JPS60124983A - 半導体レ−ザ - Google Patents

半導体レ−ザ

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JPS60124983A
JPS60124983A JP58233982A JP23398283A JPS60124983A JP S60124983 A JPS60124983 A JP S60124983A JP 58233982 A JP58233982 A JP 58233982A JP 23398283 A JP23398283 A JP 23398283A JP S60124983 A JPS60124983 A JP S60124983A
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JP
Japan
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semiconductor laser
laser
semiconductor
light
substrate
Prior art date
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Pending
Application number
JP58233982A
Other languages
English (en)
Inventor
Mitsuhiro Kitamura
北村 光弘
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
Nippon Electric Co Ltd
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Publication date
Application filed by NEC Corp, Nippon Electric Co Ltd filed Critical NEC Corp
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Publication of JPS60124983A publication Critical patent/JPS60124983A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/185Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only horizontal cavities, e.g. horizontal cavity surface-emitting lasers [HCSEL]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers

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  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体基板に対して垂直な方向に光出力を取り
出すことができ、2次元アレイ化等が可能な半導体レー
ザ、特に室温CW動作が容易で、レーザ特性の向上した
面発光型の半導体レーザに関する。
面発光型の半導体レーザは半導体基板に対して垂直な方
向に光出力を取シ出すことができ、同一の半導体基板上
に2次元アレイ化して種々の光の信号処理を行なうこと
が容易であるという大きな特徴を有している。半導体レ
ーザをマトリックス構成して使用することができるので
将来の光情報処理、光交換等の分野への応用が期待され
ている。
このような面発光型半導体レーザの実現には、これまで
発光ダイオードと#1は同様の構成を持ち、活性層を厚
くしたものが種々研究されてきた。。その−例として、
伊賀氏らは1983年発行のエレクトロニクス會しター
ズ(Electronics Letters)誌、第
19巻、第13号、457頁がら458頁において報告
しているような短糸振器型の面発光型半導体レーザを開
発した。この半導体レーザけInP基板上に1nGaA
sP活性層を含む半導体多層膜を積層し、基板側からエ
ツチングを行なって7μmtで薄くシ、素子の画面[A
uの高反射電極を形成している。ZnGaAsP活性層
は1.5βmの厚さを有し、半導体基板に垂直′方向で
レーザ共振させている。伊賀氏らはこのように面発光型
の半導体レーザにおいて140Kまでのパルス室振を得
た。77 Kにおいてパルス発振しきい値電流は50m
Aであり、7μmという短糸振器を構成しているために
単一軸モード発振を示し、その温度変化率が0.64 
X/degであったと報告1.でいる。ところでこのよ
うな面発光型半導体レーザにおける最大の課題は室温調
