JPH11243249A

JPH11243249A - 半導体レーザダイオード

Info

Publication number: JPH11243249A
Application number: JP4197198A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Kakimoto; 昇一柿本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-02-24
Filing date: 1998-02-24
Publication date: 1999-09-07

Abstract

(57)【要約】【課題】しきい値を低くできかつ早い高速応答が得ら
れる半導体レーザダイオードを提供する。【解決手段】井戸層と障壁層とが交互に積層された多
重量子井戸層を活性層に有する半導体レーザダイオード
であって、井戸層又は障壁層のいずれか一方に、井戸層
における正孔の第１量子化準位と障壁層の価電子帯の上
端との間のエネルギー差が小さくなるようにｐ型不純物
をドープし、レーザ発振時に各井戸層に略均一にキャリ
アが注入されるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザダイ
オード、特に光通信用半導体レーザダイオードに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバを用いた光通信においては、
光ファイバの最小損失波長帯域が１．５μｍ帯であるこ
とから、１．５μｍ帯の半導体レーザダイオードが主と
して使用される。特に、活性層に多重量子井戸（ＭＱ
Ｗ）構造を採用した分布帰還型（ＤＦＢ）レーザダイオ
ードは、高速かつ低しきい値電流で、動的シングルモー
ド発振（パルス駆動による単一波長発振）させることが
できるので、高速・長距離通信用の半導体レーザダイオ
ードとして用いられている。

【０００３】従来の分布帰還型半導体レーザダイオード
は、図４に示すように、例えば、ｐ型のＩｎＰ基板１上
に、ｐ型ＩｎＰバッファ層２、量子井戸構造の活性層
３、ｎ型ＩｎＰクラッド層５、該ｎ型ＩｎＰクラッド層
５内に周期的に形成されたｎ型ＩｎＧａＡｓＰ埋め込み
回折格子４、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰキャップ層９、ｎ側電
極１２が形成されて構成される。また、ｐ型ＩｎＰバッ
ファ層２は、ｐ側のクラッド層の機能も合わせ持ち、以
下、ｐ型ＩｎＰクラッド層２ともいう。また、分布帰還
型半導体レーザダイオードでは、図４に示すようにｐ型
ＩｎＰバッファ層２から上に形成されたリッジ部の両側
にｐ型ＩｎＰ埋め込み層６、ｎ型ＩｎＰブロック層７及
びｐ型ＩｎＰブロック層８とが形成される。尚、ｎ側電
極１２は、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰキャップ層９上に形成さ
れたＳｉＯ₂絶縁膜１０においてリッジ部の直上に形成
された開口部を介してｎ型ＩｎＧａＡｓＰキャップ層９
にオーミック接触され、ＩｎＰ基板１の下面にはｐ側電
極１１が形成されている。

【０００４】以上のように構成された従来例の分布帰還
型半導体レーザダイオードにおいて、ｐ側電極１１とｎ
側電極１２との間に順方向の電圧を印加すると、活性層
３の両側には、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層６とｎ型ＩｎＰブ
ロック層７とｐ型ＩｎＰブロック層８とｎ型ＩｎＰクラ
ッド層とからなる、いわゆるｐ−ｎ，ｐ−ｎサイリスタ
構造が形成されているので、電流は活性層３に集中して
流れ、活性層３で光を発生する。活性層３で発生した光
は、すべてが活性層３に閉じ込められるわけではなく、
活性層３の上下にも広がる。また、活性層３の近傍に
は、上述したように、ｎ型ＩｎＰクラッド層５を介して
周期的に配置されたｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなる埋め込
み回折格子４が形成されているので、活性層で発生した
光は、活性層と異なる屈折率を有するｎ型ＩｎＰクラッ
ド層５と埋め込み回折格子４で生じる周期的な屈折率の
変化によって帰還される。これによって、分布帰還型半
導体レーザダイオードは、埋め込み回折格子４の周期的
な屈折率の変化に対応した単一の波長で発振する。

【０００５】尚、厳密に均一の周期的屈折率変化により
帰還をさせると、その周期に対応した波長よりわずかに
短い波長とわずかに長い波長の２つの波長で発振するこ
とが知られている。そこで、レーザ光出射端面に、例え
ば低反射膜（Ｒｆ＝１％）をコートし、他方の端面に
は、高反射膜（Ｒｒ＝８０％）をコートすることによ
り、単一波長で発振させることができることが報告され
ている。

