JPH10284795A

JPH10284795A - 歪み量及び層厚変調型多重量子井戸構造を備える半導体レーザ素子および製造方法

Info

Publication number: JPH10284795A
Application number: JP8499997A
Authority: JP
Inventors: Shoji Hirata; 照二平田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-04-03
Filing date: 1997-04-03
Publication date: 1998-10-23

Abstract

(57)【要約】【課題】キャリアあふれ現象の発生を抑えてしきい値
電流特性を改善し、キャリア注入効率を改善し、安定な
発光波長が得られる多重量子井戸構造の半導体レーザ素
子および製造方法を提供する。【解決手段】複数の量子井戸層ＱＷ１〜ＱＷ４からな
る活性領域Ａｃｔを挟むｐ型クラッド層Ｃｄ１およびｎ
型クラッド層Ｃｄ２を有し、各量子井戸層ＱＷ１〜ＱＷ
４は隣接するクラッド層Ｃｄ１、Ｃｄ２又は／およびバ
リアー層間でポテンシャル障壁ΔＥｃ１〜ΔＥｃ４を形
成するもので、各量子井戸層ＱＷ１〜ＱＷ４内のキャリ
アの量子化準位μ１〜μ４とポテンシャル障壁ΔＥｃ１
〜ΔＥｃ４との差が所定値になるよう各量子井戸層ＱＷ
１〜ＱＷ４の歪量ε１〜ε４が形成、または歪量ε１〜
ε４および層厚Ｔ１〜Ｔ４が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子および製造方法に関し、とり
わけ歪み量及び層厚変調型の多重量子井戸構造を備える
半導体レーザ素子および製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】量子井戸半導体レーザ（ＱＷレーザ）
は、活性層がキャリアである電子、正孔のドブロイ波長
程度以下の厚さの量子井戸構造である半導体レーザであ
り、とりわけ量子井戸層（ウエル）と障壁層（バリア
ー）が交互に積層され、量子井戸層が２層以上のものが
多重量子井戸（ＭＱＷ）半導体レーザとなる。

【０００３】このような量子井戸半導体レーザでは、活
性層内に形成された量子化準位間の電子遷移がレーザ発
振を支配し、キャリア状態密度がステップ関数状である
ため、光学利得スペクトルの半値幅が狭くなる。この結
果、小さな注入電流密度で利得係数が急激に上昇し、し
きい値電流Ｉｔｈが減少する。

【０００４】さらに、量子井戸層と障壁層に格子不整合
系の材料を用い、ミスフィット転移発生のないように量
子井戸層の厚みを臨界層厚以下にした、歪量子井戸半導
体レーザまたは歪超格子半導体レーザが広く適用されて
いる。

【０００５】これらの歪み量型のレーザでは、格子ひず
みによる圧縮または引っ張り応力の大きさを制御するこ
とにより、量子井戸層と障壁層の伝導帯側のポテンシャ
ル差すなわち電子のポテンシャル障壁ΔＥｃ、または／
および、量子井戸層と障壁層の価電子帯側のポテンシャ
ル差すなわち正孔のポテンシャル障壁ΔＥｖを制御し
て、バンドギャップΔＥｇを変化させることが可能であ
る。

【０００６】例えば、図１４は組成Ｇａ（ｘ）Ｉｎ（１
−ｘ）Ｐの歪み量子井戸における、伝導帯の電子のポテ
ンシャル障壁ΔＥｃの歪み量ε依存度を示す線図であ
る。歪み量εは、着目する量子井戸の格子定数をΛｑ、
隣接するバリアー層あるいはクラッド層の格子定数をΛ
ｂｃとした場合、 ε＝（Λｑ−Λｂｃ）／Λｑとして定義され、ε＞０で圧縮歪みとなり、ε＜０で引
張り歪みとなる。同図によれば、バンドギャップΔＥｇ
で正規化された電子のポテンシャル障壁ΔＥｃは、ε＝
０すなわち無歪時の値に対し、圧縮歪（ε＞０）で増加
し、引張り歪（ε＜０）で減少する。

【０００７】歪の導入はバンドギャップの変化だけでな
くバンド構造を変化させる。ε＞０（圧縮歪）の領域で
は、価電子帯最頂上に位置するバンドは成長面方向の正
孔質量が軽い。このため、前記組成の物質を半導体レー
ザの利得媒質として用いると、より少数の正孔の注入で
正孔の擬フェルミレベルが容易に上昇しキャリアの反転
分布が得やすくなるなどのため、レーザの低しきい値発
振が可能となる。

【０００８】また、ε＞０（引っ張り歪み）の領域にお
いても、価電子の状態と伝導帯との光学的遷移確率が大
きく、そのため微分利得が増大するなどのため、この結
晶を活性層に用い、レーザの発振しきい値低減が可能で
ある。

【０００９】図１５は、発振波長が一定値６３３ｎｍに
なるよう層厚が設計された２重量子井戸構造レーザ発振
しきい値のＧａ（ｘ）Ｉｎ（１−ｘ）Ｐ井戸層組成、す
なわち、歪量（ε）依存性である。歪のないレーザと比
較し、歪量が正負それぞれの適切な値、例えばε＝＋
０．６％あるいはε＝−０．５％近傍それぞれで低発振
しきい値Ｉｔｈが実現している。なお圧縮歪量子井戸で
はＴＥモードで、引っ張り歪ではＴＭモードで発振す
る。

【００１０】歪結晶は、このように、レーザ発振波長や
利得制御の有力な手段となる。このほか歪は、伝導帯、
価電子帯のエネルギー準位を変えるため、各種ヘテロ接
合デバイスで重要なヘテロ接合のバンド不連続量が変わ
る。このため、逆にバンド不連続量を制御する手段とも
なる。

【００１１】図１１は、前記のような従来の歪多重量子
井戸（ＭＱＷ）構造におけるエネルギーバンドギャップ
の模式図である。同図で、量子井戸層に加える歪み量ε
は格子ずれ（Δａ／ａ）で定義され、この構造は量子井
戸層がεが＋０．５％のＧａＩｎＰ層で構成され、また
バリアー層が無歪みの（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５
ＩｎＰ層で構成される。

【００１２】この構成においては各量子井戸ＱＷ１０１
〜ＱＷ１０４に加えられた歪み量εは＋０．５％で一定
であり、伝導帯ＣＢＤ側のポテンシャル障壁ΔＥｃは各
量子井戸ＱＷ１０１〜ＱＷ１０４につき等しい値とな
り、同様に価電子帯ＶＢＤ側のポテンシャル障壁ΔＥｖ
も各量子井戸ＱＷ１０１〜ＱＷ１０４につき等しくな
る。したがって、バンドギャップΔＥｇも等しく、また
伝導帯ＣＢＤ側の電子の量子化準位μと価電子帯ＶＢＤ
側の正孔の量子化準位νの差（＝フェルミ準位差ΔＥｆ
ｅｒｍｉ）も等しい構成となっている。

【００１３】ここで歪み量の制御は、ＧａとＩｎの組成
比を０．５からいずれか一方にずらせて成膜することで
なされる。例えばＩｎを０．５７、Ｇａを０．４３と若
干Ｉｎ組成を上げてＩｎ過剰側（ｘ＜０．５）に成膜す
ることで、格子ずれ（Δａ／ａ）は約＋０．６５％とな
り、伝導帯ＣＢＤ側のポテンシャル障壁ΔＥｃが増加
し、エネルギーバンドが縮小することが知られている
（ＩＥＥＥＪｏｕｎａｌｏｆＱｕａｎｔｕｍＥｌ
ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、Ｖ２９Ｎｏ．６１８６３−１
８６７）。

【００１４】Ｇａ過剰側（ｘ＞０．５）で引張りの、Ｉ
ｎ過剰側（ｘ＜０．５）で圧縮の、２軸性応力が働き、
歪が生ずる。前記と逆にＧａの組成比を上げると、引張
り（マイナス）歪みが発生し、伝導帯ＣＢＤ側のポテン
シャル障壁ΔＥｃが減少してエネルギーバンドギャップ
が拡大する。また、歪みを量子井戸層に加えることによ
り生じる利点として、価電子帯の縮退が解け、ゲインが
とれやすくなるためレーザ素子の発振しきい値が下がる
ことが知られている。例えば赤色波長帯のレーザ素子の
うち、６３５ｎｍのレーザ素子にはマイナス歪みが、６
５０ｎｍのレーザ素子にはプラス歪みが加えられてい
る。

