JP4940960B2 - 面発光レーザ - Google Patents

Description

本発明は、光通信や光インターコネクションの分野で用いられる半導体発光素子の一種である面発光レーザに関する。

光通信は長距離、大容量伝送が可能であることから、特に長距離通信では早くから広く実用に供されてきた。一般に光通信の送信装置には光源として半導体レーザが用いられており、その中で面発光レーザは小型、低消費電力などの利点を有することから、短距離通信用の光源として利用されている。面発光レーザの電流狭窄機構としてはエッチングによるエアポスト構造、プロトン注入型、酸化狭窄型などがある。酸化狭窄型は、側面の表面再結合の影響を受けないこと、また酸化層と半導体層の屈折率差に起因する集光のために回折損失が大幅に低減するなどの利点があり、主流となっている（非特許文献１参照）。

図９は典型的な面発光レーザを示す断面構造図である。図９に示すように、面発光レーザは、下部電極１００１、基板１００２、下部反射鏡構造１００３、下部クラッド層１００４、発光層１００５、上部クラッド層１００６、ＡｌＡｓ層１００７、上部反射鏡構造１００８および上部電極１００９が順次積層されている。上部電極１００９には、出力光を通すための開口が設けられている。ＡｌＡｓ層１００７が一部酸化されることにより、電流狭窄構造が形成されている。この酸化された領域は絶縁体となるため、ＡｌＡｓ層１００７のうち酸化されていない領域１０１０とほぼ同程度の幅の活性層領域に集中的に電流を流すことができる。

図９に示した構造では、電流狭窄領域の幅により活性層体積が規定され、また横モードの制御がなされる。このレーザの駆動(変調)帯域を上げるためには、素子の容量を低減(ＣＲ制限律速緩和)する必要があり、上記電流狭窄による開口幅を狭くする必要がある。一般的には、変調帯域１０Ｇｐｓを得るためには、〜１５μｍ径程度以下の開口幅に狭小化する必要がある。

一方、この酸化狭窄型面発光レーザでは、その狭窄部開口径の形成が酸化の時間制御であるため、ウエハ面内均一性や再現性の点で問題があり、ひいては素子の特性バラツキとなっている。また、電流狭窄径の狭小化により抵抗が上がるため、高速化を阻害する要因にもなっている。

酸化狭窄型面発光レーザの上記課題を克服するために、トンネル接合を用いた素子の開発が行われている。その構造の一例が非特許文献２の図１に開示されている。この埋込み型トンネル接合構造面発光レーザは、酸化層による電流狭窄ではなく、トンネル接合の原理による電流注入であることを特徴としている。トンネル接合部の抵抗を小さくできることに加え、素子構造内で抵抗の高いｐ型領域を少なくできるため、素子抵抗を大幅に低減することができ、高速動作・省電力に優れている。また、低抵抗化により、素子の発熱も抑制できるので、素子寿命も改善できる。

埋め込み型トンネル接合構造面発光レーザの素子構造を説明する。図１０は埋め込み型トンネル接合構造面発光レーザの一構成例を示す断面構造図である。

図１０に示すように、ｎ型導電性の半導体基板１１０１上に第１多層反射膜１１０２および第１のｎ型スペーサ層１１０３が順に形成されている。第１のｎ型スペーサ層１１０３の上面は、その一部に活性層１１０４が形成され、活性層１１０４が形成されていない領域にマイナス（−）電極１１１１が設けられている。

活性層１１０４の上にｐ型スペーサ層１１０５が形成され、ｐ型スペーサ層１１０５の上面の一部にトンネル接合部が設けられている。ｐ型スペーサ層１１０５の上には、トンネル接合部を覆う第２のｎ型スペーサ層１１０８が設けられている。トンネル接合部は、高濃度ｐ型層１１０６および高濃度ｎ型層１１０７が順に積層された構造である。第２のｎ型スペーサ層１１０８が埋め込み層となる。第２のｎ型スペーサ層１１０８の上面は、その一部に第２多層反射膜１１０９が形成され、第２多層反射膜１１０９が形成されていない領域にプラス（＋）電極１１１０が設けられている。図１０に示す素子は閾値電流１ｍＡ、波長１０９０ｎｍで発振し、素子抵抗５０Ωの低抵抗な面発光レーザである。

図１０に示した面発光レーザの製造方法を説明する。図１１は図１０に示した面発光レーザの製造手順を示す断面模式図である。

はじめに、図１１（ａ）に示すように、ｎ型基板１１０１上に第１多層反射膜１１０２からトンネル接合を形成する高濃度ｎ型層１１０７までを成長し、リソグラフィ技術を用いてエッチングによりトンネル接合を加工する。そして、図１１(ｂ)のように第２のｎ型スペーサ層１１０８を埋込み成長する。次に、図１１(ｃ)のように、基板側のコンタクト電極を表面側から取り出すために、半導体を第１のｎ型スペーサ層１１０３までエッチングし、メサを形成する。図１１(ｄ)に示すように、ＳｉＯ₂／Ｓｉからなる第２多層反射膜１１０９を形成後、コンタクト部の誘電体をエッチング除去し、＋電極１１１０および−電極１１１１を形成し、３７５℃、１０秒の処理で電極アロイを行い、素子が完成する。

