JPH0555713A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 自然放出光の発振共振器モードに結合する割
合を十分に高めることができ、より高効率及び低しきい
値のマイクロ共振器レーザを実現することを目的とす
る。 【構成】 屈折率の大きな半導体膜と屈折率の小さな半
導体膜を交互に複数個積層した第１及び第２の分布ブラ
ッグ反射器２０，４０との間に、量子井戸活性層３１か
らなるダブルヘテロ構造部が形成されたマイクロ共振器
レーザにおいて、ダブルヘテロ構造部に対し基板１０と
反対側の分布ブラッグ反射器４０を、ダブルヘテロ構造
部の発光領域上で該ダブルヘテロ構造部と反対側に凸状
に形成したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体発光素子に係わ
り、特に共振器の実効的な大きさを動作する光の波長程
度とした高効率の半導体発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信や光情報処理用の光源とし
て、半導体レーザが広く用いられている。また、ＯＥＩ
Ｃ（光・電子集積回路）やフォトニックＩＣと呼ばれる
集積回路では、半導体レーザを他の受光素子と共にモノ
リシック集積する試みが行われている。さらに、並列演
算を目指して、半導体レーザのアレイ集積も研究されて
いる。このような集積回路では、半導体レーザの集積度
を増すために、レーザの低しきい値化が重要になってい
る。

【０００３】ところで、共振器の大きさが動作する光
（電磁波）の波長程度の大きさであるようなマイクロ共
振器構造を用いて、半導体レーザの効率化，超低しきい
値化を行うことが研究されている。これは、自然放出光
を制御し、発光素子の特性向上を実現するものである。
以下に、自然放出光を制御するための原理を簡単に説明
する。

【０００４】良く知られているように、光の放出過程に
は、誘導放出過程と自然放出過程との２つが存在する
（A.Einstein, Verhandlung der Deutsche Physicalisc
heGesellschaft, Bd. 18, 318(1916)）。誘導放出は、
その場所での共鳴電磁波の強度に比例する確率であり、
吸収の逆過程である。これに対して自然放出は、入射電
磁波とは無関係に起こるとされている。レーザは誘導放
出過程を利用した光素子であり、発光ダイオードは自然
放出光を利用している。

【０００５】ここで、自然放出確率は、光子（電磁波）
のモード密度（ｍ（ν））と発光スペクトル線の形状
（ｇ（ν））との積を電磁波の周波数（ν）で積分して
与えられる。前述の A.Einstein の議論では、真空の光
子モード密度を仮定している。従って、大きさが発光波
長程度の微小共振器の中に発光媒質がある場合には、光
子モード密度の変化により自然放出確率が変化する。

【０００６】このような考えに基づいたレーザは、マイ
クロ共振器レーザと呼ばれる。半導体レーザを例にと
り、図２２を参照してさらに説明を加える。図２２にお
いて、左側は通常の半導体レーザ、右側はマイクロ共振
器レーザの特性である。

【０００７】通常の半導体レーザにおいては、共振器長
をＬ，屈折率をｎ′とすれば、軸方向の各モードの波長
は、ｍを整数としてλ_m ＝２Ｌ／ｎ′ｍで規定される。
ここで、一般にＬは数百μｍであるため、図２２の（１
−ａ）に示すようにモード間隔は数オングストロームに
なる。

【０００８】また、半導体における発光スペクトル線幅
は、図２２の（１−ｂ）に示すように数１０ｎｍである
ために、自然放出光は波長軸上で図２２の（１−ｃ）に
示すようになる。即ち、発振しきい値以下の電流では、
注入したキャリアは、発光スペクトル線幅内の各波長で
光再結合し、自然放出確率は共振器がない場合と変わら
ない。注入電流をさらに増やすと、図２２の（１−ｄ）
に示すように波長λ_L で発振し、図２２の（１−ｅ）に
示すようなしきい特性を持つ光出力−電流曲線となる。

【０００９】いま、共振器長Ｌとして、スペクトル線の
ピーク波長λｇ程度の大きさ（このような共振器を、マ
イクロ共振器と呼ぶ。）にとると、スペクトルｇ（λ）
が有限である領域に零個を含む数個のモードだけしか存
在できないようにすることができる。図２２の（２−
ａ）に１個のモードのみ存在する場合を示した。このよ
うにすると、発光スペクトル，自然放出スペクトル及び
発振スペクトルは図２２の（２−ｂ），（２−ｃ）及び
（２−ｄ）に示すようになり、自然放出光といえども必
ず発振波長に結合するので、図２２の（２−ｅ）に示す
ように零しきい値の半導体レーザが実現できる。

【００１０】また、このような光閉じ込めが完全でない
場合であっても、マイクロ共振器により、発振しきい値
の低減化が可能である。一般的には、自然放出光のうち
で、発振共振器モードに結合する割合をβ（β≦１）と
おくと、発振しきい値は近似的にβに逆比例する。通常
のレーザでは、β〜１０^-5であるので、発振共振器モー
ドに結合する割合βが１０％であっても、４桁程度のし
きい値低減が期待される。

【００１１】このようにマイクロ共振器において、半導
体レーザの低しきい値化や種々の機能発光素子が可能と
なることは、既に知られている（特開昭59-50589号公
報）。しかし、マイクロ共振器は高い反射率を持った共
振器である必要がある。さもないと、共振器外の光モー
ドが共振器内に入り込み、モード密度が真空場のそれと
同じになってしまうからである。上記の公報には、高い
反射率を得るための構造に関する具体的な施策は記載さ
れていない。

