WO2001020734A1 - Laser a semi-conducteur a emission par la surface - Google Patents

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Noriyuki Yokouchi
Akihiko Kasukawa
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The Furukawa Electric Co., Ltd.
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    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34313—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer having only As as V-compound, e.g. AlGaAs, InGaAs
    • H01S5/3432—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer having only As as V-compound, e.g. AlGaAs, InGaAs the whole junction comprising only (AI)GaAs

Definitions

  • the present invention relates to a surface emitting semiconductor laser device, and more particularly, to a surface emitting semiconductor laser device capable of controlling a transverse mode of an oscillating laser beam.
  • FIG. 1 shows an example A of a basic layer structure of such a surface emitting laser element.
  • a lower reflector layer structure 2 is formed on a substrate 1 made of, for example, n-type GaAs, in which thin layers of, for example, n-type A 1 GaAs having different compositions are alternately laminated.
  • a lower cladding layer 3a made of, for example, i-type AlGaAs
  • a light emitting layer 4 made of a quantum well structure formed of GaAs / A1GaAs
  • An upper cladding layer 3 b made of i-type A 1 GaAs is sequentially laminated, and an upper layer formed by alternately laminating thin layers of, for example, p-type A 1 GaAs having different compositions on the upper cladding layer 3 b.
  • a p-type GaAs layer 6 is formed on the uppermost surface of the upper reflecting mirror layer structure 5 to constitute the entire layer structure. . Then, at least a portion of the layer structure up to the upper surface of the lower reflecting mirror layer structure 2 is removed by etching, and a columnar layer structure is formed at the center.
  • Example near the periphery of the upper surface of the GaAs layer 6 in the columnar layer structure located at the center For example, an annular upper electrode 7a made of AuZn is formed, and a lower electrode 7b made of AuGeNi / Au is formed on the back surface of the substrate 1, for example.
  • the side surface of the columnar portion and the periphery of the outer surface of the upper electrode 7a on the surface of the GaAs layer 6 are, for example, a dielectric film made of Si 3 N 4.
  • the partial surface 6a of the GaAs layer 6, that is, the inner portion of the upper electrode 7a is a circular opening 6C that functions as a laser light emission window.
  • an electrode leading pad 7c made of, for example, TiZPtZAu is formed to cover the surfaces of the upper electrode 7a and the dielectric film 8.
  • the lowermost layer of the upper reflecting mirror layer structure 5, that is, the layer 3c located closest to the light emitting layer 4 is formed of, for example, p-type A1As.
  • the outer peripheral portion of the A 1 As layer 3 c has an annular shape in plan view, and is formed by selectively oxidizing only the A 1 As layer. 2 ⁇ 3 has become insulating regions 3 d mainly comprising, by its current confinement structure for the light emitting layer 4 is formed.
  • laser oscillation occurs in the light emitting layer 4, and the laser light passes through the GaAs layer 6 and its surface portion 6a (Laser light emission window) oscillates as indicated by the arrow, that is, vertically above the substrate 1.
  • a laser element that oscillates stably in a high-order transverse mode is required as a light source, and in an inter-board optical transmission system to which space propagation is applied.
  • a laser device that oscillates in a basic transverse mode is required as a light source.
  • the oscillation lateral mode of the surface emitting semiconductor laser device having the above structure is controlled by the size of the current confinement structure shown in FIG. Specifically, by changing the width of the ring of the ring-shaped insulating region 3 d, the control is performed according to the size of the current injection path 3 e located in the center and having a circular shape in plan view. ing.
  • the diameter of the above-described current injection path 3 e needs to be about 5 or less.
  • the diameter of the current injection path 3 e is set to the small value as described above, the resistance as a laser element eventually increases, which causes a disadvantage such as an increase in operating voltage.
  • accurately controlling the size of the diameter of the current injection path 3 e in the order of ⁇ m means that the width of the insulating region 3 d, that is, the oxidation width in the A 1 As layer 3 c is accurately controlled. Means However, it is very difficult to control this oxidation width on the order of m. As a result, the characteristics of the manufactured laser element vary, causing a problem in reproducibility.
  • a layer structure of a semiconductor material having a light-emitting layer disposed between the reflector layer structure and the light-emitting layer is formed on a substrate, and an upper electrode having a ring shape in plan view is provided above the upper reflector layer structure.
  • an upper electrode having a ring shape in plan view is provided above the upper reflector layer structure.
  • a layer transparent to the oscillation laser light is formed so as to cover a part of the surface of the opening.
  • a surface emitting semiconductor laser device is provided.
  • the transparent layer is made of at least one dielectric film, a current injection path is formed near the light emitting layer, and a formation position of the transparent layer formed in the opening.
  • a surface emitting semiconductor laser element included in the plan view shape of the current injection path and the thickness of the transparent layer is (2i + 1) Z4n times the oscillation wavelength of the laser light (however, , N is the refractive index of the transparent layer, and i is an integer.
