JP2004172341A - 面発光レーザ - Google Patents
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Abstract
【課題】エアギャップを半導体層とDBR層との間に挿入する構成にした場合であっても閾値電流を低くすることが可能な面発光レーザを実現する。
【解決手段】成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザにおいて、光の取り出し口を有する基板と、この基板上に形成された第1の分布反射層と、第1及び第2のスペーサ層により上下方向から挟まれると共に第1の分布反射層上に形成された活性層と、上部の第1のスペーサ層上の中央部に形成されたトンネル接合と、このトンネル接合の周辺及び上部に形成された第3のスペーサ層と、この第3のスペーサ層上に形成されたコンタクト層と、このコンタクト層上の中央部に形成された位相調整層と、コンタクト層上の周辺部に形成される第1の電極と、基板の裏面であって光の取り出し口以外の部分に形成された第2の電極と、位相調整層とエアギャップを介して対向するように第2の分布反射層とを備え、位相調整層とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように位相調整層の膜厚を調整する。
【選択図】 図1
【解決手段】成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザにおいて、光の取り出し口を有する基板と、この基板上に形成された第1の分布反射層と、第1及び第2のスペーサ層により上下方向から挟まれると共に第1の分布反射層上に形成された活性層と、上部の第1のスペーサ層上の中央部に形成されたトンネル接合と、このトンネル接合の周辺及び上部に形成された第3のスペーサ層と、この第3のスペーサ層上に形成されたコンタクト層と、このコンタクト層上の中央部に形成された位相調整層と、コンタクト層上の周辺部に形成される第1の電極と、基板の裏面であって光の取り出し口以外の部分に形成された第2の電極と、位相調整層とエアギャップを介して対向するように第2の分布反射層とを備え、位相調整層とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように位相調整層の膜厚を調整する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザに関し、特にエアギャップを半導体層と分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても閾値電流を低くすることが可能な面発光レーザに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)は活性層とクラッド層を多層膜等で形成された反射層で挟み込んだ構造を有するものであり、光通信用光源や光計測用光源として用いられ、特にWDM(Wavelength Division Multiplexing:波長分割多重)等の波長多重通信に適用することが可能な面発光レーザに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【0003】
【特許文献1】
特開平08−213702号公報
【特許文献2】
特開2000−277853号公報
【特許文献3】
特開2002−134835号公報
【非特許文献1】
M.Ortsiefer et.al., Appl.Phys.Lett vol.76 pp.2178−2181(2000)
【非特許文献2】
G.R.Hadley et.al., IEEE J.Quantum Electronics 32 pp.607−616(1996)
【0004】
図6はこのような従来の面発光レーザの一例を示す構成断面図であり、「M.Ortsiefer et.al., Appl.Phys.Lett vol.76 pp.2178−2181(2000)」に記載されたものである。
【0005】
図6において1はInAlAs/InGaAlAsで形成されたn型分布反射層(Distributed Bragg Reflector:以下、DBR層と呼ぶ。)、2及び4はスペーサ層、3は量子井戸(Quantum Well)等を用いた活性層、5はp型不純物が高濃度にドーピングされたp型のトンネル接合層、6はn型不純物が高濃度にドーピングされたn型のトンネル接合層、7はn型のInP等の低屈折率層、8はミラー層、9はコンタクト層、10は上部の電極、11はヒートシンク、12a及び12bは下部の電極である。
【0006】
DBR層1の上(実際の図6では下であるが以下の形成過程の説明に際しては上下逆転して説明する。)には下部のスペーサ層2、活性層3及び上部のスペーサ層4が順次形成され、上部のスペーサ層4の上にはp型のトンネル接合層5及びn型のトンネル接合層6が順次形成され、トンネル接合が形成される。
【0007】
このようなトンネル接合がn型のDBR層1の上であって中央部にのみ形成されるようにp型のトンネル接合層5の一部及びn型のトンネル接合層6であって図6中”CI01”及び図6中”CI02”に示すような周囲の部分がエッチングにより取り除かれる。
【0008】
その後、n型のトンネル接合層6及び前記エッチングの工程で表面に現れたp型のトンネル接合層5の上にはInP等の低屈折率層7が形成される。
【0009】
そして、低屈折率層7の上であって中央部には上部ミラーを構成するミラー層8が形成され、当該ミラー層8の周囲にはコンタクト層9が形成される。また、トンネル接合層6と低屈折率層7との側面には絶縁膜が形成さる。
