JP2679974B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

半導体レーザ装置

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JP2679974B2 JP61092093A JP9209386A JP2679974B2 JP 2679974 B2 JP2679974 B2 JP 2679974B2 JP 61092093 A JP61092093 A JP 61092093A JP 9209386 A JP9209386 A JP 9209386A JP 2679974 B2 JP2679974 B2 JP 2679974B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、従来にない低しきい電流で発振する量子井
戸型半導体レーザに係り、特に光電気集積回路用あるい
は光集積回路の半導体レーザに関するものである。 〔従来の技術〕 将来の電気光集積回路(OEIC)あるいは光集積回路
(OIC)用の光源として、低しきい電流で発振する半導
体レーザ、つまり低消費電力の半導体レーザが待望され
ている。これまでに、活性層を量子井戸型にして、その
量子サイズ効果を利用して低しきい電流化する方法が杉
本他により電子通信学会の信学技報等OQE85−78巻,第8
5頁に発表されている。しかし、この方法では、そのし
きい電流は約8mAであり、従来のダブルヘテロ構造半導
体レーザの20mAに比べて約半分程度にしか改善されな
い。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上記従来技術については、その粒子井戸活性層のデバ
イス構造はほぼ最適化されており、従来の量子井戸活性
層では、上記のしきい電流(約8mA)以下の低しきい化
は困難である。しかし、この程度のしきい電流値では今
後、OEICの光源とて未だ不適当であり、さらにOEICの多
機能化,高集積化のためには、なお一層の低しきい電流
化が必要であつた。 本発明の目的は、従来にない低しきい電流の半導体レ
ーザ(<3mA)を提供することにあり、さらには、高機
能・高集積のOEIC用の光源を提供することにある。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明者は、従来にないし低しきい電流で発振する半
導体レーザを得るために、キヤリア注入型半導体レーザ
の活性層を量子井戸構造とする半導体レーザ基本に考
え、電子のドウ・ブローイ波長以下の厚さを有するウエ
ル層とウエル層よりも禁制帯幅の大きいバリア層からな
る量子井戸活性層の全部あるいはその一部(例えば、ウ
エル層だけ、バリア層だけ、又はウエル層とバリア層の
両方)に高濃度(>1018cm-3)の不純物をドーピングし
て、人為的に電子密度と正孔密度を操作することによ
り、キヤリアの無注入時(無バイアス時)においてその
量子井戸活性層に電子あるいは正孔(あるいはその両
方)を存在させ、その結果、低しきい電流化できること
を見い出した。この量子井戸活性層としては、ウエル層
とバリア層を交互に重ね合わせた多重量子井戸構造、あ
るいは、バリア層のAlのモル比が徐々に変化しているGR
IN−SCH型(Graded−Index−Separate−Confinement−H
eterostructure)構造を用いるとその効果は顕著であ
る。本発明者は、不純物をドーピングした量子井戸活性
層の利得スペクトル解析モデルを作成し、それを多重量
子井戸構造に適用した計算結果を第2図に示す。この計
算ではウエル層のAlモル比(XW)は0、バリア層のAlモ
ル比(XB)は0.2、ウエル層厚さは5nmとした。Pドーピ
ング,nドーピング両者共、ドーピング濃度を増すと、発
振に必要なしきいキヤリア密度は低下し、しき電流が下
がることが判明した。特にnドーピングでは2×1018cm
-3以上、pドーピングでは4×1018cm-3以上のドーピン
グを行うとしきいキヤリア密度はアンドープの多重量子
井戸構造に比べ、約半分に低下し、従来のダブルヘテロ
構造の1/4以下になることが判明した。ただし、ドーピ
ング濃度を1×1019cm-3以上にすると急激にその結晶性
が低下するため、ドーピング濃度としては1×1019cm-3
が限度であることもわかつた。この時、しきいキヤリア
