JP2933981B2 - 半導体光素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体レーザその他の半導体素子に利用す
る。特に導波路層への注入電流の効率化に関する。

〔概要〕

本発明は、バンドギャップの大きい層から小さい層へ
のキャリア注入が行われる構造の半導体光素子におい
て、 注入される層の片側または両側に、その層よりさらに
バンドギャップの小さい層を形成することにより、 キャリアの閉じ込め効果を強化し、注入効率を改善す
るものである。

〔従来の技術〕

半導体を用いた光素子は、電圧や電流により光学特性
を変化させることができる利点がある。例えば、ｐ型と
ｎ型の二つの半導体層の間にそれよりバンドギャップエ
ネルギの小さい層を形成し、その層に両側からキャリア
を注入する。これにより、その層の屈折率およびその層
を含む光導波路の等価屈折率を変化させることができ
る。

これを利用した素子としては、pnp構造またはnpn構造
の一方のpn接合部分に活性層を形成し、他方に変調層を
形成した半導体レーザが知られている。

第７図はpnp構造の半導体レーザの基本的な構造を示
す断面図である。

ｐ形InP基板１上にはｐ形InPバッファ層２が形成さ
れ、さらに、InGaAsP変調層３、ｎ形InP分離層４、InGa
AsP活性層５およびｐ形InPクラッド層６がメサ形に形成
される。このメサ形の構造は、ｎ形InP埋め込み層７に
より埋め込まれる。クラッド層６はｐ形InGaAsコンタク
ト層８を介して電極11に接続され、埋め込み層７はｎ形
InGaAsコンタクト層９を介して電極12に接続される。コ
ンタクト層８、９の間、および電極11、12の間はSiO₂絶
縁層10により電気的に絶縁される。基板１の裏面には電
極13が設けられる。

電極11、12の間に電流を供給すると、その電流は、コ
ンタクト層８、クラッド層６、活性層５、埋め込み層７
およびコンタクト層９を経由して流れる。この電流値が
しきい値以上であれば、活性層５でレーザ発振が生じ
る。

また、電極13、12の間に電流を供給すると、その電流
は、基板１、バッファ層２、変調層３、分離層４、埋め
込み層７およびコンタクト層９を経由して流れる。この
電流により、変調層３のキャリア濃度が制御され、プラ
ズマ効果により屈折率や吸収係数が変化する。この変化
により、活性層５の発振強度、波長または位相を調整
し、さらにはレーザ発振光を直接変調できる。

このような半導体レーザの具体的な構造については、
例えば、アマン他、「チューナブル・ツインガイド・レ
ーザ：ア・ノーベル・レーザ・ダイオード・ウィズ・イ
ンプルーブド・チューニング・パフォーマンス」アプラ
イド・フィジクス・レターズ第54巻第25号、1989年６月
19日（M.C.Amann,S.Illek,C.Schanen and W.Thulke,“T
unable twin−guide laser:A novel laser diode with
improved tuning performance"Appl.Phys.Lett.54（2
5）,19 June 1989）にも示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

このようなpnp構造やnpn構造の半導体レーザでは、変
調層の組成として、活性層よりバンドギャップエネルギ
の大きいものを用いている。このため、変調層を挟む半
導体層との間のエネルギ障壁が活性層の場合と比較して
小さい。したがって、変調層に注入されたキャリアは、
熱的なエネルギにより障壁を乗り越えてしまうことがあ
る。このため、実効的なキャリア注入効率が低下してし
まう可能性があった。

本発明は、以上の課題を解決し、バンドギャップエネ
ルギの大きい層から小さい層へのキャリアの注入効率が
高い半導体光素子を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の半導体光素子は、互いに導電性が異なる第一
および第二の半導体層と、この第一および第二の半導体
層の間に形成されたこの第一および第二の半導体層より
バンドキャップエネルギの小さい第三の半導体層とを備
えた半導体光素子において、第一および第二の半導体層
の少なくとも一方と第三の半導体層との間に、この第三
の半導体層よりさらにバンドギャップエネルギが小さ
く、しかもこの第三の半導体層によるキャリア閉じ込め
効果が実質的に低下しない程度に薄い第四の半導体層を
備えたことを特徴とする。

