JPH088375B2 - 面発光型可変波長発光素子 - Google Patents
面発光型可変波長発光素子Info
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- JPH088375B2 JPH088375B2 JP5112489A JP5112489A JPH088375B2 JP H088375 B2 JPH088375 B2 JP H088375B2 JP 5112489 A JP5112489 A JP 5112489A JP 5112489 A JP5112489 A JP 5112489A JP H088375 B2 JPH088375 B2 JP H088375B2
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Landscapes
- Led Devices (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光通信や光情報処理に用いられ、面方向に光
の入出力が成され、発光時に発光波長のチューニングが
できる面発光型可変波長発光素子に関する。
の入出力が成され、発光時に発光波長のチューニングが
できる面発光型可変波長発光素子に関する。
面発光型発光素子とは、例えば面発光LED（発光ダイ
オード）の様なものである。この様な素子に於いて、発
光波長のコントロールができると、波長多重を利用した
光並列伝送や、光プロセッシングが実現される。
オード）の様なものである。この様な素子に於いて、発
光波長のコントロールができると、波長多重を利用した
光並列伝送や、光プロセッシングが実現される。
発光波長をチューニングできる面発光型発光素子とし
ては、第２図のものが知られている。アイトゥルプルイ
ー・ジャーナル・オブ・クォンタムエレクトロニクス
（IEEE Journal of Quantum Electronics）の第QE−22
巻,9号,1984年の1682頁〜1695頁に報告されているもの
で、通常ｎ−ｉ−ｐ−ｉ構造とよばれている。この構造
では、ｎ型,i型,p型の半導体層が順番に繰り返し積層さ
れている。この例では、光ポンピングで伝導帯，価電子
帯に電子と正孔が励起される。励起されたキャリアは発
光再結合過程を通じて光を発生し、再結合するのだが、
バンドの曲がり状態によって、ピークの発光波長が変化
する。
ては、第２図のものが知られている。アイトゥルプルイ
ー・ジャーナル・オブ・クォンタムエレクトロニクス
（IEEE Journal of Quantum Electronics）の第QE−22
巻,9号,1984年の1682頁〜1695頁に報告されているもの
で、通常ｎ−ｉ−ｐ−ｉ構造とよばれている。この構造
では、ｎ型,i型,p型の半導体層が順番に繰り返し積層さ
れている。この例では、光ポンピングで伝導帯，価電子
帯に電子と正孔が励起される。励起されたキャリアは発
光再結合過程を通じて光を発生し、再結合するのだが、
バンドの曲がり状態によって、ピークの発光波長が変化
する。
この素子の問題点は２つある。１つは励起キャリア数
が或るレベル以上になると、ピーク波長は殆んど動かな
くなってしまうこと、もう１つは発光強度が弱いことで
ある。実際の応用を考えると、電流注入によるキャリア
励起が望ましいが、その場合でも同様な問題が生ずる。
電流注入方式でｐ型とｎ型の半導体層に電圧を印加し、
通電してキャリアを注入していくと初めのうちは、印加
電圧に対応してバンドの曲がりも変わり発光波長も変化
するが、発光強度は非常に弱い。この状態での注入キャ
リア量は極めて少ないからである。充分な発光を得るに
は、ビルト・イン電圧に対応する電圧をかけて、キャリ
アを沢山、注入せねばならない。ところがこの状態では
波長は殆んど変化しない。ビルト・イン電圧に達する
と、pn接合間の電圧は、そこにクランプされ、バンド構
造は殆んど変化しなくなるためである。つまり、充分な
発光強度を確保し、その様な状態で波長をチューニング
することはできなかった。
が或るレベル以上になると、ピーク波長は殆んど動かな
くなってしまうこと、もう１つは発光強度が弱いことで
ある。実際の応用を考えると、電流注入によるキャリア
励起が望ましいが、その場合でも同様な問題が生ずる。
電流注入方式でｐ型とｎ型の半導体層に電圧を印加し、
通電してキャリアを注入していくと初めのうちは、印加
電圧に対応してバンドの曲がりも変わり発光波長も変化
