(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、
活性層の両面側に設けられ、該活性層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有する一対の光導波層と、
活性層と両方の光導波層との間にそれぞれ設けられ、該活性層および該光導波層の各禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するキャリアブロック層と、
活性層、光導波層およびキャリアブロック層を挟むように両面側に設けられ、層厚方向に沿って共振器光軸を形成するための１対のミラー層と、
キャリアブロック層と活性層の反対側に位置するミラー層との間に設けられ、共振器光軸付近に電流を集中させるための電流狭窄層とを備えることを特徴とする面発光レーザ装置。
【請求項２】
キャリアブロック層の層厚が５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ装置。
【請求項３】
キャリアブロック層の層厚が５ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信や計測などで好適に用いられ、特に多チャンネル光通信システムに好適な面発光レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
画像情報などの大量の情報を高速に伝送、処理する技術として、二次元集積光デバイスを用いた並列情報処理システムが盛んに研究されている。こうしたシステムにおいて、二次元配列が可能な面発光レーザ装置が特に重要である。
【０００３】
図２は、従来の面発光レーザ装置の一例を示す構成図である。この面発光レーザ装置は、論文(IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,vol.9 No.3,p280 )に記載されており、ＧａＡｓから成る基板５の上に順次、ミラー層４、活性領域３、ミラー層２がＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）などを用いて形成され、ミラー層２、４が層厚方向に沿った光軸を持つ光共振器を構成しており、ミラー層２から基板５の法線方向にレーザ光を放射する。
【０００４】
下側のミラー層４は、ＡｌＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層を１ペアとして３４．５ペアの多層膜ミラーで構成される。上側のミラー層２は、ＡｌＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層を１ペアとして２０ペアの多層膜ミラーで構成される。活性領域３は、ＩｎＧａＡｓから成る量子井戸層を含む。
【０００５】
活性領域３およびミラー層２は、発光領域を限定し電流狭窄を行うために、ドライエッチングを用いて円柱状に加工されており、これらの周囲にはポリイミドから成る電流狭窄層７が充填されている。電流狭窄層７の上面およびミラー層２の上面周囲にはリング状の電極１が形成される。また、基板５の下面にも電極６が形成される。
【０００６】
次に動作を説明する。電極１と電極６の間に電圧を印加すると、ミラー層２、活性領域３、ミラー層４および基板５という電流経路が形成され、電子やホールがキャリアとして活性領域３に注入され、キャリア再結合によって光を輻射する。さらに、注入電流量を増加させていくと誘導放射が始まり、やがて光共振器を構成するミラー層２、４の間でレーザ発振が始まる。レーザ光は、ミラー層２から外部に出力され、外部からは基板５の法線方向に発光ビームが得られる面発光レーザ装置として機能する。図２の構成で、出力数ｍＷのレーザ光が得られている。
【０００７】
図３は、面発光レーザアレイの一例を示す平面図である。このレーザアレイは既に市販されている製品であり（雑誌「光アライアンス」 1995.6 p43 ）、基板８の上に複数の面発光レーザ素子９が縦横８行×８列のマトリクス配置で形成されており、各面発光レーザ素子９に電流を個別に供給する個別電極８ａが外側に向かって引き出されている。基板８の裏面には共通電極が形成される。素子間ピッチは２５０μｍで、１つの素子から１ｍＷ程度の光出力が得られ、閾値電流は５ｍＡ以下である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
面発光レーザは、アレイ集積度の向上および閾値電流の低減化のために、共振器の直径を数十μｍ以下に設定するのが一般的である。ところが、共振器の直径をあまり小さくすると、電流および光の損失が増加してしまい閾値電流が期待どおりに下がらない。この原因として、円柱状に加工されたミラー層２の側面において非発光再結合により電流が消費されてしまう点や加工誤差によって光の散乱が発生する点が考えられる。こうした対策として、電流狭窄層を薄い層状に形成した構造が提案されている。
【０００９】