【0010】
コンタクト層9に接続するように上部の電極10が形成され、低屈折率層7の状面及び側面にはヒートシンク11が形成される。さらに、DBR層1の裏面には下部の電極12が形成される。
【0011】
ここで、図6に示す従来例の動作を図7を用いて説明する。但し、図7を用いた動作説明に際してはDRB層1を上部として説明する。また、図7は注入電流の流れの一例を示す説明図である。
【0012】
上部の電極12と下部の電極10との間に電圧が印加されると上部の電極12から図7中”CR11”及び図7中”CR12”に示すように電流が中央部に形成されたトンネル接合を通じて流れて電流狭窄を生じる。
【0013】
このとき、バンドギャップの最も狭い活性層4において正孔と電子の結合が生じて光が発光し、DBR層1とミラー層8との間に形成される光共振器で光増幅されて、DBR層1側であって上部の電極12aが無い部分から図7中”LR11”に示すようにレーザ光として出力される。
【0014】
一方、トンネル接合部分は高屈折率材料を用いており、周囲には低屈折率層7が形成されているので、両者の間で等価屈折率差”Δneff”が生じる。
【0015】
このような、等価屈折率差”Δneff”は、トンネル接合部分での共振波長を”λ”、トンネル接合部分と周辺部分との共振波長の差を”Δλ”、等価屈折率を”neff”とした場合、
Δneff/neff=Δλ/λ (1)
で表される。
【0016】
すなわち、この等価屈折率”neff”により、トンネル接合部分に前述の光共振器で共振するレーザ光が閉じ込められ、面発光レーザのレーザ光の光強度分布が中央部分(トンネル接合部分)で最大となるため横モード制御が可能になる。
【0017】
また、トンネル接合部分は不純物が高濃度にドーピングされていて光吸収が大きいため、当該トンネル接合部分に共振するレーザ光の定在波の節の部分がくるように構成を調整することにより、レーザ光のトンネル接合部分における光吸収を抑えている。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図6に示す従来の面発光レーザにおいてレーザ光を波長可変にするためには、上部のミラーであるDBR層1を可動にすれば良いが、低屈折率であるエアギャップを半導体層(スペーサ層2等)とDBR層1との間に挿入する構成にした場合には閾値電流が大きくなってしまう場合があると言った問題点があった。
【0019】
例えば、閾値電流が大きくなった場合には、当該閾値電流に達するまでの注入電流分は熱の発生に寄与することになり、閾値電流の低い面発光レーザと比較して同じ注入電流を供給しても光出力の光強度は弱くなってしまうといった問題が生じる。
従って本発明が解決しようとする課題は、エアギャップを半導体層とDBR層との間に挿入する構成にした場合であっても閾値電流を低くすることが可能な面発光レーザを実現することにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項1記載の発明は、
成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザにおいて、
光の取り出し口を有する基板と、この基板上に形成された第1の分布反射層と、第1及び第2のスペーサ層により上下方向から挟まれると共に前記第1の分布反射層上に形成された活性層と、上部の前記第1のスペーサ層上の中央部に形成されたトンネル接合と、このトンネル接合の周辺及び上部に形成された第3のスペーサ層と、この第3のスペーサ層上に形成されたコンタクト層と、このコンタクト層上の中央部に形成された位相調整層と、前記コンタクト層上の周辺部に形成される第1の電極と、前記基板の裏面であって前記光の取り出し口以外の部分に形成された第2の電極と、前記位相調整層とエアギャップを介して対向するように第2の分布反射層とを備え、
前記位相調整層と前記エアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように前記位相調整層の膜厚を調整したことにより、エアギャップをコンタクト層と第2の分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても閾値電流を低くすることが可能になる。
【0021】
請求項2記載の発明は、
請求項1記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記第2の分布反射層は半導体微細加工技術によって形成され可動にしたことにより、レーザ光の発振波長を可変にすることが可能になる。
【0022】
請求項3記載の発明は、
請求項1若しくは請求項2記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記位相調整層が、
半導体部材であることにより、選択エッチング法等で容易に作製でき、エアギャップをコンタクト層と第2の分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても閾値電流を低くすることが可能になる。
【0023】
請求項4記載の発明は、
請求項1若しくは請求項2記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記位相調整層が、
誘電体膜であることにより、リフトオフ法等により容易に作製でき、エアギャップをコンタクト層と第2の分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても閾値電流を低くすることが可能になる。
【0024】
請求項5記載の発明は、
