JP6010522B2 - Semiconductor laser - Google Patents
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Description
本発明は、光通信システムにおいて用いられる半導体レーザに関する。 The present invention relates to a semiconductor laser used in an optical communication system.
近年、インターネットをはじめとするマルチメディア技術の進展に伴い、通信ネットワークのトラヒック量が急速に増大している。これに伴い、加入者アクセスネットワーク、および、企業のビル間接続やデータセンタ間接続、大学のキャンパス内・キャンパス間接続などを提供するメトロアクセスネットワークの両方においても、トラフィック量の増大への対応が望まれている。 In recent years, with the progress of multimedia technologies such as the Internet, the traffic volume of communication networks is rapidly increasing. As a result, both the subscriber access network and the metro access network that provides connectivity between corporate buildings and between data centers, and campus campus / campus connectivity, can respond to the increase in traffic volume. It is desired.
このトラヒック量の急増に対応するため、特にメトロ・アクセス系ネットワークで用いられる光モジュールは、低消費電力であることが求められる。この要求を満たすために、光モジュールの光源となる半導体レーザは、温度調整が不要であることが望まれる。半導体レーザにおける消費電力は、温度調節用のペルチェ素子などによる消費電力が大部分を占めているからである。したがって、動作温度が上昇しても、発振しきい値電流の増加が少なく光出力の低下が小さい、いわゆる温度特性の良い半導体レーザが望まれる。 In order to cope with this rapid increase in traffic volume, optical modules used particularly in metro access networks are required to have low power consumption. In order to satisfy this requirement, it is desirable that the semiconductor laser serving as the light source of the optical module does not require temperature adjustment. This is because most of the power consumption in the semiconductor laser is due to the temperature adjusting Peltier element or the like. Therefore, a semiconductor laser with good so-called temperature characteristics is desired in which even if the operating temperature rises, the increase in oscillation threshold current is small and the decrease in light output is small.
現在、メトロ・アクセス系ネットワークにおいて用いられており、また将来用いられる可能性がある波長域は、1.260μmから1.625μmまでの波長である。これは、国際電気通信連合 電気通信標準化部門(International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector:ITU−T)において光通信用として勧告されている波長帯(O帯、E帯、S帯、C帯、L帯、U帯)のうち、光ファイバの監視光用に使用されるU帯を除いた波長域に対応する。 The wavelength range currently used in metro access networks and which may be used in the future is a wavelength from 1.260 μm to 1.625 μm. This is a wavelength band (O band, E band, S band, C band, L band, recommended for optical communication in the International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector (ITU-T)). Corresponds to the wavelength range excluding the U band used for optical fiber monitoring light.
半導体レーザにおける温度特性を改善するためには、その活性層内に効率良く電子および正孔(ホール)を閉じ込める必要がある。従来、InP基板上の半導体レーザの活性層としては、Alを除いた、In、Ga、As、Pからなる材料(以下、InGaAsP系材料と呼ぶ)を用いた多重量子井戸構造が用いられてきた。この理由は、Alを含まないInGaAsP系材料は酸化による影響を受け難いことから、レーザ特性の経時劣化が少ないためである。しかしながら、InGaAsP系材料の多重量子井戸構造では、伝導帯におけるバンド不連続が小さいために電子の閉じ込めが不十分となることが多い。このような場合、高温動作時においてn型半導体層側から注入された電子は、活性層である多重量子井戸構造を通過し、反対側のp側クラッド層にまで到達して正孔と再結合する。この再結合のために、電子および正孔の閉じ込めが不十分となり、レーザ特性の温度特性が悪くなるという問題があった。 In order to improve the temperature characteristics of a semiconductor laser, it is necessary to efficiently confine electrons and holes in the active layer. Conventionally, as an active layer of a semiconductor laser on an InP substrate, a multiple quantum well structure using a material composed of In, Ga, As, and P (hereinafter referred to as an InGaAsP-based material) excluding Al has been used. . This is because an InGaAsP-based material that does not contain Al is not easily affected by oxidation, so that there is little deterioration over time in laser characteristics. However, in the multi-quantum well structure of InGaAsP-based material, electron confinement is often insufficient due to small band discontinuity in the conduction band. In such a case, electrons injected from the n-type semiconductor layer side during high-temperature operation pass through the multiple quantum well structure as the active layer, reach the opposite p-side cladding layer, and recombine with holes. To do. Due to this recombination, there is a problem that the confinement of electrons and holes becomes insufficient, and the temperature characteristics of the laser characteristics deteriorate.
この問題を克服するため、近年、InGaAsP系材料よりも伝導帯におけるバンド不連続を大きくできるAlGaInAsを用いた活性層(MQW活性層)構造が検討されている。このAlGaInAsを用いた活性層を採用しても、高温動作時や高注入動作時においては、活性層からのp型半導体層側への電子の漏れ出しを十分には抑制できない。このため、活性層とp側InPクラッド層との間に、電子に対するエネルギー的な障壁としてInAlAs層をさらに設置する構造が提案されている。この構造では、InAlAs層が活性層を通過してきた電子をはね返して、再び活性層に注入するよう動作する。(特許文献1および非特許文献1)。このInAlAs層は、キャリア(電子)をブロックする目的で設置されるため、キャリアブロック層と呼ばれている。
In order to overcome this problem, an active layer (MQW active layer) structure using AlGaInAs that can increase the band discontinuity in the conduction band more than InGaAsP-based materials has recently been studied. Even if this active layer using AlGaInAs is employed, leakage of electrons from the active layer to the p-type semiconductor layer cannot be sufficiently suppressed during high-temperature operation or high injection operation. For this reason, a structure has been proposed in which an InAlAs layer is further provided as an energy barrier against electrons between the active layer and the p-side InP cladding layer. In this structure, the InAlAs layer operates to repel electrons that have passed through the active layer and inject them again into the active layer. (
上述のような、電子および正孔の閉じ込めを効率的に行う構造的な工夫により、現在ではInP基板上に作製された半導体レーザにおいても、100℃を超える環境温度下での動作が実現するようになっている。 Due to the structural contrivance for efficiently confining electrons and holes as described above, even a semiconductor laser fabricated on an InP substrate can now be operated at an ambient temperature exceeding 100 ° C. It has become.
しかしながら、このようなInP基板上でAlGaInAs材料を活性層として用いたレーザであっても、GaAs基板上でInGaAsを井戸層とする多重量子井戸レーザや量子ドットレーザと比べると、高温動作時におけるレーザ特性の劣化が大きい。GaAs基板上に構成されたレーザで高温動作時におけるレーザ特性の劣化が小さい理由の1つは、伝導帯におけるバンド不連続を大きく取ることができる、Al組成比の大きなAlGaAsをキャリアブロック層として利用できるためである。さらに、このAlGaAsは、そのAl組成比をいくら変化させてもGaAsに対する格子不整合は0.15%未満である。したがって、Al組成比にかかわらすGaAsにほぼ格子整合させることができるため、層構成の設計自由度が大きい。一方で、InP基板上に構成されたレーザに用いられるAlInAsキャリアブロック層では、以下に説明するように層構成の設計自由度に制約があった。 However, even in such a laser using an AlGaInAs material as an active layer on an InP substrate, a laser at a high temperature operation is compared with a multiple quantum well laser or a quantum dot laser using an InGaAs well layer on a GaAs substrate. Degradation of characteristics is large. One of the reasons for the low degradation of laser characteristics during high-temperature operation with a laser constructed on a GaAs substrate is to use AlGaAs with a large Al composition ratio as the carrier block layer, which can provide a large band discontinuity in the conduction band. This is because it can. Furthermore, this AlGaAs has a lattice mismatch of less than 0.15% with respect to GaAs, no matter how much the Al composition ratio is changed. Therefore, since the lattice matching with GaAs related to the Al composition ratio can be almost lattice matched, the degree of freedom in designing the layer structure is large. On the other hand, in the AlInAs carrier block layer used for the laser configured on the InP substrate, there is a restriction on the degree of freedom in designing the layer configuration as described below.
