JPS5936988A

JPS5936988A - 垂直発振型半導体レ−ザ

Info

Publication number: JPS5936988A
Application number: JP14812682A
Authority: JP
Inventors: Mutsuro Ogura; 睦郎小倉; Takafumi Yao; 隆文八百
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1982-08-26
Filing date: 1982-08-26
Publication date: 1984-02-29
Also published as: JPS6412114B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明しｒ１ヘテロ半導体薄膜の多層構造を用いた垂面
発振！チリレーザに関するものである。

垂直発振型レーザは、レーザ光の出射方向が基板に垂１
ｈであるため、へき開による光共振器の製作が不要であ
り、半導体レーザの集積化、高出力化、高信頼性化の有
力な手段として有望視されてきた。しかし、垂直発振型
レーザにおいては、活性層の囁厚さ〃がレーザの壱効長
になるため、同一励起条件でのレーザ利得が、従来構造
の数十分の−となり、室温連続発振が困難になることは
免れなかった。

また、実際の素子を作成する場合、基板側のミラーの形
成が困難であυ、例えば、１．活性層に用いる材料を、
基板よシも低エネルギバンドギャップ側に選び、基板を
レーザ光に対し、て透明とした上で基板に、金属反射膜
を設ける、２゜基板を裏側からエツチングし、下部クラ
ッド層を廃用した上で、金属反射膜を設ける、等の方法
が提案されているが、前者は、活性層と基板との組み合
せが限定されること、基板でのレーザ光の損失が無視で
きない等の欠点があり、また後者は、基板のエツチング
を必要とするため、集積化が難しいこと、エツチング後
の活性層およびクラッド層の厚さの合計は少数μｍ程度
と極めて薄く、機械的な強度が弱くなるという欠点があ
った。

本発明は、これらの諸問題を解決するためになされたも
ので、誘電率の異なる二種類のへテロ半導体薄膜を、１
／４管内波長の周期で半導体基板上にモノリシックに成
長させることにょシ、高い反射率と波長撰択性を持った
反射層と、レーザ利得を発生する活性層とを連続的に形
成することができ、発振波長が安定で、集積化、大出力
化が可能な垂直発振型半導体レーザを生産性よく提供す
るものである。

本発明の原理乃至基本的実施例を示す第１図において、
／Ｆｉ、多層へテロ半導体薄膜にょ多構成された上部リ
フレクタ乃至波長選択性ミラー、コは少数ギヤリア注入
が行なわれ、発光領域となる粘ｔ１一層、３は、上部リ
フレクタと同一構造を有する下部リフレクタ乃至波表選
４パ性ミラー、νけ、Ｊ’、　５１−：　Ｍ造を・保持
する基板、７はレーザ光の出射方向である１、上部および下部リフレクタは、そのカロ折率変化のシ、
（本周期がレーザ光の管内波長の１／２となっている。

この１／２の屈折率の基本周期は、１／４１’？内波長
の整数倍の厚みを持つ高屈折率媒質ｊと、同じ＜１／４
管内波長の整数倍の厚みを持つ低）ｔｉ（折率／Ｓ質６
とから構成された多層薄膜で構成するか、あるいはりフ
レフタのＪ厚み方向の組成等を１／２管内波長を周期と
して、連続的に変化させることにより得る。

活性層のＪψさは、位相条件より１／２管内波長の整数
倍に設定される。

活性層Ｖ１、第１図に示すように均質な半導体のｐｌＬ
接合で構成される場合と、活性層自体が１／２波長の整
数倍の基本周期を持つ場合か考えられるリフレクタおよび活性層における屈折率の分布は、本発
明によれば第２図（α）〜（σ）が考えられる。紀２図
１（ｎ）は、活性層コがＶ２管内波長の均質な半導体の
ｐｎ接合で構成され、リフレクタｌ。

３が１／４管内波長の高屈折率媒質ｊと低屈折率媒質６
との１畳構造で構成された例を示す。第２図（ｂ）は、
屈折率が連続的に、管内波長の１／２の周期で変化する
ことにより干渉性リフレクタ／、３を構成した例を示す
。第２図（Ｃ）は、活性ＮＩ−も１／２波長の周ルＪの
屈折率変化を持つ例で、いわゆルＤＦＢ　（ｄｉｓｔｒ
ｉｂｕｔｔｅｄ　ｆｅｅｒｌ　ｂａｃｋ　；分布帰還）
型のレーザを構成した例である。活性層の位相条件を満
たすために、中央の高屈折率媒質の厚さが１／２管内波
長に設定されている。

第２図（勾は、上部および下部反射層に活性層よりも広
バンドギャップで低屈折率の材質を選んだ場合を示す。

本構造では、反射層による光の吸収が低減され喝に煙波
長域でのレーザ発振に南利となる。

第２図（ｇ）は、上部反射層の多層膜の重畳回数よりも
下部反射層の多層膜の型骨回数を増し、下部の反射層の
反射率を増加させた例を示す。

下部の反射層の反射率を増加することによシ、レーザ光
出力の基板側への放出を除去することが可能となるため
、レーザの効率を増加することができる。

第２図（イ）は、活性層内に反射層とは異なった周期の
屈折率の分布を形成した例を示す。本例では、−上部お
よび下部反射層はそれぞれ１／４管内波長の高屈折率媒
質と低屈折率媒質との周期構造から構成され、活性層は
１／２管内波長の半導体と１／４管内波長の低屈折率媒
質の周期構造により構成されている。後述するように、
周期の異なった屈折率分布により、シングルモート１発
振に必要な広い縦モード間隙と光共振器の鋭い波長撰択
性を同時に満たすことができる。本例では活性層は、そ
の中央に、移相板を兼ねた１管内波長の厚さの半導体層
−′を含んでいる。、第２図（σ）は、上部および下部
の反射層内と活性層内で屈折率の変化の周期を変化させ
た場合を示す。このように、１／４管内波長を基本長と
して、活性層媒質、低屈折率反射層、高屈折率反射層を
自由に設置することによシ、任意の光共振器特性を持つ
垂直発振型半導体レーザを構成することが可能となる。

