JPH1126865A

JPH1126865A - 半導体レーザ

Info

Publication number: JPH1126865A
Application number: JP17847297A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Yashiki; 健一郎屋敷; Hiroyuki Yamazaki; 裕幸山崎; Hiroshi Iwata; 普岩田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-07-03
Filing date: 1997-07-03
Publication date: 1999-01-29
Anticipated expiration: 2017-07-03
Also published as: JP3285079B2

Abstract

(57)【要約】【課題】加入者系光通信システムなどに用いる、製作
が容易でしきい値電流の小さい半導体レーザを提供す
る。【解決手段】ｎ型の半導体基板１１上に、ｎ型３−５
族半導体からなる３−５クラッド層１２、３−５族半導
体からなるストライプ状の活性層１３、ｐ型２−６族半
導体からなる２−６クラッド層１４、金属からなるｐ電
極１５とｎ電極１６とを有する。活性層１３の両わきは
３−５クラッド層１２と２−６クラッド層１４が接して
おり２−６／３−５ｐｎヘテロ接合１７が形成されてい
る。２−６／３−５ｐｎヘテロ接合１７の立ち上がり電
圧が活性層１３に比べ非常に大きいため、レーザ発振時
の漏れ電流が少なく、発振しきい値電流が小さい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は通信用及び情報処理
用半導体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の半導体レーザは、例えば
１９９６年８月、エレクトロニクス・レターズ、第３２
巻、第１７号、１５８２〜１５８３頁（ELECTRONICS LE
TTERS,VOL. 32, NO.17, pp.1582-1583, AUGUST, 1996）
に示されるように、安価に製作でき、低い動作電流で安
定に動作するＩｎＧａＡｓＰ系歪みＭＱＷレーザが用い
られていた。このような半導体レーザでは活性層以外の
領域に流れる漏れ電流の低減が重要となる。

【０００３】図１９は従来の半導体レーザの断面図であ
るが、ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１９１上に成長し
たｎ型ＩｎＰからなるｎ型クラッド層１９２、ＩｎＡｓ
ＰウェルとＩｎＧａＰバリヤーから構成される多重量子
井戸（ＭＱＷ）からなる活性層１９３と、ｐ型ＩｎＰか
らなるｐ型クラッド層１９４とをｐ型ＩｎＰからなる埋
め込み層１９５により埋め込んだ構造である。ｎ型クラ
ッド層１９２と埋め込み層１９５が接する界面にはＩｎ
Ｐｐｎ接合１９６が形成されている。また金属からなる
ｐ電極１９７とｎ電極１９８とを有する。埋め込み構造
が単純であるため製作が容易であり低コストである。ま
た、活性層１９３のバンドギャップがＩｎＰのバンドギ
ャップより小さいため、活性層１９３領域の立ち上がり
電圧はＩｎＰｐｎ接合１９６の立ち上がり電圧より小さ
い。このため電流は主として活性層１９３を流れてレー
ザ発振する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
構造では活性層以外を流れる漏れ電流がかなり多いとい
う問題があった。

【０００５】本発明の目的は、製作が容易であり、漏れ
電流を小さく抑えた動作電流の小さい半導体レーザを提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ
は、３−５族半導体からなる３−５クラッド層と、３−
５族半導体からなるストライプ状の活性層と、３−５ク
ラッド層及び活性層上に層状の２−６族半導体からなる
２−６クラッド層とを有し、３−５クラッド層と２−６
クラッド層の伝導型が異なっており、前記２−６クラッ
ド層のバンドギャップの大きさが前記３−５クラッド層
のバンドギャップの大きさと同じかそれ以上であること
を特徴とする。

【０００７】ストライプ状の活性層を介してのｐｎ接合
と、３−５クラッド層と２−６クラッド層によって形成
される２−６／３−５ｐｎヘテロ接合とが並列して存在
している。２−６クラッド層のバンドギャップが活性層
よりも非常に大きいため、活性層を介してのｐｎ接合の
立ち上がり電圧にくらべ、２−６／３−５ｐｎヘテロ接
合の立ち上がり電圧が高い。このため電流が活性層に集
中し、漏れ電流が減少する。また、活性層の縦方向と横
方向とも３−５クラッド層と２−６クラッド層によって
囲まれているため、光とキャリアが活性層に閉じ込めら
れる。

【０００８】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態について
図面を参照して説明する。

【０００９】図１は本発明の第１の実施の形態を示す断
面図、図２はそのバンド構造図、図３は電気特性図であ
る。図１において、ｎ型の半導体基板１１上に、ｎ型３
−５族半導体からなる３−５クラッド層１２、３−５族
半導体からなるストライプ状の活性層１３、ｐ型２−６
族半導体からなる２−６クラッド層１４、金属からなる
ｐ電極１５とｎ電極１６とを有する。活性層１３の両わ
きは３−５クラッド層１２と２−６クラッド層１４が接
しており２−６／３−５ｐｎヘテロ接合１７が形成され
ている。半導体層は有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法
や分子線結晶成長（ＭＢＥ）法により形成する。活性層
１３は、選択結晶成長法やエッチング法によりストライ
プ状に加工する。ｐ電極１５、ｎ電極１６は真空蒸着に
より形成できる。

【００１０】ｐ電極１５に正、ｎ電極１６に負の電圧を
印加すると、３−５クラッド層１２から注入された電子
と２−６クラッド層１４から注入された正孔が活性層１
３で再結合して発光し、レーザ発振する。２−６クラッ
ド層１４は、２−６族半導体を用いているためバンドギ
ャップが大きい。そのため、活性層１３両わきの２−６
／３−５ｐｎヘテロ接合１７は、図２（ａ）に示すよう
に、拡散電位が大きく、価電子帯端２１の不連続値と伝
導帯端２２の不連続値も大きい。その結果、電気特性は
図３のＩ−Ｖ曲線３１のように立ち上がり電圧が高くな
る。これに対し、活性層１３でのバンド構造は図２
（ｂ）に示すように、活性層１３のバンドギャップが狭
いため、電気特性は図３のＩ−Ｖ曲線３２ように立ち上
がり電圧が低くなる。２−６／３−５ｐｎヘテロ接合１
７の立ち上がり電圧が活性層１３に比べ非常に大きいた
め、ｐ電極１５とｎ電極１６との間に電圧を掛けると、
電流は活性層１３にだけ流れ、２−６／３−５ｐｎヘテ
ロ接合１７にはほとんど流れない。このため、レーザ発
振時の漏れ電流が少なく、発振しきい値電流が小さくな
る。

