JPH0353582A - 高抵抗半導体層埋め込み型半導体レーザ - Google Patents

高抵抗半導体層埋め込み型半導体レーザ

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JPH0353582A
JPH0353582A JP18955089A JP18955089A JPH0353582A JP H0353582 A JPH0353582 A JP H0353582A JP 18955089 A JP18955089 A JP 18955089A JP 18955089 A JP18955089 A JP 18955089A JP H0353582 A JPH0353582 A JP H0353582A
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隆宏 中村
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北村 光弘
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    • H01S5/22Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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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) 本発明は高速変調可能な高抵抗半導体層埋め込み型半導
体レーザに関する. 《従来の技術》 高度情報化社会の構築に伴い、光通信システムの大容量
化、通信ネットワークの高度化が進められている.光通
信システムの大容量化に有力な1つの手段として変調速
度の高速化が挙げられる.光源を超高速変調して高速化
を図った光通信システムにおいては、高遠応答に優れた
半尋体レーザが要求される. 半導体レーザの活性領域にのみ電流を有効に閉じ込め、
屈折率差により光も活性領域に有効に閉じ込めるための
埋め込み層として、近年、半導体中の深い準位を利用し
た高抵抗半導体層を用いる技術が注目され盛んに研究・
開発されている.高抵抗半導体層を埋め込み層に用いた
半導体レーザでは、p − n接合電流ブロック層を活
性領域への電流狭窄に用いていないので、寄生容量が小
さく高速変調が可能となる. 高抵抗半導体層を埋め込み層に用いた半導体レーザの従
来!flJ造例は、第7図に示すように、半導体基板4
0上に形成された第1のクラッド層41と第2のクラッ
ド層43で挟まれたストライプ単の活性層42の両側を
電子あるいは正孔を捕獲1る深い準位を有する高抵抗半
導体層44で埋め交み、電流を有効に活性層に注入しよ
うとするもCである.図において、45はコンタクト層
、46は絶縁膜、47と48は電極を示す. (発明が解決しようとする課!) 上述した従来の技術では、電流ブロック層に之いて電子
あるいは正孔のいずれか一方のみを捕狽する半絶縁性半
導体層(Sl)が使われているCでp / S I /
 n梢造の部分でダブルインジエクションによるp層か
らのホール電流が流れ、活性弥域以外を流れる漏れ電流
となり、しきい値電流C上昇、外部微分量子効率の低下
、最大出力の低下という半導体レーザの特性の劣化を招
いていた.このため、従来の技術では、高抵抗半導体層
を電流ブロック層に用いた高性能な半導体レーザを得る
ことが困雑であった, 本発明の〔1的は上記従来技術の欠点を改善し、高速変
調可能な高抵抗半導体層埋め込み型半導体レーザを提供
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の高抵抗半導体層埋
め込み型半導体レーザは、半導体基板上に、一導電型の
第1のクラッド層、活性層、前記第1のクラッド層とは
反対導電型の第2のクラッド層を少なくとも含む2重へ
テロS遣半導体レーザであって、前記活性層を含むスト
ライプ状のメサと、このメサの両側に設けられた電流ブ
ロック層を有し、前記電流ブロック層が少なくとも電子
を捕獲する深い準位を有する半絶縁性半導体層および正
孔を捕獲する深い準位を有する半絶縁性半導体層を含む
.また上記′f!:h流ブロック層の電子を捕獲する深
い準位を有する半絶縁性半導体層はn型半導体層とのみ
接し、正孔を捕獲する深い準位を有する半絶縁性半導体
層はp型半g#体層とのみ接するように形成される. (作用) 第5図(a)は、p型半導体層、深い電子捕獲準位を有
する半絶縁性半導体層、n型半導体層を接触し、順方向
バイアス電圧をかけたときのエネルギーバンド図である
.また、第5図(b)は、P型半導体層、深い正孔捕′
