JP2008098234A - 面発光レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高次横モード発振を抑制できる面発光レーザ素子を提供する。
【解決手段】本発明の面発光レーザ素子は、第１多層反射膜１０２および第２多層反射膜１０９と、第１多層反射膜上１０９に形成される活性層１０４と、スペーサ層１０３，１０５，１０８と、活性層１０４と第２多層反射膜１０９の間に形成され、スペーサ層１０８に光学膜厚差分の凹凸を生じさせて凸部分の電流注入領域１１３と凹部分の電流ブロック領域１１４とを形成する高濃度ｐ型層１０６および高濃度ｎ型層１０７とから構成される。第１多層反射膜１０２および第２多層反射膜１０９は、高屈折率層と該高屈折率層の下層の低屈折率層との対を１ペアとした複数のペアから構成され、第２多層反射膜１０９の最下にある低屈折率層１０９ａが一部除去されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光インターコネクションに適用される面発光レーザ素子に関する。

近年、インターネットの普及に伴い、コンピュータ内、コンピュータ間で処理が必要となる情報量は増加傾向にある。電気による信号の伝送限界を超えるデバイスとして、コンピュータ内で高密度実装が可能な面発光レーザ素子が注目されている。

光インターコネクションでは、ファイバーとの結合を行う上で、低コストである、レンズを用いない直接結合が求められている。レンズなしでファイバーと高い結合効率で結合するには放射角が小さいことが望ましい。このような面発光レーザ素子を歩留まりよく作製することが重要である。放射角の小さな面発光レーザ素子を実現するには、横モードは、基本モードのみとするかあるいは高次モードを含んでいても次数を小さくすることが望ましい。

また、複数の高次モードを含む場合、光伝送時、特に、高速変調時に、伝送距離に比例して、伝送品質が著しく劣化する。このため、高次モードを抑制することが望ましい。

面発光レーザ素子の中でも、トンネル接合を用いたものは、低抵抗化できるので、高速動作化・消費電力低減に優れる。また、低抵抗化により発熱も抑制できるので、寿命の長い面発光レーザ素子を実現できる。トンネル接合を用いた面発光レーザ素子の例として、非特許文献１の１２２３頁、講演番号２２ｐ−ＺＮ−３の図１には、埋め込みトンネル接合構造の面発光レーザ素子が開示されている。

図７に示すように、非特許文献１に開示された面発光レーザ素子は、ｎ型導電性の半導体基板７０１上に、第１多層反射膜７０２、第１のｎ型スペーサ層７０３、活性層７０４、ｐ型スペーサ層７０５、トンネル接合を形成する高濃度ｐ型層７０６、トンネル接合を形成する高濃度ｎ型層７０７、埋め込み層である第２のｎ型スペーサ層７０８、第２多層反射膜７０９、＋電極７１０、および、−電極７１１が形成された構成になっている。

図７に示した面発光レーザ素子は、図８（ａ）〜（ｄ）に示すように製造している。

初めに、図８（ａ）に示すように、基板７０１上に、第１多層反射膜７０２からトンネル接合を形成する高濃度ｎ型層７０７までを成長し、フォトグラフィー技術を用いてエッチングによりトンネル接合を加工する。

次に、図８（ｂ）に示すように、第２のｎ型スペーサ層７０８を埋め込み成長する。

次に、図８（ｃ）に示すように、基板７０１側のコンタクト電極を表面側から取り出すために、第１のｎ型スペーサ層７０３までをエッチングし、メサを形成する。

その後、図８（ｄ）に示すように、ＳｉＯ₂／Ｓｉからなる第２多層反射膜７０９を形成した後、コンタクト部の誘電体をエッチング除去し、＋電極７１０および−電極７１１を形成し、電極アロイを経て面発光レーザ素子が完成する。これにより、閾値電流１ｍＡ、波長１０９０ｎｍで発振し、素子抵抗５０Ωの低抵抗な面発光レーザ素子が得られる。

また、トンネル接合を用いた面発光レーザ素子の他の例として、非特許文献２の図２には、酸化狭窄構造とトンネル接合構造を組み合わせた面発光レーザ素子が開示されている。

上述のように、面発光レーザ素子を電流狭窄構造とするために、非特許文献１ではトンネル接合のエッチング加工を用い、非特許文献２では酸化狭窄プロセスを用いている。

図７の非特許文献１のようにトンネル接合のエッチング加工を用いた場合には、トンネル接合の加工形状を反映して、第２のｎ型スペーサ層７０８と第２多層反射膜７０９との界面７１２に凹凸が生じる。この面発光レーザ素子の共振器長は、第１多層反射膜７０２と第１のｎ型スペーサ層７０３の界面と、第２多層反射膜７０９と第２のｎ型スペーサ層７０８の界面との、界面間の距離で規定される。

非特許文献３に示される関係式（２４）によれば、発光する電流注入領域である凸部共振器の共鳴波長および実効屈折率をそれぞれλｏ、ｎ_effとし、電流ブロック領域である凹部共振器の共鳴波長および実効屈折率をそれぞれλ１、ｎ１とし、Δλ＝λｏ−λ１、Δｎ_eff＝ｎ_eff−ｎ₁とすると、次の数式１の関係が存在する。

例えば、説明の簡単のために凹凸段差（光学膜厚差）を１／４λ厚以下に限定すると、凹部では凸部に比べて共振器長が短くなる。その結果、λｏ＞λ１となるため、ｎ_eff＞ｎ₁となる。その結果、電流注入領域の実効屈折率はその周辺の電流ブロック領域の実効屈折率よりも高くなるため、屈折率導波構造となる。

