JP2555983B2 - 光半導体素子 - Google Patents
光半導体素子Info
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- JP2555983B2 JP2555983B2 JP13881994A JP13881994A JP2555983B2 JP 2555983 B2 JP2555983 B2 JP 2555983B2 JP 13881994 A JP13881994 A JP 13881994A JP 13881994 A JP13881994 A JP 13881994A JP 2555983 B2 JP2555983 B2 JP 2555983B2
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光通信方式に用いられる
埋め込み構造の光半導体素子に関する。
埋め込み構造の光半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、光ファイバ通信方式の進展にはめ
ざましいものがあり、各加入者宅まで直接、あるいはそ
の近辺まで光ファイバ網を張り巡らせて、従来に無い多
用な情報サービスを可能にしようとする試みが現実のも
のとなりつつある。このような光加入者システム等のシ
ステムに用いられる半導体レーザとしては、温度制御無
しでも安定に動作するような高温動作特性の優れたもの
が要求される。
ざましいものがあり、各加入者宅まで直接、あるいはそ
の近辺まで光ファイバ網を張り巡らせて、従来に無い多
用な情報サービスを可能にしようとする試みが現実のも
のとなりつつある。このような光加入者システム等のシ
ステムに用いられる半導体レーザとしては、温度制御無
しでも安定に動作するような高温動作特性の優れたもの
が要求される。
【０００３】最近では歪ＭＱＷ構造を活性層とした素子
などが開発されるようになってきている。例えば岡等
は、１９９４年春の電子情報通信学会全国大会（予稿集
第４分冊、第４−２１５ペ−ジ）において、１０層ウェ
ルの１．３μm 帯ＭＱＷ−ＬＤを試作し、実用システム
での最高温度条件とされる８５℃において、５ｍＷ光出
力を得るために必要な電流値が３０ｍＡを切るような優
れた性能を有する素子を報告している。
などが開発されるようになってきている。例えば岡等
は、１９９４年春の電子情報通信学会全国大会（予稿集
第４分冊、第４−２１５ペ−ジ）において、１０層ウェ
ルの１．３μm 帯ＭＱＷ−ＬＤを試作し、実用システム
での最高温度条件とされる８５℃において、５ｍＷ光出
力を得るために必要な電流値が３０ｍＡを切るような優
れた性能を有する素子を報告している。
【０００４】しかしさらなる特性の向上のためにはＭＱ
Ｗ活性層内のキャリアの分布を均一にすることが重要で
ある。すなわち有効質量の大きなホールはｐクラッド層
側から注入され、ウェル層へのキャリア捕獲、ウェル層
からのキャリアエスケープを繰り返して順次、ｎクラッ
ド層側のウェルまで注入されていく。その過程でキャリ
ア捕獲時間、エスケープ時間が０ではないため、有効質
量の大きなホールはｐ側により多く分布し、ＭＱＷ活性
層本来の高い利得を得ることができなくなってしまう。
そのようなキャリア不均一注入の問題を克服するため
に、例えば山崎らは特開平３−３０４８６号公報に示さ
れたように、ｐクラッド側にドナー、ｎクラッド側にア
クセプタをドープしたＭＱＷ−ＬＤを発明した。
Ｗ活性層内のキャリアの分布を均一にすることが重要で
ある。すなわち有効質量の大きなホールはｐクラッド層
側から注入され、ウェル層へのキャリア捕獲、ウェル層
からのキャリアエスケープを繰り返して順次、ｎクラッ
ド層側のウェルまで注入されていく。その過程でキャリ
ア捕獲時間、エスケープ時間が０ではないため、有効質
量の大きなホールはｐ側により多く分布し、ＭＱＷ活性
層本来の高い利得を得ることができなくなってしまう。
そのようなキャリア不均一注入の問題を克服するため
に、例えば山崎らは特開平３−３０４８６号公報に示さ
れたように、ｐクラッド側にドナー、ｎクラッド側にア
クセプタをドープしたＭＱＷ−ＬＤを発明した。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら通常半導
