JPH0354882A - 高抵抗半導体層埋め込み型半導体レーザ - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、高速変調可能な高抵抗半導体層埋め込み型二
重ヘテロ構造半導体レーザに関する。

（従来の技術） 高度情報化社会の構築に伴い、光通信システムの大容量
化、通信ネットワークの高度化が進められている。光通
信システムの大容量化に有力な１つの手段として変調速
度の高速化が上げられる。光源を超高速変調して高速化
を図った光通信システムにおいては、高速応答に優れた
半導体レーザが要求される。

半導体レーザの活性領域にのみ電流を有効に閉じ込め、
屈折率差により光も活性領域に有効に閉じ込めるための
埋め込み層として、近年、半導体中の深い準位を利用し
た高抵抗半導体層を用いることが注目され盛んに研究・
開発がされている。高抵抗半導体層を埋め込み層に用い
た半導体レーザでは、ｐ−ｎ接合電流ブロック層を活性
領域への電流狭窄に用いられていないため、寄生容量が
小さく高速変調が可能であることが知られている。（ア
プライド・フィジックス・レターズ（ａｐｐｌｉｅｄ　
ｐｈｙｓｉｃｓｌｅｔｔｅｒｓ）誌、第４５巻、第４号
、３１１頁）高抵抗半導体層を埋め込み層に用いた半導
体レーザの従来例を第４図に示す。ストライプ状の活性
層４２の両側を電子或るいは正孔を捕獲する深い準位を
有する高抵抗半導体層４４で埋め込み電流を有効に活性
層に注入しようとするものである。

４１．４３はｐ形あるいはｎ形クラツド層である。

（発明が解決しようとする課題） 上述した従来の技術では、電流ブロック層４４において
電子或るいは正孔のいずれか一方のみを捕獲する半絶縁
性半導体層（ＳＩ）を使うため電流ブロック層４４をｐ
形クラツド層とｎ形クラツド層とではさむ形になり、ｐ
／ＳＩ／ｎ構造が生じる。この部分ではダブルインジエ
クションが発生し活性領域以外を流れる漏れ電流が流れ
る。電流ブロック層が電子を捕獲する半絶縁性半導体層
である場合はｐ層からのホール電流が流れ、正孔を捕獲
する半絶縁性半導体層である場合はｎ層からの電子電流
が流れ、活性領域以外を流れる電流となり、しきい値電
流の上昇、外部微分量子効率の低下、最大出力の低下と
いう半導体レーザの特性の劣化を招いていた。このため
、従来の技術では、高抵抗半導体層を電流ブロック層に
用いた高性能な半導体レーザを得ることが困難であった
。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を改善し、優れた
半導体レーザを提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明における半導体レーザは、半導体基板上にｐ型及
びｎ型のクラッド層及び活性層を有しかつ少なくとも活
性層を含むストライプ状のメサが形成され、このメサ側
面を電子または正孔を捕獲する深い不純物準位を有した
高抵抗半導体層を埋め込むことによって電流ブロック層
とした高抵抗半導体層埋め込み型二重ヘテロ構造半導体
レーザにおいて、前記高抵抗半導体層中で深い不純物準
位を有する不純物のドーピングの割合が変化しているこ
とを特徴とする。

（作用） 第５図（ａ）は、ｐ型半導体層、深い電子捕獲準位を有
する半絶縁性半導体層、ｎ型半導体層を接触し、順方向
バイアス電圧をかけたときのエネルギーバンドの概念図
である。また、第５図（ｂ）は、ｐ型半導体層、深い正
孔捕獲準位を有する半絶縁性半導体層、ｎ型半導体層を
接触し、順方向バイアス電圧をかけたときのエネルギー
バンドの概念図である。

従来の高抵抗半導体層埋め込み型半導体レーザでは、ｐ
型クラツド層と高抵抗半導体層とｎ型クラッド層が直接
つながっており、半導体レーザ駆動時には、順方向にバ
イアス電圧がかけられるため、第５図（ａ）ないしは（
ｂ）に示すエネルギーバンドの概念図と等価になる。こ
のため、深い電子捕獲準位を有する半絶縁性半導体層の
場合は、ｐ型クラツド層と半絶縁性半導体層の界面付近
において電子と正孔が再結合し、再結合電流が流れる。

