JPH03228380A - 半導体発光素子 - Google Patents

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】 （産業の利用分野） 本発明は光フアイバジャイロ、光ディスク等の光源とし
て有用な、インコヒーレント光を大きな強度と小さな放
射角で放射できるスーパールミネッセントダイオード（
以下ＳＬＤと呼ぶ）、及び光ディスク等の書き込み用の
レーザ（以下ＬＤと呼ぶ）光源、及び０ＥＩＣ等の光導
波回路と光ファイバとの結合を容易にするためのアライ
メント川レーザ光源と光導波路の０ＴＤＲ等の測定用の
スーパルミネッセントダイオードを同時に兼ね備え、軸
ずれ無しで交互に使用でき、容易に測定等ができる事を
特徴とした発光素子に関するものである。

（従来技術及び発明が解決しようとする課Ｂ）ＳＬＤは
大出力のインコヒーレント光を指向性良く放射すること
が出来、光導波回路の０ＴＤＲ等の測定用光源として使
用されている。しかし、その光出力には限度があり高出
力なピークパワーを放射するＬＤにはおよばない、した
がってそれぞれ固有の特性を持った２つの素子を、用途
にあわせて取り替えて使用してきた。これには位置合わ
せが取り替えの度に必要であり、従って取扱が煩雑であ
り、しかも装置が大きくなると言う欠点があった。

この様なことから２つ機能を持った素子が同じ場所から
軸ずれ無しで作用することが出来る素子の開発が期待さ
れ°ζいた。

本発明はこれらの従来素子の有する欠点を解決するため
に提案されたもので、ＳＬＤ、及びＬＤが同軸上に配置
されており、二つの電極に適当な電圧の印加あるいは電
流の注入によって、ＳＬＤとＬＤの発光を同一の光出力
端面から取り出すことを可能とし、よって高精度な光計
測用光源を供給可能とすることを目的とする。

（１題を解決するだめの手段） 上記の目的を達成するため本発明は活性層の上下を活性
層よりもバンドギャプエネルギが大きく、屈折率の小さ
いｐ形領域とｎ形領域の物質で挾んだ化合物半導体より
なるチャンネル形状の導波路型の埋め込み構造の半導体
発光素子においご、直線状の活性層と、この活性層に続
いてテーパ状に広げて形成された活性層とを有し、前記
活性層への電流注入の為の電極が２つ以上に分割されて
おり、直線状の活性層及びテーパ状の活性層のそれぞれ
の領域に前記電極により電流注入が行えることを特徴と
した半導体発光素子を発明の要旨とするものである。

（作　用） 本発明の発光素子はＳＬＤモードでは、ＦＰモード発振
を効果的に抑圧するため直線状の活性層（領域ｌ）に続
いて活性層幅を徐々にテーパ状に広げて形成しく領域２
）、領域ｌで発生した光を領域２でガイドすることなく
発散させる。この場合、領域２では零バイアスまたは逆
バイアスを加えて領域ｌで発生した光を領域２で吸収損
失を与えて高品質のＳＬＤ発光を得ることができる。ま
た、ＬＤモードでは領域１，２共に電流注入し°ζレー
ザ発振を得ることができる。

（実施例） 次に本発明の実施例について説明する。

なお実施例は一つの例示であゲζ、本発明の精神を逸脱
しない範囲で、種々の変更あるいは改良を行いうること
は云うまでもない。

第１図は本発明の半導体発光素子の第１の実施例、第２
図及び第３図は本発明の第２及び第３の実施例を示し、
夫々（ａ）は上面図、（ｂｌはストライブ方向Ａ−Ａ’
に沿う断面図、（Ｃ）はストライブに直角方向の断面図
を示す。

