JP2833396B2 - 歪多重量子井戸半導体レーザ - Google Patents
歪多重量子井戸半導体レーザInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信、光情報処理分
野などに用いられる半導体レーザに関するものである。
野などに用いられる半導体レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、多くの分野で半導体レーザの需要
が高まり、GaAs系、およびInP系を中心として活発に研
究開発が進められてきた。その中でMBE, MOVPEをはじめ
とする半導体レーザの結晶成長技術が大きな進展を遂
げ、量子井戸などの非常に薄い層を再現性よくしかも大
面積にわたって均一に作製できるようになった。これら
の量子井戸は半導体レーザの活性層に用いられ、量子サ
イズ効果によってレーザの消費電力を非常に小さくでき
ることが実証され，現在では一部が製品化されるに至っ
ている。さらに最近になって，量子井戸層の格子定数を
意図的に基板からずらして歪ませることにより発光効率
が増大し、より低消費電力化が可能であることも理論
的，あるいは実験的に示されている。
が高まり、GaAs系、およびInP系を中心として活発に研
究開発が進められてきた。その中でMBE, MOVPEをはじめ
とする半導体レーザの結晶成長技術が大きな進展を遂
げ、量子井戸などの非常に薄い層を再現性よくしかも大
面積にわたって均一に作製できるようになった。これら
の量子井戸は半導体レーザの活性層に用いられ、量子サ
イズ効果によってレーザの消費電力を非常に小さくでき
ることが実証され，現在では一部が製品化されるに至っ
ている。さらに最近になって，量子井戸層の格子定数を
意図的に基板からずらして歪ませることにより発光効率
が増大し、より低消費電力化が可能であることも理論
的，あるいは実験的に示されている。
【０００３】図９(a)〜(c)に各半導体レーザの活性層の
屈折率分布に対応する光強度分布を示す。一般に量子井
戸レーザにおいては活性層に用いられる井戸層が10nm以
下と非常に薄いので，図９(b)に示すように活性層を単
一量子井戸とした半導体レーザの場合、自然放出光の井
戸層へ閉じ込められる割合（以下，光閉じ込め係数）が
従来の厚膜の活性層を用いたダブルヘテロ型の半導体レ
ーザ(a)に比べて非常に小さくなってしまう。自然放出
光はレーザ発振のための活性領域の反転分布を起こさせ
るのに必要なもので，光閉じ込め係数が小さいと量子井
戸あるいは歪量子井戸によって発光効率が増加しても、
より大きな自然放出光を起こさせないと活性領域に十分
な光が閉じ込められないことになり、本来の量子井戸層
の性質を十分活かしきれない。そこで、図９(c)のよう
に活性層を多重量子井戸として光閉じ込め係数を増加さ
せる方法が採られるようになり非常に消費電力の小さい
多重量子井戸レーザが実現されるようになった。それを
図１０に示す。
屈折率分布に対応する光強度分布を示す。一般に量子井
戸レーザにおいては活性層に用いられる井戸層が10nm以
下と非常に薄いので，図９(b)に示すように活性層を単
一量子井戸とした半導体レーザの場合、自然放出光の井
戸層へ閉じ込められる割合（以下，光閉じ込め係数）が
従来の厚膜の活性層を用いたダブルヘテロ型の半導体レ
ーザ(a)に比べて非常に小さくなってしまう。自然放出
光はレーザ発振のための活性領域の反転分布を起こさせ
るのに必要なもので，光閉じ込め係数が小さいと量子井
戸あるいは歪量子井戸によって発光効率が増加しても、
より大きな自然放出光を起こさせないと活性領域に十分
な光が閉じ込められないことになり、本来の量子井戸層
の性質を十分活かしきれない。そこで、図９(c)のよう
に活性層を多重量子井戸として光閉じ込め係数を増加さ
せる方法が採られるようになり非常に消費電力の小さい
多重量子井戸レーザが実現されるようになった。それを
図１０に示す。
【０００４】図１０は活性層が歪多重量子井戸構造であ
る歪多重量子井戸半導体レーザである。この構造は、n-
GaAs基板１０１上に、p-AlGaInPクラッド層４ａ、歪量
子井戸層３、p-AlGaInPクラッド層４ｂを成長させ、ク
ラッド層４ｂをストライプ状にエッチングし、n-GaAs電
流ブロック層１０２で埋め込んで、さらにｐ−ＧａＡｓ
コンタクト層１０３を成長したものである。最後にn-Ga
As基板１０１にカソード電極１０５、コンタクト層１０
３にアノード電極１０６が形成されている。活性層は歪
多重量子井戸構造となっているので、基板と同じ格子定
数をもつバリア層と、基板より大きい格子定数の井戸層
からできている。
る歪多重量子井戸半導体レーザである。この構造は、n-
