(57)【要約】井戸層にヘビーホールの井戸３０９及びライトホールの井戸３１０を形成する。また、バリア層のライトホールの連続準位３１１が井戸層のヘビーホールの量子準位３１２より低くなるようにし、さらに井戸層のライトホールの量子準位がバリア層のライトホールの連続準位３１１とほぼ等しくなるようにする。これにより、歪みのある井戸層と歪みのあるバリア層を交互に積層して形成した歪み量子井戸層を活性層とする半導体レーザの微分利得を高くできる。
2004112208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
歪みのある井戸層と歪みのあるバリア層を交互に積層して形成した歪み量子井戸層を活性層とする半導体レーザにおいて、前記井戸層にヘビーホールおよびライトホールのエネルギーの井戸を形成するとともに、前記バリア層のライトホールの連続準位が前記井戸層のヘビーホールの量子準位より低く、かつ前記井戸層のライトホールの量子準位が前記バリア層のライトホールの連続準位と等しくなるようにしたことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体レーザにおいて、前記井戸層は圧縮歪みを、前記バリア層は引張り歪みを有していることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体レーザにおいて、前記井戸層および前記バリア層がＡｌｘ１Ｇａｙ１Ｉｎ１−ｘ１−ｙ１Ａｓで表わされる組成の４元系半導体であり、前記井戸層の圧縮歪み量ｅ（Ｗ）が、０．９％≦ｅ（Ｗ）≦１．１％、前記バリア層の引張り歪み量ｅ（Ｂ）が、０．３％≦ｅ（Ｂ）≦０．５％であることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体レーザにおいて、前記井戸層の膜厚が４〜６ｎｍであることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項５】
請求項３に記載の半導体レーザにおいて、発振波長が１．２５〜１．３４μｍであることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項６】
請求項３に記載の半導体レーザにおいて、前記井戸層のＡｌ組成及びＧａ組成が、ｘ１ｙ１平面を想定した場合に、（ｘ１，ｙ１）＝（０．１０，０．２０）、（０．２０，０．１１）、（０．１９，０．１５）、及び（０．０８，０．２６）の４点を結んで囲まれる領域内の任意の点により定まることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項７】
請求項３に記載の半導体レーザにおいて、前記バリア層のＡｌ組成及びＧａ組成が、ｘ１ｙ１平面を想定した場合に、（ｘ１，ｙ１）＝（０．１５，０．３５）、（０．４２，０．０９）、（０．４２，０．１３）、及び（０．１５，０．４０）の４点を結んで囲まれた領域内の任意の点で定まることを特徴とする半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は量子井戸構造の活性層を備えた半導体レーザに関し、特にその微分利得の向上に関する。
【背景技術】  従来から半導体レーザの性能向上を目的として、活性層を量子井戸構造とした半導体レーザが種々提案されている。
ここで、量子井戸構造の活性層とは、バンドギャップの小さな井戸層とバンドギャップの大きなバリア層を交互に積層して、井戸層の領域に量子井戸を形成したものである。そして、量子井戸構造の活性層を備えた半導体レーザにおいては、キャリアの有効質量を小さくすることによって、発振しきい値を下げることができると共に微分利得を上げることができ、変調速度を高速化できることが知られている。
