JPH0712103B2 - 半導体レ−ザ素子 - Google Patents
半導体レ−ザ素子Info
- Publication number
- JPH0712103B2 JPH0712103B2 JP60164002A JP16400285A JPH0712103B2 JP H0712103 B2 JPH0712103 B2 JP H0712103B2 JP 60164002 A JP60164002 A JP 60164002A JP 16400285 A JP16400285 A JP 16400285A JP H0712103 B2 JPH0712103 B2 JP H0712103B2
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- JP
- Japan
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- active layer
- laser device
- semiconductor laser
- quantum well
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- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、特に高速変調が可能な量子井戸型の半導体レ
ーザ素子に関するものである。
ーザ素子に関するものである。
〔発明の背景〕 半導体レーザ素子の高速変調は、上記半導体レーザ素子
の変調における周波数限界に比例する。したがって半導
体レーザ素子の高速化をはかるためには、上記半導体レ
ーザ素子の直接変調における周波数限界をできるだけ高
くする必要がある。通常、半導体レーザの直接変調にお
ける周波数限界は〜5GHz程度であるが、最近活性層の厚
さが結晶内の電子波束の大きさより小さい、いわゆる量
子井戸型レーザ素子にすると、周波数限界が高くなると
理論的に予測されている〔Y,ARAKAWA他：アプライド・
フィジックス・レターズ,45,950（1984））。一方従来
の半導体レーザ素子においても、活性層に不純物を高濃
度にドープすると、周波数限界が高くなるということが
実験的に確かめられている（C,B,SU他：アプライド・フ
ィジックス・レターズ,46,344（1985））。しかしなが
らいずれの場合も、他に特別の工夫をしない限り、上記
直接変調の周波数限界は10GHz付近である。
の変調における周波数限界に比例する。したがって半導
体レーザ素子の高速化をはかるためには、上記半導体レ
ーザ素子の直接変調における周波数限界をできるだけ高
くする必要がある。通常、半導体レーザの直接変調にお
ける周波数限界は〜5GHz程度であるが、最近活性層の厚
さが結晶内の電子波束の大きさより小さい、いわゆる量
子井戸型レーザ素子にすると、周波数限界が高くなると
理論的に予測されている〔Y,ARAKAWA他：アプライド・
フィジックス・レターズ,45,950（1984））。一方従来
の半導体レーザ素子においても、活性層に不純物を高濃
度にドープすると、周波数限界が高くなるということが
実験的に確かめられている（C,B,SU他：アプライド・フ
ィジックス・レターズ,46,344（1985））。しかしなが
らいずれの場合も、他に特別の工夫をしない限り、上記
直接変調の周波数限界は10GHz付近である。
本発明は、周波数限界が10GHzをこえる直接変調が行え
る高束の半導体レーザ素子を得ることを目的とする。
る高束の半導体レーザ素子を得ることを目的とする。
半導体レーザの直接変調の周波数限界を決めているの
は、ほぼ緩和振動周波数frである。緩和振動周波数frは
光と電子の変動における位相のずれから生じるものであ
るが、上記frを大きくするために有力な方法として、キ
ャリア密度の増加Δｎに対する利得の増加Δｇの比Δg/
Δｎ、すなわち微分利得を大きくする方法が考えられ
る。半導体レーザ素子の活性層を薄くして結晶内の自由
電子の波束の大きさより小さくしたいわゆる量子井戸型
レーザ素子では、微分利得が大きくなることが上記Y,AR
AKAWA他の文献に報告されている。一方、従来の半導体
レーザ素子の活性層内に不純物を高濃度にドープすると
frが増加することが上記C,B,SUらによって報告されてい
るが、これも高濃度の不純物によって微分利得が増加す
るためであると考えられる。
は、ほぼ緩和振動周波数frである。緩和振動周波数frは
光と電子の変動における位相のずれから生じるものであ