  • the surface-emitting semiconductor laser element has a thickness corresponding to the following, and the thickness is 2 i Z 4 n times the oscillation wavelength of the laser light (where Is a refractive index of a transparent layer, and i is a natural number.)
  • a surface emitting semiconductor laser device is further provided in which a metal film is further formed on the transparent layer.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example A of a conventional surface emitting semiconductor laser device
  • FIG. 2 is a sectional view showing a layer structure of an example B1 of the surface emitting semiconductor laser device of the present invention
  • FIG. 3 is a sectional view showing a layer structure of another example B2 of the surface emitting semiconductor laser device of the present invention
  • 4 is a cross-sectional view showing a state in which a Si 3 N 4 film and a resist mask are formed on a layer structure formed on a substrate;
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state where a columnar structure is formed on a substrate
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state after the oxidation treatment is performed on the columnar structure of FIG. 5;
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a state where an upper electrode and a dielectric film are formed on the structure of FIG. 6;
  • Graph showing current-voltage characteristics and current-light output characteristics in Example 1 and Comparative Example 1;
  • FIG. 9 is a graph showing current-voltage characteristics and current-light output characteristics in Examples 2 and 3 and Comparative Example 2;
  • Figure 10 shows the near-field emission images of Examples 2, 3 and Comparative Example 2 when the operating current was 7 mA;
  • Fig. 11 shows the near-field emission images of Examples 2, 3 and Comparative Example 2 when the operating current was 15 mA.
  • the surface emitting semiconductor laser device is characterized in that, in the upper reflector layer structure in which the opening is formed, the reflectance of a portion where laser oscillation is not desired to be caused is reduced (ie, multiple reflection is performed). It is based on the technical idea of performing oscillation lateral mode control. Then, a measure was taken in which a layer transparent to the oscillation wavelength of the oscillating laser light (hereinafter simply referred to as a transparent layer) was provided on a part of the surface of the opening portion functioning as an emission window for the laser light. Things.
  • a transparent layer a layer transparent to the oscillation wavelength of the oscillating laser light
  • the above-mentioned transparent layer is made of various materials in relation to the oscillation wavelength of the laser beam.
  • a preferred example is a dielectric film made of a dielectric material such as magnesium or magnesium fluoride.
  • ITO indium-tin oxide
  • the transparent layer can function as an electrode.
  • the transparent layer may be a single layer, or may have a laminated structure of two or more layers.
  • FIG. 2 shows one example B1 of the laser device of the present invention
  • FIG. 3 shows another example B2.
  • the layer structure is the same as that of the element A shown in FIG.
  • the dielectric film is also formed on the surface of the opening 6C functioning as the laser light emission window 6a described in the element A, the shape of the laser light emission window in plan view in FIG. It is different from the case.
  • the element B1 has a circular shape in plan view because the dielectric film 8A having a circular shape in plan view is formed in an opening located inside the upper electrode 7a.
  • the structure is such that a new exit window 6A with a smaller diameter is formed.
  • the element B 2 has a circular shape in plan view because a dielectric film 8 B having a circular shape in plan view is formed at the center of the GaAs layer 6 exposed from the opening 6 C. This is a structure in which a new emission window 6B having a ring shape is formed.
  • the oscillation wavelength of the laser light by the element B 1 (B 2) is ⁇ , ⁇ ⁇ (2 i + 1) It is preferable that the thickness is close to the value of Z4n times.
  • n represents the refractive index of the dielectric constituting the dielectric film 8A (8B), and i represents an integer such as 0, 1, 2,...
  • the dielectric film 8A (8B) having such a thickness in plan view and having such a thickness is formed on the uppermost surface, the dielectric film 8A (8B) is located immediately below the dielectric film 8A (8B).
  • the effective reflectivity of the upper reflector layer structure decreases. As a result, laser oscillation does not occur only immediately below the dielectric film 8A (8B), and the oscillation transverse mode is controlled.
  • the shape of the dielectric film in plan view is not limited to the type exemplified above, and may be an appropriate shape.
  • the above-described effect of reducing the reflectivity is improved and the oscillation width of the laser beam is increased. This is preferable because the mode control is more effectively performed.
  • the dielectric film (transparent layer) formed in the opening 6C exhibits the above-described effect, the position of the dielectric film (the transparent layer) is determined by projecting the dielectric film downward.
  • the current injection path 3 e that regulates oscillation is included in the planar view shape. For the laser beam oscillated via the current injection path 3 e, the effective reflectivity of the upper reflector layer structure located immediately below the dielectric film is surely reduced, and the oscillation lateral mode This is because the certainty regarding the control of the control is improved.
  • the laser device shown in FIG. 2 was manufactured as follows.
