JP2008117899A - 面発光レーザ素子及び面発光レーザアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】面発光レーザ素子の共振部の構造を改良して、レーザ素子の信頼性を向上する。
【解決手段】共振部４０の形成に際し、半導体積層１８〜２２をエッチングして環状溝を形成する工程に代えて、共振部４０の外側に環状に配置された複数の分断溝３０を形成する。共振部４０の積層部分と分断溝３０よりも外側の積層部分とが、分断溝３０と分断溝３０の間の積層部分で一体的につながっている。共振部４０を覆う誘電体ＤＢＲミラー２６の内部応力による共振部４０内の積層構造への影響が緩和され、レーザ素子の信頼性が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光レーザ素子及び面発光レーザアレイに関し、更に詳細には、素子寿命が長く信頼性に優れた、酸化層狭窄型の面発光型半導体レーザ素子、及び、複数の面発光型半導体レーザ素子を同じ基板上に集積した面発光レーザアレイに関する。

面発光型半導体レーザ素子は、基板面に対して直交方向に光を出射させる半導体レーザ素子である。面発光型半導体レーザ素子は、従来のファブリペロー共振器型半導体レーザ素子とは異なり、同じ基板上に２次元アレイ状に多数の面発光型半導体レーザ素子を配列できることもあって、近年、データ通信分野で特に注目されている。

面発光型半導体レーザ素子（以下、面発光レーザ素子と呼ぶ）は、ＧａＡｓやＩｎＰといった半導体基板上に１対の半導体多層膜反射鏡（ＤＢＲミラー）を形成し、その１対のＤＢＲミラーの間に発光領域となる活性層を含むレーザ共振器構造を備えている。ＤＢＲミラーは、高反射率層／低反射率層からなる対の半導体層を多対に積層することによって形成している。

面発光レーザ素子では、一方のＤＢＲミラー内に、或いはこれに近接して、電流を閉じ込めるための酸化狭窄層が形成される酸化層狭窄型の素子構造が従来から知られている。酸化狭窄層は、電流狭窄機能及び光狭窄機能を有し、面発光レーザ素子のしきい値電流を下げる働きをする。

ＧａＡｓ系面発光レーザ素子では、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ／Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ（ｘ＜ｙ）から成る対の半導体層を多対に積層して、上記ＤＢＲミラーを形成している。この半導体ＤＢＲミラーは、熱伝導率が良好で、且つ、高反射率が得られ、レーザ発振効率を高めている。また、活性層の材料を変えることで、６００ｎｍ〜１６００ｎｍと、非常に広い波長範囲でのレーザ発振が実現可能である。

図６を参照して、従来の酸化層狭窄型の面発光レーザ素子の構成を説明する。同図は、８５０ｎｍ帯の酸化層狭窄型の面発光レーザ素子を示す断面模式図である。

面発光レーザ素子６０は、ｎ−ＧａＡｓ基板６２上に、それぞれの層の厚さがλ／（４ｎ）（λは発振波長、ｎは屈折率）のｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ／ｎ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓの３５ペアからなる下部ＤＢＲミラー６４、下部クラッド層６６、多重量子井戸から成る活性層６８、上部クラッド層７０、及び、それぞれの層の厚さがλ／（４ｎ）（λは発振波長、ｎは屈折率）のｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ／ｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓの２５ペアからなる上部ＤＢＲミラー７２を含む積層構造を備えている。ｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層及びｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層がＤＢＲミラーの高屈折率層を構成し、ｎ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層及びｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層がＤＢＲミラーの低屈折率層を構成する。

上部ＤＢＲミラー７２では、活性層６８に近い側の一層のｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層に代え、ＡｌＡｓ層で構成され、かつ中央の電流注入領域７５以外の周囲のＡｌが選択的に熱酸化されて成る酸化狭窄層７４が形成されている。酸化狭窄層７４は、面発光レーザ素子６０における電流狭窄構造及び光閉込め構造を構成している。

全体の共振器構造のうち、上部ＤＢＲミラー７２は、フォトリソグラフィー及びエッチング加工により、酸化狭窄層７４よりも下方の活性層６８に近い層まで、例えば直径３０μｍの円筒形状のメサポスト８４に加工されている。

