JPH0697578A - 半導体レーザアレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 １回のリソグラフィ・プロセスで複数のレー
ザの発振波長を決定することができ、かつ高集積化した
場合にも光ファイバとの結合が容易な多波長の半導体レ
ーザアレイを提供すること。 【構成】 面発光型の多波長半導体レーザアレイにおい
て、半導体基板４上に分布反射膜（ＤＢＲ）によって挟
まれた活性層領域が形成され、これらが基板４に対して
垂直に立つ柱状の形状をなす複数個に分割され、基板４
に対して垂直方向に出力光を放出する複数の半導体レー
ザ１からなり、半導体レーザ１の柱状部分の断面積が互
いに異なることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、波長多重光通信用の多
波長半導体レーザアレイに係わり、特に面発光型の半導
体レーザアレイに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信の大容量化に伴い、１本の
光ファイバに多チャンネルの情報を伝搬させる試みがな
されつつある。多チャンネル化の一つの方法として、発
振波長の異なる複数のレーザ光を用い、１つの周波数に
１つのチャンネルを対応させる波長多重通信が提案され
ている。これを実現するためには、異なる波長で発振す
る単一波長レーザを複数個集積化したレーザアレイが必
要となる。

【０００３】このような素子は、図１４に示すＤＦＢ
（Distributed Feed Back:分布帰還）レーザアレイとし
て既に実現されている。図中８０はｎ型基板、８１，８
２は光導波路層、８３はｎ型クラッド層、８４は活性
層、８５はｐ型クラッド層、８６はコンタクト層、８
７，８８は電極、８９は回折格子を示している。この素
子では、発振波長は刻印されている回折格子の周期で決
定される。従って、個々のレーザで異なる発振波長を得
るためには、異なる周期の回折格子をそれぞれのレーザ
に刻印しなければならない。

【０００４】現在、この種の回折格子を刻印する方法と
して、レーザ光同士の干渉を利用した２光束干渉露光法
が用いられている。この方法で干渉パターンの周期を変
えるためには、その都度光学系のアライメントを変える
必要がある。従って、アレイにするレーザの数だけ露光
を繰り返す必要があるので、生産性が極めて悪いという
問題があった。また、共振器が基板に平行方向に構成さ
れているため、集積化は１次元的な方法に限られるの
で、特にレーザの数が多くなったときに横に長く広がっ
てしまい、ファイバとの結合が困難になるという問題点
もあった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、多波
長の半導体レーザアレイにおいては、個々のレーザに対
して異なる周期の回折格子を刻印しなければならないた
めに、生産性が悪いという問題点があった。また、高集
積化した場合に光ファイバとの結合が困難になるという
問題点があった。

【０００６】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、１回のリソグラフィ・
プロセスで複数のレーザの発振波長を決定することがで
き、かつ高集積化した場合にも光ファイバとの結合が容
易な多波長の半導体レーザアレイを提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、発光領
域の上下に分布反射膜を有する垂直共振器型面発光の半
導体レーザを利用し、共振器の断面積を変えることによ
って共振器の共振波長を変え、もってレーザの発振波長
を変えることにある。即ち本発明は、面発光型の多波長
半導体レーザアレイにおいて、基板上に上下２つの分布
反射膜により挟まれそれぞれ電気的に独立した半導体発
光領域が複数個形成され、少なくとも上部の分布反射膜
がそれぞれの発光領域毎に分割され、基板表面に対して
方線方向に出力光を放出する複数の半導体レーザからな
り、発光領域の基板と平行な面の断面積が半導体レーザ
毎に異なることを特徴とする。

【０００８】また本発明は、上記の構造に加え、所定の
動作電流に対して各々の半導体レーザの光出力が一定と
なるように、各々の半導体レーザの発光領域の一部に電
流を狭窄する構造を設けたことを特徴とする。さらに本
発明は、発光領域に接して基板と平行な方向に、キャリ
アを閉じ込めるための配線領域を設け、この配線領域を
介して高移動度キャリアを発光領域に注入することを特
徴とする。

【０００９】

【作用】本発明によれば、垂直共振器型面発光レーザの
導波路部分の断面積を変えることにより発振波長を変化
させている。導波路部分の断面積を変えるにはフォトリ
ソグラフィにおけるマスクの大きさを変えるのみでよ
く、１回のリソグラフィで複数のレーザの発振波長を決
定することができる。そして、異なる断面積の導波路を
有する垂直共振器型面発光レーザを集積化することによ
り、多波長で発振する波長多重光通信用のレーザ光源が
得られる。さらに、面発光であることから、高集積化し
た場合にも光ファイバとの結合が容易である。