図４は、従来の面発光レーザ装置の他の例を示す構成図である。この面発光レーザ装置は、基板１６の上に順次、ミラー層１５、半導体層１８、１９から成る活性領域、ミラー層１２が形成され、多層膜ミラーで構成されたミラー層１２、１５が層厚方向に沿った光軸を持つ光共振器を構成する。活性層は半導体層１８、１９の間に形成される。
【００１０】
活性領域の近傍にはＡｌＡｓ層１３が形成されており、各層を積層し、活性領域およびミラー層１２をドライエッチングで円柱状に加工した後、水蒸気中でアニールすることによってＡｌＡｓ層１３が外側から酸化され、円環状のＡｌＡｓ酸化層が形成される。こうした酸化の程度を制御することによって、ＡｌＡｓ酸化層の内径を所望の寸法に制御できる。中央のＡｌＡｓ層は導電性で、周囲のＡｌＡｓ酸化層は電気絶縁性となるため、ＡｌＡｓ層１３を通過する電流は中央部に集中することになる。さらに、ＡｌＡｓ酸化層はＡｌＡｓ層よりも屈折率が低くなるため、屈折率分布型レンズと同様な機能を果たし、光軸に沿って進行する光が光軸付近に集光されるようになり、ミラー層１２の側面における損失が軽減される。この結果、図４の素子において３ｍＷ以上の光出力が得られ、閾値電流も１ｍＡ以下となった。
【００１１】
しかしながら、レーザの高出力化は熱飽和によって制限される。熱飽和とは、レーザ発振に伴って発生するジュール熱やその他の損失に起因して、素子温度が上昇し、これによって活性層の利得が低下して発振が維持できなくなる現象であり、素子の電気抵抗や熱抵抗が高くなるほど顕著になる。
【００１２】
面発光レーザにおける活性領域では、通常の端面発光型レーザと同様に、分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ:seperate confinement heterostrucure）が一般に採用されている。ＳＣＨ構造では、活性層の近傍にキャリアを閉じ込めるために、充分大きな禁制帯幅を有する半導体層を形成している。
【００１３】
図４の面発光レーザをたとえばＡｌＧａＡｓ系材料で構成した場合、同系材料ではＡｌ組成が増加するにつれて禁制帯幅も増加するため、半導体層１８、１９はＡｌ組成０．３〜０．５のＡｌＧａＡｓで形成することによって、活性層両側の禁制帯幅を大きくしている。ところが、ＡｌＧａＡｓ系材料では禁制帯幅の増加とともに、電気抵抗や熱抵抗も増加する傾向にある。したがって、活性層へのキャリア閉じ込め効果を高めようとすると、電気抵抗や熱抵抗も増加してしまい、ジュール熱の発生や活性層の温度上昇をもたらし、熱飽和によるレーザ利得やレーザ出力の低下を引き起こす結果となる。
【００１４】
本発明の目的は、光導波層の電気抵抗や熱抵抗を低減化し、高い光出力が得られる面発光レーザ装置を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、活性層と、
活性層の両面側に設けられ、該活性層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有する一対の光導波層と、
活性層と両方の光導波層との間にそれぞれ設けられ、該活性層および該光導波層の各禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するキャリアブロック層と、
活性層、光導波層およびキャリアブロック層を挟むように両面側に設けられ、層厚方向に沿って共振器光軸を形成するための１対のミラー層と、
キャリアブロック層と活性層の反対側に位置するミラー層との間に設けられ、共振器光軸付近に電流を集中させるための電流狭窄層とを備えることを特徴とする面発光レーザ装置である。
【００１６】
本発明に従えば、活性層と光導波層との間に位置するキャリアブロック層が活性層へのキャリア閉じ込め機能を果たすようになる。そのため、光導波層によるキャリア閉じ込め機能をあまり考慮せずに、光導波層の組成や寸法を設計することが可能となる。したがって、電気抵抗や熱抵抗を低減化した光導波層を採用でき、熱特性に優れ、高出力、高信頼性の面発光レーザを実現できる。たとえばＡｌＧａＡｓ系材料で半導体レーザを製作する場合、光導波層のＡｌ組成を低く形成することによって、電気抵抗や熱抵抗を低減化できる。
【００１７】
さらに、キャリアブロック層と活性層の反対側に位置するミラー層との間に電流狭窄層を設けているため、共振器光軸付近に電流を集中させることが可能になり、レーザ利得の向上や閾値電流の低減化が図られる。また、電流狭窄層に近接する光導波層は、電流通路面積が小さくなるため、光導波層の電気抵抗率は出来る限り低いほうが好ましい。本発明ではキャリアブロック層を設けることによって、電流狭窄層近接の光導波層を電気抵抗率の低い半導体材料で形成できるようになる。
【００１８】
また、基板側の光導波層の熱抵抗が低減化することによって、電流狭窄層近傍で発生した熱が基板側に円滑に伝達されるため、活性層の熱飽和を抑制できる。
【００１９】
