JP2001085788A - 面発光型半導体レーザ素子及び面発光型半導体レーザアレイ - Google Patents
面発光型半導体レーザ素子及び面発光型半導体レーザアレイInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 素子の発熱や動作電圧の上昇が抑制された面
発光型半導体レーザ素子及び面発光型半導体レーザアレ
イを提供する。 【解決手段】 半導体基板１０上に下部反射鏡層構造１
１と上部反射鏡層構造１５がこの順に形成され、各反射
鏡層構造１１、１５の間には活性層１２及び電流狭窄層
１４が介装され、上部反射鏡層構造１５から下層に向っ
て少なくとも電流狭窄層１４の下端面に至るまでの領域
は柱状のメサ２０となっていて、メサ２０の上端面２０
ａの面積は、電流狭窄層１４の近傍におけるメサ２０の
断面積より大きい。
発光型半導体レーザ素子及び面発光型半導体レーザアレ
イを提供する。 【解決手段】 半導体基板１０上に下部反射鏡層構造１
１と上部反射鏡層構造１５がこの順に形成され、各反射
鏡層構造１１、１５の間には活性層１２及び電流狭窄層
１４が介装され、上部反射鏡層構造１５から下層に向っ
て少なくとも電流狭窄層１４の下端面に至るまでの領域
は柱状のメサ２０となっていて、メサ２０の上端面２０
ａの面積は、電流狭窄層１４の近傍におけるメサ２０の
断面積より大きい。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信等の光源と
して好適に用いられる面発光型半導体レーザ素子及び面
発光型半導体レーザアレイに関する。
して好適に用いられる面発光型半導体レーザ素子及び面
発光型半導体レーザアレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】基板と垂直な方向にレーザ光を出射する
面発光型レーザ（素子）は、出射ビームの形状が円形で
あるために光ファイバとの接続が容易であり、又、共振
器の長さを短くして単一モード光を発振できることか
ら、近年、光ファイバを用いたデータ通信（光インター
コネクション）や光コンピュータ用の光源として注目さ
れている。又、この面発光型レーザ素子は活性層の領域
が小さいため、しきい値電流を低く（〜数ｍＡ）するこ
とができる。さらに、この素子を多数並べてアレイ化し
たものは、高密度な集積デバイスとしての応用が期待さ
れている。
面発光型レーザ（素子）は、出射ビームの形状が円形で
あるために光ファイバとの接続が容易であり、又、共振
器の長さを短くして単一モード光を発振できることか
ら、近年、光ファイバを用いたデータ通信（光インター
コネクション）や光コンピュータ用の光源として注目さ
れている。又、この面発光型レーザ素子は活性層の領域
が小さいため、しきい値電流を低く（〜数ｍＡ）するこ
とができる。さらに、この素子を多数並べてアレイ化し
たものは、高密度な集積デバイスとしての応用が期待さ
れている。
【０００３】このような面発光型レーザ素子の例として
は、図４に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１００（厚み
約１５０μｍ）上に、２５対のｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ
層／ｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層から成る下部反射鏡層構
造１１０、量子井戸構造をなすＧａＡｓ活性層１２０、
電流狭窄層１４０、及び２３対のｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａ
ｓ層／ｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層から成る上部反射鏡層
構造１５０がこの順に積層されたものが知られている。
そして、上部反射鏡層構造１５０から下層に向って電流
狭窄層１４０の下端面（電流狭窄層１４０と活性層１２
０の界面）に至るまでの領域は円柱状のメサ(直径３０
μｍ)２００となっていて、メサの上端面２００ａには
リング状のｐ型電極１６０（幅５μｍ、外径約３０μ
ｍ）がメサ２００と同心に形成され、基板１００の裏面
にはｎ型電極１８０が配設されている。
は、図４に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１００（厚み
約１５０μｍ）上に、２５対のｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ
層／ｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層から成る下部反射鏡層構
造１１０、量子井戸構造をなすＧａＡｓ活性層１２０、
電流狭窄層１４０、及び２３対のｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａ
ｓ層／ｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層から成る上部反射鏡層
構造１５０がこの順に積層されたものが知られている。
そして、上部反射鏡層構造１５０から下層に向って電流
狭窄層１４０の下端面（電流狭窄層１４０と活性層１２
０の界面）に至るまでの領域は円柱状のメサ(直径３０
μｍ)２００となっていて、メサの上端面２００ａには
リング状のｐ型電極１６０（幅５μｍ、外径約３０μ
ｍ）がメサ２００と同心に形成され、基板１００の裏面
にはｎ型電極１８０が配設されている。
【０００４】ここで、上記したメサ２００は、基板１０
０上に上記各層を積層した後、反応性イオンビームエッ
