(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層した第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、および相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層した第２の半導体多層膜反射鏡を有する面発光型半導体レーザであって、
前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記活性領域との間、または前記第２の半導体多層膜反射鏡と前記活性領域との間に形成され、発振波長よりも光学的膜厚が大きくかつ共振器長を延長した共振器延長領域と、
Ａｌ組成を含み、選択酸化された電流狭窄層と、
前記電流狭窄層の選択酸化時において外部に露出する位置であって、前記共振器延長領域と前記活性領域との間に形成され、Ａｌ組成を含むキャリアブロック層とを有し、
前記キャリアブロック層は、少なくとも第１のキャリアブロック層および第２のキャリアブロック層を含み、前記第１および第２のキャリアブロック層のバンドギャップは、前記活性領域および前記共振器延長領域のバンドギャップよりも大きく、前記第１のキャリアブロック層のバンドギャップは、前記第２のキャリアブロック層のバンドギャップよりも大きく、前記第１のキャリアブロック層の膜厚は、前記電流狭窄層の膜厚よりも小さく、前記第２のキャリアブロック層の膜厚は、前記第１のキャリアブロック層の膜厚よりも大きい面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
前記第１のキャリアブロック層の不純物濃度は、前記第２のキャリアブロック層の不純物濃度よりも高い、請求項１記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項３】
基板上に、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層した第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、および相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層した第２の半導体多層膜反射鏡を有する面発光型半導体レーザであって、
前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記活性領域との間、または前記第２の半導体多層膜反射鏡と前記活性領域との間に形成され、発振波長よりも光学的膜厚が大きくかつ共振器長を延長した共振器延長領域と、
前記共振器延長領域と前記活性領域との間に形成されたキャリアブロック層とを有し、
前記キャリアブロック層は、少なくとも第１のキャリアブロック層および第２のキャリアブロック層を含み、前記第１および第２のキャリアブロック層のバンドギャップは、前記活性領域および前記共振器延長領域のバンドギャップよりも大きく、前記第１のキャリアブロック層の不純物濃度は、前記第２のキャリアブロック層の不純物濃度よりも高く、前記第２のキャリアブロック層の膜厚は、前記第１のキャリアブロック層の膜厚よりも大きい面発光型半導体レーザ。
【請求項４】
前記第１のキャリアブロック層は、前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記第２の半導体多層膜反射鏡の間に発生される定在波の光強度の１/２よりも節側に位置する、請求項２または３に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項５】
前記第１のキャリアブロック層は、前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記第２の半導体多層膜反射鏡の間に発生する定在波の節に位置する、請求項２または３に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項６】
前記第２のキャリアブロック層が前記活性領域と前記第１のキャリアブロック層との間に位置し、前記第２のキャリアブロック層の前記活性領域側の境界は、前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記第２の半導体多層膜反射鏡の間に発生する定在波の光強度の１/２よりも腹側に位置する、請求項２ないし５のいずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項７】
前記第２のキャリアブロック層が前記活性領域と前記第１のキャリアブロック層との間に位置し、前記第２のキャリアブロック層の前記活性領域側の境界は、前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記第２の半導体多層膜反射鏡の間に発生する定在波の腹に位置する、請求項２ないし５のいずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項８】
前記第２のキャリアブロック層は、前記第１のキャリアブロック層の前記活性領域側と前記共振器延長領側の両方に位置し、
前記活性領域側の前記第２のキャリアブロック層と前記活性領域との境界及び前記共振器延長領域側の前記第２のキャリアブロック層と前記共振器延長領域の境界は、前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記第２の半導体多層膜反射鏡の間に発生する定在波の光強度の１/２よりも腹側に位置する、請求項４または５に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項９】
前記第２のキャリアブロック層は、前記第１のキャリアブロック層の前記活性領域側と前記共振器延長領側の両方に位置し、
前記活性領域側の前記第２のキャリアブロック層と前記活性領域との境界及び前記共振器延長領域側の前記第２のキャリアブロック層と前記共振器延長領域の境界は、前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記第２の半導体多層膜反射鏡の間に発生する定在波の腹に位置する、請求項４または５に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項１０】
