【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光半導体素子に関し、特にマルチモード光ファイバ通信や光計測用光源としての高出力スーパールミネッセントダイオードに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、スーパールミネッセントダイオード（以下、ＳＬＤと呼ぶ）は、通常の利得導波型半導体レーザの両端面に低反射コーティングを設ける方法、あるいはストライプ幅を通常の５μｍに対して３０〜４０
μｍと広くし、そのストライプの角度を共振器端面に対して５度傾け、端面反射率を１０ ^-4以下にして高出力化する方法がある。

【０００３】例えば、1988年ゲラードらによる米国電気電子学会量子電子部会誌の12巻2454頁〜2457頁に掲載された「高出力スーパールミネッセントダイオード」の構造概略を図５に示す（Ａ．Ｇerard ，et al : “Ｈigh-
Ｐower ＳuperluminescentＤiodes ”ＩＥＥＥ，Ｊ，
Ｑuantum，Ｅlectronics，vol24 ，Ｎo.12，pp2454-245
7(1988) ）。

【０００４】図中の１は、ｎ型のＧａＡｓ基板である。
この基板１上には、ｎ型のＡｌ _{0.4Ga 0.6} Ａｓクラッド層２，Ａｌ _0.06 Ｇａ _0.94 Ａｓ活性層３，ｐ型のＡｌ _0.4
Ｇａ _0.6 Ａｓクラッド層４，ｎ型のＧａＡｓ電流ブロック層５，ＳｉＯ ₂からなる絶縁膜６が順次形成されている。 前記絶縁膜６には、基板１の長手方向に対して傾斜角（θ）傾いた凹部（ストライプ）６ａが形成されている。 前記絶縁膜６上には、前記凹部６ａを介して前記電流ブロック層５に接続するｐ側電極７が形成されている。 前記基板１の裏面にはｎ側電極８が形成されている。 なお、図中の９（斜線部分）は、ストライプ直下の前記電流ブロック層５及びクラッド層４に形成されたＺ
ｎ拡散領域である。

【０００５】こうした構成のダイオードにおいて、ｎ ₁
をストライプ直下の活性層周辺の光の伝播定数を屈折率に変換したときの等価屈折率、ｎ ₂をストライプ以外の活性層部分の屈折率としたとき、傾いたストライプ６ａ
内でファブリ−ペロモードが存在する臨界角θ _cは、次式で表わされる。 ｓｉｎθ _c ＝｛１−（ｎ ₂ ／ｎ ₁ ） ² ｝ ^0.5

【０００６】ゲラードらの試作した利得導波型レーザの場合には、屈折率差が５×１０ ^-3程度であることより、
θ _cは３．１３度となる。 設計上、両端面が無反射コーティングした場合、ストライプの傾斜角θがθ _cに一致した時、ストライプ方向の反射率ρ（θ）は６×１０ ^-5
と著しく小さくなるが、ファブリーペロモードを完全に抑制できない。 この臨界角θ _cより大きい角度では、ρ
（θ）は零となる。 彼等の試作では、θ＝５度、共振器長＝４００μｍ、ストライプ幅５μｍ（実効的な幅はキャリアの拡散より３０μｍ程度となる）で、最大出力２
８ｍＷであり、レーザ発振モードが重畳されているもののＳＬＤを得ている。 つまり、光のスペクトルはＬＥＤ
と同様、レーザのような共振モードがなく、かつＩ−Ｌ
（電流と光出力）の特性がスーパーリニアになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技術によれば、以下に述べる問題点を有する。 従来の通常の半導体レーザの両端面に無反射コーティングを設けた場合のＳＬＤの出力は、最大５ｍＷ程度である。 また、
ストライプ方向を共振器方向に対して５度傾けたゲラードらの提案したＳＬＤは、最大出力では２８ｍＷと高出力であるが、ストライプ方向を傾けているために、遠視野像（ＦＦＰ：Ｆar ＦieldＰatern ）のパターンが中心から水平と垂直で１５度も離れ、素子の組立上問題である。 更に、５度傾けた場合には、理論的には、ファブリーペロモード（レーザ発振モード）は完全に抑制されるが、実際にはキャリアの接合面に対しての横方向への拡散効果、及びスペクトル広がりがＬＤに比べて著しく広いため、無反射コートが全波長をカバーできず、端面反射が生じ、レーザモードが存在し、ＦＦＰのサイドモードが存在する。 反射光を利用したシステムでは、戻った光が光素子内でモード変換して、時間位相情報や強度情報を利用できない。

