JP4999070B2 - 面発光レーザ - Google Patents

Description

本発明は、面発光レーザに関し、更に詳しくは、電流狭窄構造を有する垂直共振器型面発光半導体レーザ素子に関する。

垂直共振器型面発光半導体レーザ素子（VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Semiconductor Laser、以下、単に面発光レーザと称する）は、その名の示す通り、光の共振する方向が基板面に対して垂直であり、光インターコネクションを始め、通信用光源として、或いは、センサー用途などの様々なアプリケーション用デバイスとして注目されている。

面発光レーザが注目される理由は、面発光レーザが、従来の端面発光型半導体レーザと比較して、素子の２次元配列構造を容易に形成できること、ミラーの形成前に劈開する必要がないので、ウエハレベルのテストができること、活性層の体積が格段に小さいので、極めて低いしきい値電流で発振ができ、消費電力が小さいこと、などの種々の利点を有していることが挙げられる。

面発光レーザでは、低しきい値電流での発振を実現するため、電流狭窄構造が形成されている。この電流狭窄構造の作製には、ＡｌＡｓ層を選択的に酸化する選択酸化法（例えば、特許文献１参照）や、電流開口部を残してイオン注入を行うイオン注入法（例えば、特許文献２参照）などが知られている。

選択酸化法は、電流狭窄構造の厚みが例えば２０ｎｍ程度と小さいので、その狭窄構造に起因する素子抵抗の増大を抑えることが出来る利点がある。しかし、その反面、選択酸化によって応力歪みが発生し、その応力歪みによって素子が発振中に破壊するなど、素子信頼性を損なうという欠点がある。一方、イオン注入法では、そのような応力歪みが発生しない利点がある。

図７は、イオン注入法により形成される電流狭窄構造を有する従来の面発光レーザを示す。面発光レーザ１００は、ＧａＡｓ基板１１上に順次に形成される、下部分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲミラー）１２、量子井戸構造を有する活性層１３、及び、上部ＤＢＲミラー１５から成る半導体材料から成る積層構造を有する。上部ＤＢＲミラー１５の上部には上部電極１６が、また、ＧａＡｓ基板１１の裏面には下部電極１７が形成され、上部電極１６と下部電極１７との間に電源電圧が印加される。

上部電極１６から注入された電流は、電流狭窄構造１４によって活性層１３の中央部の発光領域１８に導かれ、上部ＤＢＲミラー１５と下部ＤＢＲミラー１２との間でレーザ発振が発生する。発振したレーザは、図の場合には上部電極１６の内側の領域から上方に発射される。

図７のイオン注入型の面発光レーザ素子とは別に、発光面積を広くし、かつ基本横モード発振を得るための手段として、非特許文献１に示されるような構造のフォトニック結晶面発光レーザが提案されている。この構造の一例を図８に示す。この構造では、上部ＤＢＲミラー１５の積層内に、２次元アレイ状に配列された円孔から成る円孔配列２０が形成されている。周期的な２次元円孔配列２０により、光が感じる屈折率が僅かに低下し、この２次元円孔配列２０は、中央の円孔がない点欠陥領域に対してクラッドとして働く。このように弱い屈折率閉じ込め効果による横モード制御を行うため、基本横モードのみを発振させるための発光領域の面積を大きくすることができる。この面発光レーザにおいても、例えばイオン注入型の電流狭窄構造１４が形成される。
特開２００５−３１７８１６号公報 特開２００５−１２９９６０号公報 IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.9, No.5, pp.1439-1445, September/October 2003

ところで、イオン注入法で作製される電流狭窄構造では、イオンが有する注入エネルギーの分布のため、注入深さの制御が困難である。このため、電流狭窄構造の厚みが１．５μｍ程度と大きくなり、ＤＢＲミラーの複数層にまたがって電流狭窄構造が形成される。この電流狭窄構造が形成される領域では、注入電流が分布ブラッグ反射鏡（Distributed Bragg Reflector : DBR）の界面である多数のヘテロ障壁を通過するため、素子抵抗が増大するという問題がある。この問題は、基本横モード発振を得るため、発光領域の開口径を小さくすると、すなわち電流狭窄領域を広くすると、特に顕著であった。

本発明は、上記に鑑み、イオン注入法で作製される電流狭窄構造を有する従来の面発光レーザを改良し、もって、素子抵抗が低く且つ基本横モード発振が容易に得られる面発光レーザ素子を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたものである。すなわち本発明の面発光レーザは、上部分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲミラー）と、下部ＤＢＲミラーと、前記上部ＤＢＲミラーと前記下部ＤＢＲミラーとの間に配置された活性層と、イオン注入法により形成された電流狭窄構造とを含む半導体材料の積層構造を基板上に備える面発光レーザにおいて、前記電流狭窄構造は、前記上部又は下部ＤＢＲミラーを構成する積層のうち、前記活性層の近傍に配置される単一の特定層で形成され、前記特定層が、ｍを１以上の自然数、媒質内発振波長をλ、空気中の屈折率をｎとして、（２ｍ＋１）λ／４ｎの厚みを有すると共に、当該特定層がイオン注入で形成される絶縁領域層の厚さとほぼ等しくなるようにｍを定め、前記特定層に選択的にイオンが注入されるように加速エネルギーを定めて電流狭窄構造が形成されていることを特徴とする。

本発明に係る面発光レーザでは、イオン注入が主として活性層近傍の特定層である１層になされており、この特定層の厚みがｍを１以上の自然数として（２ｍ＋１）λ／４ｎであるため、イオン注入領域を構成する層数が従来の面発光レーザに比して少なくなり、電流狭窄領域において電流が通過するヘテロ障壁の数が減少する。このため素子抵抗が低い面発光レーザの実現が可能となる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、理解を容易にするために、各図面で同様な要素には、同じ符号を付している。

第１の実施形態
本実施形態による面発光レーザ素子の断面斜視図を図１に示す。この面発光レーザ素子１０は、発振波長８５０ｎｍとなるように設計されている。面発光レーザ素子１０は、以下の製造プロセスによって作製される。製造プロセスを図２〜図４に示した。まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の上に、ＭＯＣＶＤ法でそれぞれ厚みがλ／４ｎ（λは空気中の発振波長、ｎは屈折率）のｎ型Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓとｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓを交互に積層して、３５ペアの多層膜からなる下部分布ブラッグ反射鏡構造（ＤＢＲミラー）１２を形成する。各層のキャリア濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3とする。

次に、下部ＤＢＲミラー１２上に、図示しない下部クラッド層、４層のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸構造の活性層１３、図示しない上部クラッド層を順次に積層する。更にその上に、厚みがλ／４ｎのｐ型Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓと、厚みが２５λ／４ｎ（ｍ＝１２に相当し、膜厚は１５２０ｎｍ）と厚くしたｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓを成長する。更に、その上にそれぞれ厚みがλ／４ｎのｐ型Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓと、型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓを交互に積層して、２９ペアからなる上部ＤＢＲミラー１５を形成する。各層のキャリア濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3とする。厚みが２５λ／４ｎとした上部ＤＢＲミラー１５の２層目のｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓの厚さは、後述するイオン注入で形成される絶縁領域層の厚さ約１５００ｎｍとほぼ等しくなるように設計される。この上部ＤＢＲミラー１５の最上層の表面には、ｐ型のＧａＡｓ層が形成され、全体の層構造を構成している。この状態の積層を図２に示した。厚みが２５λ／４ｎのｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層は、符号１４Ａで示されている。

次に、図２の層構造の表面に、プラズマＣＶＤ法でＳｉＮｘ膜２１を成膜したのち、その上に通常のフォトレジストを用いたフォトリソグラフィーにより、フォトレジスト１９を直径１０μｍの円柱状に加工する。ここでイオン注入マスクとして用いるフォトレジスト１９に代えて、Ａｕ（金）を用いてもよい。その後、イオン注入装置により、水素イオン（プロトン）を加速エネルギー４００ｋｅＶ、ドーズ量４×１０¹⁴ｃｍ^-2にて注入し、２５λ／４ｎ厚みのｐ型ＡｌＧａＡｓ層１４Ａの外周部分を、注入領域１４Ｂに変える。これによって、注入されなかった部分１４Ａを発光領域１８とする電流狭窄構造１４が形成される。この状態を図３に示した。なお注入するイオンは、水素に限らず、高抵抗な絶縁層を形成可能な材料であれば良く、例えば酸素などでもよい。フォトレジスト１９を除去した後に、温度４５０℃にてアニールを行い、その後ＳｉＮｘ膜２１を除去する。

次に、上記層構造の表面に、再度プラズマＣＶＤ法でＳｉＮｘ膜２２を成膜したのち、その上に通常のフォトレジストを用いたフォトリソグラフィーとＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により、ＳｉＮｘ膜２２を選択的にエッチングして、リング状（環状）の開口を形成する。形成した開口内に、例えばＡｕＺｎを蒸着して、リング形状の上部電極１６を形成する。その後、基板１１を厚さ２００μｍ程度になるように研磨し、その裏面に例えばＣｒ／Ａｕを蒸着して、下部電極１７を形成する。この状態を図４に示した。

上記の面発光レーザ素子の特性を計算シミュレーションにより評価したところ、素子抵抗は８０Ω程度と見積もられた。一方、上部ＤＢＲミラーの２層目のｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓの厚さをλ／４ｎとした従来型の素子では、素子抵抗は１４０Ω程度と高かった。以上のように、イオン注入型の面発光レーザ素子において、電流狭窄構造を形成するイオン注入層の厚みを大きくすることにより、素子抵抗が大幅に低減できることが判った。なお、本発明は、イオン注入型に限らず、全ての面発光レーザ素子に適用できる。

なお、上記実施形態では、イオン注入は大きな厚みを有する上部ＤＢＲミラー内の１層についてのみなされているが、イオン注入される層は、その大きな厚みを有する１層に接する又は近接する他の１以上の層にイオンが注入されていてもよい。このような例を図５に示した。

第２の実施形態
本実施形態は、非特許文献１に記載されたフォトニック結晶面発光レーザに本発明を適用した例である。本実施形態に係る面発光レーザの断面斜視図を図６に示す。面発光レーザは、発振波長が１３００ｎｍとなるように設計されている。作製方法は、２次元円孔配列を形成する点以外においては，第１の実施形態とほぼ同様に行うことができる。

まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の上に、ＭＯＣＶＤ法でそれぞれ厚みλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｎ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓとｎ型ＧａＡｓとを交互に積層して、３５ペアの多層膜からなる下部ＤＢＲミラー１２を形成する。各層のキャリア濃度は、１×１０¹⁸ｃｍ^-3とする。次に、その上に、ガスソースＭＢＥ法により、図示しない下部クラッド層、３層のＧａＩｎＮＡｓＳｂ／ＧａＮＡｓ量子井戸構造の活性層１３、及び、図示しない上部クラッド層を順次に積層する。

次いで、その上に、ＭＯＣＶＤ法で厚みがλ／４ｎのｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層と、厚みが１７λ／４ｎ（ｍ＝８に相当、膜厚は１５４０ｎｍ）のｐ型ＧａＡｓ層２４Ａとを積層する。更に、その上にそれぞれの厚みがλ／４ｎのｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とｐ型ＧａＡｓ層とを交互に積層して、２０ペアからなる上部ＤＢＲミラー１５を形成する。各層のキャリア濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3とする。

次に、上記積層構造の表面に、プラズマＣＶＤ法でＳｉＮｘ膜を成膜したのち、その上に通常のフォトレジストを用いたフォトリソグラフィーにより、イオン注入マスクとして用いるフォトレジストを、直径１０μｍの円柱状に加工する。なお、フォトレジストの代りにＡｕ（金）を用いてもよい。その後、イオン注入装置により、水素イオン（プロトン）を加速エネルギー４００ｋｅＶ、ドーズ量４×１０¹⁴ｃｍ^-2にて注入し、１７λ／４ｎのｐ型ＧａＡｓ層２４Ａの外周部分を、注入領域２４Ｂに変える。これによって、注入されなかった部分２４Ａを発光領域１８とする電流狭窄構造２４が形成される。フォトレジストを除去した後に、温度５５０℃にてアニールを行い、その後ＳｉＮｘ膜を除去する。

次に、上記積層構造の表面に、プラズマＣＶＤ法でＳｉＮｘ膜２２を成膜したのち、通常のフォトレジストを用いたフォトリソグラフィーとＲＩＥ（反応性イオンエッチング）とにより、ＳｉＮｘ膜に、周期が５μｍ、円孔直径が２μｍである三角格子状の円孔配列構造を形成する。このＳｉＮｘ膜中に形成した円孔配列構造をマスクとして、Ｃｌ₂を用いたＩＣＰ（誘導結合プラズマ）ドライエッチングにより、積層構造に深さ４μｍ程度の２次元円孔配列２０を形成する。さらにＲＩＥにより、ＳｉＮｘマスクを除去する。

次に、２次元円孔配列２０を形成した積層構造の表面に、プラズマＣＶＤ法でＳｉＮｘ膜２２を成膜したのち、その上に通常のフォトレジストを用いたフォトリソグラフィーとＲＩＥ（反応性イオンエッチング）とにより、ＳｉＮｘ膜２２を選択的にエッチングして、リング状開口を形成する。その開口内に例えばＡｕＺｎを蒸着して、リング形状の上部電極１６を形成する。その後、基板１１を厚さ２００μｍ程度になるように裏面から研磨し、その裏面に例えばＣｒ／Ａｕを蒸着して、下部電極１７を形成する。

