JPH03270285A - 面発光型半導体レーザ - 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】 〔概　要〕 活性層に垂直方向に光を射出する面発光型の半導体レー
ザに関−し。

射出光パターンが等方性である面発光型半導体レーザを
提供すること、ならびに、従来の短共振器構造の面発光
型半導体レーザにおけるように。

光射出面に多層反射膜を設けることによる素子製造の困
難性を回避することを目的とし。

平坦な一表面を有する一導電型の第１クラッド層と該表
面上に形成された反対導電型の第２クラッド層と該第１
および第２クラッド層間に介在する活性層と該活性層に
接して該第１および第２クラッド層間に介在する光ガイ
ド層とから威り且つ該表面に垂直な軸を中心軸として有
する円柱状のメサと、該光ガイド層と該第２クラッド層
との界面を成し且つ前記軸を中心とする同心円状の凹凸
から成る２次回折格子と、該円柱状メサの側面に形成さ
れた反射膜と、該円柱状メサにおける該第２クラッド層
上に前記軸を中心とする円環状に形成された電極とを備
えるように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、活性層に垂直方向に光を射出する面発光型の
半導体レーザ関する。

光信号から成る情報をそのまま処理する光情報処理技術
の開発が進められている。さらに、光信号の並列処理に
よる高度な光情報処理の可能性が探求されている。この
ような並列処理を可能にするためには、基板上に多数の
面発光型半導体レーザを２次元的に配列した多ビットの
光信号発生装置が必要とされる。

〔従来の技術〕

現在量も多く用いられている半導体レーザは。

基板上に形成された活性層の臂開面から光が射出される
構造のものであり、射出光は基板面に平行である。した
がって、前記のような並列処理に必要な光信号発生装置
における半導体レーザとしては、集積される基板面に垂
直方向に光を射出するように形成可能なものであること
が必要である。

このような半導体レーザとして、いわゆる面発光すよう
な、２次回折格子を用いる方式のものと。

第１図に示すような、活性層の両側のクラッド層表面に
形成した反射膜を共振器とする方式のものとがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

第５図は従来の半導体レーザの一例（Ｋ、　Ｋｏｊｉｍ
ａｅｔ　ａｌ、、　Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ
、５０．１７０５（１９８７））の要部構造図である。

すなわち、半導体基板１の表面に垂直方向に２次回折光
を射出するピッチの回折格子（２次回折格子）５が上部
クラッド層４の上面に形成されている。２次回折格子５
が占める領域の幅（Ｗ）は、活性層３との結合損失を少
なくするために、活性層３における発光に寄与する領域
の幅（数μｍ）程度に、また、２次回折格子５が占める
領域の長　さ（Ｌ）は１分布ブラック反射率を保持する
ために、数１００μｍ程度以上とする必要がある。した
がって、Ｗ＜＜Ｌとなり、前記領域は長方形となる。そ
の結果、２次回折光、すなわち、上記半導体レーザの射
出光のパターンは非等方性となり、光ファイバ等との結
合損失が大きい問題がある。

第６図は短共振器構造の従来の面発光型半導体レーザ（
小山二三夫他「面発光レーザの室温連続発振」第６回半
導体レーザシンポジウム予稿集（東工大主催：１９８９
））の要部構造図である。図示のように、共振器を構成
する高反射膜Ｍ１およびＭ２が。

下部クラッド層２と上部クラッド層４の各々の表面に形
成されているが、高反射膜Ｍ１は光射出窓でもある。こ
のため、高反射膜Ｍ１およびＭ２として。

通常、多層干渉膜が用いられる。このような多層膜の形
成は、　ＣＶＤ（化学気相成長）法により行われるが、
２種類ないしはそれ以上の多数層の膜を。

光射出窓となる狭い凹部内に平坦に積層するためには高
精度の制御を必要とする問題がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、射出光パターンが
等方性であり、かつ、共振器を構成する高反射膜の形成
に関連する工程の困難さを伴わない面発光型半導体レー
ザを提供可能とすることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、平坦な一表面を有する一導電型の第１クラ
ッド層と該表面上に形成された反対導電型の第２クラッ
ド層と該第１および第２クラッド層間に介在“する活性
層と該活性層に接して該第１および第２クラッド層間に
介在する光ガイド層とから成り且つ該表面に垂直な軸を
中心軸として有する円柱状のメサと、該光ガイド層と該
第２クラッド層との界面を成し且つ前記軸を中心とする
同心円状の凹凸から成る２次回折格子と、該円柱状メサ
の側面に形成された反射膜と、該円柱状メサにおける該
第２クラッド層上に前記軸を中心とする円環状に形成さ
れた電極とを備えたことを特徴とする本発明に係る面発
光型半導体レーザによって達成される。

