JP2876814B2 - 面型光半導体素子 - Google Patents
面型光半導体素子Info
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- JP2876814B2 JP2876814B2 JP11249391A JP11249391A JP2876814B2 JP 2876814 B2 JP2876814 B2 JP 2876814B2 JP 11249391 A JP11249391 A JP 11249391A JP 11249391 A JP11249391 A JP 11249391A JP 2876814 B2 JP2876814 B2 JP 2876814B2
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- semiconductor
- optical semiconductor
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光伝送や光情報処理に
用いられる円筒状垂直キャビティ面発光半導体レーザな
どの面型光半導体素子に関する。
用いられる円筒状垂直キャビティ面発光半導体レーザな
どの面型光半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体基板に垂直な方向に発振する面発
光半導体レーザなどの面型光半導体素子はコンピュータ
間のデータ伝送や、光コンピューティングに欠かせない
キーディバイスとなる。面発光半導体レーザとしては従
来の基板に水平に発振する半導体レーザで、端面に４５
°ミラーを形成し、それによって発振光を垂直方向に折
り曲げて出すものがあるが、ここでいう面発光半導体レ
ーザは本当に基板に垂直方向に光を行き来させて発振さ
せるレーザをいう。
光半導体レーザなどの面型光半導体素子はコンピュータ
間のデータ伝送や、光コンピューティングに欠かせない
キーディバイスとなる。面発光半導体レーザとしては従
来の基板に水平に発振する半導体レーザで、端面に４５
°ミラーを形成し、それによって発振光を垂直方向に折
り曲げて出すものがあるが、ここでいう面発光半導体レ
ーザは本当に基板に垂直方向に光を行き来させて発振さ
せるレーザをいう。
【０００３】この様な従来の面発光半導体レーザとして
は、例えば、エレクトロニクス・レターズ（Electron.
Lett. ）の２５巻、２０号、１９８９年の１３７７〜１
３７８頁に内容が詳述されている。この面発光半導体レ
ーザは円筒状の垂直キャビティを有し、その垂直キャビ
ティ内において活性層は上下の半導体多層膜によって挟
まれている。このように円筒状の垂直キャビティを有す
る従来の面発光半導体レーザの断面構造を図２に示す。
は、例えば、エレクトロニクス・レターズ（Electron.
Lett. ）の２５巻、２０号、１９８９年の１３７７〜１
３７８頁に内容が詳述されている。この面発光半導体レ
ーザは円筒状の垂直キャビティを有し、その垂直キャビ
ティ内において活性層は上下の半導体多層膜によって挟
まれている。このように円筒状の垂直キャビティを有す
る従来の面発光半導体レーザの断面構造を図２に示す。
【０００４】図２に於いて、１００Å厚のＩｎＧａＡｓ
（λ≒９８０ｎｍ）の歪量子井戸から成る活性層４２６
の上下にはｐ型半導体多層膜４２５とｎ型半導体多層膜
４２７が形成され、それらがレーザ発振用の反射鏡とな
って、レーザ発振が起こる。図２では光がＧａＡｓから
ｎ型半導体基板４２８を通して、下側に出てくる。ｐ型
半導体多層膜４２５はλ／４厚（λは媒質内波長）から
成る、ｐ−ＡｌＡｓ４１７，４１５，４１３，・・・
と、これもλ／４厚から成るｐ−ＧａＡｓ４１６，４１
４，・・・が交互に１５．５ペア積層されて形成されて
いる。ｎ型半導体多層膜４２７は、λ／４厚から成るｎ
−ＡｌＡｓ４１８・・・４２０，４２２・・・と、これ
もλ／４厚から成るｎ−ＧａＡｓ・・・４１９，４２１
が２４．５ペア交互に積層されて形成されている。４２
４はＣｒ／Ａｕから成るｐ型電極であり、通常コンタク
トを取るために行うアロイはしていない。その理由は、
９８％近い反射率を有するＡｕをｐ型半導体多層膜４２
５の上につけることで、ｐ型半導体多層膜の層数を減ら
せられるからである。共振器長が短い垂直キャビティ面
発光半導体レーザでは、上下の反射鏡の反射率を９９．
９％近くに上げる必要があり、そうしないとしきい値電
流が上昇してしまう。半導体多層膜だけで、高反射率の
ミラーを形成しようとすると、全体の層厚が厚くなり上
下に段差が生じてプロセスが難しくなる。図２の様に上
部にノンアロイのＡｕをつけておけば、それによってｐ
型半導体多層膜４２５の層数が減らせられ、全体の高さ
を低く抑えることができる。４３０はｐ−ＧａＡｓから
成る位相補償用の半導体層である。
（λ≒９８０ｎｍ）の歪量子井戸から成る活性層４２６
の上下にはｐ型半導体多層膜４２５とｎ型半導体多層膜
４２７が形成され、それらがレーザ発振用の反射鏡とな
って、レーザ発振が起こる。図２では光がＧａＡｓから
ｎ型半導体基板４２８を通して、下側に出てくる。ｐ型
半導体多層膜４２５はλ／４厚（λは媒質内波長）から
成る、ｐ−ＡｌＡｓ４１７，４１５，４１３，・・・
と、これもλ／４厚から成るｐ−ＧａＡｓ４１６，４１
４，・・・が交互に１５．５ペア積層されて形成されて
いる。ｎ型半導体多層膜４２７は、λ／４厚から成るｎ
