JP2001509315A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ＳＣＨ構成を有する、電磁ビームを発生するのに適している半導体基体を備えた半導体レーザ素子であって、第１の導電形の第１の外側の被覆層と第１の導電形の第２の外側の被覆層との間に配置されている活性層列が設けられており、該層列は量子ウェル構造を備えている形式のもの。活性層列と第２の外側の被覆層との間に、第２の導電形の第１の縮退遷移域および第１の導電形の第２の縮退遷移域が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】 半導体レーザ素子 本発明は、ヘテロ構造の構成、例えばＳＣＨ（S.eparate Confinement Hetero structure）構成を有する、電磁ビームを発生するのに適している半導体基体を 備えたユニポーラ半導体レーザ素子であって、半導体サブストレートの上に、第 １の導電形の第１の外側の被覆層と第１の導電形の第２の外側の被覆層との間に 配置されている活性層列が設けられており、該層列は量子ウェル構造（＝活性層 ）を備え、該構造内に、前記半導体基体を通って電流が流れる際に電磁ビームが 発生される形式のものに関する。これらの被覆層は活性層列より低い屈折率を有 しており、これにより作動中、発生された光波が被覆層間に閉じこめられる。 刊行物Physics and Simulation of Optoelectronic Devices IV，SPIE Vol．2 693（１９９６年）、第３５２〜３６８頁（H．Hillmer，A．Greiner，F．Steinh afen，H．Burkhard，R．Loesch，W．Schlapp，I．Kuhn）には、半絶縁性または ｎ導電性のＩｎｐから成る半導体サブストレート上に、Ｉｎｐから成るｎ導電性 の被覆層、その上にＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＧａＡｓから成る活性層列およびｐ 導電性のＩｎＡｌＡｓから成る別の被覆層が被着されているレーザダイオードが 記載されている。この活性層は、バリヤおよびＡｌＩｎＧａＡｓ導波路層に埋め 込まれているＡｌＩｎＧａＡｓ多重量子ウェルから成っている。ＡｌＩｎＧａＡ ｓ導波路層は両方ともｐ導電性であるが、ｐ＝５＊１０¹⁷ｃｍ^-3を以て、ＩｎＰ （ｎ＝２＊１０¹⁸ｃｍ^-3）ないしＩｎＡｌＡｓ（ｐ＝２＊１０¹⁸ｃｍ^-3）から成 る被覆層より低くドーピングされている。Hillmer et alにおいて示された構成 は、所謂分離閉じ込め型ヘテロ構造（ＳＣＨ＝Separate-Confinment-Heterostru cture）であり、ここでは、電子および正孔が活性層に、実質的に被覆層、示さ れている例ではｎ−Ｉｎｐおよびｐ−ＩｎＡｌＡｓから形成されているｐｎ接合 を介して注入される。この発生された光波は、量子ウェルへのキャリアの閉じ込 めに無関係に、比較的低い屈折率を有している被覆層によって取り囲まれている 導波路を通ってガイドされる。特別な場合、活性層は対称的には、即ち導波路の 中央には形成されていない。導波路はｐ導電形の被覆層の方の側において短縮さ れていて、基本的には電子より著しく僅かな移動度を有している正孔の、量子ウ ェルへの搬送を加速する。これにより、改善された変調能力が実現される。この 変調能力は実質的に、比較的移動し難い正孔の、中程度にドーピングされている 導波路内での搬送と、ＭＱＷ構造での電子捕獲によって決められる。 量子ウェル半導体レーザおよびＭＱＷ半導体レーザおよびＳＣＨ構成の基本構 造は例えば、W．Buldau，H en，１９９５年、第１８２〜１８７頁に記載されているので、ここには詳しく説 明しない。 材料ＩｎＧａＡｓＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓに基づいている、これまで研究さ れているレーザでは、導波路層における正孔移動度は電子の移動度より著しく小 さい。 従来のガラスファイバの光ウィンドウにおける１．３μｍおよび１．５５μｍ の波長における高いデータ伝送レートでは、移動し難い正孔の、量子ウェル内へ のドリフト搬送およびＭＱＷ構造における電子捕獲によって高周波の変調能力に 制限が生じる。 