JP2007157889A - 面発光レーザモジュールおよびその作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝導性が良く、且つ、簡易に作製することができる面発光レーザモジュールを提供することにある。
【解決手段】ＩｎＰ基板１上にＩｎＰと格子整合する半導体分布反射鏡層２からなる第一反射鏡と、光通信波長帯に発振波長を有し、メサ状に加工された多重量子井戸活性層３と、ＩｎＰと格子整合する半導体分布反射鏡層４、および誘電体分布反射鏡層１３から構成された第二反射鏡と、多重量子井戸活性層３の周囲に形成されたＦｅ−ＩｎＰ層６からなる埋め込み層とを有し、該第一反射鏡側からレーザ光が出射する面発光レーザモジュール３０であって、前記第二反射鏡側をヒートシンク１５上に配置させたことにより、多重量子井戸活性層３がヒートシンク１５に近接し、多重量子井戸活性層３にて生じた熱をヒートシンク１５に伝わり易くして、前記熱を効率良く除去するようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、面発光レーザモジュールおよびその作製方法に関し、特に光ファイバ通信や高速Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）等の光源として用いて好適な面発光レーザモジュールおよびその作製方法に関する。

光通信波長帯（１．３μｍ〜１．５５μｍ帯）面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ−Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ；ＶＣＳＥＬ）は、単一縦モード動作・低消費電力・光ファイバとの結合効率が高い・高速直接変調が可能・２次元集積化などの様々な優れた特徴を有するために、メトロ・アクセス系や高速Ｅｔｈｅｒｎｅｔ用の光源として有望視されている。

一方、光通信波長帯面発光レーザは、単一横モード実現のために活性層体積が小さくなることと、共振器を構成する半導体ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ；分布ブラッグ反射鏡）の熱伝導率が低いことから、素子の熱抵抗値が数１０００Ｋ／Ｗとなり、従来の半導体レーザと比べて１００倍程度高くなることが知られている。このような高い熱抵抗により活性層付近にて著しい温度上昇を招くため、光出力と温度特性の低下や長期信頼性の確保が困難であることが予想され、重大な問題となっていた（非特許文献１を参照）。

ここで、上述した光通信波長帯面発光レーザの構造は大きく２つに分けられる。一つは、熱伝導率は悪いがＩｎＰ基板上に一括成長可能なＩｎＰモノリシック型面発光レーザであり、もう一つは作製プロセスが複雑になるが熱伝導性の良いＧａＡｓ系分布ブラッグ反射鏡層とＩｎＰ系活性層を融着するＩｎＰ／ＧａＡｓ貼り付け型面発光レーザである。

前者は、半導体分布ブラッグ反射鏡にＩｎＰ基板と格子整合するＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ、あるいはＩｎＰ（ＡｌＩｎＡｓ）／ＡｌＩｎＧａＡｓを用いるため、半導体分布ブラッグ反射鏡と光通信波長帯で発光する活性層とをＩｎＰ基板上に集積することが可能となるが、半導体分布ブラッグ反射鏡を構成するＩｎＧａＡｓＰなどの３元以上の混晶は著しく熱伝導率が低くなるため、面発光レーザの熱抵抗は数１０００Ｋ／Ｗ以上となってしまう（非特許文献２を参照）。

ところが、後者の場合に反射鏡として用いるＧａＡｓ系分布ブラッグ反射鏡は、ＩｎＰとは格子整合しないものの、熱伝導性の高いＧａＡｓとＡｌＡｓの２元系からなるため、これまでに１０００Ｋ／Ｗ以下の良好な熱抵抗値を実現した報告がある（非特許文献３を参照）。

ここで、上述した従来のＩｎＰ／ＧａＡｓ貼り付け型面発光レーザの一例を図９に示す（非特許文献４，５を参照）。この図に示すように、面発光レーザ８０は、埋め込み構造を有するＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層８１とundoped-ＧａＡｓ基板８２とをＷａｆｅｒ−ｆｕｓｉｏｎ技術により融着した構造となっている。なお、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層８１とundoped-ＧａＡｓ基板８２との間には、ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層８３、およびundoped-ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ分布ブラッグ反射鏡層８４が介在されており、ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層８３とundoped-ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ分布ブラッグ反射鏡層８４とが融着している界面は、fused interfaceと呼ばれている。

ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層８１上には、ｐ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層８５が形成されている。ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層８１はメサ状に加工されており、その周囲がＦｅ−ＩｎＰ層８６にて埋め込まれている。Ｆｅ−ＩｎＰ層８６上には、ｎ−ＩｎＰ層８７、およびｐ−ＩｎＧａＡｓ電流パス層８８が形成されている。ｐ−ＩｎＧａＡｓ電流パス層８８およびｐ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層８５の上にｐ−ＩｎＰ層８９が形成されている。