−ＡｌＡｓ４１８・・・４２０，４２２・・・と、これ
もλ／４厚から成るｎ−ＧａＡｓ・・・４１９，４２１
が２４．５ペア交互に積層されて形成されている。４２
４はＣｒ／Ａｕから成るｐ型電極であり、通常コンタク
トを取るために行うアロイはしていない。その理由は、
９８％近い反射率を有するＡｕをｐ型半導体多層膜４２
５の上につけることで、ｐ型半導体多層膜の層数を減ら
せられるからである。共振器長が短い垂直キャビティ面
発光半導体レーザでは、上下の反射鏡の反射率を９９．
９％近くに上げる必要があり、そうしないとしきい値電
流が上昇してしまう。半導体多層膜だけで、高反射率の
ミラーを形成しようとすると、全体の層厚が厚くなり上
下に段差が生じてプロセスが難しくなる。図２の様に上
部にノンアロイのＡｕをつけておけば、それによってｐ
型半導体多層膜４２５の層数が減らせられ、全体の高さ
を低く抑えることができる。４３０はｐ−ＧａＡｓから
成る位相補償用の半導体層である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】図２の例での問題点は
注入電流のレベルを上げていくと、高次の横モードが、
基本モードの他に発振し出すということであった。その
一例を図３に示す。図３の（ａ）,（ｂ）,（ｃ）は順に
注入電流を上げていった場合の図である。使用した素子
の直径は１０μｍφであった。（ａ）では９５５ｎｍの
所で発振しているが、（ｂ）では９５６ｎｍ位の所で別
のモードが立っているのが分かる。解析によると、これ
は高次の横モードであることが分かった。注入レベルを
上げていくと、高次モードは（ｃ）の様にさらに成長し
て、大きくなっていく。図４は面発光レーザの直径を横
軸、各横モードの伝播方向（上下方向）に対する有効屈
折率を計算して示してある。図２の従来例では半導体層
の回りは空気であり、この場合の計算でもその様に仮定
してある。基本モードはＨＥ11である。半導体多層膜反
射鏡によって、反射率が９９．９％になる波長帯域は図
２の場合、５０Å以下と狭いが、それにしても、基本モ
ード以外の何本かの高次の横モードが発振してしまう可
能性があるわけである。モードがいくつか立つと、実用
的には問題がある。すなわち、注入電流の違いで、放射
パターンが変わることがある。これを解決する方法とし
て素子径を更に小さくすることも考えられるが、それは
非常に難しくなってくる。その理由は図４に見られるよ
うに有効屈折率の径依存性が、径が小さくなってくる
と、大きくなってくるからである。即ち、多層膜でのλ
／４厚などの設計に、有効屈折率の径依存性を入れなけ
ればならなくなり、それが大変だからである。図４の計
算結果も、厳密なものでなく、実際にはカット アンド
トライでやらなければならなくなる。
注入電流のレベルを上げていくと、高次の横モードが、
基本モードの他に発振し出すということであった。その
一例を図３に示す。図３の（ａ）,（ｂ）,（ｃ）は順に
注入電流を上げていった場合の図である。使用した素子
の直径は１０μｍφであった。（ａ）では９５５ｎｍの
所で発振しているが、（ｂ）では９５６ｎｍ位の所で別
のモードが立っているのが分かる。解析によると、これ
は高次の横モードであることが分かった。注入レベルを
上げていくと、高次モードは（ｃ）の様にさらに成長し
て、大きくなっていく。図４は面発光レーザの直径を横
軸、各横モードの伝播方向（上下方向）に対する有効屈
折率を計算して示してある。図２の従来例では半導体層
の回りは空気であり、この場合の計算でもその様に仮定
してある。基本モードはＨＥ11である。半導体多層膜反
射鏡によって、反射率が９９．９％になる波長帯域は図
２の場合、５０Å以下と狭いが、それにしても、基本モ
ード以外の何本かの高次の横モードが発振してしまう可
能性があるわけである。モードがいくつか立つと、実用
的には問題がある。すなわち、注入電流の違いで、放射
パターンが変わることがある。これを解決する方法とし
て素子径を更に小さくすることも考えられるが、それは
非常に難しくなってくる。その理由は図４に見られるよ
うに有効屈折率の径依存性が、径が小さくなってくる
と、大きくなってくるからである。即ち、多層膜でのλ
／４厚などの設計に、有効屈折率の径依存性を入れなけ
ればならなくなり、それが大変だからである。図４の計
算結果も、厳密なものでなく、実際にはカット アンド
トライでやらなければならなくなる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の面型光半導体素
子は、半導体活性層の上下に半導体多層膜、誘電体多層
膜若しくは金属またはそれらの材料を組み合わせた構造
で反射鏡が形成されており、半導体基板に対して垂直な
方向にレーザ発振をする面型光半導体素子であって、前
記反射鏡では、その中心部の光吸収損失が周辺部の光吸
収損失より小さいことを特徴とする。
子は、半導体活性層の上下に半導体多層膜、誘電体多層
膜若しくは金属またはそれらの材料を組み合わせた構造
で反射鏡が形成されており、半導体基板に対して垂直な
方向にレーザ発振をする面型光半導体素子であって、前
記反射鏡では、その中心部の光吸収損失が周辺部の光吸
収損失より小さいことを特徴とする。
【０００７】
【作用】高次横モードの発振しきい値利得を、基本モー
ドより意図的に上げてやれば、高次モードは発振しにく
くなり、それによって単一モード化が実現できる。面発
光半導体レーザの上下に垂直な、断面方向でのフィール
ドパターンはモードによって異なる。基本モードのフィ
