JP4928927B2 - 面発光半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
本発明は面発光半導体レーザ素子に関し、特に半導体を用いたレ−ザ装置、特に光ファイバーの送信光源として用いられる通信用半導体レーザ、変調器、及びそれらを集積化した集積化光源に関する。
世界規模でのインターネットの普及により光通信網のデータトラフィック量が年々増加している。このような増大に対して光ファイバー通信網でのキーデバイスである半導体送信光源及び変調器、あるいはそれを集積化した集積化光源はさらなる高速化、低消費電力化等の高性能化が求められている。今までは化合物半導体の劈開を端面として利用とした端面発光レーザが主流であった。しかし、近年、ウェハー面に対して垂直に光が出射する面発光レーザの研究開発が盛んである。図3に一般的な850nm帯の波長で発振する面発光レーザの断面構造図を示す。図３ではGaAs基板301上にn型DBR反射鏡膜(Distributed Bragg Reflector)反射鏡膜302を積層する。DBR反射鏡膜302はレーザ発振のために99%から99.9%の高反射率が必要であり屈折率の異なるn-Al0.9Ga0.1As層302aとn-Al0.15Ga0.85As層302bの反射膜層対35ペアから構成される。
これらの層の屈折率差は約0.4である。また、DBR反射鏡膜３０２ａ， ３０３ｂのぞれぞれの膜厚ｄは、その半導体の屈折率をnrとし、発振波長をλとすると、d=λ/4 nrで表される。n型DBR反射鏡膜302上にはn-Al0.3Ga0.7Asスペーサ層303,GaAs/Al0.3Ga0.7As MQW活性層304, p-Al0.3Ga0.7Asスペーサ層305が引き続き積層され、さらにp型DBR反射鏡膜307が積層される。p-DBR反射鏡膜はp-Al0.9Ga0.1As層307aとp-Al0.15Ga0.85As層307bの反射膜層対30ペアから構成される。307の最下部層のp-Al0.9Ga0.1As層307aの一部領域層はp-Al0.98Ga0.02As層に置き換えられ、その外周部を酸化することによりAlOx酸化層306を形成する。p-DBR反射鏡膜307の上にはp+-GaAs層が形成され、光の出射口部は取り除かれる。309はSiO2保護層、310はp電極、311は基板裏面に設置されたn電極層である。このような850nm帯の波長では面発光レーザは既に実用化されている。
一方、光ファイバー通信に適合する1.3μｍ帯から1.55μｍ帯での長波長帯面発光レーザは研究段階であるものが多く、広くは普及していない。
長波長帯面発光レーザが未だ研究段階である理由の１つに長波長帯面発光レーザでは半導体で構成されるDBR反射鏡膜の半導体ペアの屈折率差が小さいという問題がある。InP基板上に作成される長波長帯面発光レーザでは例えばInPとInGaAsP、或いはInPとInGaAlAsのペアでDBR反射鏡膜が形成されるがその屈折率差は前述の850nm帯の0.4に比べて約0.17-0.20と小さい。1.3μｍ帯ではInPの屈折率は3.207で組成波長1.15μmのInGaAsPの屈折率は3.379であり、組成波長1.18μmのInGaAlAsでは3.4037である。
ここで組成波長λg（μm）とは混晶半導体をフォトルミネッセンス測定したときのピーク波長でありバンドギャップEg(eV)とはEg=1.2398/λgの関係がある。（正確にはフォトルミネッセンスの発光時にバンドフィリングが起こっているので前述の式で表されるEgは本来半導体が有するEgより若干大きいが便宜的にこの式で記述する場合が多い。）この場合99%から99.9%程度の高反射率DBR反射鏡膜を実現するためにはDBR反射鏡膜の半導体ペアの層数を多くするか屈折率差が大きい組成に変更する必要がある。
後者の場合、InGaAsPやInGaAlAsの組成波長を大きくする必要がある。しかし、組成波長を大きくするとその層の光吸収がレーザの発振波長で大きくなってしまい、実効的な反射率を増大することができないという問題があった。この問題は特にDBR反射鏡膜を通して活性層へ電流を注入するためにDBR反射鏡膜に不純物ドープを施す場合に顕著となる。
図４は不純物を導入しないアンドープの半導体とドーピングした半導体の光吸収と波長の関係を模式的に示したものである。ここでバルクとは混晶化合物半導体においてその組成が一定で均一の半導体、即ちバンドギャップが一定の半導体層を示す。アンドープの半導体はその半導体が有するバンドギャップEgに相当する波長まで光吸収するがその波長以上では光吸収は起こらず透明となる。
