JPH04305992A - 半導体レーザ素子 - Google Patents
半導体レーザ素子Info
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-
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
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- H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
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- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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-
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信の光源に用いら
れる半導体レーザ素子に関し、特に、温度特性に優れ、
閾値電流を低下させることのできる半導体レーザ素子に
関する。
れる半導体レーザ素子に関し、特に、温度特性に優れ、
閾値電流を低下させることのできる半導体レーザ素子に
関する。
【0002】
【従来の技術】周知のとおり、半導体レーザ素子には、
短波長帯(λ=0.78〜0.89μm)のものと、長
波長帯(λ=1.2〜1.6μm)のものとがあるが、
主として光通信に用いられる長波長帯のものは、短波長
帯のものに比較して温度特性が劣り、これが半導体レー
ザ素子の発振閾電流を増大させる一因になっている。
短波長帯(λ=0.78〜0.89μm)のものと、長
波長帯(λ=1.2〜1.6μm)のものとがあるが、
主として光通信に用いられる長波長帯のものは、短波長
帯のものに比較して温度特性が劣り、これが半導体レー
ザ素子の発振閾電流を増大させる一因になっている。
【0003】レーザの発振閾電流について、その閾値電
流Ithを温度Tの関数とし、特性温度(温度依存性の
目安)をT0 とすると、下記(1)式のようにあらわ
される。 Ith=Ith0 ・ exp (T/T0 )‥‥‥
‥(1)
流Ithを温度Tの関数とし、特性温度(温度依存性の
目安)をT0 とすると、下記(1)式のようにあらわ
される。 Ith=Ith0 ・ exp (T/T0 )‥‥‥
‥(1)
【0004】上記(1)式から理解できるよう
に、半導体レーザ素子として特性温度T0 の高いもの
は、温度特性が安定するので優れているといえる。ちな
みに、AlGaAs(3元混晶)系の短波長帯半導体レ
ーザ素子の場合、T0 >150Kである。これに対し
、InGaAsP(4元混晶)系の長波長帯半導体レー
ザ素子は、約10℃以下においてT0 =130〜14
0Kとほぼ良好であるが、10℃以上においてT0 =
60〜80Kと低下する。さらに、量子井戸構造の活性
層をもつ長波長帯半導体レーザ素子の場合、30℃以下
でT0 =〜150Kとなるが、30℃以上ではT0
=〜60Kと低い。
に、半導体レーザ素子として特性温度T0 の高いもの
は、温度特性が安定するので優れているといえる。ちな
みに、AlGaAs(3元混晶)系の短波長帯半導体レ
ーザ素子の場合、T0 >150Kである。これに対し
、InGaAsP(4元混晶)系の長波長帯半導体レー
ザ素子は、約10℃以下においてT0 =130〜14
0Kとほぼ良好であるが、10℃以上においてT0 =
60〜80Kと低下する。さらに、量子井戸構造の活性
層をもつ長波長帯半導体レーザ素子の場合、30℃以下
でT0 =〜150Kとなるが、30℃以上ではT0
=〜60Kと低い。
【0005】長波長帯半導体レーザ素子において特性温
度が低くなる理由は、活性層のヘテロ障壁からキャリア
がオーバフローし、リークするためと考えられている。
度が低くなる理由は、活性層のヘテロ障壁からキャリア
がオーバフローし、リークするためと考えられている。
【0006】このようなキャリア損失を防ぐために、「
ダブル・キャリア・コンファイメント(DCC)ヘテロ
接合」が提案されており、これに関して、下記の文献1
がみられる。 文献1:IEEE J.Quantum Electr
on., vol.QE−19, pp. 1319−
1327
ダブル・キャリア・コンファイメント(DCC)ヘテロ
接合」が提案されており、これに関して、下記の文献1
がみられる。 文献1:IEEE J.Quantum Electr
on., vol.QE−19, pp. 1319−
1327
【0007】上記の文献1で代表されるDCC構造につ
いて、図5を参照して説明する。図6に示すDCC構造
の場合、n−InP基板1上に、n−InPクラッド層
2、InGaAsP第1活性層3、p−InP中間クラ
ッド層4、p−InGaAsP第2活性層5、p−In
Pクラッド層6、p−InGaAsPコンタクト層7、
n−InPブロック層8、p−電極9が順次積層された
ものである。かかるDCC構造をもつ長波長帯半導体レ
ーザ素子は、図7を参照して明らかなように、特性温度
T0 =80℃付近まで130〜210Kであるので、
通常のDH構造よりも温度特性が著しく改善されている
。 その改善の理由は、以下のように考えられる。すなわち
