垂直共振器型面発光レーザ
【課題】高出力の単一横モード発振のため長共振器化した際においても、縦モードホッピングの発生を抑制することができ、より安定した単一縦モード発振が可能となる面発光レーザを提供する。
【解決手段】基板上の、第１および第２のミラーとで共振器が構成され、第１と第２のミラーとの間に設けられた第１の活性層と、第１の活性層と第１のミラーとの間に設けられた第２の活性層と、を有する発振波長λの垂直共振器型面発光レーザであって、第１の活性層は、実効的な共振器長Ｌを構成する実効共振器の端から３Ｌ／８〜５Ｌ／８となる第１の領域内であって、かつ、発振波長λに対応した縦モードの定在波の腹に配置され、第２の活性層は、実効共振器の端から３Ｌ／８Ｍ〜５Ｌ／８Ｍ（Ｍは２以上の整数）となる第２の領域内であって、かつ、発振波長λに対応した縦モードの定在波の腹に配置されている。
【解決手段】基板上の、第１および第２のミラーとで共振器が構成され、第１と第２のミラーとの間に設けられた第１の活性層と、第１の活性層と第１のミラーとの間に設けられた第２の活性層と、を有する発振波長λの垂直共振器型面発光レーザであって、第１の活性層は、実効的な共振器長Ｌを構成する実効共振器の端から３Ｌ／８〜５Ｌ／８となる第１の領域内であって、かつ、発振波長λに対応した縦モードの定在波の腹に配置され、第２の活性層は、実効共振器の端から３Ｌ／８Ｍ〜５Ｌ／８Ｍ（Ｍは２以上の整数）となる第２の領域内であって、かつ、発振波長λに対応した縦モードの定在波の腹に配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直共振器型面発光レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ、以下、面発光レーザと記す）は半導体基板に対して垂直方向に光を取り出すことができるため、二次元アレイを容易に形成することができる。
面発光レーザアレイは様々な産業上への応用が期待されており、例えば、高密度な二次元レーザアレイを利用すると、高速で高精細な電子写真システム等への応用が可能となる。
電子写真プロセスでは感光ドラム上に安定かつ微小なレーザスポットの形成が必要であるため、単一横モードや単一縦モードの安定動作がレーザ特性として必要である。
面発光レーザでは素子内部に選択酸化による電流狭窄構造を設けることにより活性層の発光領域を制限し、単一横モード化を行う方法がある。
しかし、この方法だけで単一横モード発振を行うには、酸化狭窄径を３μｍ程度まで小さくしなければならない。一方、酸化狭窄径を小さくすると発光領域が小さくなるため、大きなレーザ出力を得ることが難しい。
【０００３】
そこで、より大きな酸化狭窄径において単一横モード化を行う方法の一つとして、非特許文献１では共振器を長くすることで高次横モードの回折損を基本横モードの回折損よりも増大させる方法が提案されている。
一般的な面発光レーザでよく用いられる共振器の光学的厚さは１波長または２波長程度である。
非特許文献１で用いられている９８０ｎｍ帯のレーザでは、通常、１波長共振器では共振器の物理的長さは０．３μｍ程度であるが、共振器長を長くするために共振器内に２〜８μｍのスペーサ層が導入されている。これにより、酸化狭窄径が７μｍでも単一横モード発振を達成している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｈ．Ｊ．Ｕｎｏｌｄ ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．８，Ａｕｇ． ２０００， ｐ．９３９−９４１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記非特許文献１のものでは、長共振器構造を用いることによりつぎのようなデメリットも有している。
通常の１波長共振器の面発光レーザでは縦モード間隔は５０ｎｍ以上と大きいため、単一縦モード発振が達成される。一方、上記非特許文献１のように共振器内に２〜８μｍのスペーサ層を導入し共振器長を長くすると、縦モード間隔が１０ｎｍ程度まで小さくなってしまう。
【０００６】
このように縦モード間隔が小さくなると、図９に示すように利得スペクトル１５１０と、発振波長に対応した縦モード１５４０以外にも隣接する縦モード１５３０、１５５０の共振波長が重なってしまい、複数の縦モードの利得が同程度となる。そのため、縦モードホッピングが生じてしまう恐れがある。
さらに、縦モード間隔が狭くなり、５ｎｍ以下となると、隣の縦モード１５２０、１５６０等の共振波長も重なってきてしまうため、さらなる縦モードホッピングが発生する可能性が生じる。
ここで、発振波長に対応した縦モードとは、単に発振しているモードではなく、設計時に狙った特定の波長のモードのことである。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑み、高出力の単一横モード発振のため長共振器化した際においても縦モードホッピングの発生を抑制することでき、より安定した単一縦モード発振が可能となる垂直共振器型面発光レーザの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の垂直共振器型面発光レーザは、基板上に、第１のミラーと第２のミラーとによって共振器が構成され、
前記共振器を構成する前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に設けられた第１の活性層と、
前記第１の活性層と前記第１のミラーとの間に設けられた第２の活性層と、
を有する発振波長λの垂直共振器型面発光レーザであって、
前記共振器における実効的な共振器長をＬとするとき、
前記第１の活性層は、前記実効的な共振器長Ｌを構成する実効共振器の端から３Ｌ／８〜５Ｌ／８となる第１の領域内であって、かつ、前記発振波長λに対応した縦モードの定在波の腹に配置され、
前記第２の活性層は、前記実効共振器の端から３Ｌ／８Ｍ〜５Ｌ／８Ｍ（Ｍは２以上の整数）となる第２の領域内であって、かつ、前記発振波長λに対応した縦モードの定在波の腹に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、高出力の単一横モード発振のため長共振器化した際においても縦モードホッピングの発生を抑制することでき、より安定した単一縦モード発振が可能となる垂直共振器型面発光レーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態における垂直共振器型面発光レーザの実効共振器長、発振波長に対応した縦モードの定在波と活性層の位置の関係を説明する図。
【図２】実施例１に係る垂直共振器型面発光レーザの層構成と活性層の位置を説明する断面模式図。
【図３】実施例１に係る垂直共振器型面発光レーザの層構成の例と作製方法の構成例を説明する断面模式図。
【図４】実施例２に係る垂直共振器型面発光レーザの層構成と活性層の位置を説明する断面模式図。
【図５】実施例２に係る面発光レーザで図４と電極位置が異なる場合の層構成と活性層の位置を説明する断面模式図。
【図６】実施例３に係る垂直共振器型面発光レーザの層構成と活性層の位置を説明する断面模式図。
【図７】実施例４に係る垂直共振器型面発光レーザの層構成と活性層の位置を説明する断面模式図。
【図８】本発明の実施形態における垂直共振器型面発光レーザの実効共振器内の定在波数と活性層の位置関係を説明する図。
【図９】先行技術の課題を説明するための、面発光レーザの各縦モードと利得スペクトルの関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は、高出力による単一横モード発振のため長共振器化することにより、縦モードホッピングを生じる恐れのある構造のもとで、つぎのような面発光レーザの構成を採ることによって、安定した単一縦モード発振を可能としたものである。
本発明においては、垂直共振器型面発光レーザの発振波長λに対応した縦モードの利得が大きく、かつ、他の縦モードの利得が小さくなる位置に活性層が配置される。
すなわち、面発光レーザの共振器内に生じる定在波の光強度分布において、上記発振波長に対応した縦モードで他の縦モードより光強度の重なりが大きくなり、かつ、他の縦モードの光強度の重なりが小さくなる位置に活性層が配置される。ここで、各縦モードの利得は定在波により決まる活性層への光閉じ込め係数Γと活性層の利得ｇの積により決まる。
上記発振波長に対応した縦モードが発振するには、該発振波長に対応した縦モードにおける上記光強度の重なり、すなわち、Γが大きいことが望ましく、他の縦モードにおけるΓが小さいことが望ましい。
また、活性層の利得ｇとは活性層を起源とする利得スペクトルにおける各縦モードの共振波長での利得である。
任意の縦モードに関して、上記効果を得られる位置に活性層が複数配置されることで、上記発振波長に対応した縦モードと他の縦モードの利得差を大きくできるため、該発振波長に対応した縦モードの安定した単一縦モード発振が可能となる。
【００１２】
以下に、本発明の実施形態の垂直共振器型面発光レーザの構成について、図１を用いて説明する。
図１は本実施形態における実効共振器長、発振波長に対応した縦モードの定在波と活性層の位置を示す図である。なお、図で示す定在波は定在波の腹と節をわかりやすく示すために定在波の光強度分布で示している。
発振波長に対応した縦モードでは、共振波長がλ、実効共振器内に発生する定在波の数がＮ個とする。
これを縦モードＮとし、その他の各縦モードで定在波数が（Ｎ±ｍ）個（ｍは自然数）のものを縦モード（Ｎ±ｍ）とする。
定在波の数は定在波の山１つ分、例えば縦モードＮではλ／２ｎで定在波１個と数え、実効共振器の端に定在波の節がくるようにその数を定義する。なお、ｎは実効屈折率である。
【００１３】
本実施形態の面発光レーザは、基板上に、第１のミラー１１０と、第２のミラー１２０を備え、これらの第１のミラーと第２のミラーによって共振器１３０が構成されている。
そして、上記共振器を構成する第１のミラーと第２のミラーとの間に設けられた第１の活性層と、第１の活性層と第１のミラーとの間に設けられた第２の活性層とを備える。
具体的には、共振器１３０内に第１の領域１５５、第２の領域１６５があり、第１の領域１５５内に第１の活性層１５０、第２の領域１６５内に第２の活性層１６０が配置される。
共振器１３０の共振器長がＬ１、第１のミラー１１０への光の侵入長がＬ２、第２のミラー１２０への光の侵入長がＬ３であり、これらで構成される実効共振器の実効的な共振器長ＬはＬ＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３である。
なお、第１のミラー１１０および第２のミラー１２０への光の侵入長は共振波長λ、上下ミラーの高反射率層、低反射率層の屈折率、高反射率層、低反射率層で構成されるペア数で決まる。
これらは、非特許文献２（Ｄ．Ｉ．Ｂａｂｉｃ ａｎｄ Ｓ．Ｗ．Ｃｏｒｚｉｎｅ，ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ，Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．２，Ｆｅｂ．１９９２， ｐ．５１４−５２４）においても記されているところである。
なお、ここでは、実効共振器の端は、第１のミラー１１０側の端を基準としている。
【００１４】
つぎに、本発明の効果を得る構成として、第１の活性層１５０と、第２の活性層１６０との位置の関係について説明する。
第１の活性層１５０の位置と縦モードの定在波の位置関係は、縦モードＮの定在波１８０と縦モード（Ｎ−１）の定在波１８１とによる、図１に示されるような位置関係となる。
第１の活性層１５０は、発振波長に対応した縦モードＮと隣接する縦モード（Ｎ±１）に関して利得差が大きくなる位置に配置される。
すなわち、発振波長に対応した縦モードＮの利得が大きく、かつ、縦モード（Ｎ±１）の利得が小さくなる位置であり、実効共振器の端から３Ｌ／８〜５Ｌ／８となる第１の領域１５５内、かつ、縦モードＮの定在波１８０の腹に第１の活性層１５０は配置される。
このとき、第１の活性層１５０は縦モード（Ｎ−１）の定在波１８１の節近傍に配置される。
なお、縦モード間隔をΔλＮとし、該ΔλＮがλ2／２ｎＬにより求められるとき、
前記縦モード間隔ΔλＮが５ｎｍ以下とされていることが望ましい。
【００１５】
縦モードＮの定在波１８０の腹に第１の活性層１５０が配置されることで縦モードＮの利得は大きくなる。
なお、定在波の腹とは定在波の腹から±λ／１６以内であれば、定在波の腹の光強度を１としたときに光強度が０．８５以上を得ることができる。
ここで、定在波の腹の位置は上記範囲内であればよいが、腹と活性層位置の中心が一致することが好ましい。
第１の活性層１５０は第１の領域１５５内、かつ、縦モードＮの定在波１８０の腹に配置されると、定在波の腹の光強度を１としたときに縦モード（Ｎ±１）の定在波の光強度が０．２以下となる。
すなわち、縦モードＮに比べて縦モード（Ｎ±１）のしきい値利得が５倍以上必要となるため、縦モード（Ｎ±１）は発振しにくく、縦モードＮの発振が促進される。
なお、実効共振器の端からＬ／２の位置に最も近い縦モードＮの定在波１８０の腹に第１の活性層１５０が配置されると、縦モード（Ｎ±１）の定在波は節の位置となるため、その効果が最も大きくなる。
さらに、このときには縦モード（Ｎ±１±２ｍ）（ｍは自然数）の定在波に関しても節の位置となるため、複数の縦モード（Ｎ±１±２ｍ）に対して縦モードＮは利得差を大きくすることができる。
【００１６】
上記第１の活性層１５０の位置、実効共振器の端からＬ／２の位置に最も近い縦モードＮの定在波１８０の腹の位置を説明する。
この位置は、実効共振器内に発生する定在波の数Ｎによって変化する。
具体的に、縦モードＮの腹に対して縦モード（Ｎ±１）が節となる位置はＮが奇数か偶数かで異なり、Ｎが奇数のときにはＬ／２の位置、Ｎが偶数のときには（Ｌ／２±λ／４ｎ）の位置に第１の活性層１５０は配置される。
【００１７】
第２の活性層１６０は、発振波長に対応した縦モードＮと任意の縦モード（Ｎ±Ｍ）（Ｍが２以上の整数）に関して利得差が大きくなる位置に配置される。