【００１１】望ましいｐ型２−６クラッド層１４のバン
ドギャップの大きさは、ｎ型３−５クラッド層１２のバ
ンドギャップの大きさと同じかそれ以上であればよい。
バンドギャップ差が０．１ｅＶ以上あればその効果が著
しいが、Ｈｇを含まない２−６族化合物半導体のバンド
ギャップは、同じ格子長の３−５族半導体化合物のバン
ドギャップよりも０．２ｅＶ以上大きいので、ｐ型クラ
ッド層にＨｇを含まない２−６族化合物半導体を用いれ
ば効果が得られる。

【００１２】活性層１３の縦方向は３−５クラッド層１
２と２−６クラッド層１４で挟まれており、光とキャリ
アが縦方向に閉じ込められている。活性層１３の横方向
は２−６クラッド層１４で囲われており、光とキャリア
が横方向にも閉じ込められている。すなわち、２−６ク
ラッド層１４により縦と横方向の光とキャリアの閉じ込
めを行い、電流狭窄も行っている。構造が単純であるた
め製作が容易であり、歩留りが高い。また、３−５族半
導体に比べ２−６族半導体の結晶成長温度が低いために
２−６クラッド層１４の結晶成長は容易である。

【００１３】この実施形態では半導体基板と３−５クラ
ッド層をｎ型とし２−６クラッド層をｐ型としたが、半
導体基板と３−５クラッド層をｐ型とし２−６クラッド
層をｎ型としても良い。また、活性層を単層の３−５族
半導体としたが、これに限らず、多層の３−５族半導体
層からなる単一や多重の量子井戸構造などを用いても良
い。また、３−５クラッド層と半導体基板が同じ材料の
場合には半導体基板の一部を３−５クラッド層として用
いてもよい。

【００１４】この実施形態に用いる材料としては、半導
体基板としてＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、Ｇ
ａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＧａＮなどがあり、３−５
クラッド層及び活性層としては、ＩｎＧａＡｓＰ混晶
系、ＡｌＧａＡｓ混晶系、ＩｎＧａＡｌＰ混晶系などが
あり、２−６クラッド層としてＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、Ｚ
ｎＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、ＢｅＳｅ、ＢｅＴ
ｅ、ＭｇＺｎＳＳｅ混晶系、ＭｇＺｎＳｅＴｅ混晶系、
ＭｇＺｎＣｄＳｅ混晶系、ＢｅＺｎＳｅＴｅ混晶系、Ｂ
ｅＺｎＣｅＳｅ混晶系、ＺｎＣｄＳｅＴｅ混晶系、Ｃｄ
ＭｇＳＳｅ混晶系などがある。

【００１５】図４は本発明の第２の実施の形態を示す断
面図である。ｎ型の半導体基板４１上に、ｎ型３−５族
半導体からなる３−５クラッド層４２、３−５族半導体
からなるストライプ状の活性層４３、ｐ型２−６族半導
体からなる２−６クラッド層４４、金属からなるｐ電極
４５とｎ電極４６とを有する。活性層４３は３−５クラ
ッド層４２の溝の部分にストライプ状に形成され、両側
では３−５クラッド層４２と２−６クラッド層４４が接
しており２−６／３−５ｐｎヘテロ接合４７が形成され
ている。３−５クラッド層４２の溝の部分はエッチング
により形成でき、活性層４３は選択成長か、又は結晶成
長とエッチングの組み合わせにより形成できる。

【００１６】活性層４３と２−６／３−５ｐｎヘテロ接
合４７のバンド構造と電気特性は第１の実施の形態と同
じである。２−６／３−５ｐｎヘテロ接合４７の電気特
性は図３のＩ−Ｖ曲線３１のように、立ち上がり電圧が
高い。活性層４３では図３のＩ−Ｖ曲線３２ように低
い。ｐ電極４５とｎ電極４６との間に電圧を掛けると、
電流は活性層４３にだけ流れ、２−６／３−５ｐｎヘテ
ロ接合４７にはほとんど流れない。

【００１７】活性層４３の縦方向は３−５クラッド層４
２と２−６クラッド４４で挟まれており、光とキャリア
が縦方向に閉じ込められている。活性層４３の横方向は
３−５クラッド層４２で囲われており、光とキャリアが
横方向にも閉じ込められている。活性層４３と３−５ク
ラッド層４２が３−５族半導体であるため屈折率差が少
なく、活性層４３の横幅の揺らぎに対する単一横モード
発振が可能な条件が緩い。また、表面の平坦性が良いた
め、プロセスや集積化が容易である。

【００１８】この実施形態では半導体基板と３−５クラ
ッド層をｎ型とし２−６クラッド層をｐ型としたが、半
導体基板と３−５クラッド層をｐ型とし２−６クラッド
層をｎ型としても良い。また、活性層を単層の３−５族
半導体としたが、これに限らず、多層の３−５族半導体
層からなる多重量子井戸構造などを用いても良い。ま
た、３−５クラッド層と半導体基板が同じ材料の場合に
は半導体基板の一部を３−５クラッド層として用いても
よい。

【００１９】この実施形態に用いる材料としては、半導
体基板としてＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、Ｇ
ａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＧａＮなどがあり、３−５
クラッド層及び活性層としては、ＩｎＧａＡｓＰ混晶
系、ＡｌＧａＡｓ混晶系、ＩｎＧａＡｌＰ混晶系などが
あり、２−６クラッド層としてＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、Ｚ
ｎＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、ＢｅＳｅ、ＢｅＴ
ｅ、ＭｇＺｎＳＳｅ混晶系、ＭｇＺｎＳｅＴｅ混晶系、
ＭｇＺｎＣｄＳｅ混晶系、ＢｅＺｎＳｅＴｅ混晶系、Ｂ
ｅＺｎＣｅＳｅ混晶系、ＺｎＣｄＳｅＴｅ混晶系、Ｃｄ
ＭｇＳＳｅ系混晶系などがある。

