(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された第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領域と、
前記活性領域上に形成された第２導電型の電流狭窄層と、
前記電流狭窄層上に形成された第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡と、
前記第２の半導体多層膜反射鏡上に形成された第２導電型の第３の半導体多層膜反射鏡とを有し、
前記第１、第２および第３の半導体多層膜反射鏡は、高屈折率層と低屈折率層との対をそれぞれ含んでおり、
前記第２の半導体多層膜反射鏡の不純物濃度は、前記第３の半導体多層膜反射鏡の不純物濃度よりも高く、
前記第２の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層のバンドギャップエネルギーは、前記第１の半導体多層膜反射鏡、前記活性領域、前記電流狭窄層、前記第２の半導体多層膜反射鏡および前記第３の半導体多層膜反射鏡から形成される共振器の波長のエネルギーよりも大きく、
前記第２の半導体多層膜反射鏡の対は、１周期以上３周期以下である、
面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
前記高屈折率層は、相対的にＡｌ組成の低い半導体層であり、前記低屈折率層は、相対的にＡｌ組成の高い半導体層であり、前記第２の半導体多層膜反射鏡の相対的にＡｌ組成の低い半導体層のＡｌ組成は、前記共振器の波長のエネルギーよりも大きい、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項３】
前記第１の半導体多層膜反射鏡は、Ａｌx1Ｇａ1-x1Ａｓ半導体層とＡｌy1Ga1-y1As半導体層（Ｘ１＞Ｙ１、０＜Ｘ１＜１、０＜Ｙ１＜１）の対を含み、前記第２の半導体多層膜反射鏡は、Ａｌx2Ｇａ1-x2Ａｓ半導体層とＡｌy2Ga1-y2As半導体層（Ｘ２＞Ｙ２、０＜Ｘ２＜１、０＜Ｙ２＜１）の対を含み、前記第３の半導体多層膜反射鏡は、Ａｌx3Ｇａ1-x3Ａｓ半導体層とＡｌy3Ga1-y3As半導体層（Ｘ３＞Ｙ３、０＜Ｘ３＜１、０＜Ｙ３＜１）の対を含み、Ｙ２＞Ｙ１であり、かつＹ２＞Ｙ３である、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項４】
前記第２の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層のバンドギャップエネルギーは、前記共振器波長のエネルギーよりも大きく、両者のエネルギーの差分は、０．１ｅＶ以上０．３ｅＶ以下である、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】
面発光型半導体レーザはさらに、前記第３の半導体多層膜反射鏡から少なくとも前記活性領域に至るメサを含み、前記電流狭窄層は、前記メサ側面から一部が酸化された酸化領域を含む、請求項１ないし４いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項６】
基板と、
前記基板上に形成された第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領域と、
前記活性領域上に形成された第２導電型の電流狭窄層と、
前記電流狭窄層上に形成された第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡と、
前記第２の半導体多層膜反射鏡上に形成された第２導電型の第３の半導体多層膜反射鏡とを有し、
前記第１、第２、および第３の半導体多層膜反射鏡は、Ａｌx1Ｇａ1-x1Ａｓ半導体層とＡｌy1Ga1-y1As半導体層（Ｘ１＞Ｙ１）の対、Ａｌx2Ｇａ1-x2Ａｓ半導体層とＡｌy2Ga1-y2As半導体層（Ｘ２＞Ｙ２）の対、Ａｌx3Ｇａ1-x3Ａｓ半導体層とＡｌy3Ga1-y3As半導体層（Ｘ３＞Ｙ３）の対をそれぞれ含んでおり、
前記第２の半導体多層膜反射鏡のＡｌ組成Ｙ２は、前記第１の半導体多層膜反射鏡のＡｌ組成Ｙ１よりも高く、かつ前記第３の半導体多層膜反射鏡のＡｌ組成Ｙ３よりも高く、
前記第２の半導体多層膜反射鏡のＡｌy2Ga1-y2As半導体層のバンドギャップエネルギーは、前記第１の半導体多層膜反射鏡、前記活性領域、前記電流狭窄層、前記第２の半導体多層膜反射鏡および前記第３の半導体多層膜反射鏡から形成される共振器の波長のエネルギーよりも大きく、
前記第２の半導体多層膜反射鏡の不純物濃度は、前記第３の半導体多層膜反射鏡の不純物濃度よりも高く、
