0.99 0.991 0.992 0.993 0.994 0.995
12 13 14 15 16 17 18 19 20
Reflectivity
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
750 800 850 900 950
Reflectivity
Wavelength (nm) Wavelength (µm)
0.965 0.970 0.975 0.980 0.985 0.990 0.995 1.000 1.005
840 845 850 855
Reflectivity
微分量子効率を調べるために 24 ペアと 20 ペアの 2 種類の成長を行った。この場合、
活性層側からの反射率は、計算と実験値の両方より p 型 DBR 層が 24 ペアのとき 0.9988、
20 ペアのときは 0.9976 となっていると考えられる。
2222....4444....111 成1 成長成成長層長長層層層のの評のの評価評評価価価
MOCVD 成長した基板を、まず分光光度計を用いて反射率の波長分布を調べた。図 2.22 にこの作製したウェハの p 型 DBR のペア数が 20 の反射率の波長依存性を示す。
この図より、活性層の利得領域とストップバンドの帯域が一致していることがわかる。
また VCSEL はエタロン型の共振器構造であるため、本来なら共振波長の測定が可能 のはずであるが、実際にはこの測定結果からは観測されていない。これは VCSEL が いわゆるＱ値の高い共振構造になっているため、共振ピークの線幅が狭く、白色光源 を用いた測定では分解能が取れないためであると考えられる。そこで、図 2.20 で示し た反射率測定系で共振波長の測定を試みた。光源は Ti-sapphire レーザを用い、波長計 でその波長を観測している。図 2.23 にその結果を示す。848 nm に反射率のディップが 観測され、本ウェハが 848 nm 近傍に共振波長をもつ構造が形成されていることがわか った。半値全幅は 0.1nm 程度であり、良好なエタロン構造が作製されていると推測で きる。尚、反射率の絶対値の変動が大きいが、これは Ti-sapphire レーザの出力変動の 影響で APC （Auto Power Control）状態でレーザを駆動していないためである。
図図図
図 2222....2222222 2 VVCVVCSCCSESSEEELLLL ウウェウウェェェハハハハのの分のの分光分分光光光反反反反射射特射射特性特特性性性 図 図図図 222....222 233233 V VVVCCCCSSSSEEEELLL のLののの共共共共振振波振振波長波波長長長測測定測測定定定
AuGeNi/Au p-DBR
n-DBR active layer
AuZnNi/Au SiO2
(1) (2) (3)
(4) (5) (6)
(7) GaAs sub.
Cr/Au
polyimide
2222....4444....222 2 上上上上面面発面面発光発発光光光型型型型 0000....8888555μ5μμμｍｍｍｍ帯帯 V帯帯VVVCCSCCSSSEELLEEL のLののの作作製作作製製製 VCSEL の作製工程を図 2.24 に示す。
（1）裏面を Br メタノールで 250μｍ厚まで研磨し、AuGeNi/Au を蒸着する。
（2）成長面に AuZnNi/Au のリング電極を形成し、アニールして p 型、n 型のオーミッ クコンタクトを形成する。
（3）マグネトロンスパッタ装置で、表面に SiO2を堆積させる。
（4 ）レジストでメサパターンを形成した後、C2F6 ガスを用いた RIE（Reactive Ion Etching）装置で円形のメサパターンを形成する。
（5）SiO2のパターンをマスクにして、Cl2ガスを導入した RIBE（Reactive Ion Beam Etching）装置で活性層の下の n 型 DBR 層までエッチングする。
（6）硫酸系のエッチング液でメサ側面をサブμｍ、RIBE のダメージ層の除去のため 等方的にエッチングした後、ポリイミド膜をスピンコートにより塗布し、350 ℃ で熱処理をする。埋込み以外の部分をレジストでパターニングして、O2をガス 種とした RIE 装置でポリイミドをエッチングし、メサの上部の SiO2を露出させ る。SiO2膜を BHF（バッファード弗酸）で取り除き、もう一度ウェハ表面全面
