JP2016178271A - 垂直キャビティ表面発光レーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】光の閉じ込めと伝送速度が向上し、高温性能、信頼できる特性および長期の製品寿命を備えるように改良されたＶＣＳＥＬを提供する。【解決手段】ＶＣＳＥＬ２００は、波長が８５０ｎｍのレーザ光を出射する垂直キャビティ表面発光レーザであって、活性領域２０３を有している。活性領域２０３は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓからなる量子井戸２８０と、ＧａＡｓ１−ｙＰｙからなり、バリア層２７０とを有し、量子井戸２８０およびバリア層２７０におけるｘ、ｙについて、ｘが０．０５から０．１の範囲内にあり、ｙが０．２から０．２９の範囲内にある。【選択図】図１

Description

本発明は、垂直キャビティ表面発光レーザ、特に、波長がおよそ８５０ｎｍのレーザ光を出射し、量子井戸およびバリア層を備えた信頼性の高い垂直キャビティ表面発光レーザに関する。
垂直キャビティ表面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser、ＶＣＳＥＬともいう）は、基板に関して垂直の方向にレーザ光を出射する半導体レーザである。一般に、ＶＣＳＥＬは、大きな利得を備えた活性領域、低い閾値電流、高い光出力と信頼性、適切に制御された分極とを備えている。ＶＣＳＥＬは、へき開のプロセスを必要としないため、ウェハ上で試験が行えるよう、同じ基板上に多数の素子を２次元状に配列する集積化が可能である。ＶＣＳＥＬは、画像形成装置のレーザ光源や、光ピックアップデバイスのレーザ光源、コンピュータ同士を光で結ぶ光インターコネクトおける光データ通信の送信器および光学モジュールといった様々な消費材への応用で利用されている。
ＶＣＳＥＬの活性領域は、２つの半導体多層反射鏡（各反射鏡は、例えば、分布ブラッグ反射鏡（Distributed Bragg Reflector）、ＤＢＲともいう）の間に配置されている。この活性領域は、電子と正孔とが結合してレーザ光を発生する領域である。活性領域は、低い閾値電流と、選択された出射波長に応じた高い効率および優れた柔軟性を備えた光量子デバイスをもたらす量子井戸構造を有している。
量子井戸構造には少なくとも一つの量子井戸が含まれている。量子井戸は、２つのバリア層に挟まれている。量子井戸は、およそ１ナノメータから１０ナノメータの範囲の厚さを有している。バリア層は、概して量子井戸よりも大きい厚さを有している。量子井戸構造を構成している層の半導体材料は、光量子デバイスの所望の出射波長に依存している。バリア層の半導体材料は、量子井戸の半導体材料とは異なり、量子井戸よりも、大きなバンドギャップエネルギーおよび低い屈折率を有している。
そして、従来、ｎ個（ｎ＞１）の量子井戸を有する多重量子井戸構造を備えたＶＣＳＥＬが知られている。多重量子井戸構造の場合、各量子井戸は、その個数に対応した個数（ｎ＋１）のバリア層に挟まれている。
特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４には、このような多重量子井戸構造を備えたＶＣＳＥＬが開示されている。特許文献１には、活性領域に痕跡量のアルミニウムが含まれているＶＣＳＥＬが開示されている。また、特許文献２、特許文献３に開示されているＶＣＳＥＬでは、複数の量子井戸およびバリア層を有し、界面トラップの形成を回避するため、両者の間には遷移層が形成されている。特許文献４には、反射鏡を覆う保護膜について、その中央領域よりも周辺領域の反射率を高くしてレーザ光を集光しやすくしているＶＣＳＥＬが開示されている。また、特許文献４には、そのようなＶＣＳＥＬの一例として、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）からなる量子井戸と、アルミニウム・ガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）からなる第１、第２のバリア層とを有し、波長が８５０ｎｍのレーザ光を出射するＶＣＳＥＬが開示されている。
