(57)【要約】      （修正有）【課題】光出力、静電放電による耐性、生産性を改善し、単一横モードで動作する面発光型半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】ＶＣＳＥＬ１０は、下部ＤＢＲ２２には、ＡｌＡｓ等の第１の被酸化Ａｌ含有層４０が形成され、上部ＤＢＲ２６には、ＡｌＡｓ等の第２の被酸化Ａｌ含有層５０が形成され、第１の被酸化Ａｌ含有層４０は、第２の被酸化Ａｌ含有層５０よりも活性領域から離れた位置にある。第１の被酸化Ａｌ含有層４０第１の非酸化領域４４の大きさは、第２の被酸化Ａｌ含有層５０の第２の非酸化領域５４の単一モード発振となる最大の大きさより大きく、かつ第１の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより小さく、第２の非酸化領域の大きさは、第２の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより大きく、第１の非酸化領域の大きさは、第２の非酸化領域の大きさと同等もしくはそれより大きい。【選択図】図１
2010114214.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、光を発する層を含む活性領域、および高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を備え、
第２の半導体多層膜反射鏡から第１の半導体多層膜反射鏡の少なくとも一部に至るまでメサ構造もしくはトレンチ構造が形成され、
第１の半導体多層膜反射鏡の内部には、第１の半導体多層膜反射鏡の高Ａｌ屈折率層よりもＡｌ組成が高い第１の被酸化Ａｌ含有層が形成され、
第２の半導体多層膜反射鏡の内部もしくは活性領域と第２の半導体多層膜反射鏡の間には、第２の半導体多層膜反射鏡の高Ａｌ屈折率層よりもＡｌ組成が高い第２の被酸化Ａｌ含有層が形成され、
第１の被酸化Ａｌ含有層は、第２の被酸化Ａｌ含有層よりも活性領域から離れた位置に形成され、
第１の被酸化Ａｌ含有層は、メサ側面から酸化された第１の酸化領域と当該第１の酸化領域によって囲まれた第１の非酸化領域を有し、
第２の被酸化Ａｌ含有層は、メサ側面から酸化された第２の酸化領域と当該第２の酸化領域によって囲まれた第２の非酸化領域を有し、
第１の非酸化領域の大きさは、第２の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより大きく、かつ第１の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより小さく、
第２の非酸化領域の大きさは、第２の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより大きく、
第１の非酸化領域の大きさは、第２の非酸化領域の大きさと同等もしくはそれより大きい、面発光型半導体レーザ素子。
【請求項２】
第１導電型はｎ型であり、第２導電型はｐ型である、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項３】
基板上に、高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、光を発する層を含む活性領域、高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を備え、
第２の半導体多層膜反射鏡から第１の半導体多層膜反射鏡の少なくとも一部に至るまでメサ構造もしくはトレンチ構造が形成され、
第１の半導体多層膜反射鏡内部もしくは活性領域と第１の半導体多層膜反射鏡の間には、第１の半導体多層膜反射鏡の高Ａｌ屈折率層よりもＡｌ組成が高い第１の被酸化Ａｌ含有層が形成され、
第２の半導体多層膜反射鏡の内部には、第２の半導体多層膜反射鏡の高Ａｌ屈折率層よりもＡｌ組成が高い第２の被酸化Ａｌ含有層が形成され、
第２の被酸化Ａｌ含有層は、第１の被酸化Ａｌ含有層よりも活性領域から離れた位置に形成され、
第１の被酸化Ａｌ含有層は、メサ側面から酸化された第１の酸化領域と当該第１の酸化領域によって囲まれた第１の非酸化領域を有し、
第２の被酸化Ａｌ含有層は、メサ側面から酸化された第２の酸化領域と当該第２の酸化領域によって囲まれた第２の非酸化領域を有し、
第１の非酸化領域の大きさは、第１の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより大きく、
第２の非酸化領域の大きさは、第１の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより大きく、かつ第２の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより小さく、
第２の非酸化領域の大きさは、第１の非酸化領域の大きさと同等もしくは大きい、面発光型半導体レーザ素子。
【請求項４】
第１導電型はｐ型であり、第２導電型はｎ型である、請求項３に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項５】
基板上に、高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、光を発する層を含む活性領域、および高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を備え、
少なくとも第２の半導体多層膜反射鏡にメサ構造もしくはトレンチ構造が形成され、
第２の半導体多層膜反射鏡の内部もしくは活性領域と第２の半導体多層膜反射鏡の間には、第２の半導体多層膜反射鏡の高Ａｌ屈折率層よりもＡｌ組成が高い第１および第２の被酸化Ａｌ含有層が形成され、
第１の被酸化Ａｌ含有層は、第２の被酸化Ａｌ含有層よりも活性領域から離れた位置に形成され、
第１の被酸化Ａｌ含有層は、メサ側面から酸化された第１の酸化領域と当該第１の酸化領域によって囲まれた第１の非酸化領域を有し、
第２の被酸化Ａｌ含有層は、メサ側面から酸化された第２の酸化領域と当該第２の酸化領域によって囲まれた第２の非酸化領域を有し、
第１の非酸化領域の大きさは、第２の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより大きく、かつ第１の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより小さく、
第２の非酸化領域の大きさは、第２の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより大きい、
面発光型半導体レーザ素子。
【請求項６】
第１導電型はｎ型であり、第２導電型はｐ型である、請求項５に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項７】
基板上に、高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、光を発する層を含む活性領域、高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を備え、