一方、ドーピングした半導体はバンドテイル現象が起こるのでその半導体が有するバンドギャップEgに相当する波長以上でも吸収が起こる。よってドーピングしたDBR反射鏡膜はレーザの発振波長での光吸収があるために実効的な反射率が低減してしまうという課題があった。さらに温度上昇と共にバンドギャップに相当する波長は0.6〜0.7nm/℃で長波長側に変動するため高温においてこの課題は顕著化する。
本発明が解決しようとする課題は半導体で構成されるDBR反射鏡膜においてレーザ波長に相当する波長での光吸収が小さく、かつ屈折差が大きく、かつ電気抵抗が小さい半導体ペア構造を有する面発光レーザを提供することにある。
本発明の要旨の一つは次の通りである。
ＩｎＰ基板上に光を発生する活性層と前記活性層から発生した光からレーザ光を得るために活性層の上下を反射鏡で挟んだ共振器構造を有し、前記基板結晶と垂直に光を発射する面発光半導体レーザであって、
InP基板上に積層された第1の反射鏡が第1の半導体多層膜で構成され、第１の反射鏡より上に活性層が積層され、該活性層より上に積層される第２の反射鏡が第２の半導体多層膜、或いは第１の誘電体多層膜で構成されており、
第１の半導体多層膜から活性層へ電流を注入できるように、前記第１の半導体多層膜の一部の領域には第１の導電型になるように不純物がドーピングされており、
前記第１の半導体多層膜がInGaAlAsの井戸層とInGaAlAs層の障壁層から構成される多重量子井戸層とInP層の対が複数対交互に積層されいることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
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本発明の一実施例の上記の課題は、次の構成によって、改善が可能である。
ＩｎＰ基板上に光を発生する活性層と前記活性層から発生した光からレーザ光を得るために活性層の上下を反射鏡で挟んだ共振器構造を有し、前記基板結晶と垂直に光を発射する面発光半導体レーザにおいて、反射鏡の少なくとも１つが半導体多層膜で構成され、電流を活性層へ注入できるように該半導体多層膜の一部の領域が第１の導電型になるようにドーピングが施され、該半導体多層膜がInGaAlAsの井戸層とInGaAlAs層の障壁層から構成される多重量子井戸層とInP層の対が少なくとも２対以上交互に積層されていることを特徴とする面発光半導体レーザ。
第１の半導体多層膜のうち、バンドギャップが小さい層がInGaAlAs材料の量子井戸構造で構成されているため、ドーピングを施してもバンドテイルが起こりにくくなり、当該半導体多層膜での光吸収を激減することができる。その結果、しきい電流、スロープ効率等のレーザ特性を改善することができる。
本発明では、面発光レーザにおいてレーザ波長に相当する波長での光吸収が小さく、かつ屈折差が大きく、かつ電気抵抗が小さい半導体DBR反射鏡膜構造を同時に実現でき、それにより低しきい電流、光光出力を広範囲温度で実現できることに対して効果がある。
（実施例１）
第１の実施例は本発明を光ファイバー通信用の1.3μｍ帯面発光レーザに適用した例である。図１にその断面構造概略図を示す。図１においてn型InP基板101上に半導体n型DBR反射鏡膜102が積層されている。DBR反射鏡膜102はInP層102aとInGaAlAs多重量子井戸層102bの半導体層対から構成されており、その対数は45であり、反射率は99.5%である。このDBR反射鏡膜102上にはn-スペーサ層103、InGaAlAs量子井戸活性層104、p-スペーサ層105が順に積層されている。さらにその上にはp-InP層106が積層される。p-InP層106層の上の一部には組成波長1.15μｍのトンネル接合層111が形成されている。トンネル接合は高濃度のn型不純物とｐ型不純物が導入されているpn接合であり、通常のpn接合とは異なり逆方向電流が大きい。即ちトンネル接合のn側に正の電圧を加えると低抵抗で電流が流れる。半導体レーザのｐ型半導体層の上の一部にトンネル接合を設けると次のような利点がある。まず特に１．２μｍ以上の長波長帯ではｐ型半導体の光損失が大きいため、トンネル接合を利用してp型の体積を削減することにより良好なレーザ特性が得られる。また、ｐ型半導体よりｎ型半導体のほうが抵抗率が小さいので素子抵抗を小さくすることができる。さらに活性層の上の半導体の一部のみにトンネル接合を設けることにより一部の領域の活性層のみに電流を注入することができるためしきい電流を小さくできる。このようにトンネル接合を導入することにより従来の半導体レーザの特性を大幅に改善することができる。