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JP4728656B2 - 面発光レーザ素子 - Google Patents

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Description

本発明は、面発光レーザ素子に関するものである。
面発光レーザ素子(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)は、同一基板上に多数のレーザ素子を二次元的に集積でき、また、低しきい値動作が可能であるため、光インターコネクション、光コンピューティング、光通信などへの応用に適している。
特に、従来中距離以上の光通信用光源として用いられてきたDFBレーザに代わって、よりコストの低い面発光レーザ素子を用いることが検討されており、そのためには、単一横モードで発振する発振波長0.85μｍ以上の長波長帯面発光レーザ素子が必要とされる。
長波長帯の面発光レーザ素子としては、GaInNAsからなる量子井戸層を備えた、発振波長が１．２μｍ以上の長波長帯面発光レーザ素子が注目されている。GaInNAsは、他の主な長波長帯の発光材料と異なり、GaAsやAlGaAsとの格子整合を得ることができる。このため、結晶成長用基板や多層膜反射鏡については、既に実用化されている０．８５μｍ帯の面発光レーザ素子と同様の材料を用いることができるという利点がある。
一般に半導体レーザにおいては、活性層を挟んで形成されたpn接合の順方向に電流を流し、活性層にキャリアを注入する注入励起により発光させる。面発光レーザ素子の場合は、多層膜反射鏡の一方をｐ型半導体、他の一方をｎ型半導体とすることで、この注入励起を行うのが普通である。
ところが、０．８５μｍ帯の面発光レーザ素子でp型多層膜反射鏡の材料として用いられるp型AlGaAsは、価電子帯間吸収による光損失が大きいため、これを活性層の発光パワーが得られにくい長波長帯面発光レーザ素子に用いると、光出力の点で不利であった。特に、高温環境において光出力が著しく低下することが問題となっていた。
このような問題に対して、トンネル接合を利用するという技術がある。トンネル接合は、pn接合を形成する材料の不純物ドーピング濃度を著しく大きくしたものであり、逆方向電圧を印加した場合でも、ｐ型領域の価電子帯中の電子がトンネル効果でｎ型領域の伝導帯中に移動して大きな電流が流れるという特徴を有する。面発光レーザ素子にトンネル接合を使用すると、p型AlGaAsを用いることなく多層膜反射鏡を構成することができるという利点がある。トンネル接合を利用した面発光レーザ素子について、以下により詳しく説明する。
従来のトンネル接合型面発光レーザ素子の例を図６（ａ）（ｂ）に示す。図６（ａ）は、下部多層膜反射鏡にn型AlGaAs、上部多層膜反射鏡にもn型AlGaAsを用いたものである。図６（ａ）において、面発光レーザ素子１は、n-GaAs基板２上にn-GaAs/AlGaAsからなる下部半導体多層膜反射鏡３、n-GaAsからなる下部クラッド層４、多重量子井戸活性層５、p-GaAsからなる上部クラッド層６、p-GaAs/AlGaAsからなるp型多層膜７、トンネル接合層１０及びn-GaAs/AlGaAsからなる上部半導体多層膜反射鏡１１をこの順で有した層構造となっている。なお、p型多層膜７の一部のAlGaAs層は、中央部を囲む略環状部分が酸化されてAlxOy酸化層８ｂとなり、中央の非酸化部（酸化アパーチャ８ａ）は発光部として働く。素子上面にはリング状の上部電極１２、素子下面には下部電極１３が設けられている。
トンネル接合層１０は、ｐ++層１０ａ、n++層１０ｂが下から順に積層されたものである（p++、n++は高濃度にドーピングされていることを意味する）。
このようなトンネル接合を有する面発光レーザ素子を動作させる場合は、n-GaAs基板２側にマイナスの電圧を印加することによって、下部半導体多層膜反射鏡３/活性層５/ｐ++層１０ａには順方向電圧、ｐ++層（１０ａ）/n++層（１０ｂ）には逆方向電圧がかかり、活性層５にキャリアが注入されることになる。このように、トンネル接合を用いるとp型のAlGaAsを多層膜反射鏡として用いることなく活性層に電流を注入できるため、価電子帯間吸収が小さく、高出力化が可能になり、また、優れた温度特性が得られる。
一方、図６（ｂ）は、従来のトンネル接合型面発光レーザ素子の他の例である。このトンネル接合型面発光レーザ素子は、下部多層膜反射鏡にn型AlGaAs、上部多層膜反射鏡には誘電体材料を用い、活性層の直上の一部にコンタクト層及び電極を設けて電圧を印加する所謂イントラキャビティ・コンタクト構造を有している。図６（ｂ）において、面発光レーザ素子１は、n-GaAs基板２上にn-GaAs/AlGaAsからなる下部半導体多層膜反射鏡３、n-GaAsからなる下部クラッド層４、多重量子井戸活性層５、p-GaAsからなる上部クラッド層６、p-AlGaAs/GaAsからなるp型多層膜７、トンネル接合層１０及びn-GaAsからなるコンタクト層１４をこの順で有し、さらに、コンタクト層１４上には、中央の光出射部に上部誘電体多層膜反射鏡１７、その周囲にリング状の上部電極１２が設けられている。また、素子下面には下部電極１３が設けられている。このような誘電体多層膜反射鏡を用いたイントラキャビティ・コンタクト構造のトンネル接合型面発光レーザ素子においても、p型AlGaAsの多層膜反射鏡を用いることなく活性層に電流を注入できるため、価電子帯間吸収が小さく、高出力化が可能になり、また、優れた温度特性が得られる。
ところで、トンネル接合を用いた従来の長波長帯面発光レーザ素子の具体例としては、特許文献１に記載されたようなものがある。この特許文献１に記載の長波長帯面発光レーザ素子は、トンネル接合を構成するn++層にn++-GaInNAs、ｐ++層にｐ++-InGaAsSbを用いている。
米国特許出願公開第2004/0051113号明細書
