(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の多層膜反射鏡と、
前記第１および第２の多層膜反射鏡に挟まれ光学的共振器長が発振波長（λ）の半分である共振器部と、
前記共振器部に隣接する前記第１および第２の多層膜反射鏡のλ／４層を構成する第１の高屈折率層および第２の高屈折率層と、
を有し、
前記共振器部は、
活性層と、
前記活性層と前記第１の高屈折率層との間に設けられる第３の低屈折率層と、
前記活性層と前記第２の高屈折率層との間に設けられる第４の低屈折率層と、
を有し、
前記第３の低屈折率層と前記第４の低屈折率層とが異なる半導体材料系で構成され、
前記第１の高屈折率層と前記第３の低屈折率層との間の多数キャリアに対するポテンシャル障壁および前記第２の高屈折率層と前記第４の低屈折率層との間の多数キャリアに対するポテンシャル障壁が、いずれも２００ｍｅＶ以下であり、
発振波長（λ）における前記第１の高屈折率層と前記第３の低屈折率層との屈折率差および前記第２の高屈折率層と前記第４の低屈折率層との屈折率差が、いずれも０．３以上であり、
ＧａＡｓ基板上に積層され、
前記第３および第４の低屈折率層のうち、電流注入時の多数キャリアが正孔である低屈折率層が、半導体材料系としてＡｌＧａＰＳｂから構成される、面発光レーザ。
【請求項２】
第１および第２の多層膜反射鏡と、
前記第１および第２の多層膜反射鏡に挟まれ光学的共振器長が発振波長（λ）の半分である共振器部と、
前記共振器部に隣接する前記第１および第２の多層膜反射鏡のλ／４層を構成する第１の高屈折率層および第２の高屈折率層と、
を有し、
前記共振器部は、
活性層と、
前記活性層と前記第１の高屈折率層との間に設けられる第３の低屈折率層と、
前記活性層と前記第２の高屈折率層との間に設けられる第４の低屈折率層と、
を有し、
前記第３の低屈折率層と前記第４の低屈折率層とが異なる半導体材料系で構成され、
前記第１の高屈折率層と前記第３の低屈折率層との間の多数キャリアに対するポテンシャル障壁および前記第２の高屈折率層と前記第４の低屈折率層との間の多数キャリアに対するポテンシャル障壁が、いずれも２００ｍｅＶ以下であり、
ＧａＡｓ基板上に積層され、
前記第３および第４の低屈折率層のうち、電流注入時の多数キャリアが正孔である低屈折率層が、半導体材料系としてＡｌＧａＰＳｂから構成され、
前記第３および第４の低屈折率層のうち、電流注入時の多数キャリアが電子である低屈折率層が、半導体材料系としてＡｌＧａＡｓまたはＡｌＧａＩｎＰから構成される、面発光レーザ。
【請求項３】
請求項１に記載の面発光レーザにおいて、前記第３および第４の低屈折率層のうち、電流注入時の多数キャリアが電子である低屈折率層が、半導体材料系としてＡｌＧａＡｓまたはＡｌＧａＩｎＰから構成される、面発光レーザ。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の面発光レーザにおいて、前記第１または第２の多層膜反射鏡が、半導体と誘電体との積層構造から形成されている、面発光レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光レーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）は、その低コスト性、低消費電力性から、広くイーサネット（登録商標）やファイバーチャネルといったデータ通信用の光源として用いられている。これらＶＣＳＥＬの変調速度としては、近年のデータ通信容量の増大に従って、１０Ｇｂｐｓ（ギガビット毎秒）といった高速変調動作が要求されてきている。また、ＶＣＳＥＬは、光インターコネクション用の光源としても期待されており、並列・超高速（２０Ｇｂｐｓ／チャンネル）といった素子が必要となってきている。【０００３】
ＶＣＳＥＬを高速で変調するためには、緩和振動周波数（ｆｒ）を上げることと、ＣＲ時定数を小さくすることが必要となる。【０００４】
このうち、ＣＲ時定数は、ＶＣＳＥＬの電気抵抗を下げ、イオン注入や絶縁体埋め込み等による発光部周辺の電気容量の低減技術等により２０Ｇｂｐｓを越えるものも作製可能となってきている。【０００５】
一方、ｆｒに関しては、一般に、注入電流を大きくして光子密度を高くすることで増加させることが可能である。しかしながら、活性層への注入電流を大きくしてゆくと、ＶＣＳＥＬの発光部周辺の温度は環境温度に比べて非常に高くなるため、これがＶＣＳＥＬのｆｒの上限を決めている大きな要因の一つとなっている。【０００６】
ＶＣＳＥＬではｆｒを上げるために光の存在する体積を小さくし、同じ電流でも大きな光子密度が得られるようにすることが行われている。その一つの方法として、大きな光閉じこめ効果を有する酸化電流狭窄構造による、酸化径の狭小化がある。この構造は、高いＡｌ組成を有するＡｌＧａＡｓ層をメサ側面から水蒸気により酸化させてＡｌＧａＡｓ層の一部をＡｌＯｘの絶縁体に変化させるものである。この構造では、電流の狭窄構造ができるだけでなく、半導体と絶縁体の屈折率差による強い光閉じこめが可能なので、酸化狭窄径を小さくすることで、面内で光の存在する部分の面積（積層方向も考えれば光の存在する部分の体積）を小さくすることができ、その結果小さな電流で大きな光子密度が得られる。このため、ＶＣＳＥＬのｆｒの電流変調効率は非常に高くなり、電流注入による発熱の影響が顕著になる前に、高いｆｒを得ることができる。【０００７】
