(57)【要約】      （修正有）【課題】量子井戸構造を有する活性層への電子の注入効率を向上することが可能な半導体レーザを提供する。【解決手段】半導体レーザは、単一または複数の井戸層を含む活性層２０と、活性層２０に対して電子注入側に形成されたｎ側光ガイド層１２、ｎ型クラッド層１１と、正孔注入側に形成されたｐ側光ガイド層１７、ｐ型クラッド層１６と、活性層２０とｎ側光ガイド層１２との間に設けられた多重量子井戸構造の電子注入層２１とを備え、注入層２１内のミニバンドＭＢを介して活性層２０の井戸層での励起準位Ｌｅに電子を注入するように構成される。さらに、電子注入層２１とｎ側光ガイド層１２との間に、電子を輸送する準位調整層２２を設ける。準位調整層２２は、層内での電子の最低エネルギー位置がミニバンドＭＢのエネルギー範囲内にあるように構成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一または複数の井戸層を含み、光を発生させる活性層と、
前記活性層に対して電子注入側に形成されたｎ側光ガイド層と、
前記ｎ側光ガイド層に対して前記活性層とは反対側に形成されたｎ型クラッド層と、
前記活性層に対して正孔注入側に形成されたｐ側光ガイド層と、
前記ｐ側光ガイド層に対して前記活性層とは反対側に形成されたｐ型クラッド層と、
前記活性層と前記ｎ側光ガイド層との間に設けられ、複数の井戸層及び複数の障壁層を含む多重量子井戸構造を有して構成された電子注入層とを備え、
前記電子注入層において、前記多重量子井戸構造による準位構造として、複数の準位を含むミニバンドが形成され、前記ｎ型クラッド層及び前記ｎ側光ガイド層からの電子は、前記ミニバンドを介して前記活性層の井戸層における励起準位へと注入されるとともに、前記電子注入層と前記ｎ側光ガイド層との間に、前記ｎ側光ガイド層から前記電子注入層内の前記ミニバンドへと電子を輸送する準位調整層が設けられ、
前記準位調整層は、前記ミニバンドに含まれる前記複数の準位での最低エネルギー準位及び最高エネルギー準位によって決まるミニバンドエネルギー範囲に対し、前記準位調整層内での電子の最低エネルギー位置が前記ミニバンドエネルギー範囲内にあるように構成されていることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記準位調整層は、前記準位調整層における基底準位と第１励起準位とのエネルギー差が２５ｍｅＶ以下となるように設定された層厚で形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記準位調整層は、２０ｎｍ以上の層厚で形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記ミニバンドエネルギー範囲は、前記ミニバンドでの前記最低エネルギー準位よりも２５ｍｅＶ低いエネルギー位置を下端とし、前記最高エネルギー準位を上端としたエネルギー範囲であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記活性層は、単一の井戸層を含む単一量子井戸構造を有して構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記ｎ型クラッド層及び前記ｎ側光ガイド層からの電子は、前記準位調整層、及び前記電子注入層内の前記ミニバンドを介して、前記活性層の井戸層における第１励起準位へと注入されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項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、量子井戸構造を有する活性層を用いて光を発生させる半導体レーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザは、小型、高効率、高出力などの特性を有することから、例えば、コンパクトディスク（ＣＤ）用のレーザ光源をはじめとして、光通信用光源、加工用光源など、様々な分野に用いられている。また、半導体レーザでは、所定波長の光を発生させる発光層として機能する活性層において、単一、または複数の量子井戸層による量子井戸構造が一般的に用いられている（例えば、特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２８３８５６号公報
【特許文献２】特開２０００−３６６３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように量子井戸構造を用いた半導体レーザは、空間的、エネルギー的にキャリアを局所に閉じ込めるため、低閾値でのレーザ発振が可能であるという利点を有する。しかしながら、活性層における井戸層への電子などのキャリアの注入は、通常、光ガイド層などのバルク状の半導体層からの遷移に支配されている。したがって、有効質量が軽い電子では、電子を閉じ込める層とのエネルギー差が低い場合などには、電子が正孔注入側の光ガイド層、ｐ型クラッド層へと漏れ出るキャリアのオーバーフローが発生し、一部の電子が無効電流になるという問題がある。また、半導体レーザの動作温度が高い場合には、電子のエネルギー分布が広がることにより、井戸層への電子の注入効率の低下、クラッド層へのキャリア漏れ等の問題が発生する。
【０００５】
なお、特許文献１には、半導体レーザにおいて、ｐ型クラッド層と活性層との間に、活性層との間の障壁の高さがｐ型クラッド層と活性層との間の障壁の高さよりも大きい障壁層を含む超格子層を設ける構成について記載されている。また、特許文献２には、半導体レーザにおいて、活性層に対して、注入されたキャリアのうちで所定エネルギーを有するキャリアを活性層側に選択的に通過させるキャリア選択層としての超格子層を設ける構成について記載されている。しかしながら、このような構成においても、活性層への電子の注入効率は充分に向上されているとは言えない。
