JP2644729B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents
半導体レーザ装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 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。
レーザ素子に関するものである。
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。したがつて半
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
・フイジツクス・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・
フイジツクス・レターズ,46,344(1985)参照)。
子の変調における周波数限界に比例する。したがつて半
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
・フイジツクス・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・
フイジツクス・レターズ,46,344(1985)参照)。
上記従来技術は、いずれの場合も、他の特別の工夫を
しない限り、上記直接変調の周波数限界は10GHz付近で
あり、通常の半導体レーザの周波数限界の5GHzに比べ
て、顕著な効果とはならなかつた。
しない限り、上記直接変調の周波数限界は10GHz付近で
あり、通常の半導体レーザの周波数限界の5GHzに比べ
て、顕著な効果とはならなかつた。
本発明の目的は、周波数限界が10GHzをこえる直接変
調が行える高速の半導体レーザ素子を得ることにある。
調が行える高速の半導体レーザ素子を得ることにある。
本発明者らは、この量子井戸型レーザの量子井戸活性
層のバリヤ層を高濃度p型不純物ドーピングすることに
より、達成される。この際、ウエル層にまで不純物ドー
ピングするとその不純物イオンの影響でバンドテイリン
グ生じ、量子効果に悪影響を与え、キヤリアの二次元性
が低下することが懸念される。そこで本発明は、キヤリ
アの存在するウエル層にはドーピングを行わず、バリヤ
層のみに選択的にp型ドーピングする変調ドープMQW
(多重量子井戸)レーザあるいは、変調ドープGRIN−SC
Hレーザを発明した。
層のバリヤ層を高濃度p型不純物ドーピングすることに
より、達成される。この際、ウエル層にまで不純物ドー
ピングするとその不純物イオンの影響でバンドテイリン
グ生じ、量子効果に悪影響を与え、キヤリアの二次元性
が低下することが懸念される。そこで本発明は、キヤリ
アの存在するウエル層にはドーピングを行わず、バリヤ
層のみに選択的にp型ドーピングする変調ドープMQW
(多重量子井戸)レーザあるいは、変調ドープGRIN−SC
Hレーザを発明した。
量子井戸型レーザに変調Pドーピングを行うとバリヤ
層のアクセプタから放出した正孔は、エネルギーの低い
ウエル層に緩和され、ウエル層内に局在する。その結
果、ウエル層内では、正孔密度の方が電子密度より、は
るかに大きくなる。その結果、利得スペクトル幅が狭ま
り、微分利得が上昇する。本発明者は、変調ドープ量子
井戸レーザの利得スペクトル解析モデルを作成し、これ
を用いて、半導体レーザの直接変調の周波数限界を決め
ている緩和振動周波数rを計算した。その計算結果第
2図,第3図に示す。まず、第2図は、ウエル層の厚さ
を5nmに固定して、Pもしくは、nドーピングのそれぞ
れについて不純物濃度を横軸にしてrを示した。ま
ず、nドーピングでは、1×1018cm-3以上行うと、逆に
rは低下することが判明した。一方、Pドーピングを
行うと、1×1018cm-3以上では、rは急激に増大し、
1×1019cm-3のPドーピングでは、rは24GHzに達す
ることが判明した。また、Pドーピングにおいて5×10
18cm-3の不純物濃度に固定して、ウエル層の厚さを横軸
にして示したのが第3図である。ウエル層の厚さが小さ
いほど、rは増大することがわかる。以上の検討か
ら、変調Pドーピング量子井戸レーザにより、rを増
大するためには、ウエル層の厚さとして10nm以下、不純
物濃度として2×1018cm-3以上に設定する必要がある。
層のアクセプタから放出した正孔は、エネルギーの低い
ウエル層に緩和され、ウエル層内に局在する。その結
果、ウエル層内では、正孔密度の方が電子密度より、は
るかに大きくなる。その結果、利得スペクトル幅が狭ま
り、微分利得が上昇する。本発明者は、変調ドープ量子
井戸レーザの利得スペクトル解析モデルを作成し、これ
を用いて、半導体レーザの直接変調の周波数限界を決め
ている緩和振動周波数rを計算した。その計算結果第
2図,第3図に示す。まず、第2図は、ウエル層の厚さ
を5nmに固定して、Pもしくは、nドーピングのそれぞ
れについて不純物濃度を横軸にしてrを示した。ま
ず、nドーピングでは、1×1018cm-3以上行うと、逆に
rは低下することが判明した。一方、Pドーピングを
行うと、1×1018cm-3以上では、rは急激に増大し、
1×1019cm-3のPドーピングでは、rは24GHzに達す
ることが判明した。また、Pドーピングにおいて5×10
18cm-3の不純物濃度に固定して、ウエル層の厚さを横軸
にして示したのが第3図である。ウエル層の厚さが小さ
いほど、rは増大することがわかる。以上の検討か
ら、変調Pドーピング量子井戸レーザにより、rを増
大するためには、ウエル層の厚さとして10nm以下、不純
物濃度として2×1018cm-3以上に設定する必要がある。
つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。
実施例1 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クラツド層(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、アンドープGa1-yAlyAsウエル層(y=
