JP2940644B2 - 面形発光素子 - Google Patents
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- H01S5/10—Construction 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
- H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
- H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
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- H01S5/18361—Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors
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- Semiconductor Lasers (AREA)
- Led Devices (AREA)
Description
【０００１】
【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ダイオードおよび面発光
形半導体レーザの特性改善に関するものであり、素子抵
抗の低減と、低しきい値・高効率の素子を提供するもの
である。
またはレーザ発振する面形発光ダイオードおよび面発光
形半導体レーザの特性改善に関するものであり、素子抵
抗の低減と、低しきい値・高効率の素子を提供するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】基板に垂直に発光または発振する自然発
光制御形面発光ダイオード或いは面発光形半導体レーザ
は、微細で指向性がよく高効率で（またはしきい値が小
さく）、２次元アレイ化に適しているため、光応用の新
しい道を開くものとして期待が大きい。しかし自然発光
を効率よく制御するため、または低しきい値でレーザ発
振を得るためには、１００％に近い反射率のミラーが要
求される。このため、半導体または誘電体の多層膜等か
らなるＤＢＲミラー（distributed Bragg reflector ）
が使用されている。
光制御形面発光ダイオード或いは面発光形半導体レーザ
は、微細で指向性がよく高効率で（またはしきい値が小
さく）、２次元アレイ化に適しているため、光応用の新
しい道を開くものとして期待が大きい。しかし自然発光
を効率よく制御するため、または低しきい値でレーザ発
振を得るためには、１００％に近い反射率のミラーが要
求される。このため、半導体または誘電体の多層膜等か
らなるＤＢＲミラー（distributed Bragg reflector ）
が使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】図４は従来の発光素子
の一例を示すもので、図において、１ａは基板、２はキ
ャビティ、３及び４ａはミラー、１１ａ及び１２ａは電
極を示す。換言すれば、ｎ−ＧａＡｓ基板１ａ上に、Ｇ
ａＡｓまたはＩｎＧａＡｓ歪層を発光層としたＤＨ（Do
uble Hetero ）構造、ＳＣＨ（Separated Comfined Het
ero ）構造あるいはＧＲＩＮ（Graded Index）−ＳＣＨ
構造からなるキャビティ領域２をもち、ミラー間隔を１
または１／２光学波長としたいわゆるマイクロキャビテ
ィ形をしている。キャビティ領域の外側にｎ形半導体多
層膜からなる基板側ミラー３、およびｐ形半導体多層膜
からなる空気側ミラー４ａを持ち、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ
またはＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓの各々λ／４ｎの厚さの
交互半導体多層膜が使用されている（λは発光波長、ｎ
は各屈折率）。ｐ形多層膜より正孔を、ｎ形多層膜より
電子をキャビティ内の発光層へ注入し、発光層内での再
結合により発光を得ている。発光層はｎ形またはｐ形い
ずれでもよい。素子はメサ形素子であり、発光は基板１
ａを通して出力される。発光層にＩｎＧａＡｓ歪量子井
戸を用いた場合、発光波長は〜１μｍでＧａＡｓのバン
ドギャップよりエネルギが小さく、またｎ形基板はこの
光に対し透明であるため、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。メサ構造
は、電流狭窄および垂直方向の光ガイドを形成するため
の一つの方法であるが、周りを半導体で埋め込んだ埋込
み形など他の構造であってもよい。メサの高さは、電流
狭窄のためには、少なくともキャビティ領域２の下ま
で、また光ガイド性からは基板側ミラーのできるだけ下
部までメサ形状を形成することが望ましい。以下の例で
は、メサの高さは、電流狭窄を行い、かつ基板側での抵
抗を小さくするため、基板側ミラーのキャビティに近い
位置にあるとする。
の一例を示すもので、図において、１ａは基板、２はキ