【０００６】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、単一または複数の井戸層を含む量子井戸構造を有する活性層への電子の注入効率を向上することが可能な半導体レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような目的を達成するために、本発明による半導体レーザは、（１）単一または複数の量子井戸層を含み、光を発生させる活性層と、（２）活性層に対して電子注入側に形成されたｎ側光ガイド層と、（３）ｎ側光ガイド層に対して活性層とは反対側に形成されたｎ型クラッド層と、（４）活性層に対して正孔注入側に形成されたｐ側光ガイド層と、（５）ｐ側光ガイド層に対して活性層とは反対側に形成されたｐ型クラッド層と、（６）活性層とｎ側光ガイド層との間に設けられ、複数の井戸層及び複数の障壁層を含む多重量子井戸構造を有して構成された電子注入層とを備え、（７）電子注入層において、多重量子井戸構造による準位構造として、複数の準位を含むミニバンドが形成され、ｎ型クラッド層及びｎ側光ガイド層からの電子は、ミニバンドを介して活性層の井戸層における励起準位へと注入されるとともに、電子注入層とｎ側光ガイド層との間に、ｎ側光ガイド層から電子注入層内のミニバンドへと電子を輸送する準位調整層が設けられ、（８）準位調整層は、ミニバンドに含まれる複数の準位での最低エネルギー準位及び最高エネルギー準位によって決まるミニバンドエネルギー範囲に対し、準位調整層内での電子の最低エネルギー位置がミニバンドエネルギー範囲内にあるように構成されていることを特徴とする。
【０００８】
上記した半導体レーザでは、単一の井戸層を含む単一量子井戸構造、または複数の井戸層を含む多重量子井戸構造を有して構成された活性層に対し、電子注入側にｎ側光ガイド層、及びｎ型クラッド層を設け、また、正孔注入側にｐ側光ガイド層、及びｐ型クラッド層を設けている。そして、量子井戸活性層と電子注入側のｎ側光ガイド層との間に、多重量子井戸構造を有する電子注入層を設け、ｎ型クラッド層及びｎ側光ガイド層からの電子が、電子注入層内に形成されたミニバンドを介して、活性層の量子井戸層における所定の励起準位へと選択的に注入される構成としている。
【０００９】
このように、活性層とｎ側光ガイド層との間に、活性層での励起準位に電子を注入するための準位構造として機能するミニバンドを有する電子注入層を設けることにより、電子を活性層での励起準位へと効率的、選択的に注入することが可能となる。また、このような構成において、活性層の井戸層における励起準位へと注入された電子は、井戸層の基底準位へと非発光遷移し、正孔と再結合して光を発生させる。
【００１０】
また、上記構成の半導体レーザでは、ミニバンドが形成された電子注入層とｎ側光ガイド層との間に、さらに、光ガイド層からの電子を電子注入層内のミニバンドへと輸送するための準位調整層を設ける。そして、準位調整層内での電子の最低エネルギー位置が電子注入層内でのミニバンドのエネルギー範囲内にあるように、準位調整層、及び電子注入層を構成する。このように、量子井戸構造を有する活性層に対して、準位調整層及び電子注入層による電子注入用の準位構造を設けることにより、活性層の励起準位への電子の注入効率を向上して、無効電流の発生を抑制し、それによって、高効率、低閾値、高温での動作が可能な半導体レーザを実現することが可能となる。
【００１１】
ここで、電子注入層とｎ側光ガイド層との間に設けられる準位調整層については、準位調整層は、準位調整層における基底準位と第１励起準位とのエネルギー差（準位間隔）が２５ｍｅＶ以下となるように設定された層厚で形成されていることが好ましい。このように、電子の輸送に用いられる準位調整層において、量子効果が問題にならない程度に準位間隔を充分に小さく設定する構成によれば、光ガイド層から準位調整層を介して電子注入層内のミニバンドへと電子を好適に輸送、供給することができる。
【００１２】
このように、準位調整層において準位間隔を充分に小さくする構成については、具体的には、準位調整層の層厚を厚く設定することによって実現することができる。この場合、準位調整層は、例えば、２０ｎｍ以上の層厚で形成されていることが好ましい。このような構成によっても、光ガイド層から準位調整層を介して電子注入層内のミニバンドへと電子を好適に輸送、供給することができる。
【００１３】
なお、準位調整層内での電子の最低エネルギー位置は、基本的には、準位調整層における基底準位のエネルギー位置に対応している。また、準位調整層の層厚が充分に厚く、量子効果を無視できる場合には、準位調整層でのポテンシャルの底（伝導帯の底）が、電子の最低エネルギー位置に実質的に対応している。
【００１４】
また、準位調整層内での電子の最低エネルギー位置の範囲を規定するミニバンドエネルギー範囲については、基本的には、ミニバンドでの最低エネルギー準位を下端とし、最高エネルギー準位を上端としたエネルギー範囲となる。ただし、より具体的には、室温での電子のエネルギー（約２５ｍｅＶ）を考慮すると、ミニバンドエネルギー範囲を、ミニバンドでの最低エネルギー準位よりも２５ｍｅＶ低いエネルギー位置を下端とし、最高エネルギー準位を上端としたエネルギー範囲として設定することが好ましい。
【００１５】
量子井戸構造を有する活性層については、具体的には、活性層は、単一の井戸層を含む単一量子井戸構造を有して構成されていることが好ましい。このように、活性層を単一量子井戸構造とすることにより、半導体レーザの特性の向上が期待できる。また、活性層については、複数の井戸層を含む多重量子井戸構造を有する構成としても良い。
【００１６】