【０００６】また、従来例の分布帰還型半導体レーザダ
イオードにおいて、活性層３は例えば図５のバンドダイ
アグラムに示すように、井戸層１０１と障壁層１０２と
が交互に積層された量子井戸構造を有する。尚、図５に
おいて、１０３の符号を付して示す層は、波長λ_g＝
１．１５μｍに相当するバンドギャップエネルギーを有
しかつ５００Åの厚さを有するガイド層である。また、
井戸層１０１は、例えば、厚さ（Ｌ_z）７５ÅのＩｎＧ
ａＡｓからなり、障壁層１０２は、例えば、１５０Åの
厚さ（Ｌ_b）を有しかつ波長λ_g＝１．１５μｍに相当す
るバンドギャップエネルギーを有するＩｎＧａＡｓＰか
らなる。以上のように構成された活性層３において、井
戸層１０１の厚さとバンドギャップエネルギーとを適当
に組み合わせることにより１．５μｍ帯のレーザ光が得
られる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】最近では、通信網の発
達により、光通信の分野において、大容量伝送を目的と
してさらに高速応答が可能な半導体レーザダイオードが
求められている。また当然のことながら、低いしきい値
電流で発振させることができる半導体レーザダイオード
が求められている。しかしながら、従来の分布帰還型半
導体レーザダイオードは、上述の要求を満足する十分低
いしきい値電流と十分早い高速応答が得られないという
問題点があった。上述した構成以外にも、障壁層１０２
を、例えば、波長λ_g＝１．３μｍに相当するバンドギ
ャップエネルギーを有するＩｎＧａＡｓＰで構成するこ
とも可能であり、障壁層１０２を、波長λ_g＝１．３μ
ｍに相当するバンドギャップエネルギーを有するＩｎＧ
ａＡｓＰで構成する方が、低しきい値電流と狭スペクト
ル線幅が得られるという報告もあるが、そのような構成
を取ったとしても上述の要求を十分満足させることはで
きなかった。

【０００８】そこで、本発明は、従来例に比較してしき
い値を低くできかつ早い高速応答が得られる半導体レー
ザダイオードを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、従来例の半導
体レーザダイオードにおいて、しきい値をある一定以上
低くできない原因と十分な高速応答が得られない原因
を、理論的及び実験的に検討した結果なされたものであ
る。すなわち、本発明に係る第１の半導体レーザダイオ
ード１は、井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量
子井戸層を活性層に有する半導体レーザダイオードであ
って、上記井戸層又は障壁層のいずれか一方に、上記井
戸層における正孔の第１量子化準位と上記障壁層の価電
子帯の上端との間のエネルギー差が小さくなるようにｐ
型不純物をドープしたことを特徴とする。これによっ
て、各井戸層に略均一にキャリアを注入することができ
る。

【００１０】また、上記第１の半導体レーザダイオード
においては、レーザ発振効率を高くするために、上記障
壁層にｐ型不純物をドープすることが好ましい。

【００１１】また、上記第１の半導体レーザダイオード
においては、上記井戸層をＩｎＧａＡｓで構成しかつ上
記障壁層をＩｎＧａＡｓＰで構成した場合、上記井戸層
における正孔の第１量子化準位と上記障壁層の価電子帯
の上端との間のエネルギー差が略１２０ｍｅＶになるよ
うに、上記ｐ型不純物のドープ量を設定することが好ま
しい。

【００１２】また、本発明に係る第２の半導体レーザダ
イオードは、互いに平行な複数の量子井戸細線が、障壁
層を挟んで一定の間隔で配列された量子細線層を活性層
に有する半導体レーザダイオードであって、上記量子井
戸細線又は障壁層のいずれか一方に、上記量子井戸細線
における正孔の第１量子化準位と上記障壁層の価電子帯
の上端との間のエネルギー差が小さくなるようにｐ型不
純物をドープしたことを特徴とする。これによって、各
量子井戸細線に略均一にキャリアを注入することができ
る。