また、深い正孔捕獲準位を有する半絶縁性半導体層の場
合は、ｎ型クラッド層と半絶縁性半導体層の界面付近に
おいて電子と正孔が再結合し、再結合電流が流れる。

一方、第６図（ａ）に本発明の電流ブロノク層のエネル
ギーバンドの概念図を示す。図は、深い電子捕獲準位を
有する半絶縁性半導体層の場合で、ｎ型半導体付近の電
子捕獲準位密度を高くすることによりｎ型層から注入さ
れる電子をより多く捕獲し、ｐ型半導体層付近の電子捕
獲準位密度を低くすることによりｐ型半導体層から注入
される正孔と深い準位に捕獲された電子との再結合を抑
制することができる。次に、第６図（ｂ）に本発明の電
流ブロック層のエネルギーバンドの概念図を示す。図は
、深い正孔捕獲準位を有する半絶縁性半導体層の場合で
、ｐ型半導体層付近の正孔捕獲準位密度を高くすること
によりｐ型半導体層から注入される正孔をより多く捕獲
し、ｎ型半導体層付近の正孔捕獲準位密度を低くするこ
とにより、ｎ型半導体層から注入される電子と深い準位
に捕獲された正孔との再結合を抑制することができると
考えられる。

以上述べたように、本発明による高抵抗層埋め込み型半
導体レーザにおいては、漏れ電流が抑制され、活性層に
おいて注入電流が有効に光に変換されるため、低しきい
値電流、高い外部微分量子効率、高い光出力を期待する
ことができる。

（実施例） 次に本発明について、図面を参照して説明する。第１図
は、本発明の第一実施例の図である。実施例においては
、長波長系材料である燐火インジウム（ＩｎＰ）系材料
の例を説明する。

まず、（１００）面の出た硫黄（Ｓ）ドーピングｎ型Ｉ
ｎＰ基板１１上に有機金属気相戒長法（ＭＯＶＰＥ）を
用いて、シリコン（Ｓｉ）ドーピングｎ型ＩｎＰ層１８
［ｎ＝ＩＸ１０　ａｍ３］を厚さ１１１ｍ、発光波長１
．５５１１ｍのバンドギャップを有するインジウム・ガ
リウム・ひ素・燐（ＩｎＧａＡｓＰ）活性層１９を厚さ
０．１５１１ｍ、亜鉛（Ｚｎ）ドーピングｐ型ＩｎＰ層
ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１７［ｐ　＝ＩＸ１０　ｃ
ｍ　］を厚さ１．５ｐｍ、それぞれ連続的にエビタキシ
ャル或長する。次にフォトリソグラフィーの手法により
、＜０１１＞方向に厚み約２０００人、幅２ｐｍのＳｉ
０２ストライプ状マスクを３００ｐｍ間隔で形戒する。

次に、化学エノチングによりｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタ
クト層１７、ｐ型ＩｎＰ層２０，ＩｎＧａＡｓＰ活性層
１９，ｎ型ＩｎＰ層１８をメサストライプの高さが３．
５￥１ｍになるようにエッチングする。さらに、Ｓｉ０
２ストライプ状マスクを残したまま、メサストライプの
凹部分に鉄（Ｆｅ）ドーピング高抵抗ＩｎＰ層１２を厚
さ３．５￥１ｍをＭＯＶＰＥにより全体が平坦になるよ
うに選択エビタキシャル成長する。

