JP5666815B2 - 半導体レーザ構造 - Google Patents
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Description
半導体レーザ構造の製造方法を図1に基づいて説明する。n型GaAs基板1上に、MOCVD法により、第1のn型クラッド層2、第1のn型光ガイド層(発光層)3、第1の多重量子井戸活性層(発光層)4(波長850nm)、第1のp型光ガイド層(発光層)5、第1のp型クラッド層6、p型導電型層7a、n型導電型層7b、第2のn型クラッド層8、第2のn型光ガイド層(発光層)9、第2の多重量子井戸活性層(発光層)10(波長850nm)、第2のp型光ガイド層(発光層)11、第2のp型クラッド層12、及びp型コンタクト層13を順次積層した。成長時の基板温度は550〜800℃とした。
上記のように製造した半導体レーザ構造を用いて、図2に示す半導体レーザ素子を製造した。
(1)p型導電型層7aとn型導電型層7bとの界面におけるバンドギャップエネルギーは、1.42eVという低い値である。トンネル接合層によるトンネル効果は、界面でのバンドギャップエネルギーが小さいほど高いので、本実施例では、トンネル接合層によるトンネル効果が高い。
(2)半導体レーザ構造で発生するレーザの波長は0.85μmであり、それに対応するエネルギーは1.46eVである。それに対し、トンネル接合層7の全体におけるバンドギャップエネルギーの平均値は、上述したように、1.54eVである。また、トンネル接合層7におけるバンドギャップエネルギーの最大値は、x=0.2の位置での値であり、1.65eVである。
(3)トンネル接合層7におけるバンドギャップエネルギーは、図3に示すように、p型導電型層7aとn型導電型層7bとの界面からの距離に比例して大きくなる。そのため、界面におけるバンドギャップエネルギーを小さくしつつ、トンネル接合層7におけるバンドギャップエネルギーの平均値、及び最大値を大きくすることができる。その結果、トンネル接合層7によるトンネル効果と、光の閉じ込め及び吸収を防止する効果とを両立できる。
(4)トンネル接合層7のうち、バンドギャップエネルギーがレーザの波長に対応するエネルギー(1.46eV)より低い部分の厚みは10nmである。そのため、トンネル接合層7による光の閉じ込め及び吸収による影響は小さく、半導体レーザ構造の全体としての光出力が高い。
半導体レーザ構造の製造方法を図1に基づいて説明する。n型InP基板1上に、MOCVD法により、第1のn型クラッド層2、第1のn型光ガイド層(発光層)3、第1の多重量子井戸活性層(発光層)4(波長1550nm)、第1のp型光ガイド層(発光層)5、第1のp型クラッド層6、p型導電型層7a、n型導電型層7b、第2のn型クラッド層8、第2のn型光ガイド層(発光層)9、第2の多重量子井戸活性層(発光層)10(波長1550nm)、第2のp型光ガイド層(発光層)11、第2のp型クラッド層12、及びp型コンタクト層13を順次積層した。成長時の基板温度は550〜800℃とした。
MOCVD法によりp型導電型層7a、及びn型導電型層7bを形成するとき、供給する原料の割合を時間ともに変化させることにより、x、x‘、y、y’の値を上記のように変化させることができる。
前記実施例1と同様にして、図2に示す半導体レーザ素子を製造した。
3.半導体レーザ構造が奏する効果
(1)p型導電型層7aとn型導電型層7bとの界面におけるバンドギャップエネルギーは、0.74eVという低い値である。トンネル接合層によるトンネル効果は、界面でのバンドギャップエネルギーが小さいほど高いので、本実施例では、トンネル接合層によるトンネル効果が高い。
(2)半導体レーザ構造で発生するレーザの波長は1.55μmであり、それに対応するエネルギーは0.80eVである。それに対し、トンネル接合層7の全体におけるバンドギャップエネルギーの平均値は、上述したように、0.85eVである。また、トンネル接合層7におけるバンドギャップエネルギーの最大値は、x、x’=0.12、y、y’=0.35の位置での値であり、0.90eVである。
(3)トンネル接合層7におけるバンドギャップエネルギーは、図4に示すように、p型導電型層7aとn型導電型層7bとの界面からの距離が大きくなるほど増大し、その増大の割合は、界面に近いほど高い。すなわち、図4のグラフにおいて、バンドギャップエネルギーを表す曲線は上に凸となる。そのため、界面におけるバンドギャップエネルギーを小さくしつつ、トンネル接合層7におけるバンドギャップエネルギーの平均値、及び最大値を大きくすることができる。その結果、トンネル接合層7によるトンネル効果と、光の閉じ込め及び吸収を防止する効果とを両立できる。
(4)トンネル接合層7のうち、バンドギャップエネルギーがレーザの波長に対応するエネルギー(0.80eV)より低い部分の厚みは7nmである。そのため、トンネル接合層7による光の閉じ込め及び吸収による影響は小さく、半導体レーザ構造の全体としての光出力が高い。
半導体レーザ構造の製造方法を図1に基づいて説明する。n型InP基板1上に、MOCVD法により、第1のn型クラッド層2、第1のn型光ガイド層(発光層)3、第1の多重量子井戸活性層(発光層)4(波長1550nm)、第1のp型光ガイド層(発光層)5、第1のp型クラッド層6、p型導電型層7a、n型導電型層7b、第2のn型クラッド層8、第2のn型光ガイド層(発光層)9、第2の多重量子井戸活性層(発光層)10(波長1550nm)、第2のp型光ガイド層(発光層)11、第2のp型クラッド層12、及びp型コンタクト層13を順次積層した。成長時の基板温度は550〜800℃とした。
