JP3860494B2 - 面発光レーザおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を積層面に対し垂直方向に射出する面発光レーザ関する。近年、高速伝送に適する光通信、光データリンク研究が盛んになっている。面発光レーザは光伝送のキーデバイスであり、特に、低しきい値化、低消費電力化、低コスト化が期待されることから、製品化検討が積極的に進められている。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、従来の垂直型共振器面発光レーザの断面構成図である（従来例１）。図１を参照するに、面発光レーザ１０は、負極である下側電極１１と、ｎ型の基板１２と、ｎ型の下側半導体多層膜反射鏡１３と、下側クラッド層１４および上側クラッド層１６に挟まれた活性層１５を含む共振器２０と、電流狭窄層１７と、ｐ型の上側半導体多層膜反射鏡１８と、正極である上側電極１９とがこの順に積層された構造とされている。
【０００３】
この構造は、１回の結晶成長で作製できる利点があるが、半導体多層膜反射鏡１３、１８を通して電流を注入するため、半導体多層膜反射鏡１３、１８の電気抵抗が大きく、面発光レーザ１０全体の電気抵抗が大きくなってしまう。すなわち、半導体多層膜反射鏡１３、１８は屈折率の差の大きい２つの半導体膜を交互に積層した多層膜であり、２つの半導体膜のバンドギャップ差も大きいので、バンド構造におけるヘテロ界面に多数のスパイクができる。このスパイクがキャリア、特にホールの障壁となり、電気抵抗が増加する。電気抵抗が増加すると消費電力が増加してしまい、低消費電力化が困難となる。
【０００４】
図２は、従来の横方向から電流を注入する面発光レーザの断面構成図である（従来例２）。図２を参照するに、面発光レーザ３０の上側電極３１は、上側多層膜反射鏡３２の横に設けられており、電流の活性層１５への注入は、上側多層膜反射鏡３２を介さずに行われる。したがって、面発光レーザ３０全体の電気抵抗は、上側多層膜反射鏡３２の電気抵抗の影響を受けなくなるため、従来例１の面発光レーザに対して低抵抗化を図ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、面発光レーザ３０において、上側電極３１と活性層１５との間には、活性層１５の電流注入領域を小さくするために、電流狭窄層１７が設けられている。電流狭窄層１７は、面発光レーザ３０の中心軸Ｚ付近にある導電部１７−１と、これを囲む絶縁部１７−２からなる。正極の上側電極３１から注入された電流は、電流狭窄層１７の絶縁部１７−２によって導電部１７−１に狭窄される。したがって、電流を活性層１５の微少な領域に集中することができ、レーザ発振効率を向上し、しきい値電流を低減できる。
【０００６】
そこで、面発光レーザ３０について、活性層１５に注入される電流の電流密度分布の計算機シミュレーションを行った。図３は、計算機シミュレーションのための各層のパラメータ、すなわち組成、膜厚、ドーピング濃度などを示す図である。計算機シミュレーションの結果、図４に示す結果が得られた。
【０００７】
図４は、活性層１５に注入される電流の電流密度の分布を示す図である。図４において、横軸は面発光レーザの中心軸Ｚからの距離、縦軸は電流密度である。また、注入電流が１ｍＡおよび２ｍＡの場合を示した。
【０００８】
図４を参照するに、電流密度は、面発光レーザ３０の中心軸Ｚから外に向かうにしたがって増加し、特に、電流狭窄層１７の導電部１７−１と絶縁部１７−２の境界である側壁面１７−３の下方付近で最大となることがわかる。さらにこの現象は、注入電流が２ｍＡの場合に顕著になる。これは、電流が電子狭窄層１７の側壁面１７−３付近に集中し、その状態で活性層１５に注入されるためである。このような場合、基本モードよりもしきい値利得の大きい高次モードで発振し易い状態になる。そうすると、しきい値電流が増大し、あるいは過剰に電流が流れてレーザ発振前に面発光レーザ３０が破損してしまうという問題が生じる。
【０００９】
このような電流の導電部１７−１縁辺部への集中を抑制するため、電流狭窄層１７の導電部１７−１およびその直上の第１のクラッド層３３の一部についてドーピング濃度を低下させる手法が知られている。図５は、かかる面発光レーザを構成する各層のパラメータを示す図である（従来例３）。なお、図３に示す従来例２と同一の層についてパラメータの記載を省略した。
【００１０】
図５を参照するに、ｐ−ＩｎＧａＰからなる第１のクラッド層３３のドーピング濃度１×１０１８ｃｍ−３に対して、電流狭窄層１７のｐ−ＩｎＡｌＡｓからなる導電部１７−１のドーピング濃度を１×１０１７ｃｍ−３に低下させ、さらに、その直上に厚さ０．０５μｍ、ドーピング濃度１×１０１７ｃｍ−３のｐ−ＩｎＧａＰからなる第２のクラッド層３５を設ける。図５に示すパラメータ、すなわち、組成、膜厚、ドーピング濃度を用いて、計算機シミュレーションを行い、図６および図７に示す結果が得られた。
【００１１】
図６は、活性層１５に注入される電流密度の分布を示す図である。図６において、注入電流が１ｍＡおよび２ｍＡの場合、さらに比較のため従来例２の結果を併せて示した。また、図７は、面発光レーザの電圧―電流特性および微分抵抗―電流特性を示す図である。図７において、比較のため従来例２の結果を併せて示した。
【００１２】
図６を参照するに、電流密度は、面発光レーザの中心軸から電流狭窄層１７の側壁面１７−３直下付近まではほぼ一定であり、それより外側では、最大値をとらずに減少している。したがって、この手法により電流が側壁面１７−３直下付近に集中する問題は解消できる。
【００１３】
しかしながら、図７を参照するに、従来例３では面発光レーザの印加電流を増加すると、従来例２すなわちドーピング濃度を一桁下げた第２のクラッド層３５を設けない場合に対して、電圧が増加している。すなわち面発光レーザの微分抵抗が増加し、したがって、面発光レーザの消費電力が増加してしまうという問題が生じる。
【００１４】
またさらに、ドーピング濃度を一桁下げた第２のクラッド層３５の直上の第１のクラッド層３３のドーピング濃度を増加して低抵抗可を図る手法があるが、自由キャリア吸収が生じるおそれがある。
【００１５】
したがって、本発明の目的は、上記問題点に鑑み、面発光レーザの活性層への均一な電流注入を行うとともに、同時に面発光レーザの微分抵抗の抵抗低減を図って、低しきい値かつ低消費電力の特長を有する面発光レーザを提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は請求項１に記載の如く、基板と、該基板上に形成された下側多層膜反射鏡と、該下側多層膜反射鏡上に形成された活性層と、該活性層上に形成された電流狭窄層と、該電流狭窄層上に形成されたクラッド層と、該クラッド層上の一部に形成された上側多層膜反射鏡と、該クラッド層上に形成された上側電極と、該基板に形成された下側電極とよりなる面発光レーザにおいて、前記電流狭窄層は導電部と該導電部を囲む絶縁部とよりなり、該導電部は活性層に向かって広がる側壁面で画成されてなり、前記導電部の側壁面が膜面に垂直な方向に対してなす角θは、 arctan(2.3) ≦θ＜９０°を満足することにより達成される。
【００１７】
請求項１に記載の発明によれば、電流狭窄層の導電部を活性層に向かって広がる形状にし、導電部の側壁面が膜面に垂直な方向に対してなす角θは、 arctan(2.3) ≦θ＜９０°を満足することによって、前記導電部の側壁面直下付近の活性層部分に集中する電流を抑制し、活性層の活性領域により均一に電流を注入することができ、かつ同時に低抵抗化を図ることができる。その結果、低しきい値かつ低消費電力の面発光レーザを実現することができる。
【００１８】
また、請求項２に記載の如く、請求項１に記載の面発光レーザにおいて、前記電流狭窄層の導電部は活性層に向かって広がるテーパ形状の側壁面で画成されている構成とすることができる。
【００１９】
また、請求項３に記載の如く、請求項１に記載の面発光レーザにおいて、前記電流狭窄層は複数層からなり、各電流狭窄層の導電部は、活性層に向かって広がる階段状の側壁面で画成されている構成とすることができる。
【００２１】
また、請求項４に記載の如く、請求項１から４のいずれか１項に記載の面発光レーザにおいて、前記電流狭窄層の導電部はＡｌを含む半導体よりなり、前記絶縁部はＡｌを含む絶縁物よりなり、前記導電部のＡｌ濃度は、上方に行くほど高いことにより達成される。