〔作　用〕

第１図は本発明の原理説明図であって、同図（ａ）は、
第１クラッド層２　（バンドギャップ波長λｌ）。

活性層３　（バンドギャップ波長λ２）、光ガイド層６
（バンドギャップ波長λ、）および第２クラッド層４（
バンドギャップ波長λ、）の断面を示し、同図（ｂ）は
、活性層３と光ガイド層６とを抜粋して示す斜視図であ
る。第２クラッド層２から光ガイド層６までの各層は、
同図（ｂ）に示すように円柱状に形成されている。そし
て、光ガイド層６と第２クラッド層４との界面には、前
記円柱の軸を中心とする同心円状の凹凸から成る２次回
折格子７が形成されている。また、前記円柱の側面には
、高反射膜８が形成されている。

光ガイド層６は、２次回折格子７を形成することによる
活性層３の結晶性品質の低下を避けるために設けられる
もので、そのバンドギャップ波長λ３と他の各層のバン
ドギャップ波長との間には。

次の関係がある。

λ、〉λ、〉λ１、およびλ４〉λ、〉λ。

例えばｐ型である第２クラッド層４からｎ型である第１
クラッド層２へ、順方向の、電流を流したときに活性層
３内に生じるキャリヤの再結合発光は活性層３内を伝播
し、前記円柱の側面に形成されている高反射膜８間を往
復する。この間に、径方向に進む光に対する等偏屈折率
（ｎ、、　）と２次回折格子７のピッチ（Ａ）の積ｎ１
、・Ａに等しい波長の光の一部が、２次回折格子７に垂
直方向、すなわち、前記円柱の軸方向に回折される。

第２図は上記構造の半導体レーザにおける円形共振器の
振動モードを示す模式図であって、斜線を付した領域と
付さない領域の境界は振動の節であり、その両側の領域
では位相がずれている。同図におけるｎは、活性層３内
において前記中心軸を横切って往復する光の共振モード
（縦モード）の次数９ｍは９円形の活性層３内において
円周方向に伝播する光の共振モード（横モード）の次数
である。上記は、太鼓の膜の振動モードと同様である。

上記本発明の半導体レーザにおいては、再結合発光がレ
ーザ発振条件に達したとき、第２図のうちｍ・０の欄に
示すような光電界の共振モードが存在する。

図示のように、ｎ＝１およびｍ＝０のときが基本モード
である。ｍ＝０であれば射出光パターンは等方向である
。光ファイバとの結合効率からは、横モードが上記ｍ＝
０の基本モードのパターンを有していることが望ましい
。このために、２次回折格子７のピッチＡは、第１種ベ
ッセル関数をＪｎ（χ）として、　Ｊｎ（ｘ）＝０とな
る。χの間隔をΔχとし。

Ａ−＝（λ／ｎ−ｊ　・Δχと決める。このことから、
ピッチは等間隔になるとは限らない。この２次回折格子
７のため、径方向に進む光のみが存在でき。

したがって、横モードは基本モード（ｍ　＝０）となる
。

上記本発明に係る構造によれば、完全に等方性のパター
ンを有するレーザ光が射出される。また。

多層干渉膜反射鏡の形成にともなう工程の困難性を生じ
ることもない。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

以下の図面において、既掲の図面におけるのと同じ部分
には同一符号を付しである。

第３図は本発明の面発光型半導体レーザの一実施例を説
明するための要部断面図であって１例えば、ｎ型のＩｎ
Ｐから成る半導体基板１上に、第１．。

クラッド層２を構成する厚さ土０μｍのｎ、型のＩｎＧ
ａＡｓＰ層（バンドギャップ波長λ１）と活性層３を構
成する厚さ０．１５μｍのノンドープのＩｎＧａＡｓＰ
層（バンドギャップ波長λ２；λ２〉λ１）を順次エピ
タキシャル成長する。半導体基板１そのものを第１クラ
ッド層２として用いてもよい。

ここで、活性層３を構成するＩｎＧａＡｓＰ層を、第１
図に示す円柱状のメサよりも小さい直径の円形のメサ状
にエツチングする。これにより活性層３が形成される。

そののち、活性層３の周囲に、埋め込み層９を構成する
厚さ１０．μｍのＩｎＧａＡｓＰ層を選択的にエピタキ
シャル成長させる。この選択的エピタキシャル成長は１
例えば円形メサ状の活性層３表面を絶縁層から成るマス
クで覆っておき。

