JP2746326B2 - 半導体光素子 - Google Patents
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- H01S5/3403—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers having a strained layer structure in which the strain performs a special function, e.g. general strain effects, strain versus polarisation
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光通信システムにおける光交換器、送信お
よび局部発振光源として用いられる光変調器、光スイッ
チ、あるいは半導体レーザ等の半導体光素子に関する。
よび局部発振光源として用いられる光変調器、光スイッ
チ、あるいは半導体レーザ等の半導体光素子に関する。
半導体光素子のうち、半導体レーザに関する文献とし
ては、例えば、エイ・アール・アダムズ（A.R.Adams）
によるエレクトロニクス レターズ（Electronics Lett
ers）第22巻、ナンバー５、249〜250頁（1986年）があ
る。ここには、半導体レーザの活性層に歪超格子構造を
用いれば、価電子帯間吸収が小さくなることが定性的に
議論されている。半導体レーザの活性層に歪超格子を用
いることにより、半導体レーザのしきい値電流を低減
し、変調速度を増大させることができる。
ては、例えば、エイ・アール・アダムズ（A.R.Adams）
によるエレクトロニクス レターズ（Electronics Lett
ers）第22巻、ナンバー５、249〜250頁（1986年）があ
る。ここには、半導体レーザの活性層に歪超格子構造を
用いれば、価電子帯間吸収が小さくなることが定性的に
議論されている。半導体レーザの活性層に歪超格子を用
いることにより、半導体レーザのしきい値電流を低減
し、変調速度を増大させることができる。
また、キャリヤ注入型光スイッチについての文献とし
ては、例えば、特開昭60−134219号公報がある。ここに
記載されているキャリア注入型光スイッチの光導波路
は、バルクで構成されている。
ては、例えば、特開昭60−134219号公報がある。ここに
記載されているキャリア注入型光スイッチの光導波路
は、バルクで構成されている。
光通信において用いられる1.3μｍあるいは1.55μｍ
といった波長に適合する半導体材料としてInGaAsP/InP
が用いられる。第２図は、通常の光導波路として用いら
れる上記材料のバンド構造の概略を示す図である。
といった波長に適合する半導体材料としてInGaAsP/InP
が用いられる。第２図は、通常の光導波路として用いら
れる上記材料のバンド構造の概略を示す図である。
この材料系では、第２図に示すように、重い正孔帯の
曲率が小さい。このため、スプリットオフ帯と重い正孔
帯の間の光吸収、すなわち価電子帯間吸収が大きく、特
に、その吸収は長波長域において顕著である。また、正
孔濃度が高い層での吸収による損失が大きいため、キャ
リヤ注入型光変調器、外部共振器付き半導体レーザ、あ
るいは波長可変半導体レーザ等の性能を低下させてい
た。
曲率が小さい。このため、スプリットオフ帯と重い正孔
帯の間の光吸収、すなわち価電子帯間吸収が大きく、特
に、その吸収は長波長域において顕著である。また、正
孔濃度が高い層での吸収による損失が大きいため、キャ
リヤ注入型光変調器、外部共振器付き半導体レーザ、あ
るいは波長可変半導体レーザ等の性能を低下させてい
た。
さらに、重い正孔帯の曲率が第２図のように小さいこ
とは状態密度が大きいことを意味している。従って、キ
ャリヤを注入した場合、キャリヤのエネルギー分布の変
化（バンドフィリング効果と呼ばれている）が小さいた
め、屈折率の変化量が小さい。従って、交差型光スイッ
チの光導波路の交差角を小さくせざるを得ず、該素子の
幅が大きくなったり、光導波路が接近するので、クロス
トークが発生する問題があった。
とは状態密度が大きいことを意味している。従って、キ
ャリヤを注入した場合、キャリヤのエネルギー分布の変
化（バンドフィリング効果と呼ばれている）が小さいた
め、屈折率の変化量が小さい。従って、交差型光スイッ
チの光導波路の交差角を小さくせざるを得ず、該素子の
幅が大きくなったり、光導波路が接近するので、クロス
トークが発生する問題があった。
本発明の目的は、上記の価電子帯間吸収を極力小さく
し、かつ、キャリヤ注入による屈折率の変化量を大きく
することにより、高性能な光変調器、光スイッチ、ある
いは半導体レーザ等の半導体光素子を提供することにあ
る。
し、かつ、キャリヤ注入による屈折率の変化量を大きく
することにより、高性能な光変調器、光スイッチ、ある
いは半導体レーザ等の半導体光素子を提供することにあ
る。
本発明の最大の特徴は、上記の課題を達成するため
に、光を導く光導波路を歪超格子で構成した点にある。
