JP2646799B2 - 半導体多層膜 - Google Patents
半導体多層膜Info
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- H01S5/32316—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm comprising only (Al)GaAs
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は高並列な光伝送や光情報処理に用いられる面
発光半導体レーザ等に使用される半導体多層膜に関す
る。
発光半導体レーザ等に使用される半導体多層膜に関す
る。
（従来の技術） 半導体基板に垂直方向に発振する面発光半導体レーザ
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往復さ
せて発振させるレーザをいう。
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往復さ
せて発振させるレーザをいう。
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（Electorn.Lett.）の
25巻、20号、1989年の1377〜1378頁に内容が詳述されて
いる。そしてそこに半導体多層膜の従来例が記述されて
いる。面発光半導体レーザに適用された、その従来例の
断面構造を第３図に示してある。71はｎ−GaAsから成る
ｎ型半導体基板、72はｎ型半導体多層膜、73はIn0.2Ga
0.8Asから成る活性層（波長は約9800Å）、74はｐ型半
導体多層膜、75はｎ型電極、76はｐ型電極である。ｎ型
半導体多層膜72はｎ−GaAs77とｎ−AlAs78とがそれぞれ
媒質内波長の1/4に設定されて交互に積層され、形成さ
れている。ｐ型半導体多層膜74はｐ−GaAs79とｐ−AlAs
80とがこれも、それぞれ媒質内波長の1/4に設定されて
交互に積層され、形成されている。GaAsの屈折率の方が
AlAsの屈折率よりも大きい。GaAs、AlAsを媒質内波長の
1/4とするためにはそれぞれ680Aと820Aに設定すればよ
い。半導体多層膜の各層厚を媒質内波長の1/4に設定す
ることによって、その波長に対して反射率を最大にする
ことができる。半導体多層膜の反射率を上げることは面
発光レーザの閾値電流低減に必要である。そのためには
GaAsとAlAsを何層か積まねばならない。その理由はGaAs
とAlAsの屈折率差が余り大きくないためである。その他
の膜厚として、ｎ型半導体多層膜72の上端とｐ型半導体
多層膜74の下端との間の間隔は媒質内波長の1/2に設定
されている。共振器内を上方向に進んだ光はｐ型半導体
多層膜74で反射されて下方向に進み、今度はｎ型半導体
多層膜72で反射された上方向に進みこれが繰り返されて
増幅される。ｎ型半導体多層膜72の上端とｐ型半導体多
層膜74の下端との間の間隔は媒質内波長の1/2に設定し
た理由はこの様に進む光同志の位相整合を実現するため
である。ｎ型電極75とｐ型電極76の間に電圧を加えて通
電し、電流はｎ型半導体多層膜72とｐ型半導体多層膜74
の中を流れる。閾値電流としては直径が２μｍ前後の面
発光レーザで1mA近い値が実現されている。
ば、エレクトロニクス・レターズ（Electorn.Lett.）の
25巻、20号、1989年の1377〜1378頁に内容が詳述されて
いる。そしてそこに半導体多層膜の従来例が記述されて
いる。面発光半導体レーザに適用された、その従来例の
断面構造を第３図に示してある。71はｎ−GaAsから成る
ｎ型半導体基板、72はｎ型半導体多層膜、73はIn0.2Ga
0.8Asから成る活性層（波長は約9800Å）、74はｐ型半
導体多層膜、75はｎ型電極、76はｐ型電極である。ｎ型
半導体多層膜72はｎ−GaAs77とｎ−AlAs78とがそれぞれ
媒質内波長の1/4に設定されて交互に積層され、形成さ
れている。ｐ型半導体多層膜74はｐ−GaAs79とｐ−AlAs
80とがこれも、それぞれ媒質内波長の1/4に設定されて
交互に積層され、形成されている。GaAsの屈折率の方が
AlAsの屈折率よりも大きい。GaAs、AlAsを媒質内波長の
1/4とするためにはそれぞれ680Aと820Aに設定すればよ
い。半導体多層膜の各層厚を媒質内波長の1/4に設定す
ることによって、その波長に対して反射率を最大にする
ことができる。半導体多層膜の反射率を上げることは面
発光レーザの閾値電流低減に必要である。そのためには
GaAsとAlAsを何層か積まねばならない。その理由はGaAs
とAlAsの屈折率差が余り大きくないためである。その他
の膜厚として、ｎ型半導体多層膜72の上端とｐ型半導体
多層膜74の下端との間の間隔は媒質内波長の1/2に設定
されている。共振器内を上方向に進んだ光はｐ型半導体
多層膜74で反射されて下方向に進み、今度はｎ型半導体
多層膜72で反射された上方向に進みこれが繰り返されて
増幅される。ｎ型半導体多層膜72の上端とｐ型半導体多
層膜74の下端との間の間隔は媒質内波長の1/2に設定し
た理由はこの様に進む光同志の位相整合を実現するため
である。ｎ型電極75とｐ型電極76の間に電圧を加えて通
電し、電流はｎ型半導体多層膜72とｐ型半導体多層膜74
の中を流れる。閾値電流としては直径が２μｍ前後の面
発光レーザで1mA近い値が実現されている。
