(57)【要約】【課題】  低抵抗化と低閾値化を同時に達成することできる面発光レーザ装置を提供すること。【解決手段】  本発明にかかる面発光レーザ装置は、高屈折率層であるＧａＡｓ層３１と、ＧａＡｓ層３１より屈折率の低い低屈折率層であるＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３２と、ＧａＡｓ層３１とＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３２との間に配置され、ＧａＡｓ層３１とＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３２との間の屈折率を有する中間層とを備える積層構造が複数形成された分布ブラッグ反射器を有する面発光レーザ装置であって、分布ブラッグ反射器において、中間層の厚さがレーザ光の電界強度の位相に応じて異なるものである。【選択図】  図５
2005251860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、
前記活性層の上又は下に設けられたＤＢＲ層とを備えた面発光レーザ装置であって、
前記ＤＢＲ層は、
高屈折率層と、
前記高屈折率層より屈折率の低い低屈折率層と、
前記高屈折率層と前記低屈折率層との間に配置された中間層とを有する積層構造を複数有し、
前記活性層からの距離に応じて異なる厚さの前記中間層が設けられている面発光レーザ装置。
【請求項２】
活性層と、
前記活性層に隣接して設けられた第１のＤＢＲ層と、
前記第１のＤＢＲ層に隣接して設けられた第２のＤＢＲ層とを備えた面発光レーザ装置であって、
前記第１のＤＢＲ層と前記第２のＤＢＲ層とは、
高屈折率層と、
前記高屈折率層より屈折率の低い低屈折率層と、
前記高屈折率層と前記低屈折率層との間に配置された中間層とを有する積層構造を複数有し、
第１のＤＢＲ層における中間層の膜厚が、第２のＤＢＲ層における中間層の膜厚よりも厚い面発光レーザ装置。
【請求項３】
前記第１のＤＢＲ層の前記中間層における平均的な不純物ドーピング濃度が、前記第２のＤＢＲ層の前記中間層における平均的な不純物ドーピング濃度よりも低い請求項２に記載の面発光レーザ装置。
【請求項４】
前記中間層は、前記高屈折率層と前記低屈折率層の中間の屈折率を有する材料で構成され、ほぼ連続的に組成が変化している請求項２又は３に記載の面発光レーザ装置。
【請求項５】
前記第１のＤＢＲ層と前記第２のＤＢＲ層とが、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜＝ｘ＜＝１）で形成されている請求項２乃至４いずれかに記載の面発光レーザ装置。
【請求項６】
前記第１のＤＢＲ層において、
前記積層構造の周期数が５以上８以下である請求項２乃至５いずれかに記載の面発光レーザ装置。
【請求項７】
前記中間層の膜厚が１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である請求項２乃至６いずれかに記載の面発光レーザ装置。
【請求項８】
前記第１のＤＢＲ層に酸化電流狭窄層が形成されている請求項２乃至７いずれかに記載の面発光レーザ装置。
【請求項９】
高屈折率層と、
前記高屈折率層より屈折率の低い低屈折率層と、
前記高屈折率層と前記低屈折率層との間に配置され、前記高屈折率層と前記低屈折率層との間の屈折率を有する中間層とを備える積層構造が複数形成された分布ブラッグ反射器を有する面発光レーザ装置であって、
前記分布ブラッグ反射器が、
第１のＤＢＲ層と、
前記第１のＤＢＲ層よりも活性層の反対側に配置された第２のＤＢＲ層とを備え、
前記第１のＤＢＲ層における前記中間層が、前記第２のＤＢＲ層における前記中間層よりも薄く形成されている面発光レーザ装置。
【請求項１０】
前記活性層と分布ブラッグ反射器との間に配置された酸化電流狭窄層をさらに備え、
前記酸化電流狭窄層の電流狭窄開口幅が８μｍ以上である請求項９記載の面発光レーザ装置。
【請求項１１】
高屈折率層と、
前記高屈折率層より屈折率の低い低屈折率層と、
前記高屈折率層と前記低屈折率層との間に配置され、前記高屈折率層と前記低屈折率層との間の屈折率を有する中間層とを備える積層構造が複数形成された分布ブラッグ反射器を有する面発光レーザ装置であって、
前記分布ブラッグ反射器において、前記中間層の厚さがレーザ光の電界強度の位相に応じて異なる面発光レーザ装置。
【請求項１２】
前記分布ブラッグ反射器において、前記中間層の不純物ドーピング濃度がレーザ光の電界強度の位相に応じて異なる請求項１１記載の面発光レーザ装置。
【請求項１３】
前記分布ブラッグ反射器の前記中間層が、
前記電界強度の略同じ位相に配置された複数の第１の中間層と、
前記第１の中間層と１８０°異なる位相に配置された複数の第２の中間層とを備え、
前記第１の中間層が前記第２の中間層よりも薄く形成されている請求項１１又は１２記載の面発光レーザ装置。
【請求項１４】
前記電界強度が極大値となる位置に前記第１の中間層が配置され、
前記電界強度が極小値となる位置に前記第２の中間層が配置されている請求項１３記載の面発光レーザ装置。
【請求項１５】
前記第１の中間層の不純物ドーピング濃度が前記第２の中間層の不純物ドーピング濃度よりも高いことを特徴とする請求項１３記載の面発光レーザ装置。
【請求項１６】
前記電界強度が極小値となる位置に前記第１の中間層が配置され、
前記電界強度が極大値となる位置に前記第２の中間層が配置されている請求項１５記載の面発光レーザ装置。
【請求項１７】
前記分布ブラッグ反射器が
第１のＤＢＲ層と、
前記第１のＤＢＲ層よりも活性層の反対側に配置された第２のＤＢＲ層とを備え、
