JPH0629611A - 面発光半導体レーザ - Google Patents
面発光半導体レーザInfo
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Abstract
ことなく電気抵抗を低減したDBR反射膜ベースの面発
光半導体レーザを提供することにある。 【構成】n型GaAsとn型AlAsとを交互に積層し
て形成したn型多層干渉反射膜と、p型GaAsとp型
AlAsとを交互に積層して形成したp型多層干渉反射
膜とにより活性領域を挟んだ構造をもち、n型多層干渉
反射膜のn型AlAs on n型GaAsヘテロ接合
部およびp型多層干渉反射膜のp型GaAs on p
型AlAsのヘテロ接合部の少くとも一方に高濃度ドー
プ領域を形成する。
Description
特に、活性層に垂直な方向にレーザ出力光を生ずる面発
光半導体レーザに関する。
(例えばn型GaAs)の基板の表面に、同一導電型の
下側反射膜、量子井戸から成る活性層、反対導電型の上
側反射膜、および金属膜をエピタキシャル成長により形
成し、基板と金属膜との間に直流電圧を印加して、基板
の下面(裏面)または上側反射膜の上面からその面と垂
直な方向にレーザ出力光を取り出す構成の面発光半導体
レーザが注目を集めている。この種の半導体レーザの構
造は、IC製造技術の応用により単一の基板に多数の微
小レーザを高度に集積化することを可能にするので、信
号伝送路の光スイッチや光コンピュータなどに広く応用
できるものと期待されている。
ーザを実用的な形で実現するには消費電力を低減しなけ
ればならない。すなわち、微分量子効率(内部量子効率
とミラー損失対光共振器内損失比との積)を高めて閾値
電流を低減するとともに、上記基板と金属膜との間の電
気抵抗を下げて駆動電源電圧を低下させなければならな
い。
び電気抵抗の低減のためのいろいろの手法が提案されて
きた。まず、Electronics Letter
s,vol.25,pp,pp.1377−1378
(1989年)所載のJ.L.Jewellらの報告
は、上記下側反射膜および上側反射膜として多層GaA
s/AlAs膜による分布Bragg反射膜(Dist
ributed Bragg Reflectors,
以下DBR反射膜という)を採用することが閾値電流の
低下に非常に有効であることを示した。DBR反射膜の
採用は確かに閾値電流の低減をもたらすが、電気抵抗の
低減は充分でない。電気抵抗を下げる手段として、IE
EE Photonics Technologica
l Letters,vol.2,pp.234−23
6(1990年)所載のR.S.Geelsらの報告、
および上記J.L.Jewellらによる米国特許第
4,949,350号は、上記下側反射膜および上側反
射膜を構成するDBR反射膜のGaAs/AlAsヘテ
ロ接合部にグレーデット層を形成することを提案した。
DBR反射膜の高い電気抵抗が、そのDBR反射膜を構
成する多層GaAs/AlAs膜の各々のGaAs/A
lAsヘテロ接合の高抵抗に起因することに着目した提
案であるこの手法によって上述の抵抗値は従来の10分
の1程度に低減できる見通しである旨報告されている
が、それ以上の低減は困難とみられる。
ectronics Letters,vol.27,
pp.951−916(1991年)所載のG.Has
nainらの報告にも記載されているとおり、DBR反
射膜を構成する多層GaAs/AlAs膜の不純物濃度
を上げる手法である。このアプローチによると、電気抵
抗は確かに下がるものの、光共振器内のフリーキャリア
による光の吸収が不可避的に大きくなり、微分量子効率
が下り、閾値電流を引き上げる。
伴うことなく電気抵抗を低減したDBR反射膜ベースの
