JP5729515B1 - 面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザの製造方法、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電流狭窄層の酸化領域の端部の傾斜の制御を容易にすることができる面発光型半導体レーザを提供する。【解決手段】面発光型半導体レーザは、基板上に、n型の下部DBR、活性領域104、p型の上部DBR106を有する。上部DBR106の最下層には、活性領域104と隣接するように電流狭窄層108が形成される。電流狭窄層108は、AlAsからなる高速酸化層108−1と、その直下に形成されるテーパ形成層108−2と、高速酸化層108−1上に形成される組成傾斜層108−3とを有する。組成傾斜層108−3のAl含有率の最大値は、高速酸化層108−1のAl含有率よりも小さい。【選択図】図2
Description
本発明は、面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザの製造方法、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置に関する。
面発光型半導体レーザは、基板に垂直な方向にレーザ出力を取り出せ、さらに2次元集積によるアレイ化が容易であることから、電子機器等の光源に利用されている。例えば、プリンターに内蔵されている感光体への潜像書込み用光源、光通信用光源、光学マウス用光源などに利用可能である。
高速、高画質の高性能プリンターで使用する面発光型半導体レーザは、シングルモード(基本横モード)の動作が要求される。今後はさらなる画質性能の改善に向けてシングルモード光出力を向上させ、偏光が安定した長寿命の面発光型半導体レーザが望まれるが、同時に、プリンターを構成する光学系との関係でレーザの広がり角の制御も重要である。面発光型半導体レーザにおいて、電流狭窄層の酸化領域の端部を傾斜させることで広がり角を制御することが知られている。例えば、AlAs層の直下にAlGaAs層を形成することで、酸化領域の端部のテーパ角を調整し、広がり角を制御している(特許文献1)。
Alの酸化速度は、Al組成が高いほど速くなる性質があるため、上記したようにAlAs層とその直下に形成されたAlGaAs層の積層構造を酸化させた場合、AlAs層の酸化速度とAlGaAs層との酸化速度の差によって、酸化領域端部の酸化領域と非酸化領域の境界に傾斜を持たせることができる。しかしながら、製造工程上の誤差等によりAlGaAsのAl含有率にはバラツキが生じるため、AlAs層とAlGaAs層とのAl含有率の違いのみで境界の傾斜角を正確に制御することは難しい。特に、AlAs層上に、素子抵抗を低減する目的でAl含有率が変化する組成傾斜層を設けた場合には、組成傾斜層による酸化の影響によっても傾斜角が変動し得る。傾斜角の変動は、酸化領域と非酸化領域との屈折率差の変動であり、結果として、傾斜した領域を通過するレーザ光の広がり角が変動してしまう。
本発明の目的は、面発光型半導体レーザの電流狭窄層の酸化領域の端部の傾斜の制御を容易にすることである。
請求項1は、第1の半導体多層膜反射鏡、活性領域、第2の半導体多層膜反射鏡、および選択的に酸化された酸化領域を含む電流狭窄層を備えた面発光型半導体レーザであって、前記電流狭窄層は、相対的にAl含有率が最も高い第1の半導体層と、前記活性領域側で第1の半導体層に隣接し、第1の半導体層よりもAl含有率の低いAlを含む第2の半導体層と、第2の半導体層と反対側で第1の半導体層に隣接しかつ前記第2の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層に隣接する組成傾斜層とを有し、前記組成傾斜層のAl含有率は、第1の半導体層から前記高屈折率層に向けて徐々に小さくなるように変化し、前記組成傾斜層のAl含有率の最大値は、第1の半導体層のAl含有率よりも小さく、前記組成傾斜層と前記第1の半導体層との境界でAl含有率が不連続に変化する、面発光型半導体レーザ。
請求項2は、前記組成傾斜層のAl含有率の最大値と第1の半導体層のAl含有率の差は、酸化速度差が1桁異なる大きさである、請求項1に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項3は、前記組成傾斜層の第1の半導体層側のAl含有率は、0.90以下である、請求項1または2に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項4は、前記第2の半導体層は、前記活性領域に隣接する、請求項1ないし3いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項5は、第1の半導体層は、AlAsである、請求項1ないし4いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項6は、第1の半導体層の膜厚は、10nm以上、50nm以下である、請求項1ないし5いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