(57)【要約】【課題】高次モードに対して基本モードに充分な利得差を与えることが可能な面発光半導体レーザを提供する。【解決手段】面発光半導体レーザ１１では、活性層１５は、第１のＤＢＲ１３上に設けられている。第２のＤＢＲ１７は、第１の部分２１および第２の部分２３を含む。第１および第２の部分２１、２３は所定の軸Ａｘの方向に配置されている。III−Ｖ化合物半導体領域１９は、第２のＤＢＲ１７における第１の部分２１の周囲に設けられている。第２のＤＢＲ１７の第１の部分２１は、第２のＤＢＲ１７の第２の部分２３と活性層１５との間に設けられている。第２のＤＢＲ１７において、第１の部分２１は半導体積層２０ａからなり、第２の部分２３は誘電体積層２０ｂからなる。第１のＤＢＲ１３、活性層１５および第２のＤＢＲ１７は、所定の軸Ａｘの方向に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交互に配列された第１導電型の第１および第２の半導体層を含む第１の分布ブラッグリフレクタと、
前記第１の分布ブラッグリフレクタ上に設けられた活性層と、
所定の軸の方向に配置された第１および第２の部分を含む第２の分布ブラッグリフレクタと、
前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第１の部分の周囲に設けられたIII−Ｖ化合物半導体領域と
を備え、
前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第１の部分は、前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第２の部分と前記活性層との間に設けられており、
前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第１の部分は半導体積層からなり、
前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第２の部分は誘電体積層からなり、
前記第１の分布ブラッグリフレクタ、前記活性層および前記第２の分布ブラッグリフレクタは、前記所定の軸の方向に配置されている、ことを特徴とする面発光半導体レーザ。
【請求項２】
前記活性層上に設けられた第２導電型III−Ｖ化合物半導体層と、
前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第１の部分と前記第２導電型III−Ｖ化合物半導体層との間に設けられておりメサ形状のメサ部を含むトンネル接合領域とを更に備え、
前記トンネル接合領域は、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層とから形成されるトンネル接合を有し、
前記III−Ｖ化合物半導体領域は、前記トンネル接合領域の前記メサ部の周囲に設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載された面発光半導体レーザ。
【請求項３】
前記トンネル接合領域の前記メサ部と前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第１の部分との間に設けられた第１導電型III−Ｖ化合物半導体層を更に備える、ことを特徴とする請求項２に記載された面発光半導体レーザ。
【請求項４】
前記III−Ｖ化合物半導体領域上に設けられた電極を更に備え、
前記III−Ｖ化合物半導体領域の導電型は、前記半導体積層の導電型と同じである、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された面発光半導体レーザ。
【請求項５】
前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第２の部分は、前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第１の部分および前記III−Ｖ化合物半導体領域上に設けられている、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された面発光半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、埋め込み型トンネル接合面発光レーザが記載されている。この面発光レーザは、ＩｎＰ基板上に設けられたＡｌＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ分布ブラッグリフレクタ（ＤＢＲ）と、活性層と、トンネル接合を埋め込むためのｎ型ＩｎＰ層とを含み、またｎ型ＩｎＰ層上には、ａ−Ｓｉ／Ａｌ２Ｏ３から成る誘電体分布ブラッグリフレクタ（ＤＢＲ）が設けられている。
