JP3172558B2

JP3172558B2 - 半導体能動素子

Info

Publication number: JP3172558B2
Application number: JP33141391A
Authority: JP
Inventors: 清一村上
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1990-11-20
Filing date: 1991-11-20
Publication date: 2001-06-04
Anticipated expiration: 2016-06-04
Also published as: JPH0521840A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバジャイロ等
の光計測の分野で重要なインコヒーレント光源として期
待されている半導体能動素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】活性層の端面からインコヒーレント光を
発する半導体能動素子では、素子の両端面の反射率の低
減を十分に行い、ファブリペロー（以下、ＦＰという）
モードによるレーザ発振を抑圧することが重要である。
その方法として素子の端面に端面無反射コート（以下、
ＡＲコートという）を施すこと、素子に非励起領域を形
成すること、素子の端面を埋め込むこと等により、素子
両端面の光の反射率を低下させる対策が用いられてき
た。また、それ以外にも、光の導波路の軸を出射端面に
対して斜めにした斜めストライプなどの方法もＦＰモー
ドの抑圧には効果的であると考えられてきた。また、そ
のほか、いわゆる曲がり導波路を備えた半導体能動素子
もＦＰモードの減少には有効であるとされている。

【０００３】図５に従来から実施されてきた曲がり導波
路によって非励起領域を形成した埋め込み型の半導体能
動素子の模式図を示す。この素子は励起領域１、非励起
領域２の二つの領域から形成されており、光取り出し面
にはＡＲコート３が形成されている。励起領域１で発光
し、非励起領域２に向かう光は曲がり導波路４を進むに
つれて、導波路４の曲がりに起因して漏れる部分と、端
面までのガイドを受け反射される部分と、導波路４の途
中で吸収される部分とに分けられ、それぞれの作用によ
り励起領域１への再結合の割合が小さくなり、ＦＰモー
ドの発振を抑えているという効果を得ている（特開平２
−１４６７７８号公報）。

【０００４】斜めストライプの一つの例として、図６に
リッジ導波路構造を用いて、そのリッジ導波路５の軸の
角度をへき開面に対して、垂直でない角度に設定した発
光素子の模式図を示す。リッジ導波路構造は屈折率導波
路構造の一種であり、リッジ部の等価屈折率を両側に比
べて大きくすることにより導波しようとするものであ
る。すなわち、等価的な屈折率差を設けて接合面に平行
な方向での屈折率に空間的な差を設けて、限定された領
域だけ導波させる。そして、この発光素子はＡＲコート
３を施したへき開端面とリッジ導波路５の軸方位とが垂
直方向からずれており、両端面がＦＰモード発振におけ
る共振器になりにくい構造である。両端面に対する導波
路の軸方向の垂直からのずれが、大きければ大きいほど
ＦＰモード発振の抑圧効果は大きくなるという特徴を有
する。また、それに加えて、リッジ導波路構造は前述の
埋め込み構造の半導体能動素子などに比べて、成長が一
回で済み、製作工程が非常に単純であるという利点があ
った。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上述べてきた、図
５、図６に示した曲がり導波路４を備えた発光素子や、
リッジ導波路６を素子の上面の一端から他端まで設けた
発光素子では、ＦＰモード発振の抑圧は十分に達成でき
るとされているが、実際には、図７に示すように、それ
ぞれ（ａ）４０ｍＡ、（ｂ）４９ｍＡ、（ｃ）６０ｍＡ
の電流を印加した場合、かなりのＦＰモード発振成分を
有している（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．
５１Ｎｏ．２３Ｐ．１８８０参照）。また、曲がり
導波路構造を製作するのに埋め込み構造を用いた場合、
一回目の成長の後、エッチングを行い二回目の成長を行
わなければならない。このように、埋め込み成長は工程
が複雑になり安定した素子を製作することが難しい。ま
た、埋め込み構造を使用しないで、リッジ導波路により
曲がり導波路構造を製作することも考えられるが、この
場合でも、曲がり導波路自体の製作が複雑であり、困難
を伴う。さらに、曲がり導波路構造では、その構造上、
後方からのモニタ光を取り出すことが困難であるという
問題もある。そして、斜めストライプを有する半導体能
動素子は、光の出射方向が端面に垂直ではないというこ
とがその構造上の特徴であるが、このことにより、イン
コヒーレント光の取り出しにあたって、光ファイバとの
結合の点で高い結合効率を得ることが困難であるという
問題もある。