項7は、第1の半導体多層膜反射鏡、活性領域、第2の半導体多層膜反射鏡、および選択的に酸化された酸化領域を含む電流狭窄層を備えた面発光型半導体レーザの製造方法であって、前記電流狭窄層は、相対的にAl含有率が最も高い第1の半導体層と、前記活性領域側で第1の半導体層に隣接し、第1の半導体層よりもAl含有率の低いAlを含む第2の半導体層と、第2の半導体層と反対側で第1の半導体層に隣接しかつ前記第2の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層に隣接する組成傾斜層とを有し、前記電流狭窄層の成膜工程において、第1の半導体層を成膜するために第1の原料を処理チャンバーに供給し、第1の半導体層の成膜後に、前記組成傾斜層を成膜するために第2の原料を処理チャンバーに供給し、第2の原料の供給は、前記組成傾斜層のAl含有率が第1の半導体層から前記高屈折率層に向けて徐々に小さくなるように変化し、かつ前記組成傾斜層のAl含有率の最大値が、第1の半導体層のAl含有率よりも小さくなるように調整され、前記組成傾斜層と前記第1の半導体層との境界でAl含有率が不連続に変化する、製造方法。
請求項8は、前記第1の原料は、トリメチルアルミニウム(TMAl)を含み、前記第2の原料は、トリメチルアルミニウム(TMAl)とトリメチルガリウム(TMGa)を含み、前記組成傾斜層の成膜工程においてTMAlとTMGaの供給比が制御される、請求項7に記載の製造方法。
請求項9は、請求項1ないし6いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材と、を実装した面発光型半導体レーザ装置。
請求項10は、請求項9に記載された面発光型半導体レーザ装置と、前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段と、を備えた光伝送装置。
請求項11は、請求項1ないし6いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構と、を有する情報処理装置。
請求項2は、前記組成傾斜層のAl含有率の最大値と第1の半導体層のAl含有率の差は、酸化速度差が1桁異なる大きさである、請求項1に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項3は、前記組成傾斜層の第1の半導体層側のAl含有率は、0.90以下である、請求項1または2に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項4は、前記第2の半導体層は、前記活性領域に隣接する、請求項1ないし3いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項5は、第1の半導体層は、AlAsである、請求項1ないし4いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項6は、第1の半導体層の膜厚は、10nm以上、50nm以下である、請求項1ないし5いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項7は、第1の半導体多層膜反射鏡、活性領域、第2の半導体多層膜反射鏡、および選択的に酸化された酸化領域を含む電流狭窄層を備えた面発光型半導体レーザの製造方法であって、前記電流狭窄層は、相対的にAl含有率が最も高い第1の半導体層と、前記活性領域側で第1の半導体層に隣接し、第1の半導体層よりもAl含有率の低いAlを含む第2の半導体層と、第2の半導体層と反対側で第1の半導体層に隣接しかつ前記第2の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層に隣接する組成傾斜層とを有し、前記電流狭窄層の成膜工程において、第1の半導体層を成膜するために第1の原料を処理チャンバーに供給し、第1の半導体層の成膜後に、前記組成傾斜層を成膜するために第2の原料を処理チャンバーに供給し、第2の原料の供給は、前記組成傾斜層のAl含有率が第1の半導体層から前記高屈折率層に向けて徐々に小さくなるように変化し、かつ前記組成傾斜層のAl含有率の最大値が、第1の半導体層のAl含有率よりも小さくなるように調整され、前記組成傾斜層と前記第1の半導体層との境界でAl含有率が不連続に変化する、製造方法。
請求項8は、前記第1の原料は、トリメチルアルミニウム(TMAl)を含み、前記第2の原料は、トリメチルアルミニウム(TMAl)とトリメチルガリウム(TMGa)を含み、前記組成傾斜層の成膜工程においてTMAlとTMGaの供給比が制御される、請求項7に記載の製造方法。
請求項9は、請求項1ないし6いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材と、を実装した面発光型半導体レーザ装置。
請求項10は、請求項9に記載された面発光型半導体レーザ装置と、前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段と、を備えた光伝送装置。