このため、光閉じ込めの程度は、凹凸段差の大きさを反映する。

高速動作を実現するには共振器長は短いことが望ましく、埋め込み層である第２のｎ型スペーサ層７０８は薄いことが望まれる。トンネル接合を加工するために必要なエッチング段差の典型値は３００Å以上であり、埋め込み成長後でも、トンネル接合の加工段差は保持される。屈折率差に換算すると、Δｎ_eff／ｎ_eff＝２〜３％と非常に大きい。その結果、面発光レーザ素子はマルチモード発振しやすく、放射角は４０度以上となり、導波路に直接結合する場合に結合効率が悪くなる。

一方、非特許文献２のように酸化狭窄プロセスを用いる場合も、電流注入領域と酸化層のある電流ブロック領域では、酸化層が低屈折率であるため、電流ブロック領域の共振器長が電流注入領域の共振器長に比べて短くなり、共鳴波長は電流ブロック領域で短くなるため、屈折率導波構造となる。酸化狭窄構造の場合、酸化層の厚みを制御することで屈折率差を調整可能であるが、電流狭窄形状の制御は再現性に乏しく、量産には不向きである。

また、酸化狭窄構造で生じた屈折率差が大きい場合の、横モード発振の抑制手段が特許文献１に報告されている。この特許文献１では、発振波長の１／４光学膜厚の位相調整領域を、上部半導体多層膜反射鏡と活性領域の間に備えている。１／４光学膜厚の位相調整領域とその周辺部では共鳴波長の差が大きい。このため、位相調整領域周辺部で決まる発振波長において、位相調整領域周辺部では反射率が小さくなり、周辺部で発振しやすいモードを抑制できる。

特許文献１の方法の場合、酸化狭窄径と位相調整領域の径がほぼ同じ場合には、位相調整層と酸化狭窄層の効果により、電流ブロック領域と電流注入領域の光学膜厚差が１／４λ厚を超え、共鳴波長は電流ブロック領域に比べて電流注入領域で短くなり、導波モードは反導波構造となり、光閉じ込めは弱くなり、閾値電流が上昇する。

また、酸化狭窄径よりも位相調整領域の径が小さい場合には、位相調整領域周辺でレーザ発振に寄与しない発光再結合が増加し、閾値電流が上昇する。

また、酸化狭窄径よりも位相調整領域の径が大きい場合には、酸化狭窄で決まる実効屈折率差でマルチモード発振するため、本発明の目的である高次横モードの発振抑制ができなくなる。

また、非特許文献４の図１には、アンチレゾナンス リフレクティング オプティカル ウェーブガイド（ａｎｔｉｒｅｓｏｎａｎｔ ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ；ＡＲＲＯＷｓ）構造を用いた面発光レーザ素子が開示されている。非特許文献４では、発光部周辺に実効屈折率の高い反導波構造を帯状に形成し、帯の幅を最適化することで、横方向への光の放射を抑制し、高出力動作を実現している。

しかしながら、別の見方をすると、実効屈折率の高い領域が帯状に存在することになるため、電流ブロック特性が十分でない場合には、逆に、この実効屈折率の高い帯状構造に光が閉じ込められ、レーザ発振が生じうる。
特開２００３−３３２６８４号公報（第５頁） 屋敷、他５名、２２ｐ−ＺＮ−３「１．１μｍ帯埋め込みトンネル接合構造面発光レーザ」、第５３回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集、２００６年春、ｐ．１２２３ ジェイ・ジェイ・ウィラー（Ｊ．Ｊ．Ｗｉｅｒｅｒ）、他３名、「ラテラル エレクトロン カレント オペレーション オブ バーティカル キャヴィティ サーフィス エミティング レーザーズ ウイズ ベリイド トンネル コンタクト ホール ソースズ（Ｌａｔｅｒａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ ｂｕｒｉｅｄ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｔａｃｔ ｈｏｌｅ ｓｏｕｒｃｅｓ）」、アプライドフィジックスレター（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ）、１９９７年、ｐｐ．３４６８−３４６９ ジー・ロナルド・ハドリー（Ｇ．Ｒｏｎａｌｄ．Ｈａｄｌｅｙ）、他５名、「コンプリヘンシブ ニューメリカル モデリング オブ バーティカル キャヴィティ サーフィス エミティング レーザーズ（Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒｓ）」、アイトリプルイー ジャーナル オブ クオンタム エレクトロニクス（ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、１９９６年、ｐｐ．６０７−６１６ ディー・ゾウ（Ｄ．Ｚｈｏｕ）、他１名、「シンプリファイド アンチレゾナント リフレクティング オプティカル ウェイブガイド タイプ バーティカル キャヴィティ サーフィス エミティング レーザーズ（Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ−ａｎｔｉｒｅｓｏｎａｎｔ ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ−ｔｙｐｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒｓ）」、アプライド フィジックス レター（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、２０００年、ｐｐ．１６５９−１６６１

上述したように従来の面発光レーザにおいては、電流注入領域と電流ブロック領域の実効屈折率差が大きいために高次横モードでレーザ発振しやすいという課題がある。

そこで、本発明の目的は、高次横モードのレーザ発振を抑制することができる面発光レーザ素子を提供することにある。

特に、本発明の目的は、トンネル接合をエッチング加工して作製されるような面発光レーザ素子であって、高次横モードのレーザ発振を抑制することができる面発光レーザ素子を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の面発光レーザ素子は、
第１および第２多層反射膜と、前記第１多層反射膜上に形成される活性層と、前記活性層と前記第２多層反射膜の間に埋め込まれる埋め込み層と、前記活性層と前記第２多層反射膜の間に形成され、前記埋め込み層に光学膜厚差分の凹凸を生じさせて凸部分の電流注入領域と凹部分の電流ブロック領域とを形成する電流狭窄構造と、から構成される面発光レーザ素子であって、
前記第１多層反射膜および前記第２多層反射膜は、高屈折率層と低屈折率層との対を１ペアとした複数のペアから構成され、
前記第２多層反射膜の最下にある前記低屈折率層が一部除去されていることを特徴とする。

この構成によれば、第２多層反射膜の最下層の低屈折率層が一部除去された領域では、共振器は、第２多層反射膜の下から２番目の高屈折率層と第１多層反射膜の最上層の高屈折率層の間で構成される。