チング（ＲＩＢＥ）等のドライエッチングを行うことに
より形成されている。そして、電流狭窄層１４０は、ｐ
型Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層から成る前駆体をメサとした
後、この前駆体を水蒸気雰囲気中（例えば400℃×10
分）でその側端から芯部に向かって酸化させて絶縁層１
４０ａとし、該芯部に未酸化のＡｌＧａＡｓから成る導
電層１４０ｂを残存させることにより形成されている。
０上に上記各層を積層した後、反応性イオンビームエッ
チング（ＲＩＢＥ）等のドライエッチングを行うことに
より形成されている。そして、電流狭窄層１４０は、ｐ
型Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層から成る前駆体をメサとした
後、この前駆体を水蒸気雰囲気中（例えば400℃×10
分）でその側端から芯部に向かって酸化させて絶縁層１
４０ａとし、該芯部に未酸化のＡｌＧａＡｓから成る導
電層１４０ｂを残存させることにより形成されている。
【０００５】この面発光型レーザ素子の場合、レーザ光
（８５０ｎｍ帯）は、メサ上端面２００ａにおけるｐ型
電極が形成されていない中心面（光取出し面）から出射
するようになっている。又、各反射鏡層構造１１０、１
５０で構成される共振器長が短いため、単一モード光を
発振し易くなっている。さらに、電流狭窄層１４０にお
ける導電層１４０ｂに電流が集中して注入されるため、
しきい値電流が低減する。なお、素子の表面には、Ｓｉ
Ｎｘ膜１９０によるパッシベーション処理が施されてい
る。
（８５０ｎｍ帯）は、メサ上端面２００ａにおけるｐ型
電極が形成されていない中心面（光取出し面）から出射
するようになっている。又、各反射鏡層構造１１０、１
５０で構成される共振器長が短いため、単一モード光を
発振し易くなっている。さらに、電流狭窄層１４０にお
ける導電層１４０ｂに電流が集中して注入されるため、
しきい値電流が低減する。なお、素子の表面には、Ｓｉ
Ｎｘ膜１９０によるパッシベーション処理が施されてい
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した面
発光型レーザ素子の場合、レーザ光は上部及び下部反射
膜層構造の間で基板と垂直な方向に共振し、この方向か
ら出射するようになっている。このとき、基板の裏面側
からレーザ光を取り出すとレーザ光が基板に吸収されて
光出力が低下する。従って、上部反射膜層構造の反射率
を下部反射膜層構造の反射率より小さくして、メサの上
端面側からレーザ光を取り出す必要があるが、そのため
には当該メサの上端面に形成される電極をリング状と
し、上述の如く該リングの中心孔をレーザ光の取り出し
面（窓）とすることが必要となる。
発光型レーザ素子の場合、レーザ光は上部及び下部反射
膜層構造の間で基板と垂直な方向に共振し、この方向か
ら出射するようになっている。このとき、基板の裏面側
からレーザ光を取り出すとレーザ光が基板に吸収されて
光出力が低下する。従って、上部反射膜層構造の反射率
を下部反射膜層構造の反射率より小さくして、メサの上
端面側からレーザ光を取り出す必要があるが、そのため
には当該メサの上端面に形成される電極をリング状と
し、上述の如く該リングの中心孔をレーザ光の取り出し
面（窓）とすることが必要となる。
【０００７】しかしながら、メサの上端面に接続される
リング状電極の大きさには、次のような制約がある。つ
まり、電極の外径はメサの径より大きくすることはでき
ず、一方、レーザ光の取り出し窓を確保するため、電極
の内径は一定以上の大きさにする必要があるということ
である。そして、このような制約が存在するために、電
極の幅を広げてメサとの接触面積を大きくすることには
限界があり、その結果、両者のコンタクト抵抗の増大、
ひいてはレーザ素子の発熱や動作電圧の上昇を招いてい
る。さらに、素子の動作電圧が上昇した場合には、その
電力消費が増大するという問題が生じる。
リング状電極の大きさには、次のような制約がある。つ
まり、電極の外径はメサの径より大きくすることはでき
ず、一方、レーザ光の取り出し窓を確保するため、電極
の内径は一定以上の大きさにする必要があるということ
である。そして、このような制約が存在するために、電
極の幅を広げてメサとの接触面積を大きくすることには
限界があり、その結果、両者のコンタクト抵抗の増大、
ひいてはレーザ素子の発熱や動作電圧の上昇を招いてい
る。さらに、素子の動作電圧が上昇した場合には、その
電力消費が増大するという問題が生じる。
【０００８】本発明は、面発光型レーザ素子における上
記した問題を解決し、メサの上端面の面積を大きくして
当該メサと電極との接触面積を増大させ、素子の発熱や
動作電圧の上昇を抑制せしめた面発光型レーザ素子及び
面発光型レーザアレイの提供を目的とする。
記した問題を解決し、メサの上端面の面積を大きくして
当該メサと電極との接触面積を増大させ、素子の発熱や
動作電圧の上昇を抑制せしめた面発光型レーザ素子及び
面発光型レーザアレイの提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、メサの上端面
の面積を大きくしてその上に形成されるリング状電極の
外径を大きくすることにより、電極の幅を広くしてメサ
との接触面積を増大させ、コンタクト抵抗を低減するこ
とを技術思想とする。ここで、メサの上端面の面積を大
きくするためにメサ全体の径を大きくすると、当該メサ
において電流狭窄層に転化する前駆体層の径も必然的に
大きくなる。そして、この場合には、電流狭窄層を形成
させるために必要な前駆体層の酸化処理時間が長くな
