JPS6042890A - 面発光形半導体レ−ザ及びその製造方法 - 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】 〔発明の技術分野〕 この発Ｆ！Ａハ面発光形半導体レーザ及びその製造方法
に係り、特に無効電流の低減と光の有効利用とによって
、低い動作電流で効率の良いレーザ発振を実現できる面
発光形半導体レーザ及びその製造方法に関するものであ
る。

〔従来技術〕

半導体レーザは既に光通信、レーザプリンタ。

光デイスクプレーヤ等への実用化が進みつつある。

現在製造され実用化されつつある半導体レーザげ半導体
ウェハの主面に平行な面内に活性領域？有し、主面と直
交し伸開によって・得られる一対の平坦血管鏡面として
利用するものである。その為、通常の半導体デバイスと
は異なり、骨間によってチップ状態に分離して後でなけ
れば特性検査ができないこと、骨間して後でなけねばパ
ッシベーションができないこと等の問題がある。これら
の吋題は現在の構造の半導体レーザが大量生産には適さ
ないこと全意味している。これらの問題を解決する方策
として、鏡面の形成ヲ骨間ではなくエツチングで行なう
方法や、本発明が関連する面発光形レーザ等が考案され
、実験的に検討されている。

しかしながら、骨間に匹敵する平坦な鏡面會エツチング
で形成することが難しいことや、低い動作電流でレーザ
発振する面発光形半導体レーザを実現するうまい手段が
見当らないことから、現状では骨間面利用の半導体レー
ザからの脱皮が進まない状況にある。

第１図は従来実験的に検討されている面発光形レーザレ
ーザの構造ケ示す断面図であり、図において、（ｌ）は
鏡面である一方の面（ｈ）とこの面（ｌａ）と平行かつ
平坦な他方の面（１ｂ）と？有するｎ形の半導体基板、
（２）ニこの半導体基板の細分の面（ｌｂ）上にエピタ
キシャル成長され７ｉ（ｎ形の第１半導体層、（３）ケ
この第１半導体層上にエピタキシャル成長され、第１半
導体層とＰＮ接合（Ｊｌ）を形成するｐ形の活性層、（
４）ハこの活性層上にエピタキシャル成長され、表面（
４ａ）が鏡面とされるｐ形の第２半尋休層、（５：ニ上
記半導体基板１１ｉの一方の面（ｌａ）上に形成された
陰極電極で、中央に開口部（５ａ）　？有するように環
状に形成されているものである。

（６）σ上記第２半導体層（４）の我・面（４ａ）上に
形成された絶縁膜で、上記陰極電極（５１の開口部（５
ａ）の略中心に対向する位習に微小なコンタクトホール
（６ａｌが形成されているものである。＋７１Ｈ（の絶
縁膜上に形成され、絶縁膜（６１のコンタクトホール（
ａａ）　？介して上記第２の半導体層（４）の表面（４
ａ）に電気的に接続された陽極電極である。なお、活性
層（３）は半導体基板（１）、第１の半導体層（２）及
び第２の半導体層−）より小さな禁制帯幅を有する材料
から構成されているものである。

次に、このように構成された面発光形半導体レーザの動
作について説明する。まず、陽極電極（７）と陰極電極
（６）との間に電圧を印加すると、陽極電極（７）と陰
極電極（５）との間に電流１１が流れる。この電流１ｌ
ｉｊ図示点線矢印に示す如く、陽極電極（７）近傍では
電流密度が□高く、陰極電極（５）近傍でに電流密度が
低くなっているものである。一方、活性層（３）はｐ形
の第２の半導体層（４）とｎ形の第１の半導体層（２）
に挾まれており、かつ半導体基板（１）。

第１の半導体層（２）、第２の半導体層（４）より小さ
な県制帯＠ケ有する材料からなっているため、活性層（
３）でげキャリヤ閉じ込め効果が働き、注入される正孔
と電子が高密度になるため向値以上の電流１１が流ねる
と光の誘導放出が起こる。その結果、第２の半゛導体層
（４）の表面（４ａ）と半導体基板ｆｉ＋の一方の面（
ｌａ）紫一対の鏡面として光は図示一点鎖線矢印（ｔｌ
）で示す如く鏡面（４ａ）、　（ｌａ）間を往復しつつ
活性層（３）で増＠？受け、レーザ発振に至るわけであ
る。光の一部は矢印（Ｌｌ）で示すように半導体基板ｆ
ｌ＋の一方の面（ｌａ）から外へ放射される。

