JP3761130B2 - 面発光レーザ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信や計測などで好適に用いられ、特に多チャンネル光通信システムに好適な面発光レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
画像情報などの大量の情報を高速に伝送、処理する技術として、二次元集積光デバイスを用いた並列情報処理システムが盛んに研究されている。こうしたシステムにおいて、二次元配列が可能な面発光レーザ装置が特に重要である。
【０００３】
図３は、従来の面発光レーザ装置の一例を示す構成図である。この面発光レーザ装置は、論文(IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, vol.7 No.12, DECEMBER 1995 p1391 )に記載されており、ＧａＡｓから成る基板１１の上に順次、クラッド層１０、光導波層９、ＩｎＧａＡｓから成る量子井戸層で構成された活性層８、光導波層７、クラッド層６、エッチングストップ層５、コンタクト層１３が形成される。活性層８、光導波層７、９およびクラッド層６、１０はグレーデッドインデックス型の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ:seperate confinement heterostrucure）を構成している。コンタクト層１３の上面および基板１１の下面には、キャリア注入用の電極４、１２が形成される。
【０００４】
クラッド層６とコンタクト層１３との間に形成されたエッチングストップ層５は、コンタクト層１３をエッチングして水平な共振器端面２ａを形成する工程において、クラッド層６以下の層のエッチングを防止する機能を果たす。残りの共振器端面２ｂは各層に対して垂直となるようにへき開等によって形成される。
【０００５】
さらに水平な共振器端面２ａと垂直な共振器端面２ｂとの間の共振器光軸に介在するように、傾斜端面３が形成される。傾斜端面３は水平光軸に対してたとえば４５度で傾斜しており、光軸を曲げる反射ミラーとして機能する。
【０００６】
こうした構成によって共振器端面２ａ、２ｂの間で共振したレーザ光は、共振器端面２ａから外部に出力され、外部からは基板１１の法線方向に発光ビーム１が得られる面発光レーザ装置として機能する。レーザ特性に関して、動作電流２０ｍＡにおいて、端面２ｂでエッジ出力８ｍＷ、端面２ａで面出力５ｍＷが得られており、閾値電流は６ｍＡである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
通信用の光源では、高速動作だけでなく高出力動作も重要になる。レーザの出力を制限する要因として、熱飽和と端面劣化の問題がある。熱飽和とは、レーザ発振に伴って発生するジュール熱やその他の損失に起因して、素子温度が上昇し、これによって活性層の利得が低下して発振が維持できなくなる現象である。一方、端面劣化とは、レーザ光が出射する端面に不純物や結晶欠陥に起因する表面準位が生ずると、光吸収が起きてしまい、局所加熱による端面破壊が発生する非可逆現象である。
【０００８】
図３に示したような断面三角形状の傾斜端面３を持つ面発光レーザ装置では、傾斜端面３から熱容量が大きい基板１１への熱伝導が他の端面２ｂより困難となるため、傾斜端面３付近での熱飽和や端面劣化が生じ易い傾向がある。さらに、傾斜端面３は他の端面２ａ、２ｂと比べて加工時のダメージが生じ易く、端面劣化が起こり易い状況となっている。
【０００９】
ここで加工時のダメージについて詳述する。斜端面を用いた面発光レーザにおいて、傾斜端面は鏡面状で、ミクロンオーダの平坦さが要求される。実際の傾斜端面には、活性層、導波層、クラッド層などレーザを構成する種々の層が存在しており、これらの層を一様に加工して鏡面を形成する必要がある。傾斜端面の加工方法として、イオンビームエッチングなどのドライエッチングが一般に使用されるが、傾斜端面に加工ダメージが生ずると、レーザ発振時に傾斜端面においてレーザ光の再吸収が起こり、いわゆるＣＯＤ(catastrophic optical damage)等の端面劣化の原因となる。
【００１０】
この対策として、加工損傷を防止しつつ鏡面仕上げを目的としてウエットエッチング処理を採用することが考えられる。しかし、傾斜端面を構成する各層のエッチング特性は一般に異なるため、エッチング速度が大きい層と小さい層との間で段差が生じてしまい、良好な鏡面を得ることが困難になる。特に従来の面発光レーザでは、キャリア閉じ込めを維持するためにクラッド層のＡｌ組成をあまり低く設定できないという事情がある。そのため高Ａｌ組成層はウエットエッチングによって酸化劣化を起こし易く、レーザの高出力化に対して大きな障害となっていた。さらにウエットエッチング工程では、高Ａｌ組成層と低Ａｌ組成層のエッチング特性の違いによって表面に凹凸が生じ易く、また鏡面の方位も定まらないため、良好な鏡面を形成するのが困難であった。
【００１１】
またレーザ動作中において傾斜端面での熱飽和と端面劣化を回避するには、素子の電気抵抗および熱抵抗の低減化、光密度の抑制等が重要になる。
【００１２】
図４（ａ）はＳＣＨ構造の典型例を示す構成図であり、図４（ｂ）はその光強度分布を示すグラフである。横軸は層厚方向の位置であり、図４（ａ）の縦軸はＡｌ組成およびＩｎ組成、図４（ｂ）の縦軸は光強度を示す。ＳＣＨレーザは、１対のクラッド層Ｃが導波層Ｇを挟む層構成を有し、導波層Ｇは図３の活性層８および光導波層７、９に対応し、クラッド層Ｃが図３のクラッド層６、１０にそれぞれ対応する。
