JP2007227860A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】FFPが安定した状態で光出力を大きくすることの可能な半導体発光素子を提供する。
【解決手段】p型半導体基板10上に、p型DBR層11、キャビティ層12およびp型DBR層13をこの順に積層して構成される。キャビティ層12は、2つのPIN接合を有しており、p型DBR層11側のPIN接合は、p型クラッド層16、活性層17およびn型クラッド層18をこの順に含んで構成され、p型DBR層13側のPIN接合は、n型クラッド層19、活性層20およびp型クラッド層21をこの順に含んで構成される。これにより、各活性層17,20に別個独立に電流を注入することが可能となる。
【選択図】図1
【解決手段】p型半導体基板10上に、p型DBR層11、キャビティ層12およびp型DBR層13をこの順に積層して構成される。キャビティ層12は、2つのPIN接合を有しており、p型DBR層11側のPIN接合は、p型クラッド層16、活性層17およびn型クラッド層18をこの順に含んで構成され、p型DBR層13側のPIN接合は、n型クラッド層19、活性層20およびp型クラッド層21をこの順に含んで構成される。これにより、各活性層17,20に別個独立に電流を注入することが可能となる。
【選択図】図1
Description
本発明は、積層方向にレーザ光を射出する半導体発光素子に係り、特に、大きな光出力の要求される用途に好適に適用可能な半導体発光素子に関する。
面発光型半導体レーザは、端面発光型半導体レーザとは異なり、基板に対して直交する方向に光を出射するものであり、同じ基板上に2次元アレイ状に多数の素子を配列することが可能であることから、近年、データ通信分野などで注目されている。
一般的な面発光型半導体レーザは、特許文献1に記載されているように、基板上に、一対の多層膜反射鏡と、その一対の多層膜反射鏡の間に設けられたキャビティ層とを有する。キャビティ層は、n型クラッド層、発光領域を含む活性層、p型クラッド層および電流狭窄層をこの順に含んで構成されている。電流狭窄層は、電流注入領域を狭めたドーナツ状の電流狭窄領域を有しており、活性層への電流注入効率を高め、しきい値電流を下げる役割を有している。一対の多層膜反射鏡は、光学膜厚がそれぞれλ0 /4(λ0 は発光波長)の低屈折率層および高屈折率層を1組として、それを複数組分含んで構成されたものである。また、下面側にはn側電極、上面側にはp側電極がそれぞれ設けられ、p側電極には発光領域からの光を射出するための開口部が設けられている。この面発光型半導体レーザでは、電流狭窄層により狭窄された電流が活性層へ注入され、活性層で発光した光は一対の多層膜反射鏡により反射されると共に増幅され、その結果、p側電極に設けられた開口部から射出される。
ところで、上記した面発光型半導体レーザでは、活性層の厚さがおよそ数十nm、活性層の発光領域の直径がおよそ十μmであり、発光領域の体積は端面発光型半導体レーザのそれと比べると遥かに小さい。そのため、発光領域に注入する電流を増やすと、発光領域における局所的な発熱により光出力がすぐに飽和してしまうので、単に電流注入量を増やしても大きな光出力を得ることができない。そこで、光出力がすぐに飽和しないようにするために、電流狭窄層の電流狭窄領域の内径を大きくして、発光領域の面積(体積)を大きくすることが考えられる。しかし、発光領域の面積が大きくなると、光出力の横方向の分布を不安定にする多モード発振が生じてしまい、その結果、FFP(Far Field Pattern :遠視野像)が不安定になってしまうという問題がある。また、発光領域の面積はそのままで、活性層を厚くすることも考えられる。例えば、活性層を多重量子井戸で構成すると共に、その量子井戸の積層数を増やすことにより、活性層を厚くすることも考えられる。しかし、このようにして活性層を厚くすると、量子井戸ごとの電流注入効率が下がり、しきい値電流が上がるので、活性層の厚さを厚くしても光出力をあまり大きくすることができないという問題がある。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、FFPが安定した状態で光出力を大きくすることの可能な半導体発光素子を提供することにある。
本発明の半導体発光素子は、一対の多層膜反射鏡の間に設けられると共に一対の多層膜反射鏡の各々に接するキャビティ層を備えたものである。キャビティ層は、互いに異なる導電型の半導体層の間に設けられたノンドープナローギャップ半導体層を複数有している。ここで、「ナローギャップ」とは、発光波長に相当するエネルギー以下のバンドギャップのことである。
本発明の半導体発光素子では、キャビティ層内に、互いに異なる導電型の半導体層の間に設けられたノンドープナローギャップ半導体層が複数設けられているので、各ノンドープナローギャップ半導体層に別個独立に電流を注入することが可能となる。
