JP3566902B2 - 面発光半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は面発光半導体レーザ素子に関し、更に詳しくは、発振するレーザ光の横モード制御が可能な面発光半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、大容量光通信網の構築、または光インターコネクションや光コンピューティングなどの光データ通信システム構築の実現を目指す研究が進められているが、それらの光源として、ＧａＡｓ基板を用いて製造した面発光半導体レーザ素子が注目を集めている。
【０００３】
このような面発光レーザ素子の基本的な層構造の１例Ａを図１１に示す。
この素子Ａでは、例えばｎ型ＧａＡｓから成る基板１の上に、組成が異なる例えばｎ型のＡｌＧａＡｓの薄層を交互に積層して成る下部反射鏡層構造２が形成されている。そして、この下部反射鏡層構造２の上には、例えばｉ型のＡｌＧａＡｓから成る下部クラッド層３ａ，ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓで形成した量子井戸構造から成る発光層４，ｉ型のＡｌＧａＡｓから成る上部クラッド層３ｂが順次積層され、更にこの上部クラッド層３ｂの上に、組成が異なる例えばｐ型のＡｌＧａＡｓの薄層を交互に積層して成る上部反射鏡層構造５が形成されたのち、この上部反射鏡層構造５の最上層の表面には、ｐ型のＧａＡｓ層６が形成されて全体の層構造を構成している。そして、上記層構造の少なくとも下部反射鏡層構造２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、柱状の層構造が形成されている。
【０００４】
中央に位置する柱状の層構造におけるＧａＡｓ層６の上面の周縁部近傍には例えばＡｕＺｎから成る円環形状の上部電極７ａが形成され、また基板１の裏面には例えばＡｕＧｅＮｉ／Ａｕから成る下部電極７ｂが形成されている。
そして、全体の表面のうち、柱状部の側面、および、ＧａＡｓ層６の表面のうち、上部電極７ａの外側に位置する周縁部が例えばＳｉＮｘから成る誘電体膜８で被覆されることにより、ＧａＡｓ層６の一部表面６ａ、すなわち上部電極７ａの内側の部分がレーザ光の出射窓として機能する円形の開口部６Ｃになっており、更に上部電極７ａと誘電体膜８の表面を被覆して例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕから成る電極引き出し用パッド７ｃが形成されている。
【０００５】
また、このレーザ素子Ａにおいては、上部反射鏡層構造５の最下層、すなわち発光層４に最も近い場所に位置する層３ｃは例えばｐ型のＡｌＡｓで形成されている。そして、このＡｌＡｓ層３ｃのうち外側の周縁部分は、平面視形状が円環形状をしていて、当該ＡｌＡｓ層のみを選択的に酸化することによって形成されたＡｌ_２Ｏ_３を主体とする絶縁領域３ｄになっており、そのことによって、発光層４に対する電流狭窄構造が形成されている。
【０００６】
このレーザ素子Ａにおいては、上部電極７ａと下部電極７ｂを動作させることにより、発光層４におけるレーザ発振が起こり、そのレーザ光はＧａＡｓ層６を通過してその表面部分６ａ（レーザ光の出射窓）から矢印のように、すなわち基板１の垂直上方に発振していく。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、面発光半導体レーザ素子を光伝送システムの光源として組み込むためには、当該レーザ素子から発振するレーザ光の発振横モードを制御することが必要である。
例えばマルチモード光ファイバを用いたデータリンクの場合には、高次横モードで安定して発振するレーザ素子が光源として必要となり、また空間伝搬を適用したボード間光伝送システムの場合や、単一モード光ファイバを用いた高速光伝送システムの場合には、基本横モード発振するレーザ素子が光源として必要になる。
【０００８】
従来、上記した構造の面発光半導体レーザ素子の発振横モードは、図１１で示した電流狭窄構造のサイズで制御されている。具体的には、円環形状をした絶縁領域３ｄの円環の幅を変化させることにより、中心部に位置する平面視形状が円形になっている電流注入経路３ｅの大小で制御している。例えば、基本横モードで発振するレーザ素子の場合、上記した電流注入経路３ｅの直径は５μｍ以下程度にすることが必要とされている。
【０００９】
しかしながら、電流注入経路３ｅの直径を上記したような小さい値にすると、結局、レーザ素子としての抵抗が高くなるため、その動作電圧が高くなるというような不都合が生じてくる。