、長波長帯半導体レーザ素子において、InGaAsP
/InP系の材料は、GaAs/GaAlAs系の材料
と比較し、オージェ電子による高エネルギ電子の発生が
大きく、そのため、前述したように、高いエネルギを有
する電子がp側クラッドのバリアからオーバフローかつ
リークし、これが原因で温度特性が低下するが、これに
対するDCC構造の場合は、上記のオーバフローした電
子を第2活性層で再度トラップし、これを発振に寄与さ
せることができるので、温度特性が改善される。
いて、図5を参照して説明する。図6に示すDCC構造
の場合、n−InP基板1上に、n−InPクラッド層
2、InGaAsP第1活性層3、p−InP中間クラ
ッド層4、p−InGaAsP第2活性層5、p−In
Pクラッド層6、p−InGaAsPコンタクト層7、
n−InPブロック層8、p−電極9が順次積層された
ものである。かかるDCC構造をもつ長波長帯半導体レ
ーザ素子は、図7を参照して明らかなように、特性温度
T0 =80℃付近まで130〜210Kであるので、
通常のDH構造よりも温度特性が著しく改善されている
。 その改善の理由は、以下のように考えられる。すなわち
、長波長帯半導体レーザ素子において、InGaAsP
/InP系の材料は、GaAs/GaAlAs系の材料
と比較し、オージェ電子による高エネルギ電子の発生が
大きく、そのため、前述したように、高いエネルギを有
する電子がp側クラッドのバリアからオーバフローかつ
リークし、これが原因で温度特性が低下するが、これに
対するDCC構造の場合は、上記のオーバフローした電
子を第2活性層で再度トラップし、これを発振に寄与さ
せることができるので、温度特性が改善される。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来のDCC
構造は、温度特性について改善がみられたものの、閾値
電流密度が高くなる不具合がある。このような不具合の
生じる理由は、注入電流が比較的低い状態のとき、第2
活性層へのキャリア注入が少なく、この状態の第2活性
層が第1活性層の光に対して吸収層となるからであり、
これが原因で全体としての光の吸収が大きくなり、閾値
電流密度が高くなると考えられる。
構造は、温度特性について改善がみられたものの、閾値
電流密度が高くなる不具合がある。このような不具合の
生じる理由は、注入電流が比較的低い状態のとき、第2
活性層へのキャリア注入が少なく、この状態の第2活性
層が第1活性層の光に対して吸収層となるからであり、
これが原因で全体としての光の吸収が大きくなり、閾値
電流密度が高くなると考えられる。
【0009】本発明はかかる技術的課題に鑑み、温度特
性のみならず、閾値電流を低下させる観点からも改善さ
れた半導体レーザ素子を提供しようとするものである。
性のみならず、閾値電流を低下させる観点からも改善さ
れた半導体レーザ素子を提供しようとするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は所期の目的を達
成するため、pnダブルヘテロ接合半導体レーザ素子に
おいて、基板上に形成された主たる発振を与える第1活
性層と、第1活性層に隣接する第2活性層とのうち、少
なくともその一方が量子井戸構造からなり、第1活性層
と第2活性層との間には、該各活性層相互の閉じ込め電
子の波動関数が互いに重なるのを防止するための中間ク
ラッド層が介在されており、第1活性層下と第2活性層
上との少なくとも一方には、当該活性層から遠ざかるに
したがい屈折率の小さくなる屈折率分布領域が設けられ
ていることを特徴とする。
成するため、pnダブルヘテロ接合半導体レーザ素子に
おいて、基板上に形成された主たる発振を与える第1活
性層と、第1活性層に隣接する第2活性層とのうち、少
なくともその一方が量子井戸構造からなり、第1活性層
と第2活性層との間には、該各活性層相互の閉じ込め電
子の波動関数が互いに重なるのを防止するための中間ク
ラッド層が介在されており、第1活性層下と第2活性層
上との少なくとも一方には、当該活性層から遠ざかるに
したがい屈折率の小さくなる屈折率分布領域が設けられ
ていることを特徴とする。
【0011】
【作用】本発明に係る半導体レーザ素子は、DCC構造
を有するので、既述のとおり、温度特性がよい。本発明
に係る半導体レーザ素子の場合、第1活性層、第2活性
層の少なくとも一方が量子井戸構造からなる。この量子
井戸構造によるとき、低い閾値電流が得られ、その発振
波長における吸収が、バルクの吸収よりもきわめて小さ
い。したがって、量子井戸構造からなる第1活性層は半
導体レーザ素子の閾値電流密度を低下させ、また、量子
井戸構造からなる第2活性層は第1活性層からの光の吸
収を小さくし、当該吸収損失に起因した閾値電流密度の
増大を防止する。さらに、本発明に係る半導体レーザ素
子の場合、第1活性層、第2活性層の上下に、これら活
性層から遠ざかるにしたがい屈折率の小さくなる屈折率
分布領域すなわちGRIN−SCH構造(Graded
Index Separate Confineme
nt Hetro St−ructuer)が設けられ
ている。このGRIN−SCH構造によると、光電界は
、活性層である量子井戸構造に有効に閉じ込められ、そ
の光閉じ込め率が、活性層の厚さの2乗でなく1乗に比
例するので、たとえば、単一量子井戸構造のように活性
