JP3881467B2

JP3881467B2 - 面発光レーザ

Info

Publication number: JP3881467B2
Application number: JP33912198A
Authority: JP
Inventors: 俊明香川; 裕行植之原; 功太館野; 修忠永; 主税天野; 長明中島; 光男福田; 達也竹下; 義夫板屋; 満須郷
Original assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Electronics Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1998-11-30
Filing date: 1998-11-30
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2018-11-30
Also published as: JP2000164982A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、基板面に対して垂直方向に光を出射する面発光レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、光信号を用いた並列インターコネクションなどの応用のために、面発光レーザの開発が盛んに行われている。これは、面発光レーザの素子が、１次元および２次元的にアレイ化しやすいという特長を生かしたものである。しかし、これらの特長を生かすためには、それぞれのレーザ素子の光出力や素子抵抗が均一でなければならない。
この面発光レーザは、活性層の両側をｐ形とｎ形の分布型ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）で挟んだ構造を有し、その反射鏡を積層した方向にレーザ光を出射する。現在、ＧａＡｓ系の材料を用いた波長０．８５μｍ帯面発光レーザが実用化されている。特に、活性層には、より効率よく発振できるＧａＡｓ量子井戸が用いられている。また、ＤＢＲには、光学長がλ／４のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓとＡｌ_yＧａ₁-y^{Ａｓ（ｘ＞ｙ）を交互に積層したものが用いられている。}
【０００３】
このような面発光レーザの構成を説明すると、図４に示すように、ｎ形のＧａＡｓからなる基板４０１上に、ｎ形のＧａＡｓからなるバッファ層４０２を介してｎ形のＤＢＲ４０３が形成されている。また、そのＤＢＲ４０３上には、ノンドープのＡｌＧａＡｓからなる下部スペーサ４０４を介し、活性層４０５が形成されている。また、その活性層４０５上には、ノンドープのＡｌＧａＡｓからなる上部スペーサ４０６を介し、ｐ形のＤＢＲ４０７が形成されている。そして、そのＤＢＲ４０７上に、不純物を高濃度にドープしたＧａＡｓからなるオーミックコンタクト層４０８を介し、オーミック接合した上部電極４０９が形成されている。また、基板４０１裏面には、やはりオーミック接合した下部電極４１０が形成されている。そして、溝を形成した後に絶縁材料を充填することなどにより、分離絶縁層４１１が電流狭窄および素子分離のために形成されている。
【０００４】
ここで、ＤＢＲ４０３，４０７は、前述したように、低屈折率のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓとそれに対して高屈折率のＡｌ_yＧａ_1-yＡｓとを交互に積層した構造となっている。その、低屈折率のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓとしては、Ｘ＝１としたＡｌＡｓまたは、Ｘ＝０．９としたＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓなどが用いられている。また、高屈折率側のＡｌ_yＧａ_1-yＡｓとしては、一般に、ｙ＞０．１５とされている。このようにすることで、Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓのバンドギャップを、発振光の光子エネルギーより大きくすることができ、レーザの発振光の吸収を防げることができる。
【０００５】
また、レーザ発振を得るためには、反射鏡であるＤＢＲ４０３，４０７の反射率を９９％以上とする必要がある。このため、レーザを出射する側のＤＢＲ４０７は、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓとＡｌ_yＧａ_1-yＡｓとの組を、２０組程度積層した構造とする。また、その反対側のＤＢＲ４０３は、３０組程度積層した構造とする。
