JPS6010685A - 分布帰還型面発光半導体レ−ザ装置 - Google Patents

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】 技術分野 本発明は、少なくとも屈折率の周期的変化による分布型
の帰還結合により発光させる分布帰還型半導体レーザ装
置、特に、半導体層を多段に積層して面発光をさせるよ
うに構成した分布帰還型面発光半導体レーザ装置に閏す
るものである。

従来技術 一般に、長距離光通信用光源として高速変調時に単一モ
ード発振を得るに好適なレーザ装置としてこの種分布帰
還（ＤＦＢ　）型半導体レーザ装置の研究ＵＨ発が進め
られているが、従来のこの種分布構成し１回折格子によ
る屈折率の周期的変化に共振した縦モードの発光を用い
たものであって、再現性の良好な単一モード化に問題が
残されており、構造の非対称化および短共振器化を必要
とするなど、種々の問題があった。

すなわち、従来の回折格子ご用いた分布帰還型半導体レ
ーザ装置においては、回折格子を形成した半導体層の表
面上に他の半導体結晶層を成長させるので、その結晶成
長の過程にてさきに形成した下地表面上の回折格子の形
が崩れてしまい、回折格子の保存が困難であった０また
、キャリヤ集中による発光領域の活性層の近傍に回折格
子が形成されるために、回折格子を形成した下地表面上
に形成する半導体層の結晶に不整が生ずる恐れがある。

さらに、回折格子による等１曲的な屈折率の変化は大き
くなし得ないので、分布帰還のための結合猟数を大きく
なし得ないために、分布帰還モードの発光を得るために
は回折格子の格子数を増大させねばならず、共振器長が
長くなるので、単一モード化が困難となる０しかも、回
折格子は、その格子間隔が狭いうえに、格子端面の切り
方が難しく、良好に位相整合のとれた反射端面を形成す
るのが困難であり、そのうえ、共振可能の縦モードが回
折格子によって決まる波長の前後に二つ存在するので、
二様の縦モード発振が同時に生ずる恐れがあるなど、回
折格子を用いた従来の分布帰還型半導体レーザ装置には
幾多の欠点があった。

一方、分布帰還により発振する半導体レーザ装置を短共
振器化して単一モードを得るには、半導体レーザ装置を
面発光を行なうように構成するのが好適であることが知
られており、多層構造の半導体層の両端面に同様に多層
構造にしてプラグ反射を行な、わさせるプラグレフレク
タ分設けた分布プラグ反射（ＤＢＲ）型半導体レーザ装
置の開発が試みられているが、プラグ反射型半導体レー
ザ装置には、前述した再現性の良好な単一モード化とい
う分布型半導体レーザ装置に共通の問題のほかに、多層
構造とするプラグレフレクタは通常の金属薄層による反
射鏡に比して格段に厚くなるために半導体レーザ装置の
短共振器化が困難であるうえに、多Ｊｉｉｙ構造の共振
発光層とプラグ反射層との整合が困難であるという本質
的な間、題があり、未だ十分な性能をもって実用化し得
るには到ってお　ｊらず、良好な性能をもって高速変調
可能の単−縦モード発振２行なう半導体レーザ装置は未
だ実現されていない。

本発明の目的は、上述した従来の欠点ご除去し、多層構
造の半導体層に容易に電流を注入して短共振器化し、単
−縦モードの分布帰還共振により強力な面発光を行ない
得るようにした分布帰還型面発光半導体レーザ装置を提
供することにある。

すなわち、本発明分布帰還型面発光半導体レーザ装置は
、それぞれ結晶ご形成する■族元素およびＶ族元素の互
いに異なる組合わせよりなる活性半導体層とｐｎ接合半
導体層との複数層を半導体基板上に交互に積層して構成
し、少なくとも一方の端面に電流路を局限するように構
成配置した電極層を設けて電流を注入することにより、
前記複数層における光屈折率および光増幅利得の周期的
変化に共振して発光するようにしたことを特徴とするも
のである。

