JPH07249824A - 半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents
半導体レーザ素子及びその製造方法Info
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- JPH07249824A JPH07249824A JP3949794A JP3949794A JPH07249824A JP H07249824 A JPH07249824 A JP H07249824A JP 3949794 A JP3949794 A JP 3949794A JP 3949794 A JP3949794 A JP 3949794A JP H07249824 A JPH07249824 A JP H07249824A
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
- H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
- H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
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- H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
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- H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
- H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
- H01S5/4031—Edge-emitting structures
- H01S5/4056—Edge-emitting structures emitting light in more than one direction
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】面発光型半導体レーザ素子の電流密度及び素子
抵抗を低減する。 【構成】半導体基板１上の中央部（領域II）に光注入励
起によって発振する垂直共振器構造をもつ面発光半導体
レーザを形成し、同一基板１上の面発光半導体レーザを
挟んだ位置（領域Ｉ）に上記面発光半導体レーザに光注
入励起を行う横共振器構造をもつ半導体レーザを集積化
した。 【効果】面発光半導体レーザは室温で容易に連続動作さ
せることができた。全体の素子抵抗は、領域Ｉの横方向
共振器ＤＦＢレーザに依存し、２〜５Ωの範囲、閾値電
流密度は０．５〜０．９ｋＡ／ｃｍ2の範囲であった。
高温動作については、領域ＩのＤＦＢレーザが発振可能
な温度まで動作でき、領域IIの面発光レーザは１００℃
までの連続動作が達成された。
抵抗を低減する。 【構成】半導体基板１上の中央部（領域II）に光注入励
起によって発振する垂直共振器構造をもつ面発光半導体
レーザを形成し、同一基板１上の面発光半導体レーザを
挟んだ位置（領域Ｉ）に上記面発光半導体レーザに光注
入励起を行う横共振器構造をもつ半導体レーザを集積化
した。 【効果】面発光半導体レーザは室温で容易に連続動作さ
せることができた。全体の素子抵抗は、領域Ｉの横方向
共振器ＤＦＢレーザに依存し、２〜５Ωの範囲、閾値電
流密度は０．５〜０．９ｋＡ／ｃｍ2の範囲であった。
高温動作については、領域ＩのＤＦＢレーザが発振可能
な温度まで動作でき、領域IIの面発光レーザは１００℃
までの連続動作が達成された。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザ素子、特
に光情報処理或いは光通信用の光源に適する面発光型半
導体レーザをもつ半導体レーザ素子に関する。
に光情報処理或いは光通信用の光源に適する面発光型半
導体レーザをもつ半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】面発光型半導体レーザは、２次元アレー
集積が可能などの利点をもち、光情報処理或いは光通信
用の光源としてを開発が進められている。半導体基板上
に結晶を成長する方向に共振器（垂直共振器と略称）を
形成し、出力光が半導体基板野面と垂直方向となる面発
光型の半導体レーザにおいて、電流注入により励起され
た室温での連続発振が報告されている。例えば、文献
電子情報通信学会1993年、4巻、179頁において述べられ
ている。
集積が可能などの利点をもち、光情報処理或いは光通信
用の光源としてを開発が進められている。半導体基板上
に結晶を成長する方向に共振器（垂直共振器と略称）を
