JPH03239386A - 面発光半導体レーザ - Google Patents

面発光半導体レーザ

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JPH03239386A
JPH03239386A JP3519490A JP3519490A JPH03239386A JP H03239386 A JPH03239386 A JP H03239386A JP 3519490 A JP3519490 A JP 3519490A JP 3519490 A JP3519490 A JP 3519490A JP H03239386 A JPH03239386 A JP H03239386A
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JP
Japan
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semiconductor
layer
refractive index
type
active layer
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JP3519490A
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English (en)
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Noboru Hamao
浜尾 昇
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction 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
    • H01S5/18Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18344Surface-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
    • H01S5/18347Mesa comprising active layer
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction 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
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    • H01S5/18361Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/30Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/3211Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures characterised by special cladding layers, e.g. details on band-discontinuities

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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、光交換ないしは光情報処理装置等で利用され
る半導体レーザに関し、特に半導体基板に垂直方向にレ
ーザ発振光が出射される面発光レーザに関する。
(従来の技術) 光交換あるいは光情報処理等の分野に用いるために、二
次元集積が可能な面発光レーザが必要とされており、そ
の−例がJ、 L、 Jewell等によって報告され
ている。アイオーオーシーテクニカルダイジェストに記
載されているる(100C’89 Technical
Digest 18B2−6(FD))。
この面発光レーザは、Ino、2Gao、sAs量子井
戸活性層の両側にGaAsとAlAsを交互に約20周
動程度積層したP型及びn型の半導体多層膜反射鏡及び
各電極を形成した構造で、電流注入によりレーザ発振を
得ている。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、」二連した従来の面発光レーザにおいて
は、半導体多層反射膜を通してキャリアが活性層に注入
されるが、半導体多層反射膜を形成している半導体層の
組成が大きくことなるため、各半導体層間にヘテロ障壁
が形成され、キャリアが注入されにくい。第2図に伝導
帯のエネルギー構造を示した。そのため素子の直列抵抗
が数にΩと大きく、DC駆動時に発熱によって閾値電流
増大する、高速変調がかかりにくいなどの問題点があっ
た。
本発明の目的は、キャリア注入が容易で素子の直列抵抗
が小さく、そのため素子特性が良好な面発光半導体レー
ザを提供することにある。
