JP2005116933A - 面発光レーザ素子アレイおよび面発光レーザ素子アレイの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構造および製造プロセスによって、素子抵抗の増大を生じることなしに、発振波長の異なる複数個の面発光レーザ素子のアレイ化を実現する。
【解決手段】 複数個の面発光レーザ素子はそれぞれ活性層および電流狭窄層を含む積層構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを備えている。これら積層構造体１０ａ〜１０ｄにおける電流狭窄部５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄの面積を、個々の面発光レーザ素子ごとで出力するレーザ光の波長λに対応した大きさに設定する。これにより複数個の面発光レーザ素子からは発振波長の異なるレーザ光が出力される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、少なくとも活性層および電流狭窄層を積層して形成されたポスト型メサのような構造の積層構造体を有する面発光レーザ素子アレイおよび面発光レーザ素子アレイの製造方法に関する。

従来、面発光レーザ素子としては、ポスト型メサ構造のような、少なくとも活性層および電流狭窄層を積層してなる積層構造体を島状に形成したものが一般に用いられている。

そのようなポスト型メサ構造の主要部は、例えばドライエッチング法などによって積層構造体を30［μｍ］程度のメサ径の円形ポスト形状（柱状）に加工し、ＡｌＡｓからなる電流狭窄層を選択酸化して、電流を活性層へと高効率に注入するのための電流狭窄構造を設け、そのポスト型メサ構造のほぼ全体を誘電体膜などの絶縁膜で被覆し、メサ上部の一部を選択除去して電極窓を形成し、光出力窓を有するリング型電極を設けることによって作製される。

このような面発光レーザ素子は、電流狭窄層を備えたことによって活性層に電流が効率良く注入されるので、高効率なレーザ発振が可能であるという発光デバイスとして好適な特性を有している。

上記のような面発光レーザ素子の主要部の構造は、例えばシリコンウェハ表面に２次元的に配列形成することが可能であるため、本質的にアレイ化に適している。また、その発振波長は、主にその構造（特に共振器長に対応する活性層周りの層厚）によって変化するが、通常は、エピタキシャル成長した膜の膜厚分布は、きわめて小さい（０．５％以下）ため、同一ウェハ内ではほとんど変化しない。また、発振される横モードは、活性層、酸化狭窄部、電極の光出力窓などの構造に対応して定まるが、同じモードに対しては発振しきい値や発振波長が同じ値となる。このような特質から、上記のような面発光レーザ素子を一つの基板上にアレイ化する場合、そのアレイを構成する各面発光レーザ素子の発振波長を全く同一にすることに適している。

ところが、例えば光通信や光配線など、大容量の情報伝送量が要求される分野に面発光レーザ素子を応用する場合には、いわゆるＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing; 波長分割多重）伝送を実現できることが望ましいので、アレイを構成する各面発光レーザ素子の発振波長をそれぞれ異なったものとすることが望ましい。

そのような面発光レーザの発振波長を制御する方法としては、例えば外部に可動ソレノイドを用いた微小共振器を用いる手法や、選択成長によって活性層の膜厚を変化させる手法、微小なメサポスト径を変化させる手法（特許文献１）などが提案されている。

特開平１１−２２０２０６号公報

しかしながら、上記のような従来から提案されている手法では、いずれも次に述べるような不都合があった。

すなわち、可動ソレノイド型の場合、ソレノイドを外部でコントロールする必要があることや波長の安定度が低いことなどの問題があった。

また、選択成長型の場合、２回成長を必要とするため、そのプロセスが煩雑なものとなり、また２度のエピタキシャル成長でＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector)層の界面の急峻性が劣化しやすいことなどの問題があった。

また、メサ径変化型の場合では、電極接触面積が小さく、メサ体積も小さいことから、素子抵抗が高くなってしまい、高出力の面発光レーザ素子の実現が困難なものとなるという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡易な構造および製造プロセスによって、素子抵抗の増大を生じることなしに、発振波長の異なる複数個の素子のアレイ化を実現できる面発光レーザ素子アレイおよび面発光レーザ素子アレイの製造方法を提供することにある。

本発明の面発光レーザ素子アレイは、基板上に少なくとも活性層と電流狭窄層とを積層してなる積層構造体を有する複数個の面発光レーザ素子を、一つの基板上に配設してなる面発光レーザ素子アレイであって、複数個の面発光レーザ素子が、電流狭窄部の面積の異なる電流狭窄層を備えている。