上記垂直発振型レーザは、第５図（α）　、　（ｂ）に
示すように２種類の電流注入の方法が考えられる。

第３図（α）は、ｐｎ接合を基板ｔに平行に、レーザ光
の出射方向７に垂直に形成した場合、（ｂ）は、ｐｎ接
合を基板グに垂直に、レーザ光の出射方向７に平行に形
成した場合を示す１、（ａ）の構造の利点としては、ｎ
層およびｐ層を順次エピタキシャル成長するのみでｐｎ
接合が形成されるため、製作が容易であること、ｐｎ接
合がレーザ出射方向に対して面状に広がるため、レーザ
光の出射面積および積分強度が強いこと等が挙げられる
。

（ｂ）においては、電流を多層反射層を通じて流す必要
がないため、レーザの寄生抵抗を減少できること、７）
？Ｌ接合がレーザの共振器に沿って形成されるため、レ
ーザ利得の得られる距離が長いこと等の利点があり、低
しきい値電流で高効率な動作が期待できる。

以下本発明による垂直発振型レーザをＧａＡｓ／ＡｌＧ
ａＡｓ　多層へテロ構造で実現した具体例を述べ、基本
特性および応用例につき詳述する。

第４図は、第２図（α）および、第６図（α）に示□し
た構成をＭＢ　Ｅ　（ｍｏｌｅｏｕｌａｒ　ｂｅａｍ　
ｅｐｉｔａｘｙ　）　　あるいはＭＯＣＶＩ）　（ｒｒ
Ｉｅｔａｌ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｖａｐｏｕｒ　ｐｈａｓ
ｅ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　）法により実現した例を示
す。図中第３図と同じ番号は、同一部分を示し、ｊは、
上部ｐ型電極、乙は下部ｎ型電極を示す。活性層コの上
下は、干渉型反射層／、３にはさまれておりｎ”ＧａＡ
ｓ基板グ基板上て垂直に光キャビティを形成する。

第５図に、第４図で示した垂直発振レーザのバンド図を
示す。上部および下部干渉型反射膜／、３は、それぞれ
レーザ光（０，９μｒｎ）の１／４キヤビテイ波長に対
応する６５ｎｍのＧａＡｓ薄膜’Ｉ＋占と６６？Ｌ７１
ＬのＧａｏ、ｔ、Ａ１０，３ＡＳＮ　／ｌ　＋　３ｖ　
　との数十層程ｍ−の積層構造を持つ。また、活性層コ
は、それぞれ厚さ５μｍ程度のＰ　ＧａＡｓ層、２Ｉお
よびｎ”−ＱａＡ８層、２２　から構成される。上部電
極ｊを下部電極乙に対して、２ｖ程度の電位に保持する
ことにより、電子および正孔電流がそれぞれｐ型および
ｎ型の上部および下部反射層を通じて中央の活性層に供
給され、再結合して発光する。

発光スペクトラムのうち、波長０．９μｍのもののみは
、上部および下部反射層／、３にょシ閉じ込められ、レ
ーザ発振状態となる。レーザ光の一部は、上部電極ｊの
中央に設けられた窓から垂直に放射される。

第５図においては、上部干渉型反射層ｌは、Ｐ　Ｇａｐ
ｓ　／＋　、とＰ　ＧａＡｌｋｓ　／２　　とから構成
されているが、ＧｉＺＡ＆　／１あるいはＧａＡｌＡｓ
　／２　　のいずれかは、ノンドープで差支えない。同
様に下部干渉型反射層３は、ｎ”ＧａＡｓ　３＋とｎ＋
ＧａＡｌＡ３　Ｊ２とから構成されているが、ＧａＡｓ
　３＋あるいはＧａＡｌＡｓ３２のいずれかがノンドー
プであっても導電性は妨げられない。また、第５図にお
いて、活性層−を省略し、第２図（Ｃ）に原理を示した
ように上部および下部反射層におけるＧαＡ８層’＋　
＋　３１を発光領域として利用することも可能である。

第６図は、第２図（ａ）および第５図（ｂ）に示した構
ｂｌヲ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系のへテロエヒ゛タキ
シャル技術と、拡散技術によシ実現した例を示す。

図中、第４図と同じ符号を記した部分は同−葬Ｙｈｋ費
素を示し、ｇは、ｐ型拡散領域りはｎ型拡散領域を示す
。

ＧａＡｓ１ＡＩＧａＡｓ系に代表される、ｍ−ｖあるい
はＩＩ−Ｖｌ化合物の連続へテロエピタキシ＾・ル技術
を用いると、第２図および第６図に示したすべての構成
は１．成長時における膜厚のコントロールにより実現す
ることができる３、以下では、第２各図中に示した種々の屈折率分布、膜厚
分布および反射層の重畳回数と、光共振器の損失および
波長特性の数値計算例を示し、本垂直発振型レーザの実
現性、特性等を説明する１、第７図は、第４．５．６図に示された、ＧａＡｓ／Ａｌ
ｏ、３Ｇα。７Ａ８多層反射層の重畳回数と反射率およ
びこれらの上下多層反射層で両端をはさまれた光共振器
の０．９μｍにおける反射損失の伝達マトリクス法によ
る計算結果を示す。前述のように、反射層は一層が６５
層ｍのＧａＡｓ層と６６層ｍのＡｌｏ、３Ｇａ６５Ａｓ
層とから構成されており、重畳回数１回につき反射層の
厚みは０．１３μｍ増加する１、反射層の両端は、Ｇａ
Ａｓ層に接続されているとして反射率が計算されている
。従って、上部反射層が空気に接している実際のレーザ
共振器の場合よりは、高い反射損失を与えている。