Wt準位を有する半絶縁性半導体層、n型半導体層を接
触し、順方1−バイアス電圧をかけたときのエネルギー
バンド図である. 従来の高抵抗半導体層埋め込み型半導体レーザでは、p
型クラッド層と高抵抗半導体層とn型クラッド層が直接
つながっており、半導体レーザ駆動時には、順方向にバ
イアス電圧がかけられるので、第5図(a)ないしは(
b)に示すエネルギーバンド図と等価になる. このため、深い電子捕獲準位を有する半絶縁性半g#体
層の場合は、p型クラッド層と半絶縁性半樺体層の界面
付近において電子と正孔が再結合し、再結合電流が流れ
る.また、深い正孔捕m*位を有する半絶縁性半導体層
の場合は、n型クラッド層と半絶縁性半導体層の界而イ
号近において電子と正孔が再結合し、再結合電流が流れ
る。
一方、第6図(a)には上述本発明の梢戒における電流
ブロック層のエネルギーバンド図が示されている. n聖クラッド層から注入される電子は、深い電子捕獲準
位を有する半絶縁性半導体層により捕獲され、P型クラ
ッド層から注入される正孔は深い正孔捕獲準位を有する
半絶縁性半導体層により捕獲されるため電子と正孔の再
結合が抑制される.また、第6図(b)には上記電流ブ
ロック層のエネルギーバンド図が示されている. 深い電子捕獲準位を有する半絶縁性半導体層がn型半導
体層で囲まれているので、半絶縁性半導体層の深い準位
に捕獲された電子に正孔が再結合することはない。また
、深い正孔捕獲準位を有する半絶縁性半導体層はp型半
導体で囲まれているので、半絶縁性半導体層の深い準位
に捕獲された正孔に電子が再結合することはない.更に
、深い電子捕獲準位を有する半絶縁性半導体層と深い正
孔捕獲準位を有する半絶縁性半導体層の間に挿入された
n型半導体層とp型半導体層は、広い面積で接している
が、n型半導体層は、n型クラッド層もしくはn型基板
と半絶縁性半導体層を挟んでいるため電子がn型半導体
層に供給されることはなく、一方、ρ型半募体層はp型
クラッド層またはp型キャップ層と半絶縁性半導体層を
挟んでいるので正孔がP型半導体層へ供給されることは
なく、このp−n結合において電流が流れることはない
. 以上述べたように、本発明による高抵抗層埋め込み型半
導体レーザにおいては、漏れ電流が殆どなく活性層にお
いて注入電流が有効に光に変換されるため、低しきい値
電流、高い外部微分量子効率、高い光出力を期待するこ
とができる.(実施例) 次に本発明について図面を参照して説明する.第1図は
本発明の一実施例を示す断面図である.本実施例におい
ては、長波長系材料である燐化インジウム(InP)系
材料の例について説明する.本梢遣の半導体レーザは次
の工程を経て得られる.まず、(100)面の出た硫黄
(S)ドーピングn型1nP基板11上に有機金属気相
戒長法(MOVPE)を用いて、シリコン(Si)ドー
ピングn型1nP層18 [n=IX10”cm−’]
を厚さ1μm.発光波長1.55μmのバンドギャップ
を有するインジウム・ガリウム・ひ素・燐( I nG
aAs P)活性層19を厚さ0.15μm、亜鉛(Z
n)ドーピングp型1nP120[P=IX10”cm
−’]を厚さ1.5μm、Znドーピングp型1 nG
aAsPコンタクト層1 7 [p=I X 1 0”
cm−’]を厚さO.’Bzm、それぞれ連続的にエビ
タキシャル或長ずる.次に、CVD技術およびフォトリ
ソグラフィーの手法により、<011>方向に厚み約2
000人、幅2μmのS i O 2ストライプ状マス
クを300μm間隔で形成する.その後、化学エッチン
グによりp型1nGaAsPコンタクト層17、p型I
nP層20,InGaAsP活性層19、n型1nP層
18をメサストライプの高さが3.5μmになるように
エッチングする.さらに、Slo2ストライグ状マスク
を残したまま、メサストライプの凹部分に鉄(Fe)ド
ーピング高抵抗InP層12を厚さ1.5μm、チタン
(Ti)”ドーピング高紙抗InP層15を厚さ2.0
μmをMOVPEにより全体が平坦になるように選択エ
ビタキシャル成長する,Stowストライプ状マスクを
弗化アンモニウムにより除去した後、全体の厚さが12
0μm程度になるまで研磨し、p型半導体側、およびn
型半導体基板側の電極10を真空蒸着法により形成し、
アニーリングした後、個々の半導体レーザにへき開分離
し、全加工を終了し、第1図に示す半導体レーザが出来
上がる. 第2図〜第4図には、上記した電流ブロックの電子捕獲
のための半絶縁性半導体層をn型半導体層とのみ接し、
正孔捕獲のための半絶縁性半導体層をP型半導体層との
み接するように構成された実施例の断面図が示されてい
る. 第2図に示す半導体レーザは次のようにして得られる.
