(57)【要約】【課題】トンネル接合を有する面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）素子の低抵抗化及び高出力化を図る。【解決手段】ＶＣＳＥＬ素子１０は、ｎ型下部ＤＢＲミラー１２とｎ型上部ＤＢＲミラー１９との間にトンネル接合１７を有し、トンネル接合１７は、ｐ+−ＧａＡｓ層３１とｎ+−ＩｎＧａＡｓ層３３との間に２．５モノレーヤ厚みの量子ドット層３２を有する。量子ドット層３２は、小さなバンドギャップエネルギーを有し、トンネル接合１７内のトンネル確率を上げることにより、ＶＣＳＥＬ素子１０の低抵抗化及び高出力化を可能にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、高屈折率層と低屈折率層とを交互に形成した周期構造を有する下部ＤＢＲミラーと、高屈折率層と低屈折率層とを交互に形成した周期構造を有する上部ＤＢＲミラーと、前記下部ＤＢＲミラーと前記上部ＤＢＲミラーとに挟まれ、光を発生する活性層を含む共振器構造とを有する面発光レーザにおいて、
前記下部ＤＢＲミラーと上部ＤＢＲミラーとの間、又は、前記下部若しくは上部ＤＢＲミラー内に配設されたトンネル接合を有し、該トンネル接合の少なくとも一部の層が量子ドット層から構成されることを特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項２】
前記量子ドット層がIn(Ga)As層である、請求項１に記載の面発光レーザ素子。
【請求項３】
前記量子ドット層がGaAsSb下地層上に形成される、請求項２に記載の面発光レーザ素子。
【請求項４】
量子ドット層の厚みが２〜４単原子層の範囲にある、請求項１〜３の何れか一に記載の面発光レーザ素子。
【請求項５】
前記トンネル接合層の不純物ドーピング量の最大値が５×１０１９ｃｍ−３である、請求項１〜４の何れか一に記載の面発光レーザ素子。
【請求項６】
前記下部ＤＢＲミラー及び上部ＤＢＲミラー、又は、前記共振器構造の何れかには、前記活性層の近傍に選択酸化型の電流狭窄層が形成される、請求項１〜５の何れか一に記載の面発光レーザ素子。
【請求項７】
埋込み型へテロ構造により電流狭窄構造を形成する、請求項１〜５の何れか一に記載の面発光レーザ素子。
【請求項８】
前記上部ＤＢＲミラーの少なくとも一部の層が誘電体層で構成される、請求項１〜７の何れか一に記載の面発光レーザ素子。
【請求項９】
発振波長が１０００〜２５００ｎｍの範囲である、請求項１〜８の何れか一に記載の面発光レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光レーザ素子に関し、更に詳しくは、１．０μｍから２．５μｍ帯の発振波長を有する長波長帯面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
長波長帯面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）素子は、１０Gbps以上の伝送速度を可能とすることから、今後、光インターコネクションや光通信分野で大量に必要になると予測されている。現在利用されている長波長帯ＶＣＳＥＬ素子は、高光出力化や高速化という面では、光インターコネクションや光通信分野で要求される仕様を満たしていない。
【０００３】
上記要因の一つとして、長波長帯では、ＤＢＲミラー層による吸収損失が大きいことが挙げられる。７８０−９８０ｎｍ帯の短い波長のＶＣＳＥＬ素子では、ＤＢＲミラー層として、ｐ型半導体ＤＢＲ層とｎ型半導体ＤＢＲ層とが用いられている。しかし、１０００ｎｍよりも長い波長を持つ長波長帯では、ｐ型層による価電子帯間吸収が大きくなるため、できるだけｐ型半導体ＤＢＲ層を用いたくないという要請がある。その一つの解決手段としては、トンネル接合（Ｔ／Ｊ）を用いて、ｐ型半導体層をｎ型半導体層に置換するという手法がある。この手法では、トンネル接合層には、１０ｎｍ程度の量子薄膜が用いられている。
【０００４】
