JP2008187108A - 光素子およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】面発光型半導体レーザの発光特性の劣化を抑制することのできる光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明にかかる光素子１００は、面発光型半導体レーザ１４０と、前記面発光型半導体レーザから出射されたレーザ光の一部を検出する光検出素子１２０と、を含み、前記光検出素子は、光吸収層及び第１コンタクト層１１１を有し、前記第１コンタクト層は、吸収端波長が前記面発光型半導体レーザの発振波長より小さい半導体からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光素子およびその製造方法に関する。
面発光型半導体レーザは、環境温度等の条件によって光出力が変動するという特性を有する。このため、面発光型半導体レーザを用いた光素子においては、面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光の一部を光出力として検出するための光検出素子が備えられている場合がある。この光検出素子はレーザ光を吸収し、吸収された光は、フォトダイオードに逆バイアス電圧を印加することで正孔−電子対となり、モニタ電流として検出される。たとえば、特開２０００−２６９５８５号公報には、面発光レーザ上に光検出器が集積された光送受信モジュールが開示されている。
ところで光検出素子を備えた面発光型半導体レーザにおいては、光検出素子において発生したすべての正孔−電子対がモニタ電流に変換されるものではなく、モニタ電流に変換されない正孔−電子対も存在する。このような正孔−電子対は、再結合して熱エネルギーに変換される。変換された熱エネルギーは、面発光型半導体レーザの活性層の温度を上昇させ、面発光型半導体レーザの発光特性を劣化させてしまう。
特開２０００−２６９５８５号公報
本発明は、面発光型半導体レーザの発光特性の劣化を抑制することのできる光素子およびその製造方法を提供することにある。
本発明にかかる光素子は、
面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザから出射されたレーザ光の一部を検出する光検出素子と、
を含み、
前記光検出素子は、光吸収層及び第１コンタクト層を有し、
前記第１コンタクト層は、吸収端波長が前記面発光型半導体レーザの発振波長より小さい半導体からなる。
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下「Ａ」という）の「上方」に他の特定のもの（以下「Ｂ」という）を形成する」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、Ａ上に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ上に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。
また、本発明において、「発振波長」とは、光素子の設計段階において、面発光型半導体レーザが発する光のうち、強度が最大となると予想される光の波長をいう。
なお、本発明において、「光吸収層」とは、空乏層を含む概念である。
本発明にかかる光素子において、
前記第１コンタクト層は、前記光吸収層より前記面発光型半導体レーザ側に設けられていることができる。
本発明にかかる光素子において、
前記光検出素子は、前記第１コンタクト層と前記光吸収層を挟むようにして設けられた第２コンタクト層をさらに有し、
前記第２コンタクト層は、吸収端波長が前記面発光型半導体レーザの発振波長より小さい半導体からなることができる。
本発明にかかる光素子において、
前記光検出素子は、前記第１コンタクト層と接触する電極をさらに有し、
前記第１コンタクト層は、前記電極とオーミック接触可能な材質からなることができる。
本発明にかかる光素子において、
前記面発光型半導体レーザの発振波長が８５０ｎｍである場合に、
前記第１コンタクト層は、ＡｌＧａＡｓからなることができる。
本発明にかかる光素子において、
前記第１コンタクト層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓからなり、
Ｘは、０．０３５以上であることができる。
本発明にかかる光素子において、
前記第１コンタクト層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓからなり、
Ｘは、０．０３５以上０．１５以下であることができる。
本発明にかかる光素子において、
前記面発光型半導体レーザは、
基板の上方に形成された第１ミラーと、
前記第１ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された第２ミラーと、
を含み、
前記光検出素子は、
前記第２ミラーの上方に形成された前記第１コンタクト層と、
前記第１コンタクト層の上方に形成された前記光吸収層と、
前記光吸収層の上方に形成された第２コンタクト層と、
を含むことができる。