ここで、低屈折率層が除去された領域では、第２多層反射膜のペア数は１ペア少なくなるため、反射率が低くなり、その他の領域との反射率差が大きくなり、それにより、横モードのレーザ発振を抑制することができる。

また、電流狭窄構造に起因して生じる光学膜厚差を、第２多層反射膜を構成する高屈折率層の厚さに調整すると、電流注入領域と電流ブロック領域の共鳴波長を一致させることができる。そのため、光学膜厚差を増減させることで、屈折率導波構造から反導波構造まで制御することができる。

したがって、わずかに屈折率導波構造とすることで、基本横モードのみのレーザ発振が得られる。その結果、高速変調で光通信を行っても伝送品質の劣化が少なく、マルチモードファイバーを用いても２０Ｇｂｐｓで３００ｍを超える距離の伝送が可能となる。また、基本横モードのみのレーザ発振とならなくても、次数の高い高次横モードのレーザ発振が抑制されることで、放射角が小さくなり、ファイバーとの直接結合効率が改善され、伝送時のリンクロスを低コストで改善できる。

また、本発明の面発光レーザ素子は、前記第２多層反射膜の最下にある前記低屈折率層が前記電流ブロック領域上で除去されていることを特徴とする。

この構成によれば、電流注入領域の周辺の電流ブロック領域の第２多層反射膜のペア数は１ペア少なくなるため、電流ブロック領域の反射率が低くなり、電流注入領域と電流ブロック領域との反射率差は大きくなる。また、一般に反射率は材料の屈折率差が大きいほど大きくなるので、この作用は第２多層反射膜を構成する材料の屈折率差が大きいほど顕著になる。

したがって、光閉じ込め改善のために屈折率差を大きくしても、電流注入領域と電流ブロック領域との反射率差を大きな状態で維持できるため、電流注入領域周辺の高次モードの発振が安定して抑制される。

また、本発明の面発光レーザ素子は、前記第２多層反射膜の最下にある前記低屈折率層が前記電流狭窄構造に沿って帯状に一部除去されていることを特徴とする。

また、本発明の面発光レーザ素子は、
前記第１多層反射膜および前記第２多層反射膜は１／４λ厚であり、
前記光学膜厚差は１／４λ厚以下であり、
前記第２多層反射膜の最下にある前記低屈折率層が前記電流狭窄構造に沿って帯状に一部除去されていることを特徴とする。

この構成によれば前記低屈折率層が前記電流狭窄構造に沿って一部除去された領域ではその他の領域に比べ、屈折率が高くなるが、帯状領域に囲まれた電流注入領域に比べて第２多層反射膜のペア数は１ペア少なくなるため、帯状領域の反射率は小さくなる。

したがって、ＡＲＲＯＷｓ構造で電流ブロック特性が十分でなく帯状領域に電流が漏れ電流として注入される場合においても光閉じ込めが抑制され、高出力動作かつ安定した基本モードがえられる。

以上説明したように本発明によれば、埋め込み層と第２多層反射膜との界面に生じる光学膜厚差を制御するために、第２多層反射膜の最下層の低屈折率層を一部除去した構成としたため、低屈折率層が除去された領域では、その他の領域との反射率差が大きくなり、それにより、高次横モードのレーザ発振を抑制することができるという効果を奏する。

以下に、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。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の面発光レーザ素子の断面図である。

図１に示すように、本実施形態の面発光レーザ素子は、ｎ型導電性の半導体基板１０１上に、第１多層反射膜１０２、第１のｎ型スペーサ層１０３、活性層１０４、ｐ型スペーサ層１０５、トンネル接合を形成する電流狭窄構造である高濃度ｐ型層１０６、トンネル接合を形成する電流狭窄構造である高濃度ｎ型層１０７、埋め込み層である第２のｎ型スペーサ層１０８、第２多層反射膜１０９、＋電極１１０、および、−電極１１１が形成された構成になっている。

トンネル接合のある領域が電流注入領域１１３、トンネル接合のない領域が電流ブロック領域１１４となり、発光は電流注入領域１１３の活性層１０４で生じる。

第１多層反射膜１０２および第２多層反射膜１０９は、１／４λ厚の高屈折領域と１／４λ厚の低屈折領域との対を１ペアとした複数のペアから構成される。

第２のｎ型スペーサ層１０８と第２多層反射膜１０９との界面１１２には、光学膜厚差分の凹凸が形成されている。なお、図１では、屈折率導波構造を作製するために、界面１１２の凹凸を１／４λ厚よりもやや長くしているが、反導波構造を作製する場合は凹凸を１／４λ厚よりもやや短くすれば良い（詳細は後述）。この凹凸の凹部分の電流ブロック領域１１４においては、第２多層反射膜１０９の最下層の低屈折率層１０９ａが除去されている。凹部分の光軸方向の共振器の上部反射面は第２多層反射膜１０９の下から３番目の低屈折率層１０９ｂと下から２番目の高屈折率層１０９ｃの界面１１５で形成されるため、凹部分の共鳴波長は第２多層反射膜１０９の下から２番目の１／４λ厚の高屈折率層１０９ｃにより補正される。

次に、図１に示した面発光レーザ素子の製造方法について、図２（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。

初めに、図２（ａ）に示すように、ｎ型導電性の半導体基板１０１上に、第１多層反射膜１０２からトンネル接合を形成する高濃度ｎ型層１０７までの半導体層をメタルオーガニックベイパーフェイズエピタクシー（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ；ＭＯＶＰＥ）により成長し、フォトリソグラフィーによるレジストパターニング後、エッチングによりトンネル接合を加工する。

