(57)【要約】【課題】  リーク電流が少なく、高い電流狭窄効率を有する、信頼性が高い面発光レーザ素子を提供する。【解決手段】  活性層１０５と、電流阻止部１１６と導通部１１５とからなり前記活性層１０５への電流注入領域を規定する電流狭窄構造と、前記活性層１０５を挟んで対向して設けられる一対の分布ブラッグ反射器１０３；１０７，１１１とを備えた面発光レーザ素子において、前記電流阻止部１１６は、互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層を交互に積層した複数のヘテロ界面を含む多層構造により形成されている事を特徴としている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、電流阻止部と導通部とからなり前記活性層への電流注入領域を規定する電流狭窄構造と、前記活性層を挟んで対向して設けられる一対の分布ブラッグ反射器とを備えた面発光レーザ素子において、前記電流阻止部は、互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層を交互に積層した複数のヘテロ界面を含む多層構造により形成されている事を特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項２】
請求項１記載の面発光レーザ素子において、前記導通部は、前記電流阻止部を形成する互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層の間のバンドギャップエネルギーを有する半導体層により構成されている事を特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項３】
請求項１記載の面発光レーザ素子において、前記導通部は、前記電流阻止部を形成する互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層のうち、バンドギャップエネルギーが小さな半導体層よりも更にバンドギャップエネルギーの小さな半導体層により構成されている事を特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子において、互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層を交互に積層した前記多層構造は、発振光の定在波の節に対応する位置の近辺に、前記互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層のうち相対的にバンドギャップエネルギーの小さな半導体層を備え、定在波の腹に対応する位置の近辺に、前記互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層のうち相対的にバンドギャップエネルギーの大きな半導体層を備えている事を特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子において、前記電流阻止部の多層構造を構成する各半導体層は、ノンドープ半導体により形成されている事を特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子の製造方法において、前記導通部は、互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層を交互に積層した複数のヘテロ界面を含む多層構造へのIII族元素の相互拡散により形成される事を特徴とする面発光レーザ素子の製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子を複数個配列して形成されている事を特徴とする面発光レーザアレイ。
【請求項８】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項７の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする電子写真システム。
【請求項９】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項７の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする光通信システム。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項７の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする光インターコネクションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光レーザ素子およびその製造方法および面発光レーザアレイおよび電子写真システムおよび光通信システムおよび光インターコネクションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光レーザ（面発光型半導体レーザ）素子は、端面発光型半導体レーザ素子に比べて活性層体積が小さく、低閾値電流動作、高速変調が可能である事から、ＬＡＮ等の通信光源として注目されている。また、面発光レーザは、基板に垂直な方向にレーザ出力が取り出せることから、２次元アレイ集積が容易であり、並列光インターコネクション用光源、及び高精彩電子写真システムのアレイ書き込み用光源としても注目されている。
【０００３】
面発光レーザ素子の代表的な構造としては、例えば非特許文献１に記載されている選択酸化狭窄型構造を有する面発光レーザ（以下、選択酸化型面発光レーザ素子と称す）が知られている。選択酸化型面発光レーザ素子は、結晶成長によって面発光レーザ素子の構造中に設けられたＡｌＡｓ等のＡｌを組成に含む半導体層を、高温水蒸気中において酸化する事により形成された絶縁層（ＡｌｘＯｙ）を有する面発光レーザ素子である。この種の面発光レーザ素子では、Ａｌの酸化物が非常に良好な絶縁体である事から、注入されたキャリアを素子中心部の選択酸化がなされていない導通部へ非常に効率良く狭窄する事が可能であり、これによってサブミリアンペアの極低発振閾値が得られている。
【０００４】
また、面発光レーザ素子におけるこの他の電流狭窄手段（構造）として、半導体材料による高抵抗層により電流狭窄を行う構造等も知られている。例えば、特許文献１には、電流狭窄層（電流阻止部）として高抵抗半導体薄膜層を用いた電流狭窄構造が示されている。また、例えば特許文献２には、バンドギャップエネルギーが周辺の半導体層に対して大きな半導体層を電流狭窄構造に用い、基板面に平行な方向に活性層を囲む様に電流狭窄構造を形成した例が示されている。
【非特許文献１】Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．３０，  Ｎｏ．２４，  ｐｐ．２０４３−２０４４，  １９９４
【特許文献１】特開２００４−１７９４６８号公報
【特許文献２】特開平６−３１４８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１に示されているような選択酸化型面発光レーザ素子は、良好な絶縁体であるＡｌｘＯｙにより、非常に効率良く注入キャリアの狭窄を行う事が可能である。しかし、この一方でＡｌの酸化物の屈折率が１．６程度と半導体層に比べて約半分程度と小さい為に、非常に大きな横モードの閉じ込めが生じ、単一基本横モード発振を得る事が難しいという問題がある。ファイバ通信，電子写真システム光源などの多くの用途において、高出力における単一基本横モード発振が望まれている。選択酸化型面発光レーザ素子において、単一基本横モード発振を得るのに最も一般的に知られている方法は、選択酸化工程によって形成される電流狭窄構造の非酸化領域の一辺、又は直径を発振波長の３〜４倍程度と設定する事である。選択酸化された領域が周辺半導体層に対し低屈折率領域を形成するため、実屈折率導波構造が形成され、非酸化領域の一辺、又は直径を発振波長の３〜４倍程度に設定した場合に、高次横モードに対するカットオフ条件が満たされる。しかし、実際には、この際の非酸化領域における一辺の長さ、又は直径は、３〜数μｍと非常に小さなものであり、狭窄構造による駆動電圧の増加（抵抗増加）と、発光領域の減少による出力の低減が問題となっている。また、選択酸化工程は、選択酸化層の膜厚，Ａｌ組成，酸化温度に対して非常に敏感な工程であって、ウエハ面内において、高い均一性及び再現性を得る事が非常に難しく、素子の歩留まりを低下させる要因となっている。また、選択酸化によって形成したＡｌｘＯｙ層の界面には、ＡｌｘＯｙ層の酸化による体積収縮によって歪応力が発生し、後工程においてメサ構造が寸断する等の問題が生じる場合があり、更に前記の歪応力は、長期的に見た場合に、素子の信頼性に対して悪影響を及ぼすものと考えられる。
【０００６】
