半导体激光器制造技术

本发明专利技术涉及在２μｍ波段振荡的高性能的半导体激光器。迄今，１．３μｍ至１．５５μｍ的波段的半导体激光器的开发正取得进展，但关于预期有很宽的利用技术领域的２μｍ的波段的半导体激光器的开发，还是不充分的。本发明专利技术的半导体激光器是在波长为２μｍ频带振荡的使用了ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ材料的压缩应变量子阱半导体激光器，它是以光封闭层的带隙Ｅｏｃｌ与量子阱层的基底能级间的发光转移能Ｅｗｅｌｌ的差ΔＥ是２７５－３００ｍｅＶ为特征的在２μｍ波段振荡的高性能的半导体激光器。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及压缩应变量子阱激光器，更详细地说，涉及使用了InGaAs/InGaAsP材料在波长为2μm的频带范围内振荡的半导体激光器。本说明书基于日本国的专利申请(特愿平9-252539号)，将该日本申请的记载内容作为本说明书的一部分而引入。
技术介绍
InGaAs/InGaAsP材料是半导体激光器的最重要的材料之一，特别是在有源层中具有量子阱的InGaAs/InGaAsP系列的半导体激光器作为1.3μm至1.55μm的波段的通信用光源已实现了实用化。以往，这种量子阱有源层是利用晶格匹配来形成的。近年来，希望提高激光器的各种特性及进一步改善特性的控制性，试验了不一定对有源层进行晶格匹配，而是通过作成压缩应变层来提高激光器的各种特性及改善特性的控制性。已报告了，通过使用高应变的量子阱，也可使InGaAs/InGaAsP系列的半导体激光器在2.0μm的波段附近振荡的情况(例如，S.Forouhar等，“在2μm波长振荡的InGaAs/InGaAsP/InP应变层量子阱激光器”，Electron.Lett.,Vol.28,pp.1431-1432,1992)。根据该文可知，InGaAs/InGaAsP系列的半导体激光器的应用范围不仅是迄今为止的光通信，而且可扩展到使用激光光谱测定的气体传感技术及eye-safe的激光测距计等。但是，现有的该材料系列中的半导体激光器的研究开发几乎都集中于1.3μm和1.55μm的波段，关于比1.6μm长的波长的激光器的设计，大都原封不动地使用1.3μm和1.55μm波长的激光器的设计指针，目前情况是，这方面的技术课题还不十分清楚。专利技术的公开本专利技术是鉴于以上的问题而进行的，其目的在于提供一种在波长为2μm的频带处振荡的高性能的半导体激光器。即，本专利技术的半导体激光器是在波长为2μm的频带范围振荡的使用了InGaAs/InGaAsP材料的压缩应变量子阱半导体激光器，其特征在于光封闭层的带隙(band gap)Eocl与量子阱层的基底能级间的发光转移能Ewell的差ΔE是275～300meV。附图的简单说明附图说明图1是示出与本专利技术有关的半导体激光器的结构的剖面图。图2是说明图1中示出的结构的半导体激光器的能带结构的概略图。图3是示出与本专利技术有关的实施例的半导体激光器的阱厚度与振荡波长的关系的图。图4是示出与本专利技术有关的实施例的半导体激光器的注入电流与光输出的关系的图。用于实施专利技术的最佳形态以下，参照附图详细地说明本专利技术。图1中示出使用了SCH(分离封闭异质结构)结构的、量子阱数为2个的情况下的量子阱半导体激光器元件的结构。该元件为在p-InP衬底1上依次层叠了下述层的结构p型缓冲层2(p-InP)、晶格匹配的光封闭层3(InGaAsP)、作为压缩应变层的量子阱层4(InxGa1－xAs)、晶格匹配的阻挡层5(InGaAsP)、量子阱层6(InxGa1－xAs)、晶格匹配的光封闭层7(InGaAsP)以及n型包层8(n-InP)。而且，如果将表示上述量子阱层4、6的In的组成比x定为0.53以上，则由于晶格常数大而产生压缩应变，由于膜厚较薄，故在层叠方向上发生膨胀。在图2中以能带结构示出图1的结构的元件。通过在有源层中使用压缩应变量子阱(量子阱层4、6)，促进电子(·)和空穴(。)的反转分布，在量子阱内成为反转分布的位于导带内的电子与位于价带内的空穴复合，发生激光。为了有效地使激光发生，将电子和空穴封闭在有源层(量子阱层4、6)中和光的封闭这两种封闭效应是重要的。光封闭结构的目的是通过增大光封闭系数来增大在有源层区域中的光增益。