JP5034368B2 - 高周波特性が改善された表面発光型半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明は、光情報処理あるいは高速光通信の光源として利用される表面発光型半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。

近年、光通信や光記録等の技術分野において、表面発光型半導体レーザ（垂直共振器型面発光レーザ；Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode、以下VCSELという）への関心が高まっている。

VCSELは、しきい値電流が低く消費電力が小さい、円形の光スポットが容易に得られる、ウエハ状態で素子を評価できる、光源の二次元アレイ化が可能、といった特長を有する。これらは従来レーザ光源として用いられてきた端面発光型半導体レーザにはない優れた特徴である。反面、低しきい値電流の理由でもある「活性領域の体積が小さい」という事情から、素子単体で10 ｍＷを超えるような高い光出力を得るのが難しく、また、素子抵抗が典型的には数十から数百オームと、端面発光型半導体レーザ（数オーム）に比べ非常に高いといった欠点もある。

光ファイバを用いた光通信は、これまで主に中長距離（数キロから数十キロメーター）のデータ伝送に用いられてきた。ここでは石英を材料とするシングルモード型光ファイバと、1.31ミクロン、あるいは1.55ミクロンといった長波長帯に発振ピークを有するレーザが用いられてきた。これらはファイバ中の分散が少ない、あるいは伝送損失が極めて小さい、といった利点を有する光源だが、素子の温度制御が必要だったり、光ファイバとレーザの光軸合わせに手間がかかるなど、課題も多い。また通信事業者が主たる利用者となるため一般消費者向け商品に比べ生産量が少ないこともあり、これらを利用したシステム自体、高価なものとなっている。

昨今、非対称デジタル加入者線（ADSL）やケーブルテレビ（CATV）の普及により、従来に比べ十から百倍にも達する高速、大容量のデータ伝送が実現され、インターネットの利用者数はますます増大している。それに伴い一般家庭でもさらなる高速、大容量のデータ伝送に対する要求が高まり、既に多くの家庭に光ファイバが引き込まれる状況となっている。

しかし、主に中長距離の通信に用いられるシングルモード型光ファイバと分布帰還型（DFB）レーザの組み合わせを、高々数から数十メーターの一般家庭−電柱間のデータ伝送に用いるのは不経済である。こうした短距離（数百メーター以下）の通信にはマルチモード型シリカファイバ、あるいはプラスティック・オプティカル・ファイバ（POF）といった、コストの安い光ファイバを用いる方が経済性が高い。したがって、これらマルチモード型光ファイバに用いられる光源は、必然的に素子それ自体が安価であることに加え、特別な光学系や駆動系を必要としないことが望ましく、これらの要件を充たすVCSELは、有力な選択肢のひとつとなっている。

ところで、屋内のネットワークであるローカルエリアネットワーク（LAN）では、そのデータ伝送速度が十メガビット毎秒に始まり百メガビット毎秒へと進展した。最近では一ギガビット毎秒のものも登場し始め、近い将来十ギガビット毎秒へ発展するものと予想されている。一ギガビット毎秒まではツイストペア線（銅製）を使った電気配線で対応できたが、それ以上の領域ではノイズ耐性の点で限界と考えられており、光配線にとって代わられるものと推測される。

十ギガビット毎秒のイーサネット(登録商標)に用いられる光配線の光源に、VCSELを採用する動きが活発化しており、開発も進められている。数ギガヘルツ程度の変調は現状でもなんら問題ないが、さらに変調帯域を広げようとした場合、なんらかの施策が必要である。

半導体レーザ素子の変調帯域を表す指標である3 dBダウン遮断周波数（f_3dB）は、誘導性リアクタンスが無視できるほど小さい場合、式（１）で表される。

ここでCは素子容量、Rは素子抵抗を表す。この式によれば、変調帯域は素子の持つCR時定数に依存し、その低減が帯域を広げることに繋がることがわかる。

素子抵抗を低減するには、単純には発光領域の径を広げればよいが、発光領域の径の拡大は活性領域の体積増加に繋がり、結果的に応答性の低下を招く。したがって最も簡便な応答性改善施策は素子容量の低減と言うことができる。

VCSELの素子容量を低減する目的でこれまでにも様々な構造が提案されている。代表的なものにポリイミドによる埋め込み構造、あるいはコプレーナ電極構造がある。

平行平板導体間に生ずる静電容量Cは、式（２）で与えられる。

ここで、ε₀は真空の誘電率（8.854×10^-12 F/m）、ε_sは材料固有の比誘電率、Sは導体の面積、dは導体間の距離を表す。

特許文献１に開示されるポリイミド埋め込み構造の場合、発光領域の周辺に位置するメサ底部を厚いポリイミドで埋め込んで、これを挟んで上下に形成された電極間の静電容量を低減している。通常、シリコン系絶縁膜の厚膜形成は難しいので、厚膜形成の容易な絶縁性ポリイミドを使って式（２）における導体間の距離dを大きくする手法であると考えられる。

