(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
井戸幅が５ｎｍ、井戸数が２であるＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ／Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５）０．５Ｐの量子井戸構造を有する活性層と、
前記活性層の上下層に形成されたＩｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐのクラッド層と、
前記クラッド層を介し前記活性層の積層方向に形成された、Ｇａ１−ｘＡｌｘＡｓ膜（ただし、０．９≧ｘ≧０．５）とＧａ１−ｙＡｌｙＡｓ膜（ただし、ｙ≧０．９）とが交互に積層されたＤＢＲ多層膜である光反射層と
を備えることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
井戸幅が５ｎｍ、井戸数が２であるＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ／Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５）０．５Ｐの量子井戸構造を有する活性層と、
前記活性層の上下層に形成されたＩｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐのクラッド層と、
前記クラッド層を介し前記活性層の積層方向に形成された、Ｉｎ０．５（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）０．５Ｐ膜（ただし、ｘ≦０．５）とＩｎ０．５（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）０．５Ｐ膜（ただし、ｙ≧０．９）とが交互に積層されたＤＢＲ多層膜である光反射層と
を備えることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
【請求項３】
光出射窓が同一基板上にアレイ状に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の面発光型半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は面発光型半導体レーザに関し、特に、ＩｎＧａＡｌＰ系量子井戸構造面発光型半導体レーザに適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、波長６００〜７００ｎｍの半導体レーザがＤＶＤ（ｄｉｇｉｔａｌ  ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  ｄｉｓｋ）などの分野で実用化され始めている。
【０００３】
一方、面発光型半導体レーザが、この波長帯において実用化されれば、高速のプラスティックファイバリンク用の光源として用いることができる。このような、波長帯を実現する面発光型半導体レーザとして、ＩｎＧａＡｌＰ系面発光型半導体レーザがあり、ＩｎＧａＡｌＰ系面発光型半導体レーザのしきい値電流を低減させるために、活性層に量子井戸構造を採用した面発光型半導体レーザがある。
【０００４】
図６（ａ）は、従来のＩｎＧａＡｌＰ系量子井戸構造面発光型半導体レーザの構成を示す斜視図である。図６（ａ）において、ｎ−ＧａＡｓ基板１上には、ＤＢＲ多層膜２、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層３、ＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ：多重量子井戸）活性層４、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層５、ＤＢＲ多層膜６、ｐ−ＧａＡｓキャップ層７が順次積層され、ｎ−ＧａＡｓ基板１の裏面には、ｎ側電極８が形成されるとともに、ｐ−ＧａＡｓキャップ層７上には、ｐ側電極９が形成されている。ここで、ｐ−ＧａＡｓキャップ層７およびｐ側電極９には、円盤状の開口部が形成され、出射光を外部に取り出すための光出射窓１０が形成されている。
【０００５】
ここで、活性層４は、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ／Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５）０．５Ｐ膜で構成され、クラッド層３は、ｎ−Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐ膜で構成され、クラッド層５は、ｐ−Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐ膜で構成され、ＤＢＲ多層膜２は、ｎ−Ｇａ０．５Ａｌ０．５Ａｓ／Ｇａ０．０５Ａｌ０．９５Ａｓ膜で構成され、ＤＢＲ多層膜６は、ｐ−Ｇａ０．５Ａｌ０．５Ａｓ／Ｇａ０．０５Ａｌ０．９５Ａｓ膜で構成されている。
