JP5735765B2 - 面発光レーザ、面発光レーザアレイ、面発光レーザアレイを光源とする表示装置、プリンタヘッドおよびプリンタ - Google Patents
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Description
特に、680nm付近の赤色発振面発光レーザにおいて、使用環境温度の変化に対して特性変動の小さい、温度特性に優れた面発光レーザに関するものである。また、これを用いた面発光レーザアレイ、面発光レーザアレイを光源とする表示装置、プリンタヘッドおよびプリンタヘッドを搭載したプリンタ等に適する技術に関するものである。
しかしながら、電流狭窄部により、発光領域の径を数μm程度と小さくすると、活性領域の体積が小さくなり、光出力が低下してしまう。
そこで、2つのDBRミラーで挟まれた活性領域の光強度分布の複数の極大部分に対応して、複数の活性領域を配置した周期利得構造を設けることによって、活性層の体積を増やし、光出力を増大させる方法が提案されている。
前記特許文献1に記載の技術は、複数の活性層に横方向からキャリヤを注入することにより、複数の活性層にキャリヤを均一に注入できる構成となっている。
注入されたキャリヤがP側の特定の活性領域に集中することで、N側の活性領域でキャリヤが不十分となる。
また、キャリヤを閉じ込める2つのクラッド層間に、複数の活性領域を有しているため、それぞれの活性領域にキャリヤを閉じ込める機能が不十分となり、温度特性が低下する。
また、本発明は上記面発光レーザにより構成された面発光レーザアレイ、面発光レーザアレイを光源とする表示装置、プリンタヘッドおよびプリンタの提供を目的とする。
前記複数の活性領域はそれぞれ多重量子井戸構造を有し、
前記量子井戸構造は、量子井戸層と障壁層とが交互に複数層配置され、かつ2つの量子井戸層の間には単層の障壁層が配置された構造であり、
前記複数の活性領域はそれぞれ利得領域の光強度が極大となる複数の位置に配置され、
前記活性領域の間に配置されたインターバリヤ層を備え、
前記インターバリヤ層の伝導帯エネルギー下端のエネルギー準位が、前記複数の位置の前記活性領域の前記多重量子井戸構造における障壁層の伝導帯エネルギー下端のエネルギー準位よりも高いエネルギー準位であり、
前記第2クラッド層がp型であり、
前記インターバリヤ層の伝導帯エネルギー下端のエネルギー準位が、前記第2クラッド層の伝導帯エネルギー下端のエネルギー準位よりも低いエネルギー準位であることを特徴とする。
また、上記面発光レーザにより構成された面発光レーザアレイ、面発光レーザアレイを光源とする表示装置、プリンタヘッドおよびプリンタを提供することができる。
本実施形態では、インターバリヤ層の伝導帯エネルギー下端のエネルギー準位が、活性領域における多重量子井戸構造の障壁層の伝導帯エネルギー下端よりも高いエネルギー準位に構成されている。
これにより、キャリヤを複数の活性領域に分配しつつ、それぞれの活性領域へのキャリヤ閉じ込めを向上させ、面発光レーザの特性の向上が測られる。
また、前記インターバリヤ層のバンドギャップを、それぞれの活性領域の障壁層のバンドギャップより大きくすることによって、インターバリヤ層の伝導帯エネルギー下端が障壁層の伝導帯エネルギー下端より高くなり、同様の効果が得られる。
なお、この構成では、インターバリヤ層のバンドギャップを広げると、ホールをブロックする効果が大きくなりすぎて、レーザ特性が低下する。
そこで、本実施形態では、インターバリヤ層にP型不純物をドーピングすることにより、ホールをブロックする効果を低減させ、レーザ特性の低下を軽減させるように構成することができる。
GaAsにほぼ格子整合するAlGaInP系では、Al組成の増加に伴ってΓ点の伝導帯エネルギー下端が上昇し、Al組成が0.32(Al0.32Ga0.18InP)付近で最高となり、その後Γ点の伝導帯エネルギー下端は低下する。
したがって、P側クラッド層による電子キャリヤのブロック効果は、Al組成が0.32(Al0.32 Ga0.18 InP)付近で最大となり、キャリヤオーバーフローの抑制も最大となる。
周期利得構造を構成する2つの活性領域101、103は、多重量子井戸構造を有しており、インターバリヤ層102は、2つの活性領域101、103の間に位置している。
そして、図1(b)に示すように、2つの活性領域101、103は、利得領域の光強度が極大となる別々の光強度のピーク位置に配置されている。なお、ここで極大とは、厳密な意味での極大値ではなく、本実施形態の効果を奏する範囲において、極大値付近も含む。
インターバリヤ層102の伝導帯エネルギー下端は、多重量子井戸構造における障壁層の伝導帯エネルギー下端より高いエネルギー準位を有している。
N側から注入されるキャリヤの一部をN側活性領域101に分配することにより、P側活性領域103へのキャリヤ集中を軽減する。
