JP3656008B2 - 面発光レーザ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板面に対して垂直方向に光を出射する面発光レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の技術としては、図４や出典特開平６−４５６９５号公報に記載されたものがある。図４において、１はｎ−ＧａＡｓ基板、２は厚さ５２ｎｍのｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ、３は厚さ１０ｎｍのグレーディド層であり、Ａｌ組成は０．１５から０．９５まで連続的に変化している。４は厚さ５９ｎｍのｎ−Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓである。これらの層２，３，４はいずれも不純物密度２×１０18ｃｍ-3にＳｉがドープされている。２のｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓと４のｎ−Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓとは異なる屈折率を持っている。一般にＡｌＧａＡｓのＡｌ組成が大きくなるにしたがって屈折率は小さくなる。本明細書では、Ａｌ組成の小さい層（この場合Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ）を高屈折率層、Ａｌ組成の大きい層（この場合Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓ）を低屈折率層と呼ぶ。低屈折率層と高屈折率層を交互に積層した反射鏡をＤＢＲ(Distributes Bragg Reflector）ミラーと呼び、これらの層の間の屈折率の差が大きいほど、即ち両層のＡｌ組成比の差が大きいほど、ＤＢＲの反射率は大きくなる。各層の厚さは、２のｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓと３のグレーディド層の光学長（厚さ×屈折率）の和と４のｎ−Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓと３のグレーディド層の光学長の和がそれぞれレーザ発振波長の１／４となるように調整されている。これらが互いに３５ペア積層されることによって９９％以上の反射率を有するＤＢＲミラーとなっている。グレーディド層３は、Ａｌ組成を高屈折率層側に接する部分の０．１５から低屈折率層側に接する部分の０．９５まで連続的に変えることによって、電子が界面をスムーズに走ることを可能にし、抵抗を小さくするためのものである。５は厚さ８８ｎｍのＡｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓのスペーサ層、６はＧａＡｓ量子井戸層、７はＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓの障壁層である。これらの層５，６，７はいずれもノンドープで、ＧａＡｓ量子井戸層６が活性層として働く。これらの層５，６，７の全体の光学長は、レーザの発振波長に等しい。
【０００３】
８はｐ−Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓ、９はＡｌ組成比が０．１５から０．９５まで連続的に変化するグレーディド層、１０はｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓである。これらの層８，９，１０は不純物密度２×１０18ｃｍ-3までＣドープされている。
【０００４】
これらが２０ペア積層されることによってｐ側のＤＢＲミラーとなっている。それぞれの層の厚さは、ｎ側と同じである。レーザ光はｐ−ＤＢＲを通して出射されるため、ｐ−ＤＢＲの方がｎ−ＤＢＲよりもペア数を少なくしてある。一般にＤＢＲ（特にｐ−ＤＢＲ）の抵抗はバルクの半導体に比べて大きく、これによるジュール熱のために素子の動作時に活性層の温度が上昇し、素子特性が劣化することがある。これを避けるために２×１０18ｃｍ-3まで高濃度に不純物のドープが行われている。
【０００５】
１１はＡｕＺｎＮｉのｐ型オーミック電極、１２はＡｕＧｅＮｉのｎ型オーミック電極である。また１３はｐ−ＤＢＲをエッチングした溝であり、これをポリイミドで埋めて平坦化してある。エッチングの深さはｐ−ＤＢＲを数ペア残し、活性層まではエッチングをしない（これをローメサ構造と呼ぶ）。８の低屈折率層と１０の高屈折率層との間には大きなバンドギャップの差があり、たとえ中間にグレーディド層９があっても電流の縦方向の伝搬には大きな抵抗となる。また、これらの層には高濃度に不純物がドープされているため、材料本体の抵抗は小さい。したがって、電流の横方向への抵抗は小さく、このままでは、エッチングされていない数ペアのｐ−ＤＢＲで電流が横方向に拡がり、ＤＢＲのメサ径よりもずっと広い領域の活性層に電流が流れて、閾値電流が大きくなり、また効率も劣化する。これを防ぐために１４の領域にプロトンや酸素などのイオンを打ち込み、高抵抗化して電流の拡がりを防いでいる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の面発光レーザにおいて、ＤＢＲミラーの反射率を大きくするためには、高屈折率層及び低屈折率層を構成する両ＡｌＧａＡｓのＡｌ組成の差をなるべく大きくして、屈折率の差を大きくする必要がある。一方、Ａｌ組成比が小さく、バンドギャップの小さな層（ｎ，ｐのＤＢＲにおけるＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層）でのレーザ光の吸収を避けねばならない。この両方の要請から、ｎ，ｐのＡｌ0.15Ｇａ0.85ＡｓのＡｌ組成は、バンドギャップがレーザ発振光のエネルギー（１．４６ｅＶ）より少しだけ大きくなるような組成にしてある。