これに対し、特許文献１，特許文献２では、電流狭窄構造を作製する為の方法としてエッチング，写真製版技術等の比較的高い制御性を有した半導体プロセス技術を用いている事により、上記の再現性、均一性、及び信頼性に関する問題を改善している。また、特に特許文献１，２には言及されてはいないものの、半導体層により電流狭窄構造を形成した事によって、上述の光閉じ込めに関する問題を改善する事が可能である。しかし、実際には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等の量産性（スループット）や、素子特性（分布ブラッグ反射器の低抵抗化）において有用な結晶成長法において、オートドーピングや残留不純物の影響によって、ＡｌＧａＡｓ等の半導体層中のＳｉ，炭素等の不純物濃度を十分に下げて高抵抗半導体層を得る事は難しいという課題がある。また、比較的高抵抗で、更にバンドギャップエネルギーの大きな半導体層を用いたとしても、そのバンドギャップエネルギーは、選択酸化型面発光レーザ素子の電流阻止層であるＡｌｘＯｙのバンドギャップエネルギーに比べて小さく、十分な絶縁が得られるとは言えない。特に、極低閾値電流を得る事のできる面発光レーザ素子では、僅かなリーク電流であっても、閾値電流値への影響は大きいものと考えられる。
【０００７】
本発明は、リーク電流が少なく、高い電流狭窄効率を有する、信頼性が高い面発光レーザ素子およびその製造方法および面発光レーザアレイおよび電子写真システムおよび光通信システムおよび光インターコネクションシステムを提供する事を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、活性層と、電流阻止部と導通部とからなり前記活性層への電流注入領域を規定する電流狭窄構造と、前記活性層を挟んで対向して設けられる一対の分布ブラッグ反射器とを備えた面発光レーザ素子において、前記電流阻止部は、互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層を交互に積層した複数のヘテロ界面を含む多層構造により形成されている事を特徴としている。
【０００９】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の面発光レーザ素子において、前記導通部は、前記電流阻止部を形成する互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層の間のバンドギャップエネルギーを有する半導体層により構成されている事を特徴としている。
【００１０】
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の面発光レーザ素子において、前記導通部は、前記電流阻止部を形成する互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層のうち、バンドギャップエネルギーが小さな半導体層よりも更にバンドギャップエネルギーの小さな半導体層により構成されている事を特徴としている。
【００１１】
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子において、互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層を交互に積層した前記多層構造は、発振光の定在波の節に対応する位置の近辺に、前記互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層のうち相対的にバンドギャップエネルギーの小さな半導体層を備え、定在波の腹に対応する位置の近辺に、前記互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層のうち相対的にバンドギャップエネルギーの大きな半導体層を備えている事を特徴としている。
【００１２】
また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子において、前記電流阻止部の多層構造を構成する各半導体層は、ノンドープ半導体により形成されている事を特徴としている。
【００１３】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子の製造方法において、前記導通部は、互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層を交互に積層した複数のヘテロ界面を含む多層構造へのIII族元素の相互拡散により形成される事を特徴としている。
【００１４】
また、請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子を複数個配列して形成されている事を特徴とする面発光レーザアレイである。
【００１５】
また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項７の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする電子写真システムである。
【００１６】
また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項７の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする光通信システムである。
【００１７】
また、請求項１０記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項７の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする光インターコネクションシステムである。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１乃至請求項４記載の発明によれば、活性層と、電流阻止部と導通部とからなり前記活性層への電流注入領域を規定する電流狭窄構造と、前記活性層を挟んで対向して設けられる一対の分布ブラッグ反射器とを備えた面発光レーザ素子において、前記電流阻止部は、互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層を交互に積層した複数のヘテロ界面を含む多層構造により形成されているので（すなわち、電流阻止部を複数のへテロ界面を含む多層構造により形成しているので）、リーク電流が少なく、高い狭窄効率を有する電流狭窄構造を得る事ができる。これにより、選択酸化構造を電流狭窄構造とした面発光レーザ素子（選択酸化型面発光レーザ素子）の様に電流狭窄構造の周辺に歪応力が発生する事無く、電流狭窄構造を形成する事ができる。また、本発明の電流狭窄構造は、高い制御性，均一性，再現性を得る事が難しい選択酸化工程を用いずに、制御性の優れた写真製版，エッチング等の半導体プロセスによって電流狭窄構造を形成しているので、高い素子の歩留まり及び信頼性を得る事が可能となる。
【００１９】
特に、請求項２記載の発明では、請求項１記載の面発光レーザ素子において、前記導通部は、前記電流阻止部を形成する互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層の間のバンドギャップエネルギーを有する半導体層により構成されているので、導通部におけるポテンシャルバリアによる抵抗を低減し、導通部を低抵抗とする事ができる。これにより、より狭窄効率が高く、更に素子抵抗の低い面発光レーザ素子を提供する事が可能となる。
【００２０】
また、請求項３記載の発明では、請求項１記載の面発光レーザ素子において、前記導通部は、前記電流阻止部を形成する互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層のうち、バンドギャップエネルギーが小さな半導体層よりも更にバンドギャップエネルギーの小さな半導体層により構成されているので、電流阻止部を低屈折率領域とし、導通部を高屈折領域とする実屈折率導波構造を形成する事ができる。この結果、電流狭窄構造により、安定に横モードの閉じ込めを行う事ができる。また、本発明の電流狭窄構造は、すべて半導体材料により構成されているため、選択酸化構造を用いた電流狭窄構造に比べて屈折率差が小さく、この結果、比較的大きな狭窄面積であっても単一基本横モード発振を得る事ができる。また、比較的大きな電流狭窄面積においても単一基本横モード発振が得られる為、素子の動作電圧を低減する事が可能である。以上から、信頼性が高く、高出力まで単一基本横モード発振が可能な面発光レーザ素子を提供する事ができる。
【００２１】
また、請求項４記載の発明では、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子において、互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層を交互に積層した前記多層構造は、発振光の定在波の節に対応する位置の近辺に、前記互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層のうち相対的にバンドギャップエネルギーの小さな半導体層を備え、定在波の腹に対応する位置の近辺に、前記互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層のうち相対的にバンドギャップエネルギーの大きな半導体層を備えているので、より効果的に横モード閉じ込めを行う事ができる。すなわち、請求項４の構成は、例えば、導通部が、電流阻止部のヘテロ構造を構成する半導体層（バンドギャップエネルギーが互いに異なる半導体層）のうち、バンドギャップエネルギーの小さな（屈折率の大きな）半導体層で構成されている様な場合でも、屈折率導波構造が形成でき、安定に横モードの閉じ込めを行う事ができる。この様に請求項４の発明では、より広範囲の電流狭窄構造の構成に対しても、安定に横モード閉じ込めを行なうことができる。
