JPH04340288A - 面形発光素子 - 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、基板に垂直方向に発光
またはレーザ発振する面形発光ダイオードおよび面発光
形半導体レーザの特性改善に関するものであり、ミラー
の反射率を向上させ且つ素子抵抗の減少と電流注入の均
一化を同時に行い、低しきい値・低抵抗の面形発光ダイ
オードおよび面発光レーザを提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】基板に垂直に発光または発振する自然発
光制御形面発光ダイオード或いは面発光形半導体レーザ
は、自然発光を効率よく制御するため、またはレーザ発
振を得るため１００％に近い反射率のミラーが要求され
る。このため従来の素子では、半導体または誘電体の多
層膜からなるＤＢＲミラー（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　
Ｂｒａｇｇ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ　）が使用されてきた
。

【０００３】例えば図４は従来の面形発光素子構造の一
例を示すもので、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ＧａＡｓま
たはＩｎＧａＡｓ歪層を発光層としたＤＨ（Ｄｏｕｂｌ
ｅ　Ｈｅｔｅｒｏ）構造、ＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅｄ
　Ｃｏｍｆｉｎｅｄ　Ｈｅｔｅｒｏ　）構造あるいはＧ
ＲＩＮ（ＧｒａｄｅｄＩｎｄｅｘ）−ＳＣＨ構造からな
るキャビティ領域２をもち、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の下部（ｎ形）ミラー３、
および上部（ｐ形）ミラー４にはＧａＡｓ／ＡｌＡｓま
たはＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓの各々λ／４ｎの厚さから
なる半導体多層膜ミラーを使用している（λは発光波長
、ｎは各屈折率）。上部半導体ミラー４の上に上部電極
１１ａが付けられたメサ形素子であり、発光は基板を通
して出力される。発光層にＩｎＧａＡｓ歪量子井戸を用
いた場合、発光波長は〜１μｍであり、ＧａＡｓ基板１
は透明であるため、基板側から出力を出す場合にも基板
ＧａＡｓの穴開けを行う必要はない。

【０００４】多層膜ミラーの反射率は多層膜ミラーを構
成する半導体層の屈折率差Δｎが大きく、また膜数（ペ
ア数）が多いほど高いが、従来の面発光素子では、発振
に必要な１００％に近い反射率を得るため、半導体とし
てＧａＡｓとＡｌＡｓなど組成差の大きい材料を用い、
そのペア数は下部ミラーで２０〜３０、上部ミラーで１
０〜２５ペアが使用されていた。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り、
またペア数を多く取るとミラー厚が厚くなるため、いず
れ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。

【０００５】例えばｐ形ミラーをＧａＡｓ／ＡｌＡｓの
２０ペアの場合、面発光レーザのしきい値電圧は１５Ｖ
を越えていた。このためＧａＡｓ／ＡｌＡｓ界面にＡｌ
０．５　Ｇａ０．５　Ａｓの中間層を挿入するなどの対
策が行われているが、本質的な解決に至らず、また半導
体ミラー全体の厚さが厚いため、４Ｖ程度までしかしき
い値電圧が下げられなかった。これは通常のストライプ
レーザの場合の１．５Ｖ程度に比べ、３倍に近い大きさ
である。

【０００６】面形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
値が小さくなっても高抵抗により電圧が高ければ低電力
化が損なわれ、集積化の条件を満たさなくなるおそれが
ある。また高抵抗は高速動作にとっても不利となる。

【０００７】図５は上部へ発光出力を取り出す形（上部
発光形）の従来構造例を示すものであるが、上部ミラー
として半導体多層膜４と誘電体多層膜６を用い、プロト
ン注入による絶縁化層７ａおよびベリリューウムのイオ
ン注入によるｐ形化層７ｂにより電流狭窄および電流通
路の形成を行ったものである。このようにした上で、発
光領域の周囲にリング状電極１１ｂ（イオン注入層領域
７）を形成することにより、上部発光を可能としている
。誘電体多層膜ミラーは屈折率差が大きくとれるため、
ペア数が少なくても反射率が大きく、また使用波長領域
も広い。しかし電流注入がリング状電極１１ｂにより行
われるため、微細素子が作製しにくい上、電流注入は均
一でなく通常はリークの大きい狭窄構造の周辺に集中し
て電流が流れるため、レーザの発振しきい値電流は図４
の素子ほどには低減されていないのが現状であった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の欠点を
改善するために提案されたもので、その目的は、共振器
用ミラーの少なくとも一方を、薄い金属膜と誘電体多層
膜からなる複合ミラー、または半導体多層膜、薄い金属
膜および誘電体多層膜からなる複合ミラーを用い、前記
金属ミラーを誘電体ミラーより発光層に近い位置に配置
することにより、ミラーの反射率を向上させ、かつ素子
抵抗の減少、電流注入の均一化を同時に行い、低低しき
い値、低抵抗の面発光レーザ、および面形発光ダイオー
ドを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は発光層を挟む少なくとも一方のミラーが、
金属膜と誘電体多層膜で構成された複合ミラー、あるい
は半導体多層膜と金属膜と誘電体多層膜で構成された複
合ミラーからなり、前記金属膜は誘電体多層膜より発光
層に近い位置に配置され、かつ前記金属膜を通して電流
注入を行うことを特徴とする面形発光素子を発明の要旨
とするものである。