ャビティ、３及び４ａはミラー、１１ａ及び１２ａは電
極を示す。換言すれば、ｎ−ＧａＡｓ基板１ａ上に、Ｇ
ａＡｓまたはＩｎＧａＡｓ歪層を発光層としたＤＨ（Do
uble Hetero ）構造、ＳＣＨ（Separated Comfined Het
ero ）構造あるいはＧＲＩＮ（Graded Index）−ＳＣＨ
構造からなるキャビティ領域２をもち、ミラー間隔を１
または１／２光学波長としたいわゆるマイクロキャビテ
ィ形をしている。キャビティ領域の外側にｎ形半導体多
層膜からなる基板側ミラー３、およびｐ形半導体多層膜
からなる空気側ミラー４ａを持ち、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ
またはＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓの各々λ／４ｎの厚さの
交互半導体多層膜が使用されている（λは発光波長、ｎ
は各屈折率）。ｐ形多層膜より正孔を、ｎ形多層膜より
電子をキャビティ内の発光層へ注入し、発光層内での再
結合により発光を得ている。発光層はｎ形またはｐ形い
ずれでもよい。素子はメサ形素子であり、発光は基板１
ａを通して出力される。発光層にＩｎＧａＡｓ歪量子井
戸を用いた場合、発光波長は〜１μｍでＧａＡｓのバン
ドギャップよりエネルギが小さく、またｎ形基板はこの
光に対し透明であるため、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。メサ構造
は、電流狭窄および垂直方向の光ガイドを形成するため
の一つの方法であるが、周りを半導体で埋め込んだ埋込
み形など他の構造であってもよい。メサの高さは、電流
狭窄のためには、少なくともキャビティ領域２の下ま
で、また光ガイド性からは基板側ミラーのできるだけ下
部までメサ形状を形成することが望ましい。以下の例で
は、メサの高さは、電流狭窄を行い、かつ基板側での抵
抗を小さくするため、基板側ミラーのキャビティに近い
位置にあるとする。
【０００４】半導体多層膜ミラーの反射率は、構成する
半導体層の屈折率差Δｎが大きくまた膜数（ペア数）が
多いほど高いが、従来の面発光素子では、発振に必要な
１００％に近い反射率を得るため、半導体としてＧａＡ
ｓとＡｌＡｓなど組成差の大きい材料が用いれている。
ところで一般に同一構成の半導体多層膜ミラーを比べた
場合、発光層からみて基板（屈折率〜３．６）側ミラー
の反射率は空気（屈折率１）側の反射率に比べかなり小
さい。そのためそのペア数は、ミラー組成としてＧａＡ
ｓ／ＡｌＡｓを使用しても、基板側で２０〜４０ペア、
空気側で１０〜２５ペアが必要である。
半導体層の屈折率差Δｎが大きくまた膜数（ペア数）が
多いほど高いが、従来の面発光素子では、発振に必要な
１００％に近い反射率を得るため、半導体としてＧａＡ
ｓとＡｌＡｓなど組成差の大きい材料が用いれている。
ところで一般に同一構成の半導体多層膜ミラーを比べた
場合、発光層からみて基板（屈折率〜３．６）側ミラー
の反射率は空気（屈折率１）側の反射率に比べかなり小
さい。そのためそのペア数は、ミラー組成としてＧａＡ
ｓ／ＡｌＡｓを使用しても、基板側で２０〜４０ペア、
空気側で１０〜２５ペアが必要である。
【０００５】しかし組成差を大きく取ると界面での電気
的なエネルギバリアが大きくなり、またペア数を多く取
るとミラー厚が厚くなるため、いずれも素子抵抗を異常
に大きくすることになる。特にｐ形ミラーの場合、化合
物半導体のホール有効質量が大きく、移動度が小さいた
め、バリアおよび厚さによるミラー抵抗の問題は重要で
ある。また微細化に伴い素子抵抗は増大するが、少なく
とも電流狭窄に必要なメサ高さ、即ち空気側ミラーがｐ
形で形成されている場合には、ｎ形に比べて一層不利と
なる。
的なエネルギバリアが大きくなり、またペア数を多く取
るとミラー厚が厚くなるため、いずれも素子抵抗を異常
に大きくすることになる。特にｐ形ミラーの場合、化合
物半導体のホール有効質量が大きく、移動度が小さいた
め、バリアおよび厚さによるミラー抵抗の問題は重要で
ある。また微細化に伴い素子抵抗は増大するが、少なく
とも電流狭窄に必要なメサ高さ、即ち空気側ミラーがｐ
形で形成されている場合には、ｎ形に比べて一層不利と
なる。
【０００６】例えばｐ形ミラーをＧａＡｓ／ＡｌＡｓの
２０ペアとした場合、その厚さは約３ミクロン、界面数
は４０となり、径が１０μｍ程度のメサ形素子の素子抵
抗は１００Ω以上で、面発光レーザのしきい値電圧は１
５Ｖを越えていた。このためＧａＡｓ／ＡｌＡｓ界面に
Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓの中間層を挿入するなどの対策が
行われているが、本質的な解決に至らず、また半導体ミ
ラー全体の厚さが厚いため、４Ｖ程度までしかいきい値
電圧が下げられなかった。これは通常のストライプレー
ザの場合の１．４Ｖ程度に比べ、３倍に近い大きさであ
る。面形レーザの最大の特長は、微細で２次元集積でき
ることであるが、微細化により、たとえしきい値が小さ
くなっても高抵抗により電圧が高ければ低電力化が損な