すなわち、発振波長に対応した縦モードＮの利得が大きく、かつ、縦モード（Ｎ±Ｍ）の利得が小さくなる位置であり、実効共振器の端から３Ｌ／８Ｍ〜５Ｌ／８Ｍとなる第２の領域１６５内、かつ、縦モードＮの定在波の腹に第２の活性層１６０は配置される。
例えば、Ｍ＝２のとき、第２の領域１６５の範囲は３Ｌ／１６〜５Ｌ／１６、Ｍ＝３のとき、第２の領域１６５の範囲は３Ｌ／２４〜５Ｌ／２４となる。
【００１８】
第２の活性層１６０は上記位置に配置されると、第１の活性層１５０と同様に縦モード（Ｎ±Ｍ）に対して縦モードＮは利得差を大きくすることができる。
なお、実効共振器の端からＬ／２Ｍの位置に最も近い縦モードＮの定在波の腹に第２の活性層１６０が配置されると、縦モード（Ｎ±Ｍ）の定在波は節の位置となるため、その効果が最も大きくなる。
この位置に関しても、第１の活性層１５０の位置と同様に定在波の数Ｎによって決められる。
【００１９】
例えば、Ｍ＝２のとき、定在波数によってどの位置に活性層が配置されると最も効果が大きくなるかを示したものとして、第１の活性層、第２の活性層の位置をまとめたものを図８に示す。ここでも、図で示す定在波は定在波の腹と節をわかりやすく示すために定在波の光強度分布で示している。
上記位置に第１の活性層、第２の活性層が配置されることで任意の縦モードに比べて、発振波長に対応した縦モードＮの利得が大きくなるため、単一縦モード発振が可能となる。
なお、活性層は量子井戸や量子ドットのように数ｎｍ、数１０ｎｍ間で複数存在する場合には、それら複数の活性層の塊で１つの活性層とみなす。
また、活性層の位置は、誘導増幅を起こす層の中心とし、例えば、量子井戸のように複数存在する場合にはそれらの重心となる位置とする。
例えば、バルクの活性層ならその中心、複数の量子井戸や量子ドットでは各量子井戸の中心の重心となる位置を活性層位置とする。
【実施例】
【００２０】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した垂直共振器型面発光レーザの構成例について、図２を用いて説明する。
本実施例では活性層が２つとされている場合の構成例である。
本実施例の面発光レーザは、基板２０５上に、第１のミラーとしての下部ミラー２１０、第１のスペーサ層２４０が積層されている。
また、その上に第２の活性層２６０、第２のスペーサ層２４３、第１の活性層２５０、第３のスペーサ層２４５、第２のミラーとしての上部ミラー２２０が積層されている。
上部ミラー２２０上に上部電極２９０が、基板２０５下に下部電極２８０が配置されている。
上部ミラー２２０と下部ミラー２１０に挟まれた第１のスペーサ層２４０、第２の活性層２６０、第２のスペーサ層２４３、第１の活性層２５０、第３のスペーサ層２４５で構成された層を共振器２３０とする。
【００２１】
実効共振器長Ｌに対して、下部ミラー２１０側の実効共振器端を位置０とし、上部ミラー２２０側の実効共振器端を位置Ｌとする。
第１の領域２５５は３Ｌ／８〜５Ｌ／８を満たす範囲となる。
第１の活性層２５０はＬ／２の位置に最も近い縦モードＮの定在波の腹に配置される。この位置は第１の領域２５５内、かつ、縦モードＮの定在波の腹を満たしており、この範囲内で最も効果の大きい位置となっている。
なお、ここではＬ／２の位置に最も近い縦モードＮの定在波の腹に第１の活性層２５０は配置されるが、第１の領域２５５内、かつ、縦モードＮの定在波の腹であれば、本発明の効果を有する。
【００２２】
第２の活性層２６０は３Ｌ／１６〜５Ｌ／１６となる位置に配置される。これは第２の領域３Ｌ／８Ｍ〜５Ｌ／８Ｍで、Ｍ＝２となる範囲である。
第２の活性層２６０はＬ／４の位置に最も近い縦モードＮの定在波の腹に配置される。この位置は第２の領域２６５内、かつ、縦モードＮの定在波の腹を満たしており、この範囲内で最も効果の大きい位置となっている。
なお、ここではＬ／４の位置に最も近い縦モードＮの定在波の腹に第２の活性層２６０は配置されるが、第２の領域２６５内、かつ、縦モードＮの定在波の腹であれば、本発明の効果を有する。
ここで、第２の活性層２６０はＭ＝２となる位置に配置されたが、第１の活性層２５０と合わせると、縦モードＮに最隣接した縦モード（Ｎ±１）、（Ｎ±２）に関して縦モードＮとの利得差を大きくできる。
さらに、第１の活性層２５０は第１の領域２５５内のＬ／２の位置に最も近い縦モードＮの定在波の腹に配置されているため、縦モード（Ｎ±３）に関しても同様な効果を得ることができ、より大きな効果を得ることができる。
【００２３】
ここでは、第１のミラーとして下部ミラー２１０、第２のミラーとして上部ミラー２２０が設けられたが、第１のミラーとして上部ミラー２２０、第２のミラーとして下部ミラー２１０が設けられてもよい。
そのときには、第２の活性層２６０が第１の活性層２５０と上部ミラー２２０の間に設けられる。
上部ミラー２２０、および、下部ミラー２１０は低屈折率層と高屈折率層が交互に積層されており、各層の光学的厚さはλ／４である。
第１の活性層２５０、第２の活性層２６０への電流注入は上下電極により行い、本実施例ではｐ−ｉ−ｎ接合構造を有する。
第１のスペーサ層２４０、第２のスペーサ層２４３、第３のスペーサ層２４５はそれぞれｐ型、半絶縁性であるｉ型、ｎ型とする。
第１のスペーサ層２４０がｎ型、第３のスペーサ層２４５がｐ型でもよいが、好ましくはｎ型より光吸収の大きくなるｐ型が薄くなるように導電型を決定するのがよい。
よって、図２の構成においては第１のスペーサ層２４０がｐ型、第３のスペーサ層２４５がｎ型とするのが好ましい。
なお、ｐ型、ｎ型のキャリア濃度は５×１０16ｃｍ-3以上、ｉ型のキャリア濃度は１×１０16ｃｍ-3未満とする。
【００２４】
ｐ型半導体層には、アクセプタとなる不純物、例えば、ＣやＺｎをドーピングする。
ｎ型半導体層には、ドナーとなる不純物、例えば、ＳｉやＳｅをドーピングする。
第１のスペーサ層２４０、第２のスペーサ層２４３、第３のスペーサ層２４５には電流狭窄部が設けられてもよい。
ここで、電流狭窄部の形成法として、例えば、
ＡｌＡｓ膜を酸化して絶縁性のＡｌｘＯｙ膜を形成する方法、
プロトンインプランテーションにより活性層近傍に絶縁領域を設ける方法、ＡｌＡｓ膜のエッチングなどにより電流経路以外の領域を除去する方法、等がある。
【００２５】
電流狭窄部が設けられる位置としてはｐ電極から注入した電流が活性層に狭窄される位置であることが好ましい。
本実施例のように第１のスペーサ層２４０がｐ型、第３のスペーサ層２４５がｎ型である場合には、第１のスペーサ層２４０の第２の活性層２６０近傍に電流狭窄部が設けられるとよい。
さらに、第２のスペーサ層２４３が厚く、電流の拡がりが生じる場合には第２のスペーサ層２４３の第１の活性層２５０近傍に電流狭窄部が設けられてもよい。第１の活性層２５０、第２の活性層２６０には、各活性層を挟むように上部クラッド層、下部クラッド層が通常、設けられる。
上部ミラー２２０上の上部電極２９０が形成される層は電流を流しやすくするために、キャリア濃度の高いコンタクト層が設けられてもよい。例えば、キャリア濃度は１×１０19ｃｍ-3とする。
【００２６】
図２に、波長６８０ｎｍの赤色面発光レーザを用いた、具体的な活性層の位置についての例を示す。
図３に、計算結果の１例として、赤色面発光レーザの各層構成と断面模式図を示す。
本実施例においては、
基板３０５にｐ型ＧａＡｓを用い、その上に、つぎのような材料による各層が積層される。
すなわち、
下部ミラー３１０としてｐ型ＡｌＡｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、
第１のスペーサ層３４０としてｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、
電流狭窄部３４１として第１のスペーサ層内にＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ、
第２の下部クラッド層３６２としてｐ型ＡｌＧａＩｎＰ、
第２の活性層３６０としてｉ型ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ多重量子井戸、
第２の上部クラッド層３６３としてｉ型ＡｌＧａＩｎＰ、
第２のスペーサ層３４３としてｉ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、
第１の下部クラッド層３５２としてｉ型ＡｌＧａＩｎＰ、
第１の活性層３５０としてｉ型ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ多重量子井戸、
第１の上部クラッド層３５３としてｎ型ＡｌＧａＩｎＰ、
第３のスペーサ層３４５としてｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、
上部ミラー３２０としてｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、
コンタクト層３７５としてｎ型ＧａＡｓ、
が積層される。
また、ＡｌＡｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ下部ミラー３１０は６０ペア、
Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ上部ミラー３２０は３８ペア、
ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ第１の活性層３５０、第２の活性層３６０は量子井戸３個とされている。
そして、量子井戸３個の真ん中の量子井戸中心を活性層の位置としている。
また、上部ミラー３２０、下部ミラー３１０の各層はλ／４の光学厚さで積層されている。
【００２７】
メサを覆うようにＳｉＯ2絶縁膜３９５が形成され、さらに、ＡｕＧｅ／Ａｕ上部電極３９０、および、Ｔｉ／Ａｕ下部電極３８０が形成される。
ここで、本構成における下部ミラー３１０への光の侵入長Ｌ２は５．７５λ、すなわち、定在波数は１１．５個、上部ミラー３２０への光の侵入長Ｌ３は６．２５λ、すなわち、定在波数は１２．５個である。
本実施例での共振器長は２２λ、実効共振器長は３４λである。
実効共振器内の定在波数は６８個、縦モード間隔ΔλＮ＝１０ｎｍとなる。
図８で示した関係から、第１の活性層３５０は（Ｌ／２±λ／４ｎ）の位置、第２の活性層３６０は（Ｌ／４±λ／４ｎ）の位置が縦モードＮと縦モード（Ｎ±１）、（Ｎ±２）との利得差が最も大きくなる位置である。
よって、第１の活性層３５０は（Ｌ／２−λ／４ｎ）の位置、第２の活性層３６０は（Ｌ／４−λ／４ｎ）の位置に配置される。
【００２８】
このときの共振器部３３０の各層構成、膜厚は以下のようになる。
基板３０５側の下層から、
電流狭窄部３４１を含む第１のスペーサ層３４０は、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ（３８０ｎｍ）／Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ（３０ｎｍ）／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ（３６ｎｍ）であり、
ＡｌＧａＩｎＰ第２の下部クラッド層３６２は、４６ｎｍ、
第２の活性層３６０は、ＡｌＧａＩｎＰ（４２ｎｍ）／ＧａＩｎＰ（６．５ｎｍ）／ＡｌＧａＩｎＰ（５．５ｎｍ）／ＧａＩｎＰ（６．５ｎｍ）／ＡｌＧａＩｎＰ（５．５ｎｍ）／ＧａＩｎＰ（６．５ｎｍ）／ＡｌＧａＩｎＰ（４２ｎｍ）の多重量子井戸であり、
ＡｌＧａＩｎＰ第２の上部クラッド層３６３は、４６ｎｍ、
Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第２のスペーサ層３４３は、１．５μｍ、
ＡｌＧａＩｎＰ第１の下部クラッド層３５２は、４６ｎｍ、
第１の活性層３５０は、ＡｌＧａＩｎＰ（４２ｎｍ）／ＧａＩｎＰ（６．５ｎｍ）／ＡｌＧａＩｎＰ（５．５ｎｍ）／ＧａＩｎＰ（６．５ｎｍ）／ＡｌＧａＩｎＰ（５．５ｎｍ）／ＧａＩｎＰ（６．５ｎｍ）／ＡｌＧａＩｎＰ（４２ｎｍ）の多重量子井戸であり、
ＡｌＧａＩｎＰ第１の上部クラッド層３５３は、４６ｎｍ、
Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第３のスペーサ層３４５は２．１μｍ、である。
【００２９】
各スペーサ層の膜厚は、
ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第１のスペーサ層３４０は、０．４５μｍ、
ｉ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第２のスペーサ層３４３は、１．５μｍ、
ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第３のスペーサ層３４５は、２．１μｍ、
である。
【００３０】
ここで、上部ミラー３２０の下部端から第１の活性層３５０の中央までが１０．７５λ、第１の活性層３５０の中央から第２の活性層３６０の中央までが８．５λ、第２の活性層３６０の中央から下部ミラー３１０の上部端までが２．７５λである。
このとき、第１の活性層３５０は（Ｌ／２−λ／４ｎ）の位置、第２の活性層３６０は（Ｌ／４−λ／４ｎ）の位置となる。
また、第１の活性層３５０の中央とは上層から２つ目のＧａＩｎＰ層が３．２５ｎｍの位置である。
上記位置に第１の活性層３５０、第２の活性層３６０が配置されることで、縦モードＮと縦モード（Ｎ±１）、（Ｎ±２）との利得差を大きくでき、単一縦モード発振が実現できる。
さらに、ここでは縦モード（Ｎ±１±２ｍ）に関しても同様の効果が得られる。ここで、第１の活性層３５０は（Ｌ／２−λ／４ｎ）の位置、第２の活性層３６０は（Ｌ／４−λ／４ｎ）の位置に配置されている。
しかし、第１の活性層３５０は第１の領域３５５内、かつ、縦モードＮの定在波の腹、第２の活性層３６０は第２の領域３６５内、かつ、縦モードＮの定在波の腹であればこれに限らない。
例えば、第１の活性層３５０は（Ｌ／２−λ／４ｎ）の位置、第２の活性層３６０は（Ｌ／４−７λ／４ｎ）の位置に配置されると、縦モード（Ｎ±２）は定在波の節でなくなる。そのため、利得は多少増加するが、利得は十分に小さいまま、ｐ層を薄くでき、吸収を小さくできる。
【００３１】
図３を用いて、本発明の実施例１における面発光レーザの作製方法を説明する。
