WO1992004753A1 - Element laser a semi-conducteur du type a puits quantiques - Google Patents

Description

明 細 書

量子井戸型半導体 レーザ素子

[技 術 の 分 野 ]

本発明は 1 . 3〜 1 . 6 w mの長波長帯で発振する こ とのでき る量子井戸型の半導体 レーザ素子に関する。

[背 景 技 術 ]

量子井戸構造をもつ半導体レーザ素子は、 ゥ結晶 の活性層を有する半導体 レーザ素子と比べて、 闘値電 密度が低 く 、 しかも、 量子弁戸層の数を減らす ；： と によ 、 内部損失が低減し、 遠視野角 （ ビームの広が ' 狭小化するな ど、 特性のよいものが得られる と期待さ ている：

量子井戸構造を もつ半導体 し 一 素ュ と て、 分布揚 還型にて単一縦モー ド動作する ものがあ 、 そ 一例 し て、 図 7 に示す構造と バ ン 卜 ギ ヤ ソ フ と を有す る も が知られている。

図 7 に示す半導体レーザ素子は、 n — I n P基板 1 上 において、 n — I n P ク ラ ッ ド層 2 、 ノ ン ド ー フ- (7) G a I n A s P閉 じ込め層 3 、 ノ ン ド ー ブの G a I n A s P 量子井戸層 5および G a I n A s P障壁層 6からなる多 重量子井戸層 4、 一次回折格子 8が刻まれた ノ ン ドーつ G G a l n A s P光閉 じ込め層 7 、 p — 】 n P ノ ト B 9 、 p — G a I n A s Γ コ ン 々 ゥ ト、 Ϊ に 、 ]■ - ： P層 1 1 aおよび n — I n P罾 ] 1 b な J 込

1 1 が所定の箇所に形成さ 、 かつ、 基 S " m；: 一 η側電極 1 2 、 埋め込み層 1 1 の上面に ρ側電極 1 3か それぞれ設けられたものである。

図 7の半導体レーザ素子における各層の仕様はつぎの とお りである。

光閉じ込め層 3 ノ ' ン ドギ ヤ ッ プ波長 1

厚さ 1 2 0 0 A。

量子井戸層 5 ノ ン ド ギ ヤ ッ プ波長 1 7 a m .

厚さ 1 0 0 A。

障壁層 6 ノ ン ドギャ ッ ブ波長 1 S u m

厚さ 1 5 0 A。

光閉じ込め層 7 ノ'； ン ドギャ ッ プ波長 1 S u m

厚さ 1 2 0 0 A

一次回折格子 8 ピ ッ チ 2 4 0 0 A、 高さ 5 0 C) A ： 量子井戸構造をもつ半導体レーザ素子に関 て、 の文献 1 には、 活性層の量子井戸層数を減らすこ と に り スぺク トル純度が改善される と報告されている。

文献 1 ： IEEE, JOURNAL QUANTUM ELECTRONICS,

Vol. QE-21, No. 10, pp. 1666- 1674, 19 & n . しかし、 上述した構造の半導体レーザ素子において量 子井戸層数を 1 または 2 のよ う に減ら した場合、 光り閉 じ込め係数が小さ く なるために利得が小さ く なり、 発振 に必要な閾値キ ヤ リ ァ密度が高く なる。

二のよ う に、 長波長帯において発振閾優キ ' ' ' 密¾ が高い と きは、 ォージ ニ効吴または ίδ電子帯間吸 二 と き非発光メ カ ニ ズムによ り発光効 が惡く な 、 二：?. 一 一 に と もない、 発振閾値電流が大幅に上昇し た り 、 高キ ヤ リ ァ注入による第 2量子準位あるいは光閉 ヒ'込め層から の発振しか得られな く なる。