【００１０】また、電流狭窄によるゲインの増大と、吸
収損失の増加や光閉じ込め係数の減少の両方を考慮し、
各々のレーザに適切な電流狭窄構造を設けることによ
り、均一な動作特性を有する多波長で発振する波長多重
光通信用レーザ光源を得ることが可能となる。さらに、
高移動度キャリアを発光領域に注入するための配線領域
（２次元電子ガス）を設けることにより、キャリアの高
速性を生かした面発光素子の高速動作が可能となる。

【００１１】

【実施例】実施例を説明する前に、本発明の基本原理に
ついて説明する。本発明の構成要素である垂直共振器型
面発光半導体レーザは、屈折率の大きな媒質と小さな媒
質とを交互に積層した第１の分布ブラッグ反射膜（Dist
ributedBragg Reflector ：ＤＢＲ）と、第２のＤＢＲ
との間に、活性層を有する半導体のダブルヘテロ構造部
（発光領域）が形成され、少なくとも第１のＤＢＲの一
部が基板に対して垂直に立つ柱状の導波路構造を有して
いる。このようなレーザ構造に対する発振波長λは、柱
状導波路構造の導波モードの軸方向伝搬常数βと軸に垂
直方向の伝搬常数β_t 、及び導波路の有効屈折率ｎ_eff
を用いて、

【００１２】 （２πｎ_eff ／λ）² ＝β² ＋βt ² … (1)

【００１３】の関係より決定される。ここで、βはＤＢ
Ｒの光学長周期Ｔ（＝ｎ₁ Ｔ₁ ＋ｎ₂Ｔ₂ ；ｎ₁ ，ｎ₂
はＤＢＲを構成している媒質の屈折率、Ｔ₁ ，Ｔ₂ はそ
れぞれの層厚）を用い、

【００１４】 β＝β₀ ＝π／Ｔ … (2)

【００１５】となる。Ｂ_t は、導波路の断面形状，断面
積，ｎ_eff ，及び導波路の外部の媒質の屈折率ｎ_out に
よってβと関係づけられる。円形断面の場合、

【００１６】 （η₁ ＋η₂ ）（ε_eff η₁ ＋ε_out η₂ ） ＝ｎ² （１／ｕ² ＋１／ｗ² ）（ε_eff ／ｕ² ＋ε_out ／ｗ² ） 但し、ｕ＝β_t ａ，ｗ＝α_t ａ β² ＝（２πｎ_eff ／λ）² −（ｕ／ａ）² ＝（２πｎ_eff ／λ）² ＋（ｗ／ａ）² η₁ ＝Ｊn (u) ／ｕＪn(u) η₂ ＝Ｋn (w) ／ｗＫn(w) … (3)

【００１７】ここで、ε_eff ＝ｎ_eff ² ，ε_out ＝ｎ
_out ² 、ａは導波路の半径、Ｊn ，Ｋnはそれぞれｎ次
のベッセル関数，変形ベッセル関数、Ｊn ，Ｋn はそれ
ぞれＪn，Ｋn の導関数、ｎはベッセル関数の次数であ
る。

【００１８】これらの関係をまとめたものが、図７であ
る。この図には、異なる直径ｄ₁ ，ｄ₂ ，ｄ₃ の導波路
に対して、最低次の導波モードであるＨＥ₁₁モードのβ
とβ_t の関係を示す曲線（(3) 式の関係）、β_t の漸近
値β₁ ，β₂ ，β₃ 、及び (2)式より求められるβ₀ を
示している。発振波長は、(1) 式より、β＝β₀ の直線
と、３つの曲線との交点Ｐ₁ ，Ｐ₂ ，Ｐ₃ から原点まで
の距離に反比例する。３つの曲線は直径が小さくなるほ
ど原点から遠ざかるため、直径の小さい導波路を有する
レーザほど短波長で発振する。

【００１９】具体的な計算例を、図８に示す。横軸には
導波路の直径、縦軸には直径が無限に大きい場合の漸近
波長（８５０ｎｍ）からの短波長側へのシフト量を取っ
ている。なお、ｎ_eff ＝３．３８とした。この図から分
かるように、通常のフォトリソグラフィで作製可能な直
径１μｍのレーザで１０ｎｍ以上の波長シフトが可能で
ある。

【００２０】一方、直径が異なることによる個々のレー
ザ素子間のしきい値及び動作電流のばらつきを抑えるた
めには、次のようにすればよい。活性層のゲイン（マテ
リアルゲイン）ｇ_m は電流密度の関数である。従って、
直径が異なるレーザに対して同じ電流注入を行うと、各
々のレーザの活性層での電流密度が異なるために生じる
ゲインも異なり、図９（ａ）に示すように出力光強度に
ばらつきが生じる。

