JPH02237192A - 面発光レーザ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、基板主面に平行な方向、すなわち基板側面に
沿ってはダブル・ヘテロ構造を採り、基板主面に対して
起立する方向には分布帰還型光導波路を有する面発光レ
ーザ及びその製造方法に関する． ［従来の技術］ 基板主面に対して垂直にレーザ出力光が得られる面発光
レーザは、臂開（へきかい）工程が不要なことや大面積
化が容易なこと、また、高密度な集積化も容易なこと等
、多くの利点を有するため、将来的にもレーザ・アレイ
とか大出力レーザへの応用や、二次元のみならず、三次
元の光電子集積回路（ＯＥ−ＩＣ）等への応用も期待さ
れており、こうしたことから、従来においてもすでに、
種々の構造が提案されてきた。

その中で代表的なものを挙げると、第８図及び第９図に
示すものがある． 個々に説明すると、まず、第８図に示す面発光レーザは
、基本的には基板１の上に順次、水平かつ層状に下側ク
ラッド層２、活性層３、上側クラッド層４を積層形成し
、上下クラッド層２，４の一方の導電型をｐ型としたな
らば、他方のそれをｎ型として、両者でｐｎ接合を構成
する。

その上で、上側クラッド層４の上には絶縁膜５を介して
金属ミラー６を設け、基板１の裏面にも同様に金属ミラ
ー７を設ける。

上下一列の金属ミラー６，７は、このレーザの電流注入
用電極としても機能するが、すでに知られているように
、望ましくは所期の電流狭窄効果を起こすように、上側
金属ミラー６の下にあって上側クラッド層４を覆う絶緑
膜５には、当該電流狭窄対象部分にのみ、開口を設け、
上側金属ミラー６はこの絶！膜５の開口部分を介しての
み、上側クラッド層４にオーミック接触するようになっ
ており、一方では基板１にも同様に狭窄対象部分に開口
が設けられ、下側金属ミラー７はこの基板開口部分を介
してのみ、下側クラッド層２にオーミック接触するよう
になっている。

このような構造によると、出力レーザ光は、第８図中、
大きな矢印ＬＢで示すように、一対の電極ないし金属ミ
ラー６．７の対向方向、すなわち基板１とは直交する方
向に出射される。

これに対し、第９図に示される従来例は、特開昭６１−
４２９１号公報中に開示されているもので、これには本
発明者も関与しているが、高屈折率媒質層３１と低屈折
率媒質層３２の積層構造から成る半導体ヘテロ多層膜に
より構成された活性層兼光共振器構造体３０を用いてい
る． この活性層兼光共振器構造体３０は、基板１に対し垂直
に形成されており、その幅Ｗを横方向両側から挟み込む
ようにして少数キャリア閉じ込め用のクラッド層２．４
が設けられ、さらにこれら各クラッド層２，４の外側に
、それぞれオーミック電極６，７が設けられている。

この従来例でも、一対のクラッド層２，４の導電型は互
いに逆導電型に選ばれ、一方がｐ型なら他方はｎ型に選
ばれるが、先の第８図示の面発光レーザでは、活性層３
に対する電流の注入方向と、活性層３からの発振レーザ
光ＬＢの出射方向とが互いに平行（同方向）になってい
たのに対し、この第９図示の面発光レーザにおいては、
これと異なり、活性層兼光共振器構造体３０への電流注
入方向に対し、当該構造体３０からの発振レーザ光ＬＢ
の出射方向は直交する関係になる． なお、この第９図示の面発光レーザで活性層兼光共振器
構造体３０に用いる半導体ヘテロ多層膜３０は、これも
本出願人がその前にすでに開示している特開昭５９−３
６９８８号公報に記載されている構成法に基づいて構成
され、例えば、当該半導体ヘテロ多層膜３０の厚さ方向
の屈折率の変化の基本周期はレーザ光の管内波長の％と
なっており、この弼の屈折率基本周期はまた、属管内波
長の整数倍（一倍を含む）の厚味を持つ高屈折率媒質層
３１と、同じく図管内波長の整数倍の厚味を持つ低屈折
率媒質層３２とで構成するか、あるいは厚味方向の組成
等を％管内波長を周期として連続的に変化させて得てい
る。

しかるに、本発明に関係してくることなので、二二で注
目しておきたいのは、この第９図示の従来例ではどのよ
うにして、活性層幅Ｗを確定していたか、である． これは、端的に言えば、各クラッド層２．４を形成する
ために当該半導体ヘテロ多層膜の側面をエッチングする
ときのりソグラフィ精度で決められていた． すなわち、活性層兼光共振器構造体３０は、基板その後
、第９図中の所要幅Ｗの片側（左側）の部分をまずはス
テップ・エッチング等により除去し、この除去部分に第
一導電型、例えばｐ型のクラッド層２を成長させる。

この手続が終わったら、図中の所用幅Ｗの部分を残すよ
うに、今度は反対側（右側）の部分をステップ・エッチ
ング等により除去して、この除去部分にｎ型クラッド層
４を液相成長させる。っまりはこのようにして、結果と
して両クラッド層２．４間に挟まれた細幅Ｗの柱状の活
性層兼光共振器構造体３０を形成するのである． なお、これとは異なり、特開昭５９−　１０４１８８号
公報に見られるように、実際にはその実現が難しく、単
なるアイデアに留まる程度ではあるが、基板上にまず、
極めて小径（３μｍ程度）の円柱状の活性層兼光共振器
構造体を“自立的に”形成してしまい、その後に、その
周囲にｐｎ各導電型のクラッド層を形成するという提案
もある。

とレーザ長との積が光共振器の損失を越えた時点で満た
される。この中、レーザ利得は、少数キャリア閉じ込め
効率や、キャリア再結合領域と光共振器との間の結合効
率に支配される。

