面発光レーザ素子、それを備えた光伝送モジュール、およびそれを備えた光伝送システム。
【課題】低閾電流、かつ、単一モードで動作可能な面発光レーザ素子を提供する。
【解決手段】面発光レーザ素子１００は、反射層１０２、共振器スペーサー層１０３、活性層１０４、共振器スペーサー層１０５、超格子構造膜１０６および反射層１０７を基板１０１上に順次積層した構造からなる。高抵抗層１０８Ａ，１０８Ｂは、反射層１０７中に形成され、ｐ側電極１０９は、出射口１０７Ａを除く反射層１０７の一部に形成され、ｎ側電極１１０は、基板１０１の裏面に形成される。超格子構造膜１０６は、活性層１０４および反射層１０２，１０７以外の領域に設けられ、領域１０６Ａ，１０６Ｂ，１０６Ｃからなる。そして、領域１０６Ａ，１０６Ｃは、無秩序化された超格子構造膜からなり、領域１０６Ｂは、秩序化された超格子構造膜からなる。
【解決手段】面発光レーザ素子１００は、反射層１０２、共振器スペーサー層１０３、活性層１０４、共振器スペーサー層１０５、超格子構造膜１０６および反射層１０７を基板１０１上に順次積層した構造からなる。高抵抗層１０８Ａ，１０８Ｂは、反射層１０７中に形成され、ｐ側電極１０９は、出射口１０７Ａを除く反射層１０７の一部に形成され、ｎ側電極１１０は、基板１０１の裏面に形成される。超格子構造膜１０６は、活性層１０４および反射層１０２，１０７以外の領域に設けられ、領域１０６Ａ，１０６Ｂ，１０６Ｃからなる。そして、領域１０６Ａ，１０６Ｃは、無秩序化された超格子構造膜からなり、領域１０６Ｂは、秩序化された超格子構造膜からなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、面発光レーザ素子、それを備えた光伝送モジュール、およびそれを備えた光伝送システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光伝送技術は、幹線系伝送網だけでなく、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、光アクセス系およびホームネットワークに展開されている。そして、ＬＡＮまたは光インターコネクション用の光源として、共振器型面発光レーザ素子が用いられるようになってきている。
【０００３】
共振器型面発光レーザ素子は、従来の端面型半導体レーザに比べて、低消費電力であり、また、製造工程で劈開が不用であり、ウェハ状態で素子の検査が可能であるため、低コスト化に優れた特徴を有している。
【０００４】
共振器型面発光レーザ素子では、電流を活性層の狭い領域に閉じ込めることにより、低閾電流で動作させる。また、光の横モードを安定化させるために、光を閉じ込める構造が用いられている。共振器型面発光レーザ素子における光閉じ込め構造としては、エアポスト構造、埋め込み構造、選択酸化構造、サイドエッチング構造および無秩序化構造等がこれまでに提案されている。
【０００５】
エアポスト構造および埋め込み構造では、活性層の側面で再結合電流が流れてしまうため、低閾電流化が困難である。また、選択酸化構造およびサイドエッチング構造では、構造的に脆弱であり、クラックが発生して素子が劣化する場合がある。
【０００６】
一方、無秩序化構造を用いた共振器型面発光レーザ素子としては、超格子を含む活性層を無秩序化して、バンドギャップを大きくすることにより電流を閉じ込める構造（特許文献１，２）、および面発光レーザ素子の多層膜反射鏡の一部を無秩序化することにより、横方向に実効屈折率差を形成して光を閉じ込める構造（特許文献３，４）が提案されている。
【０００７】
特許文献１，２に開示された構造では、無秩序化された領域は、屈折率が低下するため、同時に光を閉じ込める作用も有する。
【特許文献１】特開平９−２６０７７８号公報
【特許文献２】特開平９−２０５２５０号公報
【特許文献３】特許第３５４６６３０号公報
【特許文献４】特開平９−０５１１４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１，２に開示された構造では、活性層が無秩序化されるため、活性層における欠陥密度が増加し、発光に寄与しない無効電流が増加する。その結果、レーザ発振のための閾電流が増加するという問題がある。
【０００９】
また、特許文献３，４に開示された構造では、多層膜反射鏡の一部が無秩序化されて周期性が無くなると、多層膜反射鏡の反射率が低下する。その結果、無秩序化した領域と無秩序化していない領域とで実効屈折率差が大きく異なり、高次横モードが立ちやすくなってしまう。したがって、単一モード動作させるためには、狭窄面積を狭くしなければならず、面発光レーザ素子の形成が困難である。
【００１０】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、低閾電流、かつ、単一モードで動作可能な面発光レーザ素子を提供することである。
【００１１】
また、この発明の別の目的は、低閾電流、かつ、単一モードで動作可能な面発光レーザ素子を備える光伝送モジュールを提供することである。
【００１２】
さらに、この発明の別の目的は、低閾電流、かつ、単一モードで動作可能な面発光レーザ素子を備える光伝送システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明によれば、面発光レーザ素子は、活性層と、共振器スペーサー層と、反射層と、電流注入層と、光学層とを備える。共振器スペーサー層は、活性層の両側に設けられる。反射層は、共振器スペーサー層の両側に設けられ、活性層において発振した発振光を反射する。電流注入層は、電流が通過する領域を制限して活性層へ電流を注入する。光学層は、活性層および反射層以外の領域に設けられ、発振光の出射方向と略垂直な面内方向において発振光を活性層に注入される電流が通過する電流通過領域に閉じ込めるとともに、閉じ込めた発振光を出射口へ通過させる。そして、光学層は、無秩序化された超格子構造膜を用いて発振光を電流通過領域に閉じ込める。