特に実効的な共振器長が短く、活性層体積が小さい面発光レーザではレーザ特性が光損失や素子抵抗に対して敏感であるのでトンネル接合の導入によりレーザ特性を向上することができる。トンネル接合111はドーピング濃度が2×1019cm-3で膜厚が20nmのp+-InGaAlAs層111bとドーピング濃度が3×1019cm-3で膜厚が20nmのn+-InGaAlAs層111aが積層された構造を有している。この上にはn-InP層107、n-InGaAsコンタクト層108が積層されている。コンタクト層108の一部領域は取り除かれており、この部分に誘電体DBR反射鏡膜110が接して積層されている。誘電体DBR反射鏡膜110はAlOx層とα-Si層の対が５対、交互に積層されており、反射率は99.3%である。109はSiO2保護膜で112と113はｎ型半導体にオーミックコンタクトを取ることができる電極である。電極112には正の電圧が印加され、p-InP層107を流れる電子はトンネル接合111の接合部で正孔に変換されるので106では正孔が下向きに流れ量子井戸活性層104へ注入される。
電子は下のn電極113から注入されてDBR反射鏡膜102、n-スペーサ層103を通って量子井戸活性層104に注入される。
第１の実施例は本発明を光ファイバー通信用の1.3μｍ帯面発光レーザに適用した例である。図１にその断面構造概略図を示す。図１においてn型InP基板101上に半導体n型DBR反射鏡膜102が積層されている。DBR反射鏡膜102はInP層102aとInGaAlAs多重量子井戸層102bの半導体層対から構成されており、その対数は45であり、反射率は99.5%である。このDBR反射鏡膜102上にはn-スペーサ層103、InGaAlAs量子井戸活性層104、p-スペーサ層105が順に積層されている。さらにその上にはp-InP層106が積層される。p-InP層106層の上の一部には組成波長1.15μｍのトンネル接合層111が形成されている。トンネル接合は高濃度のn型不純物とｐ型不純物が導入されているpn接合であり、通常のpn接合とは異なり逆方向電流が大きい。即ちトンネル接合のn側に正の電圧を加えると低抵抗で電流が流れる。半導体レーザのｐ型半導体層の上の一部にトンネル接合を設けると次のような利点がある。まず特に１．２μｍ以上の長波長帯ではｐ型半導体の光損失が大きいため、トンネル接合を利用してp型の体積を削減することにより良好なレーザ特性が得られる。また、ｐ型半導体よりｎ型半導体のほうが抵抗率が小さいので素子抵抗を小さくすることができる。さらに活性層の上の半導体の一部のみにトンネル接合を設けることにより一部の領域の活性層のみに電流を注入することができるためしきい電流を小さくできる。このようにトンネル接合を導入することにより従来の半導体レーザの特性を大幅に改善することができる。特に実効的な共振器長が短く、活性層体積が小さい面発光レーザではレーザ特性が光損失や素子抵抗に対して敏感であるのでトンネル接合の導入によりレーザ特性を向上することができる。トンネル接合111はドーピング濃度が2×1019cm-3で膜厚が20nmのp+-InGaAlAs層111bとドーピング濃度が3×1019cm-3で膜厚が20nmのn+-InGaAlAs層111aが積層された構造を有している。この上にはn-InP層107、n-InGaAsコンタクト層108が積層されている。コンタクト層108の一部領域は取り除かれており、この部分に誘電体DBR反射鏡膜110が接して積層されている。誘電体DBR反射鏡膜110はAlOx層とα-Si層の対が５対、交互に積層されており、反射率は99.3%である。109はSiO2保護膜で112と113はｎ型半導体にオーミックコンタクトを取ることができる電極である。電極112には正の電圧が印加され、p-InP層107を流れる電子はトンネル接合111の接合部で正孔に変換されるので106では正孔が下向きに流れ量子井戸活性層104へ注入される。
電子は下のn電極113から注入されてDBR反射鏡膜102、n-スペーサ層103を通って量子井戸活性層104に注入される。
図２はDBR反射鏡膜102の一部を詳細に示したものである。前述のようにn-InP層102aとn-InGaAlAs量子井戸層102bが交互に積層されている。InP層102aはドーピング濃度1×1018cm-3で膜厚101nmである。InGaAlAs多重量子井戸層102bは組成波長が1.36μm、膜厚が5nmでドーピング濃度が1×1018cm-3の井戸層201と組成波長が0.95μｍ、膜厚が5nmでドーピング濃度が1×1018cm-3の障壁層202から構成されており、9層の井戸層と10層の障壁層が交互に積層されている。図２中の102bの多重量子井戸層は模式的に示している。
