Rx moduleTx module
4) 伊賀健一、小山二三夫共著、面発光レーザ、オーム社（1990）
5) E. F. Schubert, Y.-H. Wang, Y. Cho, L. W. Tu, and G. J. Zydzik, Appl. Phys. Lett., 60, 921 (1992)
6) G. H. Vander Rhodes, J. M. Pomeroy, M. S. Unlu, and B. B. Goldberg, Appl. Phys.
Lett., 72, 1811 (1998)
7) D. I. Babic, and S. W. Corzine, IEEE J. Quantum Electron., QE-28, 514 (1992) 8) F. Koyama, Y. Suematsu, S. Arai, and T. E. Tawee, IEEE J. Quantum Electron.,
QE-19, 1042 (1983)
9) S. W. Corzine, R. S. Geels, R. H. Yan, J. W. Scott, and L. A. Coldren, IEEE Photon.
Technol. Lett., 1, 52 (1989)
10）C. S. Shim, J. Y. Yoo, Y. H. Lee, and S.-Y. Shin, IEEE Photon. Technol. Lett., 4, 1084 (1992)
11) P. M. Enquist, J. Cryst. Growth, 93, 637 (1988)
12) M. A. Tischler, H. Baratte, T. F. Keuch, and P. J. Wang, J. Cryst. Growth 93 631 (1988)
13) H. C. Casey, Jr., D. D. Sell, and K. W. Wechet, J. Appl. Phys., 46, 250 (1975) 14) M. A. Afromowitz, Solid State Commun., 15, 59 (1974)
15) R. F. Kopf, E. F. Schubert, S. W. Downey, and A. B. Emerson, Appl. Phys. Lett., 61, 1820 (1992)
16) H. C. Casey, Jr., and M. B. Panish, Heterostructure Lasers, Academic Press (1978) 17) T. Takagi, Jpn. J. Appl. Phys., 17, 1813 (1978)
18) A. Kurobe, H. Furuyama, S. Naritsuka, N. Sugiyama, Y. Kokubun, and M.
Nakamura, IEEE J. Quantum Electron., QE-24, 635 (1988)
19) D. B. Young, J. W. Scott, F. H. Peters, M. G. Peters, M. L. Majewski, B. J.
Thibeault, S. W. Corzine, and L. A. Coldren, IEEE J. Quantum Electron., QE-29,
2013 (1993)
20) J. M. Catchmark, R. A. Morgan, K. Kojima, R. E. Leibenguth, M. T. Asom, G. D.
Guth, M. W. Focht, L. C. Luther, G. P. Przbylek, T. Mullally, and D. N.
Christodoulides, Appl. Phys. Lett., 63, 3122 (1993)
21) K. D. Choquette and D. A. Richie, and R. E. Leibenguth, Appl. Phys. Lett., 64, 2062 (1994)
22) H. Iwamura, T. Saku, H. Kobayashi, and Y. Horikoshi, J. Appl. Phys., 54, 2692 (1983)
23) K. D. Choquette, G. Hasnain, Y. H. Wang, J. D. Wynn, R. S. Freund, A. Y. Cho, and R. E. Leibenguth, IEEE Photon. Technol. Lett., 3, 859 (1991)
24) U. Fielder, G. Reiner, P. Schnitzer, and K. J. Ebeling, IEEE Photon. Technol. Lett., 8, 746 (1996)
25) 桂浩輔、香川俊明、田中伸幸、松浦伸昭、安東泰博、 NTT R&D, 48, 281 (1999)
GaAs Buffer layer
n-DBR p-DBR Polyimide
Anti-reflection
SiO2 passivation layer Active
layer
Electrode pad Electrode pad
Polyimide
SiO2 passivation layer
GaAs substrate AlGaAs substrate
第第第
第３３章３３章 章章 下 下面下下面面面発発発発光光光光型型型型 0000....8888555μ5μμμｍｍｍｍVVVVCCSCCSSSEELLEELL
333
3....1111 緒 緒言緒緒言言言
一般に、0.85μｍ帯 VCSEL は基板として GaAs を用いるため、発振波長に対して基 板が透明でない。このため上面発光型 VCSEL 構造を取らざる得なくなっている。し かしながら、第２章で示したように、熱放散性や配線容量の観点からは下面発光型の 方が有利な点が多く、特に２次元アレー化においてはそれが顕著になる。そこで本章 では下面発光型 0.85μｍ帯 VCSEL を提案し、その作製方法と特性について述べる。