【００１４】
好ましくは、光学層は、第１および第２の超格子構造膜を含む。第１の超格子構造膜は、電流通過領域に設けられ、秩序化されている。第２の超格子構造膜は、面内方向において第１の超格子構造膜の外側に設けられ、無秩序化されている。
【００１５】
好ましくは、第１および第２の超格子構造膜の各々は、活性層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する。
【００１６】
好ましくは、光学層は、活性層よりも出射口側に設けられる。
【００１７】
好ましくは、共振器スペーサー層は、第１および第２の共振器スペーサー層からなる。第１の共振器スペーサー層は、活性層に対して出射口と反対側に設けられる。第２の共振器スペーサー層は、活性層よりも出射口側に設けられる。反射層は、第１および第２の反射層からなる。第１の反射層は、活性層に対して出射口と反対側に設けられる。第２の反射層は、活性層よりも出射口側に設けられる。光学層は、第２の共振器スペーサー層と、第２の反射層との間に設けられる。
【００１８】
好ましくは、電流注入層は、活性層よりも出射口側に設けられる。
【００１９】
好ましくは、電流注入層は、第２の反射層中に設けられる。
【００２０】
好ましくは、電流注入層は、電流通過層と、電流狭窄層とからなる。電流通過層は、第２の反射層と同じ抵抗を有する。電流狭窄層は、面内方向において電流通過層の外側に設けられ、電流通過層よりも大きい抵抗を有する。
【００２１】
好ましくは、電流注入層は、光学層と第２の反射層との間に設けられる。
【００２２】
好ましくは、電流注入層は、光学層に接して設けられる。
【００２３】
好ましくは、電流注入層は、電流通過層と、電流狭窄層とを含む。電流通過層は、トンネル接合により電流を活性層へ通過させる。電流狭窄層は、面内方向において電流通過層の外側に設けられ、ｐ−ｎ逆接合により電流の活性層への通過を制限する。
【００２４】
好ましくは、電流注入層および前学層は、相互に活性層の反対側に設けられる。
【００２５】
好ましくは、電流注入層および光学層は、共振器スペーサー層中に設けられる。
【００２６】
好ましくは、共振器スペーサー層は、第１および第２の共振器スペーサー層からなる。第１の共振器スペーサー層は、活性層に対して出射口と反対側に設けられる。第２の共振器スペーサー層は、活性層よりも出射口側に設けられる。そして、電流注入層は、第１の共振器スペーサー層中に設けられる。また、光学層は、第２の共振器スペーサー層中に設けられる。
【００２７】
好ましくは、電流注入層は、電流通過層と、電流狭窄層とを含む。電流通過層は、トンネル接合により電流を活性層へ通過させる。電流狭窄層は、面内方向において電流通過層の外側に設けられ、ｐ−ｎ逆接合により電流の活性層への通過を制限する。
【００２８】
好ましくは、電流通過層の面積は、第１の超格子構造膜の面積よりも大きい。
【００２９】
好ましくは、第２の超格子構造膜は、電気的に不活性な元素または結晶構成元素を含む。
【００３０】
好ましくは、活性層の膜厚と共振器スペーサー層の膜厚との和は、発振光の１波長分よりも長い。
【００３１】
好ましくは、活性層は、窒素元素と、窒素元素以外のＶ族元素との両方を含む。
【００３２】
また、この発明によれば、光伝送モジュールは、請求項１から請求項１９のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子を備える光伝送モジュールである。
【００３３】
さらに、この発明によれば、光伝送システムは、請求項２０に記載の光伝送モジュールを備える光伝送システムである。
【発明の効果】
【００３４】
この発明による面発光レーザ素子においては、無秩序化された超格子構造膜を用いて発振光を電流通過領域に閉じ込める光学層は、活性層および反射層以外の領域に設けられるので、活性層における無効電流が抑制されるとともに、反射層における反射率の低下が抑制される。
【００３５】
したがって、この発明によれば、低閾電流、かつ、単一モードで面発光レーザ素子を動作させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００３７】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による面発光レーザ素子の概略断面図である。図１を参照して、この発明による実施の形態１による面発光レーザ素子１００は、基板１０１と、反射層１０２，１０７と、共振器スペーサー層１０３，１０５と、活性層１０４と、超格子構造膜１０６と、高抵抗層１０８Ａ，１０８Ｂと、ｐ側電極１０９と、ｎ側電極１１０とを備える。なお、面発光レーザ素子１００は、発振光の波長が８５０ｎｍである面発光レーザ素子である。
【００３８】
基板１０１は、ｎ型ガリウム砒素（ｎ−ＧａＡｓ）からなる。反射層１０２は、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ｎ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓの対を一周期とした場合、４０．５周期の［ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ｎ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ］からなり、基板１０１の一主面に形成される。そして、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓおよびｎ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓの各々は、発振光の波長（８５０ｎｍ）をλ１とした場合、λ１／４ｎ（ｎは半導体層の屈折率）の膜厚を有する。
