JP2008060338A - 面発光型半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents

面発光型半導体レーザおよびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 幅広い温度範囲で高次横モードを抑制することができる面発光型半導体レーザを提供する。
【解決手段】 本発明に係るＶＣＳＥＬは、基板１０２上に、ｎ型の下部ＤＢＲ１０６、活性領域１０８、電流狭窄層１１０、ｐ型上部ＤＢＲ１１２、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１４を積層し、コンタクト層１１４上にレーザ光の出射領域を規定する開口部１３２を含むｐ側上部電極１３０が形成されている。レーザ光の発振波長をλとしたとき、コンタクト層１１４と当該コンタクト層１１４が接する上部ＤＢＲの最上膜１１２ｃとの光学膜厚Ｔがλ／４よりも小さいことを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、光情報処理あるいは高速光通信の光源として利用される面発光型半導体レーザおよびその製造方法に関し、特に、高次横モードの発振を抑制する技術に関する。
光通信や光記録等の技術分野において、面発光型半導体レーザ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode：以下ＶＣＳＥＬと呼ぶ）への関心が高まっている。ＶＣＳＥＬは、しきい値電流が低く消費電力が小さい、円形の光スポットが容易に得られる、ウエハ状態での評価や光源の二次元アレイ化が可能であるといった、端面発光型半導体レーザにはない優れた特長を有する。これらの特長を生かし、通信分野における光源としての需要がとりわけ期待されている。
ＶＣＳＥＬを光ファイバに結合させる場合、レーザ光は、シングル横モードまたは基本横モードであることが望まれる。基本横モードは、マルチモードと比較して放射角が小さく、光ファイバ等との結合効率が高いためである。このため、ＶＣＳＥＬから出射されるレーザ光の高次横モードを抑制するための提案が成されている。
例えば、特許文献１は、図１８に示すように、ＶＣＳＥＬの上部ミラー１０の最上層に反射率調整層１２を含んでいる。この反射率調整層１２は、ブラッグ反射条件を満たす膜厚（λ／４の膜厚）の第１ミラー部１２ａと、反ブラッグ反射条件を満たす膜厚（λ／２の膜厚）の第２のミラー部１２ｂとを有し、第１ミラー部１２ａの反射率を第２ミラー部１２ｂの反射率よりも大きくしている。第１のミラー部１２ａは、上部電極１４の開口部１４ａの光軸の中心部に形成されており、光軸から離れた周縁部分の第２のミラー部１２ｂが高次横モードの発振を抑制し、シングル横モードの発振を得ている。
特許文献２は、選択酸化型のＶＣＳＥＬにおいて、出射領域を形成する開口部が形成された上部電極に対応する領域の共振器の反射率に基づいてレーザ光の高次横モードにおける共振器の光学損失とレーザ光の基本横モードにおける共振器の光学損失との差が大きくなるように、開口部の開口径と電流狭窄部の開口径を決定するものである。すなわち、基本横モード発振を得るために効果的に機能する上部電極の開口部の大きさには最適値が存在し、その最適値は電流狭窄部の開口径に応じて変化するものであり、例えば、電流狭窄部の開口径が３．０〜５．０μｍの範囲では、上部電極の開口径は電流狭窄部の開口径より０〜１μｍ大きい値とするのが好ましく、電流狭窄部の開口径が大きくなるほど、電極開口径と電流狭窄部の開口径との差を小さくすることを提案している。
特許文献３は、ポスト構造を有するＶＣＳＥＬにおいて、上部反射鏡の上面に発生する横モードの発光パターンの暗部の形状と一致する平面形状に上部電極を形成している。これにより、上部電極が出射光を遮ることなく、レーザ光の出射窓の中央近傍にも上部電極を形成することが可能となり、活性層に注入される電流密度を均一化し、電流密度の分布の変動も抑制することができ、特定の横モードを安定して発振させ、その結果、ポストおよび電流注入領域の径を大きくし、発光領域を拡大し、安定した横モードで高いレーザ光出力を得ることを可能にしている。
特開２００１−２８４７２２号 特開２００２−２０８７５５号 特開２００４−２４１４２２号
上記した従来のＶＣＳＥＬの構造は、高次横モードを抑制するものとして一定の効果を奏するが、幅広い温度範囲において高次横モードを抑圧することは必ずしも充分でない。ＶＣＳＥＬを低温で動作させると、高次横モードから先に発振が生じ、その発振により低次横モードの発振しきい値が上昇し、低次横モードが発振し難くなるという課題がある。一方、ＶＣＳＥＬを高温で動作させると、光出力は、室温のときと比較して大幅に低下してしまう。このような課題は、特許文献１ないし３のいずれにおいて知見され、または解決されるものではない。
さらに特許文献１で提案される高次モードの抑制は、反射率調整層に膜厚変化または段差を生じさせるエッチング工程を必要とし、また、エッチングによる膜厚の精度を再現性良く形成することは難しい。さらに特許文献３は、発光パターンの暗部の形状と一致するように上部電極の形状を加工しなければならず、この加工は非常に複雑である。しかも、特定の横モードパターンに対応するものであり、高次横モードの抑制を十分に行うことが難しい。
本発明は、上記従来の課題を解決し、幅広い温度範囲で高次横モードを抑制することができる面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
