JP3033333B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents
半導体レーザ素子Info
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- JP3033333B2 JP3033333B2 JP4061772A JP6177292A JP3033333B2 JP 3033333 B2 JP3033333 B2 JP 3033333B2 JP 4061772 A JP4061772 A JP 4061772A JP 6177292 A JP6177292 A JP 6177292A JP 3033333 B2 JP3033333 B2 JP 3033333B2
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- Japan
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- quantum well
- strain
- laser device
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光情報端末或は光応用
計測用の光源に適する短波長可視半導体レーザ素子に関
する。
計測用の光源に適する短波長可視半導体レーザ素子に関
する。
【０００２】
【従来の技術】従来の技術では、ＡｌＧａＩｎＰＬＤに
おいてＧａＩｎＰ活性層に対し歪を導入することによ
り、薄膜活性層におけるレーザ特性を改善できること
が、アプライド・フィジクス・レターズ１９９１年，５
９巻，１４９頁（Appl.Phys.Lett.,５９（１９９１）１
４９）において述べられている。
おいてＧａＩｎＰ活性層に対し歪を導入することによ
り、薄膜活性層におけるレーザ特性を改善できること
が、アプライド・フィジクス・レターズ１９９１年，５
９巻，１４９頁（Appl.Phys.Lett.,５９（１９９１）１
４９）において述べられている。
【０００３】しかし、活性層領域全体に歪を導入した結
果についてのみ言及しているだけで、歪を導入する方法
及び歪量については詳細が述べられておらず、また多重
量子井戸構造で内容を言及していない。
果についてのみ言及しているだけで、歪を導入する方法
及び歪量については詳細が述べられておらず、また多重
量子井戸構造で内容を言及していない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、多
重量子井戸活性層における歪の導入の仕方及び歪量の詳
細が述べられておらず、また発振波長が短波長領域、例
えば、６３０ｎｍ帯における量子井戸構造レーザに関す
る特性の向上については触れられていない。
重量子井戸活性層における歪の導入の仕方及び歪量の詳
細が述べられておらず、また発振波長が短波長領域、例
えば、６３０ｎｍ帯における量子井戸構造レーザに関す
る特性の向上については触れられていない。
【０００５】本発明の目的は、短波長レーザの特性，特
に閾値電流の低減及び高温動作を図って改善することに
ある。
に閾値電流の低減及び高温動作を図って改善することに
ある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】ＡｌＧａＩｎＰ半導体レ
ーザにおいて他の材料系と同様に多重量子井戸構造が活
性層に導入されレーザ特性の向上が図られてきている
が、短波長領域における薄膜の量子井戸層におけるキャ
リア閉じ込めが不十分であるため低閾値動作や高温動作
が期待通り図れないという課題を有する。この課題を解
決するために、本発明では量子井戸層内に半導体基板と
は格子不整となるように材料の組成を変えた領域を設け
歪を導入するが、以下のように規定した。
ーザにおいて他の材料系と同様に多重量子井戸構造が活
性層に導入されレーザ特性の向上が図られてきている
が、短波長領域における薄膜の量子井戸層におけるキャ
リア閉じ込めが不十分であるため低閾値動作や高温動作
が期待通り図れないという課題を有する。この課題を解
決するために、本発明では量子井戸層内に半導体基板と
は格子不整となるように材料の組成を変えた領域を設け
歪を導入するが、以下のように規定した。
【０００７】量子井戸層内で井戸層と障壁層の界面近傍
の０.５〜１.０ｎｍには歪を導入しないスペーサを設
け、中央部よりの所定の位置に一定量の歪を導入するか
井戸層中央部に向けて歪量を徐々に大きくしたグレーデ
ッド歪層を設けた。これにより、ヘテロ界面付近の組成
制御が困難な遷移領域とは区別して歪層の効果を純粋に
取り出すようにした。
の０.５〜１.０ｎｍには歪を導入しないスペーサを設
け、中央部よりの所定の位置に一定量の歪を導入するか
井戸層中央部に向けて歪量を徐々に大きくしたグレーデ
ッド歪層を設けた。これにより、ヘテロ界面付近の組成
制御が困難な遷移領域とは区別して歪層の効果を純粋に
取り出すようにした。
【０００８】さらに、量子井戸層に形成されるバンド構
造において、組成を変えて歪層を導入する領域のバンド
ギャップエネルギをその両側の歪を導入しない領域のそ
れよりも小さく設定する。これにより、歪層を導入した
領域における電子及び正孔キャリアの閉じ込めを飛躍的
に増大させた。
造において、組成を変えて歪層を導入する領域のバンド
ギャップエネルギをその両側の歪を導入しない領域のそ
れよりも小さく設定する。これにより、歪層を導入した
領域における電子及び正孔キャリアの閉じ込めを飛躍的
に増大させた。
【０００９】
【作用】本発明では、多重量子井戸構造における量子井
戸層内において中央部よりに歪を導入し、井戸層と障壁
層のヘテロ界面近傍の１原子層から１単位格子分の0.5
〜１.０ｎｍ の範囲には歪を導入しない歪スペーサを設
けた。ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法の結晶成長技術におい