請求項11は、請求項1ないし6いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構と、を有する情報処理装置。
請求項1によれば、組成傾斜層のAl含有率を第1の半導体層のAl含有率と等しくする場合と比較して、電流狭窄層の酸化領域の端部の傾斜の制御が容易になる。
請求項2によれば、酸化速度差が1桁異なる大きさでない場合と比較して、電流狭窄層の膜厚方向の酸化速度の制御が容易になる。
請求項3によれば、飽和された酸化速度を利用しない場合と比較して、電流狭窄層の膜厚方向の酸化速度の制御が容易になる。
請求項4によれば、活性領域に近接しない場合と比較して、広がり角を効果的に制御することができる。
請求項1によれば、第1の半導体層と高屈折率層間の素子抵抗を低減することができる。
請求項5によれば、AlGaAsと比較してAl含有率の制御を容易にすることができる。
請求項6によれば、電流狭窄層の膜厚方向の酸化速度の制御が容易になる。
請求項7、8によれば、第2の原料の供給を調整しない工程と比較して、組成傾斜層の成膜が容易になる。
請求項2によれば、酸化速度差が1桁異なる大きさでない場合と比較して、電流狭窄層の膜厚方向の酸化速度の制御が容易になる。
請求項3によれば、飽和された酸化速度を利用しない場合と比較して、電流狭窄層の膜厚方向の酸化速度の制御が容易になる。
請求項4によれば、活性領域に近接しない場合と比較して、広がり角を効果的に制御することができる。
請求項1によれば、第1の半導体層と高屈折率層間の素子抵抗を低減することができる。
請求項5によれば、AlGaAsと比較してAl含有率の制御を容易にすることができる。
請求項6によれば、電流狭窄層の膜厚方向の酸化速度の制御が容易になる。
請求項7、8によれば、第2の原料の供給を調整しない工程と比較して、組成傾斜層の成膜が容易になる。
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本発明の好ましい態様として、選択的に酸化された酸化領域を有する選択酸化型の面発光型半導体レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)を例示し、面発光型半導体レーザをVCSELと称する。なお、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調しており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。
図1(A)は、本発明の実施例に係るVCSELの構成例を示す概略断面図である。同図に示すように、VCSEL10は、n型のGaAs基板100上に、低屈折率層と高屈折率層を交互に重ねたn型の分布ブラック型反射鏡(Distributed Bragg Reflector:以下、DBRという)102、下部DBR102上に形成された活性領域104と、活性領域104上に形成された低屈折率層と高屈折率層を交互に重ねたp型の上部DBR106とを積層して構成される。また、基板100上には、上部DBR106から下部DBR102に至る円筒状のメサ(柱状構造)Mが形成されている。
下部DBR102は、例えば、n型のAl0.9Ga0.1As層とAl0.3Ga0.7As層との複数層積層体で、各層の厚さはλ/4nr(但し、λは発振波長、nrは媒質の屈折率)であり、これらを交互に40.5周期で積層してある。n型不純物であるシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は、3×1018cm-3である。
活性領域104は、上部および下部スペーサ層に挟まれた量子井戸活性層を含み、下部スペーサ層は、例えば、アンドープのAl0.6Ga0.4As層であり、量子井戸活性層は、例えば、アンドープAl0.11Ga0.89As量子井戸層およびアンドープのAl0.3Ga0.7As障壁層であり、上部スペーサ層は、例えば、アンドープのAl0.6Ga0.4As層である。
上部DBR106は、例えば、p型のAl0.9Ga0.1As層とAl0.3Ga0.7As層との積層体で、各層の厚さはλ/4nr(但し、λは発振波長、nrは媒質の屈折率)であり、これらを交互に20ないし30周期程度積層してある。p型不純物であるカーボンをドーピングした後のキャリア濃度は、3×1018cm-3である。また、上部DBR106の最上層には、p型GaAsからなるコンタクト層が形成され、コンタクト層のキャリア濃度は、例えば、1×1019cm-3である。
さらに上部DBR106の最下層であって、活性領域104に隣接するように、電流狭窄層108が形成される。電流狭窄層108は、p型のAlAsまたはAlGaAsを含んで構成され、酸化工程において選択的に酸化された酸化領域108Aと、酸化領域108Aによって囲まれた導電領域(酸化アパーチャ)108Bを有する電流狭窄構造を生成する。酸化領域108Aの屈折率は、導電領域108Bの屈折率よりも低くなり、かつ酸化領域108Aの電気的な抵抗が非常に高くなる。それ故、電流狭窄層108は、電流の閉じ込めと光の閉じ込めの双方を同時に行う。
