JPS601874A - 制御電極付半導体発光装置 - 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】 える制御電圧による高速変調機能を備えた。半導体レー
ザ装置を含む半導体発光装置に関するものである・従漏
嘩導体発光素子の発光出力の□変調法としては、注入電
流を変調する直接変調法が最も広く用いられて来た。し
かし、直接変調法においては、半導体発光素子の活性層
内に存在する電子、正孔の数を変調することによって発
光量あるいは光波に対する増幅利得係数を制御するため
、スイッチングに要する時間は。

必然的に活性層に注入された電子、正孔の再結合時間程
度となる。具体的には、誘導放出による光増幅と光に対
する帰還を利用した半導体レーザの場合で、数百ｐ　ｓ
ｅａ　、光増幅と帰還を利用しない、たんなる半導体発
光素子の場合には。

数ｎ　ｓｅｃの時間が、スイッチングに際して必要とな
る。直接変調法のほかに、半導体レーザの場合には、モ
ード−同期法あるいはＱスイッチング法によって、より
短いスイッチング時間が実現されるが、複雑な外付は共
振器を必要とする等の難点がある。

本発明は、このような従来の半導体発光素子の難点を数
滴しようとするもので、活性層内のπＬ子および正孔の
数を一定に保ったま＼で、制御電極に加える電圧により
、活性層内の電子およびｉＥ孔の空間分布を変化させる
ことにより。

発光量２発光波長および光波に対する増幅利得係数の高
速変調が可能な半導体発光装置を提供するものである。

以下１本発明に係わる半導体発光装置の原理を、第１図
を参照して詳細に説明する。第１図の様な横置で、一対
の電極６の間に一定の１！圧を加と影領域４から正孔が
、ｎ影領域５から′「［ｊ子が、それぞれ活性層１に注
入されている状態で、制御電極３に何らの電圧も加えら
れていない場合には、電子および正孔は活性層内の同一
・空間を占めるため５通常の半導体発光素子と同様に、
！子と正孔は再結合するため１通常の発光量および光波
に対する増幅利得係数を期待しうる。一方、電極６に電
圧を加えたま＼で一対の制御電極３に互いに逆極性で、
大きさがほぼ等しい電圧を印加すると、活性層１内に注
入された電子と正孔は空間的に分離して存在することに
なる。例えば、第１図の制御電極３のうち上側のものに
正極性の電圧を加え、制御電極３のうち下側のものに負
極性の電圧を加えると。

クラッド層２が絶縁性のものである時には、制御′＃電
極３に加えた互いに逆極性の電圧がもとになって生じる
クラッド層２内のほぼ大きさのつけられる。この時、活
性層１の禁制帯幅をクラッド層２のそれに比べて充分小
さくなるようにしておけば、電子および正孔が、電界に
よってクラッド層内に引き出されることを防ぐことが出
来る。また、互いに逆極性で大きさがほぼ等しい電界に
より、電子と正孔が分極されるため、活性層１内の電子
あるいは正孔の全数は。

制御電極３に電圧が加えられず、従って、クラッド層２
内に電界が存在しな（０場合の活性層ｌ内の電ｒあるい
は正孔の全数にほぼ等しい０すなわら、電子、正孔の全
数をほぼ一定に保ったま＼で、電子と正孔を活性層内で
分極させることが可能であり、その分極の結果、電子と
正孔の空間的な重なりが小さくなって１発光量およ０・
光波に対する増幅利得係数が小さくなる。まｒｔ＋、ｈ
の例で云えば、電界の影響で、活性層１σ）Ｌ部では、
Ｎ子に対する電位が、下部では正孔に対する電位が各々
低下するため、互いに逆極性の制御電圧を制御電極３に
加えることにより、実質的に活性層上の禁制帯幅が低下
するため１発光波長および光波に対する利得係数は長波
長側に移動する。同様のことは、制御電極３のうち−１
−側のものに負極性の、制御電極３のうち−Ｅ側のもの
に正極性の電圧をそれぞれ加えた場合にも起りうる。す
なわち、この場合には。