われ、集積化の条件を満たさなくなるおそれがある。ま
た高抵抗は高速動作にとっても不利となる。
２０ペアとした場合、その厚さは約３ミクロン、界面数
は４０となり、径が１０μｍ程度のメサ形素子の素子抵
抗は１００Ω以上で、面発光レーザのしきい値電圧は１
５Ｖを越えていた。このためＧａＡｓ／ＡｌＡｓ界面に
Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓの中間層を挿入するなどの対策が
行われているが、本質的な解決に至らず、また半導体ミ
ラー全体の厚さが厚いため、４Ｖ程度までしかいきい値
電圧が下げられなかった。これは通常のストライプレー
ザの場合の１．４Ｖ程度に比べ、３倍に近い大きさであ
る。面形レーザの最大の特長は、微細で２次元集積でき
ることであるが、微細化により、たとえしきい値が小さ
くなっても高抵抗により電圧が高ければ低電力化が損な
われ、集積化の条件を満たさなくなるおそれがある。ま
た高抵抗は高速動作にとっても不利となる。
【０００７】メサ部での抵抗を下げるためには、まず図
４の素子構造において、ｐ，ｎを逆転させた構造（キャ
ビティはｎ，ｐどちらでもかまわない）が考えられる
が、この場合、基板側がｐ形半導体ミラーとなる。もと
もと高い反射率を得るためには多数のペア数を必要とす
るが、前述のように、基板側では反射率の点で不利であ
るため、反射率向上のためにはさらにペア数、即ち全体
の厚さおよび界面数が大きくなり、たとえメサ形状でな
くとも抵抗の増大をもたらす。また一般にｐ形半導体で
はバンドギャップ以下のエネルギの光に対して吸収が大
きく
４の素子構造において、ｐ，ｎを逆転させた構造（キャ
ビティはｎ，ｐどちらでもかまわない）が考えられる
が、この場合、基板側がｐ形半導体ミラーとなる。もと
もと高い反射率を得るためには多数のペア数を必要とす
るが、前述のように、基板側では反射率の点で不利であ
るため、反射率向上のためにはさらにペア数、即ち全体
の厚さおよび界面数が大きくなり、たとえメサ形状でな
くとも抵抗の増大をもたらす。また一般にｐ形半導体で
はバンドギャップ以下のエネルギの光に対して吸収が大
きく
【数１】 ミラーを構成するｐ形半導体のドープ量を増すとミラー
内による吸収ロスのため、しきい値の増大を引き起こ
す。同様にｐ形基板を通して発光出力を得ることは不可
能となる。
内による吸収ロスのため、しきい値の増大を引き起こ
す。同様にｐ形基板を通して発光出力を得ることは不可
能となる。
【０００８】本発明は上記の欠点を改善するために提案
されたもので、その目的は、メサ部分の空気側にはｎ形
半導体多層膜ミラーを用いるが、基板側のｐ形半導体多
層膜は全く使用しないか必要最小限とし、オーミック形
成用および電流注入用の半導体層を導入してｐ側の電流
経路とすることにより、基板側ミラーの主たる部分はｎ
形半導体多層膜で構成できるようにし、またこの際前記
オーミック兼注入用の半導体膜はミラーとしての構成条
件を損なわないよう、λ／４ｎの奇数倍とすることによ
り、低抵抗かつ低しきい値の面発光レーザ、および面形
発光ダイオードを提供することにある。
されたもので、その目的は、メサ部分の空気側にはｎ形
半導体多層膜ミラーを用いるが、基板側のｐ形半導体多
層膜は全く使用しないか必要最小限とし、オーミック形
成用および電流注入用の半導体層を導入してｐ側の電流
経路とすることにより、基板側ミラーの主たる部分はｎ
形半導体多層膜で構成できるようにし、またこの際前記
オーミック兼注入用の半導体膜はミラーとしての構成条
件を損なわないよう、λ／４ｎの奇数倍とすることによ
り、低抵抗かつ低しきい値の面発光レーザ、および面形
発光ダイオードを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は発光領域の正孔注入側にｐ形電流注入層を
設け、該注入層の発光領域と反対側にｎ形またはアンド
ープの半導体多層膜からなるミラーを有することを特徴
とする面形発光素子を発明の要旨とするものである。
め、本発明は発光領域の正孔注入側にｐ形電流注入層を
設け、該注入層の発光領域と反対側にｎ形またはアンド
ープの半導体多層膜からなるミラーを有することを特徴
とする面形発光素子を発明の要旨とするものである。
【００１０】
【作用】基板側にｐ形オーミック形成用および電流注入
用の半導体層を使用し、基板側ミラーの主たる部分はｎ
形半導体多層膜で構成すること、前記オーミック兼注入
用の半導体膜を、λ／４ｎの奇数倍とすることにより、
ミラーとしての構成条件を損なわないようにした点が従
来の素子と異なるものであり、これによって素子抵抗の
低減と、低しきい値、高効率の発光素子をうることがで
きる。
用の半導体層を使用し、基板側ミラーの主たる部分はｎ
形半導体多層膜で構成すること、前記オーミック兼注入
用の半導体膜を、λ／４ｎの奇数倍とすることにより、
ミラーとしての構成条件を損なわないようにした点が従
来の素子と異なるものであり、これによって素子抵抗の
低減と、低しきい値、高効率の発光素子をうることがで
きる。
【００１１】
【実施例】次に本発明の実施例について説明する。なお
