JPH08503816A - 表面発光型レーザーダイオード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 活性層（３）を接触層（２、４）の間に備え、かつ垂直方向の共振条件のために設けられた反射鏡（９、１９）を備えた表面発光型レーザーダイオードにおいて、半導体材料の表面が表面プラズモンポラリトンの励起のために設けられた立体的な周期構造を備えかつ薄い金属膜（５）で覆われている。

Description

【発明の詳細な説明】 表面発光型レーザーダイオード この発明は、表面プラズモンポラリトンの励起を利用した特に指向性のよい表 面発光型レーザーダイオードに関する。 ヨーロッパ特許出願公開第０４４２００２号明細書には表面プラズモンポラリ トンの励起によって作動される表面発光型半導体デバイスが記載されている。こ のデバイスは特にレーザーダイオードとして構成される。この構造は表面プラズ モンポラリトン、即ち２つの異なる媒体の境界面を伝播する横方向電気（ＴＥ） 或いは横方向磁気（ＴＭ）表面モードの励起及び放出に関する発光メカニズムに 基づいている。境界面を適当な周期構造とするとこれらのモードは電磁波で励起 される。この発光メカニズムを利用して発光ダイオード、特にレーザーダイオー ドの特性が改善される。従来の発光デバイスにおいて生ずるその効率を制限する 損失メカニズムはこれにより回避され、同時に放出される光のスペクトル幅が明 らかに減少され、外部からの量子収量が著しく高められる。発散率が６゜以下の 一定の偏光をもつ方向性のある放出が達成可能である。この場合この構造の構成 にとって重要なことは、半導体材料、即ち成長した基板の反対側の半導体表面及 びその上に形成された金属膜の表面を立体的な周期構造とすることである。この 金属膜の半導体材料と反対側の表面には表面モードが励起され、その結果表面か ら指向されて光が放出される。偏光方向は表面の粗面の周期的配列の方向から生 ずる。 この発明の課題は、強いビーム集束性を持ち、放出方向が可調整な改良された 表面発光型レーザーダイオードを提供することにある。 この課題は請求項１に記載の特徴を備えたレーザーダイオードにより解決され る。その他の構成は従属請求項に記載されている。 この発明によるレーザーダイオードは、縦型の共振器を備えた従来の表面発光 型レーザーダイオードより原理的に公知である層構造を使用する。この構造は光 の放出が表面モードの励起を介して行われるように修正される。 以下にこの発明によるレーザーダイオードの実施例をそれぞれ斜視断面図で示 した図１及び２を参照して説明する。 この発明によるレーザーダイオードは、活性層３に電流を供給するために設け られた接触層２、４と、これらの接触層の間に配置された活性層３とからなる層 構造を有する。好ましくは全体の層構成は基板１の上に成長させられている。半 導体材料の表面には、表面モードを励起するために必要な立体的な周期構造が例 えばエッチングにより形成されている。図１の実施例ではこの表面は上側の接触 層４の上に成長したカバー層１０により形成されている。このように構造化され た表面に例えばアルミニウム、金或いは銀からなる薄い金属膜５が設けられてい る。この金属膜５の厚さｄ５は非常に薄いので、例えば金属膜５は半透明である 。金属膜５の代表的な厚さｄ５は０．０１μｍ乃至０．１μｍである。図１にお いては表面モードを励起するためのその他の標準的な表面構造寸法が示されてい る。その重要なものは、周期長Ｌｇ、金属膜５から活性層３までの最小距離ａ、 及び高さｈ、即ち金属膜５で被膜された半導体表面から活性層３までの最小距離 と最大距離との差である。 縦型共振器はこのレーザーダイオードにおいては、層面に対して垂直方向に共 振条件を生ぜしめるために活性層３の上側及び下側に反射鏡が配置されることに より形成されている。図１の実施例では１つの反射鏡９が基板１と下側の接触層 ２との間に設けられている。上側の反射鏡は反射性の金属膜５がその代わりをし ている。反射鏡９は単一の層或いは異なる屈折率及び好ましくはそれぞれ波長の １／４の厚さを持つ半導体層を重ね合わせた複層から構成することができる。こ の発明によるレーザーダイオードにおいて特に有利なことは、上側の反射鏡の機 能は既に金属膜５により満たされているのでこれを省略できるということである 。カバー層１０を省略して、上側の接触層４の表面に周期構造を形成することも できる。作動電流を印加するために必要な接触部は基板１が導電性である場合に は例えば図示のように設けられる。即ち、半導体表面の周期構造の領域に凹部を 備え、この凹部に薄い金属膜５が設けられた接触部７がレーザーダイオードの上 面に設けられる。しかしまた金属膜５は全面にわたって設けることもできる。こ の場合金属膜は電気的接続のための接触部として充分作用する。導電性基板１の 下 面には対向接触部８が設けられている。下側の接触層２はその場合省略して、活 性層３への電流注入は反射鏡９によって行うことができる。接触層２がある場合 には、対向接触部はこの接触層２の成長していない或いはエッチングにより露出 された表面に直接設けることもできる。基板１はその場合半絶縁性とすることも できる。図示の構造に付加して金属膜５の表面は、図１において一点鎖線で示さ れるように、誘電体６で覆ってもよい。ヨーロッパ特許出願公開第０４４２００ ２号明細書に記載されるように、このような誘電体６からなる層は高次の表面モ ードの励起に役立つ。この誘電体６はまた数個の異なる誘電体の複層構造として も形成できる。 図２には活性層の上部にも固有の反射鏡１９が設けられた異なる実施例が示さ れている。この反射鏡１９は上側の接触層４とカバー層１０との間にある。