JP5137658B2 - 長波長帯域面発光レーザ素子 - Google Patents

Description

この発明は、高屈折率層と低屈折率層の周期構造から形成される下部多層膜反射鏡と、高屈折率層と低屈折率層の周期構造から形成される上部多層膜とをｎ型ＧａＡｓ基板上に形成した長波長帯域面発光レーザ素子に関する。

波長１０００〜１７００ｎｍの長波長帯域のレーザ光を出力し、動作速度が１０Ｇｂｐｓ以上の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）素子が、光インターコネクションや光通信の分野において、今後大量に必要とされると考えられている。

従来の面発光レーザ素子として、半導体からなる上部および下部多層膜反射鏡の間に活性層を積層してＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ミラーを構成し、さらに電流注入効率を上げるために、電流経路を制限する電流狭窄層を形成し、半導体基板に対して垂直な方向にレーザ光を放射する垂直共振器型面発光レーザ素子が開示されている（特許文献１参照）。

ここで、ＤＢＲミラーにおける光吸収を低減するために光吸収起因となる不純物の濃度を５×１０^１７ｃｍ^−３以下としたアンドープＤＢＲミラーを、最近の長波長帯ＶＣＳＥＬでは採用している研究機関が多い。この場合、基板は半絶縁性基板(ＳＩ基板；semi-insulating substrate)となり、電極はｎ型、ｐ型共にエピ側から取る。さらに、信頼性向上のためにシリコンなどのｎ型不純物を添加したｎ型のＧａＡｓ基板を採用した面発光レーザ素子が提案されている。しかしながら、これまでは、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、不純物の濃度を５×１０^１７ｃｍ^−３以下としたアンドープＤＢＲミラーを採用した長波長帯ＶＣＳＥＬは報告されていなかった。

特開２００５−２５２０３２号公報

しかしながら、ｎ型ＧａＡｓ上にアンドープＤＢＲミラーを積層した場合、ｎ型ＧａＡｓ基板とアンドープＤＢＲミラーとの格子不整合によって転位が発生し、面発光レーザ素子の信頼性が低下してしまうという問題が我々の実験で初めて明らかになった。

本発明は、ｎ型ＧａＡｓ上にアンドープＤＢＲミラーを積層した場合であっても転位の発生を低減した高信頼性の長波長帯域面発光レーザ素子を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる長波長帯域面発光レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板と、前記基板上に積層され、高屈折率層と低屈折率層の周期構造から形成される下部多層膜反射鏡と、高屈折率層と低屈折率層の周期構造から形成される上部多層膜反射鏡とを有する光共振器と、前記下部多層膜反射鏡と前記上部多層膜反射鏡との間に設けられ、光を発生する活性層と、前記共振器内から引き出されたｐ型電極およびｎ型電極と、を備えた長波長帯域面発光レーザ素子において、前記下部多層膜反射鏡の低屈折率層は、Ａｌ、Ｇａ、Ａｓを含んだ半導体材料で形成され、前記半導体材料のIII族サイトに前記Ａｌが占める濃度が８０%以上１００％以下であり、前記下部多層膜反射鏡および前記上部多層膜反射鏡の全体におけるドナーもしくはアクセプター不純物濃度の平均値が５×１０^１７ｃｍ^−３以下であり、前記ｎ型ＧａＡｓ基板は、１×１０^１６ｃｍ^−３以上１．５×１０^１８ｃｍ^−３以下の濃度のシリコンを含むことを特徴とする。

また、この発明にかかる長波長帯域面発光レーザ素子は、前記下部多層膜反射鏡のIII族を占めるＡｌの平均Ａｌ組成Ｘと、前記ｎ型ＧａＡｓ基板のシリコン濃度Ｙｃｍ^−３とは、１×１０^１６≦Ｙ≦−８．８×１０^１９Ｘ^２＋６．４×１０^１９Ｘ−１×１０^１９の関係を満たすことを特徴とする。

また、この発明にかかる長波長帯域面発光レーザ素子は、前記ｎ型ＧａＡｓ基板のシリコン濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３以上１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることを特徴とする。

また、この発明にかかる長波長帯域面発光レーザ素子は、前記下部多層膜反射鏡は、基板側領域のドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値が１×１０^１８〜１×１０^２１ｃｍ^−３であり、活性層側領域のドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値が１×１０^１５〜１×１０^１８ｃｍ^−３であり、前記下部多層膜反射鏡全体におけるドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値が５×１０^１７ｃｍ^−３以下であることを特徴とする。

また、この発明にかかる長波長帯域面発光レーザ素子は、前記下部多層膜反射鏡は、窒素又は燐を０．０１％以上含むことを特徴とする。

また、この発明にかかる長波長帯域面発光レーザ素子は、前記下部多層膜反射鏡の一部は、カーボンを１×１０^１８ｃｍ^−３以上含むことを特徴とする。

また、この発明にかかる長波長帯域面発光レーザ素子は、前記下部多層膜反射鏡の一部は、シリコンを１×１０^１８ｃｍ^−３以上含むことを特徴とする。

また、この発明にかかる長波長帯域面発光レーザ素子は、前記下部多層膜反射鏡の光分布の節付近におけるドナー若しくはアクセプター不純物濃度は、１×１０^１８〜１×１０^２１ｃｍ^−３であることを特徴とする。