米国特許公開２０１４／０１９８８１７Ａ１ 特表２０１４−５０８４２５号公報 特表２０１４−５１２０９２号公報 特開２０１４−１９９８９７号公報
そして、従来、波長がおよそ８５０ｎｍのレーザ光を出射するＶＣＳＥＬの活性領域として、図７に示される量子井戸構造が提案されている。この量子井戸構造は、ガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）からなる量子井戸１６と、アルミニウム・ガリウム・ヒ素（ＡｌＧａＡｓ）からなる第１、第２のバリア層１４１，１４２とによって構成されている。図７は、そのような量子井戸構造が組み込まれている典型的な活性領域１０のエネルギーバンド図を示している。縦軸にバンドエネルギー（Band energy）が示され、横軸には基板からの距離(Distance from substrate)が示されている。図示のとおり、活性領域１０は、第１のクラッド層１２１と、ＡｌＧａＡｓからなる第１のバリア層１４１と、ＧａＡｓからなる量子井戸１６と、ＡｌＧａＡｓからなる第２のバリア層１４２と、第２のクラッド層１２２とを有している。図７のエネルギーバンド図は、各層それぞれにおける半導体材料の導電帯（Conduction band）１０１および価電子帯（Valence band）１０２のエネルギーを示している。
活性領域１０は、ＡｌＧａＡｓからなる第１、第２のバリア層１４１，１４２と、ＧａＡｓからなる量子井戸１６とで構成されるタイプI(Type I)のヘテロ構造を有している。このヘテロ構造では、ＧａＡｓからなる量子井戸１６の価電子帯のエネルギーが、ＡｌＧａＡｓからなる第１、第２のバリア層１４１，１４２の価電子帯のエネルギーよりも大きい。しかし、ＧａＡｓからなる量子井戸１６における導電帯のエネルギーは、ＡｌＧａＡｓからなる第１、第２のバリア層１４１，１４２における導電帯のエネルギーよりも小さい。
タイプＩのヘテロ構造を有する量子井戸構造では、各バンドエネルギーによって、電子１５６が量子井戸１６の導電帯１０１に閉じ込められ、正孔１５８が量子井戸１６の価電子帯１０２に閉じ込められている。その結果として、同じ層の中に閉じ込められているキャリア同士の間で電子・正孔の再結合プロセスが起こる。
しかしながら、ＧａＡｓの量子井戸１６と、ＡｌＧａＡｓの第１、第２のバリア層１４１，１４２とのバンドギャップの値が固定されており、導電帯１０１と価電子帯１０２のそれぞれにおいて、量子井戸１６と第１、第２のバリア層１４１，１４２との不連続性の大きさ（エネルギー準位の差の大きさ）が小さい。そのため、図８に示されているように、量子井戸１６において、量子井戸１６から第１、第２のバリア層１４１，１４２にキャリアが渡るキャリア漏洩が発生する。このことで、活性領域１０における光の閉じ込めの低下といった性能の低下をもたらし、高温での動作性能も低下する。また、ＶＣＳＥＬの信頼できる特性が低下し、これが内部の自己発熱効果による製品寿命の低下を引き起こす。
しかも、上記特許文献１〜特許文献４に開示されているＶＣＳＥＬのように、活性領域にアルミニウムが含まれているときは、そのアルミニウムを取り巻く水分／湿気によってバリア層や量子井戸などが酸化されやすいという課題があった。この場合、そのような水分／湿気によって、ＶＣＳＥＬの製品寿命を更に低下させる欠損や転移が形成されてしまう。
このように、従来、前述した課題を克服するため、光の閉じ込めと伝送速度が向上し、高温での動作性能、信頼できる特性および長期の製品寿命を備えるように改良されたＶＣＳＥＬが求められていた。
