JP5279393B2 - 面発光レーザおよびその製造方法、面発光レーザアレイの製造方法、および面発光レーザアレイを備えている光学機器 - Google Patents
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Description
この面発光レーザによれば、半導体基板表面に対して垂直方向に光を取り出すことができるため、二次元アレイの形成が素子形成時のマスクパターンの変更のみで容易に可能になる。
この二次元アレイから出射される複数のビームを用いた並列処理により、高密度化および高速化が可能になり、様々な産業上の応用が期待される。
例えば、電子写真プリンタの露光光源として面発光レーザアレイを用いると、複数のビームによる印字工程の高密度・高速化が可能となる。
このような電子写真における印刷工程では、感光ドラム上に安定かつ微小なレーザスポットの形成が必要なため、レーザ特性として、単一横モードや単一縦モードでの安定動作も要求される。
この方法では、面発光レーザの高性能化のためにAl組成の高い、例えばAl組成98%のAlGaAs層を多層膜反射鏡内に設け、それを高温水蒸気雰囲気中で選択酸化することで、電流狭窄構造を形成し、必要な領域のみに電流を注入するようにされる。
ところで、以上のような選択酸化によることは、単一横モードという観点からは、望ましくないものである。
すなわち、酸化層の存在により必要以上に大きな屈折率差が生じることにより、高次横モードを発生させてしまうこととなる。
そこで、その対策として、上記電流狭窄構造により発光領域を3μm径程度まで小さくすることで、高次横モードが閉じ込められないようにし、単一横モード発振を達成する等の方法が用いられる。
しかしながら、このような発光領域を制限する方法では、発光領域が小さくなるために素子一個当たりの出力が大幅に低下する。
すなわち、基本横モードと高次横モード間に損失差を意図的に導入することで、ある程度広い発光領域を保ちながらも、単一横モード発振を可能にする方法が検討されている。
これは、面発光レーザ素子の光出射面である素子表面に段差加工を施すことで、高次横モードへの損失を基本横モードの損失よりも増大させる方法である。
なお、本明細書では、上記したように反射鏡の光出射面の光出射領域に、反射率を制御のために施された段差構造を、以下において表面レリーフ構造と称することとする。
VCSEL用のミラーとしては、一般に、屈折率の異なる二つの層を各々レーザ発振波長の1/4(以後、断りがなければこれを1/4波長と略記することもある)の光学的厚さで、交互に複数ペア積層する多層膜反射鏡が用いられている。
通常、この多層膜反射鏡は、高屈折率層で終端し、低屈折率である空気との最終界面の反射も利用して99%以上の高反射率を得ている。
このような凹型の表面レリーフ構造については、特許文献1にも開示されている。
図2(a)に示される低反射領域204では、高屈折率層206の最終層にさらに低屈折率層208(あるいは高屈折率層であっても良い)を付け加える。
これにより、多層膜反射鏡は1/4波長の光学的厚さだけ厚くして終端している凹型の表面レリーフ構造が得られる。
このような凹型の表面レリーフ構造によれば、多層膜反射鏡の最終層、ここでは低屈折率層208と、屈折率のより低い空気との界面での反射による光の位相は、その下に存在する多層膜反射鏡の全反射光の位相とπずれることになる。
このため、低反射率領域204では、反射率が99%以下にまで下がり、その反射損失を5〜15倍程度まで大きくすることができる。
この原理を用いて基本横モードと高次横モード間に損失差を導入するために、低反射領域204と高次横モード光分布212とのオーバーラップが大きくなるように、低反射領域204を光出射周辺部にのみ形成する。
一方、基本横モード光分布210は高屈折率層206が最終層になる高反射領域202とのオーバーラップが大きくなるように、高反射領域202を光出射中央部に残す。
これにより、高次横モードへの反射損を大きくして、高次横モードでの発振を抑え、基本横モードのみの発振が得られる。この場合、図2(a)が示すように、レリーフの形状としては凹型になる。
このような凸型の表面レリーフ構造は、非特許文献1にも開示されているが、この構成によっても、凹型と同じ原理で反射率を低下させることができ、基本横モード発振が可能となる。
しかしながら、表面レリーフ構造は、それを構成する層厚によって反射率が敏感に左右され、単一横モード化が大きく影響されることから、その作製に際して層厚制御がきわめて重要となる。
すなわち、表面レリーフ構造は、その作製に際して除去あるいは付加される層の厚さに、反射率(反射損失)が極めて敏感であるという特徴を有している。
図3は、非特許文献2に記載された図であって、横軸に表面レリーフにより除去される層厚、縦軸(左側)に導入される損失をプロットしたものである。
図3より、除去される層厚に対して、損失が周期的なピークを持つ様子が見て取れる。
しかも、そのピークは急峻で、所望の損失値を導入しようとすると、除去する層厚を極めて高い精度(+/−5nm以下)で制御する必要がある。
一方、損失の大きさは、シングルモード化の程度、さらにはその素子の出力特性に大きく影響する。
言い換えれば、表面レリーフ構造を作製するためには、除去あるいは付加される層厚を高い精度で簡便に把握でき、それに応じて層厚を調整することができれば、素子の作製における再現性および均一性は大幅に向上すると言える。
また、本発明は、上記面発光レーザの製造方法による面発光レーザで構成される面発光レーザアレイの製造方法、および面発光レーザアレイを備えている光学機器を提供することを目的とする。
前記上部反射ミラーの光出射部に、反射率の低い領域と該反射率の低い領域の中央部に形成された凹形状の反射率の高い領域とからなる反射率を制御するための構造を備え、波長λで発振する面発光レーザであって、
前記上部反射ミラーが複数の層を積層した積層構造体による多層膜反射鏡で構成され、前記多層膜反射鏡は、該多層膜反射鏡上の光出射周辺部に、λ/8以上3λ/8以下の光学的厚さを持つ位相調整層を備え、
