JPH04103185A - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、面発光型半導体レーザ、特に人容量光通信
および光情報処理用の微小面発光を有する面発光型半導
体レーザに間する。

（従来の技術） この種の面発光型半導体レーザとして、文献：（「アプ
ライド　フィジックス　レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　　
ｐｈｙｓｉｃｓ　　ＬｅｔｔｅｒＳ）Ｊ且（１３）、（
１９８９）、第１２０９−１２１１頁）に開示された構
造のものがある。

この文献開示の半導体レーザは、ＧａＡｓ基板上に、分
子線エピタキシャル（ＭＢＥ）成長法で、Ａｊ２ＡＳ／
Ａｊ２ｏ、ｓ　Ｇａｏ、ｔ　Ａｓ多層反射膜と、ＧａＡ
ｓ／ｐ−Ａｊ２ｏ２Ｇａｏ、ａ　Ａｓ／ＧａＡｓ／ｎ　
　Ａｇｏ、２Ｇａｔ３．ＢＡＢ多重活牲活性成膜した構
造を有し、これを光励起によってキャリア注入を行って
良好な特性のレーザ発振を行わせていた。尚、この半導
体レーザの多層反射ｓを構成する各膜の厚みは、発振波
長を各々の膜の屈折率で割った値の１／４としている。

また、多重活性層の厚みにれはＧａＡｓの中心間距離に
対応しでいる）を発振波長の１／２としている。

（発明か解決しようとする課題） しかしながら、この従来の半導体レーザては、電流注入
によるレーザ発振を得るのが困難であり、また、光を導
波する構造を形成することが困難なため、基本モード以
外の発振も混在してしまう。

この発明は、上述した従来の半導体レーザが具える問題
点の解決を図るためになされたものであり、従って、こ
の発明の目的は、電流注入により基本モード発振を確実
に行い得ると共に、高集積化可能な構造の面発光型半導
体レーザを禮供することにある。

（課題を解決するための手段） この目的の達成を図るため、この発明によれば、 基板と、この基板の上面側に設けられたレーザ発振本体
と、このレーザ発振本体の上側に設けられた上側電極と
、基板の下面に設けられた下側電極と、レーザ発振本体
の上側の上側電極外の領域に設けた出射窓とを含む面発
光型半導体レーザにおいで、 このレーザ発振本体は、基板側から順次に設けられた高
反射率の多層反射膜と、下側クラッド層と、利得の生じ
る活性層領域および利得の生じない領域を一定周期で交
互に配列した水平活性導波路と、上側クラッド層を少な
くとも具え、このレーザ発振本体の一方の側に設けられ
、基板側にレーザ光を反射しおよび基板上面に対しで４
５°の傾斜角を有する第一全反射端面と、レーザ発振本
体の他方の側にこの第一全反射端面と平行に設けられ、
基板側とは反対側に向けてレーザ光を反射する、第二全
反射端面とを具える ことを特徴とする。

この発明の実施に当り、好ましくは、活性層領域を直方
体状層とするのが良い。

この発明の実施例によれば、好ましくは、活性層領域の
配列周期を、発振波長を活性層の屈折率で割った値の２
分の１とするのが良い。

ざらに、この発明の好適実施例によれば、活性層領域を
単一量子井戸活性層領域とするのが良い。

ざらに、この発明の実施に当り、好ましくは、レーザ発
振本体は、水平活性導波路の活性層−域のそれぞれに電
流を集中させる電流狭窄層を具えているのが良い。

（作用） この発明の面発光型半導体レーザによれば、レーザ発振
本体には、基板上面と平行に、利得が生じる活性層領域
と利得が生じない領域とを周期的に配列して構成した導
波路すなわち水平活性導波路を設けてあり、そして、こ
のレーザ発振本体の端部に４５°の傾斜角の全反射端面
を設け、また、下側クラッド層の下側には、高い反射率
を有する多層反射膜を設けて、この多層反射膜と出射窓
との間で共振器を構成した構造となっている。