また本発明では、キャリアブロック層を活性層と両方の光導波層との間にそれぞれ設けることによって、活性層へのキャリア閉じ込め機能をより効率的に発揮することができる。
【００２６】
また本発明は、キャリアブロック層の層厚が５０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００２７】
本発明に従えば、活性層に存在するキャリアがトンネル効果によって漏出しないように、キャリアブロック層はある程度厚みが必要になるが、あまり厚くするとキャリア注入効率や光の浸み出し効率が低下するため、５０ｎｍ以下の層厚が好ましい。
【００２８】
また本発明は、キャリアブロック層の層厚が５ｎｍ以上であることを特徴とする。
【００２９】
本発明に従えば、活性層に存在するキャリアがトンネル効果によって漏出しないように、キャリアブロック層はある程度厚みが必要になるが、あまり薄くし過ぎると、キャリアブロック層のバンドピークが緩和されるバンドベンディング現象やトンネル効果によるキャリア漏出が生じて、キャリアブロック機能が低下するため、５ｎｍ以上の層厚が好ましい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１（ａ）は本発明の第１実施形態を示す構成図であり、図１（ｂ）は平面図である。面発光レーザ装置は、ＧａＡｓから成る基板２７の上に順次、下側のミラー層２６、活性領域、上側のミラー層２１がＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）などを用いて形成され、ミラー層２１、２６が層厚方向に沿った光軸を持つ光共振器を構成しており、ミラー層２１から基板２７の法線方向にレーザ光を放射する。
【００３１】
各ミラー層２１、２６は、ＡｌＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層とが交互に積層された多層膜ミラーで形成される。
【００３２】
活性領域は、下から順次、Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ａｓから成る下側光導波層２５、Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓから成るキャリアブロック層３１（厚さ１５ｎｍ）、Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ａｓのバリア層およびＧａＡｓの井戸層から成る４重量子井戸層で構成された活性層３０、Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓから成るキャリアブロック層２９（厚さ１５ｎｍ）、Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ａｓから成る上側第１光導波層２４、ＡｌＡｓ層およびＡｌＡｓ酸化層を含む電流狭窄層２３（厚さ２０ｎｍ）、Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ａｓから成る上側第２光導波層２２で構成される。
【００３３】
下側光導波層２５、上側第１光導波層２４、上側第２光導波層２２の厚さは、活性領域全体の厚さが発振波長λと一致するように適宜設定され、光共振器の縦モード条件を満足させている。
【００３４】
各層の導電型に関して、活性層３０から下側光導波層２５までの各層をｎ型にすると、活性層３０から上側第２光導波層２２までの各層をｐ型とし、逆に前者をｐ型にすると後者はｎ型とする。
【００３５】
こうした活性領域およびミラー層２１は、発光領域を限定し電流狭窄を行うために、各層の積層後に塩素反応性エッチングを用いて円柱状に加工される。活性領域の直径（約２５μｍ）はミラー層２１の直径（約２０μｍ）より大きく形成され、その段差面にリング状の電極２８が形成される。もう一方の電極３２は基板２７の上に形成され、電極２８と電極３２の間に電流を供給することによって活性領域にキャリアが注入される。
【００３６】
ＡｌＧａＡｓ系材料はＡｌ組成が増加するにつれて禁制帯幅も増加する傾向がある。本実施形態では、活性層３０の禁制帯幅よりも光導波層２２、２４、２５の禁制帯幅の方が大きく、さらに光導波層２２、２４、２５よりもキャリアブロック層２９、３１の禁制帯幅の方が大きくなる。
【００３７】
電流狭窄層２３は、各層の積層工程においてＡｌＡｓ層２３ａで形成しておいて、活性領域およびミラー層２１のエッチング工程の後に、水蒸気雰囲気中で約４００度で高温処理することによってＡｌＡｓ層２３ａが外側から酸化され、図１（ｂ）に示すように、円環状のＡｌＡｓ酸化層２３ｂが形成される。こうした酸化の程度を制御することによって、ＡｌＡｓ酸化層２３ｂの内径を所望の寸法に制御できる。中央のＡｌＡｓ層２３ａは導電性で、周囲のＡｌＡｓ酸化層２３ｂは電気絶縁性となるため、電流狭窄層２３を通過する電流は中央部のＡｌＡｓ層２３ａに集中することになる。
【００３８】
