JP3712855B2

JP3712855B2 - スーパールミネッセントダイオード

Info

Publication number: JP3712855B2
Application number: JP8005398A
Authority: JP
Inventors: 敦史山田; 克典篠根
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1998-03-27
Filing date: 1998-03-27
Publication date: 2005-11-02
Anticipated expiration: 2018-03-27
Also published as: JPH11284223A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファイバジャイロ等の光応用計測に用いられる、スーパールミネッセントダイオード（以下ＳＬＤという）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＬＤは発光ダイオードに近いブロードなスペクトルを持ちながら、半導体レーザ（以下ＬＤという）並の狭い放射角と強度で光を放射することを特徴としている。このＳＬＤは、ファイバジャイロ用の光源として実用化されているほか、高分解能ＯＴＤＲ（ＯｐｔｉｃａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）やエンジン燃焼モニタなどの分野への応用も検討されている。
【０００３】
従来のＳＬＤを、図４を参照して説明する。図４はＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系材料による従来のＳＬＤの例を示す図である。このＳＬＤを得るためには、１回目の成長として液相成長法（ＬＰＥ）及び気相成長法（ＶＰＥ，ＭＯ−ＣＶＤ）または分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等により、ｎ形ＩｎＰ基板２１上にｎ形ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層（λ：１．３μｍ組成）２２、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ活性層（λ：１．５μｍ組成）２３，ｐ型ＩｎＰクラッド層２４，ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ電極層（λ：１．１μｍ組成）２５を成長する。
【０００４】
次に、ＲＦスパッタ又はＣＶＤ法等によりＳｉＯ₂ もしくはＳｉＮ等の薄膜をｐ形ＩｎＧａＡｓＰ電極層２５の層の全表面に形成する。その後フォトエッチング技術により活性層を埋め込むために、電流注入領域２９を直線状に＜１１０＞方向にそってストライプ状に幅４〜５μｍ、長さ４００μｍ、非電流注入領域３０も同様に、非電流注入領域３０の長さが２００μｍとなるように電流注入領域２９のストライプ幅と同じ幅で形成した後、このＳｉＯ₂ ストライプ薄膜もしくはＳｉＮストライプ薄膜をマスクとして利用し、ブロムメタノール４％溶液により２５，２４，２３，２２の各層を基板２１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。次に、２回目の成長としてＬＰＥにより、エッチングにより取り除いた部分にｐ形ＩｎＰ層２６、及びｎ形ＩｎＰ層２７の電流狭窄用埋め込み成長を行う。
【０００５】
こうして得たウェハの上面にはＡｕ−Ｚｎを蒸着してｐ形オーミック電極２８をフォトエッチング技術を用いて電流注入領域２９にのみ形成する。この上に再び、ＳｉＯ₂ もしくはＳｉＮ膜を形成し、フォトエッチング技術により、非電流注入領域３０の溝３３の形成のための窓開けを行なう。そしてこれをマスクとしてブロムメタノール４％溶液によりウェハの各層をエッチングして溝３３を形成する。溝３３の深さは上端より活性層２３の位置を越えるまで行う。また、溝３３の壁の角度は図３の（ａ）で活性層２３を斜めに切断し、かつ、深さ方向に対しても斜めに切断するように形成する。また、基板２１側には全体の厚みが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３２を全面に形成する。各層の構成は次の通りであり、また、各結晶層はＩｎＰの格子定数に合致している。
【０００６】
２１：Ｓｎドープｎ形ＩｎＰ基板、厚み８０μｍ、キャリア密度３×１０¹⁸ｃｍ^-3
２２：ｎ形ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層、厚み０．２μｍ、Ｓｎドープ、キャリア密度３×１０¹⁷ｃｍ^-3
