JPH0582759B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は面発光型半導体レーザに関し、特に共
振器の反射面を改良した面発光型半導体レーザに
係わる。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

半導体レーザは、小形、高効率、軽量、機械的
振動に強い等半導体発光素子に共通な特長の他
に、高速の直接変調が可能、光フアイバとの高効
率結合が可能等の特長を持つことから、近年、オ
プトエレクトロニクス用光源として実用化が進ん
できているが、その利用分野を更に拡大するため
には、発光出力の向上や大幅なコストダウンが必
要である。

ところで、従来の半導体レーザとしては、−
族化合物半導体の結晶でダブルヘテロ接合構造
を作り、その結晶を劈開して得られる接合面に対
して垂直な劈開面を反射面とするものが知られて
いる。その一例として、第４図の拡散ストライプ
型レーザを示す。図中の１は、−族化合物半
導体からなるｎ型半導体基板であり、２，３，４
は該基板１に順次積層されたダブルヘテロ接合を
形成するためのｎ型クラツド層、活性層、ｐ型ク
ラツド層である。５は、前記ｐ型クラツド層４上
にに設けられた電流を限定するためのZn拡散ス
トライプ、６は同ｐ型クラツド層４上に設けられ
た正電極層、７は前記基板１の裏面に設けられた
負電極層である。また、図中の８ａ，８ｂは夫々
前記−族化合物の半導体結晶１〜４を結晶面
に沿つて劈開することにより形成された劈開面で
あり、これら劈開面８ａ，８ｂはダブルヘテロ接
合面に垂直で、かつ極めて平坦であることから、
これらが反射面となつてフアブリーペロー型共振
器を構成する。こうした構造の半導体レーザにお
いて、電極６，７間に順方向バイアスの直流電流
を印加すると、活性層３にキヤリアが注入されて
発光する。この時、活性層３はクラツド層２及び
４に比べて屈折率が高いために、光は活性層３で
閉込められ、劈開面（反射面）８ａ，８ｂで反射
を繰返してレーザ発振が起こる。発生したレーザ
光は、その一部が劈開面８ａ又は８ｂを通過して
外部に放射される。

しかしながら、上述した半導体レーザは反射面
を半導体結晶の劈開という極めてその性能の制御
が困難、つまり再現性の低い工程を経て形成して
いるため、良好な性能を有する反射面が得られる
割合が低く、製造歩留りが悪いという問題があつ
た。また、劈開面の反射率は約30％程度と低く、
半導体レーザの出力が反射面の反射率に依存する
ことを考えると、出力の向上の面でも問題があつ
た。

一方、最近ではダブルヘテロ接合面に対して垂
直方向にレーザ光を発振させる面発光型半導体レ
ーザの研究が一部で進められているが、かかる構
造の半導体レーザでは反射面を劈開によつて形成
することが不可能である。このため、面発光型半
導体レーザはエピタキシヤル成長技術により製造
されている。しかしながら、この方法では反射面
の平坦性を充分に出せない問題と、共振器長をせ
いぜい0.1μm程度でしか制御できないという問題
がある。面発光型半導体レーザは、反射面の間隔
が例えば10μm程度と狭いため、反射面の位置を
10Åのオーダで制御できなければ量産は不可能で
あり、従来の技術では前記オーダを満足する反射
面の形成手段は開発されていない。また、従来の
面発光型半導体レーザは共振器が極めて短いた
め、通常の半導体レーザに比べ、閾値電流密度が
高く、高出力動作が難しいこと、或いは出力時の
信頼性が低いこと等の問題があつた。

〔発明の目的〕

本発明は、内部に形成された反射率が略１の多
層反射層と、表面に形成された平坦性に優れ、か
つ反射率の高いと共に発振器長の制御が可能な反
射層とからなる共振器を有し、高信頼の出力動作
と高効率かつ安定は発振が可能で量産の容易な面
発光型半導体レーザを提供しようとするものであ
る。

〔発明の概要〕

本発明は、−族化合物半導体基板上に配設
され、光屈折率の異なる２つの層を交互に複数層
積層してなる共振器の一方を構成する反射層と、
この反射層上に配設され、活性層、該活性層を挟
持し、該活性層よりバンドギヤツプが大なる−
族化合物半導体の第１、第２のクラツド層から
なる発振器と、この発振器の第２のクラツド層の
少なくとも共振領域となる表面に配設され、−
族化合物半導体の族又は族の元素或いはそ
の双方と反応して化学当量組成を持つ化合物を生
成する金属との固相反応生成物により形成された
共振器の他方を構成する反射層とを具備したこと
を特徴とするものである。