また、活性層への電子の注入については、具体的には、ｎ型クラッド層及びｎ側光ガイド層からの電子は、準位調整層、及び電子注入層内のミニバンドを介して、活性層の井戸層における第１励起準位へと注入される構成とすることが好ましい。このように、活性層での第１励起準位へと選択的に電子を注入することにより、上記構成を有する半導体レーザを好適に実現して、その特性をさらに向上することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の半導体レーザによれば、単一または複数の井戸層を含む活性層と、電子注入側のｎ側光ガイド層との間に、多重量子井戸構造を有する電子注入層を設け、ｎ型クラッド層及びｎ側光ガイド層からの電子が、電子注入層内のミニバンドを介して活性層の井戸層における励起準位へと注入される構成とするとともに、電子注入層とｎ側光ガイド層との間に、さらに、光ガイド層からの電子を電子注入層内のミニバンドへと輸送する準位調整層を設け、この準位調整層を、層内での電子の最低エネルギー位置がミニバンドエネルギー範囲内にあるように構成することにより、活性層への電子の注入効率を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】半導体レーザの一実施形態の構成を概略的に示す図である。
【図２】図１に示した半導体レーザにおけるポテンシャル構造、及び準位構造の一例を示す図である。
【図３】従来の半導体レーザの構成を概略的に示す図である。
【図４】図３に示した半導体レーザにおけるポテンシャル構造、及び準位構造について示す図である。
【図５】第１実施例の半導体レーザにおける半導体積層構造を示す図表である。
【図６】図５に示した半導体レーザにおけるポテンシャル構造、及び準位構造について示す図である。
【図７】第２実施例の半導体レーザにおける半導体積層構造を示す図表である。
【図８】図７に示した半導体レーザにおけるポテンシャル構造、及び準位構造について示す図である。
【図９】第３実施例の半導体レーザにおける半導体積層構造を示す図表である。
【図１０】図９に示した半導体レーザにおけるポテンシャル構造、及び準位構造について示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面とともに、本発明による半導体レーザの実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２０】
図１は、本発明による半導体レーザの一実施形態の構成を示す図である。図１では、本実施形態の半導体レーザ１Ａにおける半導体積層構造を概略的に示している。また、図２は、図１に示した半導体レーザにおける電子（伝導帯）、及び正孔（価電子帯）のポテンシャル構造、及び準位構造の一例を示す図である。
【００２１】
本実施形態による半導体レーザ１Ａは、図１に示すように、ｎ型半導体基板１０上に、ｎ型クラッド層１１、ｎ側光ガイド層１２、準位調整層２２、電子注入層２１、活性層２０、ｐ側光ガイド層１７、ｐ型クラッド層１６、及びｐ型コンタクト層１５を、この順で積層して構成されている。活性層２０は、単一の井戸層を含む単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、または複数の井戸層を含む多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する量子井戸発光層として構成されており、本半導体レーザ１Ａでの光共振器によってレーザ光を生成するための所定波長の光を発生させる。
【００２２】
活性層２０に対して電子注入側となるｎ型基板１０側には、ｎ側光ガイド層１２が形成され、さらに、光ガイド層１２に対して活性層２０とは反対側には、ｎ型クラッド層１１が形成されている。また、活性層２０に対して正孔注入側となるｐ型コンタクト層１５側には、ｐ側光ガイド層１７が形成され、さらに、光ガイド層１７に対して活性層２０とは反対側には、ｐ型クラッド層１６が形成されている。本半導体レーザ１Ａでは、このような半導体積層構造により、光共振器の導波路構造が構成されている。
【００２３】
また、活性層２０の電子注入側において、活性層２０と光ガイド層１２との間には、複数の井戸層及び複数の障壁層を含む多重量子井戸構造を有して構成された電子注入層２１が設けられている。この電子注入層２１内では、図２に示すように、多重量子井戸構造による準位構造として、複数のエネルギー準位を含むミニバンドＭＢが形成される。
【００２４】
さらに、電子注入層２１と光ガイド層１２との間には、光ガイド層１２から電子注入層２１内のミニバンドＭＢへと電子を輸送する準位調整層２２が設けられている。この準位調整層２２は、準位調整層２２から電子注入層２１への電子の輸送効率を考慮して、ミニバンドＭＢに含まれる複数の準位での最低エネルギー準位及び最高エネルギー準位によって決まるミニバンドエネルギー範囲（ミニバンドＭＢのエネルギー幅）に対し、準位調整層２２内での電子の最低エネルギー位置が、電子注入層２１内でのミニバンドエネルギー範囲内にあるように構成されている。なお、準位調整層２２の層厚が充分に厚く、層内での量子効果を無視できる場合には、準位調整層２２内での電子の最低エネルギー位置は、電子のポテンシャルの底（伝導帯の底）に対応している。
【００２５】
このような構成において、ｎ型クラッド層１１から活性層２０へと供給される電子は、クラッド層１１よりもポテンシャルが低い光ガイド層１２へと移動し、さらに、光ガイド層１２よりもポテンシャルが低い準位調整層２２へと移動する。また、準位調整層２２に移動した電子は、層内での最低エネルギー位置がミニバンドＭＢのエネルギー範囲内に設定されていることにより、電子注入層２１内のミニバンドＭＢへと効率的に輸送、供給され、そして、このミニバンドＭＢを介して、活性層２０の井戸層における所定の励起準位Ｌｅへと注入される。
【００２６】
活性層２０の励起準位Ｌｅへと注入された電子は、縦光学（ＬＯ：LongitudinalOptical）フォノン散乱などの超高速で起こる非発光緩和過程により、基底準位Ｌｇへと非発光遷移する。この電子は、ｐ型クラッド層１６から光ガイド層１７を介して活性層２０へと注入されて価電子帯側に閉じ込められた正孔と再結合する。これにより、量子井戸活性層２０において、所定波長の光ｈνが生成、放出される。