【００２２】
請求項４に記載の発明によれば、電流狭窄層の半導体部のＡｌ濃度に傾斜をもたせ、活性層から上方に行くほど高くすることによって、選択酸化により形成されるＡｌの酸化物からなる絶縁部の領域を上方に行くほど拡大することができる。その結果、電流狭窄層の導電部を上方に向かって狭く、すなわち、活性層に向かって広く形成することができる。
【００２３】
また、請求項５に記載の如く、請求項１から４のいずれか１項に記載の面発光レーザにおいて、前記活性層へ注入される電流の電流密度は、面発光レーザの中心軸において最大であることが好ましい。
【００２４】
電流狭窄層およびその上方に形成された積層構造はメサを形成しており、面発光レーザの中心軸は、このメサの中心軸となる。請求項６に記載の発明によれば、活性層における面発光レーザの中心軸において注入される電流の電流密度が最大であることによって、活性層の微小領域に電流を集中させることができ、レーザ発振効率を向上し、しきい値電流を低減できる。
【００２５】
請求項６に記載の如く、基板と、該基板上に形成された下側多層膜反射鏡と、該下側多層膜反射鏡上に形成された活性層と、該活性層上に形成された電流狭窄層と、該電流狭窄層上に形成されたクラッド層と、該クラッド層上の一部に形成された上側多層膜反射鏡と、該クラッド層上に形成された上側電極と、該基板に形成された下側電極とよりなる面発光レーザの製造方法において、前記活性層側からＡｌ濃度を連続的に増大させて半導体膜を形成する工程と、少なくとも前記半導体膜をエッチングしてメサを形成する工程と、前記メサの側壁面から該半導体膜を水蒸気で熱酸化して導電部の外周側に絶縁部を有する電流狭窄層を形成する工程とを含み、前記導電部の側壁面が膜面に垂直な方向に対してなす角θが、 arctan(2.3) ≦θ＜９０°を満足することにより達成される。
【００２６】
また、請求項７に記載の如く、基板と、該基板上に形成された下側多層膜反射鏡と、該下側多層膜反射鏡上に形成された活性層と、該活性層上に形成された電流狭窄層と、該電流狭窄層上に形成されたクラッド層と、該クラッド層上の一部に形成された上側多層膜反射鏡と、該クラッド層上に形成された上側電極と、該基板に形成された下側電極とよりなる面発光レーザの製造方法において、前記活性層側からＡｌ濃度を膜ごとに増大させて複数の半導体膜を形成する工程と、前記半導体膜をエッチングしてメサを形成する工程と、前記メサの側壁面から前記複数の半導体膜を水蒸気で熱酸化して導電部の外周側に絶縁部を有する電流狭窄層を形成する工程とを含み、前記複数の半導体膜の導電部の側壁面を結ぶ仮想的な直線が膜面に垂直な方向に対してなす角θが、 arctan(2.3) ≦θ＜９０°を満足することにより達成される。
【００２７】
請求項６または７に記載の発明によれば、電流狭窄層となる半導体膜を、Ａｌ濃度を連続的あるいは膜ごとに増大させて形成し、次いでエッチングによりメサを形成し、水蒸気による熱酸化処理によりＡｌの酸化物を形成することによって、電流狭窄層の導電部が、活性層から上方に向かって狭く、すなわち活性層に向かって広く形成された形状を有し、導電部の側壁面、または複数の半導体膜の導電部の側壁面を結ぶ仮想的な直線が膜面に垂直な方向に対してなす角θが、 arctan(2.3) ≦θ＜９０°を満足する電流狭窄層を形成されるので、簡単な製造工程により、低しきい値、低消費電力の面発光レーザを提供することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明は、面発光レーザの電流狭窄層の特長ある構造により、活性層への均一な電流注入を行うとともに、同時に、面発光レーザの電気抵抗の抵抗低減を図って、低しきい値かつ低消費電力の特性を実現するものである。
【００２９】
本発明の面発光レーザの第１実施例について説明する。本実施例は、ＩｎＧａＡｓ基板上１．３μｍ帯面発光レーザに係るものである。
【００３０】
図８は、面発光レーザの本実施例の断面構成図である。図８（Ａ）は、断面構成を示す図、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示す円内の拡大図である。
【００３１】
図８（Ａ）を参照するに、本実施例にかかる面発光レーザ１００は、基板１１２の底面に設けられた負極の下側電極１１１と、基板１１２と、前記基板１１２上に形成された多層膜反射鏡１１３と、前記反射鏡１１３の上に形成された下部クラッド層１１４および上部クラッド層１１６に挟まれた活性層１１５からなる共振器１３０と、前記共振器１３０の上に形成され、面発光レーザ１００の中心軸付近Ｚの導電部１１７−１と前記導電部を囲む絶縁部１１７−２よりなる電流狭窄層１１７と、前記電流狭窄層１１７の上に設けられたクラッド層１１８と、前記クラッド層１１８上に形成された多層膜反射鏡１１９と、前記クラッド層１１８上の一部に形成されたコンタクト層１２０と、前記コンタクト層１２０の上に形成されたパッシベーション層１２１と、前記コンタクト層１２０の一部と接して、パッシベーション層１２１上に形成された正極の上側電極１２２から構成されている。前記上部クラッド層１１６より上方の積層構造は、円柱状メサを形成しており、この円柱の中心軸がほぼ面発光レーザ１００の中心軸Ｚとなる。なお、面発光レーザ１００の中心軸は、正確には、光学的に決まる光軸である。
【００３２】
下側電極１１１は、例えば、厚さ１５０ｎｍのＡｕ膜と厚さ３０ｎｍのＡｕＧｅ膜から構成され、オーミック電極よりなる。このうち、基板１１２とのコンタクト抵抗および密着性を高めるため、基板１１２側にはＡｕＧｅ膜が形成される。
【００３３】
基板１１２は、例えば、ドーピング濃度が２×１０１８ｃｍ−３のｎ型Ｉｎ０．２７Ｇａ０．７３Ａｓの半導体から構成される。
【００３４】
多層膜反射鏡１１３は、例えばｎ型の半導体多層膜から構成される。ｎ型半導体多層膜反射鏡は、例えば、光学的な１／４波長に対応する厚さ１０３．９７ｎｍのｎ型Ａｌ０．２６１Ｉｎ０．７３９Ｐ膜と、光学的な１／４波長に対応する厚さ９３ｎｍのｎ型Ｉｎ０．２７Ｇａ０．７３Ａｓ膜を交互に３０．５対積層して構成されている。この積層構造はｎ型Ａｌ０．２６１Ｉｎ０．７３９Ｐから始まり、この層で終わる構成とされている。ドーピング濃度はいずれの層も２×１０１８ｃｍ−３とされている。
【００３５】
下部クラッド層１１４および上部クラッド層１１６は、例えば、厚さ１８７．７ｎｍのアンドープのＩｎ０．２６６Ａｌ０．２１８Ｇａ０．５１６Ａｓから構成される。
【００３６】
活性層１１５は、例えば、アンドープのＩｎ０．４５Ｇａ０．５５Ａｓからなる歪量子井戸活性層から構成される。厚さは、例えば８ｎｍである。活性層１１５は、前記下部および上部クラッド層１１４，１１６とともに内部共振器１３０を構成する。
【００３７】
電流狭窄層１１７の上に設けられたクラッド層１１８は、例えば、厚さ１０３．９７ｎｍのドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３のｐ型Ｉｎ０．７５６Ｇａ０．２５４Ｐから構成される。
【００３８】
コンタクト層１２０は、例えば、厚さ６５１ｎｍのドーピング濃度が１×１０１９ｃｍ−３のｐ型Ｉｎ０．２７Ｇａ０．７３Ａｓから構成される。
【００３９】
多層膜反射鏡１１９は、例えば、誘電体層と半導体層の多層膜から構成され、例えば、光学的な１／４波長に対応する厚さ１０１．６ｎｍのＳｉ膜と光学的な１／４波長に対応する厚さ２２４．１ｎｍのＳｉＯ２膜とを交互に４．５対重ねて構成される。ただし、Ｓｉ膜とＳｉＯ２膜の物理的な膜厚は、それぞれの屈折率に応じて変化しており、異なった値となっている。
【００４０】
パッシベーション層１２１は、例えば、厚さが３００ｎｍのＳｉＯ２から構成される。
【００４１】
正極の上側電極１２２は、厚さ１５ｎｍのＡｕおよび厚さ１６０ｎｍのＡｕＺｎを形成して熱処理により合金化した膜の上に、厚さ２００ｎｍのＴｉ膜、厚さ３００ｎｍのＰｔ膜、厚さ１０００ｎｍのＡｕ膜をこの順に積層して構成される。
【００４２】
電流狭窄層１１７は、厚さ１２２．９４ｎｍの導電部１１７−１と絶縁部１１７−２から構成されている。これらのうち、導電部１１７−１は、例えば、ドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３のｐ型の半導体から構成されている。一方、絶縁部１１７−２は、例えば、前記導電部１１７−１を酸化したものから構成されている。
【００４３】
