JP2008198942A - Semiconductor photo element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体光素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor optical device.
光通信に用いる半導体レーザ素子は、波長が1.25μm〜1.65μmのレーザ光を生成する。このようなレーザ素子では、主にGaInAsP系の4元混晶材料を用いた量子井戸構造が活性層として用いられ、またInPがクラッド層の材料として用いられる。 A semiconductor laser element used for optical communication generates laser light having a wavelength of 1.25 μm to 1.65 μm. In such a laser element, a quantum well structure using a GaInAsP-based quaternary mixed crystal material is mainly used as an active layer, and InP is used as a material for a cladding layer.
半導体レーザ素子の高温時の電流−光出力特性を劣化させる要因の一つとして、電子のオーバーフローがある。これは、n型クラッド層から活性層に注入された電子がp型クラッド層に抜け、あるいは活性層や光閉じ込め層の電子が熱的に励起されてp型クラッド層に漏れてしまい、活性層での再結合による発光に寄与しなくなる現象である。 One factor that degrades the current-light output characteristics of the semiconductor laser device at high temperature is the overflow of electrons. This is because electrons injected from the n-type cladding layer into the active layer pass through the p-type cladding layer, or electrons in the active layer or the optical confinement layer are thermally excited and leak into the p-type cladding layer. This phenomenon does not contribute to light emission due to recombination at.
電子のオーバーフローを防ぐためには、活性層とp型クラッド層との間に電子ストッパー層を設けることが考えられる。 In order to prevent the overflow of electrons, it is conceivable to provide an electron stopper layer between the active layer and the p-type cladding layer.
下記の非特許文献1及び2には、活性層とp型クラッド層の間に挿入された電子ストッパー層が開示されている。電子ストッパー層の材料としては、InPよりもバンドギャップエネルギーが大きいGaInPやAlGaInAs等の材料が用いられている。
ところで、本発明者は、p型クラッド層の活性層側にp型不純物を高濃度にドープすると、電子の注入効率を上げることができ、電子ストッパー層としての効果があることを見出した。 By the way, the present inventor has found that when the p-type impurity is doped at a high concentration on the active layer side of the p-type cladding layer, the electron injection efficiency can be increased, and there is an effect as an electron stopper layer.
しかしながら、図6に示されるように、p型不純物の濃度が高いと、熱平衡状態において、電子ストッパー層117中のp型不純物から電離した正孔が活性層側に移動してしまうことが判明した。これは、活性層側に位置する例えば光閉じ込め層116の価電子帯126の正孔エネルギーが電子ストッパー層117の価電子帯126の正孔エネルギーよりも顕著に低いことが原因と考えられる。なお、図6は、電子ストッパー層にp型不純物が高濃度にドープされた半導体光素子のバンド図である。
However, as shown in FIG. 6, it was found that when the concentration of the p-type impurity is high, holes ionized from the p-type impurity in the
電子ストッパー層117中の正孔が光閉じ込め層116に移動すると、光閉じ込め層116に正電荷が生じる。一方、移動した正孔の電荷量に対応する負電荷が電子ストッパー層117に生じる。その結果、光閉じ込め層116から電子ストッパー層117にかけて電界が生じる。この電界の強さに応じて、電子ストッパー層117における光閉じ込め層116側の部分のバンド(伝導帯127及び価電子帯126)が、図6に示すように、電子エネルギーが低くなる方向に曲がってしまう。これにより、より多くの電子が電子ストッパー層117を通過してしまう。
When holes in the
本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、電子のオーバーフローを抑制することができる半導体光素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a semiconductor optical device capable of suppressing an overflow of electrons.
上述の課題を解決するため、本発明の半導体光素子は、井戸層及びバリア層を含み量子井戸構造を有する活性層と、前記バリア層上に設けられIII−V族化合物半導体材料からなる第1のクラッド層と、前記第1のクラッド層上に設けられp型不純物を含む電子ストッパー層と、前記電子ストッパー層上に設けられ前記第1のクラッド層と同一材料からなり、前記電子ストッパー層のp型不純物濃度よりも低い濃度のp型不純物を含む第2のクラッド層とを備える。 In order to solve the above-described problems, a semiconductor optical device of the present invention includes a first active layer including a well layer and a barrier layer and having a quantum well structure, and a first layer made of a III-V group compound semiconductor material provided on the barrier layer. A clad layer, an electron stopper layer containing a p-type impurity provided on the first clad layer, and made of the same material as the first clad layer provided on the electron stopper layer. and a second cladding layer containing a p-type impurity having a lower concentration than the p-type impurity concentration.
