JP2009081230A - 面発光レーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】高速動作が可能であって、かつ、信頼性に優れる面発光レーザの提供。
【解決手段】本発明に係る面発光レーザは、半導体基板１０１と、半導体基板１０１上に形成された第１の反射鏡１０２と、第１の反射鏡１０２上に形成された活性層１０３と、活性層１０３上に形成されたトンネル接合層１０５と、トンネル接合層１０５を覆う第１導電型の半導体スペーサ層１０７と、半導体スペーサ層１０７上であって、トンネル接合層１０５の直上領域に形成された第２の反射鏡１０８と、半導体スペーサ層１０７上であって、第２の反射鏡１０８の周辺に形成された第１の電極１１０と、活性層１０３よりも下の層と電気的に接続された第２の電極１１１とを備える。トンネル接合層１０５の直上領域における第１導電型の半導体スペーサ層１０７の厚さが、第１の電極１１０の直下領域における第１導電型の半導体スペーサ層１０７の厚さよりも薄い。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光レーザに関し、特に、トンネル接合型面発光レーザ素子に関する。
近年、光通信用の光源として、高速、小型、低消費電力、低コストなどの長所を備える垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）の開発が盛んである。既に、１〜１０Ｇｂｐｓ（ギガビット毎秒）程度の高速変調可能な素子も実用化されている。
面発光レーザで最も一般的な構成は、ＧａＡｓ基板をベースとした酸化狭窄型と呼ばれるものである。この酸化狭窄型は、活性層及びその上下に位置する半導体ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Distributed Bragg reflector）が、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長によって一体に形成された積層構造を有する。また、水蒸気酸化工程により形成された電流狭窄構造を有する。このような素子では、上下ＤＢＲを半導体で形成し、ＤＢＲを介して活性層へ電流注入を行う構造が一般的である。また、水蒸気酸化による電流狭窄構造の形成において、埋め込み再成長が不要であるなど、製造プロセスが簡易であるという特長を有する。
一方、面発光レーザの中でも、電流狭窄構造としてトンネル接合を用いたトンネル接合型は、低抵抗化により、高速化・低消費電力化することができる。このトンネル接合型は典型的には非特許文献１に報告されている構造を有し、従来ＩｎＰ基板ベースであり、テレコム用途向けに発振波長１．３μｍ帯、もしくは１．５５μｍ帯などの長波長帯用の面発光レーザに用いられる。
発明者らは、主に酸化狭窄型に用いられるＧａＡｓ基板をベースとし、活性層には利得特性に優れるＩｎＧａＡｓを井戸層とする歪量子井戸を用い、電流狭窄構造としてトンネル接合構造を用いたトンネル接合型面発光レーザを開発し、酸化狭窄型面発光レーザを上回る２４ＧＨｚの３ｄＢ変調帯域を達成することができた。このトンネル接合型面発光レーザの素子構造は、非特許文献２の図１に開示されている。
非特許文献２に記載のトンネル接合型面発光レーザの素子構造について、図６を用いて説明する。図６の面発光レーザは、ｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板１０１上に、下部ＤＢＲ１０２、量子井戸構造の活性層１０３、ｐ型スペーサ層１０４、トンネル接合層１０５及びｎ型スペーサ層１０７が形成された半導体積層構造を有する。ｎ型半導体基板１０１上の各層は、エピタキシャル成長により、順次形成される。また、トンネル接合層１０５は、高濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓ層と高濃度ｎ型ＧａＡｓＳｂ層とからなる。
トンネル接合層１０５は、基板平面内において、最終的に発光部となる領域以外の周辺領域をエッチングにより除去した後、全体をｎ型スペーサ層１０７により埋め込まれた構造となっている。また、素子を高速動作させるために、ｎ型スペーサ層１０７を形成する前に、電流注入領域Ａ１の周辺に、イオン注入により高抵抗化部１０６を形成する。これにより、素子容量を低減することができる。上記半導体積層構造上には、上部ＤＢＲ１０８、プラス電極１１０、マイナス電極１１１及びポリイミド層１０９が形成されている。プラス電極１１０及びマイナス電極１１１を介し、活性層１０３へ電流が注入され、レーザ発振及び高速変調動作する。
