JPH046217Y2

JPH046217Y2 -

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Publication number: JPH046217Y2
Application number: JP1988158023U
Authority: JP
Priority date: 1988-12-06
Filing date: 1988-12-06
Publication date: 1992-02-20
Also published as: JPH01118471U

Description

【考案の詳細な説明】技術分野本考案は、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関するものである。

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
の研究開発が進められているが、従来のこの種分
布帰還型半導体レーザ装置は、表面に回折格子を
形成した半導体層の表面をさらに半導体層により
被つて構成し、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つ
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、種々の問題があつた。

すなわち、従来の回折格子を用いた分布帰還型
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つた。また、キヤリヤ集
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、回折格子による等価的な屈折率の
変化は大きくなし得ないので、分布帰還のための
結合係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。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つ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つ
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ブラグ反
射を行わさせるブラグレフレクタを設けた分布ブ
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、ブ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、多層構造とするブ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、多層構造の共振発光層とブラグ反射層との
整合が困難であるという本質的な問題があり、未
だ十分な性能をもつて実用化し得るには到つてお
らず、良好な性能をもつて高速変調可能の単一縦
モード発振を行なう半導体レーザ装置は未だ実現
されていない。

なお、分布帰還型面発光半導体レーザ装置とし
ては、多層構造の両端面には特に反射手段を設け
ず、界面反射を利用するようにしたものもある
が、界面反射が不確実で安定なレーザ発振が得難
く、充分な分布帰還によつてレーザ発振を起こさ
せるには層数が極めて多い多層構造にする必要が
あり、装置が長大になる欠点があつた。

考案の要点本考案の目的は、上述した従来の欠点を除去
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、単一縦モードの分布帰還共振によ
りレーザ発振の閾値を下げて強力な面発光を再現
性よく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、本考案分布帰還型面発光半導体レー
ザ装置は、それぞれ結晶を形成する族元素およ
び族元素の互いに異なる組合わせよりなる活性
半導体層と相互間にpn接合をなすｐ型およびｎ
型の半導体層との複数層を半導体基板上に順次交
互に積層して構成し、前記各層に平行の両端面の
少なくとも一方に同軸に配置して前記各層に垂直
の方向の電流路を局限するように構成した反射鏡
面を兼ねる電極層を設け、当該電極層を介して電
流を前記各層に垂直に注入することによつて前記
複数層における光屈折率および光増幅利得の周期
的変化および上下両端面間の反射に共振して発光
するように構成し、共振発光の波長をλとし、前
記活性半導体層の屈折率をn₁とし、前記Ｐ型およ
びｎ型の半導体層の屈折率をn₂として、前記活性
半導体層の層厚をλ／4n₁とし、前記ｐ型および
ｎ型の半導体層の層厚を λ／4n₂と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考案を詳
細に説明する。

まず、本考案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
素と族元素との組合わせよりなり、キヤリヤの
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、GaInAsP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層とを交互に多段に積層した多層
構造の半導体装置の両端面に、電流を流すための
ｐ型およびｎ型の半導体層、例えばInP層をそれ
ぞれ被着したものを、半導体基板上、例えばｎ型
InP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一縦モー
ド発光を一方の端面から取り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InP層６０よりなるpn接合半導体層との
多段積層によつて生じ、図の中央部に矢印をもつ
て示す経路１０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３５を被着し、その上に上述し
たGaInAsP層４０、ｐ型InP層５０およびｎ型
InP層６０を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を結晶成長させて被着する。かか
る積層構造による共振発光の波長をλとし、
GaInAsP層の屈折率をn₁とし、InP層の屈折率を
n₂として、GaInAsP層４０の層厚はλ／4n₁とし、ｐ型およびｎ型のInP層５０および６０よりなる
pn接合InP層の層厚はλ／4n₂として、各層の境界面からの反射光が互いに同相となつて多重干渉する
ように構成する。なお、かかる積層構造に電流を
流すために両端面に被着するｎ型およびｐ型の
InP層３５および７０は、図に示すように、積層
構造における各層厚より厚くする。かかる構成の
半導体装置を適切な厚さ、例えば10ミクロン程度
の厚さにしたｎ型InP基板上に設け、好ましくは
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SiO₂層８０を介して、
例えばAu／ZnもしくはAu／Crの合金よりなる
透明なｐ側（＋）電極薄層１００を上端面に被着
するとともに、同様に中央部に設けて共振経路１
０の領域を限定する開口を有する絶縁層、例えば
SiO₂層９０を介して、例えばAu／Snもしくは
Au／Geの合金よりなるｎ側（−）電極薄層１１
０を下端面に被着してある。

つぎに、第１図示の基本的構成による本考案分
布帰還型面発光半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
圧を印加して多層構造の半導体装置に電流を流す
と、キヤ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、
キヤ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、
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GaInAsP層４０に順次にキヤ
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４０とInP層５０，６０
とにおける屈折率n₁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くす
ることができ、したがつて、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
とによつて両端の反射鏡面に良好な位相整合した
反射光が得られるので、レーザ発振をおこさせる
注入電流の閥値を低減させて、容易にレーザ発振
をおこさせることができる。

