(57)【要約】【課題】フォトニック結晶面発光レーザの素子抵抗を低くして発光効率を向上する。【解決手段】中央部に点欠陥を持つフォトニック結晶構造を有する上部反射鏡構造を有する面発光レーザで、下部反射鏡側からレーザを出射させる。上部電極を中央部の点欠陥上に形成し、素子抵抗を低減する。基板は、発振波長のレーザ光に透明な材料を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部反射鏡構造と下部反射鏡構造との間に発光層を配置した積層構造を、基板上に形成した面発光半導体レーザ素子であって、
前記下部反射鏡構造の反射率が前記上部反射鏡構造の反射率よりも低く、
前記上部反射鏡構造には、空孔が形成されない空孔欠陥を中央部に有する２次元空孔配列が基本横モードのレーザ発振を実現するように形成されており、前記２次元空孔配列の中央部に上部電極が形成されていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記上部電極に隣接し前記２次元空孔配列の中央部を囲む領域に絶縁膜が形成され、該絶縁膜及び前記上部電極上に電極パッドが形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の面発光半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記基板としてn型GaAs基板を用いたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の面発光半導体レーザ素子。
【請求項４】
発振波長が1μm以上で1.6μm以下であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一に記載の面発光半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記発光層が、GaInNAsSbからなる多重量子井戸構造を有することを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一に記載の面発光半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記発光層が、GaInAsからなる多重量子井戸構造を有することを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一に記載の面発光半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光半導体レーザ素子に関し、更に詳しくは、基本横モード発振を実現する垂直共振器型面発光半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直共振器型面発光半導体レーザ（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser、以下、単に面発光レーザと称する）は、その名が示す通り、光の共振する方向が基板面に対して垂直であり、光インターコネクションをはじめ、通信用光源として、また、センサー用途などの様々なアプリケーション用デバイスとして注目されている。
【０００３】
上記のように注目される理由として、面発光レーザは、従来から用いられている端面発光型レーザと比較して、素子の２次元配列が容易に形成できること、ミラーを設けるために劈開する必要がないのでウエハレベルでテストが可能なこと、活性層体積が格段に小さいので極低しきい値で発振でき、消費電力が小さいことなどの利点を有していることが挙げられる。
【０００４】
面発光レーザでは、特に、共振器長が短いことから、発振スペクトルの縦モードに関しては、容易に基本モード発振が得られる。その一方で、横モードに関しては、モード制御機構を有していないため、複数の高次モードが発振しやすいという問題がある。複数の高次横モードによって発振したレーザ光は、光伝送に際して、特に高速変調時には、その伝送距離に比例して著しい信号劣化を引き起こす原因となる。そこで、面発光レーザでは、基本横モードでのレーザ発振を容易にするさまざまな構造が提案されている。