  • the oscillation wavelength of this laser device is designed to be 85 Onm.
  • a thin layer of the i A s is interposed a composition gradient layer having a thickness of 2 onm the hetero-interface of one another
  • the lower reflector layer structure 2 composed of 30.5 pairs of multilayer films was alternately stacked. Then, on this, swallowing one flop A 1 0 3 Ga 0. 7 lower cladding layer 3 made of As a (thickness 97 nm), the four-layer three layers of GaAs quantum wells (each layer thickness 7 of the mn) A 1 Q .
  • the lowermost layer 3c of the above-mentioned upper reflector layer structure was made of p-type A1As having a thickness of 5 Onm.
  • a photolithography using a normal photoresist is formed thereon.
  • a circular resist mask 9 having a diameter of about 45 was formed (FIG. 4).
  • the Si 3 N 4 film 8 a other than the Si 3 N 4 film immediately below the resist mask 9 was removed by etching with 1 IE using 4 and then the entire resist mask 9 was removed to obtain a plan view shape. Exposed the surface of the GaAs layer 6 having a ring shape.
  • an etching process up to the lower reflecting mirror layer structure 2 is performed using an etchant composed of a mixture of phosphoric acid, hydrogen peroxide and water to form a columnar structure. Formed (Fig. 5).
  • This layer structure was heated at a temperature of 400 in a steam atmosphere for about 25 minutes. Only the outer periphery of the p-type A 1 As layer 3c was selectively oxidized in an annular shape, and a current injection path 3e with a diameter of about 15 m was formed in the center (Fig. 6).
  • the entire surface is coated with the Si 3 N 4 film 8 by a plasma CVD method, and then the GaAs layer 6 having a diameter of about 35 m is formed.
  • the Si 3 N 4 film 8 formed on the upper surface is removed into an annular shape with an outer diameter of 25 m and an inner diameter of 15 m to expose the surface of the GaAs layer 6, where AuZn is deposited.
  • An annular upper electrode 7a is formed by vapor deposition, and only the outer surface of the upper electrode 7a is covered with a Si 3 N 4 film 8, and furthermore, a pad 7 for electrode extraction is formed thereon.
  • c was formed of Ti / PtZAu (FIG. 7).
  • the exit window 6A was formed with a small hole diameter of 10 m. This is Example 2.
  • the lower electrode 7b is formed by polishing the back surface of the substrate 1 to a total thickness of about 100 m and depositing AuGeNiZAu on the polished surface.
  • the oxidation width of the A 1 As layer 3 c was increased and the diameter of the current injection path 3 c was reduced to about 5 minutes.
  • the element A shown in FIG. 1 was manufactured by forming an opening 6C having a diameter of 15 on the GaAs layer 6 and using the opening 6a as an exit window 6a. This is referred to as Comparative Example 1. Further, in the device of Example 1, the device A having the opening of 15 m in diameter by removing all the Si 3 N 4 film located inside the upper electrode 7 a and having this as the exit window 6 a was used. Manufactured. This is referred to as Comparative Example 2.
  • Table 1 summarizes the dimensions and shapes of the current injection paths and exit windows for the five types of devices. Columnar structure Dimensions of the upper electrode Current injection Injection window shape
  • Example 1 3 5 1 5 2 5 1 5 Circular with a diameter of 6 am:! Dog
  • Example 2 3 5 1 5 2 5 1 5 Circular shape with a diameter of 10 m
  • Example 3 3 5 1 5 2 5 1 5 Outer shape 1 5 m, circular shape with inner diameter 6 ⁇
  • Comparative example 1 3 5 1 5 2 5 5 Circular shape with diameter 15 zm
  • Comparative example 2 3 5 1 5 2 5 1 5 Circular shape with diameter 15 im
  • FIG. 8 shows current-voltage characteristics and current-light output characteristics in Example 1 and Comparative Example 1.
  • the solid line represents current-voltage characteristics
  • the broken line represents current-light output characteristics.
  • oscillation mode was the basic transverse mode in each of the example and the comparative example 1.
  • Example 1 As is clear from FIG. 8, the operating voltage of Example 1 is lower than that of Comparative Example 1, for example, the operating voltage at 5 mA is about 1.8 V. It is much lower than that. This is because the diameter of the current injection path in Example 1 was 15 m, and the resistance at that point was lower than that in Comparative Example 1 in which the diameter of the current injection path was 5 m.
  • FIG. 9 shows the current-voltage characteristics and the current-light output characteristics in Examples 2 and 3 and Comparative Example 2, respectively.
  • the solid line represents current-voltage characteristics
  • the broken line represents current-light output characteristics.
  • the image a shows the case of Example 2
  • the image b shows the case of Example 3
  • the image c shows the case of Comparative Example 2, respectively.
  • the number of light emitting spots is increased as compared with the second embodiment, and the light is more diffused as a whole.