ｐ−ＩｎＰ層８９上には、メサ状のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層８１の上方に位置して、ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂分布ブラッグ反射鏡層９０が形成される一方、Ｆｅ−ＩｎＰ層８６の上方に位置して、ｐ−ＩｎＧａＡｓ層９１、およびｐ電極９２が形成されている。ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層８３には段差部８３ａが形成されており、この段差部８３ａの上には、ｎ電極９３が形成されている。undoped-ＧａＡｓ基板８２の下部には、ＡＲコーティング９４が蒸着されている。

ここで、メサ状のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層８１を９μｍ角とし、単一横モード発振する面発光レーザとした場合、図１０に示すように、最高発振温度が８０℃となった。また、発振波長の温度依存性および注入電力依存性から、熱抵抗値が約６５０Ｋ／Ｗとなり良好な熱抵抗値を示すことが分かった。

また、上述した面発光レーザの構造に起因した熱的優位性を確認するために行った発振閾値における定常熱分布解析結果を図１１に示す。なお、図中の破線は等温線である。ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂分布ブラッグ反射鏡層９０の周囲を空気９５とした。同解析は計算の簡単化のために、全発熱量を活性領域のみに与えており、また同図中には示されていないが、ＧａＡｓ基板８２の下にはＡｌＮヒートシンク、さらに同ヒートシンクの下にはＣｕサブキャリアまでを解析領域としており、同ヒートシンクと同サブキャリアとの界面で室温３００Ｋ（２７℃）に収束すると仮定した。

図１１中の等温線が示すように、主な発熱源であるＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層８１の周囲に熱伝導性の高いＦｅ−ＩｎＰ層８６と、同じく熱伝導性の高いundoped-ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ分布ブラッグ反射鏡層８４を用いているため、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層８１付近で発生した熱を効果的に除去していることを確認した。

なお、上述の面発光レーザの発振閾値におけるＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層付近の温度上昇ΔＴ（ヒートシンクとの温度差）は、２．８Ｋであった。また、この温度上昇ΔＴおよびその時の注入電力値から、熱抵抗値は１１６６Ｋ／Ｗとなった。この値は、先に示した実験値（６５０Ｋ／Ｗ）より大きく見積もられているが、これは同解析において計算の簡単化のため全ての発熱量がＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層において発生していることを仮定していることと、同じく簡単化のための構造モデルを簡略化しているためである。

上述したように、光通信波長帯面発光レーザの低熱抵抗化には、ＩｎＰ／ＧａＡｓ貼り付け型が有利であることが知られている。

C.Wilson et al., "Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser", Cambridge University Press,1999,pp.209-211. C.Lauer et al., "InP-based long-wavelength vertical-cavity serface-emitting lasers with buried tunnel junction", Phys. Stat.Sol.(C),1(2004)pp.2183-2209 A.Karim et al., "Wafer bonded 1.55 μm vertical-cavity lasers with continous-wave operation up to 105 ℃",Appl.Phys.Lett.78(2001)pp.2632-2633 Y.Ohiso et al.,"1.55-μm Buried-Heterostructure VCSELs With InGaAsP/InP-GaAs/AlAs DBRs on a GaAs Subtrate",IEEE J.Quantum Electron.37 (2001)pp.1194-1202 K. Asaka et al., "Low Thermal Resistance of 1.55μm Buried Heterostrure VCSEL on GaAs/AlAs DBR", 10th Optoelectronics and Communication Conference(OECC) , Seoul,Korea,july 2005,pp.330-331

しかしながら、ＩｎＰ／ＧａＡｓ貼り付け型の光通信波長帯面発光レーザが低熱抵抗化に有利である（熱伝導性が良い）ものの、格子定数の異なるＩｎＰ基板とＧａＡｓ基板を融着する複雑な作製プロセスを行う必要があり、迅速な大量生産を阻む大きな課題となっていた。

そこで、本発明は、前述した問題に鑑み提案されたもので、熱伝導性が良く、且つ、簡易に作製することができる面発光レーザモジュールおよびその作製方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決する第１の発明に係る面発光レーザモジュールは、ＩｎＰ基板上にＩｎＰと格子整合する半導体分布反射鏡層からなる第一反射鏡と、光通信波長帯に発振波長を有し、メサ状に加工された多重量子井戸活性層と、ＩｎＰと格子整合する半導体分布反射鏡層、および誘電体分布反射鏡層から構成された第二反射鏡、または誘電体分布反射鏡層のみから構成された第二反射鏡と、前記多重量子井戸活性層の周囲に形成された埋め込み層とを有し、該第一反射鏡側からレーザ光が出射する面発光レーザモジュールであって、前記第二反射鏡側をヒートシンク上に配置させたことを特徴とする。
前記光通信波長帯としては、１．３μｍ〜１．５５μｍの範囲が挙げられる。
前記半導体分布反射鏡層としては、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＰ／ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＧａＡｓなどが挙げられる。
前記多重量子井戸活性層としては、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ／ＡｌＩｎＧａＡｓなどが挙げられる。