それゆえ、 既成の半導体レーザ素子において量子井戸 層数を減ら した と し て も、 スペク ト ル純度が改善されな い

これ以外の公知例と して、 下記の文献 2 には、 量子弁 戸層のノく ン ドギャ ッ プ波長力 1 . 6 7 m、 量子共 if 数が 4、 数量子井戸層の厚さ力 ^s 5 0〜 2 5 0 A、 G R I Γ\: 一 S C H層の各 -バ ン ド ギ ヤ ッ プ波長力 s 1 . 4 m、 1 . 3 3 ju m、 1 . 2 5 a m , 1 . 1 4 u m、 G R I X — （： }^層の厚さカ； 1 5 0〜 3 0 0 - 、 量子せ曰 罾 と G R I N — S C H最内層 と のノ； ン ト キ 'ノ マ差か 1 4 3 m e Vである半導体レーザ素子が開示されて ■る c 文献 2 ： Appl . Phys. Lett. , Vol. 55, No. 22.

pp. 2283-2285, 1989.

この種の半導体 レーザ素子において、 第 1 量子準位て 発振させる ためには、 上記ノ; ' ン ド ギ ヤ 'ソ ブ差カ 1 6 0 m e V以上である こ と を要する力 文献 2 の半導体 レ ー ザ素子は、 その差力 ^s 1 4 3 m e Y と 小さいために第 2量

'子準位の発振と な り 、 閾値電流密度が高 く なる。

その他、 文献 2 には、 この種 O 導体 一ザ袤 部損失を低減し 、 遠視野角を狭 、 発^波長 ；1 特性を向上させるための技術開示か な , 一

[発 明 の 開 示]

本発明はこのよ うな技術的課題に鑑み、 閾値電流密度 の低下、 内部損失の低減、 遠視野角の狭小化などをはか るべく 、 量子井戸層の数を 1 または 2 に減らし た場合で も、 第 1 量子準位で発振するこ と のできる量子井戸型半 導体レーザ素子を提供し-よう とするものである。

本発明は所期の目的を達成するため、 I n P基板の上 に、 量子井戸層と障壁層とからなる活性層、 および、 言 活性層の上下にそれぞれ配置された光閉じ込め層を含む G a I n A s _y P ( x ≥ 0 、 y ≤ 1 ： 半導体 層が設けられた量子井戸型半導体レ ーザ素子において、 量子井戸層の数が 1 または 2 であ り、 光閉、二込め層の禁 制帯幅が量子井戸層の禁制帯幅よ 'リ も. 1 S O ni e "以丄 大き く 、 量子井戸層の厚さが 3 n m以上、 S n m以下て あるこ と を特徴とする。

上記において、 光閉じ込め層の外側に、 該光閉じ込め 層よ り も禁制帯幅の大きい I n P層が配置される こ とが あ ·©。 ―

上記における量子井戸層は、 I n P基板および/また は光閉じ込め層に対し、 0 〜 2 %の格子不整合率を有す るこ とが望ま し い。

さ らに、 上記における共振器長 、 0 ϋ u m以上て ある こ とが望ま し い。

本発明に係る量子井 5型半導体 一ザ素子 、 新し 実験的事実に基づいて、 上述し た - S C H構造 一 一 を採用 したこ と によ り 、 当該半導体レーザ素子の特性を 下記のごと く 改善し たものである。

その一つは、 量子井戸層の数を 1 または 2 と する 二 と によ り 、 内部損失が低減し 、 遠視野角が狭小化し 、 さ ら には、 スペク ト ル純度が高まる こ と である。

他の は、 光閉 じ込め層の禁制帯幅を量子井戸層の 禁制帯幅よ り も 1 6 0 m e \^τ以上大き く し た こ と 、 すな わち、 量子井戸層 と G R I Ν — S C H最内層 と C ' ギャ ッ プ差が 1 6 0 m e V以上である レ 、 閾値 電流密度が低 く なる。

この値力 ^s 1 6 0 m e \'未満の場合は 量子 3警の厚 さ に関係な く 、 第 2 量子準位で発振し 閾値電^密度

Γ¾ ヽ な o

さ ら に、 他の一つは、 量子井戸層の厚さ 3 8 ΓΙ m の範囲内にあるため、 発振波長の温度依存性お 7C 力依存性に優れた第 1 量子準位で発振する こ と である。 量子井戸層の厚さが 3 n m未満である と 、 光閉 込 ί 層で発振し 、 量子井戸層の厚さが S n mを超過する と 、 第 2量子準位で発振する。

