JP5322800B2

JP5322800B2 - 垂直共振器型面発光レーザ

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Publication number: JP5322800B2
Application number: JP2009145550A
Authority: JP
Inventors: 武志内田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2029-06-18
Also published as: US8340149B2; US20100322277A1; JP2011003725A

Description

本発明は、垂直共振器型面発光レーザに関する。

垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：ＶｅｒｔｉｃａｌＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅＥｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒ）は、基板に対して垂直方向にレーザ光を出射させるレーザであり、高密度に２次元アレイ化が容易であるなどの利点を有している。
これらを高密度に集積したＶＣＳＥＬアレイを、電子写真に用いることにより高精細化や高速化が可能である。

ところで、ＶＣＳＥＬにおける課題の一つとして横モード制御があり、特許文献１では、ＤＢＲの最表面に凹凸の形状を形成し、それにより反射率に面内分布を形成するという構成（サーフェイスレリーフ）が提案されている。

図６に特許文献１で開示されている構成の概略を示す。
図６では、基板１３０１の上に半導体ＤＢＲ１３０２が積層され、その上に複数の量子井戸１３１３を含んだ共振器１３０４と半導体ＤＢＲ１３０３が形成されている。この半導体ＤＢＲ１３０３内にはＡｌ組成の高い選択酸化層１３１６が形成されている。
選択酸化層１３１６を横方向から酸化することで、電流狭窄を行なうための酸化部分１３１７と非酸化部分１３１８が形成されている。
半導体ＤＢＲ１３０３の最上層には上部電極１３２１と電気的コンタクトを取るためのコンタクト層１３２０が形成されている。
また、下部電極１３２２が、基板１３０１の裏面に設けられている。
コンタクト層１３２０の一部をエッチングすることにより領域１３２３が形成される。このエッチングにより、エッチングされた円形の領域１３２３では、エッチングされていない部分と比較して反射率が高くなる。
これにより、面発光レーザの中央部の反射率は周辺部の反射率に比べて高くなる。この結果、高次横モードの発振を抑制することができる。

また、非特許文献１では、半導体ＤＢＲの上に誘電体ＤＢＲを積層し、半導体ＤＢＲから電流注入を行なうイントラキャビティ型の面発光レーザが提案されている。

米国特許第６１４４６８２号明細書

Ｃｈｉｒｏｖｓｋｙｅｔ．ａｌ．，ＩＥＥＥ，ＰＴＬＶｏｌ．１１，１９９９，ｐｐ５００

上記特許文献１の構成では、上部電極１３２１からコンタクト層１３２０を通じて半導体ＤＢＲ１３０３に電流が注入される。
一般に、コンタクト層１３２０は電極金属と良好な電気的コンタクトを取るため、高濃度にドープされており、また正孔移動度が大きな半導体が用いられることが多く、コンタクト層はその下の半導体ＤＢＲ１３０３を構成する半導体層よりも電気伝導率が良い。
そのため、電極金属から流入した電流は高導電率のコンタクト層を横方向に流れ、その後半導体ＤＢＲ１３０３側へ拡散するように流れる。

一方、一般に半導体レーザでは、半導体結晶表面からのいわゆる上昇運動（＜１００＞ＤＬＤ）による劣化モードが存在する。
これは半導体結晶表面を始点として転移が発生し、そこから半導体内側へと転移が伸びることで生じる。
そしてこの転移は、電流によってその成長速度が加速する。
そのため、ＶＣＳＥＬ最表面のコンタクト層にダメージが入った場合には、これが始点となる転移の発生とそれによる劣化が起きる。
そして、上記したようにコンタクト層には高密度の電流が流れているため、電流により転移の成長が大幅に加速され、それにより素子に故障が生じることとなる。
さらに、図６のような構成の場合、電流はコンタクト層１３２０の端部と半導体ＤＢＲ１３０３の接触部分にさらに集中する。
そして、領域１３２３を形成するためのエッチングによる半導体表面および側面へのダメージも存在する。
そのため、図６に示される構成の場合には、コンタクト層１３２０表面より転移が発生し、より高密度な電流によりさらに急速に成長することとなる。このため、素子の急速な劣化と信頼性の低下を引き起こす。

また、非特許文献１のように、半導体ＤＢＲの上に誘電体ＤＢＲを積層すると、半導体結晶は半導体と誘電体の界面で終端されており、かつ最表面層に電流が流れるため半導体と誘電体との界面で転移が生じる可能性がある。
また、半導体プロセスの後に誘電体を積層すると、光学的な誤差要因が多くなり、厳密な膜厚制御や素子特性安定化が難しい。