前記第１のＤＢＲ層における前記中間層が、前記第２のＤＢＲ層における前記中間層よりも薄く形成されている請求項１１乃至１６いずれかに面発光レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光レーザ装置に関し、特に詳しくは分布ブラッグ型反射器（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）を有する垂直共振器型面発光レーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
垂直共振器型面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ  ：ＶＣＳＥＬ）は、端面発光型レーザに比べて、製造コストが低い、製造の歩留りが高い、二次アレイ化が容易であるなど、多くの利点を有しており近年活発に、開発が進められている。
【０００３】
図７は、導電型ＤＢＲを有する一般的な面発光レーザ装置の構造である。この装置では、基板１０１上にｎ型ＤＢＲ層１０２、活性層１０３を含む共振器層１０４、及びメサ構造に加工されたｐ型ＤＢＲ層１０５が積層され、基板裏面及び表面に電極１０８、１０７が形成されている。ｐ型ＤＢＲ層１０５の最下層には酸化電流狭窄層１０９が設けられており、電流は、図に示すようにｐ型ＤＢＲ層１０５を通って酸化電流狭窄層１０９で規定された開口幅１１０に狭窄され、活性層３に注入される構造となっている。ｐ型ＤＢＲ層１０２及びｎ型ＤＢＲ層１０５は、高屈折率層と低屈折率層を一対の半導体層として、この層を複数積層することにより形成されている。
【０００４】
面発光レーザ装置においては、発光波長におけるＤＢＲ層の反射率が非常に高いことが必要とされる。そのためにＤＢＲ層には前記半導体層を十数周期以上の多くの周期数を積層することが必要となる。しかし、通常各半導体層において、高屈折率層と低屈折率層とのバンドギャップ差が大きいために、特にｐ型ＤＢＲ層１０５において、その各界面における電気抵抗が大きくなり、抵抗による発熱が素子特性劣化を引き起こし問題となることがしばしばある。このような半導体層界面の抵抗値を下げるためには、例えば高屈折率層と低屈折率層の間に中間の屈折率を有する中間層を設けることがある（特許文献１）。しかし、このような構成はある程度有効であるが、十分ではない。
【０００５】
また、界面付近における不純物ドーピング濃度を増加させると抵抗低減には効果的であるが、光学損失は逆に増加してしまい発振閾値が上昇してしまう。すなわち、ＤＢＲを構成する半導体層界面の不純物ドーピング濃度を高めることによって、低抵抗化を実現することと、低閾値特性を達成する課題は、トレードオフの関係にあった
【０００６】
このようなトレードオフを解決し、低抵抗化と低閾値化を両立させる手段がブラックにより開示された（非特許文献１）。この構造例について図８を用いて説明する。１．５μｍ帯で発光する面発光レーザ装置の構造図である。この装置は、半絶縁性ＧａＡｓ基板１１１上にアンドープのＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなるｎ型ＤＢＲ層１１２、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１１３、ｐ型ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓからなる第一のｐ型ＤＢＲ層１１５、第二のｐ型ＤＢＲ層１１６を順次積層した構造を有する構造となっている。第一のｐ型ＤＢＲ層１１５の最も活性層に近い層は、Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓを酸化させて形成した酸化電流狭窄層１１９となっており、第二のｐ型ＤＢＲ層１１６上部の電極１１７から酸化電流狭窄層１１９を通って活性層１１３に電流が注入される。
【０００７】
ここで、ｐ型ドーパントであるカーボンの濃度が、第一のｐ型ＤＢＲ層１１５（活性層１１３に近い側の１０周期分）では２×１０１７ｃｍ−３と、第二のｐ型ＤＢＲ層１１６（活性層に近い１０周期を除いた部分）における濃度（７×１０１７ｃｍ−３）よりも低く設定してある。この構造においては、活性層に近い側の、電界強度が比較的高い第一のｐ型ＤＢＲ層１１５の部分の不純物ドーピング濃度を低くしてあるため、光吸収損失を低減し、閾値の上昇を避けることが可能である。また、活性層から離れた側の第二のｐ型ＤＢＲ層１１６におけるドーピング濃度を高くしてあることによって低抵抗化が図られている。
【０００８】
しかし、図８に示された構造には次のような問題点がある。酸化電流狭窄型の面発光レーザは、酸化された層の屈折率が低くなるため、横方向の光の閉じこめが強く、低閾値が得られる構造であるが、単一横モード特性が求められる場合には酸化狭窄開口幅１２０を小さくしなければならない。しかし、酸化狭窄開口幅を小さくすると第一のｐ型ＤＢＲ１１５内に電流が流れる有効幅が小さくなってしまうが、第一のｐ型ＤＢＲ内のドーピング濃度は低く設定されているため、この部分の電気抵抗が無視できないほど大きくなり、さらにこの抵抗による発熱が、近傍に位置する活性層１１３の温度上昇を引き起こし、素子特性を劣化させてしまうという点である。
【０００９】
また、低抵抗化を図るため異なる構成を有する面発光レーザ装置が開示されている（特許文献２）。この面発光レーザ装置について図９を用いて説明する。この装置は不純物ドーピングされたｎ型ＤＢＲ層１２２及びｐ型ＤＢＲ層１２５並びにその間に積層された活性層１２３を含む構造となっている。ここで、ｐ型ＤＢＲ層１２２、ｎ型ＤＢＲ層１２５のうち活性層１２３に近い側の領域Ａにおいては、活性層から遠い側の領域Ｂよりもドーピング濃度が低く、かつＤＢＲを構成する半導体層相互間のエネルギーギャップ差が小さくなるように構成されている。
【００１０】