前記位相調整層内にバンド間吸収を生じる吸収層が設けられており、
前記吸収層は、前記位相調整層の厚さ方向の真ん中に位置する層あるいは該真ん中に位置する層より表面側に配置されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、基板上に、下部反射ミラー、活性層、上部反射ミラーが積層されてなり、
前記上部反射ミラーの光出射部に、反射率の低い領域と該反射率の低い領域の中央部に形成された凹形状の反射率の高い領域とからなる反射率を制御するための構造を備え、波
長λで発振する面発光レーザであって、
前記上部反射ミラーが複数の層を積層した積層構造体による多層膜反射鏡で構成され、前記多層膜反射鏡は、該多層膜反射鏡上の光出射周辺部に、λ/8以上3λ/8以下の光学的厚さを持つ位相調整層を備え、
前記多層膜反射鏡を構成する前記積層構造体において真ん中に積層されている層よりも表面側に、バンド間吸収を生じる吸収層が設けられていることを特徴とする。
また、本発明の光学機器は、上記した面発光レーザアレイを複数個配置して構成されている面発光レーザアレイを光源として備えていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、基板上に、下部反射ミラー、活性層、上部反射ミラーが順次積層され、
前記上部反射ミラーの光出射部に、反射率の低い領域と該反射率の低い領域の中央部に凹形状の反射率の高い領域からなる反射率を制御するための構造を形成し、波長λで発振する面発光レーザを製造する面発光レーザの製造方法であって、
前記上部反射ミラーとして、複数の層を積層した積層構造体による多層膜反射鏡を形成する工程と、
バンド間吸収を生じる吸収層を有する反射率を下げるための位相調整層を、前記多層膜反射鏡上に形成する工程と、
前記位相調整層を形成する工程の後に、前記位相調整層の表面に光を照射することによって反射スペクトルを測定する工程と、
前記反射スペクトルを測定する工程において得られたブロードなディップ波長を測定する工程と、
前記ディップ波長に基づいて、前記位相調整層の厚さを調整する工程と、
を有することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、基板上に、下部反射ミラー、活性層、上部反射ミラーが順次積層され、
前記上部反射ミラーの光出射部に、反射率の低い領域と該反射率の低い領域の中央部に凹形状の反射率の高い領域からなる反射率を制御するための構造を形成し、波長λで発振する面発光レーザを製造する面発光レーザの製造方法であって、
前記上部反射ミラーとして、複数の層を積層した積層構造体による多層膜反射鏡を形成する際に、前記積層構造体において真ん中に積層されている層よりも表面側に、バンド間吸収を生じる吸収層を、前記積層構造体中に形成する工程と、
前記積層構造体に光を照射することによって反射スペクトルを測定する工程と、
前記反射スペクトルを測定する工程において得られたブロードなディップ波長を測定する工程と、
前記上部反射ミラーである多層膜反射鏡を形成した後に、該多層膜反射鏡上に反射率を下げるための位相調整層を形成する工程と、
前記ディップ波長に基づいて、前記位相調整層の厚さを調整する工程と、
を有することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザアレイの製造方法は、上記したいずれかに記載の面発光レーザの製造方法による面発光レーザを複数個配置する面発光レーザアレイの製造方法を構成することができる。
また、本発明によれば、上記面発光レーザの製造方法による面発光レーザで構成される面発光レーザアレイの製造方法、および面発光レーザアレイを備えている光学機器を実現することができる。
それは、本発明者らの鋭意検討した結果による、次の知見に基づくものである。
本発明者らは、素子形成前の面発光レーザ層構造をもつウエハの反射スペクトルを測定した。
これにより、図5の実線506、508、510に見られるようなブロードなディップ(窪み)514が生じることが明らかとなった。
そして、このようなディップによる波長(以下、これをディップ波長と記す)を把握することで、導入される損失量を定量的に見積もる方法を見出した。
このディップ波長はレリーフ構造における低反射領域を形成する層厚の情報を反映しており、その波長から導入される損失量を前もって見積もることができる。
言い換えれば、所望の損失量に対応するディップ波長になるように低反射領域を形成する表面層、すなわち位相調整層の層厚を調整すればよいと言える。
図5は吸収層における吸収係数の違いによるディップ形状の違いを説明するための図であるが、図5の低反射領域におけるディップ波長514が反射スペクトル測定から把握可能になるには、ウエハ層構造が以下の条件を満たすことが必要である。
第一の条件として、低反射領域を形成するために、高屈折率層で終端された多層膜反射鏡上にさらに1/8以上3/8以下の光学的厚さをもつ位相調整層を設ける。
また、第二の条件として、位相調整層や多層膜反射鏡内に、発振波長においてバンド間吸収程度(5000cm−1以上)の大きな吸収を起こす層を設ける。
第一の条件で付加する層は最表面に存在し、さらにその上部に存在する空気あるいは誘電体膜などの屈折率がさらに低い層との界面反射光が逆位相で反射するように位相、すなわち層厚を調整し、全体として反射率を低下させる。
本明細書において、この最終層を位相調整層と呼ぶことにする。
反射スペクトルはレーザ発振波長を中心に短波長側から長波長側をカバーするように測定する。
図4に示すように、Al0.5Ga0.5As高屈折率層416上に1/4波長の光学的厚さをもつようにGaAs位相調整層418が存在し、また、このGaAs層は発振波長680nmの光に対しバンド間吸収する。
ゆえに、上記第一と第二の二つの条件を満たしていることになる。
低反射領域におけるブロードなディップ波長514も、図5の実線506(吸収係数5000cm−1以上の場合)が示すように観察される。