本発明にかかる光素子において、
前記面発光型半導体レーザと前記光検出素子との間に形成された分離層をさらに含み、
前記分離層は、吸収端波長が前記面発光型半導体レーザの発振波長より小さい半導体を含むことができる。
本発明にかかる光素子において、
前記光検出素子は、
第２コンタクト層と、
前記第２コンタクト層の上方に形成された光吸収層と、
前記光吸収層の上方に形成された前記第１コンタクト層と、
を含み、
前記面発光型半導体レーザは、
前記第１コンタクト層の上方に形成された第１ミラーと、
前記第１ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された第２ミラーと、
を含むことができる。
本発明にかかる光素子は、
面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザから出射されたレーザ光の一部を検出する光検出素子と、
を含み、
前記光検出素子は、光吸収層及び第１コンタクト層を有し、
前記第１コンタクト層は、前記面発光型半導体レーザが発振する光の発振波長に対して透明な半導体からなる。
本発明にかかる光素子の製造方法は、
面発光型半導体レーザと、当該面発光型半導体レーザから出射されたレーザ光の一部を検出する光検出素子とを含む光素子の製造方法であって、
面発光型半導体レーザを形成する工程と、
吸収端波長が前記面発光型半導体レーザの発振波長より小さい半導体を用いて、光検出素子を構成するための第１コンタクト層を形成する工程と、
前記面発光型半導体レーザからの光を吸収できる半導体を用いて光吸収層を形成する工程と、を含む。
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
１．光素子の構造
図１は、本発明を適用した実施の形態に係る光素子１００を模式的に示す断面図である。本実施の形態に係る光素子１００は、図１に示すように、基板１０１と、面発光型半導体レーザ１４０と、分離層２０と、光検出素子１２０とを含む。以下、面発光型半導体レーザ１４０、光検出素子１２０、および全体の構成について説明する。
１．１．光検出素子
光検出素子１２０は、面発光型半導体レーザ１４０から出射されたレーザ光の一部を検出する。光検出素子１２０は後述する分離層２０上に設けられている。光検出素子１２０は、第１コンタクト層１１１と、光吸収層１１２と、第２コンタクト層１１３と、第１電極１１６と、第２電極１１０と、を含む。第１コンタクト層１１１は、分離層２０と同様の平面形状を有することができる。
第１コンタクト層１１１は、吸収端波長が面発光型半導体レーザ１４０の発振波長より小さい半導体からなる。即ち、第１コンタクト層１１１は、面発光型半導体レーザ１４０が発振するレーザ光を吸収しないで透過できる半導体からなる。面発光型半導体レーザ１４０の発振波長とは、面発光型半導体レーザ１４０が発する光のうち、強度が最大となると予想される光の波長をいう。
一例として発振波長が８５０ｎｍの場合について説明する。発振波長が８５０ｎｍの場合には、たとえば第１コンタクト層１１１は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓからなることができる。Ａｌ組成を示すｘは、０．０３５以上０．１５以下であることが好ましい。その理由については、図２を用いて説明する。図２は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓのＡｌ組成に対する依存性を示すグラフである。図２において、横軸はＡｌ組成のｘを示し、縦軸はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓの吸収端波長を示す。図２によれば、Ａｌ組成がｘ１以上で吸収端波長が８５０ｎｍより小さくなる。ｘ１＝０．０３５であるから、ｘは、０．０３５以上であることが好ましい。
また第１コンタクト層１１１は、第１電極１１６とオーミック接触可能な材料からなることが好ましい。上述したように、第１コンタクト層１１１がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓからなる場合には、ｘがｘ２＝０．１５程度以下であることによって、第１コンタクト層１１１は、第１電極１１６とオーミック接触可能になる。
以上より、第１コンタクト層１１１は、ｎ型（またはｐ型）ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓからなり、ｘは、０．０３５以上０．１５以下であることができる。これにより、第１コンタクト層１１１は、第１電極１１６とオーミック接合することができ、かつ面発光型半導体レーザ１４０が発振する光を吸収しないため、熱の発生を防ぎ、面発光型半導体レーザ１４０の発光特性を良好に維持することができる。特に、第１コンタクト層１１１は、面発光型半導体レーザ１４０の活性層の近傍に設けられていることから、活性層１０３近傍の温度の上昇を効率的に抑えることができる。
光吸収層１１２は、第１コンタクト層１１１上に形成されている。光吸収層１１２は、面発光型半導体レーザ１４０が発振する波長の光を吸収できる材質であれば特に限定されないが、例えば不純物が導入されていないＧａＡｓ層からなることができる。これにより、８５０ｎｍの光を吸収することができる。