【００１２】マイクロ共振器を半導体材料で具現化した
例は、文献（山本喜久，上田正仁，電気情報通信学会
誌，72(9) pp.1014-1020 (1989) 及び 73(2)pp.161-16
6：Y.Yamamoto, "Cavity Quantum Electrodynamics& Qu
antum Computing"; 1stInternational Forum on the Fr
ontier of Telecommunications Technology,SESSION 3
）に報告されている。

【００１３】この例を、図２３（ａ）（ｂ）に示す。高
い反射率を持った共振器とするために、ＡｌＧａＡｓ／
ＡｌＡｓ多層膜よりなる分布ブラッグ反射器（λ／４誘
電体多層膜）２，３を用い、活性層１は量子井戸構造と
している。なお、屈折率の大きな半導体膜と屈折率の小
さな半導体膜とが交互に複数個積層された反射器は、分
布ブラッグ反射器と呼ばれる。また、２つの分布ブラッ
グ反射器２，３に囲まれた間隔をλ（図２３（ａ））或
いはλ／２（図２３（ｂ））とすることによって、モー
ドの腹及び節４が各々の場合に活性層に位置するように
設計し、前者の場合は自然放出強度の増大、後者では自
然放出強度の抑制を得ている。

【００１４】上記のマイクロ共振器の例では、光モード
は積層方向にのみ形成されているだけであり、積層方向
に対して斜め方向や層方向に進行する光は、共振器モー
ドに結合し難くなったり、結合しなくなったりする。そ
してこれが、前述した自然放出光の発振共振器モードに
結合する割合（β）を小さくする要因となっている。従
って、半導体マイクロ共振器においては、垂直方向（薄
膜結晶成長方向）だけでなく、水平方向にも共振器長を
波長程度に短くし、且つ共振器全面を光反射膜（或いは
多層膜）で覆うことが望ましい。

【００１５】しかしながら、垂直方向には分布ブラッグ
反射器を薄膜結晶成長技術により形成することが容易で
あるが、水平方向にも分布ブラッグ反射器を形成するの
は容易でない。即ち、通常の半導体レーザのコーティン
グによる光反射膜形成においては、スパッタ蒸着や電子
ビーム蒸着などが用いられ、コーティングしようとする
面を蒸着種の飛来する方向に向けて蒸着するが、コーテ
ィングしようとする面以外の面も蒸着種の回り込みによ
って蒸着されてしまう。回り込みによる蒸着層の厚さ
は、本来のコーティングしようとする面への蒸着の厚さ
よりも一般には薄くなっている。従って、垂直方向及び
水平方向のように多面的に同じ多層膜コーティングする
ことは不可能である。

【００１６】また、このような半導体発光素子をモノリ
シックに集積化しようとしたときにも、従来のコーティ
ング技術では隣接したマイクロ共振器が邪魔になり、蒸
着種が全面に均等に行き渡らないという問題点もある。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、マイ
クロ共振器を用いた半導体発光素子においては、自然放
出光の発振共振器モードに結合する割合を高めるため
に、垂直方向だけでなく水平方向に伝搬する光に対して
も共振器を形成することが望ましい。しかし、水平方向
に共振器を構成するための光反射膜を形成するのは困難
である。このため、自然放出を十分に制御することがで
きず、発光素子の場合は発光効率の低下を招いていた。

【００１８】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、自然放出光の発振共振
器モードに結合する割合を十分に高めることができ、よ
り高効率及び低しきい値の半導体発光素子を提供するこ
とにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、マイク
ロ共振器の光反射面を、２組の分布ブラッグ反射器で構
成し、２組の分布ブラッグ反射器のうち少なくとも一方
を単一な平面でない分布ブラッグ反射器で構成すること
にある。ここで、単一な平面でない面とは、複数の平面
で構成された面或いは曲面などを意味する。

【００２０】即ち本発明（請求項１）は、屈折率の大き
な半導体膜と屈折率の小さな半導体膜を交互に複数個積
層した第１の分布ブラッグ反射器と、該反射器と同様な
構成の第２の分布ブラッグ反射器との間に、半導体のダ
ブルヘテロ構造部が形成された半導体発光素子におい
て、分布ブラッグ反射器の少なくとも一方を、ダブルヘ
テロ構造部の発光領域上で該ダブルヘテロ構造部と反対
側に凸状に形成してなることを特徴としている。

【００２１】また、本発明（請求項２）は、屈折率の大
きな半導体膜と屈折率の小さな半導体膜を交互に複数個
積層した分布ブラッグ反射器と金属反射器との間に、半
導体のダブルヘテロ構造部が形成された半導体発光素子
において、分布ブラッグ反射器又は金属反射器の少なく
とも一方を、ダブルヘテロ構造部の発光領域上で該ダブ
ルヘテロ構造部と反対側に凸状に形成してなることを特
徴としている。

【００２２】また、本発明（請求項３）は、屈折率の大
きな半導体膜と屈折率の小さな半導体膜を交互に複数個
積層した第１の分布ブラッグ反射器と、該反射器と同様
な構成の第２の分布ブラッグ反射器との間に、半導体の
ダブルヘテロ構造部が形成された半導体発光素子におい
て、分布ブラッグ反射器の双方を、ダブルヘテロ構造部
の活性層側に凹みを有する曲面状に形成し、且つダブル
ヘテロ構造部の活性層をブラッグ反射器によって規定さ
れる共振器モードの焦点部に位置させてなることを特徴
とする。

