【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的長波長のレーザ発振が可能な半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子において、波長が０．４μｍ〜０．６μｍ程度の可視領域や波長１．３μｍ〜１．５μｍ程度の近赤外領域で動作させることができる半導体レーザ素子は比較的高性能な素子がすでに実現されており、ＣＤやＤＶＤ等の光情報処理分野や光ファイバー通信分野で実用化が進んでいる。
【０００３】
これに対して、波長が２μｍ〜３μｍ領域の半導体レーザ素子は、環境モニター、化学分析、医療等での応用が期待されており、ＧａＳｂ基板を用いた材料系で検討が進められてきた。本発明者らは先に、分子線成長法（ＭＢＥ）によりＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂからなるタイプＩＩの多重量子井戸構造の発光層を有するダイオードを試作し、室温で２．４μｍの電流注入発光（ＥＬ）を観測することに成功したことを発表した（非特許文献１）。
【０００４】
【非特許文献１】
H. Takasaki, Y. Kawamura et. al. “Electroluminescence of In0.53Ga0.47As/GaAs0.5Sb0.5 type II multiple quantum well diodes lattice-matched to InP” Journal of Crystal Growth 227-228(2001), P294-297.
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、波長３μｍ以上になると大気の透過率が高くなること、ガス検出及び微量分析用の連続光源としてはより長波長の光が求められること等から、半導体レーザにはより長波長で高出力のものが求められる。
【０００６】
そこで、本発明は長波長で高出力のレーザ発振可能な半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の半導体レーザ素子は、Ｇａ、Ａｓ及びＳｂを含む第１の半導体層と、Ｇａ、Ｉｎ及びＡｓを含む第２の半導体層が交互に積層された量子井戸構造の活性層を備え、上記第２の半導体層の伝導帯の電子と上記第１の半導体層の価電子帯のホールとを再結合させる半導体レーザ素子であって、
上記第１の半導体層及び上記第２の半導体層の少なくとも一方にＮを含むことを特徴とする。
このように構成された本発明に係る第１の半導体レーザ素子は、上記第１の半導体層及び上記第２の半導体層のいずれか１つにＮを含むことにより、上記第２の半導体層の伝導帯の下端と上記第１の半導体層の価電子帯の上端との間のギャップを小さくでき、長波長化が図れる（Ｎを含むことによる直接的な効果）。
また、本発明に係る第１の半導体レーザ素子は、上記第１の半導体層及び上記第２の半導体層のいずれか１つにＮを含んでいるので、上記第１と第２の半導体層の結晶性を悪化させることなく、第１の半導体層のＳｂの含有量を多くでき、出力を減少させることなく長波長化が可能となる（Ｎを含むことによる間接的な効果）。
【０００８】
また、本発明に係る第１の半導体レーザ素子では、より長波長化が図れるように、上記第１の半導体層及び上記第２の半導体層の両方の層にＮを含有させることが好ましい。
【０００９】
また、本発明に係る第２の半導体レーザ素子は、第１の半導体層と、上記第１の半導体層の伝導帯下端準位より高い伝導帯下端準位と上記第１の半導体層の価電子帯上端準位より低い価電子帯上端準位とを有する第２の半導体層が交互に積層された量子井戸構造の活性層を備えた半導体レーザ素子において、前記第１の半導体層は、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ及びＮを含んでなることを特徴とする。
このように構成された本発明に係る第１の半導体レーザ素子は、上記第１の半導体層がＮを含んでいるので、上記第１の半導体層のバンドギャップを小さくでき、長波長化が図れる。
また、本発明に係る第１の半導体レーザ素子は、上記第１の半導体層がＮを含んでいるので、上記第１と第２の半導体層の結晶性を悪化させることなく、第１の半導体層のＳｂの含有量を多くでき、出力を減少させることなく長波長化が可能となる。
【００１０】
また、本発明に係る第２の半導体レーザ素子では、上記第２の半導体層は、ＡｌＧａＩｎＡｓまたはＧａＩｎＡｓＰからなることが好ましい。
【００１１】
さらに、本発明に係る第１と第２の半導体レーザ素子は、上記活性層と格子整合が容易なＩｎＰ基板を用いて構成されることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態について説明する。
実施の形態１．