また、この発明にかかる長波長帯域面発光レーザ素子は、前記上部多層膜反射鏡の少なくとも一部は、誘電体で構成されることを特徴とする。

本発明によれば、下部多層膜反射鏡の低屈折率層を形成するＡｌ、Ｇａ、Ａｓを含む半導体材料のIII族サイトに格子定数の大きいＡｌが占める濃度を８０%以上１００％以下とし、さらに下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡の全体におけるドナーもしくはアクセプター不純物濃度の平均値を５×１０^１７ｃｍ^−３以下とした場合であっても、ｎ型ＧａＡｓ基板における格子定数の小さいシリコン濃度を１×１０^１６ｃｍ^−３以上１．５×１０^１８ｃｍ^−３以下の濃度とすることによって、ｎ型ＧａＡｓ基板と下部多層膜反射鏡との格子不整合による転位発生を低減し、長波長帯域面発光レーザ素子の信頼性を高めることが可能になる。

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。図面の記載において、同一部分には同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実のものとは異なることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。

図１および図２は、本実施の形態にかかる長波長帯域の面発光レーザ素子１００の要部構成を示す図である。図１は平面図であり、図２は、図１中に示したII−II矢視断面を示す断面図である。これらの図に示すように、面発光レーザ素子１００は、面方位（００１）のｎ−ＧａＡｓ基板１上に積層された下部多層膜反射鏡として機能するアンドープの下部ＤＢＲミラー２、ｎ型コンタクト層３、ｎ型電極４、ｎ型クラッド層５、活性層６、ｐ型クラッド層７、電流狭窄層８、ｐ型クラッド層９、ｐ型コンタクト層１０、ｐ型電極１１および上部多層膜反射鏡として機能する上部ＤＢＲミラー１２を備える。このうち、ｎ型クラッド層５と、その上に積層された活性層６、電流狭窄層８、ｐ型クラッド層７およびｐ型クラッド層９とは、エッチング処理等によって柱状に成形されたメサポストとして形成されている。なお、メサポスト径はたとえば直径３０μｍである。

下部ＤＢＲミラー２は、たとえば０．１μｍの厚さでｎ−ＧａＡｓ基板１上に積層されたアンドープＧａＡｓバッファ層上に形成される。アンドープの下部ＤＢＲミラー２は、低屈折率層として機能するＡｌ、Ｇａ、Ａｓを含む半導体層と、高屈折折率層として機能するＧａ、Ａｓを含む半導体層とを１ペアとする複合半導体層が複数ペア積層された半導体多層膜ミラーとして形成されている。アンドープの下部ｎ型ＤＢＲミラー２の複合半導体層を構成する各層の厚さは、λ／４ｎ（λ：発振波長、ｎ：屈折率）とされている。そして、下部ＤＢＲミラー２は、下部ＤＢＲミラー２全体における不純物濃度の平均値が５×１０^１７ｃｍ^−３以下であるアンドープＤＢＲミラーである。

ｎ型コンタクト層３は、アンドープの下部ＤＢＲミラー２上にｎ−ＧａＡｓを材料として形成される。ｎ型コンタクト層３の厚さは、（３λ）／４とされている。ｎ型クラッド層５は、ｎ型コンタクト層３上にｎ−ＧａＡｓを材料として形成される。ｐ型クラッド層７は、後述する活性層６上にｐ−ＧａＡｓを材料として形成される。ｐ型クラッド層９は、後述する電流狭窄層８上にｐ−ＧａＡｓを材料として形成される。そして、ｐ型コンタクト層１０は、ｐ型クラッド層９上にｐ−ＧａＡｓを材料として形成される。ｐ型コンタクト層１０の厚さは、λ／４とされている。

電流狭窄層８は、ｐ型クラッド層７上に形成されており、電流狭窄開口部としての開口部８ａと選択酸化層８ｂとから構成されている。電流狭窄層８は、例えば厚さ３０ｎｍのＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２ＡｓからなるＡｌ含有層によって形成される。選択酸化層８ｂは、このＡｌ含有層が外周部から積層面に沿って所定範囲だけ酸化されることで輪帯上に形成されている。選択酸化層８ｂは、絶縁性を有し、ｐ型電極１１から注入される電流を狭窄して開口部８ａ内に集中させることで、開口部８ａ直下における活性層６内の電流密度を高めている。なお、開口部８ａの電流開口径はたとえば直径６μｍである。

活性層６は、たとえばＧａ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ｎ_０．０１Ａｓ_０．９９／ＧａＡｓからなる複合半導体層が３層積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）を有し、ｐ型電極１１から注入されて電流狭窄層８によって狭窄された電流をもとに１μｍ〜１．７μｍの自然放出光を発する。Ｇａ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ｎ_０．０１Ａｓ_０．９９層は量子井戸として機能し、たとえば７．３ｎｍの厚さを有する。また、ＧａＡｓ層は障壁層として機能し、たとえば９ｎｍの厚さを有する。この自然放出光は、共振器としての下部ＤＢＲミラー２と上部ＤＢＲミラー１２との間で活性層６を含む各層に対して垂直方向に共振されて増幅された後、上部ＤＢＲミラー１２上からレーザ光として射出される。なお、電流狭窄層８は、この活性層６から３λ／４離した位置に形成される。そして、ｎ型コンタクト層３、ｎ型クラッド層５、活性層６、ｐ型クラッド層７、電流狭窄層８、ｐ型クラッド層９およびｐ型コンタクト層１０は、３λ光共振器を構成する。