絶縁層マスク表面と、その周囲に表出するＩｎＧａＡｓ
Ｐ結晶層表面と間の選択成長性を利用する等の周知の方
法を用いて行うことができる。埋め込み層９を構成する
ためのＩｎＧａＡｓＰ層のバンドギャップ波長は、活性
層３のバンドギャップ波長より短くなければならない。

次いで、活性層３上および埋め込み層９を構成するＩｎ
ＧａＡｓＰ層上に、光ガイド層６を構成する厚さ０°２
μｍのノンドープのＩｎＧａＡｓＰ層（バンドギャップ
波長λ、；λ２〉λ、〉λ１）をエピタキシャル成長さ
せたのち、このＩｎＧａＡｓＰ層表面に、２次回折格子
７に対応する円環状の凹凸を形成する。

この凹凸の形成は、フォトレジスト層と電子ビーム露光
法とドライエツチング法を用いる周知のりソゲラフ技術
により行えばよい。上記円環状の凹凸は、その中心が前
記円形メサ状の活性層３の中心軸上に精確に位置するよ
うに形成される必要がある。

また、上記凹凸のピッチは、２次回折格子７のピッチ（
Ａ）と等しく９例えば発振波長をλ０１５５０ｎｍ、０
１５５０重成するＩｎＧａＡｓＰ層の屈折率を３．２５
とすると、半径４２０ｒｏｎの円の外側に、ピッチＡ　
＝１５５０／３．２５＝　４７７ｎｍで、２０重ねの同
心円状の凹凸を形成する。上記凹凸の深さは、　５０重
量程度である。

次いで　光ガイド層６上に第２クラッド層４を構成する
厚さ１．０μｍのｐ型のＩｎＧａＡｓＰ層（バンドギャ
ップ波長λ、；λ２〉λ３〉λ４）をエピタキシャル成
長させる。これにより、上記円環状の凹凸は上部クラッ
ド層４によって埋め込まれるが。

光ガイド層６と第２クラッド層４との屈折率が異なるた
め、これらの層の間には、前記円環状の凹凸に対応して
屈折率の不連続な界面が生しる。これが２次回折格子７
として作用する。

次いで、上記第２クラッド層４．光ガイド層６゜埋め込
み層９および第１クラッド層２を構成する各ＩｎＧａＡ
ｓＰ層をエツチングして、これらの層が側面に表出する
円柱状のメサを形成する。この形成は、第２クラッド層
４表面における前記円柱状メサに対応する領域に、高温
ベーク型フォトレジストから成るマスクを形成したのち
、このマスクの周囲における層を１例えば周知のイオン
ビームエツチングにより除去することにより行われる。

なお、上記円柱状メサは、その中心軸が円環状の２次回
折格子７の中心を通るように形成される必要がある。ま
た、上記円柱状メサの直径は９円柱の側面の反射率およ
び２次回折格子７の構造とともに、しきい値に影響する
ので、これらを勘案して１例えば８０μｍとする。

次いで、ｐ型１ｎＧａＡｓＰから成る第２クラッド層４
の周辺領域に、ｎ型不純物として例えばＳｉを注入して
、ｎ型の電流狭窄層１１を形成する。そののち、第２ク
ラッド層４表面の中央部および周辺領域に５Ｉ０２から
成る絶縁層１２および１３をそれぞれ形成し１次いて、
絶縁層１２および１３から表出する第２クラッド層４表
面に１例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ多層膜から成る円環状の
電極１４を形成する。絶縁層１２は第２クラッド層４表
面を保護する光透過窓として作用する。

次いで、第１クラッド層２ないし第２クラッド層４から
成る円柱状メサの側面に９例えばＳｉＯ□から成る厚さ
０．４３μｍの絶縁層１５を形成したのち。

前記円柱状メサの側面に１例えばＡｕのような金属薄か
ら成る高反射膜１６を形成する。また、半導体基板ｌの
裏面に１例えばＡｕＧｅ／Ａｕ多層膜　から成る図示し
ない電極を形成して本発明に係る面発光型半導体レーザ
が完成する。なお、前記円柱状メサの側面にＳｉＯ２か
ら成る絶縁層１５を形成する場合には、第２クラッド層
４表面に対する絶縁層１２および１３と同時に形成して
もよい。

第４図は本発明の面発光型半導体レーザの別の実施例を
説明するための要部断面図である。半導体基板１はｎ型
のＧａＡｓから成り、第１クラッド層２および第２クラ
ッド層４は、それぞれ、ｎ型およＵｐ型のＡｌｏ、　ａ
Ｇａｏ、　ｔＡｓから成る。また、光ガイド層６は、ｐ
型のＡｌｅ、　ｔＧａｏ、　ｓＡｓから成る。そして。