それと共に、それぞれの活性領域の障壁層における伝導帯エネルギー下端よりも、インターバリヤ層における高い伝導帯エネルギー下端が、分配されたキャリヤをそれぞれの活性領域101、103に閉じ込める構造となっている。
それと共に、キャリヤをそれぞれの活性領域に閉じ込めることによって温度特性を向上することができる。
上記面発光レーザの温度特性の向上は、活性領域のエネルギーバンド構造が、半導体材料の制限から伝導帯のエネルギー差を十分確保できない周期利得構造において、大きな効果が得られる。
特に、AlGaInP系材料で活性領域を形成する赤色面発光レーザにおいて、レーザ特性の向上が得られる。
図2は、本発明の面発光レーザの概略構成である。
n型電極6、GaAs基板7、n型GaAsバッファ層8、n型DBR層9(第1DBR層)、n型クラッド層10(第1クラッド層)、周期利得活性領域11(活性領域)、p型クラッド層12(第2クラッド層)を備える。
また、電流狭窄部13を構成する非酸化領域13aと周辺酸化領域13b、p型DBR層14(第2DBR層)、およびp型コンタクト層15、埋め込み絶縁層16、絶縁層17、p型電極18を備える。
周期利得活性領域11は、2つのN側、P側活性領域101、103、および、2つの活性領域の間に配置されるインターバリヤ層102で構成されている。
それぞれの活性領域は多重量子井戸構造から成り、インターバリヤ層の伝導帯エネルギー下端のエネルギー準位は、多重量子井戸構造の障壁層のエネルギー準位より高い。
図1に示されているように、インターバリヤ層102は、N側から注入される電子キャリヤの一部をN側活性領域101に分配することにより、P側活性領域103へのキャリヤ集中を軽減する。
それと共に、それぞれの活性領域を形成する障壁層よりも高いエネルギー準位を有するインターバリヤ層の伝導帯エネルギー下端が、分配されたキャリヤをそれぞれの活性領域101、103に閉じ込める構造となっている。
周期利得活性領域の伝導帯エネルギー関係が図1のバンド図となるように、
n型クラッド層10がAl0.32Ga0.18In0.5P、
活性領域の量子井戸層1011がGa0.38In0.52P、
障壁層1012がAl0.15Ga0.35In0.5P、
インターバリヤ層102がAl0.25Ga0.25In0.5P、
p型クラッド層12がAl0.32Ga0.18In0.5P、で構成されている。
なお、本発明は、上記構成に限られるものではなく、障壁層、インターバリヤ層、p型クラッド層は、AlxGa 0.5−xIn0.5Pで構成され、
障壁層のAl組成xが0.25以下、インターバリヤ層のAl組成xが0.32以下、p型クラッド層のAl組成xが0.32以上とすることができる。
図7は、周期利得活性領域の伝導帯エネルギー関係を示している。この比較例では本実施形態と異なり、活性領域の障壁層2012とインターバリヤ層202が同じ組成のAl0.25Ga0.25In0.5Pで構成されている。
つまり、インターバリヤ層202の伝導帯エネルギー下端のエネルギー準位は、多重量子井戸構造の障壁層2012の伝導帯エネルギー下端のエネルギー準位と同準位に構成されている。
図8は、比較例における周期利得活性領域をAlGaInP系で構成した赤色面発光レーザの電流−光出力特性を示す図である。
図3に示す本実施形態におけるレーザ特性との差異は、図8から明らかなように比較例では本実施形態と比較して、しきい電流値が1.6mAから2.5mAに増大し、8mAにおける光出力が3.5mWから2.7mWへ低下している。
図4では、温度特性の向上を図るため、図3の構成からインターバリヤ層102のAl組成を増加させてAl0.32Ga0.18In0.5Pとして、それぞれの活性領域にキャリヤの閉じ込め効果を上げた構成における電流−光出力特性が示されている。
図3と比較すると、しきい電流値が1.6mAから2.0mAに増大し、8mAにおける光出力は3.5mWから3.2mWに低下している。
また、図5は、上記図4の本発明の実施形態のものにおける特性低下を改善するために構成された更に本実施形態の別の構成によるVCSELの電流−光出力特性を示す図である。
図5では、図4のものにおける特性低下を改善するために、Al0.32Ga0.18In0.5Pのインターバリヤ層102をP型におよそ1017/cm3ドーピングした構成の電流−光出力特性が示されている。
図4と比較すると、しきい電流値が2.0mAから1.6mAに低下できており、8mAにおける光出力も3.2mWから3.3mWに増大できている。
表1は、以上の結果を一覧表にまとめたものである。
[表1]
これにより、キャリヤを複数の活性領域に分配しつつ、それぞれの活性領域へのキャリヤ閉じ込めを向上させ、面発光レーザ特性が向上できる。
また、インターバリヤ層を、電子がトンネル可能な1層以上の障壁層を含む超格子構造で構成し、
その超格子構造を電子がトンネルするエネルギー準位が、活性領域の多重量子井戸構造における障壁層の伝導帯エネルギー下端よりも高いエネルギー準位を有する構成とすることでも、同様の効果を得ることができる。
例えば、超格子構造の量子井戸層を活性領域の障壁層と同じ組成で構成し、電子がトンネルする障壁層をクラッド層と同じ組成で構成することにより、電子がトンネルするエネルギー準位を活性領域の障壁層の伝導帯エネルギー下端より高くすることができる。
また、超格子構造を電子がトンネルするエネルギー準位が、p型クラッド層の伝導帯エネルギーの下端におけるエネルギー準位よりも低くすることができる。
これらにより、本発明のインターバリヤの効果を発現することができる。
なお、電子が障壁層をトンネルできる確率は、超格子構造を構成する障壁層の厚さに大きく依存するので、
超格子構造インターバリヤは、大きなトンネル確率が必須であり、薄い障壁層、すなわち、数原子層程度が望ましい。
また、2層以上の障壁層を含む超格子構造とすることで、量子井戸間で生じる共鳴トンネル効果を利用して、電子がトンネルできるエネルギー準位やトンネル確率の制御が可能である。
以上の実施形態の説明では、AlGaInP系の周期利得活性領域を持つ面発光レーザで説明したが、AlGaAs系、InGaAs系で周期利得活性領域を構成しても、同様の効果が得られる。
また、本実施形態のVCSELによれば、特に、赤色発振面発光レーザの活性層材料としてAlGaInP系材料を使用する構成において、複数の活性領域へのキャリヤの均一注入、キャリヤ閉じ込めの向上を可能にする。
そして、発振しきい電流値の低下、光出力の増加、温度依存性の低下などのレーザ特性が向上できるので、一次元または二次元にアレイ状に配列して面発光レーザアレイを構成し、これを光源とした装置に適している。
例えばこれにより、面発光レーザアレイを光源として構成されたプリンタヘッドを搭載したプリンタや、面発光レーザアレイを光源として構成された表示装置、等を実現することができる。
図6(a)〜(d)は、本実施例の面発光レーザの製造方法における製造工程を説明するための図である。
なお、図6において、図1と同一機能の層には同じ符号を付している。
図6(a)の層構成に示すように、GaAs基板7上に公知の技術であるMOCVD法により、つぎのように各層を順次成長させる。
すなわち、n型GaAsバッファ層8、n型DBR層9、n型クラッド層10、周期利得活性領域11、p型クラッド層12、電流狭窄部13、p型DBR層14、およびp型コンタクト層15を順次成長させる。
n型クラッド層10は、n型のAl0.32Ga0.18In0.5P層で構成される。
また、n型DBR層は、Al0.5Ga0.5AsとAlAsとを各層の膜厚がλ/4nr(ただし、λはレ−ザの発振波長、nrは構成する媒質の屈折率)となるように、交互に54周期積層した積層体である。
周期利得活性領域11は、2つの多重量子井戸活性領域からなり、図1の伝導帯エネルギーを示す図の通り、アンドープのGaInPよりなる量子井戸層1011と、アンドープのAl0.15Ga0.35In0.5Pよりなる障壁層1012で構成されている。
2つの活性領域の間は、障壁層Al0.15Ga0.35In0.5Pより伝導帯エネルギー下端が高エネルギーであるAl0.25Ga0.25In0.5Pインターバリヤ層102が配置される。
電流狭窄部13は、非酸化領域13aと周辺酸化領域13bからなり、
非酸化領域13aは、Al0.98Ga0.02As層で構成されており、周辺酸化領域13bは、Al0.98Ga0.02As層を酸化し、絶縁化することで形成される。
p型DBR層14は、Al0.5Ga0.5AsとAlAsとを各層の膜厚がλ/4nr(ただし、λはレ−ザの発振波長、nrは構成する媒質の屈折率)となるように交互に34周期積層した積層体である。
p型コンタクト層15は、p型金属電極18(図2)を形成する際に、低抵抗のオーミックコンタクトを得るため、高キャリヤ濃度GaAs層で構成される。
これを図6(c)に示すように、公知技術であるウエット酸化により、前記露出しているAl0.98Ga0.02As層をメサ形状の周囲からを選択的に酸化させる。これにより、Al0.98Ga0.02As層で構成される非酸化領域13aとAl0.98Ga0.02Asの酸化物で構成される周辺酸化領域13bが形成され、非酸化領域13aが活性層への電流パスとなる。
なお、前記面発光デバイスの活性層の近傍に形成される電流狭窄部の開口部径は、必要な電流注入領域の径に応じて適宜決められる。
それと共に、GaAs基板側にn型金属電極6(図2)としてAuGe、Ni、Auを連続形成して図2の面発光レーザ構造が得られる。
