(57)【要約】【課題】発光部と、発光部から半導体層を介して横方向に伝播する光を受光する受光部とを有し、発光部と受光部とで量子層を共有する半導体積層構造を備えた発光素子において、受光部側の量子層の側面に遮光対策を施さない場合と比較して、モニタ電流のＳ／Ｎ比をより向上させることが可能なモニタ受光素子一体型の発光素子、発光素子アレイ、及び光伝送装置を提供すること。【解決手段】発光部Ｍ１と、発光部Ｍ１から半導体層４０を介して横方向に伝播する光を受光する受光部Ｍ２とを有し、発光部Ｍ１と受光部Ｍ２とで量子層２４を共有する半導体積層構造と、受光部Ｍ２における量子層２４の側面の１／３以上を覆う光反射層３４と、を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光部と、当該発光部から半導体層を介して横方向に伝播する光を受光する受光部とを有し、
当該発光部と当該受光部とで量子層を共有する半導体積層構造と、
前記受光部における前記量子層の側面の１/３以上を覆う光反射層と、
を備えた発光素子。
【請求項２】
前記光反射層は金属層である
請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記金属層は電極配線である
請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記光反射層は前記量子層の側面の３／４以上を覆っている
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項５】
前記光反射層は前記受光部の受光面をさらに覆っている
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の発光素子と、
前記発光素子に駆動信号を印加する印加手段と、
を備えた光伝送装置。
【請求項７】
複数の請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の発光素子を備えた
発光素子アレイ。
【請求項８】
発光部と、当該発光部から半導体層を介して横方向に伝播する光を受光する受光部とを有し、
当該発光部と当該受光部とで量子層を共有する半導体積層構造と、
前記受光部の側面に設けられた誘電体多層膜と、
を備えた発光素子。
【請求項９】
発光部と、当該発光部から半導体層を介して横方向に伝播する光を受光する受光部とを有し、当該発光部と当該受光部とで量子層を共有する半導体積層構造と、
前記発光部の側面に形成された第１の電極配線と、
前記受光部の側面に形成され、前記第１の電極配線より広い幅の第２の電極配線と、
を備えた発光素子。
【請求項１０】
発光部と、当該発光部から半導体層を介して横方向に伝播する光を受光する受光部とを有し、当該発光部と当該受光部とで量子層を共有する半導体積層構造と、
前記受光部における前記量子層の側面の少なくとも一部に設けられ、外部からの光を吸収することで光を遮光する、１μｍ以上の厚みの遮光層と、
を備えた発光素子。
【請求項１１】
前記遮光層は、前記量子層の側面の３／４以上を覆っている
請求項１０に記載の発光素子。
【請求項１２】
前記遮光層は前記受光部の受光面をさらに覆っている
請求項１０又は請求項１１に記載の発光素子。
【請求項１３】
発光部と、当該発光部から半導体層を介して横方向に伝播する光を受光する受光部とを有し、当該発光部と当該受光部とで量子層を共有する半導体積層構造と、
前記受光部における前記量子層の側面の少なくとも一部から前記受光部の上面の全領域にかけて連続して設けられ、外部からの光を吸収することで光を遮光する遮光層と、
を備えた発光素子。
【請求項１４】
発光部と、当該発光部から半導体層を介して横方向に伝播する光を受光する受光部とを有し、当該発光部と当該受光部とで量子層を共有する半導体積層構造と、
前記受光部における前記量子層の側面の少なくとも一部に設けられた不透光性の樹脂層と、
を備えた発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子、発光素子アレイ、及び光伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、面発光レーザと、面発光レーザから出射されたレーザ光の一部を検出する受光素子と、を含む発光素子であって、面発光レーザは、基板の上方に形成された第１ミラーと、第１ミラーの上方に形成された活性層と、活性層の上方に形成された第２ミラーと、を有し、受光素子は、第２ミラーの上方に形成された光吸収層と、光吸収層に形成された第１の不純物含有層と、光吸収層に形成された第２の不純物含有層と、第１の不純物含有層の上方に形成された第１電極と、第２の不純物含有層の上方に形成された第２電極と、を有する、発光素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１４０１８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、発光部と、発光部から半導体層を介して横方向に伝播する光を受光する受光部とを有し、発光部と受光部とで量子層を共有する半導体積層構造を備えた発光素子において、受光部側の量子層の側面に遮光対策を施さない場合と比較して、モニタ電流のＳ／Ｎ比をより向上させることが可能なモニタ受光素子一体型の発光素子、発光素子アレイ、及び光伝送装置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】
【０００５】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発光素子は、発光部と、当該発光部から半導体層を介して横方向に伝播する光を受光する受光部とを有し、当該発光部と当該受光部とで量子層を共有する半導体積層構造と、前記受光部における前記量子層の側面の１/３以上を覆う光反射層と、を備えたものである。
