(57)【要約】【課題】電流狭窄構造を構成する酸化領域と非酸化領域との屈折率差を小さくすることにより、基本横モード光伝搬が得られる導波路径を大きくすることができ、光出力を増大させることが可能となる面発光レーザおよびその製造方法を提供する。【解決手段】半導体多層膜反射ミラーを備え、該半導体多層膜反射ミラーの一つを構成する半導体層であるＡｌxＧａ1-xＡｓ層を選択酸化して形成した、酸化領域と非酸化領域とによる電流狭窄構造を有する面発光レーザであって、  前記酸化領域は、加熱処理によってＧａ濃度を上昇させて高屈折率化され、前記非酸化領域との屈折率差を小さくした構造を有している構成とする。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体多層膜反射ミラーを備え、該半導体多層膜反射ミラーの一つを構成する半導体層であるＡｌxＧａ1-xＡｓ層を選択酸化して形成した、酸化領域と非酸化領域とによる電流狭窄構造を有する面発光レーザであって、
前記酸化領域は、加熱処理によってＧａ濃度を上昇させて高屈折率化され、前記非酸化領域との屈折率差を小さくした構造を有していることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項２】
前記酸化領域の加熱処理による高屈折率化は、前記酸化領域の一部領域を構成する前記非酸化領域との隣接領域に対して選択的に行われ、該隣接領域のみが高屈折率化されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項３】
前記加熱処理による領域のＧａ濃度は、非加熱処理による領域と比較して５倍以上、２５倍以下のＧａ濃度を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ。
【請求項４】
前記半導体多層膜反射ミラーを構成する、前記電流狭窄構造におけるＡｌxＧａ1-xＡｓ層と他の半導体層との界面に、
Ｚｎが５×１０18ｃｍ-3から５×１０19ｃｍ-3、添加されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
【請求項５】
半導体多層膜反射ミラーを構成する半導体層に、電流狭窄構造を形成した面発光レーザの製造方法であって、
前記電流狭窄構造を形成するため、前記半導体多層膜反射ミラーの一つを構成する半導体層であるＡｌxＧａ1-xＡｓ層を選択酸化し、酸化領域と非酸化領とによる電流狭窄構造を形成する工程と、
前記酸化領域に対して加熱処理を行い、周辺部の半導体層との相互拡散によりＧａ濃度を上昇させ、高屈折率化により前記非酸化領域との屈折率差を小さくした構造を形成する工程と、
を有することを特徴とする面発光レーザの製造方法。
【請求項６】
前記加熱処理がランプを用いる選択的加熱処理であって、該ランプによる加熱処理が前記酸化領域の一部領域を構成する前記非酸化領域との隣接領域に対して選択的に行われることを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザの製造方法。
【請求項７】
前記加熱処理がパルスレーザを用いる選択的加熱処理であって、該パルスレーザによる加熱処理が前記酸化領域の一部領域を構成する前記非酸化領域との隣接領域に対して選択的に行われることを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザの製造方法。
【請求項８】
前記半導体多層膜反射ミラーを構成する、前記電流狭窄構造におけるＡｌxＧａ1-xＡｓ層と他の半導体層との界面に、
Ｚｎを５×１０18ｃｍ-3から５×１０19ｃｍ-3、添加して、前記相互拡散を増速させる工程を、更に含むことを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の面発光レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は選択酸化構造を有する面発光レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光レーザは低閾値、低消費電力であり、またスポット形状が円形で光学素子とのカップリングが容易であり、アレイ化が可能である、等の多くの利点を有しており、光通信、光記録、また電子写真用の光源として応用が期待されている。