【０００５】
基本横モードを得るための最も単純な方法は、発光領域の面積を、基本モードのみが発振できる程度に小さくした構造を採用することである。この点、例えば、AlAs層を選択酸化する酸化狭窄型閉込め構造を有する、発振波長が850nm帯の面発光レーザでは、AlAs層の非酸化領域とその酸化領域（Al2O3）との間の屈折率差が大きいため、基本横モードを得るためには、発光領域の面積を約10μｍ2以下にする必要がある。
【０００６】
しかし、このような酸化狭窄型閉込め構造を有する面発光レーザでは、発光領域の面積の大きさを制御する電流狭窄幅は、一般に、AlAs層の外縁部を選択的に酸化して形成した酸化層によって決定されるところ、酸化層の形成によって、発光領域の面積が約10μｍ2以下となるような小さな開口を得るためには、精密な酸化プロセス制御が要求されることになり、結果的に製品歩留まりが悪くなる。さらには、そのような狭い発光面積では、出力が低くなると同時に、素子抵抗が増大してしまい、面発光レーザに印加する電圧の増大を招くという問題がある。
【０００７】
そこで、面発光レーザにおいて、発光領域の面積を大きくし、かつ基本横モード発振を得るための手段として、例えば非特許文献１に示されるようなフォトニック結晶面発光レーザが提案されている。図９は、この従来の面発光レーザの斜視図を示し、図１０はその上面図を示している。
【０００８】
図９及び１０に示した従来のフォトニック結晶面発光レーザ２００は、発振波長が850nmとなるように設計されている。フォトニック結晶面発光レーザ２００は、例えばp型GaAs基板４０上に、MOCVD法でそれぞれ厚みがλ/4n（λは発振波長、nは屈折率）のp型Al0.8Ga0.2As層とp型Al0.2Ga0.8As層とを交互に積層した35ペアの多層膜からなる下部反射鏡構造４１が形成され、その上に、図示しない下部クラッド層、4層のGaAs/ Al0.2Ga0.8As量子井戸構造の発光層４２、図示しない上部クラッド層を順次が積層され、更にその上に、それぞれの厚みがλ/4nであるn型Al0.8Ga0.2As層とn型Al0.2Ga0.8As相違とを交互に積層した25ペアからなる上部反射鏡構造４３が形成されている。上部反射鏡構造の最上層の表面には、n型GaAs層が形成されている。また、選択酸化プロセスを行なうために、上記構造の少なくとも下部反射鏡構造の上面に至るまでの部分がエッチング除去されて、中央部には柱状の層構造であるメサポスト４９が形成されている。
【０００９】
柱状の層構造を有するメサポスト４９の内部には、電子ビーム露光およびドライエッチングにより、２次元空孔配列が形成されている。この空孔配列は、中央に円孔がない点欠陥型構造を有しており、円孔４５の配列周期は例えば3〜5μm程度、円孔４５の深さは、上部反射鏡構造４３の20ペア分に相当する程度である。空孔配列の外側周辺部には、例えばAuGeNi/Auからなる上部電極４４が形成され、基板４０の裏面には例えばTi/Pt/Auからなる下部電極４７がそれぞれ形成されている。
【００１０】
上記フォトニック結晶面発光レーザ素子においては、下部反射鏡構造４１の最上層付近、すなわち発光層に近い場所には、p型のAlAs層が形成されている。このｐ型AlAs層のうちメサポスト周縁部のみを選択的に酸化することによってAl2O3からなる絶縁領域が形成され、これにより発光層に対する電流狭窄構造４６が形成されている。
【００１１】
図９及び１０に示した従来のフォトニック結晶面発光レーザ２００は、基板４０上に形成した上部反射鏡構造４３と下部反射鏡構造４１との間に活性層（発光層）４２を配置した積層構造を有し、上部反射鏡構造４３の反射率が下部反射鏡構造４１の反射率よりも低く、レーザ光４８は、上部反射鏡構造４３を通過して出射される。上部反射鏡構造４３には、２次元周期的に配列された複数の空孔４５が形成されており、その中央部には空孔４５が存在しない領域である空孔欠陥が存在する。このような構造では、中央部分の空孔が存在しない空孔欠陥の屈折率は、空孔４５が２次元周期的に形成された外周部分の屈折率よりも僅かに大きくなる。この小さな屈折率差によって、２次元空孔配列の領域は、中央の円孔がない欠陥領域であるコアに対してクラッドとして働き、弱い光閉じ込めに基づいて横モード制御が行われるため、基本横モードのみが発振しうる発光領域の面積を大きくすることができる。