ｊ」１１えた電圧により７電子は活性層ｌ内の下側に。

正孔は、活性層コ内の上側に引きつけられ、やはり空間
的に分離されることになって、−ヒに述べたと同様の結
果を招くことになる。これ迄の説明で明らかなように１
本発明の装置においては、活性層］内の電子、正孔の全
数を一定に保ったま＼で１発光量、光波に対する増幅利
得係数および発光波長を制御できるため、電子、正孔の
数の変化でもって、これらを制御する通常の半導体発光
素子と異なり、電子と正孔の再結合時間でスイッチング
速度が制限されることはない。本発明の半導体発光装置
の場合、スイッチング時間は、活性Ｍｌ内で電子と正孔
が分極したり、逆に分極した状態から均一な分布に戻る
に要する時間で決まる。この時間は活性層ｌの厚さが、
後に述べるごとく、充分薄く数１００Å以下の場合には
、１ｐｓｅｃあるいはそれ以下の値となるため、極度の
高速変調特性を期待できる。この場合、有意な動作のた
めには、活性層１の厚さｔには、上限値と下限値が存在
する。

すなわち、クラッド層２に存在しうる電界強度には、物
質の絶縁破壊強度で決まる上限値Ｅ。

がある。従って、電磁気宇によれば、クラッド層２に電
界が存在しない状態で、活性層内に均一に存在する互い
に等しい体積密度ｎ　＝　ｐの電子および正孔を、電界
により活性層内で、充分分極するには９次の条件が満さ
れる必要がある０すなわち。

ｔ〈−工　（１） こ＼に、εは、クラッド層２の誘電率、ｅは電子電荷で
ある。例えば通常、充分強力な発光出層２がＧａＡｌＡ
ｓ系結晶の場合には、Ｅｍは約５×１０５Ｖ／ａｍ　、
クラッド層２の比誘電率は約１０程度であるため、（１
）式より、活性層厚ｔは、約２８０Å以下でなければな
らない。一方、電子と正孔が分極させられた時、量子力
学的な効果のため、これら電子および正孔は、数１０人
程度の波動的な拡がりを持つ。従って、活性層１の厚さ
ｔは、数１０Å以上でないと、有意寿特性を期待しえな
い０ 本発明に係わる半導体発光装置の動作原理に第２２巻１
９８３年、１月号ｐｐ、Ｌ２２〜Ｌ２４の「ｑｕａｎｔ
ｕｍ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　５ｉｚｅ　Ｅｆｆｅｃｔ
　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ＬｉｇｈｔＳｏｕｒｃｅｓ　
−Ａ　Ｎｅｗ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｓｅｍ１ｃ
ｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｌａ５ｅｒｏｒ　Ｉ＋ｉｇｈｔ　Ｅ
ｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｅｖｉｃｅ　ｊと顧する論文に発表
されている〇 以上のように本発明に係わる半導体発光装置が有意な動
作をするためには、活性層１の厚さｔは数１０人〜３０
０人の範囲でなければならず。

この値は、電子、正孔に伺随する量子力学的な波動関数
の波長と同程度になる。そのため活性層１内の電子、正
孔の振舞いは、必然的に量子力学的なものとなる。なお
、上に述べた活性層の厚さｔに対する条件は、特許請求
の範囲３）。

４）および実施例３，４に述べる装置のごとく。

複数の活性層から成る装置の場合には複数の活性層厚の
総和に対して成り立つものと解釈されるべきことは明ら
かである。

本発明はこれまでの発明の詳細説明 かなように，構成半導体材料の種類によるものではない
。ＧａＡｌＡｓ系，　ＧａＡＩＡｓＳｔ）糸，　ＧａＡ
ｌＡｓＰ系，　ＧａＡＳＰ糸，Ｉｎ（ＪａＡｓＰ系をは
じめとする■一Ｖ族化合物半導体はもとよりＰｂＳｎＴ
ｅ系等の■一〜ｑ族化合物半導体など半導体レーザおよ
び発光１子用材料として知られた広範な材料系に適用し
うる。

次にＧａＡｌＡｓ系を例にして本発明の具体的寿実施例
について説明する。

実施例１ 第２ａ図は本発明の実施例１における半導体発光装置の
斜視図であり，第２ｂ図は第２ａ図の中央一点鎖線ＡＡ
ｌに沿って切断した断面構造である。ここで１１はＧａ
Ａｓ層で活性層に対応し，　１２け半絶縁性Ｇ　ａ　□
ｘ　Ａ　１ｘＡ　ｓ　（例えばＸ−０、８）で第１のク
ラッド層に対応し，１３け半絶縁性Ｇａ，一ＸＡｌｘＡ
ｓ　（例えばｘ＝Ｑ。８）で第２のクラノド領域に対応
し，　１４と１５は一対の制御電極に対応し，特に下部
Ｎ極１５は製作の都合上高濃度にｎ形不純物をドープし
たＧａＡｓ層であってもよい。このことは以後説明する
他の実施例においても同様である。またｌ６はＰ−Ｇａ
よ一アＡ　１　ｙ　Ａ　ｓ　（例えばｙ＝＝　０．４　
）で第３のクラノド領域に対応し，　１７はｎ　Ｇ　ａ
　□−ｙＡ　ｌ　ｙ　Ａ　ｓ（例えばｙ−０、４）で第
４のクラノド領域に対応し・　ｌ８は正電極，１９は負
電極，　２０は半絶縁性ＧａＡｓ基板である。さらに、
１２および１３の半絶縁性Ｇ　ａ　１、ＡｌｘＡｓ層は
，それぞれ１２をＰ　Ｇｌｌｌ−ＸＡｌｘＡ８層，１３
を”　Ｇ　ａ　ｘ　ｘ　Ａ　ｌ　ｘ　Ａ　８層でおきか
えてもよ（、１１．１２および１３で構成されるｐ　−
　ｎ接合が順バイアスされない範囲内で使用すればよい
。このことも以後説明する実施例２でも同様である。

この実施例１における半導体発光装置は，以後説明する
他の実施例のものと同様に，液相１各半導体層を成長す
ることかでき，これらの技術は当業界では周知である。

当業者には，明らかなように実施例１の各層の導電形は
逆にしてもよく，このことは以後説明する他の実施例で
も同様である。

比抵抗１０　Ω・ｃｍ以上の半絶縁性ＧａＡｓ基板２Ｑ
の一ＬＫ通常のホトレジスト工程により，帯状の窓を持
ったホトレジスト膜を形成する。この窓を通して基板２
０をエツチングして帯状の凹表面を形成する。エツチン
グする深さは，例えば、０．５μｍ，四部の幅は，１．
５μｍである。

次に，この凹部に，１０１８ｃｍ−３以上のｎ形不純物
，例えばＳｎを含んだＧａＡｓを成長きせ，再び平担な
形状にする。ついで、基板２ｏおよび下部？Ｉｔ４ｉｔ
？とじてのｎ形ＧａＡｓ　１５の上に，層１３。

１１、１２を連続成長する。各層の厚さは，例えば０．
５　〜１　μｍ　、１００人，　０．５　〜１　μｍで
ある。

この際，特定の不純物をドープせずに各層を成長させる
と，通常，層１３，１２のＡ１組成比Ｘが０．５以上の
時には，層１３，ｘｚは半絶縁性のものどなる。層１２
をｐ形，層１３をｎ形層とするには，成長にさいして，
例えば、ｐ形不純物としてＭｇ，ｎ形不純物として３ｎ
を使用すればよい０層１１には成長にさいして適当な不
純物をドープしてもよいし，あるいは、故意にドープし
なくてもよい。ついで、層１２上にホトレジスト工程に
より，１５Ｖｃ重なるように帯状にホトレジスト膜を形
成する。この帯状部の横幅は，例えば、２μｍである。

このホトレジスト膜をマスクとして，ホトレジスト膜の
直下を残して層１２，　、１１．　１３をエツチングし
て取り去る。この時，層１３の途中で，エツチングを停
止しても，基板２０迄くいこむ形にエツチングしてもよ
い。このことは、以後説明する実施例３においても同様
である。次に，残された層］３ｌ１１、１２をはさみ込
むようにＧ　ａ　］、　ｙＡ　１ｙＡ　ｓ領域１６、１
７を，ｎ形不純物，例えばＳｎをドープして成長する。