【０００６】従来までの半導体能動素子では、ＦＰモー
ド発振を抑圧するために、非励起領域に窓構造を設ける
とか、上述のように曲がり導波路を設けるなど、非励起
領域に特定の形状を備えることを要し、そのための複雑
な加工を必要とした。しかも、特性的にも不十分なもの
であった。しかし、本発明はこの既成概念を打破して、
非励起領域の活性層の中の光の伝搬が、窓構造や上述の
曲がり導波路構造と同様に励起領域への光の再結合を減
少しうることを実験で確かめ、窓構造や曲がり導波路構
造のような非励起領域への特別の加工を必要としないＦ
Ｐモード発振の抑制を実現する半導体能動素子の発明に
到達した。そのための手段として、基板上に活性層を設
け、その上面に注入用電極を有する励起領域１と、該注
入用電極を有しない非励起領域２とを備えたＤＨ構造の
半導体能動素子において、前記注入用電極の両側に非励
起領域まで延びる溝６をそれぞれ形成し、該それぞれの
溝６の長さをお互いに異ならせるとともに、前記それぞ
れの溝６の非励起領域２に接する部分の溝の端部の形状
をななめにするとともに、上記注入用電極の非励起領域
に接する部分の形状も同一方向に斜めにしたことを特徴
とする半導体能動素子を創作した。

【０００７】まず、図１に示すように屈折率導波路をリ
ッジ導波路により形成した場合では、活性層１０が素子
基板の全域にわたって一様に形成され、リッジ導波路５
が励起領域１にのみ形成され、非励起領域２にはリッジ
導波路５は設けられていない。励起領域１で発光した光
は非励起領域２ではリッジ導波路５の延長軸方向に開放
される。リッジ導波路５が設けられていないので、活性
層１０の中の光は、非励起領域２では損失を受けながら
拡散し、そのわずか一部のみが非励起領域２側の端面で
反射し、再び損失を受けながら、励起領域１に帰還す
る。

【０００８】次に、図１０に示すように屈折率導波路と
して電流ブロック層にストライプ状の間隔を形成した場
合では、励起領域１に関しては、活性層３３の上部また
は下部にあるクラッド層３２、３４及び３６の内部に電
流を流れる領域を一定の領域に制限する電流ブロック層
３５を設けた。そして、電流ブロック層３５は光の透過
方向に沿って電流を通過させるストライプ状の間隔３５
ａを有する。電流ブロック層３５の禁制帯幅を周囲のク
ラッド層よりも広くし、活性層３３との接合面と平行な
方向での等価屈折率に差を持たせ、横モードを安定させ
て光の閉じ込め率を向上させた。非励起領域２について
は、電流ブロック層３５には加工せず、そのまま残す。
励起領域１で発光した光は非励起領域２では電流ブロッ
ク層３５のストライプ状の間隔３５ａの延長軸方向に開
放される。電流ブロック層３５のストライプ状の間隔３
５ａが設けられていないので活性層３３の中の光は、非
励起領域２では損失を受けながら拡散し、そのわずか一
部のみが非励起領域２側の端面で反射し、再び損失を受
けながら、励起領域１に帰還する。

【０００９】

【作用】以下、図面により、本発明の半導体能動素子の
作用を説明する。まず、励起領域にのみリッジ導波路を
設けた構造を説明する。図１はその構造を示した図であ
る。ここで、図１（ａ）は本発明の素子の上面図、図１
（ｂ）は矢視Ａ−Ａ’の端面図、図１（ｃ）は矢視Ｂ−
Ｂ’の端面図である。励起領域１には二つの溝６を作製
し、その上には窒化ケイ素絶縁層７を用い、リッジ導波
路５の中央部にのみｐ型電極８を作製することにより、
電流狭窄を行っている。活性層１０は、へき開面に垂直
であり、光出射端面にはＡＲコート３を施すことにより
反射の防止を行っている。図１のような構成においては
励起領域１で発光し、非励起領域２に向かう光は、活性
層１０を導波路として進むにつれて、拡散と吸収を行い
ながら、非励起領域２側のへき開面から放射される。ま
た、微少の光はへき開面で反射するが、励起領域１にも
どる割合は非常に少なく、ＦＰモード発振を十分に抑圧
できる。