また、トンネル接合を用いた他の面発光レーザの例が非特許文献３に開示されている。非特許文献３の図２には、酸化狭窄構造とトンネル接合構造を組み合わせた面発光レーザが示されている。電流狭窄構造を形成するために、非特許文献２の面発光レーザではトンネル接合のエッチング加工が行われ、非特許文献３の面発光レーザでは酸化狭窄プロセスが用いられている。
伊賀および小山編著、「面発光レーザの基礎と応用」、共立出版、第１章および第２章 屋敷、他5名、22ｐ-ＺＮ-3「1.1μｍ帯埋め込みトンネル接合構造面発光レーザ」、第53回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集、2006年春、p.1223 J. J. Wierer、他３名、"Lateral electron current operation of vertical cavity surface emitting lasers with buried tunnel contact hole sources"、Applied Physics Letter(1997)、pp.3468-3469

上述の埋込み型トンネル接合構造面発光レーザでは、トンネル接合部を埋め込むため、酸化狭窄型と異なりウエハ上に凹凸が生じることになる。図１０の第２のｎ型スペーサ層１１０８の上面の凹凸が界面１１１２を介して第２多層反射膜１１０９にその形状が反映される。この凹凸が残った状態でミラーを形成すると、凹部と凸部で共振波長が異なってしまう。その結果、等価屈折率の差を生じ、光閉じ込めを生じることになる。したがって一般に凹凸が大きいほど、等価屈折率差が大きくなる。中央部の等価屈折率の方が小さい場合には、いわゆる逆導波構造となり、閾値電流が増加したり、発振しなくなったりする等の問題が生じる。逆に中央部の等価屈折率の方が大きい場合には光閉じ込めが強くなる。この場合、高次モードが発生し易くなり、シングルモードが必要な用途には使用できなくなる。

マルチモードで使用する場合には使用は可能ではあるが、一般に高次のモードになるほど放射角が大きくなるため、光ファイバや光導波路との結合効率が低下する。高密度集積を行う場合、また低コスト化のためにはレンズを用いないことが望ましいが、この場合には放射角増加による結合効率低下が顕著になる。このような問題を避けるため、凹凸がある層の上に位置する埋め込み層において表面を平坦化することが望ましい。

一般に、埋め込み層を十分に厚くすれば、図１２（ａ）に示すように表面を平坦化するか、または、図１２（ｂ）に示すように、凹凸がある部分を光が届かない領域まで遠ざけてしまうことが可能となる。この上にミラーを形成すれば凹凸に起因する等価屈折率差は無くなるため、上記のような高次モードの発生およびそれに伴う放射角の増大が抑制される。しかし埋め込み層を厚くするほど、レーザの共振器長は長くなる。これは直接変調速度の点では不利となる。すなわち、上述のような凹凸を有する構造を埋め込んだ素子構造においては、放射角と変調速度の間にはトレードオフの関係が存在する。

本発明は上述したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、低放射角と高速変調の両立を実現した面発光レーザを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の面発光レーザは、共振器を構成する２つの反射鏡の間に設けられた活性層と、トンネル接合により前記活性層に電流注入を行う電流注入部と、該電流注入部を覆う埋め込み層とを有する面発光レーザであって、
前記電流注入部が複数のトンネル接合部で構成され、
前記トンネル接合部の各平面パターンは、該各平面パターンの中心を通り、該各平面パターンの外周を結ぶ線分の最短長が１〜４μｍである。

本発明では、複数の微小なトンネル接合部を有し、微小トンネル接合部群を結晶成長により膜で埋め込む際、成長条件の最適化を行うことで、原料ガスの表面マイグレーションにより凸形状のトンネル接合部の頂部に原子が留まらず、トンネル接合部の間の下部から自己選択的に埋め込まれる。そのため、薄膜成長であっても埋め込み層の表面を平坦化することが可能となる。トンネル接合部を覆う埋め込み層の表面を平坦化しているため、トンネル接合部の集合体がある中央部とその周囲の部分とのミラー間の光路長の差はない。よって、平坦化を行わない場合と比べて、過度な光閉じ込めが抑制される。その結果、高次モードの発生を抑制し、放射角を低減することが可能になる。

本発明によれば、放射角と変調速度の間のトレードオフの関係にある問題を解消し、低放射角、かつ高速変調可能な素子を実現できる。また、複数のトンネル接合部は注入電流を平均化する効果があるため、電流の不均一注入を抑制し、素子抵抗低減により動作電流が低減し、低消費電力化を実現できる。

本発明の面発光レーザの実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態の面発光レーザの構成を説明する。ここでは、ＧａＡｓ基板上に形成した発振波長１．３μｍの面発光型レーザの場合とする。

図１は本実施形態の面発光レーザの一構成例を示す断面模式図である。

図１に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の上に第１のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層１０２が設けられている。第１のＤＢＲ層１０２の上面には、その一部に円柱状構造１１１とその側面を覆うポリイミド１１３が形成され、円柱状構造１１１およびポリイミド１１３以外の領域にはｎ型電極１１２が形成されている。