しかしながら、特許文献１に示された面発光レーザ素子のように、トンネル接合を構成するn++層にn++-GaInNAs、ｐ++層にｐ++-InGaAsSbを用いると、次のような問題があった。すなわち、上記の面発光レーザ素子では、n++-GaInNAs層がＮを含むためにトンネル接合部の結晶性が悪化し、また、ｐ++-InGaAsSb層とn++-GaInNAs層との大きな格子定数差によりトンネル接合部に残留歪が生じていた。従って、このようなトンネル接合構造は、面発光レーザ素子の信頼性を悪化させる要因となっていた。
また、従来のトンネル接合型面発光レーザ素子では、図６（ａ）や図６（ｂ）におけるAlxOy酸化層８ｂの影響で、光出射方向に垂直な面方向（横方向）における屈折率差が大きくなっていた。すなわち、AlxOyはGaAs系の半導体材料に比べて屈折率が著しく低いため、光閉じ込めの度合いが大きくなり高次モードが容易に発振し、面発光レーザ素子の単一横モード動作を困難にしていた。これに対して単一横モード動作を容易にするために、酸化アパーチャ８ａの径を小さくすることが考えられるが、そうすると高出力動作の要請に応えることが難しくなるため、好ましくなかった。
これらの問題に鑑み、本発明は、高出力動作が可能で、温度特性に優れ、単一横モードで動作させることができ、かつ信頼性に優れた長波長帯面発光レーザ素子を提供するものである。
本発明は上記の目的を達成するためになされたものである。このうち、第一の発明は、GaAs基板上に下部多層膜反射鏡、活性層及び上部多層膜反射鏡を有してなる面発光レーザ素子において、前記面発光レーザ素子は、n型不純物が高濃度にドーピングされた高濃度n型層とp型不純物が高濃度にドーピングされた高濃度p型層とからなるトンネル接合を有し、前記高濃度n型層はTlx2Inx1Ga1-x1-x2As1-y1-y2Ny1Sby2混晶（0≦x2≦0.3、0≦x1≦0.3、0＜y1≦0.05、0＜y2≦0.3）からなり、前記高濃度p型層はTlx4Inx3Ga1-x3-x4As1-y3-y4Ny3Sby4混晶（0≦x4≦0.3、0≦x3≦0.3、0＜y3≦0.05、0＜y4≦0.3）からなることを特徴とする面発光レーザ素子である。
また、本発明における第二の発明は、GaAs基板上に下部多層膜反射鏡、活性層、電流狭窄層及び上部多層膜反射鏡を有してなる面発光レーザ素子において、前記電流狭窄層は、発光アパーチャとその周囲に形成された電流非注入部とからなり、前記発光アパーチャはn型不純物が高濃度にドーピングされた高濃度n型層とp型不純物が高濃度にドーピングされた高濃度p型層とからなるトンネル接合からなり、また前記発光アパーチャと前記電流非注入部との実効屈折率差が０．５以下であることを特徴とする面発光レーザ素子である。
前記第二の発明の特に好ましい形態として、前記電流狭窄層は、発光アパーチャとその周囲に形成された電流非注入部とからなり、前記発光アパーチャはn型不純物が高濃度にドーピングされた高濃度n型層とp型不純物が高濃度にドーピングされた高濃度p型層とからなるトンネル接合からなり、前記高濃度n型層はTlx2Inx1Ga1-x1-x2As1-y1-y2Ny1Sby2混晶（0≦x2≦0.3、0≦x1≦0.3、0≦y1≦0.05、0≦y2≦0.3）により形成され、前記高濃度p型層はTlx4Inx3Ga1-x3-x4As1-y3-y4Ny3Sby4混晶（0≦x4≦0.3、0≦x3≦0.3、0＜y3≦0.05、0＜y4≦0.3）により形成され、前記電流非注入部はGaAs1-y5-y6Ny5Sby6混晶（0≦y5≦0.05、0≦y6≦0.3）により形成されている形態が挙げられる。
前記第二の発明の他の好ましい形態として、前記発光アパーチャは、n型不純物が高濃度にドーピングされた高濃度n型層とp型不純物が高濃度にドーピングされた高濃度p型層とからなるトンネル接合、組成傾斜層及び屈折率調整層からなっており、前記高濃度n型層はTlx2Inx1Ga1-x1-x2As1-y1-y2Ny1Sby2混晶（0≦x2≦0.3、0≦x1≦0.3、0≦y1≦0.05、0≦y2≦0.3）により形成され、前記高濃度p型層はTlx4Inx3Ga1-x3-x4As1-y3-y4Ny3Sby4混晶（0≦x4≦0.3、0≦x3≦0.3、0＜y3≦0.05、0＜y4≦0.3）により形成され、前記組成傾斜層はAlz1Ga1-z1As1-w1-w2-w3Nw1Sbw2Pw3混晶（0≦z1≦0.6、0≦w1≦0.05、0≦w2≦0.3、0≦w3≦0.8）により形成され、前記屈折率調整層はInz3Ga1-z3P層（0.3≦z3≦0.7）により形成されている形態が挙げられる。
前記第二の発明のさらに他の好ましい形態として、前記発光アパーチャは、n型不純物が高濃度にドーピングされた高濃度n型層とp型不純物が高濃度にドーピングされた高濃度p型層とからなるトンネル接合、組成傾斜層及び屈折率調整層からなっており、前記高濃度n型層はTlx2Inx1Ga1-x1-x2As1-y1-y2Ny1Sby2混晶（0≦x2≦0.3、0≦x1≦0.3、0≦y1≦0.05、0≦y2≦0.3）により形成され、前記高濃度p型層はTlx4Inx3Ga1-x3-x4As1-y3-y4Ny3Sby4混晶（0≦x4≦0.3、0≦x3≦0.3、0＜y3≦0.05、0＜y4≦0.3）により形成され、前記組成傾斜層はInz2Ga1-z2As1-w4-w5-w6Nw4Sbw5Pw6混晶（0≦z2≦0.3、0≦w4≦0.05、0≦w5≦0.3、0≦w6≦0.8）により形成され、前記屈折率調整層はGaAs1-w7Pw7層（0＜w7≦0.5）により形成されている形態が挙げられる。
上記第一の発明及び第二の発明において、前記下部多層膜反射鏡及び上部多層膜反射鏡を構成する層の少なくとも一部が、不純物ドーピングされていない半導体層であるものとすると、更に好ましい。また、前記不純物ドーピングされていない半導体層に代えて、誘電体層を用いてもよい。
本発明によれば、結晶性に優れ、かつ残留歪の低減されたトンネル接合を形成できるので、信頼性に優れた長波長帯の面発光レーザ素子を得ることができる。また、トンネル接合のバンドプロファイルを最適化できるため、素子抵抗が低くなり、温度特性に優れた長波長帯面発光レーザ素子を得ることができる。更に、発光領域を大きくしても単一横モードで発振可能なため、高出力の長波長帯面発光レーザ素子を得ることができる。
