体層がトンネル効果の現われる程度に薄いことを特徴
とする。
半導体基板上に半導体多層薄膜から成る活性層を積層し
た量子井戸レーザであって、前記量子井戸活性層が複数
の量子準位を有する量子井戸構造と、前記量子井戸構造
の最低の量子準位以外のうち少なくとも一つと同一のエ
ネルギー準位を有する第一の半導体層と、前記複数の量
子準位を有する量子井戸構造と前記第一の半導体層とを
互いに分離する第二の半導体層とから成り、前記第二半
導体層がトンネル効果の現われる程度に薄いことを特徴
とする。
（作用）
本発明では、量子井戸層を活性層とする量子井戸構造半
導体レーザにおいて、この量子井戸構造の最低の量子準
位以外のうち少なくとも一つと同一のエネルギーを有す
る半導体層を用い、トンネル効果を利用してキャリアの
量子準位への注入効率を改善している。この原理につい
て以下に詳細に説明する。
導体レーザにおいて、この量子井戸構造の最低の量子準
位以外のうち少なくとも一つと同一のエネルギーを有す
る半導体層を用い、トンネル効果を利用してキャリアの
量子準位への注入効率を改善している。この原理につい
て以下に詳細に説明する。
一般にキャリアの量子準位への注入効率はバリア層と量
子準位とのエネルギー差およびキャリアの運動エネルギ
ーに依存すると考えられる。第３図（ａ）の伝導帯のエ
ネルギーバンド図に示すような二つの量子準位を有する
量子井戸構造を例に考える。キャリアの量子準位への注
入機構、緩和機構の詳細は現在のところ明らかとなって
いないが、最低量子準位５１へのキャリア注入は、この
量子準位へ直接キャリアが注入される場合のほかに高エ
ネルギー側の量子準位５２に注入されたキャリアの緩和
による場合が考えられ、量子準位５２へのキャリアの注
入効率を大きくできれば最低量子準位５１へのキャリア
の注入は増大する。
子準位とのエネルギー差およびキャリアの運動エネルギ
ーに依存すると考えられる。第３図（ａ）の伝導帯のエ
ネルギーバンド図に示すような二つの量子準位を有する
量子井戸構造を例に考える。キャリアの量子準位への注
入機構、緩和機構の詳細は現在のところ明らかとなって
いないが、最低量子準位５１へのキャリア注入は、この
量子準位へ直接キャリアが注入される場合のほかに高エ
ネルギー側の量子準位５２に注入されたキャリアの緩和
による場合が考えられ、量子準位５２へのキャリアの注
入効率を大きくできれば最低量子準位５１へのキャリア
の注入は増大する。
ｍ３図（ｂ）に示すように最低量子準位以外のうち少な
くとも一つと同一のエネルギー準位を有する構造を上記
量子井戸とトンネル効果が生じる程度の間隔で隣接させ
ることによりこの高エネルギー側の準位の状態密度は増
し、実効的に量子準位５２への注入効率を大きくしたの
と同じ効果が得られ、従って最低量子準位５１へのキャ
リア注入効率を増大させることができる。この場合価電
子帯のホール（正孔）の量子準位は必ずしも一致しない
が、伝導帯の量子準位の一致のみによって前述の効果を
得ることができる。また第３図（Ｃ）の価電子帯のエネ
ルギー図に示すように、ホールの量子準位８２．８３を
一致させホールのトンネル効果を利用した構造としても
同様な効果を得ることができる。
くとも一つと同一のエネルギー準位を有する構造を上記
量子井戸とトンネル効果が生じる程度の間隔で隣接させ
ることによりこの高エネルギー側の準位の状態密度は増
し、実効的に量子準位５２への注入効率を大きくしたの
と同じ効果が得られ、従って最低量子準位５１へのキャ
リア注入効率を増大させることができる。この場合価電
子帯のホール（正孔）の量子準位は必ずしも一致しない
が、伝導帯の量子準位の一致のみによって前述の効果を
得ることができる。また第３図（Ｃ）の価電子帯のエネ
ルギー図に示すように、ホールの量子準位８２．８３を
一致させホールのトンネル効果を利用した構造としても
同様な効果を得ることができる。
（第一の実施例）
本発明による量子井戸レーザの第一の実施例を第１図を
参照して詳細に説明する。量子井戸構造の成長法として
は有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いた。
参照して詳細に説明する。量子井戸構造の成長法として
は有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いた。
第１図（ａ）に伝導帯のエネルギーバンド図を示すよう
に、量子井戸活性層４０は、第一の量子井戸構造５０と
、この第一の量子井戸構造５０の両側に設けられた第二
の量子井戸構造７０と、これら第一および第二の量子井
戸構造を互いに分離するバリア層６０とから構成されて
いる。第一の量子井戸構造５０は１．１μｍ組成１ｎＧ
ａＡｓＰバリア５７（厚さ１２０人）、２層のＩ ｎＧ
ａＡｓウェル５５（厚さ８０Ａ）から成り、エネルギー
ギャップがそれぞれ０．８ｅＶ（λ−１，５５、［Ｚｍ
） 、 ０．９２ｅＶ （λ−１，３５ｔｔｍ）の量子
準位５１，５２を有する。第二の量子井戸構造７０は第
一の量子井戸構造５０と同一組成でそれぞれ５層のウェ
ル７５（厚さ２ＯＡ）、バリア７７（厚さ１０人）から
成り、量子準位７２は第一の量子井戸構造の高エネルギ
