(57)【要約】  本発明は、実効的な共振器長を低減し、より高速な直接変調を実現可能な面発光型半導体レーザを提供する。本発明の面発光型半導体レーザでは、発振波長λ０に対して、共振部分の光路長Ｌを０．９×λ０≦Ｌ≦１．１×λ０とし、誘電体ＤＢＲの高屈折率層と低屈折率層の屈折率をｎＨ１，ｎＬ１、誘電体ＤＢＲと接する半導体内の光路長λ０／４内の平均屈折率をｎＳ１、半導体ＤＢＲの高屈折率層と低屈折率層の屈折率をｎＨ２，ｎＬ２とする時、利用する各材料を、下記条件（１）、（２）を満すように選択する。（１）：ｎＨ１＞ｆ（ｎＳ１）ｎＬ１２＋ｇ（ｎＳ１）ｎＬ１＋ｈ（ｎＳ１）ｆ（ｎＳ１）＝０．０２６６ｎＳ１２−０．２４０７ｎＳ１＋０．６３４７ｇ（ｎＳ１）＝−０．０５０８ｎＳ１２＋０．４３３５ｎＳ１−０．００８５ｈ（ｎＳ１）＝０．０３８２ｎＳ１２−０．３１９４ｎＳ１＋０．７３９８（２）ｎＨ２−ｎＬ２＞０．４
2008114707.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体分布型ブラッグ反射鏡およびそれと対向する面側に半導体分布型ブラッグ反射鏡を具え、前記誘電体分布型ブラッグ反射鏡と半導体分布型ブラッグ反射鏡とで挟まれる、半導体で構成される共振部分を有する面発光型半導体レーザであって、
該面発光型半導体レーザの発振波長λ０に対して、
前記半導体で構成される共振部分の光路長Ｌは、０．９×λ０≦Ｌ≦１．１×λ０に選択されており、
発振波長λ０の光に対して、
前記半導体で構成される共振部分において、半導体分布型ブラッグ反射鏡と接する部分を構成する半導体の屈折率をｎＳ２；
前記半導体分布型ブラッグ反射鏡を構成する、高屈折率層と低屈折率層の屈折率を、それぞれ、ｎＨ２、ｎＬ２；
前記半導体で構成される共振部分において、誘電体分布型ブラッグ反射鏡と接する部分を構成する半導体に関して、その接触界面から光路長が発振波長λ０の１／４以内の範囲について、平均化した平均屈折率をｎＳ１；
前記誘電体分布型ブラッグ反射鏡を構成する、高屈折率層と低屈折率層の屈折率を、それぞれ、ｎＨ１、ｎＬ１；
と表記する際、それぞれ、
ｎＳ１、ｎＨ１、ｎＬ１は、下記の条件式（１）を満たし、
ｎＳ２、ｎＨ２、ｎＬ２は、下記の条件式（２）を満たすように、
半導体で構成される共振部分を構成する半導体材料、半導体分布型ブラッグ反射鏡の高屈折率層と低屈折率層を構成する半導体材料、ならびに、誘電体分布型ブラッグ反射鏡の高屈折率層と低屈折率層を構成する誘電体材料が選択されている：
（１）：ｎＨ１＞  ｆ（ｎＳ１）ｎＬ１２＋ｇ（ｎＳ１）ｎＬ１＋ｈ（ｎＳ１）
ここで、（但し、ｎＳ１＞ｎＬ１）
ｆ（ｎＳ１）  ＝  ０．０２６６ｎＳ１２  −  ０．２４０７ｎＳ１  ＋  ０．６３４７
ｇ（ｎＳ１）  ＝  −  ０．０５０８ｎＳ１２  ＋  ０．４３３５ｎＳ１  −０．００８５
ｈ（ｎＳ１）  ＝  ０．０３８２ｎＳ１２  −  ０．３１９４ｎＳ１  ＋  ０．７３９８
（２）（ｎＨ２−ｎＬ２）＞０．４  （但し、ｎＨ２＞ｎＬ２、ｎＳ２＞ｎＬ２）
ことを特徴とする面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
誘電体分布型ブラッグ反射鏡およびそれと対向する面側に半導体分布型ブラッグ反射鏡を具え、前記誘電体分布型ブラッグ反射鏡と半導体分布型ブラッグ反射鏡とで挟まれる、半導体で構成される共振部分を有する面発光型半導体レーザであって、
該面発光型半導体レーザの発振波長λ０に対して、
前記半導体で構成される共振部分の光路長Ｌは、１．４×λ０≦Ｌ≦１．６×λ０に選択されており、
発振波長λ０の光に対して、
前記半導体で構成される共振部分において、半導体分布型ブラッグ反射鏡と接する部分を構成する半導体の屈折率をｎＳ２；
前記半導体分布型ブラッグ反射鏡を構成する、高屈折率層と低屈折率層の屈折率を、それぞれ、ｎＨ２、ｎＬ２；
前記半導体で構成される共振部分において、誘電体分布型ブラッグ反射鏡と接する部分を構成する半導体に関して、その接触界面から光路長が発振波長λ０の１／４以内の範囲について、平均化した平均屈折率をｎＳ１；
前記誘電体分布型ブラッグ反射鏡を構成する、高屈折率層と低屈折率層の屈折率を、それぞれ、ｎＨ１、ｎＬ１；
と表記する際、それぞれ、
ｎＳ１、ｎＨ１、ｎＬ１は、下記の条件式（３）を満たし、
ｎＳ２、ｎＨ２、ｎＬ２は、下記の条件式（４）を満たすように、
半導体で構成される共振部分を構成する半導体材料、半導体分布型ブラッグ反射鏡の高屈折率層と低屈折率層を構成する半導体材料、ならびに、誘電体分布型ブラッグ反射鏡の高屈折率層と低屈折率層を構成する誘電体材料が選択されている：
（３）：ｎＨ１＞  ｆ（ｎＳ１）ｎＬ１２＋ｇ（ｎＳ１）ｎＬ１＋ｈ（ｎＳ１）
ここで、（但し、ｎＳ１＞ｎＬ１）
ｆ（ｎＳ１）  ＝  ０．１５５３ｎＳ１２  −  １．２４２９ｎＳ１  ＋  ２．７９５９
ｇ（ｎＳ１）  ＝  −  ０．２７６１ｎＳ１２  ＋  ２．１３８７ｎＳ１  −  ３．５２９２
ｈ（ｎＳ１）  ＝  ０．１５９３ｎＳ１２  −  １．２１１３ｎＳ１  ＋  ２．５５１２
（４）（ｎＨ２−ｎＬ２）＞０．４  （但し、ｎＨ２＞ｎＬ２、ｎＳ２＞ｎＬ２）
ことを特徴とする面発光型半導体レーザ。
【請求項３】
半導体基板上に形成された半導体ブラッグ反射鏡を有し；
前記半導体分布型ブラッグ反射鏡の高屈折率層と低屈折率層を構成する半導体材料を構成する半導体材料は、ｎ型導電性を有する半導体材料であり；
前記半導体で構成される共振部分において、半導体分布型ブラッグ反射鏡と接する部分を構成する半導体は、ｎ型導電性を有する半導体材料であり；
前記半導体で構成される共振部分には、半導体基板側から、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層が積層されてなる構成を有する発光領域が設けられ；
前記ｐ型クラッド層の上部に、ｐ＋半導体層／ｎ＋半導体層で構成されるトンネル接合が形成されており；
前記半導体で構成される共振部分において、誘電体分布型ブラッグ反射鏡と接する部分を構成する半導体は、ｎ型導電性を有する半導体材料であり；
該ｎ型導電性を有する半導体材料で構成される、誘電体分布型ブラッグ反射鏡と接する部分を構成する半導体の表面に設けられる第一のｎ型電極と、
少なくとも、前記ｎ型クラッド層に対して、電気的に導通を有する、第二のｎ型電極を具え、
前記第一のｎ型電極と第二のｎ型電極との間に、駆動バイアスを印加し、前記ｐ＋半導体層／ｎ＋半導体層で構成されるトンネル接合を介して、トンネル電流を流すことで、前記ｐ型クラッド層から、前記活性層への正孔の注入がなされる構成を有している
ことを特徴とする、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項４】
半導体基板上に形成された半導体ブラッグ反射鏡を有し；
前記半導体分布型ブラッグ反射鏡の高屈折率層と低屈折率層を構成する半導体材料を構成する半導体材料は、ｐ型導電性を有する半導体材料であり；
前記半導体で構成される共振部分において、半導体分布型ブラッグ反射鏡と接する部分を構成する半導体は、ｐ型導電性を有する半導体材料であり；
前記半導体で構成される共振部分には、半導体基板側から、ｐ型クラッド層、活性層、ｎ型クラッド層が積層されてなる構成を有する発光領域が設けられ；
前記半導体で構成される共振部分において、誘電体分布型ブラッグ反射鏡と接する部分を構成する半導体は、ｎ型導電性を有する半導体材料であり；
該ｎ型導電性を有する半導体材料で構成される、誘電体分布型ブラッグ反射鏡と接する部分を構成する半導体の表面に設けられるｎ型電極と、
少なくとも、前記ｐ型クラッド層に対して、電気的に導通を有する、ｐ型電極を具え、
前記ｎ型電極とｐ型電極との間に、駆動バイアスを印加し、順方向電流を流すことで、前記ｐ型クラッド層から、前記活性層への正孔の注入がなされる構成を有している
ことを特徴とする、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項５】
前記半導体で構成される共振部分において、半導体分布型ブラッグ反射鏡と接する領域には、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層で構成される発光領域が設けられ；
前記半導体で構成される共振部分において、前記発光領域と誘電体分布型ブラッグ反射鏡の間の領域には、
概ね発振波長λ０の１／４の光路長を有し、屈折率の異なる２種の半導体材料で構成される半導体層を少なくとも二つ具えている
ことを特徴とする、請求項２に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項６】
前記光出射面は、半導体基板の上面側に設け；
対向する面側の半導体分布型ブラッグ反射鏡は、前記半導体基板上に形成され；
前記半導体基板は、ＧａＡｓ基板であり、
前記半導体基板上に形成される、半導体分布型ブラッグ反射鏡は、少なくとも、ＧａとＡｓを含む層、およびＡｌとＧａとＡｓを含む層からなる
ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信や光インターコネクションの分野での分野における光源として利用可能な面発光型半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザを光源として利用する光通信は、長距離、大容量伝送が可能であるという利点を有している。特に、低損失の石英製光ファイバーに適する、長波長半導体レーザを利用する、長距離光通信は、幹線系などにおいて、早くから広く実用に供されてきた。一般に、光ファイバーを伝送路として使用する光通信の送信装置においては、光源として半導体レーザが用いられている。その際、短距離光通信の分野では、利用される光源は比較的に小さな光出力でよいため、小型、低消費電力などの利点を有する、垂直キャビティ面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、短距離通信用の光源として利用されている。【０００３】
光ファイバーを伝送路として使用する短距離光通信を利用する、デジタル信号伝送方法は、ＬＡＮなどの分野で広く利用がなされている。特に、近年注目を集めているのは、超高速計算機におけるインターコネクトへの適用である。超高速計算機では、ＬＳＩのデータ処理速度が半導体微細化技術の発達に伴って飛躍的な向上を続けている。さらには、複数の演算部で構成される並列処理を利用して、システム全体のデータ処理速度を高める方式も採用されている。超高速計算機においては、同一のボード内に搭載されるＬＳＩチップ間、それらＬＳＩを搭載するボード間、複数のボードを収納する筐体（ノード）間で、データ転送が行われる。ＬＳＩ自体のデータ処理速度の向上に伴って、ボード間、複数のボードを収納する筐体（ノード）間で転送されるデータ量も飛躍的に増加する。その際、ボード間、複数のボードを収納する筐体（ノード）間のデータ転送速度は、転送されるデータ量も飛躍的な増加に追いつかず、システム全体の性能向上のボトルネックとなっている。【０００４】
デジタル信号を電気信号として伝送する場合、伝送路内での損失は高周波ほど大きくなり、高いビット・レートのデジタル信号においては、そのパルス波形に歪みが生じる。この波形歪に起因して、電気信号伝送においては、ビット・エラー無く伝送可能なビット・レートが制約されている。また、近接して配置される伝送線間では、クロストークが発生するため、伝送線を高密度に配置することは困難である。一方、光ファイバーを伝送路として使用する短距離光通信では、光ファイバー相互のクロストークは起こらないため、伝送路を高密度で配置できる。加えて、光ファイバー自体に起因する位相分散に由来する光パルス信号の波形歪は、短距離光通信では、問題とならない。従って、ボード間、複数のボードを収納する筐体（ノード）間のデータ転送に、高速、高密度な接続を可能とする光インターコネクションの適用が検討されている。【０００５】
光インターコネクションに利用される光源として、高密度集積可能、低消費電力、低コストに優れるＶＣＳＥＬが有力視されている。ＶＣＳＥＬは、一般に、半導体分布型ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）で挟まれた発光領域を含む共振器を有しており、高速変調用には一般に共振器の光学長を一波長分とした構造が用いられている。【０００６】