第１の発明に係る面発光レーザモジュールによれば、第一および第二反射鏡の半導体分布反射鏡層をＩｎＰと格子整合するものとしたことで、複雑なＷａｆｅｒ−ｆｕｓｉｏｎ工程を行うことなく有機金属気相成長法にて半導体分布反射鏡層を一括して作製することができるようになり、作製プロセスが簡易になる。また、多重量子井戸活性層の周囲に形成された埋め込み層を有し、前記第二反射鏡側をヒートシンク上に配置させたことにより、前記多重量子井戸活性層がヒートシンクに近接するようになり、前記多重量子井戸活性層にて発生した熱が前記埋め込み層および前記ヒートシンクに伝わり易くなる。その結果、良好な熱抵抗値を有する光通信波長帯面発光レーザモジュールを実現することが可能となる。

上述した課題を解決する第２の発明に係る面発光レーザモジュールは、第１の発明に記載された面発光レーザモジュールであって、前記埋め込み層が半絶縁性のＩｎＰ層からなることを特徴とする。
前記半絶縁性のＩｎＰ層として、Ｆｅ−ＩｎＰ層、Ｒｕ−ＩｎＰ層などが挙げられる。

上述した課題を解決する第３の発明に係る面発光レーザモジュールは、第１の発明に記載された面発光レーザモジュールであって、前記ヒートシンクに前記第二反射鏡の誘電体分布反射鏡層に接合する凹部が形成されることを特徴とする。

上述した課題を解決する第４の発明に係る面発光レーザモジュールは、第１乃至第３の何れかの発明に記載された面発光レーザモジュールであって、前記誘電体分布反射鏡層がＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂、ＣａＦ₂／ａ−Ｓｉ、またはＣａＦ₂／ＺｎＳからなることを特徴とする。

上述した課題を解決する第５の発明に係る面発光レーザモジュールの作製方法は、ＩｎＰ基板上にＩｎＰと格子整合する半導体分布反射鏡層からなる第一反射鏡と、光通信波長帯に発振波長を有する多重量子井戸活性層、およびＩｎＰと格子整合する半導体分布反射鏡層を順次形成させ、前記多重量子井戸活性層をメサ状に加工させ、その周囲を半導体材料にて埋め込み層を形成させ、前記半導体分布反射鏡層または前記多重量子井戸活性層の上に誘電体分布反射鏡層を形成させ、前記誘電体分布反射鏡層側をヒートシンク上に配置させたことを特徴とする。
前記光通信波長帯としては、１．３μｍ〜１．５５μｍの範囲が挙げられる。
前記半導体分布反射鏡層としては、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＰ／ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＧａＡｓなどが挙げられる。
前記多重量子井戸活性層としては、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ／ＡｌＩｎＧａＡｓなどが挙げられる。
前記埋め込み層としては、Ｆｅ−ＩｎＰ、Ｒｕ−ＩｎＰ層などが挙げられる。
前記誘電体分布反射鏡層としては、ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂、ＣａＦ₂／ａ−Ｓｉ、またはＣａＦ₂／ＺｎＳが挙げられる。

本発明に係る面発光レーザモジュールによれば、第一および第二反射鏡の半導体分布反射鏡層をＩｎＰと格子整合するものとしたことで、複雑なＷａｆｅｒ−ｆｕｓｉｏｎ工程を行うことなく有機金属気相成長法にて半導体分布反射鏡層を一括して作製することができるようになり、作製プロセスが簡易になる。また、多重量子井戸活性層の周囲に形成された埋め込み層を有し、前記第二反射鏡側をヒートシンク上に配置させたことにより、前記多重量子井戸活性層がヒートシンクに近接するようになり、前記多重量子井戸活性層にて発生した熱が前記埋め込み層および前記ヒートシンクに伝わり易くなる。よって、良好な熱抵抗値を有する光通信波長帯面発光レーザモジュール、すなわち、自己発熱による特性劣化を抑制することができ、高光出力・高温度特性・高信頼性を有する面発光レーザモジュールの実現が可能となった。