しかし、抵抗を下げるために不純物を高濃度（２×１０18ｃｍ-3）にドープしたときには、半導体の吸収スペクトルはバンドギャップよりも小さなエネルギーの光子に対しても無視できない。したがって、ｐ−ＤＢＲではレーザ発振光が吸収され、閾値電流の増大や、効率の劣化を招くという問題点があった。またＤＢＲでの光吸収によって発生した電子と正孔の再結合エネルギーによって結晶欠陥が発生、増殖するため、素子の信頼性も損なう。また、ローメサ構造は活性層の側面が露出しないために、信頼性の観点から優れているが、電流の横方向拡がりを防ぐためのイオン注入が必要であり、このためコストの上昇を招いていた。また活性層の近傍までイオンを注入するため、これによる活性層での欠陥が素子特性に悪影響を与えるという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、低閾値化、高効率化、高信頼性及び低コスト化を達成することができる面発光レーザを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、第１の導電型であり高屈折率層と低屈折率層のペアを複数層有する第１のＤＢＲ、第１の導電型であり高屈折率層と低屈折率層のペアを所定層有する第２のＤＢＲ、活性層、第２の導電型であり高屈折率層と低屈折率層のペアを複数層有する第３のＤＢＲ、第２の導電型であり高屈折率層と低屈折率層のペアを所定層有する第４のＤＢＲを順次積層した構造を有し、同じ導電型の前記ＤＢＲでは前記活性層に近い側のＤＢＲの不純物ドープ濃度が前記活性層から遠い側のＤＢＲの不純物ドープ濃度よりも低く、同じ導電型の前記ＤＢＲでは前記活性層に近い側のＤＢＲの高屈折率層のバンドギャップが前記活性層から遠い側のＤＢＲの高屈折率層のバンドギャップよりも大きく、前記第４のＤＢＲを貫き前記第３のＤＢＲまで達するエッチングによるローメサ構造を有することを要旨とする。この構成により、活性層に近い側の第３のＤＢＲの不純物ドープ濃度を低くすることで、抵抗が大きくなり、ローメサ構造のエッチングされずに残った第３のＤＢＲ領域での電流の横拡がりを小さくすることが可能となる。またレーザ発振光が最も強いこの活性層に近い側の第２、第３のＤＢＲにおける各高屈折率層のバンドギャップを大きくすることで、この部分の光吸収が抑制される。さらに、この第２、第３のＤＢＲは不純物ドープ濃度が低いことから自由キャリアによる光吸収も小さくなる。
【００１０】
請求項２記載の発明は、上記請求項１記載の面発光レーザにおいて、前記第１乃至第４のＤＢＲの材料はＡｌＧａＡｓ半導体であることを要旨とする。
【００１１】
この構成により、第２、第３のＤＢＲにおける高屈折率層を構成するＡｌx Ｇａ1-x Ａｓのｘの値、即ちＡｌ組成比を大きくすることで、バンドギャップが大きくなり、確実にこの部分の光吸収抑制作用が得られる。
【００１２】
請求項３記載の発明は、上記請求項１記載の面発光レーザにおいて、前記第１乃至第４のＤＢＲの材料はＩｎＧａＡｓＰ半導体であることを要旨とする。この構成により、第２、第３のＤＢＲにおける高屈折率層を構成するＩｎx Ｇａ1-x Ａｓy Ｐ1-y のｘ，ｙの値、即ちＩｎとＡｓの組成比をそれぞれ大きくすることで、バンドギャップが大きくなり、確実にこの部分の光吸収抑制作用が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１及び図２は、本発明の第１の実施の形態を示す図である。まず、図１を用いて、面発光レーザの構成を説明する。なお、図１において前記図４における部材と同一ないし均等のものは、前記と同一符号を以って示し、重複した説明を省略する。図１において、ｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ高屈折率層２、グレーディド層３、ｎ−Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓ低屈折率層４及びグレーディド層３を１ペアとして、その複数ペアにより第１のＤＢＲ領域が形成されている。１５はｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ高屈折率層、１７はｎ−Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓ低屈折率層、１６はＡｌ組成を高屈折率層１５側に接する部分の０．２５から低屈折率層１７側に接する部分の０．９５まで連続的に変化させたｎ−ＡｌＧａＡｓグレーディド層である。これらの層１５，１６，１７は、上記第１のＤＢＲ領域に比べて不純物密度が小さく、１×１０18ｃｍ-3にＳｉがドープされている。また、この部分の高屈折率層である１５のｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75ＡｓのＡｌ組成は、第１のＤＢＲ領域におけるｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ高屈折率層２のＡｌ組成よりも大きくしてある。即ち、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓにおけるｘの値を０．１５から０．２５に大きくすることで、バンドギャップを所要量大きくしてある。ｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ高屈折率層１５、グレーディド層１６、ｎ−Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓ低屈折率層１７及びグレーディド層１６の積層を１ペアとして、その３ペアにより活性層６の直下に第２のＤＢＲ領域が形成されている。
【００１５】