【００２１】このばらつきを抑えるためには、各々のレ
ーザに電流狭窄構造を設け、活性領域の面積が等しくな
るようにすればよい。しかし、これだけでは電流狭窄部
での吸収損失の増加や光閉じ込め係数の減少が素子毎に
異なるため、やはり出力強度のばらつきが生じる。従っ
て、電流狭窄によるゲインの増大と、吸収損失の増加や
光閉じ込め係数の減少の両方を考慮して狭窄構造を決定
する必要がある。そのための条件は、

【００２２】 ξηｇ_m （Ｉ／Ａ，λ）−ξ（１−η）α＝ｃｏｎｓｔ． … (4)

【００２３】という式で表される。ここで、Ｉは注入電
流、Ａは活性領域の面積、ηは光閉じ込め係数、αは電
流狭窄部の吸収係数、ξは定在波効果によるゲインの増
大係数である。なお、この条件は、適当な近似をするこ
とによって簡単な表式で表される。まず、ゲインの増大
係数が導波路の断面積に依存しないと仮定する。波長に
依存しないリニアゲインを考えると、

【００２４】 ｇ_m ＝ｇ₀ （Ｉ／Ａ−Ｊt ） … (5)

【００２５】である。ここで、ｇ₀ は定数、Ｊt は活性
層に反転分布が生じるために必要な電流密度である。ま
た、電流狭窄部の吸収係数はαは−ｇ_m (0) に等しいか
ら、

【００２６】 α＝ｇ₀ ×Ｊt … (6)

【００２７】である。これらの関係式より、

【００２８】 η／Ａ＝ｃｏｎｓｔ． … (7)

【００２９】という関係式が得られる。即ち、活性領域
の面積Ａと光閉じ込め係数ηの比を個々の素子間で等し
くすることによって、図９（ｂ）に示すように均一な発
振特性を得ることができる。

【００３０】以下、本発明の実施例を図面を参照して説
明する。図１は本発明の第１の実施例に係わる多波長半
導体レーザアレイの概略構成を示す平面図で、図２は図
１の矢視Ａ−Ａ′断面図である。本実施例は、直径１２
μｍ，９μｍ，７μｍ，６μｍの円形断面の面発光レー
ザ１を組み合わせた素子で、０．１ｎｍ間隔で発振す
る。側面は基板４に達するまで垂直にエッチングされ、
ポリイミド２によって平坦化されている。各々のレーザ
１の上面はｐ電極兼反射膜３で覆われている。基板４の
底部には光ファイバ６を保持するための穴が掘られ、レ
ーザ光との結合を容易にしている。光ファイバ用穴の周
囲にはｎ型電極５が付けられている。

【００３１】各々のレーザの断面構造の詳細を図３
（ａ）に示す。活性層１７は８ｎｍ厚のＩｎ_0.2 Ｇａ
_0.8 Ａｓ量子井戸で、ｐ，ｎ各クラッド層（バリア層）
１６，１８は、光学長で発振波長の半波長厚のＧａＡｓ
である。ｐ，ｎ各ＤＢＲ１１，１２は、光学長で発振波
長の４分の１厚さのＡｌＡｓ層１５とＧａＡｓ層１４と
を交互に積層して形成される。活性層１７に対し基板４
と反対側（上部）のＤＢＲ１１の上面には、光学長で発
振波長の０．３倍の厚さの位相整合層１３が積まれ、電
極兼反射膜による反射の際に生じる位相ズレを補償して
いる。発振波長は基板４に対して透明な９８０ｎｍであ
るので、出力光は基板側から取り出す。なお、本実施例
素子は、図３（ｂ）に示すようなＤＢＲ１２の一部まで
でエッチングを停止した構造にも適用できる。さらに、
ＤＢＲ１１のみを柱状にエッチングした構造に適用する
ことも可能である。

【００３２】次に、第１の実施例素子の製造方法につい
て説明する。まず、図４（ａ）に示すように、ｎ型Ｇａ
Ａｓ基板４上に、分子ビームエピタキシー法（ＭＢＥ）
又は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、ｎ型Ｄ
ＢＲ１２，ｎ型クラッド層１８，活性層１７，ｐ型クラ
ッド層１６，ｐ型ＤＢＲ１１及び位相整合層１３を順次
積層する。続いて、常圧化学気層成長法（ＣＶＤ）等に
より、位相整合層１３上に二酸化珪素（ＳｉＯ₂ ）膜２
１を形成する。そして通常のフォトリソグラフィにより
直径の異なる円形パターンをレジスト２０に転写し、こ
のレジスト２０をマスクとしてフッ化アンモニウム溶液
によりＳｉＯ₂膜２１をエッチングする。