第２の半導体多層膜反射鏡から第１の半導体多層膜反射鏡の少なくとも一部に至るまでメサ構造もしくはトレンチ構造が形成され、
第１の半導体多層膜反射鏡の内部もしくは活性領域と第１の半導体多層膜反射鏡の間には、第１の半導体多層膜反射鏡の高Ａｌ屈折率層よりもＡｌ組成が高い第１および第２の被酸化Ａｌ含有層が形成され、
第２の被酸化Ａｌ含有層は、第１の被酸化Ａｌ含有層よりも活性領域から離れた位置に形成され、
第１の被酸化Ａｌ含有層は、メサ側面から酸化された第１の酸化領域と当該第１の酸化領域によって囲まれた第１の非酸化領域を有し、
第２の被酸化Ａｌ含有層は、メサ側面から酸化された第２の酸化領域と当該第２の酸化領域によって囲まれた第２の非酸化領域を有し、
第１の非酸化領域の大きさは、第１の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより大きく、
第２の非酸化領域の大きさは、第１の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより大きく、かつ第２の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより小さい、
面発光型半導体レーザ素子。
【請求項８】
第１導電型はｐ型であり、第２導電型はｎ型である、請求項７に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項９】
基板上に、高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、光を発する層を含む活性領域、高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第１導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を備え、
第２の半導体多層膜反射鏡から第１の半導体多層膜反射鏡の少なくとも一部に至るまでメサ構造もしくはトレンチ構造が形成され、
第１の半導体多層膜反射鏡の内部には、第１の半導体多層膜反射鏡の高Ａｌ屈折率層よりもＡｌ組成が高い被酸化Ａｌ含有層が形成され、
第１の半導体多層膜反射鏡の内部もしくは活性領域と第１の半導体多層膜反射鏡の間にはトンネル接合領域が形成され、
被酸化Ａｌ含有層は、トンネル接合領域よりも活性領域から離れた位置に形成され、
被酸化Ａｌ含有層は、メサ側面から酸化された酸化領域と当該酸化領域によって囲まれた非酸化領域を有し、
非酸化領域の大きさは、非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより小さい、面発光型半導体レーザ素子。
【請求項１０】
基板上に、高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、光を発する層を含む活性領域、高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第１導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を備え、
少なくとも第２の半導体多層膜反射鏡にメサ構造もしくはトレンチ構造が形成され、
第２の半導体多層膜反射鏡の内部には、第２の半導体多層膜反射鏡の高Ａｌ屈折率層よりもＡｌ組成が高い被酸化Ａｌ含有層が形成され、
第２の半導体多層膜反射鏡の内部もしくは活性領域と第２の半導体多層膜反射鏡の間にはトンネル接合領域が形成され、
被酸化Ａｌ含有層は、トンネル接合領域よりも活性領域から離れた位置に形成され、
被酸化Ａｌ含有層は、メサ側面から酸化された酸化領域と当該酸化領域によって囲まれた非酸化領域を有し、
非酸化領域の大きさは、非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより小さい、面発光型半導体レーザ素子。
【請求項１１】
第１導電型はｎ型であり、トンネル接合領域は、不純物濃度が高いｎ型のトンネル層と不純物濃度が高いｐ型のトンネル層を含む、請求項９または１０に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項１２】
基板上に、高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、および高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を形成し、かつ、第１および第２の半導体多層膜反射鏡の高Ａｌ屈折率層よりもＡｌ組成が高く、膜厚および組成が同一の第１および第２の被酸化Ａｌ含有層を、第１の被酸化Ａｌ含有層が第２のＡｌ含有層よりも活性領域から離れた位置になるように基板上に形成するステップと、
少なくとも第１および第２の被酸化Ａｌ含有層の側面が露出するように基板上にメサ構造もしくはトレンチ構造を形成するステップと、
第１および第２の被酸化Ａｌ含有層をメサ側面から酸化させ、第１および第２の被酸化Ａｌ含有層内に第１および第２の非酸化領域を形成するステップとを含み、
第２の非酸化領域の大きさは、第２の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより大きく、
第１の非酸化領域の大きさは、第２の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより大きく、かつ第１の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより小さく、
第１の非酸化領域の大きさは、第２の非酸化領域の大きさと同等もしくはそれより大きい、
面発光型半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項１ないし１１いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ素子と、面発光型半導体レーザ素子の出射面に形成された電極と電気的に接続される接続部材と、面発光型半導体レーザ素子の出射面に対向するように入射面が配置され、入射面から入射された光を伝送する光ファイバとを有する光伝送装置であって、
面発光型半導体レーザ素子の出射面の開口径をＤ、面発光型半導体レーザ素子の出射面と光ファイバの入射面の距離をｈ、面発光型半導体レーザ素子の出射光の最大の広がり角を２θ、光ファイバのコア径をｄとしたとき、
ｄ＞Ｄ＋（２×ｈ×tanθ）の関係が成立する、光伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光型半導体レーザ素子、面発光型半導体レーザ素子の製造方法、および光伝送装置。
【背景技術】
【０００２】