【００２３】

【作用】既に説明したように、２組の半導体分布ブラッ
グ反射器を対向させたマイクロ共振器では、１次元方向
にのみ光の閉じ込めが有効であり、斜めや横方向への自
然放出も生じるために、自然放出光の発振共振器モード
に結合する割合は低い。これに対して本発明のように、
分布ブラッグ反射器（又は金属反射膜）を共振器から見
て凸状にすることによって、垂直方向以外に進行する光
に対しても反射器として働かせることが可能であり、自
然放出光の発振共振器モードに結合する割合を増大でき
る。

【００２４】また、本発明では分布ブラッグ反射器を複
数の平面で形成された構造としているので、１つの方向
だけでなく複数の方向で光の閉じ込めが可能であり、自
然放出光の発振共振器モードに結合する割合を高くする
ことができる。さらに、本発明の構造は、半導体のドラ
イエッチングや結晶成長技術を用いて一括して形成でき
るため、大面積に再現性良く作成でき集積化も容易であ
る。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００２６】図１は本発明の第１の実施例の概略構成を
示す断面図である。この実施例は、自然放出光を増強し
た超低しきい値マイクロ共振器レーザである。

【００２７】ｎ型ＧａＡｓ基板（キャリア濃度２×１０
¹⁸cm^-3）１０上に、例えば減圧ＭＯＣＶＤ法を用いて半
導体の積層構造が形成され、最上層及び基板裏面には電
極１１，１２がそれぞれ形成されている。

【００２８】半導体の積層構造において、２１，２３，
２５，２７，４１，４３，４５，４７はＡｌ_0.8 Ｇａ
_0.2 Ａｓ層、２２，２４，２６，２８，４２，４４，４
６，４８，３２，３３はＡｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓ層であ
り、５０はｐ型ＧａＡｓコンタクト層（キャリア濃度５
×１０¹⁸cm^-3）である。４１〜４８はｐ型でキャリア濃
度２×１０¹⁸cm^-3に不純物ドープされ、２１〜２８はｎ
型でキャリア濃度２×１０¹⁸cm^-3に不純物ドープされて
いる。

【００２９】組成或いは組成比の異なる半導体の接合は
ヘテロ接合と呼ばれ、ヘテロ接合を２つ持つ構造はダブ
ルヘテロ構造と呼ばれる。３１〜３３はダブルヘテロ構
造部をなし、３１は電子と正孔が光再結合を行う活性層
である。本実施例では活性層３１は厚さ７ｎｍのＩｎＧ
ａＡｓ層であり、その厚さが電子のド・ブロイ波長の程
度であるために、３１〜３３は量子井戸構造と呼ばれ
る。

【００３０】２１〜２８及び４１〜４８は各々分布ブラ
ッグ反射器２０，４０を構成しており、各々の層の厚さ
（曲面の場合は、ヘテロ界面の最短距離）は光学距離に
してλ／４である。ここで、λは量子井戸の発光ピーク
波長である。また、以下の説明で記号λを用いた距離
は、特に断らない限り光学距離（実長さに有効屈折率を
掛けた長さ）を表わす。また、一般的には分布ブラッグ
反射器を構成する各層の厚さは、λ／４の奇数倍であれ
ばよい。

【００３１】ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層３１は、第１
の分布ブラッグ反射器２０の最上層２１からλ／２の距
離にある。第２の分布ブラッグ反射器４０の最下層４１
は、中央部でその半径がλ／２の半球状になっており、
活性層３１はこの半球の直径部に位置している。より具
体的には、活性層３１はスペーサ層３３の中央部に半径
λ／２の円形に形成され、この活性層３１上のスペーサ
層３２が半径がλ／２の半球状になっており、これらの
スペーサ層３２，３３上に分布ブラッグ反射器４０が成
長形成されている。また、電極１１は図２に本実施例素
子の平面図を示すように、中央部に円形の開口を有する
ものとなっている。

【００３２】このような構成であれば、第２の分布ブラ
ッグ反射器４０を共振器から見て凸状に形成しているの
で、この分布ブラッグ反射器４０を垂直方向以外に進行
する光に対しても反射器として働かせることが可能であ
り、自然放出光の発振共振器モードに結合する割合を増
大できる。本実施例では、自然放出光の発振共振器モー
ドに結合する割合βを１０％程度まで高めることが可能
となり、約４桁の発振しきい値の低減となった。

【００３３】次に、本実施例レーザの作成方法を、図３
を参照して説明する。

【００３４】まず、図３（ａ）に示すように、ｎ型Ｇａ
Ａｓ基板１０上に減圧ＭＯＣＶＤ法により、分布ブラッ
グ反射器２０を積層し、さらにこの上にダブルヘテロ構
造部をなす各層３３，３１，３２を積層する。このと
き、スペーサ層３２は厚めに成長する。続いて、電子ビ
ーム露光法とウェットエッチング等により、マスク６０
（酸化珪素膜）を上向きに凸となるように形成する。

【００３５】次いで、塩素プラズマを用いた方向性ドラ
イエッチングにより、スペーサ層３２及び活性層３１を
スペーサ層３３に達するまでエッチングする。このと
き、マスク６０もスペーサ層３２より遅い速度でエッチ
ングされるので、マスクの局所的膜厚に応じて図３
（ｂ）に示すようにスペーサ層３２が凸状に残される。

【００３６】なお、塩素プラズマを用いた方向性ドライ
エッチングを行う前に、マスク６０を用いて、活性層３
１に達するプロトンの打ち込みを行ってもよい。こうす
ることにより、打ち込み領域が高抵抗領域として働き、
電流をより有効に活性層３１に注入することが可能とな
る。