円柱状構造１１１は、下側クラッド層、活性層および上側クラッド層が順に形成され、その上にｐ−ＧａＡｓ層１０６、トンネル接合部１５０およびｎ−ＧａＡｓ層１０９が順に形成されている。従来よりも平面パターンの大きさが小さいトンネル接合部１５０がｐ−ＧａＡｓ層１０６上に複数設けられている。トンネル接合部１５０は、ｐ⁺−ＧａＡｓ_0.9Ｓｂ_0.1層１０７およびｎ⁺−Ｉｎ_0.15ＧａＡｓ_0.85層１０８が順に形成された構造である。ｎ−ＧａＡｓ層１０９が、複数のトンネル接合部１５０を覆ってｐ−ＧａＡｓ層１０６上に形成されている。

円柱状構造１１１の上面には、その一部に第２のＤＢＲ層１１０が設けられ、第２のＤＢＲ層以外の領域にはｐ型電極１１４が形成されている。第２のＤＢＲ層１１０は、複数のトンネル接合部１５０の全体の上方を覆うように設けられている。トンネル接合部１５０は、その界面が第１のＤＢＲ層１０２と第２のＤＢＲ層１１０の間に立つ定在波の節に配置されており、光吸収を低減する。

本実施形態の構造では、複数のトンネル接合部が半導体層に埋め込まれており、トンネル接合部にのみ電流が流れる。素子表面側から供給される電子がトンネル接合部に注入され、そこで変換された正孔が活性層へ供給される。本実施形態の複数のトンネル接合部の集合体の大きさに相当するトンネル接合部を１つ用いた従来の場合では、トンネル接合部面内の電流不均一（端の方が電流密度大）によるダンピング定数増大により、素子の高周波特性を制限する傾向がある。一方、複数個のトンネル接合部を用いた本実施形態の場合では、電流密度がより平均化され、その課題を解決することができる。

本実施形態の面発光レーザの製造方法を説明する。図２は図１に示した面発光レーザの製造手順を示す断面模式図である。

まず、図２（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＧａＡｓ層およびｎ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層の一対を基本単位とするＤＢＲ（ｎ型半導体ミラー層）を複数積層した第１のＤＢＲ層１０２と、ｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓクラッド層１０３と、ノンドープＧａＩｎＮＡｓ量子井戸およびＧａＡｓ障壁層からなる活性層１０４と、ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓクラッド層１０５と、ｐ−ＧａＡｓ層１０６と、ｐ⁺−ＧａＡｓ_0.9Ｓｂ_0.1層１０７と、ｎ⁺−Ｉｎ_0.15ＧａＡｓ_0.85層１０８とを有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法にて順次積層する（工程１）。

ここで、ｐ⁺−ＧａＡｓ_0.9Ｓｂ_0.1層１０７のｐ型ドーパントにＣ（カーボン）を用い、ｎ⁺−Ｉｎ_0.15ＧａＡｓ_0.85層１０８のｎ型ドーパントにＳｉ（シリコン）を用いた。ｐドーピング濃度を１×１０²⁰ｃｍ^-3とし、ｎドーピング濃度を５×１０¹⁹ｃｍ^-3とした。また、ｐ⁺−ＧａＡｓ_0.9Ｓｂ_0.1層１０７の膜厚を５ｎｍとし、ｎ⁺−Ｉｎ_0.15ＧａＡｓ_0.85層１０８の膜厚を１０ｎｍとした。

次に、トンネル接合を形成するために、フォトリソグラフィ技術により直径約３μｍの円形のパターンを複数有するレジストマスクをｎ⁺−Ｉｎ_0.15ＧａＡｓ_0.85層１０８上に形成する。これらの複数の開口は直径約２０μｍの円内に設けられている。続いて、レジストマスクの上からエッチングを行うことで、レジストマスクで覆われていない領域のｎ⁺−Ｉｎ_0.15ＧａＡｓ_0.85層１０８およびその下層部位のｐ⁺−ＧａＡｓ_0.9Ｓｂ_0.1層１０７を除去する。その後、レジストマスクを除去する（工程２）。これにより、直径３μｍの円形の平面パターンのトンネル接合部１５０が複数形成される。なお、以下では、円形の平面パターンを、単に「円形パターン」と称する。

次に、再びＭＯＣＶＤ法を用いて図２（ｂ）に示すように、トンネル接合部１５０を覆うｎ−ＧａＡｓ層１０９をｐ−ＧａＡｓ層１０６上に形成する（工程３）。このとき、成長条件の最適化により、ＧａＡｓの原料ガスの拡散長をトンネル接合部１５０の円形パターンの直径より長く設定している。ガス拡散長をトンネル接合部１５０の円形パターンの直径よりも長くすることで、表面マイグレーションにより原料ガスの原子がトンネル接合部１５０の頂部に留まらず、トンネル接合部１５０の隙間の下地に積み上げられる。よって、トンネル接合部１５０の凸部の間の下部からｎ−ＧａＡｓ層１０９が埋め込まれ、積層後に平坦な表面を得ることができる。なお、トンネル接合部１５０の円形パターンの直径が４μｍより小さければ、原料ガスがトンネル接合部１５０の頂部に留まらない。

