WO2005074080A1

WO2005074080A1 - 面発光レーザ及びその製造方法

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Publication number: WO2005074080A1
Application number: PCT/JP2005/001336
Authority: WO
Inventors: Kazuo Mori; Takayoshi Anan
Original assignee: Nec Corporation
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2005-08-11
Also published as: JPWO2005074080A1

Abstract

　基板（１）上に第１のＤＢＲ層（２）、第１クラッド層（３）、活性層（４）、第２クラッド層（５）、酸化電流狭窄部形成層（６）、第２のＤＢＲ層（７）が順次積層された積層構造（２０）と、上部電極（８）及び下部電極（９）とを有する。また、光軸（１０）から所定の距離以上離れた積層構造（２０）の一部領域に、基板（１）上に形成された段差（１１）付近から伸びる構造変調領域（１２）が存在する。この構造変調領域（１２）は、層厚、界面平坦性及び界面の基板面に対する傾き等のパラメータの少なくとも１つが他の領域と異なり、光軸（１０）を含む発光の中心部に比べて反射率が低い。構造変調領域（１２）に囲まれた内側の高反射領域の実効的な幅（Ａ）を、ほぼ基本横モード光の幅に等しく設定する。一方、電流狭窄部の非酸化領域の直径（Ｂ）を、これより広めに設定する。このような構成とすることにより、簡単な構造で、工程を著しく増加させることなく、単一モード発振特性の優れた面発光レーザを得ることができる。

Description

明細書

面発光レーザ及びその製造方法

技術分野

[0001] 本発明は、基本横モード光を出力する垂直共振器型面発光レーザ、及びその製造方法に関するものである。

背景技術

[0002] 垂直共振器型面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser： VCSEL、以下、 VCSELと略す）は、端面型レーザに比べて、製造コストが低い、製造の歩留りが高い、二次元アレイ化が容易であるなど、多くの利点を有しており近年活発に、開発が進められている。

[0003] 面発光レーザにおいては、高出力の単一基本横モードレーザが求められている。

しかし、例えば酸化電流狭窄型の面発光レーザにおいて、単一基本横モードを得るためには、電気抵抗が低い電流狭窄領域を約 5 μ ΐη φ以下に小さくしなければならない。電流狭窄領域を小さくすると、素子抵抗、熱抵抗ともに大きくなつてしまい、発熱の影響で十分な出力が得られないという問題がある。

[0004] 基本横モードで高出力を有する従来の面発光レーザとして、図 8に示すような面発光レーザがある。この装置は、下部電極 111 1、基板 1011、下部反射鏡構造 1021、下部クラッド層 1031、発光層 1041、上部クラッド層 1051、上部反射鏡構造 1061、イオン打ち込み等により形成した低反射率ゾーン 1071、損失決定素子 1081及び上部電極 1101からなる構造となっており、光軸 1091に沿ってレーザ光が出射される。損失決定素子 1081は、光軸 1091と直交する方向において、光軸 1091からの距離が増大するのに従って共振器の光学損失を漸進的に増大させるために、凹状の形状に加工されている。この損失決定素子 1081により、光軸 1091と直交する方向における光軸 1091からの距離が増大するのに従って光の反射方向が発光層 1041の中央部から離れ共振器損失が増大する。この面発光レーザにおける基本横モード発振は光軸 1091に近接して生じ、それに対して高次横モード発振は光軸 1091から離れた位置において生じるため、高次横モードの共振器損失が増大する結果、基本横モード光出力が大幅に増加することになる（例えば、特開平 10-56233号公報を参照)。

[0005] また、従来の面発光レーザとして、図 9に示すような面発光レーザがある。この装置は、電極 1112、基板 1012、多層膜ミラー 1022、活性層 1042、酸化層 1062、多層膜ミラー 1072、スぺーサ層 1082、多層膜ミラー 1092及び電極 1102が順次積層された構造となってヽる。電流狭窄構造は酸化層 1062がー部酸化されることにより形成される。また、スぺーサ層 1082も酸化層 1062と同時に酸化されている。このスぺーサ層 1082は高次横モードの光に共振器損失を与えるため、出射中心領域の周辺部における高次横モードを抑制できる。つまり電流狭窄構造を大きめに形成しておき、スぺーサ層 1082により横モード制御を実現する構造となっている（例えば、特開 2002-353562号公報を参照）。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] し力しながら、図 8に示された従来の面発光レーザでは、凹部を形成するためのプ口セスが複雑になるという欠点がある。また、発光層中心と凹部中心のずれや、凹部の曲率半径のばらつきによって、レーザ特性が大きく影響を受けるために歩留りの向上には限界がある。また、凹部の中心力も少しでも外れた光に対しても反射率の低下を引き起こすため、基本横モード光に対しても閾値上昇を招いてしまう。

[0007] 一方、図 9に示された構造の場合、電極間の電流経路に電流狭窄層である酸ィ匕層 1062のみならず、高次横モードを抑制するために酸ィ匕されたスぺーサ層 1082が存在するため、素子抵抗が増大し、動作電圧の増大及び発熱の問題が生じる場合がある。また、より効率的に基本横モード光のみを選択して発振させるために図 9のスぺーサ層 1082における非酸ィ匕領域の幅を酸ィ匕層 1062の非酸ィ匕領域の幅より狭く設定すると、電流経路（図 10中の実線矢印）が狭くなり、素子抵抗の増大の影響がさらに大きくなつてしまう。

