JP2000294872A - 面発光レーザ及び面発光レーザアレイ - Google Patents

面発光レーザ及び面発光レーザアレイ

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JP2000294872A JP11095382A JP9538299A JP2000294872A JP 2000294872 A JP2000294872 A JP 2000294872A JP 11095382 A JP11095382 A JP 11095382A JP 9538299 A JP9538299 A JP 9538299A JP 2000294872 A JP2000294872 A JP 2000294872A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 作製プロセスが容易で、ストレスにも強く信
頼性の高い酸化型の面発光レーザ及び面発光レーザアレ
イを提供することである。 【解決手段】 基板10上に、活性層16と該活性層1
6を挟み込む一対のスペーサ層14,18とからなる活
性領域30と、該活性領域30を挟み込む一対の反射層
12,22と、該一対の反射層12,22間に設けられ
一部の非酸化領域20aを残して周縁部が酸化されたA
lAs選択酸化層20と、を積層した1つのメサ26の
AlAs選択酸化層20に、非酸化領域20aを複数形
成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、面発光レーザ及び
面発光レーザアレイに関し、詳しくは、ストレスに強く
信頼性の高い酸化型の面発光レーザ及び面発光レーザア
レイに関するものである。
【0002】
【従来の技術】垂共振器型面発光レーザ(VCSEL:
Vertical Cavity Surface Emitting Laser)は、従来の
端面発光型レーザに比べて、製造コストが低く、高歩留
まりであり、2次元アレイ化が容易である等多くの利点
を有し、これらの長所によって、多くの用途においてそ
の利用が検討されている。例えば、Kenichi Iga, Fumio
Koyama and Susumu Kinoshita, "Surface Emitting Sem
iconductor Lasers", IEEE Journal of Quantum Elecro
nics, 1988, 24, pp.1845-1855に、VCSELの構造、
レーザ特性、用途等が説明されているように、現在まで
にそのレーザ特性は大きく改善され、光通信などの分野
では実用化に至っている。
【0003】特に、D.L.Hufaker らによって報告された
AlAs酸化型VCSEL(”Native-oxide defined r
ing contact for low threshold vertical-cavity lase
rs”, Appl. Phys.Lett., Vol.65,No.1, pp.97-99,’9
4)は、低しきい電流値、高効率、速い応答速度等の優
れた特性をもっており、有望技術として研究が盛んであ
る。
【0004】ところが、このAlAs酸化型VCSEL
は、K.D.Choquetteらによって報告されているように("
Selective Oxidation of buried AlGaAs Versus AlAs l
ayers", Appl. Phys. Lett., Vol.69,No.10, pp.1385
-1387, ’96)、AlAs層を酸化した部分には、酸化
により体積の収縮が発生しており、酸化後のプロセス工
程で素子に亀裂が入って破壊され製造歩留まりを低下さ
せたり、素子寿命が短いなどの問題を抱えている。
【0005】一般的な酸化型VCSELは、図10にそ
の断面図を示すように、素子はポスト型形状に形成され
孤立している。そのため、AlAs酸化層90がある平
面内では、半導体層が結晶構造で繋がっているのは中心
の数μm径の非酸化部分91だけである。この結晶構造
により繋がった部分は欠陥や空隙がなくストレスに強い
が、逆に、酸化層90には欠陥や空隙が存在し、ストレ
スにより亀裂が入りその結果素子破壊にまで至ってしま
う。
【0006】このような素子破壊を防止する対策の一つ
として、上記報告にあるように、酸化する層をAlAs
からGaAsを数%含むAlGaAsに変えて、体積収
縮を低減する方法がある。この場合、体積収縮率は12
%以上から6.7%にまで減り、酸化層に存在する欠陥
や空隙は著しく低減するので、その結果、製造プロセス
