JPS614291A - 面発光レ−ザ - Google Patents

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】 本発明はレーザに関し、特に分布帰還型面発光レーザの
改良に関する。

基板に対して垂直にレーザ出力光が得られる面発光レー
ザは、９Ｊ開工程が不要である。大面積化が容易である
等の利点から、レーザアレイや大出力レーザへの応用が
検討されている。

・特に半導体ヘテロエピタキシャル多層膜を用いた面発
光レーザは、−回のエピタキシャル成長で波長選択性を
有する光共振器と活性層とをモノリシックに形成できる
ため、反射層を形成するための基板エツチングが不要で
ある、発振波長が安定である等の利点も付加され、集積
化にも有利であることから期待が寄せられている。

然し一般にこの種面発光レーザのレーザ長は短く、十分
な利得が得られないため、実用的な閾値電流を持つ素子
は未だ得られていない。

一般に半導体レーザの発振条件は、レーザ利得とレーザ
長との積が光共振器の損失を越えた時点で満たされる。

この中、レーザ利得は少−数キャリア閉じ込め効率及び
キャリア再結合領域と光共振器との結合効率に支配され
る。

また、レーザ長は、活性層の光共振器間の光路方向の長
さ乃至雇さに対応し、面発光レーザの、場合、少数キャ
リア拡散長或いはエピタキシャル層の厚さにより制限さ
れる。　　　　　。

一方、光共振器の損失は、当該光共振鼻端面の等価的な
反射率をＲとすると、Ｉｎ（１／Ｒ）で表され、例えば
反射率を８５％に増加させればそれ自体は約１／２０に
低下させることができる。

従来の面発光レーザは、基本的にはｉ１図（Ａ）に示す
ように、層状に形成された活性層４及びその上下のクラ
ッド層３，５から成るｐｎ接合を有し、上下端面にはこ
のレーザの電流注入用電極としても機能する金属ミラー
ｌが設けられて垂直方向の光共振器が構成され、出力レ
ーザ光は大きな矢印工で示すように、このミラー１．１
の対向方向に治った方向に出射される。

また、既に知られているように、所期の電流狭窄効果を
起こすため、上側金属層ｌの下には狭窄対象部分を残Ｌ
７てそれ以外の部分を覆う絶縁層２が設けられ、当該金
属層ｌはこの絶縁層２のない部分にて上側クラッド層３
に接するようになっ、ており、基板６も同様に狭窄対象
部分にて産制られ、下側金属層１もこの産制り部分にお
いてト′側りラフト層５に接するようになっている。

しかしこうした構造の場合、電流注入の方向と光共振器
による光共振方向が一致するため、少数キャリアの注入
密度を増加させるために活性層４の厚さＬを薄くすると
、そのことが逆に面発光レーザのレーザ長りを縮めると
いう結果になってしまう。従って、この種のレーザ素子
ではレーザ長りを　１脚程度以上に増加させることは不
可能であった。また構造的にも、上記産制り部分を形成
するために基板のエツチングを必要とすることから、集
積化が難しく、機械的強度も弱くなるという欠点もあっ
た。

一方、第１図（Ｂ）に示すように瓦−耐層乃至先具゛　
振器リフレクタとして半導体ヘテロ多層膜８，９を利用
した従来構造もあるが、機械的強度の問題や基板加工の
必要等からは逃れ得るものの、レーザ長りの増加が難し
いという事情は何等変わらなかった。同一符号は先の第
１図（Ａ）に示す従来例における構成子）両様の構成子
を示すが、この素子では活性層４の上下両面をｐ型ヘテ
ロ半導体多層膜ミラー８とｎ型ヘテロ半導体多層Ｓミラ
ー９とで挟んだ格好になっており、素子上下両端面上の
金属層７，７は電極のみの作用を営むようになっている
。

いづれにしても、こうした垂゛直発振型面発光レーザの
レーザ利得を増加させるためには、上記二側に示さ゛れ
るような相反する要素を除去し、少数キャリアの閉じ込
め効率′を損わないでレーザ長りを十分に稼ぐ必要があ
る。