層が薄い場合でも、閾値電流密度の増大を防ぐことがで
きる。
を有するので、既述のとおり、温度特性がよい。本発明
に係る半導体レーザ素子の場合、第1活性層、第2活性
層の少なくとも一方が量子井戸構造からなる。この量子
井戸構造によるとき、低い閾値電流が得られ、その発振
波長における吸収が、バルクの吸収よりもきわめて小さ
い。したがって、量子井戸構造からなる第1活性層は半
導体レーザ素子の閾値電流密度を低下させ、また、量子
井戸構造からなる第2活性層は第1活性層からの光の吸
収を小さくし、当該吸収損失に起因した閾値電流密度の
増大を防止する。さらに、本発明に係る半導体レーザ素
子の場合、第1活性層、第2活性層の上下に、これら活
性層から遠ざかるにしたがい屈折率の小さくなる屈折率
分布領域すなわちGRIN−SCH構造(Graded
Index Separate Confineme
nt Hetro St−ructuer)が設けられ
ている。このGRIN−SCH構造によると、光電界は
、活性層である量子井戸構造に有効に閉じ込められ、そ
の光閉じ込め率が、活性層の厚さの2乗でなく1乗に比
例するので、たとえば、単一量子井戸構造のように活性
層が薄い場合でも、閾値電流密度の増大を防ぐことがで
きる。
【0012】
【実施例】本発明に係る半導体レーザ素子を図1、2に
示す実施例に基づいて説明する。図1において、n−I
nP基板10上には、n−InPバッファ層20、活性
層領域30、p−InPクラッド層40、p−InP埋
め込み層50、n−InP埋め込み層60、p−InP
クラッド層70、p−InGaAsPコンタクト層80
がそれぞれ設けられている。上記における活性層領域3
0は、図2に示す膜厚と波長組成(λ)との関係から明
らかなように、量子井戸構造からなるアンドープ第1活
性層31およびp−第2活性層32と、p−InP中間
クラッド層33と、p−GRIN−SCH構造層34お
よびn−GRIN−SCH構造層35とで構成されてい
る。これらの相対関係では、上下に隣接する第1活性層
31と第2活性層32との間に中間クラッド層33が介
在され、第1活性層31の下に一方のGRIN−SCH
構造層34が設けられ、第2活性層32の上に他方のG
RIN−SCH構造層35が設けられている。
示す実施例に基づいて説明する。図1において、n−I
nP基板10上には、n−InPバッファ層20、活性
層領域30、p−InPクラッド層40、p−InP埋
め込み層50、n−InP埋め込み層60、p−InP
クラッド層70、p−InGaAsPコンタクト層80
がそれぞれ設けられている。上記における活性層領域3
0は、図2に示す膜厚と波長組成(λ)との関係から明
らかなように、量子井戸構造からなるアンドープ第1活
性層31およびp−第2活性層32と、p−InP中間
クラッド層33と、p−GRIN−SCH構造層34お
よびn−GRIN−SCH構造層35とで構成されてい
る。これらの相対関係では、上下に隣接する第1活性層
31と第2活性層32との間に中間クラッド層33が介
在され、第1活性層31の下に一方のGRIN−SCH
構造層34が設けられ、第2活性層32の上に他方のG
RIN−SCH構造層35が設けられている。
【0013】上述した各層は、たとえば、気相成長法を
主体にしてn−InP基板10上に形成されるが、その
具体的一例として、薄膜の厚さ、組成などの制御性に優
れるMOCVD法のごとき気相法を採用する場合、以下
のようになる。
主体にしてn−InP基板10上に形成されるが、その
具体的一例として、薄膜の厚さ、組成などの制御性に優
れるMOCVD法のごとき気相法を採用する場合、以下
のようになる。
【0014】はじめ、キャリア濃度1×1018cm−
3、厚さ2μmのn−InPバッファ層20がn−In
P基板10の上に積層される。
3、厚さ2μmのn−InPバッファ層20がn−In
P基板10の上に積層される。
【0015】つぎに、第1活性層31から遠ざかるにし
たがい屈折率の小さくなるn−GRIN−SCH構造層
34として、λ(波長組成)=0.95μmの薄膜34
a、λ(波長組成)=1.05μmの薄膜34b、λ(
波長組成)=1.0μmの薄膜34c、λ(波長組成)
=1.1μmの薄膜35dが、それぞれ、キャリア濃度
=1×1017cm−3、厚さ=30nmでn−InP
バッファ層20の上に積層される。n−GRIN−SC
H構造層34は、擬似的に放物線状を呈するように、た
とえば、InGaAsP薄膜34a、34b、34c、
34dにより形成される。この場合、各薄膜34a、3
4b、34c、34d相互のInGaAsP組成を連続
的に変化させれば、より望ましいn−GRIN−SCH
構造層34が得られる。
たがい屈折率の小さくなるn−GRIN−SCH構造層
34として、λ(波長組成)=0.95μmの薄膜34
a、λ(波長組成)=1.05μmの薄膜34b、λ(
波長組成)=1.0μmの薄膜34c、λ(波長組成)
=1.1μmの薄膜35dが、それぞれ、キャリア濃度
=1×1017cm−3、厚さ=30nmでn−InP
バッファ層20の上に積層される。n−GRIN−SC
H構造層34は、擬似的に放物線状を呈するように、た
とえば、InGaAsP薄膜34a、34b、34c、
34dにより形成される。この場合、各薄膜34a、3
4b、34c、34d相互のInGaAsP組成を連続