請求項1乃至請求項4記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記コンタクト層上であって前記第1の電極が形成された以外の部分に前記位相調整層を形成することにより、表面保護膜として用いることが可能になる。
【0025】
請求項6記載の発明は、
請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記位相調整層の膜厚をエッチングにより微調整することにより、閾値電流のばらつきを補正することが可能になる。
【0026】
請求項7記載の発明は、
請求項1若しくは請求項2記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記コンタクト層に定在波の節が位置するように構成したことにより、レーザ光の光吸収を低減することが可能になる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図1は本発明に係る面発光レーザの一実施例を示す構成断面図である。
【0028】
図1において13はn型のInP基板、14はn型のInGaAsPとn型のInPで形成された分布反射層(Distributed Bragg Reflector:以下、DBR層と呼ぶ。)、15はn型のInAlAsで形成されたスペーサ層、16はInGaAlAsで形成された多重量子井戸(Multi Quantum Well)等を用いた活性層、17はp型のInAlAsで形成されたスペーサ層、18はp型不純物が高濃度にドーピングされたInGaAlAsで形成されたp型のトンネル接合層、19はn型不純物が高濃度にドーピングされたInGaAlAsで形成されたn型のトンネル接合層、20はn型のInPで形成されたスペーサ層、21はn型のInGaAsPで形成されたコンタクト層、22は上部の電極、23はn型のInPで形成された位相調整層、24はDBR層、25はSiで形成されたメンブレン、26は下部の電極である。
【0029】
n型のInP基板13上には下部のDBR層14が形成され、DBR層14の上には下部のスペーサ層15、活性層16及び上部のスペーサ層17が順次形成される。
【0030】
上部のスペーサ層17の上にはp型のトンネル接合層18及びn型のトンネル接合層19が順次形成されてトンネル接合を形成し、p型のトンネル接合層18の一部及びn型のトンネル接合層19であって図1中”CI21”及び図1中”CI22”に示すような周囲の部分がエッチングにより取り除かれる。
【0031】
その後、n型のトンネル接合層19及び前記エッチングの工程で表面に現れたp型のトンネル接合層18の上にはスペーサ層20及びコンタクト層21が順次形成される。
【0032】
コンタクト層21の中央部分には位相調整層23が形成され、コンタクト層21の周辺部分には上部の電極22が形成される。
【0033】
そして、位相調整層23の上方には位相調整層23に接しない状態でメンブレン25が形成され、メンブレン25の下、言い換えれば、位相調整層23に対向する面にはDBR層24が形成されて、図1中”AG21”に示すようなエアギャップを形成する。
【0034】
一方、n型のInP基板13は裏面であって図1中”AR21”に示す部分が光の取り出し口としてエッチングによりDBR層14表面まで取り除かれ、残ったn型のInP基板13の裏面には電極26が形成される。
【0035】
ここで,図1に示す実施例の動作を図2、図3、図4及び図5を用いて説明する。図2は注入電流の流れの一例を示す説明図、図3は位相調整層23とエアギャップの境界面に定在波の節が位置する場合のレーザ光の光強度分布の一例を示す特性曲線図、図4は位相調整層23とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置する場合のレーザ光の光強度分布の一例を示す特性曲線図、図5は図3及び図4における閾値電流と光出力の一例を示す特性曲線図である。
【0036】
上部の電極22と下部の電極26との間に電圧が印加されると上部の電極22から図2中”CR31”及び図2中”CR32”に示すように電流が中央部に形成されたトンネル接合を通じて流れて電流狭窄を生じる。
【0037】
このとき、バンドギャップの最も狭い活性層16において正孔と電子の結合が生じて光が発光し、DBR層14とDBR層24の間に形成される光共振器で光増幅されて、DBR層14側であってn型のInP基板13が取り除かれた光の取り出し口から図2中”LR31”に示すようにレーザ光として出力される。
【0038】
そして、上部のスペーサ層17と下部のスペーサ層15の膜厚は活性層16に定在波の腹がくるように調整されている。
【0039】
また、メンブレン25をMEMS(micro electro−mechanical systems:可動部品と電子回路を半導体微細加工技術によって集積した微小な機械システム)で可動にして、位相調整層23とDBR層24との間隔(図1中”AG21”に示すエアギャップの間隔に相当)を調整することにより、レーザ光の発振波長を可変にしている。
【0040】
さらに、位相調整層23の膜厚を調整して、位相調整層23とエアギャップのの境界面に定在波の腹がくるように調整される。
【0041】
例えば、図3中”CH41”に示す特性曲線から分かるように、位相調整層23とエアギャップの境界面に定在波の節が位置する場合には、図3中”DB41”に示す下部のDBR層14及び図3中”QW41”に示す活性層16を含むスペーサ層15〜位相調整層23の半導体層における光強度が小さく、逆に、図3中”AG41”に示すエアギャップにおける光強度が大きくなり、活性層16における発振するレーザ光の閉じ込めが少なくなる。