前記第２の半導体多層膜反射鏡の対は、１周期以上３周期以下である、
面発光型半導体レーザ。
【請求項７】
前記第２の半導体多層膜反射鏡のＡｌy2Ga1-y2As半導体層のバンドギャップエネルギーは、前記共振器波長のエネルギーよりも大きく、両者のエネルギーの差分は、０．１ｅＶ以上０．３ｅＶ以下である、請求項６に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項８】
請求項１ないし７いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと光学部材を実装したモジュール。
【請求項９】
請求項８に記載されたモジュールと、モジュールから発せられたレーザ光を光媒体を介して送信する送信手段とを備えた、光送信装置。
【請求項１０】
請求項８に記載されたモジュールと、モジュールから発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送装置。
【請求項１１】
請求項８に記載されたモジュールと、モジュールから発せられたレーザ光を送信する送信手段とを備えた、光送信システム。
【請求項１２】
請求項８に記載されたモジュールと、モジュールから発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光情報処理あるいは高速光通信の光源として利用される面発光型半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信や光記録等の技術分野において、面発光型半導体レーザ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser：以下ＶＣＳＥＬと呼ぶ）への関心が高まっている。ＶＣＳＥＬは、しきい値電流が低く消費電力が小さい、円形の光スポットが容易に得られる、ウエハ状態での評価や光源の二次元アレイ化が可能であるといった、端面発光型半導体レーザにはない優れた特長を有する。これらの特長を生かし、通信分野における光源としての需要がとりわけ期待されている。
【０００３】
特許文献１は、基板に垂直な共振器を形成する下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と共振器内に配置された活性層とを有するＶＣＳＥＬにおいて、活性層のバンドギャップよりも大きく、かつ共振器を構成する材料のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有するキャリア拡散層を共振器内に設けている。
キャリア拡散層により横方向へのキャリア拡散を促進し、活性層に流れ込む電流の均一性を改善している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１２８４８２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のＶＣＳＥＬは、低閾値、低抵抗を実現するために、ＤＢＲの高屈折率側の半導体層のバンドギャップを、活性層のバンドギャップよりも大きくし、かつ出来るだけ小さいバンドギャップの値となるように設計されている。また、ＶＣＳＥＬの低温での光出力の低下を抑えるために、活性層近傍に電流拡散層を導入することによって電流狭窄層中心付近まで電流を拡散することが提案されている。しかし、この方法では、不純物ドープ濃度が高い半導体層が活性層周辺に存在するために、ＶＣＳＥＬの高温での光吸収が顕著となり、高温において光出力が低下するという課題が発生する。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題を解決し、低温から高温に至る広い温度範囲で光出力の低下を改善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】
【０００７】
本発明に係る面発光型半導体レーザは、基板と、前記基板上に形成された第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領域と、前記活性領域上に形成された第２導電型の電流狭窄層と、前記電流狭窄層上に形成された第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡と、前記第２の半導体多層膜反射鏡上に形成された第２導電型の第３の半導体多層膜反射鏡とを有し、前記第１、第２および第３の半導体多層膜反射鏡は、高屈折率層と低屈折率層との対をそれぞれ含んでおり、前記第２の半導体多層膜反射鏡の不純物濃度は、前記第３の半導体多層膜反射鏡の不純物濃度よりも高く、前記第２の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層のバンドギャップエネルギーは、前記第１の半導体多層膜反射鏡、前記活性領域、前記電流狭窄層、前記第２の半導体多層膜反射鏡および前記第３の半導体多層膜反射光から形成される共振器の波長のエネルギーよりも大きい。