埋め込み層が熱伝導率の高い半絶縁性のＩｎＰ層からなることにより、多重量子井戸活性層にて生じた熱を効率良く取り除くことができる。

ヒートシンクに凹部が形成されることで、ヒートシンクと第二反射鏡の誘電体分布反射鏡層とが接合し、また、第二反射鏡の多重量子井戸活性層がヒートシンクに近接するので、前記多重量子井戸活性層にて生じた熱が前記ヒートシンクにさらに伝わり易くなり、前記熱を一層効率良く取り除くことができる。

誘電体分布反射鏡層が熱伝導率が高いＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂、ＣａＦ₂／ａ−Ｓｉ、またはＣａＦ₂／ＺｎＳからなることにより、第二反射鏡の多重量子井戸活性層にて生じた熱がヒートシンクにさらに一層伝わり易くなり、前記熱をより一層効率良く取り除くことができる。

本発明に係る面発光レーザモジュールの作製方法によれば、半導体分布反射鏡層をＩｎＰと格子整合するものとしたことで、複雑なＷａｆｅｒ−ｆｕｓｉｏｎ工程を行うことなく有機金属気相成長法にて半導体分布反射鏡層を一括して作製することができるようになり、作製プロセスが簡易になる。また、半導体分布反射鏡層としてＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰを用い、前記誘電体分布反射鏡層としてＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂を用いることで、従来の作製方法を用いることができ、製造コストの増加を抑制することができる。

以下に、本発明に係る面発光レーザモジュールを実施するための最良の形態を実施例に基づき具体的に説明する。

以下に、本発明の第１の実施例に係る面発光レーザモジュールについて、図を用いて説明する。
図１は、本発明の第１の実施例に係る面発光レーザモジュールの面発光レーザ素子の作製工程を示す断面図であり、図１（ａ）に各層を有機金属気相成長法により作製した状態の断面、図１（ｂ）に多重量子井戸活性層をメサ状に加工した状態の断面、図１（ｃ）に埋め込み層を作製した状態の断面、図１（ｄ）に電極を作製した状態の断面、図１（ｅ）に誘電体分布反射鏡層を作製した状態の断面を示す。図２は、本発明の第１の実施例に係る面発光レーザモジュールの断面図である。図３は、本発明に係る面発光レーザモジュールの一例を示す斜視図である。図４は、本発明の第１の実施例に係る面発光レーザモジュールの光出力−駆動電流特性の温度依存性を示すグラフである。図５は、本発明の第１の実施例に係る面発光レーザモジュールの定常熱分布解析結果を示す図である。

本発明の第１の実施例に係る面発光レーザモジュールは、最初に、図１（ａ）に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板１上に、４８対のｎ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層２（各層の膜厚：１．５５μｍの光学波長λの１／４）とｎ−ＩｎＰスペーサ層（図示せず）、光通信波長帯（１．３μｍ〜１．５５μｍ）で発光する活性層であるＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層３（７ｗｅｌｌ）、ｐ−ＩｎＰスペーサ層（図示せず）及び５対のｐ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層４（各層の膜厚：１．５５μｍの光学波長λの１／４）を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Metal Vapor Phase Epitaxial growth）により順次成長させて形成される。

続いて、図１（ｂ）に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板１上の成長表面、すなわちｐ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層４の表面にＳｉＯ₂膜５を堆積させ、フォトリソグラフィー技術を用いて矩形にパターン形成させ、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）によってＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３の下方まで、具体的にはｎ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層２の途中まで、エッチングが行われて、メサ状に形成される。

続いて、図１（ｃ）に示すように、埋め込み層であるＦｅ−ＩｎＰ層６、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層７とｐ−ＩｎＧａＡｓ電流パス層８を有機金属気相成長法により順次結晶成長させて形成される。埋め込み層が熱伝導率の高い半絶縁性のＩｎＰ層からなることにより、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３にて生じた熱を効率良く取り除くことができる。また、Ｆｅ−ＩｎＰ層６の代わりに半絶縁性のＩｎＰ層であるＲｕ−ＩｎＰ層などを用いても良く、Ｆｅ−ＩｎＰ層６を用いたときと同様な作用効果を奏する。

続いて、図１（ｄ）に示すように、ＳｉＯ₂膜５を除去した後、ｐ−ＩｎＰ位相制御層９、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０をウェハ全面に有機金属気相成長法により順次結晶成長させて形成される。次にｎ−ＩｎＰ基板１を１００μｍ厚程度になるまで研磨し、ｎ−ＩｎＰ基板１上にｎ電極１１を蒸着させる一方、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０にｐ電極１２を蒸着させた後、メサ状のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３上に位置するｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０のみをエッチングにより除去させる。