実施例 以下に図面を参照して実施例につき本発明の詳細な説明
する。

まず、本発明分布帰還型面発光半導体レー・ザ装置の基
本的構成例を第１図に示す。図示の構成による半導体レ
ーザ装置は、結晶成長可能な■族元素とＶ族元素との組
合わせよりなり、キャリヤの集中により活性領域をなし
て発光する活性半導体層、例えばｈ　ＧａｌｎＡｓＰ層
と、同様に結晶成長可能な■族元素と■族元素との他の
組合わせよりなり、電流の注入に寄与するｐｎ接合半導
体層、例えばｐｎ接合ＩｎＰ層とを多段に積層した多層
構造の半導体装置の両端面に、電流？流すためのｐ型お
よびｎ型の半導体層、例えばＩｎＰ層号それぞれ被着し
たものを、半導体基板上、例えばｎ型工ｎＰ基板上に設
け、かかる構成の透明な半導体装置の両端面に反射鏡と
しても作用する金属電極薄層をそれぞれ設けて電圧を印
加し、活性半導体層とｐｎ接合半導体層との交互積層に
よる屈折率と光増幅利得との周期的変化に共振した単−
縦モード発振を一方の端面から取出すようにしたもので
ある。

すなわち、第１図示の構成による分布帰還は、活性領域
たるＧａＩｎＡＳＰ層４０とｐ型ＩｎＰ層５０およびｎ
型ＪｎＰｈ　６　ｏよりなるｐｎｎ接合牛体体層の多段
積層によって生じ、図の中央部に矢印全もって示す経路
工０により共振して発光する。また、図に示すように、
ｎ型ＩｎＰ基板３０上に結晶成長させたｎ型ＩｎＰ層８
５を被着し、その上に上述したＧａＩｎＡｓＰ　ＩＭ　
４０、Ｔ”！ｐ　工ｎＰ　Ｉ’；４５０およびｎ型Ｉｎ
Ｐ層６０２順次交互に結晶成長させて積層被着し、かか
る積層構造の最終ＧａＩｎＡｓｐ層４０上にｐ型ＩｎＰ
層７０分結晶成長させて被着Ｔる。かがる積層構造によ
る共振発光の波長をλとし％　ＧａｌｎＡｓＰ層の屈折
率なｎ工と１１ｎＰ層の屈折率をｎ２としびｎ型のＩｎ
Ｐ層５０および６ｏよりなるｐｎ接合造に電流を流子た
めに両端面に被着するｎ型およびｐ型のＩｎＰ基板３お
よび７０は、図に示すように、積Ｎ構造における各層厚
より厚くする０かかる構成の半導体装置？適切な厚さ、
例えば１００ミクロン程度の厚さにしたｎ型工ｎｐ基板
上に設け、限定する開口をイｆする絶縁層、例えばｓ、
１−ｏ２層８０を介して、例えばＡｕ　／　Ｚ　ｎもし
くはＡｕ１０ｒの合金よりなる透明なｐ側（＋）ｍ極薄
Ｅ４１ｏｎを下端面に被着Ｔるとともに５同様に中央部
に設けて共振経路１０の領域を限定する開口を有する絶
縁層、例えば５ｉｏ２層９０を介して、例えばＡｕ／Ｓ
ｎもしくはＡｕ　／　Ｇｅの合金よりなるｎ側（−）電
極薄層１１０を下端面に被着しである。

