JP2011061083A - 半導体レーザ - Google Patents
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Abstract
【課題】電流狭窄層の剥離を防止することの可能な半導体レーザを提供する。
【解決手段】上部DBR層15内に、電流狭窄層18およびバッファ層19が設けられている。バッファ層19は、電流狭窄層18に接して形成されている。バッファ層19は、上部DBR層15および下部DBR層11よりも酸化速度が速く、かつ被酸化層18D(図示せず)よりも酸化速度が遅くなるような材料および厚さによって構成された被酸化層19D(図示せず)を酸化することにより形成されている。バッファ層19の厚さd1は、10nm以上となっており、電流狭窄層18内に残留する酸化種を十分に取り込めるだけの厚さとなっている。
【選択図】図1
【解決手段】上部DBR層15内に、電流狭窄層18およびバッファ層19が設けられている。バッファ層19は、電流狭窄層18に接して形成されている。バッファ層19は、上部DBR層15および下部DBR層11よりも酸化速度が速く、かつ被酸化層18D(図示せず)よりも酸化速度が遅くなるような材料および厚さによって構成された被酸化層19D(図示せず)を酸化することにより形成されている。バッファ層19の厚さd1は、10nm以上となっており、電流狭窄層18内に残留する酸化種を十分に取り込めるだけの厚さとなっている。
【選択図】図1
Description
本発明は、積層方向にレーザ光を射出する半導体レーザに関する。
面発光型の半導体レーザは、端面発光型の半導体レーザと比べて低消費電力であり、かつ、直接変調可能であることから、近年、安価な光通信用光源として使われている。
面発光型半導体レーザでは、一般に、基板上に、下部DBR層、下部スペーサ層、活性層、上部スペーサ層、上部DBR層およびコンタクト層をこの順に積層してなる柱状のメサが設けられている。下部DBR層および上部DBR層のいずれか一方には、活性層への電流注入効率を高め、しきい値電流を下げるために、電流注入領域を狭めた構造を有する電流狭窄層が設けられている。メサの上面および基板の裏面にはそれぞれ、電極が設けられている。この半導体レーザでは、電極から注入された電流が電流狭窄層により狭窄されたのち活性層に注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、下部DBR層および上部DBR層により反射され、所定の波長でレーザ発振が生じ、メサの上面からレーザ光として射出される。
ところで、上記した面発光型の半導体レーザでは、電流狭窄層周辺の不安定性が信頼性を低下させることがある。例えば、製造過程において酸化処理を行って電流狭窄層を作成した後に、電極が半導体とオーミックコンタクトするようにするために、アロイ(熱処理)を行う。このとき、電流狭窄層が剥離することがある。電流狭窄層の剥離は、酸化処理によって生じた歪や、電流狭窄層内に残留する酸化種(例えば、酸素、水分)に起因して生じると考えられる。
上記の問題に対して、従来から様々な解決法が提案されている。例えば、特許文献1には、電流狭窄層の上下に隣接して、Inを含むIII−V族半導体層を設け、全体の歪を補正することが記載されている。
しかし、特許文献1に記載の方法では、電流狭窄層内に残留する酸化種が意図しない部分と反応してレーザの品質が劣化することに対する対策にはならない。また、本来、AlGaAsだけで形成される積層構造に、InやPなどを高精度に少量添加することは簡単ではない。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、電流狭窄層の剥離を防止することの可能な半導体レーザを提供することにある。
本発明の半導体レーザは、第1多層膜反射鏡、活性層、および第2多層膜反射鏡をこの順に有するメサ部を備えたものである。メサ部は、さらに、活性層へ注入される電流を狭窄する電流狭窄層、および電流狭窄層に隣接するバッファ層を有している。ここで、電流狭窄層は、Alを含む第1被酸化層を酸化することにより形成されたものである。バッファ層は、第1多層膜反射鏡および第2多層膜反射鏡よりも酸化速度が速く、かつ被酸化層よりも酸化速度が遅くなるような材料および厚さによって構成された第2被酸化層を酸化することにより形成されたものである。バッファ層の厚さは、10nm以上となっている。
