JP5392087B2 - 面発光レーザ - Google Patents
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Description
図2に示したλ/2微小共振器面発光レーザでは、光学的な共振器長がほぼλ/2である光共振器部212とそれを挟むように多層膜ブラッグ反射鏡211、213が形成されている。多層膜ブラッグ反射鏡211は、低屈折率層2111およびλ/4層2112(高屈折率層)から構成される。多層膜ブラッグ反射鏡213は、低屈折率層2132およびλ/4層2131(高屈折率層)から構成される。光共振器部212に隣接する多層膜反射鏡のλ/4層(高屈折率層)2112、2131は、光共振器部212の実効的な屈折率よりも高屈折率な層になっている。このような屈折率をもった層構造により定在波(電界強度曲線2122)の腹が光共振器部212のほぼ中心に位置し、そこに活性層2121を配置することでレーザ発振に必要な利得を得ることができる。
一般に、屈折率と半導体のバンドギャップには強い相関があり、バンドギャップが大きいほど屈折率は小さくなる傾向にある。λ/2共振器長のVCSELの場合、共振器部は実効的に小さな屈折率を有する層で構成される必要がある。たとえば光共振器部212の活性層2121を挟む層は、低屈折率層2123でなくてはならない。そのため、そのバンドギャップは必然的に大きくなる。電子および正孔キャリアはそれぞれn側とp側の層から活性層に注入されるが、バンドギャップの大きな低屈折率層2123はこのキャリア注入を阻害する。半導体DBR構造でも、高屈折率層と低屈折率層の交互多層膜で形成されている。このため、上述のキャリア注入の問題があるが、DBR構造では高濃度ドーピング層やグレーディット層といった構造をバンドギャップ差のある部分に適用することでキャリアを乗り越えさせることができる。しかし、これらの構造を光共振器部に適用しようとすると、光吸収が大きくなったり、活性層に大きな電界が印加されたりするため、適用することは困難である。このように、λ/2共振器VCSELに電流を注入しようとすると、バンドギャップの大きい低屈折率層2123にキャリア注入が阻害され、活性層に電流が注入されにくくなってしまう。
第1および第2の多層膜反射鏡と、
前記第1および第2の多層膜反射鏡に挟まれ光学的共振器長が発振波長(λ)の半分である共振器部と、
前記共振器部に隣接する前記第1および第2の多層膜反射鏡のλ/4層を構成する第1の高屈折率層および第2の高屈折率層と、
を有し、
前記共振器部は、
活性層と、
前記活性層と前記第1の高屈折率層との間に設けられる第3の低屈折率層と、
前記活性層と前記第2の高屈折率層との間に設けられる第4の低屈折率層と、
を有し、
前記第3の低屈折率層と前記第4の低屈折率層とが異なる半導体材料系で構成され、
前記第1の高屈折率層と前記第3の低屈折率層との間の多数キャリアに対するポテンシャル障壁および前記第2の高屈折率層と前記第4の低屈折率層との間の多数キャリアに対するポテンシャル障壁が、いずれも200meV以下である。
高屈折率層112は、λ/2光共振器部12に隣接するn側DBR11のλ/4層を構成する。また、高屈折率層132は、λ/2光共振器部12に隣接するp側DBR13のλ/4層を構成する。つまり、λ/2光共振器部12の両側が、高屈折率層112と高屈折率層132で挟まれている。また、活性層121と高屈折率層112との間に低屈折率層122Aが設けられるとともに、活性層121と高屈折率層132との間に低屈折率層122Bが設けられている。低屈折率層122Aおよび低屈折率層122Bは、大きなバンドギャップ層として機能する。
VCSELの緩和振動周波数を増大するための一つの手段として、光軸方向の光強度の広がりを小さくすることで実効的な光の体積を小さくし、光子密度を高める方法がある。光軸方向の光の広がりは、上下DBRへの光の侵入長と光共振器部の光路長を足したもので測られる。本実施形態では、光軸方向の光強度の広がりを小さくするために、光共振器の光路長を最小値であるλ/2程度にしている。
それと同時に、低屈折率層122Aおよび低屈折率層122Bは、正孔と電子のキャリアオーバーフローを抑制する効果も有する。これは、たとえば低屈折率層122Aはバンドギャップの大きくかつΔEc14が小さいので必然的に価電子帯バンド不連続値ΔEvの大きな材料となっており正孔に対するブロック層としても機能する。同様なことは、低屈折率層122Bにも当てはまる。この場合は伝導帯バンド不連続値ΔEcの大きな材料となっており電子に対するブロック層としても機能する。すなわち、低屈折率層122Aについては、電子は通しやすいが正孔は通しにくい層として機能し、低屈折率層122Bについては、正孔は通しやすいが電子は通しにくい層として機能することになる。