以下のように基板３０５上に、下部ミラー３１０、上部ミラー３２０、これらの間に配置された複数の半導体層が積層された面発光レーザを作製する。
まず、基板３０５上に、下部ミラー３１０からコンタクト層３７５までを順次成長させる。
例えば、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、つぎの各層を成長させる。
すなわち、下部ミラー３１０、第１のスペーサ層３４０、第２の下部クラッド層３６２、第２の活性層３６０、第２の上部クラッド層３６３、第２のスペーサ層３４３、
第１の下部クラッド層３５２、第１の活性層３５０、第１の上部クラッド層３５３、第３のスペーサ層３４５、上部ミラー３２０、コンタクト層３７５、を成長させる。
【００３２】
次に、上記の各層が積層されたウエハを一般的な半導体リソグラフィー法および半導体エッチング、ここではドライエッチングにより第１のスペーサ層３４０の上部まで除去することで、メサ構造を形成する。メサ構造の直径は、例えば、２６μｍである。
なお、エッチングの位置として電流狭窄部３４１より下までエッチングを行う。電流狭窄部３４１は、例えば、選択酸化法や、プロトン打ち込みにより形成される。
選択酸化法による電流狭窄部の形成では、例えば、ＡｌＡｓ層やＡｌ組成の高いＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層を第１のスペーサ層３４０内に設けて、高温水蒸気雰囲気中で選択酸化する。これにより電流狭窄構造を形成し、必要な領域のみに電流を注入できるようにする。
このときの電流狭窄径は、例えば５μｍである。
【００３３】
次に、メサ構造を覆うように絶縁膜３９５を成膜し、メサ上部の一部の絶縁膜３９５を除去する。絶縁膜３９５の成膜は、例えばＳｉＯ2膜を、例えばプラズマＣＶＤ法により行う。絶縁膜３９５の除去は、例えばバッファードフッ酸で行う。
次に、例えば真空蒸着法およびリソグラフィー法を用いて上部電極３９０、および、下部電極３８０を成膜する。上部電極３９０は、例えばＡｕＧｅ／Ａｕであり、下部電極３８０は、例えばＴｉ／Ａｕである。
なお、必要であれば面発光レーザ３０１を３００℃程度でアニール処理を行っても良い。
【００３４】
なお、上記形成方法や半導体材料、電極材料、誘電体材料などは実施例で開示したものに限るものではなく、本発明の主旨を外れないものであれば、他の方法、材料を利用することも可能である。
例えば、基板３０５はｎ型ＧａＡｓ基板を用いてもよく、その場合、下部ミラー３１０はｎ型半導体、上部ミラー３２０はｐ型半導体となり、共振器部３３０の各半導体層の導電型もそれに応じて変更させる。
【００３５】
下部ミラー３１０と上部ミラー３２０のペア数は必要な反射率に応じて適宜変更してもよい。
また、下部ミラー３１０と上部ミラー３２０を構成する材料は高屈折率層と低屈折率層を適正に配置されれば上記材料以外の材料を用いてもよく、各層の間に組成傾斜層を設けるなどしてもよい。
第１のスペーサ層３４０、第２のスペーサ層３４３、第３のスペーサ層３４５では、ＡｌＡｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓとがλ／２の光学的膜厚で積層されている構成を用いてもよい。
各スペーサ層が同一の材料でなくてもよく、膜厚に関しても適宜変更してもよい。
共振器の長さは単一横モード制御に有効である厚さ以上が望ましい。
例えば、６λ以上であることが好ましく、これは上記非特許文献１においてスペーサ層２μｍで効果が得られており、共振器長が６λ程度と考えられるためである。
【００３６】
活性層ではＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰの多重量子井戸数は１個や４個でもよく、組成比は適宜変更してもよい。量子井戸構造に限られたものでなく、バルク材や量子ドットを用いてもよい。
また、波長６８０ｎｍの面発光レーザとして、発光材料にＧａＩｎＰを用いた例を説明したが、波長、材料もこれに限られたものでない。ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓＳｂ等の発光材料を用いてもよい。
また、第１の領域、第２の領域内に活性層は複数配置されてもよい。例えば、上記実施例での第１の領域内の（Ｌ／２−λ／４ｎ）の位置と、（Ｌ／２＋λ／４ｎ）の位置に活性層を置くような周期利得構造としてもよい。このように、周期利得構造を設けることで利得の増加を見込むことができる。
【００３７】
［実施例２］
実施例１においてはｐ−ｉ−ｎ接合のｉ層が厚くなり、抵抗が大きくなってしまう。そこで、実施例２においてはそれを解決する構成例について、図４を用いて説明する。
本実施例では、複数の活性層に電流注入する方式として、各活性層に対しｐ−ｎ接合を有する。すると、抵抗が大きく、厚いｉ層がなくなるため、実施例１に比べ、電流が流れやすくなる。
本実施例を表す垂直共振器型面発光レーザの構成例として、図４に活性層が２つであり、第２の活性層位置が第２の領域のＭ＝２の範囲内である場合について示す。
各層の構成は実施例１と基本的な層構成は同様であるため、実施例１との差異点を以下に示す。
本実施例では、第１のスペーサ層４４０、第２のスペーサ層４４３、第３のスペーサ層４４５でｎ−ｐ−ｎ接合構造をとり、電極も上部電極、下部電極２つでなく、第１電極４８０、第２電極４８５、第３電極４９０を有する。
ここでは、第１のスペーサ層４４０がｎ型、第２のスペーサ層４４３がｐ型、第３のスペーサ層４４５がｎ型としたが、第１のスペーサ層４４０がｐ型、第２のスペーサ層４４３がｎ型、第３のスペーサ層４４５がｐ型とｐ−ｎ−ｐ接合構造としてもよい。
但し、各層の導電型はｎ層より光吸収の大きくなるｐ層が薄くなるように導電型を決定するのがよい。
【００３８】
図４の活性層位置の計算例として波長６８０ｎｍの赤色面発光レーザについて各層構造を以下に示す。
各層の材料は実施例１と同様であり、ここでは導電型のみを記載する。
基板４０５、下部ミラー４１０、第１のスペーサ層４４０はｎ型、
第２の活性層４６０はｉ型、
第２のスペーサ層４４３はｐ型、
第１の活性層４５０はｉ型、
第３のスペーサ層４４５、上部ミラー４２０はｎ型、である。
第１電極４８０、第２電極４８５、第３電極４９０がそれぞれ基板４０５直下、第２のスペーサ層４４３上、上部ミラー４２０上に形成される。
第１の活性層４５０はＬ／２に最も近い縦モードＮの定在波の腹の位置、第２の活性層４６０はＬ／４に最も近い縦モードＮの定在波の腹の位置に配置される。
【００３９】
実施例１と同様に、本構成における下部ミラー４１０の実効反射鏡長さＬ２は５．７５λ、すなわち、定在波数は１１．５個、上部ミラー４２０の実効反射鏡長さＬ３は６．２５λ、すなわち、定在波数は１２．５個である。
また、本実施例での共振器長は５８．５λ、実効共振器長は７０．５λである。実効共振器内の定在波数は１４１個、縦モード間隔ΔλＮ＝４．８ｎｍとなる。図８で示した関係から、第１の活性層４５０はＬ／２の位置、第２の活性層４６０は（Ｌ／４＋λ／８ｎ）の位置に配置される。
各層の膜厚は、
上部ミラー４２０の下部端から第１の活性層４５０の中央までが２９λ、
第１の活性層４５０の中央から第２の活性層４６０の中央までが１７．５λ、
第２の活性層４６０の中央から下部ミラー４１０の上部端までが１２λ、
となるように構成される。
各スペーサ層の膜厚は、
ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第１のスペーサ層４４０は２．２８μｍ、
ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第２のスペーサ層４４３は３．２７μｍ、
ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第３のスペーサ層４４５は５．６５μｍ、
である。
【００４０】
図４では記載していないが、第１の活性層４５０、第２の活性層４６０を挟む構成として、実施例１と同様に上下クラッド層を有する。
電流狭窄部は第１のスペーサ層４４０、第２のスペーサ層４４３、第３のスペーサ層４４５内に設けられてもよい。
本実施例の構成では、ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第２のスペーサ層４４３内には第１電流狭窄部と第２電流狭窄部が設けられると好ましい。
第１電流狭窄部は第２のスペーサ層４４３内の第１の活性層４５０近傍、第２電流狭窄部は第２の活性層４６０近傍である。
ここでは、第１電流狭窄部と第２電流狭窄部の非酸化領域の大きさを同様な大きさにするために、第２電流狭窄部のＡｌ組成を大きくする。
Ａｌ組成が大きいほど低温で酸化可能、かつ、酸化レートが早くなるため、酸化を行う領域が異なる第１電流狭窄部と第２電流狭窄部の非酸化領域をそろえることが可能となる。
【００４１】
本実施例においても、第１の活性層４５０は第１の領域４５５内、かつ、縦モードＮの定在波の腹、第２の活性層４６０は第２の領域４６５内、かつ、縦モードＮの定在波の腹であればこの位置に限らない。
位置を変える際には、例えば、第１のスペーサ層４４０、第２のスペーサ層４４３、第３のスペーサ層４４５の膜厚を変化させることで活性層位置を調整する。第２のスペーサ層４４３内で第２電極４８５が設けられる層となる位置にキャリア濃度の高いコンタクト層が配置されてもよい。
すると、より効率良く電流を流すことが可能となる。
そのときには、第２のスペーサ層４４３内にエッチングストップ層を設ける等して作製精度の向上をはかってもよい。
【００４２】
利得スペクトルに対して複数の縦モードが重なり、特に本実施例のように縦モード間隔が狭い場合には、本発明による単一縦モードの効果が大きくなる。
これは本実施例では、例えば、特許文献１（特開２００９−１５２５５３号公報）のように利得や吸収のスペクトル依存性によって縦モード制御を行っているのではなく、活性層の位置による定在波の光強度差で縦モードを制御しているため、間隔が狭い縦モードでも単一縦モード発振が可能となる。
ここで、各電極を設ける位置は同じ導電型内であり、各活性層を挟む位置であればよく、例えば、図５のように第１電極５８０は基板５０５直下でなく、第１のスペーサ層５４０上に配置されてもよい。
【００４３】
本実施例の面発光レーザの作製方法を記す。実施例１ではメサ構造が１段であったのに対して、ここでは２段メサ構造を有する。
多段メサ構造は半導体リソグラフィー法および半導体エッチングを複数回、ここでは２回行うことで形成する。
例えば、１回目のエッチングを第２のスペーサ層５４３まで、２回目のエッチングを第１のスペーサ層５４０まで行う。
第１電流狭窄部、第２電流狭窄部を選択酸化する場合、第１電流狭窄部、第２電流狭窄部を別々に酸化しても、同時に酸化してもよい。その後は、実施例１と同様に第２電極、第３電極を形成する。
なお、上記形成方法や半導体材料、電極材料、誘電体材料などは実施例で開示したものに限るものではなく、本発明の主旨を外れないものであれば、他の構造、材料を利用することも可能である。
例えば、基板はｐ型ＧａＡｓ基板を用いてもよく、その場合、下部ミラーはｐ型半導体、上部ミラーはｎ型半導体となり、共振器部の各半導体層も導電型をそれに応じて変更させる。
【００４４】
［実施例３］
実施例３では、実施例２と比べてｐ層の膜厚を薄くでき、光吸収を低減できる構成例について、図６を用いて説明する。
第１のミラーと第２のミラーのうち、基板から離れた位置にある上部ミラーと、第１の活性層に挟まれた積層部に活性層を含まない構成のとき、
上部ミラーと第１の活性層との間の上部スペーサ層内に導電性の導電性スペーサ層と非導電性の非導電性スペーサ層を有する構成をとる。
このとき、非導電性スペーサ層が上部ミラー直下に構成される。導電性スペーサ層は非導電性スペーサ層に比べて十分に薄いことで本実施例の効果が顕著となる。
また、実施例２で上部ミラー上に形成していた電極は導電性スペーサ層上に形成される。
【００４５】
活性層の数が第１の活性層、第２の活性層の２つであり、第２の活性層は第２の領域のＭ＝２の範囲内に位置されるとして、図６を用いて本実施例の面発光レーザの構成を説明する。
第１のミラーが下部ミラー６１０であると、実施例２での第３のスペーサ層とここでの上部スペーサ層６４５は同じものとみなせる。
実施例２との差異点として、上部スペーサ層６４５内に導電性スペーサ層６４８、非導電性スペーサ層６４９があり、第３電極６９０は導電性スペーサ層６４８上に形成される。
各スペーサ層の導電型は、第１のスペーサ層６４０がｐ型、第２のスペーサ層６４３がｎ型、第３導電性スペーサ層６４８がｐ型、第３非導電性スペーサ層６４９がｉ型である。
上部ミラー６２０には、誘電体ミラーやｉ型半導体ミラーを用いてもよい。
【００４６】
誘電体ミラーは以下のような特徴がある。
誘電体ミラーは導電型半導体ミラーに比べて吸収が小さい。
ミラーへの光の侵入長が半導体ミラーに比べて短い。
誘電体ミラーは構成膜間の屈折率差を大きくできるため、より少ない層数で高い反射率が得られる。
また、非導電性スペーサ層６４９には、誘電体層やｉ型半導体層を用いてもよい。
導電性スペーサ層６４８内の第３電極６９０と接する部分はキャリア濃度の高いコンタクト層とすることが好ましい。
また、第２のスペーサ層６４３内の第２電極６８５と接する部分はキャリア濃度の高いコンタクト層とすることが好ましい。
第１のスペーサ層６４０、第２のスペーサ層６４３、導電性スペーサ層６４８には電流狭窄部が設けられてもよく、ここでは、第１のスペーサ層６４０、導電性スペーサ層６４８内の各活性層近傍に設けられることが好ましい。
導電性スペーサ層の厚さは、電流狭窄部、コンタクト層部を考慮した上で、出来る限り薄くすることが好ましい。
【００４７】
図６の活性層位置の計算例として波長６８０ｎｍの赤色面発光レーザについて各層構造を以下に示す。
非導電性スペーサ層６４９、上部ミラー６２０には誘電体材料を用い、
非導電性スペーサ層６４９はＴｉＯ2膜、
上部ミラー６２０はＴｉＯ2／ＳｉＯ2多層膜、である。
上部ミラー６２０の各層はλ／４の光学的厚さで積層され、ペア数は５ペアである。
その他、各層の材料は実施例２と同様であり、以下に導電型のみを記載する。
基板６０５、下部ミラー６１０、第１のスペーサ層６４０はｐ型、
第２の活性層６６０はｉ型、
第２のスペーサ層６４３はｎ型、
第１の活性層６５０はｉ型、