  • Example 3 no switching behavior occurred even if the current injection was increased.
  • the laser device of the present invention is a surface-emitting semiconductor laser device capable of oscillation lateral mode control, for example, a laser device that oscillates in a basic lateral mode at a low operating voltage.
  • this surface emitting semiconductor laser device is used for parallel data transmission. It can be used as a light source, contributing to the construction of high-speed optical data communication systems.
  • the control of the oscillation transverse mode in the laser element of the present invention is not performed by controlling the current confinement structure as in the related art, but in a plan view of the dielectric film (transparent layer) formed on the entire upper surface. Since the shape is controlled, the degree of design freedom is high, the manufacturing is easy, and the manufacturing cost is reduced.

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Description

明 細 書
面発光半導体レーザ素子 技術分野
本発明は面発光半導体レーザ素子に関し、 更に詳しくは、 発振するレーザ光の 横モード制御が可能な面発光半導体レーザ素子に関する。 背景技術
近時、 大容量光通信網の構築、 または光インターコネクションや光コンビユー ティングなどの光データ通信システム構築の実現を目指す研究が進められている 、 それらの光源として、 GaAs基板を用いて製造した面発光半導体レーザ素 子が注目を集めている。
このような面発光レーザ素子の基本的な層構造の 1例 Aを図 1に示す。
この素子 Aでは、 例えば n型 GaAsから成る基板 1の上に、 組成が異なる例 えば n型の A 1 GaAsの薄層を交互に積層して成る下部反射鏡層構造 2が形成 されている。 そして、 この下部反射鏡層構造 2の上には、 例えば i型の A l Ga Asから成る下部クラッド層 3 a, GaAs/A 1 G a A sで形成した量子井戸 構造から成る発光層 4, i型の A 1 GaAsから成る上部クラッド層 3 bが順次 積層され、 更にこの上部クラッド層 3 bの上に、 組成が異なる例えば p型の A 1 GaAsの薄層を交互に積層して成る上部反射鏡層構造 5が形成されたのち、 こ の上部反射鏡層構造 5の最上層の表面には、 p型の G a A s層 6が形成されて全 体の層構造を構成している。 そして、 上記層構造の少なくとも下部反射鏡層構造 2の上面に至るまでの部分がエッチング除去されて、 中央部には、 柱状の層構造 が形成されている。
中央に位置する柱状の層構造における G a A s層 6の上面の周縁部近傍には例 えば A u Z nから成る円環形状の上部電極 7 aが形成され、 また基板 1の裏面に は例えば A u G e N i /A uから成る下部電極 7 bが形成されている。
そして、 全体の表面のうち、 柱状部の側面、 および， G a A s層 6の表面のう ち、 上部電極 7 aの外側に位置する周縁部が例えば S i 3 N 4から成る誘電体膜 8で被覆されることにより、 G a A s層 6の一部表面 6 a、 すなわち上部電極 7 aの内側の部分がレーザ光の出射窓として機能する円形の開口部 6 Cになってお り、 更に上部電極 7 aと誘電体膜 8の表面を被覆して例えば T i Z P t ZA uか ら成る電極引き出し用パッド 7 cが形成されている。
また、 このレーザ素子 Aにおいては、 上部反射鏡層構造 5の最下層、 すなわち 発光層 4に最も近い場所に位置する層 3 cは例えば p型の A 1 A sで形成されて いる。 そして、 この A 1 A s層 3 cのうち外側の周縁部分は、 平面視形状が円環 形状をしていて、 当該 A 1 A s層のみを選択的に酸化することによって形成され た A 1 2〇3を主体とする絶縁領域 3 dになっており、 そのことによって、 発光 層 4に対する電流狭窄構造が形成されている。