本発明の半導体レーザでは、電流狭窄層に隣接してバッファ層が形成されている。これにより、例えば、製造過程において、第1被酸化層に対して酸化処理を行って電流狭窄層を作成した後に、素子に対して熱処理を行ったときに、電流狭窄層内に残留する酸化種がバッファ層に拡散し、そこで安定化する。これにより、電流狭窄層内に残留する酸化種が意図しない部分と反応する虞をなくすることができる。
本発明の半導体レーザによれば、電流狭窄層内に残留する酸化種が意図しない部分と反応しないようにしたので、電流狭窄層の剥離を防止することができる。
以下、発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
1.実施の形態(図1〜図6)
○バッファ層が酸化狭窄層の直上に設けられている例
○バッファ層および電流狭窄層が上部DBR層内に設けられている例
2.変形例(図なし)
○バッファ層が酸化狭窄層の直下、または上下に設けられている例
○バッファ層および電流狭窄層が上部DBR層以外の部位に設けられている例
1.実施の形態(図1〜図6)
○バッファ層が酸化狭窄層の直上に設けられている例
○バッファ層および電流狭窄層が上部DBR層内に設けられている例
2.変形例(図なし)
○バッファ層が酸化狭窄層の直下、または上下に設けられている例
○バッファ層および電流狭窄層が上部DBR層以外の部位に設けられている例
<実施の形態>
図1(A)は、本発明の一実施の形態に係る面発光型の半導体レーザ1の断面構成の一例を表したものである。図1(B)は、図1の半導体レーザ1の要部を拡大して表したものである。なお、図1、図2は模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。
図1(A)は、本発明の一実施の形態に係る面発光型の半導体レーザ1の断面構成の一例を表したものである。図1(B)は、図1の半導体レーザ1の要部を拡大して表したものである。なお、図1、図2は模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。
半導体レーザ1は、基板10の一面側に、下部DBR層11、下部スペーサ層12、活性層13、上部スペーサ層14、上部DBR層15およびコンタクト層16をこの順に含む半導体層20を備えている。この半導体層20の上部、具体的には、下部DBR層11の一部、下部スペーサ層12、活性層13、上部スペーサ層14、上部DBR層15およびコンタクト層16は、柱状のメサ部17となっている。
なお、本実施の形態では、下部DBR層11が本発明の「第1多層膜反射鏡」の一具体例に相当する。上部DBR層15が本発明の「第2多層膜反射鏡」の一具体例に相当する。
基板10は、例えばn型GaAs基板である。なお、n型不純物としては、例えば、ケイ素(Si)またはセレン(Se)などが挙げられる。半導体層20は、例えば、AlGaAs系の化合物半導体によりそれぞれ構成されている。なお、AlGaAs系の化合物半導体とは、短周期型周期表における3B族元素のうち少なくともアルミニウム(Al)およびガリウム(Ga)と、短周期型周期表における5B族元素のうち少なくともヒ素(As)とを含む化合物半導体のことをいう。
下部DBR層11は、低屈折率層(図示せず)および高屈折率層(図示せず)を交互に積層して形成されたものである。この低屈折率層は、例えば厚さがλ0/4n1 (λ0は発振波長、n1 は屈折率)のn型Alx1Ga1-x1As(0<x1<1)により構成されている。高屈折率層は、例えば厚さがλ0/4n2(n2 は屈折率)のn型Alx2Ga1-x2As(0<x2<x1)により構成されている。
下部スペーサ層12は、例えばn型Alx3Ga1-x3As(0<x3<1)により構成されている。活性層13は、例えばアンドープのAlx4Ga1-x4As(0<x4<1)により構成されている。この活性層13では、後述の電流注入領域18Aとの対向領域が発光領域13Aとなる。上部スペーサ層14は、例えばp型Alx5Ga1-x5As(0≦x5<1)により構成されている。なお、p型不純物としては、例えば、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)などが挙げられる。
上部DBR層15は、低屈折率層(図示せず)および高屈折率層(図示せず)を交互に積層して形成されている。低屈折率層は、例えば厚さがλ0/4n3(n3 は屈折率)のp型Alx6Ga1-x6As(0<x6<1)により構成されている。高屈折率層は、例えば厚さがλ0/4n4(n4 は屈折率)のp型Alx7Ga1-x7As(0<x7<x6)により構成されている。コンタクト層16は、例えばp型Alx8Ga1-x8As(0<x8<1)により構成されている。
また、この半導体レーザ1には、さらに、電流狭窄層18およびバッファ層19が設けられている。電流狭窄層18およびバッファ層19は、上部DBR層15内に設けられている。
電流狭窄層18は、バッファ層19との関係で、活性層13から離れた位置に形成されている。電流狭窄層18は、例えば、上部DBR層15内において、活性層13側から数えて例えば数層離れた低屈折率層の部位に、低屈折率層に代わって設けられている。電流狭窄層18は、電流注入領域18Aと、電流狭窄領域18Bとを有している。電流注入領域18Aは、面内の中央領域に形成されている。電流狭窄領域18Bは、電流注入領域18Aの周縁、すなわち電流狭窄層18の外縁領域に形成されており、環状の形状となっている。なお、本実施の形態では、電流注入領域18Aが本発明の「第1未酸化領域」の一具体例に相当する。電流狭窄領域18Bが本発明の「第1酸化領域」の一具体例に相当する。
電流注入領域18Aは、例えば、p型Alx9Ga1-x9As(0.98≦x9≦1)によって構成されている。電流狭窄領域18Bは、例えば、酸化アルミニウム(Al2 O3)を含んで構成され、後述するように、例えば、p型Alx9Ga1-x9Asによって構成された被酸化層18Dをメサ部17の側面から酸化することにより得られたものである。これにより、電流狭窄層18は電流を狭窄する機能を有している。
バッファ層19は、電流狭窄層18との関係で、活性層13寄りに形成されている。バッファ層19は、電流狭窄層18に隣接して形成されている。バッファ層19は、例えば、図1(B)に示したように、電流狭窄層18のうち活性層13側の面(下面)に接して形成されている。なお、電流狭窄層18とバッファ層19との間に、例えば数nm程度の厚さの薄い層が設けられていてもよい。バッファ層19は、例えば、上部DBR層15内において、電流狭窄層18から数えて例えば数層離れた高屈折率層の部位に、高屈折率層に代わって設けられている。
バッファ層19は、未酸化領域19Aと、酸化領域19Bとを有している。未酸化領域19Aは、主に面内の中央領域に形成されており、例えば、電流注入領域18Aと接する部位に形成されている。酸化領域19Bは、未酸化領域19Aの周縁に形成されており、環状の形状となっている。酸化領域19Bは、主に面内の外縁領域に形成されており、例えば、電流狭窄領域18Bと接する部位に形成されている。酸化領域19Bは、バッファ層19の外縁に相当する部分以外の部分において、電流狭窄層18側に偏って形成されている。なお、本実施の形態では、未酸化領域19Aが本発明の「第2未酸化領域」の一具体例に相当する。酸化領域19Bが本発明の「第2酸化領域」の一具体例に相当する。
未酸化領域19Aは、Alを含む半導体材料によって構成されており、例えば、p型Alx10Ga1-x10As(0.85<x10≦0.98)またはp型InAlx11GaAs(0.85<x11≦0.98)によって構成されている。酸化領域19Bは、例えば、酸化アルミニウム(Al2 O3)を含んで構成され、後述するように、例えば、p型Alx10Ga1-x10Asまたはp型InAlx11GaAsによって構成された被酸化層19Dをメサ部17の側面側および被酸化層18D側から酸化することにより得られたものである。被酸化層19Dは、下部DBR層11および上部DBR層15よりも酸化速度が速く、かつ被酸化層18Dよりも酸化速度が遅くなるような材料および厚さによって構成されている。