この多重量子井戸層は量子準位が形成されるのでバンドギャップに相当する波長は数値計算によると1.209μmである。屈折率は井戸層と障壁層の屈折率の相乗平均では3.408であるが、岡本紘により開示された「超格子構造の光物性とその応用」(コロナ社)の６７頁から７１頁によれば平均化したものより量子井戸構造の方が屈折率が大きくなくることが示されており、この多重量子井戸層さらに大きいと考えられる。バルク半導体では前述のようにドーピングを施すことによりバンドテイルが生じてバンドギャップに相当する波長より長波長領域での光吸収が大きくなる。しかし、量子井戸構造では岡本紘により開示された「超格子構造の光物性とその応用」(コロナ社)の５７頁から５９頁によればその効果は量子効果により大幅に抑制できる。よってドーピングしたバルク半導体と多重量子井戸層の光吸収の波長依存性は図５のようになり多重量子井戸構造により光吸収を低減することができる。本実施例では井戸層と障壁層のドーピング濃度は同一であるが、井戸層のキャリア濃度を障壁層に比べて低くすればバンドテイルはさらに抑制できる。また、井戸層をアンドープにすればバンドテイルの効果は元来無く、障壁層のキャリアはエネルギーが低い井戸層へ拡散するのでDBR反射鏡膜の抵抗を上げることなく光吸収を抑制することができ、屈折率も大きくすることが可能となる。尚、障壁層の組成波長はレーザの発振波長に比べて十分に短い、即ちバンドギャップが大きいのでドーピングによるバンドテイルの効果はほとんどない。これはInP層102aについても言える。
DBR反射鏡膜のドーピング濃度は抵抗率がｐ型半導体の抵抗率に対して十分小さい1×101７cm-3以上が望ましい。1×101７cm-3の時のn型InPの抵抗率は約10-2Ωcmである。これに対してp型半導体で抵抗率が低い1×1018cm-3のドーピング濃度のときのInPの抵抗率は約10-１Ωcmであり、p型半導体のほうが大きいので設計上はｎ型半導体の抵抗は無視できる。一方、DBR反射鏡膜のドーピング濃度の上限は電子のプラズマ効果による光損失で限定され、約4×1018cm-3となる。
本実施例による面発光レーザのしきい電流は半導体DBR反射鏡膜の光吸収の低減により25℃で0.8mA,85℃で1.8mA, 100℃においても2.4mAの低い値を得ることができ、最大光出力は85℃で1.2mW, 100℃で0.9mWを得ることができる。この面発光レーザにより10Gb/s試験動作を行ったところ駆動電流12mAと低い電流値で0℃から100℃まで消光比4.5dBの良好なアイ開口を得ることができる。
InGaAlAs多重量子井戸層102bにおける井戸層201の望ましい組成波長は1.3μm帯面発光レーザの場合には光吸収と屈折率の観点から1.2μｍから1.45μｍの範囲が望ましく、膜厚は量子効果の観点から2nmから10nmの範囲が望ましい。障壁層は同様に組成波長は0.87μｍから1.0μｍの範囲が望ましく、膜厚は隣り合う量子井戸層の波動関数が結合しない観点から4.5nm以上が望ましい。また、InGaAlAs多重量子井戸層102bは非常に多くの層を積層するためInP基板の格子定数に整合するほうが望ましい。尚、InGaAlAs量子井戸活性層104はレーザ特性の観点から歪を導入した量子井戸層が望ましい。
さらに、本実施例では1.3μｍ帯での面発光レーザに適用した例を記述したが、1.55μｍ帯面発光レーザに適用しても同様の効果が得られることは言うまでもない。
（実施例２）
第２の実施例は本発明を光ファイバー通信用の1.3μｍ帯面発光レーザに適用した例である。図６にその断面構造概略図を示す。DBR反射鏡膜102より上の構造は実施例１と同一である。しかし、本実施例ではDBR反射鏡膜102のn-InP層102aとn-InGaAlAs多重量子井戸層102bの半導体層対数が10対であり、DBR反射鏡膜102の下にはバルクDBR反射鏡膜601が設けられている。バルクDBR反射鏡膜601はn-InP層601aとバルクで組成波長が1.18μｍのn-InGaAlAs層601bが交互に35対積層された構造を有する。DBR反射鏡膜102とバルクDBR反射鏡膜601の積層により反射率は99.5%を得ることができる。この複合構造はInGaAlAs量子井戸層102bの作製に技術と時間を要し、光のDBR反射鏡膜構造への染み出しの大部分はおおよそ10対程度なので、その下をバルクDBR反射鏡膜で置き換えても素子特性の変動は軽微である。n-InP層601aとバルクで組成波長が1.18μｍのn-InGaAlAs層601bのキャリア濃度は1×1018cm-3である。バルクDBR反射鏡膜のドーピング濃度の上下限も実施例１と同様の理由から1×1017cm-3〜4×1018cm-3である。本実施例の面発光レーザは25℃で1.0mA,85℃で2.4mA, 100℃においても3.0mAの低い値を得ることができ、最大光出力は85℃で1.0mW, 100℃で0.7mWを得ることができる。この面発光レーザにより10Gb/s試験動作を行ったところ駆動電流15mAと低い電流値で0℃から100℃まで消光比4dBの良好なアイ開口を得ることができる。
