JPH0449689A - 歪量子井戸半導体レーザ - Google Patents
歪量子井戸半導体レーザInfo
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- JPH0449689A JPH0449689A JP16010890A JP16010890A JPH0449689A JP H0449689 A JPH0449689 A JP H0449689A JP 16010890 A JP16010890 A JP 16010890A JP 16010890 A JP16010890 A JP 16010890A JP H0449689 A JPH0449689 A JP H0449689A
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Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
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）
本発明は歪量子井戸半導体レーザに関するものである。
（従来の技術）
量子井戸半導体レーザは、通常のバルクの活動層を有す
る半導体レーザに比べて利得スペクトルが急峻になるこ
とから、発振しきい値の低減や高速変調特性の改善が期
待され、光通信等における高性能光源として有望視され
ている。その性能をさらに高める方法として近年歪量子
井戸レーザが提案され、注目を集めている。この歪量子
井戸レーザは、ウェル部分に２軸性の圧縮応力をカワえ
てウェル内で価電子帯のバンド構造を変形（〜、より一
層の低しきい値化などの素子特性の改善を狙ったもので
ある。
る半導体レーザに比べて利得スペクトルが急峻になるこ
とから、発振しきい値の低減や高速変調特性の改善が期
待され、光通信等における高性能光源として有望視され
ている。その性能をさらに高める方法として近年歪量子
井戸レーザが提案され、注目を集めている。この歪量子
井戸レーザは、ウェル部分に２軸性の圧縮応力をカワえ
てウェル内で価電子帯のバンド構造を変形（〜、より一
層の低しきい値化などの素子特性の改善を狙ったもので
ある。
従来の１．３〜１．６／ｉｍ帯長波長歪量子井戸レーザ
ではウェルにＩｎ Ｇａ、ｘＡｓ３元混晶が用いられて
いるが、この■ｎｘＧａ１−ｘＡｓを用いる歪ウェルで
はＩｎ組成Ｘを大きくすることにより大きな圧縮歪を加
えることができる。ところがＩｎの組成を大きくすると
同時にウェルのエネルギー・ギャップも小さくなるので
、希望の発振波長を得るためにはウェル幅を／ｈす＜シ
て行かなければならない。例えば１．５５μｍ帯歪量子
井戸子弁ザで歪を約１．５％加える場合にはＩｎの組成
Ｘはｘ＝０．７５となり、このときウェル幅は２５人と
非常に小さくなる。この様にウェルの幅が非常に小さく
なると、ウェルとバリヤのへテロ界面での原子層ステッ
プの影響を顕著に受けるようになるため、ゲインスペク
トルが広がり、ピーク利得の低下を招いてしまう。
ではウェルにＩｎ Ｇａ、ｘＡｓ３元混晶が用いられて
いるが、この■ｎｘＧａ１−ｘＡｓを用いる歪ウェルで
はＩｎ組成Ｘを大きくすることにより大きな圧縮歪を加
えることができる。ところがＩｎの組成を大きくすると
同時にウェルのエネルギー・ギャップも小さくなるので
、希望の発振波長を得るためにはウェル幅を／ｈす＜シ
て行かなければならない。例えば１．５５μｍ帯歪量子
井戸子弁ザで歪を約１．５％加える場合にはＩｎの組成
Ｘはｘ＝０．７５となり、このときウェル幅は２５人と
非常に小さくなる。この様にウェルの幅が非常に小さく
なると、ウェルとバリヤのへテロ界面での原子層ステッ
プの影響を顕著に受けるようになるため、ゲインスペク
トルが広がり、ピーク利得の低下を招いてしまう。
また従来の歪ＩｎＧａＡｓウェル／ＩｎＧａＡｓＰバリ
ヤの歪量子井戸レーザでは、電子に対する閉じ込めポテ
ンシャルＡＥｃがホールに対する閉じ込めポテンシャル
ΔＥｖよりも小さく、高注入時において電子がウェルの
外に漏れる（オーバーフロー）問題と、逆にホールの閉
じ込めが強すぎて異なるウェル間でのホールの注入が不
均一となる問題が生じている。第３図（ａ）のバンド図
参照。
ヤの歪量子井戸レーザでは、電子に対する閉じ込めポテ
ンシャルＡＥｃがホールに対する閉じ込めポテンシャル
ΔＥｖよりも小さく、高注入時において電子がウェルの
外に漏れる（オーバーフロー）問題と、逆にホールの閉
じ込めが強すぎて異なるウェル間でのホールの注入が不
均一となる問題が生じている。第３図（ａ）のバンド図