従来の半導体装置は、キャリアの有効質量を低減するために、バリア層のライトホールに対する価電子帯と井戸層のライトホールに対する価電子帯との間のバンド不連続量を、ライトホールに対して量子井戸を形成しない大きさとし、バリア層のヘビーホールに対する価電子帯と井戸層のヘビーホールに対する価電子帯との間の不連続量を、ヘビーホールに対して量子井戸を形成する大きさとしている。この構成によれば、価電子帯のライトホールは井戸層に閉じ込められることなく活性層全体にわたって自由に運動することができるのに対して、ヘビーホールは井戸層に閉じ込められる。その結果、ライトホールとヘビーホールとの間のバンドミキシングが小さくなり、キャリアの有効質量を小さくすることができる。このような半導体装置は、例えば、日本特許公開公報平７−２４９８２８号に開示されている。
以下、第１図及び第２図を参照して従来の半導体レーザについて説明する。
第１図は従来の半導体レーザ１０１のレーザ光出射方向に垂直な方向の断面図である。この半導体レーザ１０１は、以下のようにして製造される。
まず、ｎ型ＩｎＰ基板１０２を用意し、その上面に、バリア層１０３と井戸層１０４とを交互に積層する。バリア層１０３はノンドープＩｎｘＧａ１−ｘ−ｙＡｌｙＡｓであり、井戸層１０４はノンドープＩｎｚＧａ１−ｚＡｓｗＰ１−ｗである。バンドギャップの小さな井戸層１０４を、バンドギャップの大きなバリア層１０３で挟むことにより、井戸層１０４に量子井戸が形成される。なお、バリア層１０３及び井戸層１０４は、活性層１０５を構成する。
次に、活性層１０５の上に、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０６を設ける。そしてこれらの活性層１０５とｐ型ＩｎＰクラッド層１０６を選択的に除去（エッチング）してメサストライプ構造を形成し、その両側をｐ型ＩｎＰ層１０７とｎ型ＩｎＰ層１０８とからなる電流狭窄層１０９で埋めこむ。
最後に、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０６の上面にｐ側電極１１０を、ｎ型ＩｎＰ基板１０２の下面にｎ側電極１１１を設け、半導体レーザ１０１が完成する。
第２図は第１図に示す半導体レーザ１０１の活性層１０５（その一部）におけるバンド構造（ＣＢ：伝導帯、ＶＢ：価電子帯）を示す図である。
第２図において、横軸はある井戸層１０４とそれに隣接するバリア層１０３との境界を原点としたときの原点からの距離（膜厚方向の厚さ）ｔ［ｎｍ］を示す。また縦軸は真空準位を０としたときのポテンシャルエネルギーＥ［ｅＶ］を示す。また、伝導帯の底はＣＢ、ライトホールの価電子帯の最上部はＬＨ、ヘビーホールの価電子帯の最上部はＨＨでそれぞれ示されている。
第２図に示されるバンド構造の特徴は、ライトホールの価電子帯の最上部（ＬＨ）が井戸層１０４とバリア層１０３とで連続していること、即ち、価電子帯にライトホールの井戸が無いことである。価電子帯にライトホールの井戸が無いので、価電子帯のライトホールは井戸層１０４に閉じ込められることなく活性層１０５全体にわたり自由に運動することができる。その一方で、ヘビーホールは価電子帯に井戸があるため井戸層１０４に閉じ込められる。この結果、従来の半導体レーザでは、ライトホールとヘビーホールとの間のバンドミキシングが小さくなるのでキャリアの有効質量が小さくなる。
第２図のバンド構造は、バリア層１０３に適切な圧縮歪みを、井戸層１０４に適切な引張り歪みを導入することにより得ることができる。例えば、バリア層１０３を膜厚７ｎｍのノンドープＩｎｘＧａ１−ｘ−ｙＡｌｙＡｓ、（ｘ＝０．４２９、ｙ＝０．１１８）とし、井戸層１０４を膜厚７ｎｍのＩｎｚＧａ１−ｚＡｓｗＰ１−ｗ、（ｚ＝０．７１７、ｗ＝０．８２６）とすればよい。このような構成とすることで、バリア層１０３には０．７％の圧縮歪みが、井戸層１０４には０．７％の引張り歪みが導入され、ライトホールの価電子帯の最上部（ＬＨ）が井戸層１０４とバリア層１０３で連続し、ライトホールの井戸を無くすることができる。その結果、価電子帯のライトホールは井戸層１０４に閉じ込められることなく活性層１０５全体にわたり自由に運動することができ、ライトホールとヘビーホールとの間のバンドミキシングが小さくなってキャリアの有効質量を小さくできる。これにより、微分利得を大きくすることができ、半導体レーザの変調速度を高速化することができる。
