JP2012253271A - 面発光レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】活性層における注入電流分布を均一化できる面発光レーザ素子を提供すること。
【解決手段】半導体基板３と、前記半導体基板３における一方の面に設けられた第１の電極５と、前記半導体基板３における反対側の面に設けられた、第１の分布反射ミラー７、第１のクラッド層９、活性層１１、第２のクラッド層１３、第２の分布反射ミラー１５、及び第２の電極１７と、を備え、前記第１の電極５と前記第２の電極１７のうち、一方は、開口部Ａを有する出射側電極であり、他方は、コンタクト部１７ａを有する非出射側電極であり、前記活性層１１と前記出射側電極との間に、前記コンタクト部１７ａよりも小さい開口部２１ａを有する電流狭窄層２１を備えることを特徴とする面発光レーザ素子１。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光レーザ素子に関する。

面発光レーザ素子１０１は、例えば、図８に示すように、ｎ型半導体基板１０３、出射側電極１０５、出射側分布反射ミラー１０７、クラッド層１０９、活性層１１１、クラッド層１１３、非出射側分布反射ミラー１１５、非出射側電極１１７を備える。

出射側電極１０５は、開口部１０５ａを備える。また、非出射側電極１１７の外周部は、絶縁層１１９によって非出射側分布反射ミラー１１５と隔てられており、非出射側電極１１７の中央部（コンタクト部１１７ａ）のみが、非出射側分布反射ミラー１１５と接している（特許文献１参照）。

面発光レーザ素子１０１において大出力化を実現するためには、素子の大口径化等により、素子を大面積化する必要がある。しかし、面発光レーザ素子１０１の大面積化に伴い、開口部１０５ａを有する出射側電極１０５からの注入キャリア（電子またはホール）が、活性層（発光部）１１１の中心部よりも周辺に集中し、中心部との間に注入電流分布が発生してしまう（図９参照）。活性層１１１への電流注入が不均一であると、局所的な電流集中によって素子が発熱し、キャリアのオーバーフローによって出力低下（図１０参照）や、信頼性低下を招く。

図８のように、基板として、電子をキャリアとするn型半導体基板１０３を用い、基板側に、開口部１０５ａを有する出射側電極１０５を設けると、p型半導体のキャリアであるホールに比べ移動度が高く拡散し易い電子がキャリアとなるので、出射側電極１０５から活性層１１１に到達する間にある程度拡散し、比較的均一な注入電流分布を得ることができる。

特開平８−２０４２８３号公報

しかしながら、上記の方法でも、注入電流分布を均一化する効果は十分ではなかった。本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、活性層における注入電流分布を均一化できる面発光レーザ素子を提供することを目的とする。

本発明の面発光レーザ素子は、半導体基板と、前記半導体基板における一方の面に設けられた第１の電極と、前記半導体基板における反対側の面に設けられた、第１の分布反射ミラー、第１のクラッド層、活性層、第２のクラッド層、第２の分布反射ミラー、及び第２の電極と、を備え、前記第１の電極と前記第２の電極のうち、一方は、開口部Ａを有する出射側電極であり、他方は、コンタクト部を有する非出射側電極であり、前記活性層と前記出射側電極との間に、前記コンタクト部よりも小さい開口部Ｂを有する電流狭窄層を備える。

本発明の面発光レーザ素子を使用したとき、図１に示すように、電流（図１において矢印で示す）は、電流狭窄層２１の開口部２１ａ（開口部Ｂ）で絞り込まれ、電流狭窄層２１と活性層１１との間の領域（以下、電流拡散領域とする）で再度広がる。そのため、活性層１１への電流注入が均一に実施される。特に、本発明の面発光レーザ素子では、開口部２１ａが、コンタクト部１７ａよりも小さいことにより、上述した効果が一層著しい。

前記電流狭窄層は、例えば、出射側分布反射ミラー内に設けることができる。この場合、電流狭窄層の形成が容易である。また、電流狭窄層は、例えば、出射側分布反射ミラーと出射側電極との間に設けることができる。この場合、電流狭窄層が出射側分布反射ミラー内にないので、出射側分布反射ミラーの反射率が変動してしまうことがない。

ここで、出射側分布反射ミラーとは、前記第１の分布反射ミラーと前記第２の分布反射ミラーとのうち、前記出射側電極に近い方を意味する。
前記電流狭窄層は、２元素で構成される結晶膜を、前記開口部Ｂを除外して酸化することで形成できる。この場合、電流狭窄層の形成が容易である。また、開口部Ｂを正確に形成することができる。

本発明の面発光レーザ素子において、半導体基板、第１の分布反射ミラーの導電型は、第１の導電型であり、第２の分布反射ミラーの導電型は、第２の導電型である。ここで、第１の導電型は、ｐ型、ｎ型のうちの一方であり、第１の導電型がｐ型である場合、第２の導電型はｎ型であり、第１の導電型がｎ型である場合、第２の導電型はｐ型である。

本発明の面発光レーザ素子の製造方法では、まず、半導体基板における一方の面に半導体層を形成する。この半導体層は、第１の分布反射ミラー、第１のクラッド層、活性層、第２のクラッド層、及び第２の分布反射ミラーを含む。また、この半導体層は、その中に、他の層よりもAl組成比が高い高Al層を含む。

次に、半導体基板における前記一方の面とは反対側の面から、高Al層まで至るエッチング孔を形成する。このエッチング孔は、半導体基板を貫通し、半導体層の内部まで至る。次に、エッチング孔の内壁から高Al層を部分的に酸化することで、電流狭窄層を形成する。
本発明の面発光レーザ素子の製造方法において、高Al層は、例えば、第１の分布反射ミラー、第１のクラッド層、第２のクラッド層、及び第２の分布反射ミラーのうちのいずれかであってもよいし、それ以外の層であってもよい。また、高Al層は、例えば、第１の分布反射ミラー、又は第２の分布反射ミラーを構成する複数の層のうちの一部又は全部とすることができる。また、高Al層は、例えば、活性層と出射側電極との間に設けることが好ましい。

前記電流狭窄層は、高Al層を、部分的に（エッチング孔の内壁から、所定の範囲まで）酸化した層である。電流狭窄層は、酸化された部分においては電流を通し難く、酸化されていない部分（開口部）では電流を通し易い。

本発明の面発光レーザ素子の製造方法は、例えば、上述した、本発明の面発光レーザを製造するために用いることができる。

面発光レーザ素子の作用効果を説明する説明図である。 面発光レーザ素子１の構成を表す側断面図である。 面発光レーザ素子１の構成を表す側断面図である。 面発光レーザ素子１の構成を表す側断面図である。 面発光レーザ素子１の製造方法を表す説明図である。 面発光レーザ素子５１の構成を表す側断面図である。 面発光レーザ素子５１の構成を表す側断面図である。 従来の面発光レーザ素子の構成を表す側断面図である。 従来の面発光レーザ素子における注入電流分布を表す説明図である。 局所的な電流集中により生じる出力低下を表す説明図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
<第１の実施形態＞
１．面発光レーザ素子１の構成
面発光レーザ素子１の構成を、図２に基づいて説明する。面発光レーザ素子１は、ｎ型半導体基板３、出射側電極（第１の電極）５、出射側ＤＢＲ（第１の分布反射ミラー、出射側分布反射ミラー）７、クラッド層（第１のクラッド層）９、活性層１１、クラッド層（第２のクラッド層）１３、非出射側ＤＢＲ（第２の分布反射ミラー、非出射側分布反射ミラー）１５、非出射側電極（第２の電極）１７を備える。

出射側ＤＢＲ７、クラッド層９、活性層１１、クラッド層１３、及び非出射側ＤＢＲ１５は、MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法等の結晶成長技術を用いて形成する。

出射側電極５は、その中央に、開口部５ａ（開口部Ａ）を備える。また、非出射側電極１７の外周部は、絶縁層１９によって非出射側ＤＢＲ１５と隔てられており、非出射側電極１７の中央部（コンタクト部１７ａ）のみが、非出射側ＤＢＲ１５と接している。

ｎ型半導体基板３は、化合物半導体から成り、例えば、n型GaAs基板またはn型InP基板で構成される。出射側ＤＢＲ７は、屈折率の高い層と低い層とを交互に積層した構成を有し、例えば、n型Al_x1Ga_(1-x1)Asとn型Al_x2Ga_(1-x2)Asとを1組（x1<x2）として、21組を積層したものである。出射側ＤＢＲ７を構成する各層の膜厚は、発振波長λに対し、光学長がλ/4となる膜厚である。

クラッド層９、１３は、バンドギャップが出射側ＤＢＲ７及び非出射側ＤＢＲ１５よりも低く、活性層１１より高い層である。クラッド層９、１３は、例えば、Al_0.3Ga_0.7Asで構成することができる。

活性層１１は発光部であり、量子井戸で構成される。例えば、厚さ10nmのAl_0.3Ga_0.7As及びGaAsで構成される。非出射側ＤＢＲ１５は、基本的には、出射側ＤＢＲ７と同様の構成であるが、積層する組数を25組程度にして、出射側ＤＢＲ７における組数よりも多くする。

面発光レーザ素子１は、出射側ＤＢＲ７内に、電流狭窄層２１を有する。電流狭窄層２１は、以下のようにして形成される。出射側ＤＢＲ７内に、予め、Alの組成比が、出射側ＤＢＲ７におけるその他の層よりも高い材料（例えばAl組成比が0.9以上のAlGaAs）の層（以下、前駆体層とする）を形成しておく。そして、面発光レーザ素子１を水蒸気雰囲気中にて約400℃で酸化処理すると、前駆体層の外周端から、徐々に酸化が進む。前駆体層の中央部は未だ酸化されず、外周部は既に酸化された状態で、酸化処理を終了する。

なお、前駆体層はAlの組成比が大きいため、面発光レーザ素子１のその他の層よりも、選択的に酸化が進行する。このとき、前駆体層のうち、酸化された外周領域は、電流狭窄層２１となる。また、前駆体のうち、酸化されなかった中央の領域は、電流狭窄層２１の開口部２１ａ（開口部Ｂ）となる。すなわち、電流狭窄層２１は、前駆体層を、開口部２１ａを除外して酸化したものである。

電流狭窄層２１の膜厚は、数十〜100nmである。電流狭窄層２１における開口部２１ａ以外の部分は、開口部２１ａに比べて、バンドギャップが大きく、電流が流れ難い。また、開口部２１ａは、コンタクト部１７ａよりも小さい。すなわち、図２における上方向から見て、開口部２１ａは、コンタクト部１７ａの領域内にある。

なお、前駆体層の酸化処理を終了させるタイミングは、酸化処理の条件と、酸化の進み方との相関関係を、数種類の実験により把握しておき、その相関関係に基づいて決めることができる。また、前駆体層のうち、どの範囲までが酸化されているかは、電子顕微鏡観察により確認できる。

２．面発光レーザ素子１が奏する効果
図１に示すように、面発光レーザ素子１を使用したとき、電流（図１において矢印で示す）は、電流狭窄層２１の開口部２１ａで絞り込まれ、電流狭窄層２１と活性層１１との間の領域（以下、電流拡散領域とする）で再度広がる。そのため、活性層１１への電流注入が均一に実施される。特に、本実施形態では、開口部２１ａが、コンタクト部１７ａよりも小さいことにより、上述した効果が一層著しい。
＜第２の実施形態＞
１．面発光レーザ素子１の構成
面発光レーザ素子１の構成を、図３に基づいて説明する。本実施形態における面発光レーザ素子１の構成は、基本的には前記第１の実施形態と同様であるが、電流狭窄層２１に関する部分が相違する。以下では、その相違点を中心に説明する。

本実施形態では、電流狭窄層２１は、出射側ＤＢＲ７内ではなく、ｎ型半導体基板３上に形成されている。また、電流狭窄層２１と出射側ＤＢＲ７との間に、結晶層２３が形成されている。

出射側ＤＢＲ７、クラッド層９、活性層１１、クラッド層１３、非出射側ＤＢＲ１５、結晶層２３、及び電流狭窄層２１の前駆体層は、MOCVD法等の結晶成長技術を用いて形成する。

電流狭窄層２１の材質、膜厚、及び形成方法（前駆体層を酸化処理する方法）は前記第１の実施形態と同様である。結晶層２３の材質はAlGaAsであり、その膜厚は数μmである。

