JP6926541B2 - 半導体レーザ - Google Patents
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Description
(第1構造)
図1を参照しながら、半導体レーザ11a(11)を説明する。半導体レーザ11aでは、半導体メサMSが、導波路軸(第3軸Ax3)の方向に半導体レーザ11aの一端から他端まで延在する。コレクタ19は、第1導電型の第2半導体領域25を備え、第2半導体領域25は、発光領域15の第1側面15b及び第2側面15cの少なくともいずれか一方上に設けられることができる。発光領域15の第1側面15b及び第2側面15cを覆うコレクタ19の第2半導体領域25は、第2エリア13c及び第3エリア13d上において導波路軸の方向に延在する。第2半導体領域25の導電型は、第1半導体領域23の導電型と同じである。本実施例では、第2半導体領域25は、第2エリア13c及び第3エリア13dの各々上に設けられて、発光領域15の第1側面15b及び第2側面15cに接触を成す。また、第2半導体領域25は、第1エリア13bの発光領域15上に設けられて、発光領域15の上面15dに接触を成す。第2半導体領域25は、一又は複数の半導体層を含むことができる。
図2を参照しながら、半導体レーザ11b(11)を説明する。半導体レーザ11bでは、半導体メサMSは、半導体メサMSが、導波路軸(第3軸Ax3)の方向に半導体レーザ11bの一端から他端に向けて基板13の主面13aに沿って延在すると共に、他端から内側に離れた位置で終端する。半導体メサMSの終端面MSEは、発光領域15の第3側面15fを含む。発光領域15の第3側面15fの位置は、半導体レーザ11bの一端から内側に後退している。また、リッジ構造RDGは、導波路軸(第3軸Ax3)の方向に半導体レーザ11aの一端から他端に向けて半導体メサMSに沿って延在すると共に、半導体メサMSの終端面MSE及び半導体レーザ11bの他端から内側に離れた位置で終端する。リッジ構造RDGの終端面RDGEは、発光領域15の第1側面15b、第2側面15c及び上面15d上に位置する。終端面RDGEの位置は、半導体メサMSの終端面MSE及び半導体レーザ11bの一端から内側に後退している。
基板13:InP。
発光領域15:アンドープAllnAs/アンドープInGaAs/アンドープAllnAs/アンドープInGaAsの4層を単位ユニットとした50周期の超格子構造。
半導体メサMSの幅:10マイクロメートル。
半導体メサMSの高さ:1マイクロメートル。
発光領域15のコア層の厚さ:0.8マイクロメートル。
第1半導体領域23:SiドープInP/アンドープAlInAs、あるいは、SiドープInP/SiドープAlGaInAs/アンドープAlInAs、あるいは、SiドープInP/アンドープAlGaPSbの積層構造。
第1半導体領域23の幅(リッジ構造RDGの幅):8マイクロメートル。
第1半導体領域23の厚さ:2マイクロメートル。
第2半導体領域25:SiドープInP/SiドープGaInAs、あるいは、SiドープInP/SiドープGaInAsP/SiドープGaInAsの積層構造。
第2半導体領域25の幅(リッジ構造RDGの幅):8マイクロメートル。
第2半導体領域25の厚さ:2マイクロメートル。
コンタクト層28a:0.1マイクロメートル。
光学クラッド層29(下側の電流ブロック層):半絶縁性InP、厚さ0.2マイクロメートル。
金属電極33:Ti/Pt/Au(チタン/白金/金)。
必要な場合には、第1構造及び第2構造においては、エミッタ領域17の第1半導体領域23は、発光領域15の上面15d(更には第1側面15b及び第2側面15c)に接触を成す第1半導体層33aと、第1半導体層33a上に設けられた第2半導体層33bとを備えることができる。第1半導体層33aは、図4に示されるように、上位エネルギー準位E3に等しい又は高い(キャリア極性に応じた電位の向きに高い)伝導バンドエネルギー(E17)を有する半導体を有する。第2半導体層33bは、発光領域15の等価的な屈折率よりも小さい屈折率を有する半導体を備える。第1半導体層33aの伝導バンドエネルギーレベルは、大きな外部印加電圧を必要とせずに、エミッタ領域17から発光領域15の上位エネルギー準位E3へのキャリア注入を可能にする。