Ｇａ Ａｓの材料系で構成されるレーザーダイオードにおいては基板は例えばＧａＡｓ である。活性層３も同様にＧａＡｓである。接触層２、４はＡｌＧａＡｓである 。カバー層１０も同様にＡｌＧａＡｓからなる。反射鏡９、１９は好ましくはＡ ｌＧａＡｓとＡｌＡｓとを交互に積層した複層構造である。活性層３はまた量子 井戸構造としても形成される。ＧａＡｓの材料系においては特に活性層３がＧａ ＡｓとＩｎＧａＡｓとを交互に積層した複層構造とするのが有利である。ＩｎＧ ａＡｓはＧａＡｓよりエネルギーバンドギャップが小さいので、その場合反射鏡 ９、１９をＡｌＡｓとＧａＡｓとを交互に積層した複層構造とすることができ、 エピータキシー成長が容易となる。このレーザーダイオードの簡単な構成におい ては上側の反射鏡及びカバー層１０は省略され、半導体材料の表面の立体的な周 期構造が活性層３の対向側の上部接触層４の表面に形成される。上側の反射鏡１ ９はそれぞれ活性層に生ずるビームの波長の１／４の厚さを持つ種々の屈折率の 複層構造とするのがよい。 従来の表面発光型レーザーダイオードは表面に対してほぼ垂直に放出する。こ の発明によるレーザーダイオードにおいて行われるような鋭い光放出方向の集束 は従来のレーザーダイオードでは例えばレンズのような付加的な光学手段によっ て初めて達成される。この発明によるレーザーダイオードでは表面モード放出を 介して付加的に種々の可調整方向への光発射が達成される。表面構造を形成する ことと上述の寸法を適当に選ぶことによって特定の角度に向けた放出が行われる 。さらに放出される光の偏光面が調整される。周期構造を比較的厚い上側の接触 部７により制眼することにより放出の範囲は側方に制限される。この発明による 構造はＧａＡｓの材料系に限定されるものではない。表面モードの制振は波長が 大きくなるにつれ減少するから、表面モードの励起及び放出メカニズムは特に赤 外線領域において効果的である。ただこの場合波長の格子周期を適合させなけれ ばならない。活性層３に生じたビームの波長が所定のとき格子周期（周期長Ｌｇ ）によりその放出方向が定まる。従って表面における周期構造の寸法を決め活性 層３の半導体材料の組成を選択することにより、放出方向が定まる。周期構造は 、図に示されるように、互いに平行した溝により形成される。この溝の方向にお いては周期性はない。このような実施例の代わりにヨーロッパ特許出願公開第０ ４４２００２号明細書に記載されたような周期構造とすることもできる。例えば 特に互いに平行配置された溝からなる２つの互いに垂直に交わる群がそれぞれ隣 接する溝に対して同一間隔を持つようにした十字格子とすることができる。この 構造はその場合層構造の面において各方向に周期的である。溝は、互いに平行し た橋絡部からなりそれぞれ隣接した橋絡部に対して同一の間隔を持つ十字状に向 いた群により代替することもできる。溝或いは橋絡部の外形は、矩形状或いは円 形状、尖端状、正弦波状或いは多角形状とすることができる。 この発明によるレーザーダイオードは、そのデバイスが簡単に製造可能な構造 であるにもかかわらず所定の方向に著しく集束された表面放出を可能にする。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．活性層（３）と作動電流を印加するための接触部（７、８）とを備えた半導 体材料からなる表面発光型レーザーダイオードであって、 活性層（３）と反対側の半導体材料表面に立体的な周期構造を備え、 少なくともこの構造を備えたこの表面領域に金属膜（５）が設けられ、 この構造の高さ（ｈ）及びこの構造のそれぞれ１周期の長さ（Ｌｇ）、この金属 膜（５）から活性層（３）までの最小間隔（ａ）及び金属膜（５）の厚さ（ｄ５ ）が、レーザーダイオードの作動時に活性層（３）と反対側の金属膜（５）の表 面に表面モードが活性層（３）に生じた光子によって励起されるように設定され ているものにおいて、 この周期構造と反対側の活性層（３）の面に縦型共振器を形成するための反射鏡 （９）が単一層或いは複層構造として設けられていることを特徴とする表面発光 型レーザーダイオード。 ２．活性層（３）と金属膜（５）との間にもう１つの反射鏡（１９）が設けられ ていることを特徴とする請求項１記載のレーザーダイオード。 ３．反射鏡（９、１９）が種々の屈折率の半導体層の複層構造であることを特徴 とする請求項１又は２記載のレーザーダイオード。 ４．活性層（３）がＧａＡｓであり、各反射鏡（９、１９）がＡｌＧａＡｓ及び ＡｌＡｓを交互に重ねた複層構造であることを特徴とする請求項１乃至３の１つ に記載のレーザーダイオード。 ５．活性層（３）がＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓを交互に重ねた複層の量子井戸構 造であり、各反射鏡（９、１９）がＧａＡｓ及びＡｌＡｓを交互に重ねた複層構 造であることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載のレーザーダイオード。 ６．立体的な周期構造がカバー層（１０）の表面に形成されていることを特徴と する請求項１乃至５の１つに記截のレーザーダイオード。 ７．金属膜（５）が接触部（７）の空所に設けられていることを特徴とする請求 項１乃至６の１つに記載のレーザーダイオード。 ８．金属膜（５）が同時に接触部（７）を形成していることを特徴とする請求項 １乃至６の１つに記載のレーザーダイオード。 ９．活性層（３）が層面に対して垂直方向にこれに接する接触層（２、４）の間 に配置されていることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載のレーザーダイ オード。