面発光型半導体レーザ素子
【課題】保護膜に起因する応力を低減して、素子寿命の長い面発光型半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】本面発光型半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板１２上に、一対の半導体多層膜反射鏡と、一対の半導体多層膜反射鏡の間に配置された活性層とを有し、基板に直交する方向にレーザ光を出射する酸化狭窄型面発光型半導体レーザ素子である。そして、抵抗率が１０5 Ω・ｃｍ2 以上の高抵抗半導体層からなる保護膜が、上部多層膜反射鏡上に、直接、又は他の化合物半導体層を介して設けられている。
【解決手段】本面発光型半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板１２上に、一対の半導体多層膜反射鏡と、一対の半導体多層膜反射鏡の間に配置された活性層とを有し、基板に直交する方向にレーザ光を出射する酸化狭窄型面発光型半導体レーザ素子である。そして、抵抗率が１０5 Ω・ｃｍ2 以上の高抵抗半導体層からなる保護膜が、上部多層膜反射鏡上に、直接、又は他の化合物半導体層を介して設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光型半導体レーザ素子に関し、更に詳細には、素子特性や信頼性に対して、外部からの物理的化学的影響を遮断できる保護膜を備えた面発光型半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
面発光型半導体レーザ素子は、基板に対して直交方向に光を出射させる半導体レーザ素子であって、従来のファブリペロー共振器型半導体レーザ素子とは異なり、同じ基板上に２次元アレイ状に多数の面発光型半導体レーザ素子を配列することが可能なこともあって、近年、データ通信分野で注目されている半導体レーザ素子である。
面発光型半導体レーザ素子は、ＧａＡｓやＩｎＰといった半導体基板上に１対の半導体多層膜反射鏡（例えばＧａＡｓ系では、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ等）を形成し、その対の反射鏡の間に発光領域となる活性層を有する。
そして、電流閉じ込め効果に優れた、Ａｌ酸化層による電流狭窄構造を構成した、低しきい値、高効率で動作する酸化狭窄型の面発光型半導体レーザ素子が提案されている。
【０００３】
ここで、図１を参照して、酸化層狭窄型で８５０ｎｍ帯の代表的な面発光型半導体レーザ素子の構成を説明する。図１は面発光型半導体レーザ素子の構成を示す断面模式図である。
面発光型半導体レーザ素子１０は、ｎ−ＧａＡｓ基板１２上に、それぞれの層の厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｎ−Ａｌ0.9ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ0.2 ＧａＡｓの３５ペアからなる下部ＤＢＲミラー１４、下部クラッド層１６、量子井戸活性層１８、上部クラッド層２０、それぞれの層の厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｐ−Ａｌ0.9ＧａＡｓ／ｐ−Ａｌ0.2 ＧａＡｓの２０ペアからなる上部ＤＢＲミラー２２、及びＧａＡｓキャップ層２４の積層構造を備えている。
【０００４】
上部ＤＢＲミラー２２では、活性層１８に近い側の一層が、ｐ−Ａｌ0.9ＧａＡｓ層に代えて、ｐ−ＡｌＡｓ層２６で形成され、かつ電流注入領域以外の領域のＡｌＡｓ層２６のＡｌが選択的に酸化され、Ａｌ酸化層２８からなる電流狭窄層を構成している。
【０００５】
積層構造のうち、上部ＤＢＲミラー２２は、フォトリソグラフィー処理及びエッチング加工により、ＡｌＡｓ層２６よりも下方まで、例えば直径３０μｍの円形のメサポストに加工されている。
メサポストに加工した積層構造を水蒸気雰囲気中にて、約４００℃の温度で酸化処理を行い、メサポストの外側からＡｌＡｓ層２６のＡｌを選択的に酸化させることにより、Ａｌ酸化層２８からなる電流狭窄層が形成されている。例えばＡｌ酸化層２８の幅が１０μｍの帯状のリングとした場合、中央のＡｌＡｓ層２６の面積、即ち電流注入される面積（アパーチャ）は、約８０μｍ2（直径１０μｍ）の円形になる。
【０００６】
メサポストは、周囲が例えばポリイミド層３０により埋め込まれている。そして、メサポスト上部に外周５μｍ〜１０μｍ程度の幅で接触するリング状電極がｐ側電極３２として設けられている。また、基板裏面を適宜研磨して基板厚さを例えば２００μｍ厚に調整した後、ｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面にｎ側電極３４が形成されている。