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。
[実施形態１] 実施形態１として、トンネル接合を用いた発振波長1290nmの酸化型面発光レーザ素子について説明する。
図１は、本発明の実施形態１に係る面発光レーザ素子の縦断面図である。図１において、面発光レーザ素子１は、ｎ-GaAs基板２上に、n-Al0.9Ga0.1As/GaAsをそれぞれ光学長の1/4厚さずつ交互に35ペア積層した下部半導体多層膜反射鏡３、125nm厚さのn-GaAsからなる下部クラッド層４、Ga0.68In0.32N0.01As0.99からなる6nm厚さの量子井戸層とGaN0.019As0.081からなる障壁層により構成される多重量子井戸活性層５、125nm厚さのp-GaAsからなる上部クラッド層６、p-Al0.9Ga0.1As/GaAsをそれぞれ光学長の1/4厚さずつ交互に2ペア積層したp型多層膜７、トンネル接合層１０（組成・厚さ等については後述する）、n- Al0.9Ga0.1As/GaAsをそれぞれ光学長の1/4厚さずつ交互に20ペア積層した上部半導体多層膜反射鏡１１がこの順で積層されたエピタキシャル構造を有している。なお、p-AlGaAs/AlGaAsからなるp型多層膜７のAl0.9Ga0.1Asの一部の層は、これに代えてAlAsで構成され、AlAs層は中央部を囲む略環状の領域が酸化されてAlxOy酸化層８ｂとなり、中央部の非酸化AlAs（酸化アパーチャ８ａ）は電流の注入される領域として作用する、酸化型電流狭窄構造を形成している。
n-GaAs基板２の裏面にはCr/Auからなる下部電極１３が、また、上部半導体多層膜反射鏡１１の上面には、Cr/Auからなる上部電極１２が形成されている。
前記トンネル接合層１０は、C（炭素）が1×1020cm-3ドーピングされたIn0.1Ga0.9As0.945N0.005 Sb0.05からなるp++層１０ａと、Si（シリコン）が1×1019cm-3ドーピングされたIn0.06Ga0.94As0.975N0.02Sb0.005からなるn++層１０ｂとからなっており、p++層１０ａがp型多層膜７に接する側に形成されている。
このトンネル接合層１０には、ｎ++層１０ｂ、ｐ++層１０ａの両方にSbが含まれているため、トンネル接合層１０の結晶成長中のサーフアクタント効果により結晶性を向上させることができる。また、ｎ++層１０ｂ、ｐ++層１０ａの両方にNが含まれているため、トンネル接合層１０の残留歪を低減することができる。
このトンネル接合層１０を構成するInGaAsNSbの組成は上記の値に限られないが、ｎ++層１０ｂ、ｐ++層１０ａとも、III族元素はIn組成が0〜0.3の範囲から選ばれるものとし、Ｖ族元素はN組成が0〜0.05、Sb組成が0〜0.3の範囲からそれぞれ選ばれるものとする。これらの組成範囲を規定した理由は、1.25μｍ以上の光に対してトンネル接合層における吸収損失が最小になるようにするためである。トンネル接合層１０の厚さは、キャリアによる吸収損失の低減のため、ｐ++層１０ａとｎ++層１０ｂの合計で60nm以下とすることが望ましい。
この面発光レーザ素子１を作製する際には、従来用いられている面発光レーザ素子の作製技術が使用できる。たとえば、下部半導体多層膜反射鏡３、下部クラッド層４、上部クラッド層６、p型多層膜７及び上部半導体多層膜反射鏡１１については有機金属気相成長（Metalorganic Chemical Vapor Deposition, MOCVD）法により作製し、多重量子井戸活性層５及びトンネル接合層１０については分子線エピタキシー法(Molecular Beam Epitaxy, MBE)を用いることができる。
この面発光レーザ素子１は、トンネル接合構造の採用により、価電子帯吸収の原因となるp-AlGaAsを使用していないため高出力動作が可能であり、加えて、トンネル接合層１０を構成するn++層１０ｂ及びｐ++層１０ａの両方にSbを含有していることによって従来のトンネル接合型面発光レーザ素子に比べて特にｐ++層１０ｂの結晶性が向上し、また、n++層１０ｂ及びｐ++層１０ａの両方にNを含有していることによって従来のトンネル接合型面発光レーザ素子に比べて特にn++層１０ｂの残留歪が低減される。従って、本実施形態１によれば、高出力かつ長期信頼性に優れた面発光レーザ素子を得ることができる。
[実施形態２] 本発明の実施形態２として、トンネル接合を用いた発振波長1300nmの酸化型面発光レーザ素子について説明する。実施形態２に係る面発光レーザ素子は、トンネル接合層１０の組成以外については、実施形態１で説明した図１のものと同様であるので、図１を用いて説明する。
トンネル接合層１０は、C（炭素）が1×1020cm-3ドーピングされたTl0.02In0.02Ga0.96As0.945N0.005Sb0.05からなるp++層１０ａと、シリコンが1×1019cm-3ドーピングされたTl0.02In0.02Ga0.96As0.975N0.02Sb0.005からなるn++層１０ｂとからなっており、p++層１０ａがp型多層膜７に接する側に形成されている。
このトンネル接合層１０には、ｎ++層１０ｂ、ｐ++層１０ａの両方にSbが含まれているため、トンネル接合層１０の結晶成長中のサーフアクタント効果により結晶性を向上させることができる。また、ｎ++層１０ｂ、ｐ++層１０ａの両方にNが含まれているため、トンネル接合層１０の残留歪を低減することができる。
このトンネル接合層１０を構成するTlInGaAsNSbの組成は上記に限られないが、ｎ++層１０ｂ、ｐ++層１０ａとも、III族元素はTl組成が0〜0.3、In組成が0〜0.3の範囲からそれぞれ選ばれるものとし、Ｖ族元素はN組成が0〜0.05、Sb組成が0〜0.3の範囲からそれぞれ選ばれるものとする。これらの組成範囲を規定した理由は、1.25μｍ以上の光に対してトンネル接合層における吸収損失が最小になるようにするためである。トンネル接合層１０の厚さは、キャリアによる吸収損失の低減のため、ｐ++層１０ａとｎ++層１０ｂの合計で60nm以下とすることが望ましい。