【００２２】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子において、前記電流阻止部の多層構造を構成する各半導体層は、ノンドープ半導体により形成されているので、半導体層のバルク抵抗を大きくし、また、ヘテロ界面におけるポテンシャルバリア厚さを厚くする事によって電流阻止部を更に高抵抗とし、高効率に電流狭窄を行なうことができる。
【００２３】
また、請求項６の記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子の製造方法において、前記導通部は、互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層を交互に積層した複数のヘテロ界面を含む多層構造へのIII族元素の相互拡散により形成されるので（すなわち、III族元素の相互拡散によって、ヘテロ障壁部を無秩序化し、導通部（低抵抗領域）を形成するので）、エッチング等の工程を用いずに電流狭窄構造を形成する事ができる。これにより素子の製造工程を簡便にすることができる。また、エッチングなどを必要としないので、平坦な素子表面が得られ、後工程におけるプロセス加工が容易になるという効果も得られる。
【００２４】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子を複数個配列して形成されている事を特徴とする面発光レーザアレイであり、電力変換効率及び信頼性が高く、高出力まで単一基本横モード動作が可能な面発光レーザ素子によって面発光レーザアレイを構成した事により、電力変換効率及び信頼性が高く、更に素子抵抗が低く、高出力まで単一基本横モード発振が可能な、電子写真システムのマルチビーム書き込み系や光通信システム等の光源として好適な面発光レーザアレイを提供する事ができる。
【００２５】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項７の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする電子写真システムであり、電力変換効率及び信頼性が高く、高出力まで単一基本横モード動作が可能な面発光レーザ素子、又は面発光レーザアレイを用いる事により、信頼性が高く、低消費電力であり、高速且つ高精彩な電子写真システムを提供することができる。特に、光源に請求項７の面発光レーザアレイを用いた場合には、請求項７の面発光レーザアレイは高いアレイ間の位置精度を有していることから、同一のレンズで複数のビームを再現性良く容易に集光することができる。よって、光学系が簡単で済み、低コストなシステムを得ることができる。
【００２６】
また、請求項９記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項７の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする光通信システムであり、電力変換効率及び信頼性が高く、高出力まで単一基本横モード動作が可能な面発光レーザ素子、又は面発光レーザアレイを用いる事により、信頼性が高く、低消費電力であり、高速且つ遠距離通信が可能な光通信システムを提供することができる。
【００２７】
また、請求項１０記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子、または、請求項７の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする光インターコネクションシステムであり、電力変換効率及び信頼性が高く、高出力まで単一基本横モード動作が可能な面発光レーザ素子、又は面発光レーザアレイを用いる事により、信頼性が高く、低消費電力であり、高速伝送が可能な光インターコネクションシステムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００２９】
（第１の形態）
本発明の第１の形態は、活性層と、電流阻止部と導通部とからなり前記活性層への電流注入領域を規定する電流狭窄構造と、前記活性層を挟んで対向して設けられる一対の分布ブラッグ反射器とを備えた面発光レーザ素子において、前記電流阻止部は、互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層を交互に積層した複数のヘテロ界面を含む多層構造により形成されている事を特徴としている。
【００３０】
バンドギャップエネルギーが互いに異なる半導体層のヘテロ界面では、それぞれの半導体層のバンド不連続に起因してスパイク，ノッチ状のポテンシャルバリアが形成される事が知られている。キャリアである電子及び正孔は、スパイク状のポテンシャルバリアによって伝導が妨げられ、ヘテロ界面を含む半導体構造は、通常のバルク半導体に比べて高抵抗となる。また、電子と正孔とでは、正孔の方が有効質量が大きく、ポテンシャルバリアの影響をより大きく受ける。従って、正孔が多数キャリアであるｐ型半導体では、ヘテロ界面の影響によってより高抵抗化し易い性質がある。
【００３１】
本発明の第１の形態では、電流狭窄構造の電流阻止部として、バンドギャップエネルギーの異なる半導体層を交互に積層した複数のへテロ界面を含む多層構造を設ける構成としている。ヘテロ界面に生じるポテンシャルバリアによって電流阻止部は高抵抗となるので、注入キャリアを導通部へ狭窄することができる。また、この第１の形態では、選択酸化型面発光レーザ素子の様に非常に精密なプロセス条件の管理が必要なＡｌを含む半導体層の選択酸化工程を用いずに電流狭窄構造を形成する事ができるので、高い素子の歩留まりが得られる。また、選択酸化層を用いていないので、選択酸化界面における歪応力の発生等の問題も無く、素子の信頼性も高い。尚、電流狭窄構造を設ける位置としては、ｎ型半導体中，ｐ型半導体中のいずれにも設ける事ができるが、上記の様に、半導体材料は、ｐ型半導体材料の多数キャリアである正孔の方がポテンシャルバリアの影響を受けやすいので、ｐ型半導体中に設けた場合の方がより大きな狭窄効果を得る事ができる。以上の様に、本発明では、従来の半導体材料による高抵抗層を電流狭窄層として用いた場合に比べ、レーザ発振に寄与しない無効電流を低減する事が可能であり、低閾値電流であり、電力変換効率の高い面発光レーザ素子を提供する事ができる。
【００３２】
（第２の形態）
本発明の第２の形態は、第１の形態の面発光レーザ素子において、前記導通部は、前記電流阻止部を形成する互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層の間のバンドギャップエネルギーを有する半導体層により構成されている事を特徴としている。
【００３３】
バンドギャップエネルギーの異なる半導体層を交互に積層した多層構造により、高い電流狭窄効果を得るには、面発光レーザ素子中において、多層構造と接する任意の半導体層に対し、多層構造を形成する２種の半導体層のうち、任意の半導体層とのバンド不連続量が大きくなる組成の材料が接するように設ける事が望ましい。
【００３４】
また、特に高い狭窄効率を得る為には、上記の様に２種のキャリアの内、正孔を狭窄する方が好ましく、この場合には価電子帯側におけるバンド不連続量が大きくなる様に多層構造を設ける事が望ましい。更に、価電子帯のバンドエネルギーは、多くの半導体材料において、バンドギャップエネルギーの増加に対し、単純に低下する傾向がある。
【００３５】
本発明の第２の形態では、上記の様に多層構造からなる電流阻止部の構成を選んだ場合に、導通部において導通部と接する任意の半導体層との価電子帯バンド不連続量を、電流阻止部に対する価電子帯バンド不連続量に対して常に小さく設定する事が可能であり、導通部に形成されるポテンシャルバリアによる抵抗を低減し（導通部の抵抗を小さくすることができ）、素子抵抗を小さくできる。また、導通部の抵抗が低減する事により、高い狭窄効率が得られ、低閾値電流であり、電力変換効率の高い面発光レーザ素子を提供する事ができる。なお、この様な導通部の抵抗を小さくする構造は、後述の様に、不純物拡散等に伴うIII族元素の相互拡散を用いて、容易に形成できる。
【００３６】
（第３の形態）
本発明の第３の形態は、第１の形態の面発光レーザ素子において、前記導通部は、前記電流阻止部を形成する互いにバンドギャップエネルギーの異なる半導体層のうち、バンドギャップエネルギーが小さな半導体層よりも更にバンドギャップエネルギーの小さな半導体層により構成されている事を特徴としている。すなわち、第３の形態では、電流阻止部を形成するバンドギャップエネルギーが互いに異なる半導体層のうち、バンドギャップエネルギーの小さな半導体層よりも更にバンドギャップエネルギーの小さな半導体層により導通部を構成している。
【００３７】
