JPH07202321A

JPH07202321A - 光半導体装置

Info

Publication number: JPH07202321A
Application number: JP35105193A
Authority: JP
Inventors: Makoto Ohashi; 真大橋; Hideto Furuyama; 英人古山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-12-28
Filing date: 1993-12-28
Publication date: 1995-08-04

Abstract

(57)【要約】【目的】高利得で厚い活性層からなる活性領域を実現し
得る構造の光半導体装置を提供すること。【構成】複数のダブルへテロ構造が積層されてなる活性
領域１６と、ダブルヘテロ構造のヘテロ接合面に平行な
方向からキャリアを注入するための半導体電極層１８，
１９とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光半導体装置に係わ
り、特にダブルヘテロ構造を有する光半導体装置の改良
に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータなどの電子デジタルシステ
ムの高性能化には目覚ましいものがあるが、システムの
高集積化、高性能化に伴い、システムの各階層で信号遅
延、接続網の肥大化などの配線の問題が顕在化しつつあ
る。これらの問題は最近注目されている超並列システム
の性能を制限するほどにまでなってきており、従来技術
の見直しが迫られている。

【０００３】光インターコネクションは高速性、並列性
を有する光を信号伝送に用いることで、上記従来の配線
技術が直面している問題を解決しようとするものであ
る。光インターコネクション用の光源としては面型レー
ザが非常に有望であり、盛んに研究開発がなされてい
る。これは単一波長性に優れるとともに、円形狭出射ビ
ームが得られ、しかも、集積化も容易だからである。

【０００４】実際のシステムでは光源に加え、減衰した
信号光を直接増幅するアンプが必要となることが予想さ
れる。この場合、モードの結合や集積化を考慮すると、
面型アンプが最も効果的であると考えられる。

【０００５】しかしながら、面型アンプの研究や報告
は、面型レーザと比較して、全くといってよいほどな
い。また、実際のシステムにおいては、波長依存性の小
さいアンプが必須であるが、この条件を満たす進行波型
の面型アンプに関する報告は、現在までのところなされ
ていない。

【０００６】この理由は、従来技術では高利得の厚い活
性層が得られないからである。この理由は以下の通りで
ある。活性層へのキャリアの注入は、通常、ダブリヘテ
ロ構造のｐｎ接合を通して行なっている。高利得を実現
するには、活性層の深いとろまでキャリアを注入する必
要があるが、キャリアの注入される距離は拡散で制限さ
れ、その距離はμｍオーダーである。このため、活性層
を単に厚くしても、深いとろまでキャリアを注入でき
ず、高利得は実現されない。

【０００７】図９は、従来のダブルヘテロ構造（ｎ型ク
ラッド７３／ｐ型活性層７４／ｐ型クラッド層７５）か
らなる活性領域のバンドダイアグラムである。

【０００８】活性層の厚さが拡散長よりも十分に薄い場
合には、図９（ａ）に示すように、ｐ型活性層７４に電
子７１および正孔７２が高密度に蓄積される。

【０００９】しかし、ｐ型活性層７４が厚い場合には、
図９（ｂ）に示すように、少数キャリアである電子は活
性層の奥深くまでは注入されない。

【００１０】このような問題を解決するために、基板と
垂直な方向にダブルへテロ構造を構成するｐｎ接合を形
成し、基板と平行な方向からキャリアを注入する方法が
提案されている。

【００１１】しかし、活性層の基板に平行な方向の厚さ
や断面積がやはり拡散長で制限されるため、光と活性層
との重なり、つまり、実効的な利得を考慮すると本質的
な解決策にはならない。

【００１２】このように従来技術では、活性層を厚くし
ても高利得を実現できないが、このことは面型アンプの
実現を阻んでいる他に以下のような（１）〜（３）の問
題をも生じせしめている。（１）垂直共振器構造の面型レーザに関しては、上記理
由により活性層を基板と垂直な方向に厚くできない分、
共振器損失を極度に低減する必要がある。特に多層膜反
射鏡の膜厚に関しては厳しい制御が必要とされる。この
ため、製造コストの上昇や歩留まり、信頼性の低下が問
題となる。これは同様な構造を有する他の光半導体装置
についてもあてはまる。（２）ストライプ型レーザに関しては、活性層が薄膜状
になっているので、出射ビームが偏平化してしまう。こ
のことは光の高効率な結合を妨げるとともに、光学系を
複雑化し、コストの上昇を招いてしまう。これは他のス
トライプ型の光半導体素子についてもあてはまる。（３）ストライプ型レーザに関しては、更に、出射断面
積を大きくできない分、最大出力が制限されている。こ
のことは大出力を必要とする他の光半導体素子について
もあてはまる。

