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WO2007116659A1 - 面発光レーザ - Google Patents

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WO2007116659A1
WO2007116659A1 PCT/JP2007/056056 JP2007056056W WO2007116659A1 WO 2007116659 A1 WO2007116659 A1 WO 2007116659A1 JP 2007056056 W JP2007056056 W JP 2007056056W WO 2007116659 A1 WO2007116659 A1 WO 2007116659A1
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WO
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region
oxide layer
current injection
emitting laser
surface emitting
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Ceased
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PCT/JP2007/056056
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hiroshi Hatakeyama
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by NEC Corp filed Critical NEC Corp
Priority to JP2008509727A priority Critical patent/JPWO2007116659A1/ja
Priority to US12/294,032 priority patent/US7817696B2/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H01S5/42—Arrays of surface emitting lasers
    • H01S5/423—Arrays of surface emitting lasers having a vertical cavity

Definitions

  • the present invention relates to a surface emitting laser.
  • VCSELs vertical cavity surface emitting lasers
  • high-speed modulatable VCSE L of about 1 to LO Gbps It will be put to practical use.
  • the known structure in the above-mentioned high-speed modulation type VCSEL is an oxide narrowing structure utilizing a water vapor oxidation process, and the structure of the first conventional example VCSEL is firstly described with reference to FIGS. 5 (a) and 5 (b). And the manufacturing process will be described.
  • Non-Patent Document 1 Kondo et al., “Oscillation characteristics of high strained GalnNa / GaAs quantum well surface emitting laser”, 64th Annual Meeting of the Applied Physics Society. Lectures Proceedings of lectures (Autumn 2003), 30a-YB-3.
  • the semiconductor multilayer structure includes an active layer 111, a p-DBR (distributed Bragg reflector) 109, an n-DBR 112, an oxide layer 110, and the like.
  • the oxide layer 110 also has an aluminum content ratio in the group III element X force, which is typically as high as 0.95 or more, and the insertion position is located either above or below the active layer or both above and below the active layer.
  • this laminated structure is masked and selectively etched to form a mesa 101. As a result of the etching, it is exposed on the side surface of a part of the semiconductor laminate structure including the oxide layer 110 having a high aluminum content.
  • a partial area of the oxide layer 110 is oxidized in the steam oxidation constriction step, and is converted into the electrically insulating steam oxide film to form the nonconductive oxide layer 117.
  • a light emitting region 105 is formed with an oxidized constriction structure used as an insulating layer that constricts the light.
  • the VCSE L element is completed.
  • the steam oxidation confining step is a step of exposing the substrate after mesa formation for a predetermined time in an atmosphere containing high temperature steam or gas, liquid, and solid capable of generating water by a chemical reaction.
  • the oxide layer 110 having a high aluminum content is selectively oxidized laterally from the side surface of the mesa 101 to the center of the mesa, and is converted to a water vapor oxide film, and the nonconductive oxide layer 117 It becomes.
  • the other layers are formed of an AlGaAs layer whose aluminum content is lower than that of the oxide layer 110 and X is about 0.95 or less, there is no influence on device manufacture or device characteristics. No progress of acidity to any extent!
  • the semiconductor layer constituting the DBR portion is also oxidized by the steam oxidation constriction step, and a part is converted into an oxide film.
  • the extension width of the nonconductive oxide layer formed in the DBR portion is typically an acid. It is not more than 1Z5 of the stretching width of the nonconductive oxide layer in the electrode layer 110.
  • a nonconductive oxide layer 117 made of a steam oxide film which is electrically insulating is formed in the oxide region 102.
  • the conductivity in the non-oxidized region 103 is maintained after the oxidation treatment. Therefore, at the time of driving the VCSEL, the nonconductive oxide layer 117 functions as a current nolia, so no current flows in the oxidized region 102 where the nonconductive oxide layer 117 is inserted, and the nonacid oxide region is not Current injection to the active layer 111 is performed through 103. Therefore, the light emission recombination in the active layer 111, which is injected with current through the non-acid region 103, generates laser oscillation light.
  • the planar shape of the light emitting region depends on the planar shape of the current injection aperture region 105.
  • the path of current injection is the oxidized region 102 and the non-oxidized region 103 3 no matter which half cross-section which passes through the approximate center of the current injection aperture region 105 in the plan view of FIG. 5 (a). Bounded by
  • the oxide layer 110 and the nonconductive oxide layer 117 have a function of guiding the refractive index of laser light, in addition to determining the planar shape of the current injection aperture area 105. That is, steam acid
  • the nonconductive oxide layer 117 made of a film has an amorphous aluminum oxide-like composition, and its optical refractive index is lower than the refractive index of the oxide layer 110 belonging to the non-oxidized region 103. Become.
  • Such a refractive index distribution optically constitutes a clad Z-core structure, and has the same function as a condenser lens, so that light generated at the time of laser driving is concentrated in the vicinity of the non-acid region 103. Strong waveguide structure.
  • the stability of the laser oscillation mode is improved, and the overlap between the current injection aperture area and the light intensity distribution area is increased, so that the mode gain is improved, and the laser oscillation efficiency is improved.
  • the improvement is achieved.
  • Obtaining a large mode gain is very important for achieving high-speed modulation of 1 Gbps or more.
  • the planar distribution shape of the laser emission region at the time of driving the VCSEL depends on the strength of the refractive index guiding function of the above-mentioned clad Z core structure.
  • the planar shape of the light emitting region is the same as that of the current injection aperture region 105. It can be regarded as almost identical to the planar shape.
  • the light emission region is wider than the current injection aperture region 105 because there is a contribution of light spreading from the non-oxidized region 103 to the oxidized region 102.
  • a region having a light emission power intensity of 1 Z10 or more of the peak intensity is defined as a light emission region, based on the light emission power intensity (peak intensity) observed substantially at the center of the current injection aperture region 105.
  • a current narrowing structure can be easily formed by an insulating oxide layer (nonconductive oxide layer consisting of a steam oxide film),
  • Refractive index control function It is possible to introduce a strong, index guided structure near the active layer without embedded regrowth,
  • FIG. 6 (a) is a plan view of a VCSEL having a trench type structure utilizing a plurality of oxidized regions.
  • 6 (b) and 6 (c) are cross sectional views showing the structure in a half cross section passing through the center of the current injection opening area, and FIG. 6 (b) does not include the trench.
  • a half cross section (F-F 'half cross section) in the direction and a half cross section (G-G' half cross section) in the direction including the trench are illustrated in FIG. 6 (c), respectively.
  • the manufacturing method and basic structure of the second conventional example are the same as those of the first conventional example, and therefore only the characteristic portions in the second conventional example will be described below.
  • a plurality of trenches 201 arranged in a radial pattern not formed by the mesa post are formed.
  • an oxide region 102 is formed in each of the plurality of trenches 201 starting from the side surface of each trench.
  • the radial trench arrangement is performed.
  • a non-oxidized region 103 is formed near the center of the trench and at the outer periphery of the radial trench.
  • the final current injection aperture region 105 is formed by forming the high resistance region 104 by means such as proton injection. Be done.
  • the periphery of the current injection aperture region 105 is covered with the oxide region 102, and the nonconductive oxide layer 117 (oxide layer) is formed at any half section passing substantially through the center of the current injection aperture region 105.
  • the narrowing layer functions as a current control and refractive index control body, and is equivalent to the first prior art in that it is a point.
  • a circular trench is two-dimensionally disposed at the position of the apex, so as to narrow the width of the narrow area. Perform the formation of the structure.
  • the oxide regions can be shared by the adjacent VCSELs, it is possible to compare the mesa-post-type VCSELs with a high density of arrayed VCSELs. , Advantageous in terms of integration density.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-110196
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-45243
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-311175
  • Patent Document 4 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-310917
  • Patent Document 5 Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-229248
  • Non-Patent Document 1 Kondo et al., "Oscillation characteristics of high strained GalnNa / GaAs quantum well surface emitting laser," Proceedings of the 64th Annual Conference of the Institute of Applied Physics (Autumn 2003), 30a- YB- 3
  • Non-Patent Document 2 Michael H. MacDougal, et al., "Thermal Impedance of VCSELs with AlOx-GaAs DBR's", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 10, No. 1, pp. 15-17, 1998.
  • Non-Patent Document 3 P. O. Leisher, et al., Proton implanted singlemode holey verticato cavi ty surface- emittinglasers ", Electronics Letters, Volume 41, Issuel 8, 1 Sept. 2005, p p. 1010 -1011
  • the oxide confinement structure has a great feature that it can simultaneously form a current confinement structure and a strong refractive index waveguide structure which is essential for high-speed modulation.
  • the oxidized constriction structure has problems in the reliability of the surface emitting laser device.
  • an oxide region which is a layer of amorphous aluminum oxide
  • a semiconductor layer consisting of a single-crystal laminated structure originally formed integrally For this reason, a large internal stress is contained in the vicinity of the oxide layer. Therefore, like the first conventional example In some mesa post-type VCSELs, the mesa post sometimes breaks at the edge of the oxide layer, and the frequency becomes more pronounced as the oxide region becomes wider.
  • the p-DBR portion is integrally formed in the radial direction from the current injection opening area (light emitting area) to the outer periphery of the trench, the oxide layer is formed There is no risk of cracking at the border.
  • the p-DBR portion and the semiconductor layer below the active layer are bonded only via the oxide layer, and the internal stress is large.
  • the presence of these large internal stresses can be a bottleneck in improving the reliability of the device in VCSELs which are often used under various mounting forms such as array mounting and resin molding.
  • the active layer volume in the light emitting region is larger in element resistance by one digit or more compared to the conventional edge emitting LD. Therefore, in the VCSEL, the amount of increase in the element temperature, in which the amount of heat generation due to jewel heat at the time of driving becomes relatively large, also becomes larger, and this tendency becomes more remarkable as the element is driven at a higher modulation speed.
  • the diameter of the current injection aperture area (light emitting area) is about 4 to 6 ⁇ m
  • the element resistance is about 7 to 150 ⁇ . The temperature rises to around + 50 ° C.
  • the most important parameter that determines the reliability of the VCSEL is the temperature of the active layer at the time of driving, and it is highly reliable to suppress the amount of heat generation at the time of driving and to improve the heat dissipation to the outside of the VCSEL. It becomes a means to realize.
  • heat dissipation of a VCSEL having an acid narrowing structure will be considered using the mesa-post type VCSEL shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b).
  • the mounting structure is such that the back side of the substrate 113 is thermally dissipated through a heat sink such as a heat sink.
  • heat generation during driving mainly occurs near the active layer 111 in the current injection aperture region 105.
  • the generated heat diffuses around the active layer 111 in the current injection opening area 105, and as a result, a high temperature area, which is schematically shown as a heat generation area 115, is distributed.
  • the heat dissipation path 116 is schematically illustrated.
  • Part of the heat is dissipated from the heat generating area 115 to the back side of the substrate 113 while spreading at an angle of about 45 degrees as shown by arrows 1 and 2 of the heat radiation path 116.
  • the heat is diffused in the lateral direction as shown by arrow 3 and then dissipated to the n-electrode 114 side (the back surface side of the substrate 113).
  • the outer region of the mesa post is generally covered with the dielectric protective film 107 or the polyimide 108 having a low thermal conductivity, it can not be an effective heat radiation path. Because of the need for water vapor oxidation, it is necessary to form a mesa or trench that impedes heat dissipation in the oxidation constriction type VC SEL. Furthermore, the force required to fill the formed trench with a dielectric or polyimide for the purpose of reducing the electric capacity and improving the device reliability. This dielectric or polyimide is generally a material having poor thermal conductivity. There's a problem.
  • Non-patent document 1 Kondo et al., “Oscillation characteristics of high strain GalnNa / GaAs quantum well surface emitting laser”, 64th Annual Conference of the Institute of Applied Physics, Japan As in the proceedings of the lecture (Autumn 2003), 30a-YB-3, it is effective to increase the mesa diameter to some extent.
  • increasing the mesa diameter also means increasing the size of the oxide region, which causes the internal stress of the oxide layer described above and the problem of the thermal resistance of the nonconductive oxide layer 117 made of the steam oxide film described next. This may cause problems such as a decrease in modulation rate due to an increase in the electrical capacity of the mesa post, and a deterioration in the in-plane distribution of the light emitting region.
  • Non-Patent Document 2 in which the thermal resistance of the VCSEL was studied: Michael H. MacDougal, et al., "Thermal Impedance of VCSEL's with AlOx-GaAs DBR's", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 10, No. 1 According to J., pp.
  • the thermal conductivity of aluminum oxide is 0.25 W / cm 2- ° C.
  • the thermal conductivity of GaAs and AlAs is 0.45 W / cm 2- ° C and 0.9 W Zcm 2 '° C, respectively, and aluminum oxide is used for the nonconductive oxide layer (steam oxide film). It can be seen that the thermal conductivity of is low.
  • FIG. 6 (a) is a plan view showing the same VCSEL.
  • FIG. 6 (b) and Figure 6 (c) FIG. 6A is a cross-sectional view showing the structure of a half cross section taken along the lines F-F 'and G-G' in FIG. 6 (a), respectively.
  • the trench type structure in the circumferential cross section including the approximate center of the current injection opening area, there are two types of half cross sections along the F-F 'line and the G-G' line. The former and the latter are half cross sections in the direction including and excluding the trench 201, respectively.
  • a half cross section along line G- G ' is such that P- DBR 109 on the periphery of trench 201 is left unetched! /, And a point where high resistance region 104 by proton injection exists Except for the above, it is essentially equivalent to the half cross section of the mesa post type oxide narrowing structure VCSEL.
  • the lateral diffusion path of heat is restricted in the heat dissipation of the p- DBR 109 side force of the heat generation area 115, and the p- DBR 109 part
  • the non-conductive oxide layer 117 which also has a low thermal conductivity and a steam oxide film force is included in the heat radiation path from the side to the substrate 113 side, there is a problem in heat radiation.
  • the half cross section along the F-F 'line which does not include the trench 201, since there is no trench 201, the factor of inhibiting the thermal diffusion in the lateral direction is small.
  • the non-conductive oxide layer 117 made of a steam oxide film with low thermal conductivity is included in the heat radiation path toward the substrate 113 side. Have.
