JP3752306B2

JP3752306B2 - 半導体レ−ザ

Info

Publication number: JP3752306B2
Application number: JP11456896A
Authority: JP
Inventors: 宏治中原; 和久魚見; 朋信土屋; 敦子丹羽
Original assignee: 日本オプネクスト株式会社
Priority date: 1996-05-09
Filing date: 1996-05-09
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2016-05-09
Also published as: JPH09298336A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は通信、計算機などに利用される情報伝送を行う半導体レ−ザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザには高性能化が求められており、特に加入者系や光インターコネクション用のレーザとしては低コスト化のために高温においても使用可能なレーザが望まれている。しかし、通信用に使用される長波長帯ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系のレーザは一般に高温でのレーザ特性が悪い。これは図２に示すように多重量子井戸構造中において伝導帯側の量子井戸ポテンシャル高さより価電子帯側の量子井戸ポテンシャル高さの方が一般に大きいからである。従って有効質量が極めて小さな電子は伝導帯側に設けられた量子井戸ポテンシャルにトラップされることなく、障壁層を越えｐ型不純物がドープされた光ガイド層（又はクラッド層）側にオーバーフローしやすい。即ち、伝導帯にてオーバフローした分、価電子帯側における正孔の移動に寄与する電子が減ってしまうのである。障壁層の伝導帯側のポテンシャルバリアが高くなる（伝導帯側の量子井戸ポテンシャルが深くなる）ように井戸層と障壁層の材料組成を選び、電子のオーバーフローを抑えようとすると価電子帯側のポテンシャル高さが大きくなり過ぎ、有効質量が極めて大きな正孔はＰ層クラッド層側の多重量子井戸層内に局在してしまうので室温においても内部微分量子効率などのレーザ特性が劣化する。実際のレーザ設計では高温特性を示す指標となる特性温度は６０Ｋにとどまっている。
【０００３】
一方、Japanese Journal of Applied Physics, Vol.29, No.1, Jauary,1990, pp.81-87においてK.Uomiが開示しているように、多重量子井戸構造のバリア層のみに不純物をドーピングする変調ドープＭＱＷレーザは緩和振動周波数の増大、しきい電流の低減、キャリア寿命時間の低減が可能である。しかし、従来の変調ドープレーザによって温度特性の改善の効果はなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする目的は半導体レーザにおいて多重量子井戸構造内の価電子帯側のバンド不連続を等価的に減少させ高いエネルギーバンドギャップを持つ障壁層が使えるようにして高温時の特性を改善することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前項の目的は量子井戸構造がｐ型変調ドープ構造で構成される半導体レーザにおいて変調ドープ構造の障壁層中の不純物が室温で活性化しない深い準位を形成するように構成される半導体レーザによって達成される。
【０００６】
即ち、本発明では量子井戸構造の少なくとも一部がｐ型変調ドープ構造で構成される、量子井戸層（井戸層）を挟む障壁層にのみｐ型不純物をドープする構成の半導体レーザにおいて、変調ドープ構造を構成する少なくとも１層以上の障壁層中に導入するｐ型不純物として、バルク半導体中において室温で活性化しない深さの準位を形成する元素を選ぶ。即ち、ｐ型不純物として障壁層にドープされることにより、障壁層の価電子帯端からの準位深さが５０ｍｅＶより大きく且つ価電子帯側の量子井戸のポテンシャル高さ以下となるような元素を選ぶ。これらの元素は具体的に、Ａｇ、Ｍｎ、Ａｕ、Ｐｂ、及びＣｏの群から選ばれるいづれかのものである。
【０００７】
このように構成される本発明の半導体レーザ素子においては、伝導帯側における量子井戸層と障壁層の伝導帯端（所謂、バンドエッジ）の差に対し、価電子帯側における両層の価電子帯端（所謂、バンドエッジ）の差が実質上小さくできる。従って、従来の半導体レーザで問題となっていた電子のオーバフローを抑制され、図１に示す正孔の移動が可能となる。図１において量子井戸層の価電子帯側の第１量子準位１０９、１１０にある正孔は、量子井戸層の伝導帯端近傍にトラップされる電子と再結合して光を放出する。従来の多重量子井戸型の活性領域では、正孔の動きが図２に示す経路２０８のように井戸層２０４と障壁層２０２が形成するポテンシャルバリアを乗り越えなければ隣接する井戸層２０５に到達できなかった。従って、正孔はｐ型の光ガイド層（又はクラッド層）側の井戸層２０４に局在し、且つここにおける第１量子準位の状態数（この準位にある正孔数）が限られているため、発光に寄与できない正孔が多く存在した。ところで、価電子帯における正孔の動きは実質的に価電子帯における電子の動きに起因するものである。本発明では、図１が示すように障壁層１０１〜１０３に不純物によって形成される準位１０６〜１０８を介して価電子帯の電子を量子井戸間において移動させる。この電子の移動は、擬似的にこれらの準位１０６〜１０８を介した正孔の、多重量子井戸構造を構成する各井戸層の第１量子準位への均一且つ効率的な分配を実現する。その結果、活性領域における電子−正孔の再結合による発光が効率よく発生し、ひいては半導体レーザの発振性能が向上する。