的に変化させれば、より望ましいn−GRIN−SCH
構造層34が得られる。
【0016】その後、λ(波長組成)=1.32μm、
厚さ=13nmの井戸膜31aと、λ(波長組成)=1
.1μm、厚さ=15nmのバリア膜31bとで構成さ
れる量子井戸構造のアンドープ第1活性層31が、3周
期分、n−GRIN−SCH構造層34の上に積層され
る。
厚さ=13nmの井戸膜31aと、λ(波長組成)=1
.1μm、厚さ=15nmのバリア膜31bとで構成さ
れる量子井戸構造のアンドープ第1活性層31が、3周
期分、n−GRIN−SCH構造層34の上に積層され
る。
【0017】しかる後、λ(波長組成)=1.1μm、
キャリア濃度=5×1017cm−3、厚さ=50nm
のp−InP中間クラッド層33が、第1活性層31の
上に積層される。この場合の中間クラッド層33は、第
1活性層31、第2活性層32相互の電子の波動関数が
重なるのを防止するために、上記例示のごとく、50n
m程度の厚さに設定されており、かつ、正孔を第1活性
層31に十分供給するために、上記例示のごとく、In
PがZnドープされたものとなっている。
キャリア濃度=5×1017cm−3、厚さ=50nm
のp−InP中間クラッド層33が、第1活性層31の
上に積層される。この場合の中間クラッド層33は、第
1活性層31、第2活性層32相互の電子の波動関数が
重なるのを防止するために、上記例示のごとく、50n
m程度の厚さに設定されており、かつ、正孔を第1活性
層31に十分供給するために、上記例示のごとく、In
PがZnドープされたものとなっている。
【0018】続いて、λ(波長組成)=1.32μm、
厚さ=15nmの井戸膜32aと、λ(波長組成)=1
.1μm、厚さ=15nmのバリア膜32bとで構成さ
れる量子井戸構造のp−第2活性層32が、前記と同じ
く3周期分、p−InP中間クラッド層33の上に積層
される。p−第2活性層32の井戸幅は、前記第1活性
層31の井戸幅よりも狭く形成されることで短波長化さ
れている。したがって、第2活性層32は、第1活性層
31の光に対して吸収層となることがない。
厚さ=15nmの井戸膜32aと、λ(波長組成)=1
.1μm、厚さ=15nmのバリア膜32bとで構成さ
れる量子井戸構造のp−第2活性層32が、前記と同じ
く3周期分、p−InP中間クラッド層33の上に積層
される。p−第2活性層32の井戸幅は、前記第1活性
層31の井戸幅よりも狭く形成されることで短波長化さ
れている。したがって、第2活性層32は、第1活性層
31の光に対して吸収層となることがない。
【0019】引き続き、第2活性層32から遠ざかるに
したがい屈折率の小さくなるn−GRIN−SCH構造
層35として、λ(波長組成)=1.1μmの薄膜35
a、λ(波長組成)=1.0μmの薄膜35b、λ(波
長組成)=1.0μmの薄膜34c、λ(波長組成)=
0.95μmの薄膜34dが、それぞれ、キャリア濃度
=1×1017cm−3、厚さ=30nmで第1活性層
31の上に積層される。さらに、n−GRIN−SCH
構造層35の上に、p−InPクラッド層40が、厚さ
0.5μmで積層される。
したがい屈折率の小さくなるn−GRIN−SCH構造
層35として、λ(波長組成)=1.1μmの薄膜35
a、λ(波長組成)=1.0μmの薄膜35b、λ(波
長組成)=1.0μmの薄膜34c、λ(波長組成)=
0.95μmの薄膜34dが、それぞれ、キャリア濃度
=1×1017cm−3、厚さ=30nmで第1活性層
31の上に積層される。さらに、n−GRIN−SCH
構造層35の上に、p−InPクラッド層40が、厚さ
0.5μmで積層される。
【0020】n−InP基板10上に上記各層が形成さ
れた後は、これらエピタキシャルウエハの上に、「01
1」方向に沿う幅2μmのSiO2 ストライプがマス
クとして形成され、かつ、n−GRIN−SCH構造層
34からn−InPバッファ層20の一部までが、マス
ク部分を除いてウエットエッチングされる。すなわち、
n−InP基板10上にメサが形成される。
れた後は、これらエピタキシャルウエハの上に、「01
1」方向に沿う幅2μmのSiO2 ストライプがマス
クとして形成され、かつ、n−GRIN−SCH構造層
34からn−InPバッファ層20の一部までが、マス
ク部分を除いてウエットエッチングされる。すなわち、
n−InP基板10上にメサが形成される。
【0021】ついで、バッファ層20上における活性層
領域30の両側に、p−InP埋め込み層50、n−I
nP埋め込み層60が順次積層される。
領域30の両側に、p−InP埋め込み層50、n−I
nP埋め込み層60が順次積層される。
【0022】その後、前記SiO2 マスクが除去され
るとともに、マスク除去後のエピタキシャルウエハ上面
には、キャリア濃度=8×1017cm−3、厚さ=2
μmのp−InPクラッド層70、キャリア濃度=1×
1018cm−3、厚さ=0.5μmのp−InGaA
sPコンタクト層80が順次積層される。
るとともに、マスク除去後のエピタキシャルウエハ上面
には、キャリア濃度=8×1017cm−3、厚さ=2
μmのp−InPクラッド層70、キャリア濃度=1×
1018cm−3、厚さ=0.5μmのp−InGaA
sPコンタクト層80が順次積層される。
【0023】以下は、n−InP基板10の裏面側がラ
