JP2009200137A - 面発光半導体レーザ及び面発光半導体レーザアレイ - Google Patents

面発光半導体レーザ及び面発光半導体レーザアレイ Download PDF

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Abstract

【課題】面発光レーザで、シングルモード性を維持しつつ、低しきい値電流を実現し且つ高出力化を図る。
【解決手段】面発光レーザは、ＧａＡｓ基板１０上に形成した、半導体下部ＤＢＲミラー１２、クラッド層１４、ｎ型コンタクト層１６、活性層１８、電流狭窄層２０、ｐ型クラッド層２２、ｐ型コンタクト層２４、位相調整層３６、及び、誘電体上部ＤＢＲミラー２８から成る積層構造を有する。前記電流狭窄層２０の開口径Ｘ（μｍ）及び前記位相調整層の径Ｙ（μｍ）は、Ｘ＋１．９λ≦Ｙ≦Ｘ＋５．０λ （λ；面発光レーザの発振波長（μｍ））という関係を満たすように形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光半導体レーザ及び面発光半導体レーザアレイに関し、更に詳しくは、位相調整層及び電流狭窄層を含む面発光半導体レーザの構造に関する。
垂直共振器型面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser、以下、単に面発光レーザと称する）は、その名の通り、光の共振する方向が基板面に対して垂直であり、光インターコネクションをはじめ、通信用光源として、また、センサー用途など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。その理由として、面発光レーザは、従来の端面発光型半導体レーザと比較して、レーザ素子の２次元配列を容易に形成できること、ミラー形成のための劈開が必要でないためウエハレベルでテストできること、活性層体積が格段に小さいので極低しきい値で発振できること、及び、消費電力が小さいことなどの種々の利点を有していることが挙げられる。
比較的長い発振波長である１１００〜１５５０ｎｍ帯の面発光レーザでは、低しきい値電流かつシングルモード性を維持しつつ、高温・高出力動作などの特性向上が課題となっている。特に、発振波長１３００〜１５５０ｎｍ帯の面発光レーザでは、大きな課題となっている。
一方、イントラキャビティー構造で損失と低減させる構造が特許文献１に提案されている。提案された構造では、共振器の片側を形成する上部反射鏡を構成する誘電体ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）ミラーと半導体層からなるコンタクト層との間に、位相調整層（特許文献ではスペーサー層）を形成している。この構造により、光の定在波の節をスペーサー層の位置に合わせて、高濃度にドーピングされたコンタクト層での光吸収を最低限に抑え、低しきい値電流かつ高温・高出力動作を実現している。
米国特許第６，６１８，４１４号
上記の誘電体ＤＢＲミラー及び位相調整層を有する面発光レーザ構造を提案する特許文献では、低しきい値電流かつ高温・高出力動作は達成したものの、シングルモード性に関する検討が不十分であり、形成すべき位相調整層と電流狭窄層との相互間で満たすべき関係については、具体的な記載がない。つまり、従来は、上記特許文献記載の面発光レーザの構造において、シングルモード性の観点での、位相調整層と電流狭窄層とが満たすべき関係については知られていなかった。そこで本発明者らは、これら双方の層が満たすべき関係がシングルモード性を決める重要な要素であることを見出し、実用的な発振特性を有する面発光レーザの作製に成功した。