【００１３】
図４（ａ）に示すように、クラッド層ＣがたとえばＡｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓで形成され、導波層Ｇでは活性層中心に向けてＡｌ組成が連続的に減少し、活性層中心ではＩｎＧａＡｓから成る量子井戸層が存在する。ＡｌＧａＡｓ系材料はＡｌ組成が増加するにつれて禁制帯幅も増加する傾向があるため、禁制帯幅の分布も図４（ａ）のグラフにほぼ一致する。
【００１４】
クラッド層Ｃは、主に光閉じ込めを担当するが、実際には禁制帯幅の高さによって量子井戸層からあふれるキャリアを閉じ込る機能も兼ねる。温度特性を良好に維持するには、活性層に存在するキャリアがクラッド層Ｃのポテンシャル障壁を充分に高いものと感じさせる必要がある。
【００１５】
図５（ａ）（ｂ）は、ＡｌＧａＡｓ系材料の電気抵抗と熱抵抗を示すグラフである。横軸はＡｌ組成を示す。図５（ａ）を見ると、Ａｌ組成が増加するほど電気抵抗も増加し、特に全体としてｎ型よりｐ型の方が高抵抗であるが、ｎ型はＡｌ組成が約０．３より大きくなると増加率が急峻であることが判る。なお、電気抵抗が大きいほど発熱量が増加する。また、図５（ｂ）を見ると、熱抵抗はＡｌ組成の２次関数で表現でき、Ａｌ組成が約０．５付近で極大となる上に凸の放物線形状であることが判る。
【００１６】
したがって、ＳＣＨ構造でキャリア閉じ込め機能を増強するために、高Ａｌ組成のクラッド層Ｃを採用することが考えられるが、Ａｌ組成の増加によって素子の電気抵抗や熱抵抗が大きくなり、素子の熱特性がかなり犠牲にならざるを得ない。
【００１７】
さらに光強度に関して、図４（ｂ）に示すように、クラッド層ＣのＡｌ組成が大きくなるほど、導波層Ｇとの屈折率差が大きくなるため、狭い導波層Ｇに光分布が集中するようになる。その結果、光強度分布はピーク強度の高い指数関数型になり、ピーク付近での端面劣化が起こり易くなる。
【００１８】
本発明の目的は、熱飽和や端面劣化を可及的に抑制し、高い光出力が得られる面発光レーザ装置を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、活性層と、
活性層の両面側に設けられ、該活性層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有する一対の光導波層と、
活性層および光導波層を挟むように設けられ、該光導波層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有する一対のクラッド層と、
活性層と少なくとも一方の光導波層との間に設けられ、該活性層および該光導波層の各禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するキャリアブロック層と、
活性層に沿った光軸に対して斜めに交差するように形成され、活性層で発生した光を層厚方向に反射させるための傾斜端面とを備え、
クラッド層とキャリアブロック層とは、ＡｌＧａＡｓ系半導体材料から成り、
クラッド層よりもキャリアブロック層のＡｌ組成が高いことを特徴とする面発光レーザ装置である。
【００２０】
本発明に従えば、活性層と光導波層との間に位置するキャリアブロック層が活性層へのキャリア閉じ込め機能を果たすようになる。そのため、クラッド層によるキャリア閉じ込め機能をあまり考慮せずに、クラッド層の組成や寸法を設計することが可能となる。したがって、素子の電気抵抗や熱抵抗を優先したクラッド層を採用でき、熱特性に優れ、光ピーク強度を抑えた高出力、高信頼性の面発光レーザを実現できる。
【００２１】
また、基板側のクラッド層の熱抵抗を低減化することによって、傾斜端面付近で発生した熱が基板側に円滑に伝達されるため、傾斜端面での熱飽和や端面劣化を抑制できる。
【００２２】
さらに、キャリアブロック層を設けることによりクラッド層の設計自由度が増すので、キャリアブロック層がない場合に比べてクラッド層と光導波層の組成比の差を小さくできる。クラッド層と光導波層が傾斜端面の多くを占めるが、両者の組成比の差が小さい分だけエッチングで形成される傾斜端面の傾斜が揃い、良好な反射特性が得られ、よってさらに出力の増大と発振効率の増大をもたらす。とくにこれらの層がＡｌＧａＡｓ系半導体材料で構成されるので、クラッド層と光導波層のＡ１の量自体を低減でき、その効果は大きい。
【００２３】
また本発明は、キャリアブロック層が活性層と両方の光導波層との間にそれぞれ設けられることを特徴とする。
【００２４】
本発明に従えば、キャリアブロック層を活性層と両方の光導波層との間にそれぞれ設けることによって、活性層へのキャリア閉じ込め機能をより効率的に発揮することができる。
【００２５】
また本発明は、光導波層がＧａＡｓで形成されていることを特徴とする。
本発明に従えば、ＡｌＧａＡｓ系材料ではＡｌ組成が増加するほど電気抵抗や熱抵抗も増加するため、光導波層のＡｌ組成は低いほど好ましく、ＧａＡｓで形成するのがより好ましい。
【００２６】
また本発明は、活性層がＩｎＧａＡｓで形成されていることを特徴とする。
本発明に従えば、活性層の禁制帯幅を小さくできるため、活性層に存在するキャリアに対するポテンシャル障壁を充分に高く設定でき、活性層へのキャリア閉じ込め効果を高めることができる。
【００２７】
また本発明は、キャリアブロック層の層厚が５ｎｍ〜５０ｎｍの範囲であることを特徴とする。
【００２８】
本発明に従えば、活性層に存在するキャリアがトンネル効果によって漏出しないように、キャリアブロック層はある程度厚みが必要になるが、あまり厚くするとキャリア注入効率や光の浸み出し効率が低下するため、５０ｎｍ以下の層厚が好ましい。逆に、薄くし過ぎると、キャリアブロック層のバンドピークが緩和されるバンドベンディング現象やトンネル効果によるキャリア漏出が生じて、キャリアブロック機能が低下するため、５ｎｍ以上の層厚が好ましい。