バッファ層19(被酸化層19D)の厚さd1は、10nm以上となっており、製造過程において電流狭窄層18内に残留する酸化種を十分に取り込めるだけの厚さとなっている。バッファ層19の厚さd1は、電流狭窄層18(被酸化層18D)の厚さd2と同等か、またはそれよりも厚くなっていることが好ましい。ただし、バッファ層19の厚さd1があまり厚くなるとDBR構造に影響が及ぶので、バッファ層19の厚さd1は、50nm以下となっていることが好ましい。酸化領域19Bのうち電流狭窄層18側に偏って形成されている部分の厚さd3は、特に限定されないが、少なくともバッファ層19の厚さd1よりも薄くなっている。
メサ部17の上面(コンタクト層16の上面)には、少なくとも電流注入領域18Aとの対向領域に開口(光射出口21A)を有する環状の上部電極21が形成されている。また、メサ部17の側面および周辺の表面には、絶縁層(図示せず)が形成されている。絶縁層のうちメサ部17の周辺に対応する表面上には、ワイヤ(図示せず)をボンディングするための電極パッド(図示せず)と、接続部(図示せず)とが設けられている。電極パッドと上部電極21とが接続部を介して互いに電気的に接続されている。また、基板10の裏面には、下部電極22が設けられている。
ここで、上部電極21、電極パッドおよび接続部は、例えば、チタン(Ti),白金(Pt)および金(Au)をこの順に積層して構成されたものであり、メサ部17上部のコンタクト層16と電気的に接続されている。下部電極22は、例えば、金(Au)とゲルマニウム(Ge)との合金,ニッケル(Ni)および金(Au)とを基板10側から順に積層した構造を有しており、基板10と電気的に接続されている。
[製造方法]
次に、図2、図3を参照して、本実施の形態の半導体レーザ1の製造方法の一例について説明する。図2、図3は、その製造方法を工程順に表したものである。
次に、図2、図3を参照して、本実施の形態の半導体レーザ1の製造方法の一例について説明する。図2、図3は、その製造方法を工程順に表したものである。
ここでは、GaAsからなる基板10上の化合物半導体層を、例えば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition ;有機金属化学気相成長)法により形成する。この際、III−V族化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMIn)、アルシン (AsH3)を用い、ドナー不純物の原料としては、例えば、H2Seを用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えば、ジメチルジンク(DMZ)を用いる。
具体的には、まず、基板10上に、下部DBR層11、下部スペーサ層12、活性層13、上部スペーサ層14、上部DBR層15およびコンタクト層16をこの順に積層する(図2)。このとき、上部DBR層15内に、被酸化層18D,被酸化層19Dを、被酸化層19Dが被酸化層18Dよりも活性層寄りとなるように、形成しておく。
なお、被酸化層18Dは、後述の酸化工程で酸化されることにより、電流狭窄層18になる層であり、例えば、AlAsによって構成されている。また、被酸化層19Dは、後述の酸化工程で酸化されることにより、バッファ層19になる層であり、例えば、Al0.90GaAsによって構成されている。ここで、被酸化層19Dは、上述したように、下部DBR層11および上部DBR層15よりも酸化速度が速く、かつ被酸化層18Dよりも酸化速度が遅くなるような材料および厚さによって構成されている。
次に、コンタクト層16の表面に、メサ部17の径と等しい径の円形状のレジスト層(図示せず)を形成する。次に、例えばRIE(Reactive Ion Etching)法により、上記のレジスト層をマスクとして、下部DBR層11の一部、下部スペーサ層12、活性層13、上部スペーサ層14、上部DBR層15、コンタクト層16、被酸化層18Dおよび被酸化層19Dを選択的に除去する。これにより、円形状のレジスト層(図示せず)の直下にメサ部17が形成される(図3)。このとき、メサ部17の側面に被酸化層18Dおよび被酸化層19Dが露出している。その後、上記したレジスト層を除去する。