GaAs基板１０１上に、p-AlGaInPクラッド層４ａ、歪量
子井戸層３、p-AlGaInPクラッド層４ｂを成長させ、ク
ラッド層４ｂをストライプ状にエッチングし、n-GaAs電
流ブロック層１０２で埋め込んで、さらにｐ−ＧａＡｓ
コンタクト層１０３を成長したものである。最後にn-Ga
As基板１０１にカソード電極１０５、コンタクト層１０
３にアノード電極１０６が形成されている。活性層は歪
多重量子井戸構造となっているので、基板と同じ格子定
数をもつバリア層と、基板より大きい格子定数の井戸層
からできている。
【０００５】この従来の歪多重量子井戸半導体レーザの
構造のうち、n-クラッド層４ａ、歪多重量子井戸３、お
よびp-クラッド層４ｂの格子の状態を図１１(a)に示
す。図のように、歪多重量子井戸３内の井戸層１１１
は、バリア層１１２およびクラッド層4a4bより、大きな
格子定数をもっているので図１１(b)のように圧縮歪を
もっている。そして、バリア層１１２には引っ張り歪が
生じている。井戸層１１１およびバリア層１１２に歪が
入ることにより図１１(c)のようにエネルギーギャップ
は変化している。
構造のうち、n-クラッド層４ａ、歪多重量子井戸３、お
よびp-クラッド層４ｂの格子の状態を図１１(a)に示
す。図のように、歪多重量子井戸３内の井戸層１１１
は、バリア層１１２およびクラッド層4a4bより、大きな
格子定数をもっているので図１１(b)のように圧縮歪を
もっている。そして、バリア層１１２には引っ張り歪が
生じている。井戸層１１１およびバリア層１１２に歪が
入ることにより図１１(c)のようにエネルギーギャップ
は変化している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】このように歪量子井戸
レーザにおいても同様に光閉じ込め係数が小さいので多
重化が試みられ歪多重量子井戸としているが、特に歪多
重量子井戸の井戸層が0.5%以上の大きな歪みをもってい
る場合には期待される多重化の効果が得られないことが
ある。
レーザにおいても同様に光閉じ込め係数が小さいので多
重化が試みられ歪多重量子井戸としているが、特に歪多
重量子井戸の井戸層が0.5%以上の大きな歪みをもってい
る場合には期待される多重化の効果が得られないことが
ある。
【０００７】図１０のn-クラッド層４ａ、歪量子井戸層
３、ｐ-クラッド層４ｂの拡大断面図を図１１に示し
た。図１１(a)に示すように、歪量子井戸層３は井戸層
１１１とバリア層１１２からできている。ここで井戸層
１１１は基板より格子定数が大きく、バリア層１１２は
基板と同じ格子定数である。なお、クラッド層4a,4bは
基板と同じ格子定数である。したがって、図１１(a)に
示すようにバリア層１１２はその両側にある、それ自身
より格子定数の小さい層（クラッド層、バリア層）に囲
まれているので、それ自身の格子定数より小さくなり、
その結果圧縮歪を受けることになる。それとは逆に、バ
リア層１１２はそれ自身より格子定数が大きい井戸層１
１１に囲まれているので、引っ張り歪が生じる。それを
図１１(b)に示す。
３、ｐ-クラッド層４ｂの拡大断面図を図１１に示し
た。図１１(a)に示すように、歪量子井戸層３は井戸層
１１１とバリア層１１２からできている。ここで井戸層
１１１は基板より格子定数が大きく、バリア層１１２は
基板と同じ格子定数である。なお、クラッド層4a,4bは
基板と同じ格子定数である。したがって、図１１(a)に
示すようにバリア層１１２はその両側にある、それ自身
より格子定数の小さい層（クラッド層、バリア層）に囲
まれているので、それ自身の格子定数より小さくなり、
その結果圧縮歪を受けることになる。それとは逆に、バ
リア層１１２はそれ自身より格子定数が大きい井戸層１
１１に囲まれているので、引っ張り歪が生じる。それを
図１１(b)に示す。
【０００８】図１１(b)の通り、井戸層１１１には圧縮
歪、バリア層１１２には引っ張り歪が生じる。それによ
ってレーザの作製やその動作に種々の悪影響を及ぼす。
歪、バリア層１１２には引っ張り歪が生じる。それによ
ってレーザの作製やその動作に種々の悪影響を及ぼす。
【０００９】歪多重量子井戸層3の格子定数は以上のよ
うに基板と完全に一致しているわけではなく、層数が多
くなると井戸層１１１とバリア層１１２とが互いに引っ
張り合って釣り合った格子（一般にフリースタンディン
グな格子定数という）に近づこうとする。従って，歪多
重量子井戸層3には平均的に歪みが存在するのでトータ
ルの膜厚がある値（臨界膜厚）を越えると転位欠陥が発
生する。このためレーザの活性層には臨界膜厚を越えな
い範囲で歪多重量子井戸3を作製しなければならない。
うに基板と完全に一致しているわけではなく、層数が多