電子記録装置または光通信分野等において、面発光型半導体レーザ素子（以下、ＶＣＳＥＬという）が光源に利用されている。ＶＣＳＥＬは、基板上に、活性領域を挟むように上下の半導体ミラー層を形成し、基板から垂直方向にレーザ光を出射する。選択酸化型のＶＣＳＥＬでは、活性領域の近傍に、電流狭窄および光閉じ込めを行うための酸化制御層を形成し、酸化制御層の酸化アパーチャー径を小さくすることで、ＶＣＳＥＬを単一横モードで動作させている。単一横モードを得るためには、酸化アパーチャー径を３ミクロン程度に小さくしなければならないため、このようなＶＣＳＥＬにとっては、光出力、静電放電耐性（ESD）を向上させ、抵抗値、放熱性を下げ、寿命を延ばし、かつ生産性を向上させることが望まれている。
【０００３】
ＶＣＳＥＬにおいて、酸化制御層が果たす役割は重要であり、これについての報告が数多く成されている。特許文献１は、２つの酸化層をＶＣＳＥＬ内に形成するものであり、一方を正孔狭窄層、他方を高次横モード抑制層に用い、高次横モード抑制層の非酸化領域の面積を、正孔狭窄層の非酸化領域の面積よりも相対的に小さくする技術を開示している。
【０００４】
特許文献２は、上部ＤＢＲに２層の酸化層(電流狭窄層)を離して形成し、上部電流狭窄層の電流注入領域を下部電流狭窄層の電流注入領域よりも小さくしている。特許文献３は、活性層に近い位置に電流狭窄用酸化層を形成し、電流狭窄用酸化層より活性層から離れた位置に膜厚が厚い光狭窄用酸化層を形成し、光狭窄用酸化層の開口を電流狭窄層酸化層の開口よりも大きくしている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２５３４０８号
【特許文献２】特開２００４-２８８９０２号
【特許文献３】特開平１１−４０４０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、光出力、静電放電による耐性、生産性を改善し、単一横モードで動作する面発光型半導体レーザ素子、面発光型半導体レーザ素子の製造方法および光結合効率を改善した光伝送装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の面発光型半導体レーザ素子は、基板上に、高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、光を発する層を含む活性領域、および高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を備え、第２の半導体多層膜反射鏡から第１の半導体多層膜反射鏡の少なくとも一部に至るまでメサ構造もしくはトレンチ構造が形成され、第１の半導体多層膜反射鏡の内部には、第１の半導体多層膜反射鏡の高Ａｌ屈折率層よりもＡｌ組成が高い第１の被酸化Ａｌ含有層が形成され、第２の半導体多層膜反射鏡の内部もしくは活性領域と第２の半導体多層膜反射鏡の間には、第２の半導体多層膜反射鏡の高Ａｌ屈折率層よりもＡｌ組成が高い第２の被酸化Ａｌ含有層が形成され、第１の被酸化Ａｌ含有層は、第２の被酸化Ａｌ含有層よりも活性領域から離れた位置に形成され、第１の被酸化Ａｌ含有層は、メサ側面から酸化された第１の酸化領域と当該第１の酸化領域によって囲まれた第１の非酸化領域を有し、第２の被酸化Ａｌ含有層は、メサ側面から酸化された第２の酸化領域と当該第２の酸化領域によって囲まれた第２の非酸化領域を有し、第１の非酸化領域の大きさは、第２の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより大きく、かつ第１の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより小さく、第２の非酸化領域の大きさは、第２の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより大きく、第１の非酸化領域の大きさは、第２の非酸化領域の大きさと同等もしくはそれより大きい。
請求項２において、第１導電型はｎ型であり、第２導電型はｐ型である。
請求項３に記載の面発光型半導体レーザ素子は、基板上に、高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、光を発する層を含む活性領域、高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を備え、第２の半導体多層膜反射鏡から第１の半導体多層膜反射鏡の少なくとも一部に至るまでメサ構造もしくはトレンチ構造が形成され、第１の半導体多層膜反射鏡内部もしくは活性領域と第１の半導体多層膜反射鏡の間には、第１の半導体多層膜反射鏡の高Ａｌ屈折率層よりもＡｌ組成が高い第１の被酸化Ａｌ含有層が形成され、第２の半導体多層膜反射鏡の内部には、第２の半導体多層膜反射鏡の高Ａｌ屈折率層よりもＡｌ組成が高い第２の被酸化Ａｌ含有層が形成され、第２の被酸化Ａｌ含有層は、第１の被酸化Ａｌ含有層よりも活性領域から離れた位置に形成され、第１の被酸化Ａｌ含有層は、メサ側面から酸化された第１の酸化領域と当該第１の酸化領域によって囲まれた第１の非酸化領域を有し、第２の被酸化Ａｌ含有層は、メサ側面から酸化された第２の酸化領域と当該第２の酸化領域によって囲まれた第２の非酸化領域を有し、第１の非酸化領域の大きさは、第１の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより大きく、第２の非酸化領域の大きさは、第１の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより大きく、かつ第２の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより小さく、第２の非酸化領域の大きさは、第１の非酸化領域の大きさと同等もしくは大きい。
請求項４において、第１導電型はｐ型であり、第２導電型はｎ型である。
請求項５に記載の面発光型半導体レーザ素子は、基板上に、高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、光を発する層を含む活性領域、および高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を備え、少なくとも第２の半導体多層膜反射鏡にメサ構造もしくはトレンチ構造が形成され、第２の半導体多層膜反射鏡の内部もしくは活性領域と第２の半導体多層膜反射鏡の間には、第２の半導体多層膜反射鏡の高Ａｌ屈折率層よりもＡｌ組成が高い第１および第２の被酸化Ａｌ含有層が形成され、第１の被酸化Ａｌ含有層は、第２の被酸化Ａｌ含有層よりも活性領域から離れた位置に形成され、第１の被酸化Ａｌ含有層は、メサ側面から酸化された第１の酸化領域と当該第１の酸化領域によって囲まれた第１の非酸化領域を有し、第２の被酸化Ａｌ含有層は、メサ側面から酸化された第２の酸化領域と当該第２の酸化領域によって囲まれた第２の非酸化領域を有し、第１の非酸化領域の大きさは、第２の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより大きく、かつ第１の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより小さく、第２の非酸化領域の大きさは、第２の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより大きい。