【発明の開示】
上述したように、従来の半導体レーザでは、バリア層のライトホールに対する価電子帯と井戸層のライトホールに対する価電子帯との間のバンド不連続量を、ライトホールに対して量子井戸を形成しない大きさとし、バリア層のヘビーホールに対する価電子帯と井戸層のヘビーホールに対する価電子帯との間の不連続量を、ヘビーホールに対して量子井戸を形成する大きさとすることにより、キャリアの有効質量の低減を図っている。
しかしながら、最近の変調速度高速化の要求は非常に強く、従来の半導体レーザでは、その要求に答えることができないという問題点がある。
そこで、本発明は、従来の半導体レーザよりも、微分利得を大きくすることができ、より変調速度を高速化することができる半導体レーザを提供することを目的とする。
本発明によれば、歪みのある井戸層と歪みのあるバリア層を交互に積層して形成した歪み量子井戸層を活性層とする半導体レーザにおいて、井戸層にヘビーホールおよびライトホールのエネルギーの井戸を形成するとともに、バリア層のライトホールの連続準位が井戸層のヘビーホールの量子準位より低く、かつ井戸層のライトホールの量子準位がバリア層のライトホールの連続準位とほぼ等しくなるようにしたことを特徴とする半導体レーザが得られる。
具体的には、この半導体レーザは、前記井戸層は圧縮歪みを、前記バリア層は引張り歪みを有し、前記井戸層の圧縮歪み量ｅ（Ｗ）が、０．９％≦ｅ（Ｗ）≦１．１％、前記バリア層の引張り歪み量ｅ（Ｂ）が、０．３％≦ｅ（Ｂ）≦０．５％とすることにより実現できる。
この半導体レーザは、井戸層におけるライトホールとヘビーホールとの間のバンドミキシングをほぼゼロにすることができる。
【図面の簡単な説明】  第１図は、従来の半導体レーザのレーザ光出射方向に垂直な方向の断面図であり、
第２図は、第１図の半導体レーザの活性層における伝導帯と価電子帯のバンド構造を示す図であり、
第３図（ａ）は、無歪み量子井戸構造のバンド構造を説明するための図であり、
第３図（ｂ）は、従来の半導体レーザの歪み量子井戸構造のバンド構造を説明するための図であり、
第３図（ｃ）は、本発明の半導体レーザの歪み量子井戸構造のバンド構造を説明するための図であり、
第４図（ａ）は、無歪み量子井戸構造のバンド構造を示す図であり、
第４図（ｂ）は、歪み導入によるバンド構造の変化を説明するための模式図であって、井戸層に圧縮歪みを、バリア層に引張り歪みをそれぞれ導入した場合のバンド構造を示す図であり、
第５図は、ライトホールとヘビーホールとの間にバンドミキシングが有る場合と無い場合の価電子サブバンドを示す図であり、
第６図は、微分利得のバリア層の引張り歪み量依存性を表わすグラフであり、
第７図は、微分利得の井戸層の圧縮歪み量依存性を表わすグラフであり、
第８図は、本発明の一実施の形態に係る半導体レーザの、レーザ光出射方向に垂直な方向の断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
まず、始めに本発明の原理について説明する。
第３図（ａ）は無歪み量子井戸構造の井戸層のバンド構造、第３図（ｂ）は従来の半導体レーザ（従来の歪み量子井戸構造）における井戸層のバンド構造、及び第３図（ｃ）は本発明の半導体レーザ（本発明の歪み量子井戸構造）における井戸層のバンド構造をそれぞれ模式的に示す図である。これらはいずれも価電子帯のエネルギー準位を定性的に示している。
第３図（ａ）のバンド構造には、ライトホールの井戸３０１とヘビーホールの井戸３０２がある。このバンド構造では、ライトホールもヘビーホールもそれぞれの井戸の中に閉じ込められる。また、井戸の中にライトホールの量子準位３０３とヘビーホールの量子準位３０４とがともに存在するので、ライトホールとヘビーホールとの間のバンドミキシングは非常に大きい。そのため、無歪み量子井戸においては、キャリアの有効質量が大きく微分利得は小さい。
