JPS63133587A - 埋込み構造半導体レ−ザ - 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） 本発明は高速で変調可能な半導体レーザに関する。

（従来技術とその問題点） 光フアイバー通信等の光源として用いられる半導体レー
ザは、高速変調特性に優れ、かつ高い効率で発振するこ
とが必要である。しかし、従来の半導体レーザでは、上
記２つの特性をともに満足させることが困難であった。

以下に、従来の半導体レーザ及び発明者が試作した半導
体レーザについて説明し、上記２つの特性において優れ
たものの得られなかった理由を述べる。

従来の典型的な半導体レーザとして、２重溝平面埋込み
形半導体レーザ（Ｄｏｕｂｌｅ　　ＣｈａｎｎｅｌＰｌ
ａｎａｒ　　Ｂｕｒｉｅｄ　　Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃ
ｔｕｒｅ　　Ｌａ５ｅｒＤｉｏｄｅ：略　称ＤＣ−ＰＢ
ＨＬＤ）があり、ジャ−ナル・オブ・ライトウェーブ・
テクノロジー、ＬＴ−１巻、１９８３年３月号、１９５
項一２０２項に詳述されている。この半導体レーザは、
活性領域を含むダブルヘテロ接合構造以外の部分をｐｎ
ｐｎ接合構成を有する埋込み層とすることにより形成さ
れるｎｐ逆接合を利用して電流を阻止し、活性領域への
選択的な電流注入を実現している。この構造に代表され
る、ｉｐ逆接合による電流阻止構造は非常に良い電流阻
止効果を発揮するので、５０％を越える高い効率で発振
する。しかし、この半導体レーザにおいてはｎｐ逆接合
が１０ｐＦ以上の静電容量を有するために、ＩＧｂ／ｓ
を越える高速で変調することが難しかった。

従来制作されて来た２番目の典型的な半導体レーザは高
純度層（Ｉ　ｎｔｒｉｎｓｉｃ　　Ｓｅ＋ｍ１ｃｏｎｄ
ｕｃｔｏｒのことで、以下ｉ層と呼ぶ、）で活性領域の
左右両側を埋め込んだ埋込み形半導体レーザであり、Ａ
ｐｐｌｉｅｄ　　Ｐｈｙｓｉｃｓ　　Ｌｅｔｔｅｒｓ　
　、ＵｏＵ４７．１９８５Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　　ＰＰ１
１２７〜１１２９に詳述されている。この半導体レーザ
は、高速変調のさまたげとなるｐｎ接合を活性領域のみ
に限定し、活性領域以外の所に漏洩する電流はｉ層の抵
抗が高いことによって減少させようとしている。この構
造の半導体レーザはＩＧｂ／ｓを越える高速変調が可能
であるが、ｉ層の抵抗は実際にはそれほど小さく出来な
い。

例えば、通常のエピタキシャル技術でｉ層を形成すると
、バックグラウンドの不純物レベルは約ｌ　Ｘｌ０Ｉ′
ｃｍ−’がほぼ限界であるが、この時の［ｎＰの抵抗率
は約１０Ω−■であり、充分な電流阻止効果を発揮する
ことが難しい。したがってこの構造の半導体レーザでは
、高い効率で発振することが出来なかった。

次に発明者等による第３の従来について説明する。

発明者等は、これら従来技術の問題点を解決する目的で
、特［６０−１４１７２９に述べる埋込み構造半導体レ
ーザを発明した。この半導体レーザは、埋込み層に鉄も
しくはクロムを混入させたトラップ準位を多く含む半絶
縁層を用いている。この構造で、高周波特性は大きく改
善され、かつ効率も第２の従来例に比べれば改善された
。しかし、高出力時すなわち電圧が増大すると効率が低
下する問題が残され、第１の従来例で得られた高い効率
は得られなかった０発明者等は、この原因を調べた所、
トラップ準位を含む半絶縁層は、電圧がＩＶ程度まで高
い抵抗を示すが、それ以上の電圧を加えるとブレークダ
ウンが起こり、抵抗が減少し、リーク電流が増大し、高
出力時には効率が劣化することがわかった。

以上述べてきたように、従来の半導体レーザでは、高速
変調特性および効率の両者にともに優れた特性を得るこ
とが困難であった。

そこで、本発明の目的は、上記の従来の欠点を除去せし
めて、高速変調特性および効率にともに優れた半導体レ
ーザを提供することにある。

（問題点を解決するだめの手段） 前述の問題点を解決するために本発明が提供する手段は
、活性領域を含むダブルヘテロ構造からなるメサストラ
イプ状の電流通電部を、高抵抗半導体層を含む電流阻止
部で前記メサストライプの左右から挟んでなり、前記電
流通電部および前記電流阻止部が導電形半導体基板上に
形成してある埋込み構造半導体レーザにおいて、前記電
流阻止部が前記高抵抗半導体層と導電形ブロック層との
２層を少なくとも含み、前記導電形ブロック層が前記高
抵抗半導体層と前記導電形半導体基板の間に位置し、前
記導電形半導体基板の反対の導電形を有しかつ空乏化し
ていることを特徴とする。