また、電流注入経路３ｅの直径の大小をμｍオーダで正確に制御するということは、絶縁領域３ｄの幅、すなわちＡｌＡｓ層３ｃにおける酸化幅を正確に制御するということを意味する。しかしながら、この酸化幅をμｍオーダで制御することはかなり困難である。そのため、製造したレーザ素子の特性にばらつきが生じ、再現性の点で問題が生ずる。
【００１０】
なお、マルチモードで発振するレーザ素子の場合、電流注入経路の直径を大きくすると、電流注入時に発振横モードがスイッチングするため雑音が発生し、光伝送特性が劣化するという問題も生ずる。
本発明は、電流注入経路３ｅの大小で発振横モードを制御している従来の面発光半導体レーザ素子における上記した問題を解決することができる新規な発振横モード制御機構を備え、また製造も従来に比べて容易な面発光半導体レーザ素子の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、上部反射鏡層構造と下部反射鏡層構造との間に発光層を配置した半導体材料の層構造が基板の上に形成され、前記上部反射鏡層構造の上方には、平面視形状が円環形状をした上部電極が形成され、前記上部電極の内側が開口部になっている面発光半導体レーザ素子において、前記開口部の一部表面を被覆して、発振レーザ光に対して透明な層が形成されおり、前記透明な層の厚みが、発振レーザ光の発振波長の（２ｉ＋１）／４ｎ倍（ただし、ｎは透明な層の屈折率，ｉは整数を表す）に相当する厚みになっていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子、または、前記透明な層の厚みが、発振レーザ光の発振波長の（２ｉ＋１）／４ｎ倍（ただし、ｎは透明な層の屈折率，ｉは整数を表す）に相当する厚みになっていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子が提供される。
【００１２】
好ましくは、前記透明な層が少なくとも１層の誘電体膜から成り、また、前記発光層の近傍には電流注入経路が形成され、前記開口部に形成されている前記透明な層の形成位置は前記電流注入経路の平面視形状の中に含まれている面発光半導体レーザ素子が提供される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の面発光半導体レーザ素子は、開口部が形成されている上部反射鏡層構造において、レーザ発振を起こさせたくない部分の反射率を低下させる（すなわち、多重反射させる）ことにより発振横モード制御を行うという技術思想に立脚し、そのために、レーザ光の出射窓として機能する上記開口部の一部表面に、発振するレーザ光の発振波長に対して透明な層（以下、単に透明な層という）を設けるという手段を講じたものである。
【００１４】
ここで、上記した透明な層としては、レーザ光の発振波長との関係で各種の材料で構成されることになるが、ＳｉＮｘ，ＳｉＯｘ，ＡｌＯｘ，ＴｉＯｘ，ＭｇＯ，ＭｇＦを代表例とする誘電体から成る誘電体膜を好適例としてあげることができる。また、透明な層の材料としては、ＩＴＯ（インジウム−スズ酸化物）を用いることもできる。透明な層をＩＴＯで形成した場合には、この透明な層を電極として機能させることもできる。なお、この誘電体膜の場合、それは１層であってもよく、２層以上の積層構造になっていてもよい。
【００１５】
以下、透明な層が誘電体膜である場合を例にして、図面に則して本発明の面発光半導体レーザ素子について説明する。図１は本発明のレーザ素子の１例Ｂ１を示し、図２は別の例Ｂ２を示す。
これらの素子Ｂ１，Ｂ２の場合、いずれも、その層構造は図１１で示した素子Ａと同じである。しかしながら、素子Ａで説明したレーザ光の出射窓６ａとして機能する開口部６Ｃの表面にも誘電体膜が形成されていることにより、レーザ光の出射窓の平面視形状が図１１の場合と異なっている。
【００１６】
素子Ｂ１は、上部電極７ａの内側に位置する開口部に平面視形状が円環形状をしている誘電体膜８Ａが形成されていることにより、平面視形状が円形である、より小径の新たな出射窓６Ａが形成された構造になっている。
そして素子Ｂ２は、開口部６Ｃから表出しているＧａＡｓ層６の中心部に平面視形状が円形である誘電体膜８Ｂが形成されていることにより、平面視形状が円環形状をしている新たな出射窓６Ｂが形成された構造のものである。
【００１７】
ここで、上記した誘電体膜８Ａ（８Ｂ）の膜厚は、素子Ｂ１（Ｂ２）によるレーザ光の発振波長がλであるとした場合、λ×（２ｉ＋１）／４ｎ倍の値に近似した厚みであることが好ましい。