体レーザのしきい値キャリア密度は２−３×１０18cm-3
の高いレベルに達し、上記の発明のＭＱＷ−ＬＤにおい
て不均一注入の問題を解決するには１×１０18cm-3に近
いレベルの不純物をドープする必要があり、それでは光
吸収損失が大きくなってしまい、所望のＭＱＷ活性層の
性能を引き出すことができない。
体レーザのしきい値キャリア密度は２−３×１０18cm-3
の高いレベルに達し、上記の発明のＭＱＷ−ＬＤにおい
て不均一注入の問題を解決するには１×１０18cm-3に近
いレベルの不純物をドープする必要があり、それでは光
吸収損失が大きくなってしまい、所望のＭＱＷ活性層の
性能を引き出すことができない。
【０００６】本発明の目的は吸収損失を増加させること
無く、ＭＱＷ活性層内のキャリア分布を均一にし、それ
によって低しきい値動作、高温動作が可能な優れた特性
の半導体レーザを実現することにある。
無く、ＭＱＷ活性層内のキャリア分布を均一にし、それ
によって低しきい値動作、高温動作が可能な優れた特性
の半導体レーザを実現することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上述の課題は、半導体活
性層がそれよりも低屈折率で、かつエネルギーギャップ
の大きな半導体層で覆われてなる埋め込み構造の光半導
体素子において、埋め込み活性層が多重量子井戸構造か
らなり、その積層方向の一方の面にｎ型のクラッド層が
接し、他の面にｐ型の第１のクラッド層が接し、左右の
面にｐ型の第２のクラッド層が接し、前記第２のクラッ
ド層の量子井戸層内のホールに対するエネルギー障壁が
第１のクラッド層のエネルギー障壁よりも低いことを特
徴とする光半導体素子、あるいは前記量子井戸層内のホ
ールに対する障壁高さが、バリア層においての方が前記
第２のクラッド層においてよりも高いことを特徴とする
光半導体素子によって解決することができる。
性層がそれよりも低屈折率で、かつエネルギーギャップ
の大きな半導体層で覆われてなる埋め込み構造の光半導
体素子において、埋め込み活性層が多重量子井戸構造か
らなり、その積層方向の一方の面にｎ型のクラッド層が
接し、他の面にｐ型の第１のクラッド層が接し、左右の
面にｐ型の第２のクラッド層が接し、前記第２のクラッ
ド層の量子井戸層内のホールに対するエネルギー障壁が
第１のクラッド層のエネルギー障壁よりも低いことを特
徴とする光半導体素子、あるいは前記量子井戸層内のホ
ールに対する障壁高さが、バリア層においての方が前記
第２のクラッド層においてよりも高いことを特徴とする
光半導体素子によって解決することができる。
【０００８】
【作用】ＭＱＷ活性層内のキャリア分布は主に有効質量
の大きなホールによって規定される。そこでホールをＭ
ＱＷ活性層多層構造の積層方向に垂直な方向だけでな
く、横方向からも注入しようとするのが本発明のポイン
トである。そのために第１図に示すように埋め込み構造
の活性層３の左右に、クラッド層よりもエネルギーギャ
ップが小さく、かつ量子井戸層よりもエネルギーギャッ
プの大きな第２クラッド層を形成した。これによって有
効質量の大きなホールはｐ側のクラッド層からだけでな
く、左右に形成された第２クラッド層からも注入され
る。これによって、通常の条件ではキャリア密度が相対
的に小さくなってしまうｎクラッド層側の量子井戸層に
もホールは十分に注入され、キャリアの不均一分布の問
題を大幅に緩和することが可能となる。
の大きなホールによって規定される。そこでホールをＭ
ＱＷ活性層多層構造の積層方向に垂直な方向だけでな
く、横方向からも注入しようとするのが本発明のポイン
トである。そのために第１図に示すように埋め込み構造
の活性層３の左右に、クラッド層よりもエネルギーギャ
ップが小さく、かつ量子井戸層よりもエネルギーギャッ
プの大きな第２クラッド層を形成した。これによって有
効質量の大きなホールはｐ側のクラッド層からだけでな
く、左右に形成された第２クラッド層からも注入され
る。これによって、通常の条件ではキャリア密度が相対
的に小さくなってしまうｎクラッド層側の量子井戸層に
もホールは十分に注入され、キャリアの不均一分布の問
題を大幅に緩和することが可能となる。
【０００９】
【実施例】以下実施例を示す図面を用いて本発明をより