１８はｐ−Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓ低屈折率層、２０はｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ高屈折率層、１９はＡｌ組成を低屈折率層１８側に接する部分の０．９５から高屈折率層２０側に接する部分の０．２５まで連続的に変化させたｐ−ＡｌＧａＡｓグレーディド層である。これらの層１８，１９，２０のＣの不純物ドーピング密度は、次に述べる第４のＤＢＲ領域のそれよりも低く１×１０18ｃｍ-3である。また、この部分のｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ高屈折率層２０も、第４のＤＢＲ領域における高屈折率層よりもＡｌ組成を前記と同様に大きくすることで、バンドギャップを所要量大きくしてある。ｐ−Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓ低屈折率層１８、グレーディド層１９、ｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ高屈折率層２０及びグレーディド層１９の積層を１ペアとして、その３ペアにより活性層６の直上に第３のＤＢＲ領域が形成されている。また、ｐ−Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓ低屈折率層８、グレーディド層９、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ高屈折率層１０及びグレーディド層９を１ペアとして、その複数ペアにより、上記第３のＤＢＲ領域上に第４のＤＢＲ領域が形成されている。１３のエッチング溝は、第４のＤＢＲ領域部分は全て除去し、第３のＤＢＲ領域のうち、２ペアを残してエッチングしてあり、このエッチングにより、面発光レーザはローメサ構造となっている。
【００１６】
次に、上記のように構成された面発光レーザの作用を、図３を用いて説明する。図３は、面発光レーザの活性層と、その周囲のＤＢＲ反射鏡での光の強度分布を示している。光は活性層６とその両側の１ペアのＤＢＲで最大になり、活性層６から離れるにしたがって小さくなる。活性層６から３ペア離れた所で、光強度は１／２以下になる。本実施の形態の素子では、光強度の最も強い活性層６の近傍の第２、第３のＤＢＲの少なくとも３ペアのバンドギャップが大きく、不純物ドーピング密度が小さいので、この部分での光吸収を抑制できる。３ペア以上離れた第１、第４のＤＢＲでは光強度は１／２以下になり光吸収の影響は小さくなる。高屈折率層と低屈折率層の間の屈折率差を大きくする方が、少ないペア数でＤＢＲの反射率を大きくすることができる。したがって、活性層６から遠く、光強度の小さい第１、第４のＤＢＲの領域においては、高屈折率層２，１０のＡｌ組成を小さくすることによって少ないペア数で所望の反射率を得ることができる。また、活性層６から遠く、光強度の小さい第１、第４のＤＢＲの領域の不純物ドーピング密度を上げることによって電気抵抗を小さくすることができる。ローメサ構造でエッチングされずに残った第３のＤＢＲにおける２ペアの部分では、低屈折率層１８と高屈折率層２０の間のバンドギャップが小さいために、界面の電気抵抗が小さい。また、不純物密度が小さいため、電流の横拡がりの抵抗が大きい。したがって、ローメサ構造のエッチングされずに残った第３のＤＢＲにおける２ペア部分での電流拡がりを小さくすることができる。
【００１７】
上述したように、本実施の形態の面発光レーザは、レーザ発振光が最も強い活性層６に近い側の第２、第３のＤＢＲ領域での光吸収が小さく、ローメサ構造のエッチングされずに残った第３のＤＢＲにおける２ペア部分での電流の横拡がりが小さいので、高効率化、低閾値化が可能であり、光吸収による結晶欠陥の発生も防げるので高信頼性となる。またイオン注入を用いずに、ローメサ構造での電流拡がりを抑制できるため、低コストであり、さらにイオン注入による欠陥の発生がないため、この点からも高信頼性となる。
【００１８】
図３には、本発明の第２の実施の形態を示す。同図において、２１はｎ−ＩｎＰ基板、２２は吸収端波長１．４μｍ（バンドギャップ０．８９ｅＶ）のｎ−Ｉｎ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓ０．４ Ｐ０．６ 高屈折率層、２３はｎ−ＩｎＰ低屈折率層である。これらの層２２，２３は、いずれも不純物密度２×１０１８ｃｍ−３にＳｉがドープされている。このｎ−Ｉｎ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓ０．４ Ｐ０．６ 高屈折率層２２及びＩｎＰ低屈折率層２３を１ペアとして、その複数ペアにより第１のＤＢＲ領域が形成されている。２４は吸収端波長１．２μｍ（バンドギャップ０．９８ｅＶ）のｎ−Ｉｎ０．８ Ｇａ０．２ Ａｓ０．５５Ｐ０．４５高屈折率層、２５はｎ−ＩｎＰ低屈折率層であり、これらの層２４，２５は、上記第１のＤＢＲ領域に比べて不純物密度が小さく、１×１０１８ｃｍ−３にＳｉがドープされている。また、この部分の高屈折率層である２４のｎ−Ｉｎ０．８ Ｇａ０．２ Ａｓ０．５５Ｐ０．４５のＩｎとＡｓの組成は、第１のＤＢＲ領域におけるｎ−Ｉｎ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓ０．４ Ｐ０．６ 高屈折率層２２のＩｎとＡｓの組成よりも大きくしてある。即ち、Ｉｎｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓｙ Ｐ１−ｙ におけるｘの値を０．７から０．８、ｙの値を０．４から０．５５に大きくすることで、バンドギャップを０．８９ｅＶから０．９８ｅＶに大きくしてある。ｎ−Ｉｎ０．８ Ｇａ０．２ Ａｓ０．５５Ｐ０．４５高屈折率層２４及びｎ−ＩｎＰ低屈折率層２５を１ペアとして、その３ペアにより活性層の直下に第２のＤＢＲ領域が形成されている。２６は吸収端波長１．２μｍ（バンドギャップ０．９８ｅＶ）のノンドープのＩｎＧａＡｓＰ、２７はＩｎＧａＡｓ量子井戸層、２８は吸収端波長１．４μｍ（バンドギャップ０．８９ｅＶ）のＩｎＧａＡｓＰ障壁層である。これらの層が活性層として働き、これらの層の光学長は発振波長（１．５５μｍ）に等しい。２９は吸収端波長１．２μｍ（バンドギャップ０．９８ｅＶ）のｐ−Ｉｎ０．８ Ｇａ０．２ Ａｓ０．５５Ｐ０．４５高屈折率層、３０はｐ−ＩｎＰ低屈折率層であり、これらの層２９，３０は１×１０１８ｃｍ−３にＺｎがドープされている。