しがるに、このようＫｇ成された面発光形半導体レーザ
においては、活性層（３）の垂直な光軸に沿う方向に光
ケ集束させる機能が無いため、発生する光の大半は触逸
してしまい、極めて僅かな光だけが誘導放出に活用され
るに過ぎなかった。このため、この面発光形半導体レー
ザな動作゛磁流や発熱が極“めて大衡く、’７’７に程
度の低温でパルス発振が何んとか可能という程度に過ぎ
ず、室温においてば、閾値電流１．５Ａで電力効率０．
１４と動作可能電流が瓦〈効率が急いものであった。し
かも、光の増幅、レーザ発振は電子、正孔密度が高い所
で起こり、電子・正孔の再結合によっているため、レー
ザ発振が起くると、この部分のキャリア普度が低下１−
るので、°光げキャリア密Ｋが高い他の部分に移動して
光路が定まらす、発振モードが不安定なものである。

従って、この面発光形半導体レーザに、室温で連続動作
し、しかも低い電流で動作するようなもので５１なく、
実用に供するようなものではなかった。

〔発明の概要〕

この発明ば上記した諸事情に鑑みてなされ１こものであ
り、活性層及びこの活性層の対向１−る面それぞれに半
導体層をゼし、活性層と垂直方向にレーザ光を放射する
面発光形半導体レーザにおいて、活性層の一方の面に凸
面部を形成して、低い動作電流で効率良く発振する面発
光形半導体レーザを提案するものである。

〔発明の実施例〕

以下にこの発明の一実施例ヤ第２図に基づいて説明する
と、図において、（用バー面である一方の而（ｎａ）と
この曲（ｌｌａ）に対向する他方の而（ｌｌｂ）と分有
するｎ形の半導体基板で、他方の而（ｎｂ）に円錐台形
状の凹部゛（ｎｃ）が形成されているものである。（１
２＋［この半導体基板の他方の面（ｌｌｂ）上にエピタ
キシャル成長されたｎ形の第１半導体層で、その表面に
おける半導体基板（Ｉｌｌの凹部（ｌｌｃ　）に対向す
る部分に凹面部が形成される。（１３）はこの第１半導
体層の表面上にエピタキシャル成長され第１半導体層０
２）とＰＮ接合（Ｊ２）′ｆ影形成、かつ第１半導体層
（１２）の凹面部と接合した凸面部（１３ａ）紮Ｍｆる
活性層で、この凸面部（１３ａ）が光学的に凸レンズと
四様な機能を果たすものである。−はこの活性層（１３
１上にエピタキシャル成長され、狭面（ｎａ）が−而と
されるｐ形の第２半導体層、（１６１は上記半導体基板
１１１）の一方の面（ｌｌａ）上に形成された陰極電極
で、中央に開口部（１５ａ）會有し、上記活性層（１３
１の凸面部（１３ａ）會囲うように環状に形成されてい
るものである。鎖は上記半導体層（１４）の表面（１４
ａ）に形成された絶縁膜で、上記活性層（１３１の凸面
部（，１３ａ）の略中央に対向する位置に微小なコンタ
クトホール（１６ａ）が形成されているものである。ｆ
１７１はこのＭ！３罎膜上に形成され、絶縁膜（１６）
のコンタクトホール（１６ａ）　’ｆｔ、介して上記第
２の半導体層０４）の炙面に電気的に接続されているも
のである。

なお、活性層ｆ１３は半導体基板１ｊ１１　、第１の半
導体層（Ｉ２１及び第２の半導体層（１４１より小さい
県割帯幅倉有し、かつ大きな屈折率を有する材料から構
成されているものである。そして、活性層（１３）が他
の半導体層より大きな屈折率を持たせであることによっ
て、活性層（１３）の凸面部（１３ａ）　１１光学的に
凸レンズの機能ケ果たすことになるものである。