ここで、キャビティ層が、各ノンドープナローギャップ半導体層の両側に接する第1導電型半導体層および第2導電型半導体層を有する場合には、これら第1導電型半導体層および第2導電型半導体層が、各ノンドープナローギャップ半導体層の両側に設けられた互いに異なる導電型の半導体層(以下、単に「2種類の半導体層」と称する)に相当する。
また、キャビティ層が、各ノンドープナローギャップ半導体層の両側に接する一対のノンドープワイドギャップ半導体層と、互いに対向するノンドープワイドギャップ半導体層の各々に接するコンタクト層とを有する場合には、その一対のノンドープワイドギャップ半導体層の両側に設けられている一対の多層膜反射鏡の一方が、2種類の半導体層の一方に相当し、コンタクト層が2種類の半導体層の他方に相当する。ここで、「ワイドギャップ」とは、発光波長に相当するエネルギーよりも大きなバンドギャップのことである。
本発明の半導体発光素子によれば、キャビティ層内に、互いに異なる導電型の半導体層の間に設けられたノンドープナローギャップ半導体層を複数設けるようにしたので、各ノンドープナローギャップ半導体層に別個独立に電流を注入することが可能となる。これにより、電流の注入されたノンドープナローギャップ半導体層ごとに発光させることができるので、発光するノンドープナローギャップ半導体層の数を増やすだけで、半導体発光素子の光出力を大きくすることができる。その結果、各ノンドープナローギャップ半導体層への電流注入量を増やしたり、各ノンドープナローギャップ半導体層の発光領域の面積を大きくする必要がなくなるので、個々の発光領域の光出力がすぐに飽和したり、FFPが不安定になる虞がない。従って、FFPが安定した状態で光出力を大きくすることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子の断面構成(図2のB−B矢視方向の断面構成)を表すものである。図2は図1の半導体発光素子の上面図を、図3は図1のA−A矢視方向の断面構成をそれぞれ表すものである。図4(A),(B)は、図1の半導体発光素子のキャビティ層12およびその近傍の断面構成を拡大して表すと共に、キャビティ層12およびその近傍における定在波強度分布を表すものである。なお、図1〜図4(A),(B)は、模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光素子の断面構成(図2のB−B矢視方向の断面構成)を表すものである。図2は図1の半導体発光素子の上面図を、図3は図1のA−A矢視方向の断面構成をそれぞれ表すものである。図4(A),(B)は、図1の半導体発光素子のキャビティ層12およびその近傍の断面構成を拡大して表すと共に、キャビティ層12およびその近傍における定在波強度分布を表すものである。なお、図1〜図4(A),(B)は、模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。
この半導体発光素子は、積層方向に光を射出する面発光型の半導体レーザであり、p型半導体基板10の一面側に、p型DBR層11(多層膜反射鏡)、キャビティ層12、p型DBR層13(多層膜反射鏡)、p型コンタクト層14をp型半導体基板10側からこの順に積層して構成されたものである。
p型半導体基板10は、例えば、p型GaAsにより構成されている。キャビティ層12は、2つのPIN接合を有している。p型DBR層11側のPIN接合は、p型電流狭窄層15、p型クラッド層16(第1導電型半導体層)、活性層17(ノンドープナローギャップ半導体層)、n型クラッド層18(第2導電型半導体層)により構成されている。すなわち、p型電流狭窄層15およびp型クラッド層16がPIN接合におけるP層となり、活性層17がPIN接合におけるI層となり、n型クラッド層18がPIN接合におけるN層となる。他方、p型DBR層13側のPIN接合は、n型クラッド層19(第2導電型半導体層)、活性層20(ノンドープナローギャップ半導体層)、p型クラッド層21(第1導電型半導体層)およびp型電流狭窄層22により構成されている。すなわち、p型クラッド層21およびp型電流狭窄層22がPIN接合におけるP層となり、活性層20がPIN接合におけるI層となり、n型クラッド層19がPIN接合におけるN層となる。これら2つのPIN接合の間には、n型コンタクト層23が設けられており、このn型コンタクト層23は、双方のPIN接合におけるN層の一部を構成している。
なお、p型不純物としては、炭素(C)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)などが挙げられる。n型不純物としては、ケイ素(Si)、セレン(Se)などが挙げられる。