【０００８】本発明は上記事情を鑑みてなされたもので、量子井戸活性層の単位量子当りの光閉じ込め係数を０．０５以下、活性層全体の光閉じ込め係数を０．３〜
０．６、かつ端面の反射率を１０ ^-4以下にすることにより、高出力の光半導体素子を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に、第１クラッド層、量子井戸活性層を順次介してメサ状第２
クラッド層を設け、この第２クラッド層を電流ブロック層で埋め込んでなる屈折率差導波型ダブルヘテロ接合の光半導体素子において、

【００１０】前記量子井戸活性層の単位量子当りの光閉じ込め係数を０．０５以下とするとともに、活性層全体の光閉じ込め係数を０．３以上０．６以下とし、かつ端面の反射率を１０ ^-4以下にしたことを特徴とする光半導体素子である。

【００１１】本発明において、前記量子井戸活性層をｎ
型にドーピングされた光出力導波路層で挟みこまれた構成にすること（図２参照）、あるいは少なくとも多重量子井戸構造の中央部の量子バリア層が他の量子バリア層よりも２〜５倍厚く，ｐ型またはｎ型にドーピングされた構成にすること（図４参照）、あるいは高出力化のために端面近傍は活性層が無秩序化されているともに，電流注入が抑制されて領域になった構成にすること（図３
参照）が考えられる。

【００１２】本発明においては、組立上、接合面をヒートシンク面側にし、放熱を良くするため、裏面に導波路方向に対して、ビーム出射方向にストライプパターン形状を傾け、ビームの中心と組み立て中心を一致させている。

【００１３】

【作用】端面反射率が零に近く、レーザ発振モードが存在しない場合、導波路内を伝播する際に生じる利得をＧ
_sとすると、次式が成り立つ。 Ｇs ＝ｅｘｐ［Γ｛ｇ ₀・η _i・（Ｊ／ｄ）−α｝ｌ］ (1)

【００１４】ここで、Γは光閉じ込め係数、ｇ ₀は利得係数、η _iは内部量子効率、Ｊは注入電流密度、ｄは活性層の厚み、αは導波路損失係数、ｌ（エル）は導波路長を示す。 自然放出光をＰ _sとすれば、ＳＬＤの出力はＰ _s ×Ｇ _sとなる。 高出力化するためには、Ｇ _sを１０
⁴ 以上にする必要がある。 上記式(1) の値を増大させるためには、光閉じ込め係数を増加させ、内部量子効率η
_iを増大させ、導波路損失係数を減少させる必要がある。 （Ｊ／ｄ）を大きくするには、注入電流を大きく、
活性層を小さくする必要があるが、ｄを小さくすると、
光閉じ込め係数Γが減少する。 また、注入電流密度を増大させると、素子効率がレーザに比べ小さいので、放熱上問題となる。 以上の観点より、活性層を多重量子井戸構造にし、内部量子効率η _iを上げ、利得係数ｇ ₀を大きく、閉じ込め係数は単量子井戸当りの閉じ込めを０．
０５以下として、基底準位間遷移で利得飽和が生じない範囲とする。 活性層全体としては、閉じ込め係数を０．
３以上０．６以下で、光の分布の単峰性条件は満足させる。 量子井戸数の増加に対して、各々の量子井戸内に効率よくキャリアが注入される目的で、量子バリア層をｐ
型ドーピングして、有効質量が重いホールを井戸内に過剰に存在させて発光再結合係数を上昇させたり、光出力導波路を活性層上下に設けてｎ型にドーピングすることにより、効率良く量子井戸内に電子が注入される様にする。