【００３９】
共振器スペーサー層１０３は、ノンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなり、反射層１０２上に形成される。活性層１０４は、ＧａＡｓ／Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓの対を一周期とした場合、３周期の［ＧａＡｓ／Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］からなる多重量子井戸構造を有し、共振器スペーサー層１０３上に形成される。そして、ＧａＡｓは、６ｎｍの膜厚を有し、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓは、８ｎｍの膜厚を有する。
【００４０】
共振器スペーサー層１０５は、ノンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなり、活性層１０４上に形成される。超格子構造膜１０６は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓの対を一周期とした場合、４周期の［Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］からなり、共振器スペーサー層１０５上に形成される。そして、Ａｌ０．２Ｇａ０．８ＡｓおよびＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓの各々は、４ｎｍの膜厚を有する。
【００４１】
超格子構造膜１０６は、無秩序化された領域１０６Ａ，１０６Ｃと、秩序化された領域１０６Ｂとからなる。領域１０６Ａ，１０６Ｃの各々は、亜鉛（Ｚｎ）を含む［Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］の超格子構造膜からなり、領域１０６Ｂは、Ｚｎを含まない［Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］の超格子構造膜からなる。そして、領域１０６Ａ，１０６Ｃの各々は、領域１０６Ｂの屈折率よりも低い屈折率を有する。また、領域１０６Ｂは、発振光の出射方向ＤＲ１に略垂直な面内方向ＤＲ２において４μｍの長さを有する。
【００４２】
反射層１０７は、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓの対を一周期とした場合、２６周期の［ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ］からなり、超格子構造膜１０６上に形成される。そして、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓおよびｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓの各々は、λ１／４ｎ（ｎは半導体層の屈折率）の膜厚を有する。
【００４３】
高抵抗層１０８Ａ，１０８Ｂは、反射層１０７中に形成され、［ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ］の周期構造にプロトン（Ｈ＋）を注入した構造からなる。そして、高抵抗層１０８Ａ，１０８Ｂによって挟まれた領域１０８Ｃは、面内方向ＤＲ２において４μｍの長さを有する。
【００４４】
ｐ側電極１０９は、出射口１０７Ａを除く反射層１０７の一部に形成される。ｎ側電極１１０は、基板１０１の裏面に形成される。
【００４５】
反射層１０２，１０７の各々は、活性層１０４で発振した発振光をブラッグの多重反射により反射して活性層１０４に閉じ込める半導体分布ブラッグ反射器を構成する。そして、反射層１０２と反射層１０７との間隔は、発振波長（＝８５０ｎｍ）の１波長分の光学長になっており、反射層１０２，１０７によって挟まれた共振器スペーサー層１０３，１０５、活性層１０４および超格子構造膜１０６は、共振器を構成する。
【００４６】
超格子構造膜１０６は、活性層１０４よりも出射口１０７Ａ側において反射層１０２，１０７および活性層１０４以外の領域に形成される。そして、超格子構造膜１０６において、無秩序化された領域１０６Ａ，１０６Ｃの各々は、秩序化された領域１０６Ｂの屈折率よりも低い屈折率を有するので、超格子構造膜１０６は、活性層１０４において発振した発振光を領域１０６Ａ，１０６Ｃによって領域１０６Ｂに閉じ込めるとともに、発振光を領域１０６Ｂによって出射口１０７Ａの方向へ通過させる。これによって、面発光レーザ素子１００の横モードが安定化する。つまり、面発光レーザ素子１００において、高次発振モードが抑制され、単一の基本発振モードのみからなる発振光が放射される。
【００４７】
また、超格子構造膜１０６は、［Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］の周期構造からなり、活性層１０４は、［ＧａＡｓ／Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］の多重量子井戸構造からなるので、超格子構造膜１０６は、活性層１０４のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する。したがって、超格子構造膜１０６は、活性層１０４で発振した発振光を吸収せず、損失の低い導波路構造を形成する。
