JP5027010B2 - 面発光レーザ素子 - Google Patents

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Description

本発明は、垂直共振器型の面発光レーザ素子に関するものである。
波長１０００〜２５００ｎｍの長波長帯域のレーザ光を出力し、動作速度が１０Ｇｂｐｓ以上の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）素子が、光インターコネクションや光通信の分野において、今後大量に必要とされると考えられている。
従来の面発光レーザ素子として、半導体からなる上部および下部多層膜反射鏡の間に活性層を積層してＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザを構成し、さらに電流注入効率を上げるために、電流経路を制限する電流狭窄層を形成した垂直共振器型面発光レーザ素子が開示されている（特許文献１参照）。この電流狭窄層は、ＡｌＡｓからなる層を選択酸化して形成したものであり、中心に位置し、ＡｌＡｓからなる円板状の電流狭窄部と、この電流狭窄部の周囲に位置し、酸化アルミからなる選択酸化部とを備えるものである。
一方、ＧａＩｎＮＡｓ系の材料からなる多重量子井戸構造を有する活性層をＧａＡｓ基板上に積層した長波長帯用の面発光レーザ素子が注目されている。たとえば、１．３〜１．５５μｍ帯用のＧａＩｎＮＡｓ系の活性層は、量子井戸層の圧縮歪み量が２％以上と高く、いわゆる高歪系であるので、通常は、量子井戸層の臨界膜厚の観点から、障壁層の膜厚を２０〜２５ｎｍとし、量子井戸数を２〜３としている。この活性層は、たとえば、ＧａＩｎ0.37Ｎ0.01Ａｓからなり厚さが７．３ｎｍの量子井戸層と、ＧａＡｓからなり厚さが２０〜２５ｎｍの障壁層とを交互に積層して活性層を構成し、量子井戸数を３としている。
また、ＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓからなる量子ドット構造を有する活性層を採用した長波長帯用の面発光レーザ素子においても、量子ドットが高歪系であることから、上記と同様の膜厚の障壁層としている。
ここで、従来の高歪系を活性層とする面発光レーザ素子は、閾値電流が高く、光出力も低くなり、緩和周波数も伸びずに低速動作するものとなっていた。
これに対して、障壁層を薄くして、光共振器内に生じる光の定在波の振幅が大きい位置に各量子井戸層を近接して配置すれば、量子井戸層への光閉じ込め係数を大きくしてモーダルゲイン（Ｍｏｄａｌ ｇａｉｎ）を高め、閾値電流を低下させることができる（非特許文献１参照）。
特開２００５−２５２０３２号公報 A.W. Jackson et al.,"OC-48 capable InGaAsN vertical cavity lasers", Electronics Letters, vol.37 No.6 pp.355-356(2001)
ところが、高歪系活性層では、障壁層の厚さを薄くすると、量子井戸層にミスフィット転位などの転位が発生し易くなり、素子の信頼性が低下するという問題があった。その結果、障壁層の厚さを厚くせざるを得ず、モーダルゲインを高くできなかった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、低閾値電流であって信頼性が高い面発光レーザ素子を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る面発光レーザ素子は、基板と、前記基板上に位置し、下部多層膜反射鏡と上部多層膜反射鏡とを有する光共振器と、前記共振器内に位置し、量子井戸層と障壁層とを有する多重量子井戸構造の歪み活性層と、前記歪み活性層の上側に位置し、選択酸化部を有する電流狭窄層と、を備え、前記電流狭窄層は、前記歪み活性層に対して前記選択酸化部内の歪みの影響が及ぶ位置に配置することを特徴とする。また、選択酸化部内の歪みの影響が及ぶ位置であるか否かは、例えば面発光レーザ素子の断面のＴＥＭ写真を撮影し、当該ＴＥＭ写真の明るさにより判断することができる。
ここで、歪み活性層は、光共振器内の光の定在波の振幅の大きい位置（以下、定在波の腹という）に存在することが望ましい。また、電流狭窄層は、歪み活性層に対して、選択酸化部内の歪みの影響が及ぶ位置に配置されていればよく、量子井戸層と障壁層とを有する歪み活性層の直上に位置していても、何らかの層を介在した状態で位置していても良い。
