JP2021166272A - 面発光レーザおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】発振スペクトルの数を少なくすることが可能な面発光レーザおよびその製造方法を提供する。【解決手段】下部DBR層12と、前記下部DBR層の上に設けられた活性層14と、前記活性層の上に設けられた上部DBR層16と、を具備し、前記上部DBR層に、前記下部DBR層とは反対側に向けて先細りのコーナーリフレクタ50が設けられ、前記コーナーリフレクタの平面形状は円形、または偶数個の頂点を有する多角形である面発光レーザ100。【選択図】図2
Description
本開示は面発光レーザおよびその製造方法に関するものである。
面発光型のレーザダイオード(面発光レーザ)が知られている。面発光レーザは基板の上に設けられた反射層および活性層を有する。活性層の上にコーナーリフレクタを設け、コーナーリフレクタと反射層とで共振器を形成する技術がある。
面発光レーザの変調特性の拡大などには、発振スペクトルの数を少なくすることが有効である。そこで、発振スペクトルの数を少なくすることが可能な面発光レーザおよびその製造方法を提供することを目的とする。
本開示に係る面発光レーザは、第1反射層と、前記第1反射層の上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられた第2反射層と、を具備し、前記第2反射層に、前記第1反射層とは反対側に向けて先細りのコーナーリフレクタが設けられ、前記コーナーリフレクタの平面形状は円形、または偶数個の頂点を有する多角形である。
本開示に係る面発光レーザの製造方法は、基板の上に、第1反射層、活性層、および第2反射層を順に積層する工程と、前記第2反射層の一部をエッチングすることで、前記第2反射層に前記第1反射層とは反対側に向けて先細りのコーナーリフレクタを形成する工程と、を有し、前記コーナーリフレクタの平面形状は円形、または偶数個の頂点を有する多角形である。
本開示によれば発振スペクトルの数を少なくすることが可能である。
[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施形態の内容を列記して説明する。
最初に本開示の実施形態の内容を列記して説明する。
本開示の一形態は、(1)第1反射層と、前記第1反射層の上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられた第2反射層と、を具備し、前記第2反射層に、前記第1反射層とは反対側に向けて先細りのコーナーリフレクタが設けられ、前記コーナーリフレクタの平面形状は円形、または偶数個の頂点を有する多角形である面発光レーザである。コーナーリフレクタが光の振幅分布を反転して光を反射する。回転非対称な高次横モードが抑圧され、回転対称な高次横モードのみが発振する。この結果、発振スペクトル数を低減することができる。
(2)前記コーナーリフレクタは前記面発光レーザの光軸の周りに360/8度回転対称以上の回転対称性を有してもよい。コーナーリフレクタが光軸周りに高い回転対称を有するため、回転非対称な高次横モードを抑圧し、回転対称な高次横モードのみを発振させる。この結果、発振スペクトル数を低減することができる。
(3)前記コーナーリフレクタの形状は円錐台、または多角錐台であり、前記コーナーリフレクタの上面は、光を出射する出射窓でもよい。コーナーリフレクタが光軸周りに高い回転対称を有するため、回転非対称な高次横モードを抑圧し、回転対称な高次横モードのみを発振させる。この結果、発振スペクトル数を低減することができる。上面から光を出射することができる。
(4)前記コーナーリフレクタの側面に設けられたキャップ層を具備し、前記キャップ層の屈折率は前記第2反射層の屈折率より低く、かつ2.73以上であり、前記コーナーリフレクタの上面および前記キャップ層の上面から光を出射させてもよい。キャップ層により光を出射窓に導き、出射窓から出射することができる。光のロスを抑制することができる。
(5)前記第2反射鏡層は、前記コーナーリフレクタの側面から内側に向けて延伸する酸化領域を有してもよい。酸化領域は回折格子として機能し、光は回折格子で散乱され、出射される。
(6)基板を具備し、前記第1反射層、前記活性層および前記第2反射層は前記基板の上に順に設けられ、前記コーナーリフレクタの形状は円錐、または多角錐であり、前記基板の下面は、光を出射する出射窓でもよい。コーナーリフレクタが光軸周りに高い回転対称を有するため、回転非対称な高次横モードを抑圧し、回転対称な高次横モードのみを発振させる。発振スペクトル数を低減することができる。基板から光を出射することができる。
(7)前記出射窓の幅は、基本横モード成分のみを出射可能な幅の2倍以上でもよい。基本横モード成分とともに高次横モード成分の光を出射窓から出射することで、光出力を大きくすることができる。
(8)前記コーナーリフレクタは、入射する光の振幅分布を反転して反射してもよい。回転非対称な高次横モードを抑圧し、回転対称な高次横モードのみを発振させる。発振スペクトル数を低減することができる。基板から光を出射することができる。
(9)前記コーナーリフレクタの側面は、前記第1反射層の上面に対して45°傾斜した面を含んでもよい。コーナーリフレクタに入射する光の振幅分布を反転させて、当該光を反射し、第1反射層側に戻すことができる。
(10)前記第1反射層および前記第2反射層のそれぞれは、積層された複数の半導体層を含むDBR層である。
(11)前記第1反射層はp型またはn型の半導体層であり、前記第2反射層は、前記活性層側から順に積層された第3反射層および第4反射層を含み、前記第3反射層は前記第1反射層とは反対の導電型の半導体層であり、前記第4反射層はノンドープの半導体層でもよい。第2反射層に先細りのコーナーリフレクタが設けられ、かつ第2反射層がノンドープの第4反射層を含むことで、寄生容量が低下する。寄生容量の低下により高速な変調特性を得ることができる。