るが、上記frを大きくするために有力な方法として、キ
ャリア密度の増加Δｎに対する利得の増加Δｇの比Δg/
Δｎ、すなわち微分利得を大きくする方法が考えられ
る。半導体レーザ素子の活性層を薄くして結晶内の自由
電子の波束の大きさより小さくしたいわゆる量子井戸型
レーザ素子では、微分利得が大きくなることが上記Y,AR
AKAWA他の文献に報告されている。一方、従来の半導体
レーザ素子の活性層内に不純物を高濃度にドープすると
frが増加することが上記C,B,SUらによって報告されてい
るが、これも高濃度の不純物によって微分利得が増加す
るためであると考えられる。
発明者らは、量子井戸型レーザ素子など活性層の厚さが
結晶内自由電子の波束の大きさより小さいレーザ素子の
frを、さらに高くして変調の高速化をするためには、従
来アンドープであった活性層もしくは量子井戸型レーザ
のように活性層が２以上の活性層からなる場合には、そ
れらの活性層または活性層間のバリア層に不純物を導入
すればよいこと、および、その不純物濃度については、
レーザ発振時に活性層に注入されるキャリア密度より高
濃度に不純物を導入する必要があることを見出した。な
おこの際、不純物のタイプとしてドナーを導入すると、
電子の２次元性が失われて微分利得が小さくなりやすい
ので、アクセプタの方がより効果があることが判った。
またバリア層を中間に挾んで薄い活性層を複数個設けた
多重量子井戸型レーザ素子においては、バリア層にドー
プした不純物により発生したキャリアは活性層にトラッ
プされる。この場合は不純物ドープにより形成されるバ
ンドティルによって電子や正孔の２次元性が失われるこ
とがなく、微分利得が低下しないので、変調のより高速
化をはかれることが判った。すなわち、本発明による半
導体レーザ素子は、活性層の厚さが結晶内自由電子の波
束の大きさより小さい半導体レーザ素子において、上記
活性層、あるいは２層以上の活性層を有するときは活性
層の厚さより大きなバンドギャップを有し、上記活性層
内に注入されたキャリアを実質的に閉じ込めているバリ
ア層に、上記活性層に注入するキャリア密度より大きな
密度のキャリアを発生する不純物をドープしたものであ
ることにより、量子井戸型レーザ素子のfrを高くして周
波数限界を大きくし、変調の高速化をはかったものであ
る。
結晶内自由電子の波束の大きさより小さいレーザ素子の
frを、さらに高くして変調の高速化をするためには、従
来アンドープであった活性層もしくは量子井戸型レーザ
のように活性層が２以上の活性層からなる場合には、そ
れらの活性層または活性層間のバリア層に不純物を導入
すればよいこと、および、その不純物濃度については、
レーザ発振時に活性層に注入されるキャリア密度より高
濃度に不純物を導入する必要があることを見出した。な
おこの際、不純物のタイプとしてドナーを導入すると、
電子の２次元性が失われて微分利得が小さくなりやすい
ので、アクセプタの方がより効果があることが判った。
またバリア層を中間に挾んで薄い活性層を複数個設けた
多重量子井戸型レーザ素子においては、バリア層にドー
プした不純物により発生したキャリアは活性層にトラッ
プされる。この場合は不純物ドープにより形成されるバ
ンドティルによって電子や正孔の２次元性が失われるこ
とがなく、微分利得が低下しないので、変調のより高速
化をはかれることが判った。すなわち、本発明による半
導体レーザ素子は、活性層の厚さが結晶内自由電子の波
束の大きさより小さい半導体レーザ素子において、上記
活性層、あるいは２層以上の活性層を有するときは活性
層の厚さより大きなバンドギャップを有し、上記活性層
内に注入されたキャリアを実質的に閉じ込めているバリ
ア層に、上記活性層に注入するキャリア密度より大きな
密度のキャリアを発生する不純物をドープしたものであ
ることにより、量子井戸型レーザ素子のfrを高くして周
波数限界を大きくし、変調の高速化をはかったものであ
る。
つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。第１図
は本発明による半導体レーザ素子の一実施例を示す断面
図、第２図は量子井戸構造のエネルギーバンドを示す
図、第３図は緩和振動周波数frの実験結果を示す図であ
る。第１図において、ｎ型GaAs基板１上に有機金属気相
成長法によりｎ型Ga1-xAlxAsクラッド層（ｘ＝0.45）２
を成長させ、その上に多重量子井戸構造を成長させる。
多重量子井戸層は、ｐ型Ga1-yAlyAs活性層（ｙ＝０〜0.
