JPH03236295A - 縦方向空洞半導体レーザ装置 - 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、半導体レーザ装置に係わり、特に半導体レー
ザ装置の主面、即ち、水平方向の面からレーザ光を放射
するための縦方向空洞を持つ半導体レーザ装置に関する
。

（従来技術） 従来技術では、半導体レーザ装置に於ける一つの有用な
形態として、縦方向空洞レーザ（以下、単に縦方向レー
ザと称する）のカテゴリーに属するものが有る。縦方向
レーザには、プレーナルｎ接合を含む活性領域が存在す
る。一般的には、このｐｎ接合の面は半導体基板の主面
と平行であり、この半導体基板の主面は水平方向である
とする。

縦方向レーザでは、レーザ光は、半導体基板の上側主面
と下側主面のいずれか一方から、あるいはそれらの両方
から放射され、半導体基板の上部主面と底部主面のいず
れか一方か、あるいはそれらの両方に置かれた半透過型
光反射鏡によって、半導体基板内に縦方向光空洞が生成
される。

縦方向レーザの構造は周方向に対称的にすることができ
る。従って、縦方向レーザは、レーザ光が半導体基板の
側端からレーザ光を放射する「エツジ放射レーザ」のよ
うな他のレーザに較べると、非点収差が比較的に少ない
利点が有る。

一般的には、縦方向レーザの各反射鏡は、屈折率が相違
する二つの半導体によって形成されているスタックのよ
うな四分の一波長スタックによって形成され、その結果
、半導体超格子構造を形成する。縦方向レーザは、例え
ば半導体基板上に半導体層、即ち、底部反射鏡、底部光
学的クラッド領域、活性領域、上部クラッド領域及び上
部反射鏡か、次々と空間的に連続してエピタキシャル成
長される二重へテロ構造として作成することができる。

光学的にボンピングされる半導体レーザにおいては、こ
のレーザによって放射されるべき波長より短い波長の光
放射がこのレーザに当てられて電子分布の反転を引き起
こす。電気的にボンピングされる縦方向空洞半導体レー
ザにおいては、電気的ボンピングを行なうために、上部
電極が上部反射鏡の上部主面上と半導体基板の底部主面
上とに形成される。多くのこのような縦方向レーザを、
溝やその他の分離手段によって、単一のそのような半導
体基板上に作成することが可能であり、このようにして
構築された各レーザから放射されるレーザ光の強度、例
えば、０Ｎ１０ＦＦは、同一半導体基板上の他の全レー
ザとは独立して、電気信号によって制御することができ
る。従って、縦方向レーザは、独立に制御できる二つ以
上のレーザ光源が必要とされている実際の応用面に使用
するのに特に魅力がある。一般的には、このような各縦
方向レーザによって放射されるレーザ光の光量は上部電
極を介して注入される電流によって定まる。他にも、マ
スキングとエツチングによって個々のレーザを分離する
ことで、一つの半導体基板から多数の分割された縦方向
レーザを大量に製造することができる。

従来技術において使用されて来た半導体基板は、殆ど砒
化ガリウムあるいは燐化インジウムに限定されていた。

このようなレーザは、一般的に望ましい低い光吸収性と
高い量子効率のレーザ光放射に必要な高品質（低欠陥密
度）のエピタキシャル成長を得るために、二重へテロ構
造に極めて近い格子整合要件が必要である。

砒化ガリウム（Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　）をベースとするレザ
においては、その必要な格子整合は、ＧａＡｓをベース
とする二元半導体と砒化ガリウム・アルミニウム（ＡＩ
　　Ｇａ　　　　Ａｓ、ｘは０から１ｌ−ｘ までの値）をベースとする三元半導体との間には、格子
整合が充分に近似している特別な特性があるので、この
砒化ガリウム・アルミニウム（ＡＩ　　Ｇａ　　　　Ａ
Ｓｓ同じくＸはＯから１まｉ−ｘ での値）をベースとする三元半導体を用いて達成するこ
とができる。他方、反射鏡スタック内の互いに隣接する
二つの層の間の各界面に合理的な大きさの光反射性を得
るために、また反射鏡スタック内に必要とされる層の数
かはなはだしく大きくなるとここでの光吸収が増大する
ので、このような不所望な厚い構造になるのを避けるた
めに、二つの層はそれらの屈折率、ひいてはそれらの化
学組成が合理的に異なっていなければならない。そのう
え、活性領域、即ち放射されるレーザ光の波長を決定す
るバンドギャップは、クラッド領域あるいは反射鏡内で
の不所望な光吸収を避けるために、クラッド領域及び反
射鏡内の層のバンドギャップより常に小さいバンドギャ
ップを持つＧａＡｓ半導体、あるいは格子整合Ｉ　ｎＧ
ａＡｓ半導体のような半導体でもって形成される。Ａｌ
Ａｓのバンドギャップは約５．５μｍの真空波長に相当
する約２．２ｅＶであり、ＧａＡｓにおける約１．４ｅ
Ｖのバンドギャップ、即ち約０．９μｍの真空波長に相
当するバンドギャップより大きい。この結果、にａＡｓ
レーサは約０，９μｍより短い波長のレーザ光を放射す
る。