ｐ側の導波路層の上述の短縮によって、導波路における正孔に対する搬送長を 短縮することができる。しかしドリフト速度は、印加される電界および優れない 移動度によって決定される。 本発明の課題は、冒頭に述べた形式の半導体素子を、上述した公知の半導体レ ーザ素子に比べて、改善された機能性を有しているように改良することである。 殊に、１．３μｍおよび１．５５μｍの間の領域の波長において改善された高周 波変調能力を有している半導体レーザを使用できるようにしたい。 この課題は、請求項１の特徴部分に記載の構成を有 する半導体レーザ素子によって解決される。その他の有利な形態は、所属の従属 請求項に記載されている。 本発明によれば、活性層列と第２の外側の被覆層との間に、第１の導電形とは 反対の第２の導電形の第１の高ドーピングされた縮退遷移域（例えばｎ⁺または ｐ⁺）と第１の導電形の第２の高ドーピングされた縮退遷移域（例えばｐ⁺または ｎ⁺）とが、該第２の高ドーピングされた縮退遷移域が第１の高ドーピングされ た縮退遷移域と第２の外側の被覆層との間に配置されているように設けられてい る。 高ｎドーピングされた（またはｎ⁺ドーピングされた）および高ｐドーピング された（またはｐ⁺ドーピングされた）、即ち縮退ドーピングとはそれぞれ有利 には、≧１０¹⁷ｃｍ^-3のドープ剤濃度の謂いである。 ｎ⁺ｐ⁺層列は、活性層近傍の電子を正孔に変換しかつ電界において加速する「 正孔インジェクタ」として作用する。従って、素子に対して相対的に逆方向に極 性付けられているこのｎ⁺ｐ⁺層列を通って、内部の電界内のキャリアはｎ⁺ｐ⁺層 列において加速されかつ一層高速に活性層に注入される。ｎ⁺ｐ⁺層列は、被覆層 内のキャリアに対するソースとして機能する。 キャリアインジェクタにおいて、接合部の周りのデバイ長の距離において導電 形の真の反転が生じ、即ち フェルミ準位はダイオードの一方の側におけるｎドーピングによって伝導帯に移 りかつ反対の側において正孔はｐドーピングを通ってフェルミ準位を価電子帯に 引っ張る（「縮退化」）。キャリアインジェクタのこれらの縮退化されたドーピ ングされた領域間の数オングストロームの非常に狭い空間電荷帯域によって、逆 方向の極性付けに基づいて、電子の、ｐドーピングされた半導体の価電子帯から ｎドーピングされた半導体の伝導帯の状態へのバンド間トンネルが生じる可能性 があり、これによりｐドーピングされた領域において正孔が生じる。 本発明の半導体レーザ素子の有利な実施例において、第１の高ドーピングされ た縮退遷移域と第２の高ドーピングされた縮退遷移域との間に、該高ドーピング された縮退遷移域に比べて僅かにドーピングされている、任意の導電形のバリヤ 層を配置することができる。このバリヤ層は、活性層を介して出て行く電子に対 するバリヤを形成する。 別の有利な実施の形態によれば、第１の高ドーピングされた縮退遷移域と量子 ウェル構造との間に、遷移域に比べて僅かにドーピングされている、電子に対す るバリヤ層が配置されており、この層は、活性層を越えてドリフトする電子が高 ドーピングされている縮退遷移域（ｐ⁺ｎ⁺構造）に流れるのを妨げようというも のである。 本発明の半導体レーザ素子では、殊にすぐ上に述べた２つの実施形態では、キ ャリアは、電界内で加速される。電界は、レーザダイオードが順方向に極性付け られている場合、この場合は阻止方向に極性付けられている高ドーピングされた 縮退接合層（＝ｐ⁺（ｎ）ｎ⁺ダイオード）の空乏化帯域において形成される。こ れにより、冒頭に述べた形式の公知の半導体レーザ素子において実現されるより 極めて著しく高いドリフト速度が実現される。更に、活性層の領域から電子が取 り出されかつ電荷の堆積が生じることが妨げられる。 バリヤ層は有利には、スペース層の材料より高いバンドギャップを有している 材料から成っている。殊に、バリヤ層は、活性層およびスペース領域を介して出 て行く電子に対するバリヤを形成する。 本発明の半導体レーザ素子の有利な実施形態は、活性層、導波路層および被覆 層および接合層が、ＩＩＩ−Ｖグループの半導体材料からの半導体材料を有して いる、ＳＣＨ量子ウェルレーザまたはＭＱＷレーザである。 特別有利な材料はこの場合、被覆および導波路層に対してはＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ_y Ｐ_1-y（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）またはＡｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＡｓ（０≦ｘ≦ １，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）であり、活性層に対しては、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ_y Ｐ_{1- y} （０≦Ｘ≦１，０≦ｙ≦１）またはＡｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＡｓ（０≦ｘ≦１，０ ≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）である。とりわけ、Ｉｎｐサブストレートまたは別の層 において緊張固定されて成長する材料が設けられている。高ドーピングされた接 合層も、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡＳ_yＰ_1-y（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）またはＡｌ_xＧａ_y Ｉｎ_1-x-yＡｓ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）から成っていることが できる。ｎ⁺ｐ⁺ダイオードの「インジェクタ構成」は、これら接合層の屈折率が 導波路の機能に整合されているとき、殊に屈折率が外側の被覆層における屈折率 より大きくかつ量子ウェル構造の領域における屈折率より小さいとき、導波路内 に集積することができる。 有利には、第１の高ドーピングされた縮退遷移域と量子ウェル構造との間のス ペース層は１５０ｎｍないし１０ｎｍの厚さでありかつドーピングされていない または弱くドーピングされている半導体材料から成っていることができる。高ド ーピングされている縮退遷移域は５０ｎｍと５ｎｍとの間の厚さであり、比較的 低くドーピングされたバリヤ層は２００ｎｍ厚までとすることができる。 半導体レーザ素子の本発明の構成では、正孔は２次的な電界において加速され かつ従って導波路中の短い距離を量子ウェル構造まで一層高速に進む。更に、電 子が活性層の領域を越えて遥かに走り去っていくのが 妨げられる。 次に本発明の半導体レーザ素子を、第１図ないし第３図に関連した３つの実施 例に基づいて詳細に説明する。その際： 第１図は、第１の実施例の層構造の概略図であり、 第２図は、第２の実施例の層構造の概略図であり、 第３図は、第３の実施例の層構造の概略図である。 第１図の半導体基体１３は、例えば導電ドーピングされたまたは半絶縁性のＩ ｎＰから成る半導体サブストレート８上に、第１の導電形の第１の外側の被覆層 ７が被着されているＳＣＨ量子ウェル半導体レーザの半導体基体である。第１の 被覆層は例えば、高ドーピングされた縮退ＩｎＰ（ｎ⁺またはｐ⁺）から成ってい る。半導体サブストレートは場合によっては第１の外側の被覆層７と同じ導電形 を有している。 この第１の外側の被覆層７には第１の導波路層６が続いている。この層は、ド ーピングされておらず、第１の導電形またはそれとは反対の第２の導電形であっ てよい。この層は例えば、ｐ形ＩｎＧａＡｌＡｓから成っている。 第１の導波路層６の上には、例えばドーピングされていないＩｎＧａＡｓから 成る量子ウェル構造５が被着されている。この構造の上には、薄いスペース層４ がある。この層は第２の導電形のものであるかまたはドーピングされておらず、 かつ例えばｐ形ＩｎＧａＡ ｌＡｓから成っている。 スペース層４には、第２の導電形の、第１の高ドーピングされた縮退遷移域（ 接合層）３が続いている。この層の上にも、第１の導電形の、第２の高ドーピン グされた縮退遷移域（接合層）２が存在している。第１の高ドーピングされた縮 退遷移域は例えばｐ⁺形ＩｎＧａＡｌＡｓ層でありかつ第２の高ドーピングされ た縮退遷移域はｎ⁺形ＩｎＧａＡｌＡｓ層である。最後に、第２の高ドーピング された縮退遷移域２に、第２の外側の被覆層１が配置されている。この層は第１ の導電形で、例えばｎ形ＩｎＧａＡｌＡｓから成っている。 第１の高ドーピングされた縮退遷移域３と第２の高ドーピングされた縮退遷移 域２とから成る層列（ｐ⁺ｎ⁺ダイオード）は、インジェクタとして用いられる。 即ち、スペース層４と、第１の高ドーピングされた縮退遷移域３と、第２の高ド ーピングされた縮退遷移域２とから成る層列は第２の導波路層１４として作用す る。 半導体基体１３の電気的な接触接続のために、第１の被覆層７とは反対側の、 半導体サブストレート８の主面に第１のコンタクト金属化部１１（オーミック裏 面コンタクト）が被着されておりかつ第２の高ドーピングされた縮退遷移域２と は反対側の、第２の外側の被覆層１の主面に第２のコンタクト金属化部１２（オ ーミック表面コンタクト、例えば列Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）が被着されている。これ らコンタクト金属化部１１，１２は、半導体技術において、その都度使用される 半導体材料に対して従来より使用されている材料から成っている。第１のコンタ クト金属化部１１は、半絶縁性の半導体サブストレート８を使用している場合、 第１の外側の被覆層７に直接接続されていてよい。 第２図に図示の、ＳＣＨ量子ウェル半導体レーザの半導体基体１３では、半導 体サブストレート８（例えば半絶縁性のＩｎＰ）の上に、第１の実施例と類似し て、第１の外側の被覆層７（例えばｎ⁺形ＩｎＰ）、第１の導波路層６（例えば ｐ形ＩｎＧａＡｌＡｓ）、量子ウェル構造５（例えばＩｎＧａＡｓ）、スペース 層４（例えばｐ形ＩｎＧａＡｌＡｓ）および第１の高ドーピングされた縮退遷移 域３（例えばｐ⁺形ＩｎＧａＡｌＡｓ）が配置されている。第１図の実施例とは 異なって、ここでは、第１の高ドーピングされた縮退遷移域３にまず、遷移域３ に比べて比較的低ドーピングされている薄い、第１のまたは第２の導電形のバリ ヤ層１０が被着されている。この層は例えば、ｎ形ＩｎＧａＡｌＡｓから成って いる。この比較的低ドーピングされたバリヤ層１０にそれから、第２の高ドーピ ングされた縮退遷移域２（例えばｎ⁺形ＩｎＧａＡｌＡｓから成っている）およ びその上には第２の外側の被覆層ｌ（例えばｎ⁺形ＩｎＧａＡｌＡｓから成って いる）が被着されている。バリヤ層１０の材料は有利には、スペース層４の材料 より大きなバンドギャップを有している。殊にバリヤ層１０は、活性層およびス ペース層４を介して出て行く電子に対するバリヤを形成する。第２の導波路層１ ４としてここでは、スペース層４と、第１の高ドーピングされた縮退遷移域３と 、バリヤ層１０と、第２の高ドーピングされた縮退遷移域２とから成る層列が作 用する。 第１図の実施例の半導体基体１３の場合のように、ここでも半導体サブストレ ート８は第１のコンタクト金属化部１１を備えかつ第２の外側の被覆層１は第２ のコンタクト金属化部１２を備えている。 第３図の実施例は、第１の実施例とは、スペース層４に、第２の導電形の付加 的なバリヤ層１０（例えばＰ形ＩｎＧａＡｌｓ）が被着されている点で異なって いる。この層に、第１の高ドーピングされた縮退遷移域３，第２の高ドーピング された縮退遷移域２および第２の外側の被覆層１が続いている。バリヤ層１０は 有利には、スペース層４の材料より大きなバンドギャップを有している材料から 成っている。殊に、バリヤ層１０は活性層およびスペース層４を介して出て行く 電子に対するバリヤを形成している。ここでも、スペース層４と、バリヤ層１０ と、第１の高ドーピングされた縮退遷移域３と、第２の高ドーピングされた縮退 遷移域２とから成る層列が第２の導波路層１４として 作用する。 本発明の半導体レーザ素子の、これらの実施例に基づいた説明が、本発明をこ れらの実施例に限定するものではないことは勿論である。本発明の半導体レーザ は、例えば、２元半導体ＧａＳｂ，ＩｎＳｂ，ＩｎＡｓ，ＧａＡｓ，ＡｌＡｓ， ＩｎＰ，Ｇａｐの混合から成る半導体結晶のような、別の混晶系に基づいて形成 されていてもよい。 例として挙げたｐドーピングされている外側の被覆層７，１に代わって、ｎド ーピングされた外側の被覆層７，１を設けることもできる。その場合、スペース 層４の接合層３，２の導電形（ドーピングされている場合は）および第３の実施 例においてバリヤ層１０は層材料に対する上述の具体例に対して反対である。 サブストレートとして、ＩｎＰの他に、Ｓｉ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂまたは別の ＩＩＩ−Ｖ半導体を使用することもできる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ギュンター ロイシャー ドイツ連邦共和国 Ｄ―97074 ヴュルツ ブルク ザインスハイムシュトラーセ 11 (72)発明者 トーマス リッツ ドイツ連邦共和国 Ｄ―97074 ヴュルツ ブルク フレーベルシュトラーセ 21 (72)発明者 ティエリー バロン ドイツ連邦共和国 Ｄ―97218 ゲルブル ン エミール―フォン―ベーリング―ヴェ ーク ３ (72)発明者 フランク フィッシャー ドイツ連邦共和国 Ｄ―97074 ヴュルツ ブルク フランツ―シュターデルマイヤー ―シュトラーセ ９ (72)発明者 ハンス−ユルゲン ルーガウアー ドイツ連邦共和国 Ｄ―97218 ゲルブル ン イン デア エーベネ 11

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ヘテロ構造の構成を有する、電磁ビームを発生するのに適している半導体 基体（１３）を備えた半導体レーザ素子であって、半導体サブストレート（８） の上に、第１の導電形の第１の外側の被覆層（７）と第１の導電形の第２の外側 の被覆層（１）との間に配置されている活性層列が設けられており、該層列は量 子ウェル構造（５）を備え、該構造内に、前記半導体基体（１３）を通って電流 が流れる際に電磁ビームが発生される形式のものにおいて、 内部の電界内でキャリアを加速しかつこれによりキャリアを前記活性層に高速に 注入するキャリアインジェクタとして、第１の導電形とは反対の第２の導電形の 第１の高ドーピングされた縮退化された接合層（３）と第１の導電形の第２の高 ドーピングされた縮退遷移域（２）とが、該第２の高ドーピングされた縮退遷移 域（２）が前記第１の高ドーピングされた縮退遷移域（３）と前記第２の外側の 被覆層（１）との間に配置されているように設けられている ことを特徴とする半導体レーザ素子。 ２．前記縮退遷移域（２，３）の厚さはそれぞれ≧５ｎｍおよび≦５０ｎｍで ある 請求項１記載の半導体レーザ素子。 ３．前記第１の高ドーピングされた縮退遷移域（３ ）と前記第２の高ドーピングされた縮退遷移域（２）との間に、該高ドーピング された縮退遷移域（２，３）に比べて僅かにドーピングされている、任意の導電 形のバリヤ層（１０）が配置されており、該バリヤ層は電子に対してバリヤを成 している 請求項１または２記載の半導体レーザ素子。 ４．前記第１の高ドーピングされた縮退遷移域（３）と前記活性層列の量子ウ ェル構造（５）との間に、ドーピングされていないスペース層（４）または前記 接合層（２，３）に比べて僅かにドーピングされている、第２の導電形のスペー ス層（４）が配置されている 請求項１から３までのいずれか１項記載の半導体レーザ素子。 ５．前記スペース層（４）と前記第１の高ドーピングされた縮退遷移域（３） との間に、第２の導電形の付加的なバリヤ層（１０）が配置されており、該バリ ヤ層は電子に対するバリヤを成している 請求項４記載の半導体レーザ素子。 ６．前記バリヤ層（１０）の厚さは２００ｎｍより小さいかまたはこれに等し い 請求項３または５記載の半導体レーザ素子。 ７．前記スペース層（４）の厚さは、≧１０ｎｍおよび≦１５０ｎｍである 請求項４または５記載の半導体レーザ素子。 ８．前記量子ウェル構造（５）と第１の外側の被覆層（７）との間に第１の導 波路層（６）が配置されておりかつ前記量子ウェル構造（５）と第２の外側の被 覆層（１）との間に第２の導波路層（１４）が配置されている 請求項１から７までのいずれか１項記載の半導体レーザ素子。 ９．前記第２の導波路層（１４）は、前記量子ウェル構造（５）と前記第２の 外側の被覆層（１）との間に配置されている層（２，３，４；ないし２，３，４ ，１０）によって形成されている 請求項８記載の半導体レーザ素子。 10．前記量子ウェル構造（５）、前記導波路層（６，１４）および前記被覆層 （１，７）はＩＩＩ−Ｖ半導体材料を有している 請求項９記載の半導体レーザ素子。 11．前記縮退接合層（２，３）におけるドープ剤濃度は≧１０¹⁷ｃｍ^-3である 請求項１から１０までのいずれか１項記載の半導体レーザ素子。