JP2004247728A - 亜鉛をドープしたトンネル接合を使用するレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】光を吸収するｐ型半導体材料の量を減らして、VCSELの性能を改善する。
【解決手段】改善されたトンネル接合構造(50)、及びこの構造を使用するVCSEL(10)である。トンネル接合部は、InP系材料のうちの材料からなる第1、第2及び第3の層を含む。第1の層(51)は、10^１９atoms／ｃｍ^３又はそれより多いドーパント原子濃度までｎ型ドーパント種でドーピングされる。第2の層(52)も同じドーパント原子濃度までZnでドーピングされ、第1の層と接触している。第1の層と第2の層との間の境界面は、トンネル接合を形成する。第3の層(63)は、第2の層からのZnの拡散を抑制させる材料を含む。第3の層は、ドーピングされていないAlInAsを含む。本発明のトンネル接合構造(50)は、共にｎ型半導体層から構成される第1のミラー(12)と第2のミラー(14)との間に活性層(60)を有するVCSELに使用され得る。
【選択図】図２

Description

本発明は、トンネル接合構造、およびトンネル接合構造を使用する半導体レーザに関する。

現在、光ファイバ通信に使用される市販のほぼすべてのＶＣＳＥＬ（垂直共振器型面発光レーザ）は、８５０ｎｍのＡｌＧａＡｓベースのデバイスである。しかしながら、こうしたネットワークの能力および有効範囲は、ＩｎＰベースの材料から構成された長波長ＶＣＳＥＬ（１３００と１５５０ｎｍ）を使用することにより改善される。しかしながら、これらの長波長で放射するＶＣＳＥＬの構成では、生成された光が特にＶＣＳＥＬのｐ型材料層において吸収されることにより妨げられる。

従来のＶＣＳＥＬは、活性領域の上下にＤＢＲミラーを有するｐ−ｉ−ｎダイオード構造である。上部ミラーは、各層の屈折率が２つの値の間で交互になる多数のｐ型材料層から構成される。下部ミラーは、各層の屈折率が２つの値の間で交互になる多数のｎ型材料層から同様に構成される。これらのミラーは、ｐ型半導体材料の約半分であるレーザキャビティを画定する。長波長では、ｐ型材料の吸収は著しいため、光が通過しなければならないｐ型材料の量が実質的に減少された構造が必要とされている。

本発明は、改善されたトンネル接合構造、およびこの構造を使用するＶＣＳＥＬである。トンネル接合部は、ＩｎＰ系材料のうちの材料からなる第１、第２および第３の層を含む。第１の層は、１０^１９atoms／ｃｍ^３またはそれより多いドーパント原子濃度までｎ型ドーパント種でドーピングされる。第２の層は、１０^１９atoms／ｃｍ^３またはそれより多いドーパント原子濃度までＺｎでドーピングされ、第１の層と接触している。第１の層と第２の層との間の境界面は、トンネル接合を形成する。第３の層は、第２の層からのＺｎの拡散を抑制させる材料を含む。第３の層は、ドーピングされていないＡｌＩｎＡｓを含むことが好ましい。本発明のトンネル接合構造は、共にｎ型半導体層から構成される第１のミラーと第２のミラーとの間に活性層を有するＶＣＳＥＬに使用され得る。本発明のトンネル接合は、一方のミラーと、活性領域に接続されたｐ型層との間に配置される。第２の層は、第１および第２のミラーにより形成されるレーザキャビティ内の定在電磁波のヌル位置に配置されることが好ましい。

本発明によれば、改善されたトンネル接合構造が提供される。そのトンネル接合構造をＶＣＳＥＬに使用することにより、２つのミラーがｎ型半導体層から構成されて、光を著しく吸収するｐ型半導体材料の量を減らすことが可能となり、ＶＣＳＥＬの性能が改善される。

