JP2989345B2

JP2989345B2 - 面発光レーザ

Info

Publication number: JP2989345B2
Application number: JP3286023A
Authority: JP
Inventors: 徹石川; 晃茨木; 浩太郎古沢
Original assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Current assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Priority date: 1991-10-31
Filing date: 1991-10-31
Publication date: 1999-12-13
Anticipated expiration: 2014-12-13
Also published as: JPH05129713A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、埋め込み構造を有する
面発光レーザの、構造の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザでは、一般に、半導体のＰ
Ｎ接合に順方向電流を流すことにより、その接合部から
特定の波長をもったレーザ光を発生させる。その特徴と
しては、小型であって駆動電力が小さく、しかも光変換
効率が高いこと、更に、化合物半導体の幅広い組み合わ
せによって可視から赤外に及ぶ波長領域にわたってレー
ザ光を発生できることや、印加電流を変調することによ
って、ＧＨｚにまで及ぶ高速光変調が可能であること等
の特徴を有する。また、発生したレーザ光は、その良好
な指向性や干渉性等の性質をもつことから、光通信や光
情報処理、或いは光よる計測制御等の各分野で広範囲に
利用されている。

【０００３】上記半導体レーザの基本的構造としては、
ダブルヘテロ構造がとられる。即ち、発光領域となる活
性層をバンドキャップの広いｐ形とｎ形のクラッド層で
挟んだものを、基板結晶と接合した構造となっている。
そして、その上下面に電圧を印加することによって、ｎ
形クラッド層からはキャリヤである電子が、また、ｐ形
クラッド層からは同じくキャリヤである正孔が夫々活性
層に注入される。しかし電子及び正孔が注入された後
は、逆に、かかる両クラッド層が壁となり、拡散移動し
た電子と正孔は、それらの拡散距離よりもはるかに薄い
活性層の中に高密度に閉じ込められることになる。この
ため、かかる活性層の中においては、かかる電子と正孔
とが再結合して発光が行われ、活性層を光の導波路とし
てその片側端面部よりレーザ光が外方に発射されるよう
になる。

【０００４】一方、キャリヤと光の閉じ込めを効果的に
行わせるために、半導体レーザの変形構造として、活性
層におけるキャリヤの注入領域の周囲部に光導波層を設
けることもある。このようにすれば、吸収損失を少なく
でき、更に、光の広がりを制御できるようになる。とこ
ろで、半導体レーザでは、光ファイバ等他の光回路との
高効率光結合、光出力の電流に対する直線性、広帯域変
調性、低雑音性等の要請から、横モードが基本モードで
発振するように導波路の寸法を制限する必要がある。か
かる寸法制限方法として、活性層が埋め込まれた状態の
構造をとる埋め込み型レーザと呼ばれるものがある。こ
のような埋め込み型レーザは、主として、高密度光集積
化の基本素子である面発光型レーザとして、広くその利
用研究がなされている。

【０００５】面発光レーザは、レーザ反射鏡が半導体結
晶面から構成されたものであり、その基本的構造は、埋
め込まれた活性層の上方及び下方部に配された２つの反
射鏡によって、基板表面から垂直方向に光を出射させる
垂直共振器構造がとられる。また、このような特殊構造
がとられるため、その作製にあたっては、これまでの半
導体レーザ用ウエハの結晶成長とは異なった配慮が必要
となる。

【０００６】一方、面発光レーザの作製においては、通
常、液相エピキャシタル成長法なる結晶成長方法（以
下、ＬＰＥ法と呼ぶ）が利用されている。ＬＰＥ法と
は、成長させようとする単結晶の結晶軸を種となる結晶
の結晶軸と一致させる結晶成長法のことを言う。また、
この方法によれば、純度の高い結晶層をエピキャシタル
成長させることが可能である。

