JP2002158406A - 面発光型半導体レーザ - Google Patents

面発光型半導体レーザ

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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 高温特性を改善できる面発光型半導体レーザ
を提供する。 【解決手段】 面発光型半導体レーザにおけるＭＱＷ活
性層４の井戸幅Ｈｂを４ｎｍ〜６ｎｍ、井戸数Ｗｎを１
〜３のＩｎＧａＡｌＰ系量子井戸構造を有する活性層
と、前記活性層の上下層に形成されたＩｎＧａＡｌＰ系
クラッド層と、前記クラッド層を介し、前記活性層の積
層方向に形成された光反射層とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は面発光型半導体レー
ザに関し、特に、ＩｎＧａＡｌＰ系量子井戸構造面発光
型半導体レーザに適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、波長６００〜７００ｎｍの半導体
レーザがＤＶＤ（ｄｉｇｉｔａｌ ｖｅｒｓａｔｉｌｅ
ｄｉｓｋ）などの分野で実用化され始めている。
【０００３】一方、面発光型半導体レーザが、この波長
帯において実用化されれば、高速のプラスティックファ
イバリンク用の光源として用いることができる。このよ
うな、波長帯を実現する面発光型半導体レーザとして、
ＩｎＧａＡｌＰ系面発光型半導体レーザがあり、ＩｎＧ
ａＡｌＰ系面発光型半導体レーザのしきい値電流を低減
させるために、活性層に量子井戸構造を採用した面発光
型半導体レーザがある。
【０００４】図６（ａ）は、従来のＩｎＧａＡｌＰ系量
子井戸構造面発光型半導体レーザの構成を示す斜視図で
ある。図６（ａ）において、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に
は、ＤＢＲ多層膜２、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層
３、ＭＱＷ（ＭｕｌｔｉｐｌｅＱｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌ
ｌ：多重量子井戸）活性層４、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラ
ッド層５、ＤＢＲ多層膜６、ｐ−ＧａＡｓキャップ層７
が順次積層され、ｎ−ＧａＡｓ基板１の裏面には、ｎ側
電極８が形成されるとともに、ｐ−ＧａＡｓキャップ層
７上には、ｐ側電極９が形成されている。ここで、ｐ−
ＧａＡｓキャップ層７およびｐ側電極９には、円盤状の
開口部が形成され、出射光を外部に取り出すための光出
射窓１０が形成されている。
【０００５】ここで、活性層４は、Ｉｎ０．５Ｇａ
０．５Ｐ／Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ ０．５）０．５
Ｐ膜で構成され、クラッド層３は、ｎ−Ｉｎ０．５（Ｇ
ａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐ膜で構成され、クラッド
層５は、ｐ−Ｉｎ０．５（Ｇａ０ ．３Ａｌ０．７）
０．５Ｐ膜で構成され、ＤＢＲ多層膜２は、ｎ−Ｇａ
０．５Ａｌ０．５Ａｓ／Ｇａ０．０５Ａｌ０．９５Ａｓ
膜で構成され、ＤＢＲ多層膜６は、ｐ−Ｇａ０．５Ａｌ
０．５Ａｓ／Ｇａ０．０５Ａｌ０．９５Ａｓ膜で構成さ
れている。
【０００６】また、活性層４およびクラッド層３、５
は、面発光型半導体レーザの共振器を構成し、中央の活
性層４のところで１波長の定在波の腹となるように膜厚
が設定される。
【０００７】図６（ｂ）は、図６（ａ）の活性層および
クラッド層部分の拡大図である。図６（ｂ）において、
ＭＱＷ活性層４では、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ
０．５） ０．５Ｐ膜４ａとＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ膜４
ｂとが交互に積層され、このＭＱＷ活性層４をクラッド
層３、５で挟むことによりダブルヘテロ接合が形成され
る。
【０００８】図６（ｃ）は、図６（ｂ）の活性層４およ
びクラッド層３、５部分のエネルギーバンド図である。
図６（ｃ）において、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ膜４ｂ
は、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５）０．５Ｐ膜４
ａに比べてバンドギャップが小さいため、Ｉｎ０．５Ｇ
ａ０．５Ｐ膜４ｂの部分に量子井戸ＱＷが形成される。
この量子井戸ＱＷの部分ではエネルギーレベルが量子化
され、活性層４に注入された電子のエネルギー準位を局
在化させることができる。このため、レーザ発振を効率
よく行わせることが可能となり、しきい値電流を下げる
ことができる。
【０００９】また、クラッド層３、５は、ｎ−Ｉｎ
０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐ膜で構成さ
れ、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ／Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５
Ａｌ０．５）０．５Ｐ膜に比べてバンドギャップが大き
い。このため、クラッド層３、５を介して注入された電
子および正孔を活性層４内に閉じ込めることが可能とな
り、レーザ発振を効率よく行わせることが可能となる。
【００１０】ここで、従来のＭＱＷ構造面発光型半導体
レーザでは、利得を大きくするために、井戸幅Ｈｂを７
ｎｍ以上、井戸数Ｗｎを５以上とすることが一般的に行
われていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＭＱＷ
構造を採用した活性層４では、井戸幅を７ｎｍ以上、井
戸数を５以上とすると、活性層４からの発熱量が大きく
なり、高温特性が劣化するという問題があった。
【００１２】そこで、本発明の目的は、高温特性を改善
できる面発光型半導体レーザを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、請求項１記載の発明によれば、井戸幅が４ｎｍ
〜６ｎｍ、井戸数が１〜３のＩｎＧａＡｌＰ系量子井戸
構造を有する活性層と、前記活性層の上下層に形成され
たＩｎＧａＡｌＰ系クラッド層と、前記クラッド層を介
し前記活性層の積層方向に形成された光反射層とを備え
ることを特徴とする。
【００１４】これにより、利得を確保しつつ活性層の厚
みを薄くすることが可能となり、活性層からの発熱量を
抑制することが可能となることから、高温動作時におけ
るしきい値電流の増加を抑制し、高温特性を改善するこ
とができる。
【００１５】また、請求項２記載の発明によれば、前記
クラッド層は、Ｉｎ０．５（Ｇａ１ −ｘＡｌｘ）０．５
Ｐ膜（ただし、ｘ≧０．８）であることを特徴とする。
【００１６】これにより、活性層における電流閉じ込め
効果を向上させることが可能となり、しきい値電流を低
減させて、高温特性を改善することができる。
【００１７】また、請求項３記載の発明によれば、前記
光反射層は、Ｇａ１−ｘＡｌｘＡｓ膜（ただし、０．９
≧ｘ≧０．５）とＧａ１−ｙＡｌｙＡｓ膜（ただし、ｙ
≧０．９）とが交互に積層されたＤＢＲ多層膜であるこ
とを特徴とする。
【００１８】これにより、光反射層での光損失を低減さ
せることが可能となり、しきい値電流を下げることが可
能となるとともに、高温特性を改善することができる。
【００１９】また、反射膜の形成を活性層およびクラッ
ド層の形成と連続して同一炉内で行うことが可能とな
り、外気にさらすことなく光反射層を形成することが可