次に、水蒸気雰囲気中において、高温で酸化処理を行い、メサ部17の側面から被酸化層18Dおよび被酸化層19Dに含まれるAlを同時に酸化する。このとき、被酸化層18Dは被酸化層19Dよりも酸化され易いことから、被酸化層19Dは、被酸化層18D側からも酸化される。これにより、メサ部17内において、被酸化層18Dの外縁領域が絶縁層(酸化アルミニウム)となり、電流狭窄層18が形成される(図1(B)参照)。さらに、メサ部17内において、被酸化層19Dの外縁領域と、被酸化層19Dのうち、中央部分を除く被酸化層19Dの近傍とが絶縁層(酸化アルミニウム)となり、バッファ層19が形成される(図1(B)参照)。
次に、表面全体に、例えばシリコン酸化物(SiO2)などの絶縁性無機材料からなる絶縁層(図示せず)を形成する。続いて、メサ部17の上面に環状の開口を有するレジスト層(図示せず)を表面全体に形成したのち、例えばRIE法により、レジスト層をマスクとして、絶縁層を選択的に除去する。これにより、上部電極21の形成される部分に開口(図示せず)が形成される。その後、レジスト層を除去する。
次に、例えば真空蒸着法により、表面全体に前述の金属材料を積層させる。その後、例えば選択エッチングにより、絶縁層の開口を埋め込むようにして環状の上部電極21を形成すると共に、絶縁層のうちメサ部17の周辺に対応する表面に電極パッド(図示せず)を形成し、さらに、これらの間に接続部(図示せず)を形成する。さらに、基板10の裏面を適宜研磨してその厚さを調整した後、この基板10の裏面に下部電極22を形成する(図1(A))。その後、例えば、300℃〜350℃の範囲内でアロイ(熱処理)を行い、上部電極21とコンタクト層16とを互いにオーミックコンタクトさせる。このようにして、本実施の形態の半導体レーザ1が製造される。
[作用・効果]
次に、図4、図5、図6を参照しつつ、本実施の形態の半導体レーザ1の作用および効果について説明する。図4は、半導体レーザ1の製造過程におけるアロイ温度と、歩留りとの関係を表したものである。図5(A),(B)は、半導体レーザ1のスペクトル分布の一例を表すスペクトル図である。図5(A)は、厚さd3が厚くなっているときの結果であり、図5(B)は、厚さd3が薄くなっているときの結果である。図6は、半導体レーザ1の製造過程における酸化温度と、スペクトル幅Wとの関係を表したものである。
次に、図4、図5、図6を参照しつつ、本実施の形態の半導体レーザ1の作用および効果について説明する。図4は、半導体レーザ1の製造過程におけるアロイ温度と、歩留りとの関係を表したものである。図5(A),(B)は、半導体レーザ1のスペクトル分布の一例を表すスペクトル図である。図5(A)は、厚さd3が厚くなっているときの結果であり、図5(B)は、厚さd3が薄くなっているときの結果である。図6は、半導体レーザ1の製造過程における酸化温度と、スペクトル幅Wとの関係を表したものである。
本実施の形態の半導体レーザ1では、下部電極22と上部電極21との間に所定の電圧が印加されると、電流狭窄層18における電流注入領域18Aと、バッファ層19における未酸化領域19Aとを通して活性層13に電流が注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、一対の下部DBR層11および上部DBR層15により反射され、所定の波長λ0でレーザ発振を生じ、ビーム光が光射出口21Aから外部に射出される。
ところで、本実施の形態では、電流狭窄層18に隣接してバッファ層19が形成されている。バッファ層19の厚さd1は、10μm以上となっており、製造過程において電流狭窄層18内に残留する酸化種を十分に取り込めるだけの厚さとなっている。これにより、例えば、製造過程において、被酸化層18Dに対して酸化処理を行って電流狭窄層18を作成した後に、素子に対してアロイ(熱処理)を行ったときに、電流狭窄層18内に残留する酸化種がバッファ層19に拡散し、そこで安定化する。これにより、電流狭窄層18内に残留する酸化種が意図しない部分と反応する虞をなくすることができるので、電流狭窄層18の剥離を防止することができる。
例えば、図4に示したように、電流狭窄層18に隣接して、厚さd1が10nm以上のバッファ層19を設けることにより、通常、アロイ(熱処理)として使用される温度における歩留りを高くすることができる。
