JP2815165B2 - 二方向注入型半導体レーザ装置 - Google Patents
二方向注入型半導体レーザ装置Info
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- H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
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- H01S5/32308—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm
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- Semiconductor Lasers (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は埋込み型半導体レーザに関するものであり、
特にキャリアの注入を二方向から行えるようにした半導
体レーザ装置に関する。
特にキャリアの注入を二方向から行えるようにした半導
体レーザ装置に関する。
従来の埋め込み型半導体レーザには縦注入型と横注入
型とがある。
型とがある。
第４図は縦注入型半導体レーザ装置の構造を示す図
で、ｎ−GaAs基板301上にｎ−AlGaAs層302、GaAs活性層
303、ｐ−AlGaAs304からなる二重ヘテロ構造を形成する
と共に、Zn拡散層307を形成し、二重ヘテロ構造の左右
にｐ−AlGaAsクラッド層306を形成してストライプ構造
としたものである。
で、ｎ−GaAs基板301上にｎ−AlGaAs層302、GaAs活性層
303、ｐ−AlGaAs304からなる二重ヘテロ構造を形成する
と共に、Zn拡散層307を形成し、二重ヘテロ構造の左右
にｐ−AlGaAsクラッド層306を形成してストライプ構造
としたものである。
このような半導体レーザにおいて、電極308、309間に
電流を流してZn拡散層307の部分に電流を集中させると
二重ヘテロ構造により注入キャリアが閉じ込められ、さ
らに横方向においてはストライプ構造により電流が制限
されて大きな電流密度及び内部量子効率が得られる。ま
た、クラッド層により発光が有効に閉じ込められて小さ
なしきい値電流でレーザ発振が行われる。
電流を流してZn拡散層307の部分に電流を集中させると
二重ヘテロ構造により注入キャリアが閉じ込められ、さ
らに横方向においてはストライプ構造により電流が制限
されて大きな電流密度及び内部量子効率が得られる。ま
た、クラッド層により発光が有効に閉じ込められて小さ
なしきい値電流でレーザ発振が行われる。
第５図は横注入型半導体レーザ装置の構造を示す図
で、Crドープした半絶縁性GaAs基板401上にアンドープA
lGaAs層402、404でGaAs活性層403をサンドイッチし、活
性層の左右にｎ−AlGaAs層405、ｐ−AlGaAs層407を埋め
込み形成して二重ヘテロ構造を構成し、その上にキャッ
プ層406、408を形成し、さらにその上に電極409、410を
形成したものである。
で、Crドープした半絶縁性GaAs基板401上にアンドープA
lGaAs層402、404でGaAs活性層403をサンドイッチし、活
性層の左右にｎ−AlGaAs層405、ｐ−AlGaAs層407を埋め
込み形成して二重ヘテロ構造を構成し、その上にキャッ
プ層406、408を形成し、さらにその上に電極409、410を
形成したものである。
横注入型半導体レーザにおいては、同一平面に設けら
れた電極409、410間に電流を流し、左右のｎ−AlGaAs層
405、ｐ−AlGaAs層407から活性層403へのキャリア注入
をしている点が縦注入型のものと異なっている。また、
半絶縁性基板上に形成されているため、素子間の絶縁を
とることができ、その結果集積化を行うことができる特
徴を有している。
れた電極409、410間に電流を流し、左右のｎ−AlGaAs層
405、ｐ−AlGaAs層407から活性層403へのキャリア注入
をしている点が縦注入型のものと異なっている。また、
半絶縁性基板上に形成されているため、素子間の絶縁を
とることができ、その結果集積化を行うことができる特
徴を有している。
このような埋め込み型半導体レーザはしきい値電流が
小さくとれるため通信用光源等に広く用いられている
が、第４図あるいは第５図から分かるようにキャリア注
入は一方向であり、いわゆる２端子構成である。このよ
うな２端子の半導体レーザの駆動は、通常、第６図に示
すように直流電流分と交流電流（あるいはパルス電流）
分を外部電子回路で重畳して加える必要がある。
小さくとれるため通信用光源等に広く用いられている
が、第４図あるいは第５図から分かるようにキャリア注
