WO2020261687A1 - 面発光レーザ - Google Patents

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WO2020261687A1
WO2020261687A1 PCT/JP2020/014766 JP2020014766W WO2020261687A1 WO 2020261687 A1 WO2020261687 A1 WO 2020261687A1 JP 2020014766 W JP2020014766 W JP 2020014766W WO 2020261687 A1 WO2020261687 A1 WO 2020261687A1
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dbr
less
surface emitting
emitting laser
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PCT/JP2020/014766
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青木健志
吉本晋
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住友電気工業株式会社
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Definitions

  • This disclosure relates to a surface emitting laser.
  • This application claims priority based on Japanese Application No. 2019-116709 filed on June 24, 2019, and incorporates all the contents described in the Japanese application.
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
  • MA Bobrov et al. MA Bobrov et al. “Mechanism of the polarization control in intracavity-contacted VCSEL with rhomboidal oxide current aperture” Journal of Physics: Conference Series (Journal of Physics: 20 Conference Series) 74
  • the surface emitting laser according to the present disclosure includes a lower DBR layer, a cavity layer, and an upper DBR layer that are sequentially laminated on the substrate, and the lower DBR layer is sequentially laminated on the substrate. It has a first DBR layer, a contact layer, and a second DBR layer, and the first DBR layer and the second DBR layer each include a plurality of first layers and a plurality of second layers that are alternately laminated, and the first The layer and the second layer are semiconductor layers containing aluminum, the composition ratio of aluminum in the first layer is lower than the composition ratio of aluminum in the second layer, and the second DBR layer is the first layer and the second layer. Is a surface emitting laser containing 12 pairs or more and 20 pairs or less.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the surface emitting laser according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the surface emitting laser according to Comparative Example 1.
  • FIG. 3A is a diagram showing the results of simulation of the refractive index and light intensity in Comparative Example 1.
  • FIG. 3B is a diagram showing the results of simulation of the refractive index and light intensity in Example 1.
  • FIG. 4A is a diagram showing the result of simulation of the light confinement coefficient.
  • FIG. 4B is a diagram showing the result of simulation of differential resistance.
  • FIG. 5 is a diagram showing the results of simulation of the light confinement coefficient of the n-type contact layer.
  • the vertical resonance type surface emitting laser is a kind of semiconductor laser.
  • a surface emitting laser a lower DBR (Distributed Bragg Reflector) layer, a cavity layer including a light emitting layer, and an upper DBR layer are laminated (Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).
  • An array containing multiple surface emitting lasers may be formed.
  • the substrate is semi-insulating, a contact layer is provided in the lower DBR layer, and electrodes are provided in the contact layer.
  • the modulation rate of the surface emitting laser depends on the light confinement coefficient and the differential resistance. The modulation rate can be increased by increasing the optical confinement coefficient and decreasing the differential resistance.
  • the DBR layer between the contact layer and the cavity layer is a series resistance component, which contributes to the increase in the differential resistance of the surface emitting laser.
  • the differential resistance is lowered by bringing the contact layer closer to the cavity layer, light leaks from the cavity layer to the contact layer, and the light confinement performance is lowered. Therefore, it is an object of the present invention to provide a surface emitting laser capable of improving the light confinement performance and reducing the resistance at the same time.
  • One embodiment of the present disclosure includes (1) a lower DBR layer, a cavity layer, and an upper DBR layer that are sequentially laminated on the substrate, and the lower DBR layer is sequentially laminated on the substrate.
  • the first DBR layer, the contact layer, and the second DBR layer are provided, and the first DBR layer and the second DBR layer each include a plurality of first layers and a plurality of second layers alternately laminated, and the first DBR layer and the second DBR layer are respectively.
  • the first layer and the second layer are semiconductor layers containing aluminum, the composition ratio of aluminum in the first layer is lower than the composition ratio of aluminum in the second layer, and the second DBR layer is the first layer and the second layer. It is a surface emitting laser containing 12 pairs or more and 20 pairs or less.
  • the optical path length from the contact layer to the cavity layer may be 6 times or more and 10 times or less the oscillation wavelength of the cavity layer. It is possible to achieve both light confinement performance and low resistance.
  • the lower DBR layer may include 30 or more pairs of the first layer and the second layer. The reflectance of the lower DBR layer is increased.
  • the contact layer contains aluminum gallium arsenide, and the aluminum composition ratio may be 0.2 or less. As a result, the resistance of the contact layer is lowered and the heat dissipation is improved.
  • the optical path length of the cavity layer may be half or less of the oscillation wavelength of the cavity layer. Light can be trapped in the cavity layer.
  • the cavity layer includes a first spacer layer, a second spacer layer, a light emitting layer, a third spacer layer, and a fourth spacer layer, which are laminated in order from the lower DBR layer side, and the first spacer.
  • the layer and the fourth spacer layer are aluminum gallium arsenide layers having an aluminum composition of 0.75 or more and 0.95 or less, and the second spacer layer and the third spacer layer have an aluminum composition of 0.25 or more. It is an aluminum gallium arsenide layer of 0.45 or less, and the light emitting layer may be a quantum well light emitting layer. Light can be trapped in the cavity layer.
  • the light confinement coefficient of the contact layer may be 1% or less, and the light confinement coefficient of the light emitting layer may be 3.1% or more and 3.6% or less. Light can be trapped in the cavity layer.
  • the ratio of the light confinement coefficient of the contact layer to the thickness is 2% / ⁇ m or less, and the ratio of the light confinement coefficient of the light emitting layer to the total thickness of the well layer contained in the light emitting layer is It may be 140% / ⁇ m or more and 170% / ⁇ m or less.
  • Light can be trapped in the cavity layer.
  • the second DBR layer contains n-type aluminum gallium arsenide, the upper DBR layer contains p-type aluminum gallium arsenide and an oxide constriction layer, and the aluminum composition ratio of the second DBR layer is the aluminum of the upper DBR layer. Lower than the composition ratio.
  • the concentration of stress generated by oxidation for forming the oxidative stenosis layer can be relaxed.
  • the second DBR layer, the cavity layer, and the upper DBR layer form a mesa, and the angle between the side surface of the mesa and the surface of the substrate may be 70 ° or more and 80 ° or less.
  • the concentration of stress can be relaxed.
  • the number of the first layer included in the second DBR layer may be equal to the number of the second layer included in the second DBR layer.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the surface emitting laser 100 according to the first embodiment.
  • a lower DBR layer 12 As shown in FIG. 1, a lower DBR layer 12, a cavity layer 14, an upper DBR layer 16, a p-type contact layer 18, and a cap layer 19 are laminated in this order on the substrate 10.
  • the lower DBR layer 12 includes an i-type DBR layer 20, an etching stop layer 22, an n-type DBR layer 24 (first DBR layer), an n-type contact layer 26, and an n-type DBR layer 28 (which are sequentially laminated on the substrate 10).
  • Second DBR layer is included.
  • the cavity layer 14 includes spacer layers 30 and 32 (first spacer layer and second spacer layer), light emitting layer 34, spacer layers 36 and 38 (third spacer layer and third spacer layer), which are sequentially laminated on the lower DBR layer 12. 4 spacer layer) is included.
  • the upper DBR layer 16 includes a spacer layer 40 which is sequentially laminated on the cavity layer 14, and a p-type DBR layer 42.
  • the electrode 50 is provided on the n-type contact layer 26, and the electrode 52 is provided on the cap layer 19.
  • the n-type DBR layer 28, the cavity layer 14, the upper DBR layer 16, the p-type contact layer 18, and the cap layer 19 form a mesa 11.
  • the mesa 11 is, for example, trapezoidal, and the angle ⁇ between the side wall and the bottom surface is 70 ° or more and 80 ° or less.
  • An oxidative stenosis layer 41 is formed in a part of the upper DBR layer 16.
  • the oxidative stenosis layer 41 extends from the side surface to the central side of the mesa 11, and the portion between the oxidative stenosis layer 41 becomes an aperture. Since the oxidative stenosis layer 41 is less likely to allow current to flow than the non-oxidized portion, the aperture serves as a current path, and efficient current injection becomes possible.
  • the oscillation wavelength of the surface emitting laser 100 is, for example, 830 to 930 nm, and the modulation speed is, for example, an aperture diameter of 7 ⁇ m, a bias current of 8 mA, and 17 to 18 GHz when driven at room temperature. In the following examples, the case where the oscillation wavelength is 850 nm is shown unless otherwise specified.
  • FIG. 10 An array in which a plurality of surface emitting lasers 100 are arranged is formed on the substrate 10, and one surface emitting laser 100 is shown in FIG.
  • the substrate 10, the DBR layer 20, and the etching stop layer 22 are shared by a plurality of surface emitting lasers 100.
  • a groove 54 reaching the etching stop layer 22 is formed in the n-type DBR layer 24 and the n-type contact layer 26, and the groove 54 separates the surface emitting lasers 100 from each other.