(11)基板の上に、第1反射層、活性層、および第2反射層を順に積層する工程と、前記第2反射層の一部をエッチングすることで、前記第2反射層に前記第1反射層とは反対側に向けて先細りのコーナーリフレクタを形成する工程と、を有し、前記コーナーリフレクタの平面形状は円形、または偶数個の頂点を有する多角形である面発光レーザの製造方法である。回転非対称な高次横モードが抑圧され、回転対称な高次横モードのみが発振する。この結果、発振スペクトル数を低減することができる。発振スペクトル数を低減することにより、変調帯域を拡大し、高速な変調特性を得ることができる。第2反射層の一部をエッチングするため、第2反射層の堆積が減少し、寄生容量が低下する。
(2)前記コーナーリフレクタは前記面発光レーザの光軸の周りに360/8度回転対称以上の回転対称性を有してもよい。コーナーリフレクタが光軸周りに高い回転対称を有するため、回転非対称な高次横モードを抑圧し、回転対称な高次横モードのみを発振させる。この結果、発振スペクトル数を低減することができる。
(3)前記コーナーリフレクタの形状は円錐台、または多角錐台であり、前記コーナーリフレクタの上面は、光を出射する出射窓でもよい。コーナーリフレクタが光軸周りに高い回転対称を有するため、回転非対称な高次横モードを抑圧し、回転対称な高次横モードのみを発振させる。この結果、発振スペクトル数を低減することができる。上面から光を出射することができる。
(4)前記コーナーリフレクタの側面に設けられたキャップ層を具備し、前記キャップ層の屈折率は前記第2反射層の屈折率より低く、かつ2.73以上であり、前記コーナーリフレクタの上面および前記キャップ層の上面から光を出射させてもよい。キャップ層により光を出射窓に導き、出射窓から出射することができる。光のロスを抑制することができる。
(5)前記第2反射鏡層は、前記コーナーリフレクタの側面から内側に向けて延伸する酸化領域を有してもよい。酸化領域は回折格子として機能し、光は回折格子で散乱され、出射される。
(6)基板を具備し、前記第1反射層、前記活性層および前記第2反射層は前記基板の上に順に設けられ、前記コーナーリフレクタの形状は円錐、または多角錐であり、前記基板の下面は、光を出射する出射窓でもよい。コーナーリフレクタが光軸周りに高い回転対称を有するため、回転非対称な高次横モードを抑圧し、回転対称な高次横モードのみを発振させる。発振スペクトル数を低減することができる。基板から光を出射することができる。
(7)前記出射窓の幅は、基本横モード成分のみを出射可能な幅の2倍以上でもよい。基本横モード成分とともに高次横モード成分の光を出射窓から出射することで、光出力を大きくすることができる。
(8)前記コーナーリフレクタは、入射する光の振幅分布を反転して反射してもよい。回転非対称な高次横モードを抑圧し、回転対称な高次横モードのみを発振させる。発振スペクトル数を低減することができる。基板から光を出射することができる。
(9)前記コーナーリフレクタの側面は、前記第1反射層の上面に対して45°傾斜した面を含んでもよい。コーナーリフレクタに入射する光の振幅分布を反転させて、当該光を反射し、第1反射層側に戻すことができる。
(10)前記第1反射層および前記第2反射層のそれぞれは、積層された複数の半導体層を含むDBR層である。
(11)前記第1反射層はp型またはn型の半導体層であり、前記第2反射層は、前記活性層側から順に積層された第3反射層および第4反射層を含み、前記第3反射層は前記第1反射層とは反対の導電型の半導体層であり、前記第4反射層はノンドープの半導体層でもよい。第2反射層に先細りのコーナーリフレクタが設けられ、かつ第2反射層がノンドープの第4反射層を含むことで、寄生容量が低下する。寄生容量の低下により高速な変調特性を得ることができる。
(11)基板の上に、第1反射層、活性層、および第2反射層を順に積層する工程と、前記第2反射層の一部をエッチングすることで、前記第2反射層に前記第1反射層とは反対側に向けて先細りのコーナーリフレクタを形成する工程と、を有し、前記コーナーリフレクタの平面形状は円形、または偶数個の頂点を有する多角形である面発光レーザの製造方法である。回転非対称な高次横モードが抑圧され、回転対称な高次横モードのみが発振する。この結果、発振スペクトル数を低減することができる。発振スペクトル数を低減することにより、変調帯域を拡大し、高速な変調特性を得ることができる。第2反射層の一部をエッチングするため、第2反射層の堆積が減少し、寄生容量が低下する。
[本開示の実施形態の詳細]
本開示の実施形態に係る面発光レーザおよびその製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本開示の実施形態に係る面発光レーザおよびその製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
<第1実施形態>
(面発光レーザ)
図1Aは実施例1に係る面発光レーザ100を例示する平面図である。図1Bは面発光レーザ100を例示する断面図であり、図1Aの線A−Aに沿った断面を図示する。
(面発光レーザ)
図1Aは実施例1に係る面発光レーザ100を例示する平面図である。図1Bは面発光レーザ100を例示する断面図であり、図1Aの線A−Aに沿った断面を図示する。
図1Aに示すように、面発光レーザ100は例えば一辺が200μm〜300μmの矩形の垂直共振型面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)である。
図1Aに示すように、面発光レーザ100にはメサ40が設けられている。メサ40の平面形状は矩形であり、各頂点に面取り部42を有する。メサ40に囲まれる位置に、溝13、メサ19が設けられている。メサ40の上にパッド32および35が設けられている。
図1Aに示すようにメサ19の平面形状は円形である。メサ19は溝13に囲まれており、面発光レーザ100の光出射部として機能する。メサ19の上に電極33が設けられる。電極33は配線34によりパッド35に電気的に接続される。溝13に電極30が設けられる。電極30は配線31によりパッド32に電気的に接続される。パッド32および35は面発光レーザ100と外部機器との電気的な接続に用いられる。