図8は、活性層にAlGaInAs/AlGaInAs多重量子井戸(MQW)構造を用いたInP基板上のレーザのバンドラインナップを模式的に示した図である。縦方向は、電子のエネルギーレベルに対応し、横方向はレーザ積層構造の積層方向の位置に対応する。通常の製造方法では、図8の右側(AlGaInAs光閉じ込め層801)から左側(InGaAsP光閉じ込め層803a)に向かって順次各層が積層される。図8において、電子は、右側のAlGaInAs光閉じ込め層801側から活性層であるAlGaInAs/AlGaInAs MQW802に注入される。一方、正孔は、左側のInGaAsP光閉じ込め層803a側からAlGaInAs/AlGaInAs MQW802へ注入される。AlInAsキャリアブロック層804は、活性層802の左側のAlGaInAs光閉じ込め層803bおよびInGaAsP光閉じ込め層803aの間に挿入されている。
FIG. 8 is a diagram schematically showing a laser band lineup on an InP substrate using an AlGaInAs / AlGaInAs multiple quantum well (MQW) structure as an active layer. The vertical direction corresponds to the energy level of electrons, and the horizontal direction corresponds to the position in the stacking direction of the laser stack structure. In a normal manufacturing method, the layers are sequentially stacked from the right side (AlGaInAs light confinement layer 801) to the left side (InGaAsP
図8に示したレーザ構造では、高温動作時に活性層802を通過した電子が左側のAlGaInAs光閉じ込め層803bに漏れ出してくる。ここで、AlInAsキャリアブロック層804は、この漏れ出した電子を再び活性層802に戻すための電子に対するエネルギー障壁として作用する。このエネルギー障壁は、伝導帯において、AlGaInAs光閉じ込め層803bに対するAlInAsキャリアブロック層804のバンド不連続に相当し、図8ではΔECで示してある。AlInAsキャリアブロック層804は、このΔECが大きい程、電子に対するキャリアブロック層として有効に作用する。キャリアブロック層としての性能は、ΔECの他にその膜厚も重要となる。キャリアブロック層の膜厚があまり薄いとトンネル効果による電子の通過が無視できないためであり、AlInAsキャリアブロック層の場合は一般に膜厚10nm以上の膜厚が必要となる。しかしながら、膜厚が厚くなることによって新たな問題が生じる。
In the laser structure shown in FIG. 8, electrons that have passed through the
格子歪が大きく、膜厚が大きい層では格子緩和に起因した結晶欠陥が発生する。このため、結晶欠陥を避けるためには、AlInAsキャリアブロック層804はInPと格子整合する組成に近くする必要がある。具体的に用いることのできる組成は、In0.52Al0.48As付近の組成に限定される。AlInAsキャリアブロック層804は、In0.52Al0.48As付近の組成に限定され、層構成の設計自由度に制約があるため、図8に示したレーザの層構造ではAlGaInAs光閉じ込め層803bの組成が決まれば、ΔECもほぼ決まってしまう。
In a layer having a large lattice strain and a large film thickness, crystal defects due to lattice relaxation occur. Therefore, in order to avoid crystal defects, the AlInAs
例えば、バンドギャップ波長が1.1μmのAlGaInAs光閉じ込め層(組成としてはAl0.29Ga0.18In0.53As)を用いた場合のΔECは、220meV程度である。このΔECの値は、InP基板上のレーザとしては大きい値ではあるが、前述のGaAs基板上に構成されたレーザの高温時の動作に比べれば小さい。図8に示した構造で高温動作時におけるデバイス特性の劣化をさらに小さくするためには、AlInAsキャリアブロック層804およびAlGaInAs光閉じ込め層803aのそれぞれの伝導帯の底のエネルギー差であるΔECをさらに大きくする必要がある。
For example, ΔE C when an AlGaInAs optical confinement layer having a band gap wavelength of 1.1 μm (with a composition of Al 0.29 Ga 0.18 In 0.53 As) is about 220 meV. The value of this Delta] E C, albeit with a larger value as the lasers on InP substrates, small compared to the operation at a high temperature of the laser constructed on a GaAs substrate mentioned above. To further reduce the deterioration of the device characteristics in the structure shown in FIG. 8 at a high temperature operation, further Delta] E C is the energy difference between the bottom of each of the conduction band of the AlInAs
図8に示した構造でさらにΔECを上げるためには、AlInAsキャリアブロック層804をアンドープ層から比較的高濃度のp型ドープ層にすることが有効である。しかしながら、AlInAsは、GaInAsやAlGaInAsなどの材料に比べて高濃度のp型ドーピングが困難であり、さらにキャリア移動度も小さい(非特許文献2を参照)。このため、AlInAsキャリアブロック層804をp型にドーピングしてΔECを上げることは難しい。ΔECを上げる他の手段としては、AlGaInAs光閉じ込め層803bにおけるAlに対するGaの組成比を増加させることも考えられる。しかし、Gaの組成比を増加させることによってMQW活性層802からAlGaInAs光閉じ込め層804への電子の漏れ出しが大きくなるため、あまり有効ではない。
To further increase the Delta] E C in the structure shown in FIG. 8, it is effective to the AlInAs
このように、AlGaInAsを活性層802や光閉じ込め層803aに用いたレーザ構造においてAlInAsキャリアブロック層804を用いる場合、層構成を変えることによって電子の漏れ出しを抑制するのは難しく、キャリアブロックに関する層構成の設計自由度は制約されていた。
As described above, when the AlInAs
既に述べたように、Alが含まれないInGaAsP系材料だけから活性層が構成される場合は、Alを含む材料から活性層が構成される場合と比べて、一般に素子特性の経時劣化が起こり難いことが知られている。InGaAsP系材料をレーザの活性層として、AlInAsをキャリアブロック層の材料として適用した場合には、AlGaInAs材料をレーザの活性層とした場合よりも電子に対してさらに高い障壁を実現することができる。 As described above, when an active layer is formed only from an InGaAsP-based material that does not contain Al, device characteristics are generally less likely to deteriorate over time than when an active layer is formed from a material containing Al. It is known. When an InGaAsP-based material is used as a laser active layer and AlInAs is used as a carrier block layer material, a higher barrier against electrons can be realized than when an AlGaInAs material is used as a laser active layer.
図9は、活性層にInGaAsP/InGaAsP MQW構造を用いたInP基板上のレーザのバンドラインナップを模式的に示した図である。図8と同様に、縦方向は、電子のエネルギーレベルに対応し、横方向はレーザ積層構造の積層方向の位置に対応する。通常の製造方法では、図9の右側(InGaAsP光閉じ込め層901)から左側(InGaAsP光閉じ込め層903a)に向かって順次各層が積層される。図9において、電子は、右側のInGaAsP光閉じ込め層901側から活性層であるInGaAsP/InGaAsP MQW層902に注入される。一方、正孔は、左側のInGaAsP光閉じ込め層903a側からInGaAsP/InGaAsP MQW層902へ注入される。AlInAsキャリアブロック層904は、活性層902の左側のInGaAsP光閉じ込め層903aおよびInGaAsP光閉じ込め層903bの間に設置されている。
FIG. 9 is a diagram schematically showing a laser band lineup on an InP substrate using an InGaAsP / InGaAsP MQW structure as an active layer. As in FIG. 8, the vertical direction corresponds to the energy level of electrons, and the horizontal direction corresponds to the position of the laser stack structure in the stacking direction. In a normal manufacturing method, the layers are sequentially stacked from the right side (InGaAsP light confinement layer 901) to the left side (InGaAsP
図9に示した層構造において、例えばバンドギャップ波長が1.1μmのInGaAsP光閉じ込め層904(組成としてはIn0.86Ga0.40As0.32P0.68)を用いた場合、伝導帯において、InGaAsP光閉じ込め層903に対するAlInAsキャリアブロック層904のエネルギー差(ΔEC)は、約390meVである。前述のInP基板上のAlGaInAs材料を活性層とした構造の場合の220meVと比べて、より大きなΔECを実現することができる。
In the layer structure shown in FIG. 9, for example, when an InGaAsP
しかしながら、図9に示したバンド構造において価電子帯側に着目した場合、AlInAsキャリアブロック層904の価電子帯の位置はInGaAsP光閉じ込め層903a、903bよりも上方にある。したがって、注入された正孔はAlInAsキャリアブロック層904においてトラップされることになる。結局、図9に示したバンド構造を持つ層構成は、電子がp型半導体層への漏れ出すのを防ぐのには有効なものの、正孔の注入効率が悪いため、実際のレーザの層構造として用いられていない。この例のように、InGaAsP系材料だけで活性層が構成されたレーザは、長期安定性は良いものの、活性層からp型層への電子の漏れ出しを大幅に抑制できるようなキャリアブロック層は未だ提案されていない。AlGaInAs材料で活性層が構成されたレーザに比べて、高温動作時のレーザ素子特性の劣化が大きいという問題は解決されていなかった。
However, when attention is paid to the valence band side in the band structure shown in FIG. 9, the position of the valence band of the AlInAs
本発明は、上述の問題に鑑みなされたものであって、通信ネットワーク内で用いられる光モジュールの光源として、高温動作時にもレーザ特性の劣化が小さい半導体レーザを実現することを主な目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and a main object thereof is to realize a semiconductor laser having a small deterioration in laser characteristics even at high temperature operation as a light source of an optical module used in a communication network. .