第３図（ｂ）のバンド構造には、ヘビーホールの井戸３０５はあるが、ライトホールの井戸は無い（ライトホールの価電子帯の最上部３０６は井戸層とバリア層とで段差がない）。したがって、このバンド構造を持つ従来の歪み量子井戸では、ライトホールが井戸に閉じ込められない。しかし、本発明者らによる実験・計算によれば、このバンド構造では、ライトホールの連続準位３０７が高い位置にあり、ヘビーホールの量子準位３０８と重なっている。そのためライトホールとヘビーホールとの間のバンドミキシングは、無歪み量子井戸構造（第３図（ａ））の場合よりは小さくなるが最小ではなく、もっと小さくできる余地がある。
第３図（ｃ）のバンド構造には、第３図（ｂ）のバンド構造とは異なり、ヘビーホールの井戸３０９だけでなくライトホールの井戸３１０もある。しかし、ある歪み条件の下では（この歪み条件が本発明の特徴である。）、バリア層のライトホールの連続準位３１１が井戸層のヘビーホールの量子準位３１２より低くなり、しかも井戸層のライトホールの量子準位をバリア層のライトホールの連続準位１１１とほぼ等しく（等しいか、等しいとみなせる程度に）することができる。このようにすると井戸層においてライトホールの準位とヘビーホールの準位が重なる確率が非常に少なくなる。その結果、バンドミキシングを従来の歪み量子井戸構造（第３図（ｂ））のものよりはるかに小さく、ほぼゼロに（ゼロか、ゼロとみなせる程度に小さく）することができる。これによりキャリアの有効質量を従来の歪み量子井戸のものより小さくし、また微分利得を従来の歪み量子井戸のものより高くすることができる。
第４図は井戸層４０１およびバリア層４０２にそれぞれ歪みを加えることにより、量子井戸構造の伝導帯（ＣＢ）と価電子帯（ＶＢ）のバンド構造が変化する様子を表わす模式図である。第４図（ａ）は無歪み時、第４図（ｂ）は井戸層４０１に圧縮歪みを導入するとともにバリア層４０２に引張り歪みを導入した時のバンド構造をそれぞれ示している。
井戸層４０１及びバリア層４０２にそれぞれ歪みを導入すると、価電子帯（ＶＢ）のバンドは歪みによりヘビーホール（ＨＨ）とライトホール（ＬＨ）に分裂する。このとき、井戸層４０１では価電子帯（ＶＢ）のバンドが全体として下がりながら、ヘビーホール（ＨＨ）が上に、ライトホール（ＬＨ）が下に来る。また、バリア層４０２では価電子帯（ＶＢ）のバンドが全体として上がりながら、ヘビーホール（ＨＨ）が下に、ライトホール（ＬＨ）が上に来る。その結果、ヘビーホール（ＨＨ）の井戸も浅くなるが、それ以上にライトホール（ＬＨ）の井戸が浅くなり、井戸層４０１のライトホール（ＬＨ）の量子準位が下がる。井戸層４０１及びバリア層４０２の歪みが大きいほどライトホール（ＬＨ）の井戸は浅い。歪みを大きくしてライトホールをある程度以上浅くすると、井戸層４０１のライトホール（ＬＨ）の量子準位がバリア層４０２のライトホール（ＬＨ）の連続準位とほぼ等しくできる。その状態ではライトホール（ＬＨ）は井戸内に閉じ込められなくなり、実質的に井戸層４０１とバリア層４０２を貫く連続準位となる（第３図（ｃ）の状態）。
このような状態になるとヘビーホール（ＨＨ）とライトホール（ＬＨ）との間のバンドミキシングがほとんど消え、利得特性に大きく影響する価電子サブバンドの形が変わる。
第５図にヘビーホール（ＨＨ）とライトホール（ＬＨ）との間にバンドミキシングがある場合と無い場合の価電子サブバンド（計算結果）を示す。第５図において、横軸は波動ベクトル｜ｋ｜［ｎｍ−１］、縦軸はエネルギーＥ［ｅＶ］である。
第５図において、実線５０１は井戸層の圧縮歪み量が１％、バリア層の引張り歪み量が０％（歪み無し）の場合（以下、ケース１）、破線５０２は井戸層の圧縮歪み量が１％、バリア層の引張り歪み量が０．４％の場合（以下、ケース２）、及び点線５０３は井戸層の圧縮歪み量が１．５％、バリア層の引張り歪み量が０．４％の場合（ケース３）をそれぞれ示している。また、エネルギーの高い方の３本がヘビーホール（ＨＨ）のサブバンド、低い方の３本がライトホール（ＬＨ）のサブバンドを示す。