【０００６】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記光反射層は金属層であるものである。
【０００７】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記金属層は電極配線であるものである。
【０００８】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記光反射層は前記量子層の側面の３／４以上を覆っているものである。
【０００９】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記光反射層は前記受光部の受光面をさらに覆っているものである。
【００１０】
上記の目的を達成するために、請求項６に記載の光伝送装置は、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の発光素子と、前記発光素子に駆動信号を印加する印加手段と、を備えたものである。
【００１１】
上記の目的を達成するために、請求項７に記載の発光素子アレイは、複数の請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の発光素子を備えたものである。
【００１２】
上記の目的を達成するために、請求項８に記載の発光素子は、発光部と、当該発光部から半導体層を介して横方向に伝播する光を受光する受光部とを有し、当該発光部と当該受光部とで量子層を共有する半導体積層構造と、前記受光部の側面に設けられた誘電体多層膜と、を備えたものである。
【００１３】
上記の目的を達成するために、請求項９に記載の発光素子は、発光部と、当該発光部から半導体層を介して横方向に伝播する光を受光する受光部とを有し、当該発光部と当該受光部とで量子層を共有する半導体積層構造と、前記発光部の側面に形成された第１の電極配線と、前記受光部の側面に形成され、前記第１の電極配線より広い幅の第２の電極配線と、を備えたものである。
【００１４】
上記の目的を達成するために、請求項１０に記載の発光素子は、発光部と、当該発光部から半導体層を介して横方向に伝播する光を受光する受光部とを有し、当該発光部と当該受光部とで量子層を共有する半導体積層構造と、前記受光部における前記量子層の側面の少なくとも一部に設けられ、外部からの光を吸収することで光を遮光する、１μｍ以上の厚みの遮光層と、を備えたものである。
【００１５】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の発明において、前記遮光層は、前記量子層の側面の３／４以上を覆っているものである。
【００１６】
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１０又は請求項１１に記載の発明において、前記遮光層は前記受光部の受光面をさらに覆っているものである。
【００１７】
上記の目的を達成するために、請求項１３に記載の発光素子は、発光部と、当該発光部から半導体層を介して横方向に伝播する光を受光する受光部とを有し、当該発光部と当該受光部とで量子層を共有する半導体積層構造と、前記受光部における前記量子層の側面の少なくとも一部から前記受光部の上面の全領域にかけて連続して設けられ、外部からの光を吸収することで光を遮光する遮光層と、を備えたものである。
【００１８】
上記の目的を達成するために、請求項１４に記載の発光素子は、発光部と、当該発光部から半導体層を介して横方向に伝播する光を受光する受光部とを有し、当該発光部と当該受光部とで量子層を共有する半導体積層構造と、前記受光部における前記量子層の側面の少なくとも一部に設けられた不透光性の樹脂層と、を備えたものである。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１、請求項６〜請求項１０、請求項１３、及び請求項１４に記載の発明によれば、受光部側の量子層の側面に遮光対策を施さない場合と比較して、モニタ電流のＳ／Ｎ比がより向上する、という効果を奏する。
【００２０】
請求項２に記載の発明によれば、光反射層が金属層以外のものである場合と比較して、反射率の高い光反射層が容易に形成される、という効果を奏する。
【００２１】
請求項３に記載の発明によれば、金属層が電極配線工程と同時に形成される、という効果を奏する。
【００２２】
請求項４、及び請求項１１に記載の発明によれば、光反射層あるいは遮光層が量子層の側面の３／４未満を覆っている場合と比較して、モニタ電流のＳ／Ｎ比がさらに向上する、という効果を奏する。
【００２３】
請求項５、及び請求項１２に記載の発明によれば、光反射層あるいは遮光層が受光部の受光面を覆っていない場合と比較して、より確実に遮光効果が得られる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１の実施の形態に係る発光素子の構成の一例を示す断面図及び平面図である。
【図２】第１の実施の形態に係る発光素子の発光部、受光部の構成を説明する図である。
【図３】実施の形態に係る発光素子の作用を説明する図である。
【図４】第２の実施の形態に係る発光素子の構成の一例を示す断面図及び平面図である。
【図５】第３の実施の形態に係る光伝送装置の構成の一例を示す断面図である。
【図６】比較例に係る発光素子の構成を示す断面図及び平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。本実施の形態に係る発光素子は、発光部における光出力の一部を受光するモニタフォトダイオード（Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ。以下、「モニタＰＤ」）を集積化したモニタＰＤ一体型発光素子である。
【００２６】
［第１の実施の形態］