導電部１１７−１は、Ａｌ濃度が上方に行くほど増大する構成となっている。例えば、導電部１１７−１が、直下の上部クラッド層１１６に接する部分はＩｎ０．２５８Ａｌ０．６０５Ｇａ０．１３７Ａｓであり、上方に行くにしたがってＧａがＡｌに置換されていき、直上のクラッド層１１８に接する部分では、Ｉｎ０．２５８Ａｌ０．７４２Ａｓとなっている。そして、絶縁部１１７−２は、例えば、この導電部１１７−１が酸化したものである。
【００４４】
図８（Ｂ）を参照するに、導電部１１７−１と絶縁部１１７−２との側壁面１１７−３は、膜面に垂直な方向に対して傾きθをもって、活性層１１５に向かって広がるテーパ形状となっている。なお、膜厚方向に対する側壁面の傾きはarctan(2.3)≦θ＜９０°が好ましい。本実施例では、側壁面１１７−３が上部クラッド層１１６と接する部分の面発光レーザの中心軸Ｚからの距離Ｒ１を、２．２５μｍとし、側壁面１１７−３がクラッド層１１８と接する部分の面発光レーザの中心軸Ｚからの距離Ｒ２を、２．５０μｍとした。つまりθは、arctan(０．２５／０．１)＝arctan(２．３)とした。
【００４５】
図９は、本実施例の構成に基づいて、シミュレーションにより求めた活性層１１５に注入される電流の電流密度分布を示す図である。図９において、注入電流が１ｍＡおよび２ｍＡの場合、さらに比較のため従来例３の結果を併せて示した。また、図１０は、本実施例の構成に基づいて、シミュレーションにより求めた面発光レーザの電流―電圧特性および微分抵抗―電流特性を示す図である。図１０において、比較のため従来例３の結果を併せて示した。
【００４６】
図９は、活性層１１５において、面発光レーザ１００の中心軸Ｚから膜面方向の距離を横軸、電流密度を縦軸としたものである。図９を参照するに、面発光レーザ１００の中心軸Ｚにおいて電流密度は最大値をとり、中心軸Ｚから電流狭窄層１１７の側壁面１１７−３までの距離Ｒ２である２．５０μｍ付近まではほぼ一定で、その外側で急激に減少した。従来例２と比較すると、中心軸Ｚにおける電流密度は増加し、電流狭窄層１１７の側壁面１１７−３直下における電流密度のピークはなかった。したがって、注入される電流の電流密度が均一となり、基本モードで発振させることができ、すなわちより低いしきい値電流で発振させることができる。
【００４７】
さらに図１０を参照するに、面発光レーザ１００の微分抵抗値は従来例３より、０．３ｍＡ以上で低減されている。すなわち面発光レーザ１００の消費電力を低く抑制することができる。
【００４８】
以上より、本実施例によれば、低しきい値かつ低消費電力の面発光レーザを実現することができる。
【００４９】
以下に本実施例の面発光レーザ１００の製造工程を図１１および図１２を用いて説明する。
【００５０】
まず、図１１（Ａ）を参照するに、ドーピング濃度が２×１０１８ｃｍ−３のｎ型Ｉｎ０．２７Ｇａ０．７３Ａｓの基板１１２上に、有機金属気層成長（ＭＯＣＶＤ）法により、多層膜反射鏡１１３を厚さ１０３．９７ｎｍ、ドーピング濃度が２×１０１８ｃｍ−３のｎ型Ａｌ０．２６１Ｉｎ０．７３９Ｐ膜と厚さ９３ｎｍのｎ型Ｉｎ０．２７Ｇａ０．７３Ａｓ膜を３０．５対交互に重ねて形成する。ｎ型Ａｌ０．２６１Ｉｎ０．７３９Ｐ膜から堆積を始めてこの膜で堆積を終わる。その上に、ＭＯＣＶＤ法により、厚さ１８７．７ｎｍのアンドープのＩｎ０．２６６Ａｌ０．２１８Ｇａ０．５１６Ａｓの下部クラッド層１１４、厚さ８ｎｍのアンドープのＩｎ０．４５Ｇａ０．５５Ａｓの活性層１１５、厚さ１８７．７ｎｍのアンドープのＩｎ０．２６６Ａｌ０．２１８Ｇａ０．５１６Ａｓの上部クラッド層１１６を形成する。
【００５１】
さらに、その上に、ＭＯＣＶＤ法により電流狭窄層１１７となる厚さ１２２．９４ｎｍ、ドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３のｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓの半導体層１２５を形成する。堆積の始めにはＩｎ０．２５８Ａｌ０．６０５Ｇａ０．１３７Ａｓが堆積するように構成ガスを供給し、ＧａをＡｌに置換するように構成ガスの流量を変化させ、堆積の終了時にはＩｎ０．２５８Ａｌ０．７４２Ａｓが堆積するようにする。
【００５２】
その上に、ＭＯＣＶＤ法により厚さ１０３．９７ｎｍのドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３のｐ型Ｉｎ０．７５６Ｇａ０．２５４Ｐのクラッド層１１８を形成し、その上に、厚さ６５１ｎｍのドーピング濃度が１×１０１９ｃｍ−３のｐ型Ｉｎ０．２７Ｇａ０．７３Ａｓのコンタクト層１２０を形成する。
【００５３】
さらにその上に、フォトリソグラフィあるいは電子線リソグラフィにより直径１５μｍ、厚さ３００ｎｍのＳｉＯ２のマスク１２６を形成する。
【００５４】
図１１（Ｂ）を参照するに、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などにより、塩素ガスを使って、上部クラッド層１１６の上面が現れるまでエッチングする。これにより円柱状メサが形成される。なお、この円柱状メサの中心軸が、この面発光レーザの中心軸となる。
【００５５】
図１１（Ｃ）を参照するに、上記エッチングにより現れた上部クラッド層１１６の上面をＳｉＯ２でマスクして、円柱状メサの側壁面より図１１（Ｂ）に示すｐ型のＩｎＡｌＧａＡｓの半導体層１２５の熱酸化を行う。熱酸化は、窒素をキャリアガスとした水蒸気雰囲気で、流量を１ｌ／ｍｉｎ、酸化温度４６０℃、５時間で行う。これにより、上述したように、この半導体層１２５はＡｌ濃度が上方に行くにしたがって増加しているため、これに対応して選択酸化される部分すなわち絶縁部が、上方に行くにしたがって膜外側から中心に入り込むように形成され、導電部１１７−１が活性層１１５から上方に行くほど狭くなるように形成される。したがって、絶縁部１１７−２と酸化されずに残った導電部１１７−１との側壁面１１７−３は、膜面に垂直な方向に対して傾きθをもって、活性層１１５に向かって広がるテーパ形状に形成される。
【００５６】
図１２（Ｄ）を参照するに、次いで、マスク１２６および上部クラッド層１１６の上面のＳｉＯ２のマスクをＣＦ４を使ったＲＩＥにより除去する。そして、フォトリソグラフィと硫酸−過酸化水素系エッチャントにより、コンタクト層１２０の円柱状メサの中心とあわせた直径５μｍの円形の部分１２０−１を選択エッチングする。
【００５７】
図１２（Ｅ）を参照するに、全体に厚さ３００ｎｍのＳｉＯ２膜のパッシベーション膜１２１を形成し、フォトリソグラフィによるパターニングと緩衡フッ酸溶液によるエッチングにより、先にエッチングしたコンタクト層１２０の円形の部分１２０−１のＳｉＯ２膜をエッチングする。次いで、厚さ１．５μｍのレジスト１２７を形成し、フォトリソグラフィによるパターニングにより、円形の部分１２０−１をエッチングする。そして、電子ビーム蒸着法により、多層膜反射鏡１１９を光学的な１／４波長に対応する厚さのＳｉ膜とＳｉＯ２膜とを交互に４．５対重ねて形成する。Ｓｉ膜から堆積を始めてこの膜で堆積を終わる。
【００５８】
図１２（Ｆ）を参照するに、フォトリソグラフィによるパターニングと緩衡フッ酸溶液によるエッチングにより、多層膜反射鏡１１９の周囲および上部クラッド層上のパッシベーション膜１２１の堆積物を除去する。次いで、パッシベーション膜１２１の一部をパターニング、エッチングして、コンタクト層を露出させる。
【００５９】
そして、パッシベーション膜１２１をマスクして、コンタクト層１２０の露出している部分に、厚さ１５ｎｍのＡｕ膜および厚さ１６０ｎｍのＡｕＺｎ膜を蒸着し、４３０℃５分間の熱処理を行い、合金化処理を行う。さらに、パッシベーション膜１２１のマスクをリフトオフし、厚さ２００ｎｍのＴｉ膜、厚さ３００ｎｍのＰｔ膜、厚さ１０００ｎｍのＡｕ膜をこの順に積層して上側電極１２２を形成する。
【００６０】
そして、基板１１２の裏面を厚さが１００μｍになるまで研磨し、厚さ３０ｎｍのＡｕＧｅ膜、厚さ１５０ｎｍのＡｕ膜を基板１１２の裏面にこの順に積層して、下側電極１１１を形成する。
【００６１】
以上により、図８に示されるような面発光レーザ１００が形成される。
【００６２】
なお、第１実施例では、電流狭窄層は単層内でＡｌ組成に傾斜を設けて、導電部と絶縁部との側壁面が膜面に垂直な方向に対して所定の傾きを有する構成としたが、異なったＡｌ組成を有する複数の半導体膜を重ねる構成としてもよい。
【００６３】