このレーザ素子 Aにおいては、 上部電極 7 aと下部電極 7 bを動作させること により、 発光層 4におけるレーザ発振が起こり、 そのレーザ光は G a A s層 6を 通過してその表面部分 6 a (レーザ光の出射窓） から矢印のように、 すなわち基 板 1の垂直上方に発振していく。
ところで、 面発光半導体レーザ素子を光伝送システムの光源として組み込むた めには、 当該レーザ素子から発振するレーザ光の発振横モードを制御することが 必要である。
例えばマルチモード光ファイバを用いたデータリンクの場合には、 高次横モー ドで安定して発振するレーザ素子が光源として必要となり、 また空間伝搬を適用 したボード間光伝送システムの場合や、 単一モード光ファイバを用いた高速光伝 送システムの場合には、 基本横モ一ド発振するレーザ素子が光源として必要にな る。
従来、 上記した構造の面発光半導体レーザ素子の発振横モードは、 図 1で示し た電流狭窄構造のサイズで制御されている。 具体的には、 円環形状をした絶縁領 域 3 dの円環の幅を変化させることにより、 中心部に位置する平面視形状が円形 になっている電流注入経路 3 eの大小で制御している。 例えば、 基本横モードで 発振するレーザ素子の場合、 上記した電流注入経路 3 eの直径は 5 以下程度 にすることが必要とされている。
しかしながら、 電流注入経路 3 eの直径を上記したような小さい値にすると、 結局、 レーザ素子としての抵抗が高くなるため、 その動作電圧が高くなるという ような不都合が生じてくる。
また、 電流注入経路 3 eの直径の大小を^ mオーダで正確に制御するというこ とは、 絶縁領域 3 dの幅、 すなわち A 1 A s層 3 cにおける酸化幅を正確に制御 するということを意味する。 しかしながら、 この酸化幅を mオーダで制御する ことはかなり困難である。 そのため、 製造したレーザ素子の特性にばらつきが生 じ、 再現性の点で問題が生ずる。
なお、 マルチモードで発振するレーザ素子の場合、 電流注入経路の直径を大き くすると、 電流注入時に発振横モードがスイッチングするため雑音が発生し、 光 伝送特性が劣化するという問題も生ずる。
本発明の目的は、 電流注入経路 3 eの大小で発振横モードを制御している従来 の面発光半導体レーザ素子における上記した問題を解決することができる新規な 発振横モード制御機構を備え、 また製造も従来に比べて容易な面発光半導体レー ザ素子を提供することである。 発明の開示
上記した目的を達成するために、 本発明においては、 上部反射鏡層構造と下部 T
反射鏡層構造との間に発光層を配置した半導体材料の層構造が基板の上に形成さ れ、 前記上部反射鏡層構造の上方には、 平面視形状が円環形状をした上部電極が 形成され、 前記上部電極の内側が開口部になっている面発光半導体レーザ素子に おいて、 前記開口部の一部表面を被覆して、 発振レーザ光に対して透明な層が形 成されていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子が提供される。
好ましくは、 前記透明な層が少なくとも 1層の誘電体膜から成り、 また、 前記 発光層の近傍には電流注入経路が形成され、 前記開口部に形成されている前記透 明な層の形成位置は前記電流注入経路の平面視形状の中に含まれている面発光半 導体レーザ素子、 また前記透明な層の厚みが、 レーザ光の発振波長の （2 i + 1 ) Z 4 n倍 （ただし、 nは透明な層の屈折率， iは整数を表す） に相当する厚 みになっている面発光半導体レーザ素子や、 厚みがレーザ光の発振波長の 2 i Z 4 n倍 （ただし、 nは透明な層の屈折率、 iは自然数を表す） の透明な層の上に 更に金属膜が成膜されている面発光半導体レーザ素子が提供される。 図面の簡単な説明
図 1は従来の面発光半導体レーザ素子の 1例 Aを示す断面図；
図 2は本発明の面発光半導体レーザ素子の 1例 B 1の層構造を示す断面図； 図 3は本発明の面発光半導体レーザ素子の別の例 B 2の層構造を示す断面図； 図 4は基板の上に形成された層構造に S i 3 N 4膜とレジストマスクを形成し た状態を示す断面図；
図 5は基板上に円柱構造を形成した状態を示す断面図；
図 6は図 5の円柱構造に酸化処理を施したのちの状態を示す断面図； 図 7は図 6の構造体に、 上部電極と誘電体膜を形成した状態を示す断面図； 図 8は実施例 1と比較例 1における電流一電圧特性と電流一光出力特性を示す グラフ； 図 9は実施例 2 , 3および比較例 2における電流一電圧特性と電流一光出力特 性を示すグラフ；
図 1 0は動作電流が 7 mAのときの実施例 2， 3および比較例 2の発光近視野 像；そして、
図 1 1は動作電流が 1 5 mAのときの実施例 2， 3および比較例 2の発光近視野 像である。 発明を実施するための最良の形態