つぎに、第１図示の基、本釣１，１η成による本発明分
布帰還型面発光＃！−導体レーザ装置の動作を説明する
と、まず、両端電極薄層１００，１１０間に電圧な印加
して多層構造の牛導体装盾に電流を流すと、キャリヤは
最初に最上段に位置するＧａＩｎＡＳＰ層４０中に閉じ
込められ、その結果、キャリヤの反転分布が形成されて
、レーザ媒質となるＧａＩｎＡＳＰ活性領域が構成され
る。ついでｓ　ｐｎ接合半導体層５０．６０のリーク電
流もしくは逆バイアスによるトンネル電流により、第２
段以下に位置する各　ＩＧａＩｎＡｓＰ　層４１０に順
次にキャリヤが閉じ込められて順次に活性領域を構成し
て行く。各段のＧａＩｎＡＳＰ層４０の活性化により発
生した光は、ＧａＩｎＡＳＰ層傷０とＩｎＰ層５０．６
０とにおける屈折率ｎ□とｎ２との周期的変化および光
増幅利得の周期的変化に共振して、その周期的変化によ
り選択的に定まる波長にてレーザ発振をおこす。しかし
て、かかる半導体層の積層構造によれば、層間に大きい
結合係数が得られるので、レーザ発振をおこさせるに要
する共振器長を短かくＴることができ、したがって、異
なる波長による発振モードの間隔を広くとることができ
るので、単一モードのレーザ発振を容易に得ることがで
きる。また、上端面の反射電極薄層１００との間に設け
たｐ型ＩｎＰ層７０の層厚を適切に調整することによっ
て両端の反射鏡面に良好に位相整合した反射光が得られ
るので、レーザ発振をおこさせる注入電流の閾値を低減
させて、容易にレーザ発振をおこさせることができるＯ つぎに、第１図示の基本的構成による本発明半導体レー
ザ装置の製造過程を第２図（ａ）乃至（０に順次に示し
て説明すると、まず、第２図（ａ）に示すように、ｎ型
ＩｎＰ基板８０上に適切な層厚にして電流な流子ように
したｎ型ＩｎＰ層８５を結晶成長させて破着し、その上
に、ＣａＩｎＡＳＰ層４０、ｐ型ＩｎＰ層５０およびｎ
型ＩｎＰ層６ｏを反復して順次に積層した後、最上段の
ＧａＩｎＡｓｐ層４ｏ上に、前述したように適切な層厚
にして反射電極層との位相整合を調整するとともに電流
を流すためのｐ型ＩｎＰ層７０を結晶成長させて被着す
る。ついで、第２図（匂に示すように、上述のようにし
て構成した多ＦＦ！Ｉ構造の牛導体装盾の上端面に絶縁
層とする３１０３層８０を被着した後に、後で載断して
複数個のレーザ発光素子とするに適した間隔にて共振経
路１０に対応した円形ＩＪｆｔＪ口を蝕刻により形成す
る。

ツイテ、ｍ　２　図（ｃｕ、：示−ｒ　、１：　ｅ）　
ニ、ｎ　ｆＪＩ　ＩｎＰ基板３゜の下面を慣用の方法に
より研磨して、その厚さを適切な値、例えば前述した１
００ミクロン程度にした後に、＠２図（ｄ）に示すよう
に、ｎ型工ｎＰ基板３０の研磨した下端面に、上端面に
おけると同様に絶縁層とするＳｉ０２層９０を被着して
、上端面の５ｉｏ２層８０に形成した各開口にそれぞれ
対向させて同様の開口を蝕刻により形成する０しかる後
に、第２図（句に示すように、上端面の５ｉｏ２層８０
を覆って例えばＡｕ　／　Ｚｎ　、　Ａｕ　／　Ｑｒ等
の合金薄層を全面に被着するとともに、下端面の５ｉ０
２層９０を覆つ・て例えばＡｕ／　Ｓｎ　、　Ａｕ　／
　Ｇｅ等の合金薄層を全面に被着し、それぞれｐ側（＋
）電極層１００およびｎ側（−）電極層１１０とする。

ついで、上下端面の５１０２層８０．９０にそれぞれ設
けた各開口がそれぞれ中央部に位置するようにして複数
ブロックに載断つぎに、第１図示の基本的構成において
逆ノくイアスしたｐｎ接合による電流注入の作用効果を
増大させるようにした本発明半導体レーザ装置の他の構
成例を＠３図に示す。第３図示の構成は、第１図示の基
本的構成における各段のｐｎ接合半導体層、ｐ型ＩｎＰ
層５０とｎ型工ｎｐ層６０との間にｐ　型ＩｎＰ層５５
およびｎ＋型ＩｎＰ層６５人な介挿することにより、逆
バイアスした超階段ｐｎ接合を形成しく　１１　） てトンネル効果による電流注入を促進し、レーザ発光を
おこさせるに要する注入電流の閾値を低減させ、強力な
レーザ発光が確実容易に得られるようにしたものである
。

なお、第１図および第８図に示した本発明半導体レーザ
装置の構成例においては、いずれも、半導体基板８０を
ｎ型ＩｎＰ半導体を用いて形成したが、半導体基板８０
はｐ型Ｉｒ１Ｐ牛導体とすることもできる。なお、その
場合には、第１図示および第８図示の構成における各半
導体層および各電極層のｐ型とｎ型とをすべて逆の組合
わせにする。