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、光の閉じ込めと伝送速度が向上し、高温での動作性能、信頼できる特性および長期の製品寿命を備えるように改良されたＶＣＳＥＬを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、波長がおよそ８５０ｎｍのレーザ光を出射する垂直キャビティ表面発光レーザであって、その垂直キャビティ表面発光レーザが活性領域を有し、その活性領域が、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓからなる２以上の量子井戸と、ＧａＡｓ１−ｙＰｙからなり、その量子井戸に接続されている３以上のバリア層とを有し、その量子井戸およびバリア層におけるｘ、ｙについて、そのｘが０．０５から０．１の範囲内にあり、そのｙが０．２から０．２９の範囲内にある垂直キャビティ表面発光レーザを特徴とする。
上記垂直キャビティ表面発光レーザにおいて、活性領域が、バリア層に隣接して形成された分離閉じ込めヘテロ構造層を有し、その分離閉じ込めヘテロ構造層がＡｌＧａＡｓから形成されていることが好ましい。
好ましくは、分離閉じ込めヘテロ構造層が連続した傾斜路として形成されている。
また、好ましくは、量子井戸およびバリア層が３ｎｍから５ｎｍの範囲の厚さを有している。
別の実施形態として、およそ８５０ｎｍ波長の開示されているＶＣＳＥＬにおける導電帯と価電子帯と不連続性（ΔＥｃおよびΔＥｖ）が、８５０ｎｍ波長のＧａＡｓからなる量子井戸とＡｌＧａＡｓからなるバリア層とを有する従来のＶＣＳＥＬよりも少なくとも数ｍｅＶ大きいことが好ましい。
好ましくは、２つのエネルギーバンドの間のバンドギャップ不連続性ΔＥｃおよびΔＥｖが、ＧａＡｓの量子井戸とＡｌＧａＡｓのバリア層よりも、それぞれ５〜５０ｍｅＶの範囲内と５〜２０ｍｅＶの範囲内で大きい。
好ましくは、量子井戸およびバリア層とは、アンドープＧａＡｓまたはｐ形若しくはｎ形のドープしたシリコン基板上に成長されている。
好ましくは、上記垂直キャビティ表面発光レーザがメサ構造と、パッシベーション層とを更に有し、そのパッシベーション層がシリコン窒素酸化物若しくはポリマーからなるか、またはそのシリコン窒素酸化物およびポリマーからなり、メサ構造の外側表面を覆うように形成されている。
好ましくは、上記垂直キャビティ表面発光レーザが活性領域を挟み込む２つの反射鏡層を更に有する。
好ましくは、上記垂直キャビティ表面発光レーザは、少なくとも反射鏡層の少なくとも一方に、電流閉じ込め構造をもたらす環状酸化層として、高アルミニウム（＞９８％）含有III-V半導体薄膜を有している。
従来技術と比較して、本発明における活性領域が、ＧａＡｓからなる従来の非歪バリア層の代わりに、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓの歪量子井戸とＧａＡｓ１−ｙＰｙからなる歪バリア層を適用するように、ＧａＡｓ１−ｙＰｙからなる本発明にかかるバリア層２７０によって、キャリア漏洩やオーバフローを防止し、光の閉じ込めの改善および伝送速度の改善をもたらすための高いバンドギャップがもたらされる。また、ＧａＡｓ１−ｙＰｙのバリア層は耐高温が良好で、半導体レーザ装置の製品寿命の長期化をもたらす。
また、本発明は、頂部分布ブラッグ反射鏡と、底部分布ブラッグ反射鏡との間に活性領域が形成され、波長がおよぞ８５０ｎｍのレーザ光を出射する垂直キャビティ表面発光レーザであって、活性領域は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓからなりアルミニウムを含まない２以上の量子井戸と、その量子井戸に接続され、ＧａＡｓ１−ｙＰｙからなりアルミニウムを含まない３以上のバリア層とを有し、活性領域と頂部分布ブラッグ反射鏡との間に電流制限・閉じ込め層が形成され、その電流制限・閉じ込め層は、中央に配置されているアパーチャ領域の外側に絶縁部が形成され、その量子井戸およびバリア層におけるｘ、ｙについて、そのｘが０．０５から０．１の範囲内にあり、そのｙが０．２から０．２９の範囲内にある垂直キャビティ表面発光レーザを提供する。
上記垂直キャビティ表面発光レーザは、頂部分布ブラッグ反射鏡および底部分布ブラッグ反射鏡の側から電流制限・閉じ込め層を挟むように形成された位相整合層を更に有することが好ましい。