上述した技術は、ＶＣＳＥＬ面内方向に光の存在する体積を小さくするものであるが、同様に積層方向にも光の存在する体積を小さくすることで、ｆｒの電流変調効率を高めることができる。ＶＣＳＥＬの積層方向の構造は、上下の多層膜反射鏡（分布型ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）：ＤＢＲ）部とそれに挟まれた光共振器部（キャビティ部）からなり、光強度は上下方向に定在波を形成している。活性層で光強度がもっとも強くなるように積層構造を設計すると、低閾値、高効率なＶＣＳＥＬ特性が得られる。【０００８】
ここで、ＤＢＲ部の光強度は活性層から離れるに従い指数関数的に減衰する。この減衰量は、ＤＢＲを形成する多層膜の屈折率差に依存し、屈折率差が大きいほど減衰が早く、光は積層方向へ強く閉じ込められている。一方、光共振器部では、光強度はほとんど減衰のない定在波分布をとる。【０００９】
このように、積層方向の光の分布は、ＤＢＲ部での光の侵入長と光共振器部の層厚で決まる。ｆｒの電流変調効率を高めるためには、ＤＢＲ部での光の侵入長と光共振器部の層厚をできるだけ小さくすることが有効である。【００１０】
光共振器部は、上下ＤＢＲ部から反射により定在波を形成するように設計され、その層厚は任意の値をとることはできない。一般に、光共振器部の実効的な光学長は、ＶＣＳＥＬの発振波長をλとすると、λ／２の整数倍となる。従って、発振軸方向の最小光共振器層厚は、光共振器部の実効的な光学長がλ／２となる場合であり、このような小さな光共振器は微小共振器（マイクロキャビティ）構造として知られている。マイクロキャビティ構造では、発振波長以外の自然放出光の発光を抑制する効果があるため、注入キャリアが有効に発振に寄与するため、ＶＣＳＥＬにおける熱発生をより小さくすることが可能である。【００１１】
このλ／２共振器の構造に関する技術として、特許文献１〜３および非特許文献１に記載のものがある。これらいずれの技術においても、λ／２共振器の両側は、共振器部の実効的な屈折率よりも屈折率の高い層で挟まれた構造をしている。これにより、定在波の腹すなわち光強度の強い部分が共振器のほぼ中央に位置し、ここに活性層を配置することにより、微小共振器構造を有する面発光レーザが形成できる。
【特許文献１】特開平０５−２１１３４６号公報
【特許文献２】特開平０７−１９３３２５号公報
【特許文献３】特開平１０−２５６６６５号公報
【特許文献４】特開平１０−３２１９６０号公報
【非特許文献１】Ｄ．Ｇ．Ｄｅｐｐｅ他３名、ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、１９９５年、Ｖｏｌ．７、Ｎｏ．９、９６５−９６７頁
【非特許文献２】Ｃ．Ｓｉｌｆｖｅｎｉｕｓ他２名、ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、１９９９年、Ｖｏｌ．３５、Ｎｏ．４、６０３−６０７頁
【非特許文献３】Ｓ．Ｔｉｗａｒｉ他１名、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、１９９２年、Ｖｏｌ．６０、Ｎｏ．５、６３０−６３２頁
【発明の開示】
【００１２】
しかしながら、上述したλ／２微小共振器面発光レーザには、電流注入の点で改善の余地があった。以下、図２を参照してこの点を説明する。
図２に示したλ／２微小共振器面発光レーザでは、光学的な共振器長がほぼλ／２である光共振器部２１２とそれを挟むように多層膜ブラッグ反射鏡２１１、２１３が形成されている。多層膜ブラッグ反射鏡２１１は、低屈折率層２１１１およびλ／４層２１１２（高屈折率層）から構成される。多層膜ブラッグ反射鏡２１３は、低屈折率層２１３２およびλ／４層２１３１（高屈折率層）から構成される。光共振器部２１２に隣接する多層膜反射鏡のλ／４層（高屈折率層）２１１２、２１３１は、光共振器部２１２の実効的な屈折率よりも高屈折率な層になっている。このような屈折率をもった層構造により定在波（電界強度曲線２１２２）の腹が光共振器部２１２のほぼ中心に位置し、そこに活性層２１２１を配置することでレーザ発振に必要な利得を得ることができる。
【００１３】
ところが、このような層構造では、マイクロキャビティ共振器構造としては良好であっても、活性層へのキャリア注入の点で課題がある。
一般に、屈折率と半導体のバンドギャップには強い相関があり、バンドギャップが大きいほど屈折率は小さくなる傾向にある。λ／２共振器長のＶＣＳＥＬの場合、共振器部は実効的に小さな屈折率を有する層で構成される必要がある。たとえば光共振器部２１２の活性層２１２１を挟む層は、低屈折率層２１２３でなくてはならない。そのため、そのバンドギャップは必然的に大きくなる。電子および正孔キャリアはそれぞれｎ側とｐ側の層から活性層に注入されるが、バンドギャップの大きな低屈折率層２１２３はこのキャリア注入を阻害する。半導体ＤＢＲ構造でも、高屈折率層と低屈折率層の交互多層膜で形成されている。このため、上述のキャリア注入の問題があるが、ＤＢＲ構造では高濃度ドーピング層やグレーディット層といった構造をバンドギャップ差のある部分に適用することでキャリアを乗り越えさせることができる。しかし、これらの構造を光共振器部に適用しようとすると、光吸収が大きくなったり、活性層に大きな電界が印加されたりするため、適用することは困難である。このように、λ／２共振器ＶＣＳＥＬに電流を注入しようとすると、バンドギャップの大きい低屈折率層２１２３にキャリア注入が阻害され、活性層に電流が注入されにくくなってしまう。