在SCH结构中，光封闭系数依赖于光封闭层3、7的厚度和组成波长(λg,ocl)或折射率，但在InGaAsP材料的情况下，一般来说，为了得到大的光封闭系数，希望光封闭层3、7为带隙Eocl(＝1.2398/λg,ocl)小的组成。此外，光封闭层3、7的带隙Eocl与量子阱层4、6的基底能级间的发光转移能Ewell的差越大，就越能有效地进行电子和空穴的封闭。一般来说，影响激光器特性的主要原因可举出(1)载流子的溢出(overflow)，(2)光封闭层内的光吸收损耗，(3)俄歇(Auger)损耗，(4)价带间转移(IVBA)等。电子的有效质量小，另一方面，空穴的有效质量大，故与空穴相比，电子的封闭需要高的势垒，(1)为了防止载流子的溢出，导带中的带偏移ΔEc是主要的参数，其值通常约为0.4×ΔEg。此外，通过应变量子阱的形成，将重空穴与轻空穴分离开，通过减小价带的态密度，谋求降低有源层中的(3)俄歇(Auger)损耗和(4)价带间转移的光吸收损耗。上述ΔE是光封闭层3、7的带隙Eocl与量子阱4、6的基底能级间的发光转移能Ewell的差(ΔE＝Eocl－Ewell)，在用于通信的波长1.5μm频带的应变量子阱中，通过尽可能增大ΔE，可防止(1)载流子的溢出和(2)光封闭层内的光吸收损耗，但如过大的话，光封闭效率就下降。如后面叙述的实施例的表2中所示，在波长1.5μm的频带的激光器中，上述能量差ΔE越大，外部微分效率越高，越能得到高输出。此外，特性温度T0也大，工作电流的温度依存性良好。在ΔE为165～353meV的宽的范围内可得到实用的激光器，在该波长范围内利用应变量子阱的效应发现良好的性能。但是，如果打算使InGaAs/InGaAsP系列半导体激光器在波长2.0μm的频带(大致波长约为1.9～2.1μm)处振荡，则首先必须增加量子阱的厚度，增大应变量，这样就在晶体生长方面存在问题。例如，由于预期随着应变量和阱宽度的增大，晶体膜的应力被缓和，难以得到高质量的应变量子阱，故多层量子阱结构是不理想的。此外，可考虑到，因为发光波长变长，预期俄歇损耗增大等，故不能得到很好的激光器性能。再有，由于量子阱宽度变宽，故不能过分期待价带的态密度的改善。因而，量子阱的结构及性能与波长不到1.6μm的频带的情况不同，是未知的领域。因此，在实现波长2.0μm的频带的半导体激光器时，怎样设定光封闭层3、7的带隙Eocl与量子阱的组成及能量差ΔE是主要的问题。一般来说，导带的带偏移ΔEc是主要的参数，在通常的波长1.5μm的频带的激光器中，Qc＝ΔEc/ΔEg＝0.4。但是，为了形成在2.0μm的频带振荡用的应变量子阱层，将InxGa1－xAs的In的组成比x定为约0.8，存在利用该x来改变Qc值的可能性。因此，一般考虑不能原封不动地应用0.4这样的数值，故在本专利技术中采用ΔE作为参数。即，本专利技术者主要搞清楚了Eocl和Ewell、及两者的差ΔE等对激光器特性的影响，实现了在2.0μm的频带处振荡的InGaAs/InGaAsP系列半导体激光器。本专利技术者在研究InGaAs/InGaAsP系列半导体激光器中的Eocl和能量差ΔE对激光器特性的影响时，为了使InGaAs/InGaAsP系列半导体激光器在2.0μm的频带处振荡，意外地发现了上述ΔE与外部微分效率和特性温度T0不是线性关系，而是存在最佳值。即，本专利技术的波长2.0μm的频带的使用了InGaAs/InGaAsP材料的压缩应变量子阱半导体激光器的特征在于光封闭层的带隙Eocl与量子阱层的基底能级间的发光转移能Ewell的差本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在波长为２μｍ频带振荡的使用了ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ材料的压缩应变量子阱半导体激光器，其特征在于：光封闭层的带隙Ｅｏｃｌ与量子阱层的基底能级间的发光转移能Ｅｗｅｌｌ的差ΔＥ是２７５～３００ｍｅＶ。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：董杰，松本功，
申请(专利权)人：日本酸素株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]