JP2004296972A - 面発光レーザ - Google Patents
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Abstract
【課題】発熱を抑えて高出力まで安定な横モード制御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のスペーサ層上に形成され周辺部分が選択酸化された選択酸化層と、この選択酸化層上にトンネル接合を形成するトンネル接合層と、このトンネル接合層上に形成された第３のスペーサ層と、この第３のスペーサ層上の周辺部に形成されたコンタクト層と、コンタクト層上に形成される第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、第３のスペーサ層とエアギャップを介して対向するように第２の分布反射層とを設ける。
【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のスペーサ層上に形成され周辺部分が選択酸化された選択酸化層と、この選択酸化層上にトンネル接合を形成するトンネル接合層と、このトンネル接合層上に形成された第３のスペーサ層と、この第３のスペーサ層上の周辺部に形成されたコンタクト層と、コンタクト層上に形成される第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、第３のスペーサ層とエアギャップを介して対向するように第２の分布反射層とを設ける。
【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、特に高出力まで安定な横モード制御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】
特開平１０−００４２３９号公報
【特許文献３】
特開２０００−２７７８５３号公報
【特許文献４】
特開２００２−１３４８３５号公報
【特許文献５】
特開２００２−３１９７０３号公報
【非特許文献１】
Ｍ．Ｏｒｔｓｉｅｆｅｒ ｅｔ．ａｌ．， Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ ｖｏｌ．７６ ｐｐ．２１７９−２１８１（２０００）
【非特許文献２】
Ｊ．Ｈ．Ｓｈｉｎ ｅｔ．ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈ． Ｌｅｔｔ． Ｖｏｌ．１４ ｐｐ．１０３１−１０３３（２００２）
【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型の分布反射層（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は電極、１１はヒートシンク、１２はもう一つの電極である。
【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、電極１０の上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ＤＢＲ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下部の電極１０から上部の電極１２へ図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される。
【００１３】
このとき、バンドギャップの最も狭い活性層３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１２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、図８は従来の面発光レーザの他の一例を示す構成断面図であり、「Ｊ．Ｈ．Ｓｈｉｎ ｅｔ．ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈ． Ｌｅｔｔ． Ｖｏｌ．１４ ｐｐ．１０３１−１０３３（２００２）」に記載されたものである。
【００１８】
図８において１３はｎ型のＩｎＰ等の基板、１４はＩｎＧａＡｌＡｓで形成されたｎ型のＤＢＲ層、１５及び１７はスペーサ層、１６は量子井戸（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）等を用いた活性層、１８はＡｌを包含する層の周囲部分を酸化させ高抵抗化させた選択酸化層、１９はｐ型のスペーサ層、２０はＩｎＧａＡｌＡｓで形成されたＤＢＲ層、２１及び２２はＡｕＺｎ等で形成された電極、２３はＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ等で形成された電極である。
【００１９】
基板１３の上にはＤＢＲ層１４、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、上部のスペーサ層１７の上には選択酸化層１８が形成され、選択酸化層１８は側面を露出させ、選択酸化層１８の上にはさらにスペーサ層１９が形成され、スペーサ層１９上であって中央部分には上部のＤＢＲ層２０が形成される。選択酸化により周囲部分を酸化させて高抵抗化（中心部分は低抵抗である）させる。
【００２０】
スペーサ層１９上であって周辺部分には電極２１及び２２がそれぞれ形成される。さらに、基板１３の裏面には電極２３が形成される。
【００２１】
ここで、図８に示す従来例の動作を図９を用いて説明する。図９は注入電流の流れの一例を示す説明図である。
【００２２】
上部の電極２１及び２２と下部の電極２３との間に電圧が印加されると上部の電極２１及び２２から下部の電極２３へ図９中”ＣＲ２１”及び図９中”ＣＲ２２”に示すように電流が選択酸化層の中央部に形成された低抵抗の部分を流れて電流狭窄させる。
【００２３】
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２０との間に形成される光共振器で光増幅されて、ＤＢＲ層１４側であって下部の電極２３が無い部分から図９中”ＬＲ２１”に示すようにレーザ光として出力される。
【００２４】
【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では、中央部分にのみ電流を流して電流狭窄を行わせるため図６中”ＣＩ０１”及び図６中”ＣＩ０２”に示す部分をエッチングにより除去しているため、中央部分に残されたトンネル接合部分で大きな光吸収が生じる。
【００２５】
このため、基本モードの損失が高次モードより大きくなり、高次モードが基本モードよりも発振し易くなる、言い換えれば、横モード制御が不安定になる要因となってしまうと言った問題点があった。
【００２６】
この場合には、トンネル接合を極めて薄く形成し定在波の節を当該トンネル接合部分に配置することにより、光吸収による問題点を回避しているが、波長可変レーザに適用した場合には、定在波の節がトンネル接合部分から若干ずれることによる影響が無視できなくなり、横モード制御が不安定になってしまうと言った問題点があった。
【００２７】
さらに，図６に示す従来例ではトンネル接合部分の周囲をエッチングにより除去する工程が必要になり、結晶成長の工程を２回に分けて行わなければならないと言った問題点があった。
【００２８】