【００３３】次いで、上記のレジストマスクを有する基
板表面に銀，ニッケルの順に電極を蒸着し、アセトンで
円形パターン以外の部分をリフトオフにより取り除き、
フッ化アンモニウム溶液により残ったＳｉＯ₂ 膜２１を
エッチングすると、図４（ｂ）に示すように、金属膜２
２の円形パターンが残る。ここで、銀は高反射率の反射
膜として、ニッケルは次のドライエッチング用のマスク
として作用する。

【００３４】次いで、金属膜２２をマスクとして、反応
性イオンエッチング（ＲＩＥ）或いは反応性イオンビー
ムエッチング（ＲＩＢＥ）により位相整合層１３〜ｎ型
ＤＢＲ１２をエッチングし、円柱構造を作製する。続い
て、図４（ｃ）に示すように、エッチングによって除去
された部分にポリイミド２を充填して平坦化し、酸素を
用いた反応性イオンエッチングにより金属膜２２の頭出
しを行う。

【００３５】次いで、前述したリフトオフプロセスと同
様にして、金属膜２２に接続される金のｐ型電極３を形
成し、基板裏面に金−ゲルマニウム合金，金の順に積層
されたｎ型電極５を形成し、最後に基板裏面にＲＩＥ又
はＲＩＢＥ或いは通常のウェットエッチングにより光フ
ァイバ用の穴を形成してプロセスが完了する。

【００３６】このように本実施例によれば、基板４上に
波長の異なる複数の半導体レーザを集積化することがで
きる。そしてこの場合、フォトリソグラフィにおけるマ
スクの大きさを変えるのみで、各々のレーザの波長を変
えることができる。つまり、１回のリソグラフィで複数
のレーザの発振波長を決定することができ、製造プロセ
スが容易となり、生産性の向上をはかることができる。
しかも、半導体レーザを２次元に集積していることか
ら、高集積化した場合にも光ファイバとの結合が容易に
なる利点がある。

【００３７】図５は、本発明の第２の実施例に係わる多
波長半導体レーザアレイの概略構成を説明するためのも
ので、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ｂ−Ｂ′
断面図である。なお、図１，図２と同一部分には同一符
号を付して、その詳しい説明は省略する。本実施例は、
基本的には第１の実施例と同様であるが、これに加えて
電流狭窄構造１９が設けられている。電流狭窄はプロト
ン打ち込みによる活性層の高抵抗化で達成している。

【００３８】このような構成であれば、第１の実施例と
同様な効果が得られるのは勿論のこと、直径が異なるこ
とによる各々のレーザ素子間のしきい値及び動作電流の
ばらつきを抑制することができ、出力光強度を均一化す
ることができる。図６は、本発明の第３の実施例に係わ
る多波長半導体レーザアレイの概略構成を説明するため
のもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ｃ−
Ｃ′断面図である。なお、図１，図２と同一部分には同
一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

【００３９】この実施例は、１６個の異なる波長で発振
するレーザを集積化した素子である。本実施例では、素
子面積が比較的大きいために基板側のファイバ用穴の底
面にレンズ構造が設けられ、レーザの発振光を集光して
ファイバ６に導くようになっている。ここで、直径の小
さいレーザから放出される発振光は回折の効果で放射角
が広がるため、直径の小さいレーザを中心部に、直径の
大きいレーザを周辺部に配置してファイバ６への結合が
均一に行われるようにした。他の部分の構造は第１の実
施例と同じである。

【００４０】なお、本実施例に対して第２の実施例のよ
うな電流狭窄構造を適用することもできる。さらに、第
１〜第３の実施例において、ＤＢＲを構成する各層の厚
さは必ずしも発振波長の４分の１の光学長である必要は
なく、図７におけるβ＝β₀と３つの曲線との交点がゲ
イン帯域からはみ出さない程度に厚くしたり（βを小さ
くする）、薄くしたりする（βを大きくする）ことも可
能である。また、発光領域は活性層をクラッド層で挟ん
だダブルヘテロ構造に限定されるものではなく、シング
ルヘテロ，量子井戸、その他の構造に適宜変更可能であ
る。

【００４１】次に、本発明の別の実施例について説明す
る。面発光レーザは高密度な２次元集積化が可能である
ことから、光通信や光配線の多重化，光演算の並列化等
を目的とした発光素子として適している。半導体のＤＢ
Ｒ反射鏡を有する面発光レーザは、膜厚制御性が良いＭ
ＢＥ等の結晶成長装置で連続的に形成することができる
ため、設計通りのＤＢＲ反射鏡構造が容易に作製できる
（K.Tai et al.,Appl.Phys.Lett.55,2473(1989）。