請求項６において、第１導電型はｎ型であり、第２導電型はｐ型である。
請求項７に記載の面発光型半導体レーザ素子は、基板上に、高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、光を発する層を含む活性領域、高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を備え、第２の半導体多層膜反射鏡から第１の半導体多層膜反射鏡の少なくとも一部に至るまでメサ構造もしくはトレンチ構造が形成され、第１の半導体多層膜反射鏡の内部もしくは活性領域と第１の半導体多層膜反射鏡の間には、第１の半導体多層膜反射鏡の高Ａｌ屈折率層よりもＡｌ組成が高い第１および第２の被酸化Ａｌ含有層が形成され、第２の被酸化Ａｌ含有層は、第１の被酸化Ａｌ含有層よりも活性領域から離れた位置に形成され、第１の被酸化Ａｌ含有層は、メサ側面から酸化された第１の酸化領域と当該第１の酸化領域によって囲まれた第１の非酸化領域を有し、第２の被酸化Ａｌ含有層は、メサ側面から酸化された第２の酸化領域と当該第２の酸化領域によって囲まれた第２の非酸化領域を有し、第１の非酸化領域の大きさは、第１の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより大きく、第２の非酸化領域の大きさは、第１の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより大きく、かつ第２の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより小さい。
請求項８において、第１導電型はｐ型であり、第２導電型はｎ型である。
請求項９に記載の面発光型半導体レーザ素子は、基板上に、高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、光を発する層を含む活性領域、高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第１導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を備え、第２の半導体多層膜反射鏡から第１の半導体多層膜反射鏡の少なくとも一部に至るまでメサ構造もしくはトレンチ構造が形成され、第１の半導体多層膜反射鏡の内部には、第１の半導体多層膜反射鏡の高Ａｌ屈折率層よりもＡｌ組成が高い被酸化Ａｌ含有層が形成され、第１の半導体多層膜反射鏡の内部もしくは活性領域と第１の半導体多層膜反射鏡の間にはトンネル接合領域が形成され、被酸化Ａｌ含有層は、トンネル接合領域よりも活性領域から離れた位置に形成され、被酸化Ａｌ含有層は、メサ側面から酸化された酸化領域と当該酸化領域によって囲まれた非酸化領域を有し、非酸化領域の大きさは、非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより小さい。
請求項１０に記載の面発光型半導体レーザ素子は、基板上に、高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、光を発する層を含む活性領域、高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第１導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を備え、少なくとも第２の半導体多層膜反射鏡にメサ構造もしくはトレンチ構造が形成され、第２の半導体多層膜反射鏡の内部には、第２の半導体多層膜反射鏡の高Ａｌ屈折率層よりもＡｌ組成が高い被酸化Ａｌ含有層が形成され、第２の半導体多層膜反射鏡の内部もしくは活性領域と第２の半導体多層膜反射鏡の間にはトンネル接合領域が形成され、被酸化Ａｌ含有層は、トンネル接合領域よりも活性領域から離れた位置に形成され、被酸化Ａｌ含有層は、メサ側面から酸化された酸化領域と当該酸化領域によって囲まれた非酸化領域を有し、非酸化領域の大きさは、非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより小さい。
請求項１１において、第１導電型はｎ型であり、トンネル接合領域は、不純物濃度が高いｎ型のトンネル層と不純物濃度が高いｐ型のトンネル層を含む。
請求項１２に記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法は、基板上に、高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、および高いＡｌ組成の高Ａｌ屈折率層と当該高Ａｌ屈折率層よりＡｌ組成の低い低Ａｌ屈折率層の積層構造を含む第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を形成し、かつ、第１および第２の半導体多層膜反射鏡の高Ａｌ屈折率層よりもＡｌ組成が高く、膜厚および組成が同一の第１および第２の被酸化Ａｌ含有層を、第１の被酸化Ａｌ含有層が第２のＡｌ含有層よりも活性領域から離れた位置になるように基板上に形成するステップと、少なくとも第１および第２の被酸化Ａｌ含有層の側面が露出するように基板上にメサ構造もしくはトレンチ構造を形成するステップと、第１および第２の被酸化Ａｌ含有層をメサ側面から酸化させ、第１および第２の被酸化Ａｌ含有層内に第１および第２の非酸化領域を形成するステップとを含み、第２の非酸化領域の大きさは、第２の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより大きく、第１の非酸化領域の大きさは、第２の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより大きく、かつ第１の非酸化領域の単一モード発振となる最大の大きさより小さく、第１の非酸化領域の大きさは、第２の非酸化領域の大きさと同等もしくはそれより大きい。
請求項１３に記載の光伝送装置は、請求項１ないし１１いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ素子と、面発光型半導体レーザ素子の出射面に形成された電極と電気的に接続される接続部材と、面発光型半導体レーザ素子の出射面に対向するように入射面が配置され、入射面から入射された光を伝送する光ファイバとを有するものであって、面発光型半導体レーザ素子の出射面の開口径をＤ、面発光型半導体レーザ素子の出射面と光ファイバの入射面の距離をｈ、面発光型半導体レーザ素子の出射光の最大の広がり角を２θ、光ファイバのコア径をｄとしたとき、ｄ＞Ｄ＋（２×ｈ×tanθ）の関係が成立する。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１によれば、２つの非酸化領域を備えた構成において、本構成を有しない場合と比べ、光出力、生産性、静電放電耐圧を向上することができる。
請求項２によれば、本構成を有しない場合と比べ素子の低抵抗化を図ることができる。
