JP2909586B2 - 半導体発光装置 - Google Patents

半導体発光装置

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JP2909586B2 JP62149142A JP14914287A JP2909586B2 JP 2909586 B2 JP2909586 B2 JP 2909586B2 JP 62149142 A JP62149142 A JP 62149142A JP 14914287 A JP14914287 A JP 14914287A JP 2909586 B2 JP2909586 B2 JP 2909586B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 本発明は、半導体レーザ及び超格子を構成要素とする
変調器からなる半導体発光装置に於いて、その超格子
は、二つの井戸層の間にそれ等井戸層の外側に在る障壁
層に於ける障壁高さよりも低いそれを持った障壁層を介
在させることに依り、電圧を印加した際、屈折率が大幅
に変化するようにした。 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超格子を用いて発振周波数、即ち、発振波
長を制御する変調器を有する半導体発光装置に関する。 〔従来の技術〕 近年、コヒーレント光を用いて光通信を行う技術に関
する研究及び開発が進んでいる。これは、従来の光通信
に於ける情報伝達が光のオン・オフ変調に依存していた
のに対し、光を電磁波として取り扱い、その位相、振
幅、周波数などに関し、電磁波と同様、FM、PM、FSK、P
SKなどの変調をかけて情報伝達を行うものであり、これ
に依り、信号伝送距離を延伸したり、多量の情報を伝達
できるようにするものである。 この場合、コヒーレント光の光源としては、矢張り半
導体レーザを用いることになるが、そのような目的を達
成する半導体レーザの一つとして、或る場合には一定の
発振波長で固定的に発振を持続し、また、或る場合には
発振波長が可変であるもの、即ち、波長チューニングを
行うことができる半導体レーザが必要になる。 半導体レーザの発振波長を可変にするには、レーザ共
振器の長さを変える、媒質を変える、屈折率を変える、
動作温度を変えるなど種々の手段がある。 〔発明が解決しようとする問題点〕 前記したように、半導体レーザの発振波長を可変にす
るには種々の手段が存在するものの、従来技術に依るも
のでは、波長の可変幅が不充分であり、しかも、それに
随伴して閾値電流が高くなったり、或いは、発光効率が
低下するなど半導体レーザの基本的特性が劣化してくる
などの欠点があった。また、波長を可変とする為、半導
体のバルク効果であるバンド端効果或いはプラズマ効果
を利用したものに於いては、何れも順方向バイアスで使
用するので、リーク電流や発熱の面で問題があった。 本発明者は、前記従来技術の問題を解消する為、レー
ザ共振器の近傍に超格子を配設し、その超格子に電圧を
印加して屈折率を変化させることでレーザ共振器自体の
屈折率も変化するようにし、それに依って発振波長のチ
ューニングが可能な半導体発光装置を開発したところ、
かなり良好な成績を収めることができた。 ところで、超格子に電圧を印加すると屈折率が変化す
るのは次の理由に依る。 第3図(A)及び(B)は通常の超格子に関する動作
を説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラムを表
し、(A)は電界の非印加時の、そして、(B)は電界
の印加時のそれである。 図に於いて、ECは伝導帯の底、EVは価電子帯の頂、B1
及びB2は障壁層、W1は井戸層、ELC並びにELVは井戸層W1
内のエネルギ準位、eは井戸層W1内に於ける電子の分
布、hは井戸層W1内に於ける正孔の分布をそれぞれ示し
ている。 第3図(A)に見られるように、超格子に電界を印加
しない場合には、井戸層W1内に於ける電子分布のピーク
と正孔分布のピークとは一致し、従って、それ等を結ぶ
線は半導体層の厚さ方向に対して垂直である。 第3図(B)に見られるように、超格子に電界を印加
した場合には、エネルギ・バンドは傾きをもち、従っ
て、井戸層W1内に於ける電子分布のピーク及び正孔分布
のピークは図示の矢印方向にシフトし、従って、それ等
を結ぶ線は半導体層の厚さ方向に対して傾きを持つこと
になる。 即ち、超格子に電界を印加した場合には、実空間の中
で電子と正孔とで構成される電気双極子が動くことにな
る。 超格子に於ける屈折率は、前記電気双極子に於けるモ
ーメントの単位体積中の和に依存し、従って、この電気
双極子の変位が大きいほど屈折率変化も大となり、その
結果、例えば前記のような半導体発光装置では発振波長
を大幅に変えることが可能になるものである。尚、この
ように超格子に電圧を印加して屈折率が変化するのは、
量子閉じ込めスターク(Stark)効果と呼ばれている
が、広義には半導体内のフランツ・ケルディッシュ効果
(Franz−Keldish effect)に依るものということがで
きる。 本発明は、極めて簡単な構成でありながら、僅かな電
界の印加で井戸層内の電子と正孔が大きくシフトする超
格子を構成要素とする変調器を備えた半導体発光装置を