図1Bに示すように、面発光レーザ100は基板10、下部DBR(DBR:Distributed Bragg Reflector)層12(第1反射層)、活性層14、上部DBR層16(第2反射層)を備える。基板10の上に下部DBR層12、活性層14、上部DBR層16が順に積層される。下部DBR層12の途中にコンタクト層15が設けられている。上部DBR層16は活性層14側から順に積層されたp−DBR層16aとi−DBR層16bを有する。上部DBR層16にコーナーリフレクタ50が設けられている。図1Bにおける層の積層方向をZ軸方向とする。Z軸方向の基板10側を下方向、コーナーリフレクタ50側を上方向とする。
基板10、下部DBR層12、コンタクト層15、活性層14、および上部DBR層16はメサ40を形成する。下部DBR層12、コンタクト層15、活性層14、および上部DBR層16はメサ19を形成する。メサ19および40は上方向に延伸し、基板10の上面に対して例えば垂直である。メサ19の中央にコーナーリフレクタ50が設けられている。コーナーリフレクタ50の側面はp−DBR層16aの面16cに対して例えば45°傾斜する。
基板10は例えば半絶縁性のガリウム砒素(GaAs)で形成された半導体基板である。下部DBR層12は例えば組成の異なるn型のアルミニウムガリウム砒素(AlxGa1−xAs、0≦x≦0.3およびAlyGa1−yAs、0.7≦y≦1)を光学膜厚λ/4ずつ交互に積層した半導体多層膜である。λは活性層14が出射する光の波長である。下部DBR層12には例えばシリコン(Si)がドーピングされている。コンタクト層15は例えばn型のAlGaAsまたはGaAsで形成される。
活性層14は例えばAlGaAsおよびインジウムガリウム砒素(InGaAs)で形成され、量子井戸層とバリア層とが交互に積層された多重量子井戸(MQW:Multiple Quantum Well)構造を有し、光学利得を有する。活性層14と下部DBR層12との間、および活性層14と上部DBR層16との間には、不図示の分散閉じ込めヘテロ構造のSCH(Separate Confinement Heterostructure)層が介在する。
上部DBR層16は例えばAlxGa1−xAs(0≦x≦0.3)およびAlyGa1−yAs(0.7≦y≦1)を光学膜厚λ/4ずつ交互に積層した半導体多層膜である。p−DBR層16aは例えば炭素(C)がドーピングされたp型の半導体層である。i−DBR層16bはノンドープの半導体層である。コーナーリフレクタ50のうち、電極33に接続され、電流の経路となる部分、はp−DBR層16aで形成される。コーナーリフレクタ50のうち、電極33に接続されず、電流の経路でない部分はi−DBR層16bで形成される。
基板10、下部DBR層12、コンタクト層15、活性層14、上部DBR層16は上記以外の化合物半導体で形成されてもよい。例えば基板10はGaAs以外に、AlxGa1−xAs(0≦x≦0.2)などでもよい。
上部DBR層16の一部を選択的に酸化させることで酸化狭窄層22が形成される。図1Bに示すように、酸化狭窄層22はメサ19の上部DBR層16の端部から内側に向けて延伸し、上部DBR層16の中央部には形成されない。酸化狭窄層22は例えば酸化アルミニウム(Al2O3)を含み、絶縁性であり、酸化されない部分よりも電流が流れにくい。したがって上部DBR層16の中央側である未酸化部分が電流経路となり、効率的な電流注入が可能となる。
メサ19の周縁部、およびメサ40には高抵抗領域20が形成されている。例えば下部DBR層12のコンタクト層15よりも上側、活性層14、上部DBR層16に、プロトンなどのイオンを注入することで高抵抗領域20が形成される。溝13は高抵抗領域20を厚さ方向に貫通し、メサ19を囲む。コンタクト層15が溝13の底面を形成する。
絶縁膜44は例えば厚さ400nmの酸窒化シリコン(SiON)または酸化シリコン(SiO2)で形成され、メサ19および40の表面を覆う。絶縁膜46は例えば厚さ100nmのSiNなどの絶縁体で形成され、絶縁膜44を覆う。
電極30は、例えば金(Au)とゲルマニウム(Ge)とニッケル(Ni)との積層構造を有するn型電極であり、溝13の内側であってコンタクト層15の上面に設けられている。電極30はコンタクト層15と電気的に接続されるオーミック電極である。電極33は、例えばチタン(Ti)、白金(Pt)およびAuの積層構造を有するp型電極であり、メサ19の上であってp−DBR層16aの上面および傾斜した面に設けられている。電極33はp−DBR層16aと電気的に接続されるオーミック電極である。
パッド32および35はメサ19の外側であってメサ40の上に位置する。配線31はパッド32と電極30とを電気的に接続する。配線34はパッド35と電極33とを電気的に接続する。配線31および34、パッド32および35はAuなどの金属で形成されている。配線およびパッドの下に不図示のシードメタルが設けられてもよい。
図2はメサ19を拡大した断面図である。図3Aはコーナーリフレクタ50を例示する斜視図であり、図3Bはコーナーリフレクタ50を例示する平面図である。図3Aおよび図3Bにおいて、コーナーリフレクタ50以外の構成は図示していない。面発光レーザ100の光軸AXはZ軸方向に延伸する。
図2に示すように下部DBR層12および上部DBR層16は半導体多層膜である。上部DBR層16にコーナーリフレクタ50が設けられている。コーナーリフレクタ50は、上部DBR層16の面16cから上に向けて先細りである。図3Aに示すようにコーナーリフレクタ50は、円錐台形状のアキシコンレトロリフレクタである。図3Bに示すようにコーナーリフレクタ50の平面形状(Z軸方向から見た形状)は円である。コーナーリフレクタ50は光軸AX周りに回転対称性を有する。
図2におけるコーナーリフレクタ50の側面を面52aおよび52bとする。面52aおよび52bは、基板10、下部DBR層12および活性層14の上面、上部DBR層16の面16cに対して例えば45°傾斜している。面54はコーナーリフレクタ50の上面であり、基板10の上面に対して平行であり、光の出射窓として機能する。面16cから面54までの高さH1は例えば2.5μm以下である。コーナーリフレクタ50の下側の幅W1は例えば10μmであり、上側の幅W2は例えば5μmである。酸化狭窄層22の先端間の幅W3は例えば7μmである。
下部DBR層12と上部DBR層16とは共振器(第1共振器)を形成する。コーナーリフレクタ50と下部DBR層12とは共振器(第2共振器)を形成する。第1共振器と第2共振器とは複合共振器を形成し、第2共振器は外部共振器とみなすことができる。