導電性スペーサ層６４８はｎ型、である。
【００４８】
第１電極６８０、第２電極６８５、第３電極６９０がそれぞれ基板６０５直下、第２のスペーサ層６４３上、上部ミラー６２０上に形成される。
第１の活性層６５０はＬ／２に最も近い縦モードＮの定在波の腹の位置、第２の活性層６６０はＬ／４に最も近い縦モードＮの定在波の腹の位置に配置される。本実施例の構成において下部ミラー６１０の実効反射鏡長さＬ２は５．７５λ、すなわち、定在波数は１１．５個、上部ミラー６２０の実効反射鏡長さＬ３は１．２５λ、すなわち、定在波数は２．５個である。
また、本実施例での共振器長は６３．５λ、実効共振器長は７０．５λである。実効共振器内の定在波数は１４１個、縦モード間隔ΔλＮ＝４．８ｎｍとなる。図８で示した関係から、第１の活性層６５０はＬ／２の位置、第２の活性層６６０は（Ｌ／４＋λ／８ｎ）の位置に配置される。
【００４９】
各層の膜厚は、
非導電性スペーサ層６４９が２７．７５λ、
導電性スペーサ層６４８が０．７５λ、
導電性スペーサ層６４８の下部端から第１の活性層６５０の中央までが０．５λ、
第１の活性層６５０の中央から第２の活性層６６０の中央までが１７．５λ、
第２の活性層６６０の中央から下部ミラー６１０の上部端までが１２λ、
となるように構成される。
また、各スペーサ層の膜厚は、
ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第１のスペーサ層６４０は２．２８μｍ、
ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ０．５Ａｓ第２のスペーサ層６４３は３．２７μｍ、
ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ導電性スペーサ層６４８は０．１５μｍ、
ＴｉＯ2誘電体非導電性スペーサ層６４９は７．６４μｍ、
である。
【００５０】
本実施例では実施例２と同じ実効共振器長において、ｐ型スペーサ層の総厚が薄くなっており、ｐ型ミラーも存在しないため、吸収を抑制できることがわかる。
本実施例の作製方法として、基板６０５上に下部ミラー６１０から第３導電性スペーサ層６４８までを、例えば、ＭＯＣＶＤ法により成長させる。
実施例２と同様に多段メサ構造を形成し、第１のスペーサ層６４０、第３導電性スペーサ層６４８内に電流狭窄部を、例えば、選択酸化により形成する。
第２電極６８５、第３電極６９０を形成後、第３非導電性スペーサ層６４９と上部ミラー６２０の成膜、形成を、例えばフォトリソグラフィー法とプラズマＣＶＤ法により行う。
第３非導電性スペーサ層６４９と上部ミラー６２０は誘電体層でなく、半導体層としてもよい。
しかし、少なくとも一方を誘電体層とすることで、第３導電性スペーサ層６４８の最上部をコンタクト層とする際に、エッチングストップ層を必要としない等、素子形成が容易になるメリットがある。
なお、上記形成方法や半導体材料、電極材料、誘電体材料などは実施例で開示したものに限るものではなく、本発明の主旨を外れないものであれば、他の構造、材料を利用することも可能である。
【００５１】
［実施例４］
実施例１から３では活性層の数が第１の活性層、第２の活性層の２つの例を示したが、実施例４では活性層が３つ以上ある場合として、活性層が３つの構成例について、図７を用いて説明する。
本実施例では、図７に示すように第１の活性層７５０、第２の活性層７６０、第３の活性層７６６の３つの活性層を有する垂直共振器型面発光レーザが構成される。
活性層数の追加に伴い、スペーサ層、電極数もそれぞれ追加する。
ここでは、第２の活性層７６０はＭ＝２となる第２の領域７６５内、第３の活性層７６６はＭ＝４となる第３の領域７６７内、すなわち、３Ｌ／３２〜５Ｌ／３２の範囲内、かつ、縦モードＮの定在波の腹となる位置に配置される。
【００５２】
具体的に、第１の活性層７５０はＬ／２に最も近い縦モードＮの定在波の腹の位置、第２の活性層７６０はＬ／４に最も近い縦モードＮの定在波の腹の位置、第３の活性層７６６はＬ／８に最も近い縦モードＮの定在波の腹の位置に配置される。
第３の活性層７６６は、第１のスペーサ層内に配置されており、第１のスペーサ層はこの第３の活性層７６６によって基板から近い位置にある第４のスペーサ層７４７と基板から遠い位置にある第５のスペーサ層７４８とに分割されている。すなわち、第３の活性層で分割されたスペーサ層のうち、基板から近い位置にある第４のスペーサ層７４７は、第３の活性層７６６と下部ミラー７１０の間に配置される。
また、基板から遠い位置にある第５のスペーサ層７４８は、第３の活性層７６６と第２の活性層７６０の間に配置される。
第１電極７８０、第２電極７８２、第３電極７８５、第４電極７９０を有し、各電極はそれぞれ、基板７０５直下、第５のスペーサ層７４８上、第２のスペーサ層７４３上、上部ミラー７２０上に形成される。
ここで、各電極を設ける位置は各活性層を挟む位置であればよい。
【００５３】
図７の活性層位置の計算例として、波長６８０ｎｍの赤色面発光レーザについて各層構造を以下に示す。
第３の活性層７６６は第１の活性層７５０、第２の活性層７６０と同じ材料、第４のスペーサ層７４７、第５のスペーサ層７４８も第２のスペーサ層７４３、第３のスペーサ層７４５と同じ材料とし、他の各層は実施例２と同様とする。
ここでは導電型のみを記載する。
基板７０５、下部ミラー７１０、第４のスペーサ層７４７はｐ型、
第３の活性層７６６はｉ型、
第５のスペーサ層７４８はｎ型、
第２の活性層７６０はｉ型、
第２のスペーサ層７４３はｐ型、
第１の活性層７５０はｉ型、
第３のスペーサ層７４５、上部ミラー７２０はｎ型、である。
但し、活性層の位置、各層の膜厚により、第２のスペーサ層７４３、第４のスペーサ層７４７がｎ型、第３のスペーサ層７４５、第５のスペーサ層７４８がｐ型としてもよい。材料、膜厚も適宜変更してもよい。
【００５４】
ここで、共振器長は５０λ、実効共振器長は６２λとする。
実効共振器内の定在波数は１２４個、縦モード間隔ΔλＮ＝５．５ｎｍとなる。各活性層が縦モードＮの腹、かつ、縦モードＮと縦モード（Ｎ±１）、（Ｎ±２）、（Ｎ±４）との利得差が最も大きくなる位置として、図８で示した関係と同様に第３の活性層７６６の位置も計算する。
すると、第１の活性層は（Ｌ／２±λ／４ｎ）の位置、第２の活性層は（Ｌ／４±λ／４ｎ）の位置、第３の活性層はＬ／８の位置となる。そのため、第１の活性層は（Ｌ／２−λ／４ｎ）の位置、第２の活性層は（Ｌ／４−λ／４ｎ）、第３の活性層はＬ／８の位置に配置される。
【００５５】
第１の活性層が（Ｌ／２−λ／４ｎ）の位置に配置されると、縦モードＮと縦モード（Ｎ±１）のみでなく、（Ｎ±３）、（Ｎ±５）…に関しても利得差が大きくなる。そのため、第３の活性層はＭ＝３でなく、縦モード（Ｎ±４）との利得差が大きくなるＭ＝４の位置とした。
このとき、各層の膜厚は、
上部ミラー７２０の下部端から第１の活性層７５０の中央までが２４．５λ、
第１の活性層７５０の中央から第２の活性層７６０の中央までが１５．５λ、
第２の活性層７６０の中央から第３の活性層７６６の中央までが８λ、
第３の活性層７６６の中央から下部ミラー７１０の上部端までが２λ、
となるように構成される。
また、各スペーサ層の膜厚は、
ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第４スペーサ層７４７は０．３０μｍ、
ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第５スペーサ層７４８は１．４８μｍ、
ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第２のスペーサ層７４３は２．８７μｍ、
ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第３のスペーサ層７４５は４．７６μｍ、
である。
【００５６】
ここでも、活性層位置は上記位置のみでなく、定められた範囲内であれば、どの位置に配置されてもよい。
ここでは、第３の活性層は第１のスペーサ層内に配置されたが、第１のスペーサ層、２のスペーサ層および第３のスペーサ層のうち、いずれか一つのスペーサ層内に配置されるようにしてもよい。
これは第３の領域の定義が実効共振器の端から３Ｌ／８Ｍ〜５Ｌ／８Ｍ（Ｍ：２，３，４…）となる第３の領域内であり、第１のミラー側、第２のミラー側双方を含んでいるためである。
本実施例では、活性層３つの場合を示したが、活性層は４つ以上配置してもよく、それに応じてスペーサ層も追加する。
その場合、活性層を配置する位置は、第４、第５…領域内、かつ、縦モードＮの定在波の腹となる位置である。そのときの電極数はスペーサ層と同じ数である。電極の数え方として同じ導電型内では複数あっても１個とみなす。
また、活性層が複数配置されるときに同一領域内に複数の活性層が配置されてもよい。
ここでは、実施例２をベースとして考えたが、実施例３の場合にも適用される。なお、上記形成方法や半導体材料、電極材料、誘電体材料などは実施例で開示したものに限るものではなく、本発明の主旨を外れないものであれば、他の構造、材料を利用することも可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１１０：第１ミラー
１２０：第２ミラー
１３０：共振器
１５０：第１の活性層
１５５：第１の領域
１６０：第２の活性層
１６５：第２の領域
１８０：縦モードＮの定在波
１８１：縦モード（Ｎ−１）の定在波
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直共振器型面発光レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ、以下、面発光レーザと記す）は半導体基板に対して垂直方向に光を取り出すことができるため、二次元アレイを容易に形成することができる。
面発光レーザアレイは様々な産業上への応用が期待されており、例えば、高密度な二次元レーザアレイを利用すると、高速で高精細な電子写真システム等への応用が可能となる。
電子写真プロセスでは感光ドラム上に安定かつ微小なレーザスポットの形成が必要であるため、単一横モードや単一縦モードの安定動作がレーザ特性として必要である。
面発光レーザでは素子内部に選択酸化による電流狭窄構造を設けることにより活性層の発光領域を制限し、単一横モード化を行う方法がある。
しかし、この方法だけで単一横モード発振を行うには、酸化狭窄径を３μｍ程度まで小さくしなければならない。一方、酸化狭窄径を小さくすると発光領域が小さくなるため、大きなレーザ出力を得ることが難しい。
【０００３】
そこで、より大きな酸化狭窄径において単一横モード化を行う方法の一つとして、非特許文献１では共振器を長くすることで高次横モードの回折損を基本横モードの回折損よりも増大させる方法が提案されている。
一般的な面発光レーザでよく用いられる共振器の光学的厚さは１波長または２波長程度である。
非特許文献１で用いられている９８０ｎｍ帯のレーザでは、通常、１波長共振器では共振器の物理的長さは０．３μｍ程度であるが、共振器長を長くするために共振器内に２〜８μｍのスペーサ層が導入されている。これにより、酸化狭窄径が７μｍでも単一横モード発振を達成している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｈ．Ｊ．Ｕｎｏｌｄ ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．８，Ａｕｇ． ２０００， ｐ．９３９−９４１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記非特許文献１のものでは、長共振器構造を用いることによりつぎのようなデメリットも有している。
通常の１波長共振器の面発光レーザでは縦モード間隔は５０ｎｍ以上と大きいため、単一縦モード発振が達成される。一方、上記非特許文献１のように共振器内に２〜８μｍのスペーサ層を導入し共振器長を長くすると、縦モード間隔が１０ｎｍ程度まで小さくなってしまう。
【０００６】
このように縦モード間隔が小さくなると、図９に示すように利得スペクトル１５１０と、発振波長に対応した縦モード１５４０以外にも隣接する縦モード１５３０、１５５０の共振波長が重なってしまい、複数の縦モードの利得が同程度となる。そのため、縦モードホッピングが生じてしまう恐れがある。
さらに、縦モード間隔が狭くなり、５ｎｍ以下となると、隣の縦モード１５２０、１５６０等の共振波長も重なってきてしまうため、さらなる縦モードホッピングが発生する可能性が生じる。
ここで、発振波長に対応した縦モードとは、単に発振しているモードではなく、設計時に狙った特定の波長のモードのことである。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑み、高出力の単一横モード発振のため長共振器化した際においても縦モードホッピングの発生を抑制することでき、より安定した単一縦モード発振が可能となる垂直共振器型面発光レーザの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の垂直共振器型面発光レーザは、基板上に、第１のミラーと第２のミラーとによって共振器が構成され、
前記共振器を構成する前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に設けられた第１の活性層と、
前記第１の活性層と前記第１のミラーとの間に設けられた第２の活性層と、
を有する発振波長λの垂直共振器型面発光レーザであって、
前記共振器における実効的な共振器長をＬとするとき、
前記第１の活性層は、前記実効的な共振器長Ｌを構成する実効共振器の端から３Ｌ／８〜５Ｌ／８となる第１の領域内であって、かつ、前記発振波長λに対応した縦モードの定在波の腹に配置され、
前記第２の活性層は、前記実効共振器の端から３Ｌ／８Ｍ〜５Ｌ／８Ｍ（Ｍは２以上の整数）となる第２の領域内であって、かつ、前記発振波長λに対応した縦モードの定在波の腹に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、高出力の単一横モード発振のため長共振器化した際においても縦モードホッピングの発生を抑制することでき、より安定した単一縦モード発振が可能となる垂直共振器型面発光レーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態における垂直共振器型面発光レーザの実効共振器長、発振波長に対応した縦モードの定在波と活性層の位置の関係を説明する図。