ただし材料固有の比誘電率ε_sは、一般的にポリイミドよりシリコン系絶縁膜の方が小さく、ポリイミドはその2倍程度であるから、シリコン系絶縁膜よりも数倍厚くしないと容量低減にならないことは明記されるべきである。

特許文献２は、コプレーナ電極構造のレーザ素子を開示している。通常のVCSELは、基板裏面側にp側またはn側のいずれか一方の全面電極が形成されるのに対し、コプレーナ電極構造では基板主面にp側およびn側の両方の電極が形成され、しかも信号源（Signal）端子を挟んで両側に接地（Ground）端子が配置された3端子の構造となっている。

この構造は、高周波帯における伝送損失を低減し、素子とのインピーダンスの整合性（matching）を確保するため考案されたものだが、並行平板コンデンサができにくいことで実質的に静電容量の低減に繋がる構造である。

特開２００２−３６８３３４号 特開２００４−４７５３２号

特許文献１や特許文献２に示される手法によって静電容量の低減が図られ、応答性の改善に幾分の寄与が期待されるのは事実である。しかし、静電容量の低減のみでは応答性の改善にも限界がある。筆者らによる詳細な検討の結果、とりわけ特許文献２に示されるコプレーナ電極構造については改善の余地があることがわかった。

図１６は、コプレーナ電極構造を有する従来のVCSELの構成を示す平面図である。VCSELは、基板上にレーザ光を出射する円筒状のメサ（またはポスト）構造の発光部１を含み、メサ頂部に環状のｐ側電極２が設けられている。ｐ側電極２は、環状のコンタクト領域３（図中、ハッチングで表示）を介してメサ頂部のｐ側コンタクト層に接続されている。コプレーナ電極構造とするために、接地側のｎ側電極４ａ、４ｂは、発光部１の大部分の周囲を取り囲むように延在されたコンタクトホールを介して活性層より下方のｎ型半導体層５（図中、ハッチングで表示）に電気的に接続されている。ｎ側電極４ａ、４ｂとｎ型半導体層５との接触面積を増やそうとするあまり、とりわけ図面上、両者のコンタクト部またはコンタクトホールは、発光部１の中心を通るθ＝π（ラジアン）のラインLを越えてそれよりも大きな角度で延在している。しかしながら、このようなコンタクト部の構成になると、ｐ側電極２から拡散されたキャリア（矢印は電流の流れる方向を示している）は、ラインLの下方の領域６において行き場に困り、いわゆる電流の滞留（current crowding）状態を生じ、発光に寄与しない再結合が増え、期待される値よりしきい値電流が高くなることが判明した。

また、同じくコプレーナ電極構造とするため２本の接地側電極４ａ、４ｂが形成されるものの、この引き回しが適切でないため、磁力線の干渉を生じ、伝送損失をきたしていることが予想された。

このように高周波特性の改善を目的とする従来のVCSELの電極構造に関しては、依然として改良の余地が残されている。

本発明の目的は、上記従来の課題を解決し、高周波特性に優れたVCSELのコプレーナ電極構造を提供することにある。さらに、本発明の目的は、結晶成長や加工手段に手間のかかる工程を経ることなく、簡易な構造によりVCSELの高周波特性および伝送損失を改善することにある。

本発明に係る表面発光型半導体レーザ素子は、基板と、基板上に形成された第１導電型の第１の半導体層と、第１の半導体層上に形成された活性層と、活性層上に形成された第２導電型の第２の半導体層と、基板主面上に形成され、第１の半導体層と電気的に接続される第１の電極配線と、基板主面上に形成され、第２の半導体層と電気的に接続される第２の電極配線と、基板上に形成され、レーザ光を発光する発光部とを含み、第１の電極配線が第１の半導体層に電気的に接続される接触部は、発光部を中心とするπ／２ラジアン（９０度）以上、πラジアン（１８０度）未満の範囲内に形成される。

好ましくは接触部は、発光部の中心から第１の距離だけ離間された近端半径ｒ１と、発光部の中心から第２の距離だけ離間された遠端半径ｒ２との略弧線に囲まれた領域である。さらに好ましくは、接触部は、交差する角度がπ／２ラジアンの略Ｌ字型を有する。この場合、第１の電極配線は、接触部の略Ｌ字型に対応した略Ｌ字型の形状を有することが望ましい。

また、第１の電極配線は、第１の電極パッドに接続され、第２の電極配線は、第２の電極パッドに接続され、第１の電極パッドと第２の電極パッドの中心間距離が１００ミクロン以下であって、第１および第２の電極パッドが互いに基板主面上で重ならないようにすることが望ましい。第１の電極配線は少なくとも４層以上の金属多層膜から構成するようにしてもよい。

本発明によれば、第１の電極配線の接触部は、発光部を中心とするπ／２ラジアン以上、πラジアン未満の範囲内に形成するようにしたので、発振に寄与しない無駄な電流の発生を抑制することができ、表面発光型半導体レーザ素子の低しきい値化、あるいは光出力の向上を図ることができる。

接触部が近端半径ｒ１遠端半径ｒ２との略弧線に囲まれた領域であるとき、発光部と接触部は、弧線のなす角度がπ／２ラジアンの位置で最近接し、キャリアの拡散する距離が最も短くなる。これにより、スムースなキャリアの流れを促し、発振に寄与しない無効な電流の発生を抑える効果がある。

