JP3604400B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明は、ヘテロ構造の構成、例えばSCH（Ｓeparate Ｃonfinement Ｈeterostructure）構成を有する、電磁ビームを発生するのに適している半導体基体を備えたユニポーラ半導体レーザ素子であって、半導体サブストレートの上に、第１の導電形の第１の外側の被覆層と第１の導電形の第２の外側の被覆層との間に配置されている活性層列が設けられており、該層列は量子ウェル構造（＝活性層）を備え、該構造内に、前記半導体基体を通って電流が流れる際に電磁ビームが発生される形式のものに関する。これらの被覆層は活性層列より低い屈折率を有しており、これにより作動中、発生された光波が被覆層間に閉じこめられる。
刊行物Physics and Simulation of Optoelectronic Devices IV,SPIE Vol.2693（1996年）、第352〜368頁（H.Hillmer,A.Greiner,F.Steinhafen,H.Burkhard,R.Loesch,W.Schlapp,I.Kuhn）には、半絶縁性またはｎ導電性のInpから成る半導体サブストレート上に、Inpから成るｎ導電性の被覆層、その上にInGaAs/AlInGaAsから成る活性層列およびｐ導電性のInAlAsから成る別の被覆層が被着されているレーザダイオードが記載されている。この活性層は、バリヤおよびAlInGaAs導波路層に埋め込まれているAlInGaAs多重量子ウェルから成っている。AlInGaAs導波路層は両方ともｐ導電性であるが、ｐ＝５＊10¹⁷cm^-3を以て、InP（ｎ＝２＊10¹⁸cm^-3）ないしInAlAs（ｐ＝２＊10¹⁸cm^-3）から成る被覆層より低くドーピングされている。Hillmer et alにおいて示された構成は、所謂分離閉じ込め型ヘテロ構造（SCH＝Separate−Confinment−Heterostructure）であり、ここでは、電子および正孔が活性層に、実質的に被覆層、示されている例ではｎ−Inpおよびｐ−InAlAsから形成されているpn接合を介して注入される。この発生された光波は、量子ウェルへのキャリアの閉じ込めに無関係に、比較的低い屈折率を有している被覆層によって取り囲まれている導波路を通ってガイドされる。特別な場合、活性層は対称的には、即ち導波路の中央には形成されていない。導波路はｐ導電形の被覆層の方の側において短縮されていて、基本的には電子より著しく僅かな移動度を有している正孔の、量子ウェルへの搬送を加速する。これにより、改善された変調能力が実現される。この変調能力は実質的に、比較的移動し難い正孔の、中程度にドーピングされている導波路内での搬送と、MQW構造での電子捕獲によって決められる。
量子ウェル半導体レーザおよびMQW半導体レーザおよびSCH構成の基本構造は例えば、W.Buldau,Halbleiter−Optelektronik,Hanser社、

第182〜187頁に記載されているので、ここには詳しく説明しない。
材料InGaAsPおよびAlInGaAsに基づいている、これまで研究されているレーザでは、導波路層における正孔移動度は電子の移動度より著しく小さい。
従来のガラスファイバの光ウィンドウにおける1.3μｍおよび1.55μｍの波長における高いデータ伝送レートでは、移動し難い正孔の、量子ウェル内へのドリフト搬送およびMQW構造における電子捕獲によって高周波の変調能力に制限が生じる。
ｐ側の導波路層の上述の短縮によって、導波路における正孔に対する搬送長を短縮することができる。しかしドリフト速度は、印加される電界および優れない移動度によって決定される。
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の半導体素子を、上述した公知の半導体レーザ素子に比べて、改善された機能性を有しているように改良することである。殊に、1.3μｍおよび1.55μｍの間の領域の波長において改善された高周波変調能力を有している半導体レーザを使用できるようにしたい。
この課題は、請求項１の特徴部分に記載の構成を有する半導体レーザ素子によって解決される。その他の有利な形態は、所属の従属請求項に記載されている。
本発明によれば、活性層列と第２の外側の被覆層との間に、第１の導電形とは反対の第２の導電形の第１の高ドーピングされた縮退遷移域（例えばn⁺またはp⁺）と第１の導電形の第２の高ドーピングされた縮退遷移域（例えばp⁺またはn⁺）とが、該第２の高ドーピングされた縮退遷移域が第１の高ドーピングされた縮退遷移域と第２の外側の被覆層との間に配置されているように設けられている。