第２コンタクト層１１３は、光吸収層１１２上に形成されている。第２コンタクト層１１３は、第１コンタクト層１１１と異なる導電型の半導体からなり、第１コンタクト層１１１と同様に、吸収端波長が面発光型半導体レーザ１４０の発振波長より小さい半導体からなることが好ましい。従って、面発光型半導体レーザ１４０の発振波長が８５０ｎｍの場合には、たとえば第２コンタクト層１１３は、ｐ型（またはｎ型）ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓからなることができる。Ａｌ組成を示すｘは、０．０３５以上０．１５以下であることが好ましい。
光吸収層１１２および第２コンタクト層１１３は、同様の平面形状を有することができ、たとえば円形または矩形等の平面形状を有することができる。
第１電極１１６および第２電極１１０は、光検出素子１２０を駆動するために使用される。第１電極１１６は、第１コンタクト層１１１上に形成されている。第１電極１１６は、平面視において、光吸収層１１２を取り囲むように形成されていてもよい。第１電極１１６は、たとえばリング形状に引き出し部が設けられている平面形状を有してもよい。
第２電極１１０は、第２コンタクト層１１３上に形成されている。第２電極１１０は、第２コンタクト層１１３上の周縁に形成され、開口部を有してもよい。この開口部によって、面発光型半導体レーザ１４０がレーザ光を出射するための出射面１０８が形成される。また、第１電極１１６および第２電極１１０には、それぞれ電極パッドに接続するための引き出し部が形成されていてもよい。
また、光検出素子１２０の周囲には絶縁層４０、３２が形成されていてもよい。絶縁層４０、３２の形状は、図１に示す形状に限定されず、任意の形状をとることができる。
１．２．面発光型半導体レーザ
面発光型半導体レーザ１４０は、基板１０１上に形成されている。面発光型半導体レーザ１４０は、第１ミラー１０２と、活性層１０３と、第２ミラー１０４と、電流狭窄層１０５と、第３電極１０７と、第４電極１０９とを含む。面発光型半導体レーザ１４０は、垂直共振器を有する。第１ミラー１０２と、活性層１０３と、第２ミラー１０４と、電流狭窄層１０５とによって、柱状の半導体堆積体（柱状部１３０）が構成される。柱状部１３０は、面発光型半導体レーザ１４０の共振器として機能する。
基板１０１は、たとえばｎ型ＧａＡｓ層からなることができる。第１ミラー１０２は、基板１０１の上面１０１ａに形成される。第１ミラー１０２は、例えば、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層とを交互に積層した３８．５ペアの分布反射型多層膜ミラーからなることができる。なお、基板１０１は、第１ミラー１０２の一部として機能することができる。活性層１０３は、第１ミラー１０２上に形成される。活性層１０３は、たとえばＧａＡｓウェル層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層からなり、ウェル層が３層で構成される量子井戸構造を含むことができる。第２ミラー１０４は、活性層１０３上に形成される。第２ミラー１０４は、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層とを交互に積層した２４ペアの分布反射型多層膜ミラーからなることができる。なお、第１ミラー１０２、活性層１０３、および第２ミラー１０４を構成する各層の組成および層数は特に限定されるわけではない。
第２ミラー１０４は、例えば炭素（Ｃ）がドーピングされることによりｐ型にされ、第１ミラー１０２は、例えばケイ素（Ｓｉ）がドーピングされることによりｎ型にされている。従って、ｐ型の第２ミラー１０４、不純物がドーピングされていない活性層１０３、およびｎ型の第１ミラー１０２により、ｐｉｎダイオードが形成される。
なお、柱状部１３０の平面形状は、特に限定されないがたとえば円形であることができる。
電流狭窄層１０５は、第２ミラー１０４を構成する層のうち活性層１０３に近い領域に、ＡｌＧａＡｓ層を側面から酸化することにより得られる。この電流狭窄層１０５はリング状に形成されている。すなわち、この電流狭窄層１０５は、基板１０と平行な面で切断した場合における断面形状が、柱状部１３０の平面形状の円形と同心の円のリング状であることができる。
第３電極１０７および第４電極１０９は、面発光型半導体レーザ１４０を駆動するために使用される。第３電極１０７は、基板１０１の下面１０１ｂに形成されている。第４電極１０９は、第２ミラー１０４上に形成されている。
また、柱状部１３０の周囲には絶縁層３０が形成されていてもよい。絶縁層３０の形状は、図１に示す形状に限定されず、任意の形状をとることができる。
１．３．分離層
本実施の形態の光素子１００においては、面発光型半導体レーザ１４０上に分離層２０が形成されている。すなわち、分離層２０は、面発光型半導体レーザ１４０と光検出素子１２０との間に設けられている。具体的には、図１に示すように、分離層２０は、第２ミラー１０４上に形成されている。すなわち、分離層２０は、第２ミラー１０４と第１コンタクト層１１１との間に設けられている。