（実施例１） 第１図の実施例は発光波長１．５μｍ帯のＩｎＰ　／Ｇ
ａ１ｎＡｓＰ系材料による実施例である。この素子を得
るには、−回目の成長として、低温液相成長法（ＬＰＥ
　）及び気相成長法（ＶＰＥ！　、　ＭＯ−ＣＶＤ）又
は分子線エピタキシー（ＭＢＦ　）法等により、ｎ形Ｉ
ｎＰ基Ｆｉ１上にｎ形１ｎＰクラッド層２、ノンドープ
Ｇａ１ｎＡｓＰ活性層（λ：１．５、ｔｔｍＭＬ成）３
、ｐ形Ｇａ１ｎＡｓＰアンチメルトバック層（λ：１，
３、μｍ組成）４、ｐ形１ｎＰクラッド層５、ｐ形Ｇａ
１ｎＡｓＰ　ｉｉ電極層λ；１．１、ｕｍＷＡ成）６を
成長する０次に、ＲＦ２極スパンタまたはＣＶＤ法等に
よりＳｉｎｇもしくはＳｉＮ等のｇＩＷｉ電極層６の全
表面に形成した後、フォトエッチ技術により活性層を埋
め込むために＜１１０＞方向に沿って直線状にストライ
プ幅４〜５μｍ、長さ３００μｍ、続いて直線状のスト
ライプ幅からストライプ幅を徐々に広げ、最終的に３０
μｍ幅になるようにテーパ状に約２００　／／　ｍの長
さにわたり形成する。続い′ζ、このｓ＋ｏｚｆｌ膜も
しくはＳｉＮ薄膜をマスクとし゛ζ利用し、ブロムメタ
ノール４％エツチング液により電極層６、クラッド層５
、アンチメルトバック層４、活性層３、グランド層２の
各層を口形ｌｎＰ　Ｍ板ｌに達するまでエツチングし°
Ｃ１逆メサ状の積層体を形成する。

次に２回目の成長とし”ζＬＰＥにより、エツチングに
より取り除いた部分にｐ形１ｎＰ層７、及びｎ形１ｎＰ
層８の電流狭搾用埋め込み成長を行った。

こうして得たウェハの上面には＾ｕ−Ｚｎを蒸着してＰ
形オーミンク電極ｌＯを全面に形成し、又基板側には全
体の厚さが８０μｍ程度になるまで研磨した後、＾ｕ−
Ｇｅ−Ｎｉを蒸着し、ｎ形オーミック電極９を全面に形
成した０次に領域１　（２９０μｍ）と領域２（１９０
μｍ）の分離を行うためにフォトエッチ技術によりレジ
ストマスクを利用して、Ｋｌエツチング液によってｐ電
極ｌＯの一部を分離溝幅２０μｍにて取り除き、更に硫
酸系の選択エツチング液によって電橋層６をエツチング
して取り除き、領域ｌと２を分離した。こうして得た素
子の各層の構成は第１図の状態におい°ζ次の通りであ
り、各結昌層はＩｎＰの格子定数に合致している。

１；Ｓｎドープｎ形ｌｎＰ基板、厚さ８０．ｃｒｍ、キ
ャリア密度３　＊　ｌ　Ｏ”ｃｒｍ−’、ＥＰ口５＊１
０’ｃｓ”２；Ｓｎドープｎ形ｌｎＰクラッド層、厚さ
３μｍ、キャリア密度５　＊　ｌ　Ｏ”ｃｍ−’３　；
　ｎ　ＪＥ４ＧａｌｎＡｓＰ活性層、厚さ０．２μｍ、
ノンドープ ４　；　ｐ　１ＧａｌｎＡｓＰアンチメルトバック層、
厚さ０．１ａｍ、Ｚｎドープ、−１−ヤ’）　７　密１
ｆ１２　本１０　”ｃｍ−” ５；ｐ形１ｎｌ’　クラッド層、厚さ１．５７７　ｍ、
　Ｚｎ　Ｆ’　−プ、キャリア密度５　＊　１０　”ｃ
「コロ　；　Ｐ　ｌＧａ１ｎＡｓＰ電極層、厚さ０．５
μｍ、Ｚｎドープ、キャリア密度５　＊　ｌ　Ｏ”ｃｒ
ｍ−”７；ρ形１ｎＰｉｉｌ狭搾層、厚さ１．５μｍ、
Ｚｎドープ、キャリア密度１　＊　ｌ　Ｏ１７ｃｒ’８
；ｎ形１ｎＰ電流狭搾層、厚さ１．５μｍ、Ｓｎドープ
、キャリア密度１　＊　１０−７ｃＥ”この発光素子を
長さ５００μｍ、輻４００μｍのベレットに分割して、
Ａｕ−５ｎハンダによりヒートシンク上に基板を下にし
てマウントし、ｎ電極を共通とし、領域１と２にＡｕ線
によって配線した。

この素子の領域ｌに電流を注入して、電流、光出力特性
を測定したところ、２５°Ｃ連続動作において電流注入
にしたがって光出力は増加し、２００ｍＡにおいて発光
スペクトルの中心波長ｌ、５０μｍ、スペクトルの半値
幅が６０ｎｍのインコヒーレントな光出力２ｍＷを得る
ことができた。この状態はＳＬＤモードである。