接触部が略Ｌ字型であるとき、第１の電極配線の配線方向に沿って発生する磁界が配線に水平な平面（チップ表面に相当）内で直交しているため、相互干渉が生じず、時間的変化のない安定した電磁界分布を保ち、信号入力に対して反射損失が少ない状態を保持できる。このため品質の高い信号伝送が可能となる。

さらに第１の電極配線、並びに第２の電極配線が接続される第１および第２の電極パッドの中心間距離を典型的には１００ミクロン以下にすることで、表面発光型半導体レーザ素子をマウント部材に搭載し配線する時の金属ワイヤの長さを短くすることができる。これにより、高周波特性への影響を最小限に抑えることができる。また必然的にチップサイズを小さくすることが可能になるから、ウエハ当たりの収量が増える利点もある。

第１の電極配線が開口の底部またはコンタクトホールを介して第１の半導体層と接する金属膜は、通常２層、多くても３層までの多層膜が使われるのが一般的である。これを、少なくとも４層以上の金属からなる多層膜とすることで、第１の電極配線の導電性、さらには熱伝導性を高め、局所的なジュール熱の発生を抑制できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態に係る表面発光型半導体レーザ素子は、好ましくは半導体基板上に柱状構造体（ポスト構造、あるいはメサ形状とも呼ばれる）を形成し、ポスト頂部、若しくは底部よりレーザ光を出射するものである。

図１は、本発明の実施例に係るVCSELの構成を示す平面図、およびそのＡ−Ａ線断面図である。図１に示すように、VCSEL１０は、半絶縁性の半導体基板１２上に、ｎ型のバッファ層１４、ｎ型の下部多層反射膜１６、スペーサ層１８にサンドイッチされた活性層２０、ｐ型の上部多層反射膜２２を順次積層している。

下部多層反射膜１６および上部多層反射膜２２は、分布ブラッグ型反射鏡(Distributed Bragg Reflector)を構成する。基板１２上には、上部多層反射膜２２から下部多層反射膜１６に至るまでエッチングによって掘り下げられた円筒（円柱）状のポストＰが形成されている。

ポストＰの側壁および周縁部は層間絶縁膜２４によって覆われ、保護されている。また、ポストＰの頂部には、層間絶縁膜２４を貫通する円形状のコンタクトホール２４ａが形成され、そのコンタクトホール２４ａ内に位置決めされたｐ側コンタクト電極２６が形成されている。ｐ側コンタクト電極２６は、上部多層反射膜２２に電気的に接続され、そこから活性層２０に対してレーザ発振に必要な電流を注入する役目を果たす。ポストＰ内の上部多層反射膜２２の一部に電流狭窄層３０が形成され、電流狭窄層３０には、ポストＰの側面から酸化された酸化領域３０ａが形成されていろ。酸化領域３０ａは、円形状の導電領域を取り囲み、電流および光を閉じ込める役目を果たす。また、ｐ側コンタクト電極２６の中央には円形状の開口部２８が形成されている。開口部２８は、酸化領域３０ａと共にポストＰに含まれる活性層２０から出射されるレーザ光の出射領域を規定する。

ポストＰの底部を構成する下部半導体多層反射膜１６には、エッチングによりバッファ層１４に至る開口３２（ビアホール）が形成され、この開口３２は、ポストＰを取り囲むように一定の範囲内に形成されている。開口３２を含む下部半導体多層反射膜１６は、層間絶縁膜２４によって覆われているが、開口３２の底部において層間絶縁膜２４にコンタクトホール２４ｂが形成されている。ｎ側電極３４は、開口３２の形状に対応するようにポストＰを取り巻くように引き回され、ｎ側コンタクト電極３４は、コンタクトホール２４ｂを介してバッファ層１４に電気的に接続される。こうして、基板主面上にｐ側コンタクト電極２６とｎ側コンタクト電極３４が形成されたコプレーナ電極構造が得られる。

次に、コプレーナ電極構造の好ましい構成を図２の模式的な平面図を参照して説明する。上記したようにポストＰの近傍（図面上方）には、最深部がｎ型バッファ層１４に達する開口３２が形成されており、開口３２はｎ側コンタクト電極３４のコンタクト部４０（破線で囲まれた領域）を形成している。また、ｎ側コンタクト電極３４のそれぞれの終端は、矩形状の電極パッド４２ａ、４２ｂに接続され、ｐ側コンタクト電極２６は、円形状の電極パッド４４に接続されている。

本実施例のコプレーナ電極構造において特徴的なことは、ポストＰの頂部の開口部２８の中心Ｃ、言い換えればポストＰの発光部の光軸を中心としたとき、コンタクト部４０（または開口３２）は、中心Ｃの内角θが、π／２≦θ＜π（ラジアン）の範囲内に形成されている。