また、レーザ長は、活性層の光共振器間の光路方向の幾
何的な長さないし厚さに対応し、面発光レーザの場合、
従来これは、少数キャリアの拡散通常の端面出射型の半
導体レーザに比すと、同一のレーザ利得を得るのには相
当に大きな電流注入密度を要し、低閾（しきい）値電流
化が困難で、まだまだ実用化には十分でなかった。その
原因は次のように説明できる． 一般に半導体レーザの発振条件は、レーザ利得され、例
えば反射率を９５％に増加させれば、それ自体は約１／
２０に低下させることができる。

しかるに、まず、既述した従来例群の中、第８図に示さ
れた従来構造を見ると、これでは電流の注入方向と光共
振器による光共振方向が同一方向となるため、少数キャ
リアの注入密度を増加させるために活性層３の厚さｄを
薄くすると、そのことが逆に面発光レーザのレーザ長Ｌ
　（＝ｄ）を縮めるという結果になってしまう。

そのため、この第８図示の面発光レーザでは、上記の競
合要因、すなわちレーザ長Ｌ　（＝ｄ）を長く採ると単
位電流あたりの注入キャリア濃度が低下し、逆に注入キ
ャリア濃度を稼ごうとして活性層３の厚さｄ　（＝Ｌ）
を薄くすると当然、レーザ長Ｌ（＝ｄ）が短くなってレ
ーザ利得が低下するという両天秤の釣り合いを採る設計
が強いられ、その結果、実際には活性層厚ｄは０．５〜
２μｍ程度の範囲内に設定しなければならなかった。

この値は、これをレーザ長Ｌとして見ると明ら一方、第
９図示の従来例では、先に述べたように、活性層３の幅
Ｗに沿う電流注入方向と、光共振器方向Ｌ（レーザ出射
方同）とは互いに直交しているため、この構造において
キャリア注入効率を上げるためには、その活性層幅Ｗを
必要なだけ薄くすれば良く、このことが、レーザ利得を
稼ぐ上で必要なレーザ長Ｌを短くしてしまうようなこ例
えば、通常の端面出射型レーザにおいては、活性層の厚
さが典型的には０．１〜０．２μｍ程度である．これに
比すと、上記の活性層厚ｄは実際上は１０ないし２０倍
もの厚さになり、同一のレーザ利得を得るには、単純に
考えても１０ないし２０倍以上もの注入電流密度を要す
ることになる。

て解消し得るようであり、実用的な面発光レーザとして
理想的なものを提供しているかのように思える．確かに
、ある意味ではそれは誤りではない。単純に構造的な観
点から見た場合には、この第９図示の構造は、そのよう
な優れた面発光レーザを提供し得る可能性を秘めており
、原理的な構造としては優れていると言える。

しかし、問題となるのは、その製造過程における各素工
程での寸法精度である。換言すれば、現状の製造技術レ
ベルでは、実際にこの第９図示の構造に従った面発光レ
ーザを構築してみても、結果としては先の第８図示従来
例における活性層厚ｄと同様、せいぜい、２〜３μｍ程
度にしか、活性層幅Ｗを精度良く狭め得ないのである。

つまり、すでに述べたこの第９図示の従来例の製造過程
を振り返ってみると明らかなように、活性層幅Ｗは、ｐ
型クラッド層形成用とｎ型クラッド層形成用の、少なく
とも二回のりソグラフイ工程における各寸法精度の影響
を受ける。そして当昭５９−　１０４１８８号公報開示
のように、基板上に直径３μｍ程度の極めて微小径の円
柱状活性領域を自立的に形成すること等、到底、不可能
であフた。

なお、第９図示従来例は、隼に構造的に見ても、基板１
にエッチングを施して開口を開ける必要から、集積化が
難しく、機域的強度も弱くなるという欠点もあった。

そのため、これら素工程の各々には、現状の技術レベル
で例え最高精度の技術を援用しても、それらの許容誤差
の総計に鑑みると、上記のように、実際には活性層幅Ｗ
を２〜３μｍ以下にすることは不可能だったのである。

ましてや、従来例に関し最後に述べた、特開閾値電流で
動作可能な、実用的な面発光レーザ及びその製造方法を
提供せんとするものである。

これに加え、本発明はまた、既存の端面出射型で分布帰
還（ＤＦＢ）型のレーザにおいて採用されている回折格
子構造に相当する構造であって、レーザ光を生ずべき活
性領域に対し、光共振器方向に沿い周期的な伝搬定数の
変化を与える構造として、より高性能な構造を含む面発
光レーザ及びその製造方法を提供せんとするものでもあ
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記目的を達成するため、次のような構造を基
本とする面発光レーザ及びその製造方法を開示する。

まず構造的には、基板の上に、第一導電型の半導体ヘテ
ロ多層膜と、レーザ発振のための活性層、そして上記第
一導電型とは逆導電型のクラッド層を基板主面に対し、
平行な方向（基板側面に沿う方向）に並設する． 半導体ヘテロ多層膜は、第一導電型の高屈折率光を放射
する面発光レーザをもその対象としているからである。

半導体ヘテロ多層膜の外に基板上に構成される構成要素
の中の一つの構成要素である活性層は、上記の半導体ヘ
テロ多層膜の断層面に沿って（したがって基板に対して
は起立方向に沿って）これを設け、当該半導体ヘテロ多
層膜とはヘテロ構造を形成するものとする。

ここで、基板に対して起立した関係というのは、基板主
面に対して垂直である最も普通の場合の外、当該垂直方
向に対して角度を置いた斜めの関係をも含む包括語であ
る。これはすなわち、本発明の面発光レーザでは、基板
垂直方向にレーザ光を放射する場合のみならず、斜め上
方にレーザけ、当該光導波路と半導体ヘテロ構造を形成
するものとする。