この構造においては、活性層に近い側の、電界強度が比較的高い領域Ａの部分の不純物ドーピング濃度を低くしてあるため、光吸収損失を低減し、閾値の上昇を避けることが可能である。また、活性層から離れた側の領域Ｂにおけるドーピング濃度を高くしてあることによって低抵抗化が図られている。さらに、この構造では、活性層に近い側の領域Ａにおいて、高屈折率層と低屈折率層のバンドギャップ差を小さくしてあるため、更なる低抵抗化が可能な構造となっている。
【００１１】
活性層１２３に近い領域Ａの部分のバンドギャップ差を小さくすることによって低抵抗化が図られているため、前記の問題点は改善され、低抵抗化を実現することは可能である。しかし、上述の面発光レーザ装置には以下のような問題点がある。この構造では、活性層に近い側の領域Ａにおいて、高屈折率層と低屈折率層のバンドギャップ差を小さくしてある。低抵抗化の効果が十分得られるようにバンドギャップ差を低減してしまうと、同時に屈折率差も小さくなってしまい、ＤＢＲ全体の反射率が低くなってしまうという点である。反射率が下がってしまうと、特に長波長域で発光する活性層では利得が低い場合が多いので、発振閾値の上昇の影響は無視できなくなってしまう。また、低下した反射率を補うために、ＤＢＲ周期数を増加させた場合には、その分のＤＢＲ抵抗が増加してしまい、低抵抗化の効果が小さくなってしまう。
【００１２】
さらに図８に示す構成において第一のｐ型ＤＢＲ層１１５及び第二のｐ型ＤＢＲ層１１６とを高屈折率層と低屈折率層並びに高屈折率層、低屈折率層との間の屈折率を有する中間層との積層構造とするものが開示されている（特許文献３）。この構成において、第一のｐ型ＤＢＲ層１１５では第二のｐ型ＤＢＲ層１１６よりも中間層の厚さを厚く且つドーピング濃度を低濃度としている。すなわち、光の電界強度の大きい領域では中間層の厚さを厚く且つドーピング濃度を低くしており、電界強度の小さい領域では中間層の厚さを薄く且つドーピング濃度を高くしている。
【００１３】
【特許文献１】特開平０３−２２４２８５号公報
【特許文献２】特開２００１−３３２８１２号公報
【特許文献３】特開２００３−３２４２５２号公報
【非特許文献１】エレクトロニクス・レターズ  ３４巻  ２０号  １９４７−１９４９項
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
このように従来の面発光レーザ装置では素子特性を劣化させずに低抵抗化と低閾値化とを同時に達成することが困難であるという問題点があった。
【００１５】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり低抵抗化と低閾値化を同時に達成することできる面発光レーザ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】
【００１６】
本発明の第一の態様にかかる面発光レーザ装置は、活性層と、前記活性層の上又は下に設けられたＤＢＲ層とを備えた面発光レーザ装置であって、前記ＤＢＲ層は、高屈折率層（例えば、本発明の実施の形態にかかるＧａＡｓ層３１）と、前記高屈折率層より屈折率の低い低屈折率層（例えば、本発明の実施の形態にかかるＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３２）と、前記高屈折率層と前記低屈折率層との間に配置された中間層（例えば、本発明の実施の形態にかかる中間層）とを有する積層構造を複数有し、前記活性層からの距離に応じて異なる厚さの前記中間層が設けられているものである。これにより、低抵抗化と低閾値化を同時に達成することできる。
【００１７】
本発明の第二の態様にかかる面発光レーザ装置は、活性層と、前記活性層に隣接して設けられた第１のＤＢＲ層（例えば、本発明の実施の形態にかかる第一のｐ型ＤＢＲ層５）と、前記第１のＤＢＲ層に隣接して設けられた第２のＤＢＲ層（例えば、本発明の実施の形態にかかる第二のｐ型ＤＢＲ層６）とを備えた面発光レーザ装置であって、前記第１のＤＢＲ層と前記第２のＤＢＲ層とは、高屈折率層と、前記高屈折率層より屈折率の低い低屈折率層と、前記高屈折率層と前記低屈折率層との間に配置された中間層とを有する積層構造を複数有し、第１のＤＢＲ層における中間層の膜厚が、第２のＤＢＲ層における中間層の膜厚よりも厚いものである。これにより、低抵抗化と低閾値化を同時に達成することできる。
【００１８】
本発明の第三の態様にかかる面発光レーザ装置は、上述の面発光レーザであって、前記第１のＤＢＲ層の前記中間層における平均的な不純物ドーピング濃度が、前記第２のＤＢＲ層の前記中間層における平均的な不純物ドーピング濃度よりも低いものである。これにより、光吸収損失を低減することができる。
【００１９】
本発明の第四の態様にかかる面発光レーザ装置は、上述の面発光レーザであって、前記中間層は、前記高屈折率層と前記低屈折率層の中間の屈折率を有する材料で構成され、ほぼ連続的に組成が変化しているものである。
【００２０】
本発明の第五の態様にかかる面発光レーザ装置は、上述の面発光レーザであって、前記第１のＤＢＲ層と前記第２のＤＢＲ層とが、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜＝ｘ＜＝１）で形成されているものである。
【００２１】
本発明の第六の態様にかかる面発光レーザ装置は、上述の面発光レーザであって、前記第１のＤＢＲ層において、前記積層構造の周期数が５以上８以下であるものである。これにより、高反射率を得ることができる。
【００２２】
本発明の第七の態様にかかる面発光レーザ装置は、上述の面発光レーザであって、前記中間層の膜厚が１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であるものである。これにより、反射率の低下を抑制することができる。
【００２３】
