JPH10256665A - 半導体発光装置及びこれを用いたコンピュータシステム - Google Patents
半導体発光装置及びこれを用いたコンピュータシステムInfo
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- JPH10256665A JPH10256665A JP5879197A JP5879197A JPH10256665A JP H10256665 A JPH10256665 A JP H10256665A JP 5879197 A JP5879197 A JP 5879197A JP 5879197 A JP5879197 A JP 5879197A JP H10256665 A JPH10256665 A JP H10256665A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 発光領域の上下にブラッグ反射器を搭載した
微小共振器レーザにおいて、従来のGaAsとAlAsからなる
ブラッグ反射器より、Leakyモードを抑制し且つ大きな
自然放出光結合係数を実現すること。 【解決手段】 AlAsと格子整合可能で、且つGaAsより屈
折率の大きなGaInNAsを用いて、AlAs/GaInNAsブラッグ
反射器を微小共振器レーザに採用する。AlAs／GaInNAs
のブラッグ反射器はGaAs／AlAsのブラッグ反射器より高
い反射率を有するため、微小共振器レーザのLeakyモー
ドは抑制され且つその自然放出光結合係数は向上する。 【効果】 微小共振器レーザのしきい値電流の低減、雑
音の低減、光ビームの空間的指向性の向上が図れる。
微小共振器レーザにおいて、従来のGaAsとAlAsからなる
ブラッグ反射器より、Leakyモードを抑制し且つ大きな
自然放出光結合係数を実現すること。 【解決手段】 AlAsと格子整合可能で、且つGaAsより屈
折率の大きなGaInNAsを用いて、AlAs/GaInNAsブラッグ
反射器を微小共振器レーザに採用する。AlAs／GaInNAs
のブラッグ反射器はGaAs／AlAsのブラッグ反射器より高
い反射率を有するため、微小共振器レーザのLeakyモー
ドは抑制され且つその自然放出光結合係数は向上する。 【効果】 微小共振器レーザのしきい値電流の低減、雑
音の低減、光ビームの空間的指向性の向上が図れる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ素子
や発光ダイオードを含めた半導体発光装置に関し、半導
体からなる発光領域での発光効率を向上するに好適な構
成に係る。
や発光ダイオードを含めた半導体発光装置に関し、半導
体からなる発光領域での発光効率を向上するに好適な構
成に係る。
【０００２】
【従来の技術】量子井戸層を有し且つ厚さが当該量子井
戸層の発光波長程度の共振器を半導体多層膜（ブラッグ
反射器）で挟んで構成した半導体微小共振器を有する半
導体レーザや発光ダイオード等の発光素子（以下、半導
体微小共振器発光素子とも記す）は、例えば、半導体レ
ーザにおけるコヒーレンス、増幅と量子効果（山本嘉久
編集）、ジョーンワイリー＆ソン・プレス社刊行（1991
年）561〜615頁（山本嘉久他著）に開示されている。従
来の半導体微小共振器発光素子で用いられているブラッ
グ反射器は、結晶成長可能な半導体材料の組合せとし
て、屈折率差を最も大きくできるGaAs層とAlAs層からな
る多層膜で構成されている。
戸層の発光波長程度の共振器を半導体多層膜（ブラッグ
反射器）で挟んで構成した半導体微小共振器を有する半
導体レーザや発光ダイオード等の発光素子（以下、半導
体微小共振器発光素子とも記す）は、例えば、半導体レ
ーザにおけるコヒーレンス、増幅と量子効果（山本嘉久
編集）、ジョーンワイリー＆ソン・プレス社刊行（1991
年）561〜615頁（山本嘉久他著）に開示されている。従
来の半導体微小共振器発光素子で用いられているブラッ
グ反射器は、結晶成長可能な半導体材料の組合せとし
て、屈折率差を最も大きくできるGaAs層とAlAs層からな
る多層膜で構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上述の微小共振器を有
する半導体微小共振器発光素子は、電子系とある特定の
共振器モードとの結合を強くすることによって自然放出
光（発光領域に注入されたキャリアの再結合による発
光）を制御し、半導体レーザまたは発光ダイオードなど
の所謂発光素子の特性を飛躍的に向上させると期待され
ている。発光素子の特性向上に関して具体的に述べれ
ば、半導体レーザのしきい値電流低減や雑音低減などで
あり、発光ダイオードでは、レーザビームに劣らぬ空間
的指向性のよい光ビームの生成である。これらの特性
は、全自然放出光の共振モードに結合する割合、即ち、
自然放出光結合係数：β（0＜β＜1)が大きいほど向上
する。従って、自然放出光結合係数：βが大きな微小共
振器構造が望ましい。
する半導体微小共振器発光素子は、電子系とある特定の
共振器モードとの結合を強くすることによって自然放出
光（発光領域に注入されたキャリアの再結合による発
光）を制御し、半導体レーザまたは発光ダイオードなど
の所謂発光素子の特性を飛躍的に向上させると期待され
ている。発光素子の特性向上に関して具体的に述べれ
ば、半導体レーザのしきい値電流低減や雑音低減などで
あり、発光ダイオードでは、レーザビームに劣らぬ空間
的指向性のよい光ビームの生成である。これらの特性
は、全自然放出光の共振モードに結合する割合、即ち、