【００４８】
高抵抗層１０８Ａ，１０８Ｂは、反射層１０７の抵抗よりも高い抵抗を有するので、ｐ側電極１０９から注入された電流が活性層１０４側へ流れるのを阻止し、電流が通過する領域を領域１０８Ｃに制限する。
【００４９】
図２、図３および図４は、それぞれ、図１に示す面発光レーザ素子１００の作製方法を示す第１から第３の工程図である。図２を参照して、一連の動作が開始されると、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて、反射層１０２、共振器スペーサー層１０３、活性層１０４、共振器スペーサー層１０５および超格子構造膜１０６を基板１０１上に順次積層する（図２の工程（ａ）参照）。
【００５０】
この場合、反射層１０２のｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓおよびｎ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）およびセレン化水素（Ｈ２Ｓｅ）を原料として形成する。
【００５１】
また、共振器スペーサー層１０３のノンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアルシン（ＡｓＨ３）を原料として形成し、活性層１０４のＧａＡｓ／Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアルシン（ＡｓＨ３）を原料として形成する。
【００５２】
さらに、共振器スペーサー層１０５のノンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアルシン（ＡｓＨ３）を原料として形成し、超格子構造膜１０６のＡｌ０．２Ｇａ０．８ＡｓおよびＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアルシン（ＡｓＨ３）を原料として形成する。
【００５３】
その後、超格子構造膜１０６上にシリコンナイトライド（ＳｉＮ）膜１２０を形成し、その形成したＳｉＮ膜１２０上にパターンニングされたレジストパターン１３０を形成する（図２の工程（ｂ）参照）。この場合、レジストパターン１３０は、直径が４μｍである円形の形状を有する。
【００５４】
レジストパターン１３０を形成すると、その形成したレジストパターン１３０をマスクとして用いて、ＳｉＮ膜１２０をエッチングにより除去し、さらに、レジストパターン１３０を除去する（図２の工程（ｃ）参照）。これにより、ＳｉＮ膜１２１が超格子構造膜１０６上に形成される。
【００５５】
そして、酸化亜鉛（ＺｎＯ）膜１４０を蒸着によって超格子構造膜１０６およびＳｉＮ膜１２１上に形成し、その後、６００℃で熱処理してＺｎを超格子構造膜１０６中へ熱拡散させる（図２の（ｄ）参照）。
【００５６】
次に、図３を参照して、図２に示す工程（ｄ）において熱処理が終了し、ＳｉＮ膜１２１およびＺｎＯ膜１４０をエッチングにより除去すると、無秩序化された領域１０６Ａ，１０６Ｃと秩序化された領域１０６Ｂとが超格子構造膜１０６中に形成される（図３の（ｅ）参照）。
【００５７】
その後、反射層１０７をＭＯＣＶＤ法によって超格子構造膜１０６上に形成する（図３の（ｆ）参照）。この場合、反射層１０７のｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓおよびｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）および四臭化炭素（ＣＢｒ４）を原料として形成する。
【００５８】
そして、ＳｉＮ膜１５０を反射層１０７上に形成し、その形成したＳｉＮ膜１５０上にパターンニングされたレジストパターン１６０を形成する（図３の工程（ｇ）参照）。この場合、レジストパターン１６０は、直径が４μｍである円形の形状を有する。
【００５９】
レジストパターン１６０を形成すると、その形成したレジストパターン１６０をマスクとして用いて、ＳｉＮ膜１５０をエッチングにより除去し、さらに、レジストパターン１６０を除去する。これにより、ＳｉＮ膜１５１が反射層１０７上に形成される（図４の工程（ｈ）参照）。
【００６０】
そうすると、ＳｉＮ膜１５１をマスクとして用いて、Ｈ＋を注入し、反射層１０７中に高抵抗層１０８Ａ，１０８Ｂを形成する（図４の（ｉ）参照）。そして、ＳｉＮ１５１をエッチングにより除去し、ｐ側電極１０９を蒸着とリフトオフとによって反射層１０７上の一部に形成し、ｎ側電極１１０を蒸着により基板１０１の裏面に形成する（図４の（ｊ）参照）。これにより、面発光レーザ素子１００が完成する。
【００６１】
面発光レーザ素子１００を発振させる場合、ｐ側電極１０９およびｎ側電極１１０にリード線を接続し、電流をｐ側電極１０９から注入する。そうすると、面発光レーザ素子１００において、高抵抗層１０８Ａ，１０８Ｂは、ｐ側電極１０９から注入された電流の通過領域を領域１０８Ｃに制限して電流を活性層１０４へ注入する。
【００６２】
そして、活性層１０４に注入された電流が閾電流に達すると、活性層１０４において発振光が発生し、その発生した発振光は、反射層１０２，１０７で反射される。また、超格子構造膜１０６の領域１０６Ａ，１０６Ｃは、発振光を領域１０６Ｂに閉じ込める。その結果、発振光は、単一モードで発振し、出射口１０７Ａから放射される。
【００６３】