（実施例３）
第３の実施例は本発明を光ファイバー通信用の1.3μｍ帯面発光レーザに適用した例である。図７にその断面構造概略図を示す。DBR反射鏡膜102より上の構造は実施例１、２と同一である。しかし、実施例２と同様に本実施例ではDBR反射鏡膜102のn-InP層102aとn-InGaAlAs多重量子井戸層102bの半導体層対数が10対である。DBR反射鏡膜102の下にはアンドープバルクDBR反射鏡膜701が設けられている。バルクDBR反射鏡膜701はアンドープInP層701aとバルクで組成波長が1.18μｍのアンドープInGaAlAs層701bが交互に35対積層された構造を有する。DBR反射鏡膜102とバルクDBR反射鏡膜701の積層により反射率は99.5%を得ることができる。また、実施例１、２は電極を基板下の113に設置しているが、本実施例では701はアンドープなのでDBR反射鏡膜102のn-InP層102上にｎ電極702を設置している。この複合構造は実施例２においてバルクDBR反射鏡膜601への光の染み出し分をアンドープ化により抑制するもので作製の容易さと特性の向上を兼ね備えた構造と言える。
本実施例による面発光レーザのしきい電流は半導体DBR反射鏡膜の光吸収の低減により25℃で0.9mA,85℃で2.0mA, 100℃においても2.6mAの低い値を得ることができ、最大光出力は85℃で1.1mW, 100℃で0.85mWを得ることができる。この面発光レーザにより10Gb/s試験動作を行ったところ駆動電流14mAと低い電流値で0℃から100℃まで消光比4.2dBの良好なアイ開口を得ることができる。
（実施例４）
第４の実施例は本発明を光ファイバー通信用の1.3μｍ帯面発光レーザに適用した例である。図８にその断面構造概略図を示す。DBR反射鏡膜102より上の構造は実施例３と同一であり、DBR反射鏡膜102のn-InP層102aとn-InGaAlAs多重量子井戸層102bの半導体層対数が10対設けてある。DBR反射鏡膜102の下にはアンドープInP層801aと空洞で空気が満ちている801b層から成るDBR反射鏡膜801が６対半設けられている。DBR反射鏡膜801層はInP層801aとバルクのInGaAlAs層を交互に積層して素子の外周部の一部に802の溝を掘り、横からInGaAlAs層をウェットエッチングすることにより形成される。ウェットエッチング液には例えばInGaAlAs層をエッチングしInP層はエッチングしない硫酸、過酸化水素水、水の混合液等が用いられる。素子の外周部の一部のみに溝を設けているので溝を設けていない領域で素子全体は基板と繋がっており、形状は保持される。また、ウェットエッチングの際は102層がエッチングされないよう102の側壁をレジストや誘電体膜で保護しておく。InP層801aの屈折率と空洞層の屈折率の差は大きいので６対半というわずかな層数で99%以上の高反射率を得ることができ、102と合せると99.5%以上の高反射鏡を得ることができる。本実施例では実施例３と同様に801に導通することができないのでDBR反射鏡膜102のn-InP層102上にｎ電極702を設置している。
本実施例による面発光レーザのしきい電流は半導体DBR反射鏡膜の光吸収の低減により25℃で0.83mA,85℃で1.8mA, 100℃においても2.1mAの低い値を得ることができ、最大光出力は85℃で1.8mW, 100℃で1.2mWを得ることができる。この面発光レーザにより10Gb/s試験動作を行ったところ駆動電流11mAと低い電流値で0℃から100℃まで消光比5.2dBの良好なアイ開口を得ることができる。
さらに、本実施例では1.3μｍ帯での面発光レーザに適用した例を記述したが、1.55μｍ帯面発光レーザに適用しても同様の効果が得られることは言うまでもない。
（実施例２）