本発明の第３の形態では、本発明の第１の形態と同様に、複数のへテロ界面を含む多層構造により、注入キャリアを高効率に導通部へ狭窄できる。更に、半導体の屈折率とバンドギャップエネルギーとの間には対応関係があり、特に同じ材料系による混晶材料では、（伝導帯Γ点と価電子帯頂上の）バンドギャップエネルギーの小さな半導体混晶ほど、大きな屈折率となる性質がある。従って、この第３の形態のように、導通部を、電流阻止部を構成する半導体層よりもバンドギャップエネルギーの小さな半導体層で構成すると、横モードの実屈折率閉じ込め構造を得る事ができる。また、電流狭窄構造を半導体材料で構成している事により、電流阻止部と導通部における屈折率差は従来の選択酸化構造を用いた電流狭窄構造に比べて小さくなっている。従来の選択酸化構造を用いた電流狭窄構造では、上記の屈折率差が大きい為に、非常に大きな横モードの閉じ込めが生じており、基本横モード以外にも、高次横モードも容易に閉じ込められてしまうという問題がある。この為、電流狭窄径（辺）を微小に設定し、高次横モードに対するカットオフ条件が満たす様にする必要があった。これに対し、この第３の形態では、上記の様に横モードの閉じ込め構造における屈折率差が小さいため、従来の選択酸化型面発光レーザ素子に比べて電流狭窄径（辺）を大きく設定した場合でも、高次横モードに対するカットオフ条件を容易に満たす事ができる。これによって、狭窄面積（発振面積）を大きく設定する事が可能になり、より大きな出力を得る事ができる。更に、狭窄面積を大きく設定できる事により、素子の抵抗（駆動電圧）を低減できる。また、素子抵抗（駆動電圧）が低減できる事により、発熱が低減するので、出力及び微分抵抗の飽和点も高くなり、高速動作が容易になる。
【００３８】
（第４の形態）
本発明の第４の形態は、第１乃至第３のいずれかの形態の面発光レーザ素子において、互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層を交互に積層した前記多層構造は、発振光の定在波の節に対応する位置の近辺に、前記互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層のうち相対的にバンドギャップエネルギーの小さな半導体層を備え、定在波の腹に対応する位置の近辺に、前記互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層のうち相対的にバンドギャップエネルギーの大きな半導体層を備えている事を特徴としている。すなわち、第４の形態では、電流阻止部を形成する互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層を交互に積層してなる複数のへテロ界面を含む多層構造中において、発振光の定在波の節に対応する位置の近辺に、前記半導体層のうち相対的にバンドギャップエネルギーの小さな半導体層が位置し、更に定在波の腹に対応する位置の近辺に、相対的にバンドギャップエネルギーの大きな半導体層が位置する構成としている。
【００３９】
本発明の第４の形態では、以上の様な構成とする事によって、半導体材料による横モードの実屈折率導波構造をより効率的に形成することができる。すなわち、レーザ発振状態では、発振光は素子内において定在波を形成し、定在波の腹に当たる位置では、発振光の電界強度が大きく、節にあたる位置ではゼロとなっている。従って、電界強度がより大きな腹に対応した面内に光の閉じ込め構造を設けると、より効果的に横モード閉じ込めを行う事ができる。本発明の電流狭窄構造は、バンドギャップエネルギーが互いに異なる半導体層の多層構造によって形成されており、各半導体層は、バンドギャップエネルギーに対応した、互いに異なった屈折率値を有している。従って、例えば導通部の半導体層が、電流阻止部を形成する半導体層（バンドギャップエネルギーが互いに異なる半導体層）の間のバンドギャップエネルギー（屈折率）を有している場合には、電流阻止部の半導体層の屈折率に対応し、面内において導波構造と反導波構造が交互に形成され、効率的に横モード閉じ込めが得られない場合がある。この様な場合は、電流阻止部を形成する半導体層の内、屈折率のより小さな半導体層（バンドギャップエネルギーの大きな半導体層）を定在波の腹に対応する位置に設け、屈折率の大きい半導体層（バンドギャップエネルギーの小さな半導体層）をこれ以外の部位（特に定在波の節の位置）に設けると、定在波の腹に対応する位置に設けた閉じ込め構造の作用が支配的になり、実屈折率導波構造を形成する事ができる。この様に、本発明の第４の形態では、より効果的に横モード閉じ込めが得られる。
【００４０】
（第５の形態）
本発明の第５の形態は、第１乃至第４のいずれかの形態の面発光レーザ素子において、前記電流阻止部の多層構造を構成する各半導体層は、ノンドープ半導体により形成されている事を特徴としている。すなわち、電流阻止部をノンドープ半導体層より形成する構成としている。この第５の形態の様に、多層構造よりなる電流狭窄部をノンドープ半導体層で構成する事によって、ヘテロ界面部における抵抗を増加させる事が可能であり、より大きな電流狭窄効果を得る事ができる。すなわち、ヘテロ界面では、スパイク状のポテンシャルバリアが形成される。このポテンシャルバリアの高さは、主に接合を形成する２つの半導体層のバンド不連続量により決まり、またポテンシャルバリアの厚さはヘテロ界面における空乏層の厚さによって決まっている。更に、空乏層の厚さはヘテロ界面を形成する半導体層の不純物ドーピング密度によって主に決まり、ドーピング密度を低くする事によって、その厚さは増加する。従って、第５の形態の様に、複数のへテロ界面を含む多層構造をノンドープ半導体層により構成すると、半導体層のバルク抵抗が増加し高抵抗となることに加えて、ヘテロ界面部におけるポテンシャルバリア幅が増加する事により、より高抵抗となる。これにより、高電圧動作時においても、高い電流狭窄効果が得られる。
【００４１】
（第６の形態）
本発明の第６の形態は、第１乃至第５のいずれかの形態の面発光レーザ素子の製造方法において、前記導通部は、互いにバンドギャップエネルギーが異なる半導体層を交互に積層した複数のヘテロ界面を含む多層構造へのIII族元素の相互拡散により形成される事を特徴としている。すなわち、第６の形態では、III族元素の相互拡散により、ヘテロ界面部を無秩序化し、導通部を形成する構成としている。すなわち、ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＧａＩｎＰ等の半導体超格子構造において、Ｚｎ（亜鉛）等の不純物拡散を行うと、Ｚｎ等の拡散に伴って超格子構造を形成する半導体層のIII族元素が互いに相互拡散して、超格子構造が無秩序化される事が知られている。本発明の第６の形態では、電流阻止部である複数のへテロ界面を含む多層構造を形成した後、導通部となる領域に対してＺｎ等の不純物元素を拡散させる事により、ヘテロ界面を無秩序化させ抵抗を低減するようにしている。この様に、第６の形態では、エッチング等の加工を要せずに、容易に第１乃至第５のいずれかの形態の面発光レーザ素子を作製する事ができる。また、エッチング加工などを行わずに素子を作製する事ができるので、素子表面部は平坦であり、後工程の加工が容易になる。尚、この際に、電流阻止部を形成する複数のへテロ界面を含む多層構造をノンドープ半導体層により構成しておくと、第５の形態で説明した様に電流阻止部をより高抵抗とする事が可能であり、更に不純物拡散により、バルク抵抗とヘテロ界面部の抵抗との両方が低抵抗である導通部を形成する事ができる。
【００４２】
（第７の形態）
本発明の第７の形態は、第１乃至第５のいずれかの形態の面発光レーザ素子を複数個配列して形成されている事を特徴とする面発光レーザアレイである。上述の様に、第１乃至第５の形態の面発光レーザ素子は、電流阻止部を複数のへテロ界面を含む多層構造により形成した事により、高い電流狭窄効率，高い素子の信頼性，高い歩留まりを有している。更に、半導体材料による横モード閉じ込め構造を備えているので、選択酸化型面発光レーザ素子に比べて横モード閉じ込めが小さく、比較的大きな電流狭窄面積（発振面積）においても高出力まで単一基本横モード発振が得られる。従って、これらの面発光レーザ素子により形成された第７の形態の面発光レーザアレイも同様に、狭窄効率，歩留まり，信頼性が高く、高出力まで単一基本横モード発振が可能な面発光レーザアレイを提供することができる。
【００４３】
（第８の形態）
本発明の第８の形態は、第１乃至第５のいずれかの形態の面発光レーザ素子、または、第７の形態の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする電子写真システムである。第１乃至第５のいずれかの形態の面発光レーザ素子，又は第７の形態の面発光レーザアレイは、半導体材料による横モード閉じ込め構造を備えているので、選択酸化型面発光レーザ素子に比べて横モード閉じ込めが小さく、比較的大きな電流狭窄面積（発振面積）においても高出力まで単一基本横モード発振が得られる。また、電流阻止部をヘテロ構造により形成した事により、高い狭窄効率を得る事ができる。また、出射ビームが円形であり、高いアレイ間の位置精度を有していることから、同一のレンズで複数のビームを再現性良く容易に集光できるので、光学系が簡単で済み、低コストな電子写真システムを構成できる。また、基本横モードで高出力が得られるので、アレイを用いた場合、特に高速書き込みが可能であり、高速な電子写真システムを提供できる。
【００４４】
（第９の形態）