以上詳述したように、本発明によれば、光の閉じ込めと伝送速度が向上し、高温での動作性能、信頼できる特性および長期の製品寿命を備えるように改良されたＶＣＳＥＬを得ることができる。
添付の図面は、本発明における様々な実施の形態の理解を容易にするものである。各図は以下のとおりである。
本発明の実施の形態に係るＶＣＳＥＬの図６における１−１線断面図である。 ＶＣＳＥＬの活性領域を構成している各層のエネルギーバンドを簡略化して示した図である。 従来のＶＣＳＥＬと、本発明の実施の形態に係るＶＣＳＥＬとにおけるエネルギーバンドを比較して示した図である。 本発明に係るＶＣＳＥＬの計算されたＦ−Ｐ ｄｉｐ波長を示す図である。 ＶＣＳＥＬのＦ−Ｐ ｄｉｐ波長の実験に基づくエピタキシャル／ＭＯＣＶＤ成長を示す図である。 本発明の実施の形態に係るＶＣＳＥＬの平面図である。 従来のＶＣＳＥＬにおける活性領域のエネルギーバンド図である。 図７の活性領域におけるキャリアの漏洩を模式的に示した図である。
本発明の種々の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、各図を通して、同様の参照符号は同じ要素を指している。上記のように、本発明は、光の閉じ込めと、高い伝送速度、良好な信頼性できる特性、高温での動作性能、長期の製品寿命を備えた改良されたＶＣＳＥＬに関するものである。
なお、本発明に係るＶＣＳＥＬは、波長がおよそ８５０ｎｍのレーザ光を出射し、８４０ｎｍの波長で光ルミネッセンス出射、８４６ｎｍにファブリ・ぺロー（ＦＰ）ｄｉｐを有している。
図１は、本発明の実施の形態に係るＶＣＳＥＬ２００の断面図、図６は同じく平面図である。ＶＣＳＥＬ２００は、基板２０１と、基板２０１上に形成されている底部分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）２０２および頂部分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）２０４と、底部ＤＢＲ２０２および頂部ＤＢＲ２０４に挟まれ、レーザ光を発生する活性領域２０３とを有している。頂部電極層２０６が頂部ＤＢＲ２０４に電気的に接続されるように形成され、底部電極層２０７が基板２０１の下に形成されている。頂部電極層２０６と、底部電極層２０７は、活性領域２０３に電流が流れ、活性領域２０３がレーザ光を発生するように改良されている。また、頂部ＤＢＲ２０４の一部が露出するように、頂部電極層２０６の内側中央の一部分が開口されている。その開口されている部分が第１の窓部２９である。
基板２０１は、ドープされているｎ形ＧａＡｓ、ドープされているｐ形ＧａＡｓ、またはアンドープのＧａＡｓとしてもよい。本実施の形態では、基板２０１は、アンドープ（半絶縁性）のＧａＡｓである。底部電極層２０７は、図１に示すように、基板２０１の底部に現れるように形成されている。底部電極層２０７は、電気的に導電性を有する金属によって形成され、基板２０１とでオーミック接触を形成している。
また、底部電極層２０７は、基板２０１の上側に出現するように形成された２つの電極層（上側電極層）２０７ａ，２０７ｂを有している。図１には示されていないが、上側電極層２０７ａ，２０７ｂは、底部電極層２０７に接続されている。
具体的には、底部ＤＢＲ２０２は、ｎ形反射鏡またはｐ形反射鏡とすることができる。頂部ＤＢＲ２０４は、それとは反対の極性を有している。本実施の形態では、底部ＤＢＲ２０２は、ｎ形反射鏡であり、頂部ＤＢＲ２０４は、ｐ形反射鏡である。一般に、底部ＤＢＲ２０２および頂部ＤＢＲ２０４は、それぞれ、反射率の異なる層が交互に配置されたIII-Vグループ半導体層の積層体である。底部ＤＢＲ２０２および頂部ＤＢＲ２０４は、アルミニウムとガリウムのモル比率が異なったＡｌＡｓ、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓのような材料で形成されている。実際には、底部ＤＢＲ２０２、頂部ＤＢＲ２０４はそれぞれ２０組または３０組といった層の組を多数有していてもよい。好ましくは、波長が８５０ｎｍのレーザ光を出射するため、底部ＤＢＲ２０２は、Ａｌ０．１２ＧＡ０．８８ＡＳと、ＡＬ０．９ＧＡ０．１ＡＳ、ＡＬ０．１２ＧＡ０．８８ＡＳと、ＡｌＡＳ層を含むように最適化されている。
