JPS61295685A - 量子井戸レ−ザ - Google Patents
量子井戸レ−ザInfo
- Publication number
- JPS61295685A JPS61295685A JP13738585A JP13738585A JPS61295685A JP S61295685 A JPS61295685 A JP S61295685A JP 13738585 A JP13738585 A JP 13738585A JP 13738585 A JP13738585 A JP 13738585A JP S61295685 A JPS61295685 A JP S61295685A
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- electrons
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- energy
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- Pending
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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、光通信ないしは情報処理装置等に利用される
半導体レーザ、特に量子井戸レーザに関する。
半導体レーザ、特に量子井戸レーザに関する。
（従来技術とその問題点）
量子井戸レーザは、低閾値かつ高効率等の優れた特性を
有するため研究開発が盛んに進められている。例えばエ
レクトロニクスレターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ。
有するため研究開発が盛んに進められている。例えばエ
レクトロニクスレターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ。
Ｌｅｔｔ）、第１８巻、１９８２年、１０９５〜１０９
７ページに掲載の論文には通常のダブルへテロレーザに
比べはるかに低閾値電流で、低電流動作が可能な量子井
戸レーザが示されている。
７ページに掲載の論文には通常のダブルへテロレーザに
比べはるかに低閾値電流で、低電流動作が可能な量子井
戸レーザが示されている。
ところで、量子井戸レーザでは量子井戸の厚みが電子の
平均自由行程と同程度がそれ以下の厚みであるため閉じ
込め層から注入された多くの電子は格子散乱等によって
エネルギーを失なって量子井戸の束縛準位に緩和する前
に量子井戸の界面で反射されてしまうことになる。この
様な量子力学的な電子の反射成分があるために、量子井
戸レーザにおいては量子井戸へ電子の注入が効率的に行
なわれないという問題があった。キャリア注入が効率的
に行なわれないと、レーザ発振に必要な量子井戸のキャ
リア濃度を得るために大きな電圧を必要とすることにな
る。このことは電子及び正孔に対するポテンシャル障壁
を小さくする結果となるため、量子井戸に注入された電
子及び正孔がポテンシャル障壁を乗り超えてしまうキャ
リアオーバーフロー電流が増大し閾値電流の増大及び温
度特性が悪くなる等のレーザ特性の劣化を招くことにな
る。
平均自由行程と同程度がそれ以下の厚みであるため閉じ
込め層から注入された多くの電子は格子散乱等によって
エネルギーを失なって量子井戸の束縛準位に緩和する前
に量子井戸の界面で反射されてしまうことになる。この
様な量子力学的な電子の反射成分があるために、量子井
戸レーザにおいては量子井戸へ電子の注入が効率的に行
なわれないという問題があった。キャリア注入が効率的
に行なわれないと、レーザ発振に必要な量子井戸のキャ
リア濃度を得るために大きな電圧を必要とすることにな
る。このことは電子及び正孔に対するポテンシャル障壁
を小さくする結果となるため、量子井戸に注入された電
子及び正孔がポテンシャル障壁を乗り超えてしまうキャ
リアオーバーフロー電流が増大し閾値電流の増大及び温
度特性が悪くなる等のレーザ特性の劣化を招くことにな
る。
以上説明した様に、従来の量子井戸レーザにおいては量
子井戸へのキャリア注入が効率的に行なわれないため、
閾値電流の増大、温度特性の悪化等のレーザ特性の劣化
を招くという問題があった。
子井戸へのキャリア注入が効率的に行なわれないため、
閾値電流の増大、温度特性の悪化等のレーザ特性の劣化
を招くという問題があった。
（発明の目的）
本発明の目的は、上述の欠点を除去し、量子井戸への電