したがって、半導体ヘテロ多層膜と活性層のなす第一の
半導体ヘテロ構造と、活性層とクラッド層とがなす第二
の半導体ヘテロ構造とにより、基板主面と平行な方向に
見ると、いわゆる半導体ダブル・ヘテロ構造が構築され
、これにより、基板主面に対して起立する方向に見ると
光導波路構造が形成される。このような構造では、半導
体ヘテ口多層膜とクラッド層間に基板主面に対して平行
な方向に流す順方向電流により、それらの間に挟まれた
活性層をレーザ発振領域とすることができる。

しかも、半導体ヘテロ多層膜を構成している高屈折率媒
質層と低屈折率媒質層とにより形成され、基板主面に対
して起立する方向の屈折率の周期的な変化は、基板主面
に対して起立する方向に沿クて設けられる光導波路に対
し、そ．の伝搬定数に周期的な変化を生み、これをして
当該光導波路沿って設けられていた回折格子構造と等価
的には同様の構造を有していることを意味する。

したがってもちろん、実際には、半導体ヘテロ多層膜の
高屈折率媒質層や低屈折率媒質層の各材質、組成（ない
し屈折率またはエネルギ・ギャップ）とか、それぞれの
厚味に関し、光導波路内の光進行方向に沿う伝搬定数が
、原則として当該光導波路内の管内波長の％の整数倍を
基調にして変調するように設計する。

必要に応じては、半導体ヘテロ多層膜の断層面と活性層
との間に、当該半導体ヘテロ多層膜に対する活性層の再
成長界面に発生し得る結晶欠陥の影響を除くため、適当
なる材質で適当なる厚味（薄さ）のバリア層を挟み込ん
でも良い。そのようにしても、上記のように半導体ヘテ
ロ多層膜が活性層、ひいては光導波路に対して及ぼす導
波方向伝搬定数の周期的な変調効果は失われないように
することができる． また、本発明は、上記の基本構成を満たした上で、半導
体ヘテロ多層膜の断層面における高屈折率媒質層と低屈
折率媒質層の端面の位置を基板主面と平行方向に意図的
にずらすように加工することにより、基板主面に対し起
立する方向には意図的に凹凸の連続する面が形成され、
か・つ、これにより、活性層の幅が導波方向（基板主面
に対し起立する方向）に沿って周期的に可変にされ、こ
ねがまた、当該導波方向に沿う光導波路の伝搬定数の変
化を助長させる構造も提案する。

製造上の観点からしても、上記構造は、基本的に、微細
加工技術により活性層幅を規定しないで済む構造を示し
ており、そのため本発明は、改めて、次のような製造方
法をも提案する。

まず、基板の主面上に、第一の導電型の高屈折率媒質層
と、同じく第一の導電型の低屈折率媒質層とを交互に複
数層に亙り積層し、半導体ヘテロ多層膜を形成する。

次に、上記で形成された半導体ヘテロ多層膜の所定面積
部分をエッチング除去し、基板上にあフて除去し残した
半導体ヘテロ多層膜の被エッチング側面に、この半導体
ヘテロ多層膜を構成している高屈折率媒質層と低屈折率
媒質層の交互積層構造の断層面を露呈する。

このようにして露呈させた断層面に沿っては、半導体ヘ
テロ多層膜と半導体ヘテロ構造を形成する材質の活性層
を所定の幅だけ付着させる。

さらに、付着させた活性層の外側の側面に、上記第一の
導電型とは逆導電型で、活性層と半導体ヘテロ構造を形
成するクラッド層を付着させて、面発光レーザの基本構
造部分を形成する。

このような基本的な製造ステップに加え、半導体ヘテロ
多層膜の断層面を露呈する工程に続き、当該半導体ヘテ
ロ多層膜を形成している高屈折率媒質層と低屈折率媒質
層がこの断層面において交互に幾何的な凹凸を形成する
ように加工する工程を付加しても良い。

また、半導体ヘテロ多層膜の断層面を露呈させる工程と
、断層面に沿って活性層を付着させる工程の間に、さら
に、結晶欠陥の影響を低減させるため、バリア層を該断
層面に付着させる工程を付加しても良い。

この場合には当然、活性層は半導体ヘテロ多層膜の上記
断層面に対し、直接にではなく、バリア層を介して間接
的に沿うように付着されるが、これでも、本発明にした
がって形成される光導波路に対し、その導波方向に沿い
、周期的な伝搬定数の変化を与えることが可能である。

［作　　用］ 本発明の面発光レーザにおいては、基板上において、半
導体ヘテロ多層膜と、この半導体ヘテロ多層膜の断層面
に沿フて設けられた活性層とが第一の半導体ヘテロ構造
を形成し、一方ではまた、この活性層と、その外側のク
ラッド層とがもう一つの半導体ヘテロ構造を形成する。

型、クラッド層が第二導電型（第一導電型とは逆導電型
）なので、これら半導体ヘテロ多層膜とクラッド層に対
し、それらの形成するｐｎ接合に対しての順方向電流、
すなわち基板主面に対しては平行な方向に励起電流を供
給すると、それらの間に挟まれている活性層中にレーザ
発振を生じさせることができ、電流注入方向とは直交す
る方向、したがって基板主面に対しては起立する方向に
形成された光導波路に沿い、レーザ光を放射することが
できる。

したがって、第８図に示した従来例のように、励起電流
の注入方向とレーザ光の放射方向が同じ方向になるよう
なことはないので、キャリア注入効率に関する活性層の
幅と、レーザ利得に関与するレーザ長とは互いに独立に
、各々の最適値に設定し得る構造となっている。

