JP3821041B2 - 面発光レーザ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザに関し、特に素子の熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能な面発光レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）は活性層とクラッド層を多層膜等で形成された反射層で挟み込んだ構造を有するものであり、光通信用光源や光計測用光源として用いられ、特にＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing：波長分割多重）等の波長多重通信に適用することが可能である。
【０００３】
図４はこのような従来の面発光レーザの一例を示す構成断面図であり、「J.Boucart, C.Starck, F.Gaborit, A.Plais, N..Bouche, E.Derouin, J.C.Remy, J.Bonnet-Gamard, L.Goldstein, Member, IEEE, C.Fortin, D.Carpentier, P.Salet, F.Brillouet, and J.Jacquet, "Metamorphic DBR and Tunnel-Junction Injection：A CW RT Monolithic Long-Wavelength VCSEL", IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS，VOL.5, NO.3, MAY/JUNE 1999」に記載されたものである。
【０００４】
図４において１はｎ型のＩｎＰ基板、２及び９はそれぞれｎ型のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ及びｎ型のＧａＡｓ／ＡｌＡｓで形成された分布反射層（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲ層と呼ぶ。）、３及び８はｎ型のＩｎＰ層、４はＭＱＷ（Multi Quantum Well：多重量子井戸）等を用いた活性層、５はｐ型のＩｎＰ層、６はｐ＋ 型のＩｎＧａＡｓＰ層、７はｎ＋ 型のＩｎＧａＡｓＰ層、１０は上部電極、１１ａ及び１１ｂは下部電極、１２ａ及び１２ｂは水素イオン注入領域である。
【０００５】
ｎ型のＩｎＰ基板１の上にはＤＢＲ層２が形成され、ＤＢＲ層２の上にはｎ型のＩｎＰ層３が形成される。ｎ型のＩｎＰ層３の上には多重量子井戸等を用いた活性層４が形成され、活性層４の上にはｐ型のＩｎＰ層５が形成される。
【０００６】
ｐ型のＩｎＰ層５の上にはｐ＋ 型のＩｎＧａＡｓＰ層６及びｎ＋ 型のＩｎＧａＡｓＰ層７が順次形成され、ｎ＋ 型のＩｎＧａＡｓＰ層７の上にはｎ型のＩｎＰ層８が形成される。
【０００７】
ｎ型のＩｎＰ層８の上にはＤＢＲ層９が形成され、ＤＢＲ層９の上には上部電極１０が形成される。また、ｎ型のＩｎＰ基板１の下部には下部電極１１ａ及び１１ｂがそれぞれ形成される。
【０００８】
さらに、発光領域の周囲であってｐ型のＩｎＰ層５からＤＢＲ層９に至る領域には水素イオンが注入されて１２ａ及び１２ｂに示すような水素イオン注入領域が形成される。
【０００９】
ここで、図４に示す従来例の動作を説明する。ＤＢＲ層２とＤＢＲ層９との間で光共振器が形成されている。また、図４においてｎ型のＩｎＰ基板１の厚さは”１００μｍ”程度であるのに対して、その他の層の合計の厚さは”１０μｍ”程度であるので、上部を発光層（活性層）側、下部を基板側と呼ぶ。
【００１０】
そして、上部電極１０と下部電極１１ａ及び１１ｂとの間に電圧が印加されると上部電極１０からｎ＋ 型のＩｎＧａＡｓＰ層７に向って電子が流れる。この電子はｎ＋ 層とｐ＋ 層とで形成されるトンネル接合で、正孔に変換され、この正孔が活性層４に流れる。また、逆に下部電極１１ａ及び１１ｂから活性層４に向って電子が流れる。
【００１１】
このとき、バンドギャップの最も狭い活性層４において正孔と電子の結合が生じて光が発光し、前述の光共振器で光増幅されて基板側であって下部電極１１ａ及び１１ｂが無い部分からレーザ光として出力される。
【００１２】
一方、短波長帯の面発光レーザと比較して従来の長波長帯の面発光レーザでは、使用する半導体材料の物理的性質から温度特性が悪く、高出力発振や高温での発振に適していないと言った問題点があった。
【００１３】
このため、図４に示す従来例では上部のＤＢＲ層９を熱抵抗及び電気抵抗の低いｎ型のＧａＡｓ／ＡｌＡｓを用いて、基板側からレーザ光を取り出し、反対側である発光層（活性層）側、言い換えれば、上部電極１０の上にヒートシンクをボンディングして熱を逃す構造をとっている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図４に示す従来の面発光レーザでは発光層（活性層）側にボンディングされたヒートシンクと、発光層である活性層４との距離は最短ではなく、この距離に起因する熱抵抗及び電気抵抗を無視できないと言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、素子の熱抵抗及び電気抵抗を更に低減することが可能な面発光レーザを実現することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザにおいて、基板と、この基板上に形成された分布反射層と、２つのクラッド層により上下方向から挟まれると共に前記分布反射層上に形成された活性層と、上部の前記クラッド層上に形成され光の取り出し口を有するｐ型電極と、このｐ型電極上に接着されたミラーと、前記基板の裏面に形成されたｎ型電極とを備え、発光領域の周囲であって上部の前記クラッド層及び前記活性層と下部の前記クラッド層にｐ型不純物を拡散若しくはイオン注入させたことにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能になり、光共振器を内部には光吸収の大きなｐ型の半導体層が存在しないので、光共振器の光損失を低減することが可能になる。