図6を参照しながら、量子井戸構造の構造を説明する。引き続く説明では、電子がキャリアとして利用されるが、同様に、正孔をキャリアとして利用されることができる。上位エネルギー準位E3から下位エネルギー準位E2への遷移確率を高めるために、キャリアの引き抜きにより下位エネルギー準位E2上のキャリア密度を下げることが好適である。量子井戸構造21の一例は、複数(例えば2つ)の井戸層(21a、21b)と、これらの井戸層を隔てる一又は複数の障壁層とを備えることが良い。障壁層(21c)は、障壁層(21d)に比べて薄くして、井戸層(21a、21b)内の電子の波動関数がそれぞれ障壁層(21c)を介して井戸層(21b、21a)に浸みだして互いに結合する。この構造を「結合量子井戸」として参照する。結合量子井戸は、障壁層(21c)の中心線(厚み方向の中心)を基準にして左右に対称な井戸構造を有する。このような構造では、下位エネルギー準位E2よりLOフォノンエネルギーと同程度に低い緩和エネルギー準位E1を形成することができ、上位エネルギー準位E3から下位エネルギー準位E2に発光遷移した電子を速やかにフォノン散乱(共鳴)によって緩和エネルギー準位E1に遷移させることができる。また、結合量子井戸は、上位エネルギー準位E3の波動関数と下位エネルギー準位E2の波動関数との重なりを大きくして、発光遷移確率を増加させ、これによりレーザ利得を増大できる。
結合量子井戸の具体例。
井戸層/障壁層:アンドープInGaAs/アンドープAllnAs。
井戸層(21a)厚:4nm。
内側の障壁層(21d)厚:2nm。
井戸層(21b)厚:4nm。
外側の障壁層(21c)厚:10nm。
発振に係るエネルギー差(上位エネルギー準位E3と下位エネルギー準位E2との差):270meV(発振波長:4.6マイクロメートル)。
光学利得:96cm−1/period。
Epop(下位エネルギー準位E2と緩和エネルギー準位E1との差):35.6meV。
基板13:InP基板。
また、発光領域が、量子カスケード半導体レーザにおける注入層を必須である構造を必要としない。これ故に、量子井戸構造の設計の自由度が大きい。また、例えば外側の障壁層のAlInAsの厚さも含めた4層の設計において、障壁層には引っ張りの応力を導入しまた井戸層には圧縮の応力を導入する格子の不整合を利用すると共に、引っ張りと圧縮の応力を量子井戸構造の全体として実質的に相殺することによって、良好な結晶性を保ちながら、大きな導電帯バンドギャップ差(深い量子井戸の形成)を形成することができる。これによって、キャリヤの漏洩を抑制することによる温度特性の改善、及び発振波長範囲の拡大を提供できる。
図7に示されるように、量子井戸構造の障壁層の少なくとも一部に、キャリアの極性と同じ極性のドーパントを添加することができる。この添加により、両井戸層への注入効率を改善できる。例えば、10nm厚のAlInAs障壁層において、井戸層に接する薄層領域21ca、21ccをアンドープにすると共に、これらの間にドーパント添加の薄層領域21cbを設けることができる。ドーピング濃度は自由キャリア吸収による損失を低減するために1017cm−3程度又はそれ以下であることが良い。このドーパント添加の薄層領域は、発光領域の半導体積層における面内方向の導電性を高めることができ、エミッタ領域から面内の方向に離れた位置において井戸層にキャリアを提供できる。
本実施形態に係る半導体レーザ11は、発光領域15内の複数の量子井戸構造21にエミッタ領域17から第1軸Ax1の方向にキャリアを注入して、各量子井戸構造21内にキャリアを提供する。量子井戸構造21内のキャリアが量子井戸層の面内方向と平行な方向に輸送される。
このような構造のデバイスに電子を注入した場合、発光領域内の電子分布をシミュレーションにより見積もる。
面内方向のキャリア輸送を見積もるために、シミュレーションによる数値実験を行うデバイスモデルを以下に示す。
共振器長L1:500マイクロメートル。
エミッタ領域の開口幅W:10マイクロメートル。
メサ構造内の発光領域上のエミッタ領域の開口の中心からメサ上面の上縁の一方までのメサ片幅:10マイクロメートル。
メサ構造内の発光領域上のエミッタ領域の開口の中心からメサ上面の上縁の他方までのメサ片幅が10、20、50及び100マイクロメートル。
電子は、エミッタ領域の開口から電界によりドリフトし発光領域に注入される。
発光領域:AlInAs/GaInAs多重量子井戸構造。
モデル名、 縦方向の電気伝導率、 横方向の電気伝導率、 縦/横電気伝導率比。
第1モデル、 4.3E−5、 1.7E−2、 2.53E−3。
第2モデル、 1.5E−5、 1.7E−2、 8.74E−4。
第3モデル、 1.7E−6、 1.7E−2、 9.84E−5。
記法「2.53E−3」は、2.53×10−3を示す。
縦/横電気伝導率比は、縦方向の電気伝導率を横方向の電気伝導率で割った値である。
横方向の電流密度について。