従って、基板上面と平行な面内て見た場合の共振器を構
成する反射面間の距離は、短くなっており、従って、高
集積化が可能である。

ざらに、上側電極から各活性層領域に電流を注入してレ
ーザ発振させることか出来、また、各活性層領域間には
利得の発生じない領域を配設しであるので、共振器長を
短くしても、発振しきい値電流の上昇を抑えることが出
来る。また、木平活粧導波路が光を導波する構造となっ
ているので、この半導体レーザを単一基本モートて発ｔ
ｉさせることが出来る。

（実施例） 以下、図面を参照して、この発明の実施例につき説明す
る。

尚、以下参照する図は、この発明を理解出来る程度に各
構成成分の大きさ、形状および配置［ｆｆｆｉ係を概略
的に示しであるにすぎず、従って、この発明は図に示さ
れた大きさ、形状および配ＮＩＷｌ係のみに限定される
ものではない。

また、以下の説明では、この発明の面発光型半導体レー
ザの構造を、その−製法例に従って説明する。

第１図（Ａ）〜（Ｉ）および第２図（Ａ）〜（１）は、
この発明の製造工程図であり、第１図（Ａ）〜（１）は
、第２図（Ａ）〜（Ｉ）のそれぞれのＢ−８断面図であ
り、また、第２図（Ａ）〜（Ｉ）は第１図（Ａ）〜（１
）のそれぞれのＡ−Ａ断面図である。尚、断面を表わす
ハツチング等は一部分を除き省略する。

先ず、第１工程において、基板１０の上側に高反射率の
多層反射膜１４、下側クラッド層１６、予備活性層１８
、予備上側クラ・ンド層２０を順次に含む予備成膜層２
４を形成する。

この実施例では、基板としてｎ型ＧａＡｓ基板］○を用
いる。そして、予備成膜層２４を、基板］Ｏ側から、バ
ッファ層１２としてｎ型ＧａＡｓ層、多層反射膜１４と
してｎ型Ａｆｘ　Ｇａｐ−、Ａｓ／Ａｕｙ　Ｇａｐ−ｖ
　Ａｓ　（ｘ＞ｙ）ｌｌｔ、下側クラット層１６として
ｎ型ＡｌｘＧａ＋−ｘＡｓ層（ｘ＞ｚ＞ｙ）　、予備活
性層１８としてアンドープＧａＡｓ単一量子井戸活性層
、予備上側クラッド層２０としてｐ型Ａβ２　Ｇａｐ−
ｚ　Ａｓおよびキャップ層２２としてＧａＡｓ１ｉを、
順次に、積層した層として形成する。これら各Ｎを、有
機金属気相成長法或いは分子線エピタキシャル成長法に
よって成膜する。このように成膜しで得られた構造体を
第１図（Ａ）および第２図（Ａ）に示す。

この場合、バッファ層１２の膜厚は任意適当に設定すれ
ば良い、また、多層反射１１１４を構成する各層の膜厚
は、好ましくは、発振波長をそれぞれの屈折率で割った
値の１／４とし、組成ｙを、好ましくは、発振波長より
も短波長のエネルギーギャップとなるように設定し、ま
た、好ましくは、反射率が９５％以上となるように暦数
および組成Ｘを決定するのが良い、ざらに、下側クラッ
ド層１６の膜厚を、好ましくは、１〜１．５ｕｍ程度と
し、予備上側クラッド層２０の膜厚を、好ましくは、１
１００ｎ程度とし、キャップ層２２の膜厚を、好ましく
は、１１００ｎとするのが良い。

次に、第２工程において、この予備成膜層２４の上面側
から少なくとも予備活性層１８の下面までトライエ・ン
チングを行って、予備活性層１８から一定周期で配列し
た活性層領域３０を形成する（第１図（Ｃ）および第２
図（Ｃ）参照）。

そのため、この実施例では、予備成膜層２４の一番上側
のキャップ層２２の上面に、電子ビームを用いたリング
ラフイー技術を用いてレジストパターン（図示せず）を
形成する。当然ながら、このレジストパターンを、形成
すべき活性層領域３０の、基板１０の上面と平行な面で
の平面的形状に合せた平面形状を有すると共に、形成す
べき活性層領域３０の配列周期と同一の周期で設ける。