ールドは断面内の中心で最も強くなる。それに対して高
次モードは、中心ではなく、そこからはずれた位置にフ
ィールドの最も強くなる点がくる。これを利用して、光
損失を周辺部で高くなるようにしておけば高次モードの
発振を抑えることができる。
ドより意図的に上げてやれば、高次モードは発振しにく
くなり、それによって単一モード化が実現できる。面発
光半導体レーザの上下に垂直な、断面方向でのフィール
ドパターンはモードによって異なる。基本モードのフィ
ールドは断面内の中心で最も強くなる。それに対して高
次モードは、中心ではなく、そこからはずれた位置にフ
ィールドの最も強くなる点がくる。これを利用して、光
損失を周辺部で高くなるようにしておけば高次モードの
発振を抑えることができる。
【０００８】
【実施例】図１は本発明の第１の実施例を示す断面図で
ある。殆どの所は図２の例と同じであるが、違いはｐ型
半導体多層膜２２５の内にＺｎによるｐ型拡散領域２３
１と２３２が形成されている点にある。拡散は中心に対
して５μｍφの円形の外側を拡散した。ｐ型拡散をする
ことによって、拡散した部分のキャリア濃度は表面近く
では〜１０19ｃｍ-3に上がる。ｐ型半導体多層膜２２５
の内の半導体層のキャリア濃度は元には２×１０18ｃｍ
-3にしてあるので、ｐ型拡散領域２３１，２３２のキャ
リア濃度は中央に対して相対的に上がる。キャリア濃度
が上がると、自由キャリア吸収がそれに比例して上が
り、光損失が周辺で増えることになる。自由キャリア吸
収αfc（ｃｍ-1）はαfc≒３×１０-18 ｎ＋７×１０
-18 ｐ ・・・・・（１）で表わされる。（１）式で
ｎ，ｐはｃｍ-1単位で表わした電子と正孔のキャリア密
度である。（１）式を使えば、拡散によって周辺のαfc
は５６ｃｍ-1増大することになり、これによって、高次
モードに対して発振しきい値利得を増大させることがで
きた。
ある。殆どの所は図２の例と同じであるが、違いはｐ型
半導体多層膜２２５の内にＺｎによるｐ型拡散領域２３
１と２３２が形成されている点にある。拡散は中心に対
して５μｍφの円形の外側を拡散した。ｐ型拡散をする
ことによって、拡散した部分のキャリア濃度は表面近く
では〜１０19ｃｍ-3に上がる。ｐ型半導体多層膜２２５
の内の半導体層のキャリア濃度は元には２×１０18ｃｍ
-3にしてあるので、ｐ型拡散領域２３１，２３２のキャ
リア濃度は中央に対して相対的に上がる。キャリア濃度
が上がると、自由キャリア吸収がそれに比例して上が
り、光損失が周辺で増えることになる。自由キャリア吸
収αfc（ｃｍ-1）はαfc≒３×１０-18 ｎ＋７×１０
-18 ｐ ・・・・・（１）で表わされる。（１）式で
ｎ，ｐはｃｍ-1単位で表わした電子と正孔のキャリア密
度である。（１）式を使えば、拡散によって周辺のαfc
は５６ｃｍ-1増大することになり、これによって、高次
モードに対して発振しきい値利得を増大させることがで
きた。
【０００９】
【発明の効果】以上説明した様に、本発明を用いれば、
垂直キャビティ面発光レーザや、垂直キャビティＶＳＴ
ＥＰで単一横モードのレーザ発振を実現できる。本発明
では上部ミラーが半導体多層膜で形成された場合につい
て示してあるが代わりに、誘電体ミラーで形成された構
造に対しても適用できる。又、半導体はＩｎＧａＡｓを
含むＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系で例示したが他のＩｎＧ
ａＡｓＰ／ＩｎＰ系にも適用できることは言うまでもな
い。
垂直キャビティ面発光レーザや、垂直キャビティＶＳＴ
ＥＰで単一横モードのレーザ発振を実現できる。本発明
では上部ミラーが半導体多層膜で形成された場合につい
て示してあるが代わりに、誘電体ミラーで形成された構
造に対しても適用できる。又、半導体はＩｎＧａＡｓを
含むＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系で例示したが他のＩｎＧ
ａＡｓＰ／ＩｎＰ系にも適用できることは言うまでもな
い。
【図１】本発明の第１の実施例を示す断面図。
【図２】従来の面型光半導体素子を示す断面図。
【図３】従来例で高次横モードが立ち易いことを示した
図。
図。
【図４】横モードの有効屈折率の半径依存性を示した
図。
図。
２２６，４２６ 活性層 ２２５，４２５ ｐ型半導体多層膜 ２２７，４２７ ｎ型半導体多層膜 ２２８，４２８ ｎ型半導体基板 ２２９，２２３，４２９，４２３ ｎ型電極 ２２４，４２４ ｐ型電極 ２１３，２１５，２１７，４１３，４１５，４１７
ｐ−ＡｌＡｓ ２１４，２１６，２３０，４１４，４１６，４３０
ｐ−ＧａＡｓ ２２２，２２０，２１８，４２２，４２０，４１８
ｎ−ＡｌＡｓ ２２１，２１９，４２１，４１９ ｎ−ＧａＡｓ ２３１，２３２ ｐ型拡散領域
ｐ−ＡｌＡｓ ２１４，２１６，２３０，４１４，４１６，４３０
ｐ−ＧａＡｓ ２２２，２２０，２１８，４２２，４２０，４１８
