(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
GaAs基板(1)結晶上に光を発生する活性層(4)と前記活性層(4)から発生した光からレーザ光を得る為に活性層(4)の上下を反射鏡(2, 10)で挟んだ共振器構造を有し、前記基板(1)結晶と垂直に光を出射する面発光レーザにおいて、
バンドギャップが２eV以上のワイドギャップ半導体からなる電流狭窄層、および、前記電流狭窄層より二次元断面でみて内側に設けられたGaAsもしくはAlGaAsからなるアパーチャー層を有し、
前記電流狭窄層の上のみに高濃度に不純物がドーピングされたAlInP電流導入層が設けられ、
前記反射鏡の一方は前記アパーチャー層上および前記電流導入層にまたがって設けられた誘電体多層膜反射鏡(10)であり、
前記電流導入層と前記アパーチャー層とは同じ導電型であり、
前記誘電体多層膜反射鏡(10)の前記二次元断面でみて外側にP型電極(11)が設けられていることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項２】
請求項１に記載の面発光レーザにおいて、上記電流狭窄層がAlInP、AlGaInP、およびAlAsの群から選ばれたものの一つであることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項３】
請求項１または２のいずれかに記載の面発光レーザにおいて、上記活性層にGaInAsもしくはGaInNAsが用いられていることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の面発光レーザにおいて、レーザ光の波長が0.85μmより長いことを特徴とする面発光レーザ。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかに記載の面発光レーザにおいて、レーザ光の波長が光ファイバー通信で用いられる1.3μm帯もしくは1.55μm帯にあることを特徴とする面発光レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザ装置に係り、これを構成する半導体層に対しほぼ垂直方向にレーザ光を発振する共振器、所謂垂直共振器を有する面発光型の半導体レーザ（以下、面発光レーザと呼ぶ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
面発光レーザは、基板結晶の表面から垂直方向にレーザ光を出すので２次元並列集積が可能であり、光インターコネクションや並列光情報処理等のシステムへの応用、あるいは光ファイバ通信への応用が期待されている。さらに、素子の検査や光ファイバーとの結合が容易なのでシステムを安価に提供する事ができる。また、電流狭窄層を設けることで、電流をアパーチャーと呼ばれる部分から局所的に注入することができ、微小体積の活性領域でレーザ発振を起こすことが可能である。従って、低閾電流化、つまり、低消費電力化に適している。
【０００３】
電流狭窄層として、AlAsを選択的に酸化させた AlOx層の使用が近年提案され、閾電流の大幅な低減が達成された。その詳細は、例えば、IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics誌, 3巻, 893-904頁, 1997年に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記AlOx電流狭窄層は、結晶成長法により作製したAlAs層をメサ状にエッチングし、メサの周囲からAlAs層を選択的に酸化させAlOx層へ変化させて作製される。AlAs層のうち酸化されずに残ったメサ中央部分が、電流が注入されるアパーチャー層となる。低閾電流の面発光レーザを大量生産するためには、アパーチャー層の大きさを僅か数μｍとし、尚且つ、その大きさを正確に制御する必要がある。しかし、AlAs層の酸化の速度は散つきが大きく、アパーチャー層の大きさを正確に制御することは困難であり、AlOx電流狭窄層を有する面発光レーザの実用化においては低い歩留まりが問題となっている。通常、AlAsアパーチャー層（およびAlOx電流狭窄層）の上下にはGaAs層が配置されるが、AlAsアパーチャー層とGaAs層との界面ではヘテロ障壁が発生し、直列抵抗となり電気特性を劣化させる。また、絶縁体のAlOxと半導体のGaAsは熱膨張係数が大きく異なるので、AlOx電流狭窄層とGaAs層との界面では物理的剥離が発生することがあり、素子の歩留まりを低下させたり、素子寿命が短くなるなどの問題が生じている。