また、そのＤＢＲ４０３，４０７に電流を流す際に、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓとＡｌ_yＧａ_1-yＡｓとのヘテロ界面のバンド不連続によって電気抵抗が大きくなるのを防ぐために、その不純物濃度を１０¹⁸ｃｍ^-3以上とするようにしている。加えて、バンドギャップの異なるＤＢＲ４０３，４０７との界面に、中間的なバンドギャップを持つＡｌＧａＡｓの層か、Ａｌの組成比が徐々に変化しているグレーディド層を入れるようにしてもよい。
【０００６】
ところで、前述したように、ＤＢＲ４０７の最表面には、その上に電流を流すために、上部電極４０９をオーミック接合して形成する必要がある。このために、ＤＢＲ４０７上には、不純物を高濃度にドープしたＧａＡｓからなるオーミックコンタクト層４０８を備えるようにしている。これは次に示す理由による。すなわち、ＤＢＲを構成している高屈折率のＡｌＧａＡｓは、Ａｌを含んでいるために容易に酸化されやすい。そして、その酸化された状態の上には、金属電極を良好にオーミック接合することが非常に困難だからである。
ここで、そのオーミックコンタクト層４０８も反射鏡の１層として用いるため、その層の厚さは、光学長をλ／４とするために６０ｎｍ程度としている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、その従来の面発光レーザには、次に示すような問題点があった。
まず、上述した、オーミック電極形成のための最上層のＧａＡｓ層（オーミックコンタクト層）は、レーザ光を吸収するため、出力できるレーザ光の光強度を低減させてしまうという問題があった。また、このように出射されるレーザ光を吸収するので、このＧａＡｓの層が形成されている表面の温度が上昇してしまう。このため、素子表面が酸化されやすくなり、素子の信頼性が損なわれることになる。
【０００８】
また、前述した素子においては、上部電極４０９形成のためのエッチング加工になどにおいて、本来はエッチング対象ではないＧａＡｓの層も、多少はエッチングされるために薄くなる場合がある。このように、そのＧａＡｓの層がエッチングされてしまうと、これがＤＢＲの一部を構成しているため、ＤＢＲの反射率が低下することになる。特に、ＧａＡｓの層は最上層に配置されるため、そのＧａＡｓの層と空気との屈折率差が大きく、この面での反射率が大きい。Ｌこのため、ＧａＡｓの層の厚さの変動は、反射光の位相の変動になり、ＤＢＲの反射率に大きな影響を与えてしまう。このように、ＤＢＲの反射率が低下すると、レーザ発振の閾値電流の増加を招き、最悪の場合はレーザが発振しなくなる。
【０００９】
この発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、面発光レーザが、より安定してレーザ発振できるようにすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明の面発光レーザは、ＧａＡｓからなる基板上に形成された第１導電形を有する第１の分布型ブラッグ反射鏡と、この第１の分布型ブラッグ反射鏡上に形成された活性層と、この活性層上に形成された第２導電形を有する第２の分布型ブラッグ反射鏡と、この第２の分布型ブラッグ反射鏡上に形成された第２導電形のＩｎＧａＰからなる保護層と、この保護層上に部分的に形成されたＧａＡｓからなるオーミックコンタクト層と、このオーミックコンタクト層にオーミック接合して形成された金属からなる上部電極と、基板裏面にオーミック接合して形成された金属からなる下部電極とを備え、第１の分布ブラッグ反射鏡は、第１導電形のＡｌＧａＡｓからなる第１の半導体層とこの第１の半導体層とは異なるアルミニウム組成を有して第１の半導体層より高い屈折率の第１導電形のＡｌＧａＡｓからなる第２の半導体層とが交互に積層され、第２の分布ブラッグ反射鏡は、第２導電形のＡｌＧａＡｓからなる第３の半導体層とこの第３の半導体層とは異なるアルミニウム組成を有して第３の半導体層より高い屈折率の第２導電形のＡｌＧａＡｓからなる第４の半導体層とが交互に積層され、その最上層には、第３の半導体層が配置され、第１〜第４の半導体層および保護層の光学長は、活性層より得られる発振光の波長の１／４に形成され、オーミックコンタクト層は、その光学長が上記波長の１／２の整数倍に形成されているようにした。
このように構成したので、レーザが出射される端面には、ＩｎＧａＰからなる保護層が配置されることになる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態を図を参照して説明する。
図１は、この発明の実施の形態における面発光レーザの構成を示す断面図である。この面発光レーザの構成に関して説明すると、ｎ形のＧａＡｓからなる基板１０１上に、ｎ形のＧａＡｓからなるバッファ層１０２を介してｎ形のＤＢＲ（分布型ブラッグ反射鏡）１０３が形成されている。基板１０１は一度大気に晒されるなどにより、表面の清浄度が劣化しているので、バッファ層１０２を形成し、引き続き同一装置内でＤＢＲ１０３を形成するようにしている。
【００１２】
