JP2572371B2 - 半導体レ−ザ - Google Patents

半導体レ−ザ

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、第１導電型の基板とその上に設けられた層
構造とを有し、この層構造は、連続して、少なくとも第
１導電型の第１不活性層と、第２導電型の第２不活性層
と、これ等第１および第２不活性層の間に位置し、十分
に大きな順方向電流において共振器内に位置する活性層
の帯形活性領域内にコヒーレントな電磁放射線を発生す
る、その導電型に応じて前記の不活性層の一方との間に
位置するpn接合を有する活性層と、前記の活性領域の区
間で中断層を有する電流制限用ブロック層とを有し、前
記の第１および第２不活性層は前記の活性層よりも発生
放射線に対する小さな屈折率と大きな禁止帯巾とを有
し、第２不活性層と基板とは接続導体に接続された半導
体レーザに関するものである。
この種の半導体レーザは米国特許明細書第3984262号
より知られている。
半導体pnレーザ、特にダブルヘテロ構造のレーザ（所
謂DHレーザ）では、できる限り低いしきい値電流で所望
のレーザ動作を得そして加熱を防止するために、コヒー
レントな放射線が発生されるレーザ構造の帯形活性部分
にポンピング電流を確実に閉込めるように種々の構造が
用いられる。
単に簡単な方法では、電極の一方がレーザ面の帯形部
分とだけ接触し、この領域以外は絶縁層例えば酸化シリ
コンの絶縁層によって分離されている。けれども、この
構造では電極と活性層との距離が相当に大きく、この距
離に亘って電流の拡がりが生じる。
やはり良く使用されるこれよりも良い方法は、レーザ
の帯形活性領域の外側に高抵抗領域を形成し、この高抵
抗領域が、表面から活性層の付近迄または若し所望なら
ば更にこの層を通って延在するようにことができる。半
導体レーザの活性部分に電流を有効に閉込めるこのよう
な高抵抗領域は、結晶構造を乱ししたがって著しく電気
抵抗を増加するプロトン打込みによって形成されるのが
普通である。この方法は米国特許明細書第3824133号に
記載されている。けれどもこの方法は、このようなプロ
トン打込みには高価な装置が必要とされ、この打込みは
可なり骨の折れる作業であるという欠点をもつ。
前述の欠点を除くために第３の方法が開発された。こ
の方法は前述の米国特許明細書第3984262号に記載され
てあり、活性層の付近の結晶構造内に埋込ブロック層が
設けられ、このブロック層は、高抵抗材料またはブロッ
ク層が隣接の半導体材料とpn接合を形成するような導電
型の半導体材料より成る。動作状態において、このpn接
合は逆方向にバイアスしてもよく、またはこのpn接合を
経て電流が流れないような方法で順方向にバイアスして
もよい。このようなブロック層は、例えば拡散法、イオ
ン注入法、エピタキシャル成長法等によって簡単に形成
することができ、優れた電流閉込めが得られる。したが
って、この構造のレーザ、特にそのより進歩した形、就
中「エレクトロニクス レターズ（Electronics Letter
s）」1982年10月28日第18巻第22号の第953−954頁に記
載されたようなダブルチャネルプレーナ埋込形ヘテロ
（DCPBH,Double Channel Planar Buried Hetero）レー
ザは数多くの用途に特に適している。
光通信のような重要な応用分野では、レーザを非常に
高い変調周波数例えば1GHzまたはそれ以上で動作するこ
とが要求される。電流閉込めブロック層を有する前述の
レーザは他の面では満足に動作することがわかったが、
このような高い周波数では変調帯域幅の軽視できない制
限を明らかにした問題が生じた。
本発明は就中この問題を除くか少なくとも著しく低減
し、極めて高い周波数（＞1GHz）での使用に適したブロ
ック層電流閉込めを有する半導体レーザをうることにあ
る。
本発明は就中次のような認識即ちこの目的はブロック
