(57)【要約】【課題】　波長可変型ＶＣＳＥＬを提供する。【解決手段】　下部ＤＢＲ層５０上に電流制限層８２を備え、レーザ発振のための上部電極９２ａ、９２ｂ及び下部電極９０以外に光の放出される上部ＤＢＲ層７０の与えられた領域上に有効共振領域の幅を可変させるための別途の電極９４ａ、９４ｂを備えることを特徴とするＶＣＳＥＬ。本発明によれば、従来のＶＣＳＥＬを利用する時より放出される光の波長を高速に変化させうるだけでなく、従来の温度可変を通じて有効共振領域の幅を変化させる時に現れるレーザ発振の利得特性の低下が防止できて、放出される光の波長可変領域を増加させうる。【選択図】　　　　　　図２
2004072118.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　基板と、
　前記基板の底面に形成された第１電極と、
　前記基板上に形成された下部分散ブラッグ反射器層と、
　前記下部分散ブラッグ反射器層上に形成された電流制限層と、
　前記電流制限層上に形成された共振器層と、
　前記共振器層の与えられた領域上に形成された上部分散ブラッグ反射器層と、
　前記上部分散ブラッグ反射器層の周囲の共振器層上に形成されて前記第１電極と共にレーザ発振に使われる第２電極と、
　前記上部分散ブラッグ反射器層上に形成されて前記第２電極と共に有効共振領域の幅を可変させるのに使われる第３電極と、を備えることを特徴とする面発光半導体レーザ。
【請求項２】
　前記上部及び下部分散ブラッグ反射器層は、各々屈折率の相異なる第１及び第２化合物半導体層が反復積層されて形成されたものであって、上部分散ブラッグ反射器層は最大１０２１個／ｃｍ３の不純物がドーピングされたことを特徴とする請求項１に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項３】
　前記共振器層は、多重量子井戸構造または量子点を有する２元、３元または４元混晶系の化合物半導体層である活性層を含むことを特徴とする請求項１に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項４】
　前記化合物半導体層は、ＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓ層、ＡｌＧａＡｓ層、ＩｎＡｓ層、ＧａＩｎＮＡｓ層またはＧａＰＳｂ層であることを特徴とする請求項３に記載の面発光半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は半導体レーザに係り、詳細には波長可変型面発光半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
　一般的に面発光半導体レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｃａｖｉｔｙ　Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｌａｓｅｒ：以下、ＶＣＳＥＬ）は、活性層の上部及び下部に反射率が９９％以上である分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｂｒａｇｇ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）を備えて光を積層の垂直方向に共振させる構造を有する。
【０００３】
　前記ＤＢＲは屈折率の差が大きく、格子定数が似ていて、エピタキシャル成長が可能な物質、例えば砒素ガリウム（ＧａＡｓ）及び砒素アルミニウム（ＡｌＡｓ）を交互に積層するか、またはシリコン酸化膜ＳｉＯ２、アルミニウム酸化膜Ａｌ２Ｏ３、及びチタン酸化膜ＴｉＯ２のような絶縁物質のうち選択された屈折率の差の大きい物質の対を交互に積層して形成される。
【０００４】
　このようなＤＢＲで光が吸収されることを防止するためにエネルギーバンドギャップは発振波長より大きいことが望ましい。また、ＤＢＲを構成する二つの物質層間に屈折率の差が大きいほど良い。
【０００５】
　図１は、このようなＤＢＲを備える従来のＶＣＳＥＬを示す断面図である。
【０００６】
　図１を参照すれば、基板（図示せず）上に下部分散ブラッグ反射器２１が備えられている。
【０００７】
　下部分散ブラッグ反射器２１は、相対的に屈折率が他の二つの物質層２１ａ、２１ｂが反復・積層されて形成されている。
【０００８】
　下部分散ブラッグ反射器２１上にはｎ−コンタクト層２２が形成されている。ｎ−コンタクト層２２上にｎ−下部キャリヤ制限層２３、活性層２４及びｐ−上部キャリヤ制限層２５で構成された共振器層Ｃが存在する。