（発明が解決しようとする課題） 第３図に示した様な従来型の半導体多層膜を持った面
発光半導体レーザの問題点の一つは半導体多層膜での電
流−電圧特性にあった。すなわち、反射率を上げるため
に高屈折率と低屈折率のバンドギャップの大きさが違う
半導体膜を交互に何層か積層して半導体多層膜を形成し
ているのであるが、そのようにすると電流が流れ始める
電圧（VF）が上昇し、微分抵抗も増大してしまう（第４
図）。第３図の従来例では直径が２〜３μｍのものでは
VFは15〜20Vもある。この値は面発光レーザではないス
トライプ型のレーザに比べて10倍程度大きく、面発光レ
ーザの実用化を考える上で解決すべき非常に大きな課題
となる。また、VFや微分抵抗が大きいと一定電流を流す
のに、それが小さい場合と比べて消費電力が増大してし
まい、集積化を考えた場合にも大きな問題となる。
発光半導体レーザの問題点の一つは半導体多層膜での電
流−電圧特性にあった。すなわち、反射率を上げるため
に高屈折率と低屈折率のバンドギャップの大きさが違う
半導体膜を交互に何層か積層して半導体多層膜を形成し
ているのであるが、そのようにすると電流が流れ始める
電圧（VF）が上昇し、微分抵抗も増大してしまう（第４
図）。第３図の従来例では直径が２〜３μｍのものでは
VFは15〜20Vもある。この値は面発光レーザではないス
トライプ型のレーザに比べて10倍程度大きく、面発光レ
ーザの実用化を考える上で解決すべき非常に大きな課題
となる。また、VFや微分抵抗が大きいと一定電流を流す
のに、それが小さい場合と比べて消費電力が増大してし
まい、集積化を考えた場合にも大きな問題となる。
さて、半導体多層膜があると何故、VFや微分抵抗が上
昇してしまうかという原因であるが、それを第５図を使
って説明する。第５図（ａ）、（ｂ）にはそれぞれ多層
膜がｐ型、ｎ型の場合で、電圧がかかっている状態での
バンド図である。原因はどちらも同じなので第５図
（ａ）のｐ型の場合で説明する。この場合は価電子帯を
正孔が＋側から−側に向かって（同図では右から左方
向）流れようとする。ところがバンドギャップの大きな
ｐ型半導体膜51と、これに比べてバンドギャップの小さ
なｐ型半導体膜52との間にはポテンシャル障壁ができて
いて（−側）、それが正孔のスムーズな流れを阻害す
る。ポテンシャル障壁は価電子帯側のバンド不連続に起
因したもので、ポテンシャル障壁の所では電圧降下を生
じている。VFや微分抵抗が増大する原因はこのポテンシ
ャル障壁にある。ｎ型の場合には電子の流れを阻害する
ポテンシャル障壁は＋側にできる。
昇してしまうかという原因であるが、それを第５図を使
って説明する。第５図（ａ）、（ｂ）にはそれぞれ多層
膜がｐ型、ｎ型の場合で、電圧がかかっている状態での
バンド図である。原因はどちらも同じなので第５図
（ａ）のｐ型の場合で説明する。この場合は価電子帯を
正孔が＋側から−側に向かって（同図では右から左方
向）流れようとする。ところがバンドギャップの大きな
ｐ型半導体膜51と、これに比べてバンドギャップの小さ
なｐ型半導体膜52との間にはポテンシャル障壁ができて
いて（−側）、それが正孔のスムーズな流れを阻害す
る。ポテンシャル障壁は価電子帯側のバンド不連続に起
因したもので、ポテンシャル障壁の所では電圧降下を生
じている。VFや微分抵抗が増大する原因はこのポテンシ
ャル障壁にある。ｎ型の場合には電子の流れを阻害する
ポテンシャル障壁は＋側にできる。
本発明の目的は上述した問題を解決しようとするもの
で、面発光レーザに適用した場合、反射率を落とすこと
なく、VFや微分抵抗の上昇の少ない半導体多層膜を提供
することにある。
で、面発光レーザに適用した場合、反射率を落とすこと
なく、VFや微分抵抗の上昇の少ない半導体多層膜を提供
することにある。
また反射鏡として用いると低電圧駆動反射鏡となる半
導体多層膜を提供することにある。
導体多層膜を提供することにある。
（課題を解決するための手段） 本発明による半導体多層膜は、バンドギャップの異な
る、高屈折率の第１の半導体層と低屈折率の第２の半導
体層とが交互に積層された半導体多層膜において、前記
第１の半導体層のバンドギャップは前記第２の半導体層
のバンドギャップより小さく、前記の第１の半導体層と
前記第２の半導体層との間に第３の半導体層が形成さ
れ、この第３の半導体層のバンドギャップと屈折率の大
きさはそれぞれ前記第１の半導体層と前記第２の半導体
層のバンドギャップと屈折率の大きさの間にあり、バン
ドギャップの大きさは前記第１の半導体層から前記第２
の半導体層に向かって大きくなっており、前記第１の半
導体層とこれに接する前記第３の半導体層の一部の合計
層厚は光の媒質内波長の1/4に設定され、さらに前記第
３の半導体層の残りの一部で前記第２の半導体層に接す
る部分と前記第２の半導体層の合計層厚が媒質内波長の
1/4に設定されていることを特徴とする。
る、高屈折率の第１の半導体層と低屈折率の第２の半導
体層とが交互に積層された半導体多層膜において、前記
第１の半導体層のバンドギャップは前記第２の半導体層
のバンドギャップより小さく、前記の第１の半導体層と
前記第２の半導体層との間に第３の半導体層が形成さ
れ、この第３の半導体層のバンドギャップと屈折率の大
きさはそれぞれ前記第１の半導体層と前記第２の半導体
層のバンドギャップと屈折率の大きさの間にあり、バン
ドギャップの大きさは前記第１の半導体層から前記第２
の半導体層に向かって大きくなっており、前記第１の半
導体層とこれに接する前記第３の半導体層の一部の合計
層厚は光の媒質内波長の1/4に設定され、さらに前記第