また、本実施の形態では、電流狭窄層18に隣接してバッファ層19が形成されていることから、半導体レーザ1内の光場が電流狭窄領域18Bおよび酸化領域19Bを感じる。そのため、酸化領域19Bの厚さd3を変えることにより、半導体レーザ1内の光場に与える影響を制御することができ、例えば、光射出口21Aから射出されたビーム光のスペクトル幅Wを制御することができる。
例えば、図5(A)に示したように、酸化領域19Bの厚さd3を厚くすることにより、スペクトル幅Wを広くすることができ、その逆に、例えば、図5(B)に示したように、酸化領域19Bの厚さd3を薄くすることにより、スペクトル幅Wを狭くすることができる。また、例えば、図6に示したように、製造過程における酸化温度を低くしたり高くしたりして、酸化領域19Bの厚さd3を薄くしたり厚くしたりすることにより、スペクトル幅Wを狭くしたり広くしたりすることができる。
<変形例>
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。
例えば、上記実施の形態では、電流狭窄層18およびバッファ層19は、上部DBR層15内に形成されていたが、それ以外の場所に形成されていてもよい。電流狭窄層18およびバッファ層19は、例えば、上部スペーサ層14内に形成されていたり、上部スペーサ層14と上部DBR層15との間に形成されていたりしていてもよい。また、電流狭窄層18およびバッファ層19は、例えば、下部DBR層11内に形成されていたり、下部スペーサ層12内に形成されていたり、下部スペーサ層12と下部DBR層11との間に形成されていたりしていてもよい。
また、上記実施の形態では、バッファ層19は、電流狭窄層18との関係で、活性層13寄りに設けられていたが、その逆に活性層13から離れて設けられていてもよい。また、上記実施の形態では、バッファ層19は1つだけ設けられていたが、必要に応じて、電流狭窄層18の上下に設けられていてもよい。
また、上記実施の形態では、AlGaAs系の化合物半導体レーザを例にして本発明を説明したが、他の化合物半導体レーザ、例えば、酸化可能な化合物半導体からなる半導体レーザにも適用可能である。
1…半導体レーザ、10…基板、11…下部DBR層、12…下部スペーサ層、13…活性層、13A…発光領域、14…上部スペーサ層、15…上部DBR層、16…コンタクト層、17…メサ部、18…電流狭窄層、18A…電流注入領域、18B…電流狭窄領域、18D,19D…被酸化層、19…バッファ層、19A…未酸化領域、19B…酸化領域、20…半導体層、21…上部電極、21A…光射出口、22…下部電極、d1,d2,d3…厚さ、W…スペクトル幅。
Claims (6)
- 第1多層膜反射鏡、活性層、および第2多層膜反射鏡をこの順に有すると共に、前記活性層へ注入される電流を狭窄する電流狭窄層、および前記電流狭窄層に隣接するバッファ層を有するメサ部を備え、
前記電流狭窄層は、Alを含む第1被酸化層を酸化することにより形成されたものであり、
前記バッファ層は、前記第1多層膜反射鏡および前記第2多層膜反射鏡よりも酸化速度が速く、かつ前記第1被酸化層よりも酸化速度が遅くなるような材料および厚さによって構成された第2被酸化層を酸化することにより形成されたものであり、
前記バッファ層の厚さは、10nm以上となっている
半導体レーザ。 - 前記電流狭窄層は、AlAsによって構成され、
前記バッファ層は、Alを含む半導体材料によって構成されている
請求項1に記載の半導体レーザ。 - 前記バッファ層は、AlGaAsまたはInAlGaAsによって構成されている
請求項2に記載の半導体レーザ。 - 前記バッファ層は、前記電流狭窄層の上面および下面の少なくとも一方に接して形成されている
請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の半導体レーザ。 - 前記電流狭窄層は、第1未酸化領域と、前記第1未酸化領域の周縁に形成された環状の第1酸化領域とを有し、
前記バッファ層は、少なくとも前記第1未酸化領域と接する部位に第2未酸化領域を有し、前記第1酸化領域と接する部位に第2酸化領域を有する
請求項4に記載の半導体レーザ。 - 前記第2酸化領域は、前記電流狭窄層側に偏って形成されている
請求項5に記載の半導体レーザ。
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