つぎに、第１図示の基本的構成による本考案半
導体レーザ装置の製造過程を第２図ａ乃至ｆ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層３０上に適切な層厚にして電流
を流すようにしたｎ型InP層３５を結晶成長させ
て被着し、その上に、GaInAsP層４０、ｐ型InP
層５０およびｎ型InP層６０を反復して順次に積
層した後、最上段のGaInAsP層４０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ｂに示すように、上述のようにして構成し
た多層構造の半導体装置の上端面に絶縁層とする
SiO₂層８０を被着した後に、後で裁断して複数
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に対応した円形開口を蝕刻により形成す
る。ついで、第２図ｃに示すように、ｎ型InP層
３０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100ミクロン程度
にした後、第２図ｄに示すように、ｎ型InP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SiO₂層９０を被着して、上端面
のSiO₂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。しかる
後に、第２図ｅに示すように、上端面のSiO₂層
８０を覆つて例えばAu／Zn，Au／Cr等の合金
薄層を全面に被着するとともに、下端面のSiO₂
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SiO₂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
にして複数ブロツクに裁断し、第２図ｆに示すよ
うに所望の形状寸法を有する本考案による半導体
レーザ発光素子を複数個同時に完成する。

つぎに、第１図示の基本的構成において逆バイ
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考案半導体レーザ装置の他
の構成例を第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InP層６０との間に
p⁺型InP層５５およびn⁺型InP層６５を介挿する
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閥値を
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、電流注入促進のためには、かかる超段階
pn接合を、エネルギーバンドギヤツプが狭く、
電流が流れ易い活性層との異種界面間に形成した
方がよいが、レーザ発振に所定の厚さを必要とす
る活性層の近傍に高濃度ドープを施すことは、結
晶性や光損失の点でも得策ではない。

なお、第１図および第３図に示した本考案半導
体レーザ装置の構成例においては、いずれも、半
導体基板３０をｎ型InP半導体を用いて形成した
が、半導体基板３０はｐ型InP半導体とすること
もできる。なお、その場合には、第１図示および
第３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、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３５，７０および半導体基板３０
をInP半導体により形成してあるが、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族元素との異なる組
合わせを任意に用いることができ、例えば、半導
体基板３０をGaAs半導体により形成するととも
に、活性半導体層４０をGaAs半導体により形成
し、pn接合半導体層５０，６０をGaAlAs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
述したと同様の本考案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考案分布帰還
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n_dおよ
びα_dとすると、実数部をK_rとし、虚数部をK_iと
する層間の結合係数Ｋはつぎの(1)式によつて表わ
される。

Ｋ＝K_r＋jK_i＝πn_d／λ＋ｊα_d／２ (1) 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素子長Ｌ、光増
幅利得α、離調率δ、光伝搬定数γおよび結合係
数Ｋの間にはつぎの(2)式の関係が成立つ。

（α−jδ）Ｌ＝±KLcoshγL (2) これらの式(1)、(2)を用いて、レーザ発振を得る
に必要な光増幅利得αの閾値を計算した結果は第
４図に示すようになり、素子長Ｌに対する閾値利
得αの関係を計算した結果は第５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n_dは、GaInAsP半導体
層とInP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n_d＝0.185
となり、前述した他の組成例におけるGa_1-xAl_x
As半導体とGaAs半導体との組合わせにおいてｘ
＝0.7としたときにはn_d＝0.226となつた。したが
つて、結合係数Ｋの実数部K_rは、上述の組合わ
せの例について、それぞれ、3624cm^-1および7978
cm^-1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ＬをＬ＝6μｍとしたと
きには第５図示の計算結果におけるパラメータ
K_rＬ＝2.17となり、利得α＝1180cm^-1となる。な
お、共振発光素子としては利得α＜400cm^-1とす
るのが望ましいが、利得αをこの範囲に設定した
ときに要する素子長Ｌは10μｍ程度となる。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0.3μｍ程度であり、通例10〜30層を積
層するので、素子長Ｌは３〜9μｍ程度となる。

効果以上の説明から明らかなように、本考案によれ
ば、分布型半導体レーザ装置を多層構造に構成し
て面発光を行なわせるので、短共振器化による単
一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すので、かかる半導体発光
素子を単一ウエハ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面間の
位相整合も確実容易に得られる。

したがつて、本考案分布帰還型面発光半導体レ
ーザ装置は、従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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案分布帰還型面発光半導体レーザ
装置の基本的構成例を示す側断面図、第２図ａ乃
至ｆは第１図示の構成による本考案半導体レーザ
装置の製造過程を順次に示す側断面図、第３図は
本考案半導体レーザ装置の他の構成例を示す側断
面図、第４図および第５図は本考案半導体レーザ
装置の諸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、３０……ｎ型InP基板、３５，６０…
…ｎ型InP層、４０……GaInAsP層、５０，７０
……ｐ型InP層、５５……p⁺型InP層、６５……
n⁺型InP層、８０，９０……SiO₂層、１００，１
１０……電極薄層、１２０……金属薄層。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】１それぞれ結晶を形成する族元素および族
元素の互いに異なる組合わせよりなる活性半導
体層と相互間にpn接合をなすｐ型およびｎ型
の半導体層との複数層を半導体基板上に順次交
互に積層して構成し、前記各層に平行の両端面
の少なくとも一方に同軸に配置して前記各層に
垂直の方向の電流路を局限するように構成した
反射鏡面を兼ねる電極層を設け、当該電極層を
介して電流を前記各層に垂直に注入することに
よつて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および上下両端面間の反射
に共振して発光するように構成し、共振発光の
波長をλとし、前記活性半導体層の屈折率をn₁
とし、前記Ｐ型およびｎ型の半導体層の屈折率
をn₂として、前記活性半導体層の層厚をλ／
4n₁とし、前記Ｐ型およびｎ型の半導体層の層
厚を λ／4n₂としたことを特徴とする分布帰還型
面発光半導体レーザ装置。２順次交互に積層した前記複数層にλ／4n₂と
は異なる層厚の前記ｐ型もしくは前記ｎ型の半
導体層を介挿して両端鏡面間における反射光の
位相を整合させるようにしたことを特徴とする
実用新案登録請求の範囲第１項記載の分布帰還
型面発光半導体レーザ装置。