  • Trench Type Oxide Narrowing Structure The above-mentioned problems in the VCSEL become more serious in a highly integrated device as in the third conventional example. That is, when the distance between adjacent elements is short, the temperature rise due to the heat generated in the driven VCSEL affects the operation of the adjacent elements. In order to suppress the influence, in order to maintain the thermal independence of each adjacent element, the heat dissipation path through the thermal diffusion in the lateral direction (eg, arrow 5 or arrow 5 in FIG. 6 (b)). Furthermore, there is a problem that it is not possible to actively use the large route of lateral diffusion)
  • the conventional oxide narrowing structure has a problem in reducing the internal stress and thermal resistance of the element in the VCSEL, and in particular, achieves high reliability of the high-speed modulation type VCSEL. It has become clear that the above is an issue.
  • the surface emitting laser according to the present invention is a laser
  • a surface emitting laser provided in a mesa and having a single electrically and optically isolated current injection aperture region,
  • First and second reflectors provided so as to sandwich the active layer; an n-electrode and a p-electrode for injecting current into the active layer;
  • a non-conductive high resistance region which is provided to surround the current injection opening region and into which ions are implanted;
  • a nonconductive oxide layer extending from the sidewall of the mesa to the interior of the mesa, and having a radial half-section from the approximate center of the current injection aperture region to the outer periphery of the surface emitting laser;
  • the semiconductor device is characterized in that a half cross section in which the nonconductive oxide layer does not appear is present inside the region where the laser oscillation light exists, which is surrounded by the nonconductive high resistance region.
  • the nonconductive oxide layer does not appear in the half cross section from the approximate center of the current injection aperture region to the outer periphery of the surface emitting laser. . According to the structure which is formed, it is possible to reduce internal stress and thermal resistance, and thereby obtain high reliability.
  • FIG. 1 (a) is a plan view showing a first embodiment of a surface emitting laser according to the present invention.
  • Fig. 1 (b) and Fig. 1 (c) are cross-sectional views showing the structure of a half cross section taken along the lines A-A 'and B-B' of Fig. 1 (a), respectively.
  • FIG. 2 (a) is a plan view showing a second embodiment of the surface emitting laser according to the present invention.
  • FIGS. 2 (b) and 2 (c) are cross-sectional views showing the structure of a half cross section taken along the line CC 'and line DD' of FIG. 2 (a), respectively.
  • FIGS. 3 (a) and 3 (b) are cross sectional views showing two types of half cross sectional structures showing a third embodiment of the surface emitting laser according to the present invention.
  • FIGS. 4 (a) and 4 (b) are cross sectional views showing two types of half cross sectional structures showing a fourth embodiment of the surface emitting laser according to the present invention.
  • FIGS. 5 (a) and 5 (b) are respectively a plan view showing a surface emitting laser according to a first prior art example and a sectional view showing a structure of a half section.
  • FIG. 6 (a) is a plan view showing a surface emitting laser according to a second conventional example.
  • Figures 6 (b) and 6 (c) are cross-sectional views showing the structure of the half cross section taken along the lines F-F 'and G-G' in Figure 6 (a), respectively.
  • FIG. 7 is a plan view showing a surface emitting laser according to a third prior art.
  • the following symbols have the following meanings.
  • FIG. 1 (a) is a plan view showing a first embodiment of a surface emitting laser according to the present invention.
  • the surface-emitting laser according to the first embodiment is of the oxide narrowing type.
  • Figure 1 (b) and Figure 1 (c) are Each is a cross-sectional view showing the structure of a half cross section taken along line A-A 'and line B-B' in FIG. 1 (a). These half cross sections correspond to the half cross section from the approximate center of the current injection aperture area to the outer periphery of the surface emitting laser.
  • the difference from the conventional structure is discussed with respect to the electrical and optical functions within the range where the light emitting region exists in this half cross section. doing.
  • a nonconductive oxide layer described later appears in the half cross section. The non-conductive oxide layer present in the light emitting area and the area far from the current injection opening area does not affect the functions of the light emitting area and the current injection opening area, and it should be ignored.
  • a laser structure force which becomes a semiconductor laminated structure force is formed by epitaxial growth on a substrate 113 made of GaAs.
  • Metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) is generally used as a means of epitaxial growth, but epitaxial growth may also be performed by other means.
  • the semiconductor laminated structure is one in which an n-DBR 112, an active layer 111, an oxide layer 110, a p-DBR 109 and the like are sequentially laminated on a substrate 113.
  • a buffer layer, a high doping layer, an intermediate layer and the like may be appropriately inserted in order to realize good device characteristics.
  • active layer 111 a multiple quantum well (MQW) structure consisting of a stacked structure of an AlGaAs barrier layer and a GaAs well layer and an AlGaAs cladding layer disposed at both ends thereof.
  • the total layer thickness is designed to be about one wavelength in the semiconductor internal wavelength of the laser oscillation light.
  • the number of quantum well layers is about three or four.
  • the quantum well structure is designed to have a gain peak around 850 nm when the VCSEL is driven at an ambient temperature of about 50 ° C.
  • p-DBR 109 and n-DBR 112 provide the necessary internal reflection in the VCSEL structure.
  • the lower DBR is typically formed by pairs of AlGaAs layers having a high content of Al and other AlGaAs layers having a low content of Al. However, even if a layer having an intermediate composition of these two layers is inserted appropriately between the AlGaAs layer with a high content of A1 and the AlGaAs layer with a low content of A1 for the purpose of reducing the electrical resistance, etc. Good. 11 081 ⁇ and 0 BR changes the conductivity form by using different dopants.
  • the typical thickness of each layer pair is on the order of about 100-130 nm.
  • the overall thickness of each layer pair is designed to be equal to half the light wavelength at the intended wavelength of the laser operation (oscillation wavelength).
  • the A1 content x of the Group III element in the AlGaAs layer having a high A1 content is, for example, about 0.86.
  • the Al content X of the AlGaAs layer with a high Al content is high enough to provide a low index of refraction, but not so high as to be easily oxidized.
  • the A1 content X of the AlGaAs layer having a low A1 content is, for example, about 0.16.
  • An AlGaAs layer with a low A1 content generally contains a sufficient amount of A1 to be non-absorbing at its lasing wavelength.
  • the reflectivity of p-DBR, n-DBR is a function of the difference in refractive index of the two AlGaAs layers and the number of layer pairs in the structure, and by choosing the difference in refractive index and the number of pairs appropriately The desired reflectance is obtained.
  • the p-DBR 109 side force provided on the surface side also explains the light output (surface light emission) structure, so the reflectance of p- DBR 109 is lower than the reflectance of n- DBR 112. Is designed as.
  • n-- DBR (back side DBR) 112 generally 30-40 pairs of alternating AlGaAs layers are used.
  • P ⁇ DBR 109 light emitting side DBR
  • 20 to 25 pairs of alternating AlGaAs layers are used.
  • the oxide layer 110 has a high AlGaAs layer strength such that the aluminum content ratio X in the group III element is as high as 0.95 or more, and the insertion position may be either above or below the active layer, or both above and below Each layer is arranged.
  • an etching mask is formed on the laminated structure by the existing photolithography process. Thereafter, it is selectively etched to form a mesa 101.
  • the etching depth is at least a depth at which the oxide layer 110 is exposed to the mesa side surface.
  • the mesa shape of the first embodiment has a shape in which a plurality of radially extending stripes extend at the center. Although the case where the number of stripes is five is illustrated here, there is a reason for this.
  • the shape of the current injection aperture region whose rotational symmetry is an odd number in the circumferential direction can effectively suppress the higher order mode in the circumferential direction when the laser is driven, and is effective in performing the transverse single mode operation.
  • the mesa shape according to the spirit of the present invention may be another shape other than the one shown in the first embodiment.
  • the desirable mesa shape will be described later.
  • the semiconductor sample is oxidized.
  • the semiconductor sample is oxidized using water vapor at a high temperature of, for example, about 40 ° C. in a nitrogen environment.
  • the periphery of the oxide layer 110 is exposed to high temperature water vapor, and the mesa side wall force also moves toward the inner part of the mesa, and the oxidation progresses to form the nonconductive oxide layer 117 made of a steam oxide film. It will be done.
  • the desired nonconductive oxide layer 117 (steam oxide film) shape can be obtained with respect to the final shape of the current injection opening area.
  • the opposing side wall forces are also oxidized so that the stretched acid fronts (a and b) do not contact each other.
  • a relatively large non-oxidized region 103 substantially similar to the mesa shape is left after the oxidation treatment.
  • the shape of the final current injection aperture area is not yet defined. That is, in the first embodiment, the formation of the closed current non-injecting region surrounding the periphery of the light emitting region 105 is not completed only with the nonconductive oxide layer 117 made of a steam oxide film.
  • the nonconductive oxide layer 117 alone is used as a means for realizing the current control function for defining the shape of the current injection aperture area. I can say that.
  • an ion implantation process is used to form a high resistance region 104 at a location other than near the center of the mesa.
  • the ion implantation energy used for this ion implantation process is, for example, about 50 keV power and about 400 keV.
  • the ion dose to be implanted is, for example, 3 ⁇ 10 15 cm — 2 at each implantation energy level.
  • ions used in forming the high-resistance region 104 are, for example, protons or oxygen ions.
  • the planar shape of the high resistance region 104 formed by ion implantation will be described.
  • the shape of the high-resistance region 104 in the first embodiment is such that the peripheral portion excluding the circular shape at the center of the mesa has a high resistance.
  • the radius of the substantially circular shape that does not cause high resistance is, for example, about 5 to 12 m in a 10 Gb ps modulation VCSEL device.
  • the shape of the high resistance region 104 is designed so that The present ion implantation step forms a closed current non-injection region surrounding the periphery of the light emission region 105, and determines the final current injection aperture region in the VCSEL of the first embodiment.
  • the advantage of the VCSEL according to the first embodiment in reducing the thermal resistance with respect to the conventional mesa-post type oxide narrowing structure will be described.
  • the cross section showing the structure of the half cross section (BB 'half cross section) in FIG. 1 (c) in this half cross section (BB' half cross section), the high resistance region 104 is It can be seen that the cross-sectional shape of the mesa-post type VCSEL shown in FIG. 5 (b) is the same except for the point existing near the surface.
  • the non-conductive oxide layer 117 made of a steam oxidation film serves as a current control body for determining the current injection region in this cross section and also injects a laser beam as a current injection. It functions as a refractive index waveguide leading to the vicinity of the aperture region, and in this respect it is similar to the first prior art.
  • heat is mainly generated from the active layer 111 of the non-acidic region 103 and is diffused to the periphery.
  • a high temperature region shown schematically as the heat generation region 115 is It is formed.
  • the heat radiation path 116 from the heat generation area 115 to the substrate 113 side is schematically shown as arrows 1 to 3.
  • part of the heat is dissipated while spreading at an angle of about 45 ° from the heat generation area 115 as shown by arrows 1 and 2 of the heat dissipation path 116.
  • the outer region of the mesa post generally has a thermal conductivity as in the first conventional example. Because it is covered with the low dielectric protective film 107 and the polyimide 108, it can not be an effective heat radiation path, and However, there is only a heat radiation path via the nonconductive oxide layer 117 made of a low thermal conductivity, low thermal conductivity steam oxide film.
  • the cross-sectional structure in the B-B 'half cross section is equivalent to that of the conventional mesa post type, and the superiority is not seen also with respect to the heat dissipation' property.
  • the structural feature of this half cross section is that the mesa side surface exists at a location extending from the center of the current injection opening area.
  • the extended mesa portion has a high thermal conductivity because it is a semiconductor laminated structure integrally formed. Therefore, the heat diffusion from the portion on the P-DBR 109 side of the heat generation region 115 is sufficiently performed in the lateral direction.
  • the path to which the lateral diffusion of heat contributes is schematically shown as a path such as arrows 4 and 5 of the heat dissipation path 116.
  • the mesa portion extended in the radial direction does not include the nonconductive oxide layer (steam oxide film) in the stacking direction of the semiconductor, and is formed only of the integrally formed stacked structure. Because of this, the heat diffused in the lateral direction along the paths of arrows 3, 4 and 5 is easily dissipated to the substrate 113 side. From this, it is clear that the heat dissipation is improved and improved in the AA ′ half cross-section, as compared with the oxidized constriction structure of the first conventional example.
  • non-conductive oxide layer 117 made of a steam oxide film is located far away from the current injection opening region and is not It does not function as a fold waveguide.
  • it is the high resistance region 104 that functions as a current control body.
  • the cross-section has a current constriction structure only by the proton injection structure (the high resistance region). It has the same structure as a guided-wave VCSEL.
  • a refractive index waveguide structure using the nonconductive oxide layer 117 is provided, and due to the weak point, in this half cross section (A-A 'half cross section), the proton injection structure (high resistance region)
  • the current injection aperture area of the force light emitting area largely extends toward the outer periphery in the radial direction.
  • Range of the current injection aperture area in this cross-sectional direction It functions as a current control body and a strong refractive index waveguide, which are essential for high-speed modulation, which determines the heat resistance.
  • heat dissipation is equivalent to that of a conventional acid narrowing structure.
  • the high resistance region 104 substantially functions as a current control body, and there is no refractive index waveguide.
  • the heat dissipation is superior to that of the conventional oxide narrowing structure.
  • the current constriction structure is provided in consideration of overall element characteristics. It can be seen that both good heat dissipation and a strong index waveguide mechanism compatible with high speed modulation are compatible.
  • the refractive index guiding action since the oxide-confined structure which is provided for the entire circumferential direction as in the prior art is formed only in a partial region in the circumferential direction in the first embodiment, compared with the conventional oxidized-confined structure. The question is that the refractive index guiding effect is small. However, in this regard, measures such as increasing the thickness of the oxide layer 110 or optimizing the arrangement in the stacking direction (eg, shifting from the node position of the light standing wave in the stacking direction) may be taken. As a result, the same strong refractive index guiding action as that of the conventional acid narrowing structure can be obtained.
  • the first embodiment is a VCSEL having a single current injection aperture region and a planar structure surrounded by a semiconductor region of high resistance around the region, and substantially determines the shape of the current injection aperture region.
  • at least two kinds of means which are different depending on the circumferential direction around the center of the current injection opening region are used in combination, one of which is a non-conductive acid consisting of a water vapor acid film.
  • One of the other means is a high resistance region by S ion implantation.
  • the high resistance semiconductor layer (current non-injection region) substantially surrounding the current injection opening region is realized by the high resistance region, which is not made of a steam oxide film.
  • the conductive oxide layer essentially functions only as a refractive index waveguide.
  • At least one circumferential direction of a half cross section passing through the center of the current injection aperture region is a half composed of an active layer, p-DBR, n-DBR, etc. It is characterized in that the nonconductive oxide layer consisting of a steam oxide film is not included in the conductor laminated structure.
  • a VCSEL with a structure that does not contain this.
