JP2009206448A - 面発光半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】基本モードで安定した単一横モード発振が容易な面発光レーザを提供する。
【解決手段】面発光半導体レーザ１００は、発振波長がλであり、活性層１３の近傍にイオン注入型の電流狭窄層１４を有する。上部ブラッグ反射鏡１５には、円孔（空孔）が存在しない点欠陥を中央部に有する２次元円孔配列２０が形成される。電流狭窄層１４の電流開口の幅が、点欠陥に最も近接する円孔中心を結ぶ円の直径（Ｄ）以下であり、円の直径Ｄが１０．６λ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光半導体レーザ素子に関し、更に詳しくは、フォトニック結晶構造、及び、イオン注入法による電流狭窄構造を有する垂直共振器型面発光半導体レーザ素子に関する。

垂直共振器型面発光半導体レーザ素子（VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Semiconductor Laser、以下、単に面発光レーザと称する）は、その名の示す通り、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始めとして、通信用光源として、或いは、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。

面発光レーザが注目される理由は、面発光レーザが、従来の端面発光型半導体レーザと比較して、素子の２次元配列構造を容易に形成できること、ミラーの形成前に劈開する必要がないので、ウエハレベルのテストができること、活性層（発光層）の体積が格段に小さいので、極めて低いしきい値電流で発振ができ、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。

面発光レーザでは、共振器長が極端に短いことから、発振スペクトルの縦モードに関しては、容易に基本モード発振が得られる利点がある。しかし、その一方で、横モードに関しては制御機構を有していないため、複数の高次モードが発振してしまう。この複数の高次横モードによって発振したレーザ光は、光信号の伝送時に信号劣化を引き起こし、高速変調時には特に大きな信号劣化を引き起こす原因となる。そこで、面発光レーザでは、基本横モードでのレーザ発振を実現する様々な構造が提案されている。

面発光レーザにおいて、発光面積を広くし、かつ基本横モード発振を得るための手段として、例えば、特許文献１に開示されているような構造が挙げられる。図８は、その従来の面発光レーザの一部断面斜視図である。この面発光レーザ１００Ａは、フォトニック結晶構造と呼ばれる光狭窄構造を持ち、上部反射鏡構造（上部分布ブラッグ反射鏡：上部ＤＢＲミラー）１５内に周期的な２次元空孔配列２０を形成している。２次元空孔配列２０は、光が感じる屈折率を僅かに低下させ、中央部の空孔が存在しない点欠陥領域に対してクラッドとして働く。面発光レーザ１００Ａでは、このような弱い屈折率閉じ込めによる横モード制御を行うため、基本横モードのみを発振させる発光領域１８の面積を大きくすることができる。従って、面発光レーザを高出力化し、且つ、低抵抗化できる可能性があるとして注目されている。この構造の面発光レーザは、フォトニック結晶面発光レーザとも呼ばれている。

電流狭窄構造としては、主にＡｌＡｓ選択酸化法（例えば、非特許文献１）やイオン注入法（例えば、非特許文献２）の何れかで形成した電流狭窄層１４が用いられる。ＡｌＡｓ選択酸化法は、電流狭窄層１４の厚みが例えば２０ｎｍ程度と小さいので、その狭窄構造の作製に起因する素子抵抗の増大を抑えることが出来る利点がある。しかし、その反面、選択酸化によって応力歪みが発生し、その応力歪みによって素子が発振中に破壊するなど、素子信頼性を損なうという欠点がある。一方、イオン注入法では、そのような応力歪みが発生しない利点がある。
特表２００７−５０２０２９号公報 IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.9, No.5, pp.1439-1445, September/October 2003 IEE Electronics Letters, Vol.41, No.6, pp.326-328, March 2005

ところが、面発光レーザでは、電流狭窄層の作製にイオン注入法を用いた場合にも、非特許文献２に記載のように、電流注入に伴う発熱によって屈折率変化が生じるため、高電流注入時や高速変調時に高次モードの発振が起こり、発振モードが不安定になり易いという問題があった。

本発明は、上記に鑑み、イオン注入法を用いた電流狭窄構造を有するフォトニック結晶面発光レーザを改良し、高電流注入時や高速変調を採用した場合にも、基本モードで安定した単一横モード発振が容易なフォトニック結晶面発光レーザを提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するためになされたものである。すなわち本発明は、基板上に形成された上部反射鏡構造及び下部反射鏡構造と、該上部反射鏡構造と下部反射鏡構造との間に配置された発光層とを備え、発振波長がλの面発光半導体レーザ素子において、
前記上部反射鏡構造には、空孔が存在しない点欠陥を中央部に有する２次元空孔配列が形成され、前記上部反射鏡構造及び前記下部反射鏡構造の少なくとも一方には、前記発光層の近傍に、中央部に電流開口を残し周囲にイオンが注入された電流狭窄層が形成されており、
前記電流開口の幅が、前記点欠陥に最も近接する空孔中心を結ぶ円の直径以下であり、かつ前記円の直径が１０．６λ以下であることを特徴とする面発光半導体レーザ素子を提供する。

