JPH11204875A - 面発光レーザとそれを用いたレーザ光送信モジュール及び応用システム - Google Patents
面発光レーザとそれを用いたレーザ光送信モジュール及び応用システムInfo
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- JPH11204875A JPH11204875A JP206898A JP206898A JPH11204875A JP H11204875 A JPH11204875 A JP H11204875A JP 206898 A JP206898 A JP 206898A JP 206898 A JP206898 A JP 206898A JP H11204875 A JPH11204875 A JP H11204875A
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 優れた特性の面発光レーザを歩留まり良く生
産する事により、それを光源として利用したレーザ光送
信モジュール及び光インターコネクション、あるいは光
ファイバー通信等の応用システムを安価に提供する。ま
た、直列抵抗が低い優れた特性の長波長帯（1.2から1.6
μｍ）の面発光レーザを提供する。 【解決手段】 1;n型GaAs基板、2;n型半導体多層膜反射
鏡、3;第1GaAsスペーサ層、4;活性層、5;第2GaAsスペー
サ層、6;電流狭窄層、7;p型GaAs電流導入層、8;再成長
界面、9;p型第3GaAsスペーサ層、10;多層膜反射鏡等に
より面発光レーザを構成する。 AlInP、AlGaInP、もし
くはAlAs等のバンドギャプが２eV以上のワイドギャップ
半導体を電流狭窄層6に用い、ホトリソグラフ工程と再
成長工程によりアパーチャー層を形成することで歩留ま
りを大きく改善できる。
産する事により、それを光源として利用したレーザ光送
信モジュール及び光インターコネクション、あるいは光
ファイバー通信等の応用システムを安価に提供する。ま
た、直列抵抗が低い優れた特性の長波長帯（1.2から1.6
μｍ）の面発光レーザを提供する。 【解決手段】 1;n型GaAs基板、2;n型半導体多層膜反射
鏡、3;第1GaAsスペーサ層、4;活性層、5;第2GaAsスペー
サ層、6;電流狭窄層、7;p型GaAs電流導入層、8;再成長
界面、9;p型第3GaAsスペーサ層、10;多層膜反射鏡等に
より面発光レーザを構成する。 AlInP、AlGaInP、もし
くはAlAs等のバンドギャプが２eV以上のワイドギャップ
半導体を電流狭窄層6に用い、ホトリソグラフ工程と再
成長工程によりアパーチャー層を形成することで歩留ま
りを大きく改善できる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体レーザ装置に
係り、これを構成する半導体層に対しほぼ垂直方向にレ
ーザ光を発振する共振器、所謂垂直共振器を有する面発
光型の半導体レーザ（以下、面発光レーザと呼ぶ）に関
する。
係り、これを構成する半導体層に対しほぼ垂直方向にレ
ーザ光を発振する共振器、所謂垂直共振器を有する面発
光型の半導体レーザ（以下、面発光レーザと呼ぶ）に関
する。
【０００２】
【従来の技術】面発光レーザは、基板結晶の表面から垂
直方向にレーザ光を出すので２次元並列集積が可能であ
り、光インターコネクションや並列光情報処理等のシス
テムへの応用、あるいは光ファイバ通信への応用が期待
されている。さらに、素子の検査や光ファイバーとの結
合が容易なのでシステムを安価に提供する事ができる。
また、電流狭窄層を設けることで、電流をアパーチャー
と呼ばれる部分から局所的に注入することができ、微小
体積の活性領域でレーザ発振を起こすことが可能であ
る。従って、低閾電流化、つまり、低消費電力化に適し
ている。
直方向にレーザ光を出すので２次元並列集積が可能であ
り、光インターコネクションや並列光情報処理等のシス
テムへの応用、あるいは光ファイバ通信への応用が期待
されている。さらに、素子の検査や光ファイバーとの結
合が容易なのでシステムを安価に提供する事ができる。
また、電流狭窄層を設けることで、電流をアパーチャー
と呼ばれる部分から局所的に注入することができ、微小
体積の活性領域でレーザ発振を起こすことが可能であ
る。従って、低閾電流化、つまり、低消費電力化に適し
ている。
【０００３】電流狭窄層として、AlAsを選択的に酸化さ
せた AlOx層の使用が近年提案され、閾電流の大幅な低
減が達成された。その詳細は、例えば、IEEE J. Select
ed Topics in Quantum Electronics誌, 3巻, 893-904
頁, 1997年に記載されている。
せた AlOx層の使用が近年提案され、閾電流の大幅な低
減が達成された。その詳細は、例えば、IEEE J. Select
ed Topics in Quantum Electronics誌, 3巻, 893-904
頁, 1997年に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記AlOx電流狭窄層
は、結晶成長法により作製したAlAs層をメサ状にエッチ
ングし、メサの周囲からAlAs層を選択的に酸化させAlOx
層へ変化させて作製される。AlAs層のうち酸化されずに
残ったメサ中央部分が、電流が注入されるアパーチャー
層となる。低閾電流の面発光レーザを大量生産するため
には、アパーチャー層の大きさを僅か数μｍとし、尚且
つ、その大きさを正確に制御する必要がある。しかし、