前記基板上には、柱状構造が形成され、前記柱状構造は、前記電流狭窄層および前記キャリアブロック層を含み、前記電流狭窄層および前記キャリアブロック層は、酸化工程の際に前記柱状構造の側面で露出される、請求項１ないし９いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項１１】
請求項１ないし１０いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザを複数含む、面発光型半導体レーザアレイ。
【請求項１２】
請求項１ないし１０いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材と、
を備えた面発光型半導体レーザ装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載された面発光型半導体レーザ装置と、
前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段と、
を備えた光伝送装置。
【請求項１４】
請求項１ないし１０いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、
前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構と、
を有する情報処理装置。
【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、面発光型半導体レーザアレイ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光型半導体レーザは、基板と垂直方向にレーザ光を出射する発光素子であることから２次元アレイ化が容易であり、プリンタ、画像形成装置、光通信などの光源への実用化が進んでいる。そして、面発光型半導体レーザを単一横モードおよび単一縦モードで安定的に動作させるため、基本横モードと高次横モード間に損失差を与える検討がなされている。その中で、下部多層膜反射鏡と上部多層膜反射鏡間の共振器長を長くした、いわゆる長共振器構造の面発光型半導体レーザが開示されている（特許文献１、２）。長共振器構造の面発光型半導体レーザは、高次横モードに回折損を与えることで、基本横モードの高光出力化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１２９９６０号公報
【特許文献２】特開２００９−１５２５５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
長共振器構造の面発光型半導体レーザにおいて、活性層近傍にバンドギャップの大きい単一構造のキャリアブロック層を設けることで、活性層からのキャリアの漏れを抑制し、発光効率を改善することが考えられる。この場合、キャリアブロック層の厚みが厚いと素子の電気抵抗が大きくなり過ぎる場合があり、また、素子の電気抵抗を抑制するためにキャリアブロック層の厚みを薄くすると、キャリアが貫通しやすくなり、活性層からのキャリアの漏れを十分に抑制できない場合がある。
【０００５】
本発明は、長共振器構造の面発光型半導体レーザにおいて、単一構造のキャリアブロック層を設ける場合と比較し、素子の電気抵抗抑制とキャリアの漏れ抑制とを両立しやすくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１は、基板上に、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層した第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、および相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層した第２の半導体多層膜反射鏡を有する面発光型半導体レーザであって、前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記活性領域との間、または前記第２の半導体多層膜反射鏡と前記活性領域との間に形成され、発振波長よりも光学的膜厚が大きくかつ共振器長を延長した共振器延長領域と、Ａｌ組成を含み、選択酸化された電流狭窄層と、前記電流狭窄層の選択酸化時において外部に露出する位置であって、前記共振器延長領域と前記活性領域との間に形成され、Ａｌ組成を含むキャリアブロック層とを有し、前記キャリアブロック層は、少なくとも第１のキャリアブロック層および第２のキャリアブロック層を含み、前記第１および第２のキャリアブロック層のバンドギャップは、前記活性領域および前記共振器延長領域のバンドギャップよりも大きく、前記第１のキャリアブロック層のバンドギャップは、前記第２のキャリアブロック層のバンドギャップよりも大きく、前記第１のキャリアブロック層の膜厚は、前記電流狭窄層の膜厚よりも小さく、前記第２のキャリアブロック層の膜厚は、前記第１のキャリアブロック層の膜厚よりも大きい面発光型半導体レーザ。
請求項２は、前記第１のキャリアブロック層の不純物濃度は、前記第２のキャリアブロック層の不純物濃度よりも高い、請求項１記載の面発光型半導体レーザ。
請求項３は、基板上に、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層した第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、および相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層した第２の半導体多層膜反射鏡を有する面発光型半導体レーザであって、前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記活性領域との間、または前記第２の半導体多層膜反射鏡と前記活性領域との間に形成され、発振波長よりも光学的膜厚が大きくかつ共振器長を延長した共振器延長領域と、前記共振器延長領域と前記活性領域との間に形成されたキャリアブロック層とを有し、前記キャリアブロック層は、少なくとも第１のキャリアブロック層および第２のキャリアブロック層を含み、前記第１および第２のキャリアブロック層のバンドギャップは、前記活性領域および前記共振器延長領域のバンドギャップよりも大きく、前記第１のキャリアブロック層の不純物濃度は、前記第２のキャリアブロック層の不純物濃度よりも高く、前記第２のキャリアブロック層の膜厚は、前記第１のキャリアブロック層の膜厚よりも大きい面発光型半導体レーザ。