て、現実的にはヘテロ界面の０.５〜１.０ｎｍの範囲は
組成遷移領域となる。このヘテロ界面近傍では組成制御
が困難となり、所定の歪量を制御性よく導入することは
無理である。そこで、ヘテロ界面近傍の組成制御困難な
遷移領域には歪を導入せず、量子井戸層中央部よりに歪
を導入する方が歪層の効果をより明確に表出させること
になる。即ち、量子井戸層内においてヘテロ界面に影響
されることなく歪を導入した領域の量子準位をより小さ
い分布に形成し、その状態を占めるキャリアの散乱を抑
制して状態密度を高めることになる。
戸層内において中央部よりに歪を導入し、井戸層と障壁
層のヘテロ界面近傍の１原子層から１単位格子分の0.5
〜１.０ｎｍ の範囲には歪を導入しない歪スペーサを設
けた。ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法の結晶成長技術におい
て、現実的にはヘテロ界面の０.５〜１.０ｎｍの範囲は
組成遷移領域となる。このヘテロ界面近傍では組成制御
が困難となり、所定の歪量を制御性よく導入することは
無理である。そこで、ヘテロ界面近傍の組成制御困難な
遷移領域には歪を導入せず、量子井戸層中央部よりに歪
を導入する方が歪層の効果をより明確に表出させること
になる。即ち、量子井戸層内においてヘテロ界面に影響
されることなく歪を導入した領域の量子準位をより小さ
い分布に形成し、その状態を占めるキャリアの散乱を抑
制して状態密度を高めることになる。
【００１０】さらに、歪を導入する領域で、歪は圧縮歪
として、歪量を正の値かつ臨界量の範囲でできるだけ大
きく設定する。このようにすることにより、歪を導入し
た領域のバンドギャップエネルギをその両側の歪を導入
しない領域よりも小さくすることができる。例えば、Ｇ
ａxＩｎ1-xＰ層で歪量とそのときの臨界膜厚の関係を示
すと図１のようになる。圧縮歪を導入したときには図１
（ｂ）に示すようになるが、これはＩｎ組成を大きくし
Ｇａ組成Ｘを相対的に小さくすることにより実現でき
る。そのときの組成におけるバンドギャップエネルギ
は、ＧａＡｓ基板と格子整合するＧａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ層
の場合よりも相対的に小さくなる。引張り歪を導入した
ときには図１（ａ）のようになるが、そのときのバンド
ギャップエネルギは圧縮歪の場合の逆になる。量子井戸
層内の中央部に圧縮歪を導入した場合には、伝導帯のバ
ンド構造は例えば図２の実線で示したようになる。点線
で示した無歪層の場合には通常の量子井戸構造と変わら
ないが、中央部に歪を導入することによりヘテロ界面の
擾乱を受けることなく価電子帯では重い正孔の状態密度
が高くなり、かつ伝導帯では組成の違いに支配されるバ
ンドギャップエネルギ差により電子の閉じ込めが向上す
る。このことにより、レーザ特性における低閾値動作や
高温動作が改善される。
として、歪量を正の値かつ臨界量の範囲でできるだけ大
きく設定する。このようにすることにより、歪を導入し
た領域のバンドギャップエネルギをその両側の歪を導入
しない領域よりも小さくすることができる。例えば、Ｇ
ａxＩｎ1-xＰ層で歪量とそのときの臨界膜厚の関係を示
すと図１のようになる。圧縮歪を導入したときには図１
（ｂ）に示すようになるが、これはＩｎ組成を大きくし
Ｇａ組成Ｘを相対的に小さくすることにより実現でき
る。そのときの組成におけるバンドギャップエネルギ
は、ＧａＡｓ基板と格子整合するＧａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ層
の場合よりも相対的に小さくなる。引張り歪を導入した
ときには図１（ａ）のようになるが、そのときのバンド
ギャップエネルギは圧縮歪の場合の逆になる。量子井戸
層内の中央部に圧縮歪を導入した場合には、伝導帯のバ
ンド構造は例えば図２の実線で示したようになる。点線
で示した無歪層の場合には通常の量子井戸構造と変わら
ないが、中央部に歪を導入することによりヘテロ界面の
擾乱を受けることなく価電子帯では重い正孔の状態密度
が高くなり、かつ伝導帯では組成の違いに支配されるバ
ンドギャップエネルギ差により電子の閉じ込めが向上す
る。このことにより、レーザ特性における低閾値動作や
高温動作が改善される。
【００１１】また、圧縮歪を導入する方向は、発振波長
を長波長化することになるので、ＧａＩｎＰ層が歪層の
場合、歪量の大きさには制限が加わる。しかし、図６に
示すように歪層を(ＡｌＧａ)ＩｎＰ層とすることによ
り、伝導帯のバンド構造において量子井戸層内の点線で
示す無歪層のバンド構造から、ＧａＩｎＰ層の場合より
大きな歪量を導入して実線で示すバンド構造へともって
くることが可能である。これにより、大きな歪量に起因
してさらに重い正孔の状態密度を増大させることがで
き、より低閾値での動作が可能となる。
を長波長化することになるので、ＧａＩｎＰ層が歪層の
場合、歪量の大きさには制限が加わる。しかし、図６に
示すように歪層を(ＡｌＧａ)ＩｎＰ層とすることによ
り、伝導帯のバンド構造において量子井戸層内の点線で
示す無歪層のバンド構造から、ＧａＩｎＰ層の場合より
大きな歪量を導入して実線で示すバンド構造へともって
くることが可能である。これにより、大きな歪量に起因
してさらに重い正孔の状態密度を増大させることがで
き、より低閾値での動作が可能となる。
【００１２】
【実施例】〈実施例１〉本発明の一実施例を図１，図２
により説明する。ここで、本願明細書において、結晶面
に対する一つの方向を表わすカッコを｛，｝で表記し、
ミラー指数はマイナス記号で表記する。
により説明する。ここで、本願明細書において、結晶面
に対する一つの方向を表わすカッコを｛，｝で表記し、
ミラー指数はマイナス記号で表記する。
【００１３】(００１)面から｛１１０｝｛−１−１０｝
方向に１５.８°傾いた面を有するｎ型ＧａＡｓ基板１
を用いて、その上にｎ型ＧａＡｓバッファ層２(ｄ＝０.
