JPH0712102B2 - 半導体レ−ザ装置 - Google Patents

半導体レ−ザ装置

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JPH0712102B2
JPH0712102B2 JP60128119A JP12811985A JPH0712102B2 JP H0712102 B2 JPH0712102 B2 JP H0712102B2 JP 60128119 A JP60128119 A JP 60128119A JP 12811985 A JP12811985 A JP 12811985A JP H0712102 B2 JPH0712102 B2 JP H0712102B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はpin、SQW(単一量子井戸)型、MQW(多重量子
井戸)型の半導体レーザ装置に関するものである。
〔発明の背景〕
半導体レーザがpn接合での電子−正孔の発光性再結合を
利用して実現可能であることの原理は既に20年以前から
知られていた。しかしながら、現実に常温で連続発振が
可能となつたのは僅かに10年程以前のことに過ぎない。
その理由は、pnの領域から注入された正孔および電子が
発光性の再結合をする以前に非発光性の再結合をしてし
まうのを、なんらかの方法で抑制するために特殊な構造
が必要であることが着想されなかつたのと、その作成技
術の未熟さによる。
約10年以前に実現した新技術はダブルヘテロ構造であつ
た。それはp領域に注入された電子とn領域に注入され
た正孔のそれぞれが接合空乏層から大きく離れて行くこ
とを制限するポテンシヤル・バリアの新たな設置であ
る。
このように注入された電子および正孔を出来る限り短か
い時間内に再結合させる必要がある。それには、電子お
よび正孔の波動関数の重りを大きくするのが最も有効で
あることは自明である。
そのための一つの方法として、電子および正孔あるいは
その両者で形成された励起子を空間的に局在させるのが
よい。
旧来の半導体レーザは活性層と称する約0.1μmの低濃
度層が主として再結合を行わせていた。第1図に従来技
術の半導体レーザのエネルギ図を概念的に示す。13が活
性層である。
図において、11はn型半導体層、12はn型障壁半導体
層、14はp型障壁半導体層、15はp型は半導体層であ
る。活性層13はこれよりバンド・ギヤツプの大きい障壁
半導体層12,14で挟まれている。なお、10はフエルミ準
位、c.b.はコンダクシヨン・バンドの底、v.b.はバレン
ス・バンドの上端を示している。
それに対して、SQW或いはMQWなどの半導体レーザでは、
例えばGaAsとAlGaAsのヘテロ構造を一個あるいは多数個
重ねることにより、電流の流れる方向の電子波の自由度
をなくし、少なくとも一次元方向は局在させることによ
り、上記の高い再結合率を得ている。第2図にその例を
示す。第2図は第1図と同様にエネルギ図を概念的に示
したものである。第1図の13に当る部分がAlGaAs232とG
aAs231を交互に重ねたMQWとなつている。理論的には、
例えば、水素原子と同等な励起子の場合、三次元の励起
子の波動関数に比して二次元のそれの拡がりは1/2にな
ることが知られている。
なお、第2図において20はフエルミ準位、22,24は各々
n型,p型障壁半導体層である。
従来知られている半導体レーザの技術では、SQW或いはM
QWを形成することにより、高い再結合率を得て閾値を下
げ、より高い効率を実現している{例えば、「半導体超
格子の物理と応用」(A Prospective in Superlattice
Development),(日本物理学会編,1984)江崎(Esak
i)}。
〔発明の目的〕
本発明はより高い効率とより低い電流閾値を有する半導
体レーザ装置を提供するものである。
〔発明の概要〕
本発明の発想の基本となるアンダーソン局在という現象
についてまず説明する。
固体物理学の最も基礎となる考え方は、理想的な完全結
晶では原子配列の完全な周期性に由来して、電子波は結
晶全体に拡がるいわゆる電子帯を形成することにある。
いまそのエネルギ幅をBとする。
一方、現実の結晶ではなんらかの不完全性のために電子
帯の出来具合が空間的に揺らぐ。もし、ある部分の電子
帯と他の部分のそれとがエネルギ的に異なるとき、その
ポテンシヤルの揺らぎの目安をWとする。Wが充分大き