【００１３】また、従来技術では、ダブルヘテロ構造を
構成するｐｎ接合に垂直な方向、いわゆる、縦方向から
電流を注入しているので、これに起因する以下の（１
´）、（２´）の問題が発生する。（１´）半導体多層膜反射鏡を有する光半導体素子に関
しては、半導体多層膜反射鏡、特にｐ型の半導体多層膜
反射鏡により素子抵抗が増大してしまう。このため、価
電子帯に現れるヘテロパイクを低減するつくり付けの構
造や、結晶成長時に連続して形成できる半導体多層膜反
射鏡を避け、誘電体多層膜反射鏡を用いる等の新たな対
応策が必須となる。（２´）光の入力、あるいは出力を基板に垂直な方向に
行なう光半導体素子において、それら入出力を素子の上
面および下面から行なう場合、その両方の入出力端面に
電極の窓を開けなければならず、電流狭窄構造の複雑
化、プロセスの煩雑化を招いてしまう。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来のダ
ブルへテロ構造からなる活性領域にあっては、ダブルへ
テロ構造を構成する活性層を単に厚くしても、深いとこ
ろまでキャリアを注入できず、高利得化が困難であると
いう問題があった。このため、ダブルへテロ構造を用い
た面型アンプは実現されていなかった。また、ダブルへ
テロ構造のストライプ型レーザにあっては、出射断面積
を大きくできず、最大出力が制限されていた。

【００１５】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、高利得で厚い活性層か
らなる活性領域を実現し得る構造の光半導体装置を提供
することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の光半導体装置は、複数のダブルへテロ構
造が積層されてなる活性領域と、前記ダブルヘテロ構造
のヘテロ接合面に平行な方向からキャリアを注入するキ
ャリア注入手段とを備え、前記ダブルヘテロ構造を構成
するクラッド層は、前記ダブルヘテロ構造内のキャリア
密度が他の部分のそれより高くなるように形成されてい
ることを特徴とする。

【００１７】ここで、ダブルヘテロ構造とは、ある半導
体層（活性層）をそれよりバンドギャップエネルギーの
大きな半導体層（クラッド）で挟んだ構造を持ち、且つ
全体としてｐｎ接合あるいはｐｉｎ構造を構成している
ものであって、注入されたキャリアを高密度に蓄積でき
る構造を意味している。この場合、それぞれの半導体層
は単層である必要はなく、例えば、量子井戸など異なる
バンドギャップエネルギーを持つ複数の半導体層より構
成されていても良い。

【００１８】

【作用】本発明によれば、活性領域が複数のダブルへテ
ロ構造により形成され、且つダブルヘテロ構造内のキャ
リア密度面内で中央部のキャリア密度が他の部分のそれ
より高くなるように形成されているので、通常のダブル
ヘテロ構造が単数の場合に比べ、より厚い領域にわたっ
て高密度、且つ有効にキャリアを注入できるようにな
る。つまり、活性領域の実効的な厚さを拡大することが
できる。

【００１９】また、キャリアの注入はダブルヘテロ構造
の接合面に平行な方向から行なわれるので、例えば、活
性層の上部および下部に半導体多層膜反射鏡を設けて
も、従来のように、素子抵抗の上昇や、プロセスの煩雑
化は生じない。

【００２０】

【実施例】図１は、本発明の第１の実施例に係る面型レ
ーザの概略構成を示す断面図である。

【００２１】図中、１１はＩｎＰ基板を示しており、こ
の基板１１上には、ｉ型ＩｎＰバッファ層１２を介して
基板に格子整合する半絶縁性の半導体多層膜反射鏡１３
が形成されている。

【００２２】この半導体多層膜反射鏡１３上には、複数
のダブルヘテロ（ＭＤＨ）構造からなる活性領域１６が
形成されている。この活性領域１６の具体的な構造例を
図２に示す。

【００２３】図２（ａ）は、ｎ型クラッド層としてのｎ
型ＩｎＧａＡｓＰ層１４と、活性層としての第１のｐ型
ＩｎＧａＡｓＰ層１５₁、ｐ型クラッド層としての第２
のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層１５₂とからなるダブルヘテロ
構造が積層され，且つ隣接するダブルヘテロ構造のｎ型
ＩｎＧａＡｓＰ層１４が接合しているタイプの活性領域
を示している。