トンネル接合部が従来のような直径の大きい円形パターンの場合、トンネル接合部を覆う膜を積層した後にトンネル接合部の凸部の段差が膜表面に残ってしまう。そのため、この埋込成長による膜の表面を平坦化するには、選択成長などを行って段差を解消した上でさらに埋込成長を行うか、または、厳密に深さを制御するエッチングを行って、段差の解消を図る必要がある。このように、従来構造ではプロセス工数の増大を招くことになるが、本実施形態の素子構造では、上述したように、余分なプロセス工数無しに、平坦化した表面を容易に得ることができる。

本構造では、ｐ⁺−ＧａＡｓ_0.9Ｓｂ_0.1層１０７およびｎ⁺−Ｉｎ_0.15ＧａＡｓ_0.85層１０８がトンネル接合部１５０を形成している。これらの層をトンネル接合部１５０のみに残して他の部位を除去した後、トンネル接合部１５０を半導体で埋め込んでおり、残存するトンネル接合部１５０にのみ電流が流れる構造となる。

次に、上述の構造まで形成したウエハのｎ−ＧａＡｓ層１０９上にスパッタリング法を用いて、ＳｉＯ₂層とアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）層の一対を基本単位とするＤＢＲ（誘電体ミラー層）を複数積層した第２のＤＢＲ層１１０を形成する（工程４）。ＳｉＯ₂層とａ−Ｓｉ層の膜厚を、これら媒質内の各々の光路長が発振波長のほぼ１／４になるように設定している。

次に、図２（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィとエッチングにより、第２のＤＢＲ層１１０に対して、複数のトンネル接合部のパターンの全てを含む直径約２０μｍの円形部分を残して他の部位を除去する（工程５）。続いて、第２のＤＢＲ層１１０を覆ってｎ−ＧａＡｓ層１０９上にレジストを塗布する。そして、フォトリソグラフィ技術により、第２のＤＢＲ層１１０の円形部分と中心を同じにした直径約３５μｍの円形のマスクをレジストで形成する。その後、マスクで覆われていない領域の第１のＤＢＲ層１０２の表面が露出するまで複数の膜に対してエッチングを行い、円柱状構造１１１を形成する（工程６）。このエッチングはメサエッチングに相当する。この後、レジストを除去する。

続いて、次のようにして、上記メサエッチングにより露出した第１のＤＢＲ上に電極を形成する。まず、ウエハ上全面にフォトレジストを塗布した後、フォトリソグラフィ技術により、電極を形成する部位のフォトレジストを除去する。その上からＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着した後、フォトレジストを除去してフォトレジスト上の不要な金属材料をリフトオフすることにより、第１のＤＢＲ上の一部にｎ型電極１１２が形成される（工程７）。次に、ポリイミド１１３によりメサを埋め込んだ後、フォトリソグラフィ技術により、工程７で形成したｎ型電極１１２上の一部のポリイミド１１３を除去する（工程８）。

さらに、次のようにして、もう一方の電極を形成する。まず、ウエハ上全面にフォトレジストを塗布し、マスク露光によりパターニングする。その上からＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着し、フォトレジストを除去して不要な金属材料をリフトオフする。これにより、円柱状構造１１１の上面の第２のＤＢＲ層１１０を除く領域と、ポリイミド１１３の上面にｐ型電極１１４が形成され、素子が完成する（図２（ｄ））。

本実施形態では、工程３において形成されるｎ−ＧａＡｓ層１０９の表面を平坦化しているため、トンネル接合部の集合体がある中央部とその周囲の部分とのミラー間の光路長の差はない。よって、平坦化を行わない場合と比べて、過度な光閉じ込めを抑制することができ、その結果、高次モードの発生を抑制し、放射角を低減することが可能になる。本実施形態の一例では、従来の放射角２５°から１５°へ改善することができた。また、埋め込み平坦化による共振器長の増加はないため、高速特性は１０Ｇｂｐｓ動作が可能であり、そのときの駆動電流は、電流注入の平均効果により５ｍＡとなり、従来の７ｍＡよりも２ｍＡ低減できた。

（第２の実施形態）
本実施形態の面発光レーザの構成を説明する。ここでは、ＧａＡｓ基板上に形成した発振波長１．１５μｍの面発光型レーザの場合とする。また、第１の実施形態と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図３は本実施形態の面発光レーザの一構成例を示す断面模式図である。図３に示すように、本実施形態の面発光レーザでは、複数の第２のＤＢＲ層２１０が設けられている。第２のＤＢＲ層２１０が本発明の反射鏡部に相当する。第２のＤＢＲ層２１０は、ＳｉＯ₂層とａ−Ｓｉ層の一対を基本単位とするＤＢＲ（誘電体ミラー層）が複数積層された構造である。第２のＤＢＲ層２１０は、円柱状構造２１１内の複数のトンネル接合部２５０のそれぞれの位置に対応して配置されている。

また、本実施形態では、複数のトンネル接合部２５０のそれぞれは、円形パターンが直径１〜３μｍの範囲で予め設計された値に形成されている。トンネル接合部２５０は、第１の実施形態と同様に、ｐ⁺−ＧａＡｓ_0.9Ｓｂ_0.1層１０７およびｎ⁺−Ｉｎ_0.15ＧａＡｓ_0.85層１０８が順に積層された構造である。なお、トンネル接合２５０は、その界面が第１のＤＢＲ層１０２と第２のＤＢＲ層２１０の間に立つ定在波の節に配置されており、その効果は第１の実施形態と同様である。