実施例は一つの例示であって、本発明の精神を逸脱しな
い範囲で、種々の変更あるいは改良を行いうることは言
うまでもない。
実施例は一つの例示であって、本発明の精神を逸脱しな
い範囲で、種々の変更あるいは改良を行いうることは言
うまでもない。
【００１２】図１は本発明の発光素子の一実施例を示
す。図において、１ｂはｎ形または半絶縁性ＧａＡｓ基
板、２はＧａＡｓ層またはＩｎＧａＡｓ歪量子井戸を発
光層とするＤＨ，ＳＣＨまたはＧＲＩＮ−ＳＣＨ形キャ
ビティ、２ａは発光層、３１は基板側ミラーを構成する
ｐ形半導体多層膜、３２はｐ形ＧａＡｓ（コンタクト兼
注入層）、３３は基板側ミラーを構成するｎ形半導体多
層膜、４ｂは空気側ｎ形半導体多層膜ミラー、１１はｎ
形電極、１２はｐ形電極（リング状）を示す。次に詳細
に各部について説明する。ｎ形または半絶縁性ＧａＡｓ
基板１ｂ上に、基板側ミラーの一部としてｎ形またはア
ンドープの半導体交互多層膜３３を形成する。例えば、
その組成をＡｌＡｓとＧａＡｓとすると、その４分の１
光学波長は、各々80.3ｎｍ、66.9ｎｍである（発光波長
を９８０ｎｍ、ＡｌＡｓとＧａＡｓの屈折率を各々3.0
5，3.66とした）。この材料で20.5ペア（最上層はＡｌ
Ａｓ）を形成すると、全体の厚さは３．０μｍ、発光層
側から基板側をみた反射率の最高値は99.8％である。
す。図において、１ｂはｎ形または半絶縁性ＧａＡｓ基
板、２はＧａＡｓ層またはＩｎＧａＡｓ歪量子井戸を発
光層とするＤＨ，ＳＣＨまたはＧＲＩＮ−ＳＣＨ形キャ
ビティ、２ａは発光層、３１は基板側ミラーを構成する
ｐ形半導体多層膜、３２はｐ形ＧａＡｓ（コンタクト兼
注入層）、３３は基板側ミラーを構成するｎ形半導体多
層膜、４ｂは空気側ｎ形半導体多層膜ミラー、１１はｎ
形電極、１２はｐ形電極（リング状）を示す。次に詳細
に各部について説明する。ｎ形または半絶縁性ＧａＡｓ
基板１ｂ上に、基板側ミラーの一部としてｎ形またはア
ンドープの半導体交互多層膜３３を形成する。例えば、
その組成をＡｌＡｓとＧａＡｓとすると、その４分の１
光学波長は、各々80.3ｎｍ、66.9ｎｍである（発光波長
を９８０ｎｍ、ＡｌＡｓとＧａＡｓの屈折率を各々3.0
5，3.66とした）。この材料で20.5ペア（最上層はＡｌ
Ａｓ）を形成すると、全体の厚さは３．０μｍ、発光層
側から基板側をみた反射率の最高値は99.8％である。
【００１３】次いで基板側コンタクト兼注入層３２とし
てｐ−ＧａＡｓを一層形成する。この層の厚さは基本的
にはλ／４ｎ光学厚（λは発光波長、ｎは屈折率）であ
るが、素子抵抗を小さくするため、または素子作製を容
易にするためには、この層は厚い方が望ましい。例えば
ＧａＡｓのλ／４ｎ厚は約0.07μｍと一層では非常に薄
い。この薄層をとおして正孔を注入すれば素子抵抗は大
きく、またメサ内全体に均一に注入することは困難であ
る。しかし、後述のようにその奇数倍なら５倍で0.33μ
ｍ、９倍で0.61μｍとなり注入用薄膜として十分なもの
となる。しかしこの層は前記のｎ形または半絶縁性半導
体多層膜３３および後述のｐ形半導体層３１と一体とな
って一つのミラーを形成するため、その厚さには条件が
ある。基本的にはλ／４ｎの整数倍であるが、ｐ形半導
体層３１のペア数、および空気側ミラー４ｂとの関係で
奇数倍が許される。その他場合によっては位相調整のた
め多少の厚さ増減を行うこともなる。これらの詳細につ
いては後で述べる。またこの層のｐ形キャリア濃度は、
オーミックコンタクトおよび電流注入のためにはできる
だけ多い方が望ましいが、吸収ロスによるしきい値上昇
があるため、これらの兼合で最適値が選ばれる。場合に
よっては、ｐ−ＧａＡｓを２つに分け、内部は４×１０
18ｃｍ-3以下とし、表面の極薄い部分（１００Å程度）
のみを１×１０19ｃｍ-3の高濃度化としてもよい。
てｐ−ＧａＡｓを一層形成する。この層の厚さは基本的
にはλ／４ｎ光学厚（λは発光波長、ｎは屈折率）であ
るが、素子抵抗を小さくするため、または素子作製を容
易にするためには、この層は厚い方が望ましい。例えば
ＧａＡｓのλ／４ｎ厚は約0.07μｍと一層では非常に薄
い。この薄層をとおして正孔を注入すれば素子抵抗は大
きく、またメサ内全体に均一に注入することは困難であ
る。しかし、後述のようにその奇数倍なら５倍で0.33μ
ｍ、９倍で0.61μｍとなり注入用薄膜として十分なもの
となる。しかしこの層は前記のｎ形または半絶縁性半導
体多層膜３３および後述のｐ形半導体層３１と一体とな
って一つのミラーを形成するため、その厚さには条件が
ある。基本的にはλ／４ｎの整数倍であるが、ｐ形半導
体層３１のペア数、および空気側ミラー４ｂとの関係で
奇数倍が許される。その他場合によっては位相調整のた
め多少の厚さ増減を行うこともなる。これらの詳細につ
いては後で述べる。またこの層のｐ形キャリア濃度は、
オーミックコンタクトおよび電流注入のためにはできる
だけ多い方が望ましいが、吸収ロスによるしきい値上昇
があるため、これらの兼合で最適値が選ばれる。場合に
よっては、ｐ−ＧａＡｓを２つに分け、内部は４×１０
18ｃｍ-3以下とし、表面の極薄い部分（１００Å程度）