このように構成された百発、丸形半導体レーザにおいて
、陽極電極Ｏηと陰極電極（１５）との間に電圧を印加
すると、陽極電極（Ｉ？ｌと陰極電極（１５１との間に
電流１２が流れる。この電流ｉＱｌ”を図示点線矢印で
示す如く、陽極電極（１７１近傍でに電流密度が謡く、
陰極電極（＋６１近傍では電流密度が低くなっているも
のである。一方、活性層０３に第２の半導体層０４）と
第１の半導体層（１２１に挾まれて′おり、かつ半導体
基板（■）、第１の半導体層Ｈｔ　を第２の半導体層０
４１より小さな禁制帯幅を有する材料からなっているた
め、活性〜０′３ではキャリア閉じ込め効果が働き、注
入さハる正孔と電子が扁密度になるため、四価以上の電
流１２が流れると、光の誘導放出が起こる。

この時、活性層１１３１の厚みが凸面部（１３ａ）　ｋ
形成したことにエリ、光軸近傍で厚く、光軸から離れた
部分で薄くなっているため、誘導放出による光の利得が
光軸近傍で大きくなり、しかも凸面部（１３）により誘
導放出による光に光軸方向に収束されるものである。そ
の結果、第２の半導体層（１４）の表面（１４ａ）と半
導体基板間の一方、の面（ｎａ）　ｋ鏡面として光げ図
示一点鎖線矢印（ム）で示す如く鏡面（１４ａ）、　（
ｌｌａ）間を往復しつつ活性層０３１で増幅ケ受け、レ
ーザ発振が起こり、光の一部は矢印（Ｌ２）で示すよう
に半導体基板（１１）の一方の面（ｌｌａ）から外へ放
射されるものである。

従って、この面発光形半導体レーザにおいて′け光軸近
傍で光の利得が大きく、光の利得が低い光軸から離“Ａ
ｒｃ部分での無駄に消費される電流が少°なくてすみ、
しかも、光や電流全有効に活用できる罠め、低い動作電
流で効率の晶いレーザ発振が実現できるものである。さ
らに、活性層ｔ１３１σ）凸面部（１３ａ）によって誘
導放出されに光が光軸方向に収束される７こめ、光路は
安定し、安定した発振モードが得られるものである。

次に、この発明の実施例であるｉＩ！１発光形早専体レ
ーザの製造方法について第３図〜Ｍ６図に基ついて具体
的に説明する。

ます、半導体基板（１１）として、一方の面（’１ｌａ
）が鏡面であり、他方の面（Ｉｌｂ）が（１６０）面で
ある厚さ５０７１ｍのＡＡｘＧａｘ−ＸＡ８　（但し、
Ｏ＜　ｘ　＜　１であり、典製例としてｎ形不純物濃度
が３　Ｘ　１０”　ｃｍ−’であるＡＬｏ、６Ｇａｏ、
、Ａｓ　Ｉ　ｆ　＄　備する。そして、この半導体基板
１１１＋７）他方の１ｌｉｊ　（１１１））　’？　、
第３図に示すように、通常の化学処理による選択エツチ
ングにて凹部（１１０）　ｋ形成する。この凹部（１ｉ
ｃ）げ略円錐酋形状になり、他方の面（ｌｌｂ）におけ
る径は１０〜３０μｍ典型値として２０／Ｉｍであり、
深さは３〜２０声ｍ、典型値として１０／Ｉｍである。

次に第４図に示″ｔＬうに、半導体基板（１１）のイ出
方の面（ｌｌ’ｂ）上及び凹部（ＩＭ）内に通常の液相
エピタキシャル成長法にエリ第１の半導体層０２１％−
形成する。この第１の半導体層（１２１に半導体基板（
１１）σ）イ也方の而（ｕｂ）から表面（１２ａ）まで
ｂ′）ｒ４さ力Ｅ　１／＋ｍのｈｔｙＧａｌ−ｙＡ８　
（−イＵル、０　（ｙ　（ｌであり、典型例とｔ７ては
Ω形小純物λ徒度が３　Ｘ　１０”　ｃｍ−’であるＡ
ｔ０．。