上記に鑑み、本発明は、位相調整層及び電流狭窄層を有する面発光レーザについて、位相調整層と電流狭窄層とが満たすべき関係を明らかにし、もって、レーザ発振のためのしきい値電流、発振モードにおけるサイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ：Side-Mode Suppression Ratio）、及び、スロープ効率の少なくとも１つが容易に最適化できる面発光レーザ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、本発明は、基板上に、下部ＤＢＲミラー、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、電流狭窄層、位相調整層、及び、上部ＤＢＲミラーを含む積層構造を堆積して成る面発光レーザにおいて、
前記電流狭窄層の開口径Ｘ（μｍ）及び前記位相調整層の径Ｙ（μｍ）は、
Ｘ＋１．９λ≦Ｙ≦Ｘ＋５．０λ （λ；面発光レーザの発振波長（μｍ））
という関係を満たしていることを特徴とする面発光半導体レーザを提供する。
本発明の面発光レーザでは、前記基板がＧａＡｓ基板の場合には、前記活性層が、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、及び、ＩｎＧａＡｓから成る群から選択される半導体から成る量子井戸層と障壁層とを含む量子井戸構造を有する構成を採用できる。
また、前記基板がＩｎＰ基板の場合には、前記活性層が、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、及び、ＧａＩｎＮＡｓＳｂから成る群から選択される半導体から成る量子井戸層と障壁層とを含む量子井戸構造を有する構成を採用できる。
更に、前記基板がＧａＡｓ又はＩｎＰ基板の何れの場合にも、前記活性層が、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓから成る量子ドット層を有する構成を採用できる。
更に、前記基板が何れの場合にも、少なくとも前記上部ＤＢＲミラーの最上部を含む層が誘電体多層膜から成る構成の採用が可能である。
本発明は、更に、上記本発明の面発光半導体レーザを１次元又は２次元アレイ状に配列して成る面発光半導体レーザアレイを提供する。
本発明によれば、面発光レーザのシングルモードを維持しつつ、低しきい値電流の実現、及び、高温・高光出力動作が可能であり、このため、実用的な性能を有する面発光レーザを提供することができる。なお、上記構成において、上部ＤＢＲミラーが誘電体多層膜からなる層を含む場合には、位相調整層は当該誘電体多層膜の最下層部と接する状態で設けることが好ましい。また、電流狭窄層は、活性層に対し、ｐ型の半導体層の積層体側に少なくとも一層設けることが好ましい。
以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る面発光レーザの断面図である。面発光レーザ１００は、ＧａＡｓ基板１０と、その上に積層され且つ一部がメサポスト４２に形成された積層構造とを有する。積層構造は、ＧａＡｓ基板１０の側から見て順次に、半導体多層膜から成る下部ＤＢＲミラー１２、クラッド層１４、下部コンタクト層１６、量子井戸構造（上下ＳＣＨ層を含む）を有する活性層１８、電流狭窄層２０、ｐ型クラッド層２２、ｐ型（ｐ＋）コンタクト層２４、位相調整層３６を内側にしてこれを囲むリング状のｐ側電極２６、及び、誘電体多層膜から成る上部ＤＢＲミラー２８とを含む。なお、ここで、本実施形態にかかる面発光レーザ素子は発振波長が１３００ｎｍとなるように活性層構造および共振器構造を形成している。
上記積層構造の内で、上部ＤＢＲミラー２８、位相調整層３６を含むｐ側電極２６、ｐ型コンタクト層２４、ｐ型クラッド層２２、電流狭窄層２０、及び、活性層１８までは、その外周部分が除去されてメサポストを形成している。ｐ側電極２６は、ｐ側引出電極３０を介して、メサポストの外周側にひきだされ、外部電源に接続される。また、下部コンタクト層１６の、メサポスト外周側で露出した表面には、ｎ側電極３２が形成され、ｎ側電極３２は、ｎ側引出電極３４を介して更に外周側に引き出され、外部電源に接続される。