【００１６】
請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記ｐ型電極上に金の厚膜を形成して前記ミラーを接着したことにより、上部クラッド層の上に熱伝導の良好な金メッキ（金の厚膜）が施されたｐ型電極を形成されるので素子の熱抵抗及び電気抵抗をさらに低減することが可能になる。
【００１７】
請求項３記載の発明は、
請求項１記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記取り出し口の形状が円形若しくは楕円形であることにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能になる。
【００１８】
請求項４記載の発明は、
請求項１記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記取り出し口の形状が任意の形状であることにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能になる。
【００１９】
請求項５記載の発明は、
請求項１記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記ｐ型電極に形成された前記取り出し口の部分に気体を封入したことにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗をさらに低減することが可能になる。
【００２０】
請求項６記載の発明は、
請求項１記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記ｐ型電極に形成された前記取り出し口の部分に液体を封入したことにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗をさらに低減することが可能になる。
【００２１】
請求項７記載の発明は、
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の発明である面発光レーザにおいて、
上部の前記クラッド層の上面であって、前記取り出し口の部分に段差を設けて前記取り出し口部分の少なくとも一部に上部の前記クラッド層を出っ張らせる構造にしたことにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能になる。
【００２２】
請求項８記載の発明は、
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記ミラーを可動にしたことにより、レーザ光の波長が可変となる。
【００２３】
請求項９記載の発明は、
請求項８記載の発明である面発光レーザにおいて、
梁構造を形成して前記梁の中心に前記ミラーを形成して、電圧を印加することにより発生する静電気力を駆動力として前記ミラーの位置を変化させることにより、レーザ光の波長が可変となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る面発光レーザの一実施例を示す構成断面図である。
【００２６】
図１において１３はｎ型のＩｎＰ基板、１４はｎ型のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓで形成された分布反射層（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲ層と呼ぶ。）、１５は下部のクラッド層であるｎ型のＩｎＰ層、１６はＭＱＷ（Multi Quantum Well：多重量子井戸）等を用いた活性層、１７は上部のクラッド層であるｐ型のＩｎＰ層、１８ａ及び１８ｂはｐ型電極、１９は誘電体多層膜ミラー、２０はｎ型電極である。
【００２７】
ｎ型のＩｎＰ基板１３の上にはＤＢＲ層１４が形成され、ＤＢＲ層１４の上にはｎ型のＩｎＰ層１５が形成される。ｎ型のＩｎＰ層１５の上には多重量子井戸等を用いた活性層１６が形成され、活性層１６の上にはｐ型のＩｎＰ層１７が形成される。
【００２８】
ｐ型のＩｎＰ層１７の上にはｐ型電極が形成され、レーザ光を取り出すため図１中”ＣＳ０１”に示す円形部分を取り除かれてｐ型電極１８ａ及び１８ｂとなり、さらに、ｐ型電極１８ａ及び１８ｂ上には膜厚が１０μｍの金（Ａｕ）の厚膜をメッキで形成する。
【００２９】
また、ｐ型電極１８ａ及び１８ｂ（金の厚膜）の上には誘電体多層膜ミラー１９が接着され、ｎ型のＩｎＰ基板１３の下部にはｎ型電極２０が形成される。
【００３０】
図１に示すような実施例の製造方法としては、ｎ型のＩｎＰ基板１３上に有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法により、ＤＢＲ層１４，ｎ−ＩｎＰ層１５、活性層１６、ｐ−ＩｎＰ層１７を順次形成させる。
【００３１】
そして、ｐ−ＩｎＰ層１７の上にフォトリソグラフィー法及びリフトオフ法を用いて図１中”ＣＳ０１”に示す直径１０μｍの円形部分を取り除いてｐ型電極１８ａ及び１８ｂを形成し、このｐ型電極１８ａ及び１８ｂに対して厚膜である１０μｍ厚の金メッキを施す。
【００３２】
最後に、へき開によりチップ化した後、Ｓｉウェハ等の上に形成した誘電体多層膜ミラー１９をｐ型電極１８ａ及び１８ｂ（金の厚膜）の上に接着する。
【００３３】
ここで、図１に示す実施例の動作を説明する。光共振器はＤＢＲ層１４と誘電体多層膜ミラー１９との間で形成されている。また、図１においてｎ型のＩｎＰ基板１３の厚さは”１００μｍ”程度であるのに対して、その他の層の合計の厚さは”１０μｍ”程度であるので、上部を発光層（活性層）側、下部を基板側と呼ぶ。