さらに本発明は、煩雑な工程を追加することなく容易に高次横モードの抑制を行うことができる面発光型半導体レーザの製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る面発光型半導体レーザは、半導体最終層の膜厚が中央部と周辺部において同一であるが、最終層の膜厚を、他の半導体ミラー層の膜厚と異ならせ、更に金属電極を利用することによって、光軸から離れた周辺部での高次横モードと光軸近傍での低次横モードの反射率差を実現し、高次横モードを抑制しつつより高い出力を得ることを可能にしている。
本発明に係る面発光型半導体レーザは、基板上に、少なくとも第１導電型の第１の半導体多層膜、活性層、第1の半導体多層膜とともに共振器を構成する第２導電型の第２の半導体多層膜、およびコンタクト層を積層し、コンタクト層上にレーザ光の出射領域を規定する開口部を含む金属層が形成されており、レーザ光の発振波長をλとしたとき、コンタクト層と当該コンタクト層が接する第２の半導体多層膜の最上膜との光学膜厚Ｔがλ／４よりも小さいことを特徴とする。
好ましくは第２の半導体多層膜は、第１の屈折率を有する第１の半導体膜と第２の屈折率を有する第２の半導体膜を対とする複数対の半導体膜を多層含み、第２の半導体多層膜の最上膜である第１の半導体膜と前記コンタクト層の光学膜厚Ｔがλ／４よりも小さく、最上膜以外の第１の半導体膜と第２の半導体膜とを合わせた光学膜厚はそれぞれλ／４に等しい。さらに好ましくは、第２の半導体多層膜に含まれる第１の半導体膜のうち少なくとも最上膜である第１の半導体膜のバンドギャップエネルギーと、活性層のバンドギャップエネルギーの差分は、０．１エレクトロンボルト（ｅＶ）以上、０．３エレクトロンボルト以下である。
好ましくは、第１および第２の半導体膜は、Ａｌの組成を異にしたＡｌＧａＡｓからなり、コンタクト層はＧａＡｓからなり、第１の半導体膜のＡｌの含有率は、第２の半導体膜のＡｌの含有率よりも小さい。Ａｌ含有率の低いＡｌＧａＡｓの方が酸化がし難く、コンタクト層との電気的なコンタクトをとり易いためである。コンタクト層の膜厚は、例えば２０ナノメータ（ｎｍ）である。
好ましくは光学膜厚Ｔは、（０．１９５±０．０２）λの範囲である。また、光学膜厚Ｔは、（０．１５５±０．０２）λの範囲以外であることが望ましい。この範囲の膜厚になると、反射率が急激に低下しすぎてしまい、却って良好なレーザ光の発振に悪影響を及ぼしてしまう。コンタクト層上に形成される金属層は、金またはチタンと金の積層を用いることが望ましいが、勿論、これ以外の金属であってもよい。金属層はまた、電流を注入するための電極であってもよい。
面発光型半導体レーザはさらに、コンタクト層と基板との間に電流狭窄層を含む。電流狭窄層は、活性層近傍に配されることが望ましく、第１または第２の半導体多層膜内に形成するようにしてもよい。電流狭窄層は、単一に限らず複数形成されるものであってもよい。好ましくは、電流狭窄層は、第２の半導体多層膜の最下層に形成されるＡｌＡｓ層であり、ＡｌＡｓ層は、選択的に酸化された高抵抗領域とこの領域によって囲まれた導電領域を含む。金属層の開口部は、導電領域によって規定される径の大きさよりも０〜３ミクロン、より望ましくは１〜２ミクロン小さい。この条件のとき、光軸周縁の高次横モードが効果的に抑制される。
好ましくは、基板上に積層された半導体層をエッチングして形成されたポスト含み、電流狭窄層の酸化領域は、ポスト側面から酸化される。ポストは、例えば円柱状または矩形状からなる。酸化領域は、ポストの外形を反映するように形成され、ポストが円柱状であるとき、酸化領域によって囲まれた導電領域の平面形状は円形である。導電領域の大きさは、この円の直径である。平面形状が矩形であるときは、導電領域の大きさは、この矩形の対角線の長さでる。
本発明に係る面発光型半導体レーザの製造方法は、基板上に、少なくとも第１導電型の第１の半導体多層膜を形成するステップと、第１の半導体多層膜上に、活性層を形成するステップと、活性領域上に、最上膜の膜厚が他の膜厚よりも薄くなるように第２導電型の第２の半導体多層膜を形成するステップと、第２の半導体多層膜上に、前記最上膜と合わせた光学膜厚Ｔが発振波長のλ／４より小さくなるようにコンタクト層を形成するステップと、コンタクト層上に、レーザ光の出射領域を規定する開口部を含む金属層を形成するステップとを有する。
好ましくは製造方法はさらに、基板とコンタクト層との間に電流狭窄層を形成するステップと、基板上の半導体層をエッチングして基板上にポストを形成するステップと、電流狭窄層の外縁をポスト側面から酸化するステップとを含み、電流狭窄層の酸化領域によって囲まれた導電領域の径よりも金属層の開口部の大きさが０〜３ミクロン、より望ましくは１〜２ミクロン小さい。
本発明によれば、第２の半導体多層膜の最上膜とコンタクト層の光学膜厚Ｔをλ／４よりも小さくしたことで、金属層下部における反射率を従来構造よりも小さくすることができ、光軸から離れた周縁部における高次横モードの発振を抑制することができる。これにより、広い温度範囲において、特に低温における低次横モード発振のしきい値の上昇が抑制され、高出力の面発光型半導体レーザが実現される。