図２に示すように、活性領域２０３は、２以上の量子井戸２８０およびバリア層２７０を含む多重量子井戸構造を有している。活性領域２０３は、所定の出射波長を有するレーザ光を発生するように構成されている。後述する所定の材料を用いた本発明の実施の形態に係るＶＣＳＥＬ２００において、その８５０ｎｍの出射波長が高速データ通信に利用される。その他の出射波長は、本発明では適用され得ない。
そして、駆動電流が頂部および底部電極層２０６、２０７に流されると、その駆動電流は活性領域２０３を流れ、レーザ光が活性領域２０３で生成される。そのレーザ光は、頂部ＤＢＲ２０４と底部ＤＢＲ２０２の間でそれらによって反射されているときに増幅され、ＶＣＳＥＬ２００の第１の窓部２９から垂直に出射される。
再び図１を参照すると、ＶＣＳＥＬ２００は、更に、ｐ形高ドープコンタクト層２０８と、底部高ドープコンタクト層２０９とを有している。ｐ形高ドープコンタクト層２０８は、頂部電極層２０６と頂部ＤＢＲ２０４との間に形成されている。ｐ形高ドープコンタクト層２０８は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓまたＩｎＧａＡｓによって形成されている。底部高ドープコンタクト層２０９は、底部ＤＢＲ２０２と基板２０１との間に形成されている。
より好ましい実施の形態として、ＶＣＳＥＬ２００には、活性領域２０３上に酸化部３１０が形成されている。酸化部３１０は、少なくとも２つの位相整合層（Phase Matching Layer、ＰＭＬともいう）３１１，３１２（図面では、位相整合層が２つだけ示されている）と、２つのＰＭＬ３１１，３１２に挟まれた電流制限・閉じ込め層３１３とを有している。電流制限・閉じ込め層３１３は、アルミニウムのモル比率が大きい（＞９８％）、例えば、アルミニウムを含む酸化物を形成するよう湿式熱酸化処理を施された、Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２ＡｓまたはＡｌＡｓ半導体層からなっている。
電流制限・閉じ込め層３１３は、電流が酸化アパーチャ領域３１４を通って活性領域２０３の中央に向かうようにすることに用いられる。すなわち、電流制限・閉じ込め層３１３が使用される場合、電流制限・閉じ込め層３１３のうちの酸化アパーチャ領域３１４を除くすべての部分が絶縁されている。酸化アパーチャ領域３１４は、第１の窓部２９の直径程度の直径を有する平面視円形または多角形に形成されている部分であり、電流制限・閉じ込め層３１３の中央に配置されている。このような電流制限・閉じ込め層３１３が形成されていることによって、活性領域２０３を通る電流の大部分が活性領域２０３の中央に向かって流れる。そのため、レーザ光の大部分は活性領域２０３の中央部分の範囲内で生成される。よって、ＶＣＳＥＬ２００における光の閉じ込めが向上する。
そして、位相整合層３１１，３１２は、それぞれのアルミニウムとガリウムのモル比率が異なるＡｌＧａＡｓ半導体によって形成されている。高速動作を効率的にするため、ＶＣＳＥＬ構造は、少なくとも一つの電流制限・閉じ込め層を備えた酸化部を少なくとも一つ含むことができる。付加的な電流制限・閉じ込め層が付加されることによって、メサ容量が減少し、それ故、ＶＣＳＥＬ２００のバンド幅および伝送速度が増加する。
ＶＣＳＥＬ２００におけるメサ構造では（図面には示されていない）、パッシベーション層として作用する絶縁層がメサ構造の外側側面を覆うように、すなわち、上述した素子の露出している側面層を覆うように形成されている。その絶縁層は、例えば膜厚が１．０μｍのシリコン窒素酸化物（ＳｉＯｘＮ）からなっている。上記パッシベーション層（ＳｉＯｘＮ）に加え、５〜１０μｍの厚さを有するポリイミドまたはＢＣＢコーティングが同時に塗布され、それによってｐ形およびｎ形電極パッドの容量がさらに軽減される。その絶縁層は、ＶＣＳＥＬ２００の層全体を保護するために用いられる。
