JP2002368342A - Multiplex quantum well semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信および光計
測などの分野において光源となる半導体レーザー(以
降、LD ( Laser Diode )と呼ぶ )、スーパールミネッセ
ントダイオード (以降、SLD ( Super Luminescent Dode
)と呼ぶ )および発光ダイオード (以降、LED ( Light
Emitting Diode )と呼ぶ )、また、光信号を増幅する半
導体直接光増幅器 (以降、SOA ( Semiconductor Optica
l Amplifier ) と呼ぶ )などのように電子とホールが再
結合する活性層に多重量子井戸 (以降、MQW ( Multiple
Quantum Well ) と呼ぶ )を有する半導体素子に関する
ものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor laser (hereinafter, referred to as an LD (Laser Diode)) as a light source in fields such as optical communication and optical measurement, and a super luminescent diode (hereinafter, SLD).
)) And light-emitting diodes (hereinafter referred to as LED
Emitting Diode)), and a semiconductor direct optical amplifier (hereinafter SOA (Semiconductor Optica
An active layer where electrons and holes recombine, such as an MQW (Multiple Quantum Well)
Quantum Well)).
【0002】[0002]
【従来の技術】MQW 構造は、バンドギャップの狭い半導
体からなる量子井戸層と、この量子井戸層よりバンドギ
ャップの広い半導体からなる障壁層が交互に積層されて
なっており、特に量子井戸層の厚さは半導体内電子のド
・ブロイ波長程度とし、一方、障壁層は電子のトンネル
確率が無視できる厚さとするものである。例えば、MQW-
LDの構造について簡単に述べると、MQW 構造は、その積
層方向軸に沿って対向する側面から分離閉じ込め層など
を介して、それぞれ、 p型およびn型導伝性を有する半
導体からなるクラッド層によって挟み込まれており、そ
して、これらクラッド層には、それぞれの導伝性に対応
するキャリアを注入できるよう電極が形成されている。
このような層構造とすることで電子およびホールの量子
井戸層への量子閉じ込め効果が現われ、量子効果が働か
ないバルク型層構造では得られない優れた素子特性が得
られている。2. Description of the Related Art In an MQW structure, a quantum well layer composed of a semiconductor having a narrow band gap and barrier layers composed of a semiconductor having a band gap wider than the quantum well layer are alternately laminated. The thickness is set to about the de Broglie wavelength of electrons in the semiconductor, while the barrier layer is set to a thickness where the tunneling probability of electrons can be ignored. For example, MQW-
To briefly describe the LD structure, the MQW structure is formed by a cladding layer made of a semiconductor having p-type and n-type conductivity through a separate confinement layer and the like from the opposite side along the stacking direction axis. Electrodes are formed in these cladding layers so that carriers corresponding to their conductivity can be injected.
With such a layer structure, a quantum confinement effect of electrons and holes in the quantum well layer appears, and excellent device characteristics that cannot be obtained with a bulk-type layer structure in which the quantum effect does not work are obtained.
【0003】このような MQW-LD の MQWにおけるキャリ
ア、即ち電子およびホールの動きを説明すると次のよう
になる。n型導伝性クラッド層および p型導伝性クラッ
ド層から MQWに注入された、それぞれ電子およびホール
は 3次元の運動自由度を有する電子およびホールとして
MQW内障壁層のバンド端近傍を主に拡散過程により輸送
される。これら 3次元- キャリアは輸送過程中に量子井
戸に捕獲され、量子井戸面内の2次元にのみ運動の自由
が許される 2次元- キャリアとなった後、発光再結合を
通して誘導放出が生じレーザー光が得られる。The movement of carriers, that is, electrons and holes in the MQW of such an MQW-LD will be described as follows. Electrons and holes injected into the MQW from the n-type and p-type conductive cladding layers, respectively, have three-dimensional degrees of freedom.
Transport near the band edge of the barrier layer in the MQW is mainly carried out by the diffusion process. These three-dimensional carriers are trapped in the quantum well during the transport process, become two-dimensional carriers that allow freedom of movement only in the two-dimensional plane within the quantum well, and then undergo stimulated emission through radiative recombination to generate laser light. Is obtained.
【0004】1480 nm 光波長帯 LD に用いられる、InP
基板上に InP結晶および GaInAsP混晶の多層構造をエピ
タキシャル成長してなる量子井戸を例にとってみると、
価電子帯側のヘテロ障壁が伝導帯側のヘテロ障壁に比べ
1.3から 1.6倍程度高い。先に述べたキャリアのうち、
ホールには" 軽いホール" と" 重いホール" が存在し、
重いホールは状態密度が大きいためホールの大多数を占
め、かつ、有効質量が大きいことによる縮退度の強い重
いホールは、価電子帯側のヘテロ障壁が高いため電子に
比較すると、3 次元状態の重いホールが一度量子井戸に
捕獲され、2 次元状態の重いホールになった後、再度、
量子井戸から放出され 3次元状態の重いホールになるこ
とが困難となる。[0004] InP used in LD of 1480 nm light wavelength band
Taking the example of a quantum well formed by epitaxially growing a multilayer structure of InP and GaInAsP mixed crystals on a substrate,
Heterogeneous barrier on the valence band side is higher than that on the conduction band side
1.3 to 1.6 times higher. Of the careers mentioned earlier,
There are "light holes" and "heavy holes"
Heavy holes occupy the majority of holes due to their high density of states, and heavy holes with strong degeneracy due to large effective mass have a higher heterobarrier on the valence band side. After the heavy hole is once captured by the quantum well and turned into a two-dimensional heavy hole,
It becomes difficult to emit heavy holes in the three-dimensional state emitted from the quantum well.
【0005】即ち、p 型導伝性クラッド層から MQWに注
入された重いホールの多くは、MQW内の p型導伝性クラ
ッド層に最も近い量子井戸に捕獲され、n 型導伝型性ク
ラッド層寄りの量子井戸に達する重いホールは極僅かと
なり MQW内量子井戸に重いホール密度分布の不均一が生
じる。これに加え、障壁層の価電子帯端近傍における重
いホールのモビリティ(70〜80 cm 2 V - 1 s - 1 程
度)は、例えば電子(3500 cm 2 V - 1 s - 1 程度)に
比較して大変小さいため輸送速度も 10 3 m/s 程度と遅
くなり、特に高い光出力で LD を動作させるような状態
では、量子井戸におけるキャリアの誘導放出による消費
が著しくなるため、 MQW層の厚さである数十ナノメート
ル ( nm ) 程度の領域においても重いホール密度の分布
の変化は大きく、図12に示すように、 MQW内において
p型導伝性クラッド層側に高く片寄り不均一を一層著し
いものとする。That is, most of the heavy holes injected from the p-type conductive cladding layer into the MQW are trapped in the quantum well closest to the p-type conductive cladding layer in the MQW, and the n-type conductive cladding is The number of heavy holes reaching the quantum well near the layer is extremely small, and the quantum well in the MQW has a nonuniform heavy hole density distribution. Additionally, the mobility of the heavy holes in the valence band edge near the barrier layer (70~80 cm 2 V - 1 s - about 1), for example electrons compared to (3500 cm 2 V - about 1 - 1 s) Transport speed is as low as about 10 3 m / s because of the extremely small size, and especially in a state where the LD is operated at a high light output, the consumption due to stimulated emission of carriers in the quantum well becomes remarkable. Even in the region of several tens of nanometers (nm), the change in the distribution of heavy hole density is large, and as shown in FIG.
It is higher on the p-type conductive cladding layer side, and the unevenness is further increased.
【0006】また、MQW 内では電荷中正条件を満たすよ
うにキャリアが配置することから電子も、この重いホー
ルの分布に一致するように分布するため、MQW 内のそれ
ぞれの量子井戸へ捕獲されるキャリア密度も p型導伝性
クラッド層に近い程、高くなり量子井戸ヘのキャリア注
入不均一が生じる。このような現象は MQW内において、
動作している量子井戸数の減少、各量子井戸の光学利得
係数および微分利得係数の不均一を招き LD の潜在的能
力を引き出せないという問題があった。Further, since the carriers are arranged in the MQW so as to satisfy the positive condition of the charge, the electrons are also distributed so as to correspond to the distribution of the heavy holes, so that the carriers trapped in the respective quantum wells in the MQW. The closer the density is to the p-type conductive cladding layer, the higher the density becomes, resulting in non-uniform carrier injection into the quantum well. Such a phenomenon in MQW,
There has been a problem in that the number of quantum wells in operation is reduced, and the optical gain coefficient and differential gain coefficient of each quantum well are not uniform, so that the potential of the LD cannot be exploited.