AlAs層の酸化の速度は散つきが大きく、アパーチャー層
の大きさを正確に制御することは困難であり、AlOx電流
狭窄層を有する面発光レーザの実用化においては低い歩
留まりが問題となっている。通常、AlAsアパーチャー層
（およびAlOx電流狭窄層）の上下にはGaAs層が配置され
るが、AlAsアパーチャー層とGaAs層との界面ではヘテロ
障壁が発生し、直列抵抗となり電気特性を劣化させる。
また、絶縁体のAlOxと半導体のGaAsは熱膨張係数が大き
く異なるので、AlOx電流狭窄層とGaAs層との界面では物
理的剥離が発生することがあり、素子の歩留まりを低下
させたり、素子寿命が短くなるなどの問題が生じてい
る。
は、結晶成長法により作製したAlAs層をメサ状にエッチ
ングし、メサの周囲からAlAs層を選択的に酸化させAlOx
層へ変化させて作製される。AlAs層のうち酸化されずに
残ったメサ中央部分が、電流が注入されるアパーチャー
層となる。低閾電流の面発光レーザを大量生産するため
には、アパーチャー層の大きさを僅か数μｍとし、尚且
つ、その大きさを正確に制御する必要がある。しかし、
AlAs層の酸化の速度は散つきが大きく、アパーチャー層
の大きさを正確に制御することは困難であり、AlOx電流
狭窄層を有する面発光レーザの実用化においては低い歩
留まりが問題となっている。通常、AlAsアパーチャー層
（およびAlOx電流狭窄層）の上下にはGaAs層が配置され
るが、AlAsアパーチャー層とGaAs層との界面ではヘテロ
障壁が発生し、直列抵抗となり電気特性を劣化させる。
また、絶縁体のAlOxと半導体のGaAsは熱膨張係数が大き
く異なるので、AlOx電流狭窄層とGaAs層との界面では物
理的剥離が発生することがあり、素子の歩留まりを低下
させたり、素子寿命が短くなるなどの問題が生じてい
る。
【０００５】本発明の目的は、優れた特性の面発光レー
ザを歩留まり良く生産する事により、それを光源として
利用したレーザ光送信モジュール及び光インターコネク
ション、あるいは光ファイバー通信等の応用システムを
安価に提供する事である。また、直列抵抗が低い面発光
レーザを提供する事も目的の一つである。更なる目的と
しては、優れた特性の長波長帯（波長：1.2から1.6μ
ｍ）の面発光レーザを提供することである。
ザを歩留まり良く生産する事により、それを光源として
利用したレーザ光送信モジュール及び光インターコネク
ション、あるいは光ファイバー通信等の応用システムを
安価に提供する事である。また、直列抵抗が低い面発光
レーザを提供する事も目的の一つである。更なる目的と
しては、優れた特性の長波長帯（波長：1.2から1.6μ
ｍ）の面発光レーザを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】基板結晶上に光を発生す
る活性層と前記活性層から発生した光からレーザ光を得
る為に活性層の上下を反射鏡で挟んだ共振器構造を有
し、前記基板結晶と垂直に光を出射する面発光レーザに
おいて、AlInP、AlGaInP、もしくはAlAs等のバンドギャ
プが２eV以上の半導体、所謂ワイドギャップ半導体を電
流狭窄層に用い、ホトリソグラフ工程（電流狭窄層に開
口形成）と再成長工程（開口を埋め込む半導体結晶成
長）により上記電流狭窄層に設けられたアパーチャー
（開口）にアパーチャー層を形成することで歩留まりを
大きく改善できる。本明細書で以下に論じるワイドギャ
ップ半導体とは、バンドギャップ（禁制帯幅）が２eV以
上の半導体材料であれば、種類を問わず、また上述のAl
InP、AlGaInPにおいては、このバンドギャップ値を満た
すような組成を有することが要請される。
る活性層と前記活性層から発生した光からレーザ光を得
る為に活性層の上下を反射鏡で挟んだ共振器構造を有
し、前記基板結晶と垂直に光を出射する面発光レーザに
おいて、AlInP、AlGaInP、もしくはAlAs等のバンドギャ
プが２eV以上の半導体、所謂ワイドギャップ半導体を電
流狭窄層に用い、ホトリソグラフ工程（電流狭窄層に開
口形成）と再成長工程（開口を埋め込む半導体結晶成
長）により上記電流狭窄層に設けられたアパーチャー
（開口）にアパーチャー層を形成することで歩留まりを
大きく改善できる。本明細書で以下に論じるワイドギャ
ップ半導体とは、バンドギャップ（禁制帯幅）が２eV以
上の半導体材料であれば、種類を問わず、また上述のAl
InP、AlGaInPにおいては、このバンドギャップ値を満た
すような組成を有することが要請される。
【０００７】一方、上記電流狭窄層に形成された開口を
埋め込むように形成されるアパーチャー層の材料として
は、上記電流狭窄層よりバンドギャップの小さい例えば
GaAsもしくはAlGaAsが好ましい。また、高濃度にドーピ
ングされた電流導入層を電流狭窄層の上に形成すること
で直列抵抗を低減できる。さらに、活性層にGaInNAsを
用いることで、光ファイバー通信で用いられる1.3μm帯
もしくは1.55μm帯に適用できる（特に活性層以外の半
導体層をGaAs、AlGaAs、AlAs、AlInPで形成する場合、
結晶成長の観点からみて当該活性層組成は望ましい）。
埋め込むように形成されるアパーチャー層の材料として
は、上記電流狭窄層よりバンドギャップの小さい例えば
GaAsもしくはAlGaAsが好ましい。また、高濃度にドーピ
ングされた電流導入層を電流狭窄層の上に形成すること
で直列抵抗を低減できる。さらに、活性層にGaInNAsを
用いることで、光ファイバー通信で用いられる1.3μm帯
