JPS6360582A - 埋め込み型半導体レ−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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は不純物導入により導波路構造を形成する。

（従来の技術） 量子井戸半導体レーザは通常の二重・＼テロ接合半導体
レーザに比し、効率、温度特性の改善が可能であシ、ま
た不純物導入により埋め込みへテロ接合の形成が可能で
あるという特徴を有する。

量子井戸とは所謂二重へテロ接合の活性層をキャリヤの
物質波波長程度まで薄く形成したものである。

以下ＡｔＧａＡｓ系の量子井戸半導体レーザを例にとっ
て説明を行っていく。

まづ、量子井戸半導体レーザ及びその不純物導入による
導波路の形成について簡単に説明を行う。

第４図は量子井戸半導体レーザの量子井戸活性層及び不
純物導入領域の境界部分を抜き出した図である０図中３
２の部分が量子井戸活性層であシ、量子井戸は３２２，
３２４の２つの層である。量子井戸はこの場合のように
複数あっても良く、そのポテンシャル幅、深さ等により
最適な数を選択することができる。　ＡｔＧａＡｓ系材
料による量子井戸活性層の例として、３２２．３２４の
量子井戸をＧａＡ’ｗ　　３２１，３２３ｅ　３２５０
バリア／１１をＡ１．２２　ＧａＯ，７８Ａ　ｓで厚さ
が５ＯＡとする。その場合量子井戸の＠（厚さ）が約２
５０Ａ程度以下になるとキャリヤの散乱によるエネルギ
ーのゆらぎよシ量子化されるエネルギー社の方が犬きく
な夛所蛸量子サイズ効果を得ることがでさる。その結果
図の（Ｃ）に示すような量子化レベルＥ９’　　が形成
され、量子化されていないときの禁制帯幅よシ、ΔＦｆ
　分だけ大きな禁制帯幅と等価なエネルギーレベルにな
る。童子化レベルＥｆ′　が形成されると、そのエネル
ギーレベルにおける状態密度が高まり、結果として発光
効率の向上等が可能になる。このとき、量子井戸活性層
３２の厚では高々数１０ＯＡであシ、結晶中のレーザ発
振光の波長よりかなり小さな値となる。そのため半導体
レーザとして動作させる場合、量子井戸活性層３２近傍
にレーザー光を十分閉じ込めることが雅しぐなシ、レー
ザ発振の発損しきい値の上昇、発振効率の低下が起こり
−易い、そこで一般に量子井戸半導体レーザでは量子井
戸活性層に近接して光ガイド層を設け、レーザー光を量
子井戸活性層近傍に集中させる構造を用いることが多い
、第４図において３１．３３が光ガイド層であ、り、２
．４は光閉じ込めを行うクラッド層である。

第４図（ｂ）の６の領域は不純物導入を行った領域でア
夛、不純物としては例えばＺｎ、Ｓｉを用い熱拡散ある
いはイオン注入と熱処理というような手法を用いて導入
する。このとき、各々の層を形成する結晶よシ、Ｑａ、
Ａｔ等の構成原子が移動し易くなることが知られておシ
、その結果同図（ａ）に示すように、各層の配列秩序が
乱され、なめらかに連続した結晶得成が得られるように
なる。そして量子井戸状態のときの量子化レベルに対応
する波長に対し、量子井戸状態よシも屈折率の低い結晶
層となることも知られている。この現象を利用して光導
波路を形成することが可能である。即ち、所定の幅の量
子井戸層を除いてその両側に不純物導入を行うことによ
り、不純物導入していない領域の両側面の屈折率を低下
させ、光導波路とすることができる。

このようにして量子井戸構造では不純物導入により・１
テロ接合を選択的に形成することが可能であり、しかも
その形成が結晶内部での組成操作によるため通常行われ
るような再成長による埋め込み・飄テロ接合の形成よシ
も界面品質の優れたヘテロ接合を得ることができる。

