JPS62158382A - 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】 援権分豆 本発明は、基板の表面に対して垂直方向へ光を射出する
タイプの半導体レーザ装置に関するものであって、更に
詳細には、基板上に形成した半導体層内に少なくとも垂
直方向へ延在する部分を具備したｐｎ接合を画定しこの
垂直ｐｎ接合を利用して基板表面に対して垂直方向へ光
を射出させる半導体レーザ装置に関するものである。

丈未皮宜 半導体基板の表面に対して垂直方向へ光を発生するタイ
プの半導体レーザとしては、第１図に示した構造のもの
が提案されており、これはＣＴＪ（Ｃｏａｘｉａｌ　Ｔ
ｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）型と呼ばれて
いる。この構造においては、電流はＺｎ拡散によるｐｎ
ホモ接合面を通って流れるが、ｎ型Ａ　Ｉ　Ｇ　ａＡｓ
（ＡｌとＧａの混晶比はＸ対１−ｘ）層２とｎ型Ｇ　ａ
　Ａ　ｓ層３中のｐｎホモ接合では後者の電位障壁が低
い為、後者の層３内に電流が集中することとなる。従っ
て、この構造のものにおいては。

柱状突起８内に存在する基板１の表面に対してい垂直方
向へ延在するｐ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓホモ接合領域が活
性領域として画定され、基板１の表面に対して垂直な方
向ヘレーザを射出することを可能とじている。

上述したＣＴＪ型半導体レーザにおいては、電子と正孔
との再結合によって発光が行われる活性領域をその他の
面発光型半導体レーザに比較して１０倍程度長くするこ
とが可能であり、更に発光方向へ他の素子を集積させる
ことが可能である等の利点がある。然し乍ら、その構成
上、柱状突起内のｐｎ接合は突起の側面から中心へ向か
って不純物を熱拡散させることによって形成しており、
ＧａＡｓホモ接合面の面積が広すぎる点が問題である。

例えば、直径１０ミクロン、高さ２０ミクロンの円柱を
ｐｎ接合面として考えると、その面積は約６３０平方ミ
クロンとなる。一方、同じＰｎホモ接合を用いたＴＪＳ
レーザでは、素子長さが３００ミクロンで活性層厚が０
．２ミクロンの場合、面積は６０平方ミクロンであって
上述したＣＴＪの約１０分の１である。この様に広いｐ
ｎホモ接合面を有する為に、発振しきい値電流も大きく
、発熱量も増加してしまう、又１層２中のレーザ発振に
関与しないｐｎホモ接合面からのり一り電流が大きくな
るという問題もある。

且−血 本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述
した如き従来技術の欠点を解消し、発光特性が改善され
ており、低消費電力化させ、性能も安定し且つ基板の表
面に対して垂直方向に光を出力する半導体レーザ装置を
提供することを目的とする。

碧−」逸 以下、添付の図面を参考に、本発明の具体的実施の態様
に付いて詳細に説明する。第１図は、本発明の１実施例
に基づいて構成された所謂面発光型の半導体レーザ装置
を示しており、第２図はその長手方向中央に沿っての断
面図である。

図示した如く、絶縁性Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板１０上に多層
反射膜１１が形成されており、その上にｎ型ＧａＡｓ半
導体層１２が形成されている。半導体層１２の表面は一
部が除去されて段差部１２ｂが形成されている。図示例
においては、段差部１２ｂは帯状に延在しており他の半
導体層１２の部分よりも高さが高くなっている。この段
差部１２ｂの１側面から基板１０の表面に平行に、即ち
横方向に延在する突起１２ａが形成されている。半導体
層１２と、多層反射膜１１と、基板１０の選択した部分
にＺｎ等の所定のｐ型不純物を拡散させて。

ｐ十拡散領域１３とｐ拡散領域１４とが画定されている
。

ここで注意すべきことであるが、本発明においては、基
板１ｏとして絶縁性物質のものを使用しており、更にこ
の拡散領域１３及び１４が半導体層１２のみならず、基
板１０にまで延在して設けられているということである
。この様な位置に拡散領域１３及び１４を設けることに
よって、後述する如く、電流の閉じ込めを効果的に行う
ことを可能とする。更に、この拡散領域１３．１４は半
導体層１２の突起１２ａ内にも形成されており、従って
突起１２ａ内には基板１０の表面に対して垂直に延在す
るｐｎ接合が形成されている。図示例においては、この
ｐｎ接合は突起１２ａの頂部端面からその内部を垂直下
方に向かって直線的に延びており、この直線的ｐｎ接合
Ｌ４ａは少なくとも多層反射膜１１に到達する構成とし
てあり。

発光を行う活性領域を画定している。尚１段差部１２ｂ
の上にはｎ型オーミック電極１６が形成されており、一
方拡散領域１３とされた半導体層１２の底部水平面上に
はＰ型電極１５が形成されている。　従って、ｐ型電極
１５か注入された電流は拡散領域１３．１４を通過して
、半導体層１２を通過してｎ型電極１６へ流れる。この
場合に、拡散領域１３．１４は多層反射膜１１を通過し
てその拡散フロントは基板１０内に位置されており。