なお、上記した式において、ｎは誘電体膜８Ａ（８Ｂ）を構成する誘電体の屈折率を表し、またｉは０，１，２，……などの整数を表している。
【００１８】
最上面に、このような平面視形状で、またこのような膜厚の誘電体膜８Ａ（８Ｂ）が形成されていると、この誘電体膜８Ａ（８Ｂ）の直下に位置する上部反射鏡層構造の実効的な反射率が低下する。そして結果的に、誘電体膜８Ａ（８Ｂ）の直下でのみレーザ発振が起こることになり、発振横モードが制御されることになる。
【００１９】
この誘電体膜の平面視形状は、上に例示したタイプに限定されるものではなく、適宜な形状にすることができる。
なお、これらの厚みλ×２ｉ／４ｎの誘電体膜の上にＡｕ，Ｔｉ，Ｃｒのような金属膜を設けると、上記した反射率低下の効果が向上してレーザ光の発振横モード制御がより有効に発揮されるので好適である。
【００２０】
このように、開口部６Ｃに形成した誘電体膜（透明な層）は上記したような作用効果を発揮するので、その形成位置は、それを下方に投影したとき、発光層４におけるレーザ発振を規制する電流注入経路３ｅの平面視形状の中に含まれていることが好ましい。電流注入経路３ｅを経由して発振してくるレーザ光に対して、誘電体膜の直下に位置する上部反射鏡層構造の実効的な反射率を確実に低下せしめ、もって発振横モードの制御に関する確実性が向上するからである。
【００２１】
【実施例】
（１）レーザ素子の構造
図１で示したレーザ素子を次のようにして製造した。このレーザ素子の発振波長は８５０ｎｍとなるように設計されている。
ｎ型ＧａＡｓ基板１の上に、ＭＯＣＶＤ法で厚み４０ｎｍのｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓと厚み５０ｎｍのｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓとの薄層をヘテロ界面に厚み２０ｎｍの組成傾斜層を介在させながら交互に積層して３０．５ペアの多層膜から成る下部反射鏡層構造２を形成した。ついで、この上に、ノンドープＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓから成る下部クラッド層３ａ（厚み９７ｎｍ），３層のＧａＡｓ量子井戸（各層の厚み７ｎｍ）と４層のＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ障壁層（各層の厚み８ｎｍ）で構成された量子井戸構造の発光層４，ノンドープＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓから成る上部クラッド層３ｂ（厚み９７ｎｍ）を順次積層したのち、更にその上に、厚み４０ｎｍのｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓと厚み５０ｎｍのｐ型Ａｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓとの薄膜をヘテロ界面に厚み２０ｎｍの組成傾斜層を介在させながら交互に積層して２５ペアの多層膜から成る上部反射鏡層構造５を形成した。
【００２２】
そして、この上部反射鏡層構造５における最上層であるｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層の上にｐ型ＧａＡｓ層６を積層した。
なお、上記した上部反射鏡層構造の最下層３ｃは、厚み５０ｎｍのｐ型ＡｌＡｓで構成した。
次に、これら層構造におけるｐ型ＧａＡｓ層６の表面にプラズマＣＶＤ法でＳｉＮｘ膜８ａを成膜したのち、その上に通常のフォトレジストを用いたフォトリソグラフィーで直径約４５μｍの円形レジストマスク９を形成した（図３）。
【００２３】
ついで、ＣＦ_４を用いたＲＩＥで上記レジストマスク９直下のＳｉＮｘ膜以外のＳｉＮｘ膜８ａをエッチング除去したのちレジストマスク９を全て除去して、平面視形状が円環形状であるＧａＡｓ層６の表面を表出させた。
そして、ＳｉＮｘ膜８ａをマスクにし、リン酸と過酸化水素と水の混合液から成るエッチャントを用いて下部反射鏡層構造２に至るまでのエッチング処理を行って柱状構造を形成した（図４）。
【００２４】
そして、この層構造を水蒸気雰囲気中において温度４００℃で約２５分間加熱した。ｐ型ＡｌＡｓ層３ｃの外側周縁部のみが円環状に選択的に酸化され、その中心部には直径が約１５μｍの電流注入経路３ｅが形成された（図５）。