２３：ｎ形ＩｎＧａＡｓＰ活性層、厚み０．２〜０．３μｍ、ノンドープ
２４：ｐ形ＩｎＰ結晶層、厚み１．５μｍ、Ｚｎドープ、キャリア密度５×１０¹⁷ｃｍ^-3
２５：ｐ形ＩｎＧａＡｓＰ電極層、厚み０．７μｍ、Ｚｎドープ、キャリア密度５×１０¹⁸ｃｍ^-3
２６：ｐ形ＩｎＰ電流狭窄層、厚み１．５μｍ、Ｚｎドープ、キャリア密度１×１０¹⁷ｃｍ^-3
２７：ｐ形ＩｎＰ電流狭窄層、厚み１．５μｍ、Ｚｎドープ、キャリア密度１×１０¹⁷ｃｍ^-3
この素子を素子長６００μｍ、幅４００μｍの一定のぺレットに分割して、ＡｕＳｎはんだによりヒートシンク上にマウントした、電流、波長、１．５５μｍにおける光出力特性は、２５℃連続動作において電流注入にしたがって光出力が発振することなく増加し、２００ｍＡにおいて３ｍＷのインコヒーレント光出力を得ることができるものである。非電流注入領域３０に形成した溝３３の端面で反射した光が再び電流注入領域２９を形成する活性層２３に結合しないようになっていて十分ＦＰモードを抑圧して非電流注入領域３０を長くすることなく、ＳＬＤ発振を得るものである。
【０００７】
このようにＳＬＤは、構造的にはＬＤに近いが、端面反射率を抑制し発振を妨げる工夫がされている点でＬＤとは異なる。活性領域はＬＤ同様、バルク構造と多重量子井戸（以下ＭＱＷとする）構造の２タイプがある。ＳＬＤは発振させない状態で動作させるために、注入キャリア密度はＬＤと比べるとはるかに高くなる。ヘテロ界面からのキャリアのオーバーフローを避けるために活性層厚を厚くしたり幅を広めに設計したりした。また、ＭＱＷ構造では井戸層の層数または井戸層の層厚を大きく設定していた。
【０００８】
ＭＱＷ構造では井戸層は通常４〜１２ｎｍ程度で、障壁層は閉じ込められた電子の波動関数が隣の井戸層内の電子の波動関数と重ならないように、８〜１２ｎｍの厚さにするのが普通である。
【０００９】
長波長帯の高出力半導体レーザの量子井戸層数は、通常４層前後が採用される。これはしきい値を下げるために低電流領域での利用を重視しているためであり、注入キャリア密度、内部利得が高くなるＳＬＤとは事情が異なる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
バルク構造では、状態密度が２次関数型をしているので光出力を大きくしやすい反面、スペクトル半値幅が小さくなってしまうという問題がある。これに対して、ＭＱＷ構造では、スペクトル幅が広い一方、ＬＤと同様な構造では光出力を上げるのが困難であった。そこで、ＳＬＤでは前述のように層数や層厚を増やすことで光出力を大きくする設計としていた。
ＭＱＷ構造では障壁層厚を薄くして波動関数が重なってしまうと、井戸の数だけ量子準位が分裂して、微分利得の低下などＬＤとしての素子性能に悪影響を及ぼすので、ＬＤとして障壁層を薄くすることは困難である。
トータルの活性層厚が厚くなるＳＬＤでは、注入キャリア、特に、ホールが各井戸層に均一に注入されなくなる。その結果、発光効率が下がってしまう問題があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかるスーパールミネットセントダイオードは、第１の導電型のＩｎＰ基板上に、第１の導電型のクラッド層、多重量子井戸構造を含む活性層および第２の導電型のクラッド層の順に積層されてなる端面発光型のスーパールミネッセントダイオードであって、前記活性層の多重量子井戸構造は、井戸層の組成と膜厚が均一であり、井戸層の層数が増えても前記活性層の厚さが増えないように、障壁層の層厚が４ｎｍ以下で、かつ、井戸層の層数が５層以上で構成されたものである。
また、好ましくは、前記井戸層が前記ＩｎＰ基板と格子整合しているもの、すなわち、歪を形成しないようにしたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
前述の問題点を解決するために本発明は、ＭＱＷ構造の障壁層の層厚を薄くすることを特徴とする。これにより活性領域全体の厚さを増やさずに井戸層数を増やすことができる。しかも、波動関数が互いに結合するので量子井戸層数を増やしていった場合にも活性層内キャリアの均一性が悪くなることがない。このため従来の量子井戸構造より井戸層数を増やすことが可能になる。ＳＬＤではＬＤよりもはるかにキャリア密度が高くなるために、ＬＤのようなしきい値電流付近での微分利得や状態密度の低下などの問題が少ない。バルク構造の活性層では、光出力の偏波消光比は５〜７ｄＢである。層数を多くすることで、バルク活性層のときを上回る光出力とＭＱＷ構造の利点である高い偏波消光比を、スペクトル半値幅を狭めることなく実現することができる。なお、信学技法０ＱＥ９３−９０，ｐｐ５１−５６“電子のエンベロープ関数の最適化を計った多重量子井戸ＬＤの設計”で計算されているような、バリア層厚を薄くすることで電子とホールのエンベロープ関数の一致度が高くなることによる発光効率の向上をも期待できるという利点もある。