領域１６，］、’７の成長面は，層ｌ２の上表面より低
くても，高くても，あるいは。

この上表面と一致していてもよいが，あとの電極形成工
程のためには，上表面と一致していることが好ましい。

きらに、ホトレジスト工程を経て形成された誘電体膜あ
るいはホトレジスト膜をマスクとして、領域１６にのみ
ｐ形不純物を高濃度にドープし、領域１６をｐ形半導体
にする。この不純物のドーピング手段としては。

不純物として例えばｚｎを使った熱拡散法、不純物とし
て例えばＢｅを使ったイオン注入法を採用することがで
きる。その後、ホトレジスト工程と真空蒸着法を利用し
て、制御電極１４として、　Ａｌ膜、正電極１８として
、Ａｕ−０ｒ合金膜。

負電極１９としてＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金膜を形成する０
−ヒに述べた実施例１の製法の一変形として。

基板２０上に帯状凹部溝を設ける工程を省略し。

いきなり平担な基板２０上に層１３．　１１．　１２を
連続成長させたあと、上に述べたものと同様の方法で１
層１３．　１１．　１２のエツチング、領域１．６．１
７の成長とこれらへの不純物ドーピング上程、電極１４
．　１８　、　１９の形成工程をへたあと、最後に、基
板２０の中央部を帯状にエツチングにより切り取り９層
１３の下表面を露出させ、この表面に例えば、Ａｌを蒸
着し、これをもって制御電極１５とすることも可能であ
る。

実施例１の装置を半導体レーザとして動作させる場合に
は、帯状活性層１１の長手方向に乎直な一対の平行な面
、第２ｂ図のＢ　−Ｂ″、ａ−ｃ！が得られるように例
えば３００μｍの長さに襞間する。この場合、活性層１
１に例えば、１ｘ１０１８ａｍ　”以上の充分な電子お
よび正孔が存在すると光波の増幅が起り、かつ、活性層
１１の屈折率が、クラッド層１２．１中が９ノド領域１
６．１’７のそれより大きいため、光波は活性層付近に
閉じ込められて伝搬し、上に述べた一対の平行な臂開面
で帰還を受ける。この共振器面Ｂ　−Ｂ’および０−Ｃ
ｏのいづれか一方または、その両方を化学エツチングあ
るいは、イオンエツチングで形成してもよく、その場合
、電極１５の直上ででエツチングを停止させると、電極
１５へのリード線接触が好都合になる。なお、この面Ｂ
−Ｂ’および０−Ｃｏに代って適当な周期構造を導入す
ることによって分布帰還形レーザあるいは分布ブラッグ
反射帰還形レーザ構造になしうろことは当業者には明ら
かである０前記の共振器面ならびに周期構造共振器に関
する事項は以後説明する他の実施例でも同様である。ま
た実施例１の装置ｎにおいて、電極１８側を正として電
極１８と１９の間に、１．５Ｖ程度の電圧を加えたま＼
で電極１４．１５には１例えば、電極１７に対して。

電極１４には正極性の、電極１５に、負極性の。

それぞれ数Ｖ〜２０　Ｖ程度の電圧を加えることによっ
て９発光量１発光波長および光波に対する増幅利得係数
を制御すること力；出来る。この場合、活性層１１の厚
さｔは、典型的には５０〜２００人である。

実施例２ 第３ａ図は本発明の実施例２における半導体発光装置の
斜視図であり、第３ｂ図は、第３ａ図の中央一点鎖線ｎ
−Ｄ＋に治って切断した断面構造である。こ＼で、２１
はＧａＡｓで活性層に対応し、２２は半絶縁性Ｇ　ａ　
ｌ　ＸＡ　１　ｘＡ　８（例えば、Ｘ＝Ｏ，Ｓ）で、第
１のクラッド層に対応し、２３は半絶縁性Ｇａｌ、Ａｌ
ｘＡｓ　（例えば、ｘ−０，８）で。

は半絶縁性ＧａＡｓ基板であるＯまた。第３ａ図の破線
で区切られた領域２６および２７はそれぞれｐ影領域お
よびｎ影領域に対応している。

この実施例２は、実施例１のｐ形りラッド領域を、ｐ影
領域２６で、ｎ形りラッド領薯ζ。

ψ ｎ影領域２７でおきかえたもので、その他は実施例１の
場合と同じである。従って１層２１゜２２．２３．電極
２４＋　２５＋　２８＋　２９および面Ｋ　−Ｅ’、　
Ｆ　−Ｆ’の形成工程は、実施例１のそれぞれ対応する
部分の形成工程と同じである。領域２６と２７は２層２
３．２１．　２２を形成したあと２通常のホトレジスト
工程により形成された誘電体膜あるいは、ホトレジスト
膜をマスクとして、熱拡散法あるいはイオン注入法でも
って形成される。なお、領域２６．２７の下端部は第３
ａ図では層２３内にあるが１層２３と基板３０の境界部
にあってもよいし、基板３０内にくい込んでいてもよい
。このことは以後説明する実施例４でも同様である０ 実施例３ 第４図は２本発明の実施例３における半導体発光装置の
断面図である。こ＼で、３１はＧａＡ３で、複数の活性
層に対応し、３２は半絶縁性Ｇ＆ＡＩ　Ａｓ　（例えば
、ｘ＝０．８）で複数のクラ−ｘｘ ７ド層に対応し、３３と３４は一対の制御電極に対応Ｌ
　、また、３５はＰ　Ｇ　ａ　ｘ　ｙ　Ａ　１ｙ　Ａ　
ｓ　（例えば。

ｙ＝ｏ、４）でｐ形のクラッド領域に対応し、３６はｎ
　Ｇ　ａｌｙ　Ａ　１ｙ　Ａ　ｓ　（例えば、ｙ＝Ｑ、
４）でｎ形のこの実施例３は、実施例１の活性層を多層
化し、クラッド層と活性層を交互に配して、活性層をは
さむようにしたもので、その他は実施例１と同じである
０従って、実施例３における半導体発光装置は、活性層
ＧａＡｓとクラッド層ＧｅＬ１−ｘＡ１ｘＡＳの交互成
長工程がつけ加わる点だけが実施例１の場合と異なる点
で、その他の部分については実施例コの対応する部分の
形成工程と同じ工程をもって、これを製作しうる。この
実施例３の場合、活性層ＧａＡｓにはさまれたクラッド
層Ｇａ□−ｘＡ１ｘＡＳの厚さは２通常、を子。

正孔の量子力学的波動関数の波長、すなわち１００人あ
るいは、それ以下とし、電子、正孔が量子力学的なトン
ネル効果でもって充分速く活性層を移動できるように設
計する。このような多層化によって、電子と正孔が分極
した場合。

電子と正孔は空間的により遠く離れることになり、従っ
て２発光量１発光波長および光波に対する利得係数のよ
り大きな制御性を実現しつる。

このことは、後述の実施例４でも同じである。

第４図には１図面表現の困難さから活性層キーの数が３
の場合のみの表現となっているが。

この数は、２〜５であってもよい。また、活性層キーの
厚さの典型的な値は、３０〜１００人であす、クラッド
層３２のうち、活性層キーにはさまれたものの厚さの典
型的な値は、２０〜７０人であり、クラッド層３２のう
ち最外の一対のものの厚さの典型的な値は、０．５〜ｌ
　ｌｔｍである０これら活性層数、活性層厚、およびク
ラッド層厚の典型値については、以後説明する実施例４
の場合でも同じである０ 実施例４ 第５図は２本発明の実施例４における半導体発光装置の
断面図である。こ＼で、　４１１ｄ　ＧａＡｓで複数の
活性層に対応し、４２は半絶縁性Ｇａ□−８ＡＩ　Ａｓ
　（例えば、　ｘ＝　０．８　）で複数のクラッド層に
対応し、４３と４４は、一対の制御電極に対応ＬＩ４７
は正電極、４８は負電極、４９は半絶縁性ＧａＡｓ基板
である０また。第５図の破線で区切られた領域４５およ
び４６は、それぞれｐ影領域およびｎ影領域に対応して
いる。