自然放出光結合係数：β（0＜β＜1)が大きいほど向上
する。従って、自然放出光結合係数：βが大きな微小共
振器構造が望ましい。
【０００４】一般に、1次元ブラッグ反射器型微小共振
器を有する上記半導体微小共振器発光素子では、微小共
振器効果によって制御不可能なLeakyモードと呼ばれる
モードが存在すため、大きなβを実現することが困難で
ある。このような１次元ブラッグ反射器型の半導体微小
共振器発光素子（半導体レーザや発光ダイオード）にお
いて、このLeakyモードを抑圧してβを大きくするに
は、ブラッグ反射器を構成する多層膜材料間の屈折率差
を大きくとり、ブラッグ反射器の反射率を高くすること
が要請される（例えば、文献：ビオルク他、フィジカル
・レビュー・Ａ誌、第44巻、669頁(1991年)を参照）。
ブラッグ反射器の反射率は、屈折率差の大きな材料を組
み合わせて多層膜を構成するのみならず、屈折率差の小
さな材料を組み合わせた多層膜でも層数を増加させるこ
とによっても高められる。しかし、後者の手法によるLe
akyモードの抑圧には限界があるため、βを大きくする
には屈折率差の大きな材料を用いることが重要となる。
器を有する上記半導体微小共振器発光素子では、微小共
振器効果によって制御不可能なLeakyモードと呼ばれる
モードが存在すため、大きなβを実現することが困難で
ある。このような１次元ブラッグ反射器型の半導体微小
共振器発光素子（半導体レーザや発光ダイオード）にお
いて、このLeakyモードを抑圧してβを大きくするに
は、ブラッグ反射器を構成する多層膜材料間の屈折率差
を大きくとり、ブラッグ反射器の反射率を高くすること
が要請される（例えば、文献：ビオルク他、フィジカル
・レビュー・Ａ誌、第44巻、669頁(1991年)を参照）。
ブラッグ反射器の反射率は、屈折率差の大きな材料を組
み合わせて多層膜を構成するのみならず、屈折率差の小
さな材料を組み合わせた多層膜でも層数を増加させるこ
とによっても高められる。しかし、後者の手法によるLe
akyモードの抑圧には限界があるため、βを大きくする
には屈折率差の大きな材料を用いることが重要となる。
【０００５】従来の半導体微小共振器発光素子で用いら
れているブラッグ反射器は、結晶成長可能な半導体材料
の中で、屈折率差が最も大きな材料であるGaAsとAlAsか
ら構成されている。しかし、さらなる微小共振器の特性
向上を図るには、GaAsとAlAsの屈折率差より大きな結晶
成長可能な材料が必要である。即ち、ブラッグ反射器を
構成するGaAs層とAlAs層からなる多層膜の層数を増やす
ために、夫々の層の結晶成長を交互に繰り返してもブラ
ッグ反射器の反射率はさほど増加しないためである。Ga
AsとAlAsとの組合せに変わる材料として、面発光型レー
ザ等で利用している誘電体多層膜の利用も考えられる。
しかし、上述の半導体微小共振器発光素子に求められる
ブラッグ反射器を誘電体多層膜で形成することは困難で
あった。即ち、上述の微小共振器構造作製において、上
記ブラッグ反射器の多層膜を形成するプロセスには精密
な膜厚制御が要請されるのである。この要請を満たすに
は、上記多層膜を結晶成長可能である材料で形成するこ
とが必要とされる。
れているブラッグ反射器は、結晶成長可能な半導体材料
の中で、屈折率差が最も大きな材料であるGaAsとAlAsか
ら構成されている。しかし、さらなる微小共振器の特性
向上を図るには、GaAsとAlAsの屈折率差より大きな結晶
成長可能な材料が必要である。即ち、ブラッグ反射器を
構成するGaAs層とAlAs層からなる多層膜の層数を増やす
ために、夫々の層の結晶成長を交互に繰り返してもブラ
ッグ反射器の反射率はさほど増加しないためである。Ga
AsとAlAsとの組合せに変わる材料として、面発光型レー
ザ等で利用している誘電体多層膜の利用も考えられる。
しかし、上述の半導体微小共振器発光素子に求められる
ブラッグ反射器を誘電体多層膜で形成することは困難で
あった。即ち、上述の微小共振器構造作製において、上
記ブラッグ反射器の多層膜を形成するプロセスには精密
な膜厚制御が要請されるのである。この要請を満たすに
は、上記多層膜を結晶成長可能である材料で形成するこ
とが必要とされる。
【０００６】本発明は、上述の微小共振器構造作製に好
適な半導体結晶の多層膜構造を提供して以上の課題を解
決し、この結晶材料を以て上記半導体微小共振器発光素
子等の半導体発光素子の特性を向上させることを目的と
する。
適な半導体結晶の多層膜構造を提供して以上の課題を解
決し、この結晶材料を以て上記半導体微小共振器発光素
子等の半導体発光素子の特性を向上させることを目的と
する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的は、GaAs半導体
基板上に、AlAsからなる第１半導体層と該第１半導体層
よりも屈折率の大きなGaInNAsからなる第２半導体層を
周期的に積層して構成された第１半導体領域と、AlAsか
らなる第３半導体層と該第３半導体層より屈折率の大き
なGaInNAsからなる第４半導体層を周期的に積層してな
る第２半導体領域と、GaInNAsからなり且つ電子と正孔
が発光再結合を生じる第５半導体層とAlAsからなる第６
半導体層とで構成される第３半導体領域を有する半導体
発光装置において、第３半導体領域の実効的な屈折率の
大きさが第２半導体と第４半導体の屈折率に比べて小さ
く、第３半導体領域が第１半導体領域と第２半導体領域
との間に挟まれると共に第３半導体領域に第２半導体層
と第４半導体層が接し、且つ第３半導体領域での実効波