[0008] 素子抵抗が増大すると、動作電圧が増大すると共に、発熱の影響で十分な出力が得られなくなってしまう。このため、図 9の構造では最大光出力（約 2mW— 5mW程度）が得られて、るにもかかわらず、図 10の構造にした場合には同程度の出力は得られない。従って、高出力を目的とする場合には、図 10のようにスぺーサ層 1082の中央領域での非酸ィ匕領域を狭めることができな力つた。即ち、高次横モード光を抑圧して基本横モードを出力する課題と高出力達成の課題はトレードオフの関係にあつた o

[0009] 上記の課題を解決するため、本発明では、高次横モードを抑制して基本横モード光を高出力で出射することを目的としている。

課題を解決するための手段

[0010] 上記目的を達成するため、本発明の VCSELは、基板上に少なくとも第 1導電型のブラッグ反射鏡層、活性層及び第 2導電型のブラッグ反射鏡層が順次積層された積層構造と、前記積層構造を流れる電流を前記活性層の発光領域に集中させる電流狭窄構造と、前記積層構造における光軸から離間した領域に形成され、前記光軸を含む発光の中心部に比べて反射率が低い構造変調領域とを備えることを特徴とする

[0011] また、本発明の VCSELの製造方法は、基板上に、少なくとも第 1導電型のブラッグ反射鏡層、活性層、第 2導電型のブラッグ反射鏡層を順次積層して積層構造を形成する工程と、前記積層構造における中心軸力も離間した領域に、前記中心軸を含む中心部に比べて反射率が低い構造変調領域を形成する工程とを備えることを特徴とする。

発明の効果

[0012] 本発明によれば、簡単な構造で、工程を著しく増加させることなく単一モード発振特性の優れた、面発光レーザを得ることができる。

図面の簡単な説明

[0013] [図 1A]図 1Aは、本発明の第 1の実施例である VCSELの断面図である。

[図 1B]図 1Bは、本発明の第 1の実施例である VCSELの段差部分の拡大断面図である。

[図 2A]図 2Aは、本発明の第 1の実施例における VCSELの製造工程を示す模式図である。

[図 2B]図 2Bは、図 2Aに引き続く製造工程を示す模式図である。 [図 2C]図 2Cは、図 2Bに引き続く製造工程を示す模式図である。

[図 2D]図 2Dは、図 2Cに引き続く製造工程を示す模式図である。

[図 3A]図 3Aは、本発明の第 2の実施例である VCSELの図である。

[図 3B]図 3Bは、本発明の第 2の実施例である VCSELの凹凸部分の拡大断面図である。

[図 3C]図 3Cは、本発明の第 2の実施例である VCSELの凹凸部分の他の例を示す平面図である。

[図 4]図 4は、本発明の第 3の実施例である VCSELの断面図である。

[図 5]図 5は、本発明の第 4の実施例である VCSELの断面図である。

[図 6]図 6は、本発明の第 5の実施例である VCSELの断面図である。

[図 7]図 7は、本発明の第 6の実施例である VCSELの断面図である。

[図 8]図 8は、従来の VCSELの断面図である。

[図 9]図 9は、従来の VCSELの断面図である。

[図 10]図 10は、図 9における従来の VCSELの問題点を示す模式図である。

発明を実施するための最良の形態

[0014] 本発明は、積層構造の一部に反射率の低下した構造変調領域を形成することで、高次横モードの抑制効果を高めつつ高出力を得るものである。

[0015] 積層構造の場合、層厚または界面平坦性または界面の基板面に対する傾きの分布が異なることにより反射率の低下が生じる。本発明の 1つの最良の形態は、光軸と直交する方向に光軸から離間して、この反射率が低下した構造変調領域を電流狭窄部の非電流狭窄領域内に設けることで高次横モードの抑制効果を高めつつ高出力を得るものである。

[0016] 本発明の他の最良の形態は、第 2導電型のブラッグ反射鏡 (Distributed Bragg ReflectonDBR)層の周辺部に、相互拡散あるいは高濃度の不純物拡散によって、発光の中心部に比べて反射率が低下した構造変調領域を設けることを特徴とする。

[0017] 以上の結果、反射率が低下した構造変調領域の内側にある高反射率領域の幅を、高次モードが抑制され、単一基本横モード発振に最適な幅まで自由に狭めることができるため、高次モードの抑制効果を最大限に高めることができる。 [0018] また、電流狭窄部の幅を広めに設定できることで、電流経路の抵抗も低減でき、熱による飽和を抑えることができる。

[0019] さらに、基本横モードレーザ光を得るために出射表面の複雑なエッチング工程なども必要としな、ので、比較的簡単なプロセスで製造できる。

[0020] (第 1の実施例）

図 1A及び図 1Bを用いて本発明による VCSELの第 1の実施例を説明する。このレ一ザは、基板 1上に第 1の DBR (Distributed Bragg Reflector)層 2、第 1クラッド層 3、活性層 4、第 2クラッド層 5、酸化電流狭窄部形成層 6、第 2の DBR層 7が順次積層された積層構造 20と、上部電極 8及び下部電極 9とを有している。さら〖こ、光軸 10に対して直交する方向に光軸 10から所定の距離以上離れた積層構造 20の一部領域に、基板 1上に形成された段差 11付近から伸びる構造変調領域 12が存在することを特徴の一つとしている。本実施例では、構造変調領域 12は、層厚、界面平坦性及び界面の基板面に対する傾き等、反射率に影響を与えるパラメータの少なくとも 1つの分布が他の領域 (光軸 10を含む発光の中心部）と異なり、他の領域に比べて反射率が低い。