このように、面発光レーザ素子１００においては、高抵抗層１０８Ａ，１０８Ｂおよび領域１０８Ｃからなる層は、高抵抗層１０８Ａ，１０８Ｂによって電流の注入領域を領域１０８Ｃに制限して電流を活性層１０４に注入し、超格子構造膜１０６は、活性層１０４において発振した発振光を領域１０６Ａ，１０６Ｃによって領域１０６Ｂに閉じ込める。そして、無秩序化された領域１０６Ａ，１０６Ｃは、活性層１０４および反射層１０２，１０７以外の領域に形成されているため、活性層１０４における欠陥密度の増加が抑制される。したがって、面発光レーザ素子１００は、低閾電流で単一モードの発振光を発振できる。
【００６４】
なお、上記においては、Ｚｎを超格子構造膜１０６中へ熱拡散させて超格子構造膜１０６の無秩序化された領域１０６Ａ，１０６Ｃを形成すると説明したが、この発明においては、これに限らず、アルゴン（Ａｒ）およびクリプトン（Ｋｒ）等の電気的に不活性な元素またはガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、砒素（Ａｓ）およびリン（Ｐ）等の結晶構成元素を超格子構造膜１０６中へイオン注入し、続いてアニールすることによって無秩序化された領域１０６Ａ，１０６Ｃを形成してもよい。
【００６５】
この場合、イオン注入した元素は、アクセプターおよびドナーとして機能しないため、無秩序化された領域１０６Ａ，１０６Ｃのキャリア濃度を増加させることがない。その結果、無秩序化された領域１０６Ａ，１０６Ｃにおいて、自由キャリアによる光吸収損失が増加することがない。したがって、面発光レーザ素子１００のスロープ効率が低下せず、高効率な面発光レーザ素子を作製できる。なお、スロープ効率とは、注入電流を横軸に取り、発振光の強度を縦軸に取ったグラフにおいて、発振光の強度が注入電流に対して変化する割合を言う。
【００６６】
また、上記においては、反射層１０２と反射層１０７との間隔は、発振波長（＝８５０ｎｍ）の１波長分に設定されると説明したが、この発明においては、これに限らず、反射層１０２と反射層１０７との間隔は、発振波長（＝８５０ｎｍ）の１波長分よりも長く設定されてもよい。
【００６７】
面発光レーザ素子１００においては、活性層１０４が光定在波の腹に位置して位相整合するためには、共振器スペーサー層１０３，１０５、活性層１０４および超格子構造膜１０６からなる共振器の長さ（方向ＤＲ１における長さ）を発振波長（＝８５０ｎｍ）の光学距離の２分の１×自然数倍に設定する必要がある。そのため、面発光レーザ素子１００においては、通常、共振器の長さは、発振波長（＝８５０ｎｍ）の光学距離の１倍に設定する。
【００６８】
しかし、共振器の長さは、発振波長（＝８５０ｎｍ）の光学距離の２分の１×自然数倍に設定されていればよいので、共振器の長さを発振波長（＝８５０ｎｍ）の光学距離の１倍よりも長い距離に設定してもよい。これにより、共振器内において、超格子構造膜１０６を活性層１０４から遠ざけることが可能となり、熱拡散またはイオン注入により超格子構造を無秩序化した場合、活性層１０４まで無秩序化されることがなく、活性層１０４における無効電流が抑制され、面発光レーザ素子１００を低閾電流で動作させることができる。
【００６９】
さらに、上記においては、活性層１０４は、ＧａＡｓ／Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓの多重量子井戸構造からなると説明したが、この発明においては、これに限らず、活性層１０４は、窒素（Ｎ）と、窒素（Ｎ）以外のＶ族元素とを含む混晶半導体を用いて構成されていてもよい。
【００７０】
ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体は、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＡｌＧａＮＡｓ，ＡｌＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＰ，ＧａＩｎＮＡｓＰ，ＡｌＧａＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＮＡｓＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ，ＡｌＧａＮＡｓＳｂ，ＡｌＧａＩｎＮＡｓＳｂ，ＧａＮＡｓＰＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ，ＡｌＧａＮＡｓＰＳｂ，ＡｌＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ等からなる。
【００７１】
ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体は、石英の光ファイバの伝送に適した１．３〜１．６μｍの長波長帯のバンドギャップを有しており、ＧａＡｓ等からなる障壁層との間で伝導帯の電子を井戸層に閉じ込めるときの障壁高さを高くすることができるため、活性層１０４からの電子のオーバーフローが抑制され、ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体を活性層１０４に用いた面発光レーザ素子１００は、良好な温度特性を有する。
【００７２】
また、ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体をＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させることができるため、ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体を活性層１０４に用いた面発光レーザ素子において、多層膜反射鏡として高反射率、かつ、熱伝導率に優れたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の反射層を用いることができる。したがって、高性能な長波長帯の面発光レーザ素子を作製できる。