尚、この計算に用いた屈折率は、ＧａＡ３に対して３．
５９０、Ａｌａ、３Ｇａｎ、ワＡｓに対して５．３８５
である。。

また０、９μｍに対するＧａｐｓの損失αは２６ｃｒｎ
　　を用いた。また反射層内のＧａＡｓ層が励起された
場合を想定して、α＝０　α＝　−３０（３０ｃｒｎ−
’の利得）の場合も図示している。０．９μｍにおける
Ａ、ｌ　ＧＣＬＡｓ層の損失は無視［７ている。

第７図中の曲線Ａは、励起されていないＧａＡｓ層とＡ
１０．、Ｇａ。、、Ａｓ層の多層反射層の、共振器損失
と、重畳回数の関係を示したもので、第２図（α）の構
成に対応するものである。共振器損失は、７０層付近ま
で、２０層の重畳ごとに１桁ずつ減少している。

図中の横破線は、ＧａＡＳと空気との境界による反射率
（０，５６５）　　を示す。損失曲線との交点の（＼ｒ
置から明らかなように、本干渉型反射層がＧａＡｓ−空
気界面の反射率を示すには、約１０層すなわち１．６μ
ｍの厚さが必要である。また６０層の繰り返ｌ−を有す
る干渉反射層は反射率で、０．９９７　、共振器損失で
０．６４　Ｘ　１０−２を示す。半導体レーザの発振条
件は、活性層におけるレーザ利得が光共振器の損失を越
える状態すなわち（ｇ−α）・Ｌ＞１ｎ（１／ｒ２）で示される。ここでσおよびαは、単位長当りのレーザ
利得および媒質の損失、Ｌは、活性層の実効長（厚さ’
）　、ｉｎ　（１／ｒ”）は、光共振器の損失、ｒは電
界反射率である。例えば、４μｍの１早さの活性層が、
２５ｃＩｎ’の平均利得を持つ程度に励起されたとする
と、その積分利得は１０″２のレベルとなる。この積分
利得は６０層の繰り返し、を有する光共振器の損失レベ
ル０．６４×１０−“２を越えている。２５ｃｍ−’の
平均利得は、室温にて、６ＫＶＣ−一μｍ程度の励起レ
ベルで実現できることから、以下の結論を導くことがで
きる。すなわち、４μｍの厚さの活性層を、土工６０層
（７，７μフル）の干渉型反射層ではさんだ構造を持つ
垂直発振型レーザにおいて、５Ｋ　）ｙ’ｃＪ−μｍの
励起電流を加えることによシ、室温連続発振が可能とな
る。

第７図中の曲線ＢおよびＣは、ＧａＡｓ中の損失が０お
よび一５Ｑｃｍ　’　（５０ｃｍ　’の利得）の時の共
振器損失を示し、第２図（Ｃ）の構成を想定している。

ａａｈｓ鳩が励起され、媒質の損失が打ち消された曲線
Ｂの場合は、繰シ返し回数が数十層以上においても、光
共振器ロスは飽和することなく単調に減少する。曲線Ｃ
は、反射層中のＧａＡｓ層が、３０ａｎ”の利得を持つ
場合を示す。曲線ＣＦｉ、反射層の繰シ返し回数が６０
層にて共振器損失が零となることを示しておシ、上下各
６０層の干渉型反射層のＧａＡ３の部分に、５０ｏｎ’
のレーザ利得が生ずると、レーザ発振が可能であること
が分かる。以上述べた例は、レーザ利得が均一な活性層
あるいは、反射層のいずれか一方のみに発生した場合を
示すが、レーザ利得を活性層と、反射層（周Ｍ構造を持
った活性層）の両方に分担させることも可能で、後述す
るように、発振スペクトラムの安定化を目的と［７た、
光共振器の設Ｈ１がｉ）能となる。

発振波長を９　Ｑ　ＱｔＬｍからＢ７５ｎｍへ短縮する
と、ＧａＡｓの損失は２６ｃｍ’から１０Ｃ１［１ｃｒ
ｎ−”　ヘ増加する。

その結果ＧａＡｓを反射層の高屈折率媒質に用いた場合
には、第８図の破線に示すように、光共振器の損失は１
０−１以下には下がらなくなる。第８図は反射層に用い
る高屈折率媒質に、活性層よりもエネルギーギャップの
大きなＡｌｏ、ｔＧα０．。Ａｓを用いるととＶＣより
、反射層による吸収の効果を除去した場合を示す。反射
層がＡｌａ、＋　Ｇ（ＬＯ，１ＩＡ１１とＡｌｏ、ｉ　
Ｇａｏ、ヮＡｓとの積層で構成された場合、約５０層で
０．１．８０層で０．０１の共振器損失を示している。