【００１３】また、本発明に係る第２の半導体レーザダ
イオードにおいては、上記障壁層にｐ型不純物をドープ
することが好ましい。

【００１４】また、本発明に係る第２の半導体レーザダ
イオードにおいて、上記量子井戸細線をＩｎＧａＡｓで
構成し、上記障壁層がＩｎＧａＡｓＰで構成する場合、
上記量子井戸細線における正孔の第１量子化準位と上記
障壁層の価電子帯の上端との間のエネルギー差が略１２
０ｍｅＶになるように、上記ｐ型不純物のドープ量を設
定することが好ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る実施の形態に
ついて説明するが、ここでは、まず、従来例のレーザダ
イオードを基に行った種々の検討結果について説明した
後、具体的な実施の形態の構成について説明する。本願
出願人は、低いしきい値及び高速応答特性を実現するた
めに、障壁層１０２のバンドギャップエネルギーを波長
λ_g＝１．１５μｍに対応させて設定した場合と、波長
λ_g＝１．３μｍに対応させて設定した場合では、どち
らが有利であるかを確認する実験を行った。尚、この実
験において、活性層は、図５に示すようにそれぞれＩｎ
ＧａＡｓからなる障壁層と井戸層とが交互に積層された
量子井戸構造に形成し、活性層において各層のパラメー
タは以下のように設定した。障壁層１０２のバンドギャ
ップエネルギーを波長λ_g＝１．１５μｍに対応するよ
うに設定して作成したレーザダイオード１（以下、ＬＤ
１という。）において、井戸層１０１の厚さＬ_zは７５
Å、障壁層１０２の厚さＬ_bは１５０Å、ガイド層１０
３の厚さＬ_gは５００Åに設定した。障壁層１０２のバ
ンドギャップエネルギーを波長λ_g＝１．３μｍに対応
するように設定して作成したレーザダイオード２（ＬＤ
２）において、井戸層１０１の厚さＬ_zは６０Å、障壁
層１０２の厚さＬ_bは１５０Å、ガイド層１０３の厚さ
Ｌ_gは５００Åに設定した。また、上述以外の構造は、
図４に示す構造とし、共振器長は３００μｍ、リッジ部
のストライプ幅は１．５μｍとした。また、出力端面の
反射率Ｒ_fは、１％とし、他方の端面の反射率Ｒ_rは、８
０％とした。さらに、帰還の強さは、埋め込み回折層４
の組成と厚さ、及び回折層４と活性層との間の距離によ
って決定されるが、ＬＤ１，２では帰還の強さを表す結
合係数ｋと共振器長Ｌとを掛け合わせた、いわゆる規格
化結合定数ｋＬが１となるようにした。以上のように各
パラメータを設定することにより、ＬＤ１，２はいずれ
も１．５μｍ帯でレーザ発振させることができる。

【００１６】以上のように構成したＬＤ１の電流に対す
る光出力特性を図６に示し、ＬＤ２の電流に対する光出
力特性を図７に示す。図６に示すように、ＬＤ１の室温
（２５℃）における、ＣＷ動作時のしきい値電流Ｉ
_thは、２０ｍＡであり、図７に示すように、ＬＤ２の室
温（２５℃）における、ＣＷ動作時のしきい値電流Ｉ_th
は、９ｍＡである。従って、以上の実験によれば、ＬＤ
１に比較してＬＤ２の方が、しきい値電流の面で優れて
いるといえる。

【００１７】次に、ＬＤ１とＬＤ２における緩和共振周
波数ｆ_rの光出力Ｐに対する依存性を調べた。図８は、
ＬＤ１の緩和共振周波数ｆ_rの光出力Ｐに対する依存性
を示し、図９は、ＬＤ２の緩和共振周波数ｆ_rの光出力
Ｐに対する依存性を示す。ここで、図８、図９におい
て、横軸は光出力Ｐの平方根で表している。この緩和共
振周波数ｆ_rは、動作帯域を制限するものであり、緩和
共振周波数ｆ_rの光出力Ｐに対する依存性が大きい方
が、高速応答が可能であることを示している。すなわ
ち、図８のグラフの傾きｆ_r／Ｐ^1/2は、２．８５ＧＨｚ
／ｍＷ^1/2であり、図９のグラフの傾きｆ_r／Ｐ^1/2は、
４．６ＧＨｚ／ｍＷ^1/2であるから、ＬＤ２の方がＬＤ
１より高速応答が可能であることが上述の実験では明ら
かになった。

【００１８】以上のように、上述の実験では、障壁層１
０２のバンドギャップエネルギーを波長λ_g＝１．１５
μｍに対応するように設定して作成したＬＤ１は、障壁
層１０２のバンドギャップエネルギーを波長λ_g＝１．
３μｍに対応するように設定して作成したＬＤ２に比較
して、しきい値電流及び高速応答性のいずれの特性にお
いても劣っていることが示された。

【００１９】次に、本発明者は、ＬＤ１及びＬＤ２のそ
れぞれについて、しきい値電流Ｉ_thと緩和共振周波数ｆ
_rの光出力Ｐに対する依存性ｆ_r／Ｐ^1/2を理論的に計算
した。まず、分布帰還型半導体レーザダイオードは次の
式１を満足するときにレーザ発振する。

【００２０】

【数１】Г・ｇ＝α_in＋２・α_th…（式１）

【００２１】ここで、Гは光が活性層に閉じ込められる
割合、ｇは活性層の利得（注入されたキャリア濃度Ｎに
伴って増加する。）、α_inは共振器ロス、α_thはしきい
値利得である。また、共振器ロスα_inはさらに次の式２
で表される。