５μｍ，ｎD＝１×１０18cm-3)，ｎ型(Ａｌy2Ｇａ1-y2)
αＩｎ1-αＰ光導波層３（ｄ＝１.５μｍ，ｎD＝１×１
０18cm-3，ｙ2＝０.７，αはＧａＡｓ基板と格子整合す
る値０.５１），膜厚７ｎｍのアンドープ(ＡｌxＧ
ａ1-x)γＩｎ1-γＰ(障壁層と接する両側膜厚１ｎｍは
Ｘ＝０でγ＝０.５１ とし、中央部膜厚５ｎｍはＸ＝０
でγ＝０.３とする)量子井戸層１０層と、膜厚４ｎｍの
アンドープ(Ａｌy1Ｇａ1-y1)βＩｎ1-βＰ（ｙ1＝０.
５，βはＧａＡｓ基板と格子整合する値０.５１)量子障
壁層９層，及び量子井戸層両側にＡｌ組成を階段状に設
定した光分離閉じ込め層（障壁層から光導波層に至るま
でＡｌ組成をｙ3＝０.５から０.７まで０.０５ずつ段階
的に増やし各膜厚１０ｎｍとしたアンドープ(Ａｌy3Ｇ
ａ1-y3)βＩｎ1-βＰ層(ｙ3＝０.５，０.５５，０.６，
０.６５，βはＧａＡｓ基板と格子整合する値０.５１)
とから構成される（量子井戸層周辺の伝導帯バンド構造
概略は図２のようになる）多重量子井戸活性層４，ｐ型
(Ａｌy2Ｇａ1-y2)αＩｎ1-αＰ光導波層５（ｄ＝１.２
μｍ，ｎA＝５〜７×1017cm-3，ｙ2＝０.７，αはＧａ
Ａｓ基板と格子整合する値０.５１)，ｐ型Ｇａ0.51Ｉｎ
0.49Ｐバッファ層６(ｄ＝０.０３μｍ，ｎA＝２×１０
18cm-3)を成長温度７５０℃において有機金属気相成長
法によりエピタキシャル成長した。
方向に１５.８°傾いた面を有するｎ型ＧａＡｓ基板１
を用いて、その上にｎ型ＧａＡｓバッファ層２(ｄ＝０.
５μｍ，ｎD＝１×１０18cm-3)，ｎ型(Ａｌy2Ｇａ1-y2)
αＩｎ1-αＰ光導波層３（ｄ＝１.５μｍ，ｎD＝１×１
０18cm-3，ｙ2＝０.７，αはＧａＡｓ基板と格子整合す
る値０.５１），膜厚７ｎｍのアンドープ(ＡｌxＧ
ａ1-x)γＩｎ1-γＰ(障壁層と接する両側膜厚１ｎｍは
Ｘ＝０でγ＝０.５１ とし、中央部膜厚５ｎｍはＸ＝０
でγ＝０.３とする)量子井戸層１０層と、膜厚４ｎｍの
アンドープ(Ａｌy1Ｇａ1-y1)βＩｎ1-βＰ（ｙ1＝０.
５，βはＧａＡｓ基板と格子整合する値０.５１)量子障
壁層９層，及び量子井戸層両側にＡｌ組成を階段状に設
定した光分離閉じ込め層（障壁層から光導波層に至るま
でＡｌ組成をｙ3＝０.５から０.７まで０.０５ずつ段階
的に増やし各膜厚１０ｎｍとしたアンドープ(Ａｌy3Ｇ
ａ1-y3)βＩｎ1-βＰ層(ｙ3＝０.５，０.５５，０.６，
０.６５，βはＧａＡｓ基板と格子整合する値０.５１)
とから構成される（量子井戸層周辺の伝導帯バンド構造
概略は図２のようになる）多重量子井戸活性層４，ｐ型
(Ａｌy2Ｇａ1-y2)αＩｎ1-αＰ光導波層５（ｄ＝１.２
μｍ，ｎA＝５〜７×1017cm-3，ｙ2＝０.７，αはＧａ
Ａｓ基板と格子整合する値０.５１)，ｐ型Ｇａ0.51Ｉｎ
0.49Ｐバッファ層６(ｄ＝０.０３μｍ，ｎA＝２×１０
18cm-3)を成長温度７５０℃において有機金属気相成長
法によりエピタキシャル成長した。
【００１４】この後、ホトリソグラフィによりＳｉＯ2
マスク(膜厚ｄ＝０.２μｍ，ストライプ幅４μｍ）を形
成し、ケミカルエッチングにより層５を０.２〜０.４μ
ｍ残すところまで層６と層５をエッチング除去してリッ
ジストライプを形成する。次に、ＳｉＯ2 マスクを残し
たまま、ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄兼光吸収層７(ｄ＝1.0μ
ｍ，ｎD＝３×１０18cm-3)を選択成長する。さらに、ｐ
型ＧａＡｓコンタクト層８(ｄ＝１〜２μｍ，ｎA＝５×
１０18〜１×１０19cm-3）を埋め込み成長した後、ｐ電
極９及びｎ電極１０を蒸着する。さらに、劈開スクライ
ブして素子の形に切り出し、図３の断面を有する素子を
得る。
マスク(膜厚ｄ＝０.２μｍ，ストライプ幅４μｍ）を形
成し、ケミカルエッチングにより層５を０.２〜０.４μ
ｍ残すところまで層６と層５をエッチング除去してリッ
ジストライプを形成する。次に、ＳｉＯ2 マスクを残し
たまま、ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄兼光吸収層７(ｄ＝1.0μ