くなると井戸層１１１とバリア層１１２とが互いに引っ
張り合って釣り合った格子（一般にフリースタンディン
グな格子定数という）に近づこうとする。従って，歪多
重量子井戸層3には平均的に歪みが存在するのでトータ
ルの膜厚がある値（臨界膜厚）を越えると転位欠陥が発
生する。このためレーザの活性層には臨界膜厚を越えな
い範囲で歪多重量子井戸3を作製しなければならない。
【００１０】また，歪多重量子井戸の両端は基板に格子
整合した厚いクラッド層4によって格子が固定されるの
で、図１１（ｂ）のように歪みの大きさに分布ができ、
それに伴い（ｃ）に示すようにエネルギーギャップにも
不均一が生じ、レーザの発光効率を低下させてしまう。
しかもバリア層１１２に引っ張り歪みが入ると井戸層１
１１へのキャリアの閉じ込めが減少するので発光効率の
低下は一層大きなものとなる。
整合した厚いクラッド層4によって格子が固定されるの
で、図１１（ｂ）のように歪みの大きさに分布ができ、
それに伴い（ｃ）に示すようにエネルギーギャップにも
不均一が生じ、レーザの発光効率を低下させてしまう。
しかもバリア層１１２に引っ張り歪みが入ると井戸層１
１１へのキャリアの閉じ込めが減少するので発光効率の
低下は一層大きなものとなる。
【００１１】また，GaInP/AlGaInPやInGaAsP/InPなどは
キャリアの有効質量はホールのほうが電子の数倍ほど大
きい。すると図１２に示すようにホールは井戸層の価電
子帯端から100meV程度までしか分布しないが、電子の方
は200meV程度の範囲まで広いエネルギーにわたって分布
する。しかも歪みがない場合の伝導帯と価電子帯とのバ
ンドオフセット（バリア障壁）の比率は4:6程度と価電
子帯の方が大きくなっているので電子の閉じ込めを十分
できるバンドギャップの材料をバリア層として用いる
と、価電子帯のバリア障壁が必要以上に大きくなってし
まう。
キャリアの有効質量はホールのほうが電子の数倍ほど大
きい。すると図１２に示すようにホールは井戸層の価電
子帯端から100meV程度までしか分布しないが、電子の方
は200meV程度の範囲まで広いエネルギーにわたって分布
する。しかも歪みがない場合の伝導帯と価電子帯とのバ
ンドオフセット（バリア障壁）の比率は4:6程度と価電
子帯の方が大きくなっているので電子の閉じ込めを十分
できるバンドギャップの材料をバリア層として用いる
と、価電子帯のバリア障壁が必要以上に大きくなってし
まう。
【００１２】そうするとホールの閉じ込めが強くなりす
ぎて量子井戸を多重化した場合、質量の大きいホールの
拡散が抑制されてしまい各井戸層でのホール密度の不均
一性が顕著となってレーザの効率を低下させてしまうと
いう問題も生じていた。
ぎて量子井戸を多重化した場合、質量の大きいホールの
拡散が抑制されてしまい各井戸層でのホール密度の不均
一性が顕著となってレーザの効率を低下させてしまうと
いう問題も生じていた。
【００１３】以上のように従来の歪多重量子井戸レーザ
では、 （１）歪多重量子井戸には臨界膜厚が存在し、井戸層お
よびバリア層の数を多くして多重数を大きくしようとし
てもできない。 （２）歪量子井戸の歪の分布も一様でなく、それにより
エネルギーギャップにも不均一が発生している。 （３）注入キャリア密度に各量子井戸間で不均一な分布
ができる。
では、 （１）歪多重量子井戸には臨界膜厚が存在し、井戸層お
よびバリア層の数を多くして多重数を大きくしようとし
てもできない。 （２）歪量子井戸の歪の分布も一様でなく、それにより
エネルギーギャップにも不均一が発生している。 （３）注入キャリア密度に各量子井戸間で不均一な分布
ができる。
【００１４】これらの理由により半導体レーザの特性が
を悪化していた。本発明は、以上のような問題を鑑みて
なされたもので、均一でかつ強い歪みを有するひずみ多
重量子井戸をもつ、高効率の歪多重量子井戸レーザを提
供することを目的とする。
を悪化していた。本発明は、以上のような問題を鑑みて
なされたもので、均一でかつ強い歪みを有するひずみ多
重量子井戸をもつ、高効率の歪多重量子井戸レーザを提
供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の歪多重量子井戸半導体レーザは、 （１）化合物半導体基板と、前記化合物半導体基板上に
形成された第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層
上に形成され、互いに逆の歪を有する井戸層とバリア層
が交互に積層された歪多重量子井戸構造をもつ活性層
と、前記活性層上に形成された第２のクラッド層とを備
え、前記井戸層及び前記バリア層の格子定数、層厚、弾