【００４２】面発光レーザの素子構造は、図１５に示す
ように、その層構造としてｎ型ＧａＡｓ基板３０１上
に、ｎ型Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓエッチストップ層３０
２，ｎ型ＡｌＡｓ／Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ａｓの下部ＤＢＲ
反射鏡層３０３，ｎ型Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓキャリア閉
じ込め層３０４，ｐ型ＧａＡｓ活性層３０５，ｐ型Ａｌ
_{0. 3} Ｇａ_0.7 Ａｓキャリア閉じ込め層３０６，ｐ型Ａｌ
_0.1 Ｇａ_0.9 Ａｓ／Ａｌ_{0. 7} Ｇａ_0.3 Ａｓの上部ＤＢＲ
層３０７，Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓ位相整合層３０８，ｐ
型ＧａＡｓコンタクト層３０９をＭＢＥ中で形成したも
のとなっている。

【００４３】その後の素子製造プロセスは以下のように
なる。１００μｍ程度にＧｓＡｓ基板３０１を薄く研磨
した後、Ｇｅ（４０ｎｍ）／Ａｕ（１２０ｎｍ）電極３
１０を蒸着しコンタクトを取る。次に、フォトレジスト
リフトオフにより直径１５μｍのＡｇ（１００ｎｍ）／
Ａｕ（１０ｎｍ）電極３１１をｐ型ＧａＡｓコンタクト
層３０９上に形成し、さらに硫酸系エッチャントを用い
て、深さ０．７μｍ（ｐ型Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓキャリ
ア閉じ込め層３０６迄）、内径１５μｍ，外径６０μｍ
のリング状メサエッチングを行う。さらに、厚さ１５０
ｎｍのＳｉＯ₂絶縁層３１２とＡｕコンタクトパッド３
１３を形成する。ＧａＡｓ基板３０１上には光取り出し
のための穴を、アンモニア系のエッチャントで開ける。

【００４４】こうした構造により、面発光レーザの室温
での発振が可能となっているが、ＤＢＲ層を通して電流
を注入する構造のために、半導体ヘテロ構造が本質的に
有する高抵抗性を避けることが難しい。つまり、レーザ
発振のための電流を多く必要とすることや熱の発生が大
きいことなどの集積化に対しては大きな問題を引き起こ
していた。ＤＢＲ層の抵抗を下げるために、ＡｌＧａＡ
ｓの組成を段階的に変えていく構造等も提案されている
（K.Tai et al,.Appl.Phys.Lett. 56,2496(199019)）
が、結晶成長が非常に複雑になることや十分には抵抗を
下げられないことなどの欠点があった。

【００４５】このように従来の結晶によるＤＢＲ反射鏡
を有する面発光レーザでは、比較的抵抗の高いＤＢＲ層
を通して電流を注入するために、しきい値電流の増大や
発熱量の増大といった問題を抱えていた。本実施例の主
眼は、電流の注入を抵抗の高いＤＢＲ層を通して行うの
ではなく、２次元電子ガス等の半導体中の高移動度キャ
リアを用いて行うことにある。そのためには、キャリア
の高速性の利点を失わないように面発光レーザの活性層
をキャリアの伝導層の近傍に配置すると共に、キャリア
が活性層に有効に閉じ込められるようなヘテロ構造の工
夫を行う。さらに、連続的な結晶成長で形成した半導体
層において、面発光レーザ部分以外でキャリアが発光再
結合することによる損失が生じないような工夫も行って
いる。また、光の閉じ込めのためのパターニングと電流
の閉じめのためのパターニングを単一のリソグラフィプ
ロセスで容易に行うために、無機レジスト，集束イオン
ビーム露光，ドライエッチング現像というリソグラフィ
法を用いる。

【００４６】本発明を実施することにより製造すること
が出来る素子の基本構造の一例は、図１０に示す如く、
上下にＤＢＲ反射鏡層を有する面発光レーザ領域１０１
と２次元電子ガス（２ＤＥＧ）のチャネル層を有する配
線領域１０２からなる。その半導体多層膜の層構造は、
半絶縁性ＧａＡｓ基板１０３上に、アンドープのＡｌＡ
ｓとＧａＡｓからなる下部ＤＢＲ１０４，ｎ型Ａｌ_0.3
Ｇａ_0.7 Ａｓ電子供給層１０５，アンドープＡｌ_0.3 Ｇ
ａ_0.7 Ａｓスペーサ層１０６，アンドープＧａＡｓチャ
ネル兼クラッド層１０７，アンドープＩｎＧａＡｓ活性
層１０８，アンドープＡｌＡｓエッチストップ層１０
９，ｐ型ＧａＡｓクラッド層１１０，アンドープのＡｌ
ＡｓとＧａＡｓからなる上部ＤＢＲ反射鏡層１１１，ア
ンドープＧａＡｓキャップ層１１２（１０７ｎｍ）を形
成したものとなっている。