子のキャリア注入効率を改善することによって良好な特
性の量子井戸レーザを提供することにある。
子のキャリア注入効率を改善することによって良好な特
性の量子井戸レーザを提供することにある。
（発明の構成）
本発明は、活性層を量子井戸とし、量子井戸付近に存在
し量子井戸の連続的な量子準位に含まれ量子準位の共鳴
効果により量子井戸での波動関数の振幅を極大とする様
な疑似的な束縛エネルギー準位の最底のエネルギー準位
をＥｌとし、ｎ側の量子井戸の閉じ込め層の電子の伝導
帯下端のエネルギーをＥＣ２とするとき ＥＣ２≦Ｅｌ≦ＥＣ２＋０．０５ｅＶ が成り立つ構成としたことを特徴とする。
し量子井戸の連続的な量子準位に含まれ量子準位の共鳴
効果により量子井戸での波動関数の振幅を極大とする様
な疑似的な束縛エネルギー準位の最底のエネルギー準位
をＥｌとし、ｎ側の量子井戸の閉じ込め層の電子の伝導
帯下端のエネルギーをＥＣ２とするとき ＥＣ２≦Ｅｌ≦ＥＣ２＋０．０５ｅＶ が成り立つ構成としたことを特徴とする。
（実施例）
次に図面を参照して本発明の詳細な説明する。
第１図は本発明の一実施例の量子井戸レーザのバンドダ
イヤグラムを示したものである。図中、１はｎ型クラッ
ド層（ｎ型−ＡＩ、。、Ｇａ１ＸｃＩ Ａｓ、Ｘｇｉ
＜Ｘｃ１≦０゜８）、２は第１ガイド層（ＡＩｚｇｌＧ
ａｌ−ｘｇＩＡｓ、０＜Ｘｇｘ＜Ｘｃｔ。
イヤグラムを示したものである。図中、１はｎ型クラッ
ド層（ｎ型−ＡＩ、。、Ｇａ１ＸｃＩ Ａｓ、Ｘｇｉ
＜Ｘｃ１≦０゜８）、２は第１ガイド層（ＡＩｚｇｌＧ
ａｌ−ｘｇＩＡｓ、０＜Ｘｇｘ＜Ｘｃｔ。
典型的にはＸｇ１＝０．２〜０．３厚さ＝５００〜４０
００人典型的には厚さ＝１０００〜２０００人）、３・
は量子井戸層（ＡｌｘｗＧａ、−ｘｖ、Ａｓ、０≦Ｘｗ
＜０．５典型的にはＸｗ＝Ｏ，厚さ２０〜２５０人典型
的には５０〜２００人）、４は第２ガイド層（Ａｌｚｇ
２Ｇａ１−１ｇ２Ａｓ、Ｏ＜Ｘｇ２＜Ｘｃｚ典型的には
Ｘｇ２＝Ｏ。
００人典型的には厚さ＝１０００〜２０００人）、３・
は量子井戸層（ＡｌｘｗＧａ、−ｘｖ、Ａｓ、０≦Ｘｗ
＜０．５典型的にはＸｗ＝Ｏ，厚さ２０〜２５０人典型
的には５０〜２００人）、４は第２ガイド層（Ａｌｚｇ
２Ｇａ１−１ｇ２Ａｓ、Ｏ＜Ｘｇ２＜Ｘｃｚ典型的には
Ｘｇ２＝Ｏ。
２〜０．３．厚さ＝５００〜４０００人、典型的には厚
さ＝１０００〜２０００人）、５ はＰ 型 り ラ
ッ ド 層（Ｐ−Ａｌｚｃ２Ｇａ１−．２Ａｓ、Ｘｇ２
＜Ｘｃ２≦０．８）、６は量子井戸３での電子の束縛準
位、７は疑似的な束縛準位を表わす。
さ＝１０００〜２０００人）、５ はＰ 型 り ラ
ッ ド 層（Ｐ−Ａｌｚｃ２Ｇａ１−．２Ａｓ、Ｘｇ２
＜Ｘｃ２≦０．８）、６は量子井戸３での電子の束縛準
位、７は疑似的な束縛準位を表わす。
ここで、本実施例の量子井戸レーザにおける量子井戸へ
の電子のキャリア注入を説明する。電子は第１ガイド層
２から量子井戸３の連続準位に注入される。量子井戸３
の連続準位にある電子のうちある電子は格子散乱を受け
てエネルギーを失ない量子井戸３の束縛準位６に緩和し
量子井戸３に注入される。さらに、これらの電子は同様
なプロセスを経て量子井戸３に注入された正孔と発光再
結合することになる。もし量子井戸３の連続準位にある
電子濃度が非常に小さいと仮定すると、量子井戸３の連
続準位から束縛準位に緩和する電子数が小さくなり、量
子井戸３への電子の注入が充分に行なわれないことにな
る。逆に量子井戸３の連続準位にある電子濃度が充分大
きければ量子井戸３の束縛準位に緩和する電子数も充分
大きく、電子の注入が効率良く行なわれることになる。
の電子のキャリア注入を説明する。電子は第１ガイド層
２から量子井戸３の連続準位に注入される。量子井戸３
の連続準位にある電子のうちある電子は格子散乱を受け
てエネルギーを失ない量子井戸３の束縛準位６に緩和し
量子井戸３に注入される。さらに、これらの電子は同様
なプロセスを経て量子井戸３に注入された正孔と発光再
結合することになる。もし量子井戸３の連続準位にある
電子濃度が非常に小さいと仮定すると、量子井戸３の連
続準位から束縛準位に緩和する電子数が小さくなり、量
子井戸３への電子の注入が充分に行なわれないことにな
る。逆に量子井戸３の連続準位にある電子濃度が充分大
きければ量子井戸３の束縛準位に緩和する電子数も充分
大きく、電子の注入が効率良く行なわれることになる。
この様に電子の注入を効率良くするためには量子井戸３
の連続準位にある電子濃度を大きくすることが必要であ
ることがわかる。ここで量子井戸の連続準位にある電子