り、生産性の低下を招く虞がある。しかも、前記酸化処
理時間が長くなると、酸化の進行状態の制御が難しくな
るので、得られた電流狭窄層の特性にばらつきが生じる
虞がある。
の面積を大きくしてその上に形成されるリング状電極の
外径を大きくすることにより、電極の幅を広くしてメサ
との接触面積を増大させ、コンタクト抵抗を低減するこ
とを技術思想とする。ここで、メサの上端面の面積を大
きくするためにメサ全体の径を大きくすると、当該メサ
において電流狭窄層に転化する前駆体層の径も必然的に
大きくなる。そして、この場合には、電流狭窄層を形成
させるために必要な前駆体層の酸化処理時間が長くな
り、生産性の低下を招く虞がある。しかも、前記酸化処
理時間が長くなると、酸化の進行状態の制御が難しくな
るので、得られた電流狭窄層の特性にばらつきが生じる
虞がある。
【００１０】このようなことから、本発明は、上部電極
が形成されるメサの上端面の面積のみを実質的に大きく
し、一方で、電流狭窄層の近傍におけるメサの断面積を
大きくさせないことで、このような問題を解決するに至
った。上記した目的を達成するために、請求項１記載の
本発明に係る面発光型半導体レーザ素子は、半導体基板
上に下部反射鏡層構造と上部反射鏡層構造がこの順に形
成され、各反射鏡層構造の間には活性層及び電流狭窄層
が介装され、前記上部反射鏡層構造から下層に向って少
なくとも前記電流狭窄層の下端面に至るまでの領域は柱
状のメサとなっていて、前記メサの上端面の面積は、前
記電流狭窄層の近傍におけるメサの断面積より大きいこ
とを特徴とする。
が形成されるメサの上端面の面積のみを実質的に大きく
し、一方で、電流狭窄層の近傍におけるメサの断面積を
大きくさせないことで、このような問題を解決するに至
った。上記した目的を達成するために、請求項１記載の
本発明に係る面発光型半導体レーザ素子は、半導体基板
上に下部反射鏡層構造と上部反射鏡層構造がこの順に形
成され、各反射鏡層構造の間には活性層及び電流狭窄層
が介装され、前記上部反射鏡層構造から下層に向って少
なくとも前記電流狭窄層の下端面に至るまでの領域は柱
状のメサとなっていて、前記メサの上端面の面積は、前
記電流狭窄層の近傍におけるメサの断面積より大きいこ
とを特徴とする。
【００１１】又、請求項１に記載の面発光型半導体レー
ザ素子における前記下部反射鏡層構造から前記上部反射
鏡層構造に至る積層構造が、同一の半導体基板上に複数
個集積された面発光型半導体レーザアレイが提供される
（請求項２）。
ザ素子における前記下部反射鏡層構造から前記上部反射
鏡層構造に至る積層構造が、同一の半導体基板上に複数
個集積された面発光型半導体レーザアレイが提供される
（請求項２）。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る面発光型レー
ザ素子を図１に基づいて説明する。図１において、面発
光型レーザ素子１は、ｎ型ＧａＡｓから成る半導体基板
１０（厚み約１５０μｍ）上に、２５対のｎ型Ａｌ0.2
Ｇａ0.8Ａｓ層／ｎ型Ａｌ0. 9Ｇａ0.1Ａｓ層から成る下
部ＤＢＲミラー（下部反射鏡層構造）１１、及び２３対
のｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層／ｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ
層から成る上部ＤＢＲミラー（上部反射鏡層構造）１５
がこの順に形成されている。そして、各ＤＢＲミラー１
１、１５の間には、下層側から量子井戸構造をなすＧａ
Ａｓ活性層１２、電流狭窄層１４がこの順に介装され、
全体として半導体の層構造が構成されている。
ザ素子を図１に基づいて説明する。図１において、面発
光型レーザ素子１は、ｎ型ＧａＡｓから成る半導体基板
１０（厚み約１５０μｍ）上に、２５対のｎ型Ａｌ0.2
Ｇａ0.8Ａｓ層／ｎ型Ａｌ0. 9Ｇａ0.1Ａｓ層から成る下
部ＤＢＲミラー（下部反射鏡層構造）１１、及び２３対
のｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層／ｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ
層から成る上部ＤＢＲミラー（上部反射鏡層構造）１５
がこの順に形成されている。そして、各ＤＢＲミラー１
１、１５の間には、下層側から量子井戸構造をなすＧａ
Ａｓ活性層１２、電流狭窄層１４がこの順に介装され、
全体として半導体の層構造が構成されている。
【００１３】そして、上部ＤＢＲミラー１１から下層に
向って電流狭窄層１４の下端面（電流狭窄層１４と活性
層１２の界面）に至るまでの領域は、下に向って縮径す
る逆円錐台状のメサ２０（上端面の直径５０μｍ、基部
の直径３０μｍ、メサの高さ３.１μｍ）となってい
る。メサの上端面２０ａにはリング状のｐ型電極１６
（幅１５μｍ、外径約５０μｍ）がメサ２０と同心状に
形成され、半導体基板１０の裏面にはｎ型電極１８が配
設されている。なお、面発光型レーザ素子１の表面全体
には、ＳｉＮｘ膜７０によるパッシベーション処理が施
されている。
向って電流狭窄層１４の下端面（電流狭窄層１４と活性
層１２の界面）に至るまでの領域は、下に向って縮径す
る逆円錐台状のメサ２０（上端面の直径５０μｍ、基部
の直径３０μｍ、メサの高さ３.１μｍ）となってい
る。メサの上端面２０ａにはリング状のｐ型電極１６
（幅１５μｍ、外径約５０μｍ）がメサ２０と同心状に
形成され、半導体基板１０の裏面にはｎ型電極１８が配
設されている。なお、面発光型レーザ素子１の表面全体
には、ＳｉＮｘ膜７０によるパッシベーション処理が施
されている。
【００１４】本発明に適用できる半導体材料は、上述の