このような面発光レーザの中でも、多層膜反射鏡を構成している一部の層を選択酸化することにより作製された電流狭窄構造を備えた選択酸化型面発光レーザが、とりわけ低閾値電流で、高い電力変換効率を達成するものとして知られている。
【０００３】
このような選択酸化型面発光レーザの一つとして、特許文献１では、ＡｌxＧａ1-xＡｓ酸化層を電流狭窄および横モード制御のために用いたものが開示されている。
これは、具体的には図５に示すような構造を有している。
図５において、５１１０は共振器、５１１２は活性層、５１１４は上部スペーサー層、５１１６は下部スペーサー層、５１２０はｐ型半導体多層膜反射ミラー、５１２２は非酸化層である。
５１６０はｎ型半導体多層膜反射ミラー、５１６２は高屈折率、５１６４は低屈折率層である。
ここでは、面発光レーザを構成するｐ−半導体多層膜反射ミラー５１２０の層構造内に酸化層５２５０を形成し、該酸化層の絶縁性を利用して活性層５１１２に流れる電流を制御する構成が採られている。
【特許文献１】米国特許５９０３５８９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来例である特許文献１の選択酸化型面発光レーザのように、ＡｌxＧａ1-xＡｓ酸化層を電流狭窄に用いた場合、製造工程の観点から、Ａｌ組成比Ｘは、０．９８程度、厚さは２０ｎｍ〜３０ｎｍ程度が適している。
一方で、この酸化層を横モード制御層として捉えると、酸化層と周囲のレーザ材料の屈折率差が非常に大きくなっていることがわかる。
光ファイバーなどの光導波路では、コア、クラッドの比屈折率差が大きい場合に、全反射角が大きくなることで、基本横モードの光伝搬が得られるコア径が小さくなることが知られている。
同様に、上記選択酸化型面発光レーザにおいても、酸化層と周囲材料の比屈折率差が大きくなると、コア径すなわちレーザ導波路径は小さくなる。
そのため、レーザの光出力が制限されるという課題が生じる。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑み、電流狭窄構造を構成する酸化領域と非酸化領域との屈折率差を小さくすることにより、基本横モード光伝搬が得られる導波路径を大きくすることができ、
光出力を増大させることが可能となる面発光レーザおよびその製造方法の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、つぎのように構成した面発光レーザおよびその製造方法を提供するものである。
本発明の面発光レーザは、半導体多層膜反射ミラーを備え、該半導体多層膜反射ミラーの一つを構成する半導体層であるＡｌxＧａ1-xＡｓ層を選択酸化して形成した、酸化領域と非酸化領域とによる電流狭窄構造を有する面発光レーザであって、
前記酸化領域は、加熱処理によってＧａ濃度を上昇させて高屈折率化され、前記非酸化領域との屈折率差を小さくした構造を有していることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記酸化領域の加熱処理による高屈折率化は、前記酸化領域の一部領域を構成する前記非酸化領域との隣接領域に対して選択的に行われ、該隣接領域のみが高屈折率化されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記加熱処理による領域のＧａ濃度は、非加熱処理による領域と比較して５倍以上、２５倍以下のＧａ濃度を有することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記半導体多層膜反射ミラーを構成する、前記電流狭窄構造におけるＡｌxＧａ1-xＡｓ層と他の半導体層との界面に、
Ｚｎが５×１０18ｃｍ-3から５×１０19ｃｍ-3、添加されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、半導体多層膜反射ミラーを構成する半導体層に、電流狭窄構造を形成した面発光レーザの製造方法であって、