のみを１×１０19ｃｍ-3の高濃度化としてもよい。
【００１４】次にｐ形多層膜３１として、一般にＡｌx
Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ≦１）／ＧａＡｓの各λ／４ｎ光学厚
からなる数ペアの多層膜が形成される。但しこの多層膜
は必ずしも必要ではなく、メサの高さ（即ちガイド性）
の調整、基板側ミラーの一部としての位相の調整用に用
いられる。例えばキャビティ２が１波長の場合、定在波
の腹をキャビティの中央（発光層位置）に合わせ発光ゲ
インを効率化するためには、キャビティに接する半導体
層の屈折率はキャビティ用半導体のものより小さくしな
ければならない。例えば本実施例では、発光層２ａがＩ
ｎＧａＡｓ歪層としてＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡ
ｓ−ＳＣＨ構造（各々１００Å程度）を中心に持つＡｌ
0.3 Ｇａ0.7 Ａｓをλ−キャビティとして、３１として
Ａｌ0.7Ｇａ0.3 Ａｓのλ／４ｎ厚膜が一層接し、さら
に数ペアのｐ形多層膜が追加される。空気側ミラー４ｂ
もキャビティに接する最下層はキャビティより屈折率の
小さいＡｌ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓとする。また同様の組成で
キャビティをλ／２とする場合には、より屈折率の大き
いＧａＡｓがキャビティに接するようにする。空気側ミ
ラーもこれと同様とする。ｐ形多層膜のキャリア濃度、
Ａｌ組成、ペア数は反射率よりも素子抵抗、しきい値電
流を主に考慮して選ばれる。
Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ≦１）／ＧａＡｓの各λ／４ｎ光学厚
からなる数ペアの多層膜が形成される。但しこの多層膜
は必ずしも必要ではなく、メサの高さ（即ちガイド性）
の調整、基板側ミラーの一部としての位相の調整用に用
いられる。例えばキャビティ２が１波長の場合、定在波
の腹をキャビティの中央（発光層位置）に合わせ発光ゲ
インを効率化するためには、キャビティに接する半導体
層の屈折率はキャビティ用半導体のものより小さくしな
ければならない。例えば本実施例では、発光層２ａがＩ
ｎＧａＡｓ歪層としてＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡ
ｓ−ＳＣＨ構造（各々１００Å程度）を中心に持つＡｌ
0.3 Ｇａ0.7 Ａｓをλ−キャビティとして、３１として
Ａｌ0.7Ｇａ0.3 Ａｓのλ／４ｎ厚膜が一層接し、さら
に数ペアのｐ形多層膜が追加される。空気側ミラー４ｂ
もキャビティに接する最下層はキャビティより屈折率の
小さいＡｌ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓとする。また同様の組成で
キャビティをλ／２とする場合には、より屈折率の大き
いＧａＡｓがキャビティに接するようにする。空気側ミ
ラーもこれと同様とする。ｐ形多層膜のキャリア濃度、
Ａｌ組成、ペア数は反射率よりも素子抵抗、しきい値電
流を主に考慮して選ばれる。
【００１５】空気側ミラー４ｂの残りの部分は、ｎ形半
導体交互多層膜例えばＡｌ濃度の多いＡｌＧａＡｓとＧ
ａＡｓが使用され、その最上層はオーミックコンタクト
の容易なＧａＡｓで、かつ電極用金属による反射の位相
ずれを考慮して厚さが調整される。図５にミラー全体の
反射スペクトルを示す（両ミラーおよびキャビティを含
む構成をエピ層上面の空気側からみた上部電極がない場
合の反射スペクトル）。横軸はλ（ナノメータ）、縦軸
は反射率をとってある。キャビティ領域２が１λの厚さ
で、その組成がＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ、ｐ形半導体多層
膜３１としてＡｌ0.6 Ｇａ0.4 Ａｓ／ＧａＡｓ／Ａｌ
0.6 Ｇａ0.4 Ａｓ（即ち１．５ペア）、コンタクト層３
２として（ａ）図はＧａＡｓが３λ／４ｎ｛一般には
（２ｍ＋１）λ／４｝の厚さの場合、（ｂ）図は同じく
２λ／４ｎ（一般的には２ｍλ／４）の厚さの場合、そ
の下のｎ形多層膜はＡｌＡｓ／ＧａＡｓの20.5ペア、ま
た空気側はｎ形ＡｌＡｓ／ＧａＡｓの１０ペアの場合で
ある。
導体交互多層膜例えばＡｌ濃度の多いＡｌＧａＡｓとＧ
ａＡｓが使用され、その最上層はオーミックコンタクト
の容易なＧａＡｓで、かつ電極用金属による反射の位相
ずれを考慮して厚さが調整される。図５にミラー全体の
反射スペクトルを示す（両ミラーおよびキャビティを含
む構成をエピ層上面の空気側からみた上部電極がない場
合の反射スペクトル）。横軸はλ（ナノメータ）、縦軸
は反射率をとってある。キャビティ領域２が１λの厚さ
で、その組成がＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ、ｐ形半導体多層
膜３１としてＡｌ0.6 Ｇａ0.4 Ａｓ／ＧａＡｓ／Ａｌ
0.6 Ｇａ0.4 Ａｓ（即ち１．５ペア）、コンタクト層３
２として（ａ）図はＧａＡｓが３λ／４ｎ｛一般には