図1Aおよび図1Bに示したパッド32および35に電圧を印加し、活性層14にキャリアを注入することで、活性層14が光を出射する。活性層14から出射される光は、下部DBR層12と上部DBR層16との間で反射を繰り返し、共振する。
コーナーリフレクタ50は、光の振幅分布を光軸に対して反転して反射する。例えば、下方向からコーナーリフレクタ50の面52aに入射する光は、面52aで全反射され、光軸AXを挟んで反対側の面52bに入射し、面52bで全反射され、入射方向(下方向)に帰還する。光は下部DBR層12で反射され、再びコーナーリフレクタ50に入射する。下方向から面52bに入射する光は、面52bで全反射され、面52aに入射し、面52aで全反射され、下方向に帰還する。光は、コーナーリフレクタ50と下部DBR層12との間で反射を繰り返し、発振し、面54から出射される。
光通信などに面発光レーザを用いる場合、面発光レーザの変調特性が重要となる。高速変調のためには変調帯域を高帯域化する。第1実施形態によれば面発光レーザ100の変調帯域を高帯域化することが可能である。変調特性には共振器長、発振スペクトル数および寄生容量が影響する。
共振器長の影響について説明する。面発光レーザの変調帯域は緩和振動周波数によって定まり、緩和振動周波数が高くなるほど変調帯域の高帯域化が可能になる。次式のように緩和振動周波数ωRはフォトンライフタイムτpの平方根の逆数に比例する。
次式のようにフォトンライフタイムτpは有効共振器長Leffに比例する。
共振器長が短くなるほど、緩和振動周波数ωRが高くなり、変調帯域の高帯域化が可能となる。
『Generalized rate equations and modulation characteristics of external−cavity semiconductor lasers』(Agrawal,Journal of Applied Physics 56,3110,1984)によれば、共振器の緩和振動周波数は、外部共振器を設けることでさらに増大する。
コーナーリフレクタ50の幅W1は例えば10μmであるため、下部DBR層12とコーナーリフレクタ50とが形成する第2共振器(外部共振器)の共振器長も10μm程度である。一方、下部DBR層12と上部DBR層16とが形成する第1共振器の共振器長L1は、第2共振器の共振器長に比べて小さく、例えばλ/2程度である。発振波長λが例えば850nmならば、共振器長L1はλ/2=425nm程度である。このため有効共振器長Leffが短くなり、フォトンライフタイムτpが低下し、緩和振動周波数ωRは増大する。この結果、コーナーリフレクタを有する面発光レーザにおいても、下部DBR層と上部DBR層とが形成する共振器のみを有する面発光レーザと同等以上の変調特性が得られる。
特許文献1では、上側のDBR層が形成されておらず、下側のDBR層とコーナーリフレクタとが共振器を形成する。共振器長は長く、10μm程度である。これに対し第1実施形態では第1共振器の共振器長L1がλ/2〜425nm程度であり、10μmのおよそ1/20倍である。このためフォトンライフタイムτpはおよそ1/20倍になり、緩和振動周波数ωRはおよそ√20=4.5倍となる。
次に発振スペクトル数の変調特性への影響について説明する。図4Aは比較例における発振スペクトルを例示する図であり、面発光レーザに12mAのバイアス電流を入力した際の発振スペクトルである。比較例は、上部DBR層16にコーナーリフレクタを設けず、他の構成は第1実施形態と同じ面発光レーザである。図4Aに示すように、0次のモード(基本モード)、および1次から3次までの高次横モードが発振する。1次〜3次の高次横モードは複数のピークを含む。回転対称な高次横モードおよび回転非対称な高次横モードが発振するためである。
図4Bは第1実施形態における発振スペクトルを例示する図である。図4Aの例に比べて1次〜3次モードのピークの数が減少しており、それぞれのモードは1つのピークを有する。図4Bの例における発振スペクトル数は、図4Aの例のおよそ半分である。
コーナーリフレクタ50と下部DBR層12とは第2共振器を形成する。図3Aおよび図3Bに示したように、コーナーリフレクタ50は光軸AX周りに回転対称であり、光の振幅分布を反転して、光を反射する。第2共振器によって、回転非対称な高次横モードは抑圧され、回転対称な高次横モードのみが発振する。この結果、図4Bのように発振スペクトル数が低減する。
マルチモード発振時の変調特性はマルチモード発振時の緩和振動周波数で決まる。『Small−Signal Analysis of Ultra−High−Speed Multi−Mode VCSELs』(Wissam Hamad et al. IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS,VOL.52,NO.7,June 2016)によれば、緩和振動周波数ωRは、スレシホールド利得gth、閉じ込め係数Γ、各モードの微分利得ai、各モードのフォトン密度Siを用いて次式で表される。
発振スペクトル数が減少するほど各モードにおける微分利得aiが増大する。図4Bの例では図4Aの例に比べて発振スペクトル数が半分程度であるため、微分利得aiは約2倍になる。緩和振動周波数は約√2倍=1.4倍に増大する。この結果、変調特性が高速になる。
変調特性には寄生容量も影響する。面発光レーザ100ではp−DBR層16aをエッチングすることでコーナーリフレクタ50が形成される。p−DBR層16aの体積が減少するため、寄生容量が低下し、変調帯域が拡大する。コーナーリフレクタ50を設けない場合に比べて、p−DBR層16aの体積が半分程度になる。この影響により変調帯域は約1.4倍になる。スペクトル数の低減による効果と、寄生容量の低減の効果を合わせると、コーナーリフレクタ50を設けない場合に比べて変調帯域はおよそ2倍となる。
(製造方法)
次に面発光レーザ100の製造方法を説明する。図5Aおよび図5Bは面発光レーザ100の製造方法を例示する断面図である。図6Aから図9Bは面発光レーザ100の製造方法を例示する平面図である。
次に面発光レーザ100の製造方法を説明する。図5Aおよび図5Bは面発光レーザ100の製造方法を例示する断面図である。図6Aから図9Bは面発光レーザ100の製造方法を例示する平面図である。