本発明は、上記課題に鑑み、レーザ光出射領域を備えた上部ＤＢＲ層における電流が存在する領域と半導体表面を分離し、半導体表面を始点とする転移の成長が、電流により加速されることを抑制し、信頼性の高い垂直共振器型面発光レーザの提供を目的とする。

本発明は、つぎのように構成した垂直共振器型面発光レーザを提供するものである。
本発明の垂直共振器型面発光レーザは、
基板上に、下部ＤＢＲ層、上部ＤＢＲ層、これらの間に介在する活性層、とが少なくとも積層されて構成され、前記上部ＤＢＲ層の表面層にレーザ光を外部に出射するレーザ光出射領域を備えた垂直共振器型面発光レーザであって、
前記上部ＤＢＲ層は、ドーピングされた第１の多層膜半導体層と、ドーピングされていない第２の多層膜半導体層と、を備え、
前記上部ＤＢＲ層に設けられる電極が、前記第１の多層膜半導体層の上部であって、前記第２の多層膜半導体層に囲まれた領域に形成され、
前記レーザ光出射領域が前記第２の多層膜半導体層の表面層に形成されており、
前記第１の多層膜半導体層と前記第２の多層膜半導体層とが、連続した半導体単結晶で構成され、
前記第１の多層膜半導体層の表面層がコンタクト層によって形成され、該コンタクト層の上に前記第２の多層膜半導体層が積層されていることを特徴とする。

本発明によれば、レーザ光出射領域を備えた上部ＤＢＲ層における電流が存在する領域と半導体表面を分離し、半導体表面を始点とする転移の成長が、電流により加速されることを抑制し、信頼性の高い垂直共振器型面発光レーザを実現することができる。

本発明の実施形態および実施例１における赤色面発光レーザの構造を説明する断面模式図。従来例の図６の構造での上部ＤＢＲ表面付近の電流分布の計算モデル（図２（ａ））と計算結果（図２（ｂ））とについて説明する図。本発明の実施例１における構造での上部ＤＢＲ表面付近の電流分布の計算モデル（図３（ａ））と計算結果（図３（ｂ））とについて説明する図。本発明の実施例２における赤色面発光レーザ構造を説明する断面模式図。本発明の実施例３における赤色面発光レーザ構造を説明する断面模式図。従来例である特許文献１における垂直共振器型面発光レーザの構造を説明する断面模式図。

本発明に係る垂直共振器型面発光レーザの構成例について説明する。
本発明の実施形態の面発光レーザは、基板上に、下部ＤＢＲ層、上部ＤＢＲ層、これらの間に介在する活性層、とが少なくとも積層されて構成され、前記上部ＤＢＲ層の表面層にレーザ光を外部に出射するレーザ光出射領域が形成されている。
そして、上部ＤＢＲ層は、ドーピングされた第１の多層膜半導体層（第１の半導体ＤＢＲ）と、ドーピングされていない第２の多層膜半導体層（第２の半導体ＤＢＲ）とにより構成された構造を備えている。
また、上部電極が、第１の半導体ＤＢＲの上部であって、第２の半導体ＤＢＲに囲まれた領域に形成されている。
第１の半導体ＤＢＲと第２の半導体ＤＢＲと電極が上記のように構成されているため、電流密度が強い領域と、転移の始点となる半導体表面との重複領域が少なくなっている。
その結果、半導体表面に転移の始点となるダメージが存在しても、その成長を加速する電流が存在しないため、素子の劣化を抑制することが可能となる。

また、前述した非特許文献１のように、半導体ＤＢＲの上に誘電体ＤＢＲを積層すると、半導体と誘電体との界面で転移が生じる可能性がある。
また、半導体プロセスの後に誘電体を積層すると、光学的な誤差要因が多くなり、厳密な膜厚制御や素子特性安定化が難しい。
そのため、本発明に係る面発光レーザでは、上部ＤＢＲを構成する第１の半導体ＤＢＲと第２の半導体ＤＢＲとが、連続した半導体単結晶で構成されている。

また、ＤＢＲにＡｌＧａＡｓからなる３元混晶を用いる必要のある８５０ｎｍより短波長で発振するＶＣＳＥＬでは、コンタクト層には、コンタクト層以外の他の半導体層と比較して、高濃度にドーピングされているＧａＡｓを用いる。
ＧａＡｓ層の電気伝導率はその下のＡｌＧａＡｓ層と比較して特に大きいため、ＤＢＲを横方向に進む電流の大部分がコンタクト層内を流れることとなる。その結果、半導体表面層により高密度な電流が存在するため結晶の転位成長が促進され、素子の劣化を招くこととなる。
したがって、８５０ｎｍより短波長で発振するＶＣＳＥＬにおいては、本実施形態に係る構成を好適に用いることができる。