また、本発明に係る面発光レーザ素子は、基板と、前記基板上に位置し、下部多層膜反射鏡と上部多層膜反射鏡とを有する光共振器と、前記共振器内に位置し、量子ドット部を形成した量子ドット層と障壁層とを有する量子ドット構造の歪み活性層と、前記歪み活性層上に位置し、選択酸化部を有する電流狭窄層と、を備え、前記電流狭窄層は、前記歪み活性層に対して前記選択酸化部内の歪みの影響が及ぶ位置に配置することを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記歪み活性層の歪みが圧縮歪みであり、前記障壁層の厚さは５〜１０ｎｍであることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記歪み活性層は、前記光共振器内に生じる光の定在波の腹に位置し、前記電流狭窄層は、レーザ発振波長をλ、前記光共振器の平均屈折率をＮとした場合に、前記歪み活性層からλ／４Ｎまたは３λ／４Ｎの距離に位置することを特徴とする。
なお、歪み活性層からλ／４Ｎまたは３λ／４Ｎの距離の位置とは、光の定在波の振幅が小さい位置（以下、定在波の節の位置という）であるが、実質的に定在波を形成する光が電流狭窄層の選択酸化部によって吸収または散乱するおそれがない程度に、節の位置からはずれた位置でも良い。
また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記電流狭窄層は、前記歪み活性層から３００ｎｍ以下の距離に位置することを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記基板はＧａＡｓからなり、前記量子井戸層はＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓのいずれか１つからなることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記基板はＩｎＰからなり、前記量子井戸層はＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれか１つからなることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記基板はＧａＡｓまたはＩｎＰからなり、前記量子ドット部はＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓからなることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記歪み活性層の量子井戸層または量子ドット層の数は２〜８であることを特徴とする。
すなわち、量子井戸層または量子ドット層の数が２〜８であれば、すべての量子井戸層または量子ドット層を光の定在波の腹の近傍に配置できるので、モーダルゲインを高めることができる。
また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記上部多層膜反射鏡の上面と前記下部多層膜反射鏡の下面との間に積層したトンネル接合層を備えることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記上部多層膜反射鏡または前記下部多層膜反射鏡は、少なくとも一部が誘電体多層膜からなることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、レーザ発振波長が１０００〜２５００ｎｍであることを特徴とする。すなわち、歪み活性層を備えた面発光レーザ素子であれば、上記レーザ発振波長を実現できる。
また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記電流狭窄層の非選択酸化部を構成する半導体層が、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９５〜０．９９８)からなることを特徴とする。
また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記電流狭窄層の非選択酸化部を構成する半導体層が、ＡｌＡｓ層とＧａＡｓ層とからなる超格子で形成され、該ＡｌＡｓ層と該ＧａＡｓ層との膜厚比率が９５：５から９９８：２であることを特徴とする。
本発明によれば、電流狭窄層が、歪み活性層に対して選択酸化部内の歪みの影響が及ぶ位置に配置することによって、歪み活性層内の歪みが全体的に補償されるため、障壁層を薄くしても、転位の発生が抑制されるので、低閾値電流であって信頼性が高い面発光レーザ素子が実現できるという効果を奏する。
以下に、図面を参照して本発明に係る面発光レーザ素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
はじめに、本発明の実施の形態１に係る面発光レーザ素子について説明する。本実施の形態１に係る面発光レーザ素子は、ＧａＡｓからなる基板上にＧａＩｎＮＡｓからなる多重量子井戸構造を有する歪み活性層を積層した、発振波長が１３００ｎｍの面発光レーザ素子である。