非特許文献２に記載のトンネル接合型面発光レーザは、高速かつ低コスト・低消費電力である光源として極めて有望であるが、信頼性において課題を有していた。図７は、上記トンネル接合型面発光レーザの加速信頼性試験データである。図７（ａ）は、温度１５０℃、１０ｍＡの定電流駆動にて通電加速試験を行った場合の光出力変動の推移を示している。試験素子数は９個である。各素子とも所定時間経過後に突発的に光出力が減少している。
図７（ｂ）は、図７（ａ）の試験素子の故障時間（Time to Failure：ＴＴＦ＝故障に至るまでの動作時間）と、素子構造との関係を示したグラフである。各素子の故障時間は、トンネル接合層１０５の開口端（電流注入領域の端部）とプラス電極１１０との距離すなわち図６におけるＬＥＬＥＣと明確な相関があり、ＬＥＬＥＣが長いほど故障時間が長くなっている。
故障素子を調査したところ、プラス電極１１０のアロイフロントが、ｎ型スペーサ層１０７を突き抜けて活性層１０３まで達していることが分かった。なお、非特許文献２に記載のトンネル接合型面発光レーザでは、ｎ型スペーサ層１０７の厚さは０．２３μｍ、活性層１０３とプラス電極１１０の間の距離（Ｄ１＝Ｄ２）は０．２９μｍ程度である。また、このプラス電極１１０は、真空蒸着及びアロイ工程により形成したＡｕＧｅ／ＡｕＧｅＮｉで構成されている。プラス電極１１０のアロイ工程により活性層１０３に導入された格子欠陥は、通電により次第に電流注入領域Ａ１の方に延伸していき、これに達した時に、突発的に光出力が減少することが分かった。
上記故障を防止するには、ＬＥＬＥＣを十分に長くすることが考えられるが、ＬＥＬＥＣを長くすると、プラス電極１１０からトンネル接合層１０５に至る直列抵抗が増大する。そのため、現実的には、ＬＥＬＥＣは５μｍ以下程度に制限される。したがってＬＥＬＥＣを長くすることは上記故障の本質的な改善手段とはならない。
また、プラス電極１１０のアロイフロントが活性層１０３に到達しないように、ｎ型スペーサ層１０７をあらかじめ十分に厚くしておくことも有効であると考えられる。しかしながら、単純にｎ型スペーサ層１０７を厚くすると、上下ＤＢＲ間距離ＬＣＡＶＩＴＹが長くなる。従って、実効共振器長が長くなり、高速性が損なわれるという問題がある。
以上に述べたトンネル接合型面発光レーザにおける課題は、これまで認識されていなかった。一般的な酸化狭窄型面発光レーザでは、上部ＤＢＲ層はｐ型半導体で構成し、上部電極はノンアロイのＴｉ／Ａｕなどで形成する。このため、通電によるアロイの進行を考慮する必要がない。また、仮にアロイの進行がある場合、もしくは上部ＤＢＲ層がｎ型半導体で構成され、上部電極としてアロイ電極が使用される場合でも、上部電極と活性層１０３の間には厚さ３〜４μｍ程度のｐ型ＤＢＲ層があるため、活性層１０３に欠陥をもたらすことはない。
他方、上部ＤＢＲが誘電体／半導体などで形成され、トンネル接合を有する長波長帯用の面発光レーザでも、以下に述べる３つの理由によって本課題は認識されていなかった。第１の理由は、ＩｎＰベースの長波長帯面発光レーザではｎ電極材料として、ノンアロイのＴｉ／Ａｕなどを用いてもよいため、アロイフロントの進行による信頼性への影響を考慮する必要がない。
第２の理由は、半導体材料に起因する。長波長帯面発光レーザでは、上部ｎ電極と電気的なコンタクトが行われる半導体層としてバンドギャップの小さなＩｎＧａＡｓを用いることができる。また、ｎ型スペーサ層にはＩｎＰが用いられる。Ｉｎを含む半導体中では結晶欠陥の増殖が抑制されるため、たとえ上部ｎ電極を起点とした結晶欠陥が存在する場合でも、活性層への欠陥の延伸が抑制され、素子の信頼性に対して影響をもたらしにくい。
第３の理由は、長波長帯面発光レーザでは、１０Ｇｂｐｓを上回る高速動作を実現するための検討は十分に行われていなことに起因する。これは、長波長帯面発光レーザでは材料の特性上素子利得が十分でなく、元々１０Ｇｂｐｓを上回る高速性が見込みにくいためである。１０Ｇｂｐｓ以下の変調速度であれば、ＬＣＡＶＩＴＹを十分に短くする必要性がそもそも存在しないため、上記課題は認識され得ない。なお、非特許文献３については後述する。
Markus Ortsiefer他、「2.5-mW Single-Mode Operation of 1.55-μm Buried Tunnel Junction VCSELs」、IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 17, NO. 8、２００５年８月 Yashiki他、「1.1 μm-range tunnel junction VCSELs with 27-GHz relaxation oscillation frequency」、Proceedings of optical fiber communication conference 2007、ＯＭＫ１、２００７年 Ye Zhou他、「Novel Surface Emitting Laser using High-Contrast Subwavelength Grating」、Conference Digest of Semiconductor Laser Conference 2006、ＷＢ４、２００６年
