JPH0423366A - スーパールミネッセンスダイオード - 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】 （産業上の利用分野） 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、大キな強度と小さい放
射角で放射できるスーパールミネッセンスダイオードに
関するものである。特に従来の発明に係わるものよりも
、レーザ発振を抑制する上で重要となる唆収領域側の反
射率低減に関して構造上大きな特徴を有する。

（従来の技術） 活性層端面から大出力のインコヒーレント光を取り出せ
るスーパールミネッセンスダイオードでは、外部からの
電流注入により活性層内に利得を生じさせ、更に活性層
内で発生した光をファブリペローモードでレーザ発振さ
せることなく、ストライプ方向に増幅する。従ってファ
ブリベローモ−ドによるレーザ発振を抑圧することが重
要である。活性層の光導波路としての特性、あるいは素
子全体のサイズや電気特性は半導体レーザーダイオード
とほとんど同様に考えられるため、電流の高注入下でも
ファブリペローモードを抑えるためには、素子端面での
光の反射率を可能な限り低減することが重要となる。こ
のため、端面の無反射コート、非励起領域の設置、端面
の斜めエツチング、端面埋め込みによる窓構造等の各種
対策が実施され、有効な効果を実現してきた。

従来のスーパールミネッセンスダイオードの一例として
、第６図に示すように、吸収領域に曲り導波路１２を設
置し、吸収領域端面と曲り導波路との交差角（θ）を臨
界角以上に設計した構造が提案されている（永井他、Ａ
ｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔｅｒｓ　５４゜ｐ、１
７１９〜１７２１．１９８９）　、　Ｌ、かし活性領域
の導波光を吸収領域の曲り導波路へ伝搬させるためには
、曲り導波路の曲率半径（Ｒ）を５００ｎ以上とする必
要がある。そのため、吸収領域端面と曲り導波路との交
差角を臨界角以上とするためには、吸収領域長として２
００ｆｌ以上が必要と成る。一方、スーパールミネッセ
ンスダイオードの高出力化には活性領域長を長くとる必
要があり、上記タイプにおいては４００ｆｌとなってい
る。このようにスーパールミネッセンスダイオードは、
通常の半導体レーザの３００ｎ長に比べて倍の素子長を
有することになり、１枚の２インチ基板において作製で
きる素子数は半導体レーザと比べて半分となってしまう
。

更にスーパールミネッセンスダイオードはその使用用途
を考慮すると、低温においてもレーザ発振が抑制される
必要がある。現状では一３０℃程度の使用環境ではレー
ザ発振が生じる場合が多い。

この傾向は特に１．５５Ｊｌｌ帯の素子において、顕著
となる。これは現状の素子端面での反射率低減がまだ不
十分なためと考えられる。これにより高出力なインコヒ
ーレント光源としてのスーパールミネッセンスダイオー
ドの使用環境が、素子によって制限されていた。

（発明が解決しようとする課Ｒ） 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
になされたもので、吸収領域長の短小化を図ると共にそ
れに伴う吸収領域側の反射率低減を実現する素子構造を
提案し、高出力の得られるインコヒーレントな光源とし
て低温環境においてもレーザ発振の抑制されたスーパー
ルミネッセンスダイオードを提供し、もって高精度な光
計測用光源を供給可能にすることを目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するため、本発明は半導体基板上に活
性層の上下を活性層よりも大きなバンドギャップエネル
ギを有しかつ屈折率の低いｐ型物質とｎ型物質のクラッ
ド層で挟むことにより導波路構造を形成した積層体を構
成要素とし、電流注入の可能な電極を有した励起領域と
して機能する該積層体と、電極を有しながらも電流注入
を行わないもしくは電極を有しない吸収領域として機能
する該積層体との２つの積層体がタンデムに結合して構
成されているスーパールミネッセンスダイオードにおい
て、励起領域と吸収領域との結合部での活性層幅が 励起領域の活性層幅〈吸収領域の活性層幅なる関係を満
足することを特徴とするスーパールミネッセンスダイオ
ードを発明の要旨とするものである。

（作用） 本発明によればスーパールミネッセンスダイオードにお
いて、励起領域と吸収領域との結合部で吸収領域の活性
層幅を励起領域よりも広げて、吸収領域端に向かってそ
の活性層幅を一定に保持するかまたは狭めていくことに
より、−層充分な吸収領域側の反射率低減を行い、低温
に於けるレーザ発振を抑制することができる。

励起領域と吸収領域との結合部で吸収領域の活性層幅を
励起領域よりも広げ、吸収領域端に向かってその活性層
幅を一定に保持するかまたは狭めていく素子構成は、こ
れまでのスーパールミネッセンスダイオードにおいて全
く試みられていない素子構成である。

（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
一つの例示であって、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言うまでも
ない。

