JPH03190295A - 面発光レー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】 （産業上の利用分野） 本発明は、将来の光演算やパラレル光伝送などに用いら
れる面発光レーザ及びその製造方法に関する。

（従来の技術） 従来の光コンピュータ、光演算回路では、マドリスク状
に発光デバイスが集積された光集積回路が必要とされて
いる。これに適する光源として、面発光レーザが盛んに
研究され開発されている。

この−例として、Ｊ　、　Ｌ、　、Ｊ　ｅｗｅ　１１氏
らの発表した面発光レーザ（第７回光集積および光通信
国際会議テクニカルダイジェストｖｏ１．５ｐ８−ｐ９
）がある、この１μｍ〜５μｍ径のマイクロサイズの面
発光レーザでは発振電流１ｍＡ程度の低消費電力で発振
する事に成功している。

（発明が解決しようとする課題） しかしながらこのレーザでは、反射率９９．７％程度の
高反射率の半導体多層反射膜を必要としているから、±
１％以下という非常に高い精度に屈折率や膜厚を調整す
る必要がある。ところが、これほどの高い精度に屈折率
や膜厚を調整することは、高精度な半導体結晶成長が可
能である分子線エビタクシ−法（ＭＢＥ法）をもってし
てもまだ難しい、そこで、この従来の面発光レーザを製
造するには、半導体結晶成長での歩留まり生産性が悪い
。さらに、この面発光レーザでは、非常に高い反射率を
得るために半導体多層反射膜が２−３μｍと非常に厚い
ものとなり、この半導体多層反射膜中で光の吸収損失が
大きい、その半導体多層反射膜をもっと薄くする事が出
来れば光吸収損失が低減しさらに効率や閾値の改善が期
待される。

このように、従来の面発光レーザには解決すべき課題が
あった。

そこで本発明の目的は、上述した歩留まり生産性及び光
吸収損失に関する課題を解決し、生産性及び特性の優れ
た面発光レーザ及びその製造方法を提供する事にある。

（課題を解決するための手段） 前述の課題を解決するために本願発明が提供する面発光
レーザは、 半導体基板上に半導体柱が形成されており、この半導体
柱は前記半導体基板側に形成されたグレーティングが前
記半導体柱の第１半導体多層反射膜と、この第１半導体
多層反射膜の上に形成され少なくとも一つ以上の活性層
を含む活性層構造と、この活性層構造の上に形成された
第２導電型の第２半導体多層反射膜とを備え、 前記第１及び第２半導体多層反射膜はいずれも半導体Ａ
とＢとを交互に積層した交互積層構造でなり、これら半
導体Ａ及びＢは発振波長λ０において異なる屈折率ｎＡ
及びｎｍと異なる厚みλ０／４ｎＡ及びＢの交互積層構
造の周期するグレーティングが前記半導体柱の側面に形
成しであることを特徴とする。

また、前述の課題を解決するために本願発明が提供する
面発光レーザの製造方法は、 半導体基板上に、異なる屈折率ｎＡ及びｎＢをそれぞれ
有するグレーティングが前記半導体柱の側面に積層して
第１半導体多層反射膜を形成する工程と、この第１半導
体多層反射膜の上に少なくとも一つ以上の活性層を含む
活性層構上に少なくとも一つ以上の活性層構造の上に第
２導電型のλ０／４ｎＡ及び半導体Ｂを交互に積層して
第２半導体多層反射膜を形成する工程と、これらの半導
体多層構造の上方にマスクを形成する工程と、このマス
クによる選択エツチングによって前記第１半導体多層反
射膜、前記活性層構造及び前記第２半導体多層反射膜か
らなる半導体柱を形成する工程と、λ０／４ｎＡ及び前
記半導体Ｂの半導体組成の違いを利用した選択エツチン
グによりグレーティングを形成する工程とを含むことを
特徴とする。

（作用） 従来の面発光レーザにおいても、半導体多層反射膜は、
異なる屈折率を有する半導体Ａ及び半導体Ｂの交互積層
構造となっている。例えばＪｅｗｌｌらの試作例ではＧ
ａＡｓとＡｊ！Ａｓを材料として用いており、屈折率は
発振波長０．９５μｍ近傍において、それぞれ３．６゜
３．０となっている。このように、従来の半導体多層反
射膜における屈折率はほぼ２０％しか無いから、面発光
レーザに要求される高反射率９９．７％を実現するため
に２３周期もの半導体多層反射膜を必要とする。２３周
期の様に周期数の多い多層反射膜ではＧａＡｓとＡρＡ
ｓのそれぞれの膜厚がわずかにずれると急激に反射率が
低下する。従って、各々の膜厚許容誤差には１％以下の
高い精度が要求されており、生産性が悪化している。第
２の欠点は、２３周期の全部の厚みは２μｍ以上と厚い
から、この中における光吸収損失が大きい事である。光
吸収損失は厚さと不純物濃度の関数である。Ｐ型及びｎ
型の不純物濃度を下げれば光吸収損失は低減するが、電
流を流した時の直列抵抗が増大し、デバイスの温度安定
性や高速応答に支障をきたす、そこで、不純物濃度はや
はり１０　”ｃ　ｍ−’以上の高濃度が必要とされ、あ
まり下げる事が出来ない。従って光吸収損失を低減する
には、多層反射膜の厚さを低減するのが良い方法である
。