本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであり、高速動作が可能であって、かつ、信頼性に優れる面発光レーザを提供すること目的とする。
本発明に係る面発光レーザは、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第１の反射鏡と、前記第１の反射鏡上に形成された活性層と、前記活性層上に形成されたトンネル接合層と、前記トンネル接合層を覆う第１導電型の半導体スペーサ層と、前記第１導電型の半導体スペーサ層上であって、前記トンネル接合層の直上領域に形成された第２の反射鏡と、前記第１導電型の半導体スペーサ層上であって、前記第２の反射鏡の周辺に形成された第１の電極と、前記活性層よりも下の層と電気的に接続された第２の電極とを備える面発光レーザであって、前記トンネル接合層の直上領域における前記第１導電型の半導体スペーサ層の厚さが、前記第１の電極の直下領域における前記第１導電型の半導体スペーサ層の厚さよりも薄いことを特徴とするものである。
本発明によれば、高速動作が可能であって、かつ、信頼性に優れる面発光レーザを提供することができる。
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
第１の実施の形態
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子の断面図である。本実施の形態に係る面発光レーザは、ｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板１０１上に、下部ＤＢＲ１０２、量子井戸構造の活性層１０３、ｐ型スペーサ層１０４、トンネル接合層１０５及びｎ型スペーサ層１０７が形成された半導体積層構造を有する。ｎ型半導体基板１０１上の各層は、エピタキシャル成長により、順次形成される。また、トンネル接合層１０５は、高濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓ層と高濃度ｎ型ＧａＡｓＳｂ層とからなる。
下部ＤＢＲ１０２は、例えば、Ｓｉドープ（濃度８×１０１７ｃｍ−３）ｎ型ＡｌＡｓからなる低屈折率層とＳｉドープ（濃度８×１０１７ｃｍ−３）ｎ型ＧａＡｓからなる高屈折率層とが順に積層された構造を有する。具体的には、各々光学膜厚λ／４の低屈折率層と高屈折率層とを、４０．５ペア積層した周期構造とすることができる。
活性層１０３は、例えば、Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／ＧａＡｓを井戸層、ＧａＡｓを障壁層とする量子井戸層（発光スペクトルのピークは１．０７μｍ）及びその両端に配置されたｎ型ＳＣＨ層及びｐ型ＳＣＨ層を備えている。活性層１０３全体の光学膜厚は１λ（媒質内波長の１波長分）とするのが好ましい。
また、ｐ型スペーサ層１０４は、例えば、Ｃドープ（濃度８×１０１７ｃｍ−３）ｐ型ＧａＡｓからなる。その光学膜厚はλ／４程度とするのが好ましい。
ここで、ＩｎＧａＡｓを井戸層に用いた歪量子井戸構造活性層において、高速変調動作を実現する上で好適なレーザ発振波長の範囲は、ＧａＡｓ基板上に活性層を形成する場合、１．０〜１．２μｍ程度の範囲である。発振波長が１．０μｍ未満の場合、歪量子井戸構造による利得向上のメリットが得られにくい。一方、発振波長が１．２μｍを超える場合、結晶歪量が多すぎるため信頼性悪化が懸念される。ただし、基板として、ＧａＡｓよりも格子定数の大きなＩｎＧａＡｓ３元基板を使用可能な場合、高信頼性を維持したまま、発振波長を１．３４μｍ程度まで長波長にすることが可能である。しかし、発振波長をさらに長くした場合には、後で詳述する面発光レーザの実効共振器長も長くなるため、高速動作のためにはデメリットとなる。
トンネル接合層１０５は、高濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓ層と高濃度ｎ型ＧａＡｓＳｂ層とを備える。例えば、Ｃドープ（濃度１×１０２０ｃｍ−３）ｐ型ＧａＡｓからなる厚さ１５ｎｍ程度の高濃度ｐ型層及びＳｉドープ（濃度２×１０１９ｃｍ−３）ｎ型ＧａＡｓからなる厚さ１５ｎｍ程度の高濃度ｎ型層を用いることができる。
また、トンネル接合層１０５は基板平面内において、最終的に電流注入領域Ａ１となる部分のみを残して周囲はエッチングで除去されている。また、素子の高速動作のために、電流注入領域Ａ１の周辺部はイオン注入によって形成された高抵抗化部１０６によって素子容量の低減を図っている。トンネル接合層１０５及び高抵抗化部１０６が形成された半導体積層構造の表面全体は、ｎ型スペーサ層１０７で埋め込まれている。