従来のトンネル接合層を用いた１３００ｎｍ帯ＶＣＳＥＬ素子の積層構造の詳細を図３（ａ）及び（ｂ）に示す。ＶＣＳＥＬ素子１０Ａは、同図（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に順次に形成されたｎ型下部ＤＢＲミラー１２、ｎ−ＧａＡｓクラッド層１３、３層の井戸層を持つ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１４、酸化狭窄層１５を内部に含むｐ−ＧａＡｓ層１６、Ｔ／Ｊ層２３、ｎ−ＧａＡｓクラッド層１８、及び、ｎ型上部ＤＢＲミラー１９から成る積層構造を有する。また、ｎ型ＤＢＲミラー１９上には第１電極（電源電極）２０が、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面には第２電極（接地電極）２１がそれぞれ形成される。
【０００５】
ｎ−ＧａＡｓクラッド層１３からｎ−ＧａＡｓクラッド層１８までが２λ共振器構造３０を構成する。なお、図示しないが、ｎ型下部ＤＢＲミラー１２の上部から上の積層はメサポスト構造に形成され、メサポストは、一般にポリイミド層により埋め込まれている。レーザ光は、第１電極２０に開口した窓２２から、図面上で上方に出射する。
【０００６】
Ｔ／Ｊ層２３は、図３（ｂ）に示すように、下層側から順次に、キャリア濃度1.5×１０２０cm−３で５ｎｍ厚みのp+-GaAs層３１、キャリア濃度5×１０１９cm−３で５ｎｍ厚みのn+-In0.13GaAs層３３、及び、キャリア濃度1×１０１９cm−３で２０ｎｍ厚みのn+-GaAs層３４から構成される。Ｔ／Ｊ層２３を用いたＶＣＳＥＬ素子は、非特許文献１に記載がある。
【非特許文献１】“光インターコネクション用  1.1μｍ帯  InGaAs  VCSEL”    鈴木  尚文ら、LQE2005-113
【非特許文献２】K. Otsubo N. Hatori, M. Ishida, S. Okumura, T. Akiyama, Y. Nakata, H. Ebe, M. Sugawara and Y. Arakawa, Jpn. J. Appl. Phys. 43, L1124 (2004).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
トンネル接合を用いたＶＣＳＥＬ素子は、素子抵抗が大きいという問題点を有している。例えば、非特許文献１には、p-GaAs/n-In0.15GaAsトンネル接合を用いて、抵抗率が6.4×10-6ohm・cm２であるという報告がある。Ａｌの選択酸化で形成された酸化狭窄構造を有するＶＣＳＥＬ素子では、その電流開口径を６μｍとすると、このトンネル接合層は直列抵抗２０Ωに相当する抵抗値を有する。抵抗値の上昇は、ＣＲ時定数の増加と自己発熱とを引き起こし、変調帯域の減少を引き起こす。
【０００８】
上記トンネル接合を用いるＶＣＳＥＬ素子を更に高速化するためには、トンネル接合の低抵抗化が不可欠である。抵抗が高いと、特に長波長帯に用いるＶＣＳＥＬ素子では、自己発熱による利得低下が激しく、光出力及び変調帯域を低下させてしまうからである。
【０００９】
ところで、３次元構造を有する半導体量子ドットを活性層に用いたレーザや半導体光増幅器（ＳＯＡ）が研究開発されている。非特許文献２は、レーザの活性層に量子ドットを用いることにより、低閾値性を持つ旨が報告されている。しかしながら、これまでに、量子ドットをトンネル接合に用いた例はなかった。
【００１０】
本発明は、上記トンネル接合を有する従来のＶＣＳＥＬ素子における高抵抗の問題に鑑み、特に長波長帯での使用に好適なトンネル接合を有するＶＣＳＥＬ素子であって、広帯域性を有するＶＣＳＥＬ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の面発光レーザ素子は、基板上に、高屈折率層と低屈折率層とを交互に形成した周期構造を有する下部ＤＢＲミラーと、高屈折率層と低屈折率層とを交互に形成した周期構造を有する上部ＤＢＲミラーと、前記下部ＤＢＲミラーと上部ＤＢＲミラーとに挟まれ、光を発生する活性層を含む共振器構造とを有する面発光レーザにおいて、