性定数により決定される前記歪多重量子井戸のフリース
タンディング格子定数が前記化合物半導体基板とほぼ一
致している歪多重量子井戸半導体レーザとする。 （２）歪多重量子井戸のフリースタンディング格子定数
が、 ａ0＝（ａ1Ｇ1ｄ1＋ａ2Ｇ2ｄ2）／（Ｇ1ｄ1＋Ｇ2ｄ2） （ａ１、ｄ１は各々井戸層の格子定数及び層厚を示し、
ａ２、ｄ２は各々バリア層の格子定数及び層厚を示し、
Ｇ1、Ｇ2は各々井戸層とバリア層を構成する材料の弾性
定数Ｃ11及びＣ12によりＧ＝２（Ｃ11＋Ｃ12）（１−Ｃ
12／Ｃ11）で決定される定数）である歪多重量子井戸半
導体レーザとする。 （３）活性層の歪多重量子井戸において、バリア層に引
っ張りの歪を加えた歪多重量子井戸半導体レーザとす
る。
に、本発明の歪多重量子井戸半導体レーザは、 （１）化合物半導体基板と、前記化合物半導体基板上に
形成された第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層
上に形成され、互いに逆の歪を有する井戸層とバリア層
が交互に積層された歪多重量子井戸構造をもつ活性層
と、前記活性層上に形成された第２のクラッド層とを備
え、前記井戸層及び前記バリア層の格子定数、層厚、弾
性定数により決定される前記歪多重量子井戸のフリース
タンディング格子定数が前記化合物半導体基板とほぼ一
致している歪多重量子井戸半導体レーザとする。 （２）歪多重量子井戸のフリースタンディング格子定数
が、 ａ0＝（ａ1Ｇ1ｄ1＋ａ2Ｇ2ｄ2）／（Ｇ1ｄ1＋Ｇ2ｄ2） （ａ１、ｄ１は各々井戸層の格子定数及び層厚を示し、
ａ２、ｄ２は各々バリア層の格子定数及び層厚を示し、
Ｇ1、Ｇ2は各々井戸層とバリア層を構成する材料の弾性
定数Ｃ11及びＣ12によりＧ＝２（Ｃ11＋Ｃ12）（１−Ｃ
12／Ｃ11）で決定される定数）である歪多重量子井戸半
導体レーザとする。 （３）活性層の歪多重量子井戸において、バリア層に引
っ張りの歪を加えた歪多重量子井戸半導体レーザとす
る。
【００１６】
【作用】第１および第2の手段により、各井戸層の歪み
が均一になり、各井戸層でのエネルギーギャップが等し
くなる。したがって、本発明の歪多重量子井戸半導体レ
ーザは高い光学利得が得られる。
が均一になり、各井戸層でのエネルギーギャップが等し
くなる。したがって、本発明の歪多重量子井戸半導体レ
ーザは高い光学利得が得られる。
【００１７】また第3の手段により伝導帯のバリア障壁
を十分大きくしたまま価電子帯のバリア障壁を小さくで
きるのでホールの拡散が起こりやすくなり各井戸で均一
なキャリア密度が得られる。
を十分大きくしたまま価電子帯のバリア障壁を小さくで
きるのでホールの拡散が起こりやすくなり各井戸で均一
なキャリア密度が得られる。
【００１８】
【実施例】（実施例１）図１に第１の実施例による半導
体レーザ構造のうちのクラッド層と歪多重量子井戸の断
面図を示す。なおこの部分以外は図１０の構造と同一で
ある。またクラッド層、井戸層、バリア層の組成、およ
び基板との格子不整合率は図７,８に説明した。
体レーザ構造のうちのクラッド層と歪多重量子井戸の断
面図を示す。なおこの部分以外は図１０の構造と同一で
ある。またクラッド層、井戸層、バリア層の組成、およ
び基板との格子不整合率は図７,８に説明した。
【００１９】実施例１においては、井戸層１１は厚さ5n
mのGa0.44In0.56P、バリア層１２は5nmの(Al0.45G
a0.55)0.57In0.43Pから構成されている。この場合井戸
層１１およびバリア層１２はＧａＡｓ基板との格子不整
合によってそれぞれ圧縮歪み0.5%、引っ張り歪み0.5%を
含んでいる。従来の歪多重量子井戸半導体レーザと比較
してバリア層に、井戸層とは逆の歪を入れたところが異
なる点である。ただし、井戸層およびバリア層は、次式
で示すこの歪多重量子井戸3のフリースタンディングで
の格子定数a0は、基板の格子定数に一致するような条件
を満たしている。
mのGa0.44In0.56P、バリア層１２は5nmの(Al0.45G
a0.55)0.57In0.43Pから構成されている。この場合井戸
層１１およびバリア層１２はＧａＡｓ基板との格子不整
合によってそれぞれ圧縮歪み0.5%、引っ張り歪み0.5%を
含んでいる。従来の歪多重量子井戸半導体レーザと比較
してバリア層に、井戸層とは逆の歪を入れたところが異
なる点である。ただし、井戸層およびバリア層は、次式
で示すこの歪多重量子井戸3のフリースタンディングで
の格子定数a0は、基板の格子定数に一致するような条件
を満たしている。
【００２０】a0=(a1G1d1+a2G2d2)/(G1d1+G2d2) ここでa, dは各々格子定数，層厚で添字1が井戸層１
１，2がバリア層１２の値を示している。またGは各材料