ッピングされて、基板厚さが100〜150μmに仕上
げられ、その基板裏面にはn電極(図示せず)が、前記
エピタキシャルウエハ上面(コンタクト層80側)には
、p電極(図示せず)がそれぞれ設けられる。
ッピングされて、基板厚さが100〜150μmに仕上
げられ、その基板裏面にはn電極(図示せず)が、前記
エピタキシャルウエハ上面(コンタクト層80側)には
、p電極(図示せず)がそれぞれ設けられる。
【0024】上記における第1活性層31、第2活性層
32は、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造のいずれ
でもよい。上記以外の実施態様として、第1活性層31
、第2活性層32は、その一方のみが量子井戸構造なる
ことがあり、この場合、量子井戸構造からなる一方の活
性層側に、これから遠ざかるにしたがい屈折率の小さく
なる屈折率分布領域(n−GRIN−SCH構造)が設
けられる。
32は、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造のいずれ
でもよい。上記以外の実施態様として、第1活性層31
、第2活性層32は、その一方のみが量子井戸構造なる
ことがあり、この場合、量子井戸構造からなる一方の活
性層側に、これから遠ざかるにしたがい屈折率の小さく
なる屈折率分布領域(n−GRIN−SCH構造)が設
けられる。
【0025】図1に例示した半導体レーザ素子において
、p電極、n電極間に電流を注入すると、活性層領域3
0が発光するとともに、その発光状態が活性層領域30
内で反射かつ増幅されてレーザ作用が起こり、活性層領
域30から所定の方向に光が誘導放出される。
、p電極、n電極間に電流を注入すると、活性層領域3
0が発光するとともに、その発光状態が活性層領域30
内で反射かつ増幅されてレーザ作用が起こり、活性層領
域30から所定の方向に光が誘導放出される。
【0026】この際のレーザ発振では、前述したとおり
、第1活性層31、第2活性層32が量子井戸構造から
なるので、閾値電流密度が低く、第2活性層32による
レーザ光の吸収も小さく、閾値電流密度の増大がGRI
N−SCH構造層34、35により防止される。
、第1活性層31、第2活性層32が量子井戸構造から
なるので、閾値電流密度が低く、第2活性層32による
レーザ光の吸収も小さく、閾値電流密度の増大がGRI
N−SCH構造層34、35により防止される。
【0027】これらGRIN−SCH構造層34、35
の有効性は、以下に述べるとおりである。レーザ発振の
閾値について、Γを活性層の量子井戸構造の光閉じ込め
率、gを利得とした場合、モード利得Γgthは、下記
(2)式のごとく、全損失と釣り合う。 Γgth=α+〔(1/L)ln
(1/R)〕‥‥‥‥(2)α:導波路の損失 (1/L)ln(1/R):共振器鏡による反射損失を
あらわす項 L:共振器長 R:反射率
の有効性は、以下に述べるとおりである。レーザ発振の
閾値について、Γを活性層の量子井戸構造の光閉じ込め
率、gを利得とした場合、モード利得Γgthは、下記
(2)式のごとく、全損失と釣り合う。 Γgth=α+〔(1/L)ln
(1/R)〕‥‥‥‥(2)α:導波路の損失 (1/L)ln(1/R):共振器鏡による反射損失を
あらわす項 L:共振器長 R:反射率
【0028】利得gは、注入電流密度Jにより、下記(
3)式のようにあらわされる。 g=β〔(η/d)J−J0 〕‥‥‥‥(3)β:利
得定数 η:内部発光効率 d:活性層の厚さ J0 :η=1、d=1μmのとき、反転分布を形成す
るための電流密度
3)式のようにあらわされる。 g=β〔(η/d)J−J0 〕‥‥‥‥(3)β:利
得定数 η:内部発光効率 d:活性層の厚さ J0 :η=1、d=1μmのとき、反転分布を形成す
るための電流密度
【0029】これら(2)(3)式から明らかなように
、J=Jthであれば、g=gthである。したがって
、Jthは下記(4)式のようになる。 Jth=(J0 d/η)+(d/ηβΓ)α
+ (d/ηβΓ)〔(1/L)l
n(1/R)〕‥‥‥‥(4)
、J=Jthであれば、g=gthである。したがって
、Jthは下記(4)式のようになる。 Jth=(J0 d/η)+(d/ηβΓ)α
+ (d/ηβΓ)〔(1/L)l
n(1/R)〕‥‥‥‥(4)
【0030】上述した(
4)式において、右辺の3つの項を、下記の真性項、吸
収項、反射損失項とし、これら各項の活性層の依存性を
示すと、図3(下記の文献2参照)のようになる。 I=J0 d/η‥‥真性項 A=(d/ηβΓ)α‥‥吸収項 M=(d/ηβΓ)〔(1/L)ln(1/R)〕‥‥
反射項 文献2:Appl.Phys.Lett., Vol
40, No3, pp. 217−219 (198
2)
4)式において、右辺の3つの項を、下記の真性項、吸
収項、反射損失項とし、これら各項の活性層の依存性を
示すと、図3(下記の文献2参照)のようになる。 I=J0 d/η‥‥真性項 A=(d/ηβΓ)α‥‥吸収項 M=(d/ηβΓ)〔(1/L)ln(1/R)〕‥‥
反射項 文献2:Appl.Phys.Lett., Vol
40, No3, pp. 217−219 (198
2)
【0031】図3の実線で示す通常のDH構造のものは
、Γがdの2乗に比例するために、d<0.07μmに
おいて、吸収項A、反射損失項Mが真性項Iよりも大き
