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JP4135019B2 - 半導体レーザ - Google Patents
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JP4135019B2 - 半導体レーザ - Google Patents

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Description

本発明は、半導体レーザに関する。
特許文献1には、半導体レーザが記載されている。この半導体レーザは、活性層と、該活性層を上下から挟むSCH層を有する。SCH層は2層以上の多層構造であり、かつ、該多層構造のバンドギャップは、活性層から遠ざかるにつれて大きく。この半導体レーザでは、活性層内のキャリア増加による内部損失の増加が抑えられ、活性層からのキャリアオーバーフローによる内部量子効率の減少が抑制される。これによって、この半導体レーザは、高温環境下で高効率に動作可能になる。
特開平10−75010号公報
先行技術の半導体レーザでは、その微分抵抗が大きく、その消費電力が大きい。また、自己発熱により発光素子の動作限界温度が低い。発明者は、このような事項の改善を検討した。
半導体レーザでは光及び電子の閉じ込めを効率的に行うために、GRIN(graded index)構造やstepped-GRIN構造用いられる。stepped-GRIN構造の半導体レーザでは、n型クラッド層に最も近い第1ガイド層(閉じ込め層)は、伝導帯の電子のポテンシャルが高い材料で作製され、これにより電子閉じ込めが効率的に行われる。一方、より活性層に近い第2のガイド層は、伝導帯の電子のためのポテンシャルが第1ガイド層よりも低い材料で作製され、これにより、活性層に電子が効率的に注入される。この半導体レーザでは、SCH構造内にヘテロ界面が形成されることになる。
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、微分抵抗を低減可能な構造を有する半導体レーザを提供することを目的とする。
本発明の一側面によれば、半導体レーザは、(a)活性層と、(b)第1のIII−V化合物半導体からなるn型クラッド層と、(c)前記n型クラッド層と前記活性層との間に設けられており第2のIII−V化合物半導体からなる第1のガイド層と、前記第1の光ガイド層と前記活性層との間に設けられており第3のIII−V化合物半導体からなる第2のガイド層とを備え、前記第1のガイド層の前記第2のIII−V化合物半導体のバンドギャップ波長は、前記第2の光ガイド層の前記第3のIII−V化合物半導体のバンドギャップ波長より短く、前記第1のガイド層はp型の電気導電型で、そのキャリア濃度は、1×10 16 cm −3 以上であり、前記第2のガイド層の伝導帯のエネルギレベルは、電子に関して前記第1のガイド層の伝導帯のエネルギレベルより低い。
この半導体レーザによれば、第1のガイド層はノンドープ半導体層または、p型半導体層となるように形成される。このため、熱電子放出により電子の空乏化が生じても、正イオンによる電界が生じない。これ故に、第2のガイド層と活性層との界面において伝導帯のエネルギバンドの曲がりによる障壁が電子に対して小さくなる。
本発明に係る半導体レーザでは、前記第1のガイド層の電気導電型がp型の場合、そのキャリア濃度は1×1016cm−3以上であることが好ましい。
本発明に係る半導体レーザでは、前記第2のガイド層はノンドープ領域を含んでいてもよい。
本発明に係る半導体レーザでは、前記第1および第2のガイド層の少なくとも一方は、AlGaInAs混晶からなり、前記n型クラッド層はInP半導体からなることが好ましい。
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
以上説明したように、本発明によれば、微分抵抗を低減可能な構造を有する半導体レーザが提供される。
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体レーザに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
(第1の実施の形態)