３の半導体層の残りの一部で前記第２の半導体層に接す
る部分と前記第２の半導体層の合計層厚が媒質内波長の
1/4に設定されていることを特徴とする。
（作用） 第２図を用いて本発明の原理を説明する。第２図は半
導体多層膜の模擬的なバンド図で、第２図（ａ）、
（ｂ）はそれぞれ半導体多層膜がｐ型、ｎ型の場合を示
してある。第２図（ａ）を用いてｐ型の場合で説明す
る。バンドギャップが小さく、高い屈折率を有するｐ型
半導体膜11と、バンドギャップはｐ型半導体膜11より大
きく、屈折率は逆に小さいｐ型半導体膜12が交互に積層
されている。そして、それらの半導体層の間にはバンド
ギャップと屈折率の大きさが中間の大きさの、ｐ型半導
体膜13が形成されている。ｐ型半導体膜13のバンドギャ
ップの大きさは層内で変わっており、ｐ型半導体膜12の
方に行くにしたがって大きくなっている。この様にする
と、第５図（ａ）の場合に比べて正孔に対するポテンシ
ャル障壁を殆ど無くすことができ、正孔の流れをスムー
ズにすることができる。
導体多層膜の模擬的なバンド図で、第２図（ａ）、
（ｂ）はそれぞれ半導体多層膜がｐ型、ｎ型の場合を示
してある。第２図（ａ）を用いてｐ型の場合で説明す
る。バンドギャップが小さく、高い屈折率を有するｐ型
半導体膜11と、バンドギャップはｐ型半導体膜11より大
きく、屈折率は逆に小さいｐ型半導体膜12が交互に積層
されている。そして、それらの半導体層の間にはバンド
ギャップと屈折率の大きさが中間の大きさの、ｐ型半導
体膜13が形成されている。ｐ型半導体膜13のバンドギャ
ップの大きさは層内で変わっており、ｐ型半導体膜12の
方に行くにしたがって大きくなっている。この様にする
と、第５図（ａ）の場合に比べて正孔に対するポテンシ
ャル障壁を殆ど無くすことができ、正孔の流れをスムー
ズにすることができる。
ｎ型の場合にはバンドギャップが小さく、高い屈折率
を有するｎ型半導体膜15と、バンドギャップはｎ型半導
体膜14より大きく、屈折率は逆に小さいｎ型半導体膜14
が交互に積層されている。そして、それらの半導体層の
間にはバンドギャップと屈折率の大きさが中間の大きさ
の、ｎ型半導体膜16が形成されている。ｎ型半導体膜16
のバンドギャップの大きさは層内で変わっており、ｎ型
半導体膜14の方に行くにしたがって大きくなっている。
この様にすると、第５図（ｂ）の場合に比べて電子に対
するポテンシャル障壁を殆ど無くすことができ、電子の
流れをスムーズにすることができる。
を有するｎ型半導体膜15と、バンドギャップはｎ型半導
体膜14より大きく、屈折率は逆に小さいｎ型半導体膜14
が交互に積層されている。そして、それらの半導体層の
間にはバンドギャップと屈折率の大きさが中間の大きさ
の、ｎ型半導体膜16が形成されている。ｎ型半導体膜16
のバンドギャップの大きさは層内で変わっており、ｎ型
半導体膜14の方に行くにしたがって大きくなっている。
この様にすると、第５図（ｂ）の場合に比べて電子に対
するポテンシャル障壁を殆ど無くすことができ、電子の
流れをスムーズにすることができる。
半導体多層膜の構造を上述したようにすることによっ
て、VFや微分抵抗の上昇を抑えることができる。
て、VFや微分抵抗の上昇を抑えることができる。
半導体多層膜のドーピング濃度はｐ型、ｎ型ともに１
×1018cm-3程度にする必要があるが、第５図（ａ）、
（ｂ）に示したバンド図ではポテンシャル障壁の幅は約
50Åであるから、ｐ型半導体膜13、ｎ型半導体膜16の厚
さはその程度とし、その中でバンドギャップを連続的に
変えればよい。第２図（ａ）では、ｐ型半導体膜11とそ
れに接するｐ型半導体膜13の一部の合計層厚は媒質内波
長の1/4に設定し、さらにｐ型半導体膜13の残りの一部
でｐ型半導体膜12に接する部分とｐ型半導体膜12の合計
層厚も媒質内波長の1/4に設定する。同じように第２図
（ｂ）では、ｎ型半導体膜14とそれに接するｎ型半導体
膜16の一部の合計層厚は媒質内波長の1/4に設定し、さ
らにｎ型半導体膜16の残りの一部でｎ型半導体膜15に接
する部分とｎ型半導体膜15の合計層厚も媒質内波長の1/
4に設定する。
×1018cm-3程度にする必要があるが、第５図（ａ）、
（ｂ）に示したバンド図ではポテンシャル障壁の幅は約
50Åであるから、ｐ型半導体膜13、ｎ型半導体膜16の厚
さはその程度とし、その中でバンドギャップを連続的に
変えればよい。第２図（ａ）では、ｐ型半導体膜11とそ
れに接するｐ型半導体膜13の一部の合計層厚は媒質内波
長の1/4に設定し、さらにｐ型半導体膜13の残りの一部
でｐ型半導体膜12に接する部分とｐ型半導体膜12の合計
層厚も媒質内波長の1/4に設定する。同じように第２図
（ｂ）では、ｎ型半導体膜14とそれに接するｎ型半導体
膜16の一部の合計層厚は媒質内波長の1/4に設定し、さ
らにｎ型半導体膜16の残りの一部でｎ型半導体膜15に接
する部分とｎ型半導体膜15の合計層厚も媒質内波長の1/
4に設定する。
ｐ型半導体の多層膜では、高屈折率の半導体膜11と低
屈折率の半導体膜12の層厚をそれぞれd1、d2、屈折率を
それぞれn1、n2とし、その間のバンドギャップと屈折率
が変化している半導体膜13の屈折率をｎ（ｘ）、厚さを
d3、ｐ型半導体膜11に接する上記の半導体層13の一部の
厚さをΔ、残りの厚さをd3−Δとすると上述の条件は次
の式で表すことができる。ここでλ０は真空中の波長で
ある。
屈折率の半導体膜12の層厚をそれぞれd1、d2、屈折率を
それぞれn1、n2とし、その間のバンドギャップと屈折率