本発明の面発光レーザ素子アレイの製造方法は、基板上に少なくとも活性層と電流狭窄層とを積層してなる積層構造体を有する複数個の面発光レーザ素子を一つの基板上に配設して面発光レーザ素子アレイを製造するにあたり、複数個の面発光レーザ素子の電流狭窄層における電流狭窄部の面積を、個々の面発光レーザ素子ごとで、その面発光レーザ素子の出力するレーザ光の波長に対応して設定する、というものである。

本発明の面発光レーザ素子アレイまたは面発光レーザ素子アレイの製造方法では、複数個の面発光レーザ素子の電流狭窄層における電流狭窄部の面積を、個々の素子の出力波長に対応して設定するという、簡易な構造および製造プロセスによって、素子抵抗の増大を生じることなしに、発振波長の異なる複数個の面発光レーザ素子のアレイ化が実現される。

本発明の面発光レーザ素子アレイまたは面発光レーザ素子アレイの製造方法によれば、複数個の面発光レーザ素子の電流狭窄層における電流狭窄部の面積を、個々の素子ごとで出力するレーザ光の波長に対応して設定するようにしたので、簡易な構造および製造プロセスによって、素子抵抗の増大を生じることなしに、発振波長の異なる複数個の面発光レーザ素子のアレイ化を実現することが可能となる。

また、積層構造体の積層構造および材質を同一とし、電流狭窄部の面積のみを異ならせることでレーザ光の波長を設定することにより、その製造プロセスのさらなる簡易化を達成することができる。

また、さらには、複数個の面発光レーザ素子が酸化狭窄によって電流狭窄部を形成してなる電流狭窄層を備えており、積層構造体の全体の大きさを異ならせることでその積層構造体の全体の大きさに対応して電流狭窄部の面積を設定することにより、その製造プロセスのさらなる簡易化を達成することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る面発光レーザ素子アレイにおける、個々の面発光レーザ素子の主要部の構成を表したものである。

この面発光レーザ素子アレイにおける個々の面発光レーザ素子は、基板２０の表面上に、ｎ型ＤＢＲ層１と、ｎ型クラッド層２と、活性層３と、ｐ型クラッド層４と、電流狭窄層５と、ｐ型ＤＢＲ層６と、コンタクト層７と、電極８とを、この順で積層してなる積層構造体１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ）と、その一方の側面の表面上に形成された、絶縁膜１１と、配線１２とから、その主要部が構成されている。

ｎ型ＤＢＲ層１およびｐ型ＤＢＲ層６は、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓとの組み合わせなどのような、屈折率の小さな半導体と大きな半導体とを交互に積層した多層膜で構成されており、その膜厚を発振波長のλ／４ｎにしたものを２０組程度積層することで、活性層３から放出される光を反射率９９％程度で反射するようにしたものである。活性層３の上下に設けられたこれらｎ型ＤＢＲ層１およびｐ型ＤＢＲ層６によって放射光を共振させてレーザ発振を発生させる。

電流狭窄層５は、例えば活性層３から数えて２層目に配置されている。この電流狭窄層５は、ＡｌＡｓを主材料としてなるもので、水蒸気による酸化狭窄プロセスによって電流狭窄部５１（５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ）が形成されて、その電流狭窄部５１のみに集中して電流を流す役割を果たすものである。

活性層３は、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとのＭＱＷ（Multi Quntum Well ；多数量子井戸) を構成している。この活性層３では、電極８から注入され電流狭窄層５によって電流狭窄部５１に集中された電子を受けて誘導放出光を発生する。

活性層３の上下に位置するｐ型クラッド層４およびｎ型クラッド層２は、活性層３よりも屈折率の小さい半導体層で、活性層３へと注入される電子を閉じ込めるためのものである。

コンタクト層７は、電流注入のための金属との接続（いわゆるオーミックコンタクト）のためのもので、例えば高ドープを施してなるＧａＡｓなどからなるものである。

電極８は、積層構造体１０の最上面に設けられたもので、中央部に光出力窓１３を有しており、その光出力窓１３からレーザ光が外部に取り出されるようになっている。絶縁膜１１は、その上に設けられる金属材料等からなる配線１２と積層構造体１０の斜面との間での電気的な短絡や電流漏洩等を防ぐために設けられたものである。配線１２は、電極８に連なって設けられて、基板２０の表面上の配線（図示省略）と電極８との間を電気的に導通して電極８へと電流を供給するためのものである。

上記面発光レーザ素子アレイにおける個々の面発光レーザ素子は、ＡｌＡｓからなる電流狭窄層５をポスト型メサ構造の積層体構造１０の周辺から酸化して形成された電流狭窄部（酸化狭窄構造）５１を有しているわけであるが、その電流狭窄部５１の面積（または外形寸法）が、個々の面発光レーザ素子ごとに出力すべきレーザ光の波長に対応した大きさに設定されている。