この実施例では、レジストパターンの周期Ｔを、発振波
長を予備活性層１８の屈折率で割った値の］／２とし、
１つのレジストパターンの平面的に見た形状！３ｕｍ（
幅）ｘＴ／２　（長さ）の矩形とする。このレジストパ
ターンをマスクとして用い、ドライエツチング技術を用
いで、キャップ層２２をエツチングして深さか約５０ｎ
ｍの凹凸部２２ａ％形成する。このようにして得られた
構造体を第１図（Ｂ）および第２図（Ｂ）に示す。

次に、キャップ層２２の凹凸部２２ａ側から２回目のド
ライエツチングを行って、予備活性層１８￥！突き抜け
る深ざまて工・ンチングする。このエツチングによって
、キヤ・ンブ層２２の凹凸部２２ａのパターンが転写さ
れて予備活性層１８が一定の周期Ｔで配列した活性層領
域３０となる。

従って、１つ１つの活性層領域３０の平面形状は、３層
ｍ（幅）ｘＴ／２　（長さ）の矩形となる。このエツチ
ング処理により、キャップ層２２は完全に除去されるが
、予備上側クラッド層２０はその一部分が活性層領域３
０の上側にそれぞれ残存する。この残存部分を３２で示
す、この活性層１域３０と残存部分３２とからなる島状
凸部の配列は基板１０の上面の上側のストライブ状の中
央領域に形成される。そして、各島状凸部以外の領域で
は、下側クラッド層１６の部分か露出した状態となって
いる。このようにして得られた構造体を第１図（Ｃ）お
よび第２図（Ｃ）に示す。

次に、第３工程において、これら活゛１層領域３０の間
ヲ埋め込むと共に、これら活性層領域の３０上側を覆う
上側ウラット層３６を設ける。このため、この実施例で
は、２回目のエピタキシャル成長を行って、ｐ型Ａｊ２
ｚ　Ｇａｐ−ｚ　Ａｓ層の主上側クラツド層３４＠積層
する。このｐ型Ａｊ７ｚ　Ｇａｐ−、Ａｓ層３４の形成
によって、予備上側クラッド層の残存部分３２とこのｐ
型Ａβ２　Ｇ　ａ　Ｉ　−２Ａ　８層の主上側クラッド
層３４とが一体となって上側クラッド層３６となる。そ
して、この活性層領域３０はレーザ光の利得を生ずる領
域であり、各活性層領域３０間の上側クラッド層３６の
部分は利得を生じない領域３６ａである。これら周期的
に配列された活性要領ｖｔ３０と領域３６ａは、この半
導体レーザの水平活性導波路を形成するための予備＠域
４０を構成する。

続いて、この実施例ては、コンタクト層３８としてｐ型
ＧａＡｓコンタクト層を積層する。これにより得られた
構造体を第１図（Ｄ）および第２図ＣＤ）に示す。

次に、この実施例では、後述する水平活性導波路に電流
を集中させる電流狭窄層４２を適当に形成するＣＨ２図
（Ｅ））。このため、適当なマスク（図示せず）を用い
て、ストライブ状の水平活性導波路のための予備領域４
０の上側の上側クラッド層３６の部分とコンタクト層３
８の部分とを実質的に除いた領域にプロトンイオン注入
を行う、従って、平面的に見て、水平活性導波路のため
の予備領域４０の両側に、この予備領域に沿って、電流
狭窄層４２を形成する。このプロトンイオンの注入され
た上側クラッド層部分およびコンタクト層部分ｔ４２ａ
および４２ｂでそれぞれ示しである。また、この明細書
では、基板１０上に積層した各層１２．１４．１６．３
６．３８と、予備領域４０と、電流狭窄層４２とを有す
る構成部分を予備レーザ発振本体４４と称する。

次に、第４工程において、上側クラッド層３６の上側に
上側電極パターン４６を形成する（菓１図（Ｅ）および
第２図（Ｆ））。この実施例では、コンタクト１１１３
８層設けでいるので、このコンタクト層３８の上側に上
側電極４６としてｐ梨型極を適当な方法で設ける。この
上側電極パターン４６の、水平活性導波路の予備領域４
０のストライブ方向従って活性層領域３０の配列方向と
直交する方向の幅を、好ましくは、２０ｕｍ程度とし、
また、長さは設計に応じて適当に設定するのが良い。