するが、発光強度は非常に弱い。この状態での注入キャ
リア量は極めて少ないからである。充分な発光を得るに
は、ビルト・イン電圧に対応する電圧をかけて、キャリ
アを沢山、注入せねばならない。ところがこの状態では
波長は殆んど変化しない。ビルト・イン電圧に達する
と、pn接合間の電圧は、そこにクランプされ、バンド構
造は殆んど変化しなくなるためである。つまり、充分な
発光強度を確保し、その様な状態で波長をチューニング
することはできなかった。
本発明の目的は、充分な発光強度を保った状態で波長
チューニングができる面発光型発光素子を提供すること
にある。
チューニングができる面発光型発光素子を提供すること
にある。
本発明になる面発光型可変波長発光素子は、pn接合を
含む第１の半導体積層構造体と、ピエゾ効果を有する材
料で成る層または第２の半導体積層構造体とが半導体基
板の上に積層されており、前記第１の半導体積層構造体
に電流注入用の電極が形成され、前記層または第２の半
導体積層構造体には電圧印加用の電極が形成されてお
り、半導体積層方向に光の出力が成されることを特徴と
する構成になっている。
含む第１の半導体積層構造体と、ピエゾ効果を有する材
料で成る層または第２の半導体積層構造体とが半導体基
板の上に積層されており、前記第１の半導体積層構造体
に電流注入用の電極が形成され、前記層または第２の半
導体積層構造体には電圧印加用の電極が形成されてお
り、半導体積層方向に光の出力が成されることを特徴と
する構成になっている。
２つの積層構造体のうち第１の半導体積層構造体は面
発光型発光ダイオードとして作用する。第２の積層構造
体には電圧を印加し実効的な長さ（層に垂直な方向）を
変化させる。第２の積層構造体の実効長を変えるメカニ
ズムとしてはピエゾ効果等を用いる。二つの積層構造体
全体で１つの可変波長発光素子が形成され、機能する。
発光型発光ダイオードとして作用する。第２の積層構造
体には電圧を印加し実効的な長さ（層に垂直な方向）を
変化させる。第２の積層構造体の実効長を変えるメカニ
ズムとしてはピエゾ効果等を用いる。二つの積層構造体
全体で１つの可変波長発光素子が形成され、機能する。
次に発光波長を変化させる原理を説明する。面発光型
発光ダイオードでは、光の取り出し面と裏面との多重反
射によって光の共振器作用が生じ、レーザ・ダイオード
の発振直前と同様の強弱のパターンが自然発光スペクト
ルに含まれていることが知られている。そして、この現
象は発光ダイオードの厚みが薄い程顕著になる。ピーク
波長λｍは、光取り出し面と裏面との距離ｄ、実効屈折
率nr、整数Ｎを使って ２nrλｍ＝Nd …（１） より求められる。
発光ダイオードでは、光の取り出し面と裏面との多重反
射によって光の共振器作用が生じ、レーザ・ダイオード
の発振直前と同様の強弱のパターンが自然発光スペクト
ルに含まれていることが知られている。そして、この現
象は発光ダイオードの厚みが薄い程顕著になる。ピーク
波長λｍは、光取り出し面と裏面との距離ｄ、実効屈折
率nr、整数Ｎを使って ２nrλｍ＝Nd …（１） より求められる。
本発明では、ピーク波長間隔を広げるため、可変波長
発光素子全体の厚さｄを半導体基板を含めて、通常に比
べてかなり薄くしておく。通常面発光型ダイオードで
は、素子厚は殆んど半導体基板の厚さとなっていて、約
100μｍ位ある。本発明は、これに比べて基板の厚さを
１桁近く薄くしておく。又は、第１の半導体積層構造
体、電気的絶縁層、第２の半導体積層構造体をこの順に
半導体基板上に形成し、基板と第１の積層構造体との間
に高反射率の半導体多層膜を作り込む。この構造では半
導体基板を薄くする必要はなくなる。いずれにせよ、こ
の様にして素子厚を薄くしておくと、（１）式で決まる
ピーク波長の間隔を広げることができ、通常の発光スペ
クトルの中に発光強度の強い発光スペクトルを１本だけ
発生させることができる。可変波長発光素子全体の両端
面のフィネスが或る程度あると、このフィネスで決まる
狭いスペクトル幅の自然放出光が得られる。ここで、第
２の積層構造体の実効長を変化させると、素子全体の実
効長も変わり、発光波長をチューニングさせることがで
きる。第２の積層構造体の実効長を変化させるのにピエ
ゾ効果を使っている。この場合、AlGaAs/GaAs系,InGaAs
P/InP系の格子歪は120kv/cmの電界で約１％となる。但
し、ピエゾ効果を電界方向に出現させるには適当な面方
位を選ぶ必要がある。可変波長発光素子の厚さをd,第２
の積層構造体の厚さをd2，そのピエゾ効果による変化分