請求項４は、前記第１のキャリアブロック層は、前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記第２の半導体多層膜反射鏡の間に発生される定在波の光強度の１/２よりも節側に位置する、請求項２または３に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項５は、前記第１のキャリアブロック層は、前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記第２の半導体多層膜反射鏡の間に発生する定在波の節に位置する、請求項２または３に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項６は、前記第２のキャリアブロック層が前記活性領域と前記第１のキャリアブロック層との間に位置し、前記第２のキャリアブロック層の前記活性領域側の境界は、前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記第２の半導体多層膜反射鏡の間に発生する定在波の光強度の１/２よりも腹側に位置する、請求項２ないし５のいずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項７は、前記第２のキャリアブロック層が前記活性領域と前記第１のキャリアブロック層との間に位置し、前記第２のキャリアブロック層の前記活性領域側の境界は、前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記第２の半導体多層膜反射鏡の間に発生する定在波の腹に位置する、請求項２ないし５のいずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項８は、前記第２のキャリアブロック層は、前記第１のキャリアブロック層の前記活性領域側と前記共振器延長領側の両方に位置し、前記活性領域側の前記第２のキャリアブロック層と前記活性領域との境界及び前記共振器延長領域側の前記第２のキャリアブロック層と前記共振器延長領域の境界は、前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記第２の半導体多層膜反射鏡の間に発生する定在波の光強度の１/２よりも腹側に位置する、請求項４または５に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項９は、前記第２のキャリアブロック層は、前記第１のキャリアブロック層の前記活性領域側と前記共振器延長領側の両方に位置し、前記活性領域側の前記第２のキャリアブロック層と前記活性領域との境界及び前記共振器延長領域側の前記第２のキャリアブロック層と前記共振器延長領域の境界は、前記第１の半導体多層膜反射鏡と前記第２の半導体多層膜反射鏡の間に発生する定在波の腹に位置する、請求項４または５に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項１０は、前記基板上には、柱状構造が形成され、前記柱状構造は、前記電流狭窄層および前記キャリアブロック層を含み、前記電流狭窄層および前記キャリアブロック層は、酸化工程の際に前記柱状構造の側面で露出される、請求項１ないし９いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項１１は、請求項１ないし１０いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザを複数含む、面発光型半導体レーザアレイ。
請求項１２は、請求項１ないし１０いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材と、を備えた面発光型半導体レーザ装置。
請求項１３は、請求項１２に記載された面発光型半導体レーザ装置と、前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段と、を備えた光伝送装置。
請求項１４は、請求項１ないし１０いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構と、を有する情報処理装置。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１及び３によれば、単一構造のキャリアブロック層を設ける場合と比較し、素子の電気抵抗抑制とキャリアの漏れ抑制とが両立しやすくなる。
請求項１によれば、第１のキャリアブロック層のバンドギャップを大きくしつつ第１のキャリアブロック層の酸化を抑制することができる。
請求項１によれば、活性領域から共振器延長領域へのキャリアの貫通を抑制することができる。
請求項２によれば、第１のキャリアブロック層の不純物濃度を第２のキャリアブロック層の不純物濃度よりも高くしない場合と比較して、第１のキャリアブロック層のバンドギャップを大きくすることができる。
請求項４によれば、第１のキャリアブロック層が定在波の腹側に位置する場合と比較して光の吸収を小さくすることができる。
請求項５によれば、第１のキャリアブロック層が節以外に位置する場合と比較して光の吸収を小さくすることができる。
請求項６によれば、第２のキャリアブロック層の活性領域側の境界が、定在波の光強度の節側に位置する場合と比較して、共振が容易となる。
請求項７によれば、第２のキャリアブロック層の活性領域側の境界が、定在波の光強度の節に位置する場合と比較して、共振が容易となる。
請求項８によれば、活性領域側の第２のキャリアブロック層と活性領域との境界及び共振器延長領域側の第２のキャリアブロック層と共振器延長領域の境界が、定在波の光強度の節側に位置する場合と比較し、共振が容易となる。
請求項９によれば、活性領域側の第２のキャリアブロック層と活性領域との境界及び共振器延長領域側の第２のキャリアブロック層と共振器延長領域の境界が、定在波の光強度の節に位置する場合と比較し、共振が容易となる。