【００３７】次いで、図３（ｃ）に示すように、減圧Ｍ
ＯＣＶＤ法により分布ブラッグ反射器４０及びＧａＡｓ
コンタクト層５０を積層する。最後に、通常のフォトリ
ソグラフィと蒸着により、電極１１及び１２を形成し、
電極１１及びコンタクト層５０の一部をエッチングする
ことにより、図１に示す構造が得られる。

【００３８】なお、図１に示した量子井戸活性層や分布
ブラッグ反射器の形状、さらに活性層と分布ブラッグ反
射器の位置関係などには、様々の場合があり得る。例え
ば、分布ブラッグ反射器にλ／４の厚さの複数個のペア
（屈折率の高い層と低い層）を追加してもよい。量子井
戸活性層と分布ブラッグ反射器の距離がλ／２の整数倍
であってもよい。スペーサ，３２，３３を量子井戸活性
層３１から遠ざかるに連れて禁制帯幅が大きくなるよう
にした、所謂ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造にしてもよい。

【００３９】また、図４に斜視図で示したように、分布
ブラッグ反射器４０の形状として半円柱とすることもで
きる。図１の分布ブラッグ反射器４０は球状でなくても
上向きに凸状であれば、同じようにβの増大が期待され
る。活性層として量子井戸の他に、図５に示すように量
子細線や量子箱にすることもできる。図５において７０
が量子細線活性層を示している。さらに、図１では分布
ブラッグ反射器４０が半球状となっているが、分布ブラ
ッグ反射器２０を半球状としてもよいし、両方の分布ブ
ラッグ反射器２０，４０を球状としてもよい。また、４
１は活性層３１を取り囲むようになっているが、取り囲
まない構造（例えば、４１のＡｌ組成を３２のＡｌ組成
とする構造）であっても、何等構わない。

【００４０】図６は、本発明の第２の実施例の概略構成
を示す断面図である。本実施例は、結晶成長速度の成長
面方位依存性を使って、マイクロ共振器レーザを作成で
きる例である。

【００４１】１２０は図１の２０と同様なｎ型の分布ブ
ラッグ反射器であり、１４０は図１の４０と同様なｐ型
の分布ブラッグ反射器である。但し、分布ブラッグ反射
器１４０は正四面体構造をとっている。なお、本実施例
素子を上方から見た平面図を図７に示す。この図７のＡ
−Ａ′の断面が図６である。

【００４２】分布ブラッグ反射器１４０の各層の膜厚
は、λ／４にとっている。図６を見ると、分布ブラッグ
反射器１４０のうちで、左側の層間隔の方が右側の層間
隔よりも厚くなっているように見えるが、図７から分か
るように左側の層は正しい層間隔を示しておらず、見掛
上厚く見えるだけである。また、１３１はＧａＡｓ活性
層、１５１は酸化珪素膜、１３２及び１３３はＡｌ_0.3
Ｇａ_0.7 Ａｓ層（スペーサ層）、１１１及び１１２は電
極を示している。

【００４３】次に、第２の実施例素子の作成方法の概要
を説明する。

【００４４】結晶成長には（１１１）面のＧａＡｓ基板
１１０を用いる。ＭＯＣＶＤ法で分布ブラッグ反射器１
２０及びスペーサ層１３３を成長したのち、その上に酸
化珪素膜１５１を堆積する。次いで、正三角形の各辺
が、［１１０］，［０１１］，［１０１］となるように
パターニングし、酸化珪素膜１５１の正三角形部分をエ
ッチングで取り除く。正三角形の一辺の長さは、約０．
１μｍである。さらに、参考文献（T.Fukui, S.Ando,
Y.Tokura, and T.Todhiyama: Extended Abstractsof th
e 22nd (1990 International) Conference on Solid St
ate Devices andMeterials, Sendai, 1990, pp.99-10
2）に記載されているのと同様な選択成長法を用いて、
活性層１３１，スペーサ層１３２及び分布ブラッグ反射
器１４０を順次積層する。結晶成長の面方位依存性のた
めに、テトラヘドラル対称性を持つ構造が積層される。

【００４５】なお、本実施例方法で作成する場合、結晶
の対称性を利用しているために、酸化珪素膜のパターニ
ングは正三角形である必要はなく、例えば、円であって
も、自然に正四面体構造が積層される。酸化珪素膜は、
素子作成時には選択成長マスクとして機能するが、作成
された素子では電流狭窄層として働く。

【００４６】図８は本発明の第３の実施例の概略構成を
示す断面図である。第２の実施例では、活性層が３次元
的に分布ブラッグ反射器によって囲まれていたが、本実
施例では２次元的に囲まれている例である。本実施例
も、結晶成長速度の成長面方位依存性を使って作成でき
る例である。なお、本実施例素子を上方から見た平面図
を図９に示す。この図９のＢ−Ｂ′の断面が図８であ
る。

【００４７】２２０及び２４０はｎ型及びｐ型の分布ブ
ラッグ反射器であり，２３１はＩｎＧａＡｓ活性層、２
５１は酸化珪素膜である。本実施例ではＧａＡｓ基板２
１０として、（００１）面を用いる。酸化珪素膜２５１
に、［１１０］方向のストライプを抜き、参考文献（T.
Fukui, S.Ando, H.Saito: Extended Abstractsof the 2
2nd (1990 International) Conference on Solid State
Devices andMaterrials, Sendai, 1990, pp.753-756）
に記載されているのと同様な方法で選択成長を行って、
２３３，２３１，２３２，２４０を順次積層する。本構
造は、第２の実施例ほどにβを大きくすることはできな
いが、比較的幅の広い酸化珪素膜のストライプであって
も、活性層２３１の横幅を狭く制御できるという利点が
あり、作成が容易である。