【０００６】
また、活性層４およびクラッド層３、５は、面発光型半導体レーザの共振器を構成し、中央の活性層４のところで１波長の定在波の腹となるように膜厚が設定される。
【０００７】
図６（ｂ）は、図６（ａ）の活性層およびクラッド層部分の拡大図である。図６（ｂ）において、ＭＱＷ活性層４では、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５）０．５Ｐ膜４ａとＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ膜４ｂとが交互に積層され、このＭＱＷ活性層４をクラッド層３、５で挟むことによりダブルヘテロ接合が形成される。
【０００８】
図６（ｃ）は、図６（ｂ）の活性層４およびクラッド層３、５部分のエネルギーバンド図である。図６（ｃ）において、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ膜４ｂは、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５）０．５Ｐ膜４ａに比べてバンドギャップが小さいため、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ膜４ｂの部分に量子井戸ＱＷが形成される。この量子井戸ＱＷの部分ではエネルギーレベルが量子化され、活性層４に注入された電子のエネルギー準位を局在化させることができる。このため、レーザ発振を効率よく行わせることが可能となり、しきい値電流を下げることができる。
【０００９】
また、クラッド層３、５は、ｎ−Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐ膜で構成され、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ／Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５）０．５Ｐ膜に比べてバンドギャップが大きい。このため、クラッド層３、５を介して注入された電子および正孔を活性層４内に閉じ込めることが可能となり、レーザ発振を効率よく行わせることが可能となる。
【００１０】
ここで、従来のＭＱＷ構造面発光型半導体レーザでは、利得を大きくするために、井戸幅Ｈｂを７ｎｍ以上、井戸数Ｗｎを５以上とすることが一般的に行われていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＭＱＷ構造を採用した活性層４では、井戸幅を７ｎｍ以上、井戸数を５以上とすると、活性層４からの発熱量が大きくなり、高温特性が劣化するという問題があった。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、高温特性を改善できる面発光型半導体レーザを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するため、本発明の一態様に係る面発光型半導体レーザは、井戸幅が５ｎｍ、井戸数が２であるＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ／Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５）０．５Ｐの量子井戸構造を有する活性層と、前記活性層の上下層に形成されたＩｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐのクラッド層と、前記クラッド層を介し前記活性層の積層方向に形成された、Ｇａ１−ｘＡｌｘＡｓ膜（ただし、０．９≧ｘ≧０．５）とＧａ１−ｙＡｌｙＡｓ膜（ただし、ｙ≧０．９）とが交互に積層されたＤＢＲ多層膜である光反射層とを備えることを特徴とする。また、本発明の別の態様に係る面発光型半導体レーザは、井戸幅が５ｎｍ、井戸数が２であるＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ／Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５）０．５Ｐの量子井戸構造を有する活性層と、前記活性層の上下層に形成されたＩｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐのクラッド層と、前記クラッド層を介し前記活性層の積層方向に形成された、Ｉｎ０．５（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）０．５Ｐ膜（ただし、ｘ≦０．５）とＩｎ０．５（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）０．５Ｐ膜（ただし、ｙ≧０．９）とが交互に積層されたＤＢＲ多層膜である光反射層とを備えることを特徴とする。