【００２４】図２（ｂ）は、第１のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ
層１５₁の代わりに、ｉ層（低濃度のｐ型ＩｎＧａＡｓ
Ｐ層）１０を用いたｐｉｎ構造の活性領域を示してい
る。

【００２５】図２（ｃ）は、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４
と、第１のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層１５₁（またはｉ層
９）、第２のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層１５₂とからなるダ
ブルヘテロ構造が積層され、且つ隣接するダブルヘテロ
構造のｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４とｐ型ＩｎＧａＡｓＰ
層１５₂とが絶縁層９を介して接合しているタイプの活
性領域を示している。

【００２６】ここで、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層１５₁のバ
ンドギャップエネルギーは、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１
４、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層１５１５₂のそれより小さく
なっており、電子がｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層１５₁に注入
されるようになっている。

【００２７】また、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層１５₁の厚さ
は、電子の拡散長程度以下となっており、高利得が達成
されるようになっている。

【００２８】更に、ダブルヘテロ構造のクラッド層であ
るｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層１５₂とｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層
１４とは、ダブルヘテロ構造内のキャリア密度が実質的
に均一になるように形成されている。

【００２９】なお、図２に示したタイプのほかに、図２
（ａ）〜（ｃ）を適宜組み合わせたタイプのものであっ
ても良い。また、最上層はｎ型半導層でも、ｐ型半導体
層でもよい。

【００３０】活性領域１６上には、半絶縁性の半導体多
層膜反射鏡１７が形成されている。活性領域１６、半導
体多層膜反射鏡１７の二つの部分（場合によっては半導
体多層膜反射鏡１３の一部またはすべてを含めた三つの
部分）は、リッジ状あるいは柱状になっている。そし
て、このリッジ状あるいは柱状領域側面には半導体電極
層１８，１９がそれぞれ被着されている。

【００３１】このように構成された面型レーザによれ
ば、活性領域１６が複数のダブルヘテロ構造から構成さ
れ、且つダブルヘテロ構造内のキャリア密度が実質的に
均一になるように形成されているので、通常の単数のダ
ブルヘテロ構造の場合に比べ、より厚い領域にわたって
高密度にキャリアを注入することができる。つまり、活
性領域の実効的な厚さを拡大することができる。

【００３２】更に、本実施例の面型レーザによれば、横
方向（ダブルヘテロ構造の接合面に平行な方向）から電
流を活性領域１６に注入できるので、半導体多層膜反射
鏡１３，１７のどちらにも電流は注入しておらず、半導
体多層膜反射鏡１３，１７に起因する高素子抵抗化や、
プロセスの煩雑化は生じない。

【００３３】更にまた、本実施例のＭＤＨ構造を構成す
る各クラッド層は、活性層とのバンドギャップ差を利用
して、活性層にキャリアを閉じ込めるだけではなく、電
子や正孔を、それを注入するキャリア注入層側から中央
部へガイドする役割も合わせ持つことができ、以下の問
題に対処できる。

【００３４】すなわち、活性領域の面積が大きくなる
と、一般に、キャリアは中央部へ注入され難くなり、光
の増幅（高利得化）が妨げられるが、クラッド層のシー
ト抵抗を端から中央部へ行くに従い減少するようにすれ
ば、換言すれば、ダブルヘテロ構造の中央部のキャリア
密度が他の部分のそれより高くなるように形成すれば、
キャリアを中央部にガイドできるようになる。

【００３５】中央部のシート抵抗は端部の０．８倍であ
れば良いが、この値は０．５倍以下にすることが望まし
い。

【００３６】同様な効果は、抵抗に面内分布をつけなく
ても、膜厚、ドーピングレベルを制御して、ｐ型クラッ
ド層のシート抵抗をｎ型クラッド層の１０倍以下にする
ことによっても達成される。この値はなるべく低いほう
が好ましく、具体的には３倍以下にすることが望まし
い。

【００３７】なお、半導体多層膜反射鏡１３，１７はそ
のどちらか一方、あるいはその両方を誘電体多層膜反射
鏡に置き換えることが可能であり、その場合にも本発明
の骨子であるＭＤＨ構造により構成された電流注入構造
は変更する必要が無く、同じ効果が得られる。

【００３８】更に、上記電流注入構造は、反転分布領域
の周期的な配置を考慮すると、分布反射型の面型レーザ
における整合利得構造や、分布帰還型レーザにも適用で
きる。