まず、例えば有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法または分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法などにより基板10上に下部DBR層12、活性層14および上部DBR層16を順にエピタキシャル成長する。下部DBR層12の成長の途中にコンタクト層15も成長する。上部DBR層16は酸化狭窄層22形成のためのAl組成の高い層(AlxGa1−xAs層(0.9≦x≦1.0)など)を含む。
イオン注入を行うことで高抵抗領域20を形成する。具体的には、例えば厚さ10μm以上、15μm以下のフォトレジストをスピン塗布する。フォトレジストの一部をマスクで覆い、露光装置を用いて例えば波長365nmの紫外線(UV:Ultraviolet)を照射する。フォトレジストのうち露光した部分を水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)などのアルカリ溶液で溶解し、フォトレジストのうちマスクで覆われた部分を残存させる。例えばプロトン(H+)などのイオンを注入することで高抵抗領域20を形成する。ウェハのうちフォトレジストで覆われた部分にはプロトンは注入されず、フォトレジストから露出する部分にプロトンが注入される。注入深さは例えば5μmである。イオン注入後、有機溶媒および酸素プラズマなどによるアッシングを行い、フォトレジストを除去する。
図5Aでは上部DBR層16を抜き出している。上部DBR層16の上に、例えば厚さ2.5μm以上のフォトレジストをスピン塗布する。フォトレジストの露光、現像およびポストベークにより、上部DBR層16の一部を覆うレジストマスク51を形成する。レジストマスク51は例えば円錐台形状であり、露光条件、ポストベークの温度および時間などによりレジストマスク51の傾斜角度を調整することができる。レジストマスク51を用いて、上部DBR層16を例えば2.5μmの深さまでドライエッチングする。図5Bに示すように、レジストマスク51に対応した形状が上部DBR層16にも形成される。すなわちドライエッチングによりコーナーリフレクタ50が形成される。
図6Aに示すように、例えば誘電結合プラズマ反応性イオンエッチング(ICP−RIE)装置を用いて高抵抗領域20のドライエッチングを行い、メサ19を形成する。このとき高抵抗領域20には下部DBR層12まで達する溝13が形成され、エッチングしない部分は不図示のフォトレジストで保護される。エッチングガスとして例えばBCl3ガス、またはBCl3とCl2との混合ガスを用いる。エッチング条件の例を以下に示す。
BCl3/Ar=30sccm/70sccm
(またはBCl3/Cl2/Ar=20sccm/10sccm/70sccm)
ICPパワー:50W〜1000W
バイアスパワー:50W〜500W
ウェハの温度:25℃以下
BCl3/Ar=30sccm/70sccm
(またはBCl3/Cl2/Ar=20sccm/10sccm/70sccm)
ICPパワー:50W〜1000W
バイアスパワー:50W〜500W
ウェハの温度:25℃以下
図6Bに示すように、例えば水蒸気雰囲気中で400℃程度に加熱することで、メサ19の上部DBR層16の一部をメサ19の端部側から酸化し、酸化狭窄層22を形成する。酸化狭窄層22が所定の幅に達し、酸化狭窄層22の間に所定の幅の未酸化部分が残るように加熱時間を定める。
図7Aに示すように、高抵抗領域20、下部DBR層12および基板10の一部をドライエッチングすることで溝11を形成する。メサ19および溝13などエッチングしない部分は不図示のフォトレジストで覆う。エッチングガスとして例えばBCl3ガス、またはBCl3とCl2との混合ガスを用いる。エッチングの条件を以下に示す。
BCl3/Ar=30sccm/70sccm
(またはBCl3/Cl2/Ar=20sccm/10sccm/70sccm)
ICPパワー:50W〜1000W
バイアスパワー:50W〜500W
ウェハの温度:25℃以下
BCl3/Ar=30sccm/70sccm
(またはBCl3/Cl2/Ar=20sccm/10sccm/70sccm)
ICPパワー:50W〜1000W
バイアスパワー:50W〜500W
ウェハの温度:25℃以下
溝11は素子分離のためのものである。溝11の深さは例えば7μmであり、溝11からは基板10が露出する。溝11の内側に面取り部42を有するメサ40が形成される。複数の面発光レーザ100間において下部DBR層12、活性層14および上部DBR層16は分離されるため、複数の面発光レーザ100は電気的に分離される。隣り合う面発光レーザ100間の距離は例えば30〜60μmである。
図7Bに示すように、例えばプラズマCVD法などによりウェハを覆う絶縁膜44を形成する。絶縁膜44は例えばSiON膜またはSiO2膜である。
図8Aに示すように、レジストパターンの形成およびエッチングなどにより絶縁膜44に開口部44aおよび44bを形成する。開口部44aは溝13に位置し、開口部44bはメサ19上に位置する。
図8Bに示すように、レジストパターニングおよび真空蒸着法により開口部44a内のコンタクト層15の表面に電極30を形成し、開口部44b内の上部DBR層16の表面に電極33を形成する。電極の形成後に例えば400℃程度の温度で1分間の熱処理を行うことで、電極と半導体との間でオーミック接触をとる。電極30は下部DBR層12と電気的に接続され、電極33は上部DBR層16と電気的に接続される。
図9Aに示すように、例えばプラズマCVD法などにより、絶縁膜44、電極30および33の上に絶縁膜46を形成する。絶縁膜46は例えばSiNなどの絶縁体で形成されている。図9Aに示すように、レジストパターンを用いて絶縁膜46をエッチングすることで、絶縁膜46に電極30が露出する開口部46a、および電極33が露出する開口部46bを形成する。また、絶縁膜44および46のうち溝11内の部分をエッチングし、基板10を露出させる。
図9Bに示すように、メッキ処理などにより、電極30に接続される配線31およびパッド32、電極33に接続される配線34およびパッド35を形成する。さらに不図示の絶縁膜(パッシベーション膜)を設け、パッシベーション膜にパッド32が露出する開口部、パッド35が露出する開口部を設ける。
