(57)【要約】      （修正有）【課題】基本横モード発振の位相差を抑制した面発光型半導体レーザを提供する。【解決手段】ＶＣＳＥＬ１０は、基板１００と、基板上に形成されたｎ型の下部ＤＢＲ１０２と、活性領域１０４と、活性領域上に形成されたｐ型の上部ＤＢＲ１０６と、上部ＤＢＲ１０６上に形成された光出射口１１０Ａを含むｐ側電極１１０と、光出射口１１０Ａの周辺領域に形成され発振波長の光を吸収する光吸収層１１２と、発振波長の光を透過可能な材料から構成され光出射口１１０Ａの中央領域に形成された位相調整層１１４とを有する。位相調整層の膜厚は、ｄ１＝（２ａ−１）λ／２ｎ１から決定され（ａは整数、λは発振波長、ｎ１は屈折率）、光吸収層１１２の膜厚ｄ２は、（ｎ２−１）×ｄ２＋（１−ｎ１）×ｄ１＝λ×ｂ（ｂは整数、ｎ２は屈折率）の条件を満足する。【選択図】図１
2012015139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
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、
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前記第１導電型と異なる導電型である第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、光を出射する光出射口が形成された電極と、
前記電極の光出射口の少なくとも周辺領域に形成され、発振波長の光を吸収する光吸収層と、
発振波長の光を透過可能な材料から構成され、前記電極の光出射口の中央領域に形成された光透過層とを有し、
前記光吸収層からの光と前記光透過層からの光の位相が調整されるように前記光吸収層および光透過層の膜厚が選択される、面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
前記光透過層の膜厚は、ｄ１＝（２ａ−１）λ／２ｎ１から得られるｄ１の±１０％の範囲（ａは整数、λは発振波長、ｎ１は屈折率）である、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項３】
前記光吸収層が前記中央領域以外の周辺領域に形成されたときの膜厚ｄ２は、（ｎ２−１）×ｄ２＋（１−ｎ１）×ｄ１＝λ×ｂ（ｂは整数、ｎ２は屈折率）の条件を満足する、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項４】
前記光吸収層は、前記第２の半導体多層膜反射鏡を構成する高屈折率層と低屈折率層の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する半導体層から構成され、前記電極は、前記光吸収層に電気的に接続される、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】
前記光吸収層は、前記周辺領域よりも膜厚が薄い層を前記光透過層と前記第２の半導体多層膜反射鏡との間に含む、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】
面発光型半導体レーザはさらに、前記光吸収層と前記光吸収層との間または前記光吸収層と前記第２の半導体多層膜反射鏡との間に、前記光吸収層に対しエッチング選択比をもつエッチング停止層を含む、請求項１ないし５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項７】
前記光吸収層は、保護膜によって被覆される、請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項８】
前記第２の半導体多層膜反射鏡から前記第１の半導体多層膜反射鏡に至る柱状構造が形成され、前記柱状構造には、前記柱状構造の側壁から酸化された酸化領域と当該酸化領域によって囲まれた導電領域を有する電流狭窄層が形成され、前記光吸収層の内径は、前記導電領域の径よりも小さくなるように形成される、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。
【請求項９】
前記導電領域の径は、５ミクロン以上である、請求項１ないし８いずれか１つ記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項１０】
請求項１ないし９いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材と、
を有する面発光型半導体レーザ装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載された面発光型半導体レーザ装置と、
前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段と、
を備えた光伝送装置。
【請求項１２】
請求項１ないし１１いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、
前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構と、
を有する情報処理装置。
【請求項１３】
基板上に、第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、前記第１導電型と異なる導電型である第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を積層し、