【００７３】
なお、超格子構造膜１０６は、「光学層」を構成し、秩序化された領域１０６Ｂは、「光通過層」を構成し、無秩序化された領域１０６Ａ，１０６Ｃは、「光閉込層」を構成する。
【００７４】
また、秩序化された領域１０６Ｂは、「第１の超格子構造膜」を構成し、無秩序化された領域１０６Ａ，１０６Ｃは、「第２の超格子構造膜」を構成する。
【００７５】
さらに、高抵抗層１０８Ａ，１０８Ｂおよび領域１０８Ｃは、「電流注入層」を構成し、領域１０８Ａ，１０８Ｂは、「電流狭窄層」を構成し、領域１０８Ｃは、「電流通過層」を構成する。
【００７６】
さらに、共振器スペーサー１０３は、「第１の共振器スペーサー層」を構成し、共振器スペーサー１０５は、「第２の共振器スペーサー層」を構成する。
【００７７】
さらに、反射層１０２は、「第１の反射層」を構成し、反射素１０７は、「第２の反射層」を構成する。
【００７８】
［実施の形態２］
図５は、実施の形態２による面発光レーザ素子の概略断面図である。図５を参照して、実施の形態２による面発光レーザ素子１００Ａは、基板２０１と、反射層２０２，２０８と、共振器スペーサー層２０３，２０５と、活性層２０４と、超格子構造膜２０６と、トンネル接合層２０７と、ｐ側電極２０９と、ｎ側電極２１０とを備える。なお、面発光レーザ素子１００Ａは、発振光の波長λ２が９８０ｎｍである面発光レーザ素子である。
【００７９】
基板２０１は、ｎ−ＧａＡｓからなる。反射層２０２は、ｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの対を一周期とした場合、４０．５周期の［ｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ］からなり、基板２０１の一主面に形成される。そして、ｎ−ＧａＡｓおよびｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの各々は、λ２／４ｎ（ｎは半導体層の屈折率）の膜厚を有する。
【００８０】
共振器スペーサー層２０３は、ｎ−ＧａＡｓからなり、反射層２０２上に形成される。活性層２０４は、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓの対を一周期とした場合、３周期の［ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ］からなる多重量子井戸構造を有し、共振器スペーサー層２０３上に形成される。そして、ＧａＩｎＡｓは、８ｎｍの膜厚を有し、ＧａＡｓは、１０ｎｍの膜厚を有する。
【００８１】
共振器スペーサー層２０５は、ｐ−ＧａＡｓからなり、活性層２０４上に形成される。超格子構造膜２０６は、ｐ−ＧａＡｓ／ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓの対を一周期とした場合、４周期の［ｐ−ＧａＡｓ／ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］からなり、共振器スペーサー層２０５上に形成される。そして、ｐ−ＧａＡｓおよびｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓの各々は、４ｎｍの膜厚を有する。
【００８２】
超格子構造膜２０６は、無秩序化された領域２０６Ａ，２０６Ｃと、秩序化された領域２０６Ｂとからなる。領域２０６Ａ，２０６Ｃの各々は、Ｇａイオンを注入した［ｐ−ＧａＡｓ／ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］の超格子構造膜からなり、領域２０６Ｂは、Ｇａイオンを注入していない［ｐ−ＧａＡｓ／ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］の超格子構造膜からなる。そして、領域２０６Ａ，２０６Ｃの各々は、領域２０６Ｂの屈折率よりも低い屈折率を有する。また、領域２０６Ｂは、面内方向ＤＲ２において４μｍの長さを有する。
【００８３】
トンネル接合層２０７は、ｐ型高ドープＧａＡｓ（ｐ＋−ＧａＡｓ）／ｎ型高ドープＧａＡｓ（ｎ＋−ＧａＡｓ）からなり、超格子構造膜２０６上に形成される。この場合、ｐ＋−ＧａＡｓが超格子構造膜２０６側に形成される。そして、ｐ＋−ＧａＡｓおよびｎ＋−ＧａＡｓの各々の膜厚は、１０ｎｍであり、ｐ＋−ＧａＡｓは、１×１０２０ｃｍ−３のカーボン（Ｃ）がドーピングされており、ｎ＋−ＧａＡｓは、３×１０１９ｃｍ−３のシリコン（Ｓｉ）がドーピングされている。
【００８４】
トンネル接合層２０７は、無秩序化された領域２０７Ａ，２０７Ｃと、秩序化された領域２０７Ｂとからなる。領域２０７Ａ，２０７Ｃの各々は、Ｇａイオンを注入した［ｐ＋−ＧａＡｓ／ｎ＋−ＧａＡｓ］からなり、領域２０７Ｂは、Ｇａイオンを注入していない［ｐ＋−ＧａＡｓ／ｎ＋−ＧａＡｓ］からなる。
【００８５】
領域２０７Ａ，２０７Ｃの各々は、トンネル接合の領域において、高濃度にドーピングした不純物（Ｃ，Ｓｉ）が相互に拡散し、キャリア濃度が低下するため、トンネル接合が破壊されている。したがって、領域２０７Ａ，２０７Ｃにおいては、ｐｎ逆バイアス接合により、電流が流れなくなり、電流阻止構造が形成される。
【００８６】