長をλeffとしたときに第3半導体領域の厚さｄが0.49λ
eff≦ｄ≦0.51λeffとなることを特徴とする本発明の半
導体発光装置（例えば、半導体レーザ素子、発光ダイオ
ード）により達成される。この半導体発光装置の構成
を、以下、本発明の第１の構成と記す。
基板上に、AlAsからなる第１半導体層と該第１半導体層
よりも屈折率の大きなGaInNAsからなる第２半導体層を
周期的に積層して構成された第１半導体領域と、AlAsか
らなる第３半導体層と該第３半導体層より屈折率の大き
なGaInNAsからなる第４半導体層を周期的に積層してな
る第２半導体領域と、GaInNAsからなり且つ電子と正孔
が発光再結合を生じる第５半導体層とAlAsからなる第６
半導体層とで構成される第３半導体領域を有する半導体
発光装置において、第３半導体領域の実効的な屈折率の
大きさが第２半導体と第４半導体の屈折率に比べて小さ
く、第３半導体領域が第１半導体領域と第２半導体領域
との間に挟まれると共に第３半導体領域に第２半導体層
と第４半導体層が接し、且つ第３半導体領域での実効波
長をλeffとしたときに第3半導体領域の厚さｄが0.49λ
eff≦ｄ≦0.51λeffとなることを特徴とする本発明の半
導体発光装置（例えば、半導体レーザ素子、発光ダイオ
ード）により達成される。この半導体発光装置の構成
を、以下、本発明の第１の構成と記す。
【０００８】上記目的は、GaAs半導体基板上に、AlAsか
らなる第１半導体層と該第１半導体層よりも屈折率の大
きなGaInNAsからなる第２半導体層を周期的に積層して
構成された第１半導体領域と、AlAsからなる第３半導体
層と該第３半導体層より屈折率の大きなGaInNAsからな
る第４半導体層を周期的に積層してなる第２半導体領域
と、GaInNAsからなり且つ電子と正孔が発光再結合を生
じる第５半導体層とGaInNAsからなる第６半導体層とで
構成される第３半導体領域を有する半導体発光装置にお
いて、第３半導体領域の実効的な屈折率の大きさが第１
半導体と第３半導体の屈折率に比べて大きく、第３半導
体領域が第１半導体領域と第２半導体領域との間に挟ま
れると共に第３半導体領域に第１半導体層と第３半導体
層が接し、且つ第３半導体領域での実効波長をλeffと
したときに第３半導体領域の厚さｄが0.9λeff≦ｄ≦1.
1λeffとなることを特徴とする本発明の半導体発光装置
（例えば、半導体レーザ素子、発光ダイオード）により
達成される。この半導体発光装置の構成を、以下、本発
明の第２の構成と記す。
らなる第１半導体層と該第１半導体層よりも屈折率の大
きなGaInNAsからなる第２半導体層を周期的に積層して
構成された第１半導体領域と、AlAsからなる第３半導体
層と該第３半導体層より屈折率の大きなGaInNAsからな
る第４半導体層を周期的に積層してなる第２半導体領域
と、GaInNAsからなり且つ電子と正孔が発光再結合を生
じる第５半導体層とGaInNAsからなる第６半導体層とで
構成される第３半導体領域を有する半導体発光装置にお
いて、第３半導体領域の実効的な屈折率の大きさが第１
半導体と第３半導体の屈折率に比べて大きく、第３半導
体領域が第１半導体領域と第２半導体領域との間に挟ま
れると共に第３半導体領域に第１半導体層と第３半導体
層が接し、且つ第３半導体領域での実効波長をλeffと
したときに第３半導体領域の厚さｄが0.9λeff≦ｄ≦1.
1λeffとなることを特徴とする本発明の半導体発光装置
（例えば、半導体レーザ素子、発光ダイオード）により
達成される。この半導体発光装置の構成を、以下、本発
明の第２の構成と記す。
【０００９】即ち、本発明の基本的な構成を限定された
一局面から記載すれば、立方晶系（例えば、閃亜鉛鉱
型）の結晶構造を有する半導体基板上部に、上述の第１
半導体領域なる多層膜、第３半導体領域なる発光領域、
及び第２半導体領域なる多層膜をこの順に成長させる
（即ち、いずれの半導体領域も立方晶系の結晶構造を有
する）。第３半導体領域は、第５半導体層なる量子井戸
層（望ましくは層厚を30nm以下とする）が第６半導体層
なる障壁層で挟まれた所謂量子井戸型の活性領域とする
とよく、その実施態様は第５半導体層を１層とした単一
量子井戸型でも、これを複数層とした多重量子井戸型で
もよい。上記第２半導体層及び上記第４半導体層をGaIn
NAsなる４元系（４種類の元素Ga,In,Ｎ,Asからなる）化
合物半導体で構成すると、第１及び第３半導体層なるAl
As層や第３半導体領域を構成する半導体層との格子整合
及び屈折率設定の観点で有利である。上述の第１の構成
での第５半導体層及び上述の第２の構成での第５及び第
６半導体層をGaInNAsなる４元系化合物半導体で構成す
ることも、同様な観点から推奨される。第３半導体領域
の結晶成長方向の厚さは、上述のように当該半導体発光
装置の発光波長程度（第２の構成）又はその半分程度
（第１の構成）として構成されるため、前者によるレー
ザ・ダイオードを一波長微小共振器半導体レーザ、後者
によるレーザ・ダイオードを半波長微小共振器半導体レ
ーザと称することもある。なお、半導体基板と第１半導
体領域の間に当該半導体基板上にエピタキシャル成長さ
れた半導体層が介在していても、本発明の実施を妨げる
ものではない。
一局面から記載すれば、立方晶系（例えば、閃亜鉛鉱
型）の結晶構造を有する半導体基板上部に、上述の第１
半導体領域なる多層膜、第３半導体領域なる発光領域、
及び第２半導体領域なる多層膜をこの順に成長させる
（即ち、いずれの半導体領域も立方晶系の結晶構造を有
する）。第３半導体領域は、第５半導体層なる量子井戸