本発明について詳しく述べると次のとおりである。図２に示すように、ＶＣＳＥＬ２００の活性領域２０３は、２以上の量子井戸２８０と、３以上のバリア層２７０とを有している。量子井戸２８０と、バリア層２７０とは、物理的に隣接し、互いに接続されている。また、各量子井戸２８０とバリア層２７０とが交互に配置されている。電気的な閉じ込め領域が活性領域２０３を挟み、活性領域２０３にキャリアを閉じ込めることによって、光学的な利得効率が得られる。好ましくは、量子井戸２８０は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓによって形成され、バリア層２７０は、ＧａＡｓ１−ｙＰｙによって形成されている。ここで、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓにおけるｘの値は０．０５から０．１の範囲にあり、ＧａＡｓ１−ｙＰｙにおけるｙの値は０．２から０．２９の範囲にある。図示されている活性領域２０３では、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓからなる量子井戸２８０が合計で５つあり、ｘの値が０．０６である。また、ＧａＡｓ１−ｙＰｙからなるバリア層２７０が合計で６つあり、ｙの値が０．７５である。バリア層２７０は、４つの内バリア層と２つの外バリア層とを有している。その２つの外バリア層が４つの内バリア層の外側に配置されている。各外バリア層は、後述するＳＣＨ層２６１，２６２に接続されている。ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓからなる全部で５つの量子井戸２８０と、ＧａＡｓ１−ｙＰｙからなる全部で４つのバリア層２７０は、４ｎｍの厚さを有している。ＧａＡｓ１−ｙＰｙからなる外側の２つのバリア層２７０は８４０ｎｍ波長を目標とした出射のため、１０．０ｎｍの厚さを有している。
本発明の目的の一つは、前述したとおりの高い装置性能を備えた高速データ通信用ＶＣＳＥＬのため、歪み補償がなされ、アルミニウムを含まない活性領域を有する光学キャビティを形成することである。なお、１０６０ｎｍ波長で歪み補償がなされたデータ通信用のＶＣＳＥＬであって、Ｉｎ０．２９Ｇａ０．７１Ａｓからなる５つの圧縮歪量子井戸と、ＧａＡｓ０．７５Ｐ０．２５からなる６つの張力歪バリア層とを有し、本発明とは異なる厚さを有するＶＣＳＥＬが報告されている。圧縮歪量子井戸と、張力歪バリア層とに起因する正味の歪みが、歪みの値がほぼ０になるように最適化される。しかし、今まで、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓからなる圧縮歪量子井戸と、ＧａＡｓ１−ｙＰｙからなる張力歪バリア層とを有し、正味の歪みが０であり、８５０ｎｍ波長での出射を目標としたデータ通信用のＶＣＳＥＬはなかった。本発明にかかる精巧かつ最適化された８５０ｎｍ波長のデータ通信用ＶＣＳＥＬにおいて、量子井戸とバリア層は、３ｎｍから５ｎｍの厚さを有することが好ましい。
また、同じＩｎｘＧａ１−ｘＡｓからなる圧縮歪量子井戸と、ＧａＡｓ１−ｙＰｙからなる張力歪バリア層とを有し、１０６０ｎｍ波長と８５０ｎｍ波長でのダブルヘテロ構造システムを有することも、本発明の目的の一つである。１０６０ｎｍ波長では、標準ＯＭ２（optical multi-mode fiber standards）および標準ＯＭ３、ＯＭ４の光ファイバは、直接用いることができない。また、これらには分散補償ファイバが必要であり、分散補償ファイバは、標準ＯＭ２、ＯＭ３、ＯＭ４ファイバよりも高額である。しかしながら、８５０ｎｍ波長帯では、標準ＯＭ２、ＯＭ３、ＯＭ４ファイバは、分散補償ファイバを用いることなくデータ通信に容易に利用することが可能である。このことには、８５０ｎｍ波長の高性能かつ高伝送速度のＶＣＳＥＬを用いることで得られる多大なる商業的な恩恵がある。
