JP2014165222A

JP2014165222A - 長波長帯面発光レーザ

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Publication number: JP2014165222A
Application number: JP2013032603A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Ooiso; 義孝大礒; Ryuzo Iga; 龍三伊賀
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2014-09-08
Anticipated expiration: 2033-02-21
Also published as: JP5918706B2

Abstract

【課題】ＭＯＣＶＤ法でも容易に作成可能で、かつ、活性層とｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ層の間の距離が小さく高速変調が可能な長波長帯面発光レーザを提供すること。
【解決手段】（１００）面から７°傾けたＩｎＰ基板上１００上に、ＭＯＣＶＤ法で、ＩｎＰに格子整合した第１反射鏡１０１としてｎ−ＩｎＡｌＧａＡｓ（λｇ＝１．２μｍ）／ＩｎＰ層を５６ペア成長させる。次に、第１スペーサー層としてｎ−ＩｎＰ層１０２、ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ圧縮歪活性層１０３、ｐ−ＩｎＰ第２スペーサー層１０４、トンネル接合層である高濃度ドープしたｐ^＋−ＩｎＡｌＧａＡｓ／ｎ^＋−ＩｎＧａＡｓ層１０５を成長させる。最後に、ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃなＳｉドープしたｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層を順次成長させ、ＩｎＰに格子不整合した第２反射鏡１０６を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、長波長帯面発光レーザに関する。

面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、低消費電力、高速伝送が可能といった優れた可能性を持ったデバイスで、発振波長８５０ｎｍのＧａＡｓ系ＶＣＳＥＬは、Ｅｔｈｅｒ系通信用として実用化されている。しかしながら、長距離伝送用としての期待されている長波長帯（発振波長１．１μｍから１．６５μｍ帯）ＶＣＳＥＬは、ＧａＡｓ系ＶＣＳＥＬほど特性に達していない。

その主な理由は、ＧａＡｓ系ＶＣＳＥＬで適用されている高屈折率差、且つ、熱伝導性の良い組み合わせからなるＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ／Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓＤＢＲ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）反射鏡が、長波長帯で用いられているレーザ活性層を有するＩｎＰ基板と格子整合しないため、連続してエピタキシャル成長すると、結晶に転位が発生したり３次元成長が生じ、表面に凹凸ができたりして、容易に反射鏡を形成することが困難であるためである。

そこで、エピタキシャル結晶成長での形成を避けるため、ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの反射鏡を、また発光層である活性層はＩｎＰ基板上に別々にエピタキシャル成長を行い、その後、２枚のエピタキシャル層を含む基板を貼り合わせてＶＣＳＥＬ構造を形成するという方法がとられていた（非特許文献１参照）。

また、別な形成方法として、ＭＢＥ（ＭｏｌｅｃｕｌｅｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）法を用いて、ＩｎＰ活性層上に格子整合した第一反射鏡、活性層を順次成長し、格子不整合であるＧａＡｓ／ＡｌＡｓ層をｍｅｔａｍｏｒｐｉｃに低温成長し、１枚の基板にＶＣＳＥＬを形成することも提案されている（非特許文献２）。

A. Caliman, et al., "8 mW Fundamental Mode Output of Wafer-Fused VCSELs Emitting in the 1550-nm Band", CLEO/IQEC, 2009 J. Boucart, et al., "1-mW CW-RT Monolithic VCSEL at 1.55 m", IEEE Photonics Technology letters, Vo.11, No.6, 1999, pp.629 J. Boucart, et al., "Optimization of the metamorphic growth of GaAs for long wavelength VCSELs", J. Crystal Growth 201/202, 1999, pp.1015-1019

しかしながら、上述の貼り合わせの方法では、２種類のエピタキシャル成長した基板が必要なため高コストであったり、貼り合わせの工程を含むため、表面を平坦かつ清純にするために作製工程が複雑になったりするという課題があった。

一方、連続成長の手法の場合には、ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ層を形成する際、ＩｎＰとＧａＡｓとの格子定数が約３．７％異なるため、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの形成時に、ＩＩＩ族の表面拡散を小さくするために、結晶成長温度を下げたり、Ａｓの圧力を下げたりする必要があることなど、成長条件の許容範囲が非常に狭いことという課題があった。また成長条件を最適化しても、３次元成長抑制のために、ＧａＡｓ成長の前にＩｎＧａＡｓ層を成長させることが必要であった（非特許文献３参照）。

また、ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ層を形成する際、格子不整合に起因する転位の発生がエピタキシャル層内を伝搬して活性層にまで達した場合、それがデバイス特性を劣化させる要因になっていた。この転位の発生が活性層に達するのを防ぐために、ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ層と活性層までの距離を大きくする必要が生じ、その結果、レーザ共振器長が長くなり、高速動作に不向きな構造となるという課題があった（参考文献２参照）。更には、これはＭＢＥ法という結晶成長に限られた方法で行われており、量産性に優れたＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）成長法では、一般にＭＢＥ法より、成長温度が高いため形成が困難であるという課題もあった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ層をＭＯＣＶＤ法でも容易に作成可能で、かつ、活性層とｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ層の間の距離が小さく高速変調が可能な長波長帯面発光レーザを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、長波長帯面発光レーザであって、面方位が（１１１）面から

方向に７°以上２０°以下の角度を有するＩｎＰの基板と、ＩｎＰに格子整合した半導体材料で構成された第１反射鏡と、量子井戸活性層と、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ａｓ層（０≦ｘ１≦１）とＡｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ａｓ層（０≦ｘ２≦１）を交互に積層され、ＩｎＰに格子不整合したｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃな半導体層である第２反射鏡とを順次積層されたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、長波長帯面発光レーザであって、面方位が（１１１）面から

方向に７°以上２０°以下の角度を有するＩｎＰの基板と、ＩｎＰに格子整合した半導体材料で構成された第１反射鏡と、量子井戸活性層と、ＩｎＰ層とＡｌ_ｘ３Ｇａ_１−ｘ３Ａｓ層（０≦ｘ３≦１）を交互に積層され、ＩｎＰに格子不整合したｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃな半導体層である第２反射鏡とを順次積層したことを特徴とする。

本発明は、長波長帯面発光レーザを、ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ層を量産性に優れたＭＯＣＶＤ法でも容易に作成可能で、かつ、高速変調可能にする。

本発明の実施形態１に係る１．３μｍ帯の長波長面発光半導体レーザの断面構造を示す図である。ＩｎＰ基板の（１００）面と（１００）面から７°傾けた面とに作製されたＤＢＲの反射率特性を示す図である。本発明の実施形態１に係る長波長面発光半導体レーザの光出力と電流との関係を温度毎に示す図である。本発明の実施形態１に係る長波長面発光半導体レーザの室温（２０℃）での相対感度と周波数の関係をバイアス電流毎に示す図である。本発明の実施形態２に係る長波長面発光半導体レーザの断面構造を示す図である。

次に、本発明の作用を説明する。

本発明の構造は、傾斜基板であるＩｎＰ基板を用いることにより、ＩＩＩ族であるＧａ、Ａｌ、Ｉｎ原子の表面拡散領域が小さくなり、格子不整合にともなう３次元成長を抑制することが可能となる。格子不整合の層の厚さが１００〜１０００ｎｍ程度の場合は、傾斜基板と傾斜がない基板では、内部歪量が小さいため、表面の凹凸に大きな差異は見られない。しかし、結晶成長膜を厚くしていくと、傾斜がない基板では３次元成長が顕著となり、表面の平坦性が保たれなくなるのに対し、傾斜基板では３次元成長が抑制され、結晶成長面の平坦性が保たれる。

一方、長波長帯ＶＣＳＥＬを構成するＤＢＲミラー層は、そのレーザ特性を確保するために、絶対反射率として９９％以上が必要となる。例えばＧａＡｓとＡｌＡｓで反射鏡を構成すると、材料固有の屈折率から計算される反射鏡の全層厚は６−７μｍとなり、しかも界面の光の散乱を極力小さくするために良好な平坦性を全層にわたって確保することが必要となる。このため、従来の（１００）面からの傾斜が７°より小さい基板では、結晶方法、結晶成長条件に大きな制約が生じていた。

一方、本発明の（１００）面から

方向に７°以上の傾斜基板を用いると、基板表面に形成される過程において３次元成長が容易に抑制され、ＭＢＥ法以外の成長方法でも全層にわたって平坦な膜を形成することが可能となる。また、ＩｎＧａＡｓ層をＤＢＲ層成長前に挿入する必要がなくなる。このため、ＶＣＳＥＬの短共振器化が容易となり、高速変調動作が可能となる。

尚、傾斜角度を２０°以上にすると、基板面の異方性により、基板表面に吸着する原子の取り込まれ方が（１００）面と大きく異なることから、かえって３次元成長し易くなり、表面に凹凸が生じてしまう。

次に、ＤＢＲ構造を構成する材料であるＧａＡｓとＡｌＧａＡｓのうち、ＧａＡｓに代えてＩｎＰ層を用いてＩｎＰ／ＡｌＧａＡｓでＤＢＲ層を構成すると、ＩｎＰ基板と格子不整合の結晶の層厚が薄くなることから、ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃＤＢＲ層から活性層へ伝搬する転位による劣化を抑制することが可能となる。

また、ＧａＡｓの熱抵抗が約０．４４Ｗ／Ｋ、ＩｎＰの熱抵抗が約０．４２Ｗ／Ｋであるため、ＤＢＲ層自体の熱伝導性はほとんど変わらないため、デバイス内で発生した熱の放熱性が、従来のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＤＢＲ層と比較して、ほぼ同等の長波長帯ＶＣＳＥＬの作製が可能となる。更には、活性層とｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ層との距離を小さくすることが可能となり、高速変調動作に不可欠な短共振器構造が容易になる。

以上説明したように、本発明の長波長帯面発光半導体レーザは、活性層とＤＢＲ反射ミラーを、熱伝導性を損なうことなく一括成長で作製でき、さらに高速応答が見込まれる短共振器が容易に作製できる。

以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。

（実施形態１）
図１に、本発明の実施形態１に係る１．３μｍ帯の長波長面発光半導体レーザの断面構造を示す。（１００）面から

方向に７°傾けたＩｎＰ基板１００上に、ＭＯＣＶＤ法で、ＩｎＰに格子整合した第１反射鏡１０１として、１．３μｍの光学波長の１／４に相当する膜厚で交互に積層された屈折率の異なるｎ−ＩｎＡｌＧａＡｓ（λｇ＝１．２μｍ）／ＩｎＰ層を５６ペア成長させる。次に、第１スペーサー層としてｎ−ＩｎＰ層１０２、ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ量子井戸活性層１０３、ｐ−ＩｎＰ第２スペーサー層１０４、トンネル接合層である高濃度ドープしたｐ^＋−ＩｎＡｌＧａＡｓ／ｎ^＋−ＩｎＧａＡｓ層１０５を成長させる。第１スペーサー層１０２、活性層１０３と第２スペーサー層１０４で構成されるレーザキャビティ長は３／２λ厚に設定した。

最後に、１．３μｍの光学波長の１／４に相当する膜厚で交互に積層された屈折率の異なるｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃなＳｉドープしたｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層を順次成長させ、ＩｎＰに格子不整合した第２反射鏡を形成する。本実施例のｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃなｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層の成長には、ＩＩＩ族の表面拡散領域を小さくすることを考慮し、通常の結晶成長よりも小さいＶ／ＩＩＩ比を６とし、成長温度は６５０℃とした。

尚、ＩｎＰ基板１００上の各層はＭＯＣＶＤ法で形成可能である。また、本実施形態では、第２反射鏡をｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層を積層したものとしたが、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ａｓ層（０≦ｘ１≦１）／Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ａｓ層（０≦ｘ２≦１）であればよい。

デバイス形成工程として、上面に絶縁膜で直径６．５ミクロンΦの円形マスクを作製した後、ＳｉＣｌ_４ガスを用いて、ＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）でｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃＤＢＲ層をエッチングして、円形メサを形成する。その後、上下にＡｕＧｅＮｉの電極を蒸着し、下面は出射光を取り出すため、円形に電極を取り除き、レーザ発振した光が、活性層に戻るのを防ぐために、反射防止膜としてＳｉＯ_２膜を形成した。

先ず、図２に、ＩｎＰ基板の（１００）面と（１００）面から

方向に７°傾けた面とに作製されたｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃＧａＡｓ／Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ２９．５ペアのＤＢＲの表面から光を入射した場合の反射特性を示す。（１００）面上に作製されたＤＢＲは、内部の界面の凹凸の散乱によりピーク反射率の減少がみられるが、（１００）面から

方向に７°傾けた傾斜基板上に作製されたＤＢＲでは、ピーク反射率９９％以上が確認された。このように傾斜基板は、ＩｎＰ基板上のＧａＡｓ系ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ層の表面の平坦性に有効である。