（２ｍ＋１）λ／４｝の厚さの場合、（ｂ）図は同じく
２λ／４ｎ（一般的には２ｍλ／４）の厚さの場合、そ
の下のｎ形多層膜はＡｌＡｓ／ＧａＡｓの20.5ペア、ま
た空気側はｎ形ＡｌＡｓ／ＧａＡｓの１０ペアの場合で
ある。
【００１６】コンタクト層以外の半導体膜は、λ／４ｎ
厚（λ＝９８０ｎｍ）からなるが、図５（ａ）図のよう
にコンタクト層がλ／４ｎの奇数倍の厚さの場合ではλ
＝９８０ｎｍの波長に反射のディップ（キャビティモー
ド）が存在し、この波長で発光または発振光が取り出さ
れる。（ｂ）図のように偶数倍の厚さの場合では、キャ
ビティ波長が所望の９８０ｎｍからずれ、ほぼ対称に離
れた２つの波長位置にサイドモードが発生する。この場
合、発光層の発光波長を９８０ｎｍとしたままでは所望
の素子の作製が不可能となる。従って厳密に指定された
波長で発振を得たい場合には、コンタクト層の厚さは、
４分の１光学波長の奇数倍とすることが望ましい。
厚（λ＝９８０ｎｍ）からなるが、図５（ａ）図のよう
にコンタクト層がλ／４ｎの奇数倍の厚さの場合ではλ
＝９８０ｎｍの波長に反射のディップ（キャビティモー
ド）が存在し、この波長で発光または発振光が取り出さ
れる。（ｂ）図のように偶数倍の厚さの場合では、キャ
ビティ波長が所望の９８０ｎｍからずれ、ほぼ対称に離
れた２つの波長位置にサイドモードが発生する。この場
合、発光層の発光波長を９８０ｎｍとしたままでは所望
の素子の作製が不可能となる。従って厳密に指定された
波長で発振を得たい場合には、コンタクト層の厚さは、
４分の１光学波長の奇数倍とすることが望ましい。
【００１７】しかし、他の目的のためにはコンタクト層
の厚さを奇数倍からずらせることもできる。これは、異
なるいくつかの発振波長を可能とする。いわゆる波長多
重形の発光素子、レーザの場合である。通常発光層の発
光波長はある巾を持っているが、その巾内でキャビティ
波長を変えれば異なる波長で発光、または発振を得るこ
とができる。
の厚さを奇数倍からずらせることもできる。これは、異
なるいくつかの発振波長を可能とする。いわゆる波長多
重形の発光素子、レーザの場合である。通常発光層の発
光波長はある巾を持っているが、その巾内でキャビティ
波長を変えれば異なる波長で発光、または発振を得るこ
とができる。
【００１８】図６は、コンタクト層の厚さを例えば４分
の１光学波長の７．５倍および６．５倍とした場合の反
射スペクトルであるが、この層の厚さを４分の１光学波
長の奇数倍からずらせるとキャビティ波長、即ち発光ま
たは発振波長をシフトさせることができる。
の１光学波長の７．５倍および６．５倍とした場合の反
射スペクトルであるが、この層の厚さを４分の１光学波
長の奇数倍からずらせるとキャビティ波長、即ち発光ま
たは発振波長をシフトさせることができる。
【００１９】図７は奇数倍（例えば７倍）の厚さを中心
とした発振波長の厚さ依存性である。発光層が通常の薄
層、または量子井戸であれ発光波長巾は励起電流密度と
共に増大するが、通常レーザ発振を得る電流密度では、
３００〜４００ｎｍ以上である。従って、図７に近い、
コンタクト層の厚さを変え、発光層の発光波長巾内でキ
ャビティ波長を設定した素子を作製すれば、発光または
発振波長を制御することができる。また同一ウエハ内に
キャビティ波長の異なる複数の素子のアレイを作製すれ
ば、波長多重の光源を提供することができる。極端に発
光巾が広い場合には１つの素子で２波長発振とすること
も可能である。
とした発振波長の厚さ依存性である。発光層が通常の薄
層、または量子井戸であれ発光波長巾は励起電流密度と
共に増大するが、通常レーザ発振を得る電流密度では、
３００〜４００ｎｍ以上である。従って、図７に近い、
コンタクト層の厚さを変え、発光層の発光波長巾内でキ
ャビティ波長を設定した素子を作製すれば、発光または
発振波長を制御することができる。また同一ウエハ内に
キャビティ波長の異なる複数の素子のアレイを作製すれ
ば、波長多重の光源を提供することができる。極端に発
光巾が広い場合には１つの素子で２波長発振とすること
も可能である。
【００２０】図２は、本発明の第２の実施例を示すもの
であり、上記の実施例において発光出力を基板と反対の
上面側としたものであり、図１の実施例と比べて上部電
極構造のみが異なる。図２では、上部発光形の最も簡単
な透明電極１１ａを用いたものである。この他、部分電
極の使用、誘電体ミラーとの併用であってもよい。また
上面発光の場合の基板１ｂは、ｎ形または光吸収の大き
なｐ形であってもよい。あるいは半絶縁性であってもよ
い。その他の符号は図１と同じものを示す。
であり、上記の実施例において発光出力を基板と反対の
上面側としたものであり、図１の実施例と比べて上部電
極構造のみが異なる。図２では、上部発光形の最も簡単
な透明電極１１ａを用いたものである。この他、部分電
極の使用、誘電体ミラーとの併用であってもよい。また
上面発光の場合の基板１ｂは、ｎ形または光吸収の大き
なｐ形であってもよい。あるいは半絶縁性であってもよ
い。その他の符号は図１と同じものを示す。
【００２１】図３の本発明の他の実施例を示すもので、
図１の構造と異なる点は、注入層３２を図では上方すな