図３には、本発明に係る活性領域２０３と、ＧａＡｓ量子井戸とＡｌＧａＡｓバリア層とを備えた従来の８５０ｎｍ波長のＶＣＳＥＬとのエネルギーバンドを比較した図が示されている。図３に示すように、導電帯において、従来の８５０ｎｍ波長のＶＣＳＥＬにおけるＡｌＧａＡｓからなるバリア層では、エネルギー順位Ｅｃ１が与えられ、ＧａＡｓ１−ｙＰｙからなる本発明に係るバリア層２７０では、エネルギー順位Ｅｃ２が与えられる。エネルギー順位Ｅｃ２は、エネルギー順位Ｅｃ１よりも大きいが、両者の差の値ΔＥｃは、５〜５０ｍｅＶかそれよりも大きい範囲にある。価電子帯では、従来の８５０ｎｍ波長ＶＣＳＥＬのＡｌＧａＡｓからなるバリア層は、エネルギー順位Ｅｖ１を与え、本発明のＧａＡｓ１−ｙＰｙからなるバリア層２７０は、エネルギー順位Ｅｖ１よりも大きいエネルギー順位Ｅｖ２を与える。両者の差の値ΔＥｖは５〜２０ｍｅＶかそれよりも大きい範囲にある。
再び図２を参照して、活性領域２０３は、更に、２以上の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層２６１，２６２と、２つのクラッド層２５１，２５２とを有している。ＳＣＨ層２６１，２６２は、それぞれバリア層２７０に接続されている。また、クラッド層２５１，２５２は、量子井戸２８０、バリア層２７０およびＳＣＨ層２６１，２６２を挟み込むように形成されている。詳しくは、ＳＣＨ層２６１，２６２はＡｌＧａＡｓからなり、クラッド層２５１，２５２はｐ−ＤＢＲおよびｎ−ＤＢＲに関してアンドープである。本実施の形態では、ＳＣＨ層２６１，２６２は、連続した傾斜路として形成されている。なお、特許文献２にも開示されているように、ＳＣＨ層２６１，２６２の傾斜路にそって他の物質や移行層は存在していない。
図４は、本発明の実施の形態に係るＶＣＳＥＬ２００において、レーザ光の出射波長における理論上の計算結果を示した図である。図示のとおり、ＶＣＳＥＬ２００のＦ−Ｐｄｉｐにおけるレーザ光の波長は、８４６．２ｎｍである。この結果は、エピタキシャル成長させたＶＣＳＥＬのＦ−Ｐｄｉｐの値、すなわち、図５に示されているように、８４５．５ｎｍの値にかなり近い。このことで、本発明の実施の形態に係る活性領域２０３を備えたＶＣＳＥＬ２００がおよそ８５０ｎｍ波長のレーザ光の出射に適用可能であることが確認される。
すなわち、本発明の実施の形態にかかる活性領域２０３が、ＧａＡｓからなる従来の非歪バリア層の代わりに、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓからなる圧縮歪量子井戸２８０、ＧａＡｓ１−ｙＰｙからなる張力歪バリア層を適用するように、ＧａＡｓ１−ｙＰｙからなる本発明にかかるバリア層２７０によって、キャリア漏洩やオーバフローを防止し、光の閉じ込めの改善および伝送速度の改善をもたらすための高いバンドギャップがもたらされる。また、ＧａＡｓ１−ｙＰｙからなるバリア層２７０は高温性能が良好で、半導体レーザ装置の製品寿命の長期化に寄与する。
また、ＶＣＳＥＬ２００における活性領域２０３がＩｎｘＧａ１−ｘＡｓの量子井戸と、ＧａＡｓ１−ｙＰｙのバリア層とからなり、アルミニウムを含まない。従来のＶＣＳＥＬのように、活性領域にアルミニウムが含まれているときは、そのアルミニウムを取り巻く水分／湿気によってバリア層や量子井戸などが酸化され、ＶＣＳＥＬの製品寿命が低下しやすいという課題があった。しかし、本発明の実施の形態にかかるＶＣＳＥＬ２００は、活性領域にアルミニウムが含まれていないので、従来のＶＣＳＥＬのように、バリア層や量子井戸などが酸化されることがない。したがって、本発明によれば、従来よりも、ＶＣＳＥＬの製品寿命を長期化することができる。
本発明につき、現時点で最も実用的で好ましい好適な実施の形態に関連して説明したが、本発明は、開示されている実施の形態に限定されることはなく、発明の精神と範囲を逸脱しない範囲において含まれる様々な変形例や均等な改良を包含するものである。
