面发光元件的制作方法

专利名称：面发光元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及例如发光二极管(LED)、垂直腔面发光激光器(VCSEL)等面发光元件。
背景技术：
一般情况下，面发光元件具备在第1导电型基板的上表面依次层叠了第1导电型 的下部反射层、多个阻挡层、形成在阻挡层之间的使用了单一量子阱或多重量子阱构造的 多个有源层、和第2导电型的上部反射层的层叠构造。其中，在下部反射层或上部反射层的 任意一个上，设置有用于向有源层高效注入电流的电流狭窄层。通过形成这样的构造，由 下部反射层、多个阻挡层、有源层和上部反射层来形成光谐振器。其中，构成光谐振器的一 对下部反射层与上部反射层被配置成，其之间的光学长度为“光的半波长(λ/幻X (1+η) (η 为自然数)”左右。而且，在基板的下表面形成有第1电极，并且在上部反射层的上表面形成有第2电 极，借助第1电极及第2电极来施加电压。当被施加电压时，有源层被注入电流，从有源层 中感应释放出光。产生出的光在下部反射层及上部反射层之间不断反射，形成了光的驻波 (光驻波)。其中，有源层在靠光谐振器的中央处，被分别配置在与驻波中振幅最大的波腹 对应的位置。其结果，在有源层中传播的驻波的电场得以提高，使得来自各有源层的光输出 增强，提高了作为其总和的整体的光输出。在进一步使光输出提高的情况下，延长谐振器长 度来增加驻波的波腹的数量，在与增加的驻波了的波腹对应的位置进一步设置有源层(例 如参照专利文献1、2)。专利文献1日本特开平10-27945号公报专利文献2日本特开2007-87994号公报但是，如果延长谐振器长度，并在与新形成的驻波的波腹对应的位置进一步设置 有源层，则由于光谐振器的光学长度变长，所以光限制变弱，存在不能获得足够的模增益这 一问题。如果对该问题进行详细说明，则首先光谐振器中的光限制的强弱由光限制系数表 示。光限制系数是在有源层中光被限制的比例，各有源层的总物理(实效)长度d与光谐 振器中的一对反射层间的物理(实效)长度L之比(d/L)成为指标。另一方面，模增益被 表示为将在有源层中获得的增益系数与光限制系数相乘而得到的值，表示光谐振器的实效 光增益。因此，光限制越弱、即光限制系数越小，面发光元件中的模增益越小。

发明内容
本发明鉴于上述的现有技术问题而提出，本发明的目的在于，提供一种能够增大 光限制系数、有效地实现模增益增大的面发光元件。为了解决上述课题，技术方案1的发明涉及的面发光元件具备光谐振器，该光谐 振器具有第1有源层、和隔着该第1有源层对置设置的一对反射层，并形成在所述一对反射 层各自的附近至少具有光的振幅最大的波腹而构成的驻波，其中，在所述一对反射层各自
3的附近中的至少一方设置第2有源层，在所述一对反射层之间设置包层，为了抵消因设置 所述第2有源层而引起的所述一对反射层之间的物理长度或光学长度的增加，对该包层实 施了用于缩短该包层的物理长度或光学长度的缩短方法。在技术方案2的发明中，所述缩短方法是将所述包层的物理长度形成得薄。在技术方案3的发明中，所述缩短方法是将形成所述包层的膜以低折射率的材料 形成，来缩短光学长度。在技术方案4的发明中，将所述第2有源层的增益光谱的峰值波长，形成在比所述 第1有源层的增益光谱的峰值波长长的波长侧，对因从室温变化为低温时的所述第1有源 层的增益光谱向短波长侧的移动而使得增益系数减少的频带，叠加基于从室温变化为低温 时第2有源层的增益光谱向短波长侧的移动的增益系数，来弥补所述第1有源层的增益系 数的减少。在技术方案5的发明中，将所述第2有源层的增益光谱的峰值波长，形成在比所述 第1有源层的增益光谱的峰值波长短的波长侧，对因从室温变化为高温时的所述第1有源 层的增益光谱向长波长侧的移动而使得增益系数减少的频带，叠加基于从室温变化为高温 时第2有源层的增益光谱向长波长侧的移动的增益系数，来弥补所述第1有源层的增益系 数的减少。另外，技术方案6的发明涉及的面发光元件具备光谐振器，该光谐振器具有第1有 源层、和隔着该第1有源层对置设置的一对反射层，并形成在所述一对反射层各自的附近 至少具有光的振幅最大的波腹而构成的驻波，其中，在所述一对反射层各自的附近中的至 少一方设置有第2有源层。根据技术方案1的发明，成为在一对反射层各自的附近中的至少一方设置第2有 源层的构成。此时，由于形成在一对反射层各自的附近至少具有光的振幅最大的波腹而构 成的驻波，所以即使在第2有源层的位置，光的振幅也变大，能够通过第2有源层提高光输
出ο而且，根据技术方案1的发明，能够对光谐振器不延长一对反射层之间的光学长 度地设置第2有源层。因此，与延长一对反射层之间的光学长度、增加了驻波的波腹的数 量，并在增加的波腹的位置设置了新的有源层的情况相比，可抑制一对反射层之间的物理 长度L增加。结果，可以使作为光限制系数的指标的比(d/L)有效增加，能够有效增大模增
■、Λ