能となることから、光反射層の膜質を向上させることが
可能となるとともに、製造工程を簡易化することができ
る。
【００２０】また、請求項４記載の発明によれば、前記
光反射層は、Ｉｎ０．５（Ｇａ１− ｘＡｌｘ）０．５Ｐ
膜（ただし、ｘ≦０．５）とＩｎ０．５（Ｇａ１−ｙＡ
ｌｙ）０．５Ｐ膜（ただし、ｙ≧０．９）とが交互に積
層されたＤＢＲ多層膜であることを特徴とする。
【００２１】これにより、光反射層を活性層およびクラ
ッド層と同一系統の材料で形成することが可能となり、
低損失の光反射層を容易に形成することが可能となる。
【００２２】また、請求項５記載の発明によれば、光出
射窓が同一基板上にアレイ状に設けられていることを特
徴とする。
【００２３】これにより、光出射窓のパターニングを行
うだけで、複数の半導体レーザを同一基板上に集積化す
ることが可能となり、多重リンクなどへの適用を容易に
行うことができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態に係わる
面発光型半導体レーザについて図面を参照しながら説明
する。
【００２５】図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係
わる面発光型半導体レーザの構成を示す斜視図である。
図１（ａ）において、ｎ−ＧａＡｓ基板１上には、ＤＢ
Ｒ多層膜２、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層３、ＭＱＷ
活性層４、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層５、ＤＢＲ多
層膜６、ｐ−ＧａＡｓキャップ層７が順次積層されてい
る。
【００２６】ここで、活性層４およびクラッド層３、５
は、面発光型半導体レーザの共振器を構成し、中央の活
性層４のところで１波長の定在波の腹となるように膜厚
が設定される。
【００２７】なお、これらの膜の形成は、例えば、ＭＯ
ＣＶＤ（有機金属気相エピタキシャル成長）、ＭＢＥ
（分子線エピタキシャル成長）、またはＡＬＥ（原子層
エピタキシー）などの方法で行うことができる。
【００２８】また、ｎ−ＧａＡｓ基板１の裏面には、ｎ
側電極８が形成されるとともに、ｐ−ＧａＡｓキャップ
層７上には、ｐ側電極９が形成されている。さらに、ｐ
−ＧａＡｓキャップ層７およびｐ側電極９には、円盤状
の開口部が形成され、出射光を外部に取り出すための光
出射窓１０が形成されている。なお、光出射窓１０は、
フォトリソグラフィー技術で形成されたフォトレジスト
をマスクとして、ｐ−ＧａＡｓキャップ層７およびｐ側
電極９を選択的にエッチング除去することにより形成す
ることができる。
【００２９】ここで、活性層４は、例えば、Ｉｎ０．５
Ｇａ０．５Ｐ／Ｉｎ０．５（Ｇａ０ ．５Ａｌ０．５）
０．５Ｐ膜で構成することができ、クラッド層３は、例
えば、ｎ−Ｉｎ０．５（Ｇａ０．２Ａｌ０．８）０．５
Ｐ膜で構成することができ、クラッド層５は、例えば、
ｐ−Ｉｎ０．５（Ｇａ０．２Ａｌ０．８）０．５Ｐ膜で
構成することができる。
【００３０】また、ＤＢＲ多層膜２、６は、高屈折率膜
と低屈折率膜とを交互に積層したもので、Ｇａ１−ｘＡ
ｌｘＡｓ膜（ただし、０．９≧ｘ≧０．５）とＧａ
１−ｙＡｌｙＡｓ膜（ただし、ｙ≧０．９）とを交互に
積層させることが好ましい。
【００３１】例えば、ＤＢＲ多層膜２は、５４．５対の
ｎ−Ｇａ０．５Ａｌ０．５Ａｓ／Ｇａ０．０５Ａｌ
０．９５Ａｓ膜で構成し、ＤＢＲ多層膜６は、例えば、
３４対のｐ−Ｇａ０．５Ａｌ０．５Ａｓ／Ｇａ０．０５
Ａｌ０．９５Ａｓ膜で構成することができる。
【００３２】図１（ｂ）は、図１（ａ）の活性層および
クラッド層部分の拡大図である。図１（ｂ）において、
ＭＱＷ活性層４では、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ
０．５） ０．５Ｐ膜４ａとＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ膜４
ｂとが交互に積層され、図１（ｃ）に示すように、Ｉｎ
０．５Ｇａ０．５Ｐ膜４ｂの部分には、量子井戸ＱＷが
形成されている。
【００３３】ここで、井戸幅Ｈｂを４ｎｍ〜６ｎｍ、井
戸数Ｗｎを１〜３とする。また、井戸間隔Ｈａは、３〜
１０ｎｍ程度が好ましい。
【００３４】また、クラッド層３、５は、Ｉｎ
０．５（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）０．５Ｐ膜（ただし、ｘ≧
０．８）で構成することが好ましく、例えば、ｎ−Ｉｎ
０．５（Ｇａ ０．２Ａｌ０．８）０．５Ｐ膜で構成する
ことができる。
【００３５】図２は、発明の実施形態に係わる活性層の
井戸数および井戸幅ならびにクラッド層の組成を変えた
場合のしきい値電流および最大光出力のシミュレーショ
ン結果を示す図である。図２において、クラッド層３、
５の組成がＩｎ０．５（Ｇａ ０．３Ａｌ０．７）０．５
Ｐ、活性層４の井戸幅Ｈｂが７ｎｍの場合、井戸数Ｗｎ
が１から５へと増加するに従って最大光出力は低下し、
特に、温度が増加（５０度から７０度）すると、最大光
出力は低下する。また、しきい値電流は、井戸数Ｗｎが
１から３の場合はほぼ一定となるが、井戸数Ｗｎが３か
ら５へと増加すると、しきい値電流は増加し、特に、温
度が増加（５０度から７０度）すると、この傾向は著し
くなる。
【００３６】また、活性層４の井戸幅Ｈｂが５ｎｍの場
合、井戸数Ｗｎが１から２へと増加すると、一旦最大光
出力が増加した後、井戸数Ｗｎが２から７へと増加する
に従って最大光出力は低下し、特に、温度が増加（５０
度から７０度）すると、最大光出力は低下する。また、
しきい値電流は、井戸数Ｗｎが１から３の場合はほぼ一
定となるが、井戸数Ｗｎが３から７へと増加すると、し
きい値電流は増加し、特に、温度が増加（５０度から７
０度）すると、この傾向は著しくなる。
【００３７】また、クラッド層３、５の組成をＩｎ
０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５ＰからＩｎ
０．５（Ｇａ０．２Ａｌ０．８）０．５Ｐに変えた場
合、活性層４の井戸幅Ｈｂが５ｎｍ、井戸数Ｗｎが２の
場合を例にとって比較すると、５０度および７０度のい
ずれの場合においても、最大光出力は増加するととも
に、しきい値電流は低下する。
【００３８】従って、活性層４の井戸幅を４ｎｍ〜６ｎ
ｍ、井戸数を１〜３とすることにより、高温動作時にお
いても、しきい値電流の増加を抑制しつつ、最大光出力
の低下を抑制することができる。
【００３９】また、クラッド層３、５のＡｌの含有量を
増やし、クラッド層３、５のバンドギャップを大きくす
ることにより、活性層４における電流閉じ込め効果を向
上させることが可能となり、しきい値電流を低下させ
て、最大光出力を増加させることが可能となる。
【００４０】なお、上述した実施形態では、光出射窓１
０の周囲にｐ側電極９を形成する方法について説明した
が、光出射窓１０上に透明電極を形成するようにしても
よい。これにより、光出射窓１０下の活性層４に電流を
効率よく注入することができ、しきい値電流を低下させ
ることができる。
【００４１】また、クラッド層３、５のＡｌの含有量を
増やし、クラッド層３、５のバンドギャップを大きくす
ることにより、活性層４における電流閉じ込め効果を向
上させる方法について説明したが、クラッド層３、５を
超格子構造として多重量子障壁（ＭＱＢ）を形成し、活
性層４から漏れようとする電子に共鳴反射を起こさせる
ことにより、クラッド層３、５のバンドギャップを実効
的に増加させるようにしてもよい。多重量子障壁（ＭＱ
Ｂ）を採用してもよい。
【００４２】また、活性層４に歪量子井戸構造を導入し
てもよく、これにより、しきい値電流を低下させること
ができる。
【００４３】また、活性層４は、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａ
ＡｌＰ系多層膜の他に、ＩｎＧａＡｌＰ／ＩｎＧａＡｌ
Ｐ系多層膜でもよい。
【００４４】また、ＤＢＲ多層膜２、６は、ＧａＡｌＡ
ｓ／ＧａＡｌＡｓ系多層膜の他に、、Ｉｎ０．５（Ｇａ
１−ｘＡｌｘ）０．５Ｐ膜（ただし、ｘ≦０．５）とＩ
ｎ０ ．５（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）０．５Ｐ膜（ただし、ｙ
≧０．９）とを交互に積層させてもよく、これによって
も、低損失の反射膜を容易に形成することができる。
【００４５】図３（ａ）は、本発明の第２実施形態に係
わる面発光型半導体レーザの構成を示す斜視図、図３
（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ｂ面で切断した断面図であ
る。図３において、ｐ−ＧａＡｓキャップ層７上には、
ｐ側リング電極１１が形成され、ｐ側リング電極１１の
内側のｐ−ＧａＡｓキャップ層７を除去することによ
り、光出射窓１０が形成されている。
【００４６】また、ｐ側リング電極１１の外側には、ｐ
−ＧａＡｓキャップ層７およびＤＢＲ多層膜６に至る高
抵抗領域１２が形成されている。ここで、高抵抗領域１
２は、例えば、ｐ側リング電極１１の外側に選択的にプ
ロトンなどのイオン注入を行うことにより形成すること
ができる。
【００４７】この高抵抗領域１２を設けることにより、
ｐ側リング電極１１から供給された電流１６を高抵抗領
域１２の部分で狭窄することが可能となり、発光効率を
向上させて、しきい値電流を下げることができる。
【００４８】なお、上述した実施形態では、高抵抗領域
１２を、ｐ−ＧａＡｓキャップ層７およびＤＢＲ多層膜
６内に形成する方法について説明したが、高抵抗領域１
２をクラッド層５内にも設けるようにしてもよく、これ
により、より一層の電流狭窄が可能となる。
【００４９】図４（ａ）は、本発明の第３実施形態に係
わる面発光型半導体レーザの構成をを示す斜視図、図４
（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ｂ面で切断した断面図であ
る。図４において、ＤＢＲ多層膜６およびｐ−ＧａＡｓ
キャップ層７は円柱状にエッチング成形され、ｐ−Ｇａ
Ａｓキャップ層７上には、ｐ側リング電極１３が形成さ
れるとともに、ｐ側リング電極１３の内側のｐ−ＧａＡ
ｓキャップ層７を除去することにより、光出射窓１０が
形成されている。
【００５０】また、１または複数のＡｌＡｓ層１４がＤ
ＢＲ多層膜６のいずれかの層に形成され、このＡｌＡｓ
層１４を酸化性雰囲気にさらし、このＡｌＡｓ層１４の
外周部分を酸化することにより、リング状の選択酸化領
域１５をＤＢＲ多層膜６内に形成する。
【００５１】この選択酸化領域１５を設けることによ
り、ｐ側リング電極１３から供給された電流１６を選択
酸化領域１５の部分で狭窄することが可能となり、発光
効率を向上させて、しきい値電流を下げることができ
る。
【００５２】図５は、本発明の第４実施形態に係わる面
発光型半導体レーザの構成を示す斜視図である。図５に
おいて、同一のｎ−ＧａＡｓ基板１上に複数の光出射窓
１０がアレイ状に形成されており、各光出射窓１０から
光を個別に取り出すことができる。このアレイ状の面発
光型半導体レーザは、マスクパターンを変更するだけ
で、容易に形成することが可能となり、半導体レーザを
アレイ化する際のペレット同士の位置合わせや実装工程
を省略することが可能となることから、製造工程を簡略
化することが可能となる。
【００５３】また、複数の光出射窓１０を同一基板上に
形成できることから、光部品の３次元実装を容易に行う
ことが可能となり、多重リンクなどへの適用を容易に行
うことが可能となる。
【００５４】なお、上述した実施形態では、ｎ−ＧａＡ
ｓ基板１を用いた面発光型半導体レーザについて説明し
たが、導電型は逆でもよい。