ｍ，ｎD＝３×１０18cm-3)を選択成長する。さらに、ｐ
型ＧａＡｓコンタクト層８(ｄ＝１〜２μｍ，ｎA＝５×
１０18〜１×１０19cm-3）を埋め込み成長した後、ｐ電
極９及びｎ電極１０を蒸着する。さらに、劈開スクライ
ブして素子の形に切り出し、図３の断面を有する素子を
得る。
【００１５】本実施例によって、室温において閾値電流
が３０〜４０ｍＡで直流動作し630〜６４０ｎｍの発振
波長を有するレーザ素子を得た。共振器長６００μｍの
素子において、最高レーザ発振温度９０〜１００℃が得
られ、動作温度５０℃における光出力１０ｍＷの定出力
動作で１０００時間以上の長期信頼性が達成された。
が３０〜４０ｍＡで直流動作し630〜６４０ｎｍの発振
波長を有するレーザ素子を得た。共振器長６００μｍの
素子において、最高レーザ発振温度９０〜１００℃が得
られ、動作温度５０℃における光出力１０ｍＷの定出力
動作で１０００時間以上の長期信頼性が達成された。
【００１６】〈実施例２〉本発明の第二の実施例を図
４，図５により説明する。まず、(００１）面から｛１
１０｝｛−１−１０｝方向に１５.８°傾いた面を有す
るｎ型ＧａＡｓ基板１を用いて、その上にｎ型ＧａＡｓ
バッファ層２（ｄ＝０.５μｍ，ｎD＝１×１０18c
m-3），ｎ型(Ａｌy2Ｇａ1-y2)αＩｎ1-αＰ光導波層３
(ｄ＝1.５μｍ，ｎD＝１×１０18cm-3，ｙ2＝０.７，α
はＧａＡｓ基板と格子整合する値０.５１），膜厚７ｎ
ｍのアンドープ（ＡｌxＧａ1-x)γＩｎ1-γＰ（障壁層
と接する両側膜厚１ｎｍはＸ＝０でγ＝０.５１ とし、
中央部膜厚５ｎｍはＸ＝０でγを０.５１から中心０.３
にまでグレーデッドに小さくした放物線状にする）量子
井戸層１０層と，膜厚４ｎｍのアンドープ（Ａｌy1Ｇａ
1-y1)βＩｎ1-βＰ(ｙ1＝０.５，βはＧａＡｓ基板と格
子整合する値０.５１)量子障壁層９層，及び量子井戸層
両側にＡｌ組成を階段状に設定した光分離閉じ込め層
（障壁層から光導波層に至るまでＡｌ組成をｙ3＝０.５
から０.７まで０.０５ずつ段階的に増やし各膜厚１０ｎ
ｍとしたアンドープ（Ａｌy3Ｇａ1-y3)βＩｎ1-βＰ層
(ｙ3＝0.5,０.５５，０.６，０.６５，βはＧａＡｓ基
板と格子整合する値０.５１）とから構成される(量子井
戸層周辺の伝導帯バンド構造概略は図４のようになる)
多重量子井戸活性層１１，ｐ型(Ａｌy2Ｇａ1-y2)αＩｎ
1-αＰ光導波層５(ｄ＝１.２μｍ，ｎA＝５〜７×1017c
m-3 ，ｙ2＝０.７，αはＧａＡｓ基板と格子整合する値
０.５１)，ｐ型Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐバッファ層６（ｄ＝
０.０３μｍ，ｎA＝２×１０18cm-3）を成長温度５５０
℃で分子線エピタキシ法によりエピタキシャル成長し
た。この後は、実施例１と全く同様に素子を作製し、図
５の断面を有する素子を得る。
４，図５により説明する。まず、(００１）面から｛１
１０｝｛−１−１０｝方向に１５.８°傾いた面を有す
るｎ型ＧａＡｓ基板１を用いて、その上にｎ型ＧａＡｓ
バッファ層２（ｄ＝０.５μｍ，ｎD＝１×１０18c
m-3），ｎ型(Ａｌy2Ｇａ1-y2)αＩｎ1-αＰ光導波層３
(ｄ＝1.５μｍ，ｎD＝１×１０18cm-3，ｙ2＝０.７，α
はＧａＡｓ基板と格子整合する値０.５１），膜厚７ｎ
ｍのアンドープ（ＡｌxＧａ1-x)γＩｎ1-γＰ（障壁層
と接する両側膜厚１ｎｍはＸ＝０でγ＝０.５１ とし、
中央部膜厚５ｎｍはＸ＝０でγを０.５１から中心０.３
にまでグレーデッドに小さくした放物線状にする）量子
井戸層１０層と，膜厚４ｎｍのアンドープ（Ａｌy1Ｇａ
1-y1)βＩｎ1-βＰ(ｙ1＝０.５，βはＧａＡｓ基板と格
子整合する値０.５１)量子障壁層９層，及び量子井戸層
両側にＡｌ組成を階段状に設定した光分離閉じ込め層
（障壁層から光導波層に至るまでＡｌ組成をｙ3＝０.５
から０.７まで０.０５ずつ段階的に増やし各膜厚１０ｎ
ｍとしたアンドープ（Ａｌy3Ｇａ1-y3)βＩｎ1-βＰ層