本発明の第９の形態は、第１乃至第５のいずれかの形態の面発光レーザ素子，又は第７の形態の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする光通信システムである。第１乃至第５のいずれかの形態の面発光レーザ素子，又は第７の形態の面発光レーザアレイは、単一基本横モードで、高出力まで発振が得られ、光ファイバとの結合が高く、素子の動作状態の変化に対しても横モードが安定している。また、電流狭窄面積（発振面積）を大きく設定する事ができるので、素子抵抗が低く高速動作を得る事が可能である。よって、これらを光源に用いた光通信システムは、信頼性が高い光通信システムであり、また、基本横モード出力が高いことから、遠距離通信が可能な光通信システムとなる。
【００４５】
（第１０の形態）
本発明の第１０の形態は、第１乃至第５のいずれかの形態の面発光レーザ素子，又は第７の形態の面発光レーザアレイが光源として用いられている事を特徴とする光インターコネクションシステムである。第１乃至第５のいずれかの形態の面発光レーザ素子，又は第７の形態の面発光レーザアレイは、単一基本横モードで、高出力まで発振が得られ、光ファイバとの結合が高く、素子の動作状態の変化に対しても横モードが安定している。また、電流狭窄面積（発振面積）を大きく設定する事ができるので、素子抵抗が低く高速動作を得る事が可能である。よって、これらを光源に用いた光インターコネクションシステムは、信頼性が高い光インターコネクションシステムとなる。
【００４６】
以下、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００４７】
図１は実施例１の面発光レーザ素子を示す図である。図１の面発光レーザ素子は、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸構造を活性層とする１．３μｍ帯面発光レーザ素子である。
【００４８】
図１の面発光レーザ素子は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により結晶成長を行なっており、III族原料に、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ），トリメチルガリウム（ＴＭＧ），トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用い、Ｖ族原料には、アルシン（ＡｓＨ３）ガスを用いている。また、ｐ型ドーパント原料には、四臭化炭素（ＣＢｒ４）を用い、ｎ型ドーパント原料には、セレン化水素（Ｈ２Ｓｅ）を用いている。また、活性層の窒素原料には、ジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）を用いている。以下、その構造を製造工程に従い説明する。
【００４９】
具体的に、図１の面発光レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファー層１０２、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓの対を１周期とした３６周期のｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓ下部半導体分布ブラッグ反射器１０３、ノンドープＧａＡｓ共振器スペーサー１０４、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層１０５、ノンドープＧａＡｓ共振器スペーサー１０６、１．５周期のｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓ第一上部半導体分布ブラッグ反射器１０７、厚さ２０ｎｍのｐ−Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐエッチング停止層１０８、ノンドープＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓの多層構造１０９が順次に形成されている。
【００５０】
ここで、ｐ−Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐエッチング停止層１０８との界面を除いて、分布ブラッグ反射器の各界面には、厚さ３０ｎｍのヘテロスパイクバッファー層（線形組成傾斜層）を設け、低抵抗化を図っている。また、ヘテロスパイクバッファー層を含めた、分布ブラッグ反射器を構成する各半導体層の厚さは、分布ブラッグ反射器の多重反射の位相条件を満たす様に、レーザ発振波長（λ＝１．３μｍ）に対しλ／４ｎ厚さ（ｎは、レーザ発振波長に対する各半導体層の屈折率、以下の実施例においても同じ）となる厚さとしている。この実施例１における分布ブラッグ反射器を構成する各半導体層の具体的な層厚は、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層が７８．８ｎｍであり、ＧａＡｓ層が６６．３ｎｍである。これらの層厚は、以下の他の実施例においても発振波長及び屈折率に対応させて、同様に調整されている。
【００５１】
また、ノンドープＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓの多層構造１０９は、それぞれの層の厚さを等しくし、これらの半導体層における位相変化の合計が２π・（２／４）（２λ／４ｎ相当厚さ）となる厚さに形成されている。具体的には、一層の厚さを約３７．５ｎｍとし、多層構造の最上層と最下層がＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層となる様に５．５周期積層している。ここで、ノンドープＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓの多層構造１０９の構成周期としては、上記以外の周期としても良い。トンネル電流が増加しない範囲で多層構造１０９の各半導体層の厚さを薄くして周期数を増やすと、ヘテロ界面の数が増加する事に対応し、より高抵抗とする事ができる。また、多層構造１０９の各半導体層の厚さが発振波長に対して薄くなる事に従って、各界面における多重反射の干渉効果を小さくする事ができる。
【００５２】
次に、公知の写真製版技術を用いて図１の面発光レーザ素子の中央部に直径１０μｍの開口を有する円形レジストパターンを形成した後、ｐ−Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐエッチング停止層１０８によって、レジスト開口部に当たるＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓの積層構造１０９を硫酸系エッチャントを用いて除去する。次に、レジストの除去と適切な表面の清浄化処理の後、２回目の結晶成長として、３λ／４ｎ厚さのｐ−ＧａＡｓ層１１０の結晶成長を行い、引き続き２３周期のｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓ第二上部分布ブラッグ反射器１１１の結晶成長を行なう。ここで、３λ／４ｎ厚さのｐ−ＧａＡｓ層１１０とｐ−Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐエッチング停止層１０８との界面には、ヘテロスパイクバッファー層（組成傾斜層）は設けられていない。また、第二上部分布ブラッグ反射器１１１の最表面層となるＧａＡｓ層には、最表面付近のドーピング濃度を高めたコンタクト層（図示せず）を設けている。また、ここで、多層構造１０９を構成する２種の半導体層のうち、バンドギャップエネルギーの大きな半導体層には、エッチング端面の自然酸化を少なくし、再成長工程を容易にする為に、Ｇａ組成が含まれた半導体層を選ぶ事が望ましい。
【００５３】
図２（ａ），（ｂ）はこの様子を示したものである。図２（ａ）には、第一，第二上部分布部ブラッグ反射器１０７，１１１と、第一，第二上部分布部ブラッグ反射器１０７，１１１の間に設けられたＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓによる多層構造１０９、および３λ／４ｎ厚さのｐ−ＧａＡｓ層１１０が示されている。また、図２（ｂ）には、図２（ａ）の領域Ａの詳細な構造が示されている。すなわち、図２（ｂ）には、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓ第一上部半導体分布ブラッグ反射器１０７を構成するλ／４ｎ厚さのｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層と３λ／４ｎ厚さのｐ−ＧａＡｓ層１１０との間の各層が示されている。
【００５４】
次に、気相化学堆積法（ＣＶＤ法）を用いて、ウエハ全面にＳｉＯ２層１１２を形成した後、エッチング除去部にアラインして、光出射部となる領域とその周辺のＳｉＯ２層１１２の除去を行なう。次に、光出射部となる領域に直径１５μｍの円形レジストパターンを形成し、ｐ側電極材料の蒸着を行なう。次に、光出射部の電極材料をリフトオフし、ｐ側電極１１３を形成する。次に、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１の裏面を研磨した後、基板１０１の裏面に蒸着によってｎ側電極１１４を形成し、アニールによって、両電極１１３，１１４のオーミック導通を取る。