途中での素子破壊はなくなり、素子寿命が伸びたと報告
されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記防
止策には、以下のような問題がある。まず、酸化する層
をAlAsからGaAsを数%含むAlGaAsに変え
体積収縮を低減する方法の問題点を説明する。酸化型V
CSELの特性は、非酸化領域である電流注入領域の径
に大きく左右される。従って、AlAsあるいはAlG
aAs層の酸化するする距離を制御するすることが重要
である。ところが、酸化の速度は、AlGaAsの組成
に大きく影響される。例えば、AlAsとGaAsを2
%含むAlGaAsでは、酸化速度は10倍以上異な
る。一方、エピタキシャル成長する際、AlGaAsの
GaAs濃度を基板面内で、更に基板間でも、酸化速度
に影響が出ない程度に制御することは非常に困難であ
り、商業ベースの生産には適していない。以上説明した
ように、従来の補強型の酸化型面発光レーザは、幾つか
の問題点を有しており、実用可能なものはいまだ得られ
ていないのが現状である。
【0008】従って、本発明の目的は、作製プロセスが
容易で、ストレスにも強く信頼性の高い酸化型の面発光
レーザ及び面発光レーザアレイを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明者は、鋭意検討の
結果、下記手段により上記課題が解決されることを見出
した。すなわち、本発明の面発光レーザは、基板上に、
活性層と該活性層を挟み込む一対のスペーサ層とからな
る活性領域と、該活性領域を挟み込む一対の反射層と、
該一対の反射層間に設けられ一部の非酸化領域を残して
周縁部が酸化されたAlAs選択酸化層と、を積層して
なる積層部がメサ形状に形成され、前記非酸化領域が、
同一メサ内の同一AlAs選択酸化層に複数形成された
ことを特徴とする。
【0010】本発明の面発光レーザアレイは、基板上
に、活性層と該活性層を挟み込む一対のスペーサ層とか
らなる活性領域と、該活性領域を挟み込む一対の反射層
と、該一対の反射層間に設けられ一部の非酸化領域を残
して周縁部が酸化されたAlAs選択酸化層と、を積層
してなる積層部がメサ形状に形成され、前記非酸化領域
が、同一メサ内の同一AlAs選択酸化層に複数形成さ
れ、該非酸化領域の2以上を電流注入領域としたことを
特徴とする。
【0011】本発明の面発光レーザは、1つのメサの1
つのAlAs選択酸化層に、基板から結晶構造で繋がっ
ている非酸化領域を2ヶ所以上設けたことにより、一般
的なメサ1つに1つの非酸化領域を設け、1個の酸化型
VCSELを形成している場合より、ストレスに対して
強い構造となっている。
【0012】また、上記面発光レーザの複数の非酸化領
域の全部または一部に電流注入を行い、複数の発光領域
を形成することで、同様に、ストレスに対して強い構造
の面発光レーザアレイを得ることができる。
【0013】従って、本発明によれば、作製プロセスが
容易で、ストレスにも強く信頼性の高い酸化型のVCS
EL及びVCSELアレイを提供することができる。ま
た、発光領域に対してメサの伸びる方向に構造上の異方
性を持たせることができ、これによりストレスの異方性
が発生し、レーザ光の偏光制御ができるという副次的効
果も期待できる。さらに、VCSEL素子、電極パッド
を形成する部分、及びVCSEL素子と電極パッドとを
連結する部分の3つを同じ高さに形成することができる
ため、すなわち、VCSEL素子と電極パッドとの間に
段差がないため、電極の形成が容易になる。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的には実施形
態に基づき、詳細に説明する。
【0015】(第1の実施形態)本発明の第1の実施形
態に係る面発光レーザアレイは、図1に示すように、2
つの酸化型VCSELを1つのメサ26を用いて形成し
た構造となっている。この構造では、図2(a)〜
(c)に示すように、1つのメサ26内のAlAs選択
酸化層20に非酸化領域20aが2つ設けられている。
以下、本発明の第1の実施形態に係る面発光レーザアレ
イの構造を製造方法に従って説明する。
【0016】まず、図3(a)に示すように、有機金属
気相成長(MOCVD)法により、n型GaAs基板1
0上に、AlAsとGaAsとをそれぞれの膜厚が媒質
内波長の1/4となるように交互に30周期積層したキ
ャリア濃度1×1018cm-3となる下側n型DBR(Di
stributed Bragg Reflector)層12、アンドープ下部