【０００５】
本発明の目的は、優れた特性の面発光レーザを歩留まり良く生産する事により、それを光源として利用したレーザ光送信モジュール及び光インターコネクション、あるいは光ファイバー通信等の応用システムを安価に提供する事である。また、直列抵抗が低い面発光レーザを提供する事も目的の一つである。更なる目的としては、優れた特性の長波長帯（波長：1.2から1.6μｍ）の面発光レーザを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
基板結晶上に光を発生する活性層と前記活性層から発生した光からレーザ光を得る為に活性層の上下を反射鏡で挟んだ共振器構造を有し、前記基板結晶と垂直に光を出射する面発光レーザにおいて、AlInP、AlGaInP、もしくはAlAs等のバンドギャプが２eV以上の半導体、所謂ワイドギャップ半導体を電流狭窄層に用い、ホトリソグラフ工程（電流狭窄層に開口形成）と再成長工程（開口を埋め込む半導体結晶成長）により上記電流狭窄層に設けられたアパーチャー（開口）にアパーチャー層を形成することで歩留まりを大きく改善できる。本明細書で以下に論じるワイドギャップ半導体とは、バンドギャップ（禁制帯幅）が２eV以上の半導体材料であれば、種類を問わず、また上述のAlInP、AlGaInPにおいては、このバンドギャップ値を満たすような組成を有することが要請される。
【０００７】
一方、上記電流狭窄層に形成された開口を埋め込むように形成されるアパーチャー層の材料としては、上記電流狭窄層よりバンドギャップの小さい例えばGaAsもしくはAlGaAsが好ましい。また、高濃度にドーピングされた電流導入層を電流狭窄層の上に形成することで直列抵抗を低減できる。さらに、活性層にGaInNAsを用いることで、光ファイバー通信で用いられる1.3μm帯もしくは1.55μm帯に適用できる（特に活性層以外の半導体層をGaAs、AlGaAs、AlAs、AlInPで形成する場合、結晶成長の観点からみて当該活性層組成は望ましい）。
【０００８】
このように構成することで、活性層の上記アパーチャー層に対向する部分を中心に電流を注入することができ、これにより発生した光は上記アパーチャー層を介して対向した反射鏡で構成される共振器を往復して、誘導放出光を発生する。ここで反射鏡とは、これに対して活性層側に接合された層（半導体層）より反射率の高い物質からなる膜又は複数の膜の積層構造を指し、その材料は半導体又は誘電体等から選ばれる。そして、基板側に形成された反射鏡と基板の反対側に形成された反射鏡の反射率は、共振器の仕様に応じて夫々設定される。
【０００９】
また、本発明の面発光レーザは、光インターコネクション、光ファイバー通信等のシステムで利用できる。その場合、面発光レーザをそれを駆動するICや光ファイバの部品と共にパッケージしたレーザ光送信モジュールとして利用する事が好ましい。
【００１０】
本発明の面発光レーザの構造、作製方法、および作用について、実施例１の説明図１を用いて示す。同図において、1はn型GaAs基板、2はn型半導体多層膜反射鏡、3は第1GaAsスペーサ層、4は活性層、5は第2GaAsスペーサ層、6はAlInP電流狭窄層、7はp型GaAs電流導入層、8は再成長界面、9は第3GaAsスペーサ層、10は多層膜反射鏡、11はp側電極、12はn側電極である。まず、2から7までの層を、結晶成長法により作製する。次に、アパーチャー層を形成するために、p型GaAs電流導入層7、AlInP電流狭窄層6、および第2GaAsスペーサ層5の一部（レーザ発振に提供する部分を含めた領域）を図１に示すようにエッチングにより取り除く（これにより、レーザ光を発振させる光軸上から上記電流狭窄層が除去される）に提供する。その後、結晶成長法によりp型GaAsを再成長して第3GaAsスペーサ層9を作製する（換言すれば、上記開口はGaAsで埋め込まれる）。第3GaAsスペーサ層9のうち電流狭窄層6に挟まれた部分がアパーチャー層となる。アパーチャー層は、ホトリソグラフ工程により作製されるので大きさは正確に制御できる。アパーチャー層、つまり、第3GaAsスペーサ層9の  ドーピング濃度をp=1×1018cm-3程度に設定することで、十分な導電率を得ることができ、尚且つ、レーザ光に対する光損失を十分に低減できる。最後に、多層膜反射鏡10、p側電極11、およびn側電極12を形成して構造が完成される。