ＧａＡｓ系化合物半導体に限られるものではなく、例え
ばＩｎＰ系化合物半導体も用いることができる。下部反
射鏡層構造１１及び上部反射鏡層構造１５は、レーザ反
射鏡となって共振器を構成し、上述の如く屈折率の異な
る２種類の半導体膜（ＡｌＧａＡｓ層）を交互に積層し
て形成することができる。この場合、各半導体膜の光学
的厚みをλ／４ｎ（λ：レーザ出力光の波長、ｎ：屈折
率）とすればよい。そして、上部反射鏡層構造１５の反
射率を下部反射鏡層構造１１の反射率に比べて低くする
ことにより、メサの上端面２０ａ側からレーザ光を取り
出すことができる。又、各反射鏡層構造１１、１５は、
レーザの極性に応じてｎ型又はｐ型半導体とするのが好
ましく、例えば、図１のレーザ構造の場合には、下部反
射鏡層構造１１をｎ型に、上部反射鏡層構造１５をｐ型
にすればよい。なお、後述する電流狭窄層１４を形成す
る際に各反射鏡層構造１１、１５が酸化しないよう、半
導体膜を構成するＡｌＧａＡｓ中のＡｌ組成比を低くす
るとよい。さらに、上記した半導体多層膜に代えて、誘
電体多層膜や金属薄膜で反射鏡層構造を形成してもよ
い。
ＧａＡｓ系化合物半導体に限られるものではなく、例え
ばＩｎＰ系化合物半導体も用いることができる。下部反
射鏡層構造１１及び上部反射鏡層構造１５は、レーザ反
射鏡となって共振器を構成し、上述の如く屈折率の異な
る２種類の半導体膜（ＡｌＧａＡｓ層）を交互に積層し
て形成することができる。この場合、各半導体膜の光学
的厚みをλ／４ｎ（λ：レーザ出力光の波長、ｎ：屈折
率）とすればよい。そして、上部反射鏡層構造１５の反
射率を下部反射鏡層構造１１の反射率に比べて低くする
ことにより、メサの上端面２０ａ側からレーザ光を取り
出すことができる。又、各反射鏡層構造１１、１５は、
レーザの極性に応じてｎ型又はｐ型半導体とするのが好
ましく、例えば、図１のレーザ構造の場合には、下部反
射鏡層構造１１をｎ型に、上部反射鏡層構造１５をｐ型
にすればよい。なお、後述する電流狭窄層１４を形成す
る際に各反射鏡層構造１１、１５が酸化しないよう、半
導体膜を構成するＡｌＧａＡｓ中のＡｌ組成比を低くす
るとよい。さらに、上記した半導体多層膜に代えて、誘
電体多層膜や金属薄膜で反射鏡層構造を形成してもよ
い。
【００１５】活性層１２は、電子と正孔の再結合により
発光を生じさせるものであり、特に量子井戸構造とする
と、しきい値をより低くすることができるので好まし
い。なお、活性層１２の上層及び下層に該活性層１２よ
りバンドギャップが大きく屈折率が小さいクラッド層を
適宜形成し、活性層に電子や光を閉じ込めるようにして
もよい。活性層１２（及びクラッド層）としては、例え
ば８５０ｎｍで発光させる場合にはＧａＡｓ半導体を用
いればよい。また、クラッド層を形成する場合は、例え
ばこれに少量のＡｌをドープし、活性層に比べてバンド
ギャップを大きくすればよい。
発光を生じさせるものであり、特に量子井戸構造とする
と、しきい値をより低くすることができるので好まし
い。なお、活性層１２の上層及び下層に該活性層１２よ
りバンドギャップが大きく屈折率が小さいクラッド層を
適宜形成し、活性層に電子や光を閉じ込めるようにして
もよい。活性層１２（及びクラッド層）としては、例え
ば８５０ｎｍで発光させる場合にはＧａＡｓ半導体を用
いればよい。また、クラッド層を形成する場合は、例え
ばこれに少量のＡｌをドープし、活性層に比べてバンド
ギャップを大きくすればよい。
【００１６】電流狭窄層１４は、逆円錐台状をなし、芯
部が導電層１４ｂで、その外周部が絶縁層１４ａになっ
ている同心状の環状構造になっていて、この導電層１４
ｂに電流が集中して注入されるため、しきい値電流が低
減する。そして、例えば含Ａｌ化合物半導体層を前駆体
層とし、これをメサとした後にその側端から芯部に向っ
て酸化を進行させてＡｌ酸化物から成る絶縁層１４ａに
転化させ、芯部には未酸化の含Ａｌ化合物半導体層を残
存させて導電層１４ｂとする。含Ａｌ化合物半導体層と
しては、例えばＡｌＡｓ層や高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓ
層を挙げることができる。なお、この実施形態において
は、ｐ型Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層を含Ａｌ化合物半導体
層（前駆体層）として用いている。
部が導電層１４ｂで、その外周部が絶縁層１４ａになっ
ている同心状の環状構造になっていて、この導電層１４
ｂに電流が集中して注入されるため、しきい値電流が低
減する。そして、例えば含Ａｌ化合物半導体層を前駆体
層とし、これをメサとした後にその側端から芯部に向っ
て酸化を進行させてＡｌ酸化物から成る絶縁層１４ａに
転化させ、芯部には未酸化の含Ａｌ化合物半導体層を残
存させて導電層１４ｂとする。含Ａｌ化合物半導体層と
しては、例えばＡｌＡｓ層や高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓ
層を挙げることができる。なお、この実施形態において
は、ｐ型Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層を含Ａｌ化合物半導体
層（前駆体層）として用いている。
【００１７】なお、メサが逆円錐台状になっている場
合、電流狭窄層１４の芯部に形成される導電層１４ｂも
逆円錐台状になるが、実際の電流狭窄効果は導電層１４
ｂのうち最も縮径した部分（下端面）で生じるので、導
電層１４ｂがこのように形成されていても差し支えな
い。ｐ型電極１６は、例えばＡｕ-Ｚｎ合金、Ｔｉ/Ｐｔ
/Ａｕ、又はＣｒ/Ａｕを蒸着して形成することができ
る。又、ｎ型電極１８は、例えばＡｕ-Ｇｅ合金、Ａｕ-