また、第１図および第８図に示した構成例における多層
構造の半導体装置における各層への電流注入は、各層間
のリーク電流もしくはトンネル効果により縦方向に行な
っているが、多層構造の半導体装置における光共振経路
１０を含む中心部領域に対し、周辺部領域を不純物の拡
散によりｐ型頭域もしくはｎ型領域とすることにより各
層への電流注入を横方向に行なわせるようにした構成例
　有を第４図（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示す。

（１２） 第４図（ａ）　、　（ｂ）に示Ｔ構成例において多層構
造半導体装置の周辺部の全体に亘って斜線を施した部分
が各半導体層の結晶成長後にｐ型不純物を拡散させて形
成したｐ型頭域ｌであり、各半導体層の周辺部における
ｐ型頭域１から中心部のｎ型領域に対して横方向に電流
を注入してあり、もって、各段の活性半導体層、丁なわ
ち、ＧａＩｎＡｓＰ　Ｍ５４０に対するキャリヤの注入
、閉じ込めが第１図示、第３閾示の構成におけるよりも
一層容易となるようにしである。また、第４図（ａ）に
示した構成例においては、上端面に被着する絶縁層とし
ての５ｉ０２層８０を中心部の光共振経路１０を含むｎ
型領域に対向する部分のみに局限するとともに、下側端
面に被着する絶縁層としての５ｉｏ２層９０の中心部に
形成する開口を著しく拡大して、第１図および第３図に
示した構成例においては、いずれも、太い矢印にて示す
光出力２０を上端面開口から取出子のに対し、第４図（
ａ）に示す構成例においては光出力２０を下端開口から
取出すようにしである。

また、第４図（ｂ）に示す構成例においては、ｎ型Ｉｎ
Ｐ基板８０の研磨した下端面には反射鏡としてのみ作用
Ｔる金属薄層１２０のみを適切に被着し、ｐ型頭域１に
対向して環状に形成したｐ側（＋）電極薄層１００と中
心部のｎ型領域に対向して小型に形成したｎ側（−）電
極薄層１１０とのみを、絶縁層は設けることなく、上端
面のみに設けて、光出力２０号下端而面ら取出し、片面
からのみ電圧を印加し得るようにして、後述するような
光集積回路の構成を特に容易にするとともに、半導体基
板３０を半絶縁性にもなし得るようにしである。

また、以上に説明した構成例においては、いずれも、活
性半導体層４０をＧａＡｓ半導体により形成するととも
に、ｐｎ接合半導体層５０，６０、両端面半導体層８５
．７０および半導体基板８０を工ｎＰ半導体により形成
しであるが、これらの半導体材料は、上述した例の組成
に限ることなく、結晶成長可能の■族元素とＶ族元素と
の異なる組合わせご任意に用いることができ、例えば、
半導体基板８０をＧａＡＳ半導体により形成するととも
に、活性半導体Ｎ４ｏをＧａＡＳ半導体により形成し、
ｐｎ接合手導体層５０．６０をＧａ１ＡＳ半導体により
形成するなど、結晶成長が可能な限り、任意所望の組成
の半導体を適切に組合わせても、前述したと同様の本発
明による作用効果を得ることができる。

つぎに、上述のように構成する本発明分布帰還型面発光
半導体レーザ装置におけるレーザ発振の条件を検討した
結果について説明すると、上述した多層構造の半導体装
置における屈折率ｎおよび光増幅利得αの周期的変化が
正弦波状に生ずるものと仮定して、それぞれの変化の大
きさをｎｄおよびαｄとすると、実数部をＫｒとし、虚
数部をＫｉとする層間の結合糸数にはつぎの（１）式に
よって表わされる。

πｎｄ　αｄ Ｋ−Ｋｒ＋ｊＫｉ　−−＋３−（１） λ　２ ここに、λは共振発光の波長である。

一方、多層構造の半導体素子の累子長し１光増幅利得α
、離調率δ、光伝搬定数γおよび結合・糸数にの間には
つぎの（２）式の関係が成立つ。

（α−ｊδ）Ｌ−±ＫＬ　ｃｏｓｈγＩＩ４．　（２）
（１５） に必要な光増ｊ喘利得αの閾値を計算した結果は第５図
に示Ｔようになり、素子長りに対Ｔる閾値利得αの関恍
を計算した結果は第６図に示すようになる。