【００２７】
本実施形態による半導体レーザ１Ａの効果について説明する。
【００２８】
図１及び図２に示した半導体レーザ１Ａでは、単一の井戸層を含む単一量子井戸構造、または複数の井戸層を含む多重量子井戸構造を有して構成された活性層２０に対し、電子注入側にｎ側光ガイド層１２、及びｎ型クラッド層１１を設け、また、正孔注入側にｐ側光ガイド層１７、及びｐ型クラッド層１６を設けている。そして、量子井戸活性層２０と電子注入側のｎ側光ガイド層１２との間に、多重量子井戸構造を有する電子注入層２１を設け、ｎ型クラッド層１１及びｎ側光ガイド層１２からの電子が、電子注入層２１内に形成されたミニバンドＭＢを介して、活性層２０の量子井戸層における所定の励起準位Ｌｅへと選択的に注入される構成としている。
【００２９】
このように、活性層２０とｎ側光ガイド層１２との間に、活性層２０での励起準位Ｌｅに電子を注入するための準位構造として機能するミニバンドＭＢを有する電子注入層２１を設けることにより、ｎ型クラッド層１１側から供給される電子を、活性層２０での励起準位Ｌｅへと効率的、選択的に注入することが可能となる。また、このような構成において、活性層２０の井戸層における励起準位Ｌｅへと注入された電子は、上記したように、井戸層の基底準位Ｌｇへと非発光過程によって遷移した後、正孔と再結合して光を発生させる。
【００３０】
また、上記構成の半導体レーザ１Ａでは、ミニバンドＭＢが形成された電子注入層２１とｎ側光ガイド層１２との間に、さらに、光ガイド層１２からの電子を電子注入層２１内のミニバンドＭＢへと輸送するための準位調整層２２を設ける。そして、準位調整層２２内での電子の最低エネルギー位置が電子注入層２１内でのミニバンドＭＢのエネルギー範囲内にあって、準位調整層２２から電子注入層２１内のミニバンドＭＢへと電子が好適に輸送されるように、準位調整層２２及び電子注入層２１におけるポテンシャル構造、及び準位構造を構成する。これにより、量子井戸構造を有する活性層２０への電子の注入効率を向上することが可能となる。
【００３１】
ここで、図３は、従来の半導体レーザの構成を概略的に示す図である。また、図４は、図３に示した従来の半導体レーザにおけるポテンシャル構造、及び準位構造について示す図である。図３、図４に示す半導体レーザ５は、ｎ型半導体基板５０上に、ｎ型クラッド層５１、ｎ側光ガイド層５２、活性層６０、ｐ側光ガイド層５７、ｐ型クラッド層５６、及びｐ型コンタクト層５５を、この順で積層して構成されている。
【００３２】
このような従来構造では、電子は、ｎ型クラッド層５１から光ガイド層５２を介して、活性層６０を構成する量子井戸層へと流れ込む。このとき、図４において模式的に示すように、活性層６０の井戸層を通過するキャリアも存在し、その一部が光ガイド層５７を介してｐ型クラッド層５６へと流入して無効電流となってしまう。これに対して、量子井戸活性層２０に対して電子注入側に、準位調整層２２及び電子注入層２１による電子注入用のポテンシャル構造、準位構造を追加的に設ける上記構成によれば、活性層２０の量子井戸層における励起準位Ｌｅへの電子の注入効率を向上して、無効電流の発生を抑制し、それによって、高効率、低閾値、高温での動作が可能な半導体レーザ１Ａを実現することが可能となる。
【００３３】
なお、上記の半導体レーザ１Ａにおいて、正孔注入側の量子井戸構造は、活性層２０に注入される電子に対するキャリアブロック層として機能している。また、活性層２０に対して電子注入側に設けられる電子注入層２１の多重量子井戸構造は、正孔に対するキャリアブロック層として機能し、これにより、活性層２０において正孔を効率的に閉じ込めることができる。
【００３４】
ここで、ミニバンドＭＢを形成するための電子注入層２１での多重量子井戸構造については、ミニバンドＭＢ上にミニギャップを形成してキャリアリークを抑えるために、量子井戸構造に含まれる井戸層数を４個以上とすることが好ましい。一方、井戸層数の上限については特に制限はないが、このようなミニバンド構造は、光の導波路構造では高屈折率領域となり、半導体レーザ１Ａの結晶設計において考慮が必要である。一般的な光学特性を有するレーザ素子の作製という点で考えると、電子注入層２１での井戸層数は１０個以下であることが好ましい。
【００３５】
また、電子注入層２１とｎ側光ガイド層１２との間に設けられる準位調整層２２については、電子の輸送を好適に実現するため、実質的に量子効果が生じないような層厚で形成することが好ましい。具体的には、準位調整層２２は、準位調整層２２における基底準位と第１励起準位とのエネルギー差（準位間隔）が、室温での電子のエネルギーに対応する２５ｍｅＶ以下となるように設定された層厚で形成されていることが好ましい。このように、電子の輸送に用いられる準位調整層２２での準位構造において、量子効果の影響が実質的に問題にならない程度に準位間隔を充分に小さく設定する構成によれば、光ガイド層１２から準位調整層２２を介して電子注入層２１内のミニバンドＭＢへと電子を好適に輸送、供給することができる。
【００３６】
このように、準位調整層２２での準位間隔を量子効果が問題にならない程度に充分に小さくする構成については、具体的には、準位調整層２２の層厚を厚く設定することによって実現することができる。この場合、準位調整層２２は、例えば、２０ｎｍ以上の層厚で形成されていることが好ましい。このような構成によっても、光ガイド層１２から準位調整層２２を介して電子注入層２１内のミニバンドＭＢへと電子を好適に輸送、供給することができる。
【００３７】