トンネル接合層１０のIII族元素としてTlを含有させる理由について、各種化合物半導体のバンドギャップエネルギーと格子定数との関係を示した図２を参照して説明する。InGaAsNSbのIn組成を減らしてTlを含有させることにより、バンドギャップエネルギーと格子定数との関係は、図２中の白丸で表された点Ａから点Ｂのように変化する。このように、InGaAsNSbにTlを加えることにより、トンネル接合層の格子定数をほとんど変化させることなくバンドギャップエネルギーを大幅に小さくすることが可能であるため、ｐ++層の価電子帯とｎ++層の伝導帯のエネルギー差を小さくできる。すなわち、InGaAsNSbにTlを加えることはトンネル接合を用いた面発光レーザ素子の低抵抗化の上で好ましい。
この面発光レーザ素子１を作製する際には、従来用いられている面発光レーザ素子の作製方法が使用できる。たとえば、下部半導体多層膜反射鏡３、下部クラッド層４、上部クラッド層６、p型多層膜７及び上部半導体多層膜反射鏡１１については有機金属気相成長法MOCVD法により作製し、多重量子井戸活性層５及びトンネル接合層１０については分子線エピタキシー法(Molecular Beam Epitaxy, MBE)を用いることができる。トンネル接合層１０の結晶成長に際しては、Tl、Ga、In及びSbにはメタル原料を、Asにはメタル材料又はAsH3ガスを、Nには窒素プラズマを用いることができる。
この面発光レーザ素子１は、トンネル接合構造の採用により、価電子帯吸収の原因となるp-AlGaAsを使用していないため高出力動作が可能であり、加えて、n++層１０ｂ及びｐ++層１０ａの両方にSbを含有していることによって従来のトンネル接合型面発光レーザ素子に比べて特にｐ++層１０ａの結晶性が向上し、また、n++層１０ｂ及びｐ++層１０ａの両方にNを含有していることによって従来のトンネル接合型面発光レーザ素子に比べて特にn++層１０ｂの残留歪が低減される。更に、Tlを含有していることによって、素子抵抗が低減されるため、自己発熱が抑制され、優れた温度特性を得ることができるる。従って、本発明によれば、高出力で長期信頼性に優れ、かつ温度特性に優れた面発光レーザ素子を得ることができる。
[実施形態３]本発明の実施形態３として、トンネル接合を用いた発振波長1305nmの面発光レーザ素子について説明する。図３（ａ）は、本発明の実施形態３に係る面発光レーザ素子の縦断面図である。図３（ａ）において、面発光レーザ素子１は、ｎ-GaAs基板２上に、n-Al0.9Ga0.1As/GaAsをそれぞれ光学長の1/4厚さずつ交互に35ペア積層した下部半導体多層膜反射鏡３、126nm厚さのn-GaAsからなる下部クラッド層４、Ga0.67In0.33N0.01As0.99からなる6nm厚さの量子井戸層とGaN0.019As0.081からなる障壁層により構成される多重量子井戸活性層５、126nm厚さのp-GaAsからなる上部クラッド層６、p-Al0.9Ga0.1As/GaAsをそれぞれ光学長の1/4厚さずつ交互に2ペア積層したp型多層膜７、トンネル接合/電流狭窄層３０（構造・組成・厚さ等については後述する）、n-GaAsからなるコンタクト層１４がこの順で積層されたエピタキシャル構造を有している。コンタクト層１４の上面中央にはα-Si/SiO2をそれぞれ光学長の1/4厚さずつ交互に3ペア積層した上部誘電体多層膜反射鏡１７が形成され、また、コンタクト層１４の上面に、上部誘電体多層膜反射鏡１７を囲むように上部電極１２が形成されている。また、n-GaAs基板２の裏面にはCr/Auからなる下部電極１３が形成されている。
トンネル接合/電流狭窄層３０の構造を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した面発光レーザ素子の丸で示した部分を拡大して示したものである。トンネル接合/電流狭窄層３０’は、中央の屈折率の高いコア部３０とそれを囲む屈折率の低いクラッド部３０ｃからなっている。コア部３０は、C（炭素）が1×1020cm-3ドーピングされたIn0.1Ga0.9As0.945N0.005 Sb0.05からなるp++層３０ａと、Si（シリコン）が1×1019cm-3ドーピングされたIn0.06Ga0.94As0.975N0.02Sb0.005からなるn++層３０ｂとからなるトンネル接合を兼ねており、p++層３０ａがp型多層膜７に接する側に形成されている。また、クラッド部３０ｃは、ノンドープのGaAs0.985N0.01Sb0.005からなっている。
このトンネル接合層（コア部３０）には、ｎ++層３０ｂ、ｐ++層３０ａの両方にSbが含まれているため、結晶成長中のサーフアクタント効果により結晶性を向上させることができる。また、ｎ++層３０ｂ、ｐ++層３０ａの両方にNが含まれているため、トンネル接合層１０の残留歪を低減することができる。
上記トンネル接合層（コア部３０）を構成するInGaAsNSbの組成は上記に限られないが、ｎ++層３０ｂ、ｐ++層３０ａとも、III族はIn組成が0〜0.3となるようにし、Ｖ族はN組成が0〜0.05、Sb組成が0〜0.3となるようにする。
コア部３０はトンネル接合構造を兼ねているため電流を流し易く、クラッド部３０ｃはノンドープの材料からなっているため電流をほとんど流さない。従って、面発光レーザ素子１の動作時には、電流はコア部３０に選択的に注入される。すなわち、コア部３０は発光アパーチャ、クラッド部３０ｃは電流非注入部として機能する。つまり、このコア部３０とクラッド部３０ｃからなる構造は、光に対するコア/クラッドに類似した機能を有すると共に、電流狭窄の機能をも有することになる。
コア部３０の屈折率は3.5130、クラッド部３０ｃの屈折率は3.5120であり、従って両者の屈折率差は0.0010となる。この値は、AlxOyを利用した従来の酸化型電流狭窄構造における屈折率差（0.0018程度）に比べて小さいため、動作時に高次モードが発生しにくく、安定した単一横モード動作が可能になる。つまり、電流が注入される発光アパーチャを従来に比べて大きくしても単一横モードが得られるため、高出力動作が可能になるという利点がある。