ＧａＡｓ／ｋｌｏ、ｓ　Ｇａ０．ヮＡｓで構成された反
射層に比較して、重畳回数に対応した共振器損失の低下
は少ないが、反射層の損失による共振器損失の停留は消
滅している。ＧａＡｓ／Ａ　ｌｎ、ｘ　Ｇａｐｓと同程
度の屈折率比を持つ’ｋ　ｌ’ｔｏ、ＩＧａｏ、＊　Ａ
ｓ／ＡＪｏ、４Ｇαｏ、ａＡｓ　　で構成された反射層
全１１いた場合、第７図Ｂに示した共振器損失曲線とほ
ぼ同程度の値が得られている。）更にｋ１６．＋　Ｇａ
ｏ、。Ａｓ／Ａｌｏ、ａ　Ｇｔｒｏ、＋Ａｓ　　で構成
された反射層を用いると、３０層程度の重畳回数で共振
器損失０．０１が得らルている１１以上示したように、
反射層は、活性層よりもエネルギーギャップの大きなも
の葡用い、更に反射層内の屈折率比すなわち組成比の差
を大きく取ることが、損失の少ない共振器を作るために
は重要である。

ＡｌＧａＡｓ　　系においては、Ａｌの組成が肌３を越
えるとキャリア纏度が減少し伝導率を高く保つことが離
しくなる。このような場合には、ＡｌＧａＡｓを通して
電流を流す第３図＠）の方式よ！Ｄｉｄ、活性層のみに
電流を通ずる第５図（ｂ）の方式の方が有利となる。

６０層のＧａＡｓ／Ａｌｏ、ｓ　Ｇａ、、ｑＡｓで構成
された多層反射）ｆＩｉを用いた光共振器の損失および
位相の波長依存性？ｒ：第９図に示す１、この例では、
各層の膜厚は、９００ｎｎｔの１／４ｖ内波長に設定さ
れているため、９０ＣＪｎｎｔで１次波と２回反射波と
の位相差は零となり、損失０．６４　Ｘ　１０−’を得
ている。但し位相条件を無視した光共振器損失は媒質の
損失がｌＦＪ波長側で増加するために、若干長波長側で
最小イ＋ｂを持つ。本例は、活性層の厚さを１／２管内
波長すなわち０．１２μｍ　としているため、位相の回
転すなわち縦モー・ドの間隙が２０層ｍ程度に拡大され
ている。活性層を厚くすることによシ、れぞれ１／２λ
（０，１３μｍ）、１０／λ（１，５μｍ）、５ｅλ（
５，８μｙｒｔ）、１００／λ（１５μｍ）と変化させ
た時の共振曲線、第１１　図（ａ）　、　（ｂ）　、　
（Ｃ）　、　（ｄ）は、各共振曲線の９ＱＯｎｍ付近を
拡大したものである。第１０図から明らかなように、９
ＱＯｎｍにおける共振点と、次の縦モードの間隙および
ピーク比は、活性層が厚くなる程小さく々つており、一
方第１１図に示すように、活性層が厚くなる程９００ｎ
ｍにおける共振曲線は、鋭くなっている。すなわち、縦
モードの安定性を示す縦モード間隙、ピーク比は、活性
層が短い方が有利であるが、レーザ光のスペクトラム純
度あるいＦｉ雑音に対応する共振器の鋭さは、活性層が
厚い方が有利となシ、目的に応じて活性層の厚さを選ぶ
必要がある。実際、活性層の厚さが１３μｍの第１０図
（ロ）の場合は、９００ｎｍと、９０５ｎｍにおける共
振値がほぼ等しくなシ単−縦モード発振は望めない。

一方、第１１図に示すように、光共振器のＱは、活性層
の厚さが０．１３μｍの←）図に対し、１３μｍの（ｄ
）図は、約１０倍大きくなっておシ、レーザ光の雑音の
帯域中も、約１００倍程度、小さいことが予想される。

縦モードの安定性と、雑音特性との排他関係は、第２図
のおよび（ｇ）に示すように、活性層あるいは、多層反
射層に周期の異なった屈折率分布を設けることによって
解消される。第１２図（α）。

（ｂ）は、それぞれＧａｋｓ　１０／４管内波長ごとに
Ａム、。

Ｇａ、、Ａ８１／４管内波長を挿入し、０．７μｍ周期
の屈折率分布を上下１０層ずつ計２０層作成した場合と
、ＧａＡｓ　５／４管内波長ごとにｋｌＯ，ＨＧ（Ｚｇ
、？ＡＪｌ　１／４管内波長を挿入し、０．３８μｍ周
期の屈折率分布を上下２０層ずつ計４０層作成した場合
の共振曲線を示す。

活性層の長さが（ａ）図においては１５μｍ　、　（ｂ
）においては１６μηＬと第１０図（ｄ）に比して長い
にもかかわらず、主ピークと副ピークとの比はそれぞれ
４：１．５［］：１　　と単−縦モード発振が可能な大
きさになっている。第１３図（ａ）　、　（ｂ）に、第
１２図の共振曲線のピーク付近を拡大した図を示す。第
１５図（（Ｌ）　、　（６）は、第１１図（ｄ）と同程
度の共振器Ｑを持つことが分かる。

以上示したように、本発明による垂直発振型。

レーザは、屈折率分布の周期や重畳回数を各仕様に応じ
最適化することによって、発振波長や、縦モード安定度
、雑音特性、出力等を自由に設定することが可能となる
。

以上、１／４管内波長を基本周期とした、ＧａＡ３／Ａ
ｊＧａＡｓ系多層膜で説明を進めたが、連続ヘテロエピ
タキシィか可能で格子整合を取ることが可能な系であれ
ば、本発明を適用することが可能である。適用可能な例
としては、Ｕ−Ｖｔ族では、ＧａＡｓ基板上亜鉛カルコ
ゲナイド系が、また１ｔ−ｖ族においては、ＧｒＬＩｎ
ＡｓＰ系、ＧａＡＩＩｎＰ系、ＧａＡｌＳｂ系、が挙げ
られる。