【００１４】
これにより、利得を確保しつつ活性層の厚みを薄くすることが可能となり、活性層からの発熱量を抑制することが可能となることから、高温動作時におけるしきい値電流の増加を抑制し、高温特性を改善することができる。
【００２２】
また、請求項３記載の発明によれば、光出射窓が同一基板上にアレイ状に設けられていることを特徴とする。
【００２３】
これにより、光出射窓のパターニングを行うだけで、複数の半導体レーザを同一基板上に集積化することが可能となり、多重リンクなどへの適用を容易に行うことができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係わる面発光型半導体レーザについて図面を参照しながら説明する。
【００２５】
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係わる面発光型半導体レーザの構成を示す斜視図である。図１（ａ）において、ｎ−ＧａＡｓ基板１上には、ＤＢＲ多層膜２、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層３、ＭＱＷ活性層４、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層５、ＤＢＲ多層膜６、ｐ−ＧａＡｓキャップ層７が順次積層されている。
【００２６】
ここで、活性層４およびクラッド層３、５は、面発光型半導体レーザの共振器を構成し、中央の活性層４のところで１波長の定在波の腹となるように膜厚が設定される。
【００２７】
なお、これらの膜の形成は、例えば、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相エピタキシャル成長）、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長）、またはＡＬＥ（原子層エピタキシー）などの方法で行うことができる。
【００２８】
また、ｎ−ＧａＡｓ基板１の裏面には、ｎ側電極８が形成されるとともに、ｐ−ＧａＡｓキャップ層７上には、ｐ側電極９が形成されている。さらに、ｐ−ＧａＡｓキャップ層７およびｐ側電極９には、円盤状の開口部が形成され、出射光を外部に取り出すための光出射窓１０が形成されている。なお、光出射窓１０は、フォトリソグラフィー技術で形成されたフォトレジストをマスクとして、ｐ−ＧａＡｓキャップ層７およびｐ側電極９を選択的にエッチング除去することにより形成することができる。
【００２９】
ここで、活性層４は、例えば、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ／Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５）０．５Ｐ膜で構成することができ、クラッド層３は、例えば、ｎ−Ｉｎ０．５（Ｇａ０．２Ａｌ０．８）０．５Ｐ膜で構成することができ、クラッド層５は、例えば、ｐ−Ｉｎ０．５（Ｇａ０．２Ａｌ０．８）０．５Ｐ膜で構成することができる。
【００３０】
また、ＤＢＲ多層膜２、６は、高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層したもので、Ｇａ１−ｘＡｌｘＡｓ膜（ただし、０．９≧ｘ≧０．５）とＧａ１−ｙＡｌｙＡｓ膜（ただし、ｙ≧０．９）とを交互に積層させることが好ましい。
【００３１】
例えば、ＤＢＲ多層膜２は、５４．５対のｎ−Ｇａ０．５Ａｌ０．５Ａｓ／Ｇａ０．０５Ａｌ０．９５Ａｓ膜で構成し、ＤＢＲ多層膜６は、例えば、３４対のｐ−Ｇａ０．５Ａｌ０．５Ａｓ／Ｇａ０．０５Ａｌ０．９５Ａｓ膜で構成することができる。
【００３２】
図１（ｂ）は、図１（ａ）の活性層およびクラッド層部分の拡大図である。図１（ｂ）において、ＭＱＷ活性層４では、Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５）０．５Ｐ膜４ａとＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ膜４ｂとが交互に積層され、図１（ｃ）に示すように、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ膜４ｂの部分には、量子井戸ＱＷが形成されている。
【００３３】
ここで、井戸幅Ｈｂを４ｎｍ〜６ｎｍ、井戸数Ｗｎを１〜３とする。また、井戸間隔Ｈａは、３〜１０ｎｍ程度が好ましい。
【００３４】
また、クラッド層３、５は、Ｉｎ０．５（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）０．５Ｐ膜（ただし、ｘ≧０．８）で構成することが好ましく、例えば、ｎ−Ｉｎ０．５（Ｇａ０．２Ａｌ０．８）０．５Ｐ膜で構成することができる。
【００３５】