もしくは1.55μm帯に適用できる（特に活性層以外の半
導体層をGaAs、AlGaAs、AlAs、AlInPで形成する場合、
結晶成長の観点からみて当該活性層組成は望ましい）。
【０００８】このように構成することで、活性層の上記
アパーチャー層に対向する部分を中心に電流を注入する
ことができ、これにより発生した光は上記アパーチャー
層を介して対向した反射鏡で構成される共振器を往復し
て、誘導放出光を発生する。ここで反射鏡とは、これに
対して活性層側に接合された層（半導体層）より反射率
の高い物質からなる膜又は複数の膜の積層構造を指し、
その材料は半導体又は誘電体等から選ばれる。そして、
基板側に形成された反射鏡と基板の反対側に形成された
反射鏡の反射率は、共振器の仕様に応じて夫々設定され
る。
アパーチャー層に対向する部分を中心に電流を注入する
ことができ、これにより発生した光は上記アパーチャー
層を介して対向した反射鏡で構成される共振器を往復し
て、誘導放出光を発生する。ここで反射鏡とは、これに
対して活性層側に接合された層（半導体層）より反射率
の高い物質からなる膜又は複数の膜の積層構造を指し、
その材料は半導体又は誘電体等から選ばれる。そして、
基板側に形成された反射鏡と基板の反対側に形成された
反射鏡の反射率は、共振器の仕様に応じて夫々設定され
る。
【０００９】また、本発明の面発光レーザは、光インタ
ーコネクション、光ファイバー通信等のシステムで利用
できる。その場合、面発光レーザをそれを駆動するICや
光ファイバの部品と共にパッケージしたレーザ光送信モ
ジュールとして利用する事が好ましい。
ーコネクション、光ファイバー通信等のシステムで利用
できる。その場合、面発光レーザをそれを駆動するICや
光ファイバの部品と共にパッケージしたレーザ光送信モ
ジュールとして利用する事が好ましい。
【００１０】本発明の面発光レーザの構造、作製方法、
および作用について、実施例１の説明図１を用いて示
す。同図において、1はn型GaAs基板、2はn型半導体多層
膜反射鏡、3は第1GaAsスペーサ層、4は活性層、5は第2G
aAsスペーサ層、6はAlInP電流狭窄層、7はp型GaAs電流
導入層、8は再成長界面、9は第3GaAsスペーサ層、10は
多層膜反射鏡、11はp側電極、12はn側電極である。ま
ず、2から7までの層を、結晶成長法により作製する。次
に、アパーチャー層を形成するために、p型GaAs電流導
入層7、AlInP電流狭窄層6、および第2GaAsスペーサ層5
の一部（レーザ発振に提供する部分を含めた領域）を図
１に示すようにエッチングにより取り除く（これによ
り、レーザ光を発振させる光軸上から上記電流狭窄層が
除去される）に提供する。その後、結晶成長法によりp
型GaAsを再成長して第3GaAsスペーサ層9を作製する（換
言すれば、上記開口はGaAsで埋め込まれる）。第3GaAs
スペーサ層9のうち電流狭窄層6に挟まれた部分がアパー
チャー層となる。アパーチャー層は、ホトリソグラフ工
程により作製されるので大きさは正確に制御できる。ア
パーチャー層、つまり、第3GaAsスペーサ層9の ドーピ
ング濃度をp=1×1018cm-3程度に設定することで、十分
な導電率を得ることができ、尚且つ、レーザ光に対する
光損失を十分に低減できる。最後に、多層膜反射鏡10、
p側電極11、およびn側電極12を形成して構造が完成され
る。
および作用について、実施例１の説明図１を用いて示
す。同図において、1はn型GaAs基板、2はn型半導体多層
膜反射鏡、3は第1GaAsスペーサ層、4は活性層、5は第2G
aAsスペーサ層、6はAlInP電流狭窄層、7はp型GaAs電流
導入層、8は再成長界面、9は第3GaAsスペーサ層、10は
多層膜反射鏡、11はp側電極、12はn側電極である。ま
ず、2から7までの層を、結晶成長法により作製する。次
に、アパーチャー層を形成するために、p型GaAs電流導
入層7、AlInP電流狭窄層6、および第2GaAsスペーサ層5
の一部（レーザ発振に提供する部分を含めた領域）を図
１に示すようにエッチングにより取り除く（これによ
り、レーザ光を発振させる光軸上から上記電流狭窄層が
除去される）に提供する。その後、結晶成長法によりp
型GaAsを再成長して第3GaAsスペーサ層9を作製する（換
言すれば、上記開口はGaAsで埋め込まれる）。第3GaAs
スペーサ層9のうち電流狭窄層6に挟まれた部分がアパー
チャー層となる。アパーチャー層は、ホトリソグラフ工
程により作製されるので大きさは正確に制御できる。ア
パーチャー層、つまり、第3GaAsスペーサ層9の ドーピ
ング濃度をp=1×1018cm-3程度に設定することで、十分
な導電率を得ることができ、尚且つ、レーザ光に対する
光損失を十分に低減できる。最後に、多層膜反射鏡10、
p側電極11、およびn側電極12を形成して構造が完成され
る。
【００１１】電流は、p側電極11より注入され、p型第3G
aAsスペーサ層9およびp型GaAs電流導入層7を通してアパ
ーチャー層に導かれる。電流が電流狭窄層6と平行に流
れるとき、p型GaAs電流導入層7はp=1×1020cm-3と超高
濃度にドーピングされているので抵抗が非常に低く電流
の殆どがこの層を流れる。また、第3GaAsスペーサ層9、
p型GaAs電流導入層7、アパーチャー層、および第2GaAs
スペーサ層5は、すべてGaAsであるのでヘテロ障壁によ
る直列抵抗は発生しない。従って、p側電極11からアパ
ーチャー直下の活性領域までの間で電圧降下は殆ど発生