本実施の形態１の半導体レーザ素子は、図１に示すように、裏面に負電極８が形成されたｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層２、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層３、後述の活性層４、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層５、ｐ型ＩｎＰクラッド層６、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７及び正電極９が順番に形成され、活性層４が以下のように構成されたことを特徴としている。
【００１３】
（活性層４の基本構成）
本実施の形態１の半導体レーザ素子において、活性層４は、ＧａＡｓＳｂＮからなる第１の半導体層４ａとＧａＩｎＡｓＮからなる第２の半導体層４ｂとが交互に積層された多重量子井戸構造を有しており、その活性層４において、それぞれｎ型ＩｎＰクラッド層２及びｐ型ＩｎＰクラッド層６等を介して注入される第２の半導体層４ｂの伝導帯の電子と第１の半導体層４ａの価電子帯のホールとを再結合させることにより発光させるものである。
【００１４】
ここで、本発明において、ＧａＡｓＳｂＮからなる第１の半導体層４ａとは、主要な構成元素としてＧａ、Ｉｎ及びＡｓを含みさらにＮを含む半導体層であり、好ましくは一般式ＧａＡｓ１−ｕ−ｖＳｂｕＮｖ（０＜ｕ＜１，０＜ｖ＜１，ｕ＋ｖ＜１）からなる層である。
また、ＧａＩｎＡｓＮからなる第２の半導体層４ｂとは、主要な構成元素としてＧａ、Ｉｎ及びＡｓを含みさらにＮを含む半導体層であり、好ましくは、一般式ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＮ１−ｙ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）からなる層である。
【００１５】
そして、本実施の形態１において、第１の半導体層４ａと第２の半導体層４ｂの組成（組成比）は、第２の半導体層４ｂの伝導帯の電子と第１の半導体層４ａの価電子帯のホールとが再結合するように設定される。
具体的には、図２のエネルギーバンド図に示すように、第１の半導体層４ａの伝導帯の下端を第１の伝導帯下端準位１１とし、第１の半導体層４ａの価電子帯の上端を第１の価電子帯上端準位１２としたときに、第２の半導体層４ｂの伝導帯の下端である第２の伝導帯下端準位２１が第１の伝導帯下端準位１１より低くなるように、かつ第２の半導体層４ｂの価電子帯の上端である第２の価電子帯上端準位２２が第１の価電子帯上端準位１２より低くなるように第１の半導体層４ａと第２の半導体層４ｂの組成（組成比）は設定される。
このように活性層の組成比が設定された実施の形態１の半導体レーザ素子は、所定の閾値以上の電圧電流下において、第２の半導体層４ｂの伝導帯の電子と第１の半導体層４ａの価電子帯のホールとを再結合させることによりレーザ発振させることができる。
【００１６】
（活性層４の詳細）
以下、本実施の形態１の半導体レーザ素子における活性層４についてより詳細に説明する。
本実施の形態１において、活性層４は、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層２及びｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層３を成長させた後、例えば、固体ソースＭＢＥ法（固体源を用いた分子線エピタキシー法）により、第１の半導体層４ａと第２の半導体層４ｂを所望の組成になるように交互に成長させる。
【００１７】
この際、第１の半導体層４ａの膜厚は、第１の半導体層４ａの膜厚が発光波長にも関係する（厚さが厚いほど、波長が長くなる傾向がある。）ので、その点を考慮して設定されるが、好ましくは、１０Å〜２００Å、より好ましくは、１０Å〜１００Åの範囲に設定する。
このような範囲が好ましい理由は、上記範囲に設定すると比較的長波長でかつ電子とホールの再結合確率を高く保つことが可能であるからである。
【００１８】
また、第２の半導体層４ｂの膜厚は、数十Å〜数百Åに設定するが、好ましくは、１０Å〜２００Å、より好ましくは、１０Å〜１００Åの範囲に設定する。
このような範囲が好ましい理由は、上記範囲に設定すると比較的長波長でかつ電子とホールの再結合確率を高く保つことが可能であるからである。
【００１９】
本実施の形態１の活性層４において、第１の半導体層４ａの組成（Ｇａ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｎの各組成比）は、第２の半導体層４ｂとの関連において所望の発光波長が得られるように設定されるものであるが、発光波長との関連でいうと、Ｓｂ及びＮの組成比が重要となる。
すなわち、第１の半導体層４ａのＳｂ組成を増加させると、第１の半導体層４ａの第１の価電子帯上端１２の、第２の伝導帯下端準位２１（第２の半導体層４ｂの価電子帯上端）に対するギャップ差が小さくなる傾向があり、発光波長の長波長化が図れる。
このより多くのＳｂを含むことによる長波長化に対して、第１の半導体層４ａがさらに窒素（Ｎ）を含むことにより、第１の半導体層４ａ及び第２の半導体層４ｂの結晶性を悪化させることなく、Ｓｂの組成比を大きくできる。これにより、発光波長のより長波長化が可能となる（Ｎを含むことによる間接的な効果）。
