JP2007081295A - 面発光レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、電流狭窄層を有する面発光レーザ素子において、電流狭窄層内での局所的な電流密度上昇を抑制し、耐電圧特性に優れた面発光レーザ素子を提供する。
【解決手段】
１対の半導体多層膜反射鏡と、該１対の半導体多層膜反射鏡の間に設けられた活性層と、いずれかの該半導体多層膜反射鏡に近接して、又は該半導体多層膜反射鏡内に電流狭窄層が設けられた電流狭窄型面発光レーザ素子であって、該半導体多層膜反射鏡内の電流狭窄層近傍領域に電流平準化層が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板に対して垂直方向に共振器構造を有する面発光レーザの技術に関し、特に酸化層狭窄型の面発光型半導体レーザ素子に関し、静電耐圧に優れた半導体レーザ素子に関するものである。

垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser.
以下、単に面発光レーザ素子と称する。）は、基板に対して直交方向に光を出射させる半導体レーザ素子であって、同じ基板上に２次元アレイ状に多数の面発光型半導体レーザ素子を配列することも可能であり、通信用光源として、また、その他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。

面発光レーザ素子は、ＧａＡｓやＩｎＰといった半導体基板上に１対の半導体多層膜反射鏡（例えば、ＧａＡｓ系ではＡｌ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｌＡｓ等）を形成し、その対の反射鏡の間に発光領域となる活性層を有するレーザ構造部を備えている。
そして、電流効率を高め、閾値電流値を下げるために、Ａｌ酸化層で電流狭窄構造を構成した酸化狭窄型の面発光型半導体レーザ素子が提案されている。
例えば、ＧａＩｎＮＡｓ系材料は、ＧａＡｓ基板上に形成できるので、熱伝導率が良好で、反射率の高いＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲミラーを用いることができ、１．２μｍ〜１．６μｍの長波長域の光を発光できる面発光型半導体レーザ素子として有望視されている。

図４を参照して、従来の８５０ｎｍ帯の酸化層狭窄型の面発光型半導体レーザ素子の構成を説明する。図４は従来の８５０ｎｍ帯の酸化層狭窄型の面発光型半導体レーザ素子の構成を示す断面模式図である。
まず、面発光型半導体レーザ素子１０は、ｎ−ＧａＡｓ基板１２上に、それぞれの層の厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｎ−Ａｌ_0.9ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ_0.2 ＧａＡｓの３５ペアからなる下部ＤＢＲミラー１４、下部クラッド層１６、量子井戸活性層１８、上部クラッド層２０、及び、それぞれの層の厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｐ−Ａｌ_0.9ＧａＡｓ／ｐ−Ａｌ_0.2 ＧａＡｓの２５ペアからなる上部ＤＢＲミラー２２の積層構造を備えている。

上部ＤＢＲミラー２２では、量子井戸活性層１８に近い側の一層が、Ａｌ_0.9ＧａＡｓ層に代えて、ＡｌＡｓ層２４で形成され、かつ電流注入領域以外の領域のＡｌＡｓ層２４のＡｌが、選択的に酸化され、Ａｌ酸化層２５からなる電流狭窄層を構成している。

積層構造のうち、上部ＤＢＲミラー２２は、フォトリソグラフィー処理及びエッチング加工により、ＡｌＡｓ層２４よりも下方の量子井戸活性層１８に近い層まで、例えば直径３０μｍの円形のメサポストに加工されている。
メサポストに加工した積層構造を水蒸気雰囲気中にて、約４００℃の温度で酸化処理を行い、メサポストの外側からＡｌＡｓ層２４のＡｌを選択的に酸化させることにより、Ａｌ酸化層２５からなる電流狭窄層４０が形成されている。例えばＡｌ酸化層２５の幅が１０μｍの帯状のリングとした場合、中央のＡｌＡｓ層２４の面積、即ち電流注入される領域（アパーチャ）は、直径８〜１５μｍ、面積約１００μｍ²程度の円形になる。

メサポストは、周囲が例えばポリイミド層２６により埋め込まれている。そして、メサポストの上部に外周５μｍ〜１０μｍ程度の幅で接触するリング状電極が、ｐ側電極２８として設けられている。また、基板裏面を適宜研磨して基板厚さを例えば２００μｍ厚に調整した後、ｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面にｎ側電極３０が形成されている。更に、ポリイミド２６上には、外部端子とワイヤーで接続するための電極パッド３２が、リング状のｐ側電極２８と接触するように形成されている。

特開２００３−３７３３６号公報 特開２００３−８１４２号公報

上述したように、電流狭窄層を設けた面発光レーザ素子では、活性層に電流が効率良く注入されるので、高効率なレーザ発振が可能となるというレーザ素子として好適な特性を有している。しかしながら、面発光レーザ素子に高電圧が印加された場合には、電流経路がアパーチャ内に限定されるため、アパーチャ内の電流密度が上昇し、電流狭窄層近傍での破壊や劣化が生じやすい。特に、半導体多層膜反射鏡をもちいた面発光レーザ素子では、半導体多層膜反射鏡を経由した電流が電流狭窄層のアパーチャ内に集中するため、高電圧印加によりアパーチャ近傍で破壊が生じやすくなる。このように、高電圧、特に静電気のような高電圧に対しては、破壊が生じやすく、静電気耐圧が低くなるという問題があった。

通常、半導体レーザ素子を組み込んだパッケージや半導体レーザ素子の駆動回路には半導体レーザ素子に高電圧が印加されないように保護回路が設けられているが、完全に防ぐことは困難である。また、静電気は半導体レーザ素子をダイシングしチップ化する際や、パッケージへのマウントをおこなう際等の組み立て工程においても発生するため、半導体レーザ素子自体の耐電圧特性を向上させることが重要である。
そこで、本発明は、電流狭窄層を有する面発光レーザ素子において、電流狭窄層内での電流密度上昇を抑制し、耐電圧特性に優れた面発光レーザ素子を提供することを目的とする。

本発明者等は、電流狭窄層を設けた面発光レーザ素子に静電気等の高電圧が印加された際の電流狭窄層近傍での破壊の状況を鋭意解析した結果、そのような破壊が電流経路となる電流狭窄層の開口部（アパーチャ）周縁部に主に発生しており、アパーチャ内での電流密度分布の不均質により、局所的に電流密度が高くなり大きなジュール熱が発生し破壊が生じやすくなることを見出した。
そこで、本発明は、電流狭窄層の近傍に、電流狭窄層のアパーチャ内での電流分布を平準化する電流平準化層を設け、電流狭窄層のアパーチャ内での電流分布を平準化し、局所的な破壊を防ぐことによって、素子自体の耐電圧特性が向上した面発光レーザ素子を提供するものである。

図５は、図４に示す従来の構造を有する面発光レーザ素子における（ａ）メサポスト部分の断面を示すものであって、メサポスト上に配置された電極から電流狭窄層を経由して流れる電流の様子と、（ｂ）その際の電流狭窄層面内の径方向での電流密度分布の様子を模式的に示す図である。メサポスト中央部分からは光が出射されるが、その外周部分に通常リング状の電極が配置されている。電流は抵抗が低くなるよう、すなわち、同一の材料内では最短経路を流れるため、電流狭窄層のアパーチャ内縁部分の電流密度が高くなる。

一方、図１は、本発明の面発光レーザ素子における（ａ）メサポスト部分の断面を示すものであって、メサポスト上に配置された電極から電流狭窄層を経由して流れる電流の様子と、（ｂ）その際の電流狭窄層面内の径方向での電流密度分布の様子を模式的に示す図である。図５に示した面発光レーザ素子と異なる点は電流狭窄層近傍であって、活性層が配置されていない側に電流平準化層が配置されていることである。電流平準化層は半導体多層膜反射鏡に比べ、導電性の異なる層である。
図５に示した面発光レーザ素子と同様に、メサポスト上にリング状に配置された電極から、電流狭窄層アパーチャ内に電流が集中するが、電流狭窄層近傍に配置された電流平準化層によって、電流狭窄層の面と平行方向に電流が流れやすくなる。そのため、電流狭窄層の近傍で面内の電流分布が平準化され、アパーチャ内に流れ込む電流密度が平準化される。このような構造とすることによって、電流狭窄層を流れる電流量が同じである場合も、局所的な最大電流密度の値は平準化されて小さくなり、局所的なジュール熱の発生による電流狭窄層近傍での破壊を抑制することができる。

本発明は、メサポスト上に配置された電極から、半導体多層膜反射鏡を経由して電流狭窄層に流れ込む電流の電流密度分布を平準化する電流平準化層を、メサポスト内に設けられた電流狭窄層近傍に設けることによって電流狭窄層のアパーチャ内を流れる電流の電流密度の平準化をおこない、過電流による面発光レーザ素子の破壊を抑制するものである。

電流狭窄層を有する面発光レーザ素子において、高電圧印加時の電流狭窄層近傍での破壊を抑制することによって、面発光レーザ素子の耐電圧特性が向上するという効果を奏する。

以下、本発明にかかる面発光レーザ素子の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。ここでは、半導体多層膜反射鏡としてＡｌ_ｘＧａ_1-ｘＡｓ／Ａｌ_ｙＧａ_1-ｙＡｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）であらわされる高屈折率層と低屈折率層をそれぞれ、λ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）となる厚さで積層されたＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲミラーを有し、７８０ｎｍ〜８７０ｎｍの８５０ｎｍ帯と言われる波長域の光を発光できる面発光型半導体レーザ素子の場合を示す。

本発明にかかる第１の実施形態例の面発光レーザ素子に係るメサポスト部分の断面を図１に示す。第１の実施形態例の面発光レーザ素子は、図４に示す従来の面発光レーザ素子と同様に、ｎ−ＧａＡｓ基板１２上に、それぞれの層の厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｎ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／ｎ−Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8Ａｓの３５ペアからなる下部ＤＢＲミラー１４、下部クラッド層１６、量子井戸活性層１８、上部クラッド層２０、及び、それぞれの層の厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／ｐ−Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8Ａｓの２５ペアからなる上部ＤＢＲミラー２２の積層構造を備えている。
上部ＤＢＲミラー２２では、量子井戸活性層１８に近い側の一層が、Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層に代えて、ＡｌＡｓ層２４で形成され、かつ電流注入領域以外の領域のＡｌＡｓ層２４のＡｌが、選択的に酸化され、Ａｌ酸化層２５からなる電流狭窄層４０を構成している。上部ミラーのメサポストの直径は通常、２０μｍ〜５０μｍであり、電流狭窄層の厚さは１０〜６０ｎｍであり、電流が注入される面積、すなわちアパーチャの直径は通常、５μｍ〜１５μｍである。

本実施形態では、従来の面発光レーザ素子の構成に加えて、上部ＤＢＲミラー２２内に、電流平準化層５０が層内での電流密度分布を平準化をおこなうよう、電流狭窄層４０の量子井戸活性層１８が配置されていない側の近傍に設けられている。電流平準化層５０は電流狭窄層４０に近接して設けることが好ましく、電流狭窄層４０に隣接して設けるか、少なくとも電流狭窄層４０から５００ｎｍ以内の位置に設けることが好ましい。電流狭窄層４０と電流平準化層５０が接していない場合、その間の層は通常のＤＢＲミラーとすることが好ましい。 電流平準化層５０は、半導体多層膜反射鏡を形成する高屈折率層又は低屈折率層のいずれよりも抵抗率の低い層（以下、低抵抗率層という。）であることが望ましく、５ｎｍ〜１００ｎｍの厚さとすることが好ましい。あるいは、電流平準化層として、半導体多層膜反射鏡を形成する高屈折率層又は低屈折率層のいずれよりも抵抗率の高い層（以下、高抵抗率層という。）を設けて、半導体多層膜反射鏡を形成する高屈折率層又は低屈折率層において、面内の電流密度の平準化がなされるようにすることもできる。

ここで、電流平準化層として機能する低抵抗率層は、例えば、半導体多層膜反射鏡を形成する層として用いられているＡｌ_0.9ＧａＡｓ又は、Ａｌ_0.2 ＧａＡｓ層、あるいは、その界面に、ｐ型ドープとしてＣ、Ｚｎ、Ｂｅから選ばれる少なくとも１種類以上の元素が５×１０^１８ｃｍ^−３〜１×１０^２０ｃｍ^−３の範囲でドープされている。電流平準化層として高抵抗率層を設ける場合には、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ等の材料を使用することができる。

このように電流狭窄層を有する面発光レーザ素子において、電流狭窄層近傍の半導体反射鏡側に電流平準化層を設けることにより、電流狭窄層での電流密度分布の偏りを平準化することによって、静電気等の高電圧が面発光レーザ素子に印加された際の電流狭窄層近傍での局所的なジュール熱発生によるレーザ素子の破壊を抑制することが可能となり、面発光レーザ素子自体の耐電圧特性を向上させることができる。さらには、電流狭窄層での電流密度の偏りを平準化することによって、活性層へ注入される電流の電流密度分布も平準化され、レーザ発光時のモード分布と電流密度分布がより相似するため、発光効率も向上するという効果が得られる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態例の面発光レーザ素子に係るメサポスト部分の断面を図２に示す。本実施形態では、図１に示す実施形態例１の構成とほぼ同様の形態をしているが、電流平準化層が高抵抗率層５１と低抵抗率層５２で構成されている点で異なる。
図２に示すように、高抵抗率層５１と低抵抗率層５２を、量子井戸活性層１８側から、電流狭窄層４０、高抵抗率層５１、低抵抗率層５２、半導体多層膜反射鏡の順に構成されるように設けることによって、高導電率層での電流密度平準化をより効率的におこなう構成としている。

