JP2004311619A

JP2004311619A - 半導体レーザ及び半導体レーザの発振方法

Info

Publication number: JP2004311619A
Application number: JP2003101367A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Toda; 知朗戸田
Original assignee: Inst Of Space & Astronautical Science
Current assignee: Inst Of Space & Astronautical Science
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2023-04-04
Also published as: US20040196881A1; JP3760235B2

Abstract

【課題】レーザの発振方法に多様性を持たせた新規な構成の半導体レーザ及び半導体レーザの発振方法を提供する。
【解決手段】基板１１上において、ｎ型エミッタ層１２、ｐ型ベース層１３、活性層１４、ｎ型ベース層１５、及びｐ型エミッタ層１６が順次積層されてなる半導体層群２０を形成する。ｐ型ベース層１３、活性層１４、及びｎ型ベース層１５からＰＮ接合型の半導体レーザ部分を構成する。ｎ型エミッタ層１２、ｐ型ベース層１３、活性層１４、及びｎ型ベース層１５からなる第１の半導体層群区分からｎｐｎ型のバイポーラトランジスタを構成する。ｐ型ベース層１３、活性層１４、ｎ型ベース層１５、及びｐ型エミッタ層１６からなる第２の半導体層群区分からｐｎｐ型のバイポーラトランジスタを構成する。実際のレーザ発振においては、前記半導体レーザ部分、前記第１の半導体層群区分、及び前記第２の半導体層群区分を独立に制御する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ及び半導体レーザの発振方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザの研究は既に成熟した感があり、現在においては短波長の発振と他素子との集積化技術のみに産業界の興味は集中しているようである。しかしながら、工学的にみて半導体レーザはその使用態様などを考慮すると未だ完成品と呼べるものではない。
【０００３】
従来の半導体レーザは、所定の基板上に活性層を挟むようにしてＰＮ接合を構成する半導体層群を形成してなり、順方向電圧を印加することによって拡散電位を打ち消したほぼ無電界の状態でキャリアの拡散を生ぜしめ、前記活性層内に電流注入を行って励起せしめ、レーザ発振を行うようにしている。すなわち、従来の半導体レーザにおいては、ＰＮ接合に対する順方向電圧印加という態様のみでしかレーザ発振を行うことができず、極めて多様性に乏しいものであった。
【０００４】
かかる状態に鑑みて、量子カスケードレーザなるものが開発されたが、発振波長などの観点から実用には至っていない（例えば、”Ｈｉｇｈｐｏｗｅｒｍｉｄ−ｉｎｆｒａｒｅｄ（λ〜５μｍ）ｑｕａｎｔｕｍｃａｓｃａｄｅｌａｓｅｒｓｏｐｅｒａｔｉｎｇａｂｏｖｅｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ”、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６８（２６），２４Ｊｕｎｅ１９９６）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、レーザの発振方法に多様性を持たせた新規な構成の半導体レーザ及び半導体レーザの発振方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、
所定の基板上において、順次隣接するように形成されたｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層、活性層、ｎ型ベース層及びｐ型エミッタ層からなる半導体層群を具えることを特徴とする、半導体レーザに関する。
【０００７】
本発明の半導体レーザは、実際のレーザとして機能するｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層、活性層、ｎ型ベース層及びｐ型エミッタ層からなる５層構造であって、ｎ型エミッタ層及びｐ型ベース層間、ｐ型ベース層及びｎ型ベース層間、並びにｎ型ベース層及びｐ型エミッタ層間において３つのＰＮ接合を有する３接合構造の半導体層群を具えている。前記ｐ型ベース層及び前記ｎ型ベース層から構成されるＰＮ接合は、中間に活性層を有しているので、いわゆる従来のＰＮ接合型の半導体レーザ部分を構成する。
【０００８】