【０００８】
前記高屈折率層は、相対的にＡｌ組成の低い半導体層であり、前記低屈折率層は、相対的にＡｌ組成の高い半導体層であり、前記第２の半導体多層膜反射鏡の相対的にＡｌ組成の低い半導体層のＡｌ組成は、前記共振器の波長のエネルギーよりも大きい。好ましくは前記第２の半導体多層膜反射鏡の対は、１以上３以下である。
【０００９】
好ましくは前記第１の半導体多層膜反射鏡は、Ａｌx1Ｇａ1-x1Ａｓ半導体層とＡｌy1Ga1-y1As半導体層（Ｘ１＞Ｙ１、０＜Ｘ１＜１、０＜Ｙ１＜１）の対を含み、前記第２の半導体多層膜反射鏡は、Ａｌx2Ｇａ1-x2Ａｓ半導体層とＡｌy2Ga1-y2As半導体層（Ｘ２＞Ｙ２、０＜Ｘ２＜１、０＜Ｙ２＜１）の対を含み、前記第３の半導体多層膜反射鏡は、Ａｌx3Ｇａ1-x3Ａｓ半導体層とＡｌy3Ga1-y3As半導体層（Ｘ３＞Ｙ３、０＜Ｘ３＜１、０＜Ｙ３＜１）の対を含み、Ｙ２＞Ｙ１であり、かつＹ２＞Ｙ３である。
【００１０】
好ましくは前記第２の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層のバンドギャップエネルギーと前記共振器波長のエネルギーとの差分は、０．１ｅＶ以上０．３ｅＶ以下である。好ましくは面発光型半導体レーザはさらに、前記第３の半導体多層膜反射鏡から少なくとも前記活性領域に至るメサを含み、前記電流狭窄層は、前記メサ側面から一部が酸化された酸化領域を含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、活性領域または電流狭窄層に近接して第２の半導体多層膜反射鏡を挿入し、当該第２の半導体多層膜反射鏡の不純物濃度を高くすることで、低温におけるキャリアの拡散が促進され、電流狭窄層を介して活性領域へ流れ込むキャリアが増加し、光出力の低下が抑制される。さらに第２の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層のバンドギャップエネルギーを第３の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層のバンドギャップエネルギーよりも大きくし、かつ共振器波長のエネルギーよりも大きくすることで、高温における光吸収を抑制することができる。これにより、低温から高温にいたる広い温度範囲において光出力の低下を抑制した面発光型半導体レーザを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。ここでは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としてＡｌＧａＡｓ半導体層およびＧａＡｓ基板を例に用いる。また、ｎ側の電極は、基板裏面に形成し、基板の上方からレーザ光を出射する構成のＶＣＳＥＬを例示する。
【実施例】
【００１３】
図１は本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬの平面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。ＶＣＳＥＬ１００は、図１および図２に示すように、ｎ型のＧａＡｓ基板１０２の裏面にｎ側電極１５０を含み、さらに基板１０２上に、ｎ型のＧａＡｓバッファ層１０４、ｎ型のＡｌＧａＡｓの半導体多層膜からなる下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector:分布ブラッグ型反射鏡）１０６、活性領域１０８、ｐ型のＡｌＡｓからなる電流狭窄層１１０、ｐ型のＡｌＧａＡｓの半導体多層膜からなる上部ＤＢＲ１１２、ｐ型のＧａＡｓコンタクト層１１４を含む半導体層が積層されている。
【００１４】
基板１０２には、半導体層をエッチングして形成されたリング状の溝１１６が形成され、溝１１６は、コンタクト層１１４から下部ＤＢＲ１０６の一部に到達する深さを有している。この溝１１６により、レーザ光の発光部である円筒状のポスト（メサ）Ｐが規定され、また、ポストＰと隔てられたパッド形成領域１１８が形成されている。ポストＰは、下部ＤＢＲ１０６と上部ＤＢＲ１１２により共振器構造を構成し、これらの間に、活性領域１０８および電流狭窄層１１０を介在させている。電流狭窄層１１０は、ポストＰの側面において露出されたＡｌＡｓの外縁を選択的に酸化させた酸化領域１１０ａと酸化領域によって包囲された導電領域を含み、導電領域内に電流および光の閉じ込めを行う。導電領域を平面的に見た形状は、ポストＰの外形を反映した円形である。
