JP2005108983A - 面発光レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 長共振器構造においても単一横モード発振可能でしかも制御性良く製作できる面発光レーザ素子を提供する。
【解決手段】 活性層４及び活性層４の両側に形成されたスペーサ層３ａ、３ｂからなる共振領域１５と、共振領域１５を挟んで対向する一対のＤＢＲ２、５とが基板１上に形成されており、共振領域１５に一対のＤＢＲ２、５を介して電流を印加することにより、共振領域１５より基板１の基板面に垂直方向にレーザ光が放射される面発光レーザ素子において、活性層４は、スペーサ層３ａ，３ｂ中に埋め込まれて配置されており、基板面に平行な活性層４の横幅を単一横モード発振する長さに設定し、活性層４の横方向の両端に接するスペーサ層３ａ，３ｂの各幅を活性層４に通電する電流が活性層４に集中するように設定した。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信機器等に使用される光源用光素子である面発光レーザ素子に関するものである。

基板に対して垂直方向に発光、発振するいわゆる面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：垂直空洞面発光型半導体レーザ素子）は、効率が高く、ビーム特性に優れている。さらに、２次元アレイ化に適していることから、光インターコネクションなどへの応用が研究されている（例えば、特許文献１参照。）。

図５に、従来例の面発光レーザ素子（以下、単に、ＶＣＳＥＬともいう。）４０の断面構造を示す。
ｎ−ＧａＡｓからなる基板２１上に、ｎ−ＡｌＡｓ／ｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8ＡｓからなるＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：分布ブラッグ反射器）多層膜２２（第一導電型ＤＢＲ層に相当）、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ：０．５〜０．７）からなる下側スペーサ層２３ａ、ＧａＡｓ／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓからなる多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）活性層２４、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ：０．５〜０．７）からなる上側スペーサ層２３ｂ、ｐ−ＡｌＡｓからなる酸化狭窄層３１（この外側は酸化絶縁部３１’となっている）、ｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8ＡｓからなるＤＢＲ多層膜２５（第二導電型ＤＢＲ層に相当）、ｐ−ＧａＡｓからなるコンタクト層２６、ポリイミド又は高抵抗な半導体結晶からなる埋め込み層２７、絶縁膜２８、コンタクト電極２９がそれぞれ所定形状で形成されている。さらに、コンタクト電極２９に配線電極３２が接続されており、基板２１の下側（各層の形成されていない側）には基板側電極３０が形成されている。

この面発光レーザ素子４０においては、レーザ光は、基板上部から出射するようにしている。また、ｎ−ＡｌＡｓ／ｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8ＡｓからなるＤＢＲ多層膜２２及びｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8ＡｓからなるＤＢＲ多層膜２５は、ＧａＡｓ／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓからなる多重量子井戸活性層２４の発振波長に対して９９％以上の高反射率になるようにしている。

同図に示すように、活性層２４を分離せず、活性層２４上に、屈折率が違い、かつ高抵抗の薄いＡｌＡｓ酸化膜（酸化狭窄層３１）を配置することにより、電流狭窄と光閉じ込めをしている。このＡｌＡｓ酸化膜は、高温水蒸気酸化にて、メサ側壁より酸化を進行させることで作製している。
特開２００２−３５９４３４号公報

ところで、従来の面発光レーザ素子４０においては、活性層２４上の薄いＡｌＡｓ酸化膜（酸化狭窄層３１）だけで光閉じ込めを行っているので、光の導波が完全でなく、高電流注入時に単一横モードを得るのが困難である。また、ＡｌＡｓ層を酸化するとき、所望の位置に均一性良く酸化を進行させる制御が難しい。さらに、長共振器構造（ｎλ共振器：ｎ≧２）にした場合、酸化狭窄層と活性層の位置が離れてしまい、光閉じ込めと電流狭窄が困難になるという問題がある。

