TW567655B - Semiconductor laser - Google Patents

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Description

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-儿％丨口 私且〜无 關於適於提昇發光效率 與調變頻寬的 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域 本發明係關於可 射。更具體而言，係 半導體雷射構造。 【先前技術】 近年隨資訊化技術的進步，而講求將更多的， 快速且更遠的進行傳輪之要求。為因應此項要求，'便=更 用光纖的光通信技術開發之方向前進並多所採用。孽Z採 屬於通信裝置之關鍵元件的當作光源用之半導體雷在 便大多利用提幵發光效率、或高速響應（調變頻寬）的 術。更具體而g ’乃屬於具有採用多層量子井纟士構 (multiple quantum well structure)、調變摻雜構造 (modulation doping structure)之活性層的半導體命 射。藉由此種技術，便可依短時間間隔傳輸著_可 資訊。 皿匕夕的 第4圖所示係半導體雷射之活性層中，多層量子井構 造的能量概念圖。若說明圖示構造之雷射的發光原理的 話’則在價能帶（valence band)側21中，從p—覆蓋層側2 通過光封閉層3，對各個價能帶井層32植入正孔22。^在傳 導帶側2 6中，則從η _覆蓋層側6將電子2 7植入傳導帶井層 中。然後，藉由正孔2 2與電子2 7的結合而產生光2 8。 圖中的雷射係具有由複數量子井數所構成的多層量子 井活性層2 4。依照此構造的話，因為正孔2 2與電子2 7的狀
2065-5325-PF(Nl)Ahddub.ptd 第6頁 567655 五、發明說明（2) 態密度將變大’且光學增益將增加，因此便將提昇發光效 率。此外’同時因為微分增益亦將增加，因此亦將提昇表 示雷射的調變頻寬的緩和振動頻率數。 提昇發光效率與調變頻寬的其他手段，則有考慮僅對 活性層的多層量子井之阻障層24，施行p型或η型摻雜之通 稱調變摻雜的技術。相關此技術，在jAPANESE j〇urnal OF APPLIED PHYSICS VOL· 29，（ 1 9 90 ) 8 1·中有詳盡介紹。 依此文獻的話’當對多層量子井之阻障層24施行ρ型摻雜 的情況時’便藉由從受體準位（a c c e p ^ 0 r 1 e v e 1 )所供應的 多數正孔22而使增益光譜變狹窄化。藉此微分增益將變 大’而將改善調變頻寬。反之，當施行^型摻雜的情況 時，因為光吸收將被抑制，因此臨限電流將降低，而改善 發光效率。 ° 【發明内容】 【發明所欲解決的課題】 在上述技術中’存在有無法充分提昇發光效率與調變 頻寬的情況。 換句話說’當增加量子井之情況時，若其數量過多的 話，在從p覆蓋層2側將正孔2 2值入能帶價井層23之際，將 無法到達離p覆蓋層2較遠（換句話說，光封閉層5側）的能 帶價井層23。此乃因為正孔22的有效質量較大的緣故所 致。其中將使各能帶價井層23中的正孔密度產生部均勻 態，而將損及量子井的多層效果。