が変化している半導体膜13の屈折率をｎ（ｘ）、厚さを
d3、ｐ型半導体膜11に接する上記の半導体層13の一部の
厚さをΔ、残りの厚さをd3−Δとすると上述の条件は次
の式で表すことができる。ここでλ０は真空中の波長で
ある。
ｎ（ｘ）はその半導体の材料組成の変化に従って与え
られる関数である。ｎ型半導体の多層膜も同様の設計で
ある。
られる関数である。ｎ型半導体の多層膜も同様の設計で
ある。
ｐ型半導体膜13やｎ型半導体膜16の層厚は50Å前後と
薄くて良いので、第５図（ａ）、（ｂ）のような従来の
構造のバンド図と比べて反射率を著しく低下させること
はない。このように本発明の半導体多層膜を用いると低
電圧駆動できしかも反射率の低下が少ないので効率の良
い面発光レーザが得られる。また本発明は低電圧動作の
半導体反射鏡へも利用できる。
薄くて良いので、第５図（ａ）、（ｂ）のような従来の
構造のバンド図と比べて反射率を著しく低下させること
はない。このように本発明の半導体多層膜を用いると低
電圧駆動できしかも反射率の低下が少ないので効率の良
い面発光レーザが得られる。また本発明は低電圧動作の
半導体反射鏡へも利用できる。
（実施例） 第１図は本発明はの実施例で面発光半導体レーザに適
用した例である。ｎ−GaAs基板21の上にｎ型半導体多層
膜（ドーピング濃度２×1018cm-3）22、ｎ−Al0.5Ga0.5
As23、AlxGa1-xAs24、活性層となるノンドープのIn0.2G
a0.8As（層厚80Å）25、AlxGa1-xAs26、ｐ−Al0.5Ga0.5
As27、ｐ型半導体多層膜（ドーピング濃度２×1018c
m-3）28、δドープGaAs（Beドープ、ドーピング濃度２
×1019cm-3）29が分子線ビームエピタキシー法で形成さ
れている。Au30、AuGe−Ni/Au31はそれぞれｐ側、ｎ側
の電極であり、ｎ電極は光のとり出しとなる窓の部分を
除いて形成する。AlxGa1-xAs24とAlxGa1-xAs26とではAl
組成ｘが層内で放物線状になるように変えられていて、
In0.2Ga0.8As25に近いほどｘを小さくしてある。In0.2G
a0.8As25に接するところではＸ＝0.5としてある。ｎ型
半導体多層膜22ではｎ−GaAs32とｎ−AlAs33とはそれぞ
れ約655Åと約795Åに設定されて交互に20ペア積層さ
れ、形成されている。そしてｎ−GaAs32とｎ−AlAs33の
間には立上り電圧VFを下げるためにｎ−AlyGa1-yAs（ｙ
＝０〜１、層厚50Å）36が挿入されて形成されている。
ｎ−AlyGa1-yAs36のｙ値はｎ−GaAs32側が０で、ｎ−Al
As33側が１となるようにして連続的に変えてある。ｎ−
GaAs32とそれに接するｎ−AlyGa1-yAs36の一部（40A）
との合計がλ/4厚になっており、ｎ−AlAs33とそれに接
し、先ほどと反対側のｎ−AlyGa1-yAs36残りの一部（10
A）との合計がλ/4厚になっている。ｐ型半導体多層膜2
8ではｐ−GaAs34とｐ−AlAs35とがこれも、それぞれ約6
55Aと795Aに設定されて交互に10ペア積層され、形成さ
れている。そして、ｐ−GaAs34とｐ−AlAs35の間にはｎ
型半導体多層膜22の所と同様の目的でｐ−AlzGa1-zAs
（ｚ＝０〜１、層厚50A）37が挿入されて形成されてい
る。ｐ−AlzGa1-zAs37のｚ値はｐ−GaAs34側で０、ｐ−
AlAs35側で１として連続的に変えてある。ｐ−GaAs34と
これに接するｐ−AlzGa1-zAs37の一部（40A）の合計が
λ/4厚になっており、ｐ−AlAs35とこれに接し、先ほど
と反対側のｐ−AlzGa1-zAs37の残りの一部（10A）の合
計がλ/4厚になっている。作製したレーザは円筒形状を
しており直径は２μｍで数mAの閾値電流で発振した。そ
して立ち上がり電圧は2V以下と良好であった。
用した例である。ｎ−GaAs基板21の上にｎ型半導体多層
膜（ドーピング濃度２×1018cm-3）22、ｎ−Al0.5Ga0.5
As23、AlxGa1-xAs24、活性層となるノンドープのIn0.2G
a0.8As（層厚80Å）25、AlxGa1-xAs26、ｐ−Al0.5Ga0.5
As27、ｐ型半導体多層膜（ドーピング濃度２×1018c
m-3）28、δドープGaAs（Beドープ、ドーピング濃度２
×1019cm-3）29が分子線ビームエピタキシー法で形成さ
れている。Au30、AuGe−Ni/Au31はそれぞれｐ側、ｎ側
の電極であり、ｎ電極は光のとり出しとなる窓の部分を
除いて形成する。AlxGa1-xAs24とAlxGa1-xAs26とではAl
組成ｘが層内で放物線状になるように変えられていて、
In0.2Ga0.8As25に近いほどｘを小さくしてある。In0.2G
a0.8As25に接するところではＸ＝0.5としてある。ｎ型
半導体多層膜22ではｎ−GaAs32とｎ−AlAs33とはそれぞ
れ約655Åと約795Åに設定されて交互に20ペア積層さ
れ、形成されている。そしてｎ−GaAs32とｎ−AlAs33の
間には立上り電圧VFを下げるためにｎ−AlyGa1-yAs（ｙ
＝０〜１、層厚50Å）36が挿入されて形成されている。
ｎ−AlyGa1-yAs36のｙ値はｎ−GaAs32側が０で、ｎ−Al
As33側が１となるようにして連続的に変えてある。ｎ−
GaAs32とそれに接するｎ−AlyGa1-yAs36の一部（40A）
との合計がλ/4厚になっており、ｎ−AlAs33とそれに接
