JP2744503B2 - 面形発光素子 - Google Patents

面形発光素子

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JP2744503B2
JP2744503B2 JP2024452A JP2445290A JP2744503B2 JP 2744503 B2 JP2744503 B2 JP 2744503B2 JP 2024452 A JP2024452 A JP 2024452A JP 2445290 A JP2445290 A JP 2445290A JP 2744503 B2 JP2744503 B2 JP 2744503B2
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攻 小暮
雅信 岡安
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    • 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
    • H01S5/183Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18344Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] characterized by the mesa, e.g. dimensions or shape of the mesa
    • H01S5/18347Mesa comprising active layer
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S5/18361Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、基板に垂直方向に発光またはレーザ発振す
る面形発光素子に関し、詳しくは面発光形半導体レーザ
の特性改善、および微細素子作製の容易化に関するもの
である。
(従来の技術) 基板に垂直に発振する面発光形半導体レーザでは、キ
ャビティ長、すなわち増幅領域が、エピ厚に対応するの
で、ミクロンオーダであり、通常のストライプ形レーザ
に比べて極めて短い。このためレーザ発振を得るために
は、できるだけ反射率を高めて光の内部往復を繰り返す
ことにより、キャビティ長を実効的に長くして、ゲイン
を得ていた。
第2図は、従来のGaAlAs系面発光レーザの構造を示す
模式的断面図であって、発光層は、GaAs基板1の上にGa
As層もしくはInGaAs歪層のDH(Double Hetero)構造ま
たはGRIN(Graded Index)構造からなる活性領域2をも
ち、ミラー間隔を1波形程度とした、いわゆるマイクロ
キャビティ形をしている。活性領域の外側のキャビティ
用ミラー3,4は、透明であって、GaAs/AlGaAsの各々λ/4
n(λは発振波長、nは各屈折率)の厚さからなる半導
体多層膜ミラーを使用している。AlGaAs系の屈折率nは
GaAsで約3.6、AlAsで約3.0であり、中間組成ではほぼ直
線的に変化する。多層膜ミラーの反射率は、多層膜ミラ
ーを構成する半導体層の屈折率の差Δnが大きいほど高
いので、従来の面形発光素子では、GaAs(またはx0.
2のAlxGa1-xAs)とAlAs(またはx0.9のAlxGa1-xAs)
を用い、その層数(ペア数)は15〜30が使用されてい
た。発光層にInGaAs歪量子井戸を用いた場合、発光波長
は約1μmであり、GaAs基板も透明であるので、基板側
から出力を出す場合にも基板GaAsの穴開けを行う必要は
ない。マイクロキャビティ形レーザでは、発光した光を
ミラー間で往復させる通常のレーザと異なり、両ミラー
の反射率以外に、キャビティモードの半値幅と発光した
光の半値幅が特性に関係してくる。すなわち自然放出係
数βを大きくすることが発光出力の増大および変調速度
の高帯域化などに重要となる。一般にマイクロキャビテ
ィの反射率とキャビティモードの半値幅とは逆比例の関
係がある。従って前述の従来の面発光形半導体レーザで
は、多層膜ミラーの反射率を大きくすることばかりに注
目していたが、キャビティモードの半値幅が発光の半値
幅に比べて極端に狭くなり、有効に光出力が外部に取り
出せない欠点があった。また変調速度について言えば、
高反射ミラーのレーザでは、フォトンのライフタイムが
長くなるので、変調速度は、これにより制限があった。
第3図にマイクロキャビティの反射特性を示す。
(a)は従来の面発光形半導体レーザに用いられていた
もので、両多層膜ミラーがλ/4n−GaAs膜とλ/4n−AlAs
膜の20ペアからなる場合の反射特性である。キャビティ
全体の反射率はR>99.99%(各多層膜ミラーの反射率
はエピ側99.9%、基板側99.7%)、キャビティモードの
半値幅Δλは0.1nmである。ところが発光層がInGaAs
歪量子井戸層やGaAs量子井戸層の室温における発光半値
幅ΔλPLは通常5nm〜15nm程度であるので、Δλ≪Δ
λPLとなり、発光の大部分はキャビティ外には出てこな
い状況となっていた。自然放出係数βは、波長帯域分0.