すなわち、個々の積層構造体１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ）の外形寸法（特に電流狭窄層５全体の外形寸法または面積）を、個々の面発光レーザ素子の発振すべきレーザ光の中心波長に対応した大きさに予め設定しておき、電流狭窄層５に既述のような酸化狭窄を行うことで、個々の積層構造体１０ごとの外形寸法に対応した大きさ（面積）の電流狭窄部５１（５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ）が形成される。そしてそのような互いに異なった面積を有する電流狭窄部５１を備えたことによって、それぞれの面発光レーザ素子から互いに異なった発振波長のレーザ光が出力される。

ここで、全体的な製造プロセスの簡易化を図るために、積層構造体１０の積層構造および材質については全ての面発光レーザ素子で同一とし、そのそれぞれの素子ごとで電流狭窄層５の電流狭窄部５１の面積のみを異ならせる（設定する、あるいは調節する）ようにすることが望ましい。

次に、この面発光レーザ素子アレイの製造プロセスについて、特にその電流狭窄層の形成プロセスを中心として説明する。

ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ：有機金属化学的気相成長）法等の手法を用いて、基板２０上にｎ型ＤＢＲ層１、ｎ型クラッド層２、活性層３、ｐ型クラッド層４、電流狭窄層５、ｐ型ＤＢＲ層６およびコンタクト層７を、この順で積層形成する。

そしてその平坦的な積層物をフォトリソグラフィ法によってパターニングして、図２に示したような平面形で、その直径が30［μｍ］前後で少しずつ異なったポスト型（円柱状）メサ構造の積層構造体１０のアレイを形成する。但し、この段階では、電流狭窄層５における電流狭窄部５１は未だ設けられていないが、このプロセスで、アレイを構成する複数個の面発光レーザ素子のそれぞれの積層構造体１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ）の直径を、その個々の面発光レーザ素子の出力すべきレーザ光の発振波長に対応した電流狭窄部５１（５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ）の面積が後段の酸化狭窄プロセスで形成できるような直径に、それぞれ設定する。

ここで、積層構造体１０の側壁は、電流注入を高効率なものとするためには急峻であることが要請されるので、上記のような積層構造体１０のアレイを形成するためのフォトリソグラフィ法によるパターニングプロセスでは異方性エッチングが好適に行われる。そのような異方性エッチングの加工法としては、ドライエッチング法が特に好適であり、その際のエッチングガスとしては、本実施の形態の場合のようなＧａＡｓ系材料を用いた積層構造体１０の場合には塩素系ガスを好適に用いることができる。

続いて、リング状の電極８を積層構造体１０の最上層の表面上に設ける。この電極８は、光出力窓１３の内径によって出射光の状態が規定されるので、光出力窓１３を所望の出射光の状態に対応した大きさとなるように形成する。

次いで、積層構造体１０の全体に例えば水蒸気暴露（水蒸気中酸化）を行うことにより電流狭窄層５の外周から内部へとその材質の酸化を進めて行き、その酸化狭窄を所定の時間が経過すると停止させる。これにより電流狭窄層５の中央部に電流狭窄部５１が形成される。一般に電流狭窄部５１の直径（または対角長）が１５［μｍ］程度以下であれば、直下の活性層３には集中してキャリアが注入されて効率的なレーザ光発振が行われるので、高効率なレーザ出力が達成される。

ここで、面発光レーザ素子が出力するレーザ光の発振波長は、（１）活性層３およびその付近の各層の厚さで決まる共振器の光学長、（２）デバイス構造で決まる励振する横モードに対する実効屈折率の、２つの要素によってほぼ決定される。そして、一つの基板上に配設されて面発光レーザ素子アレイを構成する、複数個の面発光レーザ素子について、その個々の発振波長をそれぞれ個別に独立して設定するためには、上記の（１）または（２）のいずれか、または両方を制御して、所望の値に近付ければよい。

本実施の形態に係る面発光レーザ素子アレイでは、酸化狭窄を行う以前の、個々の素子ごとの積層構造体１０の平面形状の外形寸法（直径）を、数１０［μｍ］程度の大きさを中心（基準値）として数［μｍ］ずつ個々の素子ごとに異なった値に設定しておく。