【００１５】図１２は、各量子井戸層が等しい層厚を有
し、歪量を量子井戸層毎に異ならせた構成における活性
領域の伝導帯側エネルギーレベルの模式図であり、この
図には伝導帯側のみが示されている。同図で、量子井戸
層ＱＷ１１０〜ＱＷ１１３はｎ型クラッド層Ｎ１１０と
ｐ型クラッド層Ｐ１１０とに挟まれて配置され、各量子
井戸層ＱＷ１１０〜ＱＷ１１３はすべて同一の層厚Ｔ１
１０で構成されている。

【００１６】各量子井戸層ＱＷ１１０〜ＱＷ１１３に加
えられた歪み量は、量子井戸層ＱＷ１１０につきε１１
０＝０％で無歪、量子井戸層ＱＷ１１１につきε１１１
＝０．１％、量子井戸層ＱＷ１１２につきε１１２＝
０．３％、量子井戸層ＱＷ１１３につきε１１３＝０．
５％と、漸増している。

【００１７】各量子井戸層のポテンシャル障壁は、主と
して歪み量に依存する。したがって無歪の量子井戸層Ｑ
Ｗ１１０のポテンシャル障壁をΔＥｃ１１０とすると、
量子井戸層ＱＷ１１１のポテンシャル障壁ΔＥｃ１１１
はそれより大きく（井戸は深く）、以下順に量子井戸層
ＱＷ１１２〜ＱＷ１１３のポテンシャル障壁ΔＥｃ１１
２〜ΔＥｃ１１３は漸増している。

【００１８】一方、各量子井戸層内のキャリア、同図で
は電子の量子化準位は、主として電子の有効質量と層厚
に依存するが、ここで有効質量は略同一と見做せるか
ら、層厚に依存することになる。この構成では層厚は各
量子井戸層とも同一であるから、よって各量子井戸層の
量子化準位は各井戸の底を原点として同じ高さに位置す
る。

【００１９】各量子井戸層のポテンシャル障壁は前記の
ように各量子井戸層で異なるから、よって伝導帯側の電
子の量子化準位μ１１０〜μ１１３と価電子帯側（図示
されない）の正孔の量子化準位νの差（＝フェルミ準位
差ΔＥｆｅｒｍｉ）に差異が生じる。これは主に価電子
帯側の正孔の量子化準位νのプロファイルが異なること
による。このため、発光過程に寄与するエネルギーが各
量子井戸層で異なることから、発振波長分布がブロード
になってしまう。

【００２０】図１３は、量子井戸層厚を調整した従来の
構成における活性領域の伝導帯側エネルギーレベルの模
式図であり、同図に示される構成は、前記図１２の構成
に改善が試みられたものである。また同図には伝導帯側
のみが示されている。前記図１２の説明で明らかなよう
に、歪量の大小によってエネルギーバンドギャップが変
動して、発振波長にばらつきが発生する。これを解決す
べく、各量子井戸層に加えられる歪量を与件として、発
振波長を一定に維持するように各量子井戸層厚を調整す
る構成となっている。

【００２１】同図で、量子井戸層ＱＷ１２０〜ＱＷ１２
４はｎ型クラッド層Ｎ１２０とｐ型クラッド層Ｐ１２０
とに挟まれて配置されている。各量子井戸層ＱＷ１２０
〜ＱＷ１２４に加えられた歪み量は、量子井戸層ＱＷ１
２０につきε１２０＝０％で無歪、量子井戸層ＱＷ１２
１につきε１２１＝０．１％、量子井戸層ＱＷ１２２に
つきε１２２＝０．３％、量子井戸層ＱＷ１２３につき
ε１２３＝０．３％、量子井戸層ＱＷ１２４につきε１
２４＝０．５％と、漸増している。

【００２２】各量子井戸層のポテンシャル障壁は、主と
して歪み量に依存する。したがって無歪の量子井戸層Ｑ
Ｗ１２０のポテンシャル障壁をΔＥｃ１２０とすると、
量子井戸層ＱＷ１２１のポテンシャル障壁ΔＥｃ１２１
はそれより大きく（井戸は深く）、以下順に量子井戸層
ＱＷ１２２〜ＱＷ１２４のポテンシャル障壁ΔＥｃ１２
２〜ΔＥｃ１２４は横這い又は漸増している。

【００２３】ここで、各量子井戸層内の電子の量子化準
位は、前記例のように層厚に依存するから、よってこの
構成においては各量子井戸層の量子化準位が一律のμ１
２０となるように、各量子井戸層ＱＷ１２０〜ＱＷ１２
４の層厚Ｔ１２０〜Ｔ１２４がそれぞれ独立に調整され
る。このようにして、発振波長分布をシャープにするも
のである。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
ような従来技術では、一律の量子化準位となるように層
厚を調整するから、例えば図１３の量子井戸層ＱＷ１２
２〜ＱＷ１２４の層厚Ｔ１２２〜Ｔ１２４にみられるよ
うに、特定の井戸の層厚が極端に薄くなるような設計値
となる場合がある。例えば量子井戸層厚が３０オングス
トローム程度以下の非常に薄い層厚になると、形成が難
しくなり、量子井戸層厚の管理も困難になる。

【００２５】また、量子井戸層厚が薄くなると出力に関
与する活性領域内の有効エリアが減少してゲインが低下
する。そこで充分なゲインを得るために、活性領域内の
量子井戸の数（ｍｕｌｔｉ数）を図１３のように増やす
必要があるが、これはバリアー数の増加をまねき、量子
井戸層へのキャリアの注入効率が悪くなり、しきい値上
昇や効率の悪化を引き起こすという問題があった。

【００２６】さらに、最低限界層厚よりも薄い層厚にな
ると、実際に製作した場合、ダレ（なまり）が生じるこ
とが多い。この場合井戸型ポテンシャルの劣化で井戸の
底上げが主として起こり、発光波長の短波化を招くほ
か、各量子井戸層の発光波長に差が生じ、動作条件の変
動や利得の低下をまねくという問題があった。

【００２７】このように、歪み量の絶対値を大にする
と、ゲインが得やすく、偏向比が大になる利点があるも
のの、層厚限界が狭くなる欠点がある。一方、層厚を大
にすると、キャリアの捕獲が容易になり、製造が容易で
層厚揺らぎの影響が減り、ダレが少ないという利点があ
るものの、ＭＱＷでのキャリア均一注入に難があり、Ｑ
Ｗ効果（ゲイン大、偏向選択大）が減るという欠点があ
り、最適化が容易ではなかった。したがって従来技術
は、キャリア、とりわけ電子の閉じ込め効果に関わるオ
ーバーフロー特性の改善や、しきい値電流特性の改善に
ついても効果的な技術とはなりえなかった。

【００２８】本発明は、前記のような従来技術における
問題点を解決するためなされたもので、キャリアを有効
に閉じ込め、あふれ現象の発生を抑えてしきい値電流特
性を改善し、同時にキャリア注入効率の改善がなされる
とともに、安定な発光波長が得られる多重量子井戸構造
の半導体レーザ素子および製造方法を提供することを目
的とする。

【００２９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
本発明に係る多重量子井戸構造を備える半導体レーザ素
子は、活性領域および該活性領域を挟むｐ型クラッド層
およびｎ型クラッド層を有し、前記活性領域が複数の量
子井戸層からなり、前記各量子井戸層は隣接する前記ク
ラッド層又は／およびバリアー層間でポテンシャル障壁
を形成する多重量子井戸構造である半導体レーザ素子で
あって、前記各量子井戸層内のキャリアの量子化準位と
前記ポテンシャル障壁との差が所定値になるよう前記各
量子井戸層の歪量が形成、または歪量および層厚が形成
されたことを特徴とする。

【００３０】前記の構成を有する本発明にかかる多重量
子井戸構造を備える半導体レーザ素子によれば、歪量
が、または歪量および層厚の両方が調整されたことによ
り、各量子井戸層内のキャリアの量子化準位とポテンシ
ャル障壁との差を所望の値にでき、よってキャリア閉じ
込めが有効になされてオーバーフロー特性が改善され
る。

【００３１】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子について、各量子井戸層の層
厚が狭くなる場合に、予めマイナス歪量を少なくする
か、あるいはプラス歪量を多くしてバンドギャップが調
整される場合は、量子井戸層において生起される井戸型
ポテンシャルの劣化を前以て予防することが可能にな
る。