く、WBの関係にある場合を考えよう。両者の電子帯
はエネルギ的に重りがない程ずれていることから、一つ
の部分にいる電子は他の部分にまで拡がつた状態を持ち
得ないことは自明であろう。このように、電子の感じる
ポテンシヤルが空間的に揺らいでいることから生じる電
子の局在化を最初に言い出した研究者に因んでアンダー
ソン局在という。上記の条件は実に厳し過ぎることも知
られている。現実には半導体ではバンドの底の僅かな状
態しか電子によつて占められていない。例えば、WB/
100といつた条件でもバンドの底の辺りの状態は局在し
ている。
先に説明した電流方向のポテンシヤルの井戸による一次
元方向の局在化によつても、なお残る二次元方向には局
在していないのが普通である。すなわち、その系では電
流と垂直方向の面内には充分に拡がつていて、二次元電
子ガス(2DEG)といわれる状態を形成している。
本発明では、更にこの面内での自由度を制限する方法を
新たに提供して、面内でも局在させるようにする。その
ことにより、電子と正孔の波動関数の拡がりを小さく
し、その重りを大きくするか、あるいは、電子と正孔と
が形成する水素原子と同等な励起子の二次元的な自由度
を制限して局在させ、より小さな励起子となし、その寿
命を短くすることにより発光効率を高めようとするもの
である。
以上に半導体レーザの活性領域である二次元面内での局
在化の効果について説明したが、この他にも次のような
効果が期待される。通常半導体レーザはプロセスの最終
段階で素子に切断される。このとき、切断面は適当な方
法でパッシベーシヨンを施さなければならない。それは
長時間劣化を防ぐとともに、効率の向上に役立つ。何故
ならば、切断された面は非発光性の再結合センタとして
作用するのが普通である。したがつて、注入された電子
および正孔は切断面を避けて存在することが望ましい。
それにはデバイスのより内側にそれらを局在させること
が有効であることは容易に理解される。
本発明の主要点であるポテンシヤルに空間的に揺らぎを
形成するための方法としては次の如き手段が考えられ
る。
化学エツチング、イオン・ビームあるいはプラズマを用
いたエツチングと組合せたフオトリソグラフイー法、直
接イオン・ビーム・エツチング法、光CVD法による選択
成長のいずれかを用いて所定のパターンに加工する。
或いは、MBE法(Molecular Beam Epitaxy)を用いて平
均的に2原子層以上の凹凸を伴なう成長を行なわしめて
も良い。
なお、以下の実施例においてはGaAs-AlGaAs系レーザお
よびInP-InGaAsP系レーザの例を示すが、その原理から
明らかな如く他の半導体材料を用いた半導体レーザに対
しても本発明が適用し得ることはいうまでもない。
具体的な凹凸の形成方法については実施例において詳し
く説明する。
〔発明の実施例〕
〔実施例1〕 第3図は本実施例を説明するための装置断面図である。
分子線成長装置(MBE)を用いて1×1017cm-3以上の高
濃度にZnをドープしたp型GaAs基板30の上に、Beを同程
度にドープしたp-Al0.45Ga0.55As層31を10nm成長させ
る。ついで、意図的にドープしないGaAs層32を10nm成長
させるが、その成長の最終段階1分間だけはAsを蒸発さ
せるK-cell(Knudsen cell)の温度を鏡面に成長する最
適温度より10℃前後低く設定する。Asの不足した雰囲気
から成長したAlGaAs層33は島状に成長する。その以降は
再び最適温度に戻してGaAs-Al0.2Ga0.8Asのそれぞれを3
nmの厚さで10層ずつ意図的にドープすることなく交互に
成長させる(この領域を図では34として示した)。この
ようにして形成した活性層の微細な平面構造を模式的に
示したものが第4図である。この場合、GaAs層の方を井
戸層、AlGaAs層の方をバリア層と一般に称している。島
状に成長したAlGaAs部分は厚さ10nmを、それ以外の部分
のAlGaAs部分は厚さ約5nmをもつ。第2層以降は最適温
度で成長させるので島状成長が更に続くことはないが、
最初の凹凸は、徐々に軽減させるものの第二層以降にも
引き継がれる。凸の部分43は全体として薄い活性層とな
り、凹の部分42は厚い活性層となる。したがつて、凸の
部分は凹の部分に比してポテンシヤルが高く、電子、正
孔、励起子は凹の部分に局在する。
AlGaAs-GaAsを交互に積層した領域35上に禁制帯巾が前
記バリア層より大きく且基板と逆導電型を有するn-Al0.
