JPH04280693A - 面発光レーザ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基板に対して垂直な方
向にレーザが発振する面発光形半導体レーザ、すなわち
面発光レーザの特性改善に関するものであり、素子抵抗
を低減しかつ、低しきい値で効率のよい面発光レーザに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】基板に垂直に発光または発振する面発光
形半導体レーザは、微細で指向性がよく高効率でしきい
値が小さく２次元アレイ化に適しているため、光応用の
新しい道を開くものとして期待が大きい。低しきい値で
レーザ発振を得るためには、１００％に近い反射率のミ
ラーが要求されるため、半導体多層膜等からなるＤＢＲ
ミラー（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　　Ｂｒａｇｇ　　Ｒ
ｅｆｌｅｃｔｏｒ）が使用されている。

【０００３】半導体多層膜ミラーは、屈折率（ｎ）が異
なり、厚さが４分の１光学波長厚（λ／４ｎ：λは波長
）からなる２つの薄層（ペア）の交互繰り返し構造を持
ち、その反射率は、構成する半導体層の屈折率△ｎが大
きく、および膜数（ペア数）が多いほど高い。面発光レ
ーザでは、発振に必要な１００％に近い反射率を得るた
めに、例えばＡｌＧａＡｓ系半導体の場合ＧａＡｓとＡ
ｌＡｓなど組成差の大きい材料が用られている。そのペ
ア数としては、ミラー組成としてＧａＡｓ／ＡｌＡｓを
使用しても、基板側で２０〜４０ペア、空気側で１０〜
２５ペアが必要である。

【０００４】しかし、組成差を大きく取ると、界面での
電気的なエネルギバリアが大きくなる。ペア数を多く取
ると、ミラー厚が厚くなる。したがって、いずれの場合
にも、素子抵抗を異常に大きくすることになる。特にｐ
形ミラーの場合、化合物半導体のホール有効質量が大き
く、移動度が小さいため、バリアおよび厚みによるミラ
ー抵抗の問題は重要である。面発光レーザの最大の特長
は、微細で２次元集積できることであるが、微細化によ
りたとえしきい値を小さくできても、上述したように高
抵抗なので電圧を高くすることが必要になり、その結果
、電圧が高ければ低電力化が損なわれ、したがって、集
積化の条件を満たさなくなるおそれがある。しかもまた
、高抵抗は高速動作にとっても不利である。

【０００５】例えば、図３は従来の垂直発振形面発光レ
ーザの基本構造を示し、ここで、ｎ−ＧａＡｓ基板１上
にｎ形半導体多層膜からなるｎ形ミラー２を配置する。 このｎ形ミラー２の上に、ＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓ
歪層（薄層または量子井戸層）を発光層としたＤＨ（Ｄ
ｏｕｂｌｅ　　Ｈｅｔｅｒｏ）構造、あるいはＳＣＨ（
Ｓｅｐａｒａｔｅｄ　　ｃｏｎｆｉｎｅｄ　　Ｈｅｔｅ
ｒｏ）構造、あるいはＧＲＩＮ（Ｇｒａｄｅｄ　　Ｉｎ
ｄｅｘ）−ＳＣＨ構造からなるキャビティ領域３を配置
する。キャビティ領域２は、キャビティ長（ミラー間隔
）を１または１／２光学波長としたいわゆるマイクロキ
ャビティ形をしている。キャビティ領域の外側にｐ形半
導体多層膜からなるｐ形ミラー４を配置する。これら半
導体多層膜２および４はＧａＡｓ／ＡｌＡｓまたはＡｌ
ＧａＡｓ／ＡｌＡｓの各々λ／４ｎの厚さの交互半導体
多層膜で構成されている。１１は基板１に配置したｎ形
電極、１２は多層膜ミラー４に配置したｐ形電極である
。

【０００６】λ＝９８０ｎｍ，ｎ＝３．０５〜３．６６
の場合、半導体多層膜の厚さは１層が８０３〜６７０Å
である。ここで、ｐ形多層膜ミラー４より正孔を、ｎ形
多層膜ミラー２より電子をキャビティ内の発光層へ注入
し、発光層内での再結合により発光を得ている。

【０００７】しかし、ｐ側ミラーをＧａＡｓ／ＡｌＡｓ
の２０ペアとした場合、その厚みは約３ミクロン、界面
数は４０となり、面発光レーザのしきい値電圧は１５Ｖ
を越えていた。