【００３９】図３は、本発明の第２の実施例に係る面型
レーザの概略構成を示す断面図である。また、図４は、
図３の面型レーザを上からみた平面図である。なお、以
下の図において、前出した図と同一符号は同一部分また
は相当部分を示しており、詳細な説明は省略する。

【００４０】本実施例の面型レーザが先の実施例のそれ
と異なる点は、活性領域１６の一方の側面に第１のキャ
リア注入層としてのｎ型ＩｎＰキャリア注入層２０、他
方の側面に第２のキャリア注入層としてのｐ型ＩｎＰキ
ャリア注入層２１を設けたことにある。

【００４１】ｎ型ＩｎＰキャリア注入層２０、ｐ型Ｉｎ
Ｐキャリア注入層２１は、図４に示すように、絶縁層８
によって電気的に分離されている。また、キャリア注入
層２０，２１の上面にそれぞれ金属電極２２，２３を設
けられている。

【００４２】このように構成された面型レーザでも先の
実施例と同様な効果が得られるのは勿論のこと、活性領
域１６がそれよりもバンドギャップエネルギーの大きな
ＩｎＰキャリア注入層２０，２１で挾持されているの
で、キャリアを有効に活性領域１６に閉じ込めることが
できる。

【００４３】また、ＩｎＰキャリア注入層２０，２１は
活性領域１６よりも屈折率が小さいので、光を効果的に
活性領域１６に閉じ込めることができる。

【００４４】更に、ＩｎＰキャリア注入層２０，２１は
活性領域１６から放射される光の波長に対して透明であ
るので、クラッド層としての機能も持つ。これによっ
て、光の導波時における損失を減少できるとともに、光
と活性領域１６との重なりが大きくなるので、闘値を低
減できる。

【００４５】なお、キャリア注入層は導電性を有し、活
性領域にキャリアを供給するためのものであるが、その
目的はキャリアの注入だけに限定されない。また、キャ
リア注入層は電流を流し得るために低比抵抗層であるこ
とが望ましい。

【００４６】図５は、本発明の第３の実施例に係る進行
波型の面型アンプの概略構成を示す断面図である。

【００４７】進行波型の面型アンプの場合、垂直共振器
構造の面型レーザの場合と異なり、共振器構造を抑える
必要があるので、活性領域の上部および下部の半導体多
層膜反射鏡の代わりに、誘電体反射防止膜２４，２５を
設けてある。

【００４８】本実施例によれば、活性層の実効的な厚さ
を大きでき、高利得の面型アンプを実現できる。

【００４９】更に、電極２２，２３は素子の上面に設け
られ、素子の下面に設ける必要がないので、素子の上下
面のマスクの位置合せなどが不要になり、プロセスの煩
雑化を回避できる。

【００５０】図６は、本発明の第４の実施例に係るスト
ライプ型レーザの概略構成を示す断面図である。

【００５１】ストライプ型レーザの場合、垂直共振器構
造の面型レーザの場合と異なり、活性領域１６の上部お
よび下部の半導体多層膜反射鏡は必要なく削除してあ
る。その代わりにストライプ方向の出射端面には反射鏡
（不図示）が備わり、これによって共振器構造が形成さ
れている。

【００５２】また、活性領域１６の下部には、半絶縁性
ＩｎＧａＡｓＰ系のクラッド層２６が設けられ、活性領
域１６の上部には、半絶縁性ＩｎＧａＡｓＰ系のクラッ
ド層が設けられている。このクラッド層２７上には、ｉ
型ＩｎＰ層２８が設けられている。

【００５３】このように構成されたストライプ型レーザ
でも先の実施例の面型レーザと同様な効果が得られるの
は勿論のこと、更に、光の出射端面の縦横比を１に近づ
けることができ、出射ビームの形状の対称性を高くでき
る。また、出射断面積を大きくできるのでそれだけ高出
力を得ることができる。

【００５４】図７は、本発明の第５の実施例に係わる面
型レーザの概略構成を示す断面図である。

【００５５】本実施例の面型レーザが第２の実施例のそ
れと異なる第１の点は、活性領域１６を構成するｐ型Ｉ
ｎＧａＡｓＰ層１４の代わりに、ＩｎＧａＡｓＰ系のｐ
型多重量子井戸層２９を用いたことにある。

【００５６】第２の点は、ｎ型ＩｎＰキャリア注入層２
０、ｐ型ＩｎＰキャリア注入層２１の代わりに、それぞ
れ、ｎ型不純物の拡散によって形成されたｎ型キャリア
注入層３０、ｐ型不純物の拡散によって形成されたｐ型
キャリア注入層３１を用いたことにある。