の弾性定数C11, C12から決まる定数で，次式より求めら
れる。G=2(C11+C12)(1-C12/C11) 以上の条件においては、歪多重量子井戸をｎ−クラッド
層4a（基板と同じ格子定数）の上に成長しても、この条
件で作成した歪多重量子井戸のフリースタンディングの
格子定数は、基板（クラッド層）と同じであるから、平
均として歪多重量子井戸3に加わる歪みはゼロとなり、
無限の周期にわたってエピタキシャル成長を行なっても
転位欠陥等の発生がなく良好な品質の結晶が作製でき
る。これを半導体レーザの活性層として用いても同様に
無限の数の井戸層を形成できる。良好な特性をもつ歪量
子井戸半導体レーザには、最適の井戸層、バリア層の多
重数があるが、本実施例によれば最適の多重数にあわせ
ることができ、良好な特性の半導体レーザを製造するこ
とができる。
１，2がバリア層１２の値を示している。またGは各材料
の弾性定数C11, C12から決まる定数で，次式より求めら
れる。G=2(C11+C12)(1-C12/C11) 以上の条件においては、歪多重量子井戸をｎ−クラッド
層4a（基板と同じ格子定数）の上に成長しても、この条
件で作成した歪多重量子井戸のフリースタンディングの
格子定数は、基板（クラッド層）と同じであるから、平
均として歪多重量子井戸3に加わる歪みはゼロとなり、
無限の周期にわたってエピタキシャル成長を行なっても
転位欠陥等の発生がなく良好な品質の結晶が作製でき
る。これを半導体レーザの活性層として用いても同様に
無限の数の井戸層を形成できる。良好な特性をもつ歪量
子井戸半導体レーザには、最適の井戸層、バリア層の多
重数があるが、本実施例によれば最適の多重数にあわせ
ることができ、良好な特性の半導体レーザを製造するこ
とができる。
【００２１】図２に歪多重量子井戸の構造、その歪およ
びエネルギーギャップの分布をそれぞれ示す。図２(a)
のとおり井戸層１１の圧縮歪とバリア層１２の引っ張り
歪とがちょうど基板の格子定数のところで釣り合ってい
る状態なので図のように井戸層１１に加わる歪みの量は
ほぼ均一となり、それによりエネルギーギャップも均一
となり従来の問題であった光学利得の低下を防ぐことが
できる。
びエネルギーギャップの分布をそれぞれ示す。図２(a)
のとおり井戸層１１の圧縮歪とバリア層１２の引っ張り
歪とがちょうど基板の格子定数のところで釣り合ってい
る状態なので図のように井戸層１１に加わる歪みの量は
ほぼ均一となり、それによりエネルギーギャップも均一
となり従来の問題であった光学利得の低下を防ぐことが
できる。
【００２２】また、バリア層１２に引っ張り歪みを加え
た場合価電子帯のバンド端がライトホールのサブバンド
となりホールの質量が軽くできるので井戸層数を増加さ
せたときに問題となる井戸間の注入キャリア密度の不均
一性も抑制でき、良好なレーザ特性が得られる。
た場合価電子帯のバンド端がライトホールのサブバンド
となりホールの質量が軽くできるので井戸層数を増加さ
せたときに問題となる井戸間の注入キャリア密度の不均
一性も抑制でき、良好なレーザ特性が得られる。
【００２３】なお、本実施例ではGaInP/AlGaInP系を用
いたが、いかなる材料の半導体レーザにおいても同様で
あることは言うまでもない。また、本実施例とは逆に井
戸層に引っ張り歪み、バリア層に圧縮歪みを加えた場合
でも同様である。
いたが、いかなる材料の半導体レーザにおいても同様で
あることは言うまでもない。また、本実施例とは逆に井
戸層に引っ張り歪み、バリア層に圧縮歪みを加えた場合
でも同様である。
【００２４】（実施例２）図３に第２の実施例による歪
多重量子井戸半導体レーザの歪多重量子井戸の断面図を
示す。実施例１と同じで図３に示すクラッド層、井戸
層、バリア層以外は図１０と同じである。また図７,８
に各層の組成、および格子不整合率を説明している。
多重量子井戸半導体レーザの歪多重量子井戸の断面図を
示す。実施例１と同じで図３に示すクラッド層、井戸
層、バリア層以外は図１０と同じである。また図７,８
に各層の組成、および格子不整合率を説明している。
【００２５】図４に歪多重量子井戸３、クラッド層4a,4
bの構造を示す。井戸層３１は厚さ5nmのGa0.44In
0.56P，バリア層３２は5nmの(Al0.50Ga0.50)0.44In0.56
Pから構成されている。(b)から井戸層３１、バリア層３
２ともに0.5%の圧縮歪みが加えられた状態であることが
わかる。
bの構造を示す。井戸層３１は厚さ5nmのGa0.44In
0.56P，バリア層３２は5nmの(Al0.50Ga0.50)0.44In0.56
Pから構成されている。(b)から井戸層３１、バリア層３