例えば、特許文献１：特開平１０−２５６６６５号公報では、上下端が、半導体分布型ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）で挟まれる、発光領域を含む共振器として、半波長微小共振器を採用する構造が示されており、活性層として機能する量子井戸層から、共振器領域の上端、下端までの光路長Ｌ１、Ｌ２を、それぞれ、Ｌ１＝λ０＝λ０/２を満たすように選択し、全体の光路長：Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＝λ０としている。その際、量子井戸層は、単一の井戸層に対して、その両側に障壁層／クラッド層に相当する層として、半導体分布型ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）を構成するＡｌＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓのうち、高い屈折率層であるＧａＩｎＮＡｓ層と同様の屈折率を有する高屈折率層を利用している。そして、その両側に、半導体ＤＢＲを構成する低屈折率層、ＡｌＡｓ層が接する構成となっている。【０００７】
また、上記共振器の光学長を１／２波長分と、通常より短くした構造が特許文献１で提案、開示されている。これは、上下端が、半導体分布型ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）で挟まれる、発光領域を含む共振器として、半波長微小共振器を採用する構造であり、活性層として機能する量子井戸層から、共振器領域の上端、下端までの光路長Ｌ１、Ｌ２を、それぞれ、Ｌ１＝λ０/４、Ｌ２＝λ０/４を満たすように選択し、全体の光路長：Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＝λ０/２としている。その際、量子井戸層（活性層）の両側の障壁層／クラッド層に相当する層として、ＡｌＡｓを利用しており、半導体分布型ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）を構成するＡｌＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓのうち、低屈折率層であるＡｌＡｓ層と実質的に同じ屈折率を有する。そして、その両側に、半導体ＤＢＲを構成する高屈折率層、ＧａＩｎＮＡｓ層が接する構成となっている。【０００８】
なお、ＶＣＳＥＬを構成する上側のＤＢＲに利用可能な、誘電体ＤＢＲに関して、その実効的光路長、反射率、内部損失などの推定計算法も公知となっている（非特許文献１：Dubravko  et  al.,  “Analytic  Expressions  for  the  Reflection  Delay,  Penetration  Depth,  and  Absorptance  of  Quarter-Wave  Dielectric  Mirrors”,  J.Quant.  Electr.  vol.28,  no.2,  p.514  (1992)）。
【特許文献１】特開平１０−２５６６６５号公報
【非特許文献１】Dubravko  et  al.,  “Analytic  Expressions  for  the  Reflection  Delay,  Penetration  Depth,  and  Absorptance  of  Quarter-Wave  Dielectric  Mirrors”,  J.Quant.  Electr.  vol.28,  no.2,  p.514  (1992)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
半導体レーザにおいて、直接変調速度を向上させる上では、共振器長を短くすることが有効である。例えば、端面発光型半導体レーザの場合、伝送速度が２．５Ｇｂｐｓの光通信用では、３００μｍ程度の共振器長を有する半導体レーザが利用されているが、伝送速度が１０Ｇｂｐｓとなる場合には、２００μｍ程度の共振器長を有する半導体レーザが用いられる。【００１０】
これに対し、ＶＣＳＥＬの場合、端面発光型レーザに比べて共振器長は非常に短く、一般に数μｍ以下である。【００１１】
ＶＣＳＥＬは、目的とする発振波長λ０の光のみが発振条件を満たすようにするため、この発振波長λ０に対して設計された、２つの分布型ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）を利用して、共振器を構成している。その際、２つの分布型ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）に挟まれる共振器領域の厚さｄは、発振波長λ０の光に対して、共振条件を満足するように選択される。すなわち、発振波長λ０の光に対して、位相整合条件を満足するように、該共振器領域の光路長（Ｌ）は、発振波長λ０の１／２の整数倍：Ｌ＝ｍ・（λ０/２）に選択される。その際、通常は、共振器領域中における活性層部分の配置位置は、この活性層から、共振器領域の上端、下端までの光路長Ｌ１、Ｌ２が、それぞれ、Ｌ１＝ｍ１・（λ０/４）、Ｌ２＝ｍ２・（λ０/４）（但し、ｍ１＋ｍ２＝２ｍ）を満たすように選択される。この条件は、活性層部分を、共振器領域における光強度分布において、光強度の強い部分、すなわち、定在波の腹の部分に配置することに相当している。【００１２】
通常、活性層およびその周辺は比較的高屈折率層とするため、活性層を光強度の強い部分、すなわち定在波の腹の部分に配置するためには、Ｌをλ以上に設定する必要がある。すなわち、Ｌ＝ｍ・λ／２においてｍは２以上の自然数となり、高速用ＶＣＳＥＬではそのうち最も共振部の長さが短くなるように通常ｍ＝２、つまりＬ＝λに設定される。【００１３】
例えば、特許文献１には、上下端が、半導体分布型ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）で挟まれる、発光領域を含む共振器として、一波長微小共振器を採用する構造では、活性層として機能する量子井戸層から、共振器領域の上端、下端までの光路長Ｌ１、Ｌ２を、それぞれ、Ｌ１＝Ｌ２＝２・（λ０/４）を満たすように選択し、全体の光路長：Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＝２・（λ０/２）＝λ０としている。その際、量子井戸層は、単一の井戸層に対して、その両側に障壁層／クラッド層に相当する層として、半導体分布型ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）を構成するＡｌＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓのうち、高い屈折率層であるＧａＩｎＮＡｓ層と同様の屈折率を有する高屈折率層を利用している。そして、その両側に、半導体ＤＢＲを構成する低屈折率層、ＡｌＡｓ層が接する構成となっている。【００１４】
この一波長微小共振器を採用する構造では、ＧａＩｎＮＡｓ層からなる障壁層／クラッド層に対して、その両側のＡｌＡｓ層は、バンドギャップエネルギー（Ｅｇ）が大きいため、井戸層への正孔、電子の注入は速やかになされる。従って、活性層として、多重量子井戸構造を採用する際、各井戸層へ注入される正孔、電子の密度は実質的な差異は無いものとなっている。【００１５】
先述のように、高速化のためには共振器長を短くすることが望ましい。そこで、特許文献１ではＬ＝ｍ・λ／２においてｍ＝１すなわちＬ＝λ／２を実現するため、活性層周辺を低屈折率の層で囲み、その外側に高屈折率層を配置した構造を提案、開示している。これによってＬを通常の構造よりも短くし、変調速度の向上を図っている。具体的には、量子井戸層（活性層）の両側の障壁層／クラッド層に相当する層として、ＡｌＡｓを利用しており、半導体分布型ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）を構成するＡｌＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓのうち、低屈折率層であるＡｌＡｓ層と実質的に同じ屈折率を示す。そして、その両側に、半導体ＤＢＲを構成する高屈折率層、ＧａＩｎＮＡｓ層が接する構成となっている。【００１６】
このように共振器を相対的に低屈折率層とすることにより、活性層中央から、共振器領域の上端、下端までの光路長Ｌ１、Ｌ２を、それぞれ、Ｌ１＝λ０/４、Ｌ２＝λ０/４を満たすように選択し、全体の光路長：Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＝λ０/２とした構造においても、位相整合条件を満たし、かつ活性層を定在波の腹の部分に配置することを可能としている。【００１７】
上記の半波長微小共振器を採用する構造では、ＡｌＡｓで形成される障壁層を越えて、ＧａＩｎＮＡｓ層から、井戸層へと、正孔、電子の注入がなされる。その際、ＡｌＡｓで形成される障壁層の厚さは、その屈折率をｎＡｌＡｓとすると、1/4・（λ０/ｎＡｌＡｓ）となる。λ０＝１．３μｍ、ｎＡｌＡｓ＝２．９とすると、ＡｌＡｓで形成される障壁層の厚さは、１１２ｎｍ程度となっている。その際、活性層として、多重量子井戸層を採用すると、例えば、注入させる正孔の密度は、井戸層間で差異が生じる可能性がある。その結果、微分利得が低下すると、直接変調動作を行った際、光パルス形状の立ち上がり、立ち下がり時間が相対的に長くなり、変調速度を制約する要因ともなる。従って、単一量子井戸型の活性領域が利用されている。【００１８】
先に述べたように高速変調特性の向上を図る上では、ＶＣＳＥＬを構成する共振部の光路長Ｌを短くすることが望ましく、また一方、高速化や高温動作のためには活性層として多重量子井戸を用いることが望ましい。しかし、上記のように従来一般に使われる一波長共振器よりも短い半波長共振器長と、多重量子井戸における良好なキャリア注入を両立することは極めて困難である。【００１９】
仮にこれらの両立が可能となったとしても、位相整合条件：Ｌ＝ｍ・（λ０/２）のため、ｍ＝１、Ｌ＝λ０/２よりも短くすることは不可能である。すなわち、さらなる共振器長低減による高速化は不可能である。【００２０】
本発明はこのような背景のもとに行われたものであり、面型発光レーザの実効的な共振長を従来以上に低減し、さらなる高速動作を実現することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
ＶＣＳＥＬの実効的な共振器長は、上記のＤＢＲで挟まれた共振部の光路長Ｌのみで決まるものではない。ＤＢＲでの光の反射に際しては、ＤＢＲ中にある程度の光の侵入が生じるため、実効的な共振器長はこのＤＢＲへの光の侵入長を考慮する必要がある。光の侵入長を考慮した実効的なＤＢＲの光路長をＬＤＢＲｅｆｆ、上記共振部の光路長をＬとした場合、ＶＣＳＥＬ全体としての実効的な共振器の光路長（Ｌｅｆｆ）は両側にＤＢＲがあることから、以下のように表される。
Ｌｅｆｆ＝Ｌ＋ＬＤＢＲｅｆｆ１＋ＬＤＢＲｅｆｆ２
したがって実効ＤＢＲ長を短くすることにより、ＶＣＳＥＬの実効的な共振器の光路長を短くし、変調速度を向上することが可能である。【００２２】
共振器の実効的光路長：Ｌｅｆｆ＝Ｌ＋（ＬＤＢＲｅｆｆ２＋ＬＤＢＲｅｆｆ１）のうち、共振部の光路長Ｌ自体は、先述のように位相整合条件：Ｌ＝ｍ・（λ０/２）によって制約され、さらなる短縮は不可能であることから、本発明者らは、（ＬＤＢＲｅｆｆ２＋ＬＤＢＲｅｆｆ１）の成分をより短縮することが可能な構造を探索した。【００２３】
その際、垂直型共振器を構成する際、基板側（下側）のＤＢＲは、半導体ＤＢＲを利用し、反対側（上側）のＤＢＲには、誘電体ＤＢＲを採用する構造について、下記する構成を採用すると、（ＬＤＢＲｅｆｆ２＋ＬＤＢＲｅｆｆ１）の成分をより短縮することが可能であることを見出した。【００２４】
まず、ＶＣＳＥＬの発光領域は、活性層として、井戸層と障壁層で構成される量子井戸構造の採用し、その両側にクラッド層を設ける構成とする。勿論、基板側（下側）のＤＢＲである、半導体ＤＢＲは、下側のクラッド層と接するように配置する。活性層の中心から、半導体ＤＢＲの表面までの光路長：Ｌ２は、ほぼ発振波長λ０の１／２とする。【００２５】
一方、ＶＣＳＥＬの共振器領域を構成する半導体層のうち、最上層となる半導体層の上面と接するように、光出射面側（上側）のＤＢＲである、誘電体ＤＢＲが配置される。この誘電体ＤＢＲと接する半導体に関して、その界面から光路長が、発振波長λ０の１／４以内の範囲について、平均化した平均屈折率をｎＳ１とする。【００２６】