図１は、本実施の形態１に係る面発光レーザ素子を模式的に表した断面斜視図である。また、図２は、図１に示す面発光レーザ素子の積層構造を模式的に表した断面概略図である。図１、２に示すように、本実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００は、面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板２、下部多層膜反射鏡であるｎ−ＤＢＲミラー３、ｎ−ＧａＡｓクラッド層４、歪み活性層５、ｐ−ＧａＡｓクラッド層６、電流狭窄層７、ｐ−ＧａＡｓクラッド層８、上部多層膜反射鏡であるｐ−ＤＢＲミラー９が順次積層したものである。そして、ｎ−ＧａＡｓクラッド層４からｐ−ＤＢＲミラー９まではメサポスト構造を有し、このメサポストはたとえばポリイミド１１で埋め込んである。また、ｐ−ＤＢＲミラー９とポリイミド１１との上面には開口部Ａを有するｐ側電極１２、ｎ−ＧａＡｓ基板２の下面にはｎ側電極１がそれぞれ形成されている。
ｎ−ＧａＡｓ基板２の表面には、表面の平滑化のためにキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ−ＧａＡｓバッファ層が０．１μｍの厚さで積層している。また、この面発光レーザ１００の発振波長をλ、各構成材料の屈折率をｎとすると、ｎ−ＤＢＲミラー３は、層厚がそれぞれλ／４ｎのｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とｎ型ＧａＡｓ層とを１ペアとする多層膜を、３５．５ぺア積層したものである。また、ｐ−ＤＢＲミラー９は、層厚がそれぞれλ／４ｎのｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とｐ型ＧａＡｓ層とを１ペアとする多層膜を、２３ぺア積層したものである。そして、ｎ−ＧａＡｓクラッド層４からｐ−ＧａＡｓクラッド層８は、各層の平均の屈折率をＮとすると、そのトータル厚さがλ／Ｎになるように積層されており、ｎ−ＤＢＲミラー３とｐ−ＤＢＲミラー９とに挟まれることにより共振器長がλ／Ｎの光共振器を構成する。
歪み活性層５は、ＧａＩｎ0.37Ｎ0.01Ａｓからなり層厚がそれぞれ７．３ｎｍである３つの量子井戸層５ａと、ＧａＡｓからなり層厚がそれぞれ８ｎｍである２つの障壁層５ｂとが交互に積層されて構成されている。そして、歪み活性層５は、中央の量子井戸層５ａがｎ−ＤＢＲミラー３の上面からλ／２Ｎだけ離れた位置に位置する。すなわち、本実施の形態１において、歪み活性層５は光の定在波の腹の位置に相当する光共振器の中央位置に積層されている。
電流狭窄層７は、層厚が１５ｎｍであって、選択酸化によって形成した酸化アルミニウムからなる選択酸化部７ａと、選択酸化部７ａの内側、ほぼ中央に位置し、ｐ−Ａｌ0.98ＧａＡｓからなる非選択酸化部としての円板状の電流狭窄部７ｂとを有する。この電流狭窄層７の中心は、歪み活性層５の中心に対して距離が９４ｎｍだけ離隔した位置に配置している。なお、選択酸化部７ａは、選択酸化の際に体積が縮小し、引張り歪みを有するものとなる。
ここで、歪み活性層５と同様の組成の材料からなり、量子井戸数が３、障壁層の層厚がそれぞれ８ｎｍの活性層の場合、量子井戸層の理論的な臨界膜厚は約５．９ｎｍである。しかし、本実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００においては、電流狭窄層７が、歪み活性層５に対して選択酸化部７ａ内の歪みの影響が及ぶ位置に配置しているので、歪み活性層５内の歪みが選択酸化部７ａ内の歪みによって全体に補償され、量子井戸層５ａの層厚がそれぞれ臨界膜厚以上の７．３ｎｍであっても転位の発生が抑制される。
図３は、図１に示す面発光レーザ素子と同様の構成を備えた面発光レーザ素子の断面のＴＥＭ写真を示す図である。なお、図３において、平行に並んで見える横縞は、それぞれｎ−ＤＢＲミラー３、ｎ−ＧａＡｓクラッド層４、歪み活性層５、ｐ−ＧａＡｓクラッド層６、電流狭窄層７、ｐ−ＤＢＲミラー９を示し、電流狭窄層７はｐ−ＤＢＲミラー９の内部に積層している。また、電流狭窄層７において、写真中央から左側に位置する明るさが一様な部分が電流狭窄部であり、右側に位置する明るさにむらがある部分が選択酸化部を示す。また、選択酸化部の周囲に見られる波状の濃淡は、選択酸化部内の歪応力によって周囲に生じた歪を反映するものである。
図３に示すように、電流狭窄層７から約３００ｎｍまでの距離において歪が発生している。すなわち、電流狭窄層７は、歪み活性層５に対して３００ｎｍ以内に離隔した位置に配置すれば、歪み活性層５内の歪みが選択酸化部７ａ内の歪みによって全体に補償される効果が十分に生じる。なお、上記距離は、５０ｎｍ以上であることが好ましい。