コンタクト部４０の形状は、弧線状、円弧状もしくはＬ字型形状とすることができるが、好ましくは、コンタクト部４０は、Ｌ字型形状であって、そのコーナーは、π／２ラジアンである。ｎ側電極３４は、コンタクト部４０の形状に合わせて、コンタクト部４０を覆うようにＬ字形状にパターンニングされている。

すなわち図２(Ａ)に示すように、コンタクト部４０は、ポストＰの発光中心Ｃから、一定の距離を離間された近端半径ｒ1、それよりも大きな距離を離間された遠端半径ｒ2の実質的な弧線に挟まれた領域に形成され、両弧線のなす角度θが、π／２ラジアン以上、かつπラジアン未満に設定されている。そして、コンタクト部４０を確定する弧線のなす角度θに応じてポストＰとの最近接箇所が変化し、角度θが、π／２ラジアン以上の場合はθ＝π／２の位置で発光部がコンタクト部に最近接する。なお角度θが、π／２以下の場合は、最大角度の位置で最近接し、逆にこれよりも大きい場合はθ＝π／２の位置で発光部がコンタクト部４０に最近接する。

図２(Ｂ)にｐ側コンタクト電極から注入される電流の流れを模式的に示す。ｐ側コンタクト電極２６から注入された電流はＦ１方向に流れ、その注入されたキャリアが酸化領域３０ａからなる電流狭窄層３０を介してＦ２方向に拡散し、ｎ側コンタクト電極３４に達する。その際、流れ込んだキャリアは、コンタクト部４０に向かって一気に拡散する。キャリアにとっては、最短距離でコンタクト部４０に到達するのが最も効率が良い。つまり、θをπ／２ラジアン以上、かつπラジアンより小さい角度範囲とした理由は、電極を通じて注入されたキャリアが拡散する距離を極力短かくするためであり、これにより、スムースなキャリアの流れを促し、発振に寄与しない無効な電流の発生を抑制する。

一方、ｐ側コンタクト電極２６より注入されたキャリアは、素子内を通過し、開口３２において電気的に接触しているｎ側コンタクト電極３４に抜け、ｐ側およびｎ側の両電極パッド４２ａ、４２ｂ、４４間を行き交うことになる。図３に、電流の流れＦと磁界の向きＨを示している。同図に示すように、キャリア（電流）の流れＦは、アンペールの法則（右ネジの法則）に基づいて磁場（磁界）Ｈを形成することがわかる。

ここでｎ側コンタクト電極３４は、その形状がブーメランのような略Ｌ字形状となっており、その２辺のなす角度はπ／２ラジアンである。直交する角度にすることでｎ側コンタクト電極３４の２本の配線方向に沿って発生した２つの磁界Ｈは、素子表面で直交し、このため相互干渉を生じず、時間的変化のない安定した電磁界分布を保つことができる。これによって入力信号の反射損失が減り、変調帯域の向上が期待できる。

図４は、図１に示すVCSELを実装した半導体レーザ装置の概略構成を示す分解斜視図である。半導体レーザ装置５０は、金属製基台（ステム）５２と、基台５２に取り付けられるキャップ５４とを含んでいる。基台５２の裏面側には、複数のリード端子５６が取り付けられ、また、基台５２の表面側には、矩形状のサブマウント５８が搭載される。サブマウント５８は、例えば絶縁性セラミック部材の表面にマイクロストリップ線路となる金属層がメタライズされている。サブマウント５８上に、図１に示すVCSEL１０とモニター用受光素子６０が取り付けられる。キャップ５４の中央には、VCSEL１０から出射されたレーザ光を透過するための窓６２が形成されている。

図５は、コプレーナ電極とサブマウントとの位置関係を示す平面図である。同図において、ｐ側コンタクト電極２６に接続された電極パッド４４とｎ側コンタクト電極３４に接続された電極パッド４２ａおよび４２ｂの中心間距離Ｌ₀は１００ミクロンである。電極パッド４２ａ、４２ｂの幅は、いずれも６０ミクロンである。これらの数値は、基板材料（ここではヒ化ガリウム）の誘電率、配線金属の厚み等に依存するコプレーナ電極線路の特性インピーダンスに基づいて決定される。

サブマウント５８には、グランド用のマイクロストリップ線路７０ａ、７０ｂと、その間に信号入力用のマイクロストリップ線路７２が形成されている。VCSELチップ１０側の電極パッド４２ａ、４２ｂは、ボンディングワイヤ７４ａ、７４ｂによりマイクロストリップ線路７０ａ、７０ｂに接続され、電極パッド４４は、ボンディングワイヤ７６によりマイクロストリップ線路７２に接続される。マイクロストリップ線路７０ａ、７０ｂ、７２は、さらに図示しないボンディングワイヤにより基台側のリード５６に電気的に接続される。

マイクロストリップ線路７０ａ、７０ｂ、７２の特性インピーダンスは、約５ＧＨｚ以上の周波数帯域で動作されるVCSELの負荷インピーダンスにほぼ整合されている。図６は、コプレーナ線路の特性インピーダンスとκとの関係を示すグラフである（本城和彦著、「超高周波エレクトロニクス」、日刊工業新聞社、１９９９年）。ここで、κ＝Ｗ／（Ｗ+２Ｇ）で表され、Ｗは信号入力用線路の幅、Ｇはその両側のグランド用線路との間隔である。