また、本実施の形態１の半導体レーザ素子では、第１の半導体層４ａが窒素（Ｎ）を含むことにより、第２の半導体層４ｂの伝導帯の下端と第１の半導体層４ａの価電子帯の上端の間のエネルギー差を小さくでき、これによっても長波長化が図られている（Ｎを含むことによる直接的な効果）。
以上の発光波長の長波長化と結晶性の両方を考慮して、第１の半導体層４ａの組成比は、第１の半導体層４ａを一般式ＧａＡｓ１−ｕ−ｖＳｂｕＮｖ（ｕ＜１，ｖ＜１，ｕ＋ｖ＜１）からなる層とした場合、好ましくは、０．４＞ｕ＞１．０、より好ましくは、０．５＞ｕ＞０．７の範囲に設定する。これらの範囲が好ましい理由は、結晶性の良好な層が得られるからである。
【００２０】
本実施の形態１の活性層４において、第２の半導体層４ｂの組成（Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｎの各組成比）は、言うまでも無く、第１の半導体層４ａとの関連において所望の発光波長が得られるように設定されるものである。
尚、第２の半導体層４ｂは、一般式ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＮ１−ｙ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）からなる層とした場合、長波長化の点から、好ましくは、０．６＞ｘ＞０の範囲に設定し、ｙの範囲としては、好ましくは、１．０＞ｙ＞０．６の範囲に設定する。
ここで、特に、本実施の形態１では第２の半導体層４ｂが窒素（Ｎ）を含んでいるので、第１の半導体層４ａ及び第２の半導体層４ｂの結晶性を悪化させることなく、比較的幅広い範囲で第２の半導体層の組成を設定することができる。
従って、実施の形態１では、第２の半導体層４ｂが窒素（Ｎ）を含むことにより、第１の半導体層４ａの第１の価電子帯上端１２と第２の伝導帯下端準位２１（第２の半導体層４ｂの価電子帯上端）との間のギャップ差が小さくなるように組成を設定でき、発光波長の長波長化が図れる。
【００２１】
以上のようにして、活性層４を成長させた後、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層５、ｐ型ＩｎＰクラッド層６、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７及び正電極９を順次形成することにより実施の形態１の半導体レーザ素子は構成される。
【００２２】
以上のように構成された本発明に係る実施の形態１の半導体レーザ素子では、第１の半導体層４ａが窒素（Ｎ）を含むことにより、第２の半導体層４ｂの伝導帯の下端と第１の半導体層４ａの価電子帯の上端の間のエネルギー差を小さくでき、これによって直接的に長波長化が図れることに加え、第１の半導体層４ａが窒素（Ｎ）を含むことにより、第１の半導体層４ａ及び第２の半導体層４ｂの結晶性を悪化させることなく、Ｓｂの組成比を大きくでき、間接的に発光波長のより長波長化が可能となる。
【００２３】
また、本実施の形態１では、Ｇａ、Ｉｎ及びＡｓを含む第２の半導体層４ｂにおいてさらに窒素（Ｎ）を含んでいるので、第１の半導体層４ａ及び第２の半導体層４ｂの結晶性を悪化させることなく、比較的幅広い範囲で第２の半導体層の組成を設定することができる。
これによっても、発光強度を減少させることなく発光波長の長波長化が可能となる。
以上説明したように、特に、本実施の形態１の半導体レーザ素子では、第１の半導体層４ａ及び第２の半導体層４ｂにそれぞれ窒素（Ｎ）を含んでいるので、発光強度を減少させることなく発光波長の大幅な長波長化が可能であり、波長が３μｍ以上の半導体レーザ素子を実現できる。
【００２４】
また、本実施の形態１の半導体レーザ素子は、ＩｎＰ基板１上に、活性層４等を成長させているので、各層の格子整合が容易であり、品質の良い半導体レーザ素子を構成できる。
【００２５】
以上の実施の形態１の半導体レーザ素子に係る発明は、活性層４における第１の半導体層と第２の半導体層の積層数には限定されるものではなく、少なくとも一周期あればよい。
また、本実施の形態１では、より好ましい例として、第１の半導体層４ａ及び第２の半導体層４ｂの両方の層がＮを含むように構成したが、本発明では、いずれか一方のＮを含んでいれば，長波長化が可能である。
【００２６】
実施の形態２．
本発明に係る実施の形態２の半導体レーザ素子は、実施の形態１の半導体レーザ素子において、活性層４に換えて後述の活性層４０を備えている点以外は、実施の形態１と同様に構成される。
【００２７】
すなわち、本実施の形態２の活性層４０は、図３に示すように、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ及びＮを含む第１の半導体層４０ａと、第１の半導体層４０ａの伝導帯下端準位１２１より高い伝導帯下端準位１１１と第１の半導体層１２１の価電子帯上端準位１２２より低い価電子帯上端準位１１２とを有する第２の半導体層４０ｂとが交互に積層された多重量子井戸層を備えたことを特徴としている。
このように構成された実施の形態２の半導体レーザ素子は、第１の半導体層４０ａの伝導帯の電子と第１の半導体層４０ａの価電子帯のホールとを再結合させてレーザ発振させる半導体レーザ素子である。