本発明の面発光半導体レーザ素子は、 開口部が形成されている上部反射鏡層構 造において、 レーザ発振を起こさせたくない部分の反射率を低下させる （すなわ ち、 多重反射させる） ことにより発振横モード制御を行うという技術思想に立脚 するものである。 そして、 レーザ光の出射窓として機能する上記開口部の一部表 面に、 発振するレーザ光の発振波長に対して透明な層 （以下、 単に透明な層とい う） を設けるという手段を講じたものである。
ここで、 上記した透明な層は、 レーザ光の発振波長との関係で各種の材料で構 成されることになるが、 窒化けい素、 酸化けい素、 酸化アルミニウム、 酸化チタ 二ゥム、 酸化マグネシウム、 フッ化マグネシウムを代表例とする誘電体から成る 誘電体膜を好適例としてあげることができる。 また、 透明な層の材料としては、 I T O (インジウム—スズ酸化物） を用いることもできる。 透明な層を I T Oで 形成した場合には、 この透明な層を電極として機能させることもできる。 なお、 上記した誘電体膜の場合、 それは 1層であってもよく、 2層以上の積層構造にな つていてもよい。
以下、 透明な層が誘電体膜である場合を例にして、 図面に則して本発明の面発 光半導体レーザ素子について説明する。 図 2は本発明のレーザ素子の 1例 B 1を 示し、 図 3は別の例 B 2を示す。 これらの素子 Bし B2の場合、 いずれも、 その層構造は図 1で示した素子 A と同じである。 しかしながら、 素子 Aで説明したレーザ光の出射窓 6 aとして機 能する開口部 6 Cの表面にも誘電体膜が形成されていることにより、 レーザ光の 出射窓の平面視形状が図 1の場合と異なっている。
素子 B 1は、 上部電極 7 aの内側に位置する開口部に、 平面視形状が円環形状 をしている誘電体膜 8 Aが形成されていることにより、 平面視形状が円形である、 より小径の新たな出射窓 6 Aが形成された構造になっている。
そして素子 B 2は、 開口部 6 Cから表出している G a A s層 6の中心部に平面 視形状が円形である誘電体膜 8 Bが形成されていることにより、 平面視形状が円 環形状をしている新たな出射窓 6 Bが形成された構造のものである。
ここで、 上記した誘電体膜 8 A (8 B) の膜厚は、 素子 B 1 (B 2) によるレ 一ザ光の発振波長が λであるとした場合、 λ Χ (2 i + 1) Z4n倍の値に近似 した厚みであることが好ましい。
なお、 上記した式において、 nは誘電体膜 8 A (8 B) を構成する誘電体の屈 折率を表し、 また iは 0， 1, 2， ……などの整数を表している。
最上面に、 このような平面視形状で、 またこのような膜厚の誘電体膜 8 A (8 B) が形成されていると、 この誘電体膜 8 A (8 B) の直下に位置する上部反射 鏡層構造の実効的な反射率が低下する。 そして結果的に、 誘電体膜 8 A (8B) の直下でのみレーザ発振が起こらなくなり、 発振横モードが制御されることにな る。
この誘電体膜の平面視形状は、 上に例示したタイプに限定されるものではなく、 適宜な形状にすることができる。
なお、 これらの厚み λ X 2 i Z4 nの誘電体膜の上に Au， T i， C rのよう な金属膜を設けると、 上記した反射率低下の効果が向上してレーザ光の発振横モ ード制御がより有効に発揮されるので好適である。 このように、 開口部 6 Cに形成した誘電体膜 （透明な層） は上記したような作 用効果を発揮するので、 その形成位置は、 それを下方に投影したとき、 発光層 4 におけるレーザ発振を規制する電流注入経路 3 eの平面視形状の中に含まれてい ることが好ましい。 電流注入経路 3 eを経由して発振してくるレーザ光に対して、 誘電体膜の直下に位置する上部反射鏡層構造の実効的な反射率を確実に低下せし め、 もって発振横モードの制御に関する確実性が向上するからである。
実施例
(1) レーザ素子の構造
図 2で示したレーザ素子を次のようにして製造した。 このレーザ素子の発振波 長は 85 Onmとなるように設計されている。
n型 G a As基板 1の上に、 MOCVD法で厚み 40 mnの n型 A 1。. 2 G a 0. 8A sと厚み 5 Onmの n型 A 10. 9G a 0. i A sとの薄層を、 互いのへテロ界面 に厚み 2 Onmの組成傾斜層を介在させながら交互に積層して 30.5ペアの多層 膜から成る下部反射鏡層構造 2を形成した。 ついで、 この上に、 ノンド一プ A 1 0 3 Ga0. 7Asから成る下部クラッド層 3 a (厚み 97nm) , 3層の GaAs 量子井戸 （各層の厚み 7 mn) と 4層の A 1 Q. 2Ga。. 8A s障壁層 （各層の厚み 8nm) で構成された量子井戸構造の発光層 4， ノンドープ A 10. 3 G a 0. 7 A s から成る上部クラッド層 3 b (厚み 97nm) を順次積層したのち、 更にその上に、 厚み 4011111の 型八 10. 2G a 0. 8A sと厚み 5011111の 型八 10 8G a 0. 2A s との薄膜を、 互いのへテロ界面に厚み 2 Onmの組成傾斜層を介在させながら交互 に積層して 25ペアの多層膜から成る上部反射鏡層構造 5を形成した。