高ｎドーピングされた（またはn⁺ドーピングされた）および高ｐドーピングされた（またはp⁺ドーピングされた）、即ち縮退ドーピングとはそれぞれ有利には、≧10¹⁷cm^-3のドープ剤濃度の謂いである。
n⁺p⁺層列は、活性層近傍の電子を正孔に変換しかつ電界において加速する「正孔インジェクタ」として作用する。従って、素子に対して相対的に逆方向に極性付けられているこのn⁺p⁺層列を通って、内部の電界内のキャリアはn⁺p⁺層列において加速されかつ一層高速に活性層に注入される。n⁺p⁺層列は、被覆層内のキャリアに対するソースとして機能する。
キャリアインジェクタにおいて、接合部の周りのデバイ長の距離において導電形の真の反転が生じ、即ちフェルミ準位はダイオードの一方の側におけるｎドーピングによって伝導帯に移りかつ反対の側において正孔はｐドーピングを通ってフェルミ準位を価電子帯に引っ張る（「縮退化」）。キャリアインジェクタのこれらの縮退化されたドーピングされた領域間の数オンゲストロームの非常に狭い空間電荷帯域によって、逆方向の極性付けに基づいて、電子の、ｐドーピングされた半導体の価電子帯からｎドーピングされた半導体の伝導帯の状態へのバンド間トンネルが生じる可能性があり、これによりｐドーピングされた領域において正孔が生じる。
本発明の半導体レーザ素子の有利な実施例において、第１の高ドーピングされた縮退遷移域と第２の高ドーピングされた縮退遷移域との間に、該高ドーピングされた縮退遷移域に比べて僅かにドーピングされている、任意の導電形のバリヤ層を配置することができる。このバリヤ層は、活性層を介して出て行く電子に対するバリヤを形成する。
別の有利な実施の形態によれば、第１の高ドーピングされた縮退遷移域と量子ウェル構造との間に、遷移域に比べて僅かにドーピングされている、電子に対するバリヤ層が配置されており、この層は、活性層を越えてドリフトする電子が高ドーピングされている縮退遷移域（p⁺n⁺構造）に流れるのを妨げようというものである。
本発明の半導体レーザ素子では、殊にすぐ上に述べた２つの実施形態では、キャリアは、電界内で加速される。電界は、レーザダイオードが順方向に極性付けられている場合、この場合は阻止方向に極性付けられている高ド−ピングされた縮退接合層（＝p⁺（ｎ）n⁺ダイオード）の空乏化帯域において形成される。これにより、冒頭に述べた形式の公知の半導体レーザ素子において実現されるより極めて著しく高いドリフト速度が実現される。更に、活性層の領域から電子が取り出されかつ電荷の堆積が生じることが妨げられる。
バリヤ層は有利には、スペース層の材料より高いバンドギャップを有している材料から成っている。殊に、バリヤ層は、活性層およびスペース領域を介して出て行く電子に対するバリヤを形成する。
本発明の半導体レーザ素子の有利な実施形態は、活性層、導波路層および被覆層および接合層が、III−Ｖグループの半導体材料からの半導体材料を有している、SCH量子ウェルレーザまたはMQWレーザである。
特別有利な材料はこの場合、被覆および導波路層に対してはIn_xGa_1-xAs_yP_1-y（０≦ｘ≦1,0≦ｙ≦１）またはAl_xGa_yIn_1-x-yAs（０≦ｘ≦1,0≦ｙ≦1,x＋ｙ≦１）であり、活性層に対しては、In_xGa_1-xAs_yP_1-y（０≦ｘ≦1,0≦ｙ≦１）またはAl_xGa_yIn_1-x-yAs（０≦ｘ≦1,0≦ｙ≦1,x＋ｙ≦１）である。とりわけ、Inpサブストレートまたは別の層において緊張固定されて成長する材料が設けられている。高ドーピングされた接合層も、In_xGa_1-xAs_yP_1-y（０≦ｘ≦1,0≦ｙ≦１）またはAl_xGa_yIn_1-x-yAs（０≦ｘ≦1,0≦ｙ≦1,x＋ｙ≦１）から成っていることができる。n⁺p⁺ダイオードの「インジェクタ構成」は、これら接合層の屈折率が導波路の機能に整合されているとき、殊に屈折率が外側の被覆層における屈折率より大きくかつ量子ウェル構造の領域における屈折率より小さいとき、導波路内に集積することができる。
有利には、第１の高ドーピングされた縮退遷移域と量子ウェル構造との間のスペース層は150nmないし10nmの厚さでありかつドーピングされていないまたは弱くドーピングされている半導体材料から成っていることができる。高ドーピングされている縮退遷移域は50nmと5nmとの間の厚さであり、比較的低くドーピングされたバリヤ層は200nm厚までとすることができる。
半導体レーザ素子の本発明の構成では、正孔は２次的な電界において加速されかつ従って導波路中の短い距離を量子ウェル構造まで一層高速に進む。更に、電子が活性層の領域を越えて遙かに走り去っていくのが妨げられる。
次に本発明の半導体レーザ素子を、第１図ないし第３図に関連した３つの実施例に基づいて詳細に説明する。その際：