【００１１】
電流は、p側電極11より注入され、p型第3GaAsスペーサ層9およびp型GaAs電流導入層7を通してアパーチャー層に導かれる。電流が電流狭窄層6と平行に流れるとき、p型GaAs電流導入層7はp=1×1020cm-3と超高濃度にドーピングされているので抵抗が非常に低く電流の殆どがこの層を流れる。また、第3GaAsスペーサ層9、p型GaAs電流導入層7、アパーチャー層、および第2GaAsスペーサ層5は、すべてGaAsであるのでヘテロ障壁による直列抵抗は発生しない。従って、p側電極11からアパーチャー直下の活性領域までの間で電圧降下は殆ど発生しない。また、n型半導体多層膜反射鏡2の直列抵抗も小さいので、素子抵抗が非常に低い面発光レーザを作製することができる。
【００１２】
ここで、AlInPによる電流狭窄の作用について、図３を参照して説明する。AlInPはGaAs基板と格子整合が可能であり良質な結晶が得られるのでレーザ光の散乱などの光学的劣化を生じさせない。図３(a)にn型AlInPとp型GaAs、及び図３(b)にp型AlInPとp型GaAsとのバンドラインナップの様子を示す。図中で＋で示される正孔がGaAsからAlInPへ移動しようとしても、価電子帯におけるヘテロ障壁（図では下向きに引かれた線）があり、移動できない。つまり、電流が流れない。ヘテロ障壁の大きさは、AlInPがn型の場合２eV程度、AlInPがp型の場合でも約 0.4 eV以上ある。本発明の構造では、上述の通りp側電極11からアパーチャー直下の活性領域までの間で電圧降下は殆ど発生しないので、AlInP層6は、n型が好ましいもののp型の場合でも十分大きなヘテロ障壁を有し、p型GaAs電流導入層7に対して電流狭窄層として作用する。尚、電流狭窄層の材料としては、GaAs基板上に形成可能なバンドギャプが２eV以上のワイドギャップ半導体なら本発明と同様な効果が得られるので、例えばAlGaInPやAlAsなどでも良い。また、第2GaAsスペーサ層5は、電子のAlInP電流狭窄層6への流入を防ぐために、p型もしくはノンドープ層であることが好ましい。本発明では、電流導入層とワイドギャップ半導体とのヘテロ障壁により電流を狭窄するので、面発光レーザの動作電圧が低いものの方がより適している。つまり、活性層4のバンドギャップが小さいく発振波長が0.85μmより長いものの方が良い。具体的には、活性層の材料として、GaInAsやGaInNAsが適している。活性層がGaInNAsの場合、優れた特性の長波長帯の面発光レーザを作製することができる。発振波長が0.85μｍよりも短い場合は、上記説明でGaAs層をAlGaAs層に置き換えれば、同様な効果が得られる。
【００１３】
また、電流狭窄層6は半導体なので、上下のGaAs層とほぼ同じ熱膨張係数を有し、ヘテロ界面で剥離が発生することもなく素子寿命が長い特徴を有する。
【００１４】
従って、本発明の面発光レーザは、優れた特性と長寿命を有し、尚且つ、高い歩留まりを有する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましき実施の形態を実施例１並びに２、及び図１並びに２を参照して具体的に説明する。
【００１６】
＜実施例１＞
本実施例では、発光波長が0.98μｍの面発光レーザを作製した。図１に構造断面図を示す。1はn型GaAs基板（n=1×1018cm-3、厚み:d=100μｍ )、2はn型GaAs/AlAs半導体多層膜反射鏡（n=1×1018cm-3)、3はn型第1GaAsスペーサ層(n=1×1016cm-3、d=半導体中での1/4波長厚)、4はノンドープGaInAs/GaAs歪量子井戸活性層、5はp型第2GaAsスペーサ層(p=1×1016cm-3、d=半導体中での1/8波長厚)、6はGaAs基板に格子整合したn型Al0.5In0.5P電流狭窄層(n=1×1017cm-3、d=半導体中での1波長厚)、7はp型GaAs電流導入層（p=1×1020cm-3、d=半導体中での1/2波長厚)、8は再成長界面、9はp型第3GaAsスペーサ層(p=1×1018cm-3)、10は誘電体多層膜反射鏡、11はp側電極、12はn側電極である。活性層4には、３層の7nm厚GaInAs井戸層を10nm厚のGaAs障壁層で隔てて実効的に1.27eV(波長:0.98μｍ)のバンドギャップを持つ歪量子井戸層を用いた。半導体多層膜反射鏡2は、半導体中で1/4波長厚の高屈折率のGaAs層と半導体中で1/4波長厚の低屈折率のAlAs層を交互に積層した。反射率を99.5%以上にする為に反射鏡層の積層数を20対とした。
