JP2933982B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

半導体発光素子

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザ光の発生に利用する。特に、半導体レ
ーザや半導体光増幅器における光利得スペクトルの制御
に関する。
〔概要〕
本発明は、pn構造を用いた半導体発光素子において、 互いにバンドギャップエネルギの異なる二つの活性層
をpnp構造またはnpn構造を用いて同一導波構造内に形成
することにより、 互いの光利得スペクトルの重ね合わせを利用して、半
導体発光素子の発振波長を可変に制御し、利得スペクト
ル幅を広げ、スペクトル形状を電気的に制御するもので
ある。
〔従来の技術〕
発振波長が可変の半導体レーザとしては、多電極形の
分布ブラッグ反射レーザ(DBRレーザ)や、pnp構造また
はnpn構造の二つのpn接合にそれぞれ活性層と変調層を
設けたもの(TTGレーザ、tunable twing−guide lase
r)が知られている。
第7図は従来例多電極分布ブラッグ反射レーザの例を
示す。
このレーザは、p型とn型との導電性が異なる二つの
半導体層131、134の間に光導波路層132が設けられ、光
導波路層132の一端の領域に活性層133が設けられ、光導
波路層132の他端には回折格子135が設けられた構造をも
つ。この素子の電極は三つの領域に分割して設けられ
る。第一の電極136は活性層133の領域に設けられ、レー
ザ発振に必要な電流を供給する。この領域を以下「発光
部」という。第二の電極137は、活性層133も回折格子13
5も設けられていない領域に形成される。この領域を以
下「位相調整部」という。また、第三の電極138は、回
折格子135の領域に設けられる。この領域を以下「波長
選択部」という。
この素子は垂直方向がすべてpn構造となっており、こ
のpn構造に流す電流により光導波路層132のキャリア密
度が変化し、これにより屈折率が変化する。このような
屈折率変化はプラズマ効果として知られている。
この素子構造は、例えば、ムラタ他、エレクトロニク
ス・レターズ、第23巻第403頁、1987年(S.Murata et a
l.,Electron.Lett.,Vol.23,pp.403,1987)に示されてい
る。
第8図はpnp構造の半導体レーザの基本的な構造を示
す断面図である。
p形InP基板1上にはp形InPバッファ層2が形成さ
れ、さらに、inGaAsP変調層3、n形InP分離層4、InGa
AsP活性層5およびp形InPクラド層6がメサ形に形成さ
れる。このメサ形の構造は、n形InP埋め込み層7によ
り埋め込まれる。クラッド層6はp形InGaAsコンタクト
層8を介して電極11に接続され、埋め込み層7はn形In
GaAsコンタクト層9を介して電極12に接続される。コン
タクト層8、9の間、および電極11、12の間はSiO2絶縁
層10により電気的に絶縁される。基板1の裏面には電極
13が設けられる。
電極11、12の間に電流を供給すると、その電流は、コ
ンタクト層8、クラッド層6、活性層5、埋め込み層7
およびコンタクト層9を経由して流れる。この電流値が
しきい値以上であれば、活性層5でレーザ発振が生じ
る。
また、電極13、12の間に電流を供給すると、その電流
は、基板1、バッファ層2、変調層3、分離層4、埋め
込み層7およびコンタクト層9を経由して流れる。この
電流により、変調層3のキャリア濃度が制御され、プラ
ズマ効果により屈折率や吸収係数が変化する。この変化
により、活性層5の発振強度、波長または位相を調整
し、さらにはレーザ発振光を直接変調できる。
このような半導体レーザの具体的な構造については、
例えば、アマン他、「チューナブル・ツインガイド・レ
ーザ:ア・ノーベル・レーザ・ダイオード・ウィズ・イ
ンプルーブド・チューニング・パフォーマンス」アプラ
イド・フィジクス・レターズ第54巻第25号、1989年6月
19日(M.C.Amann,S.Illek,C.Schanen and W.Thulke,“T
unable twin−guide laser:A novel laser diode with
improved tuning performance"Appl.Phys.Lett.54(2
5),19 June 1989)にも示されている。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来の半導体レーザは、波長可変を実現するために、
回折格子による共振器のフィルタ特性の変化を利用して
いる。このため、波長可変範囲が、一つの活性層におけ
る光利得スペクトルにより限定されていた。また、半導
体レーザ構造を用い、その端面に反射防止被膜を設けて
光増幅器として使用する場合に、光利得の得られる波長
が、活性層の光利得スペクトルにより限定されていた。
本発明は、以上の課題を解決し、光利得スペクトルを
変化させることによる波長可変の発光素子を提供すると