図１を参照して、本実施の形態に係る発光素子１０の構成の一例について説明する。本実施の形態では、本発明に係る発光素子を面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）に適用した形態を例示して説明する。図１（ａ）は本実施の形態に係る発光素子１０の断面図であり、図１（ｂ）は発光素子１０の平面図である。図１（ａ）に示す断面図は、図１（ｂ）に示す平面図においてＡ−Ａ’で切断した断面図である。
【００２７】
図１（ａ）に示すように、発光素子１０は、半絶縁性のＧａＡｓ（ガリウムヒ素）の基板１２上に形成されたｎ型ＧａＡｓのコンタクト層１４、下部ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）１６、活性領域２４、酸化狭窄層３２、及び上部ＤＢＲ２６を含んで構成されている。
【００２８】
図１（ｂ）に示すように、発光素子１０は２つのメサ（柱状構造）、すなわち各々略矩形形状のメサＭ１及びメサＭ２を備え、メサＭ１とメサＭ２とが接続される部分に結合部４０を有している。本実施の形態に係る結合部４０は、メサＭ１とメサＭ２とが接続されることによって形成された半導体層のくびれ部分に設けられている。メサＭ１及びメサＭ２の各々は、コンタクト層１４上に共通に形成された下部ＤＢＲ１６、活性領域２４、酸化狭窄層３２、上部ＤＢＲ２６を含んでいる。
【００２９】
また、メサＭ１とメサＭ２との間、すなわち結合部４０には、上部ＤＢＲ２６内に形成された電流阻止領域６０が配置されている。本実施の形態に係る電流阻止領域６０は、メサＭ１、Ｍ２の上面から酸化狭窄層３２にかけて（すなわち、活性領域２４に至らない深さまで）、一例としてＨ＋（プロトン）イオンを注入して形成された高抵抗領域であり、メサＭ１とメサＭ２とを電気的に分離する領域である。後述するように、本実施の形態に係る発光素子１０では、メサＭ１が発光部（ＶＣＳＥＬ）を構成し、メサＭ２が発光部における光出力を受光する受光部（モニタフォトダイオード、モニタＰＤ）を構成している。以下では、メサＭ１とメサＭ２とから構成される全体の構造を「メサＭ」という。
【００３０】
なお、電流阻止領域６０は、発光部と受光部との間の少なくとも一部を電気的に分離することにより光出力の検出精度を向上させる（Ｓ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  Ｎｏｉｓｅ  Ｒａｔｉｏ）比を改善する）ためのものであり、必須のものではない。つまり、検出精度の許容度によっては電流阻止領域６０を用いなくともよい。
【００３１】
図１（ａ）に示すように、メサＭを含む半導体層の周囲は無機絶縁膜としての層間絶縁膜３４が着膜されている。該層間絶縁膜３４はメサＭの側面から基板１２の表面まで延伸され、ｐ側電極パッド４２−１、ｎ側電極パッド４４−１の下部に配置されている。本実施の形態に係る層間絶縁膜３４は、一例として、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）で形成されている。なお、層間絶縁膜３４の材料はシリコン窒化膜に限らず、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）、あるいはシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）等であてもよい。
【００３２】
図１（ａ）に示すように、層間絶縁膜３４の開口部を介してｐ側電極配線３６が設けられている。上部ＤＢＲ２６の最上層には、ｐ側電極配線３６との接続のためのコンタクト層（図示省略）が設けられており、該コンタクト層を介してｐ側電極配線３６の一端側が上部ＤＢＲ２６に接続され、上部ＤＢＲ２６との間でオーミック性接触を形成している。
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施の形態では、受光部（メサＭ２）の側面及び受光面（後述の出射面保護層３８が設けられた面、上面）がｐ側電極配線３６で覆われている。ｐ側電極配線３６の他端側はメサＭの側面から基板１２の表面まで延伸され、ｐ側電極パッド４２−１を構成している。ｐ側電極配線３６は、例えば、Ｔｉ（チタン）／Ａｕ（金）の積層膜を着膜して形成される。なお、以下ではｐ側電極パッド４２−１及びｐ側電極パッド４２−２（図１（ｂ）参照）を総称する場合は、「ｐ側電極パッド４２」という。発光素子１０では、ｐ側電極がアノード電極を構成している。
【００３３】
同様に、層間絶縁膜３４の開口部を介してｎ側電極配線３０が設けられている。ｎ側電極配線３０の一端側はコンタクト層１４に接続され、コンタクト層１４との間でオーミック性接触を形成している。一方、ｎ側電極配線３０の他端側は基板１２の表面まで延伸され、図１（ａ）に示すように、ｎ側電極パッド４４−１を形成している。ｎ側電極配線３０は、例えば、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの積層膜を着膜して形成される。なお、以下では、ｎ側電極パッド４４−１及びｎ側電極パッド４４−２（図１（ｂ）参照）を総称する場合は、「ｎ側電極パッド４４」という。発光素子１０では、ｎ側電極がカソード電極を構成している。
【００３４】
上記のように、本実施の形態に係る基板１２には、一例として半絶縁性のＧａＡｓ基板を用いている。半絶縁性のＧａＡｓ基板とは、不純物がドーピングされていないＧａＡｓ基板である。半絶縁性のＧａＡｓ基板は抵抗率が非常に高く、そのシート抵抗値は数ＭΩ程度の値を示す。
【００３５】
基板１２上に形成されたコンタクト層１４は、一例としてＳｉがドープされたＧａＡｓ層によって形成されている。コンタクト層１４の一端はｎ型の下部ＤＢＲ１６に接続され、他端はｎ側電極配線３０に接続されている。すなわち、コンタクト層１４は、下部ＤＢＲ１６とｎ側電極配線３０との間に介在し、メサＭで構成される半導体層に一定の電位を付与する機能を有する。なお、コンタクト層１４は、サーマルクリーニング後、基板表面の結晶性を良好にするために設けられるバッファ層を兼ねてもよい。
