JP2007013135A - 垂直外部共振型の表面発光レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】高出力垂直外部共振型の表面発光レーザを提供する。
【解決手段】基板１０上に形成されたＤＢＲミラー２０と、ＤＢＲミラー２０上に形成されるものであり、複数の量子ウェル層３１、各量子ウェル層３１の両面にそれぞれ順次に積層されて当該量子ウェル層３１のストレインを段階的に緩和させる第１ストレイン補償層３２及び第２ストレイン補償層３４とを備える多重量子ウェル層３０と、多重量子ウェル層３０上に形成されたキャッピング層４０と、キャッピング層４０の表面にポンプ光を照射する光学ポンプ５０と、ＤＢＲミラー２０に対向して外部に設置される外部共振ミラー６０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、垂直外部共振型の表面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）素子に係り、より詳細には、周期的利得構造の多重量子ウェル層でそれぞれの量子ウェル層の利得が向上するように、その構造が改善されたＶＥＣＳＥＬ素子に関する。

垂直共振器型の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）は、非常に狭いスペクトルの単一縦モード発振をするだけでなく、ビームの放射角が小さくて、接続効率が高く、面発光の構造上、他の装置の集積が容易な特徴があって、ポンプ光源（Ｐｕｍｐ ＬＤ）に適している。

しかし、一般的なＶＣＳＥＬは、単一横モード発振が側面発光レーザダイオードに比べて非常に難しく、通常の単一横モード動作のためには、発振領域の面積が１０μｍ以下でなければならず、このような場合でさえ光出力の増加による熱的レンズ効果などの影響によって、多重モード状態に変わるため、単一横モード出力の限界は、一般的に５ｍＷ以上を超えられない。

前述したＶＣＳＥＬの長所を生かし、かつ高出力動作を具現するために提示された新しい装置がＶＥＣＳＥＬである。ＶＥＣＳＥＬは、上部反射層（Ｕｐｐｅｒ ＤＢＲ）を外部反射装置（Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｍｉｒｒｏｒ）に代替することによって、利得領域を増大させることができるので、１００ｍＷ以上の出力を得ることができる。近年は、表面発光レーザが側面発光に比べて利得体積が小さくて、十分な利得を得難いという短所を最大限に補完するために、周期的にＱＷ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）が配置される周期的利得構造のＶＥＣＳＥＬ素子が開発された。また、電気的ポンピングでは大きい面積に均一なキャリア注入をするのに限界があるため、高出力を得るために、光学的ポンピングを通じて広い面積を均一にポンピングする構造のＶＥＣＳＥＬ素子が開発された。

Ｋｕｚｎｅｔｓｏｖらは、周期的利得構造のＶＥＣＳＥＬ素子で量子ウェル層のストレインによる構造的欠陥の発生を抑制するために、量子ウェル層のストレインを補償するストレイン補償層を提案した（非特許文献１）。

しかし、このような構造のＶＥＣＳＥＬ素子において、ストレイン補償層が量子ウェル層の周囲でストレインを完全に相殺させるが、このように量子ウェル層周囲のストレインが完全に除去される場合、量子ウェル層の利得を最大に得られないという問題点があった。したがって、ストレイン補償層を含むＶＥＣＳＥＬ素子で量子ウェル層の利得を最大に得るために、ＶＥＣＳＥＬ素子の構造改善が要求されている。

Ｋｕｚｎｅｔｓｏｖ他．"Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ Ｄｉｏｄｅ−Ｐｕｍｐｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ−Ｅｘｔｅｒｎａｌ−Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒｓ" ＩＥＥＥ Ｊ． Ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９９，Ｖｏｌ．５（３），ｐ．５６１

本発明が達成しようとする技術的課題は、上記従来技術の問題点を改善するためのものであり、周期的利得構造の多重量子ウェル層でそれぞれの量子ウェル層の利得が向上するように、その構造が改善されたＶＥＣＳＥＬ素子を提供するところにある。

本発明によるＶＥＣＳＥＬ素子は、基板上に形成されたＤＢＲミラーと、前記ＤＢＲミラー上に形成されるものであり、複数の量子ウェル層と、前記各量子ウェル層の両面にそれぞれ順次に積層されて当該量子ウェル層のストレインを段階的に緩和させる第１ストレイン補償層及び第２ストレイン補償層とを備える多重量子ウェル層と、前記多重量子ウェル層上に形成されたキャッピング層と、前記キャッピング層の表面にポンプ光を照射する光学ポンプと、前記ＤＢＲミラーに対向して外部に設置される外部共振ミラーと、を備える。

ここで、前記多重量子ウェル層は、周期的利得構造に形成されたものである。前記量子ウェル層は、ＩｎＧａＡｓまたはＧａＩｎＮＡｓ物質から形成されたものであり、前記第１ストレイン補償層及び第２ストレイン補償層は、ＧａＡｓＰまたはＧａＮＡｓ物質から形成されたものである。そして、前記キャッピング層は、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ（０≦ｘ＜１）物質から形成されたものである。