２．面発光レーザ素子１が奏する効果
本実施形態の面発光レーザ素子１は、前記第１の実施形態の場合と略同様の効果を奏する。なお、本実施形態では、電流拡散領域は、結晶層２３、及び出射側ＤＢＲ７となる。

また、本実施形態では、電流狭窄層２１が出射側ＤＢＲ７内にないので、出射側ＤＢＲ７の反射率が変動してしまうことがない。
また、結晶層２３を備えることにより、電流狭窄層２１と活性層１１との距離を適切に調整することができる。
＜第３の実施形態＞
１．面発光レーザ素子１の構成
面発光レーザ素子１の構成を、図４に基づいて説明する。本実施形態における面発光レーザ素子１の構成は、基本的には前記第１の実施形態と同様であるが、出射側ＤＢＲ７及び非出射側ＤＢＲ１５に関する部分が相違する。以下では、その相違点を中心に説明する。

本実施形態では、出射側ＤＢＲ７及び非出射側ＤＢＲ１５を構成する各層を、３元素ではなく、２元素で構成される結晶膜とした。ただし、屈折率の高い層と低い層との組のうち、一方はAlを含む結晶膜とする。出射側ＤＢＲ７及び非出射側ＤＢＲ１５の層構成としては、例えば、GaAsとAlAsとの組み合わせで構成するものがある。

本実施形態では、出射側ＤＢＲ７及び非出射側ＤＢＲ１５の組成が上記のものであることにより、面発光レーザ素子１の側面からの、Al組成に依存する混晶の酸化速度の違いを利用した選択酸化（前記第１及び第２の実施形態における酸化処理）ができない。そこで本実施形態では、図５に示す方法で、電流狭窄層２１を形成する。

まず、図５（ａ）に示すように、面発光レーザ素子１の各層（電流狭窄層２１は除く）を形成した後、出射側電極５の側から、局所的にエッチングを行う。このエッチングにより、出射側電極５の側に開口部を有するエッチング孔２２が形成される。エッチング孔２２の位置及び数は、後述する酸化処理により、所望の領域が酸化できるように、適宜設定できる。エッチング孔２２は、出射側ＤＢＲ７内の、後に電流狭窄層２１となる層（前駆体層）まで到達する。ここで、前駆体層は、出射側ＤＢＲ７を構成するAlAs層のうち、特定の位置にあるものである。

エッチングは、ドライエッチングの方法で行うことができる。この場合、フォトマスクでエッチングする範囲を決めることができる。また、エッチングは、ウエットエッチングの方法で行ってもよい。

次に、エッチング後の面発光レーザ素子１を、水蒸気雰囲気中にて約400℃で酸化処理する。すると、図５（ｂ）に示すように、エッチング孔２２の内壁から、前駆体層が選択的に酸化され、電流狭窄層２１が形成される。なお、電流狭窄層２１の材質、膜厚、形状等は、前記第１の実施形態と同様である。

２．面発光レーザ素子１が奏する効果
本実施形態の面発光レーザ素子１は、前記第１の実施形態の場合と略同様の効果を奏する。また、本実施形態の面発光レーザ素子１は、出射側ＤＢＲ７及び非出射側ＤＢＲ１５の熱伝導性が高いので、放熱性において優れる。
＜第４の実施形態＞
１．面発光レーザ素子５１の構成
面発光レーザ素子５１の構成を、図６に基づいて説明する。面発光レーザ素子５１は、ｎ型半導体基板５３、非出射側電極（第１の電極）５５、非出射側ＤＢＲ（第１の分布反射ミラー、非出射側分布反射ミラー）５７、クラッド層（第１のクラッド層）５９、活性層６１、クラッド層（第２のクラッド層）６３、出射側ＤＢＲ（第２の分布反射ミラー、出射側分布反射ミラー）６５、出射側電極（第２の電極）６７を備える。

非出射側ＤＢＲ５７、クラッド層５９、活性層６１、クラッド層６３、及び出射側ＤＢＲ６５は、MOCVD法等の結晶成長技術を用いて形成する。
非出射側電極５５の外周部は、絶縁層６９によってｎ型半導体基板５３と隔てられており、非出射側電極５５の中央部（コンタクト部５５ａ）のみが、ｎ型半導体基板５３と接している。また、出射側電極６７は、その中央部に、開口部６７ａ（開口部Ａ）を備える。

ｎ型半導体基板５３は、化合物半導体から成り、例えば、n型GaAs基板またはn型InP基板で構成される。出射側ＤＢＲ６５は、屈折率の高い層と低い層とを交互に積層した構成を有し、例えば、n型Al_x1Ga_(1-x1)Asとn型Al_x2Ga_(1-x2)Asとを1組（x1<x2）として、21組を積層したものである。出射側ＤＢＲ６５を構成する各層の膜厚は、発振波長λに対し、光学長がλ/4となる膜厚である。

クラッド層５９、６３は、バンドギャップが出射側ＤＢＲ６５及び非出射側ＤＢＲ５７よりも低く、活性層６１より高い層である。クラッド層５９、６３は、例えば、Al_0.3Ga_0.7Asで構成することができる。

活性層６１は発光部であり，量子井戸で構成される。例えば、厚さ10nmのAl_0.3Ga_0.7As及びGaAsで構成される。非出射側ＤＢＲ５７は、基本的には、出射側ＤＢＲ６５と同様の構成であるが、積層する組数を25組程度にして、出射側ＤＢＲ６５における組数よりも多くする。

面発光レーザ素子５１は、出射側ＤＢＲ６５内に、電流狭窄層７１を有する。電流狭窄層７１は、以下のようにして形成される。出射側ＤＢＲ６５内に、予め、Alの組成比が、出射側ＤＢＲ６５におけるその他の層よりも高い材料（例えばAl組成比が0.9以上のAlGaAs）の層（以下、前駆体層とする）を形成しておく。そして、面発光レーザ素子５１を水蒸気雰囲気中にて約400℃で酸化処理すると、前駆体層の外周端から、徐々に酸化が進む。前駆体層の中央部は未だ酸化されず、外周部は既に酸化された状態で、酸化処理を終了する。

なお、前駆体層はAlの組成比が大きいため、面発光レーザ素子１のその他の層よりも、選択的に酸化が進行する。このとき、前駆体層のうち、酸化された外周領域は、電流狭窄層７１となる。また、前駆体のうち、酸化されなかった中央の領域は、電流狭窄層７１の開口部７１ａ（開口部Ｂ）となる。すなわち、電流狭窄層７１は、前駆体層を、開口部２１ａを除外して酸化したものである。

電流狭窄層７１の膜厚は、数十〜100nmである。電流狭窄層７１における開口部７１ａ以外の部分は、開口部７１ａに比べて、電流が流れ難い。また、開口部７１ａは、コンタクト部１７ａよりも小さい。すなわち、図６における上方向から見て、開口部７１ａは、コンタクト部５５ａの領域内にある。

なお、前駆体層の酸化処理を終了させるタイミングは、酸化処理の条件と、酸化の進み方との相関関係を、数種類の実験により把握しておき、その相関関係に基づいて決めることができる。なお、前駆体層のうち、どの範囲までが酸化されているかは、電子顕微鏡観察により確認できる。

２．面発光レーザ素子５１が奏する効果
面発光レーザ素子５１は、前記第１の実施形態の場合と略同様の効果を奏することができる。
＜第５の実施形態＞
１．面発光レーザ素子５１の構成
面発光レーザ素子５１の構成を、図７に基づいて説明する。本実施形態における面発光レーザ素子５１の構成は、基本的には前記第４の実施形態と同様であるが、電流狭窄層７１に関する部分が相違する。以下では、その相違点を中心に説明する。

本実施形態では、電流狭窄層７１は、出射側ＤＢＲ６５内ではなく、出射側ＤＢＲ６５よりも、出射側電極６７側に設けられている。また、電流狭窄層７１は、その両側を結晶層７３、７５で挟まれている。結晶層７３は出射側ＤＢＲ６５に接し、結晶層７５は出射側電極６７に接している。

電流狭窄層７１の材質、膜厚、及び形成方法（前駆体層を酸化処理する方法）は前記第４の実施形態と同様である。結晶層７３、７５の材質はＡｌＧａＡｓであり、その膜厚は数μmである。

