(57)【要約】【課題】  出力光特性の制御をすることができ、しかも製造プロセスでの歩留まりを向上させることができる半導体発光素子およびその駆動方法を提供する。【解決手段】  主電極（ｎ側電極２３およびｐ側電極２４）により活性層１４に向けて駆動電流Ｉ０が供給される一方、制御電極１８に対してｎ側電極２３と同一極性の電圧が印加される。これにより電流注入領域１６の周辺に電界が発生し、この電界に誘発されて電流注入領域１６内に空乏領域が生じる。この空乏領域により電流狭窄領域１６が狭められ、電流狭窄径の大きさが決まる。制御電極１８に印加される電位の大きさに応じて電流狭窄径が変化し、この電流狭窄径に応じて活性層１４に注入される駆動電流Ｉ０の通過量が変化し、光出力モードが変化する。【選択図】        図１
2005243900.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層を含む積層構造の半導体層と、
前記活性層に駆動電流を供給する主電極と、
前記主電極と前記活性層との間に設けられると共に、前記駆動電流が通過可能な電流注入領域を有する電流狭窄部と、
前記電流狭窄部の近傍に前記主電極とは独立して設けられた制御電極と、
前記制御電極に前記主電極と同一極性の電位を印加して前記電流注入領域の大きさを変化させる制御手段と
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記制御手段は、前記制御電極に対して一定電位の直流電圧を印加する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記制御手段は、前記制御電極に対して異なる電位の直流電圧を連続的に印加する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記制御手段は、前記制御電極に対してパルス電圧を印加し、出力光の変調を行う
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記積層構造の積層方向と同一方向に対向する共振器端面を有する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記積層構造の積層方向に対して垂直な方向に対向する一対の共振器端面を有する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項７】
活性層を含む積層構造の半導体層と、前記活性層に駆動電流を供給する主電極と、前記主電極と前記活性層との間に前記駆動電流が通過可能な電流注入領域を有する電流狭窄部とを備えた半導体発光素子の駆動方法であって、
前記電流狭窄部の近傍に前記主電極とは独立して制御電極を設けると共に、前記制御電極に対して前記主電極と同一極性の電位を印加し、前記半導体層内に空乏領域を発生させることにより前記電流注入領域の大きさを変化させて、前記主電極からの駆動電流の通過量を制御する
ことを特徴とする半導体発光素子の駆動方法。
【請求項８】
前記制御電極に対して一定電位の直流電圧を印加する
ことを特徴とする請求項７記載の半導体発光素子の駆動方法。
【請求項９】
前記制御電極に対して異なる電位の直流電圧を連続的に印加する
ことを特徴とする請求項７記載の半導体発光素子の駆動方法。
【請求項１０】
前記制御電極に対してパルス電圧を印加し、出力光を変調させる
ことを特徴とする請求項７記載の半導体発光素子の駆動方法。
【請求項１１】
前記半導体発光素子は、前記半導体層の積層方向と同一方向に対向する共振器端面を有する
ことを特徴とする請求項７記載の半導体発光素子の駆動方法。
【請求項１２】
前記半導体発光素子は、前記半導体層の積層方向に対して垂直な方向に対向する一対の共振器端面を有する
ことを特徴とする請求項７記載の半導体発光素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流狭窄部を有する面発光型の半導体レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser；VCSEL ）あるいは端面出射型の半導体レーザなどの半導体発光素子およびその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザは、光ディスク装置、レーザビームプリンタあるいは複写機などの情報端末器用途のほか、医療用，宇宙通信用，または加工用など様々な分野において応用されている。このような半導体レーザの応用の拡大を目指す上では、その出力光特性の制御性を向上させることが主要な課題となる。
【０００３】
半導体レーザの出力光特性の制御の一例として、例えば、図７に示した面発光型の半導体レーザの出力光変調が挙げられる。この面発光型の半導体レーザ１００は、微小体積に効率良く電流注入するための狭窄構造（ＡｌＡｓ層）１０１を有しており、ｎ側電極１０２とｐ側電極１０３との間で流れる駆動電流Ｉ１００ は、電流注入領域（電流狭窄径）１０４を通過し活性層１０５に注入され、これにより発光が起こり、この発光がｎ型ＤＢＲ層１０６およびｐ型ＤＢＲ層１０７により基板１０８に対して垂直方向に共振し出力光ｈ１００ として出射される。この出力光ｈ１００ の変調には、従来、直接変調方式が一般に用いられており、上部電極１０２および下部電極１０３への印加電圧を制御することにより電流注入領域１０４を通過する駆動電流Ｉ１００ を直接変化させるようになっている。これにより現在の面発光型の半導体レーザでは１０ＧＨｚ程度の変調速度が実現されている。
【０００４】
ところで、上述のような半導体レーザにおける、出力光の高速変調動作あるいは横モードなどの出力光特性は、電流狭窄径にも依存しており、例えば、シングルモードの出力光を出射する面発光レーザでは、電流狭窄径は３μｍ程度の微小なものとなる。従来、このような微小の電流注入領域は以下のような方法により形成されている。
【０００５】
例えば、図７に示した面発光型の半導体レーザ１０Ａの狭窄構造（ＡｌＡｓ層）１０１の形成方法として、ＡｌＡｓ（アルミニウム・砒素）層１０１を外周から中心に向かって一定の深度まで選択酸化して絶縁化させ、ＡｌＡｓ層１０１の中心部分に電流注入領域（電流狭窄径）１０４を形成する方法（選択酸化法）、あるいはプロトン(Ｈ+)をＤＢＲ層１０６の周囲から注入し、その注入領域が絶縁化することによる電流狭窄法（プロトン注入法）、さらにＤＢＲ層にバンドギャップが大きくかつ屈折率の低い半導体を周囲に埋め込むことにより電流狭窄をする方法（埋め込み法）などが用いられている。これらの方法を用いることにより、所期の出力光を発生させる大きさの電流注入領域１０４を形成している。
【０００６】
なお、出力光の横モード特性の制御の例として、面発光型の半導体レーザでは複数の高次モード特性を含んだ出力光が出射されることから、出力窓近傍に窪みを備えた層を形成し、高次モード成分の反射率を低下させて、基本横モード特性を有する出力光のみを出射させる方法がある（特許文献１）。この方法は、出力光のモード制御を電流注入領域を構造的に改良して行うものである。
【特許文献１】特開２００３−１１５６３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の直接変調によって出力光を変調する方法では、駆動電流注入用の電極に印加する電圧値を直接制御して駆動電流量を調整していることから、上述したように１０ＧＨｚ程度の変調速度が限界であり、また、出力の低下などが課題となっている。また、データ通信の世界においては、送受信されるデジタルデータの量は増大の一途を辿っていることから、出力光の横モード特性自体を制御することができる制御機構の開発も求められている。
【０００８】
また、電流注入領域の形成方法として現在主流となっている選択酸化法は、電流狭窄径の制御が難しいことに加え、電流狭窄径を一様にすることが困難であることにより、歩留まりの低さが問題となっている。一方、プロトン注入法はその制御性が困難であり、また、埋め込み法は一度のエピタキシャル成長で作製することができないことから、複雑なプロセスが必要となるなどの問題がある。
【０００９】
更に、窪みを形成して出力光の横モードを制御する方法では、半導体層が外気により酸化されるのを防ぐために、半導体層の上に新たな層を設けて、この層に窪みを形成しなければならず、製造プロセスが増加してしまうなどの問題も生じている。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、比較的簡単な方法で出力光特性の制御することができ、しかも製造プロセスでの歩留まりを向上させることができる半導体発光素子およびその駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による半導体発光素子は、活性層を含む積層構造の半導体層と、活性層に駆動電流を供給する主電極と、主電極と活性層との間に設けられると共に、駆動電流が通過可能な電流注入領域を有する電流狭窄部と、この電流狭窄部の近傍に主電極とは独立して設けられた制御電極と、この制御電極に主電極と同一極性の電位を印加して電流注入領域の大きさを変化させることにより駆動電流の通過量を制御する制御手段とを備えた構成を有している。