本発明は、このような課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、InP基板上に形成された半導体レーザにおいて、活性層と、前記活性層を挟むように構成された2つの光閉じ込め層と、前記2つの光閉じ込め層の少なくとも一方の内部であって、前記活性層の近傍に配置され、III族元素として少なくともInとAlを含み、V族元素として少なくともPとSbを含むIII−V族化合物半導体層とを備えたことを特徴とする半導体レーザである。 In order to solve such a problem, the present invention provides a semiconductor laser formed on an InP substrate, wherein an active layer and two active layers are sandwiched between the active layer and the active layer. An optical confinement layer and at least one of the two optical confinement layers, disposed in the vicinity of the active layer, including at least In and Al as a group III element and at least P and Sb as a group V element A semiconductor laser comprising a group III-V compound semiconductor layer.
請求項2に記載の発明は、請求項1の半導体レーザにおいて、前記III−V族化合物半導体層におけるV族組成に占めるSbの割合が0.5以下であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor laser according to the first aspect, the ratio of Sb in the group V composition in the group III-V compound semiconductor layer is 0.5 or less.
請求項3に記載の発明は、請求項1または2の半導体レーザにおいて、前記III−V族化合物半導体層には、III族元素としてさらにGaを含んでおり、III族元素中に占めるGaの割合が0.3以下であることを特徴とする。
The invention according to
請求項4に記載の発明は、請求項1または2の半導体レーザにおいて、前記III−V族化合物半導体層は、InPに対する格子不整合が−0.3%から+0.3%の範囲に設定されることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor laser of the first or second aspect, the III-V compound semiconductor layer has a lattice mismatch with respect to InP set in a range of -0.3% to + 0.3%. It is characterized by that.
請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4いずれかの半導体レーザにおいて、前記III−V族化合物半導体層は、前記活性層に注入されるキャリアのブロック層として機能することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the semiconductor laser according to the first to fourth aspects, the III-V compound semiconductor layer functions as a block layer for carriers injected into the active layer. .
請求項6に記載の発明は、請求項1乃至5いずれかの半導体レーザにおいて、前記2つの光閉じ込め層の両方に、それぞれIII−V族化合物半導体層を有することを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the semiconductor laser according to any one of the first to fifth aspects, each of the two optical confinement layers has a III-V group compound semiconductor layer.
請求項7に記載の発明は、請求項1乃至5いずれかの半導体レーザにおいて、前記III−V族化合物半導体層は、AlInPSbまたはAlGaInPSbで構成されたことを特徴とする。 A seventh aspect of the present invention is the semiconductor laser according to any one of the first to fifth aspects, wherein the III-V group compound semiconductor layer is made of AlInPSb or AlGaInPSb.
本発明によれば、InP基板上に作製された半導体レーザにおいて、従来技術で用いられてきたAlInAs等を材料にキャリアブロック層を構成した場合と比べて、伝導帯におけるバンド不連続をより大きくすることができる。層構成の設計自由度をより大きくすることができる。また、従来技術では電子に対する十分な障壁となるような層が見出されていなかったInGaAsP系材料からなるMQW活性層を用いたレーザ構造において、良好な電子ブロックを提供することができる。本発明のキャリアブロック層により、高温動作時でもレーザ特性の劣化が小さい半導体レーザを実現する。高温環境下でも発振しきい値電流の上昇や光出力の低下を抑え、温度調節が不要となり光モジュールの消費電力の増加を抑えることができる。 According to the present invention, in the semiconductor laser fabricated on the InP substrate, the band discontinuity in the conduction band is made larger than when the carrier block layer is made of AlInAs or the like used in the prior art. be able to. The degree of freedom in designing the layer structure can be increased. In addition, it is possible to provide a good electron block in a laser structure using an MQW active layer made of an InGaAsP-based material for which a layer that can be a sufficient barrier against electrons has not been found in the prior art. The carrier block layer of the present invention realizes a semiconductor laser with little deterioration in laser characteristics even during high temperature operation. Even in a high temperature environment, an increase in oscillation threshold current and a decrease in optical output can be suppressed, temperature adjustment is not required, and an increase in power consumption of the optical module can be suppressed.
本発明の半導体レーザでは、InP基板上に構成されたレーザにおいて用いられることのなかった材料であるAlInPSbまたはAlGaInPSbが持つ新たな特徴を見出し、この特徴を利用することによって高温動作時におけるレーザ特性の劣化を抑える。AlInPSbまたはAlGaInPSbは、InPへの格子整合する条件付近であっても、その組成を変えるだけで伝導帯の底と価電子帯の頂上のエネルギーを大きく変えることができる特徴を持っている。AlInPSbまたはAlGaInPSbを、電子に対するキャリアブロック層として用い、その組成を活性層に用いる材料や発振波長に合わせて変えることで、従来よりも高温動作時におけるレーザ特性の劣化を抑制できる。 In the semiconductor laser of the present invention, a new characteristic of AlInPSb or AlGaInPSb, which is a material that has not been used in a laser formed on an InP substrate, is found, and by utilizing this characteristic, the laser characteristics at high temperature operation can be improved. Reduce deterioration. AlInPSb or AlGaInPSb has the characteristic that the energy at the bottom of the conduction band and the top of the valence band can be changed greatly only by changing the composition, even in the vicinity of the lattice matching condition with InP. By using AlInPSb or AlGaInPSb as a carrier block layer for electrons and changing its composition in accordance with the material used for the active layer and the oscillation wavelength, it is possible to suppress degradation of laser characteristics during high-temperature operation than before.
以下、従来技術における代表的なキャリアブロック層であるInPに格子整合するAlInAsと対比をしながら、AlInPSbまたはAlGaInPSbの伝導帯の底および価電子帯の頂上のエネルギー的な配置が、Sb組成によってどのように変化するかを説明する。以後の説明では、簡単のため、AlInPSbまたはAlGaInPSbを意味する場合に、Al(Ga)InPSbと表記する。後述する2つの実施例でそれぞれ示すように、2つの材料はキャリアブロック層として同様の作用および効果を示す。 The energy arrangement of the bottom of the conduction band and the top of the valence band of AlInPSb or AlGaInPSb is compared with AlInAs lattice-matched to InP, which is a typical carrier block layer in the prior art, depending on the Sb composition. How it changes. In the following description, for the sake of simplicity, when AlInPSb or AlGaInPSb is meant, it is expressed as Al (Ga) InPSb. As shown in two examples described later, the two materials exhibit the same function and effect as the carrier block layer.
図1は、AlInAsおよびAl(Ga)InPSbを対比して、伝導帯の底および価電子帯の頂上のエネルギー的な位置関係を模式的に示した図である。図1は、仮想的に2つの材料が接合されたときのバンド変化を説明するための図である。図1において、Al(Ga)InPSbのAlInAsに対する伝導帯のエネルギー差であるバンド不連続ΔECは、次式によって表すことができる。
ΔEC=〔Al(Ga)InPSbの価電子帯の頂上のエネルギー+Al(Ga)InPSbのバンドギャップ〕−
〔AlInAsの価電子帯の頂上のエネルギー+AlInAsのバンドギャップ〕
式(1)
FIG. 1 is a diagram schematically showing the energy positional relationship between the bottom of the conduction band and the top of the valence band, comparing AlInAs and Al (Ga) InPSb. FIG. 1 is a diagram for explaining a band change when two materials are virtually joined. In FIG. 1, the band discontinuity ΔE C that is the energy difference of the conduction band of Al (Ga) InPSb with respect to AlInAs can be expressed by the following equation.
ΔE C = [energy at the top of valence band of Al (Ga) InPSb + band gap of Al (Ga) InPSb] −
[AlinAs top energy of valence band + AlInAs band gap]
Formula (1)
また、Al(Ga)InPSbのAlInAsに対する価電子のエネルギー差であるバンド不連続ΔEVについても、次式によって表すことができる。
ΔEV=〔AlInAsの価電子帯の頂上のエネルギー〕−
〔Al(Ga)InPSbの価電子帯の頂上のエネルギー〕 式(2)
As for the Al (Ga) InPSb band discontinuity Delta] E V is the energy difference between the valence for AlInAs of can be expressed by the following equation.