形成し、出力光が半導体基板野面と垂直方向となる面発
光型の半導体レーザにおいて、電流注入により励起され
た室温での連続発振が報告されている。例えば、文献
電子情報通信学会1993年、4巻、179頁において述べられ
ている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の面発光型半導体
レーザ素子は、レーザ素子抵抗が非常に大きいことによ
り、直接電流注入だけによってレーザ発振を得る構成で
は、発振を行なわせるためには電流密度が非常に高くな
るという問題がある。上記文献に記載されている技術
は、活性層に対して直接電流注入を行って励起させた面
発光型半導体レーザの室温連続発振について述べている
が、発光可能な閾値電流密度が依然１０ｋＡ／ｃｍ2以
上と高く、レーザ素子抵抗が非常に大きいことにより熱
の発生が著しく熱放散の必要がある。高熱伝導材料を用
いた反射鏡を設けることにより放熱特性の改善を行なっ
ていいるが、室温以上の高温動作や光出力の熱飽和を避
けた高出力化については実用上まだ十分な特性が得られ
ていない。また、これらの問題に対する対策や素子構造
に関しては記述されていない。
レーザ素子は、レーザ素子抵抗が非常に大きいことによ
り、直接電流注入だけによってレーザ発振を得る構成で
は、発振を行なわせるためには電流密度が非常に高くな
るという問題がある。上記文献に記載されている技術
は、活性層に対して直接電流注入を行って励起させた面
発光型半導体レーザの室温連続発振について述べている
が、発光可能な閾値電流密度が依然１０ｋＡ／ｃｍ2以
上と高く、レーザ素子抵抗が非常に大きいことにより熱
の発生が著しく熱放散の必要がある。高熱伝導材料を用
いた反射鏡を設けることにより放熱特性の改善を行なっ
ていいるが、室温以上の高温動作や光出力の熱飽和を避
けた高出力化については実用上まだ十分な特性が得られ
ていない。また、これらの問題に対する対策や素子構造
に関しては記述されていない。
【０００４】本発明の目的は、従来の面発光型半導体レ
ーザの素子構造に起因する、高い電流密度や素子抵抗を
低減した半導体レーザ素子を実現することである。
ーザの素子構造に起因する、高い電流密度や素子抵抗を
低減した半導体レーザ素子を実現することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の半導体レーザ素子は、光注入励起によって
発振する面発光型半導体レーザと、上記面発光型半導体
レーザに光注入励起を行なう横方向共振器構造をもつ横
方向共振器型半導体レーザとを同一半導体基板上に集積
して形成した。
め、本発明の半導体レーザ素子は、光注入励起によって
発振する面発光型半導体レーザと、上記面発光型半導体
レーザに光注入励起を行なう横方向共振器構造をもつ横
方向共振器型半導体レーザとを同一半導体基板上に集積
して形成した。
【０００６】本発明の半導体レーザ素子の好ましい形態
としては、上記面発光型半導体レーザの活性層の禁制帯
幅が上記横方向共振器構造をもつ半導体レーザの活性層
の禁制帯幅より小さく、上記面発光型半導体レーザの活
性層に対して注入により蓄積されるキャリア分布の擬フ
ェルミレベル間エネルギーよりも上記横方向共振器型半
導体レーザの活性層のエネルギーが大きく、望ましくは
６０meＶ以上に設定される。
としては、上記面発光型半導体レーザの活性層の禁制帯
幅が上記横方向共振器構造をもつ半導体レーザの活性層
の禁制帯幅より小さく、上記面発光型半導体レーザの活
性層に対して注入により蓄積されるキャリア分布の擬フ
ェルミレベル間エネルギーよりも上記横方向共振器型半
導体レーザの活性層のエネルギーが大きく、望ましくは
６０meＶ以上に設定される。
【０００７】また、上記面発光型半導体レーザ及び上記
横方向共振器構造をもつ半導体レーザの活性層は圧縮又
は引張歪を生じる格子歪を持つ多重量子井戸構造にする
ことが望ましい。
横方向共振器構造をもつ半導体レーザの活性層は圧縮又
は引張歪を生じる格子歪を持つ多重量子井戸構造にする
ことが望ましい。
【０００８】更に、光励起効率を高めること及び基板に
対して垂直方向に効率良くレーザ光を引き出すために、
上記横方向共振器型半導体レーザの活性層と基板との間
に１次回折格子を形成した分布帰還(ＤＦＢ：Distribut
ed Feedback)構造を設け、面発光型半導体レーザの活性
層と基板との間に２次回折格子を形成して横方向のレー
ザ光に対して垂直方向に分離させる成分を持たせる分布
ブラッグ反射(ＤＢＲ：Distributed Blagg Reflector)
構造を設定する。また、面発光型半導体レーザを形成す
る部分に対しては、横方向共振器型半導体レーザによる
光励起だけでなく、直接電流注入できるように電極を設
けてもよいが、横方向共振器型半導体レーザに対する電