この部分のｐ−Ｉｎ０．８ Ｇａ０．２ Ａｓ０．５５Ｐ０．４５高屈折率層２９も、次に述べる第４のＤＢＲ領域における高屈折率層よりもＩｎとＡｓの組成を前記と同様に大きくすることで、バンドギャップを０．９８ｅＶに大きくしてある。ｐ−Ｉｎ０．８ Ｇａ０．２ Ａｓ０．５５Ｐ０．４５高屈折率層２９及びｐ−ＩｎＰ低屈折率層３０を１ペアとして、その３ペアにより活性層の直上に第３のＤＢＲ領域が形成されている。３１は吸収端波長１．４μｍ（バンドギャップ０．８９ｅＶ）のｐ−Ｉｎ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓ０．４ Ｐ０．６ 高屈折率層、３２はｐ−ＩｎＰ低屈折率層である。これらの層３１，３２は、いずれも不純物密度２×１０１８ｃｍ−３にＺｎがドープされている。ｐ−Ｉｎ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓ０．４ Ｐ０．６ 高屈折率層３１及びｐ−ＩｎＰ低屈折率層３２を１ペアとして、その複数ペアにより、上記第３のＤＢＲ領域上に第４のＤＢＲ領域が形成されている。１３のエッチング溝は、第４のＤＢＲ領域部分は全て除去し、第３のＤＢＲ領域のうち、２ペアを残してエッチングしてあり、このエッチングにより、面発光レーザはローメサ構造となっている。３３はｐ型のオーミック電極、３４はｎ型のオーミック電極である。
【００１９】
本実施の形態においては、レーザ発振波長を１．３μｍ又は１．５５μｍとすることができるようにＩｎＰ系材料を用いたものである。そして基本的な考え方はＧａＡｓ系材料を用いた前記第１の実施の形態と全く同じであり、第１の実施の形態と略同様の作用、効果が得られる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、第１の導電型である第１のＤＢＲ、第１の導電型である第２のＤＢＲ、活性層、第２の導電型である第３のＤＢＲ、第２の導電型である第４のＤＢＲを順次積層した構造を有し、同じ導電型の前記ＤＢＲでは前記活性層に近い側のＤＢＲの不純物ドープ濃度が前記活性層から遠い側のＤＢＲの不純物ドープ濃度よりも低く、同じ導電型の前記ＤＢＲでは前記活性層に近い側のＤＢＲの高屈折率層のバンドギャップが前記活性層から遠い側のＤＢＲの高屈折率層のバンドギャップよりも大きく、前記第４のＤＢＲを貫き前記第３のＤＢＲまで達するエッチングによるローメサ構造を有するようにしたため、ローメサ構造のエッチングされずに残った第３のＤＢＲ領域での電流の横拡がりが小さくなって、閾値電流を小さくすることができる。レーザ発振光が最も強い活性層に近い側の第２、第３のＤＢＲでの光吸収が抑制されて、高効率とすることができる。また、イオン注入を用いずに、上記のように、ローメサ構造での電流の横拡がりを抑制できるので、低コストとすることができ、さらにはイオン注入による結晶欠陥の発生がないので、信頼性を高めることができる。
【００２２】
請求項２記載の発明によれば、前記第１乃至第４のＤＢＲの材料はＡｌＧａＡｓ半導体としたため、第２、第３のＤＢＲにおける高屈折率層を構成するＡｌＧａＡｓのＡｌ組成比を大きくすることで、バンドギャップが大きくなり、このＤＢＲ領域での光吸収を確実に抑制することができる。
【００２３】
請求項３記載の発明によれば、前記第１乃至第４のＤＢＲの材料はＩｎＧａＡｓＰ半導体としたため、第２、第３のＤＢＲにおける高屈折率層を構成するＩｎＧａＡｓＰのＩｎとＡｓの組成比をそれぞれ大きくすることで、バンドギャップが大きくなり、このＤＢＲ領域での光吸収を確実に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である面発光レーザの模式的な縦断面図である。
【図２】上記第１の実施の形態において活性層周囲の光強度分布を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の模式的な縦断面図である。
【図４】従来の面発光レーザの模式的な縦断面図である。
【符号の説明】
２ ｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ高屈折率層
４，１７ ｎ−Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓ低屈折率層
６，２７ 量子井戸層（活性層）
８，１８ ｐ−Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓ低屈折率層
１０ ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ高屈折率層
１５ ｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ高屈折率層
２０ ｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ高屈折率層
２２ ｎ−Ｉｎ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ0.4 Ｐ0.6 高屈折率層
２３，２５ ｎ−ＩｎＰ低屈折率層
２４ ｎ−Ｉｎ0.8 Ｇａ0.2 Ａｓ0.55Ｐ0.45高屈折率層
２９ ｐ−Ｉｎ0.8 Ｇａ0.2 Ａｓ0.55Ｐ0.45高屈折率層
３０，３２ ｐ−ＩｎＰ低屈折率層
３１ ｐ−Ｉｎ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ0.4 Ｐ0.6 高屈折率層
