(57)【要約】      （修正有）【課題】信頼性の高い長共振器の面発光型半導体レーザを提供する。【解決手段】長共振器の面発光型半導体レーザ１０は、ｎ型ＧａＡｓ基板１００と、ｎ型のＡｌＧａＡｓから成る下部ＤＢＲ１０２と、ｎ型のＡｌＧａＡｓからなる共振器延長領域１０５と、活性領域１０６と、ｐ型のＡｌＡｓからなる電流狭窄層１１０と、ｐ型のＡｌＧａＡｓからなる上部ＤＢＲ１０８と、ｐ側電極１１２と、ｎ側電極１１４とを有する。共振器延長領域１０５の不純物ドーパントは、ＶＩ族材料またはＳｎが用いられる。【選択図】図１
2013168641.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層したｎ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、発振波長よりも光学的膜厚が大きくかつＡｌおよびＧａを含むｎ型の半導体層と、
前記半導体層上に形成された活性領域と、
前記活性領域上に形成され、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層したｐ型の第２の半導体多層膜反射鏡とを有し、
前記半導体層に注入されるｎ型の不純物ドーパントは、ＶＩ族材料またはＳｎである、面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
基板と、
前記基板上に形成され、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層したｐ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、発振波長よりも光学的膜厚が大きくかつＡｌおよびＧａを含むｎ型の半導体層と、
前記半導体層上に形成され、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層したｎ型の第２の半導体多層膜反射鏡とを有し、
前記半導体層に注入されるｎ型の不純物ドーパントは、ＶＩ族材料またはＳｎである、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、前記半導体層、前記活性領域および前記第２の半導体多層膜反射鏡によって規定される共振器の長さが発振波長よりも大きく、かつ前記共振器の反射帯域内に少なくとも２つの共振波長を含み、選択された共振波長が発振される、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】
前記半導体層のＡｌ組成は２２％以上である、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】
前記半導体層のＡｌ組成は３５％以下である、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】
前記ＶＩ族材料は、Ｓｅ、ＴｅまたはＳである、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】
前記発振波長は、７００ｎｍないし８５０ｎｍの範囲である、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】
前記半導体層は、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ層であり、０．２２≦Ｘ≦０．３５である、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】
前記第１および第２の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層および低屈折率層の各々は、Ａｌを含む半導体層である、請求項１ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項１０】
前記半導体層は、前記第１の半導体多層膜反射鏡上にエピタキシャル成長された単一の層である、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。
【請求項１１】
面発光型半導体レーザさらに、前記活性領域に近接してｐ型の電流狭窄層を含む、請求項１ないし１０いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項１２】
前記基板上には、柱状構造が形成され、前記電流狭窄層は、前記柱状構造の側面から選択的に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とを含む、請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項１３】