次に、図３に、本発明の実施形態１に係る長波長面発光半導体レーザの光出力と電流との関係を温度毎に示す。光出力は、ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃの層を下にして基板面から測定した。２０℃で閾値２．５ｍＡ、最大光出力４ｍＷであり、最高温度１１５℃までレーザ発振が可能である。

図４に、本発明の実施形態１に係る長波長面発光半導体レーザの室温（２０℃）での相対感度と周波数の関係をバイアス電流毎に示す。このような小信号応答で、バイアス電流Ｉｂ＝１２ｍＡ、カットオフ周波数として２５ＧＨｚ以上で、光ファイバー伝送において４０Ｇｂｐｓ信号のエラフリー動作が可能である。また、基板の面方位を（１００）面から傾けた効果により、光利得の異方性が生じ、偏波が一方向になる。

（実施形態２）
図５に、本発明の実施形態２に係る長波長面発光半導体レーザの断面構造を示す。（１００）面から

方向に７°傾けたＩｎＰ基板５００上に、ＩｎＰに格子整合した第１反射鏡５０１として、１．３μｍの光学波長の１／４に相当する膜厚で交互に積層された屈折率の異なるＩｎＡｌＧａＡｓ（λｇ＝１．２μｍ）／ＩｎＰ層を５６ペア成長させる。次に、第１スペーサー層としてＩｎＰ層５０２、ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓ量子井戸活性層５０３、ＩｎＰ第２スペーサー層５０４、ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓトンネル接合層５０５を成長させる。第１スペーサー層５０２、活性層５０３と第２スペーサー層５０４で構成されるレーザキャビティ長は１／２λ厚に設定した。

最後に１．３μｍの光学波長の１／４に相当する膜厚で交互に積層された屈折率の異なるｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃなＳｉドープしたｎ型ＩｎＰ／Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層５０６を順次成長させ、ＩｎＰに格子不整合した第２反射鏡を形成する。

尚、ＩｎＰ基板５００上の各層はＭＯＣＶＤ法で形成可能である。また、本実施形態では第２反射鏡をｎ型ＩｎＰ／Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層を積層したものとしたが、ＩｎＰ／Ａｌ_ｘ３Ｇａ_１−ｘ３Ａｓ層（０≦ｘ３≦１）を交互に積層したものであればよい。

デバイス形成工程も実施形態１と同様で、上面に絶縁膜で６ミクロンΦ円形マスクを作製し、ＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）でメサを形成し、上下にＡｕＧｅＮｉの電極を蒸着し、下面は出射光を取り出すため、円形に電極を取り除き、反射防止膜としてＳｉＯ_２膜を形成した。本実施例で作製されたデバイスは、２０℃で閾値２．５ｍＡで、最大光出力５ｍＷで、１１０℃までレーザ発振する。小信号応答特性において、カットオフ周波数として３５ＧＨｚ以上で、光ファイバー伝送において４０Ｇｂｐｓ信号のエラフリー動作が可能である。

１００，５００ＩｎＰ基板
１０１，５０１第１反射鏡
１０２，５０２第１スペーサー層
１０３，５０３量子井戸活性層
１０４，５０４第２スペーサー層
１０５，５０５トンネル接合層
１０６，５０６第２反射鏡

Claims

面方位が（１１１）面から

方向に７°以上２０°以下の角度を有するＩｎＰの基板と、
ＩｎＰに格子整合した半導体材料で構成された第１反射鏡と、
量子井戸活性層と、
Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ａｓ層（０≦ｘ１≦１）とＡｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ａｓ層（０≦ｘ２≦１）を交互に積層され、ＩｎＰに格子不整合したｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃな半導体層である第２反射鏡と
を順次積層されたことを特徴とする長波長帯面発光レーザ。
面方位が（１１１）面から

方向に７°以上２０°以下の角度を有するＩｎＰの基板と、
ＩｎＰに格子整合した半導体材料で構成された第１反射鏡と、
量子井戸活性層と、
ＩｎＰ層とＡｌ_ｘ３Ｇａ_１−ｘ３Ａｓ層（０≦ｘ３≦１）を交互に積層され、ＩｎＰに格子不整合したｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃな半導体層である第２反射鏡と
を順次積層したことを特徴とする長波長帯面発光レーザ。
前記第１反射鏡と前記量子井戸活性層との間及び前記量子井戸活性層と前記第２反射鏡との間にそれぞれＩｎＰ層がさらに積層されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の長波長帯面発光レーザ。