(57)【要約】【課題】内部量子効率を向上できる半導体レーザが提供される。【解決手段】半導体レーザ１１は、第１導電型III−Ｖ化合物半導体層１３と、第２導電型III−Ｖ化合物半導体層１５と、活性層１７とを備える。第１導電型III−Ｖ化合物半導体層１３は、基板１９上に設けられている。第２導電型III−Ｖ化合物半導体層１５は、基板１９上に設けられている。活性層１９は、第１導電型III−Ｖ化合物半導体層１３と第２導電型III−Ｖ化合物半導体層１５との間に設けられている。活性層１９は、１５６５ｎｍ以上の光を発生可能な量子井戸構造を有する。量子井戸構造は、障壁層２３および井戸層２５を含む。活性層２１の井戸層２５の厚みｄｗは３．５ｎｍ以上である。また、井戸層２５の厚みｄｗは５ｎｍ以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられた第１導電型III−Ｖ化合物半導体層と、
前記基板上に設けられた第２導電型III−Ｖ化合物半導体層と、
前記第１導電型III−Ｖ化合物半導体層と前記第２導電型III−Ｖ化合物半導体層との間に設けられており１５６５ｎｍ以上の光を発生可能な量子井戸構造を有する活性層とを備え、
前記活性層の井戸層の厚みは３．５ｎｍ以上であり、該井戸層の厚みは５ｎｍ以下である、ことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記第１導電型III−Ｖ化合物半導体層と前記活性層との間に設けられており５０ｎｍ以上の厚みを有する第１の光閉じ込め層と、
前記第２導電型III−Ｖ化合物半導体層と前記活性層との間に設けられており５０ｎｍ以上の厚みを有する第２の光閉じ込め層と
を更に備える、ことを特徴とする請求項１に記載された半導体レーザ。
【請求項３】
前記第１の光閉じ込め層の材料のバンドギャップ波長は１．１５μｍ以上であり、前記第１の光閉じ込め層の材料のバンドギャップ波長は１．３５μｍ以下であり、
前記第２の光閉じ込め層の材料のバンドギャップ波長は１．１５μｍ以上であり、前記第２の光閉じ込め層の材料のバンドギャップ波長は１．３５μｍ以下である、ことを特徴とする請求項２に記載された半導体レーザ。
【請求項４】
前記活性層の前記井戸層の数は５以上である、ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載された半導体レーザ。
【請求項５】
前記活性層の前記井戸層の少なくとも一つは１．２％以下の圧縮歪みを含む、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載された半導体レーザ。
【請求項６】
前記活性層の前記井戸層はＧａＩｎＡｓＰ半導体から成る、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載された半導体レーザ。
【請求項７】
前記活性層の前記井戸層はＡｌＧａＩｎＡｓ半導体から成る、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載された半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、１．５μｍ〜１．６μｍのＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ半導体レーザが記載されており、しきい値電流の温度依存性に関する非発光性再結合の効果について説明されている。また、非特許文献２には、圧縮歪みを内包する半導体レーザが記載されており、オージェ再結合について説明されている。
【非特許文献１】M. Asada and Y. Suematsu,The effect of loss and nonradiative recombination on the temperature dependenceof threshold current in 1.5-1.6um GaInAsP/InP lasers, IEEE J. QuantumElectron., QE-19, pp.917-923 (1983).