【０００７】次に、面発光レーザの具体的構成例を示
す。例えば、ＬＰＥ法による埋め込み型ＧａＡｌＡｓ系
の面発光型レーザでは、基板上にクラッド層を介して、
その中央部付近にメサ部が設けられ、更にその周囲部に
電流ブロック層が設けられた基本的構成がとられる。こ
こで、被埋め込み領域であるメサ部については、下方よ
り活性層（Ｇａ_1-xＡｌ_xＡ_s層として、１．５μｍ以
上）、クラッド層（Ｇａ _1-yＡｌ_yＡ_s層として、０．
５μｍ）、キャップ層（Ｇａ_1-zＡｌ_zＡ_sとして、
０．５μｍ）（但し、ｘ、ｙについては、ｘ＋０．０６
≦ｚ＜ｙの条件を満足しているものとする）の順で形成
された多層構成がとられ、また、メサ部の周囲部に設け
られる電流ブロック層についても同様に、下方よりｐ型
電流ブロック層、ｎ型電流ブロック層、ｐ型電流ブロッ
ク層の順で形成された多層構成がとられる。ここに、ｐ
型電流ブロック層では、活性層へのキャリヤと光の閉じ
込めが行われ、ｎ型電流ブロック層では、電流狭窄が行
われる。そして、ｐ−ｎ逆バイアス特性を利用して電流
阻止効果が得られる。

【０００８】なお、メサ部の形成、並びにＬＰＥ法によ
る電流ブロック層の形成プロセスの詳細については後述
する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、埋め込み型
レーザである面発光レーザを作製するにあたり、メサ部
における活性層の膜厚を薄くした場合には、当然メサ部
全体の高さが低くなってしまう。従って、低くなったメ
サ部に合わせて、周囲の各電流ブロック層を薄くする必
要がある。そうしなければ、被埋め込み領域であるメサ
部と、埋め込み領域である電流ブロック層との、成長後
の表面段差が大きくなってしまい、その後で行われる反
射鏡や電極形成プロセスに支障を来すという不具合が生
じる。

【００１０】また、かかる表面段差を少なくするため
に、各電流ブロック層を薄くした場合には、電流阻止効
果が劣化することとなり、その結果、リーク電流を増加
させてしまうという不具合が生じる。本発明は、かかる
現状に鑑みて成されたものであり、面発光レーザにおけ
るメサ部活性層の膜厚を薄くした場合においても、メサ
部高さを所定の高さに形成することが可能な埋め込み型
面発光レーザを提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に、ク
ラッド層を介し、被埋め込み領域であるメサ部と、その
周囲に埋め込み形成された電流ブロック層とを有する埋
め込み型面発光レーザにおいて、前記メサ部が、下方よ
り活性層、上部クラッド層、メサ部高さ調整層及びキャ
ップ層からなることを特徴としている。

【００１２】

【作用】上記構成によれば、基板上にクラッド層を介し
てメサ部が設けられ、更にその周囲部に電流ブロック層
が埋め込み形成されて、埋め込み型面発光レーザとな
る。また、かかるメサ部は、該クラッド層の上面部に、
下方より活性層、上部クラッド層、メサ部高さ調整層及
びキャップ層の順をなす多層構造に形成される。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に従って具体
的に説明する。図１は、本発明にかかる面発光レーザの
素子構造を示す側面断面図である。この面発光レーザ素
子１は、全体として略円柱状に形成されており、その側
面断面構造は次のように構成されている。即ち、基板２
の上面には下部クラッド層３が設けられ、更にその上面
中央部付近にはメサ部Ｍが、そしてメサ部Ｍの周囲には
電流ブロック層Ｂが設けられている。

【００１４】メサ部Ｍは、下方より活性層４、上部クラ
ッド層５、介在層６、キャップ層７の順で積層形成され
た多層構造をなす。また、電流ブロック層Ｂは、同じく
下方より、ｐ型電流ブロック層８、ｎ型電流ブロック層
９、ｐ型表面層１０の順で積層形成された多層構造をな
す。メサ部Ｍにおける、活性層４はＧａＡｓの１．０μ
ｍ結晶膜からなり、上部クラッド層５はＧａ_0.55Ａｌ
_0.45Ａｓの０．５μｍ結晶膜からなり、メサ部Ｍの高さ
を調整するための介在層２はＧａ_0.94Ａｌ_0.06Ａｓの
１．３μｍ結晶膜からなり、キャップ層７はＧａ_0.55Ａ
ｌ_0.45Ａｓの０．３μｍ結晶膜からなる。また、電流ブ
ロック層Ｂにおけるｐ型電流ブロック層８はＧａ_0.55Ａ
ｌ_0.45Ａｓの結晶膜からなり、ｎ型電流ブロック層９は
Ｇａ_0.55Ａｌ_0.45Ａｓの結晶膜からなり、ｐ型表面層１
０はＧａＡｓの結晶膜からなる。