【０００８】この欠点を改善する従来の方法として、図
４に示す構造が採られていた。ここで、（ａ）はＡｌ組
成、（ｂ）は不純物ドープ量を示す。例えばミラー４を
構成する厚さｄＡ　のＧａＡｓ層５Ａと厚さｄＢ　のＡ
ｌＡｓ層５Ｂとの界面に厚さｄＣのＡｌ５０Ｇａ５０Ａ
ｓの中間層５Ｃを挿入する。ここで、各層５Ａ，５Ｂお
よび５ＣのＡｌ組成を、それぞれ、ｘＡ　，ｘＢ　およ
びｘＣ　とする。加えて、ｐ形ミラー４内でのｐ形不純
物ドープ量ｐ１についても抵抗をさげるためにできるだ
け高く、４×１０１８ｃｍ−３程度とすることによりし
きい値電圧は４Ｖまで下げられている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ｐ形ドープ量
の分布については、図４の（ｂ）に示すようにｐｌ＝４
×１０１８ｃｍ−３がミラー全体に対して一様に定めら
れていた。ところが、一般に、ｐ形半導体ではｎ形半導
体に比べてバンドギャップ以下のエネルギの光に対して
吸収が大きく、特に〜１×１０１８ｃｍ−３以上でより
顕著に増大するため、ミラーを構成するｐ形半導体のド
ープ量が一様に高ドープの場合、ミラー内による吸収ロ
スによるしきい値の増大を引き起こしていた。

【００１０】図２はしきい値密度Ｊｔｈのミラー部の光
吸収係数（αｅｘ）依存性を示す。αｅｘが約２０ｃｍ
−１以上でしきい値上昇は急激に大きくなる。ドープ量
ｐ１＝４×１０１８ｃｍ−３のときの吸収係数は約４０
ｃｍ−１であるので、しきい値密度は７００Ａ／ｃｍ２
　程度にしか下げられなかった。

【００１１】なお、図４において、ｐｓはオーミックコ
ンタクト用に表面の極く近傍のみに設けられた高ドープ
領域のドープ量を示す。かかる高ドープ領域は、通常１
００Å以下の厚さで１層だけであり、しかもキャビティ
から最も遠いところにあるためこの層によるしきい値上
昇はほとんどない。

【００１２】以上の諸点に鑑みて、本発明の目的は、こ
の様な欠点を改善し、ｐ形ミラー内のキャリア濃度を界
面と内部に分けまたはキャビティに近い側と通り側とで
分布を持たせることにより、素子抵抗（しきい値電圧）
が小さく、かつ、しきい値電流の小さい面発光レーザを
提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、第１導電型の基板上に、第１導電
型の半導体多層膜ミラー，キャビティ領域および第２導
電型の半導体多層膜ミラーを配置して構成した垂直発振
形の面発光レーザにおいて、前記第２導電型の半導体多
層膜ミラーの各層の界面近傍に厚さが空乏層幅またはそ
れ以下の高不純物ドープ領域を設け、該高不純物ドープ
領域以外の領域は不純物ドープ量を少なくしたことを特
徴とする。

【００１４】ここで、前記第２導電型の半導体多層膜ミ
ラーの平均不純物ドープ量を前記キャビティ領域に近い
側で少なく、かつ前記キャビティ領域から遠い側で多く
することが好適である。

【００１５】

【作用】本発明では、ｐ形半導体多層膜ミラー内の不純
物ドープ量を、中間層およびその近傍のみを高ドープと
し、この多層膜ミラーの内部の残余の大部分は低ドープ
とし、またはキャビティに近い側でより低濃度とし、か
つ遠い側でより高濃度とする。より詳細に言うと、中間
層がある場合には中間層と各層との界面近傍、中間層が
ない場合には界面近傍のみで空乏層幅と同程度の幅の領
域にわたり、ｐ形キャリア濃度を高ドープとし電気特性
の改善を計り、半導体多層膜を構成する残余の主たる部
分は光学吸収の少ない低ドープとなし、またはレーザ発
振時の光学強度分布に従いキャビティ側でより低濃度、
電極側でより高濃度とすることによって、素子抵抗を下
げ、かつ光吸収によるしきい値電流の上昇のない面発光
レーザを提供する。

【００１６】さらに加えて、本発明では、ｐ形内の平均
吸収係数を小さくすると共にこのｐ形ミラーのうちキャ
ビティ側の部分における平均吸収係数をより小さくする
ことにより、電気特性を損なわずしきい値電流を下げる
ことができる。

【００１７】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００１８】図１に本発明による面発光形半導体レーザ
の一実施例におけるｐ形多層膜ミラー１４の詳細を示す
。本実施例では、このミラー１４を図３のミラー４に代
えて配設する以外は、図３の構成と同様であり、その詳
細は省略する。

【００１９】図１において、ｐ形多層膜ミラー１４は、
ＧａＡｓ層１５Ａと、ＡｌＡｓ層１５Ｂと、両層１５Ａ
と１５Ｂとの間に配置されたＡｌ５０Ｇａ５０Ａｓの中
間層１５Ｃとの組合せを繰り返し配置して構成する。