ΔE V = [the energy at the top of the valence band of AlInAs] −
[Energy of the top of valence band of Al (Ga) InPSb] Formula (2)
ここで、電子にとっては、ΔECが正の場合(バンド図で伝導帯よりも上向きにギャップがある)は、Al(Ga)InPSbはAlInAsよりもエネルギー的に高い障壁となることを意味する。また、正孔にとっては、ΔEVが正の場合(バンド図で価電子帯より下向きにギャップがある)は、Al(Ga)InPSbはAlInAsよりもエネルギー的に高い障壁となることを意味する。それぞれの材料の価電子帯の頂上のエネルギー101、102およびバンドギャップ103、104が分かれば、式(1)および式(2)に基づいて、Al(Ga)InPSbのAlInAsに対する伝導帯のバンド不連続(ΔEC)と価電子のバンド不連続(ΔEV)を求めることができる。III−V族化合物半導体の三元混晶や四元混晶に関しては、価電子帯の頂上のエネルギーやバンドギャップは計算によっても見積ること可能で、実験ともよく一致することが知られている(例えば、非特許文献3を参照)。したがって、AlInAs、AlInPSb、GaInPSbに関しては、計算から価電子帯の頂上のエネルギーとバンドギャップを求めることが比較的容易である。まず、本発明の半導体レーザで採用される材料の1つであるAlInPSbについて、式(1)および式(2)に基づいてバンド不連続を求め、キャリアブロック層としての動作を検討する。
Here, for electrons, when ΔE C is positive (a gap is present above the conduction band in the band diagram), it means that Al (Ga) InPSb becomes a barrier higher in energy than AlInAs. Further, for the hole, Delta] E V is (downward there is a gap from the valence band in the band diagram) If positive, Al (Ga) InPSb means that the energetically higher barrier than AlInAs. If the
図2は、InPに格子整合する条件において、AlInAsに対するAlInPSbの伝導帯におけるバンド不連続と価電子帯におけるバンド不連続の変化を示した図である。具体的には、AlInAsおよびAlInPSbを接合したと仮想した場合に、InPに格子整合する条件においてAlInPSbのSb組成を変化させたときに(横軸)、伝導帯におけるバンド不連続(ΔEC)および価電子帯におけるバンド不連続(ΔEV)の計算値を示したものである(縦軸)。 FIG. 2 is a diagram showing changes in the band discontinuity in the conduction band of AlInPSb and the band discontinuity in the valence band with respect to AlInAs under the condition of lattice matching with InP. Specifically, when it is assumed that AlInAs and AlInPSb are joined, when the Sb composition of AlInPSb is changed under the condition of lattice matching with InP (horizontal axis), the band discontinuity (ΔE C ) in the conduction band and The calculated value of the band discontinuity (ΔE V ) in the valence band is shown (vertical axis).
図2では、横軸のSb組成比が0の位置がInPに相当する。この組成では、伝導帯のΔECは負の値となっており、AlInPSbの伝導帯のエネルギー位置は、AlInAsの伝導帯のエネルギー位置よりも低い。しかし、Sb組成を増加させるに従ってAlInPSbの伝導帯のエネルギー位置は高くなっていく。AlInPSbのSb組成が0.3を超えると、ΔECは正の値となり、AlInPSbの伝導帯のエネルギー位置はAlInAsの伝導帯のエネルギー位置よりも高くなる。このとき、AlInPSbは電子に対して、より高い障壁となることが分かる。すなわち、AlInPSbを、AlInAsと比べて電子に対するより高いキャリアブロック層として作用させることができる。 In FIG. 2, the position where the Sb composition ratio on the horizontal axis is 0 corresponds to InP. In this composition, ΔE C of the conduction band is a negative value, and the energy position of the conduction band of AlInPSb is lower than the energy position of the conduction band of AlInAs. However, as the Sb composition increases, the energy position of the conduction band of AlInPSb increases. When the Sb composition of AlInPSb exceeds 0.3, ΔE C becomes a positive value, and the energy position of the conduction band of AlInPSb is higher than the energy position of the conduction band of AlInAs. At this time, it can be seen that AlInPSb becomes a higher barrier against electrons. That is, AlInPSb can act as a higher carrier block layer for electrons compared to AlInAs.
AlInPSbの電子に対するキャリアブロック層としての効果は、計算上はSb組成を0.5よりも増加させることでさらに大きくなるが、AlInPSbの結晶成長を考えた場合、V族組成に占めるSbの割合は少ない方が望ましい。これは、Sbを含む材料の結晶成長では、Sb組成が大きくなるとSbの表面偏析が顕著になり、この表面偏析したSbによる膜質の影響が大きくなるためである。また、一般にSbを含まないIII−V族化合物半導体では、結晶成長時にIII族原料に対するV族原料の供給量比(一般にV/III比と呼ばれる)を1よりも十分大きく取れば比較的安定した条件で結晶成長が可能なことが知られている。しかし、Sb組成の大きな材料ではこのV/III比を1付近にする必要があり、V/III比のわずかな変化が膜質に大きな影響を与える(非特許文献4)。このため、レーザを構成する層の一部だけにSbを含む層が存在する本発明の半導体レーザの場合、AlInPSbおよび後述するAlGaInPSbにおけるSn組成を0.5以下にするのが望ましい。 The effect of AlInPSb as a carrier block layer on electrons is further increased by increasing the Sb composition above 0.5 in the calculation, but when considering the crystal growth of AlInPSb, the proportion of Sb in the V group composition is Less is desirable. This is because in the crystal growth of a material containing Sb, as the Sb composition increases, the surface segregation of Sb becomes remarkable, and the influence of the film quality due to the surface segregated Sb increases. In general, a group III-V compound semiconductor containing no Sb is relatively stable if the ratio of the supply amount of the group V source to the group III source (generally referred to as the V / III ratio) is larger than 1 during crystal growth. It is known that crystal growth is possible under certain conditions. However, for a material having a large Sb composition, the V / III ratio needs to be close to 1, and a slight change in the V / III ratio greatly affects the film quality (Non-Patent Document 4). For this reason, in the case of the semiconductor laser of the present invention in which a layer containing Sb exists only in a part of the layers constituting the laser, it is desirable that the Sn composition in AlInPSb and AlGaInPSb described later be 0.5 or less.
したがって、本発明の半導体レーザにおいて、キャリアブロック層は、2つの光閉じ込め層の少なくとも一方の内部であって、前記活性層の近傍に配置され、III族元素として少なくともInとAlを含み、V族元素として少なくともPとSbを含むIII−V族化合物半導体層であり、このIII−V族化合物半導体層におけるV族組成に占めるSbの割合が0.5以下であることが望ましい。 Therefore, in the semiconductor laser of the present invention, the carrier block layer is disposed in at least one of the two optical confinement layers and in the vicinity of the active layer, and includes at least In and Al as group III elements, and group V It is a group III-V compound semiconductor layer containing at least P and Sb as elements, and the proportion of Sb in the group V composition in the group III-V compound semiconductor layer is desirably 0.5 or less.
図2を再び参照すると、伝導帯におけるバンド不連続とは対照的に、価電子帯におけるバンド不連続(ΔEV)は、AlInPSbのSb組成の変化によらず常に正の値となっている。これは、AlInPSbが、正孔に関して、AlInAsよりも高い障壁となることを意味している。しかし、図2から分かるようにInPに対しては、AlInPSbは正孔に関して障壁とはならない。このため、InP基板上に構成された半導体レーザにAlInPSbキャリアブロック層を用いる場合、キャリアブロック層の上下の層構成を工夫すれば、正孔の注入効率を妨げることにはならない。例えば、図8に示したバンド構成を持つ半導体レーザの構造で、AlInAsキャリアブロック層804の材料をAlInPSbに変えた場合、後述する実施例1で詳細に示すようにAlGaInAs光閉じ込め層やInGaAsP光閉じ込め層の組成を調整すれば、正孔の注入効率の低下を回避できる。
Referring again to FIG. 2, in contrast to the band discontinuity in the conduction band, the band discontinuity (ΔE V ) in the valence band is always a positive value regardless of the change in the Sb composition of AlInPSb. This means that AlInPSb is a higher barrier with respect to holes than AlInAs. However, as can be seen from FIG. 2, for InP, AlInPSb is not a barrier for holes. For this reason, when an AlInPSb carrier block layer is used for a semiconductor laser formed on an InP substrate, the hole injection efficiency is not hindered if the upper and lower layer configurations of the carrier block layer are devised. For example, in the structure of the semiconductor laser having the band configuration shown in FIG. 8, when the material of the AlInAs
以上説明したように、AlInPSbは、InPに格子整合する条件付近にある制約の下でも、そのSb組成を変化させることによって、その伝導帯および価電子帯の位置を比較的自由に変えることができる。したがって、半導体レーザを構成する他の層の組成に応じてキャリアブロック層の設計が可能であって、組成がほぼ固定されていた従来技術のAlInAsを用いたキャリアブロック層に比べて、各層構成の設計自由度を大きくすることができる。 As described above, AlInPSb can change its conduction band and valence band positions relatively freely by changing its Sb composition even under the constraints near the condition of lattice matching with InP. . Therefore, the carrier block layer can be designed according to the composition of the other layers constituting the semiconductor laser, and each layer configuration is compared with the carrier block layer using the AlInAs of the prior art in which the composition is almost fixed. Design flexibility can be increased.
次に、本発明の半導体レーザで採用されるもう一つの材料であるAlInGaPSbについて、キャリアブロック層としての動作を検討する。次に説明するAlGaInPSbでは、AlInPSbに比べて、さらに各層構成の設計自由度を大きくできる。 Next, the operation as a carrier block layer of AlInGaPSb, which is another material employed in the semiconductor laser of the present invention, will be examined. In the AlGaInPSb described below, the degree of design freedom of each layer configuration can be further increased as compared with the AlInPSb.
