JP2814786B2 - 半導体レーザ - Google Patents

半導体レーザ

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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、光通信システムの主構
成要素となる半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】光通信技術の進歩にともない、その適用
分野は基幹伝送系から、加入者系・ＬＡＮ・データリン
ク等のシステムへ急速に広がりつつある。このような光
システムの高度化に対応するためには、光素子のより高
性能化が不可欠である。これまでに低損失光ファイバ通
信用光源として、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓy Ｐ1-y ／ＩｎＰ
ダブルヘテロ構造の半導体レーザが実用化されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、波長１
μｍ帯のｐ−ＩｎＰ／Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓy Ｐ1-y ／ｎ
−ＩｎＰダブルヘテロ構造を有する通常の半導体レーザ
に関しては、例えば米津らによる「半導体素子工学 −
発光・受光素子−」工学図書株式会社刊，２２７頁から
２４３頁に詳しく記載されているように、波長０．８μ
ｍ帯のＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系と比べて発光効率が低
い、光出力が低出力で飽和する、発振しきい値の特性温
度Ｔ0 が小さく高温動作が困難などの問題が生じてい
た。
【０００４】発光効率の低下、光出力の飽和、高温動作
が困難な原因の一つは、クラッド層へのキャリアの漏れ
過程・オージェ過程等によって発光層に注入された電子
・正孔が発光に寄与することなく再結合してしまうこと
にある。Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓy Ｐ1-y ／ＩｎＰ系におい
ては、伝導帯のバンド不連続量ΔＥｃと価電子帯のバン
ド不連続量ΔＥｖの比（いわゆるバンドオフセット比）
がΔＥｃ／ΔＥｖ＝０．２２／０．３８と小さいため、
ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）発光層に注入された電子はヘテロ障
壁を越えてｐ形ＩｎＰクラッド層に漏れやすい。特に、
ＩｎＧａＡｓＰ系は、オージェ再結合過程によって発光
層中に運動エネルギーの高い電子が生成されやすく、電
子のｐ形ＩｎＰクラッド層への漏れが促進する。また、
高温動作時においても、発光層中に高いエネルギーの電
子が生成されるので電子の漏れはさらに促進する。
【０００５】本発明の目的は、上記の原因を除去し、発
光効率が高く高出力で高温動作するＩｎＧａＡｓＰまた
はＩｎＧａＡｓを発光層とする半導体レーザを提供する
ことにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、ｎ形のＩｎＰ
半導体基板上に形成された埋め込み構造の半導体レーザ
において、ｎ形のＩｎＰからなる第１のクラッド層と、
ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｓを少なくとも含む発
光層と、ｐ形のＩｎ1-x Ａｌx Ａｓ（ｘ＝０．４８〜
１．００）からなる第１の歪バリア層と、ｐ形のＩｎＰ
からなる第２のクラッド層が順次積層され、前記発光層
を少なくとも含むメサストライプの側壁が、ｐ形のＩｎ
1-x Ａｌ x Ａｓ（ｘ＝０．４８〜１．００）からなる第
２の歪バリア層とｐ形のＩｎＰからなる埋め込み層で少
なくとも埋め込まれた構造を有している。