【０００９】
　このような共振器層Ｃの所定領域上にレーザ発振のための電流が流入されることを制限する電流制限層２６が形成されており、残りの領域上に絶縁層２６ａが形成されている。レーザ発振のための電流は、電流制限層２６を通じてだけ活性層２４に流入される。
【００１０】
　このような電流制限層２６及び絶縁層２６ａ上にｐ−コンタクト層２７が形成されている。
【００１１】
　ｐ−コンタクト層２７の所定領域上に上部分散ブラッグ反射器２８が形成されている。上部分散ブラッグ反射器２８は、下部分散ブラッグ反射器２１と同様に屈折率が相異なる二つの物質層２８ａ、２８ｂが反復・積層されて形成されたものである。
【００１２】
　ｎ−コンタクト層２２のエッジ及びｐ−コンタクト層２７のエッジに各々下部電極３０及び上部電極２９が形成されている。
【００１３】
　このようなＶＣＳＥＬが次世代波長分割多重方式の光通信や光記録装置に適用されつつ、波長可変型ＶＣＳＥＬの必要性が増加されている。
【００１４】
　波長可変型ＶＣＳＥＬの具現方法のうち最も簡単な方法は、前記ＶＣＳＥＬを加熱または冷却する方法を利用して、前記ＶＣＳＥＬの共振幅を変化させて前記ＶＣＳＥＬから放出される光の波長を変化させる方法である。
【００１５】
　しかし、動作温度を可変させて放出される光の波長を可変させる場合、動作温度を急速に変化させることが実質的に難しいので、放出されるレーザ光の波長を急速に変化させることもやはり難しい。また、温度が高まる場合、過度な利得損失でレーザ発振特性が急激に低下されうるので、温度可変幅が制限されうる。また、前記温度可変過程で突然の放電によってＶＣＳＥＬの動作が中止されうる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
　本発明が解決しようとする技術的課題は、前述した従来技術の問題点を改善するためのものであって、温度可変なしに放出されるレーザ光の波長を高速に変化させうるＶＣＳＥＬを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
　前記技術的課題を達成するために、本発明は半導体基板、前記基板の底面に形成された第１電極、前記基板上に形成された下部分散ブラッグ反射器層、前記下部分散ブラッグ反射器層上に形成された電流制限層、前記電流制限層上に形成された共振器層、前記共振器層上に離隔形成されて前記第１電極と共に活性層にレーザ発振のためのキャリヤを供給する第２電極、前記離隔形成された第２電極間に形成された上部分散ブラッグ反射器層及び前記上部分散ブラッグ反射器層上に離隔形成されて前記第２電極と共に有効共振領域を可変させる第３電極を備えることを特徴とするＶＣＳＥＬを提供する。
【００１８】
　前記半導体基板は、化合物半導体基板である。
【００１９】
　前記上部及び下部分散ブラッグ反射器層は、屈折率の相異なる第１及び第２化合物半導体層が反復積層されて形成されたものであって、最大１０２１個／ｃｍ３の不純物がドーピングされている。
【００２０】
　前記共振器層は、ｎ−下部キャリヤ制限層、活性層及びｐ−上部キャリヤ制限層で構成される。
【００２１】
　前記活性層は、多重量子井戸構造または量子点を有する化合物半導体層であって、２元、３元または４元混晶系の化合物半導体層である。
【００２２】
　前記上部分散ブラッグ反射器は、モノリシック分散ブラッグ反射器または基板と融合された分散ブラッグ反射器である。
【発明の効果】
【００２３】
　本発明によるＶＣＳＥＬは、上部分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ）層上に上部電極と共に有効共振領域の幅を可変させるのに使われる別途の電極を備え、下部ＤＢＲ層に電流制限層を備える。このような本発明を利用すれば、上部ＤＢＲ層に電流を印加して有効共振領域の幅を可変させて放出される光の波長を可変させうるために、従来のＶＣＳＥＬを利用する時より放出される光の波長を高速に変化させうるだけでなく、従来の温度可変を通じて有効共振領域の幅を変化させる時に現れるレーザ発振の利得特性の低下を防止しうる。また、上部ＤＢＲ層に印加される電流の増減がレーザ発振の利得特性に及ぶ悪影響はほとんどないので、上部ＤＢＲ層に印加される電流増減を通じて放出される光の波長可変領域を増加させうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
　以下、本発明の実施形態による波長可変型ＶＣＳＥＬを添付した図面を参照して詳細に説明する。この過程で図面に示された層や領域の厚さは、明細書の明確性のために誇張されるように図示されたものである。