AlInGaPSbは5つの元素を含む五元混晶のため、前述の式(1)および式(2)に必要な価電子帯の頂上のエネルギーとバンドギャップを求めることは一般に難しい。しかしながら、AlInGaPSbはInPにほぼ格子整合しており、さらにGaに対するAlの組成比が大きい条件で有ればバンドギャップを容易に見積もることができる。この場合、AlGaInPSbの材料パラメータは、InPに格子整合するAlInPSbおよびGaInPSbの混晶として次式によって簡単に求めることができる。
〔AlGaInPSbの材料パラメータ〕= A×〔AlInPSbの材料パラメータ〕
+(1−A)×〔GaInPSbの材料パラメータ〕 式(3)
Since AlInGaPSb is a quaternary mixed crystal containing five elements, it is generally difficult to obtain the energy and band gap of the top of the valence band necessary for the above formulas (1) and (2). However, AlInGaPSb is almost lattice matched to InP, and the band gap can be easily estimated under the condition that the composition ratio of Al to Ga is large. In this case, the material parameter of AlGaInPSb can be easily obtained by the following equation as a mixed crystal of AlInPSb and GaInPSb lattice-matched to InP.
[Material parameters of AlGaInPSb] = A × [Material parameters of AlInPSb]
+ (1-A) × [Material Parameters of GaInPSb] Formula (3)
ここで、Aは五元混晶であるAlGaInPSbに占めるAlInPSbの割合である。式(3)は、AlGaInPSbに占めるAlInPSbの割合がGaInPSbに比べて十分大きい条件であれば、bowing factorの影響が小さいために良い近似を与える。 Here, A is the ratio of AlInPSb to AlGaInPSb which is a ternary mixed crystal. Equation (3) gives a good approximation because the influence of bowing factor is small if the ratio of AlInPSb to AlGaInPSb is sufficiently large compared to GaInPSb.
図3は、InPに格子整合する条件において、AlInAsに対するAlGaInPSbの伝導帯におけるバンド不連続と価電子帯におけるバンド不連続の変化を示した図である。AlInAsおよびAlGaInPSbを接合したと仮想した場合に、InPに格子整合する条件においてAlGaInPSbのSb組成を変化させたときに(横軸)、伝導帯におけるバンド不連続(ΔEC)および価電子帯におけるバンド不連続(ΔEV)の計算値を示したものである(縦軸)。図3の(a)は伝導帯におけるバンド不連続(ΔEC)の計算値を、図3の(b)は価電子帯におけるバンド不連続(ΔEV)の計算値を示している。いずれも、AlGaInPSbに占めるGaInPSbの割合をパラメータとして、0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5の場合について示してある。 FIG. 3 is a diagram showing a change in band discontinuity in the conduction band of AlGaInPSb relative to AlInAs and band discontinuity in the valence band under the condition of lattice matching with InP. When it is assumed that AlInAs and AlGaInPSb are joined, the band discontinuity (ΔE C ) in the conduction band and the band in the valence band when the Sb composition of AlGaInPSb is changed under the condition of lattice matching with InP (horizontal axis). The calculated value of discontinuity (ΔE V ) is shown (vertical axis). FIG. 3A shows the calculated value of the band discontinuity (ΔE C ) in the conduction band, and FIG. 3B shows the calculated value of the band discontinuity (ΔE V ) in the valence band. In any case, the cases of 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, and 0.5 are shown using the ratio of GaInPSb in AlGaInPSb as a parameter.
図3の(a)から、AlGaInPSbに占めるGaInPSbの割合が増えるに従って、伝導帯におけるバンド不連続(ΔEC)は小さくなっており、電子に対する障壁としての効果は小さくなることが分かる。特に、GaInPSbの割合が0.5の場合は、伝導帯におけるバンド不連続の増加が小さい。したがって、電子に対する障壁としての効果を活かすためには、AlGaInPSbに占めるGaInPSbの割合が0.4以下であるキャリアブロック層を用いることが好ましい。 FIG. 3A shows that the band discontinuity (ΔE C ) in the conduction band decreases as the proportion of GaInPSb in AlGaInPSb increases, and the effect as a barrier to electrons decreases. In particular, when the ratio of GaInPSb is 0.5, the increase in band discontinuity in the conduction band is small. Therefore, in order to utilize the effect as a barrier against electrons, it is preferable to use a carrier block layer in which the proportion of GaInPSb in AlGaInPSb is 0.4 or less.
図4は、AlGaInPSbに占めるGaInPSbの割合を0.4で固定した条件下で、AlGaInPSbのSb組成の変化に対するIII族組成の変化を示した図である。横軸はAlGaInPSbのSb組成を示し、縦軸はIII族組成を示す。図4から、Sb組成(横軸)が0.5の時に、AlGaInPSbにおけるGa組成は0.3となっている。したがって、AlGaInPSbキャリアブロック層におけるGa組成は0.3以下であることが望ましい。 FIG. 4 is a diagram showing a change in the group III composition with respect to a change in the Sb composition of AlGaInPSb under the condition that the ratio of GaInPSb to AlGaInPSb is fixed at 0.4. The horizontal axis shows the Sb composition of AlGaInPSb, and the vertical axis shows the group III composition. From FIG. 4, when the Sb composition (horizontal axis) is 0.5, the Ga composition in AlGaInPSb is 0.3. Therefore, the Ga composition in the AlGaInPSb carrier block layer is desirably 0.3 or less.
したがって、本発明の半導体レーザは、活性層と、前記活性層を挟むように構成された2つの光閉じ込め層と、前記2つの光閉じ込め層の少なくとも一方の内部であって、前記活性層の近傍に配置され、III族元素として少なくともInとAlを含み、V族元素として少なくともPとSbを含むIII−V族化合物半導体層とを備え、このIII−V族化合物半導体層には、III族元素としてさらにGaを含んでおり、III族元素中に占めるGaの割合が0.3以下であることを特徴とする。 Therefore, the semiconductor laser of the present invention includes an active layer, two optical confinement layers configured to sandwich the active layer, and at least one of the two optical confinement layers, in the vicinity of the active layer And a group III-V compound semiconductor layer containing at least In and Al as group III elements and at least P and Sb as group V elements. The group III-V compound semiconductor layer includes a group III element Further, Ga is included, and the proportion of Ga in the group III element is 0.3 or less.
再び図3に戻ると、図3の(b)から明らかなように、AlGaInPSbではInPにほぼ格子整合させる条件の制約の下でも、AlGaInPSbのSb組成を変化させることによって(横軸)、価電子帯の頂上の位置を大きく変えることができる。AlGaInPSbに占めるGaInPSbの割合が0.4以下の条件では、AlGaInPSbのAlInAsに対する価電子帯におけるバンド不連続(ΔEV)はほとんどの組成で正となる。このため、AlGaInPSbおよびAlInAsの間では、AlGaInPSbは正孔にとっての障壁となる。しかしながら、AlInAsよりも価電子帯のエネルギー位置が低いInGaAsPなどを光閉じ込め層として用いる場合は、バンド不連続(ΔEV)をほぼ0にすることができる。これを、バンドギャップ波長が1.05μmのInGaAsPを例として用いて説明する。 Returning to FIG. 3 again, as is clear from FIG. 3B, AlGaInPSb can change the Sb composition of AlGaInPSb by changing the Sb composition of AlGaInPSb (horizontal axis) even under the constraint of the lattice matching with InP. The position of the top of the belt can be changed greatly. Under the condition that the ratio of GaInPSb to AlGaInPSb is 0.4 or less, the band discontinuity (ΔE V ) in the valence band of AlGaInPSb with respect to AlInAs is positive in most compositions. For this reason, between AlGaInPSb and AlInAs, AlGaInPSb becomes a barrier for holes. However, when InGaAsP or the like having a lower valence band energy position than AlInAs is used as the optical confinement layer, the band discontinuity (ΔE V ) can be made substantially zero. This will be described using InGaAsP having a band gap wavelength of 1.05 μm as an example.
図5は、InPに格子整合する条件において、InGaAsPに対するAlGaInPSbの伝導帯およびに価電子帯おけるバンド不連続の変化を示す図である。より具体的には、InPに格子整合する条件においてAlGaInPSbに占めるGaInPSbの割合を0.1に固定し、InPに格子整合するバンドギャップ波長が約1.05μmとなるInGaAsP(In0.89Ga0.11As0.24P0.76)に対するAlGaInPSbの、伝導帯におけるバンド不連続(ΔEC)および価電子帯におけるバンド不連続(ΔEV)の変化を求めたものである。ここで、「AlGaInPSbに占めるGaInPSbの割合」は、式(3)の係数(1−A)に対応する。横軸はAlGaInPSbのSb組成であり、縦軸は各バンド不連続(ΔEC、ΔEV)である。 FIG. 5 is a diagram showing a band discontinuity change in the conduction band and the valence band of AlGaInPSb with respect to InGaAsP under the condition of lattice matching with InP. More specifically, the ratio of GaInPSb occupying in AlGaInPSb under the condition of lattice matching with InP is fixed to 0.1, and InGaAsP (In 0.89 Ga 0 where the band gap wavelength for lattice matching with InP is about 1.05 μm. .11 As 0.24 P 0.76 ), the change in band discontinuity (ΔE C ) in the conduction band and band discontinuity (ΔE V ) in the valence band of AlGaInPSb was obtained. Here, “the ratio of GaInPSb to AlGaInPSb” corresponds to the coefficient (1-A) of the equation (3). The horizontal axis is the Sb composition of AlGaInPSb, and the vertical axis is each band discontinuity (ΔE C , ΔE V ).