【００２０】図１において、（ａ）は組成、（ｂ）は不
純物ドープ量を示す。

【００２１】組成については中間層１５Ｃが一層だけあ
る場合、即ち図４の（ａ）と同じもので示すが、中間層
１５Ｃがない場合あるいは中間層１５Ｃを２層以上に分
割する場合であってもよい。

【００２２】本発明の一実施例では、図１の（ｂ）の実
線で示すように、中間層１５Ｃおよび層１５Ａおよび１
５Ｂのうち層１５Ｃの近傍の厚さｄａ　およびｄｂ　の
領域のみを高ドープ量ｐ２（例えば４×１０１８ｃｍ−
３）とし、ミラーを構成する半導体の主たる部分は光吸
収の少ない比較的低いドープ量ｐ３（例えば１×１０１
８ｃｍ−３以下）とする。

【００２３】高ドープ領域の厚みｄａ　＋ｄｂ　＋ｄｃ
は、その空乏層幅程度またはそれ以下でよい。価電子帯
のバンド不連続△Ｅｃを経験側に従い△Ｅｃ＝０．３５
△Ｅｇとすると、Ａｌ．５Ｇａ．５Ａｓ中間層１５Ｃと
ＧａＡｓ１５Ａとの界面、および中間層１５ＣとＡｌＡ
ｓ層１５Ｂとの界面で、△Ｅｃは約０．３ｅＶとなる。 ｐＰ接合がドーピング量について対称、即ちどちらもｐ
２＝４×１０１８ｃｍ−３とすると、空乏層幅は各々約
７０Åである。 従ってｐ２＝４×１０１８ｃｍ−３の中間層１５Ｃの厚
さｄｃ　を７０Å、その両側に同じキャリア濃度で厚さ
ｄａ　およびｄｂ　がそれぞれ７０Åの高ドープ領域、
即ち計２１０Åの厚さｄａ　＋ｄｂ　＋ｄｃ　をもつ高
ドープ領域を設置する。半導体多層膜１４内のその他の
部分のキャリア濃度ｐ３を８×１０１７ｃｍ−３とする
。今、４×１０１８ｃｍ−３および８×１０１７ｃｍ−
３のｐ形半導体の吸収係数は各々４０ｃｍ−１および１
０ｃｍ−１であるので、ｐ形ミラー１４内の平均吸収係
数は４０ｃｍ−１から１８ｃｍ−１に減少した。ここで
、ＧａＡｓ層１５ＡおよびＡｌＡｓ層１５Ｂの各λ／４
波長厚ｄＡ＝６７０Å、およびｄＢ＝８０５Åとした。 この実施例では、しきい値密度は２００Ａ／ｃｍ２　以
下とすることができた。

【００２４】ｐ形多層膜１４の抵抗は、主に界面でのバ
リア抵抗によっているため、上記のように半導体の内部
を低ドープとしても、素子全体の抵抗は同一であった。 この様に、ｐ形半導体多層膜ミラー１４のキャリア濃度
分布を、中間層１５Ｃおよび界面近傍のみで高ドープと
し、内部を低ドープとすることで、素子抵抗を上昇する
ことなしに、しきい値のみを下げることができた。

【００２５】なお、ドープ量ｐ２，ｐ３は上記実施例に
限ることなく、ミラー１４の材料、ペア数その吸収係数
および素子抵抗を考慮して最適値に定めればよい。

【００２６】なお、本実施例では２種類の界面、すなわ
ち層１５Ａと１５Ｂとの界面のうち、層１５Ａから層１
５Ｂへ向けての界面と層１５Ｂから層１５Ａへ向けての
界面とでキャリア濃度について同一構造としたが、必ず
しも同一とする必要はない。即ち、２つの界面でのポテ
ンシャル形状は対称ではなく方向性をもたせてもよい。

【００２７】ＡｌＧａＡｓ系ｐＰ接合の場合には、広ギ
ャップ半導体から狭ギャップ半導体への正孔注入の方が
逆の場合に比べ抵抗値に対するバリアの影響が小さい。 従って、この影響の小さい方の界面では高濃度領域のド
ープ量ｐ２を他方より少なくして、抵抗値を上げること
なく、光吸収をより少なくし、レーザしきい値をさらに
下げることができる。

【００２８】上記実施例では、ｐ形ミラー１４の全体に
ついて、同一のキャリア濃度の繰り返し構造をとってい
た。即ち、平均吸収係数は一様であった。しかし、実際
のレーザでは発光層を中心としてキャビティ近くでは光
強度は強く、ミラーのうちキャビティから遠くに離れる
に従い光強度は弱い。言い替えると、キャビティに近い
側で吸収の影響が大きく、遠い側で影響が小さい。これ
に従い、平均吸収係数を、ミラー１４のうちキャビティ
領域３の側でより小さく、電極１２の側でより大きくす
ることにより光学吸収の影響を一層小さくすることがで
きる。具体的には、ｐ形ミラー１４内の平均不純物ドー
プ量をキャビティ領域３の側で小さく、電極１２の側で
大きくすることにする。