続いて、図１（ｅ）に示すように、ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂誘電体分布ブラッグ反射鏡層１３（各層の膜厚：１．５５μｍの光学波長λの１／４）を蒸着させ、ｐ電極１２の上部にあるＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂誘電体分布ブラッグ反射鏡がリアクティブイオンエッチングで除去されて電極取出しが行われる。最後に、ｎ−ＩｎＰ基板１の下面にＡＲコーティング（anti-reflective coating）１４が蒸着される。第一反射鏡は、ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層２から構成される。第二反射鏡は、ｐ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層４およびＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂誘電体分布ブラッグ反射鏡層１３から構成される。

以上の工程で、面発光レーザ素子２０の作製が完了する。

続いて、面発光レーザモジュール３０は、図２に示すように、ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂誘電体分布ブラッグ反射鏡層１３が下方に向けて配置された面発光レーザ素子２０と、面発光レーザ素子２０がＡｕＳｎハンダ（図示せず）にて固定される、熱伝導性の高いＡ１Ｎヒートシンク１５とを有する。

このＡｌＮヒートシンク１５の上面には、面発光レーザ素子２０のＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂誘電体分布ブラッグ反射鏡層１３の層厚に対応した凹部１５ａ、例えば６μｍ程度の深さの凹部が形成されており、面発光レーザ素子２０がＡｌＮヒートシンク１５に安定して固定される。

面発光レーザ素子２０のＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂誘電体分布ブラッグ反射鏡層１３がＡｌＮヒートシンク１５の凹部１５ａに密着して配置されており、ＡｌＮヒートシンク１５とＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂誘電体分布ブラッグ反射鏡層１３とが接合し、また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３がＡｌＮヒートシンク１５に近接するので、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３にて生じた熱がＡｌＮヒートシンク１５に伝わり易くなる。その結果、前記熱を効率良く除去することができ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３付近の温度上昇を抑制することができる。

また、同ヒートシンク１５はＰｂＳｎハンダ（図示せず）を用いて、熱伝導性の高いＣｕサブキャリア１６上に固定されており、ＡｌＮヒートシンク１５に伝わった熱がＣｕサブキャリア１６に効率良く伝えられる。なお、ｎ電極１１にＡｕワイヤ１７が接続される一方、ｐ電極１２に別のＡｕワイヤ１８が接続される。

ここで、上述した面発光レーザモジュール３０を有するＣＡＮ型面発光レーザモジュール４０を図３に示す。この図に示すように、ＣＡＮ型面発光レーザモジュール４０は、面発光レーザモジュール３０が内部に配置され、透明な材料からなる封止窓４１にてＮ₂が封止されたモジュールケース４２を有する。モジュールケース４２の下部には、円盤状の台座４３が取り付けられると共に、電極４４が３つ取り付けられる。これらの電極４４には、Ａｕワイヤ１７，１８がそれぞれ取り付けられる。このようなＣＡＮ型面発光レーザモジュール４０では、封止窓４１から信号光が出射することとなる。

ここで、上述した第１の実施例に係る面発光レーザモジュール３０に対して、光出力−駆動電力特性の温度依存性を測定したところ、図４に示すようになった。ただし、メサ状のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３を９μｍ角とし、単一横モード発振させるようにした。この図に示すように、最高発振温度が１３０℃となることが分かった。また、発振波長の温度依存性および注入電力依存性から、熱抵抗値が３６５Ｋ／Ｗとなり、良好な熱抵抗値を示すことが分かった。

また、上述した第１の実施例に係る面発光レーザモジュール３０に対して、定常熱分布を解析したところ、図５に示すようになった。なお、図中の破線は等温線である。ただし、発熱量と構造モデル、境界条件などは、計算の簡単化のために、全発熱量を活性領域であるＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３のみに与えており、ＡｌＮヒートシンク１５とＣｕサブキャリア１６との界面で室温３００Ｋ（２７℃）に収束すると仮定した。

この図に示すように、主な熱発生源であるＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３の周囲に熱伝導性の高いＦｅ−ＩｎＰ層６を形成したこと、ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂誘電体分布ブラッグ反射鏡層１３をＡｌＮヒートシンク１５側に配置（マウント）し、ＡｌＮヒートシンク１５にＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３を近接させたことで、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３付近で発生した熱がＦｅ−ＩｎＰ層６やＡｌＮヒートシンク１５に伝わり易くなり、面発光レーザ素子２０内部で滞留することなく効果的に除去されることを確認した。

なお、上述した面発光レーザモジュール３０の発振閾値におけるＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３付近の温度上昇ΔＴ（ヒートシンクとの温度差）は、１．６Ｋであった。また、この温度上昇ΔＴおよびその時の注入電力値から、熱抵抗値は６６４Ｋ／Ｗとなった。ここで、過剰評価となった理由としては、先に述べた通り、発熱量と構造モデルを簡略化したためである。