一方、前記半導体層群は、順次隣接して形成された前記ｎ型エミッタ層、前記ｐ型ベース層、前記活性層、及び前記ｎ型ベース層からなる第１の半導体層群区分と、同じく順次隣接して形成された前記ｐ型ベース層、前記活性層、前記ｎ型ベース層及び前記ｐ型エミッタ層とからなる第２の半導体層群区分とを有している。そして、前記第１の半導体層群区分はいわゆるｎｐｎ型のバイポーラトランジスタとしての構造を呈し、前記第２の半導体層群区分はいわゆるｐｎｐ型のバイポーラトランジスタとしての構造を呈する。
【０００９】
すなわち、上記半導体層群はＰＮ接合型の半導体レーザ部分と、ｎｐｎ型のバイポーラトランジスタと、ｐｎｐ型のバイポーラトランジスタとをそれぞれ独立に有するような構造を呈している。したがって、これらを独立に制御することによって、多様なレーザの発振を行うことが可能になる。
【００１０】
従来の半導体レーザはＰＮ接合型の半導体レーザ部分しか有さないため、活性層に印加する電圧の方向（正負を考慮した電圧値）と電子及び正孔の輸送方向とは１対１に対応づけられていた。具体的には、ＰＮ接合部分に順方向電圧を印加することによって活性層中に電流（拡散電流）注入を行い、前記活性層を励起して所定の波長光を生成し発振するものであるが、前記電流注入は、ミクロ的に見た場合、前記活性層中に電子と正孔とが前記順方向電圧の印加方向に沿って流れることによって実施される。したがって、電圧の印加方向と電子及び正孔の輸送方向とは１対１に対応づけられる。
【００１１】
これに対して、本発明の半導体レーザにおいては、半導体レーザ部分と、バイポーラトランジスタとして機能する第１の半導体層群区分及び第２の半導体層群区分とを独立に制御すれば、電流注入による活性層の励起及び波長光の生成発振と、第１の半導体層群区分による電子の輸送及び第２の半導体層群区分による正孔の輸送とを独立して行うことができる。
【００１２】
すなわち、本発明に従って、前記半導体レーザ部分に対しては、従来と同様の順方向電圧を印加し、拡散電流を生ぜしめて活性層を励起し、所定の波長光を生成し発振させることもできる。また、前記半導体レーザ部分内に生じている固有障壁電圧（拡散電位）よりも小さい、微小な順方向電圧を印加することによって、前記拡散電流に加えてドリフト電流を生ぜしめ、これらの電流によって前記活性層を励起し、所定の波長光を生成し発振させることもできる。さらに、ある程度の大きさの逆方向電圧を印加することによって、前記拡散電流に代えて高電界に起因したドリフト電流を生ぜしめ、このドリフト電流によって前記活性層を励起し、所定の波長光を生成し発振させることもできる。
【００１３】
このように本発明の半導体レーザは、順方向電圧及び逆方向電圧のいずれの場合においても発振動作を行うことができ、多様なレーザ発振を行うことができる。
【００１４】
なお、半導体レーザの全体としては、上述した第１の半導体層群区分及び第２の半導体層群区分を適宜制御して、所定方向に電子及び正孔を輸送することができる。したがって、半導体レーザ全体としては所定方向に電流が流れるようにすることができる。また、上述したドリフト電流が十分でない場合は、前記第１の半導体層群区分及び前記第２の半導体層群区分から前記活性層に対して電子及び正孔を注入することができ、前記ドリフト電流を補って十分な励起、すなわち十分な出力（強度）の波長光を生成し発振させることができるようになる。
【００１５】
また、前記第１の半導体層群区分及び／又は前記第２の半導体層群区分を適宜に制御し、前記半導体レーザ部分の、前記活性層中に注入させる電子量及び／又は正孔量を調節し、前記活性層の励起度合いを制御することができる。したがって、前記半導体レーザから発振される波長光の出力（強度）を変調することができるようになる。
【００１６】
なお、本発明の好ましい態様においては、前記半導体層群の、前記ｐ型ベース層と前記活性層との間に電子走行域層を設ける。これによって、前記半導体層群中に生じるガン効果に起因した電流振動と、緩和振動における高次モードの振動とを同調させ、前記波長光の出力を高速で変調することができるようになる。
本発明の詳細及びその他の特徴については以下に説明する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の半導体レーザの一例を示す構成図であり、図２は、図１に示す半導体レーザにおける半導体層群の接合状態を模式的に示す図である。
【００１８】
図１に示す半導体レーザ１０は、基板１１上において、ｎ型エミッタ層１２、ｐ型ベース層１３、活性層１４、ｎ型ベース層１５、及びｐ型エミッタ層１６が順次積層されている。なお、ｐ型エミッタ層１６はメサストライプ状を呈している。ｎ型エミッタ層１２、ｐ型ベース層１３、活性層１４、ｎ型ベース層１５、及びｐ型エミッタ層１６は、半導体層群２０を構成する。この半導体層群２０が半導体レーザとして機能する。
【００１９】