基板１０は電気的に絶縁性であるから、特にＰ型電極１
５の下部においては電流が基板へ流れることは無く、そ
の電流は突起１２ａ内に設けた垂直のｐｎ接合を介して
ｎ型電極１６へと導かれる＝従って、注入電流は有効に
活性領域を画定する垂直ｐｎ接合１４ａヘガイドされる
。電流の注入によって、垂直ｐｎ接合１４ａ又はその近
傍で電子と正孔とが再結合してその時に光を放出する。

この実施例においては、突起１２ａの頂部端面と多層反
射［１１とが一対の互いに対向するレーザ共振器手段を
形成している。従って、垂直ｐｎ接合１４ａ近傍で発生
された光は突起１２ａを介して上下方向へ進行するが、
その際に突起１２ａの頂部端面と多層反射膜１１との間
で反射されて共振される。この様にして、レーザ光は突
起１２ａの頂部端面から外部へ出力光として取りだされ
るが、その方向は垂直ｐｎ接合の方向、即ち基板１０の
表面に垂直な方向である。

次に、第３ａ図乃至第３ｅ図を参照して、第１図及び第
２図に示した半導体レーザ装置の製造方法の１例を説明
する。先ず、第３ａ図に示した如く、絶縁性Ｇ　ａ　Ａ
　ｓ基板１０上に、多層反射膜１１とｎ型Ｇ　ａ　Ａ　
ｓ半導体層１２とをエピタキシャル成長法によって順次
積層形成する。この場合、多層反射膜１１としては、例
えば層厚が６３ナノメータのＡ　ｌ、、　、Ｇ　ａｏ、
　、Ａ　ｓ層と、層厚が６９ナノメータのＡｌ、、、Ｇ
ａ、、　４Ａｓ層とを交互に夫々１５層積層させること
によって形成することが可能であり、この場合に、Ｇａ
Ａｓ活性層１２からの発振波長（約８，８００乃至９，
０００人）に対して９０％以上の反射率とすることが可
能である。更に、暦数を２０とした場合には、９７％近
くの反射率を得ることが可能である。

次いで、第３ｂ図に示した如く、エツチング技術により
、半導体層１２の一部をエツチング除去して段差部を形
成する。この場合に、好適には、段差部のエツチングに
よって形成される側面は基板１０の表面に垂直とさせる
。これは、後のステップで不純物を熱拡散して垂直なｐ
ｎ接合を形成するときに有利である。尚、この場合のエ
ツチング深さはｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ半導体層１２を約１
ミクロン程度残存させる様に制御すると良い。又、この
場合にエツチングは、反応性イオンエツチング或いは化
学エツチング等を使用することが可能である。前者の場
合、Ｃ１□−Ａｒ系ガスを使用する場合、５ｉ０２等を
マスクとして、全ガス圧約１ｐａ、Ｃ１２ガス流量２ｃ
＋ｄ／分、Ａｒガス流量１０ｉ／分、高周波電力密度０
．８Ｗ／ｃｄの条件で、Ｇ　ａ　Ａ　ｓのエツチングレ
ートが約１ミクロン／分であるから、必要な深さのエツ
チングを精度良く行うことが可能である。又、Ｈ，Ｓ○
、−Ｈ２Ｏ２系のエッチャントを使用する化学エツチン
グでは、（１００）面のＧａＡｓ基板で＜０１０＞或い
は＜００１＞方向にマスクをかけてエツチングを行うこ
とにより、基板１ｏの表面に垂直な面を得ることが可能
である。この場合に、Ｈ，ＳＯＱ：Ｈ２０□：Ｈ２０＝
８：１：１の体積比のエッチャントを使用して、２０℃
の温度でＧ　ａ　Ａ　ｓのエツチングレートは約１ミク
ロン程度であり、必要な深さのエツチングの制御が可能
である。

次いで、第３Ｃ図に示した如く、Ｚｎの熱拡散を行って
、Ｚｎ拡散Ｐ÷領域１３とＺｎｎ拡散領領域１４形成す
る。この時、エツチングにより形成した段差部１２ｂに
、面を、Ｓ　ｉ　Ｏ２或いはＳｉ。

Ｎ４等でマスクすることによって２段差部１２ｂのエツ
チングによって形成された側面及びエツチングによって
形成された底部平面からのみ拡散を行わせる。拡散の深
さは、エツチング底面からの拡散フロントが絶縁性Ｇ　
ａ　Ａ　ｓ基板１０に達する程度に行うのが好適である
。

次いで、基板１ｏの表面に垂直な段差部１２ｂの側面近
傍をエツチングによって面側を除去し第３ｄ図に示した
如く、突起１２ａを形成する。この場合のエツチングも
前述したものを使用することが可能である。尚、このと
きに残される突起１２ａの幅は１乃至３ミクロン程度と
すると良い。

又、所望により、このエツチングはＧａＡｓ基板１０に
達する迄行うことも可能である。次いで、ｐ型オーミッ
ク電極１５とｎ型オーミック電極１６とを所要の箇所に
形成すると、第３ｅ図に示した如き半導体レーザ装置が
完成される。