【００１５】
溝１１６を含む基板全面に層間絶縁膜１２０が形成されている。すなわち、層間絶縁膜１２０は、ポストＰの頂部の一部、溝１１６、パッド形成領域１１８の側面を覆っている。ポストＰの頂部において、層間絶縁膜１２０には環状のコンタクトホールが形成され、コンタクトホールを介してｐ側の円形状の上部電極１３０がコンタクト層１１４に電気的に接続されている。ｐ側の上部電極１３０は、金またはチタン／金から成り、その中央にレーザ光の出射領域を規定する円形状の開口１３２が形成されている。図２の例では、開口１３２は層間絶縁膜１２０によって塞がれ、ＧａＡｓコンタクト層１１４が外部に露出されないように保護されているが、開口１３２は、必ずしも層間絶縁膜１２０により塞がれず、露出されていてもよい。
【００１６】
パッド形成領域１１８の層間絶縁膜１２０上は、円形状の電極パッド１３４が形成されている。電極パッド１３４は、溝１１６を延在する引き出し電極配線１３６を介してｐ側の上部電極１３０に接続されている。
【００１７】
図３は、図２に示すＶＣＳＥＬの下部ＤＢＲ、活性領域および上部ＤＢＲの詳細な構成を示す概略断面図である。ＤＢＲ１０６は、キャリア濃度2×1018cm-3のAl0.9Ga0.1AsとAl0.12Ga0.88Asとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の1/4となるように交互に４０．５周期積層したものである。
【００１８】
活性領域１０８は、アンドープ下部Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓスぺーサー層１０８ａと、アンドープ量子井戸活性層１０８ｂ(膜厚７０ｎｍＧａＡｓ量子井戸層３層と膜厚５０ｎｍＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ障壁層４層とで構成されている)と、アンドープ上部Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓスぺーサー層１０８ｃとで構成される。活性領域１０８の膜厚は媒質内波長である。量子井戸活性層１０８ｂの組成で決まる利得ピーク波長は、８３５ｎｍであり、そのときのバンドギャップエネルギーは、１．４８５ｅＶである。
【００１９】
活性領域１０８上には、膜厚が例えば、３０ｎｍのＡｌＡｓからなる電流狭窄層１１０が形成される。電流狭窄層１１０の周縁には、上記したようにポストＰの側面から酸化された酸化領域１１０ａが形成され、酸化領域１１０ａによって包囲された導電領域１１０ｂが形成されている。導電領域１１０ｂの径は、シングルモードのレーザ光の場合、例えば、５μｍ未満である。
【００２０】
電流狭窄層１１０上には、キャリア濃度6×1018cm-3のAl0.9Ga0.1AsとAl0.20Ga0.80Asとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の1/4となるように交互に３周期積層した不純物ドープ濃度が高い高濃度ＤＢＲ１１２Ａと、さらにその上に、キャリア濃度2×1018cm-3のAl0.9Ga0.1AsとAl0.12Ga0.88Asとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の1/4となるように交互に２７周期積層したＤＢＲ１１２Ｂとを積層する。、但し、AlAsに隣接したAl0.9Ga0.1Asの膜厚は、AlAsの膜厚と合わせて媒質内波長の1/4となるように調整されている。ＤＢＲ１１２Ｂの最上層には、キャリア濃度1×1019cm-3のとなる膜厚が20nm程度のｐ型GaAsコンタクト層１１４が形成される。
【００２１】
高濃度ＤＢＲ１１２Ａは、特に、低温駆動時におけるキャリアの横方向の拡散を促進させる。ＶＣＳＥＬを低温、例えば、−４０ないし−２０℃で駆動する場合、キャリアの拡散長は温度に依存して短くなる。つまり、図３に示すように、ポストＰの頂部において、環状の電極１３０から注入されたキャリアは、電界によって活性領域へ移動するが、キャリアの横方向の拡散が十分でないと、ポストＰの光軸（中心）におけるキャリア濃度が少なく、電流狭窄層１１０の導電領域１１０ｂを介して活性領域１０８へ注入されるキャリアが低減することになる。この結果、光軸の光出力のプロフィールが低下してしまうという不具合を生じ得る。高濃度ＤＢＲ１１２Ａを形成することで、低温時のキャリアの横方向の拡散が促進され、導電領域１１０ｂを介して活性領域１０８へ注入されるキャリアを増加させることができる。