濃度について説明する。量子井戸３の井戸深さよりも高
いエネルギーを有する連続準位にある電子において、量
子井戸界面での量子力学的な反射が考えられる。第１ガ
イド層２から量子井戸３へ電子が注入される場合に、あ
るエネルギーを有する電子は量子井戸の両側での反射成
分が干渉効果で極小となり量子井戸３へ透過しやすく量
子井戸の上での電子の存在確率が高くなる。この反射成
分が極小となるエネルギー準位は、量子井戸の束縛準位
と似た性格を有しており、例えば量子井戸の厚さをしだ
いに大きくするとこのエネルギー準位は低くなり量子井
戸の中にはいると束縛準位となる。したがって、このエ
ネルギー準位を゛疑似的な束縛準位″と呼ぶことにする
。
の連続準位にある電子濃度を大きくすることが必要であ
ることがわかる。ここで量子井戸の連続準位にある電子
濃度について説明する。量子井戸３の井戸深さよりも高
いエネルギーを有する連続準位にある電子において、量
子井戸界面での量子力学的な反射が考えられる。第１ガ
イド層２から量子井戸３へ電子が注入される場合に、あ
るエネルギーを有する電子は量子井戸の両側での反射成
分が干渉効果で極小となり量子井戸３へ透過しやすく量
子井戸の上での電子の存在確率が高くなる。この反射成
分が極小となるエネルギー準位は、量子井戸の束縛準位
と似た性格を有しており、例えば量子井戸の厚さをしだ
いに大きくするとこのエネルギー準位は低くなり量子井
戸の中にはいると束縛準位となる。したがって、このエ
ネルギー準位を゛疑似的な束縛準位″と呼ぶことにする
。
一方、量子井戸３及び第１ガイド層２の連続準位の電子
はフェルミ分布で分布すると考えられている。したがっ
て、電子分布は高いエネルギーの電子は指数関数的に小
さくなる様な分布をしている。逆に言えば、低エネルギ
ー程、電子の数が大きい分布であるため、第１ガイド層
２の伝導帯下端付近で電子数が最大となる様な分布とな
っている。したがって前述した疑似的な束縛準位の最底
準位Ｅ１が第１ガイド層２の伝導帯下端のエネルギーＥ
ＣＺ付近にある場合に、分布及び存在確率の両方が最大
となるため量子井戸３の連続準位にある電子数が最大と
なる。この最大となる条件は ＥＣ２≦Ｅ１≦ＥＣ２＋０．０５ｅＶ （
１）と表わされる。これは最底の疑似的な束縛準位Ｅ１
が第１ガイド層２の伝導帯ＥＣ２から５０ｍｅＶ以内に
あることを意味している。０．０５ｅＶ以内としたのは
室温のエネルギー２５ｍｅＶの２倍程度以内であれは充
分な量子井戸３の連続準位にある電子数が得られるため
である。
はフェルミ分布で分布すると考えられている。したがっ
て、電子分布は高いエネルギーの電子は指数関数的に小
さくなる様な分布をしている。逆に言えば、低エネルギ
ー程、電子の数が大きい分布であるため、第１ガイド層
２の伝導帯下端付近で電子数が最大となる様な分布とな
っている。したがって前述した疑似的な束縛準位の最底
準位Ｅ１が第１ガイド層２の伝導帯下端のエネルギーＥ
ＣＺ付近にある場合に、分布及び存在確率の両方が最大
となるため量子井戸３の連続準位にある電子数が最大と
なる。この最大となる条件は ＥＣ２≦Ｅ１≦ＥＣ２＋０．０５ｅＶ （
１）と表わされる。これは最底の疑似的な束縛準位Ｅ１
が第１ガイド層２の伝導帯ＥＣ２から５０ｍｅＶ以内に
あることを意味している。０．０５ｅＶ以内としたのは
室温のエネルギー２５ｍｅＶの２倍程度以内であれは充
分な量子井戸３の連続準位にある電子数が得られるため
である。
次に最底の疑似的な束縛準位Ｅ１の値について説明する
。この場合、疑似的な束縛準位Ｅｎは近似的に次の様に
表わされる。
。この場合、疑似的な束縛準位Ｅｎは近似的に次の様に
表わされる。
ここでｍは電子の有効質量ｔはブランクの定数りを２Ｘ
ＩＩでわった値、Ｌｚは量子井戸幅、ｎは整数である。
ＩＩでわった値、Ｌｚは量子井戸幅、ｎは整数である。
ここで最底の疑似的な束縛準位Ｅ１を与えるｎをｎｌと
すると、Ｅｌは第１ガイド層の伝導帯下端のエネルギー
ＥＣ２よりも大きくかつＥｎのうちで最底のエネルギー
準位であるから次の式を満足する。
すると、Ｅｌは第１ガイド層の伝導帯下端のエネルギー
ＥＣ２よりも大きくかつＥｎのうちで最底のエネルギー
準位であるから次の式を満足する。
したがってこの不等式を満足するｎｌを求めそれを（２
）式に代入することによってＥｌが求められる。
）式に代入することによってＥｌが求められる。
本実施例の量子井戸レーザでは量子井戸幅Ｌｚ及び第１
ガイド層２の伝導帯下端のエネルギーＥＣ２を適当な値