第１図は、第１の実施例の層構造の概略図であり、
第２図は、第２の実施例の層構造の概略図であり、
第３図は、第３の実施例の層構造の概略図である。
第１図の半導体基体13は、例えば導電ドーピングされたまたは半絶縁性のInPから成る半導体サブストレート８上に、第１の導電形の第１の外側の被覆層７が被着されているSCH量子ウェル半導体レーザの半導体基体である。第１の被覆層は例えば、高ドーピングされた縮退InP（n⁺またはp⁺）から成っている。半導体サブストレートは場合によっては第１の外側の被覆層７と同じ導電形を有している。
この第１の外側の被覆層７には第１の導波路層６が続いている。この層は、ドーピングされておらず、第１の導電形またはそれとは反対の第２の導電形であってよい。この層は例えば、ｐ形InGaAlAsから成っている。
第１の導波路層６の上には、例えばドーピングされていないInGaAsから成る量子ウェル構造５が被着されている。この構造の上には、薄いスペース層４がある。この層は第２の導電形のものであるかまたはドーピングされておらず、かつ例えばｐ形InGaAlAsから成っている。
スペース層４には、第２の導電形の、第１の高ドーピングされた縮退遷移域（接合層）３が続いている。この層の上にも、第１の導電形の、第２の高ドーピングされた縮退遷移域（接合層）２が存在している。第１の高ドーピングされた縮退遷移域は例えばp⁺形InGaAlAs層でありかつ第２の高ドーピングされた縮退遷移域はn⁺形InGaAlAs層である。最後に、第２の高ドーピングされた縮退遷移域２に、第２の外側の被覆層１が配置されている。この層は第１の導電形で、例えばｎ形InGaAlAsから成っている。
第１の高ドーピングされた縮退遷移域３と第２の高ドーピングされた縮退遷移域２とから成る層列（p⁺n⁺ダイオード）は、インジェクタとして用いられる。即ち、スペース層４と、第１の高ドーピングされた縮退遷移域３と、第２の高ドーピングされた縮退遷移域２とから成る層列は第２の導波路層14として作用する。
半導体基体13の電気的な接触接続のために、第１の被覆層７とは反対側の、半導体サブストレート８の主面に第１のコンタクト金属化部11（オーミック裏面コンタクト）が被着されておりかつ第２の高ドーピングされた縮退遷移域２とは反対側の、第２の外側の被覆層１の主面に第２のコンタクト金属化部12（オーミック表面コンタクト、例えば列Ti/Pt/Au）が被着されている。これらコンタクト金属化部11,12は、半導体技術において、その都度使用される半導体材料に対して従来より使用されている材料から成っている。第１のコンタクト金属化部11は、半絶縁性の半導体サブストレート８を使用している場合、第１の外側の被覆層７に直接接続されていてよい。
第２図に図示の、SCH量子ウェル半導体レーザの半導体基体13では、半導体サブストレート８（例えば半絶縁性のInP）の上に、第１の実施例と類似して、第１の外側の被覆層７（例えばn⁺形InP）、第１の導波路層６（例えばｐ形InGaAlAs）、量子ウェル構造５（例えばInGaAs）、スペース層４（例えばｐ形InGaAlAs）および第１の高ドーピングされた縮退遷移域３（例えばp⁺形InGaAlAs）が配置されている。第１図の実施例とは異なって、ここでは、第１の高ドーピングされた縮退遷移域３にまず、遷移域３に比べて比較的低ドーピングされている薄い、第１のまたは第２の導電形のバリヤ層10が被着されている。この層は例えば、ｎ形InGaAlAsから成っている。この比較的低ドーピングされたバリヤ層10にそれから、第２の高ドーピングされた縮退遷移域２（例えばn⁺形InGaAlAsから成っている）およびその上には第２の外側の被覆層１（例えばn⁺形InGaAlAsから成っている）が被着されている。バリヤ層10の材料は有利には、スペース層４の材料より大きなバンドギャップを有している。殊にバリヤ層10は、活性層およびスペース層４を介して出て行く電子に対するバリヤを形成する。第２の導波路層14としてここでは、スペース層４と、第１の高ドーピングされた縮退遷移域３と、バリヤ層10と、第２の高ドーピングされた縮退遷移域２とから成る層列が作用する。
第１図の実施例の半導体基体13の場合のように、ここでも半導体サブストレート８は第１のコンタクト金属化部11を備えかつ第２の外側の被覆層１は第２のコンタクト金属化部12を備えている。