【0007】即ち、これらの問題は、例えば、文献、A.
Hangleiter, A. Grabmaier, and G. Fuchs, " Damping
of the Relaxastion Resonance in Multiple-quantum-
wellLasers by Slow Interwell Transport ", Appl. Ph
ys. Lett., Vol.62 (19), pp.2316-2318, 1993 〔文献
1 )〕に示されているように、価電子帯側のヘテロ障壁
が高いため、3 次元状態の重いホールの量子井戸へ捕獲
される捕獲寿命が、量子井戸から 3次元状態の重いホー
ルへ放出される過程である放出寿命に比較し著しく短い
こと、および、例えば、文献、C. H. Lin, C. L. Chua,
Z. H. Zhu, and Y. H. Lo, " On Nonuniform Pumpiung
for Multiple-quantum Well Semiconductor Lasers ",
Appl. Phys. Lett. Vol.65 (19), pp.2383-2385, 1994
〔文献 2)〕に述べられているように、重いホールのモ
ビリティが小さいことなどが原因となって重いホールの
輸送が緩慢になることに集約される。That is, these problems are described in, for example, the literature, A.
Hangleiter, A. Grabmaier, and G. Fuchs, "Damping
of the Relaxastion Resonance in Multiple-quantum-
wellLasers by Slow Interwell Transport ", Appl. Ph
ys. Lett., Vol. 62 (19), pp. 2316-2318, 1993
As shown in (1)), since the heterobarrier on the valence band side is high, the trapping lifetime of a heavy hole in the three-dimensional state is captured by the quantum well, and the hole is released from the quantum well to the heavy hole in the three-dimensional state. Significantly shorter than the release lifetime, which is the process performed, and see, for example, the literature, CH Lin, CL Chua,
ZH Zhu, and YH Lo, "On Nonuniform Pumpiung
for Multiple-quantum Well Semiconductor Lasers ",
Appl. Phys. Lett.Vol.65 (19), pp.2383-2385, 1994
As described in [Reference 2]], the transport of heavy holes is reduced due to the low mobility of heavy holes.
【0008】これらの問題は、従来より実験および理論
を通して研究が行われてきており、例えば以下の文献、
N. Tessler and G. Eisenstein, " On Carrier Injecti
on and Dynamics in Quantum Well Lasers ", IEEE J.
Quantum Electron., Vol.29,pp.1586-1595, 1993 〔文
献 3 )〕論文で取り上げられ MQW内の量子井戸へのキャ
リア注入不均一の存在することが指摘されている。[0008] These problems have been studied through experiments and theories in the past.
N. Tessler and G. Eisenstein, "On Carrier Injecti
on and Dynamics in Quantum Well Lasers ", IEEE J.
Quantum Electron., Vol. 29, pp. 1586-1595, 1993 [Reference 3]], and it has been pointed out that non-uniformity of carrier injection into the quantum well in the MQW exists.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】従来構造の MQWを有す
る LD などの半導体光素子において MQW内の各量子井戸
へのキャリア注入不均一に起因して、内部微分量子効率
および微分利得係数が低下するため光出力の低下や直接
変調帯域の減少などの素子特性の抑圧が生じていた。こ
の問題を避けるためには、量子井戸と障壁層の間の価電
子帯側ヘテロ障壁高さを低減する必要がある。このよう
に量子井戸と障壁層の間の価電子帯側ヘテロ障壁高さを
低減することにより、重いホールが量子井戸から、単位
時間当たりに放出される密度が増大、即ち、放出寿命が
短縮される。このように重いホールが量子井戸より放出
される割り合いが多くなると、この重いホールは元の量
子井戸へ捕獲されるものもあるが、他の量子井戸へ捕獲
されるものの割合が増加するため、MQW 内の各量子井戸
における重いホール密度の分布を均一にすることができ
る。しかし、量子井戸と障壁層の間の価電子帯側ヘテロ
障壁高さは、量子井戸と障壁層に使用する結晶および混
晶の組み合わせで決まってしまうため、直接このヘテロ
障壁高さを制御することはできていない。この問題の改
善のため、例えば、先に示した文献 1 )において、量子
井戸を GaInAs 混晶とし、かつ、障壁層を InGaAlAs 混
晶とする MQW構造を InP基板上に成長してなる、発振光
波長が 1500 nm程度の LD において、重いホール密度の
MQW内分布が従来構造に比較して均一化することがシミ
ュレーションにより示されている。SUMMARY OF THE INVENTION In a semiconductor optical device such as an LD having an MQW having a conventional structure, the internal differential quantum efficiency and the differential gain coefficient decrease due to uneven carrier injection into each quantum well in the MQW. Therefore, suppression of device characteristics such as a decrease in optical output and a decrease in direct modulation band has occurred. In order to avoid this problem, it is necessary to reduce the height of the valence band side hetero barrier between the quantum well and the barrier layer. By reducing the height of the valence band side hetero-barrier between the quantum well and the barrier layer in this manner, the density of heavy holes emitted from the quantum well per unit time is increased, that is, the emission lifetime is shortened. You. When the rate at which heavy holes are emitted from the quantum well increases, such heavy holes may be trapped in the original quantum well, but the proportion of those trapped in other quantum wells will increase. The distribution of heavy hole density in each quantum well in MQW can be made uniform. However, since the height of the valence band side hetero-barrier between the quantum well and the barrier layer is determined by the combination of the crystal and the mixed crystal used for the quantum well and the barrier layer, the height of the hetero-barrier must be directly controlled. Is not done. In order to improve this problem, for example, in the above-mentioned document 1), an oscillation light formed by growing an MQW structure with a quantum well of GaInAs mixed crystal and a barrier layer of InGaAlAs mixed In an LD with a wavelength of about 1500 nm,
Simulations show that the distribution in the MQW is more uniform than in the conventional structure.
【0010】これは、以下の理由による。InP 基板上に
量子井戸および障壁層ともに GaInAsPからなる従来構造
の MQWでは、先にも述べたように、価電子帯側ヘテロ障
壁高さが伝導帯側ヘテロ障壁高さの 1.3〜1.6 倍となる
が、InP 基板上に成長された GaInAs / InGaAlAs系 MQW
では、価電子帯側ヘテロ障壁高さが伝導帯側ヘテロ障壁
高さの 1/2 以下となるため重いホールの量子井戸から
の放出寿命が大幅に減少するからである。しかし、この
InP基板上に成長された GaInAs / InGaAlAs系 MQWに
は、次のような問題がある。例えば、LDにおいて、発振
光モードの安定化、および、しきい注入電流の低減化の
ためには発光領域の幅を化学エッチングにより 1〜2 μ
m程度にまで狭窄化し、これに埋め込み成長を施して、
発振光モードの安定化、および、しきい注入電流の低減
化を行うことは、欠くことのできない工程となってい
る。しかし、GaInAs / InGaAlAs MQW のように Al を含
む混晶系では表面に極めて安定な Al 酸化物が形成され
るため、化学エッチングされて露出した、この Al系混
晶界面上への良好な埋め込み成長が極めて困難となるの
である。This is based on the following reasons. In the conventional MQW structure in which the quantum well and the barrier layer are both made of GaInAsP on the InP substrate, the valence band side hetero barrier height is 1.3 to 1.6 times the conduction band side hetero barrier height, as described above. Is a GaInAs / InGaAlAs based MQW grown on InP substrate
In this case, the height of the valence band side hetero-barrier is less than half the height of the conduction band side hetero-barrier, so that the emission lifetime of heavy holes from the quantum well is greatly reduced. But this
GaInAs / InGaAlAs based MQWs grown on InP substrates have the following problems. For example, in an LD, the width of the light emitting region is set to 1-2 μm by chemical etching in order to stabilize the oscillation light mode and to reduce the threshold injection current.
m, and buried growth is applied to this,
Stabilization of the oscillation light mode and reduction of the threshold injection current are indispensable steps. However, in a mixed crystal system containing Al, such as GaInAs / InGaAlAs MQW, an extremely stable Al oxide is formed on the surface. Is extremely difficult.
【0011】また、文献、山田みつき, 他, " GaAsSb
系長波長面発光レーザ ", 信学技報, LQE 99-133, ( 20
00-02 ) 〔文献 4 )〕において、GaAsSb/GaAs 系面発光
半導体レーザについて MQW内の障壁層のみに p型導伝性
不純物をドーピングする、いわゆる変調ドープ構造をと
ることにより、実効的な価電子帯側ヘテロ障壁高さを低
減する手法が報告されている。In addition, literature, Mitsuki Yamada, et al., "GaAsSb
Long Wavelength Surface Emitting Laser ", IEICE Technical Report, LQE 99-133, (20
00-02) In [Reference 4]], a GaAsSb / GaAs surface emitting semiconductor laser has a so-called modulation-doped structure in which only the barrier layer in the MQW is doped with a p-type conductive impurity. A technique for reducing the height of the electron band side hetero-barrier has been reported.