れらの特性は、 各層が格子整合し , 、ス - レ ! - ± て も成 り立つ。

特に、 I n P基板および Zま たは り 閉 込め層：二 : する量子 曰層の格子 ; 整合 ¾が 0 〜 2 ^ て： Γ . ヒ ^ 、 迕の諸特性だけでな く 、 閾値電^密度を ： マ 'ί こ とがて き 、 量子効率をよ り高 る 二 と ^て き ： - - 上記において、 光閉じ込め層の外側に、 これよ り も禁 制帯幅の大きい I n P層が配置されている と、 キヤ ア が効率よ く 量子井戸層内に閉じ込められ、 第 1 量子準位 での発振が安定する。

共振器長については、 量子井戸層の数を 1 または 2の と き、 9 0 0 rn程度で閾値電流が最低になるこ とが本 発明の実験で知得されてお り 、 共振器長が 9 0 0 m以 上であれば、 量子効率が高位に保持される。

しかも、 共振器長が 9 0 0 m以上である と、 素子 £ 抗が小さ く な り 、 熱放散性が改善されるので、 高出力 動作を確保する こ とができる。

し たがって、 共振器の長さは、 望ま し ： i 9 0 0 π m 以上であるこ とを要するが、 実用に際し 支障なけ ί \ 9 0 0 以下の共振器長でも よい _c

[ 図面の簡単な説明 ] 図 1 は本発明の一実施例に係る量子井戸型半導体レー ザ素子を これのバ ン ドギャ ッ プと共に示した切開斜視 図、 図 2 は半導体レーザの量子井戸層数と内部損-失と G 関係を示した図、 図 3 は半導体レーザの量子井戸層数と 違視野角 との関係を示した図、 図 4は波長と発光強度と の関係を示した図、 図 5は発振波長と温度との関係を示 し た図、 図 6 は半導体し 一ザの量 ぉ曰層 ¾と線幅岀 7； 積と Q関係を示し た区、 ；¾ 7 は従来^ ::: ^る量ュ 半導体レーザ素子をこれ G バ ニ- 卜 キ 、、' つ と ^に し Γ": 切開斜視図である。 -

[発明を実施するための最良の形態 ] 本発明に係る量子井戸型半導体 レーザ素子と て E 1 に例示し たものは、 つぎのよ う な構成を有し て 、る - すなわち、 図 1 の半導体レーザ素子は、 n — I n P基 板 2 1 上において、 η — I η Ρ .クラ ッ ド層 2 2 、 禁制帯 幅が階段状に変化する ノ ン ド --ブの G a I n A s P光閉 じ込め層 2 3 、 ノ ン ドープの G a I n A s P量子井戸層 2 5 と G a I n A s P障壁層 2 6 とからなる多重量子≠ 戸層 2 4 、 禁制帯幅が階段状に変化する ノ ン ド ー フ C G a I n A s P光閉じ込め層 2 7 、 該光閉 込め層 2 7 上に刻まれた一次回折格子 2 8 、 ρ - I η Γ ラ ': / 卜層 2 9 、 p — G a I n A s P コ ン 夕 卜 層 3 ' 、 - I P層 3 1 a と n — 1 n P層 3 1 b とか 埕 .込み罾 3 1 が所定の箇所に形成されている と と も ：:：、 基板 2 】 の下面に n側電極 3 2 、 埋め込み層 3 二面に p i ^電 極 3 3がそれぞれ設けられた ものである。

図 1 の半導体 レーザ素子における各層の仕様はつぎの とお り である。 ·

ノ ン ド一プの G a I n A s P光閉じ込め層 2 3 は、 階 段状に変化する各禁制帯幅が、 バ ン ド ギ ャ ッ プ波長の換 算値に して、 それぞれ 】 . 3 y m、 1 . 2 i m、 1 . 】 u m , 1 . 0 5 u mであ り 、 厚さ 3 (J (' Λ てある