【００３４】
そして、ｐ型電極１８ａ及び１８ｂとｎ型電極２０との間に電圧が印加されるとｐ型電極１８ａ及び１８ｂから、ｐ−ＩｎＰ層１７、活性層１６、ｎ−ＩｎＰ層１５、ＤＢＲ層１４及びｎ−ＩｎＰ基板１３を通りｎ型電極２０まで電流（正孔）が流れる。また、逆にｎ型電極２０からｐ型電極１８ａ及び１８ｂに向って電子が流れる。
【００３５】
このとき、バンドギャップの最も狭い活性層１６において正孔と電子の結合が生じて光が発光し、前述の光共振器で光増幅されて発光層（活性層）側からレーザ光として出力される。
【００３６】
すなわち、図１に示す実施例では、図４に示す従来例における上部のＤＢＲ層が取り除かれ、熱伝導の良好な１０μｍ厚の金メッキ（金の厚膜）が施されたｐ型電極が発光領域である活性層１６の近傍に形成できるので、従来例と比較して熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能になる。
【００３７】
この結果、上部のＤＢＲ層を除去して、上部クラッド層の上に熱伝導の良好な金メッキ（金の厚膜）が施されたｐ型電極を形成することにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗を更に低減することが可能になる。
【００３８】
なお、図１に示す実施例では注入された電流はｐ型電極１８ａ及び１８ｂからｎ型電極２０に向って流れるので、発光領域である活性層１６の上下方向から注入されているが、発光領域の横方向から電流を注入しても構わない。
【００３９】
図２はこのような本発明に係る面発光レーザの他の実施例を示す構成断面図である。図２において１３，１４，１６，１８ａ，１８ｂ、１９及び２０は図１と同一符号を付してあり、２１はｎ型のＩｎＰ層、２２は不純物がドーピングされていないｕ（undope）−ＩｎＰ層、２３ａ及び２３ｂはｐ型不純物であるＺｎが拡散されるＺｎ拡散領域、２４は発光領域である。
【００４０】
ｎ型のＩｎＰ基板１３の上にはＤＢＲ層１４が形成され、ＤＢＲ層１４の上にはｎ型のＩｎＰ層２１が形成される。ｎ型のＩｎＰ層２１の上には多重量子井戸等を用いた活性層１６が形成され、活性層１６の上にはｕ−ＩｎＰ層２２が形成される。
【００４１】
ｕ−ＩｎＰ層２２の上にはｐ型電極が形成され、レーザ光を取り出すため図２中”ＣＳ１１”に示す円形部分を取り除かれてｐ型電極１８ａ及び１８ｂとなり、さらに、ｐ型電極１８ａ及び１８ｂ上には膜厚が１０μｍの金（Ａｕ）の厚膜をメッキで形成する。
【００４２】
また、ｐ型電極１８ａ及び１８ｂ（金の厚膜）の上には誘電体多層膜ミラー１９が接着され、ｎ型のＩｎＰ基板１３の下部にはｎ型電極２０が形成される。
【００４３】
さらに、ｐ型電極１８ａ及び１８ｂの下部であってｕ−ＩｎＰ層２２、活性層１６及びｕ−ＩｎＰ層２１の部分にはＤＢＲ層１４に到達しない範囲でＺｎが拡散される。
【００４４】
図２に示すような実施例の製造方法としては、ｎ型のＩｎＰ基板１３上に有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法により、ＤＢＲ層１４，ｕ−ＩｎＰ層２１、活性層１６、ｕ−ＩｎＰ層２２を順次形成させる。
【００４５】
そして、ＭＯＶＰＥ装置を用いてＺｎ拡散領域２３ａ及び２３ｂにＺｎを拡散させる。このとき、活性層１６であってＺｎが拡散されなかった部分が発光領域２４となる。
【００４６】
また、ｕ−ＩｎＰ層２２の上にフォトリソグラフィー法及びリフトオフ法を用いて図２中”ＣＳ１１”に示す直径１０μｍの円形部分を取り除いてｐ型電極１８ａ及び１８ｂを形成し、このｐ型電極１８ａ及び１８ｂに対して１０μｍ厚の金メッキを施す。
【００４７】
最後に、へき開によりチップ化した後、Ｓｉウェハ等の上に形成した誘電体多層膜ミラー１９をｐ型電極１８ａ及び１８ｂ（金の厚膜）の上に接着する。
【００４８】
ここで、図２に示す実施例の動作を図３を用いて説明する。図３は注入された電流の流れを説明する説明図であり、付されている符号は図２に示す符号と同一である。また、図１に示す実施例と同様の部分に関する説明は省略する。
【００４９】
また、図２おいてｎ型のＩｎＰ基板１３の厚さは”１００μｍ”程度であるのに対して、その他の層の合計の厚さは”１０μｍ”程度であるので、上部を発光層（活性層）側、下部を基板側と呼ぶ。
【００５０】
光共振器は図１に示す実施例と同様にＤＢＲ層１４と誘電体多層膜ミラー１９との間であって、Ｚｎが拡散されなかった部分に形成されている。
【００５１】
そして、ｐ型電極１８ａ及び１８ｂとｎ型電極２０との間に電圧が印加されると、図３中”ＣＲ１１”に示すようにｐ型電極１８ａ及び１８ｂからＺｎ拡散領域２３ａ及び２３ｂに下方向に電流が流れ込む。
【００５２】
さらに、Ｚｎ拡散領域２３ａ及び２３ｂに流れ込んだ電流は、横方向から発光領域２４に流れ込み、ＤＢＲ層１４及びＩｎＰ基板１３を介してｎ型電極２０に流れる。
【００５３】
このとき、バンドギャップの最も狭い発光領域２４（活性層１６のうちＺｎが拡散されていない部分）において正孔と電子の結合が生じて光が発光し、前述の光共振器で光増幅されて発光層（活性層）側からレーザ光として出力される。
【００５４】
この場合、上部のＤＢＲ層を除去して、Ｚｎを拡散した上部クラッド層の上に熱伝導の良好な金メッキ（金の厚膜）が施されたｐ型電極を形成することにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能になる。
【００５５】
さらに、光共振器を内部には光吸収の大きなｐ型の半導体層、言い換えれば、図１における上部クラッド層であるｐ型のＩｎＰ層１７が存在しないので、光共振器の光損失を低減することが可能になる。
【００５６】
また、図１及び図２に示す実施例では金メッキによって金の厚膜を形成しているが、従来例における上部のＤＢＲ層を除いたことにより、従来例と比較して熱抵抗が低減されるので、金の厚膜は必須の構成要素ではない。