また、準位調整層２２の層厚については、上記した基底準位と第１励起準位とのエネルギー差の条件等を考慮すると、例えば、後述する第１実施例のように、光ガイド層１２をＡｌ組成０．３５のＡｌＧａＡｓ層、準位調整層２２をＡｌ組成０．２０のＡｌＧａＡｓ層、電子注入層２１の障壁層をＡｌ組成０．４５のＡｌＧａＡｓ層とした場合、準位調整層２２の層厚を２０ｎｍ以上とすることが好ましい。また、第２実施例のように、光ガイド層１２をＡｌ組成０．３９、Ｇａ組成０．０９のＡｌＧａＩｎＡｓ層、準位調整層２２をＡｌ組成０．２４、Ｇａ組成０．２４のＡｌＧａＩｎＡｓ層、電子注入層２１の障壁層をＡｌ組成０．５２のＡｌＩｎＡｓ層とした場合、準位調整層２２の層厚を２９ｎｍ以上とすることが好ましい。
【００３８】
なお、電子注入層２１内でのミニバンドＭＢのエネルギー範囲に含まれるように設定される、準位調整層２２内での電子の最低エネルギー位置は、基本的には、準位調整層２２での準位構造における基底準位のエネルギー位置に対応している。また、準位調整層２２の層厚が充分に厚く、量子効果を無視できる場合には、準位調整層２２における伝導帯の底が、電子の最低エネルギー位置に実質的に対応している。
【００３９】
また、準位調整層２２内での電子の最低エネルギー位置の設定範囲を規定するミニバンドＭＢのエネルギー範囲については、基本的には、電子注入層２１内のミニバンドＭＢに含まれる複数の準位での最低エネルギー準位を下端とし、最高エネルギー準位を上端としたエネルギー範囲がミニバンドエネルギー範囲となる。
【００４０】
ただし、より具体的には、室温での電子のエネルギー（約２５ｍｅＶ）を考慮すると、ミニバンドエネルギー範囲を、ミニバンドＭＢでの最低エネルギー準位よりも２５ｍｅＶ低いエネルギー位置を下端とし、最高エネルギー準位を上端としたエネルギー範囲として設定することが好ましい。このように規定されたミニバンドエネルギー範囲に対し、準位調整層２２内での電子の最低エネルギー位置を、ミニバンドエネルギー範囲内の位置に設定することにより、準位調整層２２から電子注入層２１内のミニバンドＭＢへと、電子を好適に輸送することができる。
【００４１】
量子井戸構造の発光層として機能する活性層２０については、具体的には、活性層２０は、単一の井戸層を含む単一量子井戸構造を有して構成されていることが好ましい。このように、活性層２０を単一量子井戸構造とすることにより、半導体レーザ１Ａの特性の向上が期待できる。また、活性層２０については、複数の井戸層を含む多重量子井戸構造を有する構成としても良い。
【００４２】
また、活性層２０の励起準位Ｌｅへの電子の注入については、具体的には、ｎ型クラッド層１１及びｎ側光ガイド層１２からの電子は、準位調整層２２、及び電子注入層２１内のミニバンドＭＢを介して、活性層２０の井戸層における第１励起準位へと注入される構成とすることが好ましい。このように、活性層２０での基底準位Ｌｇの直上の準位である第１励起準位Ｌｅへと選択的に電子を注入することにより、上記構成を有する半導体レーザ１Ａ、及びそれによるレーザ動作を好適に実現して、その特性をさらに向上することができる。ただし、電子が注入される活性層２０の準位については、第２励起準位等の他の励起準位としても良い。
【００４３】
ここで、準位調整層２２及び電子注入層２１を介して、活性層２０の励起準位Ｌｅへと効率的に電子を注入する上記構成では、活性層２０の量子井戸構造について、単一の量子井戸層で充分なレーザ特性が得られると考えられる。これにより、従来の半導体レーザにおいて、複数の井戸層による多重量子井戸構造が必要とされている波長帯で、レーザ特性の改善、高性能化が期待できる。例えば、従来の長波長レーザは、活性層に圧縮歪を持っており、また、４ＱＷ構造が主流であるが、欠陥を抑えるために活性層を薄くせざるを得ない。これに対して、上記のように活性層をＳＱＷ構造とすることにより、活性層を厚くすることができ、したがって、レーザ光の長波長化が可能となる。
【００４４】
また、上記構成の半導体レーザ１Ａでは、活性層２０の井戸層での準位Ｌｅに電子を直接的に注入するので、キャリアのオーバーフローによる無効電流が低減され、それによるレーザ動作の高効率化が期待できる。また、このような構成では、電子の注入効率が温度変化に対して大きく変化しなくなると考えられ、したがって、レーザ動作の温度特性が向上する。また、光ガイド層１２から活性層２０の井戸層へのキャリアの遷移時間を考慮する必要がなくなるため、高速応答のレーザ素子が実現される。
【００４５】
また、半導体レーザ１Ａにおける上記構成は、あらゆる波長のレーザ素子に適用が可能であると考えられる。これにより、例えば、従来構造でキャリアのオーバーフローが問題となっていた赤色ＬＤの短波長化、あるいは、臨界膜厚によって長波長化が抑制されていた赤外ＬＤの長波長化等、様々な波長、特性の半導体レーザが実現可能となる。
【００４６】
半導体レーザ１Ａで生成されるレーザ光の波長λ、及び波長λに対応する電子注入層２１及び活性層２０における量子井戸構造の半導体材料系については、例えば、波長２６０ｎｍ≦λ≦６００ｎｍに対して、材料系ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｚ＝１−ｘ−ｙ，ｚ≧０）／ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｚ＝１−ｘ−ｙ，ｚ≧０）を用いることができる。
【００４７】
また、波長λ、及び半導体材料系について、さらに、波長６００ｎｍ≦λ≦７００ｎｍに対して、材料系ＡｌＧａＩｎＰ／ＩｎＧａＰを用いることができる。また、波長７００ｎｍ≦λ≦１２００ｎｍに対して、材料系（Ａｌ）ＧａＡｓ／（ＡｌＩｎ）ＧａＡｓを用いることができる。また、波長１２００ｎｍ≦λ≦３０００ｎｍに対して、材料系ＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓを用いることができる。
【００４８】
図１、図２に示した半導体レーザ１Ａにおける、準位調整層２２及び電子注入層２１を含む半導体積層構造の設計について、さらに説明する。電子注入層２１のミニバンドＭＢ内での電子の輸送は、電子−電子散乱、音響フォノン散乱、光学フォノン散乱等の過程によって決定される。このため、準位調整層２２から効率的に電子を輸送し、活性層２０の励起準位Ｌｅへと注入するためには、電子注入層２１における超格子内のミニバンドＭＢを適切に設計する必要がある。
