JP2008098338A - 面発光レーザ素子および面発光レーザ素子アレイ - Google Patents

Abstract

【課題】所望の方向に偏波したレーザ光を射出できること。
【解決手段】面発光レーザ素子１００は、活性層を含む複数の半導体層が積層されるとともに柱状形成されたメサポスト１０を有し、このメサポスト１０上に設けられたアパーチャ７ａから活性層と垂直方向にレーザ光を射出する面発光レーザ素子であって、アパーチャ７ａを含む所定範囲内で一体に成膜され、活性層に対してその積層面内の所定方向に応力を加える応力付加膜としての上部ＤＢＲミラー７を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、活性層を含む複数の半導体層が積層されるとともに柱状形成されたメサポストを有し、該メサポスト上に設けられたアパーチャから前記活性層と垂直方向にレーザ光を射出する面発光レーザ素子および面発光レーザ素子アレイに関する。

垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser。以下、面発光レーザ素子と称す。）は、基板上に積層された活性層を含む複数の半導体層の積層面に対して垂直方向に光を共振させてレーザ光を射出する。このような面発光レーザ素子は、従来の端面発光型レーザ素子と異なり、共振器としてのミラーを設けるために劈開を必要としないため、同一基板上に多数の素子を１次元または２次元的に容易に配列可能である。また、活性層体積が非常に小さく、極低閾値電流でレーザ発振が可能であるとともに低消費電力で発振可能であるなど、多くの利点を有している。このため、面発光レーザ素子は、光インターコネクションをはじめとする種々の光通信用光源、あるいはその他の様々なアプリケーション用デバイスとして注目されている。

一般に、面発光レーザ素子は、基板上に積層された活性層を含む複数の半導体層がエッチング等によって柱状形成されたメサポストを有し、このメサポスト上に設けられたアパーチャからレーザ光を射出する。通常、メサポストは、光の共振方向に立設する円柱状あるいは切頭円錐状に形成され、アパーチャは円形とされる（例えば、特許文献１参照）。このため、面発光レーザ素子では、射出するレーザ光の偏光方向が所定方向に定まらず、動作電流を変化させた場合に容易に偏波スイッチングが生じてしまうという問題があった。これは、例えば光通信システムにおいて、過剰な雑音を発生させ、動作を不安定にさせるばかりか、通信速度の高速化を困難にさせる原因となる。

これに対し、直交する２方向で異なるストレスを活性層に与えることで、所定方向に偏波した直線偏光をレーザ光として射出させるようにした面発光レーザ素子が特許文献２に開示されている。この面発光レーザ素子では、切頭四角錐状に形成され、矩形のアパーチャが設けられたメサポストに対し、直交する２方向に異なる温度で絶縁膜（ＳｉＮｘ膜、ＳｉＯ₂ 膜等）を成膜し、その２方向の熱膨張差に応じて生じる応力差により、活性層に対して２方向に異なるストレスを与えるようにしている。

特開２００４−３１９６４３号公報 特公平７−７３１３９号公報

しかしながら、特許文献２にかかる面発光レーザ素子では、異なる応力を生じさせる２方向の絶縁膜を異なる工程で成膜する必要があり、半導体ウェハプロセスにおいて多大な手間と時間を要するばかりか、素子の生産性が損なわれるという問題があった。また、レーザ光として射出させる直線偏光の偏波方向が、メサポスト上に設けられた矩形アパーチャのいずれかの辺に垂直な方向に限定されるため、偏波モードの選択性の自由度が損なわれるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易なプロセスで製作可能であるとともに所望の方向に偏波したレーザ光を射出することができる面発光レーザ素子および面発光レーザ素子アレイを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１にかかる面発光レーザ素子は、活性層を含む複数の半導体層が積層されるとともに柱状形成されたメサポストを有し、該メサポスト上に設けられたアパーチャから前記活性層と垂直方向にレーザ光を射出する面発光レーザ素子において、前記アパーチャを含む所定範囲内で一体に成膜され、前記活性層に対してその積層面内の所定方向に応力を加える応力付加膜を備えたことを特徴とする。

また、請求項２にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記応力付加膜は、前記所定方向に最も広く成膜されることを特徴とする。

また、請求項３にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記応力付加膜は、前記レーザ光に対する光透過性を有し、前記アパーチャ上に成膜されることを特徴とする。

また、請求項４にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記応力付加膜は、誘電体膜であることを特徴とする。

また、請求項５にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記応力付加膜は、組成が異なる複数の誘電体層が積層された誘電体多層膜であることを特徴とする。