【００５７】
また、図１及び図２に示す実施例ではＤＢＲ層１４と誘電体多層膜ミラー１９により光共振器を形成しているが、誘電体多層膜ミラーを可動にしてレーザ光の波長が可変である面発光レーザとしても構わない。
【００５８】
誘電体多層膜ミラーを可動にする方法としては、例えば、Ｘ字状等の梁構造を形成して当該梁の中心に誘電体多層膜ミラーを形成して、電圧を印加することにより発生する静電気力を駆動力として誘電体多層膜ミラーの位置を変化させる。
【００５９】
また、図１及び図２に示す実施例の説明に際しては、図１中”ＣＳ０１”等に示すレーザ光の取り出し口の形状として円形を例示しているが、勿論、取り出し口の形状は楕円形、三角形、正方形、長方形、多角形等の任意の形状であって構わない。
【００６０】
また、図１及び図２に示す実施例の説明に際しては、発光層（活性層）側からレーザ光を取り出す例を示しているが、基板側にレーザ光の取り出し口を形成して、基板側からレーザ光を取り出しても良い。
【００６１】
また、図１及び図２に示す実施例の説明に際しては、図１中”ＣＳ０１”等に示す空洞部分に関しては特に言及していないが、大気等の気体を封入しても、熱伝導の良好なＳｉオイル等の液体を封入しても構わない。
【００６２】
また、図４に示す従来例と同様にレーザ光を基板側から取り出し、発光層（活性層）側にヒートシンクをボンディングしても構わない。この場合には、基板側にレーザ光の取り出し口を形成すれば良い。
【００６３】
また、図１等の説明に際しては上部のミラーとして誘電体多層膜ミラーを例示しているが、勿論これに限定される訳ではなく、ミラーとして機能するものであれば良い。
【００６４】
また、図２に示す実施例の説明に際してはＺｎ等のｐ型不純物を拡散によりクラッド層や拡散層に拡散させていたが、イオン注入によってｐ型不純物を注入しても構わない。
【００６５】
また、上部のクラッド層であるＩｎＰ層１７やＩｎＰ層２２の上面であって、図１中ＣＳ０１”若しくは図２中”ＣＳ１１”に示す空間部分に接する部分に段差を設けて前記空間部分の少なくとも一部に出っ張らせる構造にしても構わない。この場合、段差により出っ張った部分が凸レンズの機能を有することになる。
【００６６】
また、単純に段差を設けるだけではなく、段差部分に傾斜を設けたり、段差部分を曲線的にしても構わない。
【００６７】
また、ＤＢＲ層１４としてはｎ型のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓを例示したが、ＩｎＧａ（Ａｌ）Ａｓ／ＩｎＡｌＡｓ若しくはＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／ＩｎＰであっても構わない。また、ｎ型のＩｎＰ層２１の代わりにｎ型のＩｎＡｌＡｓを用いても構わない。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，３，４，５及び請求項６の発明によれば、上部のＤＢＲ層を除去することにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能になり、光共振器を内部には光吸収の大きなｐ型の半導体層を用いないことにより、光共振器の光損失を低減することが可能になる。
【００６９】
また、請求項２の発明によれば、上部のＤＢＲ層を除去することにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能になり、光共振器を内部には光吸収の大きなｐ型の半導体層を用いないことにより、光共振器の光損失を低減することが可能になる。
【００７１】
また、請求項７の発明によれば、上部のクラッド層の上面であって、取り出し口の部分に段差を設けて取り出し口部分の少なくとも一部に上部の前記クラッド層を出っ張らせることにより、段差により出っ張った部分が凸レンズの機能を有することになり、光共振器の光損失を低減すると共の共振器モードを安定化することが可能になる。
【００７２】
また、請求項８及び請求項９の発明によれば、誘電体多層膜ミラーを可動にすることにより、レーザ光の波長が可変になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る面発光レーザの一実施例を示す構成断面図である。
【図２】本発明に係る面発光レーザの他の実施例を示す構成断面図である。
【図３】注入された電流の流れを説明する説明図である。
【図４】従来の面発光レーザの一例を示す構成断面図である。
【符号の説明】
１，１３ ＩｎＰ基板
２，９，１４ ＤＢＲ層
３，５，８，１５，１７，２１，２２ ＩｎＰ層
４，１６ 活性層
６，７ ＩｎＧａＡｓＰ層
１０ 上部電極
１１ａ，１１ｂ 下部電極
１２ａ，１２ｂ 水素イオン注入領域
１８ａ，１８ｂ ｐ型電極
１９ 誘電体多層膜ミラー
２０ ｎ型電極
２３ａ，２３ｂ Ｚｎ拡散領域
２４ 発光領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザに関し、特に素子の熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能な面発光レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）は活性層とクラッド層を多層膜等で形成された反射層で挟み込んだ構造を有するものであり、光通信用光源や光計測用光源として用いられ、特にＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing：波長分割多重）等の波長多重通信に適用することが可能である。
【０００３】