frff. ο并且，由于对一对反射层之间设置的包层，实施了用于缩短其物理长度或光学长 度的缩短方法，所以能够通过缩短方法，抵消因设置了第2有源层而引起一对反射层之间 的物理长度或光学长度增加。由此，由于能够在抑制构成光谐振器的一对反射层之间的物 理长度增加的同时，将光学长度保持为一定，所以能够增大作为光限制系数的指标的比(d/ L)、有效增大模增益。根据技术方案2的发明，由于缩短方法采用将包层的物理长度形成得薄的构成， 所以，通过对应于第2有源层将包层的物理长度形成得薄，能够抵消因设置了第2有源层而 引起一对反射层之间的物理长度或光学长度增加。由此，可以将构成光谐振器的一对反射 层之间的光学长度保持为一定。根据技术方案3的发明，由于缩短方法采用将形成包层的膜以低折射率的材料形成的构成，所以，能够对应于第2有源层来缩短包层的光学长度。由此，可以抵消因设置了 第2有源层而引起一对反射层之间的物理长度或光学长度增加，能够将构成光谐振器的一 对反射层之间的光学长度保持为一定。根据技术方案4的发明，由于将第2有源层的增益光谱的峰值波长，形成在比第1 有源层的增益光谱的峰值波长长的波长侧，所以能够对因从室温变化为低温时的第1有源 层的增益光谱向短波长侧的移动而使得增益系数减少的频带，叠加基于从室温变化为低温 时的第2有源层的增益光谱向短波长侧的移动的增益系数，可以弥补因向低温侧的温度变 化引起第1有源层的增益系数的减少。由此，即使产生了从室温向低温侧的温度变化，元件 的动作特性也稳定。根据技术方案5的发明，由于将第2有源层的增益光谱的峰值波长，形成在比第1 有源层的增益光谱的峰值波长短的波长侧，所以能够对因从室温变化为高温时的第1有源 层的增益光谱向长波长侧的移动而使得增益系数减少的频带，叠加基于从室温向高温变化 时的第2有源层的增益光谱向长波长侧的移动的增益系数，从而能够弥补因向高温侧的温 度变化引起第1有源层的增益系数的减少。由此，即使发生了从室温向高温侧的温度变化， 元件的动作特性也稳定。另外，通过技术方案6的发明，也能够与技术方案1的发明同样，在第2有源层的 位置增大光的振幅，能够通过第2有源层提高光输出。而且，由于可以抑制一对反射层之间 的物理长度L增加，所以能够有效增加作为光限制系数的指标的比(d/L)，使模增益有效增 大。


图1是表示本发明的第1实施方式涉及的垂直腔面发光激光元件的剖视图。图2是表示作为第1比较例的垂直腔面发光激光元件的剖视图。图3是表示作为第2比较例的垂直腔面发光激光元件的剖视图。图4是表示第2实施方式涉及的垂直腔面发光激光元件的剖视图。图5是表示在室温时、低温时以及高温时各种情况下，一般的垂直腔面发光激光 元件的增益光谱的特性线图。图6是表示在室温时，图4中的垂直腔面发光激光元件的增益光谱以及主有源层 自身的增益光谱的特性线图。图7是表示在低温时，图4中的垂直腔面发光激光元件的增益光谱以及主有源层 自身的增益光谱的特性线图。图8是表示第3实施方式涉及的垂直腔面发光激光元件的剖面图。图9是表示在室温时，图8中的垂直腔面发光激光元件的增益光谱以及主有源层 自身的增益光谱的特性线图。图10是表示在高温时，图8中的垂直腔面发光激光元件的增益光谱以及主有源层 自身的增益光谱的特性线图。图中1、41、61_垂直腔面发光激光元件(面发光元件)；3、43、63_光谐振器；4、 44、64_下部反射层(反射层)；5、45、65_上部反射层(反射层)；6、46、66_主有源层(第 1有源层)；7、8、47、67_副有源层(第2有源层)；11、12、49、50、69、70_包层。
具体实施例方式下面，作为本发明的实施方式，以垂直腔面发光激光元件(下面称作VCSEL)为例， 参照附图对其进行详细说明。首先，利用图1，对第1实施方式进行说明。第1实施方式涉及的VCSELl具备在基 板2的上表面依次层叠了下部反射层4、第1阻挡层9、第1副有源层7 (第2有源层)、第1 包层11、主有源层6 (第1有源层)、第2包层12、第2副有源层8 (第2有源层)、第2阻挡 层10和上部反射层5的层叠构造。由下部反射层4、第1阻挡层9、第1副有源层7、第1包 层11、主有源层6、第2包层12、第2副有源层8、第2阻挡层10和上部反射层5，形成了光 谐振器3。其中，在上部反射层5设置有电流狭窄层(未图示)。而且，在上部反射层5的 最上部，设置有用于取得与后述的P型电极14的欧姆接触的接触层(未图示)。并且，在基板2的下表面形成有η型电极13，在上部反射层5的上表面形成有ρ型 电极14。下部反射层4、第1阻挡层9、第1副有源层7、第1包层11、主有源层6、第2包层 12、第2副有源层8、第2阻挡层10和上部反射层5，例如通过采用MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition 有机金属化学气相沉积)法等外延生长技术成膜而形成。另 外，η型电极13及ρ型电极14是导电性的金属薄膜，通过蒸镀、溅射等形成。其中，在ρ型 电极14的中央部，形成有用于释放光的开口 14Α。基板2例如采用厚度尺寸为数百μ m左右的作为η型化合物半导体的砷化镓 (n-GaAs)单晶体来形成。下部反射层4由将例如铝组成为12 %的η型化合物半导体即铝镓砷 (n-Al0.12Ga0.88As)单晶体的薄膜层、和例如铝组成为90 %的η型化合物半导体即铝镓砷 (n-Alo^Gao^As)单晶体的薄膜层交替层叠多组(例如30组)而成的η型分布型布拉格 反射器(Distributed Bragg Reflector :DBR)构成。