図１は本実施形態の層構成を示す図である。
本実施形態では、図１に示すようにＧａＡｓ基板１０１の上に光学的厚さが１／４波長のＡｌＡｓ層１１４、とＡｌＧａＡｓ層１１５で構成されたｎ−ＤＢＲ１０２が積層されている。
その上に、複数のＧａＩｎＰを用いた量子井戸１１３を含んだ光学的厚さが１波長のＡｌＧａＩｎＰを用いた共振器１０４が形成されている。
共振器１０４の上には、光学的厚さが１／４波長のＡｌ_０．９ＧａＡｓ層１３０とＡｌ_０．５ＧａＡｓ層１３１で構成される上部ＤＢＲ１０５（第１の半導体ＤＢＲ）がある。
ここで、上部ＤＢＲ１０５はｐ型にドーピングされたＡｌ_０．９ＧａＡｓ層１３０とＡｌ_０．５ＧａＡｓ層１３１、高ドープされたＧａＡｓコンタクト層１０７を有する。

さらに、コンタクト層１０７の上には、電気伝導性が低い絶縁性の半導体で構成されるノンドープＡｌＧａＩｎＰ層１１９とノンドープＧａＡｓ層１２０が形成されている。
なお、このノンドープＡｌＧａＩｎＰ層１１９とノンドープＧａＡｓ層１２０はＤＢＲとしての機能を果たし、上記した第２の半導体ＤＢＲに相当するものである。
また、ノンドープＡｌＧａＩｎＰ層１１９とノンドープＧａＡｓ層１２０の横に電気的コンタクトを取るための電極１１０が配置されここから出た電流はコンタクト層１０７を横方向へ進む。
コンタクト層１０７はノンドープＡｌＧａＩｎＰ層１１９とＤＢＲ１０５にはさまれているため、半導体表面には露出していない。
そのため、電流集中領域と半導体表面が分離され、半導体表面に転移が発生しても電流での加速が防止される。その結果、素子の劣化を防止することができる。

以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
図１を用いて、本発明の実施例１の垂直共振器型面発光レーザにおける赤色面発光レーザの構造について説明する。
図１に示すように、ＧａＡｓ基板１０１の上部にはｎ型ＡｌＡｓ層１１４／Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａ層１１５で構成されるＤＢＲ１０２が配置されている。
ＤＢＲ１０２の上には４つのＧａ_０．４５Ｉｎ_０．５５Ｐ量子井戸とそれをはさむＡｌＧａＩｎＰ層１１３で構成される光学厚さが１波長の共振器１０４が位置している。
共振器１０４の上にはｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層１３０とＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層１３１が３０ペアで構成されるＤＢＲ１０５が位置している。
ＤＢＲ１０５の活性層から第１層目のＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層には厚さ３０ｎｍのＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ酸化層１０６が挿入されている。
酸化層１０６は水蒸気により酸化された部分１１７と、直径６μｍの酸化されていない非酸化部分１１８に分かれている。
ＤＢＲ１０５の上には厚さ１０ｎｍの高ドープｐ型ＧａＡｓで構成されるコンタクト層１０７が位置している。
コンタクト層１０７の上部にはコンタクト層１０７と電気的接触が確保されている上部電極１１０がある。
そして、基板１０１の下には基板１０１と電気的接触が確保されている基板裏面の下部電極１１１がある。
さらに、コンタクト層１０７上には光学的厚さが発振波長の半波長のノンドープＡｌＧａＩｎＰ層１１９と光学的厚さが発振波長の１／４のノンドープＧａＡｓ層１２０がある。ノンドープＧａＡｓ層１２０は非酸化部分１１８と同じ中心軸を有し、直径４μｍの領域のＧａＡｓ層１２０が除去された部分１２３で構成されている。

つぎに、図２と図３を用いて、実施例１の構造と、従来の最表面のコンタクト層を加工した場合（図６）とを比較して、上部ＤＢＲ表面付近の電流分布の計算モデルと計算結果とについて説明する。
図２（ａ）には、特許文献１にあるような半導体ＤＢＲ１３０３の最表面にＧａＡｓコンタクト層１３２０を配置し、中央部分をエッチングした構造の場合、図３（ａ）には実施例１の構造の場合について示されている。
図２（ｂ）に示されているように、従来例の構造では最表面のＧａＡｓコンタクト層１３２０を横方向に高密度の電流が流れており、エッチングにより取り除かれた部分１３２３まで到達した電流は穴の側面を流れて行くのが分かる。
そのため、コンタクト層１３２０表面やエッチングした側面にダメージが入った場合には、コンタクト層１３２０を流れる高密度の電流により転移の成長が加速されてしまう。