請求項３によれば、２つの非酸化領域を備えた構成において、本構成を有しない場合と比べ、光出力、生産性、静電放電耐圧を向上することができる。
請求項４によれば、本構成を有しない場合と比べ素子の低抵抗化を図ることができる。
請求項５によれば、２つの非酸化領域を備えた構成において、本構成を有しない場合と比べ、光出力、生産性、静電放電耐圧を向上することができる。
請求項６によれば、本構成を有しない場合と比べ素子の低抵抗化を図ることができる。
請求項７によれば、２つの非酸化領域を備えた構成において、本構成を有しない場合と比べ、光出力、生産性、静電放電耐圧を向上することができる。
請求項８によれば、本構成を有しない場合と比べ素子の低抵抗化を図ることができる。
請求項９によれば、非酸化領域およびトンネル接合領域を備えた構成において、本構成を有しない場合と比べ、光出力、生産性、静電放電耐圧を向上することができる。
請求項１０によれば、非酸化領域およびトンネル接合領域を備えた構成において、本構成を有しない場合と比べ、光出力、生産性、静電放電耐圧を向上することができる。
請求項１１によれば、本構成を有しない場合と比べ低抵抗化を図ることができる。
請求項１２によれば、２つの非酸化領域を備えた構成において、本構成を有しない場合と比べ、生産性を向上することができる。
請求項１３によれば、本構成を有しない場合と比べ、構造を簡素化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して詳細に説明する。なお、図面は、発明の特徴部分を分かり易く説明するために誇張され、必ずしも実際のＶＣＳＥＬのスケールと一致しないことに留意すべきである。
【実施例】
【００１０】
図１は、本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの模式的な構成を示す断面図である。本実施例に係るＶＣＳＥＬ１０は、ｎ型のＧａＡｓ基板２０と、基板上に積層された半導体多層膜反射鏡を構成するｎ型の下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector:分布ブラッグ型反射鏡）２２と、光を発する層を含む活性領域２４と、半導体多層膜反射鏡を構成するｐ型の上部ＤＢＲ２６と、上部ＤＢＲ２６の頂部に形成された環状のｐ側電極２８と、基板２０の裏面に形成されたｎ側電極３０と、上部ＤＢＲ２６から下部ＤＢＲ２２の一部に至るメサ構造の周囲を覆う絶縁体３２と、絶縁体３２上を延在しｐ側電極２８に接続された金属配線３４とを含んで構成される。金属配線３４は、図示しない電極パッドに接続され、電極パッドにはボンディングワイヤ等が接続される。ｐ側電極２８とｎ側電極３０間に順方向バイアスの駆動電流を印加することで、８５０ｎｍの波長のシングルモードのレーザ光が、ｐ側電極２８の開口２８Ａから基板と垂直方向に出射される。
【００１１】
下部ＤＢＲ２２は、Ａｌ組成の高いｎ型のＡｌＧａＡｓ層とＡｌ組成の低いｎ型のＡｌＧａＡｓ層とを対にした層を複数対積層している。例えば、下部ＤＢＲ２２は、キャリア濃度２×１０18cm-3のＡｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に３７．５周期積層している。
【００１２】
また、下部ＤＢＲ２２内には、光閉じ込め機能の役割を果たす第１の被酸化Ａｌ含有層４０が形成されている。第１の被酸化Ａｌ含有層４０は、例えば、ｎ型のＡｌＡｓ層またはＡｌＧａＡｓ層から構成されるが、このＡｌ組成は、下部ＤＢＲ２２のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層のＡｌ組成よりも高く、膜厚は、２０ないし３０ｎｍ程度である。
【００１３】
活性領域２４は、例えば、アンドープ下部Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓスぺーサー層と、アンドープ量子井戸活性層(膜厚７０ｎｍＧａＡｓ量子井戸層３層と膜厚５０ｎｍＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ障壁層４層とで構成されている)と、アンドープ上部Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓスぺーサー層とから構成される。活性領域２４の膜厚は媒質内波長である。
【００１４】
上部ＤＢＲ２６は、Ａｌ組成の高いｐ型のＡｌＧａＡｓ層とＡｌ組成の低いｐ型のＡｌＧａＡｓ層とを対にした層を複数対積層している。上部ＤＢＲ２６は、例えば、キャリア濃度２×１０18cm-3のＡｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に２６周期積層し、最上層のコンタクト層は、キャリア濃度１×１０19cm-3、膜厚が２０ｎｍ程度のｐ型ＧａＡｓ層である。
【００１５】
また、上部ＤＢＲ２６内には、電流狭窄機能の役割を果たす第２の被酸化Ａｌ含有層５０が形成されている。第２の被酸化Ａｌ含有層５０は、例えば、ｐ型のＡｌＡｓ層またはＡｌＧａＡｓ層から構成されるが、第２の被酸化Ａｌ含有層５０のＡｌ組成は、上部ＤＢＲ２６のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層のＡｌ組成よりも高く、２０ないし３０ｎｍ程度である。
【００１６】
上部ＤＢＲ２６から下部ＤＢＲ２２の一部に至るまで、半導体層をエッチングすることにより、円柱状または円錐状のメサ構造、トレンチ構造またはポスト構造が形成される。メサ構造は、少なくとも第１および第２の被酸化Ａｌ含有層４０、５０の側面を露出させ、酸化工程において、第１および第２の被酸化Ａｌ含有層４０、５０をメサ側面から一定距離だけ酸化させる。これにより、第１の被酸化Ａｌ含有層４０は、メサ側面から酸化された環状の酸化領域４２と酸化領域４２によって包囲された非酸化領域４４（すなわち、ｎ型の導電領域からなる酸化アパーチャー）を有し、第２の被酸化Ａｌ含有層５０は、上部ＤＢＲ２６内に、メサ側面から酸化された環状の酸化領域５２と酸化領域５２によって包囲された非酸化領域５４（すなわち、ｐ型の導電領域からなる酸化アパーチャー）を有する。非酸化領域４４、５４を平面的に見た形状は、メサの外形を反映した円形となる。
【００１７】
当業者にとっては明らかなように、第１および第２の被酸化Ａｌ含有層４０と５０の組成および膜厚が同じであれば、第１および第２の被酸化Ａｌ含有層のメサ側面からの酸化距離は等しくなる。従って、メサ内の第１および第２の被酸化Ａｌ含有層の外径が等しければ、酸化領域４２、５２の平面的に見た面積は等しく、非酸化領域４４、５４のそれぞれのアパーチャー径は等しい。メサが円錐状に形成され、第１の被酸化Ａｌ含有層４０の外径が第２の非酸化Ａｌ含有層５０の外径よりも大きいとき、酸化領域４２、５２の酸化距離は等しいが、第１の被酸化Ａｌ含有層４０の非酸化領域４４のアパーチャー径は、第２の被酸化Ａｌ含有層５０の非酸化領域５４のアパーチャー径よりも大きくなる。また、第１および第２の被酸化Ａｌ含有層のそれぞれの膜厚および組成を異ならせれば、同じ酸化条件で酸化しても、第１および第２の被酸化Ａｌ含有層の酸化距離をそれぞれ個別に制御することができる。