上記酸化層狭窄型の面発光レーザ素子の形成に際しては、メサポスト８４に加工した積層構造を水蒸気雰囲気中にて、約４００℃の温度で酸化処理を行い、メサポスト８４内の酸化狭窄層７４の外周側領域を選択的に酸化させる。この選択酸化によって、例えば幅が１０μｍの外周側領域が酸化され、残された中央の未酸化領域が電流注入領域７５を構成する。

メサポスト８４は、周囲が例えばポリイミド等の誘電体層（ポリイミド層）７６により埋め込まれている。メサポスト８４の上端には、外周５μｍ〜１０μｍ程度の幅でこれに接触するリング状（環状）電極が、ｐ側電極７８として設けられている。また、ｎ−ＧａＡｓ基板６２の裏面には、基板裏面を適宜研磨し、基板厚さを例えば２００μｍ厚に調整した後に、ｎ側電極８０が形成されている。更に、ポリイミド層７６の上には、外部端子とワイヤーで接続するためのｐ側電極パッド８２が形成され、ｐ側電極７８と電気的に接続されている。

なお、上記プロセスでは、メサポスト周囲の積層を全て除去する構造を示したが、この構造に代えて、酸化層狭窄型の面発光レーザ素子では、メサポストの形成に際して、メサポストの外周部分に環状溝を形成し、環状溝の外側の半導体積層を残す構造も一般的に採用されている。この構造では、環状溝は、後にポリイミド層で埋め込まれ、電極パッド８０は、環状溝外周側の積層上部に形成される。

また、上部ＤＢＲミラー７２を、半導体ＤＢＲミラーに代えて、誘電体ＤＢＲミラーで構成する構造も採用されている。この構造では、メサポスト８４を埋め込む誘電体層として、前記ポリイミド層７６に代えて、誘電体ＤＢＲミラーと同じ材質の誘電体層で構成することが出来る利点がある。面発光レーザ素子は、例えば特許文献１に記載がある。

特開２００３−１３３６３９号公報

ポリイミド層や誘電体ＤＢＲミラー等の誘電体層でメサポストを埋めこむ従来の面発光レーザ素子では、誘電体層内の残留応力がメサポストに加わり、その応力印加によってメサポストの半導体層が劣化するという問題がある。特に、誘電体ＤＢＲミラーを有する面発光レーザ素子では、誘電体ＤＢＲミラー内に大きな内部応力が存在するため，この問題が顕著である。

また、メサポストが、誘電体層から上部に突出しているので、製造プロセス中に、或いは、評価工程などで、外部からの接触によって局所的な応力が直接にメサポストに伝わることも多い。このような場合には、メサポストに働く応力に異方性が生じ、レーザ素子の劣化が加速される。

本発明は、上記に鑑み、従来の酸化層狭窄型の面発光レーザ素子を改良し、メサポストに印加される応力の影響を低減し、もって素子の劣化を抑制することで、信頼性が高い面発光レーザ素子、及び、そのような面発光レーザ素子をアレイ状に備えた面発光レーザアレイを提供することを目的とする。

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、上部ＤＢＲミラーと、下部ＤＢＲミラーと、前記上部ＤＢＲミラーと下部ＤＢＲミラーとの間に挟まれる活性層、及び、該活性層に励起電流を注入する円形状の電流注入領域を有する酸化狭窄層とを含む積層構造を有する面発光レーザ素子において、
前記積層構造の少なくとも一部の積層には、前記酸化狭窄層の下面又はその下層にまで達し、前記電流注入領域の側面に隣接する位置で該電流注入領域を囲むように配列された複数の溝が形成されることを特徴とする。

本発明の面発光レーザ素子では、溝よりも半径方向内側の積層部分と、溝よりも半径方向外側の積層部分とが、溝と溝の間に配設される積層部分によって一体的に結合される。従って、溝よりも半径方向内側の積層部分に形成される共振器構造は、従来のメサポストに比して強度が高く、外部からの応力による影響を小さくできるため、面発光レーザ素子における共振器構造の信頼性が向上する。