また、リング電極上を除きＧａＡｓ層上には、外部の物理的及び化学的影響から光出射部を保護するために、レーザ光に対して透明なＳｉＮ膜からなる保護膜３６が設けてある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−７５０１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、特開平１０−７５０１４号公報は、保護膜３６の膜厚として（λ／２ｎ）×Ｎ（Ｎ＝１、２、３、・・・整数）を好ましいとしている。ここで、λは波長、ｎは屈折率である。例えば、この式を上述の８５０ｎｍ帯の面発光型半導体レーザ素子に適用すると、最も薄い場合でも約２５０ｎｍ厚のＳｉＮ膜を必要とすることになる。
しかし、このようにＳｉＮ膜の膜厚が厚いと、ＳｉＮ膜と上部ＤＢＲミラーのＡｌＧａＡｓ膜との熱膨張係数の差によって、ＳｉＮ膜とＡｌＧａＡｓ膜との界面に応力が生じ、ひいては、活性層にもダメージを与える。また、ＳｉＮの残留応力により面発光型半導体レーザ素子の長期的信頼性に悪影響を及ぼす可能性がある。
この結果、面発光型半導体レーザ素子の素子寿命が短くなるという問題が生じる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、外部からの物理的及び化学的影響から発光部を保護し、かつ保護膜に起因する応力を低減して、素子寿命の長い面発光型半導体レーザ素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、保護膜による上部ＤＢＲミラーの反射率の低下と、保護膜による外部からの物理的及び化学的影響の遮断性とを研究した結果、保護膜として高抵抗半導体層を使用することにより、上部ＤＢＲミラーの反射率を低下させることなく、外部からの物理的及び化学的影響を遮断して、面発光型半導体レーザ素子を保護することができることを見出した。
【００１１】
上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係る面発光型半導体レーザ素子は、基板上に、一対の半導体多層膜反射鏡と、一対の半導体多層膜反射鏡の間に配置された活性層とを有し、基板に直交する方向にレーザ光を放射する面発光型半導体レーザ素子において、
抵抗率が１０5 Ω・ｃｍ2 以上の高抵抗半導体層からなる保護膜が、上部多層膜反射鏡上に、直接、又は他の化合物半導体層を介して設けられていることを特徴としている。
【００１２】
上記構成では、Ｆｅ（鉄）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）、Ｒｕ（ルテニウム）等の金属を半導体層にドーピングして得た、比抵抗の高い高抵抗半導体層を保護膜として使用することができる。また、高抵抗半導体層はレーザ光に対して透明であることが好ましい。
【００１３】
高抵抗半導体層の厚さは、位相のずれやアンチフェイズによる反射率の低下を防ぐために、λ／４ｎか、もしくはλ／４ｎ（ｎ＝高抵抗半導体層の屈折率）の３倍ないし５倍が好ましい。また、光の吸収を考慮する場合には、多層膜反射鏡の反射率に影響を及ぼさないように、数十ｎｍ以下の厚さが好ましい。
半導体層の組成には制約はないが、多層膜反射鏡を構成している半導体層、又はその上のコンタクト層（キャップ層）の格子定数に近い格子定数を有する半導体層が好ましい。多層膜反射鏡又はその上のコンタクト層（キャップ層）と格子定数が近い高抵抗半導体層を保護膜として用いた場合、両者の界面で応力フリーにすることができる。
更には、高抵抗半導体層を用いた場合、その表面が電気的に中性となるため、化学的ダメージを受け難くなるという効果もある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、レーザ光に対して透明で、特定した高抵抗半導体層からなる保護膜を、上部多層膜反射鏡上に、直接、又は他の化合物半導体層を介して設けることにより、特性が良好で長寿命な面発光型半導体レーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】面発光型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例
本実施形態例は、面発光型半導体レーザ素子の実施形態の一例である。本実施形態例の８５０ｎｍ帯の面発光型半導体レーザ素子は、保護膜３６（図１参照）が抵抗率が１０5 Ω・ｃｍ2 で、膜厚６０ｎｍのＦｅドープＧａＡｓ層で構成されていることを除いて、面発光型半導体レーザ素子１０と同じ構成を備えている。
【００１７】
本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子を作製するには、従来と同様にして上部ＤＢＲミラー、ＧａＡｓコンタクト層を形成し、次いでコンタクト層上に連続して、高抵抗半導体層を成膜し、電極形成のときに、所望のコンタクト領域の高抵抗半導体層を除去し、その部分に電極を形成することを除いて、従来と同様にして、作製することができる。