し、先ほどと反対側のｎ−AlyGa1-yAs36残りの一部（10
A）との合計がλ/4厚になっている。ｐ型半導体多層膜2
8ではｐ−GaAs34とｐ−AlAs35とがこれも、それぞれ約6
55Aと795Aに設定されて交互に10ペア積層され、形成さ
れている。そして、ｐ−GaAs34とｐ−AlAs35の間にはｎ
型半導体多層膜22の所と同様の目的でｐ−AlzGa1-zAs
（ｚ＝０〜１、層厚50A）37が挿入されて形成されてい
る。ｐ−AlzGa1-zAs37のｚ値はｐ−GaAs34側で０、ｐ−
AlAs35側で１として連続的に変えてある。ｐ−GaAs34と
これに接するｐ−AlzGa1-zAs37の一部（40A）の合計が
λ/4厚になっており、ｐ−AlAs35とこれに接し、先ほど
と反対側のｐ−AlzGa1-zAs37の残りの一部（10A）の合
計がλ/4厚になっている。作製したレーザは円筒形状を
しており直径は２μｍで数mAの閾値電流で発振した。そ
して立ち上がり電圧は2V以下と良好であった。
また、本実施例ではｎ−AlyGa1-yAs36をｎ−AlAs33の
上側だけに入れ、また、ｐ−AlzGa1-zAs37をｐ−GaAs34
の上側だけに入れたが、更に、ｎ−AlyGa1-yAs36をｎ−
GaAs32の上側にも入れ、また、ｐ−AlzGa1-zAs37もｐ−
AlAs35の上側にも入れればより低電圧での動作が可能と
なる。
上側だけに入れ、また、ｐ−AlzGa1-zAs37をｐ−GaAs34
の上側だけに入れたが、更に、ｎ−AlyGa1-yAs36をｎ−
GaAs32の上側にも入れ、また、ｐ−AlzGa1-zAs37もｐ−
AlAs35の上側にも入れればより低電圧での動作が可能と
なる。
また本発明はInGaAs/AlGaAs/GaAs系に限らず他の材料
系、例えばInP/InGaAsP等を用いた面発光レーザにも応
用できる。
系、例えばInP/InGaAsP等を用いた面発光レーザにも応
用できる。
あるいは本発明の半導体多層膜を反射鏡として用いれ
ば、低電圧駆動で高反射率の反射鏡が得られる。
ば、低電圧駆動で高反射率の反射鏡が得られる。
本発明の第２の実施例を説明する。本発明の請求の範
囲では第１の半導体層とこれに接する第３の半導体層の
一部の合計層厚を媒質内波長の1/4に設定し、さらに第
３の半導体層の残りの一部で第２の半導体層に接する部
分と、第２の半導体層の合計層厚を媒質内波長λの1/4
に設定するとしているが、それぞれの合計層厚を1/4波
長に厳密に設定する必要はない。λ/4厚のA/B/A/B/…と
いう構成の半導体多層膜でA,Bの膜厚をλ/4厚より、意
図的に少しずらし、多層膜中での光吸収損失を低減する
方法が、本発明者により特許出願されている（特願平２
−21274号明細書出願日平成２年１月30日）。第６図
に、A,Bの膜厚をλ/4厚よりずらした時の反射率の計算
結果を示してある。GaAs/AlAsが20周期積まれた構造で
波長λ０＝9800Åに対する反射率が計算されており、高
屈折率のGaAsの厚さをd1、低屈折率のAlAsの厚さをd2及
びそれぞれのずれをδd1,δd2としてδd1/d1＝δd2/d2
の場合と、−δd1/d1＝δd2/d2の場合の２通りを計算し
てある。−δd1/d1＝δd2/d2の場合にはd1、d2をλ/4厚
からずらしても反射率の低下は低く抑えることができ
る。この例によれば、ずれの大きさが10％でもＲ＝99.9
24％が99.916％に落ちるだけである。そこで、この効果
を使って多層膜中での光吸収損失をも小さくしたのが、
本発明に係わる第２の実施例である。
囲では第１の半導体層とこれに接する第３の半導体層の
一部の合計層厚を媒質内波長の1/4に設定し、さらに第
３の半導体層の残りの一部で第２の半導体層に接する部
分と、第２の半導体層の合計層厚を媒質内波長λの1/4
に設定するとしているが、それぞれの合計層厚を1/4波
長に厳密に設定する必要はない。λ/4厚のA/B/A/B/…と
いう構成の半導体多層膜でA,Bの膜厚をλ/4厚より、意
図的に少しずらし、多層膜中での光吸収損失を低減する
方法が、本発明者により特許出願されている（特願平２
−21274号明細書出願日平成２年１月30日）。第６図
に、A,Bの膜厚をλ/4厚よりずらした時の反射率の計算
結果を示してある。GaAs/AlAsが20周期積まれた構造で
波長λ０＝9800Åに対する反射率が計算されており、高
屈折率のGaAsの厚さをd1、低屈折率のAlAsの厚さをd2及
びそれぞれのずれをδd1,δd2としてδd1/d1＝δd2/d2
の場合と、−δd1/d1＝δd2/d2の場合の２通りを計算し
てある。−δd1/d1＝δd2/d2の場合にはd1、d2をλ/4厚
からずらしても反射率の低下は低く抑えることができ
る。この例によれば、ずれの大きさが10％でもＲ＝99.9
24％が99.916％に落ちるだけである。そこで、この効果
を使って多層膜中での光吸収損失をも小さくしたのが、
本発明に係わる第２の実施例である。
層構造的には第１図と同じであるが多層膜の所での厚
さが異なっている。第１図においてｎ型半導体多層膜22
ではｎ−GaAs32とｎ−AlAs33とはそれぞれ約655Åと約7
95Åに設定されて交互に20ペア積層され、形成されてい
る。そしてｎ−GaAs32とｎ−AlAs33の間には立ち上がり
電圧VFを下げるためにｎ−AlyGa1-yAs（ｙ＝０〜１、層
厚50Å）36が挿入されて形成されている。ｎ−AlyGa1-y
As36のｙ値はｎ−GaAs32側が０で、ｎ−AlAs33側が１と