Ｓｎ合金等で形成することができる。そして、上述の半
導体層構造のうち、ｐ型電極１６を形成する側の面（こ
の実施形態ではメサの上端面２０ａ）にｐ型化合物半導
体から成るコンタクト層１６を適宜形成してもよい。こ
のようにすると、電極１６と半導体構造との間で低抵抗
なオーミックコンタクトを実現することができる。これ
らのコンタクト層は、例えば、ＧａＡｓ半導体にそれぞ
れＺｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃ等のｐ型ドーパントをド
ープして形成することができる。
合、電流狭窄層１４の芯部に形成される導電層１４ｂも
逆円錐台状になるが、実際の電流狭窄効果は導電層１４
ｂのうち最も縮径した部分（下端面）で生じるので、導
電層１４ｂがこのように形成されていても差し支えな
い。ｐ型電極１６は、例えばＡｕ-Ｚｎ合金、Ｔｉ/Ｐｔ
/Ａｕ、又はＣｒ/Ａｕを蒸着して形成することができ
る。又、ｎ型電極１８は、例えばＡｕ-Ｇｅ合金、Ａｕ-
Ｓｎ合金等で形成することができる。そして、上述の半
導体層構造のうち、ｐ型電極１６を形成する側の面（こ
の実施形態ではメサの上端面２０ａ）にｐ型化合物半導
体から成るコンタクト層１６を適宜形成してもよい。こ
のようにすると、電極１６と半導体構造との間で低抵抗
なオーミックコンタクトを実現することができる。これ
らのコンタクト層は、例えば、ＧａＡｓ半導体にそれぞ
れＺｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃ等のｐ型ドーパントをド
ープして形成することができる。
【００１８】上記半導体構造における各層は、例えば、
分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）や、有機金属を用いた化
学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって形成すればよい。
この面発光型レーザ素子１は、上述の如くメサの上端面
２０ａの面積が電流狭窄層１４の近傍におけるメサ２０
の断面積より大きくなっているという特徴を有してい
る。ここで、電流狭窄層の近傍におけるメサの断面積と
は、電流狭窄層１４の上端面から下端面に至る領域にお
けるメサ２０の断面積をいう。そして、この部分のメサ
の垂直方向で断面積が一定でない場合は、その中で断面
積が最も小さくなっている部分の値を採用することとす
る。例えば、上述の如くこの部分が円錐台状になってい
る場合は、底面部分（電流狭窄層１４の下端面）におけ
るメサ２０の断面積とする。
分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）や、有機金属を用いた化
学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって形成すればよい。
この面発光型レーザ素子１は、上述の如くメサの上端面
２０ａの面積が電流狭窄層１４の近傍におけるメサ２０
の断面積より大きくなっているという特徴を有してい
る。ここで、電流狭窄層の近傍におけるメサの断面積と
は、電流狭窄層１４の上端面から下端面に至る領域にお
けるメサ２０の断面積をいう。そして、この部分のメサ
の垂直方向で断面積が一定でない場合は、その中で断面
積が最も小さくなっている部分の値を採用することとす
る。例えば、上述の如くこの部分が円錐台状になってい
る場合は、底面部分（電流狭窄層１４の下端面）におけ
るメサ２０の断面積とする。
【００１９】メサの形状が上述のようになっている場
合、メサの上端面２０ａに形成されるｐ型電極１６の外
径は大きくなり、従ってレーザ光の出射窓の大きさを一
定とした場合には電極の幅を広くすることができるの
で、電極とメサの接触面積を増大させ、両者のコンタク
ト抵抗の低下、ひいてはレーザ素子の発熱や動作電圧の
上昇を抑制することができる。例えば上述の実施形態に
おいて、ｐ型電極１６の外径は約５０μｍであり、従来
のレーザ素子におけるｐ型電極の外径（約３０μｍ）よ
り大きく、又、電極の幅は１５μｍであり、従来の電極
（５μｍ）より広い。そのため、電極１６とメサ上端面
２０ａとの接触面積は従来の場合に比べて約４倍に増大
している。
合、メサの上端面２０ａに形成されるｐ型電極１６の外
径は大きくなり、従ってレーザ光の出射窓の大きさを一
定とした場合には電極の幅を広くすることができるの
で、電極とメサの接触面積を増大させ、両者のコンタク
ト抵抗の低下、ひいてはレーザ素子の発熱や動作電圧の
上昇を抑制することができる。例えば上述の実施形態に
おいて、ｐ型電極１６の外径は約５０μｍであり、従来
のレーザ素子におけるｐ型電極の外径（約３０μｍ）よ
り大きく、又、電極の幅は１５μｍであり、従来の電極
（５μｍ）より広い。そのため、電極１６とメサ上端面
２０ａとの接触面積は従来の場合に比べて約４倍に増大
している。
【００２０】一方、上記した電流狭窄層１４の近傍にお
けるメサ２０の断面積は、メサ上端面の面積に比べると
小さく、従来のレーザ素子における値と同様にすること
ができる。この場合、電流狭窄層１４に転化する前駆体
の径もメサ上端面の径に比べて小さいので、電流狭窄層
を形成させるための前駆体層の酸化処理時間を長くする
必要はなく、生産性が低下することがない。又、前記酸
化処理時間を長くしなくてもよいため、酸化の進行状態
の制御を従来のレーザ素子の製造と同様に行うことがで
き、得られた電流狭窄層の特性にばらつきが生じること
が抑制される。
けるメサ２０の断面積は、メサ上端面の面積に比べると
小さく、従来のレーザ素子における値と同様にすること
ができる。この場合、電流狭窄層１４に転化する前駆体
