JPH11224965A

JPH11224965A - 面発光レーザ装置

Info

Publication number: JPH11224965A
Application number: JP2353198A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Okubo; 敦大久保
Original assignee: Mitsui Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Chemicals Inc
Priority date: 1998-02-04
Filing date: 1998-02-04
Publication date: 1999-08-17
Anticipated expiration: 2018-02-04
Also published as: JP3869106B2

Abstract

(57)【要約】【課題】光導波層の電気抵抗や熱抵抗を低減化し、高
い光出力が得られる面発光レーザ装置を提供する。【解決手段】面発光レーザ装置は、ＧａＡｓ基板２７
の上に順次、多層膜ミラーで形成されたミラー層２６、
活性領域、多層膜ミラーで形成されたミラー層２１が形
成され、ミラー層２１、２６が層厚方向に沿った光軸を
持つ光共振器を構成する。活性領域は、下から順次、Ａ
ｌＧａＡｓ光導波層２５、ＡｌＧａＡｓキャリアブロッ
ク層３１、ＡｌＧａＡｓバリア層およびＧａＡｓ井戸層
から成る４重量子井戸層で構成された活性層３０、Ａｌ
ＧａＡｓキャリアブロック層２９、ＡｌＧａＡｓ第１光
導波層２４、ＡｌＡｓ層およびＡｌＡｓ酸化層を含む電
流狭窄層２３、ＡｌＧａＡｓから成る第２光導波層２２
で構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、通信や計測などで
好適に用いられ、特に多チャンネル光通信システムに好
適な面発光レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】画像情報などの大量の情報を高速に伝
送、処理する技術として、二次元集積光デバイスを用い
た並列情報処理システムが盛んに研究されている。こう
したシステムにおいて、二次元配列が可能な面発光レー
ザ装置が特に重要である。

【０００３】図２は、従来の面発光レーザ装置の一例を
示す構成図である。この面発光レーザ装置は、論文(IEE
E PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,vol.9 No.3,p280 )に
記載されており、ＧａＡｓから成る基板５の上に順次、
ミラー層４、活性領域３、ミラー層２がＭＯＣＶＤ（有
機金属化学気相成長法）などを用いて形成され、ミラー
層２、４が層厚方向に沿った光軸を持つ光共振器を構成
しており、ミラー層２から基板５の法線方向にレーザ光
を放射する。

【０００４】下側のミラー層４は、ＡｌＡｓ層とＡｌＧ
ａＡｓ層を１ペアとして３４．５ペアの多層膜ミラーで
構成される。上側のミラー層２は、ＡｌＡｓ層とＡｌＧ
ａＡｓ層を１ペアとして２０ペアの多層膜ミラーで構成
される。活性領域３は、ＩｎＧａＡｓから成る量子井戸
層を含む。

【０００５】活性領域３およびミラー層２は、発光領域
を限定し電流狭窄を行うために、ドライエッチングを用
いて円柱状に加工されており、これらの周囲にはポリイ
ミドから成る電流狭窄層７が充填されている。電流狭窄
層７の上面およびミラー層２の上面周囲にはリング状の
電極１が形成される。また、基板５の下面にも電極６が
形成される。

【０００６】次に動作を説明する。電極１と電極６の間
に電圧を印加すると、ミラー層２、活性領域３、ミラー
層４および基板５という電流経路が形成され、電子やホ
ールがキャリアとして活性領域３に注入され、キャリア
再結合によって光を輻射する。さらに、注入電流量を増
加させていくと誘導放射が始まり、やがて光共振器を構
成するミラー層２、４の間でレーザ発振が始まる。レー
ザ光は、ミラー層２から外部に出力され、外部からは基
板５の法線方向に発光ビームが得られる面発光レーザ装
置として機能する。図２の構成で、出力数ｍＷのレーザ
光が得られている。