次に、図２（ｂ）に示すように、第２のｎ型スペーサ層１０８を埋め込み成長する。

次に、図２（ｃ）に示すように、半導体表面に第２多層反射膜１０９の一部である低屈折率層１０９ａを１層形成し、フォトリソグラフィー技術を用いて、電流注入領域１１３であるトンネル接合上部を残してエッチング除去する。なお、第２多層反射膜１０９の低屈折率層１０９ａを形成する前には、予め段差測定を行い、低屈折率層１０９ａをエッチング除去後、必要に応じて段差を微調整するため、追加の半導体エッチングを行う。

その後、図２（ｄ）に示すように、残りの第２多層反射膜１０９を高屈折率層１０９ｃから順次全面に形成し、第２多層反射膜１０９をドライエッチングすることで第２のｎ型スペーサ層１０８を露出させ、＋電極１１０および−電極１１１を形成し、電極アロイを行い、面発光レーザ素子が完成する。

第２多層反射膜１０９は、半導体や誘電体から構成される。

第２多層反射膜１０９の製膜には、スパッタ（ＲＦスパッタや反応性スパッタ）、電子ビーム蒸着、ケミカルヴェイアパーデポジション、イオンビームアシスト堆積法、ＭＯＶＰＥやモレキュラービームエピタクシー（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ；ＭＢＥ）などの方法を用いても良い。

第２多層反射膜１０９の材料として、例えば、高屈折率層１０９ｃの材料としては、Ｓｉ、Ｓｂ₂Ｓ₃、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＴｉＯ₂など、低屈折率層１０９ａの材料としては、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ_x、ＭｇＯ、ＣａＦ₂、ＭｇＦ₂、Ａｌ₂Ｏ₃などが考えられ、発振波長に対し透明な材料が選択される。

第１多層反射膜１０２が半導体で構成される場合には、電流を注入しやすくし、素子抵抗を低減するために、バンドギャップの大きな低屈折率層とバンドギャップの小さな高屈折率層との間に、バンド不連続を緩和するための中間バンドギャップを有する障壁緩和層を導入しても良い。

低屈折率層１０９ａは高屈折率層１０９ｃに比べて低屈折率であれば、他の低屈折率層１０９ｂと異なる材料であっても良い。低屈折率層１０９ａにはウェットエッチングの容易なＳｉＯ₂、ＳｉＮ_xを用いることが望ましい。

第２多層反射膜１０９を構成する材料のエッチング加工が困難な場合には、リフトオフプロセスを用いても良い。リフトオフプロセスを用いる場合には、製膜には電子ビーム蒸着、イオンビームアシスト堆積法、ＭＢＥなどが用いられる。

図３は、電流注入領域１１３、および低屈折率層１０９ａをエッチング除去後の電流ブロック領域１１４における第２多層反射膜１０９の反射率スペクトルを重ね合わせたものである。実線が電流注入領域１１３、破線が電流ブロック領域１１４の反射率スペクトルである。丸印がそれぞれの共鳴波長に対応する。電流注入領域１１３と電流ブロック領域１１４との反射率差が大きくなるため、電流注入領域１１３周辺の横モードのレーザ発振は抑制される。

高次横モードの発振を制限するには、電流注入領域１１３の面積を小さくするか、屈折率差を小さくすれば良い。しかし、電流注入領域１１３の面積を小さくすると、素子抵抗が増大する。また、屈折率差を小さくとりすぎると、光閉じ込めが弱くなり閾値電流が増加する。本発明では、電流注入領域１１３周辺での横モードのレーザ発振が抑制されることから、比較的高めの屈折率差においても、単一の横モード発振が得られる。

例えば、反射率の面内分布がない面発光レーザ素子において、高注入時の熱レンズ効果で高次横モードが発生しうる条件、電流注入径６μｍ、かつ屈折率差０．７５％程度（電流注入領域１１３の実効屈折率ｎ_eff＝３．１３７）であっても、高注入電流レベルまで基本モードのみでレーザ発振する。

通電して遠視野像を確認したところ、基本横モードのみのレーザ発振が得られた。また、閾値電流が小さく、高注入においても安定した単一横モードが得られた。その結果、高速変調で長距離の光通信を行っても伝送品質の劣化が少なく、マルチモードファイバーを用いても２０Ｇｂｐｓで３００ｍを超える距離の伝送が可能となった。また、次数の高い高次横モードのレーザ発振が抑制されることで、放射角が小さくなり、ファイバーとの直接結合効率が改善された。

ここでは屈折率導波構造を作製したが、トンネル接合のエッチング深さを浅くとることで、第２のｎ型スペーサ層１０８と第２多層反射膜との界面１１２の凹凸を１／４λ厚よりもやや短い光学膜厚差としても良い。この場合、反導波構造となり、閾値電流は増加するが単一横モードが保持される。

ここでは第２多層反射膜１０９の一部である低屈折率層１０９ａを電流注入領域１１３であるトンネル接合上部を残してエッチング除去したが、上述の作製方法においてエッチングで残す領域を、電流注入領域１１３であるトンネル接合の面積よりも小さい面積としても良い。この場合、特許文献１のように閾値電流は増加するが、高反射率の得られる径が小さくなるため、単一横モードが保持される。特許文献１との違いは低屈折率層１０９ａに隣接する層が高屈折率層で１０９ｃであることである。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態の面発光レーザ素子の断面図である。

図４に示すように、本実施形態の面発光レーザ素子は、ｎ型導電性の半導体基板４０１上に、第１多層反射膜４０２、ｎ型スペーサ層４０３、活性層４０４、ｐ型スペーサ層４０５、トンネル接合を形成する電流狭窄構造である高濃度ｐ型層４０６、トンネル接合を形成する電流狭窄構造である高濃度ｎ型層４０７、埋め込み層である第２のｎ型スペーサ層４０８、第２多層反射膜４０９、＋電極４１０、および、−電極４１１が形成された構成となっている。