つぎに、面発光レーザ素子１００の動作について説明する。この面発光レーザ素子１００において、ｎ側電極１とｐ側電極１２との間に電圧を印加し、電流を注入すると、電流狭窄層７が、電流経路を制限して電流密度を高め、歪み活性層５の各量子井戸層５ａが、電流密度の高い電流を注入されて１３００ｎｍ帯域において発光し、ｎ−ＤＢＲミラー３とｐ−ＤＢＲミラー９とが構成する光共振器が、波長１３００ｎｍにおいて発光にレーザ発振を起こさせ、波長１３００ｎｍのレーザ光を開口部Ａから出射する。
ここで、図４は、面発光レーザ素子１００の光共振器内に発生する光および光の電場の強度分布を示す図である。なお、横軸はλ／Ｎを１とした場合の光共振器内の相対位置を示し、０がｎ−ＤＢＲミラー３の上面の位置、１がｐ−ＤＢＲミラー９の下面の位置をそれぞれ示す。また、縦軸は、最大振幅を１とした場合の光または電場の相対強度を示す。また、記号Ｍ１〜Ｍ３は、歪み活性層５の各量子井戸層５ａの光共振器内における位置をそれぞれ示す。なお、記号Ｍ１〜Ｍ３の間隔は８ｎｍである。図３に示すように、各量子井戸層５ａは光の定在波の腹の位置に近接して位置することとなるので、光閉じ込め係数が大きくなる。
この面発光レーザ素子１００は、シミュレーション計算によれば、光閉じ込め係数が２．３％と高くなり、閾値電流密度は、ｐ−ＤＢＲミラー９の上面である光出射面の反射率が９９．８％の場合に２ｋＡ／ｃｍ2と小さくなる。なお、各量子井戸層５ａの間隔が２０ｎｍの場合は、光閉じ込め係数が２％であり、閾値電流密度は光出射面の反射率が９９．８％の場合に３ｋＡ／ｃｍ2である。
なお、上述したように、電流狭窄層７は、歪み活性層５に対して距離が９４ｎｍだけ離隔した位置に配置している。ここで、λは１３００ｎｍ、Ｎは３．４５であるから、λ／４Ｎは９４ｎｍとなる。すなわち、電流狭窄層７は、歪み活性層５に対する距離がλ／４Ｎ、すなわち図４において相対位置０．７５の位置にあるので、光の定在波の節の位置に位置することになる。その結果、定在波を形成する光が電流狭窄層７の選択酸化部７ａによって吸収または散乱されるおそれがなくなり、面発光レーザ素子１００の閾値電流密度は確実に低下する。なお、電流狭窄層７の歪み活性層５に対する距離が３λ／４Ｎであっても同様の効果を得ることができると共に、歪み活性層５に十分に近いので、電流狭窄によって無効電流を抑制する効果も維持される。
また、障壁層５ｂの厚さは、１０ｎｍ以下であれば、光閉じ込め係数が十分に大きくなるので好ましく、５ｎｍ以上であれば、量子井戸層５ａに転位が発生するのを十分に防止できるので好ましい。
つぎに、本実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００の製造方法について説明する。まず、たとえば分子線ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法、ガスソースＭＢＥ法、化学的分子線ビームエピタキシー（ＣＢＥ）法、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法のいずれかによって、ｎ−ＤＢＲミラー３、ｎ−ＧａＡｓクラッド層４、歪み活性層５、ｐ−ＧａＡｓクラッド層６、電流狭窄層７、ｐ−ＧａＡｓクラッド層８、ｐ−ＤＢＲミラー９を順次エピタキシャル成長させる。
その後、プラズマＣＶＤ法によって、ｐ−ＤＢＲミラー９の成長表面にシリコン窒化膜を成膜し、直径約３０μｍの円形パターンをフォトレジストによるフォトリソグラフィ技術を用いて転写する。この転写された円形レジストマスクを用いて、シリコン窒化膜を、ＣＦ4ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法でエッチングする。さらに、塩素ガスを用いた反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）法によってｎ−ＤＢＲミラー３に到達するまでエッチングし、直径約３０μｍの柱状構造のメサポストを形成する。なお、ＲＩＢＥ法によるエッチング深さは、ｎ−ＤＢＲミラー３内で停止させるようにする。
つぎに、この状態で、水蒸気雰囲気中で４００℃に加熱し、放置することによって、電流狭窄層７を選択的に酸化する。これによって選択酸化部７ａが形成される。この選択酸化部７ａが形成されない非選択酸化部としての電流狭窄部７ｂは直径３〜１０μｍであり、たとえば６μｍとなる。その後、ＲＩＥ法によってシリコン窒化膜を完全に除去した後に、ポリイミド１１でメサポストの周囲を埋める。
さらに、プラズマＣＶＤ法によって、あらためてシリコン窒化膜を全面に形成する。その後、シリコン窒化膜を所定の形状に除去し、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ側電極１２を形成する。その後、ｎ−ＧａＡｓ基板２を２００μｍ程度に研磨した後、その表面にＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなるｎ側電極１を蒸着し、最後に窒素雰囲気中で約４００℃にアニールする。