即ち、(100)面の出たSドーピングn型1nP基板
11上にMOVPEを用いて、Si ドーピ・ングn型
1nP層18[n=IX1 0 ”c m−’]を厚さ
1μm、発光波長1.55μmのバンドギャップを有す
るI nGaAsP活性層19を厚さ0.15μm,Z
nドーピングp型1nP層20 [p=IX10”cm
−’]を厚さ0,1μm、それぞれ連続的にエビタキシ
ャル戒長ずる. 次に、CVD技術およびフォトリソグラフィーの手法に
より、<011>方向に厚み約2000人、幅2μmの
S i 0 2ストライプ状マスクを300μm間隔で
形或する.その後、化学エッチングにより厚み0.1μ
mのp型1nP層20、I nGaAsP活性層19、
n型1nP層18をメサストライプの高さが1.5μm
になるようにエッチングする. さらに、Si02ストライプ状マスクを残したまま、メ
サストライプの凹部分にFeドーピング高抵抗InP層
12を厚さ1.5μm,Siドーピングn型1nP層1
3 [n=4xlO”cm−’]を厚さ0.4,un,
ZnドーピングP型1nP層14 [p=7X10l7
cm−’]を厚さ0.4μm、TIドーピング高抵抗I
nP層15を厚さ1.2μmMOVPEにより選択エビ
タキシャル成長する,SiO2ストライプ状マスクを弗
化アンモニウムにより除去した後、厚さ0.1μmのp
型InP層20上、およびTiドーピング高抵抗InP
層15上に厚さ2.5μnのZnドーピングp型1nP
層16 [p=7x10”cm−’]を表面が平坦にな
るようにMOVPEによりエビタキシャル成長し、続い
て、ZnドーピングP型I nGaAsPコンタクト層
17[p=IX1 () le c m − * ]を
厚さ0.5μmMOVPHによりエビタキシャル成長す
る. 最後に全体の厚さが120μm程度になるまで研磨し、
ρ型半導体側およびn型半導体基板開のtlilOを真
空蒸着法により形成し、アニーリングした後、個々の半
導体レーザにへき開分離し、全加工を終了し、第2図に
示す半導体レーザが出き上がる. 次に第3図に示す半導体レーザは次のように得られる.
まず、(100)面の出たZnドーピングp型InP基
板21上にMOVPEを用いて、Znドーピングp型1
 .n P層23 [p=IX1 0 ”C m−’]
を厚さ1 μm,発光波長1.55μmのバンドギャッ
プを有するI nGaAsP活性層l9を厚さ0.15
μm,Siドーピングn型1nP層24 [n=1xl
018cm−’]を厚さ0.1μm、それぞれ連続的に
エビタキシャル或長する. 次に、CVp技術およびフォトリソグラフィーの手法に
より、<011>方向に厚み約2000人、幅2μmの
S i 0 2ストライプ状マスクを300μm間隔で
形成する.その後、化学エッチングにより厚み0.1μ
mのn型1nP層24、InGaAsP活性層19、p
型InPM23をメサストライプの高さが1.5μmに
なるようにエッチングする. さらに、SiO2ストライブ状マスクを残したまま、メ
サストライプの凹部分にT1ドーピング高抵抗InP層
15を厚さ1.5μm,Znドーピングp型1nP層1
4 [p=7xlO”cm−”]を厚さ0.4am,S
iドーピングn型1nP層13 [n=4X10”cm
−”]を厚さ0.4,um、Feドーピング高抵抗In
P層12を厚さ1.2μm,MOVPEにより選択エビ
タキシャル成長する,stowストライプ状マスクを弗
化アンモニウムに・より除去した後、厚さ0.1μmの
n型InP層24上、およびFeドーピング高抵抗In
P層12上に厚さ2.5μmのSiドーピングn型In
P層18 [n=IX10”cm−’]を表面が平坦に
なるようにMOVPEによりエビタキシャル成長し、続
いて、Siドーピングn型I nGaAsPコンタクト
層22 [n=IX1 0 ”c m−j]を厚さ0.