提供しようとする。 〔問題点を解決するための手段〕 第1図(A)及び(B)は本発明の原理を説明する為
の超格子のエネルギ・バンド・ダイヤグラムを表し、
(A)は電界の非印加時の、そして、(B)は電界の印
加時のそれであり、第3図に於いて用いた記号と同記号
は同部分を示すか或いは同じ意味を持つものとする。 図に於いて、W2は第2の井戸層、B3は第1の井戸層W1
と第2の井戸層W2との間に介在する第3の障壁層をそれ
ぞれ示している。 図から明らかなように、第3の障壁層B3の障壁高さは
第1及び第2の障壁層B1及びB2に於けるそれと比較して
低くしてあり、例えば、井戸層W1或いはW2の幅と同程度
となるように選択する。 第1図(A)に見られるように、超格子に電界を印加
しない場合には、その電子分布或いは正孔分布は、第1
の井戸層W1内と第2の井戸層W2内とピークが存在し、ま
た、第3の障壁層B3の障壁高さは低いので、量としては
少ないが、そこにも電子或いは正孔が存在し、従って、
電子分布或いは正孔分布の全体はM字形をなしていて、
井戸層W1内に於ける電子分布のピークと正孔分布のピー
クとは一致し、また、同様に、井戸層W2内においても各
ピークが一致している。 第1図(B)に見られるように、超格子には電界を印
加した場合には、エネルギ・バンドは左下がりに傾き、
その結果、井戸層W2内に在った電子は井戸層W1に移動
し、従って、そこでの電子濃度は極めて高くなる。ま
た、これとは逆に、井戸層W1内に在った正孔は井戸層W2
に移動し、従って、そこでの正孔濃度は極めて高くな
る。 このように、井戸層W1に於ける電子濃度及び井戸層W2
に於ける正孔濃度が著しく高くなり、しかも、それ等に
於ける電子分布のピーク及び正孔分布のピークを結ぶ線
は半導体層の厚さ方向に対して大きな傾きを持つことに
なり、従って、その電気双極子の変位は充分に大となる
から、この超格子を構成要素とする変調器と半導体レー
ザとを組み合わせた半導体発光装置に於いては、その導
波路の屈折率を小さい電界で大幅に変化させることがで
き、高効率の発振波長制御が可能になるものである。 ところで、二つの井戸層の間に各井戸層に比較して障
壁高さが高く且つ各井戸層の外側に在る障壁層の障壁高
さに比較して低い障壁高さをもつ障壁層を介在させるこ
とは、「昭和62年3月26日〜29日、電子情報通信学会創
立70周年記念、綜合全国大会講演論文集、分冊4、論文
番号851、木村 博ら“任意のポテンシャル分布を持つ
量子井戸の電界依存性の解析”」、で発表されている。 該論文に見られるところでは、量子井戸の基底状態に
ついてのみ解析が行なわれ、その解析に依れば、前記構
成の量子井戸に電界を加えた場合、実効的な禁制帯幅が
減少することが明らかにされている。 然しながら、本発明で開示されているように、超格子
に於ける屈折率を小さい電界を加えるだけで大幅に変化
させ得ること、については、前記本発明の原理で説明し
たように、量子井戸に於ける高次(二次以上)の電子・
正孔の波動関数について解析しなければ何も知得するこ
とはできない。 この理由は、量子井戸に於ける電子・正孔の波動関数
が基底状態の解析では何も現れず、高次モード、即ち、
基底状態のエネルギ・レベルが存在しない状態、更に換
言すると、シュレーディンガー方程式の解としてはカッ
トオフ条件、に於いて本来の効果が現れることにある。 そこで、本発明に依る半導体発光装置に於いては、レ
ーザ発振させる為の電流を注入する電極を備えた半導体
レーザと、該半導体レーザの電極とは別設され超格子に
電圧を印加して屈折率を変化させる為の電極を備え且つ
該半導体レーザに近接して形成された変調器とで構成さ
れてなり、該変調器に於ける超格子は量子効果をもつこ
とが可能な幅の二つの井戸層(例えば井戸層W1及並びに
W2)の間に伝導帯側並びに価電子帯側双方に於いてそれ
等井戸層に比較して障壁高さが高く、且つ、それ等井戸
層の外側に在る障壁層(例えば障壁層B1並びにB2)に於
ける障壁高さに比較して低い障壁高さをもつ障壁層を介
在させたものであることを特徴とする。 〔作用〕 前記構成を採ることに依り、超格子に電圧を印加した
場合には、前記二つの井戸層に於いて、電子は一方の井
戸層から他方の井戸層へ、また、正孔は他方の井戸層か
ら一方の井戸層へそれぞれ移動し、それぞれに於ける電
子濃度及び正孔濃度は著しく高くなり、しかも、それ等
電子及び正孔に依って形成される電気双極子の動き(傾
き)が極めて大になり、その結果、超格子に於ける屈折
率を小さい電界を加えるだけで大幅に変化させることが
可能になり、従って、この超格子を構成要素とする変調
器をもつ発振波長可変の半導体発光装置に於いては、制
御電極に印加する小さい電圧で発振波長を安定に且つ大
幅に変化させることができ、そして、そのようにしても
発振の閾値電流が高く成ったり、発光効率の低下、リー
ク電流の増加、発熱などの問題も発生しないので、コヒ
ーレント光に依る光通信を実現するのに有効である。 〔実施例〕 第2図は本発明一実施例である半導体発光装置の変調
器に於ける超格子を表す要部切断側面図であり、第1図
及び第3図に於いて用いた記号と同記号は同部分を示す
か或いは同じ意味を持つものとする。 本実施例に関する主要データを例示すると次の通りで