層（望ましくは層厚を30nm以下とする）が第６半導体層
なる障壁層で挟まれた所謂量子井戸型の活性領域とする
とよく、その実施態様は第５半導体層を１層とした単一
量子井戸型でも、これを複数層とした多重量子井戸型で
もよい。上記第２半導体層及び上記第４半導体層をGaIn
NAsなる４元系（４種類の元素Ga,In,Ｎ,Asからなる）化
合物半導体で構成すると、第１及び第３半導体層なるAl
As層や第３半導体領域を構成する半導体層との格子整合
及び屈折率設定の観点で有利である。上述の第１の構成
での第５半導体層及び上述の第２の構成での第５及び第
６半導体層をGaInNAsなる４元系化合物半導体で構成す
ることも、同様な観点から推奨される。第３半導体領域
の結晶成長方向の厚さは、上述のように当該半導体発光
装置の発光波長程度（第２の構成）又はその半分程度
（第１の構成）として構成されるため、前者によるレー
ザ・ダイオードを一波長微小共振器半導体レーザ、後者
によるレーザ・ダイオードを半波長微小共振器半導体レ
ーザと称することもある。なお、半導体基板と第１半導
体領域の間に当該半導体基板上にエピタキシャル成長さ
れた半導体層が介在していても、本発明の実施を妨げる
ものではない。
【００１０】次に、本発明を着想した根拠を説明する。
GaInNAsは、最近開発された半導体材料であり（例え
ば、文献：近藤他、'95固体素子国際会議アブストラク
ト、1016〜1018頁(1995年)参照）、AlAsと格子整合がと
れ、且つGaAs（λ＝1.3μｍに対する屈折率：3.4)に比
べて、屈折率が大きいことが実験的に検証されている。
この知見を基に、本発明者は図３に示すようなＧａ
0.975Ｉｎ0.025ＮyＡｓ1-yにおけるＮ組成ｙ（ＮとAsと
の配分：横軸）とλ＝1.3μｍに対する屈折率（縦軸）
との関係を実験的に求め、半導体発光素子の発光波長
（換言すれば、多層膜を導波する光の波長）を同じ条件
とすれば、AlAsとGaInNAsからなる多層膜の方が、AlAs
とGaAsからなる多層膜より屈折率差を大きく設定できる
ことを確認した。そして、AlAsとGaInNAsからなる多層
膜でブラック反射器を構成すれば、当該ブラッグ反射器
の反射率を格段に向上でき、より大きな自然放出光結合
係数：βを有する微小共振器レーザまたは発光素子が実
現できることを着想した。
GaInNAsは、最近開発された半導体材料であり（例え
ば、文献：近藤他、'95固体素子国際会議アブストラク
ト、1016〜1018頁(1995年)参照）、AlAsと格子整合がと
れ、且つGaAs（λ＝1.3μｍに対する屈折率：3.4)に比
べて、屈折率が大きいことが実験的に検証されている。
この知見を基に、本発明者は図３に示すようなＧａ
0.975Ｉｎ0.025ＮyＡｓ1-yにおけるＮ組成ｙ（ＮとAsと
の配分：横軸）とλ＝1.3μｍに対する屈折率（縦軸）
との関係を実験的に求め、半導体発光素子の発光波長
（換言すれば、多層膜を導波する光の波長）を同じ条件
とすれば、AlAsとGaInNAsからなる多層膜の方が、AlAs
とGaAsからなる多層膜より屈折率差を大きく設定できる
ことを確認した。そして、AlAsとGaInNAsからなる多層
膜でブラック反射器を構成すれば、当該ブラッグ反射器
の反射率を格段に向上でき、より大きな自然放出光結合
係数：βを有する微小共振器レーザまたは発光素子が実
現できることを着想した。
【００１１】なお、図３よりGaInAsにおいてもGaAsより
高い屈折率を達成できるが、当該多層膜と半導体基板と
の格子整合と屈折率の２つのパラメータの調整をIII族
元素たるGaとIn及びＶ族元素たるＮとAsの夫々の組成比
でフレキシブルに設定できる点で、上述の４元系化合物
半導体が推奨される。また、GaInNAsの化合物半導体層
を立方晶系（閃亜鉛鉱型）の結晶として成長するにあた
り、好適なＮ組成比を考慮すると、上述の４元系化合物
半導体層の望ましく限定された組成として、Ｇａ1-xＩ
ｎxＮyＡｓ1-y（0＜ｘ＜1、0＜ｙ≦0.2）が推奨され
る。
高い屈折率を達成できるが、当該多層膜と半導体基板と
の格子整合と屈折率の２つのパラメータの調整をIII族
元素たるGaとIn及びＶ族元素たるＮとAsの夫々の組成比
でフレキシブルに設定できる点で、上述の４元系化合物
半導体が推奨される。また、GaInNAsの化合物半導体層
を立方晶系（閃亜鉛鉱型）の結晶として成長するにあた
り、好適なＮ組成比を考慮すると、上述の４元系化合物
半導体層の望ましく限定された組成として、Ｇａ1-xＩ
ｎxＮyＡｓ1-y（0＜ｘ＜1、0＜ｙ≦0.2）が推奨され
る。
【００１２】本発明による半導体発光素子の動作特性を
確かめるために、上記第１の構成を例にとり、数値計算
によって、GaAs/AlAsブラッグ反射器型半波長微小共振
器と従来のGaAs/AlAsブラッグ反射器型半波長微小共振
器を定量的に比較する。比較する微小共振器構造は、
(1)Ga1-xInxNyAs1-y(x=0.3,y=0.01,厚さ：7nm)の量子井
戸を中央に含むAlAs半波長共振器を20対のAlAs（屈折
率：n=2.9）/Ga1-xInxNyAs1-y（x=0.025,y=0.01,屈折
率：n=3.75）からなるブラッグ反射器で挟んだ微小共振
器、(2) Ga1-xInxNyAs1-y（x=0.3,y=0.01,厚さ：7nm)の
量子井戸を中央に含むAlAs半波長共振器を20対のAlAs
（屈折率：n=2.9）/GaAs（屈折率：n=3.4）からなるブ
ラッグ反射器で挟んだ微小共振器である。なお、(1)及
び(2)のブラッグ共振器に採用された各半導体層の屈折