流注入用電極とは独立に駆動できるように電極を設け
る。
対して垂直方向に効率良くレーザ光を引き出すために、
上記横方向共振器型半導体レーザの活性層と基板との間
に１次回折格子を形成した分布帰還(ＤＦＢ：Distribut
ed Feedback)構造を設け、面発光型半導体レーザの活性
層と基板との間に２次回折格子を形成して横方向のレー
ザ光に対して垂直方向に分離させる成分を持たせる分布
ブラッグ反射(ＤＢＲ：Distributed Blagg Reflector)
構造を設定する。また、面発光型半導体レーザを形成す
る部分に対しては、横方向共振器型半導体レーザによる
光励起だけでなく、直接電流注入できるように電極を設
けてもよいが、横方向共振器型半導体レーザに対する電
流注入用電極とは独立に駆動できるように電極を設け
る。
【０００９】本発明の半導体レーザ素子を作成するた
め、特に、単一の半導体基板上に前述ように異なった特
性の活性層を形成するために、気相成長法の結晶選択性
を利用し、有機金属気相成長法又はガスソース分子線エ
ピタキシー法のいずれかにより活性層を成長する。
め、特に、単一の半導体基板上に前述ように異なった特
性の活性層を形成するために、気相成長法の結晶選択性
を利用し、有機金属気相成長法又はガスソース分子線エ
ピタキシー法のいずれかにより活性層を成長する。
【００１０】
【作用】本発明では、面発光型レーザの発振が、同一基
板上に形成された横方向共振器型半導体レーザからの光
注入により励起するか、電流注入とともに光注入によっ
て励起するので、発光可能な閾値電流密度を低くするこ
とができる。以下、面発光型レーザに光注入励起を行
い、面発光型レーザから低閾値でレーザ光を取り出す原
理について述べる。
板上に形成された横方向共振器型半導体レーザからの光
注入により励起するか、電流注入とともに光注入によっ
て励起するので、発光可能な閾値電流密度を低くするこ
とができる。以下、面発光型レーザに光注入励起を行
い、面発光型レーザから低閾値でレーザ光を取り出す原
理について述べる。
【００１１】図２は面発光型半導体レーザ（領域I)の両
側に横方向共振器を有する半導体レーザ（領域I)を配し
た場合のエネルギバンド構造を示す。領域Iの量子井戸
活性層の禁制帯幅Ｅg(1)を領域IIの量子井戸活性層の禁
制帯幅Ｅg(0)よりも大きく設定して、領域IIの光吸収を
促進させ励起効率を高める。実際には、領域IIの活性層
において注入により蓄積されるキャリア分布に対して擬
フェルミレベルが形成されるので、伝導帯と価電子帯に
おける擬フェルミレベル間エネルギーＥg(2)よりも大き
いＥg(3)に相当するエネルギーを領域Iの擬フェルミレ
ベル間エネルギーとして得ることができるようにする。
このとき、Ｅg(3)はＥg(2)よりも望ましくは６０meＶ以
上大きく、障壁層のエネルギー高さよりも小さいことが
効率のよい光注入励起を達成する。すなわち、領域Ｉが
領域IIの憂乱を受けずに効率よい光励起を実現するに
は、面発光レーザが発振したときの発振エネルギーを持
つ誘導放出が横方向共振器レーザの活性層において光吸
収が生じてキャリア反転分布が乱れて横方向共振器レー
ザの特性変動が生じないように、しかも領域Ｉからのレ
ーザ光エネルギーが効率よく領域IIに光吸収が行われる
必要が有る。領域Iに対して領域IIがほぼ透明となり、
光吸収損失を及ぼさないことを考慮して、光吸収特性の
実験を行った結果、禁制帯エネルギーの大きな材料はそ
の小さい材料よりも６０meＶ以上の差を有しているとき
にほぼ透明で無視し得る光吸収損失に抑制できることが
判明した。
側に横方向共振器を有する半導体レーザ（領域I)を配し
た場合のエネルギバンド構造を示す。領域Iの量子井戸
活性層の禁制帯幅Ｅg(1)を領域IIの量子井戸活性層の禁
制帯幅Ｅg(0)よりも大きく設定して、領域IIの光吸収を
促進させ励起効率を高める。実際には、領域IIの活性層
において注入により蓄積されるキャリア分布に対して擬
フェルミレベルが形成されるので、伝導帯と価電子帯に
おける擬フェルミレベル間エネルギーＥg(2)よりも大き
いＥg(3)に相当するエネルギーを領域Iの擬フェルミレ
ベル間エネルギーとして得ることができるようにする。
このとき、Ｅg(3)はＥg(2)よりも望ましくは６０meＶ以
上大きく、障壁層のエネルギー高さよりも小さいことが
効率のよい光注入励起を達成する。すなわち、領域Ｉが
領域IIの憂乱を受けずに効率よい光励起を実現するに
は、面発光レーザが発振したときの発振エネルギーを持
つ誘導放出が横方向共振器レーザの活性層において光吸
収が生じてキャリア反転分布が乱れて横方向共振器レー
ザの特性変動が生じないように、しかも領域Ｉからのレ
ーザ光エネルギーが効率よく領域IIに光吸収が行われる
必要が有る。領域Iに対して領域IIがほぼ透明となり、