ついで、ＲＩＥによってＳｉＮｘ膜８ａを完全に除去したのち、全体の表面をプラズマＣＶＤ法によりＳｉＮｘ膜８で被覆し、続いて、直径約３５μｍのＧａＡｓ層６の上面に形成されているＳｉＮｚ膜８を外径２５μｍ，内径１５μｍの円環形状に除去してＧａＡｓ層６の表面を表出させ、そこにＡｕＺｎを蒸着して円環形状をした上部電極７ａを形成し、更に上部電極７ａの外側の表面のみをＳｉＮｘ膜８で被覆し、更にその上に電極引き出し用のパッド７ｃをＴｉ／Ｐｔ／Ａｕで形成した（図６）。
【００２５】
なお、このときのＳｉＮｘ膜８の膜厚は、ＳｉＮｘの屈折率が１．７５であり、素子の発振波長が８５０ｎｍであるため、前記した式：（２ｉ＋１）／４ｎにおいてｉ＝０にしたときの値、すなわち１２１ｎｍに設定した。
ついで、上部電極７ａの内側に位置しているＳｉＮｘ膜に対してフォトリソグラフィーとＲＩＥを適用することにより、その中心部に直径６μｍの円形の小孔を穿設し他のＳｉＮｘ膜８Ａは残してＧａＡｓ層６の表面を表出して出射窓６Ａを形成し、図１で示した素子Ｂ１を製造した。これを実施例１とする。
【００２６】
また、小孔の孔径を１０μｍにして出射窓６Ａを形成した。これを実施例２とする。
また、上部電極７ａの内側に位置しているＳｉＮｘ膜に対し、中心部に直径６μｍの部分８Ｂを残し、他の部分は全て除去することにより、外径１５μｍ，内径６μｍの円環形状をした出射窓６Ｂを形成し、図２で示した素子Ｂ２を製造した。これを実施例３とする。
【００２７】
いずれの実施例素子の場合も、基板１の裏面を研磨して全体の厚みを約１００μｍとしたのち、その研磨面にＡｕＧｅＮｉ／Ａｕを蒸着して下部電極７ｂが形成されている。
なお比較のために、前記したＡｌＡｓ層３ｃの酸化時間を約３０分とすることにより当該ＡｌＡｓ層３ｃの酸化幅を大きくして電流注入経路３ｃの直径を約５μｍにし、かつ、ＧａＡｓ層６の上に直径１５μｍの開口部６Ｃを形成し、これを出射窓６ａとする図１１で示した素子Ａを製造した。これを比較例１とする。また、実施例１の素子において、上部電極７ａの内側に位置するＳｉＮｘ膜を全て除去して直径１５μｍの開口部とし、これを出射窓６ａとする素子Ａを製造した。これを比較例２とする。
以上、５種類の素子における電流注入経路，出射窓の寸法形状を一括して表１に示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
（２）レーザ素子の特性評価
１）まず、実施例１と比較例１における電流−電圧特性と電流−光出力特性を図７に示す。図中、実線は電流−電圧特性、破線は電流−光出力特性をそれぞれ表している。
なお、実施例１，比較例１のいずれにおいても発振モードは基本横モードであった。
【００３０】
図７から明らかなように、実施例１は比較例１に対比して動作電圧が低く、例えば５ｍＡでの動作電圧は約１．８Ｖであり、比較例１の２．４Ｖに比べてかなり低い。これは、実施例１の電流注入経路の直径は１５μｍであり、電流注入経路の直径が５μｍである比較例１に比べてその箇所での抵抗が低くなっているからである。
また、電流−光出力特性において、実施例１の場合はしきい値電流が比較例１に比べて若干高いとはいえ、電流が１０ｍＡ程度になるまで光出力は飽和することなく増加している。これは、電流注入経路近傍における抵抗が低いので発熱が抑制されることに基づく効果であると考えられる。
【００３１】
２）次に実施例２，３と比較例２における電流−電圧特性と電流−光出力特性を図８にそれぞれ表す。図中、実線は電流−電圧特性、破線は電流−光出力特性をそれぞれ表している。
図８から明らかなように、実施例２，３と比較例２との間では上記両特性に顕著な差異は認められない。
そこで、実施例２，３，比較例２の各素子につき、発光近視野像を観察してみた。動作電流７ｍＡの場合の結果を図９に、動作電流１５ｍＡの場合の結果を図１０にそれぞれ示した。
【００３２】
なお、図９、図１０において、像ａは実施例２，像ｂは実施例３，像ｃは比較例２の場合をそれぞれ示す。
図９，図１０から明らかなように、比較例２の場合の像ｃでは外周部に多数の発光スポットが認められ、それが電流注入によってスイッチングしている。実施例２の像ａの場合は発光スポットが少なく、しかもそれらは中心部に集中している。そして、電流注入を大きくしてもスイッチング挙動を起こすことはなかった。
【００３３】