第四の半導体層の厚さは20〜50nm程度が適している。

〔作用〕

互いに導電性が異なる二つの半導体層でバンドギャッ
プエネルギの小さい第三の半導体層を挟み込むことによ
り、この第三の半導体層に効率的にキャリアを注入でき
る。このとき、第三の半導体層とそれを挟み込む層との
間に、さらにバンドギャップエネルギの小さい第四の半
導体層を挟み込む。この構造により、バンドギャップエ
ネルギの大きい層から小さい第三の半導体層へ注入され
たキャリアは、その間にさらにバンドギャップエネルギ
の小さい第四の半導体層があるため、その障壁を越える
ことができなくなる。これにより、キャリアの注入効率
が改善される。

ただし、第四の半導体層が厚い場合には、注入された
キャリアのほとんどが、第三の半導体層ではなく、キャ
リア寿命の短い第四の半導体層に閉じ込められてしま
う。また、第四の半導体層の光吸収が大きいため、光損
失が増大してしまう。これを防止するには、第四の半導
体層を薄くし、この層によるキャリア寿命の低下や光損
失が大きくならないようにする。

バンドギャップの大きい層から小さい層へのキャリア
注入が行われる構造は、半導体レーザの変調層としてだ
けでなく、一般の半導体光素子でも利用できる。例え
ば、バンドギャップの小さい層を光導波路とし、キャリ
アの注入により光導波路の屈折率を変化させて位相を調
整することができる。また、屈折率の変化を利用した光
スイッチなどにも利用できる。

〔実施例〕

第１図は本発明第一実施例半導体レーザの斜視図を示
し、第２図はそのＡ−Ａ方向（導波方向を横切る方向）
の断面図を示す。この例は、本発明をpnp構造の半導体
レーザで実施したものである。

この半導体レーザは、互いに導電性が異なる二つの半
導体層として、p⁺形InP基板１、バッファ層２、拡散層2
3およびｐ形層22からなるｐ形InP層と、ｎ形Inp分離層
４とを備え、この二つの半導体層の間に形成されたこの
二つの半導体層よりバンドギャップエネルギの小さい第
三の半導体層としてInGaAsP変調層３を備える。

バッファ層２とｐ形層22との間にはｎ形層21が設けら
れ、拡散層23はこのｎ形層21にｐ形不純物を拡散して形
成される。

分離層４の変調層３と反対側にはInGaAsP活性層５、I
nGaAsPガイド層51およびｐ形InPクラッド層６が設けら
れ、ｐ形層22の一部、変調層３、分離層４、活性層５、
ガイド層51およびクラッド層６がメサ構造を構成する。
このメサ構造は埋め込み層７により埋め込まれる。ガイ
ド層51には回折格子が設けられる。

クラッド層６はｐ形InGaAsコンタクト層８を介して電
極11に接続され、埋め込み層７はｎ形InGaAsコンタクト
層９を介して電極12に接続される。コンタクト層８、９
の間、および電極11、12の間はSiO₂絶縁層10により電気
的に絶縁される。基板１の裏面には電極13が設けられ
る。

ここで本実施例の特徴とするところは、ｐ形層22と変
調層３との間および変調層３と分離層４との間のそれぞ
れに、この変調層３よりさらにバンドギャップエネルギ
が小さく、しかもこの変調層３によるキャリア閉じ込め
効果が実質的に低下しない程度に薄い第四の半導体層と
してInGaAsPキャリア閉じ込め層31、32を備えたことに
ある。

キャリア閉じ込め層31、32は、活性層５が発生した光
をできるだけ吸収しないように、活性層５のバンドギャ
ップ波長（バンドギャップエネルギに相当する光波長）
よりわずかに短い波長組成とする。また、キャリア閉じ
込め層31、32の厚さは、量子効果によるキャリア閉じ込
め効果の低下が大きくならない程度、例えば20〜50nm程
度とする。