活性層２１は、厚さ約１１００ｎのＧａＡＳ層と厚さ約
１５０ｎｍのＡｌｅ、　ｚＧａｏ、　ｓＡｓ層とを交互
に成長させて成る多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ−
Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ）構造となっている。また、
′本実施例においては、前記実施例におけるように活性
層２１′の周囲に埋め込み層９を設ける代わりに、活性
層２１の周辺領域に不純物を高濃度にドーピングしてＭ
ＱＷ層を無秩序化している。

すなわち９本実施例の場合は、半導体基板ｌ上に、第２
クラツド層４．活性層２１および光ガイド層６を構成す
る各層が連続して形成されたのち。

光ガイド層６表面に２次回折格子７を構成する凹凸が形
成される。そして、第２クラッド層４を形成し、これら
、の層を円柱状のメサに加工したのち。

円柱状メサの゛周辺領域に１例えばＺｎを第２クラッド
層４表面から第１クラッド層２と活性層２Ｉの界面に達
する深さまで拡散する。この条件は１例えば、ＺｎＡＳ
ｔ雰囲気（ｌ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ）中、６３０℃で
７時間である。なお９図において、符号２２は上記のよ
うにして形成された不純物注入領域を示す。

上記の無秩序化により、活性層２１の周辺領域は。

わずかにバンドギャップが大きくなる。その結果。

活性層２１内で発生した光を吸収しなくなり、前記埋め
込み層９と同様の作用を示す。同時に、無秩序化された
ＭＱＷ層の抵抗が増大し、電流狭窄作用が生じる。本実
施例の構造は、前記実施例と比べ。

活性層３を円形メサに形成するための工程、および、そ
の周囲に埋め込み層９を形成するための工程が省略され
、また、前記ＭＱＷ構造の活性層２１により低しきい値
化される点で有利である。また。

本実施例は、前記実施例とは発振波長が異なる。

したがって９回折格子７は、光ガイド層６の上面に、半
径２４０ｒｕｏの円の外側に形成されたピッチＡ＝２７
４ｎｍの多重同心円状の凹凸から戒る。

なお、上記各実施例において、前記円柱状メサの側面に
形成される高反射膜１６は、必ずしも金属膜から成る必
要はなく、誘電体の多層膜から成る高反射膜を用いても
よい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、射出光のパターンが等方性であり、か
つ、共振器を構成する反射鏡として多層膜を必要としな
い面発光型半導体レーザを提供可能とし、光信号を並列
処理する高度の光情報処理システムの実現を促進する効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は本発明の原理説明図。 第３図と第４図は本発明の詳細な説明図。 第５図と第６図は従来の問題点説明図 である。 図において。 １は半導体基板、　　２は第１クラッド層。 ３と２１は活性層、　　４は第２クラッド層。 ５と７は２次回折格子、　　６は光ガイド層。 ８と１６とＭｌとＭ、は高反射膜、　　９は埋め込み層
。 １１は電流狭窄層、　　　１２と１３と１５は絶縁層１
４は電極、２２は不純物注入領域 である。 不発ｅ４の原理説明図（その１） 第 図 第 図 Ａ発明の実に合・１言先明図（テθ２）纂 図 木づむ８月ｔｒａｉｐ、理１４日月図　（千　の　２）
穿 図 士力丸 従来の閂靭オ、説明図（千の１） 第　　５　　図 従来の閂顆Ａｉｌ萌図（その２） 第　　６　　月

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）平坦な一表面を有する一導電型の第１クラッド層
   と該表面上に形成された反対導電型の第２クラッド層と
   該第１および第２クラッド層間に介在する活性層と該活
   性層に接して該第１および第２クラッド層間に介在する
   光ガイド層とから成り且つ該表面に垂直な軸を中心軸と
   して有する円柱状のメサと、 該光ガイド層と該第１または第２クラッド層との界面を
   成し且つ前記軸を中心とする同心円状の凹凸から成る２
   次回折格子と、 該円柱状メサの側面に形成された反射膜と、該円柱状メ
   サにおける該第２クラッド層上に前記軸を中心とする円
   環状に形成された電極 とを備えたことを特徴とする面発光型半導体レーザ。
2. （２）該上部電極の周囲の領域における該第２クラッド
   層中に設けられた電流狭窄層を有することを特徴とする
   請求項１記載の面発光型半導体レーザ。
3. （３）該円柱状メサ内において該活性層の周囲に前記軸
   を中心とする円環状に形成された層であって、該活性層
   よりも低屈折率を有する半導体から成る埋め込み層を有
   することを特徴とする請求項１記載の面発光型半導体レ
   ーザ。
4. （４）該活性層が多重量子井戸構造を有していることを
   特徴とする請求項１記載の面発光型半導体レーザ。