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬの平面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。ＶＣＳＥＬ１００は、図１および図２に示すように、ｎ型のＧａＡｓ基板１０２の裏面にｎ側電極１５０を含み、さらに基板１０２上に、ｎ型のＧａＡｓバッファ層１０４、ｎ型のＡｌＧａＡｓの半導体多層膜からなる下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector:分布ブラッグ型反射鏡）１０６、活性領域１０８、ｐ型のＡｌＡｓからなる電流狭窄層１１０、ｐ型のＡｌＧａＡｓの半導体多層膜からなる上部ＤＢＲ１１２、ｐ型のＧａＡｓコンタクト層１１４を含む半導体層が積層されている。
基板１０２には、半導体層をエッチングして形成されたリング状の溝１１６が形成され、溝１１６は、コンタクト層１１４から下部ＤＢＲ１０６の一部に到達する深さを有している。この溝１１６により、レーザ光の発光部である円筒状のポストＰが規定され、また、ポストＰと隔てられてパッド形成領域１１８が形成されている。ポストＰは、下部ＤＢＲ１０６と上部ＤＢＲ１１２により共振器構造を形成し、これらの間に、活性領域１０８および電流狭窄層１１０を介在させている。電流狭窄層１１０は、ポストＰの側面において露出されたＡｌＡｓを選択的に酸化させた酸化領域１１０ａと酸化領域によって包囲された導電領域を含み、導電領域内に電流および光の閉じ込めを行う。導電領域の平面形状は、ポストＰの外形を反映した円形である。
溝１１６を含む基板全面に層間絶縁膜１２０が形成されている。層間絶縁膜１２０は、ポストＰの表面、溝１１６により露出されたポストＰの側面、溝１１６、溝１１６によって露出されたパッド形成領域１１８の側面、パッド形成領域１１８の表面を覆っている。ポストＰの頂部において、層間絶縁膜１２０には環状のコンタクトホールが形成され、コンタクトホールを介してｐ側の円形状の上部電極１３０がコンタクト層１１４と電気的に接続されている。ｐ側の上部電極１３０は、金またはチタン／金から成り、その中央にレーザ光の出射領域を規定する円形状の開口１３２が形成されている。図２の例では、開口１３２は層間絶縁膜１２０によって塞がれ、ＧａＡｓコンタクト層１１４が外部に露出されないように保護されている。開口１３２は、必ずしも層間絶縁膜１２０により塞がれず、露出されていてもよい。
パッド形成領域１１８には、層間絶縁膜１２０を介して円形状の電極パッド１３４が形成されている。電極パッド１３４は、溝１１６を延在する引き出し電極配線１３６を介してｐ側の上部電極１３０に接続されている。
図３は、図２のポスト頂部の拡大断面図であり、上部ＤＢＲの最上層とコンタクト層との関係、および上部ＤＢＲの最上層と活性領域との関係を詳細に説明する図である。上部ＤＢＲ１１２は、Ａｌ組成の高いＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層１１２ａとＡｌ組成の低いＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ層１１２ｂとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に３０周期積層している。
本実施例では、上部ＤＢＲ１１２の最終層または最上層であるＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ層１１２ｃの膜厚Ｔｃを、他のＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ層１１２ｂの膜厚よりも薄く形成している。すなわち、最終層であるＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ層１１２ｃとＧａＡｓコンタクト層１１４を合わせた光学膜厚Ｔ（以下、これを「最上層膜厚Ｔ」という）をλ／４ｎｒより小さくしている。Ａｌ含有率の低いＡｌＧａＡｓ層の方が酸化がし難く、電気的なコンタクトをとり易いため、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ層１１２ｃ上にコンタクト層を形成している。コンタクト層の膜厚Ｔｇは、例えば２０ナノメータ（ｎｍ）である。ここで、λは、レーザ光の発振波長であり、本例では、約８５０ｎｍである。ｎｒは、媒質の屈折率であり、最上層１１２ｃの屈折率ｎ１、コンタクト層の屈折率ｎ２とすると、最上層膜厚Ｔ＝ｎ１Ｔｃ＋ｎ２Ｔｇ＜λ／４である。
上部ＤＢＲ１１２の最下層、または上部ＤＢＲ１１２と活性領域１０８の間に介在される電流狭窄層１１０は、酸化領域１１０ａによって囲まれた導電領域を含んでいる。酸化領域１１０ａは、ポストの外形を反映するように形成され、ポストＰが円柱状であるとき、酸化領域１１０ａによって囲まれた導電領域の平面形状は円形である。導電領域の径は、この円の直径である。ポストＰが矩形状であって、導電領域が矩形状であるときは、導電領域の大きさは、この矩形の対角線の長さである。導電領域の光軸方向の中心は、上部電極１３０の円形状の開口１３２の中心とほぼ整合されている。開口１３２の直径をＤ１、導電領域の直径をＤ２としたとき、好ましくは、Ｄ２−Ｄ１＝０〜３ミクロン、より好ましくは、１〜２ミクロンである。