【図２】実施例１に係る垂直共振器型面発光レーザの層構成と活性層の位置を説明する断面模式図。
【図３】実施例１に係る垂直共振器型面発光レーザの層構成の例と作製方法の構成例を説明する断面模式図。
【図４】実施例２に係る垂直共振器型面発光レーザの層構成と活性層の位置を説明する断面模式図。
【図５】実施例２に係る面発光レーザで図４と電極位置が異なる場合の層構成と活性層の位置を説明する断面模式図。
【図６】実施例３に係る垂直共振器型面発光レーザの層構成と活性層の位置を説明する断面模式図。
【図７】実施例４に係る垂直共振器型面発光レーザの層構成と活性層の位置を説明する断面模式図。
【図８】本発明の実施形態における垂直共振器型面発光レーザの実効共振器内の定在波数と活性層の位置関係を説明する図。
【図９】先行技術の課題を説明するための、面発光レーザの各縦モードと利得スペクトルの関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は、高出力による単一横モード発振のため長共振器化することにより、縦モードホッピングを生じる恐れのある構造のもとで、つぎのような面発光レーザの構成を採ることによって、安定した単一縦モード発振を可能としたものである。
本発明においては、垂直共振器型面発光レーザの発振波長λに対応した縦モードの利得が大きく、かつ、他の縦モードの利得が小さくなる位置に活性層が配置される。
すなわち、面発光レーザの共振器内に生じる定在波の光強度分布において、上記発振波長に対応した縦モードで他の縦モードより光強度の重なりが大きくなり、かつ、他の縦モードの光強度の重なりが小さくなる位置に活性層が配置される。ここで、各縦モードの利得は定在波により決まる活性層への光閉じ込め係数Γと活性層の利得ｇの積により決まる。
上記発振波長に対応した縦モードが発振するには、該発振波長に対応した縦モードにおける上記光強度の重なり、すなわち、Γが大きいことが望ましく、他の縦モードにおけるΓが小さいことが望ましい。
また、活性層の利得ｇとは活性層を起源とする利得スペクトルにおける各縦モードの共振波長での利得である。
任意の縦モードに関して、上記効果を得られる位置に活性層が複数配置されることで、上記発振波長に対応した縦モードと他の縦モードの利得差を大きくできるため、該発振波長に対応した縦モードの安定した単一縦モード発振が可能となる。
【００１２】
以下に、本発明の実施形態の垂直共振器型面発光レーザの構成について、図１を用いて説明する。
図１は本実施形態における実効共振器長、発振波長に対応した縦モードの定在波と活性層の位置を示す図である。なお、図で示す定在波は定在波の腹と節をわかりやすく示すために定在波の光強度分布で示している。
発振波長に対応した縦モードでは、共振波長がλ、実効共振器内に発生する定在波の数がＮ個とする。
これを縦モードＮとし、その他の各縦モードで定在波数が（Ｎ±ｍ）個（ｍは自然数）のものを縦モード（Ｎ±ｍ）とする。
定在波の数は定在波の山１つ分、例えば縦モードＮではλ／２ｎで定在波１個と数え、実効共振器の端に定在波の節がくるようにその数を定義する。なお、ｎは実効屈折率である。
【００１３】
本実施形態の面発光レーザは、基板上に、第１のミラー１１０と、第２のミラー１２０を備え、これらの第１のミラーと第２のミラーによって共振器１３０が構成されている。
そして、上記共振器を構成する第１のミラーと第２のミラーとの間に設けられた第１の活性層と、第１の活性層と第１のミラーとの間に設けられた第２の活性層とを備える。
具体的には、共振器１３０内に第１の領域１５５、第２の領域１６５があり、第１の領域１５５内に第１の活性層１５０、第２の領域１６５内に第２の活性層１６０が配置される。
共振器１３０の共振器長がＬ１、第１のミラー１１０への光の侵入長がＬ２、第２のミラー１２０への光の侵入長がＬ３であり、これらで構成される実効共振器の実効的な共振器長ＬはＬ＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３である。
なお、第１のミラー１１０および第２のミラー１２０への光の侵入長は共振波長λ、上下ミラーの高反射率層、低反射率層の屈折率、高反射率層、低反射率層で構成されるペア数で決まる。
これらは、非特許文献２（Ｄ．Ｉ．Ｂａｂｉｃ ａｎｄ Ｓ．Ｗ．Ｃｏｒｚｉｎｅ，ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ，Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．２，Ｆｅｂ．１９９２， ｐ．５１４−５２４）においても記されているところである。
なお、ここでは、実効共振器の端は、第１のミラー１１０側の端を基準としている。
【００１４】
つぎに、本発明の効果を得る構成として、第１の活性層１５０と、第２の活性層１６０との位置の関係について説明する。
第１の活性層１５０の位置と縦モードの定在波の位置関係は、縦モードＮの定在波１８０と縦モード（Ｎ−１）の定在波１８１とによる、図１に示されるような位置関係となる。
第１の活性層１５０は、発振波長に対応した縦モードＮと隣接する縦モード（Ｎ±１）に関して利得差が大きくなる位置に配置される。
すなわち、発振波長に対応した縦モードＮの利得が大きく、かつ、縦モード（Ｎ±１）の利得が小さくなる位置であり、実効共振器の端から３Ｌ／８〜５Ｌ／８となる第１の領域１５５内、かつ、縦モードＮの定在波１８０の腹に第１の活性層１５０は配置される。
このとき、第１の活性層１５０は縦モード（Ｎ−１）の定在波１８１の節近傍に配置される。
なお、縦モード間隔をΔλＮとし、該ΔλＮがλ2／２ｎＬにより求められるとき、
前記縦モード間隔ΔλＮが５ｎｍ以下とされていることが望ましい。
【００１５】
縦モードＮの定在波１８０の腹に第１の活性層１５０が配置されることで縦モードＮの利得は大きくなる。
なお、定在波の腹とは定在波の腹から±λ／１６以内であれば、定在波の腹の光強度を１としたときに光強度が０．８５以上を得ることができる。
ここで、定在波の腹の位置は上記範囲内であればよいが、腹と活性層位置の中心が一致することが好ましい。
第１の活性層１５０は第１の領域１５５内、かつ、縦モードＮの定在波１８０の腹に配置されると、定在波の腹の光強度を１としたときに縦モード（Ｎ±１）の定在波の光強度が０．２以下となる。
すなわち、縦モードＮに比べて縦モード（Ｎ±１）のしきい値利得が５倍以上必要となるため、縦モード（Ｎ±１）は発振しにくく、縦モードＮの発振が促進される。
なお、実効共振器の端からＬ／２の位置に最も近い縦モードＮの定在波１８０の腹に第１の活性層１５０が配置されると、縦モード（Ｎ±１）の定在波は節の位置となるため、その効果が最も大きくなる。
さらに、このときには縦モード（Ｎ±１±２ｍ）（ｍは自然数）の定在波に関しても節の位置となるため、複数の縦モード（Ｎ±１±２ｍ）に対して縦モードＮは利得差を大きくすることができる。
【００１６】
上記第１の活性層１５０の位置、実効共振器の端からＬ／２の位置に最も近い縦モードＮの定在波１８０の腹の位置を説明する。
この位置は、実効共振器内に発生する定在波の数Ｎによって変化する。
具体的に、縦モードＮの腹に対して縦モード（Ｎ±１）が節となる位置はＮが奇数か偶数かで異なり、Ｎが奇数のときにはＬ／２の位置、Ｎが偶数のときには（Ｌ／２±λ／４ｎ）の位置に第１の活性層１５０は配置される。
【００１７】
第２の活性層１６０は、発振波長に対応した縦モードＮと任意の縦モード（Ｎ±Ｍ）（Ｍが２以上の整数）に関して利得差が大きくなる位置に配置される。
すなわち、発振波長に対応した縦モードＮの利得が大きく、かつ、縦モード（Ｎ±Ｍ）の利得が小さくなる位置であり、実効共振器の端から３Ｌ／８Ｍ〜５Ｌ／８Ｍとなる第２の領域１６５内、かつ、縦モードＮの定在波の腹に第２の活性層１６０は配置される。
例えば、Ｍ＝２のとき、第２の領域１６５の範囲は３Ｌ／１６〜５Ｌ／１６、Ｍ＝３のとき、第２の領域１６５の範囲は３Ｌ／２４〜５Ｌ／２４となる。
【００１８】
第２の活性層１６０は上記位置に配置されると、第１の活性層１５０と同様に縦モード（Ｎ±Ｍ）に対して縦モードＮは利得差を大きくすることができる。
なお、実効共振器の端からＬ／２Ｍの位置に最も近い縦モードＮの定在波の腹に第２の活性層１６０が配置されると、縦モード（Ｎ±Ｍ）の定在波は節の位置となるため、その効果が最も大きくなる。
この位置に関しても、第１の活性層１５０の位置と同様に定在波の数Ｎによって決められる。
【００１９】
例えば、Ｍ＝２のとき、定在波数によってどの位置に活性層が配置されると最も効果が大きくなるかを示したものとして、第１の活性層、第２の活性層の位置をまとめたものを図８に示す。ここでも、図で示す定在波は定在波の腹と節をわかりやすく示すために定在波の光強度分布で示している。
上記位置に第１の活性層、第２の活性層が配置されることで任意の縦モードに比べて、発振波長に対応した縦モードＮの利得が大きくなるため、単一縦モード発振が可能となる。
なお、活性層は量子井戸や量子ドットのように数ｎｍ、数１０ｎｍ間で複数存在する場合には、それら複数の活性層の塊で１つの活性層とみなす。
また、活性層の位置は、誘導増幅を起こす層の中心とし、例えば、量子井戸のように複数存在する場合にはそれらの重心となる位置とする。
例えば、バルクの活性層ならその中心、複数の量子井戸や量子ドットでは各量子井戸の中心の重心となる位置を活性層位置とする。
【実施例】
【００２０】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した垂直共振器型面発光レーザの構成例について、図２を用いて説明する。
本実施例では活性層が２つとされている場合の構成例である。
本実施例の面発光レーザは、基板２０５上に、第１のミラーとしての下部ミラー２１０、第１のスペーサ層２４０が積層されている。
また、その上に第２の活性層２６０、第２のスペーサ層２４３、第１の活性層２５０、第３のスペーサ層２４５、第２のミラーとしての上部ミラー２２０が積層されている。
上部ミラー２２０上に上部電極２９０が、基板２０５下に下部電極２８０が配置されている。
上部ミラー２２０と下部ミラー２１０に挟まれた第１のスペーサ層２４０、第２の活性層２６０、第２のスペーサ層２４３、第１の活性層２５０、第３のスペーサ層２４５で構成された層を共振器２３０とする。
【００２１】
実効共振器長Ｌに対して、下部ミラー２１０側の実効共振器端を位置０とし、上部ミラー２２０側の実効共振器端を位置Ｌとする。
第１の領域２５５は３Ｌ／８〜５Ｌ／８を満たす範囲となる。
第１の活性層２５０はＬ／２の位置に最も近い縦モードＮの定在波の腹に配置される。この位置は第１の領域２５５内、かつ、縦モードＮの定在波の腹を満たしており、この範囲内で最も効果の大きい位置となっている。
なお、ここではＬ／２の位置に最も近い縦モードＮの定在波の腹に第１の活性層２５０は配置されるが、第１の領域２５５内、かつ、縦モードＮの定在波の腹であれば、本発明の効果を有する。
【００２２】
第２の活性層２６０は３Ｌ／１６〜５Ｌ／１６となる位置に配置される。これは第２の領域３Ｌ／８Ｍ〜５Ｌ／８Ｍで、Ｍ＝２となる範囲である。
第２の活性層２６０はＬ／４の位置に最も近い縦モードＮの定在波の腹に配置される。この位置は第２の領域２６５内、かつ、縦モードＮの定在波の腹を満たしており、この範囲内で最も効果の大きい位置となっている。
なお、ここではＬ／４の位置に最も近い縦モードＮの定在波の腹に第２の活性層２６０は配置されるが、第２の領域２６５内、かつ、縦モードＮの定在波の腹であれば、本発明の効果を有する。
ここで、第２の活性層２６０はＭ＝２となる位置に配置されたが、第１の活性層２５０と合わせると、縦モードＮに最隣接した縦モード（Ｎ±１）、（Ｎ±２）に関して縦モードＮとの利得差を大きくできる。
さらに、第１の活性層２５０は第１の領域２５５内のＬ／２の位置に最も近い縦モードＮの定在波の腹に配置されているため、縦モード（Ｎ±３）に関しても同様な効果を得ることができ、より大きな効果を得ることができる。
【００２３】
ここでは、第１のミラーとして下部ミラー２１０、第２のミラーとして上部ミラー２２０が設けられたが、第１のミラーとして上部ミラー２２０、第２のミラーとして下部ミラー２１０が設けられてもよい。
そのときには、第２の活性層２６０が第１の活性層２５０と上部ミラー２２０の間に設けられる。
上部ミラー２２０、および、下部ミラー２１０は低屈折率層と高屈折率層が交互に積層されており、各層の光学的厚さはλ／４である。
第１の活性層２５０、第２の活性層２６０への電流注入は上下電極により行い、本実施例ではｐ−ｉ−ｎ接合構造を有する。
第１のスペーサ層２４０、第２のスペーサ層２４３、第３のスペーサ層２４５はそれぞれｐ型、半絶縁性であるｉ型、ｎ型とする。
第１のスペーサ層２４０がｎ型、第３のスペーサ層２４５がｐ型でもよいが、好ましくはｎ型より光吸収の大きくなるｐ型が薄くなるように導電型を決定するのがよい。
よって、図２の構成においては第１のスペーサ層２４０がｐ型、第３のスペーサ層２４５がｎ型とするのが好ましい。
なお、ｐ型、ｎ型のキャリア濃度は５×１０16ｃｍ-3以上、ｉ型のキャリア濃度は１×１０16ｃｍ-3未満とする。
【００２４】
ｐ型半導体層には、アクセプタとなる不純物、例えば、ＣやＺｎをドーピングする。
ｎ型半導体層には、ドナーとなる不純物、例えば、ＳｉやＳｅをドーピングする。
第１のスペーサ層２４０、第２のスペーサ層２４３、第３のスペーサ層２４５には電流狭窄部が設けられてもよい。
ここで、電流狭窄部の形成法として、例えば、
ＡｌＡｓ膜を酸化して絶縁性のＡｌｘＯｙ膜を形成する方法、
プロトンインプランテーションにより活性層近傍に絶縁領域を設ける方法、ＡｌＡｓ膜のエッチングなどにより電流経路以外の領域を除去する方法、等がある。
【００２５】
電流狭窄部が設けられる位置としてはｐ電極から注入した電流が活性層に狭窄される位置であることが好ましい。
本実施例のように第１のスペーサ層２４０がｐ型、第３のスペーサ層２４５がｎ型である場合には、第１のスペーサ層２４０の第２の活性層２６０近傍に電流狭窄部が設けられるとよい。