一方、図８に示す従来例では、選択酸化層１８によって電流狭窄を行わせているため、中心部分の光吸収が大きくなって横モード制御が不安定になると言った図６に示す従来例の問題点は克服できるものの、選択酸化層１８上に形成されるｐ型のスペーサ層１９の抵抗値が大きいため発熱が大きくなってしまうと言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、発熱を抑えて高出力まで安定な横モード制御が可能な面発光レーザを実現することにある。
【００２９】
【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のスペーサ層上に形成され周辺部分が選択酸化された選択酸化層と、この選択酸化層上にトンネル接合を形成するトンネル接合層と、このトンネル接合層上に形成された第３のスペーサ層と、この第３のスペーサ層上の周辺部に形成されたコンタクト層と、前記コンタクト層上に形成される第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、前記第３のスペーサ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たことにより、発熱を抑えて高出力まで安定な横モード制御が可能になる。
【００３０】
請求項２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のスペーサ層上にトンネル接合を形成するトンネル接合層と、このトンネル接合層上に形成され周辺部分が選択酸化された選択酸化層と、この選択酸化層上に形成された第３のスペーサ層と、この第３のスペーサ層上の周辺部に形成されたコンタクト層と、前記コンタクト層上に形成される第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、前記第３のスペーサ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たことにより、発熱を抑えて高出力まで安定な横モード制御が可能になる。
【００３１】
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、
前記選択酸化層が、
ＩｎＡｌＡｓ／ＡｌＡｓ超格子であることにより、結晶性を維持しつつ実効的な膜厚を厚く、且つ、Ａｌ組成比を高くすることが可能になり、酸化が容易になる。
【００３２】
請求項４記載の発明は、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記選択酸化層及び前記トンネル接合層により格子不整合による歪を補償することにより、トンネル接合層上若しくは選択酸化層上の結晶成長が容易になり、歪補償をしない場合と比較して結晶性が改善されると共に活性層へのストレスを抑制でき信頼性の向上に寄与する。
【００３３】
請求項５記載の発明は、
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記コンタクト層若しくは前記第３のスペーサ層の表面に凹凸を形成して中央部分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中央部分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ＤＢＲ層との間に挿入する構成にした場合であっても横モード制御が可能にすることができる。
【００３４】
請求項６記載の発明は、
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記コンタクト層若しくは前記第３のスペーサ層上の中央部分に位相調整層を設けて中央部分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。
【００３５】
請求項７記載の発明は、
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記第２の分布反射膜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することが可能になる。
【００３６】
【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。
【００３７】
図１において２４はｎ型のＩｎＰ等の基板、２５はｎ型のＩｎＧａＡｓＰとｎ型のＩｎＰ等から構成されるＤＢＲ層、２６はｎ型のＩｎＰ等のスペーサ層、２７はＩｎＧａＡｓＰの歪多重量子井戸等を用いた活性層、２８はｐ型のＩｎＰ等のスペーサ層、２９はｐ型のＩｎＡｌＡｓ等の選択酸化層、３０は高濃度のｐ型のＩｎＧａＡｓＰ若しくはＩｎＧａＡｌＡｓ等のトンネル接合層、３１は高濃度のｎ型のＩｎＧａＡｓ等のトンネル接合層、３２はｎ型のＩｎＰ等のスペーサ層、３３はｎ型のＩｎＧａＡｓＰ等のコンタクト層、３４はＤＢＲ層、３５はＳｉで形成されたメンブレン、３６及び３７は電極である。
【００３８】
基板２４上には下部のＤＢＲ層２５が形成され、ＤＢＲ層２５の上には下部のスペーサ層２６、活性層２７及び上部のスペーサ層２８が順次形成される。
【００３９】
上部のスペーサ層２８の上には選択酸化層２９が形成され、選択酸化層２９の上にはｐ型のトンネル接合層３０及びｎ型のトンネル接合層３１が順次形成されてトンネル接合を形成する。
【００４０】
ｎ型のトンネル接合層３１の上にはスペーサ層３２及びコンタクト層３３が順次形成され、選択酸化層２９に到達するまで周辺部分をメサエッチングした後、水蒸気酸化することにより選択酸化層２９の中央部分以外を酸化させて高抵抗化させる。また、コンタクト層３３上であって周辺部分には電極３６が形成される。
【００４１】
そして、コンタクト層３３の上方にはコンタクト層３３に接しない状態でメンブレン３５が形成され、メンブレン３５の下、言い換えれば、コンタクト層３３に対向する面にはＤＢＲ層３４が形成されて、図１中”ＡＧ３１”に示すようなエアギャップを形成する。
【００４２】
一方、基板２４は裏面であって図１中”ＡＲ３１”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２５表面まで取り除かれ、残った基板２４の裏面には電極３７が形成される。
【００４３】
ここで，図１に示す実施例の動作を図２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である。
【００４４】
上部の電極３６と下部の電極３７との間に電圧が印加されると上部の電極３６から図２中”ＣＲ４１”及び図２中”ＣＲ４２”に示すように電流が図２中”ＣＰ４１”に示す選択酸化層２９の酸化されていない中央部分（低抵抗部分）を通じて流れて電流狭窄され、活性層２７を介して下部の電極３７に流れる。
【００４５】
このとき、バンドギャップの最も狭い活性層２７において正孔と電子の結合が生じて光が発光し、ＤＢＲ層２５とＤＢＲ層３４の間に形成される光共振器で光増幅されて、ＤＢＲ層２５側であって基板２４が取り除かれた光の取り出し口から図２中”ＬＲ４１”に示すようにレーザ光として出力される。
【００４６】
そして、上部のスペーサ層２８と下部のスペーサ層２６の膜厚は活性層２７に定在波の腹が、トンネル接合部分に定在波の節がくるように調整され、また、スペーサ層３２及びコンタクト層３３の膜厚はエアギャップとの境界面に定在波の腹がくるように調整される。
【００４７】
また、メンブレン３５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、コンタクト層３３とＤＢＲ層３４との間隔（図１中”ＡＧ３１”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。
