(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層を含む化合物半導体層の積層構造で形成された柱状部を備え、半導体基板に対して直交方向にレーザ光を放出する、ＩｎＰ基板上に形成された面発光型半導体レーザ素子であって、
前記活性層の側面は、Ｆｅ、Ｃｒ及びＲｕのうちの少なくとも一つの元素を含むＩｎＰ層である熱伝導性の電流ブロッキング層を介して金属層に接触し、前記活性層の上下には、ＧａＩｎＡｓＰ層であるクラッド層が形成されていることを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記金属層は、前記半導体層に接する熱伝導膜と、前記熱伝導膜を被覆するヒートシンク、及び放熱板として機能する部分とからなることを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記熱伝導膜は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層蒸着膜であり、前記ヒートシンク、及び放熱板として機能する部分は、Ａｕメッキ層からなることを特徴とする請求項２に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光型半導体レーザ素子に関し、更に詳細には、温度特性に優れ、光データ伝送に適した波長でレーザ光を低い動作電圧で発振させる面発光型半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
面発光型半導体レーザ素子は、基板面に対して直交方向にレーザ光を出射する半導体レーザ素子であって、同一基板上に２次元的に多数のレーザ素子を集積できる特長を備えている。従って、光インターコネクションや光コンピューティングなどの光の並列性を生かして並列光情報処理、或いは大容量並列光伝送などへの適用に適している。
【０００３】
そこで、波長１．３μｍや１．５５μｍの光ファイバー通信や光データ伝送に適した波長のレーザ光を発振する面発光型半導体レーザ素子が注目されていて、通常、ＩｎＰ基板上に活性層としてＧａＩｎＡｓＰ層を備えたものがその分野で使用されている。
【０００４】
ところで、面発光型半導体レーザ素子の特性を左右するレーザ光反射鏡に着目すると、ＧａＡｓ基板上に形成した、波長１μｍ以下のレーザ光を発振する面発光型半導体レーザ素子では、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多層膜反射境を用いることにより、熱伝導特性に優れ、高反射率が得られるレーザ光反射鏡を製作することができる。
【０００５】
一方、光ファイバ伝送に最も適した波長１．３μｍや１．５５μｍのレーザ光を発振する、ＩｎＰ基板上に形成した面発光型半導体レーザ素子では、高反射率、高熱伝導を同時に実現できる反射膜材料が現在のところ見当たらない。
したがって、ＩｎＰ系の面発光型半導体レーザ素子では、波長１．３μｍや１．５５μｍのレーザ光発振は得られるものの、８０℃以上の高温度で動作させ、動作を持続させるのは、技術的に困難であると言わざるを得ないが、困難を克服する種々の解決策が、研究されている。
【０００６】
その解決策の一つとして、ＩｎＰ基板上に形成したＧａＩｎＡｓＰ系材料の活性層と、ＧａＡｓ基板上に成長させたＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多層膜反射鏡を、熱処理によって直接接着する方法が、開発され、実施されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の解決策では、ｐ型ＧａＡｓ層とｐ型ＩｎＰ層の直接接着界面を交差する方向に電流を流すためには、ｐ側電極とｎ側電極間に大きな電圧を印加することが必要であって、動作電圧が高いという問題があった。
また、ＩｎＰ系の活性層とＧａＡs 系の多層膜反射鏡との直接接着界面が汚染したり、熱歪などにより変形したりして、面発光型半導体レーザ素子の寿命が短いという問題もあった。
【０００８】