【００１２】
本発明による半導体発光素子の駆動方法は、活性層を含む積層構造の半導体層と、活性層に駆動電流を供給する主電極と、主電極と活性層との間に駆動電流が通過可能な電流注入領域を有する電流狭窄部とを備えた半導体発光素子の駆動する方法であって、電流狭窄部の近傍に主電極とは独立して制御電極を設けると共に、制御電極に主電極と同一極性の電位を印加し、半導体層内に空乏領域を発生させることにより電流注入領域の大きさを変化させて、主電極からの駆動電流の通過量を制御するものである。
【００１３】
ここで、制御電極に対して印加する電圧を一定電位の直流とすると、特性が一定の半導体発光素子となり、制御電極に対して異なる電位の直流電圧を連続的に印加すると、特性が連続的に変化する発光を行う半導体発光素子を実現できる。また、高速変調素子とする場合には、制御電極に対してパルス電圧を印加すればよい。
【００１４】
本発明による半導体発光素子およびその駆動方法では、主電極により活性層に向けて駆動電流が供給される一方、制御電極に対して主電極とは独立に、同一極性の電位が印加される。これにより電流注入領域の周辺に電界が発生し、この電界に誘発されて半導体層内に空乏領域が生じ、この空乏領域により電流狭窄領域が初期の大きさから狭められ、電流狭窄径が決まる。すなわち、制御電極に印加される電位の大きさに応じて電流狭窄径が変化し、この電流狭窄径によって活性層に注入される駆動電流の通過量、つまり素子の発光特性が決定される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の半導体発光素子、および本発明の駆動方法によれば、電流狭窄部の近傍に主電極とは独立して制御電極を設けると共に、制御電極に主電極と同一極性の電位を印加し電流注入領域の大きさ（電流狭窄径）を変化させるようにしたので、駆動電流の通過量を任意に制御することができる。すなわち、電界により電流狭窄径を可変とし通過電流量を制御するものであり、制御電極に印加する電圧に応じて抵抗・光出力モードを可変とし、出力特性を変化させることができ、更には、数百ＧＨｚ程度までの変調が可能な高速変調素子を実現できる。また、基準となる電流狭窄部をフォトリソグラフィ法により形成することができるため、選択酸化等の余分なプロセスが不要であり、電流狭窄径の制御性が高くなると共に、高歩留りで電流狭窄部を作成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る面発光型の半導体レーザ１０Ａの積層構造を表わすものであり、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。この半導体レーザ１０Ａでは、基板１１の上に、ｐ型コンタクト層１２、ｐ型ＤＢＲ層（Distributed Bragg Reflector;分布反射型反射鏡）１３および活性層（発光層）１４がこの順に積層されている。活性層１４の上にはＡｌＧａＡｓ層１５が形成され、このＡｌＧａＡｓ層１５の上に電流狭窄部１９が設けられている。この電流狭窄部１９は、絶縁膜１７（絶縁膜１７Ａ，１７Ｂ）により囲まれた例えば円形の電流注入領域１６を有している。本実施の形態では、絶縁膜１７内に電流注入領域１６を囲むようにリング状の制御電極１８が設けられている。図２は、この制御電極１８の平面構成を示したものである。制御電極１８にはゲート１８Ａを通じて後述のように所定の電位が印加されるようになっている。
【００１８】
電流狭窄部１９の上には、ｎ型ＤＢＲ層２０およびｎ型コンタクト層２１がこの順に形成されている。このｎ型ＤＢＲ層２０およびｎ型コンタクト層２１は、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching; 反応性イオンエッチング）法などを用いて円柱状メサ構造に形成されている。更に、ｎ型コンタクト層２１の上には、光出力窓２２と共にｎ側電極（主電極）２３が形成されている。一方、基板１１の裏面にはｐ側電極（主電極）２４が設けられている。
【００１９】
なお、円柱状メサ構造の直径は例えば４０μｍ、光出力窓２２の直径は例えば１０μｍ、電流注入領域１６の初期の内径Ｄ１は例えば５μｍであり、また、面発光型の半導体レーザ１０Ａの積層方向の厚さ（以下、「厚さ」という）は、例えば１００μｍ程度に形成されている。