次に、異なったＡｌ組成を有する複数の半導体膜を重ねて、複数の電流狭窄層を含む本発明の面発光レーザの第２実施例について説明する。
【００６４】
図１３は、面発光レーザの本実施例の構成図である。図１３（Ａ）は、断面構成を示す図、図１３（Ｂ）は図１３（Ａ）に示す円内の拡大図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００６５】
図１３（Ａ）を参照するに、本実施例にかかる面発光レーザ２００は、負極である下側電極１１１と、ｎ型である基板１１２と、多層膜反射鏡１１３と、下部クラッド層１１４および上部クラッド層１１６に挟まれた活性層１１５からなる共振器１３０と、前記共振器１３０の上に形成され、２層が積層された電流狭窄層２１７Ａ，Ｂと、クラッド層１１８と、多層膜反射鏡１１９と、コンタクト層１２０と、パッシベーション層１２１と、正極の上側電極１２２とが含む構成とされている。
【００６６】
電流狭窄層２１７Ａ，Ｂは複数の電流狭窄層を積層した構成とされ、上部クラッド層１１６上に、電流狭窄層２１７Ａ，Ｂがこの順に積層されている。
【００６７】
電流狭窄層２１７Ａは、厚さ１０２．９４ｎｍの導電部２１７Ａ−１および絶縁部２１７Ａ−１からなり、導電部２１７Ａ−１は、例えば、ドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３のｐ型のＩｎ０．２５８Ａｌ０．６０５Ｇａ０．１３７Ａｓからなる。電流狭窄層２１７Ｂは、厚さ２０ｎｍの導電部２１７Ｂ−１および絶縁部２１７Ｂ−１からなり、導電部２１７Ｂ−１は、例えば、ドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３のｐ型のＩｎ０．２５６Ａｌ０．７４４Ａｓからなる。また、絶縁部２１７Ａ−２、２１７Ｂ−２は、それぞれ、前記導電部２１７Ａ−１、２１７Ｂ−１の材料が選択酸化された酸化物から構成されている。
【００６８】
図１３（Ｂ）を参照するに、導電部２１７Ａ−１、２１７Ｂ−１と絶縁部２１７Ａ−２、２１７Ｂ−２との側壁面２１７Ａ−３、２１７Ｂ−３の面発光レーザ２００の中心軸Ｚからの距離Ｒ３、Ｒ４は、距離Ｒ３が距離Ｒ４より大きい関係を有する。すなわち、活性層１１５に近い導電部２１７Ａ−１は、活性層１１５から遠い導電部２１７Ｂ−１に対して、広く形成されている。したがって、電流狭窄層２１７Ａ、Ｂは活性層に向かって広がった形状となっている。
【００６９】
ここで、図１３（Ｂ）を参照するに、複数の電流狭窄層２１７Ａ、Ｂにより構成される電流狭窄構造の側壁面が、膜面に垂直な方向に対する傾きθは、以下のように定義する。すなわち、それぞれの電流狭窄層２１７Ａ、Ｂの側壁面２１７Ａ−３、２１７Ｂ−３の膜厚１／２の位置を結んだ線と膜面に垂直な方向に対する傾きをθとする。
【００７０】
本実施例の構成に基づいて、シミュレーションにより、活性層１１５に注入される電流の電流密度分布および微分抵抗―電流特性を求めたところ第１実施例と同様の結果が得られた。
【００７１】
なお本実施例は電流狭窄層２１７が２層の場合であるが、２層に限定されず、３層以上でもよい。また、多層膜反射鏡１１９は、誘電体層と半導体層の多層膜に限られず、例えば、半導体多層膜、誘電体多層膜などであってもよい。
【００７２】
以下に本実施例の面発光レーザの製造工程を説明する。なお、第１実施例で説明した部分に対応する部分は、説明を省略する。
【００７３】
本実施例の面発光レーザに製造工程において、第１実施例と異なる工程は、電流狭窄層２１７を形成する工程である。
【００７４】
上部クラッド層１１６上に、ＭＯＣＶＤ法により電流狭窄層２１７Ａとなる厚さ１０２．９４ｎｍ、ドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３のｐ型のＩｎ０．２５８Ａｌ０．６０５Ｇａ０．１３７Ａｓの半導体層を形成し、その上に電流狭窄層２１７Ｂとなる厚さ２０ｎｍ、ドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３のｐ型のＩｎ０．２５６Ａｌ０．７４４Ａｓの半導体層を形成する。
【００７５】
その後の製造工程は第１実施例と同様であり、これらの製造工程により本実施例の半導体レーザ２００が形成される。
【００７６】
以上本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、他の波長の面発光レーザに適用可能であり、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、材料などの変更、種々の変形が可能である。
【００７７】
【発明の効果】
以上詳述したところから明らかなように、本発明によれば、活性層上の電流狭窄層の構造を、その導電部の側壁面が活性層に向かって広がる形状にすることによって、活性層の活性領域に電流を均一に注入することができ、同時に低抵抗化を図ることができる。その結果、低しきい値、低消費電力の面発光レーザを実現することができる。
【００７８】
また、Ａｌ濃度を連続あるいは膜ごとに増大させて半導体膜を形成し、積層後の熱酸化処理により前記形状の電流狭窄層を形成できるので、簡単な製造工程により、低しきい値、低消費電力の面発光レーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の垂直型共振器面発光レーザ（従来例１）の断面構成図である。
【図２】従来の横方向から電流を注入する面発光レーザ（従来例２）の断面構成図である。
【図３】従来例２の各層のパラメータを示す図である。
【図４】従来例２の電流密度分布を示す図である。
【図５】従来例３の各層のパラメータを示す図である。
【図６】従来例３の電流密度分布を示す図である。
【図７】従来例３の電圧―電流特性および微分抵抗―電流特性を示す図である。
【図８】（Ａ）、（Ｂ）は、第１実施例の断面構成図である。
【図９】第１実施例の電流密度分布を示す図である。
【図１０】第１実施例の電流―電圧特性および微分抵抗―電流特性を示す図である。
【図１１】（Ａ）〜（Ｃ）は、第１実施例の製造工程（その一）を示す図である。
【図１２】（Ｄ）〜（Ｆ）は、第１実施例の製造工程（その二）を示す図である。
【図１３】（Ａ）、（Ｂ）は、第２実施例の断面構成図である。
【符号の説明】
１００、２００ 面発光レーザ
１１１ 下側電極
１１２ 基板
１１３ 下側多層膜反射鏡
１１５ 活性層
１１７、２１７Ａ、２１７Ｂ 電流狭窄層
１１７−１、２１７Ａ−１、２１７Ｂ―１ 導電部
１１７−２、２１７Ａ−２、２１７Ｂ―２ 絶縁部
１１７−３ 側壁面
１１８ クラッド層
１１９ 上側多層膜反射鏡
１２０ コンタクト層
１２１ パッシベーション層
１２２ 上側電極
１３０ 内部共振器
θ 側壁面が膜面に垂直な方向に対してなす角
Ｚ 面発光レーザの中心軸
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を積層面に対し垂直方向に射出する面発光レーザ関する。近年、高速伝送に適する光通信、光データリンク研究が盛んになっている。面発光レーザは光伝送のキーデバイスであり、特に、低しきい値化、低消費電力化、低コスト化が期待されることから、製品化検討が積極的に進められている。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、従来の垂直型共振器面発光レーザの断面構成図である（従来例１）。図１を参照するに、面発光レーザ１０は、負極である下側電極１１と、ｎ型の基板１２と、ｎ型の下側半導体多層膜反射鏡１３と、下側クラッド層１４および上側クラッド層１６に挟まれた活性層１５を含む共振器２０と、電流狭窄層１７と、ｐ型の上側半導体多層膜反射鏡１８と、正極である上側電極１９とがこの順に積層された構造とされている。
【０００３】
この構造は、１回の結晶成長で作製できる利点があるが、半導体多層膜反射鏡１３、１８を通して電流を注入するため、半導体多層膜反射鏡１３、１８の電気抵抗が大きく、面発光レーザ１０全体の電気抵抗が大きくなってしまう。すなわち、半導体多層膜反射鏡１３、１８は屈折率の差の大きい２つの半導体膜を交互に積層した多層膜であり、２つの半導体膜のバンドギャップ差も大きいので、バンド構造におけるヘテロ界面に多数のスパイクができる。このスパイクがキャリア、特にホールの障壁となり、電気抵抗が増加する。電気抵抗が増加すると消費電力が増加してしまい、低消費電力化が困難となる。
【０００４】