請求項１０によれば、柱状構造の側面から電流狭窄層を選択酸化させることができる。
請求項１１によれば、アレイの高温動作時の発光効率を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１（Ａ）は、λ共振器構造の面発光型半導体レーザの単一縦モードを説明するグラフ（縦軸は反射率、横軸と波長）であり、図１（Ｂ）は、長共振器構造の面発光型半導体レーザの複数の縦モードを説明するグラフである。
【図２】本発明の第１の実施例に係る長共振器構造の面発光型半導体レーザの概略断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例に係る活性領域およびキャリアブロック層の伝導体バンド構造を示し、図３（Ａ）は比較例のバンド構造、図３（Ｂ）は本実施例のバンド構造である。
【図４】キャリアブロック層のバンド構造と定在波との関係を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施例に係るキャリアブロック層と定在波との関係を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施例に係るキャリアブロック層と定在波との関係を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施例に係る長共振器構造の面発光型半導体レーザの概略断面図である。
【図８】本実施例の面発光型半導体レーザに光学部材を実装した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す概略断面図である。
【図９】本実施例の面発光型半導体レーザを使用した光源装置の構成例を示す図である。
【図１０】図８（Ａ）に示す面発光型半導体レーザ装置を用いた光伝送装置の構成を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。面発光型半導体レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：以下、ＶＣＳＥＬを称する）は、通信装置や画像形成装置の光源に利用されている。今後、プリンタ等のさらなる高速化に向けて、シングルモード高出力ＶＣＳＥＬが求められている。従来の酸化狭窄型構造でシングルモード（基本横モード）を得るためには、酸化アパーチャの径を２〜３μｍにする必要があるが、このサイズの酸化アパーチャ径では、３ｍＷ以上のシングルモード出力を安定に得ることが難しくなる。酸化アパーチャ径をさらに大きくすれば、高出力化が図れるが、マルチモード（高次横モード）発振となってしまう。そこで、酸化アパーチャ径を広げてもシングルモードを維持しつつ高光出力化する技術として、長共振器構造のＶＣＳＥＬが有望である。
【００１０】
長共振器構造のＶＣＳＥＬは、一般的なλ共振器構造のＶＣＳＥＬ内の発光領域と一方の半導体多層膜反射鏡（ＤＢＲ）との間に、数〜数十λ分のスペーサ層を導入して共振器長を長くすることで高次横モードの損失を増加させ、これにより、一般的なλ共振器構造のＶＣＳＥＬの酸化アパーチャ径よりも大きい酸化アパーチャ径でシングルモード発振をする。典型的なλ共振器構造のＶＣＳＥＬは、縦モード間隔（フリースペクトルレンジ）が大きいため、図１（Ａ）に示すように単一縦モードで動作する。これに対し、長共振器構造のＶＣＳＥＬでは、共振器長が長くなることで縦モード間隔が狭くなり、図１（Ｂ）に示すように共振器内に複数の縦モード（定在波）が存在し、その中の選択された縦モードで動作される。言い換えれば、反射率が９７％以上の反射帯域に複数の共振波長が含まれる。本発明は、このような複数の縦モードを有する長共振器構造のＶＣＳＥＬに関する。
【００１１】
以下の説明では、選択酸化型の長共振器構造のＶＣＳＥＬを例示する。なお、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調しており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。
【実施例】
【００１２】
図２は、本発明の実施例に係る長共振器構造のＶＣＳＥＬの概略断面図である。同図に示すように、本実施例のＶＣＳＥＬ１０は、ｎ型のＧａＡｓ基板１００上に、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｎ型の下部分布ブラック型反射鏡（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲという）１０２、下部ＤＢＲ１０２上に形成された、共振器長を延長する共振器延長領域１０４、共振器延長領域１０４上に形成されたｎ型のキャリアブロック層１０５、キャリアブロック層１０５上に形成された、上部および下部スペーサ層に挟まれた量子井戸層を含む活性領域１０６、活性領域１０６上に形成されたＡｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｐ型の上部ＤＢＲ１０８を積層して構成される。基板上に積層される各半導体層は、一連のエピタキシャル成長により成膜される。
【００１３】
ｎ型の下部ＤＢＲ１０２は、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層とのペアの複数層積層体で、各層の厚さはλ／４ｎｒ（但し、λは発振波長、ｎｒは媒質の屈折率）であり、これらを交互に４０周期で積層してある。ｎ型不純物であるシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０18ｃｍ-3である。
【００１４】
共振器延長領域１０４は、ＧａＡｓ基板と格子定数が一致しまたは整合するような、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓまたはＡｌＡｓから構成される。ここでは、例えば、７８０ｎｍ帯のレーザ光を出射させるため、共振器延長領域１０４は、光吸収を生じさせないＡｌＧａＡｓから構成される。共振器延長領域１０５は、例えば、一連のエピタキシャル成長により形成されたモノリシックな層であり、その光学的膜厚は、発振波長λの数倍ないし数十倍であり、キャリアの移動距離が長くなる。このため、共振器延長領域１０４は、キャリアの移動度が速いｎ型であることが望ましく、それゆえｎ型の下部ＤＢＲ１０２と活性領域１０６との間に挿入される。例えば、共振器延長領域１０４の膜厚は、３ないし４ミクロン程度、または光学的膜厚は１６λ程度であり、ｎ型のドーピングレベルは、例えば５×１０１７である。このような共振器延長領域１０４は、空洞延長領域またはキャビティスペースとしても参照され得る。