本実施形態における面発光レーザは、低閾値性、高効率性および高速変調性という高性能な素子特性を有するため、たとえば低消費電力性、高速変調特性等が必要とされる光インターコネクション用の光源として好適に用いられる。
λ/2光共振器部12のn側の低屈折率層122Aと隣接するn側DBR11の高屈折率層112との屈折率差を0.3以上にし、かつ、λ/2光共振器部12のp側の低屈折率層122Bと隣接するp側DBR13の高屈折率層132との屈折率差を0.3以上にすることで、活性層121から出た光はそれらの界面で反射され、λ/2光共振器部12に電界強度のピークを有するような、より一層良好なλ/2微小共振器VCSELを形成することができる。また、VCSELの動作安定性をさらに向上させることができる。なお、発振波長(λ)における高屈折率層112と低屈折率層122Aとの屈折率差および高屈折率層132と低屈折率層122Bとの屈折率差の上限に特に制限はなく、材料の選択により設定できるが、製造安定性の観点では、たとえば0.6以下とする。
また、AlGaInP系では、III族副格子の組成が、たとえば(AlxGa1-x)yIn1-yP(0≦x≦1、0.46≦y≦0.56)、さらに具体的には(AlxGa1-x)0.51In0.49P(0≦x≦1)であればほぼGaAs基板に格子整合する。
AlGaPSb系では、V族副格子の組成が、(AlxGa1-x)PzSb1-z(0≦x≦1、0.65≦z≦0.75)、さらに具体的には(AlxGa1-x)P0.7Sb0.3(0≦x≦1)であればほぼGaAs基板に格子整合する。
たとえば、n側DBR11またはp側DBR13が、半導体と誘電体との積層構造から形成されていてもよい。
以下、さらに具体的なVCSEL構造について、実施例により説明する。
図3、6を参照して、本実施例におけるVCSELを説明する。本実施例のVCSELの発振波長λは1070nmである。
まず、Siドープ(2×1018cm-3)のn型GaAs基板上に、n側DBR31(n型)を有機金属気相成長(MOCVD)法にて積層する。n側DBR31の低屈折率層311としては、Siドープ(2×1018cm-3)Al0.9Ga0.1As層が用いられ、高屈折率層312としては、Siドープ(2×1018cm-3)GaAs層が用いられる。n側DBR31は、低屈折率層と高屈折率層の一対を基本単位にして35.5ペアとなっている。もちろん、n側DBR31は、分子線エピタキシー成長(MBE)法を用いて形成してもよい。低屈折率層と高屈折率層との間には、電気抵抗低減のためにSiドープAlGaAsグレーディット層313が挿入される。DBRを構成する各層厚は、グレーディット層を含めいわゆるλ/4の多層反射膜になるように設計される。
そして、水蒸気雰囲気中の炉内において温度約400℃で約10分間加熱を行う。本実施例では、電流狭窄層のAl組成は0.98と大きく、p側DBR33の中のCドープAl0.9Ga0.1As低屈折率層331のAl組成0.9と差があるため酸化速度が速く、電流狭窄層335で選択的に酸化が進む。これにより、ドーナッツ型の電流ブロック構造が形成され、中心部には直径が約6μmの電流通過層が形成される。その後、電極として、AuGe合金のn型電極337を形成し、p型電極336については、基板表面からチタン(Ti)/金(Au)によりドーナッツ形状のp型電極を得る。
このVCSELの電流狭窄径6μmの素子の発振閾値電流は、0.7mA、微分抵抗は80Ωと良好な静特性を有した。本実施例により、ΔEc34およびΔEv35が200meV以下となり、活性層への電子および正孔キャリアの注入が容易になったため、電流注入阻害が解消され、素子の低抵抗化が実現されている。
本実施例では、実施例1に記載のVCSELにおいて、p側DBRの一部を誘電体DBRに代え、さらに横方向電流注入が容易になるようにトンネル接合部44を設けた。本実施例のバンド構造の模式図を図4に示す。また、本実施例のVCSELの模式的な断面図を図7に示す。本実施例のVCSELの発振波長λは1070nmである。
まず、Siドープ(2×1018cm-3)のn型GaAs基板上に、n側DBR41を積層する。n側DBR41は、低屈折率層411としてSiドープ(2×1018cm-3)Al0.9Ga0.1As層を有し、高屈折率層412としてSiドープ(2×1018cm-3)GaAs層を有し、これらの一対を基本単位にして35.5ペア積層されたn型DBR層である。また、低屈折率層と高屈折率層の間には、電気抵抗低減のためにSiドープAlGaAsグレーディット層413が挿入される。DBRを構成する各層厚は、グレーディット層を含めいわゆるλ/4の多層反射膜になるように設計される。
(1)第1および第2の多層膜反射鏡と、