【００２２】
また、活性領域の近傍は、光出力が大きく、ここでの不純物濃度が高いと光吸収が大きくなる。高濃度ＤＢＲ１１２Ａの不純物ドープ濃度は、６×１０１８と高いが、高濃度ＤＢＲ１１２Ａを３周期としているため、活性領域近傍での高濃度ＤＢＲ１１２Ａによる光吸収は抑制される。高濃度ＤＢＲ１１２Ａを３周期よりも多くすると、キャリアの横方向の拡散による光出力の向上よりも、不純物による光吸収の損失が大きくなってしまう。このため、高濃度ＤＢＲ１１２Ａは、多くとも３周期以下であることが望ましい。
【００２３】
さらに、高濃度ＤＢＲ１１２Ａの高屈折率層（Ａｌ組成の低いAl0.20Ga0.80As層）のＡｌ組成を０．２０とし、ＤＢＲ１１２ＢのＡｌ組成０．１２よりも高くしている。Ａｌ組成が低い半導体層は、そのバンドギャップエネルギーが小さく、発振器波長のエネルギーとの差分が小さくなると、高温駆動時に光が吸収されてしまう。これを抑制するため、高濃度ＤＢＲ１１２Ａの高屈折率層のＡｌ組成を０．２０に高くし、両者の差分を大きくしている。特に、活性領域から３周期ぐらいまでは光出力が大きいので、この範囲でのエネルギー差分を大きくすることは有効である。
【００２４】
図４は、ＤＢＲのペア数を同じにして、共振器波長のエネルギーと、高濃度ＤＢＲ１１２Ａの高屈折率層（Ａｌ組成の低い半導体層）のＡｌ組成のバンドギャップエネルギーとの差を変化させたときの一定駆動電流における室温(２５℃)に対する８５℃での光出力比を示したグラフである。共振器波長は、高温での活性層の利得ピーク波長が大きくなることを考慮し、活性層の組成で決まる利得ピーク波長８３５ｎｍ（エネルギーは、１．４８５ｅＶ）よりも幾分大きく設定されている。この共振器波長は、ＤＢＲ１０６、活性領域、電流狭窄層、ＤＢＲ１１２Ａ、１１２Ｂから形成される。
【００２５】
高濃度ＤＢＲ１１２Ａの高屈折率層のＡｌ組成が０．２０のときのバンドギャップエネルギーは、約１．６７３ｅＶであり、共振器波長とのエネルギー差分は、約０．１８８ｅＶとなる。このときの８５℃での光出力比は、約０．６８である。他方、高屈折率層のＡｌ組成を、ＤＢＲ１１２Ｂと同様に、０．１２としたときのバンドギャップエネルギーは、１．５７４ｅＶであり、共振器波長とのエネルギー差分は、約０．０９ｅＶとなる。このとき、８５℃における光出力の割合は、約０．６０である。
【００２６】
図４に示すように、エネルギーの差分が０．１ｅＶ未満の場合は、ＤＢＲを構成する高屈折率層による光吸収により発熱が増加し、高温時における光出力の割合が０．６０よりも減少する。他方、エネルギーの差分が０．３ｅＶを越える場合は、ＤＢＲを構成する各半導体層の屈折率差が低減することで反射率が低くなり閾値が上昇するため、一定駆動電流における高温時の光出力が低下し、その割合が０．６０を下回る。通常、光出力の低下が２ｄＢ以上になると、光システムとしての動作が出来ない。このため、好ましくは、高温時における光出力の低下が２ｄＢ以下となるように、高屈折率層のバンドギャップエネルギーと共振器波長のエネルギーとの差分を、０．１ｅＶ以上０．３ｅＶ以下とすることが望ましい。これにより、ＶＣＳＥＬを一定駆動電流で駆動したとき、室温に対する高温での光出力比の低下を抑制することができる。
【００２７】
このように、高濃度ＤＢＲ１１２Ａを活性領域１０８に近接して挿入することによって、低温駆動時における電流（キャリア）の横方向の拡散を促進し、電流狭窄層１１０の導電領域１１０ｂへの移動を促し、低温駆動時における光出力の低下を抑制することができる。他方、高濃度ＤＢＲ１１２Ａの高屈折率側の半導体層のバンドギャップエネルギーを、共振器波長のバンドギャップよりも大きくすることによって、高温時における光吸収を抑制することができる。この結果、少なくとも−４０℃から＋８５℃に至る広範囲において光出力の低下の少ないＶＣＳＥＬを得ることができる。
【００２８】