図４は本実施形態のトンネル接合部による効果を説明するための図である。図４（ａ）はトンネル接合部の透視斜視図であり、図４（ｂ）および（ｃ）はレーザ光の出力例を示す図である。

図４（ａ）に示すトンネル接合部３０１の円形パターンの直径３０４の寸法が図４（ｂ）の場合と図４（ｃ）の場合とで異なっている。図４（ａ）は複数のトンネル接合部の円形パターンの直径を２μｍで統一した場合である。この場合、複数のトンネル接合部３０１ａにより合成された光出力３０２ａの強度は、マルチモード光ファイバ３０３の中心でその値が最大となるガウス分布になる。

一方、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す複数のトンネル接合部のうち中心のトンネル接合部３０１ｂの円形パターンの直径を１μｍとし、その周辺のトンネル接合部３０１ｃの円形パターンの直径を３μｍとした場合である。この場合、複数のトンネル接合部３０１ｂ、３０１ｃにより合成された光出力３０２ｂの強度は、マルチモード光ファイバ３０３の中心から所定の半径の円形状に均一な分布となる。

このようにして、複数のトンネル接合部毎にその円形パターンの直径を変えることで、結合ビームの形状を変化させることができる。また、トンネル接合部２５０に対応して第２のＤＢＲ層２１０を配置することで、トンネル接合部毎の制御性が向上する。

次に、本実施形態の面発光レーザの製造方法を説明する。なお、第１の実施形態と同様な工程についてはその詳細な説明を省略する。図５は図３に示した面発光レーザの製造手順を示す断面模式図である。

図２（ａ）で説明したのと同様にして、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に第１のＤＢＲ層１０２、ｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓクラッド層１０３、ノンドープＩｎ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ量子井戸とＧａＡｓ障壁層からなる活性層２０４、ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓクラッド層１０５、ｐ−ＧａＡｓ層１０６、ｐ⁺−ＧａＡｓ_0.9Ｓｂ_0.1層１０７、およびｎ⁺−Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層１０８をＭＯＣＶＤ法にて順次積層する（工程１）。ｐ⁺−ＧａＡｓ_0.9Ｓｂ_0.1層１０７およびｎ⁺−Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層１０８のそれぞれのドーパントの種類は第１の実施形態と同様である。ｐドーピング濃度を１×１０²⁰ｃｍ^-3とし、ｎドーピング濃度を２×１０¹⁹ｃｍ^-3とした。それぞれの膜厚は第１の実施形態と同様である。

次に、フォトリソグラフィ技術により、直径１〜３μｍの円形パターンを複数有するレジストマスクを形成する。複数の円形パターンのそれぞれは、上述したように、各トンネル接合部２５０に対応してその直径が１〜３μｍの範囲内で所定の設計値に形成される。そして、図２（ｂ）で説明したのと同様にして、円柱状のトンネル接合部２５０を複数形成し（工程２）、その上にｎ−ＧａＡｓ層１０９を覆う（工程３）。工程３を行う際、成長条件の最適化により、ＧａＡｓの原料ガスの拡散長を複数のトンネル接合部２５０の直径のうち最大値よりも長く設定している。そのため、トンネル接合部２５０の凸部の間の下部からｎ−ＧａＡｓ層１０９が埋め込まれ、積層後に平坦な表面を得ることができる。

本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、複数のトンネル接合部２５０に流れる電流が平均化され、従来のような直径の大きなトンネル接合部を有する素子で課題となる電流の不均一注入が抑制できる。よって、ダンピング定数を抑え、高周波特性を改善する効果がある。

次に、上述の構造まで形成したウエハのｎ−ＧａＡｓ層１０９上にスパッタリング法を用いて、ＳｉＯ₂層とａ−Ｓｉ層の一対を基本単位とするＤＢＲを複数積層する（工程４）。ＳｉＯ₂層とａ−Ｓｉ層の膜厚を、これら媒質内の各々の光路長が発振波長のほぼ１／４になるように設定している。続いて、図５（ａ）に示すように、フォトリソグラフィとエッチングにより複数のトンネル接合部２５０のそれぞれの位置に対応して直径約５μｍの円形パターンの第２のＤＢＲ層２１０を形成する（工程５）。

その後、第１の実施形態と同様にして、フォトリソグラフィとエッチングにより円柱状構造２１１を形成する（工程６）。さらに、第１の実施形態と同様にして、第１のＤＢＲ上の一部にｎ型電極１１２を形成し（工程７）、円柱状構造２１１の上面の第２のＤＢＲ層２１０を除く領域とポリイミド１１３の上面にｐ型電極１１４を形成し（工程８）、素子が完成する（図５（ｂ））。

本実施形態では、第１の実施形態と同様に、工程３において形成されるｎ−ＧａＡｓ層１０９の表面を平坦化しているため、トンネル接合部の集合体がある中央部とその周囲の部分とのミラー間の光路長の差はない。よって、平坦化を行わない場合と比べて、過度な光閉じ込めを抑制することができ、その結果、高次モードの発生を抑制し、放射角を低減することが可能になる。