(課題を解決するための手段) 本発明の面発光半導体レーザは第一導電型の半導体基板
と、この半導体基板の上に形成された第一導電型で高屈
折率の半導体層と低屈折率の半導体層を交互に積層させ
た半導体多層反射膜と、この上に形成された活性層と、
この活性層の上に形成された前記第一導電型と反対の第
二導電型を有する半導体多層反射膜とを含む面発光半導
体レーザにおいて、前記半導体多層反射膜を形成する半
導体各層の禁止帯幅が活性層を形成する半導体層の禁止
帯幅より大きく、かつ少なくとも一つの半導体層の禁止
帯幅が連続的に変化するように形成された半導体多層反
射膜を備えることを特徴とする。
あるいは、第一導電型の半導体基板と、この半導体基板
の」−に形成された第一導電型で高屈折率の半導体層と
低屈折率の半導体層を交互に積層さぜた半導体多層反射
膜と、この上に形成された活性層と、この活性層の上に
形成された前記第一導電型と反対の第二導電型を有する
半導体多層反射膜とを含む面発光半導体レーザにおいて
、前記半導体多層反射膜を形成する半導体各層の禁止帯
幅が活性層を形成する半導体層の禁止帯幅より大きく、
かつ高屈折率の半導体層と低屈折率の半導体層との少な
くとも一つの間に、上記二層の禁止帯幅の中間的な禁止
帯幅をもつ中間層が形成されている半導体多層反射膜を
有することを特徴とする。
(作用) 半導体多層反射膜は高屈折率の半導体層と低屈折率の半
導体層を交互に積層することによって形成されるが、各
半導体層の禁止帯幅が異なることから各半導体層間に禁
止帯幅差に応じて、ヘテロ障壁が存在する。このとき請
求範囲の第1項に示すように、反則膜の半導体層の一部
の禁止帯幅を連続的に変化させることによって、上記へ
テロ障壁のエネルギーを低減することが出来る。また、
請求範囲の第2項に示すように、高屈折率の半導体層と
低屈折率の半導体層の間に両者の中間的な禁止帯幅をも
つ中間層を形成することによっても上記のへテロ障壁の
エネルギーを低減できる。そのため、キャリアの注入が
容易となり、素子の直列抵抗を低減することができる。
なお、上記へテロ障壁は狭禁止帯幅の半導体層から広禁
止帯幅の半導体層へ向かうキャリアに対してより顕著で
あるためこのキャリア注入方向の半導体層に対して本特
許を適用するとより有効である。
(実施例) 次に本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明
する。第工図(a)、 (b)は、本発明の特許請求の
範囲第1項による一実施例を説明するための(a)素子
断面図及び(b)は素子の伝導帯のポテンシャル構造図
である。また第1図(C)は本発明の特許請求の範囲第
2項による一実施例を説明するための伝導帯のポテンシ
ャル構造図である。
はじめに本発明の特許請求の範囲第一項による実施例を
示す。まず、n型GaAs基板1上にn型AlxGa1
−xAsグレーディト層15をA1混晶組成比Xを例え
ばOから1まど徐々に太きくしながら少なくともIOA
以上以上形石。この後にn型AlAs低屈折率層2を厚
さλ/4nA(λ;活性層の禁止帯幅でほぼ決まるレー
ザ発振波長、nAHAlAs層の屈折率)だけ形成する
。次にn型A1.Ga 1□As層をA1混晶組成比y
を1から0まで徐々に小さくしながら少なくともIOA
以上の層厚のグレーディト層15を形成する。このグレ
ーディト層15の上にn型高屈折率層3としてGaAs
層を厚さ)J4nc(na; GaAs層の屈折率)だ
け形成する。この後に上記工程を繰り返すことによりn
型半導体多層反射膜4を形成する。ここで、上記構造を
20周期動程積層することにより反射率として90%以
上が得られる。
このとき、n型低屈折率層2とn型高屈折率3との各層
間のグレーディト層15の禁止帯幅が徐々に変化してい
るため、ヘテロ接合障壁のエネルギーは小さく、キャリ
ア注入が容易となる。次にこのn型半導体多層反射膜4
の上にn型クラッド層5として例えばn型GaAs層を
約1000A〜lpm形成する。
このn型クラッド層5の上に活性層6として例えばIn
。2Gao、sAs層を約100A形戒する。この活性
層6の上にP型りラッド層7としてP型GaAs層を約
1000A〜lpm形成する。このP型りラッド層7の
上にP型低屈折率層8としてP型AlAs層をn型低屈
折率層2と同様にAl混晶組成比を徐々に変化させたP
型ブレ−14ト層15を介して形成する。
次にP型窩屈折率層9としてP型GaAsを形成する。
この後に各層を交互に約20周動程度積層し、P型半導
体多層反射膜10を形成する。ここでP型低屈折率層8
及びP型窩屈折率層9の層厚はそれぞれV4n(λ:レ
ーザ発振波長、n;各層の屈折率)とする。
この場合にも、P型低屈折率層8とP型窩屈折率層9と
の各層間のP型ブレ−14ト層15の禁止帯幅が徐々に
変化しているため、ヘテロ接合障壁のエネルギーが小さ
くなり、そのためキャリア注入が容易となる。
このP型半導体多層反射膜10の上にキャップ層11と
してP型GaAsを約10〜100OA形成する。最後
に成長表面にP型電極12を、基板裏面にn型電極13