【００２２】

【数２】α_in＝Г・α_ac＋（１−Г）・α_ce…（式２）

【００２３】ここで、α_acは活性領域の損失係数、α_ce
は活性領域外の吸収係数である。以上の式１，２を用い
て計算したГと、α_ac＝９２ｃｍ^-1としかつα_ce＝２０
ｃｍ^-1として求めたα_inを表１に示す。尚、表１には実
施の形態１における値も示しているが、実施の形態１の
構成については後述する。

【００２４】

【表１】

【００２５】表１において、α_thの値は、ｋＬ、Ｒ_f、
Ｒ_rのみならず、回折格子の位相にも依存することを考
慮して、前面（出射面）の位相、０，π／４，２π／
４，３π／４，…７π／４と、後面の位相，０，π／
４，２π／４，３π／４，…７π／４との６４通りの組
み合わせの平均値で示した。また、ｇは注入キャリア密
度Ｎに依存して変化するが、ｇとＮとの関係を示す理論
曲線を図１０に示す。また、式１を満足するしきい値密
度をＮ_thとすると、Ｉ_thは次の式３で表される。

【００２６】

【数３】Ｉ_th＝ｑ・９・Ｌ_z・Ｌ・Ｗ／τ_c…（式３）

【００２７】ここで、ｑは電子の電荷であり、τ_cはキ
ャリア寿命である。尚、測定したキャリア寿命τ_cの値
を表１に示している。以上の値と図１０から求めた値、
及び式３を用いてＬＤ２のしきい値電流Ｉ_thを計算で求
めると、表１に示すように８．３ｍＡとなり、実験で得
られた値９ｍＡとほぼ一致する。同様に、ＬＤ１のしき
い値電流Ｉ_thを計算で求めると、表１に示すように７．
６ｍＡとなり、実際の測定値２０ｍＡとは大きく異な
る。

【００２８】次に、本発明者は、緩和共振周波数ｆ_rの
光出力Ｐに対する依存性ｆ_r／Ｐ^1/2を理論的に計算し
た。以下に計算過程とその結果を説明する。まず、緩和
共振周波数ｆ_rは、次の式（４）で表される。

【００２９】

【数４】ｆ_r=(１/２π)√{Ｐ_t・ｄｇ/ｄＮ・ｖ_g(１+α_in/２α_th)/(ｈν(ｖ/Г))}…式４

【００３０】ここで、Ｐ_tは、全光出力（前面からの光
出力と後面からの光出力との和）、ｖ_gは群速度、ｈは
プランクの定数、νは光の振動数、ｖは発光領域の体積
（ｖ＝９Ｌｚ・Ｗ・Ｌ）、ｄｇ/ｄＮは微分利得であ
り、図８，９のグラフの傾きに対応する。式４を用いて
計算した緩和共振周波数ｆ_rの光出力Ｐに対する依存性
ｆ_r／Ｐ^1/2は、表２に示すように、ＬＤ２では４．０Ｇ
Ｈｚで実測値４．６ＧＨｚとよく一致し、ＬＤ１では
４．５ＧＨｚであり、実測値２．８５ＧＨｚと大きく異
なっていた。また、表２には、Ｎ＝Ｎ_thにおけるｄｇ／
ｄＮも併せて示している。尚、表２のＬＤ１において、
（）内に示す数字については後述する。

【００３１】

【表２】

【００３２】本発明者は、以上の理論的考察と実験の結
果に基づいてさらに検討をした結果、ＬＤ２では理論値
と実験値が一致しているのに対し、ＬＤ１では理論値と
実験値が大きく異なっているのは、井戸層１０１におけ
る正孔の第１量子化準位と障壁層１０２における価電子
帯の上端とのエネルギー差ΔＥ_vに起因しているのでは
ないかと考えた。すなわち、ＬＤ１の井戸層１０１にお
ける正孔の第１量子化準位と障壁層１０２における価電
子帯の上端とのエネルギー差ΔＥ_vは、１９５ｍｅＶで
あり、ＬＤ２における井戸層１０１における正孔の第１
量子化準位と障壁層１０２における価電子帯の上端との
エネルギー差ΔＥ_vは、１２０ｍｅＶである。ＬＤ１の
エネルギー差ΔＥ_vは、熱エネルギーｋＴ（ｋはボルツ
マン定数であり、Ｔは絶対温度である。）の７．５倍で
あり、ＬＤ２のエネルギー差ΔＥ_vは、熱エネルギーｋ
Ｔの４．６倍である。

