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JPH0669585A - 面発光半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents

面発光半導体レーザ及びその製造方法

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Publication number
JPH0669585A
JPH0669585A JP4215233A JP21523392A JPH0669585A JP H0669585 A JPH0669585 A JP H0669585A JP 4215233 A JP4215233 A JP 4215233A JP 21523392 A JP21523392 A JP 21523392A JP H0669585 A JPH0669585 A JP H0669585A
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JP
Japan
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layer
semiconductor
reflection mirror
clad
clad layer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP4215233A
Other languages
English (en)
Inventor
Hajime Shoji
元 小路
Koji Otsubo
孝二 大坪
Tatsuro Ikeda
達郎 池田
Manabu Matsuda
松田　　学
Hiroshi Ishikawa
石川　　浩
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
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Priority to FR9309860A priority patent/FR2695261B1/fr
Priority to US08/104,643 priority patent/US5373520A/en
Publication of JPH0669585A publication Critical patent/JPH0669585A/ja
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

(57)【要約】 【目的】低閾値電流を達成するための面発光半導体レー
ザに関し、歩留、発光効率が良く、狭窄領域の制御をし
易くすること。 【構成】半導体基板１の上に形成された半導体多層膜よ
りなる第一の分布反射ミラー４と、前記第一の分布反射
ミラー４の上に形成された第一のクラッド層５と、前記
第一の分布反射ミラー４の上方に形成された単一量子井
戸構造又は多重量子井戸構造の活性層７と、前記活性層
７の上方に形成される第二のクラッド層９と、前記第二
のクラッド層９の上に形成され、前記活性層７及び前記
第二のクラッド層９よりも禁制帯幅の大きな半導体材料
よりなる電流狭窄層１０と、前記電流狭窄層１０に形成
され、かつ、内部と周辺に前記第二のクラッド層９の一
部が形成された開口部１２と、前記第二のクラッド層９
の上に形成された半導体多層膜又は誘電体多層膜よりな
る第二の分布反射ミラー１６とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、面発光半導体レーザ及
びその製造方法に関し、より詳しくは、製造の容易さ及
び制御性に優れ、低消費電力、高発光効率化が図れる面
発光半導体レーザ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】面発光半導体レーザにおいて、低閾値電
流を達成するための有効な方法として、(1) 反射膜の高
反射率化により損失を少なくする方法や、(2) 電流狭窄
による活性層断面積の微小化により電流注入効率を良く
する方法があり、通常はこれらを併用することによって
高性能化を図っている。
【０００３】高反射率化を実現する方法としては、半導
体もしくは誘電体の多層膜により構成される分布反射膜
（ＤＢＲ）ミラーを共振器に設けたものがあり、非常に
高い反射率を得ることができる。
【０００４】また、電流狭窄についての代表的な方法と
しては、図４に示すように、半導体層４１中に微小な
共振器４２を埋め込む方法（図４(a))、エッチングに
よって小さな断面積の活性層４３を設けた共振器４２を
形成する方法（図４(b))、イオン注入により活性層４
３の脇に高抵抗層４４を形成する方法（図４(c))があ
る。