図２は、従来の横方向から電流を注入する面発光レーザの断面構成図である（従来例２）。図２を参照するに、面発光レーザ３０の上側電極３１は、上側多層膜反射鏡３２の横に設けられており、電流の活性層１５への注入は、上側多層膜反射鏡３２を介さずに行われる。したがって、面発光レーザ３０全体の電気抵抗は、上側多層膜反射鏡３２の電気抵抗の影響を受けなくなるため、従来例１の面発光レーザに対して低抵抗化を図ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、面発光レーザ３０において、上側電極３１と活性層１５との間には、活性層１５の電流注入領域を小さくするために、電流狭窄層１７が設けられている。電流狭窄層１７は、面発光レーザ３０の中心軸Ｚ付近にある導電部１７−１と、これを囲む絶縁部１７−２からなる。正極の上側電極３１から注入された電流は、電流狭窄層１７の絶縁部１７−２によって導電部１７−１に狭窄される。したがって、電流を活性層１５の微少な領域に集中することができ、レーザ発振効率を向上し、しきい値電流を低減できる。
【０００６】
そこで、面発光レーザ３０について、活性層１５に注入される電流の電流密度分布の計算機シミュレーションを行った。図３は、計算機シミュレーションのための各層のパラメータ、すなわち組成、膜厚、ドーピング濃度などを示す図である。計算機シミュレーションの結果、図４に示す結果が得られた。
【０００７】
図４は、活性層１５に注入される電流の電流密度の分布を示す図である。図４において、横軸は面発光レーザの中心軸Ｚからの距離、縦軸は電流密度である。また、注入電流が１ｍＡおよび２ｍＡの場合を示した。
【０００８】
図４を参照するに、電流密度は、面発光レーザ３０の中心軸Ｚから外に向かうにしたがって増加し、特に、電流狭窄層１７の導電部１７−１と絶縁部１７−２の境界である側壁面１７−３の下方付近で最大となることがわかる。さらにこの現象は、注入電流が２ｍＡの場合に顕著になる。これは、電流が電子狭窄層１７の側壁面１７−３付近に集中し、その状態で活性層１５に注入されるためである。このような場合、基本モードよりもしきい値利得の大きい高次モードで発振し易い状態になる。そうすると、しきい値電流が増大し、あるいは過剰に電流が流れてレーザ発振前に面発光レーザ３０が破損してしまうという問題が生じる。
【０００９】
このような電流の導電部１７−１縁辺部への集中を抑制するため、電流狭窄層１７の導電部１７−１およびその直上の第１のクラッド層３３の一部についてドーピング濃度を低下させる手法が知られている。図５は、かかる面発光レーザを構成する各層のパラメータを示す図である（従来例３）。なお、図３に示す従来例２と同一の層についてパラメータの記載を省略した。
【００１０】
図５を参照するに、ｐ−ＩｎＧａＰからなる第１のクラッド層３３のドーピング濃度１×１０１８ｃｍ−３に対して、電流狭窄層１７のｐ−ＩｎＡｌＡｓからなる導電部１７−１のドーピング濃度を１×１０１７ｃｍ−３に低下させ、さらに、その直上に厚さ０．０５μｍ、ドーピング濃度１×１０１７ｃｍ−３のｐ−ＩｎＧａＰからなる第２のクラッド層３５を設ける。図５に示すパラメータ、すなわち、組成、膜厚、ドーピング濃度を用いて、計算機シミュレーションを行い、図６および図７に示す結果が得られた。
【００１１】
図６は、活性層１５に注入される電流密度の分布を示す図である。図６において、注入電流が１ｍＡおよび２ｍＡの場合、さらに比較のため従来例２の結果を併せて示した。また、図７は、面発光レーザの電圧―電流特性および微分抵抗―電流特性を示す図である。図７において、比較のため従来例２の結果を併せて示した。
【００１２】
図６を参照するに、電流密度は、面発光レーザの中心軸から電流狭窄層１７の側壁面１７−３直下付近まではほぼ一定であり、それより外側では、最大値をとらずに減少している。したがって、この手法により電流が側壁面１７−３直下付近に集中する問題は解消できる。
【００１３】
しかしながら、図７を参照するに、従来例３では面発光レーザの印加電流を増加すると、従来例２すなわちドーピング濃度を一桁下げた第２のクラッド層３５を設けない場合に対して、電圧が増加している。すなわち面発光レーザの微分抵抗が増加し、したがって、面発光レーザの消費電力が増加してしまうという問題が生じる。
【００１４】
またさらに、ドーピング濃度を一桁下げた第２のクラッド層３５の直上の第１のクラッド層３３のドーピング濃度を増加して低抵抗可を図る手法があるが、自由キャリア吸収が生じるおそれがある。
【００１５】
したがって、本発明の目的は、上記問題点に鑑み、面発光レーザの活性層への均一な電流注入を行うとともに、同時に面発光レーザの微分抵抗の抵抗低減を図って、低しきい値かつ低消費電力の特長を有する面発光レーザを提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は請求項１に記載の如く、基板と、該基板上に形成された下側多層膜反射鏡と、該下側多層膜反射鏡上に形成された活性層と、該活性層上に形成された電流狭窄層と、該電流狭窄層上に形成されたクラッド層と、該クラッド層上の一部に形成された上側多層膜反射鏡と、該クラッド層上に形成された上側電極と、該基板に形成された下側電極とよりなる面発光レーザにおいて、前記電流狭窄層は導電部と該導電部を囲む絶縁部とよりなり、該導電部は活性層に向かって広がる側壁面で画成されてなり、前記導電部の側壁面が膜面に垂直な方向に対してなす角θは、 arctan(2.3) ≦θ＜９０°を満足することにより達成される。
【００１７】
請求項１に記載の発明によれば、電流狭窄層の導電部を活性層に向かって広がる形状にし、導電部の側壁面が膜面に垂直な方向に対してなす角θは、 arctan(2.3) ≦θ＜９０°を満足することによって、前記導電部の側壁面直下付近の活性層部分に集中する電流を抑制し、活性層の活性領域により均一に電流を注入することができ、かつ同時に低抵抗化を図ることができる。その結果、低しきい値かつ低消費電力の面発光レーザを実現することができる。
【００１８】
また、請求項２に記載の如く、請求項１に記載の面発光レーザにおいて、前記電流狭窄層の導電部は活性層に向かって広がるテーパ形状の側壁面で画成されている構成とすることができる。
【００１９】
また、請求項３に記載の如く、請求項１に記載の面発光レーザにおいて、前記電流狭窄層は複数層からなり、各電流狭窄層の導電部は、活性層に向かって広がる階段状の側壁面で画成されている構成とすることができる。
【００２１】
また、請求項４に記載の如く、請求項１から４のいずれか１項に記載の面発光レーザにおいて、前記電流狭窄層の導電部はＡｌを含む半導体よりなり、前記絶縁部はＡｌを含む絶縁物よりなり、前記導電部のＡｌ濃度は、上方に行くほど高いことにより達成される。
【００２２】
請求項４に記載の発明によれば、電流狭窄層の半導体部のＡｌ濃度に傾斜をもたせ、活性層から上方に行くほど高くすることによって、選択酸化により形成されるＡｌの酸化物からなる絶縁部の領域を上方に行くほど拡大することができる。その結果、電流狭窄層の導電部を上方に向かって狭く、すなわち、活性層に向かって広く形成することができる。
【００２３】
また、請求項５に記載の如く、請求項１から４のいずれか１項に記載の面発光レーザにおいて、前記活性層へ注入される電流の電流密度は、面発光レーザの中心軸において最大であることが好ましい。
【００２４】
電流狭窄層およびその上方に形成された積層構造はメサを形成しており、面発光レーザの中心軸は、このメサの中心軸となる。請求項６に記載の発明によれば、活性層における面発光レーザの中心軸において注入される電流の電流密度が最大であることによって、活性層の微小領域に電流を集中させることができ、レーザ発振効率を向上し、しきい値電流を低減できる。
【００２５】
請求項６に記載の如く、基板と、該基板上に形成された下側多層膜反射鏡と、該下側多層膜反射鏡上に形成された活性層と、該活性層上に形成された電流狭窄層と、該電流狭窄層上に形成されたクラッド層と、該クラッド層上の一部に形成された上側多層膜反射鏡と、該クラッド層上に形成された上側電極と、該基板に形成された下側電極とよりなる面発光レーザの製造方法において、前記活性層側からＡｌ濃度を連続的に増大させて半導体膜を形成する工程と、少なくとも前記半導体膜をエッチングしてメサを形成する工程と、前記メサの側壁面から該半導体膜を水蒸気で熱酸化して導電部の外周側に絶縁部を有する電流狭窄層を形成する工程とを含み、前記導電部の側壁面が膜面に垂直な方向に対してなす角θが、 arctan(2.3) ≦θ＜９０°を満足することにより達成される。
【００２６】
また、請求項７に記載の如く、基板と、該基板上に形成された下側多層膜反射鏡と、該下側多層膜反射鏡上に形成された活性層と、該活性層上に形成された電流狭窄層と、該電流狭窄層上に形成されたクラッド層と、該クラッド層上の一部に形成された上側多層膜反射鏡と、該クラッド層上に形成された上側電極と、該基板に形成された下側電極とよりなる面発光レーザの製造方法において、前記活性層側からＡｌ濃度を膜ごとに増大させて複数の半導体膜を形成する工程と、前記半導体膜をエッチングしてメサを形成する工程と、前記メサの側壁面から前記複数の半導体膜を水蒸気で熱酸化して導電部の外周側に絶縁部を有する電流狭窄層を形成する工程とを含み、前記複数の半導体膜の導電部の側壁面を結ぶ仮想的な直線が膜面に垂直な方向に対してなす角θが、 arctan(2.3) ≦θ＜９０°を満足することにより達成される。
【００２７】
請求項６または７に記載の発明によれば、電流狭窄層となる半導体膜を、Ａｌ濃度を連続的あるいは膜ごとに増大させて形成し、次いでエッチングによりメサを形成し、水蒸気による熱酸化処理によりＡｌの酸化物を形成することによって、電流狭窄層の導電部が、活性層から上方に向かって狭く、すなわち活性層に向かって広く形成された形状を有し、導電部の側壁面、または複数の半導体膜の導電部の側壁面を結ぶ仮想的な直線が膜面に垂直な方向に対してなす角θが、 arctan(2.3) ≦θ＜９０°を満足する電流狭窄層を形成されるので、簡単な製造工程により、低しきい値、低消費電力の面発光レーザを提供することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明は、面発光レーザの電流狭窄層の特長ある構造により、活性層への均一な電流注入を行うとともに、同時に、面発光レーザの電気抵抗の抵抗低減を図って、低しきい値かつ低消費電力の特性を実現するものである。
【００２９】
本発明の面発光レーザの第１実施例について説明する。本実施例は、ＩｎＧａＡｓ基板上１．３μｍ帯面発光レーザに係るものである。
【００３０】
図８は、面発光レーザの本実施例の断面構成図である。図８（Ａ）は、断面構成を示す図、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示す円内の拡大図である。
【００３１】
図８（Ａ）を参照するに、本実施例にかかる面発光レーザ１００は、基板１１２の底面に設けられた負極の下側電極１１１と、基板１１２と、前記基板１１２上に形成された多層膜反射鏡１１３と、前記反射鏡１１３の上に形成された下部クラッド層１１４および上部クラッド層１１６に挟まれた活性層１１５からなる共振器１３０と、前記共振器１３０の上に形成され、面発光レーザ１００の中心軸付近Ｚの導電部１１７−１と前記導電部を囲む絶縁部１１７−２よりなる電流狭窄層１１７と、前記電流狭窄層１１７の上に設けられたクラッド層１１８と、前記クラッド層１１８上に形成された多層膜反射鏡１１９と、前記クラッド層１１８上の一部に形成されたコンタクト層１２０と、前記コンタクト層１２０の上に形成されたパッシベーション層１２１と、前記コンタクト層１２０の一部と接して、パッシベーション層１２１上に形成された正極の上側電極１２２から構成されている。前記上部クラッド層１１６より上方の積層構造は、円柱状メサを形成しており、この円柱の中心軸がほぼ面発光レーザ１００の中心軸Ｚとなる。なお、面発光レーザ１００の中心軸は、正確には、光学的に決まる光軸である。
【００３２】
下側電極１１１は、例えば、厚さ１５０ｎｍのＡｕ膜と厚さ３０ｎｍのＡｕＧｅ膜から構成され、オーミック電極よりなる。このうち、基板１１２とのコンタクト抵抗および密着性を高めるため、基板１１２側にはＡｕＧｅ膜が形成される。
【００３３】
基板１１２は、例えば、ドーピング濃度が２×１０１８ｃｍ−３のｎ型Ｉｎ０．２７Ｇａ０．７３Ａｓの半導体から構成される。
【００３４】
多層膜反射鏡１１３は、例えばｎ型の半導体多層膜から構成される。ｎ型半導体多層膜反射鏡は、例えば、光学的な１／４波長に対応する厚さ１０３．９７ｎｍのｎ型Ａｌ０．２６１Ｉｎ０．７３９Ｐ膜と、光学的な１／４波長に対応する厚さ９３ｎｍのｎ型Ｉｎ０．２７Ｇａ０．７３Ａｓ膜を交互に３０．５対積層して構成されている。この積層構造はｎ型Ａｌ０．２６１Ｉｎ０．７３９Ｐから始まり、この層で終わる構成とされている。ドーピング濃度はいずれの層も２×１０１８ｃｍ−３とされている。
【００３５】
下部クラッド層１１４および上部クラッド層１１６は、例えば、厚さ１８７．７ｎｍのアンドープのＩｎ０．２６６Ａｌ０．２１８Ｇａ０．５１６Ａｓから構成される。
【００３６】
活性層１１５は、例えば、アンドープのＩｎ０．４５Ｇａ０．５５Ａｓからなる歪量子井戸活性層から構成される。厚さは、例えば８ｎｍである。活性層１１５は、前記下部および上部クラッド層１１４，１１６とともに内部共振器１３０を構成する。
【００３７】
電流狭窄層１１７の上に設けられたクラッド層１１８は、例えば、厚さ１０３．９７ｎｍのドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３のｐ型Ｉｎ０．７５６Ｇａ０．２５４Ｐから構成される。
【００３８】
コンタクト層１２０は、例えば、厚さ６５１ｎｍのドーピング濃度が１×１０１９ｃｍ−３のｐ型Ｉｎ０．２７Ｇａ０．７３Ａｓから構成される。
【００３９】
多層膜反射鏡１１９は、例えば、誘電体層と半導体層の多層膜から構成され、例えば、光学的な１／４波長に対応する厚さ１０１．６ｎｍのＳｉ膜と光学的な１／４波長に対応する厚さ２２４．１ｎｍのＳｉＯ２膜とを交互に４．５対重ねて構成される。ただし、Ｓｉ膜とＳｉＯ２膜の物理的な膜厚は、それぞれの屈折率に応じて変化しており、異なった値となっている。
【００４０】
パッシベーション層１２１は、例えば、厚さが３００ｎｍのＳｉＯ２から構成される。
【００４１】
正極の上側電極１２２は、厚さ１５ｎｍのＡｕおよび厚さ１６０ｎｍのＡｕＺｎを形成して熱処理により合金化した膜の上に、厚さ２００ｎｍのＴｉ膜、厚さ３００ｎｍのＰｔ膜、厚さ１０００ｎｍのＡｕ膜をこの順に積層して構成される。
【００４２】
電流狭窄層１１７は、厚さ１２２．９４ｎｍの導電部１１７−１と絶縁部１１７−２から構成されている。これらのうち、導電部１１７−１は、例えば、ドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３のｐ型の半導体から構成されている。一方、絶縁部１１７−２は、例えば、前記導電部１１７−１を酸化したものから構成されている。
【００４３】
導電部１１７−１は、Ａｌ濃度が上方に行くほど増大する構成となっている。例えば、導電部１１７−１が、直下の上部クラッド層１１６に接する部分はＩｎ０．２５８Ａｌ０．６０５Ｇａ０．１３７Ａｓであり、上方に行くにしたがってＧａがＡｌに置換されていき、直上のクラッド層１１８に接する部分では、Ｉｎ０．２５８Ａｌ０．７４２Ａｓとなっている。そして、絶縁部１１７−２は、例えば、この導電部１１７−１が酸化したものである。
【００４４】
図８（Ｂ）を参照するに、導電部１１７−１と絶縁部１１７−２との側壁面１１７−３は、膜面に垂直な方向に対して傾きθをもって、活性層１１５に向かって広がるテーパ形状となっている。なお、膜厚方向に対する側壁面の傾きはarctan(2.3)≦θ＜９０°が好ましい。本実施例では、側壁面１１７−３が上部クラッド層１１６と接する部分の面発光レーザの中心軸Ｚからの距離Ｒ１を、２．２５μｍとし、側壁面１１７−３がクラッド層１１８と接する部分の面発光レーザの中心軸Ｚからの距離Ｒ２を、２．５０μｍとした。つまりθは、arctan(０．２５／０．１)＝arctan(２．３)とした。
【００４５】
図９は、本実施例の構成に基づいて、シミュレーションにより求めた活性層１１５に注入される電流の電流密度分布を示す図である。図９において、注入電流が１ｍＡおよび２ｍＡの場合、さらに比較のため従来例３の結果を併せて示した。また、図１０は、本実施例の構成に基づいて、シミュレーションにより求めた面発光レーザの電流―電圧特性および微分抵抗―電流特性を示す図である。図１０において、比較のため従来例３の結果を併せて示した。
【００４６】
図９は、活性層１１５において、面発光レーザ１００の中心軸Ｚから膜面方向の距離を横軸、電流密度を縦軸としたものである。図９を参照するに、面発光レーザ１００の中心軸Ｚにおいて電流密度は最大値をとり、中心軸Ｚから電流狭窄層１１７の側壁面１１７−３までの距離Ｒ２である２．５０μｍ付近まではほぼ一定で、その外側で急激に減少した。従来例２と比較すると、中心軸Ｚにおける電流密度は増加し、電流狭窄層１１７の側壁面１１７−３直下における電流密度のピークはなかった。したがって、注入される電流の電流密度が均一となり、基本モードで発振させることができ、すなわちより低いしきい値電流で発振させることができる。
【００４７】
さらに図１０を参照するに、面発光レーザ１００の微分抵抗値は従来例３より、０．３ｍＡ以上で低減されている。すなわち面発光レーザ１００の消費電力を低く抑制することができる。
【００４８】
以上より、本実施例によれば、低しきい値かつ低消費電力の面発光レーザを実現することができる。
【００４９】
以下に本実施例の面発光レーザ１００の製造工程を図１１および図１２を用いて説明する。
【００５０】
まず、図１１（Ａ）を参照するに、ドーピング濃度が２×１０１８ｃｍ−３のｎ型Ｉｎ０．２７Ｇａ０．７３Ａｓの基板１１２上に、有機金属気層成長（ＭＯＣＶＤ）法により、多層膜反射鏡１１３を厚さ１０３．９７ｎｍ、ドーピング濃度が２×１０１８ｃｍ−３のｎ型Ａｌ０．２６１Ｉｎ０．７３９Ｐ膜と厚さ９３ｎｍのｎ型Ｉｎ０．２７Ｇａ０．７３Ａｓ膜を３０．５対交互に重ねて形成する。ｎ型Ａｌ０．２６１Ｉｎ０．７３９Ｐ膜から堆積を始めてこの膜で堆積を終わる。その上に、ＭＯＣＶＤ法により、厚さ１８７．７ｎｍのアンドープのＩｎ０．２６６Ａｌ０．２１８Ｇａ０．５１６Ａｓの下部クラッド層１１４、厚さ８ｎｍのアンドープのＩｎ０．４５Ｇａ０．５５Ａｓの活性層１１５、厚さ１８７．７ｎｍのアンドープのＩｎ０．２６６Ａｌ０．２１８Ｇａ０．５１６Ａｓの上部クラッド層１１６を形成する。
【００５１】
さらに、その上に、ＭＯＣＶＤ法により電流狭窄層１１７となる厚さ１２２．９４ｎｍ、ドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３のｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓの半導体層１２５を形成する。堆積の始めにはＩｎ０．２５８Ａｌ０．６０５Ｇａ０．１３７Ａｓが堆積するように構成ガスを供給し、ＧａをＡｌに置換するように構成ガスの流量を変化させ、堆積の終了時にはＩｎ０．２５８Ａｌ０．７４２Ａｓが堆積するようにする。
【００５２】
その上に、ＭＯＣＶＤ法により厚さ１０３．９７ｎｍのドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３のｐ型Ｉｎ０．７５６Ｇａ０．２５４Ｐのクラッド層１１８を形成し、その上に、厚さ６５１ｎｍのドーピング濃度が１×１０１９ｃｍ−３のｐ型Ｉｎ０．２７Ｇａ０．７３Ａｓのコンタクト層１２０を形成する。
【００５３】
さらにその上に、フォトリソグラフィあるいは電子線リソグラフィにより直径１５μｍ、厚さ３００ｎｍのＳｉＯ２のマスク１２６を形成する。
【００５４】
図１１（Ｂ）を参照するに、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などにより、塩素ガスを使って、上部クラッド層１１６の上面が現れるまでエッチングする。これにより円柱状メサが形成される。なお、この円柱状メサの中心軸が、この面発光レーザの中心軸となる。
【００５５】
図１１（Ｃ）を参照するに、上記エッチングにより現れた上部クラッド層１１６の上面をＳｉＯ２でマスクして、円柱状メサの側壁面より図１１（Ｂ）に示すｐ型のＩｎＡｌＧａＡｓの半導体層１２５の熱酸化を行う。熱酸化は、窒素をキャリアガスとした水蒸気雰囲気で、流量を１ｌ／ｍｉｎ、酸化温度４６０℃、５時間で行う。これにより、上述したように、この半導体層１２５はＡｌ濃度が上方に行くにしたがって増加しているため、これに対応して選択酸化される部分すなわち絶縁部が、上方に行くにしたがって膜外側から中心に入り込むように形成され、導電部１１７−１が活性層１１５から上方に行くほど狭くなるように形成される。したがって、絶縁部１１７−２と酸化されずに残った導電部１１７−１との側壁面１１７−３は、膜面に垂直な方向に対して傾きθをもって、活性層１１５に向かって広がるテーパ形状に形成される。
【００５６】
図１２（Ｄ）を参照するに、次いで、マスク１２６および上部クラッド層１１６の上面のＳｉＯ２のマスクをＣＦ４を使ったＲＩＥにより除去する。そして、フォトリソグラフィと硫酸−過酸化水素系エッチャントにより、コンタクト層１２０の円柱状メサの中心とあわせた直径５μｍの円形の部分１２０−１を選択エッチングする。
【００５７】
図１２（Ｅ）を参照するに、全体に厚さ３００ｎｍのＳｉＯ２膜のパッシベーション膜１２１を形成し、フォトリソグラフィによるパターニングと緩衡フッ酸溶液によるエッチングにより、先にエッチングしたコンタクト層１２０の円形の部分１２０−１のＳｉＯ２膜をエッチングする。次いで、厚さ１．５μｍのレジスト１２７を形成し、フォトリソグラフィによるパターニングにより、円形の部分１２０−１をエッチングする。そして、電子ビーム蒸着法により、多層膜反射鏡１１９を光学的な１／４波長に対応する厚さのＳｉ膜とＳｉＯ２膜とを交互に４．５対重ねて形成する。Ｓｉ膜から堆積を始めてこの膜で堆積を終わる。
【００５８】
図１２（Ｆ）を参照するに、フォトリソグラフィによるパターニングと緩衡フッ酸溶液によるエッチングにより、多層膜反射鏡１１９の周囲および上部クラッド層上のパッシベーション膜１２１の堆積物を除去する。次いで、パッシベーション膜１２１の一部をパターニング、エッチングして、コンタクト層を露出させる。
【００５９】
そして、パッシベーション膜１２１をマスクして、コンタクト層１２０の露出している部分に、厚さ１５ｎｍのＡｕ膜および厚さ１６０ｎｍのＡｕＺｎ膜を蒸着し、４３０℃５分間の熱処理を行い、合金化処理を行う。さらに、パッシベーション膜１２１のマスクをリフトオフし、厚さ２００ｎｍのＴｉ膜、厚さ３００ｎｍのＰｔ膜、厚さ１０００ｎｍのＡｕ膜をこの順に積層して上側電極１２２を形成する。
【００６０】
そして、基板１１２の裏面を厚さが１００μｍになるまで研磨し、厚さ３０ｎｍのＡｕＧｅ膜、厚さ１５０ｎｍのＡｕ膜を基板１１２の裏面にこの順に積層して、下側電極１１１を形成する。
【００６１】
以上により、図８に示されるような面発光レーザ１００が形成される。
【００６２】
なお、第１実施例では、電流狭窄層は単層内でＡｌ組成に傾斜を設けて、導電部と絶縁部との側壁面が膜面に垂直な方向に対して所定の傾きを有する構成としたが、異なったＡｌ組成を有する複数の半導体膜を重ねる構成としてもよい。
【００６３】
次に、異なったＡｌ組成を有する複数の半導体膜を重ねて、複数の電流狭窄層を含む本発明の面発光レーザの第２実施例について説明する。
【００６４】
図１３は、面発光レーザの本実施例の構成図である。図１３（Ａ）は、断面構成を示す図、図１３（Ｂ）は図１３（Ａ）に示す円内の拡大図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００６５】
図１３（Ａ）を参照するに、本実施例にかかる面発光レーザ２００は、負極である下側電極１１１と、ｎ型である基板１１２と、多層膜反射鏡１１３と、下部クラッド層１１４および上部クラッド層１１６に挟まれた活性層１１５からなる共振器１３０と、前記共振器１３０の上に形成され、２層が積層された電流狭窄層２１７Ａ，Ｂと、クラッド層１１８と、多層膜反射鏡１１９と、コンタクト層１２０と、パッシベーション層１２１と、正極の上側電極１２２とが含む構成とされている。
【００６６】
電流狭窄層２１７Ａ，Ｂは複数の電流狭窄層を積層した構成とされ、上部クラッド層１１６上に、電流狭窄層２１７Ａ，Ｂがこの順に積層されている。
【００６７】
電流狭窄層２１７Ａは、厚さ１０２．９４ｎｍの導電部２１７Ａ−１および絶縁部２１７Ａ−１からなり、導電部２１７Ａ−１は、例えば、ドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３のｐ型のＩｎ０．２５８Ａｌ０．６０５Ｇａ０．１３７Ａｓからなる。電流狭窄層２１７Ｂは、厚さ２０ｎｍの導電部２１７Ｂ−１および絶縁部２１７Ｂ−１からなり、導電部２１７Ｂ−１は、例えば、ドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３のｐ型のＩｎ０．２５６Ａｌ０．７４４Ａｓからなる。また、絶縁部２１７Ａ−２、２１７Ｂ−２は、それぞれ、前記導電部２１７Ａ−１、２１７Ｂ−１の材料が選択酸化された酸化物から構成されている。