本発明の目的は、光ファイバ伝送に適した波長でレーザ光を発振し、温度特性に優れ、動作電圧の低い面発光型半導体レーザ素子を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、活性層で発生した熱を効率的に外部に逃がすために、活性層の側面に、ＳｉＮXゃＳｉＯXなどの熱伝導性の悪い材料層を介さずに、直接、金属を接触させ、熱伝導性を高めることを考えた。
また、活性層の側面に形成した金属の間に、Ｆｅ、Ｃｒ、ＲｕのいずれかをドーピングしたＩｎＰなどの高抵抗半導体層を形成し、電流ブロッキング層として機能させることを着想し、実験を重ねて、本発明を完成するに到った。
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る面発光型半導体レーザ素子は、活性層を含む化合物半導体層の積層構造で形成された柱状部を備え、半導体基板に対して直交方向にレーザ光を放出する、ＩｎＰ基板上に形成された面発光型半導体レーザ素子であって、前記活性層の側面は、Ｆｅ、Ｃｒ及びＲｕのうちの少なくとも一つの元素を含むＩｎＰ層である熱伝導性の電流ブロッキング層を介して金属層に接触し、前記活性層の上下には、ＧａＩｎＡｓＰ層であるクラッド層が形成されていることを特徴としている。
【００１１】
本発明の好適な実施態様は、前記電流ブロッキング層は、Ｆｅ、Ｃｒ、及びＲｕのうちの少なくとも一つの元素を含む化合物半導体層を含み、前記金属層に接触している。
本発明で、Ｆｅ、Ｃｒ、及びＲｕのうちの少なくとも一つの元素を含む化合物半導体層は、電気抵抗が高いので、電流ブロッキング層として機能する。
【００１２】
本発明の実施態様では、活性層の側面と金属膜の間に形成された化合物半導体層が、一種類のIII 族元素と一種類のＶ族元素とからなる化合物半導体結晶により形成されている。本実施態様では、熱伝導性に優れた二元半導体結晶を用いることにより、活性層から金属層への熱伝導を高めている。
【００１３】
例えば、面発光型半導体レーザ素子がＩｎＰ基板上に形成された面発光型半導体レーザ素子であるときには、前記電流ブロッキング層がＦｅ、Ｃｒ、及びＲｕのうちの少なくとも一つの元素を含むＩｎＰ層を二元半導体結晶として使用する。
また、面発光型半導体レーザ素子がＩｎＰ基板上に形成された面発光型半導体レーザ素子であるときには、活性層の上下に位置するクラッド層をＧａＩｎＡｓＰで形成することで、回折損失の低減も実現できる。
また、前記金属層は、前記半導体層に接する熱伝導膜と、前記熱伝導膜を被覆するヒートシンク、及び放熱板として機能する部分とからなることを特徴としている。さらに、前記熱伝導膜は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層蒸着膜であり、前記ヒートシンク、及び放熱板として機能する部分は、Ａｕメッキ層からなることを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例１
本実施形態例は、本発明に係る面発光型半導体レーザ素子の実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子１００（以下、簡単に、面発光型レーザ素子１００と言う）は、図１に示すように、ｎ−クラッド層１４、ノンドープ歪量子井戸活性層１６、ｐ−クラッド層１８、ｐ−ＩｎＰクラッド層２２、及びｐ−コンタクト層２４の積層構造を備えている。
【００１５】
そして、積層構造のうち、ｎ−クラッド層１４の上部、ノンドープ歪量子井戸活性層１６、ｐ−クラッド層１８、ｐ−ＩｎＰクラッド層２２、及びｐ−コンタクト層２４は、直径１０μｍの柱状積層構造として形成されている。
【００１６】
柱状積層構造を構成する化合物半導体層は、環状溝２６によって直径１５μｍの柱状部として区画されている。
また、柱状部の最上層であるｐ−コンタクト層２４は、中央が直径１０μｍの窓を有する。ｐ−コンタクト層２４の窓領域にはＳｉ／ＳｉＯ2 の多層膜からなるミラー２８が設けてある。
【００１７】
活性領域以外では、ｎ−ＩｎＰ基板１０の上に、順次、ｎ−エッチングストップ層１２、ｎ−クラッド層１４、ＦｅドープトＩｎＰ層２０、ｐ−ＩｎＰクラッド層２２、及びｐ−コンタクト層２４の積層構造を備えている。
また、環状溝２６の底部は、ｎ−クラッド層１４とＦｅドープトＩｎＰ層２０との２層で構成されている。
