JP4103558B2 - 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、特にエアギャップを半導体層と分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても横モード制御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な面発光レーザに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平０８−２１３７０２号公報
【特許文献２】
特開２０００−２７７８５３号公報
【特許文献３】
特開２００２−１３４８３５号公報
【非特許文献１】
M.Ortsiefer et.al., Appl.Phys.Lett vol.76 pp.2178-2181(2000)
【非特許文献２】
G.R.Hadley et.al., IEEE J.Quantum Electronics 32 pp.607-616(1996)
【０００４】
図５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、「M.Ortsiefer et.al., Appl.Phys.Lett vol.76 pp.2178-2181(2000)」に記載されたものである。
【０００５】
図５において１はＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓで形成されたｎ型の分布反射層（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲ層と呼ぶ。）、２及び４はスペーサ層、３は量子井戸（Quantum Well）等を用いた活性層、５はｐ型不純物が高濃度にドーピングされたｐ型のトンネル接合層、６はｎ型不純物が高濃度にドーピングされたｎ型のトンネル接合層、７はｎ型のＩｎＰ等の低屈折率層、８はミラー層、９はコンタクト層、１０は上部の電極、１１はヒートシンク、１２は下部の電極である。
【０００６】
ＤＢＲ層１の上（実際の図５では下であるが以下の形成過程の説明に際しては上下逆転して説明する。）には下部のスペーサ層２、活性層３及び上部のスペーサ層４が順次形成され、上部のスペーサ層４の上にはｐ型のトンネル接合層５及びｎ型のトンネル接合層６が順次形成され、トンネル接合が形成される。
【０００７】
このようなトンネル接合がｎ型のＤＢＲ層１の上であって中央部にのみ形成されるようにｐ型のトンネル接合層５の一部及びｎ型のトンネル接合層６であって図５中”ＣＩ０１”及び図５中”ＣＩ０２”に示すような周囲の部分がエッチングにより取り除かれる。
【０００８】
その後、ｎ型のトンネル接合層６及び前記エッチングの工程で表面に現れたｐ型のトンネル接合層５の上にはＩｎＰ等の低屈折率層７が形成される。
【０００９】
そして、低屈折率層７の上であって中央部には上部ミラーを構成するミラー層８が形成され、当該ミラー層８の周囲にはコンタクト層９が形成される。また、トンネル接合層６と低屈折率層７との側面には絶縁膜が形成さる。
【００１０】
コンタクト層９に接続するように上部の電極１０が形成され、低屈折率層７の状面及び側面にはヒートシンク１１が形成される。さらに、ＤＢＲ層１の裏面には下部の電極１２が形成される。
【００１１】
ここで、図５に示す従来例の動作を図６を用いて説明する。但し、図６を用いた動作説明に際してはＤＢＲ層１を上部として説明する。また、図６は注入電流の流れの一例を示す説明図である。
【００１２】
上部の電極１２と下部の電極１０との間に電圧が印加されると下部の電極１０から上部の電極１２へ図６中”ＣＲ１１”及び図６中”ＣＲ１２”に示すように電流が中央部に形成されたトンネル接合を通じて流れて電流狭窄を生じる。
【００１３】
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、ＤＢＲ層１とミラー層８との間に形成される光共振器で光増幅されて、ＤＢＲ層１側であって上部の電極１２が無い部分から図６中”ＬＲ１１”に示すようにレーザ光として出力される。
【００１４】
一方、トンネル接合部分は高屈折率材料を用いており、周囲には低屈折率層７が形成されているので、両者の間で等価屈折率差”Δｎeff”が生じる。
【００１５】
このような、等価屈折率差”Δｎeff”は、トンネル接合部分での共振波長を”λ”、トンネル接合部分と周辺部分との共振波長の差を”Δλ”、等価屈折率を”ｎeff”とした場合、
Δｎeff／ｎeff＝Δλ／λ （１）
で表される。
【００１６】
すなわち、この等価屈折率”ｎeff”により、トンネル接合部分に前述の光共振器で共振するレーザ光が閉じ込められ、面発光レーザのレーザ光の光強度分布が中央部分（トンネル接合部分）で最大となるため横モード制御が可能になる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図５に示す従来の面発光レーザでは、トンネル接合部分における電流狭窄と光の閉じ込めとの両者を同時に行うためには、形成すべき高濃度にドーピングされたトンネル接合層５及び６の膜厚と組成に制限が生じてしまうと言った問題点があった。
【００１８】
すなわち、高濃度のドーピングを行うとその部分における光の光吸収が大きくなるためドーピングの濃度を低くしたいものの、トンネル接合での電圧降下を小さくするためには高濃度のドーピングが必要になると言ったトレードオフの関係が存在することになる。
【００１９】
このため、電流狭窄や光の閉じ込めのために高濃度のドーピングを行うと共振するレーザ光の光吸収が大きくなって、トンネル接合部分の光吸収がトンネル接合部分の周辺部分よりも大きくなってしまい、言い換えれば、面発光レーザのレーザ光の光強度分布が中央部分（トンネル接合部分）では小さくなり横モード制御にとって不利に作用することになる。
【００２０】
さらに、図５に示す従来の面発光レーザにおいてレーザ光を波長可変にするためには、エアギャップをスペーサ層２とＤＢＲ層１との間に挿入し、上部のミラーであるＤＢＲ層１を可動にすれば良いが、ＤＢＲ層を支持する構造が必要になるので、光出力の取り出しが困難になる。
【００２１】