【００３６】
コンタクト層１４上に形成されたｎ型の下部ＤＢＲ１６は、発光素子１０の発振波長をλ、媒質（半導体層）の屈折率をｎとした場合に、膜厚がそれぞれ０．２５λ／ｎとされかつ屈折率の互いに異なる２つの半導体層を交互に繰り返し積層して構成される多層膜反射鏡である。具体的には、下部ＤＢＲ１６は、Ａｌ０．９０Ｇａ０．１Ａｓによるｎ型の低屈折率層と、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓによるｎ型の高屈折率層と、を交互に繰り返し積層することにより構成されている。なお、本実施の形態に係る発光素子１０では、発振波長λを、一例として８５０ｎｍとしている。
【００３７】
本実施の形態に係る活性領域２４は、例えば、下部スペーサ層、量子井戸活性層、及び上部スペーサ層を含んで構成されてもよい（図示省略）。本実施の形態に係る量子井戸活性層は、例えば、４層のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる障壁層と、その間に設けられた３層のＧａＡｓからなる量子井戸層と、で構成されてもよい。なお、下部スペーサ層、上部スペーサ層は、各々量子井戸活性層と下部ＤＢＲ１６との間、量子井戸活性層と上部ＤＢＲ２６との間に配置されることにより、共振器の長さを調整する機能とともに、キャリアを閉じ込めるためのクラッド層としての機能も有している。発光素子１０では、メサＭ１がＶＣＳＥＬを構成しているので、メサＭ１における活性領域２４が発光層を構成する一方、メサＭ２はモニタＰＤを構成しているので、メサＭ２における活性領域２４は実質的に光吸収層として機能する。
【００３８】
活性領域２４上に設けられたｐ型の酸化狭窄層３２は電流狭窄層であり、非酸化領域３２ａ及び酸化領域３２ｂを含んで構成されている。ｐ側電極パッド４２−１からｎ側電極パッド４４−２に向かって流れる電流は、非酸化領域３２ａによって絞られる。図１（ｂ）に示す境界１８は、非酸化領域３２ａと酸化領域３２ｂとの境界を表わしている。図１（ｂ）に示すように、境界１８で区画された本実施の形態に係る非酸化領域３２ａは、結合部４０でくびれた形状をなしている。
【００３９】
酸化狭窄層３２上に形成された上部ＤＢＲ２６は、膜厚がそれぞれ０．２５λ／ｎとされかつ屈折率の互いに異なる２つの半導体層を交互に繰り返し積層して構成される多層膜反射鏡である。具体的には、上部ＤＢＲ２６は、Ａｌ０．９０Ｇａ０．１Ａｓによるｐ型の低屈折率層と、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓによるｐ型の高屈折率層と、を交互に繰り返し積層することにより構成されている。
【００４０】
上部ＤＢＲ２６上には、光の出射面を保護する出射面保護層３８が設けられている。出射面保護層３８は、一例としてシリコン窒化膜を着膜して形成される。
【００４１】
ところで、上記のような発光素子（ＶＣＳＥＬ）は、基板に垂直な方向にレーザ出力を取り出せ、さらに２次元集積によるアレイ化が容易であることなどから、電子写真システムの書き込み用光源や光通信用光源として利用されている。
【００４２】
ＶＣＳＥＬは、半導体基板（基板１２）上に設けられた一対の分布ブラッグ反射器（下部ＤＢＲ１６及び上部ＤＢＲ２６）、一対の分布ブラッグ反射器の間に設けられた活性領域（活性層、下部スペーサ層、及び上部スペーサ層を含む活性領域２４）を備えて構成されている。そして、分布ブラッグ反射器の両側に設けられた電極（ｐ側電極配線３６及びｎ側電極配線３０）により活性層へ電流を注入し、基板面に対して垂直にレーザ発振を生じさせ、素子の上部（出射面保護層３８の面側）から発振した光を出射させる構成となっている。
【００４３】
一方、ＶＣＳＥＬに限らず半導体レーザにおいては、温度変動や、電源変動等に伴って光出力が変動しないように安定化させることが求められる場合があり、その安定化の一方式としてＡＰＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）方式がある。ＡＰＣ方式とは、半導体レーザの光出力をモニタＰＤ等でモニタ電流として検出し、検出されたモニタ電流を基準値と比較して差分値を求め、この差分値を用いて駆動電流を変え半導体レーザの光出力を負帰還制御する方式である。
【００４４】
半導体レーザとモニタＰＤとは、構成する半導体材料が異なる等の理由から、モノリシックに集積化することが困難である場合が多い。この場合は、半導体レーザの外部にモニタＰＤを設けることになる。従って、半導体レーザとモニタＰＤとをモノリシックに一体化できれば部品点数の削減につながり、またノイズ等の影響も受けにくくなり安定動作の上からも好ましい。
【００４５】
モニタＰＤをモノリシックに集積化した従来技術に係るＶＣＳＥＬとしては、光出射面にモニタＰＤを形成し、光出射面から出射される光出力をモニタするＶＣＳＥＬが知られている。この従来技術に係るＶＣＳＥＬのモニタＰＤは、誘電体ＤＢＲ上にＳｉ（シリコン）で形成されている。
【００４６】
しかしながら、上記従来技術に係るＶＣＳＥＬでは、出射面に本体とは異なる材料でモニタＰＤを形成しなければならず、構造、あるいは製造工程が複雑になる。また、受光に寄与することなくモニタＰＤで吸収されるＶＣＳＥＬからの出射光が存在するため、ＶＣＳＥＬの発光効率が低下してしまう。
【００４７】
そこで本実施の形態に係るＶＣＳＥＬでは、同一基板上にＶＣＳＥＬとモニタＰＤを形成し、このＶＣＳＥＬとモニタＰＤとを、ＶＣＳＥＬあるいはモニタＰＤとおなじ半導体層を介して基板に平行な方向（すなわち発光部での発振方向と交差する方向、以下、「横方向」という場合がある）に結合させるという構成を採用している。つまり、本実施の形態に係る発光素子１０のモニタＰＤは、ＶＣＳＥＬから横方向に伝播する漏れ光（伝播光）を受光している。このような構造を採用することで、単純な構造でありながらＶＣＳＥＬの発光効率の低下を抑制し、効率のよいＡＰＣ制御が実現される。