その際、ＶＣＳＥＬの共振器領域の光路長Ｌを、ほぼ発振波長λ０に等しくする、すなわち、Ｌ≒２・（λ０/２）とすると、活性層の中心から、誘電体ＤＢＲの下面までの光路長：Ｌ１は、ほぼ発振波長λ０の１／２となる。この構成をとる場合、誘電体ＤＢＲを構成する高屈折率層の屈折率：ｎＨ１と、低屈折率層の屈折率：ｎＬ１は、この誘電体ＤＢＲの下面と接する半導体の平均屈折率：ｎＳ１と、下記する関係を満たすように選択すると、上側のＤＢＲ（誘電体ＤＢＲ）部分への侵入長：ＬＤＢＲｅｆｆ１を低減する上で、顕著な効果を発揮することを見出した。【００２７】
まず、少なくとも、低屈折率層の屈折率：ｎＬ１は、ｎＳ１＞ｎＬ１を満足するように選択する。その上で、高屈折率層の屈折率：ｎＨ１を、下記の条件式（１）を満たす範囲に選択する。
（１）：ｎＨ１＞  ｆ（ｎＳ１）ｎＬ１２＋ｇ（ｎＳ１）ｎＬ１＋ｈ（ｎＳ１）
ここで、
ｆ（ｎＳ１）  ＝  ０．０２６６ｎＳ１２  −  ０．２４０７ｎＳ１  ＋  ０．６３４７
ｇ（ｎＳ１）  ＝  −  ０．０５０８ｎＳ１２  ＋  ０．４３３５ｎＳ１  −０．００８５
ｈ（ｎＳ１）  ＝  ０．０３８２ｎＳ１２  −  ０．３１９４ｎＳ１  ＋  ０．７３９８
一方、半導体ＤＢＲについては、発振波長λ０の光において、半導体ＤＢＲを構成する高屈折率層の屈折率：ｎＨ２と、低屈折率層の屈折率：ｎＬ２は、下側のクラッド層を構成する半導体の屈折率：ｎＳ２に対して、少なくとも、ｎＨ２  、ｎＳ２＞ｎＬ２の関係を満たすように選択し、かつ、ｎＨ２と、ｎＬ２との屈折率差：Δｎ＝（ｎＨ２−ｎＬ２）を、（ｎＨ２−ｎＬ２）＞０．４の範囲に選択する。【００２８】
また、ＶＣＳＥＬの共振器領域の光路長Ｌを、ほぼ発振波長λ０の３／２等しくする、すなわち、Ｌ≒３・（λ０/２）とすると、活性層の中心から、誘電体ＤＢＲの下面までの光路長：Ｌ１は、ほぼ発振波長λ０の２／２となる。この構成をとる場合、誘電体ＤＢＲを構成する高屈折率層の屈折率：ｎＨ１と、低屈折率層の屈折率：ｎＬ１は、この誘電体ＤＢＲの下面と接する半導体の平均屈折率：ｎＳ１と、下記する関係を満たすように選択すると、上側のＤＢＲ（誘電体ＤＢＲ）部分への侵入長：ＬＤＢＲｅｆｆ１を低減する上で、顕著な効果を発揮することを見出した。【００２９】
まず、少なくとも、低屈折率層の屈折率：ｎＬ１は、ｎＳ１＞ｎＬ１を満足するように選択する。その上で、高屈折率層の屈折率：ｎＨ１を、下記の条件式（３）を満たす範囲に選択する。
（３）：ｎＨ１＞  ｆ（ｎＳ１）ｎＬ１２＋ｇ（ｎＳ１）ｎＬ１＋ｈ（ｎＳ１）
ここで、
ｆ（ｎＳ１）  ＝  ０．１５５３ｎＳ１２  −  １．２４２９ｎＳ１  ＋  ２．７９５９
ｇ（ｎＳ１）  ＝  −  ０．２７６１ｎＳ１２  ＋  ２．１３８７ｎＳ１  −  ３．５２９２
ｈ（ｎＳ１）  ＝  ０．１５９３ｎＳ１２  −  １．２１１３ｎＳ１  ＋  ２．５５１２
なお、このＶＣＳＥＬの発光領域の活性層にその両側に設けるクラッド層を介して電流を注入する際、ｐ型クラッド層に対する正孔の供給は、ｐ型クラッド層と電気的に導通しているｐ型電極と、ｎ型クラッド層と電気的に導通しているｎ型電極との間に、順方向電流を流すことによって行う構成とすることもできる。あるいは、ｐ型クラッド層に接するように、ｐ＋／ｎ＋型のトンネル接合を設け、このトンネル接合を介して、ｐ＋層の価電子帯から、ｎ＋層の伝導帯へとトンネル電流を流すことによって、ｐ＋層に生成する正孔をｐ型クラッド層に供給する構成とすることもできる。このトンネル接合を介して、正孔を供給する構成では、半導体レーザに印加される駆動バイアスは、ｎ型クラッド層と電気的に導通している、第二のｎ型電極と、ｐ＋／ｎ＋型のトンネル接合を構成するｎ＋層と電気的に導通している、第一のｎ型電極との間に印加される。【００３０】
以上に述べた一連の知見に基づき、本発明を完成するに至った。【００３１】
すなわち、本発明の第一の形態にかかる発光型半導体レーザは、
誘電体分布型ブラッグ反射鏡およびそれと対向する面側に半導体分布型ブラッグ反射鏡を具え、前記誘電体分布型ブラッグ反射鏡と半導体分布型ブラッグ反射鏡とで挟まれる、半導体で構成される共振部分を有する面発光型半導体レーザであって、
該面発光型半導体レーザの発振波長λ０に対して、
前記半導体で構成される共振部分の光路長Ｌは、０．９×λ０≦Ｌ≦１．１×λ０に選択されており、
発振波長λ０の光に対して、
前記半導体で構成される共振部分において、半導体分布型ブラッグ反射鏡と接する部分を構成する半導体の屈折率をｎＳ２；
前記半導体分布型ブラッグ反射鏡を構成する、高屈折率層と低屈折率層の屈折率を、それぞれ、ｎＨ２、ｎＬ２；
前記半導体で構成される共振部分において、誘電体分布型ブラッグ反射鏡と接する部分を構成する半導体に関して、その接触界面から光路長が発振波長λ０の１／４以内の範囲について、平均化した平均屈折率をｎＳ１；
前記誘電体分布型ブラッグ反射鏡を構成する、高屈折率層と低屈折率層の屈折率を、それぞれ、ｎＨ１、ｎＬ１；
と表記する際、それぞれ、
ｎＳ１、ｎＨ１、ｎＬ１は、下記の条件式（１）を満たし、
ｎＳ２、ｎＨ２、ｎＬ２は、下記の条件式（２）を満たすように、
半導体で構成される共振部分を構成する半導体材料、半導体分布型ブラッグ反射鏡の高屈折率層と低屈折率層を構成する半導体材料、ならびに、誘電体分布型ブラッグ反射鏡の高屈折率層と低屈折率層を構成する誘電体材料が選択されている：
（１）：ｎＨ１＞  ｆ（ｎＳ１）ｎＬ１２＋ｇ（ｎＳ１）ｎＬ１＋ｈ（ｎＳ１）
ここで、（但し、ｎＳ１＞ｎＬ１）
ｆ（ｎＳ１）  ＝  ０．０２６６ｎＳ１２  −  ０．２４０７ｎＳ１  ＋  ０．６３４７
ｇ（ｎＳ１）  ＝  −  ０．０５０８ｎＳ１２  ＋  ０．４３３５ｎＳ１  −０．００８５
ｈ（ｎＳ１）  ＝  ０．０３８２ｎＳ１２  −  ０．３１９４ｎＳ１  ＋  ０．７３９８
（２）（ｎＨ２−ｎＬ２）＞０．４  （但し、ｎＨ２＞ｎＬ２、ｎＳ２＞ｎＬ２）
ことを特徴とする面発光型半導体レーザである。【００３２】
本発明の第二の形態にかかる発光型半導体レーザは、
誘電体分布型ブラッグ反射鏡およびそれと対向する面側に半導体分布型ブラッグ反射鏡を具え、前記誘電体分布型ブラッグ反射鏡と半導体分布型ブラッグ反射鏡とで挟まれる、半導体で構成される共振部分を有する面発光型半導体レーザであって、
該面発光型半導体レーザの発振波長λ０に対して、
前記半導体で構成される共振部分の光路長Ｌは、１．４×λ０≦Ｌ≦１．６×λ０に選択されており、
発振波長λ０の光に対して、
前記半導体で構成される共振部分において、半導体分布型ブラッグ反射鏡と接する部分を構成する半導体の屈折率をｎＳ２；
前記半導体分布型ブラッグ反射鏡を構成する、高屈折率層と低屈折率層の屈折率を、それぞれ、ｎＨ２、ｎＬ２；
前記半導体で構成される共振部分において、誘電体分布型ブラッグ反射鏡と接する部分を構成する半導体に関して、その接触界面から光路長が発振波長λ０の１／４以内の範囲について、平均化した平均屈折率をｎＳ１；
前記誘電体分布型ブラッグ反射鏡を構成する、高屈折率層と低屈折率層の屈折率を、それぞれ、ｎＨ１、ｎＬ１；
と表記する際、それぞれ、
ｎＳ１、ｎＨ１、ｎＬ１は、下記の条件式（３）を満たし、
ｎＳ２、ｎＨ２、ｎＬ２は、下記の条件式（４）を満たすように、
半導体で構成される共振部分を構成する半導体材料、半導体分布型ブラッグ反射鏡の高屈折率層と低屈折率層を構成する半導体材料、ならびに、誘電体分布型ブラッグ反射鏡の高屈折率層と低屈折率層を構成する誘電体材料が選択されている：
（３）：ｎＨ１＞  ｆ（ｎＳ１）ｎＬ１２＋ｇ（ｎＳ１）ｎＬ１＋ｈ（ｎＳ１）
ここで、（但し、ｎＳ１＞ｎＬ１）
ｆ（ｎＳ１）  ＝  ０．１５５３ｎＳ１２  −  １．２４２９ｎＳ１  ＋  ２．７９５９
ｇ（ｎＳ１）  ＝  −  ０．２７６１ｎＳ１２  ＋  ２．１３８７ｎＳ１  −  ３．５２９２
ｈ（ｎＳ１）  ＝  ０．１５９３ｎＳ１２  −  １．２１１３ｎＳ１  ＋  ２．５５１２
（４）（ｎＨ２−ｎＬ２）＞０．４  （但し、ｎＨ２＞ｎＬ２、ｎＳ２＞ｎＬ２）
ことを特徴とする面発光型半導体レーザである。【００３３】
本発明にかかる面発光型半導体レーザにおいては、上記の第一の形態、第二の形態を選択した上で、
半導体基板上に形成された半導体ブラッグ反射鏡を有し；
前記半導体分布型ブラッグ反射鏡の高屈折率層と低屈折率層を構成する半導体材料を構成する半導体材料は、ｎ型導電性を有する半導体材料であり；
前記半導体で構成される共振部分において、半導体分布型ブラッグ反射鏡と接する部分を構成する半導体は、ｎ型導電性を有する半導体材料であり；
前記半導体で構成される共振部分には、半導体基板側から、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層が積層されてなる構成を有する発光領域が設けられ；
前記ｐ型クラッド層の上部に、ｐ＋半導体層／ｎ＋半導体層で構成されるトンネル接合が形成されており；
前記半導体で構成される共振部分において、誘電体分布型ブラッグ反射鏡と接する部分を構成する半導体は、ｎ型導電性を有する半導体材料であり；
該ｎ型導電性を有する半導体材料で構成される、誘電体分布型ブラッグ反射鏡と接する部分を構成する半導体の表面に設けられる第一のｎ型電極と、
少なくとも、前記ｎ型クラッド層に対して、電気的に導通を有する、第二のｎ型電極を具え、
前記第一のｎ型電極と第二のｎ型電極との間に、駆動バイアスを印加し、前記ｐ＋半導体層／ｎ＋半導体層で構成されるトンネル接合を介して、トンネル電流を流すことで、前記ｐ型クラッド層から、前記活性層への正孔の注入がなされる構成を有している
ことを特徴とする、面発光型半導体レーザとすることができる。【００３４】
あるいは、本発明にかかる面発光型半導体レーザにおいては、上記の第一の形態、第二の形態を選択した上で、
半導体基板上に形成された半導体ブラッグ反射鏡を有し；
前記半導体分布型ブラッグ反射鏡の高屈折率層と低屈折率層を構成する半導体材料を構成する半導体材料は、ｐ型導電性を有する半導体材料であり；
前記半導体で構成される共振部分において、半導体分布型ブラッグ反射鏡と接する部分を構成する半導体は、ｐ型導電性を有する半導体材料であり；
前記半導体で構成される共振部分には、半導体基板側から、ｐ型クラッド層、活性層、ｎ型クラッド層が積層されてなる構成を有する発光領域が設けられ；
前記半導体で構成される共振部分において、誘電体分布型ブラッグ反射鏡と接する部分を構成する半導体は、ｎ型導電性を有する半導体材料であり；
該ｎ型導電性を有する半導体材料で構成される、誘電体分布型ブラッグ反射鏡と接する部分を構成する半導体の表面に設けられるｎ型電極と、
少なくとも、前記ｐ型クラッド層に対して、電気的に導通を有する、ｐ型電極を具え、
前記ｎ型電極とｐ型電極との間に、駆動バイアスを印加し、順方向電流を流すことで、前記ｐ型クラッド層から、前記活性層への正孔の注入がなされる構成を有している
ことを特徴とする、面発光型半導体レーザとすることができる。【００３５】
一方、本発明の第二の形態にかかる発光型半導体レーザおいては、
前記半導体で構成される共振部分において、半導体分布型ブラッグ反射鏡と接する領域には、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層で構成される発光領域が設けられ；
前記半導体で構成される共振部分において、前記発光領域と誘電体分布型ブラッグ反射鏡の間の領域には、
概ね発振波長λ０の１／４の光路長を有し、屈折率の異なる２種の半導体材料で構成される半導体層を少なくとも二つ具えている構成を採用することが好ましい。【００３６】
本発明にかかる面発光型半導体レーザおいては、上述の構成を選択した上で、
前記光出射面は、半導体基板の上面側に設け；
対向する面側の半導体分布型ブラッグ反射鏡は、前記半導体基板上に形成され；
前記半導体基板は、ＧａＡｓ基板であり、
前記半導体基板上に形成される、半導体分布型ブラッグ反射鏡は、少なくとも、ＧａとＡｓを含む層、およびＡｌとＧａとＡｓを含む層からなる
ことを特徴とする、面発光型半導体レーザとすることが好ましい。
【発明の効果】
【００３７】