【００１０】

【作用】本発明では、誘電体多層膜に加えて発光層に近
い位置に金属膜を配置し、且つその金属膜を電流注入用
電極として使用することによって、反射率を向上させる
作用を有するものである。

【００１１】

【実施例】次に本発明の実施例について説明する。なお
実施例は一つの例示であって、本発明の精神を逸脱しな
い範囲で、種々の変更あるいは改良を行いうることは言
うまでもない。

【００１２】図１は本発明の実施例を示すもので、１は
基板、２はキャビティ、３は下部半導体多層膜ミラー、
４は上部半導体多層膜ミラー、５は上部金属薄ミラー兼
注入用電極、６は上部誘電体多層膜ミラー、１０は上部
電極、１２は下部電極を示す。

【００１３】本発明では、ミラー構造が基本的に従来の
ものと異なる。まず本発明を、上部ミラーに適用した場
合について示す。例としてＤＨ形またはＳＣＨ形キャビ
ティ２の最上層（クラッド層）をＡｌ０．３　Ｇａ０．
７　Ａｓとし、上部ミラーとして順次ＡｌＡｓとＧａＡ
ｓのλ／４厚からなるＧａＡｓ／ＡｌＡｓ多層膜を３ペ
ア設けたもの基本構造（構造■）とし、その上に金属ミ
ラーとして銀薄膜（Ａｇ）を設けたもの（構造■）、ア
モルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）とＳｉＯ２　のλ／４
厚からなる２ペアの誘電体多層膜ミラーを設けたもの（
構造■）、半導体ミラーと誘電体ミラーの中間に銀Ａｇ
の薄層ミラーを挿入したもの（構造■）を比較する。構
造■が本発明に用いるミラーの基本構造である。Ａｇと
接するＧａＡｓは位相のマッチングのためλ／４から多
少厚さを変化させ、発振波長（この場合はλ＝９８０ｎ
ｍ）で最高の反射率が得られるようにする。

【００１４】

【化１】

【００１５】表１に構造■，■，■及び■の場合の誘電
体多層膜，金属層，半導体多層膜の構成及び最大反射率
を示す。図６は構造■〜■についての反射率特性を示す
もので、横軸には波長λをとってある。すなわち、図６
，表１にＡｌ０．３　Ｇａ０．７　Ａｓ側から外側を見
た反射スペクトル特性、および最大反射率を示す。半導
体ミラーがない場合、即ちクラッド用半導体上に直接金
属ミラーと誘電体多層膜ミラーが配せられる場合にも同
様の特性を示す。ここで各ＤＢＲミラーの中心波長はλ
＝９８０ｎｍとし、屈折率はＧａＡｓ：３．６６、Ａｌ
ＧａＡｓ：３．０５、ＳｉＯ２　：１．４６、ａ−Ｓｉ
：３．５、Ａｇ：実数部０．１８、虚数部３．３１（ｎ
＝０．１８−３．３１ｉ）とした。誘電体多層膜が空気
側、半導体多層膜が発光層側である。