【００４８】
ここで、上記構成の本実施の形態に係るＶＣＳＥＬでは、モニタＰＤの側面、あるいは上面（受光面）からモニタＰＤの半導体層（特に、活性領域）に侵入する光は、ＶＣＳＥＬの光出力をモニタする場合において、あるいはＡＰＣ制御を行う場合において大きなノイズ源となる。つまり、モニタＰＤにおけるモニタ電流のＳ／Ｎ比の劣化をもたらす。光出力のモニタにおいて、あるいはＡＰＣ制御においてＳ／Ｎ比を向上させるためには、ＶＣＳＥＬ側から横方向へ伝播する漏れ光以外の光をモニタＰＤに受光させないようにすることが肝要である。
【００４９】
つまり、発光部と、当該発光部から半導体層を介して横方向に伝播する光を受光する受光部とを有し、当該発光部と当該受光部とで量子層を共有する半導体積層構造においては、外部から受光部の側面あるいは上面に光が照射された場合、本来検出したい半導体層を伝播する光の検出精度が低下する場合がある。とりわけ、複数の発光素子を配列した発光素子アレイでは、隣接する他の発光素子からの光が受光部の側面に照射されやすく、これを抑制することが望まれる。そのため、本実施の形態に係るＶＣＳＥＬ（発光素子）では、外部から受光部の側面に照射される光を遮光する手段を備えさせることとした。
【００５０】
次に、本実施の形態に係る発光素子１０の構成について、より詳細に説明する。ＶＣＳＥＬでは、多くの場合、低閾値電流化、横モードの制御性等の観点から組成にＡｌを含む半導体層を酸化して形成される酸化狭窄層（酸化狭窄層３２）を備えており、このＡｌを含む半導体層を酸化するために、素子はメサ形状にエッチング加工され、酸化処理が施される。その後、エッチング加工により露出したメサ形状の側面やエッチングされた半導体表面は、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜などの絶縁材料によって覆われるのが一般的である。
【００５１】
発光素子１０では、メサＭに対する酸化処理により、非酸化領域３２ａと酸化領域３２ｂが形成される。図１（ｂ）に示す境界１８は、非酸化領域３２ａと酸化領域３２ｂとの境界を示している。つまり、境界１８で区画された非酸化領域３２ａがメサＭ１からメサＭ２にかけて形成されている。
【００５２】
酸化領域３２ｂは酸化されて電気抵抗が高くなるので非導電領域として機能し、ｐ側電極パッド４２−１から注入された電流は非酸化領域３２ａに閉じ込められる。また、半導体は酸化されると一般に屈折率が低下するので、非酸化領域３２ａの屈折率は酸化領域３２ｂの屈折率よりも大きくなる。そのため、発光部で発光した光は、低屈折率の酸化領域３２ｂによって囲まれた非酸化領域３２ａに閉じ込められる。つまり、酸化狭窄層によって非酸化領域３２ａ内に光と電流が閉じ込められる。
【００５３】
発光素子１０では、非酸化領域３２ａが、メサＭ１で構成された発光部からメサＭ２で構成された受光部にかけて形成されているため、発光部で発生したレーザ発振光の一部が、横方向（基板１２に対して平行方向）に伝播し、受光部（モニタＰＤ）に到達して電流に変換される。
【００５４】
このように、本実施の形態に係る発光素子１０では、メサＭ１による発光部とメサＭ２による受光部とが光学的に結合されることにより結合共振器が構成され、発光部から染み出した光が結合部４０を伝播し、受光部に接続された検出部でモニタ電流として検出される。つまり、本実施の形態に係る発光素子１０によれば、小型で簡易なデバイス構造で、高効率なモニタＰＤ一体型が実現される。
【００５５】
図２を参照して、本実施の形態に係る結合共振器についてより詳細に説明する。上述したように、発光素子１０ではメサＭ１によって発光部５０（ＶＣＳＥＬ）が形成され、メサＭ２によって受光部（モニタＰＤ）５２が形成されている。発光部５０では、ｐ側電極パッド４２−１にＶＣＳＥＬ用電源(図示省略）の正極を接続し、ｎ側電極パッド４４−２に負極を接続する（順バイアス）。そして、ｐ側電極パッド４２−１とｎ側電極パッド４４−２との間に駆動電流を流すことによって、図２（ａ）に示すように、下部ＤＢＲ１６と上部ＤＢＲ２６とで形成された共振器で発振光Ｌｖが発生する。発振光Ｌｖの一部は、出射面保護層３８から出射光Ｌｏとして出射される。
【００５６】
図２（ａ）に示すように、発振光Ｌｖの一部は伝播光Ｌｍ（モニタ光、漏れ光）として横方向に伝播する。この伝播光Ｌｍは、下部ＤＢＲ１６と上部ＤＢＲ２６とで形成された共振器を全反射しつつ発光部５０から受光部５２へと伝播する。そのため、伝播光Ｌｍは群速度が低下し、いわゆるスローライトとなっている。一方、受光部５２では、ｎ側電極パッド４４−１にモニタＰＤ用電源（図示省略）の正極を接続し、ｐ側電極パッド４２−２に負極を接続する（逆バイアス）。
【００５７】
そして、ｎ側電極パッド４４−１とｐ側電極パッド４２−２との間に伝播光Ｌｍによる受光電流を流すことによって、発光部５０における光出力をモニタする。この際、受光部５２の光吸収層は、発光部を構成する活性領域２４と兼用となっている。そのため、受光部５２を構成する光吸収層としては必ずしも十分な膜厚とはなっていない。しかしながら、本実施の形態に係るモニタ光は上記のようにスローライトなので、薄い光吸収層でもキャリアが発生しやすく十分な光電流（フォトカレント）が得られる。なお、本実施の形態に係るＶＣＳＥＬでは発光部の活性領域（上記量子井戸層や、量子ドット層が含まれる）と受光部の光吸収層が共用化されているので、活性領域と光吸収層の両者について言及する場合には「量子層」という場合がある。
【００５８】
次に、本実施の形態に係る結合部４０の作用について、より詳細に説明する。図２（ｂ）に示すように、結合部４０では非酸化領域３２ａ及び酸化領域３２ｂがくびれた形状となっている。そのため、非酸化領域３２ａの幅が、図２（ｂ）に示す発光部５０から受光部５２にかけて、「広い」→「狭い」→「広い」となっている。
【００５９】