°また、以上の議論は、１／４管内波長すなわち数十ｎ
ｍの範囲では均質な屈折率分布を仮定してきたが、１／
４ｖ内波長を基本周期とした屈折率分布に重畳して、数
十Ｘ程度のエネルギーギャップの周期を伺けることによ
シ光に対しては従審の議論が成立し、キャリアに対して
は、量子効果が発生するような構造も考えられる。第１
４図は、上部および下部リフレクタの高屈折率媒質およ
び活性層を６０ＸのＧａｋｓと、ＡＪＧａＡ８の超格子
で形成した例を示す。電子および正孔は、巾６ＯＡの量
子井戸ｉｏに閉じ込められて、量子化される一方、レー
ザ光は、ＧａＡａ／ＡｌＧａＡｓ超格子の平均的な屈折
率ｎｗと、反射層の大エネルギ−ギャップにおける屈折
率′ｒＬｃとの差を感じて、回折を受ける。

一般に、電子井戸分布の単位体積あたりの密１ｙヲ変化
することにより、量子井戸を形成するのＶＣ必装な数十
大巾の低エネルギーギャップ領域と、数十ｎｍを周期と
した屈折率分布を同時に形成することが可能と々す、量
子井戸を有するために、しきい値電流の温度依存性が小
さい、母結晶よりも高エネルギ側の発光が得られる等の
利点を持った垂直発振型半導体レーザを得ることができ
る。

第１０図から第１３図において、活性層の厚さおよび屈
折率分布による、共振曲線の差異を示したが、この差異
は主に、活性層における位相回転の変化によると考えら
れる。そこで、更に活性層内部あるいは、活性層に隣接
して、外部変調可能な移相器を設けることＫよシ、外部
から発振条件を変化させることが可能となる。第１５図
（ａ）　、　（ｂ）は、活性層に隣接して、ｐｎ接合の
空乏層を利用した移相器を設けた例を示す１゜第１５図
（α）は、第４図に示したＧａｐｓ／ＧａＡ　Ｉ　Ａｓ
系垂直発振レーザの活性層を形成するｐｎ接合−に重畳
１〜て、基板に対し°Ｃ平行なｎｐ接合／ｌと、このｎ
ｐ接合に、上層反射層／を通じて逆バイアスを加えるた
めの電極／コとから形成される変調器付垂直発振レーザ
を示す。本レーザは、上部電極よと下部電極ｔとに順方
向電流を通じ、活性層−を励起状態に保った後に、変調
用１η極／ｌＩと上部電＄ｊＬｊに逆バイアスを加える
ことにより、キャリアの空乏による位相条件の変化を利
用して位相整合を行なうものである。第１５図（ｂ）は
、線層／６、上部反射層ｌが形成されておシ、上部反射
層／中に形成されたｎ散拡散層／ダおよびｐ型拡散層／
！をｎ型電棒／コおよびｐ′ｍ電極／３を用いて逆バイ
アス状態に保つことにより、上部反射層の屈折率を変化
させることができる。上部反射層の屈折率の変化は、多
層反射層の光学的距離全変化させるため、多層反射層の
最大反射率を示す波長を変化させることが可能となる、
すなわち、ｐｎ接合を用いた移相器を用いると、振巾変
調と同時に、レーザ光の周波数変調が可能となる。

半導体レーザは、順方向通電により外部変調することが
可能であるが、ｐｎ接合等を用いた移相器を用いると、１、少数キャリア励起に必要な大電流を制御する必要が
ないので、高速変調が容易である。

実際、ＫｃＬｒｒ効果や、空乏効果を利用した移相器は
、電気的には、キャパシタンスに見よるので、発振条件
を変化させるために１１とんと。

電力を必要としない。

２、変調に伴って、少数キャリアの空間的な分。

布を変化させないので、少数キャリアの再拡散に伴う変
調遅れ、変調波形の歪が少ない。

６、位相条件を変化させることによシ、順方向通電によ
る変調では不可能であった半導体レーザの周波数変調が
可能となる。

等の利点がある。

第１６図は、第４図に示した垂直発振型レーザの上部お
よび下部電極！、乙をそれぞれ、ｊα〜！ｄ、ｔα〜６
ｄにまで４分割した場合を示す１１例えば上部電極のｊ
α、ｓｂと、下部電極ｔｂ間にバイアス電圧を加えた場
合、上部および下部の導電性反射層および活性層を流れ
る電流は、図中の流線Ａに示すように鉛直、方向から傾
く。従って、活性層の上部では、右側での励起が強く、
１下部では左側の励起が強くなるため、レーザ光の出力
は、若干斜に傾いてくる。また、レーザ光を鉛、直に出
射したい場合には、４組の電極すべてに補正しながら、
上部と下部電極の対を適当に選んでゆくと、第１６図に
示した構造で、任意の角度にレーザ光を偏向させること
が可能となる。

第１７図は、前記垂直発振型レーザを用いて、Ｇａ、ｋ
ｓ半絶縁性基板上にレーザマトリクスを作成した実施例
である。本実施例のレーザマトリクスは、上部電極／、
反射層コ、≠、活性層ｌからなるレーザ本体コ、３．Ｉ
Ｉ、ｎ＋導電層／７、素子分離用絶縁膜／どおよびＧα
Ａ８半絶縁性基板／／とから構成されている。上部電極
／とｔＬ＋導電層／７との組み合わせを選ぶことにより
、上部電極／とｎ′導電層／７が交叉した場所でのレー
ザ本体コ。