これらp型DBR層11、キャビティ層12、p型DBR層13およびp型コンタクト層14には、p型コンタクト層14からn型クラッド層19までを選択的にエッチングしてn型コンタクト層23を露出させたのち、n型コンタクト層23からp型DBR層11の一部までを選択的にエッチングすることにより、中途に段差を有する円柱状のメサ部24が形成されている。
p型DBR層11,13は、低屈折率層(図示せず)および高屈折率層(図示せず)を1組として、それを複数組分積層して構成されたものである。低屈折率層は、例えば、光学膜厚がλ/4(λは発振波長)のp型Alx1Ga1-x1As(0<x1≦1)、高屈折率層は、例えば、光学膜厚がλ/4のp型Alx2Ga1-x2As(0≦x2<x1)によりそれぞれ形成されている。なお、p型DBR層11,13は互いに等しい組成や、厚さ、層構造を有している必要はない。
p型クラッド層16,21は、例えば、p型Alx3Ga1-x3As(0≦x3≦1)により構成されている。n型クラッド層18,19は、例えば、n型Alx4Ga1-x4As(0≦x4≦1)により構成されている。これらp型クラッド層16,21およびn型クラッド層18,19は、発光波長λに相当するエネルギーよりも大きなバンドギャップ(ワイドギャップ)を有している。なお、p型クラッド層16,21や、n型クラッド層18,19はそれぞれ、互いに等しい組成や厚さを有している必要はない。
活性層17,20は、例えば、アンドープのAlx5Ga1-x5Asからなる井戸層(0<x5≦1)と、アンドープのGaAsからなる障壁層とを1組としてこれを複数組分積層して構成された多重量子井戸構造を有している。これら活性層17,20は、発光波長λに相当するエネルギー以下のバンドギャップ(ナローギャップ)を有している。また、活性層17,20は、その中央領域に発光領域17A,20Aを有している。なお、活性層17,20は、互いに等しい組成や厚さを有している必要はない。
ここで、活性層17,20は、図4に示したように、上記したp型DBR層11,13によってキャビティ層12内に発生する単一波長の定在波の腹Pのところに配置されることが好ましい。活性層17,20を腹Pのところに配置することにより、活性層17,20からの発光光のゲインを大きくすることができ、レーザ発振に好都合だからである。このように、活性層17,20をそれぞれ定在波の腹Pのところに配置するためには、活性層17,20の数以上の腹Pがキャビティ層12内に存在しないといけないので、キャビティ層12の厚さ(キャビティ長)を少なくとも発振波長λの2倍にすることが必要となる。
p型電流狭窄層15,22は、その外縁領域に電流狭窄領域15a,22aを有し、その中央領域に円形状の電流注入領域15b,22bを有している。流注入領域15b,22bは、例えば、p型AlAsにより構成され、電流狭窄領域15a,22aは、後述するように、メサ部24の側面側からAlAs層15D,22Dに含まれる高濃度のAlを酸化することにより得られたAl2 O3 (酸化アルミニウム)を含んで構成されている。つまり、p型電流狭窄層15,22は電流を狭窄する機能を有している。なお、p型電流狭窄層15,22は互いに等しい組成や、厚さ、内部構造を有している必要はない。
ここで、p型電流狭窄層15,22は、図4では、キャビティ層12の両端に配置されているが、この位置は定在波の腹Pのところに極めて近い。このように、p型電流狭窄層15,22を定在波の節Z以外のところに配置すると、キャビティ層12およびp型DBR層11,13からなる共振器の内部を往復する光は酸化物を含むp型電流狭窄層15,22によって散乱(scattering)されるので、電流狭窄領域15a,22aは基本的に、共振器内を往復する光に損失を与え、発振を抑制する性質を有している。しかし、電流狭窄領域15a,22aは、上記したように、p型電流狭窄層15,22の外縁領域にだけ形成されているので、共振器内を往復する光のうちp型電流狭窄層15,22の外縁領域に対応する領域(発光領域17A,20Aの外縁部分)に大きなゲインを有する高次横モードの発振を主として抑制するようになっている。つまり、共振器内を往復する光のうち電流注入領域15b,22bに対応する領域(発光領域17A,20Aの中央部分)に大きなゲインを有する基本横モードの発振は電流狭窄領域15aによって抑制されることはほとんどなく、基本横モードの光にとって第1電流狭窄層15はほとんど透明である。
このように、p型電流狭窄層15,22は、定在波の節Z以外のところに配置された場合には、電流を狭窄するだけでなく、高次横モードの光にだけ選択的に損失を与える機能も兼ね備えている。従って、p型電流狭窄層15,22は、キャビティ層12の両端以外の場所に配置されていたとしても、定在波の節Z以外のところに配置されていれば2つの機能を兼ね備えることが可能である。なお、本実施の形態では、p型電流狭窄層15,22は、キャビティ層12内にあることになっているが、キャビティ層12外(例えばp型DBR層11,13内)にあってもよい。つまり、p型電流狭窄層15,22がキャビティ層12の必須の構成要素である、というわけではない。