また、請求項６にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記応力付加膜は、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ａ−Ｓｉ、ＡｌＯ、ＭｇＦ、ＩＴＯまたはＴｉＯの少なくとも１つを用いて形成されることを特徴とする。

また、請求項７にかかる面発光レーザ素子アレイは、上記の発明のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子を同一基板上に複数備えたことを特徴とする。

また、請求項８にかかる面発光レーザ素子アレイは、上記の発明において、複数の前記面発光レーザ素子は、それぞれ前記応力付加膜によって前記活性層に対し、前記積層面内の同一方向に応力が加えられることを特徴とする。

本発明によれば、簡易なプロセスで製作可能であるとともに所望の方向に偏波したレーザ光を射出することができる面発光レーザ素子および面発光レーザ素子アレイを提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明にかかる面発光レーザ素子および面発光レーザ素子アレイの好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１にかかる面発光レーザ素子および面発光レーザ素子アレイについて説明する。図１〜図３は、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１００の要部構成を示す図である。図１は平面図であり、図２および図３は、それぞれ図１中に示したII−II断面およびIII−III断面を示す断面図である。これらの図に示すように、面発光レーザ素子１００は、半絶縁性の基板１上に積層された下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）ミラー２、Ｎクラッド層３、活性層４、電流狭窄層５、Ｐクラッド層６、上部ＤＢＲミラー７、Ｐ電極８およびＮ電極９を備える。このうち、Ｎクラッド層３上に積層された活性層４、電流狭窄層５、Ｐクラッド層６および上部ＤＢＲミラー７は、エッチング処理等によって柱状形成されたメサポスト１０として構成されている。

下部ＤＢＲミラー２は、例えばＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる複合層が複数積層された半導体多層膜ミラーとして形成され、この複合層を構成する各層の厚さは、λ／４ｎ（λ：発振波長、ｎ：屈折率）とされている。一方、上部ＤＢＲミラー７は、例えば誘電体膜としてのＳｉＯ₂ およびＳｉＮ_x 等が複数積層され、全体として所定透過率の光透過性を有した誘電体多層膜ミラーとして形成されている。

電流狭窄層５は、開口部５ａと選択酸化層５ｂとから構成されている。電流狭窄層５は、例えばＡｌＡｓからなるＡｌ含有層によって形成され、選択酸化層５ｂは、このＡｌ含有層が外周部から積層面に沿って所定範囲だけ酸化され、輪帯上に形成されている。選択酸化層５ｂは、絶縁性を有し、Ｐ電極８から注入される電流を狭窄して開口部５ａ内に集中させ、開口部５ａ内の電流密度を高めている。

活性層４は、例えばＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓからなる３層の量子井戸構造を有し、Ｐ電極８から注入されて電流狭窄層５によって狭窄された電流に応じて自然放出光を発生する。発生した自然放出光は、下部ＤＢＲミラー２と上部ＤＢＲミラー７との間の活性層４を含む各層に対して垂直方向に共振されて増幅された後、上部ＤＢＲミラー７の上面部に設けられた射出窓（透過窓）としてのアパーチャ７ａからレーザ光として射出される。ここで、アパーチャ７ａは、上部ＤＢＲミラー７の上面部における開口部５ａ直上の円形領域である。

Ｐ電極８は、開口部５ａの直上に積層された上部ＤＢＲミラー７の一部をその積層面に沿って取り囲むように、リング状にしてＰクラッド層６上に積層されている。一方、Ｎ電極９は、メサポスト１０を積層面に沿って取り囲むように、Ｃ字状にしてＮクラッド層３上に積層されている。これらＰ電極８およびＮ電極９は、それぞれＰ引出電極１１およびＮ引出電極１２（図１参照）によって、図示しない外部回路（電流供給回路）に電気的に接続されている。

つづいて、メサポスト１０の上部に形成された上部ＤＢＲミラー７について詳細に説明する。上部ＤＢＲミラー７は、図１に示すように、全体として積層面方向の断面が円形のメサポスト１０に対し、アパーチャ７ａを含む所定範囲内で一体に長円状に成膜されて積層されている。この長円状の上部ＤＢＲミラー７における長軸方向の端部は、図３に示すように、Ｐ電極８の上面部からメサポスト１０の側面を介し、Ｎクラッド層３の上面部まで成膜されている。これによって、上部ＤＢＲミラー７は、応力付加膜として活性層４に対し、その積層面内の所定方向に応力を加えている。