図２は、上記面発光レーザにおける電流狭窄層及び位相調整層の近傍の詳細を示している。電流狭窄層２０は、Ａｌ酸化狭窄層として構成され、外周側の電流阻止領域を構成する酸化領域２０ｂと、中央側の電流通過領域を構成する開口部（電流開口）２０ａとから成る。Ａｌ酸化狭窄層２０は、例えばＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層として堆積され、積層部分がメサポスト４２に形成された後に、メサポスト４２の外周側から水蒸気を用いた熱酸化法によって、その外周部分のみが酸化されることによって電流阻止領域２０ｂが形成され、その中央部が電流開口２０ａとなる。電流狭窄層２０は、光の定在波における光強度振幅の最小位置（以下定在波の節という）又はその近傍に配置することで、光閉じ込めにはほとんど寄与せず、電流狭窄構造としてのみ機能する。なお、電流狭窄構造は、酸化狭窄層に限らず、イオン注入法、埋め込み型トンネルジャンクション構造によっても形成できる。特に、ＧａＡｓ基板上に形成したＧａＡｓ系材料からなる面発光レーザでは酸化狭窄構造が、ＩｎＰ基板上に形成したＩｎＰ系材料からなる面発光レーザでは、埋め込み型トンネルジャンクション構造が好ましい。更には、上記２種類の方法にイオン注入法による電流ブロッキング構造を併用してもかまわない。この場合、メサ外側の寄生容量の低減を実現でき、更なる高速動作が可能となる。
位相調整層３６は、リング状のｐ側電極２６の内側に堆積されたＳｉＮ層から成る。ＳｉＮ層の屈折率は、例えば１．８〜２．５付近の組成が用いられる。ｐ側電極２６と位相調整層３６との間には、小さな隙間３８が形成されている。この隙間３８は約０．５〜３μｍ程度で、フォトリソグラフィーの手法で調整可能である。位相調整層３６及びｐ側電極２６の上部には、ＳｉＮｘ層とＳｉＯ２層からなるペア層を積層した誘電体多層膜反射鏡から成る上部ＤＢＲミラー２８の誘電体膜の最下層であるＳｉＯ２層が堆積される。このＳｉＯ２層は、ｐ側電極２６と位相調整層３６との間の隙間３８を埋めて形成される。その後、高屈折率層／低屈折率層から成るペア層が複数ペア順次に堆積されて、上部ＤＢＲミラー２８が形成される。上部ＤＢＲミラーは、例えば高屈折率層が屈折率２．１のＳｉＮ層、低屈折率層が屈折率１．４６のＳｉＯ２層で形成した場合、約１０〜１３ペア程度となる。但し、高屈折率層と低屈折率層の屈折率の差や所望のレーザ特性でペア数は適宜調整される。また、上部ＤＢＲミラーを構成する材料もＳｉＮ/ＳｉＯ２に限らず、ＡｌＯ、アモルファスシリコン等も適宜組み合わせることができる。位相調整層３６は、その下層側のｐ型コンタクト層２４の厚みを適切に設定することで、共振器の一部として光の定在波において光強度振幅の最大位置（以下定在波の腹という）又はその近傍に形成される。位相調整層３６は、その下層側の積層２４、２２、２０ａよりも屈折率が低く、且つ、位相調整層３６と積層面内（基板面と平行な面内）で隣接するＳｉＯ２層よりも屈折率が高く、光閉じ込め構造として機能する。位相調整層３６は、光の定在波の腹に位置させることにより、ｐ側電極２６と位相調整層３６の間の隙間３８に形成されたＳｉＯ２層との屈折率差により、光閉じ込めを行う。
本実施形態では、上記構造を有する面発光レーザ１００について、そのレーザ発振のしきい値電流、サイドモード抑圧比、及び、スロープ効率に着目し、位相調整層３６の径と、酸化狭窄層２０の電流開口（酸化アパーチャ）２０ａの径との関係に関し最適化を図る実験を行うこととした。実験は、まず、酸化アパーチャ２０ａの径を６μｍに固定し、位相調整層３６の径をそれぞれ、６．５，８．５，９．５，１２．０，１２．５，１５．０μｍとした複数のレーザ素子を作製し、これら素子についてその特性を測定した。また、酸化アパーチャ２０ａの径を２．５，４．５，５．０，６．０，８．５μｍとした複数のレーザ素子について、位相調整層３６の径をそのときの酸化アパーチャ２０ａの径よりも４．０μｍ大きくしたレーザ素子を作製し、電流−光出力特性及びスペクトルを測定した。