上記フォトニック結晶構造を有する面発光レーザの特性を、計算シミュレーションにより評価したところ、素子抵抗は９０Ω程度と見積もられた。上部反射鏡構造の２層目のｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓの厚さをλ／４ｎとした従来型のフォトニック結晶面発光レーザでは、素子抵抗は１５０Ω程度と高かった。従って、本実施形態のイオン注入型のフォトニック結晶面発光レーザ素子では、素子抵抗が大幅に低減できることがわかった。

なお、従来のフォトニック結晶面発光レーザでは、ＡｌＡｓ選択酸化層を用いた電流狭窄構造が採用されていた。この従来構造では、ＡｌＡｓと、ＡｌＡｓが酸化したＡｌＯxとの間で屈折率差が大きいため、高電流の注入時や高速変調時にはモードが不安定になることがあった。一方、本発明の構造によると、電流狭窄構造を形成するにあたり、屈折率差を生じないイオン注入法を用い、フォトニック結晶面発光レーザのＤＢＲミラー内の主として１層の部分にイオン注入を行い、この１層の厚さを媒質内発振波長の（２ｍ＋１）／４ｎ倍としているので、モードが安定で、かつ素子抵抗の低いフォトニック結晶面発光レーザ素子を得ることができる。

以上、本発明をその好適な実施態様に基づいて説明したが、本発明の面発光レーザは、上記実施態様の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施態様の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

本発明の第１の実施形態に係る面発光レーザ素子の一部を切り欠いて示す斜視図。 図１の面発光レーザを、その製造プロセス中の一工程段階で示す斜視図。 図１の面発光レーザを、図２に後続する工程段階で示す斜視図。 図１の面発光レーザを、図３に後続する工程段階で示す斜視図。 第１の実施形態の変形例に係る面発光レーザ素子の一部を切り欠いて示す斜視図。 第２の実施形態に係る面発光レーザ素子の一部を切り欠いて示す斜視図。 イオン注入型の従来の面発光レーザ素子の一部を切り欠いて示す斜視図。 フォトニック結晶型の従来の面発光レーザ素子の一部を切り欠いて示す斜視図。

符号の説明

１０：面発光レーザ
１１：基板
１２：下部ＤＢＲミラー
１３：活性層
１４：電流狭窄構造
１４Ａ：ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層
１４Ｂ：注入領域
１５：上部ＤＢＲミラー
１６：上部電極
１７：下部電極
１８：発光領域
１９：フォトレジスト
２１：ＳｉＮｘ膜
２２：ＳｉＮｘ膜
２４：電流狭窄構造
２４Ａ：ｐ型ＧａＡｓ層
２４Ｂ：注入領域

Claims (6)

1. 上部分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲミラー）と、
   下部ＤＢＲミラーと、
   前記上部ＤＢＲミラーと前記下部ＤＢＲミラーとの間に配置された活性層と、
   イオン注入法により形成された電流狭窄構造とを含む半導体材料の積層構造を基板上に備える面発光レーザにおいて、
   前記電流狭窄構造は、前記上部又は下部ＤＢＲミラーを構成する積層のうち、前記活性層の近傍に配置される単一の特定層で形成され、
   前記特定層が、ｍを１以上の自然数、媒質内発振波長をλ、空気中の屈折率をｎとして、（２ｍ＋１）λ／４ｎの厚みを有すると共に、当該特定層がイオン注入で形成される絶縁領域層の厚さとほぼ等しくなるようにｍを定め、前記特定層に選択的にイオンが注入されるように加速エネルギーを定めて電流狭窄構造が形成されていることを特徴とする面発光レーザ。
2. 特定層の厚さが１μｍ以上で２μｍ以下であることを特徴とする、請求項１記載の面発光レーザ。
3. 前記注入されたイオンが水素イオンであることを特徴とする、請求項１又は２記載の面発光レーザ。
4. 前記注入されたイオンが酸素イオンであることを特徴とする、請求項１又は２記載の面発光レーザ。
5. 前記上部分布ＤＢＲミラーには、中央部に空孔欠陥を有する２次元空孔配列が、基本横モードレーザ発振を実現するように形成されていることを特徴とする、請求項１から４の何れか一に記載の面発光レーザ。
6. 発振波長が１μｍ以上で１．６μｍ以下であることを特徴とする、請求項１から５の何れか一に記載の面発光レーザ。

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