【００４８】
このような構成では、電流狭窄を選択酸化層２９が行うためトンネル接合層の周辺部分をエッチングで除去する必要性がなく、膜厚を均一にすることが可能になるので、トンネル接合層の中央部分でのみ大きな光吸収が生じることがなくなり、高次モードが基本モードよりも発振し易くなる、言い換えれば、横モード制御が不安定になることを抑制することが可能になる。
【００４９】
また、スペーサ層３２やコンタクト層３３は電子の移動度の高いｎ型のＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰ等を用いることができるので、素子抵抗を下げて発熱を抑制することが可能になる。
【００５０】
さらに、選択酸化層２９の選択酸化された部分（周辺部分）の屈折率が低下することにより、活性層２７の周辺部分にくるように調整されている定在波の腹がずれる（活性層２７の中央部分には定在波の腹くる）ことにより、活性層２７の中央部分と周辺部分とで利得の差が発生し基本モードが高次モードよりも発振し易くなる、言い換えれば、横モード制御が容易になる。
【００５１】
この結果、トンネル接合やｎ型の半導体部材を用いることにより低抵抗化を図ると共に、周辺部分を選択酸化させた選択酸化膜２９により電流狭窄を行わせることにより、発熱を抑えて高出力まで安定な横モード制御が可能になる。
【００５２】
なお、図１に示す実施例では選択酸化層２９の上にトンネル接合層３０及び３１を形成してトンネル接合を構成させているが、トンネル接合と選択酸化層の位置関係を逆転させても構わない。
【００５３】
図３はこのような本発明に係る面発光レーザの他の実施例を示す構成断面図である。但し、図３に示す実施例の動作に関しては図１に示す実施例と同様であるので動作の説明は省略する。
【００５４】
図３において２４，２５，２６，２７，２８，３２，３３，３４，３５，３６及び３７は図１と同一符号を付してあり、３８は高濃度のｐ型のＩｎＧａＡｓＰ若しくはＩｎＧａＡｌＡｓ等のトンネル接合層、３９は高濃度のｎ型のＩｎＧａＡｓ等のトンネル接合層、４０はｎ型のＩｎＡｌＡｓ等の選択酸化層である。
【００５５】
基板２４上には下部のＤＢＲ層２５が形成され、ＤＢＲ層２５の上には下部のスペーサ層２６、活性層２７及び上部のスペーサ層２８が順次形成される。
【００５６】
上部のスペーサ層２８の上にはｐ型のトンネル接合層３８及びｎ型のトンネル接合層３９が順次形成されてトンネル接合を形成し、ｎ型のトンネル接合層３９の上には選択酸化層４０が形成される。
【００５７】
選択酸化層４０の上にはスペーサ層３２及びコンタクト層３３が順次形成され、選択酸化層４０に到達するまで周辺部分をメサエッチングした後、水蒸気酸化することにより選択酸化層４０の中央部分以外を酸化させて高抵抗化させる。また、コンタクト層３３上であって周辺部分には電極３６が形成される。
【００５８】
そして、コンタクト層３３の上方にはコンタクト層３３に接しない状態でメンブレン３５が形成され、メンブレン３５の下、言い換えれば、コンタクト層３３に対向する面にはＤＢＲ層３４が形成されて、図３中”ＡＧ５１”に示すようなエアギャップを形成する。
【００５９】
一方、基板２４は裏面であって図３中”ＡＲ５１”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２５表面まで取り除かれ、残った基板２４の裏面には電極３７が形成される。
【００６０】
また、選択酸化層２９及び４０としてはＩｎＡｌＡｓ等を例示しているが、ＩｎＡｌＡｓ／ＡｌＡｓ超格子を用いても構わない。
【００６１】
この場合には、ＩｎＡｌＡｓ／ＡｌＡｓ超格子を用いることにより、酸化の速度を速くすることが可能なＡｌＡｓのようにＡｌ組成比の高い部材を用いた場合であっても、ＩｎＰとの間での結晶性を維持しつつ実効的な膜厚を厚くすることが可能になり、酸化が容易になる。
【００６２】
また、選択酸化層とトンネル接合層とにより格子不整合による歪を補償しても構わない。すなわち、選択酸化層として酸化速度の速い組成比の高いＡｌＡｓを用いることにより、スペーサ層３２との間で格子不整合が生じて歪が発生する。
【００６３】
このため、トンネル接合層で選択酸化層の歪を打ち消すような歪を持たせて形成して歪を補償することにより、トンネル接合層若しくは選択酸化層上の結晶成長が容易になり、歪補償をしない場合と比較して結晶性が改善されると共に活性層へのストレスを抑制でき信頼性の向上に寄与する。
【００６４】
また、コンタクト層の表面に凹凸を形成してコンタクト層の中央部分（凸部）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、且つ、コンタクト層の周辺部分（凹部）とエアギャップの境界面に定在波の節が位置するようにコンタクト層の各部分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３４との間に挿入する構成にした場合であっても横モード制御が可能にすることができる。
【００６５】
図４はこのような本発明に係る面発光レーザの他の実施例を示す構成断面図である。但し、図４に示す実施例の動作に関しては図１に示す実施例と同様であるので動作の説明は省略する。
【００６６】
図４において２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１，３２，３４，３５，３６及び３７は図１と同一符号を付してあり、４１は中央部分に凸部が、周辺部分に凹部が形成されたコンタクト層である。
【００６７】
基板２４上には下部のＤＢＲ層２５が形成され、ＤＢＲ層２５の上には下部のスペーサ層２６、活性層２７及び上部のスペーサ層２８が順次形成される。
【００６８】
上部のスペーサ層２８の上には選択酸化層２９が形成され、選択酸化層２９の上にはｐ型のトンネル接合層３０及びｎ型のトンネル接合層３１が順次形成されてトンネル接合を形成する。
【００６９】
ｎ型のトンネル接合層３１の上にはスペーサ層３２及びコンタクト層４１が順次形成され、選択酸化層２９に到達するまで周辺部分をメサエッチングした後、水蒸気酸化することにより選択酸化層２９の中央部分以外を酸化させて高抵抗化させる。
【００７０】
この時、コンタクト層４１の中央部分（凸部）とエアギャップとの境界面に定在波の腹が位置するように、コンタクト層４１の膜厚が調整される。
【００７１】
また、コンタクト層４１の周辺部分はエッチング等によって除去して凹部を形成し、当該コンタクト層４１上であって周辺部分（凹部）には電極３６が形成される。
【００７２】
この時、コンタクト層４１の周辺部分（凹部）とエアギャップとの境界面に定在波の節が位置するように、コンタクト層４１の周辺部分（凹部）の膜厚が調整される。
【００７３】
そして、コンタクト層４１の上方にはコンタクト層４１に接しない状態でメンブレン３５が形成され、メンブレン３５の下、言い換えれば、コンタクト層４１に対向する面にはＤＢＲ層３４が形成されて、エアギャップを形成する。
【００７４】
一方、基板２４は裏面の中央部分は光の取り出し口としてエッチングによりＤＢＲ層２５表面まで取り除かれ、残った基板２４の裏面には電極３７が形成される。
【００７５】
また、図４に示す実施例では中央部分が凸部で周辺部分が凹部としているが、中央部分とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置し、且つ、コンタクト層の周辺部分とエアギャップの境界面に定在波の節が位置する状況が実現できれば、中央部分を凹部で周辺部分が凸部としても勿論構わない。