本発明の第八の態様にかかる面発光レーザ装置は、上述の面発光レーザであって、前記第１のＤＢＲ層に、酸化電流狭窄層が形成されているものである。
【００２４】
本発明の第九の態様にかかる面発光レーザ装置は、高屈折率層（例えば、本発明の実施の形態にかかるＧａＡｓ層３１）と、前記高屈折率層より屈折率の低い低屈折率層（例えば、本発明の実施の形態にかかるＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３２）と、前記高屈折率層と前記低屈折率層との間に配置され、前記高屈折率層と前記低屈折率層との間の屈折率を有する中間層（例えば、本発明の実施の形態にかかる中間層）とを備える積層構造が複数形成された分布ブラッグ反射器を有する面発光レーザ装置であって、前記分布ブラッグ反射器が第１のＤＢＲ層（例えば、本発明の実施の形態にかかる第一のｐ型ＤＢＲ層１５）と、前記第１のＤＢＲ層よりも活性層の反対側に配置された第２のＤＢＲ層（例えば、本発明の実施の形態にかかる第二のｐ型ＤＢＲ層１６）とを備え、前記第１のＤＢＲ層における前記中間層が、前記第２のＤＢＲ層における前記中間層よりも薄く形成されているものである。これにより、低抵抗化と低閾値化を同時に達成することできる。
【００２５】
本発明の第十の態様にかかる面発光レーザ装置は、上述の面発光レーザ装置において、前記活性層と分布ブラッグ反射器との間に配置された酸化電流狭窄層（例えば、本発明の実施の形態にかかる酸化電流狭窄層１９）をさらに備え、前記酸化電流狭窄層の電流狭窄開口幅（例えば、本発明の実施の形態にかかる電流狭窄開口幅２０）が８μｍ以上であるものである。これにより、低抵抗化と低閾値化を同時に達成することできる。
【００２６】
本発明の第１１の態様にかかる面発光レーザ装置は、高屈折率層と、前記高屈折率層より屈折率の低い低屈折率層と、前記高屈折率層と前記低屈折率層との間に配置され、前記高屈折率層と前記低屈折率層との間の屈折率を有する中間層とを備える積層構造が複数形成された分布ブラッグ反射器を有する面発光レーザ装置であって、前記ブラッグ反射器において、前記中間層の厚さがレーザ光の電界強度の位相に応じて異なるものである。これにより、低抵抗化と低閾値化を同時に達成することできる。
【００２７】
本発明の第１２の態様にかかる面発光レーザ装置は、上述の面発光レーザ装置において、前記分布ブラッグ反射器において、前記中間層のドーピング濃度がレーザ光の電界強度の位相に応じて異なるものである。これにより、光吸収損失を低減することができる。
【００２８】
本発明の第１３の態様にかかる面発光レーザ装置は、上述の面発光レーザ装置において、前記分布ブラッグ反射器の前記中間層が、前記電界強度の略同じ位相に配置された複数の第１の中間層と、前記第１の中間層（例えば、本発明の実施の形態にかかる中間層Ａ）と１８０°異なる位相に配置された複数の第２の中間層（例えば、本発明の実施の形態にかかる中間層Ｂ）とを備え、前記第１の中間層が前記第２の中間層よりも薄く形成されているものである。これにより、反射率を維持したまま、抵抗の低減が可能になる。
【００２９】
本発明の第１４の態様にかかる面発光レーザ装置は、上述の面発光レーザ装置において、前記電界強度が極大値となる位置に前記第１の中間層が配置され、前記電界強度が極小値となる位置に前記第２の中間層が配置されているものである。これにより、高反射率を維持したまま抵抗を低減することができる。
【００３０】
本発明の第１５の態様にかかる面発光レーザ装置は、上述の面発光レーザ装置において、前記第１の中間層の不純物ドーピング濃度が前記第２の中間層の不純物ドーピング濃度よりも高いことを特徴とするものである。これにより、光吸収損失を低減することができる。
【００３１】
本発明の第１６の態様にかかる面発光レーザ装置は、上述の面発光レーザ装置において、前記電界強度が極小値となる位置に前記第１の中間層が配置され、前記電界強度が極大値となる位置に前記第２の中間層が配置されているものである。これにより、高反射率を維持したまま抵抗を低減することができる。
【００３２】
本発明の第１７の態様にかかる面発光レーザ装置は、上述の面発光レーザ装置において、前記分布ブラッグ反射器が、第１のＤＢＲ層と、前記第１のＤＢＲ層よりも活性層の反対側に配置された第２のＤＢＲ層とを備え、前記第１のＤＢＲ層における前記中間層が、前記第２のＤＢＲ層における前記中間層よりも薄く形成されているものである。これにより、低抵抗化と低閾値化を同時に達成することできる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、低抵抗化と低閾値化を同時に達成することできる面発光レーザ装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略される。
発明の実施の形態１．
【００３５】
本発明の実施の形態１にかかる面発光レーザ装置について図１を用いて説明する。１は基板、２はｎ型ＤＢＲ層、３は活性層、４は共振器層、５は第一のｐ型ＤＢＲ層、６は第二のｐ型ＤＢＲ層、７は上部電極、８は下部電極、９は酸化電流狭窄層、１０は電流狭窄開口幅である。
【００３６】
本実施の形態にかかる面発光レーザ装置は、基板１上に、ｎ型ＤＢＲ層２が形成されている。ｎ型ＤＢＲ層２の上には活性層３を含む共振器層４が設けられている。共振器層４の上にはさらに、共振器層４上に隣接した第一のｐ型ＤＢＲ層５及び第一のｐ型ＤＢＲ層５に隣接した第２のｐ型ＤＢＲ層６を備えている。第一のｐ型ＤＢＲ層５及び第二のｐ型ＤＢＲ層６はメサ構造に加工されており。共振器層４よりも幅狭に形成されている。ｎ型ＤＢＲ層２、第一のｐ型ＤＢＲ層５及び第二のｐ型ＤＢＲ層６は、それぞれ高屈折率層、低屈折率層、及びその間に形成された中間層を複数繰り返した構造からなっている。したがって、高屈折率層、中間層、低屈折率層及び中間層が基本単位となり、この基本単位が繰り返し設けられている。本構造においては、第一のｐ型ＤＢＲ層５における中間層の膜厚が、第二のｐ型ＤＢＲ層６における中間層の膜厚よりも相対的に大きいことが特徴である。
