JPH06302910A

JPH06302910A - 量子井戸半導体レーザ

Info

Publication number: JPH06302910A
Application number: JP10993593A
Authority: JP
Inventors: Norio Okubo; 典雄大久保; Toshio Kikuta; 俊夫菊田
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1993-04-12
Filing date: 1993-04-12
Publication date: 1994-10-28

Abstract

(57)【要約】【目的】キャリアの活性層への注入効率や温度特性が
高く、シリーズ抵抗が低い量子井戸半導体レーザを提供
する。【構成】ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−ＧａＡｓバッ
ファ層２、ｎ−ＩｎＧａＰクラッド層３、ｎ型光閉じ込
め層15、ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層７、ｐ型光閉じ
込め層16、ｐ−ＩｎＧａＰクラッド層11、ｐ−ＧａＡｓ
キャップ層12を順に積層形成し、キャップ層12とクラッ
ド層11の一部分にかけて半導体レーザの左右両側をエッ
チング除去し、除去した部分にポリイミド膜17を形成す
る。ｎ型光閉じ込め層15とｐ型光閉じ込め層16は各々バ
レンスバンドエネルギが異なるＩｎＧａＡｓＰの層を積
層形成して、エネルギ的に階段状になるように構成し、
ｐ型光閉じ込め層16の厚さをｎ型光閉じ込め層15の厚さ
よりも厚くする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば光通信用の光源
として利用される量子井戸半導体レーザに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】光通信等の光源用として利用される半導
体レーザは、基板の上側にクラッド層や活性層等からな
る層構造を有しており、半導体レーザは、レーザから発
するレーザ光の横モードを制御するために、レーザのデ
バイスサイズは制限されている場合が殆どである。ま
た、半導体レーザの発光効率の向上が可能であること等
から、活性層とは異なる材料系で形成した光閉じ込め層
を活性層の上下両側に設けて活性層を挟むようにした、
ダブルヘテロ接合ダイオードを有する半導体レーザがよ
く用いられている。

【０００３】このように、デバイスサイズが制限されて
いて、ダブルヘテロ接合ダイオードを有する半導体レー
ザのシリーズ抵抗は、ダブルヘテロ接合ダイオードの電
流−電圧特性でほぼ決定される。また、クラッド層と活
性層とのバンドギャップのバレンスバンド側オフセット
が大きい材料系で形成されている半導体レーザは、シリ
ーズ抵抗が大きくなり、特性温度が低くなることがわか
っている。特に、前記各光閉じ込め層を均一な材料で形
成した単純な光−キャリア分離閉じ込め構造の半導体レ
ーザでは、その傾向が、より顕著に表れる。

【０００４】すなわち、半導体レーザに電圧をかける
と、キャリアである電子やホール（正孔）が活性層に注
入されるが、クラッド層と活性層とを形成する材料のバ
レンスバンド側オフセットが大きいと、活性層の上下界
面に形成されるスパイクが量子学的に障壁となり、エネ
ルギ的に重いホールにとって、その障壁を越えることが
難しくなり、ホールの活性層への注入が阻害され、シリ
ーズ抵抗が増大することになるのである。

【０００５】また、単純な光−キャリア分離閉じ込め構
造の半導体レーザでは、図４に示すように、上記スパイ
ク21がエネルギ的に特に高くて広いために、バレンスバ
ンドＥ_Vの下側にあるホール20がホール20の疑フェルミ
レベルＥ_FP側へ移動しにくく、活性層への注入が阻害さ
れ、シリーズ抵抗を大きく増大させる要因となってい
る。また、以上のように、スパイク21によりホール20の
活性層への注入が阻害されると、半導体レーザの特性温
度の低下も、もたらされることになるのである。