【００１０】次に、励起領域のおいて、クラッド層より
も屈折率が低い電流ブロック層にストライプ状の間隔を
設けた構造を図面を用いて説明する。図１０はその構造
を示した図である。ここで、図１０（ａ）は本発明の素
子の上面図、図１０（ｂ）は矢視Ａ−Ａ’の端面図、図
１０（ｃ）は斜視図である。励起領域１について、ｐ型
のインジウムリン基板３１とｎ型のインジウムガリウム
ひ素リンキャップ層３７との間にｐ−ｎ接合の順方向の
バイアス電圧が印加されると、電流は逆バイアスとなっ
ている電流ブロック層３５の部分には電流は流れず、ス
トライプ状の間隔３５ａから活性層３３に集中して流
れ、ｐ型のインジウムリン第１クラッド層３２、ｎ型の
インジウムリン第２クラッド層３４から正孔と電子とが
活性層３３に注入される。注入されたこれらのキャリア
は、ヘテロ接合界面の障壁作用により活性層３３に閉じ
込められて、再結合し、発光する。活性層３３で発光し
た光は、屈折率の低い電流ブロック層３５の作用によ
り、等価屈折率差を有し、接合面に平行な方向において
も、ストライプ状の間隔３５ａの部分に閉じ込められ、
３次元の導波路を形成する。このように図１０のような
構成では、３次元の導波路で発光し、非励起領域２に向
かう光は、活性層３３を拡散と吸収を行いながら進み、
非励起領域２側のへき開面から放射される。また、微少
の光はへき開面で反射するが、励起領域１にもどる割合
は非常に少なく、ＦＰモード発振を十分に抑圧できる。

【００１１】

【実施例】本発明の一実施例を図面を用いて説明する。（第１の実施例）第１の実施例は励起領域にのみリッジ
導波路を設けた場合であり、図１に示す。図１はガリウ
ムひ素／アルミニウムガリウムひ素系材料による本発明
による作製過程を示す実施例である。本発明の半導体能
動素子を得るには、気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等によ
り、ｎ型のガリウムひ素基板２０上にキャリア濃度１Ｘ
１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型のガリウムひ素バッファ層２１、キ
ャリア濃度１Ｘ１０¹⁷ｃｍ^-3のｎ型のアルミニウムガリ
ウムひ素クラッド層２２、活性層１０、ｐ型のアルミニ
ウムガリウムひ素光ガイド層２３、キャリア濃度７Ｘ１
０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型のアルミニウムガリウムひ素クラッド
層２４、キャリア濃度１Ｘ１０¹⁹ｃｍ^-3のｐ型のガリウ
ムひ素キャップ層２５を順次成長させ、フォトエッチン
グ技術を用いてリッジ導波路５を形成する。そして窒化
ケイ素絶縁層７を全面に形成し、フォトリソグラフィ技
術を用いて励起領域１のリッジの中央部を除く。そし
て、その窒化ケイ素絶縁層７のない部分にｐ型電極８
を、ｎ型のガリウムひ素基板２０の側にｎ型電極１１を
作製し、素子両面にコンタクト用金属９、１２を形成す
る。その後、素子長５００μｍ、励起領域１、非励起領
域２ともそれぞれ２５０μｍでへき開を行い、チップ化
し、ストライプに垂直な両へき開面に酸化ケイ素単層膜
によるＡＲコート３を施し、図示しないＳｉサブマウン
トを介して金すずはんだを用いてジャンクション−ダウ
ンでヒートシンクにマウントする。

【００１２】（第２の実施例）また、本実施例では、図
１に示すように、ｐ型電極８の周りの溝６の形状を非励
起領域２との境において素子の端面と平行になるように
作製しているが、これは一つの実施例であり、別の溝の
形状も当然に考えられる。例えば、図２に示すように、
ｐ型電極８の両側の溝６の長さを変えるとともに、非励
起領域２に接する溝と電極の形状を斜めにする形状も考
えられる。この形状により、リッジ部の等価屈折率差を
連続的に変化させることも考えられる。溝６の長さを異
ならせること及び溝と電極の非励起領域２に接する部分
の形状を斜めにすることにより、ｐ型電極８から発光す
る光はリッジ導波路５の軸からずれて非励起領域２に向
かう。その結果、ＦＰモードの発生をより抑圧できる。
また、各実施例では、ｐ型電極８の周りに溝６を設けた
形状を示しているが、当然のことながら、溝を設けず、
リッジ導波路５の部分のみが突出している形状も考えら
れる。