上述の方法によって製造した面発光レーザ素子１００の特性を測定したところ、温度２５℃において、閾値電流が１ｍＡ、スロープ効率０．２５Ｗ／Ａ、小信号変調の場合の３ｄＢ帯域が１０ＧＨｚであり、最大ＣＷ発振温度が１００℃以上であった。すなわち、この面発光レーザ素子１００は、低閾値電流であり、高速動作が可能であり、高温まで動作するものであった。また、環境温度が２５℃において１００万時間駆動し、長寿命であり、信頼性も高かった。
なお、比較のため、実施の形態１に係る面発光レーザ素子と同様の構成を備えるが、各障壁層の層厚を２０ｎｍとし、かつ電流狭窄層の歪み活性層からの距離を６３０ｎｍ、すなわち７λ／４Ｎとした面発光レーザ素子の特性を測定したところ、温度２５℃において、閾値電流が１．５ｍＡ、スロープ効率０．２５Ｗ／Ａ、小信号変調の場合の３ｄＢ帯域が７ＧＨｚであり、最大ＣＷ発振温度が８０℃であった。
以上説明したように、本実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００は、電流狭窄層７が、歪み活性層５に対して選択酸化部７ａ内の歪みの影響が及ぶ位置に配置することによって、低閾値電流であって信頼性が高いものとなる。
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２に係る面発光レーザ素子について説明する。本実施の形態２に係る面発光レーザ素子は、実施の形態１に係る面発光レーザ素子と同様の構成を備えるが、歪み活性層がＩｎＡｓからなる量子ドット構造を有する点が異なる。
図５は、本実施の形態２に係る面発光レーザ素子の積層構造を模式的に表した断面概略図である。図５に示すように、本実施の形態２に係る面発光レーザ素子２００は、歪み活性層１５が３つの量子ドット層１５ａと２つの障壁層１５ｂとを交互に積層して構成されている。また、図６は、面発光レーザ素子２００の量子ドット層１５ａを模式的に表した断面概略図である。図６に示すように、量子ドット層１５ａは、障壁領域１５ａｂ内に直径約１５ｎｍの量子ドット部１５ａａを約３×１０10ｃｍ-2の密度で形成したものである。なお、障壁層１５ｂはＧａＡｓからなり、層厚はそれぞれ８ｎｍである。一方、量子ドット層１５ａは層厚がそれぞれ約７ｎｍであって、量子ドット部１５ａａはＩｎＡｓからなり、障壁領域１５ａｂはＧａＡｓからなる。
この量子ドット部１５ａａは、歪み量が７％の高歪系であるが、実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００と同様に、電流狭窄層７が、歪み活性層１５に対して選択酸化部７ａ内の歪みの影響が及ぶ距離である９４ｎｍだけ離隔した位置に配置しているので、活性層１５内の歪みが選択酸化部７ａ内の歪みによって全体に補償され、量子ドット層１５ａの層厚がそれぞれ臨界膜厚の５ｎｍ以上であっても転位の発生が抑制される。
なお、この面発光レーザ素子２００は、実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００と同様の方法で製造できる。ここで、活性層１５の製造の際には、ｎ−ＧａＡｓクラッド層４をエピタキシャル成長させた後に、ＩｎＡｓの材料を２．５モノレイヤー程度の量だけ供給してＩｎＡｓを３次元方向に成長させて、量子ドット部１５ａａを形成し、その後、ＧａＡｓからなる障壁領域１５ａｂをエピタキシャル成長させる。
以上説明したように、本実施の形態２に係る面発光レーザ素子２００は、電流狭窄層７が、歪み活性層１５に対して選択酸化部７ａ内の歪みの影響が及ぶ位置に配置することによって、低閾値電流であって信頼性が高いものとなる。
（実施の形態３）
つぎに、本発明の実施の形態３に係る面発光レーザ素子について説明する。本実施の形態３に係る面発光レーザ素子は、実施の形態１に係る面発光レーザ素子と同様の構成を備え、同様の効果を奏するが、上部多層膜反射鏡と活性層との間に積層したトンネル接合層を備える点などが異なる。
図７は、本実施の形態３に係る面発光レーザ素子の積層構造を模式的に表した断面概略図である。図７に示すように、本実施の形態３に係る面発光レーザ素子３００は、面発光レーザ素子１００とは異なり、上部多層膜反射鏡がｎ−ＤＢＲミラー１９であり、ｎ−ＤＢＲミラー１９と歪み活性層５との間に積層したトンネル接合層１３を備える。また、トンネル接合層１３の上にｎ−ＧａＡｓクラッド層１４を積層している。すなわち、トンネル接合層１３より上に積層した半導体層はｎ型のものである。