第２の実施例は本発明を光ファイバー通信用の1.3μｍ帯面発光レーザに適用した例である。図６にその断面構造概略図を示す。DBR反射鏡膜102より上の構造は実施例１と同一である。しかし、本実施例ではDBR反射鏡膜102のn-InP層102aとn-InGaAlAs多重量子井戸層102bの半導体層対数が10対であり、DBR反射鏡膜102の下にはバルクDBR反射鏡膜601が設けられている。バルクDBR反射鏡膜601はn-InP層601aとバルクで組成波長が1.18μｍのn-InGaAlAs層601bが交互に35対積層された構造を有する。DBR反射鏡膜102とバルクDBR反射鏡膜601の積層により反射率は99.5%を得ることができる。この複合構造はInGaAlAs量子井戸層102bの作製に技術と時間を要し、光のDBR反射鏡膜構造への染み出しの大部分はおおよそ10対程度なので、その下をバルクDBR反射鏡膜で置き換えても素子特性の変動は軽微である。n-InP層601aとバルクで組成波長が1.18μｍのn-InGaAlAs層601bのキャリア濃度は1×1018cm-3である。バルクDBR反射鏡膜のドーピング濃度の上下限も実施例１と同様の理由から1×1017cm-3〜4×1018cm-3である。本実施例の面発光レーザは25℃で1.0mA,85℃で2.4mA, 100℃においても3.0mAの低い値を得ることができ、最大光出力は85℃で1.0mW, 100℃で0.7mWを得ることができる。この面発光レーザにより10Gb/s試験動作を行ったところ駆動電流15mAと低い電流値で0℃から100℃まで消光比4dBの良好なアイ開口を得ることができる。
（実施例３）
第３の実施例は本発明を光ファイバー通信用の1.3μｍ帯面発光レーザに適用した例である。図７にその断面構造概略図を示す。DBR反射鏡膜102より上の構造は実施例１、２と同一である。しかし、実施例２と同様に本実施例ではDBR反射鏡膜102のn-InP層102aとn-InGaAlAs多重量子井戸層102bの半導体層対数が10対である。DBR反射鏡膜102の下にはアンドープバルクDBR反射鏡膜701が設けられている。バルクDBR反射鏡膜701はアンドープInP層701aとバルクで組成波長が1.18μｍのアンドープInGaAlAs層701bが交互に35対積層された構造を有する。DBR反射鏡膜102とバルクDBR反射鏡膜701の積層により反射率は99.5%を得ることができる。また、実施例１、２は電極を基板下の113に設置しているが、本実施例では701はアンドープなのでDBR反射鏡膜102のn-InP層102上にｎ電極702を設置している。この複合構造は実施例２においてバルクDBR反射鏡膜601への光の染み出し分をアンドープ化により抑制するもので作製の容易さと特性の向上を兼ね備えた構造と言える。
本実施例による面発光レーザのしきい電流は半導体DBR反射鏡膜の光吸収の低減により25℃で0.9mA,85℃で2.0mA, 100℃においても2.6mAの低い値を得ることができ、最大光出力は85℃で1.1mW, 100℃で0.85mWを得ることができる。この面発光レーザにより10Gb/s試験動作を行ったところ駆動電流14mAと低い電流値で0℃から100℃まで消光比4.2dBの良好なアイ開口を得ることができる。
（実施例４）
第４の実施例は本発明を光ファイバー通信用の1.3μｍ帯面発光レーザに適用した例である。図８にその断面構造概略図を示す。DBR反射鏡膜102より上の構造は実施例３と同一であり、DBR反射鏡膜102のn-InP層102aとn-InGaAlAs多重量子井戸層102bの半導体層対数が10対設けてある。DBR反射鏡膜102の下にはアンドープInP層801aと空洞で空気が満ちている801b層から成るDBR反射鏡膜801が６対半設けられている。DBR反射鏡膜801層はInP層801aとバルクのInGaAlAs層を交互に積層して素子の外周部の一部に802の溝を掘り、横からInGaAlAs層をウェットエッチングすることにより形成される。ウェットエッチング液には例えばInGaAlAs層をエッチングしInP層はエッチングしない硫酸、過酸化水素水、水の混合液等が用いられる。素子の外周部の一部のみに溝を設けているので溝を設けていない領域で素子全体は基板と繋がっており、形状は保持される。また、ウェットエッチングの際は102層がエッチングされないよう102の側壁をレジストや誘電体膜で保護しておく。InP層801aの屈折率と空洞層の屈折率の差は大きいので６対半というわずかな層数で99%以上の高反射率を得ることができ、102と合せると99.5%以上の高反射鏡を得ることができる。本実施例では実施例３と同様に801に導通することができないのでDBR反射鏡膜102のn-InP層102上にｎ電極702を設置している。