  • FIG. 2 (a) is a plan view showing a second embodiment of the surface emitting laser according to the present invention.
  • the surface-emitting laser according to the second embodiment is of the oxide narrowing type.
  • Fig. 2 (b) and Fig. 2 (c) are sectional views showing the structure of a half cross section taken along the line C C 'and the line D-D' in Fig. 2 (a), respectively. These half cross sections correspond to the half cross section from the approximate center of the current injection aperture area to the outer periphery of the surface emitting laser.
  • a laser structure also having a semiconductor laminated structure is formed by epitaxial growth.
  • an n-DBR 112 an active layer 111 including a multiple quantum well structure, an oxide layer 110, a p-DBR 109 and the like are sequentially laminated on a substrate 113.
  • buffer layers, highly doped layers, intermediate layers and the like may be appropriately inserted in order to realize favorable device characteristics.
  • an etching mask is formed on the laminated structure by the existing photolithography process. Thereafter, it is selectively etched to form a trench 201.
  • the etching depth of the trench 201 is at least a depth at which the oxide layer 110 is exposed to the side surface of the trench 201.
  • the planar shape of the trench 201 is a shape obtained by taking out a partial central angle of the ring shape, but the planar shape of the trench is not limited to the shape shown in FIG. It may be a triangle or the like.
  • the trenches of the second embodiment are arranged radially on the circumference centered on the final current injection opening area, as shown in the plan view of FIG. 2 (a). Here, the case where the number of trenches is five is illustrated. This is because, as in the first embodiment, it is effective for the rotational symmetry to have a plane shape of the current injection aperture region with odd number symmetry to suppress high-order mode excitation.
  • this semiconductor sample is subjected to steam in a nitrogen environment at a high temperature of about 400.degree. C. To oxidize.
  • the oxide layer 110 is exposed to the periphery, and from the radially arranged trench side walls, the oxidation progresses toward the inner depth direction of the non-trench portion, and from the water vapor oxidation film
  • the nonconductive oxide layer 117 is formed.
  • oxidation is performed so that the acid fronts extended starting from the adjacent trench sidewalls do not contact each other. This point is an essential difference from the conventional trench oxide structure including the second prior art.
  • a relatively large non-oxidized region 103 is left around the oxidized region 102 having a shape substantially similar to the trench shape even after the oxidation treatment.
  • ion implantation is performed in a portion other than the substantially circular shaped area near the center in the final current injection aperture area to form the high resistance area 104.
  • all the peripheral portions except the substantially circular shaped region in the central portion have high resistance.
  • the radius of the substantially circular shape which does not cause high resistance is, for example, about 5 to 12 m in the lOGbps modulation device.
  • the relationship between the high resistance area 104 and the planar overlapping shape of the oxide area 102 starting from each trench is the acid area 102 but not the high resistance area 104,
  • the shape of the high resistance region 104 is designed so that the region (a in FIG. 2A) is left.
  • the present ion implantation step forms a closed current non-injection region surrounding the periphery of the light emission region 105, and determines the final current injection aperture region in the VCSEL of the second embodiment.
  • a step of forming a buried structure for reducing the capacitance of the electrode pad with the dielectric protective film 107, the polyimide 108 or the like, and the p-electrode necessary for current injection is completed through the steps 106 and 114 and the like.
  • the superiority in reducing the thermal resistance to the conventional trench structure in the VCSEL of the second embodiment will be described.
  • this is exactly the same as the cross-sectional shape of the half cross-section including the trench portion in the conventional trench-type narrowing VCSEL shown in FIG. 6 (c).
  • the nonconductive oxide layer 117 made of a steam oxide film is used as a current control body to determine the current injection region.
  • it functions as a refractive index waveguide for guiding laser light to the vicinity of the current injection aperture region, and this point is the same as that of the second prior art.
  • the trench portion is covered with the dielectric protective film 107 and the polyimide 108 having a low thermal conductivity.
  • the heat dissipation because the heat radiation path through the nonconductive oxide layer 117 made of a steam oxide film with low thermal conductivity is strong. It is completely the same as the second conventional example.
  • the nonconductive oxide layer 117 made of a steam oxide film functions as a current control body essential for high-speed modulation and as a strong refractive index waveguide.
  • the high resistance region 104 functions as a substantial current control body, and the refractive index waveguide Does not exist.
  • the heat dissipation in the CC 'half cross section is superior to that of the conventional oxidized constriction structure.
  • the C C ′ half cross-sectional structure and the D–D ′ half cross-sectional structure are used in the circumferential direction, considering the overall element characteristics, good heat dissipation and high speed can be achieved. It is essential that the strong index guiding mechanism necessary for modulation be compatible.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-45243.
  • the structure disclosed in Patent Document 2 will be described using the plan view shown in FIG.
  • the conventional example disclosed in Patent Document 2 is a VCSEL array having an acid narrowing structure using two-dimensionally arranged trenches 201, and fronts of the oxide regions 102 starting from adjacent trenches are adjacent to each other. Some degree of steam oxidation process without contact is applied. The non-acidic regions left between adjacent VCSELs that make up the phase array are used as high gain regions.
  • the spontaneous emission light emitted in the in-plane direction of the substrate is connected to the high gain region 701 in order to connect the laser oscillation light emitted in the vertical direction from each laser opening to the substrate. It is amplified by the light source and incident on the adjacent VCSEL from the side.
  • the gain coupling between adjacent VCSELs is achieved through the high gain region 701, whereby all two-dimensional VCSEL phase 'arrays oscillate in the same phase.
  • the high gain region 701 is also a heat source because it injects a force current that generates an optical gain by the current injection.
  • the VCS EL arranged in a two-dimensional array electrical and optical coupling is eliminated between adjacent VCSELs, At the same time, it is intended to improve the speed and reliability of a single VCSEL device, and is an essentially different structure from the conventional example disclosed in Patent Document 2.
  • the conventional VCSEL phase 'array disclosed in Patent Document 2 in order to oscillate a plurality of light emitting points with the same phase, mode' coupling is performed using spontaneous emission light in the plane direction of the substrate.
  • the VCSEL phase 'array having such a structure is not suitable for high-speed modulation because the spontaneous emission light lifetime is long.
  • FIGS. 3 (a) and 3 (b) are cross-sectional views showing a third embodiment of the surface emitting laser according to the present invention.
  • the surface-emitting laser according to the third embodiment is of the oxide narrowing type.
  • the plan view of the surface emitting laser according to the third embodiment is the same as FIG. 1 (a).
  • FIGS. 3 (a) and 3 (b) are cross-sectional views showing the structure of a half cross section taken along lines A-A 'and B-B' of FIG. 1 (a), respectively. These half cross sections correspond to the half cross section from the approximate center of the current injection aperture area to the outer periphery of the surface emitting laser.
  • the laser structure itself is essentially the same as that described in the first embodiment.
  • the substrate side is a light emitting surface
  • the VCSEL is mounted on the wiring substrate 301 by flip chip mounting
  • the main heat radiation path 116 is on the wiring substrate 301 side via the p electrode 106 which is smoothed on the substrate 113 side. It differs from the first embodiment in a certain point.
  • the method of manufacturing the VC SEL according to the third embodiment is the same as that of the first embodiment, and thus the description thereof is omitted here.
  • the heat dissipation property needs to be more considered than in the case where heat dissipation is performed from the substrate side cover.
  • part of the heat is dissipated while spreading at an angle of about 45 ° from the heat generation area 115 as shown by arrows 1 and 2 of the heat dissipation path 116.
  • the path of arrows 1 and 2 is also limited to the formation range of the thermal diffusion region power sensor 101.
  • the outer region of the mesa post generally has a low thermal conductivity !, dielectric Low thermal conductivity in the heat radiation path leading to the point covered with the body protective film 107 and the polyimide 108 and the p electrode 106 and the wiring board 301! It is also the same as non-conductive oxide layer 117 which is made of a steam oxide film, which inhibits heat dissipation. As mentioned above, it is important to have a problem in heat dissipation on the BB 'half cross section. Since the mesa-post type VCSEL of the first prior art has this half-sectional shape in the entire circumferential direction surrounding the light emitting region, there is a problem in heat dissipation of the entire device even in flip chip mounting. It is clear that
  • the structural feature of this half cross-section is that the mesa side exists at the location where the central force of the current injection opening area also extends.
  • the drawn mesa portion has a high thermal conductivity because it is a semiconductor laminated structure integrally formed. Therefore, in the elongated mesa portion, the lateral heat dissipation from the heat generating region 115 is sufficiently performed. This lateral heat diffusion is schematically shown as a path such as the arrows 4 and 5 of the heat dissipation path 116.
  • the mesa portion extended in the radial direction does not include the nonconductive oxide layer made of the water vapor oxide film in the stacking direction of the semiconductors, it is formed only by the integrally formed semiconductor multilayer structure.
  • the heat diffused laterally in the path of arrows 3, 4 and 5 is easily dissipated to the p electrode 106 side. From this, in the half section AA 'shown in FIG. 3 (a), the heat dissipation is improved as compared with the conventional oxidized narrow structure.
  • the AA ′ structure and the heat radiation which are superior to the conventional oxide narrowing structure in the heat dissipation in the lateral and vertical directions.
  • a non-conductive oxide layer 117 consisting of a steam oxide film can realize a strong refractive index waveguide equivalent to the conventional oxidation narrowing structure.
  • B- B 'Since the structures are combined in the circumferential direction, considering the overall element characteristics, it can be said that good heat dissipation and a strong refractive index guiding mechanism necessary for high-speed modulation are compatible.
  • the force described in the case where the mesa-post type VCSEL of the first embodiment is flip-chip mounted is also the case where the trench-type VCSEL of the second embodiment is flip-chip mounted.
  • the effect is similar.
  • a surface emitting laser according to a fourth embodiment of the present invention will be described.
  • the surface emitting laser according to the fourth embodiment is a Holey-VCSEL.
  • a plurality of trenches are radially formed in the region where the optical field exists in the current injection aperture region of the VCSEL, and the strong optical waveguide action resulting from the large refractive index difference between this trench and the semiconductor is actively used.
  • Research has been conducted to improve the single mode light output and reduce the oscillation threshold in the VCSEL.
  • Holly VCSELs or photonic crystal VCSELs have been proposed as VCSELs having this structure.
  • Patent Document 4 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-310917 and Non-patent Document 3: PO Leisher, et ai., Proton implanted singlemode holey velocity-cavity surface-emitting Lasers ”, Electronics Letters, Volume 41, Issuel 8, 1 Sept. 2005, pp. 1010-1011 Holly VCSELs.
  • Patent Document 4 a trench (a hole) is provided with light shielding means on the bottom surface and the inner side surface for the purpose of lateral mode control in the p-DBR portion just above the current injection aperture region in the mesa post type oxide narrowing structure. Is formed.
  • a trench in which a nonconductive oxide layer made of a water vapor oxide film is provided as a current control body and a light shielding means is provided on the bottom surface and the inner side surface as a refractive index waveguide. It will be used.
  • Non-Patent Document 3 a proton injection is used as a current control body, and a trench is used as a refractive index waveguide.
  • the conventional Holly VCSEL described above has problems in element fabrication. It is necessary to form a deep trench precisely with a minute aperture size in order to realize strong waveguiding, and due to light scattering because the guided light is in direct contact with the sidewall of the trench. It is required to have sufficient smoothness so that optical loss does not occur. However, in practice, in order to form a trench with a minute opening size with sufficient smoothness in all places in the depth direction, a very high level of technology is required, so these structures are used. It is difficult to produce such devices with sufficient uniformity and yield. According to the fourth embodiment, it is possible to avoid the above problem in the conventional Holy VCSEL.
  • the planar shape of the Holy VCSEL in the fourth embodiment is the same as that shown in FIG. Both FIG. 4 (a) and FIG.
  • FIGS. 4 (a) and 4 (b) are sectional drawings which show the structure of the half section of different embodiment in the DD 'half section in the top view of FIG. 2 (a).
  • a feature of the semi-cross-sectional structure shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b) is that a plurality of oxide layers 110 are inserted in the stacking direction.
  • the oxide layer is generally provided on the upper and / or lower side of the active layer, or in the upper and lower layers.
  • the strength as the Holly VCSEL is high.
  • at least two or more oxide layers are disposed either above or below the active layer, or both above and below.
  • FIG. 4 (a) a plurality of oxide layers having the same composition are inserted in the upper part of the active layer.
  • the non-conductive oxide layer 117 formed in the water vapor oxidation constriction step is formed in each layer by further changing the aluminum content of the inserted oxide layer for each layer of the oxide layer.
  • the stretching width of the steam oxide film used By changing the stretching width of the steam oxide film used, more detailed design of the waveguide structure is achieved.
  • the width of the oxide region 102 is designed to become smaller toward the element surface as it is directed to the element surface, so that the contact area of the p electrode 106 can be made larger.
  • the path of arrow 3 in the heat radiation path 116 is a plurality of nonconductive oxide layers (steam oxide film), polyimide 108, Due to the presence of the dielectric protective film 107, it is difficult to obtain good heat dissipation.
  • the non-conductive oxide layer (steam oxide film) and the trench structure are not included in the semiconductor multilayer structure. Good heat dissipation is maintained.
  • the entire circumferential direction surrounding the light emitting region is obtained.
  • a plurality of non-conductive oxide layers are provided in the orientation, which is a major problem not only in heat dissipation but also in electrical resistance and internal stress.
  • a plurality of nonconductive oxide layers (steam oxide film) ) Achieves a strong index guiding action, and in this respect it is equivalent to a holey VCSEL using the side wall of the trench as described above.
  • only the tip of the nonconductive oxide layer (steam oxide film) periodically formed in the stacking direction is used for light guiding, as opposed to the conventional example in which all the side walls are used as a light wave mechanism.
  • the side walls of the low aluminum composition layer that are not involved in oxidation and progress are the point features that do not substantially participate in light guiding.
  • the oxide layer 110 used to form the nonconductive oxide layer 117 made of a steam oxide film generally has an aluminum content ratio higher than that of AlGaAS used for the low refractive index layer of p-DBR109. Higher AlGaAs and AlAs are used. At that time, the refractive index of the oxide layer 110 is smaller than the refractive index of the low refractive index layer of p-DBR 109, which is usually used.