より具体的には、例えば図２に一例を示したように、積層構造体１０の平面形状の直径を、基準値ａを３０〜４０［μｍ］程度の範囲内の値（例えばａ＝３０［μｍ］）として、各面発光レーザ素子ごとに１［μｍ］ずつ変化させるようにする。この一例では、各面発光レーザ素子の積層構造体１０の平面形状の直径は、図２で左から順に、３０[ μｍ］，ａ−１＝２９［μｍ］，ａ−２＝２８［μｍ］，ａ−３＝２７［μｍ］となっている。

このような外形寸法の異なる個々の面発光レーザ素子が形成されたアレイの全体を水蒸気酸化させることで、図３に一例を示したように、個々の面発光レーザ素子の電流狭窄層５には、それぞれ積層構造体１０の平面形状の直径に対応して互いに異なった外形寸法（対角長）の電流狭窄部５１が形成される。

この図３に示した一例では、電流狭窄部５１（５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ）の外形寸法（対角長：φａ，φｂ，φｃ，φｄ）は、アレイの左から順に、φａ＝約１０［μｍ］、φｂ＝約９［μｍ］，φｃ＝約８［μｍ］，φｄ＝約７［μｍ］となっている。それらの電流狭窄部５１はいずれも同様に正方形で相似形となっているので、そのそれぞれの面積も互いに異なったものとなっており、その面積比は、１００：８１：６４：４９となっている。

そして、その各積層構造体１０に全く同等の大きさ（例えば光出力窓の直径を１５［μｍ］とする）および形状（リング状）の電極８を付設する。

このようにそれぞれ異なった面積の電流狭窄部５１を備えた面発光レーザ素子は、次に述べる主に２つの作用によって、素子ごとでの発振波長が異なったものとなる。

第１に、各素子における電流狭窄部５１の面積が異なるため、レーザ発振に必要なしきい電流が異なったものとなり、また実際には発振時の損失も異なったものとなるので、電流狭窄部５１の面積が小さいと電流密度が高くなる。このため、電極８から活性層３に電流が供給されてレーザが発振される状態では、活性層３での屈折率が変化する（キャリアによるプラズマ効果）。具体的には、電流狭窄部５１の面積が小さいと電流密度が高くなって、活性層３の屈折率が低下する。すると、その活性層３の屈折率の低下に伴って実効的共振器長が変化して、発振波長が変化する。

第２に、電流狭窄部５１の面積が小さいと、活性層３付近に形成される柱状の導波構造、すなわち発振光に対する屈折率の分布が変化し、それに対応してレーザ光の出力状態も変化する。この場合、導波形状を円柱近似することによって、下記のような式が成り立つ。

（２π・Ｎeff ／λ）² ＝β² ＋βt²

ここで、Neffは柱状導波構造の実効屈折率、λは発振波長、βは円柱軸方向の伝播定数、βt はそれと垂直な方向における伝播定数をそれぞれ表す。

βt は円柱直径とほぼ反比例することが判っており、電流狭窄部５１の面積が小さくなると、大きくなる。従って、βがほぼ一定とすると狭窄径が小さくなれば、λは短波化することになる。

これら２つの作用を以って、個々の面発光レーザ素子の発振波長は、電流狭窄部５１の面積（大きさ）に対応して短波化するという相関関係が成立しているものと想定される。

このような作用によって、上記のように電流狭窄部５１の寸法を１［μｍ］ずつ異なったものとしたアレイの場合では、個々の面発光レーザ素子の発振波長は数ｎｍずつ変化すると予想される。

実際に、上記のようにして個々の面発光レーザ素子の積層構造体１０ごとに電流狭窄部５１の面積を異なった大きさとした面発光レーザ素子アレイを作製し、そのレーザ出力について確認した。具体的には、個々の面発光レーザ素子の電流狭窄部５１の寸法（対角長）を、９［μｍ］，８［μｍ］，７［μｍ］，６［μｍ］とした。その結果、発振波長は電流狭窄部５１の大きさに対応して明らかに異なったものとなることが確認された。

以上説明した面発光レーザ素子アレイは、例えば、図４に一例を示したように、合波器３０および光ファイバ伝送路４０を有する光通信システムにおけるＷＤＭ光源として適用することができる。

また、そのような用途に応用する場合には、個々の素子ごとで出力するレーザの発振波長を、λ1 ＝λ0 ，λ2 ＝λ1 ＋α，λ3 ＝λ2 ＋α，λ4 ＝λ3 ＋α…のように、隣り合う個々の素子ごとに波長を等間隔に異ならせたレーザ光を出力する面発光レーザ素子アレイを実現することなども可能である。

なお、上記の実施の形態では、電流狭窄部５１を正方形の平面形状にした場合について説明したが、電流狭窄部５１の平面形状としては、この他にも、例えば図５に示したように円形状にすることや、図６に示したように多角形状（図の一例では六角形）にすることなども可能であることは言うまでもない。