をδd2，発光ピーク波長をλｍ，その変化をδλｍとす
ると となる。
発光素子全体の厚さｄを半導体基板を含めて、通常に比
べてかなり薄くしておく。通常面発光型ダイオードで
は、素子厚は殆んど半導体基板の厚さとなっていて、約
100μｍ位ある。本発明は、これに比べて基板の厚さを
１桁近く薄くしておく。又は、第１の半導体積層構造
体、電気的絶縁層、第２の半導体積層構造体をこの順に
半導体基板上に形成し、基板と第１の積層構造体との間
に高反射率の半導体多層膜を作り込む。この構造では半
導体基板を薄くする必要はなくなる。いずれにせよ、こ
の様にして素子厚を薄くしておくと、（１）式で決まる
ピーク波長の間隔を広げることができ、通常の発光スペ
クトルの中に発光強度の強い発光スペクトルを１本だけ
発生させることができる。可変波長発光素子全体の両端
面のフィネスが或る程度あると、このフィネスで決まる
狭いスペクトル幅の自然放出光が得られる。ここで、第
２の積層構造体の実効長を変化させると、素子全体の実
効長も変わり、発光波長をチューニングさせることがで
きる。第２の積層構造体の実効長を変化させるのにピエ
ゾ効果を使っている。この場合、AlGaAs/GaAs系,InGaAs
P/InP系の格子歪は120kv/cmの電界で約１％となる。但
し、ピエゾ効果を電界方向に出現させるには適当な面方
位を選ぶ必要がある。可変波長発光素子の厚さをd,第２
の積層構造体の厚さをd2，そのピエゾ効果による変化分
をδd2，発光ピーク波長をλｍ，その変化をδλｍとす
ると となる。
とする。120kv/cmの電界はd2＝１μｍで、電圧に換算す
ると12vとなる。この時、波長変化は（２）式より となる。材料系もInGaAsP/InP系に選び、発光波長を1.5
μｍとすると、その0.3％、即ち、45Åシフトさせるこ
とができる。
ると12vとなる。この時、波長変化は（２）式より となる。材料系もInGaAsP/InP系に選び、発光波長を1.5
μｍとすると、その0.3％、即ち、45Åシフトさせるこ
とができる。
第１図は本発明に係わる一実施例である。この実施例
では面方位（111）の基板のｐ−InP11の上にストップ・
エッチ層兼ｐ−クラッド層となるｐ−InGaAsP層12（λ
ｇ＝1.15μm,厚さｄ＝0.3μm,キャリア濃度Ｎ＝２×10
18cm-3）、発光層となるIn0.47Ga0.53As層13（λｇ＝1.
67μm,d＝１μm,アンドープ）、ｎ−クラッド層兼コン
タクト層となるｎ−InGaAsP層14（λｇ＝1.15μm,d＝１
μm,N＝２×1018cm-3）、アンドープのIn0.52Al0.48As
層15（ｄ＝１μｍ）、コンタクト層となるｎ−InGaAsP
層16（λｇ＝1.15μm,d＝0.2μm,N＝２×1018cm-3）、S
i（ｄ＝890Å）とSiO2（ｄ＝2155Å）を交互に繰り返し
て積層した多層膜17を順次積層し、半導体層12,13,14で
第１の半導体積層構造体を、半導体14,15,16で第２の半
導体積層構造体を形成している。多層膜17は、Si/SiO2
２周期でλ＝１〜1.6μｍの波長領域で反射率Ｒ＝90
％、４周期でＲ＝95％とできる。基板は、第１図の如
く、一部領域を除去し、基板が除去された領域の第1,第
２半導体積層構造体部分を活性領域として、発光層13で
発光した光を多層膜とｐ−クラッド層12間で反射・干渉
させる素子構造としている。18及び19は電極でAuGe−Ni
より成る。20はAuZnより成る電極である。発光波長は約
1.5μｍである。この場合フィネスＦは となり、Ｒ＝0.95とするとＦ＝122となる。ピーク波長
は（１）式より求まるが、この場合、nr3.5、ｄ＝3.5
μｍとなるので、 となり、Ｎ＝２でλｍ＝１μｍ、Ｎ＝３でλｍ＝1.5μ
ｍ、Ｎ＝４でλｍ＝２μｍとなるのでIn0.47Ga0.53As13
の発光波長付近にピーク波長を設定することができる。
発光スペクトルの幅Δν1/2はピーク波長間隔Δνとフ
ィネスＦより となるので約41Åとなる。もっとも狭いスペクトル幅で
チューニングさせるには吸収損失を減らすなりして面方
向にレーザ発振させれば良い。基本的な構造は第１図の
実施例と同じで良い。
では面方位（111）の基板のｐ−InP11の上にストップ・
エッチ層兼ｐ−クラッド層となるｐ−InGaAsP層12（λ
ｇ＝1.15μm,厚さｄ＝0.3μm,キャリア濃度Ｎ＝２×10
18cm-3）、発光層となるIn0.47Ga0.53As層13（λｇ＝1.