【００１４】
一方で、キャリア注入やキャリアのオーバーフローに着目して、活性層周りのバンドラインアップを工夫した端面型レーザが特許文献４に開示されている。そこに示されている技術をλ／２共振器ＶＣＳＥＬの活性層周りに適用すると、キャリア注入という点では改善効果が得られる。ところがこの場合、十分なマイクロキャビティ効果を有するＶＣＳＥＬを実現することはできないため、高速変調性の点で改善の余地があった。これは、この技術では活性層に隣接した低屈折率層（ｎ側：ＩｎＰ層、ｐ側：ＩｎＡｌＡｓ層）とＤＢＲの高屈折率層（ｎ側：ＩｎＧａＡｌＡｓ層、ｐ側：ＩｎＧａＡｓＰ層）との屈折率差がｎ側では０．１７、ｐ側では０．１４と小さいため、活性層の上下に立つ定在波の腹の強さが、活性層のそれとほとんど変わらない状態となり、光学的には実質的にλ共振器ＶＣＳＥＬと同等となってしまうためである。
【００１５】
以上のように、十分なマイクロキャビティ効果を有するλ／２微小共振器ＶＣＳＥＬにおいては、キャリア注入が極めて困難だった。
【００１６】
本発明の目的は、上述した課題を解決するＶＣＳＥＬを提供することである。
【００１７】
本発明における面発光レーザは、
第１および第２の多層膜反射鏡と、
前記第１および第２の多層膜反射鏡に挟まれ光学的共振器長が発振波長（λ）の半分である共振器部と、
前記共振器部に隣接する前記第１および第２の多層膜反射鏡のλ／４層を構成する第１の高屈折率層および第２の高屈折率層と、
を有し、
前記共振器部は、
活性層と、
前記活性層と前記第１の高屈折率層との間に設けられる第３の低屈折率層と、
前記活性層と前記第２の高屈折率層との間に設けられる第４の低屈折率層と、
を有し、
前記第３の低屈折率層と前記第４の低屈折率層とが異なる半導体材料系で構成され、
前記第１の高屈折率層と前記第３の低屈折率層との間の多数キャリアに対するポテンシャル障壁および前記第２の高屈折率層と前記第４の低屈折率層との間の多数キャリアに対するポテンシャル障壁が、いずれも２００ｍｅＶ以下である。
【００１８】
本発明によれば、面発光レーザの微小共振器構造を保ちながら、活性層への電子・正孔キャリアの注入が容易になったため、電流注入阻害を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。【００２０】
【図１】実施形態における面発光レーザのバンド構造を示す図である。
【図２】微小共振器構造のバンド構造と電界強度曲線を示す図である。
【図３】実施例における面発光レーザのバンド構造を示す図である。
【図４】実施例における−面発光レーザのバンド構造を示す図である。
【図５】実施形態における面発光レーザを示す模式図である。
【図６】実施例における面発光レーザを模式的に示す断面図である。
【図７】実施例における面発光レーザを模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、共通の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。【００２２】
図１、５を参照して、本実施形態における面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の構成を説明する。図１は、横軸に積層方向（光軸方向）、縦軸に各層の伝導帯と価電子帯のエネルギー位置をとり、本実施形態におけるＶＣＳＥＬのバンドラインアップを模式的に示したものである。図５（ａ）は、本実施の形態の面発光レーザの斜視図である。また、図５（ｂ）は、本実施の形態の面発光レーザの断面図である。【００２３】
図１、５に示したＶＣＳＥＬは、導電型の異なる第１および第２の多層膜反射鏡（ｎ側多層膜ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）１１、ｐ側ＤＢＲ１３）、共振器部（λ／２光共振器部１２）、および第１の高屈折率層（高屈折率層１１２）および第２の高屈折率層（高屈折率層１３２）を有する。【００２４】
λ／２光共振器部１２は、活性層１２１、第３の低屈折率層（低屈折率層１２２Ａ）、および第４の低屈折率層（低屈折率層１２２Ｂ）を有する。λ／２光共振器部１２は、ｎ側ＤＢＲ１１およびｐ側ＤＢＲ１３に挟まれる形で設けられており、光学的共振器長が発振波長（λ）の半分である。なお、λ／２光共振器部１２の実効的な光学長がλ／２となる程度であれば、光学的共振器長が完全に発振波長（λ）の半分でなくてもよい。また、図１に示したＶＣＳＥＬにおいては、光学利得を発生する活性層１２１がλ／２光共振器部１２のほぼ中心に配置されている。【００２５】
図１、５に示したＶＣＳＥＬにおいては、ｎ側ＤＢＲ１１は、ｎ型の導電性を有する低屈折率層１１１とｎ型の導電性を有する高屈折率層１１２のλ／４層厚の交互多層膜からなる。ｐ側ＤＢＲ１３は、ｐ型の導電性を有する低屈折率層１３１とｐ型の導電性を有する高屈折率層１３２のλ／４層厚の交互多層膜からなる。
高屈折率層１１２は、λ／２光共振器部１２に隣接するｎ側ＤＢＲ１１のλ／４層を構成する。また、高屈折率層１３２は、λ／２光共振器部１２に隣接するｐ側ＤＢＲ１３のλ／４層を構成する。つまり、λ／２光共振器部１２の両側が、高屈折率層１１２と高屈折率層１３２で挟まれている。また、活性層１２１と高屈折率層１１２との間に低屈折率層１２２Ａが設けられるとともに、活性層１２１と高屈折率層１３２との間に低屈折率層１２２Ｂが設けられている。低屈折率層１２２Ａおよび低屈折率層１２２Ｂは、大きなバンドギャップ層として機能する。【００２６】