然し一方で、単にレーザ長りを稼げば良いというもので
もなく、余りに長くすることは製造−し、問題が生ずる
ことがある６例えば、第１図（Ｇ）に示すように、従来
の横型ＤＨ（ダブル・ペテロ接合）レーザを単に横に寝
かせて垂直発振型とした素子を仮定してみよう。図中の
符号及び記号は第１図（Ａ）におけるそれらに対応して
いるが、勿論、このように横に寝かせて使用する場合は
、横方向両側の電極７．７間に亘る方向とは直交する方
向にある活性層４の上下両端に位置する襞開面９．９が
西共振器構成用ミラーとなる。　・こうしたものではレ
ーザ長は図中に符号りで示す距離となり、相当に長く採
り得るが、逆にこうした、構造で本来の横型と同程度の
特性を確保するためには、既存の横型と全く同様に実際
の長さＬは　１５０〜２００川も採らねばならない。こ
れは余りに長過ぎる。

というのも、実際にこうした第１図（Ｃ）図示の構成の
レーザを作るには、本来の横型用におけると同様に一個
づつ縦に各層を形成してから横に寝かせて組上げる等は
できず、殊に集積化を考えると図示していない適当′な
基板の上に始めから図示のように、横に寝かせた状態で
作られな！すればならない。してみる・と、上記のよう
に１５０３ｕｎから２００脚にも及ぶレーザ長りは、既
存のエピタキシャル成長技術で一遍に作ることのできる
厚さ限界を遥かに越えた厚さとなってしまうのである。

尚、構造的にもこうした仮定素子では、面発光レーザの
−っの本来的な利点である臂開面を不要とするという特
徴も損われてしまう。

本発明は゛こうした従来の実情に鑑みて成されたもので
、半導体ヘテロ多層膜の活性層・を有する分布帰還型面
発光レーザの電流注入及び少数キャリアの閉じ込め構造
に改良を施し、」二記従来例の各欠点を除去し、低閾値
電流で製造的にも実現可能である実用的な面発光レーザ
を提供せんとするものである。

本発明はこうした目的を達成するため、半導体ヘテロ多
層膜により構成された活性機能と分４１帰還型光共振機
能とを併せ有する活性層無光共振器構造体と；その少な
くとも横方向−側に接した少数キャリア閉じ込め用のク
ラッド層と；を基板に対して各々垂直に、そして互いに
は並設的に形成することを提案する。

このようにすれば、通常のエピタキシャル成長技術等に
おいて製造可能な膜厚範囲でも十分なレーザ利得を得る
ことができ、低閾値電流で実用的な垂直発振型面発光レ
ーザを提供することができる。

尚、本発明の活性層無光共振器構造体に用いる半導体ヘ
テロ多層膜自体は、本出願人が既に開示−、え特開□５
９−３１３９８８％／、’［４：お１ゎ工い、、。

等、公知のものであって良い。

例えば上記公報に記載されているものは、当該半導体ヘ
テロ多層膜の厚さ方向の屈折率の変化の基本周期がレー
ザ光の管内波長の１／２となっており、この１／２の屈
折率基本周期は、１／４管内波長の整数倍（ｌを含む）
の厚味を持つ高屈折率媒質層と、同じ＜１７４管内波長
の整数倍の厚味を持つ低屈折率媒質層とで構成するか、
或いは厚味方向の組成等をｌ／２管内波長を周期として
連続的に変化させることにより得ている。

こうした多層膜を用いた本発明の基本的な構造実施例と
しては、先づ第２図（Ａ）、（Ｂ）に示す構造が挙げら
れる。

第２図（Ａ）に示す実施例は、基板ｌＯの上に縦方向乃
至垂直方向に上記特開昭５９−３８９８８号公報に開示
されている１／２波長周期の半導体ヘテロ多層膜を形成
して活性機能と分布帰還型光共振器機能を持つ活性層兼
先具植器構造体１１としたもので、その横方向一側には
少数キャリア閉じ込め用のｐ型りラッド層１２を、他側
にはｎ型クラッド層１３を、夫々同様に基板１０に対し
て垂直方向に形成している。これに伴い、電流注入用電
極１４．１５も両クラッド層１２．１３の外側に沿って
基板ｌＯに対し重直に形成されている。