【００１５】また、中央部の量子バリア層の厚みを他のバリア層の厚さの２〜５倍として、この領域にｎ型ドーピングをし、電子を効率よく量子井戸内に注入させる。
この様に効率良く量子井戸内に電子が注入されるため、
内部量子効率が増大し、単位量子井戸当りの注入電流は小さいけれども得られる利得係数が増大するため、量子井戸数を増加させても、注入電流密度の著しい増大はなく、基底準位間発光で、利得飽和を生ぜず、素子効率がレーザと同程度になる。

【００１６】端面部分での光密度の著しい上昇及び端面での結晶のダングリングボンドや転位空位で非発光再結合での端面の温度上昇を伴なう、発生した光を端面近傍の半導体層で吸収することによって生じる光学的損傷（ＣＯＤ）を防ぐ目的で、ウィンドウ領域を形成すると共に、注入電流がこの領域に注入されることを抑制して、非発光再結合確率を極力抑制している。

【００１７】また、量子井戸構造を活性層とすることにより、バンド構造の変形に伴う導波路吸収損失係数αもバルク結晶に比べ、１／２〜１／３となるため、効率は上昇する。 組立上では、ストライプ方向を端面の垂直方向に対して５度傾けた場合、出射ビームは、スネルの法則より ｎ ₁・ｓｉｎθ ₁ ＝ｎ ₂・ｓｉｎθ ₂ …(2)

【００１８】但し、上記式(2) で、ｎ ₁はストライプ内での等価屈折率，θ ₁は入射角，ｎ ₂は出射媒体屈折率、θ ₂は出射角であり、ｎ ₁が約３．５，θ ₁が５度でｎ ₂ ＝１よりθ ₂は１７．８度となる。

【００１９】出射ビームが中心から１７．８度傾き、通常の半導体レーザの組み立て方法では、ステム窓より出力を一部分しが取り出せない。 裏面を研磨した後に、ウェハのへき開面を利用して、ホルダーに付けたままで１
７．８度傾けてパターニングすることで、このパターンを利用して、出射ビームを中心の位置に補正する。

【００２０】

【実施例】以下、この発明における実施例を図面を参照して説明する。 （実施例１）

【００２１】図１を参照する。 図中の11は、ｎ型のＧａ
Ａｓ基板である。 この基板11上には、ｎ型のＡｌ _0.45 Ｇ
ａ _0.55 Ａｓ第１クラッド層12，多重量子井戸活性層13，
メサ部14ａを有するｐ型のＡｌ _0.45 Ｇａ _0.55 Ａｓ第２クラッド層14，及びｐ ⁺ 型のＧａＡｓキャップ層15が形成されている。 ここで、前記多重量子井戸活性層13は、Ｇ
ａＡｓ量子井戸幅１０nm，Ａｌ _0.3 Ｇａ _0.7 Ａｓ量子バリア幅５nmの１０周期構造で、単位量子井戸当りの光閉じ込めは３％程度であるが、活性層全体としてのその光閉じ込めは５０％前後となる。 前記第２クラッド層14のメサ部14ａの両サイド14ｂの厚さは０．２〜０．３μｍ
であり、ストライプ幅は３μｍである。 前記第２クラッド層14は、ｎ型のＩｎＧａＰ第１電流ブロック層16及びこの第１電流ブロック層16上に積層されたｎ型のＧａＡ
ｓ第２電流ブロック層17により埋め込まれている。 前記キャップ層15，第１電流ブロック層16の一部及び第２電流ブロック層17上にはｐ側電極18が形成され、前記基板
11の裏面側にはｎ側電極19が形成されている。 なお、図中の20は、裏面ストライプを示す。 また、この実施例１
では、ストライプ状導波路が端面に対して垂直方向から５度傾いている。