また、本実施形態では、図４で説明したように、複数のトンネル接合部毎にその円形パターンの直径を所定の範囲内で変え、これらのトンネル接合部の配置を決めることで、トンネル接合部の個々の出射ビームを合成した結合ビームの形状を変化させることができる。このように、各トンネル接合部の直径の値およびその配置の仕方により出射ビームスペクトルを任意の形状に設計することができ、マルチモード光ファイバとの結合トレランスおよび結合効率を改善することができる。

本実施形態の素子の一実装例において、コア径５０μｍのマルチモード光ファイバとの結合を従来素子構造より１５％改善することができた。また、埋め込み平坦化による共振器長の増加はないため、高速特性は１０Ｇｂｐｓ動作が可能であり、そのときの駆動電流は、電流注入の平均効果により５ｍＡとなり、従来構造の７ｍＡよりも２ｍＡ低減できた。

（第３の実施形態）
本実施形態の面発光レーザの構成を説明する。ここでは、ＧａＡｓ基板上に形成した発振波長１．０７μｍの面発光型レーザの場合とする。また、第１または第２の実施形態と同様な構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図６は本実施形態の面発光レーザの一構成例を示す断面模式図である。図６に示すように、本実施形態の面発光レーザでは、複数の第２のＤＢＲ層２１０の上面と側面にも電極（ｐ型全面電極４１４）が設けられている。第２のＤＢＲ層２１０は、第２の実施形態と同様に、円柱状構造４１１内の複数のトンネル接合部２５０のそれぞれの位置に対応して配置されている。

本実施形態では、複数のトンネル接合部２５０のそれぞれは、第２の実施形態と同様に、円形パターンが直径１〜３μｍの範囲で予め設計された値に形成されている。また、トンネル接合２５０は、その界面が第１のＤＢＲ層１０２と第２のＤＢＲ層２１０の間に立つ定在波の節に配置されており、その効果は第１の実施形態と同様である。

本実施形態の構造では、素子の円柱状構造４１１およびポリイミド１１３の上部の全面がｐ型全面電極４１４で覆われているため、この電極がヒートシンクの役目を果たし、動作中の素子内の温度上昇が抑制される。レーザ光はｎ型ＧａＡｓ基板１０１側から外へ出力される。

次に、本実施形態の面発光レーザの製造方法を説明する。なお、第１の実施形態と同様な工程についてはその詳細な説明を省略する。図７は図６に示した面発光レーザの製造手順を示す断面模式図である。

図２（ａ）で説明したのと同様にして、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に第１のＤＢＲ層１０２、ｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓクラッド層１０３、ノンドープＩｎ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ量子井戸とＧａＡｓ障壁層からなる活性層４０４、ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓクラッド層１０５、ｐ−ＧａＡｓ層１０６、ｐ⁺−ＧａＡｓ_0.9Ｓｂ_0.1層１０７、およびｎ⁺−Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層１０８をＭＯＣＶＤ法にて順次積層する（工程１）。ｐ⁺−ＧａＡｓ_0.9Ｓｂ_0.1層１０７およびｎ⁺−Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層１０８のそれぞれのドーパントとその濃度は第２の実施形態と同様であり、それぞれの膜厚は第１の実施形態と同様である。

次に、フォトリソグラフィ技術により、直径１〜３μｍの円形パターンを複数有するレジストマスクを形成する。複数の円形パターンのそれぞれは、第２の実施形態で説明したように、各トンネル接合部２５０に対応してその直径が１〜３μｍの範囲内で所定の設計値に形成される。そして、図２（ｂ）で説明したのと同様にして、円柱状のトンネル接合部２５０を複数形成し（工程２）、その上にｎ−ＧａＡｓ層１０９を覆う（工程３）。工程３を行う際、成長条件の最適化により、ＧａＡｓの原料ガスの拡散長を複数のトンネル接合部２５０の直径のうち最大値よりも長く設定している。そのため、トンネル接合部２５０の凸部の間の下部からｎ−ＧａＡｓ層１０９が埋め込まれ、積層後に平坦な表面を得ることができる。

本実施形態においても、第１および第２の実施形態と同様に、複数のトンネル接合部２５０に流れる電流が平均化され、従来のような直径の大きなトンネル接合部を有する素子で課題となる電流の不均一注入が抑制できる。よって、ダンピング定数を抑え、高周波特性を改善する効果がある。

次に、上述の構造まで形成したウエハのｎ−ＧａＡｓ層１０９上にスパッタリング法を用いて、ＳｉＯ₂層とａ−Ｓｉ層の一対を基本単位とするＤＢＲを複数積層する（工程４）。ＳｉＯ₂層とａ−Ｓｉ層の膜厚を、これら媒質内の各々の光路長が発振波長のほぼ１／４になるように設定している。続いて、第２の実施形態と同様にして、図７（ａ）に示すように、複数のトンネル接合部２５０のそれぞれの位置に対応して直径約５μｍの円形パターンの第２のＤＢＲ層２１０を形成する（工程５）。その後、第１の実施形態と同様にして、フォトリソグラフィとエッチングにより円柱状構造４１１を形成する（工程６）。