【００１７】
半導体層2-7は、化学線エピタキシー装置を用いて1×10-5Torrの高真空中で連続して結晶成長させた。III族の原料には金属のアルミニュム、ガリュウム及びインジウムを、Ｖ族の原料にはフォスフィン及びアルシンを用いた。ドーパントの原料には、Si、BeおよびCBr4を用いた。ウエハーを取り出し、ホトリソグラフ工程により図１に示すようにp型GaAs電流導入層7およびn型AlInP電流狭窄層6を硫酸系エッチング液および塩酸系エッチング液により順次選択的にエッチングし、直径３μｍのアパーチャーを形成した。ウエハーを化学線エピタキシー装置に戻し、トリスヂメチルアミノアルシンを用いてp型第2GaAsスペーサ層5の一部を図１に示すように１０nmエッチングし、良好な結晶性を有する再成長界面8を形成した。その後、第3GaAsスペーサ層9を再成長した。第3GaAsスペーサ層9のうち電流狭窄層6に挟まれた部分がアパーチャー層となる。アパーチャー層は、ホトリソグラフ工程により作製されるので大きさは正確に制御できる。第3GaAsスペーサ層9の厚みは、第2GaAsスペーサ層5の厚みと合わせて半導体中で３＋1/4波長とし、最終的に第1GaAsスペーサ層3と合わせて３.５波長共振器を形成した（第3GaAsスペーサ層9の成長速度は、再成長界面8上とp型GaAs電流導入層7上で同一である）。アパーチャー層の外側の部分は共振条件からはずれているのでレーザ発振はおこらず、単一の横モード発振が得られる。リフトオフ法により内径10μｍ外径15μｍのリング状p側電極11を形成した後、スッパタ蒸着法により誘電体多層膜反射鏡10を形成した。誘電体多層膜反射鏡10は、誘電体中で1/4波長厚さの高屈折率アモルファスSi層と誘電体中で1/4波長厚さの低屈折率SiO2層を交互に積層して作製した。反射率を99%以上にする為に積層数を5対とした。本実施例では面発光レーザの誘電体多層膜反射鏡にアモルファスSi層とSiO2層の材料系を用いたが、誘電体多層膜反射鏡は高屈折率層と低屈折率層が交互に積層されていれば良いので、SiNとSiO2、アモルファスSiとSiN、或いはTiO2とSiO2等の他の材料系を用いても良い。その後、図１に示すようにCl系反応性イオンビームエッチングにより誘電体多層膜反射鏡10の外側をエッチングし、p側電極11を露出させた。最後に、n側電極12を形成した。
【００１８】
本面発光レーザに電流を注入したところ、閾電流10  μＡでレーザ発振した。レーザ光は誘電体多層膜反射鏡側から出射され、室温において発振波長は0.98μｍであった。本面発光レーザは、10万時間以上の長い素子寿命を有した。また、３インチウエハでの歩留まりも８０％以上と高かった。
【００１９】
＜実施例２＞
本実施例では、発光波長が1.3μｍの面発光レーザを作製した。図２に構造断面図を示す。21はn型GaAs基板（n=1×1018cm-3、d=300μｍ)、22はn型GaAs/AlInP半導体多層膜反射鏡（n=1×1018cm-3）、23はノンドープ第1GaAsスペーサ層(d=半導体中での1/2波長厚)、24はノンドープGaInNAs/GaAs歪量子井戸活性層、25はノンドープ第2GaAsスペーサ層(d=半導体中での2波長厚)、26はGaAs基板に格子整合したp型Al0.3Ga0.2In0.5P電流狭窄層(p=1×1016cm-3、d=半導体中での3/8波長厚)、27はp型GaAs電流導入層（p=1×1019cm-3、d=半導体中での1波長厚)、28は再成長界面、29はp型第3GaAsスペーサ層(p=1×1018cm-3)、30はノンドープGaAs/AlInP半導体多層膜反射鏡、31はp側電極、32はn側電極である。活性層24には、7nm厚のGaInNAs井戸層1層を10nm厚のGaAs障壁層で挟んだ実効的に0.95eV(波長:1.3μｍ)のバンドギャップを持つ歪量子井戸層を用いた。半導体多層膜反射鏡22は、半導体中で1/4波長厚の高屈折率のGaAs層と半導体中で1/4波長厚の低屈折率のGaAs基板と格子整合するAl0.5In0.5P層を交互に積層した。反射率を99.5%以上にする為に反射鏡層の積層数を20対とした。