【0012】このメカニズムについて若干の説明を行う
と次のようになる。障壁層にドープされた不純物から生
じたホールのうち、イオン化されたアクセプタとホール
の間に生じる電場のために量子井戸に近いもののみ量子
井戸に捕獲されるが、それ以外のものは障壁層に残り、
障壁層における価電子帯側フェルミ準位を高く保つ。一
方、量子井戸に捕獲されたホールは、先にも述べたよう
に、障壁層の量子井戸近傍から来たものであるから量子
井戸内のホール密度は、それほど高くならず、これに加
え、ホールの有効質量が大きいことに由来する、大きな
状態密度のため量子井戸の価電子帯側フェルミ準位は比
較的低い。定常状態では、障壁層と量子井戸の間のフェ
ルミ準位が、ほぼ一致するようにバンドが配置するから
図13のように価電子帯側ヘテロ障壁高さが低減される
のである。しかし、この報告では、MQW 内量子井戸への
ホールの注入効率の改善による、しきい注入電流密度の
低減は見られたが光吸収損失も増大することが明らかに
なっている。このように、光吸収が増大すると、例え
ば、LDにおいてはスロープ効率の低下による光出力の低
下、線幅増大係数の増加による発振線幅広がりや波長チ
ャーピングなどの望ましくない特性の悪化が生じる問題
がある。The mechanism is briefly described as follows. Of the holes generated from impurities doped in the barrier layer, only those near the quantum well are trapped in the quantum well due to the electric field generated between the ionized acceptor and the hole, while the others are captured in the barrier layer. remaining,
The valence band side Fermi level in the barrier layer is kept high. On the other hand, since the holes trapped in the quantum well come from the vicinity of the quantum well in the barrier layer as described above, the hole density in the quantum well does not increase so much. The valence band-side Fermi level of the quantum well is relatively low due to the large density of states resulting from the large effective mass of. In the steady state, the bands are arranged so that the Fermi level between the barrier layer and the quantum well substantially coincides with each other, so that the valence band side hetero-barrier height is reduced as shown in FIG. However, this report shows that although the injection efficiency of holes into the MQW quantum well is improved, the threshold injection current density is reduced, but the optical absorption loss is also increased. As described above, when the light absorption increases, for example, in the LD, there is a problem in that an optical output decreases due to a decrease in slope efficiency, and an undesirable characteristic such as oscillation line width expansion and wavelength chirping deteriorates due to an increase in a line width increase coefficient. There is.
【0013】本発明は、このような問題を解決するため
になされたものであり、量子井戸と障壁層の間の実効的
な価電子帯側ヘテロ障壁高さを低減し、各量子井戸への
ホールおよび電子注入の不均一が抑制された多重量子井
戸半導体素子を提供するものである。The present invention has been made in order to solve such a problem. The present invention has been made to reduce the effective valence band side hetero-barrier height between a quantum well and a barrier layer, and to reduce the height of each quantum well. An object of the present invention is to provide a multiple quantum well semiconductor device in which non-uniformity of hole and electron injection is suppressed.
【0014】[0014]
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、本発明の第1の態様によると、第1の導伝性を有
する半導体基板上に第1の導伝性を有する半導体クラッ
ド層、半導体よりなる活性層、第2の導伝性を有する半
導体クラッド層および第2の導伝性を有する半導体より
なるコンタクト層が順次積層され、かつ、前記半導体基
板表面および前記コンタクト層表面に、それぞれ電極が
形成されて成るダブルヘテロ構造における、前記活性層
が、前記第1の導伝性を有するクラッド層に接して形成
された、該第1の導伝性を有するクラッド層よりバンド
ギャップの小さい半導体よりなる分離閉じ込め層と、前
記第2の導伝性を有するクラッド層に接して形成され
た、該第2の導伝性を有するクラッド層よりバンドギャ
ップの小さい半導体よりなる分離閉じ込め層との間に、
量子井戸層と障壁層が交互に積層され、かつ、該量子井
戸層が2層以上である層構成から成る多重量子井戸半導
体素子において、前記量子井戸層を n型導伝性とする物
質を不純物として前記量子井戸層のみ、もしくは、主に
前記量子井戸層にドーピングすることを特徴とする多重
量子井戸半導体素子が提供される。According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor substrate having a first conductivity on a semiconductor substrate having a first conductivity. Layer, an active layer made of a semiconductor, a semiconductor clad layer having a second conductivity and a contact layer made of a semiconductor having a second conductivity are sequentially laminated, and on the surface of the semiconductor substrate and the surface of the contact layer. The active layer in the double hetero structure in which the electrodes are formed, wherein the active layer is formed in contact with the first conductive clad layer, and has a bandgap higher than that of the first conductive clad layer. And a semiconductor having a smaller band gap than the second conductive cladding layer formed in contact with the second conductive cladding layer. Between the Li Cheng separate confinement layer,
In a multiple quantum well semiconductor device having a layer structure in which quantum well layers and barrier layers are alternately stacked, and the quantum well layers are two or more layers, a material that makes the quantum well layers n-type conductive is doped with impurities. The present invention provides a multiple quantum well semiconductor device characterized in that only the quantum well layer or mainly the quantum well layer is doped.
【0015】また、本発明の第2の態様によると、前記
量子井戸層を n型導伝性とする物質を不純物として前記
量子井戸層のみ、もしくは、主に前記量子井戸層にドー
ピングすることにより得られる前記量子井戸層内の電子
密度が少なくとも前記障壁層の電子密度の 2.3倍以上と
なることを特徴とする第1の態様に記載の多重量子井戸
半導体素子が提供される。Further, according to the second aspect of the present invention, the quantum well layer is doped with an n-type conductive material as an impurity by doping only the quantum well layer or mainly by doping the quantum well layer. The multiple quantum well semiconductor device according to the first aspect, wherein the obtained electron density in the quantum well layer is at least 2.3 times or more the electron density of the barrier layer.
【0016】さらに、本発明の第3の態様によると、前
記量子井戸層内の電子密度が 1 ×1024 m- 3 から 3
×1024 m- 3 の間にあることを特徴とする第2の態様に
記載の多重量子井戸半導体素子が提供される。Further, according to a third aspect of the present invention, the electron density in the quantum well layer is from 1 × 10 24 m −3 to 3
The multiple quantum well semiconductor device according to the second aspect, which is between × 10 24 m −3 , is provided.
【0017】本発明の多重量子井戸半導体素子は、III-
V 族化合物半導体よりなる MQWを例にとれば、Si、S 、
Ge、Se、Sn、Te など、この化合物半導体を n型導伝性
とする物質を不純物として、MQW 内における量子井戸の
みもしくは主に量子井戸に、ドーピングする。ここで述
べたような、不純物はキャリアとして電子を生じるが、
電子はホールに比較して有効質量が数分の一から十分の
一と小さいため伝導体側の状態密度が小さく、同一のド
ーピング量では価電子帯側に比較して伝導体のフェルミ
準位は容易に上昇する利点がある。The multiple quantum well semiconductor device of the present invention has a III-
Taking MQW made of Group V compound semiconductor as an example, Si, S,
A substance that makes this compound semiconductor n-type conductive, such as Ge, Se, Sn, or Te, is doped as an impurity into only the quantum well or mainly the quantum well in the MQW. As described here, impurities generate electrons as carriers,
Electrons have an effective mass that is a fraction to a tenth smaller than holes, so the state density on the conductor side is low, and the Fermi level of the conductor is easier than the valence band side with the same doping amount. There is an advantage to rise.
【0018】また、価電子帯側のスプリットオフバンド
から重いホールバンドへ電子が光励起されるために起き
る、いわゆる、価電子帯間吸収がホール密度が高くなる
と価電子帯側で生じるが、伝導体側はバンドが簡素な構
造となっているため、このような光吸収機構がないとい
う利点もある。これに加えて、Siなどの不純物は自己拡
散が弱く急峻なドーピングプロファイルが得られるこ
と、および、例えば、GaInAsP/InP 系では、n 型導伝性
GaInAsP系混晶は p型導伝性のものに比較し、図11に
InP を例にとって示すように電気的な抵抗率が一桁以上
小さいという、電流注入により動作する半導体素子にと
って極めて好都合な性質がある。In addition, the so-called absorption between valence bands, which occurs due to photoexcitation of electrons from the split-off band on the valence band side to the heavy hole band, occurs on the valence band side when the hole density increases, but the conductor side does not. Has an advantage in that such a light absorption mechanism is not provided since the band has a simple structure. In addition, impurities such as Si have low self-diffusion and a sharp doping profile, and, for example, n-type conductivity in GaInAsP / InP system
The GaInAsP-based mixed crystal is compared with the p-type conductive one in FIG.