【００７６】
また、電極３６に接する部分以外のコンタクト層４１を選択エッチング等により除去してスペーサ層３２の表面に凹凸を形成しても構わない。
【００７７】
また、コンタクト層の表面に位相調整層を形成し、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、活性層における発振するレーザ光の閉じ込めが多くなり、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。
【００７８】
図５はこのような本発明に係る面発光レーザの他の実施例を示す構成断面図である。但し、図５に示す実施例の動作に関しては図１に示す実施例と同様であるので動作の説明は省略する。
【００７９】
図５において２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１，３２，３３，３４，３５，３６及び３７は図１と同一符号を付してあり、４２はｎ型のＩｎＰで形成された位相調整層である。
【００８０】
基板２４上には下部のＤＢＲ層２５が形成され、ＤＢＲ層２５の上には下部のスペーサ層２６、活性層２７及び上部のスペーサ層２８が順次形成される。
【００８１】
上部のスペーサ層２８の上には選択酸化層２９が形成され、選択酸化層２９の上にはｐ型のトンネル接合層３０及びｎ型のトンネル接合層３１が順次形成されてトンネル接合を形成する。
【００８２】
ｎ型のトンネル接合層３１の上にはスペーサ層３２及びコンタクト層３３、位相調整層４２が順次形成され、選択酸化層２９に到達するまで周辺部分をメサエッチングした後、水蒸気酸化することにより選択酸化層２９の中央部分以外を酸化させ高抵抗化させる。
【００８３】
また、コンタクト層３３上であって周辺部分には電極３６が形成され、中央部分には位相調整層４２が位相調整層４２とエアギャップとの境界面に定在波の腹が位置するように位相調整層４２の膜厚が調整されて形成される。
【００８４】
そして、コンタクト層３３の上方には位相調整層４２に接しない状態でメンブレン３５が形成され、メンブレン３５の下、言い換えれば、位相調整層４２に対向する面にはＤＢＲ層３４が形成されて、エアギャップを形成する。
【００８５】
一方、基板２４は裏面の中央部分は光の取り出し口としてエッチングによりＤＢＲ層２５表面まで取り除かれ、残った基板２４の裏面には電極３７が形成される。
【００８６】
また、位相調整層４２には半導体層を用いた例を示したが、誘電体膜等を用いても勿論構わない。
【００８７】
また、図１等に示す実施例では、メンブレン３５をＭＥＭＳで可動にして、コンタクト層と上部のＤＢＲ層との間隔（図１中”ＡＧ３１”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が固定波長の面発光レーザに適用しても勿論構わない。
【００８８】
【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及び請求項２の発明によれば、トンネル接合やｎ型の半導体部材を用いることにより低抵抗化を図ると共に、周辺部分を選択酸化させた選択酸化膜により電流狭窄を行わせることにより、発熱を抑えて高出力まで安定な横モード制御が可能になる。
【００８９】
また、請求項３の発明によれば、ＩｎＡｌＡｓ／ＡｌＡｓ超格子を用いることにより、酸化の速度を速くすることが可能なＡｌＡｓのように組成比の高い部材を用いた場合であっても、ＩｎＰとの間での結晶性を維持しつつ実効的な膜厚を厚くすることが可能になり、酸化が容易になる。
【００９０】
また、請求項４の発明によれば、トンネル接合層で選択酸化層の歪を打ち消すような歪を持たせて形成して歪を補償することにより、トンネル接合層上の結晶成長が容易になり、歪補償をしない場合と比較して結晶性が改善されると共に活性層へのストレスを抑制でき信頼性の向上に寄与する。
【００９１】
また、請求項５の発明によれば、コンタクト層の表面に凹凸を形成してコンタクト層の中央部分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、且つ、コンタクト層の周辺部分とエアギャップの境界面に定在波の節が位置するようにコンタクト層の各部分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横モード制御が可能にすることができる。
【００９２】
また、請求項６の発明によれば、コンタクト層の表面に位相調整層を形成し、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、活性層における発振するレーザ光の閉じ込めが多くなり、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。
【００９３】
また、請求項７の発明によれば、メンブレンをＭＥＭＳで可動にして、スペーサ層と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。
【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】本発明に係る面発光レーザの他の実施例を示す構成断面図である。
【図４】本発明に係る面発光レーザの他の実施例を示す構成断面図である。
【図５】本発明に係る面発光レーザの他の実施例を示す構成断面図である。
【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。
【図８】従来の面発光レーザの他の一例を示す構成断面図である。
【図９】注入電流の流れの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１，１４，２０，２５，３４ 分布反射層（ＤＢＲ層）
２，４，１５，１７，１９，２６，２８，３２ スペーサ層
３，１６，２７ 活性層
５，６，３０，３１，３８，３９ トンネル接合層
７ 低屈折率層
８ ミラー層
９，４１ コンタクト層
１０，１２，２１，２２，２３，３６，３７ 電極
１１ ヒートシンク
１３，２４ 基板
１８，２９，４０ 選択酸化層
３３ コンタクト層
３５ メンブレン
４２ 位相調整層
【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、特に高出力まで安定な横モード制御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】
特開平１０−００４２３９号公報
【特許文献３】
特開２０００−２７７８５３号公報
【特許文献４】
特開２００２−１３４８３５号公報
【特許文献５】
特開２００２−３１９７０３号公報
【非特許文献１】
Ｍ．Ｏｒｔｓｉｅｆｅｒ ｅｔ．ａｌ．， Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ ｖｏｌ．７６ ｐｐ．２１７９−２１８１（２０００）
【非特許文献２】
Ｊ．Ｈ．Ｓｈｉｎ ｅｔ．ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈ． Ｌｅｔｔ． Ｖｏｌ．１４ ｐｐ．１０３１−１０３３（２００２）
【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型の分布反射層（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は電極、１１はヒートシンク、１２はもう一つの電極である。