活性領域１０８は、アンドープ下部Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓスぺーサー層１０８ａと、アンドープ量子井戸活性層１０８ｂ(膜厚７０ｎｍＧａＡｓ量子井戸層３層と膜厚５０ｎｍＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ障壁層４層とで構成されている)と、アンドープ上部Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓスぺーサー層１０８ｃとで構成されている。本実施例のＶＣＳＥＬは、上部ＤＢＲのＡｌ組成の低い層、すなわちＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ層１１２ｂと最終層であるＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ層１１２ｃのバンドギャップエネルギーＥｇ１と、量子井戸活性層１０８ｂのバンドギャップエネルギーＥｇ２の差分｜Ｅｇ１−Ｅｇ２｜が、０．１エレクトロンボルト（ｅＶ）以上、０．３エレクトロンボルト以下となるようにそれぞれの半導体層の組成が選択されている。両者のバンドギャップエネルギーの差分を、０．１〜０．３エレクトロンボルトの範囲内にすることで、後述するように、ＶＣＳＥＬを高温で動作させたときに、光出力の低下が一定以下に抑制される。
図４は、最上層膜厚Ｔとその反射率との関係を示すグラフである。横軸は、最上層膜厚Ｔ（コンタクト層と上部ＤＢＲの最上層の合計の光学膜厚）であり、縦軸は反射率である。グラフには、上部電極として金層を用いたときの曲線と金層がないときの曲線が示されている。図から明らかなように、金層が形成されていない場合には、最上層膜厚Ｔが変化してもその反射率はほとんど変化しない。言い換えれば、上部金属１３０に形成された開口１３２の光軸近傍では、反射率はほとんど変化することなく、９９％以上の高い反射率である。
一方、上部電極１３０である金層が形成された領域において、最上層膜厚Ｔがλ／４近傍のとき、反射率は、金層がない領域に比べて若干低い。この反射率は、最上層膜厚Ｔが０．２１５λ程度まで減少しても変化しない。最上層膜厚Ｔが０．１９５λより小さくなるに従い、その反射率が低下し、最上層膜厚Ｔが０．１５５λのときに、反射率が約９０％と最小となる。最上層膜厚Ｔが０．１５５λよりもさらに小さくなると、反射率は再び上昇する。
本実施例のＶＣＳＥＬでは、金層が存在しない、すなわち開口１３２の光軸近傍の反射率と金層が存在する光軸から離れた領域の反射率の差を、従来のＶＣＳＥＬ（最上層膜厚Ｔがλ／４または最上層１１２ｃがλ／４のときの反射率の差よりも大きくし、これにより、高次横モードの発振がより効果的に抑制され、低次横モードの発振しきい値の上昇が抑制される。その結果、ＶＣＳＥＬを低温で動作させたときに一定の出力を得ることができる。
本発明者は、最上層膜厚Ｔを、（０．１９５±０．０２）λの範囲内、特に０．１９５λ近傍にすることが、高次横モードを好ましく抑制することができることを見出した。一方、最上層膜厚Ｔが、（０．１５５±０．０２）λの範囲内になると、却って反射率が低くなりすぎてしまい、良好な低次横モードのレーザ発振を得ることができないことも分かった。
図５は、本実施例のＶＣＳＥＬによる高次横モードの抑制を示す図であり、上段の２つの波形図は、本実施例のＶＣＳＥＬの発振スペクトルとレーザ光のファーフィールドパターン（ＦＦＰ）であり、下段の２つの波形図は、従来のＶＣＳＥＬのものである。図６は、図５の波形を得たときの本実施例のＶＣＳＥＬと従来のＶＣＳＥＬのサイズを比較するものである。
発振スペクトルを比較すると、本実施例のＶＣＳＥＬでは、８５０ｎｍ付近に基本横モードの発振が見られ、その周囲の高次横モードが抑制されていることが分かる。これに対し、従来のＶＣＳＥＬでは、８５０ｎｍ近傍に高次モードの複数の発振が生じている。また、ＦＦＰを比較すると、本実施例のＶＣＳＥＬでは、高次横モードが抑制されているため単峰性に近い光強度が得られているのに対し、従来のＶＣＳＥＬは双峰性の光強度になっている。
図７は、ＶＣＳＥＬを一定の駆動電流で動作させたときの光出力のエネルギーギャップ差分の温度依存性を示すグラフである。縦軸は、本実施例のＶＣＳＥＬを高温（ＶＣＳＥＬの環境温度が８５℃）で動作したときの光出力と室温（２５℃）で動作したときの光出力の比、横軸は、上部ＤＢＲに含まれるＡｌ組成の低いＡｌＧａＡｓ層と、活性層とのバンドギャップエネルギーの差分である。光出力の比は、その値が高ければ高いほど、高温動作時の光出力の低下が小さいことを意味する。同図から明らかなように、エネルギー差分が０．１（ｅＶ）以上、０．３（ｅＶ）以下の範囲において、光出力の比が０．６以上、すなわち高温での光出力の低下が４０％未満となり、好ましい高温動作状態を得ることができる。０.１ｅＶ未満の場合は、分布型ブラッグ反射鏡を構成する高屈折率のＡｌＧａＡｓ層による光吸収により発熱が増加し、高温時における光出力が減少する。０．３ｅＶを越える場合は 、分布型ブラッグ反射鏡を構成する各半導体層の屈折率差が低減することで反射率が低くなり、閾値が上昇するため一定駆動電流における高温時の光出力が全体的に低減する。これに対して、反射率を上げるためにＡｌＧａＡｓ層のペア数を増加させると、素子の抵抗が上昇するため発熱が増加し、一定駆動電流における高温時の光出力は低減する。
このように本実施例のＶＣＳＥＬでは、最上層膜厚Ｔをλ／４より小さくすることで、低温動作時において高次横モード発振を抑制し、従来のＶＣＳＥＬよりも高光出力を得ることができる。また、最上層膜厚Ｔは、上部ＤＢＲ１１２の最上層１１２ｃの膜厚のみを異ならせればよいので、従来の製造工程に新たな工程を追加することなく、製造も容易である。さらに、上部ＤＢＲのＡｌ組成の低いＡｌＧａＡｓ層のバンドギャップエネルギーと活性層のバンドギャップエネルギーの差分を、０．１〜０．３ｅＶの範囲と成るように組成を選択することで、高温動作時においても高光出力を得ることができる。