本発明にかかる面発光型半導体レーザは、垂直型共振器の構成に利用される上側ＤＢＲと下側ＤＢＲとして、誘電体ＤＢＲを、それと対向する面側に半導体ＤＢＲを具える構成を選択する。また、前記誘電体ＤＢＲと半導体ＤＢＲとで挟まれる、半導体で構成される共振部分に関して、発振波長λ０に対して、該半導体で構成される共振部分の光路長Ｌを、０．９×λ０≦Ｌ≦１．１×λ０に選択し、誘電体ＤＢＲ、半導体ＤＢＲならびに半導体で構成される共振部分を構成する材料と、上記の条件式（１）、（２）に従って選択する。あるいは、共振部分の光路長Ｌを、１．４×λ０≦Ｌ≦１．６×λ０に選択する際、誘電体ＤＢＲ、半導体ＤＢＲならびに半導体で構成される共振部分を構成する材料と、上記の条件式（３）、（４）に従って選択する。これにより、上側ＤＢＲと下側ＤＢＲへの光の侵入長に起因する成分（ＬＤＢＲｅｆｆ２＋ＬＤＢＲｅｆｆ１）を低減することで、共振器の実効的光路長：Ｌｅｆｆ＝Ｌ＋（ＬＤＢＲｅｆｆ２＋ＬＤＢＲｅｆｆ１）の短縮がなされる。この結果、本発明にかかる面発光型半導体レーザでは、上下ＤＢＲの双方に、半導体ＤＢＲを利用した従来構造のうち、最も実効共振器長：Ｌｅｆｆが短い構造、すなわち、ＤＢＲで挟まれる共振部分の光路長Ｌを、Ｌ≒λ０/２に選択した半波長微小共振器を有する面発光型半導体レーザと比較しても、さらに短いＬｅｆｆを実現することができる。それに伴って、本発明にかかる面発光型半導体レーザでは、より緩和振動周波数を高めることができ、従って、より高いパルス周波数の直接変調が可能となる。【００３８】
加えて、半導体で構成される共振部分の光路長Ｌを、Ｌ≒２・（λ０/２）、あるいはＬ≒３・（λ０/２）としており、その発光領域の活性層として、多重量子井戸構造を採用することができる。その際、従来の半波長微小共振器を採用する面発光型半導体レーザが内在している、量子井戸への電流注入を行う上での課題は、本発明にかかる面発光型半導体レーザでは回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、本発明の第一の実施形態にかかる面発光型半導体レーザの製造工程の概要を模式的に示す図である。図１（ａ）は、第一の実施形態にかかる面発光型レーザで利用される垂直キャビティ型共振器、トンネル接合を構成する層構造を示す断面図であり；図１（ｂ）は、トンネル接合部の加工、上側の誘電体ＤＢＲの作製工程を示し；図１（ｃ）は、面発光型レーザを構成する円柱状構造を形成するメサエッチング工程を示し；図１（ｄ）は、面発光型半導体レーザを構成する円柱状構造を、ポリイミド樹脂により埋め込み、電極形成を行う工程を示す。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、本発明の第二の実施形態にかかる面発光型半導体レーザの製造工程の概要を模式的に示す図である。図２（ａ）は、第一の実施形態にかかる面発光型レーザで利用される垂直キャビティ型共振器を構成する層構造を示す断面図であり；図２（ｂ）は、上側の誘電体ＤＢＲの作製工程を示し；図２（ｃ）は、面発光型レーザを構成する円柱状構造と、酸化電流狭窄部形成層の構成を示し；図２（ｄ）は、面発光型半導体レーザを構成する円柱状構造を、ポリイミド樹脂により埋め込み、電極形成を行う工程を示す。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、本発明の第三の実施形態にかかる面発光型半導体レーザの製造工程の概要を模式的に示す図である。図３（ａ）は、第三の実施形態にかかる面発光型レーザで利用される垂直キャビティ型共振器、トンネル接合を構成する層構造を示す断面図であり；図３（ｂ）は、トンネル接合部の加工、上側の誘電体ＤＢＲの作製工程を示し；図３（ｃ）は、面発光型レーザを構成する円柱状構造を形成するメサエッチング工程を示し；図３（ｄ）は、面発光型半導体レーザを構成する円柱状構造を、ポリイミド樹脂により埋め込み、電極形成を行う工程を示す。
【図４】図４は、誘電体ＤＢＲを構成する、高屈折率層の屈折率：ｎＨ１、低屈折率層の屈折率：ｎＬ１の組み合わせ（ｎＬ１、ｎＨ１）について、屈折率ｎｓ＝３．５の媒質から、入射する真空中における波長１．０μｍの光に対する、誘電体ＤＢＲへの光の侵入長（光学長：ＬＤＢＲｅｆｆ１）を示すグラフである。
【図５】図５は、半導体ＤＢＲを構成する、高屈折率層の屈折率：ｎＨ２、低屈折率層の屈折率：ｎＬ２について、ｎＬ２＝３．０、ｎＨ２＝３．１〜４．０とする際、屈折率ｎｓ＝３．５の媒質から、入射する真空中における波長１．０μｍの光に対する、半導体ＤＢＲへの光の侵入長（光学長：ＬＤＢＲｅｆｆ２）を、Δｎ＝ｎＨ２−ｎＬ２に対してプロットしたグラフである。
【符号の説明】
【００４０】
図中に示す下記の符号は、それぞれ、以下の意味を有する。
１０１  ｎ−ＧａＡｓ基板
１０２  第１のＤＢＲ層
１０３  ｎ−ＧａＡｓクラッド層
１０４  ノンドープＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層からなる多重量子井戸型活性層
１０５  ｐ−ＧａＡｓクラッド層
１０６  ｐ−ＧａＡｓ０．２５Ｐ０．７５層
１０７  ｐ＋−Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層
１０８  ｎ＋−Ｇａ０．９Ｉｎ０．１Ｎ０．０２Ａｓ０．０９８層
１０９  ｎ−ＧａＡｓ層
１１０  ｎ−ＧａＡｓ埋込層
１１１  第２のＤＢＲ構造
１１２  円柱状構造
１１３  電極
１１４  ポリイミド
１１５  リング電極
１１６  パッド電極
１１７  パッド電極
２０１  ｐ型ＧａＡｓ基板
２０２  第１のＤＢＲ層
２０３  ｐ型Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓの酸化電流狭窄部形成層
２０４  ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓクラッド層
２０５  ノンドープＧａＡｓ井戸層とＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ障壁層とからなる多重量子井戸型活性層
２０６  ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓクラッド層
２０７  ｎ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８５Ａｓ層
２０８  ｎ型ＧａＡｓ層
２０９  第２のＤＢＲ層
２１０  円柱状構造
２１１  電極
２１２  ポリイミド
２１３  リング電極
２１４  パッド電極
２１５  パッド電極
３０１  ｎ−ＧａＡｓ基板
３０２  第１のＤＢＲ層
３０３  ｎ−ＧａＡｓクラッド層
３０４  ノンドープＩｎＧａＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層とからなる多重量子井戸型活性層
３０５  ｐ−ＧａＡｓクラッド層
３０６  ｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層
３０７  ｐ＋−ＧａＡｓ０．９４Ｓｂ０．０６層
３０８  ｎ＋−Ｉｎ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層
３０９  ｎ−ＧａＡｓ層
３１０  ｎ−ＧａＡｓ層
３１１  ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層
３１２  ｎ−ＧａＡｓ層
３１３  第２のＤＢＲ構造
３１４  円柱状構造
３１５  電極
３１６  ポリイミド
３１７  リング電極
３１８  パッド電極
３１９  パッド電極
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下に、本発明をより詳しく説明する。【００４２】
面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）においては、垂直型共振器は、レーザ発振に必要な利得を与える発光領域を具えている、半導体で形成される共振部分を、上側ＤＢＲと下側ＤＢＲで挟むことで形成されている。その際、該ＶＣＳＥＬの発振波長λ０に対して、ＤＢＲを構成する高屈折率層（屈折率：ｎＨ）の厚さ：ｄＨと、低屈折率層（屈折率：ｎＬ）の厚さ：ｄＬとを、ｄＨ＝（1/4）・（λ０/ｎＨ）、ｄＬ＝（1/4）・（λ０/ｎＬ）に選択することによって、発振波長λ０に対する反射効率を選択的に高くしている。その際、ＤＢＲは、高屈折率層の光学長ＬＨと低屈折率層の光学長ＬＬは、ＬＨ＝ＬＬ＝λ０/４となっている。一方、半導体で形成される共振部分に関しても、その光学長Ｌは、その両端において、位相整合条件を満足するように、発振波長λ０の１／２の整数倍：Ｌ＝ｍ・（λ０/２）に選択される。【００４３】
これまでに説明したように、本発明の目的は実効共振器長を短くすることによりＶＣＳＥＬの高速動作を可能とするものである。実効共振器長（Ｌｅｆｆ）は、共振部の光学長Ｌとその両側のＤＢＲへの光の侵入長（ＬＤＢＲｅｆｆ１＋ＬＤＢＲｅｆｆ２）を用いて、
Ｌｅｆｆ＝Ｌ＋ＬＤＢＲｅｆｆ１＋ＬＤＢＲｅｆｆ２
と表される。【００４４】
したがって、実効共振器長（Ｌｅｆｆ）を短くするには、実効ＤＢＲ長（ＬＤＢＲｅｆｆ１、ＬＤＢＲｅｆｆ２）を短くする必要がある。実効ＤＢＲ長（ＬＤＢＲｅｆｆ１、ＬＤＢＲｅｆｆ２）は、ＤＢＲを形成する材料の屈折率で変化する。通常用いられる従来型のＶＣＳＥＬでは、ＤＢＲは半導体で形成されているが、その中ではＧａＡｓとＡｌＡｓの組み合わせが最も屈折率差が大きくなり、実効ＤＢＲ長（ＬＤＢＲｅｆｆ１、ＬＤＢＲｅｆｆ２）を短くすることができる。例えば、ＧａＡｓ基板上に形成されたＩｎＧａＡｓを活性層とする発振波長λ０：１μｍのＶＣＳＥＬを考える。ＤＢＲをＧａＡｓとＡｌＡｓで構成した場合、ＬＤＢＲｅｆｆは約１．５μｍ（３λ０／２）となる。ここでＬＤＢＲｅｆｆは非特許文献１に基づいて計算した。一方Ｌは特許文献１のようにＬ＝λ０／２と最も短くした場合で、０．５μｍとなるので、全体として、Ｌｅｆｆは、３．５μｍ（３．５λ０）となる。ただし、この場合、先に述べたように共振部は低屈折率層となるので、電流注入に問題が生じることとなる。一方、共振部を通常の長さ、すなわち、Ｌ＝λ０（この場合１μｍ）とした場合でも、実効ＤＢＲ長（ＬＤＢＲｅｆｆ１、ＬＤＢＲｅｆｆ２）を十分短くし、両側で２．５μｍ（５λ０／２）よりも短く出来れば、実効共振器長は上記の３．５μｍ（３．５λ０）よりも低減できる。【００４５】
実効ＤＢＲ長を短くするには誘電体のように屈折率を小さくできる材料を用いることが有効である。ただし、誘電体は、一般に熱伝導率が半導体に比べて非常に低いので、両側のＤＢＲに誘電体を用いると放熱が困難になり、十分な光出力が得られないため、実用上問題となる。したがって、片方のＤＢＲは半導体で形成し、放熱経路とすることが必要となる。片側を従来と同様の半導体ＤＢＲとした場合、上記の例でＬＤＢＲｅｆｆが１．５μｍ（３λ０／２）となる。したがって、誘電体ＤＢＲ側のＬＤＢＲｅｆｆを１μｍ（λ０）未満とすれば、共振部を通常の長さ、すなわちＬ＝λ０（この場合１μｍ）としても、全体としては上記の３．５μｍ（３．５λ０）よりも実効共振器長（Ｌｅｆｆ）を低減することが可能である。【００４６】
一般にはＤＢＲの実効長（ＬＤＢＲｅｆｆ）を短くするにはＤＢＲを構成する２つの材料の屈折率差を大きくすれば良いことが知られている。しかし、我々が詳細に検討したところでは必ずしもこの屈折率差が大きい方がＬＤＢＲｅｆｆが短くなるとは限らないことが明らかになった。図４に、ＬＤＢＲｅｆｆの計算例を示す。これは、誘電体ＤＢＲと接する半導体の屈折率（ｎｓ）は３．５とし、誘電体ＤＢＲを構成する２つの材料の屈折率を変えて、ＬＤＢＲｅｆｆを計算したものである。上記２つの材料の屈折率はｎＨ１、ｎＬ１とし、ｎｓ、ｎＨ１＞ｎＬ１を想定している。したがって、上記ＤＢＲ２つの材料の層のうち、上記半導体に接するのは屈折率ｎＬ１の層となっている。なお、計算方法としては非特許文献１に記されている方法を用い、ＤＢＲ中の各層の膜厚は、媒質内の各々の光路長が発振波長λ０の１／４とした。また、層数は各屈折率において反射率が９９％以上得られるように調整している。ここで膜中での光の吸収は無いものとした。図４において、例えばＡ点とＢ点を比較すると、Ｂ点の方が２つの屈折率差は大きいが、ＬＤＢＲｅｆｆはＡ点の方が短いことが分かる。このようにＬＤＢＲｅｆｆは必ずしもＤＢＲを構成する２つの材料の屈折率差が大きいほど短くなる訳ではないこと、またＬＤＢＲｅｆｆを短くするには、上記２つの材料の屈折率（ｎＨ１、ｎＬ１）に加えてｎｓを考慮する必要があることが分かった。半導体で可能な屈折率の範囲でｎｓを変えて、図４と同様にＬＤＢＲｅｆｆを計算した結果、前述のＬＤＢＲｅｆｆ＜１μｍ（λ０）を実現するために必要なｎＨ１、ｎＬ１、ｎｓの関係は２次式で良く近似することができることを確認した。これが「課題を解決するための手段」の項で記した式（１）である。また、図４より、ＬＤＢＲｅｆｆは０．５μｍ（λ０／２）未満とすることも可能であることが分かる。この場合には共振部の光学長Ｌが１．５μｍ、すなわち３λ０／２でも全体の実効共振器長（Ｌｅｆｆ）を３．５μｍ（３．５λ０）以下にすることができる。このために必要なｎＨ１、ｎＬ１、ｎｓの関係も２次式で良く近似することができ、これが上記式（３）となる。なお、誘電体は電気伝導率も低いため、ＤＢＲを通じて電流を流すことは困難となる。したがって、誘電体ＤＢＲより活性層に近い層を通じて電流を流すこととなるが、この層を厚くすると、実効共振器長（Ｌｅｆｆ）が長くなるので、ここは薄くする必要が生じる。薄い層に横方向に電流を流す場合、抵抗が高くなり、インピーダンス不整合や自己発熱増加などの問題が生じる。したがって、この層は抵抗率の高いｐ型ではなく、ｎ型であることが必要となる。【００４７】