上記族又は族の元素或いはその双方と反応
して化学当量組成を持つ化合物を生成する金属と
しては、例えばTi、Fe、Co、Ni、Rh、Pd、Ｗ、
Os、Ir、Pt及びランタン系希土類元素等が挙げ
られ、これらはいずれも遷移金属である。特に、
Ni、Pd、Ptが好適である。これらの金属の１種
又は２種以上を−族化合物半導体表面に付着
させ、固相反応を起こさせると、固相反応生成物
が得られる。この固相反応生成物の−族化合
物半導体の面は、鏡面に近い極めて平坦性の優れ
た面となる。これは、前述した固相反応が−
族化合物半導体の低指数面、例えば（100）面に
現われるように進行し、化合物半導体と固相反応
生成物の界面は、格子定数のオーダで平坦になる
からである。こうした様子を第１図ａ〜ｃを参照
して詳細に説明する。

まず、第１図ａに示すように−族半導体１
１上にNi、Pd、Pt等の金属層１２を真空蒸着法
やスパツタリング法等により付着させる。なお、
１３は−族化合物半導体１１の表面に通常形
成されている自然酸化物及び機械的破損層であ
る。つづいて、加熱処理を施して化合物半導体１
１と金属層１２との固相反応を起こさせる。この
反応は、第１図ｂに示すような中間過程を経て進
行する。即ち、両者の間には化合物半導体１１側
に金属層１２と化合物半導体の族元素との化合
物１４が、金属層１２側にその金属と化合物半導
体の族元素との化合物１５が夫々生成される。
この反応は同第１図ｂ図示の如く自然酸化物及び
機械的破損層１３を浸蝕しながら進行し、平坦な
界面が形成される。そして、前記反応は最終的に
は第１図ｃに示すように付着された金属層１２が
消滅するまで進行する。したがつて、最終的には
−族化合物半導体１１に接してその半導体の
族元素と前記金属との化合物１４が形成され、
その外側に半導体の族元素と前記金属との化合
物１５が形成されたものとなる。上述した固相反
応は、−族化合物半導体の低指数面が現われ
るように進行するから、同半導体１１と接する化
合物（反応生成物）１４界面は、格子定数のオー
ダで平坦になる。

上述した固相反応は、付着される金属と−
族化合物半導体の種類によつて反応速度が多少異
なるものの、通常、化合物半導体に熱変性を与え
ないような温度、例えば250〜450℃で進行させる
ことができる。

以上が−族化合物半導体と金属との固相反
応によつて極めて平坦な面が得られる理由であ
る。このようにして得られた固相反応生成物は、
光学的には金属に近い性質を有するため、従来の
劈開面（反射率約30％）や化学エツチング面（同
15％）に比べると、反射率は格段に向上する（少
なくとも60％以上）。これは面発光型半導体レー
ザの閾値電流を下げるために極めて有効である。

更に、前記固相反応生成物と化合物半導体の界
面（第１図ｂ，ｃのＡ面）の位置は、極めて精度
よく制御することが可能である。第２図は、
GaAsにPtを一定量付着させた後、固相反応によ
つてGaAsの表面から一定の深さ位置に界面を形
成するに要する加熱処理時間と加熱処理温度との
関係を示したものである。この特性図から明らか
なように、化合物半導体内部に形成される固相反
応生成物の面位置は、付着させる金属の膜厚、加
熱処理時間、加熱処理温度を制御することによつ
て、数10Åのオーダで極めて精度よく制御できる
ことがわかる。

このように−族化合物半導体と、族又は
族の元素もしくはそれら双方と反応して化学当
量組成を持つ化合物を生成する金属との固相反応
生成物は、−族化合物半導体との界面に極め
て平坦な面を有し、しかもその面は反射率が高
く、面位置の制御も容易であり、面発光型半導体
レーザの反射面として極めて適している。