参照。
（発明が解決しようとする課題）
本発明の目的はこのような従来型の歪量子井戸半導体レ
ーザの欠点を除去せしめて、ゲインスペクトルがシャー
プで、電子のオーバーフローが少なく、なおかつ均一な
キャリヤの注入状態が実現できる歪量子井戸半導体レー
ザを提供することにある。
ーザの欠点を除去せしめて、ゲインスペクトルがシャー
プで、電子のオーバーフローが少なく、なおかつ均一な
キャリヤの注入状態が実現できる歪量子井戸半導体レー
ザを提供することにある。
（課題を解決するための手段）
本発明によるＩｎＰを基板、ＩｎＧａＡｓＰをバリヤ層
として用いる歪量子井戸半導体レーザにおいて、ウェル
層を形成する半導体がＩｎ、Ｇａ、−ＸＡｓ、Ｐニー、
あるいはＩｎＡｓ Ｐ からなり、その格子定数が基
板の格子 １−ｚ 定数よりも大きいことを特徴とする歪量子井戸半導体レ
ーザによって上記の課題を解決できる。Ｘ。
として用いる歪量子井戸半導体レーザにおいて、ウェル
層を形成する半導体がＩｎ、Ｇａ、−ＸＡｓ、Ｐニー、
あるいはＩｎＡｓ Ｐ からなり、その格子定数が基
板の格子 １−ｚ 定数よりも大きいことを特徴とする歪量子井戸半導体レ
ーザによって上記の課題を解決できる。Ｘ。
Ｙ、Ｚは０≦Ｘ、Ｙ、ｚ≦１である。
（作用）
第２図および第３図（ａＸｂ）を用いて本発明の詳細な
説明する。第２図は格子定数とバンドギャップの関係を
示す図で、第３図（ａＸｂ）はそれぞれ、従来例と本発
明のバンド図である。
説明する。第２図は格子定数とバンドギャップの関係を
示す図で、第３図（ａＸｂ）はそれぞれ、従来例と本発
明のバンド図である。
本発明による構造では、以下に述べる効果によって素子
特性の改善が期待できる。
特性の改善が期待できる。
１つには、従来のＩｎＧａＡｓ歪ウェルにＰを加えてＩ
ｎＧａＡｓＰあるいはＩｎＡｓＰにすると、第２図から
分かるように、同程度の大きさの歪を有する歪ＩｎＧａ
Ａｓよりもエネルギー・ギャップを大きくとることがで
きる。従って２％程度の大きな歪を加える場合でも、Ｉ
ｎｏ７゜Ｇａｏ２８Ａｓｏ６Ｐｏ４バリヤでＩｎＡｓｏ
６Ｐ、４ウエルの組成を用いれば、５０人程度と大きな
ウェル幅でも１．５５□ｍ帯に利得ピークを得る事がで
きる。このようにウェル幅が５０人程度と厚ければ、先
にのべた原子層ステップによるゲインスペクトルのブロ
ードニングは無視できる程度となる。
ｎＧａＡｓＰあるいはＩｎＡｓＰにすると、第２図から
分かるように、同程度の大きさの歪を有する歪ＩｎＧａ
Ａｓよりもエネルギー・ギャップを大きくとることがで
きる。従って２％程度の大きな歪を加える場合でも、Ｉ
ｎｏ７゜Ｇａｏ２８Ａｓｏ６Ｐｏ４バリヤでＩｎＡｓｏ
６Ｐ、４ウエルの組成を用いれば、５０人程度と大きな
ウェル幅でも１．５５□ｍ帯に利得ピークを得る事がで
きる。このようにウェル幅が５０人程度と厚ければ、先
にのべた原子層ステップによるゲインスペクトルのブロ
ードニングは無視できる程度となる。
さらにＩｎＡｓＰあるいはＩｎＧａＡｓＰをウェルに用
いる場合は、ウェルとバリヤ間のエネルギー・ギャップ
の違いは、Ｖ族元素であるＡｓやＰといった軽元素より
もむしろＩＩＩ族ＩｎとＧａによる組成の違いによって
生じることになる。ＩＩＩ ＋ Ｖ族化合物半導体はこ
れらの元素がＳＰ混成軌道により共有結合することによ
って結晶が形成されているが、この内ＩＩＩ族元素は主
にＳ軌道を、またＶ族の元素は主にＰ軌道を担っている
。一方に−ｐ摂動論によれば、伝導帯の底はＳの軌道の
、また価電子帯の頂上付近はＰ軌道の電子によって形成
されている。従って半導体へテロ接合においてＩＩＩ族
元素による組成の違いが大きければ伝導帯のエネルギー
差ΔＥｃが、逆に■族元素による組成の違いが大きけれ
ば価電子帯のエネルギー差ΔＥｖが大きくなるようなペ
テロ接合が形成される。ＩｎＡｓＰあるいはＩｎＧａＡ
ｓＰの歪ウェルを用いる場合には以上のような理由によ
り、第３図（ｂ）に示すように電子に対する閉じ込めポ
テンシャル△Ｅｃを大きく、逆にホールに対する閉じ込
めポテンシャルΔＥｖを小さくすることができるため、
先に述べた電子のオーバーフローの問題とホール注入の
不均一の問題を同時に解決できる。ちなみに歪Ｉｎｏ、
−ｔ Ｇａｏ ３Ａｓウエル／Ｉｎｏ７□Ｇａｏ２８Ａ
ｓｏ６Ｐｏ４バリヤの場合ΔＥｃは０．３ｅＶ程度の値
になるが、歪ＩｎＡｓｏ６Ｐｏ４ウェル／ＩｎＯ，７２
Ｇａ０．２Ｂ””０．６”０．４バリヤの場合△Ｅｃは
０．５ｅＶ程度となる。（第３図（ａＸｂ）参照） さらに結晶成長の観点から言えば、ＩｎＧａＡｓ／Ｉｎ
ＧａＡｓＰのへテロ接合よりもＩｎＡｓＰ／ＩｎＧａＡ