一方、酸化領域３２ｂの面積の非酸化領域３２ａの面積に対する割合でみると、「小さい」→「大きい」→「小さい」となっている。ここで、上記のように、非酸化領域３２ａの屈折率は酸化領域３２ｂの屈折率より大きい。周知のように、光導波路において周囲に屈折率の小さい物質の割合が多くなると光導波路を伝播する光が感ずる屈折率（等価屈折率、又は実効屈折率）が低下する。そのため、結合部４０における非酸化領域３２ａの等価屈折率は、両側の発光部５０及び受光部５２の非酸化領域３２ａの等価屈折率よりも低くなっている。すなわち、非酸化領域３２ａの等価屈折率が、発光部５０から受光部５２にかけて、「高い」→「低い」→「高い」となっている。なお、本実施の形態で用いられる等価屈折率とは、基板に対して垂直方向に積層している、屈折率の異なる半導体層の実効的な屈折率（多層半導体層の屈折率を単層の屈折率とみなす）を、等価屈折率法によって求められたものをさす。
【００６０】
発光素子１０では、上述した構成の等価屈折率分布を有することによって、発光部５０（ＶＣＳＥＬ）で発光した光が効率よく非酸化領域３２ａに閉じ込められるとともに、発光部５０から光（スローライト）が染み出し受光部５２で受光される。なお、発光部５０から受光部５２にかけての非酸化領域３２ａの等価屈折率が「高い」→「高い」→「高い」、すなわちほぼ一様となっている場合には、発光部５０における光の閉じ込めが困難である。一方、発光部５０から受光部５２にかけての、非酸化領域３２ａの等価屈折率が、「高い」→「低い」→「低い」となっている場合には発光部５０における光の閉じ込めは可能であるが、染み出す光が少なくなり、例えばモニタ電流の検出が困難となり、またＳ／Ｎ比も悪くなる。
【００６１】
なお、本実施の形態では、結合部４０における非酸化領域３２ａの幅を狭くすることにより、等価屈折率を「高い」→「低い」→「高い」とする形態を例示して説明たが、これに限られない。例えば、結合部４０の位置（発光部５０と受光部５２との間）に溝を設けて、等価屈折率を「高い」→「低い」→「高い」とする形態としてもよい。また、幅を狭くする構成と溝を設ける構成とを組み合わせてもよい。なお、この場合、該溝には周囲の半導体層よりも屈折率の低い物質（一例として空気）を充填すればよい。
【００６２】
次に図３を参照して、発光素子１０の駆動について説明する。図３（ａ）は本実施の形態に係る発光素子１０に流れる電流を示した図であり、同図では電流の流れが直感的に理解できるように、電極を模式化して描いている。すなわち、図３（ａ）に示すように発光部５０にはｐ側電極パッド４２−１とｎ側電極パッド４４−２とが接続され、受光部５２には、ｎ側電極パッド４４−１とｐ側電極パッド４２−２とが接続されている。図３（ｂ）は比較のために示す従来技術に係る一般的な発光素子（ＶＣＳＥＬ）２００に流れる電流を示した図である。
【００６３】
図３（ｂ）に示すように従来技術に係る発光素子２００は、ＧａＡｓの基板１０２上に形成された下部ＤＢＲ１０４、活性領域１０６、上部ＤＢＲ１０８、及びｐ側電極配線１１０を含んで構成されている。また、発光素子１０におけるｎ側電極パッド４４の代わりに裏面電極１１８を有している。このような構成を有する発光素子２００のｐ側電極配線１１０と裏面電極１１８との間に駆動電流Ｉｖを流すと、発振光Ｌｖが発生し、その一部が出射光Ｌｏとして外部へ出射される。発光素子２００では、この出射光Ｌｏの一部をモニタＰＤでモニタすることが一般的であり、出射光Ｌｏの一部に何らかの形で損失が発生することが避けられない。
【００６４】
これに対し本実施の形態に係る発光素子１０では、ｐ側電極パッド４２−１に発光部５０用の電源の正極を接続し、ｎ側電極パッド４４−２に負極を接続して駆動電流Ｉｖを流すと下部ＤＢＲ１６及び上部ＤＢＲ２６によって構成される共振器によって発振光Ｌｖが発生し、発振光Ｌｖの一部が出射光Ｌｏとして外部に出力される。一方、ｎ側電極パッド４４−１に受光部５２用の電源の正極を接続し、ｐ側電極パッド４２−２に負極を接続すると伝播光Ｌｍがモニタ電流Ｉｍに変換される。このモニタ電流Ｉｍを電流−電圧変換により電圧に変換してＡＰＣ制御における帰還信号とする。つまり、本実施の形態に係る発光素子１０における光出力のモニタでは、伝播光Ｌｍの光量が発光部５０（ＶＣＳＥＬ）からの出射光Ｌｏの光量に比例するという特性を用いている。
【００６５】
ここで、発光素子１０では上記のように、発振光Ｌｖの一部である伝播光Ｌｍを直接モニタすることによって発光部５０からの出射光Ｌｏが効率的にモニタされるが、さらなる特性の改善のためには受光部５２に対する外乱光の影響を抑制することが望ましい。すなわち、受光部における光出力モニタあるいはＡＰＣ制御おいてノイズ源となる、受光部５２のメサＭ２の側面あるいは上面から侵入する外乱光の影響を抑制する手段を設けることが好ましい。発光素子１０のメサＭの側面は、上述したように層間絶縁膜３４で覆われているが、この層間絶縁膜３４は、モニタＰＤによる受光における雑音の排除という観点からはあまり期待できない。通常、層間絶縁膜３４に使用される誘電体材料の屈折率は発光素子１０を構成する半導体層の屈折率よりも低く、膜厚も数１００ｎｍオーダーであるため、表面での反射率は絶縁膜を成膜することにより減少し、むしろ半導体への光の侵入を助長するよう機能してしまう。
【００６６】