【非特許文献２】Yao Zou et al, “Experimental study of Augerrecombination, gain, and temperature sensitivity of 1.5 μm compressivelystrained semiconductor lasers” IEEE J. Quantum. Electron., 29, 1565-1575 (1993)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
１５６５ｎｍ以上の発振波長（Ｌバンド帯）を有する長波長半導体レーザでは、この発振波長より短い波長の光を発生する短波長半導体レーザに比べて、閾値電流が高く、スロープ効率が低い。この理由の一つとして、長波長レーザダイオードの活性層は、短波長半導体レーザに用いられる活性層の材料の禁制帯幅より狭い禁制帯幅を有するので、オージェ（Ａｕｇｅｒ）再結合が長波長半導体レーザで生じやすく、これ故に内部量子効率が小さいことがある。量子井戸構造の半導体レーザにおいて井戸層に歪を加えると、オージェ再結合の発生が低減される。井戸層における歪量に限界があるので、オージェ再結合を、歪み井戸層を利用して改善することには限界がある。井戸層に内包される歪みは結晶に欠陥を引き起こし、しきい値の増加といったレーザ特性の劣化を引き起こす可能性がある。
【０００４】
求められていることは、活性層が内包する歪み量を少なく或いは歪み井戸層を用いることなく、オージェ再結合の発生を低減できることである。
【０００５】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、内部量子効率を向上できる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】
【０００６】
本発明の一側面によれば、半導体レーザは、（ａ）基板上に設けられた第１導電型III−Ｖ化合物半導体層と、（ｂ）前記基板上に設けられた第２導電型III−Ｖ化合物半導体層と、（ｃ）前記第１導電型III−Ｖ化合物半導体層と前記第２導電型III−Ｖ化合物半導体層との間に設けられており１５６５ｎｍ以上の光を発生可能な量子井戸構造を有する活性層とを備え、前記活性層の井戸層の厚みは３．５ｎｍ以上であり、該井戸層の厚みは５ｎｍ以下である。
【０００７】
この半導体レーザでは、１５６５ｎｍ以上の光を発生可能な量子井戸活性層において井戸層の厚みを５ｎｍ以下にすると、スピン軌道分裂エネルギの大きくできる。また、井戸層の厚みを３．５ｎｍ以上にすれば、井戸層を薄くしたことに伴うしきい値電流の増加を小さくできる。
【０００８】
本発明の半導体レーザは、（ｄ）前記第１導電型III−Ｖ化合物半導体層と前記活性層との間に設けられており５０ｎｍ以上の厚みを有する第１の光閉じ込め層と、（ｅ）前記第２導電型III−Ｖ化合物半導体層と前記活性層との間に設けられており５０ｎｍ以上の厚みを有する第２の光閉じ込め層とを更に備えることができる。
【０００９】
この半導体レーザでは、光閉じ込め層の厚みが５０ｎｍ以上であれば、井戸層を薄くすることによる光閉じ込め作用の低下を小さくできる。
【００１０】
本発明の半導体レーザでは、前記第１の光閉じ込め層の材料のバンドギャップ波長は１．１５μｍ以上であり、前記第１の光閉じ込め層の材料のバンドギャップ波長は１．３５μｍ以下であることができる。前記第２の光閉じ込め層の材料のバンドギャップ波長は１．１５μｍ以上であり、前記第２の光閉じ込め層の材料のバンドギャップ波長は１．３５μｍ以下であることができる。
【００１１】
この半導体レーザでは、光閉じ込め層が１．１５μｍ以上１．３５μｍ以下のバンドギャップ波長を有する材料から成れば、井戸層を薄くすることによる光閉じ込め作用の低下を小さくできる。
【００１２】
本発明の半導体レーザでは、前記量子井戸活性層の前記井戸層の数は５以上であることができる。この半導体レーザでは、井戸層の数は５以上であれば、井戸層を薄くすることによる光閉じ込め作用の低下を小さくできる。
【００１３】
本発明の半導体レーザでは、前記活性層の前記井戸層の少なくとも一つは１．２％以下の圧縮歪みを含むことが好ましい。この半導体レーザでは、井戸層の厚みを小さくすることに加えて、活性層に結晶欠陥が導入されない程度に井戸層へ圧縮歪みを導入することにより、スピン軌道分裂エネルギを大きくしてオージェ再結合を低減できる。
【００１４】
本発明の半導体レーザでは、前記活性層の前記井戸層はＧａＩｎＡｓＰ半導体から成ることができる。また、本発明の半導体レーザでは、前記活性層の前記井戸層はＡｌＧａＩｎＡｓ半導体から成ることができる。