本発明の面発光レーザ素子では、前記上部ＤＢＲミラーよりも下層側の積層部分に前記溝が形成されており、前記上部ＤＢＲミラーが誘電体層で構成され、該誘電体上部ＤＢＲミラーが、前記溝内を含む素子表面を覆う被覆層を構成してもよい。誘電体ＤＢＲミラーを、素子表面を覆う被覆層として構成することにより、構造が簡素になり、且つ、被覆層の強度も向上する。

本発明の面発光レーザ素子では、前記上部ＤＢＲミラーが、シリコン層及びシリコン酸化層から成るペア層が複数ペア積層されて成る構成を採用してもよい。

本発明の面発光レーザ素子では、前記積層構造が半導体基板上に形成されており、前記下部ＤＢＲミラーが半導体層で構成されるとしてもよい。或いは、基板を導電性が低い絶縁性又は半絶縁性基板で構成し、前記下部ＤＢＲミラーが誘電体層で構成され、該誘電体下部ＤＢＲミラーと前記活性層との間には、外部電極に接続される半導体コンタクト層が形成されている構成を採用してもよい。

上記本発明の面発光レーザ素子を複数備え、該複数の面発光レーザ素子が共通の基板上にアレイ状に配設されて面発光レーザアレイを構成してもよい。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１及び２はそれぞれ、本発明の第１の実施形態に係る面発光レーザ素子の断面図及び平面図である。

図１に示すように、第１の実施形態の面発光レーザ素子１０は、ｎ型ＧａＡｓ（ｎ−ＧａＡｓ）基板１２上に形成された積層構造の共振器を有する。積層構造は、ｎ−ＧａＡｓ基板１２側から、ｎ型コンタクト層１４、下部ミラーを構成するｎ型半導体ＤＢＲミラー１６、励起電流が注入されてレーザ光を発生する活性層１８、電流注入領域２１を有し、活性層１８に注入される励起電流を狭窄する酸化狭窄層２０、ｐ型コンタクト層２２、ｐ型コンタクト層上に形成されたリング状のｐ側電極２４、及び、上部ミラーを構成する誘電体ＤＢＲミラー２６とから構成される。ｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面には、ｎ側電極２８が形成されている。

下部ＤＢＲミラー１６は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ／Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｘ＜ｙ）から成るペア層を、例えば３５ペア積層して形成する。活性層１８は、例えば井戸層及びバリア層を交互に積層した多重量子井戸層によって構成する。活性層１８の材料を選択することにより、発振波長が６００ｎｍ〜１６００ｎｍのレーザ光が得られる。酸化狭窄層２０は、例えばＡｌＡｓ層で構成し、溝よりも内側の領域の溝に隣接する酸化狭窄層部分を、水蒸気などにより選択的に酸化してＡｌ酸化層としている。Ａｌ酸化層よりも内側の酸化狭窄層２０の中央部分をそのままＡｌＡｓ層として残すことで、酸化狭窄層２０内に電流注入領域２１を形成する。

面発光レーザ素子１０の共振器を構成する積層には、誘電体ＤＢＲミラー２６を堆積する前に、積層の中央部分を環状に囲むように、複数の溝３０が形成されている。本明細書では、これらの溝を分断溝３０と呼ぶ。本実施形態では、従来の環状溝が分断されて、８つの分断溝が形成されている。但し、８つの分断溝３０の内で＜１００＞面で表される４つの面に形成される分断溝３０は、他の４つの分断溝３０に比して半径方向外側に飛び出して形成されている。＜１００＞面に形成された４つの分断溝３０の内周側側面の半径Ｒ２と、他の４つの分断溝３０の内周側側面の半径Ｒ１との関係は、
１．１５＜Ｒ２／Ｒ１＜１．４５
の関係にある。この比率は、酸化狭窄層２０を構成するＡｌＡｓ層における酸化速度の面方位依存性に基づいて定められる。