【０００５】なお、図中符号４５は、半導体レーザを形
成するための半導体基板、４６は、バリア層４７を介し
て活性層４３を挟むクラッド層、４８は、共振器４２の
光進行方向の端部に形成される多層膜分布反射ミラーを
示している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、共振器４２を
埋め込む構造（図４(a))では、半導体層４１に開口部を
形成し、その中にクラッド層、活性層等を制御性良く積
層するという非常に高度なプロセス技術が要求され、歩
留りが悪いのが現状である。
【０００７】また、エッチングにより微小化された活性
層４３を有する構造（図４(b))は、現在のドライエッチ
ングの技術により比較的容易に作成可能であるが、活性
層４３の側面がエッチングにより損傷等を受けてしま
い、その側部の結晶欠陥によりキャリアが捕捉されて活
性層４３で発光に寄与するキャリアが少なくなり、非発
光再結合が増大して発光効率の低下を招き、一定の大き
さ以下の断面積の構造に対しては効果が上がりにくい問
題がある。
【０００８】さらに、イオン注入により形成された高抵
抗層４４を有する構造（図４(c))によれば、電流狭窄の
効果は大きいものの、狭窄幅の制御性が悪く、信頼性に
乏しいといった問題がある。
【０００９】本発明はこのような問題に鑑みてなされた
ものであって、歩留り、発光効率が良く、狭窄領域の制
御がし易い面発光半導体レーザ及びその製造方法を提供
することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記した課題は、図１、
２、３に例示するように、半導体基板１の上に形成され
た半導体多層膜よりなる第一の分布反射ミラー４と、前
記第一の分布反射ミラー４の上に形成された第一のクラ
ッド層５と、前記第一の分布反射ミラー４の上方に形成
された単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造の活性層
７と、前記活性層７の上方に形成される第二のクラッド
層９と、前記第二のクラッド層９の上に形成され、前記
活性層７及び前記第二のクラッド層９よりも禁制帯幅の
大きな半導体材料よりなる電流狭窄層１０と、前記電流
狭窄層１０に形成され、かつ、内部と周辺に前記第二の
クラッド層９の一部が形成された開口部１２と、前記第
二のクラッド層９の上に形成された半導体多層膜又は誘
電体多層膜よりなる第二の分布反射ミラー１６とを有す
ることを特徴とする面発光半導体レーザにより達成す
る。
【００１１】または、前記第二の多層膜分布ミラー１６
は、前記開口部１２を直上にのみ形成され、その周囲に
は前記第二のクラッド層９に接続する電極１７が形成さ
れていることを特徴とする請求項１記載の面発光半導体
レーザにより達成する。
【００１２】または、半導体基板１の上に半導体多層膜
２，３を積層して第一の分布反射ミラー４を形成する工
程と、前記第一の分布反射ミラー４の上に第一のクラッ
ド層５を積層する工程と、前記第一のクラッド層５の上
に、バリア層６，８によって挟まれる単一量子井戸又は
多重量子井戸からなる活性層７を形成する工程と、前記
活性層７の上方に、前記バリア層６，８を介して第二の
クラッド層９を積層する工程と、前記第二のクラッド層
９よりも禁制帯幅が大きく、前記第二のクラッド層９に
対して選択エッチングが可能な電流狭窄層１０を、前記
第二のクラッド層９の上に直接又は光吸収の少ないエッ
チングストップ半導体層２２を介して形成する工程と、
前記電流狭窄層１０をパターニングして電流通路となる
開口部１２を形成する工程と、前記開口部１２の中とそ
の上に、前記第二のクラッド層９と同一材料を積層して
前記第二のクラッド層９を厚くする工程と、半導体多層
膜又は誘電体多層膜よりなる第二の分布反射ミラー１６
を、前記第二のクラッド層９の上に直接又は１／４波長
の膜厚の高不純物含有エッチングストップ半導体層２３
を介して形成する工程とを有することを特徴とする面発
光半導体レーザの製造方法により達成する。
【００１３】
【作 用】本発明によれば、一方のクラッド層の中の層
に、禁制帯幅の大きな材料により電流狭窄層１０を形成
し、また、その電流狭窄層１０に開口部１２を形成する
ようにしている。この場合、開口部１２を囲む電流狭窄
層１０は、エネルギーバリア層となるので電流が狭窄さ
れて流れることになる。
【００１４】これによれば、活性層７をパターニングし
ていないのでその側部に結晶欠陥が生じることはなく、
その側部での非発光再結合による発光効率の低下が殆ど
なくなる。また、電流狭窄層１０の開口部１２は、マス
クプロセスによって容易に実現でき、その面積は任意の
大きさに厳密に制御でき、また、電流狭窄層１０の厚さ
は結晶成長によって制度良く制御できるので、高効率な