ある。 (a)障壁層B1及びB2について 材料:InP 厚さ:80〜120〔Å〕 (b)井戸層W1及びW2について 材料:In1-xGaxAsyP1-y x値:0.35〜0.40 y値:0.80〜0.85 因に、例えば波長が1.3〔μm〕のとき、x値として
は0.27、y値としては0.60を、また、波長が例えば1.55
〔μm〕のとき、x値としては0.4、y値としては0.85
を選択する。 厚さ:10〜100〔Å〕 (c)障壁層B3について 材料:In1-xGaxAsyP1-y x値:0.25〜0.30 y値:0.57〜0.62 厚さ:10〜100〔Å〕 本実施例に依ると、発振波長の可変幅は約400〜500
〔Å〕程度と広くなった。因に、従来技術に依った場合
のそれは高々50〔Å〕程度である。 この超格子に電圧を印加するには、通常の技法を適用
し、半導体レーザの部分とは独立に電極を形成し、その
電極を介して電圧を印加すれば良いが、電圧の極性は、
半導体レーザと逆方向であっても、順方向であっても良
い。 〔発明の効果〕 本発明に依る半導体発光装置に於いては、変調器に含
まれる超格子が二つの井戸層の間にそれ等井戸層の外側
に在る障壁層に於ける障壁高さよりも低い障壁高さを持
った障壁層を介在させた構成になっている。 この構成を採ることに依り、超格子に電圧を印加した
場合には、前記二つの井戸層に於いて、電子は一方の井
戸層から他方の井戸層へ、また、正孔は他方の井戸層か
ら一方の井戸層へそれぞれ移動し、それぞれに於ける電
子濃度及び正孔濃度は著しく高くなり、しかも、それ等
電子及び正孔に依って形成される電気双極子の動き(傾
き)が極めて大になり、その結果、超格子に於ける屈折
率を小さい電界を加えるだけで大幅に変化させることが
可能になる。
【図面の簡単な説明】 第1図(A)並びに(B)は本発明の原理を説明する為
のエネルギ・バンド・ダイヤグラム、第2図は本発明一
実施例である半導体発光装置の変調器に於ける超格子を
表す要部切断側面図、第3図(A)並びに(B)は従来
例を説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラムをそ
れぞれ表している。 図に於いて、ECは伝導帯の底、EVは価電子帯の頂、B1,B
2,B3は障壁層、W1及びW2は井戸層、ELC並びにELVは井戸
層W1及びW2内のエネルギ準位、eは井戸層W1及びW2内に
於ける電子の分布、hは井戸層W1及びW2内に於ける正孔
の分布をそれぞれ示している。
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H04B 10/142 10/152 (56)参考文献 特開 昭60−100491(JP,A) 特開 昭62−85227(JP,A) 特開 昭61−184516(JP,A) 「昭和62年電子情報通信学会創立70周 年記念総合全国大会論文集」分冊4,P ART.4,No.851 「Physical Review」 Vol.28,No.6,15 Septe mber 1983,pp.3241−3245 「Japanese Journal of Applied Physic s」Vol.22,No.1,Janue ry 1983,pp.L22−L24 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01S 3/18 - 3/19 H01S 3/10 - 3/103

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.レーザ発振させる為の電流を注入する電極を備えた
    半導体レーザと、 該半導体レーザの電極とは別設され超格子に電圧を印加
    して屈折率を変化させる為の電極を備え且つ該半導体レ
    ーザに近接して形成された変調器とで構成されてなり、 該変調器に於ける超格子は量子効果をもつことが可能な
    幅の二つの井戸層の間に伝導帯側並びに価電子帯側双方
    に於いてそれ等井戸層に比較して障壁高さが高く、且
    つ、それ等井戸層の外側に在る障壁層に於ける障壁高さ
    に比較して低い障壁高さをもつ障壁層を介在させたもの
    であること を特徴とする半導体発光装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6045087A (ja) * 1983-08-22 1985-03-11 Mitsubishi Electric Corp 半導体レ−ザ装置
JPS6079281A (ja) * 1983-10-06 1985-05-07 Toshiba Corp 磁気センサ
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Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
「Japanese Journal of Applied Physics」Vol.22,No.1,Januery 1983,pp.L22−L24
「Physical Review」Vol.28,No.6,15 September 1983,pp.3241−3245
「昭和62年電子情報通信学会創立70周年記念総合全国大会論文集」分冊4,PART.4,No.851

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