次に、本実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法について図５ないし図７を参照して説明する。先ず、図５Ａに示すように、有機金属気相成長(ＭＯＣＶＤ)法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１０２上に、キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3、膜厚０．２μｍ程度のｎ型ＧａＡｓバッファ層１０４を積層する。その上に、キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3のＡｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に４０．５周期積層し、総膜厚が４μｍであるｎ型下部ＤＢＲ１０６が積層される。その上に、アンドープ下部Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓスぺーサー層とアンドープ量子井戸活性層(膜厚７０ｎｍＧａＡｓ量子井戸層３層と膜厚５０ｎｍＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ障壁層４層とで構成されている)とアンドープ上部Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓスぺーサー層とで構成された膜厚が媒質内波長となる活性領域１０８、酸化による電流狭窄を可能とするためのＡｌＡｓ層１１０、その上にキャリア濃度が６×１０18ｃｍ-3のｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.20Ｇａ0.80Ａｓとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に３周期積層し、更にその上にキャリア濃度が２×１０18ｃｍ-3のｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に２７周期積層する。上記２つの半導体ミラー層から形成されるｐ型上部ＤＢＲ１１２は、総膜厚が約２μｍである。最後に、キャリア濃度１×１０19ｃｍ-3となる膜厚２０ｎｍ程のｐ型のＧａＡｓコンタクト層１１４が最上部に積層される。
【００２９】
さらに、詳しくは述べないが、ＤＢＲ層の電気的抵抗を下げるために、Ａｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.20Ｇａ0.80ＡｓおよびＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓの界面にＡｌ組成を９０％から２０％または１２％に段階的に変化させた膜厚が２０ｎｍ程度の領域を設けることも可能である。原料ガスとしては、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アルシン、ドーパント材料としては，ｐ型用にシクロペンタジニウムマグネシウム、カーボン、ｎ型用にシランを用い、成長時の基板温度は７５０℃とし、真空を破ることなく、原料ガスを順次変化し、連続して成膜を行った。
【００３０】
次に、図５Ｂに示すように、フォトリソ工程により結晶成長層上にレジストマスクＲを形成し、三塩化ホウ素をエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチングにより下部ＤＢＲ１０６の途中までエッチングし、図５Ｃに示すように、環状の溝１１６を形成する。これにより、基板上に複数の１０〜３０μｍ程度の径の円柱もしくは角柱の半導体柱（ポスト）Ｐと、その周囲にパッド形成領域１１８を形成する。
【００３１】
次に、図６Ａに示すように、例えば３４０℃の水蒸気雰囲気に基板を一定時間晒し、酸化処理を行う。電流狭窄層１１０を構成するＡｌＡｓ層は、同じくその一部を構成するＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層やＡｌ0.20Ｇａ0.80Ａｓ層と比べ著しく酸化速度が速いため、ポストＰの側面からポスト形状を反映した酸化領域１１０ａが形成され、酸化されずに残った非酸化領域(導電領域)が電流注入領域あるいは導電領域１１０ｂとなる。
【００３２】
次に、レジストＲを除去した後、図６Ｂに示すように、プラズマＣＶＤ装置を用いて、溝１１６を含む基板全面にＳｉＮ等からなる層間絶縁膜１２０を蒸着する。その後、図６Ｃに示すように、通常のフォトリソ工程およびドライエッチング法を用いて層間絶縁膜１２０をエッチングし、ポストＰの頂部の層間絶縁膜１２０を除去し、そこに円形状のコンタクトホール１２０ａを形成する。あるいは、コンタクトホール１２０ａをリング状とし、図２に示したように、出射領域となる上部ＤＢＲのコンタクト層をＳｉＮで保護するようにしてもよい。
【００３３】