【００２８】
ここで、本発明において、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ及びＮを含む第１の半導体層４０ａとは、主要な構成元素としてＧａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂを含みさらにＮを含む半導体層であり、好ましくは一般式ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓ１−ｕ−ｖＳｂｕＮｖ（０＜ｘ＜１、０＜ｕ＜１，０＜ｖ＜１，ｕ＋ｖ＜１）で表される層である。
【００２９】
本実施の形態２の活性層４０において、第１の半導体層４０ａの組成（Ｇａ、、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｎの各組成比）は、所望の発光波長が得られるように設定されるが、発光波長との関連でいうと、Ｓｂ及びＮの組成比が重要となる。
すなわち、第１の半導体層４０ａのＳｂ組成を増加させると、第１の半導体層４０ａのバンドギャップが小さくなる傾向があり、発光波長の長波長化が図れるが、第１の半導体層４０ａがさらに窒素（Ｎ）を含むことにより、第１の半導体層４０ａ及び第２の半導体層４０ｂの結晶性を悪化させることなく第１の半導体層４０ａのＳｂの含有量を大きくでき、発光波長のより長波長化（３μｍ以上）が可能となる（Ｎを含むことによる間接的な効果）。
また、実施の形態２の半導体レーザ素子は、第１の半導体層４０ａがさらに窒素（Ｎ）を含むことにより、第１の半導体層４０ａのエネルギーギャップを小さくでき、これによってさらに長波長化が図れる（Ｎを含むことによる直接的な効果）。
【００３０】
本実施の形態２では、以上の発光波長の長波長化と結晶性の両方を考慮して、第１の半導体層４０ａを一般式ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓ１−ｕ−ｖＳｂｕＮｖ（０＜ｘ＜１、０＜ｕ＜１，０＜ｖ＜１，ｕ＋ｖ＜１）で表される層とした場合、各組成比は以下の範囲に設定されることが好ましい。
Ｓｂの組成ｕは、好ましくは、１．０＞ｕ＞０．８の範囲に設定する。
また、窒素の組成ｖは、好ましくは、０．５＞ｖ＞０、より好ましくは、０．２＞ｖ＞０の範囲に設定する。
さらに、Ｇａ組成ｘは、好ましくは、０．６＞ｘ＞０の範囲に設定する。
【００３１】
本実施の形態２において、第２の半導体層４０ｂは、第１の半導体層４０ａの伝導帯下端準位１２１より高い伝導帯下端準位１１１と第１の半導体層１２１の価電子帯上端準位１２２より低い価電子帯上端準位１１２とを有するものであれば良いが、好ましくは、第１の半導体層と容易に格子整合させることができ、結晶性の良い第１の半導体層４０ａ及び第２の半導体層４０ｂを形成することができるように、それぞれ４つの元素を含んでなるＡｌＧａＩｎＡｓ層またはＧａＩｎＡｓＰ層からなる層を用いる。
【００３２】
以上のように構成された実施の形態２の半導体レーザ素子は、第１の半導体層４０ａが窒素（Ｎ）を含んでいるので、第１の半導体層４０ａのＳｂの含有量を大きくでき、発光波長のより長波長化（３μｍ以上）が可能となる上に、第１の半導体層４０ａが窒素（Ｎ）を含むことにより、直接的に第１の半導体層４０ａのエネルギーギャップを小さくでき、これによってさらに長波長化が図れる。
【００３３】
以上の実施の形態１及び２では、ＩｎＰ基板を用いて半導体レーザ素子を構成したが、本発明はこれに限られるものではなく、ＧａＡｓ等の他の化合物半導体基板を用いて構成してもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、長波長で高出力のレーザ発振可能な半導体レーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態１の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態１の半導体レーザ素子における活性層４のバンドダイアグラムの模式図である。
【図３】本発明に係る実施の形態２の半導体レーザ素子における活性層４０のバンドダイアグラムの模式図である。
【符号の説明】
１…ｎ型ＩｎＰ基板、２…ｎ型ＩｎＰクラッド層、３…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層、４，４０…活性層、４ａ，４０ａ…第１の半導体層、４ｂ，４０ｂ…第２の半導体層、５…ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層、６…ｐ型ＩｎＰクラッド層、７…ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、８…負電極、９…正電極。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser device capable of relatively long wavelength laser oscillation.