【０００７】
【０００８】
【作用】Ｉｎ1-x Ａｌx Ａｓ／ＩｎＧａＡｓＰ系は、Ｉ
ｎＰと格子整合がとれているｘ＝０．４８の場合、バン
ドオフセット比がΔＥｃ／ΔＥｖ＝０．５０／０．２２
と伝導帯に大きなバンド不連続を有する材料系である。
さらにこの材料系は、ＩｎＡｌＡｓの組成ｘを０．４８
から１まで変化させ歪を導入することによって、バンド
オフセット比を高め伝導帯の不連続量をさらに拡大でき
るという特徴を持っている。
【０００９】本発明では、従来例であるＩｎx Ｇａ1-x
Ａｓy Ｐ1-y ／ＩｎＰダブルヘテロ構造におけるＩｎＧ
ａＡｓ（Ｐ）を含む発光層とｐ形ＩｎＰのクラッド層の
間に、ｐ形のＩｎ1-x Ａｌx Ａｓ（ｘ＝０．４８〜１．
００）からなる歪バリア層を設けることによって、図３
（ａ）に示すように電流注入時において、発光層１２と
歪バリア層１３間の伝導帯のヘテロ障壁を大きくするこ
とが可能となる。この大きな伝導帯のヘテロ障壁によっ
て、発光層１２に注入された電子が第２のクラッド層１
４へ漏れにくくなる。特にオージェ過程によって生じた
高い運動エネルギーの電子に対してこの効果は著しい。
また、ストライプ状の発光層１２の側壁をｐ形のＩｎ
1-x Ａｌx Ａｓ（ｘ＝０．４８〜１．００）からなる第
２の歪バリア層２１とｐ形のＩｎＰからなる埋め込み層
２２で埋め込むことで、図３（ａ）と同じ原理により発
光層側壁を通りｐ−ＩｎＰ埋め込み層２２へ流れる電子
の漏れを抑制できる。更に、図３（ｂ）に示すように第
２の歪バリア層２１は、発光層を通らずに第１のクラッ
ド層１１から埋め込み層へ電子が直接流れるのを抑制す
る効果も有している。
【００１０】従って、本発明の採用により、発光層に注
入された電子が第２のクラッド層１４および埋め込み層
２２に漏れることなく正孔と発光再結合することで、お
よび発光層を通らずに埋め込み層へ流れる無効電流を抑
制できること等の理由から、発光効率が高く高出力で高
温動作するＩｎＧａＡｓ（Ｐ）を発光層とする半導体レ
ーザが得られる。
【００１１】
【実施例】次に図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。
【００１２】図１は本発明の第１の実施例を示す半導体
レーザの構造図、図３（ａ）はその実施例の発光時にお
けるバンド構造図である。
【００１３】先ず、厚さ３５０μｍのｎ−ＩｎＰからな
る半導体基板１０上に、気相成長法または分子線成長法
などによりｎ−ＩｎＰからなる第１のクラッド層１１
（厚さ１μｍ，キャリア濃度２×１０17ｃｍ-3）、Ｉｎ
Ｐと格子整合するバンドギャップ波長が１．３μｍのＩ
ｎＧａＡｓＰからなる発光層１２（厚さ０．１μｍ，ノ
ンドープ）、ｐ−Ｉｎ1-x Ａｌx Ａｓ（Ｘ＝０．５４）
からなる第１の歪バリア層１３（厚さ０．０２μｍ、キ
ャリア濃度５×１０17ｃｍ-3）ｐ−ＩｎＰからなる第２
のクラッド層１４（厚さ１．５μｍ，キャリア濃度５×
１０17ｃｍ-3）、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰからなるコンタク
ト層１５（厚さ０．５μｍ，キャリア濃度１×１０19ｃ
ｍ-3）を順次成長する。次に、ＳｉＯ2 からなる誘電体
をマスクとして用い、臭素とメチルアルコールの混合液
によりエッチングし幅１．５μｍ高さ２．５μｍのメサ
ストライプ１６を形成した後、この誘電体をマスクとし
て用いＦｅを添加した半絶縁性ＩｎＰからなる第１の埋
め込み層１７をメサストライプ１６の両側に選択成長す
る。メサストライプ１６上部のコンタクト層１５上にＡ
ｕＺｎからなるｐ電極１８を形成する。ｎ−ＩｎＰ基板
１０の裏面を１００μｍ程度の厚さになるまで研磨した
後、裏面側にＡｕＧｅＮｉからなるｎ電極１９を形成し
第１の実施例の半導体レーザが完成する。
【００１４】このようにＩｎＧａＡｓＰからなる発光層
とｐ−ＩｎＰからなるクラッド層の間に、ｐ−Ｉｎ1-x