【００１２】
上記構造のフォトニック結晶面発光レーザにおいては、電流注入を行なうことにより、発光層にレーザ発振が起こる。発振したレーザ光は、反射率が低い側の上部反射鏡構造を透過して外部に出射する。レーザ発振は、２次元空孔配列における中央の点欠陥部の屈折率と、周囲の２次元空孔配列部の屈折率とのわずかな屈折率差により決まる横モード制御機構により、基本モードにおいて単一モードで発振する。
【非特許文献１】IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.9, No.5, pp.1439-1445, September/October 2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところが、図９及び図１０に示されるような、酸化狭窄やイオンインプラント狭窄などの電流狭窄構造を有する従来のフォトニック結晶面発光レーザでは、空孔配列の外側周辺部の上部電極４４から活性層における電流注入部分に至る電流注入経路の途中に２次元空孔配列があるため、素子の電気抵抗が100Ω以上と増大してしまう。このため、発光効率が低下し、また高い印加電圧を必要とするという問題がある。さらに、酸化狭窄やイオンインプラント狭窄構造などの作製プロセスが複雑であるため、レーザ発光における最適化構造の採用にも限界がある。
【００１４】
本発明は、上記従来のフォトニック結晶面発光レーザの問題に鑑み、電流注入のための電流狭窄構造を改良し、もって高い発光効率を有し、作製プロセスも簡単で、且つ、単一横モードでの発振が容易な面発光レーザ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】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の面発光半導体レーザ素子は、上部反射鏡構造と下部反射鏡構造との間に発光層を配置した積層構造を、基板上に形成した面発光半導体レーザ素子であって、
前記下部反射鏡構造の反射率が前記上部反射鏡構造の反射率よりも低く、
前記上部反射鏡構造には、空孔が形成されない空孔欠陥を中央部に有する２次元空孔配列が基本横モードのレーザ発振を実現するように形成されており、前記２次元空孔配列の中央部に上部電極が形成されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の面発光レーザでは、キャリア（ホール）の移動度が低く、電流狭窄が容易なp型半導体層部分に２次元空孔配列構造を形成する、つまりn型基板を用いることが望ましい。また、基板側からレーザ光を取り出すため、例えばGaAs基板を用いた場合には、GaAsのバンドギャップ波長よりも長い発振波長の面発光レーザとする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の面発光レーザでは、２次元空孔配列を有する上部反射鏡構造の空孔欠陥を有する中央部に上部電極を配設したことにより、２次元空孔配列と空孔欠陥との間の屈折率差による光閉じ込めが緩やかであることにより大面積での単一モード発振が可能であることに加え、上部電極から、周辺部分に比べて低い抵抗率を有する空孔欠陥領域に集中的に電流を注入することができるので、低い素子抵抗が得られる。本発明の面発光レーザでは、上部反射鏡構造の中央部に上部電極を形成することから、発振するレーザ光は下部反射鏡構造を通して出射させる。この目的のために、下部反射鏡構造の反射率を上部反射鏡構造の反射率よりも低くしている。電流狭窄構造をフォトニック結晶構造で形成したことにより、酸化狭窄やイオンインプラント狭窄などの複雑な電流狭窄工程が不要となり、製品歩留まりが向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１に、本発明の一実施形態に係る面発光レーザ１００の斜視図を示す。