JPH0567838A - 面発光レ―ザ - Google Patents

面発光レ―ザ

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JPH0567838A
JPH0567838A JP22912491A JP22912491A JPH0567838A JP H0567838 A JPH0567838 A JP H0567838A JP 22912491 A JP22912491 A JP 22912491A JP 22912491 A JP22912491 A JP 22912491A JP H0567838 A JPH0567838 A JP H0567838A
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JP
Japan
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layer
laser
surface emitting
light
diffraction grating
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JP22912491A
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English (en)
Inventor
Taketaka Kohama
剛孝 小濱
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 注入電流が増加しても所定の偏光方向を安定
に維持できる面発光レ−ザを実現する。 【構成】 半導体基板1の主面上に第1の光反射層2、
活性層32を含むキャビティ層3、第2の光反射層5の
順に積層して構成した光共振器内に、第1の格子周期中
に第2の格子周期を持ち、かつ、当該第2の格子周期が
光学膜厚においてレ−ザ発振波長の1/2以下である回
折格子5を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、レ−ザ光を成長基板に
対して垂直に取り出す垂直共振器型の面発光レ−ザに関
するものである。
【0002】
【従来の技術】通常、GaAsあるいはInGaAsP に代表され
る III−V族化合物半導体レ−ザは、基板に対して平行
な方向に光共振器を構成し、光共振器の端面(通常はへ
き界面)よりレ−ザ光を取り出している。
【0003】この場合、その構造上の問題から2次元的
にウェハ面上のレ−ザを高密度に集積することは極めて
困難である。すなわち、個々のレ−ザは、光共振器の長
さが100μm〜300μmと長いので、ウェハ内に単
位面積当たりに集積できるレ−ザの個数には限界がある
上、レ−ザ光は基板に対して平行に出射するので、基板
に垂直な方向に光を取り出すには、レ−ザ部分とは別に
45度高反射ミラ−をエッチングにより形成しなければ
ならないという欠点を有していた。
【0004】これに対して、レ−ザ光を成長基板に対し
て垂直に取り出す、垂直共振器型のいわゆる面発光レ−
ザは、その構造から容易に高密度の2次元集積化が可能
である。しかも、面発光レ−ザは、通常のレ−ザと比較
して、1mAを下回る極めて低いしきい値を有するレ−ザ
が実現可能である。
【0005】従来、面発光レ−ザは、レ−ザ光と垂直を
なす結晶面中の任意の<110>方向に偏光した直線偏
光を示すが、その注入電流を増加すると上記<110>
方向とは90度回転した別の<110>方向に偏光し、
その結果安定に偏光方向を維持して発振しないことが知
られている。
【0006】これは、一般に報告されている面発光レ−
ザにおいては、直径数10μm程度の円筒周辺を空気も
しくはポリイミドに囲まれた円筒形状を呈しており、キ
ャビティ構造において光導波路構造を考慮した単一モ−
ドになるための条件と比較すると2桁程度大きいためと
考えられる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
面発光レ−ザでは、光の閉じ込めを考慮して上記した面
発光レ−ザの円筒直径を小さくすることは、製造プロセ
スの上から困難であり、また、微小径にするほど面発光
レ−ザにおいては側面の表面再結合による損失の寄与が
無視できなくなるため、ついにはレ−ザ発振に至らなく
なる。このため、低しきい値で、かつ、偏光方向を安定
に維持できる面発光レ−ザを得ることは不可能であっ
た。
【0008】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、注入電流が増加しても所定の偏
光方向を安定に維持でき、しかも低しきい値の面発光レ
−ザを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、半導体基板の主面上に第1の光反射
層、活性層を含むキャビティ層、第2の光反射層の順に