  • An etching stop layer 22 is provided in the middle of the lower DBR 12, and the etching is stopped there, so that the etching amount for isolation can be suppressed.
  • the substrate 10 is etched for the purpose of electrical isolation. In that case, it is necessary to etch the epi layer having a total thickness of 10 ⁇ m. Since it is necessary to secure a margin for side etching, the effective region in the wafer surface is narrowed, and the yield is further reduced.
  • strain is inherent in the lower DBR layer formed by epitaxial growth. By etching up to the substrate 10, all strains having a total thickness of 10 ⁇ m are released. The release of strain contributes to the peeling of the film, for example, at the end face of the chip.
  • the etching time can be shortened and the throughput can be increased.
  • side etching can be minimized and the effective region can be expanded.
  • various adverse effects caused by strain release can be reduced.
  • Table 1 shows an example of the layer structure of the surface emitting laser 100.
  • the substrate 10 is, for example, a semi-insulating semiconductor substrate made of gallium arsenide (GaAs).
  • GaAs gallium arsenide
  • the DBR layer 20 and the etching stop layer 22 are made of non-doped aluminum gallium arsenide (AlGaAs).
  • the etching stop layer 22 may be a p-type.
  • the n-type DBR layers 24 and 28 and the n-type contact layer 26 are made of n-type AlGaAs doped with silicon (Si).
  • the DBR layer 20 and the n-type DBR layer 24 are, for example, an Al 0.16 Ga 0.84 As layer (first layer) having an Al composition ratio of 0.16 and an Al composition ratio of 0.9, respectively.
  • Al 0.9 Ga 0.1 As layer (second layer) of No. 2 is alternately laminated.
  • the number of pairs of the two types of AlGaAs layers in the DBR layer 20 is (25-N) pairs.
  • N is a natural number, and a specific value will be described later.
  • the number of pairs in the n-type DBR layer 24 is, for example, 4 pairs.
  • the n-type DBR layer 28 includes, for example, an Al 0.16 Ga 0.84 As layer (first layer) having an Al composition ratio of 0.16 and an Al 0.88 Ga 0.12 As layer having an Al composition ratio of 0.88. (Second layer) is alternately laminated, and the number of pairs of the two types of AlGaAs layers is (8 + N).
  • N is a natural number, preferably an integer of 4 or more and 12 or less, for example. That is, the number of pairs of the DBR layer 20 is, for example, 13 or more and 21 or less, and the number of pairs of the n-type DBR layer 28 is, for example, 12 or more and 20 or less. Since the number of pairs of the n-type DBR layer 28 is 12 to 20, the optical path length from the n-type contact layer 26 to the center in the thickness direction of the cavity layer 14 is 6 times or more and 10 times or less the oscillation wavelength ⁇ . Yes (12 times or more and 20 times or less of half wavelength).
  • the optical path lengths in the plurality of layers are the sum of the optical path lengths (thickness multiplied by the refractive index) in each layer.
  • the Al composition ratio of the n-type contact layer 26 is lower than that of the n-type DBR layers 24 and 28, for example, 0.1, preferably 0.2 or less.
  • the dopant concentration of the n-type contact layer 26 is higher than that of the n-type DBR layers 24 and 28, for example, 3.0 ⁇ 10 18 cm -3 .
  • the thickness of the n-type contact layer 26 is, for example, 480 nm.
  • the spacer layer 30 is formed of an n-type Al 0.88 Ga 0.12 As doped with Si.
  • the spacer layers 32 and 36 are formed of non-doped Al 0.41 Ga 0.59 As.
  • the spacer layer 38 is formed of C-doped p-type Al 0.88 Ga 0.12 As.
  • the Al composition ratio of the spacer layers 30 and 38 is preferably 0.75 or more and 0.9 or less, for example.
  • the Al composition ratio of the spacer layers 32 and 36 is preferably, for example, 0.25 or more and 0.45 or less.
  • the light emitting layer 34 is a quantum well active layer containing four indium aluminum gallium arsenide (InAlGaAs) layers (well layers) and three Al 0.41 Ga 0.59 As layers (barrier layers) between the well layers. Is.
  • the thickness of the InAlGaAs layer is, for example, 5.5 nm
  • the thickness of the Al 0.41 Ga 0.59 As layer is, for example, 4 nm.
  • the Al composition ratio is, for example, 0.41, preferably 0.25 or more and 0.45 or less.
  • the number of well layers is not limited to the above four layers. For example, the number of well layers may be 3 or less, or 5 or more.
  • the spacer layer 40, the oxidative constriction layer 41, the p-type DBR layer 42, and the p-type contact layer 18 are formed of carbon (C) -doped p-type AlGaAs.
  • the oxidative constriction layer 41 includes, for example, three AlGaAs layers laminated in order, and the Al composition ratios of each are 0.6, 0.98 and 0.6, respectively.
  • an Al 0.16 Ga 0.84 As layer having an Al composition ratio of 0.16 and an Al 0.9 Ga 0.1 As layer having an Al composition ratio of 0.9 were alternately laminated. The number of pairs is 23.
  • the cap layer 19 is made of C-doped p-type GaAs.
  • the dopant concentration of the p-type contact layer 18 and the cap layer 19 is higher than that of the p-type DBR layer 42, for example, 4.5 ⁇ 10 19 cm -3 .
  • each layer can be in the following range, for example.
  • Etching stop layer 22 240-250 nm
  • the composition ratio does not have to be constant in each layer, and may change, for example, along the thickness direction. As a result, lattice matching between layers can be achieved. Further, especially in the DBR layer, it is possible to prevent the formation of a steep heterojunction interface and reduce the resistance. For example, in the lower DBR layer 12, the Al 0.16 Ga 0.84 near As layer portion of the Al 0.9 Ga 0 ⁇ 1 As layer closer to 0.16 by reducing the Al composition ratio.
  • the compound semiconductor layer as shown in FIGS. 1 and 1 is epitaxially grown on the substrate 10 by, for example, the Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) method or the Molecular Beam Epitaxy (MBE) method. To do.
  • MOCVD Metalorganic Chemical Vapor Deposition
  • MBE Molecular Beam Epitaxy
  • the number of pairs can be increased or decreased by controlling the flow rate and growth time of the raw material gas.
  • the mesa 11 and the groove 54 are formed by etching.
  • the oxidation stenosis layer 41 is formed by oxidizing a part of the upper DBR layer 16 by overheating in a water vapor atmosphere.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the surface emitting laser 100R according to Comparative Example 1.
  • the difference between the surface emitting laser 100R and the surface emitting laser 100 according to the first embodiment is the number of pairs of the DBR layer 20 and the number of pairs of the n-type DBR layer 28.
  • Table 2 shows an example of the layer structure of the surface emitting laser 100R. As shown in Table 2, the number of pairs of the DBR layer 20 is 25, and the number of pairs of the n-type DBR layer 28 is 8. Compared to Example 1, the number of pairs of the n-type DBR layer 28 is smaller, and the optical path length from the n-type contact layer 26 to the center of the cavity layer 14 is shorter.
  • FIG. 3A is a diagram showing the results of the refractive index and light intensity simulation in Comparative Example 1
  • FIG. 3B is a diagram showing the results of the refractive index and light intensity simulation in Example 1.
  • the horizontal axis is the depth from the surface of the surface emitting laser, the left end is the bottom surface of the substrate 10, and the right end is the surface of the surface emitting laser.
  • the vertical axis on the left represents the light intensity.
  • the light intensity shown by the solid line is the result calculated by the one-dimensional transfer matrix method.
  • the vertical axis on the right represents the refractive index.
  • the light intensity is large in the cavity layer 14 and attenuates as it moves away from the cavity layer 14.
  • the portion near the depth of 5 ⁇ m is the n-type contact layer 26, which has a higher refractive index than the other layers. Light leaks from the cavity layer 14 to the n-type contact layer 26, and the light intensity maintains a constant magnitude in the n-type contact layer 26.
  • the light intensity is large in the cavity layer 14, and is attenuated as it is separated from the cavity layer 14.
  • the n-type contact layer 26 is separated from the cavity layer 14, for example, at a depth of about 6 ⁇ m. Therefore, the light does not easily spread to the n-type contact layer 26, and the light intensity in the n-type contact layer 26 is smaller than that in Comparative Example 1.
  • the light confinement coefficient ⁇ in the light emitting layer 34 and the n-type contact layer 26 is calculated by the following equation.
  • Light confinement coefficient ⁇ 1 of the light emitting layer 34 ⁇ 1 (Integral value of light intensity in the well layer included in the light emitting layer 34) / (Integral value of light intensity in all layers)
  • Light confinement coefficient ⁇ 2 of the n-type contact layer 26 ⁇ 2 (Integral value of light intensity in n-type contact layer 26) / (Integral value of light intensity in all layers)
  • the VCSEL has a resonator structure in which light is confined in a cavity layer 14 surrounded by upper and lower DBR layers having a function of a reflector, but in device operation, photoelectric conversion from an injection current is performed in the light emitting layer.