【００１８】
メサ構造の頂部、すなわちＶＣＳＥＬの出射面には、ｐ側電極２８が形成される。ｐ側電極２８は、レーザ光を出射するための円形状の開口２８Ａが形成され、開口２８Ａの中心は、第１および第２の被酸化Ａｌ含有層の非酸化領域４４、５４の中心に一致し、これらの中心は、ＶＣＳＥＬの光軸に一致する。開口２８Ａの大きさは、好ましくは、非酸化領域４４、５４のアパーチャー径よりも大きい。
【００１９】
次に、本実施例のＶＣＳＥＬに形成される被酸化Ａｌ含有層について説明する。図２は、８５０ｎｍのＶＣＳＥＬのシングルモード条件の理論計算を等価屈折率法により算出したグラフである。横軸は、活性領域から被酸化Ａｌ含有層までの距離であり、数値０、１、２、・・・１３は、活性領域と被酸化Ａｌ含有層との間に存在するＤＢＲのペアの数（高Ａｌ組成層と低Ａｌ組成層を１ペアとする）を示している。従って、ペア０は、被酸化Ａｌ含有層が活性領域に隣接して形成されたことを示す。左側の縦軸は、シングルモードを得るための最大の酸化アパーチャー径（μｍ）である。右側の縦軸は、酸化層（被酸化Ａｌ含有層）に影響を受ける光量（％）である。
【００２０】
図２に示す曲線Ｓ１は、被酸化Ａｌ含有層位置と酸化アパーチャー径との関係を示し、曲線Ｓ２は、被酸化Ａｌ含有層位置と酸化層に影響を受ける光量との関係を示している。曲線Ｓ１を見ると、例えば、被酸化Ａｌ含有層が活性領域に隣接して形成されるとき（ペア数０）、シングルモードを得るための被酸化Ａｌ含有層の酸化アパーチャー径は最大で３ミクロンである。つまり、酸化アパーチャーの径は、３ミクロン以下であれば、シングルモードを得ることができ、それよりも大きければ、マルチモードとなる。曲線Ｓ１から分かるように、被酸化Ａｌ含有層の位置が活性領域から離れるに従い、シングルモードを得るための最大の酸化アパーチャー径は大きくなる。
【００２１】
他方、曲線Ｓ２を見ると、被酸化Ａｌ含有層が活性領域に隣接して形成されるとき（ペア数０）、酸化層に影響を受ける光量はおおよそ１００％である。これは、活性領域での光出力が最も大きくなるためである。そして、被酸化Ａｌ含有層が活性領域から離れるに従い、酸化層に影響を受ける光量は漸次減少する。
【００２２】
本実施例のＶＣＳＥＬでは、電流狭窄用の被酸化Ａｌ含有層と光閉じ込め用の被酸化Ａｌ含有層をそれぞれ別個にＶＣＳＥＬの垂直共振器内に形成する。そして、本実施例の光閉じ込め用の被酸化Ａｌ含有層は、図２に示す理論に基づき形成される。被酸化Ａｌ含有層の酸化アパーチャー径は、酸化を制御することによって形成されるが、その径が小さくなればなるほど、酸化制御が難しく、酸化アパーチャーの再現性が悪くなり、生産性が低下する。酸化アパーチャー径を大きくすることができれば、酸化制御が容易となり、酸化アパーチャーの再現性が良くなり、生産性が向上し、さらに、ＥＳＤ耐圧も向上する。ＥＳＤ耐圧は、酸化アパーチャー径または面積に比例するからである。
【００２３】
光閉じ込め用の被酸化Ａｌ含有層を活性領域から離すことによって、光閉じ込めの機能が果たされるが、この層は、電流狭窄としての機能を十分に果たすものではない。すなわち、ｐ側電極２８から注入された正孔またはｎ側電極３０から注入された電子は、上部ＤＢＲおよび下部ＤＢＲ内で横方向に拡散する。被酸化Ａｌ含有層が活性領域から離れた位置にあれば、これらのキャリアは狭窄されず、キャリアが活性領域２４に効果的に注入されず、結合効率が不十分となり、発振しきい値の上昇や発熱が生じてしまう。このため、本実施例のＶＣＳＥＬでは、電流狭窄用の被酸化ＡＬ含有層を活性領域に近い位置、少なくとも光閉じ込め用の被酸化Ａｌ含有層の活性領域からの距離よりも近い位置に形成する。
【００２４】
また、ＶＣＳＥＬの生産性という観点からは、２つの被酸化Ａｌ含有層の酸化アパーチャー径は、それぞれが３ミクロンよりも大きいことが望ましく、さらには、２つの被酸化ＡＬ含有層の組成および膜厚を同一にすることで、同一の酸化領域を形成することが望ましい。
【００２５】
再び図１を参照すると、第１の被酸化Ａｌ含有層４０は、ｎ型の下部ＤＢＲ２２内に形成され、活性領域２４から比較的離れた位置に形成される。第１の被酸化Ａｌ含有層４０の酸化アパーチャー径（非酸化領域４４の径）は、曲線Ｓ１に従い形成され、例えば、活性領域２４からペア数１０の位置に形成されたとき、酸化アパーチャーの径は、シングルモードを得るための最大径である約１２ミクロンの大きさにすることができる。
【００２６】
他方、第２の被酸化Ａｌ含有層５０は、ｐ型の上部ＤＢＲ２６内の活性領域２４から比較的近い位置、または上部ＤＢＲ２６と活性領域２４の間に形成される。第２の被酸化Ａｌ含有層５０の酸化アパーチャー径（非酸化領域５４の径）は、電流狭窄に適した大きさを選択することができる。例えば、第２の被酸化Ａｌ含有層５０が上部ＤＢＲ２６と活性領域２４との間に形成されるとき、酸化アパーチャーの径は、シングルモードを得るための最大の酸化アパーチャーの径である３ミクロンよりも大きくすることができ、例えば、第１の被酸化Ａｌ含有層４０の酸化アパーチャー径と同じ１２ミクロンとすることができる。
【００２７】
次に、本発明の第２の実施例のＶＣＳＥＬの構成を図３に示す。第２の実施例のＶＣＳＥＬ１０Ａは、第１の実施例のＶＣＳＥＬと基本的な構成は同じであるが、基板の導電型が反対である。すなわち、ＶＣＳＥＬ１０Ａは、図３に示すように、ｐ型のＧａＡｓ基板２０と、ｐ型の下部ＤＢＲ２２と、活性領域２４と、ｎ型の上部ＤＢＲ２６と、上部ＤＢＲと電気的に接続される環状のｎ側電極２８と、基板裏面に形成されるｐ側電極３０とを備えている。ＤＢＲ等の構成は、第１の実施例のときと同様である。
【００２８】
第１および第２の被酸化Ａｌ含有層４０Ａ、５０Ａは、第１の実施例のときと同様に、ｐ型またはｎ型のＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓから構成され、その膜厚は、２０ないし３０ｎｍ程度である。第１の被酸化Ａｌ含有層４０Ａは、ｐ型の下部ＤＢＲ２２内に形成されるか、下部ＤＢＲ２２と活性領域２４との間に形成され、この層は、電流狭窄として機能する。第１の被酸化Ａｌ含有層４０Ａは、メサ外形を反映した環状の酸化領域４２Ａとそれによって囲まれたｐ型の非酸化領域（酸化アパーチャー）４４Ａとを有する。
【００２９】
第２の被酸化Ａｌ含有層５０Ａは、ｎ型の上部ＤＢＲ２６内に活性領域２４から比較的離れた位置に形成され、環状の酸化領域５２Ａとそれによって囲まれたｎ型の非酸化領域（酸化アパーチャー）５４Ａとを有する。第２の被酸化Ａｌ含有層５０Ａは、光閉じ込めとして機能し、酸化アパーチャー径は、図２に示す曲線Ｓ１に従い形成される。
【００３０】
第２の実施例では、ｐ型の上部ＤＢＲ２６内に形成される第２の被酸化Ａｌ含有層５０Ａの酸化アパーチャー径を大きくするため、電子よりも移動度が遅い正孔の移動の障壁が緩和され、素子の低抵抗化を図ることができる。
【００３１】