前記第２の半導体多層膜反射鏡上に、発振波長の光を吸収可能でありかつ開口を含む光吸収層を形成し、
前記第２の半導体多層膜反射鏡上に、前記光吸収層を取り囲むような光出射口を有する電極を形成し、
前記光吸収層の開口によって露出された前記第２の半導体多層膜反射鏡上に、発振波長の光を透過可能な光透過層を形成し、
前記光透過層の膜厚は、ｄ１＝（２ａ−１）λ／２ｎ１から得られるｄ１の±１０％の範囲（ａは整数、λは発振波長、ｎ１は屈折率）であり、
前記光吸収層の膜厚ｄ２は、（ｎ２−１）×ｄ２＋（１−ｎ１）×ｄ１＝λ×ｂ（ｂは整数、ｎ２は屈折率）の条件を満足する、面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項１４】
基板上に、第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、最上層に相対的に不純物濃度が高い高濃度半導体層を含む前記第１導電型と異なる導電型である第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を積層し、
前記第２の半導体多層膜反射鏡上に、前記高濃度半導体層と電気的に接続しかつ光出射口を有する電極を形成し、
前記電極の光出射口によって露出された高濃度半導体層の一部をエッチングし、エッチングされた領域に発振波長の光を透過可能な光透過層を形成し、
前記光透過層の膜厚は、ｄ１＝（２ａ−１）λ／２ｎ１から得られるｄ１の±１０％の範囲（ａは整数、λは発振波長、ｎ１は屈折率）であり、
前記高濃度半導体層の膜厚ｄ２は、（ｎ２−１）×ｄ２＋（１−ｎ１）×ｄ１＝λ×ｂ（ｂは整数、ｎ２は屈折率）の条件を満足する、面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項１５】
前記高濃度半導体層と前記高濃度半導体層との間または前記高濃度半導体層と前記第２の半導体多層膜反射鏡を構成する相対的に不純物濃度が低い半導体層との間に、エッチングに選択比をもつエッチング停止層を含み、高濃度半導体層のエッチングは、前記エッチング停止層で停止される、請求項１４に記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）は、通信装置や画像形成装置の光源に利用されている。このような光源に利用される面発光型半導体レーザとっては、単一(基本)横モード発振であり、高出力、長寿命であることが求められている。選択酸化型の面発光型半導体レーザでは、電流狭窄層の酸化アパーチャ径を約２〜３ミクロン程度にまで小さくすることで単一横モードを得ているが、このような小さな酸化アパーチャ径では、３ｍＷ以上の光出力を安定的に得ることが難しくなる。そこで、光出射口内に透明な層を形成したりまたはレンズを形成することで、高次横モードを抑制し高出力の基本横モード発振を実現した面発光型半導体レーザ（特許文献１、２）や、活性領域と反射鏡の間に高次横モードを抑制する部分を形成した面発光型半導体レーザ（特許文献３）などが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１５６３９５号公報
【特許文献２】特開２００８−４１７７７号公報
【特許文献３】特開２００４−６３６５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、基本横モード発振されるレーザ光の位相差を抑制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】
【０００５】
請求項１に係る発明は、基板と、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、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前記第１導電型と異なる導電型である第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、光を出射する光出射口が形成された電極と、前記電極の光出射口の少なくとも周辺領域に形成され、発振波長の光を吸収する光吸収層と、発振波長の光を透過可能な材料から構成され、前記電極の光出射口の中央領域に形成された光透過層とを有し、前記光吸収層からの光と前記光透過層からの光の位相が調整されるように前記光吸収層および光透過層の膜厚が選択される、面発光型半導体レーザ。
請求項２に係る発明は、前記光透過層の膜厚は、ｄ１＝（２ａ−１）λ／２ｎ１から得られるｄ１の±１０％の範囲（ａは整数、λは発振波長、ｎ１は屈折率）である、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項３に係る発明は、前記光吸収層が前記中央領域以外の周辺領域に形成されたときの膜厚ｄ２は、（ｎ２−１）×ｄ２＋（１−ｎ１）×ｄ１＝λ×ｂ（ｂは整数、ｎ２は屈折率）の条件を満足する、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項４に係る発明は、前記光吸収層は、前記第２の半導体多層膜反射鏡を構成する高屈折率層と低屈折率層の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する半導体層から構成され、前記電極は、前記光吸収層に電気的に接続される、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に係る発明は、前記光吸収層は、前記周辺領域よりも膜厚が薄い層を前記光透過層と前記第２の半導体多層膜反射鏡との間に含む、