ここで、トンネル接合層１０５の形成領域である電流注入領域Ａ１ではトンネル接合層１０５を介して活性層１０３への電流注入が行われる。一方、トンネル接合のない領域では、ｎ型スペーサ層１０７とｐ型スペーサ層１０４が隣接するため、通常の逆バイアスのｐ／ｎ接合となるため電流がブロックされる。この電流狭窄構造によって、発光は電流注入領域Ａ１近傍の活性層１０３で生じる。
ｎ型スペーサ層１０７は、例えば、Ｓｉドープ（濃度２×１０１９ｃｍ−３）ｎ型ＧａＡｓからなる。ｎ型スペーサ層１０７には、電流注入領域Ａ１及びその近傍の直上部に、凹部１１２が形成されている。この凹部１１２の存在により、電流注入領域Ａ１の近傍では、光共振器方向におけるｎ型スペーサ層１０７の上面と活性層１０３の中心面との間の距離を、図１中にＤ１で示すように、短くすることができる。一方、プラス電極１１０の直下では、この距離を図１中にＤ２で示すように、厚くすることができる。
具体的には、電流注入領域Ａ１においては、距離Ｄ１は光学膜厚１λ相当とし、上下ＤＢＲ間距離ＬＣＡＶＩＴＹは、光学膜厚３λ／２相当とするのが好ましい。これによって、電流注入領域Ａ１及びその近傍では、面発光レーザの高速動作に必要な短いＬＣＡＶＩＴＹが実現できる。なお、１０Ｇｂｐｓを超える高速変調を実現するためのＬＣＡＶＩＴＹの光学厚さは、５λ／２以下程度であることが好ましい。また、トンネル接合層１０５の形成領域すなわち電流注入領域Ａ１におけるｎ型スペーサ層１０７の厚さのばらつきは、光学膜厚λ／１０以下であることが好ましい。
また、電流注入領域Ａ１よりも外側の領域では、ｎ型スペーサ層１０７がエッチングされていないため、プラス電極１１０と活性層１０３の中心面との間の距離Ｄ２は１．０μｍ以上の厚さとするのが好ましい。これによって、プラス電極１１０におけるアロイのフロントが活性層１０３に到達しえない構造が実現できるため、非特許文献１に記載のトンネル接合型面発光レーザにおける信頼性上の問題を解決できる。以上述べたように、本発明によって、トンネル接合型面発光レーザの２０Ｇｂｐｓを上回る高速変調動作と、高い素子信頼性を両立することができる。
凹部１１２形成後の半導体積層構造上には、上部ＤＢＲ１０８、プラス電極１１０、マイナス電極１１１、ポリイミド層１０９が形成され、プラス電極１１０及びマイナス電極１１１を通じた活性層１０３への電流注入によってレーザ発振及び高速変調動作が行われる。ここで、プラス電極１１０及びマイナス電極１１１はいずれもｎ電極であって、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉからなるアロイ電極である。
上部ＤＢＲ１０８は、好適には、光学膜厚λ／４のＳｉＯ２低屈折率層（厚さ１８１．２ｎｍ）及び光学膜厚λ／４のＳｉ高屈折率層（厚さ７１．５ｎｍ）からなる３周期の層構造とすることができる。なお、高屈折率層の材料としては、Ｓｉ、Ｓｂ２Ｓ３、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＴｉＯ２などが考えられる。また、低屈折率層の材料としては、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＭｇＯ、ＣａＦ２、ＭｇＦ２、Ａｌ２Ｏ３などが考えられる。発振波長を考慮して適切な透明な材料が選択される。
なお、半導体積層構造を構成する元素としては、窒素、リン、Ｔｅなども用いてもよく、半導体基板１０１もＧａＡｓに限らず、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＮなどを用いてもよい。
次に、本発明に係るトンネル接合型面発光レーザの酸化狭窄型面発光レーザに対する特徴について説明する。主に２つの特徴がある。第１の特徴は、電流狭窄構造としてトンネル接合層１０５が用いられている点である。トンネル接合は、高濃度ｐｎ接合からなる。これに逆バイアスを印加すると、トンネル効果により、電子電流を正孔電流に変換することができる。このトンネル接合を、活性層１０３近傍のｐ型半導体層に形成することにより、半導体層の最表層をｎ型半導体とすることが可能となる。これにより、素子抵抗や吸収損失の低減、不均一注入の抑制などが期待できる。第２の特徴は、上部ＤＢＲ１０８が高屈折率差いわゆる高ΔのＳｉ／ＳｉＯ２多層膜から形成されている点である。高ΔのＤＢＲを用いると、ＶＣＳＥＬの実効的な共振器長が短くなるため、変調帯域を改善することができる。