【００２０】
基板１１は、例えば亜鉛（Ｚｎ）などのｐ型不純物を添加したＧａＡｓにより構成されている。ｐ型コンタクト層１２は、例えば、厚さ３００ｎｍ程度であり、ｐ型ガリウム亜鉛砒素（ｐ型ＺｎＧａＡｓ）などの材料により構成されている。
【００２１】
ｐ型ＤＢＲ層１３は、例えば、屈折率の小さい半導体材料と屈折率の大さい半導体材料とを積層したものを１組とし、屈折率の小さいと半導体材料と屈折率の大さい半導体材料とが交互になるように、例えば、２０組程度積層されたものである。このｐ型ＤＢＲ層１３の光学厚さは、λ／４ｎ（式中λは発振波長、ｎは屈折率以下同じ）を満たし、活性層１４から放出される光に対して９９％程度の反射率を持つように設計されている。
【００２２】
ｐ型ＤＢＲ層１３は、例えば、亜鉛などのｐ型不純物を添加したｐ型アルミニウムガリウム砒素（ｐ型Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓ混晶（０＜ｙ＜１））により構成され、この材料の屈折率の大小関係は、アルミニウムとガリウムとの組成比を変えることにより調整し、屈折率を大きくする場合はアルミニウムの組成比を小さくし、屈折率を小さくする場合はアルミニウムの組成比を大きくして調整する。
【００２３】
活性層（発光層）１４は、多重量子井戸（Multi Quantum Well；ＭＱＷ）構造を有しており、例えば、ガリウム砒素／アルミニウムガリウム砒素（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）などの材料により構成されている。この多重量子井戸構造により、動作電流の浪費を減らし、半導体レーザ内部の発熱を抑えることができるようになっている。
【００２４】
ＡｌＧａＡｓ層１５は、例えば、後述するｎ型ＤＢＲ層２０を構成する半導体材料と同一の材料により構成され、ｐ型ＤＢＲ層１３と同様に、屈折率の大きい半導体材料と屈折率の小きい半導体材料とを１組として屈折率の小さいものと大きいものとが交互になるように、２組程度積層して形成されている。
【００２５】
電流注入領域１６は、主電極（ｎ側電極２３，ｐ側電極２４）により注入される駆動電流Ｉ１ を活性層１４に集中させ、光出力分布の乱れなどを抑制するためのものであり、例えば、ＡｌＧａＡｓ層１５と同一の半導体材料からなり、同様の積層構造を有している。
【００２６】
制御電極１８は、例えば金（Ａｕ），アルミニウム（Ａｌ）などの金属により構成されており、ゲート１８Ａを通じて、ここではｎ側電極２３と同一極性の電位が印加されることにより電流注入領域１６内に空乏領域（空乏層）１５Ａを発生させて電流注入領域１６の径（電流狭窄径）の大きさを所期の大きさからより狭くするように変化させるものである。なお、この制御電極１８は、詳細は後述するが、主電極（ｎ側電極２３，ｐ側電極２４）とは独立して駆動されるようになっている。
【００２７】
絶縁膜１７は、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ２ ）などの絶縁性を有する材料により構成されている。また、この絶縁膜１７は、例えば、１〜２Ｖ程度の制御電圧で厚さ５００ｎｍ程度の空乏領域１５Ａが発生するように、例えば厚さ５ｎｍ程度に成膜されている。
【００２８】
ｎ型ＤＢＲ層２０は、例えば、ケイ素（Ｓｉ）などのｎ型不純物が添加されたｎ型アルミニウムガリウム砒素（ｎ型Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓ混晶（０＜ｘ＜１））により構成されている。積層構造についてはｐ型ＤＢＲ層１３と同様である。ｎ型コンタクト層２１は、例えば、厚さ３００ｎｍ程度であり、ケイ素などの不純物がより高い濃度で添加されたn型ＧａＡｓなどの材料により構成されている。ｎ側電極２３は、例えば、厚さが３００ｎｍ程度であり、金とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金層，ニッケル（Ｎｉ）層および金（Ａｕ）層をｎ型コンタクト層２１の側から順に積層し、熱処理により合金化した構造を有している。ｐ側電極２４は、例えば、厚さが３００ｎｍ程度であり、チタン（Ｔｉ）層，白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層とを基板１１の側から順に積層し、熱処理により合金化した構造を有している。
【００２９】
この面発光型の半導体レーザ１０Ａは例えば以下のようにして製造することができる。  