バックグラインダーまたはラッピング装置などを用いて基板10の裏面を研磨し、厚さを100〜200μm程度とする。ウェハをテープに貼り付け、ブレードなどを用いて、溝11において基板10を切断し、個片化された面発光レーザ100を作成する。
第1実施形態によれば、上部DBR層16にコーナーリフレクタ50が設けられ、コーナーリフレクタ50の平面形状は円形である。コーナーリフレクタ50は、光軸AX周りに回転対称であり、下部DBR層12と共振器を形成する。共振器により、回転非対称な高次横モードが抑圧され、回転対称な高次横モードを発振させることができる。この結果、図4Bに示したように発振スペクトル数を低減することができる。
下部DBR層12と上部DBR層16とは第1共振器を形成し、下部DBR層12とコーナーリフレクタ50とは第2共振器を形成する。第1共振器によって、コーナーリフレクタ50のない面発光レーザと同程度の変調帯域が得られる。第2共振器により、回転非対称な高次横モードを抑圧し、発振スペクトル数を低減することができる。発振スペクトル数が低減することで変調帯域が拡大し、高速変調が可能となる。例えば図4Bのように図4Aに比べて発振スペクトル数を半分程度とすることで、変調帯域がおよそ1.4倍に拡大される。
コーナーリフレクタ50の形状は円錐台であり、コーナーリフレクタ50の斜面で光を全反射し、下部DBR層12に戻す。コーナーリフレクタ50は光軸AX周りに回転対称である。このため回転対称な高次横モードが支配的となり、回転非対称な高次横モードは強く抑圧される。発振スペクトル数が低減され、高速な変調特性が実現される。
図2に示すように、コーナーリフレクタ50の側面は上部DBR層16の上面に対して例えば45°傾斜している。コーナーリフレクタ50に入射する光を側面で反射し、活性層14側に帰還させることができる。反射された光の振幅分布は、入射光とは反転する。傾斜角度θは側面のすべての位置で45°でなくてもよい。側面が45°傾斜した面を含めばよく、側面の一部が例えば45°以上傾斜してもよいし、45°未満傾斜してもよい。面16cから面54までの平均した傾斜角度θが45°である。コーナーリフレクタ50は入射する光の振幅分布を反転して反射する作用を有してればよい。
コーナーリフレクタ50の上面(面54)は光の出射窓として機能し、光を面54から外部へと出射することができる。面54の幅W2(直径)は基本横モード成分のみを出射可能な幅の2倍以上であることが好ましい。具体的には、発振波長が850nm〜900nmの場合、幅W2は5μm以上である。幅W2をこのように大きくすることで、基本横モード成分の光だけでなく、高次横モード成分の光も面54から出射することができ、光出力の向上が可能となる。
上部DBR層16のエッチングによりコーナーリフレクタ50を形成することで、コーナーリフレクタ50を設けない場合に比べ、電極30と電極33との間における、上部DBR層16に含まれる半導体層の層数が減少する。上部DBR層16の体積が例えば半分程度に減少する。寄生容量が低下し、変調帯域がより拡大する。
上部DBR層16の全体がp−DBR層でもよいが、上部DBR層16は順に積層されたp−DBR層16aとi−DBR層16bとを含むことが好ましい。電極33をp−DBR層16aに接続し、i−DBR層16bには接続しない。電極33からp−DBR層16aを通じて活性層14に電流を注入することができる。上部DBR層16がi−DBR層16bを含むことで、寄生容量が低下し、変調帯域がより拡大する。下部DBR層12がp型の層であり、上部DBR層16のp−DBR層16aに代えてn型の層を設けてもよい。すなわち、図2の上側から下側にかけてp−i−n構造である、またはn−i−p構造である。
図3Aに示すようにコーナーリフレクタ50の形状は円錐台であり、図3Bに示すように平面形状は円形である。変形例で説明するように、コーナーリフレクタの形状は円錐台に限定されず、光軸AX周りに高い回転対称性を有していればよい。
(変形例)
図10は変形例に係る面発光レーザのコーナーリフレクタ58を例示する平面図である。変形例は、コーナーリフレクタ以外は第1実施形態と同じ構成である。コーナーリフレクタ58の形状は八角錐台であり、図10に示すようにコーナーリフレクタ58の平面形状は正八角形である。コーナーリフレクタ58は光軸AX周りに360/8度対称である。360度/8度対称とは、360度の1/8の角度回転すると元の図形と重なる対称性である。である。面58aと面58bとは光軸AXを挟んで対向する。これらの面と同様に、コーナーリフレクタ58の8つの側面のうち1つは、光軸AXを挟んで1つの側面に対向する。面54は出射窓として機能する。
図10は変形例に係る面発光レーザのコーナーリフレクタ58を例示する平面図である。変形例は、コーナーリフレクタ以外は第1実施形態と同じ構成である。コーナーリフレクタ58の形状は八角錐台であり、図10に示すようにコーナーリフレクタ58の平面形状は正八角形である。コーナーリフレクタ58は光軸AX周りに360/8度対称である。360度/8度対称とは、360度の1/8の角度回転すると元の図形と重なる対称性である。である。面58aと面58bとは光軸AXを挟んで対向する。これらの面と同様に、コーナーリフレクタ58の8つの側面のうち1つは、光軸AXを挟んで1つの側面に対向する。面54は出射窓として機能する。
コーナーリフレクタ58と図1Bに示した下部DBR層12とは共振器を形成する。活性層14側からコーナーリフレクタ58の面58aに入射する光は、面58aで全反射され、面58bに入射し、面58bで全反射され、入射方向に戻り、下部DBR層12に反射され、面58bに再び入射する。面58bに入射する光は、面58bで全反射され、面58aに入射し、面58aで全反射され、入射方向に戻る。コーナーリフレクタ58は、光の振幅分布を反転して反射する。
変形例によれば、コーナーリフレクタ58は光軸AX周りに8回対称性を有する。コーナーリフレクタ58と下部DBR層12とが形成する共振器により、1次〜3次の回転非対称な高次横モードが抑圧され、回転対称な高次横モードを主に発振させることができる。図4Bの例と同様に発振スペクトル数が低減される。発振スペクトル数が低減することで変調帯域が拡大し、高速変調が可能となる。