図5より、Sb組成(横軸)が約0.3の時に、価電子帯におけるバンド不連続はほぼ0となる。これはInGaAsPおよびAlGaInPSbの間で正孔を移動させた際に、正孔に対するエネルギー的な障壁がほぼ存在しないことを意味する。一方、Sb組成が0.3の時の伝導帯におけるバンド不連続は約300 meVである。この値は、InP基板上のレーザの電子に対するブロック層としては、従来技術では得ることが困難だった高い値であって、InGaAsP材料系の活性層およびAlGaInPSbキャリアブロック層の組み合わせによって高温動作時におけるレーザ特性の改善が期待できる。 From FIG. 5, when the Sb composition (horizontal axis) is about 0.3, the band discontinuity in the valence band becomes almost zero. This means that when holes are moved between InGaAsP and AlGaInPSb, there is almost no energy barrier to the holes. On the other hand, the band discontinuity in the conduction band when the Sb composition is 0.3 is about 300 meV. This value is a high value that was difficult to obtain with the prior art as a blocking layer for laser electrons on an InP substrate, and was combined with an active layer of an InGaAsP material system and an AlGaInPSb carrier blocking layer during high-temperature operation. Improvement of laser characteristics can be expected.
前述のように、キャリアブロック層の膜厚は、トンネル効果による電子の通過を抑制するために10 nm以上が必要とされている。一方で、膜厚が逆に大き過ぎると素子抵抗の増大の原因となるため、一般的には50nm以下の膜厚が用いられる。膜厚が10〜50nm程度の場合、InPに対する格子不整合が−0.3%から+0.3%の範囲となるようにすれば、格子不整合に起因した結晶欠陥の発生を避けることもできる。ここで、格子不整合は、(〔キャリアブロック層の格子定数〕―〔InPの格子定数〕)/〔InPの格子定数〕)として定義される。 As described above, the thickness of the carrier block layer is required to be 10 nm or more in order to suppress the passage of electrons due to the tunnel effect. On the other hand, if the film thickness is too large, it causes an increase in element resistance, so that a film thickness of 50 nm or less is generally used. When the film thickness is about 10 to 50 nm, if the lattice mismatch with respect to InP is in the range of -0.3% to + 0.3%, the generation of crystal defects due to the lattice mismatch can be avoided. . Here, the lattice mismatch is defined as ([lattice constant of carrier block layer] − [lattice constant of InP]) / [lattice constant of InP]).
上述の2つの例では、InPに格子整合する条件で、AlInPSbおよびAlGaInPSbをキャリアブロック層に用いる場合でも、InPに対する格子不整合が−0.3%から+0.3%の範囲であれば、キャリアブロック層としては、AlInPSbおよびAlGaInPSbのキャリアブロック層いずれもほぼ同様の効果が得られる。 In the above two examples, even when AlInPSb and AlGaInPSb are used for the carrier block layer under the condition of lattice matching with InP, if the lattice mismatch with respect to InP is in the range of −0.3% to + 0.3%, the carrier As the block layer, AlAlPSb and AlGaInPSb carrier block layers have almost the same effect.
また上述のキャリアブロック層の構成例では、III族元素としてAl、Ga、Inなどを含み、V族元素としてP、Sbなどを含むAlInPSbおよびAlGaInPSbについて説明した。しかし、これらのキャリアブロック層に少量のAsが入ってもキャリアブロック層としても効果は大きくは変化しない。このため、上記のキャリアブロック層の組成は厳密にAlInPSbまたはAlGaInPSbである必要はなく、As組成が少量であれば、AlInAsPSbやAlInGaAsPSbであってもキャリアブロック層としてはほぼ同様の効果が得られる。 In the above-described configuration example of the carrier block layer, AlInPSb and AlGaInPSb containing Al, Ga, In, etc. as Group III elements and P, Sb etc. as Group V elements have been described. However, even if a small amount of As enters these carrier block layers, the effect as a carrier block layer does not change greatly. For this reason, the composition of the carrier block layer does not need to be strictly AlInPSb or AlGaInPSb, and if the As composition is small, even if it is AlInAsPSb or AlInGaAsPSb, almost the same effect can be obtained as the carrier block layer.
次に、本発明の半導体レーザのより具多的な実施例を、図面を参照しながら説明する。 Next, more specific embodiments of the semiconductor laser of the present invention will be described with reference to the drawings.
図6は、本発明の実施例1に係る半導体レーザの層構成を示した図である。本実施例では、AlGaInAs材料を活性層に含む構造に対して、AlInPSbキャリアブロック層を適用する例を説明する。 FIG. 6 is a diagram showing a layer configuration of the semiconductor laser according to Example 1 of the present invention. In this example, an example in which an AlInPSb carrier block layer is applied to a structure including an AlGaInAs material in an active layer will be described.
図6に示した層構造の作製には、III族原料としてトリメチルインジウム(TMIn)、トリエチルガリウム(TEGa)、トリメチルアルミニウム(TMAl)、V族原料ガスとしてホスフィン(PH3)、アルシン(AsH3)、トリメチルアンチモン(TMSb)を用いた有機金属気相エピタキシー法を用いる。本実施例の半導体レーザは、次の工程で作製される。 For the production of the layer structure shown in FIG. 6, trimethylindium (TMIn), triethylgallium (TEGa), trimethylaluminum (TMAl) as group III materials, phosphine (PH 3 ), arsine (AsH 3 ) as group V source gases. An organic metal vapor phase epitaxy method using trimethylantimony (TMSb) is used. The semiconductor laser of this example is manufactured by the following process.
まず、n型InP基板1上に、膜厚0.5μmのn型InPバッファ層2を成長する。引き続き、膜厚0.1μmで、バンドギャップ波長1.1μmのAlGaInAs光閉じ込め層3を成長した後、6層のAlGaInAs井戸層および7層のAlGaInAs障壁層からなる歪多重量子井戸構造4を成長させる。さらに、その上に膜厚0.05μmで、バンドギャップ波長1.1μmのAlGaInAs光閉じ込め層5を成長する。AlGaInAs光閉じ込め層3およびAlGaInAs光閉じ込め層5は同じ組成で構成され、InPにほぼ格子整合しており、具体的な組成はAl0.29Ga0.18In0.53Asである。
First, an n-type
歪多重量子井戸構造4は、発振波長が1.3μmになるように、井戸層および障壁層それぞれの組成ならびに膜厚を調整する。AlGaInAs光閉じ込め層5の上に、電子に対するキャリアブロック層として、膜厚0.02μmのAlInPSb層6を成長させる。キャリアブロック層の上には、さらに、膜厚0.05μmでバンドギャップ波長1.0μmのInGaAsP光閉じ込め層7、膜厚1.8μmのp型InPクラッド層8、および、膜厚0.25μmのp型InGaAsコンタクト層9を順次成長する。
In the strained multiple
AlInPSbキャリアブロック層6およびInGaAsP光閉じ込め層7は、ともにほぼInPに格子整合しており、具体的な組成は、それぞれAl0.51In0.49P0.66Sb0.34およびIn0.93Ga0.07As0.16P0.84である。この2つの材料間での価電子帯におけるバンド不連続はほぼ0であり、伝導帯におけるバンド不連続は、350meV程度である。
The AlInPSb carrier block layer 6 and the InGaAsP
したがって、本発明の半導体レーザは、InP基板上に形成された半導体レーザにおいて、活性層と、前記活性層を挟むように構成された2つの光閉じ込め層と、前記2つの光閉じ込め層の少なくとも一方の内部であって、前記活性層の近傍に配置され、III族元素として少なくともInとAlを含み、V族元素として少なくともPとSbを含むIII−V族化合物半導体層とを備えている。 Therefore, the semiconductor laser of the present invention is a semiconductor laser formed on an InP substrate, and includes at least one of an active layer, two optical confinement layers configured to sandwich the active layer, and the two optical confinement layers. And a group III-V compound semiconductor layer including at least In and Al as group III elements and at least P and Sb as group V elements.