【００３２】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子について、ｐ型クラッド層あ
るいはｎ型クラッド層の少なくとも一方に隣接する量子
井戸層の層厚が他の量子井戸層の層厚よりも厚く構成さ
れる場合は、電子あるいは／およびホールのオーバーフ
ロー特性、とりわけ電子のオーバーフロー特性が改善さ
れるとともに、ヘテロ界面の数が減少してキャリア注入
効率が改善され、しきい値電流特性の改善がなされる。
さらに、活性領域内の有効出力エリアが拡大される。

【００３３】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子について、ｐ型クラッド層あ
るいはｎ型クラッド層の少なくとも一方に隣接する量子
井戸層の層厚が他の量子井戸層の層厚よりも厚く構成さ
れ、かつ各量子井戸層の層厚が狭くなる場合に、予めマ
イナス歪量を少なくするか、あるいはプラス歪量を多く
してバンドギャップが調整される場合は、従来技術で発
生していたような量子井戸層で発生する井戸型ポテンシ
ャルの劣化を回避でき、さらに電子あるいは／およびホ
ールのオーバーフロー特性が改善されるとともに、活性
領域内の有効出力エリアが拡大し、かつバリアー層の数
が抑えられることでキャリア注入効率が改善され、しき
い値電流特性の改善がなされる。

【００３４】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子について、各量子井戸層内の
キャリア密度が異なる際に、キャリア密度に応じた歪量
を各量子井戸層に形成することにより発光波長変動を抑
制する構成とされる場合は、精度のよい歪量制御によっ
て発光波長変動が効果的に抑制される。

【００３５】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子について、各量子井戸層の層
厚が狭くなる場合に、予めマイナス歪量を少なくする
か、あるいはプラス歪量を多くしてバンドギャップが調
整され、かつ各量子井戸層内のキャリア密度が異なる際
に、キャリア密度に応じた歪量を各量子井戸層に形成す
ることにより発光波長変動を抑制する構成とされる場合
は、量子井戸層において発生する井戸型ポテンシャルの
劣化を予防でき、また精度のよい歪量制御によって効果
的な発光波長変動の抑制がなされる。

【００３６】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子について、ｐ型クラッド層あ
るいはｎ型クラッド層の少なくとも一方に隣接する量子
井戸層の層厚が他の量子井戸層の層厚よりも厚く形成さ
れ、かつ各量子井戸層内のキャリア密度が異なる際に、
キャリア密度に応じた歪量を各量子井戸層に形成するこ
とにより発光波長変動を抑制する構成とされる場合は、
電子あるいは／およびホールのオーバーフロー特性、と
りわけ電子のオーバーフロー特性が改善されるととも
に、ヘテロ界面の数が減少してキャリア注入効率が改善
され、しきい値電流特性の改善がなされる。さらに、活
性領域内の有効出力エリアが拡大され、また精度のよい
歪量制御によって効果的な発光波長変動の抑制がなされ
る。

【００３７】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子について、前記各量子井戸層
の層厚が狭くなる場合に、予めマイナス歪量を少なくす
るか、あるいはプラス歪量を多くしてバンドギャップが
調整され、かつｐ型クラッド層あるいはｎ型クラッド層
の少なくとも一方に隣接する量子井戸層の層厚が他の量
子井戸層の層厚よりも厚く構成され、かつ各量子井戸層
内のキャリア密度が異なる際に、キャリア密度に応じた
歪量を各量子井戸層に形成することにより発光波長変動
を抑制する構成とされる場合は、量子井戸層における井
戸型ポテンシャルの劣化を未然に予防できる。

【００３８】また、電子あるいは／およびホールのオー
バーフロー特性、とりわけ電子のオーバーフロー特性が
改善されるとともに、活性領域内の有効出力エリアが拡
大し、かつバリアー層の数が抑えられることでキャリア
注入効率が改善され、しきい値電流特性の改善がなされ
る。また精度のよい歪量制御によって効果的な発光波長
変動の抑制がなされる。

【００３９】つぎに本発明に係る多重量子井戸構造を備
える半導体レーザ素子の製造方法は、活性領域および該
活性領域を挟むｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層を
有し、活性領域が複数の量子井戸層からなり、各量子井
戸層は隣接するクラッド層又は／およびバリアー層間で
ポテンシャル障壁を形成する多重量子井戸構造である半
導体レーザ素子の、各量子井戸層内のキャリアの量子化
準位とポテンシャル障壁との差が所定値になるよう各量
子井戸層の歪量を形成、または歪量および層厚を形成す
る製造方法とする。

【００４０】前記の構成を有する本発明にかかる多重量
子井戸構造を備える半導体レーザ素子の製造方法によれ
ば、歪量が、または歪量および層厚の両方が調整されて
形成されることにより、各量子井戸層内のキャリアの量
子化準位とポテンシャル障壁との差が所望の値になされ
た、よってオーバーフロー特性が改善された半導体レー
ザ素子の製造が可能になる。

【００４１】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子の製造方法について、各量子
井戸層の層厚が狭くなる場合に、予めマイナス歪量を少
なくするか、あるいはプラス歪量を多くしてバンドギャ
ップを調整する場合は、従来にみられたような量子井戸
層で生起される井戸型ポテンシャルの劣化の予防が可能
な半導体レーザ素子が製造される。

【００４２】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子の製造方法について、ｐ型ク
ラッド層あるいはｎ型クラッド層の少なくとも一方に隣
接する量子井戸層の層厚を他の量子井戸層の層厚よりも
厚く形成する場合は、電子あるいは／およびホールのオ
ーバーフロー特性、とりわけ電子のオーバーフロー特性
が改善されるとともに、キャリア注入効率が改善され、
しきい値電流の改善がなされた半導体レーザ素子の製造
が可能になる。

【００４３】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子の製造方法について、ｐ型ク
ラッド層あるいはｎ型クラッド層の少なくとも一方に隣
接する量子井戸層の層厚を他の量子井戸層の層厚よりも
厚く形成し、かつ前記各量子井戸層の層厚が狭くなる場
合に、予めマイナス歪量を少なくするか、あるいはプラ
ス歪量を多くしてバンドギャップを調整する場合は、量
子井戸層において生起される井戸型ポテンシャルの劣化
を予防でき、さらに電子あるいは／およびホールのオー
バーフロー特性、とりわけ電子のオーバーフロー特性が
改善されるとともに、キャリア注入効率が改善され、よ
ってしきい値電流の改善がなされた半導体レーザ素子の
製造が可能になる。

【００４４】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子の製造方法について、各量子
井戸層内のキャリア密度が異なる際に、キャリア密度に
応じた歪量を各量子井戸層に形成する場合は、精度のよ
い歪量制御によって発光波長動が効果的に抑制される半
導体レーザ素子の製造が可能になる。

【００４５】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子の製造方法について、各量子
井戸層の層厚が狭くなる場合に、予めマイナス歪量を少
なくするか、あるいはプラス歪量を多くしてバンドギャ
ップが調整され、かつ各量子井戸層内のキャリア密度が
異なる際に、キャリア密度に応じた歪量を各量子井戸層
に形成する場合は、量子井戸層にあって井戸型ポテンシ
ャルの劣化が予防され、また精度のよい歪量制御によっ
て効果的な発光波長変動の抑制がなされる半導体レーザ
素子の製造が可能になる。

【００４６】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子の製造方法について、ｐ型ク
ラッド層あるいはｎ型クラッド層の少なくとも一方に隣
接する量子井戸層の層厚が他の量子井戸層の層厚よりも
厚く形成され、かつ各量子井戸層内のキャリア密度が異
なる際に、キャリア密度に応じた歪量を各量子井戸層に
形成する構成とされる場合は、電子あるいは／およびホ
ールのオーバーフロー特性、とりわけ電子のオーバーフ
ロー特性が改善される。

【００４７】さらに、ヘテロ界面の数が減少してキャリ
ア注入効率が改善され、しきい値電流特性の改善がなさ
れ、活性領域内の有効出力エリアが拡大され、また精度
のよい歪量制御によって効果的な発光波長変動の抑制が
なされる半導体レーザ素子の製造が可能になる。