積層して光共振器を構成し、前記活性層から放出される
光をレ−ザ発振させる面発光レ−ザにおいて、前記光共
振器内に、第1の格子周期中に第2の格子周期を持ち、
かつ、当該第2の格子周期が光学膜厚においてレ−ザ発
振波長の1/2以下である回折格子を設けた。
【0010】
【作用】本発明によれば、一の偏光方向の光のみが回折
格子により共振に係る光路に導かれ、この光が第1の光
反射層と第2の光反射層との間を往復する。すなわち、
注入電流が増加しても回折格子により所定の偏光方向が
安定に維持されレ−ザ発振に至る。
【0011】
【実施例】図1は、本発明に係る面発光レ−ザの一実施
例を示す断面図であり、ここでは活性層として井戸幅1
0nmのInGaAs/GaAs 歪超格子を用いた発振波長1.0 μm
面発光レ−ザについて説明する。
【0012】図中、1はn型GaAs基板、2はn−AlAs/
GaAs多層膜からなる第1の光反射層、3はアンド−プAl
0.3 Ga0.7 As層31と、アンド−プIn0.2 Ga0.8 As/GaA
s 歪超格子を3層積層してなる活性層32と、アンド−
プAl0.3 Ga0.7 As層33とからなるキャビティ層、4は
++-GaAs コンタクト層、5は回折格子、6は TiO2
SiO2 多層膜からなる第2の光反射層、7はAuZnNi/Au
からなるリング状p電極、8はTi/Auからなる電極パッ
ド、9はAuGeNi/Auからなるn電極、10はポリイミド
である。
【0013】回折格子5は、屈折率1.44の SiO2 からな
り、二重構造、すなわち、第1の格子周期p1 中に第2
の格子周期p2を持ち、かつ、この第2の格子周期p2
が光学膜厚において面発光レ−ザの発振波長の1/2以
下であるという条件を満足するように構成されている。
【0014】図2は、回折格子5の構造を示す斜視図で
ある。一般に、微細ピッチで形成された複屈折回折格子
を部分的に含む回折格子が偏光特性を持つことが知られ
ており(MOC/GRIN '89 TOKYO p. 164 )、このような回
折格子を面発光レ−ザの内部に組み入れることにより、
面発光レ−ザの偏光特性を制御することができる。
【0015】具体的には、図3に示すように、上記した
回折格子構造の第1の格子周期(p1 )及び深さ
(t1 )、第2の格子周期(p2 )及び深さ(t2 )を
制御し、下記の(3) 式または(4) 式に基づいて、回折格
子に平行な透過率(TP )もしくは垂直な透過率
(TV )のいずれか一方を「1」とすることにより、図
2に示すように、回折格子に平行あるいは垂直の偏光波
のみを透過し、もう一方は回折を起こすようにできる。
本実施例では、(3) 式が「1」となるように構成されて
いる。
【0016】 nP =(0.5n1 2 +0.5n2 2 1/2 …(1) nv =1/[0.5 / n1 2 +0.5 / n2 2 1/2 …(2) TP =0.5 {1 + cos[ 2π/ λ (nP 1 +(t2 - t1 )n2 - t2 1 )]} …(3) TV =0.5 {1 + cos [ 2π/ λ (nV 1 +(t2 - t1 )n2 - t2 1 )]} …(4) ここで、n1 は回折格子の材料の屈折率、n2 は回折格
子と接している材料の屈折率、nP は構成した回折格子
の平行方向の屈折率、nV は構成した回折格子の垂直方
向の屈折率である。
【0017】次に、図1の面発光レ−ザの製造方法につ
いて説明する。
【0018】まず最初に、n型GaAs基板1上にMBE 法に
より第1の光反射層2として、各層の光学膜厚が発振波
長のλ/4である29.5対のn−AlAs(83.9nm)/GaAs
(69.8nm)反射層を形成する。
【0019】続いて、アンド−プAl0.3 Ga0.7 As層3
1、活性層32として10nmアンド−プIn0.2 Ga0.8 As
/GaAs 歪超格子を3層、アンド−プAl0.3 Ga0.7 As層3
3からなるキャビティ層3を形成し、さらに、キャビテ
ィ層3上にp++-GaAs コンタクト層4(p〜1019c
m-3)を100nm 厚に、かつ全体が、発振波長の光学膜厚
の3倍であるように形成する。その後、p電極7として
AuZnNi/Auをリング状に形成し、シンタ−を行う。
【0020】続いて、コンタクト層4及びリング状p電
極7上に、第1の格子周期p1 中に第2の格子周期p2
を持ち、かつ、前記第2の格子周期p2 が光学波長にお
いて面発光レ−ザの発振波長の1/2以下であるという
条件を満たす回折格子5を、SiO2 (n1 =1.44)を用
いて形成する。
【0021】具体的には、まず、スパッタ−により SiO
2 を500nm 形成した後、上記第1の格子周期の回折格子
を形成するため、デュ−ティ−0.5 、10μmピッチで
上記結晶面内のある<110>方向にEB露光法により
ストライプをレジストパタ−ニングする。次に、CF4