次に、本発明の第３の実施例に係るＶＣＳＥＬの構成を図４に示す。第３の実施例に係るＶＣＳＥＬ１０Ｂは、ｎ型のＧａＡｓ基板２０上にｎ型の下部ＤＢＲ２２、活性領域２４およびｐ型の上部ＤＢＲ２６を含んでいる。第１の被酸化Ａｌ含有層４０Ｂは、活性領域２４と上部ＤＢＲ２６の間または上部ＤＢＲ２６の活性領域２４に近い位置に形成され、電流狭窄として機能する。第２の被酸化Ａｌ含有層５０Ｂは、第１の被酸化Ａｌ含有層４０Ｂよりも活性領域２４から離れた上部ＤＢＲ２６内に形成され、光閉じ込めとして機能する。第１および第２の被酸化Ａｌ含有層４０Ｂ、５０Ｂは、上記実施例と同様にｐ型のＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓから構成される。第３の実施例では、第１および第２の被酸化Ａｌ含有層４０Ｂ、５０Ｂが活性領域２４より上方に形成されるため、この場合、メサ構造は少なくとも上部ＤＢＲに形成すればよい。好ましくは非酸化領域５４Ｂの大きさは、非酸化領域４０Ｂの大きさと同等もしくはそれより大きくすることができる。また、第３の実施例の変形として、ＧａＡｓ基板がｐ型であるとき、ｐ型の下部ＤＢＲ２２、活性領域２４およびｎ型の上部ＤＢＲ２６を形成し、下部ＤＢＲ２２内に第１および第２の被酸化Ａｌ含有層を形成することができる。活性領域に近い方第１の被酸化Ａｌ含有層が電流狭窄として機能し、遠い方の第２の被酸化Ａｌ含有層が光閉じ込めとして機能する。非酸化領域５４Ｂの大きさを、非酸化領域４０Ｂの大きさと同等もしくはそれより大きくすることができる。
【００３２】
次に、本発明の第４の実施例に係るＶＣＳＥＬの構成を図５に示す。第５の実施例に係るＶＣＳＥＬ１０Ｃは、ｎ型のＧａＡｓ基板２０上に、ｎ型の下部ＤＢＲ２２、活性領域２４、ｎ型の上部ＤＢＲ２６を含んで構成される。上部ＤＢＲ２６と活性領域２４の間または上部ＤＢＲ２６内にトンネル接合領域６０が形成され、さらにトンネル接合領域６０よりも活性領域から離れた位置に被酸化Ａｌ含有層４０Ｃが形成される。トンネル接合領域６０は、電流狭窄として機能し、被酸化Ａｌ含有層４０Ｃは、光閉じ込めとして機能する。
【００３３】
トンネル接合領域６０は、図６に示すように、ｐ型のＧａＡｓ層６２と、その上にｎ型のＧａＡｓ層６４とを含んでいる。さらに、ｎ型のＧａＡｓ層６４には、ｐ型のＧａＡｓ層６２と接合する高不純物濃度のｐ＋のＧａＡｓＳｂからなるトンネル層６６とこれに接合する高不純物濃度のｎ＋のＩｎＧａＡｓからなるトンネル層６８が形成されている。トンネル層６６、６８は、あたかも酸化アパーチャーが電流狭窄として機能するように、トンネル効果によってトンネル層６６、６８にのみに電流を流す。トンネル層６６、６８は、光軸に対して垂直方向に一定の直径で円形に形成される。トンネル層６６、６８の不純物濃度は、１９乗ないし２０乗のオーダーであり、通常のＤＢＲのドーピングレベル(１７乗ないし１８乗)よりも高い。
【００３４】
トンネル接合領域６０の製造方法は、ＧａＡｓ層６２上に、結晶成長によって、ｐ＋のＧａＡｓＳｂ層とｎ＋のＩｎＧａＡｓ層を成長させた後、エッチングによってＧａＡｓＳｂ層とＩｎＧａＡｓ層をエッチングし、トンネル電流が流れる領域のみトンネル層を残す。エッチングされるのは、ＧａＡｓＳｂ層とＩｎＧａＡｓ層のみである。その後、その上にＧａＡｓ層６４を再結晶成長によって形成し、上部ＤＢＲを形成する。
【００３５】
好ましい例として、活性層は、厚さ８ｎｍ、Ｉｎ組成３６％のＧａＩｎＡｓ３層量子井戸、バリア層は２５ｎｍのＧａＡｓ層とし、活性層とバリア層の両側のスペーサ層は、上記の活性層とバリア層を含んで発振波長(λ)と同じとなるような膜厚としたｉ−ＧａＡｓ層とする。その上部にはさらにｐ−ＧａＡｓ層、ｎ−ＧａＡｓ層が１／４λの膜厚で存在し、ｐ-ＧａＡｓ層、ｎ-ＧａＡｓ層の界面には、図６に示すように、ｎ＋のＩｎ0.16ＧａＡｓ層とｐ＋のＧａＡｓＳｂ0.12層(トンネル層)が形成される。トンネル層６６、６８の膜厚はそれぞれ１２．５ｎｍ、９．５ｎｍであり、トンネル層の径は５ないし１２μｍである。さらに上部には。ｎのＡｌ0.8ＧａＡｓ／ＧａＡｓＤＢＲが２０ペア形成され、基板と活性層下のスペーサ層との間にはｎのＡｌ0.8ＧａＡｓ／ＧａＡｓＤＢＲが３５ペア形成される。上部ＤＢＲ内には、酸化狭窄層が存在し、狭窄径は５〜１２ｕｍである。なお、本構造は、１．２μｍ帯の波長のＶＣＳＥＬに適用される。
【００３６】
次に、本発明の第５の実施例に係るＶＣＳＥＬの構成を図７に示す。第５の実施例のＶＣＳＥＬ１０Ｄは、第４の実施例のＶＣＳＥＬの変形であり、トンネル接合領域６０Ａと被酸化Ａｌ含有層４０Ｄが下部ＤＢＲ２２側に形成されている。すなわち、ＶＣＳＥＬ１０Ｄは、ｎ型のＧａＡｓ基板、ｎ型の下部ＤＢＲ２２、活性領域２４、ｎ型の上部ＤＢＲ２６を含んで構成される。トンネル接合領域６０Ａは、下部ＤＢＲ２２と活性領域２４の間か下部ＤＢＲ２２内に形成され、電流狭窄として機能する。被酸化Ａｌ含有層４０Ｄは、トンネル接合領域６０Ａよりも活性領域２４から離れた位置に形成され、光閉じ込めを行う。
【００３７】
トンネル接合領域６０Ａは、図８に示すように、ｎ型のＧａＡｓ層６２Ａと、その上に形成されたｐ型のＡｌＧａＡｓ層６４Ａとを有し、ｎ型のＧａＡｓ層６４Ａにはさらに、ｎ＋のＩｎＧａＡｓからなるトンネル層６６Ａと、その上にｐ＋のＧａＡｓＳｂからなるトンネル層６８Ａが形成されている。トンネル層６６Ａ、６８Ａは、被酸化Ａｌ含有層４０Ｄの酸化アパーチャー４４Ｄと一致する光軸上に狭窄径を有する。
【００３８】
次に、本発明の第１の実施例係るＶＣＳＥＬの製造方法について説明する。先ず、図９に示すように、有機金属気相成長(ＭＯＣＶＤ)法により、ｎ型ＧａＡｓ基板２０上に、キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3、膜厚０．２μｍ程度のｎ型ＧａＡｓバッファ層を積層し、その上にキャリア濃度２×１０18ｃｍ-3のＡｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に３７．５周期のｎ型の下部ＤＢＲ２２を積層する。その上に、アンドープ下部Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓスぺーサー層とアンドープ量子井戸活性層(膜厚７０ｎｍＧａＡｓ量子井戸層３層と膜厚５０ｎｍＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ障壁層４層とで構成されている)とアンドープ上部Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓスぺーサー層とで構成された膜厚が媒質内波長となる活性領域２４を積層し、その上にキャリア濃度が２×１０18ｃｍ-3のｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に２６周期のｐ型の上部ＤＢＲ２６を積層する。また、下部ＤＢＲ２２の所定の位置には、第１の被酸化Ａｌ含有層４０として、膜厚が２０ｎｍのｎ型のＡｌＡｓ層が形成され、上部ＤＢＲ２６の所定の位置には、第２の被酸化Ａｌ含有層５０として、膜厚が２０ｎｍのｐ型のＡｌＡｓ層が形成される。さらに上部ＤＢＲ２６の最上層は、キャリア濃度１×１０19ｃｍ-3となる膜厚２０ｎｍ程のｐ型のＧａＡｓコンタクト層１１４が形成されている。