さらに、第２のスペーサ層２４３が厚く、電流の拡がりが生じる場合には第２のスペーサ層２４３の第１の活性層２５０近傍に電流狭窄部が設けられてもよい。第１の活性層２５０、第２の活性層２６０には、各活性層を挟むように上部クラッド層、下部クラッド層が通常、設けられる。
上部ミラー２２０上の上部電極２９０が形成される層は電流を流しやすくするために、キャリア濃度の高いコンタクト層が設けられてもよい。例えば、キャリア濃度は１×１０19ｃｍ-3とする。
【００２６】
図２に、波長６８０ｎｍの赤色面発光レーザを用いた、具体的な活性層の位置についての例を示す。
図３に、計算結果の１例として、赤色面発光レーザの各層構成と断面模式図を示す。
本実施例においては、
基板３０５にｐ型ＧａＡｓを用い、その上に、つぎのような材料による各層が積層される。
すなわち、
下部ミラー３１０としてｐ型ＡｌＡｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、
第１のスペーサ層３４０としてｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、
電流狭窄部３４１として第１のスペーサ層内にＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ、
第２の下部クラッド層３６２としてｐ型ＡｌＧａＩｎＰ、
第２の活性層３６０としてｉ型ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ多重量子井戸、
第２の上部クラッド層３６３としてｉ型ＡｌＧａＩｎＰ、
第２のスペーサ層３４３としてｉ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、
第１の下部クラッド層３５２としてｉ型ＡｌＧａＩｎＰ、
第１の活性層３５０としてｉ型ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ多重量子井戸、
第１の上部クラッド層３５３としてｎ型ＡｌＧａＩｎＰ、
第３のスペーサ層３４５としてｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、
上部ミラー３２０としてｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、
コンタクト層３７５としてｎ型ＧａＡｓ、
が積層される。
また、ＡｌＡｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ下部ミラー３１０は６０ペア、
Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ上部ミラー３２０は３８ペア、
ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ第１の活性層３５０、第２の活性層３６０は量子井戸３個とされている。
そして、量子井戸３個の真ん中の量子井戸中心を活性層の位置としている。
また、上部ミラー３２０、下部ミラー３１０の各層はλ／４の光学厚さで積層されている。
【００２７】
メサを覆うようにＳｉＯ2絶縁膜３９５が形成され、さらに、ＡｕＧｅ／Ａｕ上部電極３９０、および、Ｔｉ／Ａｕ下部電極３８０が形成される。
ここで、本構成における下部ミラー３１０への光の侵入長Ｌ２は５．７５λ、すなわち、定在波数は１１．５個、上部ミラー３２０への光の侵入長Ｌ３は６．２５λ、すなわち、定在波数は１２．５個である。
本実施例での共振器長は２２λ、実効共振器長は３４λである。
実効共振器内の定在波数は６８個、縦モード間隔ΔλＮ＝１０ｎｍとなる。
図８で示した関係から、第１の活性層３５０は（Ｌ／２±λ／４ｎ）の位置、第２の活性層３６０は（Ｌ／４±λ／４ｎ）の位置が縦モードＮと縦モード（Ｎ±１）、（Ｎ±２）との利得差が最も大きくなる位置である。
よって、第１の活性層３５０は（Ｌ／２−λ／４ｎ）の位置、第２の活性層３６０は（Ｌ／４−λ／４ｎ）の位置に配置される。
【００２８】
このときの共振器部３３０の各層構成、膜厚は以下のようになる。
基板３０５側の下層から、
電流狭窄部３４１を含む第１のスペーサ層３４０は、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ（３８０ｎｍ）／Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ（３０ｎｍ）／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ（３６ｎｍ）であり、
ＡｌＧａＩｎＰ第２の下部クラッド層３６２は、４６ｎｍ、
第２の活性層３６０は、ＡｌＧａＩｎＰ（４２ｎｍ）／ＧａＩｎＰ（６．５ｎｍ）／ＡｌＧａＩｎＰ（５．５ｎｍ）／ＧａＩｎＰ（６．５ｎｍ）／ＡｌＧａＩｎＰ（５．５ｎｍ）／ＧａＩｎＰ（６．５ｎｍ）／ＡｌＧａＩｎＰ（４２ｎｍ）の多重量子井戸であり、
ＡｌＧａＩｎＰ第２の上部クラッド層３６３は、４６ｎｍ、
Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第２のスペーサ層３４３は、１．５μｍ、
ＡｌＧａＩｎＰ第１の下部クラッド層３５２は、４６ｎｍ、
第１の活性層３５０は、ＡｌＧａＩｎＰ（４２ｎｍ）／ＧａＩｎＰ（６．５ｎｍ）／ＡｌＧａＩｎＰ（５．５ｎｍ）／ＧａＩｎＰ（６．５ｎｍ）／ＡｌＧａＩｎＰ（５．５ｎｍ）／ＧａＩｎＰ（６．５ｎｍ）／ＡｌＧａＩｎＰ（４２ｎｍ）の多重量子井戸であり、
ＡｌＧａＩｎＰ第１の上部クラッド層３５３は、４６ｎｍ、
Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第３のスペーサ層３４５は２．１μｍ、である。
【００２９】
各スペーサ層の膜厚は、
ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第１のスペーサ層３４０は、０．４５μｍ、
ｉ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第２のスペーサ層３４３は、１．５μｍ、
ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第３のスペーサ層３４５は、２．１μｍ、
である。
【００３０】
ここで、上部ミラー３２０の下部端から第１の活性層３５０の中央までが１０．７５λ、第１の活性層３５０の中央から第２の活性層３６０の中央までが８．５λ、第２の活性層３６０の中央から下部ミラー３１０の上部端までが２．７５λである。
このとき、第１の活性層３５０は（Ｌ／２−λ／４ｎ）の位置、第２の活性層３６０は（Ｌ／４−λ／４ｎ）の位置となる。
また、第１の活性層３５０の中央とは上層から２つ目のＧａＩｎＰ層が３．２５ｎｍの位置である。
上記位置に第１の活性層３５０、第２の活性層３６０が配置されることで、縦モードＮと縦モード（Ｎ±１）、（Ｎ±２）との利得差を大きくでき、単一縦モード発振が実現できる。
さらに、ここでは縦モード（Ｎ±１±２ｍ）に関しても同様の効果が得られる。ここで、第１の活性層３５０は（Ｌ／２−λ／４ｎ）の位置、第２の活性層３６０は（Ｌ／４−λ／４ｎ）の位置に配置されている。
しかし、第１の活性層３５０は第１の領域３５５内、かつ、縦モードＮの定在波の腹、第２の活性層３６０は第２の領域３６５内、かつ、縦モードＮの定在波の腹であればこれに限らない。
例えば、第１の活性層３５０は（Ｌ／２−λ／４ｎ）の位置、第２の活性層３６０は（Ｌ／４−７λ／４ｎ）の位置に配置されると、縦モード（Ｎ±２）は定在波の節でなくなる。そのため、利得は多少増加するが、利得は十分に小さいまま、ｐ層を薄くでき、吸収を小さくできる。
【００３１】
図３を用いて、本発明の実施例１における面発光レーザの作製方法を説明する。
以下のように基板３０５上に、下部ミラー３１０、上部ミラー３２０、これらの間に配置された複数の半導体層が積層された面発光レーザを作製する。
まず、基板３０５上に、下部ミラー３１０からコンタクト層３７５までを順次成長させる。
例えば、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、つぎの各層を成長させる。
すなわち、下部ミラー３１０、第１のスペーサ層３４０、第２の下部クラッド層３６２、第２の活性層３６０、第２の上部クラッド層３６３、第２のスペーサ層３４３、
第１の下部クラッド層３５２、第１の活性層３５０、第１の上部クラッド層３５３、第３のスペーサ層３４５、上部ミラー３２０、コンタクト層３７５、を成長させる。
【００３２】
次に、上記の各層が積層されたウエハを一般的な半導体リソグラフィー法および半導体エッチング、ここではドライエッチングにより第１のスペーサ層３４０の上部まで除去することで、メサ構造を形成する。メサ構造の直径は、例えば、２６μｍである。
なお、エッチングの位置として電流狭窄部３４１より下までエッチングを行う。電流狭窄部３４１は、例えば、選択酸化法や、プロトン打ち込みにより形成される。
選択酸化法による電流狭窄部の形成では、例えば、ＡｌＡｓ層やＡｌ組成の高いＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層を第１のスペーサ層３４０内に設けて、高温水蒸気雰囲気中で選択酸化する。これにより電流狭窄構造を形成し、必要な領域のみに電流を注入できるようにする。
このときの電流狭窄径は、例えば５μｍである。
【００３３】
次に、メサ構造を覆うように絶縁膜３９５を成膜し、メサ上部の一部の絶縁膜３９５を除去する。絶縁膜３９５の成膜は、例えばＳｉＯ2膜を、例えばプラズマＣＶＤ法により行う。絶縁膜３９５の除去は、例えばバッファードフッ酸で行う。
次に、例えば真空蒸着法およびリソグラフィー法を用いて上部電極３９０、および、下部電極３８０を成膜する。上部電極３９０は、例えばＡｕＧｅ／Ａｕであり、下部電極３８０は、例えばＴｉ／Ａｕである。
なお、必要であれば面発光レーザ３０１を３００℃程度でアニール処理を行っても良い。
【００３４】
なお、上記形成方法や半導体材料、電極材料、誘電体材料などは実施例で開示したものに限るものではなく、本発明の主旨を外れないものであれば、他の方法、材料を利用することも可能である。
例えば、基板３０５はｎ型ＧａＡｓ基板を用いてもよく、その場合、下部ミラー３１０はｎ型半導体、上部ミラー３２０はｐ型半導体となり、共振器部３３０の各半導体層の導電型もそれに応じて変更させる。
【００３５】
下部ミラー３１０と上部ミラー３２０のペア数は必要な反射率に応じて適宜変更してもよい。
また、下部ミラー３１０と上部ミラー３２０を構成する材料は高屈折率層と低屈折率層を適正に配置されれば上記材料以外の材料を用いてもよく、各層の間に組成傾斜層を設けるなどしてもよい。
第１のスペーサ層３４０、第２のスペーサ層３４３、第３のスペーサ層３４５では、ＡｌＡｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓとがλ／２の光学的膜厚で積層されている構成を用いてもよい。
各スペーサ層が同一の材料でなくてもよく、膜厚に関しても適宜変更してもよい。
共振器の長さは単一横モード制御に有効である厚さ以上が望ましい。
例えば、６λ以上であることが好ましく、これは上記非特許文献１においてスペーサ層２μｍで効果が得られており、共振器長が６λ程度と考えられるためである。
【００３６】
活性層ではＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰの多重量子井戸数は１個や４個でもよく、組成比は適宜変更してもよい。量子井戸構造に限られたものでなく、バルク材や量子ドットを用いてもよい。
また、波長６８０ｎｍの面発光レーザとして、発光材料にＧａＩｎＰを用いた例を説明したが、波長、材料もこれに限られたものでない。ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓＳｂ等の発光材料を用いてもよい。
また、第１の領域、第２の領域内に活性層は複数配置されてもよい。例えば、上記実施例での第１の領域内の（Ｌ／２−λ／４ｎ）の位置と、（Ｌ／２＋λ／４ｎ）の位置に活性層を置くような周期利得構造としてもよい。このように、周期利得構造を設けることで利得の増加を見込むことができる。
【００３７】
［実施例２］
実施例１においてはｐ−ｉ−ｎ接合のｉ層が厚くなり、抵抗が大きくなってしまう。そこで、実施例２においてはそれを解決する構成例について、図４を用いて説明する。
本実施例では、複数の活性層に電流注入する方式として、各活性層に対しｐ−ｎ接合を有する。すると、抵抗が大きく、厚いｉ層がなくなるため、実施例１に比べ、電流が流れやすくなる。
本実施例を表す垂直共振器型面発光レーザの構成例として、図４に活性層が２つであり、第２の活性層位置が第２の領域のＭ＝２の範囲内である場合について示す。
各層の構成は実施例１と基本的な層構成は同様であるため、実施例１との差異点を以下に示す。
本実施例では、第１のスペーサ層４４０、第２のスペーサ層４４３、第３のスペーサ層４４５でｎ−ｐ−ｎ接合構造をとり、電極も上部電極、下部電極２つでなく、第１電極４８０、第２電極４８５、第３電極４９０を有する。
ここでは、第１のスペーサ層４４０がｎ型、第２のスペーサ層４４３がｐ型、第３のスペーサ層４４５がｎ型としたが、第１のスペーサ層４４０がｐ型、第２のスペーサ層４４３がｎ型、第３のスペーサ層４４５がｐ型とｐ−ｎ−ｐ接合構造としてもよい。
但し、各層の導電型はｎ層より光吸収の大きくなるｐ層が薄くなるように導電型を決定するのがよい。
【００３８】
図４の活性層位置の計算例として波長６８０ｎｍの赤色面発光レーザについて各層構造を以下に示す。
各層の材料は実施例１と同様であり、ここでは導電型のみを記載する。
基板４０５、下部ミラー４１０、第１のスペーサ層４４０はｎ型、
第２の活性層４６０はｉ型、
第２のスペーサ層４４３はｐ型、
第１の活性層４５０はｉ型、
第３のスペーサ層４４５、上部ミラー４２０はｎ型、である。
第１電極４８０、第２電極４８５、第３電極４９０がそれぞれ基板４０５直下、第２のスペーサ層４４３上、上部ミラー４２０上に形成される。