上部ＤＢＲミラー１２は、ｐ型コンタクト層１０上に形成される。上部ＤＢＲミラー１２は、例えばＳｉＮ／ＳｉＯ₂からなる複合誘電体層が複数ペア（たとえば５ペア）積層された誘電体多層膜ミラーとして形成されており、下部ＤＢＲミラー２と同様に各層の厚さがλ／４ｎとされている。上部ＤＢＲミラー１２は、例えば、メサポストを含む範囲に所定層数の誘電体多層膜を成膜し、この誘電体多層膜のうち開口部８ａの直上部以外の周囲領域をエッチングする（エッチング工程）ことで形成される。

ｐ型電極１１は、ｐ型コンタクト層１０上に積層され、上部ＤＢＲミラー１２に沿って取り囲むようにリング状に形成されている。一方、ｎ型電極４は、ｎ型コンタクト層３上に積層され、メサポストの底面部をその積層面に沿って取り囲むようにＣ字状に形成されている。これらｐ型電極１１およびｎ型電極４は、それぞれｐ型引出電極１４およびｎ型引出電極１３よって、図示しない外部回路（電流供給回路等）に電気的に接続されている。なお、各層の成長は、ＭＢＥ、ガスソースＭＢＥ、ＣＢＥ、ＭＯＣＶＤの各成長方法のいずれか一つを用いて行なえばよい。

ここで、従来の面発光レーザ素子においては、ｎ型ＧａＡｓ上にドープドＤＢＲミラーを積層した場合、ｎ型ＧａＡｓ基板とＤＢＲにおける、フリーキャリア吸数を受けて、しきい値の増加、スロープ効率の低下、光出力の低下という問題があった。

まず、従来の面発光レーザ素子について説明する。図３は、従来技術にかかる面発光レーザ素子を模式的に表した断面斜視図である。図３に示すように、従来技術にかかる面発光レーザ素子は、面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板１０１、ｎ型の下部ＤＢＲミラー１０２、ｎ−ＧａＡｓクラッド層１０５、活性層１０６、ｐ−ＧａＡｓクラッド層１０７、開口部１０８ａおよび選択酸化層１０８ｂからなる電流狭窄層１０８、ｐ−ＧａＡｓクラッド層１０９、ｐ型の上部ＤＢＲミラー１１２が順次積層したものである。そして、ｎ−ＧａＡｓクラッド層１０５から上部ＤＢＲミラー１１２まではメサポスト構造を有し、このメサポストはたとえばポリイミド１１５で埋め込んである。また、上部ＤＢＲミラー１１２とポリイミド１１５との上面には開口部を有するｐ側電極１１１、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１の下面にはｎ側電極１０４がそれぞれ形成されている。ここで、下部ＤＢＲミラー１０２は、層厚がそれぞれλ／４ｎのＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とＧａＡｓ層とを１ペアとする多層膜が３５．５ぺア積層したものである。

従来の面発光レーザ素子は、ドーパントの濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３程度としたドープドＤＢＲミラーを採用し、さらに結晶欠陥（ＥＰＤ：Etch Pit Density）が確実に５００ｃｍ^−２未満となるようにｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）を３〜４×１０^１８ｃｍ^−３程度添加したｎ−ＧａＡｓ基板１０１を採用している。そこで、図１及び図２に示すような、アンドープＤＢＲを用いた長波長帯ＶＣＳＥＬの開発を開始した。

ここで、下部ＤＢＲミラー２の低屈折率層を形成するＡｌＧａＡｓは、高組成のＡｌを含むためＧａＡｓよりも格子定数が格段に大きくなる。また、ＳｉはＧａＡｓの格子定数を小さくする機能があるため、Ｓｉが多量に添加されたｎ−ＧａＡｓ基板１は、Ｓｉが添加されていないＧａＡｓと比較し格子定数が小さくなる。したがって、ｎ−ＧａＡｓ基板１上にＡｌＧａＡｓ層を低屈折率層として含む下部ＤＢＲミラー２を積層した場合、ｎ−ＧａＡｓ基板１の格子定数と下部ＤＢＲミラー２の格子定数とに大きな差が生じてしまい、この格子不整合による歪みの蓄積によって転位が発生し、面発光レーザ素子の信頼性が低下してしまうという問題があった。実際に、Ｓｉ濃度が４×１０^１８ｃｍ^−３であるｎ−ＧａＡｓ基板１０１上にアンドープの下部ＤＢＲミラー２を形成したところ、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ（３１ペア）の場合には１×１０^７ｃｍ^−２もの転移が発生し、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ（３７ペア）の場合には１×１０^５ｃｍ^−２の転移が発生してしまい、所望の歩留まりを達成することができなかった。

これに対し、本実施の形態にかかる面発光レーザ素子１００は、下部ＤＢＲミラー２の低屈折率層を形成するＡｌ、Ｇａ、Ａｓを含んだ半導体材料のIII族サイトを示すＡｌ濃度と、ｎ−ＧａＡｓ基板１に含まれるＳｉ濃度とを制御することによって、ｎ−ＧａＡｓ基板１の格子定数と下部ＤＢＲミラー２の格子定数との差を小さくし、基板およびＤＢＲミラーに蓄積される歪を低減して歪に起因する転位を低減している。