【００４９】
まず、準位調整層２２から電子注入層２１内のミニバンドＭＢへと電子が高速かつ容易に輸送されるように、電子注入層２１の準位調整層２２側では、ミニバンドＭＢのエネルギー幅を広くし、また、ミニバンドＭＢ内の準位の波動関数が、準位調整層２２内のバンドと結合していることが好ましい。そのためには、具体的には、電子注入層２１の多重量子井戸構造（超格子構造）において最も準位調整層２２側の量子井戸層には、準位調整層２２での伝導帯のバンド端（最低エネルギー位置）から２５ｍｅＶ以内のエネルギー位置において、電子の存在確率（波動関数の振幅の二乗に対応）が全体の１／５程度、あるいはさらに１／５以上となる大きな振幅を有する準位が少なくとも１つ存在していることが好ましい。
【００５０】
一方、電子注入層２１の活性層２０側では、ミニバンドＭＢ内で低エネルギー側にある準位での波動関数の振幅を大きくすることが好ましい（Funnel injector）。このような構成とすることにより、電子の漏れ出しを防ぐとともに、活性層２０への電子の注入効率を向上させることが可能となる。
【００５１】
また、ミニバンドＭＢから活性層２０への電子の注入を容易にするため、活性層２０内の励起準位（例えば第１励起準位）Ｌｅと、ミニバンドＭＢ内の低エネルギー側の準位とは、充分に強く結合していることが好ましい。具体的には、ミニバンドＭＢ内の低エネルギー側の準位の波動関数が、活性層２０内において明確に染み出して存在していることが好ましい。これにより、ミニバンドＭＢ内での緩和を介して、電子を活性層２０内の励起準位Ｌｅへと高速、高効率で注入することができる。
【００５２】
また、活性層２０と電子注入層２１との間に厚い注入障壁層を設け、この注入障壁層を介して共鳴トンネル効果によって、注入層２１から活性層２０の励起準位Ｌｅへと電子を注入する構成としても良い。この場合、ミニバンドＭＢ内での緩和を用いる構成よりも電子の輸送時間は長くなるが、電子の光ガイド層への漏れ出しを最小限に抑制することができる。また、この場合の電子のトンネル時間は、ミニバンドＭＢ内の準位と活性層２０内の励起準位Ｌｅとのアンチクロッシングの大きさによって制御することができる。
【００５３】
ミニバンドＭＢの全体のエネルギー幅（ミニバンドエネルギー範囲）は、設計波長λ、電子注入層２１の半導体材料系、及び井戸層数等によって決定される。このミニバンドＭＢのエネルギー幅は、ＬＯフォノンのエネルギー以上に設定することが好ましい。これにより、ＬＯフォノン散乱を利用してミニバンドＭＢ内での電子の緩和を高速に保つことが可能となり、また、ミニバンドＭＢ内での電子温度の上昇を防ぐことができる。
【００５４】
また、ミニバンドＭＢ内での準位のエネルギー間隔は、ＬＯフォノンのエネルギーの２倍よりも小さく設定することが好ましい。これは、ミニバンドＭＢ内での準位間隔が過度に大きくなると、準位間での散乱時間が長くなり、ミニバンドＭＢ内での電子の緩和の点で効率的でなくなるためである。一方、ミニバンドＭＢ内での準位間隔がＬＯフォノンのエネルギーよりも小さい場合には、準位の波動関数がミニバンドＭＢ内の少なくとも３個の量子井戸層にわたって存在していることが好ましい。これにより、電子は即座に複数の井戸層において存在することができるとともに、電子−電子散乱によって効率的に電子を輸送することが可能となる。
【００５５】
また、電子注入層２１の超格子構造においては、複数のミニバンド及びミニギャップが形成されるが、このような構成において、ミニギャップを、光ガイド層のバンド端付近と同程度のエネルギーに位置するように設定することが好ましい。これにより、トンネル効果によって直接に輸送される電子をブロックすることができ、効率的に電子の漏れ出しを防ぐことが可能となる。
【００５６】
上記実施形態による半導体レーザ１Ａの構成について、具体的な実施例とともにさらに説明する。なお、以下に説明する第１〜第３実施例では、その基本的な構成は、いずれも図１、図２に関して上述したものと同様である。
【００５７】
図５は、第１実施例の半導体レーザにおける半導体積層構造を示す図表である。また、図６は、図５に示した半導体レーザにおけるポテンシャル構造、及び準位構造について示す図である。ここで、図６のグラフにおいて、横軸は半導体積層方向での位置（ｎｍ）を示し、縦軸はエネルギー（ｅＶ）を示している。
【００５８】
本実施例による半導体レーザは、ｎ型半導体基板１０としてＧａＡｓ基板を用い、発振波長をλ＝８５０ｎｍとして設計された例を示している。この半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に、厚さ１．５μｍのｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１、厚さ０．４５μｍのＡｌＧａＡｓ光ガイド層１２、厚さ５０ｎｍ（０．０５μｍ）のＡｌＧａＡｓ準位調整層２２、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸構造を有する電子注入層２１、厚さ１０ｎｍの単一のＧａＡｓ井戸層からなる活性層２０、厚さ０．５μｍのＡｌＧａＡｓ光ガイド層１７、厚さ１．５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１６、及び厚さ２００ｎｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層１５を順にエピタキシャル成長して構成されている。
【００５９】
上記構成において、半導体材料の組成比については、具体的には例えば、クラッド層１１、１６のＡｌ組成は［Ａｌ］＝０．４５、光ガイド層１２、１７のＡｌ組成は［Ａｌ］＝０．３５、準位調整層２２のＡｌ組成は［Ａｌ］＝０．２０である。また、電子注入層２１は、Ａｌ０．４５Ｇａ０．５５Ａｓ／ＧａＡｓによって構成されている。