本発明の半導体光素子では、第1のクラッド層が設けられていない場合に比べて、熱平衡状態において、電子ストッパー層中の正孔のうちバリア層側に移動する正孔の数が少なくなる。その理由としては、(1)第1のクラッド層の価電子帯の正孔エネルギーが比較的大きくなっていること、(2)第1のクラッド層によって電子ストッパー層がバリア層から離されていること等が挙げられる。電子ストッパー層からバリア層側に移動する正孔の数が少ないと、電子ストッパー層の電荷の変化が小さくなるので、電子ストッパー層とバリア層との間に印加される電界が小さくなる。よって、電子ストッパー層の伝導帯の曲がりも小さくなるので、電子のオーバーフローを抑制することができる。 In the semiconductor optical device of the present invention, the number of holes moving to the barrier layer side among the holes in the electron stopper layer is reduced in the thermal equilibrium state as compared with the case where the first cladding layer is not provided. This is because (1) the hole energy in the valence band of the first cladding layer is relatively large, and (2) the electron stopper layer is separated from the barrier layer by the first cladding layer. And so on. When the number of holes moving from the electron stopper layer to the barrier layer side is small, the change in the charge of the electron stopper layer is small, and the electric field applied between the electron stopper layer and the barrier layer is small. Therefore, the conduction band bending of the electron stopper layer is also reduced, so that the overflow of electrons can be suppressed.
また、上記半導体光素子は、前記バリア層と前記第1のクラッド層との間に設けられた光閉じ込め層を更に備え、前記光閉じ込め層のバンドギャップエネルギーは、前記バリア層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、かつ、前記第1のクラッド層のバンドギャップエネルギーよりも小さいことが好ましい。 The semiconductor optical device further includes an optical confinement layer provided between the barrier layer and the first cladding layer, and the band gap energy of the optical confinement layer is greater than the band gap energy of the barrier layer. And is preferably smaller than the band gap energy of the first cladding layer.
この場合、第1のクラッド層によって、電子ストッパー層中の正孔のうち光閉じ込め層に移動する正孔の数が少なくなる。また、光閉じ込め層によって光を活性層に閉じ込め易くなるので、光が電子ストッパー層に到達して電子ストッパー層により吸収されることを抑制できる。 In this case, the first cladding layer reduces the number of holes that move to the optical confinement layer among the holes in the electron stopper layer. Further, since the light is easily confined in the active layer by the light confinement layer, it is possible to suppress the light from reaching the electron stopper layer and being absorbed by the electron stopper layer.
また、前記第1のクラッドがp型不純物を含み、前記光閉じ込め層がp型不純物を含み、前記第1のクラッドのp型不純物濃度は、前記光閉じ込め層のp型不純物濃度よりも高く、かつ、前記電子ストッパー層のp型不純物濃度よりも低いことが好ましい。 The first clad includes a p-type impurity, the optical confinement layer includes a p-type impurity, and the p-type impurity concentration of the first clad is higher than the p-type impurity concentration of the optical confinement layer, And it is preferable that it is lower than the p-type impurity concentration of the electron stopper layer.
この場合、電子ストッパー層と第1のクラッド層とのp型不純物濃度の差が小さくなるため電子ストッパー層からの正孔の拡散移動が少なくなり、バンドの曲がりが小さくなる。また、第1のクラッド層の伝導帯の電子エネルギーが比較的大きくなる。よって、第1のクラッド層が電子に対して障壁となるため、電子が光閉じ込め層から第1のクラッド層に移動することが抑制される。 In this case, since the difference in the p-type impurity concentration between the electron stopper layer and the first cladding layer is reduced, the diffusion movement of holes from the electron stopper layer is reduced, and the bending of the band is reduced. In addition, the electron energy in the conduction band of the first cladding layer becomes relatively large. Therefore, since the first cladding layer serves as a barrier against electrons, movement of electrons from the optical confinement layer to the first cladding layer is suppressed.
本発明によれば、電子のオーバーフローを抑制することができる半導体光素子が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor optical element which can suppress the overflow of an electron is provided.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same reference numerals are used for the same or equivalent elements, and duplicate descriptions are omitted.