【００２５】
　図２を参照すれば、参照番号４０は下部及び上部ＤＢＲ層５０、７０及び共振器層６０が形成された基板であって、化合物半導体基板である。基板４０は望ましくは、ＧａＡｓ基板である。
【００２６】
　基板４０上に下部ＤＢＲ層５０が形成されている。下部ＤＢＲ層５０は、第１及び第２化合物半導体層５２、５４が反復積層されて形成されたものである。第１及び第２化合物半導体層５２、５４は共振器層６０から放出される光を吸収しないことが望ましい。したがって、第１及び第２化合物半導体層５２、５４のエネルギーバンドギャップは、発振波長より大きいことが望ましい。
【００２７】
　例えば、第１及び第２化合物半導体層５２、５４は全てＡｌＧａＡｓ層である。この時、第１及び第２化合物半導体層５２、５４は屈折率が異なることが望ましいので、第１化合物半導体層として使われたＡｌＧａＡｓ層のドーピング程度及び第２化合物半導体層として使われたＡｌＧａＡｓ層のＡｌモルフラクションの程度は相異ならせることが望ましい。第１及び第２化合物半導体層５２、５４は電流通過のために、例えばｎ型でドーピングされた化合物半導体層である。下部ＤＢＲ層５０のこのような特性は上部ＤＢＲ層７０にもそのまま適用される。
【００２８】
　一方、本発明のＶＣＳＥＬは上部ＤＢＲ層７０を通じてレーザ光が放出される構造なので、上部ＤＢＲ層７０の反射率を下部ＤＢＲ層５０の反射率より低めることが望ましい。
【００２９】
　次いで、下部ＤＢＲ層５０において上層部は電流制限層８２とその周囲に備えられた絶縁層８０と、電流制限層８２及び絶縁層８０を覆うｎ型化合物半導体層８６とで構成されている。電流制限層８２は下部ＤＢＲ層５０を通じて共振器層６０に流入される電流のチャンネルとなる。
【００３０】
　電流制限層８２のない他の領域に流入される電流は絶縁層８０によって遮断される。絶縁層８０及び電流制限層８２は下部ＤＢＲ層５０のうちバンドギャップが大きく、Ａｌモルフラクションをさらに増加させたＡｌＧａＡｓ層を成長させた後、これを選択的に酸化させて形成する。
【００３１】
　下部ＤＢＲ層５０上に共振器層６０が形成されている。共振器層６０はレーザが発振される領域であって、キャリヤを制限するｎ−下部キャリヤ制限層６２、キャリヤの再結合が行われる活性層６４、及びｐ−上部キャリヤ制限層６６が順次に積層された構造を有する。
【００３２】
　活性層６４は多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有するか、または量子点構造を有する２元、３元、または４元混晶系の化合物半導体層であって、例えばＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓ層、ＡｌＧａＡｓ層、ＩｎＡｓ層、ＧａＩｎＮＡｓ層、及びＧａＰＳｂ層よりなる群から選択された何れか一つである。
【００３３】
　共振器層６０は共振条件を満足させるために発振される波長の整数倍に当る厚さに積層されることが望ましい。
【００３４】
　共振器層６０のｐ−上部キャリヤ制限層６６の所定領域上に上部ＤＢＲ層７０が形成されている。上部ＤＢＲ層７０は屈折率が相異なる第３及び第４化合物半導体層７２、７４が反復積層されて形成されたものである。
【００３５】
　第３及び第４化合物半導体層７２、７４はＰ型不純物ドーピング特性を有することが望ましい。この時、第３及び第４化合物半導体層７２、７４は、波長可変領域を広げるために高濃度で、例えば最大１０２１個／ｃｍ３でドーピングされていることが望ましい。
【００３６】
　次いで、基板４０の底面に第１電極９０が形成されている。第１電極９０は下部電極であって、電流注入のためにオームコンタクトされた金属層である。上部ＤＢＲ層７０の周囲のｐ−上部キャリヤ制限層６６上に第２電極９２ａ、９２ｂが形成されている。第２電極９２ａ、９２ｂは上部ＤＢＲ層７０と接触されないように形成されている。
【００３７】
　第２電極９２ａ、９２ｂは上部電極であって、電流注入のためにオームコンタクトされた金属層である。上部ＤＢＲ層７０上に第２電極と共に有効共振領域を調節するのに使われる第３電極９４ａ、９４ｂが形成されている。第３電極９４ａ、９４ｂは上部ＤＢＲ層７０のエッジに形成されている。
【００３８】
　レーザの発振は第１及び第２電極９０、９２ａ、９２ｂを通じて共振器層６０に電流が供給され、活性層６４でキャリヤが再結合されつつ始まる。キャリヤ再結合によって活性層６４から放出される光は、下部及び上部ＤＢＲ層５０、７０間を往復しつつその強度が増加する。前記光の強度が与えられた強度となりつつ前記光は反射率が下部ＤＢＲ層５０より低い第３電極９４ａ、９４ｂ間の上部ＤＢＲ層７０を通じてレーザ光として放出される。