本実施例による面発光レーザのしきい電流は半導体DBR反射鏡膜の光吸収の低減により25℃で0.83mA,85℃で1.8mA, 100℃においても2.1mAの低い値を得ることができ、最大光出力は85℃で1.8mW, 100℃で1.2mWを得ることができる。この面発光レーザにより10Gb/s試験動作を行ったところ駆動電流11mAと低い電流値で0℃から100℃まで消光比5.2dBの良好なアイ開口を得ることができる。
図面中の符号の説明は以下の通りである。
101 n型InP基板、102 n型半導体DBR反射鏡膜、102a n型InP層、102b InGaAlAs-MQW層、103 n-スペーサ層、104 MQW活性層、105 p-スペーサ層、106 p-InP層、107 n-InP層、108 n-InGaAsコンタクト層、109 SiO2保護層、110 誘電体DBR反射鏡膜、111 InGaAlAsトンネル接合層、111a n+-InGaAlAs層、111b p+-InGaAlAs層、112 n型電極層、113 n型電極層、201 InGaAlAs 井戸層、202 InGaAlAs 障壁層、301 n型GaAs基板、302 n-DBR反射鏡膜、302a n-Al0.9Ga0.1As層、302b n-Al0.15Ga0.85As層、303 n-Al0.3Ga0.7Asスペーサ層、304 GaAs/Al0.3Ga0.7As MQW、305 p-Al0.3Ga0.7Asスペーサ層、306 AlOx酸化層、307 p-DBR反射鏡膜、307a p-Al0.9Ga0.1As層、307b p-Al0.15Ga0.85As層、308 p+-GaAs層、309 SiO2保護層、310 p電極、311 n電極、601 バルクDBR反射鏡膜、601a n-InP層、601b n-InGaAlAs層、701 アンドープバルクDBR反射鏡膜、701a アンドープInP層、701b アンドープInGaAlAs層、801 DBR反射鏡膜、801a アンドープInP層、801b 空洞層。
101 n型InP基板、102 n型半導体DBR反射鏡膜、102a n型InP層、102b InGaAlAs-MQW層、103 n-スペーサ層、104 MQW活性層、105 p-スペーサ層、106 p-InP層、107 n-InP層、108 n-InGaAsコンタクト層、109 SiO2保護層、110 誘電体DBR反射鏡膜、111 InGaAlAsトンネル接合層、111a n+-InGaAlAs層、111b p+-InGaAlAs層、112 n型電極層、113 n型電極層、201 InGaAlAs 井戸層、202 InGaAlAs 障壁層、301 n型GaAs基板、302 n-DBR反射鏡膜、302a n-Al0.9Ga0.1As層、302b n-Al0.15Ga0.85As層、303 n-Al0.3Ga0.7Asスペーサ層、304 GaAs/Al0.3Ga0.7As MQW、305 p-Al0.3Ga0.7Asスペーサ層、306 AlOx酸化層、307 p-DBR反射鏡膜、307a p-Al0.9Ga0.1As層、307b p-Al0.15Ga0.85As層、308 p+-GaAs層、309 SiO2保護層、310 p電極、311 n電極、601 バルクDBR反射鏡膜、601a n-InP層、601b n-InGaAlAs層、701 アンドープバルクDBR反射鏡膜、701a アンドープInP層、701b アンドープInGaAlAs層、801 DBR反射鏡膜、801a アンドープInP層、801b 空洞層。
101…n型InP基板
102…n型半導体DBR反射鏡膜
102a…n型InP層
102b…InGaAlAs-MQW層
103…n-スペーサ層
104…MQW活性層
105…p-スペーサ層
106…p-InP層
107…n-InP層
108…n-InGaAsコンタクト層
109…SiO2保護層
110…誘電体DBR反射鏡膜
111…InGaAlAsトンネル接合層
111a…n+-InGaAlAs層
111b…p+-InGaAlAs層
112…n型電極層
113…n型電極層
201…InGaAlAs 井戸層
202…InGaAlAs 障壁層
301…n型GaAs基板
302…n-DBR反射鏡膜
302a…n-Al0.9Ga0.1As層
302b…n-Al0.15Ga0.85As層
303…n-Al0.3Ga0.7Asスペーサ層
304…GaAs/Al0.3Ga0.7As MQW
305…p-Al0.3Ga0.7Asスペーサ層
306…AlOx酸化層
307…p-DBR反射鏡膜
307a…p-Al0.9Ga0.1As層
307b…p-Al0.15Ga0.85As層
308…p+-GaAs層
309…SiO2保護層
310…p電極
311…n電極
601…バルクDBR反射鏡膜
601a…n-InP層