第１図の右側に、このときのＦｅドーピング高抵抗Ｉｎ
Ｐ層のＦｅドーピング分布を示す。戒長中にドーパント
原料の流量を変化させ、未捕獲トラップ濃度が基板側か
ら表面側に向かってＩ　Ｘ　１０１５ａｍ’から１×１
０１６ｃｍ−３まで変化するようにする。次に、Ｓｉ０
２ストライプ状マスクを弗酸により除去した後、全体の
厚さが１２０ｐｍ程度になるまで研磨し、ｐ型半導体側
、及びｎ型半導体基板側の電極１０を真空蒸着により形
或し、アニーリングした後、個々の半導体レーザにへき
開分離し、全加工を終了し、第１図に断面を示す半導体
レーザが出来上がる。

この半導体レーザでは、活性層以外を流れる無効電流が
殆ど無く、ｐ−ｎ接合をブロック層に用いたＶＳＢ型（
Ｖ−ｇｒｏｏｖｅｄ　Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ　Ｂｕｒｉｅ
ｄ　ＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅＬａｓｅｒｓ）や
ＤＣ−ＰＢＨ型（Ｄｏｕｂｌｅ　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｐｌ
ａｎａｒ　ＢｕｒｉｅｄＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒ
ｅ　Ｌａｓｅｒｓ）と同程度の１０ｍＡ前後のしきい値
電流、及び３０％前後の片面外部微分量子効率が得られ
る。更に、厚さ２〜３ｐｍの高抵抗半導体層を電流ブロ
ソク層に用いているので、寄生容量は４〜５ｐＦで、数
ギガビット毎秒（Ｇｂ／ｓｅｅ）クラスの光通信システ
ム用光源として実用的に十分使用できる。

次に、第２図は、本発明の第２実施例の図である。まず
、（１００）面の出たＳドーピングｎ型ＩｎＰ基板１１
上にＭＯＶＰＥを用いて、Ｓｉドーピングｎ型ＩｎＰ層
１８［ｎ＝ＩＸ１０　ａｍ　］を厚さｌｐｍ、発光波長
１．５５ｐｍのバンドギャップを有するＩｎＧａＡｓＰ
活性層１９を厚さ０．１５ｌｌｍ，　Ｚｎドーピングｐ
型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１７［ｎ　＝ＩＸ１０　
ｃｍ　］を厚さ０．５ｐｍ、それぞれ連続的にエビタキ
シャル戒長ずる。次にフォトリソグラフィーの手法によ
り、＜０１１＞方向に厚み２００ＯＡ，幅２ｐｍのＳｉ
０２ストライプ状マスクを３００ｐｍ間隔で形成する。

次に、化学エッチングによりｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタ
クト層１７，ｐ型ＩｎＰ層２０，ＩｎＧａＡｓＰ活性層
１９，ｎ型ＩｎＰ層１８をメサストライプの高さが３．
５ｐｍになるようにエッチングする。さらに、Ｓｉ０２
ストライブ状マスクを残したまま、メサストライプの凹
部分にチタン（Ｔｉ）ドーピング高抵抗ＩｎＰ層１５を
厚さ３．５ｐｍをＭＯＶＰＥにより全体が平坦になるよ
うに選択エビタキシャル威長ずる。第２図の右側に、こ
のときＴｉドーピング高抵抗ＩｎＰ層１５のＴｉドーピ
ング分布を示す。成長中にドーパント原量の流量を変化
させ、未捕獲トラップ濃度が基板側から表面側にむかっ
て、ＩＸＩＯ　ａｍから１×１０ｃｍまで変化するよう
にする。次に、Ｓｉ０２ストライプ状マスクを弗酸によ
り除去した後、全体の厚さが１２０ｐｍ程度になるまで
研磨し、ｐ型半導体側、及びｎ型半導体基板側の電極１
０を真空状着法により形成し、アニーリングした後、個
々の半導体レーザにへき開分離し、全加工を終了し、第
２図に断面を示す半導体レーザが出来上がる。この半導
体レーザでは、１０ｍＡ前後のしきい値電流、及び３０
％前後の片面外部微分量子効率が得られる。更に、厚さ
２〜３ｐｍの高抵抗半導体層を電流ブロック層に用いて
いるので、寄生容量は、４〜５ｐＦで、数ギガビット毎
秒（Ｇｂ／ｓｅｃ）クラスの光通信システム用光源とし
て実用的に十分使用できる。