トンネル接合のある領域が電流注入領域４１３、トンネル接合のない領域が電流ブロック領域４１４となり、発光は電流注入領域４１３の活性層で生じる。

第１多層反射膜４０２および第２多層反射膜４０９は、１／４λ厚の高屈折領域とその下層の１／４λ厚の低屈折領域との対を１ペアとした複数のペアから構成される。

第２のｎ型スペーサ層４０８と第２多層反射膜４０９との界面４１２には、光学膜厚差分の凹凸が形成されている。この凹凸の凹部分の電流ブロック領域４１４においては、第２多層反射膜４０９の最下層の低屈折率層４０９ａが電流注入領域４１３に沿って帯状に除去されている。凹部分の光軸方向の共振器の上部反射面は第２多層反射膜４０９の下から３番目の低屈折率層４０９ｂと下から２番目の高屈折率層４０９ｃの界面４１５で形成される。非特許文献３に従って各領域の実効屈折率は導かれる。図中に示すように各領域の屈折率をｎ₁、ｎ₂、ｎ₃とすると、当該帯状領域の実効屈折率ｎ₂が電流注入領域４１３の実効屈折率ｎ₁よりも大きく、当該帯状領域の外側の実効屈折率ｎ₃はｎ₂よりも小さくなっており、帯状領域の幅ｗは次の数式２を満たす。

ここでＮ＝０，１，２，…，λは発振波長、ｄは帯状領域の内側の径である。

これにより、ＡＲＲＯＷｓ構造が形成される。

また、反導波構造でありながら、ロスが少なく、高出力動作を実現できる。

次に、図４に示した面発光レーザ素子の製造方法について、図５（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。

初めに、図５（ａ）に示すように、ｎ型導電性の半導体基板４０１上に、第１多層反射膜４０２からトンネル接合を形成する高濃度ｎ型層４０７までの半導体層をＭＯＶＰＥ成長し、フォトリソグラフィーによるレジストパターニング後、エッチングによりトンネル接合を加工する。この時、エッチング深さは１／４λ厚よりも短い光学膜厚差とする。例えば、１／８λ厚とする。

次に、図５（ｂ）に示すように、第２のｎ型スペーサ層４０８を埋め込み成長する。

次に、図５（ｃ）に示すように、半導体表面に第２多層反射膜４０９の低屈折率層４０９ａを形成し、フォトリソグラフィー技術を用いて、低屈折率層４０９ａを電流注入領域４１３に沿って電流ブロック領域上４１４を帯状にエッチング除去後、必要に応じて段差を微調整するため追加の半導体エッチングを行う。この時、例えば、表面段差を１／８λ厚の光学膜厚差に調整する。

ここでは最終的な凹凸４１２の光学膜厚差を１／８λ厚の光学膜厚差になるように調整したが、この光学膜厚差は０λ厚よりも大きく、１／４λ厚よりも小さければ良い。

その後に、図５（ｄ）に示すように、残りの第２多層反射膜４０９を高屈折率層４０９ｃから順次全面に形成し、第２多層反射膜４０９をドライエッチングすることで第２のｎ型スペーサ層４０８を露出させ、＋電極４１０および−電極４１１を形成し、電極アロイを行い、面発光レーザ素子が完成する。

第２多層反射膜４０９は、半導体や誘電体から構成される。

第２多層反射膜４０９の製膜にはスパッタ（ＲＦスパッタや反応性スパッタ）、電子ビーム蒸着、ケミカルヴェイアパーデポジション、イオンビームアシスト堆積法、ＭＯＶＰＥやＭＢＥなどの方法を用いても良い。

第２多層反射膜４０９の材料として、例えば、高屈折率材料としては、Ｓｉ、Ｓｂ₂Ｓ₃、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＴｉＯ₂など、低屈折率材料としては、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ_x、ＭｇＯ、ＣａＦ₂、ＭｇＦ₂、Ａｌ₂Ｏ₃などが考えられる。

低屈折率層４０９ａは高屈折率層４０９ｃに比べて低屈折率であれば、他の低屈折率層４０９ｂと異なる材料であっても良い。低屈折率層４０９ａにはウェットエッチングの容易なＳｉＯ₂、ＳｉＮ_xを用いることが望ましい。

第２多層反射膜４０９を構成する材料のエッチング加工が困難な場合にはリフトオフプロセスを用いても良い。リフトオフプロセスを用いる場合には、製膜には電子ビーム蒸着、イオンビームアシスト堆積法、ＭＢＥなどが用いられる。

図６は、電流注入領域４１３、および低屈折率層４０９ａをエッチング除去後の電流ブロック領域４１４上の帯状領域における第２多層反射膜４０９の反射率スペクトルを重ね合わせたものである。実線が電流注入領域４１３、破線が電流ブロック領域４１４上の帯状領域の反射率スペクトルである。丸印がそれぞれの共鳴波長に対応する。電流注入領域４１３と電流ブロック領域４１４上の帯状領域との反射率差が大きくなるため、電流注入領域４１３周辺の帯状領域のレーザ発振は抑制される。

通電して遠視野像を確認したところ、基本横モードのみのレーザ発振が得られた。安定した単一横モードが得られ、通常の反導波構造に比べて、高出力動作が得られた。その結果、高速変調で光通信を行っても伝送品質の劣化が少なく、マルチモードファイバーを用いても２０Ｇｂｐｓで３００ｍを超える距離の伝送が可能となった。また、次数の高い高次横モードのレーザ発振が抑制されることで、放射角が小さくなり、ファイバーとの直接結合効率が改善された。

ここでは第２多層反射膜４０９の低屈折率層４０９ａを、電流注入領域４１３に沿って電流ブロック領域４１４上を帯状にエッチング除去したが、当該低屈折率層４０９ａを電流注入領域４１３に沿って電流注入領域４１３上を帯状にエッチング除去してもよい。