333
3....2222 下 下面下下面面面発発発発光光型光光型と型型ととと上上面上上面発面面発発発光光光光型型 V型型VVVCCCCSSSSEELLEELL
VCSEL は基板に対して垂直な共振器構造であるため、上面からも下面からも光を放 射する。高光出力を得るためは、出射側でない方の反射率を極限まで高め、出射側の 反射率は最適にすることが重要であることは、第２章の図 2.2 の計算で既に述べた。
図 図図
図 333....113 1 1 下下面下下面発面面発発発光光光光型型と型型ととと上上上上面面発面面発光発発光光光型型型型
Jewell 等が最初に半導体 DBR 層を用いて作製した VCSEL は 1)、InGaAs 活性層を用 いており、利得のピーク波長、及び VCSEL の発振波長がともに 0.98μｍであり、幸 運にも GaAs 基板に透明な波長であった。このため上部 DBR の方が高反射率を得やす いことも加味されて下面発光型の VCSEL を作製している。これ以降の 0.98μｍ帯 VCSEL は下面発光型の報告例が大半であるが 2-3)、これは下面発光型には上面発光型に 比べて幾つかの利点があるためである。
以下にこれらの利点を列記する。
（１）作製プロセスが容易である。（特にエアポストタイプの場合、上面の電極 の形状を考慮する必要がなくなり、素子サイズの微細化が可能となる。） （２）VCSEL を構成する成長層の厚さがトータル厚で薄くなる。
（３）熱放散がよく、かつ低容量配線が可能になるフリップチップ実装が可能4)。
（1）は電極工程の際、上面発光型は上部にリング電極を設ける必要があり、その電極 による光出力の損失が問題となる 5)。（酸化狭窄やイオン注入構造は除く。反対に、
このリング電極を高次の横モードを抑圧させるために積極的に利用した報告もある
6））
（2）は上面側 DBR の方が活性層から見て最後の層が空気、もしくは金となるため、
少ないペア数で高反射率を得やすいためである。（3）は応用上重要な利点で、図 3.2 の模式図に示すように、ハンダ材を用いて配線を施した別の基盤に各々の素子を直接 接続するフリップチップ実装が可能となるため、活性層もしくは p 型 DBR 層で発生 した熱が直ぐそばのハンダ材に放熱しやすい構造となり、結果として熱抵抗が減少す るというものである。また熱の放散が良くなると温度上昇による活性層の光学利得係 数の低下が少なくなるため、連続動作時の閾値電流の減少や最大光出力の増加に寄与 する 7)。また VCSEL の基板自体に金属配線をする必要がなくなるので、２次元アレ ー化の際にアレー化の規模によらず、ほぼ全ての素子で素子単体の容量に近づけるこ とができ、直接変調時における変調帯域が電気容量によるカットオフ周波数で制限さ れなくなる。
図 図図
図 3333....2222 フ フリフフリリリッップッップチププチチチッッッッププ実ププ実装実実装装装模模模模式式図式式図図図
AlN substrate 8x8 VCSEL array chip In solder
Electrode pad
333
3....3333 下下下下面面面面発発光発発光光光型型型型 VVCVVCCCSSSSEEEELLL のLののの作作作作製製製製
下面出射型を作製するには、まず基板が発振波長に対して透明でなければならない。
0.85μｍ帯 VCSEL を透明な基板上に作製する手法として、
（１）発振波長に対して透明な AlGaAs 基板を用いて、その上に直接 VCSEL 構造をエ ピタキシャル成長する。
（２）GaAs 基板上に VCSEL を作製し、その後 0.85μｍに対して透明な基板に貼り合 わせ、GaAs 基板を完全に除去する。
という２種類の方法が考えられる。（２）の方は、従来長波長帯で用いられた技術で あるが、近年 0.85μｍ帯でも下面発光型をこの方法で作製する試みがなされ、GaAs 基 板上に VCSEL 構造を成長した後、GaP 基板8）や、サファイア基板9）、AlGaAs 基板10） に 直接接着した例が報告されている。しかしながら、素子歩留まり、ウェハサイズの制 限、プロセス工程数を考えると、透明な基板上に直接 VCSEL 構造のエピタキシャル 成長が可能ならば、製造コストや生産性の点からも望ましい。そこで本章では（１）
の AlGaAs 基板上への VCSEL の成長について検討することにする。
3333....3333....111 A1 AAAllllGGGGaaaaAAsssAAs 基基板基基板の板板ののの透透透透過過特過過特特特性性性性
用いた AlGaAs 基板は日立電線製で、仕様は大きさ 35 mm 角、Al 組成比 0.1、ｎ型 Te ドーピングでキャリア濃度 1×1018 cm-3である。GaAs 基板上に 700μｍ厚の AlGaAs 層 を液相成長（Liquid phase Epitaxy: LPE）した後、GaAs 基板を研磨して取り除いて作製 されている。図 3.3 に AlGaAs 基板と GaAs 基板の透過スペクトルの測定結果を示す。
基板の厚さは 300μｍでサンプルの両面に 0.1 %以下の反射防止膜を形成して測定した。
この図から明らかなように、0.85μｍでは GaAs 基板はほとんど透過しないのに対し、
AlGaAs 基板は透過率 90 ％以上を有していることがわかる。しかしながら、本来 Al 組成 0.1 の場合、バンド端波長は 800 nm 近傍であるが、バンドテイルの影響でかなり 長波長領域まで吸収端が伸びていることがわかる。キャリア濃度を更に高くした基板 では、バンドテイルの影響は更に顕著になり、850 nm ではほとんど吸収領域となった。
Al 組成を大きくするとバンド端は短波側にシフトするが、次の項目で述べる VCSEL の 結晶成長の際に問題が生じる可能性が高い。そこで本章では Al 組成 0.1 でキャリア濃 度 n=1×1018 cm-3の基板を用いることにした。