面発光レーザは、基板１０上に形成した、下部反射鏡構造１２、図示しないクラッド層、量子井戸活性層（発光層）１４、図示しないクラッド層、及び、上部反射鏡構造１６から成る積層構造を有する。基板１０は、発振するレーザ光に対して透明な基板材料から形成する。上部反射鏡構造１６には、空孔１８が２次元周期的に配列され、且つ、中央部に点欠陥となる空孔を有しない領域を有する２次元配列空孔が形成されている。中央部の点欠陥領域上には、上部電極２０が形成されている。下部電極２６は、中央部のレーザ発光領域を除いた周囲部分に形成されている。上部電極２０を囲む２次元空孔配列の表面、空孔の内部、及び、素子の側面には、絶縁膜２２が形成されている。また、絶縁膜２２の上には、電極パッド２４が形成されており、電極パッド２４は、絶縁膜２２に形成された中央の開口を介して上部電極２０に接続されている。
【００１９】
下部反射鏡構造１２の反射率を、上部反射鏡構造１６の反射率よりも低くなるように構成し、レーザ光２８を下部反射鏡構造１２側から出射させる。レーザ光２８の出射を下部反射鏡構造１２側からとした構成により、上部電極２０は、上部反射鏡構造１６の中央部の、空孔がない２次元空孔配列の空孔欠陥部上に形成できる。その上部電極２０を囲むように絶縁膜２２を形成することで、素子の表面を保護するとともに、上部電極２０が形成された部分以外の部分から電流が注入されないようにする。点欠陥を有する２次元空孔配列は、基本横モードで発振するように設計されている。
【００２０】
上記面発光レーザ１００の構造では、上部電極２０は、２次元空孔配列の中央部の点欠陥部にのみ形成されている。フォトニック結晶で２次元空孔配列が形成された部分は、その空孔の存在のため、点欠陥部から広がって流れようとする電流に対して電気抵抗が大きくなる。このため、２次元空孔配列における点欠陥部は、フォトニック結晶における低抵抗領域を構成する。点欠陥部から注入される電流は低抵抗領域を選択的に流れるので、上記構造は電流狭窄構造として機能し、発光効率が高くなる。また、このような構造を採用することにより、酸化狭窄やイオンインプラント狭窄などの狭窄構造を作製する複雑な工程を必要としないので、レーザ作製プロセスの簡略化が可能になる。
【実施例】
【００２１】
実施例１
図２〜図５は、図１に示したフォトニック結晶面発光レーザ１００の製造工程段階を順次に示す斜視図である。なお、面発光レーザの発振波長は、GaAs基板１０が透明となる発振波長である1300nmとなるように設計される。まず、n型GaAs基板１０の上に、MOCVD法で下部反射鏡構造１２を形成する。下部反射鏡構造１２は、それぞれの厚みがλ/4n（λは発振波長＝１３００ｎｍ、nは屈折率）であるｎ型Al0.9Ga0.1As層とn型GaAs層とを交互に積層した25ペアの多層膜から構成する。各層のキャリア濃度は1×1018cm-3とする。
【００２２】
次に、下部反射鏡構造１２の上に、ガスソースMBE法により図示しない下部クラッド層、3層のGaInNAsSb/GaNAs量子井戸構造を有する発光層１４、図示しない上部クラッド層を順次に積層する。更にその上に、再度MOCVD法で上部反射鏡構造１６を形成する。上部反射鏡構造１６は、それぞれの厚みがλ/4nであるp型Al0.9Ga0.1As層とp型GaAs層とを交互に積層した35ペアの積層で構成する。各層のキャリア濃度は1×1018cm-3とする。下部反射鏡構造１２の反射率は、上部反射鏡構造１６の反射率よりも低く設定されており、レーザ光は下部反射鏡構造１２側から出射される。
【００２３】
次に、上記積層構造の表面に、プラズマCVD法でSiNx膜３０を成膜する。フォトレジストを用いたフォトリソグラフィーとRIE（反応性イオンエッチング）とにより、SiNx膜３０の中央部に直径10μmの円形開口を形成する。この円形開口内に、AuZnを蒸着して、円形状をした上部電極２０を形成する。これにより、図２に示す構造が得られる。
【００２４】