また、低屈折率層４０９ａを電流注入領域４１３に沿って電流ブロック領域４１４上および電流注入領域４１３上を跨いで帯状にエッチング除去してもよい。

ここではトンネル接合を用いた面発光レーザ素子を例に挙げたが、酸化狭窄構造を用いた面発光レーザ素子に適用しても良い。

第１の実施形態および第２の実施形態の活性層１０４，４０４としては、ＩｎＧａＡｓ系量子井戸、ＡｌＧａＡｓ系量子井戸、ＩｎＧａＡｌＰ系量子井戸、ＧａｌｎＮＡｓ（Ｓｂ〕系量子井戸、ＧａｌｎＮＡｓ系量子井戸、ＧａＡｓ（Ｓｂ）系量子井戸、（Ｇａ）ｌｎＡｓ量子ドットなどの種々の半導体材料を用いることかできる。さらに、本実施形態は、波長７８０ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯、９８０ｎｍ帯、１１００ｎｍ帯、１２００ｎｍ帯、１３００ｎｍ帯１４８０ｎｍ帯、１５５０ｎｍ帯、１６５０ｎｍ帯のなどの面発光レーザ素子に適用することかできる。

また、第１多層反射膜４０２としては、ＧａＡｓ基板上のＡＩＧａＡｓ系半導体多層摸反射鏡の他に、ｌｎＰ基板上のＡＩＧａＡｓ（Ｓｂ）系半導体多層膜反射鏡やＡｌＧａｌｎＡｓＰ系半導体多層膜反射鏡も、本発明に適用することかできる。また、基板４０１についても、ＧａＡｓ基板、ｌｎＰ基板、ＧａｌｎＡｓ３元基板などを用いることかできる。

また、基板４０１上に第１多層反射膜４０２を形成せず、第１のｎ型スペーサ層４０３よりも上部の構造を先に形成して、基板４０１をエッチング除去し、この後に基板４０１のあった場所に第１多層反射膜４０２として誘電体ＤＢＲを形成することも可能である。

ここではｎ型導電性基板を用いたが、半絶縁性基板やｐ型導電性基板を用いても良い。半絶縁性基板やｐ型導電性基板を用いた場合には非特許文献１のように表面からプラスおよびマイナスの両電極をとりだせば良い。

次に、具体的な実施例を用いて、本発明の実施形態の製造方法を説明する。

（実施例１）
実施例１は、第１の実施形態の具体的な実施例である。

まず、図１を参照して、実施例１の面発光レーザ素子の構造を説明する。

図１に示すように、実施例１の面発光レーザ素子は、発振波長λを１．０７μｍとして、ｎ型導電性のＧａＡｓ半導体基板１０１上に、１／４λ厚の光学膜厚のＳｉドープＡｌＡｓ低屈折率層（ｎ＝８ｅ＋１７ｃｍ^-3）および１／４λ厚の光学膜厚のＳｉドープＧａＡｓ高屈折率層（ｎ＝８ｅ＋１７ｃｍ^-3）からなる４０．５ペアの第１多層反射膜１０２、ＳｉドープＧａＡｓ（ｎ＝８ｅ＋１７ｃｍ^-3）からなる第１のｎ型スペーサ層１０３、Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ／ＧａＡｓ量子井戸から構成される活性層１０４、ＣドープＧａＡｓ（ｐ＝８ｅ＋１７ｃｍ^-3）からなるｐ型スペーサ層１０５、トンネル接合を形成するＣドープＧａＡｓ（ｐ＝１ｅ＋２０ｃｍ^-3）からなる高濃度ｐ型層１０６、トンネル接合を形成するＳｉドープＧａＡｓ（ｎ＝２ｅ＋１９ｃｍ^-3）高濃度ｎ型層１０７、ＳｉドープＧａＡｓ（ｎ＝８ｅ＋１７ｃｍ^-3）からなる第２のｎ型スペーサ層１０８、１／４λ厚の光学膜厚のＳｉＯ₂低屈折率層（厚み１８１２Å）および１／４λ厚の光学膜厚のＳｉ高屈折率層（厚み７１５Å）からなる３ペアの第２多層反射膜１０９、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉからなる＋電極１１０、および、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉからなる−電極１１１が形成された構成となっている。第１のｎ型スペーサ層１０３の底面からトンネル接合を介して第２のｎ型スペーサ層１０８の上面までの長さは２λ厚の光学膜厚であり、活性層１０４は定在波の腹位置に配置され、トンネル接合は定在波の節に配置した。

トンネル接合を構成する高濃度ｐ型層１０６、高濃度ｎ型層１０７のそれぞれの厚みは１５０Åである。

トンネル接合のある領域が電流注入領域１１３、トンネル接合のない領域が電流ブロック領域１１４となり、発光は電流注入領域１１３の活性層１０４で生じる。

第２のｎ型スペーサ層１０８と第２多層反射膜１０９との界面１１２の凹凸は８２１Åであり、第１多層反射膜１０２および第２多層反射膜１０９の間の共振器長として換算すると、１／４λ厚よりもやや長い光学膜厚差に相当する。当該凹凸の凹部分において、第２多層反射膜１０９の最下層にある低屈折率層１０９ａの一部が除去された構造となっている。凹部分の光軸方向の共振器の上部反射面は第２多層反射膜１０９の下から３番目の低屈折率層１０９ｂと下から２番目の高屈折率層１０９ｃの界面１１５で形成されるため、共鳴波長は第２多層反射膜１０９の下から２番目の１／４λ厚の光学膜厚を有する高屈折率層１０９ｃにより補正される。

次に、図２（ａ）〜（ｄ）を参照して、実施例１の面発光レーザ素子の製造方法を説明する。

初めに、図２（ａ）に示すように、ｎ型導電性の半導体基板上に第１多層反射膜１０２からトンネル接合を形成する高濃度ｎ型層１０７までの半導体層をＭＯＶＰＥ成長し、フォトリソグラフィーによるレジストパターニング後、エッチングによりトンネル接合を加工した。