p型コンタクト層14は、例えば、p型GaAsにより構成され、上記の電流注入領域22bと対向する領域に、例えば円形状の開口部を有している。n型コンタクト層23は、例えば、n型GaAsにより構成され、キャビティ層12内の2つのPIN接合の間であって、かつ、互いに対向する2つの半導体層(n型クラッド層18,19)の各々に接して配置されている。
この半導体発光素子はまた、p型コンタクト層14上にp側電極25を、n型コンタクト層23の露出面上にn側電極26を、p型半導体基板10の裏面にp側電極27をそれぞれ有している。ここで、p側電極25は、例えばチタン(Ti),白金(Pt)および金(Au)をこの順に積層して構成されたものであり、p型コンタクト層14と電気的に接続されている。このp側電極25は、中央領域に開口部を有しており、この開口部とp型コンタクト層14の開口部とにより開口部Wが形成されている。p側電極27は、例えばTi,PtおよびAuをこの順に積層して構成されたものであり、p型半導体基板10と電気的に接続されている。n側電極26は、例えば、金(Au)とゲルマニウム(Ge)との合金層,ニッケル(Ni)層および金(Au)層とをこの順に積層した構造を有しており、n型コンタクト層23と電気的に接続されている。
このような構成を有する半導体発光素子は、例えば、次のようにして製造することができる。
図5(A),(B)はその製造方法を工程順に表したものである。半導体発光素子を製造するためには、p型GaAsからなるp型半導体基板10上にGaAs系化合物半導体を、例えば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition :有機金属気相成長)法により形成する。この際、GaAs系化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、アルシン (AsH3)を用い、ドナー不純物の原料としては、例えばセレン化水素(H2 Se)を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えばジメチル亜鉛(DMZn)を用いる。
具体的には、まず、p型半導体基板10上に、p型DBR層11、p型AlAs層15D、p型クラッド層16、活性層17、n型クラッド層18、n型コンタクト層23、n型クラッド層19、活性層20、p型クラッド層21、p型AlAs層22D、p型DBR層13およびp型コンタクト層14をこの順に積層する(図5(A))。なお、p型AlAs層15D,22Dは、p型電流狭窄層15,22の酸化処理前の層である。
次に、p型コンタクト層14の表面のうちメサ部24を形成する領域にマスク(図示せず)を形成したのち、例えばドライエッチング法によりp型コンタクト層14からn型クラッド層19までを選択的にエッチングしてn型コンタクト層23を露出させたのち、n型コンタクト層23からp型DBR層11の一部までを選択的にエッチングする。これにより、2段形状のメサ部24が形成される(図5(B))。
次に、水蒸気雰囲気中において、高温で酸化処理を行い、メサ部24の側面側からp型AlAs層15D,22D中のAlを選択的に酸化する。これによりp型AlAs層15D,22Dの外縁領域が絶縁層(酸化アルミニウム)となる。これにより、外縁領域に電流狭窄領域15a,22aが形成され、その中央領域が電流注入領域15b,22bとなる。このようにして、電流狭窄層15,22が形成される(図5(B))。
次に、p型コンタクト層14の表面のうち開口部を形成する領域以外の領域にマスク(図示せず)を形成したのち、例えばウエットエッチング法によりp型コンタクト層14に開口部を形成する。続いて、例えば蒸着法によりp型コンタクト層14上にp側電極25を、n型コンタクト層23の露出面上にn側電極26を、p型半導体基板10の裏面にp側電極27をそれぞれ形成する。これにより、p型コンタクト層14の開口部と、p側電極25の開口部とから開口部Wが形成される(図1)。このようにして、本実施の形態の半導体発光素子が製造される。
以下、本実施の形態の半導体発光素子の作用および効果について説明する。
本実施の形態の半導体発光素子では、p側電極25およびn側電極26の間に、そして、n側電極26およびp側電極27の間にそれぞれ所定の電位差の電圧を印加すると、電流狭窄層15,22により狭窄された電流が活性層17,20の利得領域である発光領域17A,20Aに注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光がそれぞれの発光領域17A,20Aで生じる。それぞれの発光領域17A,20Aで生じた発光光により、共振器内で誘導放出が繰り返される結果、所定の波長でレーザ発振が生じ、その所定の波長の光がビームとして開口部Wから射出される。