なるようにして連続的に変えてある。ｎ−AlyGa1-yAs36
の全体の層厚は50Åと第１の実施例と同じにしてある。
ｐ型半導体多層膜28ではｐ−GaAs34とｐ−AlAs35とがこ
れも、それぞれ約585Åと875Åに設定されて交互に10ペ
ア積層され、形成されている。そして、ｐ−GaAs34とｐ
−AlAs35の間にはｎ型半導体多層膜22の所と同様の目的
でｐ−AlzGa1-zAs（ｚ＝０〜１、層厚50Å）37が挿入さ
れて形成されている。ｐ−AlzGa1-zAs37のｚ値はｐ−Ga
As34側で０、ｐ−AlAs35側で１として連続的に変えてあ
る。ｐ−AlzGa1-zAs37の全体の層厚は50Åと第１の実施
例と同じにしてある。ｐ−GaAs34での光吸収がｐ−AlAs
35よりも大きくなることを考慮して、ｐ−GaAs34の層厚
を第１の実施例の655Åよりも減らして585Åとし、逆
に、ｐ−AlAs35の層厚は第１の実施例の795Åよりも増
やして875Åとしてある。それぞれの層厚の増減δd1,δ
d2は、先に説明したことから、以下の式 を使って決めてある。（１）式でn1,n2,n（ｘ）はそれ
ぞれｐ−GaAs34、ｐ−AlAs35、ｐ−AlzGa1-zAs37の屈折
率であり、d1とd2はそれぞれｐ−GaAs34とｐ−AlAs35の
厚さ（それぞれ655Åと795Å）である。又、x1は40Å、
x2は50Åである。この第２の実施例ではｐ側半導体層膜
をずらしたが、ｎ側についても同様にずらすとこの効果
があり、両側に適用すると一層効果がある。作製したレ
ーザ円筒形状をしており直径は２μｍで第１の実施例よ
り、若干低い閾値電流で発振した。そして立ち上がり電
圧は第１の実施例と同様2V以下であった。
さが異なっている。第１図においてｎ型半導体多層膜22
ではｎ−GaAs32とｎ−AlAs33とはそれぞれ約655Åと約7
95Åに設定されて交互に20ペア積層され、形成されてい
る。そしてｎ−GaAs32とｎ−AlAs33の間には立ち上がり
電圧VFを下げるためにｎ−AlyGa1-yAs（ｙ＝０〜１、層
厚50Å）36が挿入されて形成されている。ｎ−AlyGa1-y
As36のｙ値はｎ−GaAs32側が０で、ｎ−AlAs33側が１と
なるようにして連続的に変えてある。ｎ−AlyGa1-yAs36
の全体の層厚は50Åと第１の実施例と同じにしてある。
ｐ型半導体多層膜28ではｐ−GaAs34とｐ−AlAs35とがこ
れも、それぞれ約585Åと875Åに設定されて交互に10ペ
ア積層され、形成されている。そして、ｐ−GaAs34とｐ
−AlAs35の間にはｎ型半導体多層膜22の所と同様の目的
でｐ−AlzGa1-zAs（ｚ＝０〜１、層厚50Å）37が挿入さ
れて形成されている。ｐ−AlzGa1-zAs37のｚ値はｐ−Ga
As34側で０、ｐ−AlAs35側で１として連続的に変えてあ
る。ｐ−AlzGa1-zAs37の全体の層厚は50Åと第１の実施
例と同じにしてある。ｐ−GaAs34での光吸収がｐ−AlAs
35よりも大きくなることを考慮して、ｐ−GaAs34の層厚
を第１の実施例の655Åよりも減らして585Åとし、逆
に、ｐ−AlAs35の層厚は第１の実施例の795Åよりも増
やして875Åとしてある。それぞれの層厚の増減δd1,δ
d2は、先に説明したことから、以下の式 を使って決めてある。（１）式でn1,n2,n（ｘ）はそれ
ぞれｐ−GaAs34、ｐ−AlAs35、ｐ−AlzGa1-zAs37の屈折
率であり、d1とd2はそれぞれｐ−GaAs34とｐ−AlAs35の
厚さ（それぞれ655Åと795Å）である。又、x1は40Å、
x2は50Åである。この第２の実施例ではｐ側半導体層膜
をずらしたが、ｎ側についても同様にずらすとこの効果
があり、両側に適用すると一層効果がある。作製したレ
ーザ円筒形状をしており直径は２μｍで第１の実施例よ
り、若干低い閾値電流で発振した。そして立ち上がり電
圧は第１の実施例と同様2V以下であった。
（発明の効果） 本発明による半導体多層膜を用いれば低閾値電流、低
電圧で動作する面発光半導体レーザが得られる。あるい
は低電圧駆動の半導体高反射鏡として利用できる。
電圧で動作する面発光半導体レーザが得られる。あるい
は低電圧駆動の半導体高反射鏡として利用できる。
第１図は本発明の実施例の面発光レーザの構造図、第２
図は本発明の半導体多層膜のバンド図、第３図は従来例
の面発光レーザの構造図、第４図は従来例の電流−電圧
特性図、第５図は従来例の半導体多層膜のバンド図であ
る。第６図は半導体多層膜の反射率とずれの割合との関
係を示す図である。 11,12,13,51,52はｐ型半導体膜、14,15,16はｎ型半導体
膜、21,71はｎ型半導体基板、22,72はｎ型半導体多層
膜、23はAl0.5Ga0.5As、24はAlxGa1-xAs、25はIn0.2Ga
0.8As、73は活性層、26はAlxGa1-xAs、27はｐ−Al0.5Ga
0.5As、28,74はｐ型半導体多層膜、29はδドープGaAs、
30はAu、31はAuGe−Ni/Au、75はｎ型電極、76はｐ型電
極、32,77はｎ−GaAs、33,78はｎ−AlAs、36はｎ−AlyG
a1-yAs、34,79はｐ−GaAs、35,80はｐ−AlAs、37はｐ−
AlzGa1-zAsである。
図は本発明の半導体多層膜のバンド図、第３図は従来例
の面発光レーザの構造図、第４図は従来例の電流−電圧
特性図、第５図は従来例の半導体多層膜のバンド図であ