ケース１（実線５０１）のとき、ヘビーホール（ＨＨ）とライトホール（ＬＨ）との間にバンドミキシングがある（グラフが放物線とならない）。一方、ケース２（破線５０２）及びケース３（点線５０３）のときは、ヘビーホール（ＨＨ）とライトホール（ＬＨ）との間にはバンドミキシングが無い（グラフが放物線を描く）。
ヘビーホール（ＨＨ）とライトホール（ＬＨ）との間にバンドミキシングがあるとき（実線５０１）に比べ、バンドミキシングが無いとき（破線５０２、点線５０３）は状態密度が極めて少なく、微分利得は非常に大きい。すなわち井戸層の圧縮歪み量が１％、バリア層の引張り歪み量が０％（歪み無し）の場合（実線５０１）は微分利得が低いが、井戸層の圧縮歪み量が１％、バリア層の引張り歪み量が０．４％の場合（破線５０２）および井戸層の圧縮歪み量が１．５％、バリア層の引張り歪み量が０．４％の場合（点線５０３）は微分利得が高い。
第５図の破線５０２（井戸層の圧縮歪み量１％）と点線５０３（井戸層の圧縮歪み量１．５％）との比較から、井戸層の圧縮歪みが１．５％以上になっても価電子サブバンドの形はあまり変化しないと予想される。しかしながら、第５図はバリア層内におけるライトホールの連続準位の影響を考慮していない。バリア層内におけるライトホールの連続準位との間のバンドミキシング効果を考慮すると、バリア層の歪みが大きくなるに従い、そのグラフは、第５図の破線５０２・点線５０３のものとは異なってくる。実際にはバリア層内におけるライトホールの連続準位の影響により、バリア層の引張り歪みを更に増やすと、ライトホールの連続準位が上昇しヘビーホールの量子準位に近づくため、ライトホールとヘビーホールとの間のバンドミキシングが増える。その結果、ヘビーホールのサブバンドの形が放物線から崩れ、微分利得が減少する。従って、歪み量が多過ぎるのは良くない。つまり、従来の半導体レーザのように、ライトホールに対する価電子帯のバンド不連続量を０にしようとすると、かえって微分利得を低下させてしまう。
第６図に井戸層の圧縮歪み量が１％の場合の、微分利得のバリア層の引張り歪み量依存性を表わすグラフを示す。第６図のグラフにおいて横軸はバリア層の引張り歪み量、縦軸は微分利得を表わす。また、◆は井戸層の膜厚Ｌｗが４．５ｎｍの場合、□は６．０ｎｍの場合を示す。
第６図から分かるように、微分利得はバリア層の引張り歪みが０％（無歪み）から約０．３５％までの範囲ではほぼリニアに増加し、約０．３５％を超えるとほぼ一定になる。先に述べたようにバリア層の歪み量が０．５％を超えて大きくなるとバリア層のライトホールと井戸層内のヘビーホールとの間のバンドミキシング効果によって微分利得は第６図に破線で示すように減少する。従って、バリア層の引張り歪み量ｅ（Ｂ）は０．３％≦ｅ（Ｂ）≦０．５％の範囲にあることが望ましく、０．３５％付近にあることがより望ましい。これは井戸層の膜厚が４．５ｎｍのときと６．０ｎｍのときに共通して言えることである。
第７図にバリア層の引張り歪み量が０％（無歪み）の場合と０．４％の場合の、微分利得の井戸層の圧縮歪み量依存性を表わすグラフを示す。第７図のグラフの横軸は井戸層の圧縮歪み量、縦軸は微分利得を示す。第７図において○及び●は井戸層の膜厚が４．５ｎｍの場合、◇及び◆は井戸層の膜厚が６．０ｎｍの場合をそれぞれ示す。また、●及び◆はバリア層が歪量０％（無歪み）のとき、○及び◇はバリア層が歪量０．４％の引張り歪みのときである。
第７図から分かるように、バリア層が無歪みのときは井戸層の圧縮歪み量が１．３％付近で微分利得が最大になる。またバリア層が０．４％の引張り歪みのときは井戸層の圧縮歪み量が０．９５％付近で微分利得が最大になる。したがって井戸層の圧縮歪み量ｅ（Ｗ）は０．９％≦ｅ（Ｗ）≦１．１％の範囲にあることが望ましく、０．９５％付近にあることがより望ましい。なお、前述したように、微分利得が最大になるときの井戸層の最適圧縮歪み量は、井戸層の膜厚が４．５ｎｍと６．０ｎｍで変わらない。