密度は従来のダブルヘテロ構造に比べてnドーピングで
は約1/20、pドーピング1/6に低下する。また、不純物
としては、固相内拡散の小さいMg,Be,Si,Se等が有効で
あることも見出した。 〔作用〕 上記の如く、量子井戸活性層に不純物を高濃度にドー
ピングするとしきい電流が低下することは以下のように
説明できる。不純物を高濃度にドーピングすると無バイ
アス、つまりキヤリア無注入時においても、ウエル層内
に量子化した多数キヤリアが存在する。Pドーピングの
場合を考えると価電子帯内の量子準位は、アクセプタか
ら放出した正孔により占められている。レーザ発振に寄
与する利得は、正味の光吸収を差しひいたものであるの
で、上記のように価電子帯に量子化した正孔が存在する
とその正味の光吸収が減少する。この結果、低い注入電
子密度で発振することになる。また、nドーピングでも
同様に説明できる。 〔実施例〕 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装置の一実施例を示す断
面図で(a)は全断面図、(b)は○部拡大断面図であ
る。 第1図において、n型GaAs基板結晶1の上にn型Ga1
−xAlxAsクラツド層2(x=0.45)と、厚さ8nmの4×1
018cm-3のSeドープを行つたnドープGaASウエル層31、
アンドープあるいは4×1018cm-3のSeドープを行つたn
ドープの厚さ3nmのGa0.8Al0.2Asバリア層32を交互に5
層ずつ積み重ねた多重量子井戸活性層3と、P型Ga1−x
AlxAsクラツド層4(x=0.45)と、n型GaAs電流狭窄
層5とをMOCVD法により順次形成する。ホトエツチング
工程により、n型GaAs層5を完全に除去してp型Ga1−x
AlAsクラツド層4の表面を露出する幅1〜15μmの薄ス
トライプを形成する。つぎにMOCVD法によりp型Ga1−xA
lxAsクラツド層6(x=0.45)、p型GaAsキヤツプ層7
を形成する。その後、p型電極8、n側電極9を形成し
たのち、へき開法により共振器長約300μmの半導体レ
ーザ装置を得た。このとき光導波路を屈折率導波型とし
て、レーザ光の横モードを安定に保つためには、P型ク
ラツド層4の厚さd4の条件として0.1<d4<0.7μmが得
られた。 上記実施例は発振波長830nmにおいてしきい電流値1
〜2mAで室温連続発振し、発振スペクトルは縦単一モー
ドを示し、光出力20mWまで横モードの安定性を確認し
た。90℃において、光出力20mW定光出力動作時の寿命も
5000時間経過後顕著な劣化は見られず、信頼性も高いこ
とが明らかになつた。これは上記したように、ウエル層
31に高濃度Nドーピングした多重量子井戸によつてしき
い電流密度が顕著に低下したことによるものである。 実施例2 本発明による別の実施例を第3図を用いて説明する。 n型GaAs基板1上にn型GaAlAsクラツド層2、Alのモ
ル比が0.45から0.2まで徐々に変化する厚さ0.1μmにn
−GaAlAsバリア層103、厚さ6nmの6×1018cm-3のMgドー
プを行つたGaAsウエル層101、およびAlのモル比が0.2か
ら0.45まで徐々に変化する厚さ0.1μmのp−GaAlAsバ
リア層102からなるGRIN−SCH活性層10を形成し、さらに
その上にp型GaAlAsクラツド層4を成長後、ホトエツチ
ングにより、幅1〜5μmのストライプ状に残るように
n型GaAs基板1まで達するエツチングを行い、その後p
形GaAlAs層12、n形GaAlAs層13を成長し、Zn拡散領域11
を設ける。この後p側電極8、n側電極9を形成した
後、へき開法により、共振器長約300μmのレーザ素子
を得た。 本実施例においては、半導体レーザの構造はBH(Buri
ed Heterostructure)タイプになつているので、発振に
寄与しない無効電流が存在しないので、なお一層の低し
きい電流化ができ、しきい電流0.5〜1.5mAで室温連続発
振し、波長は800nmにて縦単一モードを示した。また、1
00℃において光出力10mW定光出力動作時の寿命も6000時
間経過後も顕著な劣化は見られず、高信頼の素子を得
た。 実施例3 本発明による別の実施例を第4図を用いて説明する。
半絶縁性GaAs基板14上にn+−GaAs層15をMOCVD法により
成長した後、実施例1と同様の半導体層を成長する。こ