【００３３】従って、ＬＤ１では、ｐ型クラッド層を介
して注入される正孔は、１９５ｍｅＶの障壁を順次乗り
越えて中の井戸層に注入されるので、各井戸層に均一に
正孔が分布していないことが予想される。そこで、この
不均一性をもたらすであろうエネルギー差ΔＥ_v＝１９
５ｍｅＶと井戸内に注入された正孔間の反発するクーロ
ンポテンシャルを考慮して、実測されたしきい値電流Ｉ
_th＝２０ｍＡにおける正孔の井戸間の分布を求め、その
分布に基づいて、ｄｇ／ｄＮ及びｆ_r／Ｐ^1/2を計算する
と、ｄｇ／ｄＮ＝２．２ＧＨｚ／ｍＷ^1/2、ｆ_r／Ｐ^1/2
＝２．７ＧＨｚ／ｍＷ^1/2となり、実測値に近い値を示
した。ここで、ｄｇ／ｄＮ＝２．２ＧＨｚ／ｍＷ^1/2、
ｆ_r／Ｐ^1/2＝２．７ＧＨｚ／ｍＷ^1/2は、表２において
（）内に示している。

【００３４】以上の結果から、ＬＤ１では、井戸層１０
１における正孔の第１量子化準位と障壁層１０２におけ
る価電子帯の上端とのエネルギー差ΔＥ_vが大きいこと
から、井戸層間でキャリアの分布が異なり、このため
に、理論値と実測値の間に不一致、言い換えると理論的
に予想された低いしきい値電流Ｉ_thと良好な高速応答性
が得られないことがわかった。これに対して、ＬＤ２で
は、エネルギー差ΔＥ_vが比較的小さいことから、各井
戸層に均一にキャリアが分布し、理論値と実測値とが略
一致し、ＬＤ１に比較して低いしきい値電流Ｉ_thと良好
な高速応答性が実現される。

【００３５】そこで、本発明者は、以上の実験検討及び
理論的考察に基づいて、ＬＤ１において、実効的にエネ
ルギー差ΔＥ_vを小さくするために、通常は不純物をド
ープしないで形成される井戸層にｐ型不純物をドープす
ればよいと考え、本発明を完成させたものである。尚、
ＬＤ１の井戸層１０１には不純物はドープされていない
が、実際には、例えば、Ｚｎが１×１０¹⁸／ｃｍ³ドー
プされたｐ型クラッド層から、Ｚｎが拡散して井戸層１
０１には１×１０¹⁷／ｃｍ³程度入っている。以下、本
発明に係る具体例について説明する。

【００３６】実施の形態１．図１は、本発明に係る実施
の形態１の半導体レーザダイオードにおける活性層のバ
ンドダイヤグラムである。本実施の形態１の半導体レー
ザダイオードは、上述のＬＤ１においてアンドープの井
戸層１０１に代えて、１．５×１０¹⁸／ｃｍ³のｐ型不
純物がドープされた井戸層１３１を設けたことを特徴と
し、これ以外はＬＤ１と同様に構成される。

【００３７】このように、井戸層１３１に１．５×１０
¹⁸／ｃｍ³のｐ型不純物をドープすることにより、正孔
の擬フェルミエネルギーを７５ｍｅＶだけ下げることが
でき、その結果、井戸層における正孔の第１量子化準位
と障壁層１０２の価電子帯の上端との間のエネルギー差
ΔＥ_vを実効的に７５ｍｅＶだけ下げることができる。
この場合の、図１０と式３を用いてしきい値電流Ｉ_thを
求め、図１０と式４とを用いて緩和共振周波数ｆ_rの光
出力Ｐの平方根に対する依存性ｆ_r／Ｐ^1/2を求めた結果
を、前記表１と表２に示す。表１に示すように、本実施
の形態１の半導体レーザダイオードは、ＬＤ１，２に比
較して、しきい値電流Ｉ_thを低くできかつ高速応答性を
良好にできる。

【００３８】また、一般に井戸層にｐ型不純物をドープ
すると、活性領域外の吸収係数α_acが大きくなるといわ
れている。しかしながら、本実施の形態１において、し
きい値密度Ｎ_thは、表２に示すように、１．６×１０¹⁸
／ｃｍ³であり、これに１．５×１０¹⁸／ｃｍ³を加えて
も、３．１×１０¹⁸／ｃｍ³である。従って、従来のＬ
Ｄ２とほぼ等しい。すなわち、井戸層に１．５×１０¹⁸
／ｃｍ³のｐ型不純物をドープしても活性領域外の吸収
係数α_acは、従来と同等に保てる。

