(57)【要約】  半絶縁性半導体からなるベース基板（１１）と、ベース基板（１１）の表面に形成された、Ｎ型半導体コンタクト層（２１）、Ｎ型ＤＢＲ層（２２）、活性層（４０）、Ｐ型半導体ＤＢＲ層（２３）、Ｐ型半導体コンタクト層（２４）をそれぞれ含む発光領域多層部と、Ｐ型半導体コンタクト層（２４）に接続されているアノード用電極（９２１）と、ベース基板（１１）の表面側に形成された、Ｎ型半導体コンタクト層（２１）に接続されているカソード用電極（９１１）とを備える。Ｎ型ＤＢＲ層（２２）は、組成の異なる層を１５ペア以上積層されている。これにより、コストを抑えつつ、ベース基板に起因する結晶欠落による不良の発生を抑制できる垂直共振面発光レーザを提供する。
2014103428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半絶縁性半導体からなるベース基板と、
前記ベース基板の表面に形成された、Ｎ型半導体多層膜反射層、量子井戸を備える活性層、Ｐ型半導体多層膜反射層をそれぞれ含む発光領域多層部と、
Ｐ型半導体多層膜反射層に接続されているアノード用電極と、
Ｎ型半導体多層膜反射層に接続されているカソード用電極と、
を備え、
前記Ｎ型半導体多層反射層は、組成の異なる層が１５ペア以上積層されている、
垂直共振面発光レーザ。
【請求項２】
前記ベース基板は、ＧａＡｓからなり、
前記Ｎ型半導体多層膜反射層、前記活性層、及び前記Ｐ型半導体多層膜反射層は、前記ＧａＡｓをベースとして、Ａｌの組成比を異ならせて形成した層からなり、
ヘテロ接合型の半導体によって形成されている、
請求項１に記載の垂直共振面発光レーザ。
【請求項３】
前記Ｎ型半導体多層反射層における組成の異なる層の積層数は、４０ペア以下である、請求項１又は２に記載の垂直共振面発光レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直共振面発光レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体レーザの一種として、垂直共振面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：VerticalCavity Surface Emitting LASER）が実用化されている。【０００３】
垂直共振面発光レーザの概略的な構造は、例えば特許文献１に示すように、裏面にカソード電極が形成されたＮ型半導体からなるベース基板の上層に、第１ＤＢＲ（多層分布ブラッグ反射器）層が形成されている。第１ＤＢＲ層の上層には第１スペーサ層が形成されている。第１スペーサ層の上層には、量子井戸を備える活性層が形成されている。活性層の上層には、第２スペーサ層が形成されている。第２スペーサ層の上層には、第２ＤＢＲ層が形成されている。第２ＤＢＲ層の上層には、アノード電極が形成されている。そして、アノード電極とカソード電極間に駆動信号を印加することで、基板に垂直な（積層方向に平行な）方向へ鋭い指向性を有するレーザ光が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００３−５０８９２８号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Jpn.J.Appl.Phys.Vol.32(1993)pp.614-617
【非特許文献２】Appl.Phys.Lett.52(7).543
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的に、半導体レーザでは、特許文献１に開示されているように、Ｎ型半導体基板がベース基板として用いられる。これは、Ｎ型半導体基板を用いた場合には、原子半径の異なる不純物を導入することによる不純物硬化効果により、欠陥密度を低減することが出来るからである。ベース基板中の欠陥は、基板上にエピタキシャル成長させた半導体層中にも伝搬しやすく、レーザの特性や信頼性に悪影響を及ぼすと考えられる。【０００７】
しかしながら、ベース基板にＮ型半導体を用いた特許文献１では、汎用性の高い半絶縁性半導体よりも大口径基板の入手が困難であるため、コストが高いといった問題がある。一方で、ベース基板に半絶縁性半導体を用いた場合、基板の欠陥密度がＮ型半導体を用いた場合と比べると高い。このため、基板上に成長させた半導体層にまで伝搬する転位密度が上昇する。レーザにおいて、基板上に成長させた半導体層は通常活性層を含んでおり、したがって、活性層に欠陥が発生すると、レーザとしての特性や信頼性が劣化するといった問題がある。【０００８】