コーナーリフレクタの平面形状が奇数個の頂点を有する多角形の場合、光が第2共振器内を1往復しても、振幅分布が元に戻る固有解が存在せず、良好な発振が得られない。コーナーリフレクタの平面形状が偶数個の頂点を有する多角形であることにより、回転非対称な高次横モードが抑圧され、回転対称な高次横モードを主に発振させることができる。コーナーリフレクタの平面形状が8個以上かつ偶数個の頂点を有し、光軸AXを挟んで対向する2つの辺が平行な多角形であることがより好ましい。コーナーリフレクタは例えば十角錐台、十二角錐台、二十角錐台などでもよい。
第1実施形態および変形例に示したように、コーナーリフレクタは円錐台、または八角錐台以上の偶数多角錐台である。コーナーリフレクタの平面形状は円形、または8個以上かつ偶数個の頂点を有する多角形である。コーナーリフレクタが光軸AX周りに8回対称以上の回転対称性を有することで、回転非対称な高次横モードを抑圧することができる。なおコーナーリフレクタの平面形状が多角形の場合、出射窓の幅は当該多角形の内接円の直径で定義される。コーナーリフレクタの平面形状が円形の場合、出射窓の幅は円の直径で定義される。
<第2実施形態>
図11は第2実施形態に係る面発光レーザ200を例示する断面図であり、メサ19を拡大している。第1実施形態と同じ構成については説明を省略する。
図11は第2実施形態に係る面発光レーザ200を例示する断面図であり、メサ19を拡大している。第1実施形態と同じ構成については説明を省略する。
図11に示すように、コーナーリフレクタ50の側面にキャップ層60が設けられている。キャップ層60は、円錐台形状のコーナーリフレクタ50の側面の全体を覆い、面54は覆わない。キャップ層60の上面はコーナーリフレクタ50の面54と同じ高さに位置し、面54とともに面62を形成する。キャップ層60の側面はコーナーリフレクタ50と同じ角度を有し、面16cに対して45°傾斜している。
キャップ層60は例えばSi、SiN、酸化チタン(TiO2)などで形成され、導光層として機能する。キャップ層60の屈折率は、上部DBR層16の屈折率より低く、空気の屈折率より高い。AlGaAsの上部DBR層16の屈折率は例えば約3.9であり、空気の屈折率は約1である。キャップ層60の屈折率は例えば2.73以上、3.9未満である。ここでの屈折率は発振波長における屈折率である。
キャップ層60の屈折率が2.73以上であるため、コーナーリフレクタ50に入射する光は全反射されず、一部はコーナーリフレクタ50で反射され、一部はキャップ層60に入射する。例えばコーナーリフレクタ50の面52aに下方向から入射する光の一部は、面52aを透過しキャップ層60に入射する。光はキャップ層60内を上方向に伝搬し、キャップ層60と空気との界面で反射し、水平方向に伝搬し、キャップ層60と面52aとの界面でさらに反射される。最終的に光は面62から上方向に出射される。キャップ層60に水平方向から入射する光は、キャップ層60と空気との界面、およびキャップ層60と上部DBR層16との界面で反射され、下方向に伝搬し、上部DBR層16で反射され、最終的に面62から上方向に出射される。キャップ層60は入射した光を面62に伝搬させる導光層として機能し、面62は出射窓として機能する。
第2実施形態によれば、キャップ層60に入射する光をキャップ層60内で伝搬させ、面62から出射させる。このため光のロスを抑制し、高い出力を実現することができる。第1実施形態と同様に、発振スペクトル数を低減し、変調帯域を拡大することができる。コーナーリフレクタ50の表面に酸化膜を設け、屈折率を低下させることで、キャップ層60への入射光量を調節することもできる。
<第3実施形態>
図12Aは第3実施形態に係る面発光レーザ300を例示する断面図であり、メサ19を拡大している。第1実施形態と同じ構成については説明を省略する。図12Aに示すように、上部DBR層16のうち、コーナーリフレクタ50となる部分に酸化領域64が形成されている。より詳細には、上部DBR層16を構成する半導体層(AlGaAs層)のそれぞれに、酸化領域64が形成されている。1つの酸化領域64の厚さT1(上部DBR層16中の1つの半導体層の厚さ)は例えば50〜100nmである。複数の酸化領域64のそれぞれは、上部DBR層16の側面から内側に向けて延伸する。上部DBR層16の半導体層(AlGaAs層)のAl組成比に応じて、酸化領域64の長さは異なる。酸化領域64におけるAl組成比は、酸化狭窄層22におけるAl組成比より低い。
図12Aは第3実施形態に係る面発光レーザ300を例示する断面図であり、メサ19を拡大している。第1実施形態と同じ構成については説明を省略する。図12Aに示すように、上部DBR層16のうち、コーナーリフレクタ50となる部分に酸化領域64が形成されている。より詳細には、上部DBR層16を構成する半導体層(AlGaAs層)のそれぞれに、酸化領域64が形成されている。1つの酸化領域64の厚さT1(上部DBR層16中の1つの半導体層の厚さ)は例えば50〜100nmである。複数の酸化領域64のそれぞれは、上部DBR層16の側面から内側に向けて延伸する。上部DBR層16の半導体層(AlGaAs層)のAl組成比に応じて、酸化領域64の長さは異なる。酸化領域64におけるAl組成比は、酸化狭窄層22におけるAl組成比より低い。
図12Bはコーナーリフレクタ50を例示する平面図である。複数の酸化領域64の内側の端部を点線で示す。図12Bに示すように、複数の酸化領域64は光軸AXを中心に同心円状に配置されている。酸化領域64の屈折率は、上部DBR層16の酸化領域64以外の部分の屈折率より低い。
コーナーリフレクタ50に酸化領域64が設けられることで、コーナーリフレクタ50に屈折率分布が生じる。1つの酸化領域64の厚さT1は発振波長より小さく、屈折率分布の周期は発振波長に比べて小さい。複数の酸化領域64は回折格子として機能する。コーナーリフレクタ50に入射した光は酸化領域64で散乱され、キャップ層60に入射し、キャップ層60に導光され、面62から出射される。第3実施形態によれば、光のロスを抑制し、高い出力を実現することができる。また、第1実施形態と同様に、発振スペクトル数を低減し、変調帯域を拡大することができる。