【００３７】
上部電極７から注入された電流は、酸化電流狭窄層９で規定された電流狭窄開口幅１０に狭窄され、活性層３に注入される。活性層３で発生した光は基板と垂直方向に伝播し、各ＤＢＲ層に設けられた反射鏡で反射されながら増幅され、上面側から光が外へ出射する。
【００３８】
図１に示した面発光レーザ装置の製造方法につき図２を用いて説明する。図２は本発明にかかる面発光レーザ装置の工程断面図である。なお、以下の説明は、活性層３にＧａＡｓＳｂ量子井戸を用いた、１．３μｍ帯で発振する面発光レーザ装置の例を選択している。
【００３９】
ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層とｎ型ＧａＡｓ層及びこれらの間に形成された中間層の一対を基本単位とする半導体層を複数積層したｎ型ＤＢＲ層２を形成する。ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層が低屈折率層となり、ｎ型ＧａＡｓ層が高屈折率層となる。ｎ型ＤＢＲ層２の上からＧａＡｓＳｂ量子井戸とＧａＡｓ障壁層からなる活性層３を含む１発振波長分の光学長からなる共振器層４を形成する。
【００４０】
共振器層４の上には、ｐ型ＧａＡｓ層とｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層及びこれらの間に形成された中間層の一組を基本単位とする半導体層を複数積層した第一のｐ型ＤＢＲ層５を形成する。ｐ型ＧａＡｓ層とｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層及びこれらの間に形成された中間層の一対を基本単位とする半導体層を複数積層した第二のｐ型ＤＢＲ層６を形成する。ここでｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層が低屈折率層となり、ｎ型ＧａＡｓ層が高屈折率層となる。これらは有機金属気相エピタキシャル成長法（ＭＯＶＰＥ法）や有機金属化学的気相成長法（ＭＯＣＶＤ）などを用いて順次積層することができる。第一のｐ型ＤＢＲ層５の一部は、ｐ型ＡｌＡｓ層に置き換えられており、酸化電流狭窄形成層９ａとなっている。これにより、図２（ａ）に示す構成となる。
【００４１】
次に、通常のフォトリソグラフィー工程及び塩素系ドライエッチングにより、共振器層４の表面が露出するまで第二のｐ型ＤＢＲ層６、第１のＰ型ＤＢＲ層及び酸化電流狭窄形成層９ａを除去する。図２（ｂ）に示すように基板１の端部において第二のｐ型ＤＢＲ層６、第１のＰ型ＤＢＲ層及び酸化電流狭窄形成層９ａを共振器層４が露出するまでエッチングする。これにより、平板の中央部を厚く、端部を薄くしたメサ構造１１となる。ここでは、直径約３０μｍのメサ構造１１を形成する。これにより、端部において共振器層４の上面が露出する構成となる。
【００４２】
次に、水蒸気雰囲気中において温度約４００℃で約１０分間加熱を行う。酸化電流狭窄形成層９ａの外側周縁部のみが円環状に選択的に酸化されて絶縁体となる。酸化電流狭窄形成層９ａの中心部には直径が約６μｍの非酸化領域が残る。これにより、図２（ｃ）に示すように、中心部に６μｍ径の電流狭窄開口幅１０が設けられた酸化電流狭窄層９が形成される。酸化した部分には電流が流れない様になり、酸化されていない中央の電流狭窄開口幅１０にのみ電流が流れるようになる。横から部分的に酸化してやることによって、電流が局所的に流れるようにすることが可能となる。これは、光閉じこめとしての効果があり、効率よく発振することができる。なお、この円環状の非酸化領域から出力光が取り出される。
【００４３】
さらに図２（ｄ）に示すように、上側の基板表面にチタン及び金を蒸着して、リング形状の上部電極７を形成する。最後に、基板裏面全面にＡｕＧｅ（ゲルマニウム）合金を蒸着し、加熱してアロイ化させ、下部電極８を形成する。これにより図２（ｄ）に示す構成となる。
【００４４】
ここで、第一のｐ型ＤＢＲ層５及び第二のｐ型ＤＢＲ層の構成について図３を用いて説明する。図３はＤＢＲ層の構成を模式的に示した図である。図３（ａ）は、横軸が積層方向の距離、縦軸がＡｌ組成の変化を示しており、高屈折率層はＡｌ＝０、低屈折率層はＡｌ＝０．９０、これらの間にある中間層は、連続的にＡｌ組成を変化させた層となっている。中間層の構成は、高屈折率層と低屈折率層との中間の組成を有する単一又は複数の層からなっていても良いが、ほぼ連続的に組成を変化させた構造の方が望ましい。この中間層の膜厚は、第一のｐ型ＤＢＲ層５においては２２ｎｍ、第二のｐ型ＤＢＲ層６においては１２ｎｍとしてあることが特徴である。高屈折率のＧａＡｓ層と低屈折率のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の膜厚については、片方の中間層の中心からもう一方の中間層の中心までの媒質内の光路長の合計が、発振波長のほぼ１／４となるように設定してある。即ち、中間層、高屈折率層、中間層及び低屈折率層の４層からなる基本単位の合計膜厚が、光路長が発振波長のほぼ１／２となるように設定してある。これら４層を１周期として、複数の周期の積層構造が第一のｐ型ＤＢＲ層５及び第二のｐ型ＤＢＲ層６に形成されている。
【００４５】