しない。また、n型半導体多層膜反射鏡2の直列抵抗も小
さいので、素子抵抗が非常に低い面発光レーザを作製す
ることができる。
aAsスペーサ層9およびp型GaAs電流導入層7を通してアパ
ーチャー層に導かれる。電流が電流狭窄層6と平行に流
れるとき、p型GaAs電流導入層7はp=1×1020cm-3と超高
濃度にドーピングされているので抵抗が非常に低く電流
の殆どがこの層を流れる。また、第3GaAsスペーサ層9、
p型GaAs電流導入層7、アパーチャー層、および第2GaAs
スペーサ層5は、すべてGaAsであるのでヘテロ障壁によ
る直列抵抗は発生しない。従って、p側電極11からアパ
ーチャー直下の活性領域までの間で電圧降下は殆ど発生
しない。また、n型半導体多層膜反射鏡2の直列抵抗も小
さいので、素子抵抗が非常に低い面発光レーザを作製す
ることができる。
【００１２】ここで、AlInPによる電流狭窄の作用につ
いて、図３を参照して説明する。AlInPはGaAs基板と格
子整合が可能であり良質な結晶が得られるのでレーザ光
の散乱などの光学的劣化を生じさせない。図３(a)にn型
AlInPとp型GaAs、及び図３(b)にp型AlInPとp型GaAsとの
バンドラインナップの様子を示す。図中で＋で示される
正孔がGaAsからAlInPへ移動しようとしても、価電子帯
におけるヘテロ障壁（図では下向きに引かれた線）があ
り、移動できない。つまり、電流が流れない。ヘテロ障
壁の大きさは、AlInPがn型の場合２eV程度、AlInPがp型
の場合でも約 0.4 eV以上ある。本発明の構造では、上
述の通りp側電極11からアパーチャー直下の活性領域ま
での間で電圧降下は殆ど発生しないので、AlInP層6は、
n型が好ましいもののp型の場合でも十分大きなヘテロ障
壁を有し、p型GaAs電流導入層7に対して電流狭窄層とし
て作用する。尚、電流狭窄層の材料としては、GaAs基板
上に形成可能なバンドギャプが２eV以上のワイドギャッ
プ半導体なら本発明と同様な効果が得られるので、例え
ばAlGaInPやAlAsなどでも良い。また、第2GaAsスペーサ
層5は、電子のAlInP電流狭窄層6への流入を防ぐため
に、p型もしくはノンドープ層であることが好ましい。
本発明では、電流導入層とワイドギャップ半導体とのヘ
テロ障壁により電流を狭窄するので、面発光レーザの動
作電圧が低いものの方がより適している。つまり、活性
層4のバンドギャップが小さいく発振波長が0.85μmより
長いものの方が良い。具体的には、活性層の材料とし
て、GaInAsやGaInNAsが適している。活性層がGaInNAsの
場合、優れた特性の長波長帯の面発光レーザを作製する
ことができる。発振波長が0.85μｍよりも短い場合は、
上記説明でGaAs層をAlGaAs層に置き換えれば、同様な効
果が得られる。
いて、図３を参照して説明する。AlInPはGaAs基板と格
子整合が可能であり良質な結晶が得られるのでレーザ光
の散乱などの光学的劣化を生じさせない。図３(a)にn型
AlInPとp型GaAs、及び図３(b)にp型AlInPとp型GaAsとの
バンドラインナップの様子を示す。図中で＋で示される
正孔がGaAsからAlInPへ移動しようとしても、価電子帯
におけるヘテロ障壁（図では下向きに引かれた線）があ
り、移動できない。つまり、電流が流れない。ヘテロ障
壁の大きさは、AlInPがn型の場合２eV程度、AlInPがp型
の場合でも約 0.4 eV以上ある。本発明の構造では、上
述の通りp側電極11からアパーチャー直下の活性領域ま
での間で電圧降下は殆ど発生しないので、AlInP層6は、
n型が好ましいもののp型の場合でも十分大きなヘテロ障
壁を有し、p型GaAs電流導入層7に対して電流狭窄層とし
て作用する。尚、電流狭窄層の材料としては、GaAs基板
上に形成可能なバンドギャプが２eV以上のワイドギャッ
プ半導体なら本発明と同様な効果が得られるので、例え
ばAlGaInPやAlAsなどでも良い。また、第2GaAsスペーサ
層5は、電子のAlInP電流狭窄層6への流入を防ぐため
に、p型もしくはノンドープ層であることが好ましい。
本発明では、電流導入層とワイドギャップ半導体とのヘ
テロ障壁により電流を狭窄するので、面発光レーザの動
作電圧が低いものの方がより適している。つまり、活性
層4のバンドギャップが小さいく発振波長が0.85μmより
長いものの方が良い。具体的には、活性層の材料とし
て、GaInAsやGaInNAsが適している。活性層がGaInNAsの
場合、優れた特性の長波長帯の面発光レーザを作製する
ことができる。発振波長が0.85μｍよりも短い場合は、
上記説明でGaAs層をAlGaAs層に置き換えれば、同様な効
果が得られる。
【００１３】また、電流狭窄層6は半導体なので、上下
のGaAs層とほぼ同じ熱膨張係数を有し、ヘテロ界面で剥
離が発生することもなく素子寿命が長い特徴を有する。
のGaAs層とほぼ同じ熱膨張係数を有し、ヘテロ界面で剥
離が発生することもなく素子寿命が長い特徴を有する。
【００１４】従って、本発明の面発光レーザは、優れた
特性と長寿命を有し、尚且つ、高い歩留まりを有する。
特性と長寿命を有し、尚且つ、高い歩留まりを有する。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましき実施の形
態を実施例１並びに２、及び図１並びに２を参照して具
体的に説明する。
態を実施例１並びに２、及び図１並びに２を参照して具
体的に説明する。
【００１６】＜実施例１＞本実施例では、発光波長が0.