(ｙ3＝0.5,０.５５，０.６，０.６５，βはＧａＡｓ基
板と格子整合する値０.５１）とから構成される(量子井
戸層周辺の伝導帯バンド構造概略は図４のようになる)
多重量子井戸活性層１１，ｐ型(Ａｌy2Ｇａ1-y2)αＩｎ
1-αＰ光導波層５(ｄ＝１.２μｍ，ｎA＝５〜７×1017c
m-3 ，ｙ2＝０.７，αはＧａＡｓ基板と格子整合する値
０.５１)，ｐ型Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐバッファ層６（ｄ＝
０.０３μｍ，ｎA＝２×１０18cm-3）を成長温度５５０
℃で分子線エピタキシ法によりエピタキシャル成長し
た。この後は、実施例１と全く同様に素子を作製し、図
５の断面を有する素子を得る。
【００１７】本実施例でも、実施例１とほぼ同様な成果
が得られた。
が得られた。
【００１８】〈実施例３〉本発明の第三の実施例を図６
および図７により説明する。まず、(００１）面から
｛１１０｝｛−１−１０｝方向に１５.８°傾いた面を
有するｎ型ＧａＡｓ基板１を用いて、その上にｎ型Ｇａ
Ａｓバッファ層２（ｄ＝０.５μｍ，ｎD＝１×１０18cm
-3），ｎ型(Ａｌy2Ｇａ1-y2)αＩｎ1-αＰ光導波層３
(ｄ＝1.５μｍ，ｎD＝１×１０18cm-3，ｙ2＝０.７，α
はＧａＡｓ基板と格子整合する値０.５１），膜厚７ｎ
ｍのアンドープ（ＡｌxＧａ1-x)γＩｎ1-γＰ(障壁層と
接する両側膜厚１ｎｍはＸ＝０でγ＝０.５１とし、中
央部膜厚５ｎｍはＸ＝０.２でγ＝０.２とする）量子井
戸層１０層と、膜厚４ｎｍのアンドープ（Ａｌy1Ｇａ
1-y1)βＩｎ1-βＰ(ｙ1＝０.５，βはＧａＡｓ基板と格
子整合する値０.５１)量子障壁層９層，及び量子井戸層
両側にＡｌ組成を階段状に設定した光分離閉じ込め層
（障壁層から光導波層に至るまでＡｌ組成をｙ3＝０.５
から０.７まで０.０５ずつ段階的に増やし各膜厚１０ｎ
ｍとしたアンドープ(Ａｌy3Ｇａ1-y3)βＩｎ1-βＰ層
(ｙ3＝０.５，０.５５，０.６，０.６５，βはＧａＡｓ
基板と格子整合する値０.５１)とから構成される（量子
井戸層周辺の伝導帯バンド構造概略は図６のようにな
る)多重量子井戸活性層１２，ｐ型 (Ａｌy2Ｇａ1-y2)α
Ｉｎ1-αＰ光導波層５(ｄ＝１.２μｍ，ｎA＝５〜７×1
017cm-3，ｙ2＝０.７，αはＧａＡｓ基板と格子整合す
る値０.５１)，ｐ型Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐバッファ層６
(ｄ＝０.０３μｍ，ｎA＝２×１０18cm-3)を成長温度７
５０℃において、有機金属気相成長法によりエピタキシ
ャル成長した。この後は、実施例１と全く同様に素子を
作製し、図７の断面を有する素子を得る。
および図７により説明する。まず、(００１）面から
｛１１０｝｛−１−１０｝方向に１５.８°傾いた面を
有するｎ型ＧａＡｓ基板１を用いて、その上にｎ型Ｇａ
Ａｓバッファ層２（ｄ＝０.５μｍ，ｎD＝１×１０18cm
-3），ｎ型(Ａｌy2Ｇａ1-y2)αＩｎ1-αＰ光導波層３
(ｄ＝1.５μｍ，ｎD＝１×１０18cm-3，ｙ2＝０.７，α
はＧａＡｓ基板と格子整合する値０.５１），膜厚７ｎ
ｍのアンドープ（ＡｌxＧａ1-x)γＩｎ1-γＰ(障壁層と
接する両側膜厚１ｎｍはＸ＝０でγ＝０.５１とし、中
央部膜厚５ｎｍはＸ＝０.２でγ＝０.２とする）量子井
戸層１０層と、膜厚４ｎｍのアンドープ（Ａｌy1Ｇａ
1-y1)βＩｎ1-βＰ(ｙ1＝０.５，βはＧａＡｓ基板と格
子整合する値０.５１)量子障壁層９層，及び量子井戸層
両側にＡｌ組成を階段状に設定した光分離閉じ込め層
（障壁層から光導波層に至るまでＡｌ組成をｙ3＝０.５
から０.７まで０.０５ずつ段階的に増やし各膜厚１０ｎ
ｍとしたアンドープ(Ａｌy3Ｇａ1-y3)βＩｎ1-βＰ層
(ｙ3＝０.５，０.５５，０.６，０.６５，βはＧａＡｓ
基板と格子整合する値０.５１)とから構成される（量子
井戸層周辺の伝導帯バンド構造概略は図６のようにな
る)多重量子井戸活性層１２，ｐ型 (Ａｌy2Ｇａ1-y2)α
Ｉｎ1-αＰ光導波層５(ｄ＝１.２μｍ，ｎA＝５〜７×1