図４はこのような従来の面発光レーザの一例を示す構成断面図であり、「J.Boucart, C.Starck, F.Gaborit, A.Plais, N..Bouche, E.Derouin, J.C.Remy, J.Bonnet-Gamard, L.Goldstein, Member, IEEE, C.Fortin, D.Carpentier, P.Salet, F.Brillouet, and J.Jacquet, "Metamorphic DBR and Tunnel-Junction Injection：A CW RT Monolithic Long-Wavelength VCSEL", IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS，VOL.5, NO.3, MAY/JUNE 1999」に記載されたものである。
【０００４】
図４において１はｎ型のＩｎＰ基板、２及び９はそれぞれｎ型のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ及びｎ型のＧａＡｓ／ＡｌＡｓで形成された分布反射層（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲ層と呼ぶ。）、３及び８はｎ型のＩｎＰ層、４はＭＱＷ（Multi Quantum Well：多重量子井戸）等を用いた活性層、５はｐ型のＩｎＰ層、６はｐ＋ 型のＩｎＧａＡｓＰ層、７はｎ＋ 型のＩｎＧａＡｓＰ層、１０は上部電極、１１ａ及び１１ｂは下部電極、１２ａ及び１２ｂは水素イオン注入領域である。
【０００５】
ｎ型のＩｎＰ基板１の上にはＤＢＲ層２が形成され、ＤＢＲ層２の上にはｎ型のＩｎＰ層３が形成される。ｎ型のＩｎＰ層３の上には多重量子井戸等を用いた活性層４が形成され、活性層４の上にはｐ型のＩｎＰ層５が形成される。
【０００６】
ｐ型のＩｎＰ層５の上にはｐ＋ 型のＩｎＧａＡｓＰ層６及びｎ＋ 型のＩｎＧａＡｓＰ層７が順次形成され、ｎ＋ 型のＩｎＧａＡｓＰ層７の上にはｎ型のＩｎＰ層８が形成される。
【０００７】
ｎ型のＩｎＰ層８の上にはＤＢＲ層９が形成され、ＤＢＲ層９の上には上部電極１０が形成される。また、ｎ型のＩｎＰ基板１の下部には下部電極１１ａ及び１１ｂがそれぞれ形成される。
【０００８】
さらに、発光領域の周囲であってｐ型のＩｎＰ層５からＤＢＲ層９に至る領域には水素イオンが注入されて１２ａ及び１２ｂに示すような水素イオン注入領域が形成される。
【０００９】
ここで、図４に示す従来例の動作を説明する。ＤＢＲ層２とＤＢＲ層９との間で光共振器が形成されている。また、図４においてｎ型のＩｎＰ基板１の厚さは”１００μｍ”程度であるのに対して、その他の層の合計の厚さは”１０μｍ”程度であるので、上部を発光層（活性層）側、下部を基板側と呼ぶ。
【００１０】
そして、上部電極１０と下部電極１１ａ及び１１ｂとの間に電圧が印加されると上部電極１０からｎ＋ 型のＩｎＧａＡｓＰ層７に向って電子が流れる。この電子はｎ＋ 層とｐ＋ 層とで形成されるトンネル接合で、正孔に変換され、この正孔が活性層４に流れる。また、逆に下部電極１１ａ及び１１ｂから活性層４に向って電子が流れる。
【００１１】
このとき、バンドギャップの最も狭い活性層４において正孔と電子の結合が生じて光が発光し、前述の光共振器で光増幅されて基板側であって下部電極１１ａ及び１１ｂが無い部分からレーザ光として出力される。
【００１２】
一方、短波長帯の面発光レーザと比較して従来の長波長帯の面発光レーザでは、使用する半導体材料の物理的性質から温度特性が悪く、高出力発振や高温での発振に適していないと言った問題点があった。
【００１３】
このため、図４に示す従来例では上部のＤＢＲ層９を熱抵抗及び電気抵抗の低いｎ型のＧａＡｓ／ＡｌＡｓを用いて、基板側からレーザ光を取り出し、反対側である発光層（活性層）側、言い換えれば、上部電極１０の上にヒートシンクをボンディングして熱を逃す構造をとっている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図４に示す従来の面発光レーザでは発光層（活性層）側にボンディングされたヒートシンクと、発光層である活性層４との距離は最短ではなく、この距離に起因する熱抵抗及び電気抵抗を無視できないと言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、素子の熱抵抗及び電気抵抗を更に低減することが可能な面発光レーザを実現することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザにおいて、基板と、この基板上に形成された分布反射層と、２つのクラッド層により上下方向から挟まれると共に前記分布反射層上に形成された活性層と、上部の前記クラッド層上に形成され光の取り出し口を有するｐ型電極と、このｐ型電極上に接着されたミラーと、前記基板の裏面に形成されたｎ型電極とを備え、発光領域の周囲であって上部の前記クラッド層及び前記活性層と下部の前記クラッド層にｐ型不純物を拡散若しくはイオン注入させたことにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能になり、光共振器を内部には光吸収の大きなｐ型の半導体層が存在しないので、光共振器の光損失を低減することが可能になる。
【００１６】
請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記ｐ型電極上に金の厚膜を形成して前記ミラーを接着したことにより、上部クラッド層の上に熱伝導の良好な金メッキ（金の厚膜）が施されたｐ型電極を形成されるので素子の熱抵抗及び電気抵抗をさらに低減することが可能になる。
【００１７】
請求項３記載の発明は、
請求項１記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記取り出し口の形状が円形若しくは楕円形であることにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能になる。