本実施形態例の面発光レーザ素子１０の製造にあたり、活性層１８、酸化狭窄層２０及びｐ型コンタクト層２２に分断溝３０が形成され、その分断溝３０を介して、溝３０に隣接する酸化狭窄層２０の部分の酸化が行われ、酸化狭窄層２０の中央部分に電流注入領域２１が形成される。ｐ型コンタクト層２２上にリング状のｐ側電極２４及び電極配線３２を形成した後に、誘電体ＤＢＲミラー２６のペア層が積層される。誘電体ＤＢＲミラー２６は、例えば、シリコン層及び酸化シリコン層を１ペアとして、２５ペアの層をエピタキシャル成長法によって堆積して形成する。或いは、誘電体ＤＢＲミラー２６を酸化シリコン層及び窒化シリコン層を１ペアとして、２５ペアの層をエピタキシャル成長法によって堆積して形成してもよい。

誘電体ＤＢＲミラー２６を堆積して被覆層とした後に、エッチングによって、電極配線３２のためのスルーホールを形成する。更に、その被覆層の上に、電極配線３２及びスルーホールを介してｐ側電極２４に接続される電極パッド３４を形成する。ｐ側電極パッド３４は、分断溝３０よりも半径方向外側の素子表面部分に配置する。ｐ側電極パッド３４を形成した後は、ｎ−ＧａＡｓ基板１２を所望の厚みになるように裏面から研磨し、その研磨した裏面の全面にｎ側電極２８を形成する。

本実施形態では、分断溝３０よりも半径方向内側に配置される、従来のメサポストに対応する積層部分（以下、本発明では、この部分を共振部４０と呼ぶ）は、共振部４０よりも外周側の積層部分と、分断溝３０が形成された位置以外の積層部分で一体的につながっている。このため、誘電体ＤＢＲミラー２６に存在する内部応力による共振部４０への影響が抑えられ、外部応力に対する共振部４０の耐性が向上する。また、複数の分断溝３０の半径方向の配置関係を、ＡｌＧａＡｓにおける酸化速度依存性に対応させたので、酸化狭窄層２０に形成される電流注入領域２１の形状が円形により近くなり、不均一な電流分布に起因する静電破壊の発生が防止できる。

図３及び４はそれぞれ、本発明の第２の実施形態に係る面発光レーザ素子の構造を示す断面図及び平面図である。本実施形形態の面発光レーザ素子１０Ａは、アンドープのＧａＡｓ基板４２上に面発光レーザ素子を形成した例である。ＧａＡｓ基板４２上には、下部ＤＢＲミラーとして構成される半導体ＤＢＲミラー１６、ｎ型コンタクト層１４、活性層１８、酸化狭窄層２０、及び、ｐ型コンタクト層２２が順次に形成され、ｐ型コンタクト層２２上には、リング状のｐ側電極２４が形成されている。

ｐ型コンタクト層２２迄の積層を堆積した後に、フォトリソグラフィーを利用したエッチングによって、ｐ型コンタクト層２２、酸化狭窄層２０及び活性層１８を含む積層内に、分断溝３０が形成される。第１の実施形態と同様に、分断溝３０を介して、酸化狭窄層２０の部分が酸化され、円形状の電流注入領域２１が形成される。分断溝３０外側のｎ型コンタクト層１４の上部には、略環状のｎ側電極パッド３８が形成される（図４）。ｎ側電極パッド３８の形成と同時に、ｐ側電極２４とｐ側電極パッド３４との間、及び、ｎ側電極３６とｎ側電極パッド３８との間を接続する電極配線３２が形成される。その後、上部ＤＢＲミラーを構成する誘電体ＤＢＲミラー２６の積層が堆積される。誘電体ＤＢＲミラー２６上には、ｐ側の電極パッド３４及びｎ側の電極パッド３８が形成される。

本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、共振部４０の積層部分と、共振部４０よりも外周側の積層部分とは、分断溝３０と分断溝３０との間の積層部分で一体的につながっている。このため、誘電体ＤＢＲミラー２６の内部応力が共振部４０の積層部分に与える影響が抑えられ、また、外部応力に対する共振部４０の耐性が向上する。更に、分断溝３０の配置関係を、ＡｌＡｓにおける酸化速度依存性に対応させたので、酸化狭窄層２０の電流注入領域２１の形状が円形により近くなり、不均一な電流分布に起因する静電破壊の発生が防止できる。