そして、 この上部反射鏡層構造 5における最上層である p型 A 10. 2Ga0. 8 As層の上に p型 GaAs層 6を積層した。
なお、 上記した上部反射鏡層構造の最下層 3 cは、 厚み 5 Onmの p型 A 1 As で構成した。 次に、 これら層構造における p型 G a A s層 6の表面にプラズマ CVD法で S i 3N4膜 8 aを成膜したのち、 その上に通常のフォトレジストを用いたフォ卜 リソグラフィ一で直径約 45 の円形レジストマスク 9を形成した （図 4) 。 ついで、 4を用ぃた1 I Eで上記レジストマスク 9直下の S i 3N4膜以外 の S i 3N4膜 8 aをエッチング除去したのちレジス卜マスク 9を全て除去して、 平面視形状が円環形状である G a A s層 6の表面を表出させた。
そして、 S i 3N4膜 8 aをマスクにし、 リン酸と過酸化水素と水の混合液か ら成るエツチヤントを用いて下部反射鏡層構造 2に至るまでのエッチング処理を 行って柱状構造を形成した （図 5) 。
そして、 この層構造を水蒸気雰囲気中において温度 400でで約 25分間加熱 した。 p型 A 1 As層 3 cの外側周縁部のみが円環状に選択的に酸化され、 その 中心部には直径が約 15 mの電流注入経路 3 eが形成された （図 6) 。
ついで、 R I Eによって S i 3N4膜 8 aを完全に除去したのち、 全体の表面 をプラズマ CVD法により S i 3N4膜 8で被覆し、 続いて、 直径約 35 mの GaAs層 6の上面に形成されている S i 3N4膜 8を外径 25 m, 内径 1 5 mの円環形状に除去して G a A s層 6の表面を表出させ、 そこに Au Z nを蒸 着して円環形状をした上部電極 7 aを形成し、 更に上部電極 7 aの外側の表面の みを S i 3N4膜 8で被覆し、 更にその上に電極引き出し用のパッド 7 cを T i /P tZAuで形成した （図 7) 。
なお、 このときの S i 3N4膜 8の膜厚は、 S i 3N4の屈折率が 1.75であり、 素子の発振波長が 85 Omnであるため、 前記した式： λ · (2 i + 1) Ζ4ηに おいて i = 0にしたときの値、 すなわち 12 lnmに設定した。
ついで、 上部電極 7 aの内側に位置している S i 3N4膜に対してフォ トリソ グラフィ一と R I Eを適用することにより、 その中心部に直径 6 xmの円形の小 孔を穿設し、 他の S i 3N4膜 8 Aは残した状態で Ga As層 6の表面を表出す ることにより出射窓 6 Aを形成し、 図 2で示した素子 B 1を製造した。 これを実 施例 1とする。
また、 小孔の孔径を 10 mにして出射窓 6 Aを形成した。 これを実施例 2と する。
また、 上部電極 7 aの内側に位置している S i 3N4膜に対し、 中心部に直径 6 mの部分 8Bを残し、 他の部分は全て除去することにより、 外径 15 m, 内径 6 mの円環形状をした出射窓 6 Bを形成し、 図 3で示した素子 B 2を製造 した。 これを実施例 3とする。
いずれの実施例素子の場合も、 基板 1の裏面を研磨して全体の厚みを約 100 mとしたのち、 その研磨面に AuGeN iZAuを蒸着して下部電極 7 bが形 成されている。
なお比較のために、 前記した A 1 As層 3 cの酸化時間を約 30分とすること により当該 A 1 A s層 3 cの酸化幅を大きくして電流注入経路 3 cの直径を約 5 zmにし、 かつ、 GaAs層 6の上に直径 15 の開口部 6 Cを形成し、 これ を出射窓 6 aとする図 1で示した素子 Aを製造した。 これを比較例 1とする。 ま た、 実施例 1の素子において、 上部電極 7 aの内側に位置する S i 3N4膜を全 て除去して直径 15 mの開口部とし、 これを出射窓 6 aとする素子 Aを製造し た。 これを比較例 2とする。
以上、 5種類の素子における電流注入経路， 出射窓の寸法形状を一括して表 1 に示す。 柱状構造 上部電極の寸法 電流注入 出射窓の形状 の 、ノ直怪 内径 外径 経路の 择
( m) f m (
実施例 1 3 5 1 5 2 5 1 5 直径 6 a mの円形：!犬 実施例 2 3 5 1 5 2 5 1 5 直径 1 0 mの円形状 実施例 3 3 5 1 5 2 5 1 5 外形 1 5 m， 内径 6 πιの円環形状 比較例 1 3 5 1 5 2 5 5 直径 1 5 z mの円形状 比較例 2 3 5 1 5 2 5 1 5 直径 1 5 i mの円形状
( 2 ) レーザ素子の特性評価
1 ) まず、 実施例 1と比較例 1における電流一電圧特性と電流一光出力特性を 図 8に示す。 図中、 実線は電流一電圧特性、 破線は電流一光出力特性をそれぞれ 表している。