例えば、特性インピーダンスを約５０Ωに整合するとき、図６のグラフから、κは約０．５以上（ＧａＡｓの曲線）である。このため、サブマウント５８のマイクロストリップ線路７０ａ、７０ｂとマイクロストリップ線路７２との間隔Ｄを１０ミクロン、マイクロストリップ線路７２の幅Ｗ１を４０ミクロンとした。

電極パッド４２ａ、４２ｂと電極パッド４４の中心間距離Ｌ₀を１００ミクロンとし、かつマイクロストリップ線路の間隔Ｄおよび幅Ｗ１を上記の値とすることで、VCSEL１０と金属性基台５２との間に介在するサブマウント５８との配線において、ボンディングワイヤ７４ａ、７４ｂ、７６の長さを短くできるという効用もあり、素子の高周波特性の改善に有効である。

なお、電極パッドの中心間距離Ｌ₀は、上記１００ミクロンに限らず、中心間距離Ｌ₀をさらに狭めることも可能である。但し、両電極パッドが素子表面上で重なってしまっては独立した電極として機能できない。したがって、中心間距離Ｌ₀を１００ミクロン以下とした場合は、その値に応じて電極パッドの幅を適切に選ぶ必要がある。

さらに本実施例のコプレーナ電極構図では、開口３２の底部に露出させたバッファ層１４に対して、ｎ側コンタクト電極３４を電気的に接触させているが、この金属膜は、下層からチタン、金、金・ゲルマニウム合金、金の順に４層からなっている。バッファ層１４は、ヒ化ガリウムよりなるが、エッチングによって露出された層であるから夾雑物が付着しやすく、ポスト頂部ほどにはオーミック性が得られにくい。そこで、一旦チタン、金による下層電極を開口３２内に設け、さらにその上にゲルマニウム合金、金による上層電極を設けてオーミック性を改善している。

加えてこの上層電極は、略Ｌ字形の長いものなので、この電極を伝って熱放散が行われることから素子の熱伝導性を高め、局所的なジュール熱の発生を抑制する効果を期待できる。

次に、本実施例に係るVCSELについて、さらに詳しく説明する。なお、以下の説明では材料名の表記を化学記号（元素記号、若しくは化学式）に改める。

実施例に係るVCSELは、図７(Ａ)に示すように、有機金属気相成長（MOCVD）法により、半絶縁性のＧａＡｓ基板１２上に、ｎ型のＧａＡｓ層よりなるバッファ層１４、ｎ型のＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ層とｎ型のＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ層との複数層積層体よりなる下部多層反射膜１６と、ｎ型のＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層よりなるスペーサ層１８と、アンドープのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層よりなる障壁層とアンドープのＧａＡｓ層よりなる量子井戸層との積層体よりなる活性層２０と、ｐ型のＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ層とｐ型のＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ層との複数層積層体よりなる上部多層反射膜２２とを、順次積層してある。

バッファ層１４は、厚さ２ミクロンのＧａＡｓからなる単一層であり、ｎ型不純物としてシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は、1×10¹⁹cm^-3である。

下部多層反射膜１６を構成する各層の厚さは、λ／4n_ｒ（但し、λは発振波長、n_ｒは媒質中の光学屈折率）に相当し、アルミニウム組成比の異なる２層を交互に34.5周期積層してある。ｎ型不純物としてシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は、5×10¹⁸cm^-3である。

活性層２０は、アンドープのＧａＡｓ層よりなる厚さ８ｎｍの量子井戸活性層とアンドープのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層よりなる厚さ５ｎｍの障壁層とを交互に積層した（但し、外層は障壁層）ものが、アンドープのＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層よりなるスペーサ層１８の中央部に配置され、量子井戸活性層２０と障壁層とを含むスペーサ層１８の膜厚が、λ／n_ｒの整数倍となるよう設計されている。このような構成の活性層２０から波長８５０ｎｍの放射光を得る。

上部多層反射膜２２を構成する各層の厚さは、下部多層反射膜１６と同様に、λ／4n_ｒであり、アルミニウム組成比の異なる２層を交互に２２周期積層してある。p型不純物として炭素をドーピングした後のキャリア濃度は、5×10¹⁸cm^-3である。

上部多層反射膜２２の最下層は、特に図示しないがＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓに代えて、他の層に比べアルミニウム組成比の高い厚さ３０ｎｍのＡｌＡｓとしてある。これは後に、この層の一部に酸化領域を形成して電流狭窄部とし、同時に光閉じ込めを行って発光領域を確定するためである。

上部多層反射膜２２の周期数（層数）を下部多層反射膜１６のそれよりも少なくしてある理由は、上下の反射率に差を設け、レーザ光を基板上面から取り出すためである。また、詳しくは述べないが、素子の直列抵抗を下げるためＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓの層とＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓの層との間には、その中間のアルミニウム組成比を有する中間層が設けられている。