  • the light confinement coefficient of the well layer in the light emitting layer 34 is an index of the high-speed modulation performance of the VCSEL. Since the light emitting layer 34 is located at the center of the cavity layer 14, the light confinement coefficient of the light emitting layer 34 can be increased by collecting light in the cavity layer 14.
  • the light confinement coefficient ⁇ 1 of the light emitting layer 34 was calculated in Example 1, Comparative Examples 1 and 2. Comparative Example 2 does not have the n-type contact layer 26, and the other layer structures are the same as those of Comparative Example 1.
  • FIG. 4A is a diagram showing the result of simulation of the light confinement coefficient of the light emitting layer 34.
  • the vertical axis represents the light confinement coefficient ⁇ 1 of the light emitting layer 34.
  • Example 1 the calculation result of Example 1 is represented by a circle, and the solid line is a curve in which the result of Example 1 is fitted by a quadratic function by the least squares method.
  • N is changed from 0 to 10.
  • FIG. 5 is a diagram showing the results of simulation of the optical confinement coefficient of the n-type contact layer 26.
  • the vertical axis represents the light confinement coefficient ⁇ 2 of the n-type contact layer 26.
  • Example 1 the calculation result of Example 1 is represented by a circle, and the solid line is a curve in which the result of Example 1 is fitted by a quadratic function by the least squares method.
  • N is changed from 0 to 10.
  • the optical confinement coefficient ⁇ 2 decreases as N increases.
  • the light confinement coefficient of the light emitting layer 34 in Example 1 is, for example, 3.1% or more and 3.6% or less, and the light confinement coefficient of the n-type contact layer 26 is, for example, 1% or less.
  • the light confinement performance of the n-type contact layer 26 is determined by (light confinement coefficient ⁇ 2 of the n-type contact layer 26) / (thickness of the n-type contact layer 26).
  • the light confinement performance of the light emitting layer 34 in Example 1 is, for example, 140% / ⁇ m or more and 170% / ⁇ m or less, and the light confinement performance of the n-type contact layer 26 is, for example, 2% / ⁇ m or less.
  • the n-type contact layer 26 can be moved away from the cavity layer 14 and light can be collected in the cavity layer 14.
  • the n-type DBR layer 28 between the n-type contact layer 26 and the cavity layer 14 becomes a resistance component.
  • the differential resistance of the surface emitting laser may increase.
  • the modulation speed of the surface emitting laser depends on the reciprocal of the differential resistance, and the modulation speed may decrease due to the increase in the differential resistance.
  • the n-type contact layer 26 is provided directly above the substrate 10 without the intervention of the DBR layer, and the lower DBR layer containing 30 pairs or more is provided between the n-type contact layer 26 and the cavity layer 14, thereby confining light.
  • the coefficient can be increased.
  • the entire lower DBR layer becomes a resistance component, and the differential resistance greatly increases.
  • FIG. 4B is a diagram showing the results of a differential resistance simulation.
  • the horizontal axis represents the amount of increase N in the number of pairs of the DBR layer 20 and the n-type DBR layer 28 in Table 1.
  • the vertical axis is the amount of increase in the differential resistance of the surface emitting laser in Example 1 when Comparative Example 1 is set to 0.
  • the differential resistance was calculated using a two-dimensional device simulator with the aperture diameter of the surface emitting laser 100 set to 7 ⁇ m in the cylindrical coordinate system.
  • the optical confinement coefficient of the cavity layer 14 increases, but the differential resistance also increases.
  • the differential resistance increases in proportion to N.
  • N is preferably 12 or less.
  • the n-type DBR layer 28 between the n-type contact layer 26 and the cavity layer 14 includes an Al 0.16 Ga 0.84 As layer and an Al 0.88 Ga 0.12 As layer.
  • the number of pairs is 12 pairs or more and 20 pairs or less. That is, in Table 1, FIG. 4A and FIG. 4B, N is 4 or more and 12 or less.
  • the light confinement coefficient of the cavity layer 14 can be set to, for example, 3.12% or more. Further, the amount of increase in the differential resistance can be suppressed to about 1 ⁇ at the maximum. That is, it is possible to achieve both improvement in the light confinement performance in the cavity layer 14 and reduction in resistance.
  • the number of pairs of the n-type DBR layer 28 is 16 pairs, and the number of pairs of the DBR layer 20 is 17 pairs.
  • the optical confinement coefficient is 3.16% or more, and the amount of increase in the differential resistance is about 0.8 ⁇ . That is, the light confinement performance of the surface emitting laser 100 can be improved and the resistance can be lowered.
  • the number of pairs may be 12 pairs or more and 20 pairs or less, or 14 pairs or more and 18 pairs or less.
  • the number of Al 0.16 Ga 0.84 As layers contained in the n-type DBR layer 28 is the same as the number of Al 0.88 Ga 0.12 As layers contained in the n-type DBR layer 28. equal.
  • the number of Al 0.16 Ga 0.84 As layers contained in the n-type DBR layer 28 may differ from the number of Al 0.88 Ga 0.12 As layers contained in the n-type DBR layer 28.
  • the optical path length from the n-type contact layer 26 to the cavity layer 14 is 6 times or more and 12 times or less the oscillation wavelength. As a result, it is possible to achieve both improvement in confinement performance and reduction in resistance.
  • the optical path length may be 7 times or more and 9 times or less the oscillation wavelength.
  • the total number of pairs of the DBR layer 20, the n-type DBR layers 24 and 28, that is, the number of pairs of the lower DBR layer 12 is 30 pairs or more, preferably 35 pairs or more. In the example of Table 1, the total number of pairs is 37 pairs. Since the lower DBR layer 12 having 30 pairs or more has high reflectance, the loss of light is suppressed.
  • the n-type contact layer 26 is preferably made of AlGaAs and has an Al composition ratio of 0.2 or less.
  • the lower the Al composition ratio the higher the light absorption rate of the n-type contact layer 26, but the lower the resistance.
  • the Al composition ratio of the n-type contact layer 26 can be reduced to 0.2 or less to reduce the resistance.
  • the Al composition ratio may be, for example, 0.1 or less, or 0.
  • the Al composition is particularly preferably 0. This is because AlGaAs has an Al composition of 0, that is, heat dissipation is particularly improved when GaAs is a binary compound.
  • the optical path length in the thickness direction of the cavity layer 14 is preferably half or less of the oscillation wavelength.
  • the cavity layer 14 is a stack of spacer layers 30 and 32, a light emitting layer 34, and spacer layers 36 and 38, and the total of these optical path lengths is set to half or less of the oscillation wavelength.
  • the light confinement coefficient of the light emitting layer 34 is 3.1% or more and 3.6% or less, and the light confinement coefficient of the n-type contact layer 26 is 1% or less.
  • the light confinement performance of the light emitting layer 34 is 140% / ⁇ m or more and 170% / ⁇ m or less, and the light confinement performance of the n-type contact layer 26 is 2% / ⁇ m or less. Light can be confined in the cavity layer 14 and leakage of light to the n-type contact layer 26 can be suppressed.
  • a plurality of surface emitting lasers 100 are arrayed. Since the substrate 10 is a semi-insulating substrate, crosstalk between the surface emitting lasers 100 is suppressed.
  • the electrode 50 may be provided on the n-type contact layer 26 separated for each surface emitting laser 100 by the groove 54.
  • the surface emitting laser 100 is not arrayed and may be a single chip.
  • the DBR layer 20, the n-type DBR layers 24 and 28, the n-type contact layer 26, and the upper DBR layer 16 are made of AlGaAs. In these layers, pairs of layers having different Al composition ratios are formed.
  • the semiconductor layer of the surface emitting laser 100 may be formed of a compound semiconductor layer other than those shown in Table 1.
  • the upper DBR layer 16 is made of AlGaAs and contains an oxidative stenosis layer 41.
  • the n-type DBR layer 28 is made of AlGaAs and has a low Al composition ratio. More specifically, the Al composition ratio of the n-type DBR layer 28 is, for example, 0.88 at the maximum, which is lower than the maximum value of 0.98 of the upper DBR layer 16.
  • the oxidative stenosis layer 41 a part of the upper DBR layer 16 is oxidized. At this time, a part of the n-type DBR layer 28 is also oxidized. Due to the low Al composition ratio, the length of the oxidized portion of the n-type DBR layer 28 is shorter than that of the upper DBR layer 16. As a result, the concentration of stress on the mesa can be relaxed, and the reliability of the surface emitting laser 100 during long-term use can be improved.
  • the base angle ⁇ of the mesa is preferably 70 ° or more and 80 ° or less. As a result, the stress concentration can be further relaxed.