2,厚さ３〜15nm）３と、アンドープGa1-zAlzAsバリア層
（ｚ＞y,厚さ３〜20nm）４とを交互に２〜10層成長させ
たものである。つぎにｐ型Ga1-xAlxAs層５およびｐ型Ga
As層６を成長させ、ｐ側電極Cr-Au7およびｎ側電極AuGe
Ni-Au8を蒸着して素子に切離した。ここで上記活性層３
に少なくとも１×1018cm-3以上のｐ型不純物をドープす
ると微分利得が大きくなり、従来の10GHzから20GHzに周
波数限界が高くなった。ドープする不純物の濃度は１×
1019cm-3をこえると格子欠陥が大きくなるので、不純物
濃度は１×1018cm-3台に留めた方がよい。またZnをドー
プすると拡散による無秩序化が生じ、量子井戸構造が消
失することもあるので、望ましくはMg,Beなどを用いた
方が効果は大きい。
は本発明による半導体レーザ素子の一実施例を示す断面
図、第２図は量子井戸構造のエネルギーバンドを示す
図、第３図は緩和振動周波数frの実験結果を示す図であ
る。第１図において、ｎ型GaAs基板１上に有機金属気相
成長法によりｎ型Ga1-xAlxAsクラッド層（ｘ＝0.45）２
を成長させ、その上に多重量子井戸構造を成長させる。
多重量子井戸層は、ｐ型Ga1-yAlyAs活性層（ｙ＝０〜0.
2,厚さ３〜15nm）３と、アンドープGa1-zAlzAsバリア層
（ｚ＞y,厚さ３〜20nm）４とを交互に２〜10層成長させ
たものである。つぎにｐ型Ga1-xAlxAs層５およびｐ型Ga
As層６を成長させ、ｐ側電極Cr-Au7およびｎ側電極AuGe
Ni-Au8を蒸着して素子に切離した。ここで上記活性層３
に少なくとも１×1018cm-3以上のｐ型不純物をドープす
ると微分利得が大きくなり、従来の10GHzから20GHzに周
波数限界が高くなった。ドープする不純物の濃度は１×
1019cm-3をこえると格子欠陥が大きくなるので、不純物
濃度は１×1018cm-3台に留めた方がよい。またZnをドー
プすると拡散による無秩序化が生じ、量子井戸構造が消
失することもあるので、望ましくはMg,Beなどを用いた
方が効果は大きい。
本発明の他の実施例を、同じく第１図を用いて説明す
る。ｎ型GaAs基板１上にｎ型Ga1-xAlxAsクラッド層２を
有機金属気相成長法によって成長させる。本実施例では
上記クラッド層２の上に形成する多重量子井戸構造は、
アンドープGa1-yAlyAs活性層（ｙ＝０〜0.2,厚さ３〜15
nm）３と、ｐ型Ga1-zAlzAsバリア層（ｚ＞y,厚さ３〜20
nm）４とを交互に２〜10層成長させている。ここで上記
バリア層４に１×1018cm-3以上のｐ型不純物をドープす
ると、生じた正孔はほとんど活性層３にトラップされ
る。このときのエネルギーバンド図を第２図に示す。図
示のように活性層３には高密度の正孔９が存在すること
になり、上記実施例と同じく微分利得が大きくなり、周
波数限界が高くなる。バリア層４に３×1018cm-3のMgを
ドープしたときの緩和振動周波数の実験結果を第３図に
示す。第３図は横軸に端面破壊限界光出力Pcで正規化し
た光出力Ｐの２乗根を、縦軸に緩和振動周波数frを示し
ているが、破線で示した従来の量子井戸型レーザ素子の
データ10に較べて、本実施例では実線11に示すように20
GHz以上に周波数限界が向上した。
る。ｎ型GaAs基板１上にｎ型Ga1-xAlxAsクラッド層２を
有機金属気相成長法によって成長させる。本実施例では
上記クラッド層２の上に形成する多重量子井戸構造は、
アンドープGa1-yAlyAs活性層（ｙ＝０〜0.2,厚さ３〜15
nm）３と、ｐ型Ga1-zAlzAsバリア層（ｚ＞y,厚さ３〜20
nm）４とを交互に２〜10層成長させている。ここで上記
バリア層４に１×1018cm-3以上のｐ型不純物をドープす
ると、生じた正孔はほとんど活性層３にトラップされ
る。このときのエネルギーバンド図を第２図に示す。図
示のように活性層３には高密度の正孔９が存在すること
になり、上記実施例と同じく微分利得が大きくなり、周
波数限界が高くなる。バリア層４に３×1018cm-3のMgを
ドープしたときの緩和振動周波数の実験結果を第３図に
示す。第３図は横軸に端面破壊限界光出力Pcで正規化し
た光出力Ｐの２乗根を、縦軸に緩和振動周波数frを示し
ているが、破線で示した従来の量子井戸型レーザ素子の
データ10に較べて、本実施例では実線11に示すように20