【0042】
一方、例えば、図4中”CH51”に示す特性曲線から分かるように、位相調整層23とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置する場合には、図4中”AG51”に示すエアギャップにおける光強度が小さく、逆に、図4中”QW51”に示す活性層16を含むスペーサ層15〜位相調整層23の半導体層における光強度が大きくなり、活性層16における発振するレーザ光の閉じ込めが多くなる。
【0043】
すなわち、位相調整層23とエアギャップの境界面に定在波の節が位置する場合には、活性層16における発振するレーザ光の閉じ込めが少なくなるので、図5中”CH61”に示すような特性曲線になり、閾値電流が図5中”TC61”に示すようになる。
【0044】
一方、位相調整層23とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置する場合には、活性層16における発振するレーザ光の閉じ込めが多くなるので、図5中”CH62”に示すような特性曲線になり、閾値電流が図5中”TC61”に示すようになり、前者と比較して閾値電流を低くすることが可能になる。
【0045】
また、横モード制御に関しては従来例と同様にトンネル接合部分の周囲に形成されたスペーサ層20との等価屈折率差により、トンネル接合部分に光共振器で共振するレーザ光が閉じ込められ、面発光レーザのレーザ光の光強度分布が中央部分(トンネル接合部分)で最大となるため横モード制御が可能になる。
【0046】
この結果、半導体層(コンタクト層21)の上面に位相調整層23を形成して、位相調整層23とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように位相調整層23の膜厚を調整することにより、エアギャップを半導体層(コンタクト層21)とDBR層24との間に挿入する構成にした場合であっても閾値電流を低くすることが可能になる。
【0047】
なお、図1に示す実施例では位相調整層23としてn型のInPを例示しているが、位相調整膜23は半導体部材に限定されるものではなく、SiN等の誘電体膜であっても構わない。
【0048】
また、位相調整膜23を上部の電極22が形成された以外のコンタクト層21上全体に形成させることにより、表面保護膜として用いても構わない。
【0049】
また、位相調整膜23の膜厚をエッチング等によって微調整することにより、閾値電流のばらつきを補正しても構わない。
【0050】
また、コンタクト層21は高濃度にドーピングするとレーザ光の光吸収が増加するので、コンタクト層21において定在波の節が位置するように構成することにより、レーザ光の光吸収を低減することができる。
【0051】
また、図1に示す実施例では、第2の分布反射層は第3のスペーサ層に対向するようにエアギャップを介してメンブレン上に形成された旨記載しているが、勿論、メンブレンに限定されるものではない。
【0052】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項1,3及び請求項4の発明によれば、コンタクト層の上面に位相調整層を形成して、位相調整層とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように位相調整層の膜厚を調整することにより、エアギャップをコンタクト層とDBR層との間に挿入する構成にした場合であっても閾値電流を低くすることが可能になる。
【0053】
また、請求項2の発明によれば、メンブレンをMEMSで可動にして、位相調整層とDBR層との間隔を調整することにより、レーザ光の発振波長を可変にすることが可能になる。
【0054】
また、請求項5の発明によれば、コンタクト層上であって電極が形成された以外の部分に位相調整層を形成することにより、表面保護膜として用いることが可能になる。
【0055】
また、請求項6の発明によれば、位相調整層の膜厚をエッチングにより微調整することにより、閾値電流のばらつきを補正することが可能になる。
【0056】
また、請求項7の発明によれば、コンタクト層に定在波の節が位置するように構成したことにより、レーザ光の光吸収を低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る面発光レーザの一実施例を示す構成断面図である。
【図2】注入電流の流れの一例を示す説明図である。
【図3】位相調整層とエアギャップの境界面に定在波の節が位置する場合のレーザ光の光強度分布の一例を示す特性曲線図である。
【図4】位相調整層とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置する場合のレーザ光の光強度分布の一例を示す特性曲線図である。
【図5】図3及び図4における閾値電流と光出力の一例を示す特性曲線図である
【図6】従来の面発光レーザの一例を示す構成断面図である。
【図7】注入電流の流れの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
1,14,24 分布反射層(DBR層)
2,4,15,17,20 スペーサ層
3,16 活性層
5,6,18,19 トンネル接合層
7 低屈折率層
8 ミラー層
9,21 コンタクト層
10,12a,22,26 電極
11 ヒートシンク
13 InP基板
23 位相調整層
25 メンブレン
【発明の属する技術分野】
