JPH0114716B2 - - Google Patents
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- JPH0114716B2 JPH0114716B2 JP5360584A JP5360584A JPH0114716B2 JP H0114716 B2 JPH0114716 B2 JP H0114716B2 JP 5360584 A JP5360584 A JP 5360584A JP 5360584 A JP5360584 A JP 5360584A JP H0114716 B2 JPH0114716 B2 JP H0114716B2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES 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
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
- H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
- H01S5/0421—Electrical excitation ; Circuits therefor characterised by the semiconducting contacting layers
- H01S5/0422—Electrical excitation ; Circuits therefor characterised by the semiconducting contacting layers with n- and p-contacts on the same side of the active layer
- H01S5/0424—Electrical excitation ; Circuits therefor characterised by the semiconducting contacting layers with n- and p-contacts on the same side of the active layer lateral current injection
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES 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
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- 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]
- H01S5/18344—Surface-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
- H01S5/18352—Mesa with inclined sidewall
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- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
この発明は電流の流れる方向に対して垂直な方
向に光を発振し、集積化が容易な半導体レーザ装
置に関するものである。
向に光を発振し、集積化が容易な半導体レーザ装
置に関するものである。
光通信や光情報処理技術の発展に伴い、電子素
子、光素子単体の代りに電子素子群と光素子群を
同一基板にモノリシツクに集積化した光−電子集
積回路の実現が嘱望されている。これまで集積化
が可能な半導体レーザとしては分布帰還型レーザ
及び分布ブラツク反射型共振器レーザが知られて
いる。しかし、分布帰還型レーザは活性層の真上
のAlGaAs層に回折格子を設ける構造であるため
製造工程が複雑であり、素子収率の向上は望めな
い。また分布ブラツク反射型共振器レーザの場合
は回折格子は活性領域より離れて設けられている
が、このために回折格子の領域においては光の損
失が大きい。この損失を打ち勝つような反射率を
得るためには回折格子の長さを充分大きくする必
要があるが、これは素子が大型化することとな
り、素子の集積率の低下を招くこととなる。
子、光素子単体の代りに電子素子群と光素子群を
同一基板にモノリシツクに集積化した光−電子集
積回路の実現が嘱望されている。これまで集積化
が可能な半導体レーザとしては分布帰還型レーザ
及び分布ブラツク反射型共振器レーザが知られて
いる。しかし、分布帰還型レーザは活性層の真上
のAlGaAs層に回折格子を設ける構造であるため
製造工程が複雑であり、素子収率の向上は望めな