上部DBR106上には、例えば、Ti/Auなどの積層金属から構成された環状のp側電極110が形成される。p側電極110の中央には、円形状の光出射口が形成され、光出射口の中心は、導電領域108Bの中心(光軸)にほぼ一致する。p側電極110は、上部DBR106に電気的に接続され、上部DBR106内にキャリアを注入する。
メサMの底部、側面および頂部の外縁を覆うように層間絶縁膜112が形成される。層間絶縁膜112は、例えば、SiN、SiON、SiO2などの誘電体膜から構成される。また、p側電極110の光出射口を覆うように円形状の出射保護膜112Aが形成される。出射保護膜112Aは、層間絶縁膜112と同時に形成されてもよいし、別々の工程で形成されてもよい。
層間絶縁膜112と出射保護膜112Aとの間には、p側電極110を露出させるコンタクトホールが形成され、当該コンタクトホールを介して金属配線114がp側電極110に接続される。金属配線114は、メサMの側面および底面を延在し、図示しない電極パッド等に接続される。また、基板100の裏面には、n側電極116が形成される。
次に、本実施例のVCSELの電流狭窄層の詳細について説明する。図2は、電流狭窄層を含むメサの片側半分の拡大断面図であり、図2(A)は、酸化前の状態、図2(B)は、酸化後の状態を示す。
図2(A)に示すように、電流狭窄層108は、上部DBR106のAl0.3Ga0.7Asからなる高屈折率層106−1と活性領域104との間に配置される。電流狭窄層108は、相対的に酸化速度が最も早い高速酸化層108−1と、高速酸化層108−1の直下に形成されるテーパ形成層108−2と、高速酸化層108−1上に形成される組成傾斜層108−3とを含んで構成される。高速酸化層108−1、テーパ形成層108−2、および組成傾斜層108−3からなる電流狭窄層108の光学的膜厚は、好ましくはλ/4であり、それ故、電流狭窄層108は、上部DBR106の低屈折率層として機能し得る。
高速酸化層108−1は、電流狭窄層108の中で最も酸化速度の速い層であり、言い換えれば、Al含有率が最も高い層である。好ましくは、高速酸化層108−1は、p型のAlAsから構成される。勿論、高速酸化層108−1は、AlAs以外にも、Al組成の高いAlGaAsから構成されることも可能であり、例えば、Al0.98Ga0.02Asから構成される。高速酸化層108−1の膜厚Tcは、好ましくはテーパ形成層108−2よりも薄く、より好ましくは、10nm≦膜厚Tc≦50nmである。
テーパ形成層108−2は、高速酸化層108−1よりもAl含有率が低い層であり、好ましくは、p型のAlGaAsから構成される。より好ましくは、シングルモード性、信頼性の観点から、AlAs直下のテーパ形成層のAl含有率は、0.80≦Al≦0.90である。
組成傾斜層108−3は、上部DBR106の高屈折率層106−1と高速酸化層108−1との間に形成された、p型のAlxGa1-xAsから構成される。組成傾斜層108−3のAl含有率(x)は、高速酸化層108−1から高屈折率層106−1に向けて徐々に小さくなるように変化される。また、組成傾斜層108−3の膜厚は、高速酸化層108−1の膜厚とほぼ等しいか、それより幾分薄い。本実施例では、組成傾斜層108−3の高速酸化層108−1側のAl含有率は、高速酸化層108−1のAl含有率よりも小さく、すなわち、高速酸化層108−1のAl含有率と、組成傾斜層108−3の最大のAl含有率との間には一定の差があり、両者の境界にはAl含有率の不連続が生じる。組成傾斜層108−3の高屈折率層106−1側のAl含有率は、高屈折率層106−1のAl含有率に等しい。
図2(A)に示す電流狭窄層は、酸化によって、図2(B)に示すような状態に変遷される。電流狭窄層の酸化を行う前に、図1(B)に示すように、上部DBR106上にエッチング用のマスクMKを形成し、当該マスクMKによって露出された半導体層を異方性エッチングし、円筒状のメサMを得る。このエッチングは、少なくとも電流狭窄層108が露出される深さまで行われ、好ましくは下部DBR102に到達する深さまで行われる。メサMの形成後、VCSEL10は、酸化炉内において水蒸気を含む窒素雰囲気下で酸化される。好ましくは、マスクMKを除去した後に、酸化される。
酸化工程において、図2(B)に示すように、メサMの側面Sで露出された電流狭窄層108が酸化される。このとき、高速酸化層108−1の酸化速度が最も速いため、この層の酸化が奥深くにまで進行する。テーパ形成層108−2は、高速酸化層108−1よりも酸化速度が遅いため、高速酸化層108−1よりも手前で酸化が終端する。その結果、テーパ形成層108−2内の酸化領域108Aと非酸化領域との境界には、テーパ長L、テーパ角θのテーパ(傾斜)Kが形成される。
図3は、高速酸化層とテーパ形成層の積層構造が酸化されるときの、高速酸化層の膜厚とテーパ角との関係を説明する図である。電流狭窄層108の水平方向の酸化速度をOX_H、垂直方向(積層方向)の酸化速度をOX_Vとする。ここでは、説明を分かり易くするため、高速酸化層108−1をAlAs層、テーパ形成層108−2をAl0.85Ga0.15As層とする。