Ii-Alai2GEia88As 单晶体的薄膜层及 Ii-Ala9GiiaiAs单晶体的薄膜层都是其光学长度相对由光谐振器3产生的光的波长λ (例如 λ = 850nm)被设定为λ/4左右的值。其中，光学长度通过对膜厚的物理(实效)长度乘 以膜(介质)的折射率来计算。上部反射层5与下部反射层4同样，由将例如铝组成为12%的ρ型化合物半导体 即铝镓砷(P-Alai2Giia88As)单晶体的薄膜层、与例如铝组成为90%的ρ型化合物半导体即 铝镓砷(P-Ala9GiiaiAs)单晶体的薄膜层交替层叠多组(例如10组)而成的ρ型分布型布 拉格反射器构成。P-Alai2Giia88As单晶体的薄膜层及P-Ala9GiiaiAs单晶体的薄膜层都是其 光学长度相对由光谐振器3产生的光的波长λ (例如λ = 850nm)被设定为λ/4左右的 值。构成光谐振器3的下部反射层4及上部反射层5被分离配置成，下部反射层4与 上部反射层5之间的光学长度Lo例如与光的波长λ (850nm)为相同程度。主有源层6被配置在光谐振器3中的厚度方向的中央部。该主有源层6由多重量 子阱构成，例如具备成为量子阱的3个阱层6A、6B、6C。这些阱层6A、6B、6C例如由砷化镓 (GaAs)单晶体形成，分别具有数nm左右的厚度。而且，在阱层6A、6B、6C各自之间形成有阻 挡层6D、6E。阻挡层6D、6E由例如铝组成为30%的铝镓砷(Ala3Giia7As)单晶体形成，分别 具有数nm左右的厚度。
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第1副有源层7被隔着第1阻挡层9配置在下部反射层4的附近。第1副有源层 7由单一量子阱构成。第1副有源层7例如与主有源层6的阱层6A、6B、6C同样，由砷化镓 (GaAs)单晶体形成，具有数nm左右的厚度。另一方面，第1阻挡层9由例如铝组成为30% 的铝镓砷(Ala3Giia7As)单晶体形成。第2副有源层8隔着第2阻挡层10被配置在上部反射层5的附近。第2副有源 层8由单一量子阱构成。第2副有源层8也与第1副有源层7同样，例如由砷化镓(GaAs) 单晶体形成，具有数nm左右的厚度。另外，第2阻挡层10由例如铝组成为30 %的铝镓砷 (Al0.3Ga0.7As)单晶体形成。而且，对第1副有源层7及第2副有源层8来说，其增益光谱的 峰值波长被设定成与主有源层6的增益光谱的峰值波长大致相同的值。如后所述，驻波S中的光的振幅最大的波腹，形成在第1副有源层7、主有源层6和 第2副有源层8的位置处。其中，光的振幅最大的波腹的位置，成为光最强的位置。因此， 通过将第1副有源层7尽量配置到接近下部反射层4的位置，能够进一步提高基于第1副 有源层7的光输出。同样，通过将第2副有源层8尽量配置到接近上部反射层5的位置，能 够进一步提高基于第2副有源层8的光输出。但是，如果使第1阻挡层9及第2阻挡层10的物理(实效)长度过薄，则不仅第 1副有源层7过于接近下部反射层4，而且第2副有源层8会过于接近上部反射层5，存在 第1副有源层7及第2副有源层8的膜质变差的可能性。因此，优选第1阻挡层9的膜厚 在第1副有源层7与下部反射层4之间能够形成足够的间隙的范围内，被设定为尽量小的 值。而且，通常第1阻挡层9的膜厚被设定为5nm左右的尽量小的值。而且，第2阻挡层10的膜厚也与第1阻挡层9同样地，优选在第2副有源层8与 上部反射层5之间能够形成足够的间隙的范围内，被设定为尽量小的值。而且，通常第2阻 挡层10的膜厚被设定为5nm左右的尽量小的值。第1包层11被配置在第1副有源层7与主有源层6之间，第2包层12被配置在 主有源层6与第2副有源层8之间。第1包层11及第2包层12都由例如铝组成为30%的 铝镓砷(Ala3Giia7As)单晶体形成。其中，第1包层11及第2包层12的总的光学长度被设定为从下部反射层4与上 部反射层5之间的光学长度Lo中，减去了主有源层6、第1副有源层7、第2副有源层8、第 1阻挡层9、第2阻挡层10各自的光学长度而得到的长度。具体而言，当将下部反射层4与上部反射层5之间的光学长度Lo设定成例如与光 的波长λ (850nm)相同程度，并且将主有源层6的光学长度设为160nm、第1副有源层7及 第2副有源层8的光学长度分别设为30. 8nm、第1阻挡层9及第2阻挡层10的光学长度分 别设为33. Snm时，第1包层11及第2包层12的总的光学长度为560. 8nm。由于第1包层11及第2包层12的光学长度通常形成为相等，所以第1包层11及 第2包层12的光学长度分别为观0. 4nm。因此，第1包层11及第2包层12在厚度方向的 物理(实效)长度，也被缩短了与第1副有源层7及第2副有源层8等对应的值。通过如 此对第1包层11及第2包层12实施缩短方法、调整它们的光学长度，会抵消新形成的第1 副有源层7及第2副有源层8各自的光学长度，使得构成光谐振器3的下部反射层4与上 部反射层5之间的光学长度Lo被保持为一定。另外，第1包层11及第2包层12还具有在提高主有源层6、第1副有源层7、和第2副有源层8的电子密度及空穴密度的同时，与第1阻挡层9及第2阻挡层10同样，将光限 制到主有源层6、第1副有源层7、第2副有源层8中的功能。本实施方式涉及的VCSELl具有上述那样的构成，下面对其动作进行说明。