GHz以上に周波数限界が向上した。
本実施例では活性層３に直接不純物をドープしていない
ので、不純物ドープによるバンドテールが形成されるこ
となく、量子井戸型構造において電子、正孔の２次元性
は損われない。このため量子井戸構造による微分利得が
低下せず、直接変調の高速化がより可能になる。ｐ型不
純物としては前記実施例と同じくMg,Beなどが有効であ
る。また上記実施例の場合にはｐ型不純物だけでなく、
ｎ型不純物Si,Te,Seなどでも効果がある。さらに上記各
実施例において、バリア層をInP、活性層をInGaAsPにし
て、同様の不純物をドープすれば、いずれも同様の効果
を得ることができる。また、両実施例とも選択ドーピン
グを行ったが、活性層、バリア層とも一様にドーピング
してもよい。
ので、不純物ドープによるバンドテールが形成されるこ
となく、量子井戸型構造において電子、正孔の２次元性
は損われない。このため量子井戸構造による微分利得が
低下せず、直接変調の高速化がより可能になる。ｐ型不
純物としては前記実施例と同じくMg,Beなどが有効であ
る。また上記実施例の場合にはｐ型不純物だけでなく、
ｎ型不純物Si,Te,Seなどでも効果がある。さらに上記各
実施例において、バリア層をInP、活性層をInGaAsPにし
て、同様の不純物をドープすれば、いずれも同様の効果
を得ることができる。また、両実施例とも選択ドーピン
グを行ったが、活性層、バリア層とも一様にドーピング
してもよい。
上記のように本発明による半導体レーザ素子は、活性層
の厚さが結晶内自由電子の波束の大きさより小さい半導
体レーザ素子において、上記活性層、あるいは２層以上
の活性層を有するときは活性層の厚さより大きなバンド
ギャップを有し、上記活性層内に注入されたキャリアを
実質的に閉じ込めているバリア層に、上記活性層に注入
するキャリア密度より大きな密度のキャリアを発生する
不純物をドープしたことによって、量子井戸型レーザ素
子のfrを高くして周波数限界が20GHz以上、すなわち10G
Hzをはるかにこえる直接変調が可能であり、半導体レー
ザ素子の大幅な高速化をはかることができる。
の厚さが結晶内自由電子の波束の大きさより小さい半導
体レーザ素子において、上記活性層、あるいは２層以上
の活性層を有するときは活性層の厚さより大きなバンド
ギャップを有し、上記活性層内に注入されたキャリアを
実質的に閉じ込めているバリア層に、上記活性層に注入
するキャリア密度より大きな密度のキャリアを発生する
不純物をドープしたことによって、量子井戸型レーザ素
子のfrを高くして周波数限界が20GHz以上、すなわち10G
Hzをはるかにこえる直接変調が可能であり、半導体レー
ザ素子の大幅な高速化をはかることができる。
第１図は本発明による半導体レーザ素子の一実施例を示
す断面図、第２図は量子井戸構造のエネルギーバンドを
示す図、第３図は緩和振動周波数frの実験結果を示す図
である。 ３……活性層 ４……バリア層
す断面図、第２図は量子井戸構造のエネルギーバンドを
示す図、第３図は緩和振動周波数frの実験結果を示す図
である。 ３……活性層 ４……バリア層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松枝 秀明 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 梶村 俊 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭58−216489（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】活性層の厚さが結晶内自由電子の波束の大
きさより小さい半導体レーザ素子において、上記活性
層、あるいは上記活性層が２層以上の活性層からなると
きは、上記活性層またはこれら活性層間にあって該活性
層より大きなバンドギャップを有し、上記活性層内に注
入されたキャリアを実質的に閉じ込めているバリア層
に、上記活性層に注入するキャリア密度より大きな密度
のキャリアを発生する不純物をドープしたものであるこ
とを特徴とする半導体レーザ素子。
Priority Applications (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60164002A JPH0712103B2 (ja) | 1985-07-26 | 1985-07-26 | 半導体レ−ザ素子 |