【００１５】
キャリアブロック層１０５は、共振器延長領域１０４と活性領域１０６との間に形成され、そのバンドギャップが共振器延長領域１０４および活性領域１０６よりも大きくなるように構成される。キャリアブロック層１０５の障壁を大きくすることで、活性領域１０６から共振器延長領域１０４へのキャリアのリークを防止し、活性領域内をキャリアリッチな状態にし、発光効率を向上させる。本例では、キャリアブロック層１０５は、第１のキャリアブロック層１０５Ａと第２のキャリアブロック層１０５Ｂとを２層化して構成され、第１のキャリアブロック層１０５Ａは、ｎ型のＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓから構成され、第２のキャリアブロック層１０５Ｂは、ｎ型のＡｌＧａＡｓから構成される。なお、キャリアブロック層の詳細は後述する。
【００１６】
活性領域１０６の下部スペーサ層は、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層であり、量子井戸活性層は、アンドープＡｌ0.１１Ｇａ0.８９Ａｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ障壁層であり、上部スペーサ層は、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層である。
【００１７】
ｐ型の上部ＤＢＲ１０８は、ｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.４Ｇａ0.６Ａｓ層との積層体で、各層の厚さはλ／４ｎｒであり、これらを交互に２９周期積層してある。ｐ型不純物であるカーボンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０18ｃｍ-3である。上部ＤＢＲ１０８の最上層には、例えば、ｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層が形成される。また、上部ＤＢＲ１０８の最下層もしくはその内部には、ｐ型のＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓからなる電流狭窄層（または酸化狭窄層）１１０が形成される。
【００１８】
上部ＤＢＲ１０８から下部ＤＢＲ１０２に至るまで半導体層をエッチングすることにより、基板１００上に、例えば円筒状のメサ（柱状構造）Ｍが形成される。電流狭窄層１１０およびキャリアブロック層１０５は、酸化工程において、メサＭの側面で露出される。電流狭窄層１１０には、メサＭの側面から選択的に酸化された酸化領域１１０Ａと酸化領域１１０Ａによって囲まれた導電領域（酸化アパーチャ）１１０Ｂが形成される。酸化工程において、ＡｌＡｓ層はＡｌＧａＡｓ層よりも酸化速度が速く、酸化領域１１０Ａは、メサＭの側面から内部に向けてほぼ一定の速度で酸化されるため、導電領域１１０Ｂの基板と平行な平面形状は、メサＭの外形を反映した形状、すなわち円形状となり、その中心は、メサＭの軸方向の光軸とほぼ一致する。長共振器構造のＶＣＳＥＬ１０では、基本横モードを得るための導電領域１１０Ｂの径を、通常のλ共振器構造のＶＣＳＥＬとよりも大きくすることができ、例えば、導電領域１１０Ｂの径を７ないし８ミクロン程度まで大きくすることができ、高光出力化が図れる。
【００１９】
メサＭの最上層には、Ｔｉ／Ａｕなどを積層した金属製の環状のｐ側電極１１２が形成され、ｐ側電極１１２は、上部ＤＢＲ１０８のコンタクト層にオーミック接続される。ｐ側電極１１２には、メサＭの光軸と一致する中心の円形状の光出射窓１１２Ａが形成され、当該窓１１２Ａからレーザ光が外部へ出射される。さらに基板１００の裏面には、ｎ側電極１１４が形成される。
【００２０】
次に、本実施例のキャリアブロック層の詳細な構成について説明する。長共振器構造ではない一般的なＶＣＳＥＬでは、ＤＢＲがキャリア閉じ込めの機能を担うため、個別にキャリアブロック層を設ける必要はないが、長共振器構造では、共振器延長領域のＡｌ組成がそれほど高くないため、キャリアブロック層を個別に設けなければ、キャリアの閉じ込めが不十分となりうる。ここで、図３は、活性領域およびキャリアブロック層を含む領域の伝導体バンド構造を示し、図３（Ａ）は、比較例のバンド構造、図３（Ｂ）は、本実施例のバンド構造である。
【００２１】
活性領域１０６は、上記したように、量子井戸活性層１０６Ａと、量子井戸活性層１０６Ａを挟む下部スペーサ層１０６Ｂと上部スペーサ層（図中、省略）とを有する。量子井戸活性層１０６Ａはさらに、アンドープＡｌ0.１０Ｇａ0.９０Ａｓ量子井戸層ＱＷと、これを挟むアンドープのＡｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ障壁層ＢＲとを含む。下部スペーサ層１０６Ｂは、Ａｌ組成比が３０％から４０％に傾斜するアンドープのＡｌＧａＡｓ層から構成される。また、共振器延長領域１０４は、ｎ型のＡｌ0.４０Ｇａ0.６０Ａｓから構成される。比較例では、下部スペーサ層１０６Ｂと共振器延長領域１０４との間に、ｎ型のＡｌ0.９０Ｇａ0.１０Ａｓから成るキャリアブロック層ＣＢが形成される。キャリアブロック層ＣＢは、高いバンドギャップにより活性領域１０６から共振器延長領域１０４へのキャリアの漏れ（リーク）を抑制する。しかしながら、特に高温動作時には、熱エネルギーによって励起された一部のキャリアがキャリアブロック層ＣＢの障壁を越えてリークする可能性がある。
【００２２】