As shown in the example of InP, the electrical resistivity is one or more orders of magnitude smaller, which is a very advantageous property for a semiconductor element operated by current injection.
【0019】本発明により、量子井戸と障壁層の間の実
効的な価電子帯側ヘテロ障壁高さが低減されることによ
る、MQW 内キャリア密度均一化に与える作用について述
べる。GaInAsP/InP 系 MQW-LD を例にとると、通常は光
吸収損失の増大などを避けるため MQW領域にはドーピン
グを行わない。しかし、このままでは伝導帯ヘテロ障壁
高さ( Vc )に比較し価電子帯ヘテロ障壁高さ( Vhh)
は、1.3 から1.6 倍になり、例えば、先に述べた文献 3
)、 N. Tessler and G. Eisenstein, " On Carrier In
jection and Dynamics in Quantum Well Lasers ", IEE
E J. Quantum Electron., Vol.29, pp.1586-1595, 1993
によると、従来用いられる量子井戸と障壁層のバンド
ギャップの組み合わせの範囲において、重いホールの量
子井戸からの放出寿命は捕獲寿命に比較して、数十倍か
ら千倍長くなってしまう。The effect of reducing the effective valence band side hetero-barrier height between the quantum well and the barrier layer according to the present invention and having an effect on the uniformity of the carrier density in the MQW will be described. In the case of a GaInAsP / InP MQW-LD as an example, usually doping is not performed in the MQW region to avoid an increase in light absorption loss. However, this remains in the conduction band hetero barrier height (V c) relative to the valence band hetero barrier height (V hh)
Is increased from 1.3 to 1.6 times, for example,
), N. Tessler and G. Eisenstein, "On Carrier In
jection and Dynamics in Quantum Well Lasers ", IEE
E J. Quantum Electron., Vol. 29, pp. 1586-1595, 1993
According to the above, in the range of the combination of the band gap of the quantum well and the barrier layer used conventionally, the emission lifetime of the heavy hole from the quantum well becomes several tens to 1000 times longer than the capture lifetime.
【0020】これに対し、本発明においては、以下に述
べる機構により量子井戸と障壁層の間の実効的な価電子
帯側ヘテロ障壁高さ( Vhh-eff )を低減する。図1
(a)は、通常の LD などに用いられる無ドープ MQWに
おける量子井戸と障壁層の間のバンドラインナップであ
る。これに対して、本発明では、 MQWを n型導伝体とす
る不純物を、量子井戸のみ、もしくは、主に量子井戸に
ドープするため、伝導帯側フェルミ準位に関して量子井
戸の準位( EF-QW)が障壁層の準位( EF-Barri.)より
大幅に高くなる。この状態で量子井戸と障壁層のフェル
ミ準位が一致するようにバンドが配置し擬平衡状態が成
立する。このとき、図1(b)に示すように、量子井戸
と障壁層の間の実効的な価電子帯側ヘテロ障壁高さ( V
hh-eff)を、無ドープ量子井戸の場合の価電子帯側ヘテ
ロ障壁高さ( Vhh)よりも低減させることができる。ま
た、量子井戸側の電子が障壁層側に拡散するため、量子
井戸と障壁層の界面でバンドが歪み、障壁層の価電子帯
端にスパイクを形成するが、電子の拡散は量子井戸内の
イオン化されたドナーと障壁層に拡散した電子の間に働
く電場のために制限されることからスパイクの幅は狭
く、ホールの量子井戸への捕獲および量子井戸からの放
出がトンネル効果により容易に可能となる。On the other hand, in the present invention, the effective valence band side hetero-barrier height (V hh-eff ) between the quantum well and the barrier layer is reduced by the mechanism described below. FIG.
(A) is a band lineup between a quantum well and a barrier layer in an undoped MQW used for a normal LD or the like. On the other hand, in the present invention, the impurity having MQW as the n-type conductor is doped only into the quantum well or mainly into the quantum well. F-QW ) is much higher than the barrier layer level ( EF-Barri. ). In this state, the bands are arranged so that the Fermi levels of the quantum well and the barrier layer coincide with each other, and a quasi-equilibrium state is established. At this time, as shown in FIG. 1B, the effective valence band side hetero-barrier height (V
hh-eff ) can be made lower than the valence band side hetero-barrier height (V hh ) in the case of an undoped quantum well. In addition, the electrons in the quantum well diffuse into the barrier layer, so that the band is distorted at the interface between the quantum well and the barrier layer, and a spike is formed at the valence band edge of the barrier layer. Spikes are narrow due to the electric field between the ionized donor and the electrons diffused into the barrier layer, allowing holes to be easily captured and released from the quantum well by tunneling Becomes
【0021】本発明における、量子井戸および障壁層の
電子密度と実効的な価電子帯側ヘテロ障壁高さ( V
hh-eff )の関係を 1480 nm光波長帯歪み MQW-LD につ
いて図2に示すが、障壁層電子密度( NBarr. )に係わ
らず、量子井戸内電子密度( NQW)の増大と共に実効的
な価電子帯側ヘテロ障壁高さは、ほぼ同じ傾きで低減し
て行く。図2から明らかなように障壁層の電子密度が低
いほど価電子帯側のヘテロ障壁高さが低減されるが、例
えば、埋め込み型半導体レーザーにおける多重量子井戸
の製作過程においては、不純物の拡散などにより 10 21
m- 3 から 1022 m- 3台のキャリア密度になることか
ら、障壁層の電子密度( NBarr. )の設定をこれより 1
桁程度高い 1×1023 m- 3 と設定することが現実的であ
る。また、N Barr . として 1×1024 m- 3 以上と成ると
価電子帯側ヘテロ障壁高さの低減効果は弱くなることも
図2からわかり、N Barr. の範囲として 1×1023 m- 3
から 1 ×1024 m- 3 が適当である。In the present invention, the electron density of the quantum well and the barrier layer and the effective valence band side hetero-barrier height (V
hh-eff ) is shown in Fig. 2 for the 1480 nm optical wavelength band strain MQW-LD, but it is effective as the electron density in the quantum well ( NQW ) increases regardless of the barrier layer electron density ( NBarr. ) . The valence band side hetero-barrier height decreases with almost the same slope. As is clear from FIG. 2, the lower the electron density of the barrier layer is, the lower the hetero barrier height on the valence band side is, for example, in the process of fabricating a multiple quantum well in a buried semiconductor laser, diffusion of impurities, etc. By 10 21
From m -3 to 10 22 m -3 carrier density, the electron density (N Barr. ) of the barrier layer should be set to 1
It is realistic to set to 1 × 10 23 m -3 which is about an order of magnitude higher. Further, N Barr as 1 × 10 24 m -.. 3 or more and made the valence band side hetero barrier height reduction effect becomes weaker it 2 Karawakari, N Barr 1 × 10 23 as a range of m - Three
From 1 × 10 24 m -3 is appropriate.
【0022】このことから、少ない NBarr. により価電
子帯側ヘテロ障壁高さを低減することのできる条件は図
2における3 種の曲線のうち中央のものをとれば良く、
この曲線が示す価電子帯側のヘテロ障壁高さが従来構造
の障壁高さ( Vhh)より低くなる量子井戸内電子密度
は、1 ×1024 m- 3 となる。一方、量子井戸内電子密度
が 3 ×1024 m- 3 を超えるようなドーピングを行うと
量子井戸の結晶性を損なうため、実際に製作する多重量
子井戸における量子井戸の電子密度は 1 ×1024 m- 3
から 3 ×1024 m- 3 の間にあることが適当である。From the above, the condition that the valence band side hetero-barrier height can be reduced by a small N Barr. Should be the central one of the three curves in FIG.
The electron density in the quantum well at which the hetero-barrier height on the valence band side indicated by this curve is lower than the barrier height (V hh ) of the conventional structure is 1 × 10 24 m −3 . On the other hand, doping such that the electron density in the quantum well exceeds 3 × 10 24 m −3 impairs the crystallinity of the quantum well, so that the electron density of the quantum well in the actually manufactured multiple quantum well is 1 × 10 24 m -3
It is appropriate to be between 3 and 1024 m -3 .
【0023】例えば、障壁層電子密度が N Barr. : 0.
