(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有する反射鏡の上面に電流注入用の電極を配設してなる面発光型半導体レーザにおいて、
反射鏡最表面の半導体層の厚さはその媒質の屈折率で補正した波長の１／４よりも小さくであり、かつキャップ層および反射鏡最表面の半導体層との膜厚をそれらの媒質の屈折率で補正した厚さの和は波長の１／４よりも大きくなるように調整したことを特徴とする面発光型半導体レーザ素子
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光型半導体レーザ素子に係り、特にレーザ共振器を構成する反射鏡の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光コンピューティングあるいは光インターコネクション用の光源として２次元集積の容易な面発光レーザ装置が注目されている。この種の装置の１例として導電性を有する半導体多層膜を反射鏡として用い、反射鏡の上面に電流注入用の電極を設けた構造のＡｌＧａＡｓ系面発光レーザでは、電流の注入特性を改善し、雰囲気に素子がさらされることによる劣化を防ぐために、半導体多層膜と反射鏡の上面に設けた電極との間にキャップ層あるいはコンタクト層と呼ばれる半導体層を設けている（IEEE Photonics Technology Letters,Vol.3,No.7,pp591(1991)）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこのような構造を有する面発光型レーザの製造に際しては、キャップ層の影響によって半導体多層反射膜により構成された反射鏡の反射率が低下し、その結果レーザ発振しきい値が上昇し消費電力が増大するという問題があった。 また、反射スペクトルの形状が変化することにより、レーザ発振波長（λ）が目的値からずれてしまうことがあった。
【０００４】
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、キャップ層の影響による半導体多層反射膜による反射鏡の反射率の低下を防止し、レーザ発振しきい値の向上をはかるとともに、消費電力の増大を防止することのできる面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明者らは、種々の実験を重ねた結果、反射率の低下や反射スペクトルの形状変化を改善するために、キャップ層と反射鏡最表面の半導体層の膜厚の関係を最適化することで、反射鏡の特性低下を防止し、その結果レーザの発振しきい値を低減し、発振波長が目的値となるようにする。
【０００６】
すなわち、本発明の第１の特徴は、導電性を有する反射鏡の上面に電流注入用の電極を配設してなる面発光型半導体レーザにおいて、キャップ層および反射鏡最表面の半導体層の膜厚を、所定の厚さに構成するとともに、このときの反射鏡最表面の半導体層の厚さはその媒質の屈折率で補正した波長の１／４よりも小さく、かつキャップ層および反射鏡最表面の半導体層との膜厚をそれらの媒質の屈折率で補正した厚さの和は波長の１／４よりも大きいことを特徴とする。
【０００７】
すなわち、キャップ層と反射鏡最表面の半導体層の界面での反射光が、反射鏡全体によって反射される反射光と干渉するのを防止するもので、キャップ層と反射鏡最表面の半導体層の界面での反射光が、キャップ層を含む半導体多層反射膜で共振する光に対してわずかにその位相がずれるようにした本発明によれば、実験結果に基づきキャップ層と反射鏡との厚さの組み合わせを最適化しているため、反射特性を高めレーザ発振しきい値を低減し、発振波長が目的値となるようにしたことを特徴とする。
【０００８】
またかかる構成によれば、キャップ層をコンタクト抵抗などの条件から最適値に選択し、これに合わせて反射鏡最表面の膜厚調整すればよく、調整が極めて容易である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の第１の実施例の面発光型半導体レーザ素子の断面図である。
この面発光型半導体レーザ装置は、ｎ型ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板１上にｎ型ガリウムヒ素バッファ層１１を介して形成されたｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ下部半導体多層反射膜（多重回折ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ））２１と、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓからなるスペーサ層３ａと、アンドープのＡｌ0.11Ｇａ0.89Ａｓ量子井戸層とアンドープのＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ障壁層とからなる量子井戸活性層４と、中央に開口を有する電流狭窄層２２１を含むアンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓからなる上部スペーサ層３ｂと、 ｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ上部半導体多層反射膜２２と、 ｐ型ＧａＡｓキャップ層５が順次積層せしめられ、下部半導体多層反射膜２１が露呈する深さまで、スペーサ層、量子井戸活性層、ｐ型ＧａＡｓキャップ層５のみが発光領域の上方を除いてエッチング除去され、角柱状の光制御領域が形成されている。そして上部半導体多層反射膜２２の最上層に、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層２０１が膜厚制御されて最適となるように形成され、一方上部半導体多層反射膜２２の最下層に挿入層としてのｐ型のＡｌＡｓ層２２１が介在せしめられている。そしてこの角柱状の光制御領域９の側面に露出したＡｌＡｓ層２２１は一方の面が選択酸化技術を用いて角柱の内方に選択的に酸化せしめられ、酸化領域２２１Ｓにより電流狭窄がなされており、これら酸化領域２２１ｓに囲まれた領域が電流通路を構成する。そして表面にはＣｒ／Ａｕからなるｐ側電極６が環状をなすように形成されるとともに、基板裏面にはＡｕ−Ｇｅ／Ａｕからなるｎ側電極７が形成されている。
【００１０】
ここでｎ型下部半導体多層反射膜２１は、ｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とｎ型Ａｌ0.7Ｇａ0.3ＡｓＧａＡｓ層とをそれぞれ膜厚λ／（４ｎr）（λ：発振波長，ｎr：屈折率）で約４０．５周期積層することによって形成されたもので、シリコン濃度は ２×１０18ｃｍー3である。下部スペーサ層３は、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層から構成され、また、量子井戸活性層４は、 アンドープのＡｌ0.11Ｇａ0.89量子井戸層（膜厚８ｎｍ×３）とアンドープのＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ障壁層（膜厚５ｎｍ×４）との組み合わせ、上部スペーサ層３も下部スペーサ層と同様アンドープＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓから構成されている。膜厚は全体でλ／ｎrの整数倍とする。ｐ型のＡｌＡｓ層２２１は膜厚λ／（４ｎr）で、カーボン濃度は ３×１０18ｃｍー3である。また、上部半導体多層反射膜２２は、 最表面のｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層２０１の膜厚をλ／（４ｎr）（λ：発振波長，ｎr：屈折率）よりもやや小さい４５．３ｎｍ（４５３オングストローム）とし、ｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とｐ型Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ層とをそれぞれ膜厚 λ／（４ｎr）（λ：発振波長，ｎr：屈折率）で交互に３０周期積層することによって形成されたもので、カーボン濃度は３×１０18ｃｍー3である。最後にｐ型キャップ層６は膜厚２０ｎｍで、このｐ型キャップ層６および最表面のｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層２０１の膜厚の和はλ／（４ｎrs）よりも大きく、カーボン濃度は１×１０19ｃｍー3である。ここでｎrsはｐ型キャップ層６および最表面のｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層２０１の平均屈折率である。上部半導体多層反射膜２２の周期数を下部半導体多層反射膜２１の周期数よりも少なくしているのは、反射率に差をつけて出射光を基板上面から取り出すためである。ドーパントの種類についてはここで用いたものに限定されることなく、ｎ型であればセレン、ｐ型であれば亜鉛やマグネシウムなどを用いることも可能である。周期については光の取り出し方向を基板表面側、裏面側のいずれかに取るかで決定され、周期が増えるにつれて反射率は高くなる。さらにまた、ｎ型反射層の周期は半整数、ｐ型反射層の周期は整数であれば良く、ここで用いた値に限定されるものではない。  なお前記実施例ではＡｌＡｓ層６を選択酸化することにより半導体柱（光制御領域）９の側面から酸化膜を形成することにより電流狭窄を行うようにしたが、選択エッチングにより空隙を形成するようにしてもよい。
【００１１】
このようにして、反射特性が良好で発振特性の良好な面発光型半導体レーザを得ることが可能となる。
【００１２】
ここでは、発振波長λ：７８０ｎｍのレーザ光を取り出すように設計した。
【００１３】
この時、最表面のｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層２０１の膜厚をλ／（４ｎr）（λ：発振波長，ｎr：屈折率）とした時（条件Ａ）、スペーサ層側からみたキャップ層（２０ｎｍ）を含むｐ型多層反射膜の反射スペクトルは、図２にＡで示される如くであった。これは通常の半導体多層反射膜にキャップ層を積層したために、キャップ層と雰囲気の界面での反射光が半導体多層反射膜で共振する光に対してわずかにその位相がずれているために生じるものと考えられる。一方、最表面のｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層２０１の膜厚とキャップ層の膜厚との和をλ／（４ｎr）（λ：発振波長，ｎr：屈折率）とした時（条件Ｂ）、反射スペクトルは、図２にＢで示される如くであった。これは、キャップ層と最表面のｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層２０１の界面での反射光がキャップ層を含む半導体多層反射膜で共振する光に対してわずかにその位相がずれているために生じる。そこで発振波長である７８０ｎｍの反射率に着目して、条件Ａと条件Ｂとの間で最表面のｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層２０１の膜厚を変化したところ、図３に示すように、膜厚が４５．３ｎｍ（４５３オングストローム）のとき、この反射率が最大となった（条件Ｃ）。この反射率が最大となる条件Ｃの反射スペクトルは、図２のＣで示される特性であった。この条件が各界面での反射光の位相ずれが半導体多層反射膜で共振する光に対する影響を最小限にする条件である。  このようにして条件Ｃを満たすように形成された反射鏡は条件Ａや条件Ｂで形成された反射鏡よりも、発振波長における反射率が高いために、条件Ｃで作成したレーザ素子は条件ＡやＢで作成したレーザ素子に比べて発振波長が設計値に近いものとなっている。
【００１４】
次に、キャップ層の膜厚を２０ｎｍから変化させ、条件Ａと条件Ｂ、条件Ｃと同様の膜厚補正をおこなった場合のキャップ層の厚さと発振波長である７８０ｎｍでのスペーサ層側からみたキャップ層を含んだ半導体多層反射膜の反射率との関係を図４に示す。またその時のキャップ層の膜厚と半導体多層反射膜の最表面のｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層２０１の膜厚との関係を測定した結果を図５に示す。これらの結果から膜厚の異なるキャップ層の場合にも有効であることがわかる。
なお前記実施例では、最表面のｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層２０１の膜厚を変化させたが、キャップ層の膜厚を調整するようにしてもよい。
【００１５】
さらにまた、電極の実効的な膜厚が発振波長に近い場合には、キャップ層と共に、電極による影響も考慮する必要がある。
【００１６】
また、前記実施例では、量子井戸活性層を構成する材料としてＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系半導体を用いたが、これに限定されることなく、例えば量子井戸活性層にＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系あるいは、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系半導体を用いることも可能である。
【００１７】
なお、本発明の構成要件を満足する範囲内で他の方法によっても実現可能であることはいうまでもない。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、キャップ層の膜厚と半導体多層反射膜の最表面層の膜厚との関係を最適化することにより、反射鏡の特性低下を防止し、その結果レーザの発振しきい値を低減し、さらに発振波長が目的値となるようにすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の面発光型半導体レーザ装置を示す図
【図２】同半導体レーザ装置における発振波長と反射率との関係を示す図
【図３】同半導体レーザ装置における半導体多層反射膜の最表面層の膜厚と反射率との関係を示す図
【図４】同半導体レーザ装置におけるキャップ層の膜厚と反射率との関係を示す図
【図５】同半導体レーザ装置の製造工程図
【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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