電流狭窄が再現性良く実現される。
【００１５】また、第２の発明によれば、上側のＤＢＲ
ミラー１６の一部を除去してその周囲に電極１７を形成
しているので、ＤＢＲミラー１６の上に電極を形成する
場合に比べて、素子抵抗が大幅に低減され、消費電力が
抑制される。
【００１６】また、第３の発明の製造方法によれば、電
流狭窄層１０や上側のＤＢＲミラー１６の下にエッチン
グストップ半導体層２２、２３を形成しているので、共
振器を構成する半導体層に荒れがなくなり、損失が少な
くなる。
【００１７】しかも、ＤＢＲミラー１６の下のエッチン
グストップ層２３を高不純物濃度としているので、その
上に直に形成される電極のコンタクト抵抗が低減され、
効率が良くなる。
【００１８】
【実施例】そこで、以下に本発明の実施例を図面に基づ
いて説明する。 （ａ）本発明の第１実施例の説明 図１、２は、本発明の一実施例の面発光半導体レーザの
製造工程を示す断面図である。
【００１９】まず、図１(a) に示すように、Si含有量２
×1018cm-3、厚さ１００μｍのn-GaAs基板１の上に有機
金属気相成長法により、n-AlAs層２を８３．１nm、n-Ga
As層３を６９．６nmの厚さに積層し、これを繰り返して
成膜することにより２８．５ペアのn-AlAs層２とn-GaAs
層３からなる半導体ＤＢＲミラー４を形成する。この場
合のn-AlAs層２とn-GaAs層３のSi含有量はそれぞれ３×
１０18cm-3である。
【００２０】ついで、図１(b) に示すように、Si含有量
が２×１０18cm-3のn-Al0.2 Ga0.8Asクラッド層５を１
３０nm、GaAsバリア層６を１０nm、In0.2 Ga0.8 As単一
量子井戸活性層７を８nm、GaAsバリア層８を１０nm、Zn
含有量３×１０18cm-3のp-Al 0.2 Ga0.8 Asクラッド層９
を１３０nmの厚さにそれぞれ積層し、さらにSi含有量が
２×１０18cm-3のn-InGaP 電流狭窄層１０を２００nmの
厚さに形成する。
【００２１】次に、図１(c) に示すように、SiO2よりな
るマスク１１を使用し、塩酸をエッチング液にして電流
狭窄層１０をパターニングし、電流注入路となる開口部
１２を形成する。この場合、p-Al0.2 Ga0.8 Asクラッド
層９に対するエッチングレートが極めて小さいので選択
性があり、開口部１２を形成した後に制御性良くエッチ
ングが停止することになる。
【００２２】この後に、図２(d) に示すように、開口部
１２から表出したp-Al0.2 Ga0.8 As 0.2 クラッド層９と
電流狭窄層１０の上に、Zn含有量３×１０18cm-3のp-Al
0.2Ga0.8 As層１３を５７８nmの厚さに平坦に成長し
て、クラッド層９の厚さを増やす。これにより、n-Al
0.2 Ga0.8 Asクラッド層５から最上のp-Al0.2 Ga0.8 As
層１３までの全体の厚さが半波長の３倍、即ちλ／２の
整数倍Ｎとなり、また、単一量子井戸活性層の膜厚方向
の中央位置は、n-Al0.2 Ga0.8 As層の下面から波長の
０．５倍、即ちλ／２の整数倍Ｍ（Ｍ＜Ｎ）となり、こ
れにより光定在波の振幅が単一量子井戸活性層において
最も大きくなり、光の最も強いところに単一量子井戸活
性層７が位置することになる。
【００２３】これに引き続いて、p-AlAs層１４を８３．
１nm、p-GaAs層１５を６９．６nmの厚さに成長し、これ
らを交互に２３ペア繰り返し積層して上側の半導体ＤＢ
Ｒミラー１６を形成する。それらの層には、Znを３×１
０18cm-3の濃度で含有する。なお、p-AlAsは酸化され易
いので、最上層はp-GaAs層１５とする。
【００２４】次に、図示しないSiO2をマスクにして塩素
系のガスを使用し、図２(e) に示すように、ＲＩＢＥ等
のドライエッチング法により上側のＤＦＢミラー１６を
パターニングして、開口部１２の直上とその僅かな周辺
にのみ残させる。
【００２５】これに続いて、上側のＤＢＲミラー１６の
周囲のp-Al0.2 Ga0.8 As層１３の上にTi／Pt／Auの三層
状の金属膜を形成し、これをパターニングしてＤＢＲミ
ラーの周囲にｐ側電極１７を形成する。さらに、開口部
１２の下方位置に穴１８を設けたドーナッツ状のAuGe／
Auよりなるｎ側電極１９をGaAs基板１の下面に形成す
る。これにより、面発光半導体レーザが完成する。
【００２６】以上のような面発光半導体レーザを駆動す
る場合には、ｐ側電極１７からｎ側電極１９に向けて電
流を流して発振させ、ｎ型電極１９の穴１８を通して光
を放出させる。この場合、電流狭窄層１０を構成するIn
GaP は、その周囲のクラッド層９を構成するAlGaAsより
も禁制帯幅の大きな材料であってエネルギーバリア層と
なり、しかも電流通路に開口部１２を形成しているの
で、ｐ側電極１７から注入された電流は、開口部１２を