当向η型电极13与ρ型电极14之间施加电压时，第1副有源层7、主有源层6及 第2副有源层8被注入电流，分别构成的阱层6Α 6C等被激励，感应释放出光。产生出的 光在下部反射层4与上部反射层5之间不断反射。其结果，在下部反射层4与上部反射层 5之间形成驻波S，并经由开14Α射出波长λ的光。其中，在光谐振器3中形成与光的波长 λ的1个波长相当的长度的驻波S，在主有源层6、第1副有源层7、第2副有源层8各自的 位置处形成驻波S的振幅最大的波腹。在驻波S中，光的振幅最大的波腹的位置为光最强的位置。因此，驻波S的强度在 主有源层6、第1副有源层7、第2副有源层8各自的位置处变强，通过第1副有源层7及第 2副有源层8能够提高光输出。接着，对第1实施方式中的VCSELl的光限制系数、和省略了第1、第2副有源层7、 8而构成的第1比较例所涉及的VCSEL101的光限制系数进行比较说明。其中，VCSELl及 VCSEL101中的光谐振器的光学长度同样地形成。图2表示第1比较例涉及的VCSEL101。对于该VCSEL101而言，在基板102的上表 面设置有光谐振器103，并且该光谐振器103通过依次层叠下部反射层104、第1包层107、 有源层106、第2包层108、上部反射层105而形成。另外，在基板102的下表面形成有η型 电极109，在上部反射层105的上表面形成有具有开IlOA的ρ型电极110。这里，第1比较例涉及的VCSEL101也与第1实施方式涉及的VCSELl同样，将光 谐振器103的光学长度Lo形成为与光的波长λ相同程度。而且，在第1比较例涉及的 VCSEL101中，在驻波S的波腹的部分形成了例如具备3个阱层106A、106B、106C的有源层 106。其中，在阱层106A、106B、106C之间分别形成阻挡层106D、106E。但是，在第1比较例中，与第1实施方式相比，有源层106的总物理长度d缩短了对 应于省略第1、第2副有源层7、8的量。因此，作为光限制系数的指标的比(d/L)，比第1实 施方式减小。具体而言，VCSELl中的比(d/L)为0.059左右的值，而VCSEL101中的比(d/ L)为0.0；34左右的值。接着，对第1实施方式中的VCSELl的光限制系数、与延长光谐振器的光学长度来 增加驻波的波腹的数量并在所增加的驻波的波腹的位置进一步设置了有源层的第2比较 例涉及的VCSEL121的光限制系数进行比较说明。图3表示第2比较例涉及的VCSEL121。对该VCSEL121而言，在基板122的上表面 设置有光谐振器123，并且该光谐振器123通过依次层叠下部反射层124、第1包层128、有 源层126、第2包层129、有源层127、第3包层130和上部反射层125而形成。而且，在基 板122的下表面形成有η型电极131，在上部反射层125的上表面形成有具有开口 132Α的 P型电极132。这里，在第1实施方式涉及的VCSELl中，将光谐振器3的光学长度形成为光的波 长λ，与之相对，在第2比较例涉及的VCSEL121中，将光谐振器123的光学长度Lc例如形 成为光的波长λ的1. 5倍。此时，在VCSEL121的光谐振器123中形成光的波长λ的1. 5 倍长度的驻波S，在驻波S的中央附近形成振幅最大的新的波腹。
因此，第2比较例涉及的VCSEL121中，在位于驻波S的中央附近的2个波腹中的 接近下部反射层1 的部分，形成例如具备3个阱层126A、U6B、126C的有源层126。其中， 在阱层126A、U6B、126C之间分别形成阻挡层126D、U6E。另一方面，在与新的波腹对应的位置、即位于驻波S的中央附近的2个波腹中的接 近上部反射层125的部分，进一步形成有具备2个阱层127A、127B的有源层127。其中，在 阱层127A、127B之间形成了阻挡层127C。而且，在有源层126、127之间形成了包层129。因 此，与只设置了有源层126时相比，构成光谐振器123的下部反射层124与上部反射层125 之间的各有源层的总物理(实效)长度，增长了阱层127A、127B的膜厚。但是，由于第2比较例涉及的光谐振器123的下部反射层IM与上部反射层125 之间的物理(实效)长度L'，长至第1实施方式涉及的光谐振器3的下部反射层4与上部 反射层5之间的物理(实效)长度L的1.5倍左右，所以作为光限制系数的指标的比(d/ L')不变大，导致进一步设置了有源层127的效果消失。具体而言，相对于VCSELl中的比 (d/L)为0. 059左右的值，VCSELl21中的比(d/L')为0. 054左右的值。因此，第1实施方式中的VCSELl与第1、第2比较例涉及的VCSEL101、121相比，可 以有效地增大模增益。这样一来，根据第1实施方式，由于在处于驻波S的波腹的位置的下部反射层4及 上部反射层5各自的附近设置了副有源层7、8，所以即便在副有源层7、8的位置光的振幅也 变大，由此可以通过副有源层7、8提高光输出。而且，可以在光谐振器3中不延长下部反射层4与上部反射层5之间的光学长度 Lo地设置副有源层7、8。因此，与如第2比较例涉及的VCSEL121那样，延长下部反射层IM 与上部反射层125之间的光学长度Lc来增加驻波S的波腹的数量，并在所增加的波腹的位 置设置了新的有源层127的情况相比，可抑制下部反射层4与上部反射层5之间的物理长 度L增加。