1 ×1024 m- 3 および 1 ×1024 m - 3 の場合は、それ
ぞれ、量子井戸の電子密度が N QW : 約 0.7×1024 m
- 3および 約 2.3×1024 m- 3 以上において、実効的
な価電子帯側ヘテロ障壁高さは、図3における斜線で示
した領域で無ドープ量子井戸の価電子帯側ヘテロ障壁高
さ( Vhh)よりも低減することができる。このことか
ら、量子井戸内の電子密度が少なくとも障壁層の電子密
度の 2.3倍以上であれば、実効的な価電子帯側のヘテロ
障壁高さの低減ができる。For example, when the electron density of the barrier layer is NBarr.: 0.
1 × 10twenty four m-3And 1 × 10twenty four m -3If it
In each case, the electron density of the quantum well is NQW : About 0.7 × 10twenty four m
-3And about 2.3 × 10twenty four m-3Above, effective
The valence band side heterobarrier height is shown by the oblique lines in FIG.
Valence band side heterobarrier height of undoped quantum wells in the doped region
Sa (Vhh) Can be reduced. This thing
The electron density in the quantum well is at least
Above 2.3 times the effective valence band heterogeneity
The barrier height can be reduced.
【0024】障壁層へのドーピング量制御の容易さか
ら、 NBarr. : 0.1 ×1024 m- 3 程度が MQW作製条件と
し適当であるから、このドーピング条件における伝導帯
側ヘテロ障壁高さ( Vc-eff )および価電子帯側ヘテロ
障壁高さと量子井戸内電子密度の関係を図4に示す。こ
のような条件で MQWを作製することで、 NQW : 約 0.8
7 ×1024 m- 3 (図中矢印 A)において V hh-eff が
V c-eff より低くなり、また、 NQW :約 1.5から
2×1024 m- 3 において、V hh-eff は V c-eff の
1 /2 から1/3 となり、V hh-eff は V hh に比較
して 60 meV から 90 meV 程度と大幅に低減される。こ
こで、述べたレベルの電子密度はドナー不純物のイオン
化率が極めて高いため容易に達成することができる。From the ease of controlling the doping amount of the barrier layer, N Barr . : about 0.1 × 10 24 m −3 is suitable as an MQW manufacturing condition. Therefore, the height of the hetero-barrier on the conduction band side under this doping condition (V FIG. 4 shows the relationship between c-eff ), the valence band side hetero-barrier height, and the electron density in the quantum well. By making MQW under such conditions, N QW : about 0.8
At 7 × 10 24 m -3 (arrow A in the figure), V hh-eff
Lower than V c-eff and N QW : from about 1.5
At 2 × 10 24 m -3 , V hh-eff is equal to V c-eff
From 1/2 to 1/3, V hh-eff is significantly reduced from 60 meV to about 90 meV compared to V hh . Here, the above-mentioned electron density can be easily achieved because the ionization rate of the donor impurity is extremely high.
【0025】次に、4 層の量子井戸よりなる共振器長が
1 mm を有する 1480 nm光波長帯LDの光出力( POUT )
が 400 mW のとき、価電子帯側ヘテロ障壁高さの低減
量(ΔV hh)が、0 meV 、40meV 、80meV の場合の MQW
内における 3次元状態の重いホールの密度( P3D)と M
QW内の位置( x)の関係は図5のようになり、ΔV hh
が大きくなる程、量子井戸からのホールの放出寿命が短
くなるため P3D は高くなる。Next, the length of the resonator consisting of four quantum wells is
Optical output of 1480 nm optical wavelength band LD with 1 mm (POUT)
Is 400 mW, the height of the valence band side heterobarrier is reduced.
Quantity (ΔVhh) Is MQW when 0 meV, 40meV, 80meV
Density of heavy holes in three-dimensional state (P3D) And M
The relationship of the position (x) in QW is as shown in FIG. hh
Is larger, the emission lifetime of holes from the quantum well is shorter.
To become P3D Will be higher.
【0026】表1は、本発明による実効的な価電子帯側
ヘテロ障壁高さの低減と、3 次元自由度を有する重いホ
ールの MQW内分布の偏りの緩和を表わす表である。MQW
領域の両端にあたる位置である x : 0 nm と x : 80 nm
における 3次元状態の重いホールの密度における P
3D ( 0 ) と x : 80 nmにおける P3D ( 80 nm ) の差
は、何れのΔV hh においても、ほぼ同一である。 P
3D ( 0 ) と P3D ( 80 nm ) の差を P3D ( 0 ) と P
3D ( 80 nm ) の相加平均で割った量を、MQW 領域の
3次元状態の重いホール密度の不均一と定義すると、ΔV
hhが大きくなる程、この不均一は表1に示すように減
少する。Table 1 is a table showing the effective reduction of the valence band side hetero-barrier height according to the present invention and the relaxation of the bias in the MQW distribution of heavy holes having three-dimensional degrees of freedom. MQW
X: 0 nm and x: 80 nm at the ends of the region
In the density of heavy holes in the three-dimensional state at
The difference between 3D (0) and P 3D (80 nm ) at x: 80 nm is almost the same at any ΔV hh . P
3D (0) and the difference between P 3D (80 nm) and P 3D (0) P
The 3D (80 nm) arithmetic mean divided by the MQW area
Defining the non-uniformity of the heavy hole density in the three-dimensional state, ΔV
As hh increases, this non-uniformity decreases as shown in Table 1.
【0027】[0027]
【表1】 [Table 1]
【0028】この LD の光出力 400 mW における 4層の
個別量子井戸への注入電流とΔV hhの関係は図6のよう
になり、従来構造では、最も p側クラッド層に近い量子
井戸( NQW : 1)と最も遠い量子井戸( NQW : 4)の間
の注入電流の差は約 40 mAであるが、本発明による Δ
V hh が 80 meV を例にとると、この差が約 6.4 mAと
なり 1/6 程度に抑圧することができる。FIG. 6 shows the relationship between ΔV hh and the injection current into the four individual quantum wells at an optical output of 400 mW of this LD. In the conventional structure, the quantum well (N QWW) closest to the p-side cladding layer is obtained. : 1) and the farthest quantum well (N QW : 4) the difference in injection current is about 40 mA,
When V hh take 80 meV example, this difference can be suppressed to about 6.4 mA becomes 1/6.
【0029】このように、本発明を採用することによ
り、MQW 内において、動作している量子井戸数の減少、
各量子井戸の光学利得係数および微分利得係数の不均一
を招きLD の潜在的能力を引き出せないという問題を、
光吸収が増大および埋め込み結晶成長品質の低下をとも
なわず解決できる。Thus, by adopting the present invention, the number of operating quantum wells can be reduced in the MQW,
The problem of non-uniformity of the optical gain coefficient and differential gain coefficient of each quantum well and the inability to extract the potential of LD
The problem can be solved without increasing the light absorption and lowering the buried crystal growth quality.
【0030】[0030]
【発明の実施の形態】本発明を適用した半導体レーザー
素子の製造手順を通して、本発明の第1の実施の形態を
図7および図8を用いて説明する。ここでは、材料とし
ては、良好な埋め込み成長が可能な InPを基板とする G
aInAsP系混晶を用いることとする。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7 and 8 through a manufacturing procedure of a semiconductor laser device to which the present invention is applied. Here, the material used is InP, which allows good buried growth.
aInAsP-based mixed crystal is used.
【0031】先ず、n 型導伝性 InP基板 1上に有機金属
気相成長法などにより n型導伝性 InPバッファー層 2を
成長する。次に、 n型導伝性 GaInAsP混晶よりなる分離
閉じ込め層および無ドープ GaInAsP混晶よりなるスペー
サ層を、それぞれ、層厚 2μm 、15 nm および 10 nm程
度成長した後、数 nm から十数 nm の層厚を有する量子
井戸および障壁層を交互に成長を行い MQWを形成する
が、この成長時に、Si、S 、Ge、Se、Sn、Teなど、量子
井戸および障壁層を n型導伝性とする物質を不純物とし
て、量子井戸のみ、もしくは、主に量子井戸にドーピン
グする。First, an n-type conductive InP buffer layer 2 is grown on an n-type conductive InP substrate 1 by a metal organic chemical vapor deposition method or the like. Next, after growing a separation confinement layer made of n-type conductive GaInAsP mixed crystal and a spacer layer made of undoped GaInAsP mixed crystal to a thickness of about 2 μm, 15 nm and 10 nm, respectively, several nm to several tens nm The MQW is formed by alternately growing quantum wells and barrier layers having a layer thickness of, and during this growth, the quantum wells and barrier layers, such as Si, S, Ge, Se, Sn, and Te, have n-type conductivity. Is doped as an impurity into only the quantum well or mainly into the quantum well.