また、上部多層反射膜２２の最上層は、特に図示しないがＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓに代えて厚さ２０ｎｍのｐ型ＧａＡｓ層としてあり、後述するｐ側コンタクト電極２６とのオーミック接触を得ている。ｐ型不純物として亜鉛をドーピングした後のキャリア濃度は、1×10¹⁹cm^-3である。

次に、図７(Ｂ)に示すように、反応性エッチング（RIE）法により、エピタキシャル基板上に直径５０μmの円柱状構造物を形成する。

ここで、ポストＰを形成した基板を高温の水蒸気雰囲気下で熱処理し、酸化領域３０ａを形成する。上部多層反射膜２２の最下層に挿入されたＡｌＡｓ層３０は、他の層に比べ著しく酸化速度が速いので、ポスト外周部より酸化が進行してアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）に化学組成が変化する。Ａｌ₂Ｏ₃は絶縁性が高く、周囲領域に比べ屈折率も低いから、これにより電流狭窄兼光閉じ込め層が形成される。

次に、さらにRIE法により、図７(Ｃ)に示すように、ポストＰ近傍に開口３２を形成する。開口３２は、ポストＰの発光中心から近端半径ｒ1、遠端半径ｒ2の弧線に挟まれた領域に形成されている。

次に、図８に示すように、露出したポスト側面、並びにビアホール側面を含む基板上面に、膜厚０．５μmの窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）を堆積した後、ポスト頂部、並びに開口３２の底部に各々コンタクトホール２４ａ、２４ｂを形成する。残されたＳｉＮ_ｘは層間膜（絶縁膜）２４として機能する。

続いて、上部多層反射膜２２の最上層に形成されたｐ型ＧａＡｓ層、並びにｎ型バッファ層１４と電気的な接触を得るようポスト頂部、並びに開口３２の底部の各々に、チタン、金の２層構造（Ｔｉ／Ａｕ）からなる下層金属膜を形成する。ポストＰの頂部の下層金属膜については、中央部に光出射のための直径２０μmの開口部２８を形成する。ここには図示しないが、実装のための引き出し配線と電極パッドとが形成され、下層金属膜は、ｐ側コンタクト電極２６として機能する。

一方、開口３２には、Ｔｉ／Ａｕからなる下層金属膜に加え、金ゲルマニウムと金の２層構造（Ａｕ−Ｇｅ／Ａｕ）からなる上層金属膜を追加し、これをＬ字形状にパターニングしてある。ここには図示しないが実装のための引き出し線と電極パッドが同時にパターニングされ、ｎ側コンタクト電極３４として機能する。

以上説明したように本実施例によれば、高周波特性を改善した表面発光型半導体レーザ素子が実現可能となる。しかも無効な電流が減るから、素子の応答特性に加え、信頼性の向上にも寄与する。さらに、長尺の電気配線によって放熱性が向上するので、発光効率が高く応答特性の良好なVCSEL素子を、高い再現性で安定的に得ることができる。

上記した実施例において、ポストＰを円柱状としたが、例えば角柱状としてもよく、発明の動作原理を逸脱しない範囲で適宜選択可能である。また、実施例において、いずれも活性層を挟んで基板から遠い側をｐ型とし、近い側をｎ型としたが、これに限定されることなく、導電型を逆にすることも可能である。

本実施例に係るVCSELは、ヒ化ガリウム系の化合物半導体レーザを示したが、これ以外にも窒化ガリウム系やガリウムインジウムヒ素系材料を用いた半導体レーザであってもよいし、これに応じて発振する波長も適宜変更が可能である。

さらに、本実施例において、酸化工程を経て電流狭窄兼光閉じ込め部となる酸化領域３０にガリウムを含まないＡｌＡｓ層を用いたが、この材料に限定されることなく、Ａｌ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓ層でも良いし、あるいは半導体基板に格子整合し、かつ周囲の半導体層よりも酸化速度が十分速い材料を用いても良い。また、酸化領域３０ａの挿入位置についても、本実施例ではスペーサ層１８の上方としたが、スペーサ層１８の下方、あるいは両方に挿入しても構わない。

図９は、図４に示す半導体レーザ装置に光学部品を搭載したモジュールの例を示す概略断面図である。図５と同一構成については同一参照番号を付す。モジュール３００では、キャップ５４の出射窓６２内にボールレンズ３１０が固定されている。ボールレンズ３１０の光軸は、ポスト頂部の開口部２８の中心とほぼ一致するように位置決めされる。また、VCSEL１０とボールレンズ３１０との距離は、VCSEL１０からのレーザ光の放射角度θ１内にボールレンズ３１０が含まれるように調整される。

図１０は、さらに他のモジュールの構成を示す図であり、好ましくは、後述する空間伝送システムに使用される。同図に示すパッケージ３０２は、ボールレンズ３１０を用いる代わりに、キャップ５４の中央の出射窓６２内に平板ガラス３２０を固定している。平板ガラス３２０の中心は、VCSELチップ１０の光軸と一致するように位置決めされる。VCSEL１０と平板ガラス３２０との距離は、平板ガラス３２０の開口径がVCSEL１０からのレーザ光の放射角度θ１以上になるように調整されている。