  • the optical path lengths of the n-type contact layer 26 and the etching stop layer 22 may be (integer multiples of ⁇ / 2) + ( ⁇ / 4) when the oscillation wavelength ⁇ of the light emitting layer 34.
  • the optical path lengths of the n-type contact layer 26 and the etching stop layer 22 as such, the mirror performance of the lower DBR 12 can be maintained.
  • the optical path length is an integral multiple of ⁇ / 2
  • light may be trapped in the n-type contact layer 26 or the etching stop layer 22 by forming a parasitic cavity, which may impair the light trapping performance of the cavity layer 14. is there.
  • the optical path length as described above, the light confinement performance of the cavity layer 14 can be maintained.
  • the number of pairs of the n-type DBR layer 24 above the etching stop layer 22 may be 4 pairs or more, and the number of pairs of the DBR layer 20 below the etching stop layer 22 may be 20 pairs or more.
  • the electrode 50 is attached to the n-type contact layer 26 to operate the device, a current also circulates below the n-type contact layer 26. It is preferable to perform etching for isolation deeper than the range in which such current wraparound exists. Therefore, it is preferable that the etching stop layer 22 is arranged at least 4 pairs away from the n-type contact layer 26. Further, in order to maintain the reflection mirror performance of the lower DBR 12 as a whole, it is preferable to have 20 pairs or more of DBRs below the etching stop layer 22.
  • the number of pairs of the n-type DBR layer 24 above the etching stop layer 22 may be 1 pair or more and 8 pairs or less, and a p-type doped or undoped DBR layer below the etching stop layer 22 may be provided. Isolation can be ensured by providing a p-type or undoped layer below the etching stop layer 22.
  • the etching stop layer is located on the lower side adjacent to the n-type contact layer 26. It is preferable to dope a part above 22 with n-type doping because the resistance in the lateral direction can be reduced.
  • the number of pairs of the n-type DBR layer 24, which is an n-type doped DBR, is preferably 1 pair or more and 8 pairs or less.
  • a lower DBR layer, a cavity layer, and an upper DBR layer which are sequentially laminated on the substrate are provided, and the lower DBR layer is a first DBR layer, a contact layer, and a second DBR which are sequentially laminated on the substrate.
  • the first DBR layer and the second DBR layer each include a plurality of alternately laminated first layers and a plurality of second layers, and the first layer and the second layer are semiconductors containing aluminum. It is a layer, the composition ratio of aluminum in the first layer is lower than the composition ratio of aluminum in the second layer, and the first DBR layer further includes an etching stop layer.
  • a surface emitting laser in which the optical path lengths of the contact layer and the etching stop layer are each an integral multiple of ⁇ / 2 + ⁇ / 4 when the oscillation wavelength is ⁇ .
  • the first DBR layer includes four pairs of the first layer and the second layer above the etching stop layer, and 20 pairs or more of the first layer and the second layer below the etching stop layer.
  • the surface emitting laser according to Appendix 1 which includes a pair with a layer.
  • the first DBR layer includes a DBR including a pair of n-type-doped first layer and the second layer having 1 pair or more and 8 pairs or less on the upper side of the etching stop layer, and lower than the etching stop layer.
  • Substrate 11 Mesa 12 Lower DBR layer 14 Cavity layer 16 Upper DBR layer 18 p-type contact layer 19 Cap layer 20 DBR layer 22 Etching stop layer 24, 28 n-type DBR layer 26 n-type contact layer 30, 32, 36, 38 , 40 Spacer layer 34 Light emitting layer 41 Oxidized constriction layer 42 p type DBR layer 50, 52 Electrode 54 Groove 100, 100R Surface emitting laser

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Abstract

基板の上に順に積層された下側ＤＢＲ層、キャビティ層、および上側ＤＢＲ層と、を具備し、前記下側ＤＢＲ層は、前記基板の上に順に積層された第１ＤＢＲ層、コンタクト層、および第２ＤＢＲ層を有し、前記第１ＤＢＲ層および第２ＤＢＲ層はそれぞれ、交互に積層された複数の第１層と複数の第２層とを含み、前記第１層および前記第２層はアルミニウムを含む半導体層であり、第１層のアルミニウムの組成比は第２層のアルミニウムの組成比より低く、前記第２ＤＢＲ層は前記第１層と前記第２層とを１２ペア以上２０ペア以下を含む面発光レーザ。

Description

面発光レーザ
　本開示は面発光レーザに関するものである。本出願は、２０１９年６月２４日出願の日本出願第２０１９－１１６７０９号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載されたすべての記載内容を援用するものである。
　先行技術文献は垂直共振型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）を開示する。
国際公開第２０１３／１７６２０１号
Ｍ　Ａ　ボブロフら（M A Bobrov et al.）　"Mechanism of the polarization control in intracavity-contacted VCSEL with rhomboidal oxide current aperture" ジャーナル・オブ・フィジックス：カンファレンスシリーズ（Journal of Physics: Conference Series） 741 (2016) 012078
　本開示に係る面発光レーザは、基板の上に順に積層された下側ＤＢＲ層、キャビティ層、および上側ＤＢＲ層と、を具備し、前記下側ＤＢＲ層は、前記基板の上に順に積層された第１ＤＢＲ層、コンタクト層、および第２ＤＢＲ層を有し、前記第１ＤＢＲ層および第２ＤＢＲ層はそれぞれ、交互に積層された複数の第１層と複数の第２層とを含み、前記第１層および前記第２層はアルミニウムを含む半導体層であり、第１層のアルミニウムの組成比は第２層のアルミニウムの組成比より低く、前記第２ＤＢＲ層は前記第１層と前記第２層とを１２ペア以上２０ペア以下を含む面発光レーザである。
図１は実施例１に係る面発光レーザを例示する断面図である。 図２は比較例１に係る面発光レーザを例示する断面図である。 図３Ａは比較例１における屈折率および光強度のシミュレーションの結果を示す図である。 図３Ｂは実施例１における屈折率および光強度のシミュレーションの結果を示す図である。 図４Ａは光閉じ込め係数のシミュレーションの結果を示す図である。 図４Ｂは微分抵抗のシミュレーションの結果を示す図である。 図５はｎ型コンタクト層の光閉じ込め係数のシミュレーションの結果を示す図である。
本開示が解決しようとする課題
　垂直共振型面発光レーザは半導体レーザの一種である。面発光レーザでは、下側のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層、発光層を含むキャビティ層、上側のＤＢＲ層を積層する（特許文献１および非特許文献１）。複数の面発光レーザを含むアレイを形成することがある。特許文献１に記載のように、面発光レーザ間のアイソレーションを確保するため、基板を半絶縁性とし、下側のＤＢＲ層の中にコンタクト層を設け、コンタクト層に電極を設ける。ところで面発光レーザの変調速度は光閉じ込め係数および微分抵抗に依存する。光閉じ込め係数を大きくし、微分抵抗を小さくすることで、変調速度を高めることができる。
　コンタクト層とキャビティ層との間のＤＢＲ層は直列抵抗成分であり、面発光レーザの微分抵抗増加の一因である。コンタクト層をキャビティ層に近づけることで微分抵抗は低下するが、キャビティ層からコンタクト層に光が漏洩し、光の閉じ込め性能が低下してしまう。そこで、光の閉じ込め性能の向上、および低抵抗化の両立が可能な面発光レーザを提供することを目的とする。
本開示の効果
　本開示によれば、光の閉じ込め性能の向上、および低抵抗化の両立が可能である。
[本開示の実施形態の説明]
　最初に本開示の実施形態の内容を列記して説明する。
　本開示の一形態は、（１）基板の上に順に積層された下側ＤＢＲ層、キャビティ層、および上側ＤＢＲ層と、を具備し、前記下側ＤＢＲ層は、前記基板の上に順に積層された第１ＤＢＲ層、コンタクト層、および第２ＤＢＲ層を有し、前記第１ＤＢＲ層および第２ＤＢＲ層はそれぞれ、交互に積層された複数の第１層と複数の第２層とを含み、前記第１層および前記第２層はアルミニウムを含む半導体層であり、第１層のアルミニウムの組成比は第２層のアルミニウムの組成比より低く、前記第２ＤＢＲ層は前記第１層と前記第２層とを１２ペア以上２０ペア以下を含む面発光レーザである。１２ペア以上を含む第２ＤＢＲ層が設けられることで、コンタクト層はキャビティ層から遠ざかる。このためコンタクト層への光の漏洩が抑制され、光の閉じ込め性能が向上する。また第２ＤＢＲ層のペア数が２０ペア以下であるため抵抗の増加が抑制される。したがって光の閉じ込め性能と低抵抗化の両立が可能である。
（２）前記コンタクト層から前記キャビティ層までの光路長は、前記キャビティ層の発振波長の６倍以上、１０倍以下でもよい。光の閉じ込め性能と低抵抗化の両立が可能である。
（３）前記下側ＤＢＲ層は前記第１層と前記第２層とのペアを３０ペア以上含んでもよい。下側ＤＢＲ層の反射率が高くなる。
（４）前記コンタクト層はアルミニウムガリウム砒素を含み、アルミニウム組成比は０．２以下でもよい。これによりコンタクト層の抵抗が低くなり、かつ放熱性が向上する。
（５）前記キャビティ層の光路長は前記キャビティ層の発振波長の半分以下でもよい。キャビティ層に光を閉じ込めることができる。
（６）前記キャビティ層は、前記下側ＤＢＲ層側から順に積層された、第１スペーサ層、第２スペーサ層、発光層、第３スペーサ層、および第４スペーサ層を含み、前記第１スペーサ層および前記第４スペーサ層は、アルミニウムの組成が０．７５以上０．９５以下のアルミニウムガリウム砒素層であり、前記第２スペーサ層および前記第３スペーサ層は、アルミニウムの組成が０．２５以上０．４５以下のアルミニウムガリウム砒素層であり、前記発光層は量子井戸発光層でもよい。キャビティ層に光を閉じ込めることができる。
（７）前記コンタクト層の光閉じ込め係数は１％以下であり、前記発光層の光閉じ込め係数は３．１％以上、３．６％以下でもよい。キャビティ層に光を閉じ込めることができる。
（８）前記コンタクト層の光閉じ込め係数と厚さとの比は２％／μｍ以下であり、前記発光層の光閉じ込め係数と、前記発光層に含まれる井戸層の厚さの合計との比は１４０％／μｍ以上、１７０％／μｍ以下でもよい。キャビティ層に光を閉じ込めることができる。
（９）前記第２ＤＢＲ層はｎ型のアルミニウムガリウム砒素を含み、前記上側ＤＢＲ層はｐ型のアルミニウムガリウム砒素および酸化狭窄層を含み、前記第２ＤＢＲ層のアルミニウム組成比は前記上側ＤＢＲ層のアルミニウム組成比よりも低い。酸化狭窄層を形成するための酸化により発生する応力の集中を緩和することができる。
（１０）前記第２ＤＢＲ層、キャビティ層、および上側ＤＢＲ層はメサを形成し、前記メサの側面と前記基板の表面との間の角度は７０°以上、８０°以下でもよい。応力の集中を緩和することができる。
（１１）前記第２ＤＢＲ層に含まれる前記第１層の数は、前記第２ＤＢＲ層に含まれる前記第２層の数に等しくてもよい。
［本開示の実施形態の詳細］
　本開示の実施形態に係る面発光レーザの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
（面発光レーザ）
　図１は実施例１に係る面発光レーザ１００を例示する断面図である。図１に示すように、基板１０の上に下側ＤＢＲ層１２、キャビティ層１４、上側ＤＢＲ層１６、ｐ型コンタクト層１８、キャップ層１９が順に積層されている。下側ＤＢＲ層１２は、基板１０上に順に積層されたｉ型のＤＢＲ層２０、エッチングストップ層２２、ｎ型ＤＢＲ層２４（第１ＤＢＲ層）、ｎ型コンタクト層２６、ｎ型ＤＢＲ層２８（第２ＤＢＲ層）を含む。
　キャビティ層１４は、下側ＤＢＲ層１２の上に順に積層されたスペーサ層３０および３２（第１スペーサ層および第２スペーサ層）、発光層３４、スペーサ層３６および３８（第３スペーサ層および第４スペーサ層）を含む。上側ＤＢＲ層１６は、キャビティ層１４の上に順に積層されたスペーサ層４０、およびｐ型ＤＢＲ層４２を含む。ｎ型コンタクト層２６の上に電極５０が設けられ、キャップ層１９の上に電極５２が設けられる。
　ｎ型ＤＢＲ層２８、キャビティ層１４、上側ＤＢＲ層１６、ｐ型コンタクト層１８およびキャップ層１９はメサ１１を形成する。メサ１１は例えば台形状であり、側壁と底面との間の角度θは７０°以上８０°以下である。上側ＤＢＲ層１６の一部には酸化狭窄層４１が形成されている。酸化狭窄層４１はメサ１１の側面から中央側にかけて延伸し、酸化狭窄層４１の間の部分がアパーチャとなる。酸化狭窄層４１は酸化されていない部分に比べて電流が流れにくいため、アパーチャが電流経路となり、効率的な電流注入が可能となる。
　電極５０および５２に駆動信号を印加することで、キャビティ層１４から積層方向にレーザ光が出射される。面発光レーザ１００の発振波長は例えば８３０～９３０ｎｍであり、変調速度は例えばアパーチャ径７μｍ、バイアス電流８ｍＡ、室温駆動の際に１７～１８ＧＨｚである。なお、以下の実施例においては、特に言及しない場合は、発振波長が８５０ｎｍの場合について示す。
　基板１０には複数の面発光レーザ１００を配列したアレイが形成され、図１では１つの面発光レーザ１００を図示している。基板１０、ＤＢＲ層２０、およびエッチングストップ層２２は複数の面発光レーザ１００に共有される。ｎ型ＤＢＲ層２４およびｎ型コンタクト層２６にはエッチングストップ層２２に達する溝５４が形成され、溝５４により面発光レーザ１００間は分離される。
　下側ＤＢＲ１２の途中にエッチングストップ層２２を備え、そこでエッチングを止めることで、アイソレーションのためのエッチング量を抑えることができる。従来では電気的アイソレーションを目的に基板１０までエッチングする。その場合、総厚１０μｍのエピ層をエッチングする必要がある。サイドエッチングのマージンを確保する必要があることから、ウエハ面内の有効領域が狭くなり、さらに、歩留まりが低下する。また、エピタキシャル成長により形成した下側ＤＢＲ層には歪みが内在する。基板１０までエッチングすれば、総厚１０μｍの歪みがすべて解放される。歪みの解放が、例えばチップ端面での膜はがれの一因となる。本実施形態のようにエッチングストップ層２２を備えることにより、エッチング時間を短縮しスループットを上げることができる。また、サイドエッチングが最小化され有効領域を広げることができる。さらに歪み開放に起因した種々の悪影響を低減できる。
　表１に面発光レーザ１００の層構造の例を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、基板１０は例えばガリウム砒素（ＧａＡｓ）で形成された半絶縁性の半導体基板である。下側ＤＢＲ層１２のうちＤＢＲ層２０およびエッチングストップ層２２はノンドープのアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）で形成されている。なお、エッチングストップ層２２はｐ型でもよい。ｎ型ＤＢＲ層２４および２８、ｎ型コンタクト層２６は、シリコン（Ｓｉ）をドープされたｎ型のＡｌＧａＡｓで形成されている。
　ＤＢＲ層２０およびｎ型ＤＢＲ層２４（第１ＤＢＲ層）はそれぞれ、例えばＡｌ組成比が０．１６のＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層（第１層）と、Ａｌ組成比が０．９のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層（第２層）とを交互に積層したものである。ＤＢＲ層２０における二種類のＡｌＧａＡｓ層のペア数は（２５－Ｎ）ペアである。ここでＮは自然数であり、具体的な値は後述する。ｎ型ＤＢＲ層２４におけるペア数は例えば４ペアである。ｎ型ＤＢＲ層２８は例えばＡｌ組成比が０．１６のＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層（第１層）と、Ａｌ組成比が０．８８のＡｌ０．８８Ｇａ０．１２Ａｓ層（第２層）とを交互に積層したものであり、二種類のＡｌＧａＡｓ層のペア数は（８＋Ｎ）ペアである。
　Ｎは自然数であり、例えば４以上、１２以下の整数であることが好ましい。つまり、ＤＢＲ層２０のペア数は例えば１３以上、２１以下であり、ｎ型ＤＢＲ層２８のペア数は例えば１２以上、２０以下である。ｎ型ＤＢＲ層２８のペア数が１２～２０であることにより、ｎ型コンタクト層２６からキャビティ層１４の厚さ方向における中心までの光路長は、発振波長λの６倍以上、１０倍以下である（半波長の１２倍以上、２０倍以下）。なお複数の層における光路長は、各層における光路長（厚さに屈折率を掛けた値）を足し合わせた値とする。
　ｎ型コンタクト層２６のＡｌ組成比はｎ型ＤＢＲ層２４および２８よりも低く、例えば０．１であり、０．２以下であることが好ましい。ｎ型コンタクト層２６のドーパント濃度はｎ型ＤＢＲ層２４および２８よりも高く、例えば３．０×１０１８ｃｍ－３である。なお、ｎ型コンタクト層２６の厚さは、例えば４８０ｎｍである。
　キャビティ層１４のうちスペーサ層３０はＳｉがドープされたｎ型のＡｌ０．８８Ｇａ０．１２Ａｓで形成されている。スペーサ層３２および３６はノンドープのＡｌ０．４１Ｇａ０．５９Ａｓで形成されている。スペーサ層３８はＣがドープされたｐ型のＡｌ０．８８Ｇａ０．１２Ａｓで形成されている。スペーサ層３０および３８のＡｌ組成比は例えば０．７５以上０．９以下であることが好ましい。スペーサ層３２および３６のＡｌ組成比は例えば０．２５以上０．４５以下であることが好ましい。発光層３４は、インジウムアルミニウムガリウム砒素（ＩｎＡｌＧａＡｓ）層（井戸層）を４層と、その井戸層の間にＡｌ０．４１Ｇａ０．５９Ａｓ層（バリア層）を３層含む量子井戸活性層である。ＩｎＡｌＧａＡｓ層の厚さは例えば５．５ｎｍであり、Ａｌ０．４１Ｇａ０．５９Ａｓ層の厚さは例えば４ｎｍである。Ａｌ組成比は例えば０．４１であり、０．２５以上０．４５以下であることが好ましい。なお、井戸層の層数は、上記４層に限らない。例えば、井戸層の層数を３層以下にしてもよいし、５層以上にしてもよい。
　上側ＤＢＲ層１６のうちスペーサ層４０、酸化狭窄層４１およびｐ型ＤＢＲ層４２、ならびにｐ型コンタクト層１８は、炭素（Ｃ）をドープされたｐ型のＡｌＧａＡｓで形成されている。酸化狭窄層４１は例えば順に積層された３つのＡｌＧａＡｓ層を含み、それぞれのＡｌ組成比は０．６、０．９８および０．６である。ｐ型ＤＢＲ層４２はＡｌ組成比が０．１６のＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層と、Ａｌ組成比が０．９のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とを交互に積層したものであり、ペア数は２３ペアである。
　キャップ層１９はＣをドープされたｐ型のＧａＡｓで形成されている。ｐ型コンタクト層１８およびキャップ層１９のドーパント濃度はｐ型ＤＢＲ層４２よりも高く、例えば４．５×１０１９ｃｍ－３である。
　なお、各層の厚さは例えば下記のような範囲にすることができる。
ｎ型ＤＢＲ層２８のＡｌ１６％層：６０～６３ｎｍ
ｎ型ＤＢＲ層２８のＡｌ８８％層：６８～７１ｎｍ
ｎ型コンタクト層２６：４７０～４９０ｎｍ
ｎ型ＤＢＲ層２４のＡｌ１６％層：６０～６３ｎｍ
ｎ型ＤＢＲ層２４のＡｌ９０％層：６９～７２ｎｍ
エッチングストップ層２２：２４０～２５０ｎｍ
ＤＢＲ層２０のＡｌ１６％層：６０～６３ｎｍ
ＤＢＲ層２０のＡｌ９０％層：６９～７２ｎｍ
井戸層：３～７ｎｍ
バリア層：３～７ｎｍ
スペーサ層３２、３６：３０～４０ｎｍ
スペーサ層３０、３８：５～２５ｎｍ
　なお、組成比はそれぞれの層の中で一定でなくてもよく、例えば厚さ方向に沿って変化してもよい。これにより層間での格子整合をとることができる。また、特にＤＢＲ層においては、急峻なヘテロ接合界面の形成を防いで抵抗を下げることができる。例えば下側ＤＢＲ層１２において、Ａｌ０．９Ｇａ０・１Ａｓ層のうちＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層に近い部分ではＡｌ組成比を低くして０．１６に近くする。
　図１および表１に示したような化合物半導体層は、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法または分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法などにより基板１０上にエピタキシャル成長する。例えば原料ガスの流量および成長時間の制御などによりペア数の増減が可能である。メサ１１および溝５４はエッチングにより形成する。例えば水蒸気雰囲気中での過熱により、上側ＤＢＲ層１６の一部を酸化させることで酸化狭窄層４１が形成される。
（比較例）
　図２は比較例１に係る面発光レーザ１００Ｒを例示する断面図である。面発光レーザ１００Ｒと実施例１に係る面発光レーザ１００との違いは、ＤＢＲ層２０のペア数およびｎ型ＤＢＲ層２８のペア数である。
　表２に面発光レーザ１００Ｒの層構造の例を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 表２に示すように、ＤＢＲ層２０のペア数は２５ペアであり、ｎ型ＤＢＲ層２８のペア数は８ペアである。実施例１に比べ、ｎ型ＤＢＲ層２８のペア数が少なく、ｎ型コンタクト層２６からキャビティ層１４の中心までの光路長は短くなる。
　次に光強度について説明する。図３Ａは比較例１における屈折率および光強度のシミュレーションの結果を示す図であり、図３Ｂは実施例１における屈折率および光強度のシミュレーションの結果を示す図である。横軸は面発光レーザの表面からの深さであり、左端は基板１０の底面であり、右端は面発光レーザの表面である。左の縦軸は光強度を表す。実線で示す光強度は１次元転送行列法によって計算した結果である。右の縦軸は屈折率を表す。
　図３Ａに示すように、光強度はキャビティ層１４において大きく、キャビティ層１４から離れると減衰する。深さ５μｍ付近の部分はｎ型コンタクト層２６であり、屈折率が他の層に比べて高い。光はキャビティ層１４からｎ型コンタクト層２６に漏れ出し、ｎ型コンタクト層２６内では光強度が一定の大きさを維持する。
　図３Ｂに示すように、実施例１においても、光強度はキャビティ層１４において大きく、キャビティ層１４から離れると減衰する。ｎ型コンタクト層２６はキャビティ層１４から離れており、例えば深さ６μｍ付近にある。このためｎ型コンタクト層２６へと光が広がりにくく、ｎ型コンタクト層２６における光強度は比較例１に比べて小さくなる。
　次に光閉じ込め係数Γについて説明する。発光層３４、ｎ型コンタクト層２６における光閉じ込め係数Γは次式で計算される。
（１）　発光層３４の光閉じ込め係数Γ１
　Γ１＝（発光層３４に含まれる井戸層における光の強度の積分値）／（すべての層における光強度の積分値） 
（２）　ｎ型コンタクト層２６の光閉じ込め係数Γ２
　Γ２＝（ｎ型コンタクト層２６における光の強度の積分値）／（すべての層における光強度の積分値）
　ここで、ＶＣＳＥＬは反射鏡の機能を有する上下のＤＢＲ層に囲まれたキャビティ層１４に光が閉じ込められる共振器構造であるが、デバイス動作においては、注入電流からの光電変換は発光層中の井戸層でのみ生じる。よって発光層３４中の井戸層の光閉じ込め係数がＶＣＳＥＬの高速変調性能の指標である。発光層３４はキャビティ層１４の中心に位置する為、キャビティ層１４に光を集めることによって発光層３４の光閉じ込め係数を高めることができる。
　発光層３４の光閉じ込め係数Γ１を、実施例１、比較例１および２において計算した。比較例２はｎ型コンタクト層２６を有さず、他の層構造は比較例１と同じである。
　図４Ａは発光層３４の光閉じ込め係数のシミュレーションの結果を示す図である。横軸は表１のＤＢＲ層２０およびｎ型ＤＢＲ層２８のＮであり、比較例１および２からのペア数の変化量を表す。つまり、図４ＡのＮ＝０では、表２の比較例１のようにＤＢＲ層２０が２５ペア、ｎ型ＤＢＲ層２８が８ペアを有する。縦軸は発光層３４の光閉じ込め係数Γ１を表す。
　破線で示す比較例２の光閉じ込め係数Γは３．１８１２％で一定である。比較例２はｎ型コンタクト層２６を有さないため、キャビティ層１４からｎ型コンタクト層２６への光の広がりも生じないため、光閉じ込め係数Γは一定値となる。一方、比較例１（Ｎ＝０）の光閉じ込め係数Γは３．０５１５％であり、比較例２よりも低い。図３Ａに示したようにｎ型コンタクト層２６に光が漏れ出すためである。
　図４Ａにおいて実施例１の計算結果を円で表し、実線は実施例１の結果を最小二乗法により２次関数でフィッティングした曲線である。実施例１においてはＮを０から１０まで変化させる。Ｎが増加するにつれて光閉じ込め係数Γ１は増加し、比較例２に近づく。Ｎ＝８における光閉じ込め係数Γ１は３．１６９２％であり、比較例１よりも高く、比較例２と同程度になる。
　図５は、ｎ型コンタクト層２６の光閉じ込め係数のシミュレーションの結果を示す図である。横軸は表１のＤＢＲ層２０およびｎ型ＤＢＲ層２８のＮであり、比較例１および２からのペア数の変化量を表す。つまり、図５のＮ＝０では、表２の比較例１のようにＤＢＲ層２０が２５ペア、ｎ型ＤＢＲ層２８が８ペアを有する。縦軸はｎ型コンタクト層２６の光閉じ込め係数Γ２を表す。
　図５において実施例１の計算結果を円で表し、実線は実施例１の結果を最小二乗法により２次関数でフィッティングした曲線である。実施例１においてはＮを０から１０まで変化させる。Ｎが増加するにつれて光閉じ込め係数Γ２は減少する。ｎ型コンタクト層２６の光閉じ込め係数を１％以下に抑えると、キャビティ層１４からｎ型コンタクト層２６への光の漏洩は十分に無視でき、キャビティ層１４の光の閉じ込め性能を向上できる。
　これによりキャビティ層１４に光を集中させ、ｎ型コンタクト層２６における光強度を低下させることができる。実施例１における発光層３４の光閉じ込め係数は例えば３．１％以上３．６％以下であり、ｎ型コンタクト層２６の光閉じ込め係数は例えば１％以下である。また、層の光閉じ込め性能を次式のように光閉じ込め係数と層の厚さとの比で定義する。
　光閉じ込め性能＝光閉じ込め係数／厚さ
　具体的には、発光層３４の光閉じ込め性能は、（発光層３４の光閉じ込め係数Γ１）／（発光層３４に含まれる井戸層の厚さの合計）で求める。また、ｎ型コンタクト層２６の光閉じ込め性能は、（ｎ型コンタクト層２６の光閉じ込め係数Γ２）／（ｎ型コンタクト層２６の厚さ）で求める。
　実施例１における発光層３４の光閉じ込め性能は例えば１４０％／μｍ以上、１７０％／μｍ以下であり、ｎ型コンタクト層２６の光閉じ込め性能は例えば２％／μｍ以下である。
　このようにＮを増加させ、ｎ型ＤＢＲ層２８のペア数を多くすることにより、ｎ型コンタクト層２６をキャビティ層１４から遠ざけ、キャビティ層１４に光を集めることができる。しかし、ｎ型コンタクト層２６とキャビティ層１４との間のｎ型ＤＢＲ層２８は抵抗成分となる。ｎ型ＤＢＲ層２８のペア数増加により、面発光レーザの微分抵抗が増加する恐れがある。面発光レーザの変調速度は微分抵抗の逆数に依存しており、微分抵抗の増加により変調速度が低下する恐れがある。例えばＤＢＲ層を介在させずにｎ型コンタクト層２６を基板１０の直上に設け、ｎ型コンタクト層２６とキャビティ層１４との間に３０ペア以上を含む下側ＤＢＲ層を設けることで、光閉じ込め係数を高めることができる。しかし下側ＤＢＲ層の全体が抵抗成分となり、微分抵抗が大きく増加してしまう。
　図４Ｂは微分抵抗のシミュレーションの結果を示す図である。横軸は表１のＤＢＲ層２０およびｎ型ＤＢＲ層２８のペア数の増加量Ｎを表す。縦軸は、比較例１を０とした場合の、実施例１における面発光レーザの微分抵抗の増加量である。微分抵抗の計算は２次元デバイスシミュレータを用い、円筒座標系において、面発光レーザ１００のアパーチャ径を７μｍとして行った。図４Ｂに示すように、微分抵抗はＮに比例し、Ｎが増加するほど微分抵抗も増加する。例えばＮ＝８の時微分抵抗の増加量は０．８Ω以下である。Ｎが１２を超えると、微分抵抗は比較例１に比べて１Ω以上増加する。
　ｎ型コンタクト層２６のペア数（８＋Ｎ）を増やすほど、キャビティ層１４の光閉じ込め係数は増加するが、微分抵抗も増加してしまう。例えばＮ＝４のとき光閉じ込め係数Γは約３．１４％であり、比較例１に比べて十分高くなる。Ｎが８以上になると光閉じ込め係数は比較例２の３．１８１２％に近づき、さらにＮが大きくなると光閉じ込め係数は３．１８１２％付近で飽和する。一方、微分抵抗はＮに比例して増加する。例えばＮを１５以上などと大きくすると、光閉じ込め係数はＮ＝１０の場合と同程度であるが、微分抵抗は比較例１に比べて１Ω以上高くなる。したがってＮは１２以下であることが好ましい。
　実施例１によれば、ｎ型コンタクト層２６とキャビティ層１４との間のｎ型ＤＢＲ層２８はＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層とＡｌ０．８８Ｇａ０．１２Ａｓ層とを含み、ペア数は１２ペア以上、２０ペア以下である。つまり、表１、図４Ａおよび図４ＢにおいてＮが４以上、１２以下である。これによりキャビティ層１４の光閉じ込め係数を例えば３．１２％以上にすることができる。また、微分抵抗の増加量を最大でも１Ω程度に抑制することができる。すなわちキャビティ層１４への光の閉じ込め性能の向上と、低抵抗化を両立することができる。
　例えばＮ＝８の場合、ｎ型ＤＢＲ層２８のペア数は１６ペアであり、ＤＢＲ層２０のペア数は１７ペアである。この場合、光閉じ込め係数は３．１６％以上であり、微分抵抗の増加量は０．８Ω程度である。すなわち、面発光レーザ１００の光の閉じ込め性能を高め、かつ低抵抗化することができる。ペア数は１２ペア以上２０ペア以下でもよいし、１４ペア以上１８ペア以下でもよい。表１に示す例では、ｎ型ＤＢＲ層２８に含まれるＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層の数は、ｎ型ＤＢＲ層２８に含まれるＡｌ０．８８Ｇａ０．１２Ａｓ層の数に等しい。ｎ型ＤＢＲ層２８に含まれるＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層の数は、ｎ型ＤＢＲ層２８に含まれるＡｌ０．８８Ｇａ０．１２Ａｓ層の数と異なってもよい。
　ｎ型コンタクト層２６からキャビティ層１４までの光路長は、発振波長の６倍以上、１２倍以下である。これにより閉じ込め性能の向上と、低抵抗化とを両立することができる。光路長は発振波長の７倍以上、９倍以下でもよい。
　ＤＢＲ層２０、ｎ型ＤＢＲ層２４および２８のペア数の合計、つまり下側ＤＢＲ層１２のペア数は３０ペア以上であり、好ましくは３５ペア以上である。表１の例ではペア数の合計が３７ペアである。３０ペア以上を有する下側ＤＢＲ層１２は高い反射率を有するため、光の損失が抑制される。
　ｎ型コンタクト層２６はＡｌＧａＡｓで形成され、Ａｌ組成比は０．２以下であることが好ましい。Ａｌ組成比が低いほどｎ型コンタクト層２６の光の吸収率は高くなるが、抵抗は低くなる。実施例１によれば、ｎ型ＤＢＲ層２８のペア数を増加させ、ｎ型コンタクト層２６をキャビティ層１４から遠ざける。したがってｎ型コンタクト層２６による光の吸収は抑制される。このためｎ型コンタクト層２６のＡｌ組成比を０．２以下まで低下させ、低抵抗化することができる。Ａｌ組成比は例えば０．１以下でもよいし、０でもよい。放熱性を上げるためには、特にＡｌ組成は０であることが好ましい。ＡｌＧａＡｓはＡｌ組成が０、すなわち２元系化合物であるＧａＡｓの場合に特に放熱性が向上するためである。
　キャビティ層１４が過剰に厚いと光電変換の遅延が増えて変調速度が低下する。したがってキャビティ層１４の厚さ方向の光路長は発振波長の半分以下であることが好ましい。キャビティ層１４は、スペーサ層３０および３２、発光層３４、スペーサ層３６および３８を積層したものであり、これらの光路長の合計を発振波長の半分以下とする。
　発光層３４の光閉じ込め係数は３．１％以上３．６％以下であり、ｎ型コンタクト層２６の光閉じ込め係数は１％以下である。また、発光層３４の光閉じ込め性能は１４０％／μｍ以上、１７０％／μｍ以下であり、ｎ型コンタクト層２６の光閉じ込め性能は２％／μｍ以下である。キャビティ層１４に光を閉じ込め、ｎ型コンタクト層２６への光の漏洩を抑制することができる。
　複数の面発光レーザ１００がアレイ化されている。基板１０が半絶縁性基板であるため、面発光レーザ１００間のクロストークが抑制される。溝５４により面発光レーザ１００ごとに分離されたｎ型コンタクト層２６に電極５０を設ければよい。面発光レーザ１００はアレイ化されず、単一のチップでもよい。