分離層２０は、高抵抗層または絶縁層からなることができる。また分離層２０は、面発光型半導体レーザ１４０が発振する光を透過できる材質からなることが好ましく、吸収端波長が面発光型半導体レーザ１４０の発振波長より小さい半導体からなってもよい。分離層２０は、たとえば不純物をドーピングしていない半絶縁性の高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓ層を第２ミラー１０４上にエピタキシャル成長により積層することにより形成される。ここで、高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓ層とは、たとえばＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層である。分離層２０は、Ａｌが含まれていることにより、酸化されることができる。よって、分離層２０は、酸化されることにより、絶縁膜となることができる。
分離層２０は、平面視において、第１コンタクト層１１１と同様の形状であることができ、その形状は特に限定されないが、たとえば円形であることができる。分離層２０の平面形状は、第１コンタクト層１１１の平面形状よりも大きく形成することもできる。
このように分離層２０を設けることにより、光検出素子１２０と面発光型半導体レーザ１４０とが電気的および光学的に分離されることができる。
１．４．全体の構成
本実施の形態に係る光素子１００においては、面発光型半導体レーザ１４０のｎ型第１ミラー１０２およびｐ型第２ミラー１０４、ならびに光検出素子１２０のｎ型第１コンタクト層１１１およびｐ型第２コンタクト層１１３から、全体としてｎｐｎｐ構造が構成される。
２．光素子の動作
本実施の形態にかかる光素子１００の一般的な動作を以下に示す。なお、下記の光素子１００の駆動方法は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない限り、種々の変更が可能である。
光検出素子１２０は、面発光型半導体レーザ１４０で生じた光の出力をモニタする機能を有する。具体的には、光検出素子１２０は、面発光型半導体レーザ１４０で生じた光を電流に変換する。この電流の値によって、面発光型半導体レーザ１４０で生じた光の出力が検知される。より具体的には、以下の通りである。
まず、第３電極１０７と第４電極１０９とで、ｐｉｎダイオードに順方向の電圧を印加すると、面発光型半導体レーザ１４０の活性層１０３において、電子と正孔との再結合が起こり、該再結合による発光が生じる。そこで生じた光が第２ミラー１０４と第１ミラー１０２との間を往復する際に誘導放出が起こり、光の強度が増幅される。光利得が光損失を上まわると、レーザ発振が起こり、第１ミラー１０２の下面からレーザ光が出射し、光検出素子１２０の第１コンタクト層１１１へと入射する。
次に、光検出素子１２０において、第１コンタクト層１１１に入射した光は、第１コンタクト層１１１を透過して、光吸収層１１２に入射する。この入射光の一部が光吸収層１１２にて吸収される結果、光吸収層１１２において光励起が生じ、電子および正孔が生じる。そして、素子外部から印加された電界により、電子は第１電極１１６に、正孔は第２電極１１０にそれぞれ移動し、電流（光電流）が生じる。この電流の値を測定することにより、面発光型半導体レーザ１４０の光出力を検知することができる。
また、面発光型半導体レーザ１４０の光出力は、主として面発光型半導体レーザ１４０に印加するバイアス電圧によって決定される。特に、面発光型半導体レーザ１４０の光出力は、面発光型半導体レーザ１４０の周囲温度や面発光型半導体レーザ１４０の寿命によって大きく変化する。よって、上述したように、第１コンタクト層１１１および第２コンタクト層１１３が、吸収端波長が面発光型半導体レーザ１４０の発振波長より小さい半導体からなることにより、面発光型半導体レーザ１４０の周囲温度の上昇を抑制し、面発光型半導体レーザ１４０の光出力を一定の値に維持することができる。
本実施の形態に係る光素子１００では、面発光型半導体レーザ１４０の光出力をモニタし、光検出素子１５０にて発生した電流の値に基づいて面発光型半導体レーザ１４０に印加する電圧値を調整することによって、面発光型半導体レーザ１４０内を流れる電流の値を調整することができる。面発光型半導体レーザ１４０の光出力を面発光型半導体レーザ１４０に印加する電圧値にフィードバックする制御は、外部電子回路（駆動回路；図示せず）を用いて実施することができる。
３．光素子の製造方法
次に、本発明を適用した実施の形態に係る光素子１００の製造方法の一例について説明する。