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板面に対して垂直方向に光を出射する面発光レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の技術としては、図４や出典特開平６−４５６９５号公報に記載されたものがある。図４において、１はｎ−ＧａＡｓ基板、２は厚さ５２ｎｍのｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ、３は厚さ１０ｎｍのグレーディド層であり、Ａｌ組成は０．１５から０．９５まで連続的に変化している。４は厚さ５９ｎｍのｎ−Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓである。これらの層２，３，４はいずれも不純物密度２×１０18ｃｍ-3にＳｉがドープされている。２のｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓと４のｎ−Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓとは異なる屈折率を持っている。一般にＡｌＧａＡｓのＡｌ組成が大きくなるにしたがって屈折率は小さくなる。本明細書では、Ａｌ組成の小さい層（この場合Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ）を高屈折率層、Ａｌ組成の大きい層（この場合Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓ）を低屈折率層と呼ぶ。低屈折率層と高屈折率層を交互に積層した反射鏡をＤＢＲ(Distributes Bragg Reflector）ミラーと呼び、これらの層の間の屈折率の差が大きいほど、即ち両層のＡｌ組成比の差が大きいほど、ＤＢＲの反射率は大きくなる。各層の厚さは、２のｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓと３のグレーディド層の光学長（厚さ×屈折率）の和と４のｎ−Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓと３のグレーディド層の光学長の和がそれぞれレーザ発振波長の１／４となるように調整されている。これらが互いに３５ペア積層されることによって９９％以上の反射率を有するＤＢＲミラーとなっている。グレーディド層３は、Ａｌ組成を高屈折率層側に接する部分の０．１５から低屈折率層側に接する部分の０．９５まで連続的に変えることによって、電子が界面をスムーズに走ることを可能にし、抵抗を小さくするためのものである。５は厚さ８８ｎｍのＡｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓのスペーサ層、６はＧａＡｓ量子井戸層、７はＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓの障壁層である。これらの層５，６，７はいずれもノンドープで、ＧａＡｓ量子井戸層６が活性層として働く。これらの層５，６，７の全体の光学長は、レーザの発振波長に等しい。
【０００３】
８はｐ−Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓ、９はＡｌ組成比が０．１５から０．９５まで連続的に変化するグレーディド層、１０はｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓである。これらの層８，９，１０は不純物密度２×１０18ｃｍ-3までＣドープされている。
【０００４】
これらが２０ペア積層されることによってｐ側のＤＢＲミラーとなっている。それぞれの層の厚さは、ｎ側と同じである。レーザ光はｐ−ＤＢＲを通して出射されるため、ｐ−ＤＢＲの方がｎ−ＤＢＲよりもペア数を少なくしてある。一般にＤＢＲ（特にｐ−ＤＢＲ）の抵抗はバルクの半導体に比べて大きく、これによるジュール熱のために素子の動作時に活性層の温度が上昇し、素子特性が劣化することがある。これを避けるために２×１０18ｃｍ-3まで高濃度に不純物のドープが行われている。
【０００５】
１１はＡｕＺｎＮｉのｐ型オーミック電極、１２はＡｕＧｅＮｉのｎ型オーミック電極である。また１３はｐ−ＤＢＲをエッチングした溝であり、これをポリイミドで埋めて平坦化してある。エッチングの深さはｐ−ＤＢＲを数ペア残し、活性層まではエッチングをしない（これをローメサ構造と呼ぶ）。８の低屈折率層と１０の高屈折率層との間には大きなバンドギャップの差があり、たとえ中間にグレーディド層９があっても電流の縦方向の伝搬には大きな抵抗となる。また、これらの層には高濃度に不純物がドープされているため、材料本体の抵抗は小さい。したがって、電流の横方向への抵抗は小さく、このままでは、エッチングされていない数ペアのｐ−ＤＢＲで電流が横方向に拡がり、ＤＢＲのメサ径よりもずっと広い領域の活性層に電流が流れて、閾値電流が大きくなり、また効率も劣化する。これを防ぐために１４の領域にプロトンや酸素などのイオンを打ち込み、高抵抗化して電流の拡がりを防いでいる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の面発光レーザにおいて、ＤＢＲミラーの反射率を大きくするためには、高屈折率層及び低屈折率層を構成する両ＡｌＧａＡｓのＡｌ組成の差をなるべく大きくして、屈折率の差を大きくする必要がある。一方、Ａｌ組成比が小さく、バンドギャップの小さな層（ｎ，ｐのＤＢＲにおけるＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層）でのレーザ光の吸収を避けねばならない。この両方の要請から、ｎ，ｐのＡｌ0.15Ｇａ0.85ＡｓのＡｌ組成は、バンドギャップがレーザ発振光のエネルギー（１．４６ｅＶ）より少しだけ大きくなるような組成にしてある。しかし、抵抗を下げるために不純物を高濃度（２×１０18ｃｍ-3）にドープしたときには、半導体の吸収スペクトルはバンドギャップよりも小さなエネルギーの光子に対しても無視できない。したがって、ｐ−ＤＢＲではレーザ発振光が吸収され、閾値電流の増大や、効率の劣化を招くという問題点があった。またＤＢＲでの光吸収によって発生した電子と正孔の再結合エネルギーによって結晶欠陥が発生、増殖するため、素子の信頼性も損なう。また、ローメサ構造は活性層の側面が露出しないために、信頼性の観点から優れているが、電流の横方向拡がりを防ぐためのイオン注入が必要であり、このためコストの上昇を招いていた。