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に係る発明は、面発光型半導体レーザはさらに、前記光吸収層と前記光吸収層との間または前記光吸収層と前記第２の半導体多層膜反射鏡との間に、前記光吸収層に対しエッチング選択比をもつエッチング停止層を含む、請求項１ないし５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項７に係る発明は、前記光吸収層は、保護膜によって被覆される、請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項８に係る発明は、前記第２の半導体多層膜反射鏡から前記第１の半導体多層膜反射鏡に至る柱状構造が形成され、前記柱状構造には、前記柱状構造の側壁から酸化された酸化領域と当該酸化領域によって囲まれた導電領域を有する電流狭窄層が形成され、前記光吸収層の内径は、前記導電領域の径よりも小さくなるように形成される、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。
請求項９に係る発明は、前記導電領域の径は、５ミクロン以上である、請求項１ないし８いずれか１つ記載の面発光型半導体レーザ。
請求項１０に係る発明は、請求項１ないし９いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、  前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材と、を有する面発光型半導体レーザ装置。
請求項１１に係る発明は、請求項１０に記載された面発光型半導体レーザ装置と、前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段と、を備えた光伝送装置。
請求項１２に係る発明は、請求項１ないし１１いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構と、を有する情報処理装置。
請求項１３に係る発明は、基板上に、第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、前記第１導電型と異なる導電型である第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を積層し、前記第２の半導体多層膜反射鏡上に、発振波長の光を吸収可能でありかつ開口を含む光吸収層を形成し、前記第２の半導体多層膜反射鏡上に、前記光吸収層を取り囲むような光出射口を有する電極を形成し、前記光吸収層の開口によって露出された前記第２の半導体多層膜反射鏡上に、発振波長の光を透過可能な光透過層を形成し、前記光透過層の膜厚は、ｄ１＝（２ａ−１）λ／２ｎ１から得られるｄ１の±１０％の範囲（ａは整数、λは発振波長、ｎ１は屈折率）であり、前記光吸収層の膜厚ｄ２は、（ｎ２−１）×ｄ２＋（１−ｎ１）×ｄ１＝λ×ｂ（ｂは整数、ｎ２は屈折率）の条件を満足する、面発光型半導体レーザの製造方法。
請求項１４に係る発明は、基板上に、第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、最上層に相対的に不純物濃度が高い高濃度半導体層を含む前記第１導電型と異なる導電型である第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を積層し、前記第２の半導体多層膜反射鏡上に、前記高濃度半導体層と電気的に接続しかつ光出射口を有する電極を形成し、前記電極の光出射口によって露出された高濃度半導体層の一部をエッチングし、エッチングされた領域に発振波長の光を透過可能な光透過層を形成し、前記光透過層の膜厚は、ｄ１＝（２ａ−１）λ／２ｎ１から得られるｄ１の±１０％の範囲（ａは整数、λは発振波長、ｎ１は屈折率）であり、前記高濃度半導体層の膜厚ｄ２は、（ｎ２−１）×ｄ２＋（１−ｎ１）×ｄ１＝λ×ｂ（ｂは整数、ｎ２は屈折率）の条件を満足する、面発光型半導体レーザの製造方法。
請求項１５に係る発明は、前記高濃度半導体層と前記高濃度半導体層との間または前記高濃度半導体層と前記第２の半導体多層膜反射鏡を構成する相対的に不純物濃度が低い半導体層との間に、エッチングに選択比をもつエッチング停止層を含み、高濃度半導体層のエッチングは、前記エッチング停止層で停止される、請求項１４に記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１によれば、光吸収層および光透過層の膜厚が本構成と異なる面発光型半導体レーザと比較して、位相差が抑制された単峰性の遠視野像（Far Field Pattern:ＦＦＰ）を得ることができる。
請求項２によれば、光透過層の膜厚を調整しない場合と比較して、基本横モード発振が促進され、かつレーザ光の位相差を一層抑制することができる。
請求項３によれば、位相調整するための光吸収層の膜厚の選択の自由度を高くすることができる。
請求項４によれば、電極に電気的に接続される半導体層を光吸収層に利用することができる。
請求項５によれば、第２の半導体多層膜反射鏡を介して活性領域に均一な電流を流すことができる。
請求項６によれば、エッチング停止層をもたない場合と比較して、光透過層の直下に膜厚制御された光吸収層を残すことができる。
請求項７によれば、光吸収層を水や湿気から保護することができる。
請求項８によれば、しきい値電流が小さく高出力の基本横モードのレーザ光を得ることができる。
請求項９によれば、基本横モード発振のレーザ光の出力を大きくすることができる。