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の光を入射する光学部材と、
を備えた面発光型半導体レーザ装置。
【請求項１４】
請求項１３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１５】
請求項１ないし１２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。
【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】
非特許文献１や２は、長いモノリシックなキャビティを用いた選択酸化型の長共振器の面発光型半導体レーザを開示している。また、特許文献１は、ミラー間に空洞の延長領域を介在させた長共振器の面発光型半導体レーザを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】H. J. Unold, el al, ”Improving Single-Mode VCSEL Performance by Introducing a Long Monolithic Cavity”, IEEE, PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 12, NO. 8, AUGUST 2000
【非特許文献２】S. W. Z. Mahmoud, “Analysis of longitudinal mode wave guiding in vertical-cavity surface-emitting lasers with long monolithic cavity”, APPLIED PHYSICS LETTERS, VOL. 78, NUMBER 5
【特許文献１】特開２００５−１２９９６０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、信頼性の高い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は、基板と、前記基板上に形成され、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層したｎ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、発振波長よりも光学的膜厚が大きくかつＡｌおよびＧａを含むｎ型の半導体層と、前記半導体層上に形成された活性領域と、前記活性領域上に形成され、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層したｐ型の第２の半導体多層膜反射鏡とを有し、前記半導体層に注入されるｎ型の不純物ドーパントは、ＶＩ族材料またはＳｎである、面発光型半導体レーザ。
請求項２は、基板と、前記基板上に形成され、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層したｐ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、発振波長よりも光学的膜厚が大きくかつＡｌおよびＧａを含むｎ型の半導体層と、前記半導体層上に形成され、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層したｎ型の第２の半導体多層膜反射鏡とを有し、前記半導体層に注入されるｎ型の不純物ドーパントは、ＶＩ族材料またはＳｎである、面発光型半導体レーザ。
請求項３は、前記第１の半導体多層膜反射鏡、前記半導体層、前記活性領域および前記第２の半導体多層膜反射鏡によって規定される共振器の長さが発振波長よりも大きく、かつ前記共振器の反射帯域内に少なくとも２つの共振波長を含み、選択された共振波長が発振される、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は、前記半導体層のＡｌ組成は２２％以上である、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は、前記半導体層のＡｌ組成は３５％以下である、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は、前記ＶＩ族材料は、Ｓｅ、ＴｅまたはＳである、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は、前記発振波長は、７００ｎｍないし８５０ｎｍの範囲である、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は、前記半導体層は、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ層であり、０．