不純物ドーピング濃度プロファイルについては、ドーピングされた不純物によるキャリアの再分布を考慮して、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層側の界面付近を高濃度ドープし、バルク層部分及びＧａＡｓ層側の界面付近は、低濃度ドープとしている。平均的なドーピング濃度は、第二のｐ型ＤＢＲ層６において５×１０１７ｃｍ−３とし、第一のｐ型ＤＢＲ層５では、２．５×１０１７ｃｍ−３と低く設定した。その理由は、活性層に近い第一のｐ型ＤＢＲ層内では電界強度が大きいため、ドーピング濃度の低減により光吸収損失を低減してＤＢＲ層の反射率を上げることが可能であるためである。本実施形態においては、比較的利得の低いＧａＡｓＳｂ量子井戸を活性層として用いているため、この部分のドーピング濃度の低減は有効であるが、必ずしも必要ではなく、ドーピング濃度は一定でも構わない。また、ドーピング濃度を低減させた領域の範囲は、必ずしも第一のｐ型ＤＢＲ層５と一致していなくても良い。
【００４６】
ここで、中間層の膜厚を変化させた場合の効果を示すために、図１に示す第一のｐ型ＤＢＲ層５内のＧａＡｓ層とＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層との間の中間層の部分の、平衡時の価電子帯バンド構造を模式的に図３（ｂ）に示す。実線が中間層厚１２ｎｍの場合、点線が中間層厚２４ｎｍの場合である。図１の第一のｐ型ＤＢＲ層５においては、活性層から遠い側のｐ型電極から活性層方向に向かって正孔が注入されるため、図３（ｂ）に示す、ＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層の界面のヘテロスパイクが正孔に対するバリアとなって抵抗を増加させる。このヘテロスパイクは、ＧａＡｓ層からＡｌＧａＡｓ層への界面と、ＡｌＧａＡｓ層からＧａＡｓ層への界面の両方に存在する。このヘテロスパイクの高さが、中間層の膜厚が１２ｎｍの場合は約１７０ｍｅＶであるのに対し、中間層の膜厚が２４ｎｍの場合は約５０ｍｅＶとなり、積層方向の抵抗低減の効果が得られることが分かる。第一のｐ型ＤＢＲ層内においては、電流の流れる有効面積が酸化電流狭窄層９によって小さくなっているため、第一のｐ型ＤＢＲ層内における積層方向の抵抗低減は、素子抵抗の低減に大きく寄与する。また、この場合には、不純物ドーピングを増加させる必要がないため、高反射率を維持したまま低抵抗化が可能となる
【００４７】
第一のｐ型ＤＢＲ層内においては、中間層厚を厚くすることで若干の反射率の低下はあるものの、中間層の構成を、屈折率がほぼ連続的に変化するようにしておけば、その変化は殆ど無視できる程度に抑えられる。例えば、第一のｐ型ＤＢＲ層５における中間層を、４分割して段階的に屈折率が異なるように構成した場合、総周期数２６周期のＤＢＲの反射率は、中間層厚が１０ｎｍの場合９９．８０９％、３０ｎｍの場合９９．８００％であり、この差は長波長域の利得の低い活性層を用いた場合でも無視できる程小さい。このように、第一のｐ型ＤＢＲ層５における中間層厚を広げることで、反射率の低下なく抵抗を下げることが可能である。
【００４８】
このような検討を重ねた結果、中間層の膜厚の値については、第一のｐ型ＤＢＲ層５に用いる厚さとしては、反射率の低下を抑え、また十分低抵抗化が可能な最大値として約３０ｎｍ、第二のｐ型ＤＢＲ層６に用いる厚さとしては、最小値として１０ｎｍ程度が望ましいことが見いだされた。
【００４９】
第一のｐ型ＤＢＲ層５及び第二のｐ型ＤＢＲ層６の周期数については、ＤＢＲ構造等により異なるが、本実施形態においては、酸化狭窄開口径が６μｍと小さいため、活性層に近い数層部分の抵抗が、素子全体の抵抗に大きく寄与するので、５−８層程度に設定することが望ましい。中間層膜厚を厚くすることは、若干の熱抵抗増加をもたらすため、第一ＤＢＲ層の周期数を必要以上にすることは好ましくなく、ＤＢＲ、活性層構造、酸化狭窄開口径、必要とされる特性等の条件に依り異なるが、抵抗低減効果が顕著に得られる最小の範囲に最適化することが望ましい。第二のｐ型ＤＢＲ層６の周期数は、第一のｐ型ＤＢＲ層５の周期数と、必要なＤＢＲの反射率に応じて決定される。
【００５０】
また、一般的には活性層に近い５−８周期においては、電界強度が高く、ＤＢＲ反射率への寄与も同時に高くなっているため、この第一ＤＢＲ層の不純物ドーピング濃度を下げることも、高反射率を得るためには非常に効果的である。
【００５１】
また、ここでは、ｐ型ＤＢＲの場合のみについて記したが、ｎ型ＤＢＲにおけるｎ型キャリアの導電を考えた場合にも、同様の構造が適用可能であり、活性層からの距離によって中間層膜厚を変化させることは有効である
【００５２】
また、中間層の厚みに関しては、ここでは製造方法を簡潔にするために、第一のｐ型ＤＢＲ層５と第二のｐ型ＤＢＲ層６との二つに分けて、各々において各層一定としたが、活性層に近い側が相対的に薄く、遠くに離れるに従って相対的に厚くすることが効果的であるから、活性層からの距離に応じて、各層ごとに適宜厚みを変化させても良い。また、ＤＢＲ反射率を上げるために、導電性ＤＢＲの上に非導電性のＤＢＲが設けてあっても良く、非導電性のＤＢＲ層においては、中間層厚はなるべく小さく、或いは中間層を有さない構造が望ましい。
【００５３】
以上の製法により得られた図１の面発光レーザ装置では、低抵抗かつ低閾値な特性を両立することが可能となる。
発明の実施の形態２．
【００５４】
図４を用いて本発明による面発光レーザ装置の第２の実施の形態を説明する。第１の実施の形態で示した図１と異なる点は、次のとおりである。すなわち、本実施の形態では、図２で示された第１の実施の形態と同じ製法を採用するものであるが、第一のｐ型ＤＢＲ層１５と第二のｐ型ＤＢＲ層１６の中間層厚の大小関係が逆である点が異なっている。第一のｐ型ＤＢＲ層１５の中間層厚が第二のｐ型ＤＢＲ層の中間層よりも薄くなっている。例えば、第一のｐ型ＤＢＲ層１５の中間層厚は５ｎｍであり、第二のｐ型ＤＢＲ層１６の中間層厚は１５ｎｍである。
【００５５】