【００４８】あるいは、本発明に係る多重量子井戸構造
を備える半導体レーザ素子の製造方法について、各量子
井戸層の層厚が狭くなる場合に、予めマイナス歪量を少
なくするか、あるいはプラス歪量を多くしてバンドギャ
ップが調整され、かつｐ型クラッド層あるいはｎ型クラ
ッド層の少なくとも一方に隣接する量子井戸層の層厚が
他の量子井戸層の層厚よりも厚く形成され、かつ各量子
井戸層内のキャリア密度が異なる際に、キャリア密度に
応じた歪量を各量子井戸層に形成する構成とされる場合
は、量子井戸層において井戸型ポテンシャルの劣化が予
防され、電子あるいは／およびホールのオーバーフロー
特性、とりわけ電子のオーバーフロー特性が改善され、
活性領域内の有効出力エリアが拡大し、かつバリアー層
の数を抑えてキャリア注入効率が改善されるとともに、
しきい値電流特性の改善がなされ、精度のよい歪量制御
によって効果的な発光波長変動の抑制がなされる半導体
レーザ素子の製造が可能になる。

【００４９】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好適な実施形態
を添付図を参照して詳細に説明する。なお、以下に述べ
る実施形態は、この発明の好適な具現例の一部であり、
技術構成上好ましい種々の限定が付されているが、この
発明の範囲は、以下の説明において特にこの発明を限定
する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるもの
ではない。

【００５０】図１は、本発明に係る多重量子井戸半導体
レーザ素子の第１実施形態における活性領域の伝導帯側
エネルギーレベルの模式図である。図１に示されるよう
に、本発明に係る多重量子井戸半導体レーザ素子の活性
領域Ａｃｔは、ｐ型又はｎ型クラッド層Ｃｄ１およびｎ
型又はｐ型クラッド層Ｃｄ２に挟まれる。

【００５１】活性領域Ａｃｔは、第１量子井戸層ＱＷ１
（歪量ε１：層厚Ｔ１）、バリア層Ｂ１、第２量子井戸
層ＱＷ２（歪量ε２：層厚Ｔ２）、バリア層Ｂ２、第３
量子井戸層ＱＷ３（歪量ε３：層厚Ｔ３）、バリア層Ｂ
３、第４量子井戸層ＱＷ４（歪量ε４：層厚Ｔ４）が、
この順に、ｐ型又はｎ型クラッド層Ｃｄ１からｎ型又は
ｐ型クラッド層Ｃｄ２に至り形成されている。

【００５２】ここで、ｐ型又はｎ型クラッド層Ｃｄ１に
隣接する第１量子井戸層ＱＷ１の層厚Ｔ１を大に設定す
る。同様に、ｎ型又はｐ型クラッド層Ｃｄ２に隣接する
第４量子井戸層ＱＷ４の層厚Ｔ４を大に設定する。この
ように、クラッド層に隣接する量子井戸層の幅を広くと
ることによって、キャリア捕獲を容易にし、量子井戸層
からクラッド層へのキャリアのあふれを抑制する。

【００５３】このように量子井戸層の層厚を厚くする
と、量子化準位が価電子帯側にシフトする。そこでこの
シフト分を補償する目的で、第１量子井戸層ＱＷ１にお
いては歪量ε１を、マイナス歪では大きく、あるいはプ
ラス歪では小さくすると、ポテンシャル障壁ΔＥｃ１が
減少することにより、量子化準位は伝導帯ＣＢＤ側にシ
フトして戻り、量子化準位μ１となる。

【００５４】同様に、第４量子井戸層ＱＷ４においても
歪量ε４を、マイナス歪では大きく、あるいはプラス歪
では小さくすると、ポテンシャル障壁ΔＥｃ４が減少す
ることにより、量子化準位は伝導帯ＣＢＤ側にシフトし
て戻る。このとき歪量ε４、層厚Ｔ４を選定して、量子
化準位を前記μ１とすることもできる。図では、同じ量
子化準位μ１を構成する場合を示している。

【００５５】ここで量子化準位μ１は、予め定めた所定
値が与えられている場合は、ポテンシャル障壁ΔＥｃ１
やΔＥｃ４等との差がこの所定値になるよう、各量子井
戸層の歪量、または歪量および層厚を選定・設定する。

【００５６】つぎに、中央部の第２量子井戸層ＱＷ２と
第３量子井戸層ＱＷ３については、層厚Ｔ２、Ｔ３を狭
く、プラス歪量ε２、ε３を大（あるいはマイナス歪量
ε２、ε３を小）として高い発振効率を確保するととも
に、層厚Ｔ２と歪量ε２、層厚Ｔ３と歪量ε３を可制御
量とみなして、量子化準位の変動を最小とする値を選定
・設定する。とりわけ、量子化準位を前記μ１とするよ
うに選定することが好ましい。このように、挟まれた領
域の量子井戸層は幅狭−高ひずみとすることで、しきい
値電流Ｉｔｈの改善（低下）をはかることができる。

【００５７】また、これら層厚が狭い量子井戸層につい
ては、層厚の選定において最小限界層厚を限度値として
選定・設定作業することが好ましい。これにより、井戸
型ポテンシャルのなまりが生じるような寸法の層厚を排
除することができる。

【００５８】このように、本実施形態ではキャリアのオ
ーバーフローを両端に作った幅広の井戸で防ぐ構成であ
る。これによって、従来温度特性的に不利であった、６
５０ｎｍ帯のＡｌＧａＩｎＰ系レーザの高温動作の改善
が可能となる。また、このように層厚の量子井戸層を混
在させることで、全体のヘテロ界面の数を減らすことが
でき、キャリアの注入効率や素子の信頼性の向上も実現
される。

【００５９】図２は、本発明に係る多重量子井戸半導体
レーザ素子の第２実施形態における活性領域の伝導帯側
エネルギーレベルの模式図である。本実施形態の活性領
域Ａｃｔ２の構成は、前記第１実施形態の第１量子井戸
層ＱＷ１（歪量ε１：層厚Ｔ１）を、第１’量子井戸層
ＱＷ１’（歪量ε１’）に変更したものであり、歪量ε
１’を前記歪量ε１よりも若干変え、井戸を浅くしたも
のである。前記第１実施形態はプロファイルが対称形で
あったが、本実施形態は非対称のプロファイルとなって
いる。図では特に、全量子井戸層に共通の量子化準位μ
１の他に、量子化準位μ１’が形成されるものを示して
いるが、実施形態はこれに限られない。作用効果は前記
第１実施形態に準ずる。

【００６０】図３は、本発明に係る多重量子井戸半導体
レーザ素子の第３実施形態における活性領域の伝導帯側
エネルギーレベルの模式図である。図３に非対称な歪み
変調ＱＷ構造の１例を示す。これは、前記第１実施形態
におけるような、ｐおよびｎ型両クラッド層にそれぞれ
層厚の量子井戸を設ける構成ではなく、特にｐ型クラッ
ド層Ｃｄ１１側だけに層厚の量子井戸層を設け、オーバ
ーフローしやすい電子の溜めを意図したものである。一
般にホールは、有効質量も重いため、キャリアオーバー
フローは電子に比べ少ないと言われている。そこで、電
子にのみ大きく効果がある、非対称構造としたものであ
る。

【００６１】第３実施形態に係る多重量子井戸半導体レ
ーザ素子の活性領域Ａｃｔ３は、ｐ型クラッド層Ｃｄ１
１およびｎ型クラッド層Ｃｄ１２に挟まれる。活性領域
Ａｃｔ３は、第１量子井戸層ＱＷ１１（歪量ε１１：層
厚Ｔ１１）、バリア層Ｂ１１、第２量子井戸層ＱＷ１２
（歪量ε１２：層厚Ｔ１２）、バリア層Ｂ１２、第３量
子井戸層ＱＷ１３（歪量ε１３：層厚Ｔ１３）、バリア
層Ｂ１３、第４量子井戸層ＱＷ１４（歪量ε１４：層厚
Ｔ１４）が、この順に、ｐ型クラッド層Ｃｄ１１からｎ
型クラッド層Ｃｄ１２に至り形成されている。

【００６２】ここで、ｐ型クラッド層Ｃｄ１１に隣接す
る第１量子井戸層ＱＷ１１の層厚Ｔ１１を大に設定す
る。また、図示されるような、つぎに隣接する第２量子
井戸層ＱＷ１２も同様に、層厚Ｔ１２を大に設定する構
成も可能である。一方、ｎ型クラッド層Ｃｄ１２に隣接
する第４量子井戸層ＱＷ１４の層厚Ｔ４は小とする。こ
のように、ｐ型クラッド層に隣接する量子井戸層の幅を
広くとることによって、電子の捕獲を容易にし、量子井
戸層からクラッド層への電子のあふれを抑制する。