【００２０】図５は本発明の第３の実施の形態を示す断
面図、図６はそのバンド構造図である。ｎ型の半導体基
板５１上に、ｎ型３−５族半導体からなる３−５クラッ
ド層５２、ｎ型３−５族半導体からなるストライプ状の
ｎ光ガイド層５３、３−５族半導体からなるストライプ
状の活性層５４、ｐ型３−５族半導体からなるストライ
プ状のｐ光ガイド層５５、ｐ型２−６族半導体からなる
２−６クラッド層５６、金属からなるｐ電極５７とｎ電
極５８とを有し、活性層５４の両側には２−６／３−５
ｐｎヘテロ接合５９が形成されている。ｎ光ガイド層５
３、活性層５４、ｐ光ガイド層５５は選択成長か、又は
結晶成長とエッチングの組み合わせにより形成できる。

【００２１】活性層５４近傍のバンド構造は図６のよう
であり、ｎ光ガイド層５３とｐ光ガイド層５５に挟まれ
て、キャリアが活性層５４に閉じ込められる。光は３−
５クラッド層５２と２−６クラッド層５６によって、活
性層５４及びｎ光ガイド層５３とｐ光ガイド層５５内に
閉じ込められる。ｎ光ガイド層５３とｐ光ガイド層５５
の屈折率と層厚を変える事により、活性層５４での光閉
じ込め率を変えることができる。その結果、低しきい値
電流や高出力などの所望の特性が得られる。活性層５４
の立ち上がり電圧は、２−６／３−５ｐｎヘテロ接合５
９の立ち上がり電圧より小さく、漏れ電流は非常に少な
い。

【００２２】この実施形態では半導体基板と３−５クラ
ッド層５２をｎ型とし２−６クラッド層５６をｐ型とし
たが、これに限らず、半導体基板５１と３−５クラッド
層５２をｐ型とし２−６クラッド層５６をｎ型とし、活
性層５４の下側をｎ光ガイド層、上側をｐ光ガイド層と
しても良い。また、活性層５４を単層の３−５族半導体
としたが、これに限らず、多層の３−５族半導体層から
なる多重量子井戸構造などを用いても良い。また光ガイ
ド層を単層の３−５族半導体としたが、これに限らず、
多層や、組成が連続的に変化した３−５族半導体混晶を
用いても良い。また、３−５クラッド層と半導体基板が
同じ材料の場合には半導体基板の一部を３−５クラッド
層として用いてもよい。

【００２３】図７は本発明の第４の実施の形態を示す断
面図である。層構造は第３の実施形態と同じである。３
−５クラッド層５２の一部に溝を有し、その溝の上に、
ストライプ状のｎ光ガイド層５３、活性層５４、ｐ光ガ
イド層５５を有する。この構造は、エッチングと結晶成
長、選択成長との組み合わせにより形成できる。

【００２４】活性層５４の縦方向の光閉じ込めは、ｎ光
ガイド層５３とｐ光ガイド層５５の屈折率と層厚を変え
る事により調整できる。活性層５４の横方向は３−５ク
ラッド層５２で囲われており、屈折率差が少ないため活
性層５４の横幅の揺らぎに対する単一横モード発振が可
能な条件が緩い。また、表面の平坦性が良いため、プロ
セスや集積化が容易である。

【００２５】図８は本発明の第５の実施の形態を示す断
面図、図９はそのバンド構造図である。ｎ型の半導体基
板８１上に、ｎ型３−５族半導体からなる３−５クラッ
ド層８２、ｎ型３−５族半導体からなるｎ光ガイド層８
３、３−５族半導体からなる活性層８４、ｐ型３−５族
半導体からなるｐ光ガイド層８５、２−６クラッド層８
６、金属からなるｐ電極８８とｎ電極８９とを有する。
３−５クラッド層８２と２−６クラッド層８６とが接す
る界面では２−６／３−５ｐｎヘテロ接合８７が形成さ
れている。２−６クラッド層８６は、ｐ型ＺｎＣｄＳｅ
混晶からなるＺｎＣｄＳｅ層８６ａとｐ型ＺｎＳｅＴｅ
混晶からなるＺｎＳｅＴｅ層８６ｂとから構成される。
ＺｎＣｄＳｅ層８６ａは３−５クラッド層８２に接して
おり、６族元素を１種類（Ｓｅ）だけ含み、ＺｎＳｅＴ
ｅ層８６ｂは６族元素を２種類（Ｓｅ、Ｔｅ）含んでい
る。

【００２６】ＺｎＳｅＴｅ混晶はｐ型の高濃度ドーピン
グが容易であるためＺｎＳｅＴｅ層８６ｂは２−６クラ
ッド層８６に適した材料である。しかし、３−５クラッ
ド層８２上に直接ＺｎＳｅＴｅ混晶を成長しようとする
と、３−５族半導体に対するＳｅとＴｅの付着の仕方が
大きく異なっているために所望の組成の混晶が得られな
い。これに対し２族元素であるＺｎとＣｄの付着係数は
ほぼ同じであるため、ＺｎＣｄＳｅ混晶は３−５クラッ
ド層８２上に容易に結晶成長できる。ＺｎＣｄＳｅ層８
６ａ上ではＳｅとＴｅの付着係数は一定であるため、容
易にＺｎＳｅＴｅ層８６ｂが成長できる。

