(57)【要約】【課題】導波路との間での結合損失を低減させることができ、高速動作可能であり、光出力を正確にモニターできる面発光レーザおよびこの面発光レーザを備える半導体装置を提供する。【解決手段】基板１０１上に垂直共振器が設けられ、垂直共振器は基板１０１上の第１反射層１０２と、第１反射層１０２上に設けられた活性層１０４と、この活性層１０４の上部に設けられた電流狭窄構造と、この電流狭窄構造の上部に設けられた第２反射層１０９とを含む。電流狭窄構造を通る面内で直交するとともに、各層に平行な第１軸１１６および第２軸１１７を想定した場合、第１軸１１６方向での発光プロファイルおよび前記第２軸１１７方向での発光プロファイルが異なっている。第１軸１１６方向の放射角は第２軸１１７方向の放射角に比べて狭く、第２軸１１７方向で双峰の遠視野像を有する。【選択図】図２
2009141119.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直共振器を有する面発光レーザであって、
前記垂直共振器は、第１反射層と、この第１反射層上部に設けられた活性層と、この活性層の上部に設けられた電流狭窄構造と、この電流狭窄構造の上部に設けられた第２反射層とを含み、
前記電流狭窄構造を通る面内で直交し、各層に平行な第１軸および第２軸を想定した場合、前記第１軸方向での発光プロファイルおよび前記第２軸方向での発光プロファイルが異なり、
前記第１軸方向の放射角は前記第２軸方向の放射角に比べて狭く、前記第２軸方向で双峰の遠視野像を有する面発光レーザ。
【請求項２】
請求項１に記載の面発光レーザにおいて、
前記垂直共振器の電流注入領域の少なくとも一部を含み、積層方向に沿った前記第１反射層から前記第２反射層までの領域を第一領域とし、
この第一領域を挟むとともに、前記第１軸方向に沿って前記第一領域に隣接した領域であって、積層方向に沿った前記第１反射層から前記第２反射層までの一対の領域を第二領域とし、
前記第一領域を挟むとともに、前記第２軸方向に沿って前記第一領域に隣接した領域であって、積層方向に沿った前記第１反射層から前記第２反射層までの一対の領域を第三領域とした場合、
前記第一領域の等価屈折率は、前記第二領域の等価屈折率、第三領域の等価屈折率それぞれよりも大きく、
前記第一領域と前記第二領域の等価屈折率差は、前記第一領域と前記第三領域との等価屈折率差よりも小さい面発光レーザ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の面発光レーザにおいて、
前記垂直共振器の電流注入領域の少なくとも一部を含み、積層方向に沿った前記第１反射層から前記第２反射層までの領域を第一領域とし、
この第一領域を挟むとともに、前記第１軸方向に沿って前記第一領域に隣接した領域であって、積層方向に沿った前記第１反射層から前記第２反射層までの一対の領域を第二領域とした場合、
前記第一領域の等価屈折率をｎeff1、第二領域の等価屈折率をｎeff2、前記第一領域の第1軸方向の幅をｗ１、当該面発光レーザの発振波長をλとした場合、ｎeff1は、ｎeff2よりも大きく、(πｗ1)2 (ｎeff１2-ｎeff２2)/λ2≦6である面発光レーザ。
【請求項４】
請求項１に記載の面発光レーザにおいて、
前記垂直共振器の電流注入領域の少なくとも一部を含み、積層方向に沿った前記第１反射層から前記第２反射層までの領域を第一領域とし、
この第一領域を挟み、前記第１軸方向に沿って前記第一領域に隣接した領域であって、積層方向に沿った前記第１反射層から前記第２反射層までの一対の領域を第二領域とした場合、
前記第一領域の等価屈折率が、第二領域の等価屈折率に比べ小さい面発光レーザ。
【請求項５】
請求項１に記載の面発光レーザにおいて、
前記第２反射層のうち、電流注入領域上の少なくとも一部の領域の反射率が、この領域を挟むとともに、この領域と前記第１軸方向に隣接する他の領域の反射率に比べて大きい面発光レーザ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の面発光レーザにおいて、
電流注入領域の一部が、イオン注入により高抵抗化されている面発光レーザ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の面発光レーザにおいて、
前記垂直共振器の電流注入領域の少なくとも一部を含み、積層方向に沿った前記第１反射層から前記第２反射層までの領域を第一領域とし、
前記第一領域を挟むとともに、前記第一領域に前記第２軸方向に沿って隣接した領域であって、積層方向に沿った前記第１反射層から前記第２反射層までの一対の領域を第三領域とした場合、
前記第一領域の等価屈折率をｎeff1、第三領域の等価屈折率をｎeff3、前記第2軸方向の第一領域の幅をw2、当該面発光レーザの発振波長をλとした場合、ｎｅｆｆ１は、ｎｅｆｆ３より大きく、(πw2)2 (neff１2-neff３2) /λ2≧100
である面発光レーザ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の面発光レーザと、
前記面発光レーザから射出されたレーザ光を検出する検出器とを有し、
前記面発光レーザから射出された双峰の遠視野像の一方の峰側が前記検出器の受光面に投影され、
他方の峰側が光導波路に入射される半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光レーザおよび半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットの普及に伴いコンピュータ内、コンピュータ間、コンピュータと周辺装置の間で処理を必要とされる情報量は増加傾向にある。電気による信号の伝送限界を超えるデバイスとして、コンピュータ内で高密度実装が可能な面発光レーザが注目されている。
【０００３】
面発光レーザの高速動作には光閉じこめが強いことが重要である。
しかしながら、面発光レーザは電流不均一が生じやすいため、横方向の光閉じこめを強くすると高次横モードが生じやすく、放射角が広がり、光配線への結合が容易ではない。低コストの観点から光配線との結合を行う上で、レンズを用いない直接結合が求められている。レンズなしで、導波路と高い結合効率で結合するには放射角が小さいことが望ましい。従来、放射角の小さい面発光レーザを実現するには、横モードは基本モードのみ、あるいは高次モードを含んでも次数が小さい横モードのみとなるように設計されてきた。
【０００４】
非特許文献1に示される以下の式１によると、面発光レーザの横モード特性は実効屈折率の面内分布をパラメータとして記述できる。発光アパーチャー内部共振器の共鳴波長および実効屈折率をそれぞれλo、neff、アパーチャー外部の共鳴波長および実効屈折率をλ1、n1とし、Δλ＝λo-λ1、Δneff=neff-n1とすると
Δneff／neff＝△λ／λo・・・（式１）
の関係が存在する。
【０００５】
放射角の小さい面発光レーザを実現する方法として、大きく３種類の方法がとられている。
【０００６】
第１には面発光レーザで実効屈折率の分布を制御する方法、第２には基本横モードに対する高次横モードの損失を大きくして、高次モードの発振を抑制する方法、第３には光閉じこめの面積を小さくすることで高次モードの発振を抑制する方法がある。
【０００７】
第１の方法には屈折率導波構造において、アパーチャー内外の実効屈折率差を小さくする方法と、アンチガイド構造とし、アパーチャーの内に比べて、外側の実効屈折率を大きくすることで、高次横モードの発振をレーザ抑制する方法がある。
第１の方法の前者を実現する例は、特許文献1の図1に示される。特許文献1ではエッチング選択比の大きな2種類の埋め込み層を用いることで第1のＤＢＲ層および第2のＤＢＲ層に挟まれた領域の厚みを制御し、屈折率差の制御を行っている。
発光領域に対し、その周辺の屈折率差を小さくすることで光閉じこめが弱まり、高次モードの発振が抑制される。
【０００８】
第１の方法の後者を実現する他の例は非特許文献２の図１に示される。エルティー  アルミニウム  ガリウム  アルセナイド（ＬＴ―ＡｌＧａＡｓ）層およびガリウム  アルセナイド  キャップ（ＧａＡｓ cap）層を導入することでアパーチャー内に対してアパーチャー外の共鳴波長を長くすることができ、アンチガイド導波により、放射角の小さい単峰の面発光レーザが実現されている。
【０００９】
第２の方法の例としては特許文献２の図１に示される。ｐ側電極の開口部の開口径と電流狭窄部の開口径を制御することで、高次横モードの共振器の光学損失と基本横モードの共振器の光学損失との差を大きくし、高次横モードのレーザ発振を抑制している。
【００１０】