詳細に説明する。図１は本発明の一実施例の断面模式図
を示す。このようなレーザを実現するには以下のような
手順で行う。まず（００１）面方位を有するｎ−ＩｎＰ
基板１上に全面にＳｉＯ2絶縁膜を形成し、それを＜１
１０＞方向に平行な２本のストライプ状にパターニング
する。２本のストライプは幅１μm の空隙を隔てて形成
され、幅２０μm で、空隙のピッチを３００μm とし
た。そのようなマスクを形成した基板上の幅１μm の空
隙領域にｎ−ＩｎＰバッファ層２（厚さ０．１μm ）、
ＭＱＷ活性層３（総厚０．２μm ）、ｐ−ＩｎＰクラッ
ド層４（厚さ０．４μm ）を選択的に成長する。図２に
示すようにＭＱＷ活性層３は１０層のＩｎＧａＡｓＰ量
子井戸層１０（波長組成１．４μm ，歪量＋１％、厚さ
５nm）、ＩｎＧａＡｓＰバリア層１１（波長組成１．１
μm 、無歪、厚さ５nm）、バリア層と同じ組成で、厚さ
５０nmのセパレート・コンファインメント・ヘテロ（Ｓ
ＣＨ）層からなる。
詳細に説明する。図１は本発明の一実施例の断面模式図
を示す。このようなレーザを実現するには以下のような
手順で行う。まず（００１）面方位を有するｎ−ＩｎＰ
基板１上に全面にＳｉＯ2絶縁膜を形成し、それを＜１
１０＞方向に平行な２本のストライプ状にパターニング
する。２本のストライプは幅１μm の空隙を隔てて形成
され、幅２０μm で、空隙のピッチを３００μm とし
た。そのようなマスクを形成した基板上の幅１μm の空
隙領域にｎ−ＩｎＰバッファ層２（厚さ０．１μm ）、
ＭＱＷ活性層３（総厚０．２μm ）、ｐ−ＩｎＰクラッ
ド層４（厚さ０．４μm ）を選択的に成長する。図２に
示すようにＭＱＷ活性層３は１０層のＩｎＧａＡｓＰ量
子井戸層１０（波長組成１．４μm ，歪量＋１％、厚さ
５nm）、ＩｎＧａＡｓＰバリア層１１（波長組成１．１
μm 、無歪、厚さ５nm）、バリア層と同じ組成で、厚さ
５０nmのセパレート・コンファインメント・ヘテロ（Ｓ
ＣＨ）層からなる。
【００１０】このように活性層３を含むメサストライプ
を成長した後、メサストライプ横のＳｉＯ2 絶縁膜マス
クの一部を両側３μm づつ除去し、波長組成１．２μm
のＩｎＧａＡｓＰ層である第２クラッド層５、ｐ−Ｉｎ
Ｐ埋め込み層６を成長する。メサストライプ上部で厚さ
はそれぞれ０．１μm ，２μm とした。こののち絶縁膜
マスクを除去し、埋め込み層の上面および基板側にそれ
ぞれｐ型、ｎ型のオーミック電極を形成し、所望の半導
体レーザを得る。図１中には発光再結合する活性層部分
のみを示しており、活性層から２０μm 離れた両側に形
成された成長層は省いている。
を成長した後、メサストライプ横のＳｉＯ2 絶縁膜マス
クの一部を両側３μm づつ除去し、波長組成１．２μm
のＩｎＧａＡｓＰ層である第２クラッド層５、ｐ−Ｉｎ
Ｐ埋め込み層６を成長する。メサストライプ上部で厚さ
はそれぞれ０．１μm ，２μm とした。こののち絶縁膜
マスクを除去し、埋め込み層の上面および基板側にそれ
ぞれｐ型、ｎ型のオーミック電極を形成し、所望の半導
体レーザを得る。図１中には発光再結合する活性層部分
のみを示しており、活性層から２０μm 離れた両側に形
成された成長層は省いている。
【００１１】このようにして作製した半導体レーザの横
方向、縦方向のエネルギーバンド構造図をそれぞれ図２
（ａ）、（ｂ）に示す。横方向にみると、図２（ａ）に
示したようにｐ型の埋め込み層６から注入されたホール
はｐ型の第２クラッド層５に落ち込んだ後、量子井戸活
性層１０に横方向から注入されることになる。特に上述
した実施例の場合には第２クラッド層のエネルギーギャ
ップはバリア層のバンドギャップよりも低く、横方向か
ら有効に量子井戸層に注入されることになる。一方有効
質量の小さな電子は通常のプロセスでｎ−ＩｎＰバッフ
ァ層側からＭＱＷ層の積層方向に垂直に注入される。も
ちろんホールも一部は垂直方向から注入される。したが
って垂直方向、水平方向の両方から注入されたホール
と、垂直方向から注入された電子とが量子井戸層１０内
で発光再結合することになる。単純化した計算からは不
均一注入係数
方向、縦方向のエネルギーバンド構造図をそれぞれ図２
（ａ）、（ｂ）に示す。横方向にみると、図２（ａ）に
示したようにｐ型の埋め込み層６から注入されたホール
はｐ型の第２クラッド層５に落ち込んだ後、量子井戸活
性層１０に横方向から注入されることになる。特に上述
した実施例の場合には第２クラッド層のエネルギーギャ
ップはバリア層のバンドギャップよりも低く、横方向か
ら有効に量子井戸層に注入されることになる。一方有効
質量の小さな電子は通常のプロセスでｎ−ＩｎＰバッフ
ァ層側からＭＱＷ層の積層方向に垂直に注入される。も
ちろんホールも一部は垂直方向から注入される。したが
って垂直方向、水平方向の両方から注入されたホール
と、垂直方向から注入された電子とが量子井戸層１０内
で発光再結合することになる。単純化した計算からは不
均一注入係数
【００１２】
【外１】 （レーザのしきい値条件で、各ウェル層でのキャリア密
度Ｎｉと平均キャリア密度Ｎａｖとの差の絶対値の総和
をキャリア密度平均値と全ウェル数で割ったもの：ξ＝
Σ｜Ｎｉ−Ｎａｖ｜／１０Ｎａｖ）
度Ｎｉと平均キャリア密度Ｎａｖとの差の絶対値の総和
をキャリア密度平均値と全ウェル数で割ったもの：ξ＝
Σ｜Ｎｉ−Ｎａｖ｜／１０Ｎａｖ）
【００１３】として、通常の構造（第２クラッド層を形
成しないもの）において約０．５程度の値であるもの
が、本発明の素子では０．２５程度に低減され、計算か
ら求められるしきい値電流も３０％程度低減できること
が予想される。
成しないもの）において約０．５程度の値であるもの
が、本発明の素子では０．２５程度に低減され、計算か
ら求められるしきい値電流も３０％程度低減できること
が予想される。
【００１４】以上のようにして作製したＭＱＷ−ＬＤに
おいて、素子長１５０μm に切り出し、前端面７０％、
裏面９５％になるように高反射膜を形成し、特性を評価
したところ、室温でのしきい値電流平均１．２ｍＡ，ス
ロープ効率０．４Ｗ／Ａ、８５℃−５ｍＷでの動作電流
２０ｍＡといづれもこれまで報告されている素子に対し
て２０−３０％程度改善された優れた特性が実現され
た。
おいて、素子長１５０μm に切り出し、前端面７０％、
裏面９５％になるように高反射膜を形成し、特性を評価
したところ、室温でのしきい値電流平均１．２ｍＡ，ス
ロープ効率０．４Ｗ／Ａ、８５℃−５ｍＷでの動作電流
２０ｍＡといづれもこれまで報告されている素子に対し
て２０−３０％程度改善された優れた特性が実現され
た。
【００１５】また第２の実施例としては第２クラッド層
として１．１μm 波長組成のＩｎＧａＡｌＡｓ層を用い
れば横方向のバンドギャップ構造は図３に示すようにな
り、ｎ側から注入された電子が第２クラッド層にもれる
のを防ぐことができる。この例においても第一の実施例
と同等の優れた特性が実現された。
として１．１μm 波長組成のＩｎＧａＡｌＡｓ層を用い
れば横方向のバンドギャップ構造は図３に示すようにな
り、ｎ側から注入された電子が第２クラッド層にもれる
のを防ぐことができる。この例においても第一の実施例
と同等の優れた特性が実現された。
【００１６】なお本発明の実施例においてはＩｎＰを基
板とするＩｎＧａＡｓＰ系、ないしＩｎＧａＡｌＡｓ系
の材料について示したが、用いる半導体材料はこれらに
限るものではなく、ＧａＡｓ系などの他の材料系であっ
て何等さしつかえない。また半導体レーザについて実施
例を示したが、他のデバイス、例えば半導体レーザアン
プに適用しても上述の事柄と同様に、利得の向上した優
れた特性の素子が期待できる。
板とするＩｎＧａＡｓＰ系、ないしＩｎＧａＡｌＡｓ系
の材料について示したが、用いる半導体材料はこれらに
限るものではなく、ＧａＡｓ系などの他の材料系であっ
て何等さしつかえない。また半導体レーザについて実施
例を示したが、他のデバイス、例えば半導体レーザアン
プに適用しても上述の事柄と同様に、利得の向上した優
れた特性の素子が期待できる。
【００１７】
【発明の効果】以上のように本願発明による半導体発光
素子ではＭＱＷ活性層中で有効質量の大きなホールが不
均一に分布する現象を緩和できる。それによって本来の
量子井戸活性層の高い利得特性を十分に引き出すことが
でき、したがって従来の性能を大幅に上回る高性能な半
導体レーザ、半導体光アンプ等を実現することが可能と
なった。
素子ではＭＱＷ活性層中で有効質量の大きなホールが不
均一に分布する現象を緩和できる。それによって本来の
量子井戸活性層の高い利得特性を十分に引き出すことが