【００６３】前記のように、本実施形態では電子のオー
バーフローをｐ型クラッド層側に作った層厚の井戸で防
ぐ構成である。また、層厚の量子井戸層を混在させるこ
とで、全体のヘテロ界面の数を減らすことができ、キャ
リアの注入効率や素子の信頼性の向上も実現される。

【００６４】図４は、本発明に係る多重量子井戸半導体
レーザ素子の第４実施形態における活性領域の伝導帯側
エネルギーレベルの模式図である。本実施形態の活性領
域Ａｃｔ４の構成は、前記第３実施形態の第２量子井戸
層ＱＷ１２（歪量ε１２：層厚Ｔ１２）を、第２’量子
井戸層ＱＷ１２’（歪量ε１２’）に変更したものであ
り、歪量ε１２’を前記歪量ε１２よりも若干変え、井
戸を浅くしたものである。図では特に、全量子井戸層に
共通の量子化準位μ１１の他に、量子化準位μ１２’が
形成されるものを示しているが、実施形態はこれに限ら
れない。作用効果は前記第３実施形態に準ずる。

【００６５】図５は、本発明に係る多重量子井戸半導体
レーザ素子の第５実施形態における活性領域の伝導帯側
エネルギーレベルの模式図である。本実施形態は、ホー
ルのキャリア注入に発生しがちである不均一を、歪み変
調によって補正する構成としている。

【００６６】第５実施形態に係る多重量子井戸半導体レ
ーザ素子の活性領域Ａｃｔ５は、ｐ型クラッド層Ｃｄ２
１およびｎ型クラッド層Ｃｄ２２に挟まれる。活性領域
Ａｃｔ５は、第１量子井戸層ＱＷ２１（歪量ε２１：層
厚Ｔ２１）、バリア層Ｂ２１、第２量子井戸層ＱＷ２２
（歪量ε２２：層厚Ｔ２１）、バリア層Ｂ２２、第３量
子井戸層ＱＷ２３（歪量ε２３：層厚Ｔ２１）、バリア
層Ｂ２３、第４量子井戸層ＱＷ２４（歪量ε２４：層厚
Ｔ２１）が、この順に、ｐ型クラッド層Ｃｄ２１からｎ
型クラッド層Ｃｄ２２に至り形成されている。このよう
に、全ての量子井戸層の層厚は同じＴ２１である。

【００６７】歪量ε２１が最大のプラス値で、歪量ε２
４に向かい漸減する構成となっている。ここで、例えば
第１量子井戸層ＱＷ２１に右側からホールが注入される
ことを考えると、最初の最も右の第１量子井戸層ＱＷ２
１には充分にホールが注入される。しかし量子井戸層を
トンネルして移動するホール量は、エネルギー減衰にと
もない次第に減少する。

【００６８】このため、擬フェルミレベルは左の量子井
戸層ほどエネルギーバンド的に小さくなり、よって各量
子井戸層からの発光波長が第１量子井戸層ＱＷ２１から
第４量子井戸層ＱＷ２４に進むにしたがい、長波長化す
る。これはゲイン的に不利であり、各量子井戸層からの
発光波長は一定にするのが望ましい。

【００６９】この補正は、ｗｅｌｌ幅の変調、すなわち
量子井戸層厚の調整による制御でも原理的には可能であ
るが、後述するように実際には制御が容易ではない。そ
こで本実施形態では、制御の容易な歪み変調によって実
現する。

【００７０】すなわち、各量子井戸層内のキャリア密度
が異なる際に、このキャリア密度に応じた歪量を各量子
井戸層に形成することにより、発光波長変動を抑制す
る。この構成は、発光波長を一定にするために、キャリ
ア密度に応じて歪み量を変化させる。この結果、製作等
が容易な構造を混在させることで、目的の発光波長を出
力させることが可能になる。

【００７１】図６は、本発明に係る多重量子井戸半導体
レーザ素子の第６実施形態における活性領域の伝導帯側
エネルギーレベルの模式図である。本実施形態の活性領
域Ａｃｔ６の構成は、前記第５実施形態の第１量子井戸
層ＱＷ２１（歪量ε２１：層厚Ｔ２１）と第２量子井戸
層ＱＷ２２（歪量ε２２：層厚Ｔ２１）を、交換して新
たな符号：第１’量子井戸層ＱＷ２１’（歪量ε２
１’：層厚Ｔ２１）と第２’量子井戸層ＱＷ２２’（歪
量ε２２’：層厚Ｔ２１）に変更したものである。した
がってｐ型クラッド層Ｃｄ２１から２番目の第２’量子
井戸層ＱＷ２２’に、最大のポテンシャル障壁が位置す
ることになる。作用効果は前記第５実施形態に準ずる。

【００７２】図７は、本発明に係る多重量子井戸半導体
レーザ素子の第７実施形態における活性領域の伝導帯側
エネルギーレベルの模式図である。本実施形態では、各
量子井戸層の層厚が狭くなる場合に、井戸型ポテンシャ
ルの劣化が発生しないように、予め歪量を少なくしてバ
ンドギャップを調整するものである。これにより、生起
される井戸型ポテンシャルの劣化を回避することができ
る。

【００７３】図７で、第７実施形態に係る多重量子井戸
半導体レーザ素子の活性領域Ａｃｔ７は、ｐまたはｎ型
クラッド層Ｃｄ３１および、ｎまたはｐ型クラッド層Ｃ
ｄ３２に挟まれる。

【００７４】活性領域Ａｃｔ７は、第１量子井戸層ＱＷ
３１（歪量ε３１：層厚Ｔ３１）、バリア層Ｂ３１、第
２量子井戸層ＱＷ３２（歪量ε３２：層厚Ｔ３２）、バ
リア層Ｂ３２、第３量子井戸層ＱＷ３３（歪量ε３３：
層厚Ｔ３３）、バリア層Ｂ３３、第４量子井戸層ＱＷ３
４（歪量ε３４：層厚Ｔ３４）が、この順に、ｐ型クラ
ッド層Ｃｄ３１からｎ型クラッド層Ｃｄ３２に至り形成
されている。

【００７５】ここで、各量子井戸層のうち、層厚が狭
く、かつ周囲のクラッド層やバリア層の状態において’
ダレ’（なまり）が生じやすいを量子井戸層を予測し
て、前以て歪量を調整し、前以てバンドギャップを調整
しておく。図７においてはとりわけ、両クラッド層に隣
接する第１量子井戸層ＱＷ３１と、第４量子井戸層ＱＷ
３４との歪量ε３１、ε３４を変化させ、前以てポテン
シャル障壁ΔＥｃ３１、ΔＥｃ３４’を調整することに
より、バンドギャップを調整しておく。これにより、好
ましくない井戸型ポテンシャルの劣化（所謂’ダレ’）
の発生を未然に防止することができる。

【００７６】なお図７においては、活性領域Ａｃｔ７の
端部に位置する量子井戸層がダレやすく、そのバンドギ
ャップを狭くしやすい場合の補正を示している。すなわ
ち、端部に位置する量子井戸層の歪量を変更し、予めバ
ンドギャップを調整しておくものである。製作条件によ
っては、中央に位置する量子井戸層がダレやすい場合も
あり、この場合は図７とは逆に、中央領域の量子井戸層
の歪みを変更設定すればよい。

【００７７】図８は、本発明に係る多重量子井戸半導体
レーザ素子の第８実施形態における活性領域の伝導帯側
エネルギーレベルの模式図である。本実施形態の活性領
域Ａｃｔ８の構成は、前記第７実施形態の第４量子井戸
層ＱＷ３４を第４量子井戸層ＱＷ３４’に変更し、第１
量子井戸層ＱＷ３１に隣接してｐ型クラッド層Ｃｄ３
１’、第４量子井戸層ＱＷ３４’に隣接してｎ型クラッ
ド層Ｃｄ３２’を配したものである。したがってｐ型ク
ラッド層Ｃｄ３１’に隣接する量子井戸層のポテンシャ
ル障壁は、全量子井戸層のポテンシャル障壁のうちで最
大のものではない。作用効果は前記第７実施形態に準ず
る。