ここで、上部ＤＢＲミラー７が活性層４に対して所定方向に加える応力とは、上部ＤＢＲミラー７が活性層４に対して積層面方向に及ぼす非対称な応力における最大応力を意味し、具体的には、上部ＤＢＲミラー７がその成膜範囲内で最も広く（長く）成膜された方向に及ぼす応力に相当する。つまり、長円状に成膜された上部ＤＢＲミラー７は、活性層４に対し、その長円状の長軸方向に最大応力を加え、この長軸方向に偏った歪を生じさせている。これによって、面発光レーザ素子１００では、活性層４を介して共振されるレーザ光が活性層４に生じた歪方向に偏波された直線偏光、もしくは歪方向に対して垂直方向に偏波された直線偏光として射出される。

偏波方向が歪方向となるか、歪方向に対して垂直方向となるかは、上部ＤＢＲミラー７が活性層４に加える応力が引張応力であるか圧縮応力であるかによって決定される。一般に、レーザ光は、活性層に生じた歪による圧縮方向に対して垂直方向に偏波する。したがって、面発光レーザ素子１００が射出するレーザ光は、上部ＤＢＲミラー７から活性層４に加わる応力が圧縮応力である場合、その応力方向と垂直な方向に偏波され、引張応力である場合、その応力方向に偏波される。この活性層４に加わる応力は、上部ＤＢＲミラー７の成膜材料、成膜温度等、各種成膜条件によって圧縮応力と引張応力とのいずれにも制御することができる。つまり、面発光レーザ素子１００では、上部ＤＢＲミラー７の成膜条件によってレーザ光の偏波方向を制御することができる。

また、面発光レーザ素子１００では、長円状に成膜する上部ＤＢＲミラー７の長軸方向を、基板１に対してその積層面に沿った所望の方向に設定することが可能であり、これによってレーザ光の偏波方向を所望の方向に設定することができる。その際、Ｐ引出電極１１およびＮ引出電極１２の引出方向も上部ＤＢＲミラー７の長軸方向に合わせて適宜設定することができる。

このような応力付加膜としての上部ＤＢＲミラー７は、例えば、Ｎクラッド層３上に活性層４からＰ電極８までの各層をメサポスト１０として積層形成した後、その上から素子全面に成膜し、図１に示した長円状の部分を残してエッチング処理することで形成される。つまり、上部ＤＢＲミラー７は、成膜とエッチングとを組み合わせた一連の膜形成工程を１回行うことで形成可能であり、上述した特許文献２にかかる面発光レーザ素子における絶縁膜のように２回以上の膜形成工程を要する場合に比して、簡易なプロセスで製作することが可能である。このため、面発光レーザ素子１００における素子製作の効率およびスループットは大幅に向上される。

図４は、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子アレイ２００を示す図である。この面発光レーザ素子アレイ２００は、基板１を共通にして面発光レーザ素子１００が複数配列され、一体に形成されている。各面発光レーザ素子１００のＰ引出電極１１およびＮ引出電極１２は、それぞれ個別あるいは共通に外部の電流供給回路に電気的に接続され、その電流供給回路からの注入電流に応じて個別あるいは同時に発光制御される。

ここで、面発光レーザ素子アレイ２００における各面発光レーザ素子１００の上部ＤＢＲミラー７は、それぞれ長軸方向を所定方向（図４中、上下方向）に揃えて配列されている。これによって、各面発光レーザ素子１００では、活性層４に対し、その積層面内の同一方向に応力が加えられ、その方向に偏波した直線偏光であるレーザ光が基板１に対して垂直方向に射出される。なお、面発光レーザ素子アレイ２００における各面発光レーザ素子１００の偏波方向、つまり各上部ＤＢＲミラー７の長軸方向は、必ずしも同一方向に揃える必要はなく、個別に任意の方向に設定することもできる。

（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２にかかる面発光レーザ素子および面発光レーザ素子アレイについて説明する。図５は、本実施の形態２にかかる面発光レーザ素子３００の構成を示す断面図であって、図３に示した面発光レーザ素子１００のIII−III断面に相当する断面内の構成を示している。この図に示すように、面発光レーザ素子３００は、面発光レーザ素子１００の構成をもとに、上部ＤＢＲミラー７に替えて上部ＤＢＲミラー１３を備えるとともに、誘電体膜である保護膜１４をさらに備える。

ここで、上部ＤＢＲミラー１３は、上部ＤＢＲミラー７およびＰ電極８に代わってＰクラッド層６上に積層され、Ｐ電極８は、上部ＤＢＲミラー１３上でリング状に積層されている。また、保護膜１４は、上部ＤＢＲミラー１３上に積層され、面発光レーザ素子１００における上部ＤＢＲミラー７と同様に長円状に成膜されている。なお、面発光レーザ素子３００では、上部ＤＢＲミラー１３の上面部であってリング状のＰ電極８に取り囲まれた領域が射出窓としてのアパーチャ１３ａとして設けられている。また、Ｎクラッド層３上に積層された活性層４から保護膜１４までの積層部分が柱状形成されたメサポスト１５として構成されている。その他の構成は面発光レーザ素子１００と同じであり、同一構成部分には同一符号を付して示している。

