JPH04305992A - 半導体レーザ素子 - Google Patents
半導体レーザ素子Info
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- JPH04305992A JPH04305992A JP4031382A JP3138292A JPH04305992A JP H04305992 A JPH04305992 A JP H04305992A JP 4031382 A JP4031382 A JP 4031382A JP 3138292 A JP3138292 A JP 3138292A JP H04305992 A JPH04305992 A JP H04305992A
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-
- H—ELECTRICITY
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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) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
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