その結果、電流は、無秩序化されていない領域２０７Ｂのトンネル接合の領域に狭窄されて活性層２０４に注入される。なお、領域２０７Ｂは、面内方向ＤＲ２において４μｍの長さを有する。
【００８７】
反射層２０８は、ｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの対を一周期とした場合、２６周期の［ｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ］からなり、トンネル接合層２０７上に形成される。そして、ｎ−ＧａＡｓおよびｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの各々は、λ２／４ｎ（ｎは半導体層の屈折率）の膜厚を有する。
【００８８】
ｐ側電極２０９は、出射口２０８Ａを除く反射層２０８の一部に形成される。ｎ側電極２１０は、基板２０１の裏面に形成される。
【００８９】
反射層２０２，２０８の各々は、活性層２０４で発振した発振光をブラッグの多重反射により反射して活性層２０４に閉じ込める半導体分布ブラッグ反射器を構成する。そして、反射層２０２と反射層２０８との間隔は、発振波長（＝９８０ｎｍ）の１波長分の光学長になっており、反射層２０２，２０８によって挟まれた共振器スペーサー層２０３，２０５、活性層２０４、超格子構造膜２０６およびトンネル接合層２０７は、共振器を構成する。
【００９０】
超格子構造膜２０６は、活性層２０４よりも出射口２０８Ａ側において反射層２０２，２０８および活性層２０４以外の領域に形成される。そして、超格子構造膜２０６において、無秩序化された領域２０６Ａ，２０６Ｃの各々は、秩序化された領域２０６Ｂの屈折率よりも低い屈折率を有するので、超格子構造膜２０６は、活性層２０４において発振した発振光を領域２０６Ａ，２０６Ｃによって領域２０６Ｂに閉じ込めるとともに、発振光を領域２０６Ｂによって出射口２０８Ａの方向へ通過させる。これによって、面発光レーザ素子１００Ａの横モードが安定化する。つまり、面発光レーザ素子１００Ａにおいて、高次発振モードが抑制され、単一の基本発振モードのみからなる発振光が放射される。
【００９１】
また、超格子構造膜２０６は、［ｐ−ＧａＡｓ／ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］の周期構造からなり、活性層２０４は、［ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ］の多重量子井戸構造からなるので、超格子構造膜２０６は、活性層２０４のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する。したがって、超格子構造膜２０６は、活性層２０４で発振した発振光を吸収せず、損失の低い導波路構造を形成する。
【００９２】
トンネル接合層２０７は、超格子構造膜２０６に接して形成される。その結果、領域２０７Ａ，２０７Ｂ，２０７Ｃは、それぞれ、超格子構造膜２０６の領域２０６Ａ，２０６Ｂ，２０６Ｃに接して形成される。そして、トンネル接合層２０７の領域２０７Ａ，２０７Ｃは、トンネル接合が破壊され、ｐｎ逆接合による電流阻止構造を形成しているので、ｐ側電極２０９から注入された電流が活性層２０４側へ流れるのを阻止し、電流が通過する領域を領域２０７Ｂに制限する。
【００９３】
図６および図７は、それぞれ、図５に示す面発光レーザ素子１００Ａの作製方法を示す第１および第２の工程図である。図６を参照して、一連の動作が開始されると、ＭＯＣＶＤ法を用いて、反射層２０２、共振器スペーサー層２０３、活性層２０４、共振器スペーサー層２０５、超格子構造膜２０６およびトンネル接合層２０７を基板２０１上に順次積層する（図６の工程（ａ）参照）。
【００９４】
この場合、反射層２０２のｎ−ＧａＡｓおよびｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）およびセレン化水素（Ｈ２Ｓｅ）を原料として形成する。
【００９５】
また、共振器スペーサー層２０３のｎ−ＧａＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）およびシラン（ＳｉＨ４）を原料として形成し、活性層２０４のＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）およびアルシン（ＡｓＨ３）を原料として形成する。
【００９６】
さらに、共振器スペーサー層２０５のｐ−ＧａＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）および四臭化炭素（ＣＢｒ４）を原料として形成し、超格子構造膜２０６のｐ−ＧａＡｓおよびｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）および四臭化炭素（ＣＢｒ４）を原料として形成する。
【００９７】
さらに、トンネル接合層２０７のｐ＋−ＧａＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）および四臭化炭素（ＣＢｒ４）を原料として形成し、ｎ＋−ＧａＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）およびシラン（ＳｉＨ４）を原料として形成する。
【００９８】
その後、トンネル接合層２０７上にＳｉＮ膜２２０を形成し、その形成したＳｉＮ膜２２０上にパターンニングされたレジストパターン２３０を形成する（図６の工程（ｂ）参照）。この場合、レジストパターン２３０は、直径が４μｍである円形の形状を有する。
【００９９】