上部ＤＢＲミラー１３は、例えばＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる複合層が複数積層された半導体多層膜ミラーとして形成され、この複合層を構成する各層の厚さは、λ／４ｎ（λ：発振波長、ｎ：屈折率）とされている。また、保護膜１４は、例えばＳｉＯ₂ 、ＳｉＮ_x 等からなる単層あるいは多層の誘電体膜によって形成され、少なくともアパーチャ１３ａ上の領域で所定透過率の光透過性を有している。

保護膜１４は、実施の形態１で説明した上部ＤＢＲミラー７と同様に、全体として積層面方向の断面が円形のメサポスト１５に対し、アパーチャ１３ａを含む所定範囲内で一体に長円状に成膜されて積層され、その長軸方向の端部は、Ｐ電極８の上面部からメサポスト１５の側面部を介し、Ｎクラッド層３の上面部まで成膜されている。これによって、保護膜１４は、応力付加膜として活性層４に対し、その積層面内の所定方向、つまり長軸方向に応力を加えている。

この結果、面発光レーザ素子３００では、面発光レーザ素子１００と同様に、保護膜１４の長軸方向、もしくは長軸方向と垂直な方向に偏波された直線偏光がレーザ光として射出される。射出されるレーザ光の偏波方向がどちらの方向になるかは、保護膜１４の成膜材料、成膜温度等の成膜条件によって決定されるものであって、言い換えると、その成膜条件によって制御されるものである。また、保護膜１４の長軸方向は、上部ＤＢＲミラー７と同様に、積層面に沿った所望の方向に設定することが可能であり、これによってレーザ光の偏波方向を所望の方向に設定することができる。

さらに、応力付加膜としての保護膜１４は、上部ＤＢＲミラー７と同様に、成膜とエッチングとを組み合わせた一連の膜形成工程を１回行うことで形成可能であり、上述した特許文献２にかかる面発光レーザ素子における絶縁膜のように２回以上の工程を要する場合に比して、簡易なプロセスで製作することが可能である。このため、面発光レーザ素子３００における素子製作の効率およびスループットは、大幅に向上される。

なお、本実施の形態２にかかる面発光レーザ素子アレイは、上述した面発光レーザ素子アレイ２００と同様に、基板１を共通にして面発光レーザ素子３００が複数配列され、一体に形成される。この面発光レーザ素子アレイにおける各面発光レーザ素子３００から射出されるレーザ光の偏波方向は、各保護膜１４の長軸方向に応じて同一方向に揃えることが可能である一方、個別に設定することも可能である。

ここまで、本発明を実施する最良の形態を実施の形態１および２として説明したが、本発明は、上述した実施の形態１および２に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変形が可能である。

例えば、上述した実施の形態１および２では、上部ＤＢＲミラー７または保護膜１４をメサポストの上面部から側面を介して底面部（Ｎクラッド層３）まで成膜するものとして説明したが、必ずしも成膜範囲を底面部まで広げる必要はなく、活性層４に対して所定方向に十分な応力を加えられるものであれば、メサポスト側面部まで、あるいはメサポスト上面部だけに成膜するものであってもよい。

また、上述した実施の形態２では、保護膜１４をアパーチャ１３ａ上に成膜するものとして説明したが、必ずしもアパーチャ１３ａ上に成膜する必要はなく、例えば、膜全体を一体に成膜するものであれば、アパーチャ１３ａ上の領域をエッチング処理等によって後から取り除いてもよい。さらに、保護膜１４は、全体として活性層４に対し、所定方向に十分な応力を加えられるものであれば、長円状の成膜範囲内の所望の箇所をエッチング処理等によって取り除くこともできる。これによって、保護膜１４から活性層４に加える応力の大きさを制御することができる。これについては、実施の形態１における上部ＤＢＲミラー７においても同様にすることができる。すなわち、活性層４に対して所定方向に十分な応力を加えられるものであれば、長円状の成膜範囲内のアパーチャ７ａ部分以外の領域について、上部ＤＢＲミラー７を適宜取り除くことができる。なお、上部ＤＢＲミラー７および保護膜１４の成膜範囲は、長円状に限定されず、例えば矩形状であってもよく、その他の形状であってもよい。