率は、図３の条件と同様に当該半導体層を導波する光の
波長をλ＝1.3μｍとしたときの値を示す。
確かめるために、上記第１の構成を例にとり、数値計算
によって、GaAs/AlAsブラッグ反射器型半波長微小共振
器と従来のGaAs/AlAsブラッグ反射器型半波長微小共振
器を定量的に比較する。比較する微小共振器構造は、
(1)Ga1-xInxNyAs1-y(x=0.3,y=0.01,厚さ：7nm)の量子井
戸を中央に含むAlAs半波長共振器を20対のAlAs（屈折
率：n=2.9）/Ga1-xInxNyAs1-y（x=0.025,y=0.01,屈折
率：n=3.75）からなるブラッグ反射器で挟んだ微小共振
器、(2) Ga1-xInxNyAs1-y（x=0.3,y=0.01,厚さ：7nm)の
量子井戸を中央に含むAlAs半波長共振器を20対のAlAs
（屈折率：n=2.9）/GaAs（屈折率：n=3.4）からなるブ
ラッグ反射器で挟んだ微小共振器である。なお、(1)及
び(2)のブラッグ共振器に採用された各半導体層の屈折
率は、図３の条件と同様に当該半導体層を導波する光の
波長をλ＝1.3μｍとしたときの値を示す。
【００１３】Ga1-xInxNyAs1-y（x=0.025, y=0.01）の屈
折率n=3.75は、実験データ図３より、内挿法によって求
めた。図４に、各微小共振器からの自然放出光の放射パ
ターンの計算結果を示す。横軸は、微小共振器構造の面
に垂直方向から図った角度であり、縦軸は、自由空間に
おける放射強度で規格化された自然放出光強度である。
計算において、量子井戸内の双極子モーメントは、面内
方向のみを考慮し、また発光スペクトル幅を、微小共振
器の共振スペクトル幅より小さいとした。実線は、(1)
に対して、破線は(2)に対しての結果である。結果から
明かなように、(1)において、Cut-offの角度が小さくな
り、(2)に比べてLeakyモード領域が減少していることが
わかる。その結果、制御可能な自然放出光の割合が増加
し、大きな自然放出光結合係数：βが得られる。この場
合、(1),(2)におけるβの値は、それぞれ、0.36と0.24
であり、50％のβの増加が期待できる。
折率n=3.75は、実験データ図３より、内挿法によって求
めた。図４に、各微小共振器からの自然放出光の放射パ
ターンの計算結果を示す。横軸は、微小共振器構造の面
に垂直方向から図った角度であり、縦軸は、自由空間に
おける放射強度で規格化された自然放出光強度である。
計算において、量子井戸内の双極子モーメントは、面内
方向のみを考慮し、また発光スペクトル幅を、微小共振
器の共振スペクトル幅より小さいとした。実線は、(1)
に対して、破線は(2)に対しての結果である。結果から
明かなように、(1)において、Cut-offの角度が小さくな
り、(2)に比べてLeakyモード領域が減少していることが
わかる。その結果、制御可能な自然放出光の割合が増加
し、大きな自然放出光結合係数：βが得られる。この場
合、(1),(2)におけるβの値は、それぞれ、0.36と0.24
であり、50％のβの増加が期待できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の望ましき実施の形
態を開示する実施例１及び２と関連図面を参照して、本
発明の半導体発光装置について具体的に説明する。
態を開示する実施例１及び２と関連図面を参照して、本
発明の半導体発光装置について具体的に説明する。
【００１５】＜実施例1＞上記本発明の第１の構成の実
施例を図１を用いて説明する。図1は、本発明に係る半
導体発光装置の断面図である。結晶方位(100)面のn-GaA
sの基板１上に、有機金属気相成長（MOVPE）法により、
n-AlAs（ND=2×1018cm-3）の低屈折率層２とn-Ga1-xInx
NyAs1-y（x=0.025, y=0.01,ドナー濃度ND=2×1018c
m-3）の高屈折率層３を20周期積層し、n型ブラッグ反射
器４を形成する。ただし、各層の厚さは、各層内部での
実効波長λeffの１／４とする。ここで、実効波長λeff
とは、真空中の波長を媒質の屈折率で割ったものであ
る。次にアンドープAlAsの低屈折率層5、Ga1-xInxNyAs
1-y（x=0.3, y=0.01）量子井戸層（厚さ7nm）6、アンド
ープ層AlAsの低屈折率層7から成る半波長共振器８を設
ける。ただし、半波長共振器８の厚さは、半波長共振器
８の実効波長λeffの半分とする。ここでの実効波長λ
effとは、半波長共振器8を構成する各層内部での実効波
長の平均波長を言う。尚、プロセスばらつきを考慮する
ならば、光出力の効率が50%以下とならないように、共
振器８の厚さｄは、(0.5±0.01)λeffの範囲にすること
が望ましい。量子井戸層６は、半波長共振器８の中央に
位置する。
施例を図１を用いて説明する。図1は、本発明に係る半
導体発光装置の断面図である。結晶方位(100)面のn-GaA
sの基板１上に、有機金属気相成長（MOVPE）法により、
n-AlAs（ND=2×1018cm-3）の低屈折率層２とn-Ga1-xInx
NyAs1-y（x=0.025, y=0.01,ドナー濃度ND=2×1018c
m-3）の高屈折率層３を20周期積層し、n型ブラッグ反射
器４を形成する。ただし、各層の厚さは、各層内部での
実効波長λeffの１／４とする。ここで、実効波長λeff
とは、真空中の波長を媒質の屈折率で割ったものであ
る。次にアンドープAlAsの低屈折率層5、Ga1-xInxNyAs
1-y（x=0.3, y=0.01）量子井戸層（厚さ7nm）6、アンド