続いて、第１の実施形態と同様にして、第１のＤＢＲ上の一部にｎ型電極１１２を形成する（工程７）。さらに、ウエハ上全面にフォトレジストを塗布し、マスク露光によりパターニングする。その上からＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着し、フォトレジストを除去して不要な金属材料をリフトオフする。これにより、円柱状構造４１１とポリイミド１１３の上に、第２のＤＢＲ層２１０を覆うｐ型全面電極４１４が形成され（工程８）、素子が完成する（図７（ｂ））。

本実施形態では、第１および第２の実施形態と同様に、工程３において形成されるｎ−ＧａＡｓ層１０９の表面を平坦化しているため、トンネル接合部の集合体がある中央部とその周囲の部分とのミラー間の光路長の差はない。よって、平坦化を行わない場合と比べて、過度な光閉じ込めを抑制することができ、その結果、高次モードの発生を抑制し、放射角を低減することが可能になる。

また、第２実施形態と同様に、出射ビーム形状の設計に合わせて各トンネル接合部の直径およびその配置を決めてトンネル接合部を形成することにより、マルチモード光ファイバとの結合トレランスを改善することができる。さらに、本実施形態では、ｐ型全面電極４１４による吸熱効果により、動作中の素子の温度上昇が抑制される。

なお、本実施形態の面発光レーザの構造にレンズを設けてもよい。図８は本実施形態の面発光レーザの他の構成例を示す断面図である。図８に示す構造では、半導体基板側にレーザ光を出射する形状であり、ｎ型ＧａＡｓ基板にレンズ４１５が設けられている。上述の複数のトンネル接合部２５０からの出射光４１７がレンズ４１５で集光され、従来よりも放射角の小さい合成出射光４１８が得られる。

図８に示す素子の作製には、図７（ｂ）に示した構造を形成した後、次のようにして、半導体基板側にレンズを形成する。まず、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングにより、レンズの面積に相当する凸形状をｎ型ＧａＡｓ基板１０１に形成する。その後、全面ウエットエッチングにより、その凸形状の端を落として球面のレンズ４１５を形成する（工程９）。

図８に示した素子の一実装例において、コア径５０μｍのマルチモードとの結合では、レンズを形成しない場合よりも、さらに１０％の効率改善が得られた。また、埋め込み平坦化による共振器長の増加はないため、高速特性は１０Ｇｂｐｓ動作が可能であり、そのときの駆動電流は、電流注入の平均効果により５ｍＡとなり、従来構造の７ｍＡよりも２ｍＡ低減できた。

本発明の面発光レーザでは、複数の微小なトンネル接合部を有し、微小トンネル接合部群を結晶成長により膜で埋め込む際、成長条件の最適化を行うことで、原料ガスの表面マイグレーションによりガス拡散長をトンネル接合部の円形パターンの直径より長くすることができる。よって、凸部形状のトンネル接合部の間の下部から自己選択的に膜が埋め込まれることにより、選択成長マスク等がなくても、薄膜成長で埋め込み層の表面を平坦化することが可能となる。これにより、共振器長を長くすることなく光閉じ込め係数を適切な値に調整することができる。平坦化を行わない場合と比べて、過度な光閉じ込めが抑制されるため、高次モードの発生を抑制し、放射角を低減することが可能になる。

したがって、従来技術の課題であった放射角と変調速度の間のトレードオフの関係の問題を解消し、低放射角、かつ高速変調可能な素子を実現できる。

また、複数のトンネル接合部は注入電流を平均化する効果がある。従来のトンネル接合型面発光レーザでは、動作速度１０Ｇｂｐｓを実現するために、直径〜１５μｍ程度のトンネル接合部１つを有していたが、この接合部面内で注入電流の不均一が生じていた。本発明の面発光レーザにおける複数の微小なトンネル接合部では、電流の不均一注入を抑制し、素子抵抗低減による動作電流低減（１０Ｇｂｐｓ動作時に５ｍＡ、従来は７ｍＡ）が確認された。

さらに、トンネル接合部の個々の直径を変化させることにより、個々の出射ビームを合成した出射スペクトルを任意の形状に設計できるため、マルチモードファイバとの結合性を高めることができる。よって、素子の実装トレランスを拡大させることができる。

なお、本発明は上述した各種形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形が可能である。発光素子の波長や材料についても実施形態に挙げたもの以外を選ぶことが可能である。

また、トンネル接合部の形状は、上記実施形態においては円筒形の場合を説明したが、楕円柱、直方体、中空円筒のような他の形状であってもよい。複数のトンネル接合部が、楕円柱群、直方体群や中空円筒群でも同様の効果が得られる。トンネル接合部の平面パターンの中心を通り、平面パターンの外周を結ぶ線分の最短長よりもガス拡散長が長ければよい。この最短長よりもガス拡散長が長ければ、原料ガスの原子がパターン頂部に達すると、一部が吸着しても、その多くは表面マイグレーションによりパターン頂部に留まらず、パターン間の下部から積みあがる。上記実施形態の円筒形の平面パターンの円の直径を、楕円の短軸長、直方体の短辺、中空円の円を形成する帯状パターンの幅にそれぞれ置き換えればよい。原料ガスの拡散長が上記最短長より長ければ、埋込成長時にトンネル接合部間の底部から膜が自己選択的に埋め込まれることになる。円形以外の平面パターンでも、トンネル接合部を覆う膜の埋込成長によって薄膜で平坦化することが可能である。