ＩｎＰをベースとするレーザの場合、より長い波長、即
ち、１．７μｍ程度の波長を得ることかできる。このよ
うなレーザでは、格子整合か例えばＧａＯ，４７０，５
３ＡＳ三元半導体、即ｎ ち格子整合Ｇａ１ｎＡｓ半導体、あるいはＧａ　　Ｉｎ
　　　　Ａｓ　　Ｐ　　　　や、ｘｌ−ｘｙｌ−ｙ ＡｌｘＧａ、Ｉｎ１−ｘ　、Ａｓのような四元半導体を
用いて格子整合を得ることができる。更に、従来技術で
はクラッド領域及び反射鏡内での不所望な光吸収を最小
にし、それによってレーザ動作のための閾値電流を最小
にするために、活性領域のバンドギャップは常にクラッ
ド領域及び反射鏡のバンドギャップより低くなるように
選ばれていた。更にまた、反射鏡スタック内の隣接する
二つの層の間の各界面に合理的な大きさの光反射性を得
るために、それらの二つの層の化学組成は、それらの層
の屈折率に合理的な差異が得られ、ひいてはそれらの界
面に合理的な大きさの光反射が得られるよう、合理的に
異なるように選ばれていた。

しかしなから、そうなるとこのような要件は光吸収性を
高めてしまい、それによってレーザ動作のための閾値電
流も高くなってしまう。例えば、活性領域か格子整合Ｇ
ａ　Ｉ　ｎＡｓ半導体と、ＩｎＰをベースとするクラッ
ド領域と、四分の一波長厚みを有する格子整合Ｇａ　Ｉ
　ｎＡｓ半導体層及び、ＩｎＰ層か交互して重なる反射
鏡とで構成されている、ＩｎＰをベースとするレーザで
は、悪いことにその反射鏡スタック内のＧａ１ｎＡｓ半
導体層での光吸収性が高く、その結果、悪いことにレー
ザ動作のための閾値電流もまた高くなる。この光吸収性
は、例えば１９８５年３月２８日に発行された［エレク
トニック・レターズ」、第２１巻、第７号の３０３−３
０４頁に、「ヘテロ多層ブラッグ反射器を持つ、Ｇａｌ
ｎＡｓＰ面放射レーザ（λ−１．４μｍ、７７Ｋ）Ｊの
題名で掲載されている論文に記載されているように、反
射鏡スタック内の格子整合Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓ半導体層に
単に燐を加え同時に反射鏡を構成しているＧａ１ｎＡｓ
半導体層のＧａとＩｎの原子比を変えた格子整合Ｇａ　
　Ｉｎ　　　　Ａｓ　　Ｐ　　　　半導体層を作るｘｌ
−ｘｙｌｙ ことによって減少させることかできるが、悪いことに、
このような方法は元のＩｎＰ層間の界面での反射性を減
少させ、この方法で得られたＧａ　　Ｉｎ　　　　Ａｓ
　　Ｐ　　　　半導体層は各層ｘｌ−ｘｙｌｙ の屈折率間の差か小さいので、反射鏡スタックには、こ
のスタックの総合反射性を充分高く維持するために多数
の四分の一波長厚みを有する層か必要となってしまう。

