(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、
前記活性層を挟んで配置される導電性がｎ型の出射側ＤＢＲ及び導電性がｐ型の非出射側ＤＢＲと、
前記出射側ＤＢＲ側に設けられ、開口部を有する出射側電極と、
前記非出射側ＤＢＲ側に設けられた非出射側電極と、
を備えた面発光型半導体レーザ素子であって、
前記出射側ＤＢＲ及び前記非出射側ＤＢＲはそれぞれ、第１の組成からなる第１の層と第２の組成からなる第２の層とを交互に積層した構造を有し、前記第１の層と前記第２の層との界面には、組成が前記第１の組成から前記第２の組成へ徐々に変化する組成傾斜領域が存在し、
前記非出射側ＤＢＲにおける前記組成傾斜領域の膜厚は、前記出射側ＤＢＲにおける前記組成傾斜領域の膜厚よりも薄く、前記非出射側ＤＢＲにおける前記組成傾斜領域の膜厚は１０ｎｍ以下であり、前記出射側ＤＢＲにおける前記組成傾斜領域の膜厚は２０ｎｍ以上であり、
前記非出射側ＤＢＲの膜厚方向における抵抗が、前記出射側ＤＢＲの膜厚方向における抵抗よりも高いことを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記出射側電極と前記出射側ＤＢＲとの間に基板を有することを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記非出射側ＤＢＲにおけるキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記非出射側電極の直径が４０μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記出射側電極における開口部の直径が、前記非出射側電極の直径よりも大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光型半導体レーザ素子は、光出射側から順に、出射側電極、厚さ１００〜４００μｍの基板、厚さ３〜４μｍの出射側ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）、活性層、厚さ３〜４μｍの非出射側ＤＢＲ、及び非出射側電極を備えている。この面発光型半導体レーザ素子としては、発熱源となる活性層を放熱体側にした裏面出射型が一般に用いられる。この裏面出射型では、出射側電極に開口部（光出射部）を設ける必要がある。
【０００３】
面発光型半導体レーザ素子において、非出射側電極からpn接合(活性層)までの距離は３〜４μｍであるのに対し、出射側電極からpn接合(活性層)までの距離は、１００〜４００μｍであり、遥かに長い。この非対称な構造を反映し、出射側電極から注入された電子は、非出射側電極の端部に集中して注入され、注入電流の分布に偏りが生じる。
【０００４】
特に、面発光型半導体レーザ素子の高出力化のために、発光領域（非出射側電極）を大口径化し、出射側電極に設けた開口部（光射出部）の開口径を大きくした場合は、注入電流の分布における偏りが一層顕著になる。このような注入電流の分布における偏りがあると、外周部のみがレーザ発振してしまい、中心部分に注入された電流はレーザ発振に寄与しない。そのため、レーザの効率が低下し、充分な光出力が得られない。図８にこのような場合における近視野像を示す。図８（ａ）に示すように、レーザ発振前には、電流分布を反映し、発光領域の外周部の光強度が局所的に強くなる。さらに、図８（ｂ）に示すように、レーザ発振後には、発光領域の外周部の約２０μｍが選択的にレーザ発振し、中心部分の光がレーザ発振に寄与していない。このように、光強度に分布が生じると、遠視野像が広がってしまうという問題が生じる。
【０００５】
このような問題に対し、出射側電極上に発光領域より開口径の狭い金の電極を形成する技術が開示されている（特許文献１、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１５６３９５号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】IEEE  PHOTONIC TECHNOLOGY LETTERS vol.17 no.8 p1599-1601
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の技術では、金の電極により外周部の光が遮られることになり、光強度が弱くなってしまう。
本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、活性層への電流注入が不均一になりにくく、外周部の光が遮られることがない面発光型半導体レーザ素子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】