通って狭窄されて流れるので、低閾値電流が達成でき
る。
【００２７】これによれば、活性層７の側部に結晶欠陥
が生じることはなく、その側部での非発光再結合等によ
る発光効率の低下が殆どなく、また、開口部１２はマス
クプロセスによって容易に実現でき、その面積は任意の
大きさに厳密に制御でき、また、電流狭窄層１０の厚さ
は結晶成長によって制度良く制御されるので、高効率な
電流狭窄を再現性良く実現できる。
【００２８】さらに、上側のＤＢＲミラー１６の一部を
除去してその周囲にｐ側電極１７を形成した構造では、
素子抵抗が大幅に低減され、消費電力が抑制される。と
ころで、半導体レーザの発振波長をλ0 とすると、半導
体層の中を進む光の波長λはλ＝λ0 ／ｎ（ｎ：半導体
層の屈折率）となり、n-GaAs層２とn-AlAs層３の膜厚を
それぞれλ／４とすれば、周期がλ／２となり、ＤＢＲ
ミラー４，１６により波長λの定在波が形成される。し
たがって、上記した膜厚でn-AlAs層２，１４とn-GaAs層
３，１５を形成すればＤＢＲミラー４は９８０nmの波長
選択性を有することになり、半導体レーザの発振波長は
０．９８μｍとなる。
【００２９】また、下側のＤＢＲミラー４を構成するAl
As層２とGaAs層３を整数倍にせずに２８．５ペアとした
理由は、ＤＢＲミラー４の最上層のエネルギーバリアを
n-AlAs層２により高くすることにより位相を調整するた
めと、活性層７の周囲のエネルギーバリアを高くして電
子の閉じ込めを良くするためである。
【００３０】なお、上記した活性層７は、単一量子井戸
によって構成しているが、GaAsとInGaAsを交互に複数層
形成して多重量子井戸としてもよい。また、上記したＤ
ＢＲミラー４，１６の層数は、２８．５ペア、２３ペア
に限るものではない。 （ｂ）本発明のその他の実施例の説明 上記した実施例では、GaAs基板１から遠い側のＤＢＲミ
ラー１６の周囲にｐ電極１７電極を設けているが、図３
(a) に示すように、ＤＢＲミラー１６をパターニングせ
ずにその上に直接ｐ電極２１を形成してもよい。この場
合、ｐ電極２１とｎ電極１９の間の抵抗がＤＢＲミラー
１６によって高くなるが、製造工程が簡単になるという
利点がある。
【００３１】また、上記した実施例では、p-Al0.2 Ga
0.8 Asクラッド層９の上に直に電流狭窄層１０を形成
し、ついで開口部１２を形成するようにしているが、図
３(b) に示すように、p-Al0.2 Ga0.8 Asクラッド層９と
電流狭窄層１０の間に、Zn含有量３×１０18cm-3のp-Ga
Asエッチングストップ層２２を光吸収の少ない数nm〜１
０nmの厚さに介在させてもよい。また、上側のＤＢＲミ
ラー１６とその下のp-Al0. 2 Ga0.8 As層１２の間に、Zn
を高濃度（１×１０19cm-3）にドーピングした膜厚６．
９６nmのp-GaAs層２３を介在させてもよい。
【００３２】これらの場合、GaAsは、AlGaAsよりも塩酸
によりエッチングされ難いので、電流狭窄層１０やＤＢ
Ｒミラー１６をパターニングする際のエッチング管理の
手間がより軽減される。しかも、高不純物濃度のp-GaAs
層２３によれば、ｐ側電極１７のコンタクト抵抗が低減
され、また、電流狭窄層１０の上のp-Al0.2 Ga0.8 As層
１３の酸化が防止される。なお、高不純物濃度のp-GaAs
層２３の膜厚は６．９６nmであるのでＤＢＲミラー１６
の一部を構成することになる。
【００３３】さらに、上記した実施例では、上側のＤＢ
Ｒミラー１６を化合物半導体多層膜により形成している
が、例えばSiO2とSiによる誘電体多層膜によることも可
能である。
【００３４】なお、上記した実施例では、InGaAs／GaAs
P 系の材料について説明したが、GaAs／AlGaAs系やInGa
As／InGaAsP 系の材料を用いて実施することもできる。
【００３５】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、一方
のクラッド層の中に、禁制帯幅の大きな材料により電流
狭窄層を積層し、また、その電流狭窄層に開口部を形成
するようにしているので、開口部を囲む電流狭窄層は、
エネルギーバリア層となって電流を狭窄して流すことに
なる。
【００３６】これによれば、活性層をパターニングしな
くて済むので、その側部に結晶欠陥が生じることはな
く、その側部での非発光再結合による発光効率の低下を
防止できる。また、電流狭窄層の開口部は、マスクプロ
セスによって容易に実現でき、その面積は任意の大きさ
に厳密に制御でき、また、電流狭窄層の厚さは結晶成長
によって制度良く制御できるので、高効率な電流狭窄を
再現性良く実現することが可能になる。
【００３７】また、上側のＤＢＲミラーの一部を除去し