光吸収損失を及ぼさないことを考慮して、光吸収特性の
実験を行った結果、禁制帯エネルギーの大きな材料はそ
の小さい材料よりも６０meＶ以上の差を有しているとき
にほぼ透明で無視し得る光吸収損失に抑制できることが
判明した。
【００１２】上記エネルギー幅Ｅg(3)とＥg(2)の差を領
域IとIIに対応して設定するために、気相成長法の結晶
選択性を利用して多重量子井戸構造活性層を成長する。
領域IIにおいて、ＳｉＯ2やＳｉＮ等の絶縁膜を用いて
一方向だけを囲うか周囲を囲った狭いパターンを形成す
ることにより、気相成長法では選択成長ができる。この
領域選択成長では、絶縁膜上に元素が成長せず、マイグ
レーションすることによってパターン内で元素の成長速
度が大きくなるため、多重量子井戸構造の活性層の量子
井戸幅を広げることができる。このとき、３元系以上の
元素を用いた混晶の量子井戸層では材料組成も変わるこ
とになるので、量子井戸幅の変化とともに実効的に禁制
帯幅に影響する。即ち、絶縁膜のパターンの内外におい
て、パターン幅と量子井戸層の成長速度及び材料組成を
制御することにより、領域の禁制帯幅に差をもたせるこ
とができ、前述のエネルギー差６０ｍｅＶ以上に設定さ
せることができる。
域IとIIに対応して設定するために、気相成長法の結晶
選択性を利用して多重量子井戸構造活性層を成長する。
領域IIにおいて、ＳｉＯ2やＳｉＮ等の絶縁膜を用いて
一方向だけを囲うか周囲を囲った狭いパターンを形成す
ることにより、気相成長法では選択成長ができる。この
領域選択成長では、絶縁膜上に元素が成長せず、マイグ
レーションすることによってパターン内で元素の成長速
度が大きくなるため、多重量子井戸構造の活性層の量子
井戸幅を広げることができる。このとき、３元系以上の
元素を用いた混晶の量子井戸層では材料組成も変わるこ
とになるので、量子井戸幅の変化とともに実効的に禁制
帯幅に影響する。即ち、絶縁膜のパターンの内外におい
て、パターン幅と量子井戸層の成長速度及び材料組成を
制御することにより、領域の禁制帯幅に差をもたせるこ
とができ、前述のエネルギー差６０ｍｅＶ以上に設定さ
せることができる。
【００１３】
＜実施例１＞図１は、本発明による半導体レーザ素子の
一実施例の構造を示す図で、（ａ）及び（ｂ）は、それ
ぞれその斜視図及びＡ−Ａ’部の断面図を示す。図示の
ように、半導体基板１上には、中央部に光注入励起によ
って発振する垂直共振器構造をもつ面発光型半導体レー
ザ（領域II)と、上記面発光型半導体レーザに光注入励
起を行なう横方向共振器構造をもつ４つの半導体レーザ
（領域I)が面発光型半導体レーザ（領域II)を挾むよう
に配置、集積して形成されている。
一実施例の構造を示す図で、（ａ）及び（ｂ）は、それ
ぞれその斜視図及びＡ−Ａ’部の断面図を示す。図示の
ように、半導体基板１上には、中央部に光注入励起によ
って発振する垂直共振器構造をもつ面発光型半導体レー
ザ（領域II)と、上記面発光型半導体レーザに光注入励
起を行なう横方向共振器構造をもつ４つの半導体レーザ
（領域I)が面発光型半導体レーザ（領域II)を挾むよう
に配置、集積して形成されている。
【００１４】本実施例の詳細な構造を製造工程と関連し
て説明する。
て説明する。
【００１５】基板面方位が（１００）から［０１１］又
は［０−１−１］方向(−符号は結晶軸座標において負
の方向を示す)に１５.８°オフした面方位（５１１）の
ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２（層の
厚さｄ＝０.５μｍ、ＮD＝１×１０18ｃｍ~3）、ｎ型Ｉ
ｎ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層（ｄ＝０.１０８μｍ、ＮD＝１×１
０18ｃｍ~3）とｎ型Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ層（ｄ＝０.
１１５μｍ、ＮD＝１×１０18ｃｍ~3）を４０周期交互
に繰り返したＤＢＲ構造の高反射膜３、ｎ型ＩｎＰ層４
（ｄ＝０.１５〜０.２μｍ、ＮD＝７×１０17ｃｍ~3）
を順次成長する。
は［０−１−１］方向(−符号は結晶軸座標において負
の方向を示す)に１５.８°オフした面方位（５１１）の
ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２（層の
厚さｄ＝０.５μｍ、ＮD＝１×１０18ｃｍ~3）、ｎ型Ｉ
ｎ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層（ｄ＝０.１０８μｍ、ＮD＝１×１
０18ｃｍ~3）とｎ型Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ層（ｄ＝０.