【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、電極１０の上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ＤＢＲ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下部の電極１０から上部の電極１２へ図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される。
【００１３】
このとき、バンドギャップの最も狭い活性層３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１２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、図８は従来の面発光レーザの他の一例を示す構成断面図であり、「Ｊ．Ｈ．Ｓｈｉｎ ｅｔ．ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈ． Ｌｅｔｔ． Ｖｏｌ．１４ ｐｐ．１０３１−１０３３（２００２）」に記載されたものである。
【００１８】
図８において１３はｎ型のＩｎＰ等の基板、１４はＩｎＧａＡｌＡｓで形成されたｎ型のＤＢＲ層、１５及び１７はスペーサ層、１６は量子井戸（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）等を用いた活性層、１８はＡｌを包含する層の周囲部分を酸化させ高抵抗化させた選択酸化層、１９はｐ型のスペーサ層、２０はＩｎＧａＡｌＡｓで形成されたＤＢＲ層、２１及び２２はＡｕＺｎ等で形成された電極、２３はＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ等で形成された電極である。
【００１９】
基板１３の上にはＤＢＲ層１４、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、上部のスペーサ層１７の上には選択酸化層１８が形成され、選択酸化層１８は側面を露出させ、選択酸化層１８の上にはさらにスペーサ層１９が形成され、スペーサ層１９上であって中央部分には上部のＤＢＲ層２０が形成される。選択酸化により周囲部分を酸化させて高抵抗化（中心部分は低抵抗である）させる。
【００２０】
スペーサ層１９上であって周辺部分には電極２１及び２２がそれぞれ形成される。さらに、基板１３の裏面には電極２３が形成される。
【００２１】
ここで、図８に示す従来例の動作を図９を用いて説明する。図９は注入電流の流れの一例を示す説明図である。
【００２２】
上部の電極２１及び２２と下部の電極２３との間に電圧が印加されると上部の電極２１及び２２から下部の電極２３へ図９中”ＣＲ２１”及び図９中”ＣＲ２２”に示すように電流が選択酸化層の中央部に形成された低抵抗の部分を流れて電流狭窄させる。
【００２３】
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２０との間に形成される光共振器で光増幅されて、ＤＢＲ層１４側であって下部の電極２３が無い部分から図９中”ＬＲ２１”に示すようにレーザ光として出力される。
【００２４】
【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では、中央部分にのみ電流を流して電流狭窄を行わせるため図６中”ＣＩ０１”及び図６中”ＣＩ０２”に示す部分をエッチングにより除去しているため、中央部分に残されたトンネル接合部分で大きな光吸収が生じる。
【００２５】
このため、基本モードの損失が高次モードより大きくなり、高次モードが基本モードよりも発振し易くなる、言い換えれば、横モード制御が不安定になる要因となってしまうと言った問題点があった。
【００２６】
この場合には、トンネル接合を極めて薄く形成し定在波の節を当該トンネル接合部分に配置することにより、光吸収による問題点を回避しているが、波長可変レーザに適用した場合には、定在波の節がトンネル接合部分から若干ずれることによる影響が無視できなくなり、横モード制御が不安定になってしまうと言った問題点があった。
【００２７】
さらに，図６に示す従来例ではトンネル接合部分の周囲をエッチングにより除去する工程が必要になり、結晶成長の工程を２回に分けて行わなければならないと言った問題点があった。
【００２８】
一方、図８に示す従来例では、選択酸化層１８によって電流狭窄を行わせているため、中心部分の光吸収が大きくなって横モード制御が不安定になると言った図６に示す従来例の問題点は克服できるものの、選択酸化層１８上に形成されるｐ型のスペーサ層１９の抵抗値が大きいため発熱が大きくなってしまうと言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、発熱を抑えて高出力まで安定な横モード制御が可能な面発光レーザを実現することにある。
【００２９】
【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のスペーサ層上に形成され周辺部分が選択酸化された選択酸化層と、この選択酸化層上にトンネル接合を形成するトンネル接合層と、このトンネル接合層上に形成された第３のスペーサ層と、この第３のスペーサ層上の周辺部に形成されたコンタクト層と、前記コンタクト層上に形成される第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、前記第３のスペーサ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たことにより、発熱を抑えて高出力まで安定な横モード制御が可能になる。
【００３０】
請求項２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のスペーサ層上にトンネル接合を形成するトンネル接合層と、このトンネル接合層上に形成され周辺部分が選択酸化された選択酸化層と、この選択酸化層上に形成された第３のスペーサ層と、この第３のスペーサ層上の周辺部に形成されたコンタクト層と、前記コンタクト層上に形成される第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、前記第３のスペーサ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たことにより、発熱を抑えて高出力まで安定な横モード制御が可能になる。
【００３１】
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、
前記選択酸化層が、
ＩｎＡｌＡｓ／ＡｌＡｓ超格子であることにより、結晶性を維持しつつ実効的な膜厚を厚く、且つ、Ａｌ組成比を高くすることが可能になり、酸化が容易になる。
【００３２】
請求項４記載の発明は、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記選択酸化層及び前記トンネル接合層により格子不整合による歪を補償することにより、トンネル接合層上若しくは選択酸化層上の結晶成長が容易になり、歪補償をしない場合と比較して結晶性が改善されると共に活性層へのストレスを抑制でき信頼性の向上に寄与する。
【００３３】
請求項５記載の発明は、