+H2 (4:1)を用いレジストをマスクとして深さ50
nmのドライエッチングを行う。続いて、再びデュ−ティ
−0.5 、0.4 μmピッチで、上記(3) 式を「1」とする
ように、上記ストライプと同じ方向である<110>方
向にEB露光法によりストライプをレジストパタ−ニン
グし、CF4 +H2 (4:1)を用いて深さ33nmのドラ
イエッチングを行い、図2に示すような回折格子構造を
形成する。
【0022】続いて、第2の光反射層6として、EB蒸
着により光反射層6の中心波長が上記発振波長に合った
TiO2 / SiO2 多層膜からなる反射層を6対形成する
(この時n2 =2.19( TiO 2 )となる)。その後、レジ
ストパタ−ニングを行い、CF4 +H2 (4:1)を用
いてレジストをマスクとしてAuZnNi/Au リング電極7ま
でドライエッチングを行う。続いて、上記パタ−ン上に
レジストパタ−ニングにより上記パタ−ンより少し大き
いマスクを形成する。
【0023】次いで、マスク外部を塩素ガスによるEC
Rエッチングを用いてn-GaAs基板1までドライエッチン
グ及び上記ドライエッチングのダメ−ジ除去のため硫酸
系の化学エッチング溶液によるスライトエッチを行った
後、直径10μm、高さ5μmの円筒を形成する。この
後、ポリイミド10により平坦化を行った後、その上に
Ti/Auからなる電極パッド8を形成し、基板1の下部に
n電極9としてAuGeNi/Auを蒸着し、シンタ−を行った
後、工程を完了する。
【0024】上記のように構成した面発光レ−ザに対し
て、電流を注入しI−L特性を調べたところ、直径10
μmと微細径であるにもかかわらず、従来報告されてい
る値と比較してほぼ同等の値である2mA前後においてI
−L曲線が立ち上がり、レ−ザ発振に至ることが確認さ
れた。
【0025】次に、そのまま電流を増加していき、シリ
コンビジコンにより遠視野像を観察すると、従来のレ−
ザでは通常4ないし5mAで偏光方向変化が生じ観測され
ていたのに対して、本発明による面発光レ−ザは15mA
を越えても偏光方向の変化は見られなかった。この時、
I−L曲線においてキンク等は見られなかった。
【0026】また、発振スペクトルは、第1の光反射層
2及び第2の光反射層6から構成されるエタロンにより
決定される1μmであり、半値幅も0.2nm以下と分光器
の分解能の限界以下であり、通常の面発光レ−ザと遜色
がなかった。
【0027】なお、本実施例では、活性層に井戸幅10
nmであるInGaAs/GaAs 歪超格子を用いた発振波長1.0 μ
m面発光レ−ザの場合を例にとり説明したが、他の発振
波長を有する面発光レ−ザの場合でも同様の効果が得ら
れる。
【0028】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
注入電流が増加しても所定の偏光方向を安定に維持で
き、しかも低しきい値を有する面発光レ−ザを実現でき
る。このため、光交換、光ニュ−ラルネットワ−ク、光
情報処理用の光源等に適用できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る面発光レ−ザの一実施例を示す断
面図
【図2】本発明に係る回折格子の構造図
【図3】図2の回折格子の説明図
【符号の説明】
1…n型GaAs基板、2…n−AlAs/GaAs多層膜からなる
第1の光反射層、3…キャビティ層、31…アンド−プ
Al0.3 Ga0.7 As層、32…アンド−プIn0.2 Ga0.8 As/G
aAs 歪超格子を3層積層してなる活性層32、33…ア
ンド−プAl0.3 Ga0.7 As層33、4…p++-GaAs コンタ
クト層、5…回折格子、6… TiO2 / SiO2 多層膜から
なる第2の光反射層、7…AuZnNi/Au からなるリング状
p電極、8…Ti/Auからなる電極パッド、9…AuGeNi/
Auからなるn電極、10…ポリイミド。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板の主面上に第1の光反射層、
    活性層を含むキャビティ層、第2の光反射層の順に積層
    して光共振器を構成し、前記活性層から放出される光を
    レ−ザ発振させる面発光レ−ザにおいて、 前記光共振器内に、第1の格子周期中に第2の格子周期
    を持ち、かつ、当該第2の格子周期が光学膜厚において
    レ−ザ発振波長の1/2以下である回折格子を設けたこ
    とを特徴とする面発光レ−ザ。
JP22912491A 1991-09-09 1991-09-09 面発光レ―ザ Pending JPH0567838A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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