図１１は、図１０に示すモジュールまたはパッケージを光送信装置に適用したときの構成を示す断面図である。光送信装置４００は、ステム５２に固定された円筒状の筐体４１０と、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０と、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０と、フェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０とを含んで構成される。

ステム５２の円周方向に形成されたフランジ３１２には、筐体４１０の端部が固定される。フェルール４３０は、スリーブ４２０の開口４２２に正確に位置決めされ、光ファイバ４４０の光軸がボールレンズ３１０の光軸に整合される。フェルール４３０の貫通孔４３２内に光ファイバ４４０の芯線が保持されている。

VCSEL１０の表面から出射されたレーザ光は、ボールレンズ３１０によって集光され、集光された光は、光ファイバ４４０の芯線に入射され、送信される。上記例ではボールレンズ３１０を用いているが、これ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。さらに、光送信装置４００は、リード５６に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよい。さらに、光送信装置４００は、光ファイバ４４０を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。

図１２は、図１０に示すパッケージを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。空間伝送システム５００は、モジュール３００と、集光レンズ５１０と、拡散板５２０と、反射ミラー５３０とを含んでいる。空間伝送システム５００では、モジュール３００に用いられたボールレンズ３１０を用いる代わりに、集光レンズ５１０を用いている。集光レンズ５１０によって集光された光は、反射ミラー５３０の開口５３２を介して拡散板５２０で反射され、その反射光が反射ミラー５３０へ向けて反射される。反射ミラー５３０は、その反射光を所定の方向へ向けて反射させ、光伝送を行う。空間伝送の光源の場合には、マルチスポット型のVCSELを用い、高出力を得るようにしてもよい。

図１３は、VCSELを光源に利用した光伝送システムの一構成例を示す図である。光伝送システム６００は、VCSELチップ１０を含む光源６１０と、光源６１０から放出されたレーザ光の集光などを行う光学系６２０と、光学系６２０から出力されたレーザ光を受光する受光部６３０と、光源６１０の駆動を制御する制御部６４０とを有する。制御部６４０は、VCSELを駆動するための駆動パルス信号を光源６１０に供給する。光源６１０から放出された光は、光学系６２０を介し、光ファイバや空間伝送用の反射ミラーなどにより受光部６３０へ伝送される。受光部６３０は、レーザ光をフォトダイオードなどによって検出する。受光部６３０は、制御信号６５０により制御部６４０の動作（例えば光伝送の開始タイミング）を制御することができる。

次に、光伝送システムに利用される光伝送装置の構成について説明する。図１４は、光伝送装置の外観構成を示している。光伝送装置７００は、ケース７１０、光信号送信／受信コネクタ接合部７２０、発光／受光素子７３０、電気信号ケーブル接合部７４０、電源入力部７５０、動作中を示すＬＥＤ７６０、異常発生を示すＬＥＤ７７０、ＤＶＩコネクタ７８０、送信回路基板／受信回路基板７９０を有している。

光伝送装置７００を用いた映像伝送システムを図１５に示す。映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０、画像表示装置８２０、ＤＶＩ用電気ケーブル８３０、送信モジュール８４０、受信モジュール８５０、映像信号伝送光信号用コネクタ８６０、光ファイバ８７０、制御信号用ケーブルコネクタ８８０、電源アダプタ８９０、ＤＶＩ用電気ケーブル９００を含んでいる。映像信号発生装置８１０で発生された映像信号を液晶ディスプレイなどの画像表示装置８２０に伝送するため、図１４に示す光伝送装置を利用している。

以上、上記したいずれの実施例は例示的なものであり、これによって本発明の範囲が限定的に解釈されるべきものではなく、本発明の構成要件を満足する範囲内で他の方法によっても実現可能であることは言うまでもない。

本発明に係る表面発光型半導体レーザ素子は、高周波特性に優れ、光ファイバ通信や光インターコネクション等の光源として利用することができる。

本発明の実施例に係る表面発光型半導体レーザ素子の平面図、およびそのＡ−Ａ線断面の模式的な断面図である。 図２Ａは、本発明の実施例に係る表面発光型半導体レーザ素子の原理を説明するための模式的な平面図、図２Ｂは電流の流れを示す図である。 本発明の実施例に係る表面発光型半導体レーザ素子のコプレーナ電極構造の好ましい構成を説明するための模式的な平面図である。 VCSELを実装する半導体レーザ装置の分解斜視図である 本発明の実施例に係るVCSELのコプレーナ電極とサブマウントとの位置関係を示す平面図である。 コプレーナ線路の特性インピーダンスとκとの関係を示すグラフである。 本発明の実施例に係るVCSELの製造工程を説明するための概略断面図である。 本発明の実施例に係るVCSELの製造工程を説明するための概略断面図である。 図４に示す半導体レーザ装置に光学部品を実装したモジュールの構成を示す概略断面図である。 他のモジュールの構成を示す概略断面図である。 図９に示すモジュールを用いた光送信装置の構成を示す概略断面図である。 図９に示すモジュールを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。 光伝送システムの構成を示すブロック図である。 光伝送装置の外観構成を示す図である。 図１４の光伝送装置を利用した映像伝送システムを示す図である。 従来の表面発光型半導体レーザ素子の課題を示す説明図である。