第１〜４図は、本発明による素子構造を表したものであ
る。

第１図は励起領域と吸収領域との結合部で吸収領域の活
性層幅を励起領域よりも広げて、吸収領域端に向かって
その活性層幅を狭めていく場合である。ここでは導波路
はその中心を通る軸に関して対称となっている。この場
合は吸収領域での導波構造が活性層幅方向に対して無く
なるため、吸収領域方向に対して伝搬して来た光は近似
的にガウスビームとして広がる。そしてテーバ状に狭め
られた導波構造のために、ガウスビームとして広がった
光の一部は放射モードとして導波路より逃げるとともに
、マルチモードが励震される。そのため、吸収領域端面
で反射された光が励起領域へ戻って来る割合は、シング
ル横モード導波路とマルチ横モードの反射光との結合と
なるため結合効率が低減され、吸収領域側の反射が低減
される。

その上に吸収領域には電流が注入されていないので、吸
収損失が大きい。これらの相乗効果により吸収領域側の
反射率が充分に低減される。

第２図は第１図の吸収領域側端面に窓構造をタンデムに
結合した場合である。この窓領域の効果で吸収領域側端
面から放射された光強度分布が全体的に拡散されるため
、吸収領域側の反射率は一層低減される。

第３図は、第１図の吸収領域部の導波路のテーバを導波
路軸に対して非対称にしたものである。

この場合は、第１図の説明で述べた反射率低減の要素の
他に更に次の効果が加味される。吸収領域でガウスビー
ム状に広がった活性層幅方向の伝搬光が、非対称なテー
バ状に狭められた導波構造のために吸収領域端と斜めに
交差することになる。

このために伝搬光の一部が吸収領域端で反射される際に
放射モードとして逃げていく、更にこの交差角を臨界角
以上に設定することにより、吸収領域中を伝搬してきた
光は全反射してしまい、励起領域側には理論的には光が
戻らないことになる。

吸収領域側の反射は第２図の場合に比べて一層低減され
る。

第４図は、第３図の吸収領域側端面に窓構造をタンデム
に結合した場合である。（ａ）は上から見た図、（ｂ）
は（ａ）図においてのＡＢでの断面図、（Ｃ）は（ａ）
図においてのＣＤでの断面図である。この場合は窓構造
の導入により、伝搬光が吸収領域端面と臨界角以下の交
差角でも反射率が十分に低減することができる。

図において１はｎ形１ｎＰ基板、２はｎ形１ｎＧａＡｓ
Ｐ光ガイド層（１，３ｍ組成）、３はノンドープＩｎ、
ＧａＡｓＰ活性層（１，５ｎ組成）、４はｐ形ＩｎＰク
ラッド層、５はｐ形１ｎＧａＡｓＰ電極層（１，１ｎｍ
成）、６はｐ形ＩｎＰ層、７はｎ形ｆｎＰ層、８はＰ形
オーミック電極、９はｎ形オーミック電極、１０は反射
防止膜を示す。

本発明のスーパールミネッセンスダイオードの作製は、
１回目の成長法として液相成長法（ＬＰＥ）、あるいは
気相成長法（ＭＯＣＶＤ）あるいは分子線エピタキシ法
（ＭＢＥ）などにより、ｌＯｎ形１ｎＰ基板上に２のｎ
形１ｎＧａＡｓＰ光ガイド層（１，３ｎ組成、厚さ０．
１ｎ）、３のノンドープＩｎＧａＡｓＰ活性層（１，５
７１１組成、厚さ０．１５ｎ）　、４のｐ形１ｎＰクラ
ッド層（厚さ１．５ｎ）、５はｐ形１ｎＧａＡｓＰ電極
層（１，ｌ趨組成、厚さ０．５ｎ）を連続成長する。

次に、第５図に示すようにスパッタ法又はＣＶＤ法等に
よりＳｉＯ□もしくはＳｉＪ＜の薄膜を全表面に形成す
る。その後活性層を埋め込むために、フォトエツチング
技術を用いてこの薄膜を＜１１０＞方向に沿って幅４ｎ
、長さ４ｏｏｎの励起領域と励起領域との結合部で幅（
＝Ｖ、＋Ｖｔ＋Ｖ４）を６ｎまで広げ、端面に向かって
幅が直線的に狭くなり、他方の端面で幅Ｖｓ−２ｍに形
成された長さ５０１ｒｍの吸収領域を作製する。この時
に吸収領域側の端面での導波路の位置は、励起領域側の
導波路に比べて軸方向に８ｊ！ｌだけずれたような非対
称な構成となっている。このＳｉＯ□もしくは５ｉＪａ
の加工された薄膜をマスクとし、ブロムメタノール２．
５％溶液により、基板に達するまでエツチングして逆メ
サ状の積層体を形成する。この時に窓ＭＭｔ部も同時に
エツチングされている。

更に続いて２回目の成長としてＬＰＥまたはＭＯＣＶＤ
法により、エツチングにより取り除いた部分にＰ形Ｉｎ
Ｐ層６、及びｎ形１ｎＰ層７の電流狭窄用埋め込み成長
を行った。