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す断面図である。図1に示される半導体光素子10としては、例えば半導体レーザ、半導体増幅器等が挙げられる。半導体光素子10は、n型の半導体基板12と、半導体基板12上に設けられたn型のクラッド層13と、クラッド層13上に設けられたn型(又はノンドープ)の光閉じ込め層(SCH層ともいう。)14と、光閉じ込め層14上に設けられた活性層15と、活性層15上に設けられたp型(又はノンドープ)の光閉じ込め層16と、光閉じ込め層16上に設けられたオフセット層35(第1のクラッド層)と、オフセット層35上に設けられたp型の電子ストッパー層17と、電子ストッパー層17上に設けられたp型のクラッド層18(第2のクラッド層)とを備える。半導体基板12の裏面上には、n電極22が設けられている。n電極22は例えば半導体基板12の裏面全体に形成される。クラッド層18上にはp電極21が設けられている。p電極21は、例えばストライプ状に形成される。あるいは、ストライプ状にエッチングした活性層の両側を電流ブロック層で埋め込んだ電流狭窄構造上にp電極21が形成されてもよい。半導体基板12とクラッド層13とは一体であってもよい。また、半導体光素子10は、光閉じ込め層14,16を備えなくてもよい。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a semiconductor optical device according to the first embodiment. Examples of the semiconductor
半導体基板12は、例えばInP等のIII−V族化合物半導体材料からなる。クラッド層13,18は例えばInP、AlGaInAs、GaInAsP等のIII−V族化合物半導体材料からなる。活性層15は、複数の井戸層31と複数のバリア層32とが交互に積層された量子井戸構造を有する(多重量子井戸構造)。活性層15の最外層には、バリア層32が配置される。よって、光閉じ込め層14は、クラッド層13とバリア層32との間に配置される。また、光閉じ込め層16は、オフセット層35とバリア層32との間に配置される。活性層15は、1つの井戸層31を有してもよい(単一量子井戸構造)。井戸層31は、例えばAlGaInAs、GaInAsP等のIII−V族化合物半導体材料からなる。バリア層32は、例えばAlGaInAs、GaInAsP等のIII−V族化合物半導体材料からなる。半導体光素子10から出力される光の波長は、例えば1.25〜1.65μmである。
The
光閉じ込め層14,16は、例えばAlGaInAs、GaInAsP等のIII−V族化合物半導体材料からなる。オフセット層35は、例えばInP、AlGaInAs、GaInAsP、InGaP等のIII−V族化合物半導体材料からなる。オフセット層35はp型不純物を含んでもよいし、含まなくてもよい。オフセット層35がp型不純物を含む場合、オフセット層35のp型不純物濃度は、例えば1×1017〜1×1018cm−3である。オフセット層35は、電子ストッパー層17のp型不純物濃度よりも低い濃度のp型不純物を含むことが好ましい。オフセット層35の厚みは、10〜500nmであることが好ましい。
The
電子ストッパー層17は、例えばInP、GaInP、AlGaInAs、GaInAsP等のIII−V族化合物半導体材料からなる。電子ストッパー層17には、高濃度のp型不純物がドープされている。電子ストッパー層17のp型不純物濃度は、例えば7×1017〜2×1019cm−3である。電子ストッパー層17の厚みは、2〜100nmであることが好ましい。
The
クラッド層18は、オフセット層35と同一材料からなる。クラッド層18は、電子ストッパー層17のp型不純物濃度よりも低い濃度のp型不純物を含む。クラッド層18のp型不純物濃度は、例えば1×1017〜1×1018cm−3である。
The
図2は、第1実施形態に係る半導体光素子のバンド図である。図2に示される26は価電子、27は伝導帯、黒丸は電子、白丸は正孔を表す。矢印28及び29は、それぞれ半導体光素子10に注入される正孔及び電子の向きを示す。矢印25は、活性層15での誘導放出に伴う電子の遷移を示している。
FIG. 2 is a band diagram of the semiconductor optical device according to the first embodiment. In FIG. 2, 26 represents a valence electron, 27 represents a conduction band, a black circle represents an electron, and a white circle represents a hole.