ープ層AlAsの低屈折率層7から成る半波長共振器８を設
ける。ただし、半波長共振器８の厚さは、半波長共振器
８の実効波長λeffの半分とする。ここでの実効波長λ
effとは、半波長共振器8を構成する各層内部での実効波
長の平均波長を言う。尚、プロセスばらつきを考慮する
ならば、光出力の効率が50%以下とならないように、共
振器８の厚さｄは、(0.5±0.01)λeffの範囲にすること
が望ましい。量子井戸層６は、半波長共振器８の中央に
位置する。
【００１６】続けて、p-Ga1-xInxNyAs1-y（x=0.025, y=
0.01, 厚さλeff／４,アクセプター濃度NA=2×1018c
m-3）の高屈折率層９とp-AlAs（厚さλeff／４,濃度NA=
2×1018cm-3）の低屈折率層10を20周期積層し、p型ブラ
ッグ反射器11を設ける。最後に、電流を供給するための
n側電極12及びp側電極13を形成する。例えば、n側電極
材料としてAu-Snを、p側電極材料としてAu-Crを蒸着す
る。
0.01, 厚さλeff／４,アクセプター濃度NA=2×1018c
m-3）の高屈折率層９とp-AlAs（厚さλeff／４,濃度NA=
2×1018cm-3）の低屈折率層10を20周期積層し、p型ブラ
ッグ反射器11を設ける。最後に、電流を供給するための
n側電極12及びp側電極13を形成する。例えば、n側電極
材料としてAu-Snを、p側電極材料としてAu-Crを蒸着す
る。
【００１７】本発明によれば、従来型のGaAs/AlAsブラ
ッグ反射器型微小共振器に比べて、さらに、自然放出光
結合係数を大きくすることができるため、より低いしき
い値電流を得ることができる。
ッグ反射器型微小共振器に比べて、さらに、自然放出光
結合係数を大きくすることができるため、より低いしき
い値電流を得ることができる。
【００１８】＜実施例２＞上記本発明の第２の構成の実
施例を図２を用いて説明する。結晶方位(100)面のn-GaA
sの基板14上に、有機金属気相成長（MOVPE）法により、
n-Ga1-xInxNyAs1-y（x=0.025, y=0.01,ドナー濃度ND=2
×1018cm-3）の高屈折率層15とn-AlAs（ND=2×1018c
m-3）の低屈折率層16とを20周期積層し、n型ブラッグ反
射器17を形成する。ただし、各層の厚さは、各層内部で
の実効波長λeffの１／４とする。ここで、実効波長と
は、真空中の波長を媒質の屈折率で割ったものである。
次にアンドープGa1-xInxNyAs1-y（x=0.025,y=0.01)の高
屈折率層18、Ga1-xInxNyAs1-y（x=0.3,y=0.01）量子井
戸層（厚さ7nm）19、アンドープ層Ga1-xInxNyAs1-y（x=
0.025,y=0.01)の高屈折率層20から成る一波長共振器21
を設ける。ただし、一波長共振器21の厚さは、一波長共
振器21の実効波長λeffとする。ここでの実効波長λeff
とは、一波長共振器21を構成する各層内部での実効波長
の平均波長を言う。尚、プロセスばらつきを考慮するな
らば、光出力の効率が50％以下とならないように、一波
長共振器21の厚さｄは、(1.0±0.01)λeffの範囲にする
ことが望ましい。量子井戸層19は、一波長共振器21の中
央に位置する。続けて、p-AlAs（厚さλeff／４,濃度NA
=2×1018cm-3）の低屈折率層22とp-Ga1-xInxNyAs1-y（x
=0.025, y=0.01,厚さλeff／４,アクセプター濃度NA=2
×1018cm-3）の高屈折率層23を20周期積層し、p型ブラ
ッグ反射器24を設ける。最後に、電流を供給するための
n型電極25及びp型電極26を形成する。例えば、n型電極
材料としてAu-Snを、p型電極材料としてAu-Crを蒸着す
る。
施例を図２を用いて説明する。結晶方位(100)面のn-GaA
sの基板14上に、有機金属気相成長（MOVPE）法により、
n-Ga1-xInxNyAs1-y（x=0.025, y=0.01,ドナー濃度ND=2
×1018cm-3）の高屈折率層15とn-AlAs（ND=2×1018c
m-3）の低屈折率層16とを20周期積層し、n型ブラッグ反
射器17を形成する。ただし、各層の厚さは、各層内部で
の実効波長λeffの１／４とする。ここで、実効波長と
は、真空中の波長を媒質の屈折率で割ったものである。
次にアンドープGa1-xInxNyAs1-y（x=0.025,y=0.01)の高
屈折率層18、Ga1-xInxNyAs1-y（x=0.3,y=0.01）量子井
戸層（厚さ7nm）19、アンドープ層Ga1-xInxNyAs1-y（x=
0.025,y=0.01)の高屈折率層20から成る一波長共振器21
を設ける。ただし、一波長共振器21の厚さは、一波長共
振器21の実効波長λeffとする。ここでの実効波長λeff
とは、一波長共振器21を構成する各層内部での実効波長
の平均波長を言う。尚、プロセスばらつきを考慮するな
らば、光出力の効率が50％以下とならないように、一波
長共振器21の厚さｄは、(1.0±0.01)λeffの範囲にする
ことが望ましい。量子井戸層19は、一波長共振器21の中
央に位置する。続けて、p-AlAs（厚さλeff／４,濃度NA
=2×1018cm-3）の低屈折率層22とp-Ga1-xInxNyAs1-y（x
=0.025, y=0.01,厚さλeff／４,アクセプター濃度NA=2
×1018cm-3）の高屈折率層23を20周期積層し、p型ブラ
ッグ反射器24を設ける。最後に、電流を供給するための