一方で、面発光素子はモジュールに組み込まれて使用される。そこでは素子劣化時にモジュールの交換タイミングを把握することや、光出力変動をフィードバックすることが重要となり、光出力をモニターすることが求められる。面発光レーザを用いたモジュールにおける光出力のモニター方法としては、いくつかの方法が報告されている。特許文献３の図３にはビームスプリッタを用いた例が提示されている。
特許文献４の図１には面発光レーザに光出力をモニターするための光検出器をモノリシックに形成した構成が示されている。具体的には、光導波路の周縁部の一部に、活性層に対し共振方向に積層され、活性層で発したレーザ光を吸収し、キャリアを発生する受光部が設けられた面発光レーザが開示されている。
また、特許文献５の図６には面発光レーザの出射面に回折格子を設け、面発光レーザから出力された光のうち、０次回折光は光ファイバのコアに入り、１次回折光の一部が光ファイバのクラッドで反射されてフォトダイオードで受光される例が提示されている。
【００１１】
さらに、本発明に関連する背景技術として特許文献６，７がある。
【００１２】
【特許文献１】特願２００６−２８３７８７
【特許文献２】特開２００２−２０８７５５
【特許文献３】特開２００７−１５８０９２
【特許文献４】特開２００７−１３２２７
【特許文献５】特開２００１−２８４７０２
【特許文献６】特開２００４−２８８６７４
【特許文献７】特開２００５−９３７９８
【非特許文献１】ジー・ロナルド・ハドリー(G. Ronald. Hadley)、他5名、「コンプリヘンシブ  ニューメリカル  モデリング  オブ  バーティカル  キャヴィティ  サーフィス  エミティング  レーザーズ(Comprehensive numerical modeling of vertical cavity surface emitting lasers)」、アイトリプルイー  ジャーナル  オブ  クオンタム  エレクトロニクス(IEEE Journal of Quantum Electronics)、1996年、pp.607-616
【非特許文献２】ティー・エイチ・オー(T.-H. Oh)、他3名、「シングル  モード  オペレーション  イン  アン  アンチガイディッド  バーティカル  キャヴィティ  サーフィス  エミティング  レーザ  ユージング  ア    ロウ  テンプラチャー  グロウン  アルミニウム  ガリウム  アルセナイド  ディエレクトリック  アパーチャー(Single-mode operation in an antiguided vertical-cavity surface-emitting laser using a low-temperature grown AlGaAs dielectric aperture)」、アイトリプルイー  フォトニクス  テクノロジー  レター(IEEE photonics technology letter)、1998年、pp.1064-1066
【非特許文献３】伊賀健一、小山二三夫、「面発光レーザの基礎と応用」、共立出版株式会社、1999
【非特許文献４】エイ、エヌ、エイエルオマリ（A. N. AL-Omari）,他2名、「ポリイミド  プレーナライズド  バーティカル  キャヴィティ  サーフィス  エミティング  レーザ  ウイズ  17ギガヘルツ  バンドウィドゥス（Polyimide-Planarized Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers With 17.0-GHz Bandwidth）」、アイトリプルイー  フォトニクス  テクノロジー  レター(IEEE photonics technology letter)、2004年、pp.969-971
【非特許文献５】岡本勝就、「光導波路の基礎」、コロナ社、1992
【非特許文献６】エス、セキグチ、他６名 S. Sekiguchi、「インプルーブメント  オブ  カレント  インジェクション  ユニフォーミティ  アンド  デバイス  レジスタンス  インロング  ウエイブレングス  バーティカル  キャヴィティ  サーフィス  エミティング  レーザ  ユージング  ア  トンネル  ジャンクション（Improvement of current injection uniformity and device resistance in long-wavelength vertical-cavity surface-emitting laser using a tunnel junction）」、ジャパニーズ  ジャーナル  オブ  アプライド  フィジックス(Japanese Journal of Applied Physics)、2000年、pp. 3997-4001
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
非特許文献３の１８１頁に示されるように、一般に面発光レーザの高速動作の一つの指標である緩和振動周波数はモード体積の平方根に反比例し、微分利得の平方根に比例する。
【００１４】
先述の放射角を狭小化する第1から第３の方法に関し、次のような問題がある。
【００１５】
第１の方法では屈折率差を制御し、光閉じこめを弱めることで放射角を狭めているが、光閉じこめを弱めると、発光部より外への光のしみ出しが増え、モード体積は増える。モード体積が増えると高速性が阻害される。
【００１６】
第２の方法では基本横モードに対する高次横モードの共振器損失を大きくすることで、高次横モードのレーザ発振を抑制しているが、高次モードに対する共振器損失を増加させると少なからず、基本横モードの共振器損失も増加し、しきい値電流が増加する。しきい値電流の増加は素子発熱を増加させるため、活性層微分利得の減少を招き、やはり高速性を阻害する。
【００１７】
第３の方法はアパーチャーを小さくすることで、高次横モードのレーザ発振を抑制しているが、非特許文献４に示されるような通常の酸化狭窄型面発光レーザの場合、光閉じこめと電流閉じこめは酸化狭窄構造で行われる。すなわち、アパーチャーを小さくすると電流狭窄径も小さくなるため素子抵抗が増加する。素子抵抗の増加は素子発熱を増加させるため、活性層微分利得の減少を招き、やはり高速性を阻害する。
【００１８】
ここで、第１の方法の問題点に関して詳細に述べる。
面発光レーザの横モード特性は実効屈折率をパラメータとして解析できる。正規化周波数を用いた解析結果は円形導波路のステップ型光ファイバの横モード特性と等価である。
【００１９】
例えば非特許文献５の６８頁の図３．５に正規化周波数ｖに対する光閉じこめ率Pcore/Pが記載されている。ここで示される光閉じこめ率は面発光レーザの横方向の光閉じこめ率に対応する。正規化周波数ｖは非特許文献５の５０頁の式３．２０に示されるようにアパーチャー内外の実効屈折率、アパーチャー径の関数になっている。アパーチャー径に対しては比例関係にある。
非特許文献５を参照すると、基本モードのみでレーザ発振させるには正規化周波数ｖを２．３以下にする必要があり、正規化周波数が２であれば８０％程度の光閉じこめが得られる。しかしながら、基本モードにおいて、正規化周波数２付近では、光閉じこめは正規化周波数に対し急激に変化する。アパーチャー径のばらつきが大きいと光閉じこめが大きく変動してしまう。特に酸化狭窄型面発光レーザでは、酸化工程でのアパーチャー径のばらつきが大きい。また、実際のデバイスでは素子の発熱そのものが、材料屈折率を上昇させるため、発熱とともに発光部とその周辺の実効屈折率差が大きくなり、光閉じこめが強くなる。発熱は電流電圧特性のばらつきとともに変化し、電流電圧特性はアパーチャー径のばらつきも反映する。したがって、基本モードのみでレーザ発振させようとすると、発熱による屈折率変化や素子特性や構造のばらつきに配慮して正規化周波数を小さくする必要があり、光閉じこめはさらに弱まってしまう。
【００２０】
高次横モードとして１次横モードであるＬＰ11モードを許容し、ＬＰ21モードがカットオフされる条件で用いても、光閉じこめは弱くなる。非特許文献６の図２に示すように面発光レーザは不均一注入が顕著であり、アパーチャー境界部分に電流が集中し、ＬＰ11モードが発振しやすくなる。ＬＰ11モードにおいても、光閉じこめは正規化周波数に対し急激に変化するため、基本モードの場合と同じ理由で、光閉じこめは弱まる。
【００２１】
以上のような問題点に加え、面発光レーザを用いたモジュールにおける光出力のモニター方法にも以下のような問題点がある。
ビームスプリッタを用いる方法はモニタとレーザとの間にビームスプリッタを配置する必要があるため、ビームスプリッタの設置スペースを確保する必要があり、装置全体として小型化を図ることが難しい。