【００３９】また、図１０に示したように、実施の形態
１の半導体レーザダイオード及びＬＤ１は、ＬＤ２に比
較して、同一のキャリア濃度で大きい利得が得られる。
これは、実施の形態１の半導体レーザダイオード及びＬ
Ｄ１では、Ｌ_z＝７５Åであり、ＬＤ２では、Ｌ_z＝６０
Åであることによるものである。また、状態密度は、１
／Ｌ_zに比例するので、実施の形態１及びＬＤ１の方が
状態密度が小さくなるので、少しのキャリアの注入で正
孔に対する擬フェルミレベルはより速く下方にシフト
し、利得はより急激に増加する。従って、Ｌ_zを大きく
すれば、より低いしきい値電流でかつ高速応答が可能と
なる。しかし、発振波長を１．５μｍ帯に保つために
は、バンドギャップエネルギーを大きくする必要があ
る。ＩｎＧａＡｓＰ系の材料で得られる最大のバンドギ
ャップエネルギーＥ_gは、ＩｎＰのＥ_g＝１．３５ｅＶで
ある。障壁層にＩｎＰを用いて１．５μｍ帯の半導体レ
ーザダイオードを構成した場合、Ｌ_z＝１１０μｍにで
きる。この場合、井戸層における正孔の第１量子化準位
と障壁層１０２における価電子帯の上端とのエネルギー
差ΔＥ_vは、３５４ｍｅＶであるので、これを実効的に
１２０ｍｅＶにするためには、１．３×１０¹⁹／ｃｍ³
のｐ型不純物を井戸層にドープすればよい。この場合、
井戸層にｐ型不純物をドーピングすること及びＬ_zを大
きくすることにより、α_inは約１２１ｃｍ^-1と大きくな
るが、利得を正にするキャリア濃度が小さくなること及
びキャリアの増加に対する利得の増加の割合が、大きく
なることにより、しきい値電流を低くでき高速化が図れ
る。

【００４０】以上のように、実施の形態１の半導体レー
ザダイオードは、井戸層１３１にｐ型不純物をドープす
ることにより、井戸層１３１の幅を比較的大きく保った
状態で、井戸層１３１の第１量子化準位と障壁層１０２
の価電子帯の上端のエネルギー差ΔＥ_vを小さくできる
のでしきい値電流を低くでき、高速応答性をよくでき
る。

【００４１】実施の形態２．図２は実施の形態２の半導
体レーザダイオードの活性層の構成を示すバンドダイア
グラムである。本実施の形態２の半導体レーザダイオー
ドは、上述のＬＤ１においてアンドープの障壁層１０２
に代えて、ｐ型不純物がドープされた障壁層１３２を用
い、かつアンドープのガイド層１０３に代えて、ｐ型不
純物がドープされたガイド層１３３を用いて構成し、障
壁層１３２及びガイド層１３３の各ｐ型不純物濃度を、
井戸層１０１のホール濃度が１．５×１０¹⁸／ｃｍ³に
なるように設定したことを特徴とする。尚、具体的に
は、例えば、障壁層１３２のｐ型不純物濃度は｛（１／
２）×（１．５×１０¹⁸）｝／ｃｍ³に設定し、ガイド
層１３３のｐ型不純物濃度は｛（７５／１００）×
（１．５×１０¹⁸）｝／ｃｍ³に設定する。

【００４２】このように、障壁層１３２とガイド層１３
３にそれぞれ、ｐ型不純物をドープすることにより、障
壁層１３２とガイド層１３３の価電子帯に励起された正
孔は、エネルギーの低い井戸層の価電子帯に集まる。こ
こで、井戸層の正孔濃度は、障壁層１３２の不純物濃度
とガイド層１３３の不純物濃度に対応した濃度となる。
本実施の形態２では、井戸層１０１の正孔濃度は、１．
５×１０¹⁸／ｃｍ³になるように、障壁層１３２及びガ
イド層１３３の各ｐ型不純物濃度が設定されるので、正
孔の擬フェルミエネルギーを７５ｍｅＶだけ下げること
ができ、その結果、井戸層１０１における正孔の第１量
子化準位と障壁層１３２の価電子帯の上端との間のエネ
ルギー差ΔＥ_vを実効的に７５ｍｅＶだけ下げることが
できる。従って、本実施の形態２の半導体レーザダイオ
ードは、実施の形態１と同様の作用効果を有する。

【００４３】また、実施の形態２の半導体レーザダイオ
ードでは、井戸層にｐ型不純物をドープすることなく、
井戸層のキャリア濃度を所定の値に設定しているので、
井戸層に不純物準位が形成されることがないので、電子
の不純物準位への遷移による発光（レーザ発振に寄与し
ない発光）がない。この電子の不純物準位への遷移によ
り発生する光の波長は、直接遷移による発光波長と異な
るため、レーザ発振に寄与することはなく損失となるも
のであるので、実施の形態２の半導体レーザダイオード
では、実施の形態１に比較して損失を少なくでき、レー
ザ発振効率を高くできる。