前記電流狭窄構造を形成するため、前記半導体多層膜反射ミラーの一つを構成する半導体層であるＡｌxＧａ1-xＡｓ層を選択酸化し、酸化領域と非酸化領とによる電流狭窄構造を形成する工程と、
前記酸化領域に対して加熱処理を行い、周辺部の半導体層との相互拡散によりＧａ濃度を上昇させ、高屈折率化により前記非酸化領域との屈折率差を小さくした構造を形成する工程と、
を有することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記加熱処理がランプを用いる選択的加熱処理であって、該ランプによる加熱処理が前記酸化領域の一部領域を構成する前記非酸化領域との隣接領域に対して選択的に行われることを特徴とする。また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記加熱処理がパルスレーザを用いる選択的加熱処理であって、該パルスレーザによる加熱処理が前記酸化領域の一部領域を構成する前記非酸化領域との隣接領域に対して選択的に行われることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、前記半導体多層膜反射ミラーを構成する、前記電流狭窄構造におけるＡｌxＧａ1-xＡｓ層と他の半導体層との界面に、
Ｚｎを５×１０18ｃｍ-3から５×１０19ｃｍ-3、添加して、前記相互拡散を増速させる工程を、更に含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、電流狭窄構造を構成する酸化領域と非酸化領域との屈折率差を小さくすることにより、基本横モード光伝搬が得られる導波路径を大きくすることができ、光出力を増大させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
つぎに、本発明の実施の形態について説明する。
図１に、本実施形態の選択酸化型面発光レーザの一例として、電流狭窄構造を構成する酸化領域全体を、加熱処理によってＧａ濃度を上昇させて高屈折率化し、非酸化領域との屈折率差を小さくした構造を有する構成例について説明する模式図を示す。
【０００９】
図１において、１１０は共振器、１１２は活性層、１１４は上部スペーサー層、１１６は下部スペーサー層、１２０はｐ型半導体多層膜反射ミラー、１２２は非酸化層、１２４は加熱処理酸化層である。
１６０はｎ型半導体多層膜反射ミラー、１６２は高屈折率層、１６４は低屈折率層である。
【００１０】
本実施形態における選択酸化型面発光レーザは、ｐ型半導体多層膜反射ミラー１２０、ｎ型半導体多層膜反射ミラー１６０の２枚の高反射ミラーで活性層１１２を含むレーザ共振器１１０で挟んだ基本構造を備えている。
さらに、レーザ発振を低閾値電流で行うための電流狭窄構造が、半導体多層膜反射ミラーの一つを構成する半導体層であるＡｌxＧａ1-xＡｓ層を選択酸化して形成した酸化領域と非酸化領域とによって構成されている。
具体的には、この電流狭窄構造が、Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓで構成される非酸化層１２２をメサ周囲から横方向に水蒸気酸化して形成された酸化層を、さらに加熱処理して得られた加熱処理酸化層１２４を備えた構成とされている。
この加熱処理酸化層１２４は、後に詳述するように周囲の材料と相互拡散することで得られている。
また、発振波長の制御は、共振器１１０の上下に設けられたスペーサー層１１４、１１６により調整される。
さらに、ｐ型半導体多層膜反射ミラー１２０、ｎ型半導体多層膜反射ミラー１６０の反射率はアルミニウムを多く含む高屈折率側の１／４波長膜（高屈折率層）１６２で制御され、
また、アルミニウムの少ない低屈折率側の１／４波長膜（低屈折率層）１６４の屈折率や枚数で制御される。
【００１１】
この加熱処理酸化層１２４で電流狭窄および横モード制御を同時に行う上で重要なパラメータは、
加熱処理酸化層１２４の屈折率、加熱処理酸化層１２４の厚さ、加熱処理酸化層の位置、加熱処理酸化層の抵抗率、非酸化層のアパーチャ径、非酸化層の屈折率などである。