【００６８】
図１３（Ｂ）を参照するに、導電部２１７Ａ−１、２１７Ｂ−１と絶縁部２１７Ａ−２、２１７Ｂ−２との側壁面２１７Ａ−３、２１７Ｂ−３の面発光レーザ２００の中心軸Ｚからの距離Ｒ３、Ｒ４は、距離Ｒ３が距離Ｒ４より大きい関係を有する。すなわち、活性層１１５に近い導電部２１７Ａ−１は、活性層１１５から遠い導電部２１７Ｂ−１に対して、広く形成されている。したがって、電流狭窄層２１７Ａ、Ｂは活性層に向かって広がった形状となっている。
【００６９】
ここで、図１３（Ｂ）を参照するに、複数の電流狭窄層２１７Ａ、Ｂにより構成される電流狭窄構造の側壁面が、膜面に垂直な方向に対する傾きθは、以下のように定義する。すなわち、それぞれの電流狭窄層２１７Ａ、Ｂの側壁面２１７Ａ−３、２１７Ｂ−３の膜厚１／２の位置を結んだ線と膜面に垂直な方向に対する傾きをθとする。
【００７０】
本実施例の構成に基づいて、シミュレーションにより、活性層１１５に注入される電流の電流密度分布および微分抵抗―電流特性を求めたところ第１実施例と同様の結果が得られた。
【００７１】
なお本実施例は電流狭窄層２１７が２層の場合であるが、２層に限定されず、３層以上でもよい。また、多層膜反射鏡１１９は、誘電体層と半導体層の多層膜に限られず、例えば、半導体多層膜、誘電体多層膜などであってもよい。
【００７２】
以下に本実施例の面発光レーザの製造工程を説明する。なお、第１実施例で説明した部分に対応する部分は、説明を省略する。
【００７３】
本実施例の面発光レーザに製造工程において、第１実施例と異なる工程は、電流狭窄層２１７を形成する工程である。
【００７４】
上部クラッド層１１６上に、ＭＯＣＶＤ法により電流狭窄層２１７Ａとなる厚さ１０２．９４ｎｍ、ドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３のｐ型のＩｎ０．２５８Ａｌ０．６０５Ｇａ０．１３７Ａｓの半導体層を形成し、その上に電流狭窄層２１７Ｂとなる厚さ２０ｎｍ、ドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３のｐ型のＩｎ０．２５６Ａｌ０．７４４Ａｓの半導体層を形成する。
【００７５】
その後の製造工程は第１実施例と同様であり、これらの製造工程により本実施例の半導体レーザ２００が形成される。
【００７６】
以上本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、他の波長の面発光レーザに適用可能であり、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、材料などの変更、種々の変形が可能である。
【００７７】
【発明の効果】
以上詳述したところから明らかなように、本発明によれば、活性層上の電流狭窄層の構造を、その導電部の側壁面が活性層に向かって広がる形状にすることによって、活性層の活性領域に電流を均一に注入することができ、同時に低抵抗化を図ることができる。その結果、低しきい値、低消費電力の面発光レーザを実現することができる。
【００７８】
また、Ａｌ濃度を連続あるいは膜ごとに増大させて半導体膜を形成し、積層後の熱酸化処理により前記形状の電流狭窄層を形成できるので、簡単な製造工程により、低しきい値、低消費電力の面発光レーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の垂直型共振器面発光レーザ（従来例１）の断面構成図である。
【図２】従来の横方向から電流を注入する面発光レーザ（従来例２）の断面構成図である。
【図３】従来例２の各層のパラメータを示す図である。
【図４】従来例２の電流密度分布を示す図である。
【図５】従来例３の各層のパラメータを示す図である。
【図６】従来例３の電流密度分布を示す図である。
【図７】従来例３の電圧―電流特性および微分抵抗―電流特性を示す図である。
【図８】（Ａ）、（Ｂ）は、第１実施例の断面構成図である。
【図９】第１実施例の電流密度分布を示す図である。
【図１０】第１実施例の電流―電圧特性および微分抵抗―電流特性を示す図である。
【図１１】（Ａ）〜（Ｃ）は、第１実施例の製造工程（その一）を示す図である。
【図１２】（Ｄ）〜（Ｆ）は、第１実施例の製造工程（その二）を示す図である。
【図１３】（Ａ）、（Ｂ）は、第２実施例の断面構成図である。
【符号の説明】
１００、２００ 面発光レーザ
１１１ 下側電極
１１２ 基板
１１３ 下側多層膜反射鏡
１１５ 活性層
１１７、２１７Ａ、２１７Ｂ 電流狭窄層
１１７−１、２１７Ａ−１、２１７Ｂ―１ 導電部
１１７−２、２１７Ａ−２、２１７Ｂ―２ 絶縁部
１１７−３ 側壁面
１１８ クラッド層
１１９ 上側多層膜反射鏡
１２０ コンタクト層
１２１ パッシベーション層
１２２ 上側電極
１３０ 内部共振器
θ 側壁面が膜面に垂直な方向に対してなす角
Ｚ 面発光レーザの中心軸
Claims (7)
- 基板と、該基板上に形成された下側多層膜反射鏡と、該下側多層膜反射鏡上に形成された活性層と、該活性層上に形成された電流狭窄層と、該電流狭窄層上に形成されたクラッド層と、該クラッド層上の一部に形成された上側多層膜反射鏡と、該クラッド層上に形成された上側電極と、該基板に形成された下側電極とよりなる面発光レーザにおいて、
前記電流狭窄層は導電部と該導電部を囲む絶縁部とよりなり、該導電部は活性層に向かって広がる側壁面で画成されてなり、
前記導電部の側壁面が膜面に垂直な方向に対してなす角θは、 arctan(2.3) ≦θ＜９０°を満足することを特徴とする面発光レーザ。 - 請求項１に記載の面発光レーザにおいて、
前記電流狭窄層の導電部は活性層に向かって広がるテーパ形状の側壁面で画成されていることを特徴とする面発光レーザ。 - 請求項１に記載の面発光レーザにおいて、
前記電流狭窄層は複数層からなり、各電流狭窄層の導電部は、活性層に向かって広がる階段状の側壁面で画成されていることを特徴とする面発光レーザ。 - 請求項１から３のいずれか１項に記載の面発光レーザにおいて、
前記電流狭窄層の導電部はＡｌを含む半導体よりなり、前記絶縁部はＡｌを含む絶縁物よりなり、前記導電部のＡｌ濃度は、上方に行くほど高いことを特徴とする面発光レーザ。 - 請求項１から５のいずれか１項に記載の面発光レーザにおいて、
前記活性層へ注入される電流の電流密度は、面発光レーザの中心軸において最大であることを特徴とする面発光レーザ。 - 基板と、該基板上に形成された下側多層膜反射鏡と、該下側多層膜反射鏡上に形成された活性層と、該活性層上に形成された電流狭窄層と、該電流狭窄層上に形成されたクラッド層と、該クラッド層上の一部に形成された上側多層膜反射鏡と、該クラッド層上に形成された上側電極と、該基板に形成された下側電極とよりなる面発光レーザの製造方法において、
前記活性層側からＡｌ濃度を連続的に増大させて半導体膜を形成する工程と、
少なくとも前記半導体膜をエッチングしてメサを形成する工程と、
前記メサの側壁面から該半導体膜を水蒸気で熱酸化して導電部の外周側に絶縁部を有する電流狭窄層を形成する工程とを含み、
前記導電部の側壁面が膜面に垂直な方向に対してなす角θが、 arctan(2.3) ≦θ＜９０°を満足することを特徴とする面発光レーザの製造方法。 - 基板と、該基板上に形成された下側多層膜反射鏡と、該下側多層膜反射鏡上に形成された活性層と、該活性層上に形成された電流狭窄層と、該電流狭窄層上に形成されたクラッド層と、該クラッド層上の一部に形成された上側多層膜反射鏡と、該クラッド層上に形成された上側電極と、該基板に形成された下側電極とよりなる面発光レーザの製造方法において、
前記活性層側からＡｌ濃度を膜ごとに増大させて複数の半導体膜を形成する工程と、
前記半導体膜をエッチングしてメサを形成する工程と、
前記メサの側壁面から前記複数の半導体膜を水蒸気で熱酸化して導電部の外周側に絶縁部を有する電流狭窄層を形成する工程とを含み、
前記複数の半導体膜の導電部の側壁面を結ぶ仮想的な直線が膜面に垂直な方向に対して なす角θが、 arctan(2.3) ≦θ＜９０°を満足することを特徴とする面発光レーザの製造方法。
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