”０．６八〇）、ルらなるものである。そして、この時
の第ｌの半ｔ４　ｔＥ　ｊｄ　ｆ＋２１の形成に際して
はその成長史ｕ度が半導体基板（！１）の＜１００）　
（ｎｂＬヒでは級やめ）であり、半導体基板（１１）の
凹部（ｌｌｃ）にお番する（１１１１面で灯速くなるの
で、半ｌ唖体九板（１１）の凹部（ＩＩｃ）に対向する
表向Ｖておいてはなだらかな凹面部（１２ｂ）力！形成
されることになるものである。この凹面１■（１加）の
最大深さａ、半導体基板（１１）の凹部（ｈａ）の深さ
がｌＯメｍｌの場合に６μｍである。

仄に、第５１：にに示すように、第１の半導体層（１２
１の表面（１２ａ）及び四福部（１２ｂ）上に通常の液
相−゛ビタキシャル成長法により活性層（１３ヲ形成す
る。こら鉄面（Ｗｂ）までの厚さが５声ｍ＋’Ｐ形不純
物ｅ就が２　Ｘ　１０”　ｃｍ”であるＧａＡｓからな
るものであり、凸面部（１３ａ）の最大高さげ、半導体
基板（Ｉｌｌの凹部（ｕｅ）の深さがｌｏ／！ｍの場合
に、第１の半導体層１１２１の凹面部（１２ｂ）のｉ＆
入深さと同様に６μｍである。そして、この時の活性層
（１３１の形成Ｋｎしてに、その成長速度が結晶面方位
の違いにエリ第１の半導体層（１２１の矢面（１２ａ）
上で速く、凹面部（１２に＋）上では緩やかであり、し
かも、この成長速度グ）違いけ泥Ｒが低くなるほどけつ
きりするものである。この犬施例においては、０．３℃
／秒程度の降温速度でゆるやかに行なうことにより、活
性ｒｗ？＋＋３＋の表面（１３ｂ）は略平坦面になった
。

次に、第６図に示でように、活性層（１３）の表面（１
３ｂ）上１／Ｃ通常の液相エピタキシャル成長法により
第２の半導体Ｎ４（１４１ケ形成する。こ０第２の半導
体ｆｉ　Ｑ４１１”ｊ、厚さが２）ｔｍのＡｔｚＧａｌ
−ＺＡＥＩ　（但し、０くｚ　＜　１であり、典型例と
してｕｐ形不純物濃度がｌ　Ｘ　１０１０１８Ｃ’であ
るＡｔｏ、、Ｇａ０．、　Ａｓ　）からなるものであり
、その表面（１４ａ）は−面にされるものであふ。

その後、半導体基板（１１）の他方の面（１ｍ）上に陽
極電極１１１＋ｌ　ｋ形成し、第２の半導体層（１４）
の表面（１４ａ　）上にｋ１３縁膜０匂及び陽極電極０
７１を形成１７第２図に示したもの？得るものである。

この時の絶縁ｗｉ４（１６１のコンタクトホール（１６
ａ）の大きさ、つまり陽極電極（１７１と第２の半導体
４Ｑ４との接合の大きさけ１〜２０ｆｉｍｐ　、典型値
として５μｍｌであり、陽極電極（１５１の開口部（１
５ａ）の大きさけ１５〜５０声ｍｌ　、典肌値として３
０／１ｍ〆である。

このようにして製造された面発光形半導体レーザにあっ
て灯、室温で一価電流が０．５Ａ、　′ｆｌｉ力効率が
２．０％であり、第１図に示したものが室温で閾値“φ
′流が１．５Ａ、　ｉｍｍ力率率０．１％であるのに対
し、低い動作電流で効率の高いレーザ発振が得られたも
のである。

なお、上記笑施例でに半導体基板１１１１及びＭｌの半
導体層０２１ケｎ形、第２の半導体層（１４）ケル形の
ものとしたが、半導体基板（１１）及び第１の半゛導体
層ａ２１ｋｐ形、第２の半導体層ｉｎ形のものとしても
同様の効果を奏するものである。