  • the high refractive index layer of the P- DBR 109 and the oxide layer 110 are The reflectance per pair of this periodic structure increases because the difference in refractive index between Further, the nonconductive oxide layer 117 made of a steam oxide film manufactured by steam oxidizing the oxide layer 110 has a refractive index lower than that of the oxide layer 110. Therefore, in the region where the nonconductive oxide layer 117 made of a steam oxide film is formed, the difference in refractive index between the high refractive index layer of the p-DBR 1 09 and the nonconductive oxide layer 117 becomes larger. The reflectivity per pair of this periodic structure is further increased.
  • the reflectance per one pair of periodic structures is increased by the central portion where the oxide layer 110 is left and the region where the non-conductive oxide layer 117 made of a steam oxide film is formed. As a result, it is possible to reduce the total thickness of the DBR required to obtain the desired reflectivity!
  • each periodic structure pair is included between the central portion where the oxide layer 110 is left and the region where the nonconductive oxide layer 117 made of a steam oxide film is formed.
  • the high refractive index layer of p- DBR 109 is common, but it is nonconductive with the oxide layer 110 which functions as a low refractive index layer.
  • the refractive index of the oxide layer 117 is different.
  • an effective refractive index difference exists between the central portion where the oxide layer 110 is left and the region where the nonconductive oxide layer 117 and the steam oxide layer 117 are formed, and the central portion The region having the high refractive index region and the region where the nonconductive oxide layer 117 made of a steam oxide film is formed becomes the low refractive index region, so that the core / cladding type refractive index guiding action is exhibited.
  • Non-Patent Document 1 a method for realizing highly reflective p-DBR by forming p-DBR with a laminated structure of a non-conductive oxide layer made of a steam oxide film and a semiconductor is described in Non-Patent Document 1 already introduced.
  • a highly reflective P-DBR has a structure formed in a half cross section in each direction on a partial circumference surrounding the current injection aperture area.
  • the first to fourth embodiments described above relate to the current injection aperture region in the oxide narrowing type VCSEL having a structure in which the single current injection aperture region and the periphery thereof are surrounded by the high resistance region.
  • a structure that does not substantially include a nonconductive oxide layer made of a steam oxide film in the laminated structure reaching the p-DBR force active layer and the n-DBR semiconductor substrate It is characterized by With the structure according to the present invention, the heat dissipation of the heat generated near the active layer to the substrate side or the VCSEL surface side can be improved, and high reliability can be obtained.
  • the types of materials, semiconductor dopants, doping levels, dimensions, etc. of semiconductors, metals, dielectrics, and organic materials employed in the embodiment of the present invention are illustrative.
  • the combination of parameters regarding each element constituting these elements may be changed variously.
  • other layers may be added to the laminated structure illustrated in the figure.
  • conditions used in the manufacturing process for example, conditions such as temperature and time can also be changed to conditions suited to the materials to be used.
  • GaAs and GaAlAs other semiconductor materials such as InGaAs GaAlSb InAlGaP InGaAsP InGaAsN, and other III-V mixed crystals, or II-VI mixed crystals may be used.
  • the substrate side is selected as n-type in the above embodiment with respect to the stacking direction of the semiconductor layers formed on the substrate, ie, the direction of the pn junction. It can also be selected.
  • adopting the flip chip mounting method as in the third embodiment is also possible. it can.
  • the p and n electrodes may be formed at any position as long as the completed element can emit light by energization to the current injection aperture area.
  • both p and n electrodes may be provided on the device surface together.

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Abstract

　従来の酸化狭窄型構造ＶＣＳＥＬにおいては、素子の内部応力および熱抵抗低減上の課題を有するため、特に、高速変調型ＶＣＳＥＬの高信頼性を図る上で課題となっている。本発明の一実施形態に係る面発光レーザは、メサ中に設けられ、電気的且つ光学的に孤立した単一の電流注入開口領域を有しており、電流注入により発光する活性層と、該活性層を挟むように設けられた第１の反射器および第２の反射器と、活性層に電流を注入するｎ電極およびｐ電極と、前記電流注入開口領域を包囲するように設けられ、イオンが注入された非導電性の高抵抗化領域と、前記メサの側壁からメサの内部まで延在する非導電性酸化層と、を備え、その際、前記電流注入開口領域の略中央から当該面発光レーザの外周に至る半断面の中に、前記非導電性の高抵抗化領域で囲まれている、レーザ発振光の存在する領域の内側には前記非導電性酸化層が現れない半断面が存在する。

Description

面発光レーザ
技術分野
[0001] 本発明は、面発光レーザに関する。
背景技術
[0002] 近年、光通信用の小型、低消費電力、低コスト光源として垂直共振器面発光レー ザ (VCSEL)の開発が盛んであり、既に 1〜： LOGbps程度の高速変調可能な VCSE Lも実用化されて ヽる。上記高速変調型 VCSELにおける既知の構造は水蒸気酸ィ匕 プロセスを利用した酸化狭窄構造であり、最初に図 5 (a)および図 5 (b)を用いて、第 1の従来例の VCSELの構造および製造工程を説明する。図 5 (a)および図 5 (b)は、 それぞれ、メサポスト型の酸化狭窄構造を有する VCSELの平面図、および E— E' 方向における発光領域の略中央からメサ外周に至る半断面の構造を示す断面図で ある。なお、この酸化狭窄構造を具える VCSELの報告例として、例えば、非特許文 献 1 :近藤他、「高歪 GalnNa/GaAs量子井戸面発光レーザの発振特性」、第 64回応 用物理学会学術講演会 講演予稿集（2003年秋）、 30a— YB— 3がある。
[0003] 上記 VCSELの製造方法を図 5 (b)に示す半断面の構造を参照して説明する。ま ず、半導体積層構造からなるレーザ構造体が基板 113の上に形成される。ここで、半 導体積層構造は、活性層 111、 p— DBR (分布ブラッグ反射器： distributed Bragg Reflector) 109、 n— DBR 112、および酸化層 110等を含む。酸化層 110は、 III 族元素中のアルミニウム含量率 X力 典型的に 0. 95以上と高い AlGaAs層力もなり、 挿入位置は活性層の上または下のどちら力 もしくは上下両方に各一層配置される
[0004] 次に、この積層構造はマスキングされ、選択的にエッチングされてメサ 101が形成さ れる。エッチングした結果、アルミニウム含量の高い酸ィ匕層 110を含む半導体積層構 造の一部カ^サ 101の側面に露出する。次に、水蒸気酸化狭窄工程により酸化層 1 10の一部領域が酸化を受け、電気的に絶縁性である水蒸気酸化膜へと変換され、 非導電性酸化層 117となる。非導電性酸化層 117を活性層 111への電流注入範囲 を狭窄する絶縁層として利用する酸化狭窄構造を具えた、発光領域 105が形成され る。その後、誘電体保護膜 107やポリイミド 108などによる電極パッドの電気容量低 減用の埋め込み構造の形成工程、および p電極、 n電極形成工程等を経て、 VCSE L素子が完成される。
[0005] ここで、水蒸気酸ィ匕狭窄工程および酸ィ匕層 110の機能について詳細に説明する。
水蒸気酸化狭窄工程は、高温水蒸気、もしくは、化学反応によって水を生成しうるガ ス、液体、固体が供給されている含む雰囲気中にメサ形成後の基板を所定の時間暴 露させる工程である。これによつて、アルミニウム含量の高い酸化層 110力 メサ 101 の側面からメサ中心に向かって横方向に選択的に酸化されて、水蒸気酸化膜へと変 換され、非導電性酸ィ匕層 117となる。このとき、他の層は、アルミニウム含量が酸ィ匕層 110より低ぐ Xが 0. 95以下程度の AlGaAs層で形成されているために、素子製造 上もしくは素子特性上の影響が無!、程度にしか酸ィ匕が進行しな!、。水蒸気酸化狭窄 工程によって、 DBR部を構成する半導体層も酸化を受け、一部は酸化膜に変換され る力 DBR部に形成される非導電性酸化層の延伸幅は、典型的には、酸ィ匕層 110 における非導電性酸ィ匕層の延伸幅の 1Z5以下である。
[0006] 上述のように酸ィ匕領域 102には、酸化処理の結果、電気的に絶縁性である水蒸気 酸化膜からなる非導電性酸化層 117が形成される。一方、非酸化領域 103における 導電性は、酸化処理後も保たれている。そのため、 VCSEL駆動時には、非導電性 酸ィ匕層 117が電流ノリアとして機能するため、非導電性酸化層 117が挿入されて ヽ る酸化領域 102には電流が流れずに、非酸ィ匕領域 103を通して、活性層 111への 電流注入が行われる。従って、この非酸ィ匕領域 103を通して電流注入される、活性 層 111での発光性再結合により、レーザ発振光が生成される。図 5に示す従来例で は、発光領域の平面形状は、電流注入開口領域 105の平面形状に依存している。こ の従来例では、図 5 (a)の平面図上における電流注入開口領域 105の略中央を通る どの半断面を切り出しても、その電流注入の経路は、酸化領域 102と非酸化領域 10 3によって境界づけられている。
[0007] また、酸化層 110及び非導電性酸化層 117は、電流注入開口領域 105の平面形 状を決定する以外に、レーザ光の屈折率導波機能を有している。即ち、水蒸気酸ィ匕 膜からなる非導電性酸ィ匕層 117は、非晶質の酸ィ匕アルミニウム様の組成であり、その 光学的な屈折率は、非酸化領域 103に属する酸化層 110の屈折率よりも低くなる。こ のような屈折率分布は、光学的には、クラッド Zコア構造を構成し、集光レンズと同等 の働きを有するため、レーザ駆動時に発生した光を非酸ィ匕領域 103近傍に集中させ る強い導波構造となる。