【００２７】一般に、２−６族半導体混晶のドーピング
特性は６族元素により大きく変化する。Ｔｅを多く含む
混晶はｐ型になりやすく、Ｓを多く含む混晶はｎ型にな
りやすい。ドーピング濃度を制御するためには２種類以
上の６族元素を含む混晶を用いるのが有効である。しか
し、６族元素を２種類以上含む混晶を３−５族半導体上
に直接成長しようとすると、６族元素の種類により３−
５族半導体への付着係数が非常に異なるため、組成むら
の大きな混晶が成長開始面にできてしまう。これに対
し、２族元素は３−５族半導体への付着係数に大きな違
いがないため、２族元素を２種類以上含む混晶は３−５
族半導体上に容易に成長できる。２−６族半導体上で
は、６族元素の付着係数に大きな違いがないため、６族
元素を２種類以上含む混晶を成長することができる。

【００２８】この実施形態では、６族元素を１種類含む
混晶としてＺｎＣｄＳｅを用いたが、これに限らず、Ｚ
ｎＳｅ、ＢｅＳｅ、ＣｄＳ、ＢｅＴｅ、ＺｎＴｅ、Ｍｇ
ＺｎＳｅ、ＢｅＺｎＴｅ、ＢｅＣｄＳ、ＭｇＺｎＣｄＳ
ｅ、ＭｇＢｅＺｎＴｅ、ＣｄＭｇＳＳｅなど他の２−６
混晶を用いても良い。また、６族元素を２種類以上含む
混晶としてＺｎＳｅＴｅを用いたが、これに限らず、Ｚ
ｎＳＳｅ、ＺｎＳＴｅ、ＣｄＳＳｅ、ＢｅＳｅＴｅ、Ｚ
ｎＣｄＳｅＴｅ、ＭｇＺｎＳｅＴｅ、ＢｅＺｎＳＳｅ、
ＢｅＣｄＳｅＴｅなど他の２−６混晶を用いても良い。
また、この実施形態では半導体基板と３−５クラッド層
をｎ型とし２−６クラッド層をｐ型としたが、これに限
らず、半導体基板と３−５クラッド層をｐ型とし２−６
クラッド層をｎ型とし、活性層の下側をｎ光ガイド層、
上側をｐ光ガイド層としても良い。また、活性層を単層
の３−５族半導体としたが、これに限らず、多層の３−
５族半導体層からなる単一や多重の量子井戸構造などを
用いても良い。また、光ガイド層の無い構造や、溝を有
する３−５クラッド層を用いた構造でも良い。また、３
−５クラッド層と半導体基板が同じ材料の場合には半導
体基板の一部を３−５クラッド層として用いてもよい。

【００２９】図１０は第６の実施の形態を示す断面図、
図１１はそのバンド構造図である。ｎ型の３−５族半導
体からなる半導体基板１０１上にｎ型の３−５族半導体
からなる３−５クラッド層１０２、光ガイド層１０３
ａ、３−５族半導体多重量子井戸からなる活性層１０
４、ｐ型の３−５族半導体からなる光ガイド層１０３
ｂ、３−５クラッド層１０２と同じ組成でｐ型である３
−５族半導体からなる光ガイド層１０３ｃ、３層のｐ型
２−６族半導体からなるポテンシャル緩和層１０５、ｐ
型２−６族半導体からなる２−６クラッド層１０６、金
属からなるｐ電極１０７、ｎ電極１０８を有する。ポテ
ンシャル緩和層１０５は選択成長法などによって形成で
きる。なお、図１０では、３−５クラッド層１０２の一
部も同時にエッチングしてストライプ形状を含むように
形成しているが、エッチングしない構成も可能である。

【００３０】光ガイド層１０３ｃ及び２−６クラッド層
１０６はｐ型であり、伝導キャリアは正孔である。正孔
に対するポテンシャルとなる価電子帯端２１の位置を図
１１に示す。ポテンシャル緩和層１０５の価電子帯端２
１の位置は、光ガイド層１０３ｃと２−６クラッド層１
０６との中間の値であり、光ガイド層１０３ｃに近い側
から２−６クラッド層１０６側に向かって段々低くなっ
ている。そのため、光ガイド層１０３ｃとポテンシャル
緩和層１０５との界面、２−６クラッド層１０６とポテ
ンシャル緩和層１０５との界面、及びポテンシャル緩和
層１０５内の各界面での価電子帯端２１の不連続値が小
さくなり、界面でのバンドの曲がりも小さくなる。これ
により、２−６クラッド層１０６から活性層１０４へ流
れる正孔に対する抵抗が小さくなり、半導体レーザの動
作電圧が低くなる。

【００３１】このようなポテンシャル緩和層１０５と２
−６クラッド層１０６は、例えばｐ型ＺｎＣｄＳｅＴｅ
混晶系で２−６クラッド層１０６に近い側でのＳｅ組成
を大きくした層構造を用いれば良い。また、ｐ型ＭｇＺ
ｎＳＳｅ混晶系で２−６クラッド層１０６に近い側での
Ｍｇ組成を大きくした層構造を用いれば良い。また、Ｂ
ｅＺｎＳｅＴｅ、ＭｇＺｎＳｅＴｅ、ＭｇＺｎＣｄＳｅ
などの他の２−６族混晶系を用いても良い。

【００３２】この実施形態ではポテンシャル緩和層を３
層の構造としたが、これに限らず、１層の構造や４層以
上の構造や組成が連続的に変化した構造でも良い。ま
た、ポテンシャル緩和層と２−６クラッド層をｐ型とし
たが、これに限らずｎ型としても良い。

【００３３】この実施形態ではポテンシャル緩和層を２
−６族半導体としたが、これに限らず３−５族半導体を
用いても良い。例えば、ＡｌＧａＡｓ混晶系では、Ａｌ
組成を大きくすることにより価電子帯端を深くし、伝導
帯端を浅くすることができる。また、ＡｌＧａＩｎＰ系
混晶でもＡｌ組成を大きくすることにより価電子帯端を
深くし、伝導帯端を浅くすることができる。また、同様
に、ＧａＩｎＡｓＰ系混晶系を用いることもできる。ま
た、３−５クラッド層と半導体基板が同じ材料の場合に
は半導体基板の一部を３−５クラッド層として用いても
よい。