ｓＰのへテロ接合の方がへテロ界面での組成の急峻な切
り代わりが得られており、良好なポテンシャル構造を有
する量子井戸が得られる。
いる場合は、ウェルとバリヤ間のエネルギー・ギャップ
の違いは、Ｖ族元素であるＡｓやＰといった軽元素より
もむしろＩＩＩ族ＩｎとＧａによる組成の違いによって
生じることになる。ＩＩＩ ＋ Ｖ族化合物半導体はこ
れらの元素がＳＰ混成軌道により共有結合することによ
って結晶が形成されているが、この内ＩＩＩ族元素は主
にＳ軌道を、またＶ族の元素は主にＰ軌道を担っている
。一方に−ｐ摂動論によれば、伝導帯の底はＳの軌道の
、また価電子帯の頂上付近はＰ軌道の電子によって形成
されている。従って半導体へテロ接合においてＩＩＩ族
元素による組成の違いが大きければ伝導帯のエネルギー
差ΔＥｃが、逆に■族元素による組成の違いが大きけれ
ば価電子帯のエネルギー差ΔＥｖが大きくなるようなペ
テロ接合が形成される。ＩｎＡｓＰあるいはＩｎＧａＡ
ｓＰの歪ウェルを用いる場合には以上のような理由によ
り、第３図（ｂ）に示すように電子に対する閉じ込めポ
テンシャル△Ｅｃを大きく、逆にホールに対する閉じ込
めポテンシャルΔＥｖを小さくすることができるため、
先に述べた電子のオーバーフローの問題とホール注入の
不均一の問題を同時に解決できる。ちなみに歪Ｉｎｏ、
−ｔ Ｇａｏ ３Ａｓウエル／Ｉｎｏ７□Ｇａｏ２８Ａ
ｓｏ６Ｐｏ４バリヤの場合ΔＥｃは０．３ｅＶ程度の値
になるが、歪ＩｎＡｓｏ６Ｐｏ４ウェル／ＩｎＯ，７２
Ｇａ０．２Ｂ””０．６”０．４バリヤの場合△Ｅｃは
０．５ｅＶ程度となる。（第３図（ａＸｂ）参照） さらに結晶成長の観点から言えば、ＩｎＧａＡｓ／Ｉｎ
ＧａＡｓＰのへテロ接合よりもＩｎＡｓＰ／ＩｎＧａＡ
ｓＰのへテロ接合の方がへテロ界面での組成の急峻な切
り代わりが得られており、良好なポテンシャル構造を有
する量子井戸が得られる。
（実施例）
第１図を用いて本発明の実施例について説明する。
第１図に埋め込み型歪超格子半導体レーザの活性領域部
分の断面図を示す。作製方法はまずｎ−ＩｎＰ基板１５
上にＭＯＶＰＥ法によりｎ−ＩｎＰバッファ層１４を０
．１．ｚｍ成長し、次に１．３．ｕｍ組成ＩｎＧａＡｓ
Ｐバリヤ１２を１５０人成長し、その上にＩｎＯ，８Ｇ
ａＯ，２””０．６”０．４ウエル１３を４０人成長さ
せる。このウェルとバリヤの成長を５回繰り返して５層
の多重量子井戸構造を作製する。
分の断面図を示す。作製方法はまずｎ−ＩｎＰ基板１５
上にＭＯＶＰＥ法によりｎ−ＩｎＰバッファ層１４を０
．１．ｚｍ成長し、次に１．３．ｕｍ組成ＩｎＧａＡｓ
Ｐバリヤ１２を１５０人成長し、その上にＩｎＯ，８Ｇ
ａＯ，２””０．６”０．４ウエル１３を４０人成長さ
せる。このウェルとバリヤの成長を５回繰り返して５層
の多重量子井戸構造を作製する。
その上にさらにｐ−ＩｎＰクラッド層１１を約１１□ｍ
成長する。ここでウェルには約１．５％の圧縮応力が加
わっていることになる。このようにして作製した歪量子
井戸ウェハをＤＣ−ＰＢＨ構造に埋め込み、最後にｐ側
、ｎ側に電極を蒸着する。
成長する。ここでウェルには約１．５％の圧縮応力が加
わっていることになる。このようにして作製した歪量子
井戸ウェハをＤＣ−ＰＢＨ構造に埋め込み、最後にｐ側
、ｎ側に電極を蒸着する。
このレーザを評価したところ、発振しきい値Ｉｔｈ＝５
ｍＡ、効率１．＝ ０．２８Ｗ／Ａ、最大光出力Ｐｍａ
ｘ＝５０ｍＷ程度の良好な静特性を示した。また内部量
子井戸効率を測定したところ０．９５という非常に高い
値が得られた。さらにＤＦＢ構造のレーザを試作し、伝
送実験による評価を行った。その結果、歪の効果による
線幅増大係数（αパラメータ）の低減から良好な低チャ
ープ性が得られ、２．５Ｇｂｉｔ／ｓｅｅ−１００ｋｍ
の伝送にも成功している。
ｍＡ、効率１．＝ ０．２８Ｗ／Ａ、最大光出力Ｐｍａ
ｘ＝５０ｍＷ程度の良好な静特性を示した。また内部量
子井戸効率を測定したところ０．９５という非常に高い
値が得られた。さらにＤＦＢ構造のレーザを試作し、伝
送実験による評価を行った。その結果、歪の効果による
線幅増大係数（αパラメータ）の低減から良好な低チャ
ープ性が得られ、２．５Ｇｂｉｔ／ｓｅｅ−１００ｋｍ
の伝送にも成功している。
本実施例では歪ウェル層のＩｎの組成を０．８としたが
、Ｉｎの組成をさらに大きくして歪ＩｎＡｓＰウェルに
することによってその効果はより一層顕著になるが、Ｊ
、Ｗ、Ｍａｔｔｈｅｗｓらがジャーナル・オブ・クリス
タル・グロウス（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａ
ｌ Ｇｒｏｗｔｈ） Ｖｏｌ、２７． ｐＨ８において
計算しているクリティカル・レイヤー・シツクネスで与
えられる条件に近付くと逆に悪くなる。この他に１．１
５μｍ組成のバリヤ層でも同様の試作を行ない、同様に
良好な特性の素子が得られている。
、Ｉｎの組成をさらに大きくして歪ＩｎＡｓＰウェルに
することによってその効果はより一層顕著になるが、Ｊ
、Ｗ、Ｍａｔｔｈｅｗｓらがジャーナル・オブ・クリス
タル・グロウス（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａ
ｌ Ｇｒｏｗｔｈ） Ｖｏｌ、２７． ｐＨ８において
計算しているクリティカル・レイヤー・シツクネスで与
えられる条件に近付くと逆に悪くなる。この他に１．１
５μｍ組成のバリヤ層でも同様の試作を行ない、同様に
良好な特性の素子が得られている。
（発明の効果）
本発明によれば電子のオーバーフローを解消し、均一な
キャリア注入ができ、利得スペクトルがシャープな低し
きい値歪量子井戸レーザが得られる。
キャリア注入ができ、利得スペクトルがシャープな低し
きい値歪量子井戸レーザが得られる。
本発明の歪量子井戸半導体レーザでは、従来の歪量子井
戸レーザの特性が歪みが大きくなるにつれて論理的に予
測される値を大きく下回るようになり、期待した程の特
性の改善が得られていない問題に関して一つの打開策を
与えることができ、幹線系光通信での大容量直接検波系
およびコヒーレント検波系の高性能光源として幅広い応
用が期待できる。
戸レーザの特性が歪みが大きくなるにつれて論理的に予
測される値を大きく下回るようになり、期待した程の特
性の改善が得られていない問題に関して一つの打開策を
与えることができ、幹線系光通信での大容量直接検波系
およびコヒーレント検波系の高性能光源として幅広い応
用が期待できる。
第１図は本発明の一実施例を示す構造図、第２図および
第３図は本発明の原理を示す図であり、第２図は格子定
数とバンドギャップの関係を示す図、第３図（ａ）は従
来例のバンド図、第３図（ｂ）は本発明の実施例のバン
ド図である。 図において、１１・・・ｐ−ＩｎＰクラッド層、１２・
・・１．３μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰバリヤ層、１３・・
・Ｉｎｏ８Ｇａｏ２Ａｓｏ６Ｐｏ４ｎ上８Ｇａｏ４ｎ−
ＩｎＰバッファ層、１５・ｎ−ＩｎＰ基板。
第３図は本発明の原理を示す図であり、第２図は格子定
数とバンドギャップの関係を示す図、第３図（ａ）は従
来例のバンド図、第３図（ｂ）は本発明の実施例のバン
ド図である。 図において、１１・・・ｐ−ＩｎＰクラッド層、１２・
・・１．３μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰバリヤ層、１３・・
・Ｉｎｏ８Ｇａｏ２Ａｓｏ６Ｐｏ４ｎ上８Ｇａｏ４ｎ−
ＩｎＰバッファ層、１５・ｎ−ＩｎＰ基板。
Claims (1)
- ＩｎＰを基板、ＩｎＧａＡｓＰをバリヤ層として用いる
歪量子井戸半導体レーザにおいて、ウェル層を形成する
半導体がＩｎ＿ｘＧａ＿１＿−＿ＸＡｓ＿ｙＰ＿１＿−
＿ｙあるいはＩｎＡｓ＿ｚＰ＿１＿−＿ｚからなり、そ
の格子定数が基板の格子定数よりも大きいことを特徴と
する歪量子井戸半導体レーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2160108A JP2712767B2 (ja) | 1990-06-19 | 1990-06-19 | 歪量子井戸半導体レーザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2160108A JP2712767B2 (ja) | 1990-06-19 | 1990-06-19 | 歪量子井戸半導体レーザ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0449689A true JPH0449689A (ja) | 1992-02-19 |
| JP2712767B2 JP2712767B2 (ja) | 1998-02-16 |
Family
ID=15708028