３．１．ｔを順方向通電することができる。従って、ｎ
＋４Ｎ層／７の任意の本数に負電圧を加えながら上部Ｍ
Ｌ　＠ｔ、　／を順次アー、ス電位に保持してゆくと、
水平方向のレーザアレイの発光バタンを変化させながら
順次垂直に掃引することができる３、本の一直線状のレ
ーザアレイを用いて高速ラインプリンタあるいは、２５
６×２５６のレーザアレイを用いることにより、画像パ
ターン発生器や、立体ホログラム発生器を構成すること
ができる。

また多層反射膜や活性層媒質の吸収係数が光あるいは少
数キャリアによる励起の有無によって可逆的に変化する
ことを利用すると、レーザマトリクスによる光メモリを
作成すると店が可能となる。例えば、第４図の垂直仝振
型レーザにおいて、レーザに発振しきい値よシもわずか
に低い順方向電流が流し続けられた状態を考える。この
状態で、外部から励起光を照射すると、上部反射層内の
ＧａＡｓ層が励起状態となシ、レーザ光に対する吸収係
数が減少するため、第７図に示すように、等測的に光共
振器の損失が減少し、発振状態に移行させることが可能
である。

いったん発振状態に々ると、自己のレーザ光のみで、反
射層中のＧｃＬＡｓ層を励起状態に保つことが可能とな
シ、外部励起光なしでレーザ発振を続行することが可能
となる。

このような、発振状態のヒステリシス状態は、光学的に
セット可能な光メモリを実現する。

また、レーザ発振の前後でレーザダイオードの直列抵抗
が変化するため、レーザの動作状態を電気的に読み取る
ことも可能となる。

このメモリ効果を第１７図に示したレーザマトリクスに
応用すると、外部からのレーザ光の照射バタンに応じて
、各セルの発振状態を変化させることのできる、光メモ
リが実現できる。この光メモリを板数の外部励起光源と
対応させ、外部光源の強度を適当に調節することにより
、光学的な、ＡＮＤ−？ＯＲ回路を形成することが可能
となる。

このような光メモリ効果は、ＧａＡ３においては、１０
０に程度の低温、においてのみ観測し得るものであるが
、第１４図に一例を示したように、部子井戸を用いると
、エキシトンの寿命が長くるため、常温においてもレー
ザ発掘のヒスηシスが現われる。更に、月子井戸に束縛
され二次元エキシトンによる屈折率の非線形現象！を用いると、室温においてより安定な光メモリを作成す
ることができる。これを以下に説明する。

第１８図において、面発光レーザの上部反射層／の上に
、２種の誘電体膜Ａ、Ｂの多層積層膜−〇を堆積し、更
にその上に透過率を適当に設定し。

た金稙薄膜ユ／を堆積する。Ａ　、　Ｂ’のバンドギャ
ップＥｇＡｐ　ＥＯＢ及び厚さｄＡ、ｄＢは次のように
する。

Ｅｇｈ　＞　Ｅ（７Ｂで、かつ、ｄＢは霜“１子又は正
孔のド・ブロイ波長の２倍よりは小さく、かつ、ｄＡは
、ド・ブロイ波長の程度か、それより大きいものとする
。このような条件下では、少くともＢ中の電子、正孔は
２次元量子化され、その電子状態は離散的な値をとる。

第１９図にそのバンドダイアグラムを模式的に示してい
る。このような物質の吸収係数は、模式的に第２０図示
のようになる。

ＥｅＪは二次元エキシトンの励起エネルギを示す。Ｅ６
ＺよりもＡＴ程度長波長側に、レーザの発振波長を選ぶ
と、レーザ光強度に対し、第２０図に現れたエキシトン
の効果にょシ誘電率が変化する。

第１８図においては、多層Ｍ２０の屈折率が垂直発振レ
ーザの出射光強度によって変化するため、金り反射層、
２／および上部反射層ｌによって構成された光共振器の
透過率がヒステリシスを持ち、第２１図のようになる。

このような光双安定現象は、光論理回路エレメント、光
スィッチ、光メモリとしての用途と同時に、レーザ出力
の安定器としての効果を持つ。１だ第２２図に示すよう
に、金稙反躬層コ／の代わりに１ど同様な多層放射層−
一を用いることも一＋Ｊ　ｆｉｌ：であるし、Ｍ子井戸
を用いないで第２５゜２４図示のように適当な波長分散
媒質、２３′ｆ：用いることもｂ］能である。

更に、第１８．２２．２５．２４図に示した４！）造に
おいで、１〕部反射層／（ｔ−薄クシ、その透過率を＾
めると、波長分ｉｉ４媒質２０．ココからの活性層Ωへ
のトリ光の位相が、垂直発振レーザ自体の発振条卜合−
・決定する。すなわち、波長分散媒質の厚さを適当に設
定すると、レーザ光の出力が増加すると、戻り光の位相
を逆位相に変化させ全体の共振器Ｑを下げ、レーザ光の
出力が低下すると、戻り光の位相を正位相に変化させ全
体の共振器Ｑ（ｔ−上げることにより、内部電界すなわ
ち、訪導放躬の強度を一定に保つことが可能と々る。

活性層ど、波長分散媒Ｐ（との相合共振器を持つ上記レ
ーザは、出射光レベルおよび素子のインピーダンスが、
第２５図および第２６図に示すように、同時にヒステリ
シスを持つため光出力レベルが量子化され、より非線形
度の高い光メモリ素子、より光出力の安定度の陥い垂直
発振壓レーザを実現することかｉり能となる。