次に、図２（ｂ）に示すように、第２のｎ型スペーサ層１０８で埋め込み成長を行う。トンネル接合加工時のエッチング深さは１／４λ厚に相当する約７６９Åである。

次に、図２（ｃ）に示すように、半導体表面に第２多層反射膜１０９の一部である低屈折率層１０９ａのＳｉＯ₂（厚み１８１２Å）を１層形成し、フォトリソグラフィー技術を用いて、電流注入領域であるトンネル接合上部を残してエッチング除去する。

第２多層反射膜１０９の低屈折率層１０９ａを形成する前にあらかじめ段差測定を行ったところ、７５９Åであった。低屈折率層１０９ａをエッチング除去後、段差を微調整するため追加で半導体を６２Åエッチングした。

その後、図２（ｄ）に示すように、残りの第２多層反射膜１０９を高屈折率層１０９ｃのＳｉから順次全面に形成し、第２多層反射膜１０９をドライエッチングすることで第２のｎ型スペーサ層１０８を露出させ、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉからなる＋電極１１０および−電極１１１を形成し、３７５℃、１０秒で電極アロイを行い、面発光レーザ素子が完成する。

図３は、電流注入領域１１３、および、低屈折率層１０９ａをエッチング除去後の電流ブロック領域１１４における第２多層反射膜１０９の反射率スペクトルを重ね合わせたものである。実線が電流注入領域１１３、破線が電流ブロック領域１１４の反射率スペクトルである。丸印がそれぞれの共鳴波長に対応する。共鳴波長から見積もられる屈折率差は０．４％である。電流注入領域１１３と電流ブロック領域１１４との反射率差が大きくなるため、電流注入領域１１３周辺の横モードのレーザ発振は抑制される。

通電して遠視野像を確認したところ、基本横モードのみのレーザ発振が得られた。電流値閾値は小さく、高注入においても安定した単一横モードが得られた。その結果、高速変調で長距離の光通信を行っても伝送品質の劣化が少なく、マルチモードファイバーを用いても２０Ｇｂｐｓで３００ｍを超える距離の伝送が可能となった。また、次数の高い高次横モードのレーザ発振が抑制されることで、放射角が小さくなり、ファイバーとの直接結合効率が改善された。

（実施例２）
実施例２は、第２の実施形態の具体的な実施例である。

まず、図４を参照して、実施例２の面発光レーザ素子の構造を説明する。

図４に示すように、実施例２の面発光レーザ素子は、ｎ型導電性のＧａＡｓ半導体基板４０１上に、１／４λ厚の光学膜厚のＳｉドープＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ低屈折率層（ｎ＝８ｅ＋１７ｃｍ^-3）および１／４λ厚の光学膜厚のＳｉドープＧａＡｓ高屈折率層（ｎ＝８ｅ＋１７ｃｍ^-3）からなる４０．５ペアの第１多層反射膜４０２、ＳｉドープＧａＡｓ（ｎ＝８ｅ＋１７ｃｍ^-3）からなる第１のｎ型スペーサ層４０３、Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ／ＧａＡｓ量子井戸から構成される活性層４０４、ＣドープＧａＡｓ（ｐ＝８ｅ＋１７ｃｍ^-3）からなるｐ型スペーサ層４０５、トンネル接合を形成するＣドープＧａＡｓ（ｐ＝１ｅ＋２０ｃｍ^-3）からなる高濃度ｐ型層４０６、トンネル接合を形成するＳｉドープＧａＡｓ（ｎ＝２ｅ＋１９ｃｍ^-3）高濃度ｎ型層４０７、ＳｉドープＧａＡｓ（ｎ＝８ｅ＋１７ｃｍ^-3）からなる第２のｎ型スペーサ層４０８、１／４λ厚の光学膜厚のＳｉＯ₂低屈折率層（厚み１８１２Å）および１／４λ厚の光学膜厚のＳｉ高屈折率層（厚み７１５Å）からなる３ペアの第２多層反射膜４０９、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉからなる＋電極４１０、および、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉからなる−電極４１１が形成された構成となっている。第１のｎ型スペーサ層４０３の底面からトンネル接合を介して第２のｎ型スペーサ層４０８の上面までの長さは１．５λ厚の光学膜厚であり、活性層４０４は定在波の腹位置に配置され、トンネル接合は定在波の節に配置した。

トンネル接合のある領域が電流注入領域４１３、トンネル接合のない領域が電流ブロック領域４１４となり、発光は電流注入領域４１３の活性層４０４で生じる。

第２のｎ型スペーサ層４０８と第２多層反射膜４０９との界面４１２の凹凸は、３８５Åであり、第１多層反射膜４０２および第２多層反射膜４０９の間の共振器長として換算すると、１／８λ厚の光学膜厚差に相当する。当該凹凸の凹部分において第２多層反射膜４０９の最下にある低屈折率層４０９ａが電流注入領域４１３に沿って帯状に除去される。非特許文献３に従って各領域の実効屈折率は導かれ、電流ブロック領域４１４の帯状領域の実効屈折率ｎ２は、３．２３９となり、電流注入領域４１３の実効屈折率ｎ１の３．１３７よりも大きく、当該帯状領域の外側の実効屈折率ｎ３は３．０３１である。帯状領域の幅ｗは上記の数式２を満たし、１．６μｍとした。なお、数式２において、ｄ＝６μｍ、Ｎ＝２とした。

これにより、ＡＲＲＯＷｓ構造が形成される。

また、反導波構造でありながら、ロスが少なく、高出力動作を実現できる。

次に、図５（ａ）〜（ｄ）を参照して、実施例２の面発光レーザ素子の製造方法を説明する。

初めに、図５（ａ）に示すように、ｎ型導電性の半導体基板４０１上に、第１多層反射膜４０２からトンネル接合を形成する高濃度ｎ型層４０７までの半導体層をＭＯＶＰＥ成長する。そして、フォトリソグラフィーによるレジストパターニング後、エッチングによりトンネル接合を加工する。この時、エッチング深さは３８５Åとする。