低屈折率層１２２Ａおよび低屈折率層１２２Ｂは、いずれも、λ／２光共振器部１２の一部である。そして、活性層１２１とｎ型の高屈折率層１１２との間にある低屈折率層１２２Ａと活性層１２１と、ｐ型の高屈折率層１３２との間にある低屈折率層１２２Ｂとが、異なる半導体材料系で構成されている。【００２７】
そして、高屈折率層１１２と低屈折率層１２２Ａとの間のポテンシャル障壁および高屈折率層１３２と低屈折率層１２２Ｂとの間のポテンシャル障壁が、いずれも、２００ｍｅＶ以下である。この構成は、図１中、ｎ型の高屈折率層１１２と低屈折率層１２２Ａとの間の伝導帯バンド不連続値ΔＥｃ１４およびｐ型の高屈折率層１３２と低屈折率層１２２Ｂとの間の価電子帯不連続値ΔＥｖ１５が、それぞれの電子および正孔の注入を阻害しない程度に小さい構成である。【００２８】
次に、本実施形態におけるＶＣＳＥＬの動作を説明する。
ＶＣＳＥＬの緩和振動周波数を増大するための一つの手段として、光軸方向の光強度の広がりを小さくすることで実効的な光の体積を小さくし、光子密度を高める方法がある。光軸方向の光の広がりは、上下ＤＢＲへの光の侵入長と光共振器部の光路長を足したもので測られる。本実施形態では、光軸方向の光強度の広がりを小さくするために、光共振器の光路長を最小値であるλ／２程度にしている。【００２９】
また、従来のλ／２共振器（微小共振器）構造では、発明が解決しようとする課題の項でも説明したように、電流注入が阻害されることがあった。そこで、本実施形態では、光共振器部１２の活性層１２１を挟んでいる低屈折率層１２２Ａおよび低屈折率層１２２Ｂを互いに異なる半導体材料系で形成している。そして、ｎ側は電子注入が容易となるように伝導帯バンド不連続値ΔＥｃ１４が小さい材料系、ｐ側は正孔注入が容易となるように価電子帯バンド不連続値ΔＥｖ１５が小さい材料系とする。このような構造にすることで、電流注入が容易なλ／２微小共振器構造を有する面発光レーザが実現される。以下、この点をさらに具体的に説明する。【００３０】
本実施形態のλ／２微小共振器ＶＣＳＥＬ構造では、活性層１２１がバンドギャップの大きい低屈折率層１２２Ａおよび低屈折率層１２２Ｂに挟まれλ／２光共振器部１２を形成している。このＶＣＳＥＬ構造では、λ／２光共振器部１２を挟んで、一方がｎ型の導電性を有するｎ側ＤＢＲ１１であり、他方がｐ型の導電性を有するｐ側ＤＢＲ１３である。従って、このＶＣＳＥＬに順方向のバイアス電圧Ｖｂ１６を印加すると、ｎ型の導電性を有するｎ側ＤＢＲ１１からは電子の多数キャリアが活性層１２１に向かって注入され、ｐ型の導電性を有するｐ側ＤＢＲ１３からは正孔の多数キャリアが活性層１２１に向かって注入される。その際、ｎ型の導電性を有するＤＢＲと活性層とに挟まれたバンドギャップの大きい低屈折率層１２２Ａについて、電子通過に対するポテンシャル障壁であるΔＥｃ１４が小さければ、容易に電子を通過させて活性層１２１に導くことができる。同様にｐ型の導電性を有するｐ側ＤＢＲ１３と活性層１２１とに挟まれたバンドギャップの大きい低屈折率層１２２Ｂについて、正孔通過に対するポテンシャル障壁であるΔＥｖ１５が小さければ、容易に正孔を活性層１２１に通すことができる。【００３１】
このように、本実施形態では、ｎ側の低屈折率層１２２Ａとｐ側の低屈折率層１２２Ｂで半導体材料を相違させ、かつ、電圧印加時の多数キャリアに対するポテンシャル障壁（ΔＥｃ１４、ΔＥｖ１５）が２００ｍｅＶ以下となるような半導体材料系で形成される構成をとるため、容易に両方向から活性層１２１にキャリアが注入（ｎ側からは電子がｐ側からは正孔が注入）される。【００３２】
ここで、電子や正孔等の多数キャリアの活性層への注入を阻害しないポテンシャル障壁高さ（ΔＥｃ１４、ΔＥｖ１５）は電子と正孔で異なるが、同じポテンシャル障壁高さであれば、一般に有効質量の大きい正孔の方が、注入が阻害されやすい。ポテンシャル障壁高さが高くなると、指数関数的にキャリアの注入が阻害されることが知られており、正孔では約２００ｍｅＶより高いところで顕著になる（非特許文献２）。【００３３】
この点、本実施形態では、低屈折率層１２２Ａおよび低屈折率層１２２Ｂにポテンシャル障壁高さがいずれも２００ｍｅＶ以下と充分に小さい半導体材料系を適用することにより、電子や正孔の活性層への注入が容易になっている。
それと同時に、低屈折率層１２２Ａおよび低屈折率層１２２Ｂは、正孔と電子のキャリアオーバーフローを抑制する効果も有する。これは、たとえば低屈折率層１２２Ａはバンドギャップの大きくかつΔＥｃ１４が小さいので必然的に価電子帯バンド不連続値ΔＥｖの大きな材料となっており正孔に対するブロック層としても機能する。同様なことは、低屈折率層１２２Ｂにも当てはまる。この場合は伝導帯バンド不連続値ΔＥｃの大きな材料となっており電子に対するブロック層としても機能する。すなわち、低屈折率層１２２Ａについては、電子は通しやすいが正孔は通しにくい層として機能し、低屈折率層１２２Ｂについては、正孔は通しやすいが電子は通しにくい層として機能することになる。【００３４】
以上のように、本実施形態においては、低屈折率層１２２Ａおよび低屈折率層１２２Ｂに異なる材料系を適用し、ΔＥｃ１４およびΔＥｖ１５を２００ｍｅＶ以下とすることにより、活性層１２１に隣接する低屈折率層とこれに隣接するＤＢＲの高屈折率層との屈折率差を充分に大きくするとともに、ＶＣＳＥＬの電流注入阻害を抑制することができる。さらに、トンネル接合等も活性層の近くに配置することができるようになったため、素子の低抵抗化が実現され、微小共振器構造本来の特性である低閾値特性、高速変調特性等を引き出すことが可能となる。