【０００８】
本発明の半導体レーザは、上述の元素が障壁層に導入された活性領域（少なくとも、井戸層と障壁層を含んで構成される領域）をストライプ状に形成してもよく、またこのような活性領域が少なくとも２つ以上形成されたアレイ構造（レーザダイオードアレイと呼ばれる素子構成）としてもよい。また本発明の半導体レーザは、発振波長が１．２〜１．６μｍとなるように活性領域における井戸層と障壁層の材料組成を選択してもよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の望ましき実施の形態を、以下の実施例並びに関連図面を用いて具体的に説明する。
【００１０】
本発明による第１の実施例を図３に示す。図３は本発明による１．３μｍ帯歪ＭＱＷ構造である。３０１〜３０４は１．０５μｍ組成、厚さ１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰバリア層で３０５〜３０９は厚さ５ｎｍ、１．４％圧縮歪ＩｎＧａＡｓＰ井戸層である。３１４、３１５はＩｎＧａＡｓＰクラッド層である。３１０〜３１３は本発明による深い準位のｐ型不純物でアクセプタとしてＡｇを２．１×１０¹⁸ｃｍ~³導入している。Ａｇを障壁層にドープしない状態では、伝導帯側における障壁層に対する井戸層深さは０．１１２ｅＶ、価電子帯側において井戸層深さは０．１５４ｅＶであるが、障壁層３０１〜３０４にＡｇをドープすることにより障壁層に形成される不純物準位３１０〜３１３は価電子帯端から０．１１ｅＶなので実質的な価電子帯側の井戸層深さは０．０４３ｅＶとなる。レーザ構造は当該分野で周知なものでよく例えばｐ型基板上埋め込み型またはリッジ型を使用する。上記の第１の実施例のＭＱＷ構造に基づき共振器長４００μｍ、活性層幅１．５μｍ、端面反射率がそれぞれ３０％、７０％の１．３μｍ帯ｐ型基板上埋め込み型ファブリペロー半導体レーザを作製し、室温でのしきい電流３ｍＡ，２５℃〜８５℃における特性温度９２Ｋの良好な特性を得た。
【００１１】
本発明による第２の実施例を図４に示す。図４は本発明による１．５５μｍ帯歪ＭＱＷ構造である。４０２〜４０５は１．１μｍ組成、厚さ９ｎｍのＩｎＧａＡｓＰバリア層で４１２〜４１５は厚さ５ｎｍ、１．０％圧縮歪ＩｎＧａＡｓＰ井戸層である。４０１、４０６、４１６、４１７はＩｎＧａＡｓＰクラッド層である。４１２〜４１５は本発明による深い準位のｐ型不純物でアクセプタとしてＣｏを１．５×１０¹⁸ｃｍ~³導入している。Ｃｏを障壁層にドープしない状態では、伝導帯側における障壁層に対する井戸層深さは０．１５１ｅＶ、価電子帯側の井戸層深さは０．２１７ｅＶであるが、障壁層３０１〜３０４にＣｏをドープすることにより障壁層に形成される不純物準位３１０〜３１３は価電子帯端から０．１６ｅＶなので実質的な価電子帯側の井戸層深さは０．０５７ｅＶとなる。上記のＭＱＷ構造に基づき共振器長４００μｍ、活性層幅２．０μｍ、端面反射率がそれぞれ１％、７０％の１．５５μｍ帯リッジ型分布帰還型半導体レーザを作製し、室温でのしきい電流８ｍＡ，２５℃〜８５℃における特性温度８７Ｋの良好な特性を得た。
【００１２】
尚、本材料に限らず、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＰ系の長波長帯半導体レーザ及びＧａＡｓ系、ＺｎＳｅ系、ＧａＮ系の短波長帯半導体レーザに対しても本発明により価電子帯側の実質的な井戸層を制御できることは言うまでもない。
【００１３】
【発明の効果】
本発明では、深い準位を形成するｐ型不純物を用いて変調ドープ構造を構成することにより価電子帯側の障壁層に対する実質的な井戸層ポテンシャル高さを制御できるので電子、正孔の有効質量比に即した伝導帯側及び価電子帯側の井戸層ポテンシャル高さ配分が可能となり、高温においてもキャリアオーバーフローの少なくなる。よって特性温度が約９０Ｋの高温特性に優れた半導体レーザを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による変調ドープ多重量子井戸構造の模式図。
【図２】従来の多重量子井戸構造の模式図。
【図３】本発明に基づいた第１の実施例による多重量子井戸を含む多層構造の模式図。
【図４】本発明に基づいた第２の実施例による多重量子井戸を含む多層構造の模式図。
【符号の説明】
１０１〜１０３…障壁層、１０４〜１０５…井戸層、１０６〜１０８…アクセプタ及び不純物準位、１０９〜１１０…多重量子井戸による正孔の第１量子準位、２０１〜２０３…障壁層、２０４〜２０５…井戸層、２０６〜２０７…多重量子井戸による正孔の第１量子準位、２０８…従来例による正孔の移動の経路、３０１〜３０４…障壁層、３０５〜３０９…井戸層、３１０〜３１３…アクセプタ及び不純物準位、３１４〜３１５…ＳＣＨ層、４０１〜４０６…障壁層、４０７〜４１１…井戸層、４１２〜４１５…アクセプタ及び不純物準位、４１６〜４１７…ＳＣＨ層。

Claims

量子井戸構造の少なくとも一部がｐ型変調ドープ構造で構成される半導体レーザにおいて、
変調ドープ構造を構成する少なくとも１層以上の障壁層中に導入するｐ型不純物がバルク半導体において室温で活性化しない深さの準位の不純物であって、
当該変調ドープ構造の障壁層内不純物がＡｇ、Ｍｎ、Ａｕ、Ｐｂ、及びＣｏのいづれかで構成されていることを特徴とする半導体レーザ。
請求項１に記載の半導体レーザにおいて、ストライプ状の活性領域が少なくとも２つ以上形成されたアレイ構造であることを特徴とする半導体レーザ。
請求項１〜２のいずれかに記載の半導体レーザであって、
当該レーザの発振波長が１．２〜１．６μｍであることを特徴とする半導体レーザ。