【００７８】前記から明らかなように、量子井戸層厚の
制御は難しく、層厚揺らぎを伴いやすい。一方、歪み制
御は、量子井戸層厚の制御に比べ、その精度が高い。例
えばΔλ／Δ量子井戸層厚は、凡そ１．５ｎｍ／１オン
グストロームの精度にとどまるが、これに対して、Δλ
／Δ歪み量は、例えばＡｌＧａＩｎＰ系の場合、凡そ
０．１５ｎｍ／０．００１％の精度の精密制御が可能で
ある。このように本発明は歪み変調ＭＱＷを導入するこ
とで、微妙なエネルギーバンド制御においてとりわけ有
効である。

【００７９】図９は、本発明に係る歪み量及び層厚変調
型の多重量子井戸半導体レーザ素子の一実施形態の概略
断面図である。図示される多重量子井戸半導体レーザ素
子はＡｌＧａＩｎＰ系混晶の積層構造を有し、この積層
構造は図１０に示される製造方法の一実施形態のシーケ
ンスチャートのような工程で製造される。

【００８０】図９において、本発明によるＡｌＧａＩｎ
Ｐ系混晶の多重量子井戸半導体レーザＬｓｃは、ＧａＡ
ｓ基板１の上に、ＧａＡｓバッファ層２、ＡｌＧａＩｎ
Ｐクラッド層３、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰのＭＱＷ
（多重量子井戸）構造からなるＭＱＷ活性領域４、Ａｌ
ＧａＩｎＰクラッド層５、ＧａＩｎＰ層６、ＧａＡｓキ
ャップ層７が、順次積層された構造を有する。

【００８１】さらにＡｌＧａＩｎＰクラッド層５、Ｇａ
ＩｎＰ層６、ＧａＡｓキャップ層７が、例えばフォトリ
ソグラフィを用いた選択的エッチング処理されたメサ構
造を形成しており、さらにメサ部分の両側にＧａＡｓ電
流ブロック層８が積層されている。ドーパントはｎ型が
ＳｅやＳｉ、ｐ型がＺｎである。

【００８２】ＭＱＷ（多重量子井戸）構造からなるＭＱ
Ｗ活性領域４は、第１量子井戸層ＱＷ１（歪量ε１：層
厚Ｔ１）、バリア層Ｂ１、第２量子井戸層ＱＷ２（歪量
ε２：層厚Ｔ２）、バリア層Ｂ２、第３量子井戸層ＱＷ
３（歪量ε３：層厚Ｔ３）、バリア層Ｂ３、第４量子井
戸層ＱＷ４（歪量ε４：層厚Ｔ４）から構成されてい
る。

【００８３】ＭＱＷ活性領域４は、微分利得の増大、発
振波長の短波化などの目的で使われ、電子のドブロイ波
長程度以下の層厚を持ち、両側をエネルギー障壁により
キャリアが閉じ込められているような超薄構造の、禁制
帯幅の狭い物質による第１〜第４量子井戸層ＱＷ１〜Ｑ
Ｗ４と、禁制帯幅の広い物質の障壁層Ｂ１〜Ｂ３からな
るヘテロ接合などにより実現されている。

【００８４】第１〜第４量子井戸層ＱＷ１〜ＱＷ４内で
は、薄層に垂直な方向の電子の運動は量子化されている
ため、それに伴う電子のエネルギーは離散的な値（エネ
ルギー固有値）をとるとともに、電子の自由な運動は、
量子井戸層の層厚方向への自由度が束縛されて層に平行
な方向のみに限られた２次元的なものになる（２次元電
子）。この結果、量子井戸層中に溜められた電子は２次
元電子ガスを形成する。こうした閉じ込めを反映して、
キャリアのエネルギー固有値はバルクと顕著に異なるエ
ネルギーを持つ。

【００８５】したがって、従来の厚い活性層（厚さ０．
１μｍ程度、電子やホールは３次元的）をもつＤＨレー
ザに比べると少ない注入電流量でレーザ発振する。すな
わち、レーザ発振のためのしきい値電流密度（しきい値
電流Ｉｔｈを活性領域の有効電流断面積で割った量）が
小さくなる。これは状態密度の相違による。

【００８６】従来の厚い活性層をもつＤＨレーザ素子で
は電子の波動関数が３次元系であり、したがってコンダ
クション・バンドに存する電子の状態密度はＥの１／２
乗（Ｅは電子のエネルギー）に比例して変わるが、多重
量子井戸半導体レーザ素子では前記のように電子の波動
関数が２次元系であるから、コンダクション・バンドに
存する電子の状態密度はＥについてステップ関数状にな
る。すなわち、幅がナノメートル級の量子井戸構造中で
は、バルク結晶中での放物線形状の状態密度と大きく異
なって、伝導帯、価電子帯の状態密度が階段状になる。

【００８７】この結果、ホールとの再結合に関与する、
最もエネルギー準位の低い電子の状態密度が、２次元系
では３次元系よりも大きくなり、よってレーザ発振のた
めのしきい値電流密度が低下し、さらに電流利得が改善
されることになる。

【００８８】各量子井戸層内のキャリアの量子準位につ
きのべると、例えば第１量子井戸層ＱＷ１に着目する
と、有限の障壁高さのヘテロ接合を用いた量子井戸を形
成していて、その中の電子状態は、前記のように障壁の
方向をｚ方向とすると、ｚ方向に閉じ込められ、ｘ、ｙ
方向には自由な２次元電子となる。電子のエネルギー固
有値Ｅ（井戸の底を原点に取る）は、障壁高さＶｂより
十分低いとき、ｚ方向の運動が障壁の存在で量子化され
ることを反映して、〔数１〕で表示される。

【００８９】

【数１】

【００９０】ここに、ｋｘ、ｋｙはｘ、ｙ方向の波数、
Ｌｚは井戸の幅、ｍ’は有効質量、ｎは自然数である。
ＧａＡｓの伝導帯の量子井戸では、有効質量が０．０６
８ｍｅ（ｍｅは自由電子の質量）であるので、ｋｘ＝ｋ
ｙ＝０のときＬｚ＝１０ｎｍでＥ＝５５ｍｅＶとなる。

【００９１】多重量子井戸構造では量子井戸の数だけ離
散的なエネルギー準位が複数個に分裂し、障壁（バリア
ー層）の厚さが薄い場合には電子は層に垂直ｚ方向にも
トンネル効果で伝搬する。ｚ方向の波動関数は、量子井
戸の中心を原点にとって、〔数２〕で表示される。

【００９２】

【数２】

【００９３】以上に示されるように、量子井戸内に形成
される量子化準位の高次項は、キャリアの有効質量に反
比例し、かつ量子井戸層の厚さ（幅）の２乗に反比例す
る。したがって、伝導帯中の電子の量子化準位は、量子
井戸層厚を変えることによって制御可能になる。一方、
価電子帯においても有効質量の異なる重い正孔（ＨＨ）
と軽い正孔（ＬＨ）との量子化エネルギー準位に差が生
じ、バルク結晶中では縮退していた２種の正孔が異なっ
たエネルギーをもつようになる。

【００９４】多重量子井戸ＭＱＷは、このように量子井
戸ＱＷが複数個、周期的に積層し、かつ隣接する量子井
戸間のエネルギー障壁が大きい構造であるから、とりわ
け、バリアーであるエネルギー障壁層が極めて薄く、量
子井戸間の量子力学的結合が強い構造では超格子とな
る。

【００９５】また、第１〜第４量子井戸層ＱＷ１〜ＱＷ
４は歪量ε１〜ε４の歪み構造となっている。このよう
な量子井戸層の歪構造では、井戸を形成する材料の格子
定数を、基板結晶やクラッド層の格子定数と異なった値
に設定することで、井戸の結晶格子を歪ませる。この
際、転位などによる格子緩和が生じない条件とする。一
般的に混晶の格子定数は成分比に比例して変化し、物理
的性質は成分比に対して連続的に変化する。

【００９６】圧縮応力が働いた場合には、バンドギャッ
プが広がるとともに、価電子帯の頂上にＨＨ（重い正
孔）バンドが位置する。圧縮応力下では基板面内方向で
のＨＨの有効質量が小さくなり、しきい値が低減され
る。さらに、バンド構造の変化により正孔がγ点付近に
集中するのでオージェ再結合と価電子帯間吸収が大幅に
減少する結果、低しきい値・高効率動作、温度特性の向
上、微分利得の増大、線幅の狭小化、高速変調動作など
が可能になる。

