JPH02188983A

JPH02188983A - 埋め込み構造半導体レーザ装置

Info

Publication number: JPH02188983A
Application number: JP932889A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Koizumi; 善裕小泉; Shigeo Sugao; 繁男菅生; Naotaka Kuroda; 尚孝黒田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-01-17
Filing date: 1989-01-17
Publication date: 1990-07-25

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、光通信等に利用される半導体レーザ装置に関
し、特に高抵抗半導体層を埋め込み層に用いた埋め込み
構造半導体レーザ装置に関する。

（従来の技術）光通信システムの大容量化、光通信ネットワークの高度
化が進められている。このようなシステムに使われる半
導体レーザ装置には低価格であること高速変調が可能で
あることが要求される。

高抵抗半導体層を埋め込み層に用いた埋め込み構造半導
体レーザは、一般に素子寄生容量が小さく、製造歩留り
が高い。高抵抗半導体層は深い準位を禁制帯中に形成す
る不純物を真性半導体に添加することにより得られるこ
とが知られている。

高抵抗半導体層を埋め込み層に用いた半導体レーザ装置
の従来例を第２図及び第３図に示す。

第２図はダブルヘテロ構造を逆メサ状、もしくは直方形
状のメサに加工し、メサの両脇を高抵抗半導体層で埋め
込んだ構造である（エイチ・テムキン（Ｈ，Ｔｅｍｋｉ
ｎ）ｅｔａｌ、“Ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ　ｄｉｓｔｒｉ
ｂｕｔｅｄ　ｆｅｅｄｂａｃｋｌａｓｅｒｓ　ｇｒｏｗ
ｎ　ｂｙ　ｈｙｄｒｉｄｅ　ｅｐｉｔａｘｙ”；アプラ
イドフイジックスレターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓ
ｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　）　５３（１３）　２６　Ｓ
ｅｐｔｅｍｂｅｒ　１９８８．ｐｐ　１１５６−１１５
８、あるいはティー・サナダ（Ｔ、５ａｎａｄａ）　ｅ
ｔａｌ、　”Ｐｌａｎａｒ−ｅｍｂｅｄｄｅｄＩｎＧａ
ＡｓＰ／ＩｎＰ　ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｌ
ａ５ｅｒ　ｗｉｔｈ　ａ　ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌｕｔｉ
ｎｇ　ＩｎＰ　ｃｕｒｒｅｎｔｂｌｏｃｋｉｎｇ　１ａ
ｙｅｒ　ｇｒｏｗｎ　ｂｙｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ　
ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｖａｐｏｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ
”　；アプライドフィジックス　レターズ（Ａｐｐｌｉ
ｅｄ　ＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ　）　５１　（１
４）、５０ｃｔｏｂｅｒ　１９８７．ｐｐ　１０５４〜
１０５６）。

第３図は、高抵抗半導体層を平坦なＮ型基板上にエピタ
キシャル成長した後、矢じり状の溝を化学エツチングに
より形成し、液相成長法により、矢じり状の溝内に三カ
月状の活性層をつくりつけた構造である。（ダブリュー
・エイチ、チェン（Ｗ、Ｈ，Ｃｈｅｎｇ）ｅｔａｌ、　
”Ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅ
ｒｌ、３ｐｍ　ＩｎＧａＡｓＰ　ｂｕｒｉｅｄ　ｃｒｅ
ｓｃｅｎｔ　１ｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｌａｓｅｒｓｗｉｔ
ｈ　ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ　ｃｕｒｒｅｎｔ
　ｂｌｏｃｋｉｎｇ　１ａｙｅｒｓ”　；アプライドフ
ィジックス　レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃ
ｓＬｅｔｔｅｒｓ　）　５１　（２２）　３０　Ｎｏｖ
ｅｍｂｅｒ　１９８７．　ｐｐ　１７８３〜１７８５　
）。

第２図に示した半導体レーザ装置においては、ダブルヘ
テロ構造形成のための結晶成長、及び埋め込み成長とも
に気相成長法が適用でき、生産性に優れている。また、
活性層の形状が平坦であり、単一軸モードで発振する分
布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）に応用すること
が可能である。しかしながら従来報告されている同構造
の半導体レーザ装置においては、外部微分量子効率がせ
いぜい２０％程度と低く、また、電流対光出力特性にお
いて光出力の飽和が著しく１．高出力特性を得ることが
できなかった。

また、第３図に示した半導体レーザ装置においては、高
い外部微分量子効率が得られているが、矢じり状の溝内
に液相成長法により活性層を形成するため、高い均一性
を得ることが難しく生産性に乏しい。また、活性層の形
状が平坦にならないため、同構造においては、分布帰還
型半導体レーザに応用することが難しい。