【００１８】
尚、保護膜３６を設けたことにより、位相のずれや、アンチフェイズ化が起こり、上部ＤＢＲミラーの反射率が低下する場合には、上部ＤＢＲミラーのペア数を増やし、反射率を上げることが好ましい。その際、ｐ型ＧａＡｓ基板上に面発光型半導体レーザ素子を作製すれば、上部ＤＢＲミラーを抵抗率の小さいｎ型化合物半導体層で構成することができるので、ペア数を増やして反射率を高めたときでも、電気抵抗の上昇を極めて小さく抑えることが可能となる。
【符号の説明】
【００１９】
１０ 面発光型半導体レーザ素子
１２ ｎ−ＧａＡｓ基板
１４ ｎ−Ａｌ0.9ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ0.2 ＧａＡｓの３５ペアからなる下部ＤＢＲミラー
１６ 下部クラッド層
１８ 量子井戸活性層
２０ 上部クラッド層
２２ ｐ−Ａｌ0.9ＧａＡｓ／ｐ−Ａｌ0.2 ＧａＡｓの２０ペアからなる上部ＤＢＲミラー
２４ ＧａＡｓキャップ層
２６ ｐ−ＡｌＡｓ層
２８ Ａｌ酸化層
３０ ポリイミド層
３２ ｐ側電極
３４ ｎ側電極
３６ ＳｉＮ膜からなる保護膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光型半導体レーザ素子に関し、更に詳細には、素子特性や信頼性に対して、外部からの物理的化学的影響を遮断できる保護膜を備えた面発光型半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
面発光型半導体レーザ素子は、基板に対して直交方向に光を出射させる半導体レーザ素子であって、従来のファブリペロー共振器型半導体レーザ素子とは異なり、同じ基板上に２次元アレイ状に多数の面発光型半導体レーザ素子を配列することが可能なこともあって、近年、データ通信分野で注目されている半導体レーザ素子である。
面発光型半導体レーザ素子は、ＧａＡｓやＩｎＰといった半導体基板上に１対の半導体多層膜反射鏡（例えばＧａＡｓ系では、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ等）を形成し、その対の反射鏡の間に発光領域となる活性層を有する。
そして、電流閉じ込め効果に優れた、Ａｌ酸化層による電流狭窄構造を構成した、低しきい値、高効率で動作する酸化狭窄型の面発光型半導体レーザ素子が提案されている。
【０００３】
ここで、図１を参照して、酸化層狭窄型で８５０ｎｍ帯の代表的な面発光型半導体レーザ素子の構成を説明する。図１は面発光型半導体レーザ素子の構成を示す断面模式図である。
面発光型半導体レーザ素子１０は、ｎ−ＧａＡｓ基板１２上に、それぞれの層の厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｎ−Ａｌ0.9ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ0.2 ＧａＡｓの３５ペアからなる下部ＤＢＲミラー１４、下部クラッド層１６、量子井戸活性層１８、上部クラッド層２０、それぞれの層の厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｐ−Ａｌ0.9ＧａＡｓ／ｐ−Ａｌ0.2 ＧａＡｓの２０ペアからなる上部ＤＢＲミラー２２、及びＧａＡｓキャップ層２４の積層構造を備えている。
【０００４】
上部ＤＢＲミラー２２では、活性層１８に近い側の一層が、ｐ−Ａｌ0.9ＧａＡｓ層に代えて、ｐ−ＡｌＡｓ層２６で形成され、かつ電流注入領域以外の領域のＡｌＡｓ層２６のＡｌが選択的に酸化され、Ａｌ酸化層２８からなる電流狭窄層を構成している。
【０００５】
積層構造のうち、上部ＤＢＲミラー２２は、フォトリソグラフィー処理及びエッチング加工により、ＡｌＡｓ層２６よりも下方まで、例えば直径３０μｍの円形のメサポストに加工されている。
メサポストに加工した積層構造を水蒸気雰囲気中にて、約４００℃の温度で酸化処理を行い、メサポストの外側からＡｌＡｓ層２６のＡｌを選択的に酸化させることにより、Ａｌ酸化層２８からなる電流狭窄層が形成されている。例えばＡｌ酸化層２８の幅が１０μｍの帯状のリングとした場合、中央のＡｌＡｓ層２６の面積、即ち電流注入される面積（アパーチャ）は、約８０μｍ2（直径１０μｍ）の円形になる。
【０００６】
メサポストは、周囲が例えばポリイミド層３０により埋め込まれている。そして、メサポスト上部に外周５μｍ〜１０μｍ程度の幅で接触するリング状電極がｐ側電極３２として設けられている。また、基板裏面を適宜研磨して基板厚さを例えば２００μｍ厚に調整した後、ｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面にｎ側電極３４が形成されている。