【００４８】図１０は本発明の第４の実施例の概略構成
を示す断面図である。本実施例は第２の実施例のｐ型分
布ブラッグ反射器１４０を、電極を兼ねた金属反射膜に
変えた例である。

【００４９】図中３３１はＩｎＧａＡｓ活性層、３３２
はｐ型ＧａＡｓスペーサ層、３１２は電極を兼ねた金属
反射膜である。スペーサ層の厚さはλ／５〜λ／４程度
である。金属反射膜３１２としては、通常用いられるＡ
ｕＺｎ／Ａｕの積層膜でもよいが、半導体との界面での
合金化による反射率の低下を防ぐためにＡｇ或いはＡｇ
／Ａｕ或いはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕなどの金属膜を用いる方
法が望ましい。本実施例の活性層３３１とスペーサ層３
３２の間に、第２の実施例のｐ型分布ブラッグ反射器１
４０を積層した構造も可能である。この場合には、ｐ型
分布ブラッグ反射器のペア数を減らしても高い反射率が
得られるという利点がある。

【００５０】次に、本発明の第５〜第７の実施例につい
て説明する。前述した第１〜第２の実施例では、一次元
共振器構造の作製の容易さと、閉共振器並の大きなβを
同時に実現する共振器構造の一つとして、平面−凹面共
振器を用いている。このような共振器構造では、共振モ
ードはほぼ全立体角に渡って単一波長であるので、適切
な設計がなされていれば１に近いβの値が得られる。ま
た、共振器構造をエピタキシャル成長によって形成でき
るので作製プロセスは比較的簡単である。

【００５１】ところで、共振器モードへの自然放出確率
は、発光体の存在する位置での規格化された共振器モー
ドの振幅の二乗に比例する。従って、βを大きくするに
は、活性層の位置でのモード振幅を大きくし（即ち共振
器のＱ値を大きくし）、且つ活性層が全面に渡ってモー
ドの腹に位置することが理想的である。しかし、第１〜
第２の実施例構造では、平面反射膜が分布反射膜である
ため、活性層からの発光が反射膜の内部深くまで染み込
む。そのため、凹面鏡の曲率が大きすぎると発光の一部
が共振器外へ放出されてしまい、十分大きなＱ値は得ら
れない。

【００５２】即ち、第１〜第２の実施例においては図１
１に示すように、上側の球面反射膜（分布ブラッグ反射
器４０）の曲率中心Ｐよりも活性層３１よりの界面で反
射された発光成分は光路Ａのように安定な共振経路を辿
るが、Ｐよりも基板１０側の界面で反射された発光成分
はＢに示すような経路で共振器外に逃げてしまう。これ
を避けるために、球面反射膜の曲率に制限を設け、曲率
中心Ｐを下側の平面反射膜（分布ブラッグ反射器２０）
よりも基板１０側に移動させる必要がある。しかし、そ
こまで曲率を小さくすると、活性層３１付近での共振器
モードの電場振幅を、従来の一次元共振器に比べて十分
大きくすることはできない。さらに、活性層３１のある
面が共振器モードの等位相面と一致しないために、活性
層３１の全面をモードの腹の部分に一致させることがで
きない。つまり、第１〜第２の実施例構造では、球面反
射膜を用いる利点が十分生かされていない場合がある。

【００５３】そこで以下の実施例では、共振器の損失を
より小さくし、且つ発振共振器モードの腹の部分に活性
層を位置させるために、対向する一対の凹面反射膜、又
はそれと光学的に透過な平面−凹面鏡反射膜によって、
共振器長が活性層の発光波長程度の光共振器を構成して
いる。

【００５４】図１２は本発明の第５の実施例の概略構成
を示す斜視図、図１３は図１２の矢視Ａ−Ａ′に沿った
断面図である。本実施例は、ｎ型ＧａＡｓ基板510 上に
積層されたｎ型分布反射膜520,ｎ型クラッド層533,活性
層531,ｐ型クラッド層532,ｐ型分布反射膜540,及びｐ型
電極511 と基板裏面のｎ型電極512 を基本構成要素とし
ている。活性層531 から放出された光は、球面状の分布
反射膜540 を通して電極511 に開けられた窓Ｗから外部
に取り出される。

【００５５】分布反射膜520,540 は、図１３に示すよう
に球面状に湾曲した多層膜で構成され、厚さ１０ｎｍの
ＧａＡｓ量子井戸活性層531 及びＡｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓ
クラッド層532,533 を挾んで対向する共振器構造を形成
している。これらの多層膜はそれぞれ、ＡｌＡｓ（521,
541 ）とＡｌ_0.18Ｇａ_0.82Ａｓ（522,542 ）とを交互に
積層して構成されている。各層の厚さは、光学長（実際
の厚さに屈折率を掛けた値）にしてλ／４である。ここ
で、λは活性層531 の真空中における発光波長である。

【００５６】クラッド層532,533 は後述する方法で、直
径０．５μｍ程度のレンズ状に加工されている。クラッ
ド層532,533 及び活性層531 を含むダブルヘテロ構造部
の頂部と底部の間隔は、図１４（ｂ）に示すように光学
長でλである。図中に記号Ｆで、共振器モードの共振器
軸に沿った電場の振幅を示しているが、活性層531 はこ
の共振器モードの腹の部分に位置している。クラッド層
532,533 のレンズ状の部分の外側は、電流狭窄のために
イオン打ち込みによって高抵抗化されている（領域Ｉで
表示）。