[0002]
[Prior art]
Among semiconductor laser devices, a relatively high performance semiconductor laser device capable of operating in a visible region having a wavelength of about 0.4 μm to 0.6 μm or a near infrared region having a wavelength of about 1.3 μm to 1.5 μm is known. It has already been realized and is being put to practical use in the field of optical information processing such as CD and DVD and the field of optical fiber communication.
[0003]
On the other hand, a semiconductor laser device having a wavelength of 2 μm to 3 μm is expected to be applied to environmental monitoring, chemical analysis, medical treatment, and the like, and has been studied on a material system using a GaSb substrate. The present inventors have prototyped a diode having a type II multiple quantum well structure light emitting layer composed of InGaAs / GaAsSb by molecular beam epitaxy (MBE), and have a current injection light emission (EL) of 2.4 μm at room temperature. Was announced (Non-Patent Document 1).
[0004]
[Non-patent document 1]
H. Takasaki, Y. Kawamura et.al. “Electroluminescence of In0.53Ga0.47As / GaAs0.5Sb0.5 type II multiple quantum well diodes lattice-matched to InP” Journal of Crystal Growth 227-228 (2001), P294- 297.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the wavelength is 3 μm or more, the transmittance of the atmosphere increases, and a longer wavelength light is required as a continuous light source for gas detection and trace analysis. Things are required.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor laser device capable of laser oscillation with a long wavelength and high output.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
A first semiconductor laser device according to the present invention is an active layer having a quantum well structure in which a first semiconductor layer containing Ga, As, and Sb and a second semiconductor layer containing Ga, In, and As are alternately stacked. A semiconductor laser device for recombining electrons in the conduction band of the second semiconductor layer with holes in the valence band of the first semiconductor layer,
At least one of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer contains N.
The first semiconductor laser device according to the present invention having the above-described configuration includes N in one of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, thereby forming the second semiconductor layer. The gap between the lower end of the conduction band and the upper end of the valence band of the first semiconductor layer can be reduced, and a longer wavelength can be achieved (a direct effect of including N).
Further, in the first semiconductor laser device according to the present invention, since one of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer contains N, the first and second semiconductor layers are separated. The content of Sb in the first semiconductor layer can be increased without deteriorating the crystallinity, and the wavelength can be increased without decreasing the output (indirect effect by including N).
[0008]
Further, in the first semiconductor laser device according to the present invention, it is preferable that both the first semiconductor layer and the second semiconductor layer contain N so that a longer wavelength can be achieved.
[0009]
Further, in the second semiconductor laser device according to the present invention, the first semiconductor layer, the lower conduction band level higher than the lower conduction band level of the first semiconductor layer, and the valence electron of the first semiconductor layer In a semiconductor laser device including an active layer having a quantum well structure in which second semiconductor layers having a valence band top level lower than a band top level are alternately stacked, the first semiconductor layer includes Ga, It is characterized by comprising In, As, Sb and N.
In the thus configured first semiconductor laser device according to the present invention, since the first semiconductor layer contains N, the band gap of the first semiconductor layer can be reduced and a longer wavelength can be achieved. .
In the first semiconductor laser device according to the present invention, since the first semiconductor layer contains N, the first semiconductor layer can be formed without deteriorating the crystallinity of the first and second semiconductor layers. The content of Sb in the layer can be increased, and the wavelength can be increased without reducing the output.
[0010]
Further, in the second semiconductor laser device according to the present invention, it is preferable that the second semiconductor layer is made of AlGaInAs or GaInAsP.