【００４４】実施の形態３．図３は、本発明に係る実施
の形態３の半導体レーザダイオードの構成を模式的に示
す斜視図である。本実施の形態３の半導体レーザダイオ
ードは、図３に示すように活性層に量子井戸細線（Ｑｗ
ｉｒｅ）を用いることにより、低しきい値化及び高速応
答化を図ったものである。実施の形態３の半導体レーザ
ダイオードにおいて、ｐ型クラッド層２とｎ型クラッド
層５の間に形成された活性層２００は、厚さＬ_z＝１５
６Å、幅Ｌ_y＝１５６ÅのＩｎＧａＡｓからなる複数の
量子井戸細線２０１が、互いに平行になるようにかつ一
定の間隔（１５６Å）で規則的に配列されてなる。ここ
で、実施の形態３の活性層２００において、量子井戸細
線２０１の間に形成されているものは、ＩｎＧａＡｓＰ
からなる障壁層２０２であって、そのバンドギャップエ
ネルギーは、波長に換算してλ_g＝１．１５μｍになる
ように設定される。以上のように構成された半導体レー
ザダイオードは、１．５μｍ帯でレーザ発振させること
ができる。

【００４５】本実施の形態３では、実施の形態１と同様
の原理に基づいて、量子井戸細線２０１を構成するＩｎ
ＧａＡｓに１．１×１０¹⁸／ｃｍ³のｐ型不純物をドー
プしている。これによって、量子井戸細線２０１におけ
る正孔の第１量子化準位と障壁層２０２の価電子帯の上
端との間のエネルギー差ΔＥ_vを小さくすることができ
るので、各量子井戸細線２０１に均一にキャリアを注入
することができ、低しきい値電流化及び高速応答化が図
れる。尚、量子井戸細線２０１にｐ型不純物をドープし
ない場合の、量子井戸細線における正孔の第１量子化準
位と障壁層２０２の価電子帯の上端との間のエネルギー
差ΔＥ_vは、１９１ｍｅＶである。

【００４６】以上の実施の形態３では、量子井戸細線２
０１を構成するＩｎＧａＡｓにｐ型不純物をドープし
て、量子井戸細線２０１における正孔の第１量子化準位
と障壁層２０２の価電子帯の上端との間のエネルギー差
ΔＥ_vを小さくした。しかしながら、本発明はこれに限
らず、実施の形態２と同様に、量子井戸細線２０１をア
ンドープとし、障壁層２０２にｐ型不純物をドープし
て、障壁層２０２の価電子帯に励起された正孔を、エネ
ルギーの低い量子井戸細線２０１の価電子帯に集めるこ
とにより、量子井戸細線２０１における正孔の第１量子
化準位と障壁層２０２の価電子帯の上端との間のエネル
ギー差ΔＥ_vを小さくするように構成してもよい。以上
のようにしても実施の形態３と同様の効果を有する。

【００４７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係
る第１の半導体レーザダイオード１は、上記井戸層又は
障壁層のいずれか一方に、ｐ型不純物をドープして上記
井戸層における正孔の第１量子化準位と上記障壁層の価
電子帯の上端との間のエネルギー差を小さくしているの
で、レーザ発振時に各井戸層に略均一にキャリアを注入
することができ、低いしきい値と高速応答が得られる。

【００４８】また、上記第１の半導体レーザダイオード
において、上記障壁層にｐ型不純物をドープすることに
より、レーザ発振効率を高くすることができる。

【００４９】また、上記第１の半導体レーザダイオード
においては、上記井戸層をＩｎＧａＡｓで構成しかつ上
記障壁層をＩｎＧａＡｓＰで構成し、しかも上記井戸層
における正孔の第１量子化準位と上記障壁層の価電子帯
の上端との間のエネルギー差が略１２０ｍｅＶになるよ
うに、上記ｐ型不純物のドープ量を設定することによ
り、優れた発振特性と低いしきい値及び高速応答が得ら
れる。

【００５０】また、本発明に係る第２の半導体レーザダ
イオードは、互いに平行な複数の量子井戸細線が、障壁
層を挟んで一定の間隔で配列された量子細線層を活性層
に有する半導体レーザダイオードであって、上記量子井
戸細線又は障壁層のいずれか一方に、ｐ型不純物をドー
プして、上記量子井戸細線における正孔の第１量子化準
位と上記障壁層の価電子帯の上端との間のエネルギー差
を小さくすることができる。これによって、各量子井戸
細線に略均一にキャリアを注入することができ、低いし
きい値と高速応答が得られる。