【０００７】図３は、面発光レーザアレイの一例を示す
平面図である。このレーザアレイは既に市販されている
製品であり（雑誌「光アライアンス」 1995.6 p43 ）、
基板８の上に複数の面発光レーザ素子９が縦横８行×８
列のマトリクス配置で形成されており、各面発光レーザ
素子９に電流を個別に供給する個別電極８ａが外側に向
かって引き出されている。基板８の裏面には共通電極が
形成される。素子間ピッチは２５０μｍで、１つの素子
から１ｍＷ程度の光出力が得られ、閾値電流は５ｍＡ以
下である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】面発光レーザは、アレ
イ集積度の向上および閾値電流の低減化のために、共振
器の直径を数十μｍ以下に設定するのが一般的である。
ところが、共振器の直径をあまり小さくすると、電流お
よび光の損失が増加してしまい閾値電流が期待どおりに
下がらない。この原因として、円柱状に加工されたミラ
ー層２の側面において非発光再結合により電流が消費さ
れてしまう点や加工誤差によって光の散乱が発生する点
が考えられる。こうした対策として、電流狭窄層を薄い
層状に形成した構造が提案されている。

【０００９】図４は、従来の面発光レーザ装置の他の例
を示す構成図である。この面発光レーザ装置は、基板１
６の上に順次、ミラー層１５、半導体層１８、１９から
成る活性領域、ミラー層１２が形成され、多層膜ミラー
で構成されたミラー層１２、１５が層厚方向に沿った光
軸を持つ光共振器を構成する。活性層は半導体層１８、
１９の間に形成される。

【００１０】活性領域の近傍にはＡｌＡｓ層１３が形成
されており、各層を積層し、活性領域およびミラー層１
２をドライエッチングで円柱状に加工した後、水蒸気中
でアニールすることによってＡｌＡｓ層１３が外側から
酸化され、円環状のＡｌＡｓ酸化層が形成される。こう
した酸化の程度を制御することによって、ＡｌＡｓ酸化
層の内径を所望の寸法に制御できる。中央のＡｌＡｓ層
は導電性で、周囲のＡｌＡｓ酸化層は電気絶縁性となる
ため、ＡｌＡｓ層１３を通過する電流は中央部に集中す
ることになる。さらに、ＡｌＡｓ酸化層はＡｌＡｓ層よ
りも屈折率が低くなるため、屈折率分布型レンズと同様
な機能を果たし、光軸に沿って進行する光が光軸付近に
集光されるようになり、ミラー層１２の側面における損
失が軽減される。この結果、図４の素子において３ｍＷ
以上の光出力が得られ、閾値電流も１ｍＡ以下となっ
た。

【００１１】しかしながら、レーザの高出力化は熱飽和
によって制限される。熱飽和とは、レーザ発振に伴って
発生するジュール熱やその他の損失に起因して、素子温
度が上昇し、これによって活性層の利得が低下して発振
が維持できなくなる現象であり、素子の電気抵抗や熱抵
抗が高くなるほど顕著になる。

【００１２】面発光レーザにおける活性領域では、通常
の端面発光型レーザと同様に、分離閉じ込めヘテロ構造
（ＳＣＨ:seperate confinement heterostrucure）が一
般に採用されている。ＳＣＨ構造では、活性層の近傍に
キャリアを閉じ込めるために、充分大きな禁制帯幅を有
する半導体層を形成している。

【００１３】図４の面発光レーザをたとえばＡｌＧａＡ
ｓ系材料で構成した場合、同系材料ではＡｌ組成が増加
するにつれて禁制帯幅も増加するため、半導体層１８、
１９はＡｌ組成０．３〜０．５のＡｌＧａＡｓで形成す
ることによって、活性層両側の禁制帯幅を大きくしてい
る。ところが、ＡｌＧａＡｓ系材料では禁制帯幅の増加
とともに、電気抵抗や熱抵抗も増加する傾向にある。し
たがって、活性層へのキャリア閉じ込め効果を高めよう
とすると、電気抵抗や熱抵抗も増加してしまい、ジュー
ル熱の発生や活性層の温度上昇をもたらし、熱飽和によ
るレーザ利得やレーザ出力の低下を引き起こす結果とな
る。