98μｍの面発光レーザを作製した。図１に構造断面図を
示す。1はn型GaAs基板（n=1×1018cm-3、厚み:d=100μ
ｍ )、2はn型GaAs/AlAs半導体多層膜反射鏡（n=1×1018
cm-3)、3はn型第1GaAsスペーサ層(n=1×1016cm-3、d=半
導体中での1/4波長厚)、4はノンドープGaInAs/GaAs歪量
子井戸活性層、5はp型第2GaAsスペーサ層(p=1×1016cm
-3、d=半導体中での1/8波長厚)、6はGaAs基板に格子整
合したn型Al0.5In0.5P電流狭窄層(n=1×1017cm-3、d=半
導体中での1波長厚)、7はp型GaAs電流導入層（p=1×10
20cm-3、d=半導体中での1/2波長厚)、8は再成長界面、9
はp型第3GaAsスペーサ層(p=1×1018cm-3)、10は誘電体
多層膜反射鏡、11はp側電極、12はn側電極である。活性
層4には、３層の7nm厚GaInAs井戸層を10nm厚のGaAs障壁
層で隔てて実効的に1.27eV(波長:0.98μｍ)のバンドギ
ャップを持つ歪量子井戸層を用いた。半導体多層膜反射
鏡2は、半導体中で1/4波長厚の高屈折率のGaAs層と半導
体中で1/4波長厚の低屈折率のAlAs層を交互に積層し
た。反射率を99.5%以上にする為に反射鏡層の積層数を2
0対とした。
98μｍの面発光レーザを作製した。図１に構造断面図を
示す。1はn型GaAs基板（n=1×1018cm-3、厚み:d=100μ
ｍ )、2はn型GaAs/AlAs半導体多層膜反射鏡（n=1×1018
cm-3)、3はn型第1GaAsスペーサ層(n=1×1016cm-3、d=半
導体中での1/4波長厚)、4はノンドープGaInAs/GaAs歪量
子井戸活性層、5はp型第2GaAsスペーサ層(p=1×1016cm
-3、d=半導体中での1/8波長厚)、6はGaAs基板に格子整
合したn型Al0.5In0.5P電流狭窄層(n=1×1017cm-3、d=半
導体中での1波長厚)、7はp型GaAs電流導入層（p=1×10
20cm-3、d=半導体中での1/2波長厚)、8は再成長界面、9
はp型第3GaAsスペーサ層(p=1×1018cm-3)、10は誘電体
多層膜反射鏡、11はp側電極、12はn側電極である。活性
層4には、３層の7nm厚GaInAs井戸層を10nm厚のGaAs障壁
層で隔てて実効的に1.27eV(波長:0.98μｍ)のバンドギ
ャップを持つ歪量子井戸層を用いた。半導体多層膜反射
鏡2は、半導体中で1/4波長厚の高屈折率のGaAs層と半導
体中で1/4波長厚の低屈折率のAlAs層を交互に積層し
た。反射率を99.5%以上にする為に反射鏡層の積層数を2
0対とした。
【００１７】半導体層2-7は、化学線エピタキシー装置
を用いて1×10-5Torrの高真空中で連続して結晶成長さ
せた。III族の原料には金属のアルミニュム、ガリュウ
ム及びインジウムを、Ｖ族の原料にはフォスフィン及び
アルシンを用いた。ドーパントの原料には、Si、Beおよ
びCBr4を用いた。ウエハーを取り出し、ホトリソグラフ
工程により図１に示すようにp型GaAs電流導入層7および
n型AlInP電流狭窄層6を硫酸系エッチング液および塩酸
系エッチング液により順次選択的にエッチングし、直径
３μｍのアパーチャーを形成した。ウエハーを化学線エ
ピタキシー装置に戻し、トリスヂメチルアミノアルシン
を用いてp型第2GaAsスペーサ層5の一部を図１に示すよ
うに１０nmエッチングし、良好な結晶性を有する再成長
界面8を形成した。その後、第3GaAsスペーサ層9を再成
長した。第3GaAsスペーサ層9のうち電流狭窄層6に挟ま
れた部分がアパーチャー層となる。アパーチャー層は、
ホトリソグラフ工程により作製されるので大きさは正確
に制御できる。第3GaAsスペーサ層9の厚みは、第2GaAs
スペーサ層5の厚みと合わせて半導体中で３＋1/4波長と
し、最終的に第1GaAsスペーサ層3と合わせて３.５波長
共振器を形成した（第3GaAsスペーサ層9の成長速度は、
再成長界面8上とp型GaAs電流導入層7上で同一であ
る）。アパーチャー層の外側の部分は共振条件からはず
れているのでレーザ発振はおこらず、単一の横モード発
振が得られる。リフトオフ法により内径10μｍ外径15μ
ｍのリング状p側電極11を形成した後、スッパタ蒸着法
により誘電体多層膜反射鏡10を形成した。誘電体多層膜
反射鏡10は、誘電体中で1/4波長厚さの高屈折率アモル
ファスSi層と誘電体中で1/4波長厚さの低屈折率SiO2層
を交互に積層して作製した。反射率を99%以上にする為
に積層数を5対とした。本実施例では面発光レーザの誘
電体多層膜反射鏡にアモルファスSi層とSiO2層の材料系
を用いたが、誘電体多層膜反射鏡は高屈折率層と低屈折
率層が交互に積層されていれば良いので、SiNとSiO2、
アモルファスSiとSiN、或いはTiO2とSiO2等の他の材料
系を用いても良い。その後、図１に示すようにCl系反応
性イオンビームエッチングにより誘電体多層膜反射鏡10
の外側をエッチングし、p側電極11を露出させた。最後
に、n側電極12を形成した。
を用いて1×10-5Torrの高真空中で連続して結晶成長さ
せた。III族の原料には金属のアルミニュム、ガリュウ
ム及びインジウムを、Ｖ族の原料にはフォスフィン及び
アルシンを用いた。ドーパントの原料には、Si、Beおよ
びCBr4を用いた。ウエハーを取り出し、ホトリソグラフ
工程により図１に示すようにp型GaAs電流導入層7および
n型AlInP電流狭窄層6を硫酸系エッチング液および塩酸
系エッチング液により順次選択的にエッチングし、直径
３μｍのアパーチャーを形成した。ウエハーを化学線エ
ピタキシー装置に戻し、トリスヂメチルアミノアルシン
を用いてp型第2GaAsスペーサ層5の一部を図１に示すよ
うに１０nmエッチングし、良好な結晶性を有する再成長
界面8を形成した。その後、第3GaAsスペーサ層9を再成
長した。第3GaAsスペーサ層9のうち電流狭窄層6に挟ま
れた部分がアパーチャー層となる。アパーチャー層は、
ホトリソグラフ工程により作製されるので大きさは正確
に制御できる。第3GaAsスペーサ層9の厚みは、第2GaAs
スペーサ層5の厚みと合わせて半導体中で３＋1/4波長と
し、最終的に第1GaAsスペーサ層3と合わせて３.５波長
共振器を形成した（第3GaAsスペーサ層9の成長速度は、
再成長界面8上とp型GaAs電流導入層7上で同一であ
る）。アパーチャー層の外側の部分は共振条件からはず
れているのでレーザ発振はおこらず、単一の横モード発
振が得られる。リフトオフ法により内径10μｍ外径15μ
ｍのリング状p側電極11を形成した後、スッパタ蒸着法
により誘電体多層膜反射鏡10を形成した。誘電体多層膜
反射鏡10は、誘電体中で1/4波長厚さの高屈折率アモル
ファスSi層と誘電体中で1/4波長厚さの低屈折率SiO2層
を交互に積層して作製した。反射率を99%以上にする為
に積層数を5対とした。本実施例では面発光レーザの誘
電体多層膜反射鏡にアモルファスSi層とSiO2層の材料系
を用いたが、誘電体多層膜反射鏡は高屈折率層と低屈折
率層が交互に積層されていれば良いので、SiNとSiO2、
アモルファスSiとSiN、或いはTiO2とSiO2等の他の材料
系を用いても良い。その後、図１に示すようにCl系反応
性イオンビームエッチングにより誘電体多層膜反射鏡10
の外側をエッチングし、p側電極11を露出させた。最後
に、n側電極12を形成した。
【００１８】本面発光レーザに電流を注入したところ、
閾電流10 μＡでレーザ発振した。レーザ光は誘電体多
層膜反射鏡側から出射され、室温において発振波長は0.