そこで、本発明は、上記問題を解決して、長共振器構造においても単一横モード発振可能でしかも制御性良く製作できる面発光レーザ素子を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するための手段として、本発明は、活性層４及び前記活性層の両側に形成されたスペーサ層３ａ、３ｂからなる共振領域１５と、前記共振領域を挟んで対向する一対の分布ブラッグ反射器２、５とが基板１上に形成されており、前記共振領域に前記一対の分布ブラッグ反射器を介して電流を印加することにより、前記共振領域より前記基板の基板面に垂直方向にレーザ光が放射される面発光レーザ素子において、
前記活性層は、前記スペーサ層中に埋め込まれて配置されており、前記基板面に平行な前記活性層の横幅を単一横モード発振する長さに設定し、前記活性層の横方向の両端に接するスペーサ層の各幅を前記活性層に通電する前記電流が前記活性層に集中するように設定したことを特徴とする面発光レーザ素子を提供しようとするものである。

本発明の面発光レーザ素子は、活性層は、スペーサ層中に埋め込まれて配置されており、基板面に平行な前記活性層の横幅を単一横モード発振する長さに設定し、前記活性層の横方向の両端に接するスペーサ層の各幅を前記活性層に通電する電流が前記活性層に集中するように設定したことにより、長共振器構造においても単一横モード発振可能でしかも制御性良く製作できる面発光レーザ素子を提供できるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態につき、好ましい実施例により、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の面発光レーザ素子の実施例を示す断面構成図である。
図２は、本発明の面発光レーザ素子の実施例における活性層近傍の拡大図である。
図３は、本発明の面発光レーザ素子の実施例を製造するための第１の製造工程図である。
図４は、本発明の面発光レーザ素子の実施例を製造するための第２の製造工程図である。

図１に示すように、本実施例の面発光レーザ素子２０は、以下のように構成されている。
ｎ−ＧａＡｓからなる基板１上に、ｎ−ＡｌＡｓ／ｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8ＡｓからなるＤＢＲ多層膜２（第一導電型ＤＢＲ層に相当）が形成されている。このＤＢＲ多層膜２上には、所定形状のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ：０．５〜０．７）からなる下側スペーサ層３ａ、ＧａＡｓ／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓからなる多重量子井戸活性層４、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ：０．５〜０．７）からなる上側スペーサ層３ｂ、ｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8ＡｓからなるＤＢＲ多層膜５（２第二導電型ＤＢＲ層に相当）、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層６が順次積層されている。
ここで、下側スペーサ層３ａ、活性層４及び上側スペーサ層３ｂは共振領域を構成する。

これら下側スペーサ層３ａ、活性層４、上側スペーサ層３ｂ、ＤＢＲ多層膜５及びコンタクト層６の周囲には、ポリイミド又は高抵抗な半導体結晶からなる埋め込み層７とＳｉＯ₂からなる絶縁膜８が形成されている。コンタクト層６の一部を蔽って、コンタクト電極９が形成されている。絶縁膜８上には配線電極１２が形成されており、配線電極１２は、コンタクト電極９と電気的に接続している。一方、基板１の上述した各膜の形成されていない面上には基板側電極１０が形成されている。

ここで、本実施例の面発光レーザ素子２０においては、レーザ光は、基板１の上部から出射するようにしている。また、ｎ−ＡｌＡｓ／ｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8ＡｓからなるＤＢＲ多層膜２及びｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8ＡｓからなるＤＢＲ多層膜５は、ＧａＡｓ／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓからなる多重量子井戸活性層４の発振波長に対して９９％以上の高反射率になるようにする。
また、ＤＢＲ多層膜２とＤＢＲ多層膜５の導電型は互いに逆極性となっている。

次に、図３及び図４により、面発光レーザ素子２０の製造方法を説明する。
まず、図３の（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓの基板１を用意する。
次に、図３の（ｂ）に示すように、基板１上に、ｎ−ＡｌＡｓ／ｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8ＡｓからなるＤＢＲ多層膜２、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ：０．５〜０．７）からなる下側スペーサ層３ａ’及びＧａＡｓ／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓからなる多重量子井戸活性層４’を順次、有機金属気相成長法をもちいてエピタキシャル成長させて形成する。