の後、部分的にn+−GaAS層15の表面を露出するエツチン
グを行ない、p電極8、n電極9を形成する。この後、
へき開法により、共振器長約300μmのレーザ素子を得
た。本実施例においても、実施例1,実施例2とほぼ同様
の特性を示した。さらに本実施例においては、半絶縁性
基板上に超低しきい値電流の半導体レーザが形成された
ことになり、OEIC等への発振が期待できる。 また、以上の実施例においては、不純物としてMg,Se
の場合を示したが、Si,Beを用いてもほぼ同様の効果が
得られた。さらに、ウエル層の幅として3〜10nm、p型
不純物の濃度として(4〜10)×1018cm-3、n型不純物
の濃度として(2〜10)×1018cm-3のいずれの組み合わ
せにおいてもほぼ同様の効果が得られた。また、以上の
実施例においては、p型あるいはn型の一方の不純物ド
ーピングを行つたが、両方の型のドーピングを行つても
よい。 なお本発明は実施例に示した波長0.80μm前後に限ら
ず、波長0.86〜0.89μmのGaAlAs系半導体レーザ装置
で、室温連続発振できる全範囲にわたり同様の結果が得
られた。本発明による半導体レーザ装置はGaAlAs系以外
のレーザ材料、例えばInGaAsP系やInGaP系の材料に対し
ても同様に適用できる。またレーザの構造としては上記
各実施例で示した3層導波路を基本にするものに限ら
ず、活性層の片側に隣接して光ガイド層を設けるLOC構
造や、活性層の両側にそれぞれ隣接して光ガイド層を設
けるSCH構造に対しても同様に適用することができる。 また上記各実施例において導電形を全て反対にした構
造(pをnに、nをpに置換えた構造)においても同様
の効果が得られた。 〔発明の効果〕 上記のように本発明による半導体レーザ素子は量子井
戸活性層の全部あるいはその一部に高濃度の不純物を導
入することにより、従来の半導体レーザのしきい電流よ
りはるかに低いしきい電流の半導体レーザ素子ができる
ので、高い信頼性のレーザ素子が得られ、これは、特に
光電気集積回路あるいは光集積回路用の光源として有効
である。
【図面の簡単な説明】 第1図,第3図,第4図は本発明による実施例の断面図
であり、各図(b)は同図(a)の円内拡大図、第2図
はドーピング濃度に対するしきいキヤリア密度の計算値
で、本願発明の原理を示す図である。 1……n−GaAs基板、2……n−GaAlAsクラツド層、3
……多重量子井戸活性層、4……p−GaAlAsクラツド
層、5……n+−GaAs 電流狭窄層、6……GaAlAsクラツ
ド層、7……p−GaAsキヤツプ層、8……p電極、9…
…n電極、10……GRIN−SCH活性層、11……Zn拡散領
域、12……p−GaAlAs埋めこみクラツド層、13……n−
GaAlAs埋めこみクラツド層、14……半絶縁性GaAs基板、
15……n+−GaAs層。

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.第1導電型クラッド層と、該第1導電型クラッド層
    上に電子のドウ・プローイ波長以下の厚さのウエル層と
    該ウエル層よりも禁制帯幅の大きいバリア層とを交互に
    重ね合せて形成された多重量子井戸活性層と、該多重量
    子井戸活性層上に形成された上記第1導電型に対し逆の
    第2導電型のクラッド層とを有し、上記多重量子井戸活
    性層のウエル層及びバリア層の少なくとも一方には濃度
    が4×1018cm-3以上且つ1×1019cm-3未満のp型不純物
    又は2×1018cm-3以上且つ1×1019cm-3未満のn型不純
    物が導入されていることを特徴とする半導体レーザ装
    置。 2.上記ウエル層の厚さは、3nm〜10nmであることを特
    徴とする特許請求の範囲第1項に記載の半導体レーザ装
    置。 3.上記p型不純物は、Mg又はBeであることを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項又は第2項に記載の半導体レー
    ザ装置。 4.上記n型不純物は、Se又はSiであることを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項又は第2項に記載の半導体レー
    ザ装置。
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