〔発明の効果〕

この発明は・以上に述べたように、活性層及びこの活性
層の対向する面それぞれに半導体層？有し活性層と垂直
方向にレーザ光音放射する面発光形半導体レーザにおい
て、活性層の一方の館に凸面部管形成したので、低い動
作電流で効率の良いレーツ発振が得られるという効果を
有するものである０

【図面の簡単な説明】

第１図は従来提案されている面発光形半導体レーザの断
面図、第２図〜第６図はこの発明の一実施例分水し、第
２図は断面図、第３図及び第６図はそれぞれ工程順に示
した断面図である。 ／ 図において、ｌ１ｌ）は半導体基板、（１２）は第１の
半導体層、ｔ１３１ｒｊ居硅層、（ム）は凸面部、０荀
は第２の絶縁膜、１１７１は陽極電極である。 第１図 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）活性層及びこの活性層の対向する面それぞれに形
   成された半導体層を有するとともに、両面にそれぞれ第
   １ｖｉ極及び第２電極が形成され、上記活性層と垂１方
   向にレーザ光を放射する面発光形半導体レーザにおいて
   、上記活性層の一方の面に凸面部を形成したこと全特徴
   とする面発光形半導体レーザ。 （２）活性層の凸面部が有する面側の第１電極を、上記
   凸面部に対向する位置に開口部全有したものとし、かつ
   第２電極を、上記凸面部に対向する部位のみによって電
   気的に接続したものとしたことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の面発光形半導体レーザ。 （３）　活性層を第１導電形で形成し、・この活性層の
   凸面部が有する面側の半導体層を、一方の面上に第１電
   極が形成される第２導電形の半導体基板とこの半導体基
   板の他方の面と接合して形成され、上記活性層、ｇｐｉ
   ｉ接合される第２導電形の第１半導体層とで構成し、か
   つ上記活性層の凸面側が有する面と反対の面側の半導体
   層を、一方の面に第２電極が電気的に接続される第１導
   電形の第２半導体層としたことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項又は第２項記載の面発光・形半導体レーザ。 （４）活性層・ｔガリウム・ヒ素（ＧａＡａ）とし、半
   導体基板をアルミニウム・ガリウム・ヒ素（ＡｔｘＧＩ
   ＬＩ−ＸＡＩ３　、但しｏ　＜　ｘ　＜　１　）とし、
   第１半導体層をアルミニウム・ガリウム・ヒＩｇ　（Ａ
   ｔｙＧａｘ−ｙＡθ。 但しＯ＜ｙ＜！　）とし、第２半導体層をアルミニウム
   ・ガリウム・ヒ素（ＡｔｚＧａ　ｉ−Ｚ　Ａｓ　、但し
   Ｏ＜ｚく１）としたことを特徴とする特許請求の範囲第
   ３項記載の面発光形半導体レーザ。 ｔｅｌ　半導体基板全、第１半導体層と接合する面にお
   いて、活性層の凸面部と対向する位置に凹部を形成した
   ものとしたことを特徴とする特許請求の範囲第３項又は
   第４項記載の面発光形半導体レーザ。 ＋６１　半導体基板の他方の面に凹部を形成する工程、
   半導体基板の凹部が形成された他方の面上に順次第１半
   導体層、活性層及び第２半導体層をエピタキシャル成長
   法にエリ形成する工程、上記半導体基板の一方の面上に
   第１電極を形成する工程、上記第２半導体層の一方の面
   上に絶縁膜を形成し、上記半導体基板の凹部の中心にコ
   ンタクトホール會形成する工程、上記絶縁膜上にコンタ
   クトホール？介して上記第２の半導体層に電気的に接続
   される第２電極全形成する工、程全備えた面発光形半導
   体レーザの製造方法。 （７）半導体基板を、他方の面が（１ω）結晶面である
   ものとし、半導体基板の凹部を側面が内方に傾斜された
   ものとしたことを特徴とする特許請求の範囲第６項記載
   の面発光形半導体レーザの製造方法。 （８）活性層の形成は温度をゆるやかに下げながら成長
   させたことを特徴とする特許請求の範囲第６項又は第７
   項記載の面発光形半導体レーザの製造方法。