本発明を適用することにより、光閉じ込め作用と伝送速度が向上し、高温での動作性能、信頼できる特性および長期の製品寿命を備えるように改良されたＶＣＳＥＬを得ることができる。本発明は、垂直キャビティ表面発光レーザの分野で利用することができる。
２９…第１の窓部、２００…ＶＣＳＥＬ、２０１…基板、２０２…底部ＤＢＲ、２０３…活性領域、２０４…頂部ＤＢＲ、２０６…頂部電極層、２０７…底部電極層、２０８…ｐ形高ドープ頂部接触層、２０９…ｐ形高ドープ底部接触層、２５１，２５２…クラッド層、２６１，２６２…ＳＣＨ層、２７０…バリア層、２８０…量子井戸、３１０…酸化部、３１１，３１２…位相整合層、３１３…電流制限・閉じ込め層、３１４…酸化アパーチャ領域。

Claims (10)

  1. 波長がおよそ８５０ｎｍのレーザ光を出射する垂直キャビティ表面発光レーザであって、該垂直キャビティ表面発光レーザが活性領域を有し、該活性領域が、
    ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓからなる２以上の量子井戸と、
    ＧａＡｓ１−ｙＰｙからなり、該量子井戸に接続されている３以上のバリア層とを有し、
    該量子井戸およびバリア層における前記ｘ、ｙについて、該ｘが０．０５から０．１の範囲内にあり、該ｙが０．２から０．２９の範囲内にある垂直キャビティ表面発光レーザ。
  2. 前記活性領域が、前記バリア層に隣接して形成された分離閉じ込めヘテロ構造層を有し、該分離閉じ込めヘテロ構造層がＡｌＧａＡｓから形成されている請求項１記載の垂直キャビティ表面発光レーザ。
  3. 前記分離閉じ込めヘテロ構造層が連続した傾斜路として形成されている請求項２記載の垂直キャビティ表面発光レーザ。
  4. 前記量子井戸およびバリア層が３ｎｍから５ｎｍの範囲の厚さを有する請求項１〜３のいずれか一項記載の垂直キャビティ表面発光レーザ。
  5. 前記量子井戸およびバリア層とは、アンドープＧａＡｓまたはｐ形若しくはｎ形のドープしたシリコン基板上に成長されている請求項１〜４のいずれか一項記載の垂直キャビティ表面発光レーザ。
  6. メサ構造と、パッシベーション層とを更に有し、該パッシベーション層がシリコン窒素酸化物若しくはポリマーからなるか、または該シリコン窒素酸化物およびポリマーからなり、前記メサ構造の外側表面を覆うように形成されている請求項１〜５のいずれか一項記載の垂直キャビティ表面発光レーザ。
  7. 前記活性領域を挟み込む２つの反射鏡層を更に有する請求項１〜６のいずれか一項記載の垂直キャビティ表面発光レーザ。
  8. 電流閉じ込め構造をもたらす環状酸化層が前記反射鏡層の少なくとも一方に形成されている請求項７記載の垂直キャビティ表面発光レーザ。
  9. 頂部分布ブラッグ反射鏡と、底部分布ブラッグ反射鏡との間に活性領域が形成され、波長がおよぞ８５０ｎｍのレーザ光を出射する垂直キャビティ表面発光レーザであって、
    前記活性領域は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓからなりアルミニウムを含まない２以上の量子井戸と、
    該量子井戸に接続され、ＧａＡｓ１−ｙＰｙからなりアルミニウムを含まない３以上のバリア層とを有し、
    前記活性領域と前記頂部分布ブラッグ反射鏡との間に電流制限・閉じ込め層が形成され、
    該電流制限・閉じ込め層は、中央に配置されているアパーチャ領域の外側に絶縁部が形成され、
    該量子井戸およびバリア層における前記ｘ、ｙについて、該ｘが０．０５から０．１の範囲内にあり、該ｙが０．２から０．２９の範囲内にある垂直キャビティ表面発光レーザ。
  10. 前記頂部分布ブラッグ反射鏡および前記底部分布ブラッグ反射鏡の側から前記電流制限・閉じ込め層を挟むように形成された位相整合層を更に有する請求項９記載の垂直キャビティ表面発光レーザ。
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