【００３９】
次に、フォトリソ工程により結晶成長層上にレジストマスクを形成し、三塩化ホウ素をエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチングにより下部ＤＢＲ２２の途中までエッチングし、環状の溝またはトレンチを形成する。これにより、図１０に示すように、円錐状のメサ構造Ｍが形成される。このとき、第１および第２の被酸化Ａｌ含有層４０、５０の側面は、メサ構造Ｍによって露出されている。なお、メサ構造の側面に形成するテーパは、エッチング条件を変更選択することによって得ることができる。
【００４０】
次に、基板を、例えば３４０℃の水蒸気雰囲気に一定時間晒し酸化処理を行う。
第１および第２の被酸化Ａｌ含有層４０、５０は、それぞれ膜厚および組成が等しいＡｌＡｓ層であり、このＡｌ組成は、下部ＤＢＲおよび上部ＤＢＲのＡｌ組成よりも高いため、著しく酸化速度が速い。従って、第１および第２の被酸化Ａｌ含有層４０、５０は、メサ側面から内部に向けて同一の酸化が進行することになり、第１および第２の被酸化Ａｌ含有層４０、５０には、メサ形状を反映した酸化領域４２、５２が形成され、酸化領域４２、５２によって囲まれた非酸化領域４４、５４が形成される。なお、メサ構造Ｍが円錐状をしているので、非酸化領域５４の径は、非酸化領域４４の径よりも大きくなる。酸化工程が行われた状態を図１１に示す。
【００４１】
次に、プラズマＣＶＤ装置を用いて、メサ構造Ｍを含む基板全面にＳｉＮ等からなる層間絶縁膜を蒸着する。その後、通常のフォトリソ工程を用いて層間絶縁膜をエッチングし、メサ構造Ｍの頂部の層間絶縁膜を除去し、上部ＤＢＲ２６のコンタクト層を露出させ、次いで、コンタクト層上にｐ側電極２８をパターンニングする。そして、基板裏面には、ｎ側電極３０が形成される。こうして、図１に示すＶＣＳＥＬ１０が形成される。
【００４２】
次に、本実施例のＶＣＳＥＬを適用した半導体モジュールについて説明する。図１２は、本実施例の半導体モジュールの概略構成を示す図である。半導体モジュール１００は、回路基板１１０上に取り付けられたＶＣＳＥＬ１０と、ＶＣＳＥＬから出射された光を伝送する光ファイバ１２０とを含んで構成され、この半導体モジュールは、ＶＣＳＥＬからの光信号を伝送する光伝送装置として利用される。回路基板１１０の表面には、図示しない複数の金属配線が形成され、ＶＣＳＥＬ１０のｎ側電極３０が対応する金属配線に接続される。また、ｐ側電極２８に接続された金属配線３４は、図示しない電極パッドに接続されており、電極パッドは、ボンディングワイヤ１１２によって対応する金属配線に接続される。ＶＣＳＥＬ１０は、順方向バイアスにて駆動されると、出射面１１であるｐ側電極２８の開口２８Ａからレーザ光を出射する。
【００４３】
光ファイバ１２０は、コア１２２とクラッド１２４を含み、入射面１２６がＶＣＳＥＬ１０の出射面１１と対向するように配置されている。このとき、コア１２２の中心が、ＶＣＳＥＬ１０の光軸、すなわち開口２８Ａの中心に一致するように位置基めされる。
【００４４】
ここで、ＶＣＳＥＬ１０の開口１８Ａの開口径をＤ、ＶＣＳＥＬの出射面１１から光ファイバの入射面１２６の距離をｈ、ＶＣＳＥＬからレーザ光の最大の広がり角を２θ、光ファイバのコア径をｄとしたとき、次の関係が成り立つ。
ｄ＞Ｄ＋（２×ｈ×tanθ）
【００４５】
本実施例のＶＣＳＥＬは、光閉じ込め用の被酸化Ａｌ含有層を活性領域から離れた位置に形成し、酸化アパーチャーの径を大きくすることができるため（図２を参照）、その酸化アパーチャー径よりもｐ側電極の開口２８Ａの開口径Ｄを大きくすることができ、その結果、スポット径が大きく広がり角の小さなシングルモードのレーザ光を得ることができる。
【００４６】
広がり角θが小さくなれば、ＶＣＳＥＬと光ファイバ間にレンズ等の光学部材を介在させることなく、ＶＣＳＥＬからの光を直接光ファイバに結合させることができる。つまり、ＶＣＳＥＬからの光が無駄なく光ファイバのコア１２２に入射される。これにより、半導体モジュールをシンプルな構造にし、部品点数を削減することができ、電気伝送損失や光結合損失を減少させることができる。
【００４７】
また、ＶＣＳＥＬの電極をボンディングワイヤ１１２により回路基板に接続するとき、ボンディングワイヤ１１２がＶＣＳＥＬの出射面１１から突出する。このため、光ファイバ１２０とボンディングワイヤ１１２との干渉を防ぐ必要がある。本実施例のＶＣＳＥＬの場合、広がり角を小さくすることができるため、出射面１１と入射面１２６との距離ｈを大きくすることができ、ボンディングワイヤ等の接続部材の使用に柔軟に対応することができる。
【００４８】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの概略断面図である。
【図２】本実施例における被酸化Ａｌ含有層の位置とシングルモードを得るための最大酸化アパーチャー径との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の第２の実施例に係るＶＣＳＥＬの概略断面図である。
【図４】本発明の第３の実施例に係るＶＣＳＥＬの概略断面図である。
【図５】本発明の第４の実施例に係るＶＣＳＥＬの概略断面図である。
【図６】図５に示すトンネル接合領域の構成を示す図である。
【図７】本発明の第４の実施例に係るＶＣＳＥＬの概略断面図である。
【図８】図７に示すトンネル接合領域の構成を示す図である。
【図９】第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造工程を示す断面図である。
【図１０】第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造工程を示す断面図である。
【図１１】第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造工程を示す断面図である。
【図１２】本実施例のＶＣＳＥＬを適用した半導体モジュールの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ：ＶＣＳＥＬ
１１：出射面
２０：基板
２２：下部ＤＢＲ
２４：活性領域
２６：上部ＤＢＲ
２８：ｐ側電極
３０：ｎ側電極
３２：絶縁体
３４：金属配線
４０、４０Ａ、４０Ｂ：第１の被酸化Ａｌ含有層
４２、４２Ａ、４２Ｂ：酸化領域
４４、４４Ａ、４４Ｂ：非酸化領域（酸化アパーチャー）
５０、５０Ａ、５０Ｂ：第２の被酸化Ａｌ含有層
５２、５２Ａ、５２Ｂ：酸化領域
５４、５４Ａ、５４Ｂ：非酸化領域（酸化アパーチャー）
６０、６０Ａ：トンネル接合領域
６６、６６Ａ、６８、６８Ａ：トンネル層
１２０：光ファイバ
１２２：コア
１２６：入射面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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