【００２９】
また本発明は、クラッド層がＡｌ組成ｘ≦０．３のＡｌxＧａ1-xＡｓで形成されていることを特徴とする。
【００３０】
本発明に従えば、ＡｌＧａＡｓ系材料ではＡｌ組成が増加するほど電気抵抗や熱抵抗も増加するため、クラッド層のＡｌ組成は低いほど好ましい。クラッド層をＡｌ組成０．３以下のＡｌＧａＡｓで形成するのがより好ましい。
【００３１】
次に本発明の原理について説明する。図１（ａ）は本発明に係るレーザ装置の典型例を示す構成図であり、図１（ｂ）はその光強度分布を示すグラフである。横軸は層厚方向の位置であり、図１（ａ）の縦軸はＡｌ組成およびＩｎ組成、図１（ｂ）の縦軸は光強度を示す。このレーザ装置は、１対のクラッド層Ｃが導波層Ｇを挟む層構成を有し、導波層Ｇは中央の活性層Ｑ、その両外側に隣接するキャリアブロック層Ｂおよびさらに両外側の光導波層を含む。
【００３２】
電子およびホールから成るキャリアはクラッド層Ｃの外部から注入され、活性層Ｑで再結合して発光し、光共振器によってレーザ発振が起こる。キャリアが活性層Ｑにいったん入ると、キャリアブロック層Ｂのポテンシャル障壁によって活性層Ｑ内に閉じ込められる。そのため、クラッド層Ｃはキャリア閉じ込めを担う必要が無く、キャリア導入や光分布制御、熱伝導制御などに専念できる。その結果、ＡｌＧａＡｓ系でのＡｌ組成を低く設定することによって、素子の電気抵抗や熱抵抗の低減化、光ピーク強度の抑制が図られる。
【００３３】
一方、全体のＡｌ組成が低減されているので、酸化劣化が抑制され、かつ平面性の良い鏡面が容易に得られる。特に、光導波層をＧａＡｓで形成することが好ましく、これによって結晶方位を反映した原子レベルの鏡面が容易に得られる。
【００３４】
ＧａＡｓは、ある種のエッチャントを使用した場合、結晶方位を反映した一定角度を有する良好な斜鏡面が形成可能である。一方、各層をＡｌＧａＡｓで形成し、Ａｌ含有量の多い層はエッチング速度が異なるため、結晶方位に対応した異方性が層ごとに変化してエッチング面の方位が均一でなくなる。この結果、ＡｌＧａＡｓ多層膜から成るレーザ素子にウエットエッチングを施すことによって面発光レーザを製造する場合は、傾斜端面は各層ごとに凹凸が生じてしまい、さらに面方位も各層ごとにばらつく傾向がある。
【００３５】
また、キャリアブロック層Ｂはキャリア閉じ込めに必要な厚さで足りるため、光分布への影響を極力少なくできる。図１（ｂ）に示すように、光強度分布の全体形状は一義的には導波層Ｇとクラッド層Ｃにのみに規定され、導波層Ｇを厚く設定することによって、光分布形状を従来の鋭いピークを持つ指数関数型から、なだらかなガウス型に近づけることが可能になり、全光量に対するピーク強度を格段に小さくできる。その結果、端面劣化の度合を大幅に改善できる。
【００３６】
またキャリアブロック層のＡ１量は多いのでエッチングにより傾斜端面がその部分で傾斜が変わったり凹凸ができたりするが、厚さが薄いので光反射への影響は小さい。
【００３７】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明の実施の一形態を示す構成図である。面発光レーザ装置は、ＧａＡｓから成る基板６５の上に順次、Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ａｓから成るクラッド層６４（厚さ２０００ｎｍ）、ＧａＡｓから成る光導波層６３（厚さ７００ｎｍ）、Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓから成るキャリアブロック層６２（厚さ３０ｎｍ）、ＧａＡｓから成るサイドバリア層６１（厚さ５０ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓから成る量子井戸層で構成された活性層６０（厚さ８ｎｍ）、ＧａＡｓから成るサイドバリア層５９（厚さ５０ｎｍ）、Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓから成るキャリアブロック層５８（厚さ３０ｎｍ）、ＧａＡｓから成る光導波層５７（厚さ７００ｎｍ）、Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ａｓから成るクラッド層５６（厚さ２０００ｎｍ）、ＡｌＡｓから成るエッチングストップ層５５、ＧａＡｓから成るコンタクト層６７（厚さ１０００ｎｍ）がＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）などを用いて形成される。活性層６０から基板６５までの各層をｎ型にすると、活性層６０からコンタクト層６７までの各層をｐ型とし、逆に前者をｐ型にすると後者はｎ型とする。コンタクト層６７の上面および基板６５の下面には、キャリア注入用の電極５４、６６が形成される。
【００３８】
ＡｌＧａＡｓ系材料はＡｌ組成が増加するにつれて禁制帯幅も増加する傾向がある。本実施形態では、活性層６０の禁制帯幅よりも光導波層５７、６３やサイドバリア層５９、６１の禁制帯幅の方が大きく、さらに光導波層５７、６３やサイドバリア層５９、６１よりもクラッド層５６、６４の各禁制帯幅の方が大きく、また光導波層５７、６３やサイドバリア層５９、６１よりもキャリアブロック層５８、６２の禁制帯幅の方が大きくなる。
【００３９】
活性層６０、サイドバリア層５９、６１、光導波層５７、６３およびクラッド層５６、６４は導波路を構成している。