前記下部ＤＢＲミラーと上部ＤＢＲミラーとの間、又は、前記下部若しくは上部ＤＢＲミラー内に配設されたトンネル接合を有し、該トンネル接合の少なくとも一部の層が量子ドット層から構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る面発光レーザ素子では、バンドギャップエネルギーが小さな量子ドット層をトンネル接合層に用いることで、従来のトンネル接合の量子薄膜に比べてトンネル確率が増加するため、より低抵抗が得られる。
【００１３】
前記量子ドット層としては、例えばＩｎＡｓ又はＩｎＧａＡｓ層が好ましく、これらの層を採用する際には、GaAsSb下地層上に形成することが好ましい。格子整合が容易である。
【００１４】
量子ドット層の厚みは、例えば２〜４単原子層（モノレーヤ：ＭＬ）程度の厚みとする。このように、量子ドット層の体積を小さくすることにより、光吸収量を低く抑えることができ、高光出力化に有利である。低抵抗化及び高光出力化により、広帯域で利用可能な長波長帯ＶＣＳＥＬ素子を得ることができる。
【００１５】
前記トンネル接合層の不純物ドーピング量の最大値は５×10１９ｃｍ−３に抑えることが好ましい。ドーピング量がこれよりも大きいと、価電子帯間吸収やフリーキャリア吸収による光損失が増加する。
【００１６】
前記下部ＤＢＲミラー及び上部ＤＢＲミラー、又は、前記共振器構造の何れかには、前記活性層の近傍に選択酸化型の電流狭窄層を形成し、酸化狭窄構造を形成することが出来る。或いは、これに代えて、埋込み型へテロ構造によって電流狭窄構造を形成してもよい。
【００１７】
前記上部ＤＢＲミラーは、半導体層で形成してもよく、或いは、その少なくとも一部の層を誘電体層で置き換えることも出来る。
【００１８】
本発明の面発光レーザ素子は、特に発振波長が１０００〜２５００ｎｍの長波帯で使用される面発光レーザ素子に適用することが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
実施形態１
図１は、本発明の一実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子の構造を示す斜視図である。また、図２（ａ）及び（ｂ）は、その積層構造の詳細を示す断面図である。なお、これらの図では、理解を容易にするために、図３に示した従来のＶＣＳＥＬ素子と同様な部分には同様な符号を付して示した。
【００２０】
本実施形態のＶＣＳＥＬ素子は、本発明を１３００ｎｍ帯で発振するGaInNAsSb活性層を有するＶＣＳＥＬ素子に適用した例である。本実施形態のＶＣＳＥＬ素子１０は、図２（ｂ）に示したトンネル接合１７の構造を除いて、従来のＶＣＳＥＬ素子１０Ａと同様な構造を有する。
【００２１】
詳しくは、本実施形態例のＶＣＳＥＬ素子１０は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１と、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に順次に形成された、ｎ型下部半導体ＤＢＲミラー１２、ｎ−ＧａＡｓクラッド層１３、３層の井戸層を持つ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１４、酸化狭窄層１５を内部に含むｐ−ＧａＡｓ層１６、トンネル接合（Ｔ／Ｊ）１７、ｎ−ＧａＡｓクラッド層１８、及び、ｎ型上部半導体ＤＢＲミラー１９から成る積層構造とを有する。また、ｎ型上部半導体ＤＢＲミラー１９上には第１電極２０が、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面には第２電極２１が形成される。
【００２２】
ｎ−ＧａＡｓクラッド層１３からｎ−ＧａＡｓクラッド層１８までが２λ共振器構造３０を構成する。共振器構造３０は、下部ＤＢＲミラー１２と上部ＤＢＲミラー１９とに挟まれている。ｎ型下部ＤＢＲミラー１２の上部から上の積層の全体はメサポスト構造に形成され、メサポストは、ポリイミド層２４により埋め込まれている。レーザ光は、ＭＱＷ活性層１４で生成され、共振器構造３０の作用によって共振し、第１電極側２０に開口した窓２２から、図面上で上方に出射する。
【００２３】