動作にある。そのためにはともかく発振しきい値電流を
下けることが問題であり、伊賀氏らはそのために、(i
)短糸振器構造の採用、■厚膜活性層の導入、(3)高
反射率を有する電極の採用を行なっているが、そねでも
なお140にという低い温度までのレーザ発県しか得ら
れておらず、このままの構成では室温CW動作の実現は
ほぼ不可能と思われる。
本発明の目的は発振しきb値電流が低く、高い光出力1
r−得ることができ、かつ特性の再現性、素子製造の歩
留りが大幅に向上した面発光型の半導体レーザを得るこ
とにある。
本発明の構成による半導体レーザは、半導体基板の一方
の主面上に少なくとも活性層および回折格子を有し、前
記活性層よりもエネルギーギャップの大きな光ガイド層
を含む半導体多層膜が形成され、−さらに半導体多層膜
中の光導波領域に回折格子を備えている半導体レーザ圧
おいて、少なくとも一方の出力端面がルーリ′共撮軸方
向に対し7て−bて形成され、かつ前記半導体多層膜が
形成された主面に相対する基板のもう一方の主面上にレ
ンズ状の突起が形成されて込ることを特徴としている。
面発光型半導体レーザの最大の特徴は半導体基板面にほ
ぼ垂直方向に光出力が取り出せることである。このため
、本発明は従来のレーザ構造に固執すること疫く、通常
の半導体レーザの光出力を何らかの方法で垂直方向に取
り出してやる構造とした。すなわち、結晶のへきかいに
よる共振器ミラー面を必要としな(へ分布帰還型半導体
レーザ(DFB−Ll) )、分布ブラッグ反射型半導
体レーザ(DI[、−1,D)等G)一方の出力端面を
斜めに傾けて形成し、そこで反射した光を取り出す構造
にして、基板面に対1−で垂直方向に出射するレーデ出
力光をイ好ている。11!fpc H頃いた端面で反射
する方向にレンズ状の突起を形成し−Cいるので、その
半径、高さ、曲率半径等を適当に設d1することにより
、レーザ出力光の放射パターンをコントロールするこ々
ができ、θ11オーば放射角を小さくすることにより光
フプイパ゛\の入射も容易Vこなる。また、室温しこお
いても十分低い電流値で斂mW程度以上の光出力が得ら
れ、例えばマトリックス構成にして用いることにより、
4!E々の光情報処理、光交換等の分野に広く適用する
ことがoJ能となる。
以下実施例等を示す図面を用いて本発明をよシ詳細に説
明する。
第1図は本発明による半導体レーザの動作原理を示すた
めの素f断面図である。半導体基板1上に回折格子2を
有する光ガイド層3および活性層4を含む分布帰還型半
導体レーザ(DFB−LD)の一方の出力端面′5がな
なめに形成されている。
出力端面5けレーザ発振光に対して全反射角以上の角度
で傾いて形成され、そこでの反射光6Vi半導体基板l
の表面に形成くれたレンズ状の突起7により基板l@か
ら素子上方に小さな放射角度、あるいは集光性をもって
出射される。通常の結晶へきかい面を共振器ミラー面と
するファプリ・ベロー構造の半導体レーザではこのよう
に一方の出力端面5をななめにしてしまうとレーザ発振
が得らねなくなるが、ここに示したよりな])FB−1
,1)、あるいけDBIN−LD にお−ては回折格子
2による光の帰還を利用してレーザ発振させるので、出
力端面5を斜めに形成してそこでの反射光6を素子上方
に取り出すことが可能となる。同時に#S体基板1に形
成されたレンズ状の突起7の形状、曲率半径を制御する
ことによって素子上方への出射ビームの放射形状を任意
に設定することができる。
このようなレンズ状の突起7け通常の化4エツチング技
術によって容易に形成でき、また傾いた出力端面5も適
切なエツチング液を用いて傾斜角度を制御することによ
って反射光6が半導体基板1出力光を光ファイバに入射
する場合も、反射光6も10mW以上の比較的大きな出
力で取シ出すことができるので、数mW以上の光出力を
簡単な結合レンズ系によって、あるいは結合レンズ系な
しでも光ファイバに入力することが可能となる。
次に本発明による一実施例である面発光型半導体レーザ
の概略製造工程を説明するだめの斜視図を第2図に示す
。このような半導体レーザを得るにはまず第2図(al
のようic (100)面方位を有するn−InP基板
10上に回折格子11を形成し、その上に第1回月の液
相エピタキシャル工程において発光波長1.2μm相当
のn I n OJ 8 G a O,22A 56−
4 BP、lI、光ガイド層12を回折格子11の山か
ら測って厚さ0.1μm1発光波長1.3μm相当のノ
ンドープIn’o、tyGao、ts ASg、61 
pH,l@活性層13を厚さ0.1μm、p−1nPク
ラッド層14を厚さ1μm順次積層する。回折格子11
けHe−Cdガスレーザを用いたレーザ干渉露光と化学
エツチング法忙よって形成し、InP基板lOの<01
1>結晶方向にくシ返すものとした。波長13μmK対
する2次の回折格子とし、その周期は394oλ、深さ