本発明がその利点を提供する態様は、本発明の一実施態様によるＶＣＳＥＬ１０の層の断面図である図１を参照することによって、より容易に理解され得る。ＶＣＳＥＬ１０は基板１１上に構成され、基板１１は、本発明の実施形態において、活性領域の底面に電力を供給するために必要な任意の接触層を含む。ＶＣＳＥＬ１０は、下部ミラー１２と、光学キャビティ１３と、上部ミラー１４とを含む。ミラーは従来のＤＢＲミラーであり、したがって、本明細書では詳細に説明しない。上述のとおり、ミラーは、隣接する層の屈折率が異なる材料層を交互に成長させることにより構成される。しかしながら、本発明では、下部ミラーおよび上部ミラーは共に、光が通過しなければならないｐ型材料の量を減少させるために、ｎ型材料から構成される点に留意すべきである。

また、ｎ型ミラーおよび接触層を使用することにより、ミラーの現在の拡散機能も改善される。レーザは、ミラーの両端に、ひいては活性層の両端に電位を印加することにより電力を供給される。電力は、電極および接触層を含む電気接触構造２０を介して上部ミラーに供給される。接触層２０の電極は、光が出射するウィンドウを含まなければならない。したがって、電極は、ミラー層全体を被覆しない。その結果、電流は、この限られた電極領域から接触層を通って拡散し、レーザの活性領域に及ぶ必要がある。ｐ型材料はより高い抵抗率を有し、その結果、事実上ｎ型層より劣るこの拡散機能を実行する。さらに、ｐ型層のより高い抵抗率により、オーム加熱で消費される電力はより多くなる。

レーザキャビティは、従来の態様で障壁層により分離された量子井戸層から構成された活性領域１５を含む。活性層の下の層１８はｎ型層であるが、活性層の上の層１６は、ｐ−ｉ−ｎ構造を提供する非常に薄いｐ型層である。ｎ−ｐトンネル接合部１７は、接合部が逆バイアスされた態様であるにも関わらず、電流が上のｎ型層からｐ型層に流れることを可能にする。層１８および１９は、正確な共振波長をキャビティに提供するように厚さが選択された「スペーサ」層であると考えられる。さらに、これらのスペーサ層は、以下でより詳細に説明されるように、光学キャビティ内の所望の位置にトンネル接合部１７および量子井戸層を配置する。

上述の様々な層は、ＩｎＰ系材料から構成されることが好ましい。説明の目的上、材料は、Ｉｎを含み、その格子定数がＩｎＰの格子定数の１％以内である場合、ＩｎＰ系であると定義される。こうした材料の特定の例は、ＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓＰおよびＡｌＧａＩｎＡｓである。

両方のミラーをｎ型材料から構成することを可能にすることによって、ｐ型材料の量を減らためにトンネル接合を使用することは、電流密度が約５〜１０ｋＡ／ｃｍ^２の典型的な動作値である場合に、ダイオード全体の電位に十分の数ボルトしか寄与しないトンネル接合を提供することができるかどうかによって決まる。上述のとおり、トンネル接合部は、ＶＣＳＥＬの動作中に逆バイアスされる。電流は、トンネル現象により係る接合部を横断して移動するが、電位差は接合部の両端に依然として必要とされる。

したがって、ＶＣＳＥＬの両端の電位を増大して、トンネル接合部を通る所望の電流を供給しなければならない。

適切なトンネル現象を提供するために、トンネル接合部の層は、きわめて高濃度にドーピングされなければならず、即ち、１０^１９atoms／ｃｍ^３またはそれより多いドーパント原子濃度が、トンネル接合部の両側にあるｎ型不純物およびｐ型不純物の両方に必要とされる。残念ながら、これらの高濃度のドーパント分布は、隣接する層へと不純物が拡散するため、不安定である場合が多い。拡散は、高濃度にドーピングされた領域の濃度を減らし、ドーパント原子が移動する領域において問題を生じさせる可能性がある。一般に、ドーパント原子の安定性は、ドーパント種、材料の組成、およびドーパントが所定位置に配置された後にサンプルが受ける曝露の温度に依存する。