でき、したがって従来の性能を大幅に上回る高性能な半
導体レーザ、半導体光アンプ等を実現することが可能と
なった。
【図１】本発明の半導体レーザの断面図。
【図２】本発明のキャリア注入の様子を示すエネルギー
バンド構造図。 （ａ）横方向のエネルギーバンド図。 （ｂ）垂直方向のエネルギーバンド図。
バンド構造図。 （ａ）横方向のエネルギーバンド図。 （ｂ）垂直方向のエネルギーバンド図。
【図３】本発明の半導体レーザの断面図。
１ 基板 ２ バッファ層 ３ 活性層 ４ クラッド層 ５ 第２クラッド層 ６ 埋め込み層 １０ 量子井戸層 １１ バリア層
Claims (2)
- 【請求項１】半導体活性層がそれよりも低屈折率で、か
つエネルギーギャップの大きな半導体層で覆われてなる
埋め込み構造の光半導体素子において、活性層が多重量
子井戸構造からなり、その積層方向の一方の面にｎ型の
クラッド層が接し、他の面にｐ型の第１のクラッド層が
接し、左右の面にｐ型の第２のクラッド層が接し、前記
第２のクラッド層の量子井戸層内のホールに対するエネ
ルギー障壁が前記第１のクラッド層のエネルギー障壁よ
りも低いことを特徴とする光半導体素子。 - 【請求項２】前記量子井戸層内のホールに対する障壁高
さが、バリア層においての方が前記第２のクラッド層に
おいてよりも高いことを特徴とする請求項１記載の光半
導体素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13881994A JP2555983B2 (ja) | 1994-06-21 | 1994-06-21 | 光半導体素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13881994A JP2555983B2 (ja) | 1994-06-21 | 1994-06-21 | 光半導体素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH088490A JPH088490A (ja) | 1996-01-12 |
| JP2555983B2 true JP2555983B2 (ja) | 1996-11-20 |
Family
ID=15230976
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13881994A Expired - Fee Related JP2555983B2 (ja) | 1994-06-21 | 1994-06-21 | 光半導体素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2555983B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102339918A (zh) * | 2010-07-16 | 2012-02-01 | Lg伊诺特有限公司 | 发光器件 |
-
1994
- 1994-06-21 JP JP13881994A patent/JP2555983B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102339918A (zh) * | 2010-07-16 | 2012-02-01 | Lg伊诺特有限公司 | 发光器件 |
| US8686400B2 (en) | 2010-07-16 | 2014-04-01 | Lg Innotek Co., Ltd. | Light emitting device having a light emitting structure including an interface layer |
| CN102339918B (zh) * | 2010-07-16 | 2015-04-22 | Lg伊诺特有限公司 | 发光器件 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH088490A (ja) | 1996-01-12 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
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