このような構造であると、閾値電流を増加させることな
くレーザ長りを第１図（Ｃ）に示す仮定の素子構造に比
し約１／２０程度に短縮することができる。即ち、第１
図（Ｃ）図示の場合、この仮定構造を実現するにはレー
ザ長りは１５０１１ｍから２００ＪＩｍを要すること既
述したが、第２図（＾）図示の本発明実施例の構造では
レーザ長りは７乃至１０Ｊ１ｍでも足りるのである。

一゛この程度の厚さであれば、当該活性層兼光共振器構
造体１１及びその両側のクラッド層１２．１３等も既存
のエピタキシャル成長技術で容易に形成することができ
る。

しかしまた、この厚さ乃至レーザｒｉＬは、実現してい
る従来例素子としての第１図（＾）、（Ｂ）図示のもの
に比せば十分長いものである。

換言すれば、第１図（Ａ）、（Ｂ、）図示の従来倹素ｆ
−に比し、本実施例構造の場合、電流注入方向と光共振
器の方向とが直交しているため、レーザ長りを十分長く
採りながらも、活性層＠Ｗは、例えば０．２４〜　ＩＪ
１ｍ程度にまで十分に短くすることができ、少数キャリ
ア閉じ込め効率を大きく上げることができるのである。

更に、同様にリフレクタにのみ半導体ヘテロ多層膜を用
いている第１図（Ｂ）図示の従来例素子との個別的な対
比においても、当該素子ではその活性層４は上下の多層
膜８，９１こ挟まれた唯一層であったのに対し１本発明
の素子では、第２図（Ａ）図示のものを始め後述する第
２図ＣＢ）及び第３図示の実施例においても、半導体ヘ
テロ多層膜１１中の全ての低エネルギ・バンド・ギャッ
プ材料膜を活性層として用いることが可能なため、レー
ザ長りを少数キャリア拡散長の制限なしに長くすること
ができる。また、少数キャリアの注入が半導体ヘテロ多
層膜の工ｊルギ・バンド・ギャップの障壁に沿って行な
われるため、寄生抵抗が低減する利点もある。

第２図（Ａ）に示す実施例素子の実際の製造手順は、基
ｉ１０の上に先づ分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法等
で半導体ヘテロ多層膜乃至活性層兼光共振器構造体１１
とすべき層を適当層厚に形成した後、図中の所要幅Ｗの
部分を残して片側の部分をステップ・エツチングによる
等して除去し、その後にこの除去部分にｐ型クラッド層
１２を成長させ、再び図中の所用幅Ｗの部分を残して反
対側をステップ・エツチング等により除去し、この除去
部分にｎ型クラッド層１３を液相成長させるか、或いは
近年開発されつつある選択ＭＢＥ法と選択イオン・プラ
ンテーションを利用して両クラ・・ド層１２．１３を選
択形成する等が考えられる。

第２図（Ｂ）に示す第二の実施例ｔ」、ｐ型クラッド層
１２の形成にＺｎの拡散による原子混合効果を利用した
もので、活性層兼光共振器構造体ＩＩをｐ型に設定する
ことにより、ｐ型クラッド層１２と構造体１１中のｐ型
活性層とのエネルギ・ギャップ差によって少数キャリア
、即ちこの場合電子の閉じ込めを行なうことができる。

また、第一の実施例と更に異なる点は、ｎ型クラッド層
１３に代えて、活性層兼光共振器構造体１１の右横に位
置する部分は半導体ヘテロ多層膜に適当な原子をドープ
することによってｎ型に設定したキャリア（この場合電
子）供給層１Ｂとなっていることである。そして　この
ｎ層側の電極１５は当該キャリア供給層１６の上面に形
成されている。

第３図（Ａ）はこの第２図（Ｂ）に示す基本構造を実際
の素子としてＡｌＧａＡｓ系で具現した、より具体的な
実施例を示すもので、同図（Ｂ）は走査型電子顕微鏡（
ＳＥＭ）写真による断面構成を示している。