本実施形態における面発光レーザは、低閾値性、高効率性および高速変調性という高性能な素子特性を有するため、たとえば低消費電力性、高速変調特性等が必要とされる光インターコネクション用の光源として好適に用いられる。【００３５】
本実施形態において、発振波長（λ）における高屈折率層１１２と低屈折率層１２２Ａとの屈折率差および高屈折率層１３２と低屈折率層１２２Ｂとの屈折率差を、たとえば０．３以上とする。
λ／２光共振器部１２のｎ側の低屈折率層１２２Ａと隣接するｎ側ＤＢＲ１１の高屈折率層１１２との屈折率差を０．３以上にし、かつ、λ／２光共振器部１２のｐ側の低屈折率層１２２Ｂと隣接するｐ側ＤＢＲ１３の高屈折率層１３２との屈折率差を０．３以上にすることで、活性層１２１から出た光はそれらの界面で反射され、λ／２光共振器部１２に電界強度のピークを有するような、より一層良好なλ／２微小共振器ＶＣＳＥＬを形成することができる。また、ＶＣＳＥＬの動作安定性をさらに向上させることができる。なお、発振波長（λ）における高屈折率層１１２と低屈折率層１２２Ａとの屈折率差および高屈折率層１３２と低屈折率層１２２Ｂとの屈折率差の上限に特に制限はなく、材料の選択により設定できるが、製造安定性の観点では、たとえば０．６以下とする。【００３６】
また、高屈折率層と低屈折率層の屈折率差をたとえば０．３以上と大きくしようとした場合、従来の材料系では、バンドギャップ差が大きくなるためポテンシャル障壁ΔＥｃまたはΔＥｖが大きくなってしまうと考えられた。そこで、本発明者は、大きな屈折率差と小さなポテンシャル障壁を同時に実現する構成を検討した結果、ｎ側およびｐ側について構成元素が異なる半導体材料を用いるとともに、それぞれ特定の材料を選択することにより、こうした構成が得られることを見出した。以下、この点を説明する。【００３７】
図１に示した面発光レーザは、たとえばＧａＡｓ基板上に積層される。このとき、上述の屈折率差とポテンシャル障壁高さを同時に満足することができるＧａＡｓ基板上の半導体材料系との具体例として、電流注入時の多数キャリアが電子である低屈折率層１２２Ａの半導体材料系としては、たとえばＡｌＧａＡｓまたはＡｌＧａＩｎＰが挙げられる。また、電流注入時の多数キャリアが正孔である低屈折率層１２２Ｂの半導体材料系としてＡｌＧａＰＳｂが挙げられる。【００３８】
λ／２光共振器部１２において、低屈折率層１２２Ａおよび低屈折率層１２２Ｂの層厚は、それぞれ数十ｎｍ以上になるので、基板にほぼ格子整合する材料系を用いることになる。【００３９】
この点、ＡｌＧａＡｓはすべてのＡｌ組成でＧａＡｓ基板とほぼ格子整合する。
また、ＡｌＧａＩｎＰ系では、ＩＩＩ族副格子の組成が、たとえば（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（０≦ｘ≦１、０．４６≦ｙ≦０．５６）、さらに具体的には（ＡｌxＧａ1-x）0.51Ｉｎ0.49Ｐ（０≦ｘ≦１）であればほぼＧａＡｓ基板に格子整合する。
ＡｌＧａＰＳｂ系では、Ｖ族副格子の組成が、（ＡｌxＧａ1-x）ＰzＳｂ1-z（０≦ｘ≦１、０．６５≦ｚ≦０．７５）、さらに具体的には（ＡｌxＧａ1-x）Ｐ0.7Ｓｂ0.3（０≦ｘ≦１）であればほぼＧａＡｓ基板に格子整合する。【００４０】
このうち、ｎ側の材料として用いられるＡｌＧａＡｓ系やＡｌＧａＩｎＰ系ではＡｌ組成が大きくなると伝導帯の底がΓ点からＸ点に入れ替わりＡｌ組成の増大と共にＧａＡｓの伝導帯の底に近づくため、ＧａＡｓ層との電子のポテンシャル障壁ΔＥｃは２００ｍｅＶ以下となる。さらに屈折率もＡｌ組成が０．６以上あればＧａＡｓとの屈折率差が０．３以上となり、大きな屈折率差と小さな電子のポテンシャル障壁高さを同時に満足することができる。【００４１】
一方、ｐ側の材料については、ＡｌxＧａ1-xＰＳｂ系では、価電子帯のバンド位置はＡｌxＧａ1-xＡｓとほぼ同じである、つまり、同一Ａｌ組成では、価電子帯のエネルギー位置は二つの材料系でほぼ同じであると推測されてきた（非特許文献３）。それに従うと、ＧａＡｓとの屈折率差が０．３以上となるＡｌ組成０．６以上では、ＧａＡｓ層との正孔のポテンシャル障壁ΔＥｖは３００ｍｅＶ以上となり、正孔の注入が阻害されることになる。【００４２】
しかし、本発明者は、ＧａＡｓ基板やＩｎＰ基板に格子整合するＡｌＰＳｂを作製し、その価電子帯バンド不連続値を実験的に求めた。その結果、ＡｌＰＳｂの価電子帯はＡｌＡｓの価電子帯に対して約３００ｍｅＶほど高エネルギー側に、またＩｎＰの価電子帯に対して約２７０ｍｅＶほど高エネルギー側に位置しており、非常に大きなバンドボーイングが生じていることを見いだした。【００４３】
また、（ＡｌxＧａ1-x）Ｐ0.7Ｓｂ0.3（０≦ｘ≦１）の場合を例に本発明者がさらに検討した。その結果、（ＡｌxＧａ1-x）Ｐ0.7Ｓｂ0.3（０≦ｘ≦１）とＡｌxＧａ1-xＡｓ系の屈折率とを比較すると、同一Ａｌ組成ｘではほぼ同じ屈折率を有することがわかった。そのため、ＧａＡｓ基板にほぼ格子整合する（ＡｌxＧａ1-x）Ｐ0.7Ｓｂ0.3において、Ａｌ組成ｘが０．６以上であればＧａＡｓとの屈折率差が０．３以上となり、またＧａＡｓとの価電子帯バンド不連続値も２００ｍｅＶ以下と小さく、大きな屈折率差と小さな正孔のポテンシャル障壁高さを同時により一層確実に満足させる構成とすることができる。【００４４】