まず、下部ＤＢＲミラー２を構成する低屈折率層の半導体材料のＡｌ濃度について説明する。下部ＤＢＲミラーの低屈折率層のＡｌ濃度を８０％未満の低い濃度とした場合には、低屈折率層の１層あたりの熱抵抗が上がってしまうとともに高屈折率層との反射率差を確保するためペア数を上げざるを得なくなってしまうため、下部ＤＢＲミラー２の熱抵抗が高くなってしまい、特に高温動作時において十分な出力を確保することが困難となる。このため、下部ＤＢＲミラー２の低屈折率層のＡｌ濃度は、ＧａＡｓによって形成される高屈折率層との反射率差の確保、低屈折率層のペア数の抑制、熱抵抗上昇の抑制、高温動作時における出力確保のため、８０％以上必要である。

そして、このように下部ＤＢＲミラー２の低屈折率層のＡｌ濃度を８０％以上とした場合には、高組成のＡｌを含むためＧａＡｓよりも格子定数が格段に大きくなる。さらに、Ｓｉが多量に添加されたｎ−ＧａＡｓ基板１を使用した場合には、ｎ−ＧａＡｓ基板１の格子定数と下部ＤＢＲミラー２の格子定数とに大きな差が生じてしまい、この格子不整合による歪みの蓄積によって転位が発生し、面発光レーザ素子の信頼性が低下してしまう。そこで、本実施の形態においては、実際にｎ−ＧａＡｓ基板１に各濃度のＳｉを添加し、Ａｌ濃度をそれぞれ変えた下部ＤＢＲミラー２を形成した場合における各転位密度を検証した上で、所定の転位密度以下となるようにｎ−ＧａＡｓ基板１に含まれるシリコン濃度を調整している。

図４は、下部ＤＢＲミラー２の低屈折率層として各Ａｌ濃度のＡｌＧａＡｓ層を積層した場合におけるｎ型基板中のＳｉ濃度と転位密度との関係を示す図である。図４における曲線ｌ１は、下部ＤＢＲミラー２の低屈折率層としてＡｌ濃度１００％のＡｌＡｓ層を積層した場合におけるｎ型基板中のＳｉ濃度と転位密度との関係を示し、図４における曲線ｌ２は、下部ＤＢＲミラー２の低屈折率層としてＡｌ濃度８０％のＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層を積層した場合におけるｎ型基板中のＳｉ濃度と転位密度との関係を示す。また、曲線ｌ１は、ＡｌＡｓ層とＧａＡｓ層とを３１ペア積層した場合に対応し、曲線ｌ２は、Ａｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層とＧａＡｓ層とを３７ペア積層した場合に対応する。

図４に示すように、Ａｌ濃度を１００％とした場合、ｎ−ＧａＡｓ基板のＳｉ濃度が１×１０^１７ｃｍ^−２である場合には転位密度は１×１０^５ｃｍ^−２となり、Ｓｉ濃度が１．５×１０^１８ｃｍ^−２である場合には転位密度は１×１０^６ｃｍ^−２となり、さらに、従来と同様にＳｉ濃度が４×１０^１８ｃｍ^−３である場合には、転位密度は１×１０^７ｃｍ^−２まで上昇してしまう。そして、Ａｌ濃度を８０％とした場合、ｎ−ＧａＡｓ基板のＳｉ濃度が１×１０^１７ｃｍ^−２である場合には転位密度は１×１０^３ｃｍ^−２まで低くなり、Ｓｉ濃度が１．５×１０^１８ｃｍ^−２である場合には転位密度は１×１０^４ｃｍ^−２となるものの、さらに従来と同様にＳｉ濃度が４×１０^１８ｃｍ^−３である場合には転位密度は１×１０^５ｃｍ^−２となる。このように、低屈折率層のＡｌ濃度を８０％とした場合と、Ａｌ濃度を１００％とした場合とでは、転位密度の差は２桁程度となってしまう。

ここで、１×１０^４ｃｍ^−２の転位密度の場合には、１０μｍ角に０．０１本の密度で転位が存在することになる。すなわち、１×１０^４ｃｍ^−２の転位密度の場合には、面発光レーザ素子のメサ構造に０．０１本程度の本数で転位があることになり、１チャンネルあたりの歩留まりは９９％となる。そして、たとえば１０チャンネルアレーにおける歩留まりを９０％以下とするためには、１チャンネルあたりの歩留まりを９９％以下にする必要がある。このため、１０チャンネルアレーにおいて歩留まりを９０％以上確保するためには、転位密度を１×１０^４ｃｍ^−２以下とする必要がある。

したがって、図４の曲線ｌ２に示すように、転位密度１×１０^４ｃｍ^−２とするためには、下部ＤＢＲミラー２の低屈折率層のＡｌ濃度が８０％である場合、ｎ−ＧａＡｓ基板１のＳｉ濃度を１．５×１０^１８ｃｍ^−３にする必要がある。すなわち、ｎ−ＧａＡｓ基板１のＳｉ濃度の上限は、１．５×１０^１８ｃｍ^−３であるといえる。さらに、Ａｌ濃度１００％である場合には、転位密度１×１０^４ｃｍ^−２を達成するには、Ｓｉ濃度を１×１０^１６ｃｍ^−３程度以下にすることが必要である。