面発光レーザにモノリシックに光検出器を形成する方法では、光導波路周辺の一部の光をモニターする。すなわち、高次横モードで発振しやすい面発光レーザの場合、周辺のファイバに結合しにくい高次横モードの光出力をモニターすることになる。このため、温度変化や素子劣化に伴い、素子の屈折率分布が発熱とともに変化したときに、ファイバに入りやすい基本横モード出力と、モニターされる高次横モード光出力との強度比が変化する。モニターする光と、ファイバに入力される光の強度等が異なるため、事実上光出力のモニターが出来なくなる。
【００２２】
回折格子を用いる方法では、高次横モードで発振しやすい面発光レーザの場合、放射角が大きく、０次の回折光と１次の回折光が混ざり合うため、素子の屈折率分布が発熱とともに変化したときに、ファイバに入りやすい基本横モード出力の１次回折光と光ファイバに入射する高次横モード出力の0次回折光の強度比が変化してしまう。モニターする光と、ファイバに入力される光の強度等が異なるため、事実上光出力のモニターが出来なくなる。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明によれば、垂直共振器を有する面発光レーザであって、前記垂直共振器は、第１反射層と、この第１反射層上部に設けられた活性層と、この活性層の上部に設けられた電流狭窄構造と、この電流狭窄構造の上部に設けられた第２反射層とを含み、前記電流狭窄構造を通る面内で直交し、各層に平行な第１軸および第２軸を想定した場合、前記第１軸方向での発光プロファイルおよび前記第２軸方向での発光プロファイルが異なり、前記第１軸方向の放射角は前記第２軸方向の放射角に比べて狭く、前記第２軸方向で双峰の遠視野像を有する面発光レーザが提供される。
また、本発明によれば、上述した面発光レーザと、この面発光レーザから射出されたレーザ光を検出する検出器とを有し、前記面発光レーザから射出された双峰の遠視野像の一方の峰側が前記検出器の受光面に投影され、他方の峰側が光導波路に入射される半導体装置も提供できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、導波路との間での結合損失を低減させることができ、高速動作可能であり、光出力を正確にモニターできる面発光レーザおよびこの面発光レーザを備える半導体装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、すべての図面において、共通の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。
（第一実施形態）
はじめに、図１及び図２を参照して、本実施形態の概要について説明する。
本実施形態の面発光レーザ１は、基板１０１上に垂直共振器が設けられた面発光レーザである。
前記垂直共振器は基板１０１上の第１反射層１０２と、第１反射層１０２上部に設けられた活性層１０４と、この活性層１０４の上部に設けられた電流狭窄構造と、この電流狭窄構造の上部に設けられた第２反射層１０９とを含む。
そして、前記電流狭窄構造を通る面内で直交するとともに、各層に平行な第１軸１１６および第２軸１１７を想定した場合、第１軸１１６方向での発光プロファイルおよび第２軸１１７方向での発光プロファイルが異なっている。
さらに、第１軸１１６方向の放射角は第２軸１１７方向の放射角に比べて狭く、第２軸１１７方向で双峰の遠視野像を有する。
この双峰の遠視野像は、第２軸１１７に直交する軸を中心として、各峰が対称になっている。
【００２６】
次に、面発光レーザ１について詳細に説明する。
図１は、面発光レーザの平面図、および、図２（ａ）は、図１の第１軸１１６方向の断面図、図２（ｂ）は、図１の第２軸１１７方向の断面図を示す。
面発光レーザは、基板（半導体基板）１０１上に構成され、第１ミラー（第１反射層）１０２である多層反射膜、第２ミラー（第２反射層）１０９である多層反射膜、二つのミラー１０２，１０９の間の活性層を含む共振器領域１２１、＋電極１１０、−電極１１１、ポリイミド層１１８、電極パッド１１９を有する。
【００２７】
基板１０１としては、たとえば、ＧａＡｓ基板、ｌｎＰ基板、ＧａｌｎＡｓ３元基板等を使用することができる。
第１ミラー１０２としては、ＧａＡｓ基板上のＡＩＧａＡｓ系半導体多層摸反射鏡のほかに、ｌｎＰ基板上のＡＩＧａＡｓ(Ｓｂ)系半導体多層膜反射鏡やＡｌＧａｌｎＡｓＰ系半導体多層膜反射鏡がある。
第２ミラー１０９も第１ミラー１０２と同様のものを使用できる。
＋電極１１０は基板１０１の表面側に配置され、−電極１１１は基板１０１の裏面側に配置される。＋電極１１０およびポリイミド層１１８上には電極パッド１１９が設けられる。
【００２８】
共振器領域１２１は第１のｎ型スペーサ層１０３、活性層１０４、ｐ型スペーサ層１０５、トンネル接合を形成する高濃度ｐ型層１０６、トンネル接合を形成する高濃度ｎ型層１０７、第２のｎ型スペーサ層１０８、共振器調整層１１５から構成されており、この順で第１ミラー１０２側から積層されている。
本実施形態の面発光レーザ１は、トンネル接合を形成する高濃度ｐ型層１０６および高濃度ｎ型層１０７が選択的に形成され、リッジ状になっており、トンネル接合部分が電流狭窄構造を形成している。
【００２９】
第１のｎ型スペーサ層１０３としては、たとえばＳｉがドープされた（Ａl）ＧａＡｓ層や、ＳｉがドープされたＡｌＩｎＧａＡｓ層や、ＳｉがドープされたＩｎＧａＡｓＰ層である。
活性層１０４としては、たとえば、ＩｎＧａＡｓ系量子井戸、ＡlＧａＡｓ系量子井戸、ＩｎＧａＡｌＰ系量子井戸、ＧａｌｎＮＡｓ(Ｓｂ）系量子井戸、ＧａｌｎＮＡｓ系量子井戸、ＧａＡｓ(Ｓｂ)系量子井戸、(Ｇａ)ｌｎＡｓ量子ドットなどの種々の半導体材料を用いることかできる。
【００３０】
高濃度ｐ型層１０６としては、たとえば、（Ｉｎ）ＧａＡｓ（Ｓｂ）層、ＩｎＧａＡｓＰ層があげられ、ドーパントとしてはＣ、Ｂｅ、Ｚｎがあげられる。
高濃度ｎ型層１０７としては、たとえば、Ｓｉドープ（Ｉｎ）ＧａＡｓ（Ｎ）層、ＳｉドープＩｎＧａＡｓＰ層があげられる。
第２のｎ型スペーサ層１０８は、たとえば、Ｓｉドープ(Ａl)ＧａＡｓ層、ＳｉドープＡｌＩｎＧａＡｓ層、ＳｉドープＩｎＧａＡｓＰ層があげられる。第２のｎ型スペーサ層１０８は、リッジ状の高濃度p型層１０６および高濃度n型層１０７を埋め込むようにして設けられている。
ｐ型スペーサ層１０５は（Ａl）ＧａＡｓ層、ＡｌＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓＰ層があげられ、ドーパントとしてはＣ、Ｂｅ、Ｚｎがあげられる。
【００３１】
共振器調整層１１５は隣接し、先に形成された下部材料に対し、エッチング選択性があることが望ましい。例えば、下部材料がＰを含まなければ、共振器調整層にはＰを含む材料が用いられる。下部材料にＰが含まれれば共振器調整層にはＰを含まない材料が望ましい。
共振器調整層１１５は、高濃度ｐ型層１０６および高濃度ｎ型層１０７を被覆しておらず、共振器調整層１１５は、第一領域１１３を第１軸１１６方向に沿って挟むように配置されている。また、共振器調整層１１５は、第２軸１１７方向には配置されていない。
この共振器調整層１１５上に前述した第２ミラー（第２反射層）１０９が積層される。
【００３２】
ここで、この面発光レーザ１には、等価屈折率が異なる３つの領域が形成されている。
具体的には、垂直共振器の電流注入領域（本実施形態では、高濃度p型層１０６および高濃度n型層１０７）を含むとともに各層の積層方向に沿った第１ミラー１０２から第２ミラー１０９までの第一領域１１３と、第一領域１１３を挟んで第１軸１１６方向に、この第一領域１１３に隣接して配置される一対の第二領域１１４ａと、第一領域１１３を挟んで第２軸１１７方向に、第一領域１１３に隣接して配置される第三領域１１４ｂとが形成されている。
第一領域１１３、第二領域１１４ａ、第三領域１１４ｂ、の等価屈折率をそれぞれneff1、neff2、neff3とすると、
neff1は、neff３よりも大きく、さらに、以下の（Ａ）または（Ｂ）の関係を満たしている。
（Ａ）０<neff1−neff２<neff1−neff３、
もしくは
（Ｂ）neff３<neff1≦neff２
【００３３】
ここで、（Ａ）あるいは（Ｂ）の関係を満たすには、各領域を構成する層の材料や、各領域に含まれる層の形状等を適宜調整すればよい。
たとえば、第一領域１１３と、第二領域１１４ａとの等価屈折率差は、各領域を構成する層の材料や、以下の構造の違いにより調整することができる。
・第一領域１１３がリッジ状の高濃度p型層１０６および高濃度n型層１０７を含むのに対し、第二領域１１４ａが高濃度p型層１０６および高濃度n型層１０７を含んでいない点