ノ ン ド ーマの G a I η A s P量 ^： ！？ 2 ： 、 'ペ- ド ギ ャ ッ プ波長力 ^s 1 . 6 7 u mで あ 、 さ 5 0 A て あ o 一 一

G a l n A s P障壁層 2 6 は、 バン ドギャ ッ プ波長か 1 . 3 mであ り 、 厚さ力； 1 0 0 Aである。

ノ ン ド一プの G a I n A s P光閉じ込め層 2 7 も、 階 段状に変化する各禁制帯幅が、 バン ドギヤ ッ プ波長の換 算値にして、 それぞれ 1 . 3 μ m , 1 . 2 u m、 1 . 1 m、 1 . 0 5 X mであ り 、 厚さ力 3 0 0 Aである。

—次回折格子 2 8は、 これの ピ ッ チが 2 4 0 0 A以下 であ り 、 これの高さが 5 0 0 A以下である。

光閉 じ込め層 2 7には、 このよ う な一次回折格子 2 δ がない場合もある。

上記においては、 光閉 ヒ 込め層 _ 2 3 、 2 7 などを含む G R I Ν— S C Η領域の組成 と し て、 これらが階段状に 変化する例を示し たが、 かかる領域の組成が連続的に変 ィヒする場合も ある。

図 1 に例示し た半導体 レ ーザ素子は、 一例 と し て、 下のよ う に作製される。

第 1 回 目 の M 〇 C V D法において、 n — I n P基板 2 1 上に、 n — I n P ク ラ ッ ド層 2 2 、 ノ ン 卜 一ブの G a l n A s P光閉じ込め層 2 3 、 多重量子井戸層 2 4 ( =ソ ン ドープの G a I n A s P量子井戸層 2 5 + G a

I n A s P P章壁層 2 6 ) 、. ノ ン ド 一プの G a l n A s P 光閉ヒ'込め層 2 7を連続し て堆積成長させる。

つぎに、 上記光閉じ込め響 2 7上に、 二 東エ渉露 法によ り 作製し た一次回折格子 2 80パ 々一 ン を、 化学 エ ツ チ ン グ法で転写する。 - - 第 2 回 目 の M 0 C V D法において、 n - I n P基板 2 1 の積層構造上に p — I n P ク ラ ッ ド層 2 9 、 マ セ ス用の G a I n A s P層を堆積成長させる。

その後、 公知ないし周知のフ ォ ト リ ソ グラ フ ィ 法と 化 学エ ッ チ ング法と を用いて、 光閉 じ込め層 2 7 を含む部 分に活性層幅約 2 mの垂直メサを形成する。

第 3 回目の M 0 C V D法において、 活性層を含む部分 の両側に、 S i 0 ₂ 膜によ る埋め込み層 3 1 を選択成長 させる。

その後、 S i 0 ₂ 膜、 プロセス闬の G a I n A s P層 を取 り 除き、 平滑化のための第 4 回目の M 0 C ' D ¾：ニ おいて、 p — I n P ク ラ 、、ノ ド層 2 9 、 - G a I n Λ s P コ ン タ ク 卜層 3 0 を n — I n P基板 2 1 G積層構造丄 に堆積成長させる。

以下は、 慣用の手段を介 し て基板 2 1 の下面に n側電 極 3 2 、 埋め込み層 3 1 の上面に P側電極 3 3 をそれぞ れ設け、 当該積層構造物を レーザチ ッ プに劈開 し て、 f 要の半導体レーザ素子を得る。

このよ う に し て所定の半導体レーザ素子を作製する と き、 光閉 じ込め層 2 3 、 多重量子井戸層 2 4 f 量子井戸 '層 2 5 、 障壁層 2 6 ) 、 一次回折格子 2 8 をもつ光閉 じ 込め層 2 7 な どについては、 既述の辻様を ; 足させる。