い。また分布ブラツク反射型共振器レーザの場合
は回折格子は活性領域より離れて設けられている
が、このために回折格子の領域においては光の損
失が大きい。この損失を打ち勝つような反射率を
得るためには回折格子の長さを充分大きくする必
要があるが、これは素子が大型化することとな
り、素子の集積率の低下を招くこととなる。
この発明の目的は上述の従来の集積可能な半導
体レーザの問題点を解消し、簡単な製造工程によ
り実現でき、光損失が少なく、低発振閾値電流密
度の半導体レーザ装置を提供することにある。
体レーザの問題点を解消し、簡単な製造工程によ
り実現でき、光損失が少なく、低発振閾値電流密
度の半導体レーザ装置を提供することにある。
この目的を達成するため、この発明による半導
体レーザ装置は発振光の波長の1/2の整数倍の間
隔で量子井戸が空間的に配置するように直接遷移
型半導体極薄膜と該半導体の禁制帯幅より広い禁
制帯幅を有する半導体薄膜を交互に複数積層した
量子井戸型構造と、該量子井戸型構造の一側面に
設けたｐ型領域と、該ｐ型領域に設けられたｐ型
電極と、該量子井戸型構造のｐ型領域の反対側面
に設けられたｎ型電極より成り、該電極へ電流を
供給することにより各量子井戸で注入されたキヤ
リヤの再結合により放出された光の電場は互に位
相を揃え、キヤリヤの注入レベルが一定水準を越
えるとレーザ光が量子井戸型構造に対し、即ち、
電流の流れる方向に対して垂直な方向に発振す
る。
体レーザ装置は発振光の波長の1/2の整数倍の間
隔で量子井戸が空間的に配置するように直接遷移
型半導体極薄膜と該半導体の禁制帯幅より広い禁
制帯幅を有する半導体薄膜を交互に複数積層した
量子井戸型構造と、該量子井戸型構造の一側面に
設けたｐ型領域と、該ｐ型領域に設けられたｐ型
電極と、該量子井戸型構造のｐ型領域の反対側面
に設けられたｎ型電極より成り、該電極へ電流を
供給することにより各量子井戸で注入されたキヤ
リヤの再結合により放出された光の電場は互に位
相を揃え、キヤリヤの注入レベルが一定水準を越
えるとレーザ光が量子井戸型構造に対し、即ち、
電流の流れる方向に対して垂直な方向に発振す
る。
本発明による半導体レーザ装置は簡単な構造で
あつて、公知の分子線エピタキシヤル成長法など
にて、容易に製造することができるため、他の素
子群と共に同一基板上にモノリシツクに集積化す
ることができる。また、光を励起、発振する領域
が量子井戸型構造であるため、発振閾値電流は小
さくて済むなどの特徴をも備えている。
あつて、公知の分子線エピタキシヤル成長法など
にて、容易に製造することができるため、他の素
子群と共に同一基板上にモノリシツクに集積化す
ることができる。また、光を励起、発振する領域
が量子井戸型構造であるため、発振閾値電流は小
さくて済むなどの特徴をも備えている。
次に本発明による半導体レーザ装置を第１，２
図に示した一実施例により説明すると、１はｎ型
GaAs基板結晶であつて、このGaAs基板結晶１
の上にはバツフアー層２を設ける。このバツフア
ー層２は後述のエピタキシヤル層への基板結晶の
影響を除去するために設けられたものであつて、
例えば不純物を添加しないAlGaAsが用いられ
る。
図に示した一実施例により説明すると、１はｎ型
GaAs基板結晶であつて、このGaAs基板結晶１
の上にはバツフアー層２を設ける。このバツフア
ー層２は後述のエピタキシヤル層への基板結晶の
影響を除去するために設けられたものであつて、
例えば不純物を添加しないAlGaAsが用いられ
る。
このバツフアー層２の上には第２図に示すよう
に直接遷移型半導体極薄膜３ａと上記半導体の禁
制帯幅より広い禁制帯幅を持つた半導体薄膜３ｂ
を交互に複数積層した量子井戸型構造の多層エピ
タキシヤル成長層３がある。これらの二つの半導
体薄膜３ａ，３ｂの厚さは数10〜数100Åであつ
て、極薄膜３ａが量子井戸となり、薄膜３ｂは量
子井戸の間隔を規制するためのものであつて、極
薄膜３ａで発振した光の吸収を防ぐため例えば不
純物を含まない半導体を用いる。
に直接遷移型半導体極薄膜３ａと上記半導体の禁
制帯幅より広い禁制帯幅を持つた半導体薄膜３ｂ
を交互に複数積層した量子井戸型構造の多層エピ
タキシヤル成長層３がある。これらの二つの半導
体薄膜３ａ，３ｂの厚さは数10〜数100Åであつ
て、極薄膜３ａが量子井戸となり、薄膜３ｂは量
子井戸の間隔を規制するためのものであつて、極
薄膜３ａで発振した光の吸収を防ぐため例えば不
純物を含まない半導体を用いる。
この量子井戸型構造の量子井戸の間隔はブラツ
グ条件（λ／２）Ｎを満足するような値とす
る。ここでは量子井戸型構造の有効屈折率、Ｎ
は整数である。即ち、量子井戸型構造で励起した
ときに発光する量子井戸型構造内での波長λ／