くなり、Jthが急激に上昇する。これに対し、図3の
点線で示すGRIN−SCH構造のものは、Γそのもの
の値が大きく、かつ、(Γ/d)が一定で、吸収項A、
反射損失項Mの値が小さくなるから、dが減少しても、
Jthは上昇することなく一定の値をとる。その上、量
子井戸構造をもつレーザ素子では、二次元性に基づく階
段状の状態密度を反映して利得定数βが大きくなるので
、吸収項A、反射損失項Mの値はさらに小さくなる。こ
のようにして、GRIN−SCH構造を量子井戸構造と
組み合わせることにより、低損失、低閾値電流発振の半
導体レーザ素子が、特に、InGaAsPを用いた1.
3μm帯のGRIN−SCH−MQWレーザ素子が得ら
れる。
、Γがdの2乗に比例するために、d<0.07μmに
おいて、吸収項A、反射損失項Mが真性項Iよりも大き
くなり、Jthが急激に上昇する。これに対し、図3の
点線で示すGRIN−SCH構造のものは、Γそのもの
の値が大きく、かつ、(Γ/d)が一定で、吸収項A、
反射損失項Mの値が小さくなるから、dが減少しても、
Jthは上昇することなく一定の値をとる。その上、量
子井戸構造をもつレーザ素子では、二次元性に基づく階
段状の状態密度を反映して利得定数βが大きくなるので
、吸収項A、反射損失項Mの値はさらに小さくなる。こ
のようにして、GRIN−SCH構造を量子井戸構造と
組み合わせることにより、低損失、低閾値電流発振の半
導体レーザ素子が、特に、InGaAsPを用いた1.
3μm帯のGRIN−SCH−MQWレーザ素子が得ら
れる。
【0032】下記の文献3によると、このGRIN−S
CH−MQWレーザ素子では、導波路の損失α=5cm
−1が得られている。 文献3:J.J.A.P. Vol28., No.4
, pp. 661−663 (1989)上記の値は
、通常のバルクDHと比べ、これの1/3である。GR
IN−SCH−MQWレーザ素子の反射損失Mも、これ
の劈開面を高反射率化することにより、さらに小さくす
ることができ、したがって、当該素子について、より低
閾値電流化をはかることができる。
CH−MQWレーザ素子では、導波路の損失α=5cm
−1が得られている。 文献3:J.J.A.P. Vol28., No.4
, pp. 661−663 (1989)上記の値は
、通常のバルクDHと比べ、これの1/3である。GR
IN−SCH−MQWレーザ素子の反射損失Mも、これ
の劈開面を高反射率化することにより、さらに小さくす
ることができ、したがって、当該素子について、より低
閾値電流化をはかることができる。
【0033】この他、前出の文献3には、GRIN−S
CH−MQW−DHレーザ素子により、縦シングルモー
ド発振が広い温度範囲で観察されているとあり、DCC
構造に関する下記の文献4には、第1活性層と第2活性
層との幅が異なるBC型レーザ素子において、同様の縦
シングルモード発振が得られると報告されている。 文献4:Appl.Phys.Lett., Vol
42, No12, 15 (1982)
CH−MQW−DHレーザ素子により、縦シングルモー
ド発振が広い温度範囲で観察されているとあり、DCC
構造に関する下記の文献4には、第1活性層と第2活性
層との幅が異なるBC型レーザ素子において、同様の縦
シングルモード発振が得られると報告されている。 文献4:Appl.Phys.Lett., Vol
42, No12, 15 (1982)
【0034】
これらの報告からして、本発明のMQW−DCCレーザ
素子では、より良好な縦シングルモード発振を得ること
も期待できる。
これらの報告からして、本発明のMQW−DCCレーザ
素子では、より良好な縦シングルモード発振を得ること
も期待できる。
【0035】図4は、本発明に係る半導体レーザ素子、
従来のバルクDCCレーザ素子に関する光出力−電流特
性を示し、図5は、本発明に係る半導体レーザ素子の閾
値電流−外部微分量子効率(片面)の温度依存特性を示
したものである。なお、図5の場合、閾値の変化は20
℃における閾値電流Ith0 との比であらわされてい
る。 本発明に係る半導体レーザ素子は、図4を参照して明ら
かなように、従来のバルクDCCレーザ素子と比べ、閾
値電流がこれの1/2の15mA程度となっている。さ
らに、本発明に係る半導体レーザ素子の場合、図5を参
照して明らかなように、特性温度T0 が180Kであ
る。この値は、バルクDCCと同程度であり、かつ、通
常のバルクDHよりも良好である。その他、本発明に係
る半導体レーザ素子は、光閉じ込め率に関しても、バル
クDCCと同様に高温での低下が小さく、特に、量子井
戸構造とGRIN−SCH構造とを併有していることに
より、光閉じ込め率がより高くなっている。
従来のバルクDCCレーザ素子に関する光出力−電流特
性を示し、図5は、本発明に係る半導体レーザ素子の閾
値電流−外部微分量子効率(片面)の温度依存特性を示
したものである。なお、図5の場合、閾値の変化は20
℃における閾値電流Ith0 との比であらわされてい
る。 本発明に係る半導体レーザ素子は、図4を参照して明ら
かなように、従来のバルクDCCレーザ素子と比べ、閾
値電流がこれの1/2の15mA程度となっている。さ
らに、本発明に係る半導体レーザ素子の場合、図5を参
照して明らかなように、特性温度T0 が180Kであ
る。この値は、バルクDCCと同程度であり、かつ、通