図３〜図７は、上記実験によって得られた結果を示している。図３〜図５は、位相調整層３６の径を変化させた際のレーザ特性の変化を示すもので、それぞれ、しきい値電流の位相調整層の径への依存性、スロープ効率の位相調整層の径への依存性、サイドモード抑圧比の位相調整層の径への依存性を示す。また、図６及び図７は、位相調整層の径を固定したときの、しきい値電流の酸化アパーチャの径への依存性、及び、サイドモード抑圧比の酸化アパーチャの径への依存性を示している。
図３〜図７から理解できるように、上記実験により、以下の知見が得られた。まず、しきい値電流は、位相調整層３６の径が、酸化アパーチャ２０ａの径よりも２．５μｍ以上大きいときに、低い値となり良好となる（図３）。スロープ効率は、位相調整層３６の径が大きいほど高くなり、位相調整層３６の径が酸化アパーチャ２０ａの径よりも６．５μｍ程度大きな点で飽和する（図４）。サイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）は、位相調整層３６の径が小さい程よく、位相調整層３６の径が酸化アパーチャ２０ａの径よりも６．０μｍ以上大きいと悪化する（図５）。しきい値電流は、酸化アパーチャ２０ａの径が４．５〜６．０μｍで最小となる（図６）。ＳＭＳＲは、酸化アパーチャ２０ａの径が小さい程よく、特に、酸化アパーチャ２０ａの径が６．０μｍ以上で悪化する（図７）。
なお、位相調整層は、誘電体膜で構成し、その屈折率はこれと接する半導体層よりも低く、且つ、積層面内で隣接する誘電体膜よりも高いことが好ましい。
上記実験の結果から、上部ＤＢＲミラーの最上部を含む層が誘電体多層膜から成る面発光レーザでは、位相調整層の径が電流狭窄層の径よりも２．５μｍから６．０μｍ大きいことが良好なレーザ特性を与えることが分かった。同様な実験を他の発振波長の面発光レーザ素子でも行って、その関係を確認したところ、面発光レーザ素子の電流狭窄層の開口径Ｘ（μｍ）及び前記位相調整層の径Ｙ（μｍ）が、
Ｘ＋１．９λ≦Ｙ≦Ｘ＋５．０λ （λ；面発光レーザの発振波長（μｍ））
という関係を有すると、良好なレーザ特性を与えることが確かめられた。
さらに、詳細には以下の構造を有することが好ましいことも確認した。
（１）酸化狭窄層の厚さ
１０〜６０ｎｍが好ましい。これは、製造効率の観点からは実用的な酸化レートを得るために１０ｎｍ以上であることが望ましく、且つ、シングルモード性の観点からは６０ｎｍ以下が好ましいためである。
（２）電流狭窄層の位置
発振レーザ光の定在波の節に位置させることが最適である。しかし、下部多層膜反射鏡と上部多層膜反射鏡とを有する光共振器の平均屈折率をＮ、発振波長をλとした場合に、±（１／５）×λ／（４Ｎ）程度は、積層方向にずれていてもよい。このずれの許容量は、例えば、波長１３００ｎｍのＶＣＳＥＬでは、酸化狭窄層の厚さを約２０ｎｍとした場合、±２０ｎｍに相当する。
（３）酸化アパーチャの径
（イ）波長１０００ｎｍ帯の面発光レーザでは、３．５〜７．０μｍが好ましい。更に、シングルモード性の観点から、３．５〜５．０μｍが好ましい。
（ロ）波長１３００ｎｍ帯の面発光レーザでは、４．５〜９．０μｍが好ましい。更に、シングルモード性の観点からは、４．５〜６．５μｍが最も好ましい。
（ハ）波長１５５０ｎｍ帯の面発光レーザでは、５．５〜１１．０μｍが好ましい。更に、シングルモード性の観点からは、５．５〜８．０μｍが好ましい。
本発明の面発光レーザでは、基板としてＧａＡｓ基板を用いる場合には、活性層は、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、及び、ＩｎＧａＡｓから成る群から選択される半導体から成る量子井戸層と障壁層とを含む量子井戸構造を有することが好ましい。また、基板がＩｎＰ基板の場合には、活性層が、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、及び、ＧａＩｎＮＡｓＳｂから成る群から選択される半導体から成る量子井戸層と障壁層とを含む量子井戸構造を有することが好ましい。なお、基板がＧａＡｓ又はＩｎＰ基板の何れの場合にも、活性層を、ＩｎＡｓ又はＩｎＧａＡｓから成る量子ドット層を含む構造で構成することも出来る。また、いずれのケースにおいても量子井戸数や量子井戸層及びバリア層の厚さは、所望のレーザ特性により適宜調整できる。