層電流閉込めを有する公知の半導体レーザに最終処理を
施すことによって達成することができるという認識に基
づいたものである。
本発明は、冒頭に記載した種類の半導体レーザにおい
て、次のような特徴を有するものである、すなわち、帯
形活性領域は、活性層よりも発生放射線に対する小さな
屈折率と大きな禁止帯幅を有する第２導電型の境界領域
とこの境界領域上に設けられた第１の導電型のブロック
層とで少なくとも部分的に満たされ且つ第２不活性層の
上側から前記の活性層を通って第１不活性層内迄延在す
る２つの溝によって限界され、乱された結晶構造を有す
る高抵抗領域が、半導体の基板と反対の側から少なくと
も前記のブロック層を通り抜けて帯形活性領域の外側に
該帯形活性領域から離れてその両側に延在することを特
徴とするものである。
このやり方は、電流閉込めにコストを増す複雑な技法
を避けるという前述の目的と矛盾するように見える。更
に、埋込ブロック層によって充分な電流閉込めが得られ
るのであるから、例えばブロトン打込みやその他の方法
によって、乱された結晶構造を有する高抵抗領域をその
上設けることは全く余計に見える。
けれども、この付加的な一見余計に見える方策の結
果、このようにして得られたレーザは1GHzより遥か上の
周波数でも満足に働くことができるということがわかっ
た。この予想外に好ましい結果は少なくとも可なりの程
度次の事実に起因するものと考えられる、即ち、高周波
における前述の問題は、構造の横方向の寄生電流と組合
って、ブロック層により隣接半導体材料と共に形成され
る容量によって生ずるものと考えられる。
帯形活性領域が活性層よりも発生放射線に対する小さ
な屈折率と大きな禁止帯幅を有する第２導電型の境界領
域とこの境界領域上に設けられた第１導電型のブロック
層とで少なくとも部分的に満たされ且つ第２不活性層の
上側から前記の活性層を通って第１不活性層内迄延在す
る２つの溝によって限界される結果、放射線は帯形活性
領域に横方向に閉込められる。
乱された結晶構造を有する高抵抗領域は、高速粒子好
ましくはプロトンの打込みによってえられる。ブロック
層は絶縁性若しくは少なくとも高抵抗材料より形成して
もよいが隣接半導体材料と動作状態時に逆方向にバイア
スされるpn接合を形成するのが好ましい。
以下本発明を図面を参照して実施例でより詳しく説明
する。図面は寸法比を無視してある。図面を見易くする
ために特に垂直方向の寸法は著しく誇張してある。図面
の対応部分には同じ符号を付してありまた同じ導電型の
領域の断面は同じ方向の斜線で示してある。
第１図は本発明の半導体レーザの一実施例を断面図で
線図的に示したものである。このレーザは、第１導電
型、この場合にはｎ型の燐化インジウム（InP）の基板
１を有する半導体を有する。前記の基板１上には、ｎ型
の燐化インジウムの第１不活性層（クラッド層）２と反
対の即ちこの場合にはＰ型のやはり燐化インジウムより
成る第２不活性層（クラッド層）３と、層２と３の間の
活性層４とを有する層構造が設けられている。この活性
層４はインジウムガリウム砒素燐（組成InxGa1-xAsyP
1-y）より成るｘとｙの値をかえると、発生放射線の波
長を約1.2μｍと1.6μｍの間でかえることができる。こ
の例ではＸ＝0.73およびＹ＝0.63で、一方層４はわざと
ドープされていない。
前記の層４は、この層４の導電型に応じて該層と層２
と３の何れか一方との間に位置するpn接合を有する。こ
のpn接合は、十分に大きな順方向電流において活性層４
の帯形領域4Aにコヒーレントな電磁放射線を発生するこ
とができる。前記の帯形領域4Aは第１図で図面に直角に
延在し、この領域4aに直角に配設され且つ結晶の劈開面
の形をとる２つの鏡面によって形成された共振器（図示
せず）内にある。ｘとｙの前記の値では、放射線波長は
真空中で約1.3μｍである。第１不活性層２と第２不活
性層３は何れも発生放射線に対して活性層４よりも低い