[0008] このような光導波構造によって、レーザ発振モードの安定性が向上するとともに、電 流注入開口領域と光強度分布領域のオーバーラップが大きくなるため、モード利得 が向上し、レーザ発振効率の向上が図られる。大きなモード利得を得ることは、 lGbp s以上の高速変調を実現する上で非常に重要である。なお、 VCSEL駆動時におけ るレーザ発光領域の平面分布形状は、上述のクラッド Zコア構造からなる屈折率導 波機能の強度に依存する。極めて強い屈折率導波構造を有する素子の場合には、 非酸ィ匕領域 103から酸ィ匕領域 102への光の拡がりが抑制され、発光領域の平面形 状は、電流注入開口領域 105の平面形状とほぼ同一と見做し得る。一方、弱い屈折 率導波構造を有する素子の場合には、非酸化領域 103から酸化領域 102への光の 拡がりの寄与があるため、発光領域は、電流注入開口領域 105よりも広い領域となる 。なお、本発明では、電流注入開口領域 105の略中央で観測される発光電力強度（ ピーク強度)を基準として、ピーク強度の 1Z10以上の発光電力強度を有する領域を 発光領域と定義する。
[0009] ここで、酸化狭窄構造の機能及び特長を整理すると、
1)電流制御機能:絶縁性酸化層 (水蒸気酸化膜からなる非導電性酸化層）による 電流狭窄構造を容易に形成可能、
2)屈折率制御機能：埋め込み再成長無しに、活性層近傍への強!、屈折率導波構 造を導入可能、
であることがわかる。
[0010] 次に、酸ィ匕狭窄構造を有する VCSELの第 2の従来例について、図 6 (a)〜図 6 (c) を用いて説明する。図 6 (a)は、複数の酸化領域を利用したトレンチ型の構造を有す る VCSELの平面図である。図 6 (b)および図 6 (c)は、電流注入開口領域の中心を 通る半断面における構造を示す断面図であり、図 6 (b)には、トレンチを含まない方 向の半断面 (F— F'半断面）、図 6 (c)には、トレンチを含んでいる方向の半断面 (G —G'半断面）が、それぞれ図示されている。
[0011] 第 2の従来例の製造方法及び基本構造は、第 1の従来例と同様であるので、第 2の 従来例において特徴的な部分についてのみ、以下に説明する。第 2の従来例では、 まず、メサ ·ポストではなぐ放射状に配置された複数のトレンチ 201を形成する。続く 、水蒸気酸ィ匕工程では、これら複数のトレンチ 201において、各々のトレンチ側面を 起点とした酸ィ匕領域 102が形成される。このとき、トレンチ 201の配置とサイズ、およ び酸化領域のサイズを適切に選択することにより、各々のトレンチを起点とする酸ィ匕 領域 102のフロント同士が接触したときに、放射状のトレンチ配置の中央付近、およ び放射状のトレンチの外周に非酸化領域 103が形成される。次に、外周部の非酸ィ匕 領域 103への電流リークを防止するために、プロトン注入等の手段によって高抵抗ィ匕 領域 104を形成することによって、最終的な電流注入開口領域 105が形成される。 第 2の従来例の構造は、電流注入開口領域 105の周囲が酸化領域 102で覆われて おり、電流注入開口領域 105の略中心を通るどの半断面においても、非導電性酸化 層 117 (酸化狭窄層）が電流制御および屈折率制御体として機能して 、る点で第 1の 従来例と同等である。
[0012] また、第 3の従来例として、特許文献 5 :特開平 10— 229248号公報に示されるよう な、トレンチ型酸ィ匕狭窄構造を有する VCSELの二次元高密度集積ィ匕に関する発明 がある。第 3の従来例では、正三角形、正方形、正六角形等を平面内に隙間無く敷 き詰めたとき、その頂点となる位置に、円形のトレンチを二次元的に配置し、酸ィ匕狭 窄構造の形成を行う。
[0013] 第 2の従来例と同様に、隣接するトレンチ酸ィ匕フロント同士がオーバーラップする程 度の酸ィ匕を行ったときに、第 3の従来例では、トレンチ酸ィ匕フロント同士の接触が二 次元的に行われる。その結果、周囲を酸ィヒ領域で囲まれた電流注入開口領域 (非酸 化領域)が、二次元アレイ状に形成される。酸化狭窄工程の後に、隣接する電流注 入開口領域間をプロトン注入等の手段によって高抵抗ィ匕する。ここで、プロトン注入 は電気的分離の目的で行われるため、プロトン注入工程の存在によって、各々の電 流注入開口領域 (発光領域)の光学的振る舞!/、は影響を受けな 、。以上の工程によ つて、高密度に素子が配置されている、独立駆動可能な VCSELの二次元アレイが 形成される。
[0014] 第 3の従来例のレイアウトによれば、隣接する VCSEL同士で酸ィ匕領域を共有可能 であるため、メサポスト型の酸ィ匕狭窄 VCSELを高密度にアレイ化する場合と比較し て、集積密度の点で有利である。
[0015] なお、本発明に関連する先行技術文献としては、下記の特許文献 1〜5および非 特許文献 1〜3が挙げられる。
特許文献 1：特開 2003— 110196号公報
特許文献 2 :特開 2005— 45243号公報
特許文献 3：特開 2005— 311175号公報
特許文献 4：特開 2005— 310917号公報
特許文献 5：特開平 10— 229248号公報
非特許文献 1 :近藤他、「高歪 GalnNa/GaAs量子井戸面発光レーザの発振特性」、第 64回応用物理学会学術講演会 講演予稿集（2003年秋）、 30a— YB— 3 非特許文献 2 : Michael H. MacDougal, et al., "Thermal Impedance of VCSEL's with AlOx-GaAs DBR's", IEEE PhotonicsTechnology Letters, Vol. 10, No. 1, pp. 15—17, 1998
非特許文献 3 : P.O. Leisher, et al., Proton implanted singlemode holey verticaト cavi ty surface- emittinglasers", Electronics Letters, Volume 41, Issuel8, 1 Sept. 2005, p p. 1010 -1011
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0016] 上述したように、酸化狭窄構造は、電流狭窄構造と、高速変調に必須の強い屈折 率導波構造とを同時に形成可能であるという大きな特長を有している。その一方で、 酸化狭窄構造は、面発光レーザ素子の信頼性の点で課題を有して ヽる。
[0017] 課題の一つは、元々一体に形成された単結晶の積層構造からなる半導体層中に、 非晶質ィ匕された酸ィ匕アルミニウムの層である酸ィ匕領域が導入されて ヽるために、酸 化層近傍に大きな内部応力を内包していることである。このため、第 1の従来例のよう なメサポスト型 VCSELでは、時に、酸ィ匕層を境にメサポストが割れる場合があり、そ の頻度は酸ィ匕領域が広くなるほど顕著となる。第 2の従来例のようなトレンチ型 VCS ELでは、 p— DBR部が電流注入開口領域 (発光領域)上からトレンチ外周部まで、 半径方向に一体に形成されているため、酸ィ匕層を境に割れが発生する恐れは無い。 しかし、隣接するトレンチの間の酸ィ匕領域では、 p— DBR部と活性層以下の半導体 層とが、酸ィ匕層を介してのみ結合しており、内部応力は大きい。これらの大きな内部 応力の存在は、アレイ実装ゃ榭脂モールドなど、多様な実装形態下で使用されること の多い VCSELにおいて、該素子の信頼性の向上を図る上で、ボトルネックとなりうる
[0018] さらに、酸化狭窄構造の他の課題は、素子の熱抵抗低減を図る上で、不利なことで ある。 VCSELでは、発光領域の活性層体積は、従来の端面発光 LDと比較して 1桁 以上小さぐ素子抵抗が大きくなつている。そのため、 VCSELでは、駆動時のジユー ル熱による発熱量が相対的に大きぐ素子温度の上昇量も大きくなり、この傾向は、 高い変調速度で駆動される素子ほど顕著となる。一例として、 lOGbps変調用の VC SELでは、電流注入開口領域 (発光領域)の直径が 4〜6 μ m程度で、素子抵抗は 7 0〜150 Ω程度となり、駆動時における活性層温度は、環境温度 + 50°C程度にまで 上昇する。一方、 VCSELの信頼性を決定する最も重要なパラメータは、駆動時にお ける活性層温度であり、駆動時における発熱量の抑制と、 VCSEL外部への放熱性 を改善することが、高信頼性を実現する手段となる。
[0019] ここで、酸ィ匕狭窄構造を有する VCSELの放熱性に関して、図 5 (a)および図 5 (b) のメサポスト型 VCSELを用いて、考察してみる。ここで、基板 113の裏面側が融着さ れたヒートシンク等の放熱体を通じて放熱される実装構造を仮定する。図 5 (b)の断 面図において、駆動時の発熱は、主に、電流注入開口領域 105における活性層 11 1の近傍で起こる。発生した熱は、電流注入開口領域 105における活性層 111を中 心として、拡散する結果、模式的に、発熱領域 115のように示される、高温度の領域 が分布する。また、放熱経路 116が模式的に図示されている。熱の一部は、発熱領 域 115から基板 113の裏面側へと、放熱経路 116の矢印 1、 2のように、 45度程度の 角度で広がりながら放熱される。一方、発熱領域 115の p— DBR109側の部分から の放熱では、熱は、矢印 3のように横方向に拡散した後、 n電極 114側（基板 113の 裏面側)へと放熱される。
[0020] ここで、メサポストの外側領域は、一般的に、熱伝導率の低い誘電体保護膜 107や ポリイミド 108で覆われているため、有効な放熱経路とはなり得ない。酸化狭窄型 VC SELでは、水蒸気酸ィ匕の必要性から、放熱性を妨げるメサもしくはトレンチを形成す る必要がある。さらに、形成されたメサゃトレンチを電気容量低減や素子信頼性向上 の目的で誘電体やポリイミドで埋める必要がある力 この誘電体やポリイミドは、一般 的に熱伝導性の悪い材料であるため、問題がある。なお、矢印 3の放熱経路による放 熱性を改善する手段としては、非特許文献 1 :近藤他、「高歪 GalnNa/GaAs量子井戸 面発光レーザの発振特性」、第 64回応用物理学会学術講演会 講演予稿集 (2003 年秋）、 30a— YB— 3のように、メサ径を大きくすることがある程度有効である。しかし 、メサ径を大きくすることは、酸ィ匕領域を大きくすることでもあり、すでに述べた酸化層 の内部応力、次に述べる水蒸気酸化膜からなる非導電性酸化層 117の熱抵抗の問 題、メサポストの電気容量の増大に伴う変調速度の低下、発光領域の面内分布の悪 化等の問題を引き起こす恐れがある。
[0021] 放熱経路 116の矢印 3における他の課題は、基板 113側への放熱経路中に水蒸 気酸化膜からなる非導電性酸化層 117が含まれることである。すなわち、非導電性 酸化層 117 (水蒸気酸化膜)は非晶質化された酸化アルミニウム様の組成であり、熱 伝導率が低いため、放熱性の向上が困難である。なお、 VCSELの熱抵抗に関する 検討を行った非特許文献 2 : Michael H. MacDougal, et al.， "Thermal Impedance of VCSEL's with AlOx— GaAs DBR's", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 10, N o. 1, pp. 15-17, 1998によれば、酸化アルミニウムの熱伝導率は 0. 255W/cm2-°C である。一方、 GaAs、 AlAsの熱伝導率はそれぞれ 0. 45 W/cm2-°C, 0. 9 W Zcm2'°Cであり、非導電性酸化層（水蒸気酸化膜)に利用される酸化アルミニウムの 熱伝導率が低 、ことが分かる。
[0022] 次に、第 2の従来例および第 3の従来例に示した、トレンチ型の酸化狭窄構造を有 する VCSELも、熱抵抗上、同様の課題を有することを、図 6 (a)〜図 6 (c)を用いて 説明する。図 6 (a)は、同 VCSELを示す平面図である。また、図 6 (b)および図 6 (c) は、それぞれ、図 6 (a)の F— F'線および G— G'線に沿った半断面の構造を示す断 面図である。トレンチ型構造では、電流注入開口領域の略中央を含む、円周方向断 面において、 F— F'線および G— G'線に沿った 2種類の半断面が存在する。前者お よび後者は、それぞれ、トレンチ 201を含む方向、および含まない方向の半断面であ る。
[0023] G— G'線に沿った半断面は、トレンチ 201外周の P— DBR109がエッチングされず 残されて!/、る点、およびプロトン注入による高抵抗ィ匕領域 104が存在する点を除き、 本質的にメサポスト型酸ィ匕狭窄構造 VCSELの半断面と同等である。すなわち、電流 注入開口領域の中央から有限の距離に形成されたトレンチ構造によって、発熱領域 115の p— DBR109側部力もの放熱では、熱の横方向拡散経路が制限され、さらに 、p— DBR109部から基板 113側への放熱経路中に熱伝導率の低い水蒸気酸化膜 力もなる非導電性酸ィ匕層 117が含まれるため、放熱性上、問題を有している。一方、 トレンチ 201を含まない F—F'線に沿った半断面では、トレンチ 201が無いために、 横方向への熱拡散の阻害要因は少ない。しかし、基板 113側への放熱経路中に熱 伝導率の低い水蒸気酸化膜からなる非導電性酸化層 117が含まれる点では、 G— G '半断面と同様であり、放熱性上の課題を有している。
[0024] トレンチ型酸ィ匕狭窄構造 VCSELにおける以上の課題は、第 3の従来例のように高 集積化された素子において、より深刻となる。すなわち、隣接素子同士の距離が近い 場合は、駆動する VCSELで発生する熱に起因する温度上昇が、隣接する素子の動 作に影響を及ぼす。その影響を抑制するため、隣接素子ごとの熱的独立性を保った めには、横方向への熱拡散を通じた放熱経路 (例えば、図 6 (b)の矢印 5、もしくは矢 印 5よりもさらに横方向拡散の大きな経路)を積極的に利用できないという問題がある
[0025] 第 3の従来例のように、二次元高密度集積アレイィ匕された VCSELにお 、て、各々 の素子を、アレイ化されていない時と同等の性能で駆動させたい場合には、隣接素 子間の電気的、光学的、熱的クロストークを充分に抑制する必要がある。第 3の従来 例では、電流注入開口領域の周辺に設ける、非導電性酸化層、および高抵抗化領 域によって、電気的なクロストークが抑制されており、また、高抵抗化領域部の活性 層は、駆動時には光吸収媒質であるので、光学的クロストークも問題とはならない。し かし、既に述べたように、熱的クロストークに関して考慮されているとはいえず、特許 文献 5：特開平 10— 229248号公報にぉ 、ても、熱的クロストークに関する考慮は見 られない。
[0026] 上述したように、従来の酸化狭窄構造は、 VCSELにおいて、素子の内部応力およ び熱抵抗低減上の課題を有するため、特に、高速変調型 VCSELの高信頼性の実 現を図る上で課題となっていることが明らかになった。
課題を解決するための手段
[0027] 本発明による面発光レーザは、
メサ中に設けられ、電気的且つ光学的に孤立した単一の電流注入開口領域を有す る面発光レーザであり、
電流注入により発光する活性層と、
前記活性層を挟むように設けられた第 1の反射器および第 2の反射器と、 前記活性層に電流を注入する n電極および p電極と、
前記電流注入開口領域を包囲するように設けられ、イオンが注入された非導電性の 高抵抗化領域と、
前記メサの側壁から前記メサの内部まで延在する非導電性酸化層と、を備え、 前記電流注入開口領域の略中央から当該面発光レーザの外周に至る半径方向の 半断面の中に、前記非導電性の高抵抗ィ匕領域で囲まれている、レーザ発振光の存 在する領域の内側には前記非導電性酸化層が現れない半断面が存在することを特 徴とする。