第３図にｐ形層22からクラッド層６に至る領域のバン
ド構造を示す。

この半導体レーザを動作させる方法は第７図に示した
従来例と同じである。

すなわち、電極11からコンタクト層８、クラッド層
６、活性層５、埋め込み層７およびコンタクト層９を経
由して電極12に流れる電流により、活性層５にキャリア
を注入する。このとき注入電流により、レーザ発振の光
パワーを制御できる。

また、電極13から基板１、バッファ層２、変調層３、
分離層４、埋め込み層７およびコンタクト層９を経由し
て電極12に流れる電流により、変調層３の屈折率が変化
し、ガイド層51に設けられた回折格子のフィルタ特性が
変化する。これにより、発振波長を制御できる。

ただし本実施例では、キャリア閉じ込め層31、32がキ
ャリアを変調層３に閉じ込めるため、変調層３のキャリ
ア密度が増大し、注入電流による変調効率が改善され
る。

第４図はこの半導体レーザの製造方法を示す。

まず、第４図（ａ）に示すように、ｐ形InPの基板１
に、ｐ形InPとｎ形InPとをこの順に成長させ、バッファ
層２およびｎ形層21を形成する。

次に、第４図（ｂ）に示すように、プラズマCVDその
他の方法によりｎ形層21の表面にSiO₂膜を堆積させ、ホ
トエッチング法により、ストライプ状の窓が設けられた
SiO₂マスク24を形成する。続いて、このSiO₂マスク24を
用いてZnその他のｐ形不純物を拡散させ、拡散層23を形
成する。

この後、SiO₂マスク24を取り除いてから、第４図
（ｃ）に示すように、ｐ形層22、キャリア閉じ込め層3
1、変調層３、キャリア閉じ込め層32、分離層４、活性
層５およびガイド層51をこの順に成長させ、ガイド層51
に回折格子を形成した後、クラッド層６を成長させる。

活性層５としては、InGaAsPの他に、InGaAs/InGaAsP
の量子井戸を用いることもできる。変調層３について
は、光吸収を防ぐため、活性層５よりバンドギャップ波
長の短い組成とする。キャリア閉じ込め層31、32は、そ
のバンドギャップ波長（バンドギャップエネルギに相当
する光波長）を活性層５の波長と同じか変調層３の波長
より長くし、キャリア閉じ込め効果を高める。また、光
吸収を最小に抑えるため、キャリア閉じ込め層31の厚さ
は20〜50nm程度とする。ガイド層51の回折格子は波長選
択のためのものであり、干渉露光法などにより形成され
る。

クラッド層６を成長させた後、SiO₂マスクを用いてホ
トエッチングを行い、キャリア閉じ込め層31より深い位
置までメサ加工する。さらに、同じSiO₂マスクを選択エ
ピタキシャルマスクとして用い、第４図（ｄ）に示すよ
うに、ｎ形InPの埋め込み層７を形成する。

同様な選択エピタキシャル成長の方法により、クラッ
ド層６と埋め込み層７の上部に、接触抵抗を低減するた
めのｐ形InGaAsコンタクト層８、ｎ形InGaAsコンタクト
層９をそれぞれ成長させる。これに続き、SiO₂を堆積さ
せ、ホトエッチングにより電極部分に窓を開けて絶縁層
10を形成する。さらに、ｐ形側の電極11として例えばAu
/Cr、ｎ形側の電極12として例えばAuGeNiをリフトオフ
法その他の方法により形成する。さらに、基板１の裏面
にもAu/Crの電極13を形成し、アロイングのための熱処
理を施す。これにより、第４図（ｅ）示した構造が得ら
れる。これを劈開してレーザチップが得られる。

第５図は本発明第二実施例の可変波長分布ブラッグ反
射レーザを示す断面図である。この図では、層構造を簡
略化して示す。この実施例は、本発明を光導波路で実施
したものである。