【００５５】
以上の工程により、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓの多層構造１０９のエッチング除去を行った領域では、再成長による３λ／４ｎ厚さのｐ−ＧａＡｓ層１１０が、分布ブラッグ反射器における多重反射の位相条件を満たす様に設けられるとともに、ｐ型にドーピングされた低抵抗導通部１１５として形成されている。また、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓの多層構造１０９がエッチング除去されていない領域も同様に、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓの多層構造１０９とこれの下層にあたる１回目の結晶成長で設けたｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓ第一上部半導体分布ブラッグ反射器１０７のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とによって分布ブラッグ反射器における多重反射の位相条件が満たされており、更に、同領域では、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ多層構造１０９のヘテロ界面による高抵抗領域（電流阻止部）１１６が形成されている。素子の上部から注入されたキャリア（正孔）は、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ多層構造１０９からなる高抵抗領域（電流阻止部）１１６によって、ｐ−ＧａＡｓ層よりなる導通部１１５へ狭窄される。ここで、導通部１１５では、Ａｌ０．９Ｇａ０．１ＡｓとＧａＡｓとの間のバンドギャップエネルギーを有するｐ−Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐエッチング停止層１０８がヘテロスパイク緩衝層として機能し、導通部１１５の抵抗を低減させる作用を有している。
【００５６】
この実施例１の面発光レーザ素子におけるヘテロ界面のポテンシャルバリアを用いた電流狭窄構造は、高注入領域（高電圧印加領域）においても、良好な電流狭窄を得る事が可能であった。更に、導通部１１５は、これと同一面内にある狭窄部１１６に対して、相対的に高屈折率であるので、横方向に実屈折率導波構造が形成され、横モードの閉じ込めを行う事が可能であった。また、図１の面発光レーザ素子の導通部１１５と電流阻止部１１６における屈折率差は、従来の選択酸化型面発光レーザ素子に比べ小さい為に、比較的大きな狭窄径（導通部の面積）においても、高出力まで単一基本横モード発振を得る事が可能であった。
【実施例２】
【００５７】
図３は実施例２の面発光レーザ素子を示す図である。図３の面発光レーザ素子は、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸構造を活性層とする０．９８μｍ帯面発光レーザ素子であり、実施例１の素子と同様な成長方法，原料を用いて形成されたものである。
【００５８】
図３の面発光レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファー層２０２、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓの対を１周期とした３６周期のｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓ下部半導体分布ブラッグ反射器２０３、ノンドープＧａＡｓ共振器スペーサー２０４、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０５、ノンドープＧａＡｓ共振器スペーサー２０６、１．５周期のｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓ第一上部半導体分布ブラッグ反射器２０７、ｐ−Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐエッチングストップ層２０８、ノンドープＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓの多層構造２０９が順次に形成されている。ここで、この実施例２でも、分布ブラッグ反射器を構成する各層の界面には、厚さ３０ｎｍのヘテロスパイクバッファー層（組成傾斜層）を設けている。
【００５９】
この実施例２では、後述する図４（ａ），（ｂ）の様に、ノンドープＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓの多層構造２０９中において、発振光の定在波の腹に対応する領域の近辺に、多層構造２０９を構成する半導体層のうちバンドギャップエネルギーの大きい（屈折率の小さい）Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層を設け、定在波の節に対応する領域の近辺に、多層構造２０９を構成する半導体層のうちバンドギャップエネルギーの小さい（屈折率の大きい）ＧａＡｓ層を設けている。
【００６０】
次に、実施例１と同様に、公知の写真製版技術を用いて図３の面発光レーザ素子の中央部に一辺が８μｍの開口を有する円形レジストパターンを形成した後、ｐ−Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐエッチング停止層２０８によって、レジスト開口部に当たるＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓの多層構造２０９を硫酸系エッチャントを用いて除去する。次に、レジストの除去と適切な表面の清浄化処理の後、２回目の結晶成長として、レーザ発振波長（λ＝０．９８μｍ）に対して、３λ／４ｎ厚さのｐ−ＧａＡｓ層２１０の結晶成長を行い、引き続き、２２周期のｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓ第二上部分布ブラッグ反射器２１１の結晶成長を行なう。ここで、第二上部分布ブラッグ反射器２１１の最表面層となるＧａＡｓ層には、最表面付近のドーピング濃度を高めたコンタクト層（図示せず）を設けている。
【００６１】
次に、実施例１と同様の方法・手順によって、ＳｉＯ２層（絶縁層）２１２と、エッチング除去部にアラインした直径１５μｍの円形ｐ側電極２１３と、基板２０１の裏面にｎ側電極２１４を形成する。
【００６２】
図４（ａ），（ｂ）はこの様子を示したものである。図４（ａ）には、第一，第二上部分布ブラッグ反射器２０７，２１１と、第一，第二上部分布ブラッグ反射器２０７，２１１の間に設けられたＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓによる多層構造、および３λ／４ｎ厚さのｐ−ＧａＡｓ層２１０が示されている。また、図４（ｂ）には、図４（ａ）の領域Ａの詳細な構造が示されている。すなわち、図４（ｂ）には、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓ第一上部半導体分布ブラッグ反射器２０７を構成するλ／４ｎ厚さのｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層と３λ／４ｎ厚さのｐ−ＧａＡｓ層２１０との間の各層が示されている。
【００６３】
ここで、具体的に、ノンドープＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓの多層構造２０９では、図４（ｂ）に示す様に、定在波の腹に対応した領域にＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層を設け、その厚さを４０ｎｍとし、更にこの周辺の領域におけるＧａＡｓ層の厚さに対してＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の厚さが相対的に厚くなる様にしている。また、定在波の節に対応した領域にはＧａＡｓ層を設け、その厚さを３０ｎｍとし、この周辺の領域におけるにおけるＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の厚さに対してＧａＡｓ層の厚さが相対的に厚くなる様にしている。以上の様に定在波分布に応じて各層の厚さを変化させ、３．５周期を設けている。また、これら２種の半導体層の厚さは、多層構造２０９中における全体の位相変化が２π・１／２（１λ／２ｎ相当厚さ）となる様に調整されている。尚、この実施例２においても、多層構造２０９の周期、及び各層の厚さは、上記以外のものとしても良い。
【００６４】