また、当該レーザ光が励起される活性層は、纂９図示の
従来の面発光レーザにおけるように、半導体ヘテロ多層
膜で構成されているのではなく、単一種類の材料で構成
されていて、レーザ反射に寄与する分布帰還（ＤＦＢ）
構造は、当該活性層の一側に沿って設けられている半導
体ヘテロ多層膜が有しているため、活性層自体は、半導
体ヘテロ多層膜の側面に例えばエビタキシャル成長等に
より、車に付着させれば良い構造となっている。

したがって、当該活性層の幅は、従来例におけるリソグ
ラフィ工程援用時の精度に比し、遥かに高いものとする
ことができ、実際上、既存の膜成長技術によっても、再
現性良く、容易に０．１μｍ以下にすることができる． 本発明における分布帰還構造につき、もう少し述べれば
、高屈折率媒質層と低屈折率媒質層の交互積層構造で形
成され、活性層の一側面に沿って断層面を有する半導体
ヘテロ多層膜がこの機能を呈する． すなわち、活性層の長さ方向、つまりは基板主面に対し
て起立する光導波方向に沿い、当該活性させることで満
たすことができる． 一方、本発明において用いられる半導体ヘテロ多層膜の
断層面による等価的な回折格子形状は、従来の瑞面出射
型半導体レーザにおいてそれを分布帰還型とする場合に
採用されていた回折格子構造に比すと、遥かに結合効率
を高め得る望ましい構造となフている． 路は、その先導波方向に沿い、周期的に伝搬定数が変化
する分布帰還型の光導波路となる。

もちろん、この伝搬定数の変化の周期は、これまでのこ
の種の分布帰還型レーザにおけると同様、原則的には当
該光導波路内の管内波長の局を基本周期として設定すれ
ば良く、これはまた、ほぼ屑波長の整数倍の厚さに相当
する高屈折率媒質層と低屈折率媒質層を交互に積層する
か、その厚味方向の組成を局管内波長を基本周期として
変化い変化は期待できなかフたが、本発明の面発光レー
ザにおいては、光導波路に与える先導波方向伝搬定数の
周期的な変化は、上記のように、活性層の一側に位置す
る半導体ヘテロ多層膜の各高屈折率媒質層、低屈折率媒
質層の屈折率差に基づいて与えられるので、高屈折率媒
質層から低屈折率媒質層へ、またその逆に媒質層が移り
変わる境界部分で、当該光導波路伝搬定数に対し、極め
て急峻、かつ深い変化を与えることができ、結合効率を
大いに向上させることができる。

そのため、レーザ長が短くても十分な性能が得られ、端
面出射型の半導体レーザに比すと、従来はどうしてもレ
ーザ長を長く採り難かフたこの種の面発光レーザにとっ
て大いなる福音となる。

さらに、既述のように、半導体ヘテロ多層膜を構成する
高屈折率媒質層と低屈折率媒質層との屈［実　施　例］ 第１図には、本発明に従って構築された面発光レーザの
比較的原理的な構成が示されている。

これにつき説明すると、望ましくは半絶縁性の基板１の
上には、図中、左手の側から順に右方向に向かい、第一
導電型の半導体ヘテロ多層膜２０、必要に応じて設けら
れる後述のバリア層５０、半導体ヘテロ多層膜２０と半
導体ヘテロ構造を形成するを設け、これにより活性層の
幅を導波方向に沿い、幾何的にも変化させると、こうし
た活性層を含む光導波路としての伝搬定数の変調度も一
層高まり、より高い結合効率を得ることができる．また
、本発明において設けることのできるバリア層は、半導
体ヘテロ多層膜の断層面上に活性層を付着させるに際し
、当該再成長界面に発生し得るかも知れない結晶欠陥に
よる影響を低減する作用を営む。

この結果、本構造は、基板主面と平行な方向（基板側面
に沿う方向）に見ると、いわゆる半導体ダブル・ヘテロ
構造となフており、また、この半導体ダブル・ヘテロ構
造によって、基板主面に対し起立する方向に光導波路が
形成される。

半導体ヘテロ多層膜２０は、共に第一導電型であるが、
相対的に高屈折率の媒質層２１と、相対的に低屈折率の
媒質層２２との交互積層構造により成つており、活性層
３０は、この積層構造の断層面が表れている一側面に沿
い、ただしこの場合は間にバリア層５０を介して設けら
れている． なお、これらのパリア層５０、活性層３０，クラツド層
４０は、図中において基板１の右手の方にそれぞれダッ
シュを付した符号５０’，　３０’，　４０”でも示さ
れているように、当該基板１の主面上に平行に積層され
た部分も有するが、これは、本発明が併的な変化ないし
分布は、活性層３０に対し、その伝搬定数に、光導波方
向く基板に対し起立する方向）に沿う変調効果を招く。

これに関しての説明の都合上、ここで、従来における端
面出射型、すなわち基板主面に対し平行な方向にレーザ
光を放射するタイプの半導体レーザであって、かつ、光
導波路に分布帰還原理を用いたものの代表的な一例を第
７図に挙げると、基を考慮しなくて良い。重要なのは、
あくまで、半導体ヘテロ多層膜２０の積層方向に沿い、
基板１に対して起立し、あいまって光導波路構造を構成
する各層部分２０　，　３０　，　４０　．　５０の働
きである。

まず、図示の構造によると、半導体ヘテロ多層膜２０が
その積層方向（基板主面に対して起立する方向）に沿っ
て有する高屈折率媒質層２１と低屈折率媒質層２２との
交互積層構造に伴う屈折率の周期ることにより、その上
に第二クラツド層４を形成した時点で、波状の連続した
回折格子９が形成されるようになフている。