本発明は、成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザに関し、特にエアギャップを半導体層と分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても閾値電流を低くすることが可能な面発光レーザに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)は活性層とクラッド層を多層膜等で形成された反射層で挟み込んだ構造を有するものであり、光通信用光源や光計測用光源として用いられ、特にWDM(Wavelength Division Multiplexing:波長分割多重)等の波長多重通信に適用することが可能な面発光レーザに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【0003】
【特許文献1】
特開平08−213702号公報
【特許文献2】
特開2000−277853号公報
【特許文献3】
特開2002−134835号公報
【非特許文献1】
M.Ortsiefer et.al., Appl.Phys.Lett vol.76 pp.2178−2181(2000)
【非特許文献2】
G.R.Hadley et.al., IEEE J.Quantum Electronics 32 pp.607−616(1996)
【0004】
図6はこのような従来の面発光レーザの一例を示す構成断面図であり、「M.Ortsiefer et.al., Appl.Phys.Lett vol.76 pp.2178−2181(2000)」に記載されたものである。
【0005】
図6において1はInAlAs/InGaAlAsで形成されたn型分布反射層(Distributed Bragg Reflector:以下、DBR層と呼ぶ。)、2及び4はスペーサ層、3は量子井戸(Quantum Well)等を用いた活性層、5はp型不純物が高濃度にドーピングされたp型のトンネル接合層、6はn型不純物が高濃度にドーピングされたn型のトンネル接合層、7はn型のInP等の低屈折率層、8はミラー層、9はコンタクト層、10は上部の電極、11はヒートシンク、12a及び12bは下部の電極である。
【0006】
DBR層1の上(実際の図6では下であるが以下の形成過程の説明に際しては上下逆転して説明する。)には下部のスペーサ層2、活性層3及び上部のスペーサ層4が順次形成され、上部のスペーサ層4の上にはp型のトンネル接合層5及びn型のトンネル接合層6が順次形成され、トンネル接合が形成される。
【0007】
このようなトンネル接合がn型のDBR層1の上であって中央部にのみ形成されるようにp型のトンネル接合層5の一部及びn型のトンネル接合層6であって図6中”CI01”及び図6中”CI02”に示すような周囲の部分がエッチングにより取り除かれる。
【0008】
その後、n型のトンネル接合層6及び前記エッチングの工程で表面に現れたp型のトンネル接合層5の上にはInP等の低屈折率層7が形成される。
【0009】
そして、低屈折率層7の上であって中央部には上部ミラーを構成するミラー層8が形成され、当該ミラー層8の周囲にはコンタクト層9が形成される。また、トンネル接合層6と低屈折率層7との側面には絶縁膜が形成さる。
【0010】
コンタクト層9に接続するように上部の電極10が形成され、低屈折率層7の状面及び側面にはヒートシンク11が形成される。さらに、DBR層1の裏面には下部の電極12が形成される。
【0011】
ここで、図6に示す従来例の動作を図7を用いて説明する。但し、図7を用いた動作説明に際してはDRB層1を上部として説明する。また、図7は注入電流の流れの一例を示す説明図である。
【0012】
上部の電極12と下部の電極10との間に電圧が印加されると上部の電極12から図7中”CR11”及び図7中”CR12”に示すように電流が中央部に形成されたトンネル接合を通じて流れて電流狭窄を生じる。
【0013】
このとき、バンドギャップの最も狭い活性層4において正孔と電子の結合が生じて光が発光し、DBR層1とミラー層8との間に形成される光共振器で光増幅されて、DBR層1側であって上部の電極12aが無い部分から図7中”LR11”に示すようにレーザ光として出力される。
【0014】
一方、トンネル接合部分は高屈折率材料を用いており、周囲には低屈折率層7が形成されているので、両者の間で等価屈折率差”Δneff”が生じる。
【0015】
このような、等価屈折率差”Δneff”は、トンネル接合部分での共振波長を”λ”、トンネル接合部分と周辺部分との共振波長の差を”Δλ”、等価屈折率を”neff”とした場合、
Δneff/neff=Δλ/λ (1)
で表される。
【0016】
すなわち、この等価屈折率”neff”により、トンネル接合部分に前述の光共振器で共振するレーザ光が閉じ込められ、面発光レーザのレーザ光の光強度分布が中央部分(トンネル接合部分)で最大となるため横モード制御が可能になる。
【0017】
また、トンネル接合部分は不純物が高濃度にドーピングされていて光吸収が大きいため、当該トンネル接合部分に共振するレーザ光の定在波の節の部分がくるように構成を調整することにより、レーザ光のトンネル接合部分における光吸収を抑えている。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図6に示す従来の面発光レーザにおいてレーザ光を波長可変にするためには、上部のミラーであるDBR層1を可動にすれば良いが、低屈折率であるエアギャップを半導体層(スペーサ層2等)とDBR層1との間に挿入する構成にした場合には閾値電流が大きくなってしまう場合があると言った問題点があった。
