JPH1070342A - 面発光半導体レーザ素子 - Google Patents

面発光半導体レーザ素子

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JPH1070342A
JPH1070342A JP9216694A JP21669497A JPH1070342A JP H1070342 A JPH1070342 A JP H1070342A JP 9216694 A JP9216694 A JP 9216694A JP 21669497 A JP21669497 A JP 21669497A JP H1070342 A JPH1070342 A JP H1070342A
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Jiyon Maagatsutoroido Ian
イアン・ジョン・マーガットロイド
Toshihiko Makino
俊彦 牧野
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Abstract

(57)【要約】 【課題】1.3〜1.55μmの波長帯において発振す
る面発光量子井戸半導体レーザを提供する。 【解決手段】InP基板上に、量子井戸層とバリア層か
らなる活性層を含む3−5族化合物半導体層を有する面
発光半導体レーザ素子において、量子井戸層はその格子
定数がInPの格子定数よりも大きく、バリア層はその
格子定数がInPの格子定数よりも小さく構成し、か
つ、量子井戸層、バリア層をGaInAsPまたはAl
GaInAsにより構成することにより、1.3〜1.
55μmの波長帯において発振する高性能の面発光量子
井戸半導体レーザを得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は光通信および光情報
処理用の光源として使われる量子井戸構造を用いた面発
光半導体レーザに関する
【0002】
【従来の技術】半導体レーザ素子の特性として望ましい
ことは、閾値電流密度が低いこと、閾値電流密度の温度
依存性が小さいこと、変調周波数が高いこと、および波
長チャーピングが小さいことなどである。これらの特性
は、通常30nmよりも薄い層からなる活性層を有する
量子井戸半導体レーザ素子によって向上する。
【0003】量子井戸半導体レーザ素子の活性層は、量
子井戸と称す小さいエネルギーバンドギャップをもつ層
と、バリア層と称す大きいエネルギーバンドギャップを
もつ層から構成されている。かかる量子井戸活性層にお
いては、電子と正孔は量子井戸に閉じ込められ、量子力
学に従った挙動をする。
【0004】量子井戸半導体レーザ素子の特性は、量子
井戸の格子定数をバリア層の格子定数より大きくし、量
子井戸に歪を導入することにより向上する。その理由
は、価電子帯の重い正孔は有効質量が薄膜層に垂直な方
向で軽くなり価電子帯の基底量子準位を形成することに
なるからである。その結果、量子井戸層内では電子と重
い正孔との間の光学遷移が促進される。電子と重い正孔
とはほぼ等しい有効質量をもつためにレーザ発振に必要
な反転分布の形成が容易となるからである。なお、量子
井戸層の歪の大きさと層の厚さは、歪により転移が誘起
されないように、ある臨界膜厚値以内になければならな
い。
【0005】また、従来の歪量子井戸半導体レーザ素子
として例えば図1(a)に示すものが知られている。こ
の従来の歪量子井戸半導体レーザ素子においては、n型
GaAs基板1上に、n型GaAsバッファ層2および
n型Ga0.6 Al0.4 Asクラッド層3が順次積層さ
れ、次いで0.2μm厚さでAl成分が40%から0%
まで連続的に変化する傾斜領域5と6を両側に持ち、こ
れを挟んで歪を有する4nm厚さのGa 0.63In0.37
s量子井戸層4からなる活性層が積層され、さらに傾斜
領域6の上にp型Ga0.6 Al0.4 Asクラッド層7お
よびp型GaAsPキャップ層が順次積層され、最後
に、n型電極9およびp型電極10が蒸着された構造と
なっている。
【0006】この量子井戸半導体レーザ素子は発振波長
が9.9ppmであり、閾値電流密度は195Acm-2
であった。第1図(b)は第1図(a)に対応するバン
ドギャップの伝導帯側を示している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の歪
量子井戸半導体レーザ素子では、光ファイバ通信におい
て重要な波長である1.3μm乃至1.55μmの発振
を得ることができない。1.3μmまたはこれより長い
波長の発振をGa1-X InX Asの活性層より得るため
には、エネルギーバンドギャップの大きさから、X≧
0.5のIn組成でなければならない。しかしながらこ
のような高いXのGa1-X InX Asでは格子定数が大
きくなり、第1図(a)に示した従来の歪量子井戸レー
ザの量子井戸層4に適用せんとすると量子井戸層に臨界
値以上の大きな歪が生じ、それに伴う転位の発生により
レーザ特性が劣化するという問題がある。
【0008】また、1.3乃至1.55μmのいわゆる
通信波長帯においては、2次元的な配列が可能な面発光
レーザが望まれているが、面発光レーザでは上述の状況
に加えて、端面出射型のレーザと比較すると高多層の量
子井戸構造を実現することが必要となるため、この波長
帯において面発光レーザを実現することはより困難であ
るとされていた。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は以上のような点
に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、光
通信において重要な波長帯である1.3μm〜1.55
μmの長波長帯で発振する高性能な面発光半導体レーザ
素子を提供することにあり、その要旨は、InP基板上
に、量子井戸層とバリア層からなる活性層を含む3−5
族化合物半導体層を有する面発光半導体レーザ素子にお
いて、量子井戸層はその格子定数がInPの格子定数よ
りも大きく、バリア層はその格子定数がInPの格子定
数よりも小さく構成されており、かつ、量子井戸層、バ
リア層はGaInAsPまたはAlGaInAsにより
