DE10317568A1

DE10317568A1 - Halbleiter-Laservorrichtung

Info

Publication number: DE10317568A1
Application number: DE10317568A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Nakayama
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-09-17
Filing date: 2003-04-16
Publication date: 2004-05-27
Also published as: CN1228895C; US6947461B2; KR20040025533A; CN1484350A; TWI222254B; JP2004111535A; US20040052282A1; KR100569040B1; TW200405632A

Abstract

Eine Halbleiter-Laservorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine p-InP-Abdeckschicht 14, einen aktiven Bereich 16, eine n-InP-Abdeckschicht 18a, eine n-InP-Abdeckschicht 18b und eine n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 mit einer Dicke zwischen 0,05 mum und 0,3 mum, die zwischen den n-InP-Abdeckschichten 18a und 18b und an einer Position angeordnet ist, die näher bei dem aktiven Bereich 16 liegt als eine Position, bei der eine Lichtintensität eines Nahfeldbereichs eines von dem aktiven Bereich 16 emittierten Laserlichts im Wesentlichen Null wird. Die Halbleiter-Laservorrichtung weist selbst dann nur eine kleine Verringerung in der abgegebenen Lichtleistung auf, wenn ein großer Strom fließt, und weist einen hohen Wirkungsgrad auf, ohne dass dabei das Nahfeldmuster stark verändert wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiter-Laservorrichtung zur Verwendung bei der optischen Nachrichtenübertragung, und insbesondere eine Halbleiter-Laservorrichtung, deren Lichtintensitätsverteilung asymmetrisch eingestellt ist.

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.

15 ist eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Halbleiter-Lasers.

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.

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.

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.

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.

Im folgenden sind zwei herkömmliche Techniken für Halbleiter-Laser beschrieben.

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).

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).

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

1 ist eine Querschnittsansicht eines Halbleiter-Lasers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Darstellung, die den aktiven Bereich des Halbleiter-Lasers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist ein Energieband-Diagramm, das die Energieband-Struktur des Halbleiter-Lasers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine schematische Darstellung, die Brechungsindices des Halbleiter-Lasers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist eine schematische Darstellung, die ein Nahfeldmuster des Halbleiter-Lasers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist ein Schaubild, das die abgegebenen Lichtleistung und der Wirkungsgrad des Halbleiter-Lasers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist eine Querschnittsanschicht einer Modifikation des Halbleiter-Lasers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine Querschnittsansicht eines Halbleiter-Lasers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine schematische Darstellung, die Brechungsindices des Halbleiter-Lasers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
10 ist eine Querschnittsansicht einer Modifikation des Halbleiter-Lasers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 ist eine Querschnittsansicht eines Halbleiter-Lasers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 ist eine Querschnittsansicht einer Modifikation des Halbleiter-Lasers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13 ist eine Querschnittsansicht eines Halbleiter-Lasers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
14 ist eine Querschnittsansicht einer Modifikation des Halbleiter-Lasers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
15 ist eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Halbleiter-Lasers.
16 ist eine schematische Darstellung, die ein Nahfeldmuster eines herkömmlichen Halbleiter-Lasers zeigt.
In allen Figuren sind im wesentlichen gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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.
Erste Ausführungsform
1 ist eine Querschnittsansicht eines Halbleiter-Lasers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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.
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.
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 In_0,8Ga_0, ₂As_0, ₄₄P_0,56 und weist einen Bandabstand von 1,03 eV, eine Schichtdicke von 100 nm und eine Ladungsträgerkonzentration von 1 × 10¹⁸ cm^–1 auf.
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.
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.
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.
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 In_0,8Ga_0, ₂As_0, ₄₄P_0,56 und weist einen Bandabstand von 1,03 eV und eine Schichtdicke von 40 nm auf.
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 In_0,8Ga_0, ₂As_0, ₇₄P_0,26 und hat einen Bandabstand von 0,77 eV und eine Schichtdicke von 6,5 nm, während die Barrierenschicht 16d aus undotiertem In_0,71Ga_0, ₂₉As_0, ₄₈P_0,52 besteht und einen Bandabstand von 1,03 eV und eine Schichtdicke von 9 nm hat.
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 In_0,8Ga_0, ₂As_0, ₄₄P_0,56 und hat einen Bandabstand von 1,03 eV und eine Schichtdicke von 40 nm.
Gemäß der ersten Ausführungsform umfasst die aktive Schicht 16 die InGaAsP-Lichtbarrierenschicht 16a, die aktive Schicht 16b und die InGaAsP-Lichtbarrierenschicht 16e.
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.
3 ist ein Energieband-Diagramm, das die Energiebandstruktur des Halbleiter-Lasers gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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.
4 ist eine schematische Darstellung, die Brechungsindices des Halbleiter-Lasers gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
In der Figur haben die n-InP-Abdeckschichten 18 und 14 den kleinsten Brechungsindex, während die Quantentopfschicht 16c, die aus In_0,8Ga_0, ₂As_0, ₇₄P_0,26 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Im folgenden ist kurz das Verfahren zur Herstellung des Halbleiter-Lasers 10 beschrieben.
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 In_0,8Ga_0, ₂As_0, ₇₄P_0,26 und die Barrierenschicht 16d aus In_0,71Ga_0, ₂₉As_0, ₄₈P_0,52 abwechselnd angeordnet sind, die n-InP-Abdeckschicht 18a, die n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 und die n-InP-Abdeckschicht 18b.
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.
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.
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.
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.
Nachfolgend wird die Funktionsweise beschrieben.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
In der Figur zeigen Kurven A1 und A2 jeweils das Verhältnis zwischen Strom I_f und Wirkungsgrad η, für den Halbleiter-Laser 10 bzw. den herkömmlichen Halbleiter-Laser.
Die Kennlinien B1 und B2 zeigen indessen die Beziehung zwischen dem Strom I_f und der Ausgangsleistung P0 des Lasers an, für den Halbleiter-Laser 10 bzw. den herkömmlichen Halbleiter-Laser.
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.
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.
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.
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.
Die Anordnung der n-InGaAsP-Abdeckschicht 20 in dieser Weise erzeugt den gleichen Effekt wie der oben beschriebene Effekt des Halbleiter-Lasers 10.
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.
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.
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.
Zweite Ausführungsform
8 ist eine Querschnittsansicht eines Halbleiter-Lasers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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.
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.
Bei dem Halbleiter-Laser 40 ist eine p-AlGaInAs-Abdeckschicht 42 zwischen die p-InP-Abdeckschichten 14d und 14 eingefügt.
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.
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.
9 ist eine schematische Darstellung, die die Brechungsindices des Halbleiter-Lasers gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
10 ist eine Querschnittsansicht einer Modifikation des Halbleiter-Lasers gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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.
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.
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.
Darüber hinaus ist es möglich, eine optische Anpassung des Halbleiter-Lasers an Lichtleitfasern zu gewährleisten, die der eines herkömmlichen Halbleiter-Lasers entspricht.
Somit ist es möglich, einen Halbleiter-Laser zur Nachrichtenübertragung bereitzustellen, der einen hohen optischen Wirkungsgrad und eine gute Anpassung an Lichtleitfasern aufweist.
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.
Dritte Ausführungsform
11 ist eine Querschnittsansicht eines Halbleiter-Lasers gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In der Figur bezeichnet die Bezugszahl 50 einen Halbleiter-Laser. In 11 ist die Richtung des Lichtwellenleiters des Halbleiter-Lasers 50 senkrecht zur Zeichenebene.
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.
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.
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.
Die InP-Schicht 24 ist beidseits des Lichtwellenleitersteges 22 angeorndet und wirkt als Stromblockierschicht.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
12 ist eine Querschnittsansicht einer Modifikation des Halbleiter-Lasers gemäß der dritten Ausführungsform.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
Darüber hinaus ist es möglich, eine optische Anpassung des Halbleiter-Lasers an Lichtleitfasern zu gewährleisten, die der herkömmlicher 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.
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.
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.
Die wie oben konfigurierten Halbleiter-Laservorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung haben die folgenden Effekte.
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.
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.