〔発明の実施例〕 以下、本発明をGaAs系の面発光型半導体レー
ザに適用した例について第３図を参照して詳細に
説明する。

図中の２１は、ｎ型のGaAs基板である。この
基板２１上には、共振器の一方を構成する第１反
射層２２が配設されている。この反射層２２は、
例えば厚さ620Åのｎ型Ga Al Asからなる第１
層２３と厚さ700Åのｎ型Ga Al Asからなる第
２層２４を１組として、30回積層（全体で60層）
した反射率が略１のものより構成されている。ま
た、前記第１反射層２２における最上層の第２層
２４上には発振器２５が配設されている。この発
振器２５は、前記第２層２４上に積層された厚さ
3μmのｎ型Ga Al Asからなる第１クラツド層２
６と、厚さ3μmのGaAsからなる活性層２７と、
厚さ3μmのｐ型Ga Al Asからなる第２クラツド
層２８とから構成されている。この第２クラツド
層２８の表面には、窓２９を開口したSiO₂膜３
０が被覆されている。そして、前記窓２９から露
出した第２クラツド層２８上には、Ptからなる
正電極３１が配設されていると共に、該正電極３
１と第２クラツド層２８との界面にはPtと−
族元素との固相反応生成物３２が形成されてい
る。かかる固相反応生成物３２は、共振器の他方
を構成する第２反射層となる。レーザ光は前記固
相反応生成物３２及びPtからなる正電極３１を
通して垂直な方向に取出されるので、同固相反応
生成物３２を形成するPtの正電極３１の厚さは
充分に薄くすることが必要である。なお、図中の
３３は前記基板２１の裏面に配設されたAu−Ge
−Niからなる負電極である。

このような構成によれば、正電極３１と負電極
３３の間に直流電圧を印加すると、第１、第２ク
ラツド層２６，２８及び活性層２７からなる発振
器２５で光を発生する。こうした光は、内部に配
設された互いに屈折率の異なる第１、第２層２
３，２４の多層膜からなる第１反射層２２と、第
２クラツド層２８表面に形成された第２反射層と
しての固相反応生成物３２とからなる共振器で反
射が繰返され、正電極３１側より垂直方向にレー
ザ光が放射される。この際、多層反射層（第１反
射層）２２の屈折率は略１と高く、かつ第２反射
層としての固相反応生成物３２は平坦性の優れた
反射率の高い反射面を形成できるため、高効率な
発振が可能となる。しかも、第２反射層としての
固相反応生成物３２は、その生成条件である処理
時間、温度等によつて共振器２５の長さを精度よ
く制御できるため、高信頼性の出力動作と安定な
発振が可能となる。更に、内部に多層反射層２２
を配設する構造にすることによつて、発振領域に
対応する基板２１の箇所に開口部を設けて、露出
するクラツド層に一方の反射層（第１反射層）を
設ける必要がないため、製造が極めて簡単にな
る。

なお、上記実施例ではGaAsを活性層とする半
導体レーザについて説明したが、本発明は必ずし
もこれに限定されず、GaAlAsやInGaAsP等を活
性層とする半導体レーザににも同様に適用でき
る。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く、本発明によれば内部に形成
された反射率が略１の多層反射層と、表面に形成
された平坦性に優れ、かつ反射率の高いと共に発
振器長の制御が可能な反射層とからなる共振器を
有し、高信頼の出力動作と高効率かつ安定な発振
を可能で量産が容易な面発光型半導体レーザを提
供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ〜ｃは固相反応生成物の生成過程を示
す断面図、第２図は固相反応における処理温度、
処理時間、界面の侵入深さの関係を示す線図、第
３図は本発明の実施例におけるGaAs系化合物半
導体を用いた面発光型半導体レーザを示す断面
図、第４図は従来の半導体レーザを示す斜視図で
ある。 ２１……基板、２２……第１反射層、２３……
第１層、２４……第２層、２５……発振器、２６
……第１クラツド層、２７……活性層、２８……
第２クラツド層、２９……窓、３１……Ptから
なる正電極、３２……固相反応生成物（第２反射
層）、３３……負電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ −族化合物半導体基板上に配設され、光
   屈折率の異なる２つの層を交互に複数層積層して
   なる共振器の一方を構成する反射層と、この反射
   層上に配設され、活性層、該活性層を挟持し、該
   活性層よりバンドギヤツプが大なる−族化合
   物半導体の第１、第２のクラツド層からなる発振
   器と、この発振器の第２のクラツド層の少なくと
   も共振領域となる表面に配設され、−族化合
   物半導体の族又は族の元素或いはその双方と
   反応して化学当量組成を持つ化合物を生成する金
   属との固相反応生成物により形成された共振器の
   他方を構成する反射層とを具備したことを特徴と
   する面発光型半導体レーザ。 ２ 金属が遷移金属であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の面発光型半導体レーザ。 ３ 金属が、Ni、Pd、Ptのいずれかであること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の面発光
   型半導体レーザ。