【００１３】
このように、ＭＱＷ構造の活性層を薄くすることにより活性領域全体の厚さを増やさずに井戸層数を増やすことができる。その結果、ホールの注入効率が落ちないため、高い発光効率と高い偏波消光比を得ることができる。
【００１４】
【実施例】
本発明の一実施例としてＲＶＮ構造埋込みタイプのＳＬＤを図１及び図２を参照して説明する。
【００１５】
図１は、この実施例の外観斜視図、図２はＭＱＷ活性層の一実施例を説明するための模式的な図である。
【００１６】
まず、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）等の結晶成長装置を用いて、ｎ−ＩｎＰ基板１に１．０８μｍ組成のｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層２を５０ｎｍ堆積し、その上にノンドープＭＱＷ活性層３を堆積する。このノンドープＭＱＷ活性層は、例えば障壁層５として１．０８μｍの組成波長で２ｎｍ、井戸層４として１．３５μｍの組成波長で５ｎｍの堆積を１５周期繰り返す。そして、その上に、１．０８μｍ組成のｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層６を５０ｎｍ、ｐ−ＩｎＰクラッド層７を２μｍ，ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層８を０．２μｍと順に積層する。
【００１７】
次に、前記エピウエハの表面にＳｉＮｘ膜をプラズマＣＶＤ等の方法で堆積する。そして、フォトリソグラフィーによって（１１０）方向に長く伸びた幅６μｍのＳｉＮｘ膜ストライプパターンに加工する。前記ＳｉＮｘ膜パターンをマスクとして、ＨＣ１系エッチング液、ブロムメタノールをもちいてメサエッチングを行う。その上に、液相成長法によって電流狭窄のためのｐ−ＩｎＰ９及びｎ−ＩｎＰ１０の電流ブロック層を積層する。
【００１８】
次に、前記ＳｉＮｘ膜ストライプパターンを形成したときと同様にして、ＭＱＷ活性層３における反射抑制のための溝パターン１１を形成する。まず、ブロムメタノール等でエッチングを行い、１０μｍ程度の溝１１を掘る。
【００１９】
次に、基板１側を研磨し１００μｍ程度にまで薄くした後、エピ面側にフォトリソグラフィーによってフォトレジストのパターンを作成する。エピ面側Ｐ側電極１２（例えば、Ｚｎ：１０ｎｍ、Ａｕ：５０ｎｍ）、基板１側にｎ側電極１３（例えばＡｕＧｅの合金：５０ｎｍ）を蒸着してから、ウエハをアセントン中に入れてリフトオフを行う。４００℃程度のサーマルアニーリングで電極の金属と半導体を合金化する。劈開した後に両端面１４にＳｉＯｘの無反射コーティングを蒸着する。
このように構成されたＳＬＤにおいて、ｐ−電極１２及びｎ−電極１３より、電流注入領域１５に電流を注入すると、電流注入領域で発光した光は、非電流注入領域１６へ損失されながらガイドされて強度を低減されるが、端面１４で反射した光が再び電流注入領域１５に形成された光導波路（ＭＱＷ活性層３）に結合しないように、溝１１は、光導波路が延びる方向に対して傾きを持って、かつ、深さ方向に対しても傾きをもって光導波路を切断するように非電流注入領域に形成されていて、ファブリペローモードの発振を抑圧している。
【００２０】
この実施例においては、ＭＱＷ活性層３として、障壁層５の層厚を２ｎｍまた、井戸層４の層厚を５ｎｍとする井戸を１５周期繰返し形成することにより、ＭＱＷ活性層３の層厚を厚くすることなく井戸層４の層数を増やしたので、注入キャリア、特にホールのオーバーフローがなく、ホールの注入効率が落ちないため、高い発光効率と高い偏波消光比を得ることができる。
【００２１】
なお、障壁層５の層厚は、ＬＤの例では８〜１２ｎｍ程度であるが、本ＳＬＤでは、井戸層４の歪みを形成しないようにして４ｎｍ以下とした。約４ｎｍ以下になるとキャリア、特にホールの波動関数が互いに結合が始まるため、量子井戸層内のキャリアの均一性が向上する。また井戸層４の層数はＬＤでは５層以下で、これより多くなると発振しきい値が高くなってしまう。ＳＬＤでは電子及びホールの密度がＬＤと比べて高くなるために、層数か層厚のいずれかを増やす必要がある。従来の障壁層厚では５層以上の層厚になると発光効率が落ちるため改善の効果が少なかった。障壁層を約４ｎｍ以下にしておけば、層数を増やした場合にも発光効率が劣化することがない。従って、本発明では、障壁層５の層厚を４ｎｍ以下、井戸層４の層数を５以上として、ＳＬＤとしての特徴的な構成とした。
【００２２】
なお、前述した実施例では結晶成長装置にＭＯＶＰＥ法を用いているが、ＭＢＥ法やＭＯＢＥ法、ＬＰＥ法を用いることもできる。また、ＳＬＤの作成方法において、埋込み構造はＲＶＮ構造でなくＤＣ−ＰＢＨ構造などでも実現可能である。また、反射率抑制構造に溝構造でなく窓構造や斜めストライプなどの方法で構成してもよい。
