JP4722404B2

JP4722404B2 - 長波長帯面発光半導体レーザ

Info

Publication number: JP4722404B2
Application number: JP2004048597A
Authority: JP
Inventors: 義孝大礒; 学満原; 航太浅香; 博之鈴木
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2024-02-24
Also published as: JP2005243743A

Description

本発明は、光通信産業分野で利用される面出射形の半導体レーザに関し、特に長波長帯面発光半導体レーザに関する。

長波長帯（１．２〜１．６μｍ）面発光半導体レーザ(VCSEL: Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers)の一般的な構造は、次の２種類の構造に大別される。その一つのタイプは、非特許文献１等で見られるように、ＧａＩｎＮＡｓ活性層の上下にＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの半導体多層膜反射鏡を積層した後、電流と光の閉じ込め層を形成するために選択酸化を行う構造のものである。他のタイプは、非特許文献２等でみられように、ＩｎＰ基板に格子整合するＡｌＩｎＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓＰ系に活性層をＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの半導体多層膜反射鏡、もしくは誘電体多層膜で形成し、トンネル接合部を一部残して電流狭窄を行う構造のものである。

しかしながら、上記のように、横方向の光と電流の閉じ込めを、選択酸化して形成、もしくは部分的にトンネル接合を作製して形成された面発光半導体レーザは、横方向の閉じ込めが、光と電流の両者とも小さすぎるため、閾値電流の上昇を招き、このため長波長帯で必須である単一横モードを満たす条件が、発光径が３〜５μｍと比較的小さくなり、結果的に大きな光出力を得られ難いという、光出力では必ずしも満足したものが得られていない。

一方、非特許文献３等で見られる面発光半導体レーザでは、埋込み構造を有しているため、上記の難点を解消しているが、反射鏡であるｐ型半導体層の光吸収と低抵抗化の両立が難しいという別の難点があり、素子抵抗、閾値電流、光出力の点で実用化に至る特性が得られていない。また、その埋込み層の作製において半絶縁性の鉄（Ｆｅ）をドーパントとして用いた半絶縁性半導体の埋込み成長を行う際に高い再成長温度を要するため、ｐ型のドーピング種であるＺｎがＦｅと相互拡散を起こし、結果的にリーク電流の上昇が生じて、閾値電流の上昇を招くという欠点がある。

これに対し、トンネル接合を用いて作製される面発光半導体レーザは、素子抵抗の低減化の目的でトンネル確率を増大させるために、ｐ型半導体を高濃度ドーピングする必要がある。このため、Ｚｎに代わり、比較的高濃度ドーピングが可能なカーボン（Ｃ）もしくはベリリウム（Ｂｅ）が用いられ、ＩｎＰに格子整合し、且つ発振波長に対して透過するという３つの条件を満たす材料として、非特許文献２等でみられるようにｐ型半導体としてのＡｌＩｎＧａＡｓを用いるのが一般的となっている。しかしながら、この構造の場合は、ドーパント種をＣもしくはＢｅとした結果、埋込み構造を形成する際に、ドーパントの拡散を抑制でき、所望のドーピングプロファイルが得られやすいという利点が得られたものの、Ａｌを含んだ材料系では、自然酸化膜の除去が難しく、埋込み層を形成する際に異常成長が起きやすいという解決すべき点がある。

G. Steinle, et al. "Data transmission up to 10Gblt/s with 1.3 μm wavelength InGaAsN VCSELs" Electronics Letters, 10th May 2001, Vol.37 No.10 pp.632-634 N. Nishiyama, et. al. "High efficiency long wavelength VCSEL on InP grown by MOCVD" Electronics Letters, 8th March 2003, Vol.39 No.5, pp.437-439 Y. Ohiso, et. al. "Single Transverse Mode Operation of 1.55-μm Buried Heterostructure Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers" IEEE Photonics Technology Letters, June 2002, Vol.14, No.6, pp. 738-740 Yoshitaka Ohiso, et. al. "1.55-μm Buried-Heterostructure VCSELs with InGaAsP/InP-GaAs/AlAs DBRs on a GaAs Substrate" IEEE Journal of Quantum Electronics,September 2001, Vol. 37, No.9 p.1194-1202