【００５７】このように構成された面型レーザでも第３
の実施例と同様な効果が得られるのは勿論のこと、本実
施例の場合、キャリア注入層を不純物拡散によって形成
しているのでその領域の量子井戸層２９はディスオーダ
ー化され、キャリアの閉じ込めと光ガイドの機能を持つ
ようになる。

【００５８】図８は、本発明の第６の実施例に係る面型
レーザの概略構成を示す断面図である。

【００５９】本実施例の面型レーザが第２の実施例のそ
れと異なる点は、活性領域１６からのキャリアのオーバ
ーフローを低減するために、ｐ型キャリア注入層２１と
活性領域１６との間に薄いＩｎＡｌＡｓ層３３を挿入し
たことにある。

【００６０】このように構成された面型レーザによれ
ば、第２の実施例と同様の効果を奏する以外に次のよう
な効果も得られる。

【００６１】すなわち、ＩｎＡｌＡｓ層２７を挿入した
ことで、伝導帯におけるヘテロ障壁を大きくとることが
でき、これによって、電子を有効に活性領域１６に閉じ
込めることができ、しきい値のさらなる低減化が図れ
る。

【００６２】なお、キャリアのオーバーフローを低減で
きるものであれば、ＩｎＡｌＡｓ層２７以外のものを用
いても良い。

【００６３】本発明は上記実施例に限定されるものでは
なく、例えば、以下のように変形して実施例できる。（１）上記実施例では、活性領域１６のｐ型ＩｎＧａＡ
ｓＰ層１５₁のバンドギャップエネルギーがｎ型ＩｎＧ
ａＡｓＰ層１４のそれより小さく、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ
層１５₁がキャリアの閉じ込め領域（活性層）になる場
合を考えたが、両者の役割は逆でもかまわない。（２）ＭＤＨ構造を形成する材料は、ＩｎＧａＡｓＰ／
ＩｎＰ系材料に限られるものではなく、他の材料系、例
えば、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系材料や II-VI族半導体
を用いても良い。（３）活性領域を構成するｐ型半導体層，ｎ型半導体層
の形状は平行平板状でなくても良い。（４）上記実施例では、面型レーザ、ストライプ型レー
ザ、面型アンプの場合について説明したが、本発明は、
他のダブルヘテロ構造を有する光半導体装置、例えば、
ＬＥＤ、変調器などにも適用できる。

【００６４】なお、本明細書の記述に用いた平行，垂
直，縦，横といった方向を表わす言葉は、基板を基準に
した表現であり、おおよその方向を示したもので、これ
はあくまで便宜的なものであり、本発明と同様な効果が
得られる限り、その方向は変更してもかまわない。

【００６５】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施できる。

【００６６】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、活
性領域が複数のダブルへテロ構造からなり、且つダブル
ヘテロ構造内のキャリア密度が実質的に均一、またはダ
ブルヘテロ構造の中央部のキャリア密度が他の部分のそ
れより高くなるように形成されているので、通常のダブ
ルヘテロ構造が単数の場合に比べ、より厚い領域にわた
って高密度、且つ有効にキャリアを注入できるようにな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る面型レーザの概略
構成を示す断面図

【図２】活性領域の具体的な構造例を示す断面図

【図３】本発明の第２の実施例に係る面型レーザの概略
構成を示す断面図

【図４】図３の面型レーザを上からみた平面図

【図５】本発明の第３の実施例に係る進行波型の面型ア
ンプの概略構成を示す断面図

【図６】本発明の第４の実施例に係るストライプ型レー
ザの概略構成を示す断面図

【図７】本発明の第５の実施例に係わる面型レーザの概
略構成を示す断面図

【図８】本発明の第６の実施例に係る面型レーザの概略
構成を示す断面図

【図９】従来の活性層の問題点を説明するためのバンド
ダイアグラム

【符号の説明】

１１…ＩｎＰ基板１２…ｉ型ＩｎＰバッファ層１３…半導体多層膜反射鏡１４…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層１５₁，１５₂…ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層１６…活性領域１７…半導体多層膜反射鏡１８，１９…半導体電極層（キャリア注入手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のダブルへテロ構造が積層されてなる
活性領域と、前記ダブルヘテロ構造のヘテロ接合面に平行な方向から
キャリアを注入するキャリア注入手段とを具備してな
り、前記ダブルヘテロ構造を構成するクラッド層は、前記ダ
ブルヘテロ構造内のキャリア密度が他の部分のそれより
高くなるように形成されていることを特徴とする光半導
体装置。