上述したように従来の高抵抗半導体層を埋め込み層に用
いた埋め込み構造半導体レーザ装置においては、高い生
産性、高い外部微分量子効率、分布帰還型第半導体レー
ザへ応用可能な、全ての条件を満足する埋め込み構造半
導体レーザ装置を得ることができなかった。

そこで、本発明の目的は、従来の技術の欠点を改善した
高抵抗半導体層を埋め込み層に用いた埋め込み構造半導
体レーザ装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段）前述の課題を解決するために本発明が提供する埋め込み
構造半導体レーザはＮ型半導体基板上に活性領域と当該
活性領域の禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅を有するクラ
ッド層が昌該活性領域をはさみ込んだダブルヘテロ構造
半導体レーザにおいて、当該活性領域の両脇が深い準位
を有する高抵抗半導体層で埋め込まれ、Ｐ型りラッド層
のアクセプタ濃度がＩ　Ｘ　１０１８［ｃｍ−”］以上
であり、Ｐ型りラッド層とＰ型コンタクト層を合わせた
厚みが２μｍ以下であることを特徴とする。

（作用）禁制帯幅中に深い準位を形成する不純物を半導体に添加
すると、キャリアが深い準位に捕獲され、高抵抗化する
ことが知られている。しかし、深い準位に捕獲されるキ
ャリアは、電子か正孔のいずれかであり、それは添加す
る不純物に依存することが知られている。例えば長波長
帯半導体レーザに使用されるガリウム・インジウム・ひ
素・燐／インジウム・燐（ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ）系
材料では、鉄（Ｆｅ）、が深い準位を形成する事が知ら
れ、鉄は電子を捕獲する深い準位を形成することが知ら
れている。従って第４図（ａ）に示すような半絶縁性半
導体層４２（ＳＩ）−Ｎ型半導体層４１のような積層構
造においては、電流が流れるために介在するキャリアは
電子のみであり、正電極に引かれた電子は高抵抗半導体
層の深い準位に捕獲されるゆえに電流はほとんど流れず
高抵抗化する。しかし、第４図（ｂ）に示すようなＰ型
半導体層４３−半絶縁性半導体層４２−Ｎ型半導体層４
１のような積層構造において正電極に引かれた電子は深
い準位に捕獲されるものの、Ｐ型半導体層から注入する
正孔は半絶縁性半導体層に捕獲されず、半絶縁性半導体
層中の深い準位が非発光再結合中心となり、電子と正孔
が容易に再結合する。したがって、Ｐ型半導体層−半絶
縁性半導体層−Ｎ型半導体層の積層構造において、電圧
を上げて正孔が半絶縁性半導体層へ注入されると容易に
電流が流れはじめ、Ｐ−Ｎ接合ダイオードによく似た電
圧対電流特性を示す。

第５図に半絶縁性半導体層５２を電流ブロック層とする
埋め込み構造半導体レーザの漏れ電流の経路を模式的に
示す。先に述べたようにＮ型半導体層５１−半絶縁性半
導体層５２の経路の漏れ電流■はわずかであり、Ｐ型ク
ラッド層５３−半絶縁性半導体層５２−Ｎ型クラッド層
５１の経路の漏れ電流■が支配的であることが本発明者
らの実験、及び計算から明らかとなった。

従来は、半絶縁性半導体層の臨界電圧を大きくとるため
に、半絶縁性半導体層の厚みを大きくとることと同時に
、コンタクト層の面積を広くしてコンタクト抵抗を低減
するために、メサの形状を逆メサ状にして２７９７１層
の厚みを厚くすることが行われていた［エイチ・テムキ
ン（Ｈ，Ｔｅｍｋｉｎ）ｅｔａｌ。

“Ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｆ
ｅｅｄｂａｃｋ　１ａｓｅｒｓ　ｇｒｏｗｎ　ｂｙｈｙ
ｄｒｉｄｅ　ｅｐｉｔａｘｙ”；アプライドフィジック
スレターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔ
ｔｅｒｓ　）　５３　（１３）　２６　Ｓｅｐｔｅｍｂ
ｅｒ１９８８、　ｐｐ　１１５６〜１１５８］。

また、２７９７１層からのドーパントの活性層や半絶縁
層への拡散を抑えるために、２７９７１層のアクセプタ
濃度を比較的低く設定することが行われていたティー・
サナダ（Ｔ、５ａｎａｄａ）　ｅｔａｌ、“Ｐｌａｎａ
ｒ−ドフィジックス　レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈ
ｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ　）　５１　（１４）、５０
ｃｔｏｂｅｒ　１９８７．ｐｐ　１０５４〜１０５６）
。