次に、図１および図６を参照して、本実施の形態に係る発光素子１０の作用について説明する。上述した現象に対応するため、図１に示す本実施の形態に係る発光素子１０では、外乱光による影響を抑制するための遮光層を具備している。図６は、発光素子１０における遮光層を具備しない発光素子１００を比較のために示した図である。図１に示すように、発光素子１０では、ｐ側電極配線３６をメサＭ２の側面、及び上面（受光面）を覆うように形成している。より具体的には、メサＭ２側のｐ側電極配線３６は、メサＭ２の上面全体、およびメサＭ２の上面から活性領域２４の下部に至る側面全体を覆う連続した金属層として形成している。また、ｐ側電極配線３６は、メサＭ２の側面では層間絶縁膜３４を介して形成され、上面では出射面保護層３８を介して形成されている。このｐ側電極配線（一般に金属層）が外乱光を反射させる光反射層として機能し、本実施の形態に係る遮光層を構成している。一方、メサＭ１側のｐ側電極配線３６は、メサＭ１の上面の一部にＶ字形状に設けるとともに、メサＭ１の上面からｐ側電極パッド４２-１に至るまで一定幅の配線として形成している。換言すれば、メサＭ２側のｐ側電極配線３６の方がメサＭ１側のｐ側電極配線３６よりも広い幅で形成することで、メサＭ１側のｐ側電極配線３６と同じ幅で形成する場合と比較し、光反射層として有効に機能するように構成している。なお、本実施の形態でいう「光反射層」とは、発光素子１０の半導体層が露出した状態のときの表面での反射率よりも、付加することにより表面での反射率が高くなるように調整した層をいう。
【００６７】
ここで、伝播光Ｌｍを受光する活性領域２４（量子層）が特に外乱光の影響を受けやすいので、発光素子１０においては、活性領域２４の少なくとも一部は必ず光反射層で覆うようにする。このように、必ずしも光反射層でメサＭ２の上面および活性領域２４の下部に至る側面全体を覆う必要はなく、受光部５２の受光感度、外乱光の程度、金属層のレイアウト上の制約等を勘案し、必要最小限度、活性領域２４の一部を覆えばよい。この点、一例として、メサＭ２における活性領域２４の側面の少なくとも１／３を覆えばよい。また、メサＭ２における活性領域２４の３／４以上を覆えば、本実施の形態における効果がさらに効率よく発揮される。これに対し、本実施の形態に係る遮光層を具備しない図６に示す発光素子１００では、メサＭ２側の活性領域２４の一部が細い幅のｐ側電極配線３６によって覆われるものの、覆われる領域は活性領域２４の側面全体に対して１/１０以下であり、活性領域２４の少なくとも１／３を覆う構成と比較し、受光部５２におけるモニタ電流のＳ／Ｎ比が劣化する。
【００６８】
なお、本実施の形態に係る発光素子１０では光反射層を電極配線と共用化する形態を例示して説明したが、これに限られず遮光層専用の金属層でメサＭ２の側面、及び上面（受光面）を覆う形態としてもよい。
【００６９】
また、本実施の形態に係る発光素子１０では、遮光層をメサＭ２の側面、及び上面（受光面）に設ける形態を例示して説明したが、これに限られず受光部５２の受光感度、外乱光の程度、遮光層のレイアウト上の制約等を勘案してメサＭ２の側面にのみ設けるとしてもよい。さらに、遮光層を上面に設ける場合、必ずしも上面全体に設ける必要はなく、受光部５２の受光感度、外乱光の程度、金属層のレイアウト上の制約等を勘案して上面の一部に設けてもよい。また、発光部５０のメサＭ１の側面にも遮光層を設けてもよい。発光部５０のメサＭ１の側面にも遮光層を設ける形態とすることにより、発光部５０から直接漏れる漏れ光の影響も抑制される。
【００７０】
＜第１の実施の形態の第１の変形例＞
上記実施の形態では、発光部５０（メサＭ１）の側面におけるｐ側電極配線３６の配線幅と受光部５２（メサＭ２）の側面におけるｐ側電極配線３６（遮光層）の配線幅との関係は特に限定していないが、本実施の形態では発光部５０と受光部５２の機能、特性の違いに着目して双方の配線幅を異なるものとしている。すなわち本実施の形態では、受光部５２（メサＭ２）の側面におけるｐ側電極配線３６（遮光層）の配線幅を、発光部５０（メサＭ１）の側面におけるｐ側電極配線３６の配線幅よりも広くしている。これは、受光部５２（メサＭ２）の側面におけるｐ側電極配線３６が電流の経路としての機能とともに遮光層の機能を有するのに対し、発光部５０（メサＭ１）の側面におけるｐ側電極配線３６は電流の経路としての機能のみを有するからである。このことにより、発光部５０、受光部５２で機能、特性の相違により適切な配線幅とされ配線材料も有効に利用される。
【００７１】
＜第１の実施の形態の第２の変形例＞
上記実施の形態では遮光層として金属層を用いる形態を例示して説明したが、これに限られず他の材料による遮光層を用いる形態としてもよい。本実施の形態は、遮光層として誘電体多層膜（図示省略）を用いた形態である。
【００７２】
誘電体多層膜とは、高屈折率の誘電体薄膜と低屈折率の誘電体薄膜とを交互に多層重ねた積層体であり、様々な光学特性が得られる光学薄膜である。本実施の形態ではこの誘電体多層膜を反射鏡として構成し、この反射鏡により外乱光を反射させて受光部５２に対する影響を抑制している。
【００７３】
本実施の形態に係る誘電体多層膜は、例えば高屈折率材料としてＴｉＯ２（チタン酸化膜）、低屈折率材料としてシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）を用いこれらを多層に積層して形成される。本実施の形態に係る誘電体多層膜は、受光部５２（メサＭ２）の側面及び上面の双方に形成してもよいし、側面のみに形成してもよい。メサＭ２の側面に形成する場合は層間絶縁膜３４上に形成してもよいし、メサＭ２の側面に直接形成してもよい。また、上面に形成する場合は出射面保護層３８上に形成してもよいし、上面（上部ＤＢＲ２６）上に直接形成してもよい。また、誘電体多層膜の膜厚は一例として１μｍとされる。
【００７４】
本実施の形態に係る誘電体多層膜は、メサＭ２における活性領域２４の側面の少なくとも一部を覆うように形成すればよいが、上記実施の形態に係る金属層と同様、メサＭ２における活性領域２４の少なくとも１／３を覆うように構成してもよい。また、メサＭ２における活性領域２４の３／４以上を覆えば、本実施の形態における効果がさらに効率よく発揮される。また、発光部５０のメサＭ１の側面にも誘電体多層膜を設けてもよい。発光部５０のメサＭ１の側面にも誘電体多層膜を設ける形態とすることにより、発光部５０から直接漏れる漏れ光の影響も抑制される。
【００７５】
＜第１の実施の形態の第３の変形例＞