本発明の構造を持つ垂１頁発振型１／−ザの特徴を列挙
すると、 ■　同一基板上に、格子整合が保たれながら下部反射層
、活性層、−上部反射層を、連続的に形成できるため、
素子の構造が、化学的、機械的に安定であり、１だ、生
産性が良い。

１１　　レーザの出射方向を基板に垂１打にしたために１１−１　　出射光の面積を大きくすることができるた
め、数Ｗ以上の大出力レーザが作成できる。

ｎ−２活性層および出射端面における光強度を低くでき
るので、長寿命化が図られる。

１］１竹開而を反射面として用いないので、ＩＩ＋　−
１集積化が容易である。特に２次元レーザマ）　ＩＪク
スは、本構造を用いて初めて作成可能である。

ｌｌｌ−２９開に伴うＱ：ｉａ　ｒＭ’ｌの損傷がない
ので生産の歩留りが良い。

１１１−５臂開に伴って残留する弾性歪が発生しないの
で長寿命化が期待できる。

■　干渉性薄膜を光共振器の反射層に用いるので、従来
の光レジスト技術では製作不可能であった、１／４波長
周期の反射器を精度良く作成できる。従って、反射層の
反射効率および波長選択性が高く、低閾値電流で、高い
発振波長安定性を得ることができる。

波長分散媒質および、電界制御位相板をモノリジクに付
加できるため、高速変調レーザや光メモリが、容易に実
現できる。

ということになる。また、最近発達しつつあるＭ　ＢＥ
　（Ｍｏ１ｅｃｕｌＣｔｒ　Ｂｅａｎ　Ｅｐｉｔａｘｙ
　）技術＊用イル、！：、上記の反射層に必要な多層構
造をｎ−ｗ、あるいは１ｕ−Ｖ族化合物半導体により再
現性良く製作することは比較的容易である。

以上述べたように、本発明は従来実用化されているファ
ブリペロ−型、あるいはブラッグリフレクタ型半導体レ
ーザに比較して、出力、寿命、発振波長安定性、集積の
容易さ、製造時の歩留り等、はとんどすべての点で優れ
ており、今後半導体が進出するであろうすべての分野、
゛例えば、光通信、ビデオディスク、レーザプリンター
、画像パターン発生器、パワーレーザ光メモリ等で従来
の構造を置き換えると思われる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の垂直発振型レーザの概略構１成図、第
２図は同垂直発振型レーザの様々な屈折率及びバンド図
、第３図は異なる電流注入構造の概略構成図、第４図は
一実施例の斜視図的な概略構成図、第５図は第４図示構
成の一実施例におけるバンド図、第６図は第２図（α）
、第３図（ｂ）に示した構成による実施例の概略構成図
、第７，８図は縞４〜６図示構成による実施例のり７レ
クタの重畳回数と共振器損失の説明図、第９図は発振波
長対共振器損失の説明図、第１０図は各実施例における
共振曲線図、第１１図は第１０図中の波長９ＤＯｎｍ付
近の拡大説明図、第１２図は他の実施例の共振曲線図、
第１３図は第１２図中のピーク伺近の拡大説明図、第１
４図は指子井戸を持つ実施例の屈折率及びパン七゛の説
明図、第１５図は移相器を有する実施例の概略構成図、
第１６図はレーザ光偏向能を有する実施例の概略構成図
、第１７図は本発明レーザにてレーザマトリクスを組ん
だ応用例の概略構成図、第１８図は更に他の実施例の概
略構成図、第１９図及び嬉２０図は、第４図示構成例の
それぞれ、バンド及び吸収係数の説明図、第２１図は同
じくその動作ヒステリシスの説明図、第２２図、第２５
図及び第２４図は、それぞれ、第４図示構成の改変実施
例の概略構成図、第２５図及び第２６図は非線形を強め
た場合の光出力、素子インピーダンスの各ヒステリシス
の説明図、である。図中、ｌは上部リフレクタ、コは活性層、３は下部リフ
レクタ、≠Ｃｊ基板、である。第９．１′￥１（ｄ）笥、？）：　１Ａ（ｅ）払１＝１１シト　　　　　　フニーＦＩＬキーセ・ノフ
６篩了閃４厚　（ｕｍ）吏・瞥回狡（Ｎ）笥０− 免畳Ｇ牧（Ｎ）瀉９１番づ侍トンエ′ ２０４０第１１図（Ｑ）８９９　　　　９００　　　　９０１沢　畏　（ｎｍ）第１１図（ｂ）Ｂ９９　　　　９００　　　　９０１Ｊ　　災　（ｎｍ）第１１図（ｃ）９Ｌ　　表　（ｎｍ）第１３図（０）孤　長（ｎｍ　）第１３図（ｂ）ｉ翫　炙　（ｎｍ）第１５図（ｂ）第１６図（Ｑ）第１６図（ｂ）第２２図（９１人屯シＬ）第２３［望　　　　第２４図第２５図　　　　第２６図 χ〃１仇　　　　　ゝ”電１