100マイクロメートルのメサ幅を有するモデルの計算結果によれば、横方向の電子流密度分布は、量子井戸の縦方向と横方向の電気伝導率比が大きいほど大きくなる。また、20マイクロメートルのメサ幅を有するモデルの計算結果によれば、3桁程度の電気伝導率比では、コレクタ電極での電子流密度は、深さ方向に大きな違いはない。
縦方向の電流密度について。
100マイクロメートルのメサ幅を有するモデルの計算結果によれば、縦方向の電子流密度分布は、エミッタ電極直下辺りに分布している。また、20マイクロメートルのメサ幅を有するモデルの計算結果によれば、量子井戸の縦方向と横方向の電気伝導率比が大きいほど下方への分布が少なくなるが、3ケタ程度の電気伝導率比でも十分に下方まで電子は分布する。
エミッタ領域の構造。
第1半導体層33a:アンドープAlGaPSb、厚さ20nm。
第2半導体層33b:SiドープInP、厚さ200nm。
エミッタ領域22の構造。
第1半導体層32a:アンドープAlGaPSb/GaInAs。
第2半導体層32b:SiドープInP、厚さ200nm。
トンネリング構造32は、例えば以下の構造を有する。
AlGaPSb(厚さ5nm)/GaInAs(厚さ2nm)/AlGaPSb(厚さ5nm)。
半導体レーザ11cの構造の例示。
発振波長(RMD):6マイクロメートル。
L0:概略的にn×6/(3X2)から求められて、10マイクロメートル(n=10、半導体の等価屈折率=3)。
エミッタ領域17の長さLE:4マイクロメートル。
コレクタ19の長さLC:3マイクロメートル。
分離溝の幅LG:1.5マイクロメートル。
単一モード条件:L0=n×RMD/2である。
半導体レーザ11cのために図示された構造は、長さL0の単位構造(第1構造)の3段接続を含む。接続段数の増加は、利得の増加(光出力の増大)及び単一モード性の向上になる。
Claims (7)
- 単極性のキャリアの光学遷移を用いる半導体レーザであって、
上面及び側面を有する発光領域を含み、基板の主面上において導波路軸の方向に配列された第1部分及び第2部分を有する半導体メサと、
前記半導体メサの前記第1部分において前記発光領域の前記上面及び前記側面上に設けられ第1導電性を有する第1半導体領域と、
前記半導体メサの前記第2部分において前記発光領域の前記側面上に設けられたコレクタと、
を備え、
前記発光領域は複数の量子井戸構造を含み、前記複数の量子井戸構造は、前記基板の前記主面に交差する第1軸の方向に配列され、
各前記量子井戸構造は、前記第1軸の方向に積層された井戸層及び障壁層を含み、
前記発光領域の前記上面は、前記第1軸の方向に交差し、前記発光領域の前記側面は、前記第1軸の方向に延在し、
前記第1半導体領域は、前記発光領域の前記上面及び前記側面を介して前記発光領域にキャリアを供給し、個々の前記量子井戸構造内のキャリアは、前記量子井戸構造におけるサブバンドの上位のエネルギー準位から下位のエネルギー準位への光学遷移により発光に寄与し、前記下位のエネルギー準位のキャリアは、前記発光領域の前記側面を介して前記コレクタに流れ込む、半導体レーザ。 - 各前記量子井戸構造は、前記井戸層である第1井戸層、第2井戸層、前記障壁層である第1障壁層、及び第2障壁層を含み、
前記第1障壁層は前記第1井戸層を前記第2井戸層から隔てており、
前記第1井戸層は前記第1障壁層を前記第2障壁層から隔てている、請求項1に記載された半導体レーザ。 - 前記第1障壁層の厚さは前記第2障壁層の厚さより小さい、請求項2に記載された半導体レーザ。
- 前記障壁層の一部又は全部に、ドーパントが添加されている、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載された半導体レーザ。
- 前記コレクタは、前記発光領域の前記側面上において前記第1軸の方向に延在する金属電極を含む、請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載された半導体レーザ。
- 前記コレクタは、前記発光領域の前記側面上に設けられ第1導電性を有する第2半導体領域を含む、請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載された半導体レーザ。
- 当該半導体レーザは、前記導波路軸の方向における基本構造の周期的な配列を含み、
各基本構造は、前記第1半導体領域及び前記半導体メサの前記第1部分と前記第2半導体領域及び前記半導体メサの前記第2部分を含み、
前記第1半導体領域と前記第2半導体領域とは、前記導波路軸の方向において交互に配置され、
前記第1部分と前記第2部分とは、前記導波路軸の方向において交互に配置される、請求項6に記載された半導体レーザ。
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