その後、図７Ａに示すように、フォトリソ工程を用いてポストＰの上部中央にレジストパターンＲ１を形成し、その上方からＥＢ蒸着機を用いて、ｐ側電極材料としてＡｕを１００〜１０００ｎｍ、望ましくは６００ｎｍ蒸着する。次に、レジストパターンＲ１を剥離すると、図７Ｂに示すように、レジストパターンＲ１上のＡｕが取り除かれ、上部電極１３０、電極パッド１３４および引き出し配線１３６が完成する。ｐ側電極のない部分、すなわちポスト中央部の開口１３２からレーザ光が出射されるが、この開口１３２の口径は３〜２０μｍぐらいが好ましい。ここでは詳しく述べないが、ポストＰ上に形成される金属の開口部は、ポスト形成前に作成されても良い。
【００３４】
そして、基板裏面には、ｎ電極としてＡｕ／Ｇｅが蒸着される。その後、アニール温度２５０℃〜５００℃、望ましくは３００℃〜４００℃で１０分間アニールを行う。尚、アニール時間は１０分に限定されるわけではなく、０〜３０分の間であればよい。また、蒸着方法としてＥＢ蒸着機に限定されるものではなく、抵抗加熱法、スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法、ＣＶＤ法を用いてもよい。また、アニール方法として通常の電気炉を用いた熱アニールに限定されるものではなく、赤外線によるフラッシュアニールやレーザアニール、高周波加熱、電子ビームによるアニール、ランプ加熱によるアニールにより、同等の効果を得ることも可能である。
【００３５】
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。例えば上記実施例では、化合物半導体層としてＡｌＧａＡｓを例示したが、これ以外のＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いることも可能である。また、Ａｌ組成やドーパント濃度は設計に応じて適宜変更することが可能である。また、ｎ側電極を基板裏面に形成したが、基板上に積層されたｎ型半導体層と電気的に接続するｎ側電極を形成してもよい。この場合、基板は電気的に絶縁性であってもよく、さらに基板側からレーザ光を出射するようにしてもよい。さらに基板上には複数の発光部（ポスト）をモノリシックに形成するようにしてもよい。
【００３６】
次に、本実施例のＶＣＳＥＬを利用したモジュール、光送信装置、空間伝送システム、光伝送装置等について図面を参照して説明する。図８Ａは、ＶＣＳＥＬを実装したパッケージ（モジュール）の構成を示す断面図である。パッケージ３００は、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。
【００３７】
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。
【００３８】
図８Ｂは、他のパッケージの構成を示す図であり、同図に示すパッケージ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。
【００３９】
図９は、ＶＣＳＥＬを光源として適用した例を示す図である。光源装置３７０は、図８Ａまたは図８ＢのようにＶＣＳＥＬを実装したパッケージ３００、パッケージ３００からのマルチビーム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。
【００４０】
図１０は、図８Ａに示すモジュールを光送信装置に適用したときの構成を示す断面図である。光送信装置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。
【００４１】
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、光送信装置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、光送信装置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。
【００４２】
図１１は、図８に示すモジュールを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。空間伝送システム５００は、パッケージ３００と、集光レンズ５１０と、拡散板５２０と、反射ミラー５３０とを含んでいる。集光レンズ５１０によって集光された光は、反射ミラー５３０の開口５３２を介して拡散板５２０で反射され、その反射光が反射ミラー５３０へ向けて反射される。反射ミラー５３０は、その反射光を所定の方向へ向けて反射させ、光伝送を行う。
【００４３】