【００１５】ここで、ｎ型電流ブロック層９は、電流阻
止効果を得るために必要な層であり、メサ部Ｍの外側面
と接する部分（ａで示す）の膜厚ａについては、最小で
も０．７μｍ必要であることが確認されている。また、
ｐ型電流ブロック層８では、メサ部Ｍの外側面と接する
部分（ｃで示す）における結晶の成長が、同じくメサ部
Ｍの外側面より１００μｍ以上離れた部分（ｂで示す）
における成長よりも速いことから、膜厚の関係としては
ａ＞ｂとなっている。更に、ａ：ｂ≒２．２：１となる
ように結晶の成長は調節されている。加えて、膜厚ｂに
ついては電流ブロック効果を得るために、１．０μｍ程
度の厚みが必要であることも確認されている。

【００１６】従って、膜厚ｂを１．０μｍとすればａ≒
２．２μｍとなり、ｃ＋ａ＝０．７＋２．２＝２．９μ
ｍとなって、十分な電流阻止効果を得るためには、２．
９μｍ以上の膜厚が必要となることが確認できるのであ
る。このため、メサ部Ｍの総厚ｈを２．９μｍ以上とす
れば（図面で示す実施例ではｈ＝３．１μｍとしてい
る）、ｈ＞ｃ＋ａとなるから、結局のところｐ型表面層
１０の膜厚ｄを調節することにより、埋め込み成長後の
表面段差ｅ（キャップ層７の外表面と、ｐ型表面層１０
の外表面との段差のこと）を最適な値でもって形成する
ことが可能となる。これに対し、メサ部Ｍの総厚ｈにつ
いては、介在層６を調整することによって自在に調整が
可能である。

【００１７】このように、かかる表面段差ｅについて
は、ｐ型表面層１０及び介在層６を調整することによ
り、最適な値に形成することが可能となる。その結果、
電流阻止効果を保持したままで活性層４の膜厚を薄くす
ることができるようになる。例えば、活性層４の厚みを
１．０μｍから０．５μｍと薄くした場合には、介在層
６の厚みを１．６μｍ以上にすることによって、メサ部
Ｍの総厚ｈを２．９μｍ以上とすることができる。従っ
て、この場合には、ｐ型及びｎ型電流ブロック層８、９
やｐ型表面層１０の厚みを変化させなくても、埋め込み
成長後の表面段差ｄを増加させずに電流ブロック効果を
得ることができることになる。

【００１８】図２は、面発光レーザの素子構造の比較例
を示す側面断面図である。この比較例では、介在層２６
の厚みを０．５μｍとし（従来技術におけるキャップ層
と同程度の厚みとする）、更に、ｐ型電流ブロック層２
８及びｎ型電流ブロック層２９の厚みを変化させずに、
図１で示したと同じ膜厚とした状態を示している。図で
示すように、当然メサ部Ｍの周囲にはｐ型及びｎ型電流
ブロック層並びにｐ型表面層２０が盛り上がった状態と
なり、表面段差ｅが大きくなってしまう。

【００１９】図３は、面発光レーザの素子構造の他の比
較例を示す側面断面図である。この比較例では、介在層
３６の厚みを０．５μｍとし、これに伴ってｐ型電流ブ
ロック層３８及びｎ型電流ブロック層３９の厚みを薄く
することにより、表面段差ｅを揃えた状態を示してい
る。このような状態においては、耐圧が低くなってしま
い、矢印Ｘで示す方向に流れるリーク電流が多くなって
しまう。