【0032】即ち、このドーピングにより図8 ( a )に
示す電子密度分布となると、図8(b ) に示す従来構造
の MQWのバンドギャッププロファイルが図8( c ) のよ
うに変型し、実効的な価電子帯側ヘテロ障壁高さが低減
される。尚、障壁層および量子井戸としては、無歪み、
圧縮歪みおよび伸張歪みを印加する何れの混晶でもよ
い。この上に、無ドープ GaInAsP混晶よりなるスペーサ
層、p 型導伝性の GaInAsP混晶よりなる分離閉じ込め層
を成長し、MQW 構造とスペーサ層および分離閉じ込め層
からなる活性層 3を形成する。That is, when the doping results in the electron density distribution shown in FIG. 8A, the band gap profile of the MQW of the conventional structure shown in FIG. 8B is deformed as shown in FIG. The valence band side hetero barrier height is reduced. The barrier layer and the quantum well have no distortion,
Any mixed crystal that applies compression strain and extension strain may be used. On this, a spacer layer made of undoped GaInAsP mixed crystal and a separation confinement layer made of p-type conductive GaInAsP mixed crystal are grown to form an active layer 3 consisting of an MQW structure and a spacer layer and a separation confinement layer.
【0033】これに引き続き、p 型導伝性 InPクラッド
層 4を成長して図7 ( a )のような、活性層を有する多
層構造半導体基板 5を作製する。次に、この多層構造半
導体基板 5上に幅として数μm程度の誘電体膜などから
なるストライプ状耐エッチングマスク 6を形成した後、
臭素系エッチング液などを用いて、多層構造半導体基板
5を活性層 3より深い位置までエッチングを行い、先の
耐エッチングマスク 6で保護された部分以外の多層構造
半導体を除去し、図7 ( b )のような、活性層 3を含ん
だメサ状ストライプが形成された基板 7を作製する。こ
のメサ形成ストライプ基板 7上に有機金属気相成長法も
しくは液相成長法により p型導伝性 InP第1埋め込み層
8および n型導伝性 InP第 2埋め込み層 9を順次、埋め
込み成長した後、耐エッチングマスク 6を除去し、この
上に p型導伝性 GaInAsP混晶よりなるコンタクト層 10
を成長して図7 ( c )に示すような、埋め込み結晶成長
基板 11 を完成する。Subsequently, a p-type conductive InP clad layer 4 is grown to produce a multi-layer semiconductor substrate 5 having an active layer as shown in FIG. Next, after forming a stripe-shaped etching resistant mask 6 made of a dielectric film or the like having a width of about several μm on the multilayer structure semiconductor substrate 5,
Multi-layer semiconductor substrate using bromine-based etchant
5 is etched to a position deeper than the active layer 3 to remove the multi-layered semiconductor other than the portion protected by the etching resistant mask 6 described above. As shown in FIG. The substrate 7 on which the stripe is formed is manufactured. A p-type conductive InP first buried layer is formed on the mesa-formed stripe substrate 7 by metalorganic vapor phase epitaxy or liquid phase epitaxy.
8 and n-type conductive InP second buried layer 9 are sequentially buried and grown, then the etching resistant mask 6 is removed, and a contact layer 10 of p-type conductive GaInAsP mixed crystal is formed thereon.
Is grown to complete a buried crystal growth substrate 11 as shown in FIG.
【0034】この埋め込み結晶成長基板 11 を 100μm
程度になるまで n型導伝性 InP基板1側を研摩した後、
この研摩された n型導伝性 InP基板面および p型導伝性
GaInAsPコンタクト層10側の結晶成長面に、それぞれ A
u-Geおよび Au-Znを真空蒸着法により被着し、熱処理を
行って、 n側電極 12 および p側電極 13 とし、図7(
d )に示すオーミック電極形成基板 14 を完成する。引
き続いて、このオーミック電極形成基板 14 をメサスト
ライプ垂直方向に共振器長とするため数 100μmから数
mm間隔で劈開切断し、埋め込まれた複数のメサストラ
イプが並列に並んでいる半導体レーザーバーとした後、
このバーをメサストライプを中心に幅として数 100μm
間隔で切断して半導体レーザーチップを完成させる。The buried crystal growth substrate 11 has a thickness of 100 μm.
After polishing the n-type conductive InP substrate 1 side until
This polished n-type conductivity InP substrate surface and p-type conductivity
On the crystal growth surface on the GaInAsP contact layer 10 side,
u-Ge and Au-Zn are deposited by a vacuum evaporation method, and heat treatment is performed to form an n-side electrode 12 and a p-side electrode 13.
The ohmic electrode forming substrate 14 shown in d) is completed. Subsequently, the ohmic electrode forming substrate 14 was cleaved and cut at intervals of several hundred μm to several mm in order to make the resonator length in the vertical direction of the mesa stripe, thereby forming a semiconductor laser bar in which a plurality of embedded mesa stripes were arranged in parallel. rear,
This bar has a width of several hundred μm around the mesa stripe.
The semiconductor laser chip is completed by cutting at intervals.
【0035】これまで、InP 結晶基板上に GaInAsP混晶
および InP結晶層を成長してなる GaInAsP/InP系半導体
レーザー素子について説明を行ってきたが、本発明は、
この結晶および混晶系に限らず、例えば、InGaAlAs/In
P、GaInAsP/GaAs、AlGaAs/GaAs 、AlGaInP/GaAs系など
の III-V族化合物半導体ばかりではなく、例えば、Clな
どの VII原子を含む化合物をドーパントに用いること
で、本発明を II-VI族化合物半導体よりなる MQW構造に
適用できることも明らかである。The GaInAsP / InP-based semiconductor laser device in which a GaInAsP mixed crystal and an InP crystal layer are grown on an InP crystal substrate has been described above.
Not limited to this crystal and mixed crystal system, for example, InGaAlAs / In
The present invention uses not only III-V group compound semiconductors such as P, GaInAsP / GaAs, AlGaAs / GaAs, and AlGaInP / GaAs series but also, for example, compounds containing VII atoms such as Cl as dopants, thereby enabling the present invention to use II-VI group compounds. It is clear that the present invention can be applied to an MQW structure made of a compound semiconductor.
【0036】本発明は MQW構造について係わるものであ
るから、第1の実施の形態におけるMQW構造以外の部分
は全て同一として、その他の実施の形態について述べ
る。第 2の実施の形態について図9に示す。この実施の
形態は、特に、InP 基板上に形成された GaInAsP系混晶
や GaAs 基板上に形成された AlGaInP系混晶などのよう
に、価電子帯側ヘテロ障壁高さが伝導帯側ヘテロ障壁よ
りも高い混晶系材料よりなる、波長可変 LD、SLD およ
び SOAに本発明を適用したもので、特に光波長スペクト
ラム幅および利得増幅帯域が、従来からある、これらの
素子に比較して、拡大する。Since the present invention relates to the MQW structure, all other parts except the MQW structure in the first embodiment are the same, and other embodiments will be described. FIG. 9 shows a second embodiment. In this embodiment, the height of the valence band side hetero-barrier is higher than that of the conduction band side hetero-barrier, such as GaInAsP-based mixed crystal formed on an InP substrate or AlGaInP-based mixed crystal formed on a GaAs substrate. The present invention is applied to tunable LDs, SLDs, and SOAs made of higher mixed crystal materials, and the optical wavelength spectrum width and gain amplification band are particularly expanded compared to these conventional devices. I do.
【0037】波長可変 LD 、SLD および SOAは、これら
の素子が動作する光波長帯域を拡大するため、図9 ( b
)のように異なるバンドギャップエネルギーを有する量
子井戸からなる MQWを活性層とする素子構造が試みられ
てきた。しかし、実際に素子を作製し動作させた場合、
光スペクトラム幅および利得増幅帯域の拡大は、最もバ
ンドギャップエネルギーが小さい量子井戸の光学利得ス
ペクトラムを中心として、僅かでしかない問題があっ
た。この理由は、この構造を有する MQW内の最もバンド
ギャップエネルギーが小さい量子井戸では、よりバンド
ギャップの大きい量子井戸と比べると、ホールの量子井
戸からの放出寿命が捕獲寿命に比較して圧倒的に長いた
め、注入されたホールがバンドギャップが最も小さい量
子井戸に集中するからである。この問題を軽減するため
には、MQW 内の異なるバンドギャップエネルギーを有す
る量子井戸の間で、価電子帯側ヘテロ障壁高さを同一と
すればよい。The wavelength tunable LDs, SLDs and SOAs are shown in FIG. 9 (b) in order to expand the optical wavelength band in which these elements operate.