因此，能够使作为光限制系数的指标的比(d/L)有效增加，可以有效增大模增益。并且，对设置在下部反射层4与上部反射层5之间的包层11、12，实施了用于缩短 其物理长度的缩短方法。因此，能够通过缩短方法，来抵消因设置了副有源层7、8而引起下 部反射层4与上部反射层5之间的物理长度L或光学长度Lo的增加。由此，由于能够在抑 制构成光谐振器3的下部反射层4与上部反射层5之间的物理长度L的增加的同时，将光 学长度Lo保持为一定，所以可以增大作为光限制系数的指标的比(d/L)，有效地增大模增 益。另外，在第1实施方式中，作为针对第1包层11及第2包层12的缩短方法，采用了 将第1包层11及第2包层12的物理(实效)长度形成得薄的方法。但是，本发明不限于 此，也可以作为其他的缩短方法，例如第1包层11及第2包层12其物理(实效)长度不改 变，与不设置第1副有源层7及第2副有源层8的情况下的包层相比，以低折射率的材料形 成。该情况下，由于第1包层11及第2包层12各自的光学长度，由其膜厚的物理(实效) 长度与膜(介质)的折射率之积表示，所以第1包层11及第2包层12各自的光学长度变 薄，能够获得与改变物理(实效)长度的情况同样的效果。而且，也可以替代对第1包层11及第2包层12的物理(实效)长度进行改变，而 改变第1阻挡层9及第2阻挡层10的物理(实效)长度。不过，由于如果使第1阻挡层9 及第2阻挡层10的物理(实效)长度过薄，则第1副有源层7及第2副有源层8的膜质有可能变差，所以优选改变第1包层11及第2包层12的物理(实效)长度。并且，上述第1实施方式中，在主有源层6的上下2个位置设置了第1副有源层7 及第2副有源层8，但也可以采用仅在任意一方设置的构成。另外，在上述第1实施方式中，第1副有源层7及第2副有源层8由单一量子阱形 成，但也可以由多重量子阱形成。接着，利用图4，对第2实施方式进行说明。第2实施方式的第1特征在于，与VCSEL 的构成光谐振器的上部反射层或下部反射层的一方接近、或与上部反射层及下部反射层双 方接近地设置了副有源层。而第2特征在于，为了改善低温动作，将副有源层的增益光谱的 峰值波长形成在比主有源层的增益光谱的峰值波长长的波长侧。其中，在图4所示的第2 实施方式中，举例说明了与下部反射层接近地设置了副有源层的情况。对于第2实施方式涉及的VCSEL41而言，在基板42的上表面设置有光谐振器43， 并且该光谐振器43通过依次层叠了下部反射层44、阻挡层48、副有源层47 (第2有源层)、 第1包层49、主有源层46 (第1有源层)、第2包层50和上部反射层45而形成。而且，在 基板42的下表面形成有η型电极51，在上部反射层45的上表面形成有具有开52Α的ρ型 电极52。第2实施方式涉及的基板42、下部反射层44、上部反射层45，与第1实施方式涉及 的基板2、下部反射层4、上部反射层5大致同样地形成。而且，构成光谐振器43的下部反射层44及上部反射层45被分离配置成，下部反 射层44与上部反射层45之间的光学长度Lo例如与光的波长λ (850nm)相同程度。主有源层46被配置在光谐振器43中的厚度方向的中央部。该主有源层46由多 重量子阱构成，例如具备成为量子阱的3个阱层46A、46B、46C。这些阱层46A、46B、46C例如 由砷化镓(GaAs)单晶体形成，分别具有数nm左右的厚度。而且，在阱层46A、46B、46C各自 之间形成有阻挡层46D、46E。阻挡层46D、46E例如由铝组成为30%的铝镓砷(Ala3GEia7As) 单晶体形成，分别具有数nm左右的厚度。而且，主有源层46被设定成其增益光谱的峰值波 长例如为835nm左右。副有源层47被隔着阻挡层48配置在下部反射层44的附近。该副有源层47由单 一量子阱构成。该副有源层47例如与主有源层46的阱层46A、46B、46C同样地，由砷化镓 (GaAs)单晶体形成，具有数nm左右的厚度。另一方面，阻挡层48由例如铝组成为30%的 铝镓砷(Ala3Giia7As)单晶体形成。而且，副有源层47的增益光谱的峰值波长以位于比主有 源层46的增益光谱的峰值波长长的波长侧的方式，被设定为例如848nm左右。并且，在光谐振器3中形成有光的波长λ的1个波长长度的驻波S。此时，主有源 层46及副有源层47分别被配置在驻波S中的光的振幅最大的波腹的位置。第1包层49被配置在副有源层47与主有源层46之间，第2包层50被配置在主 有源层46与上部反射层45之间。第1包层49及第2包层50都由例如铝组成为30%的铝 镓砷(Ala3Giia7As)单晶体形成。这里，第1包层49及第2包层50的总的光学长度，被设定为从下部反射层44与 上部反射层45之间的光学长度Lo中，减去了主有源层46、副有源层47、阻挡层48各自的 光学长度而得到的长度。而且，由于在光谐振器43中的厚度方向的中央部配置有主有源层 46，所以例如第1包层49、副有源层47及阻挡层48的总的光学长度，被设定为与第2包层