符号の説明

１２：基板 １４：バッファ層
１６：下部多層反射膜 １８：スペーサ層
２０：量子井戸層を含む活性層 ２２：上部多層反射膜
２４：層間絶縁膜 ２４ａ，２４ｂ：コンタクトホール
２６：ｐ側電極 ２８：開口部
３０：電流狭窄層 ３０ａ：酸化領域
３２：開口 ３４：ｎ側電極
４０：コンタクト部 ４２ａ、４２ｂ：電極パッド
４４：電極パッド ５０：半導体レーザ装置
５２：基台 ５４：キャップ
５６：リード ５８：サブマウント
６０：モニター用受光素子 ６２：窓
７０ａ、７０ｂ、７２：マイクロストリップ線路
７４ａ、７４ｂ、７４：ボンディングワイヤ
Ｐ：ポスト（メサ）

Claims (17)

1. 基板と、
   基板上に形成された第１導電型の第１の半導体層と、
   第１の半導体層上に形成された活性層と、
   活性層上に形成された第２導電型の第２の半導体層と、
   基板主面上に形成され、第１の半導体層と電気的に接続される第１の電極配線と、
   基板主面上に形成され、第２の半導体層と電気的に接続される第２の電極配線と、
   基板上に形成され、レーザ光を発光する発光部とを含み、
   第１の電極配線が第１の半導体層に電気的に接続される接触部は、発光部を中心とするπ／２ラジアン以上、πラジアン未満の範囲内に形成され、
   第２の電極配線の両側に第１の電極配線が延在するコプレーナ電極構造を有する、表面発光型半導体レーザ素子。
2. 前記接触部は、発光部の中心から第１の距離だけ離間された近端半径ｒ１と、発光部の中心から第２の距離だけ離間された遠端半径ｒ２との略弧線に囲まれた領域である、請求項１に記載表面発光型半導体レーザ素子。
3. 前記接触部は、交差する角度がπ／２ラジアンのＬ字型を有する、請求項１に記載の表面発光型半導体レーザ素子。
4. 第１の電極配線は、前記接触部のＬ字型に対応したＬ字型の形状を有する、請求項３に記載の表面発光型半導体レーザ素子。
5. 第１の電極配線のそれぞれの端部は、対応する各第１の電極パッドに接続され、第２の電極配線は、第２の電極パッドに接続され、第１の電極パッドと第２の電極パッドの中心間距離が１００ミクロン以下であって、第１および第２の電極パッドが互いに基板主面上において重ならない、請求項１ないし４いずれか１つに記載の表面発光型半導体レーザ素子。
6. 第１の電極配線が少なくとも４層以上の金属多層膜からなる、請求項１ないし５いずれか１つに記載の表面発光型半導体レーザ素子。
7. 第１の半導体層は、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を積層した第１の反射層を含み、第２の反射層は、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を積層した第２の反射層を含む、請求項１に記載の表面発光型半導体レーザ素子。
8. 前記接触部は、第１の半導体層に形成された開口を含み、第１の電極配線は、当該開口を介して第１の反射層のＡｌＧａＡｓ層に電気的に接続される、請求項７に記載の表面発光型半導体レーザ素子。
9. 第１の半導体層は、ＡｌＧａＡｓ層よりも不純物濃度が高い第１導電型のＧａＡｓバッファ層を含み、第１の電極配線は、前記開口を介してバッファ層に電気的に接続される、請求項８に記載の表面発光型半導体レーザ素子。
10. 発光部は、円筒状のメサを含み、メサ頂部には中央に開口部を含む電極が形成され、当該電極は第２の電極配線に接続される、請求項１に記載の表面発光型半導体レーザ素子。
11. メサは、少なくとも第２の半導体層を含み、第２の半導体層は、メサ側面から酸化された酸化領域と当該酸化領域によって囲まれた導電領域を有する電流狭窄層を含む、請求項９に記載の表面発光型半導体レーザ素子。
12. 請求項１ないし１０いずれか１つに記載の表面発光型半導体レーザ素子と、表面発光型半導体レーザ素子を搭載するマウント部材と、マウント部材を搭載する基台とを有し、マウント部材上には一対の第１の伝送線路と当該一対の第１の伝送線路の間に第２の伝送線路が形成され、一対の第１の伝送線路が各第１の電極に電気的に接続され、第２の伝送線路が第２の電極パッドに電気的に接続される、半導体レーザ装置。
13. 請求項１２に記載された半導体レーザ装置と光学部材を実装したモジュール。
14. 請求項１３に記載されたモジュールと、モジュールから発せられたレーザ光を光媒体を介して送信する送信手段とを備えた、光送信装置。
15. 請求項１３に記載されたモジュールと、モジュールから発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送装置。
16. 請求項１３に記載されたモジュールと、モジュールから発せられたレーザ光を送信する送信手段とを備えた、光送信システム。
17. 請求項１３に記載されたモジュールと、モジュールから発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送システム。

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