【００１８】
請求項４記載の発明は、
請求項１記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記取り出し口の形状が任意の形状であることにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能になる。
【００１９】
請求項５記載の発明は、
請求項１記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記ｐ型電極に形成された前記取り出し口の部分に気体を封入したことにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗をさらに低減することが可能になる。
【００２０】
請求項６記載の発明は、
請求項１記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記ｐ型電極に形成された前記取り出し口の部分に液体を封入したことにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗をさらに低減することが可能になる。
【００２１】
請求項７記載の発明は、
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の発明である面発光レーザにおいて、
上部の前記クラッド層の上面であって、前記取り出し口の部分に段差を設けて前記取り出し口部分の少なくとも一部に上部の前記クラッド層を出っ張らせる構造にしたことにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能になる。
【００２２】
請求項８記載の発明は、
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記ミラーを可動にしたことにより、レーザ光の波長が可変となる。
【００２３】
請求項９記載の発明は、
請求項８記載の発明である面発光レーザにおいて、
梁構造を形成して前記梁の中心に前記ミラーを形成して、電圧を印加することにより発生する静電気力を駆動力として前記ミラーの位置を変化させることにより、レーザ光の波長が可変となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る面発光レーザの一実施例を示す構成断面図である。
【００２６】
図１において１３はｎ型のＩｎＰ基板、１４はｎ型のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓで形成された分布反射層（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲ層と呼ぶ。）、１５は下部のクラッド層であるｎ型のＩｎＰ層、１６はＭＱＷ（Multi Quantum Well：多重量子井戸）等を用いた活性層、１７は上部のクラッド層であるｐ型のＩｎＰ層、１８ａ及び１８ｂはｐ型電極、１９は誘電体多層膜ミラー、２０はｎ型電極である。
【００２７】
ｎ型のＩｎＰ基板１３の上にはＤＢＲ層１４が形成され、ＤＢＲ層１４の上にはｎ型のＩｎＰ層１５が形成される。ｎ型のＩｎＰ層１５の上には多重量子井戸等を用いた活性層１６が形成され、活性層１６の上にはｐ型のＩｎＰ層１７が形成される。
【００２８】
ｐ型のＩｎＰ層１７の上にはｐ型電極が形成され、レーザ光を取り出すため図１中”ＣＳ０１”に示す円形部分を取り除かれてｐ型電極１８ａ及び１８ｂとなり、さらに、ｐ型電極１８ａ及び１８ｂ上には膜厚が１０μｍの金（Ａｕ）の厚膜をメッキで形成する。
【００２９】
また、ｐ型電極１８ａ及び１８ｂ（金の厚膜）の上には誘電体多層膜ミラー１９が接着され、ｎ型のＩｎＰ基板１３の下部にはｎ型電極２０が形成される。
【００３０】
図１に示すような実施例の製造方法としては、ｎ型のＩｎＰ基板１３上に有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法により、ＤＢＲ層１４，ｎ−ＩｎＰ層１５、活性層１６、ｐ−ＩｎＰ層１７を順次形成させる。
【００３１】
そして、ｐ−ＩｎＰ層１７の上にフォトリソグラフィー法及びリフトオフ法を用いて図１中”ＣＳ０１”に示す直径１０μｍの円形部分を取り除いてｐ型電極１８ａ及び１８ｂを形成し、このｐ型電極１８ａ及び１８ｂに対して厚膜である１０μｍ厚の金メッキを施す。
【００３２】
最後に、へき開によりチップ化した後、Ｓｉウェハ等の上に形成した誘電体多層膜ミラー１９をｐ型電極１８ａ及び１８ｂ（金の厚膜）の上に接着する。
【００３３】
ここで、図１に示す実施例の動作を説明する。光共振器はＤＢＲ層１４と誘電体多層膜ミラー１９との間で形成されている。また、図１においてｎ型のＩｎＰ基板１３の厚さは”１００μｍ”程度であるのに対して、その他の層の合計の厚さは”１０μｍ”程度であるので、上部を発光層（活性層）側、下部を基板側と呼ぶ。
【００３４】
そして、ｐ型電極１８ａ及び１８ｂとｎ型電極２０との間に電圧が印加されるとｐ型電極１８ａ及び１８ｂから、ｐ−ＩｎＰ層１７、活性層１６、ｎ−ＩｎＰ層１５、ＤＢＲ層１４及びｎ−ＩｎＰ基板１３を通りｎ型電極２０まで電流（正孔）が流れる。また、逆にｎ型電極２０からｐ型電極１８ａ及び１８ｂに向って電子が流れる。
【００３５】
このとき、バンドギャップの最も狭い活性層１６において正孔と電子の結合が生じて光が発光し、前述の光共振器で光増幅されて発光層（活性層）側からレーザ光として出力される。
【００３６】
すなわち、図１に示す実施例では、図４に示す従来例における上部のＤＢＲ層が取り除かれ、熱伝導の良好な１０μｍ厚の金メッキ（金の厚膜）が施されたｐ型電極が発光領域である活性層１６の近傍に形成できるので、従来例と比較して熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能になる。