【００３４】図１２は第７の実施の形態を示す断面図、
図１３はそのバンド構造図である。ｎ型の３−５族半導
体からなる半導体基板１２１上にｎ型の３−５族半導体
からなる３−５クラッド層１２２、光ガイド層１２３
ａ、３−５族半導体からなる活性層１２４、ｐ型の３−
５族半導体からなる光ガイド層１２３ｂ、ｐ型２−６族
半導体からなるポテンシャル緩和層１２５、ｐ型２−６
族半導体からなる２−６クラッド層１２６、金属からな
るｐ電極１２７、ｎ電極１２８を有する。ポテンシャル
緩和層１２５は結晶成長によって容易に形成できる。３
−５クラッド層１２２とポテンシャル緩和層１２５とが
接している界面では２−６／３−５ｐｎヘテロ接合１２
９が形成されている。

【００３５】ポテンシャル緩和層１２５の価電子帯端２
１の位置は光ガイド層１２３ｂと２−６クラッド層１２
６の中間の値であり、２−６／３−５ｐｎヘテロ接合１
２９のバンド構造は図１３（ａ）のようになり、活性層
１２４近傍のバンド構造は図１３（ｂ）のようになる。
２−６／３−５ｐｎヘテロ接合１２９では、ポテンシャ
ル緩和層１２５が２−６族半導体からできているために
バンドギャップが大きく、立ち上がり電圧が高い。活性
層１２４近傍では、光ガイド層１２３ｂとポテンシャル
緩和層１２５の界面、ポテンシャル緩和層１２５と２−
６クラッド層１２６の界面でのバンドの曲がりが小さく
なり、正孔に対する抵抗が小さくなる。その結果、半導
体レーザの動作電圧が低くなる。

【００３６】このようなポテンシャル緩和層１２５と２
−６クラッド層１２６は、例えばｐ型ＺｎＣｄＳｅＴｅ
混晶系でポテンシャル緩和層１２５でのＳｅ組成を小さ
くし２−６クラッド層１２６でのＳｅ組成を大きくした
層構造を用いれば良い。同様に、ｐ型ＭｇＺｎＳＳｅ、
ＢｅＺｎＳｅＴｅ、ＭｇＺｎＳｅＴｅ、ＭｇＺｎＣｄＳ
ｅなどの他の２−６族混晶系を用いても良い。

【００３７】この実施形態ではポテンシャル緩和層を１
層の構造としたが、これに限らず、多層の構造や組成が
連続的に変化した構造でも良い。また、ポテンシャル緩
和層と２−６クラッド層をｐ型としたが、これに限らず
ｎ型としても良い。また、３−５クラッド層と半導体基
板が同じ材料の場合には半導体基板の一部を３−５クラ
ッド層として用いてもよい。

【００３８】図１４は第８の実施の形態を示す断面図で
ある。ｎ型の３−５族半導体からなる半導体基板１４
１、ｎ型の３−５族半導体からなる３−５クラッド層
１４２、光ガイド層１４３ａ、３−５族半導体多重量子
井戸からなる活性層１４４、ｐ型の３−５族半導体から
なる光ガイド層１４３ｂ、３−５クラッド層１４２と同
じ組成でｐ型である３−５族半導体からなる光ガイド層
１４３ｃ、絶縁体膜１４５、ｐ型２−６族半導体からな
るメサストライプ状の２−６クラッド層１４６、金属か
らなるｐ電極１４８、ｎ電極１４９を有する。３−５ク
ラッド層１４２と２−６クラッド層１４６との界面には
２−６／３−５ｐｎヘテロ接合１４７が形成されてい
る。２−６クラッド層１４６は絶縁体膜１４５をマスク
として選択成長法などによって形成できる。絶縁体膜１
４６にはＳｉＯ₂やＳｉ₂Ｎ₃などを用いれば良い。２−
６クラッド層１４６をメサストライプ状にしたことによ
り２−６／３−５ｐｎヘテロ接合１４７の面積が小さく
なり、容量が減少して高速動作が可能となった。

【００３９】この実施形態では３−５クラッド層をｎ型
とし２−６クラッド層をｐ型としたが、３−５クラッド
層をｐ型とし２−６クラッド層をｎ型としても良い。ま
た、活性層を多重量子井戸構造とし光ガイド層を設けた
が、これに限らず、ダブルヘテロ構造や単一量子井戸構
造など、他の構造を用いても良い。また、３−５クラッ
ド層と半導体基板が同じ材料の場合には半導体基板の一
部を３−５クラッド層として用いてもよい。

【００４０】図１５は第９の実施の形態を示す断面図で
ある。ｎ型の３−５族半導体からなる半導体基板１５
１、ｎ型の３−５族半導体からなる３−５クラッド層
１５２、光ガイド層１５３ａ、３−５族半導体からなる
活性層１５４、ｐ型の３−５族半導体からなる光ガイド
層１５３ｂ、３−５クラッド層１５２と同じ組成でｐ型
である３−５族半導体からなる光ガイド層１５３ｃ、絶
縁体膜１５５、ｐ型２−６族半導体からなる２−６クラ
ッド層１５６、金属からなるｐ電極１５８、ｎ電極１５
９を有する。３−５クラッド層１５２と２−６クラッド
層１５６との界面には２−６／３−５ｐｎヘテロ接合１
５７が形成されている。２−６クラッド層１５６はＭＢ
Ｅ法などによって形成できる。絶縁体膜１５５にはＳｉ
Ｏ₂やＳｉ₂Ｎ₃などを用いれば良い。絶縁体膜１５５を
挿入したことにより２−６／３−５ｐｎヘテロ接合１５
７の面積が小さくなり、容量が減少して高速動作が可能
となる。また、２−６／３−５ｐｎヘテロ接合１５７を
流れる漏れ電流も減少する。また、形状が平坦であるた
め、プロセスが容易であり、歩留りが高くなる。加え
て、２−６クラッド層１５６とｐ電極１５８との接触面
積が大きいため、電極抵抗が小さくなるという利点もあ
る。

