JPH03225885A - 半導体多層膜 - 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） 本発明は面発光半導体レーザや半導体機能素子に必要な
半導体多層膜に関する。

（ｉ足来の技祠仕） 面発光半導体レーザは半導体基板と垂直に発振光が得ら
れ、超並列な光通信システムや、光を使った２次元情報
処理を実現する上で不可欠なキ町デバイスである。

第４図は１９８９年に日本で開催された第７回Ｉｎｔｅ
ｇｒａｔｅｄ　０ｐｔｉｃｓ　ａｎｄ　０ｐｔｉｃａｌ
　Ｆｉｂｅｒ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（ＩＯＣ’
８９）　ノポストデッ４ドラインノ論文集（１８Ｂ２−
６゜ＰＤ）でＡＴ＆Ｔ　Ｂｅ１ｌ研のＪ、　Ｌ、　Ｊｅ
ｗｅｌｌより発表された、面発光半導体レーザの断面構
造図を示しである。Ｐ型半導体多層膜４２とｎ型半導体
多層膜４１がＩｎを添加しＧａＡｓよりもバンド・ギャ
ップ波長を長波側にずらしたＩｎＧａＡｓ活性層４３の
上下に形成されており、それぞれが反射鏡として働く。

面発光レーザの共振器長りは通常￥１ｍオーダである。

Ｌを短くした時、反射率Ｒを通常の横方向で発振するレ
ーザ（Ｌ〜３００ｐｍ）と同じ様なレベルのＲ−０，３
では閾値電流密度ＪＩｈ（Ａ／ｃｍ２）が増大してしま
う。そのために面発光レーザではＲを極めて高い値にす
る必要があり、又、その様に高反射率の反射鏡を形成し
なければならない。第４図の従来例ではＲを９９％以上
の反射鏡がＶ４の膜厚の半導体多層膜によって作られて
いる。ここでλは半導体多層膜中での波長である。

一方、面発光半導体レーザの微分量子効率ｒｌｄはで与
えられる。ここで 用　　　　　：　内部微分量子効率 Ｒ（＝φ「町）：　共振器の反射率 ｄ　　　　　：　活性層厚 Ｌ　　　　　：　共振器長 ｏａｃ　　　　　：　　活性層での光損失（ｃｍ　’）
’ｅｘ　　　　　：　　活性層以外での光損失（ｃｍ−
１）。８　　　　　；　光学的散乱損失（ａｍ”’−”
）である。

ｒｌｄが高いことが、応用上、重要であるが、そのため
には、（１）式で ｄａａｃ＋（Ｌ−ｄ）ａｅｘ＋Ｌａ５．、、、、、、、
、、、、、、、、、、、、、　　（２）を小さくしなけ
ればならない。第４図の従来例では、活性層厚ｄを１０
０人としたＳＱＷ構造でｍＡオーダの低閾値での発振特
性が得られている。Ｌは５〜６μｍでｄに比べると大き
い。光学的敗乱損失ａ５を小さくできたとすると、（２
）式の値を小さくするためには活性層以外での光損失α
ｅｘを小さくする必要がある。（Ｌ−ｄ）ａｅｘは更に （Ｌ　−ｄ）ａｅｘ　二ＬＱｅｘ ＝ＬＩｏｅｘ（１）十Ｌ２ｏｅｘ（２）＋Ｌ３ｏｅｘ（
３）＋Ｌ４ｏｅｘ（４）・・・・（３） と書−き表わせる。ここで （１）。

Ｌｌ、ａｅＸ　　　、ｎ型半導体多層膜の厚さと光吸収
損失 ：　ｎ型クラッド層の厚さと光吸収 １員失 ：　Ｐ型クラッド層の厚さと光吸収 損失 ｚ　Ｐ型半導体多層膜の厚さと光吸 収損失 Ｌ２．ｏｏｘ（２） Ｌ３．ｏｅｘ（３） ”４１　ａｅＸ（４） である。第４図の従来例ではｎ型半導体多層膜４１はＸ
／４厚のＡｌＡｓとＧａＡｓが２３・１／２周期連続成
長して作られている。ＡｌＡｓとＧａＡｓの屈折率ｎは
、波長入０　＝　９８０ｎｍの光に対しそれぞれｎ　〜
３．１８．３．６２位と推定されるので、ｎ型半導体多
層膜の厚さは〜３．４１２ｍと思われる。又、ｐ型半導
体多層膜としては１５周期、形成されているので、厚さ
としては、〜２．２ｐｍと思われる。ｎ型多層膜とｐ型
多層膜の距離は一波長に設定されているのでＬ２　＋Ｌ
３　＝λ０／ｎ二０．２９ｐｍになっているものと思わ
れる。

従って、ｎ型及びｐ型半導体多層膜の厚さが共振器長に
夕すして大きな割合を占めているので（３ン式の値を小
さくするためには半導体多層膜での光吸収損失を、小さ
くすることが非常に重要となる。