常のバルクDHよりも良好である。その他、本発明に係
る半導体レーザ素子は、光閉じ込め率に関しても、バル
クDCCと同様に高温での低下が小さく、特に、量子井
戸構造とGRIN−SCH構造とを併有していることに
より、光閉じ込め率がより高くなっている。
【0036】
【発明の効果】本発明に係る半導体レーザ素子は、pn
ダブルヘテロ接合のものにおいて、第1活性層、第2活
性層の少なくとも一方が量子井戸構造からなり、第1活
性層と第2活性層との間に所定の厚さの中間クラッド層
が介在されており、これら第1活性層、第2活性層の上
下に所定の屈折率分布領域が設けられているので、レー
ザ発振時の閾値電流を低下させることができ、温度条件
の厳しい環境下においても、良好な動作特性を確保する
ことができる。
ダブルヘテロ接合のものにおいて、第1活性層、第2活
性層の少なくとも一方が量子井戸構造からなり、第1活
性層と第2活性層との間に所定の厚さの中間クラッド層
が介在されており、これら第1活性層、第2活性層の上
下に所定の屈折率分布領域が設けられているので、レー
ザ発振時の閾値電流を低下させることができ、温度条件
の厳しい環境下においても、良好な動作特性を確保する
ことができる。
【図1】本発明半導体レーザ素子の断面図である。
【図2】本発明半導体レーザ素子の膜厚と波長特性との
関係を示した図である。
関係を示した図である。
【図3】本発明半導体レーザ素子における活性層の厚さ
と閾値電流密度との関係を示した図である。
と閾値電流密度との関係を示した図である。
【図4】本発明半導体レーザ素子と従来のバルクDCC
レーザ素子との光出力−電流特性を示した図である。
レーザ素子との光出力−電流特性を示した図である。
【図5】本発明半導体レーザ素子に関する閾値電流−外
部微分量子効率の温度依存特性を示した図である。
部微分量子効率の温度依存特性を示した図である。
【図6】従来のバルクDCCレーザ素子の断面図である
。
。
【図7】従来のバルクDCCレーザ素子と通常のDHレ
ーザ素子について、これらの温度特性を比較した図であ
る。
ーザ素子について、これらの温度特性を比較した図であ
る。
10 基板
20 バッファ層
30 活性層領域
31 第1活性層
31a 井戸膜
31b 井戸膜
32 第2活性層
32a 井戸膜
32b 井戸膜
33 中間クラッド層
34 GRIN−SCH構造層(屈折率分布領域
)34a 薄膜 34b 薄膜 34c 薄膜 34d 薄膜 35 GRIN−SCH構造層(屈折率分布領域
)35a 薄膜 35b 薄膜 35c 薄膜 35d 薄膜 40 クラッド層 40 埋め込み層 60 埋め込み層 70 クラッド層 80 コンタクト層
)34a 薄膜 34b 薄膜 34c 薄膜 34d 薄膜 35 GRIN−SCH構造層(屈折率分布領域
)35a 薄膜 35b 薄膜 35c 薄膜 35d 薄膜 40 クラッド層 40 埋め込み層 60 埋め込み層 70 クラッド層 80 コンタクト層
Claims (5)
- 【請求項1】 pnダブルヘテロ接合半導体レーザ素
子において、基板上に形成された主たる発振を与える第
1活性層と、第1活性層に隣接する第2活性層とのうち
、少なくともその一方が量子井戸構造からなり、第1活
性層と第2活性層との間には、該各活性層相互の閉じ込
め電子の波動関数が互いに重なるのを防止するための中
間クラッド層が介在されており、第1活性層下と第2活
性層上との少なくとも一方には、当該活性層から遠ざか
るにしたがい屈折率の小さくなる屈折率分布領域が設け
られていることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 【請求項2】 第1活性層および/または第2活性層
が単一の量子井戸構造からなる請求項1の半導体レーザ
素子。 - 【請求項3】 第1活性層および/または第2活性層
が多重の量子井戸構造からなる請求項1の半導体レーザ
素子。 - 【請求項4】 基板上の各半導体層が気相成長法によ
り形成されたものからなる請求項1〜3いずれかに記載
の半導体レーザ素子。 - 【請求項5】 光通信用の光源である請求項1〜4い
ずれかに記載の半導体レーザ素子。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US07/677,733 US5173912A (en) | 1991-04-02 | 1991-04-02 | Double-carrier confinement laser diode with quantum well active and sch structures |
US07/677,733 | 1991-04-02 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04305992A true JPH04305992A (ja) | 1992-10-28 |
Family
ID=24719909
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4031382A Pending JPH04305992A (ja) | 1991-04-02 | 1992-01-22 | 半導体レーザ素子 |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5173912A (ja) |