Al0.22Ga0.78Asスぺーサー層14とアンドープ量
子井戸活性層16(膜厚80nmInGaAs量子井戸
層3層と膜厚150nmGaAs障壁層4層とで構成さ
れている)とアンドープ上部Al0.22Ga0.78Asスぺ
ーサー層18とで構成された膜厚が媒質内波長となる活
性層領域30、その上に、キャリア濃度1×1018cm
-3膜厚が媒質内波長の1/4となるp型AlAs層2
0、その上にAl0.9Ga0.1AsとGaAsとをそれぞ
れの膜厚が媒質内波長の1/4となるように交互に22
周期積層したキャリア濃度1×1018cm-3総膜厚が約
2μmとなる上側p型DBR層22、その上にキャリア
濃度1×1019cm-3となる膜厚λのp型GaAsコン
タクト層24を順次積層する。
【0017】原料ガスとしては、トリメチルガリウム、
トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アル
シン、ドーパント材料としてはp型用にシクロペンタジ
ニウムマグネシウム、n型用にシランを用い、成長時の
基板温度は750℃とし、真空を破ることなく、原料ガ
スを順次変化し、連続して成膜をおこなった。
【0018】次に、図3(b)にその形状を示すよう
に、上記積層膜を下側n型DBR層12の途中までエッ
チングしてメサ26を形成し、AlAs層20側面を露
出させる。メサ形状を加工するには、フォトリソグラフ
ィーにより結晶成長層上にレジストマスクRを形成し、
四塩化炭素をエッチングガスとしてもちいた反応性イオ
ンエッチングを用いた。
【0019】その後、レジストマスクRを除去し、図3
(c)に示すように、約400℃の炉中で水蒸気により
AlAs層20だけを側方から酸化し高抵抗化させ、酸
化領域32と非酸化領域20aとした。非酸化領域の径
は約3μmである。この非酸化領域20aが、電流注入
領域となる。図2(a)に、AlAs選択酸化層20の
酸化領域32と非酸化領域20aの境界線を破線で示し
た。
【0020】その後、図3(d)及び(e)に示すよう
に、SiN絶縁膜34をメサ26上面を除いて蒸着し、
レジストマスクRを利用して、出射口40を除いてTi
/Auからなるp側電極36を形成する。基板10の裏
面にはn側電極38としてAu/Geを蒸着する。この
ようにして、図3(f)に示す面発光レーザアレイが完
成する。
【0021】本実施形態の面発光レーザアレイは、基板
10から結晶構造で繋がっている部位(非酸化領域20
a)が2ヶ所あり、メサ1つに1個の酸化型VCSEL
を形成している一般的なVCSELの場合より、ストレ
スに対して高い強度を有している。
【0022】なお、本実施形態において、素子間を機能
的に分離するには、p側電極を分離し、各VCSEL間
にプロトンを打ち込み、高抵抗化すればよい。
【0023】本実施形態では、非酸化領域20aが円形
となるようにメサ26を形成しているが、図4(a)に
示すように、多角形になるようにメサ26を形成しても
良い。この場合、図4(b)に示すように、非酸化領域
20aも多角形となる。
【0024】また、1つのメサ内に構成されているVC
SELは3個以上でも構わない。本実施形態では、一次
元方向にメサが伸びた例を示したが、図5(a)に示す
2次元方向にも伸びたメサ26内に、図5(b)に示す
複数の非酸化領域20aを形成し複数個のVCSELで
VCSELアレイを構成することもできる。
【0025】本実施形態では、2つの非酸化領域20a
を両方とも電流注入領域として使用しアレイを構成して
いるが、図6(b)に示すように、1つのメサ内にVC
SEL用の電流注入領域となる非酸化領域20aと、非
酸化領域20a以外の非酸化領域すなわちVCSELと
して用いない非酸化領域20bと、を備えたVCSEL
として構成してもよい。2つの非酸化領域20a,20
bのうち、電流注入領域となる非酸化領域20aは、数
μm径としp側電極36にも出射口40を形成する。他
方の非酸化領域20bには、出射口40を形成する必要
はない。この構造において、図6(a)に示す通り、非
酸化領域20bの面積を大きくして、よりストレスに強
い構造とすることも可能である。更には、非酸化領域2
0bへの電流注入を防ぐために、電流注入をVCSEL
だけに行う構造にしてもよい。具体的には、非酸化領域
20aだけに対応する電極を設ける方法や、非酸化領域
20bのコンタクト層上にのみ絶縁膜を設けて非酸化領
域20bへの電流注入を防止する方法が考えられる。
【0026】本実施形態では、活性層にInGaAsを
用いた例を説明したが、GaAsもしくはAlGaAs