【0019】
例えば、閾値電流が大きくなった場合には、当該閾値電流に達するまでの注入電流分は熱の発生に寄与することになり、閾値電流の低い面発光レーザと比較して同じ注入電流を供給しても光出力の光強度は弱くなってしまうといった問題が生じる。
従って本発明が解決しようとする課題は、エアギャップを半導体層とDBR層との間に挿入する構成にした場合であっても閾値電流を低くすることが可能な面発光レーザを実現することにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項1記載の発明は、
成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザにおいて、
光の取り出し口を有する基板と、この基板上に形成された第1の分布反射層と、第1及び第2のスペーサ層により上下方向から挟まれると共に前記第1の分布反射層上に形成された活性層と、上部の前記第1のスペーサ層上の中央部に形成されたトンネル接合と、このトンネル接合の周辺及び上部に形成された第3のスペーサ層と、この第3のスペーサ層上に形成されたコンタクト層と、このコンタクト層上の中央部に形成された位相調整層と、前記コンタクト層上の周辺部に形成される第1の電極と、前記基板の裏面であって前記光の取り出し口以外の部分に形成された第2の電極と、前記位相調整層とエアギャップを介して対向するように第2の分布反射層とを備え、
前記位相調整層と前記エアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように前記位相調整層の膜厚を調整したことにより、エアギャップをコンタクト層と第2の分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても閾値電流を低くすることが可能になる。
【0021】
請求項2記載の発明は、
請求項1記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記第2の分布反射層は半導体微細加工技術によって形成され可動にしたことにより、レーザ光の発振波長を可変にすることが可能になる。
【0022】
請求項3記載の発明は、
請求項1若しくは請求項2記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記位相調整層が、
半導体部材であることにより、選択エッチング法等で容易に作製でき、エアギャップをコンタクト層と第2の分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても閾値電流を低くすることが可能になる。
【0023】
請求項4記載の発明は、
請求項1若しくは請求項2記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記位相調整層が、
誘電体膜であることにより、リフトオフ法等により容易に作製でき、エアギャップをコンタクト層と第2の分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても閾値電流を低くすることが可能になる。
【0024】
請求項5記載の発明は、
請求項1乃至請求項4記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記コンタクト層上であって前記第1の電極が形成された以外の部分に前記位相調整層を形成することにより、表面保護膜として用いることが可能になる。
【0025】
請求項6記載の発明は、
請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記位相調整層の膜厚をエッチングにより微調整することにより、閾値電流のばらつきを補正することが可能になる。
【0026】
請求項7記載の発明は、
請求項1若しくは請求項2記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記コンタクト層に定在波の節が位置するように構成したことにより、レーザ光の光吸収を低減することが可能になる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図1は本発明に係る面発光レーザの一実施例を示す構成断面図である。
【0028】
図1において13はn型のInP基板、14はn型のInGaAsPとn型のInPで形成された分布反射層(Distributed Bragg Reflector:以下、DBR層と呼ぶ。)、15はn型のInAlAsで形成されたスペーサ層、16はInGaAlAsで形成された多重量子井戸(Multi Quantum Well)等を用いた活性層、17はp型のInAlAsで形成されたスペーサ層、18はp型不純物が高濃度にドーピングされたInGaAlAsで形成されたp型のトンネル接合層、19はn型不純物が高濃度にドーピングされたInGaAlAsで形成されたn型のトンネル接合層、20はn型のInPで形成されたスペーサ層、21はn型のInGaAsPで形成されたコンタクト層、22は上部の電極、23はn型のInPで形成された位相調整層、24はDBR層、25はSiで形成されたメンブレン、26は下部の電極である。
【0029】
n型のInP基板13上には下部のDBR層14が形成され、DBR層14の上には下部のスペーサ層15、活性層16及び上部のスペーサ層17が順次形成される。
【0030】
上部のスペーサ層17の上にはp型のトンネル接合層18及びn型のトンネル接合層19が順次形成されてトンネル接合を形成し、p型のトンネル接合層18の一部及びn型のトンネル接合層19であって図1中”CI21”及び図1中”CI22”に示すような周囲の部分がエッチングにより取り除かれる。