5um,MOVPEによりエビタキシャル成長する. 最後に全体の厚さが120μm程度になるまで研磨し、
P型半導体側、およびn型半導体基板開の電極10を真
空蒸着法により形成し、アニーリングした後、個々の半
導体レーザにへき開分離し、全加工を終了し、第3図に
示す半導体レーザが出来上がる. なお、第2図と第3図に示す実施例において、Feドー
ピング高抵抗InP層12とp型InP16.20.2
3のメサの部分が接している場合およびT iドーピン
グ高抵抗InP層15とn型InP層18.24のメサ
部分が接している場合も含まれる. 次に第4図に示す半導体レーザを得るための工程を説明
する.まず、<100)面の出たSドーピングn型1n
P基板11上にMOVPBを用いて、siドーピングn
型InP層18[n=lx1 0 ”c m−’]を厚
さlμm、発光波長1.55μmのバンドギャップを有
するInGaAsP活性層19を厚さ0.15μm,Z
nドーピングp’JInP層20 [p=IXIO”c
m−’]を厚さl .5,um,Znドーピングp型1
 nGaAsPコンタクト層17 [p=IX10”c
m−’]を厚さ0.5μm、それぞれ連続的にエビタキ
シャル成長する. 次に、CVD技術およびフォトリソグラフィーの手法に
より<011>方向に厚み約2000人、@2μmのS
 1 0 xストライプ状マスクを300μmWi隔で
形成する.その後、化学エッチングによりp型1 nG
aAsPコンタクト層17、p型InP層20、I n
GaAsP活性層19、n型InP層18をメサストラ
イプの高さが3.5μmになるようにエッチングする. さらに、Siftストライプ状マスクを残したまま、メ
サストライプの凹部分に鉄(Fe)ドーピング高抵抗I
nP層12を厚さ1.5μm、S1ドーピングn型1n
P層13[n=4X1 0 ”c m−’]を厚さ0.
4μm,Znドーピングp型1nP層14 [p=7X
10I7cm−’]を厚さ0.4μm、チタン(Ti)
ドーピング高低?InP層15を厚さ1.2ttmをM
、OVPEにlより全体が平坦になるように選択エビタ
キシャル成長する.Sin2ストライプ状マス・クを弗
化アンモニウム■により除去した後、全体の厚さが12
0μm程度になるまで研磨し、p型半導体側、およびn
型半導体基板開の電極10を真空蒸着により形成し、ア
ニーリングした後、個々の半導体レーザにへき開分離し
、全加工を終了し、第4・.図に示す半導体レーザが出
来上がる. 以上に説明した高抵抗半樺体層埋め込み型半導体レーザ
をInP系長波長半導体レーザに適用すれば、活性層以
外を流れる無効電流が殆ど無く、p−n接合をブロック
層に用いたVSB型(V−grooved Subst
rate Buried Heterostructu
re laserS)やDC−PBH型(Double
 Channel Planar Buried He
terostructure Lasers)と同程度
の10mA前後のしきいM電流、および30%前後の片
面外部微分量子効率が得られる. 更に、厚さ2〜3μmの高抵抗半導体層を電流ブロック
層に用いているゆえ、寄生容量は、4〜5PFで、数ギ
ガビット毎秒(Gb/sec)クラスの光通信システム
用光源として実用的に十分使用できる. なお、上述の実施例においては、基板を半絶縁性半導体
にしても実現可能であり、また、材料系をGaAs系に
しても実現可能であり、DFB(Distribute
d Feed Back)にしても実現可能であり、活
性領域を量子井戸構逍にしても実現可能である. (発明の効果) 以上詳細に説明したように、本発明は、電子および正孔
を別々に半絶縁性半導体層の深い準位にトラップしてい
るので低しきい値電流、高い外部微分量子効率、超高速
変調特性を有する高抵抗半導体層埋め込み型半導体レー
ザを実現できる効果がある. 更に、本発明では、深い電子トラップ準位を有する半絶
縁性半導体層はn型半導体層で囲み、深い正孔トラップ
準位を有する半絶縁性半導体層はP型半導体層で囲んで
いるので漏れ電流を防ぎ、低しきい値電流、高い外部微
分量子効率、超高速変調特性を実現できる効果がある.