また活性層の近傍までイオンを注入するため、これによる活性層での欠陥が素子特性に悪影響を与えるという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、低閾値化、高効率化、高信頼性及び低コスト化を達成することができる面発光レーザを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、第１の導電型であり高屈折率層と低屈折率層のペアを複数層有する第１のＤＢＲ、第１の導電型であり高屈折率層と低屈折率層のペアを所定層有する第２のＤＢＲ、活性層、第２の導電型であり高屈折率層と低屈折率層のペアを複数層有する第３のＤＢＲ、第２の導電型であり高屈折率層と低屈折率層のペアを所定層有する第４のＤＢＲを順次積層した構造を有し、同じ導電型の前記ＤＢＲでは前記活性層に近い側のＤＢＲの不純物ドープ濃度が前記活性層から遠い側のＤＢＲの不純物ドープ濃度よりも低く、同じ導電型の前記ＤＢＲでは前記活性層に近い側のＤＢＲの高屈折率層のバンドギャップが前記活性層から遠い側のＤＢＲの高屈折率層のバンドギャップよりも大きく、前記第４のＤＢＲを貫き前記第３のＤＢＲまで達するエッチングによるローメサ構造を有することを要旨とする。この構成により、活性層に近い側の第３のＤＢＲの不純物ドープ濃度を低くすることで、抵抗が大きくなり、ローメサ構造のエッチングされずに残った第３のＤＢＲ領域での電流の横拡がりを小さくすることが可能となる。またレーザ発振光が最も強いこの活性層に近い側の第２、第３のＤＢＲにおける各高屈折率層のバンドギャップを大きくすることで、この部分の光吸収が抑制される。さらに、この第２、第３のＤＢＲは不純物ドープ濃度が低いことから自由キャリアによる光吸収も小さくなる。
【００１０】
請求項２記載の発明は、上記請求項１記載の面発光レーザにおいて、前記第１乃至第４のＤＢＲの材料はＡｌＧａＡｓ半導体であることを要旨とする。
【００１１】
この構成により、第２、第３のＤＢＲにおける高屈折率層を構成するＡｌx Ｇａ1-x Ａｓのｘの値、即ちＡｌ組成比を大きくすることで、バンドギャップが大きくなり、確実にこの部分の光吸収抑制作用が得られる。
【００１２】
請求項３記載の発明は、上記請求項１記載の面発光レーザにおいて、前記第１乃至第４のＤＢＲの材料はＩｎＧａＡｓＰ半導体であることを要旨とする。この構成により、第２、第３のＤＢＲにおける高屈折率層を構成するＩｎx Ｇａ1-x Ａｓy Ｐ1-y のｘ，ｙの値、即ちＩｎとＡｓの組成比をそれぞれ大きくすることで、バンドギャップが大きくなり、確実にこの部分の光吸収抑制作用が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１及び図２は、本発明の第１の実施の形態を示す図である。まず、図１を用いて、面発光レーザの構成を説明する。なお、図１において前記図４における部材と同一ないし均等のものは、前記と同一符号を以って示し、重複した説明を省略する。図１において、ｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ高屈折率層２、グレーディド層３、ｎ−Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓ低屈折率層４及びグレーディド層３を１ペアとして、その複数ペアにより第１のＤＢＲ領域が形成されている。１５はｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ高屈折率層、１７はｎ−Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓ低屈折率層、１６はＡｌ組成を高屈折率層１５側に接する部分の０．２５から低屈折率層１７側に接する部分の０．９５まで連続的に変化させたｎ−ＡｌＧａＡｓグレーディド層である。これらの層１５，１６，１７は、上記第１のＤＢＲ領域に比べて不純物密度が小さく、１×１０18ｃｍ-3にＳｉがドープされている。また、この部分の高屈折率層である１５のｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75ＡｓのＡｌ組成は、第１のＤＢＲ領域におけるｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ高屈折率層２のＡｌ組成よりも大きくしてある。即ち、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓにおけるｘの値を０．１５から０．２５に大きくすることで、バンドギャップを所要量大きくしてある。ｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ高屈折率層１５、グレーディド層１６、ｎ−Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓ低屈折率層１７及びグレーディド層１６の積層を１ペアとして、その３ペアにより活性層６の直下に第２のＤＢＲ領域が形成されている。
【００１５】
１８はｐ−Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓ低屈折率層、２０はｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ高屈折率層、１９はＡｌ組成を低屈折率層１８側に接する部分の０．９５から高屈折率層２０側に接する部分の０．２５まで連続的に変化させたｐ−ＡｌＧａＡｓグレーディド層である。これらの層１８，１９，２０のＣの不純物ドーピング密度は、次に述べる第４のＤＢＲ領域のそれよりも低く１×１０18ｃｍ-3である。また、この部分のｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ高屈折率層２０も、第４のＤＢＲ領域における高屈折率層よりもＡｌ組成を前記と同様に大きくすることで、バンドギャップを所要量大きくしてある。