入は一方向であり、いわゆる２端子構成である。このよ
うな２端子の半導体レーザの駆動は、通常、第６図に示
すように直流電流分と交流電流（あるいはパルス電流）
分を外部電子回路で重畳して加える必要がある。
すなわち、第６図（ａ）においては、DC電源によりレ
ーザダイオード500に直流電流を供給すると共に、信号
発生器503から交流電流を重畳して加えており、また第
６図（ｂ）においては、レーザダイオードにDC電源から
バイアス電圧を加えると共に、信号発生器511によりト
ランジスタ512のインピーダンスを変えて直流分と交流
分が重畳してレーザダイオードを流れるようにしてい
る。
ーザダイオード500に直流電流を供給すると共に、信号
発生器503から交流電流を重畳して加えており、また第
６図（ｂ）においては、レーザダイオードにDC電源から
バイアス電圧を加えると共に、信号発生器511によりト
ランジスタ512のインピーダンスを変えて直流分と交流
分が重畳してレーザダイオードを流れるようにしてい
る。
このように、従来の埋め込み型半導体レーザは２端子
構造であるために、その駆動方式が制約を受けてしまう
という問題があった。
構造であるために、その駆動方式が制約を受けてしまう
という問題があった。
本発明は上記課題を解決するためのもので、キャリア
注入を二方向とすることにより、それぞれ独立したキャ
リア注入を行うことができ、レーザの駆動方式の自由度
を大きくすることができる二方向注入型半導体レーザ装
置を提供することを目的とする。
注入を二方向とすることにより、それぞれ独立したキャ
リア注入を行うことができ、レーザの駆動方式の自由度
を大きくすることができる二方向注入型半導体レーザ装
置を提供することを目的とする。
本発明の二方向注入型半導体レーザ装置は、キャリア
の注入が左右から独立して行うことができることを特徴
としている。
の注入が左右から独立して行うことができることを特徴
としている。
第１図は本発明の二方向注入型半導体レーザ装置の構
造を示す図である。図中、100はCrドープ半絶縁性GaAs
基板、101は高抵抗AlGaAs層、102はGaAs活性層、103は
ｐ−AlGaAsクラッド層、104a、104bはｎ−AlGaAsクラッ
ド層、105a、105bはｎ−GaAsキャップ層、106はｐ−GaA
sキャップ層、107a、107b、108は電極である。
造を示す図である。図中、100はCrドープ半絶縁性GaAs
基板、101は高抵抗AlGaAs層、102はGaAs活性層、103は
ｐ−AlGaAsクラッド層、104a、104bはｎ−AlGaAsクラッ
ド層、105a、105bはｎ−GaAsキャップ層、106はｐ−GaA
sキャップ層、107a、107b、108は電極である。
図において、半絶縁性基板100上に高抵抗AlGaAs層101
を形成し、その上に形成された光を発生するGaAs活性層
（ノンドープあるいはｐ型ドープ）102の左右両サイド
にｎ−AlGaAsクラッド層104a、104bを埋め込み形成し、
さらに活性層の上側にはｐ−AlGaAsクラッド層が形成す
ると共に、各クラッド層上には、それぞれキャップ層ｎ
−GaAs105a、105b、ｐ−GaAs106及び、電極107a、107
b、108を形成した構造となっている。
を形成し、その上に形成された光を発生するGaAs活性層
（ノンドープあるいはｐ型ドープ）102の左右両サイド
にｎ−AlGaAsクラッド層104a、104bを埋め込み形成し、
さらに活性層の上側にはｐ−AlGaAsクラッド層が形成す
ると共に、各クラッド層上には、それぞれキャップ層ｎ
−GaAs105a、105b、ｐ−GaAs106及び、電極107a、107
b、108を形成した構造となっている。
このような構造において、電極108と107a、107b間に
電流を供給すると、上側のｐ−AlGaAsクラッド層103か
ら正孔が注入され、左側あるいは右側のｎ−AlGaAsクラ
ッド層から電子が注入される。したがって、活性層には
二方向からキャリアの注入が行われ、この注入はそれぞ
れ独立して行うことができる。さらに活性層の下側のAl
GaAs層101は高抵抗層で左右のｎ−AlGaAsの電気的に分
離できるので、これらの素子を同一基板上に集積化する
ことが可能である。もちろん、活性層の上側クラッド層
をｎ型とし、活性層の左右両サイドのクラッド層をｐ型
としてもよく、また活性層もｐ型（あるいはｎ型）とし
てもよい。また、本例では材料としてGaAs、AlGaAs系を
例示しているが、他の材料、例えばInGaAs、InGaAsP等
でも構成できる。
電流を供給すると、上側のｐ−AlGaAsクラッド層103か
ら正孔が注入され、左側あるいは右側のｎ−AlGaAsクラ
ッド層から電子が注入される。したがって、活性層には
二方向からキャリアの注入が行われ、この注入はそれぞ