【０００６】ところで、近年、半導体レーザの高出力
化、高速化が求められるようになり、そのように高出力
のレーザや高速で駆動するレーザの実現のためには、半
導体レーザのシリーズ抵抗を低減させることが必要不可
欠となり、上記のようにシリーズ抵抗が大きい、単純な
光−キャリア分離閉じ込め構造の半導体レーザに代わ
り、グレーデッドインデックス型の光−キャリア分離閉
じ込め構造を有する半導体レーザがよく用いられるよう
になった。

【０００７】グレーデッドインデックス型の半導体レー
ザは、スパイクをエネルギ的に低くて狭いスパイクに分
割する、あるいは、スパイクを完全に除去するために、
光閉じ込め層がエネルギ的に徐々に変化するように構成
したレーザであり、光閉じ込め層を形成する材料とし
て、通常、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰ／
ＧａＡｓ等の格子整合系の材料が用いられている。グレ
ーデッドインデックス型の光−キャリア分離閉じ込め構
造の半導体レーザでは、これらの格子整合系の材料の格
子整合を維持しながら組成を連続的に変化させることは
技術的に困難なため、バンドギャップがそれぞれ異なる
格子整合系の光閉じ込め材料層を多層に積層形成するこ
とにより、エネルギ的に階段状の層となるように形成
し、光閉じ込め層がエネルギ的に徐々に変化するように
構成している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、半導体
レーザを光ファイバのようなミクロな導波路に結合する
ためには、レーザ光のビーム形状を円形に且つ狭くする
ことが必要であり、そのようなレーザ光制御のために、
上記グレーデッドインデックス型の半導体レーザの光閉
じ込め層の厚さを薄くすると、多層の光閉じ込め層を形
成している各光閉じ込め層の界面に存在するスパイクが
接近し、エネルギ的に低くて狭いスパイクでも密接する
と、エネルギ的に重くて移動が遅いホールにとっては、
越えるのが難しい障壁群となるといった問題があった。
このように、ホールが密接した障壁群を越えることが難
しくなると、シリーズ抵抗は増大し、特性温度が低下す
る要因となるのである。

【０００９】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであり、その目的は、キャリアの注入効率や特性
温度が高く、シリーズ抵抗の低い量子井戸半導体レーザ
を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は次のように構成されている。すなわち、本
発明は、歪量子井戸活性層が多層のｐ型光閉じ込め層と
多層のｎ型光閉じ込め層で挟まれているグレーデッドイ
ンデックス型の光−キャリア分離閉じ込め構造を有する
量子井戸半導体レーザにおいて、前記ｐ型光閉じ込め層
の厚さをｎ型光閉じ込め層の厚さよりも厚くしたことを
特徴として構成されている。

【００１１】

【作用】上記構成の本発明において、ｐ型光閉じ込め層
の厚さがｎ型光閉じ込め層の厚さよりも厚く形成されて
いるために、活性層内にホールが注入される際に、多層
のｐ型光閉じ込め層内に存在しているバレンスバンドス
パイクがホールの活性層への注入に及ぼす影響は少なく
なる。そのため、ホールが活性層内に注入される注入効
率や特性温度が高くなり、シリーズ抵抗も低くなる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１には、本発明に係る量子井戸半導体レーザの
一実施例が示されている。このレーザは幅３μｍ、共振
器長１mmのリッジ導波路レーザである。同図において、
ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、膜厚0.5 μｍのｎ−ＧａＡｓ
バッファ層２と、膜厚2.0 μｍのｎ−ＩｎＧａＰクラッ
ド層３と、膜厚30ｎｍの多層のｎ型光閉じ込め層15と、
膜厚９ｎｍのＩｎＧａＡｓの歪量子井戸活性層７と、膜
厚60ｎｍの多層のｐ型光閉じ込め層16を順に積層形成し
ている。

【００１３】ｐ型光閉じ込め層16の上側には、膜厚2.0
μｍのｐ−ＩｎＧａＰクラッド層11と、膜厚0.5 μｍの
ｐ−ＧａＡｓキャップ層12を順に積層形成し、このキャ
ップ層12とクラッド層11の一部分にかけて積層半導体の
左右両側にエッチングで除去し、除去した後にクラッド
層11の左右両側位置にポリイミド絶縁膜17を積層形成し
ている。基板１の下面側にはｎ側電極13を形成し、ポリ
イミド絶縁膜17とキャップ層12の上面側にはｐ側電極14
を形成している。