以下に高ΔのＤＢＲによる高速特性の改善効果について説明する。直接変調型レーザの変調帯域は、素子抵抗（Ｒ）と寄生容量（Ｃ）の律速によって定まる帯域（ｆＣＲ）と、電流注入素子の利得特性によって定まる帯域（ｆｒ：緩和振動周波数）の兼ね合いで決定される。酸化狭窄型ＶＣＳＥＬにおいては、ｆＣＲ帯域については、エピタキシャル成長による半導体層構造の最適化によるＲの低減や、ポリイミド埋め込みやイオン注入構造によるＣの低減などの適切な手段を講ずることで２０ＧＨｚ以上にすることが可能である。一方、ｆｒについては、１６ＧＨｚ程度に留まっており、酸化狭窄型ＶＣＳＥＬにおいては２０Ｇｂｐｓ以上の高速動作を実現する上での主たる律速要因はｆｒである。ｆｒは次式で示される。
Figure 2009081230
 ここで、ｄｇ／ｄｎは微分利得、Ｖｐはレーザ発振光のモード体積である。式（１）よりＶｐが小さいほど、ｆｒが改善されることが分かる。なお、第１の特徴であるトンネル接合構造による素子抵抗や吸収損失の低減などの効果は、素子の自己発熱の抑制につながるため、本式におけるｄｇ／ｄｎの項の改善効果として現れる。
本発明に係るトンネル接合型面発光レーザでは、高Δの上部ＤＢＲによってモード体積Ｖｐにおける光共振器方向成分が短縮されたためにｆｒが改善されたことが分かった。以下に、図２を用いてこれを説明する。図２（ａ）、図２（ｂ）はそれぞれ、上下ＤＢＲ間距離（ＬＣＡＶＩＴＹ）として１λの光学膜厚を有する酸化狭窄型ＶＣＳＥＬと、ＬＣＡＶＩＴＹが３λ／２のトンネル接合(ＴＪ)型ＶＣＳＥＬにおける共振器方向の光フィールドの強度分布を示している。横軸が厚さ方向の位置、縦軸が相対光強度を示す。横軸のプラス側が基板側である。光フィールドおよびその包絡線はそれぞれ実線及び波線で示している。両構造とも活性層１０３を挟んだ上下のＤＢＲによって定在波状の光フィールドが形成されている。
ここで、ＶＣＳＥＬにおける光共振器方向のモード体積を議論するための指標としてしばしば用いられる実効共振器長（ＬＥＦＦ)を用いる。ＬＥＦＦは相対光強度が１／ｅ以上となる領域の幅として定義される。ここで、ｅは自然対数の底である。また、相対光強度が１／ｅ以上の領域は、積層構造中において上部ＤＢＲに属する部分（図２（ａ）、（ｂ）におけるＬ１）、活性層に属する部分（同Ｌ２）、及び下部ＤＢＲに属する部分（同Ｌ３）の和として求めている。
図２（ａ）の酸化狭窄型ＶＣＳＥＬでは上部ＤＢＲおよび下部ＤＢＲ双方ともＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の半導体で形成されており、両領域への光フィールドの延伸幅Ｌ１とＬ３は４６７ｎｍで同程度である。また、活性層を含み、１λの光学膜厚を有する共振器部における光フィールドの幅は３０８ｎｍであり、実空間におけるＬＥＦＦは１２４２ｎｍ程となる。なお、ここで示した酸化狭窄型ＶＣＳＥＬの構造は、ｆｒが１６ＧＨｚで、３ｄＢ変調帯域は２０ＧＨｚで、２０Ｇｂｐｓ以上での高速動作が可能な設計を施した素子のものである。
一方、図２（ｂ）のトンネル接合型ＶＣＳＥＬでは、下部ＤＢＲについては酸化狭窄型ＶＣＳＥＬと同様に、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の半導体で形成されているため、この領域への光フィールドの延伸幅Ｌ３は４６７ｎｍ程度である。一方、上部ＤＢＲ１０８はＳｉ／ＳｉＯ２からなる高Δ多層膜が使用されているため光フィールド強度は急激に減少し、その延伸幅Ｌ１は５５ｎｍ程と大幅に短くなっている。活性層、トンネル接合などを含む共振器部における光フィールドの幅Ｌ２は３λ／２の光学膜厚であるため、酸化狭窄型よりも長く、４６３ｎｍ程度であり、結果的に本素子におけるＬＥＦＦは実空間で９８４ｎｍとなり、酸化狭窄型ＶＣＳＥＬよりも短縮されていることが分かる。なお、ここで示したトンネル接合型ＶＣＳＥＬの構造はトンネル接合部の開口径が５μｍの素子のもので、このときｆｒとしては、酸化狭窄型ＶＣＳＥＬでは到達しえない２３ＧＨｚの高い周波数が得られている。また、３ｄＢ変調帯域は２４ＧＨｚで、２０Ｇｂｐｓ以上での高速動作を確認している。
両構造のＬＥＦＦ比較を表１にまとめた。ここで、トンネル接合(ＴＪ)型ＶＣＳＥＬについては共振器長ＬＣＡＶＩＴＹを２λ及び５λ/２と長くした構造のＬＥＦＦもあわせて示した。表１より、トンネル接合型ＶＣＳＥＬの共振器長ＬＣＡＶＩＴＹが５λ/２程度と長い構造でもＬＥＦＦは１２９３ｎｍ程度と、従来の酸化狭窄型ＶＣＳＥＬと同等程度の長さとすることができ、ｆｒ＝１６ＧＨｚ、変調帯域２０ＧＨｚ、動作速度２０Ｇｂｐｓ以上が実現可能であることが分かる。
Figure 2009081230
以上の通り、本発明に係るトンネル接合型面発光レーザでは、高ΔＤＢＲによりモード体積を小さくすることができるため、酸化狭窄型ＶＣＳＥＬと比較してｆｒの改善が図られる。