電流狭窄の観点からは、加熱処理酸化層の位置は活性層に近いほど望ましいが、横モード制御の観点から、等価屈折を重視する必要がある。
すなわち、加熱処理酸化層の屈折率と非酸化層の屈折率、それぞれの厚さだけでなく、共振器長で決まる発振軸方向の強度分布を考慮したＶＣＳＥＬ特有の等価屈折率を求め、
基本モードが維持できる最大のアパーチャ径を設定することで、ＶＣＳＥＬの高出力化を実現できる。
【００１２】
従来の選択酸化型面発光レーザにおける電流狭窄では、非酸化層の屈折率は３．３、酸化層の屈折率は１．６程度であり、その結果、比屈折率差は４８％程度となり、これから計算される最大アパーチャ径は７μｍφ程度となる。
これに対して、本実施形態の選択酸化型面発光レーザにおいては、次の実施例で説明するように、例えば、非酸化層の屈折率３．３に対して、加熱処理酸化層の屈折率を最大２．５程度として、屈折率差を小さくすることができる。
これにより、基本横モード光伝搬が得られる導波路径を大きくすることができ、レーザの光出力を増大させることが可能となる。
なお、以上の説明では、電流狭窄構造を構成する酸化領域全体を高屈折率化した構成例について説明したが、本発明はこのような構成例に限定されるものではない。
例えば、酸化領域の加熱処理による高屈折率化を、前記酸化領域の一部領域を構成する非酸化領域との隣接領域に対して選択的に行い、該隣接領域のみを高屈折率化して非酸化領域との屈折率差を小さくするように構成してもよい。
【実施例】
【００１３】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、電流狭窄構造を構成する酸化領域全体を高屈折率化し、非酸化領域との屈折率差を小さくするようにした選択酸化型面発光レーザについて説明する。
本実施例の基本構造は、上記した本実施形態の選択酸化型面発光レーザと基本的に異ならないものであるから、図１を用いて説明する。
【００１４】
本実施例の面発光レーザは、活性層１１２が量子井戸活性層により構成され、その上下にスペーサー層１１４、１１６、そしてそれらの上下にｐ型半導体多層膜反射ミラー１２０、ｎ型半導体多層膜反射ミラー１６０が積層して構成されている。
また、スペーサー層１１４、１１６としてＡｌＩｎＧａＰを用い、一波長の光学的厚さを有する共振器となるように厚さが調整されている。
なお、必要に応じて発光波長、井戸数、あるいはスペーサー層の調整を行うことが可能である。
ここで用いられる量子井戸活性層１１２は、例えば３個のＩｎＧａＰ井戸層を含む。この場合、実施例では、発光中心波長は６６０ｎｍ、共振器１１０の共振波長を６７０ｎｍに設定した。
【００１５】
多層膜反射ミラーは、低屈折率層１６４と高屈折率層１６２とが交互に積層されている。
低屈折率層１６４は、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓで構成されており、高屈折率層１６２はＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓで構成される。
これらの低屈折率および高屈折率層の光学的厚さは、ともにそれぞれ１／４波長の光学的厚さになっている。
そのペア数は、基板側および出射側で発振波長における反射率が９９．９８％および９９．６％となるように設定した。具体的には６０ペアおよび３６ペアとされている。
【００１６】
電流狭窄は、１２４で示したＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓの酸化物（Ａｌ2Ｏ3）領域と、１２２で示したＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓの非酸化領域で構成されている。
厚みとしてＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓは３０ｎｍであり、多層反射ミラーの一部として構成され、上記１／４波長の条件になるように低屈折率層１６４や高屈折率層１６２と合わせて構成される。
【００１７】
また、電流狭窄を行う加熱処理酸化層１２４の位置は共振器１１０から上部半導体多層膜反射ミラー１２０の境界から上部半導体多層膜反射ミラーに向かって１層目に位置している。