【００１４】この量子井戸半導体レーザは、グレーデッ
ドインデックス型の光−キャリア分離構造を有するレー
ザで、図２に示すように、ｎ型光閉じ込め層15は、膜厚
10ｎｍの各ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層４，５，６
を順に積層形成したものであり、これらのｎ型光閉じ込
め層４，５，６の各バレンスバンドエネルギ（Ｅｇ）
は、それぞれ1.77eV，1.65eV，1.55eVであり、ｎ型光閉
じ込め層15はエネルギ的に階段状の層となっている。ｐ
型光閉じ込め層16は膜厚20ｎｍのｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光
閉じ込め層８，９，10を順に積層形成したものであり、
これらのｐ型光閉じ込め層８，９，10の各Ｅｇは、それ
ぞれ1.55eV，1.65eV，1.75eVで、ｐ型光閉じ込め層16も
エネルギ的に階段状の層となっている。

【００１５】また、ｎ型光閉じ込め層15の各層４，５，
６とｐ型光閉じ込め層16の各層８，９，10のバレンスバ
ンドエネルギ差が、活性層７を挟んで上下対称になって
おり、ｎ型光閉じ込め層15の最も下側にある光閉じ込め
層４のバレンスバンドエネルギ（Ｅｇ）とｐ型光閉じ込
め層16の最も上側にある光閉じ込め層10のＥｇは同じと
なっている。このように、ｎ型光閉じ込め層４とｐ型光
閉じ込め層10のＥｇを同じに構成し、活性層７と各光閉
じ込め層４，10のバレンスバンドエネルギ差を等しくす
ることにより、活性層10から発生するレーザ光の放射パ
ターンフィールドを制御している。

【００１６】放射パターンフィールドは、各光閉じ込め
層４，10と活性層７とのバレンスバンドエネルギ差によ
り制御されるのと同時に、光閉じ込め層15，16の厚さの
和によって制御される。すなわち、放射パターンフィー
ルドをある形態に設定すると、半導体レーザの作製に際
し、その放射パターンフィールドに対応してｐ型とｎ型
の光閉じ込め層の厚さの和も一義的に決まってくる。従
来例ではｐ型とｎ型の光閉じ込め層の厚さの和が一定と
いう条件のもとに、ｐ型の光閉じ込め層とｎ型光閉じ込
め層の厚さを同じにしたが、本実施例ではｐ型とｎ型の
光閉じ込め層の和が一定という条件のもとで、ｐ型光閉
じ込め層16の厚さをｎ型光閉じ込め層15の厚さよりも厚
く構成したことを大きな特徴としている。

【００１７】以上のように本実施例の量子井戸半導体レ
ーザは構成されており、次にその動作について説明す
る。ｎ側電極13とｐ側電極14に電圧をかけると、歪量子
井戸活性層７にはｎ型光閉じ込め層15側から電子が注入
され、ｐ型光閉じ込め層16側からはホールが注入され
る。活性層７では、この注入された電子とホールの再結
合が起こり、発振する光が活性層７で増幅されてレーザ
光として発射される。

【００１８】ところで、この量子井戸半導体レーザのｐ
型光閉じ込め層16の厚さは、ｎ型光閉じ込め層15の厚さ
よりも厚く形成されていて、各ｐ型光閉じ込め層８，
９，10の厚さも厚いために、図３に示すように、各ｐ型
光閉じ込め層８，９，10の各バレンスバンドＥ_Vからな
るｐ型光閉じ込め層16のバレンスバンドＥ_V構造は、エ
ネルギ的に緩やかな階段状となる。そのため、各ｐ型光
閉じ込め層８，９，10の界面に形成されるスパイク21
は、エネルギ的に緩やかな階段状のバレンスバンドＥ_V
の境界側に形成され、スパイク21とスパイク21の幅ｄは
広くなる。

【００１９】半導体レーザの電極13，14に電圧がかけら
れると、バレンスバンドＥ_Vの下側にあるホール20は、
矢印のようにホール20の疑フェルミレベルＥ_FP側へ移動
し、活性層７に注入されるが、このとき、バレンスバン
ドＥ_Vの境界側に形成されるスパイク21間の幅ｄが広い
ために、スパイク21がホール20の移動を妨げる密接すた
障壁群のようにはならず、ホール20は支障なく疑フェル
ミレベルＥ_FPへ移動し、活性層７に注入される。したが
って、ホール20の活性層７への注入効率は上昇し、半導
体レーザのシリーズ抵抗は低下し、特性温度も上昇す
る。

【００２０】一方、ｎ型光閉じ込め層15はｐ型閉じ込め
層16よりも厚みが薄く、その分だけｎ型光閉じ込め層15
の各層８，９，10の界面に生じるスパイク21幅ｄは狭く
なり、密接するが、電子はホール20のようにエネルギ的
に重くはないために、スパイク21により電子の移動を妨
げられることもなく、電子は支障なく活性層７に注入さ
れる。

【００２１】したがって、本実施例のように、ｐ型光閉
じ込め層16の厚みをｎ型光閉じ込め層15の厚みより厚く
した量子井戸半導体レーザでは、電子の活性層７への注
入等は従来通りに行われ、ホール20の活性層７への注入
効率等が改善されるために、結果として、キャリアの注
入効率や特性温度が高く、シリーズ抵抗の低い優れた量
子井戸半導体レーザとなる。

【００２２】本実施例の効果を確かめるために、比較例
として、活性層７の上下両側の光閉じ込め層、すなわ
ち、ｐ型光閉じ込め層とｎ型光閉じ込め層の厚さを等し
くした、従来例と同様の量子井戸半導体レーザを作り、
本実施例の量子井戸半導体レーザとの比較検討を行っ
た。この比較例のレーザは光閉じ込め層を除く部分の構
成は本実施例と同様であり、ｐ型光閉じ込め層16を形成
している、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰの各光閉じ込め層８，
９，10の厚さがそれぞれ15ｎｍであり、ｎ型光閉じ込め
層15を形成している、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰの各光閉じ込
め層４，５，６の厚さが、それぞれ15ｎｍの量子井戸半
導体レーザである。つまり、ｐ型光閉じ込め層16とｎ型
光閉じ込め層15はの厚さは何れも45ｎｍで等しく形成さ
れ、ｐ型光閉じ込め層15とｎ型光閉じ込め層16の厚さの
和は90ｎｍである。

【００２３】本実施例の量子井戸半導体レーザのｐ型光
閉じ込め層16は厚さ20ｎｍのｐ−ＩｎＧａＡｓＰの各光
閉じ込め層８，９，10で形成され、n 型光閉じ込め層15
は厚さ10ｎｍのｎ−ＩｎＧａＡｓＰの各光閉じ込め層
４，５，６で形成され、ｐ型光閉じ込め層16の厚さは60
ｎｍ、ｎ型光閉じ込め層15の厚さは30ｎｍでｐ型光閉じ
込め層16の厚さはｎ型光閉じ込め層15の厚さよりも厚く
形成されている。ｐ型光閉じ込め層16とｎ型光閉じ込め
層15の厚さの和は90ｎｍであり、本実施例と比較例とは
同一の値となっている。