【０００９】
本発明の面発光型半導体レーザ素子は、活性層と、活性層を挟んで配置される出射側ＤＢＲ及び非出射側ＤＢＲと、出射側ＤＢＲ側に設けられ、開口部を有する出射側電極と、非出射側ＤＢＲ側に設けられた非出射側電極とを備え、非出射側ＤＢＲの膜厚方向における抵抗が、出射側ＤＢＲの膜厚方向における抵抗よりも高いことを特徴とする。
【００１０】
本発明の面発光型半導体レーザ素子では、非出射側ＤＢＲの膜厚方向における抵抗が出射側ＤＢＲの膜厚方向における抵抗よりも高いため、活性層への電流注入が不均一になりにくい。
【００１１】
また、本発明の面発光型半導体レーザ素子では、特許文献１、非特許文献１の技術のように、追加の電極を設ける必要がないので、外周部の光が遮られることがない。
非出射側ＤＢＲの膜厚方向における抵抗を出射側ＤＢＲの膜厚方向における抵抗よりも高くするためには、以下の手段をとる。
【００１２】
出射側ＤＢＲ及び非出射側ＤＢＲはそれぞれ、第１の組成からなる第１の層と第２の組成からなる第２の層とを交互に積層した構造を有し、第１の層と第２の層との界面には、組成が第１の組成から第２の組成へ徐々に変化する組成傾斜領域が存在する。この組成傾斜領域のうち、第１の層側では、組成は第１の組成に近く（同一であり）、第２の層に近づくにつれて、組成が徐々に第２の組成に近づいてゆく。組成傾斜領域のうち、第２の層側では、組成は第２の組成に近い（同一である）。そして、非出射側ＤＢＲにおける組成傾斜領域の膜厚は、出射側ＤＢＲにおける組成傾斜領域の膜厚よりも薄い。この場合、非出射側ＤＢＲの膜厚方向における抵抗が出射側ＤＢＲの膜厚方向における抵抗より高くなる。なお、この場合、非出射側ＤＢＲの膜厚に直交する方向における抵抗は大きくなりにくい。
【００１３】
上記の場合に非出射側ＤＢＲの膜厚方向における抵抗が出射側ＤＢＲの膜厚方向における抵抗よりも高くなる理由は以下のとおりである。上述した組成傾斜領域は、ヘテロ界面のバンド不連続にともなう電圧降下を抑制し、抵抗成分を抑制することができる。非出射側ＤＢＲにおける組成傾斜領域の膜厚を、出射側ＤＢＲにおける組成傾斜領域の膜厚よりも薄くすることで、非出射側ＤＢＲの膜厚方向における抵抗を出射側ＤＢＲの膜厚方向における抵抗よりも高くすることができる。
【００１４】
前記第１の組成としては、例えば、AlX1Ga1-X1Asが挙げられ、前記第２の組成としては、例えば、AlX2Ga1-X2Asが挙げられる。ここで、０≦Ｘ１＜Ｘ２≦１である。
本発明の面発光型半導体レーザ素子は、例えば、出射側電極と出射側ＤＢＲとの間に基板を有するものとすることができる。
【００１５】
前記出射側ＤＢＲにおける組成傾斜領域の膜厚は、２０ｎｍ以上である。この場合、出射側ＤＢＲの膜厚方向における抵抗を小さくすることができる。
前記非出射側ＤＢＲにおける組成傾斜領域の膜厚は、１０ｎｍ以下である。この場合、非出射側ＤＢＲの膜厚方向における抵抗が一層大きくなり、活性層への電流注入が一層不均一になりにくい。
【００１６】
前記非出射側ＤＢＲにおけるキャリア濃度は、１×１０18ｃｍ-3以下であることが好ましい。この場合、非出射側ＤＢＲの膜厚方向における抵抗が一層大きくなり、その結果、活性層への電流注入が一層不均一になりにくい。
【００１７】
前記非出射側電極の直径は、４０μｍ以上であることが好ましい。この場合、面発光型半導体レーザ素子を高出力化することができる。また、従来は、非出射側電極の直径が大きいと、活性層への電流注入が不均一になり易かったが、本発明ではそれを防止できる。
【００１８】
前記出射側電極における開口部の直径は、非出射側電極の直径よりも大きいことが好ましい。この場合、面発光型半導体レーザ素子を高出力化することができる。また、従来は、出射側電極における開口部の直径が非出射側電極の直径よりも大きい場合、活性層への電流注入が不均一になり易かったが、本発明ではそれを防止できる。
【００１９】
本発明の面発光型半導体レーザ素子では、出射側ＤＢＲの導電性はｎ型であり、非出射側ＤＢＲの導電性はｐ型である。導電性がこのようなものである場合、従来は、活性層への電流注入が不均一になり易かったが、本発明ではそれを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】面発光型半導体レーザ素子１の構成を表す断面図である。
【図２】出射側ＤＢＲ５の膜厚方向における組成の変化を表すグラフである。
【図３】非出射側ＤＢＲ９の膜厚方向における組成の変化を表すグラフである。
【図４】第１の実施形態において、活性層７の３つの井戸層に注入される電子密度の分布を表すグラフである。