トンネル接合層１３は、キャリア濃度が１．５×１０20ｃｍ-3で厚さが５ｎｍのｐ+−ＧａＡｓ層、キャリア濃度が５×１０19ｃｍ-3で厚さが５ｎｍのｎ+−Ｉｎ0.13ＧａＡｓ層、キャリア濃度が５×１０19ｃｍ-3で厚さが２０ｎｍのｎ+−ＧａＡｓ層が順次積層したものである。一方、ｎ−ＤＢＲミラー１９は、層厚がそれぞれλ／４ｎのｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とｎ型ＧａＡｓ層とを１ペアとする多層膜が２３ぺア積層したものである。
ここで、ｐ型半導体は価電子帯間吸収を有するので、波長が１０００ｎｍ以上の光を吸収する。これに対し、本実施の形態３に係る面発光レーザ素子３００は、トンネル接合層１３を備えることにより、上部多層膜反射鏡をｎ型半導体からなるＤＢＲミラーとできるので、ｐ型半導体からなるＤＢＲミラーを用いる場合と比べて光の吸収による損失が抑制され、閾値電流を一層小さくできる。なお、トンネル接合層１３は、ｎ−ＤＢＲミラー１９と歪み活性層５との間に積層した場合に限らず、上部多層膜反射鏡の内部に位置してもよい。トンネル接合層１３の構成および組成は、積層する位置によって適宜調整される。
なお、このようなトンネル接合層は、たとえば非特許文献である、鈴木尚文ら、“光インターコネクション用 １．１μｍ帯 ＩｎＧａＡｓ ＶＣＳＥＬ”、信学技報、Ｖｏｌ．１０５、Ｎｏ．４５５、ＬＱＥ２００５−１１３（２００５−１２）ｐｐ．５−８．に開示されている。
（実施の形態４）
つぎに、本発明の実施の形態４に係る面発光レーザ素子について説明する。本実施の形態４に係る面発光レーザ素子は、上部多層膜反射鏡が誘電体多層膜からなる点や、ｎ側電極が下部多層膜反射鏡上に位置する点などが、実施の形態１〜３に係る面発光レーザ素子とは異なる。
図８は、本実施の形態４に係る面発光レーザ素子４００の模式的な断面図である。図８に示すように、この面発光レーザ素子４００は、基板２１と、基板２１上に形成された下部ＤＢＲミラー２２と、バッファ層２３と、ｎ−コンタクト層２４と、歪み活性層２５と、下部傾斜組成層２６と、選択酸化部２７ａと電流狭窄部２７ｂとを有する電流狭窄層２７と、上部傾斜組成層２８と、ｐ−クラッド層２９と、ｐ＋−コンタクト層３０とが順次積層形成されている。そして、歪み活性層２５からｐ＋−コンタクト層３０までが円柱状のメサポストＭを構成している。
基板２１、バッファ層２３は、アンドープのＧａＡｓからなる。また、下部ＤＢＲミラー２２は、ＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の３４ペアからなる。また、ｎ−コンタクト層２４は、ｎ型ＧａＡｓからなる。また、歪み活性層２５、電流狭窄層２７は、それぞれ実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００の歪み活性層５、電流狭窄層７と同様のものである。下部傾斜組成層２６および上部傾斜組成層２８は、ＡｌＧａＡｓからなり、厚さ方向において電流狭窄層２７に近づくにつれてそのＡｌ組成が段階的に増加するように構成されている。また、ｐ−クラッド層２９、ｐ＋−コンタクト層３０は、それぞれｐ型、ｐ＋型のＧａＡｓからなる。また、メサポストＭ上に、中心に開口部Ａを有するとともに、メサポストＭの外周と一致する外周を有する円環状のｐ側電極３１が形成されている。
さらに、ｐ側電極３１上からメサポストＭの外周にわたって誘電体からなる上部ＤＢＲミラー３５が形成されている。上部ＤＢＲミラー３５は、たとえばα−Ｓｉ／ＳｉＯ２の５〜６ペアからなるが、たとえばＳｉＮｘ／ＳｉＯ２、またはα−Ｓｉ／Ａｌ２Ｏ３のペアを、その材料の屈折率に応じて９９％程度の適切な反射率がえられるようなペア数にしたものでもよい。また、ｎ−コンタクト層２４は、メサポストＭの下部から半径方向外側に延びており、その表面に半円環状のｎ側電極３２が形成されている。また、上部ＤＢＲミラー３５が形成されていない領域には、表面保護のためにＳｉＮｘなどの誘電体からなるパッシベーション膜３３が形成されている。
また、ｎ側電極３２に対して、パッシベーション膜３３に形成された開口部を介して接触するように、Ａｕからなるｎ側引き出し電極３４が形成されている。一方、ｐ側電極３１に対しても、パッシベーション膜３３に形成された開口部を介して接触するように、Ａｕからなるｐ側引き出し電極３６が形成されている。そして、ｎ側電極３２およびｐ側電極３１は、それぞれｎ側引き出し電極３４およびｐ側引き出し電極３６によって、外部に設けた不図示の電流供給回路に電気的に接続している。
この面発光レーザ素子４００においても、電流狭窄層２７の中心は、歪み活性層２５の中心に対して距離が９４ｎｍだけ離隔した位置に配置している。すなわち、電流狭窄層２７が、歪み活性層２５に対して選択酸化部２７ａ内の歪みの影響が及ぶ位置に配置している。したがって、歪み活性層２５内の量子井戸層の層厚がそれぞれ臨界膜厚以上であっても転位の発生が抑制される。
