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Gebiet der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Halbleiter-Laservorrichtung
zur Verwendung bei der optischen Nachrichtenübertragung, und insbesondere eine
Halbleiter-Laservorrichtung, deren Lichtintensitätsverteilung asymmetrisch eingestellt
ist.
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Mit der Verbreitung öffentlicher
Netzwerke, die Lichtleitfasern verwenden, besteht zunehmend die
Notwendigkeit, große
Datenmengen zu niedrigen Kosten zu übertragen. Um einer solchen
Forderung gerecht zu werden, müssen
die öffentlichen
Netzwerke zu günstigen
Preisen verbessert werden, um die Menge an Daten zu erhöhen, die übertragen
werden kann. Dies erfordert die Entwicklung einer Halbleiter-Laservorrichtung,
die eine gute optische Anpassung an existierende Lichtleitfaser-Netzwerke
und einen hohen optischen Wirkungsgrad aufweist.
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15 ist
eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Halbleiter-Lasers.
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In der Figur bezeichnet die Bezugszahl 200 einen
Halbleiter-Laser, 202 ein p-leitendes InP-Substrat ("p-leitend" und "n-leitend" werden im folgenden kurz mit "p-" bzw. "n-" bezeichnet), 204 eine p-InP-Abdeckschicht
und 206 einen aktiven Bereich. Der aktive Bereich 206 umfasst:
eine aktive Schicht mit einer Mehrfach-Quantentopfstruktur, die
aus einer InGaAsP-Quantentopfschicht und einer InGaAsP-Barrierenschicht
aufgebaut ist, und InGaAsP-Lichtbarrierenschichten,
die über
und unter der aktiven Schicht angeordnet sind, so dass die aktive Schicht
zwischen ihnen angeordnet ist. Bezugszahl 208 bezeichnet
eine n-InP-Abdeckschicht, 210 eine InP-Stromblockierschicht, 212 eine
n-InP-Kontaktschicht, 214 eine n-Elektrode und 216 eine
p-Elektrode.
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Wenn bei dem Halbleiter-Laser 200 eine Spannung
zwischen der p-Elektrode 216 und der n-Elektrode 214 angelegt
ist, derart, dass die p-Elektrode auf einem positiven Potential
liegt, fließt
ein Strom tatsächlich
nur durch die aktive Schicht 206, so dass der Halbleiter-Laser 200 mit
niedrigem Strom betrieben und Licht aussenden kann. Da die Brechungsindices
der p-InP-Abdeckschichten 204 und 208 kleiner
sind als der der aktiven Schicht 206, ist das Licht hauptsächlich in
und um den aktiven Bereich 206 verteilt.
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16 ist
eine schematische Darstellung, die ein Nahfeldmuster eines herkömmlichen
Halbleiter-Lasers zeigt. In der Figur ist auf der vertikalen Achse
die Lichtintensität
und auf der horizontalen Achse der Abstand von der aktiven Schicht 206 aufgetragen.
Die gestrichelte Linie parallel zur horizontalen Achse zeigt 10%
des Höchstwertes
der Lichtintensität.
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In 16 ist
die Verteilung der Lichtintensität symmetrisch
bezüglich
des aktiven Bereichs 206 in der Mitte (die Verteilung der
Lichtintensität
auf der n-Seite ist gleich der auf der p-Seite). In dem in 16 gezeigten Beispiel betragen
die durch die Verteilungskurven der Lichtintensität definierten
Flächen
auf der n-Seite und auf der p-Seite jeweils 0,397. Die Kurve der
Verteilung der Lichtintensität
approximiert die horizontale Achse mit zunehmendem Abstand vom aktiven
Bereich 206. Die Lichtintensität wird praktisch gleich Null
an Stellen, die ungefähr
2,0 μm von
dem aktiven Bereich 206 in der Mitte entfernt sind.
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Im folgenden sind zwei herkömmliche
Techniken für
Halbleiter-Laser beschrieben.
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Eine wurde für Hochleistungs-Halbleiter-Laser
mit Doppel-Heterostruktur entwickelt, bei denen eine aktive Schicht
mit einer Mehrfach-Quantentopfstruktur zwischen einer n-AlGaAs-Lichtführungsschicht
und einer p-AlGaAs-Lichtführungsschicht
angeordnet ist, welche wiederum zwischen einer n-AlGaAs-Abdeckschicht
und einer p-AlGaAs-Abdeckschicht
angeorndet ist. Diese Schichten weisen unterschiedliche Materialzusammensetzungen
auf. Durch diese Anordnung wird die gesamte Verteilung der Brechung
zu der einen oder der anderen Seite der aktiven Schicht verschoben,
so dass der Höchstwert
der Verteilung der Lichtintensität
nicht mit der des elektrischen Stromes zusammenfällt, wodurch eine Verschlechterung
des Materials vermieden und die Zuverlässigkeit erhöht wird
(siehe zum Beispiel die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr.
Hei 11(1999)-243259, S. 6–9, 1-3).
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Die andere Technik wurde für Halbleiter-Laser
entwickelt, die als Anregungslichtquelle für Lichtleitfaserverstärker etc.
verwendet wurden. Bei den Halbleiter-Lasern, die diese Technik verwenden,
liegt eine aktive Schicht zwischen einer oberen und einer unteren
Führungsschicht,
die wiederum zwischen einer oberen und einer unteren Abdeckschicht
liegen. Darüber
hinaus sind Halbleiter-Schichten mit einem Brechungsindex unter
dem der Abdeckschichten jeweils zwischen der oberen Führungsschicht
und der unteren Führungsschicht
oder zwischen der unteren Führungsschicht
und der unteren Abdeckschicht eingefügt, wodurch ein Halbleiter-Laser
mit einem schmalen vertikalen Strahlwinkel (20° oder weniger) und einem stabilen
transversalen Mode erzeugt wird (siehe zum Beispiel die japanische
Offenlegungsschrift Nr. Hei 8(1996)-195529, S. 3–4, 3).
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Wenn der Halbleiter-Laser 200 Licht
aussendet, geht eine große
Lichtmenge durch Austritt in die p-InP-Abdeckschicht 204 und die n-InP-Abdeckschicht
208 verloren, da die aktive Schicht 206 eine dünne Schicht
ist. Allgmein gilt, dass, um ein großes Verhältnis von abgegebener Lichtleistung
zu elektrischem Strom (dh. Wirkungsgrad) bei einem Halbleiter-Laser
zu erhalten, ist es erforderlich, den Betrag des in den Bereichen
außerhalb
des aktiven Bereichs 204, insbesondere in der p-InP-Abdeckschicht 204, absorbierten
Lichts zu verringern.
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Ein Hauptfaktor, der zur Lichtabsorption
in dem p-Halbleiterbereich
beiträgt,
ist die beträchtliche Zwischenband-Absorption
in den mit Verunreinigungen injizierten p-Bereichen. Dieses Phänomen tritt nicht nur bei InP-artigen,
sondern auch bei AlGaAs-artigen Materialien auf. Jedoch wird das
Phänomen
deutlich im Fall von InP-artigen Materialien beobachtet.
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Um diese Phänomen zu steuern, verringern herkömmliche
Verfahren die Ladungsträgerdichte des
p-Haltleiterbereichs, zum Beispiel der p-InP-Abdeckschicht 204.
Jedoch tendiert der elektrische widerstand des p-Halbleiterbereichs
allgemein dazu, höher
zu sein, als der des n-Halbleiterbereichs, und eine Reduzierung
der Ladungsträgerkonzentration des
p-Halbleiterbereichs
erhöht
dessen elektrischen Widerstand, was das Problem einer Verringerung
der abgegebenen Lichtleistung aufgrund der Hitze nach sich zieht,
die produziert wird, wenn ein großer Strom fließt, d.h.
das Problem des Flankenabfalls (roll-off).
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Da sich Lichtleitfaser-Netzwerke
zunehmend Verbreitung gefunden haben, müssen darüber hinaus Halbleiter-Laser
nicht nur einen hohen Wirkungsgrad, sondern auch eine ausreichende
optische Anpassung an existierende optische Lichtleitfaser-Netzwerke
aufweisen. Daher müssen
Halblei ter-Laser ein Nahfeldmuster aufweisen, das sich von dem herkömmlicher
Halbleiter-Laser nicht stark unterscheidet.