に、光を導く光導波路を歪超格子で構成した点にある。
すなわち、本発明の半導体光素子は、半導体基板上に
光導波路を有する半導体光素子において、上記光導波路
は、第１の半導体層と、該第１の半導体層より禁制帯幅
が小さく、かつ格子定数が大きい第２の半導体層とが周
期的に積層された歪超格子構造を含んでなることを特徴
とする。
光導波路を有する半導体光素子において、上記光導波路
は、第１の半導体層と、該第１の半導体層より禁制帯幅
が小さく、かつ格子定数が大きい第２の半導体層とが周
期的に積層された歪超格子構造を含んでなることを特徴
とする。
また、本発明の半導体光素子は、半導体基板上に、発
光を行う活性層を有する活性領域と、上記活性層と光軸
方向に連続するように配置され、かつ上記光を導く光導
波路を有する波長制御領域と、上記活性領域に電流を注
入する手段と、上記波長制御領域に電流を注入する手段
とを含んでなる半導体レーザを有する半導体光素子にお
いて、上記導波路は、第１の半導体層と、該第１の半導
体層より禁制帯幅が小さく、かつ格子定数が大きい第２
の半導体層とが周期的に積層された歪超格子構造を含ん
でなることを特徴とする。
光を行う活性層を有する活性領域と、上記活性層と光軸
方向に連続するように配置され、かつ上記光を導く光導
波路を有する波長制御領域と、上記活性領域に電流を注
入する手段と、上記波長制御領域に電流を注入する手段
とを含んでなる半導体レーザを有する半導体光素子にお
いて、上記導波路は、第１の半導体層と、該第１の半導
体層より禁制帯幅が小さく、かつ格子定数が大きい第２
の半導体層とが周期的に積層された歪超格子構造を含ん
でなることを特徴とする。
光導波路に導入する歪超格子は、第１の半導体と第２
の半導体の薄膜を交互に積層することによって形成され
る。ここで、第２の半導体層（いわゆる量子井戸層）の
禁制帯幅Eg2は、第１の半導体層（いわゆる量子障壁
層）の禁制帯幅のEg1より小さくし、かつ第２の半導体
層の格子定数a2は、第１の半導体層の格子定数a1よりも
大きくする。つまり、Eg2＜Eg1、かつa2＞a1とする。こ
のように構成すると、積層方向に垂直な方向、すなわち
超格子の面内において、井戸層は圧縮されることにな
る。第３図は、このような状況での歪超格子構造の井戸
層のバンド構造の概略を示す図である。ここでは説明の
ため、軽い正孔は無視し、重い正孔に関しては最低準位
のサブバンドのみ示した。図に示すように、歪超格子の
井戸層では、重い正孔帯の曲率が大きくなり、価電子帯
間吸収は、通常の場合に比べ、バンド端 からかなり離れたところで生じることになる。また、正
孔自体がバンド端付近に集中することになる。従って、
価電子帯間吸収が生じるような波数 の領域では、正孔密度はかなり低くなり、価電子帯間吸
収は抑制されることになる。以上が、歪超格子が低損失
である理由であり、歪超格子の第１の特徴である。
の半導体の薄膜を交互に積層することによって形成され
る。ここで、第２の半導体層（いわゆる量子井戸層）の
禁制帯幅Eg2は、第１の半導体層（いわゆる量子障壁
層）の禁制帯幅のEg1より小さくし、かつ第２の半導体
層の格子定数a2は、第１の半導体層の格子定数a1よりも
大きくする。つまり、Eg2＜Eg1、かつa2＞a1とする。こ
のように構成すると、積層方向に垂直な方向、すなわち
超格子の面内において、井戸層は圧縮されることにな
る。第３図は、このような状況での歪超格子構造の井戸
層のバンド構造の概略を示す図である。ここでは説明の
ため、軽い正孔は無視し、重い正孔に関しては最低準位
のサブバンドのみ示した。図に示すように、歪超格子の
井戸層では、重い正孔帯の曲率が大きくなり、価電子帯
間吸収は、通常の場合に比べ、バンド端 からかなり離れたところで生じることになる。また、正
孔自体がバンド端付近に集中することになる。従って、
価電子帯間吸収が生じるような波数 の領域では、正孔密度はかなり低くなり、価電子帯間吸
収は抑制されることになる。以上が、歪超格子が低損失
である理由であり、歪超格子の第１の特徴である。
さらに、重い正孔帯の曲率が第３図のように大きいと
いうことは状態密度が小さいことを意味している。従っ
て、キャリヤ注入した場合、通常の超格子あるいはバル
クに比べ、キャリヤのエネルギー分布の変化（バンドフ
ィリング効果）が大きいため、屈折率が大きく変化す
る。これが歪超格子の第２の特徴である。
いうことは状態密度が小さいことを意味している。従っ
て、キャリヤ注入した場合、通常の超格子あるいはバル
クに比べ、キャリヤのエネルギー分布の変化（バンドフ
ィリング効果）が大きいため、屈折率が大きく変化す
る。これが歪超格子の第２の特徴である。
上記のように歪超格子の特徴は、重い正孔帯の曲率に
起因しており、井戸層と障壁層の格子定数の差、すなわ
ち、Δａ＝（a2−a1）/a1が大きいほど曲率の変化は大
きい。しかし、格子定数の差が大きすぎると結晶欠陥が
入るなどの問題が生じる。従って、Δａは0.5＜Δａ＜
4.0％の程度の範囲が望ましい。
起因しており、井戸層と障壁層の格子定数の差、すなわ