電流狭窄層108のテーパKは、AlAs層108−1の水平方向の酸化速度OX_HとAlAs層からAl0.85Ga0.15As層にしみだす垂直方向の酸化速度OX_Vとの関係で決まる。図2(B)に示すようなテーパ角θが90度未満のテーパKを形成するには、水平方向の酸化速度OX_Hは、垂直方向の酸化速度OX_Vよりも速くなければならないが、水平方向の酸化速度OX_Hが速すぎると、広がり角に寄与する領域(光と重なる領域)においてはテーパの形成が困難になる。
垂直方向の酸化速度OX_Vは、AlGaAsのAl含有率が支配的であるが、水平方向の酸化速度OX_Hは、AlAsのAl含有率だけでなく膜厚にも影響される。図3に示すように、AlAs層の膜厚Tc1が相対的に薄くなると、水平方向の酸化速度OX_Hが小さくなり、膜厚Tc2がTc1よりも厚くなると、水平方向の酸化速度OX_Hが膜厚Tc1のときよりも大きくなる。さらに膜厚Tc3がTc2よりも厚くなれば、その分、水平方向の酸化速度OX_Hが大きくなる。
従って、垂直方向の酸化速度OX_Vが一定であるとき、水平方向の酸化速度OX_Hが大きくなれば、テーパKのテーパ角θが小さくなり、反対に、水平方向の酸化速度OX_Hが小さくなれば、テーパKのテーパ角θが大きくなる。つまり、AlAs層の膜厚を変化させれば、水平方向の酸化速度OX_Hが変化し、テーパ角θを制御することができる。例えば、テーパ角θをより小さくしたいのであれば、AlAs層の膜厚を大きくすれば良く、逆に、テーパ角θをより大きくしたいのであれば、AlAs層の膜厚を小さくすればよい。
但し、AlAsの膜厚を薄くしていくと、水平方向の酸化速度OX_Hは遅くなるが、水平方向の酸化速度OX_Hが、垂直方向の酸化速度OX_Vよりも小さくなると、テーパ角θが90度を超えるか、あるいはテーパ形成が困難になるため、AlAsの膜厚は、水平方向の酸化速度OX_Hが、垂直方向の酸化速度OX_Vよりも大きくなる膜厚でなければならない。
一方、AlAs層の膜厚が大きくなると、水平方向の酸化速度OX_Hが速くなり、垂直方向の酸化速度OX_Vとの差が大きくなり過ぎると、テーパKの制御が困難になる。図4に、AlAsと酸化速度との関係を示す(K.D.Choquette et al.,“Advances in selective oxidation of AlGaAs Alloys,”IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,vol.3,pp.916-926,(1997))。同グラフに示されるように、AlAs層の膜厚が約50nmを超えると酸化速度が飽和する。酸化速度が飽和する膜厚では、テーパの制御をすることができないため、テーパ制御に利用されるAlAs層の膜厚は、少なくとも50nm以下である。また、AlAsの膜厚が10nmより小さくなると、酸化速度が非常に小さくなりすぎ、テーパの制御をすることができなくなるため、AlAs層の膜厚は、少なくとも10nm以上である。
次に、電流狭窄層108が、高速酸化層108−1、テーパ形成層108−2および組成傾斜層108−3の三層構造から構成されるときの酸化領域のテーパ制御について説明する。図5(A)は、3層構造の電流狭窄層108の概略断面図であり、図5(B)は、本実施例の電流狭窄層108のAl含有率の変化を示し、図5(C)は、比較例の電流狭窄層のAl含有率の変化を示す。
組成傾斜層108−3は、AlAs層108−1と、上部DBR106の高屈折率層であるAl0.3Ga0.7As層106−1との間の電気的抵抗を低減するため、Al含有率を徐々に変化させる。本実施例では、図5(B)に示すように、組成傾斜層(AlXGa1−xAs)108−3のAlAs側のAl含有率、すなわち、Al含有率の最大値Max_xは、AlAs層108−1のAl含有率よりも小さく、言い換えれば、AlAs層108−1のAl含有率と、組成傾斜層108−3のAl含有率の最大値Max_xとの間には、一定の差分または不連続が生じる。また、組成傾斜層108−3のAl含有率の最小値Min_xは、高屈折率層106−1のAl含有率に等しい。図5(B)の例では、高速酸化層108−1がAlAsから構成されるため、組成傾斜層108−3の最大値Max_xは、1.0よりも小さく、例えば、0.96程度であり、最小値Min_xは、0.3である。
一方、比較例の電流狭窄層は、図5(C)に示すように、組成傾斜層(AlXGa1−xAs)のAlAs側のAl含有率、すなわちAl含有率の最大値Max_xは、高速酸化層108−1のAl含有率と等しく、その最小値Min_xは、高屈折率層106−1のAl組成に等しい。図5(C)の例では、高速酸化層108−1がAlAsから構成されるため、組成傾斜層の最大値Max_xは1.0であり、最小値Min_xは、0.3である。
組成傾斜層108−3が積層された電流狭窄層108を酸化すると、酸化時に、高速酸化層108−1から組成傾斜層108−3にも酸化がしみ出す。この際、比較例のように組成傾斜層のAlAs層側Al含有率をAlAsと同じ含有率にすると、高速酸化層の膜厚が幾分だけ増加し、それに伴い組成傾斜層への垂直(積層)方向の酸化速度OX_Vが大きくなるため、事実上、高速酸化層の膜厚管理が十分でなくなり、テーパKの制御が困難になる。これに対し、本実施例では、組成傾斜層108−3の高速酸化層層側のAl含有率(Max_x)を、高速酸化層108−1よりも低いAl含有率とすることで、高速酸化層108−1の膜厚を成膜条件通りに管理することができ、それ故、組成傾斜層108−3への垂直(積層)方向の酸化速度OX_Vが組成傾斜層108−3によって増加することがなくなり、テーパKの制御性が改善される。