The device structure using MQW as the active layer, which is composed of quantum wells having different band gap energies as in (3), has been tried. However, when the device is actually manufactured and operated,
The expansion of the optical spectrum width and the gain amplification band has a problem that there is only a small amount centering on the optical gain spectrum of the quantum well having the smallest band gap energy. The reason for this is that in the MQW with the lowest bandgap energy in the MQW having this structure, the emission lifetime of holes from the quantum well is much higher than the capture lifetime compared to the quantum well with the larger bandgap. This is because the holes are long and the injected holes are concentrated in the quantum well having the smallest band gap. To alleviate this problem, the valence band side hetero-barrier height may be the same between quantum wells having different band gap energies in the MQW.
【0038】本発明は、このような目的を実現すること
も可能であり、図9 ( a )に示すように、量子井戸およ
び障壁層を n型導伝性とする物質を、この MQW内にある
複数の量子井戸のうちバンドギャップの小さい量子井戸
ほど不純物のドープ量を高く設定し、電子密度を高くす
るのである。このようにすることで、図9 ( c )に示す
ように MQW内の異なるバンドギャップエネルギーを有す
る量子井戸の間で、価電子帯側ヘテロ障壁高さを同一と
することができるため、それぞれの量子井戸へのキャリ
ア注入が、より一定となり、LD 、SLD および SOAなど
の発光波長スペクトラム幅および利得増幅帯域が拡大す
る。The present invention can also achieve such an object. As shown in FIG. 9A, a substance having n-type conductivity in the quantum well and the barrier layer is provided in the MQW. Among the plurality of quantum wells, the smaller the quantum well of the band gap, the higher the impurity doping amount is set, and the higher the electron density is. By doing so, as shown in FIG. 9 (c), the valence band side hetero-barrier height can be the same between the quantum wells having different band gap energies in the MQW. The carrier injection into the quantum well becomes more constant, and the emission wavelength spectrum width and gain amplification band of LD, SLD and SOA are expanded.
【0039】一方、先にも障壁層と量子井戸層の間のヘ
テロ接合界面近傍でバンドラインナップにスパイクの生
じることを述べた。スパイクの幅は狭いため、重いホー
ルはトンネル効果により比較的容易にスパイクを通過す
るが、このスパイクがない方がホールの輸送促進効果が
大きいことは明らかである。そこで、図10には、本発
明における価電子帯端のスパイクを抑制する構造の例を
示す。On the other hand, it has been described earlier that a spike occurs in the band lineup near the heterojunction interface between the barrier layer and the quantum well layer. Since the width of the spike is narrow, a heavy hole relatively easily passes through the spike due to the tunnel effect, but it is clear that the absence of the spike has a greater effect of promoting the transport of holes. FIG. 10 shows an example of a structure for suppressing spikes at the valence band edge in the present invention.
【0040】図10 ( a )は、本発明におけるスパイク
抑制構造を持たないものであり、スパイクがヘテロ界面
近傍に生じている。これに対して、図10 ( b )に示す
ように、障壁層と量子井戸の間に、バンドギャップ量が
量子井戸より大きく、かつ、障壁層より小さい遷移障壁
層を形成することでスパイクの形成を抑制できる。この
遷移障壁層は、量子井戸より大きく、かつ、障壁層より
小さいバンドギャップ量を持つものあればよいので、基
板に格子整合した結晶および混晶のみならず、歪みを印
加してバンドギャップを変更したものでも成立すること
は明らかである。FIG. 10A does not have the spike suppressing structure of the present invention, and spikes are generated near the hetero interface. On the other hand, as shown in FIG. 10 (b), a spike is formed by forming a transition barrier layer having a band gap larger than the quantum well and smaller than the barrier layer between the barrier layer and the quantum well. Can be suppressed. The transition barrier layer only needs to have a band gap larger than the quantum well and smaller than the barrier layer, so that not only crystals and mixed crystals lattice-matched to the substrate but also strain can be applied to change the band gap. It is clear that what is done also holds.
【0041】図10 ( c )は、障壁層と量子井戸の間
に、超格子遷移障壁層を形成することでスパイクを形成
する部分にホールのミニバンドを生じさせ、ホールの輸
送を促進させる例である。また、図10 ( d )は、障壁
層と量子井戸の間に、障壁層よりも低ドープの、低ドー
プ遷移障壁層を形成することで価電子帯端のスパイクを
抑制する構造の例である。この構造では、伝導帯端側に
ポテンシャルの凸部が生じるが、電子はホールに比較し
一桁程度有効質量が軽いため電子輸送の障害とはならな
い。このような構造を採用することにより本発明の作用
が一層促進され、MQW 内の各量子井戸の光学利得係数お
よび微分利得係数均一化を実現し LD 、SLD およびSOA
などの潜在的能力を十分引き出すことができる。FIG. 10 (c) shows an example in which a superlattice transition barrier layer is formed between the barrier layer and the quantum well to generate a mini band of holes at a portion where a spike is formed, thereby promoting hole transport. It is. FIG. 10D shows an example of a structure in which a spike at the valence band edge is suppressed by forming a low-doped transition barrier layer that is lower doped than the barrier layer between the barrier layer and the quantum well. . In this structure, a potential convex portion is generated on the conduction band end side, but electrons do not hinder electron transport because the effective mass of an electron is about one digit smaller than that of a hole. By adopting such a structure, the operation of the present invention is further promoted, and the optical gain coefficient and the differential gain coefficient of each quantum well in the MQW are realized to achieve the LD, SLD and SOA.
Etc. can be fully exploited.
【0042】[0042]
【発明の効果】本発明の多重量子井戸半導体素子は、量
子井戸層をn型導伝性とする物質を不純物として、量子
井戸層のみ、もしくは、主に量子井戸層にドーピングす
ることとしたから、量子井戸と障壁層との間の実効的な
価電子帯側ヘテロ障壁高さを低減し、各量子井戸へのホ
ールおよび電子注入の不均一が抑制された多重量子井戸
半導体素子を提供することができる。According to the multiple quantum well semiconductor device of the present invention, only the quantum well layer or mainly the quantum well layer is doped with a substance having an n-type conductivity for the quantum well layer as an impurity. To provide a multiple quantum well semiconductor device in which the effective valence band side hetero-barrier height between the quantum well and the barrier layer is reduced, and the nonuniformity of hole and electron injection into each quantum well is suppressed. Can be.
【0043】多重量子井戸半導体光素子について言え
ば、従来構造の MQWを有する LD 、SLD 、LED および S
OAなどの半導体光素子に比較して、光出力の向上や直接
変調周波数帯域の拡大、光学増幅利得の向上した半導体
光素子を提供することができる。本発明を MQW-LD に適
用した場合、MQW 内の量子井戸に注入されるキャリア密
度が均一化されるため、注入されるキャリア密度の増加
に対する、しきい注入電流の増加の割合が低下し、特
に、高出力動作における注入電流- 光出力特性の線形性
が向上する。また、p 型変調ドープ構造に比較し光吸収
損失が低下するため、この構造に比べて光出力の向上が
可能となる。これに加え、量子井戸層数の多い MQW構造
においては、同一の注入電流で比較すると微分利得が高
い状態で動作が可能となり線幅増大係数の減少によるレ
ーザー発振線幅の狭窄化など LD の高性能化が実現でき
る。With respect to the multiple quantum well semiconductor optical device, LD, SLD, LED and S
As compared with semiconductor optical devices such as OA, it is possible to provide a semiconductor optical device with improved optical output, expanded direct modulation frequency band, and improved optical amplification gain. When the present invention is applied to MQW-LD, the carrier density injected into the quantum well in the MQW becomes uniform, so that the ratio of the increase of the threshold injection current to the increase of the injected carrier density decreases, In particular, the linearity of the injection current-optical output characteristics in the high output operation is improved. Further, since the light absorption loss is reduced as compared with the p-type modulation doped structure, the light output can be improved as compared with this structure. In addition, in the MQW structure with a large number of quantum well layers, operation can be performed with a high differential gain when compared with the same injection current. Higher performance can be realized.
【図1】本発明による、実効的な価電子帯側ヘテロ障壁
高さが低減される原理を表わす図である。FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of reducing the effective valence band side hetero-barrier height according to the present invention.
【図2】障壁層電子密度に依存する、実効的な価電子帯
側の実効的なヘテロ障壁高さと量子井戸内電子密度の関
係を表わす図である。FIG. 2 is a diagram showing a relationship between an effective hetero barrier height on an effective valence band side and an electron density in a quantum well depending on an electron density of a barrier layer.
【図3】障壁層電子密度と量子井戸内電子密度の関係に
おいて、顕著な効果を有する範囲を表わす図である。FIG. 3 is a diagram showing a range having a remarkable effect in a relationship between an electron density in a barrier layer and an electron density in a quantum well.