２ともに0.5%の圧縮歪みが加えられた状態であることが
わかる。
【００２６】この場合、歪多重量子井戸部３では実施例
１で述べたフリースタンディングが基板と一致していな
いので転位欠陥を発生する臨界の膜厚は存在する。従っ
て、歪多重量子井戸３全体の膜厚をその臨界膜厚以下と
しなければならない。このため本実施例では井戸数を３
としたが，これは当然井戸層３１、およびバリア層３２
の膜厚や加える歪みの大きさによっても変化する。
１で述べたフリースタンディングが基板と一致していな
いので転位欠陥を発生する臨界の膜厚は存在する。従っ
て、歪多重量子井戸３全体の膜厚をその臨界膜厚以下と
しなければならない。このため本実施例では井戸数を３
としたが，これは当然井戸層３１、およびバリア層３２
の膜厚や加える歪みの大きさによっても変化する。
【００２７】井戸層３１とバリア層３２とがともに同じ
量の歪みを持っているのでこの２層は互いに引っ張り合
うことはなく、均一な歪みの分布を有している。この２
層はいずれも基板より大きな格子定数をもっているの
で、基板に対して同量の圧縮歪を有している。したがっ
て、歪量子井戸に大きな歪を導入することができる。た
だしここで注意しなくてはいけないのはこの歪量子井戸
の膜厚を、臨界膜厚以下にすることである。そうでない
と、歪量子井戸に転位が入り、半導体レーザの特性が劣
化するからである。
量の歪みを持っているのでこの２層は互いに引っ張り合
うことはなく、均一な歪みの分布を有している。この２
層はいずれも基板より大きな格子定数をもっているの
で、基板に対して同量の圧縮歪を有している。したがっ
て、歪量子井戸に大きな歪を導入することができる。た
だしここで注意しなくてはいけないのはこの歪量子井戸
の膜厚を、臨界膜厚以下にすることである。そうでない
と、歪量子井戸に転位が入り、半導体レーザの特性が劣
化するからである。
【００２８】このように実施例２では、実施例１と同様
に高い光学利得を得ることができる。
に高い光学利得を得ることができる。
【００２９】なお，本実施例においても，いかなる材料
の半導体レーザでも同様である。また、本実施例とは逆
に井戸層３１、バリア層３２にともに引っ張り歪みを加
え、この膜厚を臨界膜厚以下とした場合でも同様であ
る。
の半導体レーザでも同様である。また、本実施例とは逆
に井戸層３１、バリア層３２にともに引っ張り歪みを加
え、この膜厚を臨界膜厚以下とした場合でも同様であ
る。
【００３０】（実施例３）図５に第３の実施例による歪
多重量子井戸半導体レーザの歪多重量子井戸の断面図を
示す。この層以外は図１０と同じ構造である。また各組
成と格子不整合率は図７,８に説明した。
多重量子井戸半導体レーザの歪多重量子井戸の断面図を
示す。この層以外は図１０と同じ構造である。また各組
成と格子不整合率は図７,８に説明した。
【００３１】井戸層５１は厚さ5nmのGa0.51In0.49P，バ
リア層５２は5nmの(Al0.50Ga0.60)0 .44In0.56Pから構成
されている。この構造は、バリア層５２に圧縮歪が入っ
ている点に特徴がある。圧縮歪eが加わったときバリア
層５２の伝導帯および価電子帯のバンド端（図６(a)参
照）のエネルギーは歪の静水圧成分によって次式のよう
に各々δEC,δEVずつ変化する。
リア層５２は5nmの(Al0.50Ga0.60)0 .44In0.56Pから構成
されている。この構造は、バリア層５２に圧縮歪が入っ
ている点に特徴がある。圧縮歪eが加わったときバリア
層５２の伝導帯および価電子帯のバンド端（図６(a)参
照）のエネルギーは歪の静水圧成分によって次式のよう
に各々δEC,δEVずつ変化する。
【００３２】 δEC=ac[(C11-C12)/C11]e δEV=av[(C11-C12)/C11]e ここで，acおよびavは伝導帯，価電子帯のデフォーメー
ションポテンシャルである。通常の化合物半導体ではac
がavよりもおおきく例えばGaInPではacがavの4倍程度大
きくなっている。
ションポテンシャルである。通常の化合物半導体ではac
がavよりもおおきく例えばGaInPではacがavの4倍程度大
きくなっている。
【００３３】図６に歪みのない場合(a)と、バリア層に
圧縮歪が加えられた場合(b)のエネルギーギャップを示
す。図から明らかなように(b)が相対的に伝導帯5のバリ
ア障壁が大きく，価電子帯6のバリア障壁が小さくなっ
ている。その結果バリア層のバンドギャップを小さくし
ても伝導帯5には電子を閉じ込めるのにほぼ十分な150me
Vのバリア障壁が得られ、一方価電子帯6は150meV程度と
ホールの拡散を阻害しない程度に抑えることができる。
その結果、井戸数を増やしてもキャリアが各井戸とも均
一に分布し、低い損失と高い光学利得を得ることができ
