JP2008530814A - 広帯域利得を有する量子井戸レーザーダイオード - Google Patents

Abstract

本発明は、注入された電流を光に変換する、多重量子井戸構造を備えた活性層と、当該活性層を挟んで形成される化合物半導体のＰＮ接合構造と、電流の注入のための電極とを含む量子井戸レーザーダイオードにおいて、当該活性層の多重量子井戸は、量子井戸の厚さが均一でない構造を有することを特徴とする量子井戸レーザーダイオードを提供する。
【選択図】図４

Description

本発明は、レーザーダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ；ＬＤ）に関するものであって、より詳しくは、広帯域利得（Ｗｉｄｅｂａｎｄ Ｇａｉｎ）を提供する多重量子井戸（Ｍｕｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ；ＭＱＷ）構造を備えたレーザーダイオードに関する。

半導体レーザーダイオードの中で、特に、非冷却型分布帰還型レーザーダイオード（Ｕｎｃｏｏｌｅｄ ＤＦＢ ＬＤ）は、通常埋め立てられた活性層と平坦な表面を有するＰＢＨ（Ｐｌａｎａｒ Ｂｕｒｉｅｄ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造から成る。

図１を参照すれば、一般的な分布帰還型レーザーダイオードは、ベースになるＩｎＰ基板１０と、注入された電流を光に変換させる活性層１３と、光がよく拘束されるよう当該活性層１３の両側に備えられるＩｎＧａＡｓＰ物質の光拘束層１２、１４と、シングルモード波長を作るように当該ＩｎＰ基板１０と当該活性層１３との間に備えられる回折格子１１と、当該光拘束層１４の上に行きながら順次備えられるｐ−ＩｎＰクラッド層１５、ＩｎＧａＡｓ層１６、ＩｎＰ層１７とを含む。

特に、前記活性層１３は、光が生成される部分であって、最近ではレーザーダイオードの性能を向上させるために量子井戸１３ａと障壁層１３ｂが反復的に形成された多重量子井戸構造が備えられることが一般的である。

従来のレーザーダイオードに備えられる多重量子井戸は、一様に量子井戸の厚さが互いに同一の構造を有するが、図２に示すように、それぞれの量子井戸の厚さが同一の場合、全ての量子井戸の伝導帯域に拘束される電子のエネルギー状態が類似であり、また価電子帯域にある正孔のエネルギー状態が全て類似な値を有するため、伝導帯域の電子が価電子帯域の正孔と結合して作り出すエネルギー（Ｅｇ）が全て類似な波長領域に存在するようになる（図３の利得プロファイルを参照）。

一方、レーザーダイオードの動作を見れば、順方向電圧を印加する初期にはレーザーダイオードがＬＥＤのように作動することになるが、これは低電圧領域で活性層のキャリアが反転分布（Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）になるほど十分ではなく自然放出（Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）が優勢だからである。電圧が増加するにつれて活性層内で反転分布が起き、誘導放出（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）が優勢になる閾値電圧（Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｖｏｌｔａｇｅ）地点においては、レーザーダイオード内における光の損失と光増幅による利得とがバランスを取るようになり、閾値電流（Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｃｕｒｒｅｎｔ）が流れるときにＬＥＤ動作からレーザー発振への変化が起きるようになる。閾値電流以上の注入電流からは誘導放出によりレーザーダイオードから干渉性（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ）の光が出るようになり、このときに、波長スペクトルはファブリ−ペロー（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）モードを満足する共振条件と、多重量子井戸構造によって決められる利得スペクトルプロファイルによって多重モード（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｍｏｄｅ）の波長を含むようになる。

分布帰還型レーザーダイオード（ＤＦＢ ＬＤ）は、ファブリ−ペローレーザーダイオードの活性層の近くに回折格子を備えた構造を有するものであって、回折格子のピッチ（Ｐｉｔｃｈ）に応じて反射指数（Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）が変わるようになり、利得スペクトルで回折格子の周期に合う特定のブラッグ波長（Ｂｒａｇｇ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）のみを選択的に出力する。すなわち、数個のファブリ−ペローモードの中で一つのモードのみを選択的に取ってシングルモード波長スペクトル（ＤＦＢモード）を可能にさせる。