一方、基板上の半導体層への転位の伝搬を抑制する技術として、歪超格子層（Strained-layerSuper lattice）を挿入する方法も提案されている。非特許文献１によれば、Ｎ型ＧａＡｓ基板上に、格子不整合が大きいＩｎＰを形成する際に、２．５％の格子不整合を有するＩｎ0.65Ｇａ0.35Ｐ層を歪層として導入し、転位の伝搬を抑制した端面発光レーザが提案されている。しかしながら、このような歪層の追加は、半導体基板のコストアップに繋がる、という問題がある。【０００９】
また、非特許文献２には、格子不整合の少ないＡｌＡｓ−ＧａＡｓ超格子によっても、半絶縁性ＧａＡｓ基板の転位の伝搬を抑制できることが示されている。つまり、ＡｌＡｓ層にドープし、ＧａＡｓ層にはドープしない構造が効果的に転位の伝搬を抑制できることが示されている。しかしながら、ドープしない層は高抵抗であるため、半導体デバイスとしての特性が劣化する、という問題がある。【００１０】
そこで、本発明の目的は、コストを抑えつつ、ベース基板上にエピタキシャル成長させた半導体層に伝搬する転位を抑制し、その結果、不良の発生を抑制できる垂直共振面発光レーザを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る垂直共振面発光レーザは、半絶縁性半導体からなるベース基板と、前記ベース基板の表面に形成された、Ｎ型半導体多層膜反射層、量子井戸を備える活性層、Ｐ型半導体多層膜反射層をそれぞれ含む発光領域多層部と、Ｐ型半導体多層膜反射層に接続されているアノード用電極と、Ｎ型半導体多層膜反射層に接続されているカソード用電極と、を備え、前記Ｎ型半導体多層反射層は、組成の異なる層が１５ペア以上積層されていることを特徴とする。【００１２】
この構成では、１５ペア以上積層されたＮ型半導体多層反射層により、ベース基板に起因する結晶欠陥によるレーザ特性の劣化の発生を抑制することができる。【００１３】
前記ベース基板は、ＧａＡｓからなり、前記Ｎ型半導体多層膜反射層、前記活性層、及び前記Ｐ型半導体多層膜反射層は、前記ＧａＡｓをベースとして、Ａｌの組成比を異ならせて形成した層からなり、ヘテロ接合型の半導体によって形成されている構成でもよい。【００１４】
この構成では、レーザ特性の良い垂直共振面発光レーザを実現できる。【００１５】
前記Ｎ型半導体多層反射層における組成の異なる層の積層数は、４０ペア以下である構成でもよい。【００１６】
この構成では、大口径基板が入手容易な半絶縁性半導体基板を利用し、転位の伝搬による歩留りの低下を抑制した低コストの垂直共振面発光レーザを実現できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、低コストで、かつ、優れた発光特性および信頼性を有する垂直共振面発光レーザを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態１に係る垂直共振面発光レーザの平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ’線における垂直共振面発光レーザの断面図。
【図３】図１のＢ−Ｂ’線における垂直共振面発光レーザの断面図。
【図４】第１の半導体多層膜反射層の断面の一部を拡大した模式図。
【図５】Ｎ型半導体ＤＢＲ層を構成するＡｌＧａＡｓ層のペア数と、転位の伝搬する方向との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る垂直共振面発光レーザの好適な実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は、実施形態１に係る垂直共振面発光レーザの平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線における垂直共振面発光レーザの断面図である。図３は、図１のＢ−Ｂ’線における垂直共振面発光レーザの断面図である。
【００２１】
垂直共振面発光レーザ１はヘテロ接合型の半導体からなり、ＧａＡｓを材料とするベース基板１１を備える。ベース基板１１は、ＧａＡｓを材料とする半絶縁性半導体基板である。ベース基板１１は、抵抗率が１．０×１０７Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。
【００２２】
ベース基板１１の表面には、Ｎ型半導体コンタクト層２１が積層形成されている。Ｎ型半導体コンタクト層２１は、Ｎ型導電性を有する化合物半導体からなる。
【００２３】