図３（ｂ）に示されている本実施例での電流分布の計算結果によると、本実施例では、コンタクト層１０７より上層の半導体がノンドープであるため電流が表面の半導体を流れず、内部のコンタクト層１０７を横方向に流れていることが分かる。
そのため、半導体表面、具体的にはＧａＡｓ層１２０やＡｌＧａＩｎＰ層１１９にダメージが入った場合でも、この部分に電流が存在しないため電流による加速が無く、転移の成長を大幅に遅くするこができ、ＶＣＳＥＬの信頼性を改善することが出来る。

つぎに、本実施例における素子の作製手順について説明する。
まず、上記ＤＢＲ１０２、共振器１０４、ＤＢＲ１０５、高ドープｐ型ＧａＡｓ層１０７、ＡｌＧａＩｎＰ１１９、ＧａＡｓ層１２０の半導体層構成を有機金属気相成長法や分子線エピタキシー法で成長する。
そのウエハにスパッタ法を用いて誘電体膜を形成する。その後、半導体リソグラフィー法を用いてフォトレジストでリング状のパターンを形成する。
フォトレジストがない部分の誘電体膜及び最表面のノンドープＧａＡｓ層１２０を除去する。
その後、スパッタ法を用いて再度、誘電体膜を形成する。ここで、スパッタ法を用いたのは、レジスト側面が誘電体膜で覆われないようにするためである。
その後、リングの中央部分を覆うように異なる種類のフォトレジストを用いてマスクを形成する。
その後、リング状レジストの外周部分をメサ部を決定するマスクとして、ドライエッチングにより選択酸化層１０６が露出するように活性層部分１０４まで掘る。

その後、４５０℃程度の水蒸気雰囲気中でＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ選択酸化層１０６を横方向から酸化させるが、このとき酸化時間を制御することにより電流及び光閉じ込めする酸化部分１１７と酸化していない非酸化部分１１８を作成する。非酸化部分１１８の直径は６マイクロメートル程度となるように酸化時間を制御する。
その後、レジストを剥離し、ウエハ全体にわたってプラズマＣＶＤ法を用いてパッシベーションのための誘電体膜を形成する。
コンタクト層１０７を露出させるためのリング状に穴の開いたレジストパターンを形成し、それを用いて誘電体膜、ノンドープＧａＡｓ層１２０、ノンドープＡｌＧａＩｎＰ層１１８を除去しリング状にコンタクト層１０７が露出した部分を形成する。
真空蒸着法およびリソグラフィー法を用いてｐ側およびｎ側電極１１０、１１１を形成する。
ｐ側電極１１０は取り出しのための円形窓が形成されている。良好な電気特性を得るため、高温窒素雰囲気中で電極と半導体を合金化し素子が完成する。

［実施例２］
図４を用いて、実施例２における赤色面発光レーザ構造について説明する。
本実施例において、実施例１と同じ部材により構成される部材には符号を付している。
具体的には、ＧａＡｓ基板１０１の裏面の電極１１１からコンタクト層１０７までの層構成とｐ側電極１１０は実施例１と同じ部材である。本実施例と実施例１の違いは、コンタクト層１０７の上部に位置している第２のＤＢＲの構成、具体的には最上層の形状およびその下に位置する層の光学的厚さである。

実施例１の最上層、つまりノンドープＧａＡｓ層１２０は中心部分がエッチングされているのに対し、実施例２ではノンドープＧａＡｓ最上層がリング状にエッチングされ円筒形の中心部分２２０が形成されていることである。
最表面層のエッチングパターンは対照的であるが、ＤＢＲとしての光学的反射率は、つぎのような設計になっている。
すなわち、横モード制御を目的として、どちらも中心部分（実施例１ではエッチングされた部分１２３、本実施例であれば円筒形の最上層２２０）の反射率をその周囲と比較して高くする設計になっている。
そのため、本実施例と実施例１では上から２番目の各層（実施例１であればノンドープＡｌＧａＩｎＰ層１１９、本実施例であればノンドープＡｌＧａＩｎＰ層２１９）の光学的厚さが異なる。
実施例１ではＡｌＧａＩｎＰ層１１９は発振波長の半分の光学的厚さであったが、本実施例ではＡｌＧａＩｎＰ層２１９は発振波長の１／４の光学的厚さとなっている。