一般に、ＤＦＢモードと利得ピーク（ファブリ−ペローモード）の温度係数は、それぞれ約０.１ｎｍ／℃と０.４ｎｍ/℃の値を有する。このような温度係数の差により温度変化に応じたＤＦＢモードの動作範囲がたびたび制約を受ける。通常、利得ピークは温度が変わるときＤＦＢモードより３倍〜５倍速く動くため、もしＤＦＢモードと利得ピークが一致すれば、より低い、またはより高い温度でＤＦＢモードが利得ピークから分離され、ひどい場合、ＤＦＢモードと利得ピークが結合できないため、ファブリ−ペローモードが発振するようになる。ＤＦＢモードの温度動作範囲は結合係数の関数であり、結合係数が増加するにつれて増加する。大きい結合係数は閾値電流密度を低く維持しＤＦＢモードの動作温度範囲を広くする長所があるが、非線形的な電流−光出力特性を示すかキンク（Ｋｉｎｋ）特性を示すため、結合係数を大きくすることができない。従って、−４０〜８５℃程度の温度範囲でＤＦＢ発振が可能な非冷却分布帰還型レーザーダイオードを製作するため、従来には結合係数を適当な値で維持した状態で利得ピークとＤＦＢモード発振波長間の間隔、すなわち離調（Ｄｅｔｕｎｉｎｇ）を適当に調節してＤＦＢモード発振の温度範囲を調節する方式が用いられた。

しかし、従来の非冷却型分布帰還型レーザーダイオードは多重量子井戸を成す量子井戸の厚さが全て均一な構造を有することから、−３ｄＢにおける利得ピークの幅（利得ピークの１／２になる地点の幅）が狭いので全体温度範囲（−４０〜８５℃）を満足する値に対して離調地点を取っても離調値の許容範囲が小さくなる。また、半導体基板に多重量子井戸を生成させるときウエハー全体の利得ピーク均一度も厳格に管理しなければならないという問題がある。

本発明は、上述のような点を考慮して創案されたものであって、使用温度範囲をより広げるように広帯域利得を有する、多重量子井戸構造を備えたレーザーダイオードを提供することにその目的がある。

上述のような目的を果たすため、本発明は、注入された電流を光に変換する、多重量子井戸構造を備えた活性層と、当該活性層を挟んで形成される化合物半導体のＰＮ接合構造と、電流を注入するための電極とを含む量子井戸レーザーダイオードにおいて、当該活性層の多重量子井戸は、量子井戸の厚さが均一でない構造を有することを特徴とする。

前記多重量子井戸は、量子井戸の厚さがそれぞれ異なるように構成してもよい。

代案として、前記多重量子井戸は、同じ厚さを有する量子井戸のグループを含み、当該グループごとに異なる厚さを有する構造から成り立たせてもよい。

本発明には、ベースになるＩｎＰ基板と、当該基板と前記活性層との間に介在される、当該活性層で生成された光をシングルモード波長にする回折格子がさらに含まれる。

前記回折格子としては、指数結合（Ｉｎｄｅｘ ｃｏｕｐｌｅｄ）型、利得結合（Ｇａｉｎ ｃｏｕｐｌｅｄ）型、損失結合（Ｌｏｓｓ ｃｏｕｐｌｅｄ）型または複合結合（Ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｏｕｐｌｅｄ）型が採用されることが望ましい。

前記回折格子により作られるシングルモード波長は、可視光領域から赤外線領域までの範囲に含まれる。

本発明に備えられる導波構造としては、***（Ｒｉｄｇｅ）型または埋立ヘテロ構造（Ｂｕｒｉｅｄ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）が採用されることが望ましい。

前記多重量子井戸またはその障壁層には、ストレイン（Ｓｔｒａｉｎ）が印加されることが望ましい。

以下、添付した図面を参照しながら本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立って、本明細書及び請求範囲に使われた用語や単語は一般的及び辞書的な意味に限定して解釈されてはいけず、発明者は自らの発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に則して、本発明の技術的思想に符合する意味と概念とに解釈されなければならない。従って、本明細書に記載された実施例は本発明の最も望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的思想の全てを代弁するものではないため、本出願時点においてこれらに代替できる多様な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。

図４は、本発明の望ましい実施例による量子井戸レーザーダイオードの構成を示す切開斜視図である。
図４を参照すれば、本発明の望ましい実施例による量子井戸レーザーダイオードは、化合物半導体のＰＮ接合構造の間に備えられる多重量子井戸構造を備えた活性層１０２と、電流を注入するための電極１０１ａ、１０１ｂとを含み、当該多重量子井戸を成す量子井戸の厚さが均一でない構造を有する。このようなレーザーダイオードに備えられる導波構造としては、公知の***型あるいは埋立ヘテロ構造の採用が望ましい。