【００１４】本発明の目的は、光導波層の電気抵抗や熱
抵抗を低減化し、高い光出力が得られる面発光レーザ装
置を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、活性層と、活
性層の両面側に設けられ、該活性層の禁制帯幅以上の禁
制帯幅を有する一対の光導波層と、活性層と少なくとも
一方の光導波層との間に設けられ、該活性層および該光
導波層の各禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するキャリアブ
ロック層と、活性層、光導波層およびキャリアブロック
層を挟むように両面側に設けられ、層厚方向に沿って共
振器光軸を形成するための１対のミラー層と、キャリア
ブロック層と活性層の反対側に位置するミラー層との間
に設けられ、共振器光軸付近に電流を集中させるための
電流狭窄層とを備えることを特徴とする面発光レーザ装
置である。

【００１６】本発明に従えば、活性層と光導波層との間
に位置するキャリアブロック層が活性層へのキャリア閉
じ込め機能を果たすようになる。そのため、光導波層に
よるキャリア閉じ込め機能をあまり考慮せずに、光導波
層の組成や寸法を設計することが可能となる。したがっ
て、電気抵抗や熱抵抗を低減化した光導波層を採用で
き、熱特性に優れ、高出力、高信頼性の面発光レーザを
実現できる。たとえばＡｌＧａＡｓ系材料で半導体レー
ザを製作する場合、光導波層のＡｌ組成を低く形成する
ことによって、電気抵抗や熱抵抗を低減化できる。

【００１７】さらに、キャリアブロック層と活性層の反
対側に位置するミラー層との間に電流狭窄層を設けてい
るため、共振器光軸付近に電流を集中させることが可能
になり、レーザ利得の向上や閾値電流の低減化が図られ
る。また、電流狭窄層に近接する光導波層は、電流通路
面積が小さくなるため、光導波層の電気抵抗率は出来る
限り低いほうが好ましい。本発明ではキャリアブロック
層を設けることによって、電流狭窄層近接の光導波層を
電気抵抗率の低い半導体材料で形成できるようになる。

【００１８】また、基板側の光導波層の熱抵抗が低減化
することによって、電流狭窄層近傍で発生した熱が基板
側に円滑に伝達されるため、活性層の熱飽和を抑制でき
る。

【００１９】また本発明は、前記電流狭窄層は、光導波
層の内部または光導波層に隣接して設けられたＡｌＡｓ
酸化層で形成されることを特徴とする。

【００２０】本発明に従えば、ＡｌＡｓはＡｌＧａＡｓ
系材料との格子整合性が高く、しかも水蒸気雰囲気での
高温処理によって容易に酸化される。得られたＡｌＡｓ
酸化層は、ＡｌＡｓ層と比べて格段に電気抵抗が高くな
るため、中央部をＡｌＡｓ層、その周囲をＡｌＡｓ酸化
層で形成することによって、電流狭窄層を通過する電流
は共振器光軸付近に効率的に集中するようになる。

【００２１】また本発明は、電流狭窄層に近接した光導
波層はＧａＡｓで形成されていることを特徴とする。

【００２２】本発明に従えば、電流狭窄層に近接した光
導波層をＧａＡｓで形成することによって、この光導波
層の電気抵抗および熱抵抗をより低く設定できる。Ａｌ
ＧａＡｓ系材料において、Ａｌ組成が増加するにつれて
禁制帯幅、電気抵抗および熱抵抗が増加する傾向にあ
る。したがって、ＧａＡｓはＡｌＧａＡｓ系材料のＡｌ
組成をゼロにしたことに相当するため、同材料において
電気抵抗および熱抵抗が最も低い数値になる。

【００２３】たとえばＩｎＧａＡｓ歪量子井戸を用いた
発振波長９８０ｎｍの半導体レーザでは、電流狭窄層に
近接した光導波層を従来のＡｌＧａＡｓではなくＧａＡ
ｓで形成することが可能であり、電気抵抗や熱抵抗の低
減によって高出力レーザを実現できる。

【００２４】また本発明は、キャリアブロック層が活性
層と両方の光導波層との間にそれぞれ設けられることを
特徴とする。

【００２５】本発明に従えば、キャリアブロック層を活
性層と両方の光導波層との間にそれぞれ設けることによ
って、活性層へのキャリア閉じ込め機能をより効率的に
発揮することができる。

【００２６】また本発明は、キャリアブロック層の層厚
が５０ｎｍ以下であることを特徴とする。

【００２７】本発明に従えば、活性層に存在するキャリ
アがトンネル効果によって漏出しないように、キャリア
ブロック層はある程度厚みが必要になるが、あまり厚く
するとキャリア注入効率や光の浸み出し効率が低下する
ため、５０ｎｍ以下の層厚が好ましい。

【００２８】また本発明は、キャリアブロック層の層厚
が５ｎｍ以上であることを特徴とする。

【００２９】本発明に従えば、活性層に存在するキャリ
アがトンネル効果によって漏出しないように、キャリア
ブロック層はある程度厚みが必要になるが、あまり薄く
し過ぎると、キャリアブロック層のバンドピークが緩和
されるバンドベンディング現象やトンネル効果によるキ
ャリア漏出が生じて、キャリアブロック機能が低下する
ため、５ｎｍ以上の層厚が好ましい。

【００３０】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１（ａ）は本
発明の第１実施形態を示す構成図であり、図１（ｂ）は
平面図である。面発光レーザ装置は、ＧａＡｓから成る
基板２７の上に順次、下側のミラー層２６、活性領域、
上側のミラー層２１がＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成
長法）などを用いて形成され、ミラー層２１、２６が層
厚方向に沿った光軸を持つ光共振器を構成しており、ミ
ラー層２１から基板２７の法線方向にレーザ光を放射す
る。

【００３１】各ミラー層２１、２６は、ＡｌＡｓ層とＡ
ｌＧａＡｓ層とが交互に積層された多層膜ミラーで形成
される。

【００３２】活性領域は、下から順次、Ａｌ_0.20Ｇａ
_0.80Ａｓから成る下側光導波層２５、Ａｌ_0.50Ｇａ_0.50
Ａｓから成るキャリアブロック層３１（厚さ１５ｎ
ｍ）、Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ａｓのバリア層およびＧａＡｓ
の井戸層から成る４重量子井戸層で構成された活性層３
０、Ａｌ_0.50Ｇａ_0.50Ａｓから成るキャリアブロック層
２９（厚さ１５ｎｍ）、Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ａｓから成る
上側第１光導波層２４、ＡｌＡｓ層およびＡｌＡｓ酸化
層を含む電流狭窄層２３（厚さ２０ｎｍ）、Ａｌ_0.20Ｇ
ａ_0.80Ａｓから成る上側第２光導波層２２で構成され
る。

【００３３】下側光導波層２５、上側第１光導波層２
４、上側第２光導波層２２の厚さは、活性領域全体の厚
さが発振波長λと一致するように適宜設定され、光共振
器の縦モード条件を満足させている。

【００３４】各層の導電型に関して、活性層３０から下
側光導波層２５までの各層をｎ型にすると、活性層３０
から上側第２光導波層２２までの各層をｐ型とし、逆に
前者をｐ型にすると後者はｎ型とする。

【００３５】こうした活性領域およびミラー層２１は、
発光領域を限定し電流狭窄を行うために、各層の積層後
に塩素反応性エッチングを用いて円柱状に加工される。
活性領域の直径（約２５μｍ）はミラー層２１の直径
（約２０μｍ）より大きく形成され、その段差面にリン
グ状の電極２８が形成される。もう一方の電極３２は基
板２７の上に形成され、電極２８と電極３２の間に電流
を供給することによって活性領域にキャリアが注入され
る。