なお、 実施例 比較例 1のいずれにおいても発振モードは基本横モードであ つた。
図 8から明らかなように、 実施例 1は比較例 1に対比して動作電圧が低く、 例 えば 5 mAでの動作電圧は約 1 . 8 Vであり、 比較例 1の 2 . 4 Vに比べてかなり低 い。 これは、 実施例 1の電流注入経路の直径は 1 5 mであり、 電流注入経路の 直径が 5 mである比較例 1に比べてその箇所での抵抗が低くなつているからで ある。
また、 電流一光出力特性において、 実施例 1の場合は、 しきい値電流が比較例 1に比べて若干高いとはいえ、 電流が 1 O mA程度になるまで光出力は飽和するこ となく増加している。 これは、 電流注入経路近傍における抵抗が低いので発熱が 207
11 抑制されることに基づく効果であると考えられる。
2 ) 次に実施例 2 , 3と比較例 2における電流一電圧特性と電流 -光出力特性 を図 9にそれぞれ表す。 図中、 実線は電流一電圧特性、 破線は電流 -光出力特性 をそれぞれ表している。
図 9から明らかなように、 実施例 2， 3と比較例 2との間では上記両特性に顕 著な差異は認められない。
そこで、 実施例 2， 3 , 比較例 2の各素子につき、 発光近視野像を観察してみ た。 動作電流 7 mAの場合の結果を図 1 0に、 動作電流 1 5 mAの場合の結果を図 1 1にそれぞれ示した。
なお、 図 1 0、 図 1 1において、 像 aは実施例 2 , 像 bは実施例 3， 像 cは比 較例 2の場合をそれぞれ示す。
図 1 0， 図 1 1から明らかなように、 比較例 2の場合の像 cでは外周部に多数 の発光スポットが認められ、 それが電流注入によってスイッチングしている。 実 施例 2の像 aの場合は発光スポッ卜が少なく、 しかもそれらは中心部に集中して いる。 そして、 電流注入を大きくしてもスイッチング挙動を起こすことはなかつ た。
また実施例 3の像 bの場合は、 実施例 2に比べると発光スポッ卜の数が増加し、 しかも全体として拡散している。 しかしながら、 実施例 3の場合も、 電流注入を 大きくしてもスイッチング挙動を起こすことはなかった。 産業上の利用可能性
このように、 本発明のレーザ素子は発振横モード制御が可能な面発光半導体レ 一ザ素子であり、 例えば低動作電圧で基本横モード発振するレーザ素子である。 また、 高次横モードで安定して発振する素子では、 モードスイッチングによる雑 音も低減する。 したがって、 この面発光半導体レーザ素子は並列データ伝送用の 光源として使用可能であり、 もって高速光データ通信システムの構築に貢献する。 また、 本発明のレーザ素子における発振横モードの制御は、 従来のように、 電 流狭窄構造の大小で制御するのではなく、 全体の上面に形成する誘電体膜 （透明 な層） の平面視形状で制御するので、 その設計自由度は高く、 製造も容易であり、 その製造コストも低減する。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 下記から成る面発光半導体レーザ素子：
上部反射鏡層構造と下部反射鏡層構造との間に発光層を配置した半導体材料の 層構造が基板の上に形成され、 前記上部反射鏡層構造の上方には、 平面視形状が 円環形状をした上部電極が形成され、 前記上部電極の内側が開口部になっている、 そして、
前記開口部の一部表面を被覆して、 発振レーザ光の発振波長に対して透明な層 が形成されている。
2 . クレーム 1の面発光半導体レーザ素子において、
前記透明な層の平面視形状を変化させることにより、 発振レーザ光の出射窓の 平面視形状が変化している。
3 . クレーム 1または 2の面発光半導体レーザ素子において、
前記発光層の近傍に電流注入経路が形成されており、 そして、 前記開口部に形 成されている前記透明な層の形成位置は、 前記電流注入経路の平面視形状の中に 含まれている。
4. クレーム 1〜3のいずれかの面発光半導体レーザ素子において、
前記透明な層が、 少なくとも 1層の誘電体膜で形成されている。
5 . クレーム 4の面発光半導体レーザ素子において、
前記誘電体膜は、 窒化けい素、 酸化けい素、 酸化アルミニウム、 酸化チタニゥ ム、 酸化マグネシウムまたはフッ化マグネシウムのいずれかで形成されている。
6 . クレーム 1〜 5のいずれかの面発光半導体レーザ素子において、
前記透明な層の厚みは、 発振レーザ光の発振波長の （2 i + 1 ) Z 4 n倍 （但 し、 nは透明な層の屈折率、 iは整数を表わす） に相当する厚みになっている。
7 . クレーム 1〜5のいずれかの面発光半導体レーザ素子において、 前記透明な層の厚みは、 発振レーザ光の発振波長の 2 iZ4n倍 （ただし、 n は透明な層の屈折率、 iは自然数を表わす） に相当する厚みになっており、 かつ， 前記透明な層の上には金属膜が成膜されている。
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