の1/2の整数倍の間隔で井戸を並べる。
グ条件（λ／２）Ｎを満足するような値とす
る。ここでは量子井戸型構造の有効屈折率、Ｎ
は整数である。即ち、量子井戸型構造で励起した
ときに発光する量子井戸型構造内での波長λ／
の1/2の整数倍の間隔で井戸を並べる。
具体的には量子井戸型構造を構成する二つの半
導体薄膜３ａ，３ｂの厚さの関係は、 ｄ（3a）＋ｄ（3b）＝λ／２・Ｎ （Ｎ＝１、２、３…） であつて、その構成は第２図に示すようになる。
導体薄膜３ａ，３ｂの厚さの関係は、 ｄ（3a）＋ｄ（3b）＝λ／２・Ｎ （Ｎ＝１、２、３…） であつて、その構成は第２図に示すようになる。
更に量子井戸型構造の層数、即ち二つの半導体
薄膜３ａ，３ｂの組合せを一周期としたとき、周
期数は多い程、発振の閾値電流値は小さくなる。
実用的見地から考慮すると、半導体の種類、膜厚
などにより異なるが、周期数は数10〜数100程度
である。なお、この量子井戸型構造を構成する半
導体としてはGaAs−AlGaAs系、InGaAsP−
InP系の他にInGaAsP系、InGaAlP系、
InGaAlAs系、GaInSbAs系、InAsPSb系などを
用いることができる。
薄膜３ａ，３ｂの組合せを一周期としたとき、周
期数は多い程、発振の閾値電流値は小さくなる。
実用的見地から考慮すると、半導体の種類、膜厚
などにより異なるが、周期数は数10〜数100程度
である。なお、この量子井戸型構造を構成する半
導体としてはGaAs−AlGaAs系、InGaAsP−
InP系の他にInGaAsP系、InGaAlP系、
InGaAlAs系、GaInSbAs系、InAsPSb系などを
用いることができる。
次に、この多層エピタキシヤル成長層３の一部
をエツチングにより基板１面に対して垂直に取り
除き、その垂直壁面にはZnなどのｐ型不純物を
拡散したｐ型領域４を設け、ｐ型領域の延長部分
４′にはｐ型電極６を設ける。また、上記ｐ型領
域４と所定の間隔を隔てて平行にエツチングによ
りＶ字状溝５を多層エピタキシヤル成長層３に形
成し、その切開したＶ型斜面にはｎ型電極７を設
ける。
をエツチングにより基板１面に対して垂直に取り
除き、その垂直壁面にはZnなどのｐ型不純物を
拡散したｐ型領域４を設け、ｐ型領域の延長部分
４′にはｐ型電極６を設ける。また、上記ｐ型領
域４と所定の間隔を隔てて平行にエツチングによ
りＶ字状溝５を多層エピタキシヤル成長層３に形
成し、その切開したＶ型斜面にはｎ型電極７を設
ける。
上述の如き構成において、ｐ型電極６、ｎ型電
極７へ電流を供給すると、キヤリヤの注入はｐ型
領域４から量子井戸型構造のうち狭いバンドギヤ
ツプを持つ各半導体薄膜３ａ内で行われる。この
量子井戸の間隔は上述の如くブラツグ条件を満足
しているため、各半導体薄膜３ａ内では注入キヤ
リヤの再結合により放出された光の電場は互いに
位相を揃えるようになり、キヤリヤの注入レベル
が一定水準を越えると、誘導放出し、レーザ発振
が第２図の矢印に示すように量子井戸型構造３に
対して垂直の方向に起る。このとき、量子井戸を
隔てている半導体薄膜３ｂはバンドギヤツプが半
導体薄膜を３ａより広く且つ、不純物を含んでい
ないため、放出光の吸収は殆ど行われず、従つて
光損失は生じない。この半導体レーザ装置におい
て、発振の閾値電流値を決めるのは共振器内の損
失や端面における反射損失ではなく、帰還量を決
める量子井戸型構造の周期数である。実際にはこ
の周期数を100程度とすれば、発振閾値電流密度
値は、〜1KA／cm2となつて、レーザ発振は容易
に得られる。
極７へ電流を供給すると、キヤリヤの注入はｐ型
領域４から量子井戸型構造のうち狭いバンドギヤ
ツプを持つ各半導体薄膜３ａ内で行われる。この
量子井戸の間隔は上述の如くブラツグ条件を満足
しているため、各半導体薄膜３ａ内では注入キヤ
リヤの再結合により放出された光の電場は互いに
位相を揃えるようになり、キヤリヤの注入レベル
が一定水準を越えると、誘導放出し、レーザ発振
が第２図の矢印に示すように量子井戸型構造３に
対して垂直の方向に起る。このとき、量子井戸を
隔てている半導体薄膜３ｂはバンドギヤツプが半
導体薄膜を３ａより広く且つ、不純物を含んでい
ないため、放出光の吸収は殆ど行われず、従つて
光損失は生じない。この半導体レーザ装置におい
て、発振の閾値電流値を決めるのは共振器内の損
失や端面における反射損失ではなく、帰還量を決
める量子井戸型構造の周期数である。実際にはこ
の周期数を100程度とすれば、発振閾値電流密度
値は、〜1KA／cm2となつて、レーザ発振は容易
に得られる。
次に、本発明による半導体レーザ装置の製造方
法の一例を第３図により説明する。ｐ型GaAs基
板結晶１１（Siドープ、キヤリヤ濃度１×1015cm