そして、ＧａＡｓ基板における結晶欠陥（ＥＰＤ：Etch Pit Density）は、５０００以下に抑制する必要があり、望ましくは、５００ｃｍ^−２以下とする必要がある。このＥＰＤ量は、Ｓｉ添加量が増加するにしたがって低下する。具体的には、Ｓｉ添加量が１〜４×１０^１８ｃｍ^−３である場合にはＥＰＤは確実に５００ｃｍ^−２以下となり、Ｓｉ添加量が１×１０^１６ｃｍ^−３未満である場合にはＥＰＤが５０００ｃｍ^−２を超えてしまう。したがって、ＥＰＤを５０００ｃｍ^−２以下に抑制するためには、ｎ−ＧａＡｓ基板のＳｉ濃度を１×１０^１６ｃｍ^−３にする必要がある。すなわち、ｎ−ＧａＡｓ基板１のＳｉ濃度の下限は、１×１０^１６ｃｍ^−３であるといえる。このように、本実施の形態においては、ｎ−ＧａＡｓ基板１のＳｉ濃度を１×１０^１６ｃｍ^−３以上１．５×１０^１８ｃｍ^−３以下として、転位発生防止とＥＰＤ抑制との双方を実現する。

さらに、実際に、下部ＤＢＲミラー２の低屈折率層のＡｌ濃度が８０％または１００％である場合に限らず、８０〜１００％の各濃度についても、ｎ−ＧａＡｓ基板１のＳｉ濃度の許容量について検証した。この下部ＤＢＲミラー２の低屈折率層の各Ａｌ濃度に対するｎ−ＧａＡｓ基板１のＳｉ濃度の上限値を求めた結果を図５に示す。なお、横軸は、低屈折率層および高屈折率層の双方を合わせた下部ＤＢＲミラー２の平均Ａｌ組成となるため、実際の低屈折率層のＡｌ濃度は、この平均Ａｌ組成の２倍となる。

図５の曲線ｌ３は、下部ＤＢＲミラー２の低屈折率層の各Ａｌ濃度と許容できるｎ−ＧａＡｓ基板１のＳｉ濃度の値との関係を示すものである。なお、図５の曲線ｌ３は転位密度の上限値を１×１０^４ｃｍ^−２としたものである。また、図中Ｌｕは前述したｎ−ＧａＡｓ基板１のＳｉ濃度の上限値１．５×１０^１８ｃｍ^−３であり、図中Ｌｉはｎ−ＧａＡｓ基板１のＳｉ濃度の下限値１×１０^１６ｃｍ^−３である。

この図５の結果より、曲線ｌ３以下となるように、ｎ−ＧａＡｓ基板１のＳｉ濃度と下部ＤＢＲミラー２の低屈折率層の各Ａｌ濃度とを調整することによって、転位密度を１×１０^４ｃｍ^−２未満に抑制することができる。そして、ｎ−ＧａＡｓ基板１のＳｉ濃度を、Ｓｉ濃度の下限値Ｌｉ１×１０^１６ｃｍ^−３以上とすることによって、ｎ−ＧａＡｓ基板１のＥＰＤも５０００ｃｍ^−２以下とすることができる。すなわち、下部ＤＢＲミラー２のIII族を占めるＡｌの平均Ａｌ組成Ｘと、ｎ−ＧａＡｓ基板１のＳｉ濃度をＹとした場合、この平均Ａｌ組成ＸとＳｉ濃度Ｙとは、以下の（１）式の関係を満たせばよい。
１×１０^１６≦Ｙ≦―８．８×１０^１９Ｘ^２＋６．４×１０^１９Ｘ−１×１０^１９ ・・・（１）

さらに、高屈折率層と低屈折率層との反射率を確実に確保するためには、下部ＤＢＲミラー２のIII族を占めるＡｌの平均Ａｌ組成Ｘが０．４５である場合、すなわち、下部ＤＢＲミラー２の低屈折率層のＡｌ濃度が９０％である必要がある。このため、ｎ−ＧａＡｓ基板１のＳｉ濃度の最適範囲の上限値は、図５の曲線ｌ３より、下部ＤＢＲミラー２のIII族を占めるＡｌの平均Ａｌ組成０．４５に対応する１×１０^１８ｃｍ^−３となる。そして、ｎ−ＧａＡｓ基板１のＥＰＤは５００以下となるように抑制することが望ましい。ｎ−ＧａＡｓ基板のＳｉ濃度を少なくとも１×１０^１７ｃｍ^−３まで増加させることによって、ＥＰＤは５００ｃｍ^−２以下にできることから、ｎ−ＧａＡｓ基板１のＳｉ濃度の最適範囲の下限値は、１×１０^１７ｃｍ^−３となる。したがって、ｎ型ＧａＡｓ基板のＳｉ濃度の最適範囲は、１×１０^１７ｃｍ^−３以上１×１０^１８ｃｍ^−３以下となる。