98μｍであった。本面発光レーザは、10万時間以上の長
い素子寿命を有した。また、３インチウエハでの歩留ま
りも８０％以上と高かった。
閾電流10 μＡでレーザ発振した。レーザ光は誘電体多
層膜反射鏡側から出射され、室温において発振波長は0.
98μｍであった。本面発光レーザは、10万時間以上の長
い素子寿命を有した。また、３インチウエハでの歩留ま
りも８０％以上と高かった。
【００１９】＜実施例２＞本実施例では、発光波長が1.
3μｍの面発光レーザを作製した。図２に構造断面図を
示す。21はn型GaAs基板（n=1×1018cm-3、d=300μｍ)、
22はn型GaAs/AlInP半導体多層膜反射鏡（n=1×1018c
m-3）、23はノンドープ第1GaAsスペーサ層(d=半導体中
での1/2波長厚)、24はノンドープGaInNAs/GaAs歪量子井
戸活性層、25はノンドープ第2GaAsスペーサ層(d=半導体
中での2波長厚)、26はGaAs基板に格子整合したp型Al0.3
Ga0.2In0.5P電流狭窄層(p=1×1016cm-3、d=半導体中で
の3/8波長厚)、27はp型GaAs電流導入層（p=1×1019c
m-3、d=半導体中での1波長厚)、28は再成長界面、29はp
型第3GaAsスペーサ層(p=1×1018cm-3)、30はノンドープ
GaAs/AlInP半導体多層膜反射鏡、31はp側電極、32はn側
電極である。活性層24には、7nm厚のGaInNAs井戸層1層
を10nm厚のGaAs障壁層で挟んだ実効的に0.95eV(波長:1.
3μｍ)のバンドギャップを持つ歪量子井戸層を用いた。
半導体多層膜反射鏡22は、半導体中で1/4波長厚の高屈
折率のGaAs層と半導体中で1/4波長厚の低屈折率のGaAs
基板と格子整合するAl0.5In0.5P層を交互に積層した。
反射率を99.5%以上にする為に反射鏡層の積層数を20対
とした。
3μｍの面発光レーザを作製した。図２に構造断面図を
示す。21はn型GaAs基板（n=1×1018cm-3、d=300μｍ)、
22はn型GaAs/AlInP半導体多層膜反射鏡（n=1×1018c
m-3）、23はノンドープ第1GaAsスペーサ層(d=半導体中
での1/2波長厚)、24はノンドープGaInNAs/GaAs歪量子井
戸活性層、25はノンドープ第2GaAsスペーサ層(d=半導体
中での2波長厚)、26はGaAs基板に格子整合したp型Al0.3
Ga0.2In0.5P電流狭窄層(p=1×1016cm-3、d=半導体中で
の3/8波長厚)、27はp型GaAs電流導入層（p=1×1019c
m-3、d=半導体中での1波長厚)、28は再成長界面、29はp
型第3GaAsスペーサ層(p=1×1018cm-3)、30はノンドープ
GaAs/AlInP半導体多層膜反射鏡、31はp側電極、32はn側
電極である。活性層24には、7nm厚のGaInNAs井戸層1層
を10nm厚のGaAs障壁層で挟んだ実効的に0.95eV(波長:1.
3μｍ)のバンドギャップを持つ歪量子井戸層を用いた。
半導体多層膜反射鏡22は、半導体中で1/4波長厚の高屈
折率のGaAs層と半導体中で1/4波長厚の低屈折率のGaAs
基板と格子整合するAl0.5In0.5P層を交互に積層した。
反射率を99.5%以上にする為に反射鏡層の積層数を20対
とした。
【００２０】半導体層22-27は、有機金属気相エピタキ
シー装置を用いて50Torrの真空中で連続して結晶成長さ
せた。III族の原料には金属のトリメチルアルミニュ
ム、トリメチルガリュウム及びトリメチルインジウム
を、Ｖ族の原料にはヂメチルヒドラジン、フォスフィン
及びアルシンを用いた。ドーパントの原料には、ヂシラ
ン、およびヂメチル亜鉛を用いた。ウエハーを取り出
し、ホトリソグラフ工程により図２に示すように、p型G
aAs電流導入層27、p型AlInP電流狭窄層26、および第2Ga
Asスペーサ層25の一部を臭素系エッチング液でエッチン
グし、直径５μｍのアパーチャーを形成した。ウエハー
を有機金属気相エピタキシー装置に戻し、HClを用いて
第2GaAsスペーサ層25の一部をさらに１０nmエッチング
し、良好な結晶性を有する再成長界面28を形成した。そ
の後、第3GaAsスペーサ層29を再成長した。第3GaAsスペ
ーサ層29のうち電流狭窄層26に挟まれた部分がアパーチ
ャー層となる。アパーチャー層は、ホトリソグラフ工程
により作製されるので大きさは正確に制御できる。第3G
aAsスペーサ層29の厚みは、第1GaAsスペーサ層25の厚み
と合わせて半導体中で３．５波長とし、最終的にGaAsス
ペーサ層23と合わせて４波長共振器を形成した。アパー
チャー層の外側の部分は共振条件からはずれているので
レーザ発振はおこらず、単一の横モード発振が得られ
る。引き続いてノンドープGaAs/AlInP半導体多層膜反射
鏡30を成長した。半導体多層膜反射鏡30は、半導体中で
1/4波長厚の高屈折率のGaAs層と半導体中で1/4波長厚の
低屈折率のGaAs基板と格子整合するAlInP層を交互に積
層した。反射率を99%以上にする為に反射鏡層の積層数
を15対とした。この後、図２に示すように臭素系エッチ
ング液により半導体多層膜反射鏡10の外側を第2GaAsス
ペーサ層29までエッチングした。最後に、内径7μｍ外
径15μｍのリング状p側電極31およびn側電極32を形成し
た。
シー装置を用いて50Torrの真空中で連続して結晶成長さ
せた。III族の原料には金属のトリメチルアルミニュ
ム、トリメチルガリュウム及びトリメチルインジウム
を、Ｖ族の原料にはヂメチルヒドラジン、フォスフィン
及びアルシンを用いた。ドーパントの原料には、ヂシラ
ン、およびヂメチル亜鉛を用いた。ウエハーを取り出
し、ホトリソグラフ工程により図２に示すように、p型G
aAs電流導入層27、p型AlInP電流狭窄層26、および第2Ga
Asスペーサ層25の一部を臭素系エッチング液でエッチン
グし、直径５μｍのアパーチャーを形成した。ウエハー
を有機金属気相エピタキシー装置に戻し、HClを用いて
第2GaAsスペーサ層25の一部をさらに１０nmエッチング
し、良好な結晶性を有する再成長界面28を形成した。そ
の後、第3GaAsスペーサ層29を再成長した。第3GaAsスペ
ーサ層29のうち電流狭窄層26に挟まれた部分がアパーチ
ャー層となる。アパーチャー層は、ホトリソグラフ工程
により作製されるので大きさは正確に制御できる。第3G
aAsスペーサ層29の厚みは、第1GaAsスペーサ層25の厚み
と合わせて半導体中で３．５波長とし、最終的にGaAsス
ペーサ層23と合わせて４波長共振器を形成した。アパー
チャー層の外側の部分は共振条件からはずれているので
レーザ発振はおこらず、単一の横モード発振が得られ