実施例２の面発光レーザ素子では、ノンドープＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓの積層構造２０９のエッチングを行なった領域とこれを行なわなかった領域とで２π・（１／４）相当の段差が生じているので、２回目の結晶成長として第二上部分布ブラッグ反射器２１１の結晶成長を行なうと、上記のエッチングを行なった領域と、これを行なわなかった領域の基板面に平行な面内の大部分の領域において、分布ブラッグ反射器を構成する２種の材料のうち同じ材料が位置する構造となっている。従って、これらの構造による光の横方向の閉じ込めは非常に弱く、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓの多層構造２０９において、これを構成する各層を設ける位置、また各層の厚さを上述の様に調整する事によって、効率良く横モード閉じ込めを行なう事が可能となる。
【００６５】
この実施例２の面発光レーザ素子は、実施例１の面発光レーザ素子と同様に、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓの多層構造２０９のヘテロ界面により高抵抗領域２１６が形成されており、素子の上部から注入されたキャリア（正孔）をｐ−ＧａＡｓ層よりなる導通部２１５へ狭窄する事ができる。この実施例２の面発光レーザ素子におけるヘテロ界面のポテンシャルバリアを用いた電流狭窄構造は、高注入領域（高電圧印加領域）においても、良好な電流狭窄を得る事が可能であった。
【００６６】
また、更に、この実施例２の面発光レーザ素子では、多層構造２０９において、これと同一面内にある導通部２１５に対して、発振光の電界強度が大きな定在波の腹に対応する領域の近辺に、バンドギャップエネルギーの大きな（屈折率の小さな）半導体層が位置する様に設けている事により、容易に実屈折率導波構造を形成する事ができた。また、図３の面発光レーザ素子の導通部２１５と電流阻止部２１６における屈折率差は、従来の選択酸化型面発光レーザ素子に比べ小さい為に、比較的大きな狭窄径（導通部の面積）においても、高出力まで単一基本横モード発振を得る事ができた。
【実施例３】
【００６７】
図５は実施例３の面発光レーザ素子を示す図である。図５の面発光レーザ素子は、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ／Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ多重量子井戸構造を活性層とする０．７８μｍ帯面発光レーザ素子である。この実施例３の面発光レーザ素子は、実施例１の面発光レーザ素子と同様な成長方法，原料を用いて形成されたものである。以下、その構造を製造工程に従い説明する。
【００６８】
図５の面発光レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファー層３０２、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓの対を１周期とした５０．５周期のｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部半導体分布ブラッグ反射器３０３、ノンドープＡｌＧａＡｓ共振器スペーサー３０４、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ／Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ多重量子井戸活性層３０５、ノンドープＡｌＧａＡｓ共振器スペーサー３０６、２周期のｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第一上部半導体分布ブラッグ反射器３０７、ノンドープＡｌＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓの多層構造３０９が順次に形成されている。
【００６９】
ここで、この実施例３でも、実施例２と同様に、ノンドープＡｌＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ多層構造３０９中において、発振光の定在波の腹に対応する領域の近辺に、多層構造３０９を構成する半導体層のうちバンドギャップエネルギーの大きい（屈折率の小さい）ＡｌＡｓ層が位置する様に設け、定在波の節に対応する領域の近辺に、多層構造３０９を構成する半導体層のうちバンドギャップエネルギーの小さい（屈折率の大きい）Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層が位置する様に設けている。また、更に２種の半導体層の厚さは一定では無く、腹に対応する領域の近辺ではバンドギャップエネルギーの大きい（屈折率の小さい）ＡｌＡｓ層の厚さが相対的に厚くなる様に、節に対応する領域の近辺ではバンドギャップエネルギーの小さい（屈折率の大きい）Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層の厚さが相対的に厚くなる様に設けている。
【００７０】
次に、公知の写真製版技術を用いて、面発光レーザ素子の導通部３１５となる領域に直径８μｍの円形レジスト開口パターンを形成し、ノンドープＡｌＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓの多層構造３０９中にＺｎイオンの注入を行っている。次に、レジスト除去と適切な表面清浄化処理の後、ＡｓＨ３雰囲気中において熱アニール処理を行い、Ｚｎ元素の拡散と注入による格子ダメージの回復を行っている。次に、２回目の結晶成長としてｐ−ＡｌＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓを対とした、２９周期のｐ−ＡｌＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第二上部半導体分布ブラッグ反射器３１１を形成する。ここで、最表面層には、厚さ２０ｎｍのｐ−ＧａＡｓコンタクト層（図示せず）を設けている。
【００７１】
次に、実施例１と同様の方法・手順によって、ＳｉＯ２層（絶縁層）３１２と、エッチング除去部にアラインした直径１５μｍの円形ｐ側電極３１３と、基板３０１の裏面にｎ側電極３１４を形成する。
【００７２】
図６（ａ），（ｂ）はこの様子を示したものである。図６（ａ）には、第一，第二上部分布ブラッグ反射器３０７，３１１と、第一，第二上部分布ブラッグ反射器３０７，３１１の間に設けられたＡｌＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓによる多層構造３０９が示されている。また、図６（ｂ）には、図６（ａ）の領域Ｂの詳細な構造が示されている。すなわち、図６（ｂ）には、ｐ−ＡｌＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第一上部半導体分布ブラッグ反射器３０７を構成するλ／４ｎ厚さのｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層とｐ−ＡｌＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第二上部半導体分布ブラッグ反射器３１１を構成するλ／４ｎ厚さのｐ−ＡｌＡｓ層との間の各層が示されている。
【００７３】
ここで、Ｚｎが拡散された領域は、導電型がｐ型となり、電気抵抗が低減するとともに、Ｚｎの拡散に伴ってIII族元素の相互拡散が生じ、ＡｌＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる多層構造３０９が無秩序化され、導通部３１５が形成される。III族元素が相互拡散する事により、ヘテロ界面は急峻でなくなり、導通部３１５における抵抗が低減し、より電流が流れやすくなる。よって、Ｚｎイオン注入がなされなかった領域３１６を電流阻止部、Ｚｎイオン注入が行われIII族元素の相互拡散が生じた領域３１５を導通部とした電流狭窄構造が形成される。また、Ｚｎのイオン注入条件、熱アニール条件を適切に設定する事によって、理想的には、多層構造を形成する半導体層の平均の組成を有する均一な半導体層を形成する事ができる。
【００７４】
ここで、具体的に、ノンドープＡｌＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓの多層構造３０９の厚さは、無秩序化された後の混晶組成に対し、ブラッグの多重反射の位相条件が満たされる様に、上記領域中における位相変化が２π・（３／４）となる厚さに形成されている。ＡｌＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ多層構造３０９を構成する各半導体層の厚さは、図６（ｂ）に示す様に定在波の腹の近辺にＡｌＡｓ層を設け、その厚さを３５ｎｍとしている。また、節の近辺にはＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層を設け、その厚さを３５ｎｍとしている。以上の様に、定在波分布に応じて厚さを変化させ、５周期を設けている。
【００７５】