本構造の面発光レーザ素子を作成するための出発ウェハ
としては、アン・ドープＧａＡｓ基板１０の上に将来、
ｐ型クラッド層１２、活性層兼光共振器構造体１１、及
び電子供給層１８の各層を形成するために用いられる半
導体ヘテロ多層膜として、媒質内の１／２管内波長周期
で５０ペアのＡＩｎ、３Ｇａｏ、７Ａｓ（５８ｎｍ）と
ＧａＡｓ（８３ｎｍ）とをＭＢＥ法により形成したもの
を用いた。

第３図（Ｂ）における断面写真において、横縞の中、白
い縞がＡＩｏ、３Ｇａｏ、ｙＡｓ薄膜、黒で表されてい
る縞がＧａＡｓ薄膜である。そして、この基板１０上の
エピタキシャル層の全厚は、ＧａＡＳバッファ層を含め
て６脚である。

本発明における活性層兼光共振器構造体ｌｌ中、垂直方
向の分布帰還型光共振器は、既に述べたようにＡｌＧａ
Ａｓ／ＧａＡｓ多層膜の屈折率の凹凸によって形成され
ている。

ＡｌＧａＡｓ系　ＧａＡｓ多層膜にあって活性層兼光共
振器構造体１１の右横に位置する領域にはＭＢＥ成長時
にＳｉが添加され、Ｓｉドーブギのｎ型電子供給領Ｊｌ
＆１Ｇとされており、ＧａＡｓ層に対応するキャリア濃
１ｍは２　Ｘ　１０１８ｃ＋ａ−３である。

第３図（Ａ）中で点描している左手側の部分蔭外を拡散
したＰ型領域を示しており、特にエツチング溝２０内に
図中、右手から左手に向けて張り出すように立ち上がっ
ている点描部分１２はｐ型クラッド層１２となる。

第３図（Ａ）中、仮想線Ｅｓで示すエツチング段差から
横方向右手へのＺｎの拡散によって、第３図（Ｂ）に示
されるように略ゾ垂直なｐｎ接合の境界が得られている
。

尚、実際の本素子製造の現場では、ステップ・エツチン
グ及びＺｎ拡散用マスクとしてＣＶＤによるＳｉＮ膜（
１０００人）を用いた。また、ステップ。

エツチングの条件は、３０％Ｈ２Ｏ２：　３０％ＮＨ４
ＯＨ：Ｈ２Ｏ＝　５：４０：１０（ＶＩｌｌｌｌ）にて
室温８，５分とし、　Ｓ　ｐ、マスクは逆メサに対応す
る（１１０）方向に形成しｌた。

モしてＺｎ拡散条件は、ＺｎＡｓ２１０鵬ｇを封入した
石卜、アンプル中にてｌ１００’Ｃ！、　１４時間であ
る。

この拡散条件によって、ＧａＡｓ基板の場合、キャリア
濃度７　Ｘ　１０１９ｃｍ−３のｐ型層１２が３脚程度
形成される。

次に石英アンプル中にてダミーのＧａＡｓ基板を対向さ
せながら拡散済みのウェハを１０００℃、１分間、熱処
理を行なった。この熱処理によって本素子の発光効率は
約−桁、向上した。

第３図（Ｂ）においてエツチング・ステップＥｓから右
手に約２控の範囲は多層膜による横縞のコントラストが
完全に消滅している。これは、Ｚｎの拡散によってＡｌ
Ｇａ、Ａｓ／　ＧａＡｓ多層膜がＡ１組成の均一・なＡ
　ｌＧａＡｓ領域１２に変成したことを示している。こ
のｐ型ＡｌＧａＡｓ層１２は、ｎ型電子供給層ＩＯ側か
ら注入された電子に対して拡散障壁として働くため、電
子の閉じ込め効果が期待できる。

Ｚｎ拡散によるｐｆＪ領域は、エツチング・ステラ。

プ近傍の上記均一なＡｌＧａＡｓ層の右手側境界から更
に　ＩＪ１ｍ程度、拡張した領域１１を形成している。

この領域は第３図（Ｂ）中では横縞のコノトラストが強
く出た多層膜領域１１として示されており、この領域１
１が本面発光レーザの活性層兼光共振器構造体１１とな
る。

しかして、先にも少し触れたように、低閾値電流性する
ためには、できるだけ小さな体積部分に注入電流を集中
したい。そこで本素子の実際においても、　Ｚｎ拡散に
より形成されるｐｎ接合の幅は３ＪＩＩｎ程度に制限し
た。