本実施例のキャリアブロック層１０５は、下部スペーサ層１０６Ｂに隣接する第１のキャリアブロック層１０５Ａと、第１のキャリアブロック層１０５Ａに隣接する第２のキャリアブロック層１０５Ｂとを含む。第１および第２のキャリアブロック層１０５Ａ、１０５Ｂのバンドギャップは、活性領域１０６および共振器延長領域１０４のバンドギャップよりも大きく、さらに第１のキャリアブロック層１０５Ａのバンドギャップは、第２のキャリアブロック層１０５Ｂのバンドギャップよりも大きい。すなわち、第１のキャリアブロック層１０５ＡがＡｌＸＧａ１―ｘＡｓ、第２のキャリアブロック層１０５ＢがＡｌＹＧａ１―ＹＡｓであるとき、Ｘ＞Ｙの関係である。第１のキャリアブロック層１０５Ａのバンドギャップが大きいほど、キャリアに対する障壁が大きくなる。それ故、第１のキャリアブロック層１０５ＡのＡｌ組成は、例えば、０．９＜Ｘ≦１である。また、第１のキャリアブロック層１０５Ａのｎ型のドーピングレベルは、例えば１×１０１８である。
【００２３】
第１のキャリアブロック層１０５ＡのＡｌ組成は、バンドギャップを大きくするが故に高い方が望ましいが、第１のキャリアブロック層１０５ＡのＡｌ組成が、電流狭窄層１１０のＡｌ組成と等しいかそれ以上である場合には、電流狭窄層１１０の酸化工程において、第１のキャリアブロック層１０５Ａも電流狭窄層と同等に酸化されてしまう。第１のキャリアブロック層１０５Ａが必要以上に酸化されてしまうと、電気的抵抗が大きくなり望ましくない。
【００２４】
Ａｌ組成を含む層の酸化速度は、Ａｌ組成の他にも膜厚依存性を有する。つまり、膜厚が厚くなればなるほど、酸化速度が速くなる。もし、第１のキャリアブロック層１０５Ａの膜厚が電流狭窄層１１０の膜厚よりも大きければ、最悪、第１のキャリアブロック層１０５Ａが全面酸化され、通電することができなくなってしまう。このため、第１のキャリアブロック層１０５ＡのＡｌ組成が電流狭窄層１１０のＡｌ組成と等しいかそれ以上である場合には、第１のキャリアブロック層１０５Ａの膜厚を電流狭窄層１１０の膜厚よりも薄くし、第１のキャリアブロック層１０５Ａの酸化速度を小さくし、第１のキャリアブロック層１０５Ａの酸化領域を最小限に抑える必要がある。一般的なＶＣＳＥＬでは、電流狭窄層１１０が、例えば、２０ｎｍ〜３０ｎｍの膜厚であり、第１のキャリアブロック層１０５Ａは、１５ｎｍ以下、例えば、１０ｎｍ程度の膜厚に成膜が調整される。言い換えると、例えば、電流狭窄層１１０の厚みの１/２以下とする。
【００２５】
他方、第１のキャリアブロック層１０５Ａの膜厚を小さくすることで、酸化速度が小さくなるが、その反面、第１のキャリアブロック層１０５Ａの膜厚が非常に薄くなると、活性領域１０６のキャリアが第１のキャリアブロック層１０５Ａを貫通（トンネリング）する可能性がある。第１のキャリアブロック層１０５Ａの膜厚が、例えば、１０ｎｍ以下になると、キャリアの貫通が生じ得、数ｎｍの膜厚になれば、キャリアはより貫通し易くなる。これを防止するため、第１のキャリアブロック層１０５Ａに隣接して第２のキャリアブロック層１０５Ｂが形成される。第２のキャリアブロック層１０５Ｂは、第１のキャリアブロック層１０５ＡよりもＡｌ組成が小さいＡｌＹＧａ１−ＹＡｓから構成され、Ａｌ組成は、例えば、０．９≦Ｙ＜Ｘである。第２のキャリアブロック層１０５Ｂの膜厚は、第１のキャリアブロック層１０５Ａよりも大きく、第１および第２のキャリアブロック層１０５Ａ、１０５Ｂの合計膜厚は、キャリアが貫通しない大きさである。但し、Ａｌ組成が高くなるにつれ、結晶品位が劣化し易くなるので、第２のキャリアブロック層１０５Ｂの膜厚は、第１のキャリアブロック層１０５Ａの膜厚との合計で約５０ｎｍである。また、第２のキャリアブロック層１０５Ｂのドーピングレベルは、第１のキャリアブロック層１０５Ａよりも小さく、例えば、５×１０１７である。
【００２６】
本実施例では、キャリアブロック層を２層化することにより、以下のようにキャリアリークが改善される。相対的にバンドギャップが大きい第１のキャリアブロック層１０５Ａを設け、その障壁を大きくすることで、発光層である活性領域１０６のキャリアが、例えば高温動作時の熱エネルギーによって励起されても、第１のキャリアブロック層１０５Ａの障壁を越え難くし、さらに、第１のキャリアブロック層１０５Ａの膜厚を薄くしなければならない制約によって生じ得るキャリアの貫通（トンネリング）が、膜厚の厚い第２のキャリアブロック層１０５Ｂによって抑制され、これにより、活性領域１０６の発光効率、特に、高温動作時の発光効率が改善される。また、キャリアブロック層を２層化することにより、キャリアブロック層におけるバンドギャップの最大値と、キャリアブロック層の厚みとを個別に設定できるようになるので、第１及び第２のキャリアブロック層を有さない単一構造のキャリアブロック層を設ける場合と比較し、素子の電気抵抗抑制とキャリアの漏れ抑制とが両立し易くなる。
【００２７】
なお上記実施例では、キャリアブロック層１０５が、バンドギャップが不連続となる２つの層１０５Ａ、１０５Ｂを含む例を示したが、キャリアブロック層１０５は、少なくともこのような２つの層１０５Ａ、１０５Ｂを含めばよく、さらに他の層を包含するものであってもよい。また、第１および第２のキャリアブロック層１０５Ａ、１０５ＢのＡｌ組成の範囲（０．９＜Ｘ≦１、０．９≦Ｙ＜Ｘ）は一例であり、これ以外の範囲であってもよい。
【００２８】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。第２の実施例は、高ドーピングされたキャリアブロック層の位置を最適化することでレーザ特性を改善するものである。図４は、キャリアブロック層のバンド構造と光の分布との関係を示す図である。第１のキャリアブロック層１０５Ａのドーピングレベル（不純物濃度）を高くすれば、バンド構造が持ち上げられ、障壁がさらに大きくなり、キャリアのリークが抑制される。このため、第１のキャリアブロック層１０５Ａを第２のキャリアブロック層１０５Ｂよりも高レベルにドーピングすることが望ましい。例えば、第１のキャリアブロック層１０５Ａのドーピングレベルは、１×１０１８、第２のキャリアブロック層１０５Ｂのドーピングレベルは、５×１０１７である。一方、下部ＤＢＲ１０２と上部ＤＢＲ１０８との間の共振器内には、定在波が生成される。定在波の腹の部分（λ／４の奇数倍の位置）は、節の部分（λ／４の偶数倍の位置）よりも光強度が高い。図４に示すように、Ａｌ組成が高く、ドーピングレベルが高い第１のキャリアブロック層１０５Ａが定在波の腹の部分に位置すると、光吸収が大きくなり、レーザ特性が悪化する。
【００２９】