構成されていることを特徴とする面発光半導体レーザ素
子である。
【0010】即ち、量子井戸層の格子定数をInP基板
の格子定数よりも大きく、バリア層の格子定数をInP
基板の格子定数よりも小さくし、かつ、量子井戸層、バ
リア層を構成する材料としてGaInAsPまたはAl
GaInAsを採用することにより、各量子井戸層の膜
厚を低閾値電流、低チャーピングなどの効果が得られる
膜厚(2.5〜30nm)とし、かつ、量子井戸中の価
電子帯における重い正孔の膜面に垂直方向の有効質量が
小さくなり、低キャリアにて反転分布がおこり、実用可
能な注入電流でレーザ発振が可能となるように量子井戸
層中に圧縮歪が印加された量子井戸構造を、光通信にお
いて重要な波長帯である1.3〜1.55μmにおいて
面発光レーザとして実現することが可能となることを見
いだしたものである。
【0011】
【発明の実施の態様】本発明の特徴は、InP基板上に
形成された、垂直キャビティーを構成する活性層構造に
あり、例えば垂直キャビティー両端に設ける反射鏡構造
や、レーザ駆動のための電極構造など、活性層構造以外
の部分については周知の面発光レーザと同様の構造を採
用することができるので、ここでは本発明の要点である
活性層構造について詳述する。
【0012】本発明における活性層は各層の厚さ2.5
〜30nmである(n−1)層のバリア層で交互に隔て
られた各層の厚さ2.5〜30nmのn層の量子井戸層
から構成されている。この場合には活性層の両側面は量
子井戸層になるが、(n+1)層のバリア層を配して、
活性層の両側面をバリア層にしてもよい。量子井戸層の
組成は、第2図における発振波長1.3μmに相当する
等バンドギャップ線C線上にあり、かつ、格子定数がI
nP基板よりも大きいPT間のTに近い組成、GaX1
1-X1AsY11-Y1とする。
【0013】各量子井戸層の厚みには上限値があり、そ
の値は歪の誘起する転位の発生によって決まり、組成T
に対しては20〜30nmである。
【0014】バリア層の組成は、バンドギャップが量子
井戸層のバンドギャップよりも大きく、かつ、格子定数
がInPの格子定数よりも大きくなる組成を選択する。
即ち、図2において斜線が入っていない領域で、等バン
ドギャップ線Cよりも左側の組成から選択する。
【0015】この場合、歪によりバンドギャップが狭く
なることによる長波長化と、電子の量子閉じ込めによる
短波長化の影響を受けるために、発振波長は1.3μm
から若干ずれることになる。発振波長を1.3μmに厳
密に一致させるには、上記の歪によるバンドギャップ縮
小の効果と量子閉じ込め効果によるバンドギャップ拡大
の効果とを勘案して組成を第2図のC線から多少ずらし
て調整すればよい。
【0016】このように構成することで、通信波長とし
て重要な1.3μm帯で発振し、低閾値密度、低チャー
ピングが実現できる活性層構造を、量子井戸層およびバ
リア層の層数が数百まで、歪の誘起する転位を生じるこ
となく成長させることが可能となり、このことにより、
垂直キャビティをもつ面発光レーザを1.3μm帯で実
現することが可能となる。
【0017】なお、活性層の平均格子定数は、量子井戸
層とバリア層の厚みと組成を調整することによってIn
Pの格子定数に等しくすることができる。また、本発明
の面発光半導体レーザは、量子井戸層、バリア層をAl
GaInAsで構成することもできる。ここで、量子井
戸層をAlGaInAsとする場合は、3図における
L’線(InPとの格子定数線)よりもInAsよりの
領域、即ち3図中の斜線領域からバンドギャップ波長
1.3μmの組成を選択すれば良く、バリア層をAlG
aInAsとする場合は、3図におけるL’線のGaA
sまたはAlAsよりの領域、即ち3図中の斜線の無い
領域からバンドギャップ波長が、1.3μm以下の組成
を選択すればよい。
【0018】これにより、量子井戸層、バリア層ともに
GaInAsPとするタイプ、量子井戸をGaInAs
Pとし、バリア層をAlGaInAsとするタイプ、量
子井戸をAlGaInAsとし、バリア層をGaInA
sPとするタイプ、量子井戸、バリア層ともにAlGa
InAsとするタイプの4つのタイプの面発光レーザを
実現することができる。
【0019】また、上記実施例においては、1.3μm
帯において発振する面発光半導体レーザ装置について説
明したが、1.3〜1.55μm帯においても上述と同
様にして、本発明の構成を得ることができることは当業
者に明らかである。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
1.3〜1.55μm帯の発振波長を有し、高性能であ
る量子井戸半導体レーザが得られるという優れた効果が
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来例の要部断面図(a)およびそのバンドギ
ャップの伝導帯側を示す図(b)
【図2】GaInAsPのダイヤグラム
【図3】AlGaInAsのダイヤグラム
【符号の説明】
1はn型GaAs基板 2はn型GaAsバッファ層 3はn型GaAlAsクラッド層 4はGaInAs量子井戸層 5、6は傾斜領域 7はp型GaAlAsクラッド層 8はp型GaAsキャップ層 9はn型電極 10はp型電極

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】InP基板上に、量子井戸層とバリア層か
    らなる活性層を含む3−5族化合物半導体層を有する面
    発光半導体レーザ素子において、量子井戸層はその格子
    定数がInPの格子定数よりも大きく、バリア層はその
    格子定数がInPの格子定数よりも小さく構成されてお
    り、かつ、量子井戸層、バリア層はGaInAsPまた
    はAlGaInAsにより構成されていることを特徴と
    する面発光半導体レーザ素子。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018078290A (ja) * 2016-10-31 2018-05-17 住友電工デバイス・イノベーション株式会社 半導体レーザ素子

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