【００４０】
クラッド層５６とコンタクト層６７との間に形成されたエッチングストップ層５５は、コンタクト層６７をウエットエッチングを用いて水平な共振器端面５２ａを形成する工程において、クラッド層５６以下の層のエッチングを防止する機能を果たす。残りの共振器端面５２ｂは各層に対して垂直となるようにへき開等によって形成される。
【００４１】
さらに水平な共振器端面５２ａと垂直な共振器端面５２ｂとの間の共振器光軸に介在するように、傾斜端面５３が異方性エッチングを用いて形成される。傾斜端面５３は水平光軸に対してたとえば４５度で傾斜しており、光軸を曲げる反射ミラーとして機能する。
【００４２】
また、サイドバリア層５９、６１および光導波層５７、６３がＧａＡｓで形成されているため、ウエットエッチングを用いることよって平面性に優れた傾斜端面５３を容易に形成できる。レーザ光の出射端面となる共振器端面５２ａには反射率が１０％の反射膜が、またもう一つの共振器端面５２ｂには反射率が９５％の反射膜が、そして傾斜端面には反射率が９５％の反射膜が形成されている。
【００４３】
次に動作を説明する。電極５４と電極６６の間にバイアス電圧を印加すると、電子やホールがキャリアとして活性層６０に注入され、キャリア再結合によって光を輻射する。さらに、注入電流量を増加させていくと誘導放射が始まり、やがて光共振器を構成する端面５２ａ、５２ｂの間でレーザ発振が始まる。レーザ光は、活性層６０の両側にある光導波層５７、６３やクラッド層５６、６４に浸み出して導波されるが、光導波層を厚くできるので導波モードは光の閉じ込めを担うクラッド層にむけて広げることができる。そのため全光量に対するピーク強度を格段に小さくでき端面劣化の度合いを大幅に改善できる。一方、活性層６０内のキャリアは、キャリアブロック層５８、６２の存在によって活性層６０内に閉じ込められるため、再結合効率が向上する。
【００４４】
共振器端面５２ａ、５２ｂの間で共振したレーザ光は、共振器端面５２ａから外部に出力され、外部からは基板６５の法線方向に発光ビーム５１が得られる面発光レーザ装置として機能する。
【００４５】
本実施形態では、キャリアブロック層５８、６２を設けたことによってクラッド層５６、６４のＡｌ組成を０．１６と大幅に低くできるため、全体の電気抵抗および熱抵抗が格段に小さくなる。また、キャリアブロック層５８、６２は光の分布にはほとんど影響を与えない程充分薄いので、光強度分布が広がって、図１（ｂ）に示すようにピークの発生を解消でき、端面劣化を大幅に抑制できる。
【００４７】
また、活性領域に関しても、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層に限らず、他の材料、たとえばＩｎＧａＡｓＰ，ＧａＮを用いた量子井戸層や、量子井戸でない通常のダブルヘテロ構造でも本発明は適用可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、活性層と光導波層との間に位置するキャリアブロック層が活性層へのキャリア閉じ込め機能を果たすため、素子の電気抵抗や熱抵抗を優先したクラッド層を採用でき、熱特性に優れ、光ピーク強度を抑えた高出力、高信頼性の面発光レーザを実現できる。また、基板側のクラッド層の熱抵抗を低減化することによって、傾斜端面付近で発生した熱が基板側に円滑に伝達されるため、傾斜端面での熱飽和や端面劣化を抑制できる。
【００４９】
さらに、キャリアブロック層を設けることによりクラッド層の設計自由度が増すので、キャリアブロック層がない場合に比べてクラッド層と光導波層の組成比の差を小さくできる。クラッド層と光導波層が傾斜端面の多くを占めるが、両者の組成比の差が小さい分だけエッチングで形成される傾斜端面の傾斜が揃い、良好な反射特性が得られ、よってさらに出力の増大と発振効率の増大を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明に係るレーザ装置の典型例を示す構成図であり、図１（ｂ）はその光強度分布を示すグラフである。
【図２】本発明の実施の一形態を示す構成図である。
【図３】従来の面発光レーザ装置の一例を示す構成図である。
【図４】図４（ａ）はＳＣＨ構造の典型例を示す構成図であり、図４（ｂ）はその光強度分布を示すグラフである。
【図５】ＡｌＧａＡｓ系材料の電気抵抗と熱抵抗を示すグラフである。
【符号の説明】
５１ 発光ビーム
５２ａ、５２ｂ 共振器端面
５３ 傾斜端面
５５ エッチングストップ層
５６、６４ クラッド層
５７、６３ 光導波層
５９、６１ サイドバリア層
５８、６２ キャリアブロック層
６０ 活性層
６５ 基板
６７ コンタクト層
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信や計測などで好適に用いられ、特に多チャンネル光通信システムに好適な面発光レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
画像情報などの大量の情報を高速に伝送、処理する技術として、二次元集積光デバイスを用いた並列情報処理システムが盛んに研究されている。こうしたシステムにおいて、二次元配列が可能な面発光レーザ装置が特に重要である。
【０００３】