したがって、本発明の第１の実施例に係る面発光レーザモジュール３０によれば、第一反射鏡のｎ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層２および第二反射鏡のｐ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層４をＩｎＰと格子整合するものとしたことで、Ｗａｆｅｒ−ｆｕｓｉｏｎ工程を用いることなく、有機金属気相成長法にて前記半導体分布反射鏡層２，４を一括して作製することができるようになり、作製プロセスが簡易になる。

また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３の周囲に形成された埋め込み層であるＦｅ−ＩｎＰ層６を有し、前記第二反射鏡のＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂誘電体分布ブラッグ反射鏡層１３側をＡｌＮヒートシンク１５上に配置させたことにより、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３がＡｌＮヒートシンク１５に近接するようになり、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３にて発生した熱がＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂誘電体分布ブラッグ反射鏡層１３およびＡｌＮヒートシンク１５に伝わり易くなる。よって、良好な熱抵抗値を有する光通信波長帯面発光レーザモジュール、すなわち、自己発熱による特性劣化を抑制することができ、高光出力・高温度特性・高信頼性を有する面発光レーザモジュール３０の実現が可能となった。

また、上述した面発光レーザモジュール３０では、誘電体分布ブラック反射鏡層１３の材料として、ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂を用いたが、同材料よりも熱伝導性に優れるＣａＦ₂／ａ−ＳｉやＣａＦ₂／ＺｎＳを用いれば、さらなる低熱抵抗化、高温度特性化、および高光出力化が得られることは明らかである。

また、上述した面発光レーザモジュール３０では、ｎ−ＩｎＰ基板１を１００μｍ程度まで研磨したが、同基板におけるフリーキャリア吸収損失低減のため、同基板部分を研磨あるいはエッチングにより完全に除去するようにしても良く、このような面発光レーザモジュールでも上記面発光レーザモジュール３０と同様な作用効果を奏する。

なお、上記では、半導体分布反射鏡であるｎ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層２やｐ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層４を用いて説明したが、これら半導体分布反射鏡の代わりに、ＩｎＰ／ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＧａＡｓなどの半導体分布反射鏡を用いても良く、このような組成の半導体分布反射鏡でも、ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層２やｐ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層４と同様な作用効果を奏する。

また、上記では、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３を用いて説明したが、この多重量子井戸活性層の代わりに、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ／ＡｌＩｎＧａＡｓなどの多重量子井戸活性層を用いても良く、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層３と同様な作用効果を奏する。

以下に、本発明の第２の実施例に係る面発光レーザモジュールについて、図を用いて具体的に説明する。

図６は、本発明の第２の実施例に係る面発光レーザモジュールの面発光レーザ素子の作製工程を示す断面図であり、図６（ａ）に各層を有機金属気相成長法により作製した状態の断面、図６（ｂ）に多重量子井戸活性層をメサ状に加工した状態の断面、図６（ｃ）に埋め込み層を作製した状態の断面、図６（ｄ）に電極を作製した状態の断面、図６（ｅ）に誘電体分布反射鏡層を作製した状態の断面を示す。図７は、本発明の第２の実施例に係る面発光レーザモジュールの断面図である。図８は、本発明の第２の実施例に係る面発光レーザモジュールの光出力−駆動電流特性の温度依存性を示すグラフである。

本発明の第２の実施例に係る面発光レーザモジュールは、上述した本発明の第１の実施例に係る面発光レーザモジュール３０において、光吸収損失の大きいｐ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層を用いない構造であり、大幅な光出力の増大と閾値電流の低減、および温度特性の改善が実現可能となる。

本発明の第２の実施例に係る面発光レーザモジュールは、最初に、図６（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板５１上に、４８対のｎ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層５２（各層の膜厚：１．５５μｍの光学波長λの１／４）とｎ−ＩｎＰスペーサ層（図示せず）、光通信波長帯（１．３μｍ〜１．５５μｍ）で発光する活性層であるＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層５３（７ｗｅｌｌ）、ｐ−ＩｎＰスペーサ層（図示せず）を有機金属気相成長法により順次成長させて形成される。

続いて、図６（ｂ）に示すように、ＩｎＰ基板５１上の成長表面、すなわちＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層５３の表面にＳｉＯ₂膜５５を堆積させ、フォトリソグラフィー技術を用いて矩形にパターン形成させ、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）によってＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層５３の下方まで、具体的にはｎ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層５２の途中まで、エッチングが行われて、メサ状に形成される。