【００５７】ここで、図１５に示すような、２枚の球面
反射鏡を向かい合わせた共振器の固有モードは、“ガウ
シアンビーム”によって表わされる。この図で、実線は
電場強度が中心軸の１／ｅになる位置を表わしている。
ビームの等位相面は図中の一点鎖線で示すように最小ビ
ームスポットに近づくにつれて曲率が小さくなり、最小
ビームスポットで平面となる。従って、活性層の位置を
最小ビームスポットに合わせることにより、活性層は共
振器モードの等位相面と一致する。このため、共振器長
を適切に設定すれば、モードの腹の部分に活性層の全部
が位置することとなり、共振器モードに放出される自然
放出の割合を最大限に高めることができる。

【００５８】このような効果は、反射膜が完全な球面で
なくとも、形状が著しく球面から逸脱していない限り同
様に得られる。本実施例では、球面反射鏡として球面状
の分布ブラッグ反射膜を用いている。また、 ０≦（１−Ｌ／Ｒ₁ ）（１−Ｌ／Ｒ₂ ）≦１ の関係を満たすように、反射鏡の曲率半径Ｒ₁ 、Ｒ₂ 、
共振器長Ｌを設定することにより、横方向への光損失が
抑制される。その結果、平面反射鏡を向かい合わせたフ
ァブリ・ペロー共振器構造に比べ、遥かにＱ値の高い共
振器構造が実現する。

【００５９】自然放出確率はＱ値に比例するため（S.Ha
roche and D.Kleppner, PhysicsToday,p24 Jan.198
9）、活性層からの自然放出確率は、共振器がない場合
に比べても、さらにファブリ・ペロー共振器中におかれ
た場合に比べても増大する（典型的には、共振器がない
場合の１０倍程度）。このことは、発光効率が実質的に
増大することを意味している。なぜなら、発光効率は、
無輻射再結合確率と輻射再結合確率との兼ね合いで決ま
る。前者は共振器の構造によらず一定であるのに対し、
後者は本実施例の曲面共振器の効果で増大するため、注
入されたキャリアのうち、発光に寄与する割合が増える
からである。

【００６０】一般に、半導体発光媒質は、室温において
は無輻射再結合確率が輻射再結合確率より大きく、自然
放出に対する発光効率は極めて低い（数％程度）。しか
し、この輻射再結合確率の増大により自然放出に対する
発光効率を数十％まで増大させることが可能となる。こ
れは、室温で動作する微小共振器レーザを実現する上で
重要な点である。以上の二つの効果の相乗作用により、
著しい閾値の低減効果が得られる。

【００６１】なお、本実施例による半導体発光素子は、
自然放出光自身が数ＧＨｚ〜数十ＧＨｚ程度の比較的狭
いスペクトル線幅を持ち、自然放出寿命も室温で１ｎｓ
程度と短いため、発振閾値以下の注入電流でもレーザー
に準ずるような使用が可能である。例えば、１素子当り
数ｎＡ程度の注入電流で１ＧＨｚで動作する高効率・高
速ＬＥＤとして用いることができる。

【００６２】図１６は本発明の第６の実施例の概略構成
を示す断面図である。本実施例は、電極511 から活性層
531 までは第５の実施例と共通である。異なる点は、ク
ラッド層533 の底面が平面で、クラッド層532 のレンズ
状の部分の直下の基板510 がエッチングにより取り去ら
れ、金属反射膜兼電極513 がクラッド層533 に直接蒸着
されている点である。反射膜兼電極513 は、高い反射率
を保ちつつオーミックコンタクトを得るため、ＧａＡｓ
との間で合金化が生じないＡｇ等の金属を用いる。本実
施例においては、高いＱ値を得るために、平面反射鏡と
してこの金属反射膜を用いることが本質的である。本実
施例の活性層531 の位置とクラッド層532,533 、反射膜
兼電極513 との位置関係は、共振器のモード振幅（Ｆ）
に対して図１７（ａ）に示されている。クラッド層532
の頂部と反射膜兼電極513 との間隔は光学距離で３λ／
４であり、この場合もやはり共振器のモードの腹に活性
層531 が位置する。

【００６３】ここで、球面反射鏡と平面反射鏡を組み合
わせても、先に第５の実施例で述べた共振器と等価な共
振器が得られる。図１８にその概略図を示す。これは、
平面反射鏡を中心として球面反射鏡を折り返した構造、
即ち共振器長２Ｌの対称球面共振器と光学的には等価な
構造である。このとき、安定な共振器となる条件は、球
面反射鏡の曲率半径をＲとして、 Ｒ＞Ｌ である。本実施例では、球面反射鏡を分布反射膜540 と
し、平面反射鏡を金属反射膜513 としている。但し、こ
の共振器構造では等位相面が平面になるのは平面反射膜
上となるため、活性層を厳密に等位相面に一致させるこ
とはできない。しかし、活性層は平面反射膜から４分の
１波長〜１波長程度という非常に近接した平面上に位置
しているため、実質的には問題とならない。当然なが
ら、この構造においても上で述べた理由により大幅な閾
値の低減が達成される。

【００６４】図１９は本発明の第７の実施例の概略構成
を示す断面図である。本実施例はクラッド層532 のレン
ズ状の部分の外側を二酸化珪素膜534 で覆い、これを選
択成長マスクとして分布反射膜540 を成長させた構造で
ある。本実施例では二酸化珪素膜534 が電流狭窄層とし
ても働くため、イオン打ち込み領域Ｉは不要となる。本
実施例は第６の実施例に比べて製造工程が複雑になるも
のの、活性層531 から反射膜540 を見込む立体角が大き
く取れるために、共振器のＱ値がより大きくなり、閾値
をより下げることができる。