２２≦Ｘ≦０．３５である、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は、前記第１および第２の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層および低屈折率層の各々は、Ａｌを含む半導体層である、請求項１ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項１０は、前記半導体層は、前記第１の半導体多層膜反射鏡上にエピタキシャル成長された単一の層である、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。
請求項１１は、面発光型半導体レーザさらに、前記活性領域に近接してｐ型の電流狭窄層を含む、請求項１ないし１０いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項１２は、前記基板上には、柱状構造が形成され、前記電流狭窄層は、前記柱状構造の側面から選択的に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とを含む、請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項１３は、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の光を入射する光学部材と、を備えた面発光型半導体レーザ装置。
請求項１４は、請求項１３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１５は、請求項１ないし１２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。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１、２によれば、信頼性の高い面発光型半導体レーザを提供することができる。
請求項３によれば、信頼性の高い長共振器構造の面発光型半導体レーザを提供することができる
請求項４によれば、ｎ型の半導体層の不純物ドーパントにＳｉを用いる場合と比較してＤＸセンターによる悪影響を抑制することができる。
請求項５によれば、ｎ型の半導体層のＤＸセンターの発生を抑制することができる。
請求項６によれば、ｎ型の半導体層のＤＸセンターの発生を抑制することができる。
請求項７によれば、７００ｎｍないし８５０ｎｍの発振波長の長共振器構造の面発光型半導体レーザの信頼性を向上させることができる。
請求項８によれば、ｎ型のＡｌＧａＡｓ層のＤＸセンターの発生を抑制することができる。
請求項９ないし１２によれば、信頼性の高い長共振器構造の面発光型半導体レーザを提供することができる。
請求項１３ないし１５によれば、信頼性の高い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。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１の実施例に係る長共振器構造の面発光型半導体レーザの概略断面図である。
【図２】図２（ａ）は、ＡｌＧａＡｓのエネルギーバンドを示す図であり、図２（ｂ）はｎ型のＡｌＧａＡｓのＤＸセンターを説明するためのエネルギーバンドを示す図である。
【図３】ＡｌＧａＡｓの不純物ドーパントとしてＳｉを用いたときのＤＸセンターのエネルギー準位とΓ準位との関係を説明するグラフである。
【図４】ドーパントとしてＳｉを用い、かつＡｌ組成が３２％であるときのＡｌ0.32Ｇａ0.68Ａｓの伝導体のエネルギーバンドを示す図である。
【図５】ドーパントとしてＳｉを用いたときのＡｌＧａＡｓの伝導体のエネルギーバンドであり、図５（ａ）は、Ａｌ組成が２２％よりも小さいとき、図５（ｂ）は、Ａｌ組成が２２％以上のときのエネルギーバンドである。
【図６】ＡｌＧａＡｓの不純物ドーパントにＩＶ族材料とＶＩ族材料を用いたときのＤＸセンターによる原子の結合が切断される様子を模式的に示した図である。
【図７】図７（ａ）は、ＩＶ族材料のＤＬＴＳ(Deep Level Transient Spectroscopy)測定結果を示すグラフ、図７（ｂ）は、ＶＩ族材料のＤＬＴＳ測定結果を示すグラフである。
【図８】ＩＶ族不純物材料（ドナー）とＶＩ族不純物材料（ドナー）のＤＬＴＳの測定結果を示す表である。
【図９】ＶＩ族のＴｅを用いたときのＡｌXＧａ1-XＡｓの伝導体のエネルギーバンドとＡｌ組成の関係を示すグラフである。