このよう々特徴を利用して不純物導入による埋め込み型
量子井戸半導体レーザが実現されている。

第５図、第６図にその例を示す、第５図は、半導体基板
１の導電形と不純物導入による導電形が逆の場合、第６
図は同じ場合のそれぞれ従来例である。これらの構造で
は前述したような光学的な閉じ込めの他に電流の閉じ込
めも可能である。これらの例でＰｎ接合は、第５図の場
合２と４及び６の間の領域、第６図の場合４と２及び６
の間の領域となるが、量子井戸活性層３に接したＰｎ接
合と不純物導入領域６とクラッド層２（または４）の接
するＰｎ接合との間には、はぼ禁制帯幅の差に相当する
量の拡散電位の差がある。このため２つのＰｎ接合の間
には同程度のバイアス電圧に対して流れる電流密度の格
差が生じる。これにより量子井戸活性層の禁制帯幅に比
しクラッド層２及び４の禁制帯幅を十分大きくとること
でｔ流の閉じ込めも行えるようになる。また、第６図の
場合５のオーミックコンタクト層が６の領域に接してい
ないのは、この層に形成されるＰｎ接合の拡散電位がク
ラッド層に形成されるＰｎ接合の拡散電位よシ小さい場
合が多く、無効電流を大きくさせる可能性があるからで
ある。このように、第５図、第６図に示した構造は光及
び電流の閉じ込めを可能にするものである。

しかしながら、このような従来のレーザにあっては次の
ような欠点があった。

前述したように量子井戸活性層への光閉じ込めを十分な
ものとするため、量子井戸活性層に接して光ガイド層を
設ける構造が一般にとられている。

ところが光ガイド層の禁制帯幅は一般にクラッド層より
禁制帯幅の狭い材料によって構成される場合が多く、こ
の部分に形成されるＰｎ接合を流れる無効電流が生じ易
い。この様子を第７図及び第８図に示す。第７図は半導
体基板の導電形と不純物導入による導電形が逆の場合、
第８図は同じ導電形の場合である。いずれの場合におい
ても不純物導入による導電形と逆の導電形のり２ラド層
側の光ガイド層部分で無効電流が生じ易い。図中、Ｉｔ
ｌ、Ｉｔｚ　と示した電流がいずれも無効１１！流とな
るが、Ｉｔｌはクラッド層へ流れる［流であるためクラ
ッド層の禁制帯幅を十分大きくとることで実質的に抑制
することが可能である。しかし、Ｉｔｚは光ガイド層へ
流れる電流であシ、光ガイド効果を保持するため光ガイ
ド層にあまシ県制帝幅の大きな材料を用いることができ
ず、その抑制が難しいといり欠点があった。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、このような従来技術のもつ欠点を考慮して成
されたものであシ、光ガイド層の活性−層への光集中効
果の低減を極力抑え且つ光ガイド層に流れる無効電流を
抑制することのできる不純物導入埋め込み盤量子井戸半
導体レーザの提供を目的としている。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明は、量子井戸活性層の両側にある光ガイド層のう
ち、導入不純物による導電形と逆の導電形側の光ガイド
層、即ち無効′！！流を生じる側の光ガイド層を他方の
光ガイド層に比し禁制帯幅のよシ広い材料を用いて構成
したものである。

また、それぞれの光ガイド層の厚さを非対称にすること
で導波される光のピークを量子井戸活性層部分に位置さ
せることもできる。

（作　用） 本発明によれば、対称的に光ガイド層の禁制帯幅を大き
くした場合に比し光閉じ込め鎗の減少が少く、また光ガ
イド層の禁制帯幅が狭い場合に比し無効電流の低減が可
能である。そのため良好な光ガイド効果を保持しつつ無
効電流の低減化が可能となる効果を奏する。

（実施例） 以下本発明の実施例を第１図乃至第３図を参照して説明
する。第１図は導入不純物による導電形と半導体基板の
導電形が逆の場合の実施例、第２図は不純物導入による
導電形と半導体基板の導電形が同じ場合の実施例である
。２つの実施例の違いは、従来技術で説明してきたよう
に光ガイド層にＰｎ接合の形成されるのが第１図の場合
下側の光ガイド層３１、第２図の場合上側の光ガイド層
３３であり、それぞれ禁制帯幅の広い光ガイド層を設け
る側が量子井戸活性層に対して逆になっている点である
。また、第２図の場合、オーミックコンタクト層にＰｎ
接合が形成されるのを防ぐためその幅が制限されている
が、これは従来技術と同じ理由によるものである。以下
従来技術と同様ＡＡＧａＡｓ　／ＧａＡｓ系材料を例に
とシ、具体的構造例を示す。