屈折率を有しまた活性層４よりも大きな禁止帯幅を有す
る。
このレーザは更に電流閉込めブロック層５を有し、こ
の層が活性領域4Aの区域において帯形の中断部を有す
る。第２不活性層３（少なくともその一部はブロック層
５で覆われていない）は、（この実施例ではｐ型InPの
高濃度ドープ層６とこの層の上に設けられたｘ＝0.79お
よびｙ＝0.49を有するｐ型のInxGa1-xAsyP1-yより成る
高濃度ドープ層７とを経て）金属の電極層８の形の接続
導体に接続され、この電極層は、この実施例では酸化シ
リコンの絶縁層９により更にレーザの不活性部分と分離
されている。基板１は電極層10を有する下側の上に設け
られている。
更に、この実施例では、発生放射線に対して活性層４
よりも低い屈折率を有しまたこの活性層４よりも大きな
禁止帯幅を有するInPのｐ型層の形の境界領域11があ
る。帯形活性領域4aは更に２つの溝12と13で限界され、
これ等の溝は、第２不活性層３の上側から活性層４を通
って第１不活性層２内迄延在し、前記の境界領域11とそ
の上のブロック層５とで少なくとも部分的に満たされて
いる。境界領域11と溝12および溝13とは電流閉込めおよ
び活性領域4Aへの放射線の閉込めを著しく有利にする。
以上説明した半導体レーザは前述の「エレクトロニッ
ク レターズ」の論文より知られている。このレーザは
光通信用の光源として使用するのに特に適している。
けれども、このレーザやブロック層を有するその他の
レーザ構造の欠点は、非常に高い周波数で寄生容量およ
び電流が極めて妨害となる影響を有し、このためこれ等
レーザの変調帯域幅がひどく制限されるということであ
る。寄生容量が特にブロック層の容量によって形成さ
れ、この実施例では更に電極層８と絶縁層９の容量によ
っても形成される。この実施例では、ブロック層５はｎ
型InPより成るので、２つのpn接合が形成される、すな
わち１つは層５と６の間にまた１つは層５と11の間に形
成される。これ等のpn接合は比較的大きな寄生容量を生
じる。層６と７の横方向抵抗は、前記の寄生容量と共
に、レーザの不活性部のインピーダンスレベルを著しく
低減ししたがって高周波挙動に不利に働くRCの組合せを
形成する。
本発明によれば、乱された結晶構造を有する第１図に
その境界を点線で示した高抵抗領域14が、半導体の基板
１と反対の側から少なくともブロック層５を通り抜けて
帯形活性領域4Aの両側に延在している。この実施例にお
ける高抵抗領域はプロトン打込みによって得られ、レー
ザの不活性部分のインピーダンスレベルを著しく増す。
この結果、このレーザは1GHzより遥か上の周波数迄使用
することができ、広帯域光通信システムの適当な光源と
なった。
第２図においてＡは前述した構造の半導体レーザの変
調感度ＧをまたＢは高抵抗領域14のない同じ半導体レー
ザの変調感度Ｇを夫々周波数の関数として例示したもの
である。ここで変調感度Ｇという言葉は、ポンピング電
流の変化の関数としての放出出力の変化を意味するもの
である。第２図でＧは（任意の単位で）対数的にプロッ
トされている。高抵抗領域14のないレーザは、100MHz以
上では変調感度が著しく低減されているが、本発明のレ
ーザではこの変調感度は略々2GHzの周波数迄大体一定に
保たれることがはっきりわかるであろう。
以上説明した半導体レーザは第３図から第５図に示し
た方法でつくることができる。
出発材料は、360μｍの厚さ、（100）面および例えば
５・1018／cm3のキャリヤ濃度をもったｎ型燐化インジ
ウムの基板１である（第３図参照）。
この基板上に、例えば液相エピタキシャル成長法（LP
E）によって、約３μｍの厚さと２・1018錫原子／cm3の
ドープ濃度を有するｎ型燐化インジウムの層２と、In
0.73Ga0.27As0.63P0.37の組成と0.15μｍの厚さを有
し、わざとドープしてない活性層４と、１μｍの厚さと
２・1018亜鉛原子／cm3のドープ濃度を有するｐ型燐化