次に、表面に電子線描画用レジストを塗布し、このレジスト膜上に配列周期が5μm、空孔の直径が2μmの、三角格子状配列の２次元空孔配列構造を電子線描画により形成する。本実施例では、空孔配列構造は、その中央部に円孔１８が１つだけ形成されない点欠陥を持つものとしている。空孔配列および点欠陥領域の面積、および円孔深さは、点欠陥領域の屈折率と点欠陥領域の周囲の平均屈折率との差に基づいて単一横モード発振が実現できるように設計されている。なお、本実施例では中央の円孔を１つだけ形成しない点欠陥を採用している。円孔１つの点欠陥の構造は、図７に示した。なお、点欠陥は、単一横モードが実現できれば、１つ以上の円孔を形成しない欠陥であればよく、例えば、円孔を７つ分形成しない欠陥としてもよい。この例を図８に示した。また、空孔の断面は特に円形である必要はなく、例えば三角形や四角形など、任意の形状が採用できる。
【００２５】
２次元空孔配列の形成に際しては、CF4を用いたRIEにより、SiNx膜３０上に円孔配列パターンを転写する。このSiNx膜パターンの空孔配列構造をマスクとして、Cl2を用いたICP（誘導結合プラズマ）ドライエッチングにより、上部反射鏡構造１６の積層内に深さ5μmの空孔１８を２次元周期的に配列した空孔配列構造を形成する。さらにRIEにより、SiNx膜３０を全て除去する。これにより、図３に示す構造が得られる。
【００２６】
さらに、円孔１８の内部を含み、上部電極２０の表面を除いた上部表面、及び、素子の側面をSiNx膜２２で被覆し、図４に示す構造を得る。さらに、その上に電極引き出し用の電極パッド２４を、例えばTi/Pt/Au膜で形成する。上部電極２０は、円孔１８のない空孔配列の点欠陥部付近のみにおいて、SiNx膜２２下部の半導体積層構造と接触している。図６は、この段階における面発光レーザの素子断面を示している。
【００２７】
上部電極２０直下の電流開口部（点欠陥を含み、周囲の空孔に囲まれた、上部電極２０が形成された部分）の直径ｄはおよそ10μmであり、このため発光面積がおよそ80μm2という大面積からの発光が得られる。電流開口部では、空孔１８が形成されないことで、効率的な電流狭窄が可能になる。また、欠陥部と周囲の２次元空孔配列領域との小さな屈折率差により、単一横モードによる光閉じ込めが可能になる。空孔１８の深さは、上部反射鏡構造１６の３５ペアの内の約２５ペア分の深さに形成している。空孔の深さは、例えば、上部反射鏡構造１６の厚みとの比率で０．５：１〜０．９：１程度とするのがよい。
【００２８】
その後、GaAs基板１０の裏面側にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィーにより、直径50μmの円形状にフォトレジストを残す。その円形のフォトレジストを囲む外側領域で露出するGaAs基板１０の裏面に、下部電極２６をTi/Pt/Au膜で形成する。最後にフォトレジストを除去する。これにより、図５に示す面発光レーザが得られる。
【００２９】
上記実施例の面発光レーザの特性を計算シミュレーションにより評価したところ、素子抵抗は35Ω程度と見積もられた。また、実際に製造したところ、しきい値2mAにて、基本横モード発振が得られた。このように、本発明により、酸化狭窄やイオンインプラ狭窄などの複雑な電流狭窄構造を形成することなく、素子抵抗が低く、しかも作製が容易な基本横モード面発光レーザの作製が可能となる。
【００３０】
実施例２
本実施例の面発光レーザは、発振波長が、GaAs基板が透明である波長1100nmとなるように設計された面発光レーザである。基本的な作製方法については、実施例１において記したものと同様である。従って、図２〜図５を参照してその作製方法を説明する。
【００３１】
まずp型GaAs基板１０Ａの上に、MOCVD法で下部反射鏡構造１２を形成する。下部反射鏡構造１２は、それぞれの厚みがλ/4n（λは発振波長、nは屈折率）であるp型Al0.9Ga0.1As層とp型GaAs層とを交互に積層した25ペアの多層膜から構成される。各層のキャリア濃度は1×1018cm-3である。次に、その上に、図示しない下部クラッド層、3層のGaInAs/GaAs量子井戸構造の発光層１４、図示しない上部クラッド層を順次に積層する。更に、その上に、上部反射鏡構造１６を形成する。上部反射鏡構造１６は、それぞれの厚みがλ/4nであるn型Al0.9Ga0.1As層とn型GaAs層とを交互に積層した35ペアの多層膜から構成される。各層のキャリア濃度は1×1018cm-3とする。