上記実施例では、ＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体を用いたＶＣＳＥＬを例示したが、他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたＶＣＳＥＬに適用することも可能である。ＶＣＳＥＬに形成された電流狭窄層は、単一の層としたが、複数の層であってもよく、活性層近傍に配されることが望ましい。また、ポストの形状は、円筒状の他、矩形状であってもよい。
次に、本実施例のＶＣＳＥＬの製造方法について図８ないし図１０を参照して説明する。先ず、図８Ａに示すように、有機金属気相成長(ＭＯＣＶＤ)法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１０２上に、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3、膜厚０．２μｍ程度のｎ型ＧａＡｓバッファ層１０４を積層し、その上に、Ａｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に４０．５周期積層し、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3で総膜厚が約４μｍとなる下部ｎ型ＤＢＲ１０６、アンドープ下部Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓスぺーサー層とアンドープ量子井戸活性層(膜厚７０ｎｍＧａＡｓ量子井戸層３層と膜厚５０ｎｍＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ障壁層４層とで構成されている)とアンドープ上部Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓスぺーサー層とで構成された膜厚が媒質内波長となる活性領域１０８、ｐ型のＡｌＡｓ層１１０、その上にＡｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に３０周期積層したキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3、総膜厚が約２μｍとなる上部ｐ型ＤＢＲ１１２、キャリア濃度１×１０19ｃｍ-3となる膜厚２０ｎｍ程のｐ型のＧａＡｓコンタクト層１１４を順次積層する。
ここで、上部p型ＤＢＲ１１２の最終層であるＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ層１１２ｃ（図３を参照）の膜厚を他のＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ層１１２ａの膜厚と異なる膜厚、すなわち小さいな膜厚で堆積する。これは、堆積時間を制御することで実現される。さらに、上部ＤＢＲ１１２のＡｌ組成の低いＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ層、１１２ｂ、１１２ｃは、量子井戸活性層とのバンドギャップエネルギー差分が０．１〜０．３ｅＶの範囲内となるＡｌ組成が選択される。
原料ガスとしては、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アルシン、ドーパント材料としてはｐ型用にシクロペンタジニウムマグネシウム、ｎ型用にシランを用い、成長時の基板温度は７５０℃とし、真空を破ることなく、原料ガスを順次変化し、連続して成膜を行った。また、詳しくは述べないが、ＤＢＲの電気的抵抗を下げるために、Ａｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓの界面にＡｌ組成を９０％から３０％に段階的に変化させた膜厚が２０ｎｍ程度の領域を設けることも可能である。
次に、図８Ｂに示すように、フォトリソ工程により結晶成長層上にレジストマスクＲを形成し、三塩化ホウ素をエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチングにより下部ＤＢＲ１０６の途中までエッチングし、図８Ｃに示すように、環状の溝１１６を形成する。これにより、１０〜３０μｍ程度の径の円柱もしくは角柱の半導体柱（ポスト）Ｐと、その周囲にパッド形成領域１１８を形成する。
次に、図９Ａに示すように、例えば３４０℃の水蒸気雰囲気に基板を一定時間晒し、酸化処理を行う。電流狭窄層１１０を構成するＡｌＡｓ層は、同じくその一部を構成するＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層やＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ層と比べ著しく酸化速度が速いため、ポストＰの側面からポスト形状を反映した酸化領域１１０ａが形成され、酸化されずに残った非酸化領域(導電領域)が電流注入領域あるいは導電領域となる。このとき、酸化距離を制御することで導電領域の直径Ｄ２を得る。