このように、本実施の形態にかかる面発光レーザ素子１は、下部ＤＢＲミラー２の低屈折率層を形成するＡｌ、Ｇａ、Ａｓを含む半導体材料のIII族サイトに格子定数の大きいＡｌが占める濃度を８０%以上１００％以下とすることによって、必要なペア数を積層した場合であっても下部ＤＢＲミラー２の熱抵抗を下げて高温動作時における出力を可能とし、ｎ−ＧａＡｓ基板１における格子定数の小さいシリコン濃度を１×１０^１６ｃｍ^−３以上１．５×１０^１８ｃｍ^−３以下の濃度とすることによってｎ型ＧａＡｓ基板と下部多層膜反射鏡との格子不整合による転位発生の低減を可能にしたため、ｎ−ＧａＡｓ基板上に必要なペア数のアンドープＤＢＲミラーを形成した場合であっても、長波長帯域面発光レーザ素子の高歩留まりの達成、高信頼性化の達成および低熱抵抗で高温動作の実現化を図ることができる。

そして、面発光レーザ素子１は、下部ＤＢＲミラー２のIII族を占めるＡｌの平均Ａｌ組成Ｘと、ｎ−ＧａＡｓ基板１のＳｉ濃度をＹとした場合、この平均Ａｌ組成ＸとＳｉ濃度Ｙとが（１）式の関係を満たすように下部ＤＢＲミラー２のＡｌ濃度とｎ−ＧａＡｓ基板１のＳｉ濃度とを調整することによって、Ａｌ濃度が８０％以上１００％以下の範囲のうちのいずれの濃度であっても、長波長帯域面発光レーザ素子の高歩留まりの達成、高信頼性化の達成および低熱抵抗で高温動作の実現化を図ることができる。

さらに、ｎ−ＧａＡｓ基板１のＳｉ濃度を１×１０^１７ｃｍ^−３以上１×１０^１８ｃｍ^−３以下とすることによって、面発光レーザ素子１の高性能化とＥＰＤのさらなる抑制化との双方を実現することができる。

実際に、下部ＤＢＲミラー２として、層厚がそれぞれλ／４ｎのｎ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とＧａＡｓ層とを１ペアとして３４．５ぺア積層した場合であって、ｎ−ＧａＡｓ基板１のＳｉ濃度を９×１０^１７〜１×１０^１８ｃｍ^−３である１．３μｍ帯の光を発振する面発光レーザ素子の場合、閾値電流１ｍＡ、スロープ効率０．２５Ｗ／Ａ、１００℃以上でのＣＷ発振が得られたほか、８５℃での１０Ｇｂｐｓ動作可能であり、さらに１０ｃｈアレー歩留まりを９０％以上まで高めて偶発故障の故障率を示すＦＩＴ数を１ｃｈあたり１００以下まで抑制することが可能になった。

さらに、下部ＤＢＲミラー２の低屈折率層のＡｌ濃度が高い場合には、構成する半導体材料として格子定数を縮める作用を有する不純物をさらに添加した半導体材料を採用して、ｎ−ＧａＡｓ基板１の格子定数と下部ＤＢＲミラー２の格子定数との差を小さくするようにしてもよい。

たとえば、低屈折率層を構成するＡｌ、Ｇａ、Ａｓを含んだ半導体材料のＶ族サイトにさらに窒素（Ｎ）を添加する。Ｎは、格子定数を縮める効果を有するため、このＮを含む低屈折率層の半導体材料を採用することによって、低屈折率層の格子定数を小さくできることから、格子定数の小さいＳｉを含むｎ−ＧａＡｓ基板１との格子定数差をさらに縮めてｎ型ＧａＡｓ基板と下部多層膜反射鏡との格子不整合による転位発生のさらなる低減化を図ることが可能になる。なお、低屈折率層を構成する半導体材料にＮを０．０１％以上添加した場合に低屈折率層の格子定数を縮める効果が実際に発生するため、低屈折率層に含まれるＮは、０．０１％以上であることが望ましい。また、１％を超える濃度でＮを添加すると、逆に基板との格子定数差が大きくなってしまうので、低屈折率層に含まれるＮは１％以下が望ましい。

また、低屈折率層を構成するＡｌ、Ｇａ、Ａｓを含んだ半導体材料のＶ族サイトに燐（Ｐ）を添加することも可能である。ＰもＮと同様に格子定数を縮める効果を有するため、このＰを含む低屈折率層の半導体材料を採用することによって、低屈折率層の格子定数を小さくできることから、格子定数の小さいＳｉを含むｎ−ＧａＡｓ基板１との格子定数差をさらに縮めてｎ型ＧａＡｓ基板と下部多層膜反射鏡との格子不整合による転位発生のさらなる低減化を図ることが可能になる。なお、低屈折率層を構成する半導体材料にＰを０．０３％以上添加した場合に低屈折率層の格子定数を縮める効果が実際に発生するため、低屈折率層に含まれるＰは、０．０３％以上であることが望ましい。また、３％を超える濃度でＰを添加すると、逆に基板との格子定数差が大きくなってしまうので、低屈折率層に含まれるＰは３％以下が望ましい。なお、ＮおよびＰは、光を吸収することはないため、Ｎ、Ｐを添加した半導体材料は、下部ＤＢＲミラー２のいずれの位置の低屈折率層にも採用することができる。また、高屈折率層にもＮもしくはＰを添加して、ＤＢＲ全体の歪量を低減しても良い。