【図５】比較例において、活性層の３つの井戸層に注入される電子密度の分布を表すグラフである。
【図６】第２の実施形態において、活性層７の３つの井戸層に注入される電子密度の分布を表すグラフである。
【図７】第３の実施形態において、活性層７の３つの井戸層に注入される電子密度の分布を表すグラフである。
【図８】注入電流の偏りが生じた場合の近視野像であり、（ａ）はレーザ発振前を表し、（ｂ）はレーザ発振後を表す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施形態を説明する。
[第１の実施形態]
１．面発光型半導体レーザ素子１の構成
面発光型半導体レーザ素子１の構成を図１〜図３に基づいて説明する。面発光型半導体レーザ素子１は、n-GaAs基板３、出射側ＤＢＲ５、活性層７、非出射側ＤＢＲ９、絶縁膜１１、非出射側電極１３、及び出射側電極１５を備える。
【００２２】
上記出射側ＤＢＲ５は、n-GaAs基板３上に積層されている。出射側ＤＢＲ５は、n-AlAsから成る第１の層と、n-GaAsから成る第２の層とのペアを、交互に２１ペア積層した構造を有する。出射側ＤＢＲ５の導電性はｎ型である。
【００２３】
出射側ＤＢＲ５の膜厚方向における組成の変化を図２に示す。なお、図２における横軸は、出射側ＤＢＲ５におけるＡｌ組成を表し、縦軸は出射側ＤＢＲ５の膜厚方向における位置を表す。横軸においてＡｌ組成が「０」の場合はGaAsであり、Ａｌ組成が「１」の場合はAlAsである。また、Ａｌ組成が「０」と「１」との間である場合は、その横軸における位置に応じて、AlとGaを所定の比率で含む組成となる。
【００２４】
図２に示すように、第１の層の組成は、基本的には、n-AlAsであり、一定である。また、第２の層の組成は、基本的には、n-GaAsであり、一定である。ただし、第１の層と第２の層との各界面には、組成が徐々に、且つ連続的に変化する組成傾斜領域が存在する。組成傾斜領域における組成は、第１の層側の端部では、n-AlAsであり、第２の層に近づくにつれて、徐々にAlの比率が減少し、その代わりにGaの比率が増加してゆく。組成傾斜領域の第２の層側における端部では、組成はn-GaAsとなる。
【００２５】
組成傾斜領域の膜厚は２５ｎｍである。このように、組成傾斜領域の膜厚を２０ｎｍ以上とすることにより、出射側ＤＢＲ５の膜厚方向における抵抗を抑制できる。また、第１の層の膜厚は、λ／４ｎ1であり、第２の層の膜厚は、λ／４ｎ2である。ここで、λはレーザ発振波長であり、ｎ1は第１の層の実質的な屈折率であり、ｎ2は第２の層の実質的な屈折率である。なお、第１の層及び第２の層の膜厚は、図２に示すように、一方の側の組成傾斜領域を含む部分の膜厚である。出射側ＤＢＲ５のキャリア濃度は、２×１０18ｃｍ-3である。
【００２６】
上記活性層７は、出射側ＤＢＲ５上に形成される。活性層７は、AlGaAsクラッド層に挟まれたInGaAsの３重量子井戸である。活性層７の膜厚は、レーザ発振波長λを活性層７の実効的な屈折率で割った膜厚である。
【００２７】
上記非出射側ＤＢＲ９は、活性層７上に積層されている。非出射側ＤＢＲ９は、p-AlAsから成る第１の層と、p-GaAsから成る第２の層とのペアを、交互に２５ペア積層した構造を有する。非出射側ＤＢＲ９の導電性はｐ型である。
【００２８】
非出射側ＤＢＲ９の膜厚方向における組成の変化を図３に示す。なお、図３における横軸は、非出射側ＤＢＲ９におけるＡｌ組成を表し、縦軸は非出射側ＤＢＲ９の膜厚方向における位置を表す。横軸においてＡｌ組成が「０」の場合はGaAsであり、Ａｌ組成が「１」の場合はAlAsである。また、Ａｌ組成が「０」と「１」との間である場合は、その横軸における位置に応じて、AlとGaを所定の比率で含む組成となる。
【００２９】
図３に示すように、第１の層の組成は、基本的には、p-AlAsであり、一定である。また、第２の層の組成は、基本的には、p-GaAsであり、一定である。ただし、第１の層と第２の層との各界面には、組成が徐々に、且つ連続的に変化する組成傾斜領域が存在する。組成傾斜領域における組成は、第１の層側の端部では、p-AlAsであり、第２の層に近づくにつれて、徐々にAlの比率が減少し、その代わりにGaの比率が増加してゆく。組成傾斜領域の第２の層側における端部では、組成はp-GaAsとなる。
【００３０】
組成傾斜領域の膜厚は１０ｎｍである。また、第１の層の膜厚は、λ／４ｎ3であり、第２の層の膜厚は、λ／４ｎ4である。ここで、λはレーザ発振波長であり、ｎ3は非出射側ＤＢＲ９における第１の層の実質的な屈折率であり、ｎ4は非出射側ＤＢＲ９における第２の層の実質的な屈折率である。なお、第１の層及び第２の層の膜厚は、図３に示すように、一方の側の組成傾斜領域を含む部分の膜厚である。非出射側ＤＢＲ９のキャリア濃度は、２×１０18ｃｍ-3である。