Ａｌx Ａｓ（Ｘ＝０．４８〜１．００）からなる歪バリ
ア層を設けることによって、図３（ａ）に示すように電
流注入時において、発光層と歪バリア層間の伝導帯のヘ
テロ障壁を大きくすることが可能となる。この大きな伝
導帯のヘテロ障壁によって、発光層に注入された電子が
クラッド層へ漏れにくくなり、電子と正孔の発光再結合
が効率よく行われるため、共振器長３００μｍ、端面反
射率構成３０％−８０％の半導体レーザで８５℃，５ｍ
Ｗの動作電流として約４０ｍＡが得られる。
【００１５】図２は、第２の実施例である半導体レーザ
の構造図である。
【００１６】先ず、厚さ３５０μｍのｎ−ＩｎＰからな
る半導体基板１０上に、気相成長法または分子線成長法
などによりｎ−ＩｎＰからなる第１のクラッド層１１
（厚さ１μｍ、キャリア濃度２×１０17ｃｍ-3）、Ｉｎ
Ｐと格子整合するバンドギャップ波長が１．３μｍのＩ
ｎＧａＡｓＰからなる発光層１２（厚さ０．１μｍ、ノ
ンドープ）、ｐ−Ｉｎ1-x Ａｌx Ａｓ（Ｘ＝０．５４）
からなる第１の歪バリア層１３（厚さ０．０２μｍ，キ
ャリア濃度５×１０17ｃｍ-3）、ｐ−ＩｎＰからなる第
２のクラッド層１４（厚さ１．５μｍ，キャリア濃度５
×１０17ｃｍ-3）、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰからなるコンタ
クト層１５（厚さ０．５μｍ，キャリア濃度１×１０19
ｃｍ-3）を順次成長する。次に、ＳｉＯ2 からなる誘電
体をマスクとして用い臭素とメチルアルコールの混合液
によりエッチングし幅１．５μｍ高さ２．５μｍのメサ
ストライプ１６を形成した後、この誘電体をマスクとし
て用いｐ−Ｉｎ1-x Ａｌx Ａｓ（Ｘ＝０．５４）からな
る第２の歪バリア層２１（厚さ０．０２μｍ，キャリア
濃度５×１０17ｃｍ-3）、ｐ−ＩｎＰからなる第２の埋
め込み層２２（厚さ０．５μｍ，キャリア濃度５×１０
17ｃｍ-3）、ｎ−ＩｎＰからなる第３の埋め込み層２３
（厚さ２．０μｍ，キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3）を
メサストライプ１６の両側に選択成長する。次にメサス
トライプ１６上部のコンタクト層１５上にＡｕＺｎから
なるｐ電極１８を形成する。ｎ−ＩｎＰ基板１０の裏面
を１００μｍ程度の厚さになるまで研磨した後、裏面側
にＡｕＧｅＮｉからなるｎ電極１９を形成し第２の実施
例の半導体レーザが完成する。
【００１７】第２の実施例では、第１の実施例の効果に
加えてストライプ状の発光層をｐ形のＩｎ1-x Ａｌx Ａ
ｓ（ｘ＝０．４８〜１．００）からなる第２の歪バリア
層とｐ形のＩｎＰからなる埋め込み層で埋め込むことに
よって、発光層側壁を通りｐ−ＩｎＰ埋め込み層へ漏れ
る電子数を抑制できる。更に、第２の歪バリア層は、発
光層を通らずに第１のクラッド層から埋め込み層へ電子
が直接流れるのを抑制する効果も有している。結果とし
て共振器長３００μｍ，端面反射率構成３０％−８０％
の半導体レーザで８５℃，５ｍＷの動作電流として約３
５ｍＡが得られる。なお、図３（ｂ）は発光時における
埋め込み層と第１のクラッド層間のバンド構造図を示し
ている。
【００１８】従って、本発明の採用により、発光層に注
入された電子がクラッド層および埋め込み層に漏れるこ
となく、正孔と発光再結合すること、および発光層を通
らずに埋め込み層へ流れる無効電流を抑制できること等
の理由から、発光効率が高く高出力で高温動作するＩｎ
ＧａＡｓ（Ｐ）を発光層とする半導体レーザが得られ
る。特に、ＩｎＡｌＡｓ歪み層が発光層メサストライプ
側面に垂直に形成され、発光層の側面でｐ−Ｉｎｐ層が
直接接触しない構造を有することから、発光層の側面か
らｐ−Ｉｎｐ埋込層への電子の漏れを抑制することがで
きる。
【００１９】なお、上記実施例においては寸法例も示し
たが、結晶成長や混晶化及びエッチングの様子は成長