【００３２】
次に、上記積層構造の表面にプラズマCVD法でSiNx膜３０を成膜する。フォトレジストを用いたフォトリソグラフィーとRIE（反応性イオンエッチング）により、SiNx膜３０を直径10μmの円形開口状に除去する。除去した部分に、例えばAuGeNi/Au膜を蒸着して、円形状の上部電極２０を形成する。
【００３３】
次に、表面に電子線描画用レジストを塗布し、レジスト膜上に配列周期が5μmで、直径が2μmの円孔を三角格子状に配列した空孔配列構造を電子線描画により形成する。その後、CF4を用いたRIEにより、SiNx膜３０に空孔配列パターンを転写する。このSiNx膜パターンの空孔配列構造をマスクとして、Cl2を用いたICP（誘導結合プラズマ）ドライエッチングにより、上部反射鏡構造１６の積層内に、深さ4μm程度の空孔配列構造を形成する。さらにRIEにより、SiNx膜３０を全て除去する。
【００３４】
さらに、円孔１８の内部を含み、上部電極２０を除き、上部電極２０の周囲の外側領域をSiNx膜２２で被覆する。さらにその上に電極引き出し用に電極パッド２４を、例えばTi/Pt/Au膜で形成する。上記空孔配列の側面についても、全て絶縁膜（SiNx膜）２２で覆う。上部電極２０は、円孔１８のない空孔配列の点欠陥部付近のみにおいて積層構造と接触している。その後、GaAs基板１０の裏面側にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィーにより、直径50μmの円形状にフォトレジストを残す。フォトレジスト膜の周囲で露出するｐ型GaAs基板１０Ａの裏面に下部電極２６をTi/Pt/Au膜で形成する。最後にフォトレジストを除去する。
【００３５】
本実施例の面発光レーザの特性を計算シミュレーションにより評価したところ、素子抵抗は30Ω程度と見積もられた。また、実際に製造したところ、しきい値電流2.5mAにて、基本横モードの発振が得られた。本実施例では、p型GaAs基板を用いており、２次元空孔配列を形成するのはキャリアの移動度が高いn側半導体層の内部である。このため、p側半導体層に２次元空孔配列を形成する実施例1と比較して、更に素子抵抗が低下している。一方、本実施例では、キャリアの横方向への広がりが大きくなり、電流狭窄効果が弱まるため、実施例1と比較して、しきい値電流は若干上昇している。
【００３６】
上記のように、本発明により、酸化狭窄やイオンインプラント狭窄などの複雑な工程により電流狭窄構造を形成することなく、素子抵抗が低く、しかも作製が容易な基本横モード発振の面発光レーザの作製が可能となった。
【００３７】
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】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態に係るフォトニック結晶面発光レーザを、その一部を切断して示す斜視図。
【図２】図１のフォトニック結晶面発光レーザの製造における一工程段階を示す斜視図。
【図３】図２に後続する工程段階を示す斜視図。
【図４】図３に後続する工程段階を示す斜視図。
【図５】図４に後続する工程段階を示す斜視図。
【図６】図４に示す工程段階における断面図。
【図７】２次元空孔配列の点欠陥を例示する平面図。
【図８】２次元空孔配列の別の欠陥領域を例示する平面図。
【図９】従来のフォトニック結晶面発光レーザの斜視図。
【図１０】図１のフォトニック結晶面発光レーザの上面図。
【符号の説明】
【００３９】
１００：フォトニック結晶面発光レーザ
１０、１０Ａ：GaAs基板
１２：下部反射鏡構造
１４：量子井戸活性層
１６：上部反射鏡構造
１８：空孔
２０：上部電極
２２：絶縁膜（ＳｉＮｘ膜）
２４：電極パッド
２６：下部電極
２８：レーザ光
３０：ＳｉＮｘ膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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