図２は、発明の実施形態に係わる活性層の井戸数および井戸幅ならびにクラッド層の組成を変えた場合のしきい値電流および最大光出力のシミュレーション結果を示す図である。図２において、クラッド層３、５の組成がＩｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐ、活性層４の井戸幅Ｈｂが７ｎｍの場合、井戸数Ｗｎが１から５へと増加するに従って最大光出力は低下し、特に、温度が増加（５０度から７０度）すると、最大光出力は低下する。また、しきい値電流は、井戸数Ｗｎが１から３の場合はほぼ一定となるが、井戸数Ｗｎが３から５へと増加すると、しきい値電流は増加し、特に、温度が増加（５０度から７０度）すると、この傾向は著しくなる。
【００３６】
また、活性層４の井戸幅Ｈｂが５ｎｍの場合、井戸数Ｗｎが１から２へと増加すると、一旦最大光出力が増加した後、井戸数Ｗｎが２から７へと増加するに従って最大光出力は低下し、特に、温度が増加（５０度から７０度）すると、最大光出力は低下する。また、しきい値電流は、井戸数Ｗｎが１から３の場合はほぼ一定となるが、井戸数Ｗｎが３から７へと増加すると、しきい値電流は増加し、特に、温度が増加（５０度から７０度）すると、この傾向は著しくなる。
【００３７】
また、クラッド層３、５の組成をＩｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５ＰからＩｎ０．５（Ｇａ０．２Ａｌ０．８）０．５Ｐに変えた場合、活性層４の井戸幅Ｈｂが５ｎｍ、井戸数Ｗｎが２の場合を例にとって比較すると、５０度および７０度のいずれの場合においても、最大光出力は増加するとともに、しきい値電流は低下する。
【００３８】
従って、活性層４の井戸幅を４ｎｍ〜６ｎｍ、井戸数を１〜３とすることにより、高温動作時においても、しきい値電流の増加を抑制しつつ、最大光出力の低下を抑制することができる。
【００３９】
また、クラッド層３、５のＡｌの含有量を増やし、クラッド層３、５のバンドギャップを大きくすることにより、活性層４における電流閉じ込め効果を向上させることが可能となり、しきい値電流を低下させて、最大光出力を増加させることが可能となる。
【００４０】
なお、上述した実施形態では、光出射窓１０の周囲にｐ側電極９を形成する方法について説明したが、光出射窓１０上に透明電極を形成するようにしてもよい。これにより、光出射窓１０下の活性層４に電流を効率よく注入することができ、しきい値電流を低下させることができる。
【００４１】
また、クラッド層３、５のＡｌの含有量を増やし、クラッド層３、５のバンドギャップを大きくすることにより、活性層４における電流閉じ込め効果を向上させる方法について説明したが、クラッド層３、５を超格子構造として多重量子障壁（ＭＱＢ）を形成し、活性層４から漏れようとする電子に共鳴反射を起こさせることにより、クラッド層３、５のバンドギャップを実効的に増加させるようにしてもよい。多重量子障壁（ＭＱＢ）を採用してもよい。
【００４２】
また、活性層４に歪量子井戸構造を導入してもよく、これにより、しきい値電流を低下させることができる。
【００４３】
また、活性層４は、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｌＰ系多層膜の他に、ＩｎＧａＡｌＰ／ＩｎＧａＡｌＰ系多層膜でもよい。
【００４４】
また、ＤＢＲ多層膜２、６は、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｌＡｓ系多層膜の他に、、Ｉｎ０．５（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）０．５Ｐ膜（ただし、ｘ≦０．５）とＩｎ０．５（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）０．５Ｐ膜（ただし、ｙ≧０．９）とを交互に積層させてもよく、これによっても、低損失の反射膜を容易に形成することができる。
【００４５】
図３（ａ）は、本発明の第２実施形態に係わる面発光型半導体レーザの構成を示す斜視図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ｂ面で切断した断面図である。図３において、ｐ−ＧａＡｓキャップ層７上には、ｐ側リング電極１１が形成され、ｐ側リング電極１１の内側のｐ−ＧａＡｓキャップ層７を除去することにより、光出射窓１０が形成されている。
【００４６】
また、ｐ側リング電極１１の外側には、ｐ−ＧａＡｓキャップ層７およびＤＢＲ多層膜６に至る高抵抗領域１２が形成されている。ここで、高抵抗領域１２は、例えば、ｐ側リング電極１１の外側に選択的にプロトンなどのイオン注入を行うことにより形成することができる。
【００４７】
この高抵抗領域１２を設けることにより、ｐ側リング電極１１から供給された電流１６を高抵抗領域１２の部分で狭窄することが可能となり、発光効率を向上させて、しきい値電流を下げることができる。
【００４８】