こうして得たウェハの上面にＡｕ−Ｚｎを蒸着して、ｐ
形オーミック電極８を全面に形成した。基板側は全体の
厚さが８Ｏｎ程度になるまで研磨した後、Ａｕ−Ｇｏ−
Ｎｉを蒸着し、ｎ形オーミック電極９を全面に形成した
。

窓領域長を２Ｏｎとなるようにウェハのへき開を行った
後、ｐ−サイドアップで台形のダイヤモンドヒートシン
クにマウントし、励起領域端面には反射防止ＩＩＩ（反
射率０．１％以下）１０を施す。

実際に作製された素子は、励起領域の長さ４００ｎ、吸
収領域の導波路部の長さを５Ｏｎ、窓領域長を２Ｏｎと
し、Ｗ＋−２ｎ、Ｗｚ−８ｎ、Ｗｘ＝Ｏｎ。

Ｗ＜　−６ｎであった。この素子ではフォトエツチング
により、逆メサ状となるので活性層片側１ｎずつ計２１
のサイドエツチングが入る。従って導波路部の実際の作
製後の幅は、マスク設計幅より２ｆｌ狭くなっている。

同一ウェハより作製された本構造によるＳＬＤは、−３
０℃において電流４０〇−Ａを注入してもレーザ発振の
抑制された良好なＳＬＤ特性を歩留り８０％と従来に比
べて非常に高い確率で得られ、２００ｍＡ注入時の室温
ＣＷ光出力として６Ｉｌｈが得られた。また発光波長は
バンドフィリングの影響により短波長側にシフトし１．
４Ｅｌｎ中心であり、発光スペクトル半値幅は３Ｏｎ−
であった。

尚、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基板を使用しても効果は同じであり、
その場合は各構造においてｎ影領域とｐ影領域を入れ替
えれば良い、また実施例では、埋メ込みへテロ構造（Ｂ
Ｈ）タイプについて述べたが、他の二重チャンネル埋め
込みへテロ構造（Ｄ　ＣＰ　Ｂ　Ｈ）等のタイプでも同
様の効果が得られる。

更に上記説明においてはＩｎＰ系について行ったが、他
の半導体材料（ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ系等）を用いた
場合においても本発明が応用できることは明らかである
。

（発明の効果） 叙上のように本発明によれば、スーパールミネッセンス
ダイオードにおいて、励起領域と吸収領域との結合部で
の活性層幅が 励起領域の活性層幅〈吸収領域の活性層幅なる関係を満
足することにより、吸収領域長が従来に比べて約１／３
程度に短くでき、なお且つ低！ＩＭ境においてもレーザ
発振の抑制されたスーパールミネッセンスダイオードを
作製することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明の実施例を示すもので、第４
図（ａ）は上面図、Φ）は（ａ）図においてＡＢ線に沿
う断面図、（Ｃ）は（ａ）図においてＣＤ線に沿う断面
図、第５図は寸法例を示し、第６図は吸収領域に曲り導
波路を設けた従来のスーパールミネッセンスダイオード
の一実施例の上面図を示す。 ｌ・・・ｎｙｆ３ＩｎＰ基板 ２−ｎ形ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層（１，３ｎ＆ｕ成）
３・・・ノンドープＩｎＧａＡｓＰ活性層（１，５ｎ組
成）４・・・ｐ形１ｎＰクランド層 ５・−−ｐ形ＩｎＧａＡｓＰ電極層（１，Ｉｎ組成）６
・・・ｐ形１ｎＰ層 ７・・・ｎ形１ｎＰ層 ８・・・ｐ形オーミック電極 ９・・・ｎ形オーミンク電極 １０・・・反射防止膜 Ｉ２・・・曲り導波路 特許出願人　　日本電信電話株式会社 代理人　弁理士　　高　山　敏　夫（外１名）第 図 第 図 第３図 第 図 （ｂ） 第 図 マス７級ｓ１トム 埼１イエＬ （ｐｍ） 第 図 瑞社剣Ｉ人 吸収劇■べ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板上に活性層の上下を活性層よりも大き
   なバンドギャップエネルギを有しかつ屈折率の低いｐ型
   物質とｎ型物質のクラッド層で挟むことにより導波路構
   造を形成した積層体を構成要素とし、電流注入の可能な
   電極を有した励起領域として機能する該積層体と、電極
   を有しながらも電流注入を行わないもしくは電極を有し
   ない吸収領域として機能する該積層体との２つの積層体
   がタンデムに結合して構成されているスーパールミネッ
   センスダイオードにおいて、 励起領域と吸収領域との結合部での活性層幅が励起領域
   の活性層幅＜吸収領域の活性層幅 なる関係を満足することを特徴とするスーパールミネッ
   センスダイオード。
2. （２）請求項１記載のスーパールミネッセンスダイオー
   ドにおいて、 吸収領域の活性層幅が、吸収領域の励起領域と結合され
   ていない端面に向かうにつれ一定もしくは狭められるこ
   とを特徴とするスーパールミネッセンスダイオード。