る。第６図は半導体多層膜の反射率とずれの割合との関
係を示す図である。 11,12,13,51,52はｐ型半導体膜、14,15,16はｎ型半導体
膜、21,71はｎ型半導体基板、22,72はｎ型半導体多層
膜、23はAl0.5Ga0.5As、24はAlxGa1-xAs、25はIn0.2Ga
0.8As、73は活性層、26はAlxGa1-xAs、27はｐ−Al0.5Ga
0.5As、28,74はｐ型半導体多層膜、29はδドープGaAs、
30はAu、31はAuGe−Ni/Au、75はｎ型電極、76はｐ型電
極、32,77はｎ−GaAs、33,78はｎ−AlAs、36はｎ−AlyG
a1-yAs、34,79はｐ−GaAs、35,80はｐ−AlAs、37はｐ−
AlzGa1-zAsである。
Claims (2)
- 【請求項１】バンドギャップの異なる、高屈折率の第１
の半導体層と低屈折率の第２の半導体層とが交互に積層
された半導体多層膜において、前記第１の半導体層のバ
ンドギャップは前記第２の半導体層のバンドギャップよ
り小さく、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層と
の間に第３の半導体層が形成され、この第３の半導体層
のバンドギャップと屈折率の大きさはそれぞれ前記第１
の半導体層と前記第２の半導体層のバンドギャップと屈
折率の中間にあり、バンドギャップの大きさは前記第１
の半導体層から前記第２の半導体層に向かって大きくな
っており、前記第１の半導体層とこれに接する前記第３
の半導体層の一部の合計層厚はその媒質内波長の1/4に
設定され、さらに前記第３の半導体層の残りの一部で前
記第２の半導体層に接する部分と前記第２の半導体層の
合計層厚が媒質内波長の1/4に設定されていることを特
徴とする半導体多層膜。 - 【請求項２】バンドギャップの異なる、光吸収損失の大
きい第１の半導体層（屈折率n1,厚さd1）と光吸収損失
の小さい第２の半導体層（屈折率:n2,厚さ:d2）とが交
互に積層された半導体多層膜において、前記第１の半導
体層と前記第２の半導体層との間に第３の半導体層（屈
折率:n（ｘ），厚さ:x1＋x2）が形成され、この第３の
半導体層のバンドギャップと屈折率の大きさはそれぞれ
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層のバンドギャ
ップと屈折率の中間にあり、バンドギャップの大きさは
前記第１の半導体層から前記第２の半導体層に向かって
傾斜し、前記第１の半導体層の層厚の減少と前記第２の
半導体層の層厚の増加の関係が、 であることを特徴とする半導体多層膜。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2099661A JP2646799B2 (ja) | 1989-12-21 | 1990-04-16 | 半導体多層膜 |
| EP90124975A EP0434068A1 (en) | 1989-12-21 | 1990-12-20 | Semiconductor layer comprising cyclically stacked narrow, intermediate and wide band gap semiconductor films |
| CA002032869A CA2032869C (en) | 1989-12-21 | 1990-12-20 | Semiconductor layer comprising cyclically stacked narrow, intermediate, and wide band gap semiconductor films |
| US07/632,701 US5136345A (en) | 1989-12-21 | 1990-12-21 | Semiconductor layer comprising cyclically stacked narrow, intermediate, and wide band gap semiconductor films |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1-334337 | 1989-12-21 | ||
| JP33433789 | 1989-12-21 | ||
| JP2099661A JP2646799B2 (ja) | 1989-12-21 | 1990-04-16 | 半導体多層膜 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03224285A JPH03224285A (ja) | 1991-10-03 |
| JP2646799B2 true JP2646799B2 (ja) | 1997-08-27 |
Family
ID=26440774
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2099661A Expired - Lifetime JP2646799B2 (ja) | 1989-12-21 | 1990-04-16 | 半導体多層膜 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5136345A (ja) |
| EP (1) | EP0434068A1 (ja) |
| JP (1) | JP2646799B2 (ja) |
| CA (1) | CA2032869C (ja) |
Cited By (1)