わち空気側に配置したものを示す。１ｂは基板、４はミ
ラー、２はキャビティ、３１はｐ形半導体多層膜、３２
はｐ形ＧａＡｓ注入層、３３はｎ形半導体多層膜、１１
及び１２ｂは夫々電極を示す。
図１の構造と異なる点は、注入層３２を図では上方すな
わち空気側に配置したものを示す。１ｂは基板、４はミ
ラー、２はキャビティ、３１はｐ形半導体多層膜、３２
はｐ形ＧａＡｓ注入層、３３はｎ形半導体多層膜、１１
及び１２ｂは夫々電極を示す。
【００２２】なお、いずれの実施例とも基板が半絶縁性
であるため、あるいは基板側ミラーにｐｎ接合が含まれ
るため、基板までまたはｐｎ接合の下までのエッチング
等により素子間分離を行うことも可能である。
であるため、あるいは基板側ミラーにｐｎ接合が含まれ
るため、基板までまたはｐｎ接合の下までのエッチング
等により素子間分離を行うことも可能である。
【００２３】
【発明の効果】叙上のように本発明によれば、発光領域
の正孔注入側にｐ形電流注入層を設け、該注入層の発光
領域と反対側にｎ形またはアンドープの半導体多層膜か
らなるミラーを有することによって、素子抵抗の低減
と、低しきい値、高効率の発光素子をうることができ
る。また上記実施例では、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ＡｌＧ
ａＡｓの量子井戸およびバルク薄膜の場合にも、さらに
はＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ長波系発光素子、ＡｌＧａＩ
ｎＰ系可視光素子などにも適用できる。特に長波系の場
合、ｐ形半導体による光吸収の影響がより大きいため、
電気的効果に加え光学的効果の点からもｐ形半導体多層
膜ミラーを用いない利点は大きい。電流狭窄構造につい
ても、埋込み形、ヘテロバリア形など通常ストライプ形
半導体レーザに用いられている方法を面発光形へ適用し
得る構造について有効である。発光層の量子構造は上記
の１次元井戸構造だけでなく、２次元、３次元量子井戸
即ち量子線、量子箱形についても、各々発光スペクトル
巾などに合わせてミラー特性を設定することにより、本
発明の効果を適用することができる。また素子形態につ
いても面発光レーザ、面形発光ダイオードばかりでな
く、面形双安定レーザ、面形アンプ・スイッチ、ｐｎｐ
ｎ光サイリスタおよびそれらを用いた光論理素子等に対
する適用も可能である。
の正孔注入側にｐ形電流注入層を設け、該注入層の発光
領域と反対側にｎ形またはアンドープの半導体多層膜か
らなるミラーを有することによって、素子抵抗の低減
と、低しきい値、高効率の発光素子をうることができ
る。また上記実施例では、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ＡｌＧ
ａＡｓの量子井戸およびバルク薄膜の場合にも、さらに
はＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ長波系発光素子、ＡｌＧａＩ
ｎＰ系可視光素子などにも適用できる。特に長波系の場
合、ｐ形半導体による光吸収の影響がより大きいため、
電気的効果に加え光学的効果の点からもｐ形半導体多層
膜ミラーを用いない利点は大きい。電流狭窄構造につい
ても、埋込み形、ヘテロバリア形など通常ストライプ形
半導体レーザに用いられている方法を面発光形へ適用し
得る構造について有効である。発光層の量子構造は上記
の１次元井戸構造だけでなく、２次元、３次元量子井戸
即ち量子線、量子箱形についても、各々発光スペクトル
巾などに合わせてミラー特性を設定することにより、本
発明の効果を適用することができる。また素子形態につ
いても面発光レーザ、面形発光ダイオードばかりでな
く、面形双安定レーザ、面形アンプ・スイッチ、ｐｎｐ
ｎ光サイリスタおよびそれらを用いた光論理素子等に対
する適用も可能である。
【図１】本発明の面形発光素子の第１の実施例の断面構
造を示す。
造を示す。
【図２】本発明の他の実施例の断面構造を示す。
【図３】本発明の他の実施例の断面構造を示す。
【図４】従来の面形発光素子の断面構造を示す。
【図５】ミラーの反射スペクトル特性を比較したもので
ある。（ａ）はＧａＡｓの厚さが３λ／４ｎの場合、
（ｂ）は２λ／４ｎの場合である。
ある。（ａ）はＧａＡｓの厚さが３λ／４ｎの場合、
（ｂ）は２λ／４ｎの場合である。
【図６】コンタクト層の厚さを４分の１光学波長の７．
５倍，６．５倍とした場合の反射率を示す。
５倍，６．５倍とした場合の反射率を示す。
【図７】コンタクト層の厚さとキャビティ波長との関係
を示す。
を示す。
１ｂ ＧａＡｓ基板 ２ ＧａＡｓ層またはＩｎＧａＡｓ歪量子井戸を発光層
とするＤＨ，ＳＣＨまたはＧＲＩＮ−ＳＣＨ形キャビテ
ィ ２ａ 発光層 ３ ｎ形半導体多層膜ミラー ３１ ミラーを構成するｐ形半導体多層膜 ３２ ミラーを構成するｐ形ＧａＡｓ ３３ ミラーを構成するｎ形またはアンドープ形半導体
多層膜 ４ａ ｐ形半導体多層膜ミラー ４ｂ ｎ形半導体多層膜ミラー １１，１１ａ ｎ形電極 １２ ｐ形電極 １２ｂ リング電極
とするＤＨ，ＳＣＨまたはＧＲＩＮ−ＳＣＨ形キャビテ