図３は、従来の面発光レーザ装置の一例を示す構成図である。この面発光レーザ装置は、論文(IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, vol.7 No.12, DECEMBER 1995 p1391 )に記載されており、ＧａＡｓから成る基板１１の上に順次、クラッド層１０、光導波層９、ＩｎＧａＡｓから成る量子井戸層で構成された活性層８、光導波層７、クラッド層６、エッチングストップ層５、コンタクト層１３が形成される。活性層８、光導波層７、９およびクラッド層６、１０はグレーデッドインデックス型の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ:seperate confinement heterostrucure）を構成している。コンタクト層１３の上面および基板１１の下面には、キャリア注入用の電極４、１２が形成される。
【０００４】
クラッド層６とコンタクト層１３との間に形成されたエッチングストップ層５は、コンタクト層１３をエッチングして水平な共振器端面２ａを形成する工程において、クラッド層６以下の層のエッチングを防止する機能を果たす。残りの共振器端面２ｂは各層に対して垂直となるようにへき開等によって形成される。
【０００５】
さらに水平な共振器端面２ａと垂直な共振器端面２ｂとの間の共振器光軸に介在するように、傾斜端面３が形成される。傾斜端面３は水平光軸に対してたとえば４５度で傾斜しており、光軸を曲げる反射ミラーとして機能する。
【０００６】
こうした構成によって共振器端面２ａ、２ｂの間で共振したレーザ光は、共振器端面２ａから外部に出力され、外部からは基板１１の法線方向に発光ビーム１が得られる面発光レーザ装置として機能する。レーザ特性に関して、動作電流２０ｍＡにおいて、端面２ｂでエッジ出力８ｍＷ、端面２ａで面出力５ｍＷが得られており、閾値電流は６ｍＡである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
通信用の光源では、高速動作だけでなく高出力動作も重要になる。レーザの出力を制限する要因として、熱飽和と端面劣化の問題がある。熱飽和とは、レーザ発振に伴って発生するジュール熱やその他の損失に起因して、素子温度が上昇し、これによって活性層の利得が低下して発振が維持できなくなる現象である。一方、端面劣化とは、レーザ光が出射する端面に不純物や結晶欠陥に起因する表面準位が生ずると、光吸収が起きてしまい、局所加熱による端面破壊が発生する非可逆現象である。
【０００８】
図３に示したような断面三角形状の傾斜端面３を持つ面発光レーザ装置では、傾斜端面３から熱容量が大きい基板１１への熱伝導が他の端面２ｂより困難となるため、傾斜端面３付近での熱飽和や端面劣化が生じ易い傾向がある。さらに、傾斜端面３は他の端面２ａ、２ｂと比べて加工時のダメージが生じ易く、端面劣化が起こり易い状況となっている。
【０００９】
ここで加工時のダメージについて詳述する。斜端面を用いた面発光レーザにおいて、傾斜端面は鏡面状で、ミクロンオーダの平坦さが要求される。実際の傾斜端面には、活性層、導波層、クラッド層などレーザを構成する種々の層が存在しており、これらの層を一様に加工して鏡面を形成する必要がある。傾斜端面の加工方法として、イオンビームエッチングなどのドライエッチングが一般に使用されるが、傾斜端面に加工ダメージが生ずると、レーザ発振時に傾斜端面においてレーザ光の再吸収が起こり、いわゆるＣＯＤ(catastrophic optical damage)等の端面劣化の原因となる。
【００１０】
この対策として、加工損傷を防止しつつ鏡面仕上げを目的としてウエットエッチング処理を採用することが考えられる。しかし、傾斜端面を構成する各層のエッチング特性は一般に異なるため、エッチング速度が大きい層と小さい層との間で段差が生じてしまい、良好な鏡面を得ることが困難になる。特に従来の面発光レーザでは、キャリア閉じ込めを維持するためにクラッド層のＡｌ組成をあまり低く設定できないという事情がある。そのため高Ａｌ組成層はウエットエッチングによって酸化劣化を起こし易く、レーザの高出力化に対して大きな障害となっていた。さらにウエットエッチング工程では、高Ａｌ組成層と低Ａｌ組成層のエッチング特性の違いによって表面に凹凸が生じ易く、また鏡面の方位も定まらないため、良好な鏡面を形成するのが困難であった。
【００１１】
またレーザ動作中において傾斜端面での熱飽和と端面劣化を回避するには、素子の電気抵抗および熱抵抗の低減化、光密度の抑制等が重要になる。
【００１２】
図４（ａ）はＳＣＨ構造の典型例を示す構成図であり、図４（ｂ）はその光強度分布を示すグラフである。横軸は層厚方向の位置であり、図４（ａ）の縦軸はＡｌ組成およびＩｎ組成、図４（ｂ）の縦軸は光強度を示す。ＳＣＨレーザは、１対のクラッド層Ｃが導波層Ｇを挟む層構成を有し、導波層Ｇは図３の活性層８および光導波層７、９に対応し、クラッド層Ｃが図３のクラッド層６、１０にそれぞれ対応する。
【００１３】
図４（ａ）に示すように、クラッド層ＣがたとえばＡｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓで形成され、導波層Ｇでは活性層中心に向けてＡｌ組成が連続的に減少し、活性層中心ではＩｎＧａＡｓから成る量子井戸層が存在する。ＡｌＧａＡｓ系材料はＡｌ組成が増加するにつれて禁制帯幅も増加する傾向があるため、禁制帯幅の分布も図４（ａ）のグラフにほぼ一致する。
【００１４】
クラッド層Ｃは、主に光閉じ込めを担当するが、実際には禁制帯幅の高さによって量子井戸層からあふれるキャリアを閉じ込る機能も兼ねる。温度特性を良好に維持するには、活性層に存在するキャリアがクラッド層Ｃのポテンシャル障壁を充分に高いものと感じさせる必要がある。
【００１５】