【００２３】
次に本発明のＳＬＤを光源としたファイバジャイロについて図３を参照して説明する。
【００２４】
ジャイロは、外部からの情報がなくても、それが取り付けられた移動体の角速度や角度を検出して、位置の計測や制御をするためのセンサである。ファイバジャイロは光ファイバをコイル状にして、両方向からコヒーレント光を入射し、サニヤック効果を利用して回転の速度や角度を検知するものである。光ファイバは、通常、偏波保持型を用い、ＳＬＤからの出力はその片側の偏光方向の光のみが使用される。
【００２５】
図３はファイバジャイロの原理を示す図である。
【００２６】
図において、４１は本発明に係るＳＬＤ，４２は光を透過及び反射させる半透明板，４３は光ファイバ，４４は干渉出力光である。ＳＬＤ４１から出力されたコヒーレント光は半透明板４２を透過して光ファイバ４３の一端４３ａから光ファイバ４３に入射され、コイル状に巻かれた光ファイバ４３を矢印ａ方向に通過して、半透明板４２を透過して出力部４４から出力光ａとして出力されるとともに、ＳＬＤ４１から出力されたコヒーレント光の一部は、半透明板４２で反射して光ファイバ４３にその他端から入射され、コイル状に巻かれた光ファイバ４３を矢印ｂ方向に通過して、半透明板４２で反射されて出力部４４から出力光ｂとして出力される。サニヤック効果は、このように閉じた光路を反対方向に伝搬する光は、伝搬時間（位相）が閉光路の回転角速度に比例して変化する現象であり、ファイバジャイロは、光ファイバ４３の一端４３ａから入射された光と他端４３ｂから入射された光との位相の変化を干渉などにより検知して、回転角速度を光干渉などによって検知するものである。
【００２７】
ファイバジャイロは、閉光路の面積が大きいほど、また光源の光パワーが大きいほど、ゆっくりした回転角度を検出することができる。本発明のＳＬＤでは、従来以上の出力を大きな偏波消光比で得られる。従来のバルク構造のＳＬＤと偏波消光比を比較すると、約１０ｄＢ以上改善されている。同じ出力で換算しても有効な出力が約２割向上することになるため、ファイバジャイロの可能性を大きく改善することができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明のスーパールミネッセントダイオードは、第１の導電型のＩｎＰ基板上に、第１の導電型のクラッド層、多重量子井戸構造を含む活性層および第２の導電型のクラッド層の順に積層されてなる端面発光型のスーパールミネッセントダイオードであって、前記活性層の多重量子井戸構造は、井戸層の組成と膜厚が均一であり、井戸層の層数が増えても活性層の厚さが増えないように、障壁の層が４ｎｍ以下で、かつ、井戸層の層数が５層以上で構成されているので、電流注入領域において、ホールの注入効率を保ち、高い発光効率と、高い偏波消光比を得ることができる。これによりファイバジャイロにおいて、高い検出分解能を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスーパールミネッセントダイオードの一実施例を示す斜視図である。
【図２】本発明のスーパールミネッセントダイオードのＭＱＷ活性層の一実施例を示す模式図である。
【図３】ファイバジャイロの原理を示す図である。
【図４】従来のスーパールミネッセントダイオードを示す図である。
【符号の説明】
１ｎ−ＩｎＰ基板（半導体基板）
２ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層
３ＭＱＷ活性層
４井戸層
５障壁層
６ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層
７ｐ−ＩｎＰ（クラッド層）
８ｐ⁺ −ＩｎＧａＡｓＰ（コンタクト層）
９ｐ−ＩｎＰ（電流ブロック層）
１０ｎ−ＩｎＰ（電流ブロック層）
１１溝
１２ｐ−電極（エピ面側ｐ側電極）
１３ｎ−電極（ｎ側電極）
１４無反射コート
１５電流注入領域
１６非電流注入領域

Claims

第１の導電型のＩｎＰ基板（１）上に、第１の導電型のクラッド層（２）、多重量子井戸構造を含む活性層（３）および第２の導電型のクラッド層（７）の順に積層されてなる端面発光型のスーパールミネッセントダイオードであって、
前記活性層の多重量子井戸構造は、井戸層（４）の組成と膜厚が均一であり、井戸層（４）の層数が増えても前記活性層の厚さが増えないように、障壁層（５）の層厚が４ｎｍ以下で、かつ、井戸層（４）の層数が５層以上で構成されたことを特徴とするスーパールミネッセントダイオード。
前記井戸層が前記ＩｎＰ基板と格子整合していることを特徴とする請求項１に記載のスーパールミネッセントダイオード。