より具体的に、本発明の望ましい実施例によるレーザーダイオードは、ＩｎＰ基板１００の上で活性層１０２が１〜１.５μｍ程度の幅を有するメサ（Ｍｅｓａ）模様にエッチングされて形成され、エッチングされた活性層１０２の両側にｐ−ＩｎＰ層とｎ−ＩｎＰ層の電流遮断層１０３が生成され、さらに活性層１０２の上側にｐ−ＩｎＰクラッド層１０４が生成された構造を有する。ここで、電流遮断層１０３は、注入された電流が活性層１０２以外の領域に漏洩されるのを防ぐ作用をする。

望ましくは、前記ＩｎＰ基板１００と活性層１０２との間にはシングルモード波長を作るための回折格子１０８が備えられることである。このような回折格子１０８は、公知されている指数結合型、利得結合型、損失結合型または複合結合型が用いられることが望ましい。同時に、当該回折格子１０８により作られるシングルモード波長は、可視光領域から赤外線領域までの範囲に含まれることが望ましい。

本発明の望ましい実施例によるレーザーダイオードには、寄生静電容量の減少のために略Ｕ字状でｐ−ＩｎＰ層１０４と電流遮断層１０３をエッチングして形成されたＵ−チャンネル１０７が用意される。

また、前記Ｕ−チャンネル１０７上には、ＩｎＧａＡｓ層１０５及び絶縁層１０６が蒸着された後、Ｕ−チャンネル１０７の内側部分の絶縁層１０６が選択的に除去され、その除去された部分には上記ＩｎＰ基板１００下面のｎ型電極１０１ａに対応するｐ型電極１０１ｂが所定のパターンに形成される。

上述のように、多層で構成された後、レーザーダイオードの長さに合わせてウエハー切断工程を経て形成されるファセット（Ｆａｃｅｔ）の表側は無反射膜（図示しない）がコートされ、裏側は高反射膜１０９がコートされて光出力効率をより高めるようになる。

特に、活性層１０２は、電極１０１ａ、１０１ｂを通じて注入される電流を光に変換させるものであって、多重量子井戸構造を備える。ここで、多重量子井戸構造は、厚さがそれぞれ異なる量子井戸を含んで構成される。代案として、多重量子井戸構造は、同じ厚さを有する量子井戸のグループを含み、各グループごとに異なる厚さを有するように構成してもよい。

前記多重量子井戸は、量子井戸と障壁層が反復的に形成された構造を有するが、レーザーダイオードの特性を調節するように各量子井戸や障壁層にはストレインが印加されてもよい。

図５に示すように、量子井戸の厚さが互いに異なるように形成されれば、伝導帯域にある量子井戸のエネルギー状態が多様に分布し、同じく価電子帯域の正孔のエネルギー状態が全て異なる値を有するようになる。従って、伝導帯域の電子が価電子帯域の正孔と結合して作り出すエネルギー（Ｅｇ）が広い波長領域に渡って存在することになるので、図６に示すように、波長による利得プロファイルが、図３を参照して説明した従来技術に比べて相対的に広い利得幅を有するようになる。

一方、従来技術により量子井戸の厚さを均一にして非冷却型分布帰還型レーザーダイオードを製作する場合には、図７に示すような、利得ピーク及びブラッグ波長の変化特性が現れる。すなわち、常温Ｔ２で、利得ピーク（中央プロファイルを参照）とＤＦＢモードブラッグ波長（Ａ）を一致させたとき、低温Ｔ１（左側プロファイルを参照）や高温Ｔ３（右側プロファイルを参照）で利得ピークの移動速度がブラッグ波長（Ｔ１はＢ、Ｔ３はＣを参照）の移動速度より速いので、低温Ｔ１や高温Ｔ３におけるブラッグ波長の利得値がＤＦＢ閾値利得値（基準線Ｉを参照）より小さくてＤＦＢ発振にならず、低温や高温の利得プロファイルのピーク地点におけるファブリ−ペロー波長が発振するようになる。