また、基板材料がＧａＡｓのとき、電流注入時の多数キャリアが正孔である低屈折率層１２２Ｂが半導体材料系としてＡｌＧａＰＳｂから構成されるとともに、電流注入時の多数キャリアが電子である低屈折率層１２２Ａが半導体材料系としてはＡｌＧａＡｓまたはＡｌＧａＩｎＰから構成されれば、正孔側に加えて電子側についても、大きな屈折率差と小さな電子のポテンシャル障壁高さをさらに確実に満足させることができる。【００４５】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
たとえば、ｎ側ＤＢＲ１１またはｐ側ＤＢＲ１３が、半導体と誘電体との積層構造から形成されていてもよい。
以下、さらに具体的なＶＣＳＥＬ構造について、実施例により説明する。【００４６】
（実施例１）
図３、６を参照して、本実施例におけるＶＣＳＥＬを説明する。本実施例のＶＣＳＥＬの発振波長λは１０７０ｎｍである。【００４７】
図３、６に示したＶＣＳＥＬは、以下の手順で得られる。
まず、Ｓｉドープ（２×１０18ｃｍ-3）のｎ型ＧａＡｓ基板上に、ｎ側ＤＢＲ３１（ｎ型）を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法にて積層する。ｎ側ＤＢＲ３１の低屈折率層３１１としては、Ｓｉドープ（２×１０18ｃｍ-3）Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層が用いられ、高屈折率層３１２としては、Ｓｉドープ（２×１０18ｃｍ-3）ＧａＡｓ層が用いられる。ｎ側ＤＢＲ３１は、低屈折率層と高屈折率層の一対を基本単位にして３５．５ペアとなっている。もちろん、ｎ側ＤＢＲ３１は、分子線エピタキシー成長（ＭＢＥ）法を用いて形成してもよい。低屈折率層と高屈折率層との間には、電気抵抗低減のためにＳｉドープＡｌＧａＡｓグレーディット層３１３が挿入される。ＤＢＲを構成する各層厚は、グレーディット層を含めいわゆるλ／４の多層反射膜になるように設計される。【００４８】
次にλ／２共振器部３２であるが、ｎ側ＤＢＲ３１の上に、低屈折率層３２２Ａとして、アンドープ（Ａｌ0.9Ｇａ0.1）0.51Ｉｎ0.49Ｐ層を積層する。引き続き、３重量子井戸活性層３２１として、５ｎｍ厚のアンドープＩｎ0.3Ｇａ0.7Ａｓウエル層と１０ｎｍ厚のアンドープＧａＡｓバリア層とから構成されるＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ活性層を成長させる。その上に、高屈折率層３２２Ｂとして、アンドープ（Ａｌ0.9Ｇａ0.1）Ｐ4Ｓｂ4層を積層する。ＡｌＧａＩｎＰとＡｌＧａＰＳｂの層厚は、３重量子井戸活性層３２１が光学的にλ／２共振器の中央に位置するようにそれぞれ設計する。【００４９】
さらにこのλ／２共振器部３２の上に、ｐ側ＤＢＲ３３（ｐ型）を積層する。ここで、光共振器部に近い部分には、酸化による電流狭窄を実現するための電流狭窄層３３５が形成される。ｐ側ＤＢＲ３３の積層構造は、以下の手順で得られる。まず、Ｃドープ（２×１０18ｃｍ-3）ＧａＡｓ高屈折率層をλ／２共振器部３２の上に積層する。続いてグレーディット層３３３として、ＣドープＡｌＧａＡｓを２０ｎｍ積層する。その上に低屈折率層３３４として機能するＣドープ（２×１０18ｃｍ-3）Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓ層および電流狭窄層３３５として機能する４０ｎｍ厚のＣドープ（１×１０19ｃｍ-3）Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ酸化狭窄層を積層する。低屈折率層３３４の層厚は、電流狭窄層３３５、グレーディット層３３３との総計でλ／４となるように設計する。【００５０】
この上に、ｐ側ＤＢＲ３３を形成する。ｐ側ＤＢＲ３３は、ＣドープＧａＡｓ高屈折率層３３２と、Ｃドープ（２×１０18ｃｍ-3）Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ低屈折率層３３１と、ＣドープＡｌＧａＡｓからなるグレーディット層３３３とをひとつの基本単位にして、繰り返し２２ペア積層することにより形成する。また、ｐ側ＤＢＲ３３のうち、最後の高屈折率ＧａＡｓ層の表面側３０ｎｍはコンタクト層も兼ねるので、ドーピング濃度は５×１０19ｃｍ-3とした。【００５１】
以上のようにして形成された積層構造を、表面出射型ＶＣＳＥＬ用のデバイスプロセス工程で面発光レーザ素子に加工する。その主な工程は、フォトリソグラフィにより円形メサ型のマスクレジストをかけて、下部のｎ側ＤＢＲ３１中の高屈折率層３１２が露出するまでエッチングを行い、直径約３０μｍの円柱状構造を形成する。この工程により、Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓの電流狭窄層の側面が露出する。
そして、水蒸気雰囲気中の炉内において温度約４００℃で約１０分間加熱を行う。本実施例では、電流狭窄層のＡｌ組成は０．９８と大きく、ｐ側ＤＢＲ３３の中のＣドープＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ低屈折率層３３１のＡｌ組成０．９と差があるため酸化速度が速く、電流狭窄層３３５で選択的に酸化が進む。これにより、ドーナッツ型の電流ブロック構造が形成され、中心部には直径が約６μｍの電流通過層が形成される。その後、電極として、ＡｕＧｅ合金のｎ型電極３３７を形成し、ｐ型電極３３６については、基板表面からチタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）によりドーナッツ形状のｐ型電極を得る。【００５２】