【００５１】また、本発明に係る第２の半導体レーザダ
イオードにおいて、上記障壁層にｐ型不純物をドープす
ることにより、レーザ発振効率を高くすることができ
る。

【００５２】また、本発明に係る第２の半導体レーザダ
イオードにおいて、上記量子井戸細線をＩｎＧａＡｓで
構成しかつ上記障壁層をＩｎＧａＡｓＰで構成して、し
かも、上記量子井戸細線における正孔の第１量子化準位
と上記障壁層の価電子帯の上端との間のエネルギー差が
略１２０ｍｅＶになるように、上記ｐ型不純物のドープ
量を設定することにより、優れた発振特性と低いしきい
値及び高速応答が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施の形態１の半導体レーザダ
イオードにおける活性層のエネルギーダイアグラムであ
る。

【図２】本発明に係る実施の形態２の半導体レーザダ
イオードにおける活性層のエネルギーダイアグラムであ
る。

【図３】本発明に係る実施の形態３の半導体レーザダ
イオードの構成を模式的に示す斜視図である。

【図４】従来例の半導体レーザダイオードの構成を示
す斜視図である。

【図５】従来例の半導体レーザダイオードの活性層の
エネルギーダイアグラムである。

【図６】従来例の半導体レーザダイオード（ＬＤ１）
における、電流に対する光出力特性を示すグラフであ
る。

【図７】従来例の半導体レーザダイオード（ＬＤ２）
における、電流に対する光出力特性を示すグラフであ
る。

【図８】従来例の半導体レーザダイオード（ＬＤ１）
における、光出力に対する緩和共振周波数特性を示すグ
ラフである。

【図９】従来例の半導体レーザダイオード（ＬＤ２）
における、光出力に対する緩和共振周波数特性を示すグ
ラフである。

【図１０】実施の形態１、ＬＤ１及びＬＤ２の各半導
体レーザダイオードにおける、キャリア密度に対する最
大利得を示すグラフである。

【符号の説明】

１ｐ型のＩｎＰ基板、２ｐ型ＩｎＰクラッド層、３
量子井戸構造の活性層、４ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ埋め
込み回折格子、５ｎ型ＩｎＰクラッド層、６ｐ型Ｉｎ
Ｐ埋め込み層、７ｎ型ＩｎＰブロック層７、８ｐ型
ＩｎＰブロック層、９ｎ型ＩｎＧａＡｓＰキャップ
層、１０１，１３１井戸層、１０２，１３２，２０
２障壁層、１０３，１３３ガイド層、２０１量子
井戸細線。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】井戸層と障壁層とが交互に積層された多
重量子井戸層を活性層に有する半導体レーザダイオード
であって、上記井戸層又は障壁層のいずれか一方に、上記井戸層に
おける正孔の第１量子化準位と上記障壁層の価電子帯の
上端との間のエネルギー差が小さくなるようにｐ型不純
物をドープしたことを特徴とする半導体レーザダイオー
ド。
【請求項２】上記障壁層にｐ型不純物をドープした請
求項１記載の半導体レーザダイオード。
【請求項３】上記井戸層がＩｎＧａＡｓからなりかつ
上記障壁層がＩｎＧａＡｓＰからなり、上記井戸層にお
ける正孔の第１量子化準位と上記障壁層の価電子帯の上
端との間のエネルギー差が略１２０ｍｅＶになるよう
に、上記ｐ型不純物のドープ量を設定した請求項１又は
２に記載の半導体レーザダイオード。
【請求項４】互いに平行な複数の量子井戸細線が、障
壁層を挟んで一定の間隔で配列された量子細線層を活性
層に有する半導体レーザダイオードであって、上記量子井戸細線又は障壁層のいずれか一方に、上記量
子井戸細線における正孔の第１量子化準位と上記障壁層
の価電子帯の上端との間のエネルギー差が小さくなるよ
うにｐ型不純物をドープしたことを特徴とする半導体レ
ーザダイオード。
【請求項５】上記障壁層にｐ型不純物をドープした請
求項４記載の半導体レーザダイオード。
【請求項６】上記量子井戸細線がＩｎＧａＡｓからな
りかつ上記障壁層がＩｎＧａＡｓＰからなり、上記量子
井戸細線における正孔の第１量子化準位と上記障壁層の
価電子帯の上端との間のエネルギー差が略１２０ｍｅＶ
になるように、上記ｐ型不純物のドープ量を設定した請
求項４又は５に記載の半導体レーザダイオード。