本実施例の半導体レーザの特性を評価するために、上述の本発明の半導体レーザの層構成を持つ〔試験体1〕、および、図6に示した層構造においてAlInPSb層6だけが存在しない層構成を持つ比較用の〔試験体2〕を作製した。 In order to evaluate the characteristics of the semiconductor laser of this example, the layer structure of the semiconductor laser of the present invention described above [Test body 1] and a layer in which only the AlInPSb layer 6 does not exist in the layer structure shown in FIG. A comparative [test body 2] having a configuration was prepared.
半導体レーザの特性は、ファブリペロー型レーザを用いて評価する。ファブリペロー型レーザの具体的な作製方法は、以下の通りである。ウェハ前面にシリコン酸化膜を蒸着した後、ストライプ状に幅40μmの領域のシリコン酸化膜を除去する。p型InGaAs層9が表面に露出したこの領域に、AuZnを蒸着した後、熱処理してp型電極10を形成する。n型電極11は、n型InP基板1を薄く研磨した後、AuGeNiを蒸着し、熱処理して形成する。共振器はへき開により形成し、共振器長は600μmとする。
The characteristics of the semiconductor laser are evaluated using a Fabry-Perot laser. A specific method for manufacturing a Fabry-Perot laser is as follows. After a silicon oxide film is deposited on the front surface of the wafer, the silicon oxide film in a region having a width of 40 μm is removed in a stripe shape. AuZn is vapor-deposited in this region where the p-type InGaAs layer 9 is exposed on the surface, followed by heat treatment to form the p-
2つの試験体について、25℃における発振しきい値電流密度は、AlInPSbキャリアブロック層を備えた〔試験体1〕で1.0 kA/cm2であり、AlInPSbキャリアブロック層を含まない〔試験体2〕で、0.9 kA/cm2であった。AlInPSbキャリアブロック層を含まない方が、発振しきい値電流密度は低かった。しかしながら、65℃における〔試験体1〕および〔試験体2〕のしきい値電流は、ともに1.7kA/cm2となった。さらに65℃よりも高温動作をさせると、AlInPSbキャリアブロック層がある〔試験体1〕の方がしきい値電流密度が低くなった。 For the two test specimens, the oscillation threshold current density at 25 ° C. is 1.0 kA / cm 2 for [Test specimen 1] provided with an AlInPSb carrier block layer, and does not include the AlInPSb carrier block layer [test specimen]. 2], it was 0.9 kA / cm 2 . The oscillation threshold current density was lower when the AlInPSb carrier block layer was not included. However, the threshold currents of [Test body 1] and [Test body 2] at 65 ° C. were both 1.7 kA / cm 2 . Further, when operating at a temperature higher than 65 ° C., the threshold current density was lower in [Test body 1] having the AlInPSb carrier block layer.
半導体レーザにおける温度特性の評価のためには、一般に特性温度と呼ばれるパラメータを用いる。特性温度は、しきい値電流の温度変化を測定することにより、次式から求めることができる。
Jth = J0 exp(T/T0) 式(4)
ここで、Jthは動作温度 T におけるしきい値電流密度、J0は定数、T0が特性温度である。式(4)から、このT0が大きいほど動作温度の上昇に対するしきい値電流密度の増加が小さいことになり、半導体レーザの温度特性が良いことになる。
In order to evaluate temperature characteristics in a semiconductor laser, a parameter generally called characteristic temperature is used. The characteristic temperature can be obtained from the following equation by measuring the temperature change of the threshold current.
J th = J 0 exp (T / T 0) (4)
Here, J th is the threshold current density at the operating temperature T, J 0 is a constant, and T 0 is the characteristic temperature. From equation (4), the larger the T 0, the smaller the increase in threshold current density with respect to the increase in operating temperature, and the better the temperature characteristics of the semiconductor laser.
25℃から65℃までの範囲におけるしきい値電流密度の特性温度は、〔試験体1〕で75K、〔試験体2〕で65Kであった。これは、AlInPSbキャリアブロック層を含む構造〔試験体1〕のレーザが、これを含まない構造〔試験体2〕のレーザに比べて、動作温度を上昇させた場合のしきい値電流の増加が少ないことを意味する。AlInPSbキャリアブロック層を含む構造〔試験体1〕のレーザの最高発振温度は135℃であり、これを含まない構造〔試験体1〕のレーザの最高発振温度125℃に比べて高かった。AlInPSbキャリアブロック層を含むレーザ構造において、最高動作温度および特性温度が高いのは、温度上昇によって活性層から漏れ出してきた電子がAlInPSbキャリアブロック層によりはね返され、再び活性層に注入されることを反映したものである。 The characteristic temperature of the threshold current density in the range from 25 ° C. to 65 ° C. was 75K for [Test body 1] and 65K for [Test body 2]. This is because the threshold current increases when the operating temperature of the laser with the structure [test body 1] including the AlInPSb carrier block layer is increased as compared with the laser with the structure [test body 2] not including this. It means less. The maximum oscillation temperature of the laser of the structure [test body 1] including the AlInPSb carrier block layer was 135 ° C., which was higher than the maximum oscillation temperature of 125 ° C. of the laser of the structure [test body 1] not including this. In a laser structure including an AlInPSb carrier block layer, the maximum operating temperature and characteristic temperature are high because electrons leaked from the active layer due to temperature rise are rebounded by the AlInPSb carrier block layer and injected into the active layer again. It is reflected.
本実施例では、活性層がAlGaInAs/AlGaInAs歪多重量子井戸構造で、この活性層の両側の光閉じ込め層がAlGaInAs層からなり、発振波長が1.3μmとなるレーザの場合を例として説明した。しかしながら、本発明の半導体レーザは、上述の構成に限られるものではなく、様々な変更が可能である。例えば、発振波長を長くするために活性層にInGaAs井戸層を含む構造に変えることができる。また、バンド不連続および光閉じ込め係数の調整のため、活性層の両側のAlGaInAs光閉じ込め層の材料をAlGaInPSbに変更した場合でも、AlInPSbを有効な電子ブロック層として利用できる。本実施例では、AlInPSbキャリアブロック層をアンドープとした場合を示したが、ドーピングを行っても良い。さらに、本実施例では、AlInPSbキャリアブロック層を活性層の片側のみに設置した場合について示したが、活性層の両側に設置しても良い。 In this embodiment, the case where the active layer has an AlGaInAs / AlGaInAs strained multiple quantum well structure, the optical confinement layers on both sides of the active layer are made of AlGaInAs layers, and the laser has an oscillation wavelength of 1.3 μm has been described as an example. However, the semiconductor laser of the present invention is not limited to the above-described configuration, and various modifications can be made. For example, in order to increase the oscillation wavelength, the active layer can be changed to a structure including an InGaAs well layer. Moreover, even when the material of the AlGaInAs light confinement layer on both sides of the active layer is changed to AlGaInPSb for adjusting the band discontinuity and the optical confinement coefficient, AlInPSb can be used as an effective electron blocking layer. In this embodiment, the AlInPSb carrier block layer is undoped, but doping may be performed. Furthermore, in the present embodiment, the case where the AlInPSb carrier block layer is provided only on one side of the active layer is shown, but it may be provided on both sides of the active layer.
また、本実施例では、半導体レーザの作製方法として有機金属気相エピタキシー法を用いた例を説明した。しかしながら、本発明の特徴は、四元または五元のIII−V族半導体混晶が成長できる方法である限り、ガスソース分子線エピタキシー法(有機金属気相エピタキシー法)や分子線エピタキシー法などの他の成長方法を用いて作製する場合にも有効であることは言うまでもない。 In this embodiment, an example in which a metal organic vapor phase epitaxy method is used as a method for manufacturing a semiconductor laser has been described. However, the present invention is characterized by gas source molecular beam epitaxy (organometallic vapor phase epitaxy), molecular beam epitaxy, etc. as long as it can grow a quaternary or quaternary III-V group semiconductor mixed crystal. Needless to say, the present invention is also effective when manufacturing using other growth methods.
図7は、本発明の実施例2に係る半導体レーザの層構成を示した図である。本実施例では、InGaAsP系材料を活性層に含む構造に対して、AlGaInPSbキャリアブロック層を適用する例を説明する。 FIG. 7 is a diagram showing a layer configuration of a semiconductor laser according to Example 2 of the present invention. In this embodiment, an example in which an AlGaInPSb carrier block layer is applied to a structure including an InGaAsP-based material in an active layer will be described.
図7の層構造の作製には、III族原料として金属In、金属Ga、金属Al、V族原料としてホスフィン(PH3)、アルシン(AsH3)、金属Sbを用いたガスソース分子線エピタキシー法を用いる。本実施例の半導体レーザは、次の工程で作製される。 For the production of the layer structure of FIG. 7, a gas source molecular beam epitaxy method using metal In, metal Ga, metal Al as a group III material, phosphine (PH 3 ), arsine (AsH 3 ), and metal Sb as a group V material. Is used. The semiconductor laser of this example is manufactured by the following process.