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３（ａ）〜（ｄ）及び図４（ｅ）〜（ｇ）を参照して説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、ｎ型半導体基板１０１上に、第１の反射鏡である下部ＤＢＲ１０２からトンネル接合層１０５までの半導体積層構造を、有機金属気相化学堆積法（ＭＯＶＰＥ：Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）により形成する。この積層構造は、少なくとも下部ＤＢＲ１０２、活性層１０３、ｐ型スペーサ層１０４及びトンネル接合層１０５を備える。素子特性向上のため、傾斜組成層などの付加的半導体層を適宜挿入してもよい。
次に、図３（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成し、電流注入領域Ａ１以外のトンネル接合層１０５を公知のエッチング手段で除去する。このとき、エッチング深さは３０ｎｍ程度とするのが好ましい。また、電流注入領域Ａ１の平面形状は、特に限定されないが、例えば、直径３〜１０μｍ程度の円形とすることができる。エッチング工程の後、電流注入領域Ａ１の周辺部に酸素イオン注入により高抵抗化部１０６を形成する。ここで、高抵抗化部１０６は、電流注入領域Ａ１の中央を中心として、直径１２μｍよりも外側の領域とするのが好ましい。
次に、図３（ｃ）に示すように、２回目の結晶成長工程により、Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓからなるｎ型スペーサ層１０７を厚さ０．９４μｍにて形成する。ｎ型スペーサ層１０７の形成によって、埋め込みトンネル接合型の電流ブロック構造が形成される。なお、このｎ型スペーサ層１０７の厚さは、プラス電極１１０の形成、アロイ工程によってアロイフロントに発生した結晶欠陥が活性層１０３に到達しない範囲で必要最小限の厚さとすることが望ましい。我々の検討では活性層１０３からプラス電極１１０までの距離Ｄ２がおよそ１．０μｍ以上とすることで十分な信頼性が確保できることを確認した。このときＧａＡｓからなるｎ型スペーサ層１０７の厚さは０．９４μｍ程度となる。なお、このｎ型スペーサ層１０７の材料を、ＧａＡｓではなく、微量のＩｎを添加したＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰなどの、より結晶欠陥の増殖しにくい材料に変更することで、このｎ型スペーサ層１０７の所要とする厚さを薄くすることが可能である。
次に、図３（ｄ）に示すように、電流注入領域Ａ１及びその周辺におけるｎ型スペーサ層１０７に、公知のエッチング手段を用いて凹部１１２を形成した。このエッチング工程によって、電流注入領域Ａ１及びその周辺部直上ではｎ型スペーサ層１０７の厚さはλ／４の光学膜厚とするのが好ましい。なお、この凹部１１２の底面領域Ａ２は、レーザ発振光に含まれる全ての発振モードがこの凹部１１２に接触しないように、電流注入領域Ａ１の直径よりも０．５μｍから６μｍ程度大きくなるように形成するのが好ましい。
次に、図４（ｅ）に示すように、ｎ型スペーサ層１０７の表面に第２の反射鏡である上部ＤＢＲ１０８をスパッタリング法により形成したのち、フォトリソ工程と公知のエッチング手段を用いてプラス電極１１０の内径領域Ａ３を残し、それよりも外周領域の上部ＤＢＲ１０８を除した。さらに、フォトリソ工程と公知のエッチング手段を用いて、下部ＤＢＲ１０２に達する深さまで外周部の半導体積層構造を除去することでメサを形成した。ここで、メサ形成領域Ａ４の直径は、例えば、２２μｍとすることができる。
その後、図４（ｆ）に示すように、高速動作時に必要となるプラス電極１１０のパッド容量を低減するための構造であるポリイミド層１０９を、フォトリソ工程によって形成する。
最後に、図４（ｇ）に示すように、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉからなるプラス電極１１０及びマイナス電極１１１を形成した後、電極アロイを行うことにより、図１に示す本実施の形態に係る面発光レーザ素子が完成する。電極アロイは、例えば、温度３７５℃、時間１０秒の条件で、行うことができる。
なお、本発明にて使用される半導体材料や製造方法は、本実施の形態に限定されるものではない。上部ＤＢＲ１０８の成膜には、ＲＦスパッタリング法や反応性スパッタリング法などのスパッタリング法、電子ビーム蒸着法、ＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition）、イオンビームアシスト堆積法、ＭＯＶＰＥ、分子線エピタクシー法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）などの方法を用いても良い。