トンネル接合１７は、図２（ｂ）に示すように、下層側から順次に、キャリア濃度1.5×10２０cm−３で５ｎｍ厚みのｐ＋−ＧａＡｓ層３１、キャリア濃度5×１０１９cm−３で供給量が２．５モノレーヤ（ＭＬ）厚みのｎ＋−ＩｎＡｓ量子ドット（ＱＤ）層３２、キャリア濃度5×１０２０cm−３で５ｎｍ厚みのｎ＋−Ｉｎ0.13ＧａＡｓ層３３、及び、キャリア濃度1×１０１９cm−３で２０ｎｍ厚みのｎ＋−ＧａＡｓ層３４から構成される。
【００２４】
上記実施形態のＶＣＳＥＬ素子１０は、以下のように作製される。まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の（１００）面上に、λ／４膜厚から構成されるｎ型Al0.9Ga0.1As/GaAs層を３５．５ペア有する下部ＤＢＲミラー１２、ＭＱＷ活性層１４を含む２λ共振器、及び、ｎ型Al0.9Ga0.1As/GaAs層を２３ペア有する上部ＤＢＲミラー１９を、この順番で成長する。これによって、２λの膜厚を有する共振器構造３０の各積層が形成される。
【００２５】
２λ共振器構造３０は、以下に述べるような配置に形成する。ｎ型下部ＤＢＲミラー１２の最上部から、λ／２だけ離れた部分を中心としてＭＱＷ活性層１４を配置する。ＭＱＷ活性層１４は、例えば７．３ｎｍ厚みのGaIn0.37N0.012AsSb0.016量子井戸層と、２０ｎｍ厚みのGaN0.017As障壁層とから構成され、その量子井戸層を３層含んでいる。ｐ−ＡｌＡｓ選択酸化層から成る酸化狭窄層１５は、膜厚が２０ｎｍであり、ｎ型下部ＤＢＲミラー１２の最上部から５λ／４離れた部分を中心として配置する。
【００２６】
トンネル接合１７のｐ／ｎ接合部は、ｎ型下部ＤＢＲミラー１２の最上部から７λ／４離れた部分を中心として配置する。トンネル接合１７は、図２（ｂ）に示すように、下層側から順次に配置された、キャリア濃度1.5×１０２０cm−３で５ｎｍの膜厚を有するｐ+-ＧａＡｓ層３１、キャリア濃度5×１０１９cm−３で供給量２．５ＭＬのｎ+-ＩｎＡｓ量子ドット層３２、キャリア濃度5×１０１９cm−３で膜厚が５ｎｍのｎ+-Ｉｎ0.13ＧａＡｓ層３３、及び、キャリア濃度１×１０１９cm-3で、膜厚が２０ｎｍのｎ+-ＧａＡｓ層３４から構成する。
【００２７】
トンネル接合１７の各層の成長は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、ガスソースＭＢＥ、化学的分子線エピタキシー（ＣＢＥ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）のいずれかで行う。メサポストの直径は３０μｍとし、選択酸化で形成する酸化狭窄層１５の電流開口径は直径６μｍとする。メサポスト以外の部分は、ポリイミド層２４で埋め込んで平坦化する。
【００２８】
上記実施形態のＶＣＳＥＬ素子１０を作成したところ、トンネル接合１７の部分の抵抗率は3×１０−６ohm・cm２に減少した。電流開口径が６μｍであるため、この部分は、直列抵抗で１０Ωに相当する。全体の素子抵抗は、従来のトンネル接合を用いたＶＣＳＥＬ素子の素子抵抗が９０Ωであったのに比して、８０Ωに低下した。レーザ発振における静特性としては、しきい値電流が０．５ｍＡ、スロープ効率が０．３Ｗ／Ａであり、１００℃以上でＣＷ発振が得られた。
【００２９】
本実施形態では、ｐ+−ＧａＡｓ層３１上に量子ドット層３２を成長したが、ｐ−ＧａＡｓＳｂ層上に量子ドット層３２を成長しても良い。また、ＭＱＷ活性層１４は、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ系の活性層を例示したが、ＧａＡｓ基板を使用する限り、ＧａＡｓＳｂ量子井戸でもよく、或いは、ＩｎＧａＡｓ量子井戸でもよい。更には、本実施形態では、ＩｎＡｓ量子ドット層３２を成長したが、これに代えて、ＩｎＧａＡｓ量子ドット層でもよい。更に、ＭＱＷ活性層が３層の例を示したが、例えば２層以上で１５層以下であればよい。
【００３０】