この面発光レーザ素子１を作製する際には、従来用いられている面発光レーザ素子の作製方法が使用できる。たとえば、下部半導体多層膜反射鏡３、下部クラッド層４、上部クラッド層６、p型多層膜７については有機金属気相成長（Metalorganic Chemical Vapor Deposition, MOCVD）法により作製し、多重量子井戸活性層５及びトンネル接合層１０については分子線エピタキシー法(Molecular Beam Epitaxy, MBE)を用いることができる。また、上部誘電体多層膜反射鏡１７については、プラズマ化学気相成長法（プラズマCVD法）を用いることができる。
なお、トンネル接合/電流狭窄層３０’から上の部分については、次のように作製できる。p型多層膜７まで結晶成長した後、C（炭素）が1×1020cm-3ドーピングされたIn0.1Ga0.9As0.945N0.005 Sb0.05からなるp++層３０ａと、Si（シリコン）が1×1019cm-3ドーピングされたIn0.06Ga0.94As0.975N0.02Sb0.005からなるn++層３０ｂをMBE法により結晶成長し、トンネル接合部を形成する。
次に、通常のフォトリソグラフィ及びエッチング技術を用いて、前記トンネル接合層を、中央部を円形などに残して周囲をエッチングする。エッチングされずに残った柱状部がコア部３０となる。続いて、MOCVD法を用いた埋め込み結晶成長により、前記柱状部の周りの環状領域にノンドープGaAsからなるクラッド部３０ｃを形成する。コア部３０及びクラッド部３０ｃの上に、n-GaAsからなるコンタクト層１４を成長し、その上にα-Si/SiO2からなる上部誘電体多層膜反射鏡１７を電子ビーム蒸着法により形成する。上部誘電体多層膜反射鏡１７を、中央部を円形などに残して周囲をエッチングしてコンタクト層１４を露出させ、前記円形部分の周りの環状領域に上部電極１２を形成する。
この面発光レーザ素子１は、トンネル接合構造を採用しているため高出力動作が可能であり、加えて、n++層３０ｂ及びｐ++層３０ａの両方にSbを含有していることによって従来のトンネル接合型面発光レーザ素子に比べて特にｐ++層３０ａの結晶性が向上し、また、n++層３０ｂ及びｐ++層３０ａの両方にNを含有していることによって従来のトンネル接合型面発光レーザ素子に比べて特にn++層３０ｂの残留歪が低減される。加えて、トンネル接合部を電流狭窄構造と兼ねることとしたため、高次モードが発生しにくく、単一横モード動作が可能になる。従って、本実施形態３によれば、高出力で単一横モード動作可能、かつ長期信頼性に優れた面発光レーザ素子を得ることができる。
[実施形態４] 本発明の実施形態４として、トンネル接合を用いた発振波長1308nmの面発光レーザ素子について説明する。図４（ａ）は、本発明の実施形態４に係る面発光レーザ素子の縦断面図である。図４（ａ）において、面発光レーザ素子１は、n-Al0.9Ga0.1As/GaAsをそれぞれ光学長の1/4厚さずつ交互に35ペア積層した下部半導体多層膜反射鏡３、126nm厚さのn-GaAsからなる下部クラッド層４、Ga0.67In0.33N0.012As0.988からなる6nm厚さの量子井戸層とGaN0.019As0.91からなる障壁層により構成される多重量子井戸活性層５、126nm厚さのp-GaAsからなる上部クラッド層６、p-Al0.9Ga0.1As/GaAsをそれぞれ光学長の1/4厚さずつ交互に2ペア積層したp型多層膜６、トンネル接合/電流狭窄層４０（構造・組成・厚さ等については後述する）、n-GaAsからなるコンタクト層１４がこの順で積層されたエピタキシャル構造を有している。コンタクト層１４の上面中央にはα-Si/SiO2をそれぞれ光学長の1/4厚さずつ交互に3ペア積層した上部誘電体多層膜反射鏡１７が形成され、また、コンタクト層１４の上面に、上部誘電体多層膜反射鏡１７を囲むように上部電極１２が形成されている。また、n-GaAs基板２の裏面にはCr/Auからなる下部電極１３が形成されている。
トンネル接合/電流狭窄層４０’の構造を図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示した面発光レーザ素子の丸で示した部分を拡大して示したものである。中央の屈折率の高いコア部４０とそれを囲む屈折率の低いクラッド部４０ｃからなっている。コア部４０は更に、トンネル接合層４０−１、屈折率調整層４０−２、及びこれらの間に形成された組成傾斜層４０−３からなっている。
コア部４０のうちトンネル接合層４０−１は、C（炭素）が1×1020cm-3ドーピングされたIn0.1Ga0.9As0.945N0.005Sb0.05からなる厚さ10nmのp++層４０ａと、Si（シリコン）が1×1019cm-3ドーピングされたIn0.06Ga0.94As0.975N0.02Sb0.005からなる厚さ30nmのn++層４０ｂとからなっており、p++層４０ａがp型多層膜７に接する側に形成されている。
このトンネル接合層４０−１には、ｎ++層４０ｂ、ｐ++層４０ａの両方にSbが含まれているため、トンネル接合層４０−１の結晶成長中のサーフアクタント効果により結晶性を向上させることができる。また、ｎ++層４０ｂ、ｐ++層４０ａの両方にNが含まれているため、トンネル接合層４０−１の残留歪を低減することができる。
コア部４０のうち屈折率調整層４０−２は、厚さ25nmのn-In0.52Ga0.48Pからなっている。屈折率調整層４０−２の上には、組成値が互いに異なる３層のGaAsPからなる組成傾斜層４０−３が設けられている。但し、前記３層のGaAsPの組成値はIn0.06Ga0.94As0.975N0.02Sb0.005とIn0.52Ga0.48Pの間の組成変化がなだらかに近い状態となるように選ばれるものとする。
クラッド部４０ｃは、ノンドープのGaAsからなっている。
トンネル接合層４０−１を構成するInGaAsNSbの組成は上記に限られないが、ｎ++層４０ｂ、ｐ++層４０ａとも、III族はIn組成が0〜0.3となるようにし、Ｖ族はN組成が0〜0.05、Sb組成が0〜0.3となるようにする。