ここで、この半導体発光素子では、キャビティ層12内にPIN接合が2つ設けられているので、各活性層17,20に別個独立に電流を注入することができる。これにより、キャビティ層12内に活性層が1つ、すなわち、PIN接合が1つしか設けられていない従来例の場合(実線)の出力と比べておよそ2倍の出力の光を射出することができる(図6の一点鎖線参照)。つまり、この半導体発光素子は、キャビティ層内に活性層が1つしか設けられていない半導体発光素子を2つ備えたものとほぼ等価の出力の光を1つの素子から射出することが可能である。
このように、キャビティ層12内にPIN接合を2つ設けると共に、各活性層17,20に別個独立に電流を注入することにより、半導体発光素子の光出力を従来構造の素子と比べて2倍とすることができる。これにより、各活性層17,20への電流注入量を増やしたり、各活性層17,20の発光領域17A,20Aの面積を大きくするなど、従来構造の素子において光出力を大きくするために通常行われていたことをする必要がないので、個々の発光領域17A,20Aからの光出力がすぐに飽和したり、FFPが不安定になる虞がない。従って、FFPが安定した状態で光出力を大きくすることができる。
[第2の実施の形態]
図7は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体発光素子の断面構成を表すものである。なお、図7は模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。
図7は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体発光素子の断面構成を表すものである。なお、図7は模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。
この半導体発光素子は、キャビティ層32内にPIN接合を3つ有している点で、キャビティ層12内にPIN接合を2つ有している上記実施の形態と相違する。そこで、以下、上記実施の形態と相違する点について主に説明し、共通する点については適宜省略する。なお、以下の説明において、上記実施の形態と同一の符号が用いられている場合は、その同一符号の要素と同様の構成・機能を有することを意味している。
この半導体発光素子は、n型半導体基板30上に、n型DBR層31、キャビティ層32、p型DBR層13およびp型コンタクト層14をp型半導体基板10側からこの順に積層して構成されたものである。
n型半導体基板30は、例えば、n型GaAsにより構成されている。キャビティ層32は、上記したように、3つのPIN接合を有している。n型DBR層31に最も近いPIN接合は、n型電流狭窄層33、n型クラッド層34(第2導電型半導体層)、活性層35(ノンドープナローギャップ半導体層)、p型クラッド層36(第1導電型半導体層)により構成されている。すなわち、n型電流狭窄層33およびn型クラッド層34がPIN接合におけるN層となり、活性層35がPIN接合におけるI層となり、p型クラッド層36がPIN接合におけるP層となる。中央のPIN接合は、p型電流狭窄層15、p型クラッド層16、活性層17、n型クラッド層18により構成されている。これら2つのPIN接合の間には、p型コンタクト層37が設けられており、このp型コンタクト層37は、双方のPIN接合におけるP層の一部を構成している。他方、p型DBR層13側のPIN接合は、n型クラッド層19、活性層20、p型クラッド層21およびp型電流狭窄層22により構成されている。
これらn型DBR層31、キャビティ層32、p型DBR層13およびp型コンタクト層14には、p型コンタクト層14からn型クラッド層19までを選択的にエッチングしてn型コンタクト層23を露出させたのち、n型コンタクト層23からp型電流狭窄層15までを選択的にエッチングしてp型コンタクト層37を露出させることにより、中途に段差を有する円柱状のメサ部38が形成されている。
n型DBR層31は、低屈折率層(図示せず)および高屈折率層(図示せず)を1組として、それを複数組分積層して構成されたものである。低屈折率層は、例えば、光学膜厚がλ/4(λは発振波長)のn型Alx6Ga1-x6As(0<x6≦1)、高屈折率層は、例えば、光学膜厚がλ/4のp型Alx7Ga1-x7As(0≦x7<x6)によりそれぞれ形成されている。
n型クラッド層34は、例えば、n型Alx8Ga1-x8As(0≦x8≦1)により構成されている。p型クラッド層36は、例えば、p型Alx9Ga1-x9As(0≦x9≦1)により構成されている。これらn型クラッド層34およびp型クラッド層35は、発光波長λに相当するエネルギーよりも大きなバンドギャップ(ワイドギャップ)を有している。