図2に示されるように、井戸層31のバンドギャップエネルギーは、バリア層32のバンドギャップエネルギーよりも小さい。光閉じ込め層14,16のバンドギャップエネルギーは、バリア層32のバンドギャップエネルギーよりも大きく、かつ、オフセット層35のバンドギャップエネルギーよりも小さい。クラッド層13,18及び電子ストッパー層17のバンドギャップエネルギーは、光閉じ込め層14,16のバンドギャップエネルギーよりも大きい。電子ストッパー層17は、電子に対するポテンシャル障壁を形成している。電子ストッパー層17の伝導帯下端は、オフセット層35及びクラッド層18の伝導帯下端よりも高い。電子ストッパー層17の価電子帯上端は、オフセット層35及びクラッド層18の価電子帯上端よりも高い。なお、電子ストッパー層17の価電子帯上端は、オフセット層35及びクラッド層18の価電子帯上端より低くてもよい。
As shown in FIG. 2, the band gap energy of the
本実施形態の半導体光素子10では、オフセット層35が設けられていない場合に比べて、熱平衡状態において、電子ストッパー層17中の正孔のうち光閉じ込め層16側に拡散等により移動する正孔の数が少なくなる。その理由としては、(1)オフセット層35の価電子帯の正孔エネルギーが比較的大きくなっていること、(2)オフセット層35によって電子ストッパー層17が光閉じ込め層16から離されていること等が挙げられる。電子ストッパー層17から光閉じ込め層16側に移動する正孔の数が少ないと、電子ストッパー層17の電荷の変化が小さくなるので、電子ストッパー層17と光閉じ込め層16との間に印加される電界が小さくなる。よって、電子ストッパー層17の伝導帯の曲がりも小さくなるので、電子のオーバーフローを抑制することができる。さらに、電子ストッパー層17の価電子帯が正孔エネルギーの大きな方向へ曲がることを抑制できるので、活性層15への正孔の注入効率を向上させることができる。したがって、半導体光素子10が発光素子の場合には、半導体光素子10の光出力を大きくすることができる。半導体光素子10の光出力は、85℃といった高温環境下においても低下し難い。
In the semiconductor
また、半導体光素子10が光閉じ込め層14,16を備える場合、光閉じ込め層14,16によって光を活性層15に閉じ込め易くなるので、光が電子ストッパー層17に到達して電子ストッパー層17により吸収されることを抑制できる。
Further, when the semiconductor
また、オフセット層35がp型不純物を含み、オフセット層35のp型不純物濃度が光閉じ込め層16のp型不純物濃度よりも高く、かつ、電子ストッパー層17のp型不純物濃度よりも低いことが好ましい。この場合、電子ストッパー層17とオフセット層35とのp型不純物濃度の差が小さくなるため電子ストッパー層17からの正孔の拡散移動が少なくなり、バンドの曲がりが小さくなる。また、オフセット層35がノンドープの場合に比べて、オフセット層35の伝導帯の電子エネルギーが比較的大きくなる。よって、オフセット層35が電子に対して障壁となるため、電子が光閉じ込め層16からオフセット層35に移動することが抑制される。
The offset
また、オフセット層35の厚みは、10〜500nmであることが好ましい。オフセット層35の厚みが10nm未満であると、電子ストッパー層17中の正孔が光閉じ込め層16に移動し易くなることによって、電子ストッパー層17の伝導帯の曲がりが大きくなる傾向にある。一方、オフセット層35の厚みが500nmを超えると、オフセット層35中においてキャリアの再結合が生じることによって、半導体光素子10の発光効率が低下する傾向にある。
Further, the thickness of the offset
図3は、第1実施形態に係る半導体光素子の電流−光出力特性(IL特性)の一例を模式的に示すグラフである。図3中、縦軸は光出力を表し、横軸は電流を表す。図3中、実線G1は、半導体光素子10のIL特性を示す。実践G2は、オフセット層35を備えないこと以外は半導体光素子10と同様の構成を有する半導体光素子のIL特性を示す。図3に示されるように、レーザ発振の閾値電流Ithより大きい電流において、オフセット層35を備えることによって半導体光素子の光出力が大きくなることが分かる。
FIG. 3 is a graph schematically showing an example of current-light output characteristics (IL characteristics) of the semiconductor optical device according to the first embodiment. In FIG. 3, the vertical axis represents the light output, and the horizontal axis represents the current. In FIG. 3, the solid line G <b> 1 indicates the IL characteristic of the semiconductor
本実施形態に係る半導体光素子の構成例1及び2を以下に示す。 Configuration examples 1 and 2 of the semiconductor optical device according to this embodiment are shown below.