1500 X程度のものが再現性よく得られている。回
折格子11は熱による劣化、成荻時の溶液によるメルト
バックを受けやすいので、エピタキシャル成長に際1゜
てけ600°C以下の低い温度で成長を行ない、同時t
こ光ガイド層12は過飽和度を大きくとったスーパーク
ーリング法によって成長させた。結晶成長後にも回折格
子】Jけ深さ1oooX程度に十分深く保存することが
できた。このようなダブルへテロ構造(DH)の半導体
ウェファに化学エツチングによってメサストライプ16
を形成し、埋め込み成長を行なう(第2図(b))。発
光再結合する活性層を含むメサストライプ16は2本の
平行なエツチング$15.17によってはさまれており
、深さ3μm1活性層130部分で幅1.5μmとした
。エツチング@15.17は幅10μrnとし、Br2
メタノール系のエツチング液を用すて形成した。メサエ
ッチングを行なった後埋め込み成長工程におりてp−I
nPrrL流ブロック層18、n−1nPunPuツブ
ロックをbずれもメサストライプ16の上面を除いて、
さらKp−InP埋め込み屡20、発光波長1.24m
相当のP Inu、qsGao、ttkSo−<nPo
、sx 電極層21 を全面にわたって順次積層させる
。最後に第2図(clに示すように傾斜端面5、レンズ
状突起7、およびp型オーミック11極22、n型オー
ミック電極23を形成し7て所望の面発光型半導体レー
ザを得る。第2図(C)はInP基板10を上側に向け
て示したが、レンズ状突起7は傾斜端面5にほぼ相対し
て形成した。これは実際には直径30μmφの円形パタ
ーンに7オトレジストを形成12.10μmf′18r
tf、の深さにエツチングを行ない、その後フォトレジ
ストを除去し、さらに全体をエツチングするこ七Jζよ
り中央部で盛り上がったレンズ形状にすることができた
。実際には半径30μm1高さ8μmとなり、曲率半径
はほぼ40μmであった。
n形オーミ’lり電極23はレンズ状突起7部分を除い
て形成い傾斜端面5での反射光が外部に有効に取り出せ
るようにした。またことでは傾斜端面5を形成した後に
p形オーミック電極22を形成したが、この順序は逆で
あってももちろんさしつかえない。
以上のようにして作製した面発光型の半導体レーザにお
いて、DFB領域の長さ1300μm1工ピタキシヤル
成長層側を下にしてヒートシンク蹟マウンドし、室温C
Wでの発振しきい値電流40mA、素子上方への全体の
光出力20mW程度のものが再現性よく得られた。また
G1−50光フアイバへの結合実験を行なった結果光入
力8mWがイ鍔られた。
DFB−LD の一方の出力端面を傾けて形成し、それ
と相対する位置にレンズ状突起7を形成することKより
、室温CWで大きな光出力を素子上方に容易に取り出す
ことができた。素子そのものがレンズ作用を有している
ために出力光の集光性も良く、光フアイバ通信における
光交換用半導体レーザ、光オーディオディスク、光ビデ
オディスク等の光源として十分な性能が得られた。ここ
では説明のために単体素子を示したが、もちろん2次元
的に配列形成して、電気的な絶縁をとることによシ2次
元マトリックスのアレイ光源として用いる仁とも容易で
ある。
ノかえfl r 0
【図面の簡単な説明】
図中I Fi半導体基板、2は回折格子、3は光ガーイ
ド層、4は活性層、5は傾斜端面、6番−1反射光、7
けレンズ状突起、JOはn〜InP基板、11は回折格
子、121d n l n1+、?x GaLl、22
 ASI+、48 pHj2 光ガイド層、13はIn
、、、、Gau、、A、s、61 P、、、活性l−2
14けp−4nPクラッド層、]’5,17け工、チン
グ溝、16はメサストライプ、18 B p−InP 
’Fjf流ズロノク層、19 はnn−10P精ブロッ
ク層、20はp−1nP顯め込み層、21 vi p−
I n++、74 Ga/、、?J−A s +l+ 
p P ++、! = 酊極層、22はp形オーミ、)
り電極、23はn形オーミック電極をそれぞれあられ代
理人弁理士 内片 に・− )1.゛。 (。 ぐ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 半導体基板の一方の主面上に少なくとも活性層および前
    記活性層よルもエネルギーギャップの大きな光ガイド層
    を含む半導体多層膜が形成され、さらに当該半導体多層
    膜の光導波領域に回折格子を備えている半導体レーザに
    おいて、少なくとも一方の出力端面がレーザ共振軸方向
    に対して傾いて形成さjlかつ前記半導体多層膜が形成
    された主面に相対する基板のもう一方の主面上にレンズ
    状の突起が形成されていることを特徴とする半導体レー
    ザ。
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