上述 し た実施例の場合、 量 共 2 、 量 曰層の厚さか' 7 n mである半導体 レ ー 素ェが 示さ ている。 — かかる半導体レーザ素子は、 G a I n A s P ( バ ン ド ギャ ッ プ波長 1 . 3 μ m ) を障壁層とする G a I n A s 量子井戸層 （ バ ン ドギャ ッ プ波長 1 . 6 7 m、 厚さ約 8 u m ) をもつもの、 すなわち、 第 2量子準位がカ ツ 卜 オフ となる半導体レーザ素子よ り も量子井戸層が薄く 、 したがって、 第 2量子準位は存在していない。

本発明に係る半導体レーザ素子は、 量子井戸層をこの よう な厚さ とするこ と によ り 、 低閾値キ ャ リ ア密度、 閾値電流密度をはかり 、 第 1 量子準位からの発振を実現 してレヽる。

これは、 量子井戸層の数を 1 にし た場合でも、 同 て ある。

本発明に係る半導体レーザ素子の特性を確認し た際 測定結果について、 図 2〜図 6 、 および、 表 1 を参照 て説明する。

図 2 、 図 3 には、 活性層の量子井戸層数が 1 、 2 、 3 、 5のよ う に異なる各半導体レーザ素子において、 こ れらの内部損失および遠視野角 （積層面に垂直な方向； を測定した結果が示されている。

これらの図から明らかなよう に、 量子井戸層数が 1 、

2のものは、 該量子井戸層数が 3 、 5のものよ り も、 内 部損失が低く 、 遠視野角も小さい。

図 4 には、 発振の量子進 fさを確認するたも：:：、 if ί ·：- み型と し た半導体レ ーザ素子〇表面から発する自然 ¾二 光のスへク ト ルを測定した結杲が示されている c 一 この場合の共振器長は 9 0 0 y mであ り 、 閾値電流は- 2 7 m Aである。

図 4 を参照し て明らかなよ う に、 1 . 4 5 mの波長 を中心と する ピークは、 この ピー ク よ り も長波長側に発 光ピークが存在しないこ とから、 第 1 量子準位である こ とがわカゝる。

'量子井戸層の厚さを変えてこのスぺク 卜 儿 を測定し た と こ ろ、 図 5 に示すよ う に、 量子井戸層の厚さが 3 0 〜 8 〇 Aの範囲内において、 温度変化に影響されな '、 '、 か つ 、 安定した第 1 量子準位の発振波長が得られた。

なお、 以上に述ベた ものは、 一次回折格子 2 S のな . 半導体 レーザ素子の測定結果である。

図 6 には、 一次回折格子 2 8 のある 導 ： —ザ素；' について、 量子井戸層の数と線幅出力積 との関係が示さ れている _c

図 6 を参照して明らかなよ う に、 本発明半導体 レ一ザ 素子の一例に該当する量子井戸層数 2 、 共振器長 4 5 0 w mの も のは、 線幅出力が 3 . 5 M H z · m W、 さ ら に、 本発明半導体 レーザ素子の他の一例に該当する量子 井戸層数 1 、 共振器長 6 0 0 mのものは、 線幅出力が 0 . 4 5 M H z · m Wであるのに対し 、 従来例に該当す る量子井戸層数 5 、 共振器長 3 0 0 w m も 7.、 線幅 出力カ 1 0 M H z · m V；である

この結果から理解される よ う 、 量 - ¾ ¾ ^ 1 ま たは 2 の半導体 レーザ素子は、 スへ 々 ^度 高い と - いえる。

表 1 は、 共振器長が 1 2 0 0 μ mである各半導体し ザ素子について、 これらの最高出力と出射ビームパ夕 ンのアスペク ト比 （楕円率） とを示している。

表 1

表 1 中、 N o . 1 は量子井戸層の数が 1 の半導体レー ザ素子 （本発明に該当） 、 1\' o . 2 は量子井戸層の数が 2の半導体レーザ素子 （本発明に該当） 、 X o . 3 は量 子井戸層の数が 5 の半導体 レーザ素子 （本発明外のも の） である。

表 1 を参照して明らかなよう に、 X o . 1 , -N o . 2 のものは、 N o . 3のものと比べ、 光り閉じ込め係数が 小さいために最高出力が大き く 、 力 ビー ム O出射パ タ一ン もほぼ円形である