（１）まず、ｎ型ＧａＡｓ層からなる基板１０１の表面１０１ａに、組成を変調させながらエピタキシャル成長させることにより、半導体多層膜を形成する。ここで、半導体多層膜は、例えば、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層とを交互に積層した３８．５ペアの第１ミラー１０２、ＧａＡｓウェル層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層からなり、ウェル層が３層で構成される量子井戸構造を含む活性層１０３、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層とを交互に積層した２４ペアの第２ミラー１０４、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層からなる分離層２０、ｎ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層からなる第１コンタクト層１１１、不純物がドーピングされていないＧａＡｓ層からなる光吸収層１１２、ｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層からなる第２コンタクト層１１３からなる。これらの層を順に基板１０１上に積層させることにより、半導体多層膜が形成される。
なお、第２ミラー１０４を成長させる際に、活性層１０３近傍の少なくとも１層を、後に酸化されて電極狭窄層１０５となるＡｌＡｓ層またはＡｌＧａＡｓ層に形成することができる。この電流狭窄層１０５となるＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成は、例えば０．９５以上である。本実施の形態において、ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成とは、３族元素に対するアルミニウム（Ａｌ）の組成である。ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成は、０から１までである。すなわち、ＡｌＧａＡｓ層は、ＧａＡｓ層（Ａｌ組成が０の場合）およびＡｌＡｓ層（Ａｌ組成が１の場合）を含む。
また、第２ミラー１０４の最上層１４は、Ａｌ組成が０．３未満のＡｌＧａＡｓ層であることが好ましく、たとえばｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層であることが好ましい。
エピタキシャル成長を行う際の温度は、成長方法や原料、基板１０１の種類、あるいは形成する半導体多層膜の種類、厚さ、およびキャリア密度によって適宜決定されるが、一般に、４５０℃〜８００℃であるのが好ましい。また、エピタキシャル成長を行う際の所要時間も、温度と同様に適宜決定される。また、エピタキシャル成長させる方法としては、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法や、ＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、あるいはＬＰＥ法（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いることができる。
（２）次に、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、半導体多層膜を所望の形状にパターニングする。これにより、柱状部１３０、分離層２０および第１コンタクト層１１１、光吸収層１１２、および第２コンタクト層１１３が形成される。このパターニング工程では、各層の形成順序は特に限定されない。
なお、分離層２０は、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層からなることから、第２ミラー１０４の最上層１４との選択エッチングが可能である。たとえば、エッチャントとして、希フッ酸（ＨＦ＋Ｈ２Ｏ）やバッファードフッ酸（ＮＨ４Ｆ＋Ｈ２Ｏ）などを用いることにより、第２ミラー１０４の最上層１４のエッチング速度を遅くすることができる。
（３）次いで、例えば４００℃程度の水蒸気雰囲気中に、基板１０１を投入することにより、前述の第２ミラー１０４中のＡｌ組成が高い層および分離層２０を側面から酸化することができる。
酸化レートは、炉の温度、水蒸気の供給量、酸化すべき層のＡｌ組成および膜厚に依存する。酸化により形成される電流狭窄層１０５を備えた面発光型半導体レーザ１４０では、駆動する際に、電流狭窄層１０５が形成されていない部分（酸化されていない部分）のみに電流が流れる。従って、酸化によって電流狭窄層１０５を形成する工程において、形成する電流狭窄層１０５の範囲を制御することにより、電流密度の制御が可能となる。なお、分離層２０の膜厚は、電流狭窄層１０５を形成するための膜厚より厚いことが好ましい。
（４）次いで、第１電極１１６、第２電極１１０、第３電極１０７、および第４電極１０９が形成される。具体的には以下のとおりである。
まず、各電極を形成する前に、必要に応じて、プラズマ処理法等を用いて、電極の形成領域を洗浄する。これにより、より安定した特性の素子を形成することができる。
次いで、例えば真空蒸着法により、電極用導電性材料の単層または積層膜（図示せず）を形成する。次に、公知のリフトオフ技術を用いて、所定の位置以外の積層膜を除去することで、所望の領域に電極を形成することができる。
次いで、必要に応じて、たとえば窒素雰囲気中において、アニール処理を行う。アニール処理の温度は、例えば４００℃前後で行う。アニール処理の時間は、例えば３分程度行う。