そうすると、反射鏡スタック内のこのように多数の層が
、レーザ構造内の光路当たりのこのレーザ構造での光吸
収を増加させてしまう。そのうえ、仮に短い波長のレー
ザ光出力、即ち光子当たりエネルギーが大きいレーザ光
出力を得るよう努力しても、この光吸収性の問題は厳し
く、活性領域はそのような短い波長の光放射を起こす多
数の量子井戸構造で構成されなければならないであろう
。

（発明の概要） 従って、本発明はこの光吸収性の問題を緩和することか
可能な、ＩｎＰをベースとするレーザ装置を提供するこ
とを目的とする。

ＩｎＰをベースとするレーザにおける上記光吸収の問題
は、格子整合Ｇａ１ｎＡｓ半導体で構成されている活性
領域と結合し、Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓ半導体層＝ＩｎＰ層構
成の反射鏡スタックを構成している反射鏡層、例えばｎ
型格子整合Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓ半導体層のうち、少なくと
も一つの層を縮退ドーピングすることによって緩和され
る。このｎ型縮退ドーピングによって、少なくともｎ型
格子整合ＧａＩｎＡｓ半導体の場合には、バンド間吸収
を減少し、同時に反射鏡スタックの光反射性への悪影響
を回避できることが実験によって確認された。

より一般的には、本発明は縮退ドーピングされた反射鏡
スタック内の層のうち、少なくとも一つの層のバンドギ
ャップ・エネルギー、即ち放射された光子当たりのエネ
ルギーと同等またはそれより高いバンドギャップ・エネ
ルギーを持つ活性領域を有する縦方向空洞半導体レーザ
装置に係わる。

一般的に反射鏡スタック内の層のドーピングは、そのバ
ンドギャップを減少し、その結果光吸収を増大し、従っ
てレーザ動作の閾値を増加する傾向が有るが、本発明で
求められる縮退ドーピングは、伝導バンドの下部域を電
荷キャリヤで満たし、その結果バンド間電子遷移による
吸収に必要な光子当たりエネルギーを増加することによ
って、上記の傾向を補償する。この結果、光子当たりエ
ネルギーか高過ぎないかぎり、即ち活性領域のバンドギ
ャップか反射鏡スタックでの光吸収に必要な強化バンド
間エネルギーより高くないかぎり、反射鏡スタックでの
光吸収が減少され、それによってレーザ動作の閾値か低
下される。

二のようにして、本発明はまた、活性領域に縮退ドーピ
ングされた格子整合Ｇａ１ｎＡｓＰ四元半導体、即ちＧ
ａＩｎＡｓとＩｎＰとの多重量子井戸を用いて実現する
ことができる。この結果、放射された光子当たりのエネ
ルギーが増加する。

即ち、波長が短縮する。そしてこの場合、ｎ型反射鏡は
ＩｎＰ層と縮退ドーピングされた格子整合ｎ型Ｇａ１ｎ
ＡｓＰ四元半導体層とが交互するスタックを持つことが
できる。なお、反射性が幾分か損なわれ、その結果反射
鏡スタックでの光吸収が増加するが、しかし減少された
所望の光吸収性を維持するために必要な燐が、極く僅か
だけ反射鏡スタックに加えられるので、反射性の低下や
光吸収の増加は従来程大きくはない。従って、四元半導
体層と二元半導体層との界面での高い反射性は、従来よ
り少量の燐でもって所望状態に減少される。

（実施例の説明） 図に示すように、レーザ１００はｎ型１ｎＰ基板１０を
有し、その底面にはオーミック接触金属層９が載置され
ている。このオーミック接触金属層９は、レーザ１００
からのレーザ光を出力させる開孔８を持っている。ｎ型
基板１０には、硫黄あるいは錫のようなドナー不純物が
、一般的には１立方ｃｍ当たり約１Ｅ１８（１×１０１
８）の濃度でドーピングされる。１ｎＰ基板１０の上面
には、四分の一波長厚みを有するＩｎＰ層とＧａＯ，４
７０，５３ＡＳ半導体層、即ち格ｎ 子整合Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓ半導体層とが交互するスタック
を持つ反射鏡が載置されている。これら格子整合Ｇａ　
Ｉ　ｎＡｓ半導体層は、活性領域が、０．７ｅＶの光子
当たりエネルギーに相当する約１．６５μｍの真空波長
を持つ光放射を行なう場合、硫黄あるいは錫のようなド
ナー不純物を加えることにより少なくとも１立方ｃｍ当
たり約４Ｅ１８の自由移動電子濃度に縮退ドーピングさ
れる利点か有り、約１．５５μｍの波長を持つ光放射を
行なう場合、硫黄あるいは錫のようなドナー不純物を与
えることにより、少なくとも１立方ｃｍ当たり約２Ｅ１
９の自由移動電子濃度に縮退ドーピングされる利点が有
る。更に、この反射鏡スタック内の各ＩｎＰ層は、１．
６５μｍの波長を持つ光放射を行なう場合及び、１，５
５μｍの波長を持つ光放射を行なう場合の両方共、少な
くとも１立方ｃｍ当たり約１Ｅ１８のドナー原子濃度に
ドーピングされる利点か有る。これらＩｎＰ層をドーピ
ングする目的は、スタックに合理的な電気伝導性を得る
ことにある。