・第一領域１１３には、共振器調整層１１５が含まれていないが、第二領域１１４ａには、共振器調整層１１５が含まれる点
【００３４】
また、第一領域１１３と、第三領域１１４ｂとの等価屈折率差は、各領域を構成する層の材料や、以下の構造の違いにより調整することができる。
・第一領域１１３がリッジ状の高濃度p型層１０６および高濃度n型層１０７を含むのに対し、第三領域１１４ｂが高濃度p型層１０６および高濃度n型層１０７を含んでいない点
・高濃度p型層１０６および高濃度n型層１０７により、第一領域１１３と、第三領域１１４ｂとの間に段差が形成されている点
【００３５】
次に、共振器長１１２を第１ミラー１０２と共振器領域の界面から第２ミラー１０９の共振器領域の界面までの距離とし、共振器長は屈折率を踏まえた光学長として議論する。
このとき、（Ａ）の場合、第一領域１１３の共振器長は第二領域１１４ａの共振器長よりも長く、第一領域１１３の共振器長は第三領域１１４ｂの共振器長よりも長い。
そして、第一領域１１３の共振器長と第三領域１１４ｂの共振器長との差は、第一領域１１３の共振器長と第二領域１１４ａの共振器長との差よりも長く、1/4λより短い光学膜厚差に相当する。
（Ａ）の場合には、neff1−neff２を、neff1−neff３よりも小さくすることで、第１軸１１６方向の放射角を、第２軸１１７方向の放射角よりも確実に小さくできるという効果がある。また、（Ａ）の場合、屈折率導波となるため、（Ｂ）の場合に比べて光閉じこめが強くなり、高速性に優れるという利点がある。
【００３６】
さらに、非発熱時の等価屈折率の大きさの関係を実験から決めると、第１軸１１６方向の第一領域１１３の幅をw1、第２軸１１７方向の第一領域１１３の幅をw2、レーザの発振波長をλとすると、第1軸１１６方向で狭い放射角を得るには(πw1)2 (neff12-neff２2) /λ2≦6であることが望ましい。
また、第２軸１１７方向で双峰の光プロファイルを確実に得るには(πw2)2 (neff12-neff３2) /λ2≧100であることが望ましい。
【００３７】
一方、（Ｂ）の場合、第一領域１１３の共振器長は第三領域１１４ｂの共振器長よりも長く、第二領域１１４ａの共振器長は第一領域１１３の共振器長と同等かそれよりも長い。
（Ｂ）の場合においても、neff３<neff1≦neff２の関係にすることで、第１軸１１６方向の放射角を、第２軸１１７方向の放射角よりも確実に小さくできるという効果がある。なかでも、neff1＜neff２であることが好ましい。また、（Ｂ）の場合、利得導波となるため、（Ａ）の場合に比べ第１軸１１６方向の放射角の狭小性が動作条件に対して安定するという利点がある。
（Ａ）の場合と同様に、非発熱時の屈折率の大きさを実験から決めると、第２軸１１７方向で双峰の光プロファイルを得るには(πw2)2 (neff12-neff３2) /λ2≧100であることが望ましい。
【００３８】
次に、図３および図４を参照して、本実施形態の面発光レーザ１の製造方法について説明する。
本実施形態の面発光レーザ１では、第1軸１１６方向と第２軸１１７方向で構造に違いがあるので、第１軸１１６方向の断面図を図３に示し、第２軸１１７方向の断面図を図４に示した。
【００３９】
はじめに、図３（ａ）、図４（ａ）に示すように、n型導電性の半導体基板１０１上に第１ミラー１０２である多層反射膜と、第１のｎ型スペーサ層１０３と、活性層１０４と、ｐ型スペーサ層１０５と、トンネル接合を形成する高濃度ｐ型層１０６となる層と、トンネル接合を形成する高濃度ｎ型層１０７となる層とをメタルオーガニックベイパーフェイズエピタクシー（metalorganic vapor phase epitaxy）（MOVPE）により積層する。
その後、フォトリソグラフィーによるレジストパターニング後、高濃度ｐ型層１０６となる層と、高濃度ｎ型層１０７となる層とを選択的にエッチングにより除去し、トンネル接合を形成する高濃度ｐ型層１０６と、トンネル接合を形成する高濃度ｎ型層１０７を加工する。
【００４０】
ここで図４（ａ）の第２軸１１７方向断面図に示すように発光部中央を部分的に、第1軸１１６方向に沿って高濃度ｎ型層１０７からｐ型スペーサ層１０５まで、もしくはｐ型スペーサ層１０５を超えて酸素イオンを注入し、イオン注入層１２０ａを形成してもよい。このようにすることで、活性層１０４への電流を不均一にして高次横モードが立ちやすくなる効果がある。
【００４１】
このときに図３（ａ）、図４（ａ）に示すようにトンネル接合の周囲に同時に、酸素イオンを注入し、イオン注入層１２０ｂを形成してもよい。イオン注入層１２０ｂは、ｐ型スペーサ層１０５から第１のｎ型スペーサ層１０３に達する。このトンネル接合の周囲へのイオン注入により電気容量を低減することができ、ＣＲ帯域が改善される。
【００４２】
つぎに、図３(ｂ)、図４(ｂ) に示すように第２のn型スペーサ層１０８と共振器調整層１１５を、高濃度ｐ型層１０６、高濃度ｎ型層１０７を埋め込むように成長させる。
さらに、第一領域１１３と第三領域１１４ｂの共振器調整層１１５をエッチングして埋め込み段差を調整する（図３(ｃ)、図４(ｃ)参照）。
【００４３】
さらに図３(ｃ)、図４(ｃ) に示すように、フォトリソグラフィーによるレジストパターニング後、各層１０３、１０４，１０５，１０６，１０７，１０８，１１５から構成される積層体をエッチングして、メサを形成する。
【００４４】
その後、第２ミラー１０９の多層反射膜を全面に形成し、図３(ｄ)、図４(ｄ)のように第２ミラー１０９をドライエッチングすることで第２のn型スペーサ層１０８と共振器調整層１１５を露出させ、ポリイミド層１１８、＋電極１１０、−電極１１１、電極パッド１１９を形成し、電極アロイを行う。以上により、面発光レーザ１は、完成する。
第２ミラー１０９の製膜にはスパッタ(RFスパッタや反応性スパッタ)、電子ビーム蒸着、ケミカルヴェイアパーデポジション、イオンビームアシスト堆積法、MOVPEやモレキュラービームエピタクシー（molecular beam epitaxy）（MBE）などの方法を用いてもよい。
第２ミラー１０９を構成する材料のエッチング加工が困難な場合にはリフトオフプロセスを用いてもよい。リフトオフプロセスを用いる場合には製膜には電子ビーム蒸着、イオンビームアシスト堆積法、MBEなどが用いられる。
【００４５】
図５（ａ）は面発光レーザ１の室温付近で取得された典型的な遠視野像、図５（ｃ）は、イオン注入層１２０ａ、イオン注入層１２０ｂを形成した場合の７０℃を超える高温動作時の遠視野像であり、図５（ｂ）は、イオン注入を施さなかった場合の７０℃を超える高温動作時の遠視野像である。図５は第1軸方向、第2軸方向の放射角度に対する強度プロファイルを示している。
【００４６】
図５（ａ）に示すようにイオン注入の有り無しに関わらず、注入電流の不均一性のおかげで光プロファイルは第２軸方向において、対称形状に双峰化する。すなわち、第２軸方向において双方の遠視野像となっている。
ただし、イオン注入を施していないと、７０℃を超える高温動作で電流が広がりやすく、不均一性が緩和され、図５（ｂ）に示すように放射角が低減した。
また、イオン注入を施さない場合に低注入レベルで基本横モード成分が一部含まれた。
図５（ｃ）に示すようにイオン注入を施した場合には低注入レベルから高注入レベルまで光出力は対称形状に双峰化し、高温動作に対しても安定した双峰形状の光プロファイルが得られた。
高速動作可能であり、閾値電流は小さく、２５ＧＨｚを超える緩和振動周波数が得られ、３ｄＢ帯域は２４ＧＨｚ以上であった。
【００４７】
図６は上述の面発光レーザ１を用いて光検出器付光モジュール（半導体装置）を構成した例である。
この光モジュールは光導波路４０１が形成された導光部材（たとえば光ファイバ）４００、光検出器４０２、面発光レーザ１を含んで構成される。
光導波路４０１は面発光レーザ１に斜めに対向して配置される。
光検出器４０２は、光導波路４０１に対して、面発光レーザ１と同じ側に配置され、光検出器４０２の検出面（受光面）と、面発光レーザ１のレーザの出射面とは同一方向を向いて配置されている。
面発光レーザ１からの光は導光部材４００の光導波路４０１の端面に隣接した面４０５に設けられたミラー４０４で反射され、光検出器４０２で検出される。面発光レーザ１からの光が斜めに放射されることに対応して光導波路４０１も面４０５に対して斜めに形成されている。
【００４８】
次に、本実施形態の面発光レーザ１の作用効果について説明する。
背景技術の項で述べたような、放射角を低減する構造では第１軸方向、第２軸方向ともに放射角を低減しようとするため、高速性が大きく阻害された。
これに対し、本実施形態では、第１軸１１６方向の放射角を第２軸１１７方向の放射角よりも小さくするとともに、第２軸１１７方向の高次横モードでのレーザ発振を許容している。これにより、第１軸、第２軸ともに放射角を狭小化する場合に比べ光閉じこめを大きくとることができ、高速動作可能な面発光レーザ１とすることができる。