ｎ形InP基板101上にはInGaAsP導波路層102が形成さ
れ、この導波路層102の一端の近傍にはInGaAsP活性層10
3が設けられ、他端には導波路層102の表面に回折格子10
4が形成される。導波路層102、活性層103および回折格
子104の基板101と反対側にはｐ形InP層105が設けられ、
さらに、活性層103、回折格子104およびその他の領域に
対応してp⁺形InGaAsPコンタクト層106−１〜106−３が
設けられ、それぞれに対して電極107−１〜107−３が設
けられる。基板101の裏面には電極108が設けられる。

以下では、活性層103、コンタクト層106−１および電
極107−１が設けられた領域を「活性部」、回折格子10
4、コンタクト層106−２電極107−２が設けられた領域
を「波長選択部」、コンタクト層106−３および電極107
−３が設けられた領域を「位相調整部」という。

導波路層102は、基板１およびｐ形InP層105よりバン
ドギャップエネルギが小さく、波長選択部および位相調
整部には、基板101との間およびｐ形InP層105との間
に、この導波路層102よりさらにバンドギャップエネル
ギの小さいキャリア閉じ込め層111、112を備える。

第６図に位相調整部の導波路層102近傍におけるバン
ド構造を示す。

電極107−１と108との間に電流を供給すると、キャリ
アの注入により活性層103が発光する。この光は導波路
層102を伝搬し、回折格子104に反射されて活性層103に
帰還する。このとき、電極107−２と108との間の電流に
より、回折格子104が設けられた部分の導波路層102の屈
折率が変化し、反射波長が変化する。また、電極107−
３と108との間の電流により、位相調整部の導波路層102
で屈折率変化が生じ、活性層103と回折格子104との間の
位相を調整できる。

さらに、本実施例では、位相調整部と波長選択部との
導波路層102にキャリア閉じ込め層111、112が設けられ
ているので、これらの領域におけるキャリア注入効率が
高められる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の半導体光素子は、キャ
リアが注入される層から流れ出るキャリア数を削減でき
るので、電流効率を改善できる効果がある。

また、電流効率が改善されることから、大きな電流を
流す必要がなくなるだけでなく、大きな電流を流した場
合でも、発熱やハンドフィリング効果のためにその層か
ら逃げ出るキャリアの増加を防止でき、その層のキャリ
ア密度の飽和を防止し、屈折率や光吸収などの光学特性
が変化しなくなる現象を抑制できる効果がある。

本発明は、特に位相変調器集積形のレーザや可変波長
レーザに用いて、その効率を高めることができ、位相変
調幅な可変波長幅を拡大できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明第一実施例半導体レーザの斜視図。 第２図は第１図のＡ−Ａ断面図。 第３図は変調層近傍のバンド構造を示す図。 第４図は第一実施例の製造方法を示す図。 第５図は本発明第二実施例可変波長分布ブラッグ反射レ
ーザの断面図。 第６図は導波路層近傍のバンド構造を示す図。 第７図は従来例半導体レーザの断面図であり、pnp構造
の半導体レーザの基本的な構造を示す図。 １、101……基板、２……バッファ層、３……変調層、
４……分離層、５、103……活性層、６……クラッド
層、７……埋め込み層、８、９、106−１〜106−３……
コンタクト層、10……絶縁層、11〜13、107−１〜107−
３、108……電極、21……ｎ形層、22……ｐ形層、23…
…拡散層、24……SiO₂マスク、31、32、111、112……キ
ャリア閉じ込め層、51……ガイド層、102……導波路
層、104……回折格子、105……ｐ形InP層、106……コン
タクト層。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに導電性が異なる第一および第二の半
   導体層と、 この第一および第二の半導体層の間に形成され、この第
   一および第二の半導体層よりバンドギャップエネルギが
   小さく、この第一および第二の半導体層からキャリアが
   注入される第三の半導体層と を備えた半導体光素子において、 前記第一および第二の半導体層の少なくとも一方と前記
   第三の半導体層との間に、前記第三の半導体層よりさら
   にバンドギャップエネルギが小さく、前記第三の半導体
   層によるキャリア閉じ込め効果が実質的に低下しない程
   度に薄い第四の半導体層を備えた ことを特徴とする半導体光素子。