JPH0432287A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【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
デ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（ＴＴＧｔｚ−ザ、ｔｕｎａｂｌｅ
　ｔｗｉｎ−ｇｕｉｄｅ　１ａｓｅｒ）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１３５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（ＳｌＭ
ｕｒａｔａ　ｅｔ　ａｌ、、　Ｂｌｅｃｔｒｏｎ、Ｌｅ
ｔｔ、、　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１ｎＰ基板１上にはｐ形１ｎＰバッファ層２が一形
成され、さらに、ＩｎＧａＡｓＰ変調層３、ｎ形１ｎＰ
分離層４、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５およびｐ形１ｎＰク
ラッド層６がメサ形に形成される。このメサ形の構造は
、ｎ形１ｎＰ埋め込み層７により埋め込まれる。

クラッド層６はｐ形１ｎＧａＡｓ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１ｎＧａＡ
ｓ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１１１２の間はＳｉ口
、絶縁層ｌＯ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、「チニーナブル・ツインガイド・レー
ザニア・ノーベル・レーザ・ダイオード・ウィズ・イン
ブルーブト・チニーニング・パフォーマンス」アプライ
ド・フィツクス・レターズ第５４巻第２５号、１９８９
年６月１９日（Ｍ、Ｃ，＾ｍａｎｎ。

Ｓ、ｌ１ｌｅｋ、　　Ｃ，５ｃｈａｎｅｎ　　ａｎｄ　
　Ｍ、Ｔｈｕｌｋｅ、　”Ｔｕｎａｂｌｅｔｗｉｎ−ｇ
ｕｉｄｅ　１ａｓｅｒ　：＾ｎｏｖｅｌ　１ａｓｅｒ　
ｄｉｏｄｅ　ｗｉｔｈｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｕｎｉｎｇ
　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ″Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　
Ｌｅｔｔ。

５４（２５）、　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ｎｐ
ｎ構造を形成する第二のｐｎ構造を備え、この第二のｐ
ｎ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１ｎＰ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１ｎＰ層と、ｎ形１ｎＰ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１ｎＰ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１ｎＧａＡｓ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１ｎＧａＡ
ｓ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
５ＩＯ７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く発振波長が
短い）方の活性層５−１または５−２に流す電流をＩＩ
、バンドギャップエネルギに相当する波長をλ９．とし
、他方の活性層５−２または５−１に流す電流を１２％
波長をλ９２とする。このとき、Ｉ、＜Ｉ２のときには
、第３図（ａ）に示すように、波長λ９１よりも波長λ
９２に近い側で光利得ピークが得られる。また、Ｉ、＝
１．のときには、第３図（ｂ）に示すように、波長λ９
Ｉとλ、２とのほぼ中間の波長で光利得ピークが得られ
る。さらに、１１＞１２のときには、第３図（Ｃ）に示
すように、波長λ、１付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、ファブリベ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１ｎＰの基板１
に、ｐ形１ｎＰとｎ形１ｎＰ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（ハ）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５１０２膜を堆積さ
せ、ホトエツチング法により、ストライプ状の窓が設け
られたＳｉｎ、マスク２４を形成する。続いて、この５
１０２マスク２４を用いてＩｎ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、ＳｌＯ□マスク２４を取り除いてから、第４図
（Ｃ）に示すように、ｎ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、ＩｎＧａ・
ＡｓＰやＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａ　ＡｓＰの量子井戸を
用いる。

クラッド層６を成長させた後、５ｉｎ２マスクを用いて
ホトエツチングを行い、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Ｓｉｎ。

マスクを選択エピタキシャルマスクとして用い、第４図
（６）に示すように、ｎ形１ｎＰ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１ｎＧａＡｓコンタクト層８、ｎ形１ｎＧａＡｓコ
ンタクト層９をそれぞれ成長させる。これに続き、Ｓｉ
ｎ、を堆積させ、ホトエツ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１
１として例えばＡｕ／Ｃｒ　Ｓｎ形側の電極１２として
例えばＡｕＧｅＮ　ｉ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
襞間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１．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、５１０２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、ｎ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２
２′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。 ■・・・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・・・Ｓｉｎ
、マスク。 特許出願人　光計測技術開発株式会社２・−１代理人　
弁理士　井　出　直　孝 第−実施例　断面図 第２図 兜 回 （ｄ） 第 図 第二実施例 第５図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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
   た 半導体発光素子において、 前記二つの半導体層の一方の側の同一導波構造内に、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く前記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 ことを特徴とする半導体発光素子。