そしてｐ側全面に、ｐ側電極として、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ蒸着積層膜３０と、その上に形成されたＡｕメッキ層３２からなるｐ側電極３４が形成されている。以上の構成により、ノンドープ歪量子井戸活性層１６は、ＦｅドープトＩｎＰ層２０を介してＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ蒸着積層膜３０及びＡｕメッキ層３２に接触している。これにより、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ蒸着積層膜３０は、ｐ側電極３４として機能するとともに、ＦｅドープトＩｎＰ層２０を介して活性層１６に接触し、Ａｕメッキ層３２に放熱する熱伝導膜として機能する。Ａｕメッキ層３２は、ヒートシンク及び放熱板として機能する。
【００１８】
活性層１６の下のｎ−クラッド層１４は、厚さ２μｍでバンドギャップ波長が１．０μｍのｎ−ＧａＩｎＡｓＰの層として、形成されている。
ノンドープ歪量子井戸活性層１６は、井戸層が、圧縮歪０．８％で膜厚６ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ層で、バリア層が、厚さ１０ｎｍでＩｎＰ基板１０にほぼ格子整合し、バンドギャップ波長が１．０μｍのＧａＩｎＡｓＰ層であり、井戸層数は８である。
これにより、ノンドープ歪量子井戸層１６の発光ピーク波長が１．３μｍになるように、井戸層の組成が調整される。
【００１９】
また、ｐ−クラッド層１８は、厚さ２μｍでバンドギャップ波長が１．０μｍのｐ−ＧａＩｎＡｓＰ層として、ｐ−クラッド層２２は、厚さ０．３μｍのＩｎＰ層として、ｐ−コンタクト層２４は、厚さ０．２μｍでＧａＩｎＡｓ層として、それぞれ、形成されている。
【００２０】
面発光型レーザ素子１００のｎ側では、ｎ−ＩｎＰ基板１０及びエッチングストップ層１２を貫通して、ｎ−クラッド層１４に達する窓３６がレーザ光放射用開口として形成されている。窓３６は、上端の開口縁で環状溝２６の外周に対向し、下端で１００μｍ程度の直径になっている。窓３６内には、ｎ−クラッド層１４に接してＳｉ／ＳｉＯ2 の多層膜からなるＳｉ／ＳｉＯ2 ミラー３８が設けてある。
また、ｎ−ＩｎＰ基板１０の裏面には、開口領域を除いてＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ積層金属膜からなるｎ側電極４０が形成されている。
ｎ−エッチングストップ層１２は、厚さ１０ｎｍでバンドギャップ波長が１．３μｍのｎ−ＧａＩｎＡｓＰの層として形成されている。
【００２１】
本実施形態例の面発光型レーザ素子１００は、以下の特長を有する。
１）柱状構造の側面、従って活性層１６の側面には、ＳｉＮXやＳｉＯXなどの熱伝導性の低い誘電体を介することなく、電極金属であるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層金属膜が形成されているので、活性層で発生した熱は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層金属膜及びＡｕメッキ層を介して外部に放熱される。
更に言えば、活性層で発生する熱は、ＦｅドープＩｎＰ層を介してＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極へ到達し、さらにはＡｕメッキ層、ヒートシンクへと放熱される。本実施形態例では、金属の熱伝導が良好であることに加え、これまで放熱の障害となっていたＳｉＮXやＳｉＯXといった誘電体膜が存在しないため、良好な放熱特性が得られる。
２）ＧａＩｎＡｓＰクラッド層および活性層と、その周辺のＩｎＰ層との屈折率差により、光ファイバと同じような導波路構造が形成されている。
これにより、活性層から放射された光が、クラッド上下に形成した誘電体多層膜反射鏡で反射されて、再び活性層へ戻るように伝播する光のフィールドが、広がることがなく、いわゆる回折損失を抑制することができる。
３）柱状構造側面に形成されたＦｅドープＩｎＰ層は、電気抵抗は十分高く、電気的には絶縁膜として作用するので、電流ブロッキング層として機能する。
【００２２】
次に、図２から図４を参照して、本実施形態例の面発光型レーザ素子を作製する方法を説明する。図２（ａ）から（ｃ）、図３（ｄ）から（ｆ）、及び図４（ｇ）と（ｈ）は、それぞれ、本実施形態例の面発光型レーザ素子を形成する際の工程毎の基板断面図である。