図1は、本実施の形態に係る半導体レーザを示す模式図である。半導体レーザ11は、活性層13と、n型クラッド層15と、第1のガイド層17と、第2のガイド層19とを備える。n型クラッド層15は、第1のIII−V化合物半導体からなる。第1のガイド層17は、n型クラッド層15と活性層13との間に設けられており、また第2のIII−V化合物半導体からなる。第2のガイド層19は、第1の光ガイド層17と活性層13との間に設けられており、また第3のIII−V化合物半導体からなる。第1のガイド層17はノンドープである。第2のガイド層19の伝導帯のエネルギレベルは、電子に関して第1のガイド層17の伝導帯のエネルギレベルより低い。第1のガイド層17の第2のIII−V化合物半導体のバンドギャップ波長は、第2の光ガイド層19の第3のIII−V化合物半導体のバンドギャップ波長より短い。
この半導体レーザ11によれば、第1のガイド層17は、ドナー元素を含まず、ノンドープ領域を含む。このため、熱電子放出により電子の空乏化が生じても、第1のガイド層17内の正イオンによる電界が低減される。これ故に、第2のガイド層19と活性層13との界面において伝導帯のエネルギバンドの曲がりによる障壁が電子に対して小さくなる。さらに、第2のガイド層19がノンドープであれば光吸収損失を低減できるので素子の効率を向上することができるという利点がある。
第1のガイド層47の厚みは30nm以上とすることが望ましい。高温動作に必要な高い光閉じ込め係数を実現することができるからである。
第2のガイド層49の厚みは、多重量子井戸におけるバリアの厚み8nmよりも厚いことが望ましい。これにより全ての量子井戸について同じ特性を得ることができる。
第2のガイド層は20nm以上とすることで、さらに光閉じ込め係数を高め、より高温まで動作させることが出来るため、より望ましい。
活性層13の構造としては、例えば以下の構造のいずれかの構造を適用可能である。活性層13は、フォトルミネッセンス(PL)波長が1.3μm帯内の波長となるような組成のIII−V化合物半導体材料からなることができる。或いは、活性層13は、PL波長が1.3μm帯内の波長となるような多重量子井戸構造を有することができる。或いは、活性層13は、1.0μmのPL波長を持つ厚さ10nmのバリア層と厚さ5nmの井戸層との、10セットからなる多重量子井戸構造であって、好ましくは、井戸層は、量子井戸構造の発光波長が1.3μm帯内の波長になるような組成を有する。
半導体レーザ11は、n型クラッド層15に加えてp型クラッド層21を含む。n型クラッド層15およびp型クラッド層21は、n型クラッド層15とp型クラッド層21との間の領域に活性層13からの光を閉じ込めるように働く。n型クラッド層15およびp型クラッド層21のバンドギャップエネルギは、活性層13のバンドギャップエネルギよりも大きい。
半導体レーザ11は、活性層13とp型クラッド層21との間に設けられた一または複数のガイド層を含むことができる。一実施例では、半導体レーザ11は、第3のガイド層27および第4のガイド層29を含むことができる。第3のガイド層27は、p型クラッド層21と活性層13との間に設けられており、また第4のIII−V化合物半導体からなる。第4のガイド層29は、第2の光ガイド層27と活性層13との間に設けられており、また第5のIII−V化合物半導体からなる。例えば、第3のガイド層27および第4のガイド層29の各々はp型領域を含むことができる。第3のガイド層27の第4のIII−V化合物半導体のバンドギャップ波長は、第4の光ガイド層29の第5のIII−V化合物半導体のバンドギャップ波長より短い。
好適な実施の形態では、n型クラッド層15、第1のガイド層17と、第2のガイド層19、活性層13、第3のガイド層27、第4のガイド層29およびp型クラッド層21はメサ構造23を成すことができる。
また、半導体レーザ11は、メサ構造23を埋め込むブロック領域25を含むことができる。ブロック領域25は、活性層13へのキャリア(電子および正孔)をメサ構造23に閉じ込めるように働く。半導体レーザ11は、メサ構造23およびブロック領域25上に設けられた第2のクラッド層31と、第2のクラッド層31上に設けられたコンタクト層33とを含む。n型クラッド層15、第1のガイド層17と、第2のガイド層19、活性層13、第4のガイド層29、第3のガイド層27、p型クラッド層21、ブロック領域25、第2のクラッド層31、およびコンタクト層33を含む半導体構造物は、基板35の主面上に搭載されている。基板35は、例えば導電性の半導体基板であることができる。
(実験例1)
実験例1に係る半導体レーザAは、
基板35:n型InP、キャリア濃度1.4×1024−3、厚さ300μm