を採用することによって、Ｅｌが（１）式を満足する様
にして、量子井戸３の連続準位にある電子濃度を最大に
することが出来、量子井戸３へ効率的な電子注入を行な
うことが出来た。
ガイド層２の伝導帯下端のエネルギーＥＣ２を適当な値
を採用することによって、Ｅｌが（１）式を満足する様
にして、量子井戸３の連続準位にある電子濃度を最大に
することが出来、量子井戸３へ効率的な電子注入を行な
うことが出来た。
次に本実施例の製造方法について説明する。第２図に示
される様にＮ−ＧａＡｓ基板１０上にｎ型ＧａＡｓバッ
ファ一層１１、ｎ型クラッド層１、第１ガイド層２、量
子井戸３、第２ガイド層４、Ｐ型クラッド層５、Ｐ型Ｇ
ａＡｓキャップ層１２を順次結晶成長を行なう。
される様にＮ−ＧａＡｓ基板１０上にｎ型ＧａＡｓバッ
ファ一層１１、ｎ型クラッド層１、第１ガイド層２、量
子井戸３、第２ガイド層４、Ｐ型クラッド層５、Ｐ型Ｇ
ａＡｓキャップ層１２を順次結晶成長を行なう。
このときの量子井戸３の厚さＬｚ及び第１ガイド層２の
Ａ１組成比は前述した（１）式を満足する様に設定して
結晶成長を行なう。
Ａ１組成比は前述した（１）式を満足する様に設定して
結晶成長を行なう。
次にＳｉＯ２膜１４全１４し、ホトエツチング法によっ
てストライプ状の電流通路１６を形成する。次にＰ側電
極１４、Ｎ側電極１５を形成し、最後に襞間を用いて共
振器面を形成し、電極ワイヤ等を取り付けて完成される
。
てストライプ状の電流通路１６を形成する。次にＰ側電
極１４、Ｎ側電極１５を形成し、最後に襞間を用いて共
振器面を形成し、電極ワイヤ等を取り付けて完成される
。
以上の実施例においてはストライプ構造が酸化膜ストラ
イプ構造のものについて説明したがこれに限らず他の構
造、例えばプレーナストライプ構造、リッジウニイブガ
イド構造埋め込み構造等あらゆるストライプ構造の量子
井戸レーザに本発明が適用出来ることは明らかである。
イプ構造のものについて説明したがこれに限らず他の構
造、例えばプレーナストライプ構造、リッジウニイブガ
イド構造埋め込み構造等あらゆるストライプ構造の量子
井戸レーザに本発明が適用出来ることは明らかである。
また量子井戸の両側に非常に薄い（〜ｌ０Ａ）ＡＩＡｓ
バリヤ等が両側に有する様な量子井戸レーザにも本発明
が適用出来る。又、本実施例において、ガイド層は膜厚
方向において均一な組成を有していたがこれに限らす膜
厚方向に組成が変化しているいわゆるグレーデツド層と
なっている様なＧＲＩＮ−８ＣＨ構造においても本発明
を適用することが出来る。また本実施例においては、材
料としてＡｌＧａＡｓ１ＧａＡｓ系材料を用いたがこれ
に限らずＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系材料、ＩｎＧａＡｌ
Ａｓ／ＩｎＰｎＧａＡｌＡｓ／Ｉｎ用いても本発明が適
用出来ることは明らかである。
バリヤ等が両側に有する様な量子井戸レーザにも本発明
が適用出来る。又、本実施例において、ガイド層は膜厚
方向において均一な組成を有していたがこれに限らす膜
厚方向に組成が変化しているいわゆるグレーデツド層と
なっている様なＧＲＩＮ−８ＣＨ構造においても本発明
を適用することが出来る。また本実施例においては、材
料としてＡｌＧａＡｓ１ＧａＡｓ系材料を用いたがこれ
に限らずＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系材料、ＩｎＧａＡｌ
Ａｓ／ＩｎＰｎＧａＡｌＡｓ／Ｉｎ用いても本発明が適
用出来ることは明らかである。
（発明の効果）
以上詳述した様に本発明においては、量子井戸へ電子が
効率良く注入されるため閾値電流が小さく、温度特性の
良好な量子井戸レーザを得ることが出来る。
効率良く注入されるため閾値電流が小さく、温度特性の
良好な量子井戸レーザを得ることが出来る。
第１図は本発明の一実施例の量子井戸レーザの主要部の
エネルギーバンド図、第２図は量子井戸レーザの一実施
例の断面図である。 図中、１はｎ型クラッド層、２は第１ガイド層、３は量
子井戸、４は第２ガイド層、５はｐ型クラッド層、６は
量子井戸の束縛準位、７は疑似的量子準位、１０はｎ−
ＧａＡｓ基板、１１はバッファ一層、１２はｐ型ＧａＡ
ｓキャップ層、１３はＳｉＯ２膜、１４はＰ側電極、１
５はｎ側電極、１６はストライプ領域である。
エネルギーバンド図、第２図は量子井戸レーザの一実施
例の断面図である。 図中、１はｎ型クラッド層、２は第１ガイド層、３は量
子井戸、４は第２ガイド層、５はｐ型クラッド層、６は
量子井戸の束縛準位、７は疑似的量子準位、１０はｎ−