図6は、Al含有率と酸化速度との関係を示すグラフである。Al含有率が1であるときの酸化速度を1で表している。AlAsとAl0.96Ga0.04Asとを比較すると、Al含有率の差が僅か4%程度でも、酸化速度は1桁変動する。また、高速酸化層108−1をAl0.98Ga0.02Asで形成した場合でも、組成傾斜層108−3のAlAs層側のAl含有率が91〜92%程度で、酸化速度が1桁変動する。好ましくは、組成傾斜層108−3のAl含有率の最大値Max_xと高速酸化層108−1のAl含有率の差は1〜3%であり、より好ましくは、酸化速度が1桁程度小さくなるぐらいの大きさである。例えば、高速酸化層108−1がAlAs層である場合には、組成傾斜層108−3のMax_xは、約0.96程度であり、高速酸化層108−1がAl0.98Ga0.02Asである場合には、組成傾斜層108−3のMax_xは、約0.91程度である。高速酸化層に対する組成傾斜層の酸化速度が1桁程度異なれば、組成傾斜層による垂直方向の酸化速度OX_Vの影響はほぼ無視することができる。
比較例のように、組成傾斜層のAl含有率の最大値Max_xを高速酸化層のAl含有率と等しくした場合には、高速酸化層の膜厚が事実上増加するため、垂直方向(膜厚方向)の酸化速度OX_Vが増加する。つまり、高速酸化層の膜厚を正確に制御しても、組成傾斜層によって膜厚が変動するため、垂直方向の酸化速度OX_Vが大きくなってしまい、テーパKの制御性が悪化する。本実施例のように、高速酸化層108−1よりもAl含有率が数%程度の差がある組成傾斜層108−3を形成することで、高速酸化層108−1の垂直方向(膜厚方向)の酸化速度OX_Vを、高速酸化層108−1の膜厚のみによって正確に制御することができ、テーパ制御に有効である。
また、図6に示すように、Al含有率が約0.9よりも小さくなると、酸化速度がほぼ0.01程度に飽和する。このため、組成傾斜層108−3のAl含有率の最大値Max_xを0.90以下とすれば、垂直方向の酸化速度OX_Vをより定常的に安定化することができる。他方、組成傾斜層108−3と高速酸化層108−1間のAl含有率の差が大きくなると、素子抵抗が上昇し、発熱による出力低下等の影響が懸念されるが、Al含有率の差が数%程度であれば、抵抗上昇を極力抑えつつテーパ制御性を改善することができる。
また、高速酸化層108−1の膜厚がテーパ形成層108−2の膜厚よりも厚くなると、テーパ形成層108−2の膜厚によってテーパが制限されてしまい、制御性が悪くなる。そのため、高速酸化層108−1の膜厚をテーパ形成層108−2よりも小さくすることでテーパの制御性が改善される。
次に、本実施例の電流狭窄層の好ましい製造方法について説明する。VCSELの製造は、有機金属気相成長(MOCVD)法を用いて行われ、n型のGaAs基板100上に、n型の下部DBR102、活性領域104、p型の上部DBR106が順次積層される。DBRの各層の膜厚は、媒質内波長の1/4となるように調整される。
活性領域104の成膜後、その上に電流狭窄層108が成膜される。電流狭窄層に含まれる組成傾斜層108−3のAlAs側で急峻な組成変化を形成する場合、III属原料としてはTMAl(トリメチルアルミニウム)やTMGa(トリメチルガリウム)が用いられる。AlGaAsのようなAlAsとGaAsの混晶の場合、III属原料の流量比を調整することで、AlとGaの組成比を調整することができる。AlAsの場合は、III属原料としてTMAlを使用し、GaAsの場合は、III属原料としてTMGaを用いる。AlGaAsの場合はTMAlとTMGaの両方を用いる。原料ガスの流量制御は、マスフローコントローラで行うが、急峻な組成変化を形成するためには、層が切り替わる境界において、次の層の組成比になるような流量に設定を瞬時に切り替える必要がある。
図7は、電流狭窄層を成膜するときのフローである。活性領域104上にテーパ形成層108−2が成膜されると(S100)、次に、処理チャンバー内に、AlAsを成膜するためのIII属原料としてTMAlのみが供給され、AlAs層の成膜が開始される(S102)。AlAsの膜厚は、原料ガスの供給時間によって制御される。それ故、AlAsの成膜時間が決められた値に到達したとき、AlAsの成膜が終了する(S104)。次に、組成傾斜層108−3の成膜が行われる。ここでは、組成傾斜層のAl含有率の最大値Max_xが0.95に設定されるものとする。処理チャンバーには、III属原料としてTMAlとTMGaが供給され、Al含有率が0.95から徐々に0.30に変化するようにIII属原料の原料ガスの流量比が制御される(S106)。組成傾斜層の成膜時間が決められた値に到達したとき、組成傾斜層の成膜が終了し(S108)、次に、上部DBR106の高屈折率層106−1の成膜が行われる(S110)。