[0021] 図 1Aに示した VCSELの製法につき図 2A—図 2Dを用いて説明する。なお、以下の説明は、短波長レーザ装置の例であり、発振波長約 0.85 mとなる材質を選択している。

[0022] まず、図 2Aに示すように、 n型 GaAs基板 1上に、フォトリソグラフィ及びエッチングの手法を用いて、 0.1 μ m程度の段差 11で囲まれた平面形状が円形で直径約 3 μ mのメサを形成する（工程 1)。中心軸 10aから所定の距離以上離れた位置に段差 11 力るようにする。

[0023] 上記メサの平面形状は単純な円形パターンとしたが、円形に限定されるものではなく、目的に応じて任意の形状を用いることができる。例えば偏波制御のため楕円形や矩形など異方性を持たせたりすることも出来る。また段差 11は 0.1 m程度としたが、これに限られるものではな、。ェピタキシャル成長中の平坦ィ匕作用が強、場合はもつと大きくても良ぐ逆に僅かな段差でも程度の差こそあれ効果は得られる。また必ずしも急峻な段差である必要はなぐ基板面の法線方向に対して緩やかに傾斜する斜面を有する段差や、さらに斜面の傾斜角が変化する段差でも良い。

[0024] 次に図 2Bに示すように、段差 11を形成した n型 GaAs基板 1上に、 n型 Al Ga A

0.2 0.8 s層 2— 2と n型 Al Ga As層 2— 1の一対を基本単位とする DBR (n型半導体ミラー層

0.9 0.1

)を複数積層した第 1の DBR層 2、n型 Al Ga Asの第 1クラッド層 3、ノンドープ Ga

0.3 0.7

As量子井戸と Al Ga As障壁層力もなる活性層 4、 p型 Al Ga Asの第 2クラッド

0.2 0.8 0.3 0.7

層 5、 p型 Al Ga As (ただし 0. 9<x< 1)の酸化電流狭窄部形成層 6及び p型 Al

1 0.2

Ga As層と p型 Al Ga As層の一対を基本単位とする DBR (p型半導体ミラー層）

0.8 0.9 0.1

を複数積層した第 2の DBR層 7を、有機金属気相成長 (MOCVD)法にて順次積層し、積層構造 20を形成する（工程 2)。もちろん、分子線エピタキシー成長 (MBE)法など他の方法を用いてもょ、。

[0025] 各々の DBR層 2, 7では、高屈折率の Al Ga As層 2— 2と低屈折率の Al Ga A

0.2 0.8 0.9 0.1 s層 2-1とのそれぞれの膜厚は、これら媒質内の各々の光路長が発振波長のほぼ 1 Z4となるように設定してある。または、 Al Ga As層 2— 2の厚みと Al Ga As層 2

0.2 0.8 0.9 0.1

1の厚みの合計の膜厚 (DBR単位の膜厚)を、光路長が発振波長の 1Z2となるように設定してもよい。なお酸化電流狭窄部形成層 6の A1組成 Xを高い組成 (0. 9< x) に設定したのは、 0. 9以下ではほとんど酸ィ匕が生じないためである。一方、 DBR層 2 , 7の低屈折率 Al Ga As層 2— 1は酸ィ匕がほとんど生じない低い Al組成に設定さ

0.9 0.1

れており、これによつて酸化電流狭窄部形成層 6の選択的な酸化が可能となる。

[0026] 工程 2において、段差 11付近では図 1Bの拡大図中に示すように、主に段の高さが低い側（ここでは積層構造 20の中心軸 10aから見て外側）で、 Al Ga As層 2—1の

0.9 0.1

層厚増加や結晶面の傾斜などが起き、これがさらに上層に順次引継がれることで、反射率の低下した構造変調領域 12が積層方向の主に段の高さが低い側 (ただし成長条件に依存）に形成される。

[0027] 次に、図 2Cに示すように、フォトレジスト 13を第 2の DBR層 7上へ塗布し、円形のレジストマスクを形成する（工程 3)。ついで、ドライエッチングにより、第 2のクラッド層 5 の表面が露出するまでエッチングを行い、直径約 30 mの円柱状構造を形成し（ェ程 4)、酸化電流狭窄部形成層 6の側面を露出させる。その後、フォトレジスト 13を除去する（工程 5)。 [0028] 次に、図 2Dに示すように、水蒸気雰囲気中の炉内において温度約 400°Cで約 10 分間加熱を行う（工程 6)。これにより、酸化電流狭窄部形成層 6の外側周縁部のみが円環状に選択的に酸化され、酸化領域が形成される。同時に、酸化電流狭窄部形成層 6の光軸 10を含む中心部には直径が約 8 mの非酸ィ匕領域が形成される。この工程においては、非酸ィ匕領域の幅 Bが、構造変調領域 12に囲まれる中心部の幅 Aより狭くなる前に、加熱を停止することに注意する。

[0029] 次に、上部電極 8形成のため、所定位置にフォトレジストマスクを形成（工程 7)、全面に電極としてチタン (Ti)及び金 (Au)を蒸着（工程 8)した後、フォトレジストを除去してリフトオフすることにより上部電極 8が形成される（工程 9)。最後に、基板裏面全面に AuGe (ゲルマニウム)合金を蒸着し、加熱してァロイすることで、下部電極 9を形成する（工程 10)。

[0030] 酸化電流狭窄部形成層 6に形成された、酸化領域と非酸化領域からなる構成を電流狭窄部 (電流狭窄構造)という。外側周縁部の酸化領域は電気抵抗が高ぐ中心部の非酸ィ匕領域は電気抵抗が低い。したがって、非酸化領域の幅を活性層 4で光る発光領域とほぼ同じ幅にすることにより、発光領域に電流を集中して流すことができる。なお、酸化領域を「非電流狭窄領域」、非酸化領域を「電流狭窄領域」または「開口部」ともいう。