また、上述のように、片側のＤＢＲは半導体で構成することが必要となるが、このＤＢＲの実効長（ＬＤＢＲｅｆｆ）が長くなると全体の実効共振器長（Ｌｅｆｆ）を短くすることが困難になる。図５に示すように、半導体ＤＢＲの実効長はＤＢＲを構成する２つの材料の屈折率（ｎＨ２、ｎＬ２）の差が０．４以下になると非常に大きくなるため、屈折率差が０．４以上となる材料で構成する必要がある。これらの条件を示すものが上記式（２）および（４）である。本条件を満たす材料としては、ＡｌＧａＡｓが挙げられる。なお、厳密には半導体ＤＢＲの場合でもＤＢＲと接する活性層側の半導体の屈折率ｎｓを考慮する必要があるが、半導体ＤＢＲではｎＨ２、ｎＬ２、ｎｓの差は小さく、ｎｓはｎＨ２とｎＬ２の中間の値になる場合が多い。この場合には従来行われてきたようにＤＢＲを構成する２つの材料の屈折率差のみを考えても誤差は十分小さい。図５は、低屈折率層の屈折率（ｎＬ２）を３に固定し、高屈折率層の屈折率（ｎＨ２）を３．１から４まで変えた場合の計算例である。【００４８】
これまで、発振波長λ０が１μｍの場合について説明してきたが、他の発振波長λ０の素子の場合には、共振部の光路長ＬおよびＬＤＢＲｅｆｆの数値も変わり、Ｌｅｆｆも変わる。しかし、それぞれの発振波長λ０において、従来の素子と本構造を比較すれば、同じ関係が成り立ち、上記式（１）、（２）あるいは式（３）、（４）も同様に成り立つ。あるいは上記の説明では、共振部や実効的なＤＢＲの光路長を挙げて話を進めたが、これを（光路長／発振波長）をパラメータとすれば、いずれの発振波長λ０においても上記のような関係が成り立ち、上記式（１）、（２）あるいは式（３）、（４）も同様に成り立つことが分かる。【００４９】
以上の説明に基づき、本願発明の面発光レーザの形態を述べると以下のようになる。
本願発明の面発光レーザは、活性層を含む共振部が２つのＤＢＲで挟まれた構造を有しており、前記２つのＤＢＲは片側が半導体で構成されたものであり、他方が誘電体で構成されたものからなる。上記２つのＤＢＲはそれぞれ低屈折率層が共振部の半導体に接する。これらの誘電体ＤＢＲおよび半導体ＤＢＲはそれぞれ前記式（１）および式（２）を満たすようにそれぞれのＤＢＲを構成する誘電体材料、半導体材料および共振部の層厚を選択し、かつ該半導体で構成される共振部分の光路長Ｌが、概ねλ０に等しくなるように、具体的には０．９×λ０≦Ｌ≦１．１×λ０となるように共振部の層厚を選択する。あるいは、これらの誘電体ＤＢＲおよび半導体ＤＢＲがそれぞれ前記式（３）および式（４）を満たすものようにそれぞれのＤＢＲを構成する誘電体材料、半導体材料を選択し、かつ該半導体で構成される共振部分の光路長Ｌが、概ね３・（λ０／２）となるように、具体的には１．４×λ０≦Ｌ≦１．６×λ０となるように共振部の層厚を選択する。【００５０】
前記共振部は半導体からなっており、誘電体ＤＢＲの下面に接する部分を構成する半導体は、半導体レーザの駆動バイアスを印加する際に利用される二つの電極の一方を設ける際にも利用される。その際、誘電体ＤＢＲは、円形形状に加工され、その外周を取り巻くように、環状の電極（リング電極）を形成する。環状の電極（リング電極）は、誘電体ＤＢＲの下面に接する部分を構成する半導体上に形成されるが、電気抵抗の観点から、この部分の半導体は、高濃度にドーピングされたｎ型導電性半導体とすることが好ましい。【００５１】
その際、発光領域は、下側ＤＢＲの半導体ＤＢＲの表面に接する下側のクラッド層を、ｐ型クラッド層とし、上側のクラッド層をｎ型クラッド層とする構成として、ｐ型クラッド層と電気的に導通するｐ側電極を設ける構造とすることができる。この構造では、上面に設けるｎ側電極と、ｐ側電極との間に、駆動バイアスを印加し、順方向電流を流すことで、ｐ型クラッド層から、活性層へと正孔の注入がなされる構成となる。下側のクラッド層をｐ型クラッド層とする場合、半導体ＤＢＲもｐ型とする。【００５２】
一方、発光領域は、下側ＤＢＲの半導体ＤＢＲの表面に接する下側のクラッド層を、ｎ型クラッド層とし、上側のクラッド層をｐ型クラッド層とする構成として、上面に設けるｎ側電極と、ｐ型クラッド層との間に、ｐ＋半導体層／ｎ＋半導体層で構成されるトンネル接合を設ける構成とすることもできる。ｐ＋半導体層／ｎ＋半導体層で構成されるトンネル接合をトンネル電流が流れると、ｐ＋半導体層の価電子帯から、ｎ＋半導体層の伝導帯へと、電子がトンネルする結果、ｐ＋半導体層の価電子帯に正孔が生成される。この生成される正孔は、ｐ型クラッド層を経由して、活性層へと注入される。【００５３】
下側ＤＢＲの半導体ＤＢＲの表面に接するｎ型クラッド層と電気的に導通する、第二のｎ型電極を設け、上面に環状の電極（リング電極）として形成されている第一のｎ型電極との間に駆動バイアスが印加される。【００５４】
このｐ＋半導体層／ｎ＋半導体層で構成されるトンネル接合を設ける際、ｐ型クラッド層と、上側ＤＢＲの誘電体ＤＢＲの下面に接する部分を構成する、最表面のｎ型半導体層の間には、例えば、ｐ−ＧａＡｓクラッド層、ｐ−ＧａＡｓ０．２５Ｐ０．７５層、ｐ＋−Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層、ｎ＋−Ｇａ０．９Ｉｎ０．１Ｎ０．０２Ａｓ０．０９８層、ｎ−ＧａＡｓ層のように、比較的にバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）が小さな半導体材料で構成されるｐ＋半導体層／ｎ＋半導体層を設け、トンネル接合とする。その際、ｐ＋半導体層とｎ＋半導体層と間では、価電子帯にバンド不連続（ΔＥｖ）が存在する構成とすることが好ましい。
また、共振部分自体の光路長：Ｌを、Ｌ≒λ０とする場合、この共振部分に配置する発光領域に関しては、以下の配置とすることが好ましい。【００５５】
発光領域は、量子井戸構造を利用する活性層に対して、その両側にクラッド層を設ける構成とする。その際、量子井戸構造を利用する活性層の中心から、下側ＤＢＲの半導体ＤＢＲの表面までの光学長：Ｌ２は、Ｌ２≒λ０／２とし、従って、量子井戸構造を利用する活性層の中心から、上側ＤＢＲの誘電体ＤＢＲの下面までの光学長：Ｌ１も、Ｌ１≒λ０／２とする。【００５６】
一方、共振部分自体の光路長：Ｌを、Ｌ≒３・（λ０／２）とする場合、この共振部分に配置する発光領域に関しては、以下の配置とすることが好ましい。【００５７】
発光領域は、量子井戸構造を利用する活性層に対して、その両側にクラッド層を設ける構成とする。その際、量子井戸構造を利用する活性層の中心から、下側ＤＢＲの半導体ＤＢＲの表面までの光学長：Ｌ２は、Ｌ２≒λ０／２とし、従って、量子井戸構造を利用する活性層の中心から、上側ＤＢＲの誘電体ＤＢＲの下面までの光学長：Ｌ１は、Ｌ１≒λ０とする。【００５８】
この場合には、共振部分自体の光路長：Ｌを、Ｌ＝λ０とする場合と比べて、活性層から誘電体ＤＢＲの間の距離が、光学長として、（λ０／２）分だけ長くなる。この領域は、次のような構成とすることも可能である。【００５９】
光学長として、（λ０／２）に相当する領域を、光学長として、ほぼ（λ０／４）に相当する二つの部分に分割し、それぞれ、屈折率の異なる半導体層とする。その際、誘電体ＤＢＲの下面に接する半導体層は、環状の電極（リング電極）の形成にも利用されるため、高濃度にドーピングされたｎ型導電性半導体とすることが好ましい。誘電体ＤＢＲの低屈折率層の屈折率をｎＬ、上記（（λ０／４）に相当する二つの部分に分割された領域の屈折率を誘電体ＤＢＲに近い側からｎａ、ｎｂ、またこれよりさらに活性層側の平均的な屈折率をｎｃとすると、ｎａ，ｎｃ＞ｎｂ、ｎａ＞ｎＬとなるように材料を選択することにより、これらの部分もミラー層として機能させることができる。【００６０】
なお、前記式（１）および（３）中のｎＨ１、ｎＬ１、ｎＳ１については、ｎＨ１／ｎＳ１＜ｎＳ１／ｎＬ１を満たすように材料を選択することが望ましい。また、前記式（２）および（４）中のｎＨ２、ｎＬ２、については、半導体ＤＢＲと共振部の界面から活性層中央までの平均屈折率をｎＳ３とすると、ｎＨ２／ｎＳ３＜ｎＳ３／ｎＬ２を満たすように材料を選択することが望ましい。【００６１】
以下に、具体例を挙げて、本発明にかかる面発光型半導体レーザの構成をより詳しく説明する。【００６２】
（第一の実施形態）
以下に、本発明の第一の実施形態にかかる面発光型半導体レーザ素子の構成を、図１を参照して説明する。この第一の実施形態は、ＧａＡｓ基板上に形成した発振波長λ０＝１．３μｍのトンネル接合型面発光型レーザに本発明を適用した例である。【００６３】
まず、図１（ａ）に示すようにｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＧａＡｓ層とｎ型ＡｌＡｓ層の一対を基本単位とするＤＢＲ（ｎ型半導体ミラー層）を複数積層した第１のＤＢＲ層１０２、ｎ型ＧａＡｓクラッド層１０３、ノンドープＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層からなる多重量子井戸活性層１０４、ｐ−ＧａＡｓクラッド層１０５、ｐ−ＧａＡｓ０．２５Ｐ０．７５層１０６、ｐ＋−Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層１０７、ｎ＋−Ｇａ０．９Ｉｎ０．１Ｎ０．０２Ａｓ０．０９８層１０８、ｎ−ＧａＡｓ層１０９を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法にて順次積層する（工程１）。第１のＤＢＲ層１０２を構成する、ｎ型ＧａＡｓ層の膜厚：ｄＨ２とｎ型ＡｌＡｓ層の膜厚：ｄＬ２は、発振波長λ０における、ｎ型ＧａＡｓ層の屈折率：ｎＨ２とｎ型ＡｌＡｓ層の屈折率：ｎＬ２に対して、それぞれ、ｄＨ２≒（1/4）・（λ０／ｎＨ２）、ｄＬ２≒（1/4）・（λ０／ｎＬ２）に設定してある。従って、これら媒質内の光路長（ｎＬ２・ｄＬ２、ｎＨ２・ｄＨ２）が、発振波長λ０のほぼ１／４となるように設定してある。【００６４】
また、ｐ＋−Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層１０７のｐ型ドーパントとして、Ｃを用い、ｐドーピング濃度は８×１０１９ｃｍ−３とし、ｎ＋−Ｇａ０．９Ｉｎ０．１Ｎ０．０２Ａｓ０．０９８層１０８のｎ型ドーパントとして、Ｓｅを用い、ｎドーピング濃度は５×１０１９ｃｍ−３としている。また、ｐ＋−Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層１０７の厚さは５ｎｍ、ｎ＋−Ｇａ０．９Ｉｎ０．１Ｎ０．０２Ａｓ０．０９８層１０８の厚さは１０ｎｍとしている。一方、ｐ−ＧａＡｓ０．２５Ｐ０．７５層１０６層の厚さは１５ｎｍである。この構成では、高濃度ドーピングがなされている、ｐ＋−Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層１０７とｎ＋−Ｇａ０．９Ｉｎ０．１Ｎ０．０２Ａｓ０．０９８層１０８がトンネル接合を構成している。【００６５】
次に、フォトリソグラフィ技術により直径約６μｍの円形のレジストマスクを形成した後、エッチングにより、ｐ＋−Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層１０７、ｎ＋−Ｇａ０．９Ｉｎ０．１Ｎ０．０２Ａｓ０．０９８層１０８、ｎ−ＧａＡｓ層１０９をメサ形状にエッチング除去する。その後、フォトレジストを除去する（工程２）。【００６６】
続いて、工程２で形成される直径約６μｍ径のメサ部分（トンネル接合）と中心軸が一致するように、直径約１５μｍのレジストマスクを形成し、酸素イオン注入を行う。なお、酸素イオン注入の深さは、約１μｍであり、第１のＤＢＲ層１０２の中に達するように設定されている。その後、フォトレジストを除去する（工程３）。酸素イオン注入された箇所は高抵抗層となるため、電気的には実効的な素子サイズが、直径約１５μｍの円形形状となり、素子の電気容量を低減することができる。これにより、所謂、ＣＲ時定数による帯域制限を回避し、高速変調を行うことが可能となる。【００６７】
