(57)【要約】【課題】エアギャップを半導体層とＤＢＲ層との間に挿入する構成にした場合であっても閾値電流を低くすることが可能な面発光レーザを実現する。【解決手段】成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザにおいて、光の取り出し口を有する基板と、この基板上に形成された第１の分布反射層と、第１及び第２のスペーサ層により上下方向から挟まれると共に第１の分布反射層上に形成された活性層と、上部の第１のスペーサ層上の中央部に形成されたトンネル接合と、このトンネル接合の周辺及び上部に形成された第３のスペーサ層と、この第３のスペーサ層上に形成されたコンタクト層と、このコンタクト層上の中央部に形成された位相調整層と、コンタクト層上の周辺部に形成される第１の電極と、基板の裏面であって光の取り出し口以外の部分に形成された第２の電極と、位相調整層とエアギャップを介して対向するように第２の分布反射層とを備え、位相調整層とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように位相調整層の膜厚を調整する。【選択図】                    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザにおいて、
光の取り出し口を有する基板と、
この基板上に形成された第１の分布反射層と、
第１及び第２のスペーサ層により上下方向から挟まれると共に前記第１の分布反射層上に形成された活性層と、
上部の前記第１のスペーサ層上の中央部に形成されたトンネル接合と、
このトンネル接合の周辺及び上部に形成された第３のスペーサ層と、
この第３のスペーサ層上に形成されたコンタクト層と、
このコンタクト層上の中央部に形成された位相調整層と、
前記コンタクト層上の周辺部に形成される第１の電極と、
前記基板の裏面であって前記光の取り出し口以外の部分に形成された第２の電極と、
前記位相調整層とエアギャップを介して対向するように第２の分布反射層とを備え、
前記位相調整層と前記エアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように前記位相調整層の膜厚を調整したことを特徴とする面発光レーザ。
【請求項２】
前記第２の分布反射層は半導体微細加工技術によって形成され可動にしたことを特徴とする
請求項１記載の面発光レーザ。
【請求項３】
前記位相調整層が、
半導体部材であることを特徴とする
請求項１若しくは請求項２記載の面発光レーザ。
【請求項４】
前記位相調整層が、
誘電体膜であることを特徴とする
請求項１若しくは請求項２記載の面発光レーザ。
【請求項５】
前記コンタクト層上であって前記第１の電極が形成された以外の部分に前記位相調整層を形成することを特徴とする
請求項１乃至請求項４記載の面発光レーザ。
【請求項６】
前記位相調整層の膜厚をエッチングにより微調整することを特徴とする
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の面発光レーザ。
【請求項７】
前記コンタクト層に定在波の節が位置するように構成したことを特徴とする
請求項１若しくは請求項２記載の面発光レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザに関し、特にエアギャップを半導体層と分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても閾値電流を低くすることが可能な面発光レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）は活性層とクラッド層を多層膜等で形成された反射層で挟み込んだ構造を有するものであり、光通信用光源や光計測用光源として用いられ、特にＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：波長分割多重）等の波長多重通信に適用することが可能な面発光レーザに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平０８−２１３７０２号公報
【特許文献２】
特開２０００−２７７８５３号公報
【特許文献３】
特開２００２−１３４８３５号公報
【非特許文献１】
Ｍ．Ｏｒｔｓｉｅｆｅｒ  ｅｔ．ａｌ．，  Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ  ｖｏｌ．７６  ｐｐ．２１７８−２１８１（２０００）
【非特許文献２】
Ｇ．Ｒ．Ｈａｄｌｅｙ  ｅｔ．ａｌ．，  ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ３２  ｐｐ．６０７−６１６（１９９６）
【０００４】