レジストパターン２３０を形成すると、その形成したレジストパターン２３０をマスクとして用いて、ＳｉＮ膜２２０をエッチングにより除去し、さらに、レジストパターン２３０を除去する（図６の工程（ｃ）参照）。これにより、ＳｉＮ膜２２１がトンネル接合層２０７上に形成される。そして、ＳｉＮ膜２２１をマスクとしてＧａイオンをイオン注入する（図６の（ｄ）参照）。
【０１００】
次に、図７を参照して、図６に示す工程（ｄ）においてイオン注入が終了し、ＳｉＮ膜２２１をエッチングにより除去すると、無秩序化された領域２０６Ａ，２０６Ｃと秩序化された領域２０６Ｂとが超格子構造膜２０６中に形成され、無秩序化された領域２０７Ａ，２０７Ｃと秩序化された領域２０７Ｂとがトンネル接合層２０７中に形成される（図７の（ｅ）参照）。
【０１０１】
その後、反射層２０８をＭＯＣＶＤ法によってトンネル接合層２０７上に形成する（図７の（ｆ）参照）。この場合、反射層２０８のｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）およびシラン（ＳｉＨ４）を原料として形成する。
【０１０２】
そして、ｐ側電極２０９を蒸着とリフトオフとによって反射層２０８上の一部に形成し、ｎ側電極２１０を蒸着により基板２０１の裏面に形成する（図７の（ｇ）参照）。これにより、面発光レーザ素子１００Ａが完成する。
【０１０３】
面発光レーザ素子１００Ａを発振させる場合、ｐ側電極２０９およびｎ側電極２１０にリード線を接続し、電流をｐ側電極２０９から注入する。そうすると、面発光レーザ素子１００Ａにおいて、トンネル接合層２０７の領域２０７Ａ，２０７Ｃは、ｐ側電極２０９から注入された電流の通過領域を領域２０７Ｃに制限して電流を活性層２０４へ注入する。
【０１０４】
そして、活性層２０４に注入された電流が閾電流に達すると、活性層２０４において発振光が発生し、その発生した発振光は、反射層２０２，２０８で反射される。また、超格子構造膜２０６の領域２０６Ａ，２０６Ｃは、発振光を領域２０６Ｂに閉じ込める。その結果、発振光は、単一モードで発振し、出射口２０８Ａから放射される。
【０１０５】
このように、面発光レーザ素子１００Ａにおいては、トンネル接合層２０７は、領域２０７Ａ，２０７Ｃによって電流の注入領域を領域２０７Ｂに制限して電流を活性層２０４に注入し、超格子構造膜２０６は、活性層２０４において発振した発振光を領域２０６Ａ，２０６Ｃによって領域２０６Ｂに閉じ込める。そして、無秩序化された領域２０６Ａ，２０６Ｃ；２０７Ａ，２０７Ｃは、活性層２０４および反射層２０２，２０８以外の領域に形成されているため、活性層２０４における欠陥密度の増加が抑制される。したがって、面発光レーザ素子１００Ａは、低閾電流で単一モードの発振光を発振できる。
【０１０６】
また、面発光レーザ素子１００Ａの超格子構造膜２０６およびトンネル接合層２０７は、一部の領域２０６Ａ，２０６Ｃ；２０７Ａ，２０７Ｃが１回の工程で同時に無秩序化されるため（図６の（ｄ）および図７の（ｅ）参照）、面発光レーザ素子１００Ａの製造工程が容易になる。
【０１０７】
さらに、超格子構造膜２０６およびトンネル接合層２０７の一部の領域２０６Ａ，２０６Ｃ；２０７Ａ，２０７Ｃを無秩序化するために、キャリア濃度を増加させないＧａイオンを用いている。したがって、領域２０６Ａ，２０６Ｃ；２０７Ａ，２０７Ｃのキャリア濃度を増加させないことにより、領域２０６Ａ，２０６Ｃ；２０７Ａ，２０７Ｃにおいて、自由キャリアによる光吸収損失が増加することがない。その結果、面発光レーザ素子１００Ａのスロープ効率が低下することがなく、高効率な面発光レーザ素子を作製できる。
【０１０８】
なお、上記においては、Ｇａイオンを超格子構造膜２０６およびトンネル接合層２０７中へイオン注入して超格子構造膜２０６およびトンネル接合層２０７の無秩序化された領域２０６Ａ，２０６Ｃ；２０７Ａ，２０７Ｃを形成すると説明したが、この発明においては、これに限らず、アルゴン（Ａｒ）およびクリプトン（Ｋｒ）等の電気的に不活性な元素またはアルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、砒素（Ａｓ）およびリン（Ｐ）等の結晶構成元素を超格子構造膜２０６およびトンネル接合層２０７中へイオン注入することによって無秩序化された領域２０６Ａ，２０６Ｃ；２０７Ａ，２０７Ｃを形成してもよい。
【０１０９】
この場合、イオン注入した元素は、アクセプターおよびドナーとして機能しないため、無秩序化された領域２０６Ａ，２０６Ｃ；２０７Ａ，２０７Ｃのキャリア濃度を増加させることがない。その結果、無秩序化された領域２０６Ａ，２０６Ｃ；２０７Ａ，２０７Ｃにおいて、自由キャリアによる光吸収損失が増加することがない。したがって、面発光レーザ素子１００Ａのスロープ効率が低下せず、高効率な面発光レーザ素子を作製できる。
【０１１０】
また、上記においては、反射層２０２と反射層２０８との間隔は、発振波長（＝９８０ｎｍ）の１波長分に設定されると説明したが、この発明においては、これに限らず、反射層２０２と反射層２０８との間隔は、発振波長（＝９８０ｎｍ）の１波長分よりも長く設定されてもよい。
【０１１１】
面発光レーザ素子１００Ａにおいては、活性層２０４が光定在波の腹に位置して位相整合するためには、共振器スペーサー層２０３，２０５、活性層２０４、超格子構造膜２０６およびトンネル接合層２０７からなる共振器の長さ（方向ＤＲ１における長さ）を発振波長（＝９８０ｎｍ）の光学距離の２分の１×自然数倍に設定する必要がある。そのため、面発光レーザ素子１００Ａにおいては、通常、共振器の長さは、発振波長（＝９８０ｎｍ）の光学距離の１倍に設定する。
【０１１２】
しかし、共振器の長さは、発振波長（＝９８０ｎｍ）の光学距離の２分の１×自然