JP2958465B2 - スーパールミネッセンスダイオード - Google Patents

スーパールミネッセンスダイオード

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JP2958465B2
JP2958465B2 JP12339490A JP12339490A JP2958465B2 JP 2958465 B2 JP2958465 B2 JP 2958465B2 JP 12339490 A JP12339490 A JP 12339490A JP 12339490 A JP12339490 A JP 12339490A JP 2958465 B2 JP2958465 B2 JP 2958465B2
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修 三上
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は光ファイバジャイロ,光ディスク等の光源と
して有用なインコヒーレント光を、大きな強度と小さい
放射角で放射できるスーパールミネッセンスダイオード
に関するものである。特に従来の発明に係わるものより
も、レーザ発振を抑制する上で重要となる吸収領域側の
反射率低減に関して構造上大きな特徴を有する。
(従来の技術) 活性層端面から大出力のインコヒーレント光を取り出
せるスーパールミネッセンスダイオードでは、外部から
の電流注入により活性層内に利得を生じさせ、更に活性
層内で発生した光をファブリペロ−モードでレーザ発振
させることなく、ストライプ方向に増幅する。従ってフ
ァブリペロ−モードによるレーザ発振を抑圧することが
重要である。活性層の光導波路としての特性、あるいは
素子全体のサイズや電気特性は半導体レーザーダイオー
ドとほとんど同様に考えられるため、電流の高注入下で
もファブリペロ−モードを抑えるためには、素子端面で
の光の反射率を可能な限り低減することが重要となる。
このため、端面の無反射コート,非励起領域の設置,端
面の斜めエッチング,端面埋め込みによる窓構造等の各
種対策が実施され、有効な効果を実現してきた。
従来のスーパールミネッセンスダイオードの一例とし
て、第6図に示すように、吸収領域に曲り導波路を設置
し、吸収領域端面と曲り導波路との交差角(θ)を臨界
角以上に設計した構造が提案されている(永井他、App
l.Phys.Letters 54,p.1719〜1721,1989)。しかし活性
領域の導波光を吸収領域の曲り導波路へ伝搬させるため
には、曲り導波路の曲率半径(R)を500μm以上とす
る必要がある。そのため、吸収領域端面と曲り導波路と
の交差角を臨界角以上とするためには、吸収領域長とし
て200μm以上が必要と成る。一方、スーパールミネッ
センスダイオードの高出力化には活性領域長を長くとる
必要があり、上記タイプにおいては400μmとなってい
る。このようにスーパールミネッセンスダイオードは、
通常の半導体レーザの300μm長に比べて倍の素子長を
有することになり、1枚の2インチ基板において作製で
きる素子数は半導体レーザと比べて半分となってしま
う。
更にスーパールミネッセンスダイオードはその使用用
途を考慮すると、低温においてもレーザ発振が抑制され
る必要がある。現状では−30℃程度の使用環境ではレー
ザ発振が生じる場合が多い。この傾向は特に1.55μm帯
の素子において、顕著となる。これは現状の素子端面で
の反射低減がまだ不十分なためと考えられる。これによ
り高出力なインコヒーレント光源としてのスーパールミ
ネッセンスダイオードの使用環境が、素子によって制限
されていた。
(発明が解決しようとする課題) 本発明はこれらの従来素子の有する欠点を解決するた
めになされたもので、吸収領域長の短小化を図ると共に
それに伴う吸収領域側の反射率低減を実現する素子構造
を提案し、高出力の得られるインコヒーレントな光源と
して低温環境においてもレーザ発振の制御されたスーパ
ールミネッセンスダイオードを提供し、もって高精度な
光計測用光源を供給可能にすることを目的とする。
(課題を解決するための手段) 上記の目的を達成するため、本発明は半導体基板上に
活性層の上下を活性層よりも大きなバンドギャップエネ
ルギを有しかつ屈折率の低いp型物質とn型物質のクラ
ッド層で挟むことにより導波路構造を形成した積層体を
構成要素とし、電流注入の可能な電極を有した励起領域
として機能する該積層体と、電極を有しながらも電流注
入を行わないもしくは電極を有しない吸収領域として機
能する該積層体との2つの積層体がタンデムに結合して
構成されるスーパールミネッセンスダイオードにおい
て、励起領域と吸収領域の結合部での活性層幅が励起領
域の活性層幅<吸収領域の活性層幅なる関係を満足し、
該吸収領域の導波路のテーパを導波路軸に対して非対称
とすることを特徴とするスーパールミネッセンスダイオ
ードを発明の要旨とする。
また、吸収領域中に伝搬してきた光が吸収領域端と斜
めに交差する角度が臨界角以上に設定されていることを
特徴としている。
さらに、吸収領域側端面に窓構造をタンデムに結合す
ることを特徴としている。
(作用) 本発明によればスーパールミネッセンスダイオードに
おいて、励起領域と吸収領域との結合部で吸収領域の活
性層幅を励起領域よりも広げて、吸収領域端に向かって