【図4】量子井戸内電子密度と伝導帯側および価電子帯
側の実効的なヘテロ障壁高さの関係を表わす図である。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the electron density in a quantum well and the effective hetero-barrier heights on the conduction band side and the valence band side.
【図5】本発明による実効的な価電子帯側ヘテロ障壁高
さの低減と、3 次元自由度を有する重いホールの MQW内
分布の偏りの緩和を表わす図である。FIG. 5 is a diagram showing the effective reduction of the valence band side hetero-barrier height and the mitigation of the bias of the distribution of heavy holes having three-dimensional degrees of freedom in the MQW according to the present invention.
【図6】本発明による実効的な価電子帯側ヘテロ障壁高
さの低減と、MQW 内の個別量子井戸に注入される電流を
表わす図である。FIG. 6 is a diagram showing the effective reduction of the valence band side hetero-barrier height according to the present invention and the current injected into the individual quantum well in the MQW.
【図7】本発明を適用した半導体レーザー素子の製作工
程を表わす図であり、(a)は多層構造半導体基板を、
(b)はメサ状ストライプが形成された基板を、(c)
は埋め込み結晶成長基板を、(d)はオーミック電極形
成基板をそれぞれ示す図である。FIGS. 7A and 7B are diagrams showing a manufacturing process of a semiconductor laser device to which the present invention is applied, wherein FIG.
(B) shows a substrate on which a mesa stripe is formed;
FIG. 3A is a diagram showing a buried crystal growth substrate, and FIG. 4D is a diagram showing an ohmic electrode formation substrate.
【図8】本発明の第1の実施の形態を説明するための図
であり、(a)はMQW 内の電子密度分布を、(b)は従
来構造のMQW のバンドギャッププロファイルを、(c)
は本発明でのMQW のバンドギャッププロファイルをそれ
ぞれ示す図である。8A and 8B are diagrams for explaining the first embodiment of the present invention, in which FIG. 8A shows an electron density distribution in an MQW, FIG. 8B shows a band gap profile of an MQW having a conventional structure, and FIG. )
FIG. 3 is a diagram showing a band gap profile of MQW in the present invention.
【図9】本発明の第2の実施の形態を説明するための図
であり、(a)はMQW 内の電子密度分布を、(b)は従
来構造のMQW のバンドギャッププロファイルを、(c)
は本発明でのMQW のバンドギャッププロファイルをそれ
ぞれ示す図である。9A and 9B are diagrams for explaining a second embodiment of the present invention, in which FIG. 9A shows an electron density distribution in an MQW, FIG. 9B shows a band gap profile of an MQW having a conventional structure, and FIG. )
FIG. 3 is a diagram showing a band gap profile of MQW in the present invention.
【図10】本発明における価電子帯端のスパイクを抑制
する構造の例を説明するための図であり、(a)はスパ
イク抑制構造を持たない場合のバンドギャッププロファ
イルを、(b)は遷移障壁層を設けてスパイク抑制構造
とした場合のバンドギャッププロファイルを、(c)は
超格子遷移障壁層を設けてスパイク抑制構造とした場合
のバンドギャッププロファイルを、(d)は低ドープ遷
移障壁層を設けてスパイク抑制構造とした場合のバンド
ギャッププロファイルをそれぞれ示す図である。10A and 10B are diagrams for explaining an example of a structure for suppressing spikes at the valence band edge in the present invention, wherein FIG. 10A shows a band gap profile without a spike suppression structure, and FIG. (C) shows the bandgap profile when the barrier layer is provided to form the spike suppressing structure, (c) shows the bandgap profile when the superlattice transition barrier layer is provided to form the spike suppressing structure, and (d) shows the lightly doped transition barrier layer. FIG. 9 is a diagram illustrating band gap profiles when a spike suppressing structure is provided by providing the same.
【図11】InP の導伝性とキャリア密度と抵抗率の関係
を表わす図である。FIG. 11 is a diagram illustrating a relationship among conductivity, carrier density, and resistivity of InP.
【図12】従来構造の MQW内における、3 次元自由度を
有する重いホール密度分布の偏りを表わす図である。FIG. 12 is a diagram showing a bias of a heavy hole density distribution having three-dimensional degrees of freedom in a conventional MQW.
【図13】従来技術であるp 型変調ドープによる、実効
的な価電子帯側ヘテロ障壁高さが低減される原理を表わ
す図である。FIG. 13 is a diagram showing the principle that the effective valence band side hetero-barrier height is reduced by p-type modulation doping in the prior art.
1 n型導伝性InP 基板 2 n型導伝性InP バッファー層 3 活性層 4 p型導伝性InP クラッド層 5 多層構造半導体基板 6 ストライプ状耐エチングマスク 7 メサ形成ストライプ基板 8 p型導伝性InP 第1埋め込み層 9 n型導伝性InP 第2埋め込み層 10 コンタクト層 11 埋め込み結晶成長基板 12 Au-Ge を蒸着してなるn側電極 13 Au-Zn を蒸着してなるp側電極 14 オーミック電極形成基板 REFERENCE SIGNS LIST 1 n-type conductive InP substrate 2 n-type conductive InP buffer layer 3 active layer 4 p-type conductive InP clad layer 5 multi-layered semiconductor substrate 6 striped etching resistant mask 7 mesa-formed striped substrate 8 p-type conductive InP first buried layer 9 n-type conductive InP second buried layer 10 contact layer 11 buried crystal growth substrate 12 n-side electrode deposited with Au-Ge 13 p-side electrode deposited with Au-Zn 14 ohmic Electrode forming substrate
Claims (3)
の導伝性を有する半導体クラッド層、半導体よりなる活
性層、第2の導伝性を有する半導体クラッド層および第
2の導伝性を有する半導体よりなるコンタクト層が順次
積層され、かつ、前記半導体基板表面および前記コンタ
クト層表面に、それぞれ電極が形成されて成るダブルヘ
テロ構造における、前記活性層が、前記第1の導伝性を
有するクラッド層に接して形成された、該第1の導伝性
を有するクラッド層よりバンドギャップの小さい半導体
よりなる分離閉じ込め層と、前記第2の導伝性を有する
クラッド層に接して形成された、該第2の導伝性を有す
るクラッド層よりバンドギャップの小さい半導体よりな
る分離閉じ込め層との間に、量子井戸層と障壁層が交互
に積層され、かつ、該量子井戸層が2層以上である層構
成から成る多重量子井戸半導体素子において、前記量子
井戸層を n型導伝性とする物質を不純物として前記量子
井戸層のみ、もしくは、主に前記量子井戸層にドーピン
グすることを特徴とする多重量子井戸半導体素子。A first conductive substrate having a first conductivity;
A semiconductor clad layer having a conductive property, an active layer made of a semiconductor, a semiconductor clad layer having a second conductive property, and a contact layer made of a semiconductor having a second conductive property, and The first conductive layer, wherein the active layer is formed in contact with the first conductive clad layer in a double hetero structure in which electrodes are formed on a substrate surface and the contact layer surface, respectively. A separation confinement layer made of a semiconductor having a smaller band gap than the cladding layer having conductivity, and a band gap formed between the cladding layer having the second conductivity formed in contact with the cladding layer having the second conductivity. A quantum well layer and a barrier layer are alternately stacked between a separation confinement layer made of a semiconductor having a small size and a quantum well layer having a layer configuration in which the quantum well layer is two or more layers. In well semiconductor device, wherein a quantum well layer and the quantum well layer material as an impurity to n Katashirube Den resistance only, or multiple quantum well semiconductor device characterized by mainly doping the quantum well layer.
不純物として前記量子井戸層のみ、もしくは、主に前記
量子井戸層にドーピングすることにより得られる前記量
子井戸層内の電子密度が少なくとも前記障壁層の電子密
度の 2.3倍以上となることを特徴とする請求項1記載の
多重量子井戸半導体素子。2. An electron density in the quantum well layer obtained by doping only the quantum well layer or mainly by doping the quantum well layer with a substance that makes the quantum well layer have n-type conductivity. 2. The multiple quantum well semiconductor device according to claim 1, wherein is equal to or more than 2.3 times the electron density of the barrier layer.
m- 3 から 3 ×1024 m- 3 の間にあることを特徴とす
る請求項2記載の多重量子井戸半導体素子。3. The electron density in said quantum well layer is 1 × 10 24
3. The multiple quantum well semiconductor device according to claim 2, wherein the value is between m- 3 and 3 * 10 < 24 > m < -3 >.
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- 2001-06-11 JP JP2001176363A patent/JP2002368342A/en active Pending
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