【００５５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高温動作時におけるしきい値電流の増加を抑制して、高
温特性を改善することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係わる
面発光型半導体レーザの構成を示す斜視図、図１（ｂ）
は、図１（ａ）の活性層およびクラッド層部分の拡大
図、図１（ｃ）は、図１（ｂ）の活性層およびクラッド
層部分のエネルギーバンド図である。
【図２】本発明の実施形態に係わる活性層の井戸数およ
び井戸幅ならびにクラッド層の組成を変えた場合のしき
い値電流および最大光出力のシミュレーション結果を示
す図である。
【図３】図３（ａ）は、本発明の第２実施形態に係わる
面発光型半導体レーザの構成を示す斜視図、図３（ｂ）
は、図３（ａ）のＡ−Ｂ面で切断した断面図である。
【図４】図４（ａ）は、本発明の第３実施形態に係わる
面発光型半導体レーザの構成をを示す斜視図、図４
（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ｂ面で切断した断面図であ
る。
【図５】本発明の第４実施形態に係わる面発光型半導体
レーザの構成を示す斜視図である。
【図６】図６（ａ）は、従来の面発光型半導体レーザの
構成を示す斜視図、図６（ｂ）は、図６（ａ）の活性層
およびクラッド層部分の拡大図、図６（ｃ）は、図６
（ｂ）の活性層およびクラッド層部分のエネルギーバン
ド図である。
【符号の説明】
１ ｎ−ＧａＡｓ基板 ２、６ ＤＢＲ多層膜 ３ ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層 ４ ＭＱＷ活性層 ４ａ Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５）０．５Ｐ膜 ４ｂ Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ膜 ５ ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層 ７ ｐ−ＧａＡｓキャップ層 ８ ｎ側電極 ９ ｐ側電極 １０ 光出射窓 １１、１３ ｐ側リング電極 １２ 高抵抗領域 １４ ＡｌＡｓ層 １５ 選択酸化領域

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 井戸幅が４ｎｍ〜６ｎｍ、井戸数が１〜
    ３のＩｎＧａＡｌＰ系量子井戸構造を有する活性層と、 前記活性層の上下層に形成されたＩｎＧａＡｌＰ系クラ
    ッド層と、 前記クラッド層を介し前記活性層の積層方向に形成され
    た光反射層とを備えることを特徴とする面発光型半導体
    レーザ。
  2. 【請求項２】 前記クラッド層は、Ｉｎ０．５（Ｇａ
    １−ｘＡｌｘ）０．５Ｐ膜（ただし、ｘ≧０．８）であ
    ることを特徴とする請求項１記載の面発光型半導体レー
    ザ。
  3. 【請求項３】 前記光反射層は、Ｇａ１−ｘＡｌｘＡｓ
    膜（ただし、０．９≧ｘ≧０．５）とＧａ１−ｙＡｌｙ
    Ａｓ膜（ただし、ｙ≧０．９）とが交互に積層されたＤ
    ＢＲ多層膜であることを特徴とする請求項１記載の面発
    光型半導体レーザ。
  4. 【請求項４】 前記光反射層は、Ｉｎ０．５（Ｇａ
    １−ｘＡｌｘ）０．５Ｐ膜（ただし、ｘ≦０．５）とＩ
    ｎ０．５（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）０．５Ｐ膜（ただし、ｙ
    ≧０．９）とが交互に積層されたＤＢＲ多層膜であるこ
    とを特徴とする請求項１記載の面発光型半導体レーザ。
  5. 【請求項５】 光出射窓が同一基板上にアレイ状に設け
    られていることを特徴とする請求項１記載の面発光型半
    導体レーザ。
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