図６はこのような従来の面発光レーザの一例を示す構成断面図であり、「Ｍ．Ｏｒｔｓｉｅｆｅｒ  ｅｔ．ａｌ．，  Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ  ｖｏｌ．７６  ｐｐ．２１７８−２１８１（２０００）」に記載されたものである。
【０００５】
図６において１はＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓで形成されたｎ型分布反射層（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：以下、ＤＢＲ層と呼ぶ。）、２及び４はスペーサ層、３は量子井戸（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）等を用いた活性層、５はｐ型不純物が高濃度にドーピングされたｐ型のトンネル接合層、６はｎ型不純物が高濃度にドーピングされたｎ型のトンネル接合層、７はｎ型のＩｎＰ等の低屈折率層、８はミラー層、９はコンタクト層、１０は上部の電極、１１はヒートシンク、１２ａ及び１２ｂは下部の電極である。
【０００６】
ＤＢＲ層１の上（実際の図６では下であるが以下の形成過程の説明に際しては上下逆転して説明する。）には下部のスペーサ層２、活性層３及び上部のスペーサ層４が順次形成され、上部のスペーサ層４の上にはｐ型のトンネル接合層５及びｎ型のトンネル接合層６が順次形成され、トンネル接合が形成される。
【０００７】
このようなトンネル接合がｎ型のＤＢＲ層１の上であって中央部にのみ形成されるようにｐ型のトンネル接合層５の一部及びｎ型のトンネル接合層６であって図６中”ＣＩ０１”及び図６中”ＣＩ０２”に示すような周囲の部分がエッチングにより取り除かれる。
【０００８】
その後、ｎ型のトンネル接合層６及び前記エッチングの工程で表面に現れたｐ型のトンネル接合層５の上にはＩｎＰ等の低屈折率層７が形成される。
【０００９】
そして、低屈折率層７の上であって中央部には上部ミラーを構成するミラー層８が形成され、当該ミラー層８の周囲にはコンタクト層９が形成される。また、トンネル接合層６と低屈折率層７との側面には絶縁膜が形成さる。
【００１０】
コンタクト層９に接続するように上部の電極１０が形成され、低屈折率層７の状面及び側面にはヒートシンク１１が形成される。さらに、ＤＢＲ層１の裏面には下部の電極１２が形成される。
【００１１】
ここで、図６に示す従来例の動作を図７を用いて説明する。但し、図７を用いた動作説明に際してはＤＲＢ層１を上部として説明する。また、図７は注入電流の流れの一例を示す説明図である。
【００１２】
上部の電極１２と下部の電極１０との間に電圧が印加されると上部の電極１２から図７中”ＣＲ１１”及び図７中”ＣＲ１２”に示すように電流が中央部に形成されたトンネル接合を通じて流れて電流狭窄を生じる。
【００１３】
このとき、バンドギャップの最も狭い活性層４において正孔と電子の結合が生じて光が発光し、ＤＢＲ層１とミラー層８との間に形成される光共振器で光増幅されて、ＤＢＲ層１側であって上部の電極１２ａが無い部分から図７中”ＬＲ１１”に示すようにレーザ光として出力される。
【００１４】
一方、トンネル接合部分は高屈折率材料を用いており、周囲には低屈折率層７が形成されているので、両者の間で等価屈折率差”Δｎｅｆｆ”が生じる。
【００１５】
このような、等価屈折率差”Δｎｅｆｆ”は、トンネル接合部分での共振波長を”λ”、トンネル接合部分と周辺部分との共振波長の差を”Δλ”、等価屈折率を”ｎｅｆｆ”とした場合、
Δｎｅｆｆ／ｎｅｆｆ＝Δλ／λ      （１）
で表される。
【００１６】
すなわち、この等価屈折率”ｎｅｆｆ”により、トンネル接合部分に前述の光共振器で共振するレーザ光が閉じ込められ、面発光レーザのレーザ光の光強度分布が中央部分（トンネル接合部分）で最大となるため横モード制御が可能になる。
【００１７】
また、トンネル接合部分は不純物が高濃度にドーピングされていて光吸収が大きいため、当該トンネル接合部分に共振するレーザ光の定在波の節の部分がくるように構成を調整することにより、レーザ光のトンネル接合部分における光吸収を抑えている。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図６に示す従来の面発光レーザにおいてレーザ光を波長可変にするためには、上部のミラーであるＤＢＲ層１を可動にすれば良いが、低屈折率であるエアギャップを半導体層（スペーサ層２等）とＤＢＲ層１との間に挿入する構成にした場合には閾値電流が大きくなってしまう場合があると言った問題点があった。
【００１９】
例えば、閾値電流が大きくなった場合には、当該閾値電流に達するまでの注入電流分は熱の発生に寄与することになり、閾値電流の低い面発光レーザと比較して同じ注入電流を供給しても光出力の光強度は弱くなってしまうといった問題が生じる。