そのＤＢＲ１０３は、Ｓｉをドープすることでｎ形としたＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓからなる膜厚６９ｎｍの低屈折率層と、やはりＳｉをドープすることでｎ形としたＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓからなる膜厚６２ｎｍの高屈折率層とが交互に積層されている。また、その低屈折率層と高屈折率層とが３７組積層されている。また、低屈折率層と高屈折率層のそれぞれの層の光学長は、レーザの発振波長λの１／４となっている。
【００１３】
また、そのＤＢＲ１０３上には、ノンドープのＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓからなる下部スペーサ１０４を介し、活性層１０５が形成されている。この活性層１０５は、ノンドープのＧａＡｓからなる厚さ８ｎｍの量子井戸層と、ノンドープのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓからなる厚さ１０ｎｍの障壁層とからなる多重量子井戸構造となっている。
また、その活性層１０５上には、ノンドープのＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓからなる上部スペーサ１０６を介し、ｐ形のＤＢＲ１０７が形成されている。
ここで、下部スペーサ１０４と上部スペーサ１０６との合計の膜厚が８８ｎｍとされている。そして、下部スペーサ１０４，活性層１０５，および，上部スペーサ１０６全体の光学長が、所望とする発振波長に等しく設計されている。
【００１４】
また、ＤＢＲ１０７は、Ｃをドープすることでｐ形としたＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓからなる膜厚６９ｎｍの低屈折率層と、やはりＣをドープすることでｐ形としたＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓからなる膜厚６２ｎｍの高屈折率層とが交互に積層されている。また、その低屈折率層と高屈折率層とが２３組積層されている。また、低屈折率層と高屈折率層のそれぞれの層の光学長は、レーザの発振波長λの１／４となっている。
【００１５】
そして、この実施の形態においては、そのＤＢＲ１０７上に、不純物としてＺｎをドープしたｐ形のＩｎＧａＰからなる厚さ６４ｎｍの保護層１０８を備えるようにした。ここで、その保護層１０８は、光学長がレーザの発振波長λの１／４となっているようにした。
加えて、その保護層１０８上にオーミックコンタクト層１０９を介し、これにオーミック接合した上部電極１１０を備えるようにした。そのオーミックコンタクト層１０９は、オーミックコンタクトをとるために、Ｃをドープすることでｐ形としたＧａＡｓからなり、膜厚２３６ｎｍに形成されているようにした。また、上部電極１１０は、ＡｕＺｎＮｉから構成されている。なお、そのオーミックコンタクト層１０９は上部電極１１０が形成されている領域の下にのみ配置されているようにした。
【００１６】
また、その上部電極１１０が形成された領域への電流狭窄のためと素子分離のためとに、ポリイミドからなる分離絶縁層１２１が形成されている。この分離絶縁層１２１で分離された領域が、１つの素子領域となる。この分離絶縁層１２１が、たとえば、基板１０１上で格子状に形成されれば、その格子の中に１つの面発光レーザ素子が形成され、結果として、複数の面発光レーザがアレイ状に基板１０１上に形成された状態が得られる。
なお、図１に示すように、基板１０１裏面には、ＡｕＧｅＮｉからなるオーミック接合した下部電極１１１が形成されている。
【００１７】
次に、上述した面発光レーザのレーザ出射部の最表面に関して説明する。レーザ出射部の最表面は、図２（ａ）に示すように、・・・高屈折率層１０７ｂ，低屈折率層１０７ａ，高屈折率層１０７ｂ，低屈折率層１０７ａ，保護層１０８と積層され、その上に、オーミックコンタクト層１０９を介して上部電極１１０が形成されている。ここで、それら各層における屈折率は、図２（ｂ）に示すようになり、最上層のＩｎＧａＰからなる保護層１０８下には、これよりの屈折率の小さいＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓからなる低屈折率層１０７ａがある。したがって、保護層１０８上の空気の層を含め、保護層１０８からＤＢＲ１０７は、屈折率が大小交互に変化した状態となっている。
【００１８】
ところで、たとえば、上部電極１１０およびオーミックコンタクト層１０９のパターン形成は、オーミックコンタクト層１０９を構成しているＧａＡｓの膜とＡｕＺｎＮｉの膜とを、保護層１０８上に形成した後、これらをパターニングすることで行っている。
ここで、それら溝やパターンの加工は、公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて行っている。