【図１０】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１１】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１２】図１０（ａ）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。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、単一横モードにおいて光出力やＥＳＤ（Electro Static Discharge）耐性を向上させ、他方、抵抗値や放熱性を低減させることで、素子の寿命を延ばすことが要求されている。
【０００９】
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、酸化アパーチャ径を小さくすれば、素子の抵抗が高くなり、発熱温度も高くなり、これが要因となって寿命が短くなる。また、酸化アパーチャ径を小さくすれば、光出力も小さくなってしまう。面発光型半導体レーザの高光出力および長寿命を実現するための１つの方法に、共振器長を長くすることが考えられている。長共振器の面発光型半導体レーザは、典型的に、共振器長を３〜４ミクロン程度（発振波長の１０倍ないし２０倍程度）長くしたキャビティを備えている。共振器長が長くなると、広がり角が小さい基本横モードと広がり角が大きい高次横モードとの間の光学的損失の差が大きくなり、その結果、酸化アパーチャ径を大きくしても単一横モードを得ることができる。長共振器の面発光型半導体レーザであれば、酸化アパーチャ径を８ミクロン程度まで大きくすることが可能であり、光出力も５ｍＷぐらいまで高くすることが可能である。
【００１０】
以下の説明では、選択酸化型の長共振器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】
【００１１】
図１（ａ）は、本発明の第１の実施例に係る長共振器のＶＣＳＥＬの概略断面図である。同図に示すように、本実施例の長共振器の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グ型反射鏡（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲという）１０２、下部ＤＢＲ１０２上に形成された、長共振器構造を提供する共振器１０４、共振器１０４上に形成されたＡｌ組成が異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｐ型の上部ＤＢＲ１０８を積層している。
【００１２】
ｎ型の下部ＤＢＲ１０２は、例えば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層とのペアを複数積層して構成され、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。また、ｐ型の上部ＤＢＲ１０８は、ｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ層とのペアを複数積層して構成され、各層の厚さはλ／４ｎｒであり、これらを交互に２９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。好ましくは、上部ＤＢＲ１０８の最上層には、ｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層が形成され、上部ＤＢＲ１０８の最下層もしくはその内部には、ｐ型ＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓの電流狭窄層１１０が形成される。
【００１３】
共振器１０４は、下部ＤＢＲ１０２上に形成されたｎ型の半導体層からなる共振器延長領域１０５と、共振器延長領域１０５上に形成された活性領域１０６とを含んで構成される。活性領域１０６は、上部および下部スペーサ層１０６Ａ、１０６Ｃに挟まれた量子井戸活性層１０６Ｂを含み、好ましくは活性領域１０６の膜厚は、発振波長λに等しい。下部スペーサ層１０６Ａは、例えば、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層であり、量子井戸活性層１０６Ｂ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１０６Ｃは、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層である。
【００１４】
共振器延長領域１０５は、一連のエピタキシャル成長により形成されたモノリシックな層であり、その光学的膜厚は、任意であるが、例えば、数λないし数十λ（λは所望の発振波長）を有することができ、好ましくは、５λないし２０λの間の厚み、または反射率が９７％以上の反射帯域に複数の共振波長が含まれる厚みの少なくとも一方を満たす。このような厚みを有することで、厚みが薄い構成に比べ高次の横モードが抑制される。長共振器構造を持たないＶＣＳＥＬは、共振器延長領域１０５を備えておらず、通常、下部ＤＢＲ１０２上に活性領域１０６が形成され、共振器１０４の光学的膜厚は、λ以下である。このような共振器延長領域１０５は、空洞延長領域またはキャビティスペースとして参照され得る。