従って本発明が解決しようとする課題は、エアギャップを半導体層とＤＢＲ層との間に挿入する構成にした場合であっても閾値電流を低くすることが可能な面発光レーザを実現することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
成長層に垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザにおいて、
光の取り出し口を有する基板と、この基板上に形成された第１の分布反射層と、第１及び第２のスペーサ層により上下方向から挟まれると共に前記第１の分布反射層上に形成された活性層と、上部の前記第１のスペーサ層上の中央部に形成されたトンネル接合と、このトンネル接合の周辺及び上部に形成された第３のスペーサ層と、この第３のスペーサ層上に形成されたコンタクト層と、このコンタクト層上の中央部に形成された位相調整層と、前記コンタクト層上の周辺部に形成される第１の電極と、前記基板の裏面であって前記光の取り出し口以外の部分に形成された第２の電極と、前記位相調整層とエアギャップを介して対向するように第２の分布反射層とを備え、
前記位相調整層と前記エアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように前記位相調整層の膜厚を調整したことにより、エアギャップをコンタクト層と第２の分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても閾値電流を低くすることが可能になる。
【００２１】
請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記第２の分布反射層は半導体微細加工技術によって形成され可動にしたことにより、レーザ光の発振波長を可変にすることが可能になる。
【００２２】
請求項３記載の発明は、
請求項１若しくは請求項２記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記位相調整層が、
半導体部材であることにより、選択エッチング法等で容易に作製でき、エアギャップをコンタクト層と第２の分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても閾値電流を低くすることが可能になる。
【００２３】
請求項４記載の発明は、
請求項１若しくは請求項２記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記位相調整層が、
誘電体膜であることにより、リフトオフ法等により容易に作製でき、エアギャップをコンタクト層と第２の分布反射層との間に挿入する構成にした場合であっても閾値電流を低くすることが可能になる。
【００２４】
請求項５記載の発明は、
請求項１乃至請求項４記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記コンタクト層上であって前記第１の電極が形成された以外の部分に前記位相調整層を形成することにより、表面保護膜として用いることが可能になる。
【００２５】
請求項６記載の発明は、
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記位相調整層の膜厚をエッチングにより微調整することにより、閾値電流のばらつきを補正することが可能になる。
【００２６】
請求項７記載の発明は、
請求項１若しくは請求項２記載の発明である面発光レーザにおいて、
前記コンタクト層に定在波の節が位置するように構成したことにより、レーザ光の光吸収を低減することが可能になる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る面発光レーザの一実施例を示す構成断面図である。
【００２８】
図１において１３はｎ型のＩｎＰ基板、１４はｎ型のＩｎＧａＡｓＰとｎ型のＩｎＰで形成された分布反射層（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：以下、ＤＢＲ層と呼ぶ。）、１５はｎ型のＩｎＡｌＡｓで形成されたスペーサ層、１６はＩｎＧａＡｌＡｓで形成された多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）等を用いた活性層、１７はｐ型のＩｎＡｌＡｓで形成されたスペーサ層、１８はｐ型不純物が高濃度にドーピングされたＩｎＧａＡｌＡｓで形成されたｐ型のトンネル接合層、１９はｎ型不純物が高濃度にドーピングされたＩｎＧａＡｌＡｓで形成されたｎ型のトンネル接合層、２０はｎ型のＩｎＰで形成されたスペーサ層、２１はｎ型のＩｎＧａＡｓＰで形成されたコンタクト層、２２は上部の電極、２３はｎ型のＩｎＰで形成された位相調整層、２４はＤＢＲ層、２５はＳｉで形成されたメンブレン、２６は下部の電極である。