ｐ型エミッタ層１６上にはキャップ層１７を介して電極層２１が設けられており、ｎ型ベース層１５上には絶縁層１８を介して電極層２２が設けられている。また、ｐ型ベース層１３の一部露出した表面上には、電極層２３が設けられており、基板１１の裏面には電極層２４が設けられている。
【００２０】
半導体層群２０は、ｎ型エミッタ層１２からｐ型エミッタ層１６までの５層からなる５層構造を呈するとともに、ｎ型エミッタ層１２及びｐ型ベース層１３、ｐ型ベース層１３及びｎ型ベース層１５、並びにｎ型ベース層１５及びｐ型エミッタ層１６で構成される３つのＰＮ接合を有する３接合構造を呈する。
【００２１】
半導体層群２０の、ｐ型ベース層１３、活性層１４、及びｎ型ベース層１５は、ＰＮ接合型の半導体レーザ部分を構成する。ｎ型エミッタ層１２、ｐ型ベース層１３、活性層１４、及びｎ型ベース層１５からなる第１の半導体層群区分はｎｐｎ型のバイポーラトランジスタを構成する。ｐ型ベース層１３、活性層１４、ｎ型ベース層１５、及びｐ型エミッタ層１６からなる第２の半導体層群区分はｐｎｐ型のバイポーラトランジスタを構成する。
【００２２】
すなわち、半導体レーザ１０は、ＰＮ接合型の半導体レーザ部分と、ｎｐｎ型のバイポーラトランジスタと、ｐｎｐ型のバイポーラトランジスタとを有しているので、これらを独立に制御することによって、多様なレーザの発振を行うことが可能になる。
【００２３】
例えば、前記半導体レーザ部分に対して順方向電圧を印加し、拡散電流を生ぜしめて活性層１４を励起し、所定の波長光を生成し発振させることもできる。また、前記半導体レーザ部分内に生じる固有障壁電圧（拡散電位）より小さい、微小な順方向電圧を印加することによって、前記拡散電流に加えてドリフト電流を生ぜしめ、これらの電流によって活性層１４を励起し、所定の波長光を生成し発振させることもできる。さらに、ある程度の大きさの逆方向電圧を印加することによって、前記拡散電流に代えて高電界に起因したドリフト電流を生ぜしめ、このドリフト電流によって活性層１４を励起し、所定の波長光を生成し発振させることもできる。
【００２４】
したがって、図１に示す半導体レーザ１０は、順方向電圧及び逆方向電圧のいずれの場合においても発振動作を行うことができ、多様なレーザ発振を実現することができる。
【００２５】
なお、半導体レーザ１０全体としては、上述したｎｐｎ型のバイポーラトランジスタを構成する前記第１の半導体層群区分、及びｐｎｐ型のバイポーラトランジスタを構成する前記第２の半導体層群区分に印加する電圧を適宜制御することによって、所定方向に電子及び正孔を輸送することができ、半導体レーザ１０全体としては所定方向に電流が流れるようにすることができる。
【００２６】
また、上述したドリフト電流が十分でない場合は、前記第１の半導体層群区分及び前記第２の半導体層群区分から活性層１４に対して電子及び正孔を注入し、前記ドリフト電流を補って十分な励起、すなわち十分な出力（強度）の波長光を生成し発振させることができる。
【００２７】
さらに、前記第１の半導体層群区分及び／又は前記第２の半導体層群区分に印加する電圧を適宜に制御し、前記半導体レーザ部分の、活性層１４中に注入させる電子量及び／又は正孔量を調節し、活性層１４の励起度合いを制御することができる。これによって、半導体レーザ１０から発振される波長光の出力（強度）を変調することができるようになる。
【００２８】
なお、従来の半導体レーザはＰＮ接合型の半導体レーザ部分しか有さないため、電圧の印加方向と電子及び正孔の輸送方向とは１対１に対応づけられる。
【００２９】
上述した半導体層群２０を構成するｎ型エミッタ層１２からｐ型エミッタ層１６は、例えばＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成することができる。具体的には、Ｉｎ_１−ＸＧａ_ＸＡｓ_１−ＹＰ_Ｙ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１）なる組成のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成することができる。
【００３０】
図３は、図１に示す半導体レーザの変形例を示す構成図である。簡単のため、同じあるいは類似の構成要素に対しては同一の参照数字を用いている。図３に示す半導体レーザ１０においては、半導体層群２０の、活性層１４とｐ型ベース層１３との間に電子走行層１９が設けられている。したがって、半導体層群２０中に生じるガン効果に起因した電流振動と、緩和振動における高次モードの電流振動とを同調させ、発振させる波長光の出力を高速で変調することができるようになる。
【００３１】
なお、図３の半導体レーザにおけるその他の構成要素については図１に示すものと同じである。
【００３２】