1/5〜0.1/15、立体角分約0.1とすると、β=0.7〜2×1
0-3となり、このため出力が小さく、面形半導体レーザ
の最大の欠点となっていた。
一方、変調速度は緩和振動周波数fr=(P/Pth-1)1/2
(τspτph1/2/2πで制限される。ここで、Pは注入
密度、Pth(発振しきい値密度)はPth=γnsp/β=n
sp/βτph,γ(=1/τph)は共振器の帯域幅、nsp
キャリアの反転分布係数、τphおよびτspはそれぞれフ
ォトンおよびキャリアのライフタイムである。高注入状
態のP≫Pthでは、fr(βP/nspτsp1/2/2πとな
り、自然放出係数βが小さいと高速変調に不利であっ
た。
またAl組成が100%に近いAlGaAsでは、化学的に不安
定である、電子およびホールの移動度が小さい、加工性
が悪いなどの種々の問題があり、またエピ成長の際には
良好な平坦性が得られないという困難性もあった。また
反射率を高くするために多層膜のペア数を増すと、全体
の厚みが厚くなり、これは微細径素子の作製やシリーズ
抵抗の点で不利となるほか、エピ成長表面の平坦性が徐
々に劣化し、ミラー特性が悪くなる欠点があった。
(発明が解決しようとする課題) 本発明では、発光を有効に取り出し、またはレーザ発
振に使用し、かつ変調帯域幅を拡大するため、キャビテ
ィモードの半値幅を発光した光のそれと同程度にした、
面形発光素子および半導体レーザに関するものである。
またAl組成が100%近傍のAlGaAsの使用を回避するもの
である。
(課題を解決するための手段) 本発明では、少なくとも一方の多層膜ミラーを構成す
る材料(λ/4n膜)の屈折率の差を少なくするか、また
はペア数を少なくし、キャビティモードの半値幅を発光
した光のそれと同程度としたところが、従来の面形発光
素子と異なる。
(実施例) 第1図は本発明の面形発光素子の一実施例の構造を示
す模式的断面図である。活性領域はInGaAs歪量子井戸
(発光波長980nm)の発光層と、GaAs−Al0.6Ga0.4AsのG
RIN構造からなり、スペーサにはAl0.6Ga0.4Asを用い、
ミラー間隔は1波長または1/2波長としている。多層膜
ミラーはGaAsとAl0.6Ga0.4Asのλ/4n膜からなるが、例
えがミラー間隔が1/2波長の場合、スペーサに接するλ/
4n膜はGaAsとし、キャビティ内の定在波の腹がキャビテ
ィの中心にくるようにし、その位置に発光層があるもの
である。1波長の場合にも同様にGRIN構造およびスペー
サのAlGaAs組成を選び、定在波の腹がキャビティの中央
にくるようにし、その位置に発光層を置く。このように
したものについて、この実施例では第3図(b)に示す
ように、発光幅とキャビティモード幅が同程度となるよ
う以下のように多層膜ミラーを設定する。
表1に本発明における具体的な多層膜ミラーの構成と
ミラー特性の関係を、従来形のものと比較して示す。多
層膜組成が、はGaAs/Al0.6Ga0.4As、はGaAs/Al0.8G
a0.2As、はGaAs/AlAsのものである。屈折率は、3.66
(GaAs),3.294(Al0.6Ga0.4As),3.172(Al0.8Ga0.2A
s),3.05(AlAs)とした。キャビティは、すべてAl0.6G
a0.4Asのλ/2厚とし、各反射率はキャビティからエピ側
および基板側をみたものである。両側の反射率の値が近
いものは、面形双安定形論理素子として、一方から信号
光を受信し、他方ヘレージング光を出力する場合のもの
である。各々の反射率は、キャビティモードの半値幅と
発光波長の半値幅を同程度にしつつ、素子の受光感度お
よび発光出力に従い任意に設定される。また一方の反射
率を1に近くし、他方の反射率をそれより小さくした非
対称構成のものは、小さい反射率の方向へのみ発光する
光を得るもので、発光専用または受光、発光が同一面側
である素子の場合のものである。
本発明におけるキャビティモードの半値幅Δλは1n
m〜16nmであり、これは発光層からの発光半値幅ΔλPL
=5nm〜15nmに近い値であるので、全発光が有効にレー
ジングに関与することができる。このため光出力の大き
い半導体レーザを提供することができた。多層膜材料と
して、AlAsを用いた場合には、ペア数を少なくすること
ができ、全体の厚さを薄くできる。波長1μmにおける
AlGaAs系材料のλ/4膜の厚さは約70nmで、20ペアでは2.