しかして、第１図示の構成により実際に得られる屈折率
の変化の大きさｎｄは、ＧａＩｎＡｓＰ半導体層と工ｎ
Ｐ半導体層との組合わせにより波長λ＝１．６μｍの共
振発光が得られたときにはｎｄ−０，１８５となり、前
述した他の組成例におけるＧａ１．Ａ／、Ａｓ’半導体
とＧａＡＳ半導体との組合わせにおいてχ−０，７とし
たときにはｎｄ＝０．２２６となった。したがって、結
合係数にの実数部Ｋｒは、上述の組合わせの例について
、それぞれ、８６２４ｏＴｎ　および’１９７Ｂｏｒｎ
　となることが期待される。また、前者の組合わせの例
において素子長りをＬ　−６μｍとしたときには第８図
示の計算結果におけるパラメータＫｒＬ　−２，１７と
なり、利得α−１１８０−１と１ｎ なる。なお、共振発光素子としては利得α（４００ｑ。

、ｎ−１とＴるのが望ましいが、利得αをこの範囲に（
１６） 設定したときに要する素子長りは１０　ａｍ程度となｌ
る。しかして、第１図示の構成による多層構成の各半導
体層の層厚は０．８μｍ程度であり、通例１Ｏ〜３０層
を積層するので、素子長りは８〜９μｍ程度となる。

効果 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、分布
型半導体レーザ装置を多層構造に構成して面発光な行な
わさせるので、雑兵振器化による単−縦モードの共振発
光を確実容易に得ることができ、また、光出力を多層構
造半導体発光素子の端面に対して垂直に取出丁ので、か
かる半導体発光素子を単一ウエノ・上に多数構成配置し
て２次元レーザアレイを構成するに極めて好適であり、
さらに、多層構造の半導体素子における層厚制御は容易
であるから、かかる膜厚制御による反射端面の位相整合
も確実容易に得られる。

したがって、本発明分布帰還型面発光牛導体レーザ装置
は、将来実用化が期待される光集積回路を構成するうえ
で幅広く利用し得るという格別の効果を有するとともに
、極めて重要な意義を有する０

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明分布帰還型面発光半導体レーザ装置の基
本的構成例？示Ｔ側断面図。 第２図（ａ）乃至（ｆ）は第１図示の構成による本発明
半導体レーザ装置の製造過程を順次に示す側断面囚、 第８図および第４図（ａ）　、　（ｂ）は本発明半導体
レーザ装置の他の構成例をそれぞれ示Ｔ側断面図、第５
図および第６図は不発ｒｒＪ１牛導体レーザ装置の緒特
性の計算結果の例をそれぞれ示す特性曲線図である。 １・・・ｐ型領域　１０・・・光共振経路２０・・・光
出力　８０・・・ｎ型ＩｎＰ基板３５．６０　・ｎ型Ｉ
ｎＰ層　４Ｏ−ＣａＩｎＡＳＰ層５０．７０−Ｐ　型Ｉ
ｎＰ層　５５−ｐ”　ｇ　ＩｎＰ層６５　・ｎ　型１ｒ
ｌＰ　層８０，９Ｏ−８ｉｎ、層１００．１１０・・・
電極薄層　１２０・・・金属薄層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｌ　それぞれ結晶を形成する■族元累および■族元累の
   互いに異なる組合わせよりなる活性半導体層とｐｎｎ接
   合牛体体層の複数層を半導体基板上に交互に積層して構
   成し、少なくとも一方の端面に電流路ご局限するように
   構成配置した電極層な設けて電流を注入することにより
   、前記複数層における光屈折率および光増幅利得の周期
   的変化に共振して発光するようにしたことご特徴とする
   分布帰還型面発光牛導体レーザ装置。 λ　前記ｐｎ接合半導体層中にｐ＋ｎ＋接合半導体層ご
   介挿したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   分布帰還型面発光半導体レーザ装置。 ＆　前記複数層における前記電流路を囲繞Ｔる領域にｐ
   型もしくはｎ型の不純物ご拡散させたことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の分布帰還型面発光レーザ装
   置。