本発明のフォトニック結晶構造を有する面発光レーザでは，イオン注入法で作製した電流狭窄層の電流開口の幅（Ｚ）が、２次元空孔配列の点欠陥の幅（Ｄ）以下となる構成（Ｚ≦Ｄ）を採用することにより、基本モードに比べて電界強度分布の広がりが大きい高次モードは利得が得られ難くなる。また、２次元空孔配列の点欠陥の幅（Ｄ）を発振波長λの１０．６倍以下とすることにより、高次モードの閉じ込めを適度に弱め、電界強度分布が広がるため、高次モードは２次元空孔配列による大きな散乱損失により発振が起こり難くなる。上記２つの相乗効果により、高電流注入時や高速変調時であっても、基本モードのみの安定した発振が可能となる。

フォトニック結晶構造を有しない従来構造の面発光レーザでは、酸化狭窄構造を採用する際には、電流狭窄構造の電流開口と絶縁領域（狭窄部）との屈折率差が大きいことに鑑み、基本モードによる単一横モード発振のために、電流開口の面積を小さくする努力が払われてきた。一方、従来構造の面発光レーザで、イオン注入法による電流狭窄構造を採用する場合には、素子抵抗の低減のために、電流開口の面積を大きくする努力が払われてきた。フォトニック結晶構造を有する面発光レーザでは、イオン注入法を用いて電流狭窄構造を形成する際には、上記従来構造との類推から、素子抵抗低減を目的として、電流開口の幅を大きくする構造が採用されていた。本発明では、フォトニック結晶面発光レーザについて上記のように、Ｚ≦Ｄなる構造を採用し、電流開口の面積を抑えることにより、単一横モード発振が安定して得られることを実験により確認し、上記本発明の構成を得たものである。

以下、図面を参照し、本発明の例示的な実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る面発光レーザの一部断面斜視図である。この面発光レーザ１００は、発振波長が８５０ｎｍとなるように設計されている。面発光レーザ１００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に形成されており、下部分布ブラッグ反射鏡（下部ＤＢＲミラー）１２と、上部ＤＢＲミラー１５と、下部ＤＢＲミラー１２と上部ＤＢＲミラー１５との間に形成された活性層（発光層）１３と、上部ＤＢＲミラー１５上に形成された上部電極１６と、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面に形成された下部電極１７とを有する。

上部ＤＢＲミラー１５内には、フォトニック結晶構造が形成されており、フォトニック結晶構造を構成する２次元円孔配列２０の中央部分には、円孔が存在しない点欠陥が形成されている。また、電流狭窄層１４は、上部ＤＢＲミラー１５内に形成されており、ｐ型又はｎ型の不純物注入によって形成された導電部を成す中央の電流開口と、不純物注入による導電性を打ち消す不純物注入によって絶縁性を有するように形成された周囲の絶縁領域（電流狭窄部）とから構成される。電流狭窄層１４は、上部ＤＢＲミラー１５内に形成された層のうち特定の１層又は複数層から成る。

本実施形態では、中央の点欠陥に最も近接する複数の円孔の中心を結んで得られる円の直径Ｄと、電流狭窄層１４の電流開口の幅Ｚとの関係が、
Ｚ≦Ｄ
となるように円孔の配列及び電流開口の幅（大きさ）が決められている。円の直径Ｄは、２次元円孔配列の点欠陥の幅とも呼ぶ。円の直径Ｄは、発振波長をλとすると、Ｄ≦１０．６λとする。好ましくは、円の直径Ｄの範囲として、
７λ≦Ｄ≦９．４λ
を採用する。

本実施形態の面発光レーザでは、Ｚ≦Ｄの構成により、基本モードに比べて電界強度分布の広がりが大きい高次モードは利得が得られ難くなる。また、Ｄ≦１０．６λの構成により、高次モードの閉じ込めを適度に弱め、電界強度分布が広がるため、高次モードは２次元円孔配列による大きな散乱損失により発振が起こり難くなる。

以下、図２〜図５を参照し、本実施形態の面発光レーザ１００の製造プロセスについて示す。まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の上に、ＭＯＣＶＤ法で、それぞれの厚みがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｎ型Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ層とｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層とを交互に積層し、３５ペアの多層膜からなる下部分布ブラッグ反射鏡１２を形成する。各層のキャリア濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3とする。次に、この上に、下部クラッド層、４層のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸構造の活性層１３、上部クラッド層を順次に積層する。更にその上に、それぞれの厚みがλ／４ｎのｐ型Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ層と、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層とを交互に積層して、３０ペアからなる上部分布ブラッグ反射鏡１５を形成する。各層のキャリア濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3とする。この上部分布ブラッグ反射鏡１５の最上層の表面には、ｐ型のＧａＡｓ層が形成される。これらの工程により、図２に示す積層構造が得られる。