望ましくは、前記量子ウェル層と前記第１ストレイン補償層との間、及び、前記第１ストレイン補償層と前記第２ストレイン補償層との間に、第１バリア層がそれぞれ介在されうる。ここで、前記第１バリア層は、Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ（０≦ｙ≦０．０８）物質から形成されたものである。そして、前記下部ＤＢＲミラーと前記多重量子ウェル層との間、及び、前記多重量子ウェル層と前記キャッピング層との間に、第２バリア層がそれぞれ介在されうる。

このような構造を有する本発明によれば、周期的利得構造の多重量子ウェル層において、それぞれの量子ウェル層の利得が最大化されて、動作特性及び信頼性が向上したＶＥＣＳＥＬ素子を得ることができる。

本発明によれば、周期的利得構造の多重量子ウェル層において、それぞれの量子ウェル層のストレインが段階的に緩和されて、構造的欠陥が発生せずとも、量子ウェル層の利得が最大化されるように、その構造が改善されたＶＥＣＳＥＬ素子を得ることができる。したがって、ＶＥＣＳＥＬ素子の動作特性が向上し、素子の信頼性も確保できる。

以下、本発明のＶＥＣＳＥＬ素子の望ましい実施形態を、添付された図面を参照して詳細に説明する。この過程で図面に示された層及び領域などの厚さは、明細書の明確性のために誇張して図示されている。

図１は、本発明の一実施形態によるＶＥＣＳＥＬ素子の概略的な断面図であり、図２は、図１のＶＥＣＳＥＬ素子における各層別エネルギーバンド図である。

図１及び図２を参照すると、本発明によるＶＥＣＳＥＬ素子は、基板１０上に順次に積層された下部ＤＢＲミラー２０、多重量子ウェル層（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ Ｌａｙｅｒ）３０、キャッピング層４０、キャッピング層４０の表面にポンプ光を照射する光学ポンプ５０、及び下部ＤＢＲミラー２０に対向して外部に設置される外部共振ミラー６０を備える。基板１０としてＧａＡｓ材質の基板が利用されうる。そして、下部ＤＢＲミラー２０は、交互に積層されるＡｌＧａＡｓ層とＧａＡｓ層とを備えうる。このような基板１０と下部ＤＢＲミラー２０の材質及び形成方法は、周知の通りであるので、その詳細な説明は省略する。

ここで、多重量子ウェル層３０は、周期的利得構造に形成される。具体的には、多重量子ウェル層３０は、複数の量子ウェル層（ＱＷ：Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）３１と、量子ウェル層３１の上下面上に順次に積層される第１ストレイン補償層３２及び第２ストレイン補償層３４とを備える。第１ストレイン補償層３２及び第２ストレイン補償層３４は、量子ウェル層３１のストレイン（ｓｔｒａｉｎ：歪み）を段階的に緩和させることができる。すなわち、量子ウェル層３１を基準として相互対称的に配置される第１ストレイン補償層３２は、これらの間に介在した量子ウェル層３１のストレインを一部相殺（ｏｆｆｓｅｔ）させ、相互対称的に配置される第２ストレイン補償層３４がその残りのストレインを相殺させることができる。したがって、周期的利得構造の多重量子ウェル層において、それぞれの量子ウェル層のストレインによる構造的欠陥が発生しない。また、ＶＥＣＳＥＬ素子でこのように量子ウェル層３１のストレインを段階的に緩和させる構造を採択する場合、相殺されていない残りのストレインは量子ウェル層３１の周囲に残留し、このような残留ストレインの影響によって量子ウェル層３１の利得が最大化されうる。また、このような残留ストレインは、第２ストレイン補償層３４の周囲で相殺されて除去されうる。

ここで、量子ウェル層３１は、ＩｎＧａＡｓまたはＧａＩｎＮＡｓ物質から形成され、第１ストレイン補償層３２及び第２ストレイン補償層３４は、ＧａＡｓＰまたはＧａＮＡｓ物質から形成されうる。そして、キャッピング層４０は、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ（０≦ｘ＜１）物質から形成されうる。特に、第１及び第２ストレイン補償層３２，３４の組成と厚さとを制御することによって、量子ウェル層３１の周囲でのストレイン量を調節でき、量子ウェル層３１の利得を最適化できる。

望ましくは、量子ウェル層３１と第１ストレイン補償層３２との間、及び、第１ストレイン補償層３２と第２ストレイン補償層３４との間に、それぞれバリア層３８が介在し、バリア層３８は、Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ（０≦ｙ≦０．０８）物質から形成されうる。そして、バリア層３８は、下部ＤＢＲミラー２０と多重量子ウェル層３０との間、及び、多重量子ウェル層３０とキャッピング層４０との間にさらに介在しうる。

このような構成を有する本発明によれば、量子ウェル層（ＱＷ）のストレイン補償が漸進的に行われて、最大の利得が得られ、かつＶＥＣＳＥＬ素子全体でストレインによる構造的欠陥が除去されうる。また、本実施の形態のＶＥＣＳＥＬ素子によれば、複数のストレイン補償層を用いることにより、量子ウェル層の利得を容易にかつ高精度に調整することができる。