本実施形態における構造では、1/4波長の光学的厚さをもつ層を位相調整層(GaAs層418)として通常の多層膜反射鏡412上に設けている。
したがって、この層と直下の高屈折率層(Al0.5Ga0.5As高屈折率層416)をあわせた1/2波長の光学的厚さが形成する構造から見ると、
上部には空気とGaAs層との界面による反射鏡が、下部には面発光レーザ上部多層膜反射鏡412による反射鏡がそれぞれ存在することになる。
すなわち、面発光レーザ共振器以外に、新たに共振器が低反射領域の最表面に形成されたことになり、その新規共振器の共振波長が位相調整層に起因するディップ波長514として観測される。
しかし、このままでは、上部反射鏡としての空気とGaAs層との界面と、下部反射鏡としての上部多層膜反射鏡との反射率が大きく異なることから、明瞭に共振波長を観測することは困難である。
そこで、第二の条件である吸収を導入することにより、共振波長における反射率が大きく落ち込ませることができる。このブロードなディップを形成することによりディップの共振波長の値が現実的に特定可能となる。
吸収がない、あるいは少ない場合には、ディップの落ち込みはほとんど認識できず、明瞭にその波長を特定することができない。
また、半導体の吸収として自由キャリア吸収などがあるが、1×1020cm−3程度の極めて高いドーピングを用いても、その吸収係数としては1000cm−1程度にすることしかできず、十分なディップが形成できず、本目的には不十分となる。
一方、バンド間吸収は一般的に5000cm−1以上あり、図5の506、508、510で見られるように十分なディップが得られ、波長を確定することができる。
したがって、この吸収層の構造、配置にはいくつかの望ましい形態が存在する。
まず、この吸収層は、上部多層膜反射鏡において結晶成長に用いた基板と反対側の表面側半分以内に設置する。好ましくは、上部多層膜反射鏡の表面側5ペア以内である。
これは、基本横モードで単一横モード発振する面発光レーザとして機能する場合は、面内方向の光分布は位相調整層が存在しない高反射領域に集中し、その深さ方向の光分布は図6の606が示すように表面に近くなるほど光分布が小さくなる。
一方、位相調整層の存在する低反射領域の反射スペクトルを測定している場合には、光分布は608のように最表面に近づくに従って大きくなる。
しかしながら、低反射領域であっても多層膜反射鏡内で活性層(基板)に近い側では、図6に示すように光分布は次第に大きくなっていく。
したがって、多層膜反射鏡で表面に近い側に配置することで、反射スペクトル測定時には必要な吸収が増えて明瞭な共振波長514の特定が可能になり、面発光レーザ動作時には不必要な吸収を減らして、素子特性の劣化を抑えることができる。
図6に示すように、多層膜反射鏡の表面側において、低反射領域では、この界面付近は光分布608が示すように腹になり吸収が増え、反射スペクトル測定においてディップ波長514がより明瞭に測定できることになる。
一方、高反射領域では、この界面付近の光分布606は節になり吸収を極力抑えることができ、素子特性への影響を最小限にすることが可能となる。
一方で厚くしすぎると素子駆動時に不必要な吸収が増えるため、多層膜反射鏡の構成層の半分(約30nm)より薄くするのが好ましい。
この場合の吸収層の層厚としては、除去されてしまうことから比較的厚くてもよく、また電極のためのコンタクト層としても使用することを考慮すると、10nm以上あるのが好ましい。より好ましくは20nm以上である。
具体的には、図6が示すような位相調整層(604、第一層)のみならず、その下の全て多層膜反射鏡の構成層(612、614、616)がばらついた場合を想定して検討した。
すなわち、その下の第二(612)、第三(614)、第四の層(616)が、別々に−20〜+20nmまで層厚が目標値(通常は1/4波長の光学的厚さ)からばらついた場合を、結晶成長などで起こり得るばらつきと想定した。
そして、この場合にディップ波長や反射損がどのように変化するかを検討した。
図6の各層は、具体的に図4に対応させると、第一層はGaAs位相調整層418であって1/4波長の光学的厚さを持つ層に相当する。
また、第二層はAl0.5Ga0.5As高屈折率層416に、第三層はAl0.9Ga0.1As低屈折率層414に相当する。
また、第四層はさらにその下の1/4波長の光学的厚さの層(Al0.5Ga0.5As高屈折率層)に相当する。
ここで損失として高反射領域202における損失値で規格化した値(規格化損失)を用いた。
この図より、第一層である位相調整層だけでなく、その下に存在する第二、第三、あるいは第四の層がばらついても、ばらついた量に応じて導入される損失がほぼ同じように変化することがわかった。
言い換えると、位相調整層の厚さだけを高い精度で制御しても、導入される損失を制御するには不十分であることを意味している。
この検討により、その下に存在する多層膜反射鏡の構成層も含めた全体的な層厚制御が必要であることが明らかになった。
ここで言うディップ波長のずれとは、位相調整層が1/4波長の光学的厚さをもつ場合のディップ波長を基準とし、その波長からのずれを意味する。
その様子を図8に示す。
横軸はディップ波長のずれであり、縦軸は図7と同様に規格化損失である。
結果として、第一層である位相調整層だけでなく、その下に存在する第二、第三、あるいは第四の層がばらついたとしても、ばらついた量に相当する分だけディップ波長がずれ、それに応じて損失がほとんど同じように低下することがみてとれる。
言い換えると、ディップ波長のずれさえ正確に把握していれば、どの層がどれだけばらついているかを細かく把握する必要なく、導入される損失を定量的に見積もることが可能であることがわかった。
さらに推し進めて、所望の損失が得られるように、ディップ波長がその損失に対応した値になるように、例えば位相調整層厚を調整することで必要な損失が得られることも、この図から理解できる。
例えば、680nmである赤色面発光レーザに対しては、AlGaAs、AlGaAsP、InGaAsP、InGaAsなどが挙げられる。850〜980nm帯の面発光レーザでは、InGaAsが挙げられる。