続いて、図６（ｃ）に示すように、埋め込み層であるＦｅ−ＩｎＰ層５６、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層５７とｐ−ＩｎＧａＡｓ電流パス層５８を有機金属気相成長法により結晶成長させて形成される。埋め込み層が熱伝導率の高い半絶縁性のＩｎＰ層からなることにより、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層５３にて生じた熱を効率良く取り除くことができる。また、Ｆｅ−ＩｎＰ層６の代わりに半絶縁性のＩｎＰ層であるＲｕ−ＩｎＰ層などを用いても良く、Ｆｅ−ＩｎＰ層６を用いたときと同様な作用効果を奏する。

続いて、図６（ｄ）に示すように、ＳｉＯ₂膜５５を除去した後、ｐ−ＩｎＰ位相制御層５９、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層６０をウェハ全面に有機金属気相成長法により順次結晶成長させて形成される。次にｎ−ＩｎＰ基板５１を１００μｍ厚程度になるまで研磨し、ｎ−ＩｎＰ基板５１上にｎ電極６１を蒸着させる一方、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層６０にｐ電極６２を蒸着させた後、メサ状のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層５３上に位置するｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層６０のみをエッチングにより除去させる。

続いて、図６（ｅ）に示すように、ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂誘電体分布ブラッグ反射鏡層６３（各層の膜厚：１．５５μｍの光学波長λの１／４）を蒸着させ、ｐ電極６２の上部にあるＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂誘電体分布ブラッグ反射鏡層がリアクティブイオンエッチングで除去されて電極取出しが行われる。最後に、ＩｎＰ基板５１側の下面にはＡＲコーティング（anti-reflective coating）６４が蒸着される。第一反射鏡は、ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層５２から構成される。第二反射鏡は、ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂誘電体分布ブラッグ反射鏡層６３から構成される。

以上の工程で、面発光レーザ素子７０の作製が完了する。

続いて、面発光レーザモジュール８０は、図７に示すように、ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂誘電体分布ブラッグ反射鏡層６３が下方に向けられて配置された面発光レーザ素子７０と、面発光レーザ素子７０がＡｕＳｎハンダ（図示せず）にて固定される、熱伝導性の高いＡ１Ｎヒートシンク６５とを有する。

このＡ１Ｎヒートシンク６５の上面には、面発光レーザ素子７０のＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂誘電体分布ブラッグ反射鏡層６３の層厚に対応した凹部６５ａ、例えば６μｍ程度の深さの凹部が形成されており、面発光レーザ素子７０がＡｌＮヒートシンク６５に安定して固定される。

面発光レーザ素子７０のＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂誘電体分布ブラッグ反射鏡層６３側がＡｌＮヒートシンク６５上の凹部６５ａに密着して配置されており、ＡｌＮヒートシンク６５とＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂誘電体分布ブラッグ反射鏡層６３とが接合し、また、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層５３付近の温度上昇を抑制することができる。

このような構造の面発光レーザ素子７０は、上述したＣＡＮ型面発光レーザモジュール４０のモジュールケース４２内に配置させることができる。

ここで、上述した第２の実施例に係る面発光レーザモジュール８０に対して、光出力−駆動電力特性の温度依存性を測定したところ、図８に示すようになった。ただし、メサ状のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層５３を９μｍ角とし、単一横モード発振させるようにした。この図に示すように、５０℃において最高光出力が３．０ｍＷとなり、閾値電流０．８ｍＡとなり、最高発振温度が１５０℃となることが分かった。また、発振波長の温度依存性および注入電力依存性から、熱抵抗値が３５０Ｋ／Ｗとなり、良好な熱抵抗値を示すことが分かった。すなわち、面発光レーザモジュール７０を構成する第二反射鏡をＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂誘電体分布ブラッグ反射鏡層６３のみで構成することにより、光出力の大幅な増大と閾値電流の低減、および高温度動作を実現することが分かった。

したがって、本発明の第２の実施例に係る面発光レーザモジュール８０によれば、上述した第１の実施例に係る面発光レーザモジュール３０と同様な作用効果を奏する他、第二反射鏡をＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂誘電体分布ブラッグ反射鏡層６３のみで構成したことにより、光出力の大幅な増大と閾値電流の低減、および高温度動作を実現することができる。

また、上述した面発光レーザモジュール７０では、誘電体分布ブラック反射鏡層６３の材料として、ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂を用いたが、同材料よりも熱伝導性に優れるＣａＦ₂／ａ−ＳｉやＣａＦ₂／ＺｎＳを用いれば、さらなる低熱抵抗化、高温度特性化、および高光出力化が得られることは明らかである。

また、上述した面発光レーザモジュール７０では、ｎ−ＩｎＰ基板５１を１００μｍ程度まで研磨したが、同基板におけるフリーキャリア吸収損失低減のために、同基板部分を研磨あるいはエッチングにより完全に除去するようにしても良く、このような面発光レーザモジュールでも上記面発光レーザモジュール７０と同様な作用効果を奏する。