【００３９】
　一方、上部ＤＢＲ層７０を通じて放出されるレーザ光の波長は共振器層６０の有効共振領域の幅によって決定される。第３電極９４ａ、９４ｂが使われない場合、有効共振領域の幅は共振器層６０の幅と大きく違わない。したがって、上部ＤＢＲ層７０を通じて放出される光の波長は共振器層６０の幅によって決定される。
【００４０】
　しかし、第２電極９２ａ、９２ｂ及び第３電極９４ａ、９４ｂを利用して上部ＤＢＲ層７０に供給される電流を調節する場合、上部ＤＢＲ層７０の屈折率が変わって有効共振領域は共振器層６０を脱して上部ＤＢＲ層７０に拡張する。すなわち、有効共振領域が拡張されただけ有効共振領域の幅も増加するので、上部ＤＢＲ層７０を通じて放出される光の波長は前者の場合と変わる。
【００４１】
　図３は、上部ＤＢＲ層７０の屈折率の変化によって放出される光の反射率の変化を示すグラフである。参照符号Ｇ１ないしＧ４は、各々上部ＤＢＲ層７０の屈折率の変化によって活性層６４から放出された光の反射率の変化を示す第１ないし第４グラフである。
【００４２】
　第１グラフＧ１は第３電極９４ａ、９４ｂを使用しない場合、すなわち上部ＤＢＲ層７０の屈折率を人為的に変化させない場合（以下、第１場合という）を示し、第２ないし第４グラフＧ２、Ｇ３、Ｇ４は第２電極９２ａ、９２ｂ及び第３電極９４ａ、９４ｂを使用して上部ＤＢＲ層７０に流れる電流を調節する方法で上部ＤＢＲ層７０の屈折率を各々１％、２％及び４％変化させた場合（以下、第２ないし第４場合という）を示す。
【００４３】
　また、第１グラフＧ１の第１キャビティピークは前記第１場合に上部ＤＢＲ層７０を通じて放出される光の波長を示す。そして、第２グラフＧ２の第２キャビティピークＰ２、第３グラフＧ３の第３キャビティピークＰ３及び第４グラフＧ４の第４キャビティピークＰ４は各々前記第２ないし第４場合に上部ＤＢＲ層７０を通じて放出されるレーザ光の波長を示す。第１ないし第４グラフＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４で第１ないし第４キャビティピークＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の位置が異なるが、これは前記したように上部ＤＢＲ層７０の屈折率を変化させて有効共振領域の幅を可変させることによって、上部ＤＢＲ層７０を通じて放出される光の波長を可変させうることを意味する。
【００４４】
　以上説明したように、本実施形態に多くの事項が具体的に記載されているが、それらは発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施形態の例示として解釈されなければならない。例えば、当業者なら、本発明の実施形態によるＶＣＳＥＬで絶縁層８０を空気層に代えられる。また、下部電極として使われる第１電極９０を基板４０の底面に備える代わりに、ｎ型化合物半導体層８６と接触されるように備えても良い。そのため、本発明の範囲は説明された実施形態によって決まるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決まらなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
　本発明は半導体レーザが使われる光学装置、例えば光記録及び再生装置に使用しうる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】従来技術によるＶＣＳＥＬの断面図である。
【図２】本発明の実施形態による波長可変型ＶＣＳＥＬの断面図である。
【図３】図２に示した波長可変型ＶＣＳＥＬの上部ＤＢＲ層の屈折率変化によって放出される光の反射率の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４７】
４０　基板
５０　下部ＤＢＲ層
５２　第１化合物半導体層
５４　第２化合物半導体層
６０　共振器層
６２　ｎ−下部キャリヤ制限層
６４　活性層
６６　ｐ−上部キャリヤ制限層
７０　上部ＤＢＲ層
７２　第３化合物半導体層
７４　第４化合物半導体層
８０　絶縁層
８２　電流制限層
８６　ｎ型化合物半導体層
９０　第１電極
９２ａ、９２ｂ　第２電極
９４ａ、９４ｂ　第３電極
【図１】
2004072118.tif 000003
【図２】
2004072118.tif 000004
【図３】
2004072118.tif 000005