本発明の面発光レーザでは、前記上部ＤＢＲミラーをその最上部を含む層を誘電体多層膜反射鏡で形成し、その他の層を高屈折率層と低屈折率層を含むペア層からなる半導体多層膜反射鏡で形成することも出来る。この場合には、位相調整層は誘電体多層膜の積層体と半導体多層膜の積層体の間、すなわち、誘電体多層膜の積層体の最下部層に接する形で形成することが好ましい。また、前記高屈折率層と前記低屈折率層の間には他の層を介在させることもできる。
複数の本発明の面発光レーザを１次元又は２次元アレイ状に配置して、面発光レーザアレイを形成することが出来る。この場合、面発光レーザの１次元又は２次元アレイ構造が容易に実現できる。
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。
本発明の一実施形態に係る面発光レーザの断面図。 図１の面発光レーザの位相調整層及び電流狭窄層の近傍の詳細を示す断面図。 図１の面発光レーザのしきい値電流の位相調整層の径への依存性を示すグラフ。 図１の面発光レーザのスロープ効率の位相調整層の径への依存性を示すグラフ。 図１の面発光レーザのサイドモード抑圧比の位相調整層の径への依存性を示すグラフ。 図１の面発光レーザのしきい値電流の酸化アパーチャの径への依存性を示すグラフ。 図１の面発光レーザのサイドモード抑圧比の酸化アパーチャの径への依存性を示すグラフ。
符号の説明
１００：面発光レーザ
１０：ＧａＡｓ基板
１２：下部ＤＢＲミラー
１４：クラッド層
１６：ｎ型コンタクト層（下部コンタクト層）
１８：活性層
２０：電流狭窄層（酸化狭窄層）
２０ａ:電流開口部（Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ）
２０ｂ:酸化領域（Ａｌ酸化層）
２２：ｐ型クラッド層
２４：ｐ型コンタクト層
２６：ｐ側電極
２８：上部ＤＢＲミラー
３０：ｐ側引出電極
３２：ｎ側電極
３４：ｎ側引出電極
３６：位相調整層
４２：メサポスト

Claims (6)

  1. 基板上に、下部ＤＢＲミラー、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、電流狭窄層、位相調整層、及び、上部ＤＢＲミラーを含む積層構造を堆積して成る面発光レーザにおいて、
    前記電流狭窄層の開口径Ｘ（μｍ）及び前記位相調整層の径Ｙ（μｍ）は、
    Ｘ＋１．９λ≦Ｙ≦Ｘ＋５．０λ （λ；面発光レーザの発振波長（μｍ））
    という関係を満たしていることを特徴とする面発光半導体レーザ。
  2. 前記基板がＧａＡｓ基板であり、前記活性層が、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、及び、ＩｎＧａＡｓから成る群から選択される半導体から成る量子井戸層と、障壁層とを含む量子井戸構造を有する、請求項１に記載の面発光半導体レーザ。
  3. 前記基板がＩｎＰ基板であり、前記活性層が、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、及び、ＧａＩｎＮＡｓＳｂから成る群から選択される半導体から成る量子井戸層と、障壁層とを含む量子井戸構造を有する、請求項１に記載の面発光半導体レーザ。
  4. 前記基板がＧａＡｓ又はＩｎＰ基板であり、前記活性層が、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓから成る量子ドット層を有する、請求項１に記載の面発光半導体レーザ。
  5. 少なくとも前記上部ＤＢＲミラーの最上部を含む層が誘電体多層膜から成る、請求項１〜４の何れか一に記載の面発光半導体レーザ。
  6. 請求項１〜５の何れか一に記載の面発光半導体レーザを１次元又は２次元アレイ状に配列して成ることを特徴とする面発光半導体レーザアレイ。
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