次に、上記積層構造の表面に、プラズマＣＶＤ法でＳｉＮｘ膜２１を成膜する。次いで、その上に通常のフォトレジストを用いたフォトリソグラフィーにより、直径７μｍの円柱状に加工したレジストパターン２２を形成する。レジストパターン２２の直径７μｍは、これをマスクとしてイオン注入により形成される絶縁層に囲まれた導電性領域の幅、すなわち電流開口の幅（Ｚ）に相当する。しかし、ここでは、イオン注入マスクとして用いるレジストパターン２２の直径は、後述する２次元円孔配列中央部の点欠陥に最も近接する円孔中心を結ぶ円の直径（Ｄとする）よりも小さくしてある。なお、フォトレジストに代えて、Ａｕ（金）を用いても構わない。

イオン注入では、レジストパターン２２をマスクとし、イオン注入装置により、水素イオン（プロトン）を注入する。このイオン注入は、加速エネルギーを３５０ｋｅＶ、ドーズ量を４×１０¹⁴ｃｍ^-2として行う。これにより、電流狭窄層１４とこの電流狭窄層の開口幅で規定される発光領域１８とを形成する（図３）。なお、注入するイオンは水素に限らず、高抵抗な絶縁層を形成可能なものであれば良く、酸素などでも構わない。レジストパターン２２を除去した後に、４５０℃にてアニールを行い、その後ＳｉＮｘ膜２１を除去する。

次に、上記積層構造の表面に、プラズマＣＶＤ法でＳｉＮｘ膜を再度成膜し、通常のフォトレジストを用いたフォトリソグラフィーとＲＩＥ（反応性イオンエッチング）とにより、ＳｉＮｘ膜をパターニングする。このパターニングでは、ＳｉＮｘ膜を、中央部に円孔がない点欠陥を有し、円孔直径／円孔周期の比が０．５である三角格子状の２次元円孔配列２０を形成する。

ここで、点欠陥領域の大きさを、２次元円孔配列２０の中央部の点欠陥に最も近接する空孔（円孔）の中心を結ぶ円の直径（Ｄ）と定義する。点欠陥領域の大きさは、自由空間における発振波長をλとして、１０．６λ以下、より好ましくは９．４λ以下とする。なお、点欠陥の幅Ｄは、単に小さくすれば良いというものではなく、小さ過ぎると、基本モードの電界強度分布が広がり過ぎ、２次元円孔配列による光の散乱損失が増大し、しきい値の上昇を招く。このため、点欠陥の幅Ｄは、７λ以上にしておくことが望ましい。

なお、点欠陥は本実施形態のように、１つの円孔のみがないものに限らず、複数の円孔がないものであっても構わない。例えば、中央部の７つの円孔がないような点欠陥でもよい。また、本実施形態では、２次元円孔配列２０として三角格子構造を用いたが、それに限らず例えば正方格子構造であっても構わない。ＳｉＮｘ膜からなる円孔配列パターンをマスクとして、Ｃｌ_２を用いたＩＣＰ（誘導結合プラズマ）ドライエッチングにより、積層構造の表面から、深さ３．５μｍ程度の円孔配列構造を形成する（図４）。さらに、ＲＩＥにより、ＳｉＮｘ膜を全て除去する。

次に、上記積層構造の表面に、プラズマＣＶＤ法でＳｉＮｘ膜を再度成膜する。ＳｉＮｘ膜に対して、通常のフォトレジストを用いたフォトリソグラフィーとＲＩＥ（反応性イオンエッチング）とによるエッチングを用い、ＳｉＮｘ膜にリング形状の開口を形成する。このリング形状の開口内に、例えばＡｕＺｎを蒸着して、リング形状の上部電極１６を形成する。その後、基板を厚さ２００μｍ程度になるように裏面から研磨し、その研磨した裏面に、例えばＣｒ／Ａｕを蒸着して、下部電極１７を形成する（図５）。以上により、本実施形態の面発光レーザが完成する。

上記実施形態例では、発振波長λ＝８５０ｎｍの面発光レーザについて説明したが、発振波長は、活性層材料を適宜変更することにより、容易に変更可能である。たとえば、発振波長λ＝１３００ｎｍの面発光レーザは、活性層材料に３層のＧａＩｎＮＡｓＳｂ／ＧａＮＡｓ量子井戸構造を用いることにより実現できる。