面発光半導体レーザを提供することにある。
射膜ベースの面発光半導体レーザにおいて、DBR反射
膜を構成する多層GaAs/AlAs膜の不純物濃度を
上記Hasnainらの提案のように均一に上げる代り
に、光共振器内に発生する活性層からの出力光の定在波
の電界強度が最小になる点のみにおいて選択的に上げ
る。出力光定在波の電界強度の最小値は光共振器の軸方
向、すなわち活性層面に垂直な方向に空間的に周期的に
現われるので、この空間的周期とDBR反射膜の多層G
aAs/AlAs膜の厚さとを一対一に対応させ、それ
ら多層GaAs/AlAs膜のGaAs/AlAsヘテ
ロ接合のうち、レーザ全体の順バイアス動作時に逆バイ
アス状態になるGaAs/AlAsヘテロ接合のみで不
純物濃度を高める。
を形成する多層GaAs/AlAs膜は上述のとおり逆
バイアス状態なるヘテロ接合近傍で高濃度に不純物を含
むので、それらヘテロ接合に起因する高抵抗値を低減で
きる。また、上記光定在波の電界強度の高い点では不純
物濃度は低く抑えてあるので光共振器内フリーキャリア
による光の吸収損失を低減でき、微分量子効率の低下を
回避できる。すなわち、この発明によれば、微分量子効
率を害なうことなく電気抵抗を低減した面発光半導体レ
ーザが得られる。
した本発明の面発光半導体レーザは、n型GaAs基板
1の表面に、n型多層干渉反射膜4、活性領域3、p型
多層干渉反射膜4および位相制御層5を分子線エピタキ
シー(MBE)により順次エピタキシャル成長させて形
成した積層構造にAuZn膜を堆積したのち、この積層
構造物をドライエッチングにかけて、各々が直径1〜1
0μmを有し、基板1の1つの面に配置された多数の円
柱状の微小レーザに切り分けることによって製造する。
この積層構造物の形成のための製造工程は上述の従来技
術と実質的に共通であるので詳細な説明は省略する。な
お、電極用AuZn膜6の形成は、ドライエッチングに
よる微小レーザへの切分けの後に行っても差し支えな
い。GaAs基板1の下側の面(裏面)にはAuGeN
iから成る環状の電極7を形成する。この半導体レーザ
の駆動直流電圧は電極6を+、電極7を−として印加さ
れ、レーザ光8はGaAs基板1の上記裏面から取り出
される。
まないIn0.2 Ga0.8 Asから成る活性層10を、S
iで5×1016cm-3の濃度にドープされた厚さ143
nmのn型Al0.5 Ga0.5 層11と、Beで5×10
16cm-3の濃度にドープされた厚さ143nmのp型A
l0.5 Ga0.5 As層12とで挟んだサンドウィッチ構
造を備えている。
極6における反射に伴う位相変化を補償してp型多層干
渉反射膜4の反射率を最大にするための層であり、その
厚さは活性領域3からのレーザ光の波長λ0 の0.16
倍を位相制御層5の屈折率で除した値に選ぶ。本実施例
においては、位相制御層5を構成するp型GaAs層の
屈折率は3.54416であり、波長λ0 は950nm
であるので層5の厚さは42.88nmに選んである。
従来技術による場合と同程度の濃度にドープしたn型G
aAs層13とn型AlAs層14とを交互に23周期
にわたり積層して形成したDBRである。同様に、p型
多層干渉反射膜4は、それぞれBeで従来技術による場
合と同程度の濃度にドープしたp型GaAs層15とp
型AlAs層16とを交互に15周期にわたり積層して
形成したDBRである。これらGaAs層およびAlA
s層の厚さは、それぞれλ0 /nGaAs,λ0 /nAlAsに
選ぶ。ここで、nGaAsおよびnAlAsは、それぞれGaA
sおよびAlAsの屈折率を表わす。nGaAsおよびn
AlAsは導電型にほぼ関係なく、それぞれ3.54416
および2.96091であるので、この実施例ではGa
As層の厚さは67nmに、AlAs層の厚さは80.