その活性層幅を一定に保持するかまたは狭めていくこと
により、一層充分な吸収領域側の反射率低減を行い、低
温に於けるレーザ発振を抑制することができる。
励起領域と吸収領域との結合部で吸収領域の活性層幅
を励起領域よりも広げ、吸収領域端に向かってその活性
層幅を一定に保持するかまたは狭めていく素子構成は、
これまでのスーパールミネッセンスダイオードにおいて
全く試みられていない素子構成である。
(実施例) 次に本発明の実施例について説明する。なお、実施例
は一つの例示であって、本発明の精神を逸脱しない範囲
で、種々の変更あるいは改良を行いうることは言うまで
もない。
第1〜4図は、本発明による素子構造を表したもので
ある。
第1図は励起領域と吸収領域との結合部で吸収領域の
活性層幅を励起領域よりも広げて、吸収領域端に向かっ
てその活性層幅を狭めていく場合である。ここでは導波
路はその中心を通る軸に関して対称となっている。この
場合は吸収領域での導波路構造が活性層幅方向に対して
無くなるため、吸収領域方向に対して伝搬して来た光は
近似的にガウスビームとして広がる。そしてテーパ状に
狭められた導波構造のために、ガウスビームとして広が
った光の一部は放射モードとして導波路より逃げるとと
もに、マルチモードが励震される。そのため、吸収領域
端面で反射された光が励起領域へ戻って来る割合は、シ
ングル横モード導波路とマルチ横モードの反射光との結
合となるため結合効率が低減され、吸収領域側の反射が
低減される。その上に吸収領域には電流が注入されてい
ないので、吸収損失が大きい。これらの相乗効果により
吸収領域側の反射率が充分に低減される。
第2図は第1図の吸収領域側端面に窓構造をタンデム
に結合した場合である。この窓領域の効果で吸収領域側
端面から放射された光強度分布が全体的に拡散されるた
め、吸収領域側の反射率は一層低減される。
第3図は、第1図の吸収領域部の導波路のテーパを導
波路軸に対して非対称にしたものである。この場合は、
第1図の説明で述べた反射率低減の要素の他に更に次の
効果が加味される。吸収領域でガウスビーム状に広がっ
た活性層幅方向の伝搬光が、非対称なテーパ状に狭めら
れた導波構造のために吸収領域端と斜めに交差すること
になる。このために伝搬光の一部が吸収領域端で反射さ
れる際に放射モードとして逃げていく。更にこの交差角
を臨界角以上に設定することにより、吸収領域中を伝搬
してきた光は全反射してしまい、励起領域側には理論的
には光が戻らないことになる。吸収領域側の反射は第2
図の場合に比べて一層低減される。
第4図は、第3図の吸収領域側端面に窓構造をタンデ
ムに結合した場合である。(a)は上から見た図、
(b)は(a)図においてのABでの断面図、(c)は
(a)図においてのCDでの断面図である。この場合は窓
構造の導入により、伝搬光が吸収領域端面と臨界角以下
の交差角でも反射率が十分に低減することができる。
図において1はn形InP基板、2はn形InGaAsP光ガイ
ド層(1.3μm組成)、3はノンドープInGaAsP活性層
(1.5μm組成)、4はp形InPクラッド層、5はp形In
GaAsP電極層(1.1μm組成)、6はp形InP層、7はn
形InP層、8はp形オーミック電極、9はn形オーミッ
ク電極、10は反射防止膜を示す。
本発明のスーパールミネッセンスダイオードの作製
は、1回目の成長法として液相成長法(LPE)、あるい
は気相成長法(MOCVD)あるいは分子線エピタキシ法(M
BE)などにより、1のn形InP基板上に2のn形InGaAsP
光ガイド層(1.3μm組成,厚さ0.1μm)、3のノンド
ープInGaAsP活性層(1.5μm組成,厚さ0.15μm)、4
のp形InPクラッド層(厚さ1.5μm)、5はp形InGaAs
P電極層(1.1μm組成,厚さ0.5μm)を連続成長す
る。
次に、第5図に示すようにスパッタ法又はCVD法等に
よりSiO2もしくはSi3N4の薄膜を全表面に形成する。そ
の後活性層を埋め込むために、フォトエッチング技術を
用いてこの薄膜を<110>方向に沿って幅4μm,長さ400
μmの励起領域と励起領域との結合部で幅(=V1+V2
V4)を6μmまで広げ、端面に向かって幅が直線的に狭
くなり、他方の端面で幅V3=2μmに形成された長さ50
μmの吸収領域を作製する。この時に吸収領域側の端面
での導波路の位置は、励起領域側の導波路に比べて軸方
向に8μmだけずれたような非対称な構成となってい
る。このSiO2もしくはSi3N4の加工された薄膜をマスク
とし、ブロメタノール2.5%溶液により、基板に達する
までエッチングして逆メサ状の積層体を形成する。この
時に窓領域部も同時にエッチングされている。
更に続いて2回目の成長としてLPEまたはMOCVD法によ
り、エッチングにより取り除いた部分にp形InP層6、
及びn形InP層7の電流狭窄用埋め込み成長を行った。
こうして得たウエハの上面にAu−Znを蒸着して、p形
オーミック電極8を全面に形成した。基板側は全体の厚
さが80μm程度になるまで研磨した後、Au−Ge−Niを蒸
着し、n形オーミック電極9を全面に形成した。
窓領域長を20μmとなるようにウエハのへき開を行っ
た後、p−サイドアップで台形のダイヤモンドヒートシ
ンクにマウントし、励起領域端面には反射防止膜(反射
率0.1%以下)10を施す。