ＡｌＧａＡｓ系ではＡｌＡｓが最も屈折率が低く、Ｇａ
Ａｓが最も、屈折率が高く、半導体多層膜の反射率を高
める組み合せとしては、これが最も良いということにな
る。そして、第４図ではそれらがλ／４厚で交互に積層
されているわけである。

（発明か解決しようとする課題） 第４図の構造では１０％前後の微分量子効率が達成され
ているがレーザ特性の向上のためには、微分量子効率を
高める必要がある。

（課題を解決するための手段） 本発明による半導体多層膜は、所定の光に対する光吸収
損失の小さい第１の半導体膜とその所定の光に対する光
吸収損失の大きな第２の半導体膜を交互に積層して形成
した半導体多層膜において、前記半導体多層膜内での前
記所定の光の波長をλとして、前記第１の半導体膜の厚
さをλ／４より厚くし、前言２第２の半導体膜の厚さを
Ｍ４より薄くし、それぞれの膜厚のλ／４からの変化の
割合が同程度であることを特徴とする。ここでいう所定
の光とは、例えば、面発光レーザでは活性層からの発振
光であり、反射鏡として本発明を使用する場合は外部光
である。

（作用） 高屈折率及び低屈折率の半導体膜厚をλ／４厚から、少
しずらしても全体の反射率は、セ、激には減少しない。

一方の半導体膜厚を増やしたとしても、もう一方の半導
体膜厚を同じ割合で減らせば、反射率の減少の仕方を小
さくできる。そこで光吸収損失の多い方の半導体膜厚を
、光吸収損失の少ない半導体膜厚に対して相対的に減ら
すようにする。そうすれば、高反射率を維持した状態で
、半導体多層膜中での光吸収損失を減少させることがで
き、それによって高効率の面発光半導体レーザを実現で
きる。

第１図にＧａＡｓ、ＡｌＡｓが２０周期から成る多層膜
でλ／４の最適な厚さからＡｌＡｓ厚ｄ１を増やし、Ｇ
ａＡｓ厚ｄ２を同じ割合で減らしていた時に多層膜の反
射：＄Ｒがどう変化していくか、計算した結果を示して
いる。第１図の中の、変化の害ｊ合（ズレ）をＡｌＡｓ
、　ＧａＡｓに利しそれぞれ、δｄｌ／ｄｉ、δｄ２／
ｄ２としてδｄｌ／ｄｌ＝８ｄ２／ｄ２　ノ場合である
、。Ａ／４Ｊｉノ時ニＲ＝　０．９９９２４　テあった
ものが、５％、１０％の膜厚変化でそれぞれＲ＝０．９
９９２２．０．９９９１６と変化、減少していくが、そ
の変化は緩やかである。第１図にはλ／４の厚さがらの
変化の割８−（スレ）を同方向にした時、即ちＧａＡｓ
もＡｌＡｓも増やした場合（あるいは両方減らした場合
）のＲの変化を同時に示しているが、この場合は考えて
いる波長に対し急激に反射率Ｒが低下する。従って本発
明のようにズレを反対方向く一方を増やし他方を減らず
）にする必要がある。

一方、半導体膜の光吸収は、第２図で示した（、Ｘに■
バンド間吸収、■バンド内吸収、■価電子帯間吸収から
成る。半導体多層膜は第４図の例では、レーザ光に対し
て透明波長域にある様に設定されているので、■、■の
光吸収損失が問題となる。■のハンド内吸収は、自由キ
ャリア吸収と呼ばれるものでＧａＡｓでは室温において ａ（ｃｍ’−’）＝３刈０−１８ｎ＋７刈０　”ｐ　、
、、、、、、、、　（４）となる。但しｎとｐはｃｍ　
　単位で表した。電子ならびに正孔密度である。ｐ型及
びｎ型多層膜のキャリア濃度をそれぞれ２Ｘ１０１８ｃ
ｍ−３とすると、第４図の例ではバンド内吸収は３Ｘ１
０−３，２Ｘ１０　”となる。

一方、■の価電子帯間吸収は、 ａ（ｃｍ　　）−ＫｏＮ＋ａ２．、、、、、、、、、、
、、、、、、、、、、、、　（５）と表わせる。ＫＯは
温度に依存する比例定数、α２はＮによらない損失係数
で、主なものとしてはスプノソトオフ帯からアクセプタ
準位への遷移によるものが考えられる。価電子帯間の吸
収損失は価電子帯の構造に依存するが、一般にはバンド
ギャップエネルキーの小さいものほど大きいと考えて良
く、波長１．５−１．６ｐｍ帯及び工３ｐｍ帯のＧａＩ
ｎＡｓＰ系レーザではそれぞれ１００ｃｍ　　程度、数
〜数１０ｃｍ−１程、度とな乙。又、ＧａＡｓ／ＧａＡ
ｌＡｓ系レーザでは数〜数１、Ｏｃｍ　　とな０ことが
知られている。（５）式はあられには価電子４１？の正
孔８１度が入っていないが勿論、その大きさに影響され
る。第４図の構造を考え仮にＬｏａｍ−１とすると価電
子帯吸収による光吸収は、ハンド内吸収のそれと同程度
になる。又、ＩｎＧａＡｓＰ系で′は１ｍｌ電子帯吸収
による光吸収が更に大きくなるものと予Ｗ、される。