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Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um
die oben genannten Probleme zu lösen.
Primäres Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Halbleiter-Laser
bereitzustellen, bei dem die abgegebene Lichtleistung selbst dann
nur gering reduziert ist, wenn ein großer Strom fließt, und
der einen hohen Wirkungsgrad sowie ein Nahfeldmuster aufweist, das
sich von dem herkömmlicher
Halbleiter-Laser nicht stark unterscheidet.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung wird eine Halbleiter-Laservorrichtung bereitgestellt,
die Folgendes umfasst: Ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps,
eine erste Abdeckschicht eines ersten Leitungstyps, die auf dem Halbleitersubstrat
angeordnet ist, eine aktive Schicht, die auf der ersten Abdeckungsschicht
angeordnet ist, eine zweite Abdeckschicht eines zweiten Leitungstyps,
die auf der aktiven Schicht angeordnet ist, und eine Halbleiterschicht
mit einer Dicke zwischen 0,05 μm
und 0,3 μm,
die an einer Position geschichtet ist, die näher an der aktiven Schicht
angeordnet ist als an einer Position, bei der eine Lichtintensität eines
Nahfeldmusters eines von der aktiven Schicht emittierten Laserlichts
im wesentlichen Null wird, wobei die Halbleiterschicht eine gewichtete
Mitte einer Verteilung einer Lichtintensität zu einer n-Seite hin verschiebt.
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Ein Lichtaustrittsverlust ist daher
zur Seite der n-Abdeckschicht
hin verschoben, ohne das Nahfeldmuster stark zu verändern, wodurch
sich eine verringerte Lichtabsorption in der Abdeckschicht des p-Typs
und ein erhöhter
Wirkungsgrad ergibt.
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Es ist daher möglich, einen Halbleiter-Laser bereitzustellen,
der einen hohen optischen Wirkungsgrad und selbst dann nur eine
geringe Verringerung der abgegebenen Lichtleistung aufweist, wenn
ein großer
Strom fließt,
und dessen Anpassung an Lichtleitfasern nicht stark von der herkömmlicher
Halbleiter-Laser verschieden ist.
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Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung
werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich.
Es sollte jedoch klar sein, dass die ausführliche Beschreibung bestimmter
Ausführungsformen,
die nur als Beispiel dienen, nicht einschränkend ist, und verschiedene Änderungen
und Modifikationen liegen innerhalb des durch die Ansprüche definierten
Umfangs, wie es für
den Fachmann aus der ausführlichen
Beschreibung ersichtlich ist.
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1 ist
eine Querschnittsansicht eines Halbleiter-Lasers gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine schematische Darstellung, die den aktiven Bereich des Halbleiter-Lasers
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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3 ist
ein Energieband-Diagramm, das die Energieband-Struktur des Halbleiter-Lasers
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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4 ist
eine schematische Darstellung, die Brechungsindices des Halbleiter-Lasers
gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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5 ist
eine schematische Darstellung, die ein Nahfeldmuster des Halbleiter-Lasers
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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6 ist
ein Schaubild, das die abgegebenen Lichtleistung und der Wirkungsgrad
des Halbleiter-Lasers gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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7 ist
eine Querschnittsanschicht einer Modifikation des Halbleiter-Lasers
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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8 ist
eine Querschnittsansicht eines Halbleiter-Lasers gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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9 ist
eine schematische Darstellung, die Brechungsindices des Halbleiter-Lasers
gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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10 ist
eine Querschnittsansicht einer Modifikation des Halbleiter-Lasers
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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11 ist
eine Querschnittsansicht eines Halbleiter-Lasers gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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12 ist
eine Querschnittsansicht einer Modifikation des Halbleiter-Lasers
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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13 ist
eine Querschnittsansicht eines Halbleiter-Lasers gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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14 ist
eine Querschnittsansicht einer Modifikation des Halbleiter-Lasers
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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15 ist
eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Halbleiter-Lasers.
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16 ist
eine schematische Darstellung, die ein Nahfeldmuster eines herkömmlichen
Halbleiter-Lasers zeigt.
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In allen Figuren sind im wesentlichen
gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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Die nachfolgende Beschreibung erläutert bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, die zum Beispiel InP-eingebettete Halbleiter-Laser
für das
Wellenlängenband
von 1,3 μm
bis 1,7 μm
verwendet, welches bei der optischen Nachrichtenübertragung verwendet wird.
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Erste Ausführungsform
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1 ist
eine Querschnittsansicht eines Halbleiter-Lasers gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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In der Figur bezeichnet die Bezugszahl 10 einen
Halbleiter-Laser. In 1 ist
die Richtung des Lichtwellenleiters des Halbleiter-Lasers 10 senkrecht zur
Zeichenebene. Bezugszahl 12 bezeichnet ein p-InP-Substrat,
das als das Halbleiter-Substrat verwendet wird, und 14 bezeichnet
eine p-InP-Abdeckschicht, die eine erste Abdeckschicht bildet, die
auf dem p-InP-Substrat 12 angeordnet ist. Die p-InP-Abdeckschicht 14 weist
einen Bandabstand von 1,35 eV, eine Schichtdicke von 1000 nm und
eine Ladungsträgerkonzentration
von 1 × 1018 cm–1 auf. Bezugszahl 16 bezeichnet
einen aktiven Bereich, der auf der p-InP-Abdeckschicht 14 angeordnet
ist.
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Bezugszahl 18 bezeichnet
eine n-InP-Abdeckschicht, die eine zweite Abdeckschicht bildet, welche
auf dem aktiven Bereich 16 angeordnet ist. Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst die n-InP-Abdeckschicht 18 zwei Schichten:
eine n-InP-Abdeckschicht 18a,
die an den aktiven Bereich 16 grenzt, und eine n-InP-Abdeckschicht 18b,
die auf der n-InP-Abdeckschicht 18a angeordnet
ist. Die n-InP-Abdeckschicht 18 hat
einen Bandabstand von 1,35 eV und eine Ladungsträgerkonzentration von 1 × 1018 cm–1 auf, und die Schichtdicke
der n-InP-Abdeckschicht 18a beträgt zum Beispiel 700 nm.
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Bezugszahl 20 bezeichnet
eine n-InGaAsP-Abdeckschicht, die eine zwischen die n-InP-Abdeckschichten 18a und 18b eingefügte Halbleiterschicht
ist. Die n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 besteht aus In0,8Ga0,
2As0,
44P0,56 und
weist einen Bandabstand von 1,03 eV, eine Schichtdicke von 100 nm
und eine Ladungsträgerkonzentration
von 1 × 1018 cm–1 auf.
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Ein Abschnitt 14a der p-InP-Abdeckschicht 14,
der aktive Bereich 16, die n-InP-Abdeckschicht 18a,
die n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 und
die n-InP-Abdeckschicht 18b sind in Form eines Stegs ausgebildet
und bilden zusammen einen Lichtwellenleitersteg 22.
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Eine InP-Schicht 24 ist
beidseits des Lichtwellenleiterstegs 22 angeordnet und
wirkt als eine Stromblockierschicht. Bezugszahl 26 bezeichnet eine
n-InP-Kontaktschicht,
die auf der n-InP-Abdeckschicht 18b und der InP-Schicht 24 angeordnet
ist. Bezugszahl 28 bezeichnet eine n-Elektrode, die auf der
n-InP-Kontaktschicht 26 angeordnet ist, während 30 eine
p-Elektrode bezeichnet, die auf der Rückseite des p-InP-Substrats 12 angeordnet
ist.
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2 ist
eine schematische Darstellung, die den aktiven Bereich des Halbleiter-Lasers
gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist
insbesondere eine Querschnittsansicht des aktiven Bereichs.
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In der Figur bezeichnet die Bezugszahl 16a eine
InGaAsP-Lichtbarrierenschicht, die eine erste Lichtbarrierenschicht
bildet, die an die p-InP-Abdeckschicht 14 grenzt.
Die InGaAsP-Lichtbarrierenschicht besteht aus undotierten In0,8Ga0,
2As0,
44P0,56 und
weist einen Bandabstand von 1,03 eV und eine Schichtdicke von 40
nm auf.
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Bezugszahl 16b bezeichnet
eine aktive Schicht, die auf der InGaAsP-Lichtbarrierenschicht 16a angeordnet
ist. Die aktive Schicht 16b weist eine Mehrfach-Quantentopfstruktur
auf, bei der eine Quantentopfschicht 16c und eine Barrierenschicht 16d abwechselnd
angeordnet sind. Die Quantentopfschicht 16c besteht aus
undotiertem In0,8Ga0,
2As0,
74P0,26 und hat einen Bandabstand von 0,77 eV
und eine Schichtdicke von 6,5 nm, während die Barrierenschicht 16d aus
undotiertem In0,71Ga0,
29As0,
48P0,52 besteht und einen Bandabstand von 1,03
eV und eine Schichtdicke von 9 nm hat.
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Bezugszahl 16e bezeichnet
eine InGaAsP-Lichtbarrierenschicht,
die eine zweite Lichtbarrierenschicht bildet, die auf der aktiven
Schicht 16b angeordnet ist. Die InGaAsP-Lichtbarrierenschicht 16e besteht
aus undotierten In0,8Ga0,
2As0,
44P0,56 und hat einen Bandabstand von 1,03 eV
und eine Schichtdicke von 40 nm.
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Gemäß der ersten Ausführungsform
umfasst die aktive Schicht 16 die InGaAsP-Lichtbarrierenschicht 16a,
die aktive Schicht 16b und die InGaAsP-Lichtbarrierenschicht 16e.
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Es sollte erwähnt werden, dass den p-Halbleiterschichten
eine Verunreinigung wie etwa Zn hinzugefügt ist, während den n-Halbleiterschichten
eine Verunreinigung wie etwa S hinzugefügt ist.
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3 ist
ein Energieband-Diagramm, das die Energiebandstruktur des Halbleiter-Lasers
gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Gemäß der ersten Ausführungsform
hat die n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 einen
Bandabstand von 1,03 eV, der gleich wie jene der InGaAsP-Lichtbarrierenschicht 16a,
der Barrierenschicht 16d und der InGaAsP-Lichtbarrierenschicht 16e ist.
Der Bandabstand der n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 muss jedoch
nicht notwendigerweise gleich wie diese Bandabstände sein.
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4 ist
eine schematische Darstellung, die Brechungsindices des Halbleiter-Lasers
gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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In der Figur haben die n-InP-Abdeckschichten 18 und 14 den
kleinsten Brechungsindex, während
die Quantentopfschicht 16c, die aus In0,8Ga0,
2As0,
74P0,26 besteht,
den größten Brechungsindex
hat. Darüber
hinaus ist gemäß der ersten
Ausführungsform
der Brechungsindex der n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 gleich
wie jene der InGaAsP-Lichtbarrierenschicht 16a,
der Barrierenschicht 16d und der InGaAsP-Lichtbarrierenschicht 16e.
Der Brechungsindex der n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 muss
jedoch nicht notwendigerweise gleich wie der Brechungsindex dieser
Schichten sein, sofern er größer als
der Brechungsindex der n-InP-Abdeckschicht 18 und kleiner
als die Quantentopfschicht 16c ist.
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Darüber hinaus ist gemäß der ersten
Ausführungsform
der Abstand L2 zwischen dem aktiven Bereich 16 und der
n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 gleich eingestellt
wie die Schichtdicke L2 der n-InP-Abdeckschicht 18, zum
Beispiel 700 nm, während
die Schichtdicke L1 der n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 auf 100 nm
eingestellt ist.
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5 ist
eine schematische Darstellung, die ein Nahfeldmuster des Halbleiter-Lasers
gemäß der ersten
Ausführungsform
der voriegenden Erfindung zeigt. In der Figur ist auf der vertikalen
Achse die Lichtintensität
und auf der horizontalen Achse die Entfernung von dem aktiven Bereich 16 aufgetragen. Die
gestrichelte Linie parallel zu der horizontalen Achse bezeichnet
10% des Höchstwertes
der Lichtintensität.
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In 5 ist
die Lichtintensität
in und um den aktiven Bereich 16 verteilt, der durch die
dicke schwarze vertikale Linie in der Mitte angegeben ist. Da jedoch
bei dem Halbleiter-Laser 10 die n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 so
angeordnet ist, dass sie zwischen den n-InP-Abdeckschichten 18a und 18b liegt,
ist die Lichtverteilung nicht symmetrisch um den aktiven Bereich 16.
Insbesondere nimmt die Lichtintensität in dem Bereich nahe dem n-seitigen
aktiven Bereich 16 mit zunehmendem Abstand von dem aktiven
Bereich 16 in der Mitte mit nahezu konstanter Rate ab.
Außerdem
hebt die n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 (angegeben durch den
schraffierten Bereich auf der n-Seite) die Kurve der Lichtintensität an. Dies
macht die Verteilung der Lichtintensität asymmetrisch und vergrößert die
Fläche,
die auf der n-Seite durch die Kurve der Lichtintensität gebildet
wird.
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In 5 nimmt
die Kurve der Lichtintensität ab
und nähert
sich dabei mit zunehmendem Abstand vom aktiven Bereich 16 der
horizontalen Achse. Auf der p-Seite wird die Lichtintensität im wesentichen Null
bei einem Abstand von ungefähr
1,5 μm bis
2,0 μm vom
aktiven Bereich. Auf der n-Seite
wird die Lichtintensität
im wesentichen Null bei einem Abstand von ungefähr 3 μm von dem aktiven Bereich, obwohl
sie nicht mit einer konstanten Rate abnimmt, da die n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 eingefügt ist.
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Die n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 ist
daher in die n-InP-Abdeckschicht 18 eingefügt, um das
gewichtete Mittel der Verteilung der Lichtintensität zur n-Seite
zu verschieben. Um eine ausreichende Verschiebung zu gewährleisten,
ist es jedoch erforderlich, die Position der n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 näher an die
aktive Schicht zu legen als die Position, bei der die Lichtintensität des Nahfeldmusters
des Laserlichts im wesentlichen Null wird. Vorzugsweise kann die
n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 an einer Position angeordnet
werden, die näher
an der aktiven Schicht liegt als die Position, an der die Lichtintensität auf 10%
des Höchstwertes
verringert ist. Da die Lichtintensität des Nahfeldmusters bei einem
Abstand von ungefähr
zwischen 1,5 μm
(1500 nm) und 2,0 μm
von dem aktiven Bereich 16 im wesentlichen Null wird, wird gemäß der ersten
Ausführungsform die
Summe aus L1 und L2 auf 1,5 μm
oder weniger, vorzugsweise zwischen 0,7 μm und 0,9 μm eingestellt.
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Andererseits ist die Schichtdicke
L1 der n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 auf
zwischen 0,05 μm
und 0,3 μm,
vorzugsweise zwischen 0,05 μm
und 0,2 μm (noch
besser auf etwa 0,1 μm)
eingestellt.
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Im folgenden ist kurz das Verfahren
zur Herstellung des Halbleiter-Lasers 10 beschrieben.
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Auf dem p-InP-Substrat 12 und
unter Verwendung des MOCVD-Verfahrens bildet das Herstellungsverfahren
nacheinander: die p-InP-Abdeckschicht 14, die InGaAsP-Lichtbarrierenschicht 16a, die
aktive Schicht 16b, die eine Mehrfach-Quantentopfstruktur
aufweist, in der die Quantentopfschicht 16c aus In0,8Ga0,
2As0,
74P0,26 und
die Barrierenschicht 16d aus In0,71Ga0,
29As0,
48P0,52 abwechselnd
angeordnet sind, die n-InP-Abdeckschicht 18a, die n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 und
die n-InP-Abdeckschicht 18b.