前記第1および第2の多層膜反射鏡に挟まれ光学的共振器長が発振波長(λ)の半分である共振器部と、
前記共振器部に隣接する前記第1および第2の多層膜反射鏡のλ/4層を構成する第1の高屈折率層および第2の高屈折率層と、
を有し、
前記共振器部は、
活性層と、
前記活性層と前記第1の高屈折率層との間に設けられる第3の低屈折率層と、
前記活性層と前記第2の高屈折率層との間に設けられる第4の低屈折率層と、
を有し、
前記第3の低屈折率層と前記第4の低屈折率層とが異なる半導体材料系で構成され、
前記第1の高屈折率層と前記第3の低屈折率層との間の多数キャリアに対するポテンシャル障壁および前記第2の高屈折率層と前記第4の低屈折率層との間の多数キャリアに対するポテンシャル障壁が、いずれも200meV以下である、面発光レーザ。
(2)(1)に記載の面発光レーザにおいて、発振波長(λ)における前記第1の高屈折率層と前記第3の低屈折率層との屈折率差および前記第2の高屈折率層と前記第4の低屈折率層との屈折率差が、いずれも0.3以上である、面発光レーザ。
(3)(1)に記載の面発光レーザにおいて、当該面発光レーザがGaAs基板上に積層され、
前記第3および第4の低屈折率層のうち、電流注入時の多数キャリアが正孔である低屈折率層が、半導体材料系としてAlGaPSbから構成される、面発光レーザ。
(4)(3)に記載の面発光レーザにおいて、前記第3および第4の低屈折率層のうち、電流注入時の多数キャリアが電子である低屈折率層が、半導体材料系としてAlGaAsまたはAlGaInPから構成される、面発光レーザ。
(5)(1)に記載の面発光レーザにおいて、前記第1または第2の多層膜反射鏡が、半導体と誘電体の積層構造から形成されている、面発光レーザ。
Claims (4)
- 第1および第2の多層膜反射鏡と、
前記第1および第2の多層膜反射鏡に挟まれ光学的共振器長が発振波長(λ)の半分である共振器部と、
前記共振器部に隣接する前記第1および第2の多層膜反射鏡のλ/4層を構成する第1の高屈折率層および第2の高屈折率層と、
を有し、
前記共振器部は、
活性層と、
前記活性層と前記第1の高屈折率層との間に設けられる第3の低屈折率層と、
前記活性層と前記第2の高屈折率層との間に設けられる第4の低屈折率層と、
を有し、
前記第3の低屈折率層と前記第4の低屈折率層とが異なる半導体材料系で構成され、
前記第1の高屈折率層と前記第3の低屈折率層との間の多数キャリアに対するポテンシャル障壁および前記第2の高屈折率層と前記第4の低屈折率層との間の多数キャリアに対するポテンシャル障壁が、いずれも200meV以下であり、
発振波長(λ)における前記第1の高屈折率層と前記第3の低屈折率層との屈折率差および前記第2の高屈折率層と前記第4の低屈折率層との屈折率差が、いずれも0.3以上であり、
GaAs基板上に積層され、
前記第3および第4の低屈折率層のうち、電流注入時の多数キャリアが正孔である低屈折率層が、半導体材料系としてAlGaPSbから構成される、面発光レーザ。 - 第1および第2の多層膜反射鏡と、
前記第1および第2の多層膜反射鏡に挟まれ光学的共振器長が発振波長(λ)の半分である共振器部と、
前記共振器部に隣接する前記第1および第2の多層膜反射鏡のλ/4層を構成する第1の高屈折率層および第2の高屈折率層と、
を有し、
前記共振器部は、
活性層と、
前記活性層と前記第1の高屈折率層との間に設けられる第3の低屈折率層と、
前記活性層と前記第2の高屈折率層との間に設けられる第4の低屈折率層と、
を有し、
前記第3の低屈折率層と前記第4の低屈折率層とが異なる半導体材料系で構成され、
前記第1の高屈折率層と前記第3の低屈折率層との間の多数キャリアに対するポテンシャル障壁および前記第2の高屈折率層と前記第4の低屈折率層との間の多数キャリアに対するポテンシャル障壁が、いずれも200meV以下であり、
GaAs基板上に積層され、
前記第3および第4の低屈折率層のうち、電流注入時の多数キャリアが正孔である低屈折率層が、半導体材料系としてAlGaPSbから構成され、
前記第3および第4の低屈折率層のうち、電流注入時の多数キャリアが電子である低屈折率層が、半導体材料系としてAlGaAsまたはAlGaInPから構成される、面発光レーザ。 - 請求項1に記載の面発光レーザにおいて、前記第3および第4の低屈折率層のうち、電流注入時の多数キャリアが電子である低屈折率層が、半導体材料系としてAlGaAsまたはAlGaInPから構成される、面発光レーザ。
- 請求項1乃至3いずれかに記載の面発光レーザにおいて、前記第1または第2の多層膜反射鏡が、半導体と誘電体との積層構造から形成されている、面発光レーザ。
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