n型電極25及びp型電極26を形成する。例えば、n型電極
材料としてAu-Snを、p型電極材料としてAu-Crを蒸着す
る。
【００１９】以上、２つの実施例に倣い半導体発光装置
を構成する場合、層厚を設定する基準となる実効波長λ
effを、キャリア再結合による発光が生じる半導体層
（上記量子井戸層６又は19に相当）の組成波長を基にλ
eff値を算出しても本発明の実施を妨げない。
を構成する場合、層厚を設定する基準となる実効波長λ
effを、キャリア再結合による発光が生じる半導体層
（上記量子井戸層６又は19に相当）の組成波長を基にλ
eff値を算出しても本発明の実施を妨げない。
【００２０】上述のいずれの実施例に開示した半導体発
光装置を利用した応用システムとして、コンピュータシ
ステム内の信号接続を光インターコネクトで行なう場合
の光源として採用するとよい。即ち、本発明の半導体発
光素子の構成は小型化、アレイ化（複数の発光素子を並
べてなる発光素子アレイ）に適した構成を有し、またレ
ーザとして実施すれば、しきい値電流を大幅に低減でき
る。従って、前者の観点では光インターコネクトを介し
て伝搬される信号量の増加に対応できる光源として本発
明の半導体発光素子は有効である。また、後者の観点で
は、低消費電力で高速の光インターコネクトを実現で
き、コンピュータシステムの性能向上を図る利点があ
る。
光装置を利用した応用システムとして、コンピュータシ
ステム内の信号接続を光インターコネクトで行なう場合
の光源として採用するとよい。即ち、本発明の半導体発
光素子の構成は小型化、アレイ化（複数の発光素子を並
べてなる発光素子アレイ）に適した構成を有し、またレ
ーザとして実施すれば、しきい値電流を大幅に低減でき
る。従って、前者の観点では光インターコネクトを介し
て伝搬される信号量の増加に対応できる光源として本発
明の半導体発光素子は有効である。また、後者の観点で
は、低消費電力で高速の光インターコネクトを実現で
き、コンピュータシステムの性能向上を図る利点があ
る。
【００２１】
【発明の効果】本発明によれば、より大きな自然放出光
結合係数が得られるため、従来のGaAs/AlAsブラッグ反
射器型微小共振器レーザまたは発光素子と比較して、し
きい値電流の低減、雑音の低減、光ビームの空間的指向
性の向上が図れる。
結合係数が得られるため、従来のGaAs/AlAsブラッグ反
射器型微小共振器レーザまたは発光素子と比較して、し
きい値電流の低減、雑音の低減、光ビームの空間的指向
性の向上が図れる。
【図１】本発明の実施例１の半導体発光装置（半波長微
小共振器レーザ／発光素子）の断面図。
小共振器レーザ／発光素子）の断面図。
【図２】本発明の実施例２の半導体発光装置（一波長微
小共振器レーザ／発光素子）の断面図。
小共振器レーザ／発光素子）の断面図。
【図３】測定によって得られた波長1.3μｍに対するGaI
nNAsの屈折率のNモル比依存性を示す図。
nNAsの屈折率のNモル比依存性を示す図。
【図４】計算によって得られたGaInNAs/AlAsブラッグ反
射器型半波長微小共振器とGaAs/AlAsブラッグ反射器型
半波長微小共振器からの自然放出光放出パターンを示す
図。
射器型半波長微小共振器とGaAs/AlAsブラッグ反射器型
半波長微小共振器からの自然放出光放出パターンを示す
図。
１…n型GaAs基板、２…n型AlAs低屈折率層、３…n型GaI
nNAs高屈折率層、４…n型ブラッグ反射器、５…AlAs低
屈折率層、６…GaInNAs量子井戸層、７…AlAs低屈折率
層、８…半波長共振器、９…p型GaInNAs高屈折率層、１
０…p型AlAs低屈折率層、１１…p型ブラッグ反射器、１
２…n型電極、１３…p型電極、１４…n型GaAs基板、１
５…n型GaInNAs高屈折率層、１６…n型AlAs低屈折率
層、１７…n型ブラッグ反射器、１８…GaInNAs高屈折率
層、１９…GaInNAs量子井戸層、２０…GaInNAs高屈折率
層、２１…一波長共振器、２２…p型AlAs低屈折率層、
２３…p型GaInNAs高屈折率層、２４…p型ブラッグ反射
器、２５…n型電極、２６・・・p型電極。
nNAs高屈折率層、４…n型ブラッグ反射器、５…AlAs低
屈折率層、６…GaInNAs量子井戸層、７…AlAs低屈折率
層、８…半波長共振器、９…p型GaInNAs高屈折率層、１
０…p型AlAs低屈折率層、１１…p型ブラッグ反射器、１
２…n型電極、１３…p型電極、１４…n型GaAs基板、１
５…n型GaInNAs高屈折率層、１６…n型AlAs低屈折率
層、１７…n型ブラッグ反射器、１８…GaInNAs高屈折率
層、１９…GaInNAs量子井戸層、２０…GaInNAs高屈折率
層、２１…一波長共振器、２２…p型AlAs低屈折率層、
２３…p型GaInNAs高屈折率層、２４…p型ブラッグ反射
器、２５…n型電極、２６・・・p型電極。
Claims (3)
- 【請求項１】GaAs半導体基板上に、AlAsからなる第１半
導体層と該第１半導体層よりも屈折率の大きなGaInNAs
からなる第２半導体層を周期的に積層して構成された第
１半導体領域と、AlAsからなる第３半導体層と該第３半
導体層より屈折率の大きなGaInNAsからなる第４半導体
層を周期的に積層してなる第２半導体領域と、GaInNAs
からなり且つ電子と正孔が発光再結合を生じる第５半導
体層とAlAsからなる第６半導体層とで構成される第３半
導体領域を有する半導体発光装置において、第３半導体
領域の実効的な屈折率の大きさが第２半導体と第４半導
体の屈折率に比べて小さく、第３半導体領域が第１半導
体領域と第２半導体領域との間に挟まれると共に第３半