[0028] この面発光レーザにおいては、電流注入開口領域の略中央から当該面発光レー ザの外周に至る半断面の中に、上記非導電性酸化層が現れな!/ヽ半断面が存在する 。カゝかる構造によれば、内部応力および熱抵抗を低減させ、それにより高信頼性を獲 得することが可能である。
発明の効果
[0029] 本発明によれば、信頼性に優れた面発光レーザが実現される。
図面の簡単な説明 [0030] [図 1]図 1 (a)は、本発明による面発光レーザの第 1実施形態を示す平面図である。 図 1 (b)および図 1 (c)は、それぞれ、図 1 (a)の A— A'線および B— B'線に沿った半 断面の構造を示す断面図である。
[図 2]図 2 (a)は、本発明による面発光レーザの第 2実施形態を示す平面図である。 図 2 (b)および図 2 (c)は、それぞれ、図 2 (a)の C C'線および D— D'線に沿った半 断面の構造を示す断面図である。
[図 3]図 3 (a)および図 3 (b)は、本発明による面発光レーザの第 3実施形態を示す二 種類の半断面の構造を示す断面図である。
[図 4]図 4 (a)および図 4 (b)は、本発明による面発光レーザの第 4実施形態を示す二 種類の半断面の構造を示す断面図である。
[図 5]図 5 (a)および図 5 (b)は、それぞれ、第 1の従来例に係る面発光レーザを示す 平面図および半断面の構造を示す断面図である。
[図 6]図 6 (a)は、第 2の従来例に係る面発光レーザを示す平面図である。図 6 (b)お よび図 6 (c)は、それぞれ図 6 (a)の F— F'線および G— G'線に沿った半断面の構造 を示す断面図である。
[図 7]図 7は、第 3の従来例に係る面発光レーザを示す平面図である。 図 1〜図 7中 においては、下記の符号は、それぞれ、以下の意味を有する。 101 メサ 102 酸ィ匕 領域 103 非酸化領域 104 高抵抗化領域 105 電流注入開口領域 106 p電極 10 7 保護膜 108 ポリイミド 109 p-DBRHO 酸化層 111 活性層 112 n— DBR1 13 基板 114 n電極 115 発熱領域 116 放熱経路 117 非導電性酸化層（水蒸 気酸化膜) 201 トレンチ 301 配線基板 701 高ゲイン領域
発明を実施するための最良の形態
[0031] 以下、図面を参照しつつ、本発明による面発光レーザの好適な実施形態について 詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重 複する説明を省略する。
[0032] (第 1実施形態）
図 1 (a)は、本発明による面発光レーザの第 1実施形態を示す平面図である。第 1 実施形態に係る面発光レーザは、酸化狭窄型である。図 1 (b)および図 1 (c)は、そ れぞれ、図 1 (a)の A— A'線および B— B'線に沿った半断面の構造を示す断面図で ある。これらの半断面は、電流注入開口領域の略中央から当該面発光レーザの外周 に至る半断面に相当する。
[0033] なお、本発明による面発光レーザの第 1実施形態では、この半断面内における、発 光領域の存在する範囲内での電気的、光学的機能に関して、従来構造との差異に ついて議論している。一方、半断面の範囲を外周に向けて限りなく延伸していった際 には、該半断面中に、後述の非導電性酸化層が現れる。この発光領域や電流注入 開口領域から遠く隔たった領域に存在する非導電性酸化層は、発光領域及び電流 注入開口領域の働きに影響しな 、範囲にぉ 、て無視してよ!、。
[0034] 第 1実施形態の面発光レーザの製造方法を説明する。
[0035] まず、半導体積層構造力 なるレーザ構造体力 例えば、 GaAsからなる基板 113 の上にェピタキシャル成長により形成される。ェピタキシャル成長の手段として、有機 金属気相化学成長法 (MOCVD法）が一般に使用されるが、他の手段でェピタキシ ャル成長を行っても良い。ここで、半導体積層構造は、基板 113上に、 n— DBR112 、活性層 111、酸化層 110、 p— DBR109などが順次積層されたものである。なお、 良好な素子特性を実現するために、以上に述べた層以外に、バッファ層や高ドーピ ング層、中間層等が適宜挿入されてもよい。
[0036] 活性層 111の詳細な構造は図示していないが、 AlGaAsの障壁層と GaAsの井戸 層との積層構造からなる多重量子井戸 (MQW)構造および、その両端に配置された AlGaAsクラッド層からなり、層厚の合計は、レーザ発振光の半導体内波長でおよそ 1波長分になるように設計されている。量子井戸層数は、 3、 4層程度である。量子井 戸構造は、環境温度 50°C程度で VCSELを駆動したときに 850nm付近で利得ピー クを持つように設計されて ヽる。
[0037] p— DBR109および n— DBR112は、 VCSEL構造において必要な内部反射を提 供する。下部 DBRは、典型的には、 A1の含量の高い AlGaAs層および、 A1の含有 率の低い他の AlGaAs層力もなる複数の対により形成される。ただし、電気抵抗の低 減等の目的で、 A1の含量の高い AlGaAs層と A1の含有率の低い AlGaAs層との間 に、この 2層の中間の組成を有する層などが適宜挿入されてもよい。 11 081^と ー0 BRは、異なるドーパントを使用することで導電形態を変える。各層の対の典型的な厚 みは、約 100〜130nm程度である。各層の対の全体的な厚みは、レーザ動作の意 図された波長 (発振波長）における光波長の半分に等しくなるように設計される。
[0038] A1含量の高い AlGaAs層における、 III族元素中の A1含有率 xは、例えば、約 0. 86 である。 A1含量の高い AlGaAs層の A1含有率 Xは、低屈折率を提供するに充分高い 力 簡単に酸ィ匕する程は高くない。 A1含量の低い AlGaAs層の A1含有率 Xは、例え ば、約 0. 16である。 A1含量の低い AlGaAs層は、一般的には、そのレーザ発振波 長で、非吸収性であるぐらい充分な量の A1を含む。 p— DBR、 n— DBRの反射率は 、 2つの AlGaAs層の屈折率の差と、その構造における層の対の数との関数であり、 屈折率差と対の数を適切に選ぶことにより、所望の反射率が得られる。第 1実施形態 では、表面側に設ける、 p— DBR109側力も光出力を得る（表面光出射)構造につい て説明しているため、 p— DBR109の反射率は、 n— DBR112の反射率より低くなる ように設計される。 n— DBR (裏面側 DBR) 112を形成するには、一般的には 30〜4 0対の交互 AlGaAs層が使用される。また、 P— DBR109 (光出射面側 DBR)を形成 するには、一般に 20〜25対の交互 AlGaAs層が使用される。
[0039] 酸化層 110は、 III族元素中のアルミニウム含量率 Xが、例えば、 0. 95以上と高い A IGaAs層力もなり、挿入位置は活性層の上もしくは下のどちら力、または上下両方に 各一層配置される。
[0040] 半導体積層構造の形成終了後、この積層構造上に、既存のフォトグラフィー工程に よってエッチングマスクを形成する。その後、選択的にエッチングされて、メサ 101が 形成される。メサ形成における、エッチング深さは、少なくとも、酸ィ匕層 110が、メサ側 面に露出する程度の深さである。
[0041] ここで、メサの平面形状を説明する。第 1実施形態のメサ形状は、図 1 (a)の平面図 に示されるように、放射状に配置され、半径方向に延伸する複数のストライブが中央 で重なった形状を有している。なお、ここでストライプ本数が 5本の場合について図示 しているが、これには理由がある。回転対称性が、円周方向において奇数回対称な 電流注入開口領域の形状は、レーザ駆動時の円周方向高次モードを効果的に抑制 でき、横方向単一モード動作を行う上で効果的であるためである。これは、通常、円 周方向高次モードの発光スポット数は、円周方向に偶数個のピークを有するので、 奇数回対称な電流注入開口領域の平面形状としておくことで、どの高次モードのス ポットとも整合しない発光形状を得ることができるためである。
[0042] なお、本発明の趣旨に沿ったメサ形状は、第 1実施形態で示した形状に限ったもの ではなぐ他の形状でもよい。望ましいメサ形状については後述する。
[0043] 次に、この半導体サンプルに酸化処理を行う。この半導体サンプルは、例えば、 40 o°c程度の高温で窒素環境の中、水蒸気を用いて酸化される。この酸化処理の間、 酸化層 110の周囲は、高温の水蒸気に曝され、メサ側壁力もメサ内奥部に向力つて 酸化が進行して、水蒸気酸化膜からなる非導電性酸化層 117が形成されていく。酸 化処理の時間を適切に選択することによって、最終的な電流注入開口領域の形状に 関して、所望の非導電性酸化層 117 (水蒸気酸化膜)の形状が得られる。
[0044] 第 1実施形態では、放射状に配置されたストライプ状メサの各々において、向かい 合う側壁力も延伸した酸ィ匕フロント同士 (aと b)が互いに接触しない様に、酸化させる 。第 1実施形態では、酸化処理後においても、図 5 (a)のように、メサ形状にほぼ相似 形で比較的大きな非酸化領域 103が残される。また、酸ィ匕処理を終えた時点におい ては、最終的な電流注入開口領域の形状は、まだ画定されない。すなわち、第 1実 施形態では、水蒸気酸ィ匕膜からなる非導電性酸ィ匕層 117のみでは、発光領域 105 の周囲を囲む、閉じた電流非注入領域の形成は完了していない。他の表現をすれ ば、本発明の第 1実施形態では、非導電性酸化層 117は、単独で、電流注入開口領 域の形状を画定するための電流制御機能を実現する手段としては用いられて 、な 、 と言える。
[0045] 酸ィ匕プロセスの後、イオン注入プロセスを使用して、メサ中央部付近以外の場所に 高抵抗化領域 104を形成する。このイオン注入プロセスに使用される、イオン注入ェ ネルギ一は、例えば、 50keV力も 400keV程度である。注入されるイオン線量は、例 えば、各注入エネルギーレベルで 3 X 1015cm_2である。 VCSELにおいて、高抵抗 化領域 104を形成する際に使用されるイオンは、例えば、プロトンもしくは酸素イオン である。
[0046] ここで、イオン注入によって形成される高抵抗化領域 104の平面形状を説明する。 第 1実施形態における高抵抗ィ匕領域 104の形状は、メサ中心部の円形形状を除ぐ 周辺部を高抵抗ィ匕している。高抵抗ィ匕しない略円形状の半径は、一例として、 10Gb ps変調用 VCSEL素子では、 5〜12 m程度である。このとき、高抵抗化領域 104と 酸ィ匕領域 102の平面的な重なり形状の関係において、酸ィ匕領域 102である力 高抵 抗ィ匕領域 104ではない領域（図 1 (a)における c)が残されるように、高抵抗ィ匕領域 10 4の形状が設計される。本イオン注入工程によって、発光領域 105の周囲を囲む、閉 じた電流非注入領域の形成がなされ、第 1実施形態の VCSELにおける、最終的な 電流注入開口領域が決定される。
[0047] 高抵抗ィ匕領域 104プロセスの後、誘電体保護膜 107やポリイミド 108などによる電 極パッドの電気容量低減用の埋め込み構造の形成工程、および電流注入のために 必要な P電極 106および、 n電極 114作製工程等を経て、第 1実施形態の VCSEL素 子が完成する。
[0048] 次に、第 1実施形態の VCSELの、従来のメサポスト型酸化狭窄構造に対する熱抵 抗低減上の優位性に関して説明する。まず、図 1 (c)の半断面 (B— B'半断面)の構 造を示す断面図をみると、この半断面 (B— B'半断面)では、高抵抗ィ匕領域 104がメ サ側面付近に存在する点を除けば、図 5 (b)に示されるメサポスト型 VCSELの断面 形状と同一であることが分かる。この半断面 (Β— Β'半断面）においては、水蒸気酸 化膜からなる非導電性酸化層 117は、この断面における電流注入領域を決定する電 流制御体として、また、レーザ光を電流注入開口領域近傍に導く屈折率導波体とし て機能しており、この点においては、第 1の従来例と同様である。
[0049] レーザ発振時には、主に、非酸ィ匕領域 103の活性層 111から熱が発生し、周辺に 拡散する結果、模式的に、発熱領域 115のように示される、高温度の領域が形成さ れる。発熱領域 115から基板 113側への放熱経路 116は、矢印 1〜3のように模式的 に示される。ここで、熱の一部は放熱経路 116の矢印 1、 2のように、発熱領域 115か ら 45° 程度の角度で広がりながら放熱される。しかし、発熱領域 115の p— DBR側 の部分力 基板 113側へと向かう、矢印 3の経路では、第 1の従来例の場合と同様に 、メサポストの外側領域は、一般的に熱伝導率の低い誘電体保護膜 107やポリイミド 108で覆われているため、有効な放熱経路とはなり得ず、また、基板 113側方向につ 、ても、熱伝導性の低!ヽ水蒸気酸化膜からなる非導電性酸化層 117を経由した放 熱経路しかない。以上述べた様に、 B— B'半断面における断面構造は、従来のメサ ポスト型と同等であり、また、その放熱'性に関しても、優位性はみられない。
[0050] つぎに、図 1 (b)の半断面 (A— A'半断面）における放熱性について検討する。この 半断面の構造的特徴は、メサ側面が電流注入開口領域の中心から延伸した場所に 存在する点である。この延伸されたメサ部は一体に形成された半導体積層構造であ るため、熱伝導率が高い。したがって、発熱領域 115の P— DBR109側の部分から、 熱の横方向への拡散が充分に行われる構造となって 、る。これら熱の横方向への拡 散が寄与する経路は、放熱経路 116の矢印 4、 5などの経路として模式的に示されて いる。
[0051] また、半径方向に延伸されたメサ部は、半導体の積層方向においても、非導電性 酸化層 (水蒸気酸化膜)を含んでおらず、一体に形成された積層構造のみで形成さ れているために、矢印 3, 4, 5の経路で横方向に拡散した熱は、容易に基板 113側 に放熱されることになる。このことから、 A— A'半断面では、第 1の従来例の酸化狭窄 構造と比較して、放熱性が改善されて ヽることが明らかである。
[0052] なお、この半断面 (A— A'半断面）においては、水蒸気酸化膜からなる非導電性酸 化層 117は、電流注入開口領域から遠く離れた位置にあり、電流制御体もしくは屈 折率導波体として機能していない。この半断面 (A— A'半断面）において、電流制御 体として機能しているのは、高抵抗ィ匕領域 104である。この半断面 (A— A'半断面） では、屈折率導波体は存在せず、断面構造的には、プロトン注入構造 (高抵抗化領 域)のみによる電流狭窄構造を具えている、利得導波型 VCSELと同等の構造となつ て ヽる。非導電性酸化層 117を利用する屈折率導波構造が具備されて ヽな ヽ点に 起因し、この半断面 (A— A'半断面）においては、プロトン注入構造 (高抵抗ィ匕領域） 力 発光領域の電流注入開口領域力 半径方向の外周側に向けて大きく延在して いる。
[0053] 断面構造に関する以上の議論をまとめると、第 1実施形態では、電流注入開口領 域の中心を通る円周方向の一半断面である B— B'半断面においては、水蒸気酸ィ匕 膜からなる非導電性酸ィ匕層 117がこの断面方向における電流注入開口領域の範囲 を決定する、高速変調に必須な、電流制御体かつ、強い屈折率導波体として機能し ているが、放熱性については、従来の酸ィ匕狭窄構造と同等である。一方、円周方向 の他の半断面である A— A'半断面においては、高抵抗化領域 104が実質的な電流 制御体として機能しており、屈折率導波体は存在しない。また、放熱性は、従来の酸 化狭窄構造よりも優れている。第 1実施形態では、 A— A'半断面の構造と B— B'半 断面の構造が、円周方向で併用されているために、総合的な素子特性を考慮すると 、電流狭窄構造を具え、良好な放熱性と、高速変調に適合する、強い屈折率導波機 構が両立されて 、ることが分かる。