請求項１０ないし１２によれば、単峰性の遠視野像をもつ基本横モード発振の面発光型半導体レーザを利用した面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置を提供することができる。
請求項１３によれば、光吸収層として半導体層を利用することができる。
請求項１４によれば、電極と電気的に接続される高濃度半導体層を光吸収層に利用することができる。
請求項１５によれば、エッチング停止層を持たない場合と比べて、光吸収層のエッチングを精度よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１の実施例に係る面発光型半導体レーザの平面図とそのＡ−Ａ線断面図である。
【図２】本発明の第２の実施例に係る面発光型半導体レーザの構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第３の実施例に係る面発光型半導体レーザの構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第４の実施例に係る面発光型半導体レーザの構成を示す断面図である。
【図５】本発明の第５の実施例に係る面発光型半導体レーザの構成を示す断面図である。
【図６】本発明の第２の実施例の面発光型半導体レーザのメサ頂部を拡大した模式図である。
【図７】位相調整層の屈折率と膜厚および光吸収層の膜厚との関係を示すテーブルである。
【図８】本実施例のレーザ光に位相差がないときのＦＦＰを示す図である。
【図９】レーザ光に位相差があるときのＦＦＰを示す図である。
【図１０】本実施例の位相調整層の最適な膜厚範囲を説明するＦＦＰである。
【図１１】本発明の第１の実施例に係る面発光型半導体レーザの製造工程を説明する断面図である。
【図１２】本発明の第２の実施例に係る面発光型半導体レーザの製造工程を説明する断面図である。
【図１３】本実施例の面発光型半導体レーザに光学部材を実装した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す概略断面図である。
【図１４】本実施例の面発光型半導体レーザを使用した光源装置の構成例を示す図である。
【図１５】図１３Ａに示す面発光型半導体レーザ装置を用いた光伝送装置の構成を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下の説明では、選択酸化型の面発光型半導体レーザを例示し、面発光型半導体レーザをＶＣＳＥＬと称する。なお、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調しており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。
【実施例】
【０００９】
図１は、本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの概略断面図である。同図に示すように、本実施例のＶＣＳＥＬ１０は、ｎ型のＧａＡｓ基板１００上に、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｎ型の下部分布ブラック型反射鏡（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲという）１０２、下部ＤＢＲ１０２上に形成された、上部および下部スペーサ層に挟まれた量子井戸層を含む活性領域１０４、活性領域１０４上に形成されたＡｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｐ型の上部ＤＢＲ１０６を積層して構成される。
【００１０】
ｎ型の下部ＤＢＲ１０２は、高屈折率層と低屈折率層の積層であり、例えば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層とのペアを複数積層し、各層の厚さはλ／４ｎｒ（但し、λは発振波長、ｎｒは媒質の屈折率）であり、これらを交互に４０周期で積層してある。ｎ型不純物であるシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０18ｃｍ-3である。
【００１１】
活性領域１０４の下部スペーサ層は、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層であり、量子井戸活性層は、アンドープＡｌ0.１１Ｇａ0.８９Ａｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ障壁層であり、上部スペーサ層は、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層である。
【００１２】
ｐ型の上部ＤＢＲ１０６は、高屈折率層と低屈折率層の積層を含み、例えば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層とのペアを複数積層し、各層の厚さはλ／４ｎｒであり、これらを交互に２４周期積層してある。ｐ型不純物であるカーボンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０18ｃｍ-3である。また、上部ＤＢＲ１０６の最上層には、ｐ型ＧａＡｓからなる不純物濃度が高い（例えば、１×１０1９ｃｍ-3）コンタクト層１０６Ａが形成され、上部ＤＢＲ１０６の最下層もしくはその内部には、ｐ型ＡｌＡｓからなる電流狭窄層１０８が形成される。
【００１３】
上部ＤＢＲ１０６から下部ＤＢＲ１０２に至るまで半導体層をエッチングすることにより、基板１００上に円筒状のメサ（柱状構造）Ｍが形成される。電流狭窄層１０８は、メサＭの側面で露出され、当該側面から選択的に酸化された酸化領域１０８Ａと酸化領域１０８Ａによって囲まれた導電領域（酸化アパーチャ）１０８Ｂとを有する。電流狭窄層１０８の酸化工程において、ＡｌＡｓ層の酸化速度は、ＡｌＧａＡｓ層よりも速く、メサＭの側面から内部に向けてほぼ一定の速度で酸化が進行する。このため、導電領域１０８Ｂの基板１００の主面と平行な面内の平面形状は、メサＭの外形を反映した円形状となり、その中心は、メサＭの軸方向の中心、すなわち光軸と一致する。導電領域１０８Ｂの径は、高次横モード発振が生じる大きさであることができ、例えば、７８０ｎｍの発振波長帯で５ミクロンまたはそれ以上とすることができる。
【００１４】
メサＭの最上層には、金属製の環状のｐ側電極１１０が形成される。ｐ側電極１１０は、例えば、ＡｕまたはＴｉ／Ａｕなどを積層した金属から構成され、ｐ側電極１１０は、上部ＤＢＲ１０６のコンタクト層１０６Ａにオーミック接続される。ｐ側電極１１０の中央には、円形状の開口が形成され、当該開口は、光を出射する光出射口１１０Ａを規定する。光出射口１１０Ａの中心は、メサＭの光軸に一致し、光出射口１１０Ａの径は、導電領域１０８Ｂの径よりも大きい。
【００１５】
光出射口１１０Ａの周辺領域には、環状の光吸収層１１２が形成される。光吸収層１１２は、発振波長のレーザ光の発光エネルギーよりもエネルギーギャップＥｇが小さい材料（基礎吸収）、または不純物や欠陥による吸収が可能な材料を用いて構成される。前者の例として、ノンドープのＩｎＰやＩｎＡｓの半導体材料が用いられ、後者の例として、高濃度の不純物がドーピングされた半導体材料が用いられる。半導体材料以外にも、樹脂系材料により光を吸収することもできる。ここで、光吸収層１１２が形成される周辺領域とは、高次横モードに光出力ピークを含み、かつ基本横モードの光出力ピークを含まない領域である。これにより、環状の光吸収層１１２は、光軸から離れた位置で発生する高次横モードの光Ｌ２を吸収する。
【００１６】
光出射口１１０Ａの中央領域には、位相調整層１１４が形成される。ここで、位相調整層を形成する中央領域とは、基本横モードの光出力ピークを含む領域である。位相調整層１１４は、周辺領域から取り出される光と中央領域から取り出される光の位相を調整し、かつ屈折率を選択することで中央領域の反射率を設定する。位相調整層１１４は、光軸近傍で発生する基本横モードの光Ｌ１を透過するため、発光エネルギーよりもエネルギーギャップＥｇが大きな材料から構成される。例えば、位相調整層１１０は、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、ＳＩＯＮ、ＴｉＯ２のような酸化物や窒化物等の誘電体層、あるいはＩＴＯのような導電体層から構成することができる。図１の例では、位相調整層１１４は、光吸収層１１２の開口によって露出されたコンタクト層１０６Ａ上に形成され、位相調整層１１４の中心は、光軸に一致し、その径は、導電領域１０８Ｂの径と等しいかそれよりも小さい。
【００１７】
メサＭの底部、側部および頂部の周縁を覆うように層間絶縁膜１１６が形成される。層間絶縁膜１１６は、例えばＳｉＮ、ＳｉＯ２から構成される。また、基板１００の裏面には、下部ＤＢＲ１０２と電気的に接続されるｎ側電極１２０が形成される。
【００１８】
ｐ側電極１１０およびｎ型電極１２０に順方向駆動電流が印加されると、下部ＤＢＲ１０２、活性領域１０４および上部ＤＢＲ１０６を含む垂直共振器内には、基板とほぼ垂直方向にレーザ発振が生じ、光軸近傍に基本モード発振の光Ｌ１が生じ、光軸から横方向に離れた位置に高次モード発振の光Ｌ２が生じる。光出射口１１０Ａの周辺領域には光吸収層１１２が形成されているため、高次横モードの光Ｌ２の一部または大部分は、光吸収層１１２によって吸収され、高次モードが抑制される。また、位相調整層１１４により、出射領域内の中心領域と周辺領域からの光が同位相になるように調整されるため、基本横モードで高出力、かつ単峰性の良好なＦＦＰ特性をもつ光を得ることができる。
【００１９】
従来例によくみられる高次モードを反射率で抑制する構成では、高次モード部と基本モード部両方の反射率と位相を考慮する必要があり、位相を調整すると反射率も同時に変化するため、反射率と位相差を独立に最適値に設定することはできない。
これに対し本実施例では、高次モードの抑制法として光の吸収を利用しているため、反射率については出射領域の中心領域(基本横モードに影響する)のみ考慮すればよい。よって、吸収層と位相調整層のパラメータを適宜選択してやることで、反射率と位相差を独立に制御することができるため、高次モードの抑制、かつ良好なＦＦＰ特性を同時に達成することができる。また、電流狭窄層１０８の導電領域１０８Ｂの径は、基本横モード発振させるときの径よりも大きくすることができるため、高出力に寄与することができる。
【００２０】
図２は、本発明の第２の実施例のＶＣＳＥＬの構成を示す断面図である。第２の実施例に係るＶＣＳＥＬ１０Ａは、上部ＤＢＲ１０６の最上層に形成されるコンタクト層を光吸収層として利用するものであり、それ以外の構成は、第1の実施例と同じである。同図に示すように、上部ＤＢＲ１０６の最上層に形成されたコンタクト層は、光吸収層１３０としも機能する。コンタクト層すなわち光吸収層１３０は、位相調整層１１４と位相合わせのため所定の膜厚にされるが、光出射口の中央領域の部分がエッチング等により除去され、その除去された空間内に位相調整層１１４が形成される。光吸収層１３０は、上記したようにコンタクト層としても機能するものであり、従って、ｐ側電極１１０とオーミック接続をするのに十分な不純物がドーピングされる。光吸収層１３０の不純物濃度が高くなると、それに伴い光の吸収度合いが高くなる。こうして、第２の実施例では、コンタクト層を兼ねる光吸収層１３０により高次横モード発振された光Ｌ２が吸収される。