なお、上記では、半導体分布反射鏡であるｎ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層５２を用いて説明したが、この半導体分布反射鏡の代わりに、ＩｎＰ／ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＧａＡｓなどの半導体分布反射鏡を用いても良く、このような組成の半導体分布反射鏡でも、ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層５２と同様な作用効果を奏する。

また、上記では、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層５３を用いて説明したが、この多重量子井戸活性層の代わりに、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ／ＡｌＩｎＧａＡｓなどの多重量子井戸活性層を用いても良く、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層５３と同様な作用効果を奏する。

本発明は、面発光レーザモジュールおよびその作製方法に利用することが可能であり、特に光ファイバ通信や高速Ｅｔｈｅｒｎｅｔ等の光源として用いて好適な面発光レーザモジュールおよびその作製方法に利用することが可能である。

本発明の第１の実施例に係る面発光レーザモジュールの面発光レーザ素子の作製工程を示す断面図である。 本発明の第１の実施例に係る面発光レーザモジュールの断面図である。 本発明に係る面発光レーザモジュールの一例を示す斜視図である。 本発明の第１の実施例に係る面発光レーザモジュールの光出力−駆動電流特性の温度依存性を示すグラフである。 本発明の第１の実施例に係る面発光レーザモジュールの定常熱分布解析結果を示す図である。 本発明の第２の実施例に係る面発光レーザモジュールの面発光レーザ素子の作製工程を示す断面図である。 本発明の第２の実施例に係る面発光レーザモジュールの断面図である。 本発明の第２の実施例に係る面発光レーザモジュールの光出力−駆動電流特性の温度依存性を示すグラフである。 従来の面発光レーザモジュールの断面図である。 従来の面発光レーザモジュールの光出力−駆動電流特性の温度依存性を示すグラフである。 従来の面発光レーザモジュールの定常熱分布解析結果を示す図である。

符号の説明

１ ｎ−ＩｎＰ基板
２ ｎ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層
３ ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層
４ ｐ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ分布ブラッグ反射鏡層
５ ＳｉＯ₂膜
６ Ｆｅ−ＩｎＰ層
７ ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層
８ ｐ−ＩｎＧａＡｓ電流パス層
９ ｐ−ＩｎＰ位相制御層
１０ ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１１ ｎ電極
１２ ｐ電極
１３ ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂誘電体分布ブラッグ反射鏡層
１４ ＡＲコーティング
１５ Ａ１Ｎヒートシンク
１６ Ｃｕサブキャリア
１７，１８ Ａｕワイヤ
２０ 面発光レーザ素子
３０ 面発光レーザモジュール

Claims (5)

1. ＩｎＰ基板上にＩｎＰと格子整合する半導体分布反射鏡層からなる第一反射鏡と、光通信波長帯に発振波長を有し、メサ状に加工された多重量子井戸活性層と、ＩｎＰと格子整合する半導体分布反射鏡層、および誘電体分布反射鏡層から構成された第二反射鏡、または誘電体分布反射鏡層のみから構成された第二反射鏡と、前記多重量子井戸活性層の周囲に形成された埋め込み層とを有し、該第一反射鏡側からレーザ光が出射する面発光レーザモジュールであって、
   前記第二反射鏡側をヒートシンク上に配置させた
   ことを特徴とする面発光レーザモジュール。
2. 請求項１に記載された面発光レーザモジュールであって、
   前記埋め込み層が半絶縁性のＩｎＰ層からなる
   ことを特徴とする面発光レーザモジュール。
3. 請求項１に記載された面発光レーザモジュールであって、
   前記ヒートシンクに前記第二反射鏡の誘電体分布反射鏡層に接合する凹部が形成される
   ことを特徴とする面発光レーザモジュール。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載された面発光レーザモジュールであって、
   前記誘電体分布反射鏡層がＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂、ＣａＦ₂／ａ−Ｓｉ、またはＣａＦ₂／ＺｎＳからなる
   ことを特徴とする面発光レーザモジュール。
5. ＩｎＰ基板上にＩｎＰと格子整合する半導体分布反射鏡層からなる第一反射鏡と、光通信波長帯に発振波長を有する多重量子井戸活性層、およびＩｎＰと格子整合する半導体分布反射鏡層を順次形成させ、前記多重量子井戸活性層をメサ状に加工させ、その周囲を半導体材料にて埋め込み層を形成させ、前記半導体分布反射鏡層または前記多重量子井戸活性層の上に誘電体分布反射鏡層を形成させ、前記誘電体分布反射鏡層側をヒートシンク上に配置させた
   ことを特徴とする面発光レーザモジュールの作製方法。

Images