【００４７】２ＤＥＧのチャネル層として働くアンドー
プＧａＡｓ層１０７は、アンドープＩｎＧａＡｓ活性層
１０８と隣接しており、コンダクションバンドの下端が
ＩｎＧａＡｓよりも大きいエネルギーを持つために活性
層１０８への電子の閉じ込めが有効に行われる。また、
配線領域ではアンドープＧａＡｓチャネル層での発光再
結合が起こり難いように、上部のｐ型ＧａＡｓクラッド
層１１０迄を除去している。

【００４８】図１０に示した基本構造を持つ素子の製造
方法を以下に説明する。まず、図１１（ａ）に示すよう
に、ＭＢＥやＭＯ−ＣＶＤ法を用いて半絶縁性ＧａＡｓ
基板１０３上に、アンドープのＡｌＡｓ（７６．５ｎ
ｍ、１９層）／ＧａＡｓ（６３．４ｎｍ、１８層）から
なる下部ＤＢＲ反射鏡層１０４を形成し、さらにｎ型Ａ
ｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓ電子供給層１０５（１２１．７ｎ
ｍ、ｎ＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3），アンドープＡｌＧａＡｓ
スペーサ層１０６（２ｎｍ），アンドープＧａＡｓチャ
ネル兼クラッド層１０７（２０ｎｍ），アンドープＩｎ
_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ活性層１０８（１０ｎｍ），アンドー
プＡｌＡｓエッチストップ層１０９（１．４ｎｍ），ｐ
型ＧａＡｓクラッド層１１０（１２０．３ｎｍ、ｐ＝１
×１０¹⁸ｃｍ^-3）を形成し、さらにアンドープのＡｌＡ
ｓ（７６．５ｎｍ、１０層）／ＧａＡｓ（６３．４ｎ
ｍ、９層）からなる上部ＤＢＲ反射鏡層１１１とアンド
ープＧａＡｓキャップ層１１２（１０７ｎｍ）を形成す
る。

【００４９】次いで、図１１（ｂ）に示すように、プラ
ズマＣＶＤ（Ｐ−ＣＶＤ）法を用いてＧａＡｓキャップ
層１１２上の全面にＳｉ酸化膜マスク層１１３（４００
ｎｍ）を形成し、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて
Ｓｉ酸化膜１１３の面発光レーザ用の直径１μｍの円形
パターンにＧａを注入し、ＣＦ₄ ガスを用いた反応性イ
オンビームエッチング（ＲＩＢＥ）により注入領域以外
のＳｉ酸化膜１１３を除去する。ＦＩＢによりＧａを注
入した領域は、Ｆ系ガスのドライエッチングの際にエッ
チング速度が大きく低下するため、Ｓｉ酸化膜１１３を
ネガレジストとしてパターニングすることができる。

【００５０】次いで、図１２（ａ）に示すように、Ｃｌ
₂ ガスとＡｒガスを用いたＲＩＢＥ法により、ｐ型Ｇａ
Ａｓクラッド層１１０の途中まで面発光レーザ領域１０
１以外をエッチング除去する。さらに、ＣＣｌ₂ Ｆ₂ を
用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）の選択エッチ
ングにより、ｐ型ＧａＡｓクラッド層１１０を完全に除
去すると同時にアンドープＡｌＡｓエッチストップ層１
１１でエッチングを止める。

【００５１】このとき、第１のエッチングでは、ＡｌＡ
ｓ／ＧａＡｓからなる厚いＤＢＲ層を垂直に滑らかにエ
ッチングするために、イオンエッチング性を強くした、
選択性の少なくかつエッチング速度の大きいドライエッ
チングが有効である。そのため、エッチングマスクとし
てＣｌ系のイオン性の強いエッチングに対して耐性のあ
るＳｉ酸化膜を用いている。また、第２のエッチングで
は、極薄いＡｌＡｓ層でエッチングを止めるための大き
なＧａＡｓ／ＡｌＡｓエッチング選択比を得ることがで
き、さらに下地にエッチングダメージを与えることの少
ない反応性の強いエッチングが、残ったｐ型ＧａＡｓク
ラッド層１１０の除去には重要である。