また、より短波長側のZnSe系面発光レーザでは、MgZnCdSSeTe、ZnCdSeなどが、GaN系面発光レーザにおいては、AlGaInNPAs、InGaNなどが挙げられる。
まず、所望の素子特性を得るために低反射領域における必要な損失値を決定する。
その損失に相当する層厚と、その場合の低反射領域におけるディップ波長を算出する。
例えば、図8で規格化損失として5が必要であれば、ディップ波長の目標値して1/4波長の光学的厚さで層厚を形成した場合の低反射領域におけるディップ波長からのずれは0nmになる。
一方、規格化損失として4が必要であれば、波長ずれの目標値は1/4波長の光学的厚さで形成した場合の低反射領域におけるディップ波長からの波長ずれは−4nm、あるいは+5nmとなる。
最終層である位相調整層まで結晶成長し終えた時点で反射スペクトルを測定し、そのディップ波長のずれが上述したような所望の値になっているかどうか確認する。
足りなければ、再度成長を行い、多すぎればエッチングを行うなどして調整する。
このように再度結晶成長を反射スペクトル測定後に行う可能性があるため、このウエハの最表面はAlを含まない層で終端するのが好ましい。
この場合には結晶成長装置から搬出する必要がないため、必ずしもAlを含む層で終端する必要がない。
ドライあるいはウェットエッチングにより、現在最表面にある位相調整層を取り除いて図2(a)にあるような凹型レリーフを形成する。
図3にあるように、高反射率(低損失領域)が得られる許容層厚は逆に広い(+/−15nm)ため、上記エッチングに求められる制御性は緩い。
一方で、より再現性、均一性を高めるためにエッチングストップ層による選択エッチングを利用しても良い。
ここでは、具体的には最終層であるGaAs層だけをその下に存在する高屈折率Al0.5Ga0.5As層に対してエッチングすればよく、例えばクエン酸系のエッチャントを利用することで時間に左右されずに、エッチング深さを制御することができる。
上記手順を踏むことで、高精度なレリーフ形成が可能になり、再現性および均一性の優れた素子形成が可能となる。
例えば、その他のIII−V族あるいはII−VI族化合物半導体などの様々な半導体材料に適用できる。
さらに、本実施の形態の上記構造は、誘電体材料や金属材料などその他の材料を用いたレリーフ構造にも適用可能である。
また、以上では面発光レーザを例にとって説明しているが、本発明の原理は面発光レーザ構造に限定されることなく、一般的な多層膜反射鏡を用いた発光および受光素子に適用可能である。
本実施形態においては、基板上に、下部反射ミラー、活性層、上部反射ミラーが積層されており、
前記上部反射ミラーの光出射部に、反射率の低い領域と該反射率の低い領域の中央部に形成された凹形状の反射率の高い領域とからなる反射率を制御するための構造を備え、波長λで発振する面発光レーザをつぎのように構成することができる。
前記上部反射ミラーを、複数の層を積層した積層構造体による多層膜反射鏡で構成する。
そして、前記多層膜反射鏡は、該多層膜反射鏡上の光出射周辺部に、λ/8以上3λ/8以下の光学的厚さを持つ位相調整層を備えた構成とする。
その際、前記位相調整層内に波長λに対して吸収係数が5000cm−1以上の吸収層が設けられるように構成することができる。
また、前記吸収層は、前記位相調整層の厚さ方向の真ん中に位置する層あるいは該真ん中に位置する層より表面側に配置されるように構成する。
また、前記吸収層は、厚さが10nm以上とすることが好ましい。
また、本実施形態においては、面発光レーザをつぎのように構成することができる。
すなわち、基板上に、下部反射ミラー、活性層、上部反射ミラーが積層されてなり、
前記上部反射ミラーの光出射部に、反射率の低い領域と該反射率の低い領域の中央部に形成された凹形状の反射率の高い領域とからなる反射率を制御するための構造を備え、波長λで発振する面発光レーザをつぎのように構成することができる。
前記上部反射ミラーを、複数の層を積層した積層構造体による多層膜反射鏡で構成する。
そして、前記多層膜反射鏡は、該多層膜反射鏡上の光出射周辺部に、λ/8以上3λ/8以下の光学的厚さを持つ位相調整層を備えた構成とする。
その際、前記多層膜反射鏡を構成する前記積層構造体において真ん中に積層されている層よりも表面側に、前記波長λに対して吸収係数が5000cm−1以上の吸収層が設けられるように構成する。
好ましくは、前記吸収層が、前記積層構造体の表面側から5ペア以内に設けられるように構成する。
また、前記吸収層は、前記多層膜反射鏡の表面側からみて、前記多層膜反射鏡における高屈折率層から低屈折率層へ移る界面に、該吸収層の一部が含まれるように配置される構成とすることができる。
また、前記吸収層の厚さは2nm以上30nm以下とすることが好ましい。
また、前記位相調整層は、前記多層膜反射鏡に対して選択エッチングすることによって構成することができる。
また、前記位相調整層の表面は、少なくともAlを含まない半導体層で形成することができる。
また、本実施形態においては、上記したいずれかに記載の面発光レーザを複数個配置して面発光レーザアレイを構成することができる。
また、本実施形態においては、上記した面発光レーザアレイを光源として備える光学機器を構成することができる。
また、本実施形態においては、面発光レーザの製造方法をつぎのように構成することができる。
すなわち、基板上に、下部反射ミラー、活性層、上部反射ミラーを順次積層する。
前記上部反射ミラーの光出射部に、反射率の低い領域と該反射率の低い領域の中央部に凹形状の反射率の高い領域からなる反射率を制御するための構造を形成する。
そして、波長λで発振する面発光レーザを製造する面発光レーザの製造方法を、つぎのように構成することができる。
まず、第1の工程において、前記上部反射ミラーとして、複数の層を積層した積層構造体による多層膜反射鏡を形成した後に、吸収係数が5000cm−1以上の吸収層を含めて、反射率を下げるための位相調整層を、前記多層膜反射鏡上に形成する。
次に、第2の工程において、前記位相調整層を形成する工程の後に、前記位相調整層の表面に光を照射することによって反射スペクトルを測定する。