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による高抵抗半@体埋め込み型半導体レ
ーザの一実施例のm遺を示す断面図、第2図〜第4図は
本発明による高抵抗半導体層埋め込み型半導体レーザの
他の実施例の構造を示す断面図、第5図(a)はn型半
導体層、深い電子トラ゛■ツ゛プ準“位を有する半絶縁
性半導体層、p型半導体層が接し、これに順バイアスが
がけられたときのバンド#I造を示す図、第5図(b)
はn型半導体層、深い正孔トラップ準位を有する半絶縁
性半導体層、p型半導体層が接し、これに順バイアスが
かけられたときのバンド#I造を示す図、第6図(a)
はn型半導体層、深い電子トラップ準位を有する半絶縁
性半導体層、深い正孔トラップ準位を有する半絶縁性半
導体層、P型半導体層が接したときのバンド#l造を示
す図、第6図(b)はn型半導体層、深い電子トラップ
準位を有する半絶縁性半導体層、n型半導体層、p型半
導体層、深い正孔トラップ準位を有する半絶縁性半導体
層、p型半導体層が接したときのバンド梢造を示す図、
第7図は従来の高抵抗′r4流ブロック層を有する半導
体レーザの梢造を示す断面図である.10・・・電極、
11・・・n型InP基板、12・・・Feドーピング
高抵抗InP層、13・・・n型InP層、1 4 ・
・p型1nP層、15・TIドーピング高抵抗1nP、
1 6 ・p型1nP層、1 7 −= p型1nGa
AsPコンタクト層、1 8 ・n型InP層、19・
 InGaAsP活性層、2 0 ・P型InP層、2
 1−p型1nP基板、22・・・n型I nGaAs
P:Fンタクト層、2 3−p型InP層、24・・・
n型1nP層、40・・・半導体基板、41・・・第1
のクラッド層、42・・・活性層、43・・・第2のク
ラッド層、44・・・高抵抗半導体層、45・・・コン
タクト層、46・・・絶縁膜、47・・・電極、48・
・・電極. 」 第3図 8己L’港位 第5図(Q) よ1L 第5図 (b) 第6図 (CI) 正孔 第6図 (b)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)半導体基板上に、一導電型の第1のクラッド層、
    活性層、前記第1のクラッド層とは反対導電型の第2の
    クラッド層を少なくとも含む2重ヘテロ構造半導体レー
    ザであって、前記活性層を含むストライプ状のメサと、
    このメサの両側に設けられた電流ブロック層を有し、前
    記電流ブロック層が少なくとも電子を捕獲する深い準位
    を有する半絶縁性半導体層および正孔を捕獲する深い準
    位を有する半絶縁性半導体層を含むことを特徴とする高
    抵抗半導体層埋め込み型半導体レーザ。
  2. (2)前記電流ブロック層の電子を捕獲する深い準位を
    有する半絶縁性半導体層はn型半導体層とのみ接し、正
    孔を捕獲する深い準位を有する半絶縁性半導体層はp型
    半導体層とのみ接するように形成されて成ることを特徴
    とする請求項1記載の高抵抗半導体層埋め込み型半導体
    レーザ。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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