第3実施形態におけるキャップ層60の屈折率は上部DBR層16の屈折率と等しい、または大きくてもよい。キャップ層60は設けなくてもよい。
<第4実施形態>
図13は第4実施形態に係る面発光レーザ400を例示する断面図であり、メサ19を拡大している。第1実施形態と同じ構成については説明を省略する。
図13は第4実施形態に係る面発光レーザ400を例示する断面図であり、メサ19を拡大している。第1実施形態と同じ構成については説明を省略する。
図13に示すように、上部DBR層16には、コーナーリフレクタ50に代えてコーナーリフレクタ70が設けられている。コーナーリフレクタ70の形状は円錐であり、上に向けて先細りである。コーナーリフレクタ70は光の出射窓となる面を有さず、上端に頂点を有する。コーナーリフレクタ70に入射する光は、コーナーリフレクタ70で下方向に反射され、基板10の下側の面10aから出射される。面10aの幅(直径)は基本横モード成分のみを出射可能な幅の2倍以上であることが好ましい。
第4実施形態によれば、コーナーリフレクタ70の形状が円錐形であり、高い回転対称性を有する。第1実施形態と同様に、発振スペクトル数を低減し、変調帯域を拡大することができる。基板10の面10aが出射窓として機能するため、光を下側から出射することができる。
コーナーリフレクタ70は、円錐以外に、八角錐、十角錐、十二角錐など、八角錐以上の偶数多角錐でもよい。光を反射して面10a側に帰還させるため、コーナーリフレクタ70は頂点を有する形状であることが好ましい。
以上、本開示の実施形態について詳述したが、本開示は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本開示の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
10 基板
16c、52a、52b、58a、58b 面
10a、54、62 面(出射窓)
11、13 溝
12 下部DBR層
14 活性層
15 コンタクト層
16 上部DBR層
16a p−DBR層
16b i−DBR層
19、40 メサ
20 高抵抗領域
22 酸化狭窄層
30、33 電極
31、34 配線
32、35 パッド
42 面取り部
44、46 絶縁膜
44a、44b、46a、46b、18a、18b 開口部
50、58、70 コーナーリフレクタ
51 レジストマスク
60 キャップ層
64 酸化領域
100、200、300、400 面発光レーザ
16c、52a、52b、58a、58b 面
10a、54、62 面(出射窓)
11、13 溝
12 下部DBR層
14 活性層
15 コンタクト層
16 上部DBR層
16a p−DBR層
16b i−DBR層
19、40 メサ
20 高抵抗領域
22 酸化狭窄層
30、33 電極
31、34 配線
32、35 パッド
42 面取り部
44、46 絶縁膜
44a、44b、46a、46b、18a、18b 開口部
50、58、70 コーナーリフレクタ
51 レジストマスク
60 キャップ層
64 酸化領域
100、200、300、400 面発光レーザ
Claims (12)
- 第1反射層と、
前記第1反射層の上に設けられた活性層と、
前記活性層の上に設けられた第2反射層と、を具備し、
前記第2反射層に、前記第1反射層とは反対側に向けて先細りのコーナーリフレクタが設けられ、
前記コーナーリフレクタの平面形状は円形、または偶数個の頂点を有する多角形である面発光レーザ。 - 前記コーナーリフレクタは前記面発光レーザの光軸の周りに360/8度回転対称以上の回転対称性を有する請求項1に記載の面発光レーザ。
- 前記コーナーリフレクタの形状は円錐台、または多角錐台であり、
前記コーナーリフレクタの上面は、光を出射する出射窓である請求項1または請求項2に記載の面発光レーザ。 - 前記コーナーリフレクタの側面に設けられたキャップ層を具備し、
前記キャップ層の屈折率は前記第2反射層の屈折率より低く、かつ2.73以上であり、
前記コーナーリフレクタの上面および前記キャップ層の上面から光を出射させる請求項3に記載の面発光レーザ。 - 前記第2反射層は、前記コーナーリフレクタの側面から内側に向けて延伸する酸化領域を有する請求項3または請求項4に記載の面発光レーザ。
- 基板を具備し、
前記第1反射層、前記活性層および前記第2反射層は前記基板の上に順に設けられ、
前記コーナーリフレクタの形状は円錐、または多角錐であり、
前記基板の下面は、光を出射する出射窓である請求項1または請求項2に記載の面発光レーザ。 - 前記出射窓の幅は、基本横モード成分のみを出射可能な幅の2倍以上である請求項3から請求項6のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
- 前記コーナーリフレクタは、入射する光の振幅分布を反転して反射する請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
- 前記コーナーリフレクタの側面は、前記第1反射層の上面に対して45°傾斜した面を含む請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
- 前記第1反射層および前記第2反射層のそれぞれは、積層された複数の半導体層を含むDBR層である請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
- 前記第1反射層はp型またはn型の半導体層であり、
前記第2反射層は、前記活性層側から順に積層された第3反射層および第4反射層を含み、
前記第3反射層は前記第1反射層とは反対の導電型の半導体層であり、
前記第4反射層はノンドープの半導体層である請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の面発光レーザ。 - 基板の上に、第1反射層、活性層、および第2反射層を順に積層する工程と、
前記第2反射層の一部をエッチングすることで、前記第2反射層に前記第1反射層とは反対側に向けて先細りのコーナーリフレクタを形成する工程と、を有し、
前記コーナーリフレクタの平面形状は円形、または偶数個の頂点を有する多角形である面発光レーザの製造方法。
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