　ＤＢＲ層２０、ｎ型ＤＢＲ層２４および２８、ｎ型コンタクト層２６、上側ＤＢＲ層１６はＡｌＧａＡｓで形成されている。これらの層において、Ａｌ組成比の組成比が異なる層のペアが形成される。面発光レーザ１００の半導体層は表１に示したもの以外の化合物半導体層で形成されてもよい。
　上側ＤＢＲ層１６はＡｌＧａＡｓで形成され、酸化狭窄層４１を含む。ｎ型ＤＢＲ層２８はＡｌＧａＡｓで形成され、Ａｌ組成比は低い。より詳細には、ｎ型ＤＢＲ層２８のＡｌ組成比は最大で例えば０．８８であり、上側ＤＢＲ層１６の最大値である０．９８より低い。酸化狭窄層４１の形成では、上側ＤＢＲ層１６の一部を酸化させる。このときｎ型ＤＢＲ層２８の一部も酸化される。Ａｌ組成比が低いことにより、ｎ型ＤＢＲ層２８の酸化する部分の長さが上側ＤＢＲ層１６より短くなる。これによりメサへの応力の集中を緩和し、面発光レーザ１００の長期使用時の信頼性を高めることができる。
　メサの底角θは７０°以上８０°以下であることが好ましい。これにより応力の集中をさらに緩和することができる。
　ｎ型コンタクト層２６と、エッチングストップ層２２の光路長は、発光層３４の発振波長λのときに（λ／２の整数倍）＋（λ／４）にしてもよい。このようなｎ型コンタクト層２６とエッチングストップ層２２の光路長にすることによって下側ＤＢＲ１２のミラー性能を維持することができる。なお、光路長がλ／２の整数倍の場合は、寄生キャビティを形成してｎ型コンタクト層２６またはエッチングストップ層２２に光が閉じ込められてしまい、キャビティ層１４の光閉じ込め性能を損なう場合がある。上記の光路長にすることによって、キャビティ層１４の光閉じ込め性能を維持することができる。
　また、エッチングストップ層２２より上層のｎ型ＤＢＲ層２４のペア数は、４ペア以上、エッチングストップ層２２より下層のＤＢＲ層２０のペア数は２０ペア以上としてもよい。ｎ型コンタクト層２６に電極５０を取り付けてデバイスを動作させる際、ｎ型コンタクト層２６から下側にも電流が周り込む。そのような電流の周り込みが存在する範囲よりも深くまで、アイソレーションのためのエッチングを実施することが好ましい。そのためエッチングストップ層２２はｎ型コンタクト層２６から４ペア以上離して配置することが好ましい。また、下側ＤＢＲ１２全体としての反射ミラー性能を維持するため、エッチングストップ層２２より下側には２０ペア以上のＤＢＲにすることが好ましい。
　さらに、エッチングストップ層２２より上層のｎ型ＤＢＲ層２４のペア数は、１ペア以上８ペア以下で、エッチングストップ層２２より下層のｐ型ドープ又はアンドープのＤＢＲ層を備えるようにしてもよい。エッチングストップ層２２より下層をｐ型またはアンドープ層としておくことで、アイソレーションを確保できる。ｎ型コンタクト層２６に電極５０を取り付けてデバイスを動作させる際、ｎ型コンタクト層２６から下側にも電流の周り込みがあるため、ｎ型コンタクト層２６に隣接した下側で、エッチングストップ層２２より上側の一部をｎ型ドープしておくと、横方向への抵抗を下げられるため好ましい。ただし、ｎ型ドープしたドープ領域が厚すぎると、その分エッチングストップ層２２が深い位置になるため好ましくない。よって、ｎ型ドープのＤＢＲであるｎ型ＤＢＲ層２４のペア数は１ペア以上８ペア以下が好ましい。
（付記１） 
　基板の上に順に積層された下側ＤＢＲ層、キャビティ層、および上側ＤＢＲ層を具備し、前記下側ＤＢＲ層は、前記基板の上に順に積層された第１ＤＢＲ層、コンタクト層、および第２ＤＢＲ層を有し、前記第１ＤＢＲ層および第２ＤＢＲ層はそれぞれ、交互に積層された複数の第１層と複数の第２層とを含み、前記第１層および前記第２層はアルミニウムを含む半導体層であり、第１層のアルミニウムの組成比は第２層のアルミニウムの組成比より低く、前記第１ＤＢＲ層はさらにエッチングストップ層を含み、
前記コンタクト層とエッチングストップ層の光路長はそれぞれ発振波長λのときにλ／２の整数倍＋λ／４である、面発光レーザ。
（付記２）
　前記第１ＤＢＲ層は前記エッチングストップ層より上側に４ペアの前記第１層と前記第２層とのペアを含み、前記エッチングストップ層より下側に２０ペア以上の前記第１層と前記第２層とのペアを含む、付記１に記載の面発光レーザ。
（付記３）
　前記第１ＤＢＲ層は、前記エッチングストップ層より上側に１ペア以上８ペア以下のｎ型ドープされた前記第１層と前記第２層のペアを含むＤＢＲを備え、エッチングストップ層より下側に、ｐ型ドープまたはアンドープのＤＢＲを備える、付記１に記載の面発光レーザ。
　以上、本開示の実施例について詳述したが、本開示は係る特定の実施例に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本開示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　　　　　　　　　　　　　　　　基板
　１１　　　　　　　　　　　　　　　　メサ
　１２　　　　　　　　　　　　　　　　下側ＤＢＲ層
　１４　　　　　　　　　　　　　　　　キャビティ層
　１６　　　　　　　　　　　　　　　　上側ＤＢＲ層
　１８　　　　　　　　　　　　　　　　ｐ型コンタクト層
　１９　　　　　　　　　　　　　　　　キャップ層
　２０　　　　　　　　　　　　　　　　ＤＢＲ層
　２２　　　　　　　　　　　　　　　　エッチングストップ層
　２４、２８　　　　　　　　　　　　　ｎ型ＤＢＲ層
　２６　　　　　　　　　　　　　　　　ｎ型コンタクト層
　３０、３２、３６、３８、４０　　　　スペーサ層
　３４　　　　　　　　　　　　　　　　発光層
　４１　　　　　　　　　　　　　　　　酸化狭窄層
　４２　　　　　　　　　　　　　　　　ｐ型ＤＢＲ層
　５０、５２　　　　　　　　　　　　　電極
　５４　　　　　　　　　　　　　　　　溝
　１００、１００Ｒ　　　　　　　　　　面発光レーザ
　

Claims (11)

  1. 　基板の上に順に積層された下側ＤＢＲ層、キャビティ層、および上側ＤＢＲ層と、を具備し、
    　前記下側ＤＢＲ層は、前記基板の上に順に積層された第１ＤＢＲ層、コンタクト層、および第２ＤＢＲ層を有し、
    　前記第１ＤＢＲ層および第２ＤＢＲ層はそれぞれ、交互に積層された複数の第１層と複数の第２層とを含み、
    　前記第１層および前記第２層はアルミニウムを含む半導体層であり、
    　第１層のアルミニウムの組成比は第２層のアルミニウムの組成比より低く、
    　前記第２ＤＢＲ層は前記第１層と前記第２層とを１２ペア以上２０ペア以下を含む面発光レーザ。
  2. 　前記コンタクト層から前記キャビティ層までの光路長は、前記キャビティ層の発振波長の６倍以上、１０倍以下である請求項１に記載の面発光レーザ。
  3. 　前記下側ＤＢＲ層は前記第１層と前記第２層とのペアを３０ペア以上含む請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ。
  4. 　前記コンタクト層はアルミニウムガリウム砒素を含み、アルミニウム組成比は０．２以下である請求項３に記載の面発光レーザ。
  5. 　前記キャビティ層の光路長は前記キャビティ層の発振波長の半分以下である請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
  6. 　前記キャビティ層は、前記下側ＤＢＲ層側から順に積層された、第１スペーサ層、第２スペーサ層、発光層、第３スペーサ層、および第４スペーサ層を含み、
    　前記第１スペーサ層および前記第４スペーサ層は、アルミニウムの組成が０．７５以上０．９５以下のアルミニウムガリウム砒素層であり、
    　前記第２スペーサ層および前記第３スペーサ層は、アルミニウムの組成が０．２５以上０．４５以下のアルミニウムガリウム砒素層であり、
    　前記発光層は量子井戸発光層である請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
  7. 　前記コンタクト層の光閉じ込め係数は１％以下であり、
    　前記発光層の光閉じ込め係数は３．１％以上、３．６％以下である請求項６に記載の面発光レーザ。
  8. 　前記コンタクト層の光閉じ込め係数と厚さとの比は２％／μｍ以下であり、
    　前記発光層の光閉じ込め係数と、前記発光層に含まれる井戸層の厚さの合計との比は１４０％／μｍ以上、１７０％／μｍ以下である請求項６に記載の面発光レーザ。
  9. 　前記第２ＤＢＲ層はｎ型のアルミニウムガリウム砒素を含み、
    　前記上側ＤＢＲ層はｐ型のアルミニウムガリウム砒素および酸化狭窄層を含み、
    　前記第２ＤＢＲ層のアルミニウム組成比は前記上側ＤＢＲ層のアルミニウム組成比よりも低い請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
  10. 　前記第２ＤＢＲ層、キャビティ層、および上側ＤＢＲ層はメサを形成し、
    　前記メサの側面と前記基板の表面との間の角度は７０°以上、８０°以下である請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
  11. 　前記第２ＤＢＲ層に含まれる前記第１層の数は、前記第２ＤＢＲ層に含まれる前記第２層の数に等しい請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
    　
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