ち、Δａ＝（a2−a1）/a1が大きいほど曲率の変化は大
きい。しかし、格子定数の差が大きすぎると結晶欠陥が
入るなどの問題が生じる。従って、Δａは0.5＜Δａ＜
4.0％の程度の範囲が望ましい。
以上述べたように、歪超格子は価電子帯間吸収による
損失が極めて小さい。それによって、歪超格子を光導波
路に用いた本発明による光変調器における伝搬損失は小
さくなる。
損失が極めて小さい。それによって、歪超格子を光導波
路に用いた本発明による光変調器における伝搬損失は小
さくなる。
また、歪超格子を外部共振器の導波路に用いた本発明
による外部共振器付き半導体レーザでは、伝搬損失が小
さい。従って、外部共振器からレーザへの戻り光量を大
きくすることができ、かつ、共振器を長くすることがで
きるため、スペクトル線幅を従来より狭くすることが可
能となる。
による外部共振器付き半導体レーザでは、伝搬損失が小
さい。従って、外部共振器からレーザへの戻り光量を大
きくすることができ、かつ、共振器を長くすることがで
きるため、スペクトル線幅を従来より狭くすることが可
能となる。
また、同様のDBR（ディストリビューティドブラッグ
レフレクション（Distributed Bragg Reflection））
領域等の受動的光導波路を用いる波長可変レーザも低損
失化することができ、かつ、スペクトル線幅や発振効率
などの特性を改善できる。
レフレクション（Distributed Bragg Reflection））
領域等の受動的光導波路を用いる波長可変レーザも低損
失化することができ、かつ、スペクトル線幅や発振効率
などの特性を改善できる。
アダムズによる上記文献に記載された歪超格子構造活
性層を有する半導体レーザでは、歪超格子に大電流が流
れる。それに比べて光導波路に歪超格子を用いる本発明
の半導体レーザでは、歪超格子に流れる電流は少なくて
済むので、歪超格子構造活性層を有する半導体レーザよ
り寿命と信頼性を向上させることができる。
性層を有する半導体レーザでは、歪超格子に大電流が流
れる。それに比べて光導波路に歪超格子を用いる本発明
の半導体レーザでは、歪超格子に流れる電流は少なくて
済むので、歪超格子構造活性層を有する半導体レーザよ
り寿命と信頼性を向上させることができる。
さらに、上述のように、本発明の素子では、キャリヤ
注入による屈折率の変化量が大きいので、本発明を交差
型光スイッチに適用した場合、スイッチ領域を小さくで
き、また光導波路の交差角を大きくすることができるの
で、素子幅の低減、クロストークの低減に有効である。
注入による屈折率の変化量が大きいので、本発明を交差
型光スイッチに適用した場合、スイッチ領域を小さくで
き、また光導波路の交差角を大きくすることができるの
で、素子幅の低減、クロストークの低減に有効である。
実施例 １ 第１図は、本発明の第１の実施例であるキャリヤ注入
型光変調器の断面図である。
型光変調器の断面図である。
１はｎ型InP基板、２はｎ型InPバッファ層、３は歪超
格子光導波路層、４はｐ型InPクラッド層、５はｐ型InG
aAsPキャップ層、６はSiO2絶縁膜、７はZn拡散領域（ｐ
型領域）、８はｎ型オーミック電極、９はｐ型オーミッ
ク電極である。
格子光導波路層、４はｐ型InPクラッド層、５はｐ型InG
aAsPキャップ層、６はSiO2絶縁膜、７はZn拡散領域（ｐ
型領域）、８はｎ型オーミック電極、９はｐ型オーミッ
ク電極である。
次に、本素子の作製方法について述べる。まず、ｎ型
InP基板１上に、MOCVD法によりｎ型InPバッファ層２を
成長した後、膜厚70ÅのIn0.8Ga0.2As井戸層（格子定数
5.98Å）と、膜厚70ÅのInP障壁層（格子定数5.87Å）
を交互に７周期積層し、歪超格子光導波路層３を形成し
た。従って、井戸層の格子定数はInP基板や障壁層に比
べ1.9％大きくなっている。続いて、ｐ型InPクラッド層
４、ｐ型InGaAsPキャップ層５を成長した後、ホトレジ
ストをマスクとして塩酸と硝酸の混合液を用いてキャッ
プ層５およびクラッド層４を歪超格子光導波路層３に達
するまで選択的に食刻することで、図示のようなリッジ
構造を形成する。その後、SiO2膜６をCVD法で形成し、
コンタクト孔を設けた後、Znの選択的な拡散を行い、Zn
拡散領域７を設ける。最後に、蒸着法を用いてｎ型オー
ミック電極８とｐ型オーミック電極９を形成した後、ヘ
キ開を行うことにより光軸方向の長さを1mmとし、両へ
き開面を無反射（AR）コートすることで、第１図に示し
た実施例のキャリヤ注入型の光変調器が作製される。
InP基板１上に、MOCVD法によりｎ型InPバッファ層２を
成長した後、膜厚70ÅのIn0.8Ga0.2As井戸層（格子定数
5.98Å）と、膜厚70ÅのInP障壁層（格子定数5.87Å）
を交互に７周期積層し、歪超格子光導波路層３を形成し
た。従って、井戸層の格子定数はInP基板や障壁層に比
べ1.9％大きくなっている。続いて、ｐ型InPクラッド層
４、ｐ型InGaAsPキャップ層５を成長した後、ホトレジ
ストをマスクとして塩酸と硝酸の混合液を用いてキャッ