コア部４０はトンネル接合構造を兼ねているため電流を流し易く、クラッド部４０ｃはノンドープの材料からなっているため電流をほとんど流さない。従って、面発光レーザ素子１の動作時には、電流はコア部４０に選択的に注入される。すなわち、コア部４０は発光アパーチャ、クラッド部４０ｃは電流非注入部として機能する。つまり、このコア部４０とクラッド部４０ｃからなる構造は、光に対するコア/クラッドに類似した機能を有すると共に、電流狭窄の機能をも有することになる。
屈折率調整層４０−２は、コア部４０ａ全体の屈折率を低下させてクラッド部４０ｃとの等価屈折率差を小さくする役割を担っている。この等価屈折率差は、屈折率調整層４０−２の厚さによって調整することができ、例えば屈折率調整層の厚さが25nmのとき、コア部４０全体の屈折率は3.1540、クラッド部４０ｃの屈折率は3.1532であり、従って両者の等価屈折率差は0.0008となる。この屈折率差は屈折率調整層を設けていない実施形態３に示した面発光レーザ素子の場合に比べて更に小さいため、面発光レーザ素子の動作時に高次モードが発生しにくく、更に安定した単一横モード動作が可能になる。つまり、電流が注入される発光アパーチャを従来や実施形態３の場合に比べて大きくしても単一横モードが得られるため、更なる高出力動作が可能になるという利点がある。
この面発光レーザ素子１を作製する際には、従来用いられている面発光レーザの作製方法が使用できる。たとえば、下部半導体多層膜反射鏡３、下部クラッド層４、上部クラッド層６及びp型多層膜７については有機金属気相成長（Metalorganic Chemical Vapor Deposition, MOCVD）法により作製し、多重量子井戸活性層５及びトンネル接合層４０−１については分子線エピタキシー法(Molecular Beam Epitaxy, MBE)を用いることができる。
なお、トンネル接合/電流狭窄層４０’から上の部分については、次のように作製できる。p型多層膜７まで結晶成長した後、C（炭素）が1×1020cm-3ドーピングされたIn0.1Ga0.9As0.945N0.005Sb0.05からなるp++層４０ａとSi（シリコン）が1×1019cm-3ドーピングされたIn0.06Ga0.94As0.975N0.02Sb0.005からなるn++層４０ｂをMBE法により結晶成長し、トンネル接合層を形成する。続いて、n-In0.52Ga0.48Pからなる屈折率調整層４０−２、３層のGaAsPからなる組成傾斜層４０−３を成長する。
次に、通常のフォトリソグラフィ及びエッチング技術を用いて、前記トンネル接合層４０−１、成傾斜層４０−３及び屈折率調整層４０−２を、中央部を円形などに残して周囲をエッチングする。エッチングされずに残った柱状部がコア部４０となる。続いて、MOCVD法を用いた埋め込み結晶成長により、前記柱状部の周りの環状領域にノンドープGaAsからなるクラッド部４０ｃを形成する。コア部４０及びクラッド部４０ｃの上に、n-GaAsからなるコンタクト層１４を成長し、その上にα-Si/SiO2からなる上部誘電体多層膜反射鏡１７をプラズマ化学気相成長法（プラズマCVD法）により形成する。上部誘電体多層膜反射鏡１７を、中央部を円形などに残して周囲をエッチングしてコンタクト層を露出させ、前記円形部分の周りの環状領域に上部電極を形成する。
この面発光レーザ素子１は、トンネル接合構造を採用しているため高出力動作が可能であり、加えて、n++層４０ｂ及びｐ++層４０ａの両方にSbを含有していることによって従来のトンネル接合型面発光レーザ素子に比べて特にｐ++層４０ａの結晶性が向上し、また、n++層４０ｂ及びｐ++層４０ａの両方にNを含有していることによって従来のトンネル接合型面発光レーザ素子に比べて特にn++層４０ｂの残留歪が低減される。加えて、トンネル接合部を電流狭窄構造と兼ねることとし、更に屈折率調整層を設けたため、実施形態３の面発光レーザ素子よりも更に安定した単一横モード動作が可能になる。従って、本実施形態３によれば、高出力で単一横モード動作可能、かつ長期信頼性に優れた面発光レーザ素子を得ることができる。
[実施形態５] 本発明の実施形態５として、トンネル接合を用いた発振波長1310nmの酸化型面発光レーザ素子について説明する。この実施形態５に係る面発光レーザ素子は、実施形態４に係る面発光レーザ素子と、屈折率調整層４０−２及び組成傾斜層４０−３の材料が異なるのみであるので、実施形態４の説明に用いた図４（ａ）（ｂ）を用いて説明する。図４（ａ）において、面発光レーザ素子１は、n-GaAs基板２上に、n-Al0.9Ga0.1As/GaAsをそれぞれ光学長の1/4厚さずつ交互に35ペア積層した下部半導体多層膜反射鏡３、127nm厚さのn-GaAsからなる下部クラッド層４、Ga0.66In0.34N0.012As0.988からなる6nm厚さの量子井戸層とGaN0.019As0.081からなる障壁層により構成される多重量子井戸活性層５、127nm厚さのp-GaAsからなる上部クラッド層６、p- Al0.9Ga0.1As/GaAsをそれぞれ光学長の1/4厚さずつ交互に2ペア積層したp型多層膜７、トンネル接合/電流狭窄層４０’（構造・組成・厚さ等については後述する）、n-GaAsからなるコンタクト層１４がこの順で積層されたエピタキシャル構造を有している。コンタクト層１４の上面中央にはα-Si/SiO2をそれぞれ光学長の1/4厚さずつ交互に3ペア積層した上部誘電体多層膜反射鏡１７が形成され、また、コンタクト層１４の上面に、上部誘電体多層膜反射鏡１７を囲むように上部電極１２が形成されている。また、n-GaAs基板２の裏面にはCr/Auからなる下部電極１３が形成されている。
トンネル接合/電流狭窄層４０’の構造を図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示した面発光レーザ素子の丸で示した部分を拡大して示したものである。中央の屈折率の高いコア部４０とそれを囲む屈折率の低いクラッド部４０ｃからなっている。コア部４０は更に、トンネル接合層４０−１、屈折率調整層４０−２、及びこれらの間に形成された組成傾斜層４０−３からなっている。