回折格子９の波状のピッチは、光導波路内の管内波長の
％を基準にその整数倍（隣接する山谷間は局管内波長の
整数倍）に設定され、これにより分布帰還原理が満たさ
れるようになフているが、ここで不満なのは、このよう
な回折格子９は、上記のように、′波状”にしか形成し
得なかったことである。これは、リソグラフィ工程に従
っている限り仕方のないことで、ピッチが細かくなり、
またその凹凸の深さが深くなる程、光導波路内における
伝搬定数の変化はこの幾何的な波状の形状にそのまま従
い、緩やかな変化しか得られないし、その周期も当該リ
ソグラフィ精度により支配され、余り高精度にはなり得
ない． これに対し、本発明の構造では、こ，の従来例の）折格
子９を基板に対して立てた場合に相当する構造が、活性
層３０の一側面に沿って形成された半導体ヘテロ多層膜
２０の断層面における高屈折率媒質層２１と低屈折率媒
質層２２の屈折率差により得られており、しかも、各媒
質層２１　．　２２は、一般に基板１０の上に順次、エ
ビタキシャル成長等により膜成長をさせる時の膜厚制御
により、既存の技術をしてもその寸法をかなり厳密に規
定し得るものとなるため、屈折率変化の周期は極めて正
確に設定することができる． また、半導体ヘテロ多層膜２０の断層面に表れている各
媒質層２１　．　２２の端縁部分は、波状のように丸く
なまった形ではなく、板を真直ぐ切断したときのように
、鋭い直角な角部で規定された端縁とすることができる
ので、両媒質層２１　．　２２間の境界部分において屈
折率の変化を急峻に、かつ深く形成することができる。

例えば、半導体ヘテロ多層膜２０にあって高屈折率媒質
層２１が存在する部分での本発明ダブル・ヘテロ構造の
バンド構造は第２図（Ａ）に示されるようになり、低屈
折率媒質層２２が存在する部分でのそれは第２図（Ｂ）
に示すようになる。

゛，”． ”ｉ＜ｉｆ第２図（Ａ）に示されるバンド構造の場合、
光電界は高屈折率媒質層２ｌの方に染み出すため、伝搬
定数β１はこの部分では相対的に増大するが、第２図（
Ｂ）に示されるように、低屈折率媒質層２２の部分では
クラッド層４０の方に染み出すので、ここでの伝搬定数
β２は低下する． こうした関係を活性層３０の基板主面に対する起立方向
に沿い、当該光導波路中の管内波長の局を基準とし、そ
の整数倍で周期的に繰返すように、半導体ヘテロ多層膜
２０を構成する高屈折率媒質層２ｌと低屈折率媒質層２
２の各膜厚な、それぞれ、ほぼ屑管内波長の整数倍に設
定すれば、分布帰還型の光導波路が得られる． ここで、一般的に述べると、このようにして形成される
分布帰還型光導波路の結合定数κは、近似的に、 ・・・・・・・・・・・・■ −１一一上一一去一 現する場合を考え、半導体ヘテロ多層膜２０を構成する
高屈折率媒質層２１、低屈折率媒質層２２を、互いにＡ
１組成は異なるが共にＡｌｘＧａ＋−ｘＡｓで、パリア
層５０も同様にＡＩ．Ｇａ１−．＾Ｓで、活性層３０を
ＧａＡｓで、そしてクラッド層をＡｌｘＧａ＋−ｘＡｓ
でそれぞれ構成したときの結合定数κを計算すると、＾
ｌ組成や膜厚分布の異なる四例程において、次に挙げる
第１．２表に示す結果を得ることができる。

上記第１．２表に示された計算例＃１〜＃４から明らか
なように、本発明の面発光レーザ構造における結合定数
κは、最も値の小さい計算例＃３でもほぼ５　０　０　
ｃｌ’はあり、最も値の大きい計算例＃２ではｆ　Ｏ　
Ｏ　Ｏｃｍ−’近くも得られている。

これは、第７図に示したような、通常の端面出射型で分
布帰還型のレーザでは、その結合定数κがせいぜい数十
ｃ『１程度しか採り得ていなかったことを思うと、ほぼ
一桁、大きな値である。

一］これは当然、レーザ長Ｌが短い場合に極めて有利で
ある。すなわち、活性層３０の反射率Ｒは、利得が零の
場合、 ｊ Ｒ＝ｔａｎ’ｈ　（Ｋ−　Ｌ）　　　　　　　　　・・
・◆・・・・・・・・■で表されるから、レーザ長Ｌが
短くても結合定数κが大きれば良いのである． そのため、通常の端面出射型半導体レーザに比すと、ど
うしてもレーザ長Ｌが短くなりがちなこの種の面発光レ
ーザにとって、本発明の構造は極めて大きな意味を持つ
のである。

また、積層形成した半導体ヘテロ多層膜２０の断層面に
対し、バリアＦＩＳＯや活性層３０の付着工程の前に、
さらに選択エッチングを施すか、あるいはまた加熱によ
るＧａＡｓの再蒸発等の加工メカニズムを利用すると、
第３図　（Ａ）　．　（Ｂ）　に示すように、高屈折率
媒質層２１と低屈折率媒質層２２の中、どちらか一方の
端面が基板１０の主面と平行な方向に出っ張った構造を
形成することができ、基板主面に対して起立する方向（
ここでは簡単に垂直方向としているが）に沿い、幾何的
にも周期的な凹凸゛構造を得ることができる． ′：１既述のように、各媒質層２１　．　２２の厚味が
、例え属管内波長の整数倍、ピッチとしてはほぼ％管内
波長の整数倍となる． そこで、このような凹凸構造を有する断層面に対し、比
較的高い温度での成長条件等を選ぶと、再成長膜厚を周
期的に変化させることができるようになり、第３図（Ｃ
）に示されているように、特に光導波路ないし活性層３
０の膜厚を弼管内波長の整数倍に従い、光導波方向に沿
い、周期的に変化させることができる． そこで例えば、材質にＧａＡｓを選んだ活性層３０のｔ
ｉｗを、０．１μｍと０．２μｍの間で周期的に変化さ
せるようにすると、結合定数κは下記第３表に示すよう
に計算できる。