（発明の作用・原理） 前述の第３の従来例と本発明になる埋込み構造半導体レ
ーザの電流阻止部のバンド構造を第２図（ａ）と（ｂ）
にそれぞれ示す。以下この図を参照して本発明の作用・
原理を説明する。

第３の従来例の電流阻止部の導電帯下端のバンド図は第
２図（ａ）に示されているように、ｎとｉの間で徐々に
変化する。このため、ｎ側に負電圧が印加されると、電
子はｉ層の中に注入されていく。低電圧時には、ｉ層中
に存在するトラップ準位で注入された電子はトラップさ
れるので、高抵抗を示すが、さらに電圧が増加し、注入
される電子の数が増加すると、トラップが不十分となり
、電流が増加し、高抵抗が保てなくなる。

しかし、本発明では、第２図（ｂ）に示す電流阻止部の
導電帯下端のバンド図を有しており、ｎρ横接合のブロ
ック障壁が非常に高い。後に詳しく説明する第１の半導
体レーザの例について述べれば、レーザ動作時には、ｎ
４ｎＰバッファ層１３に負電圧が印加されるが、Ｐ−Ｉ
ｎＰｎバッファ層１３電形ブロック層）の存在によって
高抵抗ＩｎＰ層１５（高抵抗半導体層）の中に電子が入
らない、なお、ｎ−１ｎＰバツフア層１３は前述の導電
形半導体基板の一部に相当する。したがって、印加電圧
が高くなってもブレークダウンはなかなか起こらず、高
抵抗性が保たれるからである。又、この構造では、対向
する電荷層が半絶縁層を挟んだ外側で形成され、ｉ贋金
体が空乏化する。このため、キャパシタンスは著しく低
減される。このため、高速変調が可能である０以上述べ
たように、本発明によると、従来技術では得られなかっ
た、高周波特性と高い効率がともに得られる埋込み構造
半導体レーザが得られる。

次に、本発明の実施態様として特許請求の範囲に記載し
た埋込み構造半導体レーザについて説明する。この実施
態様ではブロック層に、基板（例えばＩｎＰ　）禁制帯
幅の広い導電型ブロック層（例えばＩｎ＋−ｘＧｓｘＰ
層）を用いた。Ｉｎ＋−ｘ　Ｇ　ａｗＰ層は、χの値に
よって禁制帯幅と格子定数が変わるが、適切なＸの値を
選ぶことによりブロック層として機能する。この構造で
もやはり窩出力時においても漏洩電流が低減され、かつ
高速変調が可能であった。このような効果が得られた原
理は、前述したところと同様である。

（実施例） 以下本発明の実施例について図面を参照して詳しく説明
する。

第１図は本発明の第１の実施例を示す半導体レーザの断
面図である。活性領域１１はノンドープＩｎＧａＡｓＰ
層、ｐクラッド層１２は亜鉛（Ｚ、）をＩ　ＸＩＯ”Ｃ
Ｉ−’ドープしたＩｎＰ層、ｎバッファ層１３は硫黄（
Ｓ）をＩ　ＸＩＯ”ＣＩ−コドープした、ＩｎＰＩ！。

高抵抗半導体Ｎ１５は鉄（Ｆｅ　）をＩ　ＸＩＯ”ｃｍ
−’ドープしたＩｎＰ層、導電形ブロック層１６は亜鉛
（Ｚ、）をＩ　Ｘｌ０Ｉ？ｃｒコドープしたｐ−１ｎＰ
層である。そして導電形半導体基板１４には硫黄（Ｓ）
ドープＩｎＰ基板が用いられている。

このような構造の半導体レーザのｐ側電極１７とｎ側電
極１８に通電すると、電流は電流通電部（ｐクラッド層
１２、活性領域１１、ｎバッファ層１３からなるメサス
トライプ状のダブルヘテロ構造の部分）を流れ、電流阻
止部（高抵抗半導体層１５と導電形ブロック層１６から
なる部分）には流れない。これは、Ｆｅ−１ｎＰからな
る高抵抗半導体層１５がＦｅによる深い電子トラップを
有しているため、キャリヤが非常に少なく、その抵抗率
が１０’Ω１と高いからである。又、高いレーザ出力を
得るために、電圧を増加さしていっても、ｐ−１ｎＰか
らなる導電形ブロック層１６がｎバッファ層１３から高
抵抗半導体層１５へ流れようとする電子の障壁となり、
高抵抗半導体層１５のブレークダウンが発生しない、こ
のために、高出力まで漏洩電流が少なく発振する。

すなわち高出力まで高効率で発振する。又、この構造で
は、電流阻止部のキャパシタンスは、ｐ側電極１７にた
まる正電荷と、ｎバッファ層１３にたまる負電荷が対向
することによって生ずるが、この対向する電荷層の距離
は約３ｐＩｎあり、非常に厚いため、キャパシタンスは
約ＩＰＦと非常にちいさくなり、従来のｐｎ接合を用い
た電流ブロック層を有するＤＣ−ＰＢＨ−ＬＤの静電容
量に比べると約１７１０に低減出来た。従って、時定数
は非常に短くなりＩＧｂ／ｓ以上の高速変調が可能とな
った。

次に、この半導体レーザの製造方法を説明する。

初めに、通常の方法で得られたダブルヘテロ（ＤＨ）結
晶をストライプ状にケミカルエツチングで活性領域を横
幅約１ミクロンのメサ状にする。

その後、ハイドライド気相成長法によって、Ｚｎドープ
ＩｎＰからなる導電形ブロック層１６を成長し、次にＦ
ｅ　ドープＩｎＰからなる高抵抗半導体層１５を形成し
た。ハイドライド気相成長法によってＦｅトープＩｎＰ
層を形成する場合、Ｉｎ原料としてＩｎメタルとＨＣＱ
ガスを高温で反応させて得られるｌｎｃ２ガスを用いｐ
原料としてＰＨ，ガスを用い、Ｆｅ原料としてＦｅメル
トを用いた。

上記実施例では、ｎ形ＩｎＰを基板に用いたが、Ｐ形１
ｎＰを用いて、その他の各部分の導電形をすべて第１の
実施例と反対の導電形にしても本発明は実現できる。

次に、本発明の第２実施例を第３図を参照して説明する
。第３図に示す半導体レーザは、電流阻止部のブロック
Ｉ！！３６が半導体基板１４のＩｎＰより禁制帯幅が大
きいＰ形１ｎｏ、　ｑ　Ｇａｓ、　１　Ｐである。この
混晶は、ＩｎＰより禁制帯幅が１０Ｏｎ＋ｅ　Ｖ程度大
きく、高いレーザ出力を得るために、電圧を増加させて
も、ｐ　　Ｉｎ＠、ｗ　Ｇａｏ、＋Ｐからなるブロック
層３６がｎバッファ層１３から尚抵抗半導体層１５へ流
れようとする電子の障壁となり、高抵抗半導体層１５の
ブレークダウンが発生しない、このために、高出力まで
漏洩電流が少なく発振する。すなわち高出力まで高効率
で発振する。又、第１図の実施例と同様に、キャパシタ
ンスは非常に小さくなり、高速変調が可能となった。

上記２つの実施例においては、高抵抗半導体層１５にＦ
ｅ　ドープＩｎＰを用いたが、Ｃｒ　ドープｆＰや、バ
ナジウムドープＩｎＰ　、マンガンドープＩｎＰ　。

コバルトドープＩｎＰを用いても良い。又、ＣｒとＦｅ
を同時にドープしたＩｎＰにおいても同様な結果を得る
ことができる。

上記実施例では、活性領域に波長１．３　ミクロンで発
振する組成のＩｎＧａＡｓＰを用いたが、この組成に限
定されないのは明らかである。

上記実施例では、高抵抗半導体層１５及び高抵抗電流ブ
ロック層１６にＩｎＰを用いたが、ＩｎＧａＡｓＰでも
よい。

上記実施例では、ＩｎＧａＡｓＰ／　ＩｎＰ半導体材料
が用いられたが、本発明はＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ、　
ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＰ等の他の■−Ｖ続半導体材料
からなる半導体レーザにも同様に適用可能である。

上記実施例の製造にはハイドライド気相成長法を用いた
が、液相成長法等の他の成長法を用いても良い。

（発明の効果） 本発明による半導体レーザは、キャパシタンスが小さく
、従って高速変調が可能であり、かつ、電流ブロック効
果が高出力まで高いから、高出力まで高い効率で発振す
る。

【図面の簡単な説明】

・第１図は本発明の第１の実施例を示す断面図、第２図
（ａ）及び（ｂ）は従来例および本発明における電流阻
止部の導１！帯下端のエネルギバンドをそれぞれ示す図
、第３図は本発明の第２の実施例を示す断面図である。 １１−・・・・・活性領域、１２・−・−・ｐクラッド
層、１３・−・・ｎバッファ・層、１４−・−導電形半
導体基板、１５−・・・・−・高抵抗半導体層、１６−
・−導電形ブロック層、１７−・・−ｐ側電極、１８−
＝ｎ側電極、１９−＝−３ｉＯｔ、２１　・・−・−導
電帯下端、３６・−・ヘテロバリヤブロック層。 代理人　弁理士　本　庄　伸　介 あ求杭樟１１−４ 第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）活性領域を含むダブルヘテロ構造からなるメサス
   トライプ状の電流通電部を、高抵抗半導体層を含む電流
   阻止部で前記メサストライプの左右から挟んでなり、前
   記電流通電部および前記電流阻止部が導電形半導体基板
   上に形成してある埋込み構造半導体レーザにおいて、前
   記電流阻止部が前記高抵抗半導体層と導電形ブロック層
   との２層を少なくとも含み、前記導電形ブロック層が前
   記高抵抗半導体層と前記導電形半導体基板の間に位置し
   、前記導電形半導体基板の反対の導電形を有し、かつ空
   乏化していることを特徴とする埋込み構造半導体レーザ
   。
2. （２）前記導電型ブロック層の禁制帯幅が、前記導電形
   半導体基板の禁制帯幅より大きいことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の埋込み構造半導体レーザ。