図図図
図 222....222 244244 ポ ポリポポリリリイイイイミミドミミドドド埋埋埋埋込込み込込みのみみののの VVCVVCSCCSESSEEELLLL 作作製作作製製製ププププロロセロロセスセセススス
0 0.05 0.10 0.15 0.20
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0 10 20
Optical Output Power (mW) Volltage (V)
Current (mA) 26 µmφ
RT CW
26 µmφ RT CW
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0 2 4 6 8 10
0 5 10 15 20
Optical output power (mW) Voltage (v)
Current (mA)
5 15
に SiO2膜を堆積し、メサの上部の SiO2はレジストでパターニングした後、BHF で取り除く。
（7）レジストで配線パターンを形成し、Cr/Au の蒸着をする。
222
2....5555 VVCVVCCCSSSSEEEELLL のLの特のの特特特性性性性評評価評評価価価
2222....5555....111 電1 電流電電流−流流−−−電電電電圧圧特圧圧特特特性性性性、、及、、及び及及びびび電電電電流流−流流−光−−光光光出出力出出力特力力特特特性性性性
まず、p 型 DBR が 24 ペアのウェハにより作製された VCSEL の電流−電圧特性、及 び電流−光出力特性を図 2.25（a）に示す。閾値電流、閾値電流密度は素子径 26 μｍ φでそれぞれ、6.6 mA、1.24 kA/cm2であり、発振波長は 837.5 nm であった。外部微分 量子微分効率が 1.4 ％で、最大出力 200μW という値が得られた。閾値電圧は 2.51 V で、そのときの微分抵抗は 91.4 Ωであった。次に p 型 DBR が 20 ペアのウェハより作 製された VCSEL の電流−電圧特性、及び電流−光出力特性を図 2.25（b）に示す。閾 値電流、閾値電流密度はそれぞれ 8.6 mA、1.6 kA/cm2であり、発振波長は 852.9 nm で あった。上部ミラーのペア数の減少に伴い、外部微分量子微分効率は 24 ペアのウェハ に比べて約 10 倍の 14.4 ％となり、結果として最大出力が約 1 mW に達した。10 mA 動作時にキンクが見られるが、これは横モードの変化によるものである。また p 型 DBR のペア数が少ないのにも関わらず抵抗が高くなっているが、これは結晶成長における ドーピング濃度のばらつきによるものと考えられる。
（（aa（（aa））pp））p 型p型 D型型DDDBBBBRRRR 22244244 ペペアペペアアア （ （（（bbbb））pp））pp 型型 D型型DDDBBBBRR 22RR 200200 ペペペペアアアア 図図図
図 2222....2222555 5 VVVVCCSCCSESSELLEELL のの電のの電流電電流流流−−−−電電圧電電圧特圧圧特特特性性、性性、及、、及及及びびびび電電流電電流−流流−−−光光光光出出力出出力力力特特特特性性性性
ここで図 2.25（a）と（b）で得れた結果から VCSEL の主なパラメータを計算してみる。
（a）と（b）の外部微分量子効率を式（2.6）にあてはめると、実効キャビティ内の平 均内部損失aiは 62.2 cm-1と見積もられた。次にこの値を元にして、閾値電流密度につ いて考察する。閾値電流密度 Jthは式（2.5）で表したが、これは活性層をバルク層と考 えた場合の記述であり、量子井戸構造を用いたときは利得係数と閉じ込め係数の関係 から、閾値電流密度そのものの値が異なることが予想される。そこで量子井戸の利得 を考慮した閾値電流密度についてここで述べる。量子井戸活性層を用いた場合、利得 gは注入キャリア密度Ｎに対して非線形な関数で
とする。一方、量子井戸の利得の計算により18)、利得Gは
と表される。ここでｍ*は有効質量を表し、添字の c、h は伝導帯と価電子帯のヘビー ホールを意味する。Ｈはヘビサイド関数で、これは電子の状態密度が量子閉じ込めに より、離散的になるために用いられる。次に、バンド内緩和時間を考慮して光の角周 波数ωに対する利得係数は
となる。