【００２１】
図３は、本発明の第３の実施例に係るＶＣＳＥＬの構成を示す断面図である。第３の実施例に係るＶＣＳＥＬ１０Ｂは、第２の実施例のＶＣＳＥＬ１０Ａの光吸収層の一部を変更したものである。図３に示すように、上部ＤＢＲ１０６の最上層には、コンタクト層として機能する光吸収層１３２が形成される。第２の実施例では、位相調整層１１４の直下に、コンタクト層が存在しないが、第３の実施例では、位相調整雄１１４の直下に、僅かの厚さではあるが光吸収層１３２の一部としてコンタクト層１３２Ａが形成される。コンタクト層１３２Ａは、主としてｐ側電極１１０から供給された電流を上部ＤＢＲ１０６に注入する。メサ中央にコンタクト層１３２が残されたことで、活性領域１０４に流れる電流を均一化し、しきい値電流の低減および高出力化を図ることができる。
【００２２】
図４は、本発明の第４の実施例に係るＶＣＳＥＬの構成を示す断面図である。第４の実施例に係るＶＣＳＥＬ１０Ｃは、コンタクト層を兼ねる光吸収層１３４Ａ、１３４Ｂの層内にエッチング停止層１３６が形成される。光吸収層１３４Ａの一部をエッチングする場合、精度の高いエッチングが求められる。このため、光吸収層１３４Ａを構成するＧａＡｓをエッチングするエッチャントに対し選択性のある材料（例えばＧａＩｎＰ）からなるエッチング停止層１３６を間に挿入する。これにより、光吸収層１３４Ａをエッチングしたとき、エッチングをエッチング停止層１３６で停止させることができる。なお、第２の実施例のように位相調整層１１４の直下に光吸収層を残さない場合には、光吸収層１３０の層下にエッチング停止層を形成する。
【００２３】
図５は、本発明の第５の実施例に係るＶＣＳＥＬの構成を示す断面図である。第５の実施例に係るＶＣＳＥＬ１０Ｄは、第３の実施例のＶＣＳＥＬ１０Ｂの表面に、光吸収層１３２を被覆する保護膜１３８を形成したものである。保護膜１３８は、層間絶縁膜１１６と同じ材料により構成することができる。これにより、光吸収層１３２は、水分や湿気から保護される。この場合、保護膜１３８は、光吸収層１１２上に形成されるため、保護膜１３８の位相への影響を考慮して光吸収層１１２の膜厚が設定される。
【００２４】
次に、位相調整層および光吸収層の好ましい膜厚の選定方法について説明する。図６は、第２の実施例のＶＣＳＥＬ１０ＡのメサＭの模式図であり、ｄ１は、位相調整層の膜厚（ｎｍ）、ｄ２は、ＧａＡｓ光吸収層（コンタクト層）１３０の膜厚（ｎｍ）である。
【００２５】
位相調整層１１４は、反射率に影響するため、その膜厚ｄ１は、式（１）の条件を満たすことが望ましい。
ｄ１＝（２ａ−１）λ／２ｎ１  ・・・（１）
ここで、ａは整数、λは発振波長、ｎ１は、位相調整層１１４の屈折率である。但し、後述するように、膜厚ｄ１は、その±１０％の範囲内であれば、ガウシアン型に近い単峰性のＦＦＰを得ることができるので、好ましくは、膜厚ｄ１を、０．９ｄ１〜１．１ｄ１の範囲とすることができる。
光吸収層１３０の膜厚ｄ２は、位相調整層１１４との位相を合わせるため、式（２）の条件を満たすことが望ましい。
（ｎ２−１）×ｄ２＋（１−ｎ１）×ｄ１＝λ×ｂ  ・・・（２）
ここで、ｂは整数、ｎ２は、光吸収層の屈折率である。
【００２６】
図７は、式（１）、（２）から求められた、位相調整層１１４の屈折率ｎ１と、位相調整層１１４および光吸収層１３０の膜厚ｄ１、ｄ２との関係を示すテーブルである。この計算では、λは、７８０ｎｍ、ｎ２は、３．６（ＧａＡｓコンタクト層の屈折率）を用いている。また、ａ、ｂの整数は、それぞれ周期性に関与するものである。
【００２７】
図７において、位相調整層１１４が形成されないとき、式（２）を満足する光吸収層１３０の膜厚ｄ２は、３００ｎｍである。次の条件（ｂ＝２）を満足するときの膜厚ｄ２は、６００ｎｍである。位相調整層１１４の屈折率ｎ１として１．５が選択されたとき（例えば、位相調整層をＳｉＯ２やＳｉＯＮから構成するとき）、式（１）の条件を最初に満足する位相調整層１１４の膜厚ｄ１は、２６０ｎｍである。式（２）の条件を最初に満足する光吸収層１３０の膜厚ｄ２は、５０ｎｍである。また、式（２）の次の条件（ｂ＝１）を満足する光吸収層１３０の膜厚ｄ２は、３５０ｎｍ、その次の膜厚ｄ２は、６５０ｎｍである。
【００２８】
次に、位相調整層１１４の屈折率ｎ１が２．０のとき、位相調整層１１４の膜厚ｄ１は、１９５ｎｍであり、光吸収層１３０の膜厚ｄ２は、７５ｎｍである。式（２）において次の条件を満足する光吸収層１３０の膜厚ｄ２は、３７５ｎｍ、その次の膜厚ｄ２は、６７５ｎｍである。同様に、位相調整層１１４の屈折率ｎ１が２．５のとき、位相調整層１１４の膜厚ｄ１は、１５６ｎｍ、光吸収層１３０の膜厚ｄ２は、９０ｎｍであり、次の条件を満足する光吸収層１３０の膜厚ｄ２は、３９０ｎｍ、その次の膜厚ｄ２は、６９０ｎｍである。
【００２９】
位相調整層１１４は、屈折率ｎ１および膜厚ｄ１を選択することで、中央領域の反射率が最適化されかつ周辺領域からの光と同位相になるように調整される。他方、光吸収層１３０は、周辺領域での反射率を考慮する必要がなく、式（２）により位相調整層１１４と位相が合う膜厚ｄ２が選択される。式（２）の条件を満足する膜厚ｄ２は複数あり、光吸収層１３０が選択し得る膜厚の自由度が高くなる。つまり、反射率と位相差の関係が一義的ではなくなり、反射率と位相差を独立に制御することが可能になる。