酸化後の電流狭窄層の主たる成分はＡｌxＯyになるため、屈折率がＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層１２２の約３．３から１．６程度まで大幅に減少する。
したがって、この電流狭窄層は、電流狭窄の効果だけでなく、実効的な屈折率変化により光導波路特性に大きな影響を与える。
【００１８】
これまでの酸化型ＶＣＳＥＬでは、このような大きな屈折率差により、大口径での単一横モード（０次）伝搬が困難であり、光出力も赤色での典型的な値は１ｍＷ以下と小さい。
本実施例では酸化した電流狭窄層の一分の領域である先端部、すなわち光分布が大きくなる領域のみ周囲のＡｌxＧａ1-xＡｓ層２００，２２０，２３０からのＡｌxＯy層内へのＧａ，Ａｓ拡散により屈折率を上げている。
これにより、電流注入層２００との屈折率差を小さくし、上記した課題を改善する。
【００１９】
本実施例では、電流狭窄層は活性層からから距離を約１１０ｎｍ、開口部の大きさを約４〜１０μｍφ、拡散領域の長さを２〜５μｍ、厚みを３０ｎｍ〜１００ｎｍと設計した。
本実施例では、酸化層全体の屈折率を上げる方法として、Ｚｎ拡散を用いた酸化層とその周囲部との相互拡散の増速を行うこともできる。
熱処理により酸化層と周辺部のＡｌxＧａ1-xＡｓ層が相互拡散を起こすことで酸化層の屈折率が上がる。
例えば、６５０℃〜９００℃で１〜６０分間程度の熱処理を加えた場合、加熱処理による領域のＡｓ、Ｇａ濃度は、非加熱処理による領域と比較して５倍以上、２５倍以下の程度の濃度を有することが期待できる。
【００２０】
さらに、相互拡散を増速させる方法としてＺｎを用いるようにしてもよい。
本実施例では、例えば加熱酸化領域２００およびその直上のＡｌxＧａ1-xＡｓ層２７０，２３０の界面を中心にして幅１０ｎｍの領域に５×１０18ｃｍ-3から５×１０19ｃｍ-3のＺｎを選択的に添加することで上記した結果を期待できる。
上記加熱条件の場合、屈折率は加熱処理酸化層１２４と非酸化層１２２の濃度差が無い状態まで相互拡散が進む場合、
加熱処理酸化層１２４の屈折率を１．６、非酸化層１２２の屈折率を３．３として線形近似が期待できるとすると、加熱領域の屈折率は最大２．５となる。
その結果、単一横モード伝搬の最大径を従来比４０％、面積で１９６％大きくでき、光出力が面積に比例すると仮定すると単一横モード光出力は従来比で１９６％となる。
【００２１】
つぎに、図１に示した選択酸化面発光レーザの具体的な作製方法について説明する。
本実施例において、結晶成長の方法として、ここでは有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いる。
高品質な半導体結晶が精度良く製作できる方法があれば、上記ＭＯＣＶＤ法に限定されず、分子線エピタキシー法などを用いることができる。
電流狭窄構造の形成としてＡｌxＧａ1-xＡｓの選択的水蒸気酸化法を用いる。
上記結晶成長後にドライエッチングにより図１に示すメサを形成する。
【００２２】
その後、水蒸気中で加熱することにより、Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層をメサ側面より酸化する。
これにより、この酸化領域（ＡｌxＯy）が絶縁性であることを利用して、面発光レーザに注入する電流をメサ中央部に集中させることが可能な構成を得ることができる。
また、酸化速度はＡｌxＧａ1-xＡｓ中に含まれるアルミニウムの量に比例するため、上部半導体多層膜反射ミラー１２０の特定の一層に、Ａｌ濃度が周囲より高い領域を作ることで、選択的に酸化領域を形成することが可能となる。
上記の選択酸化を行った後、結晶表面にＡｓ抜け防止用の保護膜を形成し、熱処理炉を用いて、窒素雰囲気中に６５０℃〜９００℃で１分〜６０分の加熱処理を行う。
これにより、Ｇａ濃度を上昇させて高屈折率化して前記非酸化領域との屈折率差を小さくした構造を形成する。
【００２３】
［実施例２］
実施例２においては、電流狭窄構造を構成する酸化領域の一分のみを高屈折率化して非酸化領域との屈折率差を小さくするようにした選択酸化型面発光レーザの構成例について説明する。