【００３７】
この結果、上部のＤＢＲ層を除去して、上部クラッド層の上に熱伝導の良好な金メッキ（金の厚膜）が施されたｐ型電極を形成することにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗を更に低減することが可能になる。
【００３８】
なお、図１に示す実施例では注入された電流はｐ型電極１８ａ及び１８ｂからｎ型電極２０に向って流れるので、発光領域である活性層１６の上下方向から注入されているが、発光領域の横方向から電流を注入しても構わない。
【００３９】
図２はこのような本発明に係る面発光レーザの他の実施例を示す構成断面図である。図２において１３，１４，１６，１８ａ，１８ｂ、１９及び２０は図１と同一符号を付してあり、２１はｎ型のＩｎＰ層、２２は不純物がドーピングされていないｕ（undope）−ＩｎＰ層、２３ａ及び２３ｂはｐ型不純物であるＺｎが拡散されるＺｎ拡散領域、２４は発光領域である。
【００４０】
ｎ型のＩｎＰ基板１３の上にはＤＢＲ層１４が形成され、ＤＢＲ層１４の上にはｎ型のＩｎＰ層２１が形成される。ｎ型のＩｎＰ層２１の上には多重量子井戸等を用いた活性層１６が形成され、活性層１６の上にはｕ−ＩｎＰ層２２が形成される。
【００４１】
ｕ−ＩｎＰ層２２の上にはｐ型電極が形成され、レーザ光を取り出すため図２中”ＣＳ１１”に示す円形部分を取り除かれてｐ型電極１８ａ及び１８ｂとなり、さらに、ｐ型電極１８ａ及び１８ｂ上には膜厚が１０μｍの金（Ａｕ）の厚膜をメッキで形成する。
【００４２】
また、ｐ型電極１８ａ及び１８ｂ（金の厚膜）の上には誘電体多層膜ミラー１９が接着され、ｎ型のＩｎＰ基板１３の下部にはｎ型電極２０が形成される。
【００４３】
さらに、ｐ型電極１８ａ及び１８ｂの下部であってｕ−ＩｎＰ層２２、活性層１６及びｕ−ＩｎＰ層２１の部分にはＤＢＲ層１４に到達しない範囲でＺｎが拡散される。
【００４４】
図２に示すような実施例の製造方法としては、ｎ型のＩｎＰ基板１３上に有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法により、ＤＢＲ層１４，ｕ−ＩｎＰ層２１、活性層１６、ｕ−ＩｎＰ層２２を順次形成させる。
【００４５】
そして、ＭＯＶＰＥ装置を用いてＺｎ拡散領域２３ａ及び２３ｂにＺｎを拡散させる。このとき、活性層１６であってＺｎが拡散されなかった部分が発光領域２４となる。
【００４６】
また、ｕ−ＩｎＰ層２２の上にフォトリソグラフィー法及びリフトオフ法を用いて図２中”ＣＳ１１”に示す直径１０μｍの円形部分を取り除いてｐ型電極１８ａ及び１８ｂを形成し、このｐ型電極１８ａ及び１８ｂに対して１０μｍ厚の金メッキを施す。
【００４７】
最後に、へき開によりチップ化した後、Ｓｉウェハ等の上に形成した誘電体多層膜ミラー１９をｐ型電極１８ａ及び１８ｂ（金の厚膜）の上に接着する。
【００４８】
ここで、図２に示す実施例の動作を図３を用いて説明する。図３は注入された電流の流れを説明する説明図であり、付されている符号は図２に示す符号と同一である。また、図１に示す実施例と同様の部分に関する説明は省略する。
【００４９】
また、図２おいてｎ型のＩｎＰ基板１３の厚さは”１００μｍ”程度であるのに対して、その他の層の合計の厚さは”１０μｍ”程度であるので、上部を発光層（活性層）側、下部を基板側と呼ぶ。
【００５０】
光共振器は図１に示す実施例と同様にＤＢＲ層１４と誘電体多層膜ミラー１９との間であって、Ｚｎが拡散されなかった部分に形成されている。
【００５１】
そして、ｐ型電極１８ａ及び１８ｂとｎ型電極２０との間に電圧が印加されると、図３中”ＣＲ１１”に示すようにｐ型電極１８ａ及び１８ｂからＺｎ拡散領域２３ａ及び２３ｂに下方向に電流が流れ込む。
【００５２】
さらに、Ｚｎ拡散領域２３ａ及び２３ｂに流れ込んだ電流は、横方向から発光領域２４に流れ込み、ＤＢＲ層１４及びＩｎＰ基板１３を介してｎ型電極２０に流れる。
【００５３】
このとき、バンドギャップの最も狭い発光領域２４（活性層１６のうちＺｎが拡散されていない部分）において正孔と電子の結合が生じて光が発光し、前述の光共振器で光増幅されて発光層（活性層）側からレーザ光として出力される。
【００５４】
この場合、上部のＤＢＲ層を除去して、Ｚｎを拡散した上部クラッド層の上に熱伝導の良好な金メッキ（金の厚膜）が施されたｐ型電極を形成することにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能になる。
【００５５】
さらに、光共振器を内部には光吸収の大きなｐ型の半導体層、言い換えれば、図１における上部クラッド層であるｐ型のＩｎＰ層１７が存在しないので、光共振器の光損失を低減することが可能になる。
【００５６】
また、図１及び図２に示す実施例では金メッキによって金の厚膜を形成しているが、従来例における上部のＤＢＲ層を除いたことにより、従来例と比較して熱抵抗が低減されるので、金の厚膜は必須の構成要素ではない。
【００５７】
また、図１及び図２に示す実施例ではＤＢＲ層１４と誘電体多層膜ミラー１９により光共振器を形成しているが、誘電体多層膜ミラーを可動にしてレーザ光の波長が可変である面発光レーザとしても構わない。
【００５８】
誘電体多層膜ミラーを可動にする方法としては、例えば、Ｘ字状等の梁構造を形成して当該梁の中心に誘電体多層膜ミラーを形成して、電圧を印加することにより発生する静電気力を駆動力として誘電体多層膜ミラーの位置を変化させる。
【００５９】
また、図１及び図２に示す実施例の説明に際しては、図１中”ＣＳ０１”等に示すレーザ光の取り出し口の形状として円形を例示しているが、勿論、取り出し口の形状は楕円形、三角形、正方形、長方形、多角形等の任意の形状であって構わない。
【００６０】
また、図１及び図２に示す実施例の説明に際しては、発光層（活性層）側からレーザ光を取り出す例を示しているが、基板側にレーザ光の取り出し口を形成して、基板側からレーザ光を取り出しても良い。