また、光共振器の損失は、」二部及び下部の反射４　　
　　い７、□。あ□。オ１．４．２０．９工幾何的な配
慮としては、光共振器の幾何的な中央部分に電流を注入
することが望ましい。

この条件を満たすため、ｎ型電子供給層１８側の電極１
５は１層だけ基板１０側に掘り下げて形成し、また基板
近くの下から１０ペア分の多層膜をアン・ドープとする
ことにより、表面及び基板側への望ましくない電流の注
入を制限した。

尚、Ｐ型りラッド層１２側の電極１４は第３図（Ａ）中
で左手のエツチング除去部分の表面に形成しである。

第３図（Ｂ）に示されるように、この実施例では中心付
近の一層のＧａＡｓ層２１の厚さが他に比して倍に設定
されている。これは、上部の２０ペアと下部の３０ペア
から成る反射層を多重反射する光の位相条件を整合させ
るためであり、一種のフェイズ・シフタ２１となる。こ
のようにすると、レーザ発振波長と多層膜のブラッグ周
期が一致するため、短共振器条件におい゛て高い波長選
択性と反射率を維持することができる。

第４図は第３図示レーザの発振スペ、クトラムを示して
いる。本図によれば、作成したレーザの閾値電流は１５
０Ｋにて１２０ｍＡ、　５４Ｋにて８０ｍＡ　（パルス
）と十分低いことが分かる。

また２発振スペクトラムの幅−は図中、左Ｊ二に併示す
るように、５層以内と十分狭い。

発振スペクトラムの温度特性は５４Ｋから１２５にの間
で０．４８Ａ　／にである。この値は従来の横型ＤＦＢ
（分布帰還）レーザにおい′て報告されている値に一致
する。発振波長の励起電流依存性も、閾値電流の二倍程
度までは無視できる。従って本発明の思想に即して構成
した第３図示面発光レーザの分布帰還型光共振器による
発振周波数の安定性が確認できる。

尚、上記第３図示の実施例においては、用いた半導体ヘ
テロ多層膜はＡｌＧａＡｓ層　ＧｎＡｓ系であるが、連
続ヘテロエピタキシィが可能で格子−整合を採ることが
できる系であれば、他の系であっても本発明の多層膜と
して用いることができる６例えば、ＴＩ　−ＩＶ族化合
物半導体ではＧａＡｓ基板上亜鉛−カルコゲナイド系、
ｍ−ｖ族ではＧａ１ｎＡｓＰ系、　Ｃ１ａＡ、１ＩｎＰ
系、ＧａＡｌＳｂ系等々が挙げられる。

いづれにしても、以上のように、半導体ヘテロ多層膜製
の活性層兼光共振器構造体を用いた本発明による少数キ
ャリア閉じ込め構造と横方向電流注入構造は、分布帰還
型面発光レーザの波長安定性及び低閾値電流性を保証で
き、室温連続発振を始めて可能とし得る極めて大きな効
果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来既存の、及び横型レーザから推定できる面
発光レーザの概略構成図、第２図は本発明の基本的な実
施例の概略構成図、第３図は第２図（Ｂ）に示す基本構
造に即して作成したより具体的な実施例の面発光レーザ
の概略構成を示す斜視図、第４図は第３図示実施例のレ
ーザ発振スペクトラムである。 図中、１０は基板、１１は半導体ヘテロ多層膜による活
性層兼先具−°器構造体、１２はＰ型りラ・ド第３図（
Ａ） ！

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体ヘテロ多層膜を用いて構成された活性機能と分布
   帰還型光共振機能を有する活性層兼光共振器構造体と； その少なくとも横方向一側に接した少数キャリア閉じ込
   め用のクラッド層と； を有し、上記活性層兼光共振器構造体及び上記クラッド
   層を基板に対して各々垂直に、そして互いには並設的に
   形成したことを特徴とする分布帰還型面発光レーザ。