本発明の目的は、上述した従来技術の課題を解決し、単一横モード条件を満たしながら飛躍的に光出力の向上が可能となる長波長帯面発光半導体レーザを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の長波長帯面発光半導体レーザは、基板上（１１）に、光学波長の１／４に相当する膜厚で交互に積層された屈折率の異なる２種類の材料からなる第１反射鏡（１２）と、光学波長の１／４に相当する膜厚で交互に積層された屈折率の異なる２種類の材料からなるｎ型の第２反射鏡（１３）と、ｎ型第１スペーサ層（１４）と、活性層（１５）と、ｐ型第２スペーサ層（１６）と、ｐ型半導体層とｎ型半導体層からなるトンネル接合部分（１７，１８）と、光学波長の１／４に相当する膜厚で交互に積層された２種類の材料からなるｎ型の第３反射鏡（１９）と、光学波長の１／４に相当する膜厚で交互に積層された２種類の材料からなる第４反射鏡（２６）を順次積層して構成された面発光半導体レーザであって、上記第２反射鏡と、上記第１スペーサ層と、上記活性層と、上記第２スペーサ層と、上記トンネル接合部分と、上記第３反射鏡とは、ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長させた半導体層からなり、発振波長が１．５５μｍ帯で、上記トンネル接合部分を構成する上記ｐ型半導体層（１７）が、カーボン（Ｃ）でドーピングされた、Ｉｎ組成比ｘが０．１５＜ｘ＜０．２５となる、引っ張り歪を有するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓの材料で構成され、かつ上記活性層（１５）の側面が半絶縁性材料（２０）で覆われた埋込み構造を有することを特徴とする。

上記のように、本発明の長波長帯面発光半導体レーザは、第３の反射鏡としてｐ型半導体層を用いずにｎ型半導体多層膜（１９）を用い、ｐ型スペーサ層（１６）とそのｎ型半導体多層膜（１９）の間にトンネル接合部分（１７，１８）を導入し、かつ埋込み構造を有することにより、単一横モード条件を満たしながら飛躍的に光出力を増加させることに特徴を有する。

さらに、本発明の長波長帯面発光半導体レーザは、埋込み再成長の際ＦｅとＺｎの相互拡散を防いでリーク電流を無くすために、トンネル接合（１７，１８）を構成するｐ型の高濃度の半導体層（１７）はＡｌフリーの材料であるＩｎＧａＡｓを用い、ドーパント種としてカーボン（Ｃ）を用いることを特徴としている。

（作用）
次に、本発明の作用を詳細に説明する。
上記のように、本発明の構造は、半導体埋込み構造を用いているため、面発光半導体レーザの横方向の光と電流の閉じ込めが強くなり、安定した単一横モードのレーザ発振が得られる。一方、本発明の構造は、従来の埋込み構造で問題であった電気抵抗と内部損失の主な要因であったｐ型反射鏡を用いずに、ｎ型反射鏡を用いるため、低抵抗、低光損失の反射鏡が作製可能となり、同時に埋込み構造をとるため、屈折率導波型構造が形成され、単一横モード発振条件をみたす発光径が大きくなり、大幅に光出力の増加が実現できる。

また、本発明の構造は、従来ｐ型半導体を形成するために用いていたドーパントＺｎの代わりに、高濃度が可能なドーパントであるカーボン（Ｃ）を用いることにより、低抵抗な素子の実現とＺｎ拡散を伴わない埋込み成長が可能であるため、リーク電流を限りなく無くすことが可能となり、低閾値電流のレーザ発振が実現可能となる。

更に、本発明の構造は、トンネル接合を形成する材料をＡｌフリーにすることにより、埋込み成長の際の異常成長が抑制可能となる。

また、従来ＩｎＰ基板に格子整合するＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７ＡｓにＣドーピングしたｐ型のキャリア濃度は、成長温度、成長時のＶ族とIII族のモル比であるＶ／III比、成長後のアニール条件を検討しても１−３×１０^１９cm^−３程度であり、高いトンネル確率を得るためには十分でなかった。これに対し、本発明の構造では、トンネル接合部分のｐ型半導体層をＩｎＰ基板に対して、引っ張り歪を有するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜０．５３）を用いるようにしているので、従来の格子整合するＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓに比べて、Ｇａの組成比が大きくなるため、ＭＯＣＶＤ結晶成長中にＣの取り込みが大きくなり、（５−１０）×１０^１９cm^−３の高濃度ドーピングが容易となるとともに、かつバンドギャップが大きくなり、半導体の吸収端の波長がより短波側となるため、発振波長（１．２〜１．６μｍ）に対して吸収係数が飛躍的に小さくなり、面発光半導体レーザの光出力向上が達成できる。

図１に、本発明に係わるＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜０．５３）のＩｎの組成比ｘと、Ｃドーピングされたｐ型キャリア濃度の最大値ρと、トンネル電流Ｊｐと、レーザ発振波長１．５５μｍに対する吸収係数αとの関係をグラフで示す。