【００１５】
本実施例では、共振器延長領域１０５は、ＡｌおよびＧａを含む半導体層、好ましくはＡｌＧａＡｓを用いて構成され、共振器延長領域１０５は、ＤＸセンターの発生およびその影響を抑制するため、ｎ型の不純物ドーパントとしてＶＩ族材料またはＳｎを用いる。ＶＩ族材料は、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｓである。
【００１６】
上部ＤＢＲ１０８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１１０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１１０Ａと酸化領域１１０Ａによって囲まれた導電領域（酸化アパーチャ）１１０Ｂを有する。導電領域１１０Ｂ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の軸方向の光軸とほぼ一致する。長共振器のＶＣＳＥＬ１０では、基本横モードを得るために、通常のＶＣＳＥＬと比べて導電領域１１０Ｂの径を大きくすることができ、例えば、導電領域１１０Ｂの径を７ないし８ミクロン程度まで大きくすることができる。
【００１７】
メサＭの最上層には、Ｔｉ／Ａｕなどを積層した金属製の環状のｐ側電極１１２が形成され、ｐ側電極１１２は、上部ＤＢＲ１０８のコンタクト層にオーミック接続される。ｐ側電極１１２には、円形状の開口すなわち光を出射する光出射口１１２Ａが形成される。光出射口１１２Ａの中心は、メサＭの光軸に一致する。さらに基板１００の裏面には、ｎ側電極１１４が形成される。
【００１８】
長共振器を持たないＶＣＳＥＬでは、単一横モードで動作するとき、共振器長が短いので１つの共振波長、すなわち１つの縦モードを有する。一方、本実施例のように長共振器のＶＣＳＥＬでは、共振器長が長くなるため、複数の共振波長が発生し得る。発生する共振波長の数は、共振器長の大きさに比例する。このため、長共振器構造のＶＣＳＥＬでは、動作電流の変動などに伴い共振波長のスイッチング（縦モードのスイッチング）が生じ易く、入力電流とレーザ出力の関係であるＩＬ特性に屈曲点（キンク）を発生させることがある。このような共振波長のスイッチングは、ＶＣＳＥＬの高速変調に好ましくないので、下部ＤＢＲ１０２を構成するＡｌＧａＡｓのペアの屈折率差、あるいは上部ＤＢＲ１０８を構成するＡｌＧａＡｓのペアの屈折率差を小さくすることで、レーザ発振可能な反射率（例えば９９％以上）となる反射帯域を狭め、複数存在する共振波長の中から所望の共振波長を選択し、縦モードスイッチングを抑制することが望ましい。
【００１９】
好ましくは、長共振器のＶＣＳＥＬでは、ｎ型の共振器延長領域１０５を用いる。これは、ｎ型であれば、光の吸収が少なく、素子抵抗を小さくすることができるためである。他方、共振器延長領域１０５を構成する材料がＡｌＧａＡｓであるとき、不純物ドーパントにＳｉを用いると、ドーピング濃度に影響して深い準位であるＤＸセンターが非常に多くできてしまい、これに起因して活性層１０６Ｂの劣化が急速に進んでしまう。ＤＸセンターとは、伝導体側にできる深い準位のことであり、ドナーとなる不純物をＡｌＧａＡｓまたはＧａＡｓに注入したことによって発生するＡｓ欠陥と推測される。
【００２０】
図２（ａ）は、ｎ型のＡｌＧａＡｓの正常状態（Γ準位）のエネルギーバンドを示し、図２（ｂ）は、ｎ型のＡｌＧａＡｓにＤＸセンターが生じたときのエネルギーバンドを示している。図２（ａ）に示すように、伝導体の電子は、価電子帯の正孔と結合することにより光（フォトン）を発生する。一方、Ａｌ組成がおおよそ２０％以上のＡｌＧａＡｓ内では、図２（ａ）のΓ準位よりも低いＤＸセンターの深い準位が形成されてしまい、ＤＸセンターに電子がトラップされ易くなる。その際、ＩＶ族ドナーは、ドナー自身が、ＶＩ族ドナーはＧａ（Ａｌ）が動く。また、電子は、ＤＸセンター内に蓄積され、光を吸収することでＤＸセンターから解放されて伝導体に戻るが、その際、ＩＶ族ドナーはドナー自身が、ＶＩ族ドナーはＧａ（Ａｌ）が動く。これは、活性層の結晶構造を破壊し、著しい特性を劣化させる原因の１つになる。
【００２１】