を用いた近赤外用、InGaPもしくはAlGaInP
を用いた赤色用の面発光レーザにも適用できる。更に
は、GaN系やZnSe系等の青色もしくは紫外線面発
光レーザ、InGaAsP系等の1.3〜1.5μm帯
面発光レーザにも利用できることはもちろんである。ま
た、DBR層として半導体材料に限定されることなく、
絶縁膜を用いることも可能である。
【0027】また、本実施形態では、上側p型DBR層
22の上側にp側電極36を設ける構造としたが、イン
トラキャビティ構造とすることもできる。
【0028】(第2の実施形態)本発明の第2の実施形
態に係る面発光レーザアレイは、図7及び図8(a)に
示すように、3つの酸化型VCSELを1つのメサ26
を用いて形成し、このメサ26を3つ並べて配列した構
造となっている。この構造では、図8(a)〜(c)に
示すように、1つのメサ26内のAlAs選択酸化層2
0に非酸化領域20aが3つ設けられている。以下、本
発明の第2の実施形態に係る面発光レーザアレイの構造
を製造方法に従って説明する。なお、本実施形態はマト
リックス駆動の酸化型VCSELアレイに本発明を適用
した例である。
【0029】まず、有機金属気相成長(MOCVD)法
により、半絶縁性GaAs基板9上に、キャリア濃度1
×1018cm-3膜厚0.2μm程度のn型GaAsバッ
ファ層11を積層し、その上に、Al0.9Ga0.1Asと
Al0.3Ga0.7Asとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の
1/4となるように交互に40.5周期積層したキャリ
ア濃度1×1018cm-3となる下側n型DBR層12、
アンドープ下部Al0. 5Ga0.5Asスぺーサー層14と
アンドープ量子井戸活性層16(膜厚90nmAl0.11
Ga0.89As量子井戸層3層と膜厚50nmAl0.3
0.1As障壁層4層とで構成されている)とアンドー
プ上部Al0.5Ga0.5Asスぺーサー層18とで構成さ
れた膜厚が媒質内波長となる活性層領域30、その上
に、キャリア濃度1×1018cm-3膜厚が媒質内波長の
1/4となるp型AlAs層20、その上にAl0.9
0.1AsとAl0.3Ga07Asとをそれぞれの膜厚が媒
質内波長の1/4となるように交互に19.5周期積層
したキャリア濃度1×1018cm-3総膜厚が約2μmと
なる上側p型DBR層22、キャリア濃度1×1019
-3となる膜厚10nmのp型GaAsコンタクト層2
4を順次積層する。
【0030】ここで、詳しくは述べないが、DBR層の
電気的抵抗を下げるためにAl0.9Ga0.1AsとAl
0.3Ga0.1Asの界面に、AlAs組成を90%から3
0%に段階的に変化させた膜厚が9nm程度の領域を設
けることも可能である。
【0031】原料ガスとしては、トリメチルガリウム、
トリメチルアルミニウム、アルシン、ドーパント材料と
してはp型用にシクロペンタジニウムマグネシウム、n
型用にシランを用い、成長時の基板温度は750℃と
し、真空を破ることなく、原料ガスを順次変化し、連続
して成膜をおこなった。
【0032】次に、上記積層膜をn型GaAsバッファ
層11の途中までエッチングして図8(a)〜(c)に
示すように、メサ26a,26b,26cを形成し、A
lAs層20側面を露出させる。メサ形状を加工するに
は、フォトリソグラフィーにより結晶成長層上にレジス
トマスクRを形成し、四塩化炭素をエッチングガスとし
てもちいた反応性イオンエッチングを用いた。
【0033】その後、レジストマスクRを除去し、約4
00℃の炉中で水蒸気によりAlAs層20だけを側方
から酸化し高抵抗化させ、酸化領域32と非酸化領域2
0aとした。非酸化領域の径は約3μmである。この非
酸化領域が、電流注入領域となる。図8(a)に、Al
As選択酸化層20の酸化領域32と非酸化領域20a
の境界線を示した。
【0034】その後、Au/Geからなるn側電極38
をメサ26底部表面のGaAsバッファ層11上に形成
する。メサ26とn側電極38との間をドライエッチン
グにより、半絶縁性GaAs基板9までエッチングして
溝42を形成し、各メサ列26a,26b,26cを電
気的に絶縁する。
【0035】各メサ26a,26b,26cの間は、ポ
リイミド44を用いて平坦化し、図9に示すようにメサ
方向と垂直方向にp側電極36及び配線を形成する。こ
のように電極および配線を設けることで、マトリックス
駆動の酸化型VCSELアレイが作製できる。
【0036】本実施形態の面発光レーザは、図8(a)
