(57)【要約】【課題】共振器中の活性領域の位置が設計値からずれても発振閾値の変動を抑制することが可能となる垂直共振器型面発光レーザを提供する。【解決手段】第１の反射鏡および第２の反射鏡と、該第１の反射鏡と該第２の反射鏡の間に配されている活性領域を含み構成された共振器を備え、該共振器中における波長λで発振する垂直共振器型面発光レーザであって、  前記活性領域は複数の活性層グループで構成されており、  前記複数の活性層グループの中心間距離ｄが、以下の式で表される範囲とされている。  ｄ＝１／４×λ×（ｍ±０．３７）                    （ｍは奇数）【選択図】            図１
2014017295.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の反射鏡および第２の反射鏡と、該第１の反射鏡と該第２の反射鏡の間に配されている活性領域を含み構成された共振器を備え、該共振器中における波長λで発振する垂直共振器型面発光レーザであって、
前記活性領域は複数の活性層グループで構成されており、
前記複数の活性層グループの中心間距離ｄが、以下の式で表される範囲であることを特徴とする垂直共振器型面発光レーザ。
ｄ＝１／４×λ×（ｍ±０．３７）                    （ｍは奇数）
【請求項２】
前記複数の活性層グループの中心間距離ｄが、以下の式で表される範囲であることを特徴とする請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
ｄ＝１／４×λ×（ｍ±０．３）                      （ｍは奇数）
【請求項３】
前記複数の活性層グループの中心間距離ｄが、以下の式で表される範囲であることを特徴とする請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
ｄ＝１／４×λ×（ｍ±０．１７）                    （ｍは奇数）
【請求項４】
前記共振器が、窒化物半導体層を含み構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項５】
前記共振器が、研磨工程を含む製造方法により作製された共振器で構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項６】
前記複数の活性層グループのうち少なくとも一つが、１層の量子井戸によって構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項７】
前記複数の活性層グループのうち少なくとも一つが、多重量子井戸によって構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項８】
前記活性領域が、該活性領域における上側に位置する活性層グループと下側に位置する活性層グループとによる２つの活性層グループで構成されており、
前記上側に位置する活性層グループと前記下側に位置する活性層グループとが、同一の組成と厚さで構成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項９】
前記活性領域が、該活性領域における上側に位置する活性層グループと下側に位置する活性層グループとによる２つの活性層グループで構成されており、
前記上側に位置する活性層グループと前記下側に位置する活性層グループとが、異なる組成と厚さで構成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直共振器型面発光レーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、垂直共振器型面発光レーザ（以下、ＶＣＳＥＬと記す。）の開発が行われている。
特に、青紫色領域のＶＣＳＥＬの実用化に向けた検討が盛んになってきているが、いまだ商業レベルで実用化されたものはない。
共振器を形成する反射鏡として窒化物半導体を使った良質な分布ブラック反射鏡（以下ＤＢＲ）を形成することが困難であることが、青紫色領域のＶＣＳＥＬの実用化を妨げる一つの要因になっている。
特許文献１には、作製が困難な窒化物半導体ＤＢＲを使用せず、誘電体ＤＢＲを使用して共振器を形成した青紫色領域のＶＣＳＥＬが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１２３９２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の特許文献１に示された構造を用いれば、作製が困難な窒化物半導体ＤＢＲを使用せずに青紫色領域のＶＣＳＥＬを実現できる。
しかしながら、上記の構造を使用した場合、以下のような課題が生じる。
共振器の上下両面に誘電体ＤＢＲを形成するためには、基板を除去する必要がある。
しかしながら、窒化物半導体では、選択的なウエットエッチングにより基板を除去する方法が確立されていない。
そのため、研磨等により物理的に基板を削って除去する手法がとられる。
なお、サファイア基板を使用した場合はレーザリフトオフで基板を剥離することも可能であるが、剥離面を平坦化するために研磨工程が用いられる。