【００３０】
図８は、図７のテーブルで示した位相調整層１１４の屈折率ｎ１を２．０、位相調整層１１４の膜厚ｄ１を１９５ｎｍ、光吸収層１３０の膜厚ｄ２を７５ｎｍとしたときの位相差がないＦＦＰを示し、図９は、位相調整層１１４の膜厚ｄ１を５９４ｎｍに変更したときの位相差があるＦＦＰを示す。図８に示すように、式（１）、（２）を満足する膜厚ｄ１、ｄ２では、高次横モード発振の光Ｌ２が抑制され、かつ、出射される光Ｌ１、Ｌ２に位相差がないため、ＦＦＰは、単峰性のガウシアン型の光強度分布となる。
【００３１】
他方、図９に示すように、位相調整層１１４の膜厚ｄ１が式（１）を満足しない場合には、高次横モード発振の光Ｌ２が光吸収層によって抑制されても、そこを透過する光Ｌ２と基本横モードの光Ｌ１との間に位相差が生じ、この位相差による干渉によってＦＦＰにサイドローブが発生し、多峰性となる。このような多峰性のレーザ光を画像形成装置の光源に用いると、形成される画像に強度ムラが生じ、実用上好ましくない。
【００３２】
図１０は、位相調整層の膜厚の変化とＦＦＰの関係を示すグラフである。ここで、位相調整層１１４の膜厚ｄ１は、式（１）により１９５ｎｍであるとする。位相調整層１１４の膜厚がｄ１：１９５ｎｍのとき、単峰性のＦＦＰを得ることができる。位相調整層１１４の膜厚が１．１×ｄ１：２１４．５ｎｍに増加したとき、広がり角が幾分狭くなり、光強度が幾分大きくなるが、依然として単峰性のＦＦＰを得ることができる。また、膜厚が０．９×ｄ１：１７５．５ｎｍに減少したとき、広がり角は幾分広くなり、光強度が幾分小さくなるが、依然として単峰性のＦＦＰを得ることができる。従って、位相調整層の膜厚ｄ１は、最適値（１９５ｎｍ）の±１０％の範囲（１７５．５〜２１４．５ｎｍ）であれば、良好なＦＦＰを得ることができ、画像形成装置等の光源に適用しても実用上何ら問題はない。
【００３３】
次に、本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法について図１１を参照して説明する。先ず、図１１Ａに示すように有機金属気相成長(ＭＯＣＶＤ)法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１００上に、キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3のＡｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ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周期積層したｎ型の下部ＤＢＲ１０２、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓの下部スペーサ層、アンドープＡｌ0.１１Ｇａ0.８９Ａｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ障壁層、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓの上部スペーサ層で構成された活性領域１０４、キャリア濃度が３×１０18ｃｍ-3のｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層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２４周期積層したｐ型の上部ＤＢＲ１０６が積層される。上部ＤＢＲ１０６の最上層には、キャリア濃度１×１０19ｃｍ-3のｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６Ａが形成され、上部ＤＢＲ１０６の最下層もしくはその内部には、ｐ型ＡｌＡｓ層１０８が形成される。ここでは例示しないが、基板１００と下部ＤＢＲ１０２の間に、バッファ層などを介在させてもよい。
【００３４】
次に、コンタクト層１０６Ａ上に、光吸収層１１２が形成される。光吸収層１１２は、ｐ型の不純物がドーピングされた半導体材料から構成され、コンタクト層１０６Ａに対してエッチング選択性を有する。また、光吸収層１１２の膜厚ｄ２は、上記の式（２）により求められる。次に、公知のフォトリソ工程により光吸収層１１２をエッチングし、環状の光吸収層１１２をコンタクト層１０６Ａ上に形成する。このとき、コンタクト層１０６Ａは、エッチング停止層として機能する。
【００３５】
次に、図１１Ｂに示すように、リフトオフ工程により環状のｐ側電極１１０が形成され、次いで、光吸収層１１２によって露出されたコンタクト層１０６Ａ上に位相調整層１１４が形成される。この順番は逆であってもよく、位相調整層１１４を形成した後にｐ側電極１１０を形成してもよい。
【００３６】
次に、図１１Ｃに示すように、ｐ側電極１１０、光吸収層１１２および位相調整層１１４を含む領域上に円形状のエッチング用マスクが形成され、例えば三塩化ホウ素をエッチングガスに用いた反応性イオンエッチングにより上部ＤＢＲ１０６から下部ＤＢＲ１０２の一部に至る半導体層をエッチングし、円筒状のメサＭが形成される。次いで、酸化工程が行われ、酸化領域１０８Ａを含む電流狭窄層１０８が形成される。導電領域１０８Ｂの径は、単一横モードに必要とされた径（例えば、３ミクロン）よりも大きく、高次横モードを生じさせる大きさ、例えば５ミクロンになるように酸化制御される。以後、マスクを除去し、基板全面に層間絶縁膜のパターンが形成され、基板裏面にｎ側電極１２０が形成される。
【００３７】
次に、本発明の第２の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法を図１２を参照して説明する。
図１２Ａにおいて、図１１Ａで示したとき同様に、基板１００上に、下部ＤＢＲ１０２、活性領域１０４および上部ＤＢＲ１０６が形成される。上部ＤＢＲ１０６の最上層は、コンタクト層を兼ねた光吸収層１３０が形成される。次いで、リフトオフ工程により光吸収層１３０上に環状のｐ側電極１１０が形成される。
【００３８】
次に、図１２Ｂに示すように、図示しないエッチングマスクを形成し、このマスクを利用して光吸収層１３０の光軸近傍の領域をエッチングする。このとき、第４の実施例で説明したように光吸収層１３０の直下にエッチング停止層を形成しておけば、そこでエッチングを停止させることができる。マスクを除去した後、光吸収層１３０上に位相調整層となる半導体層を形成し、当該半導体層をパターンニングし位相調整層１１４が形成される。図１２Ｃに示す以降の工程は、第１の実施例のときと同様に行われる。
【００３９】
次に、本実施例のＶＣＳＥＬを利用した面発光型半導体レーザ装置、光情報処理装置および光伝送装置について図面を参照して説明する。図１３Ａは、ＶＣＳＥＬと光学部材を実装（パッケージ）した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。面発光型半導体レーザ装置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。
【００４０】
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内に光学部材のボールレンズ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。
【００４１】
図１３Ｂは、他の面発光型半導体レーザ装置の構成を示す図であり、同図に示す面発光型半導体レーザ装置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。
【００４２】
図１４は、ＶＣＳＥＬを光情報処理装置の光源に適用した例を示す図である。光情報処理装置３７０は、図１３Ａまたは図１３ＢのようにＶＣＳＥＬを実装した面発光型半導体レーザ装置３００または３０２から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(記録媒体)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。
【００４３】
図１５は、図１３Ａに示す面発光型半導体レーザ装置を光伝送装置に適用したときの構成を示す断面図である。光伝送装置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。
【００４４】
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、光伝送装置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、光伝送装置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。
【００４５】
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、円形状のメサを例示したが、メサの形状はこれに限らず、例えば、楕円状、矩形状であってもよい。また、上記実施例では、ＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体を例示したが、他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた面発光型半導体レーザであってもよい。さらに上記実施例では、選択酸化型の電流狭窄層を例示したが、プロトン注入による電流狭窄層やエアポストタイプであってもよい。さらにエッチング停止層として、ＧａＩｎＰを例示したが、これに限らずエッチングに選択比のある他の導電性の材料を用いることができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０，１０Ａ：ＶＣＳＥＬ                １００：基板
１０２：下部ＤＢＲ                      １０４：活性領域
１０６：上部ＤＢＲ                      １０６Ａ：コンタクト層
１０８：電流狭窄層                      １０８Ａ：酸化領域
１０８Ｂ：導電領域                      １１０：ｐ側電極
１１０Ａ：光出射口                      １１２：光吸収層
１１４：位相調整層                      １１６：層間絶縁膜
１２０：ｎ側電極                        １３０、１３２、１３４Ａ：光吸収層
１３２Ａ、１３４Ｂ：コンタクト層        １３６：エッチング停止層
１３８：保護膜
【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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【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１４】
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【図１５】
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