【００４１】この実施形態では３−５クラッド層をｎ型
とし２−６クラッド層をｐ型としたが、３−５クラッド
層をｐ型とし２−６クラッド層をｎ型としても良い。ま
た、活性層を単層の３−５族半導体とし光ガイド層を設
けたが、これに限らず、単一や多重の量子井戸構造な
ど、他の構造を用いても良い。また、３−５クラッド層
と半導体基板が同じ材料の場合には半導体基板の一部を
３−５クラッド層として用いてもよい。

【００４２】図１６は第１０の実施の形態を示す断面図
である。ｐ型２−６族半導体からなる２−６クラッド層
１６１、高濃度ｐ型２−６族半導体からなるコンタクト
層１６２、金属からなるｐ電極１６３を有する。その他
の構成については、上記の実施形態のいずれも可能であ
る。コンタクト層１６２はＭＢＥ法などによって形成で
きる。コンタクト層１６２の不純物濃度を１０¹⁸ｃｍ^-3
台にすることによりオーミック性の電極特性が得られ
る。

【００４３】ｐ型のコンタクト層には、ＺｎＴｅ：Ｎ、
ＢｅＴｅ：Ｎ、ＺｎＴｅ：Ｐ、ＺｎＳｅＴｅ：Ｎ、Ｂｅ
Ｓｅ：Ｎ、ＣｄＳｅＴｅ：Ｎなどの２−６族半導体や、
これらの超格子構造を用いれば良い。

【００４４】この実施形態では２−６クラッド層とコン
タクト層１６２をｐ型としたが、ｎ型としても良い。ｎ
型のコンタクト層には、ＺｎＳｅ：Ｃｌ、ＢｅＳｅ：Ｃ
ｌ、ＺｎＳｅ：Ｇａ、ＺｎＣｄＳｅ：Ｃｌ、ＭｇＢｅＳ
ｅ：Ｃｌ、ＺｎＳ：Ｃｌ、ＣｄＳ：Ｃｌなどの２−６族
半導体や、これらの超格子構造を用いれば良い。

【００４５】次に第１１の実施の形態を図１の断面図を
参照して説明する。

【００４６】半導体基板１１に、３−５クラッド層１
２、活性層１３、２−６クラッド層１４の各層を格子整
合させることにより、各界面での欠陥が減少し、漏れ電
流が減少する。また、活性層１３へのストレスが無くな
り、素子寿命が長くなり、歩留まりも向上する。半導体
基板１１をＩｎＰとするとき、３−５クラッド層１２を
ＩｎＰ、活性層１３をＩｎＧａＡｓＰとし、２−６クラ
ッド層１４にはＺｎＣｄＳｅＴｅ、ＭｇＺｎＳｅＴｅ、
ＭｇＺｎＣｄＳｅ、ＣｄＭｇＳＳｅなどの混晶系を用い
れば良い。

【００４７】半導体基板１１をＧａＡｓとするとき、３
−５クラッド層１２をＡｌＧａＡｓ、活性層１３をＡｌ
ＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓとし、２−６クラッド層１４
にはＺｎＳＳｅ、ＭｇＺｎＳＳｅ、ＺｎＢｅＳｅＴｅ、
ＭｇＺｎＳＴｅなどの混晶系を用いれば良い。ＧａＡｓ
半導体基板１１で、３−５クラッド層１２をＡｌＧａＩ
ｎＰ、活性層１３をＡｌＧａＩｎＰとする場合も同じ２
−６混晶系を用いることができる。ＧａＳｂやＩｎＡｓ
を半導体基板１１とし、３−５クラッド層１２と活性層
１３をＩｎＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓＰＳｂ、ＡｌＧａＡ
ｓＳｂのいずれかにする場合には、ＺｎＣｄＳｅＴｅ、
ＣｄＳＳｅＴｅ、ＭｇＺｎＳｅＴｅなどの混晶系を用い
れば良い。

【００４８】

【実施例】

実施例１本発明の第１の実施例を図１７を参照して説明する。半
導体基板１７１にｐ型ＩｎＰ基板を用い、３−５クラッ
ド層１７２をｐ型ＩｎＰ（ｐ＝５×１０¹⁷ｃｍ ^-3、厚さ
１μｍ）、光ガイド層１７３ａをＩｎＧａＡｓＰ（ｐ＝
１×１０¹⁷ｃｍ ^-3、厚さ０．１μｍ）、活性層１７４を
ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸、光ガイド
層１７３ｂをＩｎＧａＡｓＰ（ｎ＝１×１０¹⁷ｃｍ^-3、
厚さ０．１μｍ）、光ガイド層１７３ｃをｎ型ＩｎＰ
（ｎ＝５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．２μｍ）とし、有機
金属気相成長法により結晶成長したのち、フォトリソグ
ラフィーとドライエッチングにより光ガイド層１７３
ａ、１７３ｂ、１７３ｃと活性層１７４をエッチングし
ストライプ形状にした。分子線エピタキシー法によりＩ
ｎＰに格子整合したｎ型ＣｄＳＳｅ（ｎ＝５×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3、厚さ２μｍ）からなる２−６クラッド層１７５を
成長し、Ａｕからなるｎ電極１７６、ｐ電極１７７を真
空蒸着法により形成した。３−５クラッド１７２と２−
６クラッド層１７５が接する界面では、２−６／３−５
ｐｎヘテロ接合１７８が形成されている。

【００４９】図１８は本実施例の半導体レーザにおける
バンド構造図である。２−６／３−５ｐｎヘテロ接合１
７８は図１８（ａ）に示すように、２−６クラッド層１
７５のバンドギャップが大きく、界面でのバンド不連続
が大きい。このため立ち上がり電圧が大きくなってい
る。活性層１７４近傍のバンド構造は図１８（ｂ）の通
りであり、立ち上がり電圧は活性層１７４のバンドギャ
ップで決まり、２−６／３−５ｐｎヘテロ接合１７８に
比べて小さい。この結果、漏れ電流が少なくなり、３０
０μｍの共振器長、２μｍのストライプ幅でのしきい値
電流は２ｍＡであった。