以上の手順で得られたＶＣＳＥＬ素子に、バイアス電圧Ｖｂ３６を印加することで電流が流れ、電流値が閾値電流を越えたところでレーザ発振する。
このＶＣＳＥＬの電流狭窄径６μｍの素子の発振閾値電流は、０．７ｍＡ、微分抵抗は８０Ωと良好な静特性を有した。本実施例により、ΔＥｃ３４およびΔＥｖ３５が２００ｍｅＶ以下となり、活性層への電子および正孔キャリアの注入が容易になったため、電流注入阻害が解消され、素子の低抵抗化が実現されている。【００５３】
また、小信号変調実験から、この素子の緩和振動周波数ｆｒは、約１９ＧＨｚであり、通常のλ共振器の酸化狭窄型ＶＣＳＥＬの１６ＧＨｚを上回った。これは、λ共振器の酸化狭窄型ＶＣＳＥＬの積層方向の有効共振器長が約１．２４μｍであるのに対して、本実施例の素子では１．０８μｍと小さくなっているため、ｆｒの電流変調効率は約１．０７倍になり、これにより緩和振動周波数ｆｒの上限が伸びたと考えられる。【００５４】
（実施例２）
本実施例では、実施例１に記載のＶＣＳＥＬにおいて、ｐ側ＤＢＲの一部を誘電体ＤＢＲに代え、さらに横方向電流注入が容易になるようにトンネル接合部４４を設けた。本実施例のバンド構造の模式図を図４に示す。また、本実施例のＶＣＳＥＬの模式的な断面図を図７に示す。本実施例のＶＣＳＥＬの発振波長λは１０７０ｎｍである。【００５５】
本実施例におけるＶＣＳＥＬは、以下の手順で得られる。
まず、Ｓｉドープ（２×１０18ｃｍ-3）のｎ型ＧａＡｓ基板上に、ｎ側ＤＢＲ４１を積層する。ｎ側ＤＢＲ４１は、低屈折率層４１１としてＳｉドープ（２×１０18ｃｍ-3）Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層を有し、高屈折率層４１２としてＳｉドープ（２×１０18ｃｍ-3）ＧａＡｓ層を有し、これらの一対を基本単位にして３５．５ペア積層されたｎ型ＤＢＲ層である。また、低屈折率層と高屈折率層の間には、電気抵抗低減のためにＳｉドープＡｌＧａＡｓグレーディット層４１３が挿入される。ＤＢＲを構成する各層厚は、グレーディット層を含めいわゆるλ／４の多層反射膜になるように設計される。【００５６】
次にλ／２共振器部４２であるが、ｎ側ＤＢＲ４１の上にアンドープ（Ａｌ0.9Ｇａ0.1）0.51Ｉｎ0.49Ｐ層４２２Ａを積層する。引き続き、３重量子井戸活性層４２１として、５ｎｍ厚のアンドープＩｎ0.3Ｇａ0.7Ａｓウエル層と１０ｎｍ厚のアンドープＧａＡｓバリア層とからなるＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ活性層を成長させる。その上にアンドープ（Ａｌ0.9Ｇａ0.1）Ｐ0.7Ｓｂ0.3層４２２Ｂを積層する。ＡｌＧａＩｎＰとＡｌＧａＰＳｂの層厚は、３重量子井戸活性層４２１が光学的にλ／２共振器の中央に位置するようにそれぞれ設計する。【００５７】
さらにこのλ／２共振器部４２の上に、トンネル接合部４４とｐ側ＤＢＲ（多層膜ブラッグ反射鏡）４３をこの順に積層する。本実施例では、電流狭窄はトンネル接合部４４で行われる。トンネル接合部４４の形成においては、アンドープＡｌＧａＰＳｂ層４２２Ｂに引き続きＣドープＧａＡｓ層４４Ａを積層する。続いて、ｐ型高濃度ＣドープＧａＡｓＳｂ層４４Ｂとｎ型高濃度ＳｉドープＩｎＧａＡｓ層４４Ｃからなるトンネル接合層を積層して、その上にＳｉドープＧａＡｓ層を成長する。【００５８】
ここで、一旦成長ウエハを成長炉から取り出し、円形メサ型のマスクレジストを配置し、エッチングによりトンネル接合部４４をパターニングする。この工程により、素子通電時、トンネル接合部のない部分にはｐｎ接合の逆バイアスがかかり電流がブロックされるので、最終的にトンネル接合部４４が残った部分にだけ電流が流れ、電流狭窄構造が実現される。【００５９】
その後、活性層領域の一部（酸素イオン注入領域４３６）を酸素イオン注入で高抵抗化し、レジスト除去後、再度成長炉にウエハを入れて、ＳｉドープＧａＡｓ高屈折率層４３３を成長させる。ＳｉドープＧａＡｓ高屈折率層４３３の表面側３０ｎｍ厚は高濃度Ｓｉドープコンタクト層である。ここで、トンネル接合部４４は電界強度の節付近になるように層厚が設計されている。これにより、高濃度ドーピングによる光吸収を最小限に抑えることができる。その後、ウエハを成長炉から取り出し、ＳｉＯ2低屈折率層４３１／アモルファスＳｉ高屈折率層４３２からなる３層の誘電体ＤＢＲを積層し、上部ＤＢＲが形成される。【００６０】
以上のようにして形成された積層構造を、表面出射型ＶＣＳＥＬ用のデバイスプロセス工程で面発光レーザ素子に加工する。まず、誘電体ＤＢＲの一部をエッチングで除去し、コンタクト層として機能するＳｉドープＧａＡｓ高屈折率層４３３を露出させる。そこに電極として、ＡｕＧｅ合金のｎ型電極４３５を形成する。また、ｎ型ＧａＡｓ基板の裏面にもＡｕＧｅ合金のｎ型電極を形成する。また、ｐ型電極４３４については、基板表面からチタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）によりドーナッツ形状のｐ型電極を得る。【００６１】