図３は、ＡｌXＧａ1-XＡｓの伝導体のエネルギーバンドとＡｌ組成との関係を示すグラフである（応用物理  第６５巻  第２号  １９９６年  化合物半導体のＤＸセンターと双安定性  斉藤  峰雄著）。Γは、図２(ａ)に示すような、結晶欠陥のない通常のエネルギー準位、ＤＸセンターは、不純物ドーパントとしてＳｉを用いたときのエネルギー準位を表している。ここで、Ａｌ組成（Ｘ）が約２２％を境界に、それ以上になると、ＤＸセンターの準位がΓの準位よりも低くなることがわかる。つまり、不純物ドーパントにＳｉを用いた場合、ＡｌXＧａ1-XＡｓのＡｌ組成が約２２％以上になると、ＤＸセンターの深い準位が、正常状態であるΓ準位よりも小さくなり、ＤＸセンターに電子がトラップされ易くなる。
【００２２】
図４は、ドーパントとしてＳｉを用い、Ａｌ組成が３２％のときのＡｌ0.32ａ0.68Ａｓのときの伝導体のエネルギーバンド構造を示している（応用物理  第６５巻  第２号  １９９６年  化合物半導体のＤＸセンターと双安定性  斉藤  峰雄著）。ＤＸセンターは、Ｌバンドに固定されており、Ｅｂ、Ｅｅ、Ｅｏはドーパントに依存し、Ａｌ組成が変わったときはΓバンドとＬバンドが変化する。ここで、Ｅｂ：Capture Energy、Ｅｄ：Donor Binging Energy、Ｅｅ：Activation Energy、Ｅｏ：Optical lonization Energyである。
【００２３】
図５は、ドーパントとしてＳｉを用いたときのＡｌＧａＡｓの伝導体バンド構造であり、同図（ａ）は、Ａｌ組成が２２％よりも小さいとき、同図（ｂ）は、Ａｌ組成が２２％以上のときのバンド構造である。同図から明らかなように、Ａｌ組成が２２％よりも小さいとき、ＤＸセンターの深い準位は、正常状態のΓ準位よりも高いが、２２％以上になると、Γ準位よりも小さくなり安定化される。
【００２４】
本発明の第１の実施例では、共振器延長領域１０５の不純物ドーパントとしてＶＩ族の材料を用いてＡｌＧａＡｓを形成する。ＶＩ族の材料であるＴｅ、Ｓｅ、Ｓを不純物ドーパントとしたとき、ＤＸセンターの深い準位は、ＩＶ族のＳｉを用いたときの深い準位よりも大きくなる。このため、Ｓｉのときよりも深い準位を浅くさせることができ、共振器延長領域１０５におけるＤＸセンターの発生割合を抑制し、ＤＸセンターに電子がトラップされる量を減らし、ＤＸセンターによる活性層の結晶欠陥または結晶破壊を抑制することができる。
【００２５】
図６は、ＡｌＧａＡｓの不純物ドーパントにＩＶ族材料とＶＩ族材料を用いたときのＤＸセンターによる原子の結合が切断される様子を模式的に表した図である。同図は、Phys. Rev. B Vol. 39, Num. 14, 1989 pp.10063、「Energetics of DX-center formation In GaAs and AlxGa1-xAs alloys」D. J. Chadi et. al.に記載されている。
【００２６】
ＤＸセンターは、Ａｓの欠如とｎ型ドーパントによって起こると考えられている。図６（ａ）は、ＩＶ族材料としてＳｉが注入されたときの正常状態を表している。ここで、ＤＸセンターに電子が２つトラップされると、Ｇａ-Ｓｉの結合が切れ、図６（ｂ）の状態に遷移する。このとき動くのは、Ｓｉ原子である。Ｅｏ以上のエネルギーの光を吸収すると電子は解放され、図６（ａ）の状態に戻る。
【００２７】
一方、図６（ｃ）は、ＶＩ族材料としてＳが注入されたときの正常状態を表している。ここで、ＤＸセンターに電子が２つトラップされると、Ｇａ-Ｓの結合が切れ、図６（ｄ）の状態となる。このとき動くのは、Ｇａ原子である。 Ｅｏ以上のエネルギーの光を吸収すると電子は解放され、図６（ｃ）の状態に戻る。このようにＩＶ族またはＶＩ族の不純物によってＤＸセンターにより移動する原子が異なる。
【００２８】
図７（ａ）は、Ａｌ0.32ａ0.68ＡｓにＩＶ族の不純物材料を用いたときのＤＬＴＳ(Deep Level Transient Spectroscopy)による深い準位の測定結果を示し、図７（ｂ）は、Ａｌ0.43ａ0.57ＡｓにＶＩ族の不純物材料を用いたときのＤＬＴＳ測定結果を示すグラフである。横軸は、温度、縦軸は、ＤＬＴＳ波形のエネルギーである。このグラフは、Appl. Phys. Lett 45(12) 15 Dec. 1322-1323, 「Chemical trends in the activation energies of DX centers」, O. Kumagai et. al.に記載されている。同図（ａ）に示すように、ＩＶ族不純物によるＤＬＴＳ波形のピークは、ドーパント材料によって温度の違いがみられ、Ｓｉよりも不純物の質量数が大きいＧｅ、Ｓｎであるほど低温に向かう傾向がある。また、ＩＶ族材料では、温度が高いものほど、ＤＸセンターのエネルギーが深いことを示す。他方、Ｓ、Ｓｅ、ＴｅのＶＩ族材料では、ＤＬＴＳ波形のピークは、ドーパント材料によって温度の違いは見られず、略一定である。その理由は、ＶＩ族の場合、動くのがＧａだからである。これらの図から、ＳｉによるＤＸセンターが一番深い準位であることがわかる。