2065-5325-PF(Nl)Ahddub.ptd 567655 五、發明說明（3) 雜而ίΐ半層ί多層量子井阻障層24施行調變摻 熱記静、岛ί導 貫際上將隨製作時的磊晶成長等之 型雜質=散U ΐ發:僅應推雜於阻障層24甲的ρ型或η 化，並掸加^路也^。因為將使發光部的井層結晶惡 問題乃i所天發光再結合比率’因此將抑制改善效果。此 更；所添加的雜質濃度越高，且Ζη等擴散度越高者將 井構二發明；目的在於提供-種在對多層量子 昇發光效率K變：Γ變推雜的半導體雷射中’充分提 【解決課題之手段】 本發明之半導體雷 ^ ^ 設置活性層’而該活 =層m層之間 多層量子井，且至少對U具硬數個阻障層與井層的 具體而言，在靠近1::::且障層施行p型調變摻雜。更 P型調變摻雜量，較少=▲復盍層之位置處的上述阻障層之 述阻障層之P型調變摻雜：覆e層之位置處的上 上述P型調變摻雜量：可“】述目的。 離而決定的。 了對應者距上述P—覆蓋層的距 處的二知層型量可：L近i;p:覆蓋層之位* 上述P型调變摻雜量亦可對 f上述Π-覆蓋層之位置處的丨以上阻障芦，：阻=層更靠 量，而對較既定位置的阻障層更靠近上曰述ρ_;仃蓋第層1 =置 2065-5325-PF(Nl)Ahddub.ptd 第8頁 567655 ί、發明說明（c "" ----~~"" 處的1以上阻障層，施行較少於第i摻雜量的第2摻雜量。 【實施方式】 以下’參照所附圖示，說明本發明實施形態。在圖示 中’針對具有同一機能的構成要件，便賦予相同的參照符 號。 (實施形態1) 第1圖所示係半導體雷射之層構造剖視圖。此種半導 體雷射係利用磊晶成長法而層積著各層便可形成。磊晶成 長法可利用譬如〔使含有欲成長之有機金屬的氣體流向於 基板’並經由基板表面上的化學反應而進行成長的有機金 屬氣相成長法（MOCVD);或者將有機金屬在高真空中，朝 向基板進行蒸鍵，而附著於基板上並進行成長的有機金屬 分子束成長法（MOMBE)。具體而言，乃在InP基板1上利用 蟲晶成長法，而層積著p-InP覆蓋層2、InGaAsP光封閉層 3、InGaAsP多層量子井活性層4、I nGaAsP光封閉層5、 η-InP覆蓋層6、以及接觸層7。然後，形成金屬電極8與 9 ’並依構成所需共振器長度之方式施行晶劈，而為在共 振器内部使光產生共振並放大，因此在共振器端面（即， 各層的端面）塗布垂直的光反射膜（未圖示）。所謂「共振 器崎面」係指至少包含多層量子井活性層4的對向端面。 另外，在下述說明中，省略附記各層的材料。馨如， p-InP覆蓋層2僅記為「p 一覆蓋層2」、InGaAsp& 則僅記為「光封閉層3」。 f閉層
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第2圖所示係半導體雷射（第玉圖）之多層量子井活性層 周圍20的能量概念圖。從第2圖的左邊起，依序層積著 覆蓋層2、光封閉層3、多層晉；北, 、 以及η-覆蓋層6。此乃對應著第t = 光，5、 巧I香弟1圖之+導體雷射的層構 公：雷f的！ί原理乃如同習知。換句話說，在價能帶側 攸Ρ覆盍層2側通過光封閉層3，對各個能 = = Γ側26中，則從 卞Ζ ’植入傳導f井層中。缺接 合而產生光28。^光雖：方：：：孔巧電子27的結 ㈣，便僅各層平行= 但是利用光封閉 中U ί:中声ϋ 植入正孔22的多層量子井活性層4 二層2側U障層24的PS摻雜量，較低
ZfL· " V 'V ' ^ # ^n' t ,η . a Ρ, ί ! 的P型摻雜量。在圖中，於阻陸 丨早嘈Μ S而言，