第１図において１はＧ　ａ　Ａ　ｓ基板、２及び４はク
ラッド層であシ、例えばＡｔ０．６ＧａＯ，４Ａｓ混晶
とする。５は良好なオーミックコンタクトを得るための
層でＱａＡｓを用いる。量子井戸活性層３２には例えば
第４図のところで示したように量子井戸（第４図３２２
．３２４）をＧ　ａ　Ａ　Ｓ　テ、ｒｏＡの幅とし、バ
リア層（第４図３２１．３２３゜３２５）をｈｔｏ、２
２ｏａｏ、ｒｓｈｓｒ：ｓ　ｏＡｏ幅とする。光ガイド
層３１．３３としては例えば３３の層をＡｚＯ，２８Ｇ
ａＯ，７２Ａｓで７５０１．３１の層をｈｔｏ、４ｓＧ
ａｏ、５ｚｈｓｃ７５０Ａとイウヨウニ構成する。

そして導入不純物としては、１のＧａＡｓ基板がｎ形の
場合、Ｐ形不純物として、例えばＺ　ｎを用いて熱拡散
を行い６の不純物導入領域を形成する。

１のＧａＡＳ基板がＰ形の場合は、ｎ形不純物として、
例えばＳｉを用い熱拡散又はイオン注入によりロの不純
物導入領域を形成する。また、各層の導電形としては１
のＧ　ａ　Ａ　３基板がｎ（ト）形の場合、２がｎ　（
Ｐ）形、４．５をＰ　（ｎ）形とし、３１．３２゜３３
の各層は特に不純物の添加を行なわない。第２図の実施
例では導入不純物と光ガイド層３１゜３３の構成とを逆
に用いれば良い。

第１図に示す実施例では、一方の光ガイド層３１がＡｔ
　Ｏ，４８Ｇａ　Ｏ，５２Ａ　ｓテ形成され、他方Ｏ光
ガイド層３３がＡｚＯ，２８Ｇａ０．７２Ａｓで形成さ
れている。これにより光ガイド層３１の禁制帯幅は他方
の光ガイド層３３の禁制帯幅よシ広くなシ、その結果、
第１図においては不純物導入領域６から光ガイド層３１
へ流れる無効電流の発生を防止することができる。

ここで禁制帯幅の広い光ガイド層の結晶組成をＡｔ　Ｏ
，４８Ｑａ　ｏ、ｓ　２Ａ　ｓとした理由について述べ
る。

ＡｔｘＧａｌ−ＸＡ３系混晶ｔ−ＧａＡｓ基板上ニエビ
タギシャル成長させた場合、ＡｔのＸ値増加に伴い禁制
帯幅が増大し、また屈折率が減少することが知られてい
る。ところがＸ値が０．４５付近を境にして禁制帯幅の
変化がＸ＞０．４５で小さく、Ｘ＜　０．４５で大きく
なっている。これは最小禁制帯幅がＸ＜０．４５の場合
直接遷移禁制帝の幅であるのに対し、Ｘ＞０．４５の場
合間接遷移須制帯の幅となるためである。このためＸｆ
ｌ［が０．４５付近まではＡｔの増加に対して禁制帯幅
の増大が大きく光ガイド層での電流閉じ込めを除々に良
くできるが、０．４５以上ではそれほど改善されないこ
とになる。むしろ０．４５以上では電流閉じ込めかさほ
ど改善されない割に屈折率の増大により光閉じ込め効果
を損い易い傾向にあるといえる。従ってＸ値として０．
５を超える領域では光閉じ込め効果を損うため、０．５
以下で用いるのが好ましい。

本発明者らが、実験したところ禁制帯幅の広い光ガイド
層は、電流閉じ込め効果及び光閉じ込め効果の関係から
ＡｔｘＧａｌ−ＸＡＳの場合０．４５　＜Ｘ　＜　Ｏ，
Ｓの範囲で良好な結果となった。

このような構成としたとき従来技術に比し優れた効果が
現われることを従来技術の例として第５図に示した構成
をとシ、光ガイド層のＡｔ混晶比（Ｘ値）のみを変えて
比較してみる。

まずＸ　−０，２８の場合の従来例と第１図実施例の電
流閉じ込め効果の差を示すと、量子井戸活性層の禁制帯
幅をＧａＡ３で近似して従来例の光ガイド層における拡
散電位差が約ｏ、３ｓｃｅＶ）、実施例では約０．６０
（ｅＶ）となシ、これは電流密度にして１００倍程度の
差になる。勿論これは従来例のＸ値を０．４８とすれば
同じ電流閉じ込め効果が得られるものでるる。しかし、
従来例において、第５図の光ガイド層３１．３３のＸ値
を０．４８と上げた場合、光閉じ込め効果の低下が著し
い。