本実施例でもコンタクト層１０７の上部はノンドープとなっており、最表面層（ＡｌＧａＩｎＰ層２１９およびＧａＡｓ層２２０）には電流が流れない。
そのため、エッチングやその他の要因により半導体表面に転移の始点となるダメージが入ってもその成長が電流により加速されることがない。
その結果、これによる素子の劣化を防止することができ、素子の信頼性低下を防ぐことができる。

［実施例３］
実施例３では、図５を用いて上記実施例１、２と異なる構成例について説明する。
上記実施例１では、第２の多層膜半導体層の表面層の面内方向の中央部に形成されたレーザ光出射領域が、円形にエッチングして形成されている。
また、上記実施例２では、中心部分を残してリング状にエッチングして形成されている。しかし、横モードを制御する必要がない場合には、このような加工を施さなくてもよい。例えば、図５に示すように、導電性の第１のＤＢＲ１０５の上部にコンタクト層１０７を配置する。
そして、その上部にノンドープのＤＢＲとしてＡｌＧａＩｎＰ層３１９およびＧａＡｓ層３２０を配し、デバイス表面には実施例１や実施例２で示したような表面加工を施していない構成となっている。
なお、図５中の部材のうち、実施例１と同じ部材には同じ符号を付している。

本実施例では、ＤＢＲ最上層表面に意図的な加工を施さないので、それによるダメージは生じない。
しかし、加工工程において意図しない小さなダメージが入った場合には、それに端を発する故障が生じ、信頼性の低下が起きる。
それに対して、本実施例の構成では、加工工程において意図しない小さなダメージが入った場合でも、表面のＧａＡｓ層３２０やその下のＡｌＧａＩｎＰ層３１９に電流が流れていないため、転移の電流による大幅な加速が生じない。
その結果、ダメージに起因する故障を抑えることができ、信頼性の向上されることが可能となる。
また、実施例１、実施例２および本実施例の垂直共振器型面発光レーザを、同一基板上に複数配置し、レーザアレイとしてもよい。
また、１つの基板上に、実施例１から３で示した１つまたは複数配置した垂直共振器型面発光レーザをレーザビームプリンタに用いてもよい。

１０１：ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２：ｎ型ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓＤＢＲ
１０４：量子井戸を含む共振器
１０５：ｐ型ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＤＢＲ
１０６：厚さ３０ｎｍのＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層
１０７：厚さ１０ｎｍの高ドープｐ型ＧａＡｓ層
１１０：上部電極
１１１：下部電極
１１３：ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸
１１４：１０２を構成する高屈折率層
１１５：１０２を構成する低屈折率層
１１７：選択酸化層１０６のうち酸化工程により酸化された領域
１１８：選択酸化層１０６のうち酸化工程により酸化されていない領域
１１９：ノンドープＡｌＧａＩｎＰ層
１２０：ノンドープＧａＡｓ層
１２３：１２０ののうち円形に除去された部分
１３０：１０５を構成する低屈折率層
１３１：１０５を構成する高屈折率層

Claims

基板上に、下部ＤＢＲ層、上部ＤＢＲ層、これらの間に介在する活性層、とが少なくとも積層されて構成され、前記上部ＤＢＲ層の表面層にレーザ光を外部に出射するレーザ光出射領域を備えた垂直共振器型面発光レーザであって、
前記上部ＤＢＲ層は、ドーピングされた第１の多層膜半導体層と、ドーピングされていない第２の多層膜半導体層と、を備え、
前記上部ＤＢＲ層に設けられる電極が、前記第１の多層膜半導体層の上部であって、前記第２の多層膜半導体層に囲まれた領域に形成され、
前記レーザ光出射領域が前記第２の多層膜半導体層の表面層に形成されており、
前記第１の多層膜半導体層と前記第２の多層膜半導体層とが、連続した半導体単結晶で構成され、
前記第１の多層膜半導体層の表面層がコンタクト層によって形成され、該コンタクト層の上に前記第２の多層膜半導体層が積層されていることを特徴とする垂直共振器型面発光レーザ。
前記コンタクト層は、前記第１の多層膜半導体層における該コンタクト層以外の他の多層膜半導体層と比較して、高濃度にドーピングされていることを特徴とする請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
前記第２の多層膜半導体層の表面層は、該表面層の面内方向の中央部にレーザ光出射領域を備え、
前記レーザ光出射領域は、該レーザ光出射領域の中央部がエッチングされて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
前記第２の多層膜半導体層の表面層は、該表面層の面内方向の中央部にレーザ光出射領域を備え、
前記レーザ光出射領域は、中心部分を残してリング状にエッチングされて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ。