JP2008028120A - 面発光型半導体素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】出射される光の偏光方向を特定の方向に制御可能な面発光型半導体素子を提供する。
【解決手段】面発光レーザ10は、複数の誘電体層24aを含むDBR部24と、DBR部14と、DBR部24とDBR部14との間に設けられ半導体材料からなる活性層18とを備える。面発光レーザ10から出射される光Lの光軸Axに直交する面におけるDBR部24の形状は、光軸Axを基準として異方性を有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、面発光型半導体素子に関する。
垂直共振器型の面発光レーザ(VCSEL:VerticalCavity Surface Emitting Laser)では、上部DBRと下部DBRとの間に活性層が配置されている。特許文献1には、上部DBRがポスト構造を有する面発光レーザが記載されている。この上部DBRの形状は、面発光レーザから出射される光の出射方向から見て長方形である。
特許第2891133号公報
しかしながら、上部DBRの形状を変えただけでは、面発光レーザから出射される光の偏光方向を特定の方向に制御することができない。
本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、出射される光の偏光方向を特定の方向に制御可能な面発光型半導体素子を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、本発明の面発光型半導体素子は、複数の誘電体層を含む第1のDBR部と、第2のDBR部と、前記第1のDBR部と前記第2のDBR部との間に設けられ半導体材料からなる活性層とを備え、当該面発光型半導体素子から出射される光の光軸を基準として、前記光軸に直交する面における前記第1のDBR部の形状が異方性を有する。
本発明の面発光型半導体素子では、第1のDBR部が誘電体層を含む一方で活性層が半導体材料からなる。よって、誘電体層の熱膨張係数と活性層の熱膨張係数との差に起因する応力が活性層に付与される。ここで、本発明の面発光型半導体素子から出射される光の光軸を基準として、光軸に直交する面における第1のDBR部の形状は異方性を有するので、異方性を示す方向に沿って、活性層内に引張応力又は圧縮応力が生じる。引張応力及び圧縮応力のいずれが生じるのかは、例えば、活性層の構成材料と誘電体層の構成材料との組み合わせ等に依存する。この活性層に付与された応力によって、出射光の大部分の偏光方向が異方性を示す方向となる。よって、本発明によれば出射光の偏光方向を特定の方向に制御できる。
また、前記光軸に直交する面における前記第1のDBR部の形状が、長方形又は楕円であることが好ましい。この場合、長方形又は楕円の長軸方向又は短軸方向に沿って、活性層内に引張応力又は圧縮応力が生じる。引張応力及び圧縮応力のいずれが生じるのかは、例えば、活性層の構成材料と誘電体層の構成材料との組み合わせ等に依存する。この活性層に付与された応力によって、出射光の大部分の偏光方向が長軸方向又は短軸方向となる。
また、前記活性層は量子井戸構造を有することが好ましい。この場合、活性層に付与される応力値が大きくなる。
本発明によれば、出射される光の偏光方向を特定の方向に制御可能な面発光型半導体素子が提供される。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
図1は、実施形態に係る面発光型半導体素子を模式的に示す平面図である。図2は、図1に示されるII−II線に沿った断面図である。図1及び図2に示される面発光レーザ10(面発光型半導体素子)は、例えばVCSELである。図1及び図2には、xyz空間座標系が示されている。本実施形態では、面発光レーザ10から出射される光Lの出射方向は、z軸方向である。光Lは、例えばz軸方向に延びる光Lの光軸Ax上を通過する。
面発光レーザ10は、第1のDBR部24と、第2のDBR部14と、DBR部24とDBR部14との間に設けられた活性層18とを備える。DBR部24及びDBR部14は、光共振器を構成する。DBR部24、活性層18及びDBR部14は、z軸方向に沿って配列されている。
DBR部24は、z軸方向に沿って交互に配列された複数の誘電体層24a及び複数の層24bを含む多層反射膜からなる。誘電体層24aは、例えばシリコン酸化物(SiO)、チタン酸化物(TiO)、アルミニウム酸化物(Al)等からなる。層24bは、例えばアモルファスシリコン(a−Si)やZnS等の半導体材料、又は例えばシリコン酸化物、チタン酸化物、アルミニウム酸化物等の誘電体材料からなることが好ましい。誘電体層24a及び層24bの構成材料の好適な組み合わせとしては、(誘電体層24aの構成材料/層24bの構成材料)と表記すると、(アモルファスシリコン/シリコン酸化物)、(チタン酸化物/アルミニウム酸化物)、(ZnS/アルミニウム酸化物)、(アモルファスシリコン/アルミニウム酸化物)、(チタン酸化物/シリコン酸化物)が挙げられる。
SiOの熱膨張係数は4.0×10−7[/K]であり、TiOの熱膨張係数は4.0×10−7[/K]であり、Alの熱膨張係数は8.0×10−6[/K]であり、a−Siの熱膨張係数は3.5×10−6[/K]であり、ZnSの熱膨張係数は6.8×10−6[/K]である。なお、GaAsの熱膨張係数は6.8×10−6[/K]である。
DBR部24は、ポスト構造を有する。光Lの光軸Axに直交する面(x軸及びy軸を含む平面)におけるDBR部24の形状は、例えば長方形である。本実施形態では、x軸方向が長方形の長軸方向であり、y軸方向が長方形の短軸方向である。長方形の短辺Aと長方形の長辺Bとの比(A:B)は、1:1.2〜1:5であることが好ましい。長方形の重心は、光Lの光軸Axに一致することが好ましい。なお、光Lの光軸Axに直交する面におけるDBR部24の形状は、楕円であってもよい。この場合、楕円の短軸が長方形の短辺Aに相当し、楕円の長軸が長方形の長辺Bに相当する。楕円の重心は、光Lの光軸Axに一致することが好ましい。さらに、光Lの光軸Axに直交する面におけるDBR部24の形状は、長方形や楕円ではなく、光Lの光軸Axを基準として異方性を有する形状であってもよい。
DBR部14は、z軸方向に沿って交互に配列された複数の半導体層14a及び複数の半導体層14bを含む多層反射膜からなる。半導体層14aは、例えばn型のAlGaAsからなる。半導体層14bは、例えばn型のGaAsからなる。
活性層18は、例えばInGaAs、GaInNAs、GaInNAsSb、AlGaInAs、GaInAsP等の半導体材料からなる。活性層18は、バルク結晶からなってもよいし、図3に示されるように量子井戸構造(QW)を有してもよい。図3は、活性層18の一例を模式的に示す断面図である。図3に示される活性層18は、z軸方向に沿って交互に配列された複数の井戸層18a及び複数の障壁層18bを含む。この場合、活性層18は多重量子井戸構造(MQW)を有する。井戸層18aは、例えばInGaAs等からなる。障壁層18bは、例えばGaAsからなる。
本実施形態では、DBR部14、活性層18及びDBR部24は、半導体基板12の主面12a上にこの順に設けられている。半導体基板12は、例えばn型のGaAsからなる。半導体基板12の形状は、光Lの光軸Axに対して対称であることが好ましい。より好ましくは、光Lの光軸Axに直交する面における半導体基板12の形状は、円形又は正方形である。
DBR部14と活性層18との間には、例えば、クラッドとして機能するスペーサ層16が設けられている。スペーサ層16は、例えばn型のGaAsからなる。活性層18とDBR部24との間には、例えば、クラッドとして機能するスペーサ層20が設けられている。スペーサ層20は、例えばp型のGaAsからなる。
スペーサ層20とDBR部24との間には、例えば、活性層18に注入される電流を狭窄するための電流狭窄層22が設けられている。電流狭窄層22は、開口22aが形成された電流ブロック層22bと、開口22aを埋め込む半導体層22cとを有する。開口22aの形状は、光Lの光軸Axに対して対称であることが好ましい。より好ましくは、光Lの光軸Axに直交する面における開口22aの形状は、円形又は正方形である。特に好ましくは、光Lの光軸Axに直交する面における開口22aの形状は、光Lのビーム形状を真円に近づける観点から円形である。光Lのビーム形状が真円であると、面発光レーザ10に光ファイバを光学的に結合する際に結合効率の劣化を抑制できる。電流ブロック層22bは、アルミニウムを含む半導体層を酸化してなることが好ましく、例えばアルミニウム酸化物からなる。この場合、半導体層22cは、未酸化のアルミニウムを含む半導体層であることが好ましく、例えばp型のAlAsからなる。なお、電流狭窄層22は、トンネル接合により電流を狭窄する構造を有してもよい。