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記コンタクト層若しくは前記第３のスペーサ層の表面に凹凸を形成して中央部分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中央部分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ＤＢＲ層との間に挿入する構成にした場合であっても横モード制御が可能にすることができる。
【００３４】
請求項６記載の発明は、
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記コンタクト層若しくは前記第３のスペーサ層上の中央部分に位相調整層を設けて中央部分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。
【００３５】
請求項７記載の発明は、
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記第２の分布反射膜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することが可能になる。
【００３６】
【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。
【００３７】
図１において２４はｎ型のＩｎＰ等の基板、２５はｎ型のＩｎＧａＡｓＰとｎ型のＩｎＰ等から構成されるＤＢＲ層、２６はｎ型のＩｎＰ等のスペーサ層、２７はＩｎＧａＡｓＰの歪多重量子井戸等を用いた活性層、２８はｐ型のＩｎＰ等のスペーサ層、２９はｐ型のＩｎＡｌＡｓ等の選択酸化層、３０は高濃度のｐ型のＩｎＧａＡｓＰ若しくはＩｎＧａＡｌＡｓ等のトンネル接合層、３１は高濃度のｎ型のＩｎＧａＡｓ等のトンネル接合層、３２はｎ型のＩｎＰ等のスペーサ層、３３はｎ型のＩｎＧａＡｓＰ等のコンタクト層、３４はＤＢＲ層、３５はＳｉで形成されたメンブレン、３６及び３７は電極である。
【００３８】
基板２４上には下部のＤＢＲ層２５が形成され、ＤＢＲ層２５の上には下部のスペーサ層２６、活性層２７及び上部のスペーサ層２８が順次形成される。
【００３９】
上部のスペーサ層２８の上には選択酸化層２９が形成され、選択酸化層２９の上にはｐ型のトンネル接合層３０及びｎ型のトンネル接合層３１が順次形成されてトンネル接合を形成する。
【００４０】
ｎ型のトンネル接合層３１の上にはスペーサ層３２及びコンタクト層３３が順次形成され、選択酸化層２９に到達するまで周辺部分をメサエッチングした後、水蒸気酸化することにより選択酸化層２９の中央部分以外を酸化させて高抵抗化させる。また、コンタクト層３３上であって周辺部分には電極３６が形成される。
【００４１】
そして、コンタクト層３３の上方にはコンタクト層３３に接しない状態でメンブレン３５が形成され、メンブレン３５の下、言い換えれば、コンタクト層３３に対向する面にはＤＢＲ層３４が形成されて、図１中”ＡＧ３１”に示すようなエアギャップを形成する。
【００４２】
一方、基板２４は裏面であって図１中”ＡＲ３１”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２５表面まで取り除かれ、残った基板２４の裏面には電極３７が形成される。
【００４３】
ここで，図１に示す実施例の動作を図２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である。
【００４４】
上部の電極３６と下部の電極３７との間に電圧が印加されると上部の電極３６から図２中”ＣＲ４１”及び図２中”ＣＲ４２”に示すように電流が図２中”ＣＰ４１”に示す選択酸化層２９の酸化されていない中央部分（低抵抗部分）を通じて流れて電流狭窄され、活性層２７を介して下部の電極３７に流れる。
【００４５】
このとき、バンドギャップの最も狭い活性層２７において正孔と電子の結合が生じて光が発光し、ＤＢＲ層２５とＤＢＲ層３４の間に形成される光共振器で光増幅されて、ＤＢＲ層２５側であって基板２４が取り除かれた光の取り出し口から図２中”ＬＲ４１”に示すようにレーザ光として出力される。
【００４６】
そして、上部のスペーサ層２８と下部のスペーサ層２６の膜厚は活性層２７に定在波の腹が、トンネル接合部分に定在波の節がくるように調整され、また、スペーサ層３２及びコンタクト層３３の膜厚はエアギャップとの境界面に定在波の腹がくるように調整される。
【００４７】
また、メンブレン３５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、コンタクト層３３とＤＢＲ層３４との間隔（図１中”ＡＧ３１”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。
【００４８】
このような構成では、電流狭窄を選択酸化層２９が行うためトンネル接合層の周辺部分をエッチングで除去する必要性がなく、膜厚を均一にすることが可能になるので、トンネル接合層の中央部分でのみ大きな光吸収が生じることがなくなり、高次モードが基本モードよりも発振し易くなる、言い換えれば、横モード制御が不安定になることを抑制することが可能になる。
【００４９】
また、スペーサ層３２やコンタクト層３３は電子の移動度の高いｎ型のＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰ等を用いることができるので、素子抵抗を下げて発熱を抑制することが可能になる。
【００５０】
さらに、選択酸化層２９の選択酸化された部分（周辺部分）の屈折率が低下することにより、活性層２７の周辺部分にくるように調整されている定在波の腹がずれる（活性層２７の中央部分には定在波の腹くる）ことにより、活性層２７の中央部分と周辺部分とで利得の差が発生し基本モードが高次モードよりも発振し易くなる、言い換えれば、横モード制御が容易になる。
【００５１】
この結果、トンネル接合やｎ型の半導体部材を用いることにより低抵抗化を図ると共に、周辺部分を選択酸化させた選択酸化膜２９により電流狭窄を行わせることにより、発熱を抑えて高出力まで安定な横モード制御が可能になる。
【００５２】
なお、図１に示す実施例では選択酸化層２９の上にトンネル接合層３０及び３１を形成してトンネル接合を構成させているが、トンネル接合と選択酸化層の位置関係を逆転させても構わない。
【００５３】
図３はこのような本発明に係る面発光レーザの他の実施例を示す構成断面図である。但し、図３に示す実施例の動作に関しては図１に示す実施例と同様であるので動作の説明は省略する。
【００５４】
図３において２４，２５，２６，２７，２８，３２，３３，３４，３５，３６及び３７は図１と同一符号を付してあり、３８は高濃度のｐ型のＩｎＧａＡｓＰ若しくはＩｎＧａＡｌＡｓ等のトンネル接合層、３９は高濃度のｎ型のＩｎＧａＡｓ等のトンネル接合層、４０はｎ型のＩｎＡｌＡｓ等の選択酸化層である。
【００５５】
基板２４上には下部のＤＢＲ層２５が形成され、ＤＢＲ層２５の上には下部のスペーサ層２６、活性層２７及び上部のスペーサ層２８が順次形成される。
【００５６】
上部のスペーサ層２８の上にはｐ型のトンネル接合層３８及びｎ型のトンネル接合層３９が順次形成されてトンネル接合を形成し、ｎ型のトンネル接合層３９の上には選択酸化層４０が形成される。
【００５７】