【非特許文献１】N.  Nishiyama  et al.,  Electronics  Letters,  vol.39,  no.5,  pp.437-439,  2003.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
非特許文献１に記載された面発光半導体レーザでは、誘電体からなる上部ＤＢＲが半導体領域上に設けられている。また、トンネル接合と周囲の屈折率差によって導波モードを制御している。しかしながら、高次モードに対して基本モードに充分な利得差を与えることができないので、トンネル接合のメサ径（電流注入径）を大きくできず、例えば５μｍ程度まで小さくしなければならない。このため、電流を流すトンネル接合の断面積が大きくできないので、基本モードの光出力が制限される。
【０００４】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、高次モードに対して基本モードに充分な利得差を与えることが可能な面発光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】
本発明の一側面によれば、面発光半導体レーザは、（ａ）交互に配列された第１導電型の第１および第２の半導体層を含む第１の分布ブラッグリフレクタと、（ｂ）前記第１の分布ブラッグリフレクタ上に設けられた活性層と、（ｃ）所定の軸の方向に配置された第１および第２の部分を含む第２の分布ブラッグリフレクタと、（ｄ）前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第１の部分の周囲に設けられたIII−Ｖ化合物半導体領域とを備え、前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第１の部分は、前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第２の部分と前記活性層との間に設けられており、前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第１の部分は半導体積層からなり、前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第２の部分は誘電体積層からなり、前記第１の分布ブラッグリフレクタ、前記活性層および前記第２の分布ブラッグリフレクタは、前記所定の軸の方向に配置されている。
【０００６】
この面発光半導体レーザによれば、III−Ｖ化合物半導体領域が第２の分布ブラッグリフレクタの第１の部分の周囲に設けられているので、第１の分布ブラッグリフレクタと第２の分布ブラッグリフレクタの第１の部分との間隔が、第１の分布ブラッグリフレクタと第２の分布ブラッグリフレクタの第２の部分との間隔に比べて短縮される。この間隔の差により、高次モードの抑圧を行うことができる。
【０００７】
本発明に係る面発光半導体レーザは、前記活性層上に設けられた第２導電型III−Ｖ化合物半導体層と、前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第１の部分と前記第２導電型III−Ｖ化合物半導体層との間に設けられておりメサ形状のメサ部を含むトンネル接合領域とを更に備えることができる。  前記トンネル接合領域は、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層とから形成されるトンネル接合を有し、前記III−Ｖ化合物半導体領域は、前記トンネル接合領域の前記メサ部の周囲に設けられている。
【０００８】