図４に示した従来の場合、上部電極４０９の下には、反射鏡の１層として用いているオーミックコンタクト層４０８が存在し、この上面が上部電極４０９の加工時に露出することになる。したがって、その上部電極４０９の加工時に、オーミックコンタクト層４０８が若干エッチングされ、膜厚が減少する場合がある。このため、反射鏡の反射率が低下するという問題が発生する場合がある。
【００１９】
しかしながら、この実施の形態では、上部電極１１０の形成時には、下部にオーミックコンタクト層１０９となるＧａＡｓの層が存在している。そして、この層は、反射鏡の一部としては用いない。反射鏡の一部として用いる保護層１０８は、そのＧａＡｓの層の下にある。したがって、反射鏡の一部として用いる保護層１０８は、上部電極１１０の形成時に、何ら影響を受けない。すなわち、この実施の形態によれば、上部電極１１０の形成時に、反射鏡の反射率が低下してしまうことがない。
【００２０】
また、オーミックコンタクト層１０９のパターン形成では、ＧａＡｓ膜を所定のマスクパターンを用い、Ｈ₂ＳＯ₄＋Ｈ₂０₂＋Ｈ₂０のエッチング液によるウエットエッチングを用いるようにしている。このエッチング液では、ＩｎＧａＰは全くエッチングされないので、保護層１０８は、オーミックコンタクト層１０９の加工時にも影響を受けない。
そして、オーミックコンタクト層１０９や上部電極１１０の形成は、面発光レーザの最後のプロセスとなる。したがって、保護層１０８は、最後までオーミックコンタクト層１０９となるＧａＡｓ膜に保護された状態となっている。すなわち、この実施の形態によれば、保護層１０８は、成膜時の膜厚を最後まで変化せずに保持することができる。
【００２１】
ところで、面発光レーザの製造においては、上部電極となる金属膜を形成する前の段階で、各層のエピタキシャル成長後ウエハの検査を行うようにしている。この検査では、一般には、そのウエハ上面から光を照射し、そのときの反射スペクトルを測定するようにしている。反射スペクトルの測定の結果が、所定の値となっているかどうかで、検査の良否を判定するようにしている。
【００２２】
図３は、前述したこの実施の形態１における保護層１０８のＩｎＧａＰの膜までエピタキシャル成長したウエハの反射スペクトルを示す特性図である。図３において、０．８２〜０．８８μｍの範囲がＤＢＲのストップバンドであり、この領域において１００％に近い反射率が得られていることがわかる。また、そのストップバンドの中心部のきわめて狭い波長域で、反射率が小さくなっている。これは、この実施の形態における共振器構造の共振波長である。この共振波長が発振するレーザの波長となる。したがって、それらの検査により、共振波長と反射スペクトルの減小の半値幅が、設計値通りになっていれば、検査対象のウエハは、引き続いて素子形成のプロセスを継続することになる。
【００２３】
上述したウエハ検査の段階では、オーミックコンタクト層１０９となるＧａＡｓの層が、ウエハ（基板１０１）全域にわたって存在しているため、測定する反射スペクトルに影響を与える。ここで、前述したように、この実施の形態では、オーミックコンタクト層１０９の膜厚は２３６ｎｍとした。すなわち、そのＧａＡｓの膜は、その膜の光学長を、発振波長のλに等しくした。これは、光学長が発振波長のλ／２の整数倍となっている。
【００２４】
一般に、そのＧａＡｓの層の光学長を、λ／２の整数倍にすれば、その層の上の空気とＧａＡｓの層との境界で反射される光と、保護層１０８の下のＤＢＲから反射される光とが同位相となる。一方、そのＧａＡｓの層とその下の保護層１０８との間の界面で反射される光は、それらと逆位相になる。しかし、ＧａＡｓの層とその下の保護層１０８との屈折率の差は小さいため、その反射光の影響はほとんど無視できる。
したがって、オーミックコンタクト層となるＧａＡｓの膜が全域についた状態でも、反射スペクトルはそれば内場合とほとんど変わらない。すなわち、オーミックコンタクト層となるＧａＡｓの膜が全域についた状態でも、上述した検査には何ら支障を来さない。
【００２５】
また、オーミックコンタクト層１０９は、２３６ｎｍと厚く形成できるので、上部電極１１０とのアロイ型のオーミック接合を十分厚くしても、それが保護層１０８にまで到達することがない。したがって、上部電極１１０の接合を十分に抵抗を下げた状態で行える。また、オーミック接合した上部電極１１０の接触抵抗を均一にできるので、光出力などの素子特性のバラツキを押さえることもできる。