【００５０】なお、本実施例ではエッチングを用いて活
性層部分をストライプ状に加工したが、選択成長を用い
て活性層部分のストライプ形状を形成してもよい。

【００５１】また、２−６クラッド層としてｎ型ＣｄＳ
Ｓｅを用いたが、これに限らず、ＩｎＰに格子整合した
ｎ型ＺｎＣｄＳＳｅを用いてもよい。また、ＺｎＣｄＳ
ｅＴｅ、ＺｎＭｇＳｅＴｅ、ＺｎＣｄＭｇＳｅ、ＣｄＭ
ｇＳＳｅなどの２−６混晶を用いても良い。

【００５２】上述の実施例では、半導体基板と３−５ク
ラッド層をｐ型とし、２−６クラッド層をｎ型とした
が、半導体基板と３−５クラッド層をｎ型とし、２−６
クラッド層をｐ型としても良い。

【００５３】また、３−５族半導体としてＩｎＰに格子
整合したＩｎＧａＡｓＰ系を用いたがＩｎＡｌＡｓＰ系
やこれらを組み合わせた系、ＧａＡｓに格子整合したＡ
ｌＧａＡｓＰ系やＧａＩｎＮＡｓ系やＡｌＧａＩｎＰ系
やこれらの組み合わせた系を用いてもよい。

【００５４】実施例２次に、本発明の第２の実施例を、図１０を参照して説明
する。半導体基板１０１にｎ型ＩｎＰ基板を用い、３−
５クラッド層１０２をｎ型ＩｎＰ（ｎ＝５×１０¹⁷ｃｍ
^-3、厚さ１μｍ）、光ガイド層１０３ａをＩｎＧａＡｓ
Ｐ（ｎ＝１×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．１μｍ）、活性層
１０４をＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸、
光ガイド層１０３ｂをＩｎＧａＡｓＰ（ｐ＝１×１０¹⁷
ｃｍ^-3、厚さ０．１μｍ）、光ガイド層１０３ｃをｐ型
ＩｎＰ（ｐ＝５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．１μｍ）と
し、有機金属気相成長法により結晶成長したのち、分子
線エピタキシー法によりｐ型ＺｎＳｅ_0.54Ｔｅ_0.46、ｐ
型Ｚｎ_0.82Ｃｄ_0.18Ｓｅ_0.69Ｔｅ_0.31、ｐ型Ｚｎ_0.65Ｃ
ｄ_0.35Ｓｅ_0.85Ｔｅ_0.15３層からなるポテンシャル緩和
層１０５を成長し、フォトリソグラフィーとドライエッ
チングにより光ガイド層１０３ａ、１０３ｂ、１０３
ｃ、活性層１０４及び３−５クラッド層１０２の一部を
エッチングし、２μｍ幅のストライプ形状を形成した。
分子線エピタキシー法によりＩｎＰに格子整合したｐ型
ＺｎＣｄＳｅ（ｐ＝５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ２μｍ）か
らなる２−６クラッド層１０６を成長し、Ａｕからなる
ｐ電極１０７、ｎ電極１０８を真空蒸着法により形成し
た。

【００５５】図１１はこのときのバンド構造図である。
光ガイド層１０３ｃと２−６クラッド層１０６との間に
ポテンシャル緩和層１０５を挟むことにより、光ガイド
層１０３ｃとポテンシャル緩和層１０５との界面、２−
６クラッド層１０６とポテンシャル緩和層１０５との界
面、及びポテンシャル緩和層１０５内の各界面での価電
子帯端２１の不連続値が小さくなり、界面でのバンドの
曲がりも小さくなる。これにより、２−６クラッド層１
０６から活性層１０４へ流れる正孔に対する抵抗が小さ
くなり、半導体レーザの動作電圧が低くなる。ポテンシ
ャル緩和層１０５の導入により動作電圧が１．５Ｖから
１．３Ｖへ減少した。これに伴い、漏れ電流も減少し、
しきい値電が２ｍＡから１．８ｍＡへと低減できた。

【００５６】本実施例ではｐ型ＺｎＳｅ_0.54Ｔｅ_0.46、
ｐ型Ｚｎ_0.82Ｃｄ_0.18Ｓｅ_0.69Ｔｅ _0.31、ｐ型Ｚｎ_0.65
Ｃｄ_0.35Ｓｅ_0.85Ｔｅ_0.15３層からなるポテンシャル緩
和層を用いたが、これに限らす、１層の構造や４層以上
の構造や組成が連続的に変化した構造でも良い。また、
ポテンシャル緩和層の材料としては光ガイド層の材料に
応じてＺｎＭｇＳｅＴｅ、ＺｎＭｇＳＳｅ、ＺｎＣｄＳ
Ｓｅ、ＣｄＭｇＳＳｅ、ＺｎＣｄＭｇＳｅなどのほかの
材料系を用いてもよく、また、２−６族半導体に限らず
３−５族半導体で構成してもよい。また、ポテンシャル
緩和層と２−６クラッド層をｐ型としたが、これに限ら
ずｎ型としても良い。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によって、
製作が容易でしきい値電流の小さい半導体レーザが得ら
れる。それは、一方のクラッド層にバンドギャップが大
きく成長温度が低い２−６族半導体を用いているためで
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す断面図であ
る。