n型クラッド層15:InP、キャリア濃度8.8×1023−3、厚さ550nm
第1のガイド層17:ノンドープAlGaInAs(バンドギャップ波長:0.92μm)、キャリア濃度1×1017−3以下、厚さ40nm
第2のガイド層19:ノンドープAlGaInAs(バンドギャップ波長:1.0μm)、キャリア濃度1×1017−3以下、厚さ32nm
活性層13:多重量子井戸構造
第4のガイド層29:p型AlGaInAs(バンドギャップ波長:1.0μm)、キャリア濃度5×1023−3、厚さ32nm
第3のガイド層27:p型AlGaInAs(バンドギャップ波長:0.92μm)、キャリア濃度5×1023−3、厚さ40nm
p型クラッド層21:InP、キャリア濃度6.5×1023−3、厚さ440nm
ブロック領域25:Feドープ半絶縁性InP
第2のクラッド層31:p型InP、キャリア濃度9×1023−3、厚さ1650nm
コンタクト層33:p型GaInAs、キャリア濃度1.5×1025−3、厚さ530nm
である。
(実験例2)
実験例2に係る半導体レーザBは、
基板:n型InP、キャリア濃度1.4×1024−3、厚さ300μm
n型クラッド層:InP、キャリア濃度8.8×1023−3、厚さ550nm
第1のガイド層:n型AlGaInAs(バンドギャップ波長:0.92μm)、キャリア濃度1×1023−3、厚さ40nm
第2のガイド層:n型AlGaInAs(バンドギャップ波長:1.0μm)、キャリア濃度1×1023−3、厚さ32nm
活性層:多重量子井戸構造
第4のガイド層:p型AlGaInAs(バンドギャップ波長:1.0μm)、キャリア濃度5×1023−3、厚さ32nm
第3のガイド層:p型AlGaInAs(バンドギャップ波長:0.92μm)、キャリア濃度5×1023−3、厚さ40nm
p型クラッド層:InP、キャリア濃度6.5×1023−3、厚さ440nm
ブロック領域:Feドープ半絶縁性InP
第2のクラッド層:p型InP、キャリア濃度9×1023−3、厚さ1650nm
コンタクト層:p型GaInAs、キャリア濃度1.5×1025−3、厚さ530nm
である。
半導体レーザでは光及び電子の閉じ込めを効率的に行うために、stepped-GRIN構造の半導体レーザではn型クラッド層に最も近い第1のガイド層は、電子閉じ込めを効率的に行うために、伝導帯の電子のポテンシャルが高い材料で形成される。一方、最も活性層に近い第2のガイド層は、活性層に電子を効率的に注入するために、伝導帯の電子のポテンシャルが第1のガイド層よりも低い材料で形成される。この結果、n型クラッド層から活性層に至る経路(SCH内部)にヘテロ障壁が存在する。
図2は、実験例1に係る半導体レーザAのバンドダイアグラムを示す図面である。図3は、実験例2に係る半導体レーザBのバンドダイアグラムを示す図面である。図2および図3において、縦軸のエネルギは、エレクトロンボルト単位で表現されている。1eVは、1eV=1.602×10−19ジュールの換算式でSI単位系に変換される。本明細書においては、当該技術分野の慣例に従って電子ボルトを用いる。
図3に示されたバンドダイアグラムにおいては、第1および第2のガイド層内部に生じたバンド曲がりのために、第2のガイド層と活性層との間の障壁△Eは100meV程度になる。第1のガイド層からの電子は、このポテンシャル障壁を乗り越えないと活性層に到達できない。この結果、動作電圧や微分抵抗が増大する。
半導体レーザBでは、第1および第2のガイド層のポテンシャルの大きさに起因して、第1のガイド層とn型クラッド層との界面では第1のガイド層からn型クラッド層への熱電子放出が逆方向の熱電子放出よりも優勢になる。半導体レーザBでは、第1のガイド層のバルク抵抗率を低減するために、第1のガイド層はn型ドーパントでドープされている。このため、上記の熱電子放出の結果、第1のガイド層内にはドナーのみが残り、結果的に第1のガイド層は正に帯電する。この結果、第1のガイド層内部に生じた電界によりバンド曲がりが生じる。このバンド曲がりに因り、第2のガイド層と活性層との界面に大きなヘテロ障壁が形成される。第2のガイド層内の電子は、この大きなポテンシャル障壁を乗り越えないと活性層に到達できない。
図2に示されたバンドダイアグラムにおいては、第1のガイド層17をノンドープにすることにより、第2のガイド層内部に生じたバンド曲がりによるガイド層と活性層との間の障壁△Eは30meV程度になる。これにより、微分抵抗を3Ω低減できる。