電子走行層１９は、上述したｎ型エミッタ層１２などと同様に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成することができ、具体的には、Ｉｎ_１−ＰＧａ_ＰＡｓ_１−ＱＰ_Ｑ（０≦Ｐ≦１，０≦Ｑ≦１）なる組成のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成することができる。
【００３３】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
【００３４】
例えば、上記具体例においては、基板１１上において、ｎ型エミッタ層１２、ｐ型ベース層１３、活性層１４、ｎ型ベース層１５、及びｐ型エミッタ層１６がこの順に積層されているが、これらの積層順序を逆転することもできる。すなわち、本発明においては、これらの層が隣接するようにして積層されていれば、その積層順序については特に問題とされるものではない。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、順方向電圧及び逆方向電圧のいずれの場合においても発振動作を行うことができ、多様なレーザ発振を実現することができる半導体レーザ及び半導体レーザの発振方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体レーザの一例を示す構成図である。
【図２】図１に示す半導体レーザにおける半導体層群の接合状態を模式的に示す図である。
【図３】図１に示す半導体レーザの変形例を示す構成図である。
【符号の説明】
１０半導体レーザ
１１基板
１２ｎ型エミッタ層
１３ｐ型ベース層
１４活性層
１５ｎ型ベース層
１６ｐ型エミッタ層
１７キャップ層
１８絶縁層
１９電子走行層
２０半導体層群
２１−２４電極層

Claims

所定の基板上において、順次隣接するように形成されたｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層、活性層、ｎ型ベース層及びｐ型エミッタ層からなる半導体層群を具えることを特徴とする、半導体レーザ。
前記活性層に対してドリフト電流が生じるような電圧を印加し、所定の波長光を生成して発振するようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ。
前記ｐ型ベース層、前記活性層及び前記ｎ型ベース層で構成されるＰＮ接合部分に対して、逆方向電圧を印加することを特徴とする、請求項２に記載の半導体レーザ。
前記活性層に対して拡散電流が生じるような電圧を印加し、所定の波長光を生成して発振するようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ。
前記ｐ型ベース層、前記活性層及び前記ｎ型ベース層で構成されるＰＮ接合部分に対して、順方向電圧を印加することを特徴とする、請求項４に記載の半導体レーザ。
前記活性層に対して拡散電流及びドリフト電流が生じるような電圧を印加し、所定の波長光を生成して発振するようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ。
前記ｐ型ベース層、前記活性層及び前記ｎ型ベース層で構成されるＰＮ接合部分に対して、順方向電圧を印加することを特徴とする、請求項６に記載の半導体レーザ。
順次隣接して形成された前記ｎ型エミッタ層、前記ｐ型ベース層、前記活性層及び前記ｎ型ベース層からなる第１の半導体層群区分はバイポーラトランジスタとして機能し、このバイポーラトランジスタを駆動させることにより、前記活性層に注入する電子量を制御することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一に記載の半導体レーザ。
順次隣接して形成された前記ｐ型ベース層、前記活性層、前記ｎ型ベース層及び前記ｐ型エミッタ層からなる第２の半導体層群区分はバイポーラトランジスタとして機能し、このバイポーラトランジスタを駆動させることにより、前記活性層に注入する正孔量を制御することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一に記載の半導体レーザ。
前記活性層に注入させる前記電子量及び前記正孔量の少なくとも一方を制御することによって、生成及び発振される前記波長光の出力を変調するようにしたことを特徴とする、請求項８又は９に記載の半導体レーザ。
前記半導体層群は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一に記載の半導体レーザ。
前記半導体層群は、Ｉｎ_１−ＸＧａ_ＸＡｓ_１−ＹＰ_Ｙ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１）なる組成のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする、請求項１１に記載の半導体レーザ。
