光デバイス／半導体レーザ

４６．長波長系垂直共振器型面発光レーザ

　垂直共振器型の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は当初の予想に反してＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系で発光波長が0.85μｍ前後のものが先に実用化されました。予想では最初に低温パルス動作が確認されたＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系で発光波長が1.3～1.6μｍのものの方が素性がよさそうに思われていました。

　そう考えられた主な理由はＧａＡｓ系は非常に酸化されやすいＡｌを含むのに対し、ＩｎＰ系は酸化による劣化が少ないことです。酸化に関する問題自体は間違っていたわけではなく、今でも課題として残っています。ＩｎＰ系での成功が遅れたのは別の理由でした。

　ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系で最大の問題点は高い反射率をもつ多層膜反射鏡を実現するよい材料がないことでした。多層膜反射鏡は高屈折率材料の膜と低屈折率材料の膜を交互に積層して作りますが、高い反射率を得るには、２つの材料の屈折率はできるだけ違った方がよいのです。垂直共振器を作る場合、条件はこれだけでなく基板との格子整合がとれた組み合わせであることも必要です。ＧａＡｓ基板の場合にはＡｌＡｓ（またはＡｌＧａＡｓ）とＧａＡｓの組み合わせがありました。室温、波長0.9μｍでの屈折率はＧａＡｓが3.59、ＡｌＡｓが2.97とおよそ差が0.6あります。

　ＩｎＰ基板の場合これに匹敵するものが見当たりません。ＩｎＰとＧａ0.85Ｉｎ0.15Ａｓ0.65Ｐ0.35の組み合わせの場合（バンドギャップエネルギーが1.08ｅＶ程度に相当）、室温、波長1.3μｍでの屈折率は3.21と3.33程度で差は0.12とぐっと小さくなります。屈折率差が小さいと同じ反射率を得るためには、積み重ねる層の数を増やさなければなりませんので、作製が難しく時間も長くかかってしまいます。

　そこでいろいろな工夫がなされました。例えばＧａＡｓ基板に整合するＧａＩｎＰとＧａＡｓの組み合わせで屈折率差が0.3程度とれるとし、これを利用することが提案されました(1)。しかし活性層はＩｎＰ基板に格子整合したＧａＩｎＡｓＰですから同時に成長させるわけにいかず、別々に作って貼り合わせるというかなり苦しい手段が必要です。活性層の上側の反射鏡はもはや無理に半導体を使用する必要はなく、屈折率差の大きく取れる誘電体の多層膜を使用しています。具体的にはＳｉＯ2膜とＴｉＯ2膜を積層したものです。

　ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系のＶＣＳＥＬはこのように非常に実現が難しいものだということがわかりました。そこで比較的最近になって新たな提案がなされています。３２項で発光波長と材料の関係を説明した際、ＧａＩｎＮＡｓなど窒素を含む組成ではＧａＡｓと格子整合しかつ1.3μｍの発光が可能なバンドギャップエネルギーが得られるものがあることに触れました。そのときはこの波長帯はすでにＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎPという確立した材料系があるので、何か特別な利点でもないと使われないだろうと説明しています。

　この特別な理由が長波長帯ＶＣＳＥＬ実現のために、まさにあったのです。ＧａＡｓ基板に格子整合するならば、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓの反射鏡が使えるからです。

　ＩｎＰ系にはもうひとつ問題点がありました。それはＧａＡｓ系ではＡｌＡｓ層の選択的な酸化で電流を搾る電流狭窄層を容易に作ることができましたが、ＩｎＰ系ではこれもできません。この点もＧａＩｎＮＡｓ系なら同じようにＡｌＡｓ層を使うことができます。素子構造の例を図４６－１に示します。活性層はＧａ0.63Ｉｎ0.37Ｎ0.005Ａｓ0.995井戸層とＧａＡｓ障壁層からなる多重量子井戸層で他の層は以下の点を除いてＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系のＶＣＳＥＬと同様です。

　ただ問題がまったくないわけではありません。ＧａＩｎＮＡｓにはＡｌが拡散しやすくしかも拡散したＡｌは酸素を引き寄せやすい性質があります。活性層に酸素が入ると電子を捕らえる準位ができて発光をじゃまするのです。ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ反射鏡を使ったり、ＡｌＡｓ酸化層を使ったりするとこの問題が発生しやすくなります。反射鏡と活性層の間にＡｌを含まない層を入れたりする対策が必要になります。上記の例ではＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層（非発光再結合防止層という名前で呼んでいます）をスペーサの外側に挿入しています(2)。

　Ⅴ族に窒素ともう一つ（砒素かリン）の元素を含んだ４元系を使う方法以外にも長波長面発光レーザを実現する試みはいくつかあります。ＧａＡｓ基板系では活性層の量子井戸層にアンチモン（Ｓｂ）を含むＧａＡｓＳｂを歪みの入った層として用い、他の層はすべてＡｌＧａＡｓで構成した1.3μｍ帶ＶＣＳＥＬの例があります(3)。

　また全層をエピタキシャル成長するのは諦め、貼り合わせ技術を使った例もあります(4)。ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓＰ系で下部多層膜反射鏡から活性層量子井戸、上部クラッド層、さらには周囲の埋め込み層まで形成したものに、別に作製したＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系多層膜またはＴｉＯ２／ＳｉＯ２などの誘電体多層膜を上部反射鏡として貼り合わせた1.55μｍ帶ＶＣＳＥＬの例などがあります。

　このように1.3μｍや1.55μｍ帯のＶＣＳＥＬはまだ問題を抱え、決定的な構成ができるには至っていないようですが、入手できる製品もあります。次第に大規模な通信システムの光源として使われるようになってきそうです。

(1)特開平8-340146号

(2)特開2002-252405号

(3)特開2000-012971号

(4)特開2001-015394号

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