【００１６】図７は、構造■におけるＡｇ厚依存性を示
す。縦軸には反射率、横軸にはＡｇの厚さをとってある
。まず構造■では、金属自身の反射率で最高反射率が決
定され、金属の厚さを１００ｎｍ以上に厚くしても反射
率の増大効果は小さい。可視領域、近赤外領域で反射率
が高いとされている銀の場合でも、９５〜９６％どまり
である。構造■では誘電体の大きな屈折率差のため高い
反射率が容易に得られるが、前述の電極配置、電流注入
上の問題がある。本発明の構造■では構造■および構造
■以上に大きな反射率が得られる。通常金属は不透明体
であるが、λ／４厚にくらべて非常に薄い場合はいわゆ
る透明電極として働き、その上に設けられた誘電体多層
膜ミラーとの相互作用により高い反射率が得られる。 なお金属の厚さについては図７に示すようにＡｇの場合
で１００ｎｍ以下が望ましい。特に上部ミラーを通して
発光を取り出す上面発光形の場合には、反射率だけでな
く吸収が直接関係してくるため、反射率と透過率の兼合
で金属ミラーの厚さが決定される。なお金属または誘電
体層下の半導体多層膜の材料、ペア数は、ＧａＡｓ／Ａ
ｌＡｓ及び３ペアである必要はなく必要に応じて増減し
てよい。この半導体多層膜は歪の緩和を除去したり、位
相のマッチングを容易にすることが、その使用目的であ
るため、必ずしもこの半導体層で反射率を高くする必要
はない。例えば低抵抗化の点のみ留意して、界面でのバ
リアが低くなるよう組成差の小さい組合せを選ぶか、化
学的に不安定で電気的特性の悪いＡｌ濃度の大きいＡｌ
ＧａＡｓの使用を避けることも可能である。これらの場
合も反射率の大小関係は上記と本質的に同じであり、誘
電体多層膜のペア数の増加などにより所望の反射率を得
ることができる。また金属材料も銀に限定されるもので
なく、金、アルミニウムなどの他の材料であっても良い
。この場合、金属薄膜であれば、図７の計算結果はほと
んど変わらない。

【００１７】次に、実際の素子にこの複合ミラーを用い
た時の効果について示す。図１に本発明の複合ミラーを
面形発光素子および面形半導体レーザに用いた一実施例
でメサ形の場合のものである。図において、基板１、キ
ャビティ構造２、下部ミラー３は図４と同様であるが、
上部ミラーとして上記複合ミラー（構造■）を使用する
。５が複合ミラーの中間に用いられる金属薄膜ミラー、
例えば銀の３５ｎｍ薄膜である。この金属ミラーと半導
体とはオーミック接触とする必要があるが、このために
は半導体ミラーの最上層表面のみを高ドープとするか、
表面バリアが零または負なる材料（例えばｎ形接触の場
合はＩｎＡｓまたはＩｎＡｓを含む化合物半導体、ｐ形
ではＧａＳｂまたはその化合物）を用いたいわゆるノン
アロイオーミック構成とすれば、半導体ミラー内の光吸
収を少なくでき、反射率が高く、かつオーミック抵抗が
小さい。発光層への電流注入は、この金属ミラーを通し
てメサの全面に均一に行うことができる。ここで半導体
ミラーは必ずしも必要ではなく、位相のマッチングや金
属、誘電体による歪等を除去するため必要に応じて使用
される。このように半導体ミラーは全く使用しないか使
用しても２，３ペア程度で有効であるため、半導体ミラ
ーによる抵抗増加がなく、電流注入も均一であるためレ
ーザの低しきい値化と低抵抗化が同時に図れる。なお、
このミラー用金属薄膜５の一部にリード電極１０がつけ
られるが、金属／金属の接触であるため、最小限の面積
でよい。

【００１８】図２は同じく本発明の他の実施例を示すも
ので、プレーナ形素子であり、電流狭窄を半導体表面で
行ったもので、この例ではＡｌＧａＡｓ表面酸化膜を用
いたものである。即ち半導体ミラーの最上層４をＡｌＧ
ａＡｓとし、４１はｐ＋　−ＧａＡｓオーミックコンタ
クト層で、厚さは１０ｎｍ程度である。過酸化水素水／
アンモニア水（混合比３０：１）エッチング液を用いれ
ば、ＧａＡｓ層のみをエッチングし、ＡｌＧａＡｓ表面
にはＡｌ２　Ｏ３　を主成分とする母体酸化膜が形成で
きる。この後、金属膜５、誘電体多層膜６が形成される
。 上記母体酸化膜は安定な絶縁膜であり、電流狭窄用に使
用できる。即ち電流注入はＧａＡｓ４１のみが形成され
ている部分のみから行われる。この素子は作製が非常に
簡単である。また半導体ミラーを使用しないか、１，２
ペアとすればＧａＡｓ４１下部からｐｎ接合（例えば４
と２の界面）まで距離が短いため電流広がりは最小限と
なり、しきい値電流の上昇を抑えることができる。通常
のストライプ形レーザでは発光層と電極が近いと吸収ロ
スが大きくなり、しきい値を増大させるが、本素子では
、ミラーの一部として干渉を考慮して用いるため、近づ
けることによるロスはない。この種の素子には、母体酸
化膜でなくとも、蒸着による酸化膜（ＳｉＯ２　，Ｓｉ
３　Ｎ４　，Ａｌ２　Ｏ３　など）でもよく、またＡｌ
ＧａＡｓ層を用いたＨＩＳ（Ｈｅｔｅｒｏ−ｉｓｏｌａ
ｔｅｄ　）構造などによってもよい。