また、リング電極上を除きＧａＡｓ層上には、外部の物理的及び化学的影響から光出射部を保護するために、レーザ光に対して透明なＳｉＮ膜からなる保護膜３６が設けてある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−７５０１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、特開平１０−７５０１４号公報は、保護膜３６の膜厚として（λ／２ｎ）×Ｎ（Ｎ＝１、２、３、・・・整数）を好ましいとしている。ここで、λは波長、ｎは屈折率である。例えば、この式を上述の８５０ｎｍ帯の面発光型半導体レーザ素子に適用すると、最も薄い場合でも約２５０ｎｍ厚のＳｉＮ膜を必要とすることになる。
しかし、このようにＳｉＮ膜の膜厚が厚いと、ＳｉＮ膜と上部ＤＢＲミラーのＡｌＧａＡｓ膜との熱膨張係数の差によって、ＳｉＮ膜とＡｌＧａＡｓ膜との界面に応力が生じ、ひいては、活性層にもダメージを与える。また、ＳｉＮの残留応力により面発光型半導体レーザ素子の長期的信頼性に悪影響を及ぼす可能性がある。
この結果、面発光型半導体レーザ素子の素子寿命が短くなるという問題が生じる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、外部からの物理的及び化学的影響から発光部を保護し、かつ保護膜に起因する応力を低減して、素子寿命の長い面発光型半導体レーザ素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、保護膜による上部ＤＢＲミラーの反射率の低下と、保護膜による外部からの物理的及び化学的影響の遮断性とを研究した結果、保護膜として高抵抗半導体層を使用することにより、上部ＤＢＲミラーの反射率を低下させることなく、外部からの物理的及び化学的影響を遮断して、面発光型半導体レーザ素子を保護することができることを見出した。
【００１１】
上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係る面発光型半導体レーザ素子は、基板上に、一対の半導体多層膜反射鏡と、一対の半導体多層膜反射鏡の間に配置された活性層とを有し、基板に直交する方向にレーザ光を放射する面発光型半導体レーザ素子において、
抵抗率が１０5 Ω・ｃｍ2 以上の高抵抗半導体層からなる保護膜が、上部多層膜反射鏡上に、直接、又は他の化合物半導体層を介して設けられていることを特徴としている。
【００１２】
上記構成では、Ｆｅ（鉄）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）、Ｒｕ（ルテニウム）等の金属を半導体層にドーピングして得た、比抵抗の高い高抵抗半導体層を保護膜として使用することができる。また、高抵抗半導体層はレーザ光に対して透明であることが好ましい。
【００１３】
高抵抗半導体層の厚さは、位相のずれやアンチフェイズによる反射率の低下を防ぐために、λ／４ｎか、もしくはλ／４ｎ（ｎ＝高抵抗半導体層の屈折率）の３倍ないし５倍が好ましい。また、光の吸収を考慮する場合には、多層膜反射鏡の反射率に影響を及ぼさないように、数十ｎｍ以下の厚さが好ましい。
半導体層の組成には制約はないが、多層膜反射鏡を構成している半導体層、又はその上のコンタクト層（キャップ層）の格子定数に近い格子定数を有する半導体層が好ましい。多層膜反射鏡又はその上のコンタクト層（キャップ層）と格子定数が近い高抵抗半導体層を保護膜として用いた場合、両者の界面で応力フリーにすることができる。
更には、高抵抗半導体層を用いた場合、その表面が電気的に中性となるため、化学的ダメージを受け難くなるという効果もある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、レーザ光に対して透明で、特定した高抵抗半導体層からなる保護膜を、上部多層膜反射鏡上に、直接、又は他の化合物半導体層を介して設けることにより、特性が良好で長寿命な面発光型半導体レーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】面発光型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例
本実施形態例は、面発光型半導体レーザ素子の実施形態の一例である。本実施形態例の８５０ｎｍ帯の面発光型半導体レーザ素子は、保護膜３６（図１参照）が抵抗率が１０5 Ω・ｃｍ2 で、膜厚６０ｎｍのＦｅドープＧａＡｓ層で構成されていることを除いて、面発光型半導体レーザ素子１０と同じ構成を備えている。
【００１７】
本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子を作製するには、従来と同様にして上部ＤＢＲミラー、ＧａＡｓコンタクト層を形成し、次いでコンタクト層上に連続して、高抵抗半導体層を成膜し、電極形成のときに、所望のコンタクト領域の高抵抗半導体層を除去し、その部分に電極を形成することを除いて、従来と同様にして、作製することができる。