[0031] 以上、図 2A—図 2Dの製法により得られた図 1Aの VCSELは、電流狭窄部の非酸化領域の直径（図 1A中の矢印 B)が約 8 μ mと広ヽため抵抗及び熱抵抗を抑えることがでさる。

[0032] 一方、 n型 GaAs基板 1上に設けた段差 11で囲まれた円形メサの直径は十分に小さい約 3 mに設定されており、従って反射率の低下した構造変調領域 12が電流狭窄部の非酸ィ匕領域の内側にも形成されていることにより高次横モードを抑制できる。

[0033] 本実施例では、さらに構造変調領域 12で囲まれた内側の高反射領域の実効的な幅（図 1 A中の矢印 A)がほぼ基本横モード光の幅 (約 5 m)に等し、ことで、単一基本横モードを維持したまま高出力化を可能とする面発光レーザ装置を提供でき、約 5 mW以上の高出力で、単一基本横モード発振を実現することができた。

[0034] 基本横モード光は、その強度が光軸の中心で最大となり、外周では弱くなる。ここで、基本横モード光の幅とは、光の強度が全体の約 75%になる幅としている。素子の要求される特性により、 60%— 90%の間で適宜決定される。

[0035] 図 2Aの工程 1では、 n型 GaAs基板 1上に直接段差 11を形成した力例えばバッファ層を成長してカゝら段差 11を形成する、あるいは第 1の DBR層 2の積層を途中で中断し、その後段差 11を形成し、引き続き残りを積層することもできる。

[0036] 後者の場合、プロセスは増えるが活性層 4により近い領域で反射率の低下した構造変調領域 12を有効に生成することができるため、より大きな高次横モードの抑制効果が期待できる。

[0037] また図 2Aの工程 1では、 n型 GaAs基板 1上に、単一のメサを形成した力プロセスは増えるがメサを 2重、 3重に形成して多段の階段状に段差を形成しても良ぐこれによってより広い範囲に渡って反射率の低下した構造変調領域 12を、その分布を制御して形成することが出来る。

[0038] さらに段差 11は光軸 10から外側に向力つて低くなるように形成した力この方が構造変調領域 12の影響が活性層 4の発光領域に及びにくいためである。しかし段差 1 1と活性層 4とが大きく離れてヽる場合、段差を低めに設定すれば積層中に十分平坦ィ匕するため影響はほとんど活性層 4に及ばなくなる。この場合は逆に内側で低くなるように形成したり混在させたりすることも可能である。

[0039] また図 2A—図 2Dでは、 1つの VCSELが形成される様子が示されている力大面積基板を用いて、多数の VCSELをマトリックス状に同時に形成することができる。従つて、 1つの装置ごとに切り出して使用することのみならず、所望のアレイ状 (例えば 1 個 X 10個、 100個 X 100個など）に基板力も切り出して使用することができる。

[0040] (第 2の実施例）

図 3A—図 3Cを用いて本発明による VCSELの第 2の実施例を説明する。

[0041] 第 1の実施例で示した図 1A及び図 1Bと異なる点は、次のとおりである。即ち、本実施例は、第 1の実施例とほぼ同じ製法を採用するものであるが、第 1の実施例の図 2 Aで示された工程 1では、 n型 GaAs基板 1上に、段差 11で囲まれた平面形状が円形のメサを形成したのに対して、本実施例では図 3Aに示すように、 n型 GaAs基板 1上に、平面形状が同心円状の凹凸 14を形成した点が異なっている。なお凹凸であれば同心円状に限られるものではなぐ環状に形成された多重の楕円形や矩形でも良い。また図 3Cに示した複数の島状の凹凸 14aでも良い。さらに、規則的でも非規則的でも良い。

[0042] このように構成することで、第 1の実施例に比べ、より簡単なプロセスで広い範囲に構造変調領域 12の分布を制御して形成することができる（例えば第 1の実施例で段差を複数設けるにはフォトリソグラフィを何度も繰り返す必要がある）。

[0043] 従って、本実施例においては第 1の実施例の効果を有するのみならず、より適切な反射率分布制御が容易にできるため、より効率的に高出力の単一基本横モード光を出力することができる。

[0044] また本実施例でも、第 1の実施例と同様に、 n型 GaAs基板 1上に直接凹凸 14, 14 aを形成するのではなぐ例えばバッファ層を成長してから、あるいは第 1の DBR層 2 の積層を途中中断してから凹凸 14, 14aを形成し、引き続き残りを積層することもできる。後者の場合、第 1の実施例と同様に、プロセスは増えるが活性層 4により近い領域で反射率の低下した構造変調領域 12を有効に生成することができるため、より大きな高次横モードの抑制効果が期待できる。

[0045] (第 3の実施例）

図 4を用いて本発明による VCSELの第 3の実施例を説明する。

[0046] 図 4の構成と第 1の実施例である図 1A及び図 1Bの構成との相違点は、図 1A及び図 1Bでは段差 11は n型 GaAs基板 1上に形成されて、るのに対して、本実施例では酸化電流狭窄部形成層 6の上部に設けたスぺーサ層 15に段差 11が形成されて!ヽる点である。従って、図 1Aでは構造変調領域 12は主に第 1の DBR層 2の内部に存在するのに対して、本実施例では構造変調領域 12は第 2の DBR層 7の内部に存在する。本実施例においても第 1の実施例と同様の効果を奏するが、構造変調領域 12の影響が活性層 4に及ぶことはない。