非常に高レベルのｐ型ドーピングが亜鉛のアクセプタで達成され得るので、一般的なアクセプタの亜鉛を使用してトンネル接合構造を構成することは有利である。残念ながら、亜鉛は、ＩｎＰ中で急速に拡散する傾向がある。本発明は、亜鉛の分散を安定化する構造を提供し、ひいては、ＩｎＰベースのＶＣＳＥＬにおけるトンネル接合部のｐ型層に対するドーピング剤として亜鉛を使用することを可能にする。

次に、図２を参照する。図２は、本発明によるＶＣＳＥＬにおける活性層６０の付近にある層の断面図である。高濃度にドーピングされたトンネル接合層を含むトンネル接合構造は、５０で示され、高濃度にドーピングされたｎ型層５１と、高濃度にドーピングされたｐ型層５２とを含む。好ましいｎ型層は、１０^１９atoms／ｃｍ^３またはそれより多いドーパント原子濃度までＳｅ、Ｓ、ＳｉまたはＴｅドナーでドーピングされたＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰである。好ましい一実施態様におけるｐ＋＋層５２は、１０^１９atoms／ｃｍ^３またはそれより多いドーパント原子濃度まで亜鉛でドーピングされたＩｎＧａＡｓである。

Ｚｎが活性領域６０上のｐ型層へと拡散するのを防止するために、障壁層６３がトンネル接合構造に含められる。障壁層６３は、ｐ型層５２の下に配置された、ドーピングされていないＡｌＩｎＡｓから構成されることが好ましい。非常に低濃度にドーピングされたｐ型層６４および別のドーピングされていないＡｌＩｎＡｓの層６５は、活性領域６０の上に配置される。ＡｌＩｎＡｓからなる第２のドーピングされていない層６５は、層６４をドープするために使用されたＺｎが層６４から移動するのを抑制する。トンネル接合構造５０のｎ型層５１中のＩｎＰ：Ｓｅは、Ｚｎがｎ型層へと拡散するのを防止する点に留意すべきである。したがって、トンネル接合層中のＺｎの高濃度は、隣接する層へとＺｎが拡散するのを防止することにより維持される。

亜鉛拡散障壁として使用されるべき材料の有効性は、材料の亜鉛拡散率、材料におけるＺｎの溶解性、および障壁層中の他の不純物濃度に依存する。低い拡散率および高い溶解性は、Ｚｎの拡散を抑制するのに寄与する。２５ｎｍ程度の薄さの、ドーピングされていないＡｌＩｎＡｓの層が、亜鉛の移動を阻止するのに有効であることが実験的に分かっている。このように薄いＡｌＩｎＡｓ：ｕｎ層がトンネル接合部に含まれている場合、ＶＣＳＥＬを駆動するために必要な追加の電圧は、１ｋＡ／ｃｍ^２の電流密度で１Ｖ未満であった。一般に、亜鉛拡散障壁層は、トンネル接合層から拡散する亜鉛を吸収するのに十分な厚さでなければならない。１ｎｍ程度の薄い層が有利に使用され得る。さらに、この厚さは、層を介して所望の電流を駆動するのにかなりの電位差を必要とする厚さより薄くなければならない。ＡｌＩｎＡｓ：ｕｎ層が、堆積される際にドーピングされない限り、層へと拡散する亜鉛は、層の両端に著しい電圧降下を有さない程度まで、層の導電率を増加させるのに十分である。

上述のとおり、ＶＣＳＥＬ１０は、スペーサ層１８および１９を含む。スペーサ層の厚さは、ＶＣＳＥＬ中で生成される光の波長に適切なキャビティの長さを与えるように調節される。さらに、互いに対するスペーサ層の相対的な厚さは、量子井戸層およびトンネル接合部のｐ＋＋層をキャビティ内の電界に関連してキャビティ内の正確な位置に配置するように調節される。量子井戸層は、キャビティ内の定在波の最高点に配置されることが好ましい。

トンネル接合部のｐ＋＋層は、キャビティ内の定在波のヌル位置に配置されることが好ましい。上述のとおり、ｐ型ＩｎＰは、対象となる波長における強力な自由キャリア吸収スペクトルを有する。これは、高濃度にドーピングされたｐ＋＋層に特に当てはまる。したがって、ｐ＋＋層５２は、この層による光の吸収を最小限にするために、定在波のヌル位置に配置されることが好ましい。