ー側の量子準位５２と同じエネルギー準位を有する。第
一および第二の量子井戸構造を互いに分離するバリア層
６０の厚さはＩＯＡである。
に、量子井戸活性層４０は、第一の量子井戸構造５０と
、この第一の量子井戸構造５０の両側に設けられた第二
の量子井戸構造７０と、これら第一および第二の量子井
戸構造を互いに分離するバリア層６０とから構成されて
いる。第一の量子井戸構造５０は１．１μｍ組成１ｎＧ
ａＡｓＰバリア５７（厚さ１２０人）、２層のＩ ｎＧ
ａＡｓウェル５５（厚さ８０Ａ）から成り、エネルギー
ギャップがそれぞれ０．８ｅＶ（λ−１，５５、［Ｚｍ
） 、 ０．９２ｅＶ （λ−１，３５ｔｔｍ）の量子
準位５１，５２を有する。第二の量子井戸構造７０は第
一の量子井戸構造５０と同一組成でそれぞれ５層のウェ
ル７５（厚さ２ＯＡ）、バリア７７（厚さ１０人）から
成り、量子準位７２は第一の量子井戸構造の高エネルギ
ー側の量子準位５２と同じエネルギー準位を有する。第
一および第二の量子井戸構造を互いに分離するバリア層
６０の厚さはＩＯＡである。
上に述べた量子井戸活性層を用いて、第１図（ｂ）の斜
視図に示すような二重チャネル形埋め込み構造（ＤＣ−
ＰＢＨ）分布帰還形（ＤＦＢ）半導体レーザを形成する
。共振器長を３００μｍとしてへき開した素子の特性と
して、第二の量子井戸構造７０を有しない量子井戸レー
ザに比べ発振しきい値は１ ／ ２〜１ ／ ３ （５
ｍ Ａ程度）、外部微分量子効率で１．５〜２倍（０，
３Ｗ／Ａ／ｆａｃｅｔ程度）の改善が得られる。さらに
バリア層厚やウェル数の最適化により一層の特性向上が
望める。
視図に示すような二重チャネル形埋め込み構造（ＤＣ−
ＰＢＨ）分布帰還形（ＤＦＢ）半導体レーザを形成する
。共振器長を３００μｍとしてへき開した素子の特性と
して、第二の量子井戸構造７０を有しない量子井戸レー
ザに比べ発振しきい値は１ ／ ２〜１ ／ ３ （５
ｍ Ａ程度）、外部微分量子効率で１．５〜２倍（０，
３Ｗ／Ａ／ｆａｃｅｔ程度）の改善が得られる。さらに
バリア層厚やウェル数の最適化により一層の特性向上が
望める。
以上の実施例は二重チャネル形埋め込み（ＤＣ−ＰＢＨ
）構造の半導体レーザを例に説明したが他の埋め込み構
造やりッジウェーブガイド構造などにも有効である。
）構造の半導体レーザを例に説明したが他の埋め込み構
造やりッジウェーブガイド構造などにも有効である。
（第二の実施例）
本発明による量子井戸レーザの第二の実施例を第２図を
参照して説明する。
参照して説明する。
第２図のエネルギー図に示すように第一の実施例の場合
と同一の組成、厚さから成る第一の量子井戸構造５０と
、この両側に第一の量子井戸構造の高エネルギー側の量
子準位５２と同じエネルギー準位を有する第二の半導体
層（厚さ４００Ａ）９０と、これら第一の量子井戸構造
５０と第二の半導体層９０とを分離するバリア層（厚さ
１０Ａ）６１とから構成されている。
と同一の組成、厚さから成る第一の量子井戸構造５０と
、この両側に第一の量子井戸構造の高エネルギー側の量
子準位５２と同じエネルギー準位を有する第二の半導体
層（厚さ４００Ａ）９０と、これら第一の量子井戸構造
５０と第二の半導体層９０とを分離するバリア層（厚さ
１０Ａ）６１とから構成されている。
このような量子井戸レーザにおいても第一の実施例と同
様の優れた特性が得られることが期待される。
様の優れた特性が得られることが期待される。
また以上の二つの実施例はＩｎＰ系の量子井戸構造を例
に説明したが、ＧａＡｓ系など一般の半導体量子井戸構
造においても本発明は有効である。
に説明したが、ＧａＡｓ系など一般の半導体量子井戸構
造においても本発明は有効である。
（発明の効果）
以上に述べてきたように、本発明によれば、キャリアの
量子準位への注入効率を増大でき低閾値で発光効率の高
い量子井戸レーザを実現することができる。
量子準位への注入効率を増大でき低閾値で発光効率の高
い量子井戸レーザを実現することができる。
導体層８０とを分離するバリア層、７０は第二の量子井
戸構造、７５．７７はそれぞれ第二の量子井戸構造のウ
ェルおよびバリア層、８１，８２゜８３は価電子帯の量
子準位、９０は第二の半導体層である。
戸構造、７５．７７はそれぞれ第二の量子井戸構造のウ
ェルおよびバリア層、８１，８２゜８３は価電子帯の量
子準位、９０は第二の半導体層である。
第１図（ａ）は本発明の第一の実施例における伝導帯の
エネルギバンド図、第１図（ｂ）はその第一の実施例の
斜視図である。第２図は本発明の第二の実施例における
伝導帯のエネルギバンド図である。第３図は本発明の詳
細な説明図である。
エネルギバンド図、第１図（ｂ）はその第一の実施例の
斜視図である。第２図は本発明の第二の実施例における
伝導帯のエネルギバンド図である。第３図は本発明の詳
細な説明図である。
Claims (2)
- （１）半導体基板上に半導体多層薄膜から成る活性層を
積層した量子井戸レーザにおいて、前記量子井戸活性層
が複数の量子準位を有する量子井戸構造と、前記量子井
戸構造の最低の量子準位以外のうち少なくとも一つと同
一のエネルギー準位を有する第一の半導体層と、前記複