なお、上述した実施の形態では、分離絶縁層１２１による分離構造（電流狭窄構造）としたが、これに限るものではない。イオン注入による不純物の導入による電流狭窄構造や、ＡｌＡｓ層の選択酸化による電流狭窄構造としてもよいことはいうまでもない。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明では、ＧａＡｓからなる基板上に形成された第１導電形を有する第１の分布型ブラッグ反射鏡と、この第１の分布型ブラッグ反射鏡上に形成された活性層と、この活性層上に形成された第２導電形を有する第２の分布型ブラッグ反射鏡と、この第２の分布型ブラッグ反射鏡上に形成された第２導電形のＩｎＧａＰからなる保護層と、この保護層上に部分的に形成されたＧａＡｓからなるオーミックコンタクト層と、このオーミックコンタクト層にオーミック接合して形成された金属からなる上部電極と、基板裏面にオーミック接合して形成された金属からなる下部電極とを備え、第１の分布ブラッグ反射鏡は、第１導電形のＡｌＧａＡｓからなる第１の半導体層とこの第１の半導体層とは異なるアルミニウム組成を有して第１の半導体層より高い屈折率の第１導電形のＡｌＧａＡｓからなる第２の半導体層とが交互に積層され、第２の分布ブラッグ反射鏡は、第２導電形のＡｌＧａＡｓからなる第３の半導体層とこの第３の半導体層とは異なるアルミニウム組成を有して第３の半導体層より高い屈折率の第２導電形のＡｌＧａＡｓからなる第４の半導体層とが交互に積層され、その最上層には、第３の半導体層が配置され、第１〜第４の半導体層および保護層の光学長は、活性層より得られる発振光の波長の１／４に形成され、オーミックコンタクト層は、その光学長が上記波長の１／２の整数倍に形成されているようにした。
【００２７】
このように構成したので、レーザが出射される端面には、ＩｎＧａＰからなる保護層が配置されることになる。すなわち、レーザが出射される端面には、レーザ光を吸収するＧａＡｓがない。したがって、この発明によれば、まず、レーザ出射時の素子表面の温度上昇を抑制できるようになり、より安定してレーザが発振できるようになる。
また、上記の構成では、保護層上に部分的に形成されたＧａＡｓからなるオーミックコンタクト層を介し、これにオーミック接合する上部電極が形成されているようにした。この部分的に形成されたオーミックコンタクト層は、保護層の上全域にＧａＡｓの層を形成した後、パターン加工して形成することになる。ここで、このパターン加工時には、すでに、上部電極は形成されている。また、ＧａＡｓのパターン加工では、ＩｎＧａＰと高い選択比を持たせることができる。すなわち、上述した構成の面発光レーザ作製のプロセス途中では、保護層はほとんど膜厚が変化するような影響を受けない。したがって、この発明によれば、ＤＢＲの反射率を低下させることなく素子が形成できるので、より安定してレーザが発振できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態における面発光レーザの構成を示す断面図である。
【図２】図１の面発光レーザのレーザ出射部の最表面における屈折率に関して示す説明図である。
【図３】検査のための反射スペクトルの測定結果を示す特性図である。
【図４】従来よりある面発光レーザの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１０１…基板、１０２…バッファ層、１０３…ＤＢＲ（分布型ブラッグ反射鏡）、１０４…下部スペーサ、１０５…活性層、１０６…上部スペーサ、１０７…ＤＢＲ、１０８…保護層、１０９…オーミックコンタクト層、１１０…上部電極、１１１…下部電極、１２１…分離絶縁層。

Claims

ＧａＡｓからなる基板上に形成された第１導電形を有する第１の分布型ブラッグ反射鏡と、
この第１の分布型ブラッグ反射鏡上に形成された活性層と、
この活性層上に形成された第２導電形を有する第２の分布型ブラッグ反射鏡と、
この第２の分布型ブラッグ反射鏡上に形成された第２導電形のＩｎＧａＰからなる保護層と、
この保護層上に部分的に形成されたＧａＡｓからなるオーミックコンタクト層と、
このオーミックコンタクト層にオーミック接合して形成された金属からなる上部電極と、
前記基板裏面にオーミック接合して形成された金属からなる下部電極と
を備え、
前記第１の分布ブラッグ反射鏡は、
第１導電形のＡｌＧａＡｓからなる第１の半導体層とこの第１の半導体層とは異なるアルミニウム組成を有して前記第１の半導体層より高い屈折率の第１導電形のＡｌＧａＡｓからなる第２の半導体層とが交互に積層され、
前記第２の分布ブラッグ反射鏡は、
第２導電形のＡｌＧａＡｓからなる第３の半導体層とこの第３の半導体層とは異なるアルミニウム組成を有して前記第３の半導体層より高い屈折率の第２導電形のＡｌＧａＡｓからなる第４の半導体層とが交互に積層され、その最上層には、前記第３の半導体層が配置され、
前記第１〜第４の半導体層および前記保護層の光学長は、前記活性層より得られる発振光の波長の１／４に形成され、
前記オーミックコンタクト層は、その光学長が前記波長の１／２の整数倍に形成され
たことを特徴とする面発光レーザ。
請求項１記載の面発光レーザにおいて、
前記活性層を挾むように配置されたＡｌＧａＡｓからなるスペーサ層を備え、
前記活性層および前記スペーサ層全体の光学長は前記光の波長に等しいことを特徴とする面発光レーザ。