【００３０】
まず、図１に示したように、例えばＧａＡｓなどの材料からなる基板１１の上に、有機金属化学的気相成長（Ｍetal organic Chemical Vapor Deposition；MOCVD）法を用いて、上述した材料を例えば、厚さ３００ｎｍ積層してｐ型コンタクト層１２を形成し、このｐ型コンタクト層１２の上に、アルミニウムの組成比が異なる２種類のｐ型Ａｌｘ Ｇａ１−ｘ Ａｓ（０≦ｘ＜１）に亜鉛を添加した半導体材料を１組とし、光学厚さがλ／４ｎとなるように２０組程度積層してｐ型ＤＢＲ層１３を形成する。さらに、このｐ型ＤＢＲ層１３の上に、例えば、ガリウム砒素／アルミニウムガリウム砒素（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）を積層して多重量子井戸構造を有するように活性層１４を形成し、この活性層１４上に、Ｓｉなどを添加したｎ型Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓ，０≦ｙ＜１を２組程度積層してＡｌＧａＡｓ層１５を形成する。
【００３１】
その後、図３（Ａ）に示したように、ＡｌＧａＡｓ層１５の上に、化学的気相成長（Chemical Vapor Deposition ；CVD)法を用いて、ＳｉＯ２ を厚さ６０ｎｍ程度に積層して絶縁膜１７Ａを形成する。絶縁膜１７Ａを形成した後、フォトリソグラフィ法を用いてマスクパターンニングを施した後、例えば、スパッタリング法などを用いて金などの金属を成膜することにより制御電極１８を形成する。さらに、制御電極１８の上に絶縁膜１７Ｂを成膜する。
【００３２】
絶縁膜１７Ｂ上に、フォトリソグラフィ法を用いてマスクパターンニングを施した後、図３（Ｂ）に示したように、電流注入領域１６をＲＩＥ法などのドライエッチング法あるいはエッチング溶液に例えばフッ酸などを用いたウェットエッチング法などを用いて絶縁膜１７Ｂを選択的にエッチングし、内径が５μｍ程度になるように電流注入領域１６を形成する。
【００３３】
この後、図１に示したように、有機金属化学的気相成長法を用いて、例えば、Ｓｉなどが添加されたｎ型Ａｌｙ Ｇａ１−ｙ Ａｓ，０≦ｙ＜１をｐ型ＤＢＲ層１３と同様に積層してｎ型ＤＢＲ層２０を形成し、このｎ型ＤＢＲ層２０の上にｎ型コンタクト層２１を形成する。その後、ＲＩＥ法などのドライエッチング法を用いてｎ型ＤＢＲ層２０およびｎ型コンタクト層２１の側面をエッチングし、直径が４０μｍ程度の円柱状メサ構造に形成する。更に、抵抗加熱蒸着法により、例えば、厚さ３００ｎｍのｎ側電極２３を形成する。この後、基板１１からｎ側電極２３までの積層構造の厚さが１００μｍ程度になるように基板１１の裏面を研磨し、この研磨した面に抵抗加熱蒸着法などによりｐ側電極２４を形成する。このようにして図１に示した面発光型の半導体レーザ１０Ａが完成する。
【００３４】
この面発光型の半導体レーザ１０Ａは、また、他の製造方法を用いて製造することもできる。その方法を図１および図４を用いて説明する。なお上述した製造方法と同一の工程についてはその説明を適宜省略する。
【００３５】
まず、図４（Ａ）に示したように、活性層１４の上に、前述したｎ型ＤＢＲ層２０を形成する場合と同様に、同一の材料を例えば５組積層する。このｎ型ＤＢＲ層上に、マスクパターンニングを施した後、電流注入領域１６となる部分のみを残してウェットエッチングによりｎ型ＤＢＲ層と同一材料からなる層を１組（１５Ｂ）だけ剥離する。この剥離されて残った層がＡｌＧａＡｓ層１５となる。
【００３６】
この後、図４（Ｂ）に示したように、絶縁膜１７Ａ、アルミニウムからなる制御電極１８および絶縁膜１７Ｂをこの順に形成する。
【００３７】
更に、図４（Ｃ）に示したように、最上層の絶縁膜１７Ｂの上面を研磨して表面を平滑化させる。なお、電流注入領域１６の直上には絶縁膜１７Ｂが残存しないように研磨する。一方、図示しないが、もう一つの基板を用意し、その基板上にｎ型コンタクト層およびｎ型ＤＢＲ層をこの順に積層させておく。そして、両基板を電流注入領域１６の上面を含む絶縁膜１７Ｂの上面とｎ型ＤＢＲを対向させて圧着して接合（フュージョン法）した後、ｎ型コンタクト層が剥き出しになるまでもう一つの基板を研磨して除去する。以降の工程は前述した製造方法と同様である。このようにして図１に示した面発光型の半導体レーザ１０Ａが完成する。
【００３８】
次に、この面発光型の半導体レーザ１０Ａの駆動方法について説明する。
【００３９】