る。引き続いてノンドープGaAs/AlInP半導体多層膜反射
鏡30を成長した。半導体多層膜反射鏡30は、半導体中で
1/4波長厚の高屈折率のGaAs層と半導体中で1/4波長厚の
低屈折率のGaAs基板と格子整合するAlInP層を交互に積
層した。反射率を99%以上にする為に反射鏡層の積層数
を15対とした。この後、図２に示すように臭素系エッチ
ング液により半導体多層膜反射鏡10の外側を第2GaAsス
ペーサ層29までエッチングした。最後に、内径7μｍ外
径15μｍのリング状p側電極31およびn側電極32を形成し
た。
【００２１】本面発光レーザに電流を注入したところ、
閾電流100 μＡでレーザ発振した。レーザ光は誘電体
多層膜反射鏡側から出射され、室温において発振波長は
1.3μｍであった。本面発光レーザは、10万時間以上の
長い素子寿命を有した。また、３インチウエハでの歩留
まりも７０％以上と高かった。上記性能は、長波長帯面
発光レーザとしては非常に優れている。
閾電流100 μＡでレーザ発振した。レーザ光は誘電体
多層膜反射鏡側から出射され、室温において発振波長は
1.3μｍであった。本面発光レーザは、10万時間以上の
長い素子寿命を有した。また、３インチウエハでの歩留
まりも７０％以上と高かった。上記性能は、長波長帯面
発光レーザとしては非常に優れている。
【００２２】
【発明の効果】本発明によれば、AlInP、AlGaInP、もし
くはAlAs等のバンドギャプが２eV以上のワイドギャップ
半導体を電流狭窄層に用い、ホトリソグラフ工程と再成
長工程によりアパーチャー層を形成することで歩留まり
を大きく改善できるので、優れた特性と長寿命を有する
面発光レーザを大量に安価で提供する事ができる。従っ
て、本面発光レーザは、レーザ光送信モジュールおよ
び、光インターコネクションあるいは光ファイバー通信
などの応用システムで利用できる。
くはAlAs等のバンドギャプが２eV以上のワイドギャップ
半導体を電流狭窄層に用い、ホトリソグラフ工程と再成
長工程によりアパーチャー層を形成することで歩留まり
を大きく改善できるので、優れた特性と長寿命を有する
面発光レーザを大量に安価で提供する事ができる。従っ
て、本面発光レーザは、レーザ光送信モジュールおよ
び、光インターコネクションあるいは光ファイバー通信
などの応用システムで利用できる。
【図１】本発明の実施例１における面発光レーザの断面
図。
図。
【図２】本発明の実施例２における面発光レーザの断面
図。
図。
【図３】n型AlInPとp型GaAsとのバンドラインナップ
（a）、および、p型AlInPとp型GaAsとのバンドラインナ
ップ（b）を示す図。
（a）、および、p型AlInPとp型GaAsとのバンドラインナ
ップ（b）を示す図。
1…n型GaAs基板、2…n型半導体多層膜反射鏡、3…n型第
1GaAsスペーサ層、4…活性層、5…p型第2GaAsスペーサ
層、6…AlInP電流狭窄層、7…p型GaAs電流導入層、8…
再成長界面、9…p型第3GaAsスペーサ層、10…多層膜反
射鏡、11…p側電極、12…n側電極。
1GaAsスペーサ層、4…活性層、5…p型第2GaAsスペーサ
層、6…AlInP電流狭窄層、7…p型GaAs電流導入層、8…
再成長界面、9…p型第3GaAsスペーサ層、10…多層膜反
射鏡、11…p側電極、12…n側電極。
Claims (10)
- 【請求項１】基板結晶上に光を発生する活性層と前記活
性層から発生した光からレーザ光を得る為に活性層の上
下を反射鏡で挟んだ共振器構造を有し、前記基板結晶と
垂直に光を出射する面発光レーザにおいて、バンドギャ
プが２eV以上のワイドギャップ半導体からなる電流狭窄
層を有することを特徴とする面発光レーザ。 - 【請求項２】GaAs基板結晶上に光を発生する活性層と前
記活性層から発生した光からレーザ光を得る為に活性層
の上下を反射鏡で挟んだ共振器構造を有し、前記基板結
晶と垂直に光を出射する面発光レーザにおいて、バンド
ギャプが２eV以上のワイドギャップ半導体からなる電流
狭窄層、および、GaAsもしくはAlGaAsからなるアパーチ
ャー層を有することを特徴とする面発光レーザ。 - 【請求項３】請求項１項又は請求項２に記載の面発光レ
ーザにおいて、上記電流狭窄層の上に高濃度にドーピン
グされた電流導入層が形成されていることを特徴とする
面発光レーザ。 - 【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載の面発光
レーザにおいて、上記電流狭窄層がAlInP、AlGaInP、お
よびAlAsの群から選ばれたものの一つであることを特徴
とする面発光レーザ。 - 【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載の面発光
レーザにおいて、上記活性層にGaInAsもしくはGaInNAs
が用いられていることを特徴とする面発光レーザ。 - 【請求項６】請求項１乃至５のいずれかに記載の面発光
レーザにおいて、レーザ光の波長が0.85μmより長いこ
とを特徴とする面発光レーザ。 - 【請求項７】特許請求の範囲第１項から第５項のいずれ
かに記載の面発光レーザにおいて、レーザ光の波長が光
ファイバー通信で用いられる1.3μm帯もしくは1.55μm
帯にあることを特徴とする面発光レーザ。 - 【請求項８】請求項１乃至７のいずれかに記載の面発光
レーザが、光源として使用されていることを特徴とする
レーザ光送信モジュール。 - 【請求項９】請求項１乃至７のいずれかに記載の面発光
レーザが、光源として使用されていることを特徴とする
光ファイバー通信システム。 - 【請求項１０】請求項１乃至７のいずれかに記載の面発
光レーザが、光源として使用されていることを特徴とす
る光インターコネクションシステム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP00206898A JP4134366B2 (ja) | 1998-01-08 | 1998-01-08 | 面発光レーザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP00206898A JP4134366B2 (ja) | 1998-01-08 | 1998-01-08 | 面発光レーザ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11204875A true JPH11204875A (ja) | 1999-07-30 |
| JP4134366B2 JP4134366B2 (ja) | 2008-08-20 |
Family
ID=11519039