[0047] 本実施例の製造方法は、第 1の実施例における製造方法を示す図 2A—図 2Dにおいて、段差 11を形成する工程を挿入する位置を変えたものである。即ち、図 2Aで段差 11を形成する工程 1は行わずに、 n型 GaAs基板 1上に直接、図 2Bの工程 2における第 1の DBR層 2、第 1クラッド層 3、活性層 4、第 2クラッド層 5、酸化電流狭窄部形成層 6まで積層し、次の第 2の DBR層 7の積層初期の適当な段階で積層をー且中断する。その中断表面に段差 11を形成する新たな工程を追加した後に、第 2の DBR 層 7の積層を再開して残りの部分を形成する。この場合、図 4におけるスぺーサ層 15 は、この第 2の DBR層 7の積層初期部分に相当する。

[0048] 本実施例では、スぺーサ層 15を酸ィ匕電流狭窄部形成層 6の上部に設けたが、酸化電流狭窄部形成層 6の下部に設け、そこに段差 11を形成しても良い。また第 2の DBR層 7をさらに厚く積層した段階で中断し、段差 11を形成しても良ヽ。

[0049] (第 4の実施例）

図 5を用いて本発明による VCSELの第 4の実施例を説明する。

[0050] 本実施例の構成と、第 2の実施例である図 3A—図 3Cの構成との違いは、第 3の実施例である図 4の構成と、第 1の実施例である図 1A及び図 1Bの構成との違いとほぼ同様である。即ち、図 3A—図 3Cでは凹凸 14, 14aが n型 GaAs基板 1上に形成されているのに対して、本実施例では酸ィ匕電流狭窄部形成層 6の下部に設けたスぺーサ層 15に凹凸 14, 14aが形成されている。従って、図 3Aでは構造変調領域 12は主に第 1の DBR層 2の内部に存在するのに対して、本実施例では構造変調領域 12は第 2の DBR層 7の内部に存在する。本実施例においても第 3の実施例と同様に構造変調領域 12の影響が活性層 4に及ぶことはない。

[0051] 製造方法も、第 3の実施例とほぼ同様であり、第 3の実施例での段差 11に対して、本実施例では凹凸 14, 14aを形成する点、またスぺーサ層 15の位置を、第 3の実施例では酸ィ匕電流狭窄部形成層 6の上部としたのに対して、本実施例では酸化電流狭窄部形成層 6の下部とした点のみ異なる。なおスぺーサ層 15は第 3の実施例と同様に、酸化電流狭窄部形成層 6の上部に設けても良ぐまた第 2の DBR層 7をさらに厚く積層した段階で中断し、凹凸 14, 14aを形成しても良い。

[0052] (第 5の実施例）

図 6を用いて本発明による VCSELの第 5の実施例を説明する。図 6の構成と第 3の実施例である図 4の構成との相違点は、図 6では酸化電流狭窄部形成層 6が無ぐ第 2の DBR層 7の円柱状構造の直径を約 10 μ m程度と小さくすることで電流狭窄を実現している点である。このように、電流狭窄を実現するために第 2の DBR層 7の直径を小さくした構造を、電流狭窄構造 30という。

[0053] 本実施例では構造変調領域 12によって横モード制御を行うため、相対的に電流狭窄の幅は大きくすることができる。従って本実施例のように電気抵抗の大幅な上昇を招かない現実的な直径で第 2の DBR層 7による円柱状構造を形成し、直接電流狭窄を実現することもでき、選択酸ィ匕プロセスを省略することができる。

[0054] 本実施例ではスぺーサ層 15を第 2クラッド層 5の直上に設けている力第 2の DBR 層 7をさらに厚く積層した段階で中断して段差 11を形成しても良い。また段差 11の代わりに第 4の実施例のように凹凸 14, 14aを形成しても良、。

[0055] また段差 11または凹凸 14, 14aを形成する位置としては、第 1または第 2の実施例と同様に、 n型 GaAs基板 1上、またはバッファ層を成長した表面、あるいは第 1の DB R層 2の積層を途中で中断した表面としても良!、。

[0056] 以上の第 1一第 5の実施例では、第 1の DBR層 2または第 2の DBR層 7のいずれか一方には少なくとも構造変調領域 12が形成され、この構造変調領域 12で囲まれた内側の高反射領域の幅 Aが、電流狭窄領域の幅 Bよりも狭い部分を有している。このため、高出力で単一基本横モードを維持した VCSELが得られる。

特に、出射側の第 2の DBR層 7に構造変調領域 12が形成されていることが好ましい。更に、第 2の DBR層 7に形成された構造変調領域 12で囲まれた内側の高反射領域の幅 Aが、電流狭窄領域の幅 Bよりも狭、ことがより好ま、。

また、第 1または第 2の DBR層 2, 7に形成された構造変調領域 12で囲まれた内側の高反射領域の実効的な幅 Aが、基本横モードの光の幅と等、ことが好ま、。

[0057] (第 6の実施例）

図 7を用いて本発明による VCSELの第 6の実施例にっヽて説明する。

[0058] 本実施例では、基板 101上に第 1の DBR層 102、第 1クラッド層 103、活性層 104 、第 2ラッド層 105、酸化電流狭窄部形成層 106、第 2の DBR層 107が順次積層された積層構造 120と、第 1の電極 109及び第 2の電極 111とを有している。第 1の DBR 層 102は低屈折率層 102-1と高屈折率層 102-2の多層膜から構成される。第 2の DBR層 107についても同様である。出射側の第 2の DBR層 107のペア数は、第 1の DBR層 102より反射率を小さくするため、通常第 1の DBR層 102のペア数より少なく設定される。