2nmにそれぞれ選んである。
て参照すると、多層干渉反射膜2および4の各々を構成
するGaAs層およびAlAs層は、上述の均一なドー
ピングに加えて、これら層の間のGaAs/AlAsヘ
テロ接合のうち、特定のヘテロ接合およびその近傍を高
濃度にドーピングする。すなわち、これらGaAs/A
lAsヘテロ接合のうち、多層干渉反射膜2および4か
らそれぞれ活性領域3に向って、小さい値から大きい値
に変化する禁制帯幅Egをもつヘテロ接合17およびそ
れら接合近傍において、Si(n型多層干渉反射膜2)
およびBe(p型多層干渉反射膜4)で高濃度にドープ
する。高濃度にドープされたこれらヘテロ接合17は、
この面発光半導体レーザの電極6および電極7の間に順
方向に直流電圧をかけた状態で逆バイアスになる接合で
あり、活性領域3、多層干渉反射膜2および4にわたっ
て発生するレーザ光の定在波の電界強度20の最小点に
位置する。この実施例におけるn型多層干渉反射膜で
は、n型AlAs onn型GaAsのヘテロ接合が、
また、p型多層板反射膜4ではp型GaAs onp型
AlAsのヘテロ接合が上記特定のヘテロ接合17を構
成する。これら特定のヘテロ接合17に形成される高濃
度ドープ領域18(図1C)は、n型およびp型多層干
渉反射膜2および4の両方共、60nmの厚さをもち、
前者で5×1018cm-3後者で1×1019cm-3の不純
物濃度をもつ(図1D)。これら高濃度ドープ領域18
以外の部分は多層干渉反射膜2および4ともに1×10
18cm-3に均一にドープしている。
(図示していない)の陽極および陰極にそれぞれ接続す
ると、この半導体レーザはレーザ発振を起し、n型Ga
As基板1の裏面から出力光8を発生する。多層干渉反
射膜2および4を構成する上記DBRsのGaAs/A
lAsヘテロ接合は、この状態で1層ごとに交互に順バ
イアス状態および逆バイアス状態となる。一般に、逆バ
イアス状態にあるヘテロ接合は電流が流れにくく、高抵
抗になるが、本実施例では、これら逆バイアスになるヘ
テロ接合の近傍は高濃度に不純物でドープしてあるの
で、電流は流れ易く、上記高抵抗は回避できる。しか
も、高濃度ドープ領域18は上記光定在波の電界強度の
最小点の近傍に限って形成してあるので、それら高濃度
ドープ領域18のフリーキャリアによる光の吸収の影響
は最小限に抑えられ、微分量子効率の低下を招くことは
ない。
A/cm2 になり、従来技術による値(1.5KA/c
m2 )に比べて大幅に改善されている。また、多層干渉
反射膜のシート電気抵抗ρs は、従来技術による多層干
渉反射膜10周期の構成で2.3×10-4Ω・cm2 で
あったものが、1/2程度になる。
期、上側反射膜4のp型DBRを23周期とし、上記高
濃度ドープ領域18の不純物濃度を上側反射膜4で5×
1018cm-3、下側反射膜2で2×1018cm-3とし、
上記高濃度ドープ領域18以外の均一ドープ領域の不純
物濃度を5×1017cm-3とし、エッチングにより20
μm×20μmの角柱に加工して構成した本実施例によ
るサンプルでは、室温CW発振で閾値電流1.8mA、
閾値電流密度450A/cm2 、微分量子効率0.1m
W/mAをそれぞれ記録した。閾値電流および電気抵抗
について上述の改善がみられたほか、微分量子効率も従
来技術によった場合に比べて10倍程度改善されている
ことがわかる。
4およびn型多層干渉反射膜2の両方において、上記高
濃度ドープ領域18を形成したが、これら反射膜2およ
び4のいずれか一方だけに形成しても差し支えない。そ
の場合は、p型多層干渉反射膜4に高濃度ドープ領域1
8を形成するのが、好ましい。なぜなら、p型多層干渉
反射膜4の方が直列抵抗が1桁程度高く、かつ、フリー
キャリア損失も大きいからである。また、この発明によ
る周期的高濃度ドープ領域18の形成を上記の従来技術
によるGaAs/AlAs接合部でのグレーデット層の
形成に併せて行うこともできる。その場合は、直列抵抗
の低減効果がさらに高まる。また、活性領域3に2つ以
上の量子井戸活性層を含めることもでき、また、pnp
n構造にすることもできる。後者の場合には、pnpn
構造特有のスイッチング特性が生じ、レーザ発振とスイ
ッチングの2つの機能を有する面発光半導体レーザが得
られる。また、本実施例では、ドーパントとしてSiお
よびBeを用いたが、Sn,Te,Mn,Mg,Zn等
も同様に用いる事ができる。また、本発明に用いられる
III-V 族半導体材料は、実施例では、GaAs,AlA
sに限ったが、InGaAsP/InP系等のIII-V 族