れ独立して行うことができる。さらに活性層の下側のAl
GaAs層101は高抵抗層で左右のｎ−AlGaAsの電気的に分
離できるので、これらの素子を同一基板上に集積化する
ことが可能である。もちろん、活性層の上側クラッド層
をｎ型とし、活性層の左右両サイドのクラッド層をｐ型
としてもよく、また活性層もｐ型（あるいはｎ型）とし
てもよい。また、本例では材料としてGaAs、AlGaAs系を
例示しているが、他の材料、例えばInGaAs、InGaAsP等
でも構成できる。
また、さらに本発明の素子は第１図において、ｐ型層
の端子をオープンとし、左右のｎ型クラッド層間に電圧
を加えると、光入射があるとキャリアが発生し、これが
左右のクラッド層間を通して流れるので、同一構造で光
検出器の１種であるホトトランジスタとしても動作す
る。そして、本発明の素子は高抵抗層上に形成されてい
るので、同一構造の素子を同一基板上に複数個形成し、
集積化が可能である。
の端子をオープンとし、左右のｎ型クラッド層間に電圧
を加えると、光入射があるとキャリアが発生し、これが
左右のクラッド層間を通して流れるので、同一構造で光
検出器の１種であるホトトランジスタとしても動作す
る。そして、本発明の素子は高抵抗層上に形成されてい
るので、同一構造の素子を同一基板上に複数個形成し、
集積化が可能である。
第２図は第１図の構造の素子を同一基板上に集積化
し、ホトトランジスタ、半導体レーザ装置を形成したも
のである。
し、ホトトランジスタ、半導体レーザ装置を形成したも
のである。
第２図において、高抵抗層100上に第１図の構造の素
子を複数個タンデム形に形成し、図のように１つの素子
については活性層の上側クラッド層上に形成された電極
108aをオープンとし、電極108bと電極107b間、電極108b
と107c間に図示のような極性の電圧Va、Vbを接続する
と、光トランジスタ部200と半導体レーザ部201とが形成
される。
子を複数個タンデム形に形成し、図のように１つの素子
については活性層の上側クラッド層上に形成された電極
108aをオープンとし、電極108bと電極107b間、電極108b
と107c間に図示のような極性の電圧Va、Vbを接続する
と、光トランジスタ部200と半導体レーザ部201とが形成
される。
即ち、光トランジスタ部200においては、このままで
は電極108bと電極107b間は絶縁されているが、光入射が
あって活性層102aにキャリアが発生すると、クラッド層
104a、104bを通して電流が流れる。一方、半導体レーザ
201においては、クラッド層103bと104cとからキャリア
注入が行われるので、レーザダイオードとして動作す
る。
は電極108bと電極107b間は絶縁されているが、光入射が
あって活性層102aにキャリアが発生すると、クラッド層
104a、104bを通して電流が流れる。一方、半導体レーザ
201においては、クラッド層103bと104cとからキャリア
注入が行われるので、レーザダイオードとして動作す
る。
以上述べたように、本発明の二方向注入型半導体レー
ザ装置は３端子となっており、独立した２つのキャリア
注入が行える利点を有している。
ザ装置は３端子となっており、独立した２つのキャリア
注入が行える利点を有している。
また、第２図に示したように同一構造で、電圧の加え
方により光検出器の１種であるホトトランジスタとして
も動作する。このように光検出器とレーザが同一構造で
１つの基板の上に製作可能であるので、モノリシック集
積化光送受信回路を構成することも可能である。
方により光検出器の１種であるホトトランジスタとして
も動作する。このように光検出器とレーザが同一構造で
１つの基板の上に製作可能であるので、モノリシック集
積化光送受信回路を構成することも可能である。
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第１図に示す構造の素子の製作過程は以下の通りであ
る。基板はCrドープ半絶縁性GaAsである。この上にMOCV
D法により高抵抗AlGaAs層（Al含有率約0.4,厚さ約1.5μ
ｍ）、ｐ型GaAs活性層（厚さ約0.15μｍ）、ｐ型AlGaAs
層（Al含有率約0.4,厚さ約1.0μｍ）、ｐ型GaAsキャッ
プ層をエピタキシャル成長させる。次にエッチングによ
り第１図に示すｎ−AlGaAs層を埋め込むための穴を掘
り、ｎ型AlGaAs層（Al含有率約0.35）、ｎ型GaAsキャッ
プ層を成長させる。次にn,p電極を付けた後、それをマ
スクとしてn,p接合面に接するキャップ層を部分的にエ
ッチングして除去するこれはキャリアがキャップ層間で
再結合するのを防止するためである。活性層幅は約２μ
以下が望ましい。また、活性層としては第３図に示すよ
うな通常の多重量子井戸構造も可能である。