次に、レジストＲを除去した後、図９Ｂに示すように、プラズマＣＶＤ装置を用いて、溝１１６および外周溝１４０を含む基板全面にＳｉＮからなる層間絶縁膜１２０を蒸着する。その後、図９Ｃに示すように、通常のフォトリソ工程を用いて層間絶縁膜１２０をエッチングし、ポストＰの頂部の層間絶縁膜１２０に円形状のコンタクトホール１２０ａを形成し、コンタクト層１１４を露出させる。あるいは、コンタクトホール１２０ａをリング状とし、図２に示したように、出射領域となるコンタクト層１１４をＳｉＮで保護するようにしてもよい。
その後、図１０Ａに示すように、フォトリソ工程を用いてポストＰの上部中央にレジストパターンＲ１を形成し、その上方からＥＢ蒸着機を用いて、ｐ側電極材料としてＡｕを１００〜１０００ｎｍ、望ましくは６００ｎｍ蒸着する。次に、レジストパターンＲ１を剥離すると、図１０Ｂに示すように、レジストパターンＲ１上のＡｕが取り除かれ、上部電極１３０、電極パッド１３４および引き出し配線１３６が完成する。ｐ側電極のない部分、すなわちポスト中央部の開口１３２からレーザ光が出射されるが、この開口１３２の口径は３〜２０μｍぐらいが好ましい。ここでは詳しく述べないが、ポストＰ上に形成される金属の開口部は、ポスト形成前に作成されても良い。
そして、基板裏面には、ｎ電極としてＡｕ／Ｇｅが蒸着される。その後、アニール温度２５０℃〜５００℃、望ましくは３００℃〜４００℃で１０分間アニールを行う。尚、アニール時間は１０分に限定されるわけではなく、０〜３０分の間であればよい。また、蒸着方法としてＥＢ蒸着機に限定されるものではなく、抵抗加熱法、スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法、ＣＶＤ法を用いてもよい。また、アニール方法として通常の電気炉を用いた熱アニールに限定されるものではなく、赤外線によるフラッシュアニールやレーザアニール、高周波加熱、電子ビームによるアニール、ランプ加熱によるアニールにより、同等の効果を得ることも可能である。
図１１は、ＶＣＳＥＬチップが実装された半導体レーザ装置のパッケージ（モジュール）例を示す概略断面を示す図である。パッケージ３００では、金属ステム３３０上のサブマウント３２０上に、ＶＣＳＥＬが形成されたチップ３１０が固定されている。導電性のリード３４０、３４２は、ステム３３０の貫通孔（図示省略）内に挿入され、一方のリード３４０は、チップ３１０の裏面に形成されたｎ側の下部電極１５０に電気的に接続され、他方のリード３４２は、チップ３１０の上面に形成されたｐ側電極１３０（電極パッド１３４）にボンディングワイヤ等を介して電気的に接続される。
キャップ３５０の出射窓３５２内にボールレンズ３６０が固定されている。ボールレンズ３６０の光軸は、上部電極１３０の開口１３２のほぼ中心と一致するように位置決めされる。また、チップ３１０とボールレンズ３６０との距離は、チップ３１０からのレーザ光の放射角度θ内にボールレンズ３６０が含まれるように調整される。リード３４０、３４２間に順方向の電圧が印加されると、チップ３１０からレーザ光が出射され、ボールレンズ３６０を介して外部へ出力される。なお、キャップ内に、ＶＣＳＥＬの発光状態をモニターするための受光素子を含ませるようにしてもよい。
図１２は、さらに他のパッケージの構成を示す図であり、好ましくは、後述する空間伝送システムに使用される。同図に示すパッケージ３０２は、ボールレンズ３６０を用いる代わりに、キャップ３５０の中央の出射窓３５２内に平板ガラス３６２を固定している。平板ガラス３６２の中心は、チップ３１０の光軸と一致するように位置決めされる。チップ３１０と平板ガラス３６２との距離は、平板ガラス３６２の開口径がチップ３１０からのレーザ光の放射角度θ以上になるように調整されている。
図１３は、図１１に示すパッケージまたはモジュールを光送信装置に適用したときの構成を示す断面図である。光送信装置４００は、ステム３３０に固定された円筒状の筐体４１０と、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０と、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０と、フェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０とを含んで構成される。
ステム３３０の円周方向に形成されたフランジ３３２には、筐体４１０の端部が固定される。フェルール４３０は、スリーブ４２０の開口４２２に正確に位置決めされ、光ファイバ４４０の光軸がボールレンズ３６０の光軸に整合される。フェルール４３０の貫通孔４３２内に光ファイバ４４０の芯線が保持されている。
チップ３１０の表面から出射されたレーザ光は、ボールレンズ３６０によって集光され、集光された光は、光ファイバ４４０の芯線に入射され、送信される。上記例ではボールレンズ３６０を用いているが、これ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。さらに、光送信装置４００は、リード３４０、３４２に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよい。さらに、光送信装置４００は、光ファイバ４４０を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。