数の量子準位を有する量子井戸構造と前記第一の半導体
層とを互いに分離する第二の半導体層とから成り、前記
第二の半導体層がトンネル効果の現われる程度に薄いこ
とを特徴とする量子井戸レーザ。 - （２）第一の半導体層が量子井戸構造から成ることを特
徴とする請求項１記載の量子井戸レーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4802189A JPH02228088A (ja) | 1989-02-28 | 1989-02-28 | 量子井戸レーザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4802189A JPH02228088A (ja) | 1989-02-28 | 1989-02-28 | 量子井戸レーザ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02228088A true JPH02228088A (ja) | 1990-09-11 |
Family
ID=12791659
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4802189A Pending JPH02228088A (ja) | 1989-02-28 | 1989-02-28 | 量子井戸レーザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02228088A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6078602A (en) * | 1996-02-12 | 2000-06-20 | Nec Corporation | Separate confinement heterostructured semiconductor laser device having high speed characteristics |
| US6141363A (en) * | 1996-06-04 | 2000-10-31 | France Telecom | Optical semiconductor light guide device having a low divergence emergent beam, application to fabry-perot and distributed feedback lasers |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6286782A (ja) * | 1985-10-11 | 1987-04-21 | Nec Corp | 量子井戸レ−ザ |
| JPS63146481A (ja) * | 1986-12-10 | 1988-06-18 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レ−ザ装置 |
| JPH02209781A (ja) * | 1989-02-09 | 1990-08-21 | Mitsubishi Electric Corp | 超格子半導体レーザ |
-
1989
- 1989-02-28 JP JP4802189A patent/JPH02228088A/ja active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6286782A (ja) * | 1985-10-11 | 1987-04-21 | Nec Corp | 量子井戸レ−ザ |
| JPS63146481A (ja) * | 1986-12-10 | 1988-06-18 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レ−ザ装置 |
| JPH02209781A (ja) * | 1989-02-09 | 1990-08-21 | Mitsubishi Electric Corp | 超格子半導体レーザ |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6078602A (en) * | 1996-02-12 | 2000-06-20 | Nec Corporation | Separate confinement heterostructured semiconductor laser device having high speed characteristics |
| US6141363A (en) * | 1996-06-04 | 2000-10-31 | France Telecom | Optical semiconductor light guide device having a low divergence emergent beam, application to fabry-perot and distributed feedback lasers |
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