図１２Ａは、ＶＣＳＥＬを光源に利用した光伝送システムの一構成例を示す図である。光伝送システム６００は、ＶＣＳＥＬが形成されたチップ３１０を含む光源６１０と、光源６１０から放出されたレーザ光の集光などを行う光学系６２０と、光学系６２０から出力されたレーザ光を受光する受光部６３０と、光源６１０の駆動を制御する制御部６４０とを有する。制御部６４０は、ＶＣＳＥＬを駆動するための駆動パルス信号を光源６１０に供給する。光源６１０から放出された光は、光学系６２０を介し、光ファイバや空間伝送用の反射ミラーなどにより受光部６３０へ伝送される。受光部６３０は、受光した光をフォトディテクターなどによって検出する。受光部６３０は、制御信号６５０により制御部６４０の動作（例えば光伝送の開始タイミング）を制御することができる。
【００４４】
図１２Ｂは、光伝送システムに利用される光伝送装置の概観構成を示す図である。光伝送装置７００は、ケース７１０、光信号送信／受信コネクタ接合部７２０、発光／受光素子７３０、電気信号ケーブル接合部７４０、電源入力部７５０、動作中を示すＬＥＤ７６０、異常発生を示すＬＥＤ７７０、ＤＶＩコネクタ７８０を含み、内部に送信回路基板／受信回路基板を有しているものであってもよい。
【００４５】
光伝送装置７００を用いた映像伝送システムを図１３に示す。映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０で発生された映像信号を、液晶ディスプレイなどの画像表示装置８２０に伝送するため、図１２Ｂに示す光伝送装置を利用している。すなわち、映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０、画像表示装置８２０、ＤＶＩ用電気ケーブル８３０、送信モジュール８４０、受信モジュール８５０、映像信号伝送光信号用コネクタ８６０、光ファイバ８７０、制御信号用電気ケーブルコネクタ８８０、電源アダプタ８９０、ＤＶＩ用電気ケーブル９００を含んでいる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明に係る面発光型半導体レーザは、光情報処理や光高速データ通信の分野で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬの概略平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】本発明の実施例における下部ＤＢＲ、活性領域および上部ＤＢＲの構成を示す図である。
【図４】一定駆動電流における室温に対する高温でのレーザ光の光出力比を示すグラフであり、Ａｌ組成と共振器波長のバンドギャップ差と光出力比の関係を示す。
【図５】本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法を説明する工程断面図である。
【図６】本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法を説明する工程断面図である。
【図７】本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法を説明する工程断面図である。
【図８】本実施例に係るＶＣＳＥＬに光学部品を実装したモジュールの構成を示す概略断面図である。
【図９】ＶＣＳＥＬを使用した光源装置の構成例を示す図である。
【図１０】図８に示すモジュールを用いた光送信装置の構成を示す概略断面図である。
【図１１】図８に示すモジュールを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。
【図１２】図１２Ａは、光伝送システムの構成を示すブロック図、図１２Ｂは、光伝送装置の外観構成を示す図である。
【図１３】図１２Ｂの光伝送装置を利用した映像伝送システムを示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１００：ＶＣＳＥＬ                    １０２：基板
１０４：バッファ層                    １０６：下部ＤＢＲ
１０８：活性領域                      １１０：電流狭窄層
１１０ａ：酸化領域                    １１０ｂ：導電領域
１１２：上部ＤＢＲ                    １１２Ａ：高濃度ＤＢＲ
１１２Ｂ：ＤＢＲ                      １１４：コンタクト層
１１６：溝                            １２０：層間絶縁膜
１３０：上部電極                      １３４：電極パッド
１３６：配線電極                      １５０：ｎ側下部電極
Ｐ：ポスト（メサ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図４】
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