てその周囲に電極を形成する場合には、ＤＢＲミラーの
上に電極を形成する場合に比べて、素子抵抗が大幅に低
減され、消費電力を抑制することができる。
【００３８】また、本発明の製造方法によれば、電流狭
窄層や上側のＤＢＲミラーの下にエッチングストップ半
導体層を形成しているので、開口部を形成したりＤＢＲ
ミラーをパターニングする際に、共振器を構成する半導
体層の面に荒れがなくなり、損失を少なくすることがで
きる。
【００３９】しかも、ＤＢＲミラーの下のエッチングス
トップ層を高不純物濃度としているので、その周囲に形
成される電極のコンタクト抵抗が低減され、効率を良く
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す断面図（その１）で
ある。
【図２】本発明の第１実施例を示す断面図（その２）で
ある。
【図３】本発明の第２、第３実施例を示す断面図であ
る。
【図４】従来装置の一例を示す要部断面図である。
【符号の説明】
１ n-GaAs基板 ２ n-AlAs層 ３ n-GaAs層 ４ ＤＢＲミラー ５ n-AlGaAsクラッド層 ６ GaAsバリア層 ７ InGaAs単一量子井戸活性層 ８ GaAsバリア層 ９ p-AlGaAsクラッド層 １０ n-InGaP 電流狭窄層 １１ SiO2マスク １２ 開口部 １３ p-AlGaAs層 １４ p-AlAs層 １５ p-GaAs層 １６ ＤＢＲミラー １７、２１ ｐ側電極 １９ ｎ側電極 ２２ p-GaAsエッチングストップ層 ２３ p-GaAs層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松田 学 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 石川 浩 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体基板（１）の上に形成された半導体
    多層膜よりなる第一の分布反射ミラー（４）と、 前記第一の分布反射ミラー（４）の上に形成された第一
    のクラッド層（５）と、 前記第一の分布反射ミラー（４）の上方に形成された単
    一量子井戸構造又は多重量子井戸構造の活性層（７）
    と、 前記活性層（７）の上方に形成される第二のクラッド層
    （９）と、 前記第二のクラッド層（９）の上に形成され、前記活性
    層（７）及び前記第二のクラッド層（９）よりも禁制帯
    幅の大きな半導体材料よりなる電流狭窄層（１０）と、 前記電流狭窄層（１０）に形成され、かつ、内部と周辺
    に前記第二のクラッド層（９）の一部が形成された開口
    部（１２）と、 前記第二のクラッド層（９）の上に形成された半導体多
    層膜又は誘電体多層膜よりなる第二の分布反射ミラー
    （１６）とを有することを特徴とする面発光半導体レー
    ザ。
  2. 【請求項２】前記第二の多層膜分布ミラー（１６）は、
    前記開口部（１２）を直上にのみ形成され、その周囲に
    は前記第二のクラッド層（９）に接続する電極（１７）
    が形成されていることを特徴とする請求項１記載の面発
    光半導体レーザ。
  3. 【請求項３】半導体基板（１）の上に半導体多層膜
    （２，３）を積層して第一の分布反射ミラー（４）を形
    成する工程と、 前記第一の分布反射ミラー（４）の上に第一のクラッド
    層（５）を積層する工程と、 前記第一のクラッド層（５）の上に、バリア層（６，
    ８）によって挟まれる単一量子井戸又は多重量子井戸か
    らなる活性層（７）を形成する工程と、 前記活性層（７）の上方に、前記バリア層（６，８）を
    介して第二のクラッド層（９）を積層する工程と、 前記第二のクラッド層（９）よりも禁制帯幅が大きく、
    前記第二のクラッド層（９）に対して選択エッチングが
    可能な電流狭窄層（１０）を、前記第二のクラッド層
    （９）の上に直接又は光吸収の少ないエッチングストッ
    プ半導体層（２２）を介して形成する工程と、 前記電流狭窄層（１０）をパターニングして電流通路と
    なる開口部（１２）を形成する工程と、 前記開口部（１２）の中とその上に、前記第二のクラッ
    ド層（９）と同一材料を積層して前記第二のクラッド層
    （９）を厚くする工程と、 半導体多層膜又は誘電体多層膜よりなる第二の分布反射
    ミラー（１６）を、前記第二のクラッド層（９）の上に
    直接又は１／４波長の膜厚の高不純物含有エッチングス
    トップ半導体層（２３）を介して形成する工程とを有す
    ることを特徴とする面発光半導体レーザの製造方法。
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