この半導体レーザ１０Ａでは、ｎ側電極２３とｐ側電極２４との間に所定の電圧が印加されると、図１に示したように、電流注入領域１６を通じて活性層１４に駆動電流Ｉ１ が注入され、活性層１４から発光が生ずると共にｐ型ＤＢＲ層１３とｎ型ＤＢＲ層２０との間、すなわち基板１１に対して垂直方向にレーザ共振が生じ、このようにして発生した出力光ｈ１ が、ｎ側電極２３に形成された光出力窓２２から取り出される。
【００４０】
このとき、制御電極１８には、ゲート１８Ａを通じて主電極（ｎ側電極２３およびｐ側電極２４）とは独立して電圧（制御電圧）が印加され、電流狭窄部１９の電流注入領域１６における幅（電流狭窄径）を制御する。電流狭窄径は、制御電極１８への電位の印加状態、すなわちこのとき生じた電界によって誘起される空乏領域１５Ａの大きさに依存し、この電流狭窄径の大きさにより、駆動電流Ｉ１ の通過量が制御される。
【００４１】
具体的には、図５（Ａ）に示したように、制御電極１８に対して電位が印加されていない場合には、電流狭窄径は、電流注入領域１６の初期の大きさの電流狭窄径Ｄ１ であり、この電流狭窄径Ｄ１ を通過する駆動電流Ｉ２ （＝Ｉ１ ）に応じた発光が起こり、出力光ｈ２ （＝ｈ１ ）として出射される。この出力光ｈ２ は、電流狭窄径Ｄ１ を通過する駆動電流Ｉ２ に対応する横モード性および変調度などの光学特性を有するものとなる。
【００４２】
一方、図５（Ｂ）に示したように、制御電極１８に対してｎ側電極２３と同一極性の電位（ここでは、負電位）の電圧が印加されると、電流注入領域１６の周縁に電界が生じ、この電界に誘発されてＡｌＧａＡｓ層１５および電流注入領域１６内に空乏領域１５Ａが発生する。空乏領域１５Ａの大きさは制御電極１８への印加電圧の大きさに応じて変化するもので、特に、電流注入領域１６内に延びる空乏領域１５Ａによってその分電流注入領域１６が狭くなり、電流狭窄径Ｄ２ が決定される。そして、この電流狭窄径Ｄ２ を通過する分だけの駆動電流Ｉ３ （＜Ｉ２ ）が活性層１４に注入されて発光が起こり、出力光ｈ３ （＜ ｈ２ ）として出射される。この出力光ｈ３ は、電流狭窄径Ｄ２ を通過した駆動電流Ｉ３ に依存する横モード性および変調度などの光学特性を有するものとなる。
【００４３】
このように本実施の形態の半導体レーザ１０Ａは、制御電極１８に印加する電圧に応じてレーザ特性（横モード性および変調度など）を制御できることから、例えば、狭窄構造と出射光との関係を調べるための素子として有効である。
【００４４】
また、制御電極１８に対して印加する電圧を一定電位の直流電圧とすると、電流狭窄径は一定となり、発振波長が一定の発光を行わせることができ、また、制御電極１８に対して異なる電位の直流電圧を連続的に印加することによって、異なる特性で発光させることも可能になる。
【００４５】
更に、制御電極１８に対してパルス電圧を印加すると、高速変調素子を実現することが可能になる。前述のように、現在、高速変調度が端面出射型の半導体レーザより優れている面発光型のレーザにおいても、電流を直接変調する方式が採用されているため、その大きさは１０ＧＨｚ程度である。これに対して、本実施の形態の半導体レーザ１０Ａでは、光発振の変調機構を、電流の直接変調方式ではなく、共振器中の電界を変化、すなわち空乏領域の大きさを変化させることによって実現するもので、実効屈折率変化によって光発振の変調を行うものである。ちなみに、ＧａＡｓトランジスタでは、吟味された不純物の添加などによって、ゲート電極の変調を行うことにより、ソース・ドレイン電流の変調速度が５００ＧＨｚ程度の素子を実現している。このようなＧａＡｓトランジスタの高速性から考慮して本実施の形態においても数百ＧＨｚ程度の速さが実現可能である。
【００４６】
なお、空乏領域１５Ａの大きさに関しては、例えばＳｉトランジスタの場合、絶縁膜が数ｎｍ（例えば５ｎｍ）であれば、数Ｖ（例えば１〜２Ｖ）の電圧で数百ｎｍ（例えば５００ｎｍ）程度の空乏領域が実現する。電流注入領域が数μｍ程度の大きさに対して、数Ｖの制御電圧で１μｍ程度の空乏領域１５Ａを形成させることができるものであり、実現可能な大きさである。
【００４７】
以上のように本実施の形態では、まとめると以下のような効果を得ることができる。
（１）基準となる電流狭窄部を、選択酸化等のプロセスを用いることなくフォトリソグラフィ法のみによって形成することができるので、電流狭窄径の制御性が高くなり、高歩留りで電流狭窄部を作成することができる。