【００５２】次いで、図１２（ｂ）に示すように、面発
光レーザ領域のＳｉ酸化膜マスク１１３をＦラジカルに
よるドライエッチングを用いて除去した後、Ｐ−ＣＶＤ
装置を用いて全面にＳｉ窒化膜マスク層１１４（４００
ｎｍ）を形成し、ＦＩＢを用いて面発光レーザ領域及び
配線領域のパターンにＳｉ窒化膜１１４中にＧａイオン
を注入し、ＣＦ₄ ガスを用いたＲＩＢＥにより注入部以
外のＳｉ窒化膜１１４を除去する。このＲＩＢＥの際
に、Ｓｉ窒化膜１１４が除去された領域の下部では、照
射されるイオンによるダメージにより２ＤＥＧを含む高
抵抗領域１１５が形成される。その結果として、電子が
伝導する領域は、面発光レーザ領域１０１と、配線領域
１０２に制限される。

【００５３】次いで、図１３に示すように、Ｆラジカル
のドライエッチングによりＳｉ窒化膜１１４を除去した
後、再びプラズマＣＶＤを用いて全面にＳｉ窒化膜絶縁
層１１６（１００ｎｍ）を堆積し、ＣＦ₄ を用いた等方
性ドライエッチングにより円柱形状の側面に堆積したＳ
ｉ窒化膜のみを完全に除去し、全面にｐ型電極１１７を
蒸着してｐ−ＧａＡｓクラッド層１０８とコンタクトを
取ることにより、集積化面発光素子の基本構造は完成す
る。

【００５４】本実施例における２ＤＥＧの配線領域を、
電子のフェルミ波長程度のキャリアの閉じ込め幅を有す
るいわゆる量子細線状に形成すれば、不純物散乱のよう
な弾性散乱の散乱方向の自由度を大幅に減らすことがで
きるために、散乱の効果を大きく抑制することができ
る。その結果、不純物散乱が支配的な低温における電子
の移動度が飛躍的に向上し、キャリアのより高速な制
御、つまりはより高速な素子動作が可能となる。配線領
域を量子細線化した場合には注入キャリアの減少が起こ
るが、量子細線を複数並列に配した多重量子細線構造と
すれば、量子細線の特長を保ったまま注入キャリアを増
大することができる。さらに、多重量子細線による配線
には、量子細線に特徴的に現われる普遍的なタンダクタ
ンスの揺らぎを打ち消す効果があり、それによりキャリ
ア注入の制御性を増大することができる。

【００５５】また、本実施例で述べた２ＤＥＧの配線領
域はＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ構造による典型的な
ＨＥＭＴ構造と同様な層構造をなしているため、配線領
域の一部をスイッチング素子として用いることができ、
簡単な作成プロセスの送信用光電子集積回路を設計する
ことが可能である。さらに、ＤＢＲを有する半導体レー
ザは、波長フィルターを有する受光素子としても用いる
ことができるため、同様に簡単な作成プロセスの受信用
光電子集積回路も設計できる。

【００５６】アンドープＧａＡｓチャネル層の２ＤＥＧ
からＩｎＧａＡｓ活性層に電子が注入されるには、バン
ドの曲がりによるポテンシャルの山を越える必要がある
が、面発光レーザ領域のみ適度なバイアス電圧を印加す
ることにより、より効率的に電子の注入を行うことがで
きる。また、ホールの注入に対してＡｌＡｓエッチスト
ップ層はポテンシャルバリアとして働くが、膜厚が数原
子層程度と薄いために、抵抗の増大は無視できるほど小
さい。

【００５７】本実施例ではｎ型キャリアの注入を高移動
度の２ＤＥＧで行う例を述べたが、比較的高移動度の２
次元ホールガス（２ＤＨＧ）も同様にアンドープＧａＡ
ｓ層とｐ型ＡｌＧａＡｓ層（アンドープＡｌＧａＡｓス
ペーサ層も含めて）のヘテロ界面に形成することが可能
であるため、ｐ型のキャリア注入もより高速な２ＤＨＧ
による配線で行うことができる。

【００５８】本実施例には数種類のドライエッチングプ
ロセスが含まれているが、エッチングダメージの点から
見たエッチング条件（装置，エッチングガス等）の選択
も重要である。つまり、２ＤＥＧ層に選択的に高抵抗領
域を形成するためのＣＦ₄ のＲＩＢＥでは、エッチング
に寄与するイオン種が軽く基板中に深く侵入するため
に、２００ｅＶ程度のイオンエネルギーで２ＤＥＧ層を
高抵抗化することができる。また、上部ＤＢＲ層等をエ
ッチングするにはＣｌ₂ とＡｒの混合ガスによるＲＩＢ
Ｅを用いるが、イオン種が重いために４００ｅＶのイオ
ンエネルギーでも６ｎｍ程度しかダメージがいらず、下
地の２ＤＥＧ層には殆ど影響を与えない。さらに、ＣＣ
ｌ₂ Ｆ₂ のＲＩＥによる選択エッチングのプロセスは、
イオンエネルギーの低いエッチングにより下地の２ＤＥ
Ｇ層にダメージを与えることなくｐ型ＧａＡｓクラッド
層を除去できるため、配線領域へのｐ型キャリアの注入
を防ぐことを可能にする。また、ＦＩＢのＧａ注入によ
るＳｉ酸化膜やＳｉ窒化膜へのパターン形成は、３０ｋ
ｅＶ〜１００ｋｅＶの高エネルギーイオンによって行わ
れるが、４００ｎｍ程度の膜厚があれば、殆どの注入イ
オンはＳｉ酸化膜やＳｉ窒化膜中に止まり、下地にダメ
ージを与えることはない。