EP (1) | EP0512681B1 (ja) |
JP (1) | JPH04305992A (ja) |
CA (1) | CA2064681C (ja) |
DE (1) | DE69215747T2 (ja) |
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---|---|---|---|---|
US5375135A (en) * | 1992-04-15 | 1994-12-20 | Sharp Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser device |
US5506856A (en) * | 1993-04-15 | 1996-04-09 | Sharp Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser device having a resonator of particular length for reduced threshold current density |
US6912237B2 (en) * | 2001-02-06 | 2005-06-28 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Semiconductor laser module and semiconductor laser device having light feedback function |
JP2003332692A (ja) * | 2002-05-13 | 2003-11-21 | Fuji Photo Film Co Ltd | 半導体レーザ素子 |
WO2005046012A1 (en) * | 2003-11-06 | 2005-05-19 | Bookham Technology Plc | High temperature laser diode |
KR100862925B1 (ko) * | 2007-02-21 | 2008-10-13 | 전남대학교산학협력단 | 양자우물 구조를 갖는 반도체 레이저 다이오드 |
US7848375B1 (en) * | 2007-05-30 | 2010-12-07 | Finisar Corporation | Ridge waveguide laser with flared facet |
PL228535B1 (pl) | 2015-11-10 | 2018-04-30 | Inst Wysokich Cisnien Polskiej Akademii Nauk | Dioda laserowa na bazie stopu AllnGaN |
WO2019134075A1 (en) * | 2018-01-03 | 2019-07-11 | Xiamen Sanan Integrated Circuit Co., Ltd. | Consumer semiconductor laser |
US11929592B2 (en) * | 2020-09-17 | 2024-03-12 | Marvell Asia Pte Ltd. | Silicon-photonics-based semiconductor optical amplifier with N-doped active layer |
US20240145537A1 (en) * | 2022-10-31 | 2024-05-02 | Wolfspeed, Inc. | Semiconductor devices with additional mesa structures for reduced surface roughness |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS59181084A (ja) * | 1983-03-30 | 1984-10-15 | Fujitsu Ltd | 半導体レ−ザ装置 |
JP2558744B2 (ja) * | 1987-10-08 | 1996-11-27 | シャープ株式会社 | 半導体レーザ素子及びその製造方法 |
JPH01264286A (ja) * | 1988-04-15 | 1989-10-20 | Omron Tateisi Electron Co | 半導体量子井戸レーザ |
US5003548A (en) * | 1988-09-21 | 1991-03-26 | Cornell Research Foundation, Inc. | High power (1,4 W)AlGaInP graded-index separate confinement heterostructure visible (λ-658 nm) laser |
JPH07101768B2 (ja) * | 1988-11-09 | 1995-11-01 | 三菱電機株式会社 | 半導体レーザ装置及びその製造方法 |
-
1991
- 1991-04-02 US US07/677,733 patent/US5173912A/en not_active Expired - Lifetime
-
1992
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