（２）電界により電流狭窄径を可変とするものであるため、制御電極に印加する電圧を連続的に変化させることにより電流狭窄径の大きさを連続的に変化させることができ、素子の光出力モードや変調などの出力特性を任意に変化させることができる。
（３）電界変調により数百ＧＨｚ程度までの変調が可能になり、高速変調素子を実現することができる。
【００４８】
上記実施の形態では面発光型の半導体レーザについて説明したが、本発明は端面発光型の半導体レーザについても適用できるものである。以下、その具体例について説明する。  
【００４９】
〔第２の実施の形態〕
図６は本発明の第２の実施の形態に係る屈折率導波型の半導体レーザ１０Ｂの構成を表すものである。この半導体レーザ１０Ｂは、基板３１の表面に、バッファ層３２，ｎ型クラッド層３３，ｎ型光ガイド層３４，活性層３５，ｐ型光ガイド層３６，ｐ型クラッド層３７およびｐ側キャップ層３８がこの順に積層された積層構造３０を有している。このうち、バッファ層３２，ｎ型クラッド層３３およびｎ型光ガイド層３４はｎ型半導体層であり、ｐ型光ガイド層３６，ｐ型クラッド層３７およびキャップ層３８はｐ型半導体層である。
【００５０】
基板３１は、厚さが例えば１００μｍであり、バッファ層３２は、厚さが０．５μｍである。基板３１およびバッファ層３２の構成材料は、例えば第１の実施の形態における基板１１と同様とする。ｎ型クラッド層３３は、例えば厚さが１．５μｍであり、また、ｎ型光ガイド層３４は、例えば厚さが４０ｎｍである。ｎ型クラッド層３３およびｎ型光ガイド層３４の構成材料は、第１の実施の形態におけるｎ型ＤＢＲ層２０と同様である。
【００５１】
活性層３５は、例えば、厚さが１２ｎｍであり、不純物を添加しないundoped-Ａｌｚ Ｇａ１−ｚ Ａｓ混晶（０＜ｚ＜１）により構成されている。この活性層３５は、後述する主電極（ｐ側電極４１およびｎ側電極４２）から駆動電流が供給されるとｐ側電極４１直下の発光領域３５Ａにおいて発光が生じ、発光領域として機能する。ｐ型光ガイド層３６は、例えば、厚さが４０ｎｍであり、ｐ型クラッド層３７は、例えば、厚さが１μｍである。ｐ型光ガイド層３６およびｐ型クラッド層３７の構成材料は、第１の実施の形態におけるｐ型ＤＢＲ層１３と同様である。キャップ層３８は、例えば、厚さが０．５μｍであり、亜鉛などのｐ型不純物を添加したｐ型ＧａＡｓにより構成されている。
【００５２】
このうちｐ型クラッド層３７の一部およびキャップ層３８は、細い帯状（図６においては紙面に対して垂直な方向に延長された帯状）となっており電流狭窄部３９を構成している。電流狭窄部３９の両側には、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ２ ）などよりなる絶縁層４０が形成されている。キャップ層３８の上には、帯（ストライプ）状のｐ側電極４１が設けられている。一方、基板３１の裏面側にはｎ側電極４２が形成されている。ｐ側電極４１およびｎ側電極４２はそれぞれ例えば第１の実施の形態におけるｐ側電極２４およびｎ側電極２３と同様の構成材料により形成されている。
【００５３】
本実施の形態においても、電流狭窄部３９には、第１の実施の形態と同様に、主電極（ｐ側電極４１およびｎ側電極４２）とは独立して制御電極４１Ａ，４１Ｂが設けられている。制御電極４１Ａ，４１Ｂは、絶縁層４０中にｐ側電極４１の長手方向に沿って両側に帯状に形成されている。これら制御電極４１Ａ，４１Ｂには、ｐ側電極４１と同一極性の電位（ここでは，正）の電圧が印加されるようになっている。
【００５４】
この半導体レーザ１０Ｂは、ｐ型クラッド層３７の延長方向において対向する一対の側面が共振器端面となっており、この一対の共振器端面には反射鏡膜（図示せず）がそれぞれ形成されている。一方の反射鏡膜は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２ Ｏ３ ）により構成され、低反射率となるように調整されている。これに対して他方の反射鏡膜は、例えば酸化アルミニウム層と非晶質ケイ素（アモルファスシリコン）層とを交互に積層して構成されており、高反射率となるように調整されている。これにより、活性層３５において発生した光は一対の反射鏡膜の間を往復して増幅され、低反射率側の反射鏡膜からレーザビームとして射出されるようになっている。
【００５５】
すなわち、この半導体レーザ１０Ｂでは、ｐ側電極４１とｎ側電極４２との間に所定の電圧が印加されると、駆動電流が電流狭窄部３９を通じて活性層３５に注入され、これにより電子−正孔再結合により発光が起こる。この光は、一対の反射鏡膜により反射され、その間を往復してレーザ発振を生じ、レーザビームとして紙面に対して垂直方向に射出される。