次に、第3の工程において、前記反射スペクトルを測定する工程において得られたブロードなディップ波長を測定する。
次に、第4工程において、前記ディップ波長に基づいて、前記位相調整層の厚さを調整する。
また、前記吸収層を形成するに際し、該吸収層を前記位相調整層の厚さ方向の真ん中に位置する層あるいは該真ん中に位置する層より表面側に形成するようにしてもよい。
また、前記吸収層を形成するに際し、該吸収層の厚さが10nm以上になるように形成してもよい。
また、本実施形態においては、面発光レーザの製造方法をつぎのように構成することができる。
すなわち、基板上に、下部反射ミラー、活性層、上部反射ミラーを順次積層する。
前記上部反射ミラーの光出射部に、反射率の低い領域と該反射率の低い領域の中央部に凹形状の反射率の高い領域からなる反射率を制御するための構造を形成する。
そして、波長λで発振する面発光レーザを製造する面発光レーザの製造方法を、つぎのように構成することができる。
まず、第1の工程において、前記上部反射ミラーとして、複数の層を積層した積層構造体による多層膜反射鏡を形成する際に、
前記積層構造体において真ん中に積層されている層よりも表面側に、前記波長λに対して吸収係数が5000cm−1以上の吸収層を、前記積層構造体中に形成する。
次に、第2の工程において、前記吸収層を形成した後に、前記積層構造体に光を照射することによって反射スペクトルを測定する。
次に、第3の工程において、前記反射スペクトルを測定する工程において得られたブロードなディップ波長を測定する。
次に、第4の工程において、前記上部反射ミラーである多層膜反射鏡を形成した後に、該多層膜反射鏡上に反射率を下げるための位相調整層を形成する。
次に、第5の工程において、前記ディップ波長に基づいて、前記位相調整層の厚さを調整する。
また、前記吸収層を形成するに際し、好ましくは、該吸収層を前記積層構造体の表面側から5ペア以内に形成する。
また、前記吸収層を形成するに際し、前記多層膜反射鏡の表面側からみて、前記多層膜反射鏡における高屈折率層から低屈折率層へ移る界面に、
前記吸収層の一部が含まれるように形成してもよい。
また、前記吸収層を形成するに際し、該吸収層の厚さが2nm以上30nm以下になるように形成してもよい。
また、前記上部反射ミラーの光出射部における前記凹形状を形成するに際し、前記位相調整層を前記多層膜反射鏡に対して選択エッチングすることによって形成するようにしてもよい。
また、前記位相調整層を形成するに際し、前記位相調整層の表面に少なくともAlを含まない半導体層を形成するようにしてもよい。
また、本実施形態においては、上記したいずれかに記載の面発光レーザの製造方法による面発光レーザを複数個配置して製造する面発光レーザアレイの製造方法を構成することができる。
[実施例1]
実施例1として、680nmで発振する凹型の表面レリーフ構造を備えた垂直共振器型面発光レーザの構成例およびその製造方法について説明する。
図1に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの構成例を説明するための断面模式図を示す。
図1において、102はn側電極、104はn型GaAs基板、106はn型AlAs/Al0.5Ga0.5As多層膜反射鏡、108はn型AlGaInPスペーサ層、110はGaInP量子井戸活性層である。
112はp型AlGaInPスペーサ層、114はp型Al0.9Ga0.1As/Al0.5Ga0.5As多層膜反射鏡、116はAl0.98Ga0.02As酸化狭窄層である。
118はp型Al0.9Ga0.1As低屈折率層、120はp型Al0.5Ga0.5As高屈折率層である。
また、122は位相調整層であり、ここではGaAs層が用いられている。
また、この層はコンタクト層としても機能させるために5×1019cm−3以上の高濃度p型ドーピングを行っている。124は絶縁膜、126はp側電極である。
その多重量子井戸構造が内部光定在波の腹に位置するように、p型AlGaInPスペーサ層108、p型AlGaInPスペーサ層112の層厚を調整する。これらで構成される共振器としては発振波長である680nmに対して、その波長の整数倍の光学的厚さを持つように層厚を調整する。活性層自体の発光波長は面発光レーザ共振器の共振波長より短波側に発光ピーク波長(例えば660〜670nm)を持つように調整作製される。
この反射鏡の反射帯域の中心波長は発振波長である680nmに調節する。n型伝導性を得るために、SiやSeをドーピングする。
電気抵抗をさらに下げるために、二つの異なる屈折率層間に組成傾斜層を設けたり、光吸収を少なくしつつ電気抵抗を下げるために、光分布の腹周辺ではドーピング量を落とし節ではドーピング量をふやす変調ドーピングなどを用いたりしてもよい。
この反射鏡の反射帯域の中心波長は発振波長である680nmに調節する。p型伝導性を得るために、CやZnをドーピングする。電気抵抗をさらに下げるために、n型多層膜反射鏡で用いたような方法をp型反射鏡にも適用することが可能である。
p型多層膜反射鏡内で活性層に近いp型Al0.9Ga0.1As低屈折率層118のひとつをp型Al0.98Ga0.02As酸化狭窄層116に置き換えてある。この層を高温水蒸気雰囲気下で選択酸化させて素子周辺部から絶縁させることにより、中央部のみに電流が流れる電流狭窄構造を形成する。
本実施例では酸化狭窄により電流が流れる領域がほぼ円形で6um径になるように調節した。
本実施例では、基本モードによる単一横モード化のために、光出射中央部は通常どおり高屈折層120で終端して発振に必要な高反射率が得られるようにする。その際、光出射周辺部はその高屈折率層120上にさらに、位相調整層122を付け加えて、高次モードが発振に到らないような低反射率を得られるようにする。
その構造は上記した構造と同じであり、以下の工程により製造される。
まず、第1の工程において、位相調整層の層厚を決定する。
次に、第2の工程において、吸収層を決定する。
次に、第3の工程において、位相調整層に起因するディップ波長を計算する。