【００２９】
ｎ型のＩｎＰ基板１３上には下部のＤＢＲ層１４が形成され、ＤＢＲ層１４の上には下部のスペーサ層１５、活性層１６及び上部のスペーサ層１７が順次形成される。
【００３０】
上部のスペーサ層１７の上にはｐ型のトンネル接合層１８及びｎ型のトンネル接合層１９が順次形成されてトンネル接合を形成し、ｐ型のトンネル接合層１８の一部及びｎ型のトンネル接合層１９であって図１中”ＣＩ２１”及び図１中”ＣＩ２２”に示すような周囲の部分がエッチングにより取り除かれる。
【００３１】
その後、ｎ型のトンネル接合層１９及び前記エッチングの工程で表面に現れたｐ型のトンネル接合層１８の上にはスペーサ層２０及びコンタクト層２１が順次形成される。
【００３２】
コンタクト層２１の中央部分には位相調整層２３が形成され、コンタクト層２１の周辺部分には上部の電極２２が形成される。
【００３３】
そして、位相調整層２３の上方には位相調整層２３に接しない状態でメンブレン２５が形成され、メンブレン２５の下、言い換えれば、位相調整層２３に対向する面にはＤＢＲ層２４が形成されて、図１中”ＡＧ２１”に示すようなエアギャップを形成する。
【００３４】
一方、ｎ型のＩｎＰ基板１３は裏面であって図１中”ＡＲ２１”に示す部分が光の取り出し口としてエッチングによりＤＢＲ層１４表面まで取り除かれ、残ったｎ型のＩｎＰ基板１３の裏面には電極２６が形成される。
【００３５】
ここで，図１に示す実施例の動作を図２、図３、図４及び図５を用いて説明する。図２は注入電流の流れの一例を示す説明図、図３は位相調整層２３とエアギャップの境界面に定在波の節が位置する場合のレーザ光の光強度分布の一例を示す特性曲線図、図４は位相調整層２３とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置する場合のレーザ光の光強度分布の一例を示す特性曲線図、図５は図３及び図４における閾値電流と光出力の一例を示す特性曲線図である。
【００３６】
上部の電極２２と下部の電極２６との間に電圧が印加されると上部の電極２２から図２中”ＣＲ３１”及び図２中”ＣＲ３２”に示すように電流が中央部に形成されたトンネル接合を通じて流れて電流狭窄を生じる。
【００３７】
このとき、バンドギャップの最も狭い活性層１６において正孔と電子の結合が生じて光が発光し、ＤＢＲ層１４とＤＢＲ層２４の間に形成される光共振器で光増幅されて、ＤＢＲ層１４側であってｎ型のＩｎＰ基板１３が取り除かれた光の取り出し口から図２中”ＬＲ３１”に示すようにレーザ光として出力される。
【００３８】
そして、上部のスペーサ層１７と下部のスペーサ層１５の膜厚は活性層１６に定在波の腹がくるように調整されている。
【００３９】
また、メンブレン２５をＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ  ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ：可動部品と電子回路を半導体微細加工技術によって集積した微小な機械システム）で可動にして、位相調整層２３とＤＢＲ層２４との間隔（図１中”ＡＧ２１”に示すエアギャップの間隔に相当）を調整することにより、レーザ光の発振波長を可変にしている。
【００４０】
さらに、位相調整層２３の膜厚を調整して、位相調整層２３とエアギャップのの境界面に定在波の腹がくるように調整される。
【００４１】
例えば、図３中”ＣＨ４１”に示す特性曲線から分かるように、位相調整層２３とエアギャップの境界面に定在波の節が位置する場合には、図３中”ＤＢ４１”に示す下部のＤＢＲ層１４及び図３中”ＱＷ４１”に示す活性層１６を含むスペーサ層１５〜位相調整層２３の半導体層における光強度が小さく、逆に、図３中”ＡＧ４１”に示すエアギャップにおける光強度が大きくなり、活性層１６における発振するレーザ光の閉じ込めが少なくなる。
【００４２】
一方、例えば、図４中”ＣＨ５１”に示す特性曲線から分かるように、位相調整層２３とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置する場合には、図４中”ＡＧ５１”に示すエアギャップにおける光強度が小さく、逆に、図４中”ＱＷ５１”に示す活性層１６を含むスペーサ層１５〜位相調整層２３の半導体層における光強度が大きくなり、活性層１６における発振するレーザ光の閉じ込めが多くなる。
【００４３】
すなわち、位相調整層２３とエアギャップの境界面に定在波の節が位置する場合には、活性層１６における発振するレーザ光の閉じ込めが少なくなるので、図５中”ＣＨ６１”に示すような特性曲線になり、閾値電流が図５中”ＴＣ６１”に示すようになる。
【００４４】
一方、位相調整層２３とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置する場合には、活性層１６における発振するレーザ光の閉じ込めが多くなるので、図５中”ＣＨ６２”に示すような特性曲線になり、閾値電流が図５中”ＴＣ６１”に示すようになり、前者と比較して閾値電流を低くすることが可能になる。
【００４５】
また、横モード制御に関しては従来例と同様にトンネル接合部分の周囲に形成されたスペーサ層２０との等価屈折率差により、トンネル接合部分に光共振器で共振するレーザ光が閉じ込められ、面発光レーザのレーザ光の光強度分布が中央部分（トンネル接合部分）で最大となるため横モード制御が可能になる。
【００４６】
この結果、半導体層（コンタクト層２１）の上面に位相調整層２３を形成して、位相調整層２３とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように位相調整層２３の膜厚を調整することにより、エアギャップを半導体層（コンタクト層２１）とＤＢＲ層２４との間に挿入する構成にした場合であっても閾値電流を低くすることが可能になる。
【００４７】
なお、図１に示す実施例では位相調整層２３としてｎ型のＩｎＰを例示しているが、位相調整膜２３は半導体部材に限定されるものではなく、ＳｉＮ等の誘電体膜であっても構わない。
【００４８】
また、位相調整膜２３を上部の電極２２が形成された以外のコンタクト層２１上全体に形成させることにより、表面保護膜として用いても構わない。
【００４９】
また、位相調整膜２３の膜厚をエッチング等によって微調整することにより、閾値電流のばらつきを補正しても構わない。
【００５０】
また、コンタクト層２１は高濃度にドーピングするとレーザ光の光吸収が増加するので、コンタクト層２１において定在波の節が位置するように構成することにより、レーザ光の光吸収を低減することができる。
【００５１】
また、図１に示す実施例では、第２の分布反射層は第３のスペーサ層に対向するようにエアギャップを介してメンブレン上に形成された旨記載しているが、勿論、メンブレンに限定されるものではない。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，３及び請求項４の発明によれば、コンタクト層の上面に位相調整層を形成して、位相調整層とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置するように位相調整層の膜厚を調整することにより、エアギャップをコンタクト層とＤＢＲ層との間に挿入する構成にした場合であっても閾値電流を低くすることが可能になる。
【００５３】
また、請求項２の発明によれば、メンブレンをＭＥＭＳで可動にして、位相調整層とＤＢＲ層との間隔を調整することにより、レーザ光の発振波長を可変にすることが可能になる。
【００５４】
また、請求項５の発明によれば、コンタクト層上であって電極が形成された以外の部分に位相調整層を形成することにより、表面保護膜として用いることが可能になる。
【００５５】
また、請求項６の発明によれば、位相調整層の膜厚をエッチングにより微調整することにより、閾値電流のばらつきを補正することが可能になる。
【００５６】
また、請求項７の発明によれば、コンタクト層に定在波の節が位置するように構成したことにより、レーザ光の光吸収を低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る面発光レーザの一実施例を示す構成断面図である。
【図２】注入電流の流れの一例を示す説明図である。
【図３】位相調整層とエアギャップの境界面に定在波の節が位置する場合のレーザ光の光強度分布の一例を示す特性曲線図である。
【図４】位相調整層とエアギャップの境界面に定在波の腹が位置する場合のレーザ光の光強度分布の一例を示す特性曲線図である。
【図５】図３及び図４における閾値電流と光出力の一例を示す特性曲線図である
【図６】従来の面発光レーザの一例を示す構成断面図である。
【図７】注入電流の流れの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１，１４，２４  分布反射層（ＤＢＲ層）
２，４，１５，１７，２０  スペーサ層
３，１６  活性層
５，６，１８，１９  トンネル接合層
７  低屈折率層
８  ミラー層
９，２１  コンタクト層
１０，１２ａ，２２，２６  電極
１１  ヒートシンク
１３  ＩｎＰ基板
２３  位相調整層
２５  メンブレン
【図１】
2004172341.tif 000003
【図２】
2004172341.tif 000004
【図３】
2004172341.tif 000005
【図４】
2004172341.tif 000006
【図５】
2004172341.tif 000007
【図６】
2004172341.tif 000008
【図７】
2004172341.tif 000009