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2160108A Expired - Lifetime JP2712767B2 (ja) | 1990-06-19 | 1990-06-19 | 歪量子井戸半導体レーザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2712767B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH057054A (ja) * | 1991-06-26 | 1993-01-14 | Hikari Gijutsu Kenkyu Kaihatsu Kk | 歪量子井戸半導体レーザ素子および歪量子井戸構造の作製方法 |
| JPH06342959A (ja) * | 1993-03-12 | 1994-12-13 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 多重量子井戸半導体レーザ及びそれを用いた光通信システム |
| WO1995015022A1 (en) * | 1993-11-24 | 1995-06-01 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Semiconductor optical element |
| JP2002151795A (ja) * | 2000-11-10 | 2002-05-24 | Sharp Corp | 窒化物半導体発光素子、光ピックアップ装置、白色光源装置および表示装置 |
| JP2021034497A (ja) * | 2019-08-22 | 2021-03-01 | 株式会社東芝 | 半導体発光デバイス |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02130988A (ja) * | 1988-11-11 | 1990-05-18 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 量子井戸半導体レーザ素子 |
-
1990
- 1990-06-19 JP JP2160108A patent/JP2712767B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02130988A (ja) * | 1988-11-11 | 1990-05-18 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 量子井戸半導体レーザ素子 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPH057054A (ja) * | 1991-06-26 | 1993-01-14 | Hikari Gijutsu Kenkyu Kaihatsu Kk | 歪量子井戸半導体レーザ素子および歪量子井戸構造の作製方法 |
| JPH06342959A (ja) * | 1993-03-12 | 1994-12-13 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 多重量子井戸半導体レーザ及びそれを用いた光通信システム |
| WO1995015022A1 (en) * | 1993-11-24 | 1995-06-01 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Semiconductor optical element |
| US5739543A (en) * | 1993-11-24 | 1998-04-14 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Optical semiconductive device with inplanar compressive strain |
| JP2002151795A (ja) * | 2000-11-10 | 2002-05-24 | Sharp Corp | 窒化物半導体発光素子、光ピックアップ装置、白色光源装置および表示装置 |
| JP2021034497A (ja) * | 2019-08-22 | 2021-03-01 | 株式会社東芝 | 半導体発光デバイス |
| JP2023106531A (ja) * | 2019-08-22 | 2023-08-01 | 株式会社東芝 | 発光ダイオードおよびその製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2712767B2 (ja) | 1998-02-16 |
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