次に、図３の（ｃ）に示すように、活性層４’を１０μｍ×１０μｍ以下、又は直径１０μｍ以下になるように、すなわち、単一横モード発振になる大きさになるように、図示しないフォトレジストパターンを活性層４’上に形成し、これをマスクとして、不要の活性層４’を選択的にエッチング除去する。エッチングは、ドライエッチング又はウエットエッチングにて行う。エッチング後、フォトレジストパターンを剥離する。これにより、下側スペーサ３ａ’上に所定形状（図２において、Ｄ（直径または角型長さ）で示す。）の活性層４を形成する。

次に、図３の（ｄ）に示すように、下側スペーサ３ａ’及び活性層４を蔽って、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ：０．５〜０．７）からなる上側スペーサ層３ｂ’、ｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8ＡｓからなるＤＢＲ多層膜５’及びｐ−ＧａＡｓからなるコンタクト層６’を、順次、有機金属気相成長法にてエピタキシャル成長させて形成する。
このとき、下側スペーサ層３ａ’、活性層４及び上側スペーサ層３ｂ’の合計の厚さ（図２において、ｔで示す。）が、光学長で活性層４の発振波長のｎ波長分（ｎ：整数、ｎ≧１）になるようにする。

次に、図４の（ｅ）に示すように、図示しないフォトレジストパターンをコンタクト層６’上に形成し、これをマスクとして、コンタクト層６’、ＤＢＲ多層膜５’、上側スペーサ層３ｂ’及び下側スペーサ層３ａ’からなる積層膜をＤＢＲ多層膜２までエッチングすることにより、不要部分を除去する。このとき、図２に示すように、活性層４の端部から下側スペーサ層３ａ’及び上側スペーサ層３ｂ’がｄ（Ｄ／１０程度：１μｍ程度）だけ大きくなるように、エッチングを行う。これにより、活性層４より外周部が１μｍ程度大きい下側スペーサ層３ａ及び上側スペーサ層３ｂが得られる。また、同様のサイズを有するＤＢＲ多層膜５及びコンタクト層６が得られる。

活性層４より、上側スペーサ層３ｂおよび下側スペーサ層３ａをわずかに大きくする理由は、第１には、活性層４の横端部が後の工程（ポリイミドの埋め込み時）において、空気にさらされないようにするためである。活性層４は空気に一時的に曝されると、界面の結晶が劣化し、経時的に面発光レーザ素子２０の特性が劣化する。
第２の理由は、上側スペーサ層３ｂ及び下側スペーサ層３ａを介して活性層４に通電する場合、漏れ電流を少なくし、できるだけ有効に活性層４に電流が流れるようにするためである。ｄを大きくすると、上側及び下側スペーサ層３ｂ、３ａと活性層４との界面にはバリアがあるので、電流が活性層４の外側に流れやすくなるので、効率が低下するためである。

次に、図４の（ｆ）に示すように、図４の（ｅ）でエッチング除去した部分に、ポリイミドを埋め込んで埋め込み層７を形成する。このとき、ポリイミドに代えて、高抵抗の半導体結晶を埋め込んでも良い。
次に、図４の（ｇ）に示すように、埋め込み層７上に、例えばＳｉＯ₂からなる絶縁層８を形成し、コンタクト層６には、放出されるレーザ光が影響しない部分にコンタクト電極が形成され、さらに絶縁層８上の所定部分にコンタクト電極９と電気的に接続する配線電極１２が形成され、最後に、基板１のレーザ発光部とは反対側の面上に基板側電極を形成して、本実施例の面発光レーザ素子２０が得られる。