一方、低屈折率であるエアギャップを半導体層（低屈折率層７等）とミラー層８との間に挿入する構成にした場合には横モード制御が不安定になってしまう場合がある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、エアギャップを半導体層とＤＢＲ層との間に挿入する構成にした場合であっても横モード制御が可能な面発光レーザを実現することにある。
【００２２】
【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、
光の取り出し口を有する基板と、この基板上に形成された第１の分布反射層と、第１及び第２のスペーサ層により上下方向から挟まれると共に前記第１の分布反射層上に形成された活性層と、上部の前記第１のスペーサ層上の中央部に形成されたトンネル接合と、このトンネル接合の周辺及び上部に形成された第３のスペーサ層と、この第３のスペーサ層上の周辺部に形成されたコンタクト層と、前記コンタクト層上に形成される第１の電極と、前記基板の裏面であって前記光の取り出し口以外の部分に形成された第２の電極と、前記第３のスペーサ層とエアギャップを介して対向するように第２の分布反射層とを備え、
前記第３のスペーサ層の中央部分と前記エアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように前記第３のスペーサ層の中央部分の膜厚を調整したことにより、エアギャップをスペーサ層と分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても横モード制御が可能になる。
【００２３】
請求項２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、
光の取り出し口を有する基板と、この基板上に形成された第１の分布反射層と、第１及び第２のスペーサ層により上下方向から挟まれると共に前記第１の分布反射層上に形成された活性層と、上部の前記第１のスペーサ層上に形成され周辺部分が選択酸化された第３のスペーサ層と、この第３のスペーサ層上の周辺部に形成されたコンタクト層と、前記コンタクト層上に形成される第１の電極と、前記基板の裏面であって前記光の取り出し口以外の部分に形成された第２の電極と、前記第３のスペーサ層とエアギャップを介して対向するように第２の分布反射層とを備え、
前記第３のスペーサ層の中央部分と前記エアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように前記第３のスペーサ層の中央部分の膜厚を調整したことにより、エアギャップをスペーサ層と分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても横モード制御が可能になる。
【００２４】
請求項３記載の発明は、
請求項２記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記第３のスペーサ層の周辺部分には絶縁性を有する酸化物が分布することにより、エアギャップをスペーサ層と分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても横モード制御が可能になる。
【００２５】
請求項４記載の発明は、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発明である面発光レーザにおいて、前記第３のスペーサ層の周辺部分と前記エアギャップの境界面に定在波の節が位置するように前記第３のスペーサ層の周辺部分の膜厚を調整したことにより、エアギャップをスペーサ層と分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても横モード制御が可能になる。
【００２６】
請求項５記載の発明は、
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明である面発光レーザにおいて、前記第３のスペーサ層の中央部分と、前記第３のスペーサ層の周辺部分との段差をエッチングにより形成したことにより、エアギャップをスペーサ層と分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても横モード制御が可能になる。
【００２７】
請求項６記載の発明は、
請求項１若しくは請求項４記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記第１のスペーサ層上の中央部に形成されたトンネル接合と周辺部の段差に対応して前記第３のスペーサ層の表面に生じた段差を前記第３のスペーサ層の中央部分と、前記第３のスペーサ層の周辺部分との段差とすることにより、エアギャップをスペーサ層と分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても横モード制御が可能になる。
【００２８】
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、前記第２の分布反射膜は半導体微細加工技術によって形成され可動にしたことにより、レーザ光の発振波長を可変にすることが可能になる。
【００２９】
【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。
【００３０】
図１において１３はｎ型のＩｎＰ基板、１４はｎ型のＩｎＧａＡｓＰとｎ型のＩｎＰで形成された分布反射層（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲ層と呼ぶ。）、１５はｎ型のＩｎＡｌＡｓで形成されたスペーサ層、１６はＩｎＧａＡｌＡｓで形成された多重量子井戸（Multi Quantum Well）等を用いた活性層、１７はｐ型のＩｎＡｌＡｓで形成されたスペーサ層、１８はｐ型不純物が高濃度にドーピングされたＩｎＧａＡｌＡｓで形成されたｐ型のトンネル接合層、１９はｎ型不純物が高濃度にドーピングされたＩｎＧａＡｌＡｓで形成されたｎ型のトンネル接合層、２０はｎ型のＩｎＰで形成されたスペーサ層、２１はｎ型のＩｎＧａＡｓＰで形成されたコンタクト層、２２は上部の電極、２３はＤＢＲ層、２４はＳｉで形成されたメンブレン、２５は下部の電極である。
【００３１】
ｎ型のＩｎＰ基板１３上には下部のＤＢＲ層１４が形成され、ＤＢＲ層１４の上には下部のスペーサ層１５、活性層１６及び上部のスペーサ層１７が順次形成される。
【００３２】
上部のスペーサ層１７の上にはｐ型のトンネル接合層１８及びｎ型のトンネル接合層１９が順次形成されてトンネル接合を形成し、ｐ型のトンネル接合層１８の一部及びｎ型のトンネル接合層１９であって図１中”ＣＩ２１”及び図１中”ＣＩ２２”に示すような周囲の部分がエッチング等により取り除かれる。
【００３３】
その後、ｎ型のトンネル接合層１９及び前記エッチングの工程で表面に現れたｐ型のトンネル接合層１８の上にはスペーサ層２０が順次形成される。スペーサ層２０であって図１中”ＣＩ２３”及び図１中”ＣＩ２４”に示すような部分、言い換えれば、スペーサ層２０上であってトンネル接合部分の上部（中央部分）と周辺部分とで囲まれる部分がエッチングにより取り除かれる。
【００３４】
スペーサ層２０上であって周辺部分にはコンタクト層２１が形成され、コンタクト層２１上には上部の電極２２が形成される。
【００３５】
そして、スペーサ層２０の上方にはスペーサ層２０に接しない状態でメンブレン２４が形成され、メンブレン２４の下、言い換えれば、スペーサ層２０に対向する面にはＤＢＲ層２３が形成されて、図１中”ＡＧ２１”に示すようなエアギャップを形成する。
【００３６】
一方、ｎ型のＩｎＰ基板１３は裏面であって図１中”ＡＲ２１”に示す部分が光の取り出し口としてエッチングによりＤＢＲ層１４表面まで取り除かれ、残ったｎ型のＩｎＰ基板１３の裏面には電極２５が形成される。
【００３７】
ここで，図１に示す実施例の動作を図２、図３及び図４を用いて説明する。図２は注入電流の流れの一例を示す説明図、図３はスペーサ層２０とエアギャップの境界面に定在波の節が位置する場合のレーザ光の光強度分布の一例を示す特性曲線図、図４はスペーサ層２０とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置する場合のレーザ光の光強度分布の一例を示す特性曲線図である。
【００３８】
上部の電極２２と下部の電極２５との間に電圧が印加されると上部の電極２２から図２中”ＣＲ３１”及び図２中”ＣＲ３２”に示すように電流が中央部に形成されたトンネル接合を通じて流れて電流狭窄を生じる。
【００３９】
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、ＤＢＲ層１４とＤＢＲ層２３の間に形成される光共振器で光増幅されて、ＤＢＲ層１４側であってｎ型のＩｎＰ基板１３が取り除かれた光の取り出し口から図２中”ＬＲ３１”に示すようにレーザ光として出力される。
【００４０】
そして、上部のスペーサ層１７と下部のスペーサ層１５の膜厚は活性層１６に定在波の腹がくるように調整されている。
【００４１】
また、メンブレン２４をＭＥＭＳ（micro electro-mechanical systems：可動部品と電子回路を半導体微細加工技術によって集積した微小な機械システム）で可動にして、スペーサ層２０とＤＢＲ層２３との間隔（図１中”ＡＧ２１”に示すエアギャップの間隔に相当）を調整することにより、レーザ光の発振波長を可変にしている。
【００４２】
さらに、スペーサ層２０の膜厚及び段差を調整して、スペーサ層２０の中央部分（凸部）とエアギャップの境界面に定在波の腹がくるように、且つ、スペーサ層２０の中央部分と周辺部分とで囲まれる部分（凹部）とエアギャップの境界面に定在波の節がくるように調整される。
【００４３】
例えば、図３中”ＣＨ４１”に示す特性曲線から分かるように、スペーサ層２０の中央部分と周辺部分とで囲まれる部分（凹部）とエアギャップの境界面に定在波の節が位置する場合には、図３中”ＤＢ４１”に示す下部のＤＢＲ層１４及び図３中”ＱＷ４１”に示す活性層１６を含むスペーサ層１５〜スペーサ層２０の半導体層における光強度が小さく、逆に、図３中”ＡＧ４１”に示すエアギャップにおける光強度が大きくなり、活性層１６における共振するレーザ光の閉じ込めが少なくなる。
【００４４】
一方、例えば、図４中”ＣＨ５１”に示す特性曲線から分かるように、スペーサ層２０の中央部分（凸部）とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置する場合には、図４中”ＡＧ５１”に示すエアギャップにおける光強度が小さく、逆に、図４中”ＱＷ５１”に示す活性層１６を含むスペーサ層１５〜スペーサ層２０の半導体層における光強度が大きくなり、活性層１６における共振するレーザ光の閉じ込めが多くなる。
【００４５】
すなわち、従来例と同様にトンネル接合部分の周囲に形成されたスペーサ層２０との等価屈折率差により、トンネル接合部分に光共振器で共振するレーザ光が閉じ込められると共に、スペーサ層２０の中央部分（凸部）では共振するレーザ光の閉じ込めが多くなり、一方、スペーサ層２０の中央部分と周辺部分とで囲まれる部分（凹部）では共振するレーザ光の閉じ込めが少なくなり、面発光レーザのレーザ光の光強度分布が中央部分（凸部（トンネル接合部分））で最大となるため横モード制御が可能になる。
【００４６】
この結果、半導体層（スペーサ層２０）の中央部分（凸部）とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように、且つ、スペーサ層２０の中央部分と周辺部分とで囲まれる部分（凹部）とエアギャップの境界面に定在波の節が位置するようにスペーサ層２０の各部分の膜厚を調整することにより、エアギャップを半導体層（スペーサ層２０）とＤＢＲ層２３との間に挿入する構成にした場合であっても横モード制御が可能になる。
【００４７】
なお、図１に示す実施例ではスペーサ層２０の膜厚及び段差を調整して、スペーサ層２０の中央部分と周辺部分とで囲まれる部分（凹部）とエアギャップの境界面に定在波の節がくるように調整する旨記載しているが、スペーサ層２０の中央部分と周辺部分とで囲まれる部分（凹部）とエアギャップの境界面に定在波の腹以外の部分がくるように調整しても構わない。
【００４８】
また、図１に示す実施例ではスペーサ層２０の中央部分（凸部）と、スペーサ層２０の中央部分と周辺部分とで囲まれる部分（凹部）との間の段差（凹凸）をエッチングにより形成する旨記載されているがこれに限定されるものではなく、トンネル接合部分の段差を用いてスペーサ層２０の段差（凹凸）を形成しても構わない。
【００４９】
例えば、トンネル接合層１８及び１９上に結晶を順次積層させてスペーサ層２０を形成させた場合に、トンネル接合部分の段差が伝達されてトンネル接合部分の段差に対応する段差がスペーサ層２０の表面に生じるので、このような段差を利用しても構わない。
【００５０】
また、図１に示す実施例ではトンネル接合により電流狭窄を実現しているが、勿論、電流狭窄を実現する方法としてはトンネル接合を用いる方法に限定されるわけではなく、例えば、ＩｎＡｌＡｓの選択酸化を用いても構わない。
【００５１】
例えば、トンネル接合層１８及び１９を用いることなく、ＩｎＡｌＡｓで形成されるスペーサ層１７をトンネル接合層１９の上面部分まで形成し、周辺部分から酸素を浸透させＩｎＡｌＡｓのＡｌを選択酸化させることにより、周辺部分に絶縁性を有する酸化物である酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を分布させる。
【００５２】
このような構成にすることにより、電極２２から供給された電流は周辺部分に形成された酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を避けて酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が分布しない中央部分を流れることになり、電流狭窄が実現できる。
【００５３】
また、上部のＤＢＲ層２３を可動にして波長可変レーザを実現しているが、上部のＤＢＲ層２３を固定にして固定波長レーザとしても勿論構わない。この場合には図１中”ＡＧ２１”に示すエアギャップの代わりにＳｉＯ２等の誘電体膜を用いても構わない。
【００５４】
また、エアギャップ内は空気の代わりに他の気体若しくは液体を封入しても構わない。
【００５５】
また、図１に示す実施例では、第２の分布反射層は第３のスペーサ層に対向するようにエアギャップを介してメンブレン上に形成された旨記載しているが、勿論、メンブレンに限定されるものではない。
【００５６】
また、図１に示す実施例では、スペーサ層２０の中央部分と周辺部分とで囲まれる部分（凹部）とエアギャップの境界面に定在波の節がくるように調整する旨記載しているが、電極２２が形成される部分とエアギャップの境界面もまた定在波の節がくるように調整しても構わない。
【００５７】
すなわち、半導体層（スペーサ層２０）の中央部分（凸部）とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように、且つ、スペーサ層２０の周辺部分（凹部）とエアギャップの境界面に定在波の節が位置するようにスペーサ層２０の各部分の膜厚を調整するれば構わない。
【００５８】
【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１，２，３，４，５及び請求項６の発明によれば、スペーサ層の中央部分（凸部）とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように、また、スペーサ層の中央部分と周辺部分とで囲まれる部分（凹部）とエアギャップの境界面に定在波の節が位置するようにスペーサ層の各部分の膜厚を調整することにより、エアギャップをスペーサ層とＤＢＲ層との間に挿入する構成にした場合であっても横モード制御が可能になる。
【００５９】
また、請求項７の発明によれば、メンブレンをＭＥＭＳで可動にして、スペーサ層とＤＢＲ層との間隔を調整することにより、レーザ光の発振波長を可変にすることが可能になる。
【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】注入電流の流れの一例を示す説明図である。
【図３】スペーサ層とエアギャップの境界面に定在波の節が位置する場合のレーザ光の光強度分布の一例を示す特性曲線図である。
【図４】スペーサ層とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置する場合のレーザ光の光強度分布の一例を示す特性曲線図である。
【図５】従来の面発光レーザの一例を示す構成断面図である。
【図６】注入電流の流れの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１，１４，２３ 分布反射層（ＤＢＲ層）
２，４，１５，１７，２０ スペーサ層
３，１６ 活性層
５，６，１８，１９ トンネル接合層
７ 低屈折率層
８ ミラー層
９，２１ コンタクト層
１０，１２，２２，２５ 電極
１１ ヒートシンク
１３ ＩｎＰ基板
２４ メンブレン
【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、特にエアギャップを半導体層と分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても横モード制御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な面発光レーザに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平０８−２１３７０２号公報
【特許文献２】
特開２０００−２７７８５３号公報
【特許文献３】
特開２００２−１３４８３５号公報
【非特許文献１】
M.Ortsiefer et.al., Appl.Phys.Lett vol.76 pp.2178-2181(2000)
【非特許文献２】
G.R.Hadley et.al., IEEE J.Quantum Electronics 32 pp.607-616(1996)
【０００４】
図５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、「M.Ortsiefer et.al., Appl.Phys.Lett vol.76 pp.2178-2181(2000)」に記載されたものである。
【０００５】
図５において１はＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓで形成されたｎ型の分布反射層（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲ層と呼ぶ。）、２及び４はスペーサ層、３は量子井戸（Quantum Well）等を用いた活性層、５はｐ型不純物が高濃度にドーピングされたｐ型のトンネル接合層、６はｎ型不純物が高濃度にドーピングされたｎ型のトンネル接合層、７はｎ型のＩｎＰ等の低屈折率層、８はミラー層、９はコンタクト層、１０は上部の電極、１１はヒートシンク、１２は下部の電極である。
【０００６】
ＤＢＲ層１の上（実際の図５では下であるが以下の形成過程の説明に際しては上下逆転して説明する。）には下部のスペーサ層２、活性層３及び上部のスペーサ層４が順次形成され、上部のスペーサ層４の上にはｐ型のトンネル接合層５及びｎ型のトンネル接合層６が順次形成され、トンネル接合が形成される。
【０００７】
このようなトンネル接合がｎ型のＤＢＲ層１の上であって中央部にのみ形成されるようにｐ型のトンネル接合層５の一部及びｎ型のトンネル接合層６であって図５中”ＣＩ０１”及び図５中”ＣＩ０２”に示すような周囲の部分がエッチングにより取り除かれる。
【０００８】
その後、ｎ型のトンネル接合層６及び前記エッチングの工程で表面に現れたｐ型のトンネル接合層５の上にはＩｎＰ等の低屈折率層７が形成される。
【０００９】
そして、低屈折率層７の上であって中央部には上部ミラーを構成するミラー層８が形成され、当該ミラー層８の周囲にはコンタクト層９が形成される。また、トンネル接合層６と低屈折率層７との側面には絶縁膜が形成さる。
【００１０】
コンタクト層９に接続するように上部の電極１０が形成され、低屈折率層７の状面及び側面にはヒートシンク１１が形成される。さらに、ＤＢＲ層１の裏面には下部の電極１２が形成される。
【００１１】
ここで、図５に示す従来例の動作を図６を用いて説明する。但し、図６を用いた動作説明に際してはＤＢＲ層１を上部として説明する。また、図６は注入電流の流れの一例を示す説明図である。
【００１２】
上部の電極１２と下部の電極１０との間に電圧が印加されると下部の電極１０から上部の電極１２へ図６中”ＣＲ１１”及び図６中”ＣＲ１２”に示すように電流が中央部に形成されたトンネル接合を通じて流れて電流狭窄を生じる。
【００１３】
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、ＤＢＲ層１とミラー層８との間に形成される光共振器で光増幅されて、ＤＢＲ層１側であって上部の電極１２が無い部分から図６中”ＬＲ１１”に示すようにレーザ光として出力される。
【００１４】
一方、トンネル接合部分は高屈折率材料を用いており、周囲には低屈折率層７が形成されているので、両者の間で等価屈折率差”Δｎeff”が生じる。
【００１５】
このような、等価屈折率差”Δｎeff”は、トンネル接合部分での共振波長を”λ”、トンネル接合部分と周辺部分との共振波長の差を”Δλ”、等価屈折率を”ｎeff”とした場合、
Δｎeff／ｎeff＝Δλ／λ （１）
で表される。
【００１６】
すなわち、この等価屈折率”ｎeff”により、トンネル接合部分に前述の光共振器で共振するレーザ光が閉じ込められ、面発光レーザのレーザ光の光強度分布が中央部分（トンネル接合部分）で最大となるため横モード制御が可能になる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図５に示す従来の面発光レーザでは、トンネル接合部分における電流狭窄と光の閉じ込めとの両者を同時に行うためには、形成すべき高濃度にドーピングされたトンネル接合層５及び６の膜厚と組成に制限が生じてしまうと言った問題点があった。
【００１８】
すなわち、高濃度のドーピングを行うとその部分における光の光吸収が大きくなるためドーピングの濃度を低くしたいものの、トンネル接合での電圧降下を小さくするためには高濃度のドーピングが必要になると言ったトレードオフの関係が存在することになる。
【００１９】
このため、電流狭窄や光の閉じ込めのために高濃度のドーピングを行うと共振するレーザ光の光吸収が大きくなって、トンネル接合部分の光吸収がトンネル接合部分の周辺部分よりも大きくなってしまい、言い換えれば、面発光レーザのレーザ光の光強度分布が中央部分（トンネル接合部分）では小さくなり横モード制御にとって不利に作用することになる。
【００２０】
さらに、図５に示す従来の面発光レーザにおいてレーザ光を波長可変にするためには、エアギャップをスペーサ層２とＤＢＲ層１との間に挿入し、上部のミラーであるＤＢＲ層１を可動にすれば良いが、ＤＢＲ層を支持する構造が必要になるので、光出力の取り出しが困難になる。
【００２１】
一方、低屈折率であるエアギャップを半導体層（低屈折率層７等）とミラー層８との間に挿入する構成にした場合には横モード制御が不安定になってしまう場合がある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、エアギャップを半導体層とＤＢＲ層との間に挿入する構成にした場合であっても横モード制御が可能な面発光レーザを実現することにある。
【００２２】
【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、
光の取り出し口を有する基板と、この基板上に形成された第１の分布反射層と、第１及び第２のスペーサ層により上下方向から挟まれると共に前記第１の分布反射層上に形成された活性層と、上部の前記第１のスペーサ層上の中央部に形成されたトンネル接合と、このトンネル接合の周辺及び上部に形成された第３のスペーサ層と、この第３のスペーサ層上の周辺部に形成されたコンタクト層と、前記コンタクト層上に形成される第１の電極と、前記基板の裏面であって前記光の取り出し口以外の部分に形成された第２の電極と、前記第３のスペーサ層とエアギャップを介して対向するように第２の分布反射層とを備え、
前記第３のスペーサ層の中央部分と前記エアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように前記第３のスペーサ層の中央部分の膜厚を調整したことにより、エアギャップをスペーサ層と分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても横モード制御が可能になる。
【００２３】
請求項２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、
光の取り出し口を有する基板と、この基板上に形成された第１の分布反射層と、第１及び第２のスペーサ層により上下方向から挟まれると共に前記第１の分布反射層上に形成された活性層と、上部の前記第１のスペーサ層上に形成され周辺部分が選択酸化された第３のスペーサ層と、この第３のスペーサ層上の周辺部に形成されたコンタクト層と、前記コンタクト層上に形成される第１の電極と、前記基板の裏面であって前記光の取り出し口以外の部分に形成された第２の電極と、前記第３のスペーサ層とエアギャップを介して対向するように第２の分布反射層とを備え、
前記第３のスペーサ層の中央部分と前記エアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように前記第３のスペーサ層の中央部分の膜厚を調整したことにより、エアギャップをスペーサ層と分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても横モード制御が可能になる。
【００２４】
請求項３記載の発明は、
請求項２記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記第３のスペーサ層の周辺部分には絶縁性を有する酸化物が分布することにより、エアギャップをスペーサ層と分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても横モード制御が可能になる。
【００２５】
請求項４記載の発明は、
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発明である面発光レーザにおいて、前記第３のスペーサ層の周辺部分と前記エアギャップの境界面に定在波の節が位置するように前記第３のスペーサ層の周辺部分の膜厚を調整したことにより、エアギャップをスペーサ層と分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても横モード制御が可能になる。
【００２６】
請求項５記載の発明は、
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明である面発光レーザにおいて、前記第３のスペーサ層の中央部分と、前記第３のスペーサ層の周辺部分との段差をエッチングにより形成したことにより、エアギャップをスペーサ層と分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても横モード制御が可能になる。
【００２７】
請求項６記載の発明は、
請求項１若しくは請求項４記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記第１のスペーサ層上の中央部に形成されたトンネル接合と周辺部の段差に対応して前記第３のスペーサ層の表面に生じた段差を前記第３のスペーサ層の中央部分と、前記第３のスペーサ層の周辺部分との段差とすることにより、エアギャップをスペーサ層と分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても横モード制御が可能になる。
【００２８】
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、前記第２の分布反射膜は半導体微細加工技術によって形成され可動にしたことにより、レーザ光の発振波長を可変にすることが可能になる。
【００２９】
【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。
【００３０】
図１において１３はｎ型のＩｎＰ基板、１４はｎ型のＩｎＧａＡｓＰとｎ型のＩｎＰで形成された分布反射層（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲ層と呼ぶ。）、１５はｎ型のＩｎＡｌＡｓで形成されたスペーサ層、１６はＩｎＧａＡｌＡｓで形成された多重量子井戸（Multi Quantum Well）等を用いた活性層、１７はｐ型のＩｎＡｌＡｓで形成されたスペーサ層、１８はｐ型不純物が高濃度にドーピングされたＩｎＧａＡｌＡｓで形成されたｐ型のトンネル接合層、１９はｎ型不純物が高濃度にドーピングされたＩｎＧａＡｌＡｓで形成されたｎ型のトンネル接合層、２０はｎ型のＩｎＰで形成されたスペーサ層、２１はｎ型のＩｎＧａＡｓＰで形成されたコンタクト層、２２は上部の電極、２３はＤＢＲ層、２４はＳｉで形成されたメンブレン、２５は下部の電極である。
【００３１】
ｎ型のＩｎＰ基板１３上には下部のＤＢＲ層１４が形成され、ＤＢＲ層１４の上には下部のスペーサ層１５、活性層１６及び上部のスペーサ層１７が順次形成される。
【００３２】
上部のスペーサ層１７の上にはｐ型のトンネル接合層１８及びｎ型のトンネル接合層１９が順次形成されてトンネル接合を形成し、ｐ型のトンネル接合層１８の一部及びｎ型のトンネル接合層１９であって図１中”ＣＩ２１”及び図１中”ＣＩ２２”に示すような周囲の部分がエッチング等により取り除かれる。
【００３３】
その後、ｎ型のトンネル接合層１９及び前記エッチングの工程で表面に現れたｐ型のトンネル接合層１８の上にはスペーサ層２０が順次形成される。スペーサ層２０であって図１中”ＣＩ２３”及び図１中”ＣＩ２４”に示すような部分、言い換えれば、スペーサ層２０上であってトンネル接合部分の上部（中央部分）と周辺部分とで囲まれる部分がエッチングにより取り除かれる。
【００３４】
スペーサ層２０上であって周辺部分にはコンタクト層２１が形成され、コンタクト層２１上には上部の電極２２が形成される。
【００３５】
そして、スペーサ層２０の上方にはスペーサ層２０に接しない状態でメンブレン２４が形成され、メンブレン２４の下、言い換えれば、スペーサ層２０に対向する面にはＤＢＲ層２３が形成されて、図１中”ＡＧ２１”に示すようなエアギャップを形成する。
【００３６】
一方、ｎ型のＩｎＰ基板１３は裏面であって図１中”ＡＲ２１”に示す部分が光の取り出し口としてエッチングによりＤＢＲ層１４表面まで取り除かれ、残ったｎ型のＩｎＰ基板１３の裏面には電極２５が形成される。
【００３７】
ここで，図１に示す実施例の動作を図２、図３及び図４を用いて説明する。図２は注入電流の流れの一例を示す説明図、図３はスペーサ層２０とエアギャップの境界面に定在波の節が位置する場合のレーザ光の光強度分布の一例を示す特性曲線図、図４はスペーサ層２０とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置する場合のレーザ光の光強度分布の一例を示す特性曲線図である。
【００３８】
上部の電極２２と下部の電極２５との間に電圧が印加されると上部の電極２２から図２中”ＣＲ３１”及び図２中”ＣＲ３２”に示すように電流が中央部に形成されたトンネル接合を通じて流れて電流狭窄を生じる。
【００３９】
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、ＤＢＲ層１４とＤＢＲ層２３の間に形成される光共振器で光増幅されて、ＤＢＲ層１４側であってｎ型のＩｎＰ基板１３が取り除かれた光の取り出し口から図２中”ＬＲ３１”に示すようにレーザ光として出力される。
【００４０】
そして、上部のスペーサ層１７と下部のスペーサ層１５の膜厚は活性層１６に定在波の腹がくるように調整されている。
【００４１】
また、メンブレン２４をＭＥＭＳ（micro electro-mechanical systems：可動部品と電子回路を半導体微細加工技術によって集積した微小な機械システム）で可動にして、スペーサ層２０とＤＢＲ層２３との間隔（図１中”ＡＧ２１”に示すエアギャップの間隔に相当）を調整することにより、レーザ光の発振波長を可変にしている。
【００４２】
さらに、スペーサ層２０の膜厚及び段差を調整して、スペーサ層２０の中央部分（凸部）とエアギャップの境界面に定在波の腹がくるように、且つ、スペーサ層２０の中央部分と周辺部分とで囲まれる部分（凹部）とエアギャップの境界面に定在波の節がくるように調整される。
【００４３】
例えば、図３中”ＣＨ４１”に示す特性曲線から分かるように、スペーサ層２０の中央部分と周辺部分とで囲まれる部分（凹部）とエアギャップの境界面に定在波の節が位置する場合には、図３中”ＤＢ４１”に示す下部のＤＢＲ層１４及び図３中”ＱＷ４１”に示す活性層１６を含むスペーサ層１５〜スペーサ層２０の半導体層における光強度が小さく、逆に、図３中”ＡＧ４１”に示すエアギャップにおける光強度が大きくなり、活性層１６における共振するレーザ光の閉じ込めが少なくなる。
【００４４】
一方、例えば、図４中”ＣＨ５１”に示す特性曲線から分かるように、スペーサ層２０の中央部分（凸部）とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置する場合には、図４中”ＡＧ５１”に示すエアギャップにおける光強度が小さく、逆に、図４中”ＱＷ５１”に示す活性層１６を含むスペーサ層１５〜スペーサ層２０の半導体層における光強度が大きくなり、活性層１６における共振するレーザ光の閉じ込めが多くなる。
【００４５】
すなわち、従来例と同様にトンネル接合部分の周囲に形成されたスペーサ層２０との等価屈折率差により、トンネル接合部分に光共振器で共振するレーザ光が閉じ込められると共に、スペーサ層２０の中央部分（凸部）では共振するレーザ光の閉じ込めが多くなり、一方、スペーサ層２０の中央部分と周辺部分とで囲まれる部分（凹部）では共振するレーザ光の閉じ込めが少なくなり、面発光レーザのレーザ光の光強度分布が中央部分（凸部（トンネル接合部分））で最大となるため横モード制御が可能になる。
【００４６】
この結果、半導体層（スペーサ層２０）の中央部分（凸部）とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように、且つ、スペーサ層２０の中央部分と周辺部分とで囲まれる部分（凹部）とエアギャップの境界面に定在波の節が位置するようにスペーサ層２０の各部分の膜厚を調整することにより、エアギャップを半導体層（スペーサ層２０）とＤＢＲ層２３との間に挿入する構成にした場合であっても横モード制御が可能になる。
【００４７】
なお、図１に示す実施例ではスペーサ層２０の膜厚及び段差を調整して、スペーサ層２０の中央部分と周辺部分とで囲まれる部分（凹部）とエアギャップの境界面に定在波の節がくるように調整する旨記載しているが、スペーサ層２０の中央部分と周辺部分とで囲まれる部分（凹部）とエアギャップの境界面に定在波の腹以外の部分がくるように調整しても構わない。
【００４８】
また、図１に示す実施例ではスペーサ層２０の中央部分（凸部）と、スペーサ層２０の中央部分と周辺部分とで囲まれる部分（凹部）との間の段差（凹凸）をエッチングにより形成する旨記載されているがこれに限定されるものではなく、トンネル接合部分の段差を用いてスペーサ層２０の段差（凹凸）を形成しても構わない。
【００４９】
例えば、トンネル接合層１８及び１９上に結晶を順次積層させてスペーサ層２０を形成させた場合に、トンネル接合部分の段差が伝達されてトンネル接合部分の段差に対応する段差がスペーサ層２０の表面に生じるので、このような段差を利用しても構わない。
【００５０】
また、図１に示す実施例ではトンネル接合により電流狭窄を実現しているが、勿論、電流狭窄を実現する方法としてはトンネル接合を用いる方法に限定されるわけではなく、例えば、ＩｎＡｌＡｓの選択酸化を用いても構わない。
【００５１】
例えば、トンネル接合層１８及び１９を用いることなく、ＩｎＡｌＡｓで形成されるスペーサ層１７をトンネル接合層１９の上面部分まで形成し、周辺部分から酸素を浸透させＩｎＡｌＡｓのＡｌを選択酸化させることにより、周辺部分に絶縁性を有する酸化物である酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を分布させる。
【００５２】
このような構成にすることにより、電極２２から供給された電流は周辺部分に形成された酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を避けて酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が分布しない中央部分を流れることになり、電流狭窄が実現できる。
【００５３】
また、上部のＤＢＲ層２３を可動にして波長可変レーザを実現しているが、上部のＤＢＲ層２３を固定にして固定波長レーザとしても勿論構わない。この場合には図１中”ＡＧ２１”に示すエアギャップの代わりにＳｉＯ２等の誘電体膜を用いても構わない。
【００５４】
また、エアギャップ内は空気の代わりに他の気体若しくは液体を封入しても構わない。
【００５５】
また、図１に示す実施例では、第２の分布反射層は第３のスペーサ層に対向するようにエアギャップを介してメンブレン上に形成された旨記載しているが、勿論、メンブレンに限定されるものではない。
【００５６】
また、図１に示す実施例では、スペーサ層２０の中央部分と周辺部分とで囲まれる部分（凹部）とエアギャップの境界面に定在波の節がくるように調整する旨記載しているが、電極２２が形成される部分とエアギャップの境界面もまた定在波の節がくるように調整しても構わない。
【００５７】
すなわち、半導体層（スペーサ層２０）の中央部分（凸部）とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように、且つ、スペーサ層２０の周辺部分（凹部）とエアギャップの境界面に定在波の節が位置するようにスペーサ層２０の各部分の膜厚を調整するれば構わない。
【００５８】
【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１，２，３，４，５及び請求項６の発明によれば、スペーサ層の中央部分（凸部）とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように、また、スペーサ層の中央部分と周辺部分とで囲まれる部分（凹部）とエアギャップの境界面に定在波の節が位置するようにスペーサ層の各部分の膜厚を調整することにより、エアギャップをスペーサ層とＤＢＲ層との間に挿入する構成にした場合であっても横モード制御が可能になる。
【００５９】
また、請求項７の発明によれば、メンブレンをＭＥＭＳで可動にして、スペーサ層とＤＢＲ層との間隔を調整することにより、レーザ光の発振波長を可変にすることが可能になる。
【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】注入電流の流れの一例を示す説明図である。
【図３】スペーサ層とエアギャップの境界面に定在波の節が位置する場合のレーザ光の光強度分布の一例を示す特性曲線図である。
【図４】スペーサ層とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置する場合のレーザ光の光強度分布の一例を示す特性曲線図である。
【図５】従来の面発光レーザの一例を示す構成断面図である。
【図６】注入電流の流れの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１，１４，２３ 分布反射層（ＤＢＲ層）
２，４，１５，１７，２０ スペーサ層
３，１６ 活性層
５，６，１８，１９ トンネル接合層
７ 低屈折率層
８ ミラー層
９，２１ コンタクト層
１０，１２，２２，２５ 電極
１１ ヒートシンク
１３ ＩｎＰ基板
２４ メンブレン
Claims (7)
- 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、
光の取り出し口を有する基板と、
この基板上に形成された第１の分布反射層と、
第１及び第２のスペーサ層により上下方向から挟まれると共に前記第１の分布反射層上に形成された活性層と、
上部の前記第１のスペーサ層上の中央部に形成されたトンネル接合と、
このトンネル接合の周辺及び上部に形成された第３のスペーサ層と、
この第３のスペーサ層上の周辺部に形成されたコンタクト層と、
前記コンタクト層上に形成される第１の電極と、
前記基板の裏面であって前記光の取り出し口以外の部分に形成された第２の電極と、
前記第３のスペーサ層とエアギャップを介して対向するように第２の分布反射層とを備え、
前記第３のスペーサ層の中央部分と前記エアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように前記第３のスペーサ層の中央部分の膜厚を調整したことを特徴とする面発光レーザ。 - 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、
光の取り出し口を有する基板と、
この基板上に形成された第１の分布反射層と、
第１及び第２のスペーサ層により上下方向から挟まれると共に前記第１の分布反射層上に形成された活性層と、
上部の前記第１のスペーサ層上に形成され周辺部分が選択酸化された第３のスペーサ層と、
この第３のスペーサ層上の周辺部に形成されたコンタクト層と、
前記コンタクト層上に形成される第１の電極と、
前記基板の裏面であって前記光の取り出し口以外の部分に形成された第２の電極と、
前記第３のスペーサ層とエアギャップを介して対向するように第２の分布反射層とを備え、
前記第３のスペーサ層の中央部分と前記エアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように前記第３のスペーサ層の中央部分の膜厚を調整したことを特徴とする面発光レーザ。 - 前記第３のスペーサ層の周辺部分には絶縁性を有する酸化物が分布することを特徴とする
請求項２記載の面発光レーザ。 - 前記第３のスペーサ層の周辺部分と前記エアギャップの境界面に定在波の節が位置するように前記第３のスペーサ層の周辺部分の膜厚を調整したことを特徴とする
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の面発光レーザ。 - 前記第３のスペーサ層の中央部分と、前記第３のスペーサ層の周辺部分との段差をエッチングにより形成したことを特徴とする
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の面発光レーザ。 - 前記第１のスペーサ層上の中央部に形成されたトンネル接合と周辺部の段差に対応して前記第３のスペーサ層の表面に生じた段差を前記第３のスペーサ層の中央部分と、前記第３のスペーサ層の周辺部分との段差とすることを特徴とする
請求項１若しくは請求項４記載の面発光レーザ。 - 前記第２の分布反射膜は半導体微細加工技術によって形成され可動にしたことを特徴とする
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の面発光レーザ。
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