【００２９】
図８は、ＩＶ族ドナーとＶＩ族の不純物材料についてのＤＸセンターの値（ＤＬＴＳ値）を示す表である。この表は、「Properties of Aluminum Gallium Arsenide」, Sadao Adachi著  279ページから引用したものである。表中のＥｅで示すエネルギー値がＤＸセンターの深い準位を表す。ＩＶ族のＳｉは、０．４３であり、一番値が大きいので、Γ準位からのＤＸセンターの準位が一番深い。これに対し、ＶＩ族のＳ、Ｓｅ、Ｔｅでは、ともに０．２８で値が等しい。ＶＩ族では、Ｇａが動くためと考えられる。但し、ＩＶ族において、Ｓｎは、０．１９であり、ＶＩ族よりも値が低いため、Γ準位からのＤＸセンターによる準位は浅い。
【００３０】
図９は、ＶＩ族のＴｅを用いたときのＡｌXＧａ1-XＡｓの伝導体のエネルギーバンドとＡｌ組成の関係を示すグラフである。このグラフは、Phys. Rev. B Vol. 19 Num. 2 1979, pp.1015, 「Trapping Characteristics and a donor-complex(DX) model for the persistent-Photo conductivity trapping center in Te-doped AlxGa1-xAs」, D. V. Lang et. al. から引用したものである。同図から、ＤＸセンターの深い準位は、Ａｌ組成が３２％から３５％の範囲でΓ準位と交差しており、Ａｌ組成が３５％よりも大きくなると、ＤＸセンターの深い準位がΓ準位よりも小さくなることがわかる。
【００３１】
本実施例に係る長共振器のＶＣＳＥＬでは、７００ｎｍ〜８５０ｎｍの範囲の発振波長を有する。発振波長が７００ｎｍよりも小さいとき、ＡｌＧａＡｓの共振器延長領域１０５のＡｌ組成を３０％〜４０%以上にしなければならず、ＩＶ族またはＶＩ族のどのｎ型のドーパントを用いてもＤＸセンターの深い準位は、Γ準位よりも低くなるため、ＤＸセンターによる影響を受けることになる。一方、８５０ｎｍよりも大きいとき、ＡｌＧａＡｓの共振器延長領域１０５のＡｌ組成は１８％以下であり、その場合は、ＩＶ族またはＶＩ族のどのｎ型ドーパントであっても、ＤＸセンターの深い準位は、Γ準位よりも高くなるため、ＤＸセンターは発生しない。
【００３２】
第１の実施例では、ＶＣＳＥＬの発振波長が７００ｎｍ〜８５０ｎｍであるとき、Ａｌ組成は約１８％から４０％であり、ＤＸセンターによる影響をできるだけ抑制するため、共振器延長領域１０５の不純物ドーパントには、ＶＩ族材料が用いられる。Ｔｅ、Ｓｅ、ＳのＶＩ族材料を用いたときのＤＸセンターの深い準位は、図７、図８で説明したように、Ｓｉを用いたときのＤＸセンターの深い準位よりも小さい。従って、ＶＩ族のドーパントであってもＤＸセンターの深い準位は、結晶欠陥がない正常状態のΓ準位よりも低くなるが、Ｓｉのときのように深い準位が形成されない。このため、Ｓｉを用いたときと比較して、ＤＸセンターの発生割合が抑制され、電子のトラップ量を減らすことができる。こうして、ＤＸセンターに起因する活性層１０６Ｂの結晶構造の劣化による短寿命化が防止され、長共振器のＶＣＳＥＬの信頼性を向上させることができる。
【００３３】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。第１の実施例では、ＡｌＧａＡｓの共振器延長領域１０５のドーパントにＩＶ族材料を用いたが、第２の実施例では、ドーパント材料としてＩＶ族のＳｎを用いる。Ｓｎは、図７、図８に示すように、ＩＶ族材料であっても、ＤＸセンターの深い準位（０．１９ｅＶ）は、他のＩＶ族のＳｉやＧｅよりも小さく、かつＶＩ族のＳ、Ｓｅ、Ｔｅよりも小さい。従って、ｎ型ドーパントにＳｎを用いた場合にも、Ｓｉのときほど深い準位は形成されず、その結果、ＤＸセンターの発生割合やＤＸセンターによる電子のトラップ量を小さくすることができる。なお、第２の実施例においても第１の実施例と同様に、共振器延長領域は、５λないし２０λの間の厚み、または反射率が９７％以上の反射帯域に複数の共振波長が含まれる厚みの少なくとも一方を満たすことが好ましい。
【００３４】
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、下部ＤＢＲ１０２および上部ＤＢＲ１０８を、Ａｌ組成比が高い高ＡｌＧａＡｓ層とＡｌ組成比が低い低ＡｌＧａＡｓ層の対により構成したが、下部ＤＢＲ１０２および上部ＤＢＲ１０８は、ＡｌＧａＡｓに限定されるものではない。下部ＤＢＲ１０２および上部ＤＢＲ１０８は、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対から構成されればよく、例えば、高屈折率層としてＧａＡｓ、低屈折率層としてＡｌＧａＡｓの組合せであってもよい。発振波長が長い場合には、ＤＢＲにＧａＡｓを用いることが可能である。