【００４９】
光閉じこめ率は近似的に第1軸方向の1次元の光閉じこめ率と第２軸方向の1次元の光閉じこめ率の掛け合わせで表される。非特許文献５にあるように、正規化周波数が１．７の面発光レーザは基本横モードでレーザ発振する。この場合、第1軸方向の1次元の光閉じこめ率および第２軸方向の1次元の光閉じこめ率はそれぞれ８０％であり、横方向の光閉じこめ率は６４％となる。
これに対し、本実施形態では第１軸１１６方向の放射角を第２軸１１７方向の放射角よりも小さくするとともに、第２軸１１７方向の高次横モードでのレーザ発振を許容しており、たとえば、第1軸方向の光閉じこめ率を８０％、第2軸方向の光閉じこめ率を９７％と非対称にとることができ、全体の光閉じこめ率は７８％となる。
これにより、第１軸１１６、第２軸１１７ともに放射角を狭小化する場合に比べ光閉じこめを大きくとることができる。
【００５０】
また、従来のように、基本横モードに対する高次横モードの共振器損失を大きくすることで、あるいは、アパーチャーを小さくすることで、高次横モードのレーザ発振を制御する必要がないので、高速性が阻害されてしまうことを抑制できる。
また、第１軸１１６方向の放射角を第２軸１１７方向の放射角よりも小さくすることで、導波路と高い結合効率で結合することができる。
【００５１】
また、本実施形態では、面発光レーザ１から双峰の光プロファイルのうち片側を光出力モニターとして使用し、ビームスプリッタを使用しないため、低コストに光出力を検出できる。また、ビームスプリッタを使用しないため、省スペース化を図ることも可能となった。
第１軸１１６方向の放射角は第２軸１１７方向の放射角に比べて狭く、第１軸１１６方向の放射角は図５（ａ）〜（ｃ）のいずれの場合においても３０度以下であり、全光出力に対し、結合効率２５％以上で導波路に結合することができる。
【００５２】
さらに、面発光レーザ１からの光プロファイルが対称であり、第２軸１１７方向で双峰の遠視野像を有するため、一方の峰側を光出力モニター（光検出器４０２）に使用し、他方の峰側を光導波路４０１に結合させることができる。すなわち、光導波路４０１に入射する光と、光検出器４０２でモニターする光との強度を同じとすることができる。このため面発光レーザの経時劣化や動作温度に伴う光出力変化を高信頼にモニターすることができる。
【００５３】
ここではトンネル接合を使用した面発光レーザを例に挙げたが、酸化狭窄構造面発光レーザに対しても本発明を適用することもできる。詳細については第二実施形態で説明する。
【００５４】
（第二実施形態）
図７〜図１２を参照して、本実施形態について説明する。
図７は面発光レーザ５の上面図、図８(ａ)は図７の第１軸５１６方向の断面図、図８(ｂ)は第２軸５１７方向の断面図を示す。
面発光レーザ５は、基板（半導体基板）５０１上に構成され、第１ミラー（第１反射層）５０２である多層反射膜、第２ミラー（第２反射層）５０９である多層反射膜、二つのミラー５０２，５０９の間の活性層５０４を含む共振器領域５２１、ポリイミド層５１８、＋電極５１０、−電極５１１、電極パッド５１９を有する。
第１ミラー５０２としては、第１ミラー１０２と同様のものが使用できる。
第２ミラー５０９としては、第２ミラー１０９と同様のものが使用できる。
＋電極５１０は第２ミラー５０９上に配置され、−電極５１１は第１のn型スペーサ層５０３上に配置される。ポリイミド層５１８上には電極パッド５１９が設けられる。
【００５５】
共振器領域５２１は第１のｎ型スペーサ層５０３、活性層５０４、第１のp型スペーサ層５０５、ｐ型高Ａｌ組成層（半導体層）５０６、第２のp型スペーサ層５０８を含んで構成されている。
第１のn型スペーサ層５０３、活性層５０４、第1のp型スペーサ層５０５、第2のp型スペーサ層５０８は前記実施形態と同様のものが使用できる。
酸化領域５０６Ａは、ｐ型高Ａｌ組成層５０６の一部を選択的に酸化することで形成され、電流狭窄構造を構成する。この酸化領域５０６Ａに挟まれた領域が電流注入領域となる。
【００５６】
ここで、図８（ｂ）に示すように、アパーチャー５２４内の電流注入領域を含むとともに、各層の積層方向に沿った第１反射層５０２から第２反射層５０９までの第一領域５１３Ｎの等価屈折率が、第一領域５１３Ｎを挟んで第２軸５１７方向に、第一領域５１３Ｎに隣接した領域であって各層の積層方向に沿った第１反射層５０２から第２反射層５０９までの一対の第三領域５１４Ｎの等価屈折率に比べ大きい。このようにすることで、面発光レーザでは電流の不均一注入や電流注入に伴うプラズマ効果や自己発熱による屈折率変化が加わり、第２軸５１７方向で双峰の光プロファイルを得やすくなる。
第一領域５１３Ｎ、第三領域５１４Ｎ間の等価屈折率差は、各領域を構成する層の材料や、各領域に含まれる層の形状等により調整される。
本実施形態では、第一領域５１３Ｎにｐ型高Ａｌ組成層５０６の酸化領域５０６Ａが含まれないのに対し、第三領域５１４Ｎには酸化領域５０６Ａが含まれることにより、第一領域５１３Ｎ、第三領域５１４Ｎ間の等価屈折率差が構成される。
【００５７】
第一領域５１３Ｎの等価屈折率をneff1、第三領域５１４Ｎの等価屈折率をneff3、第一領域５１３Ｎの第２軸５１７方向の幅をw2、レーザの発振波長をλとすると、第２軸５１７方向で双峰の光プロファイルを確実に得るには(πw2)2 (neff12-neff３2) /λ2≧100であることが望ましい。
【００５８】
また、共振器長５１２を第１ミラー５０２と共振器領域の界面から第２ミラー５０９の共振器領域の界面までの距離とし、共振器長は屈折率を踏まえた光学長として議論する。
このとき、第一領域５１３Ｎの共振器長は第三領域５１４Ｎの共振器長よりも長い。
【００５９】
また、本実施形態では、図８（ａ）に示すように、第２ミラー５０９の電流注入領域上の一部の領域５１３Ｒの反射率が、この領域５１３Ｒを挟んで第１軸５１６方向に、領域５１３Ｒに隣接する他の領域５１４Ｒの反射率に比べて大きい。
領域５１３Ｒの反射率を領域５１４Ｒの反射率よりも大きくする方法はいくつかある。
ミラーがλ/4厚の高屈折率層とλ/4厚の低屈折率層を１ペアとする多層反射膜で構成されている場合、領域５１３Ｒに比べて領域５１４Ｒの層数を減らすことで実現できる。
最表面の高屈折率層の厚みをλ/4厚からずらしてもよい。位相がずれることにより反射率が低下する。
ここでは反射率を制御することで、第１軸５１６方向に関し、高次横モードが抑制され、第１軸５１６方向の放射角を小さくすることができ、第１軸５１６方向の放射角を、第２軸５１７方向の放射角よりも小さくすることができる。そして、第1軸５１６方向の遠視野像が単峰化する。
なお、特許文献2のように電流狭窄径と電極開口径を調整することで第1軸方向のみの単峰化を行ってもよい。また、第1軸方向に関してのみ電極アパーチャーのサイズを小さくすることで第1軸方向に関し、基本横モード以外を遮蔽してもよい。
【００６０】
次に、図９，図１０を参照して、本実施形態の面発光レーザ５の製造方法について説明する。第１軸５１６方向と第２軸５１７方向で構造に違いがあるので、第１軸５１６方向の断面図を図９に示し、第２軸５１７方向の断面図を図１０に示した。
【００６１】
はじめに、図９（ａ）、図１０（ａ）に示すように、n型導電性の半導体基板５０１上に第１ミラー５０２である多層反射膜から、第２ミラー５０９である多層反射膜までの半導体層をメタルオーガニックベイパーフェイズエピタクシー（metalorganic vapor phase epitaxy）（MOVPE）により成長する。
【００６２】
次に、図９(ｂ)に示すようにフォトリソグラフィーによるレジストパターニング後、半導体エッチングにより第２のミラー５０９を選択的に除去する。これにより、領域５１３Ｒおよび領域５１４Ｒが形成されることとなる。ここで電流不均一性を強調するために第２軸５１７方向断面図である図１０（ｂ）に示すように発光部中央を部分的に第1軸５１６方向に沿って酸素イオンを注入してイオン注入領域５２０を形成してもよい。
【００６３】
図９(ｃ)、図１０（ｃ）に示すように再度フォトリソグラフィーによるレジストパターニング後、半導体エッチングによりメサ５２２を形成する。
その後、ｐ型高Ａｌ組成層５０６を高温水蒸気を用いて酸化し、酸化領域５０６Ａを形成する。第一領域５１３Ｎと、第三領域５１４Ｎとの等価屈折率差はこの工程にて形成され、酸化領域５０６Ａの有無により調整される。
【００６４】
さらに、図９(ｄ)、図１０（ｄ）に示すように、ポリイミド層５１８を形成し、その後にメサトップの一部に＋電極５１０、−電極５１１、ポリイミド層５１８上に電極パッド５１９を形成する。以上の工程により面発光レーザ５は完成する。