また実施例３の像ｂの場合は、実施例２に比べると発光スポットの数が増加し、しかも全体として拡散している。しかしながら、実施例３の場合も、電流注入を大きくしてもスイッチング挙動を起こすことはなかった。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明のレーザ素子は発振横モード制御が可能な面発光半導体レーザ素子であり、例えば低動作電圧で基本横モード発振するレーザ素子である。また、高次横モードで安定して発振する素子では、モードスイッチングによる雑音も低減する。したがって、この面発光半導体レーザ素子は並列データ伝送用の光源として使用可能であり、もって高速光データ通信システムの構築に貢献する。
【００３５】
また、本発明のレーザ素子における発振横モードの制御は、従来のように、電流狭窄構造の大小で制御するのではなく、全体の上面に形成する誘電体膜（透明な層）の平面視形状で制御するので、その設計自由度は高く、製造も容易であり、その製造コストも低減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の面発光半導体レーザ素子の１例Ｂ１の層構造を示す断面図である。
【図２】本発明の面発光半導体レーザ素子の別の例Ｂ２の層構造を示す断面図である。
【図３】基板の上に形成された層構造にＳｉＮｘ膜とレジストマスクを形成した状態を示す断面図である。
【図４】基板上に円柱構造を形成した状態を示す断面図である。
【図５】図４の円柱構造に酸化処理を施したのちの状態を示す断面図である。
【図６】図５の構造体に、上部電極と誘電体膜を形成した状態を示す断面図である。
【図７】実施例１と比較例１における電流−電圧特性と電流−光出力特性を示すグラフである。
【図８】実施例２，３および比較例２における電流−電圧特性と電流−光出力特性を示すグラフである。
【図９】動作電流が７ｍＡのときの実施例２，３および比較例２の発光近視野像である。
【図１０】動作電流が１５ｍＡのときの実施例２，３および比較例２の発光近視野像である。
【図１１】従来の面発光半導体レーザ素子の１例Ａを示す断面図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 下部反射鏡層構造
３ａ 下部クラッド層
３ｂ 上部クラッド層
３ｃ ＡｌＡｓ層
３ｄ 絶縁領域
３ｅ 電流注入経路
４ 発光層
５ 下部反射鏡層構造
６ ＧａＡｓ層
６ａ，６Ａ，６Ｂ レーザ光の出射窓
６Ｃ 開口部
７ａ 上部電極
７ｂ 下部電極
７ｃ 電極引き出し用パッド
８，８ａ，８Ａ，８Ｂ 誘電体膜（レーザ光の発振波に対して透明な層）
９ レジストマスク

Claims (6)

1. 上部反射鏡層構造と下部反射鏡層構造との間に発光層を配置した半導体材料の層構造が基板の上に形成され、前記上部反射鏡層構造の上方には、平面視形状が円環形状をした上部電極が形成され、前記上部電極の内側が開口部になっている面発光半導体レーザ素子において、
   前記開口部の一部表面を被覆して、発振レーザ光の発振波長に対して透明な層が形成されており、
   前記透明な層の厚みが、発振レーザ光の発振波長の（２ｉ＋１）／４ｎ倍（ただし、ｎは透明な層の屈折率，ｉは整数を表す）に相当する厚みになっていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
2. 上部反射鏡層構造と下部反射鏡層構造との間に発光層を配置した半導体材料の層構造が基板の上に形成され、前記上部反射鏡層構造の上方には、平面視形状が円環形状をした上部電極が形成され、前記上部電極の内側が開口部になっている面発光半導体レーザ素子において、
   前記開口部の一部表面を被覆して、発振レーザ光の発振波長に対して透明な層が形成されており、
   前記透明な層の厚みが、発振レーザ光の発振波長の２ｉ／４ｎ倍（ただし、ｎは透明な層の屈折率，ｉは自然数を表す）に相当する厚みになっており、かつ、前記透明な層の上に金属膜が成膜されていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
3. 前記透明な層の平面視形状を変化させることにより、発振レーザ光の出射窓の平面視形状を変化させてレーザ光の発振横モードが制御される請求項１または２の面発光半導体レーザ素子。
4. 前記発光層の近傍には電流注入経路が形成され、前記開口部に形成されている前記透明な層の形成位置は前記電流注入経路の平面視形状の中に含まれている請求項１〜３のいずれかの面発光半導体レーザ素子。
5. 前記透明な層が、少なくとも１層の誘電体膜から成る請求項１〜４のいずれかの面発光半導体レーザ素子。
6. 前記誘電体膜が、ＳｉＮｘ，ＳｉＯｘ，ＡｌＯｘ，ＴｉＯｘ，ＭｇＯ，ＭｇＦのいずれかである請求項５の面発光半導体レーザ素子。

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