明らかなように、活性層ないし活性層３０の幅Ｗを上記
のように先導波方向に沿って変調すると、結合定数κは
さらに１５００ｃｍ−’以上にも向上させることができ
る。

また、パリア層５０は再成長界面における結晶欠陥の影
響を低減するものであるが、そうした再成長界面におけ
る結晶欠陥が問題にならない場合には、当然、これを省
くこととが可能であり、そのようにすると、結合定数κ
はこれをなお向上させることができる。

半導体ヘテロ多層膜２０中の高屈折率媒質層２１と低屈
折率媒質層２２が形成する先導波方向に沿う屈折率分布
については、原則的には既述した通り、・禿導波路管内
波長の弼の整数倍の周期とするが、このように、分布帰
還型光導波路を得るために一１ ，ご迩当なる屈折率分布に関するその他の種々の配慮−
＋−′−７ については、先に挙げた本発明者の手になる特開昭５９
−３６９８８号公報中に開示の事実を始め、すでに比較
的多く報告されているので、本発明においてもこれらを
利用することができる。

例えば、発振波長とブラッグ波長との整合を採るために
、半導体ヘテロ多層膜２０が形成する屈折率分布におい
て、第４図（Ａ）に示されているように、高屈折率媒質
層２１と低屈折率媒質層２２が基本的に形成する周期的
で定まった値変化の屈折率分布部分に加え、光導波路中
央部分に相当する位誼に、高屈折率媒質層２１にて形成
される只管内波長のり相部２３を設けたり、第４図（Ｂ
）に示されているように、半導体ヘテロ多層膜の表面部
分に大きな屈折率変化部分で高反射率ミラ一部２４を形
成し、等価的に半導体ヘテロ多層膜を基板に対して対向
させる構造を採る等の変更ないし調整も可能である。

なお、この第４図はまた、本発明によると、従来の第７
図示の回折格子構造における波型形状と率の媒質層２２
を交互に積層する。

この際、ＡＩＯ．　ｚＧａ６．　ａ＾Ｓ高屈折率媒Ｖ．
層２１の厚味は６　３　ｎｌ，　Ａｌｏ．　ｓＧａｏ，
　ｓＡｓ低屈折率媒質層２２の厚味は６６ｎｍとして、
これら両媒質層２１　．　２２の全積層数は１００ない
し１５０対とする．したがって、半導体ヘテロ多層膜２
０としての全体の厚味はほぼ１５〜２０μｍとなる． このようにして、基板１０の全面上にｎ型半導体ヘテロ
多層膜２０を積層形成した後、同じく同図下駄の歯状に
急峻にし得る様子も示している。

次いで、実際に本発明に従う面発光レーザを作成する場
合の一例につき、具体的な各層材料例と共に、製造手順
を追って説明する。

まず第５図（Ａ＞に示されているように、適当なる半絶
縁性基板ｌＯ上に、共に導電型はｎ型であるが、ＡｌＯ
，　２”ａｏ．　ａＡｓから成る相対的に高屈折率の媒
質層２１と、ＡＩＯ，　ｓＧａｏ，　ｓＡｓから成る相
対的に低屈折次に、４μｍ程度のハード・ベイクＡｚフ
オト・レジスト（図示せず）をマスクとして、塩素ガス
を用いたりアクティブ・イオン・エッチングにより、Ｓ
ｉＮ．マスク層６０共々、半導体ヘテロ多層膜２０の所
定面積部分を基板１０の主面に至るまでエッチングして
除去し、第５図（Ｂ）に示されるように、残った半導体
ヘテロ多層膜２０の一側面に、高屈折率媒質層２１と低
屈折率媒質層２２の積層構造が基板１０の主面に対して
垂直な関係に表れる断層面を露呈する。

ただし、予め述べて置くと、このエッチング時の形成手
法の如何により、当該断層面が基板垂直方向に対して角
度を置いたように形成するならば、斜め方向にレーザ光
を出射するタイプの面発光レーザを得ることもできる．
ここでは最も一般的な場合として、上記のように、断層
面を基板主面に対して垂直に形成した場合につ籾説明し
て置４。

上記に引き続き、ＳｉＮ×マスク層６０を選択成長用の
マスクとして利用し、ｎ型半導体ヘテロ多層膜２０の断
層面に対し、同じくｎ型の＾１０．　３Ｇａｏ，　７＾
Ｓによるバリア層４０を０．１μのに亙り成長させた後
、ＧａＡｓ活性層３０を０．２μｍに亙り成長させる。

さらにその上に、半導体ヘテロ多層膜２０とは逆導電型
、すなわちこの場合はｐ型の＾ｌｏ．　＜Ｇａ６，。＾
Ｓより成るクラッド層４０を適当な厚味に亙り成長させ
て半導体ダブル・ヘテロ構造を完成させ、また必要に応
じては、ｐ型クラッド層４０の上にｐ型？ａＡｓより成
るキャップ層７０を形成する．このような製造ステップ
を経た結果は第５図（Ｃ）　　に示されているが、先に
も少し述べたように、本発明の面発光レーザにとって必
要な、ないし木質的な機能領域は、半導体ヘテロ多層膜
２０の断層面に沿い、基板主面に垂直な方向に付着した
各材質層部分４０　，　３０　．　５０であるが、上記
のような製造方法に従えば、基板１０の主面上にも、そ
れぞれ、対応的にダッシュを付して示すように、パリ゜
゜−“：？１ ア層用材質層５０゜、光導波路用材質層３０゜、モして
クラッド層用材質層４０゜も形成される。