ここではｐ型高Ａｌ組成層５０６を活性層５０４上部に形成したが、活性層５０４下部にｎ型高Ａｌ組成層形成しても類似の効果が得られる。しかし、正孔電流は電流広がりが電子電流に比べて小さく、電流不均一が生じやすいため、ｐ型層側に酸化狭窄のための高Ａｌ組成層を形成する方がｎ型層側にこれを形成するよりも望ましい。
【００６５】
図１１は本実施形態の面発光レーザ５の典型的な遠視野像である。
注入電流の不均一性のおかげで光プロファイルは、第２軸５１７と直交する軸を対称軸とした対称形状に第２軸５１７方向に双峰化する。第１軸５１６方向に関しては高次横モードのレーザ発振が抑制された。第１軸５１６方向に関しては基本横モード以外に1次横モードも含まれたが、放射全角は３０度以下に抑えられる。
高速動作可能であり、閾値電流は小さく、25ＧＨｚを超える緩和振動周波数が得られ、3ｄＢ帯域は24ＧＨｚ以上であった。
【００６６】
図１２（ａ），（ｂ）は上述の面発光レーザ５を用いて光検出器付光モジュールを構成した例である。光モジュールは光導波路１１０１を含む導光部材（たとえば光ファイバ）１１００、光検出器１１０２、面発光レーザ５を含む。
光導波路１１０１であるマルチモード導波路１１０１は面発光レーザ５に斜めに対向して配置される。光検出器１１０２は電気配線１１０４を備えた導光部材１１００にあらかじめ実装されており、面発光レーザ５に対する位置調整が可能となっている。
【００６７】
図１２(a)では光検出器１１０２を、導光部材１１００の光導波路１１０１の入射端面に隣接して配置したが、図１２（ｂ）のように導光部材１１００側面に形成して、導光部材１１００を透過してきた光をモニターしてもよい。
【００６８】
以上のような本実施形態によれば第一実施形態と同様の効果を奏することができるうえ以下の効果を奏する。
本実施形態では、半導体基板５０１上に各層を積層し、半導体層の成長を終了させた後、ｐ型高Ａｌ組成層５０６に酸化領域５０６Ａを形成している。
これに対し、第一実施形態では、積層工程の途中段階で高濃度ｐ型層１０６、および高濃度ｎ型層１０７を加工し、その後、再度半導体層を成長させている。
従って、本実施形態の半導体装置の製造方法の方が半導体成長工程を一度で行うことができ、製造に手間を要しない。
【００６９】
（第三実施形態）
図１３〜図１７を参照して本実施形態の面発光レーザ８について説明する。
図１３は、面発光レーザ８の上面図、および、図１４(ａ)は、図１３の第１軸方向８１６の断面図、図１４(ｂ)は、図１３の第２軸方向８１７の断面図を示す。
面発光レーザ８は基板（半導体基板）８０１上に構成され、第１ミラー（第１反射層）８０２である多層反射膜、第２ミラー（第２反射層）８０９である多層反射膜、二つのミラー８０２，８０９の間の活性層８０４を含む共振器領域、ポリイミド層８１８、＋電極８１０、−電極８１１、電極パッド８１９を有する。
第１ミラー８０２としては、第１ミラー１０２と同様のものが使用できる。
第２ミラー８０９としては、第２ミラー１０９と同様のものが使用できる。
−電極８１１は第２ミラー８０９上に配置され、＋電極８１０は第１のn型スペーサ層８０５上に配置される。ポリイミド層８１８上には電極パッド８１９が設けられる。
【００７０】
共振器領域は第1のp型スペーサ層８０５、酸化領域８０６Ａが形成されたp型高Al組成層（半導体層）８０６、第２のp型スペーサ層８０８、活性層８０４、n型スペーサ層８０３、共振器調整層８１５を備える。
酸化領域８０６Ａは、ｐ型高Al組成層８０６の一部を選択的に酸化することで形成されるものであり、電流狭窄構造を構成する。この酸化領域８０６Ａに挟まれた領域が電流注入領域となる。
なお、各層に使用される材料は前記各実施形態と同様である。
ここで、この面発光レーザ８には、等価屈折率が異なる３つの領域が形成されている。
【００７１】
具体的には、垂直共振器の電流注入領域を含むとともに各層の積層方向に沿った第１ミラー８０２から第２ミラー８０９までの第一領域８１３と、第一領域８１３を挟んで第１軸１１６方向に第一領域８１３に隣接した第二領域８１４ａと、第一領域８１３を挟んで第２軸１１７方向に第一領域８１３と隣接した第三領域８１４ｂとが形成されている。
【００７２】
第一領域８１３は、電流注入領域となる酸化狭窄アパーチャー８２１内の共振器調整層８１５を含む領域である。
第三領域８１４ｂは、酸化狭窄アパーチャー８２１内の領域を含み、共振器調整層８１５が除去された領域である。
第二領域８１４ａは、酸化狭窄アパーチャー８２１外の領域である。
【００７３】
第一領域８１３、第二領域８１４ａ、第三領域８１４ｂ、の等価屈折率をそれぞれneff1、neff2、neff3とすると、
０<neff1-neff２<neff1-neff３である。
これにより、第１軸８１６方向の放射角を、第２軸８１７方向の放射角に比べて確実に狭くすることができる。
【００７４】
さらに、非発熱時の等価屈折率の大きさの関係を実験から決めると、第1軸８１６方向の第一領域８１３の幅をw1、第２軸８１７方向の第一領域８１３をw2、レーザの発振波長をλとすると、第1軸１１６方向で狭い放射角を得るには(πw1)2 (neff12-neff２2) /λ2≦6であることが望ましい。
また、第2軸１１７方向で双峰の光プロファイルを確実に得るには(πw2)2 (neff12-neff３2) /λ2≧100であることが望ましい。
【００７５】
なお、前記各実施形態と同様、第一〜第三領域の等価屈折率差は、各領域を構成する層の材料や、各領域に含まれる層の形状等を適宜調整すればよい。
本実施形態では、第一領域８１３に酸化領域８０６Ａが含まれていないのに対し、第二領域８１４ａに酸化領域８０６Ａが含まれていることにより、第一領域８１３と、第二領域８１４ａとの等価屈折率差が調整される。
また、第一領域８１３に共振器調整層８１５が含まれるのに対し、第三領域８１４ｂに共振器調整層８１５が含まれていないことにより、第一領域８１３と、第三領域８１４ｂとの等価屈折率差が調整される。
さらには、第一領域８１３に酸化領域８０６Ａが含まれていないのに対し、第三領域８１４ｂに酸化領域８０６Ａが含まれていることによっても、第一領域８１３と、第三領域８１４ｂとの等価屈折率差が調整される。
【００７６】
次に、図１５、１６を参照して面発光レーザ８の製造方法について説明する。
第１軸８１６方向と第２軸８１７方向で構造に違いがあるので、第1軸８１６方向の断面図を図１５に示し、第２軸８１７方向の断面図を図１６に示した。
【００７７】
はじめに、図１５（ａ）、図１６（ａ）に示すようにn型導電性の半導体基板８０１上に第1ミラー８０２である多層反射膜から共振器調整層８１５までの半導体層をMOVPE成長する。
次に、図１５（ｂ）、図１６（ｂ）に示すようにフォトリソグラフィーによるレジストパターニング後、共振器調整層８１５を第２軸８１７方向に関し部分的にエッチング除去した。
エッチング除去後の上から見た共振器調整層８１５の形状は、図１３でしめすようにＨ型となる。
【００７８】
続いて第２ミラー８０９である多層膜反射層で埋め込み成長を行う。
次に図１５（ｃ）、図１６（ｃ）に示すようにフォトリソグラフィー技術とドライエッチングを用いて、メサ８２２を形成する。その後、ｐ型高Ａｌ組成層８０６を高温水蒸気を用いて酸化し、酸化領域８０６Ａを形成する。
【００７９】
その後、図１５（ｄ）、図１６（ｄ）に示すようにポリイミド層８１８を形成し、Ｔｉ/Auからなる＋側電極８１０、および電極パッド８１９、Au/Ge/Niからなる−側電極８１１を形成し、電極アロイを行う。以上の工程により、面発光レーザ８は完成する。
【００８０】
図１７は、面発光レーザ８はの遠視野像である。注入電流の不均一性のおかげで光プロファイルは対称形状に第２軸８１７方向に双峰化し、第１軸８１６方向の放射角は３０度以下となる。高速動作可能であり、電流値閾値は小さく、２５ＧＨｚを超える緩和振動周波数が得られ、3ｄＢ帯域は２４ＧＨｚ以上であった。
【００８１】
このような面発光レーザを用いて第一実施形態、第二実施形態と同様の光検出器付光モジュールを構成することができる。
第三実施形態によれば、前記各実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００８２】
以上のような各実施形態の面発光レーザは、波長780ｎｍ帯、850ｎｍ帯、980ｎｍ帯、1100nm帯、1200ｎｍ帯、1300ｎｍ帯、1480ｎｍ帯、1550ｎｍ帯、1650ｎｍ帯のなどの面発光レーザ素子とすることができる。
【００８３】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
たとえば、前記実施形態では、第１ミラーとして多層反射膜を使用したが、第１ミラーはこれに限られるものではない。基板上に第1ミラーである多層反射膜を形成せず、ｎ型スペーサ層より上部の構造を先に形成して、基板をエッチング除去し、この後に基板のあった場所に第1ミラーとして誘電体ＤＢＲを形成することも可能である。
【００８４】
さらに、前記各実施形態では、基板として、n型導電性基板を用いたが、半絶縁性基板やp型導電性基板を用いてもよい。半絶縁性基板やp型導電性基板を用いた場合には基板表面側からプラスおよびマイナスの両電極をとりだせばよい。
【実施例】
【００８５】
次に、本発明の実施例について説明する。
(実施例1)
図１に示した面発光レーザ１を製造した。
発振波長λを１．０７μｍとして、n型導電性のGaAs半導体基板１０１上に、1/4λの光学膜厚のSiドープAlAs低屈折率層(n=８×１０１７cm−３)および1/4λの光学膜厚のSiドープGaAs高屈折率層(n=8×１０１７cm−３)からなる40.5ペアの第1ミラー１０２である多層反射膜、SiドープGaAs(n=８×１０１７cm−３)からなる第1のn型スペーサ層１０３、In0.3Ga0.7As/GaAs量子井戸から構成される活性層１０４、CドープGaAs(p=８×１０１７cm−３)からなるp型スペーサ層１０５、トンネル接合を形成するCドープGaAs(p=１×１０２０ｃｍ−３)からなる高濃度p型層１０６、トンネル接合を形成するSiドープGaAs(n=２×１０１９ｃｍ−３)高濃度n型層１０７、SiドープGaAs(n=８×１０１７cm−３)からなる第2のn型スペーサ層１０８、GaAsに格子整合するSiドープInGaP(n=５×１０１７ｃｍ−３)からなる共振器調整層１１５、1/4λの光学膜厚のSiO２低屈折率層および1/4λの光学膜厚のSi高屈折率層からなる3ペアの第2ミラー109の多層反射膜、Au/Ge/Niからなる＋電極１１０、Au/Ge/Niからなる−電極１１１から構成されている。
【００８６】
第1のn型スペーサ層１０３底面からトンネル接合を介して第2のn型スペーサ層１０８半導体の上面までの長さは1.5λの光学膜厚であり、活性層１０４は定在波の腹位置に配置され、トンネル接合は定在波の節に配置した。
トンネル接合を構成する高濃度p型層１０６、高濃度n型層１０７のそれぞれの厚みは200Åである。
【００８７】
共振器領域１２１と第２ミラー１０９の界面の凹凸は第２軸１１７方向で４００Å（すなわち、第一領域１１３と、第三領域１１４ｂ間の段差が４００Å）であり、第一領域１１３表面が第三領域１１４ｂ表面よりも高くなっている。
また、共振器領域１２１と第２ミラー１０９の界面の凹凸は、第1軸１１６方向の凹凸は２５０Å（すなわち、第一領域１１３と、第二領域１１４ａ間の段差が２５０Å）であり、第二領域１１４ａ表面が第一領域１１３表面よりも高くなっている。
【００８８】
次に第一実施形態と同様の方法で面発光レーザ１を製造した。図３，４を参照して説明する。図３（ａ）、図４（ａ）に示すように、n型導電性の半導体基板１０１上に第1ミラー１０２である多層反射膜からトンネル接合を形成する高濃度n型層１０７までの半導体層をMOVPE成長し、フォトリソグラフィーによるレジストパターニング後、エッチングによりトンネル接合を加工した。トンネル接合加工時のエッチング深さは400Åである。
次に、第1軸方向に沿ってｐ型スペーサ層１０５まで、イオン注入層１２０ａを形成した。また、同時にトンネル接合の周囲にもイオン注入層１２０ｂを形成した。イオン注入にはレジストをマスクとした。
次に、第2のn型スペーサ層１０８および共振器調整層１１５で埋め込み成長を行った。n型スペーサ層厚は769Å、共振器調整層の厚みは650Åである。その後、フォトリソグラフィー技術を用いて、第二領域１１４ａを残して共振器調整層１１５をエッチング除去する。
さらに、第2ミラー１０９を高屈折率層のＳｉから順次全面に形成し、第2ミラーをドライエッチングすることで第2のn型スペーサ層１０８および共振器調整層１１５を露出させ、Au/Ge/Niからなる+電極１１０および-電極１１１を形成し、375℃、10秒で電極アロイを行った。
【００８９】
このような素子では、第一領域１１３、第二領域１１４ａ、第三領域１１４ｂ、の等価屈折率をそれぞれneff1、neff2、neff3とすると、
neff1は、neff３よりも大きく、さらに、neff３<neff1≦neff２であった。
【００９０】
図５（ｃ）に本実施例１の遠視野像を示す。低注入レベルから高注入レベルまで光出力は対称形状に双峰化し、高温動作に対しても安定した双峰形状の光プロファイルが得られた。高速動作可能であり、電流値閾値は小さく、高注入においても25ＧＨｚを超える緩和振動周波数が得られ、3ｄＢ帯域は24ＧＨｚ以上であった。
【００９１】
図６に示したように製造した面発光レーザ１を使用して、光検出器付光モジュールを構成した。双峰の光プロファイルのうち片側は光出力モニターをして使用し、ビームスプリッタを使用しないため、低コストに光出力をモニターできた。光プロファイルが対称であるため、光導波路に入射する光と、モニターする光との強度を略同じとすることができた。このため素子の経時劣化や動作温度に伴う光出力変化を高信頼にモニターすることができた。
【００９２】
(実施例２)
第三実施形態の面発光レーザ８を製造した。
発振波長λを１．０７μｍとして、ｐ型導電性のGaAs半導体基板８０１上に、1/4λの光学膜厚のCドープAl0.9Ga0.1As低屈折率層(p=８×１０１７cm−３)および1/4λの光学膜厚のCドープGaAs高屈折率層(p=８×１０１７cm−３)からなる40.5ペアの第1ミラー８０２である多層反射膜、CドープGaAs(p=８×１０１７cm−３)からなる第1のp型スペーサ層８０５、CドープAl0.98Ga0.02As(p=１×１０１８ｃｍ−３、厚み150Å)からなるp型高Al組成層８０６、CドープGaAs(p=８×１０１７cm−３)からなる第2のp型スペーサ層８０８、In0.3Ga0.7As/GaAs量子井戸から構成される活性層８０４、SiドープGaAs(n=８×１０１７cm−３)からなるn型スペーサ層８０３、GaAsに格子整合するSiドープInGaP(n=５×１０１７ｃｍ−３、厚み400Å)からなる共振器調整層８１５、1/4λの光学膜厚のSiドープAl0.9Ga0.1As低屈折率層(p=８×１０１７cm−３)および1/4λの光学膜厚のSiドープGaAs高屈折率層(p=８×１０１７cm−３)からなる２０ペアの第2ミラー８０９である多層反射膜、ポリイミド層８１８、TiAuからなる＋電極８１０、Au/Ge/Niからなる−電極８１１、電極パッド８１９から構成されている。酸化領域８０６Ａは定在波の節位置に配置した。
【００９３】
次に、第三実施形態と同様の方法で面発光レーザ８を製造した。
n型導電性の半導体基板８０１上に第1ミラー８０２である多層反射膜から共振器調整層８１５までの半導体層をMOVPE成長した。次に、フォトリソグラフィーによるレジストパターニング後、共振器調整層８１５を第2軸方向に関し部分的にエッチング除去した。続いて第2ミラー８０９である多層膜反射層で埋め込み成長を行う。
次にフォトリソグラフィー技術とドライエッチングを用いて、メサ８２２を形成しｐ型高Ａｌ組成層８０６を高温水蒸気を用いて酸化し、酸化領域８０６Ａを形成した。
その後にポリイミド層８１８を形成し、Ｔｉ/Auからなる＋電極８１０、および電極パッド８１９、Au/Ge/Niからなる−電極８１１を形成し、375℃、10秒で電極アロイを行った。
【００９４】
第一領域８１３、第二領域８１４ａ、第三領域８１４ｂ、の等価屈折率をそれぞれneff1、neff2、neff3とすると、
０<neff1-neff２<neff1-neff３であった。
第1軸方向の第一領域８１３の幅ｗ１は７μｍであり、第２軸方向の第一領域８１３の幅ｗ２は６μｍであり、非発熱時の実効屈折率の大きさの関係は、
第1軸方向で(πw1)2(neff12-neff２2) /λ2≦6、第2軸方向で(πw2)2(neff12-neff３2)/λ2≧１００を満足した。
【００９５】
図１７は面発光レーザ８の遠視野像である。注入電流の不均一性のおかげで光プロファイルは対称形状に第2軸方向に双峰化し、第1軸方向の放射角は３０度以下となった。
【００９６】
高速動作が可能であり、電流値閾値は小さく、高注入においても２５ＧＨｚを超える緩和振動周波数が得られ、３ｄＢ帯域は２４ＧＨｚ以上であった。
また、図６に示した構造の光検出器付光モジュールを構成した。
双峰の光プロファイルのうち片側は光出力モニターをして使用し、ビームスプリッタを使用しないため、低コストに光出力をモニターできた。