１１５μｍ、ＮD＝１×１０18ｃｍ~3）を４０周期交互
に繰り返したＤＢＲ構造の高反射膜３、ｎ型ＩｎＰ層４
（ｄ＝０.１５〜０.２μｍ、ＮD＝７×１０17ｃｍ~3）
を順次成長する。
【００１６】この後、領域Ｉには発振波長１.５５μｍ
に対して１次の回折格子を形成し、領域IIには上記発振
波長に対して２次の回折格子を形成するように、ホトリ
ソグラフィーによりマスクを形成し、さらにケミカル或
いはドライエッチングによって５０〜７０ｎｍ深さの周
期的な溝を形成する。次に、ＩｎＧａＡｓＰ層５（λ＝
１.０５μｍ、ｄ＝０.３〜０.５μｍ、ＮD＝５〜７×１
０17ｃｍ~3）を成長することにより、領域ＩとIIの回折
格子の段差を平坦に埋め込む。その後、絶縁膜ＳｉＮマ
スクを領域IIを囲うように形成して、ｎ型ＩｎＧａＡｓ
Ｐ光分離閉じ込め層６（λ＝１.０５μｍ、ｄ＝０.１〜
０.１５μｍ、ＮD＝３〜５×１０17ｃｍ~3）とＩｎＧａ
ＡｓＰ量子障壁層６（λ＝１.１５μｍ、ｄ＝１０ｎ
ｍ）と引張歪ＩｎＧａＡｓ量子井戸層７（λ＝１.５５
μｍ、ｄ＝１０ｎｍ）を１０周期成長する。このとき、
領域ＩではＩｎＧａＡｓ量子井戸層の厚さｄは７ｎｍと
なっており、領域IIの量子井戸層における量子準位間エ
ネルギーよりも６０ｍｅＶ以上の大きい差を設けること
ができる。
に対して１次の回折格子を形成し、領域IIには上記発振
波長に対して２次の回折格子を形成するように、ホトリ
ソグラフィーによりマスクを形成し、さらにケミカル或
いはドライエッチングによって５０〜７０ｎｍ深さの周
期的な溝を形成する。次に、ＩｎＧａＡｓＰ層５（λ＝
１.０５μｍ、ｄ＝０.３〜０.５μｍ、ＮD＝５〜７×１
０17ｃｍ~3）を成長することにより、領域ＩとIIの回折
格子の段差を平坦に埋め込む。その後、絶縁膜ＳｉＮマ
スクを領域IIを囲うように形成して、ｎ型ＩｎＧａＡｓ
Ｐ光分離閉じ込め層６（λ＝１.０５μｍ、ｄ＝０.１〜
０.１５μｍ、ＮD＝３〜５×１０17ｃｍ~3）とＩｎＧａ
ＡｓＰ量子障壁層６（λ＝１.１５μｍ、ｄ＝１０ｎ
ｍ）と引張歪ＩｎＧａＡｓ量子井戸層７（λ＝１.５５
μｍ、ｄ＝１０ｎｍ）を１０周期成長する。このとき、
領域ＩではＩｎＧａＡｓ量子井戸層の厚さｄは７ｎｍと
なっており、領域IIの量子井戸層における量子準位間エ
ネルギーよりも６０ｍｅＶ以上の大きい差を設けること
ができる。
【００１７】続いて、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光分離閉じ込
め層８（λ＝１.０５μｍ、 ｄ＝０.１〜０.１５μ
ｍ、ＮD＝３〜５×１０17ｃｍ~3）、ｐ型ＩｎＰ光導波
層９（ｄ＝１.５〜２.０μｍ、ＮD＝５×１０17〜１×
１０18ｃｍ~3）、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１０
（λ＝１.０５μｍ、ｄ＝０.１〜０.２μｍ、ＮD＝４×
１０18〜９×１０18ｃｍ~3）を順次エピタキシャル成長
する。次に、ホトリソグラフィーにより絶縁膜マスクパ
ターンを形成し、メサ状にエッチングした後、ｐ型Ｉｎ
Ｐ層とｎ型ＩｎＰ層を交互に２回繰り返した埋込層１１
を選択的に形成する。次に、ＳｉＯ2とＳｉを交互に繰
り返した誘電体ＤＢＲ構造の高反射膜１２を領域IIの上
面に形成する。
め層８（λ＝１.０５μｍ、 ｄ＝０.１〜０.１５μ
ｍ、ＮD＝３〜５×１０17ｃｍ~3）、ｐ型ＩｎＰ光導波
層９（ｄ＝１.５〜２.０μｍ、ＮD＝５×１０17〜１×
１０18ｃｍ~3）、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１０
（λ＝１.０５μｍ、ｄ＝０.１〜０.２μｍ、ＮD＝４×
１０18〜９×１０18ｃｍ~3）を順次エピタキシャル成長
する。次に、ホトリソグラフィーにより絶縁膜マスクパ
ターンを形成し、メサ状にエッチングした後、ｐ型Ｉｎ
Ｐ層とｎ型ＩｎＰ層を交互に２回繰り返した埋込層１１
を選択的に形成する。次に、ＳｉＯ2とＳｉを交互に繰
り返した誘電体ＤＢＲ構造の高反射膜１２を領域IIの上
面に形成する。
【００１８】更に、ホトリソグラフィーによりリフトオ
フを用いてｐ側電極１３を形成し、その後ホトリソグラ
フィーによりマスクを作製してドライエッチングによっ
て領域ＩとIIの素子及び電極の分離を行ってから、ｎ側
電極１４を蒸着する。最後に、スクライブして１図に示
す素子の形状に切り出す。上記実施例において、ｎ型Ｉ
ｎＰ基板１の面方位は、基板面方位が（１００）から
［０１１］又は［０−１−１］方向に１５.８°オフし
た面方位（５１１）のものを使用したが、基板面方位が
（１００）面から［０１１］［０−１−１］方向又は
［０−１１］［０１−１］方向（−符号は結晶軸座標に
おいて負の方向を示す）に０°から５４.７°の範囲で
あればよい。
フを用いてｐ側電極１３を形成し、その後ホトリソグラ
フィーによりマスクを作製してドライエッチングによっ