の径もメサ上端面の径に比べて小さいので、電流狭窄層
を形成させるための前駆体層の酸化処理時間を長くする
必要はなく、生産性が低下することがない。又、前記酸
化処理時間を長くしなくてもよいため、酸化の進行状態
の制御を従来のレーザ素子の製造と同様に行うことがで
き、得られた電流狭窄層の特性にばらつきが生じること
が抑制される。
【００２１】なお、メサ２０の形状は、上述の逆円錐台
状に限られることはなく、例えばメサの上端面がフラン
ジ状に拡径され、その下層の電流狭窄層を含む領域が前
記上端面より小径の円柱状に形成されていてもよい。そ
して、このようにして得られた面発光型レーザ素子１
は、８５０ｎｍ帯のレーザ光を低しきい値（２ｍＡ）
で、かつ、低い動作電圧（１．９５Ｖ）で出力すること
ができる。
状に限られることはなく、例えばメサの上端面がフラン
ジ状に拡径され、その下層の電流狭窄層を含む領域が前
記上端面より小径の円柱状に形成されていてもよい。そ
して、このようにして得られた面発光型レーザ素子１
は、８５０ｎｍ帯のレーザ光を低しきい値（２ｍＡ）
で、かつ、低い動作電圧（１．９５Ｖ）で出力すること
ができる。
【００２２】次に、面発光型レーザ素子１を製造する方
法について説明する。まず、ｎ型ＧａＡｓから成る半導
体基板１０上に例えばＭＢＥにより上記各層１１、１
２、２４、１５を順に積層する（前駆体層２４は電流狭
窄層１４に転化する）。そして、この積層構造Ａの最表
面となる上部反射鏡層構造１５の上にレジストを塗布
し、例えばフォトリソグラフィによって、目的とするメ
サの上端面形状と同一形状をしたレジストパターン６０
を形成する（図２（ａ））。
法について説明する。まず、ｎ型ＧａＡｓから成る半導
体基板１０上に例えばＭＢＥにより上記各層１１、１
２、２４、１５を順に積層する（前駆体層２４は電流狭
窄層１４に転化する）。そして、この積層構造Ａの最表
面となる上部反射鏡層構造１５の上にレジストを塗布
し、例えばフォトリソグラフィによって、目的とするメ
サの上端面形状と同一形状をしたレジストパターン６０
を形成する（図２（ａ））。
【００２３】次に、例えばＲＩＢＥ等の指向性をもった
ドライエッチングにより、メサを形成する。この場合、
ビームＢの照射方向と所定の角度θをもって上述の積層
構造Ａをエッチング装置に設置し、入射角θでビームＢ
を照射していく（図２（ｂ））。そして、上部反射鏡層
構造１５から下層に向って前駆体層２４（電流狭窄層と
なる）の下端面２４ａに至るまでの深さの部分を選択的
にエッチング除去する。なお、前駆体層２４とその下層
の活性層１２との間に別の層が形成されている場合、こ
の層を含めてエッチングしてもよく、またこの層はエッ
チングしなくともよい。要は前駆体層２４をエッチング
してメサとし、その側端から後述する酸化処理を行うこ
とができればよい。
ドライエッチングにより、メサを形成する。この場合、
ビームＢの照射方向と所定の角度θをもって上述の積層
構造Ａをエッチング装置に設置し、入射角θでビームＢ
を照射していく（図２（ｂ））。そして、上部反射鏡層
構造１５から下層に向って前駆体層２４（電流狭窄層と
なる）の下端面２４ａに至るまでの深さの部分を選択的
にエッチング除去する。なお、前駆体層２４とその下層
の活性層１２との間に別の層が形成されている場合、こ
の層を含めてエッチングしてもよく、またこの層はエッ
チングしなくともよい。要は前駆体層２４をエッチング
してメサとし、その側端から後述する酸化処理を行うこ
とができればよい。
【００２４】そして、メサの中心軸Ｌの周りに積層構造
Ａを回転させながらエッチングを続けることにより、そ
の母線が底面に対して角度θをなす逆円錐台形状のメサ
を形成する。ここで、エッチングは積層構造Ａの最表面
の上部反射鏡層構造１５から一定の深さで進行するた
め、半導体基板１０の表面と平行になるようにして活性
層１２が表出する。なお、この実施形態において、メサ
は逆円錐台状に形成されているが、これに制限されるこ
とはなく、例えば逆四角錐台や逆三角錐台に形成しても
よい。
Ａを回転させながらエッチングを続けることにより、そ
の母線が底面に対して角度θをなす逆円錐台形状のメサ
を形成する。ここで、エッチングは積層構造Ａの最表面
の上部反射鏡層構造１５から一定の深さで進行するた
め、半導体基板１０の表面と平行になるようにして活性
層１２が表出する。なお、この実施形態において、メサ
は逆円錐台状に形成されているが、これに制限されるこ
とはなく、例えば逆四角錐台や逆三角錐台に形成しても
よい。
【００２５】さらに、メサを形成した積層構造Ａに対し
て酸化処理を施し、前駆体層２４のみをメサの側端から
選択的に酸化させて電流狭窄層１４に転化させる（図２
（ｃ））。酸化処理としては、上述のように、例えば水
蒸気酸化が好適であり、水蒸気の露点、熱処理温度、及
び処理時間等を変えることによって、酸化の速度や酸化
の度合いを変化させることができる。水蒸気酸化として
は、例えば400℃で10分間の処理を行えばよい。
て酸化処理を施し、前駆体層２４のみをメサの側端から
選択的に酸化させて電流狭窄層１４に転化させる（図２
（ｃ））。酸化処理としては、上述のように、例えば水
蒸気酸化が好適であり、水蒸気の露点、熱処理温度、及
び処理時間等を変えることによって、酸化の速度や酸化
の度合いを変化させることができる。水蒸気酸化として
は、例えば400℃で10分間の処理を行えばよい。
【００２６】次に、この積層構造Ａの表面全体に、Ｓｉ
Ｎｘ膜７０によるパッシベーション処理を施し、例えば
フォトリソグラフィによって、後述するリング状電極用
のレジストパターン８０を形成し、さらに例えばＲＩＥ
（反応性イオンエッチング）等のドライエッチングによ