017cm-3，ｙ2＝０.７，αはＧａＡｓ基板と格子整合す
る値０.５１)，ｐ型Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐバッファ層６
(ｄ＝０.０３μｍ，ｎA＝２×１０18cm-3)を成長温度７
５０℃において、有機金属気相成長法によりエピタキシ
ャル成長した。この後は、実施例１と全く同様に素子を
作製し、図７の断面を有する素子を得る。
【００１９】本実施例によって、室温において閾値電流
が２０〜３０ｍＡで直流動作し630〜６４０ｎｍの発振
波長を有するレーザ素子を得た。共振器長６００μｍの
素子において、最高レーザ発振温度１００℃以上が得ら
れ、動作温度５０℃における光出力１０ｍＷの定出力動
作で一千時間以上の長期信頼性が達成された。
が２０〜３０ｍＡで直流動作し630〜６４０ｎｍの発振
波長を有するレーザ素子を得た。共振器長６００μｍの
素子において、最高レーザ発振温度１００℃以上が得ら
れ、動作温度５０℃における光出力１０ｍＷの定出力動
作で一千時間以上の長期信頼性が達成された。
【００２０】〈実施例４〉本発明の第四の実施例を図８
により説明する。まず、(００１）面から｛１１０｝
｛−１−１０｝方向に１５.８°傾いた面を有するｎ型
ＧａＡｓ基板１上にグレーデッドに組成ｚを変えてｎ型
ＧaＡs1-zＰz層(膜厚４０μｍ)１′を成長し最上層をｎ
型ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4層とした基板１″を用いて、その上
にｎ型ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4バッファ層１３(ｄ＝２μｍ，
ｎD＝１×１０18cm-3)，ｎ型(Ａｌy2Ｇａ1-y2)αＩｎ
1-αＰ光導波層１４(ｄ＝1.５μｍ，ｎD＝１×１０18cm
-3，ｙ2＝０.７ ，αはＧａＡｓＰ基板と格子整合する
値０.７)，膜厚５ｎｍのアンドープ(ＡｌxＧａ1-x)γＩ
ｎ1-γＰ（障壁層と接する両側膜厚１ｎｍはＸ＝０でγ
＝０.７とし、中央部膜厚３ｎｍはＸ＝０.２でγ＝０.
４とする)量子井戸層１０層と、膜厚４ｎｍのアンドー
プ（Ａｌy1Ｇａ1-y1)βＩｎ1-βＰ(ｙ1＝０.５，βはＧ
ａＡｓ基板と格子整合する値０.７)量子障壁層９層，及
び量子井戸層両側にＡｌ組成を階段状に設定した光分離
閉じ込め層(障壁層から光導波層に至るまでＡｌ組成を
ｙ3＝０.５から０.７まで０.０５ずつ段階的に増やし各
膜厚１０ｎｍとしたアンドープ (Ａｌy3Ｇａ
1-y3)βＩｎ1-βＰ層（ｙ3＝０.５,０.５５，０.６，
０.６５，βはＧａＡｓＰ基板と格子整合する値０.７）
とから構成される(量子井戸層周辺の伝導帯バンド構造
概略は図６のようになる)多重量子井戸活性層１５，ｐ
型 （Ａｌy2Ｇａ1-y2)αＩｎ1-αＰ光導波層１６
（ｄ＝１.２μｍ，ｎA＝５〜７×１０17cm-3，ｙ2＝０.
７，αはＧａＡｓ基板と格子整合する値０.７)，ｐ型Ｇ
ａ0.7Ｉｎ0.3Ｐバッファ層１７（ｄ＝０.０３μｍ，ｎA
＝２×１０18cm-3）を成長温度７５０℃において有機金
属気相成長法によりエピタキシャル成長した。
により説明する。まず、(００１）面から｛１１０｝
｛−１−１０｝方向に１５.８°傾いた面を有するｎ型
ＧａＡｓ基板１上にグレーデッドに組成ｚを変えてｎ型
ＧaＡs1-zＰz層(膜厚４０μｍ)１′を成長し最上層をｎ
型ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4層とした基板１″を用いて、その上
にｎ型ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4バッファ層１３(ｄ＝２μｍ，
ｎD＝１×１０18cm-3)，ｎ型(Ａｌy2Ｇａ1-y2)αＩｎ
1-αＰ光導波層１４(ｄ＝1.５μｍ，ｎD＝１×１０18cm
-3，ｙ2＝０.７ ，αはＧａＡｓＰ基板と格子整合する
値０.７)，膜厚５ｎｍのアンドープ(ＡｌxＧａ1-x)γＩ
ｎ1-γＰ（障壁層と接する両側膜厚１ｎｍはＸ＝０でγ
＝０.７とし、中央部膜厚３ｎｍはＸ＝０.２でγ＝０.