法，条件などで大幅に変化するからそれらと共に適切な
寸法を採用すべきことは言うまでもない。電極金属・誘
電体の種類に関して制限はない。歪バリア層１３，２１
に関しては、良質な結晶成長が可能となる臨界膜厚の範
囲内であれば組成ｘを０．４８から１の範囲で任意に選
択可能であり、又発光層に関しては、ＩｎＧａＡｓＰ又
はＩｎＧａＡｓであれば制限はなく、さらに量子井戸構
造でも良いことは改めて詳細に説明するまでもなく明ら
かなことである。
【００２０】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
ればｎ形のＩｎＰからなる第１のクラッド層と、ＩｎＧ
ａＡｓ（Ｐ）を含む発光層と、ｐ形のＩｎ1-x Ａｌx Ａ
ｓ（ｘ＝０．４８〜１．００）からなる第１の歪バリア
層と、ｐ形のＩｎＰからなる第２のクラッド層の積層構
造にすることによって、伝導帯のヘテロ障壁を大きくす
ることができ、発光層から第２のクラッド層への電子の
漏れを抑制することができる。また、ＩｎＧａＡｓ
（Ｐ）を含む発光層を少なくとも含むメサストライプ
を、ｐ形のＩｎ1-x Ａｌx Ａｓ（ｘ＝０．４８〜１．０
０）からなる第２の歪バリア層とｐ形のＩｎＰからなる
埋め込み層で埋め込むことによって、発光層側壁を通る
電子の漏れを抑制できる。更に、第２の歪バリア層は、
発光層を通らずに第１のクラッド層から埋め込み層へ電
子が直接流れるのを抑制する効果も有している。
【００２１】従って、本発明の採用により、発光効率が
高く高出力で高温動作するＩｎＧａＡｓ（Ｐ）を発光層
とする半導体レーザが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す半導体レーザの構
造図である。
【図２】本発明の第２の実施例を示す半導体レーザの構
造図である。
【図３】（ａ）は実施例の発光時における発光層近傍の
バンド構造図、（ｂ）は第２の実施例の発光時における
埋め込み層第１のクラッド層間のバンド構造図である。
【符号の説明】
１０ ｎ−ＩｎＰからなる半導体基板 １１ ｎ−ＩｎＰからなる第１のクラッド層 １２ ＩｎＧａＡｓＰからなる発光層 １３ ｐ−Ｉｎ1-x Ａｌx Ａｓ（Ｘ＝０．５４）からな
る第１の歪バリア層 １４ ｐ−ＩｎＰからなる第２のクラッド層 １５ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層 １６ メサストライプ １７ 半絶縁ＩｎＰからなる第１の埋め込み層 １８ ｐ電極 １９ ｎ電極 ２０ 誘電体 ２１ ｐ−Ｉｎ1-x Ａｌx Ａｓ（Ｘ＝０．５４）からな
る第２の歪バリア層 ２２ ｐ−ＩｎＰからなる第２の埋め込み層 ２３ ｎ−ＩｎＰからなる第３の埋め込み層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01S 3/18 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ｎ形のＩｎＰ半導体基板上に形成された埋
    め込み構造の半導体レーザにおいて、ｎ形のＩｎＰから
    なる第１のクラッド層と、ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧ
    ａＡｓを少なくとも含む発光層と、ｐ形のＩｎ1-x Ａｌ
    x Ａｓ（ｘ＝０．４８〜１．００）からなる第１の歪バ
    リア層と、ｐ形のＩｎＰからなる第２のクラッド層が順
    次積層され、 前記発光層を少なくとも含むメサストライプの側壁が、
    ｐ形のＩｎ 1-x Ａｌ x Ａｓ（ｘ＝０．４８〜１．００）
    からなる第２の歪バリア層とｐ形のＩｎＰからなる埋め
    込み層で少なくとも埋め込まれた 構造を有する半導体レ
    ーザ。
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