このＶＣＳＥＬ素子に、電圧を印加することで電流が流れ、電流値が閾値電流を越えたところでレーザ発振する。電圧は、トンネル接合部４４以外のところでは、ｐｎ逆バイアスがかかり空乏層が広がるため電流がブロックされる。一方トンネル接合部４４では、逆バイアス印加によりトンネル電流が流れ、ｐ型高濃度ＣドープＧａＡｓＳｂ層４４Ｂから３重量子井戸活性層４２１に向けて正孔が注入される。【００６２】
以上の手順で得られたＶＣＳＥＬの電流狭窄径５μｍの素子の発振閾値電流は、０．５ｍＡ、微分抵抗は８０Ωと良好な静特性を有した。本実施例においても、ｎ側およびｐ側のポテンシャル障壁がいずれも２００ｍｅＶ以下となり、活性層への電子・正孔キャリアの注入が容易になったため、電流注入阻害が解消され、素子の低抵抗化が実現されている。【００６３】
また、小信号変調実験から、この素子の緩和振動周波数ｆｒは、約２６ＧＨｚであり、通常のλ共振器の酸化狭窄型ＶＣＳＥＬの１６ＧＨｚを大幅に上回った。これは、λ共振器の酸化狭窄型ＶＣＳＥＬの積層方向の有効共振器長が約１．２４μｍであるのに対して、本実施例の素子では０．７６μｍと小さくなっているため、ｆｒの電流変調効率は約１．２８倍になり、これにより緩和振動周波数ｆｒの上限が伸びたと考えられる。【００６４】
特に、本ＶＣＳＥＬ構造では、基板に対して上側に位置するｐ側ＤＢＲ４３の一部に誘電体ＤＢＲを用いているため、その部分の光の侵入長が０．０５４μｍと小さくなっている。このため、光共振器部の光路長をλ共振器から半分程度にしたときの、全体の有効共振器長に対する影響が大きくなっている。【００６５】
なお、本実施例では基板裏面にｎ側電極を設けたが、表面の一部からｎ側ＤＢＲ４１までエッチングを行い、ｎ側電極を形成することも可能である。【００６６】
なお、以上の実施例では、面発光レーザの発振波長として１０７０ｎｍの例をあげたが、他の材料系を用いた異なる波長帯においても同様の効果が期待される。【００６７】
また、以上の実施例では、電流狭窄構造の一部にＡｌＧａＡｓの選択酸化を用いたが、これのかわりにプロトン等のイオン注入による電流狭窄構造を適用してもよい。【００６８】
また、以上の実施例では、量子井戸構造のウエル数を３としたが、発振に必要なゲインが得られるならウエル数はこれに限定されない。【００６９】
また、以上の実施例では、ｎ型ＧａＡｓ基板上にＶＣＳＥＬを形成したが、ｐ型基板を用いて積層順を反対にしてもよい。また、電流狭窄構造としてｐ型の酸化電流狭窄構造を示したが、ｎ型の酸化電流狭窄構造を用いてもよい。【００７０】
以上、本発明の実施形態および実施例について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。【００７１】
たとえば、本発明は以下の態様も適用可能である。
（１）第１および第２の多層膜反射鏡と、
前記第１および第２の多層膜反射鏡に挟まれ光学的共振器長が発振波長（λ）の半分である共振器部と、
前記共振器部に隣接する前記第１および第２の多層膜反射鏡のλ／４層を構成する第１の高屈折率層および第２の高屈折率層と、
を有し、
前記共振器部は、
活性層と、
前記活性層と前記第１の高屈折率層との間に設けられる第３の低屈折率層と、
前記活性層と前記第２の高屈折率層との間に設けられる第４の低屈折率層と、
を有し、
前記第３の低屈折率層と前記第４の低屈折率層とが異なる半導体材料系で構成され、
前記第１の高屈折率層と前記第３の低屈折率層との間の多数キャリアに対するポテンシャル障壁および前記第２の高屈折率層と前記第４の低屈折率層との間の多数キャリアに対するポテンシャル障壁が、いずれも２００ｍｅＶ以下である、面発光レーザ。
（２）（１）に記載の面発光レーザにおいて、発振波長（λ）における前記第１の高屈折率層と前記第３の低屈折率層との屈折率差および前記第２の高屈折率層と前記第４の低屈折率層との屈折率差が、いずれも０．３以上である、面発光レーザ。
（３）（１）に記載の面発光レーザにおいて、当該面発光レーザがＧａＡｓ基板上に積層され、
前記第３および第４の低屈折率層のうち、電流注入時の多数キャリアが正孔である低屈折率層が、半導体材料系としてＡｌＧａＰＳｂから構成される、面発光レーザ。
（４）（３）に記載の面発光レーザにおいて、前記第３および第４の低屈折率層のうち、電流注入時の多数キャリアが電子である低屈折率層が、半導体材料系としてＡｌＧａＡｓまたはＡｌＧａＩｎＰから構成される、面発光レーザ。
（５）（１）に記載の面発光レーザにおいて、前記第１または第２の多層膜反射鏡が、半導体と誘電体の積層構造から形成されている、面発光レーザ。【００７２】
この出願は、２００７年１０月１１日に出願された日本出願特願２００７−２６５５１２を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。【００７３】
以上、実施形態および実施例を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態および実施例に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。
【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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【図６】
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【図７】
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