半導体レーザ11では、n型クラッド層15がInP半導体からなり、また第1および第2のガイド層17,19の少なくとも一方は、AlGaInAs混晶からなることが好ましい。AlGaInAs混晶では伝導帯オフセットが大きいことから、熱電子放出によるバンド曲がりによる障壁ΔE1も大きくなることが多く、特に有効である。GaInAsP混晶でも良い。Al元素を含まないので信頼性の高い素子を得ることができる。
(第2の実施の形態)
図4は、本実施の形態に係る半導体レーザを示す模式図である。半導体レーザ41は、活性層43と、n型クラッド層45と、第1のガイド層47と、第2のガイド層49とを備える。n型クラッド層45は、第1のIII−V化合物半導体からなる。第1のガイド層47は、n型クラッド層45と活性層43との間に設けられており、また第2のIII−V化合物半導体からなる。第2のガイド層49は、第1のガイド層47と活性層43との間に設けられており、また第3のIII−V化合物半導体からなる。第1のガイド層47はp型領域を含む。第2のガイド層49の伝導帯のエネルギレベルは、電子に関して第1のガイド層47の伝導帯のエネルギレベルより低い。第1のガイド層47の第2のIII−V化合物半導体のバンドギャップ波長は、第2のガイド層49の第3のIII−V化合物半導体のバンドギャップ波長より短い。
この半導体レーザ41によれば、第1のガイド層47はp型領域を含む。このため、熱電子放出により電子の空乏化が生じても、正イオンによる電界が生じない。これ故に、第2のガイド層49と活性層43との界面において伝導帯のエネルギバンドの曲がりによる障壁が電子に対して小さくなる。さらに、第2のガイド層49がp型領域を含めば、ヘテロ障壁を低減できるという利点がある。
活性層43の構造は、限定されるものではないが、活性層13の構造と同じであることができる。
半導体レーザ11は、n型クラッド層45に加えてp型クラッド層51を含む。n型クラッド層45およびp型クラッド層51は、n型クラッド層45とp型クラッド層51との間の領域に、活性層43からの光を閉じ込めるように働く。n型クラッド層45およびp型クラッド層51のバンドギャップエネルギは、活性層43のバンドギャップエネルギよりも大きい。
半導体レーザ41は、活性層43とp型クラッド層51との間に設けられた一または複数のガイド層を含むことができる。一実施例では、半導体レーザ41は、第3のガイド層57および第4のガイド層59を含むことができる。第3のガイド層57は、p型クラッド層51と活性層43との間に設けられており、また第4のIII−V化合物半導体からなる。第4のガイド層59は、第2の光ガイド層57と活性層43との間に設けられており、また第5のIII−V化合物半導体からなる。例えば、第3のガイド層57および第4のガイド層59の各々はp型領域を含むことができる。第3のガイド層57の第4のIII−V化合物半導体のバンドギャップ波長は、第4の光ガイド層59の第5のIII−V化合物半導体のバンドギャップ波長より短い。
第4の光ガイド層59の第5の半導体の伝導帯のエネルギレベルは、電子に関して第3のガイド層57の第4の半導体の伝導帯のエネルギレベルより低い。
好適な実施の形態では、n型クラッド層45、第1のガイド層47、第2のガイド層49、活性層43、第3のガイド層57、第4のガイド層59およびp型クラッド層51はメサ構造53を成すことができる。また、半導体レーザ41は、メサ構造53を埋め込むブロック領域55を含むことができる。ブロック領域55は、活性層43へのキャリア(電子および正孔)をメサ構造53に閉じ込めるように働く。
第1の実施形態と同様に、第1のガイド層47の厚みは30nm以上とすることが望ましい。また、第2のガイド層49の厚みは、多重量子井戸におけるバリアの厚み8nmよりも厚いことが望ましい。さらに、第2のガイド層49の厚みを20nm以上とすることで、光閉じ込め係数を大きくすることができ、より高温まで動作させることが出来る。
第1のガイド層47のドーパント濃度は、1×1023−3以上であることが好ましい。これにより、この層の抵抗率を十分抑制することが可能である。また、1×1024−3以下であることが好ましい。これによりこの層の自由電子吸収を抑制し、光出力の低下を抑えることが可能である。
また、第2のガイド層47のドーパント濃度は、1×1022−3以上であることが好ましい。ヘテロ障壁が十分に低減されるという利点があるからである。また、1×1024−3以下であることが好ましい。これによりこの層の自由電子光吸収を抑制し、光出力の低下を抑えることが可能である。
(実験例3)