45Ga0.55As層35、更にn-Ga1-wAlwAs(w=0.45〜0.6)3
6をキヤツプ層として成長させた。通常、この上部にn-G
aAs層37を形成した後、該n型GaAs37の表面とp型GaAs
基板30の下面とにn側電極(Au-Ge-Ni-Au)41とp側電
極(Cr-Au)40をそれぞれ形成する。つぎにへき開工程
を経て共振器長300μmの半導体レーザ装置を製造し
た。
こうして実現された半導体レーザは従来のレーザに比し
て効率の上で約20%の改善を見た。
〔実施例2〕 p-InPを基板として、TMI(tri-methyl-indium)およびT
MG(tri-methyl-gallium)、PH3、AsH3をソースとするM
OCVD(有機金属化学蒸着法)により、活性領域をInGaAs
P-InAsPのSQWとする半導体レーザを作成した。約10nmの
InAsPを成長せしめる際にリアクターの外部からアルゴ
ン・レーザの干渉パターンを基板面上に照射することに
より、縞状にその厚さの変化したものを得ることが出来
た。二本のアルゴン・レーザをその干渉縞がそれぞれ直
交するように照射すれば市松模様状の厚さの変化が得ら
れる。光CVD法の応用である。このように活性層の厚さ
の面内変化はやはりポテンシヤルの揺らぎを生み、面内
での電子、正孔、励起子の局在を生じる。第5図は本実
施態様を示した平面図である51で示した領域が縞状過剰
成長領域、52は縞状過少成長領域を示している。
同様の厚さの変化は成長後にフオト・エツチング法によ
り、加工することも可能である。ただし、イオン・ビー
ムによるエツチングはレーザにとつて最も重要な部分で
ある活性層に欠陥を導入することになるので後のアニー
ルに細心の注意が必要である。その点化学エツチングの
方が有利である。イオン・ビームによるエツチングでは
効率の向上はほとんど見られなかつたが、これは現在の
イオン・ビームを用いたフオトリソグラフイの技術的な
限界に由来するものと思われる。縞状に加工する場合に
も、その幅が0.1μm程度と大きい場合には、局在の効
果はそれ程大きくない。電子の波動関数はGaAsで10nm程
度であることから、ポテンシヤルの変化も同程度にする
必要がある。
以上はフオトエツチング法による加工の例であるが、フ
オトレジストを用いないで、直接にイオン・ビームを電
気的に制御しながら基板面状を走査して、エツチングを
行わせることも可能である。その際には電子が最も局在
し易いようにランダムなパターンに加工するのがよい。
なお、本例においては活性領域にInGaAsp-InAsPのSQWを
用いた他は通常のInP-InGaAsP系半導体レーザ装置と同
様にして半導体レーザの構成とし、加えて前述した様に
活性層の厚さの面内でポテンシヤルの揺らぎを生ぜしめ
るための凹凸部を持たせるものである。
このような方法により、半導体レーザの評価因子の一つ
である電流閾値の値に約10%の改善が見られた。
〔発明の効果〕
本発明により、従来の活性層に何等加工を施さない場合
の半導体レーザと比較して発光効率および電流閾値の点
で10-30%の改善を見ることが出来た。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のダブル・ヘテロ・レーザのエネルギ図、
第2図は従来のMQWレーザの活性領域の構成を示すバン
ド・モデル図、第3図は本発明の一実施態様を示す断面
図、第4図および第5図は夫々本発明の実施態様を示す
活性領域の平面図である。 10,20……フエルミ準位、11……n型半導体、12,22……
n型障壁半導体、13,23……活性層、231……MQWの障壁
半導体、232……MQWの井戸半導体、14,24……p型障壁
半導体、15……p型半導体、43……島状(凸部)成長領
域、42……層状(凹部)成長領域、51……縞状過剰成長
領域、52……縞状過少成長領域。
フロントページの続き (72)発明者 白木 靖寛 東京都国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 片山 良史 東京都国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 茅根 直樹 東京都国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−7190(JP,A) 特開 昭61−212084(JP,A)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも一ケのヘテロ結合を有する半導
    体レーザ装置において、光を放出せしめる領域が電流を
    流す方向に電子を局在させるに充分な程薄い少なくとも
    一つの層であって、且つ、その層と垂直の面内にも電
    子、正孔および励起子を局在させるに充分な厚さのバラ
    ツキを形成したことを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 【請求項2】電流を流す方向に電子状態の量子化を起こ
    すための単一量子井戸あるいは多重量子井戸が光を放出
    する領域とされたことを特徴とする特許請求の範囲第1
    項記載の半導体レーザ装置。
JP60128119A 1985-06-14 1985-06-14 半導体レ−ザ装置 Expired - Lifetime JPH0712102B2 (ja)

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