電流狭窄層22とDBR部24との間には、例えばスペーサ層25が設けられている。スペーサ層25は、例えばp型のGaAsからなる。
スペーサ層25上には、例えばコンタクト層26及び電極28がこの順に設けられている。コンタクト層26及び電極28には、それぞれ光Lを通過させるための開口26a及び開口28aが形成されている。開口26aを形成することにより、コンタクト層26によって光Lが吸収されることを防止できる。光Lの光軸Axに直交する面において、開口26aの径と開口28aの径とは例えば同一である。光Lの光軸Axに直交する面において、開口26aの径及び開口28aの径は、いずれも電流狭窄層22の開口22aの径よりも大きい。開口26a及び開口28a内には、DBR部24が埋め込まれている。半導体基板12の主面12aとは反対側の面すなわち裏面12b上には、例えば電極30が設けられている。
電極28及び電極30間に電流を印加すると、活性層18から光LがDBR部24を通って面発光レーザ10の外部に出射される。
本実施形態の面発光レーザ10では、DBR部24が誘電体層24aを含む一方で、活性層18が半導体材料からなる。通常、誘電体層24a及び活性層18は室温よりも高温で形成されるので、室温においては、誘電体層24aの熱膨張係数と活性層18の熱膨張係数との差に応じて応力が生じる。よって、DBR部24によって活性層18に応力が付与される。活性層18とDBR部24との間に電流狭窄層22等の半導体層が設けられている場合には、DBR部24は、当該半導体層を介して活性層18に応力を付与する。ここで、光Lの光軸Axに直交する面におけるDBR部24の形状は、長方形又は楕円であるので、長方形又は楕円の長軸方向(x軸方向)又は短軸方向(y軸方向)に沿って、活性層18内に引張応力又は圧縮応力が生じる。引張応力及び圧縮応力のいずれが生じるのかは、例えば、活性層18の構成材料とDBR部24の構成材料との組み合わせ等に依存する。
活性層18がGa及びAsを含む場合、誘電体層24aはシリコン酸化物又はチタン酸化物を含むことが好ましい。この場合、x軸方向に沿って活性層18内に引張応力が生じる。また、活性層18の熱膨張係数と誘電体層24aの熱膨張係数との差が大きくなる。よって、活性層18内に生じる応力が大きくなる。
また、活性層18がGa及びAsを含む場合、誘電体層24aはアルミニウム酸化物を含むことが好ましい。この場合、x軸方向に沿って活性層18内に圧縮応力が生じる。また、活性層18の熱膨張係数と誘電体層24aの熱膨張係数との差が小さくなる。よって、面発光レーザ10の光Lの発振特性が経時変化し難くなるので、面発光レーザ10の信頼性が向上する。さらに、活性層18がGa及びAsを含み、誘電体層24aがアルミニウム酸化物を含み、層24bがアモルファスシリコン又はZnSを含むことが好ましい。層24bがアモルファスシリコンを含む場合、x軸方向に沿って活性層18内に圧縮応力が生じる。層24bがZnSを含む場合、x軸方向に沿って活性層18内に引張応力が生じる。また、面発光レーザ10の信頼性は更に向上する。
図4は、面発光レーザ10に印加される電流と面発光レーザ10から出射される光Lの出力との関係の一例を示すグラフである。横軸は電流の値を示し、縦軸は光出力の値を示す。矢印の先端に向かうに連れて電流値及び光出力値ともに大きくなることを示している。グラフ中の実線P1は、偏光方向がy軸方向となる光Lの出力を示す。破線P2は、偏光方向がx軸方向となる光Lの出力を示す。この例では、グラフから分かるように、光Lの大部分の偏光方向がy軸方向となる。これは、活性層18に付与された応力に起因する。活性層18に応力が付与されると、DBR部14とDBR部24との間で共振する光Lの利得に差が生じる。また、複屈折の影響によりx軸方向及びy軸方向の偏光の群速度に異方性が生じ、さらに利得差が発生するため、偏光方向がy軸方向である光Lの出力値Iは、偏光方向がx軸方向である光Lの出力値Iに比べて顕著に大きくなる。また、活性層18に付与される応力の絶対値が大きくなるに連れて、光の出力値Iと光の出力値Iとの差が大きくなる。
活性層18が量子井戸構造を有すると、DBR部24によって活性層18に付与される応力値が大きくなる。よって、偏光方向がy軸方向である光の出力値と偏光方向がx軸方向である光の出力値との差が大きくなる。
以上説明したように、面発光レーザ10では、光Lの偏光方向を特定の方向に制御することができる。
上述の面発光レーザ10は、例えば以下のようにして製造される。まず、半導体基板12の主面12a上に、MOVPE法を用いて、複数の半導体層を形成する。次に、この複数の半導体層をドライエッチングすることにより、半導体基板12上にメサ部を形成する。このメサ部は、半導体基板12上に、DBR部14、スペーサ層16、活性層18、スペーサ層20、電流狭窄層22のためのアルミニウムを含む半導体層、スペーサ層25、及びコンタクト層26のための半導体層がこの順に設けられたものである。
続いて、電流狭窄層22のためのアルミニウムを含む半導体層の側面を、例えば水蒸気雰囲気に晒すことによって選択的に酸化する。これにより、電流狭窄層22が形成される。次に、例えばポリイミド等の樹脂によりメサ部を埋め込むことによって、樹脂の表面とメサ部の頂面とを略一致させ、平坦化する。さらに、コンタクト層26のための半導体層上に、開口28aが形成された電極28を形成する。また、半導体基板12の裏面12b上に電極30を形成する。
その後、コンタクト層26のための半導体層をウェットエッチングすることによって、開口28aと同じ形状の開口26aが形成されたコンタクト層26を形成する。続いて、例えばリフトオフ法を用いて、開口26a及び開口28aを埋め込むDBR部24を形成する。具体的には、DBR部24は以下のように形成される。まず、電極28上に、DBR部24を埋め込むための開口パターンが形成されたレジスト膜を形成する。半導体基板12の法線方向に直交する面における開口パターンの形状は、長方形又は楕円である。この開口パターンは、例えば長方形又は楕円のパターンを有するフォトマスクを用いて、フォトリソグラフィー法により形成される。次に、レジスト膜上にDBR部24のための積層体を形成する。積層体の形成方法としては、例えばプラズマCVD法、スパッタリング法、EB蒸着法、イオンアシスト蒸着法等が挙げられる。その後、レジスト膜を剥離することによって、DBR部24を形成する。
上述の製造方法によれば、低コストで面発光レーザ10を製造することができる。
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。
以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
n型のGaAs基板上に、MOVPE法を用いて、30ペアのn型Al0.9Ga0.1As層及びn型GaAs層からなる下部DBR、n型GaAsからなるスペーサ層、In0.2Ga0.8Asからなる3つの井戸層及びGaAsからなる2つの障壁層が交互に積層された活性層、p型GaAsからなるスペーサ層、p型AlAs層、p型GaAsからなるスペーサ層、p型GaAsからなるコンタクト層をこの順に成長させた。
続いて、ドライエッチングにより直径30μm、高さ5μmの円柱状のメサ部をn型のGaAs基板上に形成した。さらに、水蒸気雰囲気中でp型AlAs層を側面から選択的に酸化することによって、メサ部の高さ方向に直交する面における形状が直径5μmの円形の電流注入領域(非酸化領域)を形成した。さらに、電極の形成を容易にするために、ポリイミドによりメサ部の周囲を埋め込み平坦化した。次に、メサ部上に電極を蒸着すると共に、GaAs基板の裏面上に電極を蒸着させた。メサ部上の電極には直径10μmの円形の開口が形成されており、その開口にはコンタクト層が露出している。さらに、コンタクト層をウェットエッチングすることにより直径10μmの円形の開口をコンタクト層に形成した。
続いて、リフトオフ法を用いてメサ部上に上部DBRを形成した。まず、メサ部上にレジスト溶液を塗布し、レジスト膜を形成した。このレジスト膜に、縦10μm、横20μmの長方形のパターンを有するフォトマスクを介して露光を行い、現像を行った。フォトマスクのパターンは、短辺Aと長辺Bとの比(A:B)が1:2の長方形である。これにより、メサ部の高さ方向に直交する面において、メサ部の頂面の中心を重心とする縦10μm、横20μmの長方形の開口パターンをレジスト膜に形成した。
次に、イオンアシスト蒸着法により、成膜温度230℃において、5ペアのアモルファスシリコン層及びAl層をレジスト膜上に成長させた。アモルファスシリコン層の厚さは84.1nmであり、Al層の厚さは163.6nmであった。続いて、レジスト膜を除去することにより、メサ部上に上部DBRを形成した。このようにして、面発光レーザを製造した。