コア部４０のうちトンネル接合層４０−１は、C（炭素）が1×1020cm-3ドーピングされたIn0.1Ga0.9As0.945N0.005Sb0.05からなる厚さ10nmのp++層４０ａと、Si（シリコン）が1×1019cm-3ドーピングされたIn0.06Ga0.94As0.975N0.02Sb0.005からなる厚さ30nmのn++層４０ｂとからなっており、p++層４０ａがp型多層膜７に接する側に形成されている。
このトンネル接合層４０−１には、ｎ++層４０ｂ、ｐ++層４０ａの両方にSbが含まれているため、トンネル接合４０−１の結晶成長中のサーフアクタント効果により結晶性を向上させることができる。また、ｎ++層４０ｂ、ｐ++層４０ａの両方にNが含まれているため、トンネル接合層４０−１の残留歪を低減することができる。
コア部４０のうち屈折率調整層４０−２は、厚さ35nmのn-GaAs0.98P0.02からなっている。屈折率調整層４０−２の上には、組成値が互いに異なる３層のInGaAsNSbP混晶からなる組成傾斜層４０−３が設けられている。但し、前記３層のInGaAsNSbP混晶の組成値はIn0.06Ga0.94As0.975N0.02Sb0.005とGaAs0.98P0.02の間の組成変化がなだらかに近い状態となるように選ばれるものとする。
クラッド部４０ｃは、ノンドープのGaAsからなっている。
トンネル接合層４０−１を構成するInGaAsNSbの組成は上記に限られないが、ｎ++層４０ｂ、ｐ++層４０ａとも、III族はIn組成が0〜0.3となるようにし、Ｖ族はN組成が0〜0.05、Sb組成が0〜0.3となるようにする。
コア部４０はトンネル接合構造を兼ねているため電流を流し易く、クラッド部４０ｃはノンドープの材料からなっているため電流をほとんど流さない。従って、面発光レーザ素子１の動作時には、電流はコア部４０に選択的に注入される。すなわち、コア部３０は発光アパーチャ、クラッド部３０ｃは電流非注入部として機能する。つまり、このコア部４０とクラッド部４０ｃからなる構造は、光に対するコア/クラッドに類似した機能を有すると共に、電流狭窄の機能をも有することになる。
屈折率調整層４０−２は、コア部４０全体の屈折率を低下させてクラッド部４０ｃとの屈折率差を小さくする役割を担っている。すなわち、コア部４０全体の屈折率は3.1545、クラッド部４０ｃの屈折率は3.1538であり、従って両者の屈折率差は0.0007となる。この屈折率差は屈折率調整層を設けていない実施形態３に示した面発光レーザ素子の場合に比べて更に小さいため、面発光レーザ素子の動作時に高次モードが発生しにくく、更に安定した単一横モード動作が可能になる。つまり、電流が注入される発光アパーチャを従来や実施形態３の場合に比べて大きくしても単一横モードが得られるため、更なる高出力動作が可能になるという利点がある。
この面発光レーザ素子１を作製する際には、従来用いられている面発光レーザ素子の作製方法が使用できる。たとえば、下部半導体多層膜反射鏡３、下部クラッド層４、上部クラッド層６及びp型多層膜７については有機金属気相成長（Metalorganic Chemical Vapor Deposition, MOCVD）法により作製し、多重量子井戸活性層５及びトンネル接合層４０−１については分子線エピタキシー法(Molecular Beam Epitaxy, MBE)を用いることができる。
なお、トンネル接合/電流狭窄層４０’から上の部分については、次のように作製できる。p型多層膜７まで結晶成長した後、C（炭素）が1×1020cm-3ドーピングされたIn0.1Ga0.9As0.945N0.005 Sb0.05からなるp++層４０ａと、Si（シリコン）が1×1019cm-3ドーピングされたIn0.06Ga0.94As0.975N0.02 Sb0.005からなるn++層４０ｂをMBE法により結晶成長し、トンネル接合層を形成する。続いて、n-GaAs0.98P0.02からなる屈折率調整層４０−２、３層のInGaAsNSbP混晶からなる組成傾斜層４０−３を成長する。
次に、通常のフォトリソグラフィ及びエッチング技術を用いて、前記トンネル接合層４０−１、組成傾斜層４０−３及び屈折率調整層４０−２を、中央部を円形などに残して周囲をエッチングする。エッチングされずに残った柱状部がコア部４０となる。続いて、MOCVD法を用いた埋め込み結晶成長により、前記円形部分の周りの環状領域にノンドープGaAsからなるクラッド部４０ｃを形成する。コア部４０及びクラッド部４０ｃの上に、n-GaAsからなるコンタクト層１４を成長し、その上にα-Si/SiO2からなる上部誘電体多層膜反射鏡１７をプラズマ化学気相成長法（プラズマCVD法）により形成する。上部誘電体多層膜反射鏡１７を、中央部を円形などに残して周囲をエッチングしてコンタクト層を露出させ、前記円形部分の周りの環状領域に上部電極１２を形成する。
この面発光レーザ素子１は、トンネル接合構造を採用しているため高出力動作が可能であり、加えて、n++層４０ｂ及びｐ++層４０ａの両方にSbを含有していることによって従来のトンネル接合型面発光レーザ素子に比べて特にｐ++層４０ａの結晶性が向上し、また、n++層４０ｂ及びｐ++層４０ａの両方にNを含有していることによって従来のトンネル接合型面発光レーザ素子に比べて特にn++層４０ｂの残留歪が低減される。加えて、トンネル接合部を電流狭窄構造と兼ねることとし、更に屈折率調整層を設けたため、実施形態３の面発光レーザ素子よりも更に安定した単一横モード動作が可能になる。従って、本実施形態５によれば、高出力で単一横モード動作可能、かつ長期信頼性に優れた面発光レーザ素子を得ることができる。
ところで、実施形態４及び実施形態５では、屈折率調整層としてIn0.52Ga0.48P及びGaAs0.98P0.02をそれぞれ用いたが、この二つの場合について以下に比較する。図５は、屈折率調整層としてIn0.52Ga0.48Pを用いた場合とGaAs0.98P0.02を用いた場合におけるシングルモード半径（所定の電流注入条件の下でシングルモードが得られるためのコア部の最大半径）を計算した結果を、屈折率調整層の膜厚に対してプロットしたものである。図５より分かるように、屈折率調整層としてGaAs0.98P0.02を用いた場合のほうが、膜厚の変化に対するシングルモード半径の変化が緩やかである。このことは、たとえば面発光レーザ素子を１枚のウエハから多数作製する場合に、ウエハ内の位置の違いによる膜厚の違いがもたらすシングルモード半径のばらつきを小さく抑えるためには、屈折率調整層としてGaAs0.98P0.02を用いたほうがより有利であることを示している。