従来例のＸ　−０，２８の場合の１つの量子井戸に対す
る光閉じ込め係数を基準として比殺してみると第５図の
光ガイド層３１．３３がＸ−０，４８の場合、光閉じ込
め係数は約８０％まで低下する。

つまシ光閉じ込め効果が約２０チ低下することになる。

これに対し前記実施例では光閉じ込め係数はＸ　−０，
２８の従来例の場合の約９１チであシ、光閉じ込め効果
の低下が約９チと小さい。つまり本実施例では光閉じ込
め効果を保持しつつ電流閉じ込めを改善するという従来
技術では成し得なかった効果を奏する。また、この効果
は第１図実施例においても、第２図実施例においても同
様である。

次に上記実施例を更に改良した他の実施例について説明
する。第３図は本発明の第３の実施例についての説明図
であシ、第３図（ａ）は従来例を比較のため示した図で
ある。第３図（ａ）、　（ｂ）、　（Ｃ）各図における
右側の図は各層の禁制帯幅（ＥＯ）、左図は屈折率（ｎ
）及び導波される光（ビーム）の分布強度を示す、第３
図（ａ）の従来例では量子井戸活性層３２に対して光ガ
イド層３１．３３及びクラッド層２．４が対称であるた
めビームの中心は量子井戸活性層部分に位置している。

（ｂ）図は第１図及び第２図で示した第１及び第２の実
施例の場合に相当するが、この場合光ガイド層の非対称
性のためビームの中心は量子井戸活性層からずれた位置
に存在する。そして第１図（Ｃ）は本発明の第３の実施
例を示すが、ここでは禁制帯幅の広い光ガイド層を反対
側の光ガイド層よシ厚く形成し、ビームの中心が量子井
戸活性層の部分に位置するよう光ガイド層の非対称性の
光学的な補正を行っている。

これによｌ）Ｍ１図、第２図の実施例よシも更に光閉じ
込め効果を高めることができる。前実施例と同じ結晶構
成を用い、光ガイド層の厚さとして一方の光ガイド層３
３を７５ＯＡ、他方の光ガイド層３１を９０ＯＡとした
場合、光閉じ込め効果の低下を約８チにまで抑えること
が可能であった。

またこの実施例における電流閉じ込め効果は前記実施例
と本質的に変わるところはない。

〔発明の効果〕

本発明によれば量子井戸活性層への光閉じ込め効果の減
少を極力抑えつつ、無効電流の抑制を可能とする不純物
導入埋め込み型量子井戸半導体レーザを製造することが
でき、低しきい値、高効率な半導体レーザを得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明の実施例を示す断面は第３図は
本発明の他の実施例を説明するための構成図、第４図は
量子井戸半導体レーザの説明図、第５図、第６図は従来
例を示す断面図、第７図、第８図は無効電流の説明図で
ある。 ｌ・・・・・・半導体基板 ２．４・・・・・・クラッド層 ３・・・・・・光ガイド層及び量子井戸活性層３１．３
３・・・・・・光ガイド°層 ３２・・・・・・量子井戸活性層 ３２１．３２３．３２５・・・・・・バリア層３２２．
３２４　　・・・・・・・・・量子井戸層５・・・・・
・・・・・・・オーミックコンタクト層６・・・・・・
・・・・・・不純物導入領域７．８・・・・・・電極 ９・・・・・・・・・・・・絶縁膜 代理人弁理士　　則　近　慾　佑 同　　　　　竹　花　喜久男 第１図 第２図 （ａ） （ｂ） 第３図 第４図 Ｅ９ 第５図 第６図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）量子井戸活性層が光ガイド層及びクラッド層で挟
   み込まれ、所定のストライプ幅を除いて一導電形の不純
   物を導入して形成した埋め込み型半導体レーザに於いて
   、前記不純物と異なる導電形の光ガイド層が他方の光ガ
   イド層に比し禁制帯幅の広い材料により形成されたこと
   を特徴とする埋め込み型半導体レーザ。
2. （２）他方の光ガイド層に比し禁制帯幅の広い材料によ
   り形成された光ガイド層は、前記他方の光ガイド層に比
   し厚く形成されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の埋め込み型半導体レーザ。