[0059] 共振部は第 1クラッド層 103、活性層 104及び第 2クラッド層 105から構成される。活性層 104は、共振部の電界強度の腹にあたる部分に配置される。酸化電流狭窄部形成層 106は、共振部と第 1または第 2の DBR層 102, 107との間に配置されるる。特に、電流狭窄部が酸化膜により形成される場合には、半導体と酸化膜の屈折率差が大きく光閉じこめ効果が大きくなりすぎないように、酸ィ匕電流狭窄部形成層 106は電界強度が節となる位置に配置される。

[0060] 高次横モードの発生を抑制するために、第 2の DBR層 107の周辺部に、相互拡散あるいは高濃度の不純物拡散によって、発光の中心部に比べて反射率が低下した構造変調領域 108を形成する。この構造変調領域 108の開口幅 113は、電流狭窄部の開口幅 112より狭くなつている。電流注入時に活性層で光る発光領域は、電流狭窄部の開口幅 112から、楕円の領域 114のようになる。

[0061] 楕円の発光領域 114から出た光は、上下の DBR層 102、 107により構成された光共振器によりフィードバックが力かりレーザ発振が生じる。しかし、本実施例では低反射率である構造変調領域 108が形成されているため、発光の周辺部では十分なフィードバックが力からない。このため発光の中心部に最大の光強度がある基本横モードでは発振するが、周辺部に最大光強度がある高次横モードは発振しに《なる。

[0062] 反射率の低下した構造変調領域 108を形成する方法として、本実施例では第 2の DBR層 107を構成する多層膜の相互拡散、あるいは高濃度の不純物拡散による周期構造の破壊作用を用いている。

[0063] 多層膜の相互拡散とは、多層膜を構成して、る原子が、互、の層に拡散する現象をいう。例えば、 24周期の GaAsZAlAsからなる DBR膜の反射率は 99%以上である。この DBR膜に対し、発光中心部の DBRは相互拡散させないように、外周囲だけ電子線照射を行い、この電子線照射が行われた領域の異常拡散を用い、多層膜の相互拡散を行なう。こうして AlGaAs (Al:0. 4) /AlGaAs(Al: 0. 6)の DBRに変えると、反射率は 77%に低下する。

[0064] 一方、不純物拡散により構造変調領域 108を形成すると、キャリア吸収も起こる。上記の例の多層膜構造で各層中の吸収係数が 100cm ¹とすると、 DBR全体での吸収率は約 4%になり、反射率もその分下がって約 74%になる。

[0065] 次に本実施例による VCSELについて、製造工程も含めて詳細に説明する。なお、以下の説明は、短波長レーザ装置の例であり、発振波長約 0. 85 mとなる材質を選択している。

[0066] まず、図 7に示すように、 Siドープ n型 GaAs基板 101上に、 n型 Al Ga As層から

0.2 0.8 なる高屈折率層 102-2と n型 Al Ga As層カゝらなる低屈折率層 102-1の一対を基

0.9 0.1

本単位とする n型の DBR(n型半導体ミラー層）を複数積層した第 1の DBR層 102、 n 型 Al Ga Asの第 1クラッド層 103、ノンドープ GaAs量子井戸と Al Ga As障壁

0.3 0.7 0.2 0.8 層からなる活性層 104、 p型 Al Ga Asの第 2クラッド層 105、 p型 Al Ga As (ただ

0.3 0.7 x 1-x し 0. 9<χ< 1)の酸化電流狭窄部形成層 106、p型 Al Ga As層と p型 Al Ga A

0.2 0.8 0.9 0.1 s層の一対を基本単位とする DBR (p型半導体ミラー層）を複数積層した第 2の DBR 層 107を、有機金属気相成長 (MOCVD)法にて順次積層し、積層構造 120を形成する。分子線エピタキシー成長（MBE)法等の他の成長方法を用いてもよい。このェ程は、図 2 (B)の工程に相当する。

[0067] 各々の DBR層 102, 107では、高屈折率の Al Ga Asと低屈折率の Al Ga As

0.2 0.8 0.9 0.1 とのそれぞれの膜厚は、これら媒質内の各々の光路長が発振波長約 0. 85 mのほぼ 1Z4となるように設定してある。または、 Al Ga Asの厚みと Al Ga Asの厚み

0.2 0.8 0.9 0.1 の合計の膜厚（DBR単位の膜厚）を、光路長を発振波長である約 0. 85 μ mの 1Z2 となるように設定してもよい。

[0068] 次に、フォトレジストをェピタキシャル成長膜上へ塗布し、円形のレジストマスクを形成する。ついで、ドライエッチングにより、第 2クラッド層 105の表面が露出するまでェツチングを行い、直径約 30 mの円柱状構造を形成する。この工程により、酸化電流狭窄部形成層 106の側面が露出する。その後、フォトマスクを除去する。この工程は、図 2 (C)の工程に相当する。

[0069] 次に、再びメサ上面における、内径が約 8 m— mで、外径は直径約 12— 14 μ mであるメサと同心円の円環部を除く面をフォトレジストで覆う。その後、メサ最上層上に ZnO膜 (不純物層）をスパッタで円環状に形成し、 580°C、 10分のァニールを行う。この結果、光軸の中心部を除く周縁部に、深さ約 2 m程度まで Zn (第 2導電型の不純物）が拡散し、第 2の DBR層 107の破壊が生じる。これにより高屈折率の A1