このような構成は、特に低閾値化を重要視し、低抵抗化に関しては電流狭窄開口幅１０をそれほど狭める必要のないマルチモード面発光レーザ装置や、電流狭窄開口を持たないメサ構造やイオン注入電流狭窄構造面発光レーザ装置の場合に有効である。具体的には電流狭窄開口幅２０が８μｍ以上である場合に、特に有効である。図４に示すマルチモード面発光レーザ構造においては、電流狭窄開口幅２０は１５μｍと大きく設定してある。
【００５６】
ここで、活性層１３に近い側の電界強度の高い第一のｐ型ＤＢＲ層１５においては、中間層厚を薄くして高反射率化の効果を高めている。これにより、少ないＤＢＲ周期数で高反射率を得ることが可能となる。第一のｐ型ＤＢＲ層１５における界面抵抗値は高くなるものの、電流狭窄開口幅がそれほど小さくないため、高抵抗化の影響は小さく抑えられる。また、合計のＤＢＲ周期数が少なくて済むため、その分低抵抗化が可能となる。例えば、ＤＢＲ周期数を通常構造に比べ数周期低減することができる。
発明の実施の形態３．
【００５７】
本実施の形態にかかる面発光レーザ装置について図５を用いて説明する。第１の実施の形態で示した図１と異なる点は、次のとおりである。本実施の形態では、図２で示された第１の実施の形態と同じ製法を採用するものであるが、図５（ａ）では第一のｐ型ＤＢＲ層５は、二つに分かれてはいないが、その構成要素である一組の半導体層内において、２つの中間層の膜厚が異なっており、活性層に近い側の中間層厚と、活性層に遠い側の中間層厚とを変化させてある点である。
【００５８】
図５（ｂ）は、本実施形態の面発光レーザ装置の上側に配置されたｐ型ＤＢＲ層２５の構成要素である、一組の半導体層を模式的に示している。活性層に近い方から見て、高屈折率のＧａＡｓ層３１、中間層Ａ、低屈折率のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３２、中間層Ｂかの順番で構成されている。そして、高屈折率のＧａＡｓ層３１、中間層Ａ、低屈折率のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３２、中間層Ｂが繰り返し配置された積層構成となる。ここで、中間層Ｂの膜厚が中間層Ａの膜厚よりも厚いことが特徴である。ｐ型ＤＢＲ層２５において、中間層Ａと中間層Ａより厚さの厚い中間層Ｂを光の電界強度の位相に基づいて配置している。中間層Ａが配置される電界強度の位相と中間層Ｂが配置される電界強度の位相とを１８０°ずらして配置している。したがって、電界強度が極大値となる位置に膜厚の薄い中間層Ａが配置され、電界強度が極小値となる位置に膜厚の厚い中間層Ｂが配置される。
【００５９】
中間層Ａが配置された電界強度の位相と中間層Ｂが配置された電界強度の位相とは互いに１８０°ずれている。従って、膜厚の薄い中間層Ａは３６０°すなわち光の１周期毎に形成され、これらは同じ位相に配置される。膜厚の厚い中間層Ｂは３６０°すなわち光の１周期毎に形成され、これらは同じ位相に配置される。繰り返し設けられた中間層Ａはそれぞれ電界強度の極大値に配置される。同様に繰り返し設けられた中間層Ｂはそれぞれ電界強度の極小値に配置される。また中間層Ａは中間層Ｂよりも膜厚が薄いため、中間層Ａの屈折率変化は中間層Ｂの屈折率変化よりも急勾配となる。
【００６０】
光の電界強度分布に着目すると、中間層Ａにおいては電界強度が高く、中間層Ｂにおいては電界強度が低くなることが分かる。よって、電界強度の低い部分の中間層Ｂの膜厚を厚くしても反射率低下の影響が小さく、反射率を維持したまま、抵抗の低減が可能となる。このように本実施の形態では、ｐ型ＤＢＲ層２５における光の電界強度の位相に基づいて、異なる厚さの中間層を配置させている。これにより、反射率を維持したまま、抵抗の低減が可能となる。例えば、中間層Ａの厚さを１０ｎｍとし、１８０°位相のずれた中間層Ｂの厚さを３０ｎｍとすることができる。このような構成で配置することにより、抵抗を低減することができる。
【００６１】
さらに、不純物ドーピング濃度プロファイルと中間層の膜厚変化を組み合わせた最適化も可能である。この形態を図５（ｃ）に示す。この場合は、不純物ドーピングの高い部分を電界強度の低い中間層Ｂとし、電界強度の高い中間層Ａにおいて不純物ドーピング濃度を低くして光吸収損失を低減するのが望ましい。例えば、電界強度が極大となる位置にドーピング濃度が低い中間層Ａを配置する。一方、中間層Ａから光の電界強度の位相が１８０°異なり、極小となる位置にドーピング濃度が高い中間層Ｂを配置する。これにより、光吸収損失を低減することができる。
【００６２】
この場合に、ドーピング濃度の低い中間層Ａの膜厚を、図５（ｂ）とは逆に、中間層Ｂよりも厚くする。すなわち、電界強度が極大となる位置に膜厚の厚い中間層Ａを配置する。一方、中間層Ａから光の電界強度の位相が１８０°異なり、極小となる位置に中間層Ａより膜厚の薄い中間層Ｂを配置する。これにより、抵抗を低減することが可能となる。例えば、中間層Ａのドーピング濃度を５×１０１７ｃｍ−３とし、厚さを３０ｎｍとする。一方、中間層Ｂのドーピング濃度を１×１０１８ｃｍ−３とし、厚さを１０ｎｍとする。これにより、光吸収損失を低減することができる。
【００６３】
本実施形態は、第一の実施の形態と組み合わせて用いることもできる。これを図６に示す。図６において、第一のｐ型ＤＢＲ層４５と、第二のｐ型ＤＢＲ層４６において、相対的に中間層厚は第一のｐ型ＤＢＲ層４５の方が厚くなっており、さらに各々のＤＢＲ層内については、図５（ｃ）のように、中間層Ａの膜厚は中間層Ｂの膜厚よりも大きく、かつドーピング濃度が高くなっている。この構造においては、高反射率を維持したまま、最大限に抵抗を低減することが可能となる。
【００６４】
このように本実施の形態では光の電界強度の位相に基づいて、中間層の膜厚、ドーピング濃度を変化させている。これにより、光の電界強度が高い位置と低い位置に異なる厚さの中間層または異なるドーピング濃度を有する中間層を配置することができる。これにより、高反射率を維持したまま抵抗を低減することができるため、低閾値化を図ることができる。