次に、図５（ｂ）に示すように、第２のｎ型スペーサ層４０８を埋め込み成長し、電流狭窄構造を形成する。

次に、図５（ｃ）に示すように、半導体表面に第２多層反射膜４０９の低屈折率層４０９ａのＳｉＯ₂層を形成し、低屈折率層４０９ａを、フォトリソグラフィー技術を用いて電流注入領域４１３に沿って電流ブロック領域４１４上を帯状にエッチング除去する。

このとき、必要に応じて段差を微調整するため追加の半導体エッチングを行い、表面段差を１／８λ厚の光学膜厚差３８５Åに調整する。

続いて、残りの第２多層反射膜４０９を高屈折率層４０９ｃのＳｉ層から順次全面に形成する。

その後、図５（ｄ）に示すように、第２多層反射膜４０９をドライエッチングすることで第１のｎ型スペーサ層４０３および第２のｎ型スペーサ層４０８を露出させ、＋電極４１０および−電極４１１を形成し、３７５℃、１０秒で電極アロイを行い、面発光レーザ素子が完成する。

図６は、電流注入領域４１３、および、電流ブロック領域４１４上の帯状領域における第２多層反射膜４０９の反射率スペクトルを重ね合わせたものである。実線が電流注入領域４１３、破線が電流ブロック領域４１４上の帯状領域の反射率スペクトルである。丸印がそれぞれの共鳴波長に対応する。電流注入領域４１３と電流ブロック領域４１４上の帯状領域との反射率差が大きくなるため、電流注入領域４１３周辺の帯状領域のレーザ発振は抑制される。

通電して遠視野像を確認したところ、基本横モードのみのレーザ発振が得られた。安定した単一横モードが得られ、通常の反導波構造に比べて、高出力動作が得られた。その結果、高速変調で光通信を行っても伝送品質の劣化が少なく、マルチモードファイバーを用いても２０Ｇｂｐｓで３００ｍを超える距離の伝送が可能となった。また、次数の高い高次横モードのレーザ発振が抑制されることで、放射角が小さくなり、ファイバーとの直接結合効率が改善された。

本発明の面発光レーザ素子は、低コストな面発光レーザ素子が要求される機器に適用でき、例えば、超高速計算機などに適用できる。

本発明の第１の実施形態の面発光レーザ素子の断面図である。 本発明の第１の実施形態の面発光レーザ素子の製造方法を説明するための工程断面図である。 本発明の第１の実施形態の電流注入領域および低屈折率層をエッチング除去した電流ブロック領域における第２多層反射膜の反射率の違いを説明する図である。 本発明の第２の実施形態の面発光レーザ素子の断面図である。 本発明の第２の実施形態の面発光レーザ素子の製造方法を説明するための工程断面図である。 本発明の第２の実施形態の電流注入領域および低屈折率層をエッチング除去した電流ブロック領域における第２多層反射膜の反射率の違いを説明する図である。 従来の面発光レーザ素子の断面図である。 従来の面発光レーザ素子の製造方法を説明するための工程断面図である。

符号の説明

１０１ 基板
１０２ 第１多層反射膜
１０３ ｎ型スペーサ層
１０４ 活性層
１０５ ｐ型スペーサ層
１０６ 高濃度ｐ型層
１０７ 高濃度ｎ型層
１０８ 第２のｎ型スペーサ層
１０９ 第２多層反射膜
１１０ ＋電極
１１１ −電極
１１２ 第２のｎ型スペーサ層と第２多層反射膜の界面
１１３ 電流注入領域
１１４ 電流ブロック領域
１１５ 第２多層反射膜の下から２番目の低屈折率層と下から３番目の高屈折率層の界面
４０１ 基板
４０２ 第１多層反射膜
４０３ ｎ型スペーサ層
４０４ 活性層
４０５ ｐ型スペーサ層
４０６ 高濃度ｐ型層
４０７ 高濃度ｎ型層
４０８ 第２のｎ型スペーサ層
４０９ 第２多層反射膜
４１０ ＋電極
４１１ −電極
４１２ 第２のｎ型スペーサ層と第２多層反射膜の界面
４１３ 電流注入領域
４１４ 電流ブロック領域
４１５ 第２多層反射膜の下から２番目の低屈折率層と下から３番目の高屈折率層の界面

Claims (5)

1. １／４λ厚の高屈折率層と１／４λ厚の低屈折率層との対を１ペアとした複数のペアから構成される第１多層反射膜と第２多層反射膜とを備え、前記第１多層反射膜上に形成された活性層と、その活性層と前記第２多層反射膜の間に形成された光学膜厚差を生じかつ電流注入領域と電流ブロック領域を形成する電流狭窄構造、およびスペーサ層から構成され、前記第２多層反射膜の最下にある低屈折率層の一部が前記活性層と前記第２多層反射膜の間に形成された光学膜厚差を制御するために一部除去されていることを特徴とする面発光レーザ素子。
2. 前記電流狭窄構造が、前記活性層と前記第２多層反射膜の間に埋め込まれる埋め込み層と、前記活性層との間に形成され、前記埋め込み層に光学膜厚差分の凹凸を生じさせて凸部分の電流注入領域と凹部分の電流ブロック領域とから構成され、
   前記第２多層反射膜の最下にある前記低屈折率層が一部除去されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
3. 前記光学膜厚差を補正するように、前記第２多層反射膜の最下にある前記低屈折率層が前記電流ブロック領域上で除去されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ素子。
4. 前記第２多層反射膜の最下にある前記低屈折率層が前記電流狭窄構造に沿って帯状に一部除去されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ素子。
5. 前記第１多層反射膜および前記第２多層反射膜は１／４λ厚であり、
   前記光学膜厚差は１／４λ厚以下であり、
   前記第２多層反射膜の最下にある前記低屈折率層が前記電流狭窄構造に沿って帯状に一部除去されていることを特徴とする請求項４に記載の面発光レーザ素子。

Images