：′ｉ１シたがって、これら領域５０゜．３０゜，４０
゛　は、木質■１ 的には不要な部分とも言えるが、逆に、これらの部分を
積極的に変調光の入力や出力レーザ光の導波に関する基
板主面に平行な光導波路として利用することも可能であ
る．その場合、基板１０の材質では十分な光閉じ込め効
果が得られない場合には、この基板主面１０の上にのみ
、適当なるクラブド層を選択形成してから、上記のダブ
ル・ヘテロ構造の形成手続を採るようにしても良い。

また、第５図（Ｃ）の状態では、活性層３０の上部の露
呈面として示されているレーザ光発光領域は、半導体ダ
ブル・ヘテロ構造の各層並設方向に直交し、基板主面に
平行な方向に伸びる細長い領域となっている。

そこで、この方向にも発光領域を所定の長さ領域に制限
するためには、次いで、第５図（Ｄ）　に示されている
ように、半導体ヘテロ多層膜２０の断層面と、それに沿
って形成される各再戒長層部分５０　，　３０　．　４
０の横方向重なり部分を、ドライ・エッチング等により
、基板両側縁部分から中央部分に向かって伸び、かつ、
これに直交する深さ方向には基板主面に至る深さの溝８
０　．　８０を形成して除去し、それらの溝８０　．　
８０の相向かい合クた部分の間にのみ、発光領域３１を
限定する． この溝８０　．　８０内には、その後、適当な＾ｌ組成
で半絶縁性の＾ＩＧａＡｓを埋め込み成長させ、最終的
な素子完成状態を示す第６図に見られるように、溝充填
部９０を形成して、これにより、界面再結合を低減する
と望ましい． また、同じく第６図に見られるように、第５図（Ｄ）の
状態からは、ｎ型半導体ヘテロ多層膜２０の適当な個所
、一般に上面に、当該半導体ヘテロ多層膜２０とオーミ
ック接触するｎ型用八ｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極２５を、
ｐ型クラッド層４０の側には同様にその上面に、このク
ラッド層側にオーミツク接触するｐ型用＾ｕｓｅ／Ｃｒ
／Ａｕ電極４５を形成すれば、当該一対の電極２５　．
　４５間にダブル・ヘテロ構造内ｐｎ接合に関する順方
向電流を流すことにより、面積制限された発光領域３ｌ
から、基板主面に対し直交する方向に出力レーザ光ＬＢ
が放射される面発光レーザが゛完成する． 以上、本発明の一実施例につぎ詳記したが、本発明の要
旨構成に即する限り、各層材質等はある程度任意に最適
な組合せ関係のものを選ぶことができ、実際上、他の組
合せでも、所期の半導体ダブル・ヘテロ構造を構築する
ことができる。

