(57)【要約】【課題】長距離データ通信などに用いることのできる、長波長の量子井戸構造を有する半導体レーザを提供する。【解決手段】Ｇａ、Ａｓ、及びＩｎを含む第１の半導体からなる量子井戸層と、Ｇａ及びＡｓを含む第２の半導体からなる障壁層とが交互に積層されてなる量子井戸構造を具え、前記第１の半導体のＩｎ含有量が３０原子％以上であって、前記第２の半導体はｐ型又はｎ型のドーパントを含む。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｇａ、Ａｓ、及びＩｎを含む第１の半導体からなる量子井戸層と、Ｇａ及びＡｓを含む第２の半導体からなる障壁層とが交互に積層されてなる量子井戸構造を具え、前記第１の半導体のＩｎ含有量が３０原子％以上であって、前記第２の半導体はｐ型又はｎ型のドーパントを含むことを特徴とする、半導体レーザ。
【請求項２】
前記第１の半導体はＮを５原子％以下の割合で含むことを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記第１の半導体はＳｂを１原子％以下の割合で含む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】
前記量子井戸層の厚さが２ｎｍ〜１０ｎｍであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記第２の半導体はｐ型のドーパントを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記第２の半導体の前記ドーパントの含有量が１０１８／ｃｍ３〜１０２０／ｃｍ３であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の半導体レーザ。
【請求項７】
前記障壁層の厚さが５ｎｍ〜３０ｎｍであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の半導体レーザ。
【請求項８】
前記量子井戸層及び前記障壁層を１単位とした積層数が、１〜５であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一に記載の半導体レーザ。
【請求項９】
発光波長が１．１μｍ〜１．３μｍであることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載の半導体レーザ。
【請求項１０】
緩和振動周波数が２０ＧＨｚ以上であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一に記載の半導体レーザ。
【請求項１１】
しきい値動作電流が１ｍＡ以下であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一に記載の半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体光エレクトロニクスなどの分野における半導体レーザなどとして好適に用いることのできる半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光データ通信などの光エレクトロニクス分野において、データ通信用の光源として半導体レーザが着目され、特に低いしきい値電流での動作が可能であることから、バンドギャップエネルギーが小さく低ポテンシャルの量子井戸層と、バンドギャップが大きく高ポテンシャルの障壁層とが交互に積層されてなる半導体量子井戸構造のレーザが注目を浴びている。
【０００３】
一方、近年においては光ファイバ通信網などを利用した長距離データ通信技術の確立が望まれている。短距離データ通信において要求される光の波長は０．７μｍ〜０．９μｍ程度であるが、長距離データ通信において要求される光の波長は約１．１μｍ以上である。したがって、半導体量子井戸構造から構成される半導体レーザの、短距離のデータ通信への応用は、前記半導体レーザをＧａＡｓ系半導体を中心とした半導体材料を用いて構成することによってほぼ実現することができるが、長距離のデータ通信に応用することのできる実用的な量子井戸構造の半導体レーザは未だ実現されていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、長距離データ通信などに用いることのできる、長波長の量子井戸構造を有する半導体レーザを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、Ｇａ、Ａｓ、及びＩｎを含む第１の半導体からなる量子井戸層と、Ｇａ及びＡｓを含む第２の半導体からなる障壁層とが交互に積層されてなる量子井戸構造を具え、前記第１の半導体のＩｎ含有量が３０原子％以上であって、前記第２の半導体はｐ型又はｎ型のドーパントを含むことを特徴とする、半導体レーザに関する。
