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Semiconductor laser

阅读:939发布:2024-01-10

专利汇可以提供Semiconductor laser专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且PURPOSE:To provide a semiconductor laser which has high flexibility for selecting materials and which can attain reduction in electric power consumption and enhancement of output easily regarding a semiconductor laser used as a beam source of optical communication, optical signal process, optical interconnection and so on. CONSTITUTION:In a semiconductor laser in which an active layer 16 is arranged between n-type clad layer 12 and a p-type clad layer 23, a carrier reflection layer 20 having a multiple distortion quantum well structure, in which a barrier layer 20a and a distortion well layer 20b are laminated, is arranged between the active layer 16 and the p-type clad layer 23 or the n-type clad layer 12.,下面是Semiconductor laser专利的具体信息内容。

【特許請求の範囲】
  • 【請求項1】 n型クラッド層とp型クラッド層の間に活性層が設けられた半導体レーザにおいて、 バリア層と歪井戸層が積層された歪多重量子井戸構造のキャリア反射層を、前記活性層と前記p型クラッド層又はn型クラッド層の間に設けたことを特徴とする半導体レーザ。
  • 【請求項2】 請求項1記載の半導体レーザにおいて、 前記キャリア反射層は、前記活性層と前記p型クラッド層の間に設けられ、前記バリア層と前記歪井戸層間における価電子帯のバンド不連続量が、伝導帯のバンド不連続量よりも小さく、前記活性層から前記p型クラッド層に流れる電子を反射することを特徴とする半導体レーザ。
  • 说明书全文

    【発明の詳細な説明】

    【0001】

    【産業上の利用分野】本発明は半導体レーザ、特に、光通信、光信号処理、光インターコネクト等の光源として用いられる半導体レーザに関する。

    【0002】

    【従来の技術】近年、半導体レーザに対して低消費電化及び高出力化への要望が強くなってきており、そのため半導体レーザの活性層の高利得化が求められている。
    従来の半導体レーザとして、活性層に量子井戸構造又は歪量子井戸構造を用いたものが知られている(田中一弘他、「InGaAs/InGaAsP 歪MQWレーザ発振特性の基礎検討」電子情報通信学会、研究会論文誌OQE91−96等)。

    【0003】歪量子井戸構造の活性層を有する従来の半導体レーザのバンド構造を図7に示す。 n−InPからなるn型クラッド層100とp−InPからなるp型クラッド層102の間に、InGaAsPからなるSCH
    (Separate−Confinement Het
    erostructure)層104に挟まれた活性層106が設けられている。 活性層106は、InGaA
    sPからなるバリア層106aとInGaAsからなる井戸層106bが交互に積層された歪多重量子井戸構造をしている。

    【0004】しかしながら、図7に示す従来の半導体レーザでは、レーザ発振時に、n型クラッド層100又はp型クラッド層102から活性層106に注入されたキャリヤの一部が、活性層106から反対側のSCH層1
    04やクラッド層100、102に溢れ出てしまい、注入電流を増加させてもレーザ光強度が大きくならず、利得が飽和してしまうという問題がある。

    【0005】特に、InP基板上に形成するInGaA
    sP系のバルク、量子井戸、量子細線又は量子箱等の活性層106を有する半導体レーザでは、ヘテロ接合における伝導帯でのバンド不連続エネルギΔEcが、価電子帯でのバンド不連続エネルギΔEvより小さいために、
    移動度の大きい電子が活性層106からSCH層104
    やp型クラッド層102に溢れでやすく、利得が飽和しやすいという問題がある。

    【0006】半導体レーザの活性層に注入されたキャリアがクラッド層やSCH層に溢れ出ることを防ぎ、利得が飽和しやすいという上記問題を解決するものとして、
    クラッド層又はSCH層の障壁を実質的に高くするために、多重量子障壁(Multi−Quantum Ba
    rrier)層を設けたものが知られている。 活性層から溢れでた電子を反射するようにクラッド層やSCH層内に複数の量子障壁を構成するMQB層を設けたものである。

    【0007】クラッド層内にMQB層を設けた半導体レーザのバンド構造を図8に示す。 p型クラッド層102
    内に多重量子井戸構造のMQB電子反射層112を設けている。 MQB電子反射層112はバリア層112aと井戸層112bが交互に形成されて複数の量子障壁を形成している。 図8に示すバンド構造の半導体レーザでは、電流注入時に活性層106から電子がヘテロ接合のバンド不連続によるポテンシャル差Ueを越えてp型クラッド層102に溢れ出てしまっても、ド・ブローイ波長(室温で数百オングストローム)以下の量子井戸の繰り返しからなるMQB電子反射層112によって、溢れ出た電子が反射されて戻ってくる。 このため、実質的なヘテロ障壁はポテンシャルΔUeだけ大きくなったことになる。 したがって、活性層に注入されたキャリアがクラッド層やSCH層に溢れ出ることを防ぎ、活性層を高利得化することができる。

    【0008】また、MQB電子反射層112の量子井戸を深くすれば半導体レーザの活性層を更に高利得化できることが知られている(高木 剛他、「多重量子障壁(MQB)の設計と電子波反射効果の実験的検討」電子情報通信学会、論文誌C−I、Vol.J74−C−I
    No. 12 pp. 5 27−535等)。 図9は、
    図8に示すMQB電子反射層の量子井戸を更に深くした半導体レーザのバンド構造を示す図である。 図9に示すように、MQB電子反射層112の量子井戸を更に深くすることによって、電子の反射率が高くなってポテンシャルΔUeが大きくなり、実質的なヘテロ障壁Ue+Δ
    Ueは更に大きくなる。 したがって、閉じ込め効果が大きくなり活性層が更に高効率化される。

    【0009】

    【発明が解決しようとする課題】このように、図8及び図9に示す従来の半導体レーザは、活性層の利得飽和を抑制して高利得を得るのに有効であるが、MQB電子反射層が格子整合する材料系を用いた格子整合系であるため、設計に大きな制限があるという問題があった。

    【0010】例えば、格子整合系では、構成する結晶の種類や要求される発振波長によっては、得られるバンドギャップの範囲が制限されるため、深い量子井戸のMQ
    Bを作製することができず、電子の反射率を上げられないという場合がある。 また、伝導帯の電子を反射するようにMQB電子反射層を構成すると、価電子帯にも大きな量子井戸が生じて、これが正孔の流れを阻害してしまう。 これにより、半導体レーザの高速応答性に悪影響を及ぼしてしまう。 特に、InP基板上のInGaAsP
    系の材料では、伝導帯でのバンド不連続エネルギΔEc
    が、価電子帯でのバンド不連続エネルギΔEvより小さいために、その悪影響が大きかった。

    【0011】本発明の目的は、材料選択の自由度が高く、容易に低消費電力化及び高出力化を実現できる半導体レーザを提供することにある。

    【0012】

    【課題を解決するための手段】上記目的は、n型クラッド層とp型クラッド層の間に活性層が設けられた半導体レーザにおいて、バリア層と歪井戸層が積層された歪多重量子井戸構造のキャリア反射層を、前記活性層と前記p型クラッド層又はn型クラッド層の間に設けたことを特徴とする半導体レーザによって達成される。

    【0013】

    【作用】本発明によれば、バリア層と歪井戸層が積層された歪多重量子井戸構造のキャリア反射層を、活性層とp型クラッド層又はn型クラッド層の間に設けたので、
    活性層に注入されたキャリヤがSCH層やクラッド層に溢れ出るのを防止することができ、しかも、キャリア反射層は歪多重量子井戸構造であるので、構成する結晶の種類や要求される発振波長に適応した材料を用いてキャリアの反射率を上げたり、伝導帯の電子は反射するが価電子帯の正孔の流れを阻害しないキャリア反射層を実現することができる。

    【0014】

    【実施例】本発明の第1の実施例による半導体レーザを図1及び図2を用いて説明する。 図1は本実施例の半導体レーザの断面構造を示す図であり、図2は本実施例の半導体レーザのバンド構造を示す図である。 図1に示すように、n−InP基板10上に、n−InPからなるn型クラッド層12、In 0.75 Ga 0.25 As 0.540.46
    (1.3μm組成)からなる約100nm厚のSCH層14、In 0.75 Ga 0.25 As 0.540.46 /In 0.6 Ga
    0.4 Asの歪多重量子井戸構造の合計が約70nm厚の活性層16、In 0.75 Ga 0. 25 As 0.540.46 (1.3
    μm組成)からなる約300nm厚のスペーサ層18、
    In 0.75 Ga 0.25 As 0.540.46 /In 0.6 Ga 0.4
    sの歪多重量子井戸構造の合計が約30nm厚のMQB
    電子反射層20、In 0.75 Ga 0.25 As 0.54
    0.46 (1.3μm組成)からなる約100nm厚のSC
    H層22、p−InPからなるp型クラッド層23が形成され、全体が約1.5μm幅のメサ形状に形成されている。 このメサ形状はp−InPからなるp型埋込み層24により埋め込まれている。

    【0015】活性層16は、In 0.75 Ga 0.25 As 0.54
    0.46からなる約10nm厚のバリア層16aと、In
    0.6 Ga 0.4 Asからなる面内圧縮歪みの約4nm厚の歪井戸層16bを交互に5層積層されて構成されており、活性層16全体として約70nm厚である。 MQB
    電子反射層20は、In 0.75 Ga 0.25 As 0.540.46からなる約2nm厚のバリア層20aと、In 0.6 Ga
    0.4 Asからなる面内圧縮歪みの約1nm厚の歪井戸層20bとを交互に10層積層されて構成されており、M
    QB電子反射層20全体として約30nm厚である。

    【0016】なお、活性層16とMQB電子反射層20
    は同じ組成のバリア層と歪井戸層を用いたが、バリア層と歪井戸層の厚さを異ならせることにより、MQB電子反射層20の吸収端波長を活性層16の吸収端波長より端波長側にして活性層16からの光をMQB電子反射層20で吸収しないようにしている。 p型埋込み層24上にはn−InPからなる電流狭窄層26が形成され、更に全面にp−InPからなるp型クラッド層28が形成されている。

    【0017】p型クラッド層28上にはp+ −InGa
    AsPからなるコンタクト層30が形成され、コンタクト層30上にはストライプ状の開口部を有するSiO 2
    層32が形成されている。 SiO 2層32上にはTi/
    Pt/Auからなるp側電極34が形成され、ストライプ状の開口部によりコンタクト層30にコンタクトしている。 n−InP基板10の裏面には、AuGe/Au
    からなるn側電極36が形成されている。

    【0018】本実施例の半導体レーザのバンド構造を図2に示す。 n型クラッド層12からSCH層14、歪多重量子井戸構造の活性層16、スペーサ層18、歪多重量子井戸構造のMQB電子反射層20、SCH層22、
    p型クラッド層23にわたる領域のバンド構造は、図2
    に示すようであり、n型クラッド層12から活性層14
    に注入され、溢れ出した電子はMQB電子反射層20で反射され、再び活性層14に注入される。

    【0019】このように本実施例によれば、活性層から溢れ出した電子をMQB電子反射層で反射して、再び活性層に注入するので、活性層の高効率化をはかることができる。 なお、本実施例では、活性層16とMQB電子反射層20を同じ組成にしたが、活性層16からの光を吸収しない範囲でMQB電子反射層20の組成を長波長化してもよい。

    【0020】また、MQB電子反射層20が有効に機能するための目安としては、MQB電子反射層20における歪井戸層20bの量子準位と活性層16やSCH層1
    4、22のバンドとが結合しないように、活性層16、
    SCH層14、22等の光閉じ込め層から約10nm以上の間隔を取った方がよい。 次に、本実施例の半導体レーザの製造方法について説明する。

    【0021】まず、n−InP基板10上に、MOVP
    E法等により、n型クラッド層12、SCH層14、活性層16、スペーサ層18、MQB電子反射層20、S
    CH層22、p型クラッド層23を順次積層する。 次に、p型クラッド層23上に約1.5μm幅のSiO 2
    等からなるマスク層を形成し、このマスク層をマスクとして、n型クラッド層12、SCH層14、活性層1
    6、スペーサ層18、MQB電子反射層20、SCH層22、p型クラッド層23を選択的にエッチング除去して、約1.5μm幅のメサ形状を形成する。

    【0022】次に、メサ形状の両側を埋め込むようにL
    PE法、MOVPE法等によりp型埋込み層24、電流狭窄層26をエピタキシャル成長する。 続いて、マスク層を除去して、p型クラッド層23、コンタクト層30
    を順次エピタキシャル成長する。 次に、コンタクト層3
    0上にSiO 2層32を形成し、中央にストライプ状の開口部を形成するようにパターニングする。 続いて、全面にスパッタ法又は蒸着法等によりTi/Pt/Auを堆積し、ストライプ状の開口部でコンタクト層30にコンタクトするp側電極34を形成する。

    【0023】次に、n−InP基板10の裏側の全面にスパッタ法又は蒸着法等により、AuGe/Auを堆積し、n側電極36を形成する。 これにより半導体レーザが完成する。 本発明の第2の実施例による半導体レーザを図3及び図4を用いて説明する。 図3は本実施例の半導体レーザの断面構造を示す図であり、図4は本実施例の半導体レーザのバンド構造を示す図である。 第1の実施例と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略又は簡略にする。

    【0024】本実施例ではSCH層22内ではなくp型クラッド層23内にMQB電子反射層40を設け、p型クラッド層23内に溢れ出した電子を反射して活性層1
    6の高効率化を実現している点に特徴がある。 SCH層22が薄い場合や、SCH層22とp型クラッド層23
    間の伝導帯のバンド不連続量が小さく電子が溢れ出しやすい場合に有効である。