【００１３】（第３の実施例）励起領域の電流ブロック
層にのみストライプ状の間隔を設けた図１０の半導体能
動素子の製造工程を図１１に示す。まず、図１１（ａ）
に示すようにｐ型のインジウムリン基板３１上に、液相
成長法（ＬＰＥ）、有機金属気相エピタキシャル成長
（ＭＯＶＰＥ）法、分子線エピタキシャル成長（ＭＢ
Ｅ）法などの方法により、バッファ層を兼ねたｐ型のイ
ンジウムリン第１クラッド層３２、ｐ型、ｎ型又はアン
ドープのインジウムガリウムひ素リンの活性層３３、ｎ
型のインジウムリン第２クラッド層３４、ｐ型のインジ
ウムアルミニウムひ素の電流ブロック層３５の各層を順
次成長させる。この各層の組成はいずれも基板であるイ
ンジウムリンの結晶格子に整合した組成を選んでいる。

【００１４】次に、図１１（ｂ）に示すように、励起領
域については、表面に窒化ケイ素膜４０をプラズマＣＶ
Ｄ法などによって堆積させた後、フォトリソグラフィ技
術によってレジスト膜にストライプ状の間隔３５ａをあ
けて形成し、これをマスクとして窒化ケイ素膜４０をフ
ッ酸等でエッチングする。さらに、この窒化ケイ素膜４
０をマスクとしてｐ型のインジウムアルミニウムひ素の
電流ブロック層３５を硫酸系の選択性エッチングでｎ型
のインジウムリン第２クラッド層３４の上部境界面まで
エッチングし、ストライプ状の間隔３５ａを形成する。
また、非励起領域についてはｐ型のインジウムアルミニ
ウムひ素の電流ブロック層３５にエッチングを行わず、
そのまま残す。

【００１５】そして、図１１（ｃ）に示すように表面の
窒化けい素膜４０を剥いだ後、第２回目の結晶成長によ
りｎ型のインジウムリン上部第２クラッド層３６、ｎ型
のインジウムガリウムひ素リンキャップ層３７を形成す
る。

【００１６】最後にｐ型のインジウムリン基板３１の側
にｐ型電極３９、ｎ型のインジウムガリウムひ素リンキ
ャップ層３７側にｎ型電極３８を形成し、素子両面にコ
ンタクト用金属９、１２を形成する。その後、素子長５
００μｍ、励起領域１、非励起領域２ともそれぞれ２５
０μｍでへき開を行い、チップ化し、ストライプに垂直
な両へき開面に酸化ケイ素単層膜によるＡＲコート３を
施し、図示しないＳｉサブマウントを介して金すずはん
だを用いてジャンクション−ダウンでヒートシンクにマ
ウントする。このようにして、図１０（ａ）または図１
１（ｄ）に示した半導体能動素子が完成する。

【００１７】本発明の半導体能動素子の電流−光出力を
測定したところ、２５℃連続動作（すなわち、直流動
作）において、光出力は電流注入にしたがって発振する
ことなく増加する。あるサンプル例においては、２００
ｍＡにおいて１４．７ｍＷのＦＰモード発振がほとんど
ないインコヒーレント光出力を得ることができた。以
下、この素子の特性をさらに詳しく述べる。図３に示す
のは、図１に示した本発明の実施例の半導体能動素子の
温度依存特性である。この図からもわかるように１００
℃の高温においても、２００ｍＡで２ｍＷの光出力が可
能である。図４に示すのは、やはり図１に示す半導体能
動素子のスペクトルである。温度５℃、注入電流２００
ｍＡにおいても、ＦＰモード発振は十分に抑圧されてお
り、スペクトル半値幅も１８ｎｍと広く左右対称のスペ
クトルが得られている。