図５は、第１の実施形態の面発光レーザ素子の変形例の面発光レーザ素子１０Ｂを示す平面図である。この変形例では、＜１００＞面に対応する積層部分には、分断溝３０の形成を行わず、その部分では、酸化狭窄層２０における酸化は、分断溝３０が形成されない位置に隣接する分断溝３０から進行させる。本構成によっても、酸化狭窄層２０内の電流注入領域２１の形状を良好な円形状にすることが出来る。

上記実施形態及び変形例の面発光レーザ素子を、同じ基板上にアレイ状に複数配置して、面発光レーザアレイを形成することが出来る。

以上、本発明をその好適な実施態様に基づいて説明したが、本発明の面発光レーザ素子及び面発光レーザアレイは、上記実施態様の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施態様の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

本発明の第１の実施形態に係る面発光レーザ素子の断面図。 図１の面発光レーザ素子の平面図。 本発明の第２の実施形態に係る面発光レーザ素子の断面図。 図３の面発光レーザ素子の平面図。 第１の実施形態に係る面発光レーザ素子の変形例を示す平面図。 従来の面発光レーザ素子の断面図。

符号の説明

１０，１０Ａ、１０Ｂ：面発光レーザ素子
１２：ｎ−ＧａＡｓ基板
１４：ｎ型コンタクト層
１６：下部ＤＢＲミラー
１８：活性層
２０：酸化狭窄層
２１：電流注入領域
２２：ｐ型コンタクト層
２４：ｐ側電極
２６：誘電体ＤＢＲミラー
２８：ｎ側電極
３０：分断溝
３２：配線
３４：ｐ側電極パッド
３６：ｎ側電極
３８：ｎ側電極パッド
４０：共振部
６０：面発光レーザ素子
６２：ｎ−ＧａＡｓ基板
６４：下部ＤＢＲミラー
６６：下部クラッド層
６８：活性層
７０：上部クラッド層
７２：上部ＤＢＲミラー
７４：酸化狭窄層
７５：電流注入領域
７６：ポリイミド層
７８：ｐ側電極
８０：ｎ側電極
８２：ｐ側電極パッド

Claims (6)

1. 上部ＤＢＲミラーと、下部ＤＢＲミラーと、前記上部ＤＢＲミラーと下部ＤＢＲミラーとの間に挟まれる活性層、及び、該活性層に励起電流を注入する円形状の電流注入領域を有する酸化狭窄層とを含む積層構造を有する面発光レーザ素子において、
   前記積層構造の少なくとも一部の積層には、前記酸化狭窄層の下面又はその下層にまで達し、前記電流注入領域の側面に隣接する位置で該電流注入領域を囲むように配列された複数の溝が形成されることを特徴とする面発光レーザ素子。
2. 前記上部ＤＢＲミラーよりも下層側の積層部分に前記溝が形成されており、前記上部ＤＢＲミラーが誘電体層で構成され、該誘電体上部ＤＢＲミラーが、前記溝内を含む素子表面を覆う被覆層を構成する、請求項１に記載の面発光レーザ素子。
3. 前記上部ＤＢＲミラーが、シリコン層及びシリコン酸化層から成るペア層が複数積層されて成る、請求項１又は２に記載の面発光レーザ素子。
4. 前記積層構造が半導体基板上に形成されており、前記下部ＤＢＲミラーが半導体層で構成される、請求項１〜４の何れか一に記載の面発光レーザ素子。
5. 前記下部ＤＢＲミラーが誘電体層で構成され、該誘電体下部ＤＢＲミラーと前記活性層との間には、外部電極に接続される半導体コンタクト層が形成されている、請求項１〜４の何れか一に記載の面発光レーザ素子。
6. 請求項１〜５の何れか一に記載の面発光レーザ素子を複数備え、該複数の面発光レーザ素子が共通の基板上にアレイ状に配設されていることを特徴とする面発光レーザアレイ。

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