しかし、２７９７１層の厚みを厚くしたり、２７９７１
層のアクセプタ濃度を下げると、２７９７１層における
電圧降下は大きくなる。そして、Ｐ型クラッド層５３−
半絶縁性半導体層５２−Ｎ型クラッド層５１を通じて流
れる漏れ電流■は、２７９７１層における電圧降下及び
、Ｐ型クラッド層５３と半絶縁性半導体層５２の接触面
積に大きく依存することが本発明者らの実験により明ら
かとなった。第６図に２７９７１層のアクセプタ濃度Ｉ
　Ｘ　１０”［ｃｍ−３］、２７９７１層の厚みが３．
５ｐｍの場合の電流対光出力特性及び電圧対電流特性を
示す。第５図の漏れ電流■を（ｑ；電気素量、Ｖ出；レ
ーザのしきい値電流値における電圧値、馬；レーザのコ
ンタクト抵抗、Ｉｔｈ；レーザのしきい値電流、ｋ；ボ
ルツマン定数、Ｔ；絶対温度、ＩＬＯ；レーザのしきい
値電流における漏れ電流量）とおき、電流対光出力特性
にフィッティングすると、ＩＬｏ＝５ｍＡ、ｎ＝４．７
となり、このときの漏れ電流量を計算しなところ、第７
図に示すようになった。メサの高さを二分の−にし、２
７９７１層の厚みを二分の−にしたときの漏れ電流量の
計算結果を第７図に同時に示す。２７９７１層における
電圧降下の半減及び、Ｐ型クラッド層と半絶縁性半導体
層の接触面積の半減により著しく漏れ電流量が減少する
ことがわかる。一般に半絶縁性半導体層は薄くすると臨
界電圧は減少する。しかし、本発明らの実験によれば、
鉄（Ｆｅ）をドーピングしたインジウム燐の場合、１１
１ｍの厚みがあれば約４ｖまで半絶縁性半導体層は破壊
されない。通常半導体レーザにががる電圧はせいぜい２
ｖであり、２７９７１層を薄くした結果半絶縁性半導体
層が薄くなることは実用上問題ない。

以上述べたように、高抵抗半導体層を埋め込み層に用い
た半導体レーザにおいて、２７９７１層の厚みを薄くす
ることは、漏れ電流の低減に著しい効果を有する。これ
まで高抵抗半導体層を埋め込み層とする半導体レーザに
おいては、半絶縁性半導体層の臨界電圧を上げるために
２７９７１層、及び半絶縁性半導体層の厚さを厚くする
ことや、Ｐりラッド層からの不純物の拡散を抑えるため
に、アクセプタ濃度を下げる下げる（１×１０１８ｃｍ
−３未満）ことが行われており、Ｐクラッド層における
電圧降下により、大きな漏れ電流が生じていた。実施例
に述べるように、本発明者らは、従来と全く逆にＰクラ
ッド層のアクセプタ濃度を高＜　（Ｉ　Ｘ　１０１１０
ｌ８以上）、Ｐクラッド層の層厚を薄＜　（１，７ｐｍ
）　して、埋め込み構造半導体レーザを作製したところ
、漏れ電流量が著しく低減し、高効率、高出力動作する
埋め込み構造半導体レーザが得られた。

（実施例）次に本発明の実施例について図面を参照して説明する。

第１図は本発明の埋め込み構造半導体レーザ装置の一実
施例を示す断面図である。硫黄（Ｓ）ドーピングＮ型（
１００）インジウム燐（ＩｎＰ）基板１１上にハイドラ
イド気相成長法（ＶＰＥ）を用いて硫黄（Ｓ）ドープＮ
型インジウム燐ＩｎＰ層１２をｌｐｍ（ｎ＝ＩＸ１０１
８ｃｍ−３）、発光波長１．３］１ｍのバンドギャップ
を有するアンドープインジウムガリウムひ素燐（ＩｎＧ
ａＡｓＰ）層１３を０．１５ｐｍ、亜鉛（Ｚｎ）ドープ
Ｐ型インジウム燐（Ｉｎ、Ｐ）層１４を１．７１１ｍ（
Ｐ＝ＩＸ１０１８ｃｍ３）、亜鉛（Ｚｎ）ドープＰ型イ
ンジウムガリウムひ素（ＩｎＧａＡｓ）層１５を０．１
ｐｍ（Ｐ＝　Ｉ　Ｘ　１０１９ｃｍ−３）を順次エピタ
キシャル成長する。次にＣＶＤ技術により厚み約２００
ＯＡの５ｉ０２膜を堆積させ、フォトリソグラフィーと
化学エツチングにより＜０１１＞方向に５ｉ０２ストラ
イブマスクを３００μｍ間隔で形成する。次に化学エツ
チングにより、幅１．５μｍ、高さ２ｐｍのメサストラ
イプを５ｉ０２ストライブマスクをエツチングマスクに
して形成する。