ここで、m：半導体の透磁率、e：誘電率、Lw：量子井戸の厚さ、Ecn：伝導帯の量子 化準位エネルギー、Ecv：価電子帯の量子化準位エネルギー、<Rch>：電子ーホールの双 極子モーメント、Ech：電子ーホール間の遷移エネルギー、tin：バンド内緩和時間、fc： 伝導帯のフェルミ・ディラック分布関数、fv：価電子帯のフェルミ・ディラック関数、
M：伝導帯の量子化準位数と価電子帯の量子化準位数のうち小さい方の数である。
この式から利得ピークが 850 nm になるように、量子井戸を設計し、利得係数を求め ると式（2.29）の利得係数と注入キャリア密度の関係が解析的に求まる。図 2.26 にこ の式により得られた結果を示す。次に量子井戸活性層を定在波の腹に位置するように 配置した場合、式（2.25）の閉じ込め係数を量子井戸数が変化するにつれ各々計算し て、式（2.3,4）を用いて井戸数 1〜10 に対する閾値電流密度を求めると図 2.27 のよう になる。ここでは吸収係数を 60 cm-1、n 型 DBR の反射率を 0.999 としている。この図 から実験値と計算値がほぼ一致すること、量子井戸数 2〜3 近傍で最小となり、井戸数
G = 1
L
m m
m + m H(E - E ) (2.30)
2 n =1 w
c
* h
*
c
* h
* n
ph
Â
• ◊ ◊g = f(N) (2.29)
G( ) = m m
m + m 1
L R f f dE
E (2.31)
c
* h
*
c
* h
* 2
w
E E E ch n =0
M 1
c ch
ch
2
cn hn g
w w m
e p t
w t
ÊË ˆ
¯ ◊ ◊
-- +
+ + - •
 Ú
1
2 2
h 2
h
h h
( )( / )
( ) ( / )
v in
in
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
0 10 20 30 40 50
Carrier density (cm-3) Gain (cm-1)
0.1 1 10 100
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Jth (kA/cm2)
Well Number 実験値 計算値
が増加するにつれて閾値電流密度が増加することがわかる。
図図図
図 2222....2222666 G6 GaaGGaaAAAAssss////AAllllGAAGaaGGaAaAAAssss 量量量量子子子子井井戸井井戸層戸戸層層層のの のの 図 図 22図図2....222 277277 pppp 型型型型 DDBDDBRBBR 22RR 200200 ペペアペペアアアのののの閾閾値閾閾値値値 利利得利利得得得係係係係数数の数数の注のの注注注入入入入キキャキキャャャリリリリアア密アア密度密密度度度依依依依存存性存存性 性性 電電電電流流密流流密度密密度度度のののの量量子量量子子子井井井井戸戸数戸戸数依数数依依依存存存存性性性性
2222....5555....222 温2 温度温温度特度度特特特性性性性
半導体レーザにおいて、温度に対する特性変化を知ることは実用上極めて重要であ る。一般に端面発光型レーザにおいて、閾値電流は温度上昇とともに指数関数的に上 昇し、温度T(K)のときの閾値電流 Ith（T）は
と表される。ここで T0は特性温度と呼ばれ、半導体レーザの温度に対するデバイスの 性能指数として表される。ファブリペロー型の端面発光型レーザの場合、共振波長の モードがいくつもあるため、活性層の最大利得を有する波長が温度とともに変化して も、利得の変化がそのまま閾値電流に反映し、T0の定義が可能となっている2)。一方、
ショートキャビティ構造の場合、閾値電流はこれとは異なった振る舞いをする。例え ば 0.85μｍ帯 VCSEL のλキャビティ構造の場合、縦モード間隔が約 70 nm となり実 質的に共振器モードが１波長しかないことになる。何故なら図 2.7 で示したように、
半導体 DBR のストップバンド幅は 100 nm 程度なので、次のモードの場所に共振器モ ードが存在しないためである。そして、その共振器波長は温度上昇とともに、実効キ ャビティ内の屈折率変化により長波長側にシフトする。また最大利得を有する波長も 温度とともに長波長側にシフトする。しかし共振器波長の温度変化量よりも、利得ピ
I (T) = I exp(T
T ) (2.32)
th th
0