0〜0.2,厚さ3〜10nm)3と、p型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型電極Cr−Au7およびn側電極AuG
eNi−Au8を蒸着して素子に切離した。ここで上記バリヤ
層に少なくとも2×1018cm-3以上のp型不純物をドープ
すると、従来の10GHzから20GHzに周波数限界が高くなつ
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8×1018cm-3
に留めた方が実用的である。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。
長法によりn型Ga1-xAlxAsクラツド層(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、アンドープGa1-yAlyAsウエル層(y=
0〜0.2,厚さ3〜10nm)3と、p型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型電極Cr−Au7およびn側電極AuG
eNi−Au8を蒸着して素子に切離した。ここで上記バリヤ
層に少なくとも2×1018cm-3以上のp型不純物をドープ
すると、従来の10GHzから20GHzに周波数限界が高くなつ
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8×1018cm-3
に留めた方が実用的である。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。
さらに、第1図のレーザ素子の共振器長を100μmと
短かくした場合は、光子寿命が短かくなるため、なお一
層の緩和振動周波数の増大を可能にした。その実験可能
を横軸に端面破壊限界光出力Pcで正規化した光出力Pの
平方根にして第4図に実線で示した。本図には、従来の
量子井戸型半導体レーザ素子のデータを破線で示した。
すなわち、本実施例においては、rは約30GHzまで達
し、従来の半導体レーザの約3倍弱近い高速化が可能と
なつた。
短かくした場合は、光子寿命が短かくなるため、なお一
層の緩和振動周波数の増大を可能にした。その実験可能
を横軸に端面破壊限界光出力Pcで正規化した光出力Pの
平方根にして第4図に実線で示した。本図には、従来の
量子井戸型半導体レーザ素子のデータを破線で示した。
すなわち、本実施例においては、rは約30GHzまで達
し、従来の半導体レーザの約3倍弱近い高速化が可能と
なつた。
実施例2 本発明による他の実施例を第5図を用いて説明する。
第5図(a)は素子の断面図を示す。n型GaAs基板1上
に分子線エピタキシー法によりn型Ga1-xAlxAsクラツド
層(x=0.45)2を成長した後、その上にAlの組成が徐
々に変化するn型GaAlAsGAIN層9,5×1018cm-3のMgドー
ピングを行つたp型Ga1-zAlzAsバリヤ層(z>y、厚さ
3〜20nm)10,アンドープGa1-yAlyAsウエル層(y=0
〜0.2,厚さ3〜10nm)3、5×1018cm-3のMgドーピング
を行つたp型Ga1-zAlzAsバリヤ層(z>y、厚さ3〜20
nm)、10、Alの組成が徐々に変化しているp型GaAlAsGR
IN層11,p型Ga1-xAlxAs層5およびp型GaAs層6を成長さ
せ、p型電極7、n型電極8を形成し、共振器長約100
μmの素子に切断した。本レーザ構造においては、アン
ドープウエル層3の両側の高濃度p型バリヤ層のアクセ
プタから放出した正孔は、第5図(b)の如く、ウエル
層内に局在化した正孔12となる。本実施例においても、
緩和振動周波数rは、実施例1と同様に約30GHzにま
で達した。さらに、本発明は、横モード制御を行つたレ
ーザ構造たとえばBH(Buried Hetero structure)構
造、SAS(Self−Aligned Structrue)構造等に対して適
用できることは言うまでもない。さらに上記実施例にお
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
ができた。
第5図(a)は素子の断面図を示す。n型GaAs基板1上
に分子線エピタキシー法によりn型Ga1-xAlxAsクラツド
層(x=0.45)2を成長した後、その上にAlの組成が徐
々に変化するn型GaAlAsGAIN層9,5×1018cm-3のMgドー
ピングを行つたp型Ga1-zAlzAsバリヤ層(z>y、厚さ
3〜20nm)10,アンドープGa1-yAlyAsウエル層(y=0
〜0.2,厚さ3〜10nm)3、5×1018cm-3のMgドーピング
を行つたp型Ga1-zAlzAsバリヤ層(z>y、厚さ3〜20
nm)、10、Alの組成が徐々に変化しているp型GaAlAsGR
IN層11,p型Ga1-xAlxAs層5およびp型GaAs層6を成長さ
せ、p型電極7、n型電極8を形成し、共振器長約100
μmの素子に切断した。本レーザ構造においては、アン
ドープウエル層3の両側の高濃度p型バリヤ層のアクセ
プタから放出した正孔は、第5図(b)の如く、ウエル
層内に局在化した正孔12となる。本実施例においても、
緩和振動周波数rは、実施例1と同様に約30GHzにま
で達した。さらに、本発明は、横モード制御を行つたレ
ーザ構造たとえばBH(Buried Hetero structure)構
造、SAS(Self−Aligned Structrue)構造等に対して適
用できることは言うまでもない。さらに上記実施例にお
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
ができた。
上記のように本発明による半導体レーザ素子は、ウエ
ル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、バリヤ層に高濃度のp型不
純物をドープしたことによつて、量子井戸型レーザ素子
のrを高くして周波数限界が30GHz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簡単にはかることができる。