Ｎ型半導体コンタクト層２１の表面には、Ｎ型ＤＢＲ（多層分布ブラッグ反射器）層２２が積層形成されている。この、Ｎ型ＤＢＲ層が、本願請求項のＮ型半導体多層膜反射層に相当する。Ｎ型半導体ＤＢＲ層２２は、ＡｌＧａＡｓ材料からなり、Ｇａに対するＡｌの組成比率が異なる層を複数層積層してなる。つまり、Ｎ型半導体ＤＢＲ層は、発振波長のエネルギーよりも大きいバンドギャップを有する材料の組み合わせで構成されている。具体的には、Ａｌ組成が０．９程度の高Ａｌ組成層と、０．１程度の低Ａｌ組成層をペアとして、レーザの発振波長λに対して、高Ａｌ層、低Ａｌ層がそれぞれ１／４λとなる光学膜厚を有するペアが、１５ペア以上積層されて形成されている。今回の実施例では、λは８５０ｎｍとなるように設計されている。このような層構成により、所定波長のレーザ光を効率的に反射するための第１の反射器を形成する。なお、Ｎ型半導体ＤＢＲ層２２は、Ｎ型半導体コンタクト層２１を兼ねていてもよい。すなわち、Ｎ型半導体コンタクト層２１は必須ではない。
【００２４】
Ｎ型ＤＢＲ層２２の表面には、ＡｌＧａＡｓ材料からなるＮ型半導体クラッド層３１が積層形成されている。Ｎ型半導体クラッド層３１の表面には、活性層４０が形成されている。活性層４０は、ＧａＡｓ材料とＡｌＧａＡｓ材料とからなる。ＡｌＧａＡｓ層をバンドギャップの高い光閉じ込め層とし、その間に挟まれるようにＧａＡｓ層を形成する。この構成により、活性層４０には、バンドギャップの高い光閉じ込め層に挟まれた単一もしくは複数の量子井戸を有する層となる。
【００２５】
各活性層４０の表面には、ＡｌＧａＡｓ材料からなるＰ型半導体クラッド層３２が形成されている。Ｐ型半導体クラッド層３２の表面には、Ｐ型半導体ＤＢＲ層２３が形成されている。この、Ｐ型ＤＢＲ層が、本願請求項のＰ型半導体多層膜反射層に相当する。Ｐ型半導体ＤＢＲ層２３は、ＡｌＧａＡｓ材料からなり、Ｇａに対するＡｌの組成比率が異なる層を複数層積層してなる。つまり、Ｐ型半導体ＤＢＲ層は、発振波長のエネルギーよりも大きいバンドギャップを有する材料の組み合わせで構成されている。Ｐ型半導体ＤＢＲ２３層は、Ｎ型半導体ＤＢＲ層２２と同様に、高Ａｌ層、低Ａｌ層をそれぞれ１/４λとなる光学膜厚となるようなペアが複数層積層されて形成されている。この構成により、所定波長のレーザ光を効率的に反射するための第２の反射器を形成する。
【００２６】
Ｐ型半導体ＤＢＲ層２３は、Ｎ型半導体ＤＢＲ層３１に対して反射率が若干低くなるように形成されている。ここでは、活性層を挟むように半導体クラッド層を設けたが、この構成に限るものではない。共振を発生させるような膜厚の層を活性層に設けてもよい。また、クラッド層は、ドーピングを行わなくても構わない。
【００２７】
Ｐ型半導体クラッド層３２とＰ型半導体ＤＢＲ層２３との境界面には、酸化狭窄層５０が形成されている。酸化狭窄層５０は、ＡｌＧａＡｓ材料からなり、Ｇａに対するＡｌの組成比率が他の各層よりも高く設定されている。酸化狭窄層５０は、Ｐ型半導体クラッド層３２とＰ型半導体ＤＢＲ層２３と境界面の全面に形成されておらず、形成領域の略中央に所定の面積で非形成部５０Ａが存在する。
【００２８】
Ｐ型半導体ＤＢＲ層２３の表面には、Ｐ型半導体コンタクト層２４が積層形成されている。Ｐ型半導体コンタクト層２４は、Ｐ型導電性を有する化合物半導体からなる。なお、Ｐ型半導体ＤＢＲ層は、Ｐ型半導体コンタクト層を兼ねていてもよい。すなわち、Ｐ型半導体コンタクト層は必須ではない。
【００２９】
上述のＮ型半導体コンタクト層２１、Ｎ型半導体ＤＢＲ層２２、Ｎ型半導体クラッド層３１、活性層４０、Ｐ型半導体クラッド層３２、Ｐ型半導体ＤＢＲ層２３、及びＰ型半導体コンタクト層２４からなる構成は、本発明の発光領域多層部に相当する。
【００３０】
このような構成において、光定在波分布の中心の腹の位置に１つの発光スペクトルピーク波長を有する、複数の量子井戸が配置されるように、各層の厚みに対し、Ｇａに対するＡｌの組成比率を設定する。これにより、発光領域多層部は、垂直共振面発光レーザ１の発光部として機能する。さらに、上述の酸化狭窄層５０を備えることで、電流を活性領域に効率良く注入できるとともに、レンズ効果も得られるため、低消費電力が実現できる。
【００３１】
Ｐ型コンタクト層２３の表面には、アノード用電極９２１が形成されている。アノード用電極９２１は、図１に示すように平面視して環状の電極である。なお、アノード用電極は必ずしも環状である必要はなく、例えば環状の一部が開いたＣ型形状や矩形状であってもよい。
【００３２】
Ｎ型半導体コンタクト層２１の表面には、Ｎ型半導体ＤＢＲ層２２が形成されていない領域が設けられている。これらの領域は、Ｎ型半導体ＤＢＲ層２２におけるＮ型半導体クラッド層３１が積層形成される領域の近傍に形成されている。