次に、第５工程において、予備レーザ発振本体４４の活
性層領域３０の配列方向（ストライブ方向）に基板１０
の上面に対して４５°に傾斜した、互いに平行な第１お
よび第２全反射端面５０および５２をそれぞれエツチン
グ形成する。このため、まず、この実施例では、上側電
極４６をマスクとして用いて、下側のコンタクト層３８
もバターニングを行なってから（第１図（Ｆ）および第
２図（Ｈ））　、予備レーザ発振本体４４の、上側電極
パターン４６の一方の側および他方の側の領域上にもは
み出るように、設計に応じた適当な大きざのマスク４８
を設ける（第１図（Ｇ）および（１）〕。

そして、このマスク４８て被覆されでいない慶域に対し
て、上側クラッド層３６の上面から、予備領域４０１８
：突き抜ける深さにまで、ドライエツチングを行う。こ
のエツチングにより、予備レーザ発振本体４４のエツチ
ングにより形成された端面か基板］０の上面に対して４
５°に傾斜した端面となる。この４５°の傾斜角の端面
ば、レーザ光に対して全反射を生じる端面となる。これ
ら端面を第１および第２全反射端面５０および５２とす
る０次に、レジスト４８を除去し、篤１図（Ｈ）および
第２図（Ｊ）に示すような構造体を得る。

これら第１および死２全反射端面５０および５２Ｆｌ］
におけるこれら活性層領域３０とその闇の上側クラッド
層の領域３６とで水平活性導波路５４を形成すると共に
、バッファ層１２、下側クラッド層１６、当該活性層領
域３０、上側クラット層３６、コンタクト層３８ａ、電
流狭窄層４２とてレーザ発振本体５６を構成する。

次に、基板１０の下面に下側電極であるｎ型電極５８そ
適当な方法で設け、また、所要に応し、適当な材料例え
ばポリイミドを用いて平坦化層６０を設けて第１図（１
）および第２図（Ｋ）に示すような構造体を得て、この
発明の面発光型半導体レーザを完成する。

上述した製造工程例に従って製作されで得られた第１図
（１）および第２図（Ｋ）に示す面発光型レーザの構造
によれば、基板１０上にレーザ発振本体５６を具えてい
る。このレーザ発振本体５６は、基板１０側からバッフ
ァ層］２と、多層反射膜１４と、下側クラッド層１６と
、利得の生しる活性層領域３０および利得の生じない領
域３６ａを一定周期Ｔで交互配列してなる水平活性導波
路５４と、上側クラッドｌ’１３６と、コンタクト層３
８とを具えている。このレーザ発振本体５６の水平活性
導波路５４でのレーザ光の導波方向（ストライブ方向）
にあける両端面は、基板１０の上面に対して４５°の傾
斜角で傾斜しであり、従って、これら端面５０および５
２は、発光したレーザ光に対して全反射面を構成してい
る。

そこで、これら端面をそれぞれ第１および第２全反射端
面５０および５２と称する。

また、レーザ光の出射窓６２は上側クラッド層３６の上
面の領域であって、上側電極４６で覆われていない領域
に形成されている。そして、この構造では、多層反射膜
１４と出射窓６２とで共振器を構成する。

このような構造において、画電極４６および５８間に電
圧を印加して電流を注入すると、電流狭窄層４２が設け
であるので、注入電流は水平活性導波１ｉＦｔ５４の各
活性層領域３０に集中しで流れて光が発光する。発光し
た光は水平活性導波路５４中を導波する。この導波中、
レーザ光は、活性層領域３０では利得を生じで増幅する
が、領域３６ａでは利得を生じないので増幅が抑えられ
る。レーザ光は、第１および第２全反射端面５゜および
５２て全反射を受けて直角方向に屈折し、共振器を構成
する多層反射膜１４および出射窓６２て反射されて繰つ
返し増幅され、ある程度のエネルギーとなると出射窓６
２がら上方へと出射して面発光する。

上述した実施例は単なる好適例であり、従って、この発
明は、材料、形状、大きさ、配置関係、その他の条件は
上述した実施例に限定されるものではなく、この発明の
配囲内においで多くの変更または変形をなし得ること明
らかである。

例えば、レーザ発振本体は、上述した以外の積層構造で
あっても良い。但し、少なくとも多層反射膜、下側クラ
ッド層、水平活性導波路および上側クラッドＩＩを具え
ている必要がある。