４とする)量子井戸層１０層と、膜厚４ｎｍのアンドー
プ（Ａｌy1Ｇａ1-y1)βＩｎ1-βＰ(ｙ1＝０.５，βはＧ
ａＡｓ基板と格子整合する値０.７)量子障壁層９層，及
び量子井戸層両側にＡｌ組成を階段状に設定した光分離
閉じ込め層(障壁層から光導波層に至るまでＡｌ組成を
ｙ3＝０.５から０.７まで０.０５ずつ段階的に増やし各
膜厚１０ｎｍとしたアンドープ (Ａｌy3Ｇａ
1-y3)βＩｎ1-βＰ層（ｙ3＝０.５,０.５５，０.６，
０.６５，βはＧａＡｓＰ基板と格子整合する値０.７）
とから構成される(量子井戸層周辺の伝導帯バンド構造
概略は図６のようになる)多重量子井戸活性層１５，ｐ
型 （Ａｌy2Ｇａ1-y2)αＩｎ1-αＰ光導波層１６
（ｄ＝１.２μｍ，ｎA＝５〜７×１０17cm-3，ｙ2＝０.
７，αはＧａＡｓ基板と格子整合する値０.７)，ｐ型Ｇ
ａ0.7Ｉｎ0.3Ｐバッファ層１７（ｄ＝０.０３μｍ，ｎA
＝２×１０18cm-3）を成長温度７５０℃において有機金
属気相成長法によりエピタキシャル成長した。
【００２１】この後、ホトリソグラフィによりＳｉＯ2
マスク(膜厚ｄ＝０.２μｍ，ストライプ幅４μｍ）を形
成し、ケミカルエッチングにより層１６を０.２〜０.４
μｍ残すところまで層１７と層１６をエッチング除去し
てリッジストライプを形成する。次に、ＳｉＯ2 マスク
を残したまま、ｎ型ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4電流狭窄兼光吸収
層１８（ｄ＝1.０μｍ，ｎD＝３×１０18cm-3)を選択成
長する。さらに、ｐ型ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4コンタクト層１
９(ｄ＝１〜２μｍ，ｎA＝５×１０18〜１×１０19c
m-3）を埋め込み成長した後、ｐ電極９及びｎ電極１０
を蒸着する。さらに、劈開スクライブして素子の形に切
り出し、図８の断面を有する素子を得る。
マスク(膜厚ｄ＝０.２μｍ，ストライプ幅４μｍ）を形
成し、ケミカルエッチングにより層１６を０.２〜０.４
μｍ残すところまで層１７と層１６をエッチング除去し
てリッジストライプを形成する。次に、ＳｉＯ2 マスク
を残したまま、ｎ型ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4電流狭窄兼光吸収
層１８（ｄ＝1.０μｍ，ｎD＝３×１０18cm-3)を選択成
長する。さらに、ｐ型ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4コンタクト層１
９(ｄ＝１〜２μｍ，ｎA＝５×１０18〜１×１０19c
m-3）を埋め込み成長した後、ｐ電極９及びｎ電極１０
を蒸着する。さらに、劈開スクライブして素子の形に切
り出し、図８の断面を有する素子を得る。
【００２２】本実施例によって、室温において閾値電流
が４０〜５０ｍＡで直流動作し530〜５４０ｎｍの発振
波長を有するレーザ素子を得た。共振器長６００μｍの
素子において、最高レーザ発振温度８０〜９０℃が得ら
れ、動作温度４０℃における光出力５ｍＷの定出力動作
で一千時間以上の長期信頼性が達成された。
が４０〜５０ｍＡで直流動作し530〜５４０ｎｍの発振
波長を有するレーザ素子を得た。共振器長６００μｍの
素子において、最高レーザ発振温度８０〜９０℃が得ら
れ、動作温度４０℃における光出力５ｍＷの定出力動作
で一千時間以上の長期信頼性が達成された。
【００２３】
【発明の効果】本発明により、多重量子井戸構造活性層
を形成する量子井戸層内においてキャリア閉じ込めを向
上させたため、活性層からのキャリアオーバフローを抑
制し、且つ、量子準位における状態密度を増大させるこ
とができた。これにより、従来６５０ｎｍ以下の短波長
領域では困難であった低閾値動作および５０℃以上での
高温動作を可能にした。
を形成する量子井戸層内においてキャリア閉じ込めを向
上させたため、活性層からのキャリアオーバフローを抑
制し、且つ、量子準位における状態密度を増大させるこ
とができた。これにより、従来６５０ｎｍ以下の短波長
領域では困難であった低閾値動作および５０℃以上での
高温動作を可能にした。
【００２４】本発明の実施例によれば、室温において閾
値電流が３０〜４０ｍＡで直流動作し６３０〜６４０ｎ
ｍの発振波長を有するレーザ素子を得た。共振器長６０
０μｍの素子において、最高レーザ発振温度９０〜１０
０℃が得られ、動作温度５０℃における光出力１０ｍＷ
の定出力動作で一千時間以上の長期信頼性が達成され
た。
値電流が３０〜４０ｍＡで直流動作し６３０〜６４０ｎ
ｍの発振波長を有するレーザ素子を得た。共振器長６０
０μｍの素子において、最高レーザ発振温度９０〜１０
０℃が得られ、動作温度５０℃における光出力１０ｍＷ
の定出力動作で一千時間以上の長期信頼性が達成され
た。
【００２５】他実施例によって、室温において閾値電流
が４０〜５０ｍＡで直流動作し530〜５４０ｎｍの発振
波長を有するレーザ素子得た。共振器長６００μｍの素
子において、最高レーザ発振温度８０〜９０℃が得ら
れ、動作温度４０℃における光出力５ｍＷの定出力動作
で一千時間以上の長期信頼性が達成された。
が４０〜５０ｍＡで直流動作し530〜５４０ｎｍの発振
波長を有するレーザ素子得た。共振器長６００μｍの素
子において、最高レーザ発振温度８０〜９０℃が得ら
れ、動作温度４０℃における光出力５ｍＷの定出力動作
で一千時間以上の長期信頼性が達成された。
【００２６】本発明では、ＡｌＧａＩｎＰ材料系を用い
て説明したが、他の材料系で組成を変えることにより半
導体基板と格子不整となるＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系，
ＧａＡｓＰ／ＧａＡｓ系，ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓ系及
びＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系等に適用できる。
て説明したが、他の材料系で組成を変えることにより半
導体基板と格子不整となるＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系，
ＧａＡｓＰ／ＧａＡｓ系，ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓ系及
びＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系等に適用できる。
【図１】ＧａＡｓ基板上におけるＧａxＩｎ1-xＰ層の歪
量に対する臨界膜厚を示す特性図。
量に対する臨界膜厚を示す特性図。
【図２】本発明の一実施例における量子井戸層内に導入
する歪層の領域及び伝導帯バンド構造を示す説明図。