【００１５】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、このような事情を鑑みて為されたものであり、内部量子効率を向上できる半導体レーザが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体レーザに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００１８】
図１は、本実施の形態に係る半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。半導体レーザ１１は、第１導電型III−Ｖ化合物半導体層１３と、第２導電型III−Ｖ化合物半導体層１５と、活性層１７とを備える。第１導電型III−Ｖ化合物半導体層１３は、基板１９上に設けられている。第２導電型III−Ｖ化合物半導体層１５は、基板１９上に設けられている。活性層１９は、第１導電型III−Ｖ化合物半導体層１３と第２導電型III−Ｖ化合物半導体層１５との間に設けられている。活性層１９は、１５６５ｎｍ以上の光を発生可能な量子井戸構造を有する。量子井戸構造は、障壁層２３および井戸層２５を含む。活性層２１の井戸層２５の厚みｄｗは３．５ｎｍ以上である。また、井戸層２５の厚みｄｗは５ｎｍ以下である。
【００１９】
この半導体レーザ１１では、１５６５ｎｍ以上の光を発生可能な量子井戸活性層１７において井戸層２５の厚みを５ｎｍ以下にすると、スピン軌道分裂エネルギの大きくできる。また、井戸層２５の厚みを３．５ｎｍ以上にすれば、井戸層２５を薄くしたことに伴うしきい値電流の増加を小さくできる。
【００２０】
量子井戸の歪を増加することによって、オージェ（Ａｕｇｅｒ）再結合を防ぐことができる。量子井戸に歪を入れることは、結晶の劣化を引き起こすために、歪を入れるのには限界がある。一方、本実施の形態に係る構造では、歪量を大きく増やすことなく、オージェ再結合を低減できる。したがって、内部量子効率を向上できる半導体レーザが提供される。このような半導体レーザは、効率の高いＬバンド帯の光を発生することが可能になる。
【００２１】
図２（Ａ）、図２（Ｂ）および図２（Ｃ）は、スピン軌道相互作用を説明するための図面である。オージェ再結合は、２個の電子が正孔と衝突する非発光再結合過程である。オージェ再結合過程には、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）にそれぞれ示されるように、ＣＨＣＣ過程、ＣＨＳＨ過程、ＣＨＬＨ過程等がある。図２（Ａ）を参照すると、ＣＨＣＣ過程では、一方の電子Ｅ１と正孔Ｈ１との再結合Ｔ１が生じ、他方の電子Ｅ２はエネルギを得て伝導体の高い準位への励起Ｔ２が生じる。図２（Ｂ）を参照すると、ＣＨＳＨ過程では、２個の重い正孔Ｈ３、Ｈ４が電子Ｅ３、Ｅ４と衝突して再結合Ｔ３と励起Ｔ４が生じる。図２（Ｃ）を参照すると、ＣＨＬＨ過程では、２個の重い正孔Ｈ５、Ｈ６が電子Ｅ５、Ｅ６と衝突して再結合Ｔ５と励起Ｔ６が生じる。
【００２２】
このように、オージェ再結合過程は、伝導帯Ｃ、重い正孔の価電子帯ＨＨ、軽い正孔の価電子帯ＬＨが係わっており、オージェ再結合はバンド構造に大きく依存することが理解される。また、ＣＨＳＨ過程はスピン軌道相互作用に関連しており、またＣＨＳＨ過程の発生は、スピン軌道分裂エネルギ△ｓを大きくすることによって抑制される。スピン軌道分裂エネルギ△ｓを大きくするための一手法には、井戸層に歪みを導入することがある。しかしながら、非常に大きな歪みを井戸層に入れるという方法は、例えば１．２％以上の圧縮歪を井戸層に導入すると、結晶成長の際に結晶欠陥が多くなり、しきい値の増加等のレーザ特性の劣化を引き起こす。このために、井戸層に加えられる歪には限界がある。
【００２３】
井戸層に加える歪量を大きくせずにスピン軌道分裂エネルギを大きくすることは、さらに井戸層の厚みを変えることによって実現できる。井戸層の厚みを変えると、大きく量子化準位が変動する。これ故に、井戸層の厚みを変えても、そのまま発光波長を変えないために、井戸層における組成を変更させる。例えば井戸層の厚みを狭めた場合は、井戸層内の量子準位が上がるので、狭める前と同様の波長で発振させるためには、より井戸層のバンドギャップが狭くなる方向へ組成を変化させる必要がある。また井戸層の厚みを広げた場合は、井戸層内の量子準位が下がるので、広げる前と同様の波長で発振させるためには、より井戸層のバンドギャップが広がる方向へ組成を変化させる必要がある。したがって、この組成変化によって、バンド混合の様子を変化させることができる。特に、井戸層の厚みを低減すれば、スピン軌道分裂エネルギ△ｓを大きくできる。スピン軌道分裂エネルギ△ｓを大きくできれば、オージェ再結合を減らすことができる。この結果、内部量子効率の改善を得ることができる。井戸層の材料として、例えば、ＧａＩｎＡｓＰ半導体、ＡｌＧａＩｎＡｓ半導体等を用いることができる。障壁層の材料として、例えば、ＧａＩｎＡｓＰ半導体、ＡｌＧａＩｎＡｓ半導体等を用いることができる。