-3）上にバツフア層として分子線エピタキシヤル
成長法によりAl0.35Ga0.65As層１２を1μｍの厚さ
で成長し、その上に不純物を添加しない1120Å厚
のAl0.35Ga0.65As層とSiを１×1017cm-3添加した80
Å厚のGaAs層を交互に100層宛成長し、最上の
成長層はAlGaAs層となるようにして量子井戸型
構造の多層エピタキシヤル成長層１３を形成す
る。
法の一例を第３図により説明する。ｐ型GaAs基
板結晶１１（Siドープ、キヤリヤ濃度１×1015cm
-3）上にバツフア層として分子線エピタキシヤル
成長法によりAl0.35Ga0.65As層１２を1μｍの厚さ
で成長し、その上に不純物を添加しない1120Å厚
のAl0.35Ga0.65As層とSiを１×1017cm-3添加した80
Å厚のGaAs層を交互に100層宛成長し、最上の
成長層はAlGaAs層となるようにして量子井戸型
構造の多層エピタキシヤル成長層１３を形成す
る。
このように形成した多層エピタキシヤル成長層
１３の上面よりリソグラフイーと異方性ウエツト
エツチングによつて幅1.2μｍ、深さ1.2μｍのＶ字
状溝１５をストライプ状に形成する。このＶ字状
溝１５のストライプ部分にはリフトオフによつて
AuGeNi−Au膜１７を蒸着する（第３ａ図）。
１３の上面よりリソグラフイーと異方性ウエツト
エツチングによつて幅1.2μｍ、深さ1.2μｍのＶ字
状溝１５をストライプ状に形成する。このＶ字状
溝１５のストライプ部分にはリフトオフによつて
AuGeNi−Au膜１７を蒸着する（第３ａ図）。
次に多層エピタキシヤル成長層１３上をSiN3
膜１８とフオトレジストを順次被着した後に、フ
オトレジストをマスクとしてＶ字状溝１５と所定
の間隔を保つて平行に深さ10μｍ、幅100μｍのチ
ヤネル１９をドライエツチングにより形成し、次
いでフオトレジストを除去し、SiN3膜１８をマ
スクとして形成したチヤネル１９にZnの拡散を
行い、側面、底面とともに厚さ1μｍのZn拡散領
域１４を形成する（第３ｂ図）。
膜１８とフオトレジストを順次被着した後に、フ
オトレジストをマスクとしてＶ字状溝１５と所定
の間隔を保つて平行に深さ10μｍ、幅100μｍのチ
ヤネル１９をドライエツチングにより形成し、次
いでフオトレジストを除去し、SiN3膜１８をマ
スクとして形成したチヤネル１９にZnの拡散を
行い、側面、底面とともに厚さ1μｍのZn拡散領
域１４を形成する（第３ｂ図）。
上述の如くZn拡散によりｐ型領域を形成した
ら、エピタキシヤル成長層１３の上面全体にCr
−Au膜１６の蒸着を行い、更にその上にフオト
レジストを塗布すると、フオトレジストはチヤネ
ル部分１９及びＶ字状溝部分５に厚く塗布され
る。その後フオトレジストの厚く塗布された部分
２０のみが残るようにドライエツチングを行う
（第３ｃ図）。
ら、エピタキシヤル成長層１３の上面全体にCr
−Au膜１６の蒸着を行い、更にその上にフオト
レジストを塗布すると、フオトレジストはチヤネ
ル部分１９及びＶ字状溝部分５に厚く塗布され
る。その後フオトレジストの厚く塗布された部分
２０のみが残るようにドライエツチングを行う
（第３ｃ図）。
最後にウエツトエツチングにより残つているフ
オトレジスト部分２０、SiN3膜１８及びチヤネ
ル部分１９以外に蒸着したCr−Au膜１６を取り
除きレーザ装置が完成する（第３ｄ図）、上記レ
ーザ装置のＶ字状溝部分１５に蒸着したAuGeNi
−Au膜１７はｎ型電極となり、チヤネル部分１
９に形成したZn拡散領域１４はｐ型領域となり、
更にZn拡散領域１４上に蒸着したCr−Au膜１６
はｐ型電極となる。
オトレジスト部分２０、SiN3膜１８及びチヤネ
ル部分１９以外に蒸着したCr−Au膜１６を取り
除きレーザ装置が完成する（第３ｄ図）、上記レ
ーザ装置のＶ字状溝部分１５に蒸着したAuGeNi
−Au膜１７はｎ型電極となり、チヤネル部分１
９に形成したZn拡散領域１４はｐ型領域となり、
更にZn拡散領域１４上に蒸着したCr−Au膜１６
はｐ型電極となる。
上述の如き工程により製造した半導体レーザ装
置においてｎ型電極及びｐ型電極に30ｍＡの電流
を供給したところ、レーザ装置には劈開面による
共振器を有していないのに拘らず、素子の表面よ
り垂直な方向にレーザ光が発振し、その出力は約
10ｍＷであつた。
置においてｎ型電極及びｐ型電極に30ｍＡの電流
を供給したところ、レーザ装置には劈開面による
共振器を有していないのに拘らず、素子の表面よ
り垂直な方向にレーザ光が発振し、その出力は約
10ｍＷであつた。
上記説明で明らかなように、この発明による半
導体レーザ装置は新規な構造とすることにより光
の損失は殆どなく、分子線エピタキシヤル成長
