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JP2556296B2 - Semiconductor quantum wire laser - Google Patents
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JP2556296B2 - Semiconductor quantum wire laser - Google Patents

Semiconductor quantum wire laser

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JP2556296B2
JP2556296B2 JP6129984A JP12998494A JP2556296B2 JP 2556296 B2 JP2556296 B2 JP 2556296B2 JP 6129984 A JP6129984 A JP 6129984A JP 12998494 A JP12998494 A JP 12998494A JP 2556296 B2 JP2556296 B2 JP 2556296B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体量子細線レーザ
ーに関し、特に、量子細線を活性層とする半導体量子細
線レーザーの構造に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor quantum wire laser, and more particularly to a structure of a semiconductor quantum wire laser having a quantum wire as an active layer.

【0002】[0002]

【従来の技術】しきい電流密度の小さい半導体レーザー
構造を実現することは、光集積回路を開発するうえで、
必要な条件の1つである。しきい電流密度の小さい半導
体レーザー構造としては、量子井戸を活性層とした半導
体量子井戸レーザー構造が用いられている。例えば、ツ
ァング(W.T.Tsang)他は、アプライド フィ
ジックス レターズ(Applied Physics
Letters),vol.39,1981,p.7
86に、半導体量子細線レーザー構造において、しきい
電流密度が、従来のダブルヘテロ半導体レーザーより小
さくなることを報告している。さらに、近年、活性層に
歪み量子井戸を用いることによって、量子井戸レーザー
のしきい電流密度がさらに小さくなることがわかり、例
えば、チェン(T.R.Chen)他は、エル・イー・
オー・エス(LEOS)1991年コンファレンス ダ
イジェスト(Conference Digest),
paper SDL16.6に、活性層に歪み量子井戸
を用いたレーザー構造で、しきい電流密度がさらに小さ
い半導体レーザー構造を実現したことを報告している。
2. Description of the Related Art Achieving a semiconductor laser structure having a small threshold current density is important in developing an optical integrated circuit.
This is one of the necessary conditions. As a semiconductor laser structure having a low threshold current density, a semiconductor quantum well laser structure having a quantum well as an active layer is used. For example, Tang (WT Tsang) et al. Applied Physics Letters (Applied Physics)
Letters), vol. 39, 1981, p. 7
86, it is reported that the threshold current density in the semiconductor quantum wire laser structure is smaller than that of the conventional double hetero semiconductor laser. Furthermore, in recent years, it has been found that the threshold current density of a quantum well laser can be further reduced by using a strained quantum well in the active layer. For example, TR Chen et al.
LEOS 1991 Conference Digest,
In paper SDL16.6, it is reported that a laser structure using a strained quantum well in the active layer has realized a semiconductor laser structure having a smaller threshold current density.

【0003】活性層を量子細線にした半導体量子細線レ
ーザーでは、従来の量子井戸レーザーより、理論的に
は、さらにしきい電流密度が小さくなることが、浅田
(M.Asada)他によって、アイ・イー・イー・イ
ー ジャーナル オブ クァンタム エレクトロニクス
(IEEE Journal of Quantum
Electronics),vol.QE−22,19
86,p.1915に報告されている。実験的には、こ
れまでにいくつかの量子細線レーザーの作製が報告され
ている。例えば、カポン(E.Kapon)他は、フィ
ジカル レビューレターズ(Physical Rev
iew Letters),vol.63,1989,
p.430に、パターニングされた(100)基板上に
<110>方向を向いた量子細線を有する量子細線レー
ザーでのレーザー特性を報告している。この例のよう
に、これまで報告されている量子細線レーザー構造はす
べて<110>方向を向く量子細線を活性層とするもの
である。
In a semiconductor quantum wire laser having a quantum wire as an active layer, the threshold current density is theoretically smaller than that of a conventional quantum well laser, according to M. Asada et al. EE Journal of Quantum Electronics (IEEE Journal of Quantum
Electronics), vol. QE-22,19
86, p. 1915. Experimentally, the fabrication of several quantum wire lasers has been reported so far. For example, E. Kapon et al., Physical Review Letters (Physical Rev)
new Letters), vol. 63, 1989,
p. In 430, the laser characteristics of a quantum wire laser having quantum wires oriented in the <110> direction on a patterned (100) substrate are reported. As in this example, all quantum wire laser structures reported so far use a quantum wire oriented in the <110> direction as an active layer.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】上記の<110>方向
を向く量子細線を活性層とする量子細線レーザーでは、
現在までのところ、従来の量子井戸レーザーより小さな
しきい電流密度を示すものは報告されていない。これ
は、<110>方向を向く量子細線において、レーザー
発振に関与する、量子細線方向に電場成分をもつ直線偏
光の光を出す光学遷移確率が、価電子帯の異方性の効果
によって小さくなっていることが原因の1つになってい
る。
DISCLOSURE OF THE INVENTION Problems to be Solved by the Invention In the quantum wire laser using a quantum wire oriented in the <110> direction as an active layer,
So far, no one has reported a threshold current density smaller than that of the conventional quantum well laser. This is because, in a quantum wire oriented in the <110> direction, the optical transition probability of emitting linearly polarized light having an electric field component in the quantum wire direction, which is involved in laser oscillation, becomes small due to the effect of the anisotropy of the valence band. This is one of the causes.

【0005】本発明は、このような従来の事情に対処し
てなされたもので、小さなしきい電密度をもつ半導体量
子細線レーザー構造を提供することを目的としている。
The present invention has been made in consideration of such conventional circumstances, and an object thereof is to provide a semiconductor quantum wire laser structure having a small threshold electric density.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明は、量子細線を活
性層とする半導体量子細線レーザー構造において、<0
01>方向または<001>方向から任意の方向に5度
以内の角度傾いた方向に量子細線構造を作製することを
特徴とする半導体量子細線レーザー構造である。
The present invention provides a semiconductor quantum wire laser structure having a quantum wire as an active layer, wherein <0.
The semiconductor quantum wire laser structure is characterized in that a quantum wire structure is produced in a direction tilted within 5 degrees in an arbitrary direction from the 01> direction or the <001> direction.

【0007】[0007]

【作用】本発明による量子細線レーザー構造が小さなし
きい電流密度をもつ理由を説明する。量子細線レーザー
では、量子細線方向に電場成分をもつ直線偏光がレーザ
ー発振する。量子細線がこの光を放出する光学遷移確率
が高いほど、このレーザー発振のしきい電流密度は小さ
くなる。反射の際の光の損失を少なくするためにキャビ
ティー面にへき開面である{110}面を用いる場合の
前述の光学遷移確率を、任意の方向を向く量子細線に対
して計算すると、価電子帯の異方性の効果によって、<
001>方向を向く量子細線がもっとも高い光学遷移確
率をもつことがわかった。また、<001>方向から任
意の方向に5°以内の角度傾いた方向を向く量子細線に
おいても光学的遷移確率は高い値を示し、<001>方
向を向く量子細線の光学的遷移確率の値から0.1%程
度以内減少するだけである。
The reason why the quantum wire laser structure according to the present invention has a small threshold current density will be explained. In a quantum wire laser, linearly polarized light having an electric field component in the quantum wire direction oscillates. The higher the optical transition probability that the quantum wire emits this light, the smaller the threshold current density of this lasing. Calculating the above-mentioned optical transition probability in the case of using a cleaved {110} surface for the cavity surface in order to reduce the loss of light at the time of reflection for a quantum wire oriented in any direction, Due to the effect of band anisotropy,
It was found that the quantum wire oriented in the 001> direction has the highest optical transition probability. The optical transition probability also shows a high value in a quantum wire oriented in a direction inclined by 5 ° or less from the <001> direction, and the value of the optical transition probability of the quantum wire oriented in the <001> direction. To 0.1% or less.

【0008】この効果により、本発明による量子細線レ
ーザー構造は従来のものより小さなしきい電流密度をも
つ。
Due to this effect, the quantum wire laser structure according to the present invention has a lower threshold current density than the conventional one.

【0009】[0009]

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
ながら詳細に説明する。ここでは、AlGaAs/Ga
As系による分離閉じ込め型量子細線レーザー構造に本
発明を適用した実施例について説明する。図1、2にレ
ーザー構造を示す。図2は従来の<110>方向を向く
量子細線を有する量子細線レーザーで、図1は本発明の
実施例である<001>方向を向く量子細線レーザー構
造である。試料の作製においては有機金属気相成長法
(MOCVD法)を用い、従来構造はnタイプ(00
1)GaAs基板11を、本実施例においてはnタイプ
(110)GaAs基板12を用いた。試料は、図1、
2いずれの場合においても、第一に、厚さ1.5μm の
nタイプAl0.45Ga0.55As層13を成長し、第二
に、GaAs量子細線14のもとになる厚さ20nmのノ
ンドープGaAs層が両側の厚さ20nmのノンドープA
0.3 Ga0.7 As層15に挟まれた構造のAl0.3
0.7As/GaAs量子井戸層を成長し、第三に、厚
さ1.5μm のpタイプAl0. 45Ga0.55As層16、
厚さ0.3μm のpタイプGaAs層17を順に成長
し、第四に、電子ビームリソグラフィーとドライエッチ
ングによって、100nm周期で幅20nmのストライプ状
の領域以外のp型領域及びノンドープ領域をエッチング
し、第五に、エッチングでできた溝を厚さ60nmのノン
ドープAl0.3 Ga0.7 As層15、厚さ1.5μm の
pタイプAl0.45Ga0.55As層16、厚さ0.3μm
のpタイプGaAs層17で順に埋め込むことによって
得られた。試料には20nm角のGaAs量子細線14が
形成され、電子ビームリソグラフィーによって、図2の
従来構造では量子細線は[110]方向を向き、本実施
例では[001]方向を向いている。いずれの試料にお
いても電流注入することによって、[1,−1,0]方
向を向くへき開面18をキャビティー面として、量子細
線方向に電場成分をもつ直線偏光がレーザー発振する。
この両者でレーザー発振のしきい電流密度を比較した結
果、本実施例は従来構造に比べて、約10%低いしきい
電流密度を得ることができた。
Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings.
While explaining in detail. Here, AlGaAs / Ga
A book on quantum confinement laser structure with As-system
An embodiment to which the invention is applied will be described. 1 and 2
Shows the user structure. Figure 2 faces the conventional <110> direction
A quantum wire laser having quantum wires is shown in FIG.
An example is a quantum wire laser structure that faces the <001> direction.
It is a construction. Metal-organic vapor phase epitaxy for sample preparation
(MOCVD method), the conventional structure is n type (00
1) The GaAs substrate 11 is an n type in this embodiment.
A (110) GaAs substrate 12 was used. The sample is shown in Figure 1.
In both cases, firstly, the thickness of 1.5 μm
n type Al0.45Ga0.55As layer 13 is grown and the second
In addition, the thickness of 20 nm that is the source of the GaAs quantum wires 14
Undoped GaAs layer is 20 nm thick on both sides of undoped A
l0.3Ga0.7Al with a structure sandwiched between As layers 150.3G
a0.7Growth of As / GaAs quantum well layer
1.5 μm p-type Al0. 45Ga0.55As layer 16,
A p-type GaAs layer 17 having a thickness of 0.3 μm is grown in order.
And fourth, electron beam lithography and dry etching.
Stripes with a cycle of 100 nm and a width of 20 nm
Etching p-type region and non-doped region other than
Fifthly, the groove formed by etching is made of
Doped Al0.3Ga0.7As layer 15, thickness of 1.5 μm
p type Al0.45Ga0.55As layer 16, thickness 0.3 μm
By sequentially embedding the p-type GaAs layer 17 in
Was obtained. The sample has a 20 nm square GaAs quantum wire 14.
Formed and by electron beam lithography of FIG.
In the conventional structure, the quantum wire faces the [110] direction,
In the example, the direction is [001]. Which sample
By injecting current, the [1, -1,0] direction
The cleaved surface 18 facing in the direction is used as the cavity surface, and
Linearly polarized light having an electric field component in the line direction lases.
The results of comparing the threshold current densities of laser oscillation with these two
As a result, the threshold of this example is about 10% lower than that of the conventional structure.
The current density could be obtained.

【0010】[0010]

【発明の効果】以上説明したように、本発明による半導
体量子細線レーザー構造は、<001>方向または<0
01>方向から任意の方向に5度以内の角度傾いた方向
に量子細線構造を作製することで、小さなしきい値電流
密度が得られるという効果がある。
As described above, the semiconductor quantum wire laser structure according to the present invention has a <001> direction or <0.
There is an effect that a small threshold current density can be obtained by manufacturing the quantum wire structure in a direction inclined at an angle of 5 degrees or less from the 01> direction.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】実施例に用いた半導体量子細線レーザー構造の
斜視概略図である。
FIG. 1 is a schematic perspective view of a semiconductor quantum wire laser structure used in an example.

【図2】従来の半導体量子細線レーザー構造の斜視概略
図である。
FIG. 2 is a schematic perspective view of a conventional semiconductor quantum wire laser structure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 nタイプ(001)GaAs基板 12 nタイプ(110)GaAs基板 13 nタイプAl0.45Ga0.55As層 14 GaAs量子細線 15 ノンドープAl0.3 Ga0.7 As層 16 pタイプAl0.45Ga0.55As層 17 pタイプGaAs層 18 [1,−1,0]方向を向くへき開面11 n type (001) GaAs substrate 12 n type (110) GaAs substrate 13 n type Al 0.45 Ga 0.55 As layer 14 GaAs quantum wire 15 undoped Al 0.3 Ga 0.7 As layer 16 p type Al 0.45 Ga 0.55 As layer 17 p type GaAs Layer 18 Cleaved surface facing the [1, -1,0] direction

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】量子細線を活性層とする半導体量子細線レ
ーザー構造において、<001>方向または<001>
方向から任意の方向に5度以内の角度傾いた方向に量子
細線構造を作製することを特徴とする半導体量子細線レ
ーザー。
1. In a semiconductor quantum wire laser structure having a quantum wire as an active layer, a <001> direction or a <001> direction.
A semiconductor quantum wire laser characterized by producing a quantum wire structure in a direction tilted at an angle of 5 degrees or less from any direction.
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