て領域ＩとIIの素子及び電極の分離を行ってから、ｎ側
電極１４を蒸着する。最後に、スクライブして１図に示
す素子の形状に切り出す。上記実施例において、ｎ型Ｉ
ｎＰ基板１の面方位は、基板面方位が（１００）から
［０１１］又は［０−１−１］方向に１５.８°オフし
た面方位（５１１）のものを使用したが、基板面方位が
（１００）面から［０１１］［０−１−１］方向又は
［０−１１］［０１−１］方向（−符号は結晶軸座標に
おいて負の方向を示す）に０°から５４.７°の範囲で
あればよい。
【００１９】本実施例によると、領域Ｉの横方向共振器
ＤＦＢレーザの光注入励起により、領域IIにおいて垂直
共振器をもつ面発光レーザを室温で容易に連続動作させ
ることができた。ここで、従来電流注入だけによる面発
光レーザにおいて問題になっていた１０〜２０Ω以上の
高い素子抵抗は、領域IIの面発光レーザでは光注入励起
によるため電流は流れず、問題はなくなる。全体の素子
抵抗は、領域Ｉの横方向共振器ＤＦＢレーザに依存して
おり、２〜５Ωの範囲にある。また、従来の面発光レー
ザでは１０ｋＡ／ｃｍ2以上と高い閾値電流密度に対し
て、本実施例では横方向共振器ＤＦＢレーザの１ｋＡ／
ｃｍ2より低い閾値電流密度の ０.５〜０.９ｋＡ／ｃｍ
2の範囲であった。
ＤＦＢレーザの光注入励起により、領域IIにおいて垂直
共振器をもつ面発光レーザを室温で容易に連続動作させ
ることができた。ここで、従来電流注入だけによる面発
光レーザにおいて問題になっていた１０〜２０Ω以上の
高い素子抵抗は、領域IIの面発光レーザでは光注入励起
によるため電流は流れず、問題はなくなる。全体の素子
抵抗は、領域Ｉの横方向共振器ＤＦＢレーザに依存して
おり、２〜５Ωの範囲にある。また、従来の面発光レー
ザでは１０ｋＡ／ｃｍ2以上と高い閾値電流密度に対し
て、本実施例では横方向共振器ＤＦＢレーザの１ｋＡ／
ｃｍ2より低い閾値電流密度の ０.５〜０.９ｋＡ／ｃｍ
2の範囲であった。
【００２０】従来高い素子抵抗と電流密度による発熱に
起因して、室温以上の高温動作や光出力が制限されてい
た。しかしながら、本実施例によりこれらを改善させる
ことができた。即ち、高温動作については、領域Ｉの横
方向共振器ＤＦＢレーザが発振可能な温度まで動作で
き、領域IIの面発光半導体レーザは１００℃までの連続
動作が達成された。
起因して、室温以上の高温動作や光出力が制限されてい
た。しかしながら、本実施例によりこれらを改善させる
ことができた。即ち、高温動作については、領域Ｉの横
方向共振器ＤＦＢレーザが発振可能な温度まで動作で
き、領域IIの面発光半導体レーザは１００℃までの連続
動作が達成された。
【００２１】光注入励起による面発光レーザの閾値や光
出力に関しては、以下の通りである。相向かう領域Ｉの
２つの横方向共振器ＤＦＢレーザにより励起された場
合、室温において２つの横方向共振器ＤＦＢレーザに５
〜１０ｍＡの電流注入を行って全体で２０ｍＡ以下で領
域IIの面発光レーザが発振する閾値に到った。領域Ｉの
２対の相向かうＤＦＢレーザにより励起された場合、全
体で１５ｍＡ以下で領域IIの面発光レーザの閾値に達し
た。面発光レーザの光出力は、相向かう１対のＤＦＢレ
ーザの励起による場合、室温において１０〜２０ｍＷの
連続動作が得られ、相向かう２対のＤＦＢレーザにより
励起されると、４０〜５０ｍＷの連続動作が可能であっ
た。
出力に関しては、以下の通りである。相向かう領域Ｉの
２つの横方向共振器ＤＦＢレーザにより励起された場
合、室温において２つの横方向共振器ＤＦＢレーザに５
〜１０ｍＡの電流注入を行って全体で２０ｍＡ以下で領
域IIの面発光レーザが発振する閾値に到った。領域Ｉの
２対の相向かうＤＦＢレーザにより励起された場合、全
体で１５ｍＡ以下で領域IIの面発光レーザの閾値に達し
た。面発光レーザの光出力は、相向かう１対のＤＦＢレ
ーザの励起による場合、室温において１０〜２０ｍＷの
連続動作が得られ、相向かう２対のＤＦＢレーザにより
励起されると、４０〜５０ｍＷの連続動作が可能であっ
た。
【００２２】＜実施例２＞本発明の他の実施例を説明す
る。実施例１と全く同様にして作製するが、領域IIにお
いて誘電体膜によるＤＢＲ構造高反射膜１２と隣接して
ｐ側に電極を設ける。本実施例２では、実施例１の効果
が得られる外に、従来直接電流注入だけでは素子抵抗と
電流密度が高いために、直接変調が困難であった面発光
レーザに対して、横方向共振器ＤＦＢレーザの光注入励
起を行った外部変調によりこれまでに比べて高速変調が
可能となった。
る。実施例１と全く同様にして作製するが、領域IIにお
いて誘電体膜によるＤＢＲ構造高反射膜１２と隣接して
ｐ側に電極を設ける。本実施例２では、実施例１の効果
が得られる外に、従来直接電流注入だけでは素子抵抗と
電流密度が高いために、直接変調が困難であった面発光
レーザに対して、横方向共振器ＤＦＢレーザの光注入励
起を行った外部変調によりこれまでに比べて高速変調が