第６図、第７図から、微分利得を最大にするにはバリア層の引張り歪み量を０．３５％付近とし、井戸層の圧縮歪み量を０．９％付近とするとよい。また、井戸層の圧縮歪み量ｅ（Ｗ）が、０．９％＜ｅ（Ｗ）≦１．１％、バリア層の引張り歪み量ｅ（Ｂ）が、０．３％≦ｅ（Ｂ）＜０．５％、の範囲にあればほぼ同等の微分利得を得ることができる。即ち、井戸層及びバリア層の歪量をこのようにすることで、そのバンド構造を、井戸層のライトホール（ＬＨ）の量子準位がバリア層のライトホール（ＬＨ）の連続準位とほぼ等しく、ライトホール（ＬＨ）が井戸内に閉じ込められなくなり、実質的に井戸層とバリア層を貫く連続準位となる状態（第３図（ｃ）の状態）とすることができる。
次に第８図を参照して、本発明の一実施の形態に係る半導体レーザについて説明する。
第８図は本発明の一実施の形態に係る半導体レーザの８０１の、レーザ出射方向に垂直な方向の断面図である。図示の半導体レーザは、以下のようにして製造される。
まず、ｎ型ＩｎＰ基板８０２上にｎ型ＩｎＰクラッド層８０３（厚さ３００ｎｍ）、ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層８０４（厚さ５０ｎｍ）、ノンドープ活性層８０５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓ光ガイド層８０６（厚さ５０ｎｍ）、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ電子ストップ層８０７（厚さ２０ｎｍ）、及びｐ型ＩｎＰ第１クラッド層８０８（厚さ３００ｎｍ）を順次形成する。
次にｎ型ＩｎＰクラッド層８０３からｐ型ＩｎＰ第１クラッド層８０８までをメサストライプ形状に加工し、その両側をｐ型ＩｎＰ電流ブロック層８０９（厚さ６００ｎｍ）、ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層８１０（厚さ４００ｎｍ）で埋め込む。
続いて、ｐ型ＩｎＰ第１クラッド層８０８とｎ型ＩｎＰ電流ブロック層８１０（厚さ４００ｎｍ）の表面上にｐ型ＩｎＰ第２クラッド層８１１（厚さ１０００ｎｍ）を形成し、その上にｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層８１２（厚さ３００ｎｍ）を形成する。
そして、ｎ型ＩｎＰ基板８０２を１５０μｍ程度に薄膜化し、その下面にはｎ側電極８１３を形成する。また、ｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層８１２の上面にはｐ側電極８１４を形成する。こうして半導体レーザが完成する。
第８図の半導体レーザにおいて、ノンドープ活性層８０５は、例えば、１．０％の圧縮歪を有するＡｌ０．１４Ｇａ０．１８Ｉｎ０．６８Ａｓからなる井戸層８１５（厚さ４．５ｎｍ）と、０．４％の引張り歪みを有するＡｌ０．３４Ｇａ０．１９Ｉｎ０．４７Ａｓからなるバリア層８１６（厚さ８ｎｍ）とを交互に積層した多重量子井戸活性層である。井戸層及びバリア層の積層数は、例えば、それぞれ１０層と９層である。
各層の形成には、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いることができる。ＩＩＩ族原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）およびトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を用いることができる。また、Ｖ族原料としては、例えば、アルシン（ＡｓＨ３）およびフォスフィン（ＰＨ３）を用いることができる。またドーピングガスには、例えば、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）およびジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を用いることができる。ＭＯＶＰＥ法では成長層の組成がＩＩＩ族原料の供給量の比により決まるため、組成制御が容易であり、所望の歪み量をもつ層が容易に形成できる。
再び第７図を参照して、本実施の形態に係る半導体レーザ８０１（第８図）の微分利得の改善効果を井戸層およびバリア層が無歪みの従来の半導体レーザと比較して説明する。