なお、上述した実施形態では、高抵抗領域１２を、ｐ−ＧａＡｓキャップ層７およびＤＢＲ多層膜６内に形成する方法について説明したが、高抵抗領域１２をクラッド層５内にも設けるようにしてもよく、これにより、より一層の電流狭窄が可能となる。
【００４９】
図４（ａ）は、本発明の第３実施形態に係わる面発光型半導体レーザの構成をを示す斜視図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ｂ面で切断した断面図である。図４において、ＤＢＲ多層膜６およびｐ−ＧａＡｓキャップ層７は円柱状にエッチング成形され、ｐ−ＧａＡｓキャップ層７上には、ｐ側リング電極１３が形成されるとともに、ｐ側リング電極１３の内側のｐ−ＧａＡｓキャップ層７を除去することにより、光出射窓１０が形成されている。
【００５０】
また、１または複数のＡｌＡｓ層１４がＤＢＲ多層膜６のいずれかの層に形成され、このＡｌＡｓ層１４を酸化性雰囲気にさらし、このＡｌＡｓ層１４の外周部分を酸化することにより、リング状の選択酸化領域１５をＤＢＲ多層膜６内に形成する。
【００５１】
この選択酸化領域１５を設けることにより、ｐ側リング電極１３から供給された電流１６を選択酸化領域１５の部分で狭窄することが可能となり、発光効率を向上させて、しきい値電流を下げることができる。
【００５２】
図５は、本発明の第４実施形態に係わる面発光型半導体レーザの構成を示す斜視図である。図５において、同一のｎ−ＧａＡｓ基板１上に複数の光出射窓１０がアレイ状に形成されており、各光出射窓１０から光を個別に取り出すことができる。このアレイ状の面発光型半導体レーザは、マスクパターンを変更するだけで、容易に形成することが可能となり、半導体レーザをアレイ化する際のペレット同士の位置合わせや実装工程を省略することが可能となることから、製造工程を簡略化することが可能となる。
【００５３】
また、複数の光出射窓１０を同一基板上に形成できることから、光部品の３次元実装を容易に行うことが可能となり、多重リンクなどへの適用を容易に行うことが可能となる。
【００５４】
なお、上述した実施形態では、ｎ−ＧａＡｓ基板１を用いた面発光型半導体レーザについて説明したが、導電型は逆でもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高温動作時におけるしきい値電流の増加を抑制して、高温特性を改善することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係わる面発光型半導体レーザの構成を示す斜視図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の活性層およびクラッド層部分の拡大図、図１（ｃ）は、図１（ｂ）の活性層およびクラッド層部分のエネルギーバンド図である。
【図２】本発明の実施形態に係わる活性層の井戸数および井戸幅ならびにクラッド層の組成を変えた場合のしきい値電流および最大光出力のシミュレーション結果を示す図である。
【図３】図３（ａ）は、本発明の第２実施形態に係わる面発光型半導体レーザの構成を示す斜視図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ｂ面で切断した断面図である。
【図４】図４（ａ）は、本発明の第３実施形態に係わる面発光型半導体レーザの構成をを示す斜視図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ｂ面で切断した断面図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係わる面発光型半導体レーザの構成を示す斜視図である。
【図６】図６（ａ）は、従来の面発光型半導体レーザの構成を示す斜視図、図６（ｂ）は、図６（ａ）の活性層およびクラッド層部分の拡大図、図６（ｃ）は、図６（ｂ）の活性層およびクラッド層部分のエネルギーバンド図である。
【符号の説明】
１  ｎ−ＧａＡｓ基板
２、６  ＤＢＲ多層膜
３  ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層
４  ＭＱＷ活性層
４ａ  Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５）０．５Ｐ膜
４ｂ  Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ膜
５  ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層
７  ｐ−ＧａＡｓキャップ層
８  ｎ側電極
９  ｐ側電極
１０  光出射窓
１１、１３  ｐ側リング電極
１２  高抵抗領域
１４  ＡｌＡｓ層
１５  選択酸化領域
【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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