図５（ａ）（ｂ）は、ＡｌＧａＡｓ系材料の電気抵抗と熱抵抗を示すグラフである。横軸はＡｌ組成を示す。図５（ａ）を見ると、Ａｌ組成が増加するほど電気抵抗も増加し、特に全体としてｎ型よりｐ型の方が高抵抗であるが、ｎ型はＡｌ組成が約０．３より大きくなると増加率が急峻であることが判る。なお、電気抵抗が大きいほど発熱量が増加する。また、図５（ｂ）を見ると、熱抵抗はＡｌ組成の２次関数で表現でき、Ａｌ組成が約０．５付近で極大となる上に凸の放物線形状であることが判る。
【００１６】
したがって、ＳＣＨ構造でキャリア閉じ込め機能を増強するために、高Ａｌ組成のクラッド層Ｃを採用することが考えられるが、Ａｌ組成の増加によって素子の電気抵抗や熱抵抗が大きくなり、素子の熱特性がかなり犠牲にならざるを得ない。
【００１７】
さらに光強度に関して、図４（ｂ）に示すように、クラッド層ＣのＡｌ組成が大きくなるほど、導波層Ｇとの屈折率差が大きくなるため、狭い導波層Ｇに光分布が集中するようになる。その結果、光強度分布はピーク強度の高い指数関数型になり、ピーク付近での端面劣化が起こり易くなる。
【００１８】
本発明の目的は、熱飽和や端面劣化を可及的に抑制し、高い光出力が得られる面発光レーザ装置を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、活性層と、
活性層の両面側に設けられ、該活性層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有する一対の光導波層と、
活性層および光導波層を挟むように設けられ、該光導波層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有する一対のクラッド層と、
活性層と少なくとも一方の光導波層との間に設けられ、該活性層および該光導波層の各禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するキャリアブロック層と、
活性層に沿った光軸に対して斜めに交差するように形成され、活性層で発生した光を層厚方向に反射させるための傾斜端面とを備え、
クラッド層とキャリアブロック層とは、ＡｌＧａＡｓ系半導体材料から成り、
クラッド層よりもキャリアブロック層のＡｌ組成が高いことを特徴とする面発光レーザ装置である。
【００２０】
本発明に従えば、活性層と光導波層との間に位置するキャリアブロック層が活性層へのキャリア閉じ込め機能を果たすようになる。そのため、クラッド層によるキャリア閉じ込め機能をあまり考慮せずに、クラッド層の組成や寸法を設計することが可能となる。したがって、素子の電気抵抗や熱抵抗を優先したクラッド層を採用でき、熱特性に優れ、光ピーク強度を抑えた高出力、高信頼性の面発光レーザを実現できる。
【００２１】
また、基板側のクラッド層の熱抵抗を低減化することによって、傾斜端面付近で発生した熱が基板側に円滑に伝達されるため、傾斜端面での熱飽和や端面劣化を抑制できる。
【００２２】
さらに、キャリアブロック層を設けることによりクラッド層の設計自由度が増すので、キャリアブロック層がない場合に比べてクラッド層と光導波層の組成比の差を小さくできる。クラッド層と光導波層が傾斜端面の多くを占めるが、両者の組成比の差が小さい分だけエッチングで形成される傾斜端面の傾斜が揃い、良好な反射特性が得られ、よってさらに出力の増大と発振効率の増大をもたらす。とくにこれらの層がＡｌＧａＡｓ系半導体材料で構成されるので、クラッド層と光導波層のＡ１の量自体を低減でき、その効果は大きい。
【００２３】
また本発明は、キャリアブロック層が活性層と両方の光導波層との間にそれぞれ設けられることを特徴とする。
【００２４】
本発明に従えば、キャリアブロック層を活性層と両方の光導波層との間にそれぞれ設けることによって、活性層へのキャリア閉じ込め機能をより効率的に発揮することができる。
【００２５】
また本発明は、光導波層がＧａＡｓで形成されていることを特徴とする。
本発明に従えば、ＡｌＧａＡｓ系材料ではＡｌ組成が増加するほど電気抵抗や熱抵抗も増加するため、光導波層のＡｌ組成は低いほど好ましく、ＧａＡｓで形成するのがより好ましい。
【００２６】
また本発明は、活性層がＩｎＧａＡｓで形成されていることを特徴とする。
本発明に従えば、活性層の禁制帯幅を小さくできるため、活性層に存在するキャリアに対するポテンシャル障壁を充分に高く設定でき、活性層へのキャリア閉じ込め効果を高めることができる。
【００２７】
また本発明は、キャリアブロック層の層厚が５ｎｍ〜５０ｎｍの範囲であることを特徴とする。
【００２８】
本発明に従えば、活性層に存在するキャリアがトンネル効果によって漏出しないように、キャリアブロック層はある程度厚みが必要になるが、あまり厚くするとキャリア注入効率や光の浸み出し効率が低下するため、５０ｎｍ以下の層厚が好ましい。逆に、薄くし過ぎると、キャリアブロック層のバンドピークが緩和されるバンドベンディング現象やトンネル効果によるキャリア漏出が生じて、キャリアブロック機能が低下するため、５ｎｍ以上の層厚が好ましい。
【００２９】
また本発明は、クラッド層がＡｌ組成ｘ≦０．３のＡｌxＧａ1-xＡｓで形成されていることを特徴とする。
【００３０】
本発明に従えば、ＡｌＧａＡｓ系材料ではＡｌ組成が増加するほど電気抵抗や熱抵抗も増加するため、クラッド層のＡｌ組成は低いほど好ましい。クラッド層をＡｌ組成０．３以下のＡｌＧａＡｓで形成するのがより好ましい。
【００３１】
次に本発明の原理について説明する。図１（ａ）は本発明に係るレーザ装置の典型例を示す構成図であり、図１（ｂ）はその光強度分布を示すグラフである。横軸は層厚方向の位置であり、図１（ａ）の縦軸はＡｌ組成およびＩｎ組成、図１（ｂ）の縦軸は光強度を示す。このレーザ装置は、１対のクラッド層Ｃが導波層Ｇを挟む層構成を有し、導波層Ｇは中央の活性層Ｑ、その両外側に隣接するキャリアブロック層Ｂおよびさらに両外側の光導波層を含む。