る。
圧縮歪が加えられた場合(b)のエネルギーギャップを示
す。図から明らかなように(b)が相対的に伝導帯5のバリ
ア障壁が大きく，価電子帯6のバリア障壁が小さくなっ
ている。その結果バリア層のバンドギャップを小さくし
ても伝導帯5には電子を閉じ込めるのにほぼ十分な150me
Vのバリア障壁が得られ、一方価電子帯6は150meV程度と
ホールの拡散を阻害しない程度に抑えることができる。
その結果、井戸数を増やしてもキャリアが各井戸とも均
一に分布し、低い損失と高い光学利得を得ることができ
る。
【００３４】なお、井戸層のみに引っ張り歪をいれた場
合も本実施例と同様のバリア障壁を得ることができる
し、両方を組み合わせて井戸層に引っ張り歪、バリア層
に圧縮歪を入れるとより効果的となる。
合も本実施例と同様のバリア障壁を得ることができる
し、両方を組み合わせて井戸層に引っ張り歪、バリア層
に圧縮歪を入れるとより効果的となる。
【００３５】
【発明の効果】以上説明しましたように本発明により、
低しきい値電流等の良好な光学特性をもつ歪多重量子井
戸半導体レーザが実現できる。
低しきい値電流等の良好な光学特性をもつ歪多重量子井
戸半導体レーザが実現できる。
【図１】第１の実施例による歪多重量子井戸の構成断面
図
図
【図２】第１の実施例による格子定数、歪み、エネルギ
ーギャップの分布を示す図
ーギャップの分布を示す図
【図３】第２の実施例による歪多重量子井戸の構成断面
図
図
【図４】第２の実施例による格子定数、歪み、エネルギ
ーギャップの分布を示す図
ーギャップの分布を示す図
【図５】第３の発明による歪多重量子井戸の構成断面図
【図６】第３の実施例によるエネルギーギャップを示す
図
図
【図７】各実施例のクラッド層、バリア層、井戸層の組
成を示す図
成を示す図
【図８】各実施例のクラッド層、バリア層、井戸層の基
板との格子不整合率を示す図
板との格子不整合率を示す図
【図９】活性層の構造の違いによる光閉じ込めを示す図
【図１０】歪多重量子井戸半導体レーザの構成断面図
【図１１】従来の歪多重量子井戸における格子定数、歪
み、エネルギーギャップの分布を示す図
み、エネルギーギャップの分布を示す図
【図１２】電子およびホールのエネルギー分布を示す図
３ 歪多重量子井戸 ４ａ ｎ−クラッド層 ４ｂ ｐ−クラッド層 ５ 伝導帯 ６ 価電子帯 ７ 電子のエネルギー分布 ８ ホールのエネルギー分布 １１ Ga0.44In0.56P歪量子井戸層 １２ (Al0.45Ga0.55)0.57In0.43P歪バリア層 ３１ Ga0.44In0.56P歪量子井戸層 ３２ (Al0.50Ga0.50)0.44In0.56P歪バリア層 ５１ Ga0.51In0.49P歪量子井戸層 ５２ (Al0.50Ga0.50)0.44In0.56P歪バリア層 １１１ Ga0.44In0.56P井戸層 １１２ (Al0.45Ga0.55)0.51In0.49Pバリア層
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−267784（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−21093（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−22185（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01S 3/18 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (3)
- 【請求項１】化合物半導体基板と、前記化合物半導体基
板上に形成された第１のクラッド層と、前記第１のクラ
ッド層上に形成され、互いに逆の歪を有する井戸層とバ
リア層が交互に積層された歪多重量子井戸構造をもつ活
性層と、前記活性層上に形成された第２のクラッド層と
を備え、前記井戸層及び前記バリア層の格子定数、層
厚、弾性定数により決定される前記歪多重量子井戸のフ
リースタンディング格子定数が前記化合物半導体基板と
ほぼ一致していることを特徴とする歪多重量子井戸半導
体レーザ。 - 【請求項２】歪多重量子井戸のフリースタンディング格
子定数が、 ａ0＝（ａ1Ｇ1ｄ1＋ａ2Ｇ2ｄ2）／（Ｇ1ｄ1＋Ｇ2ｄ2） （ａ１、ｄ１は各々井戸層の格子定数及び層厚を示し、
ａ２、ｄ２は各々バリア層の格子定数及び層厚を示し、
Ｇ1、Ｇ2は各々井戸層とバリア層を構成する材料の弾性
定数Ｃ11及びＣ12によりＧ＝２（Ｃ11＋Ｃ12）（１−Ｃ
12／Ｃ11）で決定される定数）であることを特徴とする
請求項１に記載の歪多重量子井戸半導体レーザ。 - 【請求項３】活性層の歪多重量子井戸において、バリア