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP00206898A Expired - Fee Related JP4134366B2 (ja) | 1998-01-08 | 1998-01-08 | 面発光レーザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4134366B2 (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002329928A (ja) * | 2001-02-27 | 2002-11-15 | Ricoh Co Ltd | 光通信システム |
| US6697405B2 (en) * | 2000-12-15 | 2004-02-24 | Hitachi, Ltd. | Vertical cavity surface emitting lasers, optical modules and systems |
| US6782032B2 (en) | 2001-05-28 | 2004-08-24 | Hitachi, Ltd. | Semiconductor laser, ray module using the same and ray communication system |
| JP2005311175A (ja) * | 2004-04-23 | 2005-11-04 | Ricoh Co Ltd | 面発光レーザ及び光伝送システム |
| US7590159B2 (en) | 2001-02-26 | 2009-09-15 | Ricoh Company, Ltd. | Surface-emission laser diode operable in the wavelength band of 1.1-1.7 micrometers and optical telecommunication system using such a laser diode |
| US7944957B2 (en) | 2007-05-11 | 2011-05-17 | Fuji Xerox Co., Ltd. | Surface emitting semiconductor laser, method for fabricating surface emitting semiconductor laser, module, light source apparatus, data processing apparatus, light sending apparatus, optical spatial transmission apparatus, and optical spatial transmission system |
| JP2018186213A (ja) * | 2017-04-27 | 2018-11-22 | スタンレー電気株式会社 | 垂直共振器型発光素子 |
| CN111384666A (zh) * | 2020-03-20 | 2020-07-07 | 北京嘉圣光通科技有限公司 | 制作垂直腔面发射激光器的方法及垂直腔面发射激光器 |
| JP2025527547A (ja) * | 2022-09-05 | 2025-08-22 | エイエムエス－オスラム インターナショナル ゲーエムベーハー | 光電子デバイスおよびその処理方法 |
-
1998
- 1998-01-08 JP JP00206898A patent/JP4134366B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6697405B2 (en) * | 2000-12-15 | 2004-02-24 | Hitachi, Ltd. | Vertical cavity surface emitting lasers, optical modules and systems |
| US7590159B2 (en) | 2001-02-26 | 2009-09-15 | Ricoh Company, Ltd. | Surface-emission laser diode operable in the wavelength band of 1.1-1.7 micrometers and optical telecommunication system using such a laser diode |
| JP2002329928A (ja) * | 2001-02-27 | 2002-11-15 | Ricoh Co Ltd | 光通信システム |
| US6782032B2 (en) | 2001-05-28 | 2004-08-24 | Hitachi, Ltd. | Semiconductor laser, ray module using the same and ray communication system |
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| US7944957B2 (en) | 2007-05-11 | 2011-05-17 | Fuji Xerox Co., Ltd. | Surface emitting semiconductor laser, method for fabricating surface emitting semiconductor laser, module, light source apparatus, data processing apparatus, light sending apparatus, optical spatial transmission apparatus, and optical spatial transmission system |
| JP2018186213A (ja) * | 2017-04-27 | 2018-11-22 | スタンレー電気株式会社 | 垂直共振器型発光素子 |
| CN111384666A (zh) * | 2020-03-20 | 2020-07-07 | 北京嘉圣光通科技有限公司 | 制作垂直腔面发射激光器的方法及垂直腔面发射激光器 |
| JP2025527547A (ja) * | 2022-09-05 | 2025-08-22 | エイエムエス－オスラム インターナショナル ゲーエムベーハー | 光電子デバイスおよびその処理方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4134366B2 (ja) | 2008-08-20 |
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