【００３３】
これらの領域には、カソード用電極９１１が形成されている。カソード用電極９１１は、Ｎ型半導体コンタクト層２１に導通するように形成されている。カソード用電極９１１は、図１に示すように平面視して、円弧状の電極である。
【００３４】
ベース基板１１の表面側には、発光領域多層部を構成する各構成要素の外面を覆うように、絶縁膜６０が形成されている。絶縁膜６０は、カソード用電極９１１及びアノード用電極９２１の少なくとも一部を被覆しないよう形成されている。絶縁膜６０は、例えば窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）を材料としている。
【００３５】
Ｎ型ＤＢＲ層２２におけるＮ型半導体クラッド層３１が形成される領域の近傍には、絶縁膜６０の表面に、絶縁層７０が積層形成されている。絶縁層７０は、例えばポリイミドを材料として形成されている。
【００３６】
絶縁層７０の表面には、カソード用パッド電極９１２及びアノード用パッド電極９２２が離間して形成されている。絶縁層７０は、垂直共振面発光レーザ１の発光領域多層部付近に形成されている。絶縁層７０の表面には、カソード用パッド電極９１２及びアノード用パッド電極９２２が離間して形成されている。
【００３７】
カソード用パッド電極９１２は、カソード配線電極９１３を介して、カソード用電極９１１に接続されている。アノード用パッド電極９２２は、アノード用配線電極９２３を介して、アノード用電極９２１に接続されている。
【００３８】
このような構成により、本実施形態の垂直共振面発光レーザは、次のような作用効果を奏する。
【００３９】
上述のように本実施形態の垂直共振面発光レーザは、Ｎ型半導体ＤＢＲ層２２における、組成および格子定数の異なる層の層数が１５ペア以上である。このような構成とすることで、半絶縁性半導体からなるベース基板１１から発生する、活性層４０における転位密度の上昇を抑制することができる。
【００４０】
図４は、第1の半導体多層膜反射層の断面の一部を拡大した模式図である。図５は、Ｎ型半導体ＤＢＲ層を構成するＡｌＧａＡｓ層のペア数と、転位の伝搬する方向との関係を示す図である。
【００４１】
図４では、ベース基板上にコンタクト層としてＧａＡｓ層を成長させた後に、Ｎ型半導体ＤＢＲ層を形成している。本願発明者らは、鋭意調査した結果、Ｎ型半導体ＤＢＲ層を構成している、組成の異なるＡｌＧａＡｓ層のペア毎に、転位の成長方向が基板面に対して水平方向に平均約６°毎に変化し、１５ペア以上でほぼ基板面に水平方向（約１８０度）になることを確認した。すなわち、図５に示すように、Ｎ型半導体ＤＢＲ層における、組成の異なる層の層数が１５ペア以上である場合、ベース基板中の欠陥は、Ｎ型半導体ＤＢＲ層内にとどめられ、Ｎ型半導体ＤＢＲ層上に形成される、例えば活性層などには伝搬しない。
【００４２】
ベース基板中の欠陥に起因する転位が活性層に達した場合、レーザに電流を印加した際に、非発光再結合を起こし、更なる欠陥を誘発し、発光停止にいたることがある。このため、著しく信頼性が低下する。しかしながら、本実施形態によれば、ベース基板中の欠陥に起因する転位が活性層に達することを抑制することができるため、レーザ特性と信頼性を有する垂直共振面発光レーザを実現できる。
【００４３】
図５に示すように、Ｎ型半導体ＤＢＲ層２２を構成する組成の異なる層の層数を１５ペア以上とすることで、不良の発生を大幅に低減することができる。このように、本実施形態の構成を用いれば、ベース基板１１に半絶縁性半導体を用いても、活性層の転位密度の上昇による不良が発生することを大幅に抑制することができる。さらに、本発明の実施形態では、Ｎ型半導体ＤＢＲ層が、ベース基板の転位の伝搬を抑制している。すなわち、Ｎ型半導体ＤＢＲ層はベース基板の転位が伝搬することを抑制する層を兼ねているため、転位抑制層を別途設ける必要がない。このため、半導体基板のコストを抑えることができる。
【００４４】
したがって、汎用性が高く、安価な半絶縁性半導体を用いることができ、且つ、レーザ特性に優れる垂直共振面発光レーザを容易な構造で実現することができる。
【００４５】
なお、Ｎ型ＤＢＲ層の層数の上限は、垂直共振面発光レーザの特性を加味して適宜設定することができるが、例えば４０ペア以下であるとよい。これにより、上述の効果を奏しながら、必要以上にコストアップとならない垂直共振面発光レーザを実現できる。
【符号の説明】
【００４６】
１−垂直共振面発光レーザ
１１−ベース基板
２１−Ｎ型半導体コンタクト層