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体基板上に、該基板の主面に対して縦方向に
連続的に形成された下部リフレクタ、活性層、上部リフ
レクタを有し、該下部及び上部リフレクタはへテロ半導
体薄膜の多層構造から成ることを特徴とする垂直発振型
半導体レーザ１、
（２）　　へテロ半導体薄膜の多層構造における屈折率
の厚さ方向における分布がレーザ光の媒質内波長の１／
４の整数倍の周期を持つ特許請求の範囲（１）に記載の
レーザ。
（３）　　へテロ多層膜が屈折重大の第一媒質と屈折率
率の第二媒質の積層構造で構成され、各媒質の厚さがレ
ーザ光の媒質内の波長の１／４×整数倍である特許請求
の範囲（１）又は（２）に記載のレーザ３、
（４）へテロ半導体薄膜の多層構造の厚さ方向の分布の
周期が同一レーザ共振器内で変化することを特徴とする
特許請求の範囲（１）　、　（２）　、　（３）のいづ
れか一つに記載のレーザ。
（５）活性層の厚さがレーザ光の媒質内波長の１／２の
整数倍である特許請求の範囲（１）に記載のレーザ。
（６）活性層は、１／４管内波長を基本周期とした屈折
率分布を持ち、内部に１／２管内波長の整数倍の厚さの
移相板を含むことを特徴とする特許請求の範囲（１）又
は（２）に記載のレーザ。
（７）上部および下部リフレクタの屈折率の基本周期と
、活性層の屈折率の基本周期が異なることを特徴とする
特許請求の範囲（２）　、　（４）　、　（６）のいづ
れか一つに記載のレーザ。
（８）活性層の屈折率の基本周期が、同一レーザ内で変
化することを特徴とする特許請求の範囲（２＞　、　（
４）　、　（６）　、　（７）のいづれか一つに記載の
レーザ。
（９）ヘテロ半導体薄膜の多層構造の一部が活性層と同
一の半導体桐材で構成された特許請求の範囲（１）に記
載のレーザ。Ｏｎ　　上部および下部リフレクタが、活性Ｊ−よりも
エネルギギャップの大きい牛導体材料で構成された特許
１ｉＩｌｉ求の範囲（１）に記載のレーザ、０υ　活性
層を構成するｐｔＬ接合が、レーザ光に垂直かつ基板に
平行に形成された４１’請求の範囲（１）に記載のレー
ザ。Ｏａ　　活性層を構成するｐｎ接合がレーザ光に平行か
つ基板に垂直に形成された特許請求の範囲（１）に記載
のレーザ３．０：３　　下部のへテロ半導体薄膜の多層構造の重畳回
数を上部の半導体薄膜の重畳回数よりも増加させた特許
請求の範囲（１）又は（２）に記載のレーザ。０Φ　活性ノーと同一の半導体桐材で構成された・＼テ
ロ半導体薄膜の反射ノーの部分にも少数キャリアを注入
し、多層反射層にも利得を持たせることを特徴とする特
許請求の範囲（１）、（２）、（９）のいづれか一つに
記載のレーザ、０→　活性層およびペテロ半導体薄膜の格子定数の整合
景仰が満たされた特許請求の範囲（１）に記載のレーザ
。０１　　活性領域にｌｉ４接して、’ｉｒ、気的に制御
可能な移相器を設置し、重速変調機能を持たせたことを
特徴とする特許請求の範囲（４）に記載のレーザ。 ◇η　半導体ｐｎ接合の逆バイアス条件時に発生する空
乏層を移相器として用いたことを特徴とする％１ｆ−１
−祠求の範囲ｏ０に記載のレーザ。０榎　上部および下部リフレクタに繞設される電極を分
割し、電流注入径路を変化することにより出射光の偏向
を可能にした特許請求の範囲（１）にｉ己載のレーザ１
、（１１％許請求の範囲（１）に記載の垂直発振型レーザ
を１マトリクスに組んだ半導体レーザマトリクスＧ！ｎ　　活性層に隣接して、移相器のマトリクスを有
し、高速バタン発生能を持つことを特徴とする特許鱈り
求の範囲０りに記載のレーザ５、（２′ｌ）　　下部リ
フレクタの外にｐｎ接合を設け、発振出力がモニタでき
ることを特徴とする特許請求の範囲（１）に記載のレー
ザ。（至）　活性層への電流の注入位置を基板からの距離に
応じて変化させることにより出射レーザ光を偏向’ａＪ
能な特許請求の範囲（１）に記載のレーザ。い）　上部リフレクタの上に、二種の誘電体薄膜を多層
積層し、史に、金属反射膜を積層し共振器構造を形成し
て光双安定素子機能を持たせた特許請求の範囲（１）に
記載のレーザ。０４）　　上部リフレクタの上に、二種の誘電体薄膜を
多層積層し、更に、上部リフレクタと同様な構造の多層
反射層を積層し、共振器構造として光双安定素子機能を
持たせた特許請求の範囲（１）に記載のレーザ。（ホ）　上部リフレクタの上に、誘電体膜を積層し、更
に、全域反射膜を積層し、共振器構造として光双安定素
子機能を持たせた％許蹟求の範囲（１）に記載のレーザ
。（ハ）十Ｒ１へりフレフタの上に、誘電体膜を積層し、
更に、上部リフレクタと同様な構造の多層反射層を積層
し、共振器構造として光双安定素子機能を持たせた特許
請求の範囲（１）に記載のレーザ。勿　上部リフレクタの透過率を増加させ、活性層と、二
種の多層反射膜による複合共振系を持つことを特徴とす
る特許請求の範囲（ハ）、　ＱＡ）。（ハ）、＠のいづれか一つに記載のレーザ。（ホ）特許請求の範囲（ハ）から勿までのいづれか一つ
に記載のレーザを複数個用いて光メモリとしたレーザ。（ハ）特許請求の範囲（ハ）から０７）までのいづれか
一つに記載のレーザを複数個用いて光論理回路を組んだ
レーザ。員　光双安定機能を光安定機能として用いたことを特徴
とする特許請求の範囲に）から（ロ）までのいづれか一
つに記載のレーザ。６１）　　リフレクタ、活性層を、ＭＢＥ技術によシ連
続成長する方法。（財）　リフレクタ、活性層を、ＭＯＣＶＤによシ連続
的に作成する方法。