実施例
上記実施形態の面発光レーザとして、発振波長８５０ｎｍの３つの面発光レーザを作製して、実施例のサンプルとした。実施例１のサンプルは、Ｄ＝７μｍ、実施例２のサンプルは、Ｄ＝８μｍ、実施例３のサンプルは、Ｄ＝９μｍとした。電流開口の幅（Ｚ）は、いずれの実施例についても７μｍとした。点欠陥の幅Ｄの値は、実施例１〜３についてそれぞれ、フォトニック結晶の三角格子配列された円孔の配列周期を３．５μｍ、４μｍ、４．５μｍとすることにより実現した。これらＤの値は、発振波長をλとすると、それぞれ、８．２λ、９．４λ、１０．６λに相当する。また、比較例のサンプルとして、Ｄ＝１０μｍ（＝１１．８λ）、Ｚ＝１０μｍの素子を作製した。

実施例１〜３および比較例の各サンプルについて特性比較をすることとし、それらの隣接モード抑圧比（side mode suppression ratio: ＳＭＳＲ）の消費電力依存性を評価することとした。ＳＭＳＲは、図６に示すように、基本モードにおける発振強度と、その基本モードに隣接する高次モードの発振強度との比をデシベル（ｄＢ）で示すものであり、単一モードの安定性を示す指標として従来から用いられている。ＳＭＳＲが消費電力、すなわち注入電流値に対して安定であるということは、基本モードによる安定な単一モード発振が可能であることを意味する。図７は、上記実施例及び比較例の面発光レーザについて、実際に測定したＳＭＳＲの消費電力依存性を示す。

図７から理解できるように、電流開口の幅Ｚを点欠陥の幅Ｄと同じである１０μｍ（＝１１．８λ）とした比較例の面発光レーザでは、１８ｍＷ以上の消費電力下で、ＳＭＳＲが低下し、その結果高次モードの発振が見られた。しかし、点欠陥の幅Ｄを９μｍ（＝１０．６λ）とし電流注入開口幅Ｚを７μｍ（Ｚ＜Ｄ）とした実施例３の素子では、２１ｍＷまでＳＭＳＲの低下が認められなかった。また、同様の電流注入開口幅で点欠陥の幅Ｄを８μｍ（＝９．４λ）とした実施例２の素子では、２６ｍＷまでＳＭＳＲの低下が認められず、さらに点欠陥の幅Ｄを７μｍ（８．２λ）とした実施例１の素子では少なくとも３０ｍＷ以下の消費電力下でＳＭＳＲの低下が認められなかった。以上の結果から、実施例１〜３のサンプルは、比較例に比して、より安定した単一モード発振が維持されることが確認された。

上記測定結果から、上記実施形態の面発光レーザで採用した構成、Ｚ≦Ｄ、Ｄ≦１０．６λとした構成により、単一モード性が改善すると結論できる。

なお、上記実施形態では、空孔として円孔を採用した例を挙げたが、空孔は円孔に限らず、楕円孔や多角形孔でもよい。また、上記実施形態で採用した積層構造の材料や、不純物濃度などの数値は、単に例示であり、所望の性能に従って適宜修正可能である。

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を、一部断面と共に示す斜視図。 図１の面発光レーザの一製造段階を示す断面図。 図２に後続する製造段階を示す断面図。 図３に後続する製造段階を示す断面図。 図４に後続する製造段階を示す断面図。 ＳＭＳＲの定義を例示するグラフ。 実施例及び比較例の面発光レーザのサンプルのＳＭＳＲの測定結果を示すグラフ。 従来の面発光レーザを、一部断面と共に示す斜視図。

符号の説明

１００，１００Ａ：面発光レーザ
１１：基板
１２：下部ＤＢＲミラー
１３：活性層
１４：電流狭窄層
１５：上部ＤＢＲミラー
１６：上部電極
１７：下部電極
１８：発光領域
２０：２次元円孔配列
２１：ＳｉＮｘ膜
２２：レジストパターン

Claims (3)

1. 基板上に形成された上部反射鏡構造及び下部反射鏡構造と、該上部反射鏡構造と下部反射鏡構造との間に配置された発光層とを備え、自由空間における発振波長がλの面発光半導体レーザ素子において、
   前記上部反射鏡構造には、空孔が存在しない点欠陥を中央部に有する２次元空孔配列が形成され、前記上部反射鏡構造及び前記下部反射鏡構造の少なくとも一方には、前記発光層の近傍に、中央部に電流開口を残し周囲にイオンが注入された電流狭窄層が形成されており、
   前記電流開口の幅が、前記点欠陥に最も近接する空孔中心を結ぶ円の直径以下であり、かつ前記円の直径が１０．６λ以下であることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
2. 前記円の直径が９．４λ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の面発光半導体レーザ素子。
3. 前記円の直径が７λ以上であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の面発光半導体レーザ素子。

Images