法、気相エピタキシヤル成長法にて製造すること
ができ、またレーザ光が多層構造に対して垂直な
方向へ発振するため、他の素子との集積化も容易
に行うことができ、更に光を励起、発振する領域
が量子井戸型構造としているため発振閾値電流が
低い等の量子井戸型構造の特徴も備えている。
導体レーザ装置は新規な構造とすることにより光
の損失は殆どなく、分子線エピタキシヤル成長
法、気相エピタキシヤル成長法にて製造すること
ができ、またレーザ光が多層構造に対して垂直な
方向へ発振するため、他の素子との集積化も容易
に行うことができ、更に光を励起、発振する領域
が量子井戸型構造としているため発振閾値電流が
低い等の量子井戸型構造の特徴も備えている。
第１図はこの発明による半導体レーザ装置の一
実施例を示す断面図、第２図は第１図の半導体レ
ーザ装置の要部拡大図、第３図はこの発明の半導
体レーザ装置の製造工程の一実施例を示す説明図
である。 １，１１……基板結晶、３，１３……多層エピ
タキシヤル成長層、４……ｐ型領域、５，１５…
…Ｖ字状溝、６……ｐ型電極、７……ｎ型電極、
１４……Zn拡散領域、１６……Cr−Au膜、１７
……AuGeNi−Au膜、１９……チヤネル部分。
実施例を示す断面図、第２図は第１図の半導体レ
ーザ装置の要部拡大図、第３図はこの発明の半導
体レーザ装置の製造工程の一実施例を示す説明図
である。 １，１１……基板結晶、３，１３……多層エピ
タキシヤル成長層、４……ｐ型領域、５，１５…
…Ｖ字状溝、６……ｐ型電極、７……ｎ型電極、
１４……Zn拡散領域、１６……Cr−Au膜、１７
……AuGeNi−Au膜、１９……チヤネル部分。
Claims (1)
- １ 発振光の波長の1/2の整数倍の間隔で量子井
戸が空間的に配置するように直接遷移型半導体極
薄膜と該半導体の禁制帯幅より広い禁制帯幅を有
する半導体薄膜を交互に複数積層した量子井戸型
構造と、該量子井戸型構造の一側面に設けたｐ型
領域と、該ｐ型領域に設けられたｐ型電極と、該
量子井戸型構造のｐ型領域の反対側面に設けられ
たｎ型電極とから成り、該量子井戸型構造に対し
垂直な方向へ発振光を放出することを特徴とする
半導体レーザ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5360584A JPS60198790A (ja) | 1984-03-22 | 1984-03-22 | 半導体レ−ザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5360584A JPS60198790A (ja) | 1984-03-22 | 1984-03-22 | 半導体レ−ザ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60198790A JPS60198790A (ja) | 1985-10-08 |
| JPH0114716B2 true JPH0114716B2 (ja) | 1989-03-14 |
Family
ID=12947516
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5360584A Granted JPS60198790A (ja) | 1984-03-22 | 1984-03-22 | 半導体レ−ザ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60198790A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4881236A (en) * | 1988-04-22 | 1989-11-14 | University Of New Mexico | Wavelength-resonant surface-emitting semiconductor laser |
| US5253263A (en) * | 1992-03-12 | 1993-10-12 | Trw Inc. | High-power surface-emitting semiconductor injection laser with etched internal 45 degree and 90 degree micromirrors |
-
1984
- 1984-03-22 JP JP5360584A patent/JPS60198790A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60198790A (ja) | 1985-10-08 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |