(57)【要約】      （修正有）【課題】安定したレーザ発振をすることができる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は、基板１００と、高屈折率層と低屈折率層の対を積層したｎ型の下部ＤＢＲ１０２と、下部ＤＢＲ１０２上に形成された共振器領域１０４と、共振器領域１０４上に形成された活性領域１０６と、活性領域１０６上に形成された高屈折率層と低屈折率層の対を積層したｐ型の上部ＤＢＲ１０８とを有する。共振器領域１０４は、下部ＤＢＲ１０２上に形成された酸化物領域１０４Ａと、酸化物領域１０４Ａ上に形成され、活性領域１０６に隣接するｎ型の導電領域１０４Ｂとを有し、酸化物領域１０４Ａの屈折率は、導電領域１０４Ｂの屈折率よりも小さい。【選択図】図１
2011155143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、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導電型の第１の半導体多層膜反射鏡と、
前記第１の半導体多層膜反射鏡上に形成され、活性領域を含む共振器領域と、
前記共振器領域上に形成され、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導電型の第２の半導体多層膜反射鏡とを有し、
前記第１の半導体多層膜反射鏡、前記共振器領域および前記第２の半導体多層膜反射鏡によって規定される共振器長が発振波長よりも大きく、
前記共振器領域は、前記活性領域に隣接する第１導電型の導電領域と、前記導電領域と前記第１の半導体多層膜反射鏡との間に前記導電領域よりも屈折率の小さい低屈折率領域とを含む、面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
面発光型半導体レーザはさらに、前記低屈折率領域の外周に、前記導電領域および第１の半導体多層膜反射鏡に電気的に接続される電流通路領域を含む、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項３】
前記低屈折領域は、酸化物領域である、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項４】
前記導電領域は、前記第１の半導体多層膜反射鏡の前記高屈折率層と前記低屈折率層の間の屈折率を有し、前記酸化物領域は、前記低屈折率層よりも屈折率が低い、請求項３に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項５】
前記共振器領域はさらに、前記導電領域と前記酸化物領域との間に酸化抑制層を含む、請求項３または４に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項６】
前記導電領域は、Ａｌ組成を含む化合物半導体層であり、前記酸化物領域は、Ａｌ組成を含む化合物半導体層を酸化したものである、請求項３ないし５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項７】
前記低屈折領域は、空気層領域である、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項８】
前記空気層領域は、酸化された半導体酸化物領域をエッチングすることによって形成される、請求項７に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項９】
前記空気層領域の光学的膜厚は、前記活性領域に含まるスペーサ層の光学的膜厚よりも大きい、請求項７または８に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項１０】
面発光型半導体レーザはさらに、前記第１の半導体多層膜反射鏡と第２の半導体多層膜反射鏡との間に電流狭窄層を含み、当該電流狭窄層は、酸化領域と当該酸化領域によって囲まれた導電性開口を含む、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】
前記電流狭窄層の酸化領域は、前記低屈折領域の酸化物領域の酸化と同時に形成される、請求項１０に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項１２】
前記第１の半導体多層膜反射鏡、前記共振器領域および前記第２の半導体多層膜反射鏡によって構成される共振器は、複数の共振波長を含む、請求項１ないし１１いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項１３】
請求項１ないし１２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１４】
請求項１３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１５】
請求項１ないし１２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（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）は、通信装置や画像形成装置の光源に利用されている。このような光源に利用される面発光型半導体レーザとっては、単一横モードにおいて光出力やＥＳＤ（Electro Static Discharge）耐性を向上させ、他方、抵抗値や放熱性を低減させることで、素子の寿命を延ばすことが要求されている。
【０００３】
典型的な選択酸化型の面発光型半導体レーザは、選択酸化により酸化アパーチャが形成された電流狭窄層を垂直共振器構造内に配置している。酸化アパーチャは、電極から注入された電流を狭窄し、密度の高い電流を活性領域内に注入する働きがあり、さらに活性領域で発生した光を酸化アパーチャ内外の屈折率差により発光中心に閉じ込める働きを有している。電流狭窄層の酸化アパーチャ径を約３ミクロン程度にまで小さくすることで単一横モードを得ているが、酸化アパーチャ径を小さくすれば、素子の抵抗が高くなり、発熱温度も高くなり、これが要因となって寿命が短くなる。また、酸化アパーチャ径を小さくすれば、光出力も小さくなってしまう。
【０００４】
高光出力および長寿命を実現するための１つの方法に、面発光型半導体レーザの共振器長を長くすることが考えられている。長共振器の面発光型半導体レーザは、典型的に共振器長を３〜４ミクロン程度（発振波長の１０倍ないし２０倍程度）長くしたキャビティを備えている。共振器長が長くなると、広がり角が小さい基本横モードと広がり角が大きい高次横モードとの間の光学的損失の差が大きくなり、その結果、酸化アパーチャ径を大きくしても単一横モードを得ることができる。長共振器の面発光型半導体レーザであれば、酸化アパーチャ径を８ミクロン程度まで大きくすることが可能であり、光出力も５ｍＷぐらいまで高くすることが可能である。
【０００５】
例えば、非特許文献１や２は、長いモノリシックなキャビティを用いた選択酸化型の長共振器の面発光型半導体レーザを開示している。また、特許文献３は、ミラー間に空洞の延長領域を介在させた長共振器の面発光型半導体レーザを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】H. J. Unoid, el al, ”Improving Single-Mode VCSEL performance by Introducing a Long Monolithic Cavity”, IEEE, PHOTONICS TECHNOLOGIES LETTERS, VOL. 12, NO. 8, AUGUST 2000
【非特許文献２】S. W. Z. Mahmoud, “Analysis of longitudinal mode wave guiding in vertical-cavity surface-emitting lasers with long monolithic cavity”, APPLIED PHYSICS LETTERS, VOL. 78, NUMERE 5
【特許文献１】特開２００５−１２９９６０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、安定したレーザ発振をすることが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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、基板と、前記基板上に形成され、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導電型の第１の半導体多層膜反射鏡と、前記第１の半導体多層膜反射鏡上に形成され、活性領域を含む共振器領域と、前記共振器領域上に形成され、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導電型の第２の半導体多層膜反射鏡とを有し、前記第１の半導体多層膜反射鏡、前記共振器領域および前記第２の半導体多層膜反射鏡によって規定される共振器長が発振波長よりも大きく、前記共振器領域は、前記活性領域に隣接する第１導電型の導電領域と、前記導電領域と前記第１の半導体多層膜反射鏡との間に前記導電領域よりも屈折率の小さい低屈折率領域とを含む、面発光型半導体レーザである。
請求項２に記載の発明は、面発光型半導体レーザはさらに、前記低屈折率領域の外周に、前記導電領域および第１の半導体多層膜反射鏡に電気的に接続される電流通路領域を含む、請求項１に記載の面発光型半導体レーザである。
請求項３に記載の発明は、前記低屈折領域は、酸化物領域である、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザである。
請求項４に記載の発明は、前記導電領域は、前記第１の半導体多層膜反射鏡の前記高屈折率層と前記低屈折率層の間の屈折率を有し、前記酸化物領域は、前記低屈折率層よりも屈折率が低い、請求項３に記載の面発光型半導体レーザである。
請求項５に記載の発明は、前記共振器領域はさらに、前記導電領域と前記酸化物領域との間に酸化抑制層を含む、請求項３または４に記載の面発光型半導体レーザである。
請求項６に記載の発明は、前記導電領域は、Ａｌ組成を含む化合物半導体層であり、前記酸化物領域は、Ａｌ組成を含む化合物半導体層を酸化したものである、請求項３ないし５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザである。
請求項７に記載の発明は、前記低屈折領域は、空気層領域である、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザである。
請求項８に記載の発明は、前記空気層領域は、酸化された半導体酸化物領域をエッチングすることによって形成される、請求項７に記載の面発光型半導体レーザである。
請求項９に記載の発明は、前記空気層領域の光学的膜厚は、前記活性領域に含まるスペーサ層の光学的膜厚よりも大きい、請求項７または８に記載の面発光型半導体レーザである。
請求項１０に記載の発明は、面発光型半導体レーザはさらに、前記第１の半導体多層膜反射鏡と第２の半導体多層膜反射鏡との間に電流狭窄層を含み、当該電流狭窄層は、酸化領域と当該酸化領域によって囲まれた導電性開口を含む、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である。
請求項１１に記載の発明は、前記電流狭窄層の酸化領域は、前記低屈折領域の酸化物領域の酸化と同時に形成される、請求項１０に記載の面発光型半導体レーザである。
請求項１２に記載の発明は、前記第１の半導体多層膜反射鏡、前記共振器領域および前記第２の半導体多層膜反射鏡によって構成される共振器は、複数の共振波長を含む、請求項１ないし１１いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザである。
請求項１３に記載の発明は、請求項１ないし１２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である。
請求項１４に記載の発明は、請求項１３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である。
請求項１５に記載の発明は、請求項１ないし１２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である。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の発明によれば、本共振器領域を持たない面発光型半導体レーザと比較して、縦モードスィッチング（ホッピング）を抑制することができる。
請求項２の発明によれば、低屈折率層を通らない電流経路を形成することができる。
請求項３の発明によれば、酸化物を形成することによって低屈折率の領域を提供することができる。
請求項４の発明によれば、導電領域に対し選択的な酸化領域を形成することができる。
請求項５の発明によれば、酸化抑制層を持たない構成と比較して、導電領域への酸化伝播を抑制することができる。
請求項６の発明によれば、Ａｌ組成を含む化合物半導体層により酸化物を容易に形成することができる。
請求項７の発明によれば、空気層領域によって低屈折率の領域を提供することができる。
請求項８の発明によれば、容易に空気層領域を形成することができる。
請求項９の発明によれば、本構成を持たない場合と比較して、縦モードホッピングをより効果的に抑制することができる。
請求項１０の発明によれば、本構成を持たない場合と比較して、容易に単一横モード発振を得ることができる。
請求項１１の発明によれば、低コストで酸化物領域を形成することができる。
請求項１２の発明によれば、本構成を持たない場合と比較して、容易に単一横モード発振を得ることができる。
請求項１３ないし１５の発明によれば、縦モードスィッチングが抑制された基本横モード発振の面発光型半導体レーザを利用した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を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施例に係る長共振器ＶＣＳＥＬの概略断面図である。
【図２】通常のＶＣＳＥＬと長共振器ＶＣＳＥＬの反射帯域と共振波長の関係を説明する図である。
【図３】典型的な長共振器ＶＣＳＥＬと第１の実施例の長共振器ＶＣＳＥＬの反射帯域と共振波長の関係を説明するグラフである。
【図４】本発明の第２の実施例に係る長共振器ＶＣＳＥＬの概略断面図である。
【図５】典型的な長共振器ＶＣＳＥＬと第２の実施例の長共振器ＶＣＳＥＬの反射帯域と共振波長の関係を説明するグラフである。
【図６】本発明の第１の実施例に係る長共振器ＶＣＳＥＬの酸化工程終了時の概略平面図である。
【図７】本発明の第１の実施例に係る長共振器ＶＣＳＥＬの製造工程を説明する概略断面図である。
【図８】本発明の第１の実施例に係る長共振器ＶＣＳＥＬの製造工程を説明する概略断面図である。
【図９】図９Ａは、本発明の第１の実施例に係る長共振器ＶＣＳＥＬの製造工程を説明する概略断面図であり、図１０Ａは、本発明の第２の実施例に係る長共振器ＶＣＳＥＬの製造工程を説明する概略断面図である。
【図１０】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１１】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１２】図１０Ａ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】
【００１１】
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。以下の説明では、選択酸化型の面発光型半導体レーザを例示し、面発光型半導体レーザをＶＣＳＥＬと称する。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１は、本発明の第１の実施例に係る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領域１０４、共振器領域１０４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活性層を含む活性領域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を積層している。
【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４７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】
本実施例のＶＣＳＥＬ１０は、長共振器構造を有しており、そのために、下部ＤＢＲ１０２上に共振器領域１０４を備えている。共振器領域１０４の膜厚は、３ないし４ミクロン程度であり、ここでは、発振波長をλとしたとき、光学的膜厚は１０．５λである。このような共振器領域１０４は、空洞延長領域またはキャビティスペースとして参照され得る。
【００１５】
共振器領域１０４は、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、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。本実施例では、共振器領域１０４は、下部ＤＢＲ１０２上に形成された低屈折率領域としての酸化物領域１０４Ａと、酸化物領域１０４Ａ上に形成され活性領域１０６と隣接するｎ型の導電領域１０４Ｂとを含んで構成される。好ましくは、酸化物領域１０４Ａは、ｎ型のＡｌＡｓ層をＡｌｘＯｙに酸化することによって形成され、その光学的膜厚は、６．５λであり、発振波長７８０ｎｍでの屈折率ｎＡは、おおよそ１．５である。また、導電領域１０４Ｂは、ｎ型のＡｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ層から構成され、その光学的膜厚は、４λであり、発振波長７８０ｎｍでの屈折率ｎＢは、おおよそ３．４７である。
【００１６】
酸化物領域１０４Ａは、少なくとも活性領域１０６の主面（膜厚方向と直交する面）の全体の直下に存在するように形成され、言い換えれば、共振器として働く下部ＤＢＲ１０２上に低屈折率領域を提供する。酸化物領域１０４Ａは、導電領域１０４Ｂと比べてその屈折率が小さく、共振器領域１０４内に相対的に屈折率が小さい層を設けることで、実効的な共振器長を小さくすることができる。好ましくは、共振器領域１０４の低屈折率領域の光学的膜厚を発振波長λよりも大きくすることで、より効果的に実効的な共振器長を短くすることができる。
【００１７】
導電領域１０４ＢのＡｌ組成は、好ましくは下部ＤＢＲ１０２のＡｌ組成の範囲０．３〜０．９内から選択される。また、酸化領域１０４Ａは、ＡｌＡｓに限らず、下部ＤＢＲ１０２のＡｌＧａＡｓの高Ａｌ組成よりもＡｌ組成を高くしたＡｌＧａＡｓ（この場合、Ａｌ組成は、０．９よりも大きい）から構成することができる。さらに、ＡｌＡｓ層のような半導体層を酸化して酸化物領域１０４Ａを形成するような場合、導電領域１０４Ｂへの酸化伝播を抑制するために、酸化物領域１０４Ａと導電領域１０４Ｂとの間に酸化抑制層としてＧａＡｓ層を介在させることが好ましい。ＧａＡｓ層は、Ａｌを含んでいないため酸化され難い。ＧａＡｓの膜厚は、非常に薄くてもよく、例えば数ｎｍであることができる。
【００１８】
共振器領域１０４の外周には、下部ＤＢＲ１０２と導電領域１０４Ｂとを電気的に接続するための導電性の電流経路領域１２０が形成される。本例では、電流経路領域１２０は、活性領域１０６の直下に位置する導電領域１０４から外周に延在された延在領域１２０Ｂと、その延在領域１２０Ｂの直下に位置するｎ型のＡｌＡｓからなる非酸化領域１２０Ａとを有する。これにより、ｎ側電極１１４から注入されたキャリア（電子）は、下部ＤＢＲ１０２から、共振器領域１０４の側方の非酸化領域１２０Ａ、延在領域１２０Ｂを通り、導電領域１０４Ａを介して活性領域１０６の活性層に注入される。
【００１９】
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。好ましくは、活性領域１０６の膜厚は、発振波長λまたはその倍数に等しい。
【００２０】
ｐ型の上部ＤＢＲ１０８は、ｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ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２３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。好ましくは、上部ＤＢＲ１０８の最上層には、ｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層１０８Ａが形成され、上部ＤＢＲ１０８の最下層もしくはその内部には、ｐ型のＡｌＡｓまたは高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓの電流狭窄層１１０が形成される。
【００２１】
上部ＤＢＲ１０８から共振器領域１０４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上に円筒状のメサ（柱状構造）Ｍが形成される。このとき、少なくとも共振器領域１０４の導電領域１０４Ｂに一定の膜厚が残され、すなわち、活性領域１０６の直下の導電領域１０４Ｂの外周に延在領域１２０Ｂが残される。電流狭窄層１１０は、メサＭの側面で露出され、当該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性の酸化アパーチャ１１０Ｂを有する。ＶＣＳＥＬの酸化工程において、電流狭窄層１１０は、下部ＤＢＲ１０２および上部ＤＢＲ１０８の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。このため、酸化アパーチャ１１０Ｂの基板１００の主面と平行な平面形状は、メサＭの外形を反映した円形状となり、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に、通常のＶＣＳＥＬと比べて酸化アパーチャ１１０Ｂの径を大きくすることができ、例えば、この径を７ないし８ミクロン程度まで大きくすることができる。
【００２２】
メサＭの最上層には、Ａｕまたは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１０８Ａにオーミック接続される。また、ｐ側電極１１２には、円形状の開口すなわち光を出射する光出射口１１２Ａが形成される。光出射口１１２Ａの中心は、メサＭの光軸に一致する。また、基板１００の裏面には、ｎ側電極１１４が形成される。さらに、メサＭを含むＶＣＳＥＬは、図示されない層間絶縁膜によって被覆され、外部との電気的な接続を行うための配線等が層間絶縁膜上に形成される。
【００２３】
以上のように構成されたＶＣＳＥＬにおいて、通常のＶＣＳＥＬよりも共振器長が長いため、基本横モードと高次横モードとの間に光学的損失に差が生じ、通常のＶＣＳＥＬの酸化アパーチャ径（約３ミクロン以下）よりも大きな酸化アパーチャ径（７ミクロン程度）で単一横モード発振が可能となる。ここでは、約７８０ｎｍの発振波長のレーザ光が光出射口１１２Ａから出射される。
【００２４】
次に、本実施例の長共振器のＶＣＳＥＬの縦モードスイッチング（ホッピング）の抑制について説明する。図２は、通常のＶＣＳＥＬと長共振器のＶＣＳＥＬの共振波長を対比する図である。グラフに示されたものは、ＤＢＲを構成するペアの反射プロファイルから計算により求めたものである。
【００２５】
図２の上段のグラフは、通常のＶＣＳＥＬ、すなわち本実施例のような共振器領域１０４をもたないＶＣＳＥＬの共振器の反射帯域を示している。縦軸は、反射率であり、横軸は、波長である。通常のＶＣＳＥＬは、単一横モードで動作するとき、共振器長が短いので、１つの共振波長、すなわち１つの縦モードを有する。図の例では、約７８０ｎｍの共振波長が生じていることを示している。図２の下段のグラフは、長共振器のＶＣＳＥＬの共振波長を示している。長共振器のＶＣＳＥＬでは、共振器長を長くするため、複数の共振波長が発生し、発生する共振波長の数は、共振器長の大きさに比例する。図の例では、約７６０ｎｍ、７８０ｎｍ、および７９７ｎｍの３つの共振波長が生じていることを示している。このため、長共振器のＶＣＳＥＬでは、動作電流の変動などに伴い共振波長の縦モードのスイッチングが生じ易く、ＩＬ特性にキンクを発生させることがある。また、このような共振波長のスイッチングは、ＶＣＳＥＬの高速変調に適合しない。
【００２６】
図３の上段のグラフは、ｐ型の上部ＤＢＲが２３ペア、長共振器、およびｎ型の下部ＤＢＲが４７ペアであるときの共振器の反射帯域と共振波長の関係を示す。長共振器（共振器領域１０４に相当）は、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層が４λ、およびＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層が１２．５λだけ積層されたものであり、全体の膜厚は３．９μｍである。つまり、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ×４λ＋Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ×１２．５λ＝３．９μｍである。グラフに示されるように、約７８０ｎｍのセンターの共振波長λｃと、約７６５ｎｍのサイドの共振波長λｓ１と、約７９５ｎｍのサイドの共振波長λｓ２が生じている。
【００２７】
下段のグラフは、本実施例のＶＣＳＥＬの構成であって、長共振器（共振器領域１０４に相当）は、Ａｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ層が４λ、およびＡｌｘＯｙが６．５λだけ積層されたものであり、全体の膜厚は４．０μｍである。つまり、Ａｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ層×４λ＋ＡｌｘＯｙ×６．５λ＝４．０μｍである。
【００２８】
本実施例のＶＣＳＥＬでは、センターの共振波長λｃは、約７８０ｎｍであり、両サイドの共振波長λｓ１、λｓ２は、約７５５ｎｍ、約８０５ｎｍとなり、センターの共振波長λｃと両サイドの共振波長λｓ１、λｓ２の間隔が、上段のグラフに示すＶＣＳＥＬの共振波長の間隔よりも広くなっていることが分かる。つまり、同程度の共振器膜厚（３．９μｍと４．０μｍ）でも、それを構成する層の屈折率が異なると実効的な共振器長が変わる。本実施例では、ｎ型のＡｌＧａＡｓからなる導電領域１０４Ｂよりも屈折率が小さいＡｌｘＯｙ酸化物領域１０４Ａを設け、共振器長の実効的な長さを変えることで、共振波長の間隔であるフリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）を広くし、縦モードスイッチング（ポッピング）を抑制する。
【００２９】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図４は、第２の実施例に係る長共振器のＶＣＳＥＬの断面構造を示している。第２の実施例のＶＣＳＥＬ１０Ａは、共振器領域
２００の構成を除き、第１の実施例のＶＣＳＥＬと同様の構成である。第２の実施例の共振器領域２００は、第１の実施例で示した酸化物領域１０４Ａの代わりに空気層領域２００Ａを形成するものであり、空気層領域２００Ａ上には、活性領域１０６と隣接する導電領域２００Ｂが形成されている。空気層領域２００Ａの製造方法は、後に詳細に説明するが、第１の実施例で述べたような半導体層の酸化物であれば、これをバッファードフッ酸を用いてウエットエッチングすれば、共振器領域２００内に低屈折率領域２００Ａを比較的容易に形成することができる。空気層領域２００Ａは、実質的に空洞のキャビティスペースであり、その屈折率は、１であり、酸化物領域１０４Ａよりも屈折率を小さくすることができる。
【００３０】
図５はの上段のグラフは、図３の上段のグラフと同じものである。図５の下段のグラフは、本発明の第２の実施例の長共振器構造のＶＣＳＥＬの共振波長と反射帯域との関係を示している。第２の実施例の長共振器（共振器領域２００に相当）は、Ａｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ層が４λ、および空気層領域２００Ａが４．５λだけ積層されたものであり、全体の膜厚は４．０μｍである。つまり、Ａｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ層×４λ＋空気層×４．５λ＝４．０μｍである。同グラフに示すように、センターの共振波長λｃは、約７８０ｎｍであり、両サイドの共振波長λｓ１、λｓ２は、共振器として機能し得る反射率９９％以上においては生じておらず、センターの共振波長λｃと両サイドの共振波長λｓ１、λｓ２の間隔が、上段のグラフに示すＶＣＳＥＬの共振波長の間隔よりも広くなっていることが分かる。このように、第２の実施例においても、共振器領域２００に発振波長よりも光学的膜厚が大きくかつ相対的に屈折率が小さい領域を形成することで、共振器長の実効的な長さを短くすることができ、フリースペクトルレンジＦＳＲが広がり、縦モードホッピングを抑制することができる。
【００３１】
また、第２の実施例の変形として、空気層領域２００Ａに、樹脂のような材料を充填するようにしてもよい。例えば、ポリイミド樹脂のような空気よりも熱伝導性のよい材料を充填することで放熱性を改善することができる。
【００３２】
次に、本発明の第１の実施例の長共振器のＶＣＳＥＬの製造方法について説明する。図６は、第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの酸化工程終了時の概略平面図を示し、図７ないし図８は、図６のＡ−Ａ線から見た概略断面図を示すものである。
【００３３】
先ず、図７Ａに示すように、有機金属気相成長(ＭＯＣＶＤ)法を用いて、ｎ型のＧａＡｓ基板１００上に、ｎ型の下部ＤＢＲ１０２、ｎ型のＡｌＡｓおよびｎ型のＡｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓを含む共振器領域１０４、活性領域１０６、ｐ型の上部ＤＢＲ１０８が順次積層される。下部ＤＢＲ１０２の各層の膜厚は、媒質内波長の１／４となるように形成され、共振器領域１０４の膜厚は、媒質内波長の１０．５λとなるように形成される。上部ＤＢＲ１０８には、ｐ型のＡｌＡｓからなる電流狭窄層１１０が活性領域１０６の近傍に挿入され、上部ＤＢＲ１０８の最上層にｐ型のＧａＡｓコンタクト層１０８Ａが形成される。
【００３４】
次に、コンタクト層１０８Ａ上にパターニングされた円形状のマスクＲが形成され、マスクＭを用いて基板上の半導体層が異方性エッチングされ、図７Ｂに示すように基板上に円柱状のメサＭが形成される。メサＭは、共振器領域１０４の一部に到達する深さを有し、メサＭの底部には、活性領域１０６の直下の導電領域１０４Ｂとそれよりも側方の延在領域１２０Ｂが残される。なお、マスクＲは、図６に示すような環状の溝Ｇを形成すようなものであってもよく、この場合、環状の溝Ｇによって円形状のメサＭが形成される。
【００３５】
次に、マスクＲを除去した後、図８Ａに示すようにメサＭを含む基板上にマスクＲ１を形成し、メサＭの底部にエッチング用の開口２１０が形成されるようにマスクＲ１をパターンニングする。次に、図８Ｂに示すように開口２１０を介して導電領域１０４Ｂ（延在領域２００Ｂ）を異方性エッチングし、少なくともＡｌＡｓ領域１０４Ａ（２００Ａ）が露出されるような円形状の酸化孔２２０を形成する。酸化孔２２０は、好ましくは図８Ｂに示すようにＡｌＡｓ領域１０４Ａ（２００Ａ）の途中までの深さを有する。
【００３６】
次に、マスクＲ１を除去した後、電流狭窄層１１０と共振器領域１０４の選択酸化が同時に行われる。電流狭窄層１１０には、メサＭの側面から酸化された酸化領域１１０Ａとこれによって囲まれた酸化アパーチャ１１０Ｂが形成され、酸化アパーチャ１１０Ｂの径は、通常のＶＣＳＥＬのものよりも大きく、例えば８ミクロン程度である。他方、共振器領域１０４のＡｌＡｓ領域は、酸化孔２２０を中心に半径方向に酸化が進行し、図６に示す酸化到達位置２３０まで酸化される。好ましくは、酸化到達位置２３０は、図６、図９Ａに示すようにメサＭの外周とほぼ一致し、活性領域１０６の直下のＡｌＡｓは、ＡｌｘＯｙに変換された酸化物領域１０４Ａとなり、酸化到達位置２３０よりも外周には、酸化されなかったＡｌＡｓの非酸化領域１２０Ａとその上に導電領域１２０Ｂが形成され、これらが電流経路領域１２０として機能する。酸化アパーチャ１１０Ｂの径および酸化物領域１０４Ａの選択酸化される領域を所望の大きさにするため、電流狭窄層１１０および酸化物領域１０４Ａの膜厚、およびそれらのＡｌ組成を適宜調整し、同一の酸化時間によって同時に酸化を制御することができる。
【００３７】
次に、リフトオフ工程により、上部ＤＢＲ１０８上に環状のｐ側電極１１２が形成される。但し、ｐ側電極１１２は、メサＭを形成する前に上部ＤＢＲ１０８のコンタクト層上に形成しておいてもよい。次に、メサを含む基板全面にＳｉＯＮ等の層間絶縁膜がＣＶＤによって形成される。最後に、基板の裏面にｎ側電極１１４が形成される。
【００３８】
第２の実施例で述べたＶＣＳＥＬは、さらに図９Ｂに示すように、酸化孔２２０からバッファードフッ酸を用いて酸化物領域１０４Ａを選択的にエッチング除去することで、酸化物領域１０４Ａを空気層領域２００Ａに置換させることができる。
【００３９】
上記第１、第２の実施例では、共振器領域１０４の光学的膜厚を１０．５λ、８．５λとしたが、これは一例であって、例えば１０λないし２０λ程度の範囲内から選択することができる。但し、共振器長が大きくなれば、それに比例して共振波長の数が増加することに留意すべきである。また、共振器領域１０４に形成される低屈折率領域は、酸化物領域１０４Ａや空気層領域２００Ａ以外の材料から構成されるようにしてもよく、その光学的膜厚は、屈折率との関係から適宜選択されるようにしてもよい。
【００４０】
また、上記実施例では、選択酸化型のＶＣＳＥＬを例示したが、電流狭窄層は、いわゆるプロトンイオン注入によって形成することも可能である。この場合には、メサは必ずしも必要とされない。さらに、電流狭窄層の酸化アパーチャの径は、要求される光出力などに応じて適宜変更することができる。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。
【００４１】
次に、本実施例の長共振器の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１０Ａ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。
【００４２】
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。
【００４３】
図１０Ｂ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。
【００４４】
図１１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１０Ａまたは図１０Ｂのように長共振器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。
【００４５】
図１２は、図１０Ａ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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【符号の説明】
【００４８】
１０、１０Ａ：長共振器ＶＣＳＥＬ      １００：基板
１０２：下部ＤＢＲ                    １０４：共振器領域
１０４Ａ：酸化物領域                  １０４Ｂ：導電領域
１０６：活性領域                      １０８：上部ＤＢＲ
１１０：電流狭窄層                    １１０Ａ：酸化領域
１１０Ｂ：酸化アパーチャ              １１２：ｐ側電極
１１２Ａ：光出射口                    １１４：ｎ側電極
１２０：電流経路領域                  １２０Ａ：非酸化領域
１２０Ｂ：延在領域                    ２００：共振器領域
２００Ａ：空気層領域                  ２００Ｂ：導電領域
【図１】
2011155143.tif 000003
【図２】
2011155143.tif 000004
【図３】
2011155143.tif 000005
【図４】
2011155143.tif 000006
【図５】
2011155143.tif 000007
【図６】
2011155143.tif 000008
【図７】
2011155143.tif 000009
【図８】
2011155143.tif 000010
【図９】
2011155143.tif 000011
【図１０】
2011155143.tif 000012
【図１１】
2011155143.tif 000013
【図１２】
2011155143.tif 000014