２２−Ｎ型ＤＢＲ層
２３−Ｐ型半導体ＤＢＲ層
３１−Ｎ型半導体クラッド層
３２−Ｐ型半導体クラッド層
５０−酸化狭窄層
５０Ａ−非形成部
９１１−カソード用電極
９１２−カソード用パッド電極
９２１−アノード用電極
９２２−アノード用パッド電極
【図１】
2014103428.tif 000003
【図２】
2014103428.tif 000004
【図３】
2014103428.tif 000005
【図４】
2014103428.tif 000006
【図５】
2014103428.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成27年5月22日(2015.5.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明に係る垂直共振面発光レーザは、半絶縁性半導体からなるベース基板と、前記ベース基板の表面に形成された、Ｎ型半導体多層膜反射層、量子井戸を備える活性層、Ｐ型半導体多層膜反射層をそれぞれ含む発光領域多層部と、Ｐ型半導体多層膜反射層に接続されているアノード用電極と、Ｎ型半導体多層膜反射層に接続されているカソード用電極と、を備え、前記Ｎ型半導体多層膜反射層は、組成の異なる層が１５ペア以上積層されていることを特徴とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
この構成では、１５ペア以上積層されたＮ型半導体多層膜反射層により、ベース基板に起因する結晶欠陥によるレーザ特性の劣化の発生を抑制することができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
前記Ｎ型半導体多層膜反射層における組成の異なる層の積層数は、４０ペア以下である構成でもよい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
絶縁層７０の表面には、カソード用パッド電極９１２及びアノード用パッド電極９２２が離間して形成されている。絶縁層７０は、垂直共振面発光レーザ１の発光領域多層部付近に形成されている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半絶縁性半導体からなるベース基板と、
前記ベース基板の表面に形成された、Ｎ型半導体多層膜反射層、量子井戸を備える活性層、Ｐ型半導体多層膜反射層をそれぞれ含む発光領域多層部と、
Ｐ型半導体多層膜反射層に接続されているアノード用電極と、
Ｎ型半導体多層膜反射層に接続されているカソード用電極と、
を備え、
前記Ｎ型半導体多層膜反射層は、組成の異なる層が１５ペア以上積層されている、
垂直共振面発光レーザ。
【請求項２】
前記ベース基板は、ＧａＡｓからなり、
前記Ｎ型半導体多層膜反射層、前記活性層、及び前記Ｐ型半導体多層膜反射層は、前記ＧａＡｓをベースとして、Ａｌの組成比を異ならせて形成した層からなり、
ヘテロ接合型の半導体によって形成されている、
請求項１に記載の垂直共振面発光レーザ。
【請求項３】
前記Ｎ型半導体多層膜反射層における組成の異なる層の積層数は、４０ペア以下である、請求項１又は２に記載の垂直共振面発光レーザ。
【手続補正書】
【提出日】平成28年6月29日(2016.6.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半絶縁性半導体からなるベース基板と、
前記ベース基板の表面に形成された、Ｎ型半導体多層膜反射層、量子井戸を備える活性層、Ｐ型半導体多層膜反射層をそれぞれ含む発光領域多層部と、
Ｐ型半導体多層膜反射層に接続されているアノード用電極と、
Ｎ型半導体多層膜反射層に接続されているカソード用電極と、
を備え、
前記Ｎ型半導体多層膜反射層は、組成の異なる層が１５ペア以上積層されており、
前記ベース基板の転位の成長方向は、前記Ｎ型半導体多層膜反射層内で基板面に対して水平方向に変えられている、
垂直共振面発光レーザ。
【請求項２】
前記ベース基板は、ＧａＡｓからなり、
前記Ｎ型半導体多層膜反射層、前記活性層、及び前記Ｐ型半導体多層膜反射層は、前記ＧａＡｓをベースとして、Ａｌの組成比を異ならせて形成した層からなり、
ヘテロ接合型の半導体によって形成されている、
請求項１に記載の垂直共振面発光レーザ。
【請求項３】
前記Ｎ型半導体多層膜反射層における組成の異なる層の積層数は、４０ペア以下である、請求項１又は２に記載の垂直共振面発光レーザ。
【国際調査報告】
2014103428.tif 000008
2014103428.tif 000009