ｐ型キャリア濃度の最大値ρはＩｎの組成比ｘが小さくなるほど高濃度にドーピングされる。一方、トンネル電流Ｊｐは高濃度ドーピングするほど大きくなるが、Ｉｎの組成比ｘが小さくなるとバンドギャップが大きくなるためトンネル電流Ｊｐは小さくなり、結局Ｉｎ組成が０．２近傍で最大となる。また、吸収係数αは、バンドギャップの吸収端に近くなるほどバンドテイルの影響で大きくなるが、Ｉｎ組成ｘが０．２近傍ではそれほど影響を受けない。そこで、Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓの材料でトンネル接合を作製すれば面発光半導体レーザの特性を飛躍的に向上させることが可能となることが分かる。

図１では、発振波長が１．５５μｍを例にして述べたが、レーザ発振波長が異なれば、Ｉｎの組成ｘの最適値は異なることになる。発振波長が１．５５μｍ帯の場合、本発明の作用効果を現出するＩｎ組成範囲は、０以上０．５３未満、より好ましくはトンネル電流Ｊｐが１０^２ｋＡ／cm^２以上となる０以上０．４３以下、より好ましくはトンネル電流Ｊｐが１０^３ｋＡ／cm^２以上となる０以上０．３５以下であり、０．１５以上０．２５以下が最適である。

以上説明したように、本発明の長波長帯面発光半導体レーザによれば、単一横モード条件を満たしながら飛躍的に光出力の向上が可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図２に本発明の第１の実施形態における長波長面発光半導体レーザの断面構造を示す。作製工程は、面発光半導体レーザ構造以外は非特許文献４に記載のものとほぼ同じである。

ＧａＡｓ１１基板上に、第１反射鏡１２として、１．５５μｍの光学波長の１／４に相当する膜厚で交互に積層された屈折率の異なるＧａＡｓ／ＡｌＡｓをエピタキシャル成長させる。

また、ＩｎＰ基板（図示しない）上に、１．５５μｍの光学波長の１／４に相当する膜厚で交互に積層された屈折率の異なる５ペアのｎ型のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ第２反射鏡１３と、ｎ型第１スペーサ層１４と、活性層１５と、ｐ型第２スペーサ層１６と、Ｃドーピングされたｐ＋＋のＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層１７およびｎ＋＋のＩｎＰ層１８からなるトンネル接合部分と、１．５５μｍの光学波長の１／４に相当する膜厚で交互に積層されたペアのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ第３反射鏡１９とを、順次にＭＯＣＶＤ法（有機金属気相エピタキシャル成長法）でエピタキシャル成長させる。その後、ＳｉＯ_２マスクを用いてメタン系ドライエッチングを行い、メサ（台地型）形成を行う。

次に、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ第２反射鏡１３の上に、埋込み層であるＦｅドーピングされた半絶縁性のＩｎＰ層２０を成長させ、ＳｉＯ_２マスクを取り除いた後、ｎ型ＩｎＰ層２１とｎ＋＋のＩｎＧａＡｓコンタクト層２２を成長させ、メサ直上部分のＩｎＧａＡｓ部分を化学的選択エッチングにより取り除き、埋込み工程を完了する。

その後、埋込み表面（１９）とＳｉ基板（図示しない）とをワックス（蝋付け）で直接貼り合わせて固定し、上記のＩｎＰ基板（図示しない）を完全に除去し、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ第１反射鏡１２の表面に第２反射鏡１３であるＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ表面を接触させ、水素雰囲気中でアニール（anneal：熱処理）を施すことで、ＧａＡｓとＩｎＰとの間の共有結合を形成するという、いわゆるウエハーフュージョン（Wafer fusion）を行う。

その後、Ｆｅドーピングされた埋込み層を部分的にエッチングして取り除き、下部電極２３、上部電極と電極パット２４、ＡＲ（反射防止）コート２５を順次蒸着した後、第４反射鏡としての１．５５μｍの光学波長の１／４に相当する膜厚で交互に積層されたＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２誘電体多層膜２６を埋込み表面（１９）上に形成し、その後、電極パット部分２４の上部の誘電体多層膜２６を取り除くことにより、図２に示す断面構造の長波長帯面発光半導体レーザを得る。