図１４は、図１２に示すパッケージを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。空間伝送システム５００は、パッケージ３００と、集光レンズ５１０と、拡散板５２０と、反射ミラー５３０とを含んでいる。空間伝送システム５００では、パッケージ３００に用いられたボールレンズ３６０を用いる代わりに、集光レンズ５１０を用いている。集光レンズ５１０によって集光された光は、反射ミラー５３０の開口５３２を介して拡散板５２０で反射され、その反射光が反射ミラー５３０へ向けて反射される。反射ミラー５３０は、その反射光を所定の方向へ向けて反射させ、光伝送を行う。空間伝送の光源の場合には、マルチスポット型のＶＣＳＥＬを用い、高出力を得るようにしてもよい。
図１５は、ＶＣＳＥＬを光源に利用した光伝送システムの一構成例を示す図である。光伝送システム６００は、ＶＣＳＥＬが形成されたチップ３１０を含む光源６１０と、光源６１０から放出されたレーザ光の集光などを行う光学系６２０と、光学系６２０から出力されたレーザ光を受光する受光部６３０と、光源６１０の駆動を制御する制御部６４０とを有する。制御部６４０は、ＶＣＳＥＬを駆動するための駆動パルス信号を光源６１０に供給する。光源６１０から放出された光は、光学系６２０を介し、光ファイバや空間伝送用の反射ミラーなどにより受光部６３０へ伝送される。受光部６３０は、受光した光をフォトディテクターなどによって検出する。受光部６３０は、制御信号６５０により制御部６４０の動作（例えば光伝送の開始タイミング）を制御することができる。
次に、光伝送システムに利用される光伝送装置の構成について説明する。図１６は、光伝送装置の外観構成を示している。光伝送装置７００は、ケース７１０、光信号送信／受信コネクタ接合部７２０、発光／受光素子７３０、電気信号ケーブル接合部７４０、電源入力部７５０、動作中を示すＬＥＤ７６０、異常発生を示すＬＥＤ７７０、ＤＶＩコネクタ７８０、送信回路基板／受信回路基板７９０を有している。
光伝送装置７００を用いた映像伝送システムを図１７に示す。映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０、画像表示装置８２０、ＤＶＩ用電気ケーブル８３０、送信モジュール８４０、受信モジュール８５０、映像信号伝送光信号用コネクタ８６０、光ファイバ８７０、制御信号用ケーブルコネクタ８８０、電源アダプタ８９０、ＤＶＩ用電気ケーブル９００を含んでいる。映像信号発生装置８１０で発生された映像信号を液晶ディスプレイなどの画像表示装置８２０に伝送するため、図１６に示す光伝送装置を利用している。
本発明に係る面発光型半導体レーザは、光情報処理や光高速データ通信の分野で利用することができる。
本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬの平面図である。 図１のＡ−Ａ線線断面図である。 図２に示すコンタクト層と上部ＤＢＲの膜厚の関係を詳細に示す図である。 最上層膜厚と反射率との関係を示す図である。 本発明の実施例によるＶＣＳＥＬの発振スペクトルおよびファーフィールドパターンと、従来のＶＣＳＥＬの発振スペクトルおよびファーフィールドパターンを示す図である。 本実施例のＶＣＳＥＬと従来のＶＣＳＥＬの各部のサイズを示す表である。 ＶＣＳＥＬを一定の駆動電流で動作させたときのバンドギャップエネルギー差分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ＶＣＳＥＬの製造方法を説明する工程断面図である。 本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法を説明する工程断面図である。 本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法を説明する工程断面図である。 ＶＣＳＥＬが形成された半導体チップを実装したパッケージの構成を示す概略断面図である。 他のパッケージの構成を示す概略断面図である。 図１１に示すパッケージを用いた光送信装置の構成を示す概略断面図である。 図１２に示すパッケージを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。 光伝送システムの構成を示すブロック図である。 光伝送装置の外観構成を示す図である。 図１６の光伝送装置を利用した映像伝送システムを示す図である。 従来のＶＣＳＥＬを示す断面図である。
符号の説明
１００：ＶＣＳＥＬ １０２：基板
１０４：バッファ層 １０６：下部ＤＢＲ
１０８：活性領域 １１０：電流狭窄層
１１２：上部ＤＢＲ １１２ａ：Ａｌ組成の高いＧａＡｓ層
１１２ｂ：Ａｌ組成の低いＧａＡｓ層 １１２ｃ：最上層のＡｌＧａＡｓ層
１１４：コンタクト層 １１６：溝
１１８：パッド形成領域 １２０：層間絶縁膜
１３０：ｐ側上部電極 １３２：開口
１３４：電極パッド １３６：配線電極
１５０：ｎ側下部電極 Ｐ：ポスト

Claims (24)

  1. 基板上に、少なくとも第１導電型の第１の半導体多層膜、活性層、第1の半導体多層膜とともに共振器を構成する第２導電型の第２の半導体多層膜、およびコンタクト層を積層し、コンタクト層上にレーザ光の出射領域を規定する開口部を含む金属層が形成された面発光型半導体レーザであって、
    レーザ光の発振波長をλとしたとき、コンタクト層と当該コンタクト層が接する第２の半導体多層膜の最上膜との光学膜厚Ｔがλ／４よりも小さい、面発光型半導体レーザ。
  2. 第２の半導体多層膜は、第１の屈折率を有する第１の半導体膜と第２の屈折率を有する第２の半導体膜を対とする複数対の半導体膜を多層含み、第２の半導体多層膜の最上膜である第１の半導体膜と前記コンタクト層とを合わせた光学膜厚Ｔがλ／４よりも小さい、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