【００６０】
ドーパントについては、ｎ型ドーパントとしてＳｉを用い、また、ｐ型ドーパントとしてＺｎを用いている。また、ｎ型クラッド層１１のキャリア濃度は１．０×１０１７／ｃｍ３、ｐ型クラッド層１６のキャリア濃度は１．０×１０１８／ｃｍ３、ｐ型コンタクト層１５のキャリア濃度は１．０×１０２０／ｃｍ３である。
【００６１】
上記した半導体積層構造の成長方法については、例えばＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法など、具体的には様々な方法を用いることができる。また、半導体レーザの全体の素子構造については、例えば、通常のエッチング技術等によってリッジストライプ型にプロセスする構成を用いることができる。また、電子注入層２１におけるＡｌＧａＡｓ障壁層、ＧａＡｓ井戸層のそれぞれの層厚は、図５に示す通りである。
【００６２】
このような構成において、図６に示すように、電子注入層２１内にはミニバンドＭＢが形成されている。ｎ型クラッド層１１及び光ガイド層１２からの電子は、準位調整層２２での電子輸送、及び電子注入層２１内のミニバンドＭＢでの高速緩和を介して、活性層２０における単一の井戸層の第１励起準位Ｌｅへと注入される。
【００６３】
また、準位調整層２２の最低エネルギー位置（伝導帯の底）は、ミニバンドエネルギー範囲内となるように設定されている。本実施例では、上記したように、準位調整層２２のＡｌ組成を［Ａｌ］＝０．２０としているが、最低エネルギー位置についての条件を考慮すると、［Ａｌ］＝０．１５〜０．２５の範囲で設定することができる。また、準位調整層２２の層厚は５０ｎｍであって２０ｎｍ以上の条件を満たしており、量子効果の影響は充分に小さくされている。以上の構成によれば、活性層２０への電子の効率的かつ選択的な注入により、発光に寄与しない無効電流を低減して、低閾値動作、高温動作が可能な半導体レーザが実現される。
【００６４】
なお、図５に示した積層構造において、ｎ型基板１０側の光ガイド層１２、準位調整層２２、あるいは電子注入層２１に、例えばキャリア濃度１．５×１０１７／ｃｍ３程度でｎ型ドーピングをして、あらかじめ電子を配置しておいても良い。また、ｐ型コンタクト層１５側の光ガイド層１７、あるいは活性層２０に、例えばキャリア濃度１．０×１０１７／ｃｍ３程度でｐ型ドーピングをして、あらかじめ正孔を配置しておいても良い。このように構成することにより、レーザ素子のスロープ効率の向上、高出力化、及び変調特性の向上等が可能となる。
【００６５】
図７は、第２実施例の半導体レーザにおける半導体積層構造を示す図表である。また、図８は、図７に示した半導体レーザにおけるポテンシャル構造、及び準位構造について示す図である。
【００６６】
本実施例による半導体レーザは、ｎ型半導体基板１０としてＩｎＰ基板を用い、発振波長をλ＝１５５０ｎｍとして設計された例を示している。この半導体レーザは、ｎ型ＩｎＰ基板１０上に、厚さ１．５μｍのｎ型ＡｌＩｎＡｓクラッド層１１、厚さ０．１５μｍのＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層１２、厚さ５０ｎｍのＡｌＧａＩｎＡｓ準位調整層２２、ＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ多重量子井戸構造を有する電子注入層２１、厚さ１０ｎｍの単一のＩｎＧａＡｓ井戸層からなる活性層２０、厚さ０．２μｍのＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層１７、厚さ１．５μｍのｐ型ＡｌＩｎＡｓクラッド層１６、及び厚さ２００ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１５を順にエピタキシャル成長して構成されている。
【００６７】
上記構成において、半導体材料の組成比については、具体的には例えば、クラッド層１１、１６のＡｌ組成は［Ａｌ］＝０．４８、光ガイド層１２、１７のＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ組成は［Ａｌ］＝０．３９、［Ｇａ］＝０．０９、［Ｉｎ］＝０．５２、準位調整層２２のＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ組成は［Ａｌ］＝０．２４、［Ｇａ］＝０．２４、［Ｉｎ］＝０．５２である。また、電子注入層２１及び活性層２０は、Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓ／Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓによって構成されている。
【００６８】
ドーパントについては、ｎ型ドーパントとしてＳｉを用い、また、ｐ型ドーパントとしてＺｎを用いている。また、ｎ型クラッド層１１のキャリア濃度は５．０×１０１７／ｃｍ３、ｐ型クラッド層１６のキャリア濃度は１．０×１０１８／ｃｍ３、ｐ型コンタクト層１５のキャリア濃度は１．０×１０１９／ｃｍ３である。半導体成長方法、及び全体の素子構造等については、第１実施例と同様である。また、電子注入層２１におけるＡｌＩｎＡｓ障壁層、ＩｎＧａＡｓ井戸層のそれぞれの層厚は、図７に示す通りである。
【００６９】
このような構成において、図８に示すように、電子注入層２１内にはミニバンドＭＢが形成されている。ｎ型クラッド層１１及び光ガイド層１２からの電子は、準位調整層２２での電子輸送、及び電子注入層２１内のミニバンドＭＢでの高速緩和を介して、活性層２０における単一の井戸層の第１励起準位Ｌｅへと注入される。
【００７０】