601b…n-InGaAlAs層
701…アンドープバルクDBR反射鏡膜
701a…アンドープInP層
701b…アンドープInGaAlAs層
801…DBR反射鏡膜
801a…アンドープInP層
801b…空洞層。
102…n型半導体DBR反射鏡膜
102a…n型InP層
102b…InGaAlAs-MQW層
103…n-スペーサ層
104…MQW活性層
105…p-スペーサ層
106…p-InP層
107…n-InP層
108…n-InGaAsコンタクト層
109…SiO2保護層
110…誘電体DBR反射鏡膜
111…InGaAlAsトンネル接合層
111a…n+-InGaAlAs層
111b…p+-InGaAlAs層
112…n型電極層
113…n型電極層
201…InGaAlAs 井戸層
202…InGaAlAs 障壁層
301…n型GaAs基板
302…n-DBR反射鏡膜
302a…n-Al0.9Ga0.1As層
302b…n-Al0.15Ga0.85As層
303…n-Al0.3Ga0.7Asスペーサ層
304…GaAs/Al0.3Ga0.7As MQW
305…p-Al0.3Ga0.7Asスペーサ層
306…AlOx酸化層
307…p-DBR反射鏡膜
307a…p-Al0.9Ga0.1As層
307b…p-Al0.15Ga0.85As層
308…p+-GaAs層
309…SiO2保護層
310…p電極
311…n電極
601…バルクDBR反射鏡膜
601a…n-InP層
601b…n-InGaAlAs層
701…アンドープバルクDBR反射鏡膜
701a…アンドープInP層
701b…アンドープInGaAlAs層
801…DBR反射鏡膜
801a…アンドープInP層
801b…空洞層。
Claims (5)
- ＩｎＰ基板上に光を発生する活性層と前記活性層から発生した光からレーザ光を得るために活性層の上下を反射鏡で挟んだ共振器構造を有し、前記基板結晶と垂直に光を発射する面発光半導体レーザであって、
InP基板上に積層された第1の反射鏡が第1の半導体多層膜で構成され、第１の反射鏡より上に活性層が積層され、該活性層より上に積層される第２の反射鏡が第２の半導体多層膜、或いは第１の誘電体多層膜で構成されており、
第１の半導体多層膜から活性層へ電流を注入できるように、前記第１の半導体多層膜の一部の領域には第１の導電型になるように不純物がドーピングされており、
前記第１の半導体多層膜がアンドープのInGaAlAs井戸層とドーピングが施されるInGaAlAs障壁層から構成される多重量子井戸層とInP層の対が複数対交互に積層されていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。 - ＩｎＰ基板上に光を発生する活性層と前記活性層から発生した光からレーザ光を得るために活性層の上下を反射鏡で挟んだ共振器構造を有し、前記基板結晶と垂直に光を発射する面発光半導体レーザであって、
InP基板上に積層された第1の反射鏡が第1の半導体多層膜で構成され、第１の反射鏡より上に活性層が積層され、該活性層より上に積層される第２の反射鏡が第２の半導体多層膜、或いは第１の誘電体多層膜で構成されており、
第１の半導体多層膜から活性層へ電流を注入できるように、前記第１の半導体多層膜の一部の領域には第１の導電型になるように不純物がドーピングされており、
前記第１の半導体多層膜がInGaAlAs井戸層とInGaAlAs障壁層から構成される多重量子井戸層とInP層の対が複数対交互に積層されており、
多重量子井戸層のInGaAlAs井戸層のドーピング濃度よりInGaAlAs障壁層のドーピング濃度が大きいことを特徴とする面発光半導体レーザ素子。 - 請求項１又は請求項２に記載の面発光半導体レーザにおいてInGaAlAs井戸層の組成波長が1.2から1.6μｍであり、InGaAlAs障壁層の組成波長が1.15μｍから0.88μｍであることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
- 請求項１又は請求項２に記載の面発光半導体レーザにおいて該活性層上で第２の反射鏡より下の半導体層内にトンネル接合を有することを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
- 請求項１又は請求項２に記載の面発光半導体レーザにおいてレーザの発振波長が1.2μｍから1.6μｍ帯であることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
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