ここで、無秩序化が生じた領域は、元々の構造であるＡｌＡｓとＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓとの間の組成を有するＡｌＧａＡｓ層が形成され、ＡｌＡｓ層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層の合計の層厚の比に対応した組成の均一なＡｌＧａＡｓ層が形成される。従って、導通部３１５の面内には、導通部よりも低屈折率であるＡｌＡｓと高屈折率であるＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓとが交互に位置し、横モードに対して屈折率導波構造と屈折率反導波構造とが同時に形成される事になる。しかし、この実施例３の面発光レーザ素子では、ＡｌＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓよりなる多層構造３０９中において、横モードに対してより大きな影響を及ぼす定在波の腹に対応する位置にＡｌＡｓ層を設け、更にこの周辺におけるＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層に対し、ＡｌＡｓ層の厚さを相対的に厚く設けた事により、ＡｌＡｓ層による実屈折率導波構造が横モードの閉じ込めに対して支配的になり、横モードの閉じ込めが可能になっている。
【００７６】
また、この実施例３の面発光レーザ素子における電流狭窄構造は、上記の様に半導体構造によって構成しているため、導通部３１５と電流阻止部３１６における屈折率差は小さく、比較的大きな狭窄径においても単一基本横モード発振を得る事が可能である。また、この実施例３では、Ｚｎイオン注入と熱拡散によって導通部３１５を形成しており、これにより、素子の表面は平坦であり、また製造工程も簡単であった。
【００７７】
上述した各実施例１，２，３では、結晶成長方法として、ＭＯＣＶＤ法を例に挙げて説明を行なったが、この他にも、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）等のその他の結晶成長法を用いる事もできる。また、発振波長も以上で説明した０．７８μｍ帯，０．９８μｍ帯，１．３μｍ帯以外にも、０．６５μｍ帯，０．８５μｍ帯，１．５５μｍ帯等の波長帯で有っても良い。また、素子を構成する半導体材料は、発振波長に応じ、上述以外のものが用いられていても良い。例えば、０．６５μｍ帯ではＡｌＧａＩｎＰ系混晶、０．８５μｍ帯ではＡｌＧａＡｓ系混晶、１．５５μｍ帯ではＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）系混晶半導体材料を用いる事ができる。また、分布ブラッグ反射器の材料，構成は、発振波長に応じて最適に選ぶ事で、いずれの構造も任意の発振波長に対応した素子を形成する事ができる。具体的には、面発光レーザ素子の発振波長に対し、透明であって且つ可能な限り屈折率差が大きく取れる組み合わせが好ましい。また、素子構造は、上述の各実施例で示した以外の構造であっても良く、また、上述の各実施例で示した素子も他の発振波長で有っても良い。また、電流狭窄構造を設ける位置も、ｐ型分布ブラッグ反射器中以外にも、ｎ型分布ブラッグ反射器中、又は素子の任意の場所であっても良い。更に、半導体基板の種類も、ＧａＡｓ以外のものであっても良く、基板の導電型も実施例以外のものを用いる事ができる。
【実施例４】
【００７８】
図７は実施例４の面発光レーザアレイを示す図である。すなわち、図７は、本発明の面発光レーザ素子を２次元に４×４個集積したモノリシックレーザアレイの上面図を示したものである。図７の例では、個々の面発光レーザ素子を独立に駆動するために、個別に上部電極に配線が設けられている。また、図７の面発光レーザアレイは、前述の各実施例と同様の手順・方法で作製されたものであり、面発光レーザアレイを構成する個々の面発光レーザ素子は、複数の半導体へテロ界面を含む電流狭窄構造を備えている。
【００７９】
従って、上述の様に、選択酸化型面発光レーザ素子に比べ、電流狭窄面積を大きく設定した場合でも高出力まで単一基本横モード発振を得る事ができる。また、電流狭窄面積を大きく設定する事ができるので、素子は低抵抗であり、発熱による出力飽和点も高い。また、電流狭窄構造を複数の半導体へテロ界面を含む構造とした事によって、高い狭窄効率を備えている。この実施例４の面発光レーザアレイは高出力まで、単一基本横モードで発振した。以上のように、実施例４では、単一横モードで高出力動作する面発光レーザアレイが得られた。
【実施例５】
【００８０】
図８は実施例５の電子写真システムを示す図である。図８の電子写真システムは、感光ドラムと、光学走査系（走査収束光学系）と、書き込み光源と、同期制御回路（同期制御部）とを有しており、書き込み光源には、本発明の面発光レーザ素子または面発光レーザアレイが用いられている。
【００８１】
図８の電子写真システムは、同期制御回路によって制御され、書き込み光源（面発光レーザ素子）からの光は、ポリゴンミラー，レンズ収束系からなる走査収束光学系によって感光ドラム上に集光され、潜像を形成する。本発明の面発光レーザアレイでは、前述の様に高出力まで単一基本横モード発振を得る事ができる。従って、高速書き込みが可能であり、また遠視野像が単峰性である事から、ビームの集光が容易で、高精彩な画質を得ることができる。
【実施例６】
【００８２】
図９は実施例６の光インターコネクションシステムを示す図である。図９の光インターコネクションシステムは、機器１と機器２との間を、光ファイバアレイを用いて接続したものとなっている。送信側である機器１には、本発明による面発光レーザ素子又は面発光レーザアレイ用いた１次元レーザアレイモジュールと、これの駆動回路とが設けられている。また、受信側である機器２には、フォトダイオードアレイモジュールと、信号検出回路とが設けられている。
【００８３】
この実施例６の光インターコネクションシステムは、本発明の面発光レーザアレイが用いられることで、基本横モードで安定に発振し、環境温度等の駆動条件の変化に対してファイバとの結合率の変化が少なく、信頼性の高いインターコネクションシステムを構成することができる。なお、この実施例６では、並列光インターコネクションシステムを例に説明したが、この他にも、単一素子を用いたシリアル伝送システムを構成することもできる。また、機器間の他にも、ボード間，チップ間，チップ内インターコネクションに応用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】実施例１の面発光レーザ素子を示す図である。
【図２】図１の面発光レーザの部分拡大図である。
【図３】実施例２の面発光レーザ素子を示す図である。
【図４】図３の面発光レーザの部分拡大図である。
【図５】実施例３の面発光レーザ素子を示す図である。
【図６】図５の面発光レーザの部分拡大図である。
【図７】実施例４の面発光レーザアレイを示す図である。
【図８】実施例５の電子写真システムを示す図である。
【図９】実施例６の光インターコネクションシステムを示す図である。
【符号の説明】
【００８５】
１０１          基板
１０２          バッファ層
１０３          下部半導体分布ブラッグ反射器
１０４，１０６  共振器スペーサ−
１０５          活性層
１０７          第一上部半導体分布ブラッグ反射器
１０８          エッチング停止層
１０９          多層構造
１１０          ｐ−ＧａＡｓ層
１１１          第二上部半導体分布ブラッグ反射器
１１２          ＳｉＯ２層
１１３          ｐ側電極
１１４          ｎ側電極
１１５          導通部
１１６          電流阻止部
２０１          基板
２０２          バッファ層
２０３          下部半導体分布ブラッグ反射器
２０４，２０６  共振器スペーサ−
２０５          活性層
２０７          第一上部半導体分布ブラッグ反射器
２０８          エッチング停止層
２０９          多層構造
２１０          ｐ−ＧａＡｓ層
２１１          第二上部半導体分布ブラッグ反射器
２１２          ＳｉＯ２層
２１３          ｐ側電極
２１４          ｎ側電極
２１５          導通部
２１６          電流阻止部
３０１          基板
３０２          バッファ層
３０３          下部半導体分布ブラッグ反射器
３０４，３０６  共振器スペーサ−
３０５          活性層
３０７          第一上部半導体分布ブラッグ反射器
３０９          多層構造
３１１          第二上部半導体分布ブラッグ反射器
３１２          ＳｉＯ２層
３１３          ｐ側電極
３１４          ｎ側電極
３１５          導通部
３１６          電流阻止部
【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】
2006253340.tif 000008
【図７】
2006253340.tif 000009
【図８】
2006253340.tif 000010
【図９】
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