第３図の実施例は、第１の実施例とは、スペース層４に、第２の導電形の付加的なバリヤ層10（例えばＰ形InGaAls）が被着されている点で異なっている。この層に、第１の高ドーピングされた縮退遷移域3,第２の高ドーピングされた縮退遷移域２および第２の外側の被覆層１が続いている。バリヤ層10は有利には、スペース層４の材料より大きなバンドギャップを有している材料から成っている。殊に、バリヤ層10は活性層およびスペース層４を介して出て行く電子に対するバリヤを形成している。ここでも、スペース層４と、バリヤ層10と、第１の高ドーピングされた縮退遷移域３と、第２の高ドーピングされた縮退遷移域２とから成る層列が第２の導波路層14として作用する。
本発明の半導体レーザ素子の、これらの実施例に基づいた説明が、本発明をこれらの実施例に限定するものではないことは勿論である。本発明の半導体レーザは、例えば、２元半導体GaSb,InSb,InAs,GaAs,AlAs,InP,Gapの混合から成る半導体結晶のような、別の混晶系に基づいて形成されていてもよい。
例として挙げたｐドーピングされている外側の被覆層7,1に代わって、ｎドーピングされた外側の被覆層7,1を設けることもできる。その場合、スペース層４の接合層3,2の導電形（ドーピングされている場合は）および第３の実施例においてバリヤ層10は層材料に対する上述の具体例に対して反対である。
サブストレートとして、InPの他に、Si,GaAs,GaSbまたは別のIII−Ｖ半導体を使用することもできる。

Claims (11)

1. ヘテロ構造の構成を有する、電磁ビームを発生するのに適している半導体基体（13）を備えた半導体レーザ素子であって、半導体サブストレート（８）の上に、第１の導電形の第１の外側の被覆層（７）と第１の導電形の第２の外側の被覆層（１）との間に配置されている活性層列が設けられており、該層列は量子ウェル構造（５）を備え、該構造内に、前記半導体基体（13）を通って電流が流れる際に電磁ビームが発生される形式のものにおいて、
   内部の電界内でキャリアを加速しかつこれによりキャリアを前記活性層に高速に注入するキャリアインジェクタとして、第１の導電形とは反対の第２の導電形の第１の高ドーピングされた縮退化された接合層（３）と第１の導電形の第２の高ドーピングされた縮退遷移域（２）とが、該第２の高ドーピングされた縮退遷移域（２）が前記第１の高ドーピングされた縮退遷移域（３）と前記第２の外側の被覆層（１）との間に配置されているように設けられている
   ことを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 前記縮退遷移域（2,3）の厚さはそれぞれ≧5nmおよび≦50nmである
   請求項１記載の半導体レーザ素子。
3. 前記第１の高ドーピングされた縮退遷移域（３）と前記第２の高ドーピングされた縮退遷移域（２）との間に、該高ドーピングされた縮退遷移域（2,3）に比べて僅かにドーピングされている、任意の導電形のバリヤ層（10）が配置されており、該バリヤ層は電子に対してバリヤを成している
   請求項１または２記載の半導体レーザ素子。
4. 前記第１の高ドーピングされた縮退遷移域（３）と前記活性層列の量子ウェル構造（５）との間に、ドーピングされていないスペース層（４）または前記接合層（2,3）に比べて僅かにドーピングされている、第２の導電形のスペース層（４）が配置されている
   請求項１から３までのいずれか１項記載の半導体レーザ素子。
5. 前記スペース層（４）と前記第１の高ドーピングされた縮退遷移域（３）との間に、第２の導電形の付加的なバリヤ層（10）が配置されており、該バリヤ層は電子に対するバリヤを成している
   請求項４記載の半導体レーザ素子。
6. 前記バリヤ層（10）の厚さは200nmより小さいかまたはこれに等しい
   請求項３または５記載の半導体レーザ素子。
7. 前記スペース層（４）の厚さは、≧10nmおよび≦150nmである
   請求項４または５記載の半導体レーザ素子。
8. 前記量子ウェル構造（５）と第１の外側の被覆層（７）との間に第１の導波路層（６）が配置されておりかつ前記量子ウェル構造（５）と第２の外側の被覆層（１）との間に第２の導波路層（14）が配置されている
   請求項１から７までのいずれか１項記載の半導体レーザ素子。
9. 前記第２の導波路層（14）は、前記量子ウェル構造（５）と前記第２の外側の被覆層（１）との間に配置されている層（2,3,4;ないし2,3,4,10）によって形成されている
   請求項８記載の半導体レーザ素子。
10. 前記量子ウェル構造（５）、前記導波路層（6,14）および前記被覆層（1,7）はIII−Ｖ半導体材料を有している
    請求項９記載の半導体レーザ素子。
11. 前記縮退接合層（2,3）におけるドープ剤濃度は≧10¹⁷cm^-3である
    請求項１から10までのいずれか１項記載の半導体レーザ素子。

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