下部ＤＢＲ１０２も本実施の形態の形態に限定されるものではなく、半導体ＤＢＲ以外に、半導体基板１０１のエッチングによる除去と堆積によって、上部ＤＢＲ１０８と同様に半導体／誘電体からなる多層膜が用いられても良い。また、水蒸気酸化プロセスを用いて、半導体／水蒸気酸化膜からなるＤＢＲが形成されてもよいし、この水蒸気酸化プロセスを用いて形成した半導体／水蒸気酸化膜からなるＤＢＲに対して、水蒸気酸化膜のみを選択的にエッチングする工程を施して形成した半導体／空隙からなるＤＢＲが用いられていてもよい。また、金属の蒸着などによって、ＤＢＲ以外の反射鏡が用いられてもよい。
また、上部ＤＢＲ１０８及び下部ＤＢＲ１０２を半導体で構成する場合には、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。
第２の実施の形態
図５は、本発明の第２の実施の形態の面発光レーザ素子の断面図である。本実施の形態の素子構造の特徴は、上部反射鏡としてＤＢＲではなく、サブ波長回折格子１１３が用いられている点にある。サブ波長回折格子１１３は、半導体／誘電体などからなり、レーザ発振波長よりも短い周期の周期的平面構造を備える。サブ波長回折格子を上部反射鏡として具備した面発光レーザの報告例としては、例えば、非特許文献３が挙げられる。本文献の面発光レーザはＡｌＧａＡｓと空隙で構成され、レーザの発振波長以下の周期的なストライプ状の平面構造を有するサブ波長回折格子が、活性層上部の半導体層構造中に具備され、さらにその上下層も空隙で構成されている。本報告では、サブ波長回折格子の使用によって、偏光制御された単一モードレーザ発振が得られている。
本実施の形態の構造は、上部反射鏡としてＤＢＲの変わりにサブ波長回折格子１１３が用いられている点以外は第１の実施の形態と同一である。本実施の形態では、第１の実施形態において説明した図４（ｅ）工程としてサブ波長回折格子１１３が形成される。即ち、図４（ｄ）凹部１１２形成後の半導体層の表面に、スパッタによって厚さ１８０ｎｍのＳｉＯ２及び厚さ８０ｎｍのＳｉからなる層を積層する。その後電子ビーム露光とドライエッチングによって、ストライブ状周期構造からなるサブ波長回折格子１１３を形成した。このとき、ストライプ状周期構造は幅８０ｎｍのＳｉがピッチ２６０ｎｍで並んだ構造となっている。本工程によって形成されたＳｉのストライプ状周期構造は、さらにスパッタリング工程によって厚さ３６０ｎｍのＳｉＯ２で埋め込まれることで完成する。その他の工程は第１の実施の形態と同一である。
なお、高速動作の観点からは、このサブ波長回折格子１１３を用いた反射鏡は、９９％以上の反射率を有するため、ＤＢＲを用いた反射鏡よりも膜厚を薄くすることができる。これにより、面発光レーザの実効共振器長ＬＥＦＦが短縮され、ｆｒの増大による高速変調特性のさらなる向上が期待できる。
また、素子抵抗及び放熱性の観点での本発明の特長を述べる。サブ波長回折格子を上部反射鏡に用いた関連技術の面発光レーザは、上部電極がｐ型半導体上に形成されており、周辺の上部ｐ電極から活性層１０３への電流注入は薄いｐ型スペーサ層１０４を介して横方向より行っていたため、キャリア不均一注入による空間的ホールバーニングが生じやすいという問題があった。また、素子抵抗の増大も大きな問題となる。さらに、素子抵抗の増大によって発熱量も増大するが、サブ波長回折格子は通常熱抵抗が大きく放熱性の悪い誘電体や空気などを構造中に具備するため、廃熱が効率的に行えないことが問題となる。この放熱性の悪さによって活性層温度が上昇し、素子利得の低下をもたらす。以上の問題のために、サブ波長回折格子と上部ｐ電極を有する関連技術の電流注入型の面発光レーザでは、本質的に２０Ｇｂｐｓを越える高速動作を実現することは極めて困難である。本実施の形態では、トンネル接合層１０５によるキャリアの変換によって、素子抵抗が低く、キャリア不均一注入も発生しにくいｎ型スペーサ層１０７の上にサブ波長回折格子１１３を形成することで、サブ波長回折格子１１３の形成に起因する素子抵抗、熱抵抗の増大の問題を回避することが可能である。
以上述べたとおり、本実施の形態に係るトンネル接合型面発光レーザによれば、ＤＢＲを用いたトンネル接合型面発光レーザに比べ、さらなる高速特性が期待できる。
本発明の面発光レーザ素子は、例えば、超高速計算機などの光インターコネクションに適用することができる。
第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子の構造を模式的に示した部分断面図である。 第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子及び酸化狭窄型面発光レーザにおける光共振器方向の光フィールド分布を示すグラフである。 第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子の製造工程を模式的に示した部分断面図である。 第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子の製造工程を模式的に示した部分断面図である。 第２の実施の形態に係る面発光レーザ素子の構造を模式的に示した部分断面図である。 本発明に関連する面発光レーザ素子の構造を模式的に示した部分断面図である。 本発明に関連する素子の信頼性について示す実験データである。