選択酸化層４０の上にはスペーサ層３２及びコンタクト層３３が順次形成され、選択酸化層４０に到達するまで周辺部分をメサエッチングした後、水蒸気酸化することにより選択酸化層４０の中央部分以外を酸化させて高抵抗化させる。また、コンタクト層３３上であって周辺部分には電極３６が形成される。
【００５８】
そして、コンタクト層３３の上方にはコンタクト層３３に接しない状態でメンブレン３５が形成され、メンブレン３５の下、言い換えれば、コンタクト層３３に対向する面にはＤＢＲ層３４が形成されて、図３中”ＡＧ５１”に示すようなエアギャップを形成する。
【００５９】
一方、基板２４は裏面であって図３中”ＡＲ５１”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２５表面まで取り除かれ、残った基板２４の裏面には電極３７が形成される。
【００６０】
また、選択酸化層２９及び４０としてはＩｎＡｌＡｓ等を例示しているが、ＩｎＡｌＡｓ／ＡｌＡｓ超格子を用いても構わない。
【００６１】
この場合には、ＩｎＡｌＡｓ／ＡｌＡｓ超格子を用いることにより、酸化の速度を速くすることが可能なＡｌＡｓのようにＡｌ組成比の高い部材を用いた場合であっても、ＩｎＰとの間での結晶性を維持しつつ実効的な膜厚を厚くすることが可能になり、酸化が容易になる。
【００６２】
また、選択酸化層とトンネル接合層とにより格子不整合による歪を補償しても構わない。すなわち、選択酸化層として酸化速度の速い組成比の高いＡｌＡｓを用いることにより、スペーサ層３２との間で格子不整合が生じて歪が発生する。
【００６３】
このため、トンネル接合層で選択酸化層の歪を打ち消すような歪を持たせて形成して歪を補償することにより、トンネル接合層若しくは選択酸化層上の結晶成長が容易になり、歪補償をしない場合と比較して結晶性が改善されると共に活性層へのストレスを抑制でき信頼性の向上に寄与する。
【００６４】
また、コンタクト層の表面に凹凸を形成してコンタクト層の中央部分（凸部）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、且つ、コンタクト層の周辺部分（凹部）とエアギャップの境界面に定在波の節が位置するようにコンタクト層の各部分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３４との間に挿入する構成にした場合であっても横モード制御が可能にすることができる。
【００６５】
図４はこのような本発明に係る面発光レーザの他の実施例を示す構成断面図である。但し、図４に示す実施例の動作に関しては図１に示す実施例と同様であるので動作の説明は省略する。
【００６６】
図４において２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１，３２，３４，３５，３６及び３７は図１と同一符号を付してあり、４１は中央部分に凸部が、周辺部分に凹部が形成されたコンタクト層である。
【００６７】
基板２４上には下部のＤＢＲ層２５が形成され、ＤＢＲ層２５の上には下部のスペーサ層２６、活性層２７及び上部のスペーサ層２８が順次形成される。
【００６８】
上部のスペーサ層２８の上には選択酸化層２９が形成され、選択酸化層２９の上にはｐ型のトンネル接合層３０及びｎ型のトンネル接合層３１が順次形成されてトンネル接合を形成する。
【００６９】
ｎ型のトンネル接合層３１の上にはスペーサ層３２及びコンタクト層４１が順次形成され、選択酸化層２９に到達するまで周辺部分をメサエッチングした後、水蒸気酸化することにより選択酸化層２９の中央部分以外を酸化させて高抵抗化させる。
【００７０】
この時、コンタクト層４１の中央部分（凸部）とエアギャップとの境界面に定在波の腹が位置するように、コンタクト層４１の膜厚が調整される。
【００７１】
また、コンタクト層４１の周辺部分はエッチング等によって除去して凹部を形成し、当該コンタクト層４１上であって周辺部分（凹部）には電極３６が形成される。
【００７２】
この時、コンタクト層４１の周辺部分（凹部）とエアギャップとの境界面に定在波の節が位置するように、コンタクト層４１の周辺部分（凹部）の膜厚が調整される。
【００７３】
そして、コンタクト層４１の上方にはコンタクト層４１に接しない状態でメンブレン３５が形成され、メンブレン３５の下、言い換えれば、コンタクト層４１に対向する面にはＤＢＲ層３４が形成されて、エアギャップを形成する。
【００７４】
一方、基板２４は裏面の中央部分は光の取り出し口としてエッチングによりＤＢＲ層２５表面まで取り除かれ、残った基板２４の裏面には電極３７が形成される。
【００７５】
また、図４に示す実施例では中央部分が凸部で周辺部分が凹部としているが、中央部分とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置し、且つ、コンタクト層の周辺部分とエアギャップの境界面に定在波の節が位置する状況が実現できれば、中央部分を凹部で周辺部分が凸部としても勿論構わない。
【００７６】
また、電極３６に接する部分以外のコンタクト層４１を選択エッチング等により除去してスペーサ層３２の表面に凹凸を形成しても構わない。
【００７７】
また、コンタクト層の表面に位相調整層を形成し、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、活性層における発振するレーザ光の閉じ込めが多くなり、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。
【００７８】
図５はこのような本発明に係る面発光レーザの他の実施例を示す構成断面図である。但し、図５に示す実施例の動作に関しては図１に示す実施例と同様であるので動作の説明は省略する。
【００７９】
図５において２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１，３２，３３，３４，３５，３６及び３７は図１と同一符号を付してあり、４２はｎ型のＩｎＰで形成された位相調整層である。
【００８０】
基板２４上には下部のＤＢＲ層２５が形成され、ＤＢＲ層２５の上には下部のスペーサ層２６、活性層２７及び上部のスペーサ層２８が順次形成される。
【００８１】
上部のスペーサ層２８の上には選択酸化層２９が形成され、選択酸化層２９の上にはｐ型のトンネル接合層３０及びｎ型のトンネル接合層３１が順次形成されてトンネル接合を形成する。
【００８２】
ｎ型のトンネル接合層３１の上にはスペーサ層３２及びコンタクト層３３、位相調整層４２が順次形成され、選択酸化層２９に到達するまで周辺部分をメサエッチングした後、水蒸気酸化することにより選択酸化層２９の中央部分以外を酸化させ高抵抗化させる。
【００８３】
また、コンタクト層３３上であって周辺部分には電極３６が形成され、中央部分には位相調整層４２が位相調整層４２とエアギャップとの境界面に定在波の腹が位置するように位相調整層４２の膜厚が調整されて形成される。
【００８４】
そして、コンタクト層３３の上方には位相調整層４２に接しない状態でメンブレン３５が形成され、メンブレン３５の下、言い換えれば、位相調整層４２に対向する面にはＤＢＲ層３４が形成されて、エアギャップを形成する。
【００８５】
一方、基板２４は裏面の中央部分は光の取り出し口としてエッチングによりＤＢＲ層２５表面まで取り除かれ、残った基板２４の裏面には電極３７が形成される。
【００８６】
また、位相調整層４２には半導体層を用いた例を示したが、誘電体膜等を用いても勿論構わない。
【００８７】