第７図から分かるように、井戸層およびバリア層が無歪みの従来の半導体レーザの微分利得は、井戸層の厚さが４．５ｎｍの場合（●）は１．２Ｅ−１５（ｃｍ２）であり、６ｎｍの場合（◆）０．９Ｅ−１５（ｃｍ２）である。一方井戸層が１％の圧縮歪み、バリア層が０．４％の引張り歪みの本実施の形態に係る半導体レーザの微分利得は、井戸層の厚さが４．５ｎｍの場合（○）は１．７Ｅ−１５（ｃｍ２）であり、６ｎｍの場合（◇）１．３５Ｅ−１５（ｃｍ２）である。したがって本実施の形態に係る半導体レーザの微分利得と従来の半導体レーザの微分利得との比は、井戸層の厚さが４．５ｎｍの場合、１．７／１．２＝１４２％、６ｎｍの場合、１．３５／０．９＝１５０％である。このように、本実施の形態に係る半導体レーザは、その微分利得が従来の半導体レーザのものより４２％〜５０％高くなっている。
以上、本発明の実施の形態について、特定組成の井戸層及びバリア層を有する半導体レーザについて説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、上述したように井戸層の圧縮歪みは、０．９％＜ｅ（Ｗ）≦１．１％であればよいので、ｘ１ｙ１平面を想定した場合に、井戸層のＡｌ組成とＧａ組成が、（ｘ１，ｙ１）＝（０．１０，０．２０）、（０．２０，０．１１）、（０．１９，０．１５）、（０．０８，０．２６）の４点を結んで囲まれた領域内の任意の点で定まるＡｌ組成、Ｇａ組成であればよい。また、バリア層の引張り歪み量は０．３％≦ｅ（Ｂ）＜０．５％であればよいので、同じくｘ１ｙ１平面を想定した場合に、（ｘ１，ｙ１）＝（０．１５，０．３５）、（０．４２，０．０９）、（０．４２，０．１３）、（０．１５，０．４０）の４点を結んで囲まれた領域内の任意の点で定まるＡｌ組成、Ｇａ組成であればよい。なお、この組成範囲の半導体レーザの発振波長は、１．２５〜１．３４μｍである。
また、井戸層の膜厚は４〜６ｎｍであれば、上述した場合と同様の効果を得ることができる。
さらに、本実施例では、井戸層とバリア層を構成する半導体としてＡｌＧａＩｎＡｓを用いた場合について説明したが、井戸層にＩｎＡｓｘ２Ｐ１−ｘ２層をバリア層にＡｌＧａＩｎＡｓ層を用いてもよいし、井戸層にＩｎｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓｙ３Ｎ１−ｙ３を、バリア層にＧａＡｓ層を用いてもよい。何れの場合も、井戸層にヘビーホールおよびライトホールのエネルギーの井戸を形成し、前記バリア層のライトホールの連続準位が前記井戸層のヘビーホールの量子準位より低く、かつ前記井戸層のライトホールの量子準位が前記バリア層のライトホールの連続準位とほぼ等しくなるようにすることで、本発明の効果を得ることができる。
【図１】
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【図２】
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2004112208.tif 000005
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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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【手続補正書】
【提出日】平成16年12月16日(2004.12.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】請求の範囲