を形成して素子が完成する。
この面発光レーザ素子では、キャリア注入が容易となり
素子の直列抵抗が1にΩ以下となり連続発振しきい値電
流が低くなるとともに、IGb/s以上の高速変調が可
能となった。
次に本発明の特許請求の範囲第2項による第2の実施例
ついて説明する第1図(C)。まずn型GaAs基板工
上に中間層14として例えばn型AlxGa1−xAs
層(x=0.3〜0.7)を約10Å以上形成する。そ
の後にn型低屈折率層としてn型AlAsを厚さu4n
A((λ:発振波長、nA; AlAs層の屈折率)だ
け形成する。この後に中間層14としてn型Al、Ga
1−yAs層(y=0.3〜0.7)を約10A以上形
戒する。次にn型高屈折率層としてn型GaAsを厚さ
A/4na((λ:発振波長、noHGaAs層の屈折
率)だけ形成する。この後に上記工程を20周期動程繰
り返すことによりn型半導体多層反射膜4を形成する。
このとき、n型高屈折率層3とn型低屈折率層2の間に
禁止帯幅が前記2層の中間的な中間層14が形威されて
いるため、n型高屈折率層3とn型低屈折率層2の間に
出来るヘテロ障壁のエネルギーは小さくなり、キャリア
注入が容易となる。また、P型半導体多層反射膜10も
同様に、P型低屈折率層8、P型窩屈折率層9、中間層
14を用いて形成する。他の工程は特許請求の範囲第1
項による実施例と同様に形威し第1図(a)の構造の素
子を完成する。この構造でも第一の実施例と同等の効果
が得られた。
上記実施例においては、材料系はAlGaAs/GaA
s系としたが、これにかぎらず他の材料系例えばInG
aAsP/InP系でも本発明は適用出来る。
上記実施例においては、活性層はIn。2Gao、8A
s単一量子井戸としたが、これにかぎらず、他の組成で
あっても、また多重量子井戸構造及びバルク半導体であ
っても本発明は適用出来る。
上記実施例においては、低屈折率層としてAlAs。
高屈折率層としてGaAsとしたが、これにかぎらず、
活性層の禁止帯幅より大きい禁止帯幅をもつ半導体層で
あれば他の組成でも本発明は適用出来る。
(発明の効果) 以上説明したように本発明によれば、半導体多層反射膜
を形成する各半導体層間のへテロ接合障壁のエネルギー
が小さく出来る。そのためキャリア注入が容易となり、
素子の直列抵抗を低減することができる。これにより低
しきい値化、高速化が容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)、 (b)は本発明の特許請求の範囲第1
項による実施例を説明するための(a)断面構造図、(
b)ポテンシャル構造図である。第1図(c)は特許請
求の範囲第2項による実施例を説明するためのポテンシ
ャル構造図である。 第2図は従来技術による面発光半導体レーザのポテンシ
ャル構造図である。 図ずにおいて、1・・・n型GaAs基板、2・・・n
型低屈折率層、3・・・n型高屈折率層、4・・・n型
半導体多層反射膜、5・・・n型クラッド層、6・・・
活性層、7・・・P型クラッド、8・・・P型低屈折率
層、9・・・P型窩屈折率層、10・・・P型半導体多
層反射膜、11・・・キャップ層、12・・・P型電極
、13・・・n型電極、14・・・中間層、15・・・
グレーディト層である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)第一導電型の半導体基板と、この半導体基板の上
    に形成された第一導電型で高屈折率の半導体層と低屈折
    率の半導体層を交互に積層させた半導体多層反射膜と、
    この上に形成された活性層と、この活性層の上に形成さ
    れた前記第一導電型と反対の第二導電型を有する半導体
    多層反射膜とを含む面発光半導体レーザにおいて、前記
    半導体多層反射膜を形成する半導体各層の禁止帯幅が活
    性層を形成する半導体層の禁止帯幅より大きく、かつ半
    導体層の禁止帯幅が連続的に変化するように形成された
    半導体多層反射膜を少なくとも一つ備えることを特徴と
    する面発光半導体レーザ。
  2. (2)第一導電型の半導体基板と、この半導体基板の上
    に形成された第一導電型で高屈折率の半導体層と低屈折
    率の半導体層を交互に積層させた半導体多層反射膜と、
    この上に形成された活性層と、この活性層の上に形成さ
    れた前記第一導電型と反対の第二導電型を有する半導体
    多層反射膜とを含む面発光半導体レーザにおいて、前記
    半導体多層反射膜を形成する半導体各層の禁止帯幅が活
    性層を形成する半導体層の禁止帯幅より大きく、かつ高
    屈折率の半導体層と低屈折率の半導体層との少なくとも
    一つの間に、上記二層の禁止帯幅の中間的な禁止帯幅を
    もつ中間層が形成されている半導体多層反射膜を有する
    ことを特徴とする面発光半導体レーザ。
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