【００６５】
以上、実施の形態１〜３について説明を行った。しかし、本発明は、これら実施形態に具体的に示した構成、方法に限定されるものではなく、発明の趣旨に沿うものであれば種々のバリエーションが考えられる。
【００６６】
例えば、前述の実施例においては、活性層の材料としてＧａＡｓＳｂ量子井戸を用いたが、本発明は、これらに限られず、ＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓを用いて近赤外用の面発光レーザ装置を構成することもできるし、また、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＰなどの可視ＶＣＳＥＬ装置にも適用できる。更に、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓや、ＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＡｓ量子ドット等の活性層を用いて長波帯の単一モードＶＣＳＥＬ装置を構成することもできる。これらの、単一モードファイバ通信に適した長波長帯の面発光レーザ装置に対しては、一般にＧａＡｓやＩｎＧａＡｓの近赤外帯の発光層に比べ利得が低く、温度特性が劣るものが多いため、本発明による低閾値化と低抵抗化の両立を図ることは非常に有効である。さらには、ＧａＮ系やＺｎＳｅ系等を用いて青色または紫外線用の面発光レーザ装置を構成することができる。
【００６７】
また、これらの活性層の材料に応じて、ＤＢＲ層含めたその他の層の材料・組成や、ＤＢＲ層の周期数を含めたそれぞれの層の厚みを適宜選択、設定できることはいうまでもない。
【００６８】
実施の形態１〜３における本発明の面発光レーザ装置では、電流狭窄部にＡｌＧａＡｓ酸化層を用いたが、電流狭窄方法もこれに制限されるものではなく、イオン注入、メサ構造、埋込構造等、適宜選択することが可能であるが、ＡｌＧａＡｓ酸化電流狭窄構造においては、特に有効である。
【００６９】
実施の形態１〜３における本発明の面発光レーザ装置では、調整部の非酸化領域の形状が、円環状となっているため出力光の断面も円環状となるが、必要に応じて楕円型などの所望の断面形状をもつ出力光を出射するようにしてもよい。このためには、例えば、第１の実施の形態における製法で、小円柱状構造、円柱状構造としていた柱状構造を、楕円型などの所望の柱状構造としてエッチングにより形成すればよい。
【００７０】
実施の形態１〜３で、ｎ型をｐ型に、かつｐ型をｎ型に変更してもよい。
【００７１】
また、本発明の趣旨は、面発光レーザ装置のＤＢＲ領域における電流分布、及び電界分布を考慮して、ＤＢＲ層内の中間層膜厚を変化させ最適化することにより、低抵抗化とＤＢＲの高反射率化による低閾値化を両立させる、ということである。さらに、不純物ドーピング濃度プロファイルと組み合わせることで更なる最適化が可能となる。よって、ここに示した実施形態に限定されず、より詳細な、或いは必要な特性、構造等に応じて、設計を行うことが可能である。
【００７２】
以上説明したとおり、本発明によれば、低抵抗化と低閾値化のトレードオフを解決し、低閾値かつ低電圧で駆動でき、高出力の得られる面発光レーザ装置を提供できる。また、本発明による面発光レーザ装置は、通信システムを始め、光インターコネクション、プリンタ、光磁気記録等に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる面発光レーザ装置の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる面発光レーザ装置の製造工程を示す工程断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる面発光レーザ装置のＤＢＲ層を構成する半導体層を模式的に示した断面図、及び効果について説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかる面発光レーザ装置の構成を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態３にかかる面発光レーザ装置の断面図及び、ＤＢＲ層を構成する半導体層を模式的に示したで図である。
【図６】本発明の実施の形態３にかかる面発光レーザ装置の別の構成を示す断面図である。
【図７】従来の面発光レーザ装置の構成を示す断面図である。
【図８】従来の面発光レーザ装置の構成を示す断面図である。
【図９】従来の面発光レーザ装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１、１１、２１、４１、１０１、１１１、１２１  基板
２、１２、２２、４２、１０２、１１２、１２２  ｎ型ＤＢＲ層
３、１３、２３、４２、１０３、１１３、１２３  活性層
４、１４、２４、４４、１０４、１１４、１２４  共振器層
５、１５、４５、１１５  第一のｐ型ＤＢＲ層
６、１６、４６、１１６  第二のｐ型ＤＢＲ層
２５、１０５、１２５    ｐ型ＤＢＲ層
７、１７、２７、４７、１０７、１１７、１２７  上部電極
８、１８、２８、４８、１０８、１１８、１２８  下部電極
９、１９、２９、４９、１０９、１１９、１２９  酸化電流狭窄層
９ａ  酸化電流狭窄形成層
１０、２０、３０、５０、１１０、１２０  電流狭窄開口幅
１１  メサ構造
３１  ＧａＡｓ層
３２  Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層
【図１】
2005251860.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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