ｎ−ＡｌＡｓ ２２１，２１９，４２１，４１９ ｎ−ＧａＡｓ ２３１，２３２ ｐ型拡散領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−225588（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−156589（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−76390（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−181988（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−196689（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−68186（ＪＰ，Ａ) Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．57 ［２］（1990）ｐ．117−119 Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．25［24 ］（1989）ｐ．1644−1645 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01S 3/18 H01L 33/00
Claims (1)
- 【請求項１】 半導体活性層の上下に半導体多層膜、誘
電体多層膜若しくは金属またはそれらの材料を組み合わ
せた構造で反射鏡が形成されており、半導体基板に対し
て垂直な方向にレーザ発振をする面型光半導体素子に於
いて、前記反射鏡では、その中心部の光吸収損失が周辺
部の光吸収損失より小さいことを特徴とする面型光半導
体素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11249391A JP2876814B2 (ja) | 1991-04-17 | 1991-04-17 | 面型光半導体素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11249391A JP2876814B2 (ja) | 1991-04-17 | 1991-04-17 | 面型光半導体素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04318992A JPH04318992A (ja) | 1992-11-10 |
| JP2876814B2 true JP2876814B2 (ja) | 1999-03-31 |
Family
ID=14588029
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11249391A Expired - Lifetime JP2876814B2 (ja) | 1991-04-17 | 1991-04-17 | 面型光半導体素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2876814B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012015139A (ja) * | 2010-06-29 | 2012-01-19 | Fuji Xerox Co Ltd | 面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置 |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE60019257T2 (de) * | 1999-09-13 | 2005-09-01 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Oberflächenemittierender halbleiterlaser |
| JP2001189526A (ja) * | 2000-01-05 | 2001-07-10 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | 自己走査型面発光レーザアレイ |
| JP2007066957A (ja) * | 2005-08-29 | 2007-03-15 | Victor Co Of Japan Ltd | 半導体レーザ素子 |
| JP2012505541A (ja) * | 2008-10-14 | 2012-03-01 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | 改善したモード選択度を持つ垂直キャビティ面発光レーザー |
-
1991
- 1991-04-17 JP JP11249391A patent/JP2876814B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５７［２］（１９９０）ｐ．１１７−１１９ |
| Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．２５［２４］（１９８９）ｐ．１６４４−１６４５ |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012015139A (ja) * | 2010-06-29 | 2012-01-19 | Fuji Xerox Co Ltd | 面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04318992A (ja) | 1992-11-10 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
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