【００１９】図３は、電流狭窄を内部で行った場合の実
施例であり、例えばプロトン注入による高抵抗化を使用
したものである。この他種々の埋込み形、基板側に設け
られたｐｎ接合によるものなど通常のストライプレーザ
で用いられている電流狭窄方法が使用できる。またいず
れの実施例とも、金属膜の厚さを選ぶことにより上面へ
の透過率を調整し、上面発光形の素子とすることができ
る。この場合は当然、半導体多層膜には、発光波長に対
して透明な組成が使用される。

【００２０】

【発明の効果】叙上のように本発明によれば、発光層を
挟む少なくとも一方のミラーが、金属膜と誘電体多層膜
で構成された複合ミラー、あるいは半導体多層膜と金属
膜と誘電体多層膜で構成された複合ミラーからなり、前
記金属膜は誘電体多層膜より発光層に近い位置に配置さ
れ、かつ前記金属膜を通して電流注入を行うことにより
、反射率を向上させるのみならず、素子抵抗の減少と、
電流注入の均一化を行い、低しきい値、低抵抗の発光素
子をうることができる。また上記実施例では、発光層が
ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸、多層膜ミラーがＡｌＧａＡｓ
系のものであったが、本発明の基本概念は発光層がＧａ
ＡｓまたはＡｌＧａＡｓの量子井戸およびバルク薄膜の
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
。電流狭窄構造についても、埋込み形、ヘテロバリア形
など通常ストライプ形半導体レーザに用いられている方
法を面発光形へ適用し得る構造について有効である。ま
た、電気伝導形についても、実施例にとらわれることな
くｐ，ｎ反転の場合など任意に選ぶことができる。発光
層の量子構造は上記の１次元井戸構造だけでなく、２次
元、３次元量子井戸即ち量子線、量子箱形についても、
各々発光スペクトル巾などに合わせてミラー特性を設定
することにより、本発明の効果を適用することができる
。また素子形態についても面発光レーザ、面形発光ダイ
オードばかりでなく、面形双安定レーザ、面形アンプ・
スイッチ、ｐｎｐｎ光サイリスタおよびそれらを用いた
光論理素子等に対する適用も可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す。

【図２及び図３】本発明の他の実施例を示す。

【図４及び図５】従来の面形発光素子の断面構造を示す
。

【図６】構造■〜■の各ミラーの反射スペクトル特性を
示す。

【図７】本発明における複合ミラー（表１の構造■）の
銀厚依存性を示す。

【符号の説明】

１　　ＧａＡｓ基板 ２　　ＧａＡｓ層またはＩｎＧａＡｓ歪量子井戸を発光
層とするＤＨ，ＳＣＨまたはＧＲＩＮ−ＳＣＨ形キャビ
ティ ３　　下部半導体多層膜ミラー ４　　上部半導体多層膜ミラー ５　　上部金属薄ミラー兼注入用電極 ６　　上部誘電体多層膜ミラー ７　　イオン注入層領域 ７ａ　　絶縁化層 ７ｂ　　ｐ形化層 １０，１１，１１ａ　　上部電極 １２　　下部電極 ４１　　オーミックコンタクト層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　発光層を挟む少なくとも一方のミラー
   が、金属膜と誘電体多層膜で構成された複合ミラー、あ
   るいは半導体多層膜と金属膜と誘電体多層膜で構成され
   た複合ミラーからなり、前記金属膜は誘電体多層膜より
   発光層に近い位置に配置され、かつ前記金属膜を通して
   電流注入を行うことを特徴とする面形発光素子。
2. 【請求項２】　　金属膜の厚さが１００ｎｍ以下であり
   、発光出力を前記金属膜を通して得ることを特徴とする
   請求項１記載の面形発光素子。