【００２９】その一例を図１の（ｂ）に点線で示す。例
えばドープ量ｐ２は４×１０１８ｃｍ−３と一定とし、
ドープ量ｐ３をキャビティ領域３の近傍で３×１０１７
ｃｍ−３，電極１２の側で３×１０１８ｃｍ−３と徐々
に連続的に変化させ、または簡便にはステップ的に変化
させる。このようにドープ量ｐ３を変化させることによ
り、素子抵抗は同一のまま、１５０Ａ／１８ｃｍ２　以
下のしきい値電流密度が得られた。

【００３０】さらにまた、ドープ量ｐ２についてもキャ
ビティ領域３の側でより少なく、電極１２の側でより多
くすることも可能である。

【００３１】理想的には、光強度分布に従って吸収係数
が分布するように平均ドープ量を分布させればよい。

【００３２】

【発明の効果】本発明ではｐ形半導体多層膜ミラー内の
不純物ドープ量を、中間層およびその近傍のみを高ドー
プとし、この多層膜ミラーの内部の残余の大部分は低ド
ープとし、またはキャビティに近い側でより低濃度とし
、かつ遠い側でより高濃度とする。より詳細に言うと、
中間層がある場合には中間層と各層との界面近傍、中間
層がない場合には界面近傍のみで空乏層幅と同程度の幅
の領域にわたり、ｐ形キャリア濃度を高ドープとし電気
特性の改善を計り、半導体多層膜を構成する残余の主た
る部分は光学吸収の少ない低ドープとなし、またはレー
ザ発振時の光学強度分布に従いキャビティ側でより低濃
度、電極側でより高濃度とすることによって、素子抵抗
を下げ、かつ光吸収によるしきい値電流の上昇のない面
発光レーザを提供する。

【００３３】なお、上記実施例では、第一導電型をｎ形
とし、第二導電型をｐ形としたが、これとは逆に、第二
導電型をｐ形とし、第二導電型をｎ形としてもよい。

【００３４】なお、上記実施例では、発光層がＩｎＧａ
Ａｓ歪量井戸、多層膜ミラーがＧａＡｓまたはＡｌＡｓ
からなるものであったが、本発明の基本概念は発光層が
ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓの量子井戸あるいはバルク
薄膜の場合にも、さらにはＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ長波
系発光素子、ＡｌＧａＩｎＰ系可視光素子などにも適用
できる。

【００３５】多層膜ミラー用半導体の組成，中間層の組
成およびドープ量のステップ形状等についても、材料条
件により適宜最適条件を選択することができる。

【００３６】本発明は中間層がない場合にも当然適用で
きる。

【００３７】さらにまた、本発明は素子形態についても
面発光レーザだけでなく、面形双安定レーザ，面形アン
プ・スイッチ，ｐｎｐｎ形光スイッチ素子およびそれら
を用いた光論理素子等に対しても有効に適用可能である
。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例におけるｐ形半導体多層膜ミ
ラーの構成を組成分布（ａ）およびドープ分布（ｂ）と
共に示す構成図である。

【図２】しきい値電流密度の外部吸収係数依存性を示す
特性図である。

【図３】面発光レーザの基本構造を示す構成図である。

【図４】従来のｐ形半導体多層膜ミラーの一例を、組成
分布（ａ）およびドープ分布（ｂ）と共に示す構成図で
ある。

【符号の説明】

１　　ｎ形半導体基板 ２　　薄層または量子井戸層を発光層として有するＤＨ
，ＳＣＨまたはＧＲＩＮ−ＳＣＨ形キャビティ３　　ｎ
形半導体多層膜ミラー ４，１４　　ｐ形半導体多層膜ミラー ５Ａ，５Ｂ，１５Ａ，１５Ｂ　　ｐ形ミラーを構成する
半導体膜 ５Ｃ，１５Ｃ　　ｐ形ミラー界面の中間層１１　　ｎ形
電極 １２　　ｐ形電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　第１導電型の基板上に、第１導電型の
   半導体多層膜ミラー，キャビティ領域および第２導電型
   の半導体多層膜ミラーを配置して構成した垂直発振形の
   面発光レーザにおいて、前記第２導電型の半導体多層膜
   ミラーの各層の界面近傍に厚さが空乏層幅またはそれ以
   下の高不純物ドープ領域を設け、該高不純物ドープ領域
   以外の領域は不純物ドープ量を少なくしたことを特徴と
   する面発光レーザ。
2. 【請求項２】　　前記第２導電型の半導体多層膜ミラー
   の平均不純物ドープ量を前記キャビティ領域に近い側で
   少なく、かつ前記キャビティ領域から遠い側で多くした
   ことを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。