図５は、第２の実施例による、高ドープされた第１のキャリアブロック層の位置を最適化する第１の方法を示している。同図に示すように、第１のキャリアブロック層１０５Ａは、定在波の節の部分に位置するように調整される。言い換えると、定在波の節の部分は、第１のキャリアブロック層１０５Ａ内に位置する。節の部分は、腹の部分よりも光強度が弱いため、不純物濃度の高い第１のキャリアブロック層１０５Ａによる光吸収が、腹の部分に位置するときよりも減少され、レーザ特性が改善される。第１のキャリアブロック層１０５Ａを節の部分に位置させるため、例えば、活性領域１０６の下部スペーサ層１０６Ｂの膜厚が調整される。
【００３０】
なお、第１のキャリアブロック層１０５Ａが、定在波の腹の部分に位置しない構成であれば他の構成でもよい。すなわち、第１のキャリアブロック層１０５Ａが、必ずしも定在波の節の部分に位置している必要はない。例えば、第１のキャリアブロック層１０５Ａが、定在波の腹と節との間に位置していてもよい。また、第１のキャリアブロック層１０５Ａが定在波の光強度の１/２よりも節側に位置していてれば、必ずしも節の部分に位置している必要はない。
【００３１】
図６は、第２の実施例による、高ドープされた第１のキャリアブロック層の位置を最適化する第２の方法を示している。同図に示すように、第１のキャリアブロック層１０５Ａが定在波の節の部分に位置するが、第１の方法と異なり、第１のキャリアブロック層１０５Ａが第２のキャリアブロック層１０５Ｂの中間に形成される。つまり、第１のキャリアブロック層１０５Ａは、活性領域側の第２のキャリアブロック層１０５Ｂと共振器延長領域１０４側の第２のキャリアブロック層１０５Ｂによって挟まれている。第２の方法では、第１の方法のように、活性領域１０６の下部スペーサ層１０６Ｂの膜厚を変更しないため、活性領域１０６の光学的膜厚は発振波長λまたはその整数倍であり、下部スペーサ層１０６Ｂと第２のキャリアブロック層１０５Ｂの境界（屈折率が変化する境界）が定在波の腹に位置する。このため、発振波長の共振が容易になる利点がある。
【００３２】
なお、下部スペーサ層１０６Ｂと第２のキャリアブロック層１０５Ｂの境界は、定在波の光強度の１/２よりも腹側に位置していれば、定在波の腹の位置からずれていてもよい。定在波の光強度の１/２よりも腹側に境界が位置していれば、節側に位置する場合と比較し、発振波長の共振が容易になる。
【００３３】
また、図６においては、下部スペーサ層１０６Ｂと第２のキャリアブロック層１０５Ｂの境界が、必ずしも定在波の腹に位置している必要はなく、定在波の光強度の１/２よりも腹側に位置していればよい。また、第１のキャリアブロック層１０５Ａが、定在波の腹の部分に位置しない構成であれば他の構成でもよい。すなわち、第１のキャリアブロック層１０５Ａが、必ずしも定在波の節の部分に位置している必要はない。例えば、第１のキャリアブロック層１０５Ａが、定在波の腹と節との間に位置していてもよい。また、第１のキャリアブロック層１０５Ａが定在波の光強度の１/２よりも節側に位置していてれば、必ずしも節の部分に位置している必要はない。
【００３４】
また、図６においては、共振器延長領域１０４側の第２のキャリアブロック層１０５Ｂは設けなくもよいが、設ける場合は、共振器延長領域１０４と共振器延長領域１０４側の第２のキャリアブロック層１０５Ｂとの境界が、定在波の光強度の１/２よりも腹側に位置するようにする。このようにすれば、その境界が定在波の光強度の１/２よりも節側に位置する場合と比較し、発振波長の共振が容易になる。更には、その境界が定在波の腹に位置するようにすれば、更に、発振波長の共振が容易になる。
【００３５】
なお、第２の実施例では、第１の実施例のように、第１のキャリアブロック層１０５ＡがＡｌＸＧａ１―ｘＡｓ、第２のキャリアブロック層１０５ＢがＡｌＹＧａ１―ＹＡｓであるとき、必ずしもＸ＞Ｙの関係である必要はなく、酸化狭窄層と同等に酸化されないＸ及びＹの値であればよい。このような構成であれば、酸化狭窄層と同等には電気抵抗が上昇せず、かつ、第１のキャリアブロック層１０５Ａの不純物濃度を第２のキャリアブロック層の不純物濃度１０５Ｂよりも高くすることで、バンド構造が持ち上げられ、障壁がさらに大きくなり、キャリアのリークが抑制される。
【００３６】
次に、本発明の第３の実施例について説明する。図７は、第３の実施例に係る長共振器構造のＶＣＳＥＬ１０Ａの概略断面図である。第３の実施例では、ｐ型のＧａＡｓ基板１００上に、ｐ型の下部ＤＢＲ１０２が形成される。下部ＤＢＲ１０２のうちの活性領域１０６に隣接する低屈折率層またはその一部は、電流狭窄層１１０に置換される。活性領域１０６上に、ｎ型のキャリアブロック層１０５が形成され、キャリアブロック層１０５上にｎ型の共振器延長領域１０４が形成され、共振器延長領域１０４上にｎ型の上部ＤＢＲ１０８が形成される。基板１００の底部には、ｐ側電極１１２が形成され、上部ＤＢＲ１０８の頂部には、円形の出射窓１１４Ａを含むｎ側電極１１４が形成される。なお、第３の実施例においてメサＭを形成する場合は、エッチングは、下部ＤＢＲ１０２に到達し、電流狭窄層１１０が露出する深さまで行われる。
【００３７】
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。
【００３８】
上記実施例では、下部ＤＢＲ１０２および上部ＤＢＲ１０８を、ＡｌＧａＡｓにより形成したが、ＡｌＧａＡｓ以外の半導体材料を用いて、高屈折率層と低屈折率層の対を形成することができる。例えば、発振波長が長い場合には、高屈折率層としてＧａＡｓ、低屈折率層としてＡｌＧａＡｓのように、ＧａＡｓを用いてＤＢＲを構成してもよい。
【００３９】
上記実施例では、選択酸化型の長共振器構造のＶＣＳＥＬを例示したが、選択酸化型の代わりにプロトンイオン注入をすることで絶縁領域を形成するようにしてもよい。この場合、基板上にメサを形成する必要はない。
【００４０】
上記実施例では、メサの頂部からレーザ光を出射させる例を示したが、メサを形成せず、基板の裏面からレーザ光を出射させるようにしてもよい。この場合、下部ＤＢＲ１０２の反射率を上部ＤＢＲ１０８の反射率よりも小さくし、ｎ側電極１１４に出射窓を形成する。
【００４１】
上記実施例では、基板の裏面にｎ側電極１１４を形成する例を示したが、ｎ側電極１１４は、下部ＤＢＲ１０２に直接接続されるようにしてもよい。この場合には、基板１００は、半絶縁性とすることができる。
【００４２】