プ層５およびクラッド層４を歪超格子光導波路層３に達
するまで選択的に食刻することで、図示のようなリッジ
構造を形成する。その後、SiO2膜６をCVD法で形成し、
コンタクト孔を設けた後、Znの選択的な拡散を行い、Zn
拡散領域７を設ける。最後に、蒸着法を用いてｎ型オー
ミック電極８とｐ型オーミック電極９を形成した後、ヘ
キ開を行うことにより光軸方向の長さを1mmとし、両へ
き開面を無反射（AR）コートすることで、第１図に示し
た実施例のキャリヤ注入型の光変調器が作製される。
本実施例の光変調器においては、入射波長が1.55μｍ
での伝搬損失は20dB/cm、また、注入電流が30mAで２π
の位相制御が得られた。
での伝搬損失は20dB/cm、また、注入電流が30mAで２π
の位相制御が得られた。
実施例 ２ 第４図（ａ）は、本発明の第２の実施例である交差型
光スイッチの平面図、第４図（ｂ）は、第４図（ａ）の
Ａ−Ａ′断面図である。
光スイッチの平面図、第４図（ｂ）は、第４図（ａ）の
Ａ−Ａ′断面図である。
（ａ）において、10は全反射型光スイッチ部、11は光
導波路部、（ｂ）において、１はｎ型InP基板、26はZn
拡散領域、３は歪超格子光導波路層、21はｎ型InP層、2
2はｐ型InP埋込み層、23はｎ型InP埋込み層、24はｐ型I
nP層、７はZn拡散領域、25はｐ型InGaAsPキャップ層、
６はSiO2絶縁膜、８はｎ型オーミック電極、９はｐ型オ
ーミック電極である。
導波路部、（ｂ）において、１はｎ型InP基板、26はZn
拡散領域、３は歪超格子光導波路層、21はｎ型InP層、2
2はｐ型InP埋込み層、23はｎ型InP埋込み層、24はｐ型I
nP層、７はZn拡散領域、25はｐ型InGaAsPキャップ層、
６はSiO2絶縁膜、８はｎ型オーミック電極、９はｐ型オ
ーミック電極である。
次に、本素子の作製方法について述べる。まず、ｎ型
InP基板１の表面から選択的なZn拡散によりZn拡散領域2
6を形成した後、MOCVD法により膜厚70ÅのInGaAsP井戸
層（禁制帯幅波長λｇ＝1.55μｍ、格子定数5.93Å）
と、膜厚70ÅのInGaAsP障壁層（禁制帯幅波長λｇ＝1.1
5μｍ、格子定数5.87Å）を交互に７周期積層し、歪超
格子光導波路層３を形成する。
InP基板１の表面から選択的なZn拡散によりZn拡散領域2
6を形成した後、MOCVD法により膜厚70ÅのInGaAsP井戸
層（禁制帯幅波長λｇ＝1.55μｍ、格子定数5.93Å）
と、膜厚70ÅのInGaAsP障壁層（禁制帯幅波長λｇ＝1.1
5μｍ、格子定数5.87Å）を交互に７周期積層し、歪超
格子光導波路層３を形成する。
次に、ｎ型InP層21を成長した後、幅５μｍのメサ
（３および21）を形成する。次いで、液相成長法を用い
てｐ型InP埋込み層22、ｎ型InP埋込み層23、ｐ型InP層2
4、ｐ型InGaAsPキャップ層25をそれぞれ成長する。その
後、SiO2膜６をCVD法で形成し、コンタクト孔を設けた
後、選択的なZn拡散を歪超格子光導波路層３に達するま
で行い、Zn拡散層７を形成する。最後に、蒸着法を用い
てｎ型電極８とｐ型電極９を形成する。
（３および21）を形成する。次いで、液相成長法を用い
てｐ型InP埋込み層22、ｎ型InP埋込み層23、ｐ型InP層2
4、ｐ型InGaAsPキャップ層25をそれぞれ成長する。その
後、SiO2膜６をCVD法で形成し、コンタクト孔を設けた
後、選択的なZn拡散を歪超格子光導波路層３に達するま
で行い、Zn拡散層７を形成する。最後に、蒸着法を用い
てｎ型電極８とｐ型電極９を形成する。
また、第４図（ａ）に示すように、全長は1mm、スイ
ッチ部長は100μｍ、交差角θは12゜とした。
ッチ部長は100μｍ、交差角θは12゜とした。
本実施例の交差型光スイッチにおいては、入射波長が
1.55μｍにおける消光比は15dB、伝送損失は20dB/cmで
あった。
1.55μｍにおける消光比は15dB、伝送損失は20dB/cmで
あった。
実施例 ３ 第５図（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、本発明の第３の
実施例である外部共振器付き半導体レーザを示す図で、
（ａ）は、該半導体レーザの光軸方向の断面図、（ｂ）
は、光軸に垂直方向のレーザ部の断面図、（ｃ）は、光
軸に垂直方向の外部共振器の断面図である。
実施例である外部共振器付き半導体レーザを示す図で、
（ａ）は、該半導体レーザの光軸方向の断面図、（ｂ）
は、光軸に垂直方向のレーザ部の断面図、（ｃ）は、光
軸に垂直方向の外部共振器の断面図である。
１はｎ型InP基板、２はｎ型InPバッファ層、３は歪超
格子光導波路、50はｎ型InPバッファ層の上面に形成さ
れた回折格子、31はアンドープInGaAsP層、32はMQW活性
層、33はアンドープInGaAsP層、34はｐ型InPクラッド
層、35はｐ型InGaAsPキャップ層、８はｎ型オーミック
電極、９はｐ型オーミック電極、22はｐ型InP埋込み
層、23はｎ型InP埋込み層である。