典型的な例では、反射鏡スタック１１は少なくとも１０
乃至２０個の間の空間周期部を持ち、各周期部は、四分
の一波長厚みのＩｎＰ層及び四分の一波長厚みの格子整
合Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓ半導体層を有する。

反射鏡スタック１１の上面には、ｎ型１ｎＰをベースと
する光学クラッド層１２が載置され、このクラッド層１
２の上面には、約０．５μｍ乃至４μｍの厚みを有する
ｐ型あるいはｎ型の格子整ａＧａｌｎＡｓ半導体による
活性領域、即ち活性層１３が載置される。クラッド層１
２のドーピング・レベルは、活性層１３のドーピング・
レベルと反射鏡スタック１１のドーピング・レベルとの
中間である。いずれにしても、クラッド層１２のドーピ
ング・レベルはレーザのドーピング・レベルとして適す
るようになされ、典型的な例では、１立方ｃｍ当たり約
１Ｅ１７乃至５Ｅ１７の濃度になされる。

上記の代わりに、活性層１３は、ＩｎＰ半導体と格子整
合Ｇａ１ｎＡｓ半導体との量子井戸層が交互するように
、即ち多重量子井戸層に形成することができる。このよ
うな場合の典型的な例では、各１ｎＰ層の厚みの範囲は
、はぼ５ｎｍ乃至５０ｎｍであり、各Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓ
半導体層の厚みの範囲は、はぼｌｎｍ乃至２０ｎｍであ
る。典型的な例では、そのような多重量子井戸層は、１
個から２０個の間の数で空間周期部を有する。

活性”Ｊ？４１３の上面には、レーザのドーピング・レ
ベルとして適するドーピング・レベル、−船釣には１立
方ｃｍ当たり約１Ｅ１７乃至５Ｅ１７の濃度のドーピン
グ・レベルを持つｐ型１ｎＰクラッド層１４が載置され
る。

このクラッド層１４の上面には、ｐ型反射鏡スタック１
５が載置される。なお、このｐ型反射鏡スタック１５は
選択的で、省略することもできる。

このｐ型反射鏡スタック１５は、四分の一波長厚みを有
するｐ型ＩｎＰ層と四分の一波長厚みを有するｐ型格子
整合Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓ半導体層とが交互する複数の層で
構成される。これらの層は、合理的な電気伝導性を得る
のに充分な高さのドーピング・レベルを持ち、典型的な
例ではＩｎＰ層に１立方ｃｍ当たり約１Ｅ１８乃至２Ｅ
１８の濃度のアクセプター不純物原子を持ち、Ｇａ１ｎ
Ａｓ半導体層には１立方ｃｍ当たり約１Ｅ１８乃至５Ｅ
１８の濃度のアクセプター不純物原子を持つ。

ｐ型反射鏡スタック１５の上面の限られた部分、あるい
はこのｐ型反射鏡スタック１５が省略されている場合に
は、クラッド層１４の上面の限られた部分に、典型的な
例では金あるいは銀を用いたオーミック接触金属層１６
が載置され、このオーミック接触金属層１６は、活性層
１３で生じてこの層へ入射する光放射のうち、約９５％
乃至９８％を反射する。ここで、反射鏡スタック１５は
それ自身では良好な光学的作用を奏するのに充分な光反
射性を持つことはできず、金属性反射鏡１６が前記空洞
に更に必要とされる光反射性を与えること力（注目され
る。