| CA000514074A CA1279394C (en) | 1985-07-26 | 1986-07-17 | Multiple quantum well type semiconductor laser |
| US06/888,073 US4881238A (en) | 1985-07-26 | 1986-07-22 | Semiconductor laser having quantum well active region doped with impurities |
| KR1019860005978A KR900000021B1 (ko) | 1985-07-26 | 1986-07-23 | 반도체 레이저 |
| EP86110329A EP0210616B1 (en) | 1985-07-26 | 1986-07-24 | Semiconductor laser |
| DE8686110329T DE3674959D1 (de) | 1985-07-26 | 1986-07-24 | Halbleiterlaser. |
| CN86105580A CN1006835B (zh) | 1985-07-26 | 1986-07-25 | 半导体激光器 |
| US07/041,410 US4881235A (en) | 1985-07-26 | 1987-04-23 | Semiconductor laser having a multiple quantum well structure doped with impurities |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60164002A JPH0712103B2 (ja) | 1985-07-26 | 1985-07-26 | 半導体レ−ザ素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6225484A JPS6225484A (ja) | 1987-02-03 |
| JPH0712103B2 true JPH0712103B2 (ja) | 1995-02-08 |
Family
ID=15784889
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60164002A Expired - Lifetime JPH0712103B2 (ja) | 1985-07-26 | 1985-07-26 | 半導体レ−ザ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0712103B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2702964B2 (ja) * | 1988-05-20 | 1998-01-26 | 株式会社日立製作所 | 半導体レーザ素子 |
| US5213322A (en) * | 1989-01-13 | 1993-05-25 | Minolta Camera Kabushiki Kaisha | Original transfer apparatus |
| US5292113A (en) * | 1991-09-30 | 1994-03-08 | Minolta Camera Kabushiki Kaisha | Automatic document feeder |
| JP3263284B2 (ja) | 1995-09-04 | 2002-03-04 | 株式会社マキタ | 電動式チェーンソー |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58216489A (ja) * | 1982-06-10 | 1983-12-16 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 量子井戸型半導体レ−ザ |
-
1985
- 1985-07-26 JP JP60164002A patent/JPH0712103B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6225484A (ja) | 1987-02-03 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |