(57)【要約】      （修正有）【課題】温度特性に優れた長波長半導体レーザを提供する。【解決手段】ｐ型ＩｎＰ基板上に、ｐ型ＩｎＰクラッド層、ＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸活性層、ｎ型ＩｎＰクラッド層が順次積層されている。ＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸活性層は、ＩｎＧａＡｓＰバリア層４０及びＩｎＧａＡｓＰウェル層４２が交互に積層された多重量子井戸構造と、多重量子井戸構造を挟むＩｎＧａＡｓＰガイド層４４，４６とを有する。発振時のＩｎＧａＡｓＰバリア層及びＩｎＧａＡｓＰガイド層のキャリア密度を２×１０１７／ｃｍ３以下とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型基板と、
前記ｐ型基板上に順次積層されたｐ型クラッド層、歪量子井戸活性層、及びｎ型クラッド層とを備え、
前記歪量子井戸活性層は、バリア層及びウェル層が交互に積層された多重量子井戸構造と、前記多重量子井戸構造を挟むガイド層とを有し、
発振時の前記バリア層及び前記ガイド層のキャリア密度が２×１０１７／ｃｍ３以下であることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記バリア層及び前記ガイド層は、−０．７％〜−０．４％の引っ張り歪を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記ウェル層は、１±０．８％の圧縮歪を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記バリア層及び前記ガイド層は、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、又はＡｌＩｎＧａＡｓＰからなることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記ウェル層は、ＩｎＧａＡｓＰ又はＡｌＩｎＧａＡｓからなることを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記バリア層及び前記ガイド層は、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＡｓＰからなることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項７】
前記ウェル層は、ＧａＩｎＮＡｓからなることを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信や光計測に使用される長波長歪量子井戸レーザに関し、特に温度特性に優れた半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の長波長レーザは、閾値電流（発振を開始する電流）の温度特性が短波長レーザに比べて劣っていた。すなわち、温度上昇に伴い長波長レーザの閾値電流は短波長レーザに比べて大きく増加していた（一般に特性温度Ｔ０が小さかった）。一般の短波長レーザの特性温度Ｔ０は約１８５Ｋであるのに対して長波長レーザの特性温度Ｔ０は約７０Ｋであった（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Appl. Phys. Lett. 50 (1979) 709
【非特許文献２】Jpn. Appl. Phys. 43 (2004) 6079
【非特許文献３】J. lightwave Technol. LT-4 (1986) 504
【非特許文献４】Electron. Lett. 22 (1986) 249
【非特許文献５】Electron. Lett.23 (1987) 546
【非特許文献６】Tech, Dig. ECOC.Brighton (1988) 337
【非特許文献７】Electron. Lett. 28 (1992) 1844
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来、長波長レーザの温度特性が悪い原因は、一般にオージェ効果（非発光過程）であると考えられていた。しかし、我々はオージェ効果が原因ではないことを見出した（例えば、非特許文献２参照）。非特許文献３及び４の理論によれば、歪量子井戸レーザではオージェ効果はほとんど効かなくなり、温度特性が改善されるはずである。しかし、実際に作製された長波長歪量子井戸レーザの温度特性はほとんど改善されていない。即ち、閾値電流は通常の長波長レーザに比べて小さくなっているにも関わらず、特性温度Ｔ０は小さいままである。
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は温度特性に優れた半導体レーザを得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ｐ型基板と、前記ｐ型基板上に順次積層されたｐ型クラッド層、歪量子井戸活性層、及びｎ型クラッド層とを備え、前記歪量子井戸活性層は、バリア層及びウェル層が交互に積層された多重量子井戸構造と、前記多重量子井戸構造を挟むガイド層とを有し、発振時の前記バリア層及び前記ガイド層のキャリア密度が２×１０１７／ｃｍ３以下であることを特徴とする半導体レーザである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、温度特性に優れた半導体レーザを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１に係る半導体レーザを示す断面図である。
【図２】図１の歪量子井戸活性層を拡大した断面図である。
【図３】実施の形態２に係る半導体レーザを示す断面図である。
【図４】図３の歪量子井戸活性層を拡大した断面図である。
【図５】実施の形態３に係る半導体レーザを示す断面図である。
【図６】図５の歪量子井戸活性層を拡大した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
一般的な長波長歪量子井戸レーザでは、歪量子井戸活性層のウェル層がＩｎＧａＡｓＰで構成され、＋１％の圧縮歪が掛けられている。そして、活性層のバリア層及びガイド層がＩｎＧａＡｓＰで構成され、−０．３％の引っ張り歪が掛けられている。
【００１０】
また、リーク電流は温度上昇と共に増大するので閾値電流の温度特性の悪化の原因となるが、基板をｐ型基板にすることにより活性層の両側の埋め込み層の高温でのリーク電流が小さくなり、閾値電流の小さい長波長レーザが得られることが報告されている（例えば、非特許文献５参照）。実際、ｐ基板による長波長レーザでの１９８８年当時世界最小の閾値電流３．１ｍＡが実現されたことが報告されている（例えば、非特許文献６参照）。
【００１１】
我々の理論的解析によると、一般的な長波長歪量子井戸レーザにおいて、３００Ｋから３８０Ｋの間でバリア層及びガイド層の電子密度は２×１０１８／ｃｍ３以上である。これと同数の正孔が存在し、お互いに再結合することによりレーザ発振波長とは異なる波長の光を発生する。これらの光はレーザ発振に全く寄与しない。温度を上げればバリア層及びガイド層のキャリア密度は増大し、ますますレーザ発振に無効な光が放出される。
【００１２】
我々は、これが温度特性を悪くしている原因であることを見出した。そこで、バリア層及びガイド層のキャリア密度を１桁以上小さくし（２×１０１７／ｃｍ３以下）、温度特性にほとんど寄与しないようにすることを考え出した。
【００１３】
バリア層及びガイド層の引っ張り歪が大きく、ウェル層の圧縮歪が大きいほど、バリア層及びガイド層のキャリア密度が小さくなる。ただし、各層の歪量は結晶成長技術の観点から作成可能な値にする必要がある。そこで、バリア層及びガイド層の引っ張り歪を−０．７％〜−０．４％にし、ウェル層の圧縮歪を１±０．８％にする。これにより、バリア層及びガイド層のキャリア密度は２×１０１７／ｃｍ３以下となる。この知見に基づく本発明の実施の形態に係る半導体レーザについて図面を参照しながら説明する。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体レーザを示す断面図である。この半導体レーザはＩｎＧａＡｓＰ長波長歪量子井戸レ−ザである。また、この半導体レーザはＦＳ−ＢＨ(Facet Selective growth Buried Heterostructure)型レーザであり、非特許文献７にＦＳ−ＢＨ型レーザの製造法が記述されている。
【００１５】
ｐ型ＩｎＰ基板１０上に、ｐ型ＩｎＰクラッド層１２、ＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸活性層１４、ｎ型ＩｎＰクラッド層１６、回折格子１８、及びｎ型ＩｎＰクラッド層２０が順次積層されている。このｎ型ＩｎＰクラッド層２０側からｐ型ＩｎＰ基板１０の途中までエッチングされてメサ２２が形成されている。メサ２２の幅（即ちＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸活性層１４の幅）は例えば１．５μｍである。
【００１６】
メサ２２の両側に埋め込み層２４が埋め込まれている。埋め込み層２４は基板側から順次積層されたｐ型ＩｎＰブロック層２６、ｎ型ＩｎＰブロック層２８、及びＦｅドープＩｎＰ層３０を有する。ＦｅドープＩｎＰ層３０は埋め込み層２４のリーク電流をより確実に抑制するために導入されたものである。
【００１７】
メサ２２及び埋め込み層２４上にｎ型ＩｎＰコンタクト層３２が形成されている。ｎ型ＩｎＰコンタクト層３２及び埋め込み層２４を貫通するように溝３４が形成されている。ｎ型ＩｎＰコンタクト層３２上及び溝３４内にｎ型電極３６が形成されている。ｐ型ＩｎＰ基板１０の裏面にｐ型電極３８が形成されている。共振器長は３００μｍ、チップ幅は２００μｍ、チップ厚は１００μｍである。
【００１８】
図２は、図１の歪量子井戸活性層を拡大した断面図である。ＩｎＧａＡｓＰバリア層４０及びＩｎＧａＡｓＰウェル層４２が交互に積層された多重量子井戸構造が形成されている。ＩｎＧａＡｓＰウェル層４２の数は１〜３０層程度である。この多重量子井戸構造を上下からＩｎＧａＡｓＰガイド層４４，４６が挟んでいる。ＩｎＧａＡｓＰガイド層４４，４６はＩｎＧａＡｓＰウェル層４２に対してバリア層の働きも兼ねている。
【００１９】
ＩｎＧａＡｓＰバリア層４０の厚さは２０ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＰウェル層４２の厚さは６ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＰガイド層４４，４６の厚さは５０ｎｍである。ＩｎＧａＡｓＰバリア層４０のＰＬ組成は１２００ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＰウェル層４２のＰＬ組成は１３００ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＰガイド層４４，４６のＰＬ組成は１２５０ｎｍである。ＩｎＧａＡｓＰバリア層４０及びＩｎＧａＡｓＰガイド層４４，４６は−０．５％の引っ張り歪を有する。ＩｎＧａＡｓＰウェル層４２は＋０．８％の圧縮歪を有する。
【００２０】
本実施の形態では、ｐ型基板を用いているため、閾値電流の小さい半導体レーザを得ることができる。また、ＩｎＧａＡｓＰバリア層４０及びＩｎＧａＡｓＰガイド層４４，４６は、−０．５％の引っ張り歪を有するため、我々の計算によればその発振時のキャリア密度は２×１０１７／ｃｍ３以下となる。一方、従来のようにバリア層及びガイド層が−０．３％の引っ張り歪を有する場合、キャリア密度は２×１０１８／ｃｍ３以上となる。よって、本実施の形態では、従来に比べてバリア層及びガイド層のキャリア密度が１桁以上小さい。このため、閾値電流の温度特性は大きく改善される。
【００２１】
実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係る半導体レーザを示す断面図である。実施の形態１と同様の構成要素又は対応する構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する。この半導体レーザはＡｌＩｎＧａＡｓ長波長歪量子井戸レ−ザである。実施の形態１のＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸活性層１４の代わりにＡｌＩｎＧａＡｓ歪量子井戸層４８が設けられている。その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００２２】
図４は、図３の歪量子井戸活性層を拡大した断面図である。ＡｌＩｎＧａＡｓバリア層５０及びＡｌＩｎＧａＡｓウェル層５２が交互に積層された多重量子井戸構造が形成されている。この多重量子井戸構造を上下からＡｌＩｎＧａＡｓガイド層５４，５６が挟んでいる。ＡｌＩｎＧａＡｓガイド層５４，５６はＡｌＩｎＧａＡｓウェル層５２に対してバリア層の働きも兼ねている。
【００２３】
ＡｌＩｎＧａＡｓバリア層５０の厚さは２０ｎｍ、ＡｌＩｎＧａＡｓウェル層５２の厚さは６ｎｍ、ＡｌＩｎＧａＡｓガイド層５４，５６の厚さは５０ｎｍである。ＡｌＩｎＧａＡｓバリア層５０及びＡｌＩｎＧａＡｓガイド層５４，５６は−０．５％の引っ張り歪を有する。ＡｌＩｎＧａＡｓウェル層５２は＋０．８％の圧縮歪を有する。
【００２４】
実施の形態１同様に、ＡｌＩｎＧａＡｓバリア層５０及びＡｌＩｎＧａＡｓガイド層５４，５６は−０．５％の引っ張り歪を有するため、その発振時のキャリア密度は２×１０１７／ｃｍ３以下となる。よって、閾値電流の温度特性は大きく改善される。
【００２５】
実施の形態３．
図５は、実施の形態３に係る半導体レーザを示す断面図である。実施の形態１と同様の構成要素又は対応する構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する。この半導体レーザは、ＧａＩｎＮＡｓ長波長歪量子井戸レ−ザである。
【００２６】
ｐ型ＧａＡｓ基板５８上に、ｐ型ＧａＡｓクラッド層６０、ＧａＩｎＮＡｓ歪量子井戸活性層６２、ｎ型ＧａＡｓクラッド層６４、回折格子６６、及びｎ型ＧａＡｓクラッド層６８が順次積層されている。このｎ型ＧａＡｓクラッド層６８側からｐ型ＧａＡｓ基板５８の途中までエッチングされてメサが形成されている。メサ７０の幅（即ちＧａＩｎＮＡｓ歪量子井戸活性層６２の幅）は例えば１．５μｍである。
【００２７】
メサ７０の両側に埋め込み層７２が埋め込まれている。埋め込み層７２は基板側から順次積層されたｐ型ＧａＡｓブロック層７４、ｎ型ＧａＡｓブロック層７６、及び高抵抗ＧａＡｓ層７８を有する。高抵抗ＧａＡｓ層７８は埋め込み層７２のリーク電流をより確実に抑制するために導入されたものである。
【００２８】
メサ７０及び埋め込み層７２上にｎ型ＧａＡｓコンタクト層８０が形成されている。ｎ型ＧａＡｓコンタクト層８０及び埋め込み層７２を貫通するように溝８２が形成されている。ｎ型ＧａＡｓコンタクト層８０上及び溝８２内にｎ型電極８４が形成されている。ｐ型ＧａＡｓ基板５８の裏面にｐ型電極８６が形成されている。共振器長は３００μｍ、チップ幅は２００μｍ、チップ厚は１００μｍである。
【００２９】
図６は、図５の歪量子井戸活性層を拡大した断面図である。ＧａＡｓＰバリア層８８及びＧａＩｎＮＡｓウェル層９０が交互に積層された多重量子井戸構造が形成されている。ＧａＩｎＮＡｓウェル層９０の数は１〜３０層程度である。この多重量子井戸構造を上下からＧａＡｓＰガイド層９２，９４が挟んでいる。ＧａＡｓＰバリア層８８の厚さは１０ｎｍ、ＧａＩｎＮＡｓウェル層９０の厚さは３ｎｍ、ＧａＡｓＰガイド層９２，９４の厚さは２０ｎｍである。ＧａＡｓＰバリア層８８及びＧａＡｓＰガイド層９２，９４は−０．５％の引っ張り歪を有する。ＧａＩｎＮＡｓウェル層９０は＋１．０％の圧縮歪を有する。
【００３０】
実施の形態１，２と同様に、ＧａＡｓＰバリア層８８及びＧａＡｓＰガイド層９２，９４は−０．５％の引っ張り歪を有するため、その発振時のキャリア密度は２×１０１７／ｃｍ３以下となる。よって、閾値電流の温度特性は大きく改善される。
【００３１】
また、実施の形態３のＧａＡｓ基板は、実施の形態１，２のＩｎＰ基板より安価である。さらに、ＧａＡｓ基板は４φのものが入手でき、ＩｎＰ基板よりも大きな基板を用いることにより一枚の基板から多くのチップを得ることができるので製造コストを低減できる。
【００３２】
なお、実施の形態１〜３において、上下のクラッド層とバリア層は同じ物質からなるが、これら３つの層の構成物質がそれぞれ異なっていても良い。また、これらの層の構成物質は実施の形態で挙げた物質に限られない。例えば、実施の形態１でバリア層及びガイド層をＡｌＩｎＧａＡｓやＡｌＩｎＧａＡｓＰなど他の物質で形成しても良い。実施の形態２でバリア層及びガイド層をＩｎＧａＡｓＰやＡｌＩｎＧａＡｓＰなど他の物質で形成しても良い。実施の形態３でバリア層及びガイド層をＧａＩｎＮＡｓなど他の物質で形成しても良い。要するに、バリア層及びガイド層の引っ張り歪を−０．７〜−０．４％に限定すれば、そのキャリア密度は２×１０１７／ｃｍ３以下となり、閾値電流の温度依存性は改善される。
【００３３】
また、実施の形態１〜３の構成に限らず、他のファブリ・ペロ−型長波長歪量子井戸レ−ザやＤＦＢ長波長歪量子井戸レ−ザなどにも本発明を適用することができ、同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１０  ｐ型ＩｎＰ基板（ｐ型基板）
１２  ｐ型ＩｎＰクラッド層（ｐ型クラッド層）
１４  ＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸活性層（歪量子井戸活性層）
１６，２０  ｎ型ＩｎＰクラッド層（ｎ型クラッド層）
４０  ＩｎＧａＡｓＰバリア層（バリア層）
４２  ＩｎＧａＡｓＰウェル層（ウェル層）
４４，４６  ＩｎＧａＡｓＰガイド層（ガイド層）
４８  ＡｌＩｎＧａＡｓ歪量子井戸層（歪量子井戸活性層）
５０  ＡｌＩｎＧａＡｓバリア層（バリア層）
５２  ＡｌＩｎＧａＡｓウェル層（ウェル層）
５４，５６  ＡｌＩｎＧａＡｓガイド層（ガイド層）
５８  ｐ型ＧａＡｓ基板（ｐ型基板）
６０  ｐ型ＧａＡｓクラッド層（ｐ型クラッド層）
６２  ＧａＩｎＮＡｓ歪量子井戸活性層（歪量子井戸活性層）
６４，６８  ｎ型ＧａＡｓクラッド層（ｎ型クラッド層）
８８  ＧａＡｓＰバリア層（バリア層）
９０  ＧａＩｎＮＡｓウェル層（ウェル層）
９２，９４  ＧａＡｓＰガイド層（ガイド層）
【図１】
2011187826.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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