【００２２】かかる構成の光半導体素子において、ｐ側電極18より注入されたキャリアは第２電流ブロック層17
及び第１電流ブロック層16によりメサストライプ部分にのみ集中的に注入される。 ここで、メサストライプ部分に集中的に注入されたキャリアは、活性層内での再結合で自然放出光を発生させる。 この実施例１では上記したようにストライプ状導波路が端面に対して垂直方向から５度傾いているため、この導波路内を導波した光は端面で反射されて再び導波路内に戻ること（光帰還増幅）無く、端面より出射される。 ここで、キャリアの再結合により発生する光は、接合面に対して水平横方向に拡がるが、第１電流ブロック層16の屈折率がメサ部分に対して小さいため、一旦横方向に拡がった光はメサ部分に収束される。 （実施例２）

【００２３】図２を参照する。 但し、図１と同部材は同符号を付して説明を省略する。 図中の21，22は、多重量子井戸活性層13の上下に夫々形成されたｎ型のＡｌ _0.3
Ｇａ _0.7 Ａｓ第１光出力導波路、ｎ型のＡｌ _0.3 Ｇａ
_0.7 Ａｓ第２光出力導波路である。 これらの光出力導波路21，22の厚みは夫々５０nmで、Ｓｉドープ，不純物濃度１×１０ ¹⁷ cm ^-3である。 こうした構成の光半導体素子によれば、多重量子井戸活性層13の上下に夫々形成された第１・第２光出力導波路21，22の存在により、活性層
13に集中した光の閉じ込めを第１・第２光出力導波路2
1，22へ広げ、緩和させることができ、実施例１に比べ更に高出力，高効率化を図ることができる。 （実施例３）

【００２４】図３を参照する。 但し、図１と同部材は同符号を付して説明を省略する。 図中の31は、ｐ型のＧａ
Ａｓ基板である。 この基板31上には、ｐ型のＡｌ _0.45 Ｇ
ａ _0.55 Ａｓ第１クラッド層32，多重量子井戸活性層33，
メサ部34ａを有するｎ型のＡｌ _0.45 Ｇａ _0.55 Ａｓ第２クラッド層34，及びｎ ⁺ 型のＧａＡｓキャップ層35が形成されている。 ここで、前記多重量子井戸活性層33は、Ｇ
ａＡｓ量子井戸幅１０nm，Ａｌ _0.3 Ｇａ _0.7 Ａｓ量子バリア幅５nmの１０周期構造で、単位量子井戸当りの光閉じ込めは３％程度であるが、活性層全体としてのその光閉じ込めは５０％前後となる。 前記第２クラッド層34のメサ部34ａの両サイド34ｂの厚さは０．２〜０．３μｍ
であり、ストライプ幅は３μｍである。 前記第２クラッド層34は、ｐ型のＩｎＧａＰ第１電流ブロック層36及びこの第１電流ブロック層36上に積層されたｐ型のＧａＡ
ｓ第２電流ブロック層37により埋め込まれている。 前記キャップ層35，第１電流ブロック層36の一部及び第２電流ブロック層37上にはｎ側電極38が形成され、前記基板
31の裏面側にはｐ側電極39が形成されている。 なお、図中の40は表面ストライプ、41は裏面ストライプを示す。

【００２５】前記表面ストライプ40に沿う前記キャップ層35、第１・第２電流ブロック層36，37及び第２クラッド層34には、これらの層の端部より２０〜３０μｍ幅に渡ってドーズ量４×１０ ¹⁴ cm ^-2のＧａ ⁺ イオンが注入されたＧａ ⁺ イオン注入領域42が，前記活性層33に達する形成されている。 このＧａ ⁺ イオン注入領域42は、端面近傍の光密度の上昇による光学的損傷を抑制して光出力を更に増大させるためである。 なお、この実施例３では、ストライプ状導波路が端面に対して垂直方向から５
度傾いている。