一般に、研磨時の研磨レートを常に一定に保つことは難しいので、研磨後の膜厚を精密に制御することは難しい。
さらに、基板に反りがある場合などは研磨後の膜厚に面内分布が生じる。そのため、研磨工程を含む製造方法では所望の膜厚を得られない場合がある。
【０００５】
また、ＶＣＳＥＬの共振器を形成する層の膜厚がずれた場合、以下のような課題が生じる。
一般に、共振器中の活性領域の位置は、光強度の強い位置すなわち定在波の腹の位置に合わせて配置する。
研磨時に膜厚が設計値からずれると、定在波の腹の位置と活性領域の位置がずれることになる。その結果、発振閾値が増大するなどの悪影響が生じる。
図６に、ＶＣＳＥＬの共振器中の活性領域の位置が設計値からずれた場合の閾値利得の変化を計算した結果の一例を示す。
なお、膜厚が変化すると共振器長が変化するので実際には共振波長も変化するが、本計算においては純粋に位置ずれの影響だけを見るために共振波長は一定だと仮定して計算を行った。
計算に用いた構造は、活性領域を含む窒化物半導体を誘電体ＤＢＲで挟んで形成したＶＣＳＥＬ構造である。誘電体ＤＢＲの反射率は、出射側が９９．９％、非出射側が９９．９９９％となるよう設計した。
活性領域の構造は、厚さ２．５ｎｍのＩｎ0.09Ｇａ0.91Ｎからなる量子井戸２層と、その間に挟まれた厚さ７．５ｎｍのＧａＮからなる障壁層１層で形成された一般的な多重量子井戸構造である。
【０００６】
グラフの横軸は活性領域の位置ずれ量を表し、活性領域の位置が設計値通りである場合を０とし、それよりも上側にずれる場合を負、下側にずれる場合を正として示している。
なお、ここでは素子の基板側を下側、基板と反対側を上側と定義する。
グラフの縦軸は上記の量子井戸がどれだけの利得を持てばレーザ発振に至るかを利得係数の形で示したものである。なお、量子井戸は場所によらず均一に利得を持つものとして計算を行った。
活性領域の位置ずれ量が０の場合に最も閾値利得が小さくなり、そこからずれるにしたがって閾値利得が上昇する。
また、位置ずれ量が２０ｎｍを超えたあたりから急激に閾値利得が増大する。つまり、作製時に活性領域の位置ずれを２０ｎｍ以内に抑えられない場合には、レーザ特性が大幅にばらつく可能性が高くなる。
【０００７】
一般に、エピタキシャル成長などの結晶成長で薄膜を形成する場合は数１０ｎｍ以下の精度で膜厚を制御することも可能だが、形成した膜を研磨により薄くする場合には数１０ｎｍ以下の精度を実現することは困難である。
また、前述したように基板に反りがある場合などは研磨後の膜厚に面内分布が生じるので、基板の中央部付近の素子は設計に近い膜厚が得られても、基板の周辺部の素子は設計から大きくずれた膜厚となることもある。
その結果、素子の中央部付近では低閾値で発振するＶＣＳＥＬが得られるが、周辺部に形成されたＶＣＳＥＬは非常に高い閾値を示したり発振しなかったりといった事が起こる。
以上に述べたように、共振器の形成に研磨などの工程を含み膜厚の精密な制御が難しいＶＣＳＥＬ構造においては、発振閾値などの特性が揃った素子を作製することは難しく、歩留まりを上げることは難しい。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑み、共振器中の活性領域の位置が設計値からずれても発振閾値の変動を抑制することが可能となる垂直共振器型面発光レーザの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の垂直共振器型面発光レーザは、第１の反射鏡および第２の反射鏡と、該第１の反射鏡と該第２の反射鏡の間に配されている活性領域を含み構成された共振器を備え、該共振器中における波長λで発振する垂直共振器型面発光レーザであって、
前記活性領域は複数の活性層グループで構成されており、
前記複数の活性層グループの中心間距離ｄが、以下の式で表される範囲であることを特徴とする。
ｄ＝１／４×λ×（ｍ±０．３７）                    （ｍは奇数）
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、共振器中の活性領域の位置が設計値からずれても発振閾値の変動を抑制することが可能となる垂直共振器型面発光レーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態におけるＶＣＳＥＬの光強度分布と活性層グループの位置関係を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態におけるＶＣＳＥＬの閾値利得変動の様子を示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態におけるＶＣＳＥＬの閾値利得変動の様子を示すグラフである。
【図４】本発明の実施例１におけるＶＣＳＥＬの層構造を示す断面模式図である。
【図５】本発明の実施例２におけるＶＣＳＥＬの層構造を示す断面模式図である。
【図６】従来例が抱える課題を説明するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施形態における垂直共振器型面発光レーザ（以下、ＶＣＳＥＬと記す。）について説明する。