面発光レーザ素子２０は、図２にその活性層４近傍（共振領域１５近傍）を拡大して示したように、上側及び下側スペーサ層３ｂ、３ａと活性層４の合計の厚さｔをレーザ発振波長λの整数ｎのｎ倍としてあり、活性層４の大きさＤ（円筒の場合は直径、角柱の場合は四角辺長）を単一横モード発振を行うことが実験的にわかっている１０μｍ以下としてあるので、有効な単一横モード発振が可能である。また、活性層４の両側に配置される上側及び下側スペーサ層３ｂ、３ａの大きさを活性層４の大きさＤよりＤ／１０程大きくしてある（ｄが略Ｄ／１０である）ので、活性層４が後の工程においても酸化劣化することなく、しかも、レーザ発振するために印加する電流が有効に活性層４に流れるので、経時的に安定で、効率の良いレーザ発振が可能である。

このように、活性層を単一横モードになる分だけの大きさにするので、高電流注入しても単一横モード発振が可能となり、活性層の加工には、ウエハプロセスでのフォトリソグラフィーを用いるので、活性層の大きさを所望の大きさに作製できるため、均一な特性を制御性よく得ることができ、長共振器構造（ｎλ共振器：ｎ≧２）にしても、電流狭窄と光閉じ込めが可能となる。

なお、上記説明では、各膜のエピタキシャル成長に、有機金属気相成長法を用いた場合について説明したが、分子線エピタキシャル成長法、ガスソース分子線エピタキシャル成長法、ケミカルビームエピタキシャル成長法も使用できる。
また、第一導電型ＤＢＲ多層膜２、第二導電型ＤＢＲ多層膜５、活性層４としては、上記材料以外に、ＧａＡｓ基板にエピタキシャル成長可能な材料、例えば、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等で構成することが可能であり、さらに、基板をＧａＡｓ以外の材料、例えば、ＩｎＰとした場合は、その基板にエピタキシャル成長可能な材料、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ等で構成することも可能である。

本発明の面発光レーザ素子の実施例を示す断面構成図である。 本発明の面発光レーザ素子の実施例における活性層近傍の拡大図である。 本発明の面発光レーザ素子の実施例を製造するための第１の製造工程図である。 本発明の面発光レーザ素子の実施例を製造するための第２の製造工程図である。 従来例の面発光レーザ素子を示す断面構成図である。

符号の説明

１…基板、２…ＤＢＲ多層膜、３ａ，３ａ’…下側スペーサ層、３ｂ，３ｂ’…上側スペーサ層、４，４’…活性層、５，５’…ＤＢＲ多層膜、６，６’…コンタクト層、７…埋め込み層、８…絶縁膜、９…コンタクト電極、１０…基板側電極、１２…配線電極、１５…共振領域、２０…面発光レーザ素子、２１…基板、２２…ＤＢＲ多層膜、２３ａ…下側スペーサ層、２３ｂ…上側スペーサ層、２４…活性層、２５…ＤＢＲ多層膜、２６…コンタクト層、２７…埋め込み層、２８…絶縁膜、２９…コンタクト電極、３０…基板側電極、３１…酸化狭窄層、３１’…酸化絶縁部、３２…配線電極、４０…面発光レーザ素子。

Claims (1)

1. 活性層及び前記活性層の両側に形成されたスペーサ層からなる共振領域と、前記共振領域を挟んで対向する一対の分布ブラッグ反射器とが基板上に形成されており、前記共振領域に前記一対の分布ブラッグ反射器を介して電流を印加することにより、前記共振領域より前記基板の基板面に垂直方向にレーザ光が放射される面発光レーザ素子において、
   前記活性層は、前記スペーサ層中に埋め込まれて配置されており、前記基板面に平行な前記活性層の横幅を単一横モード発振する長さに設定し、前記活性層の横方向の両端に接するスペーサ層の各幅を前記活性層に通電する前記電流が前記活性層に集中するように設定したことを特徴とする面発光レーザ素子。
   
   

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