【００２４】以上のような、量子井戸半導体レーザにつ
いて、レーザの垂直遠視野像の半値全角を20度とし、10
0 ｍＡ駆動時の電圧を測定した。その結果、本実施例の
量子井戸半導体レーザでは電圧が1.9 Ｖ、比較例のレー
ザでは電圧が2.1 Ｖとなり、本実施例のレーザの方が比
較例のレーザよりも電圧が0.2 Ｖ低かった。したがっ
て、この検討により、ｐ型光閉じ込め層16の厚さをｎ型
光閉じ込め層15の厚さよりも厚く形成した本実施例のレ
ーザは、ｐ型光閉じ込め層16とｎ型光閉じ込め層15の厚
さを等しくした従来例のレーザよりもシリーズ抵抗が低
くなり、低い電圧でも従来例と同様の駆動力を発揮する
優れたレーザとなったことが立証された。

【００２５】なお、本発明の構成は上記実施例に限定さ
れるものではなく、様々な実施の態様を採り得る。例え
ば、上記実施例では、ｎ型光閉じ込め層15の各層４，
５，６とｐ型光閉じ込め層16の各層８，９，10の各バン
ドギャップエネルギ差は活性層７を挟んで上下対称にな
るように構成したが、必ずしも各バンドギャップエネル
ギ差を上下対称とする必要はなく、各バンドギャップエ
ネルギの値も上記実施例で示した値であるとは限らな
い。ただし、ｎ型光閉じ込め層15の最も下側にある光閉
じ込め層４とｐ型光閉じ込め層15の最も上側にある光閉
じ込め層10のバンドギャップエネルギを同一にすること
で、レーザ光のパターンフィールドを規制することが望
ましい。

【００２６】また、上記実施例では、ｎ型光閉じ込め層
15を形成している層４，５，６とｐ型光閉じ込め層16を
形成している層８，９，10の層数は各々３層としたが、
各光閉じ込め層15，16を形成する層の数は３層以外でも
よく、ｎ型光閉じ込め層15とｐ型光閉じ込め層とで層の
数が違っていても構わない。

【００２７】また、上記実施例では、幅３μｍ、共振器
長１mmのリッジ導波路レーザとしたが、レーザの大きさ
や、レーザの構造、レーザを構成している各層の組成や
層数などは特に限定されるものではなく、他のあらゆる
量子井戸半導体レーザに本発明を適用することができ
る。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、活性層を挟むｐ型光閉
じ込め層の厚さｎ型閉じ込め層の厚さよりも厚くしたこ
とにより、多層のｐ型光閉じ込め層側から活性層へ注入
されるホールはｐ型光閉じ込め層内に形成されるバレン
スバンドスパイクの影響を受けることが少なく、支障な
く活性層に注入される。そのため、ホールが活性層内に
注入される注入効率や特性温度を高くすることができ、
シリーズ抵抗を低下させることができる。一方、ｎ型光
閉じ込め層側から活性層へ注入される電子はホールのよ
うにエネルギが重くないために、従来通り活性層へ注入
されるため、本発明はキャリアの注入効率や特性温度が
高く、シリーズ抵抗の低い優れた量子井戸半導体レーザ
とすることができる。そして、これらのことから、本発
明は半導体レーザの高出力化、高速度化を可能とするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る量子井戸半導体レーザの一実施例
を示す構成図である。

【図２】図１の活性層７と各光閉じ込め層15，16の多層
構造と、それらのエネルギ状態を示す説明図である。

【図３】本実施例の多層のｐ型光閉じ込め層16側でのホ
ール20の移動を示す説明図である。

【図４】単純な光−キャリア分離閉じ込め構造を有する
レーザのホール20の移動を示す説明図である。

【符号の説明】

４，５，６，15 ｎ型光閉じ込め層７活性層８，９，10，16 ｐ型光閉じ込め層 20 ホール 21 スパイク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】歪量子井戸活性層が多層のｐ型光閉じ込
め層と多層のｎ型光閉じ込め層で挟まれているグレーデ
ッドインデックス型の光−キャリア分離閉じ込め構造を
有する量子井戸半導体レーザにおいて、前記ｐ型光閉じ
込め層の厚さをｎ型光閉じ込め層の厚さよりも厚くした
ことを特徴とする量子井戸半導体レーザ。