本発明は、活性領域を複数のグループで構成し、その複数のグループ同士で位置ずれの影響を打ち消しあうように配置することにより、共振器中の活性領域の位置が設計値からずれても発振閾値の変動を生じにくくすることができることを見出したことに基づく。
具体的には、共振器中に形成される光の定在波の腹と節の距離に相当する長さだけ離して複数の活性層グループを配置するように構成される。
これにより、一つの活性層グループが定在波の腹から離れる方向に位置ずれしたとしても、別の活性層グループが腹に近づく方向にずれるので、影響を打ち消しあって閾値利得の変動を抑制することが可能となる。
【００１３】
ここで、本明細書における活性層グループと、その中心位置について定義する。
本明細書中において、活性層グループとは、位置的にひと固まりとみなせる１層または複数層の利得媒質からなる活性層構造を意味する。
例えば、同一の腹付近に位置するように設計された多重量子井戸が一つの活性層グループに相当する。
また、ここで言う位置的にひと固まりとは、共振器中の光の定在波の腹と節の距離の半分より短い距離内に固まって配置されていることを指す。
各々の活性層グループの中心位置は、その利得媒質の重心に相当する位置と定義する。活性層グループの中心間距離とは、異なる活性層グループの中心位置の間の距離のことである。
【００１４】
図１に、本発明を適用したＶＣＳＥＬにおける光強度分布と活性層グループの位置関係の一例を示す。
ＶＣＳＥＬの共振器中の一部を拡大したものであり、光強度分布の計算値と屈折率分布を重ねて表示したものである。屈折率が高い部分１００と１１０は利得媒質からなる量子井戸であり、それぞれが本発明における活性層グループとして機能する。
定在波の腹１２０と節１３０の距離と同程度の距離だけ活性層１００と１１０を離して配置している。
以下に、このように配置することの効果を説明する。
腹１２０の位置が図１に示したものよりわずかに左側にずれた場合を想定すると、腹１２０より左側に位置する活性層１００にとっては腹１２０が近づくので光強度が大きくなり、そこで増幅される光も大きくなる。
一方、腹１２０より右側に位置する活性層１１０にとっては腹１２０が遠ざかるので光強度が小さくなり、増幅される光も小さくなる。
結果的に、２つの活性層における光増幅の合計は位置ずれしていない場合と同程度となり、レーザ発振のしやすさも同程度となる。
つまり、２つの活性層で位置ずれの影響を打ち消しあったと言える。
【００１５】
図２に、活性領域を２つの活性層グループで構成し、その中心間距離を変えたものについて、活性領域の設計値からの位置ずれと閾値利得の関係を計算した結果を示す。
活性領域以外の構造は図６の計算に用いたものと同様である。また、距離１０ｎｍの計算結果は図６の計算結果と同一である。
活性層グループの中心間距離を離していくほど、位置ずれに対する閾値利得の変動が起こりにくくなる。距離４０ｎｍの場合には活性領域が位置ずれしてもほとんど閾値利得の変動が起こらなくなる。
この４０ｎｍという距離は、共振器中での光波長λの約１／４であり、共振器中の定在波の腹と節の距離に一致する。
【００１６】
図３に、活性層グループの中心間距離と閾値変動の大きさの関係をプロットしたグラフを示す。
ここで、縦軸に使用している閾値変動比の定義について述べる。
本明細書における閾値変動比とは、活性領域の位置ずれによって閾値利得が変動する場合の、閾値利得の最大値と最小値の比を求めたもので、この値が小さいほど位置ずれによる閾値利得変動が小さい構造であると言える。
図中の破線は、閾値変動比が１になるところを示しており、位置ずれによる閾値変動が全く起こらない状態に相当する。
活性層グループの中心間距離が４０ｎｍの場合に閾値変動比は最も１に近づき、中心間距離がそこから離れるにしたがって閾値変動比が大きくなる。
先に述べたように、この４０ｎｍという距離は、共振器中での光波長λの約１／４であり、共振器中の定在波の腹と節の距離に一致する。
つまり、活性層グループの中心間距離が定在波の腹と節の距離に一致する場合に最も閾値変動が小さく、特性均一化という観点では最適であると言える。
なお、ここには示していないが、隣接する腹と節の距離だけでなく、それ以上離れた腹と節の距離に対応する中心間距離でも本発明の効果が得られる。つまり、共振器中の光波長λの１／４の奇数倍に相当する距離だけ離して活性層グループを配置してもよい。
これを式で表すと、中心間距離ｄは、
ｄ＝１／４×λ×ｍ                        （ｍは奇数）
であればよい。
【００１７】
但し、中心間距離が狭い方が、設計通りの膜厚で作製された場合の閾値利得を小さくできる。
したがって、使用する製造工程で生じる膜厚ずれの大きさや、許容される閾値変動の大きさ、目標とする歩留まりに応じて、上記の最適値以外の距離に配置する事もあり得る。
例えば、許容される閾値変動比が４以下である場合は、中心間距離ｄは、
ｄ＝１／４×λ×（ｍ±０．３７）                    （ｍは奇数）
の範囲であればよい。
また、許容される閾値変動比が３以下である場合は、中心間距離ｄは、