実験例3に係る半導体レーザCは、
基板35:n型InP、キャリア濃度1.4×1024−3、厚さ300μm
n型クラッド層45:InP、キャリア濃度8.8×1023−3、厚さ550nm
第1のガイド層47:p型AlGaInAs(バンドギャップ波長:0.92μm)、キャリア濃度1×1023−3、厚さ40nm
第2のガイド層49:p型AlGaInAs(バンドギャップ波長:1.0μm)、キャリア濃度1×1023−3、厚さ32nm
活性層43:多重量子井戸構造
第4のガイド層59:p型AlGaInAs(バンドギャップ波長:1.0μm)、キャリア濃度5×1023−3、厚さ32nm
第3のガイド層57:p型AlGaInAs(バンドギャップ波長:0.92μm)、キャリア濃度5×1023−3、厚さ40nm
p型クラッド層51:InP、キャリア濃度6.5×1023−3、厚さ440nm
ブロック領域55:Feドープ半絶縁性InP
第2のクラッド層31:p型InP、キャリア濃度9×1023−3、厚さ1650nm
コンタクト層33:p型GaInAs、キャリア濃度1.5×1025−3、厚さ530nm
である。
第1のガイド層47にp型ドーパントを添加することによって、伝導帯のバンド曲がりが、実験例1に係る半導体レーザAに比べてさらに平坦化される。この構造における第2のガイド層49内のヘテロ障壁△Eは、20meVとさらに低減されている。この実験例3の微分抵抗の低減分は実験例1と同等の少なくとも3Ωである。この構造では、ノンドープガイド層を用いる場合に比べて、ガイド層のキャリア密度が制御しやすい。
AlGaInAs混晶では伝導帯オフセットが大きいことから、熱電子放出によるバンド曲がりによる障壁ΔE1も大きくなることが多く、特に有効である。GaInAsP混晶でも良い。
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。また、本実施の形態では、n型InP基板について例示的に説明しているけれども、p型InP基板を用いることもできる。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
図1は、第1の実施の形態に係る半導体レーザを示す模式図である。 図2は、実験例1に係る半導体レーザAのバンドダイアグラムを示す図面である。 図3は、実験例2に係る半導体レーザBのバンドダイアグラムを示す図面である。 図4は、第2の実施の形態に係る半導体レーザを示す模式図である。 図5は、実験例3に係る半導体レーザCのバンドダイアグラムを示す図面である。
符号の説明
11…半導体レーザ、15…n型クラッド層、17…第1のガイド層、19…第2のガイド層、13…活性層、29…第4のガイド層、27…第3のガイド層、21…p型クラッド層、25…ブロック領域、31…第2のクラッド層、33…コンタクト層、35…基板、41…半導体レーザ、43…活性層、45…n型クラッド層、47…第1のガイド層、49…第2のガイド層、51…p型クラッド層、55…ブロック領域、57…第3のガイド層、59…第4のガイド層

Claims (3)

  1. 活性層と、
    第1のIII−V化合物半導体からなるn型クラッド層と、
    前記n型クラッド層と前記活性層との間に設けられており第2のIII−V化合物半導体からなる第1のガイド層と、
    前記第1のガイド層と前記活性層との間に設けられており第3のIII−V化合物半導体からなる第2のガイド層と
    を備え、
    前記第1のガイド層の前記第2のIII−V化合物半導体のバンドギャップ波長は、前記第2のガイド層の前記第3のIII−V化合物半導体のバンドギャップ波長より短く、
    前記第1のガイド層はp型の電気導電型で、そのキャリア濃度は、1×10 16 cm −3 以上であり、
    前記第2のガイド層の伝導帯のエネルギレベルは、電子に関して前記第1のガイド層の伝導帯のエネルギレベルより低い、ことを特徴とする半導体レーザ。
  2. 前記第2のガイド層はノンドープ半導体層またはp型半導体層である、ことを特徴とする請求項1に記載された半導体レーザ。
  3. 前記第1および第2のガイド層の少なくとも一方は、AlGaInAs混晶からなり、
    前記n型クラッド層はInP半導体からなる、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載された半導体レーザ。
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