【００５６】
このとき本実施の形態においても、制御電極４１Ａ，４１Ｂに対してｐ側電極４１と同じ極性の電圧を印加することにより、電流狭窄部３９の電流注入領域における幅（電流狭窄幅）を制御することができる。これにより第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５７】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、主電極の形状に合わせて、制御電極１８をリング状（第１の実施の形態），制御電極４１Ａ，４１Ｂを帯状（第２の実施の形態）となるように連続的に形成するようにしたが、断続的に形成するようにしてもよい。
【００５８】
更に、上記実施の形態において説明した各層の材料および厚み、または成膜方法および成膜条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の成膜方法および成膜条件としてもよい。例えば、上記実施の形態においては、ｎ型不純物としてシリコンを用いたが、セレン（Ｓｅ）など他のｎ型不純物を用いてもよい。
【００５９】
加えてまた、上記実施の形態では、半導体レーザの構成について具体的に例を挙げて説明したが、本発明は、他の構造を有する半導体レーザについても同様に適用することができる。例えば、ｐ側電極とｎ側電極とが基板の同一の側に形成されているものについても、本発明は適用可能である。
【００６０】
更にまた、上記実施の形態では、半導体レーザを構成する材料について具体的に例を挙げて説明したが、本発明は、上記実施の形態で説明したＧａＡｓ系素子以外にも、ＡｌＧａＩｎＰ系あるいはＩｎＰ系などの他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体，窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体あるいはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体などの他の半導体材料を用いる場合についても広く適用することができるものである。
【００６１】
更にまた、上記実施の形態では、半導体レーザについて具体的に説明したが、本発明は、発光ダイオード（light emitting diode；ＬＥＤ）などの他の半導体発光素子についても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した半導体レーザの構成を表す平面図である。
【図３】図１に示した半導体レーザの製造工程を表す断面図である。
【図４】図１に示した半導体レーザの他の製造工程を表す断面図である。
【図５】図１に示した半導体レーザの作用を説明するための断面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザの構成を表す断面図である。
【図７】従来の半導体レーザの構成を表す断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０Ａ，１００…面発光型の半導体レーザ、１０Ｂ…屈折率導波型の半導体レーザ、１１，３１，１０８…基板、１２…ｐ型コンタクト層、１３，１０７…ｐ型ＤＢＲ層、１４，３５，１０５…活性層（発光層）、１５…ＡｌＧａＡｓ層、１５Ａ…空乏領域、、１６，１０４…電流注入領域、１７，１７Ａ，１７Ｂ…絶縁膜、１８，４１Ａ，４１Ｂ…制御電極、１８Ａ…ゲート、１９，３９…電流狭窄部、１５Ｂ，２０，１０６…ｎ型ＤＢＲ層、２１…ｎ型コンタクト層、２２…光出力窓、２３，４２，１０２…ｎ側電極（主電極）、２４，４１，１０３…ｐ側電極（主電極）、Ｄ０，Ｄ１，Ｄ２…電流狭窄径、ｈ０，ｈ１，ｈ２，ｈ１００ …出力光、Ｉ０，Ｉ１，Ｉ２，Ｉ１００ …駆動電流、３０…積層構造、３２…バッファ層、３３…ｎ型クラッド層、３４…ｎ型光ガイド層、３５Ａ…発光領域、３６…ｐ型光ガイド層、３７…ｐ型クラッド層、３８…キャップ層、４０…保護層、１０１…ＡｌＡｓ層（狭窄構造）
【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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【図７】
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