Claims

Halbleiter-Laservorrichtung mit: – einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitungstyps; – einer ersten Abdeckschicht eines ersten Leitungstyps, die auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist; – einer aktiven Schicht, die auf der ersten Abdeckschicht angeordnet ist; – einer zweiten Abdeckschicht eines zweiten Leitungstyps, die auf der aktiven Schicht angeordnet ist; und – einer Halbleiterschicht mit einer Dicke zwischen 0,05 μm und 0,3 μm, die an einer Position eingefügt 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 ein gewichtetes Mittel einer Verteilung der Lichtintensität zu einer n-leitenden Seite hin verschiebt.
Halbleiter-Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei: – die aktive Schicht eine Quantentopfstruktur aufweist; und – eine erste Lichtbarrierenschicht und eine zweite Lichtbarrierenschicht in dieser Reihenfolge über dem Halbleitersubstrat angeordnet sind, wobei die aktive Schicht zwischen der ersten Lichtbarrierenschicht und der zweiten Lichtbarrierenschicht angeordnet ist.
Halbleiter-Laservorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Halbleiterschicht in einen Bereich auf einer Seite des gleichen Leitungstyps wie der der Halbleiterschicht und in einem Abstand von 1,5 μm oder weniger von einer Grenzfläche der aktiven Schicht einge fügt ist, wobei die Grenzfläche auf der gleichen Seite des Leitungstyps der Halbleiterschicht angeordnet ist.
Halbleiter-Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: – der erste Leitungstyp ein p-Leitungstyp ist; und – die Halbleiterschicht eine n-leitende Schicht ist und einen Brechungsindex aufweist, der größer als der der zweiten Abdeckschicht und kleiner als der der aktiven Schicht ist.
Halbleiter-Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: – der erste Leitungstyp ein p-Leitungstyp ist; und – die Halbleiterschicht eine p-leitende Schicht ist und einen Brechungsindex aufweist, der kleiner als der der ersten Abdeckschicht ist.
Halbleiter-Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: – der erste Leitungstyp ein n-Leitungstyp ist; und – die Halbleiterschicht eine n-leitende Schicht ist und einen Brechungsindex aufweist, der größer als der der ersten Abdeckschicht und kleiner als der der aktiven Schicht ist.
Halbleiter-Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: – der erste Leitungstyp ein n-Leitungstyp ist; und – die Halbleiterschicht eine p-leitende Schicht ist und einen Brechungsindex aufweist, der kleiner als der der zweiten Abdeckschicht ist.