特にｎ−ＧａＡｓ基板１と下部ＤＢＲミラー２との界面の格子定数差を縮めることが格子不整合の発生防止に効果的であるため、Ｎ、Ｐを多く含む半導体材料をｎ−ＧａＡｓ基板１側領域の低屈折率層として採用することが望ましい。また、下部ＤＢＲミラー２をアンドープ化するには下部ＤＢＲミラー２全体におけるドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値は５×１０^１７ｃｍ^−３以下とする必要があるため、ｎ−ＧａＡｓ基板１領域側の不純物の高濃度に対応させて、活性層６側領域のＮ、Ｐの濃度を低くすればよい。具体的には、下部ＤＢＲミラー２のｎ−ＧａＡｓ基板１側領域のドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値を１×１０^１８〜１×１０^２１ｃｍ^−３とし、下部ＤＢＲミラー２の活性層６側領域のドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値を１×１０^１５〜１×１０^１８ｃｍ^−３とし、下部ＤＢＲミラー２鏡全体におけるドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値が５×１０^１７ｃｍ^−３以下とする。なお、下部ＤＢＲミラー２のｎ−ＧａＡｓ基板１側領域のドナー若しくはアクセプター不純物濃度と、下部ＤＢＲミラー２の活性層６側領域のドナー若しくはアクセプター不純物濃度とは、段階的または連続的に変化させてもよい。

また、下部ＤＢＲミラー２を構成する半導体材料にカーボン（Ｃ）を添加することも可能である。Ｃも格子定数を縮める効果を有するため、このＣを含む半導体材料を下部ＤＢＲミラー２の構成層に採用することによって、下部ＤＢＲミラー２全体の格子定数を見かけ上小さくできることから、格子定数の小さいＳｉを含むｎ−ＧａＡｓ基板１との格子定数差をさらに縮めてｎ型ＧａＡｓ基板と下部ＤＢＲミラーとの格子不整合による転位発生のさらなる低減化を図ることが可能になる。同様に、下部ＤＢＲミラー２を構成する半導体材料にＳｉを添加することも可能である。前述したようにＳｉも格子定数を縮める効果を有するため、このＳｉを含む半導体材料を下部ＤＢＲミラー２の構成層に採用することによって、下部ＤＢＲミラー２全体の格子定数を見かけ上小さくできることから、格子定数の小さいＳｉを含むｎ−ＧａＡｓ基板１との格子定数差をさらに縮めてｎ型ＧａＡｓ基板と下部ＤＢＲミラーとの格子不整合による転位発生のさらなる低減化を図ることが可能になる。なお、半導体材料にＣ、Ｓｉを１×１０^１８ｃｍ^−３以上添加した場合に、この半導体材料の格子定数を縮める効果が実際に発生するため、下部ＤＢＲミラー２の一部に含まれるＣ、Ｓｉの濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３以上であることが望ましい。

また、前述したようにｎ−ＧａＡｓ基板１と下部ＤＢＲミラー２との界面の格子定数差を縮めることが格子不整合の発生防止に効果的であるため、Ｃ、Ｓｉを多く含む半導体材料をｎ−ＧａＡｓ基板１側領域の下部ＤＢＲミラー２の構成層として採用することが望ましい。また、下部ＤＢＲミラー２をアンドープ化するには下部ＤＢＲミラー２全体におけるドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値は５×１０^１７ｃｍ^−３以下とする必要があるため、ｎ−ＧａＡｓ基板１領域側の下部ＤＢＲミラー２の構成層の不純物の高濃度に対応させて、下部ＤＢＲミラー２の活性層６側領域のＣ、Ｓｉの濃度を低くすればよい。特にＣ、Ｓｉは、発生したホール又は電子がフリーキャリア吸収により光を吸収する作用を有するため、活性層６側領域のＣ、Ｓｉ濃度を低くすることは、光強度の強い活性層６における不純物による光吸収を抑えることにもなることから、活性層６側のＣ、Ｓｉ濃度を低く設定することが望ましい。具体的には、下部ＤＢＲミラー２のｎ−ＧａＡｓ基板１側領域のドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値を１×１０^１８〜１×１０^２１ｃｍ^−３とし、下部ＤＢＲミラー２の活性層６側領域のドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値を１×１０^１５〜１×１０^１８ｃｍ^−３とし、下部ＤＢＲミラー２鏡全体におけるドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値が５×１０^１７ｃｍ^−３以下とする。なお、下部ＤＢＲミラー２のｎ−ＧａＡｓ基板１側領域のドナー若しくはアクセプター不純物濃度と、下部ＤＢＲミラー２の活性層６側領域のドナー若しくはアクセプター不純物濃度とは、段階的または連続的に変化させてもよい。

ここで、Ｃ、Ｓｉの濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３程度であれば光損失量も低いことが分かっているため、下部ＤＢＲミラー２の大部分の領域にＣ、Ｓｉを添加する場合にはＣ、Ｓｉの濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３程度にすることが望ましい。なお、この場合も、下部ＤＢＲミラー２全体におけるドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値は５×１０^１７ｃｍ^−３以下とする必要がある。