る。基板はCrドープ半絶縁性GaAsである。この上にMOCV
D法により高抵抗AlGaAs層（Al含有率約0.4,厚さ約1.5μ
ｍ）、ｐ型GaAs活性層（厚さ約0.15μｍ）、ｐ型AlGaAs
層（Al含有率約0.4,厚さ約1.0μｍ）、ｐ型GaAsキャッ
プ層をエピタキシャル成長させる。次にエッチングによ
り第１図に示すｎ−AlGaAs層を埋め込むための穴を掘
り、ｎ型AlGaAs層（Al含有率約0.35）、ｎ型GaAsキャッ
プ層を成長させる。次にn,p電極を付けた後、それをマ
スクとしてn,p接合面に接するキャップ層を部分的にエ
ッチングして除去するこれはキャリアがキャップ層間で
再結合するのを防止するためである。活性層幅は約２μ
以下が望ましい。また、活性層としては第３図に示すよ
うな通常の多重量子井戸構造も可能である。
第３図は多重量子井戸構造を説明するための図であ
る。
る。
活性層の厚みを20nm以下とすると量子効果が出てき
て、電子は極めて限られた準位しかとれなくなり、その
ため限られた準位で遷移が生ずるため発光効率が上が
り、その結果しきい値電流を下げることが可能となる。
多重量子井戸構造はこのようなことを利用したものであ
り、図の上下のクラッド層31、32間に形成される活性層
33の厚みを極めて薄くし、AlGaAsからなるバリア層34と
GaAs量子井戸35を繰り返し形成する。この場合、光を有
効に活性層に閉じ込めるためのバリア層のAlの混晶比を
クラッド層のそれよりも小さくしており、また、通常、
縦方向に電流を流す構造では上下の量子井戸でのキャリ
ア注入が変化してしまうので井戸数、バリア層の厚み、
及びバリア層の混晶比に制限がある（通常、量子井戸数
５個、バリア層の厚み６〜20nm、バリア層のAlAs比0.2
〜0.3）が、横接合型レーザではこれらの制限を受けな
い。こうして図示するようなコンダクションバンドEcと
バレンスバンドEvのエネルギバンド構造が得られ、量子
井戸にキャリアが注入されて電子とホールの再結合によ
る発光が行われ、各量子井戸間では相互作用があるため
に出力光のコヒーレンシーが保たれる。なお、クラッド
層と最初の量子井戸との間隔を大きくしているのは、ク
ラッド層のエネルギレベルが高いため、他の量子井戸と
エネルギバンド構造の相似性が崩れないようにするため
である。また、量子井戸を活性層に用いることにより電
極間容量が極めて小さな値になる。
て、電子は極めて限られた準位しかとれなくなり、その
ため限られた準位で遷移が生ずるため発光効率が上が
り、その結果しきい値電流を下げることが可能となる。
多重量子井戸構造はこのようなことを利用したものであ
り、図の上下のクラッド層31、32間に形成される活性層
33の厚みを極めて薄くし、AlGaAsからなるバリア層34と
GaAs量子井戸35を繰り返し形成する。この場合、光を有
効に活性層に閉じ込めるためのバリア層のAlの混晶比を
クラッド層のそれよりも小さくしており、また、通常、
縦方向に電流を流す構造では上下の量子井戸でのキャリ
ア注入が変化してしまうので井戸数、バリア層の厚み、
及びバリア層の混晶比に制限がある（通常、量子井戸数
５個、バリア層の厚み６〜20nm、バリア層のAlAs比0.2
〜0.3）が、横接合型レーザではこれらの制限を受けな
い。こうして図示するようなコンダクションバンドEcと
バレンスバンドEvのエネルギバンド構造が得られ、量子
井戸にキャリアが注入されて電子とホールの再結合によ
る発光が行われ、各量子井戸間では相互作用があるため
に出力光のコヒーレンシーが保たれる。なお、クラッド
層と最初の量子井戸との間隔を大きくしているのは、ク
ラッド層のエネルギレベルが高いため、他の量子井戸と
エネルギバンド構造の相似性が崩れないようにするため
である。また、量子井戸を活性層に用いることにより電
極間容量が極めて小さな値になる。
以上のように本発明によれば、従来不可能であった２
つの独立したキャリア注入機構を有する半導体レーザ装
置が実現できる。また、同一構造で、電圧の加え方によ
り光検出器の１種であるホトトランジスタとしても動作
するので、光検出器とレーザが同一構造で１つの基板の
上に製作してモノリシック集積化光送受信回路を構成す
ることも可能である。
つの独立したキャリア注入機構を有する半導体レーザ装
置が実現できる。また、同一構造で、電圧の加え方によ
り光検出器の１種であるホトトランジスタとしても動作
するので、光検出器とレーザが同一構造で１つの基板の
上に製作してモノリシック集積化光送受信回路を構成す
ることも可能である。
第１図は本発明の二方向注入型半導体レーザ装置の構造
を示す図、第２図は第１図の構造の素子を同一基板上に
集積化した例を示す図、第３図は多重量子井戸構造を説
明するための図、第４図は縦注入型半導体レーザ装置の
構造を示す図、第５図は横注入型半導体レーザ装置の構