可能となった。
【００２３】領域IIだけに電流注入した場合、室温にお
いて２０〜３０ｍＡの閾値電流で連続動作は得られた
が、直接変調時における３ｄＢダウンの変調周波数は５
ＧＨｚが最高であった。一方、領域IIに閾値以下の電流
を注入しておき、外部変調として領域Ｉの横方向共振器
ＤＦＢレーザの変調光信号を入力することにより、全体
で１０〜１５ｍＡの低閾値である面発光レーザの高速変
調が可能であった。変調時に得られた３ｄＢダウンの変
調周波数は１５ＧＨｚであり、変調光信号の消光比は２
０ｄＢ以上であった。
いて２０〜３０ｍＡの閾値電流で連続動作は得られた
が、直接変調時における３ｄＢダウンの変調周波数は５
ＧＨｚが最高であった。一方、領域IIに閾値以下の電流
を注入しておき、外部変調として領域Ｉの横方向共振器
ＤＦＢレーザの変調光信号を入力することにより、全体
で１０〜１５ｍＡの低閾値である面発光レーザの高速変
調が可能であった。変調時に得られた３ｄＢダウンの変
調周波数は１５ＧＨｚであり、変調光信号の消光比は２
０ｄＢ以上であった。
【００２４】
【発明の効果】面発光レーザの周辺部に設けた横方向共
振器ＤＦＢレーザの光注入励起により、従来の面発光レ
ーザにおいて素子抵抗と電流密度が高いという問題を解
決し、これまでに得られなかった素子特性として高温動
作１００℃以上と光出力４０〜５０ｍＷを達成した。ま
た、横方向共振器ＤＦＢレーザを外部変調として用いる
ことにより、これまでの面発光レーザでは実現されなか
った変調周波数を１５ＧＨｚ以上にでき、変調光信号の
消光比２０ｄＢ以上を得ることができた。
振器ＤＦＢレーザの光注入励起により、従来の面発光レ
ーザにおいて素子抵抗と電流密度が高いという問題を解
決し、これまでに得られなかった素子特性として高温動
作１００℃以上と光出力４０〜５０ｍＷを達成した。ま
た、横方向共振器ＤＦＢレーザを外部変調として用いる
ことにより、これまでの面発光レーザでは実現されなか
った変調周波数を１５ＧＨｚ以上にでき、変調光信号の
消光比２０ｄＢ以上を得ることができた。
【図１】本発明による半導体レーザ素子の一実施例の構
造を示す図
造を示す図
【図２】本発明の半導体レーザ素子の構造領域における
活性層禁制帯幅の関係を示す図
活性層禁制帯幅の関係を示す図
１:ｎ型ＩｎＰ基板 ２:ｎ型ＩｎＰバッファ層 ３:ｎ型ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ層ＤＢＲ構造高反
射膜 ４:ｎ型ＩｎＰバッファ層 ５:ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層 ６:ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光分離閉じ込め層 ７:アンドープＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ引張歪多
重量子井戸構造活性層 ８:ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光分離閉じ込め層 ９:ｐ型ＩｎＰ光導波層 １０:ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層 １１:ｐ型ＩｎＰ／ｎ型ＩｎＰ埋込層 １２:ＳｉＯ／Ｓｉ誘電体ＤＢＲ構造高反射膜 １３:ｐ側電極 １４:ｎ側電極
射膜 ４:ｎ型ＩｎＰバッファ層 ５:ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層 ６:ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光分離閉じ込め層 ７:アンドープＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ引張歪多
重量子井戸構造活性層 ８:ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光分離閉じ込め層 ９:ｐ型ＩｎＰ光導波層 １０:ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層 １１:ｐ型ＩｎＰ／ｎ型ＩｎＰ埋込層 １２:ＳｉＯ／Ｓｉ誘電体ＤＢＲ構造高反射膜 １３:ｐ側電極 １４:ｎ側電極
Claims (12)
- 【請求項１】電流注入あるいは光注入励起によって発振
する垂直共振器構造をもつ面発光型半導体レーザと、上
記面発光型半導体レーザに光注入励起を行なう横方向共
振器構造をもつ横方向共振器型半導体レーザとが同一半
導体基板上に集積して形成されたことを特徴とする半導
体レーザ素子。 - 【請求項２】請求項１項記載の半導体レーザ素子におい
て、上記面発光型半導体レーザの活性層の禁制帯幅が上
記横方向共振器型半導体レーザの活性層の禁制帯幅より
小さく設定され、上記面発光型半導体レーザの活性層に