【００１８】
尚、保護膜３６を設けたことにより、位相のずれや、アンチフェイズ化が起こり、上部ＤＢＲミラーの反射率が低下する場合には、上部ＤＢＲミラーのペア数を増やし、反射率を上げることが好ましい。その際、ｐ型ＧａＡｓ基板上に面発光型半導体レーザ素子を作製すれば、上部ＤＢＲミラーを抵抗率の小さいｎ型化合物半導体層で構成することができるので、ペア数を増やして反射率を高めたときでも、電気抵抗の上昇を極めて小さく抑えることが可能となる。
【符号の説明】
【００１９】
１０ 面発光型半導体レーザ素子
１２ ｎ−ＧａＡｓ基板
１４ ｎ−Ａｌ0.9ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ0.2 ＧａＡｓの３５ペアからなる下部ＤＢＲミラー
１６ 下部クラッド層
１８ 量子井戸活性層
２０ 上部クラッド層
２２ ｐ−Ａｌ0.9ＧａＡｓ／ｐ−Ａｌ0.2 ＧａＡｓの２０ペアからなる上部ＤＢＲミラー
２４ ＧａＡｓキャップ層
２６ ｐ−ＡｌＡｓ層
２８ Ａｌ酸化層
３０ ポリイミド層
３２ ｐ側電極
３４ ｎ側電極
３６ ＳｉＮ膜からなる保護膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、一対の半導体多層膜反射鏡と、一対の半導体多層膜反射鏡の間に配置された活性層とを有し、基板に直交する方向にレーザ光を放射する面発光型半導体レーザ素子において、
抵抗率が１０5 Ω・ｃｍ2 以上の高抵抗半導体層からなる保護膜が、上部多層膜反射鏡上に、直接、又は他の化合物半導体層を介して設けられていることを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。
【請求項２】
高抵抗半導体層は、Ｆｅ（鉄）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）、Ｒｕ（ルテニウム）の少なくともいずれかがドープされた化合物半導体層であることを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項３】
少なくとも多層膜反射鏡の一部が、メサポスト構造を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項４】
電流狭窄構造が、酸化層狭窄型であることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項１】
基板上に、一対の半導体多層膜反射鏡と、一対の半導体多層膜反射鏡の間に配置された活性層とを有し、基板に直交する方向にレーザ光を放射する面発光型半導体レーザ素子において、
抵抗率が１０5 Ω・ｃｍ2 以上の高抵抗半導体層からなる保護膜が、上部多層膜反射鏡上に、直接、又は他の化合物半導体層を介して設けられていることを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。
【請求項２】
高抵抗半導体層は、Ｆｅ（鉄）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｒ（クロム）、Ｒｕ（ルテニウム）の少なくともいずれかがドープされた化合物半導体層であることを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項３】
少なくとも多層膜反射鏡の一部が、メサポスト構造を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項４】
電流狭窄構造が、酸化層狭窄型であることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【図１】
【公開番号】特開２０１１−１４９４１（Ｐ２０１１−１４９４１Ａ）
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３４８９５（Ｐ２０１０−２３４８９５）
【出願日】平成２２年１０月１９日（２０１０．１０．１９）
【分割の表示】特願２００１−２３５７５９（Ｐ２００１−２３５７５９）の分割
【原出願日】平成１３年８月３日（２００１．８．３）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１９日（２０１０．１０．１９）
【分割の表示】特願２００１−２３５７５９（Ｐ２００１−２３５７５９）の分割
【原出願日】平成１３年８月３日（２００１．８．３）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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