図３に、室温連続動作時における本発明の第１実施形態による上記面発光半導体レーザの電流−電圧−光特性と、従来技術により製作した面発光半導体レーザの電流−電圧−光特性とを示す。すなわち、図３において、実線の特性曲線（ａ）は本発明を適用して作製した第１実施形態の面発光半導体レーザの電流−光出力特性を示し、実線の特性曲線（ｂ）は従来技術によるトンネル接合部分のｐ型半導体層がＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓで作製した場合の面発光半導体レーザの電流−光出力特性を示す。また、破線の特性曲線（ａ')は本発明を適用して作製した第１実施形態の面発光半導体レーザの電流−電圧特性を示し、破線の特性曲線（ｂ')は従来技術によるトンネル接合部分のｐ型半導体層がＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓで作製した面発光半導体レーザの電流−電圧特性を示す。

本発明による面発光半導体レーザでは、トンネル接合部分のｐ型半導体層が、従来技術の（ｂ')に示すものに比べて、本発明の特性曲線（ａ')のものの方がＩｎの組成比ｘが小さいため、高濃度ドーピングが可能となり、また電気抵抗が小さくなることがわかる。

また、本発明の特性曲線（ａ）のものの方が従来技術の特性曲線（ｂ）のものに比べて、光出力が大幅に増加し、閾値電流が減少しているが、これもｐ型半導体層が従来技術の特性曲線（ｂ）のものに比べて、本発明の特性曲線（ａ）の方がＩｎの組成比ｘが小さいため、レーザキャビティ内の内部損失が大幅に減少しているためである。

その結果、本発明の長波長帯面発光半導体レーザによれば、単一横モード条件を満たしながら飛躍的に光出力の向上が可能となる。

（他の実施形態）
上述の本発明の第１の実施形態では、トンネル接合部分を構成するｐ型半導体層に対してＭＯＣＶＤ法を用いてＣドーピングして行っているが、本発明はこれに限定されず、例えばＭＢＥ法(分子線エピタキシャル成長法）で結晶成長したとしても同様の効果があるのはいうまでもない。

また、本発明は、上記の実施形態に限定されず、請求項に記載の範囲内において、その変更、置換等を行なうことができるのは勿論である。

本発明に係わる、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜０．５３）のＩｎの組成比ｘと、Ｃドーピングされたｐ型キャリア濃度の最大値ρと、トンネル電流Ｊｐと、レーザ発振波長１．５５μｍに対する吸収係数αとの関係を示すグラフ図である。本発明の第１実施形態における長波長帯面発光半導体レーザの構成例を示す断面図である。本発明の第１実施形態における長波長帯面発光半導体レーザの電流−電圧−光出力特性と、トンネル接合部分のｐ型半導体層をＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓで作製した従来技術による長波長帯面発光半導体レーザの電流−電圧−光出力特性と比較して示すグラフ図である。

符号の説明

１１ＧａＡｓ基板
１２ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ第１反射鏡
１３ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ第２反射鏡
１４ｎ型第１スペーサ層
１５活性層
１６ｐ型第２スペーサ層
１７ｐ++ −ＩｎＧａＡｓ層（トンネル接合部分）
１８ｎ++ −ＩｎＰ層（トンネル接合部分）
１９ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ第３反射鏡
２０半絶縁性ＩｎＰ
２１ｎ型ＩｎＰ層
２２ｎ++ ＩｎＧａＡｓ層
２３電極
２４電極
２５ＡＲコート
２６ＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２第４反射鏡

Claims

基板上に、光学波長の１／４に相当する膜厚で交互に積層された屈折率の異なる２種類の材料からなる第１反射鏡と、光学波長の１／４に相当する膜厚で交互に積層された屈折率の異なる２種類の材料からなるｎ型の第２反射鏡と、ｎ型第１スペーサ層と、活性層と、ｐ型第２スペーサ層と、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層からなるトンネル接合部分と、光学波長の１／４に相当する膜厚で交互に積層された２種類の材料からなるｎ型の第３反射鏡と、光学波長の１／４に相当する膜厚で交互に積層された２種類の材料からなる第４反射鏡を順次積層して構成された面発光半導体レーザであって、
前記第２反射鏡と、前記第１スペーサ層と、前記活性層と、前記第２スペーサ層と、前記トンネル接合部分と、前記第３反射鏡とは、ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長させた半導体層からなり、
発振波長が１．５５μｍ帯で、
前記トンネル接合部分を構成する前記ｐ型半導体層が、カーボン（Ｃ）でドーピングされた、Ｉｎ組成比ｘが０．１５＜ｘ＜０．２５となる、引っ張り歪を有するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓの材料で構成され、
かつ前記活性層の側面が半絶縁性材料で覆われた埋込み構造を有することを特徴とする長波長帯面発光半導体レーザ。