1050的光学长度大致相同的值。因此，第1包层49在厚度方向的物理(实效)长度比第2包层50的物理(实效) 长度缩短了与副有源层47等对应的值。通过如此对第1包层49实施缩短方法、调整其光 学长度，会抵消新形成的副有源层47的光学长度，将构成光谐振器43的下部反射层44与 上部反射层45之间的光学长度Lo保持为一定。第2实施方式涉及的VCSEL41具有上述那样的构成，其发光动作与第1实施方式 的VCSELl同样，可以获得与第1实施方式同样的作用效果。并且，在第2实施方式中，由于 设置了具有在比主有源层46的增益光谱的峰值波长长的波长侧，形成峰值波长的增益光 谱的副有源层47，所以即使发生从室温到低温的温度变化，动作特性也稳定。接着，对该效 果具体进行说明。图5表示在从使用了量子阱构造的有源层感应释放出光的情况下，该感应释放出 的光的一般的增益光谱。增益光谱的横轴为波长(nm)，纵轴是增益系数(cm—1)。其中，有源 层采用多重量子阱构造构成的情况下的增益光谱，成为将构成有源层的各个量子阱所具有 的增益光谱合并而得到的增益光谱。对于增益光谱的增益系数而言，如果波长从峰值波长 向短波长侧变化，则衰减，并且由于在某一波长以下会吸收该波长的光而变为损失所以从 正转变为负。另外，虽然当波长从峰值波长向长波长侧变化时增益系数衰减，但由于不产生 光的吸收损失，所以不会变为负，而渐进于横轴(零值)。如果VCSEL的动作温度从室温变化为低温，则有源层的增益光谱整体上向短波长 侧移动，并且以最大增益系数变大的方式，相似地发生变化。另一方面，从VCSEL41出射的光的谐振波长λ 0，由VCSEL41的构成光谐振器43的 上部反射层45与下部反射层44之间的光学长度Lo决定。由于即使温度变动，构成光谐振 器43的介质的线膨胀率、折射率也不大幅变化，所以即便动作温度发生变化，光的谐振波 长λ0也几乎不变化。因此，对于VCSEL41中的温度特性的主要因素而言，构成主有源层46 及副有源层47的量子阱的温度依赖性成为支配性因素。图6中针对具有主有源层46及副有源层47的VCSEL41，示出室温下的增益光谱 GlR的模拟结果。增益光谱GlR是将主有源层46的增益光谱与副有源层47的增益光谱(未 图示)合并后的轮廓曲线(profile)。其中，为了示出VCSEL41中设置的副有源层47的效 果，一同示出了不设置副有源层47而只设置了主有源层46的VCSEL的增益光谱G2R的模 拟结果。模拟在主有源层46的增益光谱的峰值波长为835nm、副有源层47的增益光谱的峰 值波长为848nm、主有源层46及副有源层47被注入的载流子数相同、例如为2. OX IOw个/ cm3的条件下进行。而且，VCSEL41的谐振波长λ 0被设定在增益光谱GlR的增益系数为正 的频带处。对于副有源层47的增益光谱的峰值波长而言，当将副有源层47的增益光谱与主 有源层46的增益光谱G2R合并时，在比增益光谱G2R的峰值波长长的波长侧的频带中，被 选择成增益光谱GlR的增益系数比增益光谱⑵R的增益系数大。结果，当将增益光谱GlR及 G2R中的增益系数都例如成为g(g > 0)的长波长侧的波长(频率)分别设为λ 1R、λ 2R、 谐振波长λ 0与波长λ IR之间的频带宽度设为W1R、谐振波长λ 0与波长λ 2R之间的频带 宽度设为W2R时，频带宽度WlR比频带宽度W2R形成得宽。接着，利用图7，对VCSEL41的动作温度从室温(例如25°C )变化为低温(例如O0C)的情况进行说明。如果动作温度从室温变化为低温，则增益光谱GlR向短波长侧移动、变化为增益 光谱G1L。而增益光谱G2R也向短波长侧移动，变化为增益光谱G2L。将增益光谱G1L、G2L中的增益系数都例如成为g的长波长侧的波长(频率)分别 设为X1L、X2L、谐振波长λ0与波长λ IL之间的频带宽度设为W1L、谐振波长λ 0与波长 λ 2L之间的频带宽度设为W2L。此时，由于增益光谱G2R向短波长侧移动，所以频带宽度W2L与频带宽度W2R相比 变窄。另一方面，频带宽度WlR比频带宽度W2R预先形成得宽。因此，即使在增益光谱GlR 向短波长侧移动了的情况下，频带宽度WlL也不会如频带宽度W2L那样显著变窄，而与频带 宽度W2R成为相同程度。结果，即使VCSEL41的动作温度从室温变化为低温，在比增益光谱 GlL中的峰值波长长的波长侧的频带中，也能够确保与增益光谱⑵R接近的增益系数的轮 廓曲线。另外，在比增益光谱GlL中的峰值波长短的波长侧的频带中，增益光谱GlL的增益 系数成为比增益光谱GlR的增益系数大的值。因此，与不设置副有源层47而仅设置主有源 层46的情况相比，谐振波长λ 0的两端侧处的增益系数能够大范围确保正区域的频带，即 使从室温变化为低温，VCSEL41也会稳定动作。即，通过设置副有源层47，能够弥补比峰值 波长长的波长侧的频带中的增益系数的减少，并且，因比峰值波长短的波长侧的频带中的 增益系数的增大，即使在动作温度从室温向低温侧变化了的情况下，也能够使VCSEL41稳 定动作。另外，上述第2实施方式中，在主有源层46的下侧1个位置设置了副有源层47，但 也可以与第1实施方式同样，采用在主有源层的上下1个位置设置副有源层的构成，还可以 采用在主有源层的上侧1个位置设置副有源层的构成。而且，在上述第2实施方式中，副有源层47由单一量子阱形成，但也可以由多重量 子阱形成。接着，利用图8，对第3实施方式进行说明。第3实施方式的第1特征在于，与VCSEL 的构成光谐振器的上部反射层或下部反射层的一方接近、或与上部反射层及下部反射层双 方接近地设置了副有源层。另外，第2特征在于，为了改善高温动作，将副有源层的增益光 谱的峰值波长形成在比主有源层的增益光谱的峰值波长短的波长侧。