    【0025】本実施例の半導体レーザは、図3に示すように、n−InP基板10上に、n−InPからなるn
    型クラッド層12、In 0.78 Ga 0.22 As 0.48
    0.52 (1.2μm組成)からなる約200nm厚のSC
    H層14、In 0.78 Ga 0.22 As 0. 480.52 /In 0.6
    Ga 0.4 Asの歪多重量子井戸構造の合計が約70nm
    厚の活性層16、In 0.78 Ga 0.22 As 0.48
    0.52 (1.2μm組成)からなる約200nm厚のSC
    H層22、p−InPからなるp型クラッド層23が形成され、p型クラッド層23内に、InP/In 0.65
    0.35 Asの歪多重量子井戸構造の合計が約30nm厚のMQB電子反射層40が形成されている。 全体が約1.5μm幅のメサ形状に形成されている。

    【0026】活性層16は、In 0.78 Ga 0.22 As 0.48
    0.52からなる約10nm厚のバリア層16aと、In
    0.6 Ga 0.4 Asからなる面内圧縮歪みの約4nm厚の歪井戸層16bを交互に5層積層されて構成されており、活性層16全体として約70nm厚である。 MQB
    電子反射層40は、InPからなる約2nm厚のバリア層40aと、In 0.35 Ga 0.65 Asからなる面内圧縮歪みの約1nm厚の歪井戸層40bとを交互に10層積層されて構成されており、MQB電子反射層40全体として約30nm厚である。

    【0027】本実施例の半導体レーザのバンド構造を図4に示す。 n型クラッド層12からSCH層14、歪多重量子井戸構造の活性層16、SCH層22、p型クラッド層23、MQB電子反射層40にわたる領域のバンド構造は、図4に示すようである。 本実施例では、p型クラッド層23内に設けたMQB電子反射層40の歪井戸層40bの深さを活性層16の歪井戸層16bより深くして、MQB電子反射層40による電子の反射率を高くしている。 n型クラッド層12から活性層14に注入され、p型クラッド層23に溢れ出した電子はMQB電子反射層40で反射され、再び活性層14に注入される。

    【0028】このように本実施例によれば、p型クラッド層内に設けたMQB電子反射層により、活性層からp
    型クラッド層に溢れ出した電子をMQB電子反射層で反射して、再び活性層に注入するので、活性層の高効率化をはかることができる。 本発明の第3の実施例による半導体レーザを図5及び図6を用いて説明する。 図5は歪多重量子井戸構造におけるバンド不連続の態様を示す図である。 図6は本実施例の半導体レーザのバンド構造を示す図である。 第1の実施例と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略又は簡略にする。 なお、本実施例の半導体レーザの断面構造は第1の実施例と同じであるので図示を省略する。

    【0029】本実施例の半導体レーザのバンド構造を説明する前に、歪多重量子井戸構造におけるバンド不連続の主な態様について図5を用いて説明する。 バリア層の材料と歪井戸層の材料を選択することにより、伝導体のバンド不連続量ΔEcと価電子帯のバンド不連続量ΔE
    vが図5に示すように変化させることができる。 図5
    (a)に示す態様は、価電子帯のバンド不連続量ΔEv
    が伝導体のバンド不連続量ΔEcよりも大きい場合である。 このようなバンド構造の歪多重量子井戸構造を電子反射層に用いると、電子を反射できる一方で正孔も反射されて抵抗となり高速特性が劣化するおそれがある。

    【0030】図5(b)に示す態様は、伝導体のバンド不連続量ΔEcが価電子帯のバンド不連続量ΔEvよりも大きい場合である。 このようなバンド構造の歪多重量子井戸構造を電子反射層に用いると、電子を高い反射率で反射できると共に正孔はあまり反射されず、電子反射層のバンド構造として望ましい。 図5(c)に示す態様は、図5(b)よりも価電子帯のバンド不連続量ΔEv
    が小さくなってほとんど零になった場合である。 このようなバンド構造の歪多重量子井戸構造を電子反射層に用いると、電子を高い反射率で反射するが、正孔は全く反射されないので、電子反射層のバンド構造として理想的である。