まず、n型InP基板12上に、膜厚0.5μmのn型InPバッファ層13を成長する。引き続き、膜厚0.1μmで、バンドギャップ波長1.1μmのInGaAsP光閉じ込め層14を成長した後、8層のInAsP井戸層および9層のInGaAsP障壁層からなる歪多重量子井戸構造15を成長させる。歪多重量子井戸構造15は、発振波長が1.3μmになるように井戸層および障壁層それぞれの組成ならびに膜厚を調整する。歪多重量子井戸構造15の上に、膜厚0.1μmで、バンドギャップ波長1.1μmのInGaAsP光閉じ込め層16を、膜厚0.03μmのAlGaInPSbキャリアブロック層17を挟む形で成長する。
First, an n-type
AlGaInPSbキャリアブロック層17およびInGaAsP光閉じ込め層16は、ともにほぼInPに格子整合しており、具体的な組成は、それぞれAl0.36Ga0.09In0.55P0.70Sb0.30およびIn0.86Ga0.14As0.32P0.69である。この2つの材料間での価電子帯におけるバンド不連続はほぼ0であり、伝導帯におけるバンド不連続は300 meV程度である。InGaAsP光閉じ込め層16の上に、膜厚1.8μmのp型InPクラッド層18、膜厚0.25μmのp型InGaAsコンタクト層19を順次成長する。
The AlGaInPSb
本実施例の半導体レーザの特性を評価するために、上述の本発明の半導体レーザの層構成を持つ〔試験体3〕と、図7に示した層構造においてAlGaInPSb層17だけが存在しない層構成を持つ比較用の〔試験体4〕とを作製した。半導体レーザの特性は、ファブリペロー型レーザを用いて評価する。ファブリペロー型レーザの作製方法は、実施例1と同様の方法を用いた。
In order to evaluate the characteristics of the semiconductor laser of this example, the layer structure of the above-described semiconductor laser of the present invention [Test body 3] and the layer structure in which only the
25℃における発振しきい値電流密度は、AlGaInPSbキャリアブロック層を備えた〔試験体3〕で0.9 kA/cm2とであり、AlGaInPSbキャリアブロック層を含まない〔試験体4〕で0.8 kA/cm2であった。AlGaInPSbキャリアブロック層を含まない構成のレーザの方が、発振しきい値電流密度は低かった。しかしながら、65℃における〔試験体3〕および〔試験体4〕のしきい値電流は、それぞれ1.6 kA/cm2および1.7 kA/cm2となった。しきい値電流は、AlGaInPSbキャリアブロック層を含む構成のレーザの方が低くなった。25℃から65℃までの範囲におけるしきい値電流密度の特性温度は、〔試験体3〕で69K、〔試験体4〕で60Kであった。AlGaInPSbキャリアブロック層を備えた構成のレーザとすることにより、動作温度を上昇させた場合にしきい値電流の増加を抑えることができる。 The oscillation threshold current density at 25 ° C. was 0.9 kA / cm 2 in [Test body 3] provided with an AlGaInPSb carrier block layer, and 0. It was 8 kA / cm 2 . The laser having a configuration not including the AlGaInPSb carrier block layer had a lower oscillation threshold current density. However, the threshold currents of [Test body 3] and [Test body 4] at 65 ° C. were 1.6 kA / cm 2 and 1.7 kA / cm 2 , respectively. The threshold current of the laser including the AlGaInPSb carrier block layer was lower. The characteristic temperature of the threshold current density in the range from 25 ° C. to 65 ° C. was 69K for [Test body 3] and 60K for [Test body 4]. By using a laser having an AlGaInPSb carrier block layer, an increase in threshold current can be suppressed when the operating temperature is raised.
また、AlGaInPSbキャリアブロック層を備えた構造のレーザ〔試験体3〕では、最高発振温度は125℃であり、これを含まない構造のレーザ〔試験体1〕の最高発振温度115℃に比べて高かった。 Further, the laser with the structure including the AlGaInPSb carrier block layer [test body 3] has a maximum oscillation temperature of 125 ° C., which is higher than the maximum oscillation temperature of 115 ° C. with a laser having a structure not including this [test body 1]. It was.
以上詳細に説明したように、従来技術では高温動作時にレーザ特性の劣化が問題であったInGaAsP系材料を活性層に用いたレーザ構造であっても、AlGaInPSbキャリアブロック層を用いることによって、この高温動作時の特性劣化を抑制することができる。 As described above in detail, even in a laser structure using an InGaAsP-based material as an active layer, which has been a problem of degradation of laser characteristics during high temperature operation in the prior art, this high temperature can be achieved by using an AlGaInPSb carrier block layer. It is possible to suppress deterioration of characteristics during operation.
本実施例の半導体レーザでも、実施例1で説明したような様々な変形が可能であって、各層の組成やドーピングの有無についての変形が可能である。また、AlGaInPSbキャリアブロック層を活性層の片側のみに設置した場合について示したが、活性層の両側に設置しても良い。さらに、四元または五元のIII−V族半導体混晶が成長できる方法である限り、有機金属気相エピタキシー法や分子線エピタキシー法などの他の成長方法を用いた場合も有効である。 The semiconductor laser of this embodiment can be modified in various ways as described in the first embodiment, and can be modified with respect to the composition of each layer and the presence or absence of doping. Moreover, although the case where the AlGaInPSb carrier block layer is provided only on one side of the active layer is shown, it may be provided on both sides of the active layer. Furthermore, as long as the quaternary or quaternary III-V group semiconductor mixed crystal can be grown, it is also effective when other growth methods such as a metal organic vapor phase epitaxy method or a molecular beam epitaxy method are used.
以上詳細に説明してきたように、InP基板上に作製された本発明の半導体レーザでは、キャリアブロック層の材料としてAlInPSbまたはAlGaInPSbを用いる。これによって、従来技術で用いられてきたAlInAs等を材料にキャリアブロック層を構成した場合と比べて、伝導帯におけるバンド不連続をより大きくすることができる。さらに、層構成の設計自由度をより大きくすることができる。 As described above in detail, in the semiconductor laser of the present invention fabricated on the InP substrate, AlInPSb or AlGaInPSb is used as the material of the carrier block layer. As a result, the band discontinuity in the conduction band can be further increased as compared with the case where the carrier block layer is made of AlInAs or the like used in the prior art. Furthermore, the degree of freedom in designing the layer configuration can be further increased.
また、従来技術では電子に対する十分な障壁となるような層が見出されてなかったInGaAsP系材料からなるMQW活性層を用いたレーザ構造において、良好な電子ブロックを提供することができる。本発明におけるキャリアブロック層により、高温動作時においても電子をより効率良く活性層付近に閉じ込めることができるため、高温動作時でもレーザ特性の劣化が小さい半導体レーザを実現できる。高温環境下でも発振しきい値電流の上昇や光出力の低下を抑えることができる。半導体レーザの温度調節が不要となって、本発明の半導体レーザを光源とする光モジュールの消費電力の増加を抑えることができる。 In addition, it is possible to provide a good electron block in a laser structure using an MQW active layer made of an InGaAsP-based material, for which a layer that can be a sufficient barrier against electrons has not been found in the prior art. The carrier block layer in the present invention can more efficiently confine electrons in the vicinity of the active layer even during high-temperature operation. Therefore, it is possible to realize a semiconductor laser with little deterioration in laser characteristics even during high-temperature operation. Even in a high temperature environment, an increase in oscillation threshold current and a decrease in light output can be suppressed. Temperature adjustment of the semiconductor laser becomes unnecessary, and an increase in power consumption of the optical module using the semiconductor laser of the present invention as a light source can be suppressed.
本発明は、一般的に通信システムに利用することができる。特に、光通信システムの光源として利用できる。 The present invention is generally applicable to communication systems. In particular, it can be used as a light source for an optical communication system.
1、12 n型InP基板
2、13 n型InPバッファ層
3、5、7、14、16、801、803a、803b、901、903a、903b 光閉じ込め層
4、15、802、902 多重量子井戸構造
6、17、804、904 キャリアブロック層
8、18 p型InPクラッド層
9、19 p型InGaAsコンタクト層
10、20 p型電極
11、21 n型電極
101、102 価電子帯の頂上のエネルギー
103、104 バンドギャップ
1, 12 n-
Claims (7)
活性層と、
前記活性層を挟むように構成された2つの光閉じ込め層と、
前記2つの光閉じ込め層の少なくとも一方の内部であって、前記活性層の近傍に配置され、III族元素として少なくともInおよびAlを含み、V族元素として少なくともPおよびSbを含むIII−V族化合物半導体層と
を備えたことを特徴とする半導体レーザ。 In a semiconductor laser formed on an InP substrate,
An active layer,
Two optical confinement layers configured to sandwich the active layer;
A III-V group compound that is disposed in the vicinity of the active layer in at least one of the two optical confinement layers and includes at least In and Al as group III elements and at least P and Sb as group V elements A semiconductor laser comprising: a semiconductor layer.
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