【００３２】
電子およびホールから成るキャリアはクラッド層Ｃの外部から注入され、活性層Ｑで再結合して発光し、光共振器によってレーザ発振が起こる。キャリアが活性層Ｑにいったん入ると、キャリアブロック層Ｂのポテンシャル障壁によって活性層Ｑ内に閉じ込められる。そのため、クラッド層Ｃはキャリア閉じ込めを担う必要が無く、キャリア導入や光分布制御、熱伝導制御などに専念できる。その結果、ＡｌＧａＡｓ系でのＡｌ組成を低く設定することによって、素子の電気抵抗や熱抵抗の低減化、光ピーク強度の抑制が図られる。
【００３３】
一方、全体のＡｌ組成が低減されているので、酸化劣化が抑制され、かつ平面性の良い鏡面が容易に得られる。特に、光導波層をＧａＡｓで形成することが好ましく、これによって結晶方位を反映した原子レベルの鏡面が容易に得られる。
【００３４】
ＧａＡｓは、ある種のエッチャントを使用した場合、結晶方位を反映した一定角度を有する良好な斜鏡面が形成可能である。一方、各層をＡｌＧａＡｓで形成し、Ａｌ含有量の多い層はエッチング速度が異なるため、結晶方位に対応した異方性が層ごとに変化してエッチング面の方位が均一でなくなる。この結果、ＡｌＧａＡｓ多層膜から成るレーザ素子にウエットエッチングを施すことによって面発光レーザを製造する場合は、傾斜端面は各層ごとに凹凸が生じてしまい、さらに面方位も各層ごとにばらつく傾向がある。
【００３５】
また、キャリアブロック層Ｂはキャリア閉じ込めに必要な厚さで足りるため、光分布への影響を極力少なくできる。図１（ｂ）に示すように、光強度分布の全体形状は一義的には導波層Ｇとクラッド層Ｃにのみに規定され、導波層Ｇを厚く設定することによって、光分布形状を従来の鋭いピークを持つ指数関数型から、なだらかなガウス型に近づけることが可能になり、全光量に対するピーク強度を格段に小さくできる。その結果、端面劣化の度合を大幅に改善できる。
【００３６】
またキャリアブロック層のＡ１量は多いのでエッチングにより傾斜端面がその部分で傾斜が変わったり凹凸ができたりするが、厚さが薄いので光反射への影響は小さい。
【００３７】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明の実施の一形態を示す構成図である。面発光レーザ装置は、ＧａＡｓから成る基板６５の上に順次、Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ａｓから成るクラッド層６４（厚さ２０００ｎｍ）、ＧａＡｓから成る光導波層６３（厚さ７００ｎｍ）、Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓから成るキャリアブロック層６２（厚さ３０ｎｍ）、ＧａＡｓから成るサイドバリア層６１（厚さ５０ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓから成る量子井戸層で構成された活性層６０（厚さ８ｎｍ）、ＧａＡｓから成るサイドバリア層５９（厚さ５０ｎｍ）、Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓから成るキャリアブロック層５８（厚さ３０ｎｍ）、ＧａＡｓから成る光導波層５７（厚さ７００ｎｍ）、Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ａｓから成るクラッド層５６（厚さ２０００ｎｍ）、ＡｌＡｓから成るエッチングストップ層５５、ＧａＡｓから成るコンタクト層６７（厚さ１０００ｎｍ）がＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）などを用いて形成される。活性層６０から基板６５までの各層をｎ型にすると、活性層６０からコンタクト層６７までの各層をｐ型とし、逆に前者をｐ型にすると後者はｎ型とする。コンタクト層６７の上面および基板６５の下面には、キャリア注入用の電極５４、６６が形成される。
【００３８】
ＡｌＧａＡｓ系材料はＡｌ組成が増加するにつれて禁制帯幅も増加する傾向がある。本実施形態では、活性層６０の禁制帯幅よりも光導波層５７、６３やサイドバリア層５９、６１の禁制帯幅の方が大きく、さらに光導波層５７、６３やサイドバリア層５９、６１よりもクラッド層５６、６４の各禁制帯幅の方が大きく、また光導波層５７、６３やサイドバリア層５９、６１よりもキャリアブロック層５８、６２の禁制帯幅の方が大きくなる。
【００３９】
活性層６０、サイドバリア層５９、６１、光導波層５７、６３およびクラッド層５６、６４は導波路を構成している。
【００４０】
クラッド層５６とコンタクト層６７との間に形成されたエッチングストップ層５５は、コンタクト層６７をウエットエッチングを用いて水平な共振器端面５２ａを形成する工程において、クラッド層５６以下の層のエッチングを防止する機能を果たす。残りの共振器端面５２ｂは各層に対して垂直となるようにへき開等によって形成される。
【００４１】
さらに水平な共振器端面５２ａと垂直な共振器端面５２ｂとの間の共振器光軸に介在するように、傾斜端面５３が異方性エッチングを用いて形成される。傾斜端面５３は水平光軸に対してたとえば４５度で傾斜しており、光軸を曲げる反射ミラーとして機能する。
【００４２】
また、サイドバリア層５９、６１および光導波層５７、６３がＧａＡｓで形成されているため、ウエットエッチングを用いることよって平面性に優れた傾斜端面５３を容易に形成できる。レーザ光の出射端面となる共振器端面５２ａには反射率が１０％の反射膜が、またもう一つの共振器端面５２ｂには反射率が９５％の反射膜が、そして傾斜端面には反射率が９５％の反射膜が形成されている。