Pr:=:= 側之阻障層24處較少，而在較遠「不者立在罪近Ρ覆盍層2 密度的變化僅要從靠近覆蓋、阻Ρ早層24處則較多。 對應著距ρ-覆蓋層2的距離'盍而層:側物ΐ層24起’依序 如，呈階梯狀）增大的話便可:個阻ρ早層24逐漸（譬 中央）的阻障層24起，對較靠、斤次者亦可從既定位置（譬如 摻雜濃度設定為1 X 1 0i8cn)3 ^ f蓋層2側之阻障層24的 叫對罪遠側阻障層24的摻雜濃
567655 五、發明說明（6) " ------ 度則設定為2 X l〇18cm3。 習知因為對所有的阻障層24均依如2 X l〇i8cm3程度的濃 度進1播雜，因此摻質便將擴散至井層23中。但是Γ原本 在較〜覆蓋層2側中，經植入於井層23中的正孔“密 又便較鬲反之，隨遠離P-覆蓋層2(即，隨接近卜覆蓋層 6产）丄經植入於井層23中的正孔22密度變低。所以，藉由將 車乂罪近P设蓋層2位置處的阻障層2 4之p型摻雜量，設定為 = 覆蓋層2之位置（換言之，較靠近η-覆蓋層6之、 ϋ)處的阻障層以的卩型摻雜量，藉此便可抑制非發光再 ，·，。^，而可提昇微分增益與高速響應性。同時，
層2側的井側23中，因為ρ-覆蓋層2密度將m 此亦將改善載子的不均勻性。 又门 U 障二ϊ上述說明的亦可在較靠近Ρ-覆蓋層2側的阻 章^24中，將ρ型摻雜量設定為〇(即，無ρ型推雜），而在 車乂遂離Ρ-覆蓋層2的阻障層24中， 度的轡 >(卜伤罢辟丨 則汉疋為2x l〇18cm3。密 ί1: 譬如如同上述，僅要設定為既定位置（譬 如中央）之阻障層2 4的話便可。 立他ρ之型η採用ζη，但是並不僅限於此。譬如亦採用 其他之如Be、Cd、C等等其他摻質。 (實施形態2 ) ' κ方也形態2係針對膏祐开〈能1 、致 ^ + ^ T對κ她圮怨1之半導體雷射的應用例進 妨大，B产田射中’為使光產生共振並 1明& Μ & θ编面上设置未圖示光反射膜之方式進行 &月。此種H通稱為「法布里—派洛（Fabuer〇t)
567655 五、發明說明（7) 構造」。 在本實施形態中，針對將實施形態1之半導體雷射使 用於其他構造之雷射的情況為例進行說明。具體而言，乃 針對分布回饋型（DFB:distribution feedback)雷射、及 黑反射型雷射進行說明。 第3圖之（a)係分布回饋型雷射3 0 - 1構造的剖視圖。分 布回饋型雷射3 0 -1係僅可輸出特定波長之雷射光線的雷 射。分布回饋型雷射3 0 - 1係在含有多層量子井活性層4的 實施形態1之半導體雷射中，設置著僅抽取出特定波長雷 射光線之繞射光柵3 3的構造。繞射光柵3 3係重疊於多層量 子井活性層4層面上而設計著，並在層積階段中便形成。 另外，在此圖示中，亦圖示著光反射膜31與32。若朝圖之 右向輸出雷射光線的話，則光反射膜3 1的反射率將提高， 而光反射膜3 2的反射率將降低。 第3圖之（b)所示係黑反射型雷射3 〇 — 2構造的剖視圖。 黑反射型雷射3 0 - 2係應用分布回讀型雷射3 〇 — 1之可選擇波 長的雷射。黑反射型雷射3 0 - 2大致上可區分為：具備多層 量子井活性層34的光源部36 ;具有繞射光柵35的波長選擇 部3 7。光源部3 6的構造實質上係如同實施形態1的半導體 雷射之多層量子井活性層4。但是，多層量子井活性層3 4 僅存在於光源部3 6中，在波長選擇部3 7中並未設置。換句 話說，多層量子井活性層34與繞射光柵35並未重疊，繞射 光栅3 5乃設置於從多層量子井活性層3 4層面起，朝遠離層 面擴展方向的位置處。此種構造的多層量子井活性層34 ^
2065-5325-PF(Nl)Ahddub.ptd 第12頁