造を示す図、第６図は従来の半導体レーザ層の駆動方式
を示す図である。 100……Crドープ半絶縁性GaAs基板、101……高抵抗AlGa
As層、102……GaAs活性層、103……ｐ−AlGaAsクラッド
層、104a、104b……ｎ−AlGaAsクラッド層、105a、105b
……ｎ−GaAsキャップ層、106……ｐ−GaAsキャップ
層、107a、107b、108……電極。
を示す図、第２図は第１図の構造の素子を同一基板上に
集積化した例を示す図、第３図は多重量子井戸構造を説
明するための図、第４図は縦注入型半導体レーザ装置の
構造を示す図、第５図は横注入型半導体レーザ装置の構
造を示す図、第６図は従来の半導体レーザ層の駆動方式
を示す図である。 100……Crドープ半絶縁性GaAs基板、101……高抵抗AlGa
As層、102……GaAs活性層、103……ｐ−AlGaAsクラッド
層、104a、104b……ｎ−AlGaAsクラッド層、105a、105b
……ｎ−GaAsキャップ層、106……ｐ−GaAsキャップ
層、107a、107b、108……電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−178577（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−106687（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−264776（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−104494（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01S 3/18 H01L 31/10 H01L 31/12
Claims (3)
- 【請求項１】活性層の上側クラッド層あるいは活性層及
び上側クラッド層をｐ型（あるいはｎ型）とし、活性層
の左右両サイドのクラッド層をｎ型（あるいはｐ型）と
し、活性層の下側のクラッド層を高抵抗層とした構造を
有する二方向注入型半導体レーザ装置。 - 【請求項２】さらに活性層の上側及び左右のクラッド層
上に、キャップ層及び電極を設けた請求項１記載の二方
向注入型半導体レーザ装置。 - 【請求項３】請求項２記載のレーザ装置を同一基板上に
複数個作製し、一部をレーザダイオード、他をホトトラ
ンジスタとした二方向注入型半導体レーザ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2041689A JP2815165B2 (ja) | 1989-01-30 | 1989-01-30 | 二方向注入型半導体レーザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2041689A JP2815165B2 (ja) | 1989-01-30 | 1989-01-30 | 二方向注入型半導体レーザ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02201990A JPH02201990A (ja) | 1990-08-10 |
| JP2815165B2 true JP2815165B2 (ja) | 1998-10-27 |
Family
ID=12026434
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2041689A Expired - Lifetime JP2815165B2 (ja) | 1989-01-30 | 1989-01-30 | 二方向注入型半導体レーザ装置 |
Country Status (1)
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|---|---|
| JP (1) | JP2815165B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
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Family Cites Families (4)
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-
1989
- 1989-01-30 JP JP2041689A patent/JP2815165B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02201990A (ja) | 1990-08-10 |
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