【００１８】次に、構造が同じ別のサンプルの実験結果
を述べる。図８に示すのは、図１に示した本発明の実施
例の半導体能動素子の電流対光出力特性である。高注入
電流であることに注目されたい。この図からわかるよう
に２００ｍＡ注入時に２０ｍＷ、３５０ｍＡ注入時に５
０ｍＷを超える光出力を得ることができる。図９に示す
のは、この半導体能動素子の発光スペクトルである。光
出力１０ｍＷにおいてＦＰモード発振は十分に抑圧され
ており、スペクトル半値幅も１７．５ｎｍと広く左右対
称のスペクトルが得られている。とくに、このスペクト
ル特性は光出力４０ｍＷの高出力時においてすらも同様
にＦＰモード発振が十分に抑圧されたスペクトルが得ら
れている。実験では同じ構造のサンプル２０個について
９５％以上で同様の効果が得られた。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、半導体能動素子の活性
層が素子基板の全域にわたって一様に形成され、素子の
上面の一部に励起領域を画成する屈折率導波路が形成さ
れているので、以下の効果が得られる。まず、本発明の
構造の素子は図４に示すように、ＦＰモードの抑圧を十
分に達成できる。次に、導波路の作製工程はリッジを形
成する、または周囲のクラッド層よりも屈折率の低い電
流ブロック層にストライプ状の間隔を設けるという手段
により行い、なおかつ、励起領域にのみ導波路を持つの
で、作製工程が非常に簡単で、しかも歩留りもよい。ま
た、構造上、後方からのモニタ光を取り出すことが容易
であるとともに、インコヒーレント光の取り出しにあた
って、光ファイバとの結合の点で高い結合効率を得るこ
とも容易である。さらに、高注入時においても、すなわ
ち、光出力４０ｍＷにおいてもＦＰモード発振が十分に
抑圧されているので、従来にないインコヒーレント光の
高出力化が可能となった。このように作製された本発明
の半導体能動素子は様々な光計測のための光源として応
用可能である。

【００２０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成を示した図。

【図２】本発明の第２の実施例の構成を示した図。

【図３】本発明の素子の温度依存特性を説明した図。

【図４】本発明の素子のスペクトルの様子を示した
図。

【図５】従来技術の素子の構成を示した図。

【図６】別の従来技術の素子の構成を示した図。

【図７】従来技術の素子のスペクトルの様子を示した
図。

【図８】本発明の素子の電流対光出力特性を示した
図。

【図９】本発明の素子のスペクトルの様子を示した
図。

【図１０】本発明の第３の実施例の構成を示した図。

【図１１】本発明の第３の実施例の製造工程を示した
図。

【符号の説明】

１励起領域。２非励起領域。３ＡＲコート。４曲がり導波路。５リッジ導波路。６溝。７窒化ケイ素絶縁層。８ｐ型電極。９コンタクト用金属。１０活性層。１１ｎ型電極。１２コンタクト用金属。２０ｎ型のガリウムひ素基板。２１ｎ型のガリウムひ素バッファ層。２２ｎ型のアルミニウムガリウムひ素クラッド層。２３ｐ型のアルミニウムガリウムひ素光ガイド層。２４ｐ型のアルミニウムガリウムひ素クラッド層。２５ｐ型のガリウムひ素キャップ層。３１ｐ型のインジウムリン基板。３２ｐ型のインジウムリン第１クラッド層。３３活性層。３４ｎ型のインジウムリン第２クラッド層。３５電流ブロック層。３５ａストライプ状の間隔。３６ｎ型のインジウムリン上部第２クラッド層。３７ｎ型のインジウムガリウムひ素リンキャップ
層。３８ｎ型電極。３９ｐ型電極。４０窒化ケイ素膜。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 33/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に活性層を設け、その上面に注入用
電極を有する励起領域（１）と、該注入用電極を有しな
い非励起領域（２）とを備えたＤＨ構造の半導体能動素
子において、前記注入用電極の両側に非励起領域まで延びる溝（６）
をそれぞれ形成し、該それぞれの溝６の長さをお互いに
異ならせるとともに、前記それぞれの溝（６）の非励起
領域（２）に接する部分の溝の端部の形状をななめにす
るとともに、上記注入用電極の非励起領域に接する部分
の形状も同一方向に斜めにしたことを特徴とする半導体
能動素子。