ｐ−Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓ低屈折率層１８、グレーディド層１９、ｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ高屈折率層２０及びグレーディド層１９の積層を１ペアとして、その３ペアにより活性層６の直上に第３のＤＢＲ領域が形成されている。また、ｐ−Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓ低屈折率層８、グレーディド層９、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ高屈折率層１０及びグレーディド層９を１ペアとして、その複数ペアにより、上記第３のＤＢＲ領域上に第４のＤＢＲ領域が形成されている。１３のエッチング溝は、第４のＤＢＲ領域部分は全て除去し、第３のＤＢＲ領域のうち、２ペアを残してエッチングしてあり、このエッチングにより、面発光レーザはローメサ構造となっている。
【００１６】
次に、上記のように構成された面発光レーザの作用を、図３を用いて説明する。図３は、面発光レーザの活性層と、その周囲のＤＢＲ反射鏡での光の強度分布を示している。光は活性層６とその両側の１ペアのＤＢＲで最大になり、活性層６から離れるにしたがって小さくなる。活性層６から３ペア離れた所で、光強度は１／２以下になる。本実施の形態の素子では、光強度の最も強い活性層６の近傍の第２、第３のＤＢＲの少なくとも３ペアのバンドギャップが大きく、不純物ドーピング密度が小さいので、この部分での光吸収を抑制できる。３ペア以上離れた第１、第４のＤＢＲでは光強度は１／２以下になり光吸収の影響は小さくなる。高屈折率層と低屈折率層の間の屈折率差を大きくする方が、少ないペア数でＤＢＲの反射率を大きくすることができる。したがって、活性層６から遠く、光強度の小さい第１、第４のＤＢＲの領域においては、高屈折率層２，１０のＡｌ組成を小さくすることによって少ないペア数で所望の反射率を得ることができる。また、活性層６から遠く、光強度の小さい第１、第４のＤＢＲの領域の不純物ドーピング密度を上げることによって電気抵抗を小さくすることができる。ローメサ構造でエッチングされずに残った第３のＤＢＲにおける２ペアの部分では、低屈折率層１８と高屈折率層２０の間のバンドギャップが小さいために、界面の電気抵抗が小さい。また、不純物密度が小さいため、電流の横拡がりの抵抗が大きい。したがって、ローメサ構造のエッチングされずに残った第３のＤＢＲにおける２ペア部分での電流拡がりを小さくすることができる。
【００１７】
上述したように、本実施の形態の面発光レーザは、レーザ発振光が最も強い活性層６に近い側の第２、第３のＤＢＲ領域での光吸収が小さく、ローメサ構造のエッチングされずに残った第３のＤＢＲにおける２ペア部分での電流の横拡がりが小さいので、高効率化、低閾値化が可能であり、光吸収による結晶欠陥の発生も防げるので高信頼性となる。またイオン注入を用いずに、ローメサ構造での電流拡がりを抑制できるため、低コストであり、さらにイオン注入による欠陥の発生がないため、この点からも高信頼性となる。
【００１８】
図３には、本発明の第２の実施の形態を示す。同図において、２１はｎ−ＩｎＰ基板、２２は吸収端波長１．４μｍ（バンドギャップ０．８９ｅＶ）のｎ−Ｉｎ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓ０．４ Ｐ０．６ 高屈折率層、２３はｎ−ＩｎＰ低屈折率層である。これらの層２２，２３は、いずれも不純物密度２×１０１８ｃｍ−３にＳｉがドープされている。このｎ−Ｉｎ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓ０．４ Ｐ０．６ 高屈折率層２２及びＩｎＰ低屈折率層２３を１ペアとして、その複数ペアにより第１のＤＢＲ領域が形成されている。２４は吸収端波長１．２μｍ（バンドギャップ０．９８ｅＶ）のｎ−Ｉｎ０．８ Ｇａ０．２ Ａｓ０．５５Ｐ０．４５高屈折率層、２５はｎ−ＩｎＰ低屈折率層であり、これらの層２４，２５は、上記第１のＤＢＲ領域に比べて不純物密度が小さく、１×１０１８ｃｍ−３にＳｉがドープされている。また、この部分の高屈折率層である２４のｎ−Ｉｎ０．８ Ｇａ０．２ Ａｓ０．５５Ｐ０．４５のＩｎとＡｓの組成は、第１のＤＢＲ領域におけるｎ−Ｉｎ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓ０．４ Ｐ０．６ 高屈折率層２２のＩｎとＡｓの組成よりも大きくしてある。即ち、Ｉｎｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓｙ Ｐ１−ｙ におけるｘの値を０．７から０．８、ｙの値を０．４から０．５５に大きくすることで、バンドギャップを０．８９ｅＶから０．９８ｅＶに大きくしてある。ｎ−Ｉｎ０．８ Ｇａ０．２ Ａｓ０．５５Ｐ０．４５高屈折率層２４及びｎ−ＩｎＰ低屈折率層２５を１ペアとして、その３ペアにより活性層の直下に第２のＤＢＲ領域が形成されている。２６は吸収端波長１．２μｍ（バンドギャップ０．９８ｅＶ）のノンドープのＩｎＧａＡｓＰ、２７はＩｎＧａＡｓ量子井戸層、２８は吸収端波長１．４μｍ（バンドギャップ０．８９ｅＶ）のＩｎＧａＡｓＰ障壁層である。これらの層が活性層として働き、これらの層の光学長は発振波長（１．５５μｍ）に等しい。２９は吸収端波長１．２μｍ（バンドギャップ０．９８ｅＶ）のｐ−Ｉｎ０．８ Ｇａ０．２ Ａｓ０．５５Ｐ０．４５高屈折率層、３０はｐ−ＩｎＰ低屈折率層であり、これらの層２９，３０は１×１０１８ｃｍ−３にＺｎがドープされている。この部分のｐ−Ｉｎ０．８ Ｇａ０．２ Ａｓ０．５５Ｐ０．４５高屈折率層２９も、次に述べる第４のＤＢＲ領域における高屈折率層よりもＩｎとＡｓの組成を前記と同様に大きくすることで、バンドギャップを０．９８ｅＶに大きくしてある。ｐ−Ｉｎ０．８ Ｇａ０．２ Ａｓ０．５５Ｐ０．４５高屈折率層２９及びｐ−ＩｎＰ低屈折率層３０を１ペアとして、その３ペアにより活性層の直上に第３のＤＢＲ領域が形成されている。３１は吸収端波長１．４μｍ（バンドギャップ０．８９ｅＶ）のｐ−Ｉｎ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓ０．４ Ｐ０．６ 高屈折率層、３２はｐ−ＩｎＰ低屈折率層である。これらの層３１，３２は、いずれも不純物密度２×１０１８ｃｍ−３にＺｎがドープされている。ｐ−Ｉｎ０．７ Ｇａ０．３ Ａｓ０．４ Ｐ０．６ 高屈折率層３１及びｐ−ＩｎＰ低屈折率層３２を１ペアとして、その複数ペアにより、上記第３のＤＢＲ領域上に第４のＤＢＲ領域が形成されている。１３のエッチング溝は、第４のＤＢＲ領域部分は全て除去し、第３のＤＢＲ領域のうち、２ペアを残してエッチングしてあり、このエッチングにより、面発光レーザはローメサ構造となっている。３３はｐ型のオーミック電極、３４はｎ型のオーミック電極である。