其中，在图8所示的 第3实施方式中，举例说明与下部反射层接近地设置了副有源层的情况。第3实施方式涉及的VCSEL61与第2实施方式涉及的VCSEL41大致同样地构成。 因此，对VCSEL61而言，在基板62的上表面设置有光谐振器63，并且该光谐振器63通过依 次层叠下部反射层64、阻挡层68、副有源层67 (第2有源层)、第1包层69、主有源层66 (第 1有源层)、第2包层70和上部反射层65而形成。另外，在基板62的下表面形成有η型电 极71，在上部反射层65的上表面形成有具有开72Α的ρ型电极72。而且，主有源层66被配置在光谐振器63中的厚度方向的中央部。该主有源层66 与第2实施方式涉及的主有源层46同样，由多重量子阱构成，例如具备成为量子阱的3个 阱层66A、66B、66C。在阱层66A、66B、66C各自之间形成有阻挡层66D、66E。并且，副有源层67被隔着阻挡层68配置在下部反射层64的附近。该副有源层67 与第2实施方式涉及的副有源层47同样，由单一量子阱构成。
但是，在副有源层67的增益光谱的峰值波长位于比主有源层66的增益光谱的峰 值波长短的波长侧这一点，与第2实施方式涉及的主有源层46及副有源层47不同。具体 而言，主有源层66的增益光谱的峰值波长例如被设定为848nm左右，副有源层67的增益光 谱的峰值波长例如被设定为835nm左右。其中，第1包层69在厚度方向的物理(实效)长度与第2实施方式涉及的第1包 层49同样，比第2包层70的物理(实效)长度缩短了与副有源层67等对应的值。通过如 此对第1包层69实施缩短方法、调整其光学长度，会抵消新形成的副有源层67的光学长 度，使得构成光谐振器63的下部反射层64与上部反射层65之间的光学长度Lo被保持为一定。第3实施方式涉及的VCSEL61具有上述那样的构成，其发光动作与第1实施方式 的VCSELl同样，能够获得与第1实施方式同样的作用效果。此外，在第3实施方式中，由于 设置了具有在比主有源层66的增益光谱的峰值波长短的波长侧形成峰值波长的增益光谱 的副有源层67，所以即使发生从室温向高温侧的温度变化，动作特性也稳定。接着，对该效 果具体进行说明。如图5所示，当VCSEL的动作温度从室温变化为高温时，有源层的增益光谱整体上 向长波长侧移动，并且以最大增益系数变小的方式，相似地变化。另一方面，从VCSEL61出射的光的谐振波长λ 0，由VCSEL61的构成光谐振器63的 上部反射层65与下部反射层64之间的光学长度Lo决定。由于即使温度变动，构成光谐振 器63的介质的线膨胀率、折射率也不变化，所以即使动作温度变化，光的谐振波长λ O也几 乎不变化。因此，对于VCSEL61中的温度特性的主要因素而言，构成主有源层66及副有源 层67的量子阱的温度依赖性成为支配性因素。图9针对具有主有源层66及副有源层67的VCSEL61，示出了室温下的增益光谱 G3R的模拟结果。增益光谱G3R是将主有源层66的增益光谱与副有源层67的增益光谱(未 图示)合并后的轮廓曲线。其中，为了示出VCSEL61中设置的副有源层67的效果，一同示 出了不设置副有源层67而仅设置了主有源层66的VCSEL的增益光谱G4R的模拟结果。模 拟在主有源层66的增益光谱的峰值波长为848nm、副有源层67的增益光谱的峰值波长为 835nm、主有源层66及副有源层67被注入的载流子数相同、例如为2. O X IO18个/cm3的条件 下进行。而且，VCSEL61的谐振波长λ 0被设定在增益光谱G3R的增益系数为正的频带处。对于副有源层67的增益光谱的峰值波长而言，当将副有源层67的增益光谱与主 有源层66的增益光谱G4R合并时，在比增益光谱G4R的峰值波长短的波长侧的频带中，被 选择为增益光谱G3R的增益系数比增益光谱G4R的增益系数大。结果，当将增益光谱G3R 及G4R中的增益系数都成为零值的短波长侧的波长(频率)分别设为X3R、X4R、谐振波 长λ0与波长X3R之间的频带宽度设为W3R、谐振波长λ0与波长X4R之间的频带宽度设 为W4R时，频带宽度W3R比频带宽度W4R形成得宽。接着，利用图10，对VCSEL61的动作温度从室温(例如25°C )变化为高温(例如 50 0C )的情况进行说明。如果动作温度从室温变化为高温，则增益光谱G3R向长波长侧移动，变化为增益 光谱G3H。而且，增益光谱G4R也向长波长侧移动，变化成增益光谱G4H。将增益光谱G!3H及G4H中的增益系数都成为零值的短波长侧的波长(频率)分别设为λ 3Η、λ 4Η、谐振波长λ 0与波长λ 3Η之间的频带宽度设为W3H、谐振波长λ 0与波长 λ 4Η之间的频带宽度设为W4H。此时，由于增益光谱G4R向长波长侧移动，所以频带宽度W4H与频带宽度W4R相比 变窄，成为非常狭窄的带域。另一方面，频带宽度W3R比频带宽度W4R预先形成得宽。因此， 即使在增益光谱G3R向长波长侧移动了的情况下，频带宽度W;3H也不像频带宽度W4H那样 显著变窄，能够确保某种程度的频带宽度。结果，即使VCSEL61的动作温度从室温变化为高 温，也能够在谐振波长λ0的周围的频带确保某一程度的增益系数。而且，在增益光谱G!3H中的比峰值波长长的波长侧的频带中，虽然增益光谱G!3H的 增益系数比增益光谱G3R低，但成为与增益光谱G4R的增益系数接近的值。