【0031】
その後、n型のトンネル接合層19及び前記エッチングの工程で表面に現れたp型のトンネル接合層18の上にはスペーサ層20及びコンタクト層21が順次形成される。
【0032】
コンタクト層21の中央部分には位相調整層23が形成され、コンタクト層21の周辺部分には上部の電極22が形成される。
【0033】
そして、位相調整層23の上方には位相調整層23に接しない状態でメンブレン25が形成され、メンブレン25の下、言い換えれば、位相調整層23に対向する面にはDBR層24が形成されて、図1中”AG21”に示すようなエアギャップを形成する。
【0034】
一方、n型のInP基板13は裏面であって図1中”AR21”に示す部分が光の取り出し口としてエッチングによりDBR層14表面まで取り除かれ、残ったn型のInP基板13の裏面には電極26が形成される。
【0035】
ここで,図1に示す実施例の動作を図2、図3、図4及び図5を用いて説明する。図2は注入電流の流れの一例を示す説明図、図3は位相調整層23とエアギャップの境界面に定在波の節が位置する場合のレーザ光の光強度分布の一例を示す特性曲線図、図4は位相調整層23とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置する場合のレーザ光の光強度分布の一例を示す特性曲線図、図5は図3及び図4における閾値電流と光出力の一例を示す特性曲線図である。
【0036】
上部の電極22と下部の電極26との間に電圧が印加されると上部の電極22から図2中”CR31”及び図2中”CR32”に示すように電流が中央部に形成されたトンネル接合を通じて流れて電流狭窄を生じる。
【0037】
このとき、バンドギャップの最も狭い活性層16において正孔と電子の結合が生じて光が発光し、DBR層14とDBR層24の間に形成される光共振器で光増幅されて、DBR層14側であってn型のInP基板13が取り除かれた光の取り出し口から図2中”LR31”に示すようにレーザ光として出力される。
【0038】
そして、上部のスペーサ層17と下部のスペーサ層15の膜厚は活性層16に定在波の腹がくるように調整されている。
【0039】
また、メンブレン25をMEMS(micro electro−mechanical systems:可動部品と電子回路を半導体微細加工技術によって集積した微小な機械システム)で可動にして、位相調整層23とDBR層24との間隔(図1中”AG21”に示すエアギャップの間隔に相当)を調整することにより、レーザ光の発振波長を可変にしている。
【0040】
さらに、位相調整層23の膜厚を調整して、位相調整層23とエアギャップのの境界面に定在波の腹がくるように調整される。
【0041】
例えば、図3中”CH41”に示す特性曲線から分かるように、位相調整層23とエアギャップの境界面に定在波の節が位置する場合には、図3中”DB41”に示す下部のDBR層14及び図3中”QW41”に示す活性層16を含むスペーサ層15〜位相調整層23の半導体層における光強度が小さく、逆に、図3中”AG41”に示すエアギャップにおける光強度が大きくなり、活性層16における発振するレーザ光の閉じ込めが少なくなる。
【0042】
一方、例えば、図4中”CH51”に示す特性曲線から分かるように、位相調整層23とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置する場合には、図4中”AG51”に示すエアギャップにおける光強度が小さく、逆に、図4中”QW51”に示す活性層16を含むスペーサ層15〜位相調整層23の半導体層における光強度が大きくなり、活性層16における発振するレーザ光の閉じ込めが多くなる。
【0043】
すなわち、位相調整層23とエアギャップの境界面に定在波の節が位置する場合には、活性層16における発振するレーザ光の閉じ込めが少なくなるので、図5中”CH61”に示すような特性曲線になり、閾値電流が図5中”TC61”に示すようになる。
【0044】
一方、位相調整層23とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置する場合には、活性層16における発振するレーザ光の閉じ込めが多くなるので、図5中”CH62”に示すような特性曲線になり、閾値電流が図5中”TC61”に示すようになり、前者と比較して閾値電流を低くすることが可能になる。
【0045】
また、横モード制御に関しては従来例と同様にトンネル接合部分の周囲に形成されたスペーサ層20との等価屈折率差により、トンネル接合部分に光共振器で共振するレーザ光が閉じ込められ、面発光レーザのレーザ光の光強度分布が中央部分(トンネル接合部分)で最大となるため横モード制御が可能になる。
【0046】
この結果、半導体層(コンタクト層21)の上面に位相調整層23を形成して、位相調整層23とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように位相調整層23の膜厚を調整することにより、エアギャップを半導体層(コンタクト層21)とDBR層24との間に挿入する構成にした場合であっても閾値電流を低くすることが可能になる。
【0047】
なお、図1に示す実施例では位相調整層23としてn型のInPを例示しているが、位相調整膜23は半導体部材に限定されるものではなく、SiN等の誘電体膜であっても構わない。
【0048】
また、位相調整膜23を上部の電極22が形成された以外のコンタクト層21上全体に形成させることにより、表面保護膜として用いても構わない。