特に、 X o . 1 、 X o - 2 の半導体レーザ素子は、 力ビームの出射パターンがよ り円 である点て、 一 — ィ バと の結合効率が高ま る。

上述し た実施例の半導体 レ ーザ素子は、 各層が格子 ⁷； 整合の状態にある。

これに関 し ては、 I n P基板および/または光 り 閉 I： 込め層 と 、 G a _x I n い _x A s _y P ュ - _y f x ≥ 0 y ≤ 1 ) 量子井戸層 との相対的な格子不整合率が 0 〜 2 %で ある と き、 ま たは、 当該量子井曰層に対し 、 0 〜 2 % 格子不整合率を もつ層を用いて も 、 ス ぺ ク ト ！し純度が 上する。

もちろん、 この場合、 量子井戸活性層の厚さは臨界膜 厚以下である。

[産業上の利用可能 ¾：

本発明の場合、 基板の上に、 量子共 3層 と 障壁看 と r: - らなる多重量子井戸層 （活性層 ！ と 、 これの上下にあ 光閉 じ込め層 と を含む所定の半導体層が設け られた量ニノ 井戸型半導体 レーザ素子において、 量子井戸層の数が ] または 2 である こ と によ り 、 内部損失の低減、 遠視野角 の狭小化がはかれ、 光閉 じ込め層の禁制帯幅が量子弁 層の禁制帯幅よ り も 1 6 0 m e V以上大 き '、 ' こ と に よ Ό 、 闘値電流密度が低く な り 、 さ らに、 量子弁戸層の厚 さが 3 〜 8 n mの範囲内にあるから、 発振波長の温度 ί?:: 存性および光出力依存性に優れた第 1 量子進 て発 mさ せて、 ス ト ル 純度を高める ；： と てき る二

本発明に係る量子 半導 fe 一ザ素子に ' て、 光閉 し 込め層〇外側 ：二 、 こ よ 1禁 蒂 *| . 丁、 き 一 - i

δ I n P層が配置されている と、 キャ リ アが効率よ く 量子 井戸層内に閉じ込められ、 第 1 量子準 ί立での発振が安定 する。

本発明に係る量子井戸型半導体レーザ素子において、 I η Ρ基板に対する量子井戸層の格子不整合率が 0 〜 2

%である と き、 閾値電流密度をよ り低下する こ とがで き、 量子効率をよ り高めるこ とができる。

本発明に係る量子并戸型半導体レーザ素子において、 共振器長が 9 0 0 m以上である と、 素子抵抗が さ ； 0 な り 、 .熱放散性も改善され、 高出力の動作を確保する 二 とができる。

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Claims

- ί δ 請 求 の 範 囲

1 . I η Ρ基板の上に、 量子井芦層 と障壁層 とからなる 活性層、 お よ び、 該活性層の上下にそれぞれ配置さ れた光閉 じ込め層を含む G a I η , A s , P , - ._ν ( χ≥ 0 、 y ≤ 1 ) 半導体層が設けられた量子井 ¾ 半導体レーザ素子において、 量子井戸層の数が 1 また は 2 であ り 、 光閉 じ込め層の禁制帯幅が量子井戸層の 禁制帯幅よ り も 1 6 0 m e \'以上大き ： 、 量子 5層 の厚さが 3 n m以上、 8 n m以下である ；： と を特徴 と

1 0 する量子井戸型半導体 レーザ素子 _c

2 . 光閉 じ込め層の外側に、 該光閉 込め層よ も禁 帯幅の大き い I n P 層が配置されている請求の W 1 記載の量子井戸型半導体 レ 一ザ素

3 . 量子井戸層が、 I n P基板およ / ま たは り 閉 込め層に対し、 0 〜 2 %の格子不整合率を有する請求 の範囲 1 ま たは 2 記載の量子井戸型半導体 レーザ素 子。

4 . 共振器長が 9 0 0 m以上である請求の範囲 1 ない し 3 いずれかに記載の量子井 型半導体 レーザ素子。

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