【００４３】
次に動作を説明する。電極５４と電極６６の間にバイアス電圧を印加すると、電子やホールがキャリアとして活性層６０に注入され、キャリア再結合によって光を輻射する。さらに、注入電流量を増加させていくと誘導放射が始まり、やがて光共振器を構成する端面５２ａ、５２ｂの間でレーザ発振が始まる。レーザ光は、活性層６０の両側にある光導波層５７、６３やクラッド層５６、６４に浸み出して導波されるが、光導波層を厚くできるので導波モードは光の閉じ込めを担うクラッド層にむけて広げることができる。そのため全光量に対するピーク強度を格段に小さくでき端面劣化の度合いを大幅に改善できる。一方、活性層６０内のキャリアは、キャリアブロック層５８、６２の存在によって活性層６０内に閉じ込められるため、再結合効率が向上する。
【００４４】
共振器端面５２ａ、５２ｂの間で共振したレーザ光は、共振器端面５２ａから外部に出力され、外部からは基板６５の法線方向に発光ビーム５１が得られる面発光レーザ装置として機能する。
【００４５】
本実施形態では、キャリアブロック層５８、６２を設けたことによってクラッド層５６、６４のＡｌ組成を０．１６と大幅に低くできるため、全体の電気抵抗および熱抵抗が格段に小さくなる。また、キャリアブロック層５８、６２は光の分布にはほとんど影響を与えない程充分薄いので、光強度分布が広がって、図１（ｂ）に示すようにピークの発生を解消でき、端面劣化を大幅に抑制できる。
【００４７】
また、活性領域に関しても、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層に限らず、他の材料、たとえばＩｎＧａＡｓＰ，ＧａＮを用いた量子井戸層や、量子井戸でない通常のダブルヘテロ構造でも本発明は適用可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、活性層と光導波層との間に位置するキャリアブロック層が活性層へのキャリア閉じ込め機能を果たすため、素子の電気抵抗や熱抵抗を優先したクラッド層を採用でき、熱特性に優れ、光ピーク強度を抑えた高出力、高信頼性の面発光レーザを実現できる。また、基板側のクラッド層の熱抵抗を低減化することによって、傾斜端面付近で発生した熱が基板側に円滑に伝達されるため、傾斜端面での熱飽和や端面劣化を抑制できる。
【００４９】
さらに、キャリアブロック層を設けることによりクラッド層の設計自由度が増すので、キャリアブロック層がない場合に比べてクラッド層と光導波層の組成比の差を小さくできる。クラッド層と光導波層が傾斜端面の多くを占めるが、両者の組成比の差が小さい分だけエッチングで形成される傾斜端面の傾斜が揃い、良好な反射特性が得られ、よってさらに出力の増大と発振効率の増大を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明に係るレーザ装置の典型例を示す構成図であり、図１（ｂ）はその光強度分布を示すグラフである。
【図２】本発明の実施の一形態を示す構成図である。
【図３】従来の面発光レーザ装置の一例を示す構成図である。
【図４】図４（ａ）はＳＣＨ構造の典型例を示す構成図であり、図４（ｂ）はその光強度分布を示すグラフである。
【図５】ＡｌＧａＡｓ系材料の電気抵抗と熱抵抗を示すグラフである。
【符号の説明】
５１ 発光ビーム
５２ａ、５２ｂ 共振器端面
５３ 傾斜端面
５５ エッチングストップ層
５６、６４ クラッド層
５７、６３ 光導波層
５９、６１ サイドバリア層
５８、６２ キャリアブロック層
６０ 活性層
６５ 基板
６７ コンタクト層
Claims (6)
- 活性層と、
活性層の両面側に設けられ、該活性層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有する一対の光導波層と、
活性層および光導波層を挟むように設けられ、該光導波層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有する一対のクラッド層と、
活性層と少なくとも一方の光導波層との間に設けられ、該活性層および該光導波層の各禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するキャリアブロック層と、
活性層に沿った光軸に対して斜めに交差するように形成され、活性層で発生した光を層厚方向に反射させるための傾斜端面とを備え、
クラッド層とキャリアブロック層とは、ＡｌＧａＡｓ系半導体材料から成り、
クラッド層よりもキャリアブロック層のＡｌ組成が高いことを特徴とする面発光レーザ装置。 - キャリアブロック層が活性層と両方の光導波層との間にそれぞれ設けられることを特徴とする請求項１記載の面発光レーザ装置。
- 光導波層がＧａＡｓで形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の面発光レーザ装置。
- 活性層がＩｎＧａＡｓで形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の面発光レーザ装置。
- キャリアブロック層の層厚が５ｎｍ〜５０ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１または２記載の面発光レーザ装置。
- クラッド層が、Ａｌ組成ｘ≦０．３のＡｌxＧａ1-xＡｓで形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の面発光レーザ装置。
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