【００１９】
本実施の形態においては、レーザ発振波長を１．３μｍ又は１．５５μｍとすることができるようにＩｎＰ系材料を用いたものである。そして基本的な考え方はＧａＡｓ系材料を用いた前記第１の実施の形態と全く同じであり、第１の実施の形態と略同様の作用、効果が得られる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、第１の導電型である第１のＤＢＲ、第１の導電型である第２のＤＢＲ、活性層、第２の導電型である第３のＤＢＲ、第２の導電型である第４のＤＢＲを順次積層した構造を有し、同じ導電型の前記ＤＢＲでは前記活性層に近い側のＤＢＲの不純物ドープ濃度が前記活性層から遠い側のＤＢＲの不純物ドープ濃度よりも低く、同じ導電型の前記ＤＢＲでは前記活性層に近い側のＤＢＲの高屈折率層のバンドギャップが前記活性層から遠い側のＤＢＲの高屈折率層のバンドギャップよりも大きく、前記第４のＤＢＲを貫き前記第３のＤＢＲまで達するエッチングによるローメサ構造を有するようにしたため、ローメサ構造のエッチングされずに残った第３のＤＢＲ領域での電流の横拡がりが小さくなって、閾値電流を小さくすることができる。レーザ発振光が最も強い活性層に近い側の第２、第３のＤＢＲでの光吸収が抑制されて、高効率とすることができる。また、イオン注入を用いずに、上記のように、ローメサ構造での電流の横拡がりを抑制できるので、低コストとすることができ、さらにはイオン注入による結晶欠陥の発生がないので、信頼性を高めることができる。
【００２２】
請求項２記載の発明によれば、前記第１乃至第４のＤＢＲの材料はＡｌＧａＡｓ半導体としたため、第２、第３のＤＢＲにおける高屈折率層を構成するＡｌＧａＡｓのＡｌ組成比を大きくすることで、バンドギャップが大きくなり、このＤＢＲ領域での光吸収を確実に抑制することができる。
【００２３】
請求項３記載の発明によれば、前記第１乃至第４のＤＢＲの材料はＩｎＧａＡｓＰ半導体としたため、第２、第３のＤＢＲにおける高屈折率層を構成するＩｎＧａＡｓＰのＩｎとＡｓの組成比をそれぞれ大きくすることで、バンドギャップが大きくなり、このＤＢＲ領域での光吸収を確実に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である面発光レーザの模式的な縦断面図である。
【図２】上記第１の実施の形態において活性層周囲の光強度分布を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の模式的な縦断面図である。
【図４】従来の面発光レーザの模式的な縦断面図である。
【符号の説明】
２ ｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ高屈折率層
４，１７ ｎ−Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓ低屈折率層
６，２７ 量子井戸層（活性層）
８，１８ ｐ−Ａｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓ低屈折率層
１０ ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ高屈折率層
１５ ｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ高屈折率層
２０ ｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ高屈折率層
２２ ｎ−Ｉｎ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ0.4 Ｐ0.6 高屈折率層
２３，２５ ｎ−ＩｎＰ低屈折率層
２４ ｎ−Ｉｎ0.8 Ｇａ0.2 Ａｓ0.55Ｐ0.45高屈折率層
２９ ｐ−Ｉｎ0.8 Ｇａ0.2 Ａｓ0.55Ｐ0.45高屈折率層
３０，３２ ｐ−ＩｎＰ低屈折率層
３１ ｐ−Ｉｎ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ0.4 Ｐ0.6 高屈折率層
Claims (3)
- 第１の導電型であり高屈折率層と低屈折率層のペアを複数層有する第１のＤＢＲ、第１の導電型であり高屈折率層と低屈折率層のペアを所定層有する第２のＤＢＲ、活性層、第２の導電型であり高屈折率層と低屈折率層のペアを複数層有する第３のＤＢＲ、第２の導電型であり高屈折率層と低屈折率層のペアを所定層有する第４のＤＢＲを順次積層した構造を有し、同じ導電型の前記ＤＢＲでは前記活性層に近い側のＤＢＲの不純物ドープ濃度が前記活性層から遠い側のＤＢＲの不純物ドープ濃度よりも低く、同じ導電型の前記ＤＢＲでは前記活性層に近い側のＤＢＲの高屈折率層のバンドギャップが前記活性層から遠い側のＤＢＲの高屈折率層のバンドギャップよりも大きく、前記第４のＤＢＲを貫き前記第３のＤＢＲまで達するエッチングによるローメサ構造を有することを特徴とする面発光レーザ。
- 前記第１乃至第４のＤＢＲの材料はＡｌＧａＡｓ半導体であることを特徴とする請求項１記載の面発光レーザ。
- 前記第１乃至第４のＤＢＲの材料はＩｎＧａＡｓＰ半導体であることを特徴とする請求項１記載の面発光レーザ。
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