なお、上記実施の形態１〜３においては、上部および下部ＤＢＲミラーは半導体からなるものであるが、これらの少なくとも一部が誘電体多層膜からなるものであれば、高い反射率を有するものが容易に作製できるので好ましい。なお、この誘電体多層膜の材料としては、たとえばＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＳｉＮ、ＭｇＦ、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＮ、ＡｌＮＳｉＯ2などを用いることができる。
また、上記実施の形態１〜４においては、電流狭窄層はＡｌＡｓを積層し、これを選択酸化したものであるが、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９５〜０．９９８)、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓのいずれか１つを積層し、これを選択酸化したものでもよい。さらに、電流狭窄層を、ＡｌＡｓ層とＧａＡｓ層とからなる超格子で形成され、該ＡｌＡｓ層と該ＧａＡｓ層との膜厚比率が９５：５から９９８：２であるものとし、これを選択酸化したものでもよい。
また、上記実施の形態１〜４においては、レーザ発振波長は１３００ｎｍであるが、１０００〜２５００ｎｍにすることもできる。なお、レーザ発振波長を１０００〜２５００ｎｍにするは、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、若しくはＧａＳｂ基板を用い、レーザ発振波長に合わせてＤＢＲミラーの反射波長、共振器長、ゲイン波長を調整する等周知の方法でレーザ発振波長を調整する。
また、上記実施の形態１〜４においては、活性層は光共振器の中央位置に配置されているが、光共振器内のｍλ／２Ｎ（ｍ：整数）の位置に配置されても良い。
また、上記実施の形態１〜４においては、活性層の量子井戸または量子ドット層の層数が３であるが、２〜８でもよい。
また、上記実施の形態１〜３においては、基板はｎ型のＧａＡｓ基板を用いているが、ＳＩ基板を用いても良い。
また、上記実施の形態１、３、４においては、基板はＧａＡｓからなり、量子井戸層はＧａＩｎＮＡｓからなるものであるが、量子井戸層は、高歪系となるＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓのいずれか１つからなるものでもよい。また、基板がＩｎＰからなるものであり、量子井戸層が、高歪系となるＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれか１つからなるものであってもよい。
また、上記実施の形態２においては、基板はＧａＡｓからなり、量子ドット部はＩｎＡｓからなるものであるが、基板はＩｎＰからなるものでもよく、量子ドット部はＩｎＧａＡｓからなるものでもよい。
また、上記実施の形態１〜３においては、下部多層膜反射鏡および下部クラッド層をｎ型半導体で構成し、上部多層膜反射鏡および上部クラッド層をｐ型半導体で構成し、電流狭窄層を活性層よりも上部に設けた構造としたが、下部多層膜反射鏡および下部クラッド層をｐ型半導体で構成してもよい。また、活性層よりも下部に電流狭窄層を設け、電流狭窄層の歪みの影響が活性層に及ぶ形態としても良い。
本発明の実施の形態１に係る面発光レーザ素子を模式的に表した断面斜視図である。 図１に示す面発光レーザ素子の積層構造を模式的に表した断面概略図である。 図１に示す面発光レーザ素子と同様の構成を備えた面発光レーザ素子の断面のＴＥＭ写真を示す図である。 図１に示す面発光レーザ素子の光共振器内に発生する光および光の電場の強度分布を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る面発光レーザ素子の積層構造を模式的に表した断面概略図である。 図５に示す面発光レーザ素子の量子ドット層を模式的に表した断面概略図である。 本発明の実施の形態３に係る面発光レーザ素子の積層構造を模式的に表した断面概略図である。 本発明の実施の形態４に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。
符号の説明
１、３２ ｎ側電極
２、２１ 基板
３、１９ ｎ−ＤＢＲミラー
４ ｎ−ＧａＡｓクラッド層
５、１５、２５ 歪み活性層
５ａ 量子井戸層
５ｂ、１５ｂ 障壁層
６、８ ｐ−ＧａＡｓクラッド層
７、２７ 電流狭窄層
７ａ、２７ａ 選択酸化部
７ｂ、２７ｂ 電流狭窄部
９ ｐ−ＤＢＲミラー
１１ ポリイミド
１２、３１ ｐ側電極
１３ トンネル接合層
１４ ｎ−ＧａＡｓクラッド層
１５ａ 量子ドット層
１５ａａ 量子ドット部
１５ａｂ 障壁領域
２２ 下部ＤＢＲミラー
２３ バッファ層
２４ ｎ−コンタクト層