    【0031】本実施例の半導体レーザは、図5(b)に示すバンド構造を実現したものである。 図6に示すように、n−InPからなるn型クラッド層12、In 0.75
    Ga 0. 25 As 0.540.46 (1.3μm組成)からなる約100nm厚のSCH層14、In 0.75 Ga 0.25 As
    0.540.46 /In 0.6 Ga 0.4 Asの歪多重量子井戸構造の合計が約70nm厚の活性層16、In 0.75 Ga
    0.25 As 0.540.46 (1.3μm組成)からなる約30
    0nm厚のスペーサ層18、In 0.75 Ga 0.25 As 0. 54
    0.46 /In 0.6 Ga 0.35 Al 0.05 Asの歪多重量子井戸構造の合計が約30nm厚のMQB電子反射層20、
    In 0.75 Ga 0.25 As 0.540.46 (1.3μm組成)からなる約100nm厚のSCH層22、p−InPからなるp型クラッド層23が形成されている。

    【0032】活性層16は、In 0.75 Ga 0.25 As 0.54
    0.46からなる約10nm厚のバリア層16aと、In
    0.6 Ga 0.35 Al 0.05 Asからなる面内圧縮歪みの約4
    nm厚の歪井戸層16bを交互に5層積層されて構成されており、活性層16全体として約70nm厚である。
    MQB電子反射層20は、In 0.75 Ga 0.25 As 0.54
    0.46からなる約2nm厚のバリア層20aと、In 0.8
    Ga 0.15 Al 0.05 As 0.540.46からなる面内圧縮歪みの約1nm厚の歪井戸層20bとを交互に10層積層されて構成されており、MQB電子反射層20全体として約30nm厚である。

    【0033】本実施例の半導体レーザのバンド構造は、
    図6に示すように、MQB電子反射層20における伝導体のバンド不連続量ΔEcが価電子帯のバンド不連続量ΔEvよりも大きい。 このため、活性層16から溢れ出した電子を高い反射率で反射できるが、正孔はほとんど反射されない。 したがって、半導体レーザの高速特性を劣化させることなく活性層を高校率化することができる。

    【0034】本発明は上記実施例に限らず種々の変形が可能である。 例えば、上記実施例では電子を反射するためにMQB電子反射層を設けたが、溢れ出した正孔を反射するためにn型クラッド層又はSCH層内にMQB正孔反射層を設けてもよい。 また、MQB層のバリア層及び歪井戸層の材料は、上記実施例における材料に限定されない。 さらに、MQB層の歪井戸層の幅や間隔、深さは、上記実施例の場合に限定されず、しかも、MQB層内で一定でも変化させていてもよい。

    【0035】さらに、上記実施例では本発明を半導体レーザに適用した場合について説明したが、電流注入型の光スイッチ、波長フィルタ、半導体光アンプ等の半導体レーザと類似の断面構造を有する光半導体素子にも本発明を適用することができる。

    【0036】

    【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、バリア層と歪井戸層が積層された歪多重量子井戸構造のキャリア反射層を、活性層とp型クラッド層又はn型クラッド層の間に設けたので、活性層に注入されたキャリヤがSC
    H層やクラッド層に溢れ出るのを防止することができ、
    しかも、キャリア反射層は歪多重量子井戸構造であるので、構成する結晶の種類や要求される発振波長に適応した材料を用いてキャリアの反射率を上げたり、伝導帯の電子は反射するが価電子帯の正孔の流れを阻害しないキャリア反射層を実現することができる。 したがって、材料選択の自由度が高くて、低消費電力かつ高出力の半導体レーザを容易に実現することができる。

    【図面の簡単な説明】

    【図1】本発明の第1の実施例による半導体レーザを示す断面図である。

    【図2】本発明の第1の実施例による半導体レーザのバンド構造を示す図である。

    【図3】本発明の第2の実施例による半導体レーザを示す断面図である。

    【図4】本発明の第2の実施例による半導体レーザのバンド構造を示す図である。

    【図5】歪多重量子井戸構造におけるバンド不連続の態様を示す図である。

    【図6】本発明の第3の実施例による半導体レーザのバンド構造を示す図である。

    【図7】従来の半導体レーザのバンド構造を示す図である。

    【図8】従来の半導体レーザのバンド構造を示す図である。

    【図9】従来の半導体レーザのバンド構造を示す図である。

    【符号の説明】

    10…n−InP基板 12…n型クラッド層 14…SCH層 16…活性層 16a…バリア層 16b…歪井戸層 18…スペーサ層 20…MQB電子反射層 20a…バリア層 20b…歪井戸層 22…SCH層 23…p型クラッド層 24…p型埋込み層 26…電流狭窄層 28…p型クラッド層 30…コンタクト層 32…SiO 2層 34…p側電極 36…n側電極 40…MQB電子反射層 40a…バリア層 40b…歪井戸層 100…n型クラッド層 102…p型クラッド層 104…SCH層 106…活性層 106a…バリア層 106b…井戸層 112…MQB電子反射層 112a…バリア層 112b…井戸層

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