り、リング状電極が形成される部分のＳｉＮｘ膜を除去
する（図２（ｄ））。
Ｎｘ膜７０によるパッシベーション処理を施し、例えば
フォトリソグラフィによって、後述するリング状電極用
のレジストパターン８０を形成し、さらに例えばＲＩＥ
（反応性イオンエッチング）等のドライエッチングによ
り、リング状電極が形成される部分のＳｉＮｘ膜を除去
する（図２（ｄ））。
【００２７】そして、リフトオフ法を適用して、上記し
たメサ上端面にＡｕ-Ｚｎ合金膜から成るｐ型電極１６
を形成したのち上記レジストパターン８０を除去し、ｐ
型電極１６の内側部分のメサを表出させてレーザ光の取
出し面とする。一方、ｎ型半導体基板１０の裏面を研磨
してその厚みを約１５０μｍとした後、ここに例えばＡ
ｕ-Ｇｅ合金の膜を形成してｎ型電極１８とし（図２
（ｅ））、面発光型レーザ素子１を製造する。
たメサ上端面にＡｕ-Ｚｎ合金膜から成るｐ型電極１６
を形成したのち上記レジストパターン８０を除去し、ｐ
型電極１６の内側部分のメサを表出させてレーザ光の取
出し面とする。一方、ｎ型半導体基板１０の裏面を研磨
してその厚みを約１５０μｍとした後、ここに例えばＡ
ｕ-Ｇｅ合金の膜を形成してｎ型電極１８とし（図２
（ｅ））、面発光型レーザ素子１を製造する。
【００２８】ところで、以上の説明はｎ型半導体基板を
用いた場合について行ったが、ｐ型半導体基板を用いた
場合についても実質的に同一であり、その詳細な説明は
省略する。但し、この場合には、ｎ型半導体基板におけ
る場合と電極の極性が上下で逆になっているので、その
半導体構造も逆にする必要がある。つまり、図３に示す
ように、ｐ型の半導体基板４０の上に形成された下部反
射鏡層構造４１と上部反射鏡層構造４５の間に、下層側
から電流狭窄層１４、活性層１２を順に介装させて半導
体構造とする。そして、半導体基板４０側にｐ型電極１
６を形成し、メサ５０の上端面５０ａにリング状のｎ型
電極１８を形成する。なお、ｐ型の半導体基板４０を用
いる場合、この基板上に形成する下部反射鏡層構造４１
を反射鏡層構造１５と同様にｐ型半導体膜から構成し、
上部反射鏡層構造４５を反射鏡層構造１１と同様にｎ型
半導体膜から構成する。
用いた場合について行ったが、ｐ型半導体基板を用いた
場合についても実質的に同一であり、その詳細な説明は
省略する。但し、この場合には、ｎ型半導体基板におけ
る場合と電極の極性が上下で逆になっているので、その
半導体構造も逆にする必要がある。つまり、図３に示す
ように、ｐ型の半導体基板４０の上に形成された下部反
射鏡層構造４１と上部反射鏡層構造４５の間に、下層側
から電流狭窄層１４、活性層１２を順に介装させて半導
体構造とする。そして、半導体基板４０側にｐ型電極１
６を形成し、メサ５０の上端面５０ａにリング状のｎ型
電極１８を形成する。なお、ｐ型の半導体基板４０を用
いる場合、この基板上に形成する下部反射鏡層構造４１
を反射鏡層構造１５と同様にｐ型半導体膜から構成し、
上部反射鏡層構造４５を反射鏡層構造１１と同様にｎ型
半導体膜から構成する。
【００２９】そして、この実施形態においても、最表面
の上部反射鏡層構造４５から前駆体層に至る部分を逆円
錐台状のメサ５０に形成し、この前駆体層を電流狭窄層
１４に転化させて面発光型レーザ素子３０を製造するこ
とができる。この場合、メサの上端面５０ａに形成され
るｎ型電極の外径を大きくすることができるので、この
ｎ型電極とメサとの接触面積は増大し、コンタクト抵抗
が低減する。
の上部反射鏡層構造４５から前駆体層に至る部分を逆円
錐台状のメサ５０に形成し、この前駆体層を電流狭窄層
１４に転化させて面発光型レーザ素子３０を製造するこ
とができる。この場合、メサの上端面５０ａに形成され
るｎ型電極の外径を大きくすることができるので、この
ｎ型電極とメサとの接触面積は増大し、コンタクト抵抗
が低減する。
【００３０】なお、上記した各面発光型レーザ素子１又
は３０を共通の基板（同一平面）上に複数個配設して面
発光型半導体レーザアレイとすることも可能である。
は３０を共通の基板（同一平面）上に複数個配設して面
発光型半導体レーザアレイとすることも可能である。
【００３１】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
係る面発光型レーザ素子は、メサの上端面の面積が電流
狭窄層の近傍におけるメサの断面積より大きくなってい
るため、当該メサの上端面に形成される電極の外径を大
きくすることができる。その結果、電極の幅を広くして
電極とメサとの接触面積を増大させ、両者のコンタクト
抵抗を低減することが可能となるので、レーザ光を低い
動作電圧で出力することができるとともに、レーザ素子
の発熱を抑制することができる。
係る面発光型レーザ素子は、メサの上端面の面積が電流
狭窄層の近傍におけるメサの断面積より大きくなってい
るため、当該メサの上端面に形成される電極の外径を大
きくすることができる。その結果、電極の幅を広くして
電極とメサとの接触面積を増大させ、両者のコンタクト
抵抗を低減することが可能となるので、レーザ光を低い
動作電圧で出力することができるとともに、レーザ素子
の発熱を抑制することができる。
【００３２】又、電流狭窄層の近傍におけるメサの断面
積は、メサの上端面の面積より小さく、従来のレーザ素
子における値と同様になっている。この場合、電流狭窄
層に転化する前駆体の径もメサ上端面の径に比べて小さ
く、前駆体層の酸化処理時間を長くする必要がないた
め、生産性が低下することがない。又、酸化処理時間を
長くしなくてもよいため、酸化の進行状態の制御を従来
と同様に行うことができ、得られた電流狭窄層の特性に
ばらつきが生じることが抑制されるので、レーザ光を安
定的に低しきい値で出力することができる。