0.2

Ga As層と低屈折率の Al Ga As層の界面はなだらかになり、その領域の反射率

0.8 0.9 0.1

は低下する。この結果、第 2の DBR層 107の一部に発光の中心部に比べて低反射率である構造変調領域 108が形成される。

[0070] 最上層は、 GaAsの λ Ζ2層を設けても良い。更に、この工程は、上述のメサを形成する工程の前に行っても良ぐ更に、後述の電流狭窄部形成の選択酸ィ匕の工程の後で行っても良、ことは言うまでもな、。

[0071] その後、水蒸気雰囲気中の炉内において温度約 400°Cで約 10分間加熱を行う。これにより、酸化電流狭窄部形成層 106が円環状に選択的に酸化され、酸化領域が形成される。同時に、酸ィ匕電流狭窄部形成層 106の中心部には直径が約 8 mの非酸化領域が形成される。

[0072] 酸化電流狭窄部形成層 106に形成された、酸化領域と非酸化領域からなる構成を電流狭窄部という。電流狭窄部は、電流を非酸化領域とほぼ同じ幅の活性層領域に集中して流すために設けている。

[0073] その後、メサ上の外周にチタン (Ti)Z金 (Au)のリング状の上部電極 109、基板裏面全面に AuGe合金の下部電極 111を形成する。この工程は、図 2 (D)に相当する構造変調領域 108は、上記電流狭窄部と同一の中心軸で、構造変調領域 108が囲う内径 113は、前記電流狭窄部の開口幅 112より小さくなつている。このため、電流狭窄部の開口幅 112を約 8 /z mと大きくとっても単一基本モードが維持され、約 5 mW以上の高出力動作が可能となる。

[0074] 本実施例における VCSELでは、構造変調領域 108の形状が円環状となって、るため、出力光の断面も円環状となるが、必要に応じて楕円型などの所望の断面形状をもつ出力光を出射するようにしてもょ、。

[0075] 上述した実施例においては、活性層 4, 104の材料としてノンドープ GaAsやノンドープ Al Ga Asを用いた力活性層 4, 104の材料としてはこれらに限られず、 GaA

0.2 0.8

sまたは InGaAsを用いて近赤外用の VCSELを構成することもできるし、また、 InGa P、 AlGalnPなどの可視 VCSELにも適用できる。 [0076] 更に、 InP基板上の InGaAsPや、 GaAs基板上の GaInNAs、 GaInNAsSb、 GaA sSbなどを用いて長波帯の単一モード VCSELを構成することもできる。これらの VC SELは単一モードファイバを用いた比較的長距離の通信に非常に有効である。さらには、 GaN系や ZnSe系等を用いて青色または紫外線用の VCSELを構成することができる。

[0077] また、これらの活性層 4, 104の材料に応じて、 DBR層 2, 7, 102, 107を含めたその他の層の材料.組成や、 DBR層 2, 7, 102, 107の周期数を含めたそれぞれの層の厚みを適宜選択、設定できることは、うまでもな、。

[0078] 第 1一 4、 6の実施例における VCSELでは、電流狭窄部の酸化領域はアルミニウム

(A1)が酸ィ匕する構成となっているが、 A1に限るものではなぐ酸化した場合に非酸化領域に比べ電気抵抗が大幅に増大 (絶縁体となれば望ま U、)する物質であればよい。

また、上述した実施例で第 1と第 2の導電性を逆に、即ち、 n型を p型に、かつ p型を n型に変更してもよい。この場合には、電流狭窄部は活性層 4, 104と第 1の DBR層 2 , 102との間に形成するのが望ましい。あるいは、何れの場合も、電流狭窄部は、活性層 4, 104と第 1の DBR層 2, 102との間、及び、活性層 4, 104と第 2の DBR層 7, 107との間の両方に形成してもよい。

[0079] また、上述した実施例と組み合わせて十分機能しさえすれば、必ずしも選択酸化による電流狭窄である必要もなぐ第 5の実施例で示した方法以外にも、例えばプロトン注入による方法などを適用することも出来る。

[0080] また、上述した実施例では導電性基板 1, 101上に VCSELを形成していた力 p型及び n型両電極とも表面側に形成する場合などは必ずしも導電性基板 1, 101に限定されず、例えばノンドープ基板または半絶縁性基板を用いても良い。さらに上述した実施例では基板 1, 101上に積層した全ての層にドーピングした場合にっヽて説明したが、電流経路となり動作上必須な範囲に少なくともドーピングすれば良い。

[0081] 本発明は、これら実施例に具体的に示した構成、方法に限定されるものではなぐ発明の趣旨に沿うものであれば種々のバリエーションが考えられる。

Claims

請求の範囲

[1] 基板上に少なくとも第 1導電型のブラッグ反射鏡層、活性層及び第 2導電型のブラッグ反射鏡層が順次積層された積層構造と、

前記積層構造を流れる電流を前記活性層の発光領域に集中させる電流狭窄構造と、

前記積層構造における光軸から離間した領域に形成され、前記光軸を含む発光の中心部に比べて反射率が低い構造変調領域と

を備えることを特徴とする面発光レーザ。

[2] 前記電流狭窄構造は、前記第 1導電型のブラッグ反射鏡層と前記活性層との間及び前記第 2導電型のブラッグ反射鏡層と前記活性層との間のいずれかに形成され、前記光軸を含む中心部に形成された電流狭窄領域と、この電流狭窄領域の周囲に形成されかつ前記電流狭窄領域よりも電気抵抗が高い非電流狭窄領域とを備える電流狭窄部からなることを特徴とする請求項 1に記載の面発光レーザ。