以上の工程を、電極ごとに行っても良いし、複数の電極を同時に形成してもよい。なお、第２電極１１０および第４電極１０９は、例えば金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の合金、および金（Ａｕ）の積層膜によって形成される。第１電極１１６および第３電極１０７は、たとえば白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）および金（Ａｕ）の積層膜によって形成される。なお、電極の材質は、上記のものに限定されず、公知の金属、合金、あるいはそれらの積層膜を用いることができる。
以上の工程により、本実施形態の光素子１００が得られる。
４．実験例
本実施の形態にかかる製造方法を用いて製造された光素子に、３Ｖの逆バイアスを印加して、光検出素子からのモニタ電流および面発光型半導体レーザの活性層温度を測定した。測定は、第１コンタクト層として、ｎ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層を適用した場合と、比較例としてのｎ型ＧａＡｓ層を適用した場合とについて行った。
図３は、モニタ電流特性を示すグラフであり、図４は、面発光型半導体レーザの活性層温度を示すグラフである。図３において、横軸は面発光型半導体レーザの駆動電流を示し、縦軸は、光検出素子で検出されるモニタ電流値を示す。図３によれば、第１コンタクト層としてｎ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層を適用することによって、ｎ型ＧａＡｓ層を適用した場合に比べて、光吸収量が抑制されたことが確認された。
図４において、横軸は面発光型半導体レーザの駆動電流を示し、縦軸は活性層温度を示す。図４によれば、第１コンタクト層としてｎ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層を適用することによって、ｎ型ＧａＡｓ層を適用した場合に比べて、面発光型半導体レーザの活性層温度の上昇を抑制できることが確認された。
さらに、本実施の形態にかかる製造方法を用いて製造された光素子に、３Ｖの逆バイアスを印加して、光検出素子で検出されるモニタ電流および面発光型半導体レーザの光出力の温度に対する変動を測定した。測定は、第１コンタクト層として、ｎ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層を適用した場合と、比較例としてのｎ型ＧａＡｓ層を適用した場合とについて行った。図５は、モニタ電流および光出力の温度変動依存性を示すグラフである。図５によれば、第１コンタクト層としてｎ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層を適用することによって、ｎ型ＧａＡｓ層を適用した場合に比べて、モニタ電流および光出力の温度に対する変動を抑制できることが確認された。
５．変形例
次に図６を用いて本実施の形態にかかる変形例について説明する。上述した光素子１００では、光検出素子１２０が面発光型半導体レーザ１４０の上方に形成されているが、変形例にかかる光素子２００では、光検出素子１５０が面発光型半導体レーザ１４０の下方に形成されている点で光素子１００と異なる。光素子２００の構成について以下に説明する。
図６は、変形例にかかる光素子２００を模式的に示す断面図である。光素子２００は、光検出素子１５０と、面発光型半導体レーザ１４２とを含む。以下、光検出素子１５０および面発光型半導体レーザ１４２について説明する。
５．１．光検出素子
光検出素子１５０は、面発光型半導体レーザ１４２から出射されたレーザ光の一部を検出する。光検出素子１５０は、第２コンタクト層（基板）１０１と、光吸収層１５１と、第１コンタクト層１５２と、第２電極１５４と、第１電極１５３とを含む。
第２コンタクト層１０１は、たとえばｎ型ＧａＡｓ層からなることができる。光吸収層１５１は、第２コンタクト層１０１上に形成されている。光吸収層１５１は、面発光型半導体レーザ１４２が発振する波長の光を吸収できる材質であれば特に限定されないが、例えば不純物が導入されていないＧａＡｓ層からなることができる。これにより、８５０ｎｍの光を吸収することができる。
第１コンタクト層１５２は、吸収端波長が面発光型半導体レーザ１４２の発振波長より小さい半導体からなる。即ち、第１コンタクト層１５２は、面発光型半導体レーザ１４２が発振するレーザ光を吸収しないで透過できる半導体からなる。
一例として発振波長が８５０ｎｍの場合について説明する。発振波長が８５０ｎｍの場合には、たとえば第１コンタクト層１５２は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓからなることができる。Ａｌ組成を示すｘは、０．０３５以上０．１５以下であることが好ましい。
また第１コンタクト層１５２は、第２コンタクト層１０１と異なる導電型の半導体からなり、かつ第１電極１５３とオーミック接触可能な材料からなることが好ましい。上述したように、第１コンタクト層１５２がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓからなる場合には、ｘがｘ２＝０．１５程度以下であることによって、第１コンタクト層１５２は、第１電極１５３とオーミック接触可能になる。第１コンタクト層１５２は、たとえば炭素（Ｃ）がドーピングされることによりｐ型にされている。