上記実施例では、電流狭窄層を上部DBRの最下層に形成したが、電流狭窄層は、下部DBR内に形成されるものであってもよい。さらに電流狭窄層は、広がり角を制御することが可能であれば、電流狭窄層と活性領域との間に1ないし数層のAlGaAs層が挿入されてもよい。
さらに上記実施例では、基板上にメサを形成し、当該メサ側面から電流狭窄層を選択的に酸化するようにしたが、メサの形成は必須ではない。例えば、上部DBRから下部DBRに向けう複数の円形状の孔を形成し、複数の孔によって露出された電流狭窄層を選択的に酸化するようにしてもよい。複数の孔は、光軸を中心に円周方向に形成され、複数の孔の各々から酸化された領域が連結されることで、1つの酸化アパーチャが形成される。
さらに上記実施例では、AlGaAs系の化合物半導体層を用いた面発光型半導体レーザを例示したが、本発明は、他の化合物半導体層を用いた発光素子にも適用することができる。さらに上記実施例では、シングルスポットの面発光型半導体レーザを例示したが、本発明は、基板上に複数の発光部(メサ)が形成されたマルチスポットの面発光型半導体レーザアレイにも適用することができる。
次に、本実施例のVCSELを利用した面発光型半導体レーザ装置、光情報処理装置および光伝送装置について図面を参照して説明する。図8(A)は、VCSELと光学部材を実装(パッケージ)した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。面発光型半導体レーザ装置300は、VCSELが形成されたチップ310を、導電性接着剤320を介して円盤状の金属ステム330上に固定する。導電性のリード340、342は、ステム330に形成された貫通孔(図示省略)内に挿入され、一方のリード340は、VCSELのn側電極に電気的に接続され、他方のリード342は、p側電極に電気的に接続される。
チップ310を含むステム330上に矩形状の中空のキャップ350が固定され、キャップ350の中央の開口352内にボールレンズ360等の光学部材が固定されている。ボールレンズ360の光軸は、チップ310のほぼ中心と一致するように位置決めされる。リード340、342間に順方向の電圧が印加されると、チップ310から垂直方向にレーザ光が出射される。チップ310とボールレンズ360との距離は、チップ310からのレーザ光の広がり角θ内にボールレンズ360が含まれるように調整される。また、キャップ内に、VCSELの発光状態をモニターするための受光素子や温度センサを含ませるようにしてもよい。
図8(B)は、他の面発光型半導体レーザ装置の構成を示す図であり、同図に示す面発光型半導体レーザ装置302は、ボールレンズ360を用いる代わりに、キャップ350の中央の開口352内に平板ガラス362を固定している。平板ガラス362の中心は、チップ310のほぼ中心と一致するように位置決めされる。チップ310と平板ガラス362との距離は、平板ガラス362の開口径がチップ310からのレーザ光の広がり角度θ以上になるように調整される。
図9は、VCSELを光情報処理装置の光源に適用した例を示す図である。光情報処理装置370は、図8(A)または図8(B)のようにVCSELを実装した面発光型半導体レーザ装置300または302からのレーザ光を入射するコリメータレンズ372、一定の速度で回転し、コリメータレンズ372からの光線束を一定の広がり角で反射するポリゴンミラー374、ポリゴンミラー374からのレーザ光を入射し反射ミラー378を照射するfθレンズ376、ライン状の反射ミラー378、反射ミラー378からの反射光に基づき潜像を形成する感光体ドラム(記録媒体)380を備えている。このように、VCSELからのレーザ光を感光体ドラム上に集光する光学系と、集光されたレーザ光を光体ドラム上で走査する機構とを備えた複写機やプリンターなど、光情報処理装置の光源として利用することができる。
図10は、図8(A)に示す面発光型半導体レーザ装置を光伝送装置に適用したときの構成を示す断面図である。光伝送装置400は、ステム330に固定された円筒状の筐体410、筐体410の端面に一体に形成されたスリーブ420、スリーブ420の開口422内に保持されるフェルール430、およびフェルール430によって保持される光ファイバ440を含んで構成される。ステム330の円周方向に形成されたフランジ332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360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。
チップ310の表面から出射されたレーザ光は、ボールレンズ360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360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、光伝送装置400は、リード340、342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、光伝送装置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。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