【００９７】引っ張り応力が働いた場合には、バンドギ
ャップが狭くなり、価電子帯の頂上には応力の大きさと
井戸幅に応じて重い正孔（ＨＨ）と軽い正孔（ＬＨ）の
どちらかのバンドが位置するようになる。これら価電子
帯頂上に位置するバンドの制御によってＴＥ／ＴＭモー
ド制御が可能になる。この結果、歪量子井戸の出力は無
歪量子井戸の１２５％、バルク活性層ＬＤに比べて１５
０％と向上する。

【００９８】なお、マイナス歪みによって発振波長を一
定にする場合は、歪みを大きくし層厚を拡げる。臨界層
厚に注意し、あるいはバリアー層に歪み補償を入れる等
の工夫も効果的である。プラス歪みによって発振波長を
一定にする場合は、ゲインを得やすくするため歪みを増
やすが、同時に層厚を狭くする必要があり、かつ量子井
戸層の数も増やす必要がある。

【００９９】本発明に係る、このＡｌＧａＩｎＰ系半導
体レーザ素子Ｌｓｃの製造には、図１０に示される、本
発明に係る多重量子井戸構造を備える半導体レーザ素子
の製造方法が適用される。図１０は、それぞれの積層半
導体層を成長させる時に反応領域に搬送する材料の組み
合わせを示すシーケンスチャートで、横軸は時間を示し
ている。また各半導体層は図９に示された各半導体層に
対応しており、よって以下の説明では図９を適宜参照し
ている。

【０１００】成長反応が開始されると、ＧａＡｓ基板上
にＧａＡｓバッファ層２がエピタキシャル成長される。
ここで基板１上にはＴＭＧ（トリメチル・ガリウム）、
ＡｓＨ₃（三水素化砒素：アルシン）およびＨ₂Ｓｅ
（セレン化水素）が、気相状態で供給される。これによ
り、ＧａＡｓバッファ層２はｎ型となる。

【０１０１】所定の層厚のＧａＡｓバッファ層２が形成
されると、ついでこのＧａＡｓバッファ層２上に、Ａｌ
ＧａＩｎＰクラッド層３が積層成長される。ここでＴＭ
Ｇ（トリメチル・ガリウム）、ＴＭＡ（トリメチル・ア
ルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチル・インジウム）、Ｐ
Ｈ₃（ホスフィン）およびＨ₂Ｓｅ（セレン化水素）
が、気相状態で供給される。これにより、ＡｌＧａＩｎ
Ｐクラッド層３はｎ型となる。

【０１０２】前記のようにして所定の層厚のＡｌＧａＩ
ｎＰクラッド層３が形成されると、ついでこのＡｌＧａ
ＩｎＰクラッド層３上に、ＭＱＷ（多重量子井戸）構造
からなるＭＱＷ活性領域４が、積層成長される。ＭＱＷ
活性領域４は、第１量子井戸層ＱＷ１、バリア層Ｂ１、
第２量子井戸層ＱＷ２、バリア層Ｂ２、第３量子井戸層
ＱＷ３、バリア層Ｂ３、第４量子井戸層ＱＷ４が、この
順に積層される。

【０１０３】この間、第１量子井戸層ＱＷ１の形成期間
では、例えば第１量子井戸層ＱＷ１がＧａ（０．４３）Ｉｎ（０．５７）Ｐ ε１＝＋０．６５％であると、減量されたＴＭＧ（トリメチル・ガリウ
ム）、増量されたＴＭＩ（トリメチル・インジウム）、
ＰＨ₃（ホスフィン）が、気相状態で供給される。第２
〜４量子井戸層ＱＷ２〜ＱＷ４についても、指定された
組成に対応した原料ガスが、指定された組成比に対応し
た濃度あるいは／および流量で供給される。

【０１０４】バリア層Ｂ１〜Ｂ３の形成期間では、ＴＭ
Ｇ（トリメチル・ガリウム）、ＴＭＡ（トリメチル・ア
ルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチル・インジウム）、Ｐ
Ｈ₃（ホスフィン）が、気相状態で供給される。

【０１０５】所定の層厚のＭＱＷ活性領域４が形成され
ると、ついでＡｌＧａＩｎＰクラッド層５が積層成長さ
れる。ここでＴＭＧ（トリメチル・ガリウム）、ＴＭＡ
（トリメチル・アルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチル・
インジウム）、ＤＭＺ（ジメチル亜鉛）、ＰＨ₃（ホス
フィン）が、気相状態で供給される。これにより、Ａｌ
ＧａＩｎＰクラッド層５はｐ型となる。

【０１０６】所定の層厚のＡｌＧａＩｎＰクラッド層５
が形成されると、ついでこのＡｌＧａＩｎＰクラッド層
５上に、ＧａＩｎＰ層６が積層成長される。ここでＴＭ
Ｇ（トリメチル・ガリウム）、ＴＭＩ（トリメチル・イ
ンジウム）、ＤＭＺ（ジメチル亜鉛）、ＰＨ₃（ホスフ
ィン）が、気相状態で供給される。

【０１０７】このようにして、ＧａＩｎＰ層６が所定の
層厚に形成されると、ついでこのＧａＩｎＰ層６上に、
ＧａＡｓキャップ層７が積層成長される。ここでは、Ｔ
ＭＧ（トリメチル・ガリウム）とＡｓＨ₃（アルシン）
とＤＭＺ（ジメチル亜鉛）のみが、気相状態で時間ｔ６
まで供給される。こののち、エッチング工程でＧａＡｓ
電流ブロック層８が形成され、メサ型構造となる。

【０１０８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明は主として
量子井戸層の歪み量を可制御量として、あるいは歪み量
と層厚（ｗｅｌｌ幅）とを可制御量として最適化された
素子構造を実現するものであり、量子井戸層内のキャリ
アの量子化準位とポテンシャル障壁との差を所定値にす
ることによって電子あるいは／およびホールのオーバー
フロー特性、とりわけ電子のオーバーフロー特性を改善
するとともに、キャリア注入効率の改善と、しきい値電
流Ｉｔｈの改善を可能にし、かつ発振波長の安定化を実
現することができる。

【０１０９】さらに、量子井戸層の層厚を最低限界厚さ
以上にすることにより、最低限界厚さ以下の構成で生起
される井戸型ポテンシャルの劣化を回避することが可能
になるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る多重量子井戸半導体レーザ素子の
第１実施形態における活性領域の伝導帯側エネルギーレ
ベルの模式図である。

【図２】本発明に係る多重量子井戸半導体レーザ素子の
第２実施形態における活性領域の伝導帯側エネルギーレ
ベルの模式図である。

【図３】本発明に係る多重量子井戸半導体レーザ素子の
第３実施形態における活性領域の伝導帯側エネルギーレ
ベルの模式図である。

【図４】本発明に係る多重量子井戸半導体レーザ素子の
第４実施形態における活性領域の伝導帯側エネルギーレ
ベルの模式図である。

【図５】本発明に係る多重量子井戸半導体レーザ素子の
第５実施形態における活性領域の伝導帯側エネルギーレ
ベルの模式図である。

【図６】本発明に係る多重量子井戸半導体レーザ素子の
第６実施形態における活性領域の伝導帯側エネルギーレ
ベルの模式図である。

【図７】本発明に係る多重量子井戸半導体レーザ素子の
第７実施形態における活性領域の伝導帯側エネルギーレ
ベルの模式図である。

【図８】本発明に係る多重量子井戸半導体レーザ素子の
第８実施形態における活性領域の伝導帯側エネルギーレ
ベルの模式図である。

【図９】本発明に係る歪み量及び層厚変調型の多重量子
井戸半導体レーザ素子の一実施形態の概略断面図であ
る。

【図１０】本発明に係る歪み量及び層厚変調型の多重量
子井戸半導体レーザ素子の製造方法の一実施形態のシー
ケンスチャートである。

【図１１】従来の歪み量一定のＭＱＷ構造におけるエネ
ルギーバンドギャップの模式図である。

【図１２】量子井戸層厚一定で歪量を漸増させた構成に
おける活性領域の伝導帯側エネルギーレベルの模式図で
ある。

【図１３】量子井戸層厚を調整した従来の構成における
活性領域の伝導帯側エネルギーレベルの模式図である。

【図１４】伝導帯における電子ポテンシャル障壁の歪量
依存を示す線図である。

【図１５】二重量子井戸半導体レーザにおける発振しき
い値電流の歪量依存を示す線図である。

【符号の説明】

ＱＷ１……第１量子井戸層、ＱＷ２……第２量子井戸
層、ＱＷ３……第３量子井戸層、ＱＷ４……第４量子井
戸層、Ｔ１……第１量子井戸層の層厚、Ｔ２……第２量
子井戸層の層厚、Ｔ３……第３量子井戸層の層厚、Ｔ４
……第４量子井戸層の層厚、ε１……第１量子井戸層の
歪量、ε２……第２量子井戸層の歪量、ε３……第３量
子井戸層の歪量、ε４……第４量子井戸層の歪量、ΔＥ
ｃ１……第１量子井戸層の伝導帯のポテンシャル障壁、
ΔＥｃ２……第２量子井戸層の伝導帯のポテンシャル障
壁、ΔＥｃ３……第３量子井戸層の伝導帯のポテンシャ
ル障壁、ΔＥｃ４……第４量子井戸層の伝導帯のポテン
シャル障壁、μ１……電子の量子化準位、ＣＢＤ……伝
導帯、Ｃｄ１……ｐ型またはｎ型クラッド層、Ｃｄ２…
…ｎ型またはｐ型クラッド層、Ｂ１……第１バリアー
層、Ｂ２……第２バリアー層、Ｂ３……第３バリアー層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】活性領域および該活性領域を挟むｐ型ク
ラッド層およびｎ型クラッド層を有し、前記活性領域が
複数の量子井戸層からなり、前記各量子井戸層は隣接す
る前記クラッド層又は／およびバリアー層間でポテンシ
ャル障壁を形成する多重量子井戸構造である半導体レー
ザ素子であって、前記各量子井戸層内のキャリアの量子化準位と前記ポテ
ンシャル障壁との差が所定値になるよう前記各量子井戸
層の歪量が形成、または歪量および層厚が形成されたこ
とを特徴とする多重量子井戸構造を備える半導体レーザ
素子。
【請求項２】前記各量子井戸層の層厚が狭くなる場合
に、予めマイナス歪量を少なくするか、あるいはプラス
歪量を多くしてバンドギャップが調整されたことを特徴
とする請求項１記載の多重量子井戸構造を備える半導体
レーザ素子。
【請求項３】前記ｐ型クラッド層あるいはｎ型クラッ
ド層の少なくとも一方に隣接する量子井戸層の層厚が他
の量子井戸層の層厚よりも厚く構成されたことを特徴と
する請求項１記載の多重量子井戸構造を備える半導体レ
ーザ素子。
【請求項４】前記ｐ型クラッド層あるいはｎ型クラッ
ド層の少なくとも一方に隣接する量子井戸層の層厚が他
の量子井戸層の層厚よりも厚く構成され、かつ前記各量
子井戸層の層厚が狭くなる場合に、予めマイナス歪量を
少なくするか、あるいはプラス歪量を多くしてバンドギ
ャップが調整されたことを特徴とする請求項１記載の多
重量子井戸構造を備える半導体レーザ素子。
【請求項５】前記各量子井戸層内のキャリア密度が異
なる際に、前記キャリア密度に応じた歪量を前記各量子
井戸層に形成することにより発光波長変動を抑制する構
成としたことを特徴とする請求項１記載の多重量子井戸
構造を備える半導体レーザ素子。
【請求項６】前記各量子井戸層の層厚が狭くなる場合
に、予めマイナス歪量を少なくするか、あるいはプラス
歪量を多くしてバンドギャップが調整され、かつ前記各
量子井戸層内のキャリア密度が異なる際に、前記キャリ
ア密度に応じた歪量を前記各量子井戸層に形成すること
により発光波長変動を抑制する構成としたことを特徴と
する請求項１記載の多重量子井戸構造を備える半導体レ
ーザ素子。
【請求項７】前記ｐ型クラッド層あるいはｎ型クラッ
ド層の少なくとも一方に隣接する量子井戸層の層厚が他
の量子井戸層の層厚よりも厚く形成され、かつ前記各量
子井戸層内のキャリア密度が異なる際に、前記キャリア
密度に応じた歪量を前記各量子井戸層に形成することに
より発光波長変動を抑制する構成としたことを特徴とす
る請求項１記載の多重量子井戸構造を備える半導体レー
ザ素子。
【請求項８】前記各量子井戸層の層厚が狭くなる場合
に、予めマイナス歪量を少なくするか、あるいはプラス
歪量を多くしてバンドギャップが調整され、かつ前記ｐ
型クラッド層あるいはｎ型クラッド層の少なくとも一方
に隣接する量子井戸層の層厚が他の量子井戸層の層厚よ
りも厚く構成され、かつ前記各量子井戸層内のキャリア
密度が異なる際に、前記キャリア密度に応じた歪量を前
記各量子井戸層に形成することにより発光波長変動を抑
制する構成としたことを特徴とする請求項１記載の多重
量子井戸構造を備える半導体レーザ素子。
【請求項９】活性領域および該活性領域を挟むｐ型ク
ラッド層およびｎ型クラッド層を有し、前記活性領域が
複数の量子井戸層からなり、前記各量子井戸層は隣接す
る前記クラッド層又は／およびバリアー層間でポテンシ
ャル障壁を形成する多重量子井戸構造である半導体レー
ザ素子の製造方法であって、前記各量子井戸層内のキャリアの量子化準位と前記ポテ
ンシャル障壁との差が所定値になるよう前記各量子井戸
層の歪量を形成、または歪量および層厚を形成すること
を特徴とする多重量子井戸構造を備える半導体レーザ素
子の製造方法。
【請求項１０】前記各量子井戸層の層厚が狭くなる場
合に、予めマイナス歪量を少なくするか、あるいはプラ
ス歪量を多くしてバンドギャップを調整することを特徴
とする請求項９記載の多重量子井戸構造を備える半導体
レーザ素子の製造方法。
【請求項１１】前記ｐ型クラッド層あるいはｎ型クラ
ッド層の少なくとも一方に隣接する量子井戸層の層厚を
他の量子井戸層の層厚よりも厚く形成することを特徴と
する請求項９記載の多重量子井戸構造を備える半導体レ
ーザ素子の製造方法。
【請求項１２】前記ｐ型クラッド層あるいは／および
ｎ型クラッド層に隣接する量子井戸層の層厚を他の量子
井戸層の層厚よりも厚く形成し、かつ前記各量子井戸層
の層厚が狭くなる場合に、予めマイナス歪量を少なくす
るか、あるいはプラス歪量を多くしてバンドギャップを
調整することを特徴とする請求項９記載の多重量子井戸
構造を備える半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１３】前記各量子井戸層内のキャリア密度が
異なる際に、前記キャリア密度に応じた歪量を前記各量
子井戸層に形成することを特徴とする請求項９記載の多
重量子井戸構造を備える半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１４】前記各量子井戸層の層厚が狭くなる場
合に、予めマイナス歪量を少なくするか、あるいはプラ
ス歪量を多くしてバンドギャップを調整し、かつ前記各
量子井戸層内のキャリア密度が異なる際に、前記キャリ
ア密度に応じた歪量を前記各量子井戸層に形成すること
を特徴とする請求項９記載の多重量子井戸構造を備える
半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１５】前記ｐ型クラッド層あるいはｎ型クラ
ッド層の少なくとも一方に隣接する量子井戸層の層厚を
他の量子井戸層の層厚よりも厚く形成し、かつ前記各量
子井戸層内のキャリア密度が異なる際に、前記キャリア
密度に応じた歪量を前記各量子井戸層に形成することを
特徴とする請求項９記載の多重量子井戸構造を備える半
導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１６】前記各量子井戸層の層厚が狭くなる場
合に、予めマイナス歪量を少なくするか、あるいはプラ
ス歪量を多くしてバンドギャップを調整し、かつ前記ｐ
型クラッド層あるいはｎ型クラッド層の少なくとも一方
に隣接する量子井戸層の層厚を他の量子井戸層の層厚よ
りも厚く形成し、かつ前記各量子井戸層内のキャリア密
度が異なる際に、前記キャリア密度に応じた歪量を前記
各量子井戸層に形成することを特徴とする請求項９記載
の多重量子井戸構造を備える半導体レーザ素子の製造方
法。