この実施例４は、実施例２の活性層を多層化し、クラッ
ド層と活性層を交互に配して、活性Ｐａｔをはさむよう
にしたもので、その他は実施例２と同じである。従って
、実施例４における半導体発光装置は、活性層ＧａＡ、
ｓとクラッド層ＯａニーＸＡ］ＸＡＳの交互成長工程が
つけ加わる点だけが実施例２の場合と異なる点で、その
他の部分については、実施例２の対応する部分の形成工
へと同じ工程をもって、これを製作しうる０以上のよう
に本発明は特定、の実施例に関して説明してきたが、活
性層内に存在する電子と正孔を一対の制御電極に加えた
電圧がもとになって生しる電界により分極させ、これに
よって。

発光量２発光波長および光波に対する利得係数を制御す
る前記の各方法の変更、修正、変形が明白となることは
明らかである。従って、このような変更、修正、変形は
すべて特許請求の範囲にはいるものと理解されるべきで
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明する半導体発光装置の模式
的な断面図、第２ａ図は本発明の実施例１における半導
体発光装置の斜視図、第２ｂ図は本発明の実施例１にお
ける半導体発光装置４の断面図、第３ａ図は本発明の実
施例２における半導体発光装置の斜視図、第３ｂ図は本
発明の実施例２における半導体発光装置の断面図。 第４図は本発明の実施例３における半導体発光装置の断
面図、第５図は本発明の実施例４における半導体発光装
置の断面図である。 特許出願人　山　西　王　道 末　宗　幾　夫 引図 第＋　ＩＩ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ］）発光を起こす活性層を、これに接するこれより禁制
   帯幅の大きい第１．第２のクラッド層？んだ構造で、前
   記第１．第２のクラッド層の外表面にむかいあうように
   して一対の制御７１！極、を設け、前記活性カ病方向に
   前記制御電極をへだてて設けられた前記活性層より禁制
   帯幅の大きいｐ形およびｎ形の第３および第４のクラ、
   ド領域により前記活性層および第１＋第２のクラッド層
   をはさむようにし、前記第３および第４のクラッド領域
   から前記活性層に注入された正孔および電子の再結合が
   もとになって起る発光量１発光波長および光波に対する
   増幅利得係数を前記制御電極に加える電圧で制御するこ
   とを特徴とするＩ′・導体レーザを含む半導体発光装置
   。 ２）発光を起こす活性層を、これに接するこれより禁制
   帯幅の大きい第１．第２のクラツド７ド層の外表面にむ
   かいあうようにしてλ一対の制御電極を設け、前記活性
   層面内方向にし、前記ｐ形およびｎ影領域から前記活性
   層中央部に注入された正孔および電子の再結合がもとに
   なって起る発光量２発光波長および光波に対する増幅利
   得係数を前記制御電極に加える電圧で制御することを特
   徴とする半導体レーザを含む半導体発光装置。 ３）発光を起こす複数の活性層と前記活性層より禁制帯
   幅の大きい複数のクラッド層とを交互に配して、前記活
   性層をはさむようにした構成で、前記クラッド層のうち
   一対の最外クラッド層の外表面にむかいあうようにして
   一対の制御電極を設け、前記活性層面内方向に前記制御
   電極をへだてて前記クラッド層とけ別に設けられた前記
   活性層より禁制帯幅の大きいｐ形およびｎ形のクラッド
   領域により。 ｈｉＪ記活性層および前記クラッド層をはさむようにし
   、前記ｐ形およびｎ形のクラッド領域から前記活性層に
   注入された正孔および電子の再結合がもとになって起る
   発光量１発光波長および光波に対する増幅利得係数を前
   記制御電極に加える電圧で制御することを特徴とする半
   導体レーザを含む半導体発光装置。 ４）発光を起こす複数の活性層と、前記活性層より禁制
   帯幅の大きい複数のクラッド層とを交互に配して、前記
   活性層をはさむようにした構成で、前記クラ、ド層のう
   ち％一対の最外クラッド層の外表面にむかいあうように
   して一対の制御電極を設け、前記活性層面内方向に前記
   制御電極をへだてて、前記活性層。 クラッド層の１部分をｐ形およびｎ形とし。 前記ｐ形およびｎ影領域から前記活性層中央部に注入さ
   れた正孔および電子の再結合がもとになって起る発光量
   ２発光波長および光波に対する増幅利得係数を前記制御
   電極に加える電圧で制御することを特徴とする半導体レ
   ーザを含む半導体発光装置０