【００６５】以上の第５〜第７の実施例において、クラ
ッド層532,533の厚さ及び活性層531 の位置は、活性層5
31 が共振器モードの腹に位置するという条件を満たす
範囲において任意に変えることができる。前記図１４及
び図１７に、その例を示した。図中の記号Ｈ，Ｌはそれ
ぞれ、隣合う層（活性層は除く）に比べて屈折率が高い
こと及び低いことを示している。図１４（ａ）、１７
（ｂ）はそれぞれ、分布反射膜の積層順序を第５及び第
６の実施例と逆にした例、図１４（ｃ）は分布反射膜の
積層順序のみを第５の実施例の逆にした例である。ま
た、図１７（ｃ）は、金属膜による吸収損失を低減する
ためにクラッド層533 と反射膜兼電極513との間に二酸
化珪素等の誘電体膜515 を挿入した例である。

【００６６】次に、本実施例素子の製造方法について説
明する。図２０は第５の実施例素子の製造工程を示す断
面図である。

【００６７】まず、図２０（ａ）に示すように、ｎ型基
板510 上に窒化硅素膜Ｍ１をプラズマＣＶＤ法等により
形成する。その上にレジストＲを塗布し、電子ビーム露
光により直径０．５μｍの開口を作る。続いて、弗酸或
いは弗酸の希釈液を用いてマスクＭ１の表面をエッチン
グし、レジストの開口部に凹みを作る。このとき、マス
クＭ１のエッチングが基板面に達する前にエッチングを
停止する。

【００６８】次いで、図２０（ｂ）に示すように、レジ
ストＲを除去し、塩素系の反応性イオンエッチング（Ｒ
ＩＥ）、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）等
を用いて、凹みを有するマスクＭ１と基板510 のエッチ
ングを行う。基板510 のエッチング深さはマスクＭ１が
薄いところほど大きくなるので、基板510 上にも凹みが
形成される。この形状は、マスク形状及びマスクとＧａ
Ａｓのエッチング速度の差に応じて決まる。通常、Ｇａ
Ａｓのエッチング速度の方がマスクのエッチング速度よ
りもやや速いので、基板上の凹みの曲率はマスクのそれ
よりも大きくなる。

【００６９】次いで、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）
法や分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法により、図２
０（ｃ）に示すように、ｎ型分布ブラッグ反射膜520,ｎ
型クラッド層533,活性層531,及びｐ型クラッド層532 を
積層する。続いて、クラッド層532 上にレジストを塗布
し、電子ビーム露光により直径０．５μｍの円形パター
ンを作成し、１００ｋｅＶ程度のＧａイオンビームを打
ち込んで電流狭窄のための高抵抗領域Ｉを形成する。そ
の後、基板510 を回転させながら斜め方向より数百ｅＶ
のＡｒイオンビームを照射して、レジストからなるレン
ズ状のマスクＭ２を形成する。

【００７０】次いで、酸素，塩素混合ガスを用いたＲＩ
Ｅ又はＲＩＢＥによりクラッド層532 をマスクＭ２ごと
エッチングして、図２０（ｄ）に示すように、クラッド
層532 上にレンズ状の突起を形成する。この突起の上に
ｐ型分布ブラッグ反射膜540 をＭＯＣＶＤ或いはＭＢＥ
により積層する。最後に、基板裏面及び分布ブラッグ反
射膜540 上に電極を蒸着し、出力光を取り出すための窓
Ｗ（図１１参照）を形成して工程を完了する。

【００７１】第６、第７の実施例素子の製造方法も第５
の実施例素子に準じる。但し、これらの実施例では当然
ながら、基板510 に凹みを設ける工程及び分布反射膜52
0 を積層する工程は不要となる。その代わり、基板510
をクラッド層533 に達するまでエッチングする工程が加
わる。エッチングを正確にクラッド層533 の表面で停止
させるには、アンモニア水と過酸化水素水の混合エッチ
ャントを用いた選択エッチングを行えばよい。

【００７２】第７の実施例においては、クラッド層532
の上面に突起を設けた後に、二酸化硅素膜534 を積層す
る。電子ビームを用いたリソブラフィーと弗酸によるエ
ッチングで図１９に示すように突起の上面の二酸化硅素
膜534 を除去した後にＭＯＣＶＤ法による選択成長でｐ
型分布ブラッグ反射膜540 を積層する。ｐ型電極511は
分布ブラッグ反射膜540 に接するように設ける。

【００７３】図２１に、第５の実施例の素子を集積化し
た例を示す。各素子間は活性層よりも深く掘られた溝に
よって分離されている。この溝は絶縁性のポリイミド58
0 で埋め込まれ、平坦化されている。ｐ型電極511 は各
素子ごとに個別に設けられ、個別制御が可能となってい
る。各素子上部には、素子から放射状に放出される出力
光を平行ビームに修正するためのマイクロレンズ590 が
設けられている。これらのマイクロレンズ590 は、ＣＣ
Ｄアレイの集光レンズに用いられているような熱軟化性
樹脂、或いは光硬化性樹脂等を用いて作成される。ま
た、素子間のクロストークを減少させるために、レンズ
間は溝によって分離されている。