する歪層の領域及び伝導帯バンド構造を示す説明図。
【図３】本発明の一実施例を示す素子構造の断面図。
【図４】本発明の第二の実施例における量子井戸層内に
導入する歪層の領域及び伝導帯バンド構造を示す説明
図。
導入する歪層の領域及び伝導帯バンド構造を示す説明
図。
【図５】本発明の第二の実施例を示す素子構造の断面
図。
図。
【図６】本発明の第三の実施例における量子井戸層内に
導入する歪層の領域及び伝導帯バンド構造を示す説明
図。
導入する歪層の領域及び伝導帯バンド構造を示す説明
図。
【図７】本発明の第三の実施例を示す素子構造の断面
図。
図。
【図８】本発明の第四の実施例を示す素子構造の断面
図。
図。
１…ｎ型ＧａＡｓ基板、１′…ｎ型ＧａＡｓ1-zＰz層、
２…ｎ型ＧａＡｓバッファ層、３…ｎ型光導波層、４…
矩形歪多重量子井戸構造活性層、５…ｐ型光導波層、６
…ｐ型Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐバッファ層、７…ｎ型ＧａＡ
ｓ電流狭窄兼光吸収層、８…ｐ型ＧａＡｓコンタクト
層、９…ｐ電極、１０…ｎ電極。
２…ｎ型ＧａＡｓバッファ層、３…ｎ型光導波層、４…
矩形歪多重量子井戸構造活性層、５…ｐ型光導波層、６
…ｐ型Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐバッファ層、７…ｎ型ＧａＡ
ｓ電流狭窄兼光吸収層、８…ｐ型ＧａＡｓコンタクト
層、９…ｐ電極、１０…ｎ電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−21093（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−265183（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−310985（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−154181（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−289631（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−7585（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−36585（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (4)
- 【請求項１】 半導体基板と、該半導体基板上部に形成さ
れ且つ量子井戸層と該量子井戸層の上下に設けられた量
子井戸層より禁制帯幅の大きい量子障壁層からなる多重
量子井戸構造の活性領域と、該活性領域の上下に形成さ
れ且つ活性領域より禁制帯幅の大きい光導波層とを有
し、上記量子井戸層は上記半導体基板との格子不整合に
よる圧縮歪が導入された第１の部分と上記量子障壁層と
の界面から該第１の部分の上下を挟むように形成され且
つ該半導体基板との格子不整合による歪が導入されない
第２の部分からなることを特徴とする半導体レーザ素
子。 - 【請求項２】 上記第２の部分の厚みは、０.５乃至１.０
ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の半
導体レーザ素子。 - 【請求項３】 上記量子井戸層の厚みは３乃至２５ｎｍの
範囲に、上記量子障壁層の厚みは２乃至８ｎｍの範囲
に、夫々設定されていることを特徴とする請求項１又は
請求項２に記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項４】 上記光導波層は(Aly2Ga1-y2)αIn1-αP（0
＜y2≦1, 0.2＜α＜0.8）により、上記量子障壁層は(Al
y1Ga1-y1)βIn1-βP（0＜y1＜y2≦1, 0.1＜β＜0.8）に
より、上記量子井戸層は(AlxGa1-x)γIn1-γP（0≦x＜y
1＜y2≦1, 0.1＜γ＜0.8）により、夫々形成されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記
載の半導体レーザ素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4061772A JP3033333B2 (ja) | 1992-03-18 | 1992-03-18 | 半導体レーザ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4061772A JP3033333B2 (ja) | 1992-03-18 | 1992-03-18 | 半導体レーザ素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05267773A JPH05267773A (ja) | 1993-10-15 |
| JP3033333B2 true JP3033333B2 (ja) | 2000-04-17 |
Family
ID=13180732
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4061772A Expired - Fee Related JP3033333B2 (ja) | 1992-03-18 | 1992-03-18 | 半導体レーザ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3033333B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0606821A1 (en) * | 1993-01-11 | 1994-07-20 | International Business Machines Corporation | Modulated strain heterostructure light emitting devices |
| JP3209266B2 (ja) * | 1998-03-12 | 2001-09-17 | 日本電気株式会社 | 半導体レ−ザ素子 |
| JP2001094219A (ja) * | 1999-09-22 | 2001-04-06 | Sanyo Electric Co Ltd | 半導体発光デバイス |
-
1992
- 1992-03-18 JP JP4061772A patent/JP3033333B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05267773A (ja) | 1993-10-15 |
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