そして、低屈折率層のＡｌ組成が高い場合などＣ、Ｓｉを高濃度で添加する必要がある場合には、光分布強度の弱い節部分に高濃度のＣ、Ｓｉを添加するようにすればよい。光を感じない強度の弱い節部分であれば、光を吸収する作用を有する不純物を多量に添加しても光吸収が生じにくく、光損失量も低減することができるためである。具体的には、光分布の節部分のうち厚さ３０ｎｍ以下の膜厚部分にＣまたはＳｉを１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３以下の濃度で添加することによって、光損失量を低減しながら、下部ＤＢＲミラー２の格子定数を縮め、転位発生を低減することができる。

また、本実施の形態にかかる面発光レーザ素子として、図１および図２に示すように、上部ＤＢＲミラー１２全体を誘電体膜で構成した場合を例に説明したが、もちろん上部ＤＢＲミラー１２の一部のみを誘電体膜で構成し、他の一部を半導体膜で構成してもよい。

実施の形態にかかる面発光レーザ素子の構成を示す平面図である。 図１に示したII−II断面を示す断面図である。 従来技術にかかる面発光レーザ素子を模式的に示した断面斜視図である。 図２に示す下部ＤＢＲミラーの低屈折率層として各Ａｌ濃度のＡｌＧａＡｓ層を積層した場合におけるｎ型基板中のＳｉ濃度と転位密度との関係を示す図である。 図２に示す下部ＤＢＲミラーの低屈折率層の各Ａｌ濃度とｎ−ＧａＡｓ基板のＳｉ濃度の上限値との関係を示す図である。

符号の説明

１００ 面発光レーザ素子
１，１０１ ｎ−ＧａＡｓ基板
２，１０２ 下部ＤＢＲミラー
３ ｎ型コンタクト層
４，１０４ ｎ型電極
５ ｎ型クラッド層
６，１０６ 活性層
７，９ ｐ型クラッド層
８，１０８ 電流狭窄層
８ａ，１０８ａ 開口部
８ｂ，１０８ｂ 選択酸化層
１０ ｐ型コンタクト層
１１，１１１ ｐ型電極
１２，１１２ 上部ＤＢＲミラー
１３ ｎ型引出電極
１４ ｐ型引出電極
１０５ ｎ−ＧａＡｓクラッド層
１０７ ｐ−ＧａＡｓクラッド層

Claims (9)

1. ｎ型ＧａＡｓ基板と、
   前記基板上に積層され、高屈折率層と低屈折率層の周期構造から形成される下部多層膜反射鏡と、高屈折率層と低屈折率層の周期構造から形成される上部多層膜反射鏡とを有する光共振器と、
   前記下部多層膜反射鏡と前記上部多層膜反射鏡との間に設けられ、光を発生する活性層と、
   前記共振器内から引き出されたｐ型電極およびｎ型電極と、
   を備えた長波長帯域面発光レーザ素子において、
   前記下部多層膜反射鏡の低屈折率層は、Ａｌ、Ｇａ、Ａｓを含んだ半導体材料で形成され、前記半導体材料のIII族サイトに前記Ａｌが占める濃度が８０%以上１００％以下であり、
   前記下部多層膜反射鏡の全体におけるドナーもしくはアクセプター不純物濃度の平均値が５×１０^１７ｃｍ^−３以下であり、
   前記下部多層膜反射鏡のIII族を占めるＡｌの平均Ａｌ組成Ｘと、前記ｎ型ＧａＡｓ基板のシリコン濃度Ｙｃｍ ^−３ とは、
   １×１０ ^１６ ≦Ｙ≦−８．８×１０ ^１９ Ｘ ^２ ＋６．４×１０ ^１９ Ｘ−１×１０ ^１９ 、かつＹ≦１．５×１０ ^１８
   の関係を満たすことを特徴とする長波長帯域面発光レーザ素子。
2. 前記半導体材料のIII族サイトに前記Ａｌが占める濃度が９５％以下であることを特徴とする請求項１に記載の長波長帯域面発光レーザ素子。
3. 前記ｎ型ＧａＡｓ基板のシリコン濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３以上１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の長波長帯域面発光レーザ素子。
4. 前記下部多層膜反射鏡は、基板側領域のドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値が１×１０^１８〜１×１０^２１ｃｍ^−３であり、活性層側領域のドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値が１×１０^１５〜１×１０^１８ｃｍ^−３であり、前記下部多層膜反射鏡全体におけるドナー若しくはアクセプター不純物濃度の平均値が５×１０^１７ｃｍ^−３以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の長波長帯域面発光レーザ素子。
5. 前記下部多層膜反射鏡の低屈折率層は、窒素を０．０１％以上１％以下だけ含む、又は燐を０．０３％以上３％以下だけ含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の長波長帯域面発光レーザ素子。
6. 前記下部多層膜反射鏡の一部は、カーボンを１×１０^１８ｃｍ^−３以上含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の長波長帯域面発光レーザ素子。
7. 前記下部多層膜反射鏡の一部は、シリコンを１×１０^１８ｃｍ^−３以上含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の長波長帯域面発光レーザ素子。
8. 前記下部多層膜反射鏡の光分布の節付近におけるドナー若しくはアクセプター不純物濃度は、１×１０^１８〜１×１０^２１ｃｍ^−３であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の長波長帯域面発光レーザ素子。
9. 前記上部多層膜反射鏡の少なくとも一部は、誘電体で構成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の長波長帯域面発光レーザ素子。

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