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| JPH0766984B2 (ja) * | 1992-02-13 | 1995-07-19 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレイション | ヘテロ超格子ｐｎ接合 |
| US5244749A (en) * | 1992-08-03 | 1993-09-14 | At&T Bell Laboratories | Article comprising an epitaxial multilayer mirror |
| US5268582A (en) * | 1992-08-24 | 1993-12-07 | At&T Bell Laboratories | P-N junction devices with group IV element-doped group III-V compound semiconductors |
| US5568499A (en) * | 1995-04-07 | 1996-10-22 | Sandia Corporation | Optical device with low electrical and thermal resistance bragg reflectors |
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| US5701327A (en) * | 1996-04-30 | 1997-12-23 | Lucent Technologies Inc. | Saturable Bragg reflector structure and process for fabricating the same |
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| US7590159B2 (en) | 2001-02-26 | 2009-09-15 | Ricoh Company, Ltd. | Surface-emission laser diode operable in the wavelength band of 1.1-1.7 micrometers and optical telecommunication system using such a laser diode |
| FI117955B (fi) * | 2001-04-27 | 2007-04-30 | Optoelectronics Res Ct | Suuren hyötysuhteen omaava puolijohdevalolähde ja menetelmä sen valmistamiseksi |
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| US7227174B2 (en) | 2003-06-26 | 2007-06-05 | Rj Mears, Llc | Semiconductor device including a superlattice and adjacent semiconductor layer with doped regions defining a semiconductor junction |
| JP2007273742A (ja) * | 2006-03-31 | 2007-10-18 | Dowa Holdings Co Ltd | 反射層及び面発光素子 |
| US8189642B1 (en) | 2007-08-08 | 2012-05-29 | Emcore Corporation | VCSEL semiconductor device |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2567008B2 (ja) * | 1987-12-28 | 1996-12-25 | 株式会社東芝 | 半導体レーザ素子およびその製造方法 |
| KR970007142B1 (ko) * | 1988-01-06 | 1997-05-02 | 텔스트라 코오포레이숀 리미티드 | 전류 주입 레이저 |
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| US4949350A (en) * | 1989-07-17 | 1990-08-14 | Bell Communications Research, Inc. | Surface emitting semiconductor laser |
-
1990
- 1990-04-16 JP JP2099661A patent/JP2646799B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1990-12-20 EP EP90124975A patent/EP0434068A1/en not_active Ceased
- 1990-12-20 CA CA002032869A patent/CA2032869C/en not_active Expired - Lifetime
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Non-Patent Citations (2)
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