ｉ’、Ｉｊって」′７導体多層膜の反射率が大きく劣化
しない範囲で、λ、′４Ｉワからずらす。そして、価電
子帯吸収が落い坐り体膜の厚さを誠らし、それと同時に
山村的に価電子帯吸収が少ない半導体膜の方の厚さを増
やす。それによって光吸収の少ない多層膜Ｊ、　：Ｆ、
：”・ひｊ−乙ことが可能となる。

（実施例） 第３図は本発明の一実施例で本発明の半導体多層膜を反
射膜とする面発光半導体レーザの構造断面図である。基
本的な構造は第４図の従来例と同じである。ＡｌＡｓ、
　ＧａＡｓからなる半導体多層膜の部分のみをλ／４厚
からずらしである。ＡｌＡｓの方をへ／４厚がら１０％
増やし、ＧａＡｓの方をλ／４厚から１０％減らしであ
る。Ｐ型半導体多層膜３２の方はＢｅを、又、ｎ型半導
体多層膜３１の方はＳｉをドーピングして作製しである
。半導体多層膜を含めて全体をＭＢＥ法で作製しである
。活性層３３には第４図と同様にＩｎを添加してあり組
成はＩｎＯ，２Ｇａ□、ＢＡｓとなっている。ｐ型半導
体多層膜３２とｎ型半導体多層膜３１０周期はそれぞれ
１５周期、２３１／２周期である。その他のクラッド層
の層厚等は第４図と同じである。（３）式は本実施例で
は（Ｌ−ｄ）αｅζＬ１（（ハンド内吸収）＋（価電子
帯吸収））＋Ｌ２（（バンド内吸収）＋（価電子帯吸収
））・・・・（６） となる。ハンド内吸収の値としては、ｎ＝ｐ＝２×１０
１８ｃｍ−３として（４）式を使う。ＧａＡｓとＡｌＡ
ｓの価電子帯吸収の大きさを、それぞれ０゜（ｃｍ　　
）、ＱＡ（Ｃｍ）とすると、（６）式の値はλ／４厚に
設定した時は、 （Ｌ−ｄ）αｅｘ二２Ｘ１０　　”＋１．８Ｘ１０−４
０．＋１．６Ｘ１０−４ＧＯ＋３刈０　　＋１．２刈Ｏ
ａ＋１．０刈０　’ａｃ・・・・（７） となる。それに対して、本実施例の様にＡｌＡｓ厚をλ
／２厚より１０％増やし、ＧａＡｓ厚を１０％減らした
時には、（６）式の値は （Ｌ−ｄ）ａｅＸ二２刈０−３＋２．０ＸＩＯ−４ａＡ
＋１．４Ｘ１０　’ａ。

＋３Ｘ１０　　＋１．３刈０　α十０．９刈０　’ａａ
・・・・（８） となる。ＱＡ　＆　Ｑｃの大きさは、はっきりとした値
は報告されていないが数〜数１０ｃｍ　”の違いはある
ものと推定され、その結果として（Ｌ−ｄ）αｅｘの低
域が可能となる。そして、それによって微分量子効率ｒ
ｌｄの数十％改善が見られた。

本実施例ではＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系での面発光半導
体レーザに適用した例について説明したがＩｎＧａＡｓ
Ｐ／ＩｎＰ系では価電子帯吸収による光吸収が大きく、
更に有効に働く。本実施例では半導体多層膜を面発光レ
ーザに適用した例を示したがこれに限らず反射膜をもつ
デバイスに適用できる。

（発明の効果） 本発明によれば、高反射率を維持したままで、そこでの
光吸収損失の低減が可能となる半導体多層膜が実現でき
る。これは面発光レーザや光機能素子の反射膜あるいは
半導体ミラーとして応用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はλ／４厚から同じ割合で厚さを変化させていっ
た時の半導体多層膜の反射率を示す図。第２図はＩＩＬ
Ｖ族半導体中での光吸収のメカニズムを示すバンド図。 第３図は本発明の一実施例の発光素子の構造断面図。第
４図は従来例の構造断面図である。 図において３１と４１はｎ型半導体多層膜、３３と４３
は活性層３２と４２はｐ型半導体多層膜である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 所定の光に対する光吸収損失の小さい第１の半導体膜と
   、前記所定の光に対する光吸収損失の大きな第２の半導
   体膜を、交互に積層して形成した半導体多層膜に於て、
   前記半導体多層膜内での前記所定の光の波長をλとして
   前記第１の半導体膜の厚さをλ／４より厚くし、前記第
   ２の半導体膜の厚さをλ／４より薄くし、それぞれの膜
   厚のλ／４厚からの変化の割合が同程度であることを特
   徴とする半導体多層膜。