活性層35は、例えば、アンドープのAlx10 Ga1-x10 Asからなる井戸層(0<x10≦1)と、アンドープのGaAsからなる障壁層とを1組としてこれを複数組分積層して構成された多重量子井戸構造を有している。この活性層35は、発光波長λに相当するエネルギー以下のバンドギャップ(ナローギャップ)を有している。また、活性層35は、その中央領域に発光領域35Aを有している。
ここで、活性層35は、上記実施の形態の活性層17,20と同様、n型DBR層31およびp型DBR層13によってキャビティ層32内に発生する単一波長の定在波の腹Pのところに配置されることが好ましい。活性層35を腹Pのところに配置することにより、活性層35からの発光光のゲインを大きくすることができ、レーザ発振に好都合だからである。このように、活性層17,20,35をそれぞれ定在波の腹Pのところに配置するためには、活性層17,20,35の数以上の腹Pがキャビティ層32内に存在しないといけないので、キャビティ層32の厚さ(キャビティ長)を少なくとも発振波長λの3倍にすることが必要となる。
n型電流狭窄層33は、その外縁領域に電流狭窄領域33aを有し、その中央領域に円形状の電流注入領域33bを有している。電流注入領域33bは、例えば、n型AlAsにより構成され、電流狭窄領域33aは、後述するように、メサ部38の側面側からn型AlAsに含まれる高濃度のAlを酸化することにより得られたAl2 O3 (酸化アルミニウム)を含んで構成されている。つまり、n型電流狭窄層33は電流を狭窄する機能を有している。
ここで、n型電流狭窄層33は、図7では、キャビティ層32の端に配置されているが、この位置は上記の実施の形態と同様、定在波の腹Pのところに極めて近い。このように、n型電流狭窄層33を定在波の節Z以外のところに配置すると、キャビティ層32、n型DBR層31およびp型DBR層13からなる共振器の内部を往復する光は酸化物を含むn型電流狭窄層33によって散乱されるので、電流狭窄領域33aは基本的に、共振器内を往復する光に損失を与え、発振を抑制する性質を有している。しかし、電流狭窄領域33aは、上記したように、n型電流狭窄層33の外縁領域にだけ形成されているので、共振器内を往復する光のうちn型電流狭窄層33の外縁領域に対応する領域(発光領域17A,20A,35Aの外縁部分)に大きなゲインを有する高次横モードの発振を主として抑制するようになっている。つまり、共振器内を往復する光のうち電流注入領域33bに対応する領域(発光領域17A,20A,35Aの中央部分)に大きなゲインを有する基本横モードの発振は電流狭窄領域33aによって抑制されることはほとんどなく、基本横モードの光にとってn型電流狭窄層33はほとんど透明である。
このように、n型電流狭窄層33は、定在波の節Z以外のところに配置された場合には、電流を狭窄するだけでなく、高次横モードの光にだけ選択的に損失を与える機能も兼ね備えている。従って、n型電流狭窄層33は、キャビティ層32の端以外の場所に配置されていたとしても、定在波の節Z以外のところに配置されていれば2つの機能を兼ね備えることが可能である。なお、本実施の形態では、n型電流狭窄層33は、キャビティ層32内にあることになっているが、キャビティ層32外(例えばn型DBR層31内)にあってもよい。つまり、n型電流狭窄層33がキャビティ層32の必須の構成要素である、というわけではない。
p型コンタクト層37は、例えば、p型GaAsにより構成され、キャビティ層32内のn型DBR層31側の2つのPIN接合の間であって、かつ、互いに対向する2つの半導体層(p型クラッド層36およびp型電流狭窄層15)の各々に接して配置されている。
この半導体発光素子はまた、p型コンタクト層14上にp側電極25を、n型コンタクト層23の露出面上にn側電極26を、p型コンタクト層37の露出面上にp側電極39を、n型半導体基板30の裏面にn側電極40をそれぞれ有している。ここで、p側電極39は、例えばTi,PtおよびAuをこの順に積層して構成されたものであり、p型コンタクト層37と電気的に接続されている。また、n側電極40は、例えば、AuGeの合金,NiおよびAuとをこの順に積層した構造を有しており、n型半導体基板30と電気的に接続されている。
以下、本実施の形態の半導体発光素子の作用および効果について説明する。
本実施の形態の半導体発光素子では、p側電極25およびn側電極26の間に、そして、n側電極26およびp側電極39の間に、さらに、p側電極39およびn側電極40の間にそれぞれ所定の電位差の電圧を印加すると、電流狭窄層15,22,33により狭窄された電流が活性層17,20,35の利得領域である発光領域17A,20A,35Aに注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光がそれぞれの発光領域17A,20A,35Aで生じる。それぞれの発光領域17A,20A,35Aで生じた発光光により、共振器内で誘導放出が繰り返される結果、所定の波長でレーザ発振が生じ、その所定の波長の光がビームとして開口部Wから射出される。