ざらに、もし可能ならば、上述した導電型を反転した導
電型の組み合せ構造としでも良い。

ざらに、使用した化合物半導体材料もＧａＡｓ系以外の
他の化合物半導体材料も使用可能である。

また、予備活性層を単一量子井戸活性層としているが、
これに限定されるものではない。

また、電流狭窄層は所要に応して設ければ良ザアレイを
構成することか可能となる。

い。

（発明の効果） 上述した説明からも明らかなように、この発明の面発光
型半導体レーザによれば、電流注入によつレーザ発振さ
せることか出来る構造であり、しかも、水平活性導波路
を利得が生じる活性層端域と利得の生じない領域との周
期的配列を以って構成しであるので、レーザ光の発振閾
値電流の上昇を抑えることが出来ると共に、単一基本モ
ード発振を確実に行わせることが出来る。

また、１ノ一ザ発振本体の端部に４５°の傾斜角の全反
射端面を設け、また、下側クラッド層の下側には、高い
反射率を有する多層反射ＳＶ設けて、この多層反射膜と
出射窓との間で共振器を構成した構造となっている。従
って、基板上面と平行な面内で見た場合の共振器を構成
する反射面間の距離は、短くなっており、従って、高集
積化が可能である。このため、２次元面発光半導体レー
４

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（１）および第２図（Ａ）〜（に）はこ
の発明の面発光型半導体レーザの構造の一実施例の説明
に供する製造工程図である。 １０・・・基板、　　　　　　１２・・・バッファ層１
４・・・多層反射膜、　　　１６・・・下側クラット層
１８・・・予備活性層 ２０・・・予備上側クラット層 ２２・・・キャップ層、　　　２２ａ・・・凹凸部２４
・・・予備成膜層 ３０−（利得を庄じる）活性層端域 ３２・・・（予備上側クラッド層の）残存部分３４・・
・主上側クラッド層 ３６・・・上側クラッド層 ３６ａ・・・利得を生じない領域 ３８・・・コンタクト層 ４０・・・（水平活性導波路のための）予備領域４２・
・・電流狭窄層 ２ａ、４２ｂ・・・プロトンイオン注入領域４・・・予
備レーザ発振本体 ６・・・上側電極、　　　４８・・・マスク○・・・第
１全反射端面、５２・・・第２全反射端面４・・・水平
活性導波路、５６・・・レーザ発振本体８・・・下側電
極、　　　　６２・・・出射窓。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板と、該基板の上面側に設けられたレーザ発振
   本体と、該レーザ発振本体の上側に設けられた上側電極
   と、基板の下面に設けられた下側電極と、前記レーザ発
   振本体の上側の前記上側電極外の領域に設けた出射窓と
   を含む面発光型半導体レーザにおいて、 前記レーザ発振本体は、前記基板側から順次に設けられ
   た高反射率の多層反射膜と、下側クラッド層と、利得の
   生じる活性層領域および利得の生じない領域を一定周期
   で交互に配列した水平活性導波路と、上側クラッド層を
   少なくとも具え、前記レーザ発振本体の一方の側に設け
   られ前記基板側にレーザ光を反射し、基板上面に対して
   ４５゜の傾斜角を有する第一全反射端面と、前記レーザ
   発振本体の他方の側に該第一全反射端面と平行に設けら
   れ前記基板側とは反対側に向けてレーザ光を反射する、
   第二全反射端面とを具える ことを特徴とする面発光型半導体レーザ。
2. （２）請求項１に記載の活性層領域を直方体状層とした
   ことを特徴とする面発光型半導体レーザ。
3. （３）請求項１に記載の活性層領域の配列周期を、発振
   波長を活性層の屈折率で割った値の２分の１とすること
   を特徴とする面発光型半導体レーザ。
4. （４）請求項１に記載の活性層領域を単一量子井戸活性
   層領域としたことを特徴とする面発光型半導体レーザ。
5. （５）請求項１に記載のレーザ発振本体は、前記水平活
   性導波路の活性層領域のそれぞれに電流を集中させる電
   流狭窄層を具えていることを特徴とする面発光型半導体
   レーザ。