第1軸方向の放射角はどの場合においても３０度以下であり、全光出力に対し、結合効率２５％以上で導波路に結合することができた。
光プロファイルが対称であるため、光導波路に入射する光と、モニターする光との強度を略同じとすることができた。このため素子の経時劣化や動作温度に伴う光出力変化を高信頼にモニターすることができた。
【００９７】
(実施例３)
第二実施形態の面発光レーザ５を製造した。
発振波長λを1.07μｍとして、ｎ型導電性のGaAs半導体基板５０１上に、1/4λの光学膜厚のSiドープAl0.9Ga0.1As低屈折率層(n=８×１０１７cm−３)および1/4λの光学膜厚のSiドープGaAs高屈折率層(p=８×１０１７cm−３)からなる40.5ペアの第1ミラー５０２である多層反射膜、SiドープGaAs(n=８×１０１７cm−３)からなる第一のn型スペーサ層５０３、In0.3Ga0.7As/GaAs量子井戸から構成される活性層５０４、CドープGaAs(p=８×１０１７cm−３)からなる第1のp型スペーサ層５０５、酸化により酸化層を形成するCドープAl0.98Ga0.02As(p=１×１０１８ｃｍ−３、厚み600Å)からなるp型高Al組成層５０６、CドープGaAs(p=８×１０１７cm−３)からなる第2のp型スペーサ層５０８、1/4λの光学膜厚のSiドープAl0.9Ga0.1As低屈折率層(p=８×１０１７cm−３)および1/4λの光学膜厚のSiドープGaAs高屈折率層(p=８×１０１７cm−３)からなる第2ミラー５０９である多層反射膜、Ti/Auからなる+電極５１０および電極パッド５１９、Au/Ge/Niからなる−電極５１１から構成されている。
【００９８】
第２多層反射膜は第1軸方向の酸化層上でペア数が17ペア、その他の領域で18ペアの低屈折率層と高屈折率層から形成される。すなわち、第２ミラー５０９の電流注入領域上の一部の領域５１３Ｒの反射率が、この領域５１３Ｒを挟んで第１軸５１６方向に隣接する領域５１４Ｒの反射率に比べて大きい。
さらに、電流注入領域を含むとともに、各層の積層方向に沿った第１ミラー５０２から第２ミラー５０９までの第一領域５１３Ｎの等価屈折率が、第一領域５１３Ｎを挟んで第２軸５１７方向に隣接した領域であって各層の積層方向に沿った第１ミラー５０２から第２ミラー５０９までの一対の第三領域５１４Ｎの等価屈折率に比べ大きい。また、(πw2)2(neff12-neff３2) /λ2≧100を満たしている。
【００９９】
第二実施形態と同様の方法で、面発光レーザ５を製造した。
n型導電性の半導体基板５０１上に第1ミラー５０２である多層反射膜から第2ミラー509である多層反射膜までの半導体層をMOVPE成長し、フォトリソグラフィーによるレジストパターニング後、第2ミラーの多層反射膜を第1軸方向に関し部分的に１ペアエッチング除去した。第1軸方向に沿ってイオン注入領域５２０を形成した。
次に、フォトリソグラフィー技術とドライエッチングを用いて、メサ522を形成しｐ型高Ａｌ組成層５０６を高温水蒸気を用いて酸化し、酸化領域５０６Ａを形成した。その後にポリイミド層５１８を形成し、Ｔｉ/Auからなる+電極５１１、電極パッド５１９およびAu/Ge/Niからなる−電極５１１を形成し、３７５℃、１０秒で電極アロイを行った。
【０１００】
図１１は面発光レーザ５の光プロファイルの遠視野像である。第1軸方向の高次横モードのレーザ発振は抑制され、光プロファイルは対称形状に双峰化した。
高速動作可能であり、電流値閾値は小さく、高注入においても２５ＧＨｚを超える緩和振動周波数が得られ、３ｄＢ帯域は２４ＧＨｚ以上であった。
【０１０１】
次に、図１２（ａ）に示した光検出器付光モジュールを構成した。
双峰の光プロファイルのうち片側は光出力モニターに使用し、ビームスプリッタを使用しないため、低コストに光出力をモニターできた。
全光出力に対し、結合効率２５％以上で導波路に結合することができた
第1軸方向の放射角はどの場合においても３０度以下であり、全光出力に対し、結合効率２５％以上で導波路に結合することができた。
光プロファイルが対称であるため、光導波路に入射する光と、モニターする光との強度を同じとすることができる。このため素子の経時劣化や動作温度に伴う光出力変化を高信頼にモニターすることができた。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の第一実施形態にかかる面発光レーザを示す平面図である。
【図２】（ａ）は、図１の面発光レーザの第１軸方向に沿った断面図であり、（ｂ）は、図１の面発光レーザの第２軸方向に沿った断面図である。
【図３】面発光レーザの製造工程を示す断面図である。
【図４】面発光レーザの製造工程を示す断面図である。
【図５】第一実施形態の面発光レーザの遠視野像である。
【図６】光検出器付光モジュールの模式図である。
【図７】第二実施形態にかかる面発光レーザを示す平面図である。
【図８】（ａ）は、図７の面発光レーザの第１軸方向に沿った断面図であり、（ｂ）は、図７の面発光レーザの第２軸方向に沿った断面図である。
【図９】面発光レーザの製造工程を示す断面図である。
【図１０】面発光レーザの製造工程を示す断面図である。
【図１１】第二実施形態の面発光レーザの遠視野像である。
【図１２】光検出器付光モジュールの模式図である。
【図１３】第三実施形態にかかる面発光レーザを示す平面図である。
【図１４】（ａ）は、図１３の面発光レーザの第１軸方向に沿った断面図であり、（ｂ）は、図１３の面発光レーザの第２軸方向に沿った断面図である。
【図１５】面発光レーザの製造工程を示す断面図である。
【図１６】面発光レーザの製造工程を示す断面図である。
【図１７】第三実施形態の面発光レーザの遠視野像である。
【符号の説明】
【０１０３】
１    面発光レーザ
５    面発光レーザ
８    面発光レーザ
１０１    基板
１０２    第一反射層（第一ミラー）
１０３    第１のｎ型スペーサ層
１０４    活性層
１０５    ｐ型スペーサ層
１０６    高濃度ｐ型層
１０７    高濃度ｎ型層
１０８    第２のｎ型スペーサ層
１０９    第二反射層（第二ミラー）
１１０    ＋電極
１１１    −電極
１１２    共振器長
１１３    第一領域
１１４ａ    第二領域
１１４ｂ    第三領域
１１５    共振器調整層
１１６    第１軸
１１７    第２軸
１１８    ポリイミド層
１１９    電極パッド
１２０ａ    イオン注入層
１２０ｂ    イオン注入層
１２１    共振器領域
４００    導光部材
４０１    光導波路
４０２    光検出器
４０４    ミラー
４０５    端面
５０１    半導体基板
５０２    第一反射層（第一ミラー）
５０３    第１のｎ型スペーサ層
５０４    活性層
５０５    第1のp型スペーサ層
５０６    ｐ型高Ａｌ組成層
５０６Ａ    酸化領域
５０８    第２のp型スペーサ層
５０９    第二反射層（第二ミラー）
５１０    ＋電極
５１１    −電極
５１２    共振器長
５１３Ｎ    第一領域
５１３Ｒ    領域
５１４Ｎ    第三領域
５１４Ｒ    領域
５１６    第一軸
５１７    第二軸
５１８    ポリイミド層
５１９    電極パッド
５２０    イオン注入領域
５２１    共振器領域
５２２    メサ
５２４    アパーチャー
８０１    半導体基板
８０２    第一反射層（第一ミラー）
８０３    ｎ型スペーサ層
８０４    活性層
８０５    第1のp型スペーサ層
８０６    p型高Al組成層
８０６Ａ    酸化領域
８０８    第２のp型スペーサ層
８０９    第二反射層（第二ミラー）
８１０    ＋電極
８１１    −電極
８１３    第一領域
８１４ａ    第二領域
８１４ｂ    第三領域
８１５    共振器調整層
８１６    第１軸
８１７    第２軸
８１８    ポリイミド層
８１９    電極パッド
８２１    酸化狭窄アパーチャー
８２２    メサ
１１００    導光部材
１１０１    光導波路
１１０２    光検出器
１１０４    電気配線
【図１】
2009141119.tif 000003
【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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【図１６】
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【図１７】
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