上部ＤＢＲミラー層として、全層がｎ型半導体層である例を示したが、上部ＤＢＲミラー層の全て、或いは、その一部を誘電体層で形成してもよい。また、トンネル接合１７のｎ型半導体の量子ドット層を配置したが、ｐ型半導体の量子ドット層を配置してもよい。更に、半導体層のドーピング量として、キャリア濃度が1.5×１０２０cm-３までのドーピングを行っているが、量子ドット層を用いてトンネル確率が増加しているので、その分だけドーピング量を制限してもよく、最大5×１０１９cm−３までにキャリア濃度を減らしてもよい。この場合には、トンネル接合部での光吸収が減少するというメリットがある。
【００３１】
上記実施形態では、ＧａＡｓ基板上にＶＣＳＥＬ素子を形成する例を示したが、ＩｎＰ基板上にＶＣＳＥＬ素子を形成してもよい。その場合には、活性層は、ＧａＩｎＡｓＰ系量子井戸、ＡｌＧａＩｎＡｓ系量子井戸、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ系量子井戸、Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ量子ドットのいずれかが選択される。
【００３２】
トンネル接合１７の材料は、p+-InP/n+-In(Ga)Aｓ量子ドット／n+-InGaAsや、p+-InP/p+Al(In)As/n+-In(Ga)As量子ト゛ット/n+-InGaAs等から構成する。更に、上記実施形態では、発振波長が１３００ｎｍの例を示したが、発振波長は例えば１０００〜２５００ｎｍの内から選択される。
【００３３】
量子ドットのバッファ層にGaAsSbバッファ層を用い、このバッファ層のＳｂ組成が２％、膜厚７ｎｍの構造についてＶＣＳＥＬ素子を作製した。このＶＣＳＥＬ素子では、フォトルミネッセンス（ＰＬ）強度を高く維持したままで、ドット密度を高くできる旨が確かめられた。ＰＬ強度を高く維持したままで量子ドットの密度を高めると、トンネル確率が高まり、更に抵抗値が減少する。このGaAsSbバッファ層のＳｂ組成は、０．２％〜１００％の範囲で任意に選択可能である。
【００３４】
また、上記実施形態では、トンネル接合部を、共振器内に設けたが、共振器外に設けても良い。例えば、ｎ−ＧａＡｓクラッド層１８を設けず、ｐ−ＧａＡｓクラッド層１６の厚さを共振器長に合うように調整し、上部ＤＢＲミラー内にトンネル接合１７を設けてもよい。その場合、クラッド層１６とトンネル接合１７の間に上部ＤＢＲミラーを構成する積層構造の一部を設ける場合には、その部分をｐ型半導体の積層体で構成し、トンネル接合１７上の上部ＤＢＲミラーの部分はｎ型半導体の積層体で構成する。
【００３５】
以上、本発明をその好適な実施態様に基づいて説明したが、本発明の面発光レーザ素子は、上記実施態様の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施態様の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。また、本発明の好適な態様として記載した各構成や実施形態で記載した各構成については、本発明の必須の構成と共に用いることが好ましいが、単独であっても有益な効果を奏する構成については、必ずしも本発明の必須の構成として説明した全ての構成と共に用いる必要はない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態に係る面発光レーザ素子の斜視図。
【図２】図１の面発光レーザ素子の積層構造を示す断面図。
【図３】従来の面発光レーザ素子の積層構造を示す断面図。
【符号の説明】
【００３７】
１０、１０Ａ：面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）素子
１１：ｎ−ＧａＡｓ基板
１２：ｎ型下部半導体ＤＢＲミラー
１３：ｎ−ＧａＡｓクラッド層
１４：ＭＱＷ活性層
１５：酸化狭窄層
１６：ｐ−ＧａＡｓ層
１７：トンネル接合（Ｔ／Ｊ）
１８：ｎ−ＧａＡｓクラッド層
１９：ｎ型上部半導体ＤＢＲミラー
２０：第１電極（電源電極）
２１：第２電極（接地電極）
２２：窓
２３：トンネル接合（Ｔ／Ｊ）
２４：ポリイミド層
３０：２λ共振器構造
３１：ｐ+−ＧａＡｓ層
３２：量子ドット層
３３：ｎ+−ＩｎＧａＡｓ層
３４：ｎ+−ＧａＡｓ層
【図１】
2007311632.tif 000003
【図２】
2007311632.tif 000004
【図３】
2007311632.tif 000005