次に、本発明の別の実施例に付いて第４図を参照して説
明する。尚、第４図においては、前述した実施例におけ
るものと同一の要素には同一の番号を付しである。本例
においては、半導体積層体１１はｎ型Ａ　１．、　、Ｇ
　ａｏ、　ＧＡ　８層１１ａとｎ型Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ
　ｓ　（Ａ　ｌとＧａの混晶比はＸ対１−ｘで、Ｘ＝Ｏ
〜０．２）層１１ｂとから積層形成されている。又、基
板１０側の共振器面は、ｎ型Ｇａ　Ａ　ｓ層１２中のｐ
ｎ接合下方の対応するＧａＡＳ基板１ｏの部分をエツチ
ングして、ｎ型Ａ　１．。

４Ｇ　ａｏ、　、Ａ　ｓ層１１ａに達”する凹所を形成
し、二酸化シリコン膜１７及び金属反射膜１８を蒸着し
である。尚、層１１ａの厚さは１乃至２ミクロン程度と
し、層１１ｂの厚さは１ミクロン程度とするのが良い。

尚、この様に金属反射膜１８を設ける場合には、半導体
積層体１１を省略することも可能であり、その場合でも
約９０％以上の反射率の共振器面を得ることが可能であ
る。

蟇−呈 以上、詳説した如く、本発明に拠れば、絶縁性基板を使
用しているので、Ｚｎ拡散によるｐｎホモ接合の自活性
領域以外のｐｎ接合からのリーク電流を略ゼロにしてい
る。従って、注入電流は、その殆どが、活性領域のｐｎ
ホモ接合にのみ集中し、効果的なキャリアの注入を実現
することが可能である。従って、基本的には、ホモ接合
構造の半導体レーザ装置でありながら、活性領域が２ミ
クロンＸ２０ミクロン程度ならば、発振しきい値電流は
約１６ｍＡ程度と低く、更に発熱量も小さいので、充分
に室温連続発振が可能である。又。

短共振器構造であるから、単一モード発振を得やすく、
光の閉じ込めがダブルへテロ接合構造よりも弱いので、
光の出力密度が小さく、従って端面破壊が発生すること
は無く、大出力動作を可能とする。

以上１本発明の具体的実施の態様に付いて詳細に説明し
たが、本発明はこれら具体例にのみ限定されるべきもの
では無く、本発明の技術的範囲を逸脱すること無しに種
々の変形が可能であることは勿論である。例えば、本発
明は、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系のみならず、ＩｎＧａＡｓＰ系
、ＡｌＧａ　Ｉ　ｎＰ系等の化合物半導体を使用する装
置にも適用可能であることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例に基づいて構成された面発光
型半導体レーザ装置の概略斜視図、第２図はその長手方
向中央に沿っての概略断面図、第３ａ乃至第３ｅ図はそ
の製造方法の１例を示した各概略斜視図、第４図は本発
明の別の実施例を示した概略断面図、第５図は従来例を
示した概略断面図、である。 （符号の説明） １０：絶縁性基板 １１：多層反射膜 １２：半導体層 １２ａ：突起 １２ｂ二段差部 １３．１４：拡散領域 １５．１６：電極 １８：金属反射膜 特許出願人　　株　式　会　社　　リ　コ　一同　　　
　リコ一応用電子研究所株式会社第２図 第３ｂ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、絶縁性基板と、前記基板の上に形成されている第１
   導電型の半導体層と、前記半導体層及び前記基板の選択
   部分に形成されており前記半導体層内において垂直方向
   へ延在するｐｎ接合を画定している第２導電型の拡散領
   域と、前記垂直なｐｎ接合の選択部分の上下に位置され
   た一対のレーザ共振器手段とを有することを特徴とする
   半導体レーザ装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記基板は半導体
   物質から構成されており、前記半導体層は前記基板より
   も禁制帯幅が同じかそれよりも大きいことを特徴とする
   半導体レーザ装置。 ３、特許請求の範囲第１項又は第２項において、前記基
   板と前記半導体層との間に半導体積層体が介在しており
   、前記半導体積層体は前記半導体層よりも禁制帯幅の大
   きな半導体物質と該半導体物質よりも禁制帯幅の小さな
   半導体物質から構成されており且つ前記一対のレーザ共
   振器手段の一方の手段を形成していることを特徴とする
   半導体レーザ装置。 ４、特許請求の範囲第１項乃至第３項の内の何れか１項
   において、前記基板の一部をエッチングによって除去し
   て横方向に延在する突起が形成されており、前記ｐｎ接
   合はこの突起内に垂直方向に延在して形成されているこ
   とを特徴とする半導体レーザ装置。 ５、特許請求の範囲第１項乃至第４項の内の何れか１項
   において、前記基板の所定箇所をその裏面側から刻設し
   て所定深さの凹所が形成されており、前記凹所内に反射
   手段を設けて前記一対のレーザ共振器の一方の少なくと
   も一部を形成することを特徴とする半導体レーザ装置。