【００２０】なお、上記実施例において、メサ部Ｍの各
層の厚みと、その内容組成については、上記記載のもの
に特に限定されるものではなく、レーザの用途に応じて
適宜決定することが可能である。次に、上述したメサ部
Ｍの形成、並びにＬＰＥ法によって、ｐ型及びｎ型の電
流ブロック層８、９をメサ部Ｍの周囲部に埋め込み成長
させるプロセスについて図１を参照しながら説明する。
先ず、埋め込み成長の準備段階として、基板上にメサ部
Ｍとなすべく、ｎ形の下部クラッド層３、その上に活性
層４、その上にｎ形の上部クラッド層５、その上に介在
層６、その上にキャップ層７を積層した面発光型レーザ
ＤＨウエハの成長表面に円形マスク層（図示せず）を形
成し、埋め込み成長時のマスクとする。

【００２１】続いて、プラズマＥＣＲ装置を用いた反応
性イオンビームエッチングにより、キャップ層７、上部
クラッド層５、活性層４の一部を除去し、円形メサ部Ｍ
を形成する。この時、活性層４が所定の厚みとなるよう
に、エッチングは制御される。反応性イオンビームエッ
チングは、エッチング量の制御性に優れ、４μｍ程度の
深さまでエッチングを行っても異方性やサイドエッチン
グが殆どないことから、垂直性に優れた円形メサ部Ｍを
形成することができる。しかし、円形メサ部Ｍの表面に
対しては、どうしてもダメージを与えてしまうため、ひ
き続き、かかるダメージ除去のためのエッチングが行わ
れる。また、ＬＰＥ炉にウエハを仕込む直前において
は、酸化膜を選択的に除去するエッチングも行われる。
なお、場合によっては、ＬＰＥ炉にウエハを仕込み、埋
め込み成長を行う直前に選択メルトバック法により、活
性層４の側方表面をエッチングして、そのダメージと酸
化膜を除去することも行われる。以上のようにして、メ
サ部Ｍの形成が行われる。

【００２２】次に、ＬＰＥ炉内にかかるウエハを仕込ん
だ後、円形メサ部Ｍの周囲部に対して、ＬＰＥ法による
ｐ型及びｎ型の電流ブロック層８、９並びにｐ型表面層
１０の埋め込み成長が行われる。即ち、加熱溶融炉であ
るＬＰＥ炉内において融解させた各電流ブロック層等の
形成材料を、かかるウエハ表面に、順に単結晶状態で晶
出させることになる。この方法によれば、メサ部Ｍの周
囲に孔等を形成することなく、きれいに埋め込み成長を
行うことが可能となる。なお、かかる埋め込み成長を行
った後は、メサ部上面に設けた円形マスクを除去し、反
射鏡及び電極の形成を行い、埋め込み型面発光レーザと
なす。

【００２３】

【発明の効果】以上の本発明によれば、埋め込み型面発
光レーザにおける活性層を薄くする場合においても、メ
サ部にその高さ調整用の層を形成してあるため、メサ部
周囲部との表面段差を増大させることなく、所定の段差
を形成することが可能となる。従って、活性層を薄くし
たとしても、面発光レーザ素子における電流阻止効果を
低下させずに、素子のしきい値電流を下げることが可能
となる。また、素子表面に所定の段差を形成することが
可能であるため、素子に対しての反射鏡や電極の形成に
全く支障を来すことがない。このため、面発光レーザと
して、極めて安定な面発光効果を得ることが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる面発光レーザの素子構造を示す
側面断面図である。

【図２】面発光レーザの素子構造の比較例を示す側面断
面図である。

【図３】面発光レーザの素子構造の他の比較例を示す側
面断面図である。

【符号の説明】

１面発光レーザ素子２基板３下部クラッド層４活性層５上部クラッド層６介在層７キャップ層８ｐ型電流ブロック層９ｎ型電流ブロック層１０ｐ型表面層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−174584（ＪＰ，Ａ) 特開平３−177088（ＪＰ，Ａ) 特開平３−274782（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−40077（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、クラッド層を介し、被埋め込
み領域であるメサ部と、その周囲に埋め込み形成された
電流ブロック層とを有する埋め込み型面発光レーザにお
いて、前記メサ部が、下方より活性層、上部クラッド層、メサ
部高さ調整層及びキャップ層からなることを特徴とする
埋め込み型面発光型レーザ。