【００２０】
半導体層22-27は、有機金属気相エピタキシー装置を用いて50Torrの真空中で連続して結晶成長させた。III族の原料には金属のトリメチルアルミニュム、トリメチルガリュウム及びトリメチルインジウムを、Ｖ族の原料にはヂメチルヒドラジン、フォスフィン及びアルシンを用いた。ドーパントの原料には、ヂシラン、およびヂメチル亜鉛を用いた。ウエハーを取り出し、ホトリソグラフ工程により図２に示すように、p型GaAs電流導入層27、p型AlInP電流狭窄層26、および第2GaAsスペーサ層25の一部を臭素系エッチング液でエッチングし、直径５μｍのアパーチャーを形成した。ウエハーを有機金属気相エピタキシー装置に戻し、HClを用いて第2GaAsスペーサ層25の一部をさらに１０nmエッチングし、良好な結晶性を有する再成長界面28を形成した。その後、第3GaAsスペーサ層29を再成長した。第3GaAsスペーサ層29のうち電流狭窄層26に挟まれた部分がアパーチャー層となる。アパーチャー層は、ホトリソグラフ工程により作製されるので大きさは正確に制御できる。第3GaAsスペーサ層29の厚みは、第1GaAsスペーサ層25の厚みと合わせて半導体中で３．５波長とし、最終的にGaAsスペーサ層23と合わせて４波長共振器を形成した。アパーチャー層の外側の部分は共振条件からはずれているのでレーザ発振はおこらず、単一の横モード発振が得られる。引き続いてノンドープGaAs/AlInP半導体多層膜反射鏡30を成長した。半導体多層膜反射鏡30は、半導体中で1/4波長厚の高屈折率のGaAs層と半導体中で1/4波長厚の低屈折率のGaAs基板と格子整合するAlInP層を交互に積層した。反射率を99%以上にする為に反射鏡層の積層数を15対とした。この後、図２に示すように臭素系エッチング液により半導体多層膜反射鏡10の外側を第2GaAsスペーサ層29までエッチングした。最後に、内径7μｍ外径15μｍのリング状p側電極31およびn側電極32を形成した。
【００２１】
本面発光レーザに電流を注入したところ、閾電流100  μＡでレーザ発振した。レーザ光は誘電体多層膜反射鏡側から出射され、室温において発振波長は1.3μｍであった。本面発光レーザは、10万時間以上の長い素子寿命を有した。また、３インチウエハでの歩留まりも７０％以上と高かった。上記性能は、長波長帯面発光レーザとしては非常に優れている。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、AlInP、AlGaInP、もしくはAlAs等のバンドギャプが２eV以上のワイドギャップ半導体を電流狭窄層に用い、ホトリソグラフ工程と再成長工程によりアパーチャー層を形成することで歩留まりを大きく改善できるので、優れた特性と長寿命を有する面発光レーザを大量に安価で提供する事ができる。従って、本面発光レーザは、レーザ光送信モジュールおよび、光インターコネクションあるいは光ファイバー通信などの応用システムで利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における面発光レーザの断面図。
【図２】本発明の実施例２における面発光レーザの断面図。
【図３】  n型AlInPとp型GaAsとのバンドラインナップ（a）、および、p型AlInPとp型GaAsとのバンドラインナップ（b）を示す図。
【符号の説明】
1…n型GaAs基板、2…n型半導体多層膜反射鏡、3…n型第1GaAsスペーサ層、4…活性層、5…p型第2GaAsスペーサ層、6…AlInP電流狭窄層、7…p型GaAs電流導入層、8…再成長界面、9…p型第3GaAsスペーサ層、10…多層膜反射鏡、11…p側電極、12…n側電極。
【図１】
0004134366.tif 000002
【図２】
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【図３】
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