【００３６】ＡｌＧａＡｓ系材料はＡｌ組成が増加する
につれて禁制帯幅も増加する傾向がある。本実施形態で
は、活性層３０の禁制帯幅よりも光導波層２２、２４、
２５の禁制帯幅の方が大きく、さらに光導波層２２、２
４、２５よりもキャリアブロック層２９、３１の禁制帯
幅の方が大きくなる。

【００３７】電流狭窄層２３は、各層の積層工程におい
てＡｌＡｓ層２３ａで形成しておいて、活性領域および
ミラー層２１のエッチング工程の後に、水蒸気雰囲気中
で約４００度で高温処理することによってＡｌＡｓ層２
３ａが外側から酸化され、図１（ｂ）に示すように、円
環状のＡｌＡｓ酸化層２３ｂが形成される。こうした酸
化の程度を制御することによって、ＡｌＡｓ酸化層２３
ｂの内径を所望の寸法に制御できる。中央のＡｌＡｓ層
２３ａは導電性で、周囲のＡｌＡｓ酸化層２３ｂは電気
絶縁性となるため、電流狭窄層２３を通過する電流は中
央部のＡｌＡｓ層２３ａに集中することになる。

【００３８】次に動作を説明する。電極２８と電極３２
の間に電圧を印加すると、上側第２光導波層２２、電流
狭窄層２３、上側第１光導波層２４、キャリアブロック
層２９、活性層３０、キャリアブロック層３１、下側光
導波層２５という電流経路が形成され、電子やホールが
キャリアとして活性層３０に注入され、キャリア再結合
によって光を輻射する。活性層３０内のキャリアは、キ
ャリアブロック層２９、３１の存在によって活性層３０
内に閉じ込められるため、再結合効率が向上する。

【００３９】さらに、注入電流量を増加させていくと誘
導放射が始まり、やがて光共振器を構成するミラー層２
１、２６の間でレーザ発振が始まる。レーザ光は、ミラ
ー層２１から外部に出力され、外部からは基板２７の法
線方向に発光ビームが得られる面発光レーザ装置として
機能する。

【００４０】本実施形態では、キャリアブロック層２
９、３１を設けたことによって、各光導波層２２、２
４、２５のＡｌ組成を０．２０と大幅に低くできるた
め、全体の電気抵抗および熱抵抗が格段に小さくなる。

【００４１】（第２実施形態）第２実施形態の構造は、
図１のものと同様であるが、層材料が相違する。図１を
参照して、面発光レーザ装置は、ＧａＡｓから成る基板
２７の上に順次、下側のミラー層２６、活性領域、上側
のミラー層２１がＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長
法）などを用いて形成され、ミラー層２１、２６が層厚
方向に沿った光軸を持つ光共振器を構成しており、ミラ
ー層２１から基板２７の法線方向にレーザ光を放射す
る。

【００４２】各ミラー層２１、２６は、ＡｌＡｓ層とＡ
ｌＧａＡｓ層とが交互に積層された多層膜ミラーで形成
される。

【００４３】活性領域は、下から順次、ＧａＡｓから成
る下側光導波層２５、Ａｌ_0.30Ｇａ_0.70Ａｓから成るキ
ャリアブロック層３１（厚さ２５ｎｍ）、ＧａＡｓのバ
リア層およびＩｎＧａＡｓの井戸層から成る２重量子井
戸層で構成された活性層３０、Ａｌ_0.30Ｇａ_0.70Ａｓか
ら成るキャリアブロック層２９（厚さ２５ｎｍ）、Ｇａ
Ａｓから成る上側第１光導波層２４、ＡｌＡｓ層および
ＡｌＡｓ酸化層を含む電流狭窄層２３（厚さ２０ｎ
ｍ）、ＧａＡｓから成る上側第２光導波層２２で構成さ
れる。