積は、メサの上端面の面積より小さく、従来のレーザ素
子における値と同様になっている。この場合、電流狭窄
層に転化する前駆体の径もメサ上端面の径に比べて小さ
く、前駆体層の酸化処理時間を長くする必要がないた
め、生産性が低下することがない。又、酸化処理時間を
長くしなくてもよいため、酸化の進行状態の制御を従来
と同様に行うことができ、得られた電流狭窄層の特性に
ばらつきが生じることが抑制されるので、レーザ光を安
定的に低しきい値で出力することができる。
【図１】本発明に係る面発光型レーザ素子の構造を示す
断面図である。
断面図である。
【図２】本発明に係る面発光型レーザ素子の製造方法を
示す工程図である。
示す工程図である。
【図３】本発明に係る面発光型レーザ素子の別の構造を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図４】従来の面発光型レーザ素子の構造を示す断面図
である。
である。
１、３０ 面発光型レーザ素子 １０、４０ 半導体基板 １１、４１ 下部ＤＢＲミラー（下部反射鏡
層構造） １２ 活性層 １４ 電流狭窄層 １５、４５ 上部ＤＢＲミラー（上部反射鏡
層構造） １６ ｐ型電極 １８ ｎ型電極 ２０、５０ メサ ２０ａ、５０ａ メサの上端面
層構造） １２ 活性層 １４ 電流狭窄層 １５、４５ 上部ＤＢＲミラー（上部反射鏡
層構造） １６ ｐ型電極 １８ ｎ型電極 ２０、５０ メサ ２０ａ、５０ａ メサの上端面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 横内 則之 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内 (72)発明者 粕川 秋彦 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内 Ｆターム(参考） 5F073 AA51 AA65 AA72 AA84 AB17 BA02 CA04 CB20 DA06 DA25 EA15 EA23
Claims (2)
- 【請求項１】 半導体基板上に下部反射鏡層構造と上部
反射鏡層構造がこの順に形成され、各反射鏡層構造の間
には活性層及び電流狭窄層が介装され、 前記上部反射鏡層構造から下層に向って少なくとも前記
電流狭窄層の下端面に至るまでの領域は柱状のメサとな
っていて、 前記メサの上端面の面積は、前記電流狭窄層の近傍にお
けるメサの断面積より大きいことを特徴とする面発光型
半導体レーザ素子。 - 【請求項２】 請求項１に記載の面発光型半導体レーザ
素子における前記下部反射鏡層構造から前記上部反射鏡
層構造に至る積層構造が、同一の半導体基板上に複数個
集積されて成ることを特徴とする面発光型半導体レーザ
アレイ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25906599A JP2001085788A (ja) | 1999-09-13 | 1999-09-13 | 面発光型半導体レーザ素子及び面発光型半導体レーザアレイ |
| US09/782,723 US20020110169A1 (en) | 1999-09-13 | 2001-02-13 | Vertical cavity surface emitting laser device and vertical cavity surface emitting laser array |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25906599A JP2001085788A (ja) | 1999-09-13 | 1999-09-13 | 面発光型半導体レーザ素子及び面発光型半導体レーザアレイ |
| US09/782,723 US20020110169A1 (en) | 1999-09-13 | 2001-02-13 | Vertical cavity surface emitting laser device and vertical cavity surface emitting laser array |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001085788A true JP2001085788A (ja) | 2001-03-30 |
Family
ID=26543944
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25906599A Pending JP2001085788A (ja) | 1999-09-13 | 1999-09-13 | 面発光型半導体レーザ素子及び面発光型半導体レーザアレイ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20020110169A1 (ja) |
| JP (1) | JP2001085788A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003069150A (ja) * | 2001-08-30 | 2003-03-07 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 面発光型半導体レーザ素子 |
| JP2003115634A (ja) * | 2001-08-02 | 2003-04-18 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 面発光レーザ素子 |
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