67μm,d＝１μm,アンドープ）、ｎ−クラッド層兼コン
タクト層となるｎ−InGaAsP層14（λｇ＝1.15μm,d＝１
μm,N＝２×1018cm-3）、アンドープのIn0.52Al0.48As
層15（ｄ＝１μｍ）、コンタクト層となるｎ−InGaAsP
層16（λｇ＝1.15μm,d＝0.2μm,N＝２×1018cm-3）、S
i（ｄ＝890Å）とSiO2（ｄ＝2155Å）を交互に繰り返し
て積層した多層膜17を順次積層し、半導体層12,13,14で
第１の半導体積層構造体を、半導体14,15,16で第２の半
導体積層構造体を形成している。多層膜17は、Si/SiO2
２周期でλ＝１〜1.6μｍの波長領域で反射率Ｒ＝90
％、４周期でＲ＝95％とできる。基板は、第１図の如
く、一部領域を除去し、基板が除去された領域の第1,第
２半導体積層構造体部分を活性領域として、発光層13で
発光した光を多層膜とｐ−クラッド層12間で反射・干渉
させる素子構造としている。18及び19は電極でAuGe−Ni
より成る。20はAuZnより成る電極である。発光波長は約
1.5μｍである。この場合フィネスＦは となり、Ｒ＝0.95とするとＦ＝122となる。ピーク波長
は（１）式より求まるが、この場合、nr3.5、ｄ＝3.5
μｍとなるので、 となり、Ｎ＝２でλｍ＝１μｍ、Ｎ＝３でλｍ＝1.5μ
ｍ、Ｎ＝４でλｍ＝２μｍとなるのでIn0.47Ga0.53As13
の発光波長付近にピーク波長を設定することができる。
発光スペクトルの幅Δν1/2はピーク波長間隔Δνとフ
ィネスＦより となるので約41Åとなる。もっとも狭いスペクトル幅で
チューニングさせるには吸収損失を減らすなりして面方
向にレーザ発振させれば良い。基本的な構造は第１図の
実施例と同じで良い。
波長のチューニングは、第１図に示したように、電極
20には正電源、電極18には負電源をつなぎ電極19はグラ
ンドに接続し、In0.47Ga0.53As13にキャリア注入して発
光させ、In0.52Al0.48As15に電界をかけてピエゾ変調さ
せて行う。In0.52Al0.48As15はアンドープの状態で高抵
抗層となり、電界をかけることができる。
20には正電源、電極18には負電源をつなぎ電極19はグラ
ンドに接続し、In0.47Ga0.53As13にキャリア注入して発
光させ、In0.52Al0.48As15に電界をかけてピエゾ変調さ
せて行う。In0.52Al0.48As15はアンドープの状態で高抵
抗層となり、電界をかけることができる。
第１図の実施例ではエッチングして基板のｐ−InP11
を取っている。ｐ−InGaAsP12と基板の間に半導体の多
層膜を形成し、これを反射鏡として作用させれば、この
様な基板のエッチングは不要となる。
を取っている。ｐ−InGaAsP12と基板の間に半導体の多
層膜を形成し、これを反射鏡として作用させれば、この
様な基板のエッチングは不要となる。
本発明によって発光波長のチューニングが可能な面発
光型発光素子が得られる。本実施例で用いた材料系以外
の別の材料、例えばGaAs系を用いても良いことは言うま
でもない。
光型発光素子が得られる。本実施例で用いた材料系以外
の別の材料、例えばGaAs系を用いても良いことは言うま
でもない。
第１図は本発明に係わる一実施例の図、第２図は従来例
を示す図である。 11はｐ−InP、14と16はｎ−InGaAsP、13はIn0.47Ga0.53
As、12はｐ−InGaAsP、15はIn0.52Al0.48As、17は多層
膜、18と19と20は電極である。
を示す図である。 11はｐ−InP、14と16はｎ−InGaAsP、13はIn0.47Ga0.53
As、12はｐ−InGaAsP、15はIn0.52Al0.48As、17は多層
膜、18と19と20は電極である。
Claims (1)
- 【請求項１】pn接合を含む第１の半導体積層構造体と、
ピエゾ効果を有する材料で成る層または第２の半導体積
層構造体とが半導体基板の上に積層されており、前記第
１の半導体積層構造体に電流注入用の電極が形成され、
前記層または第２の半導体積層構造体には電圧印加用の
電極が形成されており、半導体積層方向に光の出力が成
されることを特徴とする面発光型可変波長発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5112489A JPH088375B2 (ja) | 1989-03-02 | 1989-03-02 | 面発光型可変波長発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5112489A JPH088375B2 (ja) | 1989-03-02 | 1989-03-02 | 面発光型可変波長発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02230777A JPH02230777A (ja) | 1990-09-13 |
| JPH088375B2 true JPH088375B2 (ja) | 1996-01-29 |
Family
ID=12878059
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5112489A Expired - Fee Related JPH088375B2 (ja) | 1989-03-02 | 1989-03-02 | 面発光型可変波長発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH088375B2 (ja) |
-
1989
- 1989-03-02 JP JP5112489A patent/JPH088375B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02230777A (ja) | 1990-09-13 |
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