格子光導波路、50はｎ型InPバッファ層の上面に形成さ
れた回折格子、31はアンドープInGaAsP層、32はMQW活性
層、33はアンドープInGaAsP層、34はｐ型InPクラッド
層、35はｐ型InGaAsPキャップ層、８はｎ型オーミック
電極、９はｐ型オーミック電極、22はｐ型InP埋込み
層、23はｎ型InP埋込み層である。
次に、本素子の作製方法について述べる。まず、ｎ型
InP基板１上にｎ型InPバッファ層２をMOCVD法により成
長する。次に、波長を４分の１シフトした回折格子50を
ｎ型InPバッファ層２の上面に形成した後、再びMOCVD法
を用いてアンドープInGaAs層P31、MQW活性層32、アンド
ープInGaAsP層33を順次成長する。ここで、MQW活性層３
は膜厚75ÅのInGaAs井戸層（禁制帯幅波長λｇ＝1.65μ
ｍ）と膜厚150ÅのInGaAsP障壁層（禁制帯幅波長λｇ＝
1.15μｍ）を交互に５周期設けたものである。次に、外
部共振器領域のアンドープInGaAsP31、MQW活性層32、ア
ンドープInGaAsP33をエッチングにより除去した後、再
度MOCVD法を用いて歪超格子光導波路層３（上記実施例
と同様の構成）を外部共振器領域にだけ成長させる。続
いて、（ｂ）、（ｃ）図に示したように、メサストライ
プを形成した後、液相成長法を用いてｐ型InP埋込み層2
2、ｎ型InP埋込み層23、ｐ型InPクラッド層34、ｐ型InG
aAsPキャップ層35を成長する。そして、蒸着法によりｎ
型電極８、ｐ型電極９を設けた後、レーザ部と外部共振
器とを電気的に分離するため、両領域間のｐ型電極９と
ｐ型InGaAsPキャップ層35をエッチングにより除去す
る。最後に、レーザ部の長さが300μｍ、外部共振器の
長さが5mmとなるようヘキ開した後、レーザ部側の端面
を無反射（AR）コート、外部共振器側の端面を高反射
（Ｒ）コートすることにより本実施例の半導体レーザは
作製される。
InP基板１上にｎ型InPバッファ層２をMOCVD法により成
長する。次に、波長を４分の１シフトした回折格子50を
ｎ型InPバッファ層２の上面に形成した後、再びMOCVD法
を用いてアンドープInGaAs層P31、MQW活性層32、アンド
ープInGaAsP層33を順次成長する。ここで、MQW活性層３
は膜厚75ÅのInGaAs井戸層（禁制帯幅波長λｇ＝1.65μ
ｍ）と膜厚150ÅのInGaAsP障壁層（禁制帯幅波長λｇ＝
1.15μｍ）を交互に５周期設けたものである。次に、外
部共振器領域のアンドープInGaAsP31、MQW活性層32、ア
ンドープInGaAsP33をエッチングにより除去した後、再
度MOCVD法を用いて歪超格子光導波路層３（上記実施例
と同様の構成）を外部共振器領域にだけ成長させる。続
いて、（ｂ）、（ｃ）図に示したように、メサストライ
プを形成した後、液相成長法を用いてｐ型InP埋込み層2
2、ｎ型InP埋込み層23、ｐ型InPクラッド層34、ｐ型InG
aAsPキャップ層35を成長する。そして、蒸着法によりｎ
型電極８、ｐ型電極９を設けた後、レーザ部と外部共振
器とを電気的に分離するため、両領域間のｐ型電極９と
ｐ型InGaAsPキャップ層35をエッチングにより除去す
る。最後に、レーザ部の長さが300μｍ、外部共振器の
長さが5mmとなるようヘキ開した後、レーザ部側の端面
を無反射（AR）コート、外部共振器側の端面を高反射
（Ｒ）コートすることにより本実施例の半導体レーザは
作製される。
本実施例の半導体レーザにおいて、光出力5mW時にお
いてスペクトル線幅200kHzが得られる。
いてスペクトル線幅200kHzが得られる。
実施例 ４ 第６図は、本発明の第４の実施例である波長可変半導
体レーザの光軸方向の断面図である。
体レーザの光軸方向の断面図である。
１はｎ型InP基板、２はｎ型InPバッファ層、３は歪超
格子光導波路、40はInGaAsP活性層、41はアンドープInG
aAsP層、50は歪超格子光導波路３の上面に形成された回
折格子、42はｐ型InP層、34はｐ型InPクラッド層、35は
ｐ型InGaAsPキャップ層、８はｎ型オーミック電極、９
はｐ型オーミック電極、43は溝である。
格子光導波路、40はInGaAsP活性層、41はアンドープInG
aAsP層、50は歪超格子光導波路３の上面に形成された回
折格子、42はｐ型InP層、34はｐ型InPクラッド層、35は
ｐ型InGaAsPキャップ層、８はｎ型オーミック電極、９
はｐ型オーミック電極、43は溝である。
次に、本素子の作製方法について述べる。まず、ｎ型
InP基板１上にMOCVD法を用いてｎ型InPバッファ層２、
歪超格子光導波路層（上記実施例と同様の構成）３、In
GaAsP活性層（禁制帯幅波長λｇ＝1.53μｍ）40、アン
ドープInGaAsP層（禁制帯幅波長λｇ＝1.27μｍ）41を
成長した後、活性領域以外のInGaAsP活性層40とInGaAsP
層41をエッチングにより除去する。次に、DBR領域に対
応する歪超格子光導波路層３の上面に回折格子50を設け
た後、再びMOCVD法によりｐ型InP層42を成長する。次