次に、第３図は、本発明の第３実施例の図である。第１
図、示す実施例に於で、Ｆｅのドーピング分布が第３図
の右側に示すようにｎ型半導体１８に接する部分とｐ型
半導体２０に接する部分で急激に変化している場合であ
る。この半導体レーザは１０ｍＡ前後のしきい値電流、
及び３０％前後の片面外部微分量子効率が得られる。更
に、厚さ２〜３ｌｌｍの高抵抗半導体層を電流ブロック
層に用いてるゆえ、寄生容量は，４〜５ｐＦで、数ギガ
ビット毎秒（Ｇｂ／ｓｅｃ）クラスの光システム用光源
として実用的に十分使用できる。

なお、Ｔｉをドーパントする場合はドーピング濃度の変
化の仕方がＦｅの場合と逆になる。

また、基板がｐ型の場合については第１図、第２図、第
３図に示す電流ブロック層のドーピング分布はまったく
逆の形になる。

（発明の効果） 以上に説明したように本発明は、電流ブロック層に電子
または正孔を捕獲する深い準位を有した半絶縁性半導体
層を用い、このドーピング分布を変えることにより、高
抵抗半導体埋め込み型半導体レーザの低しきい値電流、
高い外部微分量子効率、超高速変調特性を実現できる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による高抵抗半導体埋め込み型半導体
レーザの第一の実施例を示す図である。第２図は、本発
明による高抵抗半導体層埋め込み型半導体レーザの第二
の実施例を示す図である。第３図は、本発明による高抵
抗半導体埋め込み型半導体レーザの第三の実施例を示す
図である。第４図は、従来の高抵抗電流ブロック層を有
する半導体レーザの構造を示す断面すである。第５図（
ａ）は、ｎ型半導体層、深い電子トラップ準位を有する
半絶縁性半導体層、ｐ型半導体層が接し、これに順バイ
アスがかけられたときのバンド構造を示す概念図である
。第５図（ｂ）は、ｎ型半導体層、深い正孔トラップ順
位を有する半絶縁性半導体層、ｐ型半導体層が接し、こ
れに順バイアスがかけられたときのバンド構造を示す概
念図である。第６図（ａ）は、ｎ型半導体層、深い電子
トラップ準位を有する半絶縁性半導体層、ｐ型半導体層
が接したときのバンド構造を示す概念図である。但し、
ｎ型半導体付近のドーピングを多くし、ｐ型半導体付近
のドーピングを少なくしている。第６図（ｂ）は、ｎ型
半導体層、深い正孔トラップ準位を有する半絶縁性半導
体層、ｐ型半導体層が接したときのバンド構造を示す概
念図である。但し、ｎ型半導体付近のドーピングを少な
くし、Ｐ型半導体付近のドーピングを多くしている。 １０；電極、１１；ｎ型ＩｎＰ基板、１２；Ｆｅドーピ
ング高抵抗ＩｎＰ層、１５；Ｔｉドーピング高抵抗Ｉｎ
Ｐ層、１７；ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、１８；
ｎ型ＩｎＰ層、１９；ＩｎＧａＡｓＰ活性層、２０；ｐ
型ＩｎＰ層、４０；半導体基板、４１；第１のクラッド
層、４２；活性層、４３：第２のクラツド層、４４；高
抵抗半導体層、４５；コンタクト層、４６；絶縁膜、４
７；電極、４８；電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基板上にｐ型及びｎ型のクラッド層及び活性層を
   有し、かつ少なくとも活性層を含むストライプ状のメサ
   が形成され、このメサ側面を電子または正孔を捕獲する
   深い不純物準位を有した高抵抗半導体層を埋め込むこと
   によって電流ブロック層とした高抵抗半導体層埋め込み
   型二重ヘテロ構造半導体レーザにおいて、前記高抵抗半
   導体層中で深い不純物準位を有する不純物のドーピング
   の割合が変化していることを特徴とする高抵抗半導体層
   埋め込み型半導体レーザ。