ィ ２ａ 発光層 ３ ｎ形半導体多層膜ミラー ３１ ミラーを構成するｐ形半導体多層膜 ３２ ミラーを構成するｐ形ＧａＡｓ ３３ ミラーを構成するｎ形またはアンドープ形半導体
多層膜 ４ａ ｐ形半導体多層膜ミラー ４ｂ ｎ形半導体多層膜ミラー １１，１１ａ ｎ形電極 １２ ｐ形電極 １２ｂ リング電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田所 貴志 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 門田 好晃 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３−11689（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 33/00 H01S 3/18
Claims (3)
- 【請求項１】 発光領域の正孔注入側にｐ形電流注入層
を設け、該注入層の発光領域と反対側にｎ形またはアン
ドープの半導体多層膜からなるミラーを有することを特
徴とする面形発光素子。 - 【請求項２】 電流注入層の厚さが、４分の１光学波長
の奇数倍であることを特徴とする請求項１記載の面形発
光素子。 - 【請求項３】 電流注入層の厚さにより発光または発振
波長を制御することを特徴とする請求項１記載の面形発
光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2048991A JP2940644B2 (ja) | 1991-01-21 | 1991-01-21 | 面形発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2048991A JP2940644B2 (ja) | 1991-01-21 | 1991-01-21 | 面形発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05211346A JPH05211346A (ja) | 1993-08-20 |
| JP2940644B2 true JP2940644B2 (ja) | 1999-08-25 |
Family
ID=12028565
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2048991A Expired - Fee Related JP2940644B2 (ja) | 1991-01-21 | 1991-01-21 | 面形発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2940644B2 (ja) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2697453B2 (ja) * | 1992-02-19 | 1998-01-14 | 松下電器産業株式会社 | 面発光レーザ |
| JPH07249833A (ja) * | 1994-03-10 | 1995-09-26 | Daido Hoxan Inc | 発光素子 |
| JP4439199B2 (ja) * | 2003-03-20 | 2010-03-24 | 株式会社リコー | 垂直共振器型面発光半導体レーザ装置、およびそれを用いた光論理演算装置、波長変換装置、光パルス波形整形装置、ならびに光伝送システム |
| JP2007129010A (ja) * | 2005-11-02 | 2007-05-24 | Seiko Epson Corp | 面発光型半導体レーザ及びその製造方法 |
| JP5214140B2 (ja) * | 2006-12-12 | 2013-06-19 | 浜松ホトニクス株式会社 | 半導体発光素子 |
| US7881358B2 (en) | 2006-12-27 | 2011-02-01 | Nec Corporation | Surface emitting laser |
| JP5392087B2 (ja) * | 2007-10-11 | 2014-01-22 | 日本電気株式会社 | 面発光レーザ |
| JPWO2021125005A1 (ja) | 2019-12-20 | 2021-06-24 | ||
| WO2021157431A1 (ja) | 2020-02-07 | 2021-08-12 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 発光デバイス |
-
1991
- 1991-01-21 JP JP2048991A patent/JP2940644B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05211346A (ja) | 1993-08-20 |
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|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |