JP4232896B2 - 面発光レーザ、波長フィルタ、およびそれらの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、波長多重伝送用の面発光レーザ、波長フィルタ、およびそれらの製造方法に関する。

活性層の上下にエアーギャップとＩnＰのペアで構成される分布反射型（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）ミラーをもつ光ポンプ型の１.５５μｍ帯面発光レーザが、N.Chiticaらにより報告されている（非特許文献１）。このレーザの断面図を図８と図９とに示す。なお、図９は図８の破線部分Ｎの拡大図である。エピタキシャル成長層は一回の成長でＩnＰ基板１０１上に形成されている。基板１０１側のＤＢＲミラー部１０２は、基板１０１側からＩnＧaＡs層１０２Ａと、ＩnＰ／ＩnＧaＡsの４ペアとによって構成されている。１つのペアは、ＩnＰ層１０２ＢとＩnＧaＡs層１０２Ｃとで構成されている。

レーザ発振部の下のＩnＧaＡs層１０２Ａ、１０２Ｃは、エアーギャップ１０２Ａ_１、１０２Ｃ_１を形成したときに、ウェットエッチングによって一部が除去されるものである。ＩnＧaＡs層１０２Ａおよび各ペアのＩnＧaＡs層１０２Ｃの層厚は、空気中での発振波長（λ_０）の１／４となる厚さである。各ペアのＩnＰ層１０２Ｂの層厚は、ＩnＰ中における発振波長（λ）の３／４となる厚さである。

レーザ活性層であるキャビティ部１０３は、１.５５μｍ波長の多重量子井戸（厚さ：λ／２）の活性層１０３Ａを３層重ねて、その上下にスペーサ層１０３Ｂ、１０３Ｃを配した構成である。これらのスペーサ層１０３Ｂ、１０３ＣはＩnＰで構成され、層厚はλ／４である。

キャビティ部１０３の上には、表面側のＤＢＲミラー部１０４が配されている。ＤＢＲミラー部１０４は、ＩnＧaＡs／ＩnＰの４ペアによって構成され、層厚は基板１０１側のＤＢＲミラー部１０２と同様である。１つのペアは、ＩnＧaＡs層１０４ＡとＩnＰ層１０４Ｂとで構成され、ＩnＧaＡs層１０４Ａには、エアーギャップ１０４Ａ_１が形成されている。また、本エピタキシャル成長層すべては、ノンドープで構成されている。

こうした構成の面発光レーザが発振するには、レーザ活性層のゲインスペクトルの巾の中に、ＤＢＲミラーの共振波長が納まっていなければならない。このゲインスペクトルの巾は、多重量子井戸の活性層を用いた場合、約１５ｎｍと狭い。このため、ＤＢＲミラーの共振波長がこの中に納まるには、ＤＢＲミラーを構成するエアーギャップとＩnＰの層厚とが、約±０.５％以内のバラツキ精度内で制御されなければならない（非特許文献２）。
Appl. Phys. Lett. Vol.78, No.25, 18 June 2001, pp.3935-3937 ( 題 : Room-temperature operation of photopumped monolithic InP vertical-cavity laser with two air-gap Bragg reflector ) C. J. Chang-Hasnain, "Tunable VCSEL", IEEE j. Select, Topics Quantum Electron., vol.6, pp.978-987, 2000.

前述した面発光レーザには、次のような課題がある。この面発光レーザが発振するには、ＤＢＲミラーを構成するエアーギャップとＩnＰの層厚とを、約±０.５％以内のバラツキ精度内で制御する必要がある。このため、エピタキシャル成長における層厚のrun-to-runのバラツキ、ウェハの面内バラツキに厳しい制限を受け、レーザ発振をする面発光レーザを歩止まり良く製作することができないという問題があった。

また、ある特定の波長のフィルタを実現するには、ＤＢＲミラーの共振波長をその特定の波長に合わせる必要があり、面発光レーザと同様の問題が存在する。

本発明は、前記の課題を解決し、エアーギャップと半導体のペアで構成されるＤＢＲミラーを持つ面発光レーザおよび波長フィルタを構成する層の層厚のエピタキシャル成長におけるrun-to-runのバラツキ、ウェハの面内バラツキに対する制限を緩和し、面発光レーザおよび波長フィルタの製作の歩止まりを向上させることができる、面発光レーザ、波長フィルタ、およびそれらの製造方法を提供することにある。

前記課題を解決するために、請求項１の発明は、エアーギャップと半導体とを交互に積層した反射鏡をもつ面発光レーザにおいて、キャビティを構成する半導体層の少なくとも片方のエアーギャップ側に、共振波長調整用の半導体層を具備し、共振波長を調整するためのエッチングが施されて、前記共振波長調整用の半導体層の前記エアーギャップに露出した部分の層厚が、エアーギャップに露出していない部分の層厚よりも薄くなっていることを特徴とする面発光レーザである。
請求項２の発明は、請求項１に記載の面発光レーザにおいて、前記共振波長調整用の半導体材料が、反射鏡およびスペーサ層を構成する半導体材料に対して選択エッチング性のある材料で構成されることを特徴とする。
請求項３の発明は、エアーギャップと半導体とを交互に積層した反射鏡をもち、キャビティを構成する半導体層の少なくとも片方のエアーギャップ側に、共振波長調整用の半導体層を具備する面発光レーザの製造方法において、前記エアーギャップ加工後に、前記共振波長調整用の半導体層の層厚をエッチングにより変化させることにより、共振波長を変化させることを特徴とする面発光レーザの製造方法である。
請求項４の発明は、エアーギャップと半導体とを交互に積層した反射鏡をもつ波長フィルタにおいて、キャビティを構成する半導体層の少なくとも片方のエアーギャップ側に、共振波長調整用の半導体層を具備し、共振波長を調整するためのエッチングが施されて、前記共振波長調整用の半導体層の前記エアーギャップに露出した部分の層厚が、エアーギャップに露出していない部分の層厚よりも薄くなっていることを特徴とする波長フィルタである。
請求項５の発明は、請求項４に記載の波長フィルタにおいて、前記共振波長調整用の半導体材料が、反射鏡およびスペーサ層を構成する半導体材料に対して選択エッチング性のあるもので構成されることを特徴とする。
請求項６の発明は、エアーギャップと半導体とを交互に積層した反射鏡をもち、キャビティを構成する半導体層の少なくとも片方のエアーギャップ側に、共振波長調整用の半導体層を具備する波長フィルタの製造方法において、エアーギャップ加工後に、前記共振波長調整用の半導体層の層厚をエッチングにより変化させることにより、共振波長を変化させることを特徴とする波長フィルタの製造方法である。

本発明によれば、エアーギャップ加工後に、調整層である共振波長調整用の半導体層の層厚をエッチングで調整すると、共振波長が変化するので、エアーギャップと半導体層のペアで構成されるＤＢＲミラーのエピタキシャル層厚の制御に対する制限を緩和することができ、面発光レーザおよび波長フィルタを歩止まり良く製作することが可能となる。

本発明によれば、次の効果を達成することができる。つまり、従来はエピタキシャル層厚のrun-to-runのバラツキが±０.５％以内必要であったものが、本発明により、run-to-runのバラツキが±２％以内へと緩和され、面発光レーザおよび波長フィルタの製作の歩止まりを向上させる利点がある。

つぎに、本発明の実施形態について説明する。
［実施形態１］
本実施形態による光ポンプ型の面発光レーザを図１〜３に示す。図１は、面発光レーザを示す断面図であり、図２は、図１のＩ―Ｉ断面を示す断面図である。図３は、図１の破線部分Ａを拡大した拡大図である。エピタキシャル成長層が一回の成長でｎ-ＩnＰ基板１上に形成される。基板１側のＤＢＲミラー部２は、基板２側からＩnＧaＡs層２ＡとＩnＰ/ＩnＧaＡsの３ペアとによって構成されている。１つのペアは、ＩnＰ層２ＢとＩnＧaＡs層２Ｃとで構成されている。

ＩnＧaＡs層２Ａ、２Ｃは、エアーギャップ２Ａ_１、２Ｃ_１を形成したときの犠牲層となるものである。つまり、ＩnＧaＡs層２Ａ、２Ｃは、エアーギャップ２Ａ_１、２Ｃ_１を形成するために、一部分が除去される層である。ＩnＧaＡs層２Ａ、２Ｃの層厚は、空気中での発振波長（λ_０）の１／４の奇数倍となる厚さであり、ここでは、λ_０／４の厚さとした。ＩnＰ層２Ｂの層厚はＩnＰ中における発振波長（λ）の１／４の奇数倍となる厚さであり、ここでは、３λ／４の厚さとした。ＩnＧaＡs層２Ｃ上には、キャビティ部３が形成されている。

キャビティ部３は、１.５５μｍ波長の多重量子井戸（厚さ：λ／２）の活性層３Ａを３層重ねて、その上下にスペーサ層３Ｂ、３Ｃを配した構成である。これらのスペーサ層３Ｂ、３Ｃは、ＩnＰ層３Ｂ_１、３Ｃ_１と、ＩnＰに組成の非常に近いＩnＧaＡsＰ層３Ｂ_２、３Ｃ_２とで構成されている。これらの２層を合計した層厚はλ／４とした。ＩnＧaＡsＰ層３Ｂ_２、３Ｃ_２は、数十ｎｍ以下の層厚である。また、ＩnＧaＡsＰ層３Ｂ_２、３Ｃ_２は、犠牲層であるＩnＧaＡs層２Ａ、２Ｃのエッチング時にはほとんどエッチングされない。こうしたＩnＧaＡsＰ層３Ｂ_２、３Ｃ_２は、共振波長調整用の共振波長調整層である。

キャビティ部３の上には、表面側のＤＢＲミラー部４が配されている。ＤＢＲミラー部４は、ＩnＧaＡs／ＩnＰの３ペアによって構成されている。１つのペアは、ＩnＧaＡs層４ＡとＩnＰ層４Ｂとで構成されている。また、ＩnＧaＡs層４Ａには、エアーギャップ４Ａ_１が形成されている。ＩnＧaＡs層４ＡとＩnＰ層４Ｂとの層厚は、基板側のＤＢＲミラー部２と同様である。さらに、本エピタキシャル成長層すべては、ノンドープで構成されている。上述した層厚は、ＩnＧaＡsＰの共振波長調整層を使わない場合で、レーザ発振を行わせるための層厚のバラツキの範囲としては、±０.５％以内が必要である。

前記構造の面発光レーザは、次のようにして共振波長が調整される。ＩnＧaＡs層２Ａ、２Ｃ、４Ａに、エアーギャップ２Ａ_１、２Ｃ_１、４Ａ_１を形成した後に、ＩnＧaＡsＰの共振波長調整層であるＩnＧaＡsＰ層３Ｂ_２、３Ｃ_２をエッチングすることで、ＤＢＲミラーの共振波長を変化させる場合を考える。

ＩnＧaＡsＰの共振波長調整層の厚さを２０ｎｍとして、エピタキシャル層の各層厚を４％増加して形成したとする。計算によると、共振波長は１.６１２μｍとなる。共振波長調整用のＩnＧaＡsＰ層３Ｂ_２、３Ｃ_２をエッチングした場合の共振波長の変化を図４に示す。厚さ２０ｎｍのＩnＧaＡsＰ層３Ｂ_２、３Ｃ_２を完全に除去すると、共振波長は１.５５４μｍとなり、１.５５μｍの活性層３Ａのゲインスペクトルと重なるようになり、レーザ発振が可能となる。これらのことを考慮すると、エピタキシャル層の成長層厚を上述した共振波長調整層を使わない場合の層厚よりも２％大きい設定で成長し、ＩnＧaＡsＰのエッチングで共振波長の調整を行う場合、各層厚のバラツキは、±２％まで許されることになる。すなわち、層厚偏差は４倍以上緩和される。このように、ＩnＧaＡsＰの共振波長調整層を用いることで、許容される層厚のバラツキの範囲を大きいものにすることが可能となる。