次に、第4の工程において、位相調整層成長後に反射スペクトルを測定し、次に、第3の工程でのディップ波長の計算値と比較し、ディップ波長の実測値が計算値に一致するまで位相調整層の層厚調整をする。
次に、第5の工程において、上記調整後のウエハによる素子を形成する。
第1の工程においては、まず、シングルモード化のために必要な損失をもたらす位相調整層の層厚を決定する。
本実施例では、図8が示すように規格化損失として5が得られる層厚として、1/4波長の光学的厚さをもつGaAs(この場合45nm)を選んだ。
ここでは1/4波長の光学的厚さを選んだが、必要な素子特性に応じて、例えば図7を参考に、必要な損失に対応する層厚を決定すればよい。
さらに、高反射領域を精度よく形成するために、この位相調整層122がp型Al0.5Ga0.5As高屈折率層120に対して選択エッチング可能に構成されていることが好ましい。
上記を満たす構造の例として、発振波長680nmに対して吸収層であるGaAs層を選択し、それを位相調整層すべてに配置した。
このGaAsによる位相調整層は多層膜反射鏡内のAl0.5Ga0.5As高屈折率層120に対してクエン酸系エッチャントなどを用いることで選択エッチングが可能である。
図10に計算結果を示す。ここでは、意図的に位相調整層の層厚を1/4波長の光学的厚さである目標値の45nmを基準に、−10nmから+10nmまで5nm毎に変化させた場合の反射スペクトルの変化を示す。
従来の面発光レーザウエハの反射スペクトルと大きく異なり、吸収層を含む位相調整層が形成する共振器の影響を強くうけ、多層膜反射鏡反射帯域スペクトル内にその共振器によるおおきなディップが明瞭に観測される。
位相調整層の厚さが変化するとそれに応じてそのディップ波長が変化し、ディップ波長の測定分解能が数nmあれば、層厚ばらつきも+/−5nm以内に十分収まり、所望の損失を導入することができる。
図11に実際の測定結果を示す。
図11(a)は、実際には位相調整層の層厚として45nmを狙って作製し、一旦結晶成長を終了してその反射スペクトルを測定した結果である。
この図11(a)と図10の結果を比較すると、ディップ波長は1/4波長の光学的厚さの場合よりも短波長側に出現している。
これは、層厚として45nmを実際には狙ったものの、その低温成長、あるいは高濃度Cドーピングのエッチバックにより成長速度が想定よりも遅くなり、7.5nm程度薄い37.5nmであると同定できる。
そこで、そのウエハを用いて7.5nm追加したものを用意した。
追加した層は最表面に存在する層と同じ高濃度CドーピングされたGaAs層である。これを結晶成長により追加した。
その反射スペクトルを測定した結果が図11(b)である。同じく図10と比較すると、調整した通り図11(b)でほぼ45nmになっていることが予想される。
このように本実施例の方法により、反射スペクトルからディップ波長を求め、そこから極めて精度の高い損失制御が可能となった。
始めに、表面レリーフを形成する。そのためのマスクパターン形成として、誘電体層を堆積し、フォトリソグラフィー、バッファードふっ酸によるウェットエッチングを用いてSiO2をパターニングする。
続いて、クエン酸系エッチャントにより、Al0.5Ga0.5As高屈折率層120に対してGaAs位相調整層122の選択エッチングを行い、3.5umφの凹型レリーフを形成する。
次に、20〜30um径のメサを形成する。上記と同じように、誘電体層を再度パターニングしてドライエッチング等により、少なくともAlGaAs選択酸化層の側面が露出するまでエッチングを行う。
この時、レリーフ径の中心とメサ径の中心が揃うように注意してアライメントを行う。あるいは、セルフアライメントが可能になるようなプロセスを採用してもよい。
続いて、高温・水蒸気雰囲気下で必要なだけAl0.98Ga0.02As酸化狭窄層116をメサ周辺から酸化させる。
ここでは6um径で中央に電流が流れるような酸化狭窄領域になるように時間を調整する。その後、必要な誘電体層を堆積し、再度パターニングしてp型GaAsコンタクト層の一部を露出させ、その上部にリング状のTi/Auを蒸着してp側電極を形成する。
その後、n型GaAs基板の裏面にAuGe/Ni/Auを蒸着し、400℃前後でアニールすることでn側電極を形成する。
最後に必要な大きさのチップに切り出して、パッケージにダイボンディングし、p側電極をワイヤーボンディングして素子が完成する。
また、マスクをアレイ用に適切に設計することで、単一素子のみならず、素子が複数個二次元に配置されたアレイを作製することができる。このように、マスクのみの変更で、比較的容易にアレイ構造が得られる点が面発光レーザの利点である。
以上に説明した本実施例の構成によれば、反射スペクトル測定から、導入される損失量の再現性を大幅に向上させ、ウエハ間での再現性および均一性を大幅に向上させることができる。
実施例2として、同じく680nmで発振する凹型の表面レリーフ構造を備えた垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図9に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの構成例を説明するための断面模式図を示す。
図9では、図1に示した構成と同様の構成には同一の符号が付されており、重複する部分の説明は省略し、異なる構造について説明する。
図9において、902は位相調整層、904はGaAs吸収層である。
この位相調整層902はちょうど1/4波長の光学的厚さをもつような厚さに設定している。
この位相調整層902でも発振波長680nmの光は吸収されるが、より確実な吸収を起こすために、10nmのGaAs吸収層904を、44nmのAl0.5Ga0.5As高屈折率層120と、48nmのAl0.9Ga0.1As低屈折率層118との、界面に配置した。
この界面は図6でいう高屈折率層から低屈折率層へ移る界面610に相当する。