ｄ＝１／４×λ×（ｍ±０．３）                      （ｍは奇数）
の範囲であればよい。
また、許容される閾値変動比が２以下である場合は、中心間距離ｄは、
ｄ＝１／４×λ×（ｍ±０．１７）                    （ｍは奇数）
の範囲であればよい。
【００１８】
本発明の効果を得るには、前述したように複数の活性層グループ同士で位置ずれの影響を打ち消しあう必要がある。
ここで、活性層グループが２つの場合、効果的に打ち消しあうためには２つの活性層グループの利得が等しいことが好ましい。
利得を等しくするためには、基本的には２つの活性層グループの構造を等しくすればよいが、構造が等しくても利得が対称になるとは限らない。
一般に、多重量子井戸をｐ型とｎ型のクラッドで挟んだ構造において、ｐ側に近い量子井戸層の方が大きな利得を持ちやすい。
そのため、その影響を考慮してｐ側とｎ側の活性グループの構造を異なる組成と厚さで形成する場合もある。
【実施例】
【００１９】
以下に、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下に説明する実施例の構成によって、何ら限定されるものではない。
例えば、半導体材料の種類や組成、微細構造の形状や大きさ等は、本発明の範囲内で適宜変更できる。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用したＶＣＳＥＬについて、図４を用いて説明する。
図４は、本実施例におけるＶＣＳＥＬの層構造を示す断面模式図である。
本実施例におけるＶＣＳＥＬは窒化物半導体層と誘電体ＤＢＲで形成され、真空中の波長４１０ｎｍでレーザ発振するように設計されている。
共振器の出射側には、１／４波長の光学厚さを持つ五酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）と二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）の層が７ペア積層された誘電体ＤＢＲ（第１の反射鏡）４００が反射鏡として形成されている。非出射側には出射側と同様の層が１１ペア積層された誘電体ＤＢＲ（第２の反射鏡）４１０が形成されている。
そして、誘電体ＤＢＲ４００と誘電体ＤＢＲ４１０との間に、活性領域４２０が配されている。
具体的には、活性領域４２０はｎ−ＧａＮ４３０とｐ−ＧａＮ４４０で挟んだ構造となっており、ｎ−ＧａＮ、活性領域、ｐ−ＧａＮを合わせた光学厚さが７波長分となるように設計されている。
また、ｐ側で電流を拡散させる目的で厚さ５０ｎｍのＩＴＯ層４５０をｐ−ＧａＮ４４０と誘電体ＤＢＲ４１０の間に挟んでいる。
活性領域４２０は、厚さ２．５ｎｍのＩｎ0.09Ｇａ0.91Ｎからなる量子井戸４２１が厚さ３７．５ｎｍのｕｄ−ＧａＮ層４２２を挟んで２層配置された構成になっている。
Ｉｎ0.09Ｇａ0.91Ｎ量子井戸１層で１つの活性層グループを形成しており、それが２グループ配置されているとみなすことができる。活性層グループの中心間距離は４０ｎｍである。
【００２０】
共振器を構成する物質のうち、ｎ−ＧａＮ、活性領域、ｐ−ＧａＮ部分の平均屈折率は約２．５６である。
したがって、真空中の波長４１０ｎｍの光の本共振器中での波長λは約１６０ｎｍである。活性層グループの中心間距離４０ｎｍは共振器中での波長λの１／４に相当する。
本実施例において、ｎ−ＧａＮ４３０は研磨工程により膜厚を調整しており、その際の膜厚ずれによって活性領域の位置ずれが起こりやすくなっている。
しかしながら、上記のように活性層グループの中心間距離を適切に設計しているため、閾値利得のばらつきは生じにくい。
【００２１】
［実施例２］
実施例２として、本発明を適用したＶＣＳＥＬについて、図５を用いて説明する。
本実施例における実施例１との差異は、活性領域５２０のうちｎ側（上側）の活性層グループ５２５が量子井戸４２１を２層含んだ多重量子井戸で形成されている点である。
先に述べたように、同一の組成と厚さの量子井戸を配置した場合であっても、一般的にｐ側に近い位置に配置された量子井戸ほど高い利得を持つ。これは電子に比べて正孔の有効質量が大きいため、正孔の分布がｐ側に偏ったものになりやすいことが原因である。
その影響を打ち消すために、本実施例ではｐ側（下側）の活性層グループを１層の量子井戸、ｎ側（上側）の活性層グループを多重量子井戸で形成している。
これにより、ｎ側の利得を大きくしてｐ側の利得に近づける事ができ、位置ずれの影響を打ち消しあう効果を高めることができる。
【符号の説明】
【００２２】
１００：活性層
１１０：活性層
１２０：定在波の腹
１３０：定在波の節
４００：反射鏡（誘電体ＤＢＲ）
４１０：反射鏡（誘電体ＤＢＲ）
４２０：活性領域
４２１：量子井戸
５２０：活性領域
５２５：活性層グループ（多重量子井戸）
【図１】
2014017295.tif 000003
【図２】
2014017295.tif 000004
【図３】
2014017295.tif 000005
【図４】
2014017295.tif 000006
【図５】
2014017295.tif 000007
【図６】
2014017295.tif 000008