次に、再びＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ−ＧａＡｓ層１１０を成長する（工程４）。第１のＤＢＲ層１０２表面から多重量子井戸活性層１０４の中心までの光路長は、発振波長λ０の１／２、多重量子井戸活性層１０４の中心からｎ−ＧａＡｓ層１１０の表面までの光路長は、発振波長λ０とほぼ一致するように設定してある。【００６８】
次に、図１（ｂ）に示すように、このウエハ上にスパッタを用いて、ＳｉＯ２層とアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）層の一対を基本単位とするＤＢＲ（誘電体ミラー層）を複数積層した第２のＤＢＲ層１１１を形成する（工程５）。【００６９】
ＳｉＯ２層の膜厚：ｄＬ１とａ−Ｓｉ層の膜厚：ｄＨ１は、発振波長λ０における、ａ−Ｓｉ層の屈折率：ｎＨ１とＳｉＯ２層の屈折率：ｎＬ１に対して、それぞれ、ｄＨ１≒（1/4）・（λ０／ｎＨ１）、ｄＬ１≒（1/4）・（λ０／ｎＬ１）に設定してある。従って、これら媒質内の光路長（ｎＬ１・ｄＬ１、ｎＨ１・ｄＨ１）が、発振波長λ０のほぼ１／４となるように設定してある。【００７０】
次に、レジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術により、工程２で形成される直径約６μｍ径の円形メサ部分（トンネル接合部）と同軸上に直径約１０ミクロンの円形マスクを作製する。その後、直径約１０ミクロンの円形マスクを利用して、第２のＤＢＲ層１１１を、直径約１０ミクロンの円形状にエッチングする。その後、マスクを除去する（工程６）。【００７１】
続いて、工程２、６で形成した円形パターンと同軸上に直径約２０μｍの円形のマスクを形成した後、ｎ型ＧａＡｓクラッド層１０３の内までエッチングを行い、円柱状構造１１２を形成する（工程７。図１（ｃ）参照）。この後、レジストを除去する。次に上記メサエッチングにより露出されるｎ型ＧａＡｓクラッド層１０３上に電極を形成する。まず、全面にフォトレジストを塗布した後、リソグラフィにより電極を形成する部分のみ除去する。ＡｕＧｅＮｉを蒸着した後、上記フォトレジストを除去してリフトオフすることにより、ｎ型ＧａＡｓクラッド層１０３上の一部に電極１１３が形成される（工程８）。【００７２】
次に、ポリイミド１１４によりメサを埋め込んだ後、リソグラフィにより工程７で形成した電極１１３上のポリイミドを除去する（工程９）。続いて、電極を形成する。まずフォトレジストを塗布し、マスク露光によりパターニングした後、ＡｕＧｅＮｉを蒸着し、上記フォトレジストを除去してリフトオフすることにより、リング電極１１５およびそれと接続されたパッド電極１１６を形成する。また、この工程では、同時にポリイミド上にパッド電極１１７を形成し、上記工程８で形成したｎ型ＧａＡｓクラッド層１０３上の電極１１３と接続している（工程１０、図１（ｄ）参照）。このようにＧａＡｓ基板上に作製したＶＣＳＥＬを１個ごともしくは所望のアレイ状（例えば１個×１０個、１００個×１００個など）に切り出して使用可能である。【００７３】
この第一の実施形態では、２つのＤＢＲに挟まれた共振部である、第１のＤＢＲ層１０２表面からｎ−ＧａＡｓ層１１０表面までの光路長は、発振波長λ０の約３／２となっている（Ｌ＝（3/2）・λ０）。また、誘電体で構成される第２のＤＢＲ層１１１は、屈折率：ｎＬ１約１．４５のＳｉＯ２層と屈折率：ｎＨ１約３．６５のａ−Ｓｉ層からなっている。この誘電体ＤＢＲ（第２のＤＢＲ層）１１１と接する半導体である、ｎ−ＧａＡｓ層１１０の屈折率（ｎＧａＡｓ）は約３．４１である。また、トンネル接合部を覆っている、ｎ−ＧａＡｓ層１１０の厚さは、２６０ｎｍであり、発振波長λ０＝１．３μｍに対して、（1/4）・（λ０/ｎＧａＡｓ）（≒９６ｎｍ）以上となっている。従って、誘電体ＤＢＲ（第２のＤＢＲ層）１１１を構成している、高屈折率層（ａ−Ｓｉ層）の屈折率：ｎＨ１≒３．６５、低屈折率層（ＳｉＯ２層）の屈折率：ｎＬ１≒１．４５と、誘電体ＤＢＲと接する半導体内の光の１／４周期内の平均屈折率ｎＳ１≒３．４１は、上記式（３）に規定する要件を満たしている。【００７４】
一方、第１のＤＢＲ層１０２の半導体ＤＢＲを構成する、ｎ型ＧａＡｓ層（ｎＨ２＝３．４）とｎ型ＡｌＡｓ層（ｎＬ２＝２．９）の発振波長λ０における屈折率差：Δｎ＝ｎＨ２−ｎＬ２は約０．５０であり、上記式（４）に規定する要件を満たしている。【００７５】
その際、発振波長λ０＝１．３μｍに対して、ｎ型ＧａＡｓ層（ｎＨ２＝３．４）の厚さ：ｄＨ２は、ｄＨ２≒（1/4）・（λ０/ｎＨ２）＝９６ｎｍ、ｎ型ＡｌＡｓ層（ｎＬ２＝２．９）の厚さ：ｄＬ２は、ｄＬ２≒（1/4）・（λ０/ｎＬ２）＝１１２ｎｍに設定されている。【００７６】
一方、実効ＤＢＲ長（光路長）については、図５を参照すると、発振波長λ０＝１．０μｍに対して、半導体ＤＢＲを構成する高屈折率層と低屈折率層との屈折率差：Δｎ≒０．５０である場合、光の侵入深さ、すなわち実効ＤＢＲ長ＬＤＢＲｅｆｆ２は、ＬＤＢＲｅｆｆ２≒１．５μｍ＝３・（λ０/２）となっている。発振波長λ０＝１．０μｍに対しては、実効的な侵入深さＬＤＢＲｅｆｆ２は、ｎ型ＧａＡｓ層（ｎＨ２＝３．４）／ｎ型ＡｌＡｓ層（ｎＬ２＝２．９）の対として、約３対に相当している。同様の計算により、発振波長λ０＝１．３μｍに対しても、実効ＤＢＲ長：ＬＤＢＲｅｆｆ２は、ＬＤＢＲｅｆｆ２≒３・（λ０/２）であることが分かる。【００７７】
一方、発振波長λ０＝１．３μｍに対して、誘電体ＤＢＲを構成する、ａ−Ｓｉ層（ｎＨ１＝３．６５）の厚さ：ｄＨ１は、ｄＨ１≒（1/4）・（λ０/ｎＨ１）＝８９ｎｍ、ＳｉＯ２層（ｎＬ１＝１．４５）の厚さ：ｄＬ１は、ｄＬ１≒（1/4）・（λ０/ｎＬ１）＝２２４ｎｍに設定される。【００７８】
図４を参照すると、発振波長λ０＝１．０μｍに対して、誘電体ＤＢＲを構成する高屈折率層と低屈折率層の屈折率が、ｎＨ１＝３．６５、ｎＬ１＝１．４５である場合、実効ＤＢＲ長：ＬＤＢＲｅｆｆ１は、ＬＤＢＲｅｆｆ１≒０．１７μｍ≒（λ０/６）となっている。同様の計算により、発振波長λ０＝１．３μｍに対しても、実効ＤＢＲ長：ＬＤＢＲｅｆｆ１は、ＬＤＢＲｅｆｆ１≒（λ０/６）であることが分かる。【００７９】
なお、第１のＤＢＲ層１０２表面から多重量子井戸活性層１０４の中心までの光路長は、発振波長λ０の１／２、多重量子井戸活性層１０４の中心からｎ−ＧａＡｓ層１１０の表面までの光路長は発振波長λ０とほぼ一致するように設定してある。発振波長λ０に対して、第１のＤＢＲ層１０２と第２のＤＢＲ層１１１で挟まれる、この共振器領域の実効的な屈折率は、上記のｎｓ≒３．４１と見做せる。この共振器領域の光路長Ｌは、発振波長λ０の（１／２＋１）に相当し、すなわち、Ｌ≒（3/2）・λ０となっている。【００８０】
上記の構成のＶＣＳＥＬに関して、第１のＤＢＲ層１０２と第２のＤＢＲ層１１１に対する、光の侵入深さ；ＬＤＢＲｅｆｆ２とＬＤＢＲｅｆｆ１をも含め、その共振器領域の光路長Ｌｅｆｆは、Ｌｅｆｆ＝Ｌ＋（ＬＤＢＲｅｆｆ２＋ＬＤＢＲｅｆｆ１）≒（3/2）・λ０＋３・（λ０/２）＋（λ０/６）＜（７／２）・λ０となり、先に述べた特許文献１に記載される半波長微小共振器を有するＶＣＳＥＬと比較しても、さらに短い実効共振器長を実現できている。【００８１】
従って、駆動電圧をパルス状に変化される、直接変調により光パルスを発生する際、その立ち上がり、立下りに要する過渡的時間の低減がなされ、より高速変調が可能となる。【００８２】
（第二の実施形態）
本発明の第二の実施形態にかかる面発光型半導体レーザ素子の構成を、図２を参照して説明する。この第一の実施形態は、ＧａＡｓ基板上に形成した発振波長λ０＝０．８５μｍの面発光型レーザに本発明を適用した例である。【００８３】
まず、図２（ａ）に示すようにｐ型ＧａＡｓ基板２０１上に、ｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８５Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の一対を基本単位とするＤＢＲ（ｐ型半導体ミラー層）を複数積層した第１のＤＢＲ層２０２、ｐ型Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓの酸化電流狭窄部形成層２０３、ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓクラッド層２０４、ノンドープＧａＡｓ井戸層とＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ障壁層からなる多層量子井戸活性層２０５、ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓクラッド層２０６、ｎ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８５Ａｓ層２０７および薄いｎ型ＧａＡｓ層２０８を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法にて順次積層する（工程１）。第１のＤＢＲ層２０２を構成する、ｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８５Ａｓ層の膜厚：ｄＨ２とｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の膜厚：ｄＬ２は、発振波長λ０における、ｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８５Ａｓ層の屈折率：ｎＨ２とｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の屈折率：ｎＬ２に対して、それぞれ、ｄＨ２≒（1/4）・（λ０／ｎＨ２）、ｄＬ２≒（1/4）・（λ０／ｎＬ２）に設定してある。従って、これら媒質内の光路長（ｎＬ２・ｄＬ２、ｎＨ２・ｄＨ２）が、発振波長λ０のほぼ１／４となるように設定してある。【００８４】
第１のＤＢＲ層２０２表面から多重量子井戸活性層２０５の中心までの光路長、ならびに、多重量子井戸活性層２０５の中心からｎ−ＧａＡｓ層２０８の表面までの光路長は、ともに、発振波長λ０の１／２とほぼ一致するように設定してある。【００８５】
次に、このウエハ上にスパッタを用いて、ＳｉＯ２層とＳｉＮｘ層の一対を基本単位とするＤＢＲ（誘電体ミラー層）を複数積層した第２のＤＢＲ層２０９を形成する（工程２）。【００８６】
ＳｉＯ２層の膜厚：ｄＬ１とＳｉＮｘ層の膜厚：ｄＨ１は、発振波長λ０における、ＳｉＮｘ層の屈折率：ｎＨ１とＳｉＯ２層の屈折率：ｎＬ１に対して、それぞれ、ｄＨ１≒（1/4）・（λ０／ｎＨ１）、ｄＬ１≒（1/4）・（λ０／ｎＬ１）に設定してある。従って、これら媒質内の光路長（ｎＬ１・ｄＬ１、ｎＨ１・ｄＨ１）が、発振波長λ０のほぼ１／４となるように設定してある。【００８７】
次に、レジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術により、直径約１０ミクロンの円形マスクを作製した後、第２のＤＢＲ層２０９をエッチングする。その後、マスクを除去する（工程３。図２（ｂ）参照）。続いて、工程３で形成した円形パターンと同軸上に直径約２５μｍの円形のエッチングマスクを形成した後、ｎ型ＧａＡｓ層２０８から、第１のＤＢＲ層２０２の表面から０．５乃至１μｍ程度までエッチングを行い、円柱状構造２１０を形成する（工程４）。このメサ形成工程により、電流狭窄部形成層２０３の側面が露出する。その後、エッチングマスクを除去する。次に、水蒸気雰囲気中の炉内において温度約４５０℃で約１０分間加熱を行う（工程５）。この酸化処理により、電流狭窄部形成層２０３のみが、その外周から、円環状に選択的に酸化される（図２（ｃ）参照）。酸化時間を調整することにより、ｐ型Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓの電流狭窄部形成層２０３の中心部に直径約６μｍの非酸化領域を形成する。電流狭窄部形成層２０３に形成された、円環状の酸化領域と、中心部の非酸化領域からなる構成を電流狭窄部と称する。電流狭窄部では、中心部の直径約６μｍの非酸化領域を通過する電流は、ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓクラッド層２０４においては、実質的に横方向への拡散は起さず、多層量子井戸活性層２０５へと注入される。従って、多層量子井戸活性層２０５へ注入される電流の密度分布は、中心部の直径約６μｍに集中した形状となる。【００８８】