【００２６】こうした構成の実施例３によれば、前記Ｇ
ａ ⁺ イオン注入領域42の存在により、多重量子井戸構造を無秩序化し、実効的なバンドギャップをＡｌ _0.1 Ｇａ
_0.9 Ａｓの混晶にする。 従って、ウィンドウ領域のバンドギャップは９０ｍｅＶ広くなり、発光した光の半値幅は４０ｍｅＶ以下であるため、吸収されることは無く（発光ダイオードより半値全幅は狭いので、４０ｍｅＶ
以下）、光出力が得られる。

【００２７】また、Ｇａ ⁺ イオン注入領域42の存在により、第２クラッド層34及びキャップ層35は高抵抗（抵抗率が４桁上昇）となり、電流注入を抑制できる。 更に、
光素子端面近傍のダングリングボンドや格子欠陥が原因とされる非発光再結合による発熱効果で生じる光学損傷を防止できる。 （実施例４）

【００２８】図４を参照する。 前記実施例２では、キャリアの各々の量子井戸領域への効率的な電子注入方法として、第１・第２光出力導波路をｎ形ドーピングする場合について述べた。 この実施例４は、図４に示す如く、
中央の量子バリア層を他の量子バリア層に対して、４倍の２０nmとして、この領域をｎ形ドーピング（Ｓｉドープ，不純物濃度１×１０ ¹⁷ cm ^-3 ）した構成となっている。 これにより、量子井戸内での再結合確率を上昇させ、高効率化できる。 また、量子バリア層のみｐ形にド々ピング（前後２周期はノンドープで、炭素，ベリリウムで１×１０ ¹⁸ cm ^-3 ）し、過剰なアクセプタに対して、
少量の注入された電子との再結合を効率的に行っている。

【００２９】

【発明の効果】上述したように、本発明によれば、以下に述べる効果を有する。 活性層を通常の半導体レーザの量子井戸数と比較して増大させ、各々の量子井戸内での光閉じ込め係数を下げて、注入電流に対する利得飽和を抑制する（これは、半導体レーザと同じ）と共に、導波路伝播で発生する利得を増大させるために、活性層全体として、光閉じ込めを大きくして（半導体レーザとは逆方向）、高出力化を図っている。 また、端面保護を目的として、ウィンドウ構造と同時に電流の注入を抑制して、高効率，高出力をめざしている。 更に、量子井戸数の増加に伴なう各々の量子井戸内での利得の安定を図るために、量子バリア層のみｐ形にドーピング，光出力導波路層のみｎ形にドーピング，中央の量子バリア層のみ２〜５倍，他の量子バリア層に対して厚くし、ｎ形ドーピングして、各々の量子井戸内での内部量子効率を上昇させて、量子井戸数増加に伴なう動作電流の増大を抑制している。 上記実施例では、ストライプ方向を端面の垂直方向に対して５度傾けて反射率を１０ ^-4以下とするが、通常の半導体レーザのストライプ方向で端面の多層誘電体コート及びウィンドウ構造で実効的に反射率を１
０ ^-4以下としても同様の効果となる。 本発明により、量子効率として、半導体レーザにせまる２０％以上が期待でき、最大出力として５０ｍＷ以上の安定なＳＬＤが実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る光半導体素子の概略斜視図。

【図２】本発明の実施例２に係る光半導体素子の概略斜視図。

【図３】本発明の実施例３に係る光半導体素子の概略斜視図。

【図４】本発明の実施例４に係る光半導体素子のバンドダイヤフラム図。

【図５】従来の高出力スーパールミネッセントダイオードの概略斜視図。

【符号の説明】

11，31…ＧａＡｓ基板、 12，14，32，34…
クラッド層、13，33…多重量子井戸活性層、 15，
35…キャップ層、16，17，36，37…電流ブロック層、
18，39…ｐ側電極、19，38…ｎ側電極、
21，22…光出力導波路層、42…Ｇａ ⁺ イオン注入領域。