[0011]
Furthermore, it is preferable that the first and second semiconductor laser devices according to the present invention are configured using an InP substrate that is easily lattice-matched to the active layer.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
As shown in FIG. 1, the semiconductor laser device of the first embodiment has an n-type InP cladding layer 2, an n-type InGaAsP light guide layer 3, and an n-type InP cladding layer 2 on an n-type InP substrate 1 having a negative electrode 8 formed on the back surface. An active layer 4, a p-type InGaAsP light guide layer 5, a p-type InP clad layer 6, a p-type InGaAsP contact layer 7, and a positive electrode 9, which will be described later, are sequentially formed. Features.
[0013]
(Basic configuration of active layer 4)
In the semiconductor laser device of the first embodiment, the active layer 4 has a multiple quantum well structure in which first semiconductor layers 4a made of GaAsSbN and second semiconductor layers 4b made of GaInAsN are alternately stacked. In the active layer 4, electrons in the conduction band of the second semiconductor layer 4b and valence electrons of the first semiconductor layer 4a injected through the n-type InP cladding layer 2 and the p-type InP cladding layer 6, respectively. Light is emitted by recombination with the holes in the band.
[0014]
Here, in the present invention, the first semiconductor layer 4a made of GaAsSbN is a semiconductor layer containing Ga, In, and As as main constituent elements and further containing N, and is preferably of the general formula GaAs 1-uv sb u N v (0 <u <1,0 <v <1, u + v <1) is composed of a layer.
Further, the second semiconductor layer 4b made GaInAsN, a semiconductor layer further containing N include Ga, In and As as principal constituent elements, preferably of the general formula Ga x In 1-x As y N 1 -Y (0 <x <1, 0 <y <1).
[0015]
In the first embodiment, the composition (composition ratio) of the first semiconductor layer 4a and the second semiconductor layer 4b depends on the conduction band electrons of the second semiconductor layer 4b and the value of the first semiconductor layer 4a. It is set to recombine with holes in the electronic band.
Specifically, as shown in the energy band diagram of FIG. 2, the lower end of the conduction band of the first semiconductor layer 4a is set to the first conduction band lower end level 11, and the valence band of the first semiconductor layer 4a is When the upper end is the first valence band upper end level 12, the second conduction band lower end level 21 which is the lower end of the conduction band of the second semiconductor layer 4b is higher than the first conduction band lower end level 11. The first semiconductor such that the second valence band upper end level 22 which is the upper end of the valence band of the second semiconductor layer 4b is lower than the first valence band upper end level 12. The composition (composition ratio) of the layer 4a and the second semiconductor layer 4b is set.
In the semiconductor laser device according to the first embodiment in which the composition ratio of the active layer is set as described above, the electrons in the conduction band of the second semiconductor layer 4b and the first semiconductor layer 4a The laser oscillation can be performed by recombination with holes in the valence band.
[0016]
(Details of active layer 4)
Hereinafter, the active layer 4 in the semiconductor laser device of the first embodiment will be described in more detail.
In the first embodiment, after the n-type InP cladding layer 2 and the n-type InGaAsP light guide layer 3 are grown on the n-type InP substrate 1, the active layer 4 is formed by, for example, a solid source MBE method (a solid source is used). The first semiconductor layers 4a and the second semiconductor layers 4b are alternately grown to have a desired composition by the used molecular beam epitaxy method).
[0017]
At this time, the thickness of the first semiconductor layer 4a is related to the emission wavelength of the first semiconductor layer 4a (the thicker the thickness, the longer the wavelength tends to be). Is preferably set in the range of 10 ° to 200 °, more preferably 10 ° to 100 °.
The reason that such a range is preferable is that if the range is set to the above range, it is possible to maintain a relatively long wavelength and a high recombination probability of electrons and holes.
[0018]
The thickness of the second semiconductor layer 4b is set in the range of several tens to several hundreds of degrees, preferably in the range of 10 to 200 degrees, and more preferably in the range of 10 to 100 degrees.
The reason that such a range is preferable is that if the range is set to the above range, it is possible to maintain a relatively long wavelength and a high recombination probability of electrons and holes.
[0019]
In the active layer 4 of the first embodiment, the composition (the composition ratio of Ga, As, Sb, and N) of the first semiconductor layer 4a is such that a desired emission wavelength is obtained in relation to the second semiconductor layer 4b. The composition ratio of Sb and N is important in relation to the emission wavelength.
That is, when the Sb composition of the first semiconductor layer 4a is increased, the second conduction band lower level 21 (the second semiconductor layer 4b lower level) of the first valence band upper end 12 of the first semiconductor layer 4a is increased. The gap difference with respect to the valence band upper end) tends to be small, and the emission wavelength can be made longer.