＜実験例＞
実験例として、下記の表１のような構造を有するＶＥＣＳＥＬ素子のサンプルを製造して、それぞれＧａＡｓＰ層の厚さによるＶＥＣＳＥＬ素子の最大パワー及び光学ポンプのポンピングパワーの変化を測定し、図３Ａ及び図３Ｂに示した。

ＩｎＧａＡｓ量子ウェル層（ＱＷ）は、６０Åの厚さに形成し、ここで、Ｉｎの組成は２８％であった。図３Ａ及び図３Ｂを共に参照すると、ＧａＡｓＰ層の厚さがおよそ２８０Åになる地点で完全なストレイン補償がなされると予測される。ＧａＡｓＰ層の厚さが２８０Åより大きければ、ＩｎＧａＡｓ量子ウェル層（ＱＷ）は、引っ張りストレインを有すると予想され、ＧａＡｓＰ層の厚さが２８０Åより小さければ、ＩｎＧａＡｓ量子ウェル層（ＱＷ）は、圧縮ストレインを有すると予想される。ポンピングパワーが最低となるＧａＡｓＰ層の厚さが示されているが、これは、ＩｎＧａＡｓ量子ウェル層（ＱＷ）の利得が極大化されたためであると判断される。したがって、ポンピングパワーが低い場合に、素子の最大パワーが増大することを観察することができる。

このような本発明の理解を助けるために、いくつかの模範的の実施形態が説明され、添付された図面に示されたが、このような実施形態は、単に例示的なものに過ぎず、これを制限しないという点と、本発明は、図示及び説明された構造と配列に限定されないという点とが理解されなければならない。これは、多様な他の修正が当業者に可能であるためである。

本発明は、垂直外部共振型の表面発光レーザ関連の技術分野に適用できる。

本発明の一実施形態によるＶＥＣＳＥＬ素子の概略的な断面図である。 図１のＶＥＣＳＥＬ素子における各層別エネルギーバンド図である。 実験例においてＧａＡｓＰ層の厚さによるＶＥＣＳＥＬ素子の最大パワーの変化を示したグラフである。 実験例においてＧａＡｓＰ層の厚さによるＶＥＣＳＥＬ素子の光学ポンプのポンピングパワーの変化を示したグラフである。

符号の説明

１０ 基板、
２０ 下部ＤＢＲミラー、
３０ 多重量子ウェル層、
３１ 量子ウェル層、
３２ 第１ストレイン補償層、
３４ 第２ストレイン補償層、
３８ バリア層、
４０ キャッピング層、
５０ 光学ポンプ、
６０ 外部共振ミラー。

Claims (8)

1. 基板上に形成されたＤＢＲミラーと、
   前記ＤＢＲミラー上に形成されるものであり、複数の量子ウェル層と、前記各量子ウェル層の両面にそれぞれ順次に積層されて当該量子ウェル層のストレインを段階的に緩和させる第１ストレイン補償層及び第２ストレイン補償層とを備える多重量子ウェル層と、
   前記多重量子ウェル層上に形成されたキャッピング層と、
   前記キャッピング層の表面にポンプ光を照射する光学ポンプと、
   前記ＤＢＲミラーに対向して外部に設置される外部共振ミラーと、を備えることを特徴とする垂直外部共振型の表面発光レーザ素子。
2. 前記多重量子ウェル層は、周期的利得構造に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の垂直外部共振型の表面発光レーザ素子。
3. 前記量子ウェル層は、ＩｎＧａＡｓまたはＧａＩｎＮＡｓ物質から形成されたことを特徴とする請求項２に記載の垂直外部共振型の表面発光レーザ素子。
4. 前記第１ストレイン補償層及び第２ストレイン補償層は、ＧａＡｓＰまたはＧａＮＡｓ物質から形成されたことを特徴とする請求項１に記載の垂直外部共振型の表面発光レーザ素子。
5. 前記キャッピング層は、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓ（０≦ｘ＜１）物質から形成されたことを特徴とする請求項１に記載の垂直外部共振型の表面発光レーザ素子。
6. 前記量子ウェル層と前記第１ストレイン補償層との間、及び、前記第１ストレイン補償層と前記第２ストレイン補償層との間に、第１バリア層がそれぞれ介在することを特徴とする請求項１に記載の垂直外部共振型の表面発光レーザ素子。
7. 前記第１バリア層は、Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ（０≦ｙ≦０．０８）物質から形成されたことを特徴とする請求項６に記載の垂直外部共振型の表面発光レーザ素子。
8. 前記ＤＢＲミラーと前記多重量子ウェル層との間、及び、前記多重量子ウェル層と前記キャッピング層との間に、第２バリア層がそれぞれ介在することを特徴とする請求項７に記載の垂直外部共振型の表面発光レーザ素子。

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