【００５９】本実施例のような、活性層がＩｎＧａＡ
ｓ、ＤＢＲがＡｌＡｓ／ＧａＡｓ、基板がＧａＡｓであ
る面発光レーザは、上側だけでなく基板側からも光を取
り出すことができる。しかし、従来の基板に電極を形成
しキャリアを注入する方法では、基板側電極に光取り出
し用の大きな穴を形成する必要があり、微細な面発光レ
ーザに有効なキャリア注入を行うことが難しい。本実施
例では光取り出しに関する問題なしに、有効なキャリア
注入を行うことができる。そのため、ファイバとの光結
合のための開口構造や、空間的な光結合のためのレンズ
構造を自由に基板に形成することも可能である。

【００６０】かくして本実施例によれば、キャリアの高
速性を生かした面発光素子の高速動作が可能となり、ま
た低抵抗化による消費電力及び発熱量の低減が期待でき
るため、集積化面発光素子の高性能化をはかることがで
きる。さらに、高性能な集積化面発光素子を簡単なプロ
セスで製造することができるため、生産性の向上をはか
ることができる。

【００６１】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々
変形して実施することができる。

【００６２】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、発光
領域の上下に分布反射膜を有する垂直共振器型面発光の
半導体レーザを利用し、共振器の断面積を変えることに
よってレーザの発振波長を変えているので、１回のリソ
グラフィ・プロセスで複数のレーザの発振波長を決定す
ることができ、かつ高集積化した場合にも光ファイバと
の結合が容易な多波長の半導体レーザアレイを実現する
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例に係わる半導体レーザアレイの概
略構成を示す図、

【図２】図１の矢視Ａ−Ａ′断面図、

【図３】レーザ断面の詳細を示す図、

【図４】第１の実施例素子の製造工程を示す、

【図５】第２の実施例に係わる半導体レーザアレイの概
略構成を示す図、

【図６】第３の実施例に係わる半導体レーザアレイの概
略構成を示す図、

【図７】発振波長と導波路の直径との関係を示す図、

【図８】直径を変えた時の発振波長の変化量を示す図、

【図９】電流狭窄構造がない場合とある場合の発振特性
を示す図、

【図１０】別の実施例に係わる集積化面発光素子の概略
構成を示す図、

【図１１】集積化面発光素子の製造工程を示す図、

【図１２】集積化面発光素子の製造工程を示す図、

【図１３】集積化面発光素子の製造工程を示す図、

【図１４】従来のＤＦＢレーザアレイを示す図、

【図１５】従来の面発光素子の概略構成を示す図。

【符号の説明】

１…面発光レーザ、 ２…ポリイミド、 ３…ｐ型電極兼反射膜、 ４…基板、 ５…ｎ型電極、 ６…光ファイバ、 １１…ｐ型ＤＢＲ（上部の分布反射膜）、 １２…ｎ型ＤＢＲ（下部の分布反射膜）、 １３…位相整合層、 １６…ｐ型クラッド層（バリア層）、 １７…活性層、 １８…ｎ型クラッド層（バリア層）、 ２０…レジスト、 ２１…ＳｉＯ₂ 膜、 ２２…金属膜。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に上下２つの分布反射膜により挟ま
   れ、それぞれ電気的に独立した半導体発光領域が複数個
   形成され、少なくとも上部の分布反射膜がそれぞれの発
   光領域毎に分割され、前記基板表面に対して方線方向に
   出力光を放出する複数の半導体レーザからなり、前記発
   光領域の前記基板と平行な面の断面積が前記半導体レー
   ザ毎に異なることを特徴とする半導体レーザアレイ。
2. 【請求項２】所定の動作電流に対して各々の半導体レー
   ザの光出力が一定となるように、各々の半導体レーザの
   発光領域の一部に電流を狭窄する構造を設けたことを特
   徴とする請求項１に記載の半導体レーザアレイ。
3. 【請求項３】前記発光領域に接して前記基板と平行な方
   向に、キャリアを閉じ込めるための配線領域を設け、こ
   の配線領域を介して高移動度キャリアを発光領域に注入
   することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザアレ
   イ。