10:VCSEL
100:基板
102:下部DBR
104:活性領域
106:上部DBR
106−1:高屈折率層
108:電流狭窄層
108−1:高速酸化層
108−2:テーパ形成層
108−3:組成傾斜層
108A:酸化領域
108B:導電領域(酸化アパーチャ)
110:p側電極
112:層間絶縁膜
114:金属配線
116:n側電極
100:基板
102:下部DBR
104:活性領域
106:上部DBR
106−1:高屈折率層
108:電流狭窄層
108−1:高速酸化層
108−2:テーパ形成層
108−3:組成傾斜層
108A:酸化領域
108B:導電領域(酸化アパーチャ)
110:p側電極
112:層間絶縁膜
114:金属配線
116:n側電極
Claims (11)
- 第1の半導体多層膜反射鏡、活性領域、第2の半導体多層膜反射鏡、および選択的に酸化された酸化領域を含む電流狭窄層を備えた面発光型半導体レーザであって、
前記電流狭窄層は、相対的にAl含有率が最も高い第1の半導体層と、前記活性領域側で第1の半導体層に隣接し、第1の半導体層よりもAl含有率の低いAlを含む第2の半導体層と、第2の半導体層と反対側で第1の半導体層に隣接しかつ前記第2の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層に隣接する組成傾斜層とを有し、
前記組成傾斜層のAl含有率は、第1の半導体層から前記高屈折率層に向けて徐々に小さくなるように変化し、
前記組成傾斜層のAl含有率の最大値は、第1の半導体層のAl含有率よりも小さく、前記組成傾斜層と前記第1の半導体層との境界でAl含有率が不連続に変化する、面発光型半導体レーザ。 - 前記組成傾斜層のAl含有率の最大値と第1の半導体層のAl含有率の差は、酸化速度差が1桁異なる大きさである、請求項1に記載の面発光型半導体レーザ。
- 前記組成傾斜層の第1の半導体層側のAl含有率は、0.90以下である、請求項1または2に記載の面発光型半導体レーザ。
- 前記第2の半導体層は、前記活性領域に隣接する、請求項1ないし3いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザ。
- 第1の半導体層は、AlAsである、請求項1ないし4いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザ。
- 第1の半導体層の膜厚は、10nm以上、50nm以下である、請求項1ないし5いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザ。
- 第1の半導体多層膜反射鏡、活性領域、第2の半導体多層膜反射鏡、および選択的に酸化された酸化領域を含む電流狭窄層を備えた面発光型半導体レーザの製造方法であって、
前記電流狭窄層は、相対的にAl含有率が最も高い第1の半導体層と、前記活性領域側で第1の半導体層に隣接し、第1の半導体層よりもAl含有率の低いAlを含む第2の半導体層と、第2の半導体層と反対側で第1の半導体層に隣接しかつ前記第2の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層に隣接する組成傾斜層とを有し、
前記電流狭窄層の成膜工程において、第1の半導体層を成膜するために第1の原料を処理チャンバーに供給し、
第1の半導体層の成膜後に、前記組成傾斜層を成膜するために第2の原料を処理チャンバーに供給し、
第2の原料の供給は、前記組成傾斜層のAl含有率が第1の半導体層から前記高屈折率層に向けて徐々に小さくなるように変化し、かつ前記組成傾斜層のAl含有率の最大値が、第1の半導体層のAl含有率よりも小さくなるように調整され、前記組成傾斜層と前記第1の半導体層との境界でAl含有率が不連続に変化する、製造方法。 - 前記第1の原料は、トリメチルアルミニウム(TMAl)を含み、前記第2の原料は、トリメチルアルミニウム(TMAl)とトリメチルガリウム(TMGa)を含み、前記組成傾斜層の成膜工程においてTMAlとTMGaの供給比が制御される、請求項7に記載の製造方法。
- 請求項1ないし6いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材と、
を実装した面発光型半導体レーザ装置。 - 請求項9に記載された面発光型半導体レーザ装置と、
前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段と、
を備えた光伝送装置。 - 請求項1ないし6いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、
前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構と、
を有する情報処理装置。
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