次に領域ｌに５０ｍＡの一定電流を注入した状態で、領
域２に電流注入売行ったところ１００ｍＡで光出力が急
激に増加し、ＬＤモーＥ′が得られた。

２００ｍＡで発光スペクトルの中心波長１．５８μｍ、
発光スペクトルの包絡線の半値幅が８ｎｍのマルチモー
トなレーザ発振が得られ、この時出力はｌＯｍＷであっ
た。

この素子の領域ｌの光出射端面に０．２％のＡＲ膜を形
成し、反対側の端面領域２に反射率が９８％の高反射膜
を形成し、光出力特性を測定したところ、インコヒーレ
ント光の光出力は増加し、２００ｍＡにおいて５ｍＷを
得ることができた。

また、レーザ発振は２００ｍＡにおいて最大１５ｍＷを
得ることができた。

この素子からの発光をシングルモードファイバに結合し
、そのシングルモードファイバからの光出力をマルチモ
ードファイバに結合した。これはシングルモードファイ
バにより伝送された光をマルチモードファイバで組み上
げられた系へ導入する場合を想定したものである。シン
グルモードファイバと本素子との結合の際、問題となる
光軸調整はこの素子の画電極に電流を注入し、高出力な
ＬＤ光を用いることにより容易に行うことが出来た。マ
ルチモードファイバからの出力光は、この素子をＬＤモ
ードで使用した際にはモーダル雑音による強度雑音が観
測されたが、この素子の領域２へ逆バイアスをかけ、Ｓ
ＬＤモードとすることによりごのモーダルｇｆｉ＆を低
減することが出来た。

（実ｈ１例２） 第２図は発光波長０．８　ｔｔ　ｍ帯のＧａＡｓ　／　
Ａ　Ｉ　ＧａＡｓ系材料による本発明の実施例である。

この素子を得るには、実施例１と同様に種々の成長方法
が可能である。本実施例では一回目の成長としてしＰＨ
法により、ｎ形ＧａＡｓ基板上１２にｎ形ＧａＡｓバッ
フｙＪｉ１３、厚さ０．５　ｐ　ｍ、次にｎ形＾Ｎ　ｏ
、　２Ｓｃａｉ　６５＾Ｓクラッド層１４、厚さ１μｍ
１次にノンドープ＾ｌ　ｏ、　ｏｓＧａｏ、　９６＾Ｓ
活性層１５、厚さ０．２　ｕ　ｍ、次にρ形＾ｒ０．２
゜Ｇａ＠１゜Ａｓ光ガイド層Ｉ６、厚さ０．１０μｍ、
次にｐ形Ａ　ｌ　ｏ、　ＢＧａｏ。４５Ａｓクラッド層
１７、厚さ２μｍ、次にｐ形ＧａＡｓ電極１１１Ｂ、厚
さ０．５μｍを成長した。次に実施例１と同様の方法に
より埋め込み成長をするための逆メサ積層体を形成する
。次に、２回目の成長としＣ同じくＬＰＥにより、エツ
チングにより取り除いた部分にｐ形Ａ　Ｉ！　６．　ｚ
ｓＧａ＊、　４５Ａｓ層】９、及びｎ形Ａ　４１！　＃
、　２％Ｇａ・、　１ｓＡｓＦｉ２０の電流狭搾及び光
閉じ込め用の埋め込み成長を行った。なお９はｎ形オー
ミック電極、２１はｐ形オーミック電橿を示ず。こうし
て得た素子の各層の構成は第２図の状態において次の通
りであり、各結晶層はＧａＡｓの格子定数に合致してい
る。

１２　；　Ｓｉ　）−プロ形ＧａＡｓ基板、厚さ８０μ
ｍ、キャリア密度５本１０”ｃｍコ、ＥＰＤ５００ｃ１
１３；Ｓｉドープｎ形ＧａＡｓハソファ層、キャリア密
度１ｍ１０” １４；Ｓｉドープｎ形Ａ　Ｉ！０．３１Ｇａ＠、　６５
＾Ｓグラノド層、；トヤリア密度５１１０” １５　；　ｎ　Ｙ３Ａ　１　ｏ、　＠Ｓｃａ＠、　＊ｓ
Ａ４性層、ノンドープ１６　；　Ｉｎ形ドープＰ形Ａ　
ｌ　ａ、　ｚｏＧａｏ、　＠＊＾Ｓ光ガイド層、キャリ
ア密度５　＊　Ｉ　Ｏ”ｃｌＩ”１７　ＨＺｎ形ドープ
Ｐ形Ａ　ｌ　ｏ、　３ｓＧａｏ１ｓ＾Ｓクラット層キャ
リア密度５本１０”ｃｍ３ １８　；　Ｚｎ形ドープｐ形ＧａＡｓ電極層、キャリア
密度５本ＩＱｌ＃ｃｍ！ １９　；　Ｚｎドープρ形Ａ　ｌ　ｏ、　ｚｓＧａｏ、
　１ｓＡｓ埋め込み層、キャリア密度１１１０’フ ２０；Ｓｉドープｎ形Ａ　ｌ　ｏ、　ａｓＧａｏ、　１
ｓＡ３埋め込み層、キャリア密度１１１０” 素子各部のサイズは実施例１と全く同様である。

このようにし“ζ得たウェハはやはり実施例１と同様に
ｐ形オーミック電橿の形成、基板研磨、ｎ形オーミ、り
電極の形成を行った後に、フォトエツチング技術により
フォトレジストをマスクとして利用しに１エツチング液
及び選択エツチング液により電極分離を行った。その後
、ヒートシンク上にマウントし、電流−光出力特性及び
発光スペクトルを測定した。電極２１の注入電流の増加
と共に光出力も増加し、１５０ｍＡで１８ｍＷのインコ
ヒーレントな光出力を得ることが出来た。この時、電極
２２には逆バイアスを加えた。

次にｉｉｔ掻２１に５０ｍＡの一定電流を注入した状態
で、電極２２に電流注入を行ったところ８０ｍＡで光出
力が急激に増加してレーザ発振が起こり、１５０ｍＡで
３０ｍＷの光出力を得た。

また、この素子の光取り出し面にＡＲコート、裏面に高
反射膜を形成した素子はさらに、１．５〜３倍の光出力
が得られ、１５０ｍＡでインコヒーレント光４０ｍＷを
記録した０発光スペクトルは実施例１同様にＦＰモード
が抑圧された半値幅２０ｎｍのインコヒーレントな光出
力が得られ、発光中心波長は０．８３μｍであった。レ
ーザ発振の光出力は１５０ｍＡで最大５０ｍＷが得られ
た。

この素子を用いて光ディスクへのデータの書き込み及び
そのデータの読み取りを行った。データの書き込みには
画電極に電流を注入した高出力レーザ発振光を用いた。

これにより容易に光ディスクへのデータの書き込みを行
うことが出来た。またデータの読み取りには本素子の領
域２の電極に逆バイアスを加えＳＬＤモードとし、イン
コヒーレントな出力光を発生させて用いた。このインコ
ヒーレント光を用いることにより、反射光によるデータ
の読み取りエラーは発生しなかった。また、書き込み及
び読み取りの際のビームの光軸にずれはなかった。

（実施例３） 第３図は本発明の実施例３を示すもので、図においてｌ
はｎ形１ｎＰ基板、２はｎ形１ｎＰグラノド層、３はノ
ンドープＧａ１ｎＡｓＰ活性層、４はρ形Ｇａ１ｎＡｓ
Ｐアンチメルトバック層、５はｐ形１ｎＰクラノ］゛層
、６はｐ形Ｇａ１ｎＡｓ電極層、７はｐ形１ｎＰ電流狭
搾層、８はｎ形［ｎＰ電流狭搾層、９はｎ形オーミック
電極、ｌＯはＰ形オーミック電極、１１はＡＲ１１！、
２３は領域ｌ、２４は領域２．２５は分離溝、２６はフ
ォトダイオード、２７は分離溝を示す。

しかして実施例１の材料を用いた素子の製作に当たり、
第３図に示すように領域２の延長軸上にフォトダイオー
ドとして作用する素子を更に集積化した素子におい°ζ
はＳＬＤモート及びＬＤモードにおける動作時に、第三
の電極２６に逆バイアスを印可し°Ｃモニターとして使
用可能であり、ＳＬＤ及びＬＤそれぞれの動作時にモニ
タ光の出力をフィードバンクすることによっ°ζＡＰＣ
がかけられ光出力の安定化が達成できた。

又、実施例では波長１．　ｓ　＃　ｍ帯のｌｎＰ／Ｇａ
１ｎＡｓＰ系及びＧａＡｓ　／　ＧａＡ　Ｉ　Ａｓ系の
波長０．８３μｍの素子について説明したが、他の波長
域及びこの例とは異なる半導体を用いた発光素子につい
ても本発明が応用できる事は明かである。

更に埋め込み構造としては、■−Ｖ族単結晶エビタキャ
ル層で埋め込む構造のみに限らず、活性層を含むメサ構
造をポリイミド等の有Ｉ！！物質及び低融点ガラス等で
埋め込む構造も有用である。

なお、本発明はｎ形１ｎＰ基板を用いた例について説明
したが、ｐ形１ｎＰ　ＪＪ板を使用しても効果は同しご
あり、その場合には各構造においてｒＩ形領領域Ｐ領域
を入れ替えればよい。

又、実施例ではＢＨタイプの埋め込み形光光素子につい
て述べたが、ＶＳＢ、ＰＢＣ等の素子構造でも本発明が
応用できることは明らかである。

（発明の効果） 以上述べたごとく本発明によれば、直線状の活性層（領
域ｌ）に続いて活性層を徐々にテーパ状に広げ（ｗＩ域
２）直線部との屈折率差を可能な限り小さくし、直線部
で発生した光をテーバ部分でガイドすることなく発散さ
せ、光の吸収を効率良く行わせることにより全体の素子
長を短くしてＦＰモード発振を充分に抑圧するごとが出
来た。また、領域ｌと領域２を独立に電流注入させる構
造の採用によって領域２に領域１よりも多くの電流注入
を行うことによって領域２での利得を増加させることに
よりＦＰ七−ドのレーザ発振を得た。このため一つの素
子によって軸ずれ無しでＳＬＤスペクトルとＬＤスペク
トルが得られ素子の利用効率が大きくなり、装置の小型
化及び素子の生産性が向上する効果を有するものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図はＩｎＰ　／Ｇａ１ｎＡｓＰ系材料による本発明
の第１の実施例を示すもので、第２図はＡ　Ｉ　ＧａＡ
ｓ系材料による本発明の第２の実施例、第３図はＩｎＰ
／Ｇａ１ｎＡｓＰ系材料を用いた本発明の第３の実施例
を示すもので、図におい°ζ夫々（ａ）は上面図、（ｂ
）はストライプ方同断図、（Ｃ）は直線状のストライブ
に垂直力向の断面図を示す。 ｌｚｎ形１ｎＰ　、ｌＪ板、２：ｎ形ｌｎＰクラッド層
、３；ノンドープＧａ１ｎＡｓＰ活性層、４；Ｐ形Ｇａ
１ｎＡａＰアンチメルトバック層、５：ｐ形１ｎＰクラ
ッド層、６：ｐ形Ｇａ１ｎＡｓＰ電橿層、７：ｐ形Ｉｎ
Ｐ電流狭搾層、Ｂｚｎ形１ｎＰ電流狭搾層、９；ｎ形オ
ーミ。 り電極、１ｏｏｐ形オーミツク電極、１１：ＡＲｓ、ｔ
２：ｎ形Ｇ５Ａｓ基板、１３：ｎ形ＧｓＡＳハｙ　７ア
層、１４：ｎ形Ａ　Ｊ！　ＧａＡｓクラッド層、１５：
ノンドープＡ　Ｉ　ＧａＡｓ活性層、１６：ｐ形Ａ　Ｉ
　ＧａＡｓ光ガイド層、１７：ｐ形＾Ｉ　ＧａＡｓクラ
ッド層、１８：ｐ形ＧａＡｓ電極層、１９：Ｐ形＾ＲＧ
ａＡｓ埋め込み層、２０：ｎ形Ａ　ｅ　ＧａＡｓ埋め込
み層、２１：Ｐ形オーミック電極、２２：ｐ形オーミッ
ク電極、２３：領域ｌ、２４：領域２．２５：分離溝、
２６；フォトダイオード、２７：分離溝。 （ほか１名） 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 活性層の上下を活性層よりもバンドギャプエネルギが大
   きく、屈折率の小さいｐ形領域とｎ形領域の物質で挟ん
   だ化合物半導体よりなるチャンネル形状の導波路型の埋
   め込み構造の半導体発光素子において、直線状の活性層
   と、この活性層に続いてテーパ状に広げて形成された活
   性層とを有し、前記活性層への電流注入の為の電極が２
   つ以上に分割されており、直線状の活性層及びテーパ状
   の活性層のそれぞれの領域に前記電極により電流注入が
   行えることを特徴とした半導体発光素子。