２．面発光レーザ素子５１が奏する効果
本実施形態の面発光レーザ素子５１は、前記第４の実施形態の場合と略同様の効果を奏する。なお、本実施形態では、電流拡散領域は、結晶層７３、及び出射側ＤＢＲ６５となる。

また、本実施形態では、電流狭窄層７１が出射側ＤＢＲ６５内にないので、出射側ＤＢＲ６５の反射率が変動してしまうことがない。
また、結晶層７３を備えることにより、電流狭窄層７１と活性層６１との距離を適切に調整することができる。

尚、本発明は前記実施の形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、前記各実施形態において、ｎ型とｐ型とを入れ替えてもよい。

また、電流狭窄層は、活性層と出射側電極との間における任意の場所に設けることができる。例えば、クラッド層内に電流狭窄層を設けてもよい。
また、電流狭窄層は、酸化により形成した層には限定されず、任意の方法で形成できる。例えば、（酸化しなくても）バンドギャップが大きい材質の層を、活性層と出射側電極との間におけるいずれか場所に形成し、それを電流狭窄層としてもよい。

１、５１・・・面発光レーザ素子、３、５３・・・ｎ型半導体基板、
５、６７・・・出射側電極、５ａ・・・開口部、７、６５・・・出射側ＤＢＲ、
９、１３、５９、６３・・・クラッド層、１１、６１・・・活性層、
１５、５７・・・非出射側ＤＢＲ、１７、５５・・・非出射側電極、
１７ａ、５５ａ・・・コンタクト部、１９、６９・・・絶縁層、
２１、７１・・・電流狭窄層、２１ａ・・・開口部、エッチング孔２２、
２３、７３、７５・・・結晶層、６７ａ・・・開口部、７１ａ・・・開口部、
１０１・・・面発光レーザ素子、１０３・・・ｎ型半導体基板、
１０５・・・出射側電極、１０５ａ・・・開口部、１０７・・・出射側分布反射ミラー、１０９、１１３・・・クラッド層、１１１・・・活性層、
１１５・・・非出射側分布反射ミラー、１１７・・・非出射側電極、
１１７ａ・・・コンタクト部、１１９・・・絶縁層

Claims (5)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板における一方の面に設けられた第１の電極と、
   前記半導体基板における反対側の面に設けられた、第１の分布反射ミラー、第１のクラッド層、活性層、第２のクラッド層、第２の分布反射ミラー、及び第２の電極と、
   を備え、
   前記第１の電極と前記第２の電極のうち、一方は、開口部Ａを有する出射側電極であり、他方は、コンタクト部を有する非出射側電極であり、
   前記活性層と前記出射側電極との間に、前記コンタクト部よりも小さい開口部Ｂを有する電流狭窄層を備えることを特徴とする面発光レーザ素子。
2. 前記第１の分布反射ミラーと前記第２の分布反射ミラーとのうち、前記出射側電極に近い方を出射側分布反射ミラーとした場合、
   前記電流狭窄層が、前記出射側分布反射ミラー内に設けられていることを特徴とする請求項１記載の面発光レーザ素子。
3. 前記第１の分布反射ミラーと前記第２の分布反射ミラーとのうち、前記出射側電極に近い方を出射側分布反射ミラーとした場合、
   前記電流狭窄層が、前記出射側分布反射ミラーと前記出射側電極との間に設けられていることを特徴とする請求項１記載の面発光レーザ素子。
4. 前記電流狭窄層は、２元素で構成される結晶膜を、前記開口部Ｂを除外して酸化したものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
5. 第１の分布反射ミラー、第１のクラッド層、活性層、第２のクラッド層、及び第２の分布反射ミラーを含む半導体層であって、その中に、他の層よりもAl組成比が高い高Al層を含む半導体層を、半導体基板における一方の面に形成する工程と、
   前記半導体基板における前記一方の面とは反対側の面から、前記高Al層まで至るエッチング孔を形成する工程と、
   前記エッチング孔の内壁から前記高Al層を部分的に酸化することで、電流狭窄層を形成する工程と、
   を有することを特徴とする面発光レーザ素子の製造方法。