【００３５】
また、第１の実施例では、ｎ型のＧａＡｓ基板を用いて長共振器ＶＣＳＥＬ１０を構成したが、ｐ型のＧａＡｓ基板を用いることもできる。この場合、図１（ｂ）に示すように、ｐ型のＧａＡｓ基板１００上に、ｐ型の下部ＤＢＲ１０２が形成され、その上に共振器１０４が形成され、その上にｎ型の上部ＤＢＲ１０８が形成される。下部ＤＢＲ１０２の活性領域１０６と近接する位置にｐ型の電流狭窄層１１０が形成される。共振器１０４は、活性領域１０６とｎ型の共振器延長領域（スペーサ層）を含んで構成される。上部ＤＢＲ１０８上には、ｎ側電極１１４が形成され、ｎ側電極１１４の中央には光出射口１１４Ａが形成され、基板１００の裏面にはｐ側電極１１２が形成される。
【００３６】
上記実施例では、共振器長が大きくなれば、それに比例して共振波長の数が増加することに留意すべきである。また、下部ＤＢＲや上部ＤＢＲを構成する高屈折率層と低屈折率層の屈折率差（本例では、Ａｌ組成の差）は、存在し得る共振波長との関係から適宜選択される。つまり、所望でない共振波長の反射率が低下するような反射帯域を得ることができるように屈折率差が選択される。
【００３７】
また、電流狭窄層１１０の導電領域（酸化アパーチャ）１１０Ｂの径は、要求される光出力などに応じて適宜変更することができる。基板上に形成されたメサ（柱状構造）Ｍの頂部からレーザ光を出射させる例を示したが、メサは必須ではない。さらにメサＭを形成しない場合には、レーザ光を基板の裏面から出射させるようにしてもよい。この場合、下部ＤＢＲ１０２の反射率を上部ＤＢＲ１０８の反射率よりも小さくするため、上部ＤＢＲ１０８の低屈折率層と高屈折率層のペア数を下部ＤＢＲよりも大きくし、かつｎ側電極１１４に出射窓を形成する。さらにｎ側電極１１４は、必ずしも基板１００の裏面に形成する必要はなく、下部ＤＢＲ１０２と直接的に電気的接続されるようにしてもよい。この場合には、基板１００は、半絶縁性とすることができる。
【００３８】
さらに、ＧａＡｓ基板１００と下部ＤＢＲ１０２との間に必要に応じてバッファ層を形成するようにしてもよい。さらに上記実施例では、ＧａＡｓ系のＶＣＳＥＬを例示したが、本発明は、他のＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体を用いた長共振器のＶＣＳＥＬにも適用することができる。さらに、上記実施例では、シングルスポットのＶＣＳＥＬを例示したが、基板上に多数のメサ（発光部）が形成されたマルチスポットのＶＣＳＥＬあるいはＶＣＳＥＬアレイであってもよい。
【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１０（ａ）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、長共振器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１０（ｂ）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１１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１０（ａ）または図１０（ｂ）のように長共振器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１２は、図１０（ａ）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。
【符号の説明】
【００４５】
１０、１０Ａ：長共振器ＶＣＳＥＬ
１００：基板
１０２：下部ＤＢＲ
１０４：共振器
１０５：共振器延長領域
１０６：活性領域
１０６Ａ：下部スペーサ層
１０６Ｂ：活性層
１０６Ｃ：上部スペーサ層
１０８：上部ＤＢＲ
１１０：電流狭窄層
１１０Ａ：酸化領域
１１０Ｂ：導電領域
１１２：ｐ側電極
１１２Ａ：光出射口
１１４：ｎ側電極
【図１】
2013168641.tif 000003
【図２】
2013168641.tif 000004
【図３】
2013168641.tif 000005
【図４】
2013168641.tif 000006
【図５】
2013168641.tif 000007
【図６】
2013168641.tif 000008
【図７】
2013168641.tif 000009
【図８】
2013168641.tif 000010
【図９】
2013168641.tif 000011
【図１０】
2013168641.tif 000012
【図１１】
2013168641.tif 000013
【図１２】
2013168641.tif 000014