在實施形態1中，層積著多層量 長選擇部37部分的多層量子井活性層4之後，再對波 後，經去除後便可獲得。在多/L:4养施行蝕刻處理等之 對電極38 —施加電壓^ =活性層34中，藉由 生發光。然後，在波長選擇部37中選二：使$源部36產 外，相關光反射膜31與32因為如阁j 冑的；長。另卜 略說明。 σ同苐3圖的（a )，因此便省 【發明效果】 定為r T ?土復蓋層之位置處的阻障層之15型摻雜量，設 量近11—ί蓋層之位置處的阻障層之P型摻雜 趟可對應著距上述ρ—覆蓋層的距離而決定，亦可 外罪述Ρ—覆蓋層之位置處的阻障層而逐漸變少。此 調變摻雜量亦可對較既定位置的阻障層更靠近上 復盍層之位置處的丨以上阻障層，施行第丨摻雜量，而 ”置的阻障層更靠近上述ρ一覆蓋層之位置處的i 阻障層，施行較少於第1摻雜量的第2摻雜量。藉此便 σ P制非發光再結合，且提昇微分增益與高速響應性。同 、。因為在距Ρ—覆蓋層較遠的井層中，正孔密度較高，因 此可改善載子的不均勻性。另外ρ型調變摻質亦可採用如 Zn、Be、Cd、C 等任一者。 上述半導體雷射係在垂直於活性層的相對向端面上具 備有反射率不同的2個光反射膜。藉此便可使光產生共振 並放大。特別係藉由更具備繞射光柵，便可獲得可抽取出
567655 五、發明說明（9) 既定波長之雷射波長的法布里-派洛型雷射。此外，若將 繞射光栅設計為重疊於活性層層面上的話，便可獲得分布 回饋型雷射；而若將繞射光柵設計於從活性層層面朝層面 擴展方向偏離之位置處的話，便可獲得黑反射器型雷射。
2065-5325-PF(Nl)Ahddub.ptd 第14頁 567655 圖式簡單說明 第1圖所示係半導體雷射之層構造剖視圖。 第2圖係半導體雷射（第1圖）之多層量子井活性層周圍 的能量概念圖。 第3圖中，（a )係分布回饋型雷射之構造剖視圖；（b) 係黑反射型雷射之構造剖視圖。 第4圖係半導體雷射之活性層的多層量子井活性層能 量概念圖。 符號說明】 2〜p-InP覆蓋層 4〜多層量子井活性層 6〜η-InP覆蓋層 8、9〜金屬電極 2 2〜正孔 2 4〜阻障層 2 6〜傳導帶側 28〜光 3〜InGaAsP光封閉層 5〜InGaAsP光封閉層 7〜接觸層 2 1〜價能帶側 23〜能帶價井層 2 5〜p型摻雜 27〜電子
2065-5325-PF(Nl)Ahddub.ptd 第15頁

Claims (1)

  1. 567655 六、申請專利範圍 1. 一種半導體雷射，在P-覆蓋層與η-覆蓋層之間設置 活性層，而該活性層係設有具複數個阻障層與井層的多層 量子井，且至少對一個阻障層施行ρ型調變摻雜； 其中，在靠近該Ρ-覆蓋層之位置處的該阻障層之Ρ型 調變摻雜量，較少於靠近該η_覆蓋層之位置處的該阻障層 之ρ型調變摻雜量。 2. 如申請專利範圍第1項之半導體雷射，其中，該Ρ型 調變摻雜量係對應著距上述Ρ-覆蓋層的距離而決定。 3. 如申請專利範圍第2項之半導體雷射，其中，該ρ型 調變摻雜量係越靠近該Ρ-覆蓋層之位置處的阻障層，將逐 漸變少。 4. 如申請專利範圍第2項之半導體雷射，其中，該ρ型 調變摻雜量係對較既定位置的阻障層更靠近該η -覆蓋層之 位置處的1以上阻障層，施行第1摻雜量，而對較既定位置 的阻障層更靠近該ρ -覆蓋層之位置處的1以上阻障層，施 行較少於第1摻雜量的第2摻雜量。
    2065-5325-PF(Nl)Ahddub.ptd 第16頁
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