また、ポスト型メサ構造の積層体構造１０の外形形状についても、いわゆるポスト型として一般的である円柱状の他にも、図７に一例を示したような直方体状や、図８に示したように、１つのウェハに複数個の積層構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを作り込んでおき、それをチップ状に分離して、その一つ一つのチップ１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄを１つの基板２０上に実装して面発光レーザ素子アレイを構成することなども可能である。

あるいは、面発光レーザ素子をインライン状に配列形成してアレイを構成すること以外にも、例えば図９に示したように、面発光レーザ素子（積層構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ…）をマトリックス状に配列形成してマトリックスアレイを構成することなども可能であることは言うまでもない。

本発明の一実施の形態に係る面発光レーザ素子アレイにおける、個々の面発光レーザ素子の主要部の構成を表した図である。 面発光レーザ素子アレイにおける複数の積層構造体の平面的形状を表した図である。 面発光レーザ素子アレイにおける複数の電流狭窄部の平面的形状を表した図である。 面発光レーザ素子アレイの光源としての適用例を表す図である。 電流狭窄部の平面形状の他の例を表した図である。 電流狭窄部の平面形状の更に他の一例を表した図である。 積層体構造の外形形状の一例を表した図である。 積層体構造の外形形状の他の一例を表した図である。 面発光レーザ素子アレイの配列形状の一例を表した図である。

符号の説明

１…ｎ型ＤＢＲ層、２…ｎ型クラッド層、３…活性層、４…ｐ型クラッド層、５…電流狭窄層、６…ｐ型ＤＢＲ層、７…コンタクト層、８…電極、１０（１０ａ〜１０ｄ）…積層構造体、１１…絶縁膜、１２…配線、１３…光出力窓、２０…基板、５１（５１ａ〜５１ｄ）…電流狭窄部

Claims (8)

1. 基板上に少なくとも活性層と電流狭窄層とを積層してなる積層構造体を有する複数個の面発光レーザ素子を一つの基板上に配設してなる面発光レーザ素子アレイであって、
   前記複数個の面発光レーザ素子が、電流狭窄部の面積の異なる電流狭窄層を備えている
   ことを特徴とする面発光レーザ素子アレイ。
2. 前記複数個の面発光レーザ素子は、その各々が当該面発光レーザ素子の出力するレーザ光の波長に対応して前記電流狭窄部の面積を設定してなるものである
   ことを特徴とする請求項１記載の面発光レーザ素子アレイ。
3. 前記複数個の面発光レーザ素子は、前記積層構造体の積層構造および材質が同一であり、前記電流狭窄部の面積のみを異ならせることで前記レーザ光の波長を設定してなるものである
   ことを特徴とする請求項２記載の面発光レーザ素子アレイ。
4. 前記複数個の面発光レーザ素子は、酸化狭窄によって前記電流狭窄部を形成した電流狭窄層を備えており、前記積層構造体の全体の大きさを異ならせることで、当該積層構造体の全体の大きさに対応して前記電流狭窄部の面積を設定してなるものである
   ことを特徴とする請求項２記載の面発光レーザ素子アレイ。
5. 前記積層構造体が、ポスト型のメサ構造体である
   ことを特徴とする請求項１記載の面発光レーザ素子アレイ。
6. 基板上に少なくとも活性層と電流狭窄層とを積層してなる積層構造体を有する複数個の面発光レーザ素子を一つの基板上に配設して面発光レーザ素子アレイを製造するにあたり、
   前記複数個の面発光レーザ素子の電流狭窄層における電流狭窄部の面積を、個々の面発光レーザ素子ごとで当該面発光レーザ素子の出力するレーザ光の波長に対応して設定する
   ことを特徴とする面発光レーザ素子アレイの製造方法。
7. 前記複数個の面発光レーザ素子における前記積層構造体の積層構造および材質を同一とし、前記電流狭窄部の面積のみを異ならせることで前記レーザ光の波長を設定する
   ことを特徴とする請求項６記載の面発光レーザ素子アレイの製造方法。
8. 前記積層構造体の全体の大きさを、予め前記電流狭窄部の面積に対応した大きさに設定しておき、同一の酸化狭窄プロセスによって前記電流狭窄層を酸化狭窄することで、前記複数個の面発光レーザ素子の電流狭窄層における電流狭窄部の面積を、個々の面発光レーザ素子ごとで当該面発光レーザ素子の出力するレーザ光の波長に対応した面積にする
   ことを特徴とする請求項６記載の面発光レーザ素子アレイの製造方法。
   

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