[3] 前記構造変調領域に囲まれる中心部の幅は、前記電流狭窄領域の幅よりも狭いことを特徴とする請求項 2に記載の面発光レーザ。

[4] 前記構造変調領域は、前記第 1導電型のブラッグ反射鏡層及び前記第 2導電型のブラッグ反射鏡層の少なくとも一方に形成されていることを特徴とする請求項 1に記載の面発光レーザ。

[5] 前記構造変調領域は、前記積層構造の他の領域と反射率に影響を与えるパラメ一タが異なって!/、ることを特徴とする請求項 1に記載の面発光レーザ。

[6] 前記パラメータは、層厚、平坦性及び前記基板の表面に対する傾きの少なくとも 1 つであることを特徴とする請求項 5に記載の面発光レーザ。

[7] 前記基板及び前記積層構造に含まれる層のいずれかの表面に形成された段差を更に備え、

前記構造変調領域は、前記段差を起点に形成されていることを特徴とする請求項 1 に記載の面発光レーザ。

[8] 前記段差は、前記基板の表面の法線方向に対して傾斜して、ることを特徴とする請求項 7に記載の面発光レーザ。

[9] 前記段差は、メサ構造により規定されていることを特徴とする請求項 7に記載の面発光レーザ。

[10] 前記メサ構造の平面形状は、円形、楕円形及び矩形のいずれかであることを特徴とする請求項 9に記載の面発光レーザ。

[11] 前記段差は、前記光軸力外側に向かって低くなることを特徴とする請求項 9に記載の面発光レーザ。

[12] 前記段差は、環状に形成された多重の凹凸により規定されていることを特徴とする請求項 7に記載の面発光レーザ。

[13] 前記多重の凹凸の平面形状は、円、楕円及び矩形形状のいずれかであることを特徴とする請求項 12に記載の面発光レーザ。

[14] 前記段差は、前記光軸から離間した領域に形成された複数の島状の凹凸からなることを特徴とする請求項 7に記載の面発光レーザ。

[15] 前記構造変調領域は、前記第 2導電型のブラッグ反射鏡層を構成する多層膜の相互拡散により形成されていることを特徴とする請求項 1に記載の面発光レーザ。

[16] 前記構造変調領域は、高濃度の不純物拡散により形成されていることを特徴とする請求項 1に記載の面発光レーザ。

[17] 基板上に、少なくとも第 1導電型のブラッグ反射鏡層、活性層、第 2導電型のブラッグ反射鏡層を順次積層して積層構造を形成する工程と、

前記積層構造における中心軸力も離間した領域に、前記中心軸を含む中心部に比べて反射率が低！ヽ構造変調領域を形成する工程と

を備えることを特徴とする面発光レーザの製造方法。

[18] 前記積層構造を形成する工程は、前記第 1導電型のブラッグ反射鏡層と前記活性層との間及び前記第 2導電型のブラッグ反射鏡層と前記活性層との間のいずれかに

、酸化により電気抵抗が高くなる材料からなる電流狭窄部形成層を形成する工程を備え、

前記積層構造を形成する工程の後に、前記電流狭窄部形成層の周縁部を酸化する工程を更に備えることを特徴とする請求項 17に記載の面発光レーザの製造方法。

[19] 前記酸ィ匕する工程は、前記電流狭窄部形成層の酸化されない中心部の幅が、前記構造変調領域に囲まれる中心部の幅より狭くなる前に、酸化処理を停止することを特徴とする請求項 18に記載の面発光レーザの製造方法。

[20] 前記構造変調領域を形成する工程は、前記第 1導電型のブラッグ反射鏡層及び前記第 2導電型のブラッグ反射鏡層の少なくとも一方に前記構造変調領域を形成することを特徴とする請求項 17に記載の面発光レーザの製造方法。

[21] 前記構造変調領域を形成する工程は、前記積層構造の他の領域と層厚、平坦性及び前記基板の表面に対する傾きの少なくとも 1つが異なる構造変調領域を形成する工程を備えることを特徴とする請求項 17に記載の面発光レーザの製造方法。

[22] 前記構造変調領域を形成する工程は、

前記基板及び前記積層構造に含まれる層のいずれかの表面の前記中心軸から離間した領域に、段差を形成する工程と、

前記段差を形成した表面上に前記積層構造の残りの層を形成する工程とを備えることを特徴とする請求項 17に記載の面発光レーザの製造方法。

[23] 前記段差を形成する工程は、前記中心軸力も外側に向力つて低くなる段差を形成することを特徴とする請求項 22に記載の面発光レーザの製造方法。

[24] 前記段差を形成する工程は、前記中心軸力も外側に向力つて低くなる段差と、高くなる段差とを複数形成することを特徴とする請求項 22に記載の面発光レーザの製造方法。

[25] 前記構造変調領域を形成する工程は、前記積層構造における前記中心軸力離間した領域に電子線を照射することにより、前記積層構造の各層を構成する原子を他の層に拡散させる工程を備えることを特徴とする請求項 17に記載の面発光レーザの製造方法。

[26] 前記構造変調領域を形成する工程は、

前記第 2導電型のブラッグ反射鏡層における前記中心軸力離間した領域の上に、前記中心軸を取り囲むように第 2導電型の不純物を含む不純物層を形成する工程と、

前記不純物層から前記第 2導電型のブラッグ反射鏡層に不純物を拡散させる工程とを備えることを特徴とする請求項 17に記載の面発光レーザの製造方法。