に、上記第３の実施例と同様にして、メサストライプを
形成した後（第５図（ａ）、（ｂ）参照）、ｐ型InP埋
込み層（22）とｎ型InP埋込み層（23）、およびｐ型InP
34、ｐ型InGaAsPキャップ層35を成長し、通常の埋込み
ヘテロ構造を形成する。次いで、蒸着法によりｎ型電極
８とｐ型電極９を設けた後、２つの溝43をそれぞれ第６
図に示すように設ける。最後に、活性領域の長さが300
μｍ、位相調整領域の長さが100μｍ、DBR領域の長さが
300μｍになるようにヘキ開することで本実施例の素子
を完成させる。
InP基板１上にMOCVD法を用いてｎ型InPバッファ層２、
歪超格子光導波路層（上記実施例と同様の構成）３、In
GaAsP活性層（禁制帯幅波長λｇ＝1.53μｍ）40、アン
ドープInGaAsP層（禁制帯幅波長λｇ＝1.27μｍ）41を
成長した後、活性領域以外のInGaAsP活性層40とInGaAsP
層41をエッチングにより除去する。次に、DBR領域に対
応する歪超格子光導波路層３の上面に回折格子50を設け
た後、再びMOCVD法によりｐ型InP層42を成長する。次
に、上記第３の実施例と同様にして、メサストライプを
形成した後（第５図（ａ）、（ｂ）参照）、ｐ型InP埋
込み層（22）とｎ型InP埋込み層（23）、およびｐ型InP
34、ｐ型InGaAsPキャップ層35を成長し、通常の埋込み
ヘテロ構造を形成する。次いで、蒸着法によりｎ型電極
８とｐ型電極９を設けた後、２つの溝43をそれぞれ第６
図に示すように設ける。最後に、活性領域の長さが300
μｍ、位相調整領域の長さが100μｍ、DBR領域の長さが
300μｍになるようにヘキ開することで本実施例の素子
を完成させる。
本実施例の半導体レーザにおいては、スペクトル線幅
を1MHz以下の状態で、発振波長を連続して5nm変化させ
ることができた。また、発振しきい値は10mA程度となっ
た。
を1MHz以下の状態で、発振波長を連続して5nm変化させ
ることができた。また、発振しきい値は10mA程度となっ
た。
以上、本発明の実施例について述べたが、本発明は、
上記実施例に示した以外の歪超格子構造、すなわち、In
GaAsP系、AlGaInAs系等における様々な組み合わせでも
有効である。特に、井戸層の格子定数が障壁層より0.5
〜4.0％大きい場合に顕著な効果が得られる。また、基
板もInPに限らず、GaAsあるいはSiでも良い。例えばGaA
s基板を用いた場合、歪超格子としてはInGaPの井戸層、
AlGaAsの障壁層の組み合わせが可能である。さらに、ア
ンチモン系の化合物でも本発明は有効である。また、基
板の導電型はｐ型としてもよく、その場合、実施例の導
電型をすべて反対にすれば良い。また、障壁層に高濃度
のｐ型不純物を添加した構造においても本発明は有効で
ある。
上記実施例に示した以外の歪超格子構造、すなわち、In
GaAsP系、AlGaInAs系等における様々な組み合わせでも
有効である。特に、井戸層の格子定数が障壁層より0.5
〜4.0％大きい場合に顕著な効果が得られる。また、基
板もInPに限らず、GaAsあるいはSiでも良い。例えばGaA
s基板を用いた場合、歪超格子としてはInGaPの井戸層、
AlGaAsの障壁層の組み合わせが可能である。さらに、ア
ンチモン系の化合物でも本発明は有効である。また、基
板の導電型はｐ型としてもよく、その場合、実施例の導
電型をすべて反対にすれば良い。また、障壁層に高濃度
のｐ型不純物を添加した構造においても本発明は有効で
ある。
なお、本発明は歪超格子を光導波路に利用した他の半
導体光素子、例えば方向性結合器、分波路、合波路、モ
ードスプリッタ、波長フィルタ、波長変換器等にも有効
である。さらに、活性層に歪超格子を用いた半導体レー
ザに本発明を適用してもよい。
導体光素子、例えば方向性結合器、分波路、合波路、モ
ードスプリッタ、波長フィルタ、波長変換器等にも有効
である。さらに、活性層に歪超格子を用いた半導体レー
ザに本発明を適用してもよい。
以上説明したように、本発明の半導体光素子は、光導
波路を歪超格子構造としたことにより、光導波路におけ
る価電子帯間吸収を抑制できるので、キャリヤ注入型の
光変調器に適用した場合、伝搬損失を低減できる。ま
た、外部共振器付き半導体レーザや波長可変半導体レー
ザに適用した場合、伝搬損失を低減できると共にスペク
トル線幅を低減できる。さらに、歪超格子ではキャリヤ
注入による屈折率変化量が大きいので、交差型光スイッ
チに適用した場合、素子を小型化でき、かつクロストー
クを低減できる。
波路を歪超格子構造としたことにより、光導波路におけ
る価電子帯間吸収を抑制できるので、キャリヤ注入型の
光変調器に適用した場合、伝搬損失を低減できる。ま
た、外部共振器付き半導体レーザや波長可変半導体レー
ザに適用した場合、伝搬損失を低減できると共にスペク
トル線幅を低減できる。さらに、歪超格子ではキャリヤ
注入による屈折率変化量が大きいので、交差型光スイッ
チに適用した場合、素子を小型化でき、かつクロストー
クを低減できる。