【図２】本発明の第１の実施の形態のバンド構造図であ
る。

【図３】本発明の第１の実施の形態の電気特性図であ
る。

【図４】本発明の第２の実施の形態を示す断面図であ
る。

【図５】本発明の第３の実施の形態を示す断面図であ
る。

【図６】本発明の第３の実施の形態のバンド構造図であ
る。

【図７】本発明の第４の実施の形態を示す断面図であ
る。

【図８】本発明の第５の実施の形態を示す断面図であ
る。

【図９】本発明の第５の実施の形態のバンド構造図であ
る。

【図１０】本発明の第６の実施の形態を示す断面図であ
る。

【図１１】本発明の第６の実施の形態のバンド構造図で
ある。

【図１２】本発明の第７の実施の形態を示す断面図であ
る。

【図１３】本発明の第７の実施の形態のバンド構造図で
ある。

【図１４】本発明の第８の実施の形態を示す断面図であ
る。

【図１５】本発明の第９の実施の形態を示す断面図であ
る。

【図１６】本発明の第１０の実施の形態を示す断面図で
ある。

【図１７】本発明の第１の実施例を示す断面図である。

【図１８】本発明の第１の実施例のバンド構造図であ
る。

【図１９】従来例を示す断面図である。

【符号の説明】

１１半導体基板１２３−５クラッド層１３活性層１４２−６クラッド層１５ｐ電極１６ｎ電極１７２−６／３−５ｐｎヘテロ接合２１価電子帯端２２伝導帯端３１Ｉ−Ｖ曲線３２Ｉ−Ｖ曲線４１半導体基板４２３−５クラッド層４３活性層４４２−６クラッド層４５ｐ電極４６ｎ電極４７２−６／３−５ｐｎヘテロ接合５１半導体基板５２３−５クラッド層５３ｎ光ガイド層５４活性層５５ｐ光ガイド層５６２−６クラッド層５７ｐ電極５８ｎ電極５９２−６／３−５ｐｎヘテロ接合８１半導体基板８２３−５クラッド層８３ｎ光ガイド層８４活性層８５ｐ光ガイド層８６２−６クラッド層８６ａＺｎＣｄＳｅ層８６ｂＺｎＳｅＴｅ層８７２−６／３−５ｐｎヘテロ接合８８ｐ電極８９ｎ電極１０１半導体基板１０２３−５クラッド層１０３ａ、ｂ、ｃ光ガイド層１０４活性層１０５ポテンシャル緩和層１０６２−６クラッド層１０７ｐ電極１０８ｎ電極１２１半導体基板１２２３−５クラッド層１２３ａ、ｂ光ガイド層１２４活性層１２５ポテンシャル緩和層１２６２−６クラッド層１２７ｐ電極１２８ｎ電極１２９２−６／３−５ｐｎヘテロ接合１４１半導体基板１４２３−５クラッド層１４３ａ、ｂ、ｃ光ガイド層１４４活性層１４５絶縁体膜１４６２−６クラッド層１４７２−６／３−５ｐｎヘテロ接合１４８ｐ電極１４９ｎ電極１５１半導体基板１５２３−５クラッド層１５３ａ、ｂ、ｃ光ガイド層１５４活性層１５５絶縁体膜１５６２−６クラッド層１５７２−６／３−５ｐｎヘテロ接合１５８ｐ電極１５９ｎ電極１６１２−６クラッド層１６２コンタクト層１６３ｐ電極１７１半導体基板１７２３−５クラッド層１７３ａ、ｂ、ｃ光ガイド層１７４活性層１７５２−６クラッド層１７６ｎ電極１７７ｐ電極１７８２−６／３−５ｐｎヘテロ接合

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】３−５族半導体からなる平面状の３−５
クラッド層と、該３−５クラッド層上に３−５族半導体
からなるストライプ状の活性層と、前記３−５クラッド
層及び活性層上に層状の２−６族半導体からなる２−６
クラッド層とを有し、前記３−５クラッド層と前記２−
６クラッド層の伝導型が異なっており、前記２−６クラ
ッド層のバンドギャップの大きさが前記３−５クラッド
層のバンドギャップの大きさと同じかそれ以上であるこ
とを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】３−５族半導体からなるストライプ状の
溝のある３−５クラッド層と、該３−５クラッド層の溝
上に３−５族半導体からなるストライプ状の活性層と、
前記３−５クラッド層及び活性層上に層状の２−６族半
導体からなる２−６クラッド層とを有し、前記３−５ク
ラッド層と前記２−６クラッド層の伝導型が異なってお
り、前記２−６クラッド層のバンドギャップの大きさが
前記３−５クラッド層のバンドギャップの大きさと同じ
かそれ以上であることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項３】活性層と２−６クラッド層との間に前記
活性層よりもバンドギャップの大きい３−５族半導体か
らなるストライプ状の光ガイド層を有し、該光ガイド層
の伝導型が前記２−６クラッド層と等しいことを特徴と
する請求項１又は２記載の半導体レーザ。
【請求項４】２−６クラッド層が２層以上の２−６族
半導体混晶からなり、３−５クラッド層に接する層が１
種類以上の２族元素と１種類の６族元素から構成され、
３−５クラッド層に接していない層のうちの１層以上が
１種類以上の２族元素と２種類の６族元素から構成され
ていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記
載の半導体レーザ。
【請求項５】光ガイド層と２−６クラッド層との間
に、単層又は多層構成の３−５族半導体又は２−６族半
導体からなるストライプ状のポテンシャル緩和層を有
し、該ポテンシャル緩和層の伝導型が前記２−６クラッ
ド層の伝導型に等しく、伝導キャリアーに対するポテン
シャルが前記２−６クラッド層と前記光ガイド層との中
間の値であることを特徴とする請求項３記載の半導体レ
ーザ。
【請求項６】光ガイド層と２−６クラッド層との間、
及び３−５クラッド層と２−６クラッド層との間に、単
層又は多層構成の２−６族半導体からなるポテンシャル
緩和層を有し、該ポテンシャル緩和層の伝導型が前記２
−６クラッド層の伝導型に等しく、キャリアーに対する
ポテンシャルが前記２−６クラッド層と前記光ガイド層
との中間の値であることを特徴とする請求項３記載の半
導体レーザ。
【請求項７】２−６クラッド層がメサストライプ状で
あることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載
の半導体レーザ。
【請求項８】３−５クラッド層と２−６クラッド層と
の間の一部又は全部に絶縁体層を有することを特徴とす
る請求項１〜６のいずれか１項記載の半導体レーザ。
【請求項９】２−６クラッド層上に、２−６クラッド
層と同じ伝導型で不純物濃度の高い２−６族半導体から
なるコンタクト層を有することを特徴とする請求項１〜
８のいずれか１項記載の半導体レーザ。
【請求項１０】３−５クラッド層を構成する３−５族
半導体と２−６クラッド層を構成する２−６族半導体の
格子長が等しいことを特徴とする請求項１〜９のいずれ
か１項記載の半導体レーザ。