ＧａＡｓ基板、１１はバッファ一層、１２はｐ型ＧａＡ
ｓキャップ層、１３はＳｉＯ２膜、１４はＰ側電極、１
５はｎ側電極、１６はストライプ領域である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 活性層を内包する多層構造を備え、かつ、活性層が量子
井戸構造となっている量子井戸レーザにおいて、前記量
子井戸付近に存在し前記量子井戸の連続的な量子準位に
含まれ前記量子井戸の共鳴効果により前記量子井戸での
電子の波動関数の振幅を極大とする様な疑似的な束縛エ
ネルギー準位の最底のエネルギー準位Ｅ＿１と前記量子
井戸の両側の閉じ込め層の１つでｎ型領域側すなわち電
子を供給する側の閉じ込め層の電子の伝導帯下端のエネ
ルギーＥ＿Ｃ＿２との間に Ｅ＿Ｃ＿２≦Ｅ＿１≦Ｅ＿Ｃ＿２＋０．０５ｅＶが成り
立つように各層の組成及び層厚を定めたことを特徴とす
る量子井戸レーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13738585A JPS61295685A (ja) | 1985-06-24 | 1985-06-24 | 量子井戸レ−ザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13738585A JPS61295685A (ja) | 1985-06-24 | 1985-06-24 | 量子井戸レ−ザ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61295685A true JPS61295685A (ja) | 1986-12-26 |
Family
ID=15197449
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13738585A Pending JPS61295685A (ja) | 1985-06-24 | 1985-06-24 | 量子井戸レ−ザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61295685A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5375135A (en) * | 1992-04-15 | 1994-12-20 | Sharp Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser device |
| US5506856A (en) * | 1993-04-15 | 1996-04-09 | Sharp Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser device having a resonator of particular length for reduced threshold current density |
-
1985
- 1985-06-24 JP JP13738585A patent/JPS61295685A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5375135A (en) * | 1992-04-15 | 1994-12-20 | Sharp Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser device |
| US5657337A (en) * | 1992-04-15 | 1997-08-12 | Sharp Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser device having a resonator of a particular length for reducing threshold current density |
| US5506856A (en) * | 1993-04-15 | 1996-04-09 | Sharp Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser device having a resonator of particular length for reduced threshold current density |
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