第１図は、本発明の第１の実施例であるキャリヤ注入型
光変調器の断面図、第２図は、通常の光導波路として用
いられる上記材料のバンド構造の概略を示す図、第３図
は、歪超格子構造の井戸層のバンド構造の概略を示す
図、第４図（ａ）は、本発明の第２の実施例である交差
型光スイッチの平面図、第４図（ｂ）は、第４図（ａ）
のＡ−Ａ′断面図、第５図（ａ）は、本発明の第３の実
施例である外部共振器付き半導体レーザの光軸方向の断
面図、第５図（ｂ）は、該半導体レーザの光軸に垂直方
向のレーザ部の断面図、第５図（ｃ）は、該半導体レー
ザの光軸に垂直方向の外部共振器の断面図、第６図は、
本発明の第４の実施例である波長可変半導体レーザの光
軸方向の断面図である。 １……ｎ型InP基板 ２……ｎ型InPバッファ層 ３……歪超格子光導波路層 ４……ｐ型InPクラッド層 ５……ｐ型InGaAsPキャップ層 ６……SiO2絶縁膜 ７……Zn拡散領域（ｐ型領域） ８……ｎ型オーミック電極 ９……ｎ型オーミック電極 10……全反射型光スイッチ部 11……光導波路部 21……ｎ型InP層 22……ｐ型InP埋込み層 23……ｎ型InP埋込み層 24……ｐ型InP層 25……ｐ型InGaAsPキャップ層 26……Zn拡散領域 31……アンドープInGaAsP層 32……MQW活性層 33……アンドープInGaAsP層 34……ｐ型InPクラッド層 35……ｐ型InGaAsPキャップ層 40……InGaAsP活性層 41……アンドープInGaAsP層 42……ｐ型InP層 43……溝 50……回折格子
光変調器の断面図、第２図は、通常の光導波路として用
いられる上記材料のバンド構造の概略を示す図、第３図
は、歪超格子構造の井戸層のバンド構造の概略を示す
図、第４図（ａ）は、本発明の第２の実施例である交差
型光スイッチの平面図、第４図（ｂ）は、第４図（ａ）
のＡ−Ａ′断面図、第５図（ａ）は、本発明の第３の実
施例である外部共振器付き半導体レーザの光軸方向の断
面図、第５図（ｂ）は、該半導体レーザの光軸に垂直方
向のレーザ部の断面図、第５図（ｃ）は、該半導体レー
ザの光軸に垂直方向の外部共振器の断面図、第６図は、
本発明の第４の実施例である波長可変半導体レーザの光
軸方向の断面図である。 １……ｎ型InP基板 ２……ｎ型InPバッファ層 ３……歪超格子光導波路層 ４……ｐ型InPクラッド層 ５……ｐ型InGaAsPキャップ層 ６……SiO2絶縁膜 ７……Zn拡散領域（ｐ型領域） ８……ｎ型オーミック電極 ９……ｎ型オーミック電極 10……全反射型光スイッチ部 11……光導波路部 21……ｎ型InP層 22……ｐ型InP埋込み層 23……ｎ型InP埋込み層 24……ｐ型InP層 25……ｐ型InGaAsPキャップ層 26……Zn拡散領域 31……アンドープInGaAsP層 32……MQW活性層 33……アンドープInGaAsP層 34……ｐ型InPクラッド層 35……ｐ型InGaAsPキャップ層 40……InGaAsP活性層 41……アンドープInGaAsP層 42……ｐ型InP層 43……溝 50……回折格子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 茅根 直樹 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−94230（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−197391（ＪＰ，Ａ)
Claims (6)
- 【請求項１】半導体基板と、該半導体基板上に形成され
第１の半導体層と該第１の半導体層より禁制帯幅が小さ
つ且つ格子定数が大きい第２の半導体層とが周期的に積
層された歪超格子構造を有する光導波路と、該光導波路
の歪超格子構造に電流を注入する手段とを含めて構成さ
れ、上記第２の半導体層の格子定数は上記第１の半導体
層よりａ％大きく且つ該ａの値は0.5＜ａ＜4.0％の範囲
にあることを特徴とする半導体光素子。 - 【請求項２】半導体基板上に、発光を行う活性層を有す
る活性領域と、上記活性領域と光軸方向に連続するよう
に配置され且つ上記光を導く光導波路を有する波長制御
領域と、上記活性領域に電流を注入する手段と、上記波
長制御領域に電流を注入する手段とを含んでなる半導体
レーザを有する半導体光素子において、上記光導波路
は、第１の半導体層と、該第１の半導体層より禁制帯幅
が小さく且つ格子定数が大きい第２の半導体層とが周期
的に積層された歪超格子構造を有し、該第２の半導体層
の格子定数は該第１の半導体層よりａ％大きく且つ該ａ
の値は0.5＜ａ＜4.0％の範囲にあることを特徴とする半
導体光素子。 - 【請求項３】上記活性層の上下の少なくとも一方に隣接
して回折格子が設けられていることを特徴とする請求項
２に記載の半導体光素子。 - 【請求項４】上記光導波路の上下の少なくとも一方に隣
接して、あるいは該光導波路自体に回折格子が設けられ
ていることを特徴とする請求項２に記載の半導体光素
子。 - 【請求項５】上記第１の半導体層あるいは上記第２の半