層に引っ張りの歪を加えたことを特徴とする請求項１に
記載の歪多重量子井戸半導体レーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5012291A JP2833396B2 (ja) | 1993-01-28 | 1993-01-28 | 歪多重量子井戸半導体レーザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5012291A JP2833396B2 (ja) | 1993-01-28 | 1993-01-28 | 歪多重量子井戸半導体レーザ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06224516A JPH06224516A (ja) | 1994-08-12 |
| JP2833396B2 true JP2833396B2 (ja) | 1998-12-09 |
Family
ID=11801244
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5012291A Expired - Lifetime JP2833396B2 (ja) | 1993-01-28 | 1993-01-28 | 歪多重量子井戸半導体レーザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2833396B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7787509B2 (en) | 2006-02-28 | 2010-08-31 | Panasonic Corporation | Semiconductor laser device |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09246654A (ja) * | 1996-03-01 | 1997-09-19 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ装置 |
| US20110164640A1 (en) * | 2007-05-18 | 2011-07-07 | Mitsubishi Electric Corporation | Optical semiconductor device |
| JP2009164512A (ja) | 2008-01-10 | 2009-07-23 | Panasonic Corp | 半導体レーザ装置 |
| JP5407359B2 (ja) * | 2009-01-23 | 2014-02-05 | 信越半導体株式会社 | 発光ダイオード |
| JP5519355B2 (ja) | 2010-03-19 | 2014-06-11 | スタンレー電気株式会社 | 半導体発光素子及びその製造方法 |
| WO2022137390A1 (ja) * | 2020-12-23 | 2022-06-30 | 三菱電機株式会社 | 半導体レーザ装置 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0321093A (ja) * | 1989-06-19 | 1991-01-29 | Fujitsu Ltd | 半導体発光装置 |
| JPH0422185A (ja) * | 1990-05-17 | 1992-01-27 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体光素子 |
| JP3145718B2 (ja) * | 1990-12-28 | 2001-03-12 | 日本電気株式会社 | 半導体レーザ |
-
1993
- 1993-01-28 JP JP5012291A patent/JP2833396B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7787509B2 (en) | 2006-02-28 | 2010-08-31 | Panasonic Corporation | Semiconductor laser device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06224516A (ja) | 1994-08-12 |
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Legal Events
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