以上に述べた従来の面発光レーザにおける２つの欠点は
全てＧ　ａ　Ａ　ｓとＡＣ！Ａｓの屈折率差が小さいと
いう事に起因している。すなわち、屈折率差が小さいの
で高反射率を得るのに多周期の多層反射膜を要しており
、膜厚に対する高い要求精度および大きい光吸収損失と
いう欠点を招いている。

従って、何とか屈折率差を大きくする事が出来れば、以
上の２つの欠点は解決されると考えられる。

そこで、本発明では、側面を用いてこの屈折率差を大き
くする構造を採用している。すなわち、側面に半導体多
層反射膜と周期の合ったグレーティングを形成する事に
よって屈折率差を大きくする工夫である。これによって
、側面からの回折効果も加わるために、多層反射膜にお
ける等価的な屈折率差を大きくする事が出来る。これに
より、高反射率を得るのに必要な多層反射膜の周期数を
減らす事が出来る。そこで、高反射率特性の波長に対す
る広帯域化が実現して、膜厚制御に要求される精度が緩
やかなものとなり、生産性が向上する。

そのうえに、本発明の構造の採用により、一方周期数の
低減による膜厚の減少によって、光吸収損失の低減、レ
ーザ特性における効率の上昇、闇値の低減等の改善が得
られる。本発明においては、デバイスが小口径の場合に
、側面のクレーティングの影響が大となり、より一層の
効果が得られる。

一方、本発明の製造方法によれば、多層反射膜に含まれ
る屈折率の異なる半導体Ａ及び半導体Ｂの組成の違いを
利用した選択エツチングによって、側面に簡便にグレー
ティングを形成できるから、本発明の面発光レーザを歩
留まり良く製造できる。

（実施例） 次に本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明
する。第１図は本発明の一実施例の面発光レーザの断面
図である。

図中、１はｎ−ＧａＡｓからなる半導体基板、２は第１
半導体多層反射膜（ｎ−ＡＪＡｓ８０２人／ｎ−ＧａＡ
ｓ６７０人／の１２周期）、３は活性層構造（Ａ　Ｎ　
ｏ、ｓ　Ｇ　ａｏ、ｓ　Ａ　ｓ　７１５人／　Ｉ　ｎｏ
、ｉ　Ｇ　ａｏ、ａ　Ａ　Ｓ　１００人／　Ａ　ｊ）　
ｏ、　ｓ　Ｇ　ａ。、ｓ　Ａｓ　７１５人）、４は第２
半導体多層反射膜（ｐ−ＡρＡｓ８０２人／ｐ−ＧａＡ
ｓ６７０人の５周期）、５はキャップ層（ｐ”　−Ｇａ
Ａｓ　３０人）である。ここで活性層構造３はＡρＯ，
５Ｇａｏ、ｓＡｓからなる第１閉じ込め層３ａ、Ｉｎｏ
。

２Ｇａｏ、ａＡｓの歪単一量子井戸３ｂ、ＡＪｌｏ、ｓ
Ｑ　ａ６．５　Ａ　Ｓからなる第２閉じ込め層３Ｃから
なる。側面にはグレーティング１０がある。デバイス径
１μｍ、グレーティング深さ５００〜２０００人の場合
に、従来の約半分の周期数で高い反射率が得られる。こ
の必要な周期数はグレーティングの深さやデバイス径、
及びグレーティングの上に形成する誘電体膜１１の有無
や厚さによって大きく変動するから、これらの設計が重
要である。また、誘電体１１！１１に代えて多層高反射
コーティングや誘電体と高反射の金属等の組合せによっ
てもさらに高反射多層膜の周期数を減らせると考えられ
る０以上のグレーティングによって半導体多層反射膜の
周期数が低減されるから、ＧａＡｓとＡｊ）Ａｓの形式
時に要求される精度が大幅に緩和され、さらに光吸収損
失の低減によってレーザの効率及び闇値が大きく改善さ
れる。