導体領域に第２半導体層と第４半導体層が接し、且つ第
３半導体領域での実効波長をλeffとしたときに第３半
導体領域の厚さｄが0.49λeff≦ｄ≦0.51λeffとなるこ
とを特徴とする本発明の半導体発光装置。 - 【請求項２】GaAs半導体基板上に、AlAsからなる第１半
導体層と該第１半導体層よりも屈折率の大きなGaInNAs
からなる第２半導体層を周期的に積層して構成された第
１半導体領域と、AlAsからなる第３半導体層と該第３半
導体層より屈折率の大きなGaInNAsからなる第４半導体
層を周期的に積層してなる第２半導体領域と、GaInNAs
からなり且つ電子と正孔が発光再結合を生じる第５半導
体層とGaInNAsからなる第６半導体層とで構成される第
３半導体領域を有する半導体発光装置において、第３半
導体領域の実効的な屈折率の大きさが第１半導体と第３
半導体の屈折率に比べて大きく、第３半導体領域が第１
半導体領域と第２半導体領域との間に挟まれると共に第
３半導体領域に第１半導体層と第３半導体層が接し、且
つ第３半導体領域での実効波長をλeffとしたときに第
３半導体領域の厚さｄが0.9λeff≦ｄ≦1.1λeffとなる
ことを特徴とする半導体発光装置。 - 【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の半導体発光
装置を光インターコネクト用光源に用いたことを特徴と
するコンピュータシステム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5879197A JPH10256665A (ja) | 1997-03-13 | 1997-03-13 | 半導体発光装置及びこれを用いたコンピュータシステム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5879197A JPH10256665A (ja) | 1997-03-13 | 1997-03-13 | 半導体発光装置及びこれを用いたコンピュータシステム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10256665A true JPH10256665A (ja) | 1998-09-25 |
Family
ID=13094404
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5879197A Pending JPH10256665A (ja) | 1997-03-13 | 1997-03-13 | 半導体発光装置及びこれを用いたコンピュータシステム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10256665A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003197897A (ja) * | 2001-12-28 | 2003-07-11 | Fuji Film Microdevices Co Ltd | 半導体光電変換装置 |
| US7881358B2 (en) | 2006-12-27 | 2011-02-01 | Nec Corporation | Surface emitting laser |
| US7974328B2 (en) | 2007-03-22 | 2011-07-05 | Nec Corporation | Surface-emission type semiconductor laser |
| US20210057882A1 (en) * | 2018-03-28 | 2021-02-25 | Sony Corporation | Vertical cavity surface emitting laser element and electronic apparatus |
-
1997
- 1997-03-13 JP JP5879197A patent/JPH10256665A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003197897A (ja) * | 2001-12-28 | 2003-07-11 | Fuji Film Microdevices Co Ltd | 半導体光電変換装置 |
| US7881358B2 (en) | 2006-12-27 | 2011-02-01 | Nec Corporation | Surface emitting laser |
| US7974328B2 (en) | 2007-03-22 | 2011-07-05 | Nec Corporation | Surface-emission type semiconductor laser |
| US20210057882A1 (en) * | 2018-03-28 | 2021-02-25 | Sony Corporation | Vertical cavity surface emitting laser element and electronic apparatus |
| US11973316B2 (en) * | 2018-03-28 | 2024-04-30 | Sony Corporation | Vertical cavity surface emitting laser element and electronic apparatus |
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