したがって、44nmのAl0.5Ga0.5As高屈折率層120、10nmのGaAs吸収層902の1/2の5nmで1/4波長の光学的厚さに対応し、残り1/2の5nmのGaAs吸収層902と48nmのAl0.9Ga0.1As低屈折率層118で1/4波長の光学的厚さに対応するようになっている。
以上のような本実施例による構造を用いれば、実施例1で示した方法により導入する損失量を見積もり、均一性、再現性の高い素子を形成することができる。
実施例3として、980nmで発振する凹型の表面レリーフ構造を備えた垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図13に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの構成例を説明するための断面模式図を示す。
図13では、図1に示した構成と同様の構成には同一の符号が付されており、重複する部分の説明は省略し、異なる構造について説明する。
図13において、1306はn型Al0.9Ga0.1As/GaAs多層膜反射鏡、1308はn型AlGaAsスペーサ層、1310はInGaAs量子井戸活性層である。
1312はp型AlGaAsスペーサ層、1314はp型Al0.9Ga0.1As/GaAs多層膜反射鏡、1320はp型GaAs高屈折率層である。また、1322は位相調整層であり、ここではGaAs層と吸収のためのIn0.3Ga0.7As層1328を用いている。
この多重量子井戸が内部光定在波の腹に位置するように、n型AlGaAsスペーサ層1308、p型AlGaAsスペーサ層1312の層厚を調整する。
これらで構成される共振器としては発振波長980nmに対して、その波長の整数倍の光学的厚さを持つように層厚を調整する。活性層自体の発光波長は960〜970nmに発光ピーク波長を持つように調整作製される。
コンタクト層を兼ねるため、5×1019cm−3以上に高ドーピングしている。
ここで、上記のような配置、層厚のIn0.3Ga0.7As層は、発光波長である980nmに対してバンド間吸収層となり、反射スペクトルにおいて位相調整層に起因するディップ波長が明瞭に観測される。
以上のような本実施例による構造を用いれば、実施例1で示した方法により導入する損失量を見積もり、均一性、再現性の高い素子を形成することができる。
実施例4として、本発明の垂直共振器型面発光レーザを適用して構成した光学機器の構成例について説明する。
ここでは、光学機器として、本発明の垂直共振器型面発光レーザによる赤色面発光レーザアレイを用いて構成した画像形成装置の構成例について説明する。
図12に、本実施例の赤色面発光レーザによるレーザアレイを実装した電子写真記録方式の画像形成装置の構造図を示す。
図12(a)は画像形成装置の上面図であり、図12(b)は同装置の側面図である。
図12において、1200は感光体、1202は帯電器、1204は現像器、1206は転写帯電器、1208は定着器、1210は回転多面鏡、1212はモータである。
また、1214は赤色面発光レーザアレイ、1216は反射鏡、1220はコリメータレンズ及び1222はf−θレンズである。
具体的には、図12に示されるモータ1212は、回転多面鏡1210を回転駆動するように構成されている。
また、本実施例における回転多面鏡1210は、6つの反射面を備えている。1214は記録用光源であるところの赤色面発光レーザアレイである。
この赤色面発光レーザアレイ1214は、レーザドライバ(図示せず)により画像信号に応じて点灯または消灯し、こうして変調されたレーザ光は、赤色面発光レーザアレイ1214からコリメータレンズ1220を介し回転多面鏡1210に向けて照射される。
この反射光は、f−θレンズ1222により歪曲収差の補正等を受け、反射鏡1216を経て感光体1200に照射され、感光体1200上で主走査方向に走査される。
このとき、回転多面鏡1210の1面を介したビーム光の反射により、感光体1200の主走査方向に赤色面発光レーザアレイ1214に対応した複数のライン分の画像が形成される。
本実施例においては、4×8の赤色面発光レーザアレイ1214を用いており、32ライン分の画像が同時に形成される。
また、感光体1200は矢印方向に回転していて、形成された静電潜像は、現像器1204により現像され、現像された可視像は転写帯電器1206により、転写紙(図示せず)に転写される。
可視像が転写された転写紙は、定着器1208に搬送され、定着を行った後に機外に排出される。
以上説明したように、本実施例による赤色面発光レーザアレイを電子写真記録方式の画像形成装置に用いることにより、高速・高精細印刷を可能とする画像形成装置を得ることが可能となる。
例えば、本発明の垂直共振器型面発光レーザを適用して構成した光源を用い、該光源からの光を画像表示体上に入射させ、画像の表示をするようにしてプロジェクションディスプレイ等の光学機器を構成するようにしてもよい。
104:n型GaAs基板
106:n型AlAs/Al0.5Ga0.5As多層膜反射鏡
108:n型AlGaInPスペーサ層
110:GaInP量子井戸活性層
112:p型AlGaInPスペーサ層
114:p型Al0.9Ga0.1As/Al0.5Ga0.5As多層膜反射鏡
116:Al0.98Ga0.02As酸化狭窄層
118:p型Al0.9Ga0.1As低屈折率層
120:p型Al0.5Ga0.5As高屈折率層
122:位相調整層
124:絶縁膜
126:p側電極
902:位相調整層(GaAs/Al0.9Ga0.1As層)
904:吸収層(GaAs層)
Claims (20)
- 基板上に、下部反射ミラー、活性層、上部反射ミラーが積層されており、
前記上部反射ミラーの光出射部に、反射率の低い領域と該反射率の低い領域の中央部に形成された凹形状の反射率の高い領域とからなる反射率を制御するための構造を備え、波長λで発振する面発光レーザであって、
前記上部反射ミラーが複数の層を積層した積層構造体による多層膜反射鏡で構成され、前記多層膜反射鏡は、該多層膜反射鏡上の光出射周辺部に、λ/8以上3λ/8以下の光学的厚さを持つ位相調整層を備え、
前記位相調整層内にバンド間吸収を生じる吸収層が設けられており、