【０００６】
本発明者らは、長波長の量子井戸構造の半導体レーザを得るべく鋭意検討を行った。その結果、量子井戸構造の量子井戸層を構成するＧａＡｓ系の半導体に対してＩｎを所定量加えることにより、約１．１μｍ以上の長波長の光を発光できることを見出した。
【０００７】
図１は、本発明の半導体レーザを構成する半導体量子井戸構造を概略的に示す構成図であり、図２は、図１に示す半導体量子井戸構造のバンド構造を示す図である。図１に示す半導体量子井戸構造は、Ｇａ、Ａｓ、及びＩｎを含む第１の半導体からなる量子井戸層１と、Ｇａ及びＡｓを含む第２の半導体からなる障壁層２とが交互に積層されて構成されている。図２から明らかなように、量子井戸層１の禁制帯は障壁層２の禁制帯よりも小さく、より低いエネルギーで励起し発光させることができる。
【０００８】
そして、量子井戸層１中のＩｎを含有量を増大させると、量子井戸層１の禁制帯幅はより小さくなり、生成させる光の波長が長波長側へシフトする。そして、本発明に従ってＩｎ含有量を３０原子％以上とすることにより、前記禁制帯幅は所定の大きさにまで縮小され、目的とする１．１μｍ以上の長波長の光を生成し、発することができるようになる。
【０００９】
一方、単にＩｎを加えたのみでは、結晶歪みの増大などに伴って発光利得が減少してしきい値動作電流が増大してしまい、低しきい値動作電流という量子井戸構造の半導体レーザの特徴に反する結果となっていた。そこで、本発明者らはさらなる検討を実施した結果、量子井戸構造の、ＧａＡｓ系の半導体からなる障壁層のみに所定量のｐ型又はｎ型のドーパントを含有させる、いわゆる変調ドーピングを実施した。
【００１０】
この場合は、障壁層中に注入されたキャリアが量子井戸層内に流入するようになるため、発光に寄与しうるキャリア数が実質的に増大する。したがって、Ｉｎを加えたことによるしきい値動作電流の劣化を抑制して、量子井戸構造の半導体レーザ本来の特性である低しきい値動作電流をも実現させたものである。
【００１１】
このように、本発明によれば、長距離データ通信などに好適に用いることのできる、長波長光の量子井戸構造を有する半導体レーザを提供することができる。
【００１２】
また、本発明の好ましい態様においては、前記半導体量子井戸構造の、前記量子井戸層を構成する前記第１の半導体は、Ｎ（窒素）を５原子％以下の割合で含む。さらに、本発明の他の好ましい態様においては、前記第１の半導体はＳｂを１原子％以下の割合で含む。これらの場合は、量子井戸層の禁制帯幅をさらに縮小させることができ、より長波長の光を簡易に生成し、発光することができる。
【００１３】
本発明のその他の好ましい態様においては、前記半導体量子井戸構造の、前記障壁層を構成する前記第２の半導体はｐ型のドーパントを含む。この場合においては、微分利得が増大して大きな緩和振動周波数を得ることができ、高速の変調動作を行なうことができる。なお、本発明の範囲内で、前記第１の半導体がＩｎ及び／又はＳｂを比較的多量に含むことにより、前記量子井戸層の結晶歪みが増大し、緩和振動周波数をさらに増大することができるようになる。その結果、より高速の変調動作を行なうことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面と関連させながら発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
本発明の半導体レーザにおいては、量子井戸構造の、量子井戸層を構成する第１の半導体は、Ｇａ及びＡｓに加えて、Ｉｎを３０原子％以上含むことが必要であり、さらには３５原子％以上であることが好ましい。これによって、長波長の光を簡易に生成し、発光させることができる。さらには、前述したように、前記量子井戸層の、障壁層を構成する第２の半導体がｐ型のドーパントを含む場合において、前記量子井戸層の結晶歪みの増大に起因して、緩和振動周波数をより増大させることができ、高速の変調動作を可能とすることができる。
【００１５】
なお、Ｉｎ含有量の上限は特に限定されるものではないが、好ましくは４０原子％である。これ以上含有させても、良好な結晶状態を維持するのが困難となり、量子井戸層として機能させることができなくなる場合がある。
【００１６】
また、前記第１の半導体は、Ｎ（窒素）を５原子％以下の割合で含むことができる。この場合は、量子井戸層としての機能を失うことなく、上述したように、より超波長の光を生成し、発光させることができる。
【００１７】