次に動作を説明する。電極２８と電極３２の間に電圧を印加すると、上側第２光導波層２２、電流狭窄層２３、上側第１光導波層２４、キャリアブロック層２９、活性層３０、キャリアブロック層３１、下側光導波層２５という電流経路が形成され、電子やホールがキャリアとして活性層３０に注入され、キャリア再結合によって光を輻射する。活性層３０内のキャリアは、キャリアブロック層２９、３１の存在によって活性層３０内に閉じ込められるため、再結合効率が向上する。
【００３９】
さらに、注入電流量を増加させていくと誘導放射が始まり、やがて光共振器を構成するミラー層２１、２６の間でレーザ発振が始まる。レーザ光は、ミラー層２１から外部に出力され、外部からは基板２７の法線方向に発光ビームが得られる面発光レーザ装置として機能する。
【００４０】
本実施形態では、キャリアブロック層２９、３１を設けたことによって、各光導波層２２、２４、２５のＡｌ組成を０．２０と大幅に低くできるため、全体の電気抵抗および熱抵抗が格段に小さくなる。
【００４１】
（第２実施形態）
第２実施形態の構造は、図１のものと同様であるが、層材料が相違する。図１を参照して、面発光レーザ装置は、ＧａＡｓから成る基板２７の上に順次、下側のミラー層２６、活性領域、上側のミラー層２１がＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）などを用いて形成され、ミラー層２１、２６が層厚方向に沿った光軸を持つ光共振器を構成しており、ミラー層２１から基板２７の法線方向にレーザ光を放射する。
【００４２】
各ミラー層２１、２６は、ＡｌＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層とが交互に積層された多層膜ミラーで形成される。
【００４３】
活性領域は、下から順次、ＧａＡｓから成る下側光導波層２５、Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓから成るキャリアブロック層３１（厚さ２５ｎｍ）、ＧａＡｓのバリア層およびＩｎＧａＡｓの井戸層から成る２重量子井戸層で構成された活性層３０、Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓから成るキャリアブロック層２９（厚さ２５ｎｍ）、ＧａＡｓから成る上側第１光導波層２４、ＡｌＡｓ層およびＡｌＡｓ酸化層を含む電流狭窄層２３（厚さ２０ｎｍ）、ＧａＡｓから成る上側第２光導波層２２で構成される。
【００４４】
下側光導波層２５、上側第１光導波層２４、上側第２光導波層２２の厚さは、活性領域全体の厚さが発振波長λと一致するように適宜設定され、光共振器の縦モード条件を満足させている。
【００４５】
電流狭窄層２３は、各層の積層工程においてＡｌＡｓ層２３ａで形成しておいて、活性領域およびミラー層２１のエッチング工程の後に、水蒸気雰囲気中で約４００度で高温処理することによってＡｌＡｓ層２３ａが外側から酸化され、図１（ｂ）に示すように、円環状のＡｌＡｓ酸化層２３ｂが形成される。
【００４６】
本実施形態では、キャリアブロック層２９、３１を設けたことによって、各光導波層２２、２４、２５をＡｌ組成がゼロであるＧａＡｓで形成できるため、全体の電気抵抗および熱抵抗がより小さくなる。
【００４７】
以上の説明では、ＡｌＧａＡｓ系半導体材料を使用した例を示したが、禁制帯幅と電気抵抗および熱抵抗との関係が同様であるＰ（リン）系、ＧａＮ系等の半導体材料も使用可能である。
【００４８】
また、活性領域に関しても、ＧａＡｓやＩｎＧａＡｓから成る量子井戸層に限らず、他の材料、たとえばＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＮを用いた量子井戸層や、量子井戸でない通常のダブルヘテロ構造でも本発明は適用可能である。
【００４９】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、活性層と光導波層との間に位置するキャリアブロック層が活性層へのキャリア閉じ込め機能を果たすようになるため、電気抵抗や熱抵抗を低減化した光導波層を採用でき、熱特性に優れ、高出力、高信頼性の面発光レーザを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明の第１実施形態を示す構成図であり、図１（ｂ）は平面図である。
【図２】従来の面発光レーザ装置の一例を示す構成図である。
【図３】面発光レーザアレイの一例を示す平面図である。
【図４】従来の面発光レーザ装置の他の例を示す構成図である。
【符号の説明】
２１、２６  ミラー層
２２  上側第２光導波層
２３  電流狭窄層
２４  上側第１光導波層
２５  下側光導波層
２７  基板
２８、３２  電極
２９、３１  キャリアブロック層
３０  活性層
【図１】
0003869106.tif 000002
【図２】
0003869106.tif 000003
【図３】
0003869106.tif 000004
【図４】
0003869106.tif 000005