ここで、この半導体発光素子では、キャビティ層32内にPIN接合が3つ設けられているので、各活性層17,20,35に別個独立に電流を注入することができる。これにより、キャビティ層32内に活性層が1つ、すなわち、PIN接合が1つしか設けられていない従来例の場合(実線)の出力と比べておよそ3倍の出力の光を射出することができる(図6の二点鎖線参照)。つまり、この半導体発光素子は、キャビティ層内に活性層が1つしか設けられていない半導体発光素子を3つ備えたものとほぼ等価の出力の光を1つの素子から射出することが可能である。
このように、キャビティ層32内にPIN接合を3つ設けると共に、各活性層17,20,35に別個独立に電流を注入することにより、半導体発光素子の光出力を従来構造の素子と比べて3倍とすることができる。これにより、各活性層17,20への電流注入量を増やしたり、各活性層17,20の発光領域17A,20Aの面積を大きくするなど、従来構造の素子において光出力を大きくするために通常行われていたことをする必要がないので、個々の発光領域17A,20Aからの光出力がすぐに飽和したり、FFPが不安定になる虞がない。従って、FFPが安定した状態で光出力を極めて大きくすることができる。
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。
例えば、上記実施の形態では、キャビティ層32内にPIN接合を2つまたは3つ設けた場合について説明していたが、本発明はこれらに限定されるものではなく、上記実施の形態における説明から明らかなように、キャビティ層32内のPIN接合をそれ以上増やすことが可能である。これにより、キャビティ層32内のPIN接合の数を増やせば増やした分だけ、光出力を大きくすることができる。
また、上記実施の形態では、p型クラッド層16,21,35およびn型クラッド層18,19,34は、p型不純物や、n型不純物を含んで構成されていたが、これらの不純物を含んでいなくてもよい。ただし、この場合には、p型クラッド層16、活性層17およびn型クラッド層18、p型クラッド層21、活性層20およびn型クラッド層19、ならびにp型クラッド層36、活性層35およびn型クラッド層34がPIN接合におけるI層となるので、p型電流狭窄層15,22およびn型電流狭窄層33がキャビティ層12,32内に設けられている場合には、p型電流狭窄層15,22がPIN接合におけるP層となると共にn型電流狭窄層33がPIN接合におけるN層となり、p型電流狭窄層15,22およびn型電流狭窄層33がp型DBR層11,13およびn型DBR層12D内に設けられている場合には、キャビティ層12,32の外に設けられているp型DBR層11,13がPIN接合におけるP層となると共にn型DBR層12DがPIN接合におけるN層となる。
また、上記実施の形態では、2つのPIN接合の間にn型コンタクト層23が設けられていたが、n側電極26がn型クラッド層18と直接オーミック接触することが可能な場合には、n型コンタクト層23が設けられていなくてもよい。なお、この場合には、n型クラッド層18,19を区別する必要はなく、n型クラッド層18,19が1つのn型クラッド層により構成されていてもよい。
また、上記実施の形態では、p型電流狭窄層15,22およびn型電流狭窄層33が活性層17,20,35にそれぞれ対向して設けられていたが、本発明はこれに限られるものではなく、1つの電流狭窄層が複数の活性層の少なくとも1つに対向して設けられていればよい。このような場合には、電流狭窄層と対向する活性層が主に電流励起の役割を果たし、他方、電流狭窄層と対向していない活性層が主に光励起の役割を果たすようになる。
また、上記実施の形態では、全てのノンドープナローギャップ半導体層に対して電流を注入するようにしていたので、全てのノンドープナローギャップ半導体層が活性層として機能していた。ところが、一部のノンドープナローギャップ半導体層を含むPIN接合の部分に対してだけ逆バイアスを掛けるようにした場合には、そのノンドープナローギャップ半導体層は光吸収層として機能するようになる。このように、ノンドープナローギャップ半導体層を光吸収層として機能させた場合には、そのノンドープナローギャップ半導体層を含むPIN接合の部分を光検出器として利用することが可能である。さらに、逆バイアスをパルス状に駆動させることにより、そのノンドープナローギャップ半導体層を含むPIN接合の部分を光変調器として利用することも可能である。