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Anschließend wird mit Hilfe eines gewöhnlichen
Fotolithografieverfahrens und einem chemischen Ätzverfahren der Lichtwellenleitersteg 22 gebildet,
der eine Breite von ungefähr
1 μm bis
2 μm aufweist
und sich in der Richtung des Wellenleiters erstreckt.
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Danach lässt man mit Hilfe des MOCVD-Verfahrens
oder dergleichen die InP-Schicht 24 aufwachsen, so dass
sie die Abschnitte um den Lichtwellenleitersteg 22 auffüllt, so
dass eine Stromblockierschicht gebildet wird.
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Anschließend, und vor dem kristallinen
Aufwachsen der n-InP-Kontaktschicht 26, werden die Oberflächen des
Lichtwellenleiterstegs 22 und der InP-Schicht 24 durch Ätzen abgeflacht.
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Zusätzlich wird die n-Elektrode 28 auf
der Vorderseite (oben) der n-InP-Kontaktschicht 26 gebildet,
und die p-Elektrode 30 wird
auf der Rückseite (unten)
des p-InP-Substrats 12 gebildet,
womit die Bildung des Halbleiter-Lasers 10 abgeschlossen
ist.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise
beschrieben.
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Wenn bei dem Halbleiter-Laser 10 eine Spannung
zwischen der p-Elektrode 30 und der n-Elektrode 28 angelegt
ist, so dass die p-Elektrode 30 auf positiven Potential
liegt, fließt
ein Strom durch den Lichtwellenleitersteg 22, da die InP-Schicht 24 eine
Stromblockierstruktur aufweist. Tatsächlich fließt der meiste Strom durch den
aktiven Bereich 16 in dem Lichtwellenleitersteg 22,
so dass der Halbleiter-Laser 10 bei niedrigem Strom betrieben
werden und Licht aussenden kann. Da die Brechungsindices der p-InP-Abdeckschicht 14 und
der n-InP-Abdeckschicht 18 kleiner sind als der Brechungsindex
des aktiven Bereichs 16, wird das Licht hauptsächlich in und
um den aktiven Bereich 16 verteilt.
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Da die n-InGaAsP-Schicht 20 zwischen
den n-InP-Abdeckschichten 18a und 18b angeordnet
ist, die in der n-InP-Abdeckschicht 18 des
Halbleiter-Lasers 10 enthalten sind, ist die Lichtverteilung
nicht symmetrisch um den aktiven Bereich 16 (die Lichtintensität auf der
n-Seite entspricht nicht der Lichtintensität auf der p-Seite). Insbesondere
nimmt die Lichtintensität
in dem Bereich auf der n-Seite nahe dem aktiven Bereich 16 mit
zunehmendem Abstand von dem aktiven Bereich 16 mit einer
nahezu konstanten Rate ab. Außerdem
hebt die n-InGaAs-Abdeckschicht 20 (angedeutet
durch den schraffierten Bereich auf der n-Seite) die Kurve der Lichtintensität an. Dadurch wird
die Verteilung der Lichtintensität
asymmetrisch und die die durch die Kurve der Lichtintensität auf der n-Seite
gebildete Fläche
größer.
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Bei dem in 16 gezeigten herkömmlichen Halbleiter-Laser ist die Verteilung
der Lichtintensität auf
der n-Seite gleich
der Verteilung auf der p-Seite, und das Verhältnis der durch die Kurve der
Lichtintensität
definierten Fläche
beträgt
auf jeder Seite 0,397. Bei dem in 5 gezeigten
Halbleiter-Laser 10 ist hingegen das Verhältnis der
von der Lichtverteilungskurve definierten Fläche auf der p-Seite auf 0,332
verringert, wodurch das Verhältnis
der durch die Kurve der Verteilung der Lichtintensität definierten
Fläche
auf der n-Seite um den gleichen Betrag vergrößert ist.
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Dies ist deshalb so, weil die n-InGaAsP-Abdeckschicht 20,
die einen Brechungsindex aufweist, der größer als der von InP und kleiner
als der der Quantentopfschicht 16c ist, zwischen die n-InP-Abdeckschichten 18a und 18b eingefügt ist,
wodurch der Mittelwert der Brechungsindices der Abdeckschichten
auf der n-Seite größer gemacht
wird als der der Abdeckschichten auf der p-Seite. Dies verschiebt das
gewichtete Mittel der Verteilung der Lichtintensität zu den
Abdeckschichten auf der n-Seite und zudem den Lichtaustrittsverlust
zur n-Seite, was einen verringerten Lichtaustrittsverlust und eine
verringerte Lichtabsorption auf der n-Seite bewirkt.
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Da der Lichtaustrittsverlust zur
n-Seite hin verschoben ist, ist es ferner notwendig, die Verunreinigungskonzentration
auf der p-Seite zu verringern, was keine Zunahme des elektrischen
Widerstandes aufgrund verringerter Verunreinigungskonzentration zur
Folge hat. Ein Flankenabfall der abgegebenen Lichtleistung aufgrund
einer Wärmeerzeugung
tritt somit nicht ein, so dass es möglich ist, die Lichtabsorption
zu verringern und dadurch die abgegebene Lichtleistung und den Wirkungsgrad
zu erhöhen.
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6 ist
ein Schaubild, das die abgegebene Lichtleistung und der Wirkungsgrad
des Halbleiter-Lasers gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt. 6 zeigt
zum Vergleich auch die abgegebene Lichtleistung und der Wirkungsgrad
eines Halbleiter-Lasers, der eine herkömmliche Struktur aufweist.
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In der Figur zeigen Kurven A1 und
A2 jeweils das Verhältnis
zwischen Strom If und Wirkungsgrad η, für den Halbleiter-Laser 10 bzw.
den herkömmlichen
Halbleiter-Laser.
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Die Kennlinien B1 und B2 zeigen indessen die
Beziehung zwischen dem Strom If und der
Ausgangsleistung P0 des Lasers an, für den Halbleiter-Laser 10 bzw.
den herkömmlichen
Halbleiter-Laser.
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Wie in 6 gezeigt
ist, sind die abgegebene Lichtleistung und der Wirkungsgrad des
Halbleiter-Lasers 10 größer oder
höher als
jene des herkömmlichen
Halbleiter-Lasers.
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Da gemäß der ersten Ausführungsform
die Schichtdicke der n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 nur 100
nm beträgt
und zudem ein ausreichender Abstand von 700 nm zwischen der n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 und
dem aktiven Bereich 16 vorgesehen ist, ist darüber hinaus
das Nahfeldmuster kaum verändert.
Dadurch kann eine optische Anpassung des Halbleiter-Lasers an Lichtleitfasern
gewährleistet werden,
die der bei herkömmlichen
Halbleiter-Lasern entspricht, wodurch eine gute Anpassung an existierende
Lichtleitfaser-Netzwerke
gegeben ist.
-
7 ist
eine Querschnittsansicht einer Modifikation des Halbleiter-Lasers
gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
In der Figur bezeichnet die Bezugszahl 36 einen
Halbleiter-Laser. Die Komponenten in dieser Figur, die gleich sind
wie die in 1 oder jenen
entsprechen, sind mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Dies gilt
auch für
die nachfolgenden Figuren.
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Bei dem Halbleiter-Laser 36 ist
die n-InP-Abdeckschicht 18 relativ dünn. In einem solchen Fall kann
die n-InP-Kontaktschicht 26 in
zwei Schichten geteilt sein: eine n-InP-Kontaktschicht 26a und
eine n-InP-Kontaktschicht 26b. Außerdem kann die n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 zwischen
diesen angeordnet sein.
-
In diesem Fall ist es darüber hinaus
erforderlich, die Position der n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 näher an die
aktive Schicht zu legen als die Position, bei der die Lichtintensität des Nahfeldmusters
des Laserlichts im wesentlichen Null wird. Vorzugsweise kann die
n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 an
eine Position gesetzt werden, die näher an der aktiven Schicht liegt
als die Position, bei der die Lichtintensität auf 10% der Höchstwertes
verringert ist.