この面発光半導体レーザでは、電流の閉じ込めがトンネル接合領域のメサ部により行われる。また、トンネル接合領域のメサ部上に第２の分布ブラッグリフレクタの第１の部分が設けられると共に、第２の分布ブラッグリフレクタの第１の部分およびメサ部の周囲にIII−Ｖ化合物半導体領域が設けられている。これ故に、面発光半導体レーザでは、トンネル接合領域のメサ部により電流の閉じ込めが可能になる。
【０００９】
本発明に係る面発光半導体レーザは、前記トンネル接合領域の前記メサ部と前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第１の部分との間に設けられた第１導電型III−Ｖ化合物半導体層を更に備えることができる。この面発光半導体レーザでは、第１導電型III−Ｖ化合物半導体層により、第２の分布ブラッグリフレクタの第１の部分と活性層との間隔を調整できる。
【００１０】
本発明に係る面発光半導体レーザは、前記III−Ｖ化合物半導体領域上に設けられた電極を更に備えることができる。前記III−Ｖ化合物半導体領域の導電型は、前記半導体積層の導電型と同じである。
【００１１】
この面発光半導体レーザによれば、電極からのキャリアは、III−Ｖ化合物半導体領域および半導体積層を介して活性層に到達する。
【００１２】
本発明に係る面発光半導体レーザでは、前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第２の部分は、前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第１の部分および前記III−Ｖ化合物半導体領域上に設けられていることができる。
【００１３】
この面発光半導体レーザによれば、第２の分布ブラッグリフレクタの第２の部分が、第２の分布ブラッグリフレクタの第１の部分およびIII−Ｖ化合物半導体領域上に設けられるので、第２の部分を形成する際の位置合わせ精度が緩和される。
【００１４】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明によれば、高次モードに対して基本モードに充分な利得差を与えることが可能な面発光半導体レーザが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の面発光半導体レーザに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００１７】
図１は、本実施の形態に係る面発光半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。面発光半導体レーザ１１は、第１の分布ブラッグリフレクタ（第１のＤＢＲ）１３、活性層１５と、第２の分布ブラッグリフレクタ（第２のＤＢＲ）１７と、III−Ｖ化合物半導体領域１９とを備える。第１のＤＢＲ１３は、交互に配列された第１および第２の半導体層１３ａ、１３ｂを含む。活性層１５は、第１のＤＢＲ１３上に設けられている。第２のＤＢＲ１７は、第１の部分２１および第２の部分２３を含む。第１および第２の部分２１、２３は所定の軸Ａｘの方向に配置されている。III−Ｖ化合物半導体領域１９は、第２のＤＢＲ１７における第１の部分２１の周囲に設けられている。第２のＤＢＲ１７の第１の部分２１は、第２のＤＢＲ１７の第２の部分２３と活性層１５との間に設けられている。第２のＤＢＲ１７において、第１の部分２１は半導体積層２０ａからなり、第２の部分２３は誘電体積層２０ｂからなる。第１のＤＢＲ１３、活性層１５および第２のＤＢＲ１７は、所定の軸Ａｘの方向に配置されている。
【００１８】
この面発光半導体レーザ１１によれば、III−Ｖ化合物半導体領域１９が第１の部分２１の周囲に設けられているので、第１のＤＢＲ１３と第２のＤＢＲ１７の第１の部分２１との間隔が、第１のＤＢＲ１３と第２のＤＢ１９の第２の部分２３との間隔に比べて短縮される。この間隔差により、高次モードの抑圧を行うことができる。
【００１９】
また、この面発光半導体レーザ１１によれば、III−Ｖ化合物半導体領域１９が第１の部分２１の周囲に設けられているので、第１のＤＢＲ１３と第２のＤＢＲ１７との間隔を短縮可能である。また、第２のＤＢＲ１７の一部が半導体積層２０ａ（第１の部分２１）であるので、この半導体積層２０ａ（第１の部分２１）及びIII−Ｖ化合物半導体領域１９の両方が電気伝導性を有することができる。故に、キャリアが活性層１５へ至る経路として、第１の部分２１およびIII−Ｖ化合物半導体領域１９が提供される。
【００２０】
第１の部分２１の半導体積層２０ａは、第１および第２の半導体層２１ａ、２１ｂを含む。第１および第２の半導体層２１ａ、２１ｂは交互に配置されている。第２の部分２３の誘電体積層２０ｂは、第１および第２の誘電体層２３ａ、２３ｂを含む。第１および第２の誘電体層２３ａ、２３ｂは交互に配置されている。
【００２１】
面発光半導体レーザ１１は、トンネル接合領域２５および第２導電型III−Ｖ化合物半導体層３１を含む。トンネル接合領域２５は、第２のＤＢＲ１７の第１の部分２１と第２導電型III−Ｖ化合物半導体層３１との間に設けられている。トンネル接合領域２５はメサ部を成すことができる。この面発光半導体レーザ１１では、電流の閉じ込めがトンネル接合領域２５により行われる。また、トンネル接合領域２５のメサ部上に第２のＤＢＲ１９の第１の部分２１が設けられると共に、III−Ｖ化合物半導体領域１９が、第２のＤＢＲ１９の第１の部分２１およびトンネル接合領域２５のメサ部の周囲に設けられている。このため、面発光半導体レーザ１１は、トンネル接合領域２５のメサ部に起因して段差を含まず、この段差による光の散乱の影響がない。また、面発光半導体レーザでは、トンネル接合領域のメサ部により電流の閉じ込めが可能になる。
【００２２】
トンネル接合領域２５は、第１導電型半導体層２７および第２導電型半導体層２９を含み、第１導電型半導体層２７および第２導電型半導体層２９はメサ部を成す。第１導電型半導体層２７および第２導電型半導体層２９は、トンネル接合ＴＪを形成する。トンネル接合領域２５により、キャリアの変換（電子流および正孔流の一方から他方への変換）を提供できる。
【００２３】
第２導電型III−Ｖ化合物半導体層３１は、活性層１５上に設けられている。第２導電型III−Ｖ化合物半導体層３１の主面３１ａは第１のエリア３１ｂおよび第２のエリア３１ｃを有しており、第２のエリア３１ｃは第１のエリア３１ｂを囲む。トンネル接合領域２５は第１のエリア３１ｂ上に位置しており、III−Ｖ化合物半導体領域１９は第２のエリア３１ｃ上に位置する。第２導電型III−Ｖ化合物半導体層３１はIII−Ｖ化合物半導体領域１９とｐｎ接合３３ａを形成する。III−Ｖ化合物半導体領域１９は第２導電型半導体層２９とｐｎ接合３３ｂ（図３（ｂ）参照）を形成する。面発光半導体レーザ１１に電圧が印加されるとき、ｐｎ接合３３ａ、３３ｂは、逆方向にバイアスされる。このため、キャリアは、ｐｎ接合３３ａ、３３ｂを通過することができず、III−Ｖ化合物半導体領域１９および第１の部分２１からトンネル接合ＴＪを介して第２導電型III−Ｖ化合物半導体層３１に至る。トンネル接合領域２５により、キャリアの変換と電流の閉じ込めを提供できる。
【００２４】
面発光半導体レーザ１１は、第１導電型III−Ｖ化合物半導体層３５を更に備えることができる。第１導電型III−Ｖ化合物半導体層３５は、トンネル接合領域２５と第１の部分２１との間に設けられている。第１導電型III−Ｖ化合物半導体層３５により、第２のＤＢＲ１７の第１の部分２１と活性層１５との間隔を調整できる。また、第１導電型III−Ｖ化合物半導体層３５はキャリアの経路としても役立つ。
【００２５】
面発光半導体レーザ１１では、半導体積層（第１の部分２１）２０ａおよびトンネル接合領域（メサ部）２５は半導体メサ３７を成すことができる。半導体メサ３７は、更に、第１導電型III−Ｖ化合物半導体層３５を含む。この半導体メサ３７は、第１の部分２１およびトンネル接合領域２５の位置および形状を規定する。
【００２６】
面発光半導体レーザ１１は、第１導電型III−Ｖ化合物半導体層３９を更に備えることができる。第１導電型III−Ｖ化合物半導体層３９は、第１のＤＢＲ１３と活性層１５との間に設けられている。第１導電型III−Ｖ化合物半導体層３９により、第１のＤＢＲ１３と活性層１５との間隔を調整できる。また、第１導電型III−Ｖ化合物半導体層３９はキャリアの経路として役立つ。活性層１５は量子井戸構造１６を含み、量子井戸構造１８では井戸層および障壁層が交互に配列されている。また、活性層１５は、第２導電型III−Ｖ化合物半導体層３１と第１導電型III−Ｖ化合物半導体層３９との間に設けられている。
【００２７】
面発光半導体レーザ１１は、III−Ｖ化合物半導体領域１９上に設けられた電極４１ａを更に備える。III−Ｖ化合物半導体領域１９の導電型は、半導体積層２０ａの導電型と同じであるので、電極４１ａからのキャリアは、III−Ｖ化合物半導体領域１９および半導体積層２０ａを介して活性層１５に到達する。また、第２の電極４１ｂが、導電性の基板４３の裏面４３ｂ上に形成される。基板４３は、例えば第１導電型半導体からなる。基板４３の主面４３ａ上には、第１のＤＢＲ１３等が搭載されている。
【００２８】
面発光半導体レーザ１１では、第２のＤＢＲ１７の第２の部分２３は、第１の部分２１およびIII−Ｖ化合物半導体領域１９上に設けられている。このため、第２の部分２３を形成する際の位置合わせ精度が緩和される。
【００２９】
面発光半導体レーザの一例の垂直共振型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）では、
導電性基板４３：ｎ型ＧａＡｓ基板
第１のＤＢＲ１３：シリコンドープＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ、３２対
第３のスペーサ層（第１導電型III−Ｖ化合物半導体層）３９：シリコンドープＧａＡｓ
活性層１５：Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／ＧａＡｓ、３周期
第２のスペーサ層（第２導電型III−Ｖ化合物半導体層）３１：炭素ドープＧａＡｓ
接合領域２５（ｎ＋＋／ｐ＋＋トンネル接合）：シリコンドープＩｎＧａＡｓ／炭素ドープＩｎＧａＡｓ
第１のスペーサ層（第１導電型III−Ｖ化合物半導体層）３５：シリコンドープＧａＡｓ
第２のＤＢＲ１７（第１の部分２１）：シリコンドープＧａＡｓ／シリコンドープＡｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ、８対
第２のＤＢＲ１７（第２の部分２３）：ＳｉＯ２／ＴｉＯ２、５対
III−Ｖ化合物半導体領域１９：シリコンドープＧａＡｓ
である。
【００３０】
図２および図３は、本実施の形態に係る面発光半導体レーザを作製する方法における主要な工程を示す図面である。引き続き、図２および図３を参照しながら、作製方法を説明する。
【００３１】
図２（ａ）に示されるように、面発光半導体レーザのためのエピタキシャル半導体膜を成長する。まず、第１のＤＢＲのための半導体積層膜５１、ｎ型スペーサ層５３、活性層５５、ｐ型スペーサ層５７を形成した後に、トンネル接合のための高濃度ｐ型半導体膜５９ａ、高濃度ｎ型半導体膜５９ｂ、ｎ型スペーサ層６１、および分布ブラッグリフレクタのための半導体積層膜６３を活性層５５上に順に成長した。
【００３２】
具体的には、リアクタにｎ型ＧａＡｓ基板をセットした。ｎ型ＧａＡｓ基板５０上に、３２対のＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓから成る半導体積層５１を形成した。この積層は、分布ブラッグリフレクタのために設けられた。ＧａＡｓ層５１ａおよびＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層５１ｂには、Ｓｉが添加されている。次いで、ｎ型スペーサ層５３のために、Ｓｉ添加ＧａＡｓを成長した。この後に、量子井戸構造の活性層５５を形成した。活性層５５は、ＧａＡｓ層５５ａおよびＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層５５ｂを含む。次いで、ｐ型スペーサ層５７のために、Ｃ添加ＧａＡｓを成長した。ｐ型スペーサ層５７上に、トンネル接合領域５９を成長した。トンネル接合領域５９のために、高濃度Ｃ添加のＩｎＧａＡｓ層５９ａを成長すると共に、高濃度Ｓｉ添加のＩｎＧａＡｓ層５９ｂを成長した。次いで、ｎ型スペーサ層６１のために、Ｓｉ添加ＧａＡｓを成長した。続いて、８対のＧａＡｓ／Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓから成る半導体積層６３を形成した。この積層は、分布ブラッグリフレクタのために設けられた。ＧａＡｓ層６３ａおよびＡｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ層６３ｂには、Ｓｉが添加されている。これらの成長は、例えば有機金属気相成長法で行われた。
【００３３】
図２（ｂ）に示されるように、リアクタからエピタキシャルウエハを取り出して、このエピタキシャルウエハ上にマスク６５を形成した。マスク６５は、例えば直径７μｍの円形である。このマスク６５は、例えば酸化シリコンといった絶縁体からなることができる。マスク６５を用いてエピタキシャルウエハをドライエッチングして、円筒形状のポスト（半導体メサ）６７を形成した。ポスト６７は、トンネル接合領域５９ｃ、ｎ型スペーサ層６１ｃおよび半導体積層６３ｃを含む。
【００３４】
エッチングの後に、洗浄したウエハをリアクタにセットした。図３（ａ）に示されるように、ポスト６７を埋め込むように、ｎ型ＧａＡｓ６９を成長した。
【００３５】
図３（ｂ）に示されるように、ＧａＡｓ基板５０の裏面全面にカソード電極７１を形成した後に、光出射のためのエリアを除いて、ｎ型ＧａＡｓ６９上にアノード電極７３を形成した。アノード電極７３は、光出射のための開口を有する。この開口は、例えば直径２０μｍの円形である。アノード電極形成の後に、リフトオフ法で、５対のＴｉＯ２／ＳｉＯ２からなる誘電体積層７５を形成した。誘電体積層７５は、例えば直径１５μｍの円筒形である。これらの工程により、面発光半導体レーザの構造Ｂが形成された。
【００３６】
比較のために、以下の工程により別の構造Ｃの面発光半導体レーザを製作した。リアクタにｎ型ＧａＡｓ基板をセットした。ｎ型ＧａＡｓ基板上に、３２対のＳｉ添加ＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓから成る半導体積層を形成した。この積層は、分布ブラッグリフレクタのために設けられた。次いで、ｎ型スペーサ層のために、Ｓｉ添加ＧａＡｓを成長した。この後に、ＧａＡｓ層およびＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層を含む量子井戸構造の活性層を形成した。次いで、ｐ型スペーサ層のために、Ｃ添加ＧａＡｓを成長した。ｐ型スペーサ層上に、トンネル接合領域のための高濃度Ｃ添加のＩｎＧａＡｓ層および高濃度Ｓｉ添加のＩｎＧａＡｓ層を成長した。
【００３７】
この後に、リアクタからエピタキシャルウエハを取り出して、このエピタキシャルウエハ上にメサのためのマスクを半導体積層膜上に形成した。マスクは、例えば直径７μｍの円形である。このマスクを用いて高濃度Ｃ添加のＩｎＧａＡｓ層および高濃度Ｓｉ添加のＩｎＧａＡｓ層をエッチングして、メサ形状のトンネル接合領域を形成した。洗浄したウエハをリアクタにセットした。メサを埋め込むように、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層を成長した。このｎ型ＧａＡｓスペーサ層の表面には、トンネルメサに対応する段差が形成される。
【００３８】
引き続き、ＧａＡｓ基板の裏面全面にカソード電極を形成した後に、光出射のためのエリアを除いて、ｎ型ＧａＡｓ上にアノード電極を形成した。アノード電極は、光出射のための開口を有する。この開口は、例えば直径２０μｍの円形である。アノード電極形成の後に、リフトオフ法で、５対のＴｉＯ２／ＳｉＯ２からなる誘電体積層を形成した。誘電体積層は、例えば直径１５μｍの円筒形である。これらの工程により、面発光半導体レーザの構造Ｃが形成された。
【００３９】
構造ＢおよびＣのいずれにおいても、電流はトンネル接合を通して活性層に注入される．また，トンネル接合は電界の節に設置し、光吸収損失を最小限にとどめている。活性層は電界の腹に設置し、利得を最大にしている。
【００４０】
図４（ａ）は構造Ｃにおける光出力と電流との関係を示す図面である。スペクトル分解により基本モードの光出力とその他の高次モードの光出力を分離して、構造Ｃの測定を行った。図４（ａ）において実線ＰＡは、基本モードの光出力を示し、点線ＰＢは、その他の高次モードの光出力を示す。基本モードの光出力は２ｍＷ程度であるが、高次モードも同程度の光出力で発振していることが示される。図４（ｂ）は構造Ｃにおける横モード抑圧比（ＳＭＳＲ）と電流との関係を示す図面である。高次モード成分が多数存在するので、ＳＭＳＲは４ｄＢ以下である。
【００４１】
このように、多数の高次モードが発振しＳＭＳＲが悪くなった原因としては、電流注入径（トンネル接合メサ径）が７μｍと大きいので、高次モードも比較的大きな利得を有してしまい、高次モードの発振しきい値が低くなっているからである。先行文献に記載された平坦なＤＢＲを含む半導体レーザでは、基本モード発振を得るためには、電流注入径は５μｍ程度にする必要がある。
【００４２】
図５（ａ）は構造Ｂにおける光出力と電流との関係を示す図面である。スペクトル分解により、基本モードの光出力とその他の高次モードの光出力を分離して、構造Ｂの測定を行った。図５（ａ）において実線Ｃは、基本モードの光出力を示している。この構造Ｂでは、基本モードの発振のみが得られた。構造Ｂにおける基本モードの光出力は４ｍＷであり、この値は、構造Ｃにおける基本モードの光出力の２倍であった。図５（ｂ）は構造Ｃにおける横モード抑圧比（ＳＭＳＲ）と電流との関係を示す図面である。構造Ｂは、しきい値以上における全ての電流値において、３０ｄＢ以上のＳＭＳＲが得られ、良好なＳＭＳＲ特性を示す。
【００４３】
本実施の形態に係る構造Ｂでは、基本モードは、円形ポストの中心に電界強度のピークをもつので、全ての横モードのなかで、ポスト部の半導体ＤＢＲによって基本モードが最も強く反射される。また、ポスト部は周囲に比べて共振器長が短いので、単位時間当たりの基本モード利得が増えて発振しきい値が低くなる。
【００４４】
一方、高次モードの電界は、基本モードよりも外側に広がっているので、ポスト部の半導体ＤＢＲによる反射は、基本モードに比べて弱くなる。高次モードにおいてポストの周囲に広がっている成分は、誘電体ＤＢＲで反射される。ポスト周囲における誘電体ＤＢＲのみの反射による共振器の長さは、ポスト部の半導体ＤＢＲおよび誘電体ＤＢＲの反射による共振器の長さに比べて長いので、高次モードに対する実効的な共振器長は長くなる。したがって高次モードの単位時間あたりの利得は、基本モードの利得に比べて低減し発振しきい値が高くなる。
【００４５】
このように、本実施の形態に係る構造Ｂでは、高次モードと基本モードの利得差を大きくすることができるので、電流注入径を大きくしても高次モードが発振せず、安定した基本モード発振が得られる。また、電流注入径を大きくできるため、基本モードの高出力化が可能となる。
【００４６】
本構造は以下の特長も持つ。半導体からなるポストをｎ型半導体で埋め込むので、誘電体ＤＢＲを迂回する経路で電流注入を行っても、充分厚いｎ型半導体を通して電子が移動できる。このため、素子の抵抗が増加しない。
【００４７】
また、半導体ＤＢＲを構成する半導体層の数（ペア数）を変更することによって、高次モードに対する実効的な共振器長の調整が可能となり、高次モードに対して基本モードに所望の利得差を与えることができる。
【００４８】
さらに、第２のＤＢＲに誘電体積層に加えて半導体積層を用いているので、共振器長を短く保ちながら（つまり、高速変調が可能な状態を保ちながら）、放熱性を向上できる。これは、高出力のために有効である。
【００４９】
更にまた、活性層をエッチングしないので、活性層のエッチングが必要な埋込ヘテロ構造の垂直共振型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）に比べて信頼性が高い。
【００５０】
ＧａＡｓ基板に替えてＩｎＰ基板を用いて以下の構造の面発光レーザも同様に作製した。
【００５１】
面発光半導体レーザの別の例の垂直共振型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）では、
導電性基板４３：ｎ型ＩｎＰ基板
第１のＤＢＲ１３：ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ、４０対
第３のスペーサ層（第１導電型III−Ｖ化合物半導体層）３９：シリコンドープＡｌＩｎＡｓ
活性層１５：Ａｌ０．０６Ｇａ０．４２Ｉｎ０．５２Ａｓ／Ａｌ０．１６Ｇａ０．３２Ｉｎ０．５２Ａｓ、５周期
第２のスペーサ層（第２導電型III−Ｖ化合物半導体層）３１：炭素ドープＡｌＩｎＡｓ
接合領域２５（ｎ＋＋／ｐ＋＋トンネル接合）：シリコンドープＡｌＧａＩｎＡｓ／炭素ドープＡｌＧａＩｎＡｓ
第１のスペーサ層（第１導電型III−Ｖ化合物半導体層）３５：シリコンドープＩｎＰ
第２のＤＢＲ１７（第１の部分２１）：シリコンドープＡｌＧａＩｎＡｓ／シリコンドープＩｎＰ、８対
第２のＤＢＲ１７（第２の部分２３）：ＴｉＯ２／ＳｉＯ２、５対
III−Ｖ化合物半導体領域１９：シリコンドープＩｎＰ
である。この素子においても、同様に基本モード出力を２ｍＷから４ｍＷへと大幅に改善することができた。
【００５２】
トンネル接合領域のメサ（以下、「ＴＪメサ」と記す）を形成した後に再成長によりＴＪメサを埋め込むと、半導体表面にＴＪメサの形状を反映した段差が形成される。この段差上に誘電体ＤＢＲが形成されるので、大きな屈折率差によってレーザ共振する光が散乱されて、損失の原因となる。しかしながら、本実施の形態によれば、トンネル接合領域を単独で埋め込むことがないので、トンネル接合領域の形状を反映した段差は形成されない。
【００５３】
非特許文献１に記載された面発光半導体レーザは半導体ＤＢＲと誘電体ＤＢＲを含む。誘電体ＤＢＲは半導体領域のほぼ中央に位置しており、また、誘電体ＤＢＲには電流を流せないので、半導体領域の表面の周囲に電極が設けられている。電極からのキャリアは、半導体領域を介して活性層に到達する。誘電体ＤＢＲが半導体領域のほぼ中央に位置するので、半導体領域中を横方向に流れて活性層に到達したキャリアが発光に寄与するので、活性層と誘電体ＤＢＲとの間の半導体領域は、横方向のキャリアの十分な流れを可能にする厚さを有することが必要である。しかしながら、この半導体領域の厚さを大きくすると、半導体ＤＢＲと誘電体ＤＢＲとの間隔を短くできない。
【００５４】
非特許文献１の半導体レーザでは、平坦な半導体領域上に上部ＤＢＲが設けられており、トンネル接合と周囲の屈折率差によって導波モードを制御している。しかしながら、高次モードに対して基本モードに充分な利得差を与えることができない場合には、トンネル接合のメサ径を５μｍ程度まで小さくしなければならない。電流が注入される面積が小さいことによって、基本モードの出力が制限される。一方、本実施の形態に係る面発光レーザでは、以上説明したように、上部ＤＢＲが誘電体ＤＢＲ部および半導体ＤＢＲ部から成り、半導体ＤＢＲ部が埋め込まれている。この構造によって安定した屈折率導波構造が提供されると共に、高次モードと基本モード間の利得差を大きくすることが可能になり、基本モードの高出力化が実現できる。
【００５５】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。例えば、ｐ導電型およびｎ導電型は互いに入れ替え可能である。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】図１は、本実施の形態に係る面発光半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。
【図２】図２は、本実施の形態に係る面発光半導体レーザを作製する方法における主要な工程を示す図面である。
【図３】図３は、本実施の形態に係る面発光半導体レーザを作製する方法における主要な工程を示す図面である。
【図４】図４は、構造Ｃにおけるデバイス特性を示す図面である。
【図５】図５は、構造Ｂにおけるデバイス特性を示す図面である。
【符号の説明】
【００５７】
１１…面発光半導体レーザ、１３…第１のＤＢＲ、１５…活性層、１７…第２のＤＢＲ、１９…III−Ｖ化合物半導体領域、２１…第２のＤＢＲの第１の部分、２３…第２のＤＢＲの第２の部分、２５…接合領域、２７…高濃度ｐ型半導体層
２９…高濃度ｎ型半導体層、３１…第２のスペーサ層、３３ａ、３３ｂ…ｐｎ接合、ＴＪ…トンネル接合、３５…第１のスペーサ層、３７…半導体メサ、３９…第３のスペーサ層、４１ａ、４１ｂ…電極、４３…導電性基板  
【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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