【００２４】
再び、図１を参照すると、半導体レーザ１１は、第１の光閉じ込め層２７と第２の光閉じ込め層２９とを更に備えることができる。第１の光閉じ込め層２７は、第１導電型III−Ｖ化合物半導体層１３と活性層１７との間に設けられている。第２の光閉じ込め層２９は、第２導電型III−Ｖ化合物半導体層１５と活性層１７との間に設けられている。第１の光閉じ込め層２７の厚さｄＳＣＨ１は５０ｎｍ以上を有する。第２の光閉じ込め層２９の厚さｄＳＣＨ２は５０ｎｍ以上を有する。この半導体レーザでは、光閉じ込め層２７、２９の厚みが５０ｎｍ以上であれば、井戸層を薄くすることによる光閉じ込め作用の低下を小さくできる。光閉じ込め層２７、２９の厚みが１５０ｎｍ以下であれば、光閉じ込め層（ＳＣＨ層）におけるキャリアロスを少なくすることができ、高スロープ効率を得ることができるという利点がある。
【００２５】
半導体レーザ１１では、第１の光閉じ込め層２７の材料のバンドギャップ波長は１．１５μｍ以上であることが好ましい。第２の光閉じ込め層２９の材料のバンドギャップ波長は１．１５μｍ以上であることが好ましい。バンドギャップ波長が長い方が屈折率が大きいことから、井戸層を薄くすることによる活性層への光閉じ込めの低下を小さくでき、しきい値電流の増加を小さくすることができる。また、第１の光閉じ込め層２７の材料のバンドギャップ波長は１．３５μｍ以下であることが好ましい。第２の光閉じ込め層２９の材料のバンドギャップ波長は１．３５μｍ以下であることが好ましい。レーザの導波路層に対する光閉じ込めが大きくなることによって、遠視野像（ＦＦＰ：Far Field Pattern）が極端に大きくなることを防ぐことができる。また、第１の光閉じ込め層２７と第２の光閉じ込め層２９の材料として、ＧａＩｎＡｓＰ半導体、ＡｌＧａＩｎＡｓ半導体等を用いることができる。
【００２６】
図１に示されるように、半導体レーザ１１は、第２導電型III−Ｖ化合物半導体層１５上に設けられたコンタクト層３１を含む。コンタクト層３１は、第２導電型III−Ｖ化合物半導体からなる。コンタクト層３１上には第１の電極３３を含み、また基板１３の裏面には第２の電極３５を含む。基板１９は、第１導電型III−Ｖ化合物半導体からなり導電性を示す半導体基板であることができる。
【００２７】
半導体レーザ１１では、量子井戸活性層１９の井戸層２５の数は５以上であることができる。この半導体レーザでは、井戸層の数は５以上であれば、井戸層を薄くすることによる光閉じ込め作用の低下を小さくできる。また、量子井戸活性層１９の井戸層２５の数は１０以下であることができる。活性層における光の吸収を抑えることができるため、しきい値電流の増加、スロープ効率の低下を抑えることができる利点がある。
【００２８】
本実施の形態に係る半導体レーザの１１変形例では、井戸層２５の厚みを小さくすることに加えて、井戸層２５への圧縮歪みを利用すれば、スピン軌道分裂エネルギの大きくしてオージェ再結合を低減できる。半導体レーザ１１では、活性層１９の井戸層２５の少なくとも一つは圧縮歪みを含むことが好ましい。レーザの微分利得を上げられという利点があり、無歪のものに比べしきい値を下げることができる。井戸層２５の少なくとも一つは１．２％以下の圧縮歪みを含むことが好ましい。エピタキシャル層における結晶欠陥を抑えることができるという利点がある。
【００２９】
半導体レーザ１１の一実施例は、埋込型半導体レーザであり、
第１導電型III−Ｖ化合物半導体層１３：ｎ型ＩｎＰクラッド層（Ｓｉ添加）
第２導電型III−Ｖ化合物半導体層１５：ｐ型ＩｎＰクラッド層（Ｚｎ添加）
活性層１７：多重量子井戸構造
障壁層２３：アンドープＩｎＧａＡｓＰ
バンドギャップ波長１．２５μｍ、厚さ８ｎｍ
井戸層２５：アンドープＩｎＧａＡｓＰ層（７層）
発光波長 １．６１μｍ、厚さ４ｎｍ
基板１９：Ｓｎ添加ｎ型ＩｎＰ基板
第１の光閉じ込め層２７：アンドープＩｎＧａＡｓＰ
バンドギャップ波長１．２５μｍ、厚さ１００ｎｍ
第２の光閉じ込め層２９：アンドープＩｎＧａＡｓＰ
バンドギャップ波長１．２５μｍ、厚さ１００ｎｍ
埋め込み領域：ｐ型ＩｎＰ／ｎ型ＩｎＰ、或いは鉄ドープＩｎＰ
コンタクト層３１：ｐ型ＩｎＧａＡｓ層（Ｚｎ添加）