上部DBRの中心波長は1060nmであった。GaAs基板に上部DBRのみを形成して反射率を測定したとき、光を空気から上部DBRに照射する際の反射率は99.85%であった。この面発光レーザでは、レーザ光の光軸に直交する面における上部DBRの形状は、短辺Aと長辺Bとの比(A:B)が1:2の長方形であった。この面発光レーザから出射される大部分のレーザ光の偏光方向は、長方形の短軸方向であった。また、レーザ光のビーム形状は真円であったので、光ファイバへの結合効率の劣化を抑制することができた。
フォトマスクのパターンを、短辺Aと長辺Bとの比(A:B)が1:1.2又は1:5の長方形とした場合にも、面発光レーザから出射される大部分のレーザ光の偏光方向は、長方形の短軸方向であった。
また、フォトマスクのパターンを、短軸の長さAと長軸の長さBとの比(A:B)が1:2、1:1.2又は1:5の楕円とした場合にも、面発光レーザから出射される大部分のレーザ光の偏光方向は、楕円の短軸方向であった。
また、イオンアシスト蒸着法に代えて、ECRプラズマ成膜装置を用いたスパッタリング法により、成膜温度150℃において、5ペアのアモルファスシリコン層及びAl層をレジスト膜上に成長させた。この場合、面発光レーザから出射される大部分のレーザ光の偏光方向は、長方形又は楕円の短軸方向であった。
さらに、5ペアのアモルファスシリコン層及びAl層に代えて、4ペアのアモルファスシリコン層及びSiO層を用いた場合、面発光レーザから出射される大部分のレーザ光の偏光方向は、長方形又は楕円の短軸方向であった。アモルファスシリコン層の厚さは84.1nmであり、SiO層の厚さは179.1nmであった。この場合、SiOの熱膨張係数(4.0×10−7[/K])とGaAsの熱膨張係数(6.8×10−6[/K])との差が大きいので、温度変化によって活性層に応力が更に印加される。よって、短軸方向を偏光方向とするレーザ光の出力がより大きくなる。
また、5ペアのアモルファスシリコン層及びAl層に代えて、7ペアのTiO層及びAl層を用いた場合、面発光レーザから出射される大部分のレーザ光の偏光方向は、長方形又は楕円の短軸方向であった。TiO層の厚さは105.2nmであり、Al層の厚さは163.6nmであった。この場合、TiOの熱膨張係数(4.0×10−7[/K])とGaAsの熱膨張係数(6.8×10−6[/K])との差が大きいので、温度変化によって活性層に応力が更に印加される。よって、短軸方向を偏光方向とするレーザ光の出力がより大きくなる。
また、5ペアのアモルファスシリコン層及びAl層に代えて、6ペアのZnS層及びAl層を用いた場合、面発光レーザから出射される大部分のレーザ光の偏光方向は、長方形又は楕円の長軸方向であった。ZnS層の厚さは115.62nmであり、Al層の厚さは163.6nmであった。この場合、ZnSの熱膨張係数(6.8×10−6[/K])とGaAsの熱膨張係数(6.8×10−6[/K])との差が殆どないので、面発光レーザの発振特性が経時変化し難い。
実施形態に係る面発光型半導体素子を模式的に示す平面図である。 図1に示されるII−II線に沿った断面図である。 活性層の一例を模式的に示す断面図である。 面発光レーザに印加される電流と面発光レーザから出射される光の出力との関係の一例を示すグラフである。
符号の説明
10…面発光レーザ(面発光型半導体素子)、14…第2のDBR部、18…活性層、24…第1のDBR部、24a…誘電体層、Ax…光軸、L…光。

Claims (3)

  1. 複数の誘電体層を含む第1のDBR部と、
    第2のDBR部と、
    前記第1のDBR部と前記第2のDBR部との間に設けられ半導体材料からなる活性層と、
    を備え、
    当該面発光型半導体素子から出射される光の光軸を基準として、前記光軸に直交する面における前記第1のDBR部の形状が異方性を有する、面発光型半導体素子。
  2. 前記光軸に直交する面における前記第1のDBR部の形状が、長方形又は楕円である、請求項1に記載の面発光型半導体素子。
  3. 前記活性層は量子井戸構造を有する、請求項1又は2に記載の面発光型半導体素子。
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