【0049】
また、位相調整膜23の膜厚をエッチング等によって微調整することにより、閾値電流のばらつきを補正しても構わない。
【0050】
また、コンタクト層21は高濃度にドーピングするとレーザ光の光吸収が増加するので、コンタクト層21において定在波の節が位置するように構成することにより、レーザ光の光吸収を低減することができる。
【0051】
また、図1に示す実施例では、第2の分布反射層は第3のスペーサ層に対向するようにエアギャップを介してメンブレン上に形成された旨記載しているが、勿論、メンブレンに限定されるものではない。
【0052】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項1,3及び請求項4の発明によれば、コンタクト層の上面に位相調整層を形成して、位相調整層とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように位相調整層の膜厚を調整することにより、エアギャップをコンタクト層とDBR層との間に挿入する構成にした場合であっても閾値電流を低くすることが可能になる。
【0053】
また、請求項2の発明によれば、メンブレンをMEMSで可動にして、位相調整層とDBR層との間隔を調整することにより、レーザ光の発振波長を可変にすることが可能になる。
【0054】
また、請求項5の発明によれば、コンタクト層上であって電極が形成された以外の部分に位相調整層を形成することにより、表面保護膜として用いることが可能になる。
【0055】
また、請求項6の発明によれば、位相調整層の膜厚をエッチングにより微調整することにより、閾値電流のばらつきを補正することが可能になる。
【0056】
また、請求項7の発明によれば、コンタクト層に定在波の節が位置するように構成したことにより、レーザ光の光吸収を低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る面発光レーザの一実施例を示す構成断面図である。
【図2】注入電流の流れの一例を示す説明図である。
【図3】位相調整層とエアギャップの境界面に定在波の節が位置する場合のレーザ光の光強度分布の一例を示す特性曲線図である。
【図4】位相調整層とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置する場合のレーザ光の光強度分布の一例を示す特性曲線図である。
【図5】図3及び図4における閾値電流と光出力の一例を示す特性曲線図である
【図6】従来の面発光レーザの一例を示す構成断面図である。
【図7】注入電流の流れの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
1,14,24 分布反射層(DBR層)
2,4,15,17,20 スペーサ層
3,16 活性層
5,6,18,19 トンネル接合層
7 低屈折率層
8 ミラー層
9,21 コンタクト層
10,12a,22,26 電極
11 ヒートシンク
13 InP基板
23 位相調整層
25 メンブレン
Claims (7)
- 成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザにおいて、
光の取り出し口を有する基板と、
この基板上に形成された第1の分布反射層と、
第1及び第2のスペーサ層により上下方向から挟まれると共に前記第1の分布反射層上に形成された活性層と、
上部の前記第1のスペーサ層上の中央部に形成されたトンネル接合と、
このトンネル接合の周辺及び上部に形成された第3のスペーサ層と、
この第3のスペーサ層上に形成されたコンタクト層と、
このコンタクト層上の中央部に形成された位相調整層と、
前記コンタクト層上の周辺部に形成される第1の電極と、
前記基板の裏面であって前記光の取り出し口以外の部分に形成された第2の電極と、
前記位相調整層とエアギャップを介して対向するように第2の分布反射層とを備え、
前記位相調整層と前記エアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように前記位相調整層の膜厚を調整したことを特徴とする面発光レーザ。 - 前記第2の分布反射層は半導体微細加工技術によって形成され可動にしたことを特徴とする
請求項1記載の面発光レーザ。 - 前記位相調整層が、
半導体部材であることを特徴とする
請求項1若しくは請求項2記載の面発光レーザ。 - 前記位相調整層が、
誘電体膜であることを特徴とする
請求項1若しくは請求項2記載の面発光レーザ。 - 前記コンタクト層上であって前記第1の電極が形成された以外の部分に前記位相調整層を形成することを特徴とする
請求項1乃至請求項4記載の面発光レーザ。 - 前記位相調整層の膜厚をエッチングにより微調整することを特徴とする
請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の面発光レーザ。 - 前記コンタクト層に定在波の節が位置するように構成したことを特徴とする
請求項1若しくは請求項2記載の面発光レーザ。
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-
2002
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JP2006054330A (ja) * | 2004-08-12 | 2006-02-23 | Rohm Co Ltd | 半導体発光素子 |
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