ル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、バリヤ層に高濃度のp型不
純物をドープしたことによつて、量子井戸型レーザ素子
のrを高くして周波数限界が30GHz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簡単にはかることができる。
第1図および、第5図は本発明の実施例に示す半導体レ
ーザ装置の断面図、第2図および第3図は緩和振動周波
数の理論計算値を示す図、第4図は本発明による緩和振
動周波数の実験値を示す図である。 1……n型GaAs基板、2……n型Ga1-xAlxAs層、3……
アンドープウエル層、4……p型バリヤ層、5……p型
Ga1-xAlxAs層、6……p型GaAs層、7……p型電極、8
……n型電極、9……n型GaAlAsGRIN層、10……p型バ
リヤ層、11……p型GaAlAsGRIN層、12……アクセプタか
ら放出した正孔。
ーザ装置の断面図、第2図および第3図は緩和振動周波
数の理論計算値を示す図、第4図は本発明による緩和振
動周波数の実験値を示す図である。 1……n型GaAs基板、2……n型Ga1-xAlxAs層、3……
アンドープウエル層、4……p型バリヤ層、5……p型
Ga1-xAlxAs層、6……p型GaAs層、7……p型電極、8
……n型電極、9……n型GaAlAsGRIN層、10……p型バ
リヤ層、11……p型GaAlAsGRIN層、12……アクセプタか
ら放出した正孔。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大歳 創 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 森岡 誠 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 三島 友義 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59−104191(JP,A)
Claims (5)
- 【請求項1】ウエル層と、禁制帯幅の大きさが上記ウエ
ル層よりも大きいバリヤ層とからなる量子井戸活性層を
有する半導体レーザ装置において、上記ウエル層の厚さ
は10nm以下であり、かつ上記バリヤ層の導電型はp型で
その不純物濃度が2×1018cm-3以上であることを特徴と
する半導体レーザ装置。 - 【請求項2】上記量子井戸活性層は上記ウエル層及び上
記バリヤ層とを交互に重ね合わせた多重量子井戸層であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の半導体
レーザ装置。 - 【請求項3】上記量子井戸活性層は単一の上記ウエル層
と上記ウエル層を挟んで配置された2つの上記バリヤ層
とからなるGRIN−SCH(Graded Index Separate Confine
ment Hetero Structure)型であることを特徴とする特
許請求の範囲第1項記載の半導体レーザ装置。 - 【請求項4】上記バリヤ層の不純物濃度は2×1018cm-3
乃至1×1019cm-3の範囲にあることを特徴とする特許請
求の範囲第1項乃至第3項のいずれかに記載の半導体レ
ーザ装置。 - 【請求項5】上記不純物はMg又はBeであることを特徴と
する特許請求の範囲第1項乃至第4項のいずれかに記載
の半導体レーザ装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61028806A JP2644729B2 (ja) | 1986-02-14 | 1986-02-14 | 半導体レーザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61028806A JP2644729B2 (ja) | 1986-02-14 | 1986-02-14 | 半導体レーザ装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS62188390A JPS62188390A (ja) | 1987-08-17 |
JP2644729B2 true JP2644729B2 (ja) | 1997-08-25 |
Family
ID=12258664
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP61028806A Expired - Lifetime JP2644729B2 (ja) | 1986-02-14 | 1986-02-14 | 半導体レーザ装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2644729B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5023419B2 (ja) * | 2001-07-10 | 2012-09-12 | 日本電気株式会社 | 半導体量子ドット・デバイス |
US11552217B2 (en) * | 2018-11-12 | 2023-01-10 | Epistar Corporation | Semiconductor device |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH07112089B2 (ja) * | 1982-12-07 | 1995-11-29 | 富士通株式会社 | 半導体発光装置 |
-
1986
- 1986-02-14 JP JP61028806A patent/JP2644729B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS62188390A (ja) | 1987-08-17 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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