因此，与不设置 副有源层67而仅设置了主有源层66的情况相比，谐振波长λ 0的两端侧处的增益系数可 以大范围确保正区域的频带，即使从室温变化为高温，VCSEL61也稳定动作。即，通过设置 副有源层67，能够弥补比峰值波长短的波长侧的频带中的增益系数的减少，并且，抑制比峰 值波长长的波长侧的频带中的增益系数的减少，即使在动作温度从室温变化为高温的情况 下，也能够使VCSEL61稳定动作。另外，上述第3实施方式中，在主有源层66的下侧1个位置设置了副有源层67，但 也可以与第1实施方式同样，采用在主有源层的上下1个位置设置副有源层的构成，还可以 采用在主有源层的上侧1个位置设置副有源层的构成。而且，在上述第3实施方式中，副有源层67由单一量子阱形成，但也可以由多重量 子阱形成。并且，在上述第2、第3实施方式中，作为针对第1包层49、69的缩短方法，采取将 第1包层49、69的物理(实效)长度形成得薄。但是，本发明不限定于此，作为其他的缩短 方法，例如可以不改变其物理(实效)长度，与不设置副有源层47、67的情况下的包层相 比，第1包层49、69以低折射率的材料形成。另外，在上述各实施方式中，举例说明了在0. 8 μ m带的VCSELl、41、61中应用的情 况，但也可以在发出比其长的波长侧的光的面发光元件中应用，还可以在发出比其短的波 长侧的光的面发光元件中应用。此外，在上述各实施方式中，主有源层6、46、66由具备3个阱层6A 6C、46A 46C、66A 66C的多重量子阱构成，但也可以由具备2个或4个以上阱层的多重量子阱构 成，还可以由单一量子阱构成。而且，在上述各实施方式中，将光谐振器3、43、63的下部反射层4、44、64与上部反 射层5、45、65之间的光学长度Lo，设为与发出的光的波长λ相同的值、S卩1个波长量。但 是，本发明不限于此，例如也可以与专利文献2同样，将下部反射层与上部反射层之间的光 学长度设定为光的波长λ的1.5倍(1.5λ)或其以上的值(例如2 λ、2. 5 λ等)。该情况 下，除了在驻波的多个波腹的位置设置主有源层(第1有源层)之外，还与构成光谐振器的 上部反射层或下部反射层的一方接近、或与上部反射层及下部反射层双方接近地设置副有 源层(第2有源层)。并且，在上述各实施方式中，作为面发光元件，举例说明了 VCSEL1、41、61，但作为 面发光元件，也可以采用在面发光二极管(LED)中应用的构成。
权利要求
1.一种面发光元件，具备光谐振器，该光谐振器具有第1有源层、和隔着该第1有源层 对置设置的一对反射层，并形成在所述一对反射层各自的附近至少具有光的振幅最大的波 腹而构成的驻波，其特征在于，在所述一对反射层各自的附近中的至少一方设置第2有源层，在所述一对反射层之间设置包层，为了抵消因设置了所述第2有源层而引起的所述一 对反射层之间的物理长度或光学长度的增加，对该包层实施了用于缩短该包层的物理长度 或光学长度的缩短方法。
2.根据权利要求1所述的面发光元件，其特征在于，所述缩短方法是将所述包层的物理长度形成得薄。
3.根据权利要求1所述的面发光元件，其特征在于，所述缩短方法是将形成所述包层的膜以低折射率的材料形成，来缩短光学长度。
4.根据权利要求1 3中任意一项所述的面发光元件，其特征在于，将所述第2有源层的增益光谱的峰值波长，形成在比所述第1有源层的增益光谱的峰 值波长长的波长侧，对因从室温变化为低温时的所述第1有源层的增益光谱向短波长侧的移动而使得增 益系数减少的频带，叠加基于从室温变化为低温时第2有源层的增益光谱向短波长侧的移 动的增益系数，来弥补所述第1有源层的增益系数的减少。
5.根据权利要求1 3中任意一项所述的面发光元件，其特征在于，将所述第2有源层的增益光谱的峰值波长，形成在比所述第1有源层的增益光谱的峰 值波长短的波长侧，对因从室温变化为高温时的所述第1有源层的增益光谱向长波长侧的移动而使得增 益系数减少的频带，叠加基于从室温变化为高温时第2有源层的增益光谱向长波长侧的移 动的增益系数，来弥补所述第1有源层的增益系数的减少。
6.一种面发光元件，具备光谐振器，该光谐振器具有第1有源层、和隔着该第1有源层 对置设置的一对反射层，并形成在所述一对反射层各自的附近至少具有光的振幅最大的波 腹而构成的驻波，其特征在于，在所述一对反射层各自的附近中的至少一方设置有第2有源层。
全文摘要
本发明涉及一种面发光元件，用于增大光限制系数、使模增益有效增大。在光谐振器(3)的厚度方向的两端侧分别设置有下部反射层(4)及上部反射层(5)，并且在光谐振器(3)的厚度方向的中央部设置有主有源层(6)。而且，针对光谐振器(3)，在下部反射层(4)的附近设置有第1副有源层(7)，并在上部反射层(5)的附近设置有第2副有源层(8)。由此，能够不延长下部反射层(4)与上部反射层(5)之间的光学长度(Lo)地将第1副有源层(7)及第2副有源层(8)配置到光的振幅大的驻波的波腹的位置。
文档编号H01S5/183GK102074893SQ201010551118
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月17日 优先权日2009年11月24日
发明者楯敦次 申请人:株式会社村田制作所