エピタキシャル層成長後のレーザの製作プロセスとしては、まず、数十μｍ巾で１００μｍ程度の長さのメサをエッチングにより形成する。その後、プラズマＣＶＤ作製のＳiＮ膜をマスクにして、エアーギャップ加工を行う。加工後の断面図が図２である。犠牲層のＩnＧaＡsはＦeＣl_３と水の混合液とを用いて除去し、エアーギャップ２Ａ_１、２Ｃ_１、４Ａ_１を形成した。この段階で、ＤＢＲミラーの共振波長の測定を行い、活性層波長とのズレを把握し、ＩnＧaＡsＰの共振波長調整層のエッチング厚を計算により決定する。

つぎに、ＤＢＲミラーやスペーサ層を構成するＩnＰ層はほとんどエッチングされないが、共振波長調整用のＩnＧaＡsＰ層は１〜２分程度で除去される速度のエッチング液を用いて所望の厚さのエッチングを行い、活性層のゲイン波長とＤＢＲミラーの共振波長が重なるようにした。このようにすることで、エピタキシャル層の層厚のズレを±２％まで許容して、面発光レーザを発振させることが可能となる。

以上、この発明の実施形態１を詳述してきたが、具体的な構成は本実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。たとえば、本実施形態では、光ポンプ型の面発光レーザについて説明したが、エアーギャップを持つ電流注入型のものでも、同様に本発明が適用可能である。また、本実施形態では、犠牲層としてＩnＧaＡsを、共振波長調整層としてＩnＧaＡsＰ層を用いたが、犠牲層としてＩnＡlＡs層を用いることも可能である。また、共振波長調整層としてＩnＰ組成に近いＩnＡlＧaＡs層またはＩnＡlＧaＡsＰ層等ＩnＰ層に格子整合するものを用いることも可能である。

さらに、共振波長調整層をスペーサ層の片側のみに設けることも、共振波長の調整幅は狭まるが可能である。
［実施形態２］

本実施形態による波長フィルタについて説明する。実施形態１において、図１、２の活性層３Ａの代わりにゲインのないＩnＰ層を用いると、波長フィルタとなる。本実施形態による波長フィルタの層構成およびエアーギャップ加工後の断面図を、図５と図６とにそれぞれ示す。また、図５の破線部分Ｂの拡大図を図７に示す。

本実施形態では、基板１１の上にＤＢＲミラー部１２が形成され、ＤＢＲミラー部１２の上にフィルタ部１３が形成され、さらに、フィルタ部１３の上にＤＢＲミラー部１４が形成されている。ＤＢＲミラー部１２は、ＩnＧaＡs層１２ＡとＩnＰ／ＩnＧaＡsの３ペアとによって構成されている。１つのペアは、ＩnＰ層１２ＢとＩnＧaＡs層１２Ｃとで構成されている。ＩnＧaＡs層１２ＡとＩnＧaＡs層１２Ｃとには、エアーギャップ１２Ａ_１、１２Ｃ_１が形成されている。

フィルタ部１３は、ＩnＰ層１３Ａと、この上下に形成されたＩnＧaＡsＰ層１３Ｂ、１３Ｃとで形成されている。本実施形態では、ＩnＧaＡsＰ層１３Ｂ、１３Ｃが共振波長調整用の共振波長調整層である。

フィルタ部１３の上には、ＤＢＲミラー部１４が形成されている。ＤＢＲミラー部１４は、ＩnＧaＡs／ＩnＰの３ペアによって構成されている。１つのペアは、ＩnＧaＡs層１４ＡとＩnＰ層１４Ｂとで構成されている。ＩnＧaＡs層１４Ａには、エアーギャップ１４Ａ_１が形成されている。

実施形態１におけるレーザ活性層３Ａおよびスペーサ層３Ｂ、３ＣのＩnＰ層３Ｂ_１、３Ｃ_１が、本実施形態では単一のＩnＰ層１３Ａで構成されている。さらに、本実施形態では、ＩnＰ層１３Ａの上下にＩnＧaＡsＰ層１３Ｂ、１３Ｃが形成されている。つまり、実施形態１における面発光レーザのゲインスペクトル波長をフィルタリングする波長と置き換えれば、実施形態１の面発光レーザと同様に本発明が適用可能である。

本発明は、エアーギャップと半導体とからなる反射鏡をもつものに適用できる。

本発明の実施形態１を示す断面図である。 図１のＩ―Ｉ断面を示す断面図である。 図１の破線部分を拡大した拡大図である。 ＩnＧaＡsＰ層をエッチングした場合の共振波長の変化を示す図である。 本発明の実施形態２を示す断面図である。 図５のII―II断面を示す断面図である。 図５の破線部分を拡大した拡大図である。 従来のレーザを示す断面図である。 図８の破線部分を拡大した拡大図である。

符号の説明

１ 基板
２、４ ＤＢＲミラー部
２Ａ、２Ｃ、４Ａ ＩnＧaＡs層
２Ａ_１、２Ｃ_１、４Ａ_１ エアーギャップ
２Ｂ、４Ｂ ＩnＰ層
３ キャビティ部
３Ａ 活性層
３Ｂ、３Ｃ スペーサ層
３Ｂ_１、３Ｃ_１ ＩnＰ層
３Ｂ_２、３Ｃ_２ ＩnＧaＡsＰ層
１１ 基板
１２、１４ ＤＢＲミラー部
１２Ａ、１２Ｃ、１４Ａ ＩnＧaＡs層
１２Ｂ、１４Ｂ、１３Ａ ＩnＰ層
１３ フィルタ部
１３Ｂ、１３Ｃ ＩnＧaＡsＰ層

Claims (6)

1. エアーギャップ（２Ａ_１、２Ｃ_１、４Ａ_１）と半導体（２Ｂ、４Ｂ）とを交互に積層した反射鏡（２、４）をもつ面発光レーザにおいて、
   キャビティを構成する半導体層の少なくとも片方のエアーギャップ側に、共振波長調整用の半導体層（３Ｂ_２、３Ｃ_２）を具備し、共振波長を調整するためのエッチングが施されて、前記共振波長調整用の半導体層の前記エアーギャップに露出した部分の層厚が、エアーギャップに露出していない部分の層厚よりも薄くなっていることを特徴とする面発光レーザ。
2. 前記共振波長調整用の半導体材料が、反射鏡（２、４）およびスペーサ層（３Ｂ、３Ｃ）を構成する半導体材料に対して選択エッチング性のある材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
3. エアーギャップ（２Ａ_１、２Ｃ_１、４Ａ_１）と半導体（２Ｂ、４Ｂ）とを交互に積層した反射鏡をもち、キャビティを構成する半導体層の少なくとも片方のエアーギャップ側に、共振波長調整用の半導体層（３Ｂ_２、３Ｃ_２）を具備する面発光レーザの製造方法において、
   前記エアーギャップ加工後に、前記共振波長調整用の半導体層（３Ｂ_２、３Ｃ_２）の層厚をエッチングにより変化させることにより、共振波長を変化させることを特徴とする面発光レーザの製造方法。
4. エアーギャップ（１２Ａ_１、１２Ｃ_１、１４Ａ_１）と半導体（１２Ｂ、１４Ｂ）とを交互に積層した反射鏡（１２、１４）をもつ波長フィルタにおいて、
   キャビティを構成する半導体層の少なくとも片方のエアーギャップ側に、共振波長調整用の半導体層（１３Ｂ、１３Ｃ）を具備し、共振波長を調整するためのエッチングが施されて、前記共振波長調整用の半導体層の前記エアーギャップに露出した部分の層厚が、エアーギャップに露出していない部分の層厚よりも薄くなっていることを特徴とする波長フィルタ。
5. 前記共振波長調整用の半導体材料が、反射鏡（１２、１４）およびスペーサ層を構成する半導体材料に対して選択エッチング性のあるもので構成されることを特徴とする請求項４に記載の波長フィルタ。
6. エアーギャップ（１２Ａ_１、１２Ｃ_１、１４Ａ_１）と半導体（１２Ｂ、１４Ｂ）とを交互に積層した反射鏡（１２、１４）をもち、キャビティを構成する半導体層の少なくとも片方のエアーギャップ側に、共振波長調整用の半導体層を具備する波長フィルタの製造方法において、
   エアーギャップ加工後に、前記共振波長調整用の半導体層（１３Ｂ、１３Ｃ）の層厚をエッチングにより変化させることにより、共振波長を変化させることを特徴とする波長フィルタの製造方法。

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