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Da gemäß dieser Modifikation der ersten Ausführungsform
die Lichtintensität
des Nahfeldmusters in einem Abstand von ungefähr zwischen 1,5 μm (1500 nm)
und 2,0 μm
von dem aktiven Bereich 16 im wesentlichen Null wird, ist
die Summe aus L1 und L2 auf 1,5 μm
oder weniger, vorzugsweise auf zwischen 0,7 und 0,9 μm eingestellt.
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Die Anordnung der n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 in
dieser Weise erzeugt den gleichen Effekt wie der oben beschriebene
Effekt des Halbleiter-Lasers 10.
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Somit ist bei den oben beschriebenen
Halbleiter-Lasern der vorliegenden Ausführungsform, die ein p-InP-Substrat
verwenden, eine n-InGaAsP-Abdeckschicht mit einer Schichtdicke zwischen
0,05 μm und
0,3 μm (zum
Beispiel 100 nm) in eine n-InP-Abdeckschicht eingefügt. Durch
diese Anordnung wird der Durchschnittswert der Brechungsindices
der Abdeckschichten auf der n-Seite größer als der der Abdeckschichten
auf der p-Seite, wodurch das gewichtete Mittel der Verteilung der
Lichtintensität
zu den Abdeckschichten auf der n-Seite verschoben wird. Demzufolge
ist der Lichtaustrittsverlust ebenfalls zur n-Seite verschoben,
wodurch sich eine reduzierte Lichtabsorption auf der p-Seite ergibt.
-
Da der Lichtaustrittsverlust auf
der p-Seite verringert ist, ist es ferner nicht erforderlich, die
Verunreinigungskonzentration auf der p-Seite zu verringern, woraus
sich kein Anstieg des elektrischen Widerstandes aufgrund einer verringerten
Verunreinigungskonzentration ergibt.
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Daher tritt kein Flankenabfall der
abgegebenen Lichtleistung durch Wärmeerzeugung auf, so dass es
möglich
ist, die Lichtabsorption zu verringern und damit die abgegebene
Lichtleistung und den Wirkungsgrad zu erhöhen.
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Da die Einfügung der n-InGaAsP-Abdeckschicht
nur geringfügig
das Nahfeld-Muster verändert,
ist es darüber
hinaus möglich,
eine optische Anpassung der Halbleiter-Lasers an Lichtleitfasern zu gewährleisten,
die der bei herkömmlichen
Halbleiter-Lasern entspricht, so dass eine gute Anpassung an existierende
Lichtleitfaser-Netzwerke gegeben ist. Daher ist es möglich, einen
Halbleiter-Laser zur Nachrichtenübertragung
bereitzustellen, der einen hohen optischen Wirkungsgrad und eine
gute Anpassung an Lichtleitfasern aufweist.
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Zweite Ausführungsform
-
8 ist
eine Querschnittsansicht eines Halbleiter-Lasers gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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In der Figur bezeichnet die Bezugszahl 40 einen
Halbleiter-Laser. In 8 ist
die Richtung des Lichtwellenleiters des Halbleiter-Lasers 40 senkrecht zur
Zeichenebene. Bezugszahl 42 bezeichnet eine p-AlGaInAs-Abdeckschicht, die
als die Halbleiterschicht verwendet wird.
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Verwendet man ein p-InP-Substrat 12,
so ist der Halbleiter-Laser 40 im wesentlichen gleich aufgebaut
wie der Halbleiter-Laser 10 der ersten Ausführungsform.
während
jedoch der Halbleiter-Laser 10 so aufgebaut ist, dass die n-InGaAsP-Abdeckschicht 20,
die einen Brechungsindex aufweist, der höher als der der n-InP-Abdeckschicht 18 ist,
in die n-InP-Abdeckschicht 18 eingefügt ist, ist der Halbleiter-Laser 40 so
aufgebaut, dass eine p-AlGaInAs-Abdeckschicht,
die einen Brechungsindex aufweist, der niedriger als der der p-InP-Abdeckschicht 14 ist,
in die p-InP-Abdeckschicht 14 eingefügt ist.
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Bei dem Halbleiter-Laser 40 ist
eine p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 zwischen
die p-InP-Abdeckschichten 14d und 14 eingefügt.
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Darüber hinaus besteht der Lichtwellenleitersteg 22 aus
der n-InP-Abdeckschicht 18, dem aktiven Bereich 16,
der p-InP-Abdeckschicht 14d,
der p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 und einem Abschnitt der p-InP-Abdeckschicht 14c.
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Der p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 ist
Zn als Verunreinigung hinzugefügt,
und sie weist eine Schichtdicke (L4) von 100 nm und eine Ladungsträgerkonzentration
von 1 × 1018 cm–1 auf.
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9 ist
eine schematische Darstellung, die die Brechungsindices des Halbleiter-Lasers
gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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In der Figur ist der Brechungsindex
der p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 kleiner
als der der p-InP-Abdeckschicht 14. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform
ist der Abstand L3 zwischen der InGaAsP-Lichtbarrierenschicht 16a und
der p-AlGInAs-Abdeckschicht 42 gleich der Schichtdicke
der p-InP-Abdeckschicht 14d,
zum Beispiel 700 nm.
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Es ist notwendig, die Position der
p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 näher an die
aktive Schicht zu legen als die Position, bei der die Lichtintensität des Nahfeldmusters
des Laserlichts im wesentlichen Null wird.
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Vorzugsweise kann die p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 an
eine Position gesetzt werden, die näher an der aktiven Schicht
liegt als die Position, bei der die Lichtintensität auf 10%
des Höchstwertes
verringert ist.
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Da die Lichtintensität des Nahfeldmusters bei
einer Entfernung von ungefähr
zwischen 1,5 μm (1500
nm) und 2,0 μm
von der aktiven Schicht 16 im wesentlichen Null wird, ist
gemäß der zweiten
Ausführungsform
die Summe aus dem Abstand L3 zwischen der InGaAsP-Lichtbarrierenschicht 16a und der
p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 und der Schichtdicke L4 der
p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 auf 1,5 μm oder weniger, vorzugsweise
zwischen 0,7 μm
und 0,9 μm
eingestellt.
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Das Verfahren zu Herstellung des
Halbleiter-Lasers 40 ist ähnlich wie das Verfahren zur
Herstellung des Halbleiter-Lasers 10 der oben beschriebenen
ersten Ausführungsform.
Jedoch unterscheidet sich das Verfahren der zweiten Ausführungsform von
dem der ersten Ausführungsform
dahingehend, dass jede Schicht mit Hilfe des MOCVD-Verfahrens in
einer Reihenfolge gebildet wird, die sich von der Reihenfolge der
ersten Ausführungsform
unterscheidet, und anstelle der n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 wird
die p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 gebildet.
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Bei dem Halbleiter-Laser 40 ist
die p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42,
die einen Brechungsindex aufweist, der kleiner als der der p-InP-Abdeckschicht 14
ist, in die p-InP-Abdeckschicht 14 eingefügt. Daher
wird der Mittelwert der Brechungsindices der Abdeckschichten auf
der p-Seite kleiner als der der Abdeckschichten auf der n-Seite,
wodurch das gewichtete Mittel der Verteilung der Lichtintensität zu den Abdeckschichten
auf der n-Seite verschoben. Demzufolge ist auch der Lichtaustrittsverlust
zur n-Seite verschoben, woraus sich, wie bei der ersten Ausführungsform,
eine verringerte Lichtabsorption auf der p-Seite und ein erhöhter Wirkungsgrad
ergibt.
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Da das Einfügen der p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 nur
unwesentlich das Nahfeldmuster verändert, ist es darüber hinaus
möglich,
eine optische Anpassung des Halbleiter-Lasers an Lichtleitfasern zu gewährleisten,
die der bei herkömmlichen
Halbleiter-Lasern entspricht. Daraus folgt, dass es möglich ist,
einen Halbleiter-Laser zur Nachrichtenübertragung bereitzustellen,
der einen hohen optischen Wirkungsgrad und eine gute Anpassung an
Lichtleitfasern aufweist.
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10 ist
eine Querschnittsansicht einer Modifikation des Halbleiter-Lasers
gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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In der Figur bezeichnet die Bezugszahl 46 einen
Halbleiter-Laser. Bei dem Halbleiter-Laser 46 besteht der
Lichtwellenleitersteg 22 aus der n-InP-Abdeckschicht 18,
dem aktiven Bereich 16 und einem Abschnitt der p-InP-Abdeckschicht 14d.
Der Abschnitt der p-InP-Abdeckschicht 14d, der den optischen
Lichtleitersteg 22 bildet, ist vergleichsweise dünn. In einem
solchen Fall muss die p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 nicht
in den Lichtwellenleitersteg 22 eingefügt werden. Stattdessen kann
sie zwischen die p-InP-Abdeckschichten 14d und 14c eingefügt werden,
die in dem unteren Abschnitt des Lichtwellenleiterstegs 22 ausgebildet
sind.
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Es ist in diesem Fall ebenfalls notwendig,
die Position der n-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 näher an die
aktive Schicht zu legen als die Position, bei der die Lichtintensität des Nahfeldmusters
des Laserlichts im wesentlichen Null wird. Vorzugsweise kann die
n-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 an eine Position gesetzt werden,
die näher
an der aktiven Schicht liegt als die Position, bei der die Lichtintensität auf 10% der
Höchstwertes
verringert ist.
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Da die Lichtintensität des Nahfeldmusters bei
einem Abstand von ungefähr
zwischen 1,5 μm (1500
nm) und 2,0 μm
von dem aktiven Bereich 16 im wesentlichen Null wird, wird
gemäß dieser
Modifikation der zweiten Ausführungsform
die Summe aus dem Abstand L3 zwischen dem aktiven Bereich 16 und
der p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 und der Schichtdicke L4
der p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 auf 1,5 μm oder weniger,
vorzugsweise zwischen 0,7 μm
und 0,9 μm
eingestellt.
-
Somit erzeugt auch die Anordnung
der p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 zwischen
dem optischen Lichtleitersteg 22 und dem p-InP-Substrat 12 den gleichen
Effekt wie der oben beschriebene Halbleiter-Laser 40.
-
Somit ist bei den Halbleiter-Lasern
der oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsform, die ein p-InP-Substrat verwenden,
eine p-AlGaInAs-Abdeckschicht, die einen Brechungsindex aufweist,
der niedriger als der einer p-InP-Abdeckschicht ist, in die p-InP-Abdeckschicht
eingefügt.
Durch diese Anordnung wird der Mittelwert der Brechungsindices der Abdeckschichten
auf der p-Seite kleiner als der der Abdeckschichten auf der n-Seite,
wodurch das gewichtete Mittel der Verteilung der Lichtintensität zu den
Abdeckschichten auf der n-Seite verschoben wird. Demzufolge wird
auch der Lichtaustrittsverlust zur n-Seite verschoben, woraus sich
eine verringerte Lichtabsorption auf der p-Seite und ein erhöhter Wirkungsgrad
ergibt.
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Darüber hinaus ist es möglich, eine
optische Anpassung des Halbleiter-Lasers an Lichtleitfasern zu gewährleisten,
die der eines herkömmlichen
Halbleiter-Lasers entspricht.
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Somit ist es möglich, einen Halbleiter-Laser zur
Nachrichtenübertragung
bereitzustellen, der einen hohen optischen Wirkungsgrad und eine
gute Anpassung an Lichtleitfasern aufweist.
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Es sollte erwähnt werden, dass die erste Ausführungsform
das p-InP-Substrat 12 verwendet und die n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 auf
der n-Seite des aktiven Bereichs 16 anordnet, während die
zweite Ausführungsform
das p-InP-Substrat 12 verwendet und die p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 auf
der p-Seite des aktiven Bereichs 16 anordnet. Jedoch kann
die vorliegende Erfindung so konfiguriert sein, dass das p-InP-Substrat 12 wie
bei den obigen Ausführungsformen
verwendet wird und eine n-InGaAsP-Abdeckschicht sowie eine p-AlGaInAs-Abdeckschicht
auf der n-Seite bzw. auf der p-Seite des aktiven Bereichs 16 angeordnet
werden.
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Dritte Ausführungsform
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11 ist
eine Querschnittsansicht eines Halbleiter-Lasers gemäß einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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In der Figur bezeichnet die Bezugszahl 50 einen
Halbleiter-Laser. In 11 ist
die Richtung des Lichtwellenleiters des Halbleiter-Lasers 50 senkrecht zur
Zeichenebene.
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Bezugszahl 52 bezeichnet
ein n-InP-Substrat, das als das Halbleitersubstrat verwendet wird. Auf
dem n-InP-Substrat 52 ist
eine n-InP-Abdeckschicht 18b angeordnet, auf der wiederum
die n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 angeordnet ist. Darüber hinaus
ist die n-InP-Abdeckschicht 18a auf der n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 angeordnet.
Die n-InP-Abdeckschichten 18a und 18b bilden
zusammen die n-InP-Abdeckschicht 18,
die eine erste Abdeckschicht bildet.
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Darüber hinaus ist der aktive Bereich 16 auf der
n-InP-Abdeckschicht 18a angeordnet,
und die p-InP-Abdeckschicht 14, die eine zweite Abdeckschicht
bildet, ist auf der aktiven Schicht 16 angeordnet.
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Die p-InP-Abdeckschicht 14,
der aktive Bereich 16, die n-InP-Abdeckschicht 18a,
die n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 und ein Abschnitt der n-InP-Abdeckschicht 18b sind
in Form eines Steges ausgebildet und bilden gemeinsam den Lichtwellenleitersteg 22.
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Die InP-Schicht 24 ist beidseits
des Lichtwellenleitersteges 22 angeorndet und wirkt als
Stromblockierschicht.
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Bezugszahl 54 bezeichnet
eine p-InP-Kontaktschicht, die auf dem Lichtwellenleitersteg 22 und der
InP-Schicht 24 angeordnet ist. Die p-Elektrode 30 ist
auf der p-InP-Kontaktschicht 54 angeordnet,
während
die n-Elektrode 28 auf der Rückseite des n-InP-Substrats 52 angeordnet
ist.
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Obwohl der Halbleiter-Laser 50 ein
Halbleitersubstrat und eine Schichtkonfiguration verwendet, die
von der des Halbleiter-Lasers 10 verschieden ist, wird
er mit Hilfe eines Verfahrens hergestellt, das ähnlich wie das zur Herstellung
der ersten Ausführungsform
ist.
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Darüber hinaus ist bei der dritten
Ausführungsform
die Entfernung L2 zwischen dem aktiven Bereich 16 und der
n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 gleich
der Schichtdicke L2 der n-InP-Abdeckschicht 18a,
und beträgt
zum Beispiel 700 nm. Die Schichtdicke L1 der n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 beträg 100 nm.
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Darüber hinaus ist es notwendig,
die Position der n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 näher an die
aktive Schicht zu legen als die Position, bei der die Lichtintensität des Nahfeldmusters
der Laserlichts im wesentlichen Null wird. Vorzugsweise kann die
n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 an eine Position gesetzt werden,
die näher
an der aktiven Schicht liegt als eine Position, bei der die Lichtintensität auf 10%
des Höchstwertes
verringert ist.
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Da die Lichtintensität des Nahfeldmusters bei
einer Entfernung von dem aktiven Bereich von ungefähr zwischen
1,5 μm (1500)
und 2,0 μm
im wesentlichen Null wird, ist gemäß der dritten Ausführungsform
die Summe aus L1 und L2 auf 1,5 μm
oder weniger, vorzugweise auf zwischen 0,7 μm und 0.9 μm eingestellt.
-
Darüber hinaus ist die Schichtdicke
L1 der n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 auf
zwischen 0,5 μm und
0,3 μm,
vorzugsweise zwischen 0,05 μm
und 0,2 μm
(idealerweise auf ungefähr
0,1 mm) eingestellt.
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Bei dem Halbleiter-Laser 50 ist
die n-InGaAsP-Abdeckschicht 20,
die einen Brechungsindex aufweist, der größer als der von InP und niedriger
als der der Quantentopfschicht 16c ist, in die n-InP-Abdeckschicht
eingefügt.
Daher wird auch der Mittelwert der Brechungsindices der Abdeckschichten
auf der n-Seite größer als
der der Abdeckschichten auf der p-Seite, wodurch das gewichtete
Mittel der Verteilung der Lichtintensität zu den Abdeckschichten auf der
n-Seite verschoben wird, wie es bei der ersten Ausführungsform
der Fall ist. Demzufolge ist auch der Lichtaustrittsverlust zur
n-Seite verschoben, wodurch sich eine verringerte Lichtabsorption
auf der p-Seite
ergibt.
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Da die Lichtabsorption auf der p-Seite
verringert ist, ist es darüber
hinaus erforderlich, die Verunreinigungskonzentration auf der p-Seite
zu verringern, wobei sich der elektrische widerstand aufgrund der Verunreinigungskonzentration
nicht erhöht.
Daher tritt kein Flankenabfall der abgegebenen Lichtleistung durch
Wärmeerzeugung
auf, so dass es möglich
ist, die Lichtabsorption zu verringern und damit den Wirkungsgrad
zu erhöhen.
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Da das Einfügen der n-InGaAsP-Abdeckschicht
das Nahfeldmuster nur unwesentlich ändert, ist es ferner möglich, eine
optische Anpassung des Halbleiter-Lasers an Lichtleitfasern zu gewährleisten, die
der herkömmlicher
Halbleiter-Lasern entspricht, so dass eine gute Anpassung an existierende
Lichtleitfaser-Netzwerke bereitgestellt werden kann. Daraus folgt,
dass es möglich
ist, einen Halbleiter-Laser zur Nachrichtenübertragung bereitzustellen,
der einen hohen optischen Wirkungsgrad und eine gute Anpassung an
Lichtleitfasern aufweist.
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12 ist
eine Querschnittsansicht einer Modifikation des Halbleiter-Lasers
gemäß der dritten Ausführungsform.
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In der Figur bezeichnet die Bezugszahl 56 einen
Halbleiter-Laser. Bei dem Halbleiter-Laser 56 besteht der
Lichtwellenleitersteg 22 aus der p-InP-Abdeckschicht 14,
dem aktiven Bereich 16 und einem Abschnitt der n-InP-Abdeckschicht 18a.
Der Abschnitt der n-InP-Abdeckschicht 18a, der den Lichtwellenleitersteg 22 bildet,
ist vergleichsweise dünn. In
einem solchen Fall muss die n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 nicht
in den Lichtwellenleitersteg 22 eingefügt sein. Stattdessen kann sie
zwischen die n-InP-Abdeckschicht 18a und
der n-InP-Abdeckschicht 18b eingefügt werden, die in dem unteren
Abschnitt des Lichtwellenleiterstegs 22 ausgebildet ist.
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Darüber hinaus ist es in diesem
Fall notwendig, die Position der n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 näher an die
aktive Schicht zu legen als die Position, bei der die Lichtintensität des Nahfeldmusters
des Laserlichts im wesentlichen Null wird. Vorzugsweise kann die
n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 an
eine Position gesetzt sein, die näher bei der aktiven Schicht liegt
als die Position, bei der die Lichtintensität auf 10% des Höchstwertes
verringert ist. Da die Lichtintensität des Nahfeldmusters bei einer
Entfernung von dem aktiven Bereich 16 von ungefähr zwischen
1,5 μm (1500
nm) und 2,0 μm
im wesentlichen Null wird, ist gemäß dieser Modifikation die Summe
aus L1 und L2 auf 1,5 μm
oder weniger, vorzugsweise auf zwischen 0,7 μm und 0,9 μm eingestellt.
-
Eine derartige Anordnung der n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 erzeugt
den gleichen Effekt wie der Halbleiter-Laser 50.
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Somit ist bei den oben beschriebenen
Halbleiter-Lasern der vorliegenden Ausführungsform, die ein n-InP-Substrat
verwenden, eine n-InGaAsP-Abdeckschicht, die eine Schichtdicke zwischen
0,05 μm und
0,3 μm (zum
Beispiel ungefähr
100 nm) aufweisen, zwischen die n-InP-Abdeckschichten eingefügt. Durch
diese Anordnung wird der Mittelwert der Brechungsindices der Abdeckschichten
auf der p-Seite größer als
der der Abdeckschichten auf der n-Seite, wodurch das gewichtete
Mittel der Verteilung der Lichtintensitäten zu den Abdeckschichten
auf der n-Seite verschoben wird. Demzufolge wird auch der Lichtaustrittsverlust
zur n-Seite verschoben, wodurch sich eine verringerte Lichtabsorption
auf der p-Seite und ein erhöhter
Wirkungsgrad ergibt.
-
Darüber hinaus ist es möglich, eine
optische Anpassung des Halbleiter-Lasers an Lichtleitfasern zu gewährleisten,
die der bei herkömmlichen
Halbleiter-Lasern entspricht.
-
Daraus folgt, das es möglich ist,
einen Halbleiter-Laser
zur Nachrichtenübertragung
bereitzustellen, der einen hohen optischen Wirkungsgrad und eine
gute Anpassung an Lichtleitfasern aufweist.
-
Vierte Ausführungsform
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13 ist
eine Querschnittsansicht eines Halbleiter-Lasers gemäß einer vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
In der Figur bezeichnet die Bezugszahl 60 einen
Halbleiter-Laser. In 13 ist
die Richtung des Lichtwellenleiters des Halbleiter-Lasers 60 senkrecht zur
Zeichenebene.
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Durch Verwenden des n-InP-Substrats 52 ist der
Halbleiter-Laser 60 im wesentlichen in der gleichen Weise
konfiguriert wie der Halbleiter-Laser 50 der dritten Ausführungsform.
Während
jedoch der Halbleiter-Laser 50 so konfiguriert ist, dass
die n-InGaAsP-Abdeckschicht 20, die einen Brechungsindex aufweist,
der höher
ist als der der n-InP-Abdeckschicht 18,
in die n-InP-Abdeckschicht 18 eingefügt ist, ist der Halbleiter-Laser 60 so
konfiguriert, dass die p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42, die
einen Brechungsindex aufweist, der niedriger als der der p-InP-Abdeckschicht 14 ist,
in die p-InP-Abdeckschicht 14 eingefügt ist.
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Das heißt, die n-InP-Abdeckschicht 18 ist
auf dem n-InP-Substrat 52 angeordnet,
und der aktive Bereich 16 ist auf der n-InP-Abdeckschicht 18 angeordnet.
Die p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 ist
zwischen die p-InP-Abdeckschicht 14d, die angrenzend an
den aktiven Bereich 16 angeordnet ist, und die p-InP-Abdeckschicht 14c eingefügt, die
auf der p-InP-Abdeckschicht 14d angeordnet
ist.
-
Darüber hinaus besteht der Lichtwellenleitersteg 22 aus
einem Abschnitt der n-InP-Abdeckschicht 18, dem aktiven
Bereich 16, der p-InP-Abdeckschicht 14d, der p-AlGaInGa-Abdeckschicht 42 und
der p-InP-Abdeckschicht 14c.
-
Es ist erforderlich, die Position
der p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 näher an die
aktive Schicht zu legen als die Position, bei der die Lichtintensität des Nahfeldmusters
des Laserlichts im wesentlichen Null wird. Vorzugsweise kann die
p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 an eine Position gesetzt werden,
die näher an
der aktiven Schicht liegt als die Position, bei der die Lichtintensität auf 10%
des Höchstwerts
verringert ist.
-
Da die Lichtintensität des Nahfeldmusters bei
einem Abstand von dem aktiven Bereich 16 von ungefähr zwischen
1,5 μm (1500
nm) und 2,0 μm
im wesentlichen Null wird, ist gemäß der vierten Ausführungsform
die Summe aus dem Abstand L3 zwischen der InGaAsP-Lichtbarrierenschicht 16a und
der p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 und der Schichtdicke L4 der
p-AlGaAsP-Abdeckschicht 14 auf
1,5 μm oder weniger,
vorzugsweise auf zwischen 0,7 μm
und 0,9 μm
eingestellt.
-
Bei dem Halbleiter-Laser 60 ist
die p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42,
die einen Brechungsindex aufweist, der kleiner als der der p-InP-Abdeckschicht 14 ist,
in die p-InP-Abdeckschicht 14 eingefügt. Daher
wird der Mittelwert der Brechungsindices der Abdeckschichten auf
der p-Seite kleiner als der der Abdeckschichten auf der n-Seite,
wodurch das gewichtete Mittel der Verteilung der Lichtintensität zu den Abdeckschichten
auf der n-Seite verschoben wird. Demzufolge wird auch der Lichtaustrittsverlust
zur n-Seite verschoben, woraus sich eine verringerte Lichtabsorption
auf der p-Seite, eine höhere
abgegebene Lichtleistung und ein erhöhter Wirkungsgrad ergibt.
-
Da das Einfügen der p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 nur
geringfügig
das Nahfeldmuster ändert, ist
es darüber
hinaus möglich,
eine optische Anpassung des Halbleiter-Lasers an Lichtleitfasern
zu gewährleisten,
die der bei herkömmlichen Halbleiter-Lasern
entspricht. Daraus folgt, dass es möglich ist, einen Halbleiter-Laser
zur Nachrichtenübertragung
bereitzustellen, der einen hohen optischen Wirkungsgrad und eine
gute Anpassung an Lichtleitfasern aufweist.
-
14 ist
eine Querschnittsansicht einer Modifikation des Halbleiter-Lasers
gemäß der vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
In der Figur bezeichnet die Bezugszahl 62 einen
Halbleiter-Laser.
-
Bei dem Halbleiter-Laser 62 ist
die p-InP-Abdeckschicht 14 vergleichsweise dünn. In diesem
Fall ist die p-InP-Kontaktschicht 54 in
zwei Schichten geteilt: Eine p-InP-Kontaktschicht 54a und eine p-InP-Kontaktschicht 54b.
Ferner ist die p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 zwischen diesen
angeordnet.
-
In diesem Fall ist es darüber hinaus
notwendig, die Position der p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 nächer an
die aktive Schicht zu setzen als die Position, bei der die Lichtintensität des Nahfeldmusters des
Laserlichts im wesentlichen Null wird. Vorzugsweise kann die p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 an eine
Position eingestellt werden, die näher bei der aktiven Schicht
liegt als eine Position, bei der die Lichtintensität auf 10%
der Höchstwertes
verringert ist.
-
Da die Lichtintensität des Nahfeldmusters bei
einem Abstand von dem aktiven Bereich 16 von ungefähr zwischen
1,5 μm (1500
nm) und 2,0 μm
im wesentlichen Null wird, ist gemäß der vierten Ausführungsform
die Summe aus dem Abstand L3 zwischen der InGaAsP-Lichtbarrierenschicht 16a und
der p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 und der Schichtdicke L4 der
p-AlGaAsP-Abdeckschicht 14 auf
1,5 μm oder weniger,
vorzugsweise auf zwischen 0,7 μm
und 0,9 μm
eingestellt.
-
Somit erzeugt der Halbleiter-Laser 62,
bei dem die p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 wie
oben beschrieben angeordnet ist, den gleichen Effekt wie der Halbleiter-Laser 60.
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Bei den oben beschriebenen Halbleiter-Lasers
der vorliegenden Ausführungsform,
die ein n-InP-Substrat verwenden, ist eine p-AlGaInAs-Abdeckschicht,
die einen Brechungsindex aufweist, der niedriger als der eine p-InP-Abdeckschicht ist,
in die p-InP-Abdeckschicht eingefügt. Durch diese Anordnung wird
der Mittelwert der Brechungsindices der Abdeckschichten auf der
p-Seite kleiner als der der Abdeckschichten auf der n-Seite, wodurch
das gewichtete Mittel der Verteilung der Lichtintensität zu den
Abdeckschichten auf der n-Seite verschoben wird. Somit wird auch
der Lichtaustrittsverlust zur n-Seite verschoben, wodurch sich eine
verringerte Lichtabsorption auf der p-Seite und ein erhöhter Wirkungsgrad
ergibt.
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Darüber hinaus ist es möglich, eine
optische Anpassung des Halbleiter-Lasers an Lichtleitfasern zu gewährleisten,
die der herkömmlicher
Halbleiter-Lasern entspricht.
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Daraus folgt, dass es möglich ist,
einen Halbleiter-Laser
zur Nachrichtenübertragung
bereitzustellen, der einen hohen optischen Wirkungsgrad und eine
gute Anpassung an Lichtleitfasern aufweist.
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Es sollte erwähnt werden, dass die dritte Ausführungsform
das n-InP-Substrat 52 verwendet und die n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 auf
der n-Seite des aktiven Bereichs 16 anordnet, während die
vierte Ausführungsform
das n-InP-Substrat 52 verwendet und die p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 auf
der p-Seite des aktiven Bereichs 16 einfügt. Jedoch
kann die vorliegende Erfindung so konfiguriert sein, dass das p-InP-Substrat 52 wie
bei den vorhergehenden Ausführungsformen
verwendet wird, und eine n-InGaAsP-Abdeckschicht und eine p-AlGaInAs-Abdeckschicht
auf der n-Seite bzw. auf der p-Seite des aktiven Bereichs 16 eingefügt sind.
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Die oben beschriebene vierte und
fünfte
Ausführungsform
betreffen Halbleiter-Laser, die eine aktive Schicht umfassen, die
eine Mehrfach-Quantentopfstruktur aufweist. Jedoch kann die vorliegende Erfindung
mit dem gleichen Effekt auf Halbleiter-Laser angewendet werden,
die eine aktive Schicht umfassen, die eine Einfach-Quantentopfstruktur
aufweist, oder auf Halbleiter-Laser, die eine Doppel-Quantentopfstruktur
aufweisen und eine aktive Schicht umfassen, die keine Quantentopfstruktur
aufweisen.
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Die wie oben konfigurierten Halbleiter-Laservorrichtungen
gemäß der vorliegenden
Erfindung haben die folgenden Effekte.
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Eine Halbleiter-Laservorrichtung
der vorliegenden Erfindung umfasst: Ein Halbleitersubstrat eines
ersten Leitungstyps, eine erste Abdeckschicht eines ersten Leitungstyps,
die auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist, eine aktive Schicht,
die auf der ersten Abdeckschicht angeordnet ist, eine zweite Abdeckschicht
eines zweiten Leitungstyps, die auf der aktiven Schicht angeordnet
ist, und eine Halbleiterschicht mit einer Dicke zwischen 0,05 mm
und 0,3 mm, die an einer Position geschichtet ist, die näher an der
aktiven Schicht liegt als eine Position, bei der eine Lichtintensität eines
Nahfeldmusters eines von der aktiven Schicht emittierten Laserlichts
im wesentlichen Null wird, wobei die Halbleiterschicht eine gewichtete
Mitte einer Verteilung einer Lichtintensität zur n-leitenden Seite verschiebt. Daher ist
der Lichtaustrittsverlust zu einer Abdeckschicht-Seite des n-Typs verschoben,
ohne dass das Nahfeldmuster wesentlich verändert wird, was zu einer verringerten
Lichtabsorption in der Abdeckschicht der p-Typs, einer erhöhten abgegebenen
Lichtleistung und einem erhöhten
Wirkungsgrad führt.
Daraus folgt, dass es möglich
ist, einen Halbleiter-Laser bereitzustellen, der einen hohen optischen
Wirkungsgrad aufweist und selbst dann nur eine kleine Verringerung
der abgegebenen Lichtleistung zeigt, wenn ein großer Strom
fließt,
und dessen Anpassung an Lichtleitfasern sich nicht stark von der
herkömmlicher
Halbleiter-Laser unterscheidet.
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Obwohl bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, sind
diese Offenbarungen zum Zweck der Darstellung gedacht, und verschiedene
Veränderungen
und Modifikationen können
vorgenommen werden, ohne den Umfang der Erfindung gemäß den beigefügten Ansprüchen zu
verlassen.