当然、それらの各場合においても、本発明に従えば、半
導体ヘテロ多層膜２０にて必要な回折格子構造を得るこ
とができる。

［効　　果］ 本発明の面発光レーザは、電流注入方向とレーザ光の出
射方向とが互いに直交し、したがって独立に活性層幅Ｗ
とレーザ長Ｌを規定し得るタイプの面発光レーザとして
も、特に、その構造上、本質的に、活性層となるべき領
域を必すにしてエッチングで形成しなければならない従
来構造とは異なり、むしろ、エビタキシャル成長によっ
て形成させるのが自然な構造となっている． そのため、実質的にも、従来の面発光レーザに比すと、
キャリア注入効率に関与する活性層幅Ｗ゛一を相当に薄
くでき、端面出射型レーザと比しても遜色ない薄さにす
ることができる． 一方、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザとして考えても、従
来、端面出射型レーザにおいて採用されていた回折格子
構造とは異なり、半導体ヘテロ多層膜が光導波路に与え
る伝搬定数の周期的変化は、これを極めて精密に制御し
、急峻かつ深く形成することが可能であるため、比較的
短いレーザ長しでも十分なレーザ利得を得ることができ
、これを総合的に考えると、結局は十分に低閾値化する
ことが可能となる． このようにして、本発明によれば、従来の面発光レーザ
に比すと、重大な欠点がほとんどなく、極めて実用一的
なものが提供できるのみならず、その製造自体も、各素
工程には既存技術をほぼそのまま援用することができ、
特殊性がなくて済む。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従フて構成される分布帰還型面発光レ
ーザの原理的一例の概略構成図，第２図は本発明の面発
光レーザのダブル・ヘテｉ口構造において半導体ヘテロ
多層腹中の高屈折率１媒賀層の存在部分と低屈折率媒質
層の存在部分の各々におけるエネルギ・バンド構造の説
明図，第３図は屈折率差のみならず、幾何的な凹凸構造
によっても光導波路中に周期的な伝搬定数の変調を起こ
す場合の半導体ヘテロ多層膜断層面に関する説明図， 第４図は半導体ヘテロ多層膜における屈折率分布の基本
周期構造に対し、さらに付加し得る特殊な屈折率分布部
分を有する構造の説明図．第５図は本発明に従って面発
光レーザを作成する場合の手順の一例の説明図， 第６図は第５図示工程に従って作成された面発光レーザ
の概略構成図． 第７図は従来の端面出射型レーザにおいて分布帰還型レ
ーザを実現する場合に採られていた回折格子構造の説明
図， 第８図は電流注入方向とレーザ出射，方向とが同方向と
なっている従来の面発光レーザの代表的な，一例の概略
構成図， 第９図は電流注入方向とレーザ出射方向とが互いに直交
する関係になっている従来の面発光レーザの代表的な一
例の概略構成図， である． 図中、１０は半絶縁性基板、２０は半導体ヘテロ多層膜
、２ｌは高屈折率媒質層、２２は低屈折率媒質層、２３
は局波長移相部、２４は高反射率ミラ一部、３０は活性
層、４０はクラッド層、５０はバリア層、である。 （Ａ） （Ｂ） （Ａ） 届打率 スら才ｎ 第５図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）共に第一導電型であって、基板の主面上に交互に
   積層された複数の高屈折率媒質層と低屈折率媒質層とか
   ら成り、該積層構造の断層面が該基板主面に対して起立
   した側面に表れている半導体ヘテロ多層膜と； 該半導体ヘテロ多層膜の上記断層面に沿って設けられ、
   該半導体ヘテロ多層膜と半導体ヘテロ構造を形成する活
   性層と； 該活性層の上記半導体ヘテロ多層膜に接する側面とは対
   向する側面に沿って設けられ、上記第一導電型とは逆導
   電型で、該活性層と半導体ヘテロ構造を形成するクラッ
   ド層と； を有し、上記半導体ヘテロ多層膜、上記活性層、上記ク
   ラッド層により、上記基板主面と平行な方向には半導体
   ダブル・ヘテロ構造を構成し、上記半導体ヘテロ多層膜
   の断層面に沿っては光導波路となる構造が形成されるこ
   とにより、上記活性層が、上記半導体ヘテロ多層膜と上
   記クラッド層間に流される順方向電流によってレーザ光
   を励起、発振し、上記基板に対して起立した方向に形成
   された上記光導波路に沿ってレーザ光を放射する領域と
   なっている一方；上記半導体ヘテロ多層膜を形成してい
   る上記高屈折率媒質層と低屈折率媒質層は、それらの屈
   折率差に基づき、上記光導波路の伝搬定数を上記基板主
   面に対して起立する方向に沿い周期的に変化させ、該光
   導波路を分布帰還型の光導波路としていること； を特徴とする面発光レーザ。
2. （２）半導体ヘテロ多層膜の上記断層面は、該半導体ヘ
   テロ多層膜を形成している上記高屈折率媒質層の該断層
   面における端面と、上記低屈折率媒質層の該断層面にお
   ける端面とが、上記基板主面に平行な方向に互いにずれ
   ていることにより、上記基板に対する起立方向に沿って
   は交互に凹凸の連続する面となっており； これに応じ、該断層面に沿って構成される上記活性層も
   、上記基板主面に対する起立方向に沿い、その幅が周期
   的に変化し； これにより、該基板主面に対する起立方向に沿う上記光
   導波路の上記伝搬定数の周期的な変化が助長されている
   こと； を特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
3. （３）半導体ヘテロ多層膜の上記断層面と上記活性層の
   間には、結晶欠陥の影響を低減させるバリア層が挟み込
   まれていること； を特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ。
4. （４）基板の主面上に、第一の導電型の高屈折率媒質層
   と、同じく第一の導電型の低屈折率媒質層とを交互に複
   数層に亙り積層し、半導体ヘテロ多層膜を形成する工程
   と； 該形成された半導体ヘテロ多層膜の所定面積部分をエッ
   チング除去し、該基板上にあって該除去し残した半導体
   ヘテロ多層膜の一側面に、該半導体ヘテロ多層膜を構成
   している高屈折率媒質層と低屈折率媒質層の交互積層構
   造の断層面を露呈する工程と； 該露呈した断層面に沿って、該半導体ヘテロ多層膜と半
   導体ヘテロ構造を形成する材質の活性層を所定の幅だけ
   付着させる工程と； 該付着した活性層のさらに外側の側面に、上記第一の導
   電型とは逆導電型で、該活性層と半導体ヘテロ構造を形
   成するクラッド層を付着させ、これにより、最終的に上
   記半導体ヘテロ多層膜、上記活性層、上記クラッド層に
   より、上記基板主面と平行な方向には半導体ダブル・ヘ
   テロ構造を構成し、上記半導体ヘテロ多層膜の断層面に
   沿っては光導波路となる構造を形成することにより、上
   記活性層をして、上記半導体ヘテロ多層膜と上記クラッ
   ド層間に流される順方向電流によってレーザ光を励起、
   発振し、上記基板に対して起立した方向に形成された上
   記光導波路に沿ってレーザ光を放射する領域とする工程
   と； を有して成る面発光レーザの製造方法。
5. （５）上記半導体ヘテロ多層膜の上記断層面を露呈する
   工程に続き、該半導体ヘテロ多層膜を形成している上記
   高屈折率媒質層と上記低屈折率媒質層が該断層面におい
   て交互に幾何的な凹凸を形成するように加工する工程を
   さらに有し；これにより、該断層面に沿って付着される
   上記活性層は、該幾何的な凹凸に応じ、上記基板主面に
   対して起立する方向に沿い、その幅が変化していること
   ； を特徴とする請求項４に記載の面発光レーザの製造方法
   。
6. （６）上記半導体ヘテロ多層膜の上記断層面を露呈させ
   る工程と上記活性層を付着させる工程との間には、さら
   に、結晶欠陥の影響を低減するバリア層を該断層面に付
   着させる工程を有し；これにより該活性層は、該断層面
   に対し、直接にではなく、該バリア層を介して間接的に
   沿うように付着されること； を特徴とする請求項４または５に記載の面発光レーザの
   製造方法。