本発明に対する様々な変形は、当業者にとって、上述の説明および添付図面から明らかになるであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限されるべきである。

本発明の一実施態様によるＶＣＳＥＬ１０の層の断面図である。 本発明によるＶＣＳＥＬの活性層の付近にある層の断面図である。

符号の説明

10 ＶＣＳＥＬ
11 基板
12 下部ミラー
13 光学キャビティ
14 上部ミラー
15 活性領域
17、50 トンネル接合
18、19 スペーサ層
20 接触層（電気接触構造）
51 ｎ型層
52 ｐ型層
60 活性層（活性領域）
63 障壁層
64 低濃度にドーピングされたｐ型層
65 ドーピングされていない層

Claims (12)

1. トンネル接合構造（５０）であって、
   ＩｎＰ系材料のうちの材料からなり、１０^１９atoms／ｃｍ^３またはそれより多いドーパント原子濃度までｎ型ドーパント種でドーピングされた第１の層（５１）と、
   １０^１９atoms／ｃｍ^３またはそれより多いドーパント原子濃度までＺｎでドーピングされた、ＩｎＰ系材料のうちの材料からなり、前記第１の層に接触する第２の層（５２）と、および
   ＩｎＰ系材料のうちの材料からなり、前記第２の層からＺｎが拡散するのを抑制するための第３の層（６３）とからなる、トンネル接合構造（５０）。
2. 前記第２の層がＩｎＧａＡｓからなる、請求項１に記載のトンネル接合構造。
3. 前記第３の層がＡｌＩｎＡｓからなる、請求項１に記載のトンネル接合構造。
4. 前記第１の層が、ＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓおよびＩｎＧａＡｓＰからなるグループから選択された材料からなる、請求項１に記載のトンネル接合構造。
5. 前記ｎ型ドーパント種が、Ｓｅ、Ｓ、ＳｉおよびＴｅからなるグループから選択された要素からなる、請求項１に記載のトンネル接合構造。
6. レーザ（１０）であって、
   複数のｎ型半導体層を含む第１のミラー（１２）と、
   量子井戸層を含み、内部においてホールと電子の再結合により光を生成する活性領域（６０）と、
   ＩｎＰ系材料のうちの材料からなるｐ型半導体の第１の層（６４）と、
   ＩｎＰ系材料のうちの材料からなり、Ｚｎ原子が前記第１のｐ型半導体層へと移動するのを妨げる障壁層（６３）と、
   １０^１９atoms／ｃｍ^３またはそれより多いＺｎ原子濃度までＺｎでドーピングされた、ＩｎＰ系材料のうちの材料からなる第１のトンネル接合層（５２）と、
   １０^１９atoms／ｃｍ^３またはそれより多いドーパント原子濃度までｎ型ドーパントでドーピングされた、ＩｎＰ系材料のうちの材料からなる第２のトンネル接合層（５１）と、
   複数のｎ型半導体層を含む上部ミラー（１４）とを備える、レーザ（１０）。
7. 前記活性層がＩｎＰ系材料からなる材料を含む、請求項６に記載のレーザ。
8. 前記障壁層がＩｎＡｌＡｓからなる、請求項６に記載のレーザ。
9. 前記第１のトンネル接合層が、ＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓおよびＩｎＧａＡｓＰからなるグループから選択された材料からなる、請求項６に記載のレーザ。
10. 前記ｎ型ドーパントが、Ｓｅ、Ｓ、ＳｉおよびＴｅからなるグループから選択された要素からなる、請求項６に記載のレーザ。
11. 前記上部ミラーおよび下部ミラーが定在電磁波を有するキャビティを形成し、前記第１のトンネル接合層が前記定在波のヌル位置に配置される、請求項６に記載のレーザ。
12. 前記活性領域が、前記定在波の電界の最高点に配置される、請求項１１に記載のレーザ。

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