In response to the increase in the wavelength by including more Sb, the first semiconductor layer 4a further contains nitrogen (N), so that the crystallinity of the first semiconductor layer 4a and the second semiconductor layer 4b is improved. The Sb composition ratio can be increased without deterioration. As a result, the emission wavelength can be made longer (an indirect effect of including N).
Further, in the semiconductor laser device of the first embodiment, since the first semiconductor layer 4a contains nitrogen (N), the lower end of the conduction band of the second semiconductor layer 4b and the valence electrons of the first semiconductor layer 4a are formed. The energy difference between the upper ends of the bands can be reduced, thereby also increasing the wavelength (a direct effect of including N).
Considering both the long wavelength and crystalline or emission wavelength, the composition ratio of the first semiconductor layer 4a is the general formula of the first semiconductor layer 4a GaAs 1-u-v Sb u N v (u In the case of a layer composed of <1, v <1, u + v <1), it is preferably set in the range of 0.4>u> 1.0, more preferably in the range of 0.5>u> 0.7. The reason why these ranges are preferable is that a layer having good crystallinity can be obtained.
[0020]
In the active layer 4 of the first embodiment, the composition of the second semiconductor layer 4b (the composition ratio of Ga, In, As, and N) is, of course, desired in relation to the first semiconductor layer 4a. Is set so as to obtain the emission wavelength.
The second semiconductor layer 4b has the general formula Ga x In 1-x As y N 1-y when a layer made of (0 <x <1,0 <y <1), in terms of longer wavelength Preferably, it is set in the range of 0.6>x> 0, and as the range of y, it is preferably set in the range of 1.0>y> 0.6.
Here, in particular, in Embodiment 1, since the second semiconductor layer 4b contains nitrogen (N), the crystallinity of the first semiconductor layer 4a and the second semiconductor layer 4b is not deteriorated, The composition of the second semiconductor layer can be set in a relatively wide range.
Therefore, in the first embodiment, since the second semiconductor layer 4b contains nitrogen (N), the first valence band upper end 12 and the second conduction band lower level 21 () of the first semiconductor layer 4a are formed. The composition can be set so that the gap difference between the second semiconductor layer 4b and the valence band (upper end of the valence band) is reduced, and the emission wavelength can be made longer.
[0021]
After the active layer 4 is grown as described above, the p-type InGaAsP light guide layer 5, the p-type InP clad layer 6, the p-type InGaAsP contact layer 7, and the positive electrode 9 are sequentially formed to form the first embodiment. Is constituted.
[0022]
In the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention configured as described above, since the first semiconductor layer 4a contains nitrogen (N), the lower end of the conduction band of the second semiconductor layer 4b and the second The energy difference between the upper ends of the valence bands of the first semiconductor layer 4a can be reduced, thereby directly increasing the wavelength. In addition, by including nitrogen (N) in the first semiconductor layer 4a, The composition ratio of Sb can be increased without deteriorating the crystallinity of the first semiconductor layer 4a and the second semiconductor layer 4b, and the emission wavelength can be indirectly increased.
[0023]
In the first embodiment, since the second semiconductor layer 4b containing Ga, In, and As further contains nitrogen (N), the crystallinity of the first semiconductor layer 4a and the second semiconductor layer 4b is increased. Can be set in a relatively wide range without deteriorating the composition of the second semiconductor layer.
This also makes it possible to increase the emission wavelength without reducing the emission intensity.
As described above, in particular, in the semiconductor laser device of the first embodiment, since the first semiconductor layer 4a and the second semiconductor layer 4b each contain nitrogen (N), the emission intensity must be reduced. In addition, the emission wavelength can be greatly increased, and a semiconductor laser device having a wavelength of 3 μm or more can be realized.
[0024]
In the semiconductor laser device of the first embodiment, since the active layer 4 and the like are grown on the InP substrate 1, lattice matching of each layer is easy, and a high-quality semiconductor laser device can be formed.
[0025]
The invention relating to the semiconductor laser device of the first embodiment described above is not limited to the number of laminations of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer in the active layer 4, and it is sufficient that at least one cycle is provided.
Further, in the first embodiment, as a more preferable example, both the first semiconductor layer 4a and the second semiconductor layer 4b are configured to include N, but in the present invention, any one of N , It is possible to increase the wavelength.
[0026]
Embodiment 2 FIG.
The semiconductor laser device of the second embodiment according to the present invention is the same as the semiconductor laser device of the first embodiment except that an active layer 40 described later is provided instead of the active layer 4. Be composed.