このレーザ１００を製造するには、有機金属気相成長法
（ＭＯＶＰＥ）として知られている成長法や、やはり成
長有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）として知られ
ている成長法によって、あるいは分子線成長法（ＭＢＥ
）、あるいは水素化物気相成長法（ＶＰＥ）によって、
半導体層１１．１２．１３及び１４を基板１０上で成長
させることができる。オーミック接触金属層９は、例え
ば蒸着を行なった後、光りソグラフィで所望の環形状を
得るような公知な技法で作ることができる。

オーミック接触金属層１６は、反射金属層を蒸着した後
、この技術分野で知られているように、マスキング及び
エツチングを行なうことにより作ることができる。

ここで、先ず半導体と金属層の全てをＩｎＰ基板１０の
全面の亘って作成し、エツチングによって個々の、即ち
各レーザに一つのオーミック接触金属層］６を作り、オ
ーミック接触金属層９に開孔８をエツチングし、更にそ
の後、マスキング及びエツチング、即ちクリーピングに
よって個々のレーザに分離することにより、多数のレー
ザを一個の基板上で製造することができる。それに代わ
る方法としては、多数のレーザを同一の基板１０の上に
集積して残し、同時にこの技術分野で知られているよう
に、溝やあるいはメーサ分離技法によって相互間の分離
を行なうことができる。

本発明を特定の実施例に関連して詳細に、説明したが、
種々の変更を本発明の範囲から逸脱することなく為すこ
とが可能である。例えば、放射されたレーザ光の光子当
たりエネルギーを増加するために、即ちレーザ光の波長
を短縮するために、能動領域に、格子整合Ｇａ１ｎＡｓ
Ｐ四元半導体を形成する量の燐を含有させることができ
る。このような場合、上記したように活性領域に燐を含
有する、即ちＩｎＰ半導体の多重量子井戸を用いるか、
あるいは何らかの他の技術を用いる場合のような光子当
たりエネルギーを増加させる他の場合と同じく、格子整
合Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓ三元半導体の代わりに、ｎ型の縮退
ドーピング格子整合Ｇａ１ｎＡｓＰ四元半導体を反射鏡
スタック内に使用することが可能となる利点がある。

（発明の効果） いずれにしても、本発明により、活性領域のバンドギャ
ップは、反射鏡の三元半導体層あるいは四元半導体層の
バンドギャップと同等またはそれ以上になる。しかし、
レーサ動作の閾値は反射鏡スタックの縮退ドーピングに
よって低下し、電気的なバンド間光吸収か抑圧される。

なお、特許請求の範囲に記載された参照番号は、発明を
理解し易くするためのものであって、その範囲を制限す
るよう解釈されるべきではない。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の特定の実施例に基づく縦方向空洞半導体レ
ーザ装置を示す断面図である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）光放射を起こす能動領域（１３）と、それぞれが
   ほぼ四分の一波長厚みを持つ第一半導体材料層及びこの
   第一半導体材料層とは異なる材料でなる四分の一波長厚
   みを持つ第二半導体材料層とで構成される複数の空間周
   期部を有する前記光放射を反射する反射鏡スタック（１
   １）とから成る縦方向空洞半導体レーザ装置（１００）
   に於いて、 前記第二半導体材料層の各層は、前記光放射がの光子当
   たりエネルギーと同等以下のバンドギャップを有し、 前記第二半導体材料層の各層は、この第二半導体材料層
   を縮退させ、前記光放射の吸収を著しく低下させるのに
   充分な不純物濃度を含む ことを特徴とする縦方向空洞半導体レーザ装置。
2. （２）前記第一半導体材料は、ＩｎＰであり、前記第二
   半導体材料及び能動領域は、格子整合したＧａＩｎＡｓ
   であることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. （３）前記第一半導体材料は、ＩｎＰであり、前記第二
   半導体材料は、格子整合した ＧａＩｎＡｓＰであることを特徴とする請求項１記載の
   装置。
4. （４）前記第二半導体材料は、少なくとも１立方ｃｍ当
   たり約１Ｅ１９（１×１０＾１＾９）のドーピング・レ
   ベルを持つｎ型のＧａＩｎＡｓあるいはＧａＩｎＡｓＰ
   であることを特徴とする請求項１記載の装置。
5. （５）前記ドーピング・レベルが、少なくとも１立方ｃ
   ｍ当たり約１Ｅ２０（１×１０＾２＾０）であることを
   特徴とする請求項４記載の装置。