また、上述の実施形態では単体素子について説明したが、ＧａＡｓ基板上に作製した面発光レーザを１個毎または所望のアレイ状（例えば、１個×１０個、１００個×１００個など）に切り出して使用してもよい。本実施形態の構造であれば、製造過程で酸化等の面内不均一が生じやすい工程を回避しているため、アレイ状の形態において素子間の特性バラツキが従来よりも小さくなるという効果が得られる。

第１の実施形態の面発光レーザの一構成例を示す断面模式図である。 第１の実施形態の面発光レーザの製造手順を示す断面模式図である。 第２の実施形態の面発光レーザの一構成例を示す断面模式図である。 第２の実施形態のトンネル接合部による効果を説明するための図である。 第２の実施形態の面発光レーザの製造手順を示す断面模式図である。 第３の実施形態の面発光レーザの一構成例を示す断面模式図である。 第３の実施形態の面発光レーザの製造手順を示す断面模式図である。 第３の実施形態の面発光レーザの他の構成例を示す断面模式図である。 従来の酸化狭窄型面発光レーザの構成を示す断面図である。 従来のトンネル接合型面発光レーザの断面図である。 図１０に示した面発光レーザの製造手順を示す断面模式図である。 従来技術の課題を説明するための図である。

符号の説明

１０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２ 第１のＤＢＲ層
１０３ ｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓクラッド層
１０４、２０４、４０４ 活性層
１０５ ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓクラッド層
１０６ ｐ−ＧａＡｓ層
１０７ ｐ⁺−ＧａＡｓ_0.9Ｓｂ_0.1層
１０８ ｎ⁺−Ｉｎ_0.15ＧａＡｓ_0.85層
１０９ ｎ−ＧａＡｓ層
１１０、２１０ 第２のＤＢＲ層
１１１、２１１、４１１ 円柱状構造
１１２ ｎ型電極
１１３ ポリイミド
１１４ ｐ型電極
３０１ トンネル接合部
３０２ 合成された光出力
３０３ マルチモード光ファイバ
３０４ 直径
４１４ ｐ型全面電極
４１５ レンズ
４１７ 出射光
４１８ 合成出射光
１００１ 下部電極
１００２ 基板
１００３ 下部反射鏡構造
１００４ 下部クラッド層
１００５ 発光層
１００６ 上部クラッド層
１００７ ＡｌＡｓ層
１００８ 上部反射鏡構造
１００９ 上部電極
１０１０ 酸化されていない領域
１１０１ 半導体基板
１１０２ 第1多層反射膜
１１０３ 第１のｎ型スペーサ層
１１０４ 活性層
１１０５ ｐ型スペーサ層
１１０６ 高濃度ｐ型層
１１０７ 高濃度ｎ型層
１１０８ 第２のｎ型スペーサ層
１１０９ 第２多層反射膜
１１１０ プラス電極
１１１１ マイナス電極
１１１２ 界面

Claims (7)

1. 共振器を構成する２つの反射鏡の間に設けられた活性層と、トンネル接合により前記活性層に電流注入を行う電流注入部と、該電流注入部を覆う埋め込み層とを有する面発光レーザであって、
   前記電流注入部が複数のトンネル接合部で構成され、
   前記トンネル接合部の各平面パターンは、該各平面パターンの中心を通り、該各平面パターンの外周を結ぶ線分の最短長が１〜４μｍである、面発光レーザ。
   
2. 前記２つの反射鏡のうち一方の反射鏡が複数の反射鏡部で構成され、
   前記複数の反射鏡部のそれぞれが前記複数のトンネル接合部の各位置に対応して配置された請求項１記載の面発光レーザ。
3. 発振波長をλとすると、
   前記２つの反射鏡のうち一方の反射鏡は、膜厚が（１／４）λの第１の層と該第１の層よりも屈折率が小さく膜厚が（１／４）λの第２の層との対を１ペアとした複数のペアを有し、かつ、前記第１および第２の層が誘電体材料で構成されている請求項１または２記載の面発光レーザ。
4. 前記トンネル接合部の平面パターンの中心を通り、該平面パターンの外周を結ぶ線分の最短長が、前記複数のトンネル接合部の全てについて同等である請求項１から３のいずれか１項記載の面発光レーザ。
5. 前記トンネル接合部の平面パターンの中心を通り、該平面パターンの外周を結ぶ線分の最短長が前記複数のトンネル接合部について同一ではなく、前記最短長の異なる平面パターンのトンネル接合部が含まれている請求項１から３のいずれか１項記載の面発光レーザ。
6. 前記平面パターンが円形である請求項４または５記載の面発光レーザ。
7. 前記共振器が基板上に設けられ、
   前記基板の前記共振器とは反対側の面にレンズが設けられた請求項１から６のいずれか１項記載の面発光レーザ。

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