8μmとなる。面発光形半導体レーザのしきい値は原理
的には面積に比例して小さくなるので、微小径素子の作
製が重要であるが、上記ミラーの厚さでは1μmオーダ
の微小径の面形発光素子の作製は困難となる。従って多
層膜ミラーのペア数を少なくすることは、微小径素子の
作製に非常に有利となる。
またAl組成が60%〜80%程度のものでも、反射率をさ
ほど落とさずに、キャビティモード幅を発光した光の半
値幅と同程度とすることができた。このAl組成は実用化
されたストライプ形レーザに使用されている程度の組成
であり、化学的安定性や電気的特性の点で問題はない。
(発明の効果) 本発明の面形発光素子は、前記の実施例では、発光層
がInGaAs歪量子井戸、多層膜ミラーがAlGaAs系のもので
あったが、本発明の基本概念は、発光層がGaAsまたはAl
組成の少ないAlGaAsの場合にも、さらにはInGaAsP/InP
長波系発光素子、AlGaInP系可視光素子などにも適用で
きる。
また量子構造は前記の1次元井戸構造だけでなく、2
次元、3次元量子井戸、すなわち量子線、量子箱形につ
いても、おのおの発光幅に合わせてミラー特性を設定す
ることにより、本発明の効果を得ることができる。
また素子形態についても面発光形半導体レーザ、面形
LEDばかりでなく、面形双安定レーザおよびそれを用い
た光論理素子等に対する適用も可能である。使用するミ
ラー用多層膜については、誘電体多層膜、金属膜等を使
用できることはもち論である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の面形発光素子の一実施例の構造を示す
模式的断面図、 第2図は従来の面形発光素子の構造を示す模式的断面
図、 第3図はマイクロキャビティの反射特性を示す図であ
る。 1……GaAs基板 2……GaAs層またはInGaAs歪量子井戸を発光層とするDH
形またはGRIN形の活性層 3……基板側多層膜ミラー 4……エピ側多層膜ミラー 3a,4a……AlAsのλ/4波長膜 3b,4b……GaAsのλ/4波長膜 31a,41a……Al0.6Ga0.4As〜Al0.8Ga0.2Asのλ/4波長膜 31b,41b……GaAs〜Al0.1Ga0.9Asのλ/4波長膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡安 雅信 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 上原 信吾 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平1−298787(JP,A) 電子情報通信学会誌 72[9 ](1989)P.1014−1020

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一定の間隔を持つ1組の多層膜ミラーでキ
    ャビティが形成され、該キャビティ内の定在波の腹の部
    分に発光層を有し、基板に垂直に発光またはレーザ発振
    する発光素子において、該キャビティモードの半値幅と
    発光波長の半値幅を同程度にしたことを特徴とする面形
    発光素子。
  2. 【請求項2】多層膜ミラーの反射率が光取り出し側で小
    さく、反対側で1に近いことを特徴とする請求項1に記
    載の面形発光素子。
  3. 【請求項3】二つの多層膜ミラーの反射率がほぼ等し
    く、一方から受光し他方から発光することを特徴とする
    請求項1に記載の面形発光素子。
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