まず、図２（ａ）に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板１０上に、厚さ１０ｎｍでバンドギャップ波長が１．３μｍのｎ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストップ層１２、厚さ２μｍでバンドギャップ波長が１．０μｍのｎ−ＧａＩｎＡｓＰクラッド層１４、ノンドープ歪量子井戸活性層１６、厚さ２μｍでバンドギャップ波長が１．０μｍのｐ−ＧａＩｎＡｓＰクラッド層１８を有機金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法と呼ぶ）によりエピタキシャル成長する。
【００２３】
ノンドープ歪量子井戸活性層１６は、井戸層が、圧縮歪が０．８％で膜厚６ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ層で、バリア層が、厚さ１０ｎｍでＩｎＰにほぼ格子整合し、バンドギャップ波長が１．０μｍのＧａＩｎＡｓＰ層であり、井戸層数は８であって、歪量子井戸層の発光ピーク波長が、１．３μｍになるように井戸層の組成が調整してある。
【００２４】
次に、図２（ｂ）に示すように、ＳｉＮX膜で形成したマスク４２を使って、ｐ−クラッド層１８、活性層１６、及びｎ−クラッド層１４の上部をエッチングして、直径１０μｍ程度の柱状積層構造を形成する。本実施形態例では、エッチングには、メタン、水素、アルゴンの混合ガスを用いた反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）を用いた。
【００２５】
ＳｉＮXマスクを柱状積層構造上に載せた状態で、再度、ＭＯＣＶＤ装置に投入し、図２（ｃ）に示すように、ＦｅをドーピングしたＩｎＰ層２０で柱状積層構造の周辺を埋めこむ。
ＦｅをドーピングしたＩｎＰ層を形成するには、フェロセン（Ｆｅ（ＣＨ）5 ）をドーパントとしてＩｎＰをエピタキシャル成長する。
【００２６】
次に、エッチングしてＳｉＮXマスクを除去した後、ＭＯＣＶＤ装置に投入し、図３（ｄ）に示すように、厚さ０．３μｍでｐ−ＩｎＰクラッド層２２、厚さ０．２μｍでｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２４を成長する。
【００２７】
続いて、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて、活性領域上のｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２４を硫酸を用いてエッチング除去して、開口４４を形成する。
次に、開口４４を埋め込むようにして、図３（ｅ）に示すように、基板全面にＳｉ／ＳｉＯ2からなら多層膜反射鏡層４６を電子ビーム蒸着法などで形成する。
【００２８】
次いで、フォトリソグラフィ技術によりフォトレジスト膜で直径１５μｍの円形パターンを活性領域上に形成してマスク４８として、ＳＦ6ガスを用いたＲＩＢＥでマスクを除く領域の多層膜反射鏡層４６をエッチングして多層膜反射鏡２８を柱状積層構造上に形成する。
次に、ＲＩＢＥに導入するガスを酸素に切り替え、フォトレジスト膜のマスクを除去する。
さらに、ガスをメタン、水素、アルゴンの混合ガスに切り替え、活性層１６の下面よりも深い位置で、しかもエッチングストップ層１２に到達しない程度に、順次、ｐ−コンタクト層２４、ｐ−クラッド層２２、ＦｅドープＩｎＰ層２０をエッチングして、図３（ｆ）に示すように、円環状の溝２６を形成する。
【００２９】
ＲＩＢＥから試料を搬出し、フォトリソグラフィ技術により、フォトレジスト膜で直径１０μｍのパターンを有するマスクを形成する。次いで、ＳＦ6ガスを用いたＲＩＢＥで、不要な領域の多層膜反射鏡２８を除去する。
その後、基板全面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層膜３０を蒸着し、さらにＡｕメッキを施してＡｕメッキ層３２を形成し、図４（ｇ）に示すように、ｐ側電極３４を形成する。
【００３０】
図４（ｈ）に示すように、基板裏面に直径１００μｍ程度の窓を有するＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ積層金属膜からなるｎ側電極４０をＩｎＰ基板１０の裏面に形成する。
【００３１】
そして、ｎ側電極４０をマスクとして、エッチングストップ層１２に到達するまで、ＩｎＰ基板１０を塩酸でエッチングし、さらにエッチングストップ層１２を洒石酸と過酸化水素水の混合液で除去して、窓３６を開口する。
形成した窓３６の底面にＳｉ／ＳｉＯ2多層膜反射鏡３８を形成すると、図１に示す面発光型レーザ素子１００が完成する。
【００３２】
本実施形態例の面発光型レーザ素子１００と同じ構成の面発光型レーザ素子を試作し、Ａｕメッキ３２側をダイヤモンドヒートシンクにボンディングして、温度特性を評価したところ、室温連続動作でレーザ発振が得られた。
また、しきい値電流での電圧は１．１Ｖであり、動作電圧は十分低いことが確認できた。更には、温度８５℃においても、しきい値電流１２ｍＡで、安定したレーザ発振が得られ、熱伝導性の低い誘電体多層膜ミラーを用いているにもかかわらず、良好な温度特性が得られた。
【００３３】
本実施形態例では、電流ブロッキング層としてＦｅをドーピングしたＩｎＰを用いたが、この領域は電気的に十分に高抵抗になっていれば良く、たとえばＣｒやＲｕなどをドーピングした化合物半導体層を用いても良い。
本実施形態例において、電気伝導性を逆にして、ｐ型ＩｎＰ基板上にレーザ光の発光構造を形成してもよい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、外部雰囲気に露出面を有する金属層、又は外部雰囲気に露出面を有する金属体に接続された金属層に活性層を含む柱状構造を接触させて、活性層で発生した熱を外部雰囲気に効率良く放熱できることにより、光ファイバ伝送に適した波長のレーザ光を発振する素子であって、温度特性に優れ、動作電圧の低い面発光型半導体レーザ素子を実現している。
従って、本発明に係る面発光型半導体レーザ素子を適用することにより、光データ伝送技術分野で高データレート、長距離伝送などの高性能化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の面発光型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例１の面発光型レーザ素子を形成する際の工程毎の基板断面図である。
【図３】図３（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、  図２（ｃ）に続いて、実施形態例１の面発光型レーザ素子を形成する際の工程毎の基板断面図である。
【図４】図４（ｇ）と（ｈ）は、それぞれ、図３（ｆ）に続いて、実施形態例１の面発光型レーザ素子を形成する際の工程毎の基板断面図である。
【符号の説明】
１００  実施形態例の面発光型半導体レーザ素子
１０  ｎ−ＩｎＰ基板
１２  ｎ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストップ層
１４  ｎ−ＧａＩｎＡｓＰクラッド層
１６  ノンドープ歪量子井戸（ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓＰ）活性層
１８  ｐ−ＧａＩｎＡｓクラッド層
２０  ＦｅドープＩｎＰ層
２２  ｐ−ＩｎＰクラッド層
２４  ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
２６  環状溝
２８  Ｓｉ／ＳｉＯ2 多層膜ミラー
３０  Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの蒸着積層膜
３２  Ａｕメッキ層
３４  ｐ側電極
３６  窓
３８  Ｓｉ／ＳｉＯ2 多層膜ミラー
４０  ｎ側ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ電極
４２  マスク
４４  開口
４６  Ｓｉ／ＳｉＯ2 多層膜
４８  マスク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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