図２に、本実施例における選択酸化型面発光レーザの構成例を説明する模式図を示す。
図２において、２００はＡｌxＧａ1-xＡｓ層、２３０はＡｌxＧａ1-xＡｓ層、２５０は酸化層、２７０はＡｌxＧａ1-xＡｓ層である。
【００２４】
本実施例の選択酸化型面発光レーザにおいて、加熱酸化領域２００は非酸化層１２２に比べ、Ｇａ、Ａｓ原子が増加し、酸素原子が減少している。
これは加熱酸化領域２００と周辺部１２２、２７０、２３０のＡｌxＧａ1-xＡｓ層が加熱により相互拡散を起こすことで生じたものである。
例えば、６５０℃〜９００℃で１〜６０分間程度の熱処理を加えた場合、加熱酸化領域２００では酸化層２５０との濃度差としてＡｓ、Ｇａが５倍〜２５倍程度が期待できる。
さらに、相互拡散を増速させる方法としてＺｎを用いることもできる。
【００２５】
つぎに、本実施例の選択的加熱領域の形成方法について説明する。
図３に、反射膜マスクによるランプ加熱を用いた選択的加熱処理によって、酸化領域の一部領域を構成する非酸化領域との隣接領域に対して選択的に行い、選択的加熱領域を形成する方法を説明する模式図を示す。
図４に、パルスレーザを用いた選択的加熱処理によって、酸化領域の一部領域を構成する非酸化領域との隣接領域に対して選択的に行い、選択的加熱領域を形成する方法を説明する模式図を示す。
【００２６】
本実施例において、選択的加熱領域の形成方法として、反射膜マスク３１０を用いたランプ加熱およびパルスレーザ加熱を用いることができる。
ランプ加熱を用いた選択的加熱処理の場合には、図３に示すように、ランプ３００からの熱線を反射膜マスクの形成領域で反射し、保護膜３３０を形成した反射膜マスクの無い領域３２０のみを選択的に加熱する。
加熱の条件として、窒素、アルゴンなど不活性ガスの雰囲気中で、４００〜９００℃で１分〜６０分程度加熱する。
また、パルスレーザを用いた加熱処理の場合には、図４に示すように、まず、加熱領域の位置、深さを制御するためＸ−Ｙ−Ｚステージ４００により位置合わせを行う。
そして、ＧａＡｓ基板を用いる場合、結晶層に吸収されない波長８６０ｎｍ以上の光源４１０を光学系４２０で集光し、４３０で過熱を行う。
例えば１００フェムト秒パルスでピークパワー密度が（０．１〜１ＧＷ／ｃｍ2）で１回〜１０回の照射で相互拡散の効果を期待できると考えている。
また、円状の照射パターンの場合、１０μｍの酸化アパーチャで１５箇所程度行う。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態及び実施例１における、電流狭窄構造を構成する酸化領域全体を高屈折率化し、非酸化領域との屈折率差を小さくするようにした選択酸化型面発光レーザの構成例について説明する模式図。
【図２】本発明の実施例２における、電流狭窄構造を構成する酸化領域の一分のみを高屈折率化して非酸化領域との屈折率差を小さくするようにした選択酸化型面発光レーザの構成例を説明する模式図。
【図３】本発明の実施例２における反射膜マスクによるランプ加熱を用いた選択的加熱領域の形成方法を説明する模式図。
【図４】本発明の実施例２におけるパルスレーザを用いた選択的加熱領域の形成方法を説明する模式図。
【図５】従来例における選択酸化構造を有する面発光レーザを説明する模式図。
【符号の説明】
【００２８】
１１０：共振器
１１２：活性層
１１４：上部スペーサー層
１１６：下部スペーサー層
１２０：ｐ型半導体多層膜反射ミラー
１２２：非酸化層
１２４：加熱処理酸化層
１６０：ｎ型半導体多層膜反射ミラー
１６２：高屈折率層
１６４：低屈折率層
２００：ＡｌxＧａ1-xＡｓ層（加熱酸化領域）
２３０：ＡｌxＧａ1-xＡｓ層
２５０：酸化層
２７０：ＡｌxＧａ1-xＡｓ層
３００：熱源ランプ
３１０：反射膜マスク
３２０：反射膜のない領域
３３０：保護膜
４００：Ｘ−Ｙ−Ｚステージ
４１０：パルスレーザ光源
４２０：光学系
４３０：加熱領域
【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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