[0054] なお、第 1実施形態の構造では、一見、屈折率導波作用に関して問題があるように 見える。すなわち、従来のような全円周方向に対して設けられていた酸化狭窄構造 力 第 1実施形態では円周方向の一部領域にしか形成されていないために、従来の 酸化狭窄構造と比較して、屈折率導波作用が小さいのではという疑問である。しかし 、この点については、酸化層 110の層厚を厚くするか、積層方向における配置 (積層 方向の光定在波の節位置からずらして配置するなど）を最適化するなどの手段を講 じることにより、従来の酸ィ匕狭窄構造と同等の強い屈折率導波作用が得られる。
[0055] 最後に、第 1実施形態の構造上の特徴について再度述べる。すなわち、第 1実施 形態は、単一の電流注入開口領域と、その周囲が高抵抗な半導体領域によって囲 まれた平面構造を有する VCSELであって、電流注入開口領域の形状を実質的に 決定する手段において、電流注入開口領域の中央を中心とする円周方向によって 異なる、少なくとも 2種類以上の手段が併用されており、その手段のうちの一つが水 蒸気酸ィ匕膜からなる非導電性酸ィ匕層であり、他の手段のうちの一つ力 Sイオン注入に よる高抵抗ィ匕領域である。第 1実施形態において、電流注入開口領域を囲む、高抵 抗な半導体層（電流非注入領域)を実質的に実現しているのは、高抵抗化領域であ り、水蒸気酸化膜からなる非導電性酸化層は、本質的には、屈折率導波体としての み機能する。
[0056] 以上に述べた構造を実現した結果として、電流注入開口領域の中央を通る半断面 の、少なくとも一つの円周方向において、活'性層、 p— DBR、 n— DBR等からなる半 導体積層構造中に水蒸気酸化膜からなる非導電性酸化層が含まれないことを特徴 とする構造が形成される。第 1実施形態は、屈折率導波体として機能する水蒸気酸 化膜からなる非導電性酸化層を半導体積層構造中に含みながら、電流注入開口領 域の中央を通る特定の円周方向半断面にぉ 、てはこれを含まな 、構造、の VCSEL を提案するものである。
[0057] (第 2実施形態）
図 2 (a)は、本発明による面発光レーザの第 2実施形態を示す平面図である。第 2 実施形態に係る面発光レーザは、酸化狭窄型である。図 2 (b)および図 2 (c)は、そ れぞれ図 2 (a)の C C'線および D— D'線に沿った半断面の構造を示す断面図であ る。これらの半断面は、電流注入開口領域の略中央から当該面発光レーザの外周に 至る半断面に相当する。
[0058] この面発光レーザの製造方法を説明する。まず、例えば GaAsからなる基板 113の 上に、半導体積層構造力もなるレーザ構造体がェピタキシャル成長により形成される 。ここで半導体積層構造は、基板 113上に、 n— DBR112、多重量子井戸構造を含 む活性層 111、酸ィ匕層 110、 p— DBR109等が順次積層されたものである。なお、良 好な素子特性を実現するために、以上述べた層以外にバッファ層や高ドーピング層 、中間層などが適宜挿入されてもよい。
[0059] 半導体積層構造の形成後、この積層構造上に、既存のフォトグラフィー工程によつ てエッチングマスクを形成する。その後、選択的にエッチングされて、トレンチ 201が 形成される。トレンチ 201のエッチング深さは、少なくとも酸化層 110がトレンチ 201の 側面に露出する程度の深さである。
[0060] ここで、トレンチ 201の平面形状は、リング形状の一部中心角を取り出した形状とし ているが、このトレンチの平面形状は、図 2に示す形状には限られず、円形、扇形、 三角形等であってもよい。第 2実施形態のトレンチは、図 2 (a)の平面図に示されるよ うに、最終的な電流注入開口領域を中心とした円周上に放射状に配置される。なお 、ここでは、トレンチ本数が 5本の場合について図示している。これは、第 1実施形態 と同様、回転対称性が、奇数回対称の電流注入開口領域の平面形状とすることが、 高次モード励振の抑制を行う上で、効果的であるためである。
[0061] 次に、この半導体サンプルを 400° C程度の高温で窒素環境の中、水蒸気を用い て酸化する。この酸化処理の間、酸化層 110は周囲にさらされ、放射状に配置され た各々のトレンチ側壁から、非トレンチ部の内奥方向に向力つて酸ィ匕が進行し、水蒸 気酸化膜からなる非導電性酸化層 117が形成される。本実施形態では、放射状に配 置された複数のトレンチにおいて、隣接するトレンチ側壁を起点として延伸した酸ィ匕 フロント同士が互いに接触しない様に酸ィ匕させる。この点は、第 2の従来例をはじめと する従来のトレンチ酸ィ匕構造と本質的に異なる点である。第 2実施形態では、酸ィ匕処 理後においても、図 2 (a)のように、トレンチ形状とほぼ相似の形状の酸化領域 102の 周囲に、比較的大きな非酸化領域 103が残される。酸化処理プロセスの後、プロトン イオン注入プロセスを使用して、最終的な電流注入開口領域における中央部付近の 略円形形状の領域以外の部分にイオン注入を行 ヽ、高抵抗化領域 104を形成する
[0062] ここで、イオン注入によって形成される高抵抗化領域 104の平面形状を説明する。
第 2実施形態においては、中心部の略円形形状の領域を除き、その周辺部を全て高 抵抗ィ匕している。高抵抗ィ匕しない略円形状の半径は、一例として、 lOGbps変調用 素子では 5〜 12 m程度である。このとき、高抵抗ィ匕領域 104と、各トレンチを起点と した酸ィ匕領域 102の平面的な重なり形状の関係において、酸ィ匕領域 102であるが、 高抵抗ィ匕領域 104ではな 、領域（図 2 (a)の a)が残されるように、高抵抗化領域 104 の形状が設計される。本イオン注入工程によって、発光領域 105の周囲を囲む、閉じ た電流非注入領域の形成がなされ、第 2実施形態の VCSELにおける最終的な電流 注入開口領域が決定される。
[0063] 高抵抗ィ匕領域 104を形成するプロセスの後、誘電体保護膜 107やポリイミド 108等 による電極パッドの電気容量低減用の埋め込み構造の形成工程、および電流注入 のために必要な p電極 106および、 n電極 114工程等を経て本素子が完成する。
[0064] 次に、第 2実施形態の VCSELにおける、従来のトレンチ構造に対する熱抵抗低減 上の優位性に関して説明する。まず、図 2 (c)の断面図をみると、これは図 6 (c)に示 される、従来のトレンチ型酸ィヒ狭窄 VCSELにおけるトレンチ部を含む半断面の断面 形状と全く同一であることが分かる。この半断面 (D— D'半断面）においては、水蒸気 酸化膜からなる非導電性酸化層 117は、電流注入領域を決定する電流制御体として 、また、レーザ光を電流注入開口領域近傍に導く屈折率導波体として機能しており、 この点に関しては、第 2の従来例と同様である。したがって、その放熱性に関しても、 第 2の従来例と同様に、放熱経路 116のうちの矢印 3の経路では、トレンチ部が熱伝 導率の低 、誘電体保護膜 107やポリイミド 108で覆われて 、るため、有効な放熱経 路とはなり得ない。また、基板 113側方向に関しても、熱伝導性の低い水蒸気酸化膜 からなる非導電性酸化層 117を経由した放熱経路し力ゝな ヽために、放熱性に関する 課題を有している点も、第 2の従来例と全く同様である。
[0065] 次に、図 2 (b)の半断面における放熱性について検討する。この半断面 (C— C'断 面）の構造的特徴は、電流注入開口領域の中心力も外側に至る半径方向のどの場 所においても、トレンチや非導電性酸化層（水蒸気酸化膜)が存在しないことである。 一方、第 2の従来例で示したトレンチ型酸ィ匕狭窄構造では、トレンチを含まない図 6 ( b)の半断面では、半径方向においてトレンチは含まれないものの、 p— DBR109力 ら基板 113側への放熱経路中に水蒸気酸化膜からなる非導電性酸化層 117が含ま れる。
[0066] 以上の違いによって、第 2実施形態の C C'半断面と、第 2の従来例の F— F'半断 面における放熱性の比較を行うと、放熱経路 116、矢印 3, 4, 5で模式的に図示され る経路の横方向熱拡散による放熱性に関しては、同等である。しかし、基板 113側へ の放熱経路にぉ ヽては、水蒸気酸化膜からなる非導電性酸化層 117が途中に含ま れない分だけ、第 2実施形態の方が優れているといえる。なお、この C— C'半断面に おいては、高抵抗ィ匕領域 104が電流制御体として機能している。この C C'半断面 には、屈折率導波体は存在せず、断面構造的には、プロトン注入構造のみによって 電流狭窄を達成して 、る、利得導波型 VCSELと同等の構造となって 、る。
[0067] 以上の議論をまとめると、第 2実施形態では、電流注入開口領域の中心を通る円周 方向の一半断面である D— D'半断面においては、第 1の従来例に示す従来の酸ィ匕 狭窄構造と同様、水蒸気酸化膜からなる非導電性酸化層 117が、高速変調に必須 の電流制御体かつ、強い屈折率導波体として機能しており、放熱性についても、従 来の酸化狭窄構造と同等である。一方、円周方向の他の断面、 C C'半断面におい ては、高抵抗ィ匕領域 104が実質的な電流制御体として機能しており、屈折率導波体 は存在しない。また、 C— C'半断面における放熱性は、従来の酸化狭窄構造よりも優 れている。第 2実施形態では、上記 C C'半断面構造と D— D'半断面構造が円周方 向で併用されているために、総合的な素子特性を考えると、良好な放熱性と、高速変 調に必要な強い屈折率導波機構が両立されることが分力る。
[0068] なお、トレンチ型の酸ィ匕狭窄構造を有する VCSELにおいて、隣接するトレンチを 起点とした酸ィ匕フロント同士が互いに接触しない程度に酸化させる点で、第 2実施形 態と類似の構造が特許文献 2：特開 2005—45243号公報にぉ 、て提案されて!、る 。図 7に示す平面図を用いて、特許文献 2に開示される構造を説明する。特許文献 2 に開示される従来例は、二次元的に配置されたトレンチ 201を利用した酸ィ匕狭窄構 造 VCSELアレイであり、隣接するトレンチを起点とする酸ィ匕領域 102のフロント同士 が接触しな ヽ程度の水蒸気酸化プロセスが施されて ヽる。フェーズ ·アレイを構成す る、隣接する VCSEL同士の間に残された非酸ィ匕領域は、高ゲイン領域として使用さ れている。フェーズ 'アレイ型の VCSEL駆動時には、各レーザ開口部から基板に垂 直方向に出射されるレーザ発振光相互を連結するため、基板面内方向に放射される 自然放出光が、この高ゲイン領域 701で増幅されて、隣接する VCSELに側方から 入射する。この高ゲイン領域 701を介して、隣接する VCSEL同士の利得結合が図ら れることによって、 2次元 VCSELフェーズ 'アレイは、全て同一位相にて発振する。そ の際、高ゲイン領域 701には、電流注入によって、光利得を発生させている力 電流 注入をするため、発熱源ともなつている。
[0069] 特許文献 2に開示される従来例では、 2次元 VCSELアレイによる光フェーズドアレ ィを実現するために、隣接素子間は、電気的に連結され、同位相の電流注入がなさ れ、同時に、光学的なモード'カップリングを積極的に活用するため、高ゲイン領域 7 01が設けられている。従って、特許文献 2に開示される従来例の二次元 VCSELフエ ーズ 'アレイにおいて、隣接するトレンチを起点とした酸ィ匕フロント同士が互いに接触 しない程度に酸化させるという点のみについては、第 2実施形態とは、構造的な類似 があるが、その非酸ィ匕領域に電流注入がなされる点で、第 2実施形態とは、本質的に 異なる構造であることが分かる。第 2実施形態では、 2次元アレイ状に配置する VCS ELにおいて、隣接する VCSEL相互間で、電気的、光学的なカップリングを排除し、 同時に、単一の VCSEL素子における高速性と高信頼性の向上を目的としており、 特許文献 2に開示される従来例とは本質的に異なる構造である。なお、特許文献 2に 開示される従来例の VCSELフェーズ 'アレイでは複数の発光点を同一位相で発振 させるために、基板平面方向への自然放出光を利用して、モード'カップリングを行つ ているが、このような構造を有する VCSELフェーズ 'アレイでは自然放出光寿命が長 くなるため、高速変調には不向きである。
[0070] (第 3実施形態）
図 3 (a)および図 3 (b)は、本発明による面発光レーザの第 3実施形態を示す断面 図である。第 3実施形態に係る面発光レーザは、酸化狭窄型である。この第 3実施形 態に係る面発光レーザの平面図は、図 1 (a)と同一である。図 3 (a)および図 3 (b)は 、それぞれ図 1 (a)の A— A'線および B— B'線に沿った半断面の構造を示す断面図 である。これらの半断面は、電流注入開口領域の略中央から当該面発光レーザの外 周に至る半断面に相当する。
[0071] レーザ構造自体は、本質的に第 1実施形態で説明したものと同様である。第 3実施 形態では、基板側を光出射面とし、 VCSELがフリップチップ実装によって配線基板 301に実装されており、主たる放熱経路 116が基板 113側でなぐ p電極 106を介し た配線基板 301側である点において第 1実施形態と異なる。第 3実施形態による VC SELの製造方法は、第 1実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。
[0072] フリップチップ実装によって、主たる放熱が基板上に形成されたレーザ構造体側か ら行われる場合は、基板側カゝら放熱が行われる場合よりも、放熱性に対する配慮が 必要である。第 1実施形態における議論と同様に、熱の一部は、放熱経路 116の矢 印 1、 2のように発熱領域 115から 45° 程度の角度で広がりながら放熱される。しかし 、フリップチップ実装時には、矢印 1, 2の経路においても、熱の横方向拡散可能な領 域力 サ 101の形成範囲に制限される。これは、第 1実施形態の基板側への放熱の 場合には、図 1 (c)における矢印 1、 2の経路に関しては、横方向の熱拡散に関する 制限がなかったことと、対照的である。このため、フリップチップ実装における放熱性 は、特別な工夫を行わない限り、基板側に放熱する場合よりも不利である。
[0073] また、矢印 3の経路では、メサポストの外側領域は、一般的に熱伝導率の低!、誘電 体保護膜 107やポリイミド 108で覆われている点、および、 p電極 106、配線基板 301 に至る放熱経路の途上に熱伝導性の低！ヽ水蒸気酸化膜からなる非導電性酸化層 1 17が存在し、放熱を阻害している点も同様である。以上に述べたように、 B— B'半断 面では放熱性に課題を有していることが分力つた。なお、第 1の従来例のメサポスト型 VCSELは、発光領域を囲む全円周方向において、この半断面の形状となっている ため、フリップチップ実装においても素子全体としての放熱性に課題を有していること は明らかである。
[0074] 次に、 A—A'半断面における放熱性について述べる。この半断面の構造的特徴は 、メサ側面が電流注入開口領域の中心力も延伸した場所に存在する点である。この 延伸されたメサ部は一体に形成された半導体積層構造であるため、熱伝導率が高い 。したがって、延伸されたメサ部においては、発熱領域 115から、熱の横方向への拡 散が充分に行われる構造となっている。この横方向への熱拡散は、放熱経路 116の 矢印 4, 5などの経路として模式的に示されている。また、半径方向に延伸されたメサ 部は、半導体の積層方向においても、水蒸気酸化膜からなる非導電性酸化層含ん でおらず、一体に形成された半導体積層構造のみで形成されているために、矢印 3 , 4, 5の経路で横方向に拡散した熱は、容易に、 p電極 106側に放熱されることにな る。このことから、図 3 (a)に示す A— A'半断面では、従来の酸化狭窄型構造と比較 して、放熱性が改善されている。
