(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、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た活性層を含む共振器と、
前記共振器上に形成され、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前記第１導電型と異なる第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡とを有し、
前記共振器の光学的膜厚が発振波長よりも大きく、
前記共振器は、前記活性層の上下に配された一対のスペーサ層と、前記一対のスペーサ層のいずれか一方に隣接して形成された共振器延長領域とを含み、前記共振器延長領域は前記半導体基板とは異なる材料であって、かつ、前記共振器延長領域の格子定数は、第１または第２の半導体多層膜反射鏡の格子定数よりも小さく、
前記共振器延長領域の格子定数と半導体基板の格子定数の差は、前記第１または第２の半導体多層膜反射鏡の格子定数と半導体基板の格子定数の差よりも小さく、
前記共振器延長領域の材料は、前記第１または第２の半導体多層膜反射鏡を構成する材料に格子定数を小さくする材料が添加された材料であり、前記共振器延長領域の厚みは、前記格子定数を小さくする材料が添加されていないと仮定した場合において臨界膜厚を越える膜厚である、面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
前記共振器延長領域の厚みは２μｍないし４μｍである、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項３】
第１または第２の半導体多層膜反射鏡には、圧縮歪みが作用し、前記共振器延長領域には引張歪みが作用する、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】
前記共振器延長領域は、前記活性層の下部スペーサ層と前記第１の半導体多層膜反射鏡との間に形成される、請求項１ないし３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項５】
前記共振器はさらに、前記下部スペーサ層の直下に、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導電型の第３の半導体多層膜反射鏡を含む、請求項４に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項６】
前記共振器延長領域は、前記第１または第２の半導体多層膜反射鏡を構成する材料に、第１または第２の半導体多層膜反射鏡の格子定数を小さくする材料が添加されたものであり、前記共振器延長領域は、前記第１または第２の半導体多層膜反射鏡と同じ導電型を有する、請求項１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】
前記半導体基板はＧａＡｓから構成され、前記第１または第２の半導体多層膜反射鏡はＡｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓから構成され、前記共振器延長領域はＡｌＧａＡｓＰから構成される、請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項８】
前記共振器延長領域のＰの組成比は、ミスフィット転移を発生させない値である、請求項７に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項９】
面発光型半導体レーザはさらに、基板上に形成された柱状構造を含み、前記柱状構造は、前記共振器に近接する位置に電流狭窄層を含み、当該電流狭窄層は、選択的に酸化された酸化領域と当該酸化領域によって囲まれた導電領域とを含む、請求項１ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項１０】
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１１】
請求項１０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１２】
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】
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】
【０００３】
【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】
【０００４】
本発明は、共振器延長領域の結晶欠陥の発生を抑制した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】
【０００５】
請求項１は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、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た活性層を含む共振器と、前記共振器上に形成され、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前記第１導電型と異なる第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡とを有し、前記共振器の光学的膜厚が発振波長よりも大きく、前記共振器は、前記活性層の上下に配された一対のスペーサ層と、前記一対のスペーサ層のいずれか一方に隣接して形成された共振器延長領域とを含み、前記共振器延長領域は前記半導体基板とは異なる材料であって、かつ、前記共振器延長領域の格子定数は、第１または第２の半導体多層膜反射鏡の格子定数よりも小さく、前記共振器延長領域の格子定数と半導体基板の格子定数の差は、前記第１または第２の半導体多層膜反射鏡の格子定数と半導体基板の格子定数の差よりも小さく、前記共振器延長領域の材料は、前記第１または第２の半導体多層膜反射鏡を構成する材料に格子定数を小さくする材料が添加された材料であり、前記共振器延長領域の厚みは、前記格子定数を小さくする材料が添加されていないと仮定した場合において臨界膜厚を越える膜厚である、面発光型半導体レーザ。
請求項２は、前記共振器延長領域の厚みは２μｍないし４μｍである、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項３は、第１または第２の半導体多層膜反射鏡には、圧縮歪みが作用し、前記共振器延長領域には引張歪みが作用する、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は、前記共振器延長領域は、前記活性層の下部スペーサ層と前記第１の半導体多層膜反射鏡との間に形成される、請求項１ないし３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項５は、前記共振器はさらに、前記下部スペーサ層の直下に、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導電型の第３の半導体多層膜反射鏡を含む、請求項４に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項６は、前記共振器延長領域は、前記第１または第２の半導体多層膜反射鏡を構成する材料に、第１または第２の半導体多層膜反射鏡の格子定数を小さくする材料が添加されたものであり、前記共振器延長領域は、前記第１または第２の半導体多層膜反射鏡と同じ導電型を有する、請求項１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は、前記半導体基板はＧａＡｓから構成され、前記第１または第２の半導体多層膜反射鏡はＡｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓから構成され、前記共振器延長領域はＡｌＧａＡｓＰから構成される、請求項１ないし６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、前記共振器延長領域のＰの組成比は、ミスフィット転移を発生させない値である、請求項７に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項９は、面発光型半導体レーザはさらに、基板上に形成された柱状構造を含み、前記柱状構造は、前記共振器に近接する位置に電流狭窄層を含み、当該電流狭窄層は、選択的に酸化された酸化領域と当該酸化領域によって囲まれた導電領域とを含む、請求項１ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項１０は、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１１は、請求項１０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１２は、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】
【０００６】
請求項１によれば、共振器延長領域の格子定数が第１または第２の半導体多層膜反射鏡の格子定数と等しいかそれよりも大きい場合に比べて、共振器延長領域の結晶欠陥の発生を抑制することができる。
さらに請求項１によれば、共振器延長領域と半導体基板との格子定数の差が、第１または第２の半導体多層膜反射鏡と半導体基板の格子定数の差と等しいかそれより大きい場合に比べて、共振器延長領域の結晶欠陥の発生を抑制することができる。
請求項３によれば、半導体基板上に生じる圧縮歪みを緩和することができる。
請求項４によれば、共振器延長領域を上部スペーサ層上に形成する場合と比較して、共振器延長領域の結晶品位に応じた活性層の結晶品位を得ることができる。
請求項５によれば、活性層による発振を促進することができる。
請求項６によれば、共振器延長領域の格子定数を調整することができる。
請求項７によれば、共振器延長領域の格子定数をＧａＡｓに近づけることができる。
請求項８によれば、Ｐの組成比をミスフィット転位が発生する量とする場合に比べて、共振器延長領域の結晶欠陥の発生を抑制することができる。
請求項９によれば、基本横モード発振可能な選択酸化型の長共振器構造の面発光型半導体レーザの共振器延長領域の結晶欠陥の発生を抑制することができる。
請求項１０ないし１２によれば、共振器延長領域の結晶欠陥の発生を抑制した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】
【０００７】
【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】ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の格子定数とバンドギャップの関係を示すグラフである。
【図３】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４】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５】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６】図４（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】
【０００８】
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（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。
【０００９】
選択酸化型の面発光型半導体レーザでは、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。面発光型半導体レーザの高光出力および長寿命を実現するための１つの方法に、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。
【００１０】
以下の説明では、選択酸化型の長共振器構造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】
【００１１】
図１は、本発明の第１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、長共振器構造を提供する共振器１０４、共振器１０４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。
【００１２】
ｎ型の下部ＤＢＲ１０２は、例えば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層とのペアを複数積層して構成され、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。また、ｐ型の上部ＤＢＲ１０８は、ｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ層とのペアを複数積層して構成され、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。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が形成され、上部ＤＢＲ１０８の最下層もしくはその内部には、ｐ型ＡｌＡｓの電流狭窄層１１０が形成される。
【００１３】
共振器１０４は、下部ＤＢＲ１０２上に形成された共振器延長領域１０５と、共振器延長領域１０５上に形成された活性領域１０６とを含んで構成される。活性領域１０６は、上部および下部スペーサ層１０６Ａ、１０６Ｃに挟まれた量子井戸活性層１０６Ｂを含み、好ましくは活性領域１０６の膜厚は、発振波長λに等しい。下部スペーサ層１０６Ａは、例えば、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層であり、量子井戸活性層１０６Ｂ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１０６Ｃは、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層である。
【００１４】
共振器延長領域１０５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、その膜厚は、例えば、３ないし４ミクロン程度であり、言い換えれば、その光学的膜厚は１６λ（λは発振波長）である。通常のＶＣＳＥＬは、共振器延長領域１０５を備えておらず、下部ＤＢＲ１０２上に活性領域１０６が形成される。このような共振器延長領域１０５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】
共振器延長領域１０５は、ＧａＡｓ基板１００と格子定数が一致しまたは整合するような材料から構成され、本実施例では、共振器延長領域１０５は、ｎ型のＡｌＧａＡｓにＰ（燐）を添加したＡｌＧａＡｓＰから構成される。共振器延長領域１０５のＡｌ組成は、下部ＤＢＲ１０２のＡｌ組成の範囲０．３〜０．９内で選択され、Ｐの組成は、後述するように、共振器延長領域１０５の膜厚に相当する臨界膜厚に基づき決定される。
【００１６】
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上に円筒状のメサ（柱状構造）Ｍが形成される。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領域（酸化アパーチャ）１１０Ｂを有する。導電領域１１０Ｂの基板１００の主面と平行な面内の平面形状は、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。長共振器のＶＣＳＥＬ１０では、基本横モードを得るために、通常のＶＣＳＥＬと比べて導電領域１１０Ｂの径を大きくすることができ、例えば、導電領域１１０Ｂの径を７ミクロン程度まで大きくすることができる。
【００１７】
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、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。さらに基板１００の裏面には、ｎ側電極１１４が形成される。
【００１８】
次に、本実施例の長共振器のＶＣＳＥＬの詳細について説明する。長共振器のＶＣＳＥＬでは、単一横モード発振を得るために、通常のＶＣＳＥＬよりも酸化アパーチャ１１０Ｂの径を大きくすることで、高光出力化を図ることができる利点を備えている。他方、長共振器を得るために、活性領域１０６の下部に数ミクロンの膜厚の共振器延長領域１０５を積層しなければならない。共振器延長領域１０５がＡｌＧａＡｓ層から構成されるとき、ＡｌＧａＡｓは、ＧａＡｓの格子定数とほぼ同じであるため、ある程度の膜厚であれば問題ない。しかし、共振器延長領域１０５の膜厚が２〜４μｍ程度となれば、Ａｌ組成によっては臨界膜厚（Critical thickness）を越えてしまう。臨界膜厚とは、基板上に高い結晶品位を保ちながら積層することが可能な膜厚の意である。例えば、Matthews & Blakesleeの計算式から、ＡｌＧａＡｓのＡｌ組成が３０％のときの臨界膜厚を求めると、それは、約１μｍ弱であり、共振器延長領域１０５の膜厚は、臨界膜厚を越えてしまう。臨界膜厚を越えると、共振器延長領域１０５に結晶欠陥が生じ易くなり、その上に気相成長される活性領域１０６の結晶品位がそれに依存して劣化してしまい、ひいては光出力の低下等の信頼性の低下を招く。
【００１９】
図２は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の格子定数とバンドギャップの関係を示すグラフである。ＧａＡｓの格子定数は、５．６５３３Å、ＡｌＡｓの格子定数は、５．６６１１Åであり、ＡｌＡｓの方が幾分大きい。他方、ＡｌＰの格子定数は、５．４６２５Å、ＧａＰの格子定数は、５．４５１２Åであり、ＧａＡｓに比べて小さいことがわかる。このため、ＡｌＧａＡｓにＰを添加することで格子定数を減少させ、よりＧａＡｓの格子定数に近づけ、共振器延長領域１０５の臨界膜厚を増加させることができる。例えば、Ａｌ組成が３０％のＡｌＧａＡｓ層のＡｓの１％をＰに置き換えると、臨界膜厚は８μｍとなる。また、ＡｌＧａＡｓＰの他にも、ＡｌＧａＩｎＰであっても、ＧａＡｓとの格子定数の差を小さくすることができ、共振器延長領域１０５の臨界膜厚を増加させることができる。
【００２０】
Ａｌ組成をｘ、Ｐ組成をｙとすると、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ（１−ｙ）Ｐｙの格子定数は、次式によって求めることができる。
ｘ（１−ｙ）ＡｌＡｓ＋（１−ｘ）（１−ｙ）ＧａＡｓ＋ｘｙＡｌＰ＋（１−ｘ）ｙＧａＰ
ここで、Ａｌ組成を３０％、Ｐを１％としたときのＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ（１−ｙ）Ｐｙの格子定数は、
０．３×（１−０．０１）×５．６６１１＋（１−０．３）（１−０．０１）×５．６５３３＋０．３×０．０１×５．４６２５＋（１−０．３）×０．０１×５．４５１２
＝５．６５３６４となる。
その結果、ＡｌＧａＡｓよりもＡｌＧａＡｓＰの格子定数をＧａＡｓの格子定数５．６５３３に近づけることができる。
【００２１】
また、ＧａＡｓ基板と積層されるＡｌＧａＡｓＰとの格子定数の差Δａは、次のように表される。
Δａ＝｛ＡｌａＧａ（１−ａ）Ａｓ（１−ｂ）Ｐｂ−ＧａＡｓ｝／ＧａＡｓ
【００２２】
臨界膜厚は、一般に、２つの計算式、Matthews & Blakeslee、およびPeople & Beanから求めることができる。２つの式の導出には、異なる前提条件を用いているため、求められる値が異なる。また、実際の臨界膜厚は、結晶成長の成長条件によって異なるため、必ずしもどちらも正確ではない。本実施例における、ＧａＡｓ基板上ＡｌＧａＡｓ層を結晶成長させる場合には、以下の関係が当てはまると考えられる。
臨界膜厚(Matthews & Blakeslee)＜実際の臨界膜厚＜臨界膜厚(People & Bean)
【００２３】
ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＡｓ層が形成されると、ＡｌＧａＡｓの格子定数はＧａＡｓの格子定数よりも大きいため、ＡｌＧａＡｓ層は圧縮歪となる。そして、ＡｌＧａＡｓの格子定数よりも小さい格子定数を有するＡｌＧａＡｓＰの大半には引張り歪となり、ＡｌＧａＡｓ層とは逆の歪となる。
ある一定の膜厚を積む必要がある場合、臨界膜厚を超えるとミスフィット転位が発生し、結晶品質が著しく劣化する。ミスフィット転位を発生させない歪は、次のように表される。
ｙ(引張り歪)  ＜  積層する層の歪量  ＜  x(圧縮歪)
ここで、ｘ＞０、ｙ＜０（圧縮歪をプラスとし、引っ張り歪をマイナスとする）
ｘ、ｙは、臨界膜厚の下限、上限をそれぞれ示す。
但し、ｘ＝−ｙではない。これは、基板と積層する層の材料の熱膨張係数の違いによって変化するためである。
【００２４】
本実施例では、下部ＤＢＲ１０２がＡｌＧａＡｓから構成されるとき、共振器延長領域１０５をＡｌＧａＡｓＰから構成することを特徴とする。Ｐの組成を増加させると、引張り歪量(マイナス)が増加する。Ｐを加えない時点では、ＡｌＧａＡｓ層であるので、圧縮歪(プラスの値)を起点とする。Ｐ組成の上限は、共振器延長領域の成長させる膜厚を決定し、その膜厚に相当する臨界膜厚となる引張り歪ｙに対応するＰの組成となる。これはＡｌ組成とＰ組成の組み合わせとなる。すなわち、Ａｌ組成が増加すると圧縮歪が増加し、Ｐ組成を増加させると、引張歪が増加する。
【００２５】
Matthews & Blakesleeによる臨界膜厚ｈｃの計算式を数式１に、People & Beanによる臨界膜厚ｈｃの計算式を数式２に示す。ｈｃ：臨界膜厚、ａ：基板の格子定数、Δａ：積層する基板の格子定数の差、Ｃｘｘ：弾性スティフネス定数である。
【００２６】
【数１】
0005824802.tif 000002
【００２７】
【数２】
0005824802.tif 000003
【００２８】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図３は、本発明の第３の実施例に係る長共振器のＶＣＳＥＬ１０Ａの構成を示す断面図である。本実施例のＶＣＳＥＬ１０Ａでは、共振器延長領域１０５がｎ型のＡｌＧａＡｓ層１０５Ａを下部スペーサ層１０６Ａの直下に含んでいる。ＡｌＧａＡｓ層１０５Ａは、単層であってもよいし、下部ＤＢＲ１０２と同様に、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を一対または複数対有するものであってもよい。ＡｌＧａＡｓ層１０５Ａの介在によって発振が促進される。
【００２９】
次に、第１の実施例で説明した長共振器のＶＣＳＥＬの製造工程について説明する。ＶＣＳＥＬの製造は、有機金属気相成長(ＭＯＣＶＤ)法を用いて行われ、ｎ型のＧａＡｓ基板１００上に、ｎ型の下部ＤＢＲ１０２、ｎ型の共振器延長領域１０５、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、共振器延長領域１０５の膜厚は、媒質内波長の１６λ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１０４の近傍に挿入され、上部ＤＢＲ１０８の最上層にｐ型のＧａＡｓコンタクト層が形成される。
【００３０】
次に、基板上の半導体層は、公知のフォトリソ工程を用いてエッチングされ、基板上に円柱状のメサＭが形成される。メサＭは、下部ＤＢＲ１０２に至る深さを有し、メサＭによって電流狭窄層１１０が露出される。次に、酸化処理を行い、電流狭窄層１１０内に、酸化領域１１０Ａとこれによって囲まれた導電領域１１０Ｂに形成する。導電領域１１０Ｂの径は、通常のＶＣＳＥＬのものよりも大きく、例えば７ミクロン程度にすることができる。
【００３１】
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膜がＣＶＤによって形成され、ＳｉＯＮ膜をエッチングして光出射口上に異方性の絶縁膜を形成する。そして、基板の裏面にｎ側電極１１４を形成する。
【００３２】
上記実施例では、共振器延長領域１０５の光学的膜厚を１６λとしたが、これは一例であって、Ｐの組成を調整し、臨界膜厚との関係から適宜選択することができる。また、下部ＤＢＲ１０２および上部ＤＢＲ１０８を構成するＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成は、発生する共振波長等との関係から適宜選択される。
【００３３】
また、上記実施例では、ｎ型のＧａＡｓ基板を用いる例を示したが、ｐ型のＧａＡｓ基板を用いるものであってもよい。この場合、基板上に、ｐ型の下部ＤＢＲ、共振器、ｎ型の上部ＤＢＲが形成される。さらに上記実施例では、共振器延長領域１０５を下部スペーサ層１０６Ａと下部ＤＢＲ１０２との間に形成したが、上部スペーサ層１０６Ｃ上に形成するようにしても良い。さらに上記実施例では、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。また、上記実施例では、ＡｌＡｓの電流狭窄層を例示したが、電流狭窄層は、Ａｌ組成を９０％よりも高くしたＡｌＧａＡｓ層であってもよい。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。
【００３４】
次に、本実施例の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４（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。
【００３５】
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。
【００３６】
図４（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。
【００３７】
図５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４（ａ）または（ｂ）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。
【００３８】
図６は、図４（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。
【００３９】
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。
【００４０】
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】
【００４１】
１０：長共振器ＶＣＳＥＬ
１００：基板
１０２：下部ＤＢＲ
１０４：共振器
１０５：共振器延長領域
１０５Ａ：ＡｌＧａＡｓ層
１０６：活性領域
１０６Ａ：下部スペーサ
１０６Ｂ：活性層
１０６Ｃ：上部スペーサ
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
【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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