また、図１等に示す実施例では、メンブレン３５をＭＥＭＳで可動にして、コンタクト層と上部のＤＢＲ層との間隔（図１中”ＡＧ３１”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が固定波長の面発光レーザに適用しても勿論構わない。
【００８８】
【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及び請求項２の発明によれば、トンネル接合やｎ型の半導体部材を用いることにより低抵抗化を図ると共に、周辺部分を選択酸化させた選択酸化膜により電流狭窄を行わせることにより、発熱を抑えて高出力まで安定な横モード制御が可能になる。
【００８９】
また、請求項３の発明によれば、ＩｎＡｌＡｓ／ＡｌＡｓ超格子を用いることにより、酸化の速度を速くすることが可能なＡｌＡｓのように組成比の高い部材を用いた場合であっても、ＩｎＰとの間での結晶性を維持しつつ実効的な膜厚を厚くすることが可能になり、酸化が容易になる。
【００９０】
また、請求項４の発明によれば、トンネル接合層で選択酸化層の歪を打ち消すような歪を持たせて形成して歪を補償することにより、トンネル接合層上の結晶成長が容易になり、歪補償をしない場合と比較して結晶性が改善されると共に活性層へのストレスを抑制でき信頼性の向上に寄与する。
【００９１】
また、請求項５の発明によれば、コンタクト層の表面に凹凸を形成してコンタクト層の中央部分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、且つ、コンタクト層の周辺部分とエアギャップの境界面に定在波の節が位置するようにコンタクト層の各部分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横モード制御が可能にすることができる。
【００９２】
また、請求項６の発明によれば、コンタクト層の表面に位相調整層を形成し、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、活性層における発振するレーザ光の閉じ込めが多くなり、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。
【００９３】
また、請求項７の発明によれば、メンブレンをＭＥＭＳで可動にして、スペーサ層と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。
【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】本発明に係る面発光レーザの他の実施例を示す構成断面図である。
【図４】本発明に係る面発光レーザの他の実施例を示す構成断面図である。
【図５】本発明に係る面発光レーザの他の実施例を示す構成断面図である。
【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。
【図８】従来の面発光レーザの他の一例を示す構成断面図である。
【図９】注入電流の流れの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１，１４，２０，２５，３４ 分布反射層（ＤＢＲ層）
２，４，１５，１７，１９，２６，２８，３２ スペーサ層
３，１６，２７ 活性層
５，６，３０，３１，３８，３９ トンネル接合層
７ 低屈折率層
８ ミラー層
９，４１ コンタクト層
１０，１２，２１，２２，２３，３６，３７ 電極
１１ ヒートシンク
１３，２４ 基板
１８，２９，４０ 選択酸化層
３３ コンタクト層
３５ メンブレン
４２ 位相調整層
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のスペーサ層上に形成され周辺部分が選択酸化された選択酸化層と、
この選択酸化層上にトンネル接合を形成するトンネル接合層と、
このトンネル接合層上に形成された第３のスペーサ層と、
この第３のスペーサ層上の周辺部に形成されたコンタクト層と、
このコンタクト層上に形成される第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、
前記第３のスペーサ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
を備えたことを特徴とする面発光レーザ。 - 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のスペーサ層上にトンネル接合を形成するトンネル接合層と、
このトンネル接合層上に形成され周辺部分が選択酸化された選択酸化層と、
この選択酸化層上に形成された第３のスペーサ層と、
この第３のスペーサ層上の周辺部に形成されたコンタクト層と、
このコンタクト層上に形成される第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、
前記第３のスペーサ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
を備えたことを特徴とする面発光レーザ。 - 前記選択酸化層が、
ＩｎＡｌＡｓ／ＡｌＡｓ超格子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。 - 前記選択酸化層及び前記トンネル接合層により格子不整合による歪を補償することを特徴とする
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の面発光レーザ。 - 前記コンタクト層若しくは前記第３のスペーサ層の表面に凹凸を形成して中央部分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中央部分の膜厚を調整したことを特徴とする
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の面発光レーザ。 - 前記コンタクト層若しくは前記第３のスペーサ層上の中央部分に位相調整層を設けて中央部分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
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の面発光レーザ。 - 前記第２の分布反射膜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乃至請求項６のいずれかに記載の面発光レーザ。
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| JP2003089930A JP2004296972A (ja) | 2003-03-28 | 2003-03-28 | 面発光レーザ |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006294811A (ja) * | 2005-04-08 | 2006-10-26 | Fuji Xerox Co Ltd | トンネル接合型面発光半導体レーザ素子およびその製造方法 |
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-
2003
- 2003-03-28 JP JP2003089930A patent/JP2004296972A/ja active Pending
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