以上より、第１コンタクト層１５２は、ｐ型（またはｎ型）ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓからなり、ｘは、０．０３５以上０．１５以下であることができる。これにより、第１コンタクト層１５２は、第１電極１５３とオーミック接合することができ、かつ面発光型半導体レーザ１４２が発する光を吸収しないため、熱の発生を防ぎ、面発光型半導体レーザ１４２の発光特性を良好に維持することができる。
第１電極１５３および第２電極１５４は、光検出素子１５０を駆動するために使用される。第１電極１５３は、第１コンタクト層１５２上に形成されている。第１電極１５３は、たとえばリング形状に引き出し部が設けられている平面形状を有してもよい。第２電極１５４は、第２コンタクト層１０１の下面に形成されている。
５．２．面発光型半導体レーザ
面発光型半導体レーザ１４２は、第１コンタクト層１５２上に形成されている。面発光型半導体レーザ１４２は、第３コンタクト層１４４と、第１ミラー１０２と、活性層１０３と、第２ミラー１０４と、電流狭窄層１０５と、第３電極１０７と、第４電極１０９とを含む。
第３コンタクト層１４４は、第１コンタクト層１５２上に形成されている。第３コンタクト層１４４は、たとえばｎ型ＧａＡｓ層からなることができる。第１ミラー１０２は、第３コンタクト層１４４上に形成される。第１ミラー１０２は、例えば、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層とを交互に積層した３８．５ペアの分布反射型多層膜ミラーからなることができる。
活性層１０３は、第１ミラー１０２上に形成される。活性層１０３は、たとえばＧａＡｓウェル層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層からなり、ウェル層が３層で構成される量子井戸構造を含むことができる。第２ミラー１０４は、活性層１０３上に形成される。第２ミラー１０４は、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層とを交互に積層した２４ペアの分布反射型多層膜ミラーからなることができる。なお、第１ミラー１０２、活性層１０３、および第２ミラー１０４を構成する各層の組成および層数は特に限定されるわけではない。
第２ミラー１０４は、例えば炭素（Ｃ）がドーピングされることによりｐ型にされ、第１ミラー１０２は、例えばケイ素（Ｓｉ）がドーピングされることによりｎ型にされている。従って、ｐ型の第２ミラー１０４、不純物がドーピングされていない活性層１０３、およびｎ型の第１ミラー１０２により、ｐｉｎダイオードが形成される。
なお、柱状部１３０の平面形状は、特に限定されないがたとえば円形であることができる。
電流狭窄層１０５は、第２ミラー１０４を構成する層のうち活性層１０３に近い領域に、ＡｌＧａＡｓ層を側面から酸化することにより得られる。この電流狭窄層１０５はリング状に形成されている。
第３電極１０７および第４電極１０９は、面発光型半導体レーザ１４０を駆動するために使用される。第３電極１０７は、第３コンタクト層１４４上に形成されている。第４電極１０９は、第２ミラー１０４上に形成されている。第４電極１０９は、リング状を有し、その開口部によって出射面１０８が形成される。
なお、第３電極１０７および第１電極１５３の上面には、共通電極１６０が形成されている。
５．３．全体の構成
変形例にかかる光素子２００においては、光検出素子１５０の第２コンタクト層１０１と、第１コンタクト層１５２と、第３コンタクト層１４４および第１ミラー１０２と、第２ミラー１０４とによって、全体としてｎｐｎｐ構造が構成される。また光検出素子１５０は、ｐｉｎフォトダイオードとして機能する。
５．４．光素子の動作
変形例にかかる光素子２００において、面発光型半導体レーザ１４０は、上方および下方の双方から光を発振する。光検出素子１５０は、面発光型半導体レーザ１４０の下方から発振した光をモニタする機能を有する。光検出素子１５０の具体的な検出動作については、上述した光検出素子１２０と同様であるので説明を省略する。
変形例にかかる光素子２００の構成は、以上であるが、他の構成および製造方法については、上述した光素子１００の構成および製造方法と共通するので説明を省略する。
６．本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、さらなる種々の変形が可能である。また本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び結果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