第１の活性層４５０はＬ／２に最も近い縦モードＮの定在波の腹の位置、第２の活性層４６０はＬ／４に最も近い縦モードＮの定在波の腹の位置に配置される。
【００３９】
実施例１と同様に、本構成における下部ミラー４１０の実効反射鏡長さＬ２は５．７５λ、すなわち、定在波数は１１．５個、上部ミラー４２０の実効反射鏡長さＬ３は６．２５λ、すなわち、定在波数は１２．５個である。
また、本実施例での共振器長は５８．５λ、実効共振器長は７０．５λである。実効共振器内の定在波数は１４１個、縦モード間隔ΔλＮ＝４．８ｎｍとなる。図８で示した関係から、第１の活性層４５０はＬ／２の位置、第２の活性層４６０は（Ｌ／４＋λ／８ｎ）の位置に配置される。
各層の膜厚は、
上部ミラー４２０の下部端から第１の活性層４５０の中央までが２９λ、
第１の活性層４５０の中央から第２の活性層４６０の中央までが１７．５λ、
第２の活性層４６０の中央から下部ミラー４１０の上部端までが１２λ、
となるように構成される。
各スペーサ層の膜厚は、
ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第１のスペーサ層４４０は２．２８μｍ、
ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第２のスペーサ層４４３は３．２７μｍ、
ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第３のスペーサ層４４５は５．６５μｍ、
である。
【００４０】
図４では記載していないが、第１の活性層４５０、第２の活性層４６０を挟む構成として、実施例１と同様に上下クラッド層を有する。
電流狭窄部は第１のスペーサ層４４０、第２のスペーサ層４４３、第３のスペーサ層４４５内に設けられてもよい。
本実施例の構成では、ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第２のスペーサ層４４３内には第１電流狭窄部と第２電流狭窄部が設けられると好ましい。
第１電流狭窄部は第２のスペーサ層４４３内の第１の活性層４５０近傍、第２電流狭窄部は第２の活性層４６０近傍である。
ここでは、第１電流狭窄部と第２電流狭窄部の非酸化領域の大きさを同様な大きさにするために、第２電流狭窄部のＡｌ組成を大きくする。
Ａｌ組成が大きいほど低温で酸化可能、かつ、酸化レートが早くなるため、酸化を行う領域が異なる第１電流狭窄部と第２電流狭窄部の非酸化領域をそろえることが可能となる。
【００４１】
本実施例においても、第１の活性層４５０は第１の領域４５５内、かつ、縦モードＮの定在波の腹、第２の活性層４６０は第２の領域４６５内、かつ、縦モードＮの定在波の腹であればこの位置に限らない。
位置を変える際には、例えば、第１のスペーサ層４４０、第２のスペーサ層４４３、第３のスペーサ層４４５の膜厚を変化させることで活性層位置を調整する。第２のスペーサ層４４３内で第２電極４８５が設けられる層となる位置にキャリア濃度の高いコンタクト層が配置されてもよい。
すると、より効率良く電流を流すことが可能となる。
そのときには、第２のスペーサ層４４３内にエッチングストップ層を設ける等して作製精度の向上をはかってもよい。
【００４２】
利得スペクトルに対して複数の縦モードが重なり、特に本実施例のように縦モード間隔が狭い場合には、本発明による単一縦モードの効果が大きくなる。
これは本実施例では、例えば、特許文献１（特開２００９−１５２５５３号公報）のように利得や吸収のスペクトル依存性によって縦モード制御を行っているのではなく、活性層の位置による定在波の光強度差で縦モードを制御しているため、間隔が狭い縦モードでも単一縦モード発振が可能となる。
ここで、各電極を設ける位置は同じ導電型内であり、各活性層を挟む位置であればよく、例えば、図５のように第１電極５８０は基板５０５直下でなく、第１のスペーサ層５４０上に配置されてもよい。
【００４３】
本実施例の面発光レーザの作製方法を記す。実施例１ではメサ構造が１段であったのに対して、ここでは２段メサ構造を有する。
多段メサ構造は半導体リソグラフィー法および半導体エッチングを複数回、ここでは２回行うことで形成する。
例えば、１回目のエッチングを第２のスペーサ層５４３まで、２回目のエッチングを第１のスペーサ層５４０まで行う。
第１電流狭窄部、第２電流狭窄部を選択酸化する場合、第１電流狭窄部、第２電流狭窄部を別々に酸化しても、同時に酸化してもよい。その後は、実施例１と同様に第２電極、第３電極を形成する。
なお、上記形成方法や半導体材料、電極材料、誘電体材料などは実施例で開示したものに限るものではなく、本発明の主旨を外れないものであれば、他の構造、材料を利用することも可能である。
例えば、基板はｐ型ＧａＡｓ基板を用いてもよく、その場合、下部ミラーはｐ型半導体、上部ミラーはｎ型半導体となり、共振器部の各半導体層も導電型をそれに応じて変更させる。
【００４４】
［実施例３］
実施例３では、実施例２と比べてｐ層の膜厚を薄くでき、光吸収を低減できる構成例について、図６を用いて説明する。
第１のミラーと第２のミラーのうち、基板から離れた位置にある上部ミラーと、第１の活性層に挟まれた積層部に活性層を含まない構成のとき、
上部ミラーと第１の活性層との間の上部スペーサ層内に導電性の導電性スペーサ層と非導電性の非導電性スペーサ層を有する構成をとる。
このとき、非導電性スペーサ層が上部ミラー直下に構成される。導電性スペーサ層は非導電性スペーサ層に比べて十分に薄いことで本実施例の効果が顕著となる。
また、実施例２で上部ミラー上に形成していた電極は導電性スペーサ層上に形成される。
【００４５】
活性層の数が第１の活性層、第２の活性層の２つであり、第２の活性層は第２の領域のＭ＝２の範囲内に位置されるとして、図６を用いて本実施例の面発光レーザの構成を説明する。
第１のミラーが下部ミラー６１０であると、実施例２での第３のスペーサ層とここでの上部スペーサ層６４５は同じものとみなせる。
実施例２との差異点として、上部スペーサ層６４５内に導電性スペーサ層６４８、非導電性スペーサ層６４９があり、第３電極６９０は導電性スペーサ層６４８上に形成される。
各スペーサ層の導電型は、第１のスペーサ層６４０がｐ型、第２のスペーサ層６４３がｎ型、第３導電性スペーサ層６４８がｐ型、第３非導電性スペーサ層６４９がｉ型である。
上部ミラー６２０には、誘電体ミラーやｉ型半導体ミラーを用いてもよい。
【００４６】
誘電体ミラーは以下のような特徴がある。
誘電体ミラーは導電型半導体ミラーに比べて吸収が小さい。
ミラーへの光の侵入長が半導体ミラーに比べて短い。
誘電体ミラーは構成膜間の屈折率差を大きくできるため、より少ない層数で高い反射率が得られる。
また、非導電性スペーサ層６４９には、誘電体層やｉ型半導体層を用いてもよい。
導電性スペーサ層６４８内の第３電極６９０と接する部分はキャリア濃度の高いコンタクト層とすることが好ましい。
また、第２のスペーサ層６４３内の第２電極６８５と接する部分はキャリア濃度の高いコンタクト層とすることが好ましい。
第１のスペーサ層６４０、第２のスペーサ層６４３、導電性スペーサ層６４８には電流狭窄部が設けられてもよく、ここでは、第１のスペーサ層６４０、導電性スペーサ層６４８内の各活性層近傍に設けられることが好ましい。
導電性スペーサ層の厚さは、電流狭窄部、コンタクト層部を考慮した上で、出来る限り薄くすることが好ましい。
【００４７】
図６の活性層位置の計算例として波長６８０ｎｍの赤色面発光レーザについて各層構造を以下に示す。
非導電性スペーサ層６４９、上部ミラー６２０には誘電体材料を用い、
非導電性スペーサ層６４９はＴｉＯ2膜、
上部ミラー６２０はＴｉＯ2／ＳｉＯ2多層膜、である。
上部ミラー６２０の各層はλ／４の光学的厚さで積層され、ペア数は５ペアである。
その他、各層の材料は実施例２と同様であり、以下に導電型のみを記載する。
基板６０５、下部ミラー６１０、第１のスペーサ層６４０はｐ型、
第２の活性層６６０はｉ型、
第２のスペーサ層６４３はｎ型、
第１の活性層６５０はｉ型、
導電性スペーサ層６４８はｎ型、である。
【００４８】
第１電極６８０、第２電極６８５、第３電極６９０がそれぞれ基板６０５直下、第２のスペーサ層６４３上、上部ミラー６２０上に形成される。
第１の活性層６５０はＬ／２に最も近い縦モードＮの定在波の腹の位置、第２の活性層６６０はＬ／４に最も近い縦モードＮの定在波の腹の位置に配置される。本実施例の構成において下部ミラー６１０の実効反射鏡長さＬ２は５．７５λ、すなわち、定在波数は１１．５個、上部ミラー６２０の実効反射鏡長さＬ３は１．２５λ、すなわち、定在波数は２．５個である。
また、本実施例での共振器長は６３．５λ、実効共振器長は７０．５λである。実効共振器内の定在波数は１４１個、縦モード間隔ΔλＮ＝４．８ｎｍとなる。図８で示した関係から、第１の活性層６５０はＬ／２の位置、第２の活性層６６０は（Ｌ／４＋λ／８ｎ）の位置に配置される。
【００４９】
各層の膜厚は、
非導電性スペーサ層６４９が２７．７５λ、
導電性スペーサ層６４８が０．７５λ、
導電性スペーサ層６４８の下部端から第１の活性層６５０の中央までが０．５λ、
第１の活性層６５０の中央から第２の活性層６６０の中央までが１７．５λ、
第２の活性層６６０の中央から下部ミラー６１０の上部端までが１２λ、
となるように構成される。
また、各スペーサ層の膜厚は、
ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第１のスペーサ層６４０は２．２８μｍ、
ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ０．５Ａｓ第２のスペーサ層６４３は３．２７μｍ、
ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ導電性スペーサ層６４８は０．１５μｍ、
ＴｉＯ2誘電体非導電性スペーサ層６４９は７．６４μｍ、
である。
【００５０】
本実施例では実施例２と同じ実効共振器長において、ｐ型スペーサ層の総厚が薄くなっており、ｐ型ミラーも存在しないため、吸収を抑制できることがわかる。
本実施例の作製方法として、基板６０５上に下部ミラー６１０から第３導電性スペーサ層６４８までを、例えば、ＭＯＣＶＤ法により成長させる。
実施例２と同様に多段メサ構造を形成し、第１のスペーサ層６４０、第３導電性スペーサ層６４８内に電流狭窄部を、例えば、選択酸化により形成する。
第２電極６８５、第３電極６９０を形成後、第３非導電性スペーサ層６４９と上部ミラー６２０の成膜、形成を、例えばフォトリソグラフィー法とプラズマＣＶＤ法により行う。
第３非導電性スペーサ層６４９と上部ミラー６２０は誘電体層でなく、半導体層としてもよい。
しかし、少なくとも一方を誘電体層とすることで、第３導電性スペーサ層６４８の最上部をコンタクト層とする際に、エッチングストップ層を必要としない等、素子形成が容易になるメリットがある。
なお、上記形成方法や半導体材料、電極材料、誘電体材料などは実施例で開示したものに限るものではなく、本発明の主旨を外れないものであれば、他の構造、材料を利用することも可能である。
【００５１】
［実施例４］
実施例１から３では活性層の数が第１の活性層、第２の活性層の２つの例を示したが、実施例４では活性層が３つ以上ある場合として、活性層が３つの構成例について、図７を用いて説明する。
本実施例では、図７に示すように第１の活性層７５０、第２の活性層７６０、第３の活性層７６６の３つの活性層を有する垂直共振器型面発光レーザが構成される。
活性層数の追加に伴い、スペーサ層、電極数もそれぞれ追加する。
ここでは、第２の活性層７６０はＭ＝２となる第２の領域７６５内、第３の活性層７６６はＭ＝４となる第３の領域７６７内、すなわち、３Ｌ／３２〜５Ｌ／３２の範囲内、かつ、縦モードＮの定在波の腹となる位置に配置される。
【００５２】
具体的に、第１の活性層７５０はＬ／２に最も近い縦モードＮの定在波の腹の位置、第２の活性層７６０はＬ／４に最も近い縦モードＮの定在波の腹の位置、第３の活性層７６６はＬ／８に最も近い縦モードＮの定在波の腹の位置に配置される。
第３の活性層７６６は、第１のスペーサ層内に配置されており、第１のスペーサ層はこの第３の活性層７６６によって基板から近い位置にある第４のスペーサ層７４７と基板から遠い位置にある第５のスペーサ層７４８とに分割されている。すなわち、第３の活性層で分割されたスペーサ層のうち、基板から近い位置にある第４のスペーサ層７４７は、第３の活性層７６６と下部ミラー７１０の間に配置される。
また、基板から遠い位置にある第５のスペーサ層７４８は、第３の活性層７６６と第２の活性層７６０の間に配置される。
第１電極７８０、第２電極７８２、第３電極７８５、第４電極７９０を有し、各電極はそれぞれ、基板７０５直下、第５のスペーサ層７４８上、第２のスペーサ層７４３上、上部ミラー７２０上に形成される。
ここで、各電極を設ける位置は各活性層を挟む位置であればよい。
【００５３】
図７の活性層位置の計算例として、波長６８０ｎｍの赤色面発光レーザについて各層構造を以下に示す。
第３の活性層７６６は第１の活性層７５０、第２の活性層７６０と同じ材料、第４のスペーサ層７４７、第５のスペーサ層７４８も第２のスペーサ層７４３、第３のスペーサ層７４５と同じ材料とし、他の各層は実施例２と同様とする。
ここでは導電型のみを記載する。
基板７０５、下部ミラー７１０、第４のスペーサ層７４７はｐ型、
第３の活性層７６６はｉ型、
第５のスペーサ層７４８はｎ型、
第２の活性層７６０はｉ型、
第２のスペーサ層７４３はｐ型、
第１の活性層７５０はｉ型、
第３のスペーサ層７４５、上部ミラー７２０はｎ型、である。
但し、活性層の位置、各層の膜厚により、第２のスペーサ層７４３、第４のスペーサ層７４７がｎ型、第３のスペーサ層７４５、第５のスペーサ層７４８がｐ型としてもよい。材料、膜厚も適宜変更してもよい。
【００５４】
ここで、共振器長は５０λ、実効共振器長は６２λとする。
実効共振器内の定在波数は１２４個、縦モード間隔ΔλＮ＝５．５ｎｍとなる。各活性層が縦モードＮの腹、かつ、縦モードＮと縦モード（Ｎ±１）、（Ｎ±２）、（Ｎ±４）との利得差が最も大きくなる位置として、図８で示した関係と同様に第３の活性層７６６の位置も計算する。
すると、第１の活性層は（Ｌ／２±λ／４ｎ）の位置、第２の活性層は（Ｌ／４±λ／４ｎ）の位置、第３の活性層はＬ／８の位置となる。そのため、第１の活性層は（Ｌ／２−λ／４ｎ）の位置、第２の活性層は（Ｌ／４−λ／４ｎ）、第３の活性層はＬ／８の位置に配置される。
【００５５】
第１の活性層が（Ｌ／２−λ／４ｎ）の位置に配置されると、縦モードＮと縦モード（Ｎ±１）のみでなく、（Ｎ±３）、（Ｎ±５）…に関しても利得差が大きくなる。そのため、第３の活性層はＭ＝３でなく、縦モード（Ｎ±４）との利得差が大きくなるＭ＝４の位置とした。
このとき、各層の膜厚は、
上部ミラー７２０の下部端から第１の活性層７５０の中央までが２４．５λ、
第１の活性層７５０の中央から第２の活性層７６０の中央までが１５．５λ、
第２の活性層７６０の中央から第３の活性層７６６の中央までが８λ、
第３の活性層７６６の中央から下部ミラー７１０の上部端までが２λ、
となるように構成される。
また、各スペーサ層の膜厚は、
ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第４スペーサ層７４７は０．３０μｍ、
ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第５スペーサ層７４８は１．４８μｍ、
ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第２のスペーサ層７４３は２．８７μｍ、
ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第３のスペーサ層７４５は４．７６μｍ、
である。
【００５６】
ここでも、活性層位置は上記位置のみでなく、定められた範囲内であれば、どの位置に配置されてもよい。
ここでは、第３の活性層は第１のスペーサ層内に配置されたが、第１のスペーサ層、２のスペーサ層および第３のスペーサ層のうち、いずれか一つのスペーサ層内に配置されるようにしてもよい。
これは第３の領域の定義が実効共振器の端から３Ｌ／８Ｍ〜５Ｌ／８Ｍ（Ｍ：２，３，４…）となる第３の領域内であり、第１のミラー側、第２のミラー側双方を含んでいるためである。
本実施例では、活性層３つの場合を示したが、活性層は４つ以上配置してもよく、それに応じてスペーサ層も追加する。
その場合、活性層を配置する位置は、第４、第５…領域内、かつ、縦モードＮの定在波の腹となる位置である。そのときの電極数はスペーサ層と同じ数である。電極の数え方として同じ導電型内では複数あっても１個とみなす。
また、活性層が複数配置されるときに同一領域内に複数の活性層が配置されてもよい。
ここでは、実施例２をベースとして考えたが、実施例３の場合にも適用される。なお、上記形成方法や半導体材料、電極材料、誘電体材料などは実施例で開示したものに限るものではなく、本発明の主旨を外れないものであれば、他の構造、材料を利用することも可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１１０：第１ミラー
１２０：第２ミラー
１３０：共振器
１５０：第１の活性層
１５５：第１の領域
１６０：第２の活性層
１６５：第２の領域
１８０：縦モードＮの定在波
１８１：縦モード（Ｎ−１）の定在波
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、第１のミラーと第２のミラーとによって共振器が構成され、
前記共振器を構成する前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に設けられた第１の活性層と、
前記第１の活性層と前記第１のミラーとの間に設けられた第２の活性層と、
を有する発振波長λの垂直共振器型面発光レーザであって、
前記共振器における実効的な共振器長をＬとするとき、
前記第１の活性層は、前記実効的な共振器長Ｌを構成する実効共振器の端から３Ｌ／８〜５Ｌ／８となる第１の領域内であって、かつ、前記発振波長λに対応した縦モードの定在波の腹に配置され、
前記第２の活性層は、前記実効共振器の端から３Ｌ／８Ｍ〜５Ｌ／８Ｍ（Ｍは２以上の整数）となる第２の領域内であって、かつ、前記発振波長λに対応した縦モードの定在波の腹に配置されていることを特徴とする垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項２】
前記実効的な共振器長Ｌは、
前記第１のミラーと前記第２のミラーとで構成された前記共振器の共振器長であるＬ１と、
前記第１のミラーへの光の侵入長であるＬ２と、
前記第２のミラーへの光の侵入長であるＬ３との和であることを特徴とする請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項３】
前記共振器は、６λ以上の光学厚さを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項４】
前記第２の活性層は、前記実効共振器の端から３Ｌ／１６〜５Ｌ／１６となる前記第２の領域内であって、かつ、前記発振波長λに対応した縦モードの定在波の腹に配置されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項５】
前記第１の活性層は、前記実効共振器の端からＬ／２の位置に最も近い前記発振波長λに対応した縦モードの定在波の腹に配置されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項６】
前記第２の活性層は、前記実効共振器の端からＬ／２Ｍ（Ｍは２以上の整数）の位置に最も近い前記発振波長λに対応した縦モードの定在波の腹に配置されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項７】
前記垂直共振器型面発光レーザは、実効屈折率をｎとし、縦モード間隔をΔλＮとし、該ΔλＮがλ2／２ｎＬにより求められるとき、
前記縦モード間隔ΔλＮが５ｎｍ以下とされていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項８】
前記第２の活性層と前記第１のミラーの間に設けられる第１のスペーサ層と、
前記第１の活性層と前記第２の活性層の間に設けられる第２のスペーサ層と、
前記第１の活性層と前記第２のミラーの間に設けられる第３のスペーサ層と、
を有し、
前記第１のスペーサ層と前記第２のスペーサ層の導電型が異なり、
前記第２のスペーサ層と前記第３のスペーサ層の導電型が異なることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項９】
第３の活性層をさらに有し、
該第３の活性層は、前記第１のスペーサ層、前記第２のスペーサ層および前記第３のスペーサ層のうち、いずれか一つのスペーサ層内に配置され、
かつ、前記第２の活性層とＭが異なる前記実効共振器の端から３Ｌ／８Ｍ〜５Ｌ／８Ｍ（Ｍは２以上の整数）となる第３の領域内であって、
かつ、前記垂直共振器型面発光レーザの発振波長に対応した縦モードの定在波の腹に配置されることを特徴とする請求項８に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項１０】
前記第１のスペーサ層、前記第２のスペーサ層および前記第３のスペーサ層のうち、前記第３の活性層を含まない２つのスペーサ層、
前記第３の活性層で分割されたスペーサ層のうち、基板から近い位置にある第４スペーサ層および前記基板から離れた位置にある第５スペーサ層、
におけるそれぞれのスペーサ層の導電型が、
前記第１の活性層、前記第２の活性層、前記第３の活性層を挟んで異なる導電型で構成されていることを特徴とする請求項９に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項１１】
前記第１のミラーと前記第２のミラーのうち、前記基板から離れた位置のミラーである上部ミラーと、前記第１の活性層との間に前記第３のスペーサ層による上部スペーサ層を有し、
前記上部スペーサ層は、導電性の導電性スペーサ層と非導電性の非導電性スペーサ層で構成され、
前記非導電性スペーサ層は、前記上部ミラーに接することを特徴とする請求項８または請求項１０に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項１２】
前記上部ミラーと前記非導電性スペーサ層とは、少なくとも一方が誘電体層で構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項１】
基板上に、第１のミラーと第２のミラーとによって共振器が構成され、
前記共振器を構成する前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に設けられた第１の活性層と、
前記第１の活性層と前記第１のミラーとの間に設けられた第２の活性層と、
を有する発振波長λの垂直共振器型面発光レーザであって、
前記共振器における実効的な共振器長をＬとするとき、
前記第１の活性層は、前記実効的な共振器長Ｌを構成する実効共振器の端から３Ｌ／８〜５Ｌ／８となる第１の領域内であって、かつ、前記発振波長λに対応した縦モードの定在波の腹に配置され、
前記第２の活性層は、前記実効共振器の端から３Ｌ／８Ｍ〜５Ｌ／８Ｍ（Ｍは２以上の整数）となる第２の領域内であって、かつ、前記発振波長λに対応した縦モードの定在波の腹に配置されていることを特徴とする垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項２】
前記実効的な共振器長Ｌは、
前記第１のミラーと前記第２のミラーとで構成された前記共振器の共振器長であるＬ１と、
前記第１のミラーへの光の侵入長であるＬ２と、
前記第２のミラーへの光の侵入長であるＬ３との和であることを特徴とする請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項３】
前記共振器は、６λ以上の光学厚さを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項４】
前記第２の活性層は、前記実効共振器の端から３Ｌ／１６〜５Ｌ／１６となる前記第２の領域内であって、かつ、前記発振波長λに対応した縦モードの定在波の腹に配置されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項５】
前記第１の活性層は、前記実効共振器の端からＬ／２の位置に最も近い前記発振波長λに対応した縦モードの定在波の腹に配置されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項６】
前記第２の活性層は、前記実効共振器の端からＬ／２Ｍ（Ｍは２以上の整数）の位置に最も近い前記発振波長λに対応した縦モードの定在波の腹に配置されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項７】
前記垂直共振器型面発光レーザは、実効屈折率をｎとし、縦モード間隔をΔλＮとし、該ΔλＮがλ2／２ｎＬにより求められるとき、
前記縦モード間隔ΔλＮが５ｎｍ以下とされていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項８】
前記第２の活性層と前記第１のミラーの間に設けられる第１のスペーサ層と、
前記第１の活性層と前記第２の活性層の間に設けられる第２のスペーサ層と、
前記第１の活性層と前記第２のミラーの間に設けられる第３のスペーサ層と、
を有し、
前記第１のスペーサ層と前記第２のスペーサ層の導電型が異なり、
前記第２のスペーサ層と前記第３のスペーサ層の導電型が異なることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項９】
第３の活性層をさらに有し、
該第３の活性層は、前記第１のスペーサ層、前記第２のスペーサ層および前記第３のスペーサ層のうち、いずれか一つのスペーサ層内に配置され、
かつ、前記第２の活性層とＭが異なる前記実効共振器の端から３Ｌ／８Ｍ〜５Ｌ／８Ｍ（Ｍは２以上の整数）となる第３の領域内であって、
かつ、前記垂直共振器型面発光レーザの発振波長に対応した縦モードの定在波の腹に配置されることを特徴とする請求項８に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項１０】
前記第１のスペーサ層、前記第２のスペーサ層および前記第３のスペーサ層のうち、前記第３の活性層を含まない２つのスペーサ層、
前記第３の活性層で分割されたスペーサ層のうち、基板から近い位置にある第４スペーサ層および前記基板から離れた位置にある第５スペーサ層、
におけるそれぞれのスペーサ層の導電型が、
前記第１の活性層、前記第２の活性層、前記第３の活性層を挟んで異なる導電型で構成されていることを特徴とする請求項９に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項１１】
前記第１のミラーと前記第２のミラーのうち、前記基板から離れた位置のミラーである上部ミラーと、前記第１の活性層との間に前記第３のスペーサ層による上部スペーサ層を有し、
前記上部スペーサ層は、導電性の導電性スペーサ層と非導電性の非導電性スペーサ層で構成され、
前記非導電性スペーサ層は、前記上部ミラーに接することを特徴とする請求項８または請求項１０に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項１２】
前記上部ミラーと前記非導電性スペーサ層とは、少なくとも一方が誘電体層で構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−２１２０４（Ｐ２０１３−２１２０４Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５４４７９（Ｐ２０１１−１５４４７９）
【出願日】平成２３年７月１３日（２０１１．７．１３）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１３日（２０１１．７．１３）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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