一方、本発明によって多重量子井戸の厚さを図５のように形成すれば、利得幅が相対的に広いので非冷却型分布帰還レーザーダイオードを製作する場合には、図８に示すような、利得ピーク及びブラッグ波長の変化特性が現れる。すなわち、常温Ｔ２で利得ピーク（中央プロファイルを参照）とブラッグ波長（Ａ）を一致させたとき、低温Ｔ１や高温Ｔ３における利得ピーク（Ｔ１は左側、Ｔ３は右側プロファイルを参照）の移動速度がブラッグ波長（Ｔ１はＢ、Ｔ３はＣを参照）の移動速度より速いが、利得プロファイルの幅が広いので低温Ｔ１や高温Ｔ３におけるブラッグ波長の利得値がＤＦＢ閾値利得値（基準線Ｉを参照）より充分大きくてＤＦＢ発振が起きファブリ−ペロー波長が発振しない。

したがって、量子井戸を除いた全ての構成が同一の条件であれば、本発明で用いる多重量子井戸を用いる場合、従来技術に比べてより広い温度領域でＤＦＢモード発振が可能である。

本発明において、量子井戸を製作する工程そのものは従来の半導体工程技術を用いることができる。

以上のように、本発明は、限定された実施例と図面とによって説明されたが、本発明はこれによって限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を持つ者により本発明の技術思想と特許請求範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能なのは言うまでもない。

本発明による分布帰還レーザーダイオードは、従来に比べて幅の広い利得プロファイルを有するようになるので、広い使用温度範囲に渡ってＤＦＢ発振が可能である。

また、不均一な多重量子井戸構造を用いるので、製造の際ウエハー全体の利得ピーク均一度を厳格に管理する必要がないという長所もある。

本明細書に添付される下記の図面は本発明の望ましい実施例を例示するものであって、発明の詳細な説明とともに本発明の技術思想をさらに理解させる役割を果たすものであるため、本発明はそのような図面に記載された事項にのみ限定されて解釈されてはいけない。

従来技術による分布帰還型レーザーダイオードの構成図である。 従来技術による分布帰還型レーザーダイオードの多重量子井戸構造図である。 従来技術による分布帰還型レーザーダイオードの利得プロファイル（Ｐｒｏｆｉｌｅ）である。 本発明の望ましい実施例によるレーザーダイオードの構成を示す切開斜視図である。 図４の多重量子井戸構造図である。 本発明の望ましい実施例によるレーザーダイオードの利得プロファイルである。 従来技術による分布帰還型レーザーダイオードの温度変化に応じた利得ピークとブラッグ（Ｂｒａｇｇ）波長の変化を示すグラフである。 本発明による分布帰還型レーザーダイオードの温度変化に応じた利得ピークとブラッグ波長の変化を示すグラフである。

Claims (8)

1. 注入された電流を光に変換する、多重量子井戸構造を備えた活性層と、この活性層を挟んで形成される化合物半導体のＰＮ接合構造と、電流を注入するための電極とを含む量子井戸レーザーダイオードにおいて、
   当該活性層の多重量子井戸は、量子井戸の厚さが均一でない構造を有することを特徴とする量子井戸レーザーダイオード。
2. 前記多重量子井戸は、量子井戸の厚さがそれぞれ異なることを特徴とする請求項１に記載の量子井戸レーザーダイオード。
3. 前記多重量子井戸は、同じ厚さを有する量子井戸のグループを含み、当該グループごとに異なる厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の量子井戸レーザーダイオード。
4. ベースになるＩｎＰ基板が備えられ、
   前記基板と前記活性層との間に介在されて前記活性層で生成された光をシングルモード波長にする回折格子をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の量子井戸レーザーダイオード。
5. 前記回折格子として、指数結合型回折格子、利得結合型回折格子、損失結合型回折格子及び複合結合型回折格子のうちから選択された何れか一つが備えられたことを特徴とする請求項４に記載の量子井戸レーザーダイオード。
6. 前記回折格子により作られるシングルモード波長は、可視光領域から赤外線領域までの範囲に含まれることを特徴とする請求項４に記載の量子井戸レーザーダイオード。
7. 光導波構造として、***型または埋立ヘテロ構造が用いられたことを特徴とする請求項１に記載の量子井戸レーザーダイオード。
8. 前記多重量子井戸またはその障壁層にストレインが印加されたことを特徴とする請求項１に記載の量子井戸レーザーダイオード。

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