対して注入により蓄積されるキャリア分布の擬フェルミ
レベル間エネルギーよりも上記横方向共振器型半導体レ
ーザの活性層のエネルギーが大きく設定されていること
を特徴とする半導体レーザ素子。 - 【請求項３】請求項１又は２項記載の半導体レーザ素子
において、上記面発光型半導体レーザの活性層に対して
注入により蓄積されるキャリア分布の擬フェルミレベル
間エネルギーより上記横方向共振器型半導体レーザの活
性層のエネルギーが６０meＶ以上大きく設定されている
ことを特徴とする半導体レーザ素子。 - 【請求項４】請求項目第１、２又は３項記載の半導体レ
ーザ素子において、上記横方向共振器型半導体レーザの
活性層のエネルギーは上記面発光型半導体レーザの活性
層における注入キャリア分布の擬フェルミレベル間エネ
ルギーより大きく、光導波層及び障壁層のエネルギーよ
りも小さい範囲にあることを特徴とする半導体レーザ素
子。 - 【請求項５】請求項１、２、３又は４項記載の半導体レ
ーザ素子において、上記横方向共振器型半導体レーザと
上記面発光型半導体レーザの活性層構造が、圧縮又は引
張歪を生ずる格子歪をもつ多重量子井戸構造であること
を特徴とする半導体レーザ素子。 - 【請求項６】請求項１、２、３、４又は５記載の半導体
レーザ素子において、上記面発光型半導体レーザと上記
横方向共振器型半導体レーザの各々は独立に駆動するた
めの分離された電極をもつことを特徴とする半導体レー
ザ素子。 - 【請求項７】請求項１、２、３、４、５又は６記載の半
導体レーザ素子において、上記横方向共振器は上記面発
光型半導体レーザの両側に配置された少なくとも１組を
もつことをことを特徴とする半導体レーザ素子。 - 【請求項８】請求項７記載の半導体レーザ素子におい
て、上記横方向共振器の活性層と上記基板の間に回折格
子を有する分布帰還（ＤＦＢ）構造層がもうけられ、上
記面発光型半導体レーザの活性層と上記基板の間に分布
帰還ブラッグ反射（ＤＢＲ）構造層が設けられたことを
特徴とする半導体レーザ素子。 - 【請求項９】請求項１、２、３、４、５又は６記載の半
導体レーザ素子において、上記半導体基板は基板面方位
が（１００）面から［０１１］［０−１−１］方向又は
［０−１１］［０１−１］方向に０°から５４.７°の
範囲に傾いた基板面を有することを特徴とする半導体レ
ーザ素子。 - 【請求項１０】請求項１ないし７記載のいずれかの半導
体レーザ素子において、上記横方向共振器型半導体レー
ザと上記面発光型半導体レーザ活性層の禁制帯幅の差が
上記多重量子井戸構造における量子井戸層の厚さ及び量
子井戸層を形成する材料組成によって設定されたことを
特徴とする半導体レーザ素子。 - 【請求項１１】請求項１、２、３、４、５又は６項記載
の半導体レーザ素子の作成方法において、上記横方向共
振器型半導体レーザと上記面発光型半導体レーザの多重
量子井戸構造の活性層それぞれに対して、気相成長法に
おける結晶の選択成長を行い、多重量子井戸構造の量子
井戸層厚と上記多重量子井戸層を形成する材料組成を制
御し、上記横方向共振器型半導体レーザと上記面発光型
半導体レーザの領域によって異なる活性層禁制帯幅を設
定することを特徴とする半導体レーザ素子の作成方法。 - 【請求項１２】請求項１１項記載の半導体レーザ素子の
作成方法において、上記半導体基板上の結晶層を有機金
属気相成長法又はガスソース分子線エピタキシー法のい
ずれかにより成長することを特徴とする半導体レーザ素
子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03949794A JP3296917B2 (ja) | 1994-03-10 | 1994-03-10 | 半導体レーザ素子及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03949794A JP3296917B2 (ja) | 1994-03-10 | 1994-03-10 | 半導体レーザ素子及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07249824A true JPH07249824A (ja) | 1995-09-26 |
| JP3296917B2 JP3296917B2 (ja) | 2002-07-02 |
Family
ID=12554692
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03949794A Expired - Lifetime JP3296917B2 (ja) | 1994-03-10 | 1994-03-10 | 半導体レーザ素子及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3296917B2 (ja) |
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