（第３の実施形態）
第３の実施形態例の面発光レーザ素子に係るメサポスト部分の断面を図３に示す。本実施形態は、図４に示す従来の面発光レーザ素子の構成に対し、ｎ-ＧａＡｓ基板１２に替えてｐ-ＧａＡｓ基板１３をもちい、ｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／ｐ−Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8Ａｓの３５ペアからなる下部ＤＢＲミラー１４を形成し、下部クラッド層１６、量子井戸活性層１８、上部クラッド層２０、及び、ｎ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／ｎ−Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8Ａｓの２５ペアからなる上部ＤＢＲミラー２２の積層構造を備えた面発光レーザ素子である。
本実施形態の面発光レーザ素子のメサポスト部分は、下部ＤＢＲミラー１４の一部と下部クラッド層１６、量子井戸活性層１８、上部クラッド層２０、及び、ｎ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／ｎ−Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8Ａｓの２５ペアからなる上部ＤＢＲミラー２２で構成されている。下部ＤＢＲミラー１４では、量子井戸活性層１８に近い側の一層が、Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層に代えて、ＡｌＡｓ層２４で形成され、かつ電流注入領域以外の領域のＡｌＡｓ層２４のＡｌが、選択的に酸化され、Ａｌ酸化層２５からなる電流狭窄層４０を構成している。本実施形態の面発光レーザ素子では、ｐ型の半導体多層膜からなる下部ＤＢＲミラー１４内に、電流平準化層５０が層内での電流密度分布を平準化をおこなうよう、電流狭窄層４０の近傍であって、量子井戸活性層１８が配置されていない側の近傍に設けられている。

本発明にかかる面発光レーザ素子のメサポスト部分の実施形態を示す断面図と、その電流狭窄層近傍での径方向の電流密度分布を示す図である。 本発明にかかる面発光レーザ素子の第２の実施形態を示す断面図である。 本発明にかかる面発光レーザ素子の第３の実施形態を示す断面図である。 従来の面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。 従来の面発光レーザ素子におけるメサポストおよび電流狭窄層近傍での径方向の電流密度分布を示す図である。

符号の説明

１０：従来の面発光型レーザ素子
１２：ｎ-ＧａＡｓ基板
１３：ｐ-ＧａＡｓ基板
１４：下部ＤＢＲミラー
１６：下部クラッド層
１８：量子井戸活性層
２０：上部クラッド層
２２：上部ＤＢＲミラー
２４：ＡｌＡｓ層
２５：Ａｌ酸化層
２６：ポリイミド
２８：ｐ側電極
３０：ｎ側電極
３２：電極パッド
４０：電流狭窄層
５０：電流平準化層
５１：高低効率層
５２：低抵抗率層

Claims (9)

1. １対の半導体多層膜反射鏡と、
   該１対の半導体多層膜反射鏡の間に設けられた活性層と、
   いずれかの該半導体多層膜反射鏡に近接して、又は該半導体多層膜反射鏡内に電流狭窄層が設けられた電流狭窄型面発光レーザ素子であって、
   該半導体多層膜反射鏡内に電流狭窄層近傍領域に電流平準化層が設けられていることを特徴とする面発光レーザ素子。
   
2. 前記１対の半導体多層膜反射鏡のいずれか一方はメサポストを形成しており、前記電流狭窄層および電流平準化層が、メサポスト内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素子。
   
3. 前記１対の半導体多層膜反射鏡のいずれか一方がｐ型半導体で形成された多層膜反射鏡であり、
   他方がｎ型半導体で形成された多層膜反射鏡であって、
   前記前記電流狭窄層および電流平準化層がｐ型半導体多層膜反射鏡内に設けら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素子。
   
4. 前記半導体多層膜反射鏡は高屈折率層と低屈折率が積層された構造をしており、
   前記電流平準化層は該高屈折率層および該低屈折率層のいずれよりも低抵抗率を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の面発光レーザ素子。
   
5. 前記半導体多層膜反射鏡は高屈折率層と低屈折率が積層された構造をしており、
   前記電流平準化層は該高屈折率層および該低屈折率層のいずれよりも高抵抗率を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の面発光レーザ素子。
   
6. 前記半導体多層膜反射鏡は高屈折率層と低屈折率が積層された構造をしており、
   前記電流平準化層は該高屈折率層および該低屈折率層のいずれよりも低抵抗率を有する層といずれよりも高抵抗率を有する層とで構成され、前記電流狭窄層により近い側に該高抵抗である層が配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１に記載の面発光レーザ素子。
   
7. 前記ｐ型半導体多層膜反射鏡が ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_1-ｘＡｓ／ｐ−Ａｌ_ｙＧａ_1-ｙＡｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表される半導体材料で構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１に記載の面発光レーザ素子。
   
8. 前記電流平準化層は、前記多層膜反射鏡を構成する少なくとも１層に、もしくは、その界面に５×１０^１８ｃｍ^−３以上の不純物がドープされることによって形成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１に記載の面発光レーザ素子。
   
9. 前記電流平準化層は、Ｃ、Ｚｎ、Ｂｅから１種類又は複数選ばれる元素が前記不純物としてドープされていることを特徴とする請求項８に記載の面発光レーザ素子。
   
   
   
   

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