前記半導体層群の、前記ｐ型ベース層と前記活性層との間に、電子走行域層を具えることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一に記載の半導体レーザ。
前記電子走行域層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする、請求項１３に記載の半導体レーザ。
前記電子走行域層は、Ｉｎ_１−ＰＧａ_ＰＡｓ_１−ＱＰ_Ｑ（０≦Ｐ≦１，０≦Ｑ≦１）なる組成のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする、請求項１４に記載の半導体レーザ。
所定の基板上において、順次隣接するように形成されたｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層、活性層、ｎ型ベース層及びｐ型エミッタ層からなる半導体層群を具える半導体レーザの、前記活性層に対してドリフト電流が生じるような電圧を印加し、所定の波長光を生成して発振させることを特徴とする、半導体レーザの発振方法。
前記ｐ型ベース層、前記活性層及び前記ｎ型ベース層で構成されるＰＮ接合部分に対して、逆方向電圧を印加することを特徴とする、請求項１６に記載の半導体レーザの発振方法。
所定の基板上において、順次隣接するように形成されたｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層、活性層、ｎ型ベース層及びｐ型エミッタ層からなる半導体層群を具える半導体レーザの、前記活性層に対して拡散電流が生じるような電圧を印加し、所定の波長光を生成して発振させることを特徴とする、半導体レーザの発振方法。
前記ｐ型ベース層、前記活性層及び前記ｎ型ベース層で構成されるＰＮ接合部分に対して、順方向電圧を印加することを特徴とする、請求項１８に記載の半導体レーザの発振方法。
所定の基板上において、順次隣接するように形成されたｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層、活性層、ｎ型ベース層及びｐ型エミッタ層からなる半導体層群を具える半導体レーザの、前記活性層に対して拡散電流及びドリフト電流が生じるような電圧を印加し、所定の波長光を生成して発振させることを特徴とする、半導体レーザの発振方法。
前記ｐ型ベース層、前記活性層及び前記ｎ型ベース層で構成されるＰＮ接合部分に対して、順方向電圧を印加することを特徴とする、請求項２０に記載の半導体レーザの発振方法。
順次隣接して形成された前記ｎ型エミッタ層、前記ｐ型ベース層、前記活性層及び前記ｎ型ベース層からなる第１の半導体層群区分はバイポーラトランジスタとして機能し、このバイポーラトランジスタを駆動させることにより、前記活性層に注入する電子量を制御し、生成及び発振される前記波長光の出力を変調することを特徴とする、半導体レーザの発振方法。
順次隣接して形成された前記ｐ型ベース層、前記活性層、前記ｎ型ベース層及び前記ｐ型エミッタ層からなる第２の半導体層群区分はバイポーラトランジスタとして機能し、このバイポーラトランジスタを駆動させることにより、前記活性層に注入する正孔量を制御し、生成及び発振される前記波長光の出力を変調することを特徴とする、半導体レーザの発振方法。
前記半導体層群の、前記ｐ型ベース層と前記活性層との間に電子走行域層を設け、前記半導体層群中に生じるガン効果に起因した電流振動と、緩和振動における高次モードの電流振動とを同調させ、前記波長光の出力を高速で変調することを特徴とする、請求項１６〜２３のいずれか一に記載の半導体レーザの発振方法。
前記半導体層群は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする、請求項１６〜２４のいずれか一に記載の半導体レーザの発振方法。
前記半導体層群は、Ｉｎ_１−ＸＧａ_ＸＡｓ_１−ＹＰ_Ｙ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１）なる組成のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする、請求項２５に記載の半導体レーザの発振方法。
前記電子走行域層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする、請求項２４〜２６のいずれか一に記載の半導体レーザの発振方法。
前記電子走行域層は、Ｉｎ_１−ＰＧａ_ＰＡｓ_１−ＱＰ_Ｑ（０≦Ｐ≦１，０≦Ｑ≦１）なる組成のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする、請求項２７に記載の半導体レーザの発振方法。