上記各実施の形態では光を反射して遮光する形態を例示して説明したが、これに限られず、光を吸収して遮光する形態としてもよい。そこで、本実施の形態では、光吸収層（図示省略）を受光部５２（メサＭ２）の側面、あるいは上面に設けている。本実施の形態に係る光吸収層は、メサＭ２の側面に形成する場合は層間絶縁膜３４上に形成してもよいし、メサＭ２の側面に直接形成してもよい。また、上面に形成する場合は出射面保護層３８上に形成してもよいし、上面（上部ＤＢＲ２６）上に直接形成してもよい。
【００７６】
本実施の形態に係る光吸収層は、メサＭ２における活性領域２４の側面の少なくとも一部を覆うように形成すればよいが、上記実施の形態に係る光反射層と同様、メサＭ２における活性領域２４の少なくとも１／３を覆うように構成してもよい。また、メサＭ２における活性領域２４の３／４以上を覆えば、本実施の形態における効果がさらに効率よく発揮される。本実施の形態に係る光吸収層は、不透光性の樹脂層で形成されることが好ましい。また、光吸収層の厚みは、一例として１μｍ以上とすることが好ましい。ちなみに、層間絶縁膜３４等の絶縁膜の膜厚は通常１μｍ未満であり、かつ、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）やシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）などの透光性の材料が用いられる。なお、発光部５０のメサＭ１の側面にも光吸収層を設けてもよい。発光部５０のメサＭ１の側面にも光吸収層を設ける形態とすることにより、発光部５０から直接漏れる漏れ光の影響も抑制される。
【００７７】
［第２の実施の形態］
図４を参照して、本実施の形態に係る発光素子１０ａについて説明する。発光素子１０ａは、上記各実施の形態に係る発光素子において、受光部５２（メサＭ２）におけるｐ側電極配線の形状を変えた形態である。
【００７８】
発光素子１０では、図１の矢印Ｐ１で示すｎ側電極パッド４２−２の引出配線が一定幅とされていた。これに対し、発光素子１０ａでは、図４の矢印Ｐ２で示すようにｎ側電極パッド４２−２の引出配線の幅が狭く（細く）されている。このように引出配線を細くすることにより、発光素子１０ａのチップサイズがより小型にされる。なお、本実施の形態ではｎ側電極パッド４２−２の引き出し配線を細くする形態を例示して説明したが、これに限られず、他の電極パッドの引き出し配線も細くする形態としてもよい。
【００７９】
［第３の実施の形態］
図５を参照して、本実施の形態に係る光伝送装置について説明する。図５は、本実施の形態に係る光伝送装置４００の構成の一例を示す断面図である。光伝送装置４００は、発光素子１０が形成された電子部品４１０を搭載する金属のステム４２０を含み、ステム４２０が中空のキャップ４３０で覆われ、キャップ４３０の中央にボールレンズ４４０が固定されている。ステム４２０にはさらに円筒状の筐体４５０が取り付けられ、筐体４５０の端部にフェルール４６０を介して光ファイバ４７０が固定される。電子部品４１０において発光素子１０が図示しない駆動手段で駆動され、出射光Ｌｏを出射する。電子部品４１０から出射された出射光Ｌｏはボールレンズ４４０によって集光され、集光された光は光ファイバ４７０に入射され、送信される。なお、ボールレンズ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てもよい。
【００８０】
なお、上記各実施の形態では量子層を含む上部ＤＢＲ２６の側面に遮光層を設ける形態を例示して説明したが、これに限られず、下部ＤＢＲ１６まで覆う遮光層を設ける形態としてもよい。
【００８１】
また、上記各実施の形態では単一の発光素子の形態を例示して説明したが、これに限られず、上記各実施の形態に係る発光素子を単一の基板上に複数形成した発光素子アレイの形態としてもよい。上記各実施の形態に係る発光素子を用いて形成した発光素子アレイによれば、ある発光素子の受光部に、他の発光素子の発光部からの出射光が漏れ光として入射されることが抑制される。
【００８２】
また、上記実施の形態では、半絶縁性のＧａＡｓ基板を用いたＧａＡｓ系の発光素子を例示して説明したが、これに限られず、ＧａＮ（窒化ガリウム）による基板、あるいはＩｎＰ（リン化インジウム）による基板を用いた形態としてもよい。
【００８３】
また、上記実施の形態では、基板にｎ型のコンタクト層を形成する形態を例示して説明したが、これに限られず、基板にｐ型のコンタクト層を形成する形態としてもよい。その場合には、上記の説明において、ｎ型とｐ型を逆に読み替えればよい。
【符号の説明】
【００８４】
１０、１０ａ  発光素子
１２      基板
１４      コンタクト層
１６      下部ＤＢＲ
１８      境界
２４      活性領域
２６      上部ＤＢＲ
３０      ｎ側電極配線
３２      酸化狭窄層
３２ａ    非酸化領域
３２ｂ    酸化領域
３４      層間絶縁膜
３６      ｐ側電極配線
３８      出射面保護層
４０      結合部
４２、４２−１、４２−２  ｐ側電極パッド
４４、４４−１、４４−２  ｎ側電極パッド
５０      発光部
５２      受光部
６０      電流阻止領域
１００    発光素子
１０２    基板
１０４    下部ＤＢＲ
１０６    活性領域
１０８    上部ＤＢＲ
１１０    ｐ側電極配線
１１８    裏面電極
２００    発光素子
４００    光伝送装置
４１０    電子部品
４２０    ステム
４３０    キャップ
４４０    ボールレンズ
４５０    筐体
４６０    フェルール
４７０    光ファイバ
Ｉｖ      駆動電流
Ｉｍ      モニタ電流
Ｌｏ      出射光
Ｌｖ      発振光
Ｌｍ      伝播光
Ｍ、Ｍ１、Ｍ２  メサ
【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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