符号の説明
１０１ 半導体基板
１０２ 下部ＤＢＲ
１０３ 活性層
１０４ ｐ型スペーサ層
１０５ トンネル接合層
１０６ 高抵抗化部
１０７ ｎ型スペーサ層
１０８ 上部ＤＢＲ
１０９ ポリイミド層
１１０ プラス電極
１１１ マイナス電極
１１２ 凹部
１１３ サブ波長回折格子
Ａ１ 電流注入領域
Ａ２ 凹部底面領域
Ａ３ プラス電極内径領域
Ａ４ メサ形成領域

Claims (13)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成された第１の反射鏡と、
    前記第１の反射鏡上に形成された活性層と、
    前記活性層上に形成されたトンネル接合層と、
    前記トンネル接合層を覆う第１導電型の半導体スペーサ層と、
    前記第１導電型の半導体スペーサ層上であって、前記トンネル接合層の直上領域に形成された第２の反射鏡と、
    前記第１導電型の半導体スペーサ層上であって、前記第２の反射鏡の周辺に形成された第１の電極と、
    前記活性層よりも下の層と電気的に接続された第２の電極とを備える面発光レーザであって、
    前記トンネル接合層の直上領域における前記第１導電型の半導体スペーサ層の厚さが、前記第１の電極の直下領域における前記第１導電型の半導体スペーサ層の厚さよりも薄いことを特徴とする面発光レーザ。
  2. 前記第１導電型の半導体スペーサ層が、前記トンネル接合層の直上領域において、当該トンネル接合層側に窪んだ凹形状であることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
  3. 前記第１の電極がアロイ電極であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の面発光レーザ。
  4. 前記第１の電極と前記活性層の中心面との間の、前記半導体基板に垂直な方向の距離が、少なくとも１．０μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
  5. 前記トンネル接合層の形成領域における前記第１及び第２反射鏡間の距離が、光学膜厚５λ／２（ただし、λはレーザ発振波長）以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
  6. 前記トンネル接合層の形成領域における前記第１導電型の半導体スペーサ層の厚さのばらつきが、光学膜厚λ／１０（ただし、λはレーザ発振波長）以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
  7. 前記第１及び第２の反射鏡のうちの少なくとも一方に、半導体層と誘電体層との積層構造又は半導体層中に空隙の周期構造を備える分布ブラッグ反射鏡を用いたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
  8. 前記第１及び第２の反射鏡のうちの少なくとも一方に、サブ波長回折格子を用いたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
  9. 前記活性層と前記トンネル接合層との間に第２導電型の半導体スペーサ層を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
  10. 前記半導体基板がＧａとＡｓを含む化合物半導体混晶基板であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
  11. 前記第１導電型の半導体スペーサ層の少なくとも一部にＩｎを含む半導体層が含まれることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
  12. 前記活性層を構成する半導体量子井戸構造の井戸層がＩｎＧａＡｓ半導体混晶であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
  13. 発振波長が１．０μｍから1.３４μｍであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
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