図2の面発光レーザ構造において、p型電極とn型電極間に電界を印加することで、n型電極から注入された電子キャリヤが、周期利得活性領域に到達するとインターバリヤ層の効果で、一部がN側活性領域に分配され、閉じ込められる。
残りの電子キャリヤは、インターバリヤ層を超えてP側活性領域に到達し、それぞれの活性領域でホールとの再結合により光に変換され、上下のDBRの共振によりレーザ発振に至る。
7:GaAs基板
8:バッファ層
9:n型DBR層
10:n型クラッド層
11:周期利得活性領域
12:p型クラッド層
13:電流狭窄部
13a:非酸化領域
13b:周辺酸化領域
14:p型DBR層
15:p型コンタクト層
16:埋め込み絶縁層
17:絶縁層(保護膜)
18:p型金属電極
19:p型金属電極接続のための絶縁層の窓
Claims (11)
- 第1DBR層、第1クラッド層、複数の活性領域、第2クラッド層、電流狭窄構造、第2DBR層を含む面発光レーザであって、
前記複数の活性領域はそれぞれ多重量子井戸構造を有し、
前記量子井戸構造は、量子井戸層と障壁層とが交互に複数層配置され、かつ2つの量子井戸層の間には単層の障壁層が配置された構造であり、
前記複数の活性領域はそれぞれ利得領域の光強度が極大となる複数の位置に配置され、前記活性領域の間に配置されたインターバリヤ層を備え、
前記インターバリヤ層の伝導帯エネルギー下端のエネルギー準位が、前記複数の位置の前記活性領域の前記多重量子井戸構造における障壁層の伝導帯エネルギー下端のエネルギー準位よりも高いエネルギー準位であり、
前記第2クラッド層がp型であり、
前記インターバリヤ層の伝導帯エネルギー下端のエネルギー準位が、前記第2クラッド層の伝導帯エネルギー下端のエネルギー準位よりも低いエネルギー準位であり、
前記インターバリヤ層の伝導帯エネルギー下端のエネルギー準位が、前記複数の位置の前記活性領域の前記多重量子井戸構造における障壁層の伝導帯エネルギー下端のエネルギー準位と前記第2クラッド層の伝導帯エネルギー下端のエネルギー準位の間にあることを特徴とすることを特徴とする面発光レーザ。 - 前記インターバリヤ層は、電子がトンネル可能な1層以上の障壁層を含む超格子構造を備え、
前記超格子構造を前記電子がトンネルするエネルギー準位が、前記活性領域の前記多重量子井戸構造における障壁層の伝導帯エネルギー下端のエネルギー準位よりも高いエネルギー準位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。 - 前記インターバリヤ層は、電子がトンネル可能な1層以上の障壁層を含む超格子構造を備え、
前記超格子構造を電子がトンネルするエネルギー準位が、前記第2クラッド層の伝導帯エネルギー下端のエネルギー準位よりも低いエネルギー準位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。 - 前記第1DBR層と前記第1クラッド層がn型であり、前記第2DBR層がp型であって、
前記インターバリヤ層がp型にドーピングされていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の面発光レーザ。 - 前記インターバリヤ層のバンドギャップが、前記活性領域の前記多重量子井戸構造における障壁層のバンドギャップより大きいことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の面発光レーザ。
- 前記面発光レーザは、赤色の発振波長を有しており、
前記多重量子井戸構造、前記障壁層、前記インターバリヤ層、前記第1クラッド層と前記第2クラッド層は、組成の異なるAlGaInPで構成されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の面発光レーザ。 - 前記障壁層、前記インターバリヤ層、前記第2クラッド層は、AlxGa0.5−xIn0.5Pで構成され、
前記障壁層のAl組成xが0.25以下、インターバリヤ層のAl組成xが0.32以下、p型クラッド層のAl組成xが0.32以上、であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の面発光レーザ。 - 前記第2クラッド層は、前記活性領域と接していることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の面発光レーザ。
- 請求項1から8のいずれか1項に記載の面発光レーザを、一次元または二次元にアレイ状に配列して構成されていることを特徴とする面発光レーザアレイ。
- 請求項9に記載の面発光レーザアレイを光源として構成されていることを特徴とする表示装置。
- 請求項9に記載の面発光レーザアレイを光源として構成されたプリンタヘッドを備えていることを特徴とするプリンタ。
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