ともに、光利得スペクトル形状を制御できる半導体光増
幅器を提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の半導体発光素子は、互いに導電性が異なる二
つの半導体層を含む第一のpn構造を備え、この二つの半
導体層の間にはその二つの半導体層よりバンドギャップ
エネルギの小さい第一の活性層が形成された半導体発光
素子において、二つの半導体層の一方の側の同一導波構
造内に、第一のpn構造との間でpnp構造またはnpn構造を
形成する第二のpn構造を備え、この第二のpn構造のpn接
合部には、その両側の半導体層よりバンドギャップエネ
ルギが小さく第一の活性層とはバンドギャップエネルギ
が異なる第二の活性層が形成されたことを特徴とする。
〔作用〕
化合物半導体にpnpまたはnpnの層構造が得られるよう
に不純物を添加し、その二つのpn接合部に、それぞれバ
ンドギャップエネルギの小さい組成の活性層を設ける。
このとき、この二つの活性層のバンドギャップエネルギ
を互いにわずかに異なるものにする。これにより、それ
ぞれの活性層へキャリアを注入した場合の光利得スペク
トルを別々に制御できる。素子全体としての光利得スペ
クトルは、おおよそこの二つの光利得スペクトルの重ね
合わせとなるので、素子の光利得スペクトルを電気的に
制御できる。
〔実施例〕
第1図は本発明第一実施例半導体レーザの斜視図を示
し、第2図はそのA−A方向(導波方向を横切る方向)
の断面図を示す。この例は、本発明をpnp構造の半導体
レーザで実施したものである。
この半導体レーザは、互いに導電性が異なる二つの半
導体層を含む第一のpn構造として、p+型InP基板1、バ
ッファ層2、拡散層23およびp形層22からなるp形InP
層と、n形InP分離層4とを備え、この二つの半導体層
の間には、この二つの半導体層よりバンドギャップエネ
ルギの小さい第一の活性層5−1が形成される。
ここで本実施例の特徴とするところは、分離層4側
に、第一のpn構造との間でpnp構造またはnpn構造を形成
する第二のpn構造としてn形の分離層4に対してp形In
Pクラッド層6を備え、この第二のpn構造のpn接合部に
は、その両側の半導体層よりバンドギャップエネルギが
小さくかつ第一の活性層5−1とはバンドギャップエネ
ルギが異なる第二の活性層5−2が形成されたことにあ
る。
p形層22の一部、活性層5−1、分離層4、活性層5
−2およびクラッド層6はメサ構造を構成する。このメ
サ構造は埋め込み層7により埋め込まれる。
クラッド層6はp形InGaAsコンタクト層8を介して電
極11に接続され、埋め込み層7はn形InGaAsコンタクト
層9を介して電極12に接続される。コンタクト層8、9
の間、および電極11、12の間はSiO2絶縁層10により電気
的に絶縁される。基板1の裏面には電極13が設けられ
る。
活性層5−1でレーザ発振させるには、電極13から基
板1、バッファ層2、活性層5−1、分離層4、埋め込
み層7およびコンタクト層9を経由して電極12に電流を
供給し、この活性層5−1にキャリアを注入する。ま
た、活性層5−2でレーザ発振させるには、電極11から
コンタクト層8、クラッド層6、活性層5−2、埋め込
み層7およびコンタクト層9を経由して電極12に電流を
供給し、この活性層5−2にキャリアを注入する。
第3図は光利得スペクトルの変化を示す。
活性層5−1と活性層5−2とのバンドギャップが異
なるので、素子全体の光利得は、それぞれに供給する電
流とその大小関係とにより決定される。
ここで、バンドギャップエネルギの大きい(発振波長
が短い)方の活性層5−1または5−2に流す電流を
I1、バンドギャップエネルギに相当する波長をλg1
し、他方の活性層5−2または5−1に流す電流をI2
波長をλg2とする。このとき、I1<I2のときには、第3
図(a)に示すように、波長λg1よりも波長λg2に近い
側で光利得ピークが得られる。また、I1=I2のときに
は、第3図(b)に示すように、波長λg1とλg2とのほ
ぼ中間の波長で光利得ピークが得られる。さらに、I1
I2のときには、第3図(c)に示すように、波長λg1
近またはそれより短い側で光利得ピークが得られる。
すなわち、活性層5−1、5−2への注入電流の割合
を連続的に変化させると、光利得のピーク波長を変化さ
せることができ、ファブリペロー形のレーザの発振中心
波長を可変に制御できる。また、二つの活性層5−1、
5−2のバンドギャップ波長を適当に選択することによ
り、素子全体としての光利得幅を広くでき、可変波長レ
ーザの光源としても有用である。
ただし、厳密には、短波長側の活性層の光利得は、長
波長側の活性層の光吸収のため、素子全体の光利得への
寄与は少し小さくなる。
長波長側の活性層による光吸収を削減するには、二つ
の活性層5−1、5−2を量子井戸構造で作成し、井戸
のバンドギャップ波長や厚さを変えることにより、実効
的に活性層の遷移エネルギをずらす。これにより、遷移
エネルギの小さい(波長の長い)側の活性層による光吸
収を小さく設定できる。
第4図はこの半導体レーザの製造方法を示す。
まず、第4図(a)に示すように、p形InPの基板1
に、p形InPとn形InPとをこの順に成長させ、バッファ
層2およびn形層21を形成する。
次に、第4図(b)に示すように、プラズマCVDその
他の方法によりn形層21の表面にSiO2膜を堆積させ、ホ
トエッチング法により、ストライプ状の窓が設けられた
SiO2マスク24を形成する。続いて、このSiO2マスク24を
用いてZnその他のp形不純物を拡散させ、拡散層23を形
成する。
この後、SiO2マスク24を取り除いてから、第4図
(c)に示すように、p形層22、活性層5−1、分離層
4、活性層5−2およびクラッド層6をこの順序で成長
させる。活性層5−1、5−2としては、InGaAsPやInG
aAs/InGa AsPの量子井戸を用いる。
クラッド層6を成長させた後、SiO2マスクを用いてホ
トエッチングを行い、下側の活性層5−1より深い位置
までメサ加工する。さらに、同じSiO2マスクを選択エピ
タキシャルマスクとして用い、第4図(d)に示すよう
に、n形InPの埋め込み層7を形成する。
同様な選択エピタキシャル成長方法により、クラッド
層6と埋め込み層7の上部に、接触抵抗を低減するため
のp形InGaAsコンタクト層8、n形InGaAsコンタクト層
9をそれぞれ成長させる。これに続き、SiO2を堆積さ
せ、ホトエッチングにより電極部分に窓を開けて絶縁層
10を形成する。さらに、p形側の電極11として例えばAu
/Cr、n形側の電極12として例えばAuGeNiをリフトオフ
法その他の方法により形成する。さらに、基板1の裏面
にもAu/Crの電極13を形成し、アロイングのための熱処
理を施す。これにより、第4図(e)示した構造が得ら
れる。これを劈開してレーザチップが得られる。
この実施例は、導波路端面に無反射被膜を設けること
により、進行波形の光増幅器として使用できる。このと
き、活性層5−1、5−2への注入電流により、光の利
得スペクトルを可変に制御できる。
第5図および第6図は本発明第二実施例の可変波長分
布ブラッグ反射レーザを示す断面図であり、第5図は導
波路方向に沿った断面図、第6図は発光領域における導
波路方向を横切る方向の断面図である。
電極11は発光部、位相調整部および波長選択部の三つ
の領域に対応して三つに分割され、SiO2絶縁層10′によ
り互いに電気的に絶縁される。電極12は発光部にのみ設
けられる。
発光部には、第一実施例と同等の構造が設けられる。
ただし、p形層22内にInGaAsPガイド層22′が設けられ
たことが第一実施例と異なる。このガイド層22′は素子
の全長にわたり設けられる。活性層5−1、5−2およ
び分離層4は発光部だけに設けられる。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明の半導体光学素子は、二
つの活性層に注入する電流により、光利得のピーク波長
を制御でき、発光または発振波長を変化させることがで
きる効果がある。また、光増幅器として使用した場合に
は、光利得スペクトルを可変に制御できる効果がある。
さらに、光利得スペクトルが広いレーザ光源が得られる
効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明第一実施例半導体レーザの斜視図。 第2図は第1図のA−A断面図。 第3図は光利得スペクトルの変化を示す図。 第4図は第一実施例の製造方法を示す図。 第5図は本発明第二実施例可変波長分布ブラッグ反射レ
ーザの導波路方向における断面図。 第6図は第二実施例の発光部における導波路方向を横切
る方向の断面図。 第7図は従来例多電極分布ブラッグ反射レーザの例の断
面図。 第8図は従来例TTGレーザの基本的な構造を示す図。 1……基板、2……バッファ層、3……変調層、4……
分離層、5−1、5−2……活性層、6……クラッド
層、7……埋め込み層、8、9……コンタクト層、10、
10′……絶縁層、11〜13……電極、21……n形層、22…
…p形層、22′……ガイド層、23……拡散層、24……Si
O2マスク。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】互いに導電性が異なる二つの半導体層を含
    む第一のpn構造を備え、 前記二つの半導体層の間にはその二つの半導体層よりバ
    ンドギャップエネルギの小さい第一の活性層が形成さ
    れ、 前記二つの半導体層の一方の側には前記第一のpn構造と
    の間でpnp構造またはnpn構造を形成する第二のpn構造を
    備え、 この第二のpn構造のpn接合部には、その両側の半導体層
    よりバンドギャップエネルギが小さい第二の活性層が形
    成された 半導体発光素子において、 前記第一の活性層と前記第二の活性層とは、同一導波構
    造内に、互いにバンドギャップが異なって形成された ことを特徴とする半導体発光素子。
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