実際に作製された素子は、励起領域の長さ400μm、
吸収領域の導波路部の長さを50μm、窓領域長を20μm
とし、W1=2μm,W2=8μm,W3=0μm,W4=6μmであ
った。この素子ではフォトエッチングにより、逆メサ状
となるので活性層片側1μmずつ計2μmのサイドエッ
チングが入る。従って導波路部の実際の作製後の幅は、
マスク設計幅より2μm狭くなっている。同一ウエハよ
り作製された本構造によるSLDは、−30℃において電流4
00mAを注入してもレーザ発振の抑制された良好なSLD特
性を歩留り80%と従来に比べて非常に高い確率で得ら
れ、200mA注入時の室温CW光出力として6mWが得られた。
また発光波長はバンドフィリングの影響により短波長側
にシフトし1.48μm中心であり、発光スペクトル半値幅
は30nmであった。
尚、本発明はn形InP基板を用いた例について説明し
たが、p形InP基板を使用しても効果は同じであり、そ
の場合は各構造においてn形領域とp形領域を入れ替え
れば良い。また実施例では、埋め込みヘテロ構造(BH)
タイプについて述べたが、他の二重チャンネル埋め込み
ヘテロ構造(DCPBH)等のタイプでも同様の効果が得ら
れる。
更に上記説明においてはInP系について行ったが、他
の半導体材料(GaAs/GaAlAs系等)を用いた場合におい
ても本発明が応用できることは明らかである。
(発明の効果) 叙上のように本発明によれば、スーパールミネッセン
スダイオードにおいて、励起領域と吸収領域との結合部
での活性層幅が 励起領域の活性層幅<吸収領域の活性層幅なる関係を
満足することにより、吸収領域長が従来に比べて約1/3
程度に短くでき、なお且つ低温環境においてもレーザ発
振の抑制されたスーパールミネッセンスダイオードを作
製することが可能となった。
また、本発明では、吸収領域側導波路が吸収領域端に
対して斜めに構成されているため、伝搬光が吸収領域端
に対して斜めに交差するので、伝搬光の一部が吸収領域
端で反射される際に放射モードとして逃げてゆき、導波
路と結合する割合が非常に小さくなる。
更に、この交差角を、吸収領域の終端面部で全反射条
件をもたらす臨界角以上とすることにより反射成分その
ものを無くすことができる。
また、窓構造をタンデムに結合する構成としたため、
ダイオード作製工程を変更することなくそのまま作製で
き、かつかかる窓構造により吸収層での消光性も向上す
る効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図乃至第4図は本発明の実施例を示すもので、第4
図(a)は上面図、(b)は(a)図においてAB線に沿
う断面図、(c)は(a)図においてCD線に沿う断面
図、第5図は寸法例を示し、第6図は吸収領域に曲り導
波路を設けた従来のスーパールミネッセンスダイオード
の一実施例の上面図を示す。 1…n形InP基板 2…n形InGaAsP光ガイド層(1.3μm組成) 3…ノンドープInGaAsP活性層(1.5μm組成) 4…p形InPクラッド層 5…p形InGaAsP電極層(1.1μm組成) 6…p形InP層 7…n形InP層 8…p形オーミック電極 9…n形オーミック電極 10…反射防止膜 12…曲り導波路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 近藤 進 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 三上 修 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 若月 温 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−20589(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 33/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板上に活性層の上下を活性層より
    も大きなバンドギャップエネルギを有しかつ屈折率の低
    いp型物質とn型物質のクラッド層で挟むことにより導
    波路構造を形成した積層体を構成要素とし、電流注入の
    可能な電極を有した励起領域として機能する該積層体
    と、電極を有しながらも電流注入を行わないもしくは電
    極を有しない吸収領域として機能する該積層体との2つ
    の積層体がタンデムに結合して構成されるスーパールミ
    ネッセンスダイオードにおいて、 励起領域と吸収領域の結合部での活性層幅が 励起領域の活性層幅<吸収領域の活性層幅 なる関係を満足し、 該吸収領域の導波路のテーパを導波路軸に対して非対称
    とすることを特徴とするスーパールミネッセンスダイオ
    ード。
  2. 【請求項2】吸収領域中に伝搬してきた光が吸収領域端
    と斜めに交差する角度が臨界角以上に設定されているこ
    とを特徴とする請求項(1)記載のスーパールミネッセ
    ンスダイオード。
  3. 【請求項3】吸収領域側端面に窓構造をタンデムに結合
    することを特徴とする請求項(1),(2)記載のスー
    パールミネッセンスダイオード。
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