[0075] 以上の議論をまとめると、フリップチップ実装形態である第 3実施形態においても、 横方向および縦方向の放熱性において、従来の酸化狭窄構造よりも優れた A—A' 構造と、放熱性においては、従来の酸ィ匕狭窄構造と同等であるが、水蒸気酸化膜か らなる非導電性酸化層 117によって従来の酸化狭窄構造と同等の強い屈折率導波 が実現可能な B— B'構造が円周方向で併用されているために、総合的な素子特性 を考えると、良好な放熱性と、高速変調に必要な強い屈折率導波機構が両立されて いるといえる。
[0076] なお、第 3実施形態では、第 1実施形態のメサポスト型 VCSELをフリップチップ実 装した場合において述べた力 第 2実施形態のトレンチ型構造の VCSELをフリップ チップ実装した場合においても、その効果は同様である。 [0077] (第 4実施形態）
本発明の第 4実施形態に係る面発光レーザについて説明する。第 4実施形態に係 る面発光レーザは、ホーリー（Holey)— VCSELである。近年、 VCSELの電流注入 開口領域における光フィールドが存在する領域に複数のトレンチを放射状に形成し 、このトレンチと半導体の大きな屈折率差に起因する強い光導波作用を積極的に活 用して、 VCSELにおける、単一モード光出力の改善や、発振閾値の低減等を図る 研究が行われている。この構造を有する VCSELとして、ホーリー VCSEL、もしくはフ オトニック結晶 VCSELが提案されて 、る。
[0078] これらの VCSELにおける従来例としては、特許文献 4 :特開 2005— 310917号公 報およひ非特許文献 3 : P.O. Leisher, et ai., Proton implanted singlemode holey ve rtical- cavity surface-emitting lasers", Electronics Letters, Volume 41, Issuel8, 1 Se pt. 2005, pp. 1010 - 1011のホーリー VCSELがある。これらの VCSELでは電流注 入開口領域の近傍に楔状のトレンチを放射状に配置し、このトレンチと半導体積層 構造の強!、屈折率差によって光導波を行って!/、る。
[0079] 特許文献 4では、メサポスト型酸化狭窄構造における電流注入開口領域の直上の p — DBR部に、横モード制御を目的として、底面と内側面に遮光手段を設けているトレ ンチ（孔）が形成されている。この特許文献 4に記載される VCSELにおいては、電流 制御体として、水蒸気酸化膜からなる非導電性酸化層が、屈折率導波体として、底 面と内側面に遮光手段を設けているトレンチが使用されていることになる。
[0080] 一方、非特許文献 3では、電流制御体として、プロトン注入が、屈折率導波体として 、トレンチが使用されていることになる。
[0081] 以上に述べた従来のホーリー VCSELは、素子製造上の問題を有している。それ は、強い導波作用を実現するために、微小な開口サイズで、深いトレンチを精度良く 形成する必要があり、かつ、トレンチの側壁には導波光が直接接触するために、光散 乱による光学的損失が発生しな 、ように充分な平滑性が要求されることである。しか し、実際には、微小な開口サイズのトレンチを深さ方向の総て場所において充分な平 滑性で形成するためには、非常に高度な技術が要求されるため、これらの構造を有 する素子を充分な均一性や歩留まりで生産することは困難である。 [0082] 第 4実施形態によれば、従来のホーリー VCSELにおける上記問題を回避可能で ある。第 4実施形態のホーリー VCSELの平面形状は、図 2 (a)と同一である。図 4 (a) および図 4 (b)の双方は、図 2 (a)の平面図における D— D'半断面における、異なる 実施形態の半断面の構造を示す断面図である。図 4 (a)および図 4 (b)の半断面構 造における特徴は、酸ィ匕層 110が、積層方向に複数挿入されている点である。従来 の酸ィ匕狭窄 VCSELでは、酸ィ匕層は活性層の上もしくは下に一層、もしくは上下双方 に各一層設けられるのが一般的である力 第 4実施形態では、ホーリー VCSELとし ての強い屈折率導波作用を実現するために、少なくとも、活性層の上もしくは下のど ちらか、または上下双方に 2層以上の酸化層を配置する。
[0083] 図 4 (a)では、同一組成の酸ィ匕層を活性層の上部に複数挿入している。図 4 (b)で は、さらに、挿入する酸化層のアルミニウム含有率を酸化層の各層ごとに変化させる ことで、各層において、水蒸気酸化狭窄工程にて形成される、非導電性酸化層 117 に用いる水蒸気酸ィ匕膜の延伸幅を変えることで、より詳細な導波構造の設計をおこ なっている。図 4 (b)では、具体的に、酸ィ匕領域 102の幅が素子表面に向力 につれ て小さくなるように設計することで、 p電極 106のコンタクト面積を大きくとれるようにし ている。
[0084] はじめに、第 4実施形態の放熱性に関して説明する。図 4 (a)および図 4 (b)の半断 面構造を示す断面図では、放熱経路 116における矢印 3の経路は、複数の非導電 性酸化層（水蒸気酸ィ匕膜)、ポリイミド 108、誘電体保護膜 107の存在により良好な放 熱性が得られにくい。しかし、図 2 (a)の平面図における C C'半断面では、本発明 の主旨にしたがい、半導体積層構造中に非導電性酸化層 (水蒸気酸化膜)もトレン チ構造も含まれないため、良好な放熱性が維持されている。なお、同様の構造を、第 1の従来例のメサポスト型、もしくは第 2の従来例のトレンチ型の酸ィ匕狭窄構造の平面 形状で製造した場合には、発光領域を囲む円周方向の全方位に、複数の非導電性 酸化層（水蒸気酸化膜)が具備されることになり、放熱性のみならず、電気抵抗、内 部応力上大きな問題である。
[0085] 次に、第 4実施形態の特徴とする強い光導波作用および、それを実現する際の生 産性について説明する。第 4実施形態では、複数の非導電性酸化層 (水蒸気酸化膜 )によって強い屈折率導波作用を実現しており、この点においては既に述べたような トレンチの側壁を利用したホーリー VCSELと同等である。しかし、側壁すべてが光導 波機構として使用される従来例に対して、第 4実施形態では、積層方向に周期的に 形成された非導電性酸化層 (水蒸気酸化膜)の先端のみが光導波に関与し、酸化の 進行しな 、低アルミニウム組成の層の側壁は、実質的に光導波に関与しな 、点が大 きな特徴となる。このことは、従来例ではトレンチ側壁に対して、 "面"平滑性が要求さ れるのに対して、第 4実施形態では、酸ィ匕層の"線"の平滑性でよいことに相当し、こ れはトレンチ側壁の荒さの影響を受けにくいこととなるため、より生産性に富む構造と いえる。
[0086] また、第 4実施形態のさらなる特長は、所望の反射率を得るために要求される p— D BR109の全層厚を薄くできる点である。まず、水蒸気酸化膜からなる非導電性酸ィ匕 層 117の形成に利用される酸ィ匕層 110には、通常、 p— DBR109の低屈折率層に 利用する AlGaASよりも、アルミニウム含有率がさら高い AlGaAsや AlAsが利用され る。その際、酸ィ匕層 110の屈折率は、通常用いる、 p— DBR109の低屈折率層の屈 折率より小さくなる。従って、 p— DBR109の低屈折率層に代えて、酸ィ匕層 110が周 期的に挿入されている構造では、中央部分においては、 P— DBR109の高屈折率 層と酸ィ匕層 110との屈折率差がより大きくなるため、この周期構造 1対当たりの反射 率が増加する。また、酸化層 110を水蒸気酸化して作製される水蒸気酸化膜からな る非導電性酸化層 117は、酸化層 110よりも、さらに低い屈折率を有する。従って、 水蒸気酸化膜からなる非導電性酸化層 117が形成されて ヽる領域では、 p - DBR1 09の高屈折率層と非導電性酸ィ匕層 117との屈折率差がさらに大きくなるため、この 周期構造 1対当たりの反射率がさらに増加する。従って、酸化層 110が残されている 中央部、水蒸気酸化膜からなる非導電性酸化層 117が形成されて ヽる領域の双方と もに、周期構造 1対当たりの反射率が増力 tlしている結果、所望の反射率を得るために 要求される DBRの全層厚を薄くできて!/、る。
[0087] その際、酸ィ匕層 110が残されている中央部と、水蒸気酸化膜からなる非導電性酸 化層 117が形成されて 、る領域との間では、各周期構造対に含まれる p— DBR109 の高屈折率層は共通して ヽるが、低屈折率層として機能する酸化層 110と非導電性 酸ィ匕層 117の屈折率が異なっている。その結果、酸化層 110が残されている中央部 と、非導電性酸化層 117水蒸気酸化層 117が形成されている領域との間では、実効 的な屈折率の差異が存在し、中央部が、高屈折率領域となり、水蒸気酸化膜からな る非導電性酸化層 117が形成されている領域が、低屈折率領域となる結果、コア/ クラッド型の屈折率導波作用が発揮される。
[0088] なお、水蒸気酸化膜からなる非導電性酸化層と半導体の積層構造からなる p— DB Rを形成し、高反射な p— DBRを実現する手法は、既に紹介した非特許文献 1でも 検討されているが、第 4実施形態では、このような高反射 P— DBRが、電流注入開口 領域を囲む一部円周上、各方向の半断面に形成された構造となる。 p— DBRの層厚 を薄くできることによって、 P— DBR部の直列抵抗の低減や、要求されるトレンチの深 さがより浅くなることによるトレンチ側壁の平滑性の向上が図られ、素子性能上、生産 性上のメリットとなる。
[0089] 上記、第 1〜第 4実施形態は、単一の電流注入開口領域と、その周囲が高抵抗ィ匕 領域によって囲まれた構造を有する酸化狭窄型 VCSELにおいて、電流注入開口領 域を囲む円周方向の少なくとも 1方向においては、 p— DBR力 活性層、 n—DBR 半導体基板に至る積層構造中に、水蒸気酸化膜からなる非導電性酸化層を実質的 に含まない構造を設けることを特徴とする。本発明にかかる構造によって、活性層近 傍で発生した熱の、基板側、もしくは VCSEL表面側への放熱性が改善され、高信頼 性を獲得することが可能である。
[0090] なお、本発明の実施形態において採用している、半導体、金属、誘電体、有機材 料における、各材料の種類、半導体ドーパント、ドーピングレベル、寸法などは、例示 的なものであって、これらの素子を構成する各要素に関するパラメータの組み合わせ を様々に変えてもよい。さらに、図に例示している積層構造に、他の層をカ卩えてもよ い。また、作製プロセス中で利用する条件、例えば、温度や時間等の条件も、利用さ れる材料に応じて、適合する条件に変更することができる。最後に、 GaAs及び GaAl Asの代わりに、 InGaAs GaAlSb InAlGaP InGaAsP InGaAsN,さらには、他 の III— V族混晶、 II VI族混晶等の他の半導体材料を使用してもよい。
[0091] また、 VCSEL素子の構造としては、表面出射型、基板面出射型の!/、ずれの構造 にも、本発明は適用できる。レーザダイオードの構造に関して、基板上に形成される 半導体層の積層方向、すなわち、 pn接合の方向について、上記の実施形態では、 基板側を n型に選択しているが、基板側を p型に選択することもできる。さら〖こ、上記 の実装形態では、第 1実施形態のように、基板側がヒートシンクや配線基板に実装さ れる形態に加えて、第 3実施形態のように、フリップチップ実装方式を採用することも できる。また、 p、 n両電極は、完成素子において、電流注入開口領域への通電によ る発光ができるのであれば、その形成位置は問わない。例えば、 p電極と n電極のい ずれかを、基板側に設け、他方を素子表面に設ける形態に代えて、 p、 n両電極をと もに素子表面側に設ける形態を採用することもできる。

Claims

請求の範囲
[1] メサ中に設けられ、電気的且つ光学的に孤立した単一の電流注入開口領域を有 する面発光レーザであり、
電流注入により発光する活性層と、
前記活性層を挟むように設けられた第 1の反射器および第 2の反射器と、 前記活性層に電流を注入する n電極および p電極と、
前記電流注入開口領域を包囲するように設けられ、イオンが注入された非導電性 の高抵抗化領域と、
前記メサの側壁カゝら前記メサの内部まで延在する非導電性酸ィ匕層と、を備え、 前記電流注入開口領域の略中央から当該面発光レーザの外周に至り、レーザ発 振光の存在する領域内で切り取られた半径方向の半断面の中には、前記非導電性 酸化層が現れない半断面が存在する
ことを特徴とする、面発光レーザ。
[2] 電気的且つ光学的に孤立した単一の電流注入開口領域と、
前記電流注入開口領域の略中央を中心として、平面視で略放射状に配置された 複数のトレンチを有する面発光レーザであり、
電流注入により発光する活性層と、
前記活性層を挟むように設けられた第 1の反射器および第 2の反射器と、 前記活性層に電流を注入する n電極および p電極と、
前記電流注入開口領域を包囲するように設けられ、イオンが注入された非導電性 の高抵抗化領域と、
前記トレンチの側壁から前記トレンチの外部まで延在する非導電性酸化層と、を備 え、
前記電流注入開口領域の略中央から当該面発光レーザの外周に至り、レーザ発 振光の存在する領域内で切り取られた半径方向の半断面の中には、前記非導電性 酸化層が現れない半断面が存在する
ことを特徴とする、面発光レーザ。
[3] 前記非導電性酸ィ匕層は、前記複数のトレンチのそれぞれに設けられており、 当該複数の非導電性酸化層は、平面視で互いに接触して 、な ヽ ことを特徴とする、請求項 2に記載の面発光レーザ。
[4] 前記電流注入開口領域は、平面視で、前記高抵抗化領域および前記非導電性酸 化層によって画されており、
前記高抵抗化領域および前記非導電性酸化層の双方は、レーザ発振光と実質的 に空間的に接触する位置に設けられている
ことを特徴とする、請求項 1乃至 3のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
[5] 前記高抵抗化領域および前記非導電性酸化層は、前記電流注入開口領域の略 中央を中心とした円周方向に沿って設けられており、前記電流注入開口領域を画す る手段として併用されている
ことを特徴とする、請求項 1乃至 4のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
[6] 前記電流注入開口領域の平面形状は、略、 n回対称 (n: 3以上の奇数)である ことを特徴とする、請求項 1乃至 5のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
[7] 前記非導電性酸化層は、水蒸気酸化によって形成された水蒸気酸化膜からなる非 導電性酸化層である
ことを特徴とする、請求項 1乃至 6のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
[8] 前記非導電性酸化層は、 3層以上設けられており、
前記非導電性酸化層と側端を接する半導体層と、前記非導電性酸化層と側端を接 していない半導体層とを含んでなる半導体分布ブラック反射器が構成されており、 該半導体分布ブラック反射器中にぉ ヽて、
前記非導電性酸化層と側端を接していない半導体層の側壁が、レーザ発振光の 光強度分布に実質的に影響を及ぼさない
ことを特徴とする、請求項 7に記載の面発光レーザ。
[9] 当該面発光レーザの基板の裏面に、ヒートシンクまたは配線基板が接着されており 前記活性層にお!ヽて発生した熱の主たる放熱経路が、前記ヒートシンクまたは前記 配線基板を通過する経路である
ことを特徴とする、請求項 1乃至 8のいずれか一項に記載の面発光レーザ。 当該面発光レーザの基板と反対側の面に、ヒートシンクまたは配線基板が接着され ており、
前記活性層にお!ヽて発生した熱の主たる放熱経路が、前記ヒートシンクまたは前記 配線基板を通過する経路である
ことを特徴とする、請求項 1乃至 8のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
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