また、準位調整層２２の最低エネルギー位置は、ミニバンドエネルギー範囲内となるように設定されている。本実施例では、準位調整層２２のＡｌＧａＩｎＡｓはＩｎＰに格子整合しており、そのエネルギーギャップが１．１〜１．２ｅＶの範囲で設定することができる。また、準位調整層２２の層厚は５０ｎｍであり、量子効果の影響は充分に小さくされている。以上の構成によれば、第１実施例と同様に、活性層２０への電子の効率的かつ選択的な注入により、発光に寄与しない無効電流を低減して、低閾値動作、高温動作が可能な半導体レーザが実現される。
【００７１】
なお、図７に示した積層構造において、ｎ型基板１０側の光ガイド層１２、準位調整層２２、あるいは電子注入層２１に、例えばキャリア濃度１．５×１０１７／ｃｍ３程度でｎ型ドーピングをして、あらかじめ電子を配置しておいても良い。また、ｐ型コンタクト層１５側の光ガイド層１７、あるいは活性層２０に、例えばキャリア濃度１．０×１０１７／ｃｍ３程度でｐ型ドーピングをして、あらかじめ正孔を配置しておいても良い。また、本実施例では、準位調整層２２等の半導体材料としてＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料を例示したが、例えばＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いても良い。
【００７２】
図９は、第３実施例の半導体レーザにおける半導体積層構造を示す図表である。また、図１０は、図９に示した半導体レーザにおけるポテンシャル構造、及び準位構造について示す図である。
【００７３】
本実施例による半導体レーザは、ｎ型半導体基板１０としてＧａＡｓ基板を用い、発振波長をλ＝８５０ｎｍとし、活性層に二重量子井戸構造を用いて設計された例を示している。この半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に、厚さ１．５μｍのｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１、厚さ０．４５μｍのＡｌＧａＡｓ光ガイド層１２、厚さ５０ｎｍのＡｌＧａＡｓ準位調整層２２、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸構造を有する電子注入層２１、それぞれ厚さ１０ｎｍの２個のＧａＡｓ井戸層及びその間にある厚さ１．５ｎｍのＡｌＧａＡｓ障壁層からなる活性層２０、厚さ０．５μｍのＡｌＧａＡｓ光ガイド層１７、厚さ１．５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１６、及び厚さ２００ｎｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層１５を順にエピタキシャル成長して構成されている。
【００７４】
上記構成において、半導体材料の組成比については、具体的には例えば、クラッド層１１、１６のＡｌ組成は［Ａｌ］＝０．４５、光ガイド層１２、１７のＡｌ組成は［Ａｌ］＝０．３５、準位調整層２２のＡｌ組成は［Ａｌ］＝０．３０である。また、電子注入層２１、及び活性層２０は、それぞれＡｌ０．４５Ｇａ０．５５Ａｓ／ＧａＡｓによって構成されている。
【００７５】
ドーパントについては、ｎ型ドーパントとしてＳｉを用い、また、ｐ型ドーパントとしてＺｎを用いている。また、ｎ型クラッド層１１のキャリア濃度は１．０×１０１７／ｃｍ３、ｐ型クラッド層１６のキャリア濃度は１．０×１０１８／ｃｍ３、ｐ型コンタクト層１５のキャリア濃度は１．０×１０２０／ｃｍ３である。半導体成長方法、及び全体の素子構造等については、第１実施例と同様である。また、電子注入層２１におけるＡｌＧａＡｓ障壁層、ＧａＡｓ井戸層のそれぞれの層厚は、図９に示す通りである。
【００７６】
このような構成において、図１０に示すように、電子注入層２１内にはミニバンドＭＢが形成されている。ｎ型クラッド層１１及び光ガイド層１２からの電子は、準位調整層２２での電子輸送、及び電子注入層２１内のミニバンドＭＢでの高速緩和を介して、活性層２０における２個の井戸層の第１励起準位Ｌｅへと注入される。また、準位調整層２２の最低エネルギー位置は、ミニバンドエネルギー範囲内となるように設定されている。以上の構成によれば、第１、第２実施例と同様に、活性層２０への電子の効率的かつ選択的な注入により、発光に寄与しない無効電流を低減して、低閾値動作、高温動作が可能な半導体レーザが実現される。
【００７７】
なお、図９、図１０に示した積層構造において、活性層２０の二重量子井戸構造では、２個のＧａＡｓ井戸層の間に、厚さ１．５ｎｍのＡｌＧａＡｓ障壁層を設けている。この障壁層の厚さについては、量子井戸層間で波動関数が互いに重なりあう限り、１．５ｎｍに限定されず、適宜変更して良い。
【００７８】
本発明による半導体レーザは、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、電子注入層における量子井戸構造、及びそれによるミニバンド準位構造については、上記した各構成に限らず、具体的には様々な構成を用いて良い。また、活性層の量子井戸構造については、単一量子井戸構造、及び二重量子井戸構造を例示したが、３個以上の井戸層を含む多重量子井戸構造としても良い。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、単一または複数の井戸層を含む量子井戸構造を有する活性層への電子の注入効率を向上することが可能な半導体レーザとして利用可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１Ａ…半導体レーザ、１０…ｎ型半導体基板、１１…ｎ型クラッド層、１２…ｎ側光ガイド層、１５…ｐ型コンタクト層、１６…ｐ型クラッド層、１７…ｐ側光ガイド層、２０…量子井戸活性層、２１…電子注入層、２２…準位調整層、Ｌｇ…基底準位、Ｌｅ…励起準位、ＭＢ…ミニバンド。
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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