に示すように、基板10から結晶構造で繋がっている部
位(非酸化領域20a)が1つのメサについて3ヶ所あ
り、一般的なメサ1つに1個の酸化型VCSELを形成
している場合より、ストレスに対して高い強度を有して
いる。
【0037】本実施形態では、非酸化領域20aが矩形
となるようにメサ26を形成しているが、円形あるいは
楕円になるようにメサ26を形成しても良い。この場
合、非酸化領域20aも円形あるいは楕円となる。
【0038】また、本実施形態では、活性層にAlGa
Asを用いた例を説明したが、GaAsもしくはInG
aAsを用いた近赤外用、InGaPもしくはAlGa
InPを用いた赤色用の面発光レーザにも適用できる。
更には、GaN系やZnSe系等の青色もしくは紫外線
面発光レーザ、InGaAsP系等の1.3〜1.5μ
m帯面発光レーザにも利用できることはもちろんであ
る。また、DBR層として半導体材料に限定されること
なく、絶縁膜を用いることも可能である。
【0039】
【発明の効果】本発明によれば、作製プロセスが容易
で、ストレスにも強く信頼性の高い酸化型の面発光レー
ザ及び面発光レーザアレイを提供することができる。こ
れにより、 基本特性は高いが、実用性が不安視されて
いる酸化型VCSELの商業的利用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る面発光レーザア
レイの斜視図である。
【図2】(a)は、本発明の第1の実施形態に係る面発
光レーザアレイの構造の上面図であり、(b)は(a)
のA−A矢視断面図、(c)は(a)のB−B矢視断面
図である。
【図3】(a)〜(f)は、本発明の第1の実施形態に
係る面発光レーザアレイの製造工程を順に示す概略断面
図である。
【図4】(a)は、本発明の第1の実施形態に係る面発
光レーザアレイの変形例を示す斜視図であり、(b)は
(a)の上面図である。
【図5】(a)は、本発明の第1の実施形態に係る面発
光レーザアレイの変形例を示す上面図であり、(b)
は、本発明の第1の実施形態に係る面発光レーザアレイ
の変形例を示す斜視図である。
【図6】(a)は、本発明の第1の実施形態に係る面発
光レーザアレイの変形例を示す上面図であり、(b)
は、本発明の第1の実施形態に係る面発光レーザアレイ
の変形例を示す斜視図である。
【図7】本発明の第2の実施形態に係る面発光レーザア
レイの電極形成前の斜視図である。
【図8】(a)は、本発明の第2の実施形態に係る面発
光レーザアレイの上面図であり、(b)は(a)の電極
形成前のA−A矢視断面図、(c)は(a)の電極形成
前のB−B矢視断面図である。
【図9】本発明の第2の実施形態に係る面発光レーザア
レイのA−A矢視断面図である。
【図10】従来の酸化型面発光レーザの断面図である。
【符号の説明】
9 半絶縁性GaAs基板 10 n型GaAs基板 11 n型GaAsバッファ層 12 下側n型DBR層 14 下部スぺーサー層 16 量子井戸活性層 18 上部スぺーサー層 20 p型AlAs層 20a、20b 非酸化領域 22 上側p型DBR層 24 p型GaAsコンタクト層 26 メサ 30 活性層領域 32 酸化領域 34 SiN絶縁膜 36 p側電極 38 n側電極 40 出射口 42 溝 44 ポリイミド R レジストマスク 90 AlAs酸化層 91 非酸化部分

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に、活性層と該活性層を挟み込む
    一対のスペーサ層とからなる活性領域と、該活性領域を
    挟み込む一対の反射層と、該一対の反射層間に設けられ
    一部の非酸化領域を残して周縁部が酸化されたAlAs
    選択酸化層と、を積層してなる積層部がメサ形状に形成
    され、 前記非酸化領域が、同一メサ内の同一AlAs選択酸化
    層に複数形成されたことを特徴とする面発光レーザ。
  2. 【請求項2】 基板上に、活性層と該活性層を挟み込む
    一対のスペーサ層とからなる活性領域と、該活性領域を
    挟み込む一対の反射層と、該一対の反射層間に設けられ
    一部の非酸化領域を残して周縁部が酸化されたAlAs
    選択酸化層と、を積層してなる積層部がメサ形状に形成
    され、 前記非酸化領域が、同一メサ内の同一AlAs選択酸化
    層に複数形成され、該非酸化領域の2以上を電流注入領
    域とすることを特徴とする面発光レーザアレイ。
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