次に、上記メサエッチングにより露出した第１のＤＢＲ層２０２上に電極を形成する。まず、全面にフォトレジストを塗布した後、リソグラフィによりｐ側電極を形成する部分のみ除去する。Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着した後、上記フォトレジストを除去してリフトオフすることにより、第１のＤＢＲ層２０２の表面に電極２１１が形成される（工程６）。次に、ポリイミド２１２によりメサを埋め込んだ後、リソグラフィにより工程６で形成した電極２１１上のポリイミドを除去する（工程７）。【００８９】
続いて、ｎ側電極を形成する。まず、フォトレジストを塗布し、マスク露光によりパターニングした後、ＡｕＧｅＮｉを蒸着し、上記フォトレジストを除去してリフトオフすることにより、リング電極２１３およびそれと接続されたパッド電極２１４を形成する。また、この工程では、同時にポリイミド上にパッド電極２１５を形成し、上記工程６で形成した第１のＤＢＲ上の電極２１１と接続している（工程８。図２（ｄ）参照）。ここで、リング電極２１３の内径は１０μｍ、外径は１５μｍとされている。【００９０】
次に、ウエハ上にフォトレジストを塗布した後、リソグラフィによりリング電極と同軸上に直径１６μｍの円形マスクを作製する。続いて、プロトン注入を行う。プロトン注入深さは、１μｍであり、第１のＤＢＲ層２０２内に達するように設定されている。すなわち、マスクに覆われた中央の直径１６μｍの領域を除き、直径約２５μｍのメサの周辺部にはプロトンが注入され、高抵抗化する（工程９）。従って、ｐｎ接合は、直径１６μｍの円形領域のみとすることによって、メサ周辺部の容量を低減している。このようにＧａＡｓ基板上に作製したＶＣＳＥＬを１個ごともしくは所望のアレイ状（例えば１個×１０個、１００個×１００個など）に切り出して使用可能である。【００９１】
この第二の実施形態では、２つのＤＢＲに挟まれた共振部である、第１のＤＢＲ層２０２表面からｎ−ＧａＡｓ層２０８表面までの光路長は、発振波長λ０とほぼ等しくなっている（Ｌ≒（2/2）・λ０）。また、誘電体で構成される第２のＤＢＲ層２０９は、屈折率：ｎＬ１約１．４５のＳｉＯ２層と屈折率：ｎＨ１約１．９のＳｉＮｘ層からなっている。発振波長λ０＝０．８５μｍにおいて、この誘電体ＤＢＲ（第２のＤＢＲ層）２０９と接する半導体である、ｎ−ＧａＡｓ層２０８の屈折率（ｎＧａＡｓ）は、約３．６４である。【００９２】
なお、ｎ−ＧａＡｓ層２０８の厚さは、５８ｎｍであり、発振波長λ０＝０．８５μｍに対して、（1/4）・（λ０/ｎｓ）（≒５８ｎｍ）とほぼ等しくなっている。従って、誘電体ＤＢＲ（第２のＤＢＲ層）２０９を構成している、高屈折率層（ＳｉＮｘ層）の屈折率：ｎＨ１≒１．９、低屈折率層（ＳｉＯ２層）の屈折率：ｎＬ１≒１．４５と、誘電体ＤＢＲと接する半導体内の光の１／４周期内の平均屈折率をｎＳ１≒３．６４は、上記式（１）に規定する要件を満たしている。【００９３】
一方、第１のＤＢＲ層２０２の半導体ＤＢＲを構成する、ｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層（ｎＨ２＝３．４９）とｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層（ｎＬ２＝３．０）の発振波長λ０における屈折率差：Δｎ＝ｎＨ２−ｎＬ２は約０．４９であり、上記式（２）に規定する要件を満たしている。【００９４】
その際、発振波長λ０＝０．８５μｍに対して、ｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８５Ａｓ層（ｎＨ２＝３．４９）の厚さ：ｄＨ２は、ｄＨ２≒（1/4）・（λ０/ｎＨ２）＝６１ｎｍ、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層（ｎＬ２＝３．０）の厚さ：ｄＬ２は、ｄＬ２≒（1/4）・（λ０/ｎＬ２）＝７１ｎｍに設定されている。従って、第１のＤＢＲ層２０２の半導体ＤＢＲ全体の厚さ：ｄＤＢＲ２は、ｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層／ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層のＮ対で構成する場合、ｄＤＢＲ２＝Ｎ・（ｄＨ２＋ｄＬ２）となる。【００９５】
図５を参照すると、発振波長λ０＝１．０μｍに対して、半導体ＤＢＲを構成する高屈折率層と低屈折率層との屈折率差：Δｎ≒０．４９である場合、実効ＤＢＲ長ＬＤＢＲｅｆｆ２は、ＬＤＢＲｅｆｆ２≒１．５３μｍ≒３・（λ０/２）となっている。【００９６】
発振波長λ０＝０．８５μｍに対しても、同様の計算により、ＬＤＢＲｅｆｆ２≒３・（λ０/２）となることが分かる。【００９７】
一方、発振波長λ０＝０．８５μｍに対して、誘電体ＤＢＲを構成する、ＳｉＮｘ層（ｎＨ１≒１．９）の厚さ：ｄＨ１は、ｄＨ１≒（1/4）・（λ０/ｎＨ１）＝１１２ｎｍ、ＳｉＯ２層（ｎＬ１＝１．４５）の厚さ：ｄＬ１は、ｄＬ１≒（1/4）・（λ０/ｎＬ１）＝１４６ｎｍに設定される。【００９８】
図４を参照すると、発振波長λ０＝１．０μｍに対して、誘電体ＤＢＲを構成する高屈折率層と低屈折率層の屈折率が、ｎＨ１＝１．９、ｎＬ１＝１．４５である場合、実効ＤＢＲ長ＬＤＢＲｅｆｆ１は、ＬＤＢＲｅｆｆ１≒０．３５μｍ≒３／４・（λ０/２）となっている。発振波長λ０＝０．８５μｍに対しても、同様の計算により、ＬＤＢＲｅｆｆ１≒３／４・（λ０/２）＜（λ０/２）となることが分かる。【００９９】
なお、第１のＤＢＲ層２０２表面から多重量子井戸活性層２０５の中心までの光路長、ならびに、多重量子井戸活性層２０５の中心からｎ−ＧａＡｓ層２０８の表面までの光路長は、発振波長λ０の１／２とほぼ一致するように設定してある。発振波長λ０に対して、第１のＤＢＲ層２０２と第２のＤＢＲ層２０９で挟まれる、この共振器領域の屈折率は、上記のｎＳ≒３．６４と見做せる。この共振器領域の光路長Ｌは、発振波長λ０の（２／２）に相当し、すなわち、Ｌ≒（2/2）・λ０となっており、実際の共振器領域の全体の厚さ：ｄは、ｄ＝Ｌ／ｎＳ≒（2/2）・（λ０/ｎＳ）となる。【０１００】
上記の構成のＶＣＳＥＬに関して、第１のＤＢＲ層２０２と第２のＤＢＲ層２０９に対する、光の侵入深さ；ＬＤＢＲｅｆｆ２とＬＤＢＲｅｆｆ１をも含め、その共振器領域の光路長Ｌｅｆｆは、Ｌｅｆｆ＝Ｌ＋（ＬＤＢＲｅｆｆ２＋ＬＤＢＲｅｆｆ１）≒（2/2）・λ０＋３・（λ０/２）＋３／４・（λ０/２）＜（７／２）・λ０となる。【０１０１】
従って、駆動電圧をパルス状に変化される、直接変調により光パルスを発生する際、その立ち上がり、立下りに要する過渡的時間の低減がなされ、より高速変調が可能となり、先に述べた特許文献１に記載される半波長微小共振器を有するＶＣＳＥＬと比較しても、さらに短い実効共振器長を実現できている。【０１０２】
（第三の実施形態）
以下に、本発明の第三の実施形態にかかる面発光型半導体レーザ素子の構成を、図３を参照して説明する。この第三の実施形態は、ＧａＡｓ基板上に形成した発振波長λ０＝１．０μｍのトンネル接合型面発光型レーザに本発明を適用した例である。【０１０３】
まず、図３（ａ）に示すようにｎ型ＧａＡｓ基板３０１上に、ｎ型ＧａＡｓ層とｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の一対を基本単位とするＤＢＲ（ｎ型半導体ミラー層）を複数積層した第１のＤＢＲ層３０２、ｎ型ＧａＡｓクラッド層３０３、ノンドープＩｎＧａＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層からなる多重量子井戸活性層３０４、ｐ−ＧａＡｓクラッド層３０５、ｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層３０６、ｐ＋−ＧａＡｓ０．９４Ｓｂ０．０６層３０７、ｎ＋−Ｉｎ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層３０８、ｎ−ＧａＡｓ層３０９を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法にて順次積層する（工程１）。第１のＤＢＲ層３０２を構成する、ｎ型ＧａＡｓ層の膜厚：ｄＨ２とｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の膜厚：ｄＬ２は、発振波長λ０における、ｎ型ＧａＡｓ層の屈折率：ｎＨ２とｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の屈折率：ｎＬ２に対して、それぞれ、ｄＨ２≒（1/4）・（λ０／ｎＨ２）、ｄＬ２≒（1/4）・（λ０／ｎＬ２）に設定してある。従って、これら媒質内の光路長（ｎＬ２・ｄＬ２、ｎＨ２・ｄＨ２）が、発振波長λ０のほぼ１／４となるように設定してある。【０１０４】
また、ｐ＋−ＧａＡｓ０．９４Ｓｂ０．０６層３０７のｐ型ドーパントとして、Ｃを用い、ｐドーピング濃度は１．５×１０１９ｃｍ−３とし、ｎ＋−Ｉｎ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層３０８のｎ型ドーパントとして、Ｓｉを用い、ｎドーピング濃度は２×１０１９ｃｍ−３としている。また、ｐ＋−ＧａＡｓ０．９４Ｓｂ０．０６層３０７の厚さは５ｎｍ、ｎ＋−Ｉｎ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層３０８の厚さは１０ｎｍとしている。一方、ｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層３０６層の厚さは１０ｎｍである。この構成では、高濃度ドーピングがなされている、ｐ＋−ＧａＡｓ０．９４Ｓｂ０．０６層３０７とｎ＋−Ｉｎ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層３０８がトンネル接合（ＴＪ）を構成している。【０１０５】
また、第１のＤＢＲ層３０２から多重量子井戸活性層３０４の中心までの光路長は、発振波長λ０のほぼ１／２に設定されている。一方、多重量子井戸活性層３０４の中心から、トンネル接合を構成する、ｐ＋−ＧａＡｓ０．９４Ｓｂ０．０６層３０７とｎ＋−Ｉｎ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層３０８の界面までの光路長は、発振波長λ０のほぼ１／４に設定されている。【０１０６】
次に、フォトリソグラフィ技術により直径約６μｍの円形のレジストマスクを形成した後、エッチングにより、ｐ＋−ＧａＡｓ０．９４Ｓｂ０．０６層３０７、ｎ＋−Ｉｎ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層３０８、ｎ−ＧａＡｓ層３０９をメサ形状にエッチング除去する。その後、フォトレジストを除去する（工程２）。【０１０７】
続いて、工程２で形成される直径約６μｍ径のメサ部分（トンネル接合）と中心軸が一致するように、直径約１５μｍのレジストマスクを形成し、酸素イオン注入を行う。なお、酸素イオン注入の深さは、約１μｍであり、第１のＤＢＲ層３０２内に達するように設定されている。その後、フォトレジストを除去する（工程３）。酸素イオン注入された箇所は高抵抗層となるため、電気的には実効的な素子サイズが、直径約１５μｍの円形形状となり、素子の電気容量を低減することができる。これにより、所謂、ＣＲ時定数による帯域制限を回避し、高速変調を行うことが可能となる。【０１０８】
次に、再びＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ−ＧａＡｓ層３１０、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３１１、ｎ−ＧａＡｓ層３１２を順次成長する（工程４）。その際、ｐ＋−ＧａＡｓ０．９４Ｓｂ０．０６層３０７とｎ＋−Ｉｎ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層３０８の界面（ＴＪ界面）からｎ−ＧａＡｓ層３１０層表面までの光学長は、発振波長λ０のほぼ１／４に設定されている。また、円形のＴＪ部上を被覆する、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３１１、ｎ−ＧａＡｓ層３１２の厚さも、発振波長λ０に対する光路長は、ともに、発振波長λ０のほぼ１／４になるように設定されている。従って、多重量子井戸活性層３０４の中心から、ｎ−ＧａＡｓ層３１２まで、光路長を合計すると、発振波長λ０とほぼ等しくなっている。【０１０９】