本実施の形態にかかる光素子を模式的に示す断面図。 ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓの吸収端波長のＡｌ組成に対する依存性を示す図。 本実施の形態にかかる光素子のモニタ電流特性を示す図。 本実施の形態にかかる光素子の活性層温度を示す図。 本実施の形態にかかる光素子のモニタ電流および光出力の温度変動依存性を示す図。 変形例にかかる光素子を模式的に示す断面図。
符号の説明
２０ 分離層、３０，３２，４０ 絶縁層、１００ 光素子、１０１ 基板、１０２ 第１ミラー、１０３ 活性層、１０４ 第２ミラー、１０５ 電流狭窄層、１０７ 第３電極、１０８ 出射面、１０９ 第４電極、１１０ 第２電極、１１１ 第１コンタクト層、１１２ 光吸収層、１１３ 第２コンタクト層、１１６ 第１電極、１２０ 光検出素子、１３０ 柱状部、１４０、１４２ 面発光型半導体レーザ、１５０ 光検出素子、１５２ 第１コンタクト層、１５３ 第１電極、１５４ 第２電極、１６０ 共通電極

Claims (12)

  1. 面発光型半導体レーザと、
    前記面発光型半導体レーザから出射されたレーザ光の一部を検出する光検出素子と、
    を含み、
    前記光検出素子は、光吸収層及び第１コンタクト層を有し、
    前記第１コンタクト層は、吸収端波長が前記面発光型半導体レーザの発振波長より小さい半導体からなる、光素子。
  2. 請求項１において、
    前記第１コンタクト層は、前記光吸収層より前記面発光型半導体レーザ側に設けられている、光素子。
  3. 請求項１または２において、
    前記光検出素子は、前記第１コンタクト層と前記光吸収層を挟むようにして設けられた第２コンタクト層をさらに有し、
    前記第２コンタクト層は、吸収端波長が前記面発光型半導体レーザの発振波長より小さい半導体からなる、光素子。
  4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
    前記光検出素子は、前記第１コンタクト層と接触する電極をさらに有し、
    前記第１コンタクト層は、前記電極とオーミック接触可能な材質からなる、光素子。
  5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
    前記面発光型半導体レーザの発振波長が８５０ｎｍである場合に、
    前記第１コンタクト層は、ＡｌＧａＡｓからなる、光素子。
  6. 請求項５において、
    前記第１コンタクト層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓからなり、
    Ｘは、０．０３５以上である、光素子。
  7. 請求項５において、
    前記第１コンタクト層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓからなり、
    Ｘは、０．０３５以上０．１５以下である、光素子。
  8. 請求項１ないし７のいずれかにおいて、
    前記面発光型半導体レーザは、
    基板の上方に形成された第１ミラーと、
    前記第１ミラーの上方に形成された活性層と、
    前記活性層の上方に形成された第２ミラーと、
    を含み、
    前記光検出素子は、
    前記第２ミラーの上方に形成された前記第１コンタクト層と、
    前記第１コンタクト層の上方に形成された前記光吸収層と、
    前記光吸収層の上方に形成された第２コンタクト層と、
    を含む、光素子。
  9. 請求項１ないし８のいずれかにおいて、
    前記面発光型半導体レーザと前記光検出素子との間に形成された分離層をさらに含み、
    前記分離層は、吸収端波長が前記面発光型半導体レーザの発振波長より小さい半導体を含む、光素子。
  10. 請求項１ないし７のいずれかにおいて、
    前記光検出素子は、
    第２コンタクト層と、
    前記第２コンタクト層の上方に形成された光吸収層と、
    前記光吸収層の上方に形成された前記第１コンタクト層と、
    を含み、
    前記面発光型半導体レーザは、
    前記第１コンタクト層の上方に形成された第１ミラーと、
    前記第１ミラーの上方に形成された活性層と、
    前記活性層の上方に形成された第２ミラーと、
    を含む、光素子。
  11. 面発光型半導体レーザと、
    前記面発光型半導体レーザから出射されたレーザ光の一部を検出する光検出素子と、
    を含み、
    前記光検出素子は、光吸収層及び第１コンタクト層を有し、
    前記第１コンタクト層は、前記面発光型半導体レーザが発振する光の発振波長に対して透明な半導体からなる、光素子。
  12. 面発光型半導体レーザと、当該面発光型半導体レーザから出射されたレーザ光の一部を検出する光検出素子とを含む光素子の製造方法であって、
    面発光型半導体レーザを形成する工程と、
    吸収端波長が前記面発光型半導体レーザの発振波長より小さい半導体を用いて、光検出素子を構成するための第１コンタクト層を形成する工程と、
    前記面発光型半導体レーザからの光を吸収できる半導体を用いて光吸収層を形成する工程と、
    を含む、光素子の製造方法。
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