【００３１】
非出射側ＤＢＲ９の上には、図示しないp-GaAsコンタクト層が積層されており、そのp-GaAsコンタクト層上に、上記絶縁膜１１が形成されている。絶縁膜１１は、その中心部に、直径が１５０μｍである円形の開口１１ａを備えている。
【００３２】
上記非出射側電極１３は、絶縁膜１１上に形成されている。ただし、絶縁膜１１の開口１１ａの部分では、非出射側電極１３は、p-GaAsコンタクト層に接している。
上記出射側電極１５は、n-GaAs基板３の両面のうち、出射側ＤＢＲ５とは反対側の面に形成されている。出射側電極１５は、その中心部に、直径が２５０μｍである円形の開口部１５ａを有し、その開口部１５ａに無反射コート１７が形成されている。この開口部１５ａの中心と上述した開口１１ａの中心とは、同軸上にある。
【００３３】
２．面発光型半導体レーザ素子１の製造方法
ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法等の周知の結晶成長技術を用い、上述した各層を順次形成することで、面発光型半導体レーザ素子１を製造することができる。組成傾斜領域は、結晶成長のときに供給する原料（Ａｌ原料、Ｇａ原料）の量を時間の経過とともに徐々に変えることで形成できる。
【００３４】
３．面発光型半導体レーザ素子１が奏する効果
（１）面発光型半導体レーザ素子１において、活性層７の３つの井戸層に注入される電子密度の分布を計算した。その結果を図４に示す。図４における横軸は、横方向（図１における横方向）での位置を表し、「０」の位置は、開口１１ａ及び開口部１５ａの中心に対応する。また、図４における縦軸は、井戸層に流れ込む電子密度を表す。なお、面発光型半導体レーザ素子１は左右対称の構造を有するため、図４には、その右半分の結果のみを示してある。図４における実線、破線、点線は、それぞれ、３つの各井戸層に流れ込む電子密度を出射側から順に示している。図４から明らかなように、井戸層に流れ込む電子密度は、中心部から外周部まで、横方向における位置によらず、均一となっている。
【００３５】
また、基本的な構成は本実施形態と同様であるが、非出射側ＤＢＲ９における組成傾斜領域の膜厚を２５ｎｍとした比較例についても、活性層の３つの井戸層に注入される電子密度の分布を計算した。その結果を図５に示す。図５から明らかなように、外側において電子密度が局所的に高くなってしまっている。
（２）面発光型半導体レーザ素子１は、特許文献１、非特許文献１の技術のように、追加の電極を設ける必要がないので、外周部の光が遮られることがない。
[第２の実施形態]
本実施形態の面発光型半導体レーザ素子１は、基本的には前記第１の実施形態の面発光型半導体レーザ素子と同様であるが、非出射側ＤＢＲ９のキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3である。
【００３６】
本実施形態の面発光型半導体レーザ素子１について、前記第１の実施形態と同様にして、活性層７の３つの井戸層に注入される電子密度の分布を計算した。その結果を図６に示す。図６から明らかなように、井戸層に流れ込む電子密度は、外側において局所的に高くなってしまうようなことがない。
[第３の実施形態]
本実施形態の面発光型半導体レーザ素子は、基本的には前記第１の実施形態の面発光型半導体レーザ素子と同様であるが、非出射側ＤＢＲ９のキャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3である。
【００３７】
本実施形態の面発光型半導体レーザ素子について、前記第１の実施形態と同様にして、活性層７の３つの井戸層に注入される電子密度の分布を計算した。その結果を図７に示す。図７から明らかなように、井戸層に流れ込む電子密度は、外側において局所的に高くなってしまうようなことがない。
【００３８】
尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００３９】
１・・・面発光型半導体レーザ素子、３・・・基板、５・・・出射側ＤＢＲ、
７・・・活性層、９・・・非出射側ＤＢＲ、１１・・・絶縁膜、１１ａ・・・開口、
１３・・・非出射側電極、１５・・・出射側電極、１５ａ・・・開口部、
１７・・・無反射コート
【図２】
0005454323.tif 000002
【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１】
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