インジウムの層３と、In0.79Ga0.21As0.49P0.51の組成
と５・1018亜鉛原子／cm3のドープ濃度を有するｐ型被
覆層15とが通常のようにして連続的に成長される（第３
図参照）。
このアセンブリ11は次いで成長装置から取出される。
この場合被覆層15は、高温の間層３からの燐の蒸発を防
ぐのに役立つ。この層構造を冷却した後、前記の被覆層
15は例えば濃硫酸とH2O230％の混合物でのエッチングに
よって除去される。次いで、例えば臭化メタノールをエ
ッチャントとして用いて通常の写真印刷技法により層３
の表面に溝12と13をエッチする。上側ではこの溝は約９
μｍの幅を有し、３μｍの深さを有する。その上側で溝
間にあるメサの幅は約1.5μｍである。
次いでこのアセンブリは再び成長装置内に置かれる。
先ず８・1017亜鉛原子／cm3のドープ濃度を有するｐ型
燐化インジウム層11が成長され、この上に、８・1017ゲ
ルマニウ原子／cm3のドープ濃度を有するｎ型燐化イン
ジウム層５（ブロック層）が成長される。溝12,13と前
記のメサ以外の構造の平坦部分上では、これ等の層は約
0.5μｍの厚さを有する。これ等の層は部分的に溝を埋
めるが、メサ上には成長しない。次いで、１μｍの厚さ
と８・1017亜鉛原子／cm3のドープ濃度を有するｐ型燐
化インジウム層６と、In0.79Ga0.21As0.49P0.51の組成
を有し、１μｍの厚さと２・10-18亜鉛原子／cm3のドー
プ濃度を有するｐ型層７が成長される。この時第５図の
構造が得られる。
若し所望ならばこの時酸化層９を形成し、この層内
に、溝と中間領域の上方を開けて置く10μｍ幅の帯がエ
ッチされる。良好なオーミック接触を得るために亜鉛が
この帯内に拡散される。次いで：この帯の表面に約2.5
μｍの厚さの金マスクを公知の写真印刷方法によって設
ける。３・1015プロトン／cm3の量のプロトンを320KeV
のエネルギで打込むことによって、次いで領域14が形成
されるｑ最後に、エッチングによって基板１の厚さが約
80μｍに減少され、その後金属の電極層８と10が設けら
れ、鏡面として役立つ劈阿面が罫書いて割ることにより
得られる。次いでこの半導体レーザを通常の方法で仕上
げることができる。
高抵抗領域14は、プロトン打込みの代わりに、その他
の高速粒子例えばジュウテリウムイオンやヘリウムイオ
ンの打込みで得ることもできる。この領域14は打込みエ
ネルギによっては、この実施例におけるよりも深く例え
ば活性層４を通って第１不活性層２迄延在することもで
きる。
前記の領域14は非常に高抵抗でしたがって殆ど電流の
拡がりを生じることがないので、酸化層９の存在は必ず
しも必要でない。
ブロック層５は、ｎ型層の代わりに絶縁物質の層また
は例えばイオン打込みで得た非常な高抵抗層でもよい。
本発明は、以上述べたレーザ構造だけでなく、電流の
閉込めが埋込みブロック層によって得られるすべてのレ
ーザ構造にも一般的な意味で有利であるといえる。第６
図と第７図は、本発明による高抵抗領域14をそなえたブ
ロック層５を設けた２つの別の公知の半導体レーザの断
面図を参考として示す。
第６図は、高周波挙動を改良するための乱された結晶
構造を設けて高抵抗領域14を設けた米国特許明細書第39
84262号の半導体レーザの断面図を参考として示す。基
板１はこの場合ｎ型砒化ガリウムで、一方第１不活性層
２はｎ型AlxGa1-xAs、活性層４はGaAs、第２不活性層３
はｐ型AlxGa1-xAs、最上層20はｐ型GaAsより成る。
第７図は、ｐ型GaAsの基板１、ｐ型AlxGa1-xAs、の第
１不活性層２、GaAsの活性層４、ｎ型AlxGa1-xAs、の第
２不活性層３、ｎ型GaAsの最上層30を有する別のよく使
用される参考半導体レーザの断面図を示す。この場合に
も、乱された結晶構造を有する高抵抗領域14がブロック
層５を通って基板１内迄延在している。
更に層構造は種々の方法で変えることができるという
ことに留意すべきである。その上、特にブロック層また
その他の層もいくつかの並置した副層（sublayers）よ
り構成し、一方バッファ層の形の中間層を種々の技術的
および／または電気的な目的で加えてもよい。種々の半
導体層の導電型をすべて反対の導電型に（同時に）変え
てもよく、また使用半導体材料およびドープ濃度は、用
途および発生放射線の周波数に応じて当該技術者により
所望のように変えられることもできる。
以上説明した実施例では共振器は結晶の劈開面で形成
されているが、本発明はこれとは別に形成された共振器
例えば分布帰還（DFB“Distributed Feedback"）または
分布ブラッグ反射器（DBR“Distributed Bragg Reflect
or"）を有するレーザにも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の半導体の一実施例の断面図、 第２図は第１図のレーザの変調感度と高オーム領域のな
い同じレーザの変調感度との比較を示す線図、 第３図から第５図は第１図のレーザの製造段階を示す断
面図、 第６図および第７図は夫々参考としてのレーザの断面図
を示す。 １…基板、２…第１不活性層 ３…第２不活性層、４…活性層 4A…活性領域、５…ブロック層 6,7…高濃度ドープ層 8,10…電極層、11…境界領域 12,13…溝、14…高抵抗領域 15…被覆層、20,30…最上層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アドリアーン・フアルスター オランダ国5621 ベーアー アインドー フエン フルーネヴアウツウエツハ１ (56)参考文献 特開 昭51−33989（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−71685（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１導電型の基板とその上に設けられた層
    構造とを有し、この層構造は、連続して、少なくとも第
    １導電型の第１不活性層と、第２導電型の第２不活性層
    と、これ等第１および第２不活性層の間に位置し、十分
    に大きな順方向電流において共振器内に位置する活性層
    の帯形活性領域内にコヒーレントな電磁放射線を発生す
    る、その導電型に応じて前記の不活性層の一方との間に
    位置するpn接合を有する活性層と、前記の帯形活性領域
    の区間で中断部を有する電流制限用ブロック層とを有
    し、前記の第１および第２不活性層は前記の活性層より
    も発生放射線に対する小さな屈折率と大きな禁止帯幅と
    を有し、第２不活性層と基板とは接続導体に接続された
    半導体レーザーにおいて、帯形活性領域は、活性層より
    も発生放射線に対する小さな屈折率と大きな禁止帯幅を
    有する第２導電型の境界領域とこの境界領域上に設けら
    れた第１導電型のブロック層とで少なくとも部分的に満
    たされ且つ第２不活性層の上側から前記の活性層を通っ
    て第１不活性層内迄延在する２つの溝によって限界さ
    れ、乱された結晶構造を有する高抵抗領域が、半導体の
    基板と反対の側から少なくとも前記のブロック層を通り
    抜けて帯形活性領域の外側に該帯形活性領域から離れて
    その両側に延在することを特徴とする半導体レーザ。
  2. 【請求項２】分布結晶構造を有する高抵抗領域はプロト
    ン打込みによって得られた領域である特許請求の範囲第
    １項記載の半導体レーザ。
  3. 【請求項３】ブロック層は隣接半導体材料とpn接合を形
    成する半導体層である特許請求の範囲第１項記載の半導
    体レーザ。
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