導体層が、AlGaInAs系の２元、３元あるいは４元、また
はInGaAsP系の２元、３元あるいは４元の化合物半導体
からなることを特徴とする請求項１から４に記載の半導
体光素子。 - 【請求項６】上記第１の半導体層の一部あるいは全体
に、ｐ型不純物が添加されていることを特徴とする請求
項１から５に記載の半導体光素子。
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|---|---|---|---|
| JP1001391A JP2746326B2 (ja) | 1989-01-10 | 1989-01-10 | 半導体光素子 |
| EP90100100A EP0378098B1 (en) | 1989-01-10 | 1990-01-03 | Semiconductor optical device |
| DE69029207T DE69029207T2 (de) | 1989-01-10 | 1990-01-03 | Optische Halbleitervorrichtung |
| US07/461,253 US5042049A (en) | 1989-01-10 | 1990-01-05 | Semiconductor optical device |
| CA002007383A CA2007383C (en) | 1989-01-10 | 1990-01-09 | Semiconductor optical device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1001391A JP2746326B2 (ja) | 1989-01-10 | 1989-01-10 | 半導体光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0348476A JPH0348476A (ja) | 1991-03-01 |
| JP2746326B2 true JP2746326B2 (ja) | 1998-05-06 |
Family
ID=11500192
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1001391A Expired - Fee Related JP2746326B2 (ja) | 1989-01-10 | 1989-01-10 | 半導体光素子 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5042049A (ja) |
| EP (1) | EP0378098B1 (ja) |
| JP (1) | JP2746326B2 (ja) |
| CA (1) | CA2007383C (ja) |
| DE (1) | DE69029207T2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| US5257276A (en) * | 1992-04-03 | 1993-10-26 | California Institute Of Technology | Strained layer InP/InGaAs quantum well laser |
| US5251225A (en) * | 1992-05-08 | 1993-10-05 | Massachusetts Institute Of Technology | Quantum-well diode laser |
| US5309465A (en) * | 1992-11-05 | 1994-05-03 | International Business Machines Corporation | Ridge waveguide semiconductor laser with thin active region |
| JP2536714B2 (ja) * | 1993-03-03 | 1996-09-18 | 日本電気株式会社 | 光変調器集積型多重量子井戸構造半導体レ―ザ素子 |
| JPH0738204A (ja) * | 1993-07-20 | 1995-02-07 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体光デバイス及びその製造方法 |
| JPH07104222A (ja) * | 1993-10-05 | 1995-04-21 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体光変調器 |
| US5889913A (en) * | 1995-03-15 | 1999-03-30 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Optical semiconductor device and method of fabricating the same |
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