[0027]
That is, as shown in FIG. 3, the active layer 40 of the second embodiment includes a first semiconductor layer 40a containing Ga, In, As, Sb, and N, and a conduction band lower end of the first semiconductor layer 40a. Semiconductor layer 40b having a conduction band lower level 111 higher than the level 121 and a valence band upper level 112 lower than the valence band upper level 122 of the first semiconductor layer 121 are alternately stacked. It is characterized by having a multiple quantum well layer.
In the semiconductor laser device according to the second embodiment thus configured, a semiconductor that causes laser oscillation by recombining electrons in the conduction band of the first semiconductor layer 40a and holes in the valence band of the first semiconductor layer 40a is performed. It is a laser device.
[0028]
Here, in the present invention, the first semiconductor layer 40a containing Ga, In, As, Sb, and N is a semiconductor layer containing Ga, In, As, Sb as main constituent elements, and further containing N, are preferably layers represented by the general formula Ga x in 1-x as 1 -u-v Sb u N v (0 <x <1,0 <u <1,0 <v <1, u + v <1) .
[0029]
In the active layer 40 of the second embodiment, the composition (the composition ratio of Ga, In, As, Sb, and N) of the first semiconductor layer 40a is set so as to obtain a desired emission wavelength. In terms of the emission wavelength, the composition ratio of Sb and N is important.
That is, when the Sb composition of the first semiconductor layer 40a is increased, the band gap of the first semiconductor layer 40a tends to be reduced, and the emission wavelength can be made longer. By containing nitrogen (N), the Sb content of the first semiconductor layer 40a can be increased without deteriorating the crystallinity of the first semiconductor layer 40a and the second semiconductor layer 40b, and the emission wavelength can be increased. Wavelength conversion (3 μm or more) becomes possible (indirect effect by including N).
Further, in the semiconductor laser device according to the second embodiment, since the first semiconductor layer 40a further contains nitrogen (N), the energy gap of the first semiconductor layer 40a can be reduced, thereby further increasing the wavelength. (Direct effect by including N).
[0030]
In the second embodiment, in consideration of both the longer wavelength and crystallinity of more emission wavelengths, the general formula of the first semiconductor layer 40a GaxIn1-xAs 1-u- v Sb u N v (0 <x When a layer represented by <1, 0 <u <1, 0 <v <1, u + v <1), each composition ratio is preferably set in the following range.
The composition u of Sb is preferably set in the range of 1.0>u> 0.8.
Further, the composition v of nitrogen is preferably set in the range of 0.5>v> 0, more preferably 0.2>v> 0.
Further, the Ga composition x is preferably set in the range of 0.6>x> 0.
[0031]
In the second embodiment, the second semiconductor layer 40b includes a conduction band bottom level 111 higher than the conduction band bottom level 121 of the first semiconductor layer 40a and a valence band top level of the first semiconductor layer 121. Any material having a valence band upper end level 112 lower than 122 may be used. Preferably, the first semiconductor layer 40a and the first semiconductor layer 40a having good crystallinity can be easily lattice-matched with the first semiconductor layer. A layer composed of an AlGaInAs layer or a GaInAsP layer containing four elements is used so that two semiconductor layers 40b can be formed.
[0032]
In the semiconductor laser device of the second embodiment configured as described above, since the first semiconductor layer 40a contains nitrogen (N), the content of Sb in the first semiconductor layer 40a can be increased, and light emission can be achieved. In addition to making the wavelength longer (3 μm or more), the energy gap of the first semiconductor layer 40a can be directly reduced because the first semiconductor layer 40a contains nitrogen (N). Thus, the wavelength can be further increased.
[0033]
In Embodiments 1 and 2 described above, the semiconductor laser device is configured using the InP substrate, but the present invention is not limited to this, and may be configured using another compound semiconductor substrate such as GaAs. .
[0034]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor laser device capable of oscillating a laser with a long wavelength and high output.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view illustrating a configuration of a semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a schematic diagram of a band diagram of an active layer 4 in the semiconductor laser device of the first embodiment.
FIG. 3 is a schematic diagram of a band diagram of an active layer 40 in a semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... n-type InP board, 2 ... n-type InP clad layer, 3 ... n-type InGaAsP light guide layer, 4, 40 ... active layer, 4a, 40a ... 1st semiconductor layer, 4b, 40b ... 2nd semiconductor layer 5 ... p-type InGaAsP light guide layer, 6 ... p-type InP cladding layer, 7 ... p-type InGaAsP contact layer, 8 ... negative electrode, 9 ... positive electrode.