である。
【００３０】
図３は、井戸層の厚さとスピン軌道分裂エネルギ△ｓとの関係を示す図面である。図４は、井戸層の厚さと内部量子効率との関係を示す図面である。スピン軌道分裂エネルギ△ｓの大きくするためには、井戸層の厚みは５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３１】
上記の結果より、１５６５ｎｍ以上のＬバンド帯の半導体レーザにおいて十分な内部量子効率を得るためには、まず、△ｓを大きくとるために井戸層の厚さは５ｎｍ以下が望ましい。井戸層の厚さを低減すると共に厚みに合わせて組成を変えると、活性層に対する光の閉じ込めが低下して、半導体レーザにおけるしきい値が増加する。したがって、十分な光閉じ込めを維持するために、井戸層の厚みとしては３．５ｎｍ〜５ｎｍ程度が好ましい。また、十分な光閉じ込めのために、光閉じ込め層の厚みは５０ｎｍ以上であることが好ましい。井戸層の数は６以上であることが好ましい。光閉じ込め層のバンドギャップ波長は１．１５μｍ〜１．４５μｍであることが好ましい。この構造を利用することにより、１５６５ｎｍ以上のＬバンド帯の量子井戸半導体レーザにおいて、歪量を大きく増やすことなく、オージェ再結合を低減でき、高い内部量子効率を得られる。
【００３２】
引き続いて、図５および図６を参照しながら、半導体レーザの作製を説明する。図５（Ａ）に示されるように、第１の結晶成長工程では、ＩｎＰ基板４１上にｎ型ＩｎＰクラッド層４３、第１の光閉じ込め層４５、井戸層４７および障壁層４９、第２の光閉じ込め層５１、並びに第１のｐ型ＩｎＰクラッド層５３を順に成長する。この成長は、例えば有機金属気相成長法または分子線ビームエピタキシ法により行うことができる。特に、活性層５０の井戸層４７の成長では、３．５ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲に膜厚を制御すると共に井戸層４７の組成を調整して、１５６５ｎｍ以上の光を発生可能な量子井戸構造を有する活性層５０を形成する。図５（Ｂ）に示されるように、メサストライプ形成工程では、第１のｐ型ＩｎＰクラッド層５３上にストライプ状のシリコン窒化物といった絶縁物マスク５５を形成する。図５（Ｃ）に示されるように、この絶縁物マスク５５を用いてメサ５７を形状する。メサ５７は、ｎ型ＩｎＰクラッド層４３ａ、第１の光閉じ込め層４５ａ、活性層５０ａ、第２の光閉じ込め層５１ａ、並びに第１のｐ型ＩｎＰクラッド層５３ａを含む。
【００３３】
埋め込み工程では、図６（Ａ）に示されるように、絶縁物マスクを残した状態で、埋め込み領域５９の形成を行ってメサ５７を埋め込む。この後に、図６（Ｂ）に示されるように、第２のｐ型ＩｎＰクラッド層６１およびコンタクト層６３を成長する。コンタクト層６３上に開口を有する絶縁膜６７を第２のｐ型ＩｎＰクラッド層６１およびコンタクト層６３を形成した後に、アノード電極６９およびカソード電極７１を作製する。
【００３４】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、本実施の形態に係る半導体レーザの構造を示す図面である。
【図２】図２（Ａ）、図２（Ｂ）および図２（Ｃ）は、スピン軌道相互作用を説明するための図面である。
【図３】図３は、井戸層の厚みとスピン軌道分裂エネルギ△ｓとの関係を示す図面である。
【図４】図４は、井戸層の厚みと内部量子効率との関係を示す図面である。
【図５】図５は、半導体レーザの作製を説明するための図面である。
【図６】図６は、半導体レーザの作製を説明するための図面である。
【符号の説明】
【００３６】
１１…半導体レーザ、１３…第１導電型III−Ｖ化合物半導体層、１５…第２導電型III−Ｖ化合物半導体層、１７…活性層、２３…障壁層、２５…井戸層、１９…基板、２７…第１の光閉じ込め層、２９…第２の光閉じ込め層、３１…コンタクト層、４１…ＩｎＰ基板、４３…ｎ型ＩｎＰクラッド層、４５…第１の光閉じ込め層、４７…井戸層、４９…障壁層、５０…活性層、５１…第２の光閉じ込め層、５３…第１のｐ型ＩｎＰクラッド層、５５…絶縁物マスク、５７…メサ、
４３ａ…ｎ型ＩｎＰクラッド層、４５ａ…第１の光閉じ込め層、５０ａ…活性層、５１ａ…第２の光閉じ込め層、５３ａ…第１のｐ型ＩｎＰクラッド層、６１…第１のｐ型ＩｎＰクラッド層、６３…コンタクト層、６７…絶縁膜、６９…アノード電極、７１…カソード電極  
【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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