次に、５ｉ０２ストライブマスクを残したまま、ハイド
ライド気相成長法により鉄（Ｆｅ）ドープインジウム燐
（ＩｎＰ）１６を厚み２μｍ選択埋め込み成長する。

５ｉ０２ストライブマスクを除去し、Ｎ型インジウム燐
（ＩｎＰ）基板１１を厚み約１２０μｍまで研磨した後
、Ｐ型半導体層表面及びＮ型半導体基板表面にそれぞれ
チタン（Ｔｉ）白金（ｐｔ）金（Ａｕ）及び金（Ａｕ）
ゲルマニウム（Ｇｅ）ニッケル（Ｎｉ）を形成し、アニ
ーリングして電極１０を形成して全プロセス工程を終了
する。

共振器長２５０ｐｍにへき開して得られた電流−光出力
特性及び電流−微分量子効率の相対値を第８図に示す。

２０°Ｃにおける発振しきい値電流は１７ｍＡ、片面外
部微分量子効率２８％であり、従来問題となっていた光
出力の飽和傾向も大きく改善された。その結果、最大光
出力として４２ｍｗが得られ、メサの高さが３．５μｍ
であるときの本発明者らの実験による従来の最大光出力
値２０ｍｗに比べ大きく改善された。

（発明の効果）以上に説明したように、本発明によれば、高い外部微分
量子効率、高い生産性、分布帰還型半導体レーザへ応用
可能ないずれの条件をも満足する高抵抗半導体層を埋め
込み層に用いた埋め込み構造半導体レーザを提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による埋め込み構造半導体レーザ装置の
一実施例の構造を示す断面図である。第２図及び第３図は半絶縁性半導体層を電流ブロック層
とする埋め込み構造半導体レーザ装置の従来例の構造を
示す断面図である。第４図は（ａ）半絶縁性半導体層−Ｎ型半導体層及び（
ｂ）ｐ型半導体層−半絶縁性半導体層−Ｎ型半導体層の
積層構造を説明するための断面図である。第５図は半絶縁性半導体層を電流ブロック層とする埋め
込み構造半導体レーザ装置の漏れ電流の経路を示した概
略図である。第６図は、Ｐ型クラッド層濃度１刈い８［ｃｍ−３］、
メサの高さが３．５１１ｍのときの電流対先出力特性、
及び電流対電圧特性の測定結果の図である。第７図は、第６図の電流−光出力特性及び電流−電圧特
性から計算した、Ｐクラッド層厚３．５ｐｍ及び１．７
５μｍのときの全注入電流Ｉ対漏れ電流ＩＬの関係を示
す図である。第８図は、本実施例で説明した埋め込み構造半導体レー
ザ装置の電流対先出力特性の測定結果を示す図である。１０・・・電極、１１・・・Ｎ型半導体基板、１２・・
・Ｎ型半導体層、１３・・・活性層、１４・・・Ｐ型ク
ラッド層、１５・・・Ｐ型コンタクト層、１６・・・半
絶縁性半導体層、２０・・・電極、２１・・・Ｎ型半導
体基板、２２・・・Ｎ型半導体層、２３・・・活性層、
２４・・・Ｐ型クラッド層、２５・・・Ｐ型コンタクト
層、２６−０．半絶縁性半導体層、３０・・・電極、３
］・・・Ｎ型半導体基板、３２・・・Ｎ型クラッド層、
３３・・・活性層、３４・・・半絶縁性半導体層、３５
・・・Ｐ型クラッド層、３６・・・Ｐ型コンタクト層、
４０・・・電極、４１・・・Ｎ型半導体基板、４２・・
・半絶縁性半導体層、４３・・・Ｐ型半導体層、５０・
・・電極、５１・・・Ｎ型半導体基板、５２・・・半絶
縁性半導体層、５３・・・Ｐ型クラッド層。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）Ｎ型半導体基板上に活性領域と、当該活性領域の
禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅を有するクラッド層が当
該活性領域をはさみ込んだダブルヘテロ構造半導体レー
ザにおいて、当該活性領域の両脇が、深い準位を有する
高抵抗半導体層で埋め込まれたことを特徴とする埋め込
み構造半導体レーザ装置。
（２）特許請求の範囲第１項記載の埋め込み構造半導体
レーザ装置において、Ｐ型クラッド層のアクセプタ濃度
が１×１０＾１＾８［ｃｍ＾−＾３］以上であることを
特徴とする埋め込み構造半導体レーザ装置。
（３）特許請求の範囲第１項あるいは第２項記載の埋め
込み構造半導体レーザ装置において、当該Ｐ型クラッド
層とＰ型コンタクト層を合わせた厚みが２μｍ以下であ
ることを特徴とする埋め込み構造半導体レーザ装置。