【００７４】以上の第５〜第７の実施例によれば、対向
する球面状の分布ブラッグ反射膜、或いは平面金属反射
鏡と球面状の分布ブラッグ反射膜によって構成される微
小共振器を用いているので、活性層と共振器モードの等
位相面とを平行に保つことができ。従って、従来構造に
比べ自然放出光の共振器モードに結合する割合を増大さ
せることができ、より閾値の低い半導体発光素子を実現
することができる。

【００７５】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない。実施例では、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡ
ｓ系，ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系を例にとって説明
したが、本発明はこれらの材料系に何等とらわれる必要
はなく、例えばＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系，ＩｎＧａＰ
／ＩｎＡｌＰ系などにも広く適用することができる。ま
た、実施例では自然放出を増強することを念頭においた
が、同様に自然放出を抑制することも可能である。ま
た、光双安定素子，光微分離得素子，波長変換素子のよ
うな光機能素子にも適用することができる。

【００７６】また、実施例では、ｎ型基板を用いた例に
ついて示したが、勿論ｐ型基板を用いてもよい。この場
合、各層の導電型を反転すればよい。また、活性層とし
ては量子井戸構造に制限されるものではなく、量子細
線、量子箱構造を用いることも可能である。また、分布
反射膜は半導体のみに制限される必要はなく、誘電体、
或いは誘電体と半導体の組み合わせで構成されてもよ
い。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々
変形して実施することができる。

【００７７】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、ダ
ブルヘテロ構造部を挟む第１の分布ブラッグ反射器と第
２の分布ブラッグ反射器（又は金属膜）とのうちの少な
くとも一方を、ダブルヘテロ構造部の発光領域上でダブ
ルヘテロ構造部と反対側に凸状に形成しているので、従
来構造では不十分であった自然放出光の発振共振器モー
ドに結合する割合を高めることができ、超低しきい値化
を可能とした半導体発光素子を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係わる半導体レーザの
概略構成を示す断面図、

【図２】第１の実施例素子を上方から見た平面図、

【図３】第１の実施例素子の製造工程を示す断面図、

【図４】第１の実施例の第１の変形例を示す斜視図、

【図５】第１の実施例の第２の変形例を示す断面図、

【図６】第２の実施例素子の概略構成を示す断面図、

【図７】第２の実施例素子を上方から見た平面図、

【図８】第３の実施例素子の概略構成を示す断面図、

【図９】第３の実施例素子を上方から見た平面図、

【図１０】第４の実施例素子の概略構成を示す断面図、

【図１１】平面−凹面共振器を用いた場合の反射光経路
を説明するための模式図、

【図１２】第５の実施例素子の概略構成を示す斜視図、

【図１３】図１２のＡ−Ａ′断面図、

【図１４】第５の実施例素子の活性層近傍の構造例を示
す模式図、

【図１５】第５の実施例における共振器モードの概略を
示す模式図、

【図１６】第６の実施例素子の概略構成を示す断面図、

【図１７】第６の実施例素子の活性層近傍の構造例を示
す模式図、

【図１８】第６の実施例における共振器モードの概略を
示す模式図、

【図１９】第７の実施例素子の概略構成を示す断面図、

【図２０】第５の実施例素子の製造工程を示す断面図、

【図２１】第５の実施例素子を集積化した例を示す断面
図、

【図２２】共振器内での自然放出と半導体レーザの光出
力特性を示す模式図、

【図２３】従来素子の要部構成を示す断面図。

【符号の説明】

１０…基板、 ２０，１２０，２２０，３２０…ｎ型分布ブラッグ反射
器、 ４０，１４０，２４０…ｐ型分布ブラッグ反射器、 ３１，１３１，２３１…量子井戸活性層、 ３２，３３，１３２，１３３，２３２，２３３，３３２
…スペーサ層、 ５０…コンタクト層、 ６０…酸化珪素膜（マスク） ７０…量子井戸細線活性層、 ３３１…量子箱活性層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 櫛部 光弘 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝総合研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】屈折率の大きな半導体膜と屈折率の小さな
   半導体膜を交互に複数個積層した第１の分布ブラッグ反
   射器と、該反射器と同様な構成の第２の分布ブラッグ反
   射器との間に、半導体のダブルヘテロ構造部が形成され
   た半導体発光素子において、 前記分布ブラッグ反射器の少なくとも一方を、前記ダブ
   ルヘテロ構造部の発光領域上で該ダブルヘテロ構造部と
   反対側に凸状に形成してなることを特徴とする半導体発
   光素子。
2. 【請求項２】屈折率の大きな半導体膜と屈折率の小さな
   半導体膜を交互に複数個積層した分布ブラッグ反射器と
   金属反射器との間に、半導体のダブルヘテロ構造部が形
   成された半導体発光素子において、 前記分布ブラッグ反射器又は前記金属反射器の少なくと
   も一方を、前記ダブルヘテロ構造部の発光領域上で該ダ
   ブルヘテロ構造部と反対側に凸状に形成してなることを
   特徴とする半導体発光素子。
3. 【請求項３】屈折率の大きな半導体膜と屈折率の小さな
   半導体膜を交互に複数個積層した第１の分布ブラッグ反
   射器と、該反射器と同様な構成の第２の分布ブラッグ反
   射器との間に、半導体のダブルヘテロ構造部が形成され
   た半導体発光素子において、 前記分布ブラッグ反射器の双方を、前記ダブルヘテロ構
   造部の活性層側に凹みを有する曲面状に形成し、且つ前
   記ダブルヘテロ構造部の活性層を前記ブラッグ反射器に
   よって規定される共振器モードの焦点部に位置させてな
   ることを特徴とする半導体発光素子。