次に本実施例の製作方法について述べる。まず、半導体
基板１上に、第１半導体多層反射膜２、活性層構造３、
第２半導体多層反射１１１４、キャップ層５を順次に結
晶で成長させる。この結晶成長の方法には、ＭＢＥ法、
有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等があり、高い精
度に膜厚が制御できる成長法によれば、緩和された膜厚
許容誤差を満足する事は容易である０次にｐ型電極６を
形成する０次に通常のホトグラフィ技術によって円形の
マスク（例えばホトレジストあるいはｐ型電極６を用い
ても良い）を形成する。マスクの径によってデバイス径
が決まるが通常は０．５〜１０μｍである。その後、ド
ライエツチング技術を用いて半導体積層構造を柱状に整
形する０次にＧａＡｓとＡρＡｓとに対して選択性のあ
るエツチング液（例えばＨｃρ希釈液等）によってグレ
ーティング１０を形成する。この選択エツチングは、選
択性があれば何でも良く通常の化学エツチングの他に真
空チェンバー内でのＧ　ａ　Ａ　ｓの蒸発等も用いる事
が出来る。この様にＧａＡｓとＡρＡｓの組成の違いを
利用する事によって簡便にグレーティング１０を形成す
る事が出来る０次に誘電体膜１１（ＳｉＯｘ膜）を保護
膜として形成し、ｎ型電極７を形成する。Ｉ　ｎｏ２Ｇ
ａｏ、ｓＡｓの発光波長９５０ｎｍに対してＧａＡｓが
ちなる半導体基板１は透明であるから、発振光８は半導
体基板１の裏面から取り出す事が出来る。

以上の実施例では活性層構造３としてＡＪ！ｏ、５Ｇａ
ｏ、ｓ　Ａｓ／Ｉ　ｎＧａＡｓ／Ａρｏ、　ｓ　Ｇ　ａ
　ｏ、　ｓＡｓの単一量子井戸構造を用いたが、これに
限らず多重量子井戸構造等の他の層構造を用いても良い
、また、本実施例ではキャップ層５をｐ型電極のために
用いたが、第２半導体多層反射膜４の表面近傍を十分に
高い濃度（７１０”■づ）にすれば、キャップ層５は設
けなくても良い、また、半導体多層反射ＷＡ２．４とし
てＧａＡｓ６７０人／ＡＪ２Ａｓ８０２人のものを用い
たが、これに限らず発振光波長λ。対して異なる屈折率
ｎＡ、ｎ。

を有し厚みが各々λｏ　／　４　ｎ＾、λｏ　／　４　
ｎ　＠の層の交互積層構造であれば他の組成及び厚さで
も良い、また、本実施例では、マスクとして円形のもの
を用いたが、これに限らず四角形等の他の形状でも本発
明を適用出来る。さらに、本実施例では材料としてＡρ
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系を用いたが、こ
れに限らずＩ　ｎＧａＡｓＰ／Ｉ　ｎＰ系等の他の材料
系においても本発明は適用できる。

（発明の効果） 以上に詳しく説明したように本発明によれば、生産性及
び特性が優れている面発光レーザ及びその製造方法を提
供することができる。

図中、１は半導体基板、２は第１半導体多層反射膜、３
ａは第１閉じ込め層、３ｂは量子井戸、３ｃは第２閉じ
込め層、３は活性層構造、４は第２半導体多層反射膜、
５はキャップ層、６はｐ型電極、７はｎ型電極、８は発
振光、１０はグレーティング、１１は誘電体膜である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板上に半導体柱が形成されており、この
   半導体柱は前記半導体基板側に形成された第１導電型の
   第１半導体多層反射膜と、この第１半導体多層反射膜の
   上に形成され少なくとも一つ以上の活性層を含む活性層
   構造と、この活性層構造の上に形成された第２導電型の
   第２半導体多層反射膜とを備え、 前記第１及び第２半導体多層反射膜はいずれも半導体Ａ
   とＢとを交互に積層した交互積層構造でなり、これら半
   導体Ａ及びＢは発振波長λ＿０において異なる屈折率ｎ
   ＿Ａ及びｎ＿Ｂと異なる厚みλ＿０／４ｎ＿Ａ及びλ＿
   ０／４ｎ＿Ｂをそれぞれ有し、前記半導体Ａ及びＢの交
   互積層構造の周期 （λ＿０／４ｎ＿Ａ＋λ＿０／４ｎ＿Ｂ）と一致する周
   期を有するグレーティングが前記半導体柱の側面に形成
   してあることを特徴とする面発光レーザ。
2. （２）半導体基板上に、異なる屈折率ｎ＿Ａ及びｎ＿Ｂ
   をそれぞれ有する第１導電型の半導体Ａ及び半導体Ｂを
   交互に積層して第１半導体多層反射膜を形成する工程と
   、この第１半導体多層反射膜の上に少なくとも一つ以上
   の活性層を含む活性層構造を形成する工程と、この活性
   層構造の上に第２導電型の前記半導体Ａ及び半導体Ｂを
   交互に積層して第２半導体多層反射膜を形成する工程と
   、これらの半導体多層構造の上方にマスクを形成する工
   程と、このマスクによる選択エッチングによって前記第
   １半導体多層反射膜、前記活性層構造及び前記第２半導
   体多層反射膜からなる半導体柱を形成する工程と、前記
   半導体Ａ及び前記半導体Ｂの半導体組成の違いを利用し
   た選択エッチングによりグレーティングを形成する工程
   とを含むことを特徴とする面発光レーザの製造方法。