前記吸収層は、前記位相調整層の厚さ方向の真ん中に位置する層あるいは該真ん中に位置する層より表面側に配置されていることを特徴とする面発光レーザ。 - 前記吸収層の吸収係数は、前記波長λに対して5000cm-1以上であることを特徴とする請求項1に記載の面発光レーザ。
- 前記吸収層は、厚さが10nm以上であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の面発光レーザ。
- 基板上に、下部反射ミラー、活性層、上部反射ミラーが積層されてなり、
前記上部反射ミラーの光出射部に、反射率の低い領域と該反射率の低い領域の中央部に形成された凹形状の反射率の高い領域とからなる反射率を制御するための構造を備え、波長λで発振する面発光レーザであって、
前記上部反射ミラーが複数の層を積層した積層構造体による多層膜反射鏡で構成され、前記多層膜反射鏡は、該多層膜反射鏡上の光出射周辺部に、λ/8以上3λ/8以下の光学的厚さを持つ位相調整層を備え、
前記多層膜反射鏡を構成する前記積層構造体において真ん中に積層されている層よりも表面側に、バンド間吸収を生じる吸収層が設けられていることを特徴とする面発光レーザ。 - 前記吸収層の吸収係数は、前記波長λに対して5000cm-1以上であることを特徴と
する請求項4に記載の面発光レーザ。 - 前記吸収層が、前記積層構造体の表面側から5ペア以内に設けられていることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の面発光レーザ。
- 前記吸収層は、前記多層膜反射鏡の表面側からみて、前記多層膜反射鏡における高屈折率層から低屈折率層へ移る界面に、該吸収層の一部が含まれるように配置されていることを特徴とする請求項4から6のいずれか1項に記載の面発光レーザ。
- 前記吸収層は、厚さが2nm以上30nm以下であることを特徴とする請求項4から7のいずれか1項に記載の面発光レーザ。
- 前記位相調整層は、前記多層膜反射鏡に対して選択エッチングすることによって構成されていることを特徴とする請求項4から8のいずれか1項に記載の面発光レーザ。
- 請求項1から9のいずれか1項に記載の面発光レーザを複数個配置して構成されている面発光レーザアレイを光源として備えていることを特徴とする光学機器。
- 基板上に、下部反射ミラー、活性層、上部反射ミラーが順次積層され、
前記上部反射ミラーの光出射部に、反射率の低い領域と該反射率の低い領域の中央部に凹形状の反射率の高い領域からなる反射率を制御するための構造を形成し、波長λで発振する面発光レーザを製造する面発光レーザの製造方法であって、
前記上部反射ミラーとして、複数の層を積層した積層構造体による多層膜反射鏡を形成する工程と、
バンド間吸収を生じる吸収層を有する反射率を下げるための位相調整層を、前記多層膜反射鏡上に形成する工程と、
前記位相調整層を形成する工程の後に、前記位相調整層の表面に光を照射することによって反射スペクトルを測定する工程と、
前記反射スペクトルを測定する工程において得られたブロードなディップ波長を測定する工程と、
前記ディップ波長に基づいて、前記位相調整層の厚さを調整する工程と、
を有することを特徴とする面発光レーザの製造方法。 - 前記吸収層の吸収係数は、前記波長λに対して5000cm-1以上であることを特徴とする請求項11に記載の面発光レーザの製造方法。
- 前記吸収層を形成するに際し、該吸収層を前記位相調整層の厚さ方向の真ん中に位置する層あるいは該真ん中に位置する層より表面側に形成する工程を有することを特徴とする請求項11または請求項12に記載の面発光レーザの製造方法。
- 基板上に、下部反射ミラー、活性層、上部反射ミラーが順次積層され、
前記上部反射ミラーの光出射部に、反射率の低い領域と該反射率の低い領域の中央部に凹形状の反射率の高い領域からなる反射率を制御するための構造を形成し、波長λで発振する面発光レーザを製造する面発光レーザの製造方法であって、
前記上部反射ミラーとして、複数の層を積層した積層構造体による多層膜反射鏡を形成する際に、前記積層構造体において真ん中に積層されている層よりも表面側に、バンド間吸収を生じる吸収層を、前記積層構造体中に形成する工程と、
前記積層構造体に光を照射することによって反射スペクトルを測定する工程と、
前記反射スペクトルを測定する工程において得られたブロードなディップ波長を測定する工程と、
前記上部反射ミラーである多層膜反射鏡を形成した後に、該多層膜反射鏡上に反射率を下げるための位相調整層を形成する工程と、
前記ディップ波長に基づいて、前記位相調整層の厚さを調整する工程と、
を有することを特徴とする面発光レーザの製造方法。 - 前記吸収層の吸収係数は、前記波長λに対して5000cm-1以上であることを特徴とする請求項14に記載の面発光レーザの製造方法。
- 前記吸収層を形成するに際し、該吸収層を前記積層構造体の表面側から5ペア以内に形成する工程を有することを特徴とする請求項14または請求項15に記載の面発光レーザの製造方法。
- 前記吸収層を形成するに際し、前記多層膜反射鏡の表面側からみて、前記多層膜反射鏡における高屈折率層から低屈折率層へ移る界面に、
前記吸収層の一部が含まれるように形成する工程を有することを特徴とする請求項14から16のいずれか1項に記載の面発光レーザの製造方法。 - 前記吸収層を形成するに際し、該吸収層の厚さが2nm以上30nm以下になるように形成する工程を有することを特徴とする請求項14から17のいずれか1項に記載の面発光レーザの製造方法。
- 前記上部反射ミラーの光出射部における前記凹形状を形成するに際し、前記位相調整層を前記多層膜反射鏡に対して選択エッチングすることによって形成する工程を有することを特徴とする請求項14から18のいずれか1項に記載の面発光レーザの製造方法。
- 請求項11から19のいずれか1項に記載の面発光レーザの製造方法による面発光レーザを複数個配置することを特徴とする面発光レーザアレイの製造方法。
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