また、上述した実施の形態１および２では、上部ＤＢＲミラー７および保護膜１４を構成する誘電体膜が、例えばＳｉＯ₂ 、ＳｉＮ_x 等を用いて形成されるものとして説明したが、膜材料をこの２つに限定して解釈する必要はなく、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ａ−Ｓｉ、ＡｌＯ、ＭｇＦ、ＩＴＯまたはＴｉＯの少なくとも１つを用いて形成される膜を単層あるいは多層に適宜組み合わせて用いることができる。さらに、下部ＤＢＲミラー２および上部ＤＢＲミラー１３を構成する半導体の複合層がＡｌＡｓ／ＧａＡｓで示される半導体複合層をもとに形成されるものとして説明したが、一般にＡｌ_xＧａ_x-1Ａｓ／Ａｌ_yＧａ_y-1Ａｓ（０≦ｘ，ｙ≦１）で示される半導体複合層であればよい。

また、上述した実施の形態１および２では、面発光レーザ素子１００および３００は、上部ＤＢＲミラーまたは下部ＤＢＲミラーの少なくとも一方には注入電流を流さないイントラキャビティー構造を有するものとして説明したが、これに限定されず、上部ＤＢＲミラーより上部にＰ電極を備え、下部ＤＢＲミラーより下部にＮ電極を備える構成であってもよい。さらに、面発光レーザ素子１００および３００では、活性層４に対して上部側にＰ電極８を備え、下部側にＮ電極９を備えるものとして説明したが、これら上部側および下部側の電極の極性を入れ換えてもよい。この場合、下部ＤＢＲミラーおよび上部ＤＢＲミラーには、ｐ型あるいはｎ型の不純物が適宜ドープされる。

また、上述した実施の形態１および２では、本発明にかかる面発光レーザ素子アレイが面発光レーザ素子１００または３００を１方向に複数配列して構成されるものとして説明したが、１次元配列に限定する必要はなく、２次元配列させることもできる。その際、配列する各面発光レーザ素子１００または３００から射出されるレーザ光の偏波方向は、上部ＤＢＲミラー７または保護膜１４の長軸方向に応じて、同一方向に揃えることも個別に設定することもできる。

なお、上述した面発光レーザ素子１００および３００が基板１上に備える各層は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）または分子線エピタキシ（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）等によって形成されるものであるが、これら２つの成膜法に限定されず、種々の成膜方法を適宜選択して用いることが可能である。

本発明の実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の構成を示す平面図である。 図１に示したII−II断面を示す断面図である。 図１に示したIII−III断面を示す断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる面発光レーザ素子アレイの配列構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態２にかかる面発光レーザ素子の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 基板
２ 下部ＤＢＲミラー
３ Ｎクラッド層
４ 活性層
５ 電流狭窄層
５ａ 開口部
５ｂ 選択酸化層
６ Ｐクラッド層
７ 上部ＤＢＲミラー
７ａ アパーチャ
８ Ｐ電極
９ Ｎ電極
１０ メサポスト
１１ Ｐ引出電極
１２ Ｎ引出電極
１３ 上部ＤＢＲミラー
１３ａ アパーチャ
１４ 保護膜
１５ メサポスト
１００，３００面発光レーザ素子
２００ 面発光レーザ素子アレイ

Claims (8)

1. 活性層を含む複数の半導体層が積層されるとともに柱状形成されたメサポストを有し、該メサポスト上に設けられたアパーチャから前記活性層と垂直方向にレーザ光を射出する面発光レーザ素子において、
   前記アパーチャを含む所定範囲内で一体に成膜され、前記活性層に対してその積層面内の所定方向に応力を加える応力付加膜を備えたことを特徴とする面発光レーザ素子。
2. 前記応力付加膜は、前記所定方向に最も広く成膜され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. 前記応力付加膜は、前記レーザ光に対する光透過性を有し、前記アパーチャ上に成膜されることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ素子。
4. 前記応力付加膜は、誘電体膜であることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ素子。
5. 前記応力付加膜は、組成が異なる複数の誘電体層が積層された誘電体多層膜であ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。
6. 前記応力付加膜は、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ａ−Ｓｉ、ＡｌＯ、ＭｇＦ、ＩＴＯまたはＴｉＯの少なくとも１つを用いて形成されることを特徴とする請求項４または５に記載の面発光レーザ素子。
7. 請求項１〜６のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子を同一基板上に複数備えたことを特徴とする面発光レーザ素子アレイ。
8. 複数の前記面発光レーザ素子は、それぞれ前記応力付加膜によって前記活性層に対し、前記積層面内の同一方向に応力が加えられることを特徴とする請求項７に記載の面発光レーザ素子アレイ。

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