前記実施例1と同様にして、図2に示す半導体レーザ素子を製造した。
3.半導体レーザ構造が奏する効果
(1)p型導電型層7aとn型導電型層7bとの界面におけるバンドギャップエネルギーは、0.67eVという低い値である。トンネル接合層によるトンネル効果は、界面でのバンドギャップエネルギーが小さいほど高いので、本実施例では、トンネル接合層によるトンネル効果が高い。
(2)半導体レーザ構造で発生するレーザの波長は1.55μmであり、それに対応するエネルギーは0.80eVである。それに対し、トンネル接合層7の全体におけるバンドギャップエネルギーの平均値は、上述したように、0.81eVである。また、トンネル接合層7におけるバンドギャップエネルギーの最大値は、x=0.65の位置での値であり、0.95eVである。
(3)トンネル接合層7におけるバンドギャップエネルギーは、図5に示すように、p型導電型層7aとn型導電型層7bとの界面からの距離に比例して大きくなる。そのため、界面におけるバンドギャップエネルギーを小さくしつつ、トンネル接合層7におけるバンドギャップエネルギーの平均値、及び最大値を大きくすることができる。その結果、トンネル接合層7によるトンネル効果と、光の閉じ込め及び吸収を防止する効果とを両立できる。
(4)トンネル接合層7のうち、バンドギャップエネルギーがレーザの波長に対応するエネルギー(0.80eV)より低い部分の厚みは17nmである。そのため、トンネル接合層7による光の閉じ込め及び吸収による影響は小さく、半導体レーザ構造の全体としての光出力が高い。
(5)p型導電型層7a及びn型導電型層7bには、上述したように、n型InP基板1に対して圧縮歪みを有する層(図5においてL1とL2との間の層)と、n型InP基板1に対して引張歪みを有する層(図5においてL2とL3との間の層)とを備える。そのため、トンネル接合層7全体として、圧縮歪みと引張歪みとが相殺される。その結果、トンネル接合層7内における格子不整合による結晶欠陥の発生を抑制できる。また、3元素系の材料のように、格子定数をn型InP基板1に対して合わせることが困難な材料でも、トンネル接合層7の形成に使用できる。
例えば、前記実施例1は、GaAs基板上にGaAs、AlGaAsを成長層とする構成であるが、これらに限るものではなく、基板にInPなどを用いたり、また成長層をInP、InGaAs、InGaP、InGaAsP、AlGaInAs、AlGaInPなど他の材料としてもよい。また、レーザ構造単位の数は2には限定されず、3以上であってもよい。その場合は、各レーザ構造単位の間にそれぞれトンネル接合層が設けられる。
4・・・第1の多重量子井戸活性層、5・・・第1のp型光ガイド層、
6・・・第1のp型クラッド層、7・・・トンネル接合層、7a・・・p型導電型層、
7b・・・n型導電型層、8・・・第2のn型クラッド層、9・・・第2のn型光ガイド層、
10・・・第2の多重量子井戸活性層、11・・・第2のp型光ガイド層、
12・・・第2のp型クラッド層、13・・・p型コンタクト層、
101、103・・・レーザ構造単位、105・・・酸化膜、107、109・・・電極、
111・・・低反射率膜、113・・・反射層
Claims (6)
- (a)n型クラッド層、(b)発光層、及び(c)p型クラッド層を積層して成るレーザ構造単位を複数備えるとともに、
前記レーザ構造単位の間に、p型導電型層及びn型導電型層から成るトンネル接合層を備え、
前記p型導電型層と前記n型導電型層の少なくとも一方の層内のバンドギャップエネルギーが一様でなく、
前記p型導電型層と前記n型導電型層との界面におけるバンドギャップエネルギーが、前記トンネル接合層におけるバンドギャップエネルギーの平均値よりも小さく、
前記トンネル接合層におけるバンドギャップエネルギーの最大値及び前記平均値が、前記発光層から生じるレーザの波長に対応するエネルギーよりも大きいことを特徴とする半導体レーザ構造。 - 前記トンネル接合層のうち、バンドギャップエネルギーが、前記発光層から生じるレーザの波長に対応するエネルギーよりも小さい部分の厚さが35nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ構造。
- 前記トンネル接合層におけるバンドギャップエネルギーは、前記界面からの距離に比例して大きくなることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体レーザ構造。
- 前記トンネル接合層におけるバンドギャップエネルギーは、前記界面からの距離が大きくなるほど増大し、
その増大の割合は、前記界面に近いほど高いことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体レーザ構造。 - 基板を備えるとともに、
前記トンネル接合層は、前記基板に対して圧縮歪みを有する第1の層と、前記基板に対して引張歪みを有する第2の層とを備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体レーザ構造。 - 前記レーザ構造単位を3以上備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体レーザ構造。
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