以上の実施形態１〜５において、実施形態１及び２においては上部多層膜反射鏡にn-GaAs/AlGaAsを用い、実施形態３〜５においては上部多層膜反射鏡に誘電体材料を用いた例について示したが、上部多層膜反射鏡の種類はそれぞれ説明したものに特に限定されるわけではない。すなわち、n型半導体多層膜反射鏡、ノンドープ多層膜反射鏡、誘電体多層膜反射鏡のいずれを使用してもよい。
また、以上の実施形態１〜５では、1.3μｍ帯のトンネル接合型面発光レーザ素子について説明したが、本発明は、発振波長0.85μｍ以上のトンネル接合型長波長帯面発光レーザ素子に広く適用可能であり、その場合には、活性層材料や多層膜反射鏡材料については所望の発振波長に合った材料を適宜選択して用いるものとする。
本発明の実施形態１に係る面発光レーザ素子を示す縦断面図である。 種々の化合物半導体のバンドギャップエネルギーと格子定数の関係を示す図である。 （ａ）は、本発明の実施形態３に係る面発光レーザ素子を示す縦断面図である。（ｂ）は、（ａ）の一部拡大図である。 （ａ）は、本発明の実施形態４に係る面発光レーザ素子を示す縦断面図である。（ｂ）は、（ａ）の一部拡大図である。 本発明において、屈折率調整層の材料厚さとシングルモード半径との関係を示すグラフである。 従来のトンネル接合型面発光レーザ素子を示す縦断面図である。
符号の説明
１ 面発光レーザ素子
２ n-GaAs基板
３ 下部半導体多層膜反射鏡
４ 下部クラッド層
５ 活性層
６ 上部クラッド層
７ ｐ型多層膜
８ａ 酸化アパーチャ
８ｂ AlxOy酸化層
１０ トンネル接合層
１０ａ p++層
１０ｂ n++層
１１ 上部半導体多層膜反射鏡
１２ 上部電極
１３ 下部電極
１４ コンタクト層
１７ 上部誘電体多層膜反射鏡
３０’ トンネル接合/電流狭窄層
３０ コア部
３０ａ p++層
３０ｂ n++層
３０ｃ クラッド部
４０’ トンネル接合/電流狭窄層
４０ コア部
４０ａ p++層
４０ｂ n++層
４０ｃ クラッド部
４０−１ トンネル接合層
４０−２ 屈折率調整層
４０−３ 組成傾斜層

Claims (9)

  1. GaAs基板上に下部多層膜反射鏡、活性層及び上部多層膜反射鏡を有してなる面発光レーザ素子において、前記面発光レーザ素子は、n型不純物がドーピングされたn型層とp型不純物がドーピングされたp型層とからなるトンネル接合を有し、
    前記n型層はTl x2 In x1 Ga 1-x1-x2 As 1-y1-y2 N y1 Sb y2 （0≦x2≦0.3、0≦x1≦0.3、0＜y1≦0.05、0＜y2≦0.3）からなり、前記p型層はTl x4 In x3 Ga 1-x3-x4 As 1-y3-y4 N y3 Sb y4 （0≦x4≦0.3、0≦x3≦0.3、0＜y3≦0.05、0＜y4≦0.3）からなることを特徴とする面発光レーザ素子。
  2. 前記n型層はInx1Ga1-x1As1-y1-y2Ny1Sby2（0≦x1≦0.3、0＜y1≦0.05、0＜y2≦0.3）からなり、前記p型層はInx3Ga1-x3As1-y3-y4Ny3Sby4（0≦x3≦0.3、0＜y3≦0.05、0＜y4≦0.3）からなることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
  3. 発光アパーチャとその周囲に形成された電流非注入部とからなる電流狭窄層を更に有し、
    前記発光アパーチャは、前記トンネル接合を含むことを特徴とする
    請求項１に記載の面発光レーザ素子。
  4. 前記発光アパーチャは、前記トンネル接合、組成傾斜層及び屈折率調整層からなっており、前記組成傾斜層はAlz1Ga1-z1As1-w1-w2-w3Nw1Sbw2Pw3（0≦z1≦0.6、0≦w1≦0.05、0≦w2≦0.3、0≦w3≦0.8）により形成され、前記屈折率調整層はInz3Ga1-z3P層（0.3≦z3≦0.7）により形成されていることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ素子。
  5. 前記発光アパーチャは、前記トンネル接合、組成傾斜層及び屈折率調整層からなっており、前記組成傾斜層はInz2Ga1-z2As1-w4-w5-w6Nw4Sbw5Pw6（0≦z2≦0.3、0≦w4≦0.05、0≦w5≦0.3、0≦w6≦0.8）により形成され、前記屈折率調整層はGaAs1-w7Pw7層（0＜w7≦0.5）により形成されていることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ素子。
  6. 前記n型層には、シリコン(Si)が１×１０１９ｃｍ−３ドーピングされ、
    前記p型層には、炭素(C)が１×１０２０ｃｍ−３ドーピングされたことを特徴とする
    請求項１〜５のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。
  7. 前記下部多層膜反射鏡及び上部多層膜反射鏡を構成する層の少なくとも一部が、不純物ドーピングされていない半導体層であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。
  8. 前記下部多層膜反射鏡及び上部多層膜反射鏡を構成する層の少なくとも一部が誘電体層であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。
  9. 発振波長が0.85μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。
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