次に、図３（ｂ）に示すように、このウエハ上にスパッタを用いて、ＳｉＯ２層とＺｒＯ２層の一対を基本単位とするＤＢＲ（誘電体ミラー層）を複数積層した第２のＤＢＲ層３１３を形成する（工程５）。【０１１０】
ＳｉＯ２層の膜厚：ｄＬ１とＺｒＯ２の膜厚：ｄＨ１は、発振波長λ０における、ＺｒＯ２層の屈折率：ｎＨ１とＳｉＯ２層の屈折率：ｎＬ１に対して、それぞれ、ｄＨ１≒（1/4）・（λ０／ｎＨ１）、ｄＬ１≒（1/4）・（λ０／ｎＬ１）に設定してある。従って、これら媒質内の光路長（ｎＬ１・ｄＬ１、ｎＨ１・ｄＨ１）が、発振波長λ０のほぼ１／４となるように設定してある。【０１１１】
次に、レジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術により、工程２で形成される直径約６μｍ径の円形メサ部分（トンネル接合部）と同軸上に直径約１０ミクロンの円形マスクを作製する。その後、直径約１０ミクロンの円形マスクを利用して、第２のＤＢＲ層３１３を、直径約１０ミクロンの円形状にエッチングする。その後、マスクを除去する（工程６）。【０１１２】
続いて、工程２、６で形成した円形パターンと同軸上に直径約２０μｍの円形のマスクを形成した後、ｎ型ＧａＡｓクラッド層３０３の内までエッチングを行い、円柱状構造３１４を形成する（工程７。図３（ｃ）参照）。この後、レジストを除去する。次に、上記メサエッチングにより露出される、僅かな厚さで残っているｎ型ＧａＡｓクラッド層３０３上に電極を形成する。まず、全面にフォトレジストを塗布した後、リソグラフィにより電極を形成する部分のみ除去する。ＡｕＧｅＮｉを蒸着した後、上記フォトレジストを除去してリフトオフすることにより、第１のＤＢＲ層３０２の表面を覆っている、ｎ型ＧａＡｓクラッド層３０３上の一部に電極３１５が形成される（工程８）。【０１１３】
次に、ポリイミド３１６によりメサを埋め込んだ後、リソグラフィにより工程７で形成した電極３１５上のポリイミドを除去する（工程９）。続いて、電極を形成する。まずフォトレジストを塗布し、マスク露光によりパターニングした後、ＡｕＧｅＮｉを蒸着し、上記フォトレジストを除去してリフトオフすることにより、リング電極３１７およびそれと接続されたパッド電極３１８を形成する。また、この工程では、同時にポリイミド上にパッド電極３１９を形成し、上記工程８で形成したｎ型ＧａＡｓクラッド層３０３上の電極３１５と接続している（工程１０、図３（ｄ）参照）。このようにＧａＡｓ基板上に作製したＶＣＳＥＬを１個ごともしくは所望のアレイ状（例えば１個×１０個、１００個×１００個など）に切り出して使用可能である。【０１１４】
この第三の実施形態では、２つのＤＢＲに挟まれた共振部である、第１のＤＢＲ層３０２表面からｎ−ＧａＡｓ層３１２表面までの光路長は、発振波長λ０の約３／２となっている（Ｌ＝（3/2）・λ０）。また、誘電体で構成される第２のＤＢＲ層３１３は、屈折率：ｎＬ１約１．４５のＳｉＯ２層と屈折率：ｎＨ１約２．２のＺｒＯ２層からなっている。この誘電体ＤＢＲ（第２のＤＢＲ層）３１３と接する半導体である、ｎ−ＧａＡｓ層３１２の屈折率（ｎＧａＡｓ）は約３．５１である。また、ｎ−ＧａＡｓ層３１２の光路長は、発振波長λ０＝１．０μｍに対して、ほぼ１／４であり、その厚さは、（1/4）・（λ０/ｎＧａＡｓ）（≒７１ｎｍ）となっている。従って、誘電体ＤＢＲ（第２のＤＢＲ層）３１３を構成している、高屈折率層（ＺｒＯ２層）の屈折率：ｎＨ１≒２．２、低屈折率層（ＳｉＯ２層）の屈折率：ｎＬ１≒１．４５と、誘電体ＤＢＲと接する半導体内の光の１／４周期内の平均屈折率をｎＳ１≒３．５１は、上記式（３）に規定する要件を満たしている。【０１１５】
一方、第１のＤＢＲ層３０２の半導体ＤＢＲを構成する、ｎ型ＧａＡｓ層（ｎＨ２≒３．５１）とｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層（ｎＬ２≒３．０）の発振波長λ０における屈折率差：Δｎ＝ｎＨ２−ｎＬ２は約０．５１であり、上記式（４）に規定する要件を満たしている。【０１１６】
その際、発振波長λ０＝１．０μｍに対して、ｎ型ＧａＡｓ層（ｎＨ２≒３．５１）の厚さ：ｄＨ２は、ｄＨ２≒（1/4）・（λ０/ｎＨ２）＝７１ｎｍ、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層（ｎＬ２≒３．０）の厚さ：ｄＬ２は、ｄＬ２≒（1/4）・（λ０/ｎＬ２）＝８３ｎｍに設定されている。【０１１７】
図５を参照すると、発振波長λ０＝１．０μｍに対して、半導体ＤＢＲを構成する高屈折率層と低屈折率層との屈折率差：Δｎ≒０．５１である場合、実効ＤＢＲ長ＬＤＢＲｅｆｆ２は、ＬＤＢＲｅｆｆ２≒１．４８μｍ≒３・（λ０/２）となっている。【０１１８】
一方、発振波長λ０＝１．０μｍに対して、誘電体ＤＢＲを構成する、ＺｒＯ２層（ｎＨ１≒２．２）の厚さ：ｄＨ１は、ｄＨ１≒（1/4）・（λ０/ｎＨ１）＝１１４ｎｍ、ＳｉＯ２層（ｎＬ１＝１．４５）の厚さ：ｄＬ１は、ｄＬ１≒（1/4）・（λ０/ｎＬ１）＝１７２ｎｍに設定される。【０１１９】
図４を参照すると、発振波長λ０＝１．０μｍに対して、誘電体ＤＢＲを構成する高屈折率層と低屈折率層の屈折率が、ｎＨ１＝２．２、ｎＬ１＝１．４５である場合、実効ＤＢＲ長ＬＤＢＲｅｆｆ１は、ＬＤＢＲｅｆｆ１≒０．２９μｍ≒１／２・（λ０/２）＜（λ０/２）となっている。【０１２０】
なお、第１のＤＢＲ層３０２表面から多重量子井戸活性層３０４の中心までの光路長は、発振波長λ０の１／２、多重量子井戸活性層３０４の中心からｎ−ＧａＡｓ層３１２の表面までの光路長は発振波長λ０とほぼ一致するように設定してある。発振波長λ０に対して、第１のＤＢＲ層３０２と第２のＤＢＲ層３１３で挟まれる、この共振器領域の光路長Ｌは、Ｌ＝（３／２）・λ０となっている。【０１２１】
上記の構成のＶＣＳＥＬに関して、第１のＤＢＲ層３０２と第２のＤＢＲ層３１３に対する、光の侵入深さ；ＬＤＢＲｅｆｆ２とＬＤＢＲｅｆｆ１をも含め、その共振器領域の実効的な光路長Ｌｅｆｆは、Ｌｅｆｆ＝Ｌ＋（ＬＤＢＲｅｆｆ２＋ＬＤＢＲｅｆｆ１）≒（3/2）・λ０＋３・（λ０/２）＋１／２・（λ０/２）＜（７/２）・λ０となり、先に述べた特許文献１に記載される半波長微小共振器を有するＶＣＳＥＬと比較しても、さらに短い実効共振器長を実現できている。【０１２２】
従って、駆動電圧をパルス状に変化される、直接変調により光パルスを発生する際、その立ち上がり、立下りに要する過渡的時間の低減がなされ、より高速変調が可能となる。【０１２３】
さらに、この第三の実施形態では、発振波長λ０に対して、ＴＪ界面からｎ−ＧａＡｓ層３１０層表面までの光学長、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３１１の光学長、ｎ−ＧａＡｓ層３１２の光学長は、いずれも、発振波長λ０のほぼ１／４になるように設定されている。また、第１のＤＢＲ層３０２の表面から、ｎ−ＧａＡｓ層３１０層表面までの光学長は、発振波長λ０のほぼ（2/2）となっている。従って、ｎ−ＧａＡｓ層３１０とｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３１１の界面、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３１１とｎ−ＧａＡｓ層３１２の界面では、ステップ状の屈折率変化が存在しており、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３１１とｎ−ＧａＡｓ層３１２の対も、ミラー層として機能する。【０１２４】
第１のＤＢＲ層３０２の表面から、ｎ−ＧａＡｓ層３１０の表面までの光学長は、発振波長λ０のほぼ（2/2）となっているので、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３１１とｎ−ＧａＡｓ層３１２を除いても、境界条件を満足している。実効共振器長Ｌｅｆｆを短くする上では、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３１１とｎ−ＧａＡｓ層３１２を除くことが望ましい。一方、リング電極３１７を介して、電流をメサ構造の中心部のＴＪ界面に供給する過程では、電流の横方向の拡散がなされる。ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３１１とｎ−ＧａＡｓ層３１２を設けていない場合、この横方向の電流拡散は、ｎ−ＧａＡｓ層３１０の層内で行うことになる。その際、ｎ−ＧａＡｓ層３１０の層厚は、（1/4）・（λ０/ｎｓ）≒７１ｎｍしかなく、抵抗率が小さなｎ型半導体層ではあるが、この拡がり抵抗は無視できない大きさとなる。一方、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３１１、ｎ−ＧａＡｓ層３１２を設けると、前記横方向の電流拡散過程は、ｎ−ＧａＡｓ層３１０、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３１１、ｎ−ＧａＡｓ層３１２全体の層厚、約２２０ｎｍが関与できる。そのため、拡がり抵抗は、大幅に低減されるため、素子全体の電気抵抗Ｒは、顕著に低減できる。【０１２５】
一方、ｎ−ＧａＡｓ層３１０の層厚を、（3/4）・（λ０/ｎｓ）≒２１０ｎｍとし、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３１１とｎ−ＧａＡｓ層３１２を設けない構成を選択しても第１のＤＢＲ層３０２と第２のＤＢＲ層３１３で挟まれる、この共振器領域全体の、光路長は、発振波長λ０の約３／２となる（Ｌ≒（3/2）・λ０）。勿論、この構成でも、式（３）と式（４）は満たされており、従来の素子構造と比較すると、実効共振器長Ｌｅｆｆは短くなる。【０１２６】
この構造と第三の実施形態を比較すると、第三の実施形態が利用する、ｎ−ＧａＡｓ層３１０、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３１１、ｎ−ＧａＡｓ層３１２を具える構成は、素子全体の電気抵抗Ｒを低減する効果は、ｎ−ＧａＡｓ層３１０の層厚を、（3/4）・（λ０/ｎｓ）≒２１０ｎｍとする構成と同等である。一方、ｎ−ＧａＡｓ層３１０、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３１１、ｎ−ＧａＡｓ層３１２の部分構造は、ミラー層として、機能するため、第２のＤＢＲ層３１３に対する、光の侵入深さ：ＬＤＢＲｅｆｆ１を低減する効果を有する。すなわち、実効共振器長Ｌｅｆｆを短くする効果は、より優っている。【０１２７】
以上、本発明の面発光型半導体レーザについて、代表的な３つの実施形態を例示して、その構成の特徴を説明した。なお、上記の実施形態は、本発明の最良の実施形態の一例ではあるが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形が可能であり、例えば、本発明の面発光型半導体レーザの発振波長、分布ブラッグ反射鏡の構成に利用する材料について、上記の実施形態に例示するもの以外を選択することが可能である。【０１２８】
以上、実施形態（及び実施例）を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態（及び実施例）に限定されものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。【０１２９】
この出願は、２００７年３月２２日に出願された日本出願特願２００７−７４８８１を基礎とする優先権を主張し、引用によって、その開示の全てをここに取り込む。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
本発明にかかる垂直キャビティ型共振器を具える面発光型半導体レーザは、高速変調に適する構造を具えており、例えば、２０Ｇｂｓ以上のデータ伝送速度が期待される、短距離光通信や光インターコネクションの分野における光源として利用可能である。
【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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【国際調査報告】
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