  3. 第２の半導体多層膜に含まれる第１の半導体膜のうち少なくとも前記最上膜である第１の半導体膜のバンドギャップエネルギーと、活性層のバンドギャップエネルギーの差分は、０．１エレクトロンボルト（ｅＶ）以上、０．３エレクトロンボルト以下である、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
  4. 第１および第２の半導体膜は、Ａｌの組成を異にしたＡｌＧａＡｓからなり、コンタクト層はＧａＡｓからなる、請求項２または３に記載の面発光型半導体レーザ。
  5. 第１の半導体膜のＡｌの含有率は、第２の半導体膜のＡｌの含有率よりも小さい、請求項２ないし４いずれか１つ記載の面発光型半導体レーザ。
  6. 前記光学膜厚Ｔは、（０．１９５±０．０２）λの範囲である、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
  7. 前記光学膜厚Ｔは、（０．１５５±０．０２）λの範囲以外である、請求項１または６に記載の面発光型半導体レーザ。
  8. 金属層は、金またはチタンと金の積層である、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
  9. 面発光型半導体レーザはさらに、コンタクト層と基板との間に電流狭窄層を含み、電流狭窄層は、高抵抗領域と当該高抵抗領域によって囲まれた導電領域を含み、前記金属層の開口部は、前記導電領域の径の大きさよりも０〜３ミクロン小さい、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
  10. 面発光型半導体レーザはさらに、基板上にポスト含み、ポストは、少なくとも金属層、コンタクト層、第２の半導体多層膜、および電流狭窄層を含み、電流狭窄層の高抵抗領域は、ポスト側面から酸化された酸化領域である、請求項９記載の面発光型半導体レーザ。
  11. 請求項１ないし１０いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと光学部材を実装したモジュール。
  12. 請求項１１に記載されたモジュールと、モジュールから発せられたレーザ光を光媒体を介して送信する送信手段とを備えた、光送信装置。
  13. 請求項１１に記載されたモジュールと、モジュールから発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送装置。
  14. 請求項１１に記載されたモジュールと、モジュールから発せられたレーザ光を送信する送信手段とを備えた、光送信システム。
  15. 請求項１１に記載されたモジュールと、モジュールから発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送システム。
  16. 面発光型半導体レーザの製造方法であって、
    基板上に、少なくとも第１導電型の第１の半導体多層膜を形成するステップと、
    第１の半導体多層膜上に、活性領域を形成するステップと、
    活性領域上に、最上膜の膜厚が他の膜厚よりも薄くなるように第２導電型の第２の半導体多層膜を形成するステップと、
    第２の半導体多層膜上に、前記最上膜と合わせた光学膜厚Ｔが発振波長のλ／４より小さくなるようにコンタクト層を形成するステップと、
    コンタクト層上に、レーザ光の出射領域を規定する開口部を含む金属層を形成するステップと、
    を有する面発光型半導体レーザの製造方法。
  17. 第２の半導体多層膜は、第１の屈折率を有する第１の半導体膜と第２の屈折率を有する第２の半導体膜を対とする複数対の半導体膜を多層含み、第２の半導体多層膜の最上膜である第１の半導体膜と前記コンタクト層の光学膜厚Ｔがλ／４よりも小さく、最上膜以外の第１の半導体膜と第２の半導体膜のそれぞれの光学膜厚はλ／４に等しい、請求項１６に記載の製造方法。
  18. 第２の半導体多層膜に含まれる第１の半導体膜のうち少なくとも前記最上膜である第１の半導体膜のバンドギャップエネルギーと、活性層のバンドギャップエネルギーの差分は、０．１エレクトロンボルト（ｅＶ）以上、０．３エレクトロンボルト以下である、請求項１６または１７に記載の製造方法。
  19. 第１および第２の半導体膜は、Ａｌの組成を異にしたＡｌＧａＡｓからなり、コンタクト層はＧａＡｓからなる、請求項１７または１８に記載の製造方法。
  20. 第１の半導体膜のＡｌの含有率は、第２の半導体膜のＡｌの含有率よりも小さい、請求項１９に記載の製造方法。
  21. 前記光学膜厚Ｔは、（０．１９５±０．０２）λの範囲である、請求項１６に記載の製造方法。
  22. 前記光学膜厚Ｔは、（０．１５５±０．０２）λの範囲以外である、請求項１６ないし２１いずれか１つに記載の製造方法。
  23. 前記金属層は、金またはチタンと金の積層である、請求項１６に記載の製造方法。
  24. 前記製造方法はさらに、基板とコンタクト層との間に電流狭窄層を形成するステップと、基板上の半導体層をエッチングして基板上にポストを形成するステップと、電流狭窄層の外縁をポスト側面から酸化するステップとを含み、電流狭窄層の酸化領域によって囲まれた導電領域の径よりも金属層の開口部の大きさが０〜３ミクロン小さい、請求項１６に記載の製造方法。
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