【請求項１】歪みのある井戸層と歪みのあるバリア層を交互に積層して形成した歪み量子井戸層を活性層とする半導体レーザにおいて、前記井戸層にヘビーホールおよびライトホールのエネルギーの井戸を形成するとともに、前記バリア層のライトホールの連続準位が前記井戸層のヘビーホールの量子準位より低く、かつ前記井戸層のライトホールの量子準位が前記バリア層のライトホールの連続準位と等しくなるようにしたことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】請求項１に記載の半導体レーザにおいて、前記井戸層は圧縮歪みを、前記バリア層は引張り歪みを有していることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項３】請求項２に記載の半導体レーザにおいて、前記井戸層および前記バリア層がＡｌｘ１Ｇａｙ１Ｉｎ１−ｘ１−ｙ１Ａｓで表わされる組成の４元系半導体であり、前記井戸層の圧縮歪み量ｅ（Ｗ）が、０．９％≦ｅ（Ｗ）≦１．１％、前記バリア層の引張り歪み量ｅ（Ｂ）が、０．３％≦ｅ（Ｂ）≦０．５％であることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項４】請求項３に記載の半導体レーザにおいて、前記井戸層の膜厚が４〜６ｎｍであることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項５】請求項３に記載の半導体レーザにおいて、発振波長が１．２５〜１．３４μｍであることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項６】請求項３に記載の半導体レーザにおいて、前記井戸層のＡｌ組成及びＧａ組成が、ｘ１ｙ１平面を想定した場合に、（ｘ１，ｙ１）＝（０．１０，０．２０）、（０．２０，０．１１）、（０．１９，０．１５）、及び（０．０８，０．２６）の４点を結んで囲まれる領域内の任意の点により定まることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項７】請求項３に記載の半導体レーザにおいて、前記バリア層のＡｌ組成及びＧａ組成が、ｘ１ｙ１平面を想定した場合に、（ｘ１，ｙ１）＝（０．１５，０．３５）、（０．４２，０．０９）、（０．４２，０．１３）、及び（０．１５，０．４０）の４点を結んで囲まれた領域内の任意の点で定まることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項８】圧縮歪みの井戸層と引張り歪みのバリア層を交互に積層して形成した歪み量子井戸層を活性層とする半導体レーザにおいて、前記井戸層及び前記バリア層がＡｌｘ１Ｇａｙ１Ｉｎ１−ｘ１−ｙ１Ａｓで表される組成の４元系半導体であり、前記井戸層の圧縮歪み量ｅ（Ｗ）が、０．９％≦ｅ（Ｗ）≦１．１％、前記バリア層の引張り歪み量ｅ（Ｂ）が、０．３％≦ｅ（Ｂ）≦０．５％であることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項９】請求項８に記載の半導体レーザにおいて、前記井戸層の膜厚が４〜６ｎｍであることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項１０】請求項８に記載の半導体レーザにおいて、発振波長が１．２５〜１．３４μｍであることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項１１】請求項８に記載の半導体レーザにおいて、前記井戸層のＡｌ組成及びＧａ組成が、ｘ１ｙ１平面を想定した場合に、（ｘ１，ｙ１）＝（０．１０，０．２０）、（０．２０，０．１１）、（０．１９，０．１５）、及び（０．０８，０．２６）の４点を結んで囲まれる領域内の任意の点により定まることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項１２】請求項８に記載の半導体レーザにおいて、前記バリア層のＡｌ組成及びＧａ組成が、ｘ１ｙ１平面を想定した場合に、（ｘ１，ｙ１）＝（０．１５，０．３５）、（０．４２，０．０９）、（０．４２，０．１３）、及び（０．１５，０．４０）の４点を結んで囲まれた領域内の任意の点で定まることを特徴とする半導体レーザ。




【国際調査報告】
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