２６ 下部傾斜組成層
２８ 上部傾斜組成層
２９ ｐ−クラッド層
３０ ｐ＋−コンタクト層
３３ パッシベーション膜
３４ ｎ側引き出し電極
３５ 上部ＤＢＲミラー
３６ ｐ側引き出し電極
１００〜４００ 面発光レーザ素子
Ａ 開口部

Claims (13)

  1. 基板と、
    前記基板上に位置し、下部多層膜反射鏡と上部多層膜反射鏡とを有する光共振器と、
    前記共振器内に位置し、量子井戸層と障壁層とを有する多重量子井戸構造の歪み活性層と、
    前記歪み活性層の上側に位置し、選択酸化部を有する電流狭窄層と、
    を備え、
    前記障壁層の厚さは５〜１０ｎｍであり、
    前記電流狭窄層は、前記選択酸化部内の歪みが前記歪み活性層の歪みを補償する距離である前記歪み活性層から３００ｎｍ以下の距離に位置することを特徴とする面発光レーザ素子。
  2. 基板と、
    前記基板上に位置し、下部多層膜反射鏡と上部多層膜反射鏡とを有する光共振器と、
    前記共振器内に位置し、量子ドット部を形成した量子ドット層と障壁層とを有する量子ドット構造の歪み活性層と、
    前記歪み活性層上に位置し、選択酸化部を有する電流狭窄層と、
    を備え、
    前記障壁層の厚さは５〜１０ｎｍであり、
    前記電流狭窄層は、前記選択酸化部内の歪みが前記歪み活性層の歪みを補償する距離である前記歪み活性層から３００ｎｍ以下の距離に位置することを特徴とする面発光レーザ素子。
  3. 前記歪み活性層の歪みが圧縮歪みであることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ素子。
  4. 前記歪み活性層は、前記光共振器内に生じる光の定在波の腹に位置し、前記電流狭窄層は、レーザ発振波長をλ、前記光共振器の平均屈折率をＮとした場合に、前記歪み活性層からλ／４Ｎまたは３λ／４Ｎの距離に位置することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の面発光レーザ素子。
  5. 前記基板はＧａＡｓからなり、前記量子井戸層はＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓのいずれか１つからなることを特徴とする請求項１、および請求項１を引用する請求項３、４のいずれか１つに記載の面発光レーザ素子。
  6. 前記基板はＩｎＰからなり、前記量子井戸層はＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれか１つからなることを特徴とする請求項１、および請求項１を引用する請求項３、４のいずれか１つに記載の面発光レーザ素子。
  7. 前記基板はＧａＡｓまたはＩｎＰからなり、前記量子ドット部はＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓからなることを特徴とする請求項２、および請求項２を引用する請求項３、４のいずれか１つに記載の面発光レーザ素子。
  8. 前記歪み活性層の量子井戸層または量子ドット層の数は２〜８であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の面発光レーザ素子。
  9. 前記上部多層膜反射鏡の上面と前記下部多層膜反射鏡の下面との間に積層したトンネル接合層を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の面発光レーザ素子。
  10. 前記上部多層膜反射鏡または前記下部多層膜反射鏡は、少なくとも一部が誘電体多層膜からなることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の面発光レーザ素子。
  11. レーザ発振波長が１０００〜２５００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の面発光レーザ素子。
  12. 前記電流狭窄層の非選択酸化部を構成する半導体層が、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９５〜０．９９８)からなることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の面発光レーザ素子。
  13. 前記電流狭窄層の非選択酸化部を構成する半導体層が、ＡｌＡｓ層とＧａＡｓ層とからなる超格子で形成され、該ＡｌＡｓ層と該ＧａＡｓ層との膜厚比率が９５：５から９９８：２であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の面発光レーザ素子。
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