さらに、前記第１の半導体は、Ｓｂを１原子％以下で割合で含むことができる。この場合も、量子井戸層としての機能を失うことなく、上述したように、より超波長の光を生成し、発光させることができる。さらには、前記第２の半導体がｐ型のドーパントを含む場合において、前記量子井戸層の結晶歪みの増大に起因して、緩和振動周波数をより増大させることができ、高速の変調動作を可能とすることができる。
【００１８】
また、量子井戸構造の、障壁層を構成するＧａ及びＡｓを含む第２の半導体は、ｐ型又はｎ型のドーパントを含むことが必要である。これによって、量子井戸層を構成するＩｎ及び／又はＳｂを比較的多量に含む第１の半導体の、結晶歪みに伴うしきい値動作電流の劣化を、発光に寄与する実質的なキャリア数の増大によって抑制することができる。
【００１９】
ｐ型のドーパントとしてはＢｅ及びＣを例示することができ、ｎ型のドーパントとしてはＳｉ及びＧｅを例示することができる。
【００２０】
特に、前記第２の半導体がｐ型のドーパントを含むことによって、前述したように、微分利得の増大に起因して緩和振動周波数を向上させることができ、高速の変調動作を行なうことができる。
【００２１】
前記第２の半導体のドーパントの含有量は、１８１８／ｃｍ３〜１０２０ｃｍ３であることが好ましく、さらには１０１９／ｃｍ３〜１０２０ｃｍ３であることが好ましい。これによって、前記第２の半導体から構成される障壁層の機能を十分に確保した上で、隣接する量子井戸層に対して十分な量のキャリアを供給し、上述したしきい値動作電流の劣化を十分に抑制することができる。
【００２２】
量子井戸層の厚さ、例えば、図１に示す厚さｔ１は２ｎｍ〜１０ｎｍであることが好ましく、さらには３ｎｍ〜８ｎｍであることが好ましい。また、障壁層の厚さ、例えば、図１に示す厚さｔ２は５ｎｍ〜３０ｎｍであることが好ましく、さらには１０ｎｍ〜２０ｎｍであることが好ましい。これによって、半導体量子井戸構造自体の機能が増大し、より低いしきい値動作電流の半導体レーザを提供することができる。
【００２３】
また、同様の観点から隣接する量子井戸層及び障壁層を１単位とした場合に、その積層数（積層単位数）が１〜５であることが好ましく、さらには１〜３であることが好ましい。
【００２４】
以上の要件を満足することにより、１．１μｍ以上、例えば１．１μｍ〜１．３μｍの範囲の長波長光を低しきい値動作電流の下に得ることができる。また、緩和振動周波数を２０ＧＨｚ以上とすることができ、２０ＧＢｉｔ／ｓｅｃ程度以上の高速変調を行なうことができる。さらに、しきい値動作電流を１ｍＡ以下にまで低減することができる。
【００２５】
なお、本発明の半導体レーザを構成する半導体量子井戸構造は、ＭＢＥやＭＯＣＶＤ法などの公知の方法を用いて作製することができる。また、半導体量子井戸構造を形成すべき基板は、ＧａＡｓ系半導体基板など公知の半導体基板を用いることができる。
【００２６】
【実施例】
以下、実施例によって本発明を具体的に示す。
（実施例１）
基板としてＧａＡｓ基板を用い、この基板上にＩｎを３５原子％含有したＧａＡｓＩｎ半導体からなる量子井戸層と、ドーパントとしてＣを１０１９／ｃｍ３の割合で含むＧａＡｓ半導体からなる障壁層とを、それぞれ厚さ６．５ｎｍ及び１２ｎｍで、量子井戸層及び障壁層を１単位として計５層（（３）単位層）積層させて半導体量子井戸構造を作製した。次いで、得られた半導体量子井戸構造に対して電極を取り付けて半導体レーザを構成し、電圧を印加することによって駆動させた。
【００２７】
このとき得られた発光強度スペクトルは、波長１．１２μｍにピーク強度を有し、前記半導体レーザからは長波長の光が生成されて発光されていることが判明した。
【００２８】
以上、実施例１から明らかなように、本発明に従って得た半導体レーザは１．１μｍ以上の長波長の光を、低いしきい値動作電流の元に生成し発光できることが分かる。
【００２９】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体レーザを量子井戸構造から構成するとともに、この量子井戸構造を構成する量子井戸層をＧａＡｓに対して所定量のＩｎを含有させた半導体から構成するとともに、ＧａＡｓ半導体から構成される障壁層に対して所定量のドーパントを含有させている。したがって長距離データ通信などに用いることのできる、長波長光を低しきい値動作電流の下に生成し発光させることのできる半導体レーザを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体レーザを構成する半導体量子井戸構造を概略的に示す構成図である。
【図２】図１に示す半導体量子井戸構造のバンド構造を示す図である。
【符号の説明】
１  量子井戸層
２  障壁層
【図１】
2004193290.tif 000003
【図２】
2004193290.tif 000004