【００６１】
また、図１及び図２に示す実施例の説明に際しては、図１中”ＣＳ０１”等に示す空洞部分に関しては特に言及していないが、大気等の気体を封入しても、熱伝導の良好なＳｉオイル等の液体を封入しても構わない。
【００６２】
また、図４に示す従来例と同様にレーザ光を基板側から取り出し、発光層（活性層）側にヒートシンクをボンディングしても構わない。この場合には、基板側にレーザ光の取り出し口を形成すれば良い。
【００６３】
また、図１等の説明に際しては上部のミラーとして誘電体多層膜ミラーを例示しているが、勿論これに限定される訳ではなく、ミラーとして機能するものであれば良い。
【００６４】
また、図２に示す実施例の説明に際してはＺｎ等のｐ型不純物を拡散によりクラッド層や拡散層に拡散させていたが、イオン注入によってｐ型不純物を注入しても構わない。
【００６５】
また、上部のクラッド層であるＩｎＰ層１７やＩｎＰ層２２の上面であって、図１中ＣＳ０１”若しくは図２中”ＣＳ１１”に示す空間部分に接する部分に段差を設けて前記空間部分の少なくとも一部に出っ張らせる構造にしても構わない。この場合、段差により出っ張った部分が凸レンズの機能を有することになる。
【００６６】
また、単純に段差を設けるだけではなく、段差部分に傾斜を設けたり、段差部分を曲線的にしても構わない。
【００６７】
また、ＤＢＲ層１４としてはｎ型のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓを例示したが、ＩｎＧａ（Ａｌ）Ａｓ／ＩｎＡｌＡｓ若しくはＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／ＩｎＰであっても構わない。また、ｎ型のＩｎＰ層２１の代わりにｎ型のＩｎＡｌＡｓを用いても構わない。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，３，４，５及び請求項６の発明によれば、上部のＤＢＲ層を除去することにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能になり、光共振器を内部には光吸収の大きなｐ型の半導体層を用いないことにより、光共振器の光損失を低減することが可能になる。
【００６９】
また、請求項２の発明によれば、上部のＤＢＲ層を除去することにより、素子の熱抵抗及び電気抵抗を低減することが可能になり、光共振器を内部には光吸収の大きなｐ型の半導体層を用いないことにより、光共振器の光損失を低減することが可能になる。
【００７１】
また、請求項７の発明によれば、上部のクラッド層の上面であって、取り出し口の部分に段差を設けて取り出し口部分の少なくとも一部に上部の前記クラッド層を出っ張らせることにより、段差により出っ張った部分が凸レンズの機能を有することになり、光共振器の光損失を低減すると共の共振器モードを安定化することが可能になる。
【００７２】
また、請求項８及び請求項９の発明によれば、誘電体多層膜ミラーを可動にすることにより、レーザ光の波長が可変になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る面発光レーザの一実施例を示す構成断面図である。
【図２】本発明に係る面発光レーザの他の実施例を示す構成断面図である。
【図３】注入された電流の流れを説明する説明図である。
【図４】従来の面発光レーザの一例を示す構成断面図である。
【符号の説明】
１，１３ ＩｎＰ基板
２，９，１４ ＤＢＲ層
３，５，８，１５，１７，２１，２２ ＩｎＰ層
４，１６ 活性層
６，７ ＩｎＧａＡｓＰ層
１０ 上部電極
１１ａ，１１ｂ 下部電極
１２ａ，１２ｂ 水素イオン注入領域
１８ａ，１８ｂ ｐ型電極
１９ 誘電体多層膜ミラー
２０ ｎ型電極
２３ａ，２３ｂ Ｚｎ拡散領域
２４ 発光領域
Claims (9)
- 成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザにおいて、
基板と、
この基板上に形成された分布反射層と、
２つのクラッド層により上下方向から挟まれると共に前記分布反射層上に形成された活性層と、
上部の前記クラッド層上に形成され光の取り出し口を有するｐ型電極と、
このｐ型電極上に接着されたミラーと、
前記基板の裏面に形成されたｎ型電極とを備え、
発光領域の周囲であって上部の前記クラッド層及び前記活性層と下部の前記クラッド層にｐ型不純物を拡散若しくはイオン注入させたことを特徴とする面発光レーザ。 - 前記ｐ型電極上に金の厚膜を形成して前記ミラーを接着したことを特徴とする
請求項１記載の面発光レーザ。 - 前記取り出し口の形状が円形若しくは楕円形であることを特徴とする
請求項１記載の面発光レーザ。 - 前記取り出し口の形状が任意の形状であることを特徴とする
請求項１記載の面発光レーザ。 - 前記ｐ型電極に形成された前記取り出し口の部分に気体を封入したことを特徴とする
請求項１記載の面発光レーザ。 - 前記ｐ型電極に形成された前記取り出し口の部分に液体を封入したことを特徴とする
請求項１記載の面発光レーザ。 - 上部の前記クラッド層の上面であって、前記取り出し口の部分に段差を設けて前記取り出し口部分の少なくとも一部に上部の前記クラッド層を出っ張らせる構造にしたことを特徴とする
請求項１乃至請求項６記載のいずれかに記載の面発光レーザ。 - 前記ミラーを可動にしたことを特徴とする
請求項１乃至請求項７記載のいずれかに記載の面発光レーザ。 - 梁構造を形成して前記梁の中心に前記ミラーを形成して、電圧を印加することにより発生する静電気力を駆動力として前記ミラーの位置を変化させることを特徴とする
請求項８記載の面発光レーザ。
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