(構成例1)
・クラッド層18:p−InP層
・電子ストッパー層17:p−InP層又はp−AlGaInAs層
・オフセット層35:p−InP層
・光閉じ込め層16:p−AlGaInAs層
・井戸層31:AlGaInAs層
・バリア層32:AlGaInAs層
・光閉じ込め層14:n−AlGaInAs層
・クラッド層13:n−InP層
・半導体基板12:n−InP基板
(Configuration example 1)
Cladding layer 18: p-InP layer Electron stopper layer 17: p-InP layer or p-AlGaInAs layer Offset layer 35: p-InP layer Optical confinement layer 16: p-AlGaInAs layer Well layer 31: AlGaInAs layer Barrier layer 32: AlGaInAs layer Optical confinement layer 14: n-AlGaInAs layer Clad layer 13: n-InP layer Semiconductor substrate 12: n-InP substrate
(構成例2)
・クラッド層18:p−InP層
・電子ストッパー層17:p−InP層
・オフセット層35:p−InP層
・光閉じ込め層16:p−GaInAsP層
・井戸層31:GaInAsP層
・バリア層32:GaInAsP層
・光閉じ込め層14:n−GaInAsP層
・クラッド層13:n−InP層
・半導体基板12:n−InP基板
(Configuration example 2)
Clad layer 18: p-InP layer Electron stopper layer 17: p-InP layer Offset layer 35: p-InP layer Optical confinement layer 16: p-GaInAsP layer Well layer 31: GaInAsP
(第2実施形態)
図4は、第2実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す断面図である。図5は、第2実施形態に係る半導体光素子のバンド図である。図4に示される半導体光素子10aとしては、半導体光素子10と同様のものが挙げられる。半導体光素子10aは、p型の半導体基板12aと、半導体基板12a上に設けられたp型のクラッド層18(第2のクラッド層)と、クラッド層18上に設けられたp型の電子ストッパー層17と、電子ストッパー層17上に設けられたオフセット層35(第1のクラッド層)と、オフセット層35上に設けられたp型(又はノンドープ)の光閉じ込め層16と、光閉じ込め層16上に設けられた活性層15と、活性層15上に設けられたn型(又はノンドープ)の光閉じ込め層14と、光閉じ込め層14上に設けられたn型のクラッド層13とを備える。半導体基板12aの裏面上には、p電極21が設けられている。p電極21は例えば半導体基板12aの裏面全体に形成される。クラッド層13上にはn電極22が設けられている。n電極22は、例えばストライプ状に形成される。半導体基板12aとクラッド層18とは一体であってもよい。また、半導体光素子10aは、光閉じ込め層14,16を備えなくてもよい。半導体基板12aは、例えばInP等のIII−V族化合物半導体材料からなる。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a semiconductor optical device according to the second embodiment. FIG. 5 is a band diagram of a semiconductor optical device according to the second embodiment. As the semiconductor
本実施形態の半導体光素子10aでは、半導体光素子10と同様の作用効果が得られる。よって、半導体光素子10aでは、電子のオーバーフローを抑制することができる。
In the semiconductor
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment.
10,10a…半導体光素子、14,16…光閉じ込め層、15…活性層、17…電子ストッパー層、18…第2のクラッド層、31…井戸層、32…バリア層、35…オフセット層(第1のクラッド層)。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記バリア層上に設けられIII−V族化合物半導体材料からなる第1のクラッド層と、
前記第1のクラッド層上に設けられp型不純物を含む電子ストッパー層と、
前記電子ストッパー層上に設けられ前記第1のクラッド層と同一材料からなり、前記電子ストッパー層のp型不純物濃度よりも低い濃度のp型不純物を含む第2のクラッド層と、
を備える、半導体光素子。 An active layer having a quantum well structure including a well layer and a barrier layer;
A first cladding layer provided on the barrier layer and made of a III-V compound semiconductor material;
An electronic stopper layer provided on the first cladding layer and containing p-type impurities;
A second clad layer provided on the electron stopper layer and made of the same material as the first clad layer, and containing a p-type impurity at a concentration lower than the p-type impurity concentration of the electron stopper layer;
A semiconductor optical device comprising:
前記光閉じ込め層のバンドギャップエネルギーは、前記バリア層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、かつ、前記第1のクラッド層のバンドギャップエネルギーよりも小さい、請求項1に記載の半導体光素子。 An optical confinement layer provided between the barrier layer and the first cladding layer;
2. The semiconductor optical device according to claim 1, wherein a band gap energy of the optical confinement layer is larger than a band gap energy of the barrier layer and smaller than a band gap energy of the first cladding layer.
前記光閉じ込め層がp型不純物を含み、
前記第1のクラッドのp型不純物濃度は、前記光閉じ込め層のp型不純物濃度よりも高く、かつ、前記電子ストッパー層のp型不純物濃度よりも低い、請求項2に記載の半導体光素子。 The first cladding includes a p-type impurity;
The optical confinement layer includes a p-type impurity;
3. The semiconductor optical device according to claim 2, wherein the p-type impurity concentration of the first cladding is higher than the p-type impurity concentration of the optical confinement layer and lower than the p-type impurity concentration of the electron stopper layer.
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