また、上記実施の形態では、各活性層17,20,35を単一波長の定在波の腹Pのところに配置するようにしていたが、図8に示したように、キャビティ層12を、互いに異なる波長の定在波がキャビティ層12内に生じるようなキャビティ長に設定すると共に、各活性層17,20,35をそれぞれの定在波の腹Pのところに配置するようにしてもよい。例えば、キャビティ長を光学長で3400nmにした場合には、このキャビティ長は、波長680nmの5倍に等しく、さらに、波長850nmの4倍にも等しくなる。そこで、活性層17を波長680nmの定在波の腹のところに配置すると共に、活性層20を波長850nmの定在波の腹のところに配置した場合には、波長680nmおよび波長850nmにおいてレーザ発振するようになり、複数波長の光を半導体発光素子から射出することができる。
また、上記実施の形態では、半導体材料としてGaAs系化合物半導体を用いた場合について説明したが、他の材料系、例えば、GaInP系(赤系)材料またはAlGaAs系(赤外系)や、GaN系(青緑色系)などを用いることももちろん可能である。
また、本発明は、上記実施の形態で具体的に説明した製造方法に限定されるものではなく、他の製造方法であってもよい。
10…p型半導体基板、11,13…p型DBR層、12,32…キャビティ層、14,37…p型コンタクト層、15,22…p型電流狭窄層、15a,22a,33a…電流狭窄領域、15b,22b,33b…電流注入領域、15D,22D…AlAs層、16,21,36…p型クラッド層、17,20,35…活性層、17A,20A,35A…発光領域、18,19,34…n型クラッド層、23…n型コンタクト層、24,38…メサ部,25,27,39…p側電極、26,40…n側電極、30…n型半導体基板、31…n型DBR層、33…n型電流狭窄層、W…開口部。
Claims (10)
- 互いに異なる導電型の半導体層の間に設けられたノンドープナローギャップ半導体層を複数有するキャビティ層と、
前記キャビティ層を間にして設けられると共に前記キャビティ層にそれぞれ接する一対の多層膜反射鏡と
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記キャビティ層は、各ノンドープナローギャップ半導体層の両側に接して設けられた第1導電型半導体層および第2導電型半導体層を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。 - 前記キャビティ層は、各ノンドープナローギャップ半導体層の両側に接して設けられた一対のノンドープワイドギャップ半導体層と、互いに対向するノンドープワイドギャップ半導体層の各々に接するコンタクト層を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。 - 各ノンドープナローギャップ半導体層は、前記一対の多層膜反射鏡によって発生する定在波の腹の位置に配置されている
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。 - 各ノンドープナローギャップ半導体層は、前記一対の多層膜反射鏡によって発生する、互いに波長の異なる複数の定在波のうちの一の定在波の腹の位置に配置されている
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。 - 前記キャビティ層は、前記ノンドープナローギャップ半導体層に対向して設けられた電流狭窄層を少なくとも1つ有する
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。 - 前記キャビティ層は、各ノンドープナローギャップ半導体層に対向して設けられた複数の電流狭窄層を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。 - 各ノンドープナローギャップ半導体層は、活性層として機能する
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。 - 前記複数のノンドープナローギャップ半導体層のうち少なくとも1つは、活性層として機能し、
前記複数のノンドープナローギャップ半導体層のうち前記活性層として機能するもの以外のものは、光吸収層として機能する
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。 - 前記複数のノンドープナローギャップ半導体層のうち少なくとも1つは、活性層として機能し、
前記複数のノンドープナローギャップ半導体層のうち前記活性層として機能するもの以外のものは、光変調層として機能する
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
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