半導体材料も同様に用いることができる。また、基板裏
面からレーザ光を取り出す構造としたが、上側DBR反
射膜上面からレーザ光を取り出す構造にしても差し支え
ない。
は、光定在波の節となる位置と前述した逆バイアスとな
るヘテロ接合位置が一致している事を利用して、このヘ
テロ接合部にのみ不純物を多量にドープする事によって
微分量子効率を悪化させる事なく電気抵抗を低減する事
が出来る。
造を模式的に示す縦断面図、BはAの半導体レーザの動
作状態でその内部に発生する光定在波の電界強度のAの
半導体レーザ軸方向位置に対する分布を示す図、CはA
の半導体レーザを構成する多層干渉反射膜及び活性領域
の各々に対応する禁制帯幅と上記多層干渉反射膜の高不
純物濃度領域との関係を模式的に示す図、Dは上記多層
干渉反射膜の不純物濃度のBと同様の軸方向位置に対す
る分布の一例を示す図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 一つの導電型を与える第1の不純物を含
むIII-V 族半導体結晶の基板と、この基板の表面にエピ
タキシャル成長によりヘテロ接合の積み重ねを構成する
ように形成され前記第1の不純物を有する多層のIII-V
族半導体膜から成る下側多層干渉反射膜と、この下側多
層干渉反射膜の表面にエピタキシャル成長により形成さ
れ予め定めた波長のレーザ光を生ずる活性領域と、この
活性領域の表面にエピタキシャル成長により前記ヘテロ
接合の積み重ねを構成するように形成され前記導電型と
反対の導電型を与える第2の不純物を有する多層のIII-
V 族半導体膜から成る上側多層干渉反射膜と、この上側
多層干渉反射膜と電気的に接続された電極膜とを含み、
前記電極膜と前記基板との間に印加された直流電圧に応
答して前記基板の前記下側多層干渉反射膜と反対側の面
または前記上記多層干渉反射膜の上面から前記レーザ光
を出力として生ずる面発光半導体レーザにおいて、前記
下側および上側多層干渉反射膜のいずれか一方の前記ヘ
テロ接合のうちこれら多層干渉反射膜から成る光共振器
の内部に生ずる前記レーザ光の定在波の電界強度が最小
になる点に位置するヘテロ接合の近傍において前記第1
および第2の不純物いずれか一方の濃度を前記一方の多
層干渉反射膜において選択的に高めたことを特徴とする
面発光半導体レーザ。 - 【請求項2】 一つの導電型を与える第1の不純物を含
むIII-V 族半導体結晶の基板と、この基板の表面にエピ
タキシャル成長によりヘテロ接合の積み重ねを構成する
ように形成され、前記第1の不純物を有する多層のIII-
V 族半導体膜から成る下側多層干渉反射膜と、この下側
多層干渉反射膜の表面にエピタキシャル成長により形成
され少くとも一つの量子井戸により予め定めた波長のレ
ーザ光を生ずる活性領域と、この活性領域の表面にエピ
タキシャル成長により前記ヘテロ接合の積み重ねを構成
するように形成され前記導電型と反対の導電型を与える
第2の不純物を有する多層のIII-V 族半導体膜から成る
上側多層干渉反射膜と、この上側多層干渉反射膜と電気
的に接続された電極膜とを含み、前記電極膜と前記基板
との間に印加された直流電圧に応答して前記基板の前記
下側多層干渉反射膜と反対側の面または前記上記多層干
渉反射膜の上面から前記レーザ光を出力として生ずる面
発光半導体レーザにおいて、前記下側および上側多層干
渉反射膜の前記ヘテロ接合のうちこれら多層干渉反射膜
から成る光共振器の内部に生ずる前記レーザ光の定在波
の電界強度が最小になる点に位置するヘテロ接合の近傍
において前記第1および第2の不純物の濃度を前記下側
および上側多層干渉反射膜においてそれぞれ選択的に高
めたことを特徴とする面発光半導体レーザ。 - 【請求項3】 前記III-V 族半導体がn型GaAsであ
り、前記下側および上側多層干渉反射膜がn型GaAs
/AlAs多層膜およびp型GaAs/AlAs多層膜
からそれぞれ成るDBR反射膜であり、前記GaAs/
AlAs多層膜が形成するヘテロ接合のうち前記直流電
圧の印加により前記半導体レーザが順方向にバイアスさ
れている状態で逆バイアス状態になるヘテロ接合の近傍
で前記第1および第2の不純物の濃度が高くなっている
請求項1また2の面発光半導体レーザ。 - 【請求項4】 前記下側および上側多層干渉反射膜の前
記ヘテロ接合部における材料の組成を段階的に変化させ
た請求項1,2または3の面発光半導体レーザ。
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