さらに、ＧａＡｓ基板１００と下部ＤＢＲ１０２との間に必要に応じてバッファ層を形成するようにしてもよい。さらに上記実施例では、ＧａＡｓ系のＶＣＳＥＬを例示したが、本発明は、他のＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体を用いた長共振器のＶＣＳＥＬにも適用することができる。さらに、上記実施例では、シングルスポットのＶＣＳＥＬを例示したが、基板上に多数のメサ（発光部）が形成されたマルチスポットのＶＣＳＥＬあるいはＶＣＳＥＬアレイであってもよい。特にマルチスポットのＶＣＳＥＬは高温動作となるため、本実施例のキャリアブロック層の構成は有効である。
【００４３】
次に、本実施例の長共振器構造のＶＣＳＥＬを利用した面発光型半導体レーザ装置、光情報処理装置および光伝送装置について図面を参照して説明する。図８（Ａ）は、ＶＣＳＥＬと光学部材を実装（パッケージ）した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。面発光型半導体レーザ装置３００は、長共振器構造のＶＣＳＥＬが形成されたチップ３１０を、導電性接着剤３２０を介して円盤状の金属ステム３３０上に固定する。導電性のリード３４０、３４２は、ステム３３０に形成された貫通孔（図示省略）内に挿入され、一方のリード３４０は、ＶＣＳＥＬのｎ側電極に電気的に接続され、他方のリード３４２は、ｐ側電極に電気的に接続される。
【００４４】
チップ３１０を含むステム３３０上に矩形状の中空のキャップ３５０が固定され、キャップ３５０の中央の開口３５２内に光学部材のボールレンズ３６０が固定されている。ボールレンズ３６０の光軸は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。リード３４０、３４２間に順方向の電圧が印加されると、チップ３１０から垂直方向にレーザ光が出射される。チップ３１０とボールレンズ３６０との距離は、チップ３１０からのレーザ光の広がり角θ内にボールレンズ３６０が含まれるように調整される。また、キャップ内に、ＶＣＳＥＬの発光状態をモニターするための受光素子や温度センサを含ませるようにしてもよい。
【００４５】
図８（Ｂ）は、他の面発光型半導体レーザ装置の構成を示す図であり、同図に示す面発光型半導体レーザ装置３０２は、ボールレンズ３６０を用いる代わりに、キャップ３５０の中央の開口３５２内に平板ガラス３６２を固定している。平板ガラス３６２の中心は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。チップ３１０と平板ガラス３６２との距離は、平板ガラス３６２の開口径がチップ３１０からのレーザ光の広がり角度θ以上になるように調整される。
【００４６】
図９は、ＶＣＳＥＬを光情報処理装置の光源に適用した例を示す図である。光情報処理装置３７０は、図８（Ａ）または図８（Ｂ）のように長共振器構造のＶＣＳＥＬを実装した面発光型半導体レーザ装置３００または３０２からのレーザ光を入射するコリメータレンズ３７２、一定の速度で回転し、コリメータレンズ３７２からの光線束を一定の広がり角で反射するポリゴンミラー３７４、ポリゴンミラー３７４からのレーザ光を入射し反射ミラー３７８を照射するｆθレンズ３７６、ライン状の反射ミラー３７８、反射ミラー３７８からの反射光に基づき潜像を形成する感光体ドラム(記録媒体)３８０を備えている。このように、ＶＣＳＥＬからのレーザ光を感光体ドラム上に集光する光学系と、集光されたレーザ光を光体ドラム上で走査する機構とを備えた複写機やプリンタなど、光情報処理装置の光源として利用することができる。
【００４７】
図１０は、図８（Ａ）に示す面発光型半導体レーザ装置を光伝送装置に適用したときの構成を示す断面図である。光伝送装置４００は、ステム３３０に固定された円筒状の筐体４１０、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０、およびフェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０を含んで構成される。ステム３３０の円周方向に形成されたフランジ３３２には、筐体４１０の端部が固定される。フェルール４３０は、スリーブ４２０の開口４２２に正確に位置決めされ、光ファイバ４４０の光軸がボールレンズ３６０の光軸に整合される。フェルール４３０の貫通孔４３２内に光ファイバ４４０の芯線が保持されている。
【００４８】
チップ３１０の表面から出射されたレーザ光は、ボールレンズ３６０によって集光され、集光された光は、光ファイバ４４０の芯線に入射され、送信される。上記例ではボールレンズ３６０を用いているが、これ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。さらに、光伝送装置４００は、リード３４０、３４２に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよい。さらに、光伝送装置４００は、光ファイバ４４０を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１０、１０Ａ：長共振器構造のＶＣＳＥＬ
１００：基板
１０２：下部ＤＢＲ
１０４：共振器延長領域
１０５：キャリアブロック層
１０５Ａ：第１のキャリアブロック層
１０５Ｂ：第２のキャリアブロック層
１０６：活性領域
１０６Ａ：量子井戸活性層
１０６Ｂ：下部スペーサ層
１０８：上部ＤＢＲ
１１０：電流狭窄層
１１０Ａ：酸化領域
１１０Ｂ：導電領域
１１２：ｐ側電極
１１２Ａ：光出射口
１１４：ｎ側電極
【要約】      （修正有）【課題】発光効率が改善された長共振器構造の面発光型半導体レーザを提供する。【解決手段】面発光型半導体レーザ１０は、基板１００上に、ｎ型の下部ＤＢＲ１０２、共振器延長領域１０４、第１のキャリアブロック層１０５Ａおよび第２のキャリアブロック層１０５Ｂを含むキャリアブロック層１０５、活性領域１０６、電流狭窄層１１０、上部ＤＢＲ１０８を含んで構成される。第１のキャリアブロック層１０５Ａは、第２のキャリアブロック層１０５Ｂよりもバンドギャップが大きく、第２のキャリアブロック層１０５Ｂは、第１のキャリアブロック層１０５Ａよりも膜厚が大きい。【選択図】図２【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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