【００４４】下側光導波層２５、上側第１光導波層２
４、上側第２光導波層２２の厚さは、活性領域全体の厚
さが発振波長λと一致するように適宜設定され、光共振
器の縦モード条件を満足させている。

【００４５】電流狭窄層２３は、各層の積層工程におい
てＡｌＡｓ層２３ａで形成しておいて、活性領域および
ミラー層２１のエッチング工程の後に、水蒸気雰囲気中
で約４００度で高温処理することによってＡｌＡｓ層２
３ａが外側から酸化され、図１（ｂ）に示すように、円
環状のＡｌＡｓ酸化層２３ｂが形成される。

【００４６】本実施形態では、キャリアブロック層２
９、３１を設けたことによって、各光導波層２２、２
４、２５をＡｌ組成がゼロであるＧａＡｓで形成できる
ため、全体の電気抵抗および熱抵抗がより小さくなる。

【００４７】以上の説明では、ＡｌＧａＡｓ系半導体材
料を使用した例を示したが、禁制帯幅と電気抵抗および
熱抵抗との関係が同様であるＰ（リン）系、ＧａＮ系等
の半導体材料も使用可能である。

【００４８】また、活性領域に関しても、ＧａＡｓやＩ
ｎＧａＡｓから成る量子井戸層に限らず、他の材料、た
とえばＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＮを用いた量子井戸層や、
量子井戸でない通常のダブルヘテロ構造でも本発明は適
用可能である。

【００４９】

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、活
性層と光導波層との間に位置するキャリアブロック層が
活性層へのキャリア閉じ込め機能を果たすようになるた
め、電気抵抗や熱抵抗を低減化した光導波層を採用で
き、熱特性に優れ、高出力、高信頼性の面発光レーザを
実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は本発明の第１実施形態を示す構成
図であり、図１（ｂ）は平面図である。

【図２】従来の面発光レーザ装置の一例を示す構成図で
ある。

【図３】面発光レーザアレイの一例を示す平面図であ
る。

【図４】従来の面発光レーザ装置の他の例を示す構成図
である。

【符号の説明】

２１、２６ミラー層２２上側第２光導波層２３電流狭窄層２４上側第１光導波層２５下側光導波層２７基板２８、３２電極２９、３１キャリアブロック層３０活性層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】活性層と、活性層の両面側に設けられ、該活性層の禁制帯幅以上の
禁制帯幅を有する一対の光導波層と、活性層と少なくとも一方の光導波層との間に設けられ、
該活性層および該光導波層の各禁制帯幅以上の禁制帯幅
を有するキャリアブロック層と、活性層、光導波層およびキャリアブロック層を挟むよう
に両面側に設けられ、層厚方向に沿って共振器光軸を形
成するための１対のミラー層と、キャリアブロック層と活性層の反対側に位置するミラー
層との間に設けられ、共振器光軸付近に電流を集中させ
るための電流狭窄層とを備えることを特徴とする面発光
レーザ装置。
【請求項２】前記電流狭窄層は、光導波層の内部また
は光導波層に隣接して設けられたＡｌＡｓ酸化層で形成
されることを特徴とする請求項１記載の面発光レーザ装
置。
【請求項３】電流狭窄層に近接した光導波層はＧａＡ
ｓで形成されていることを特徴とする請求項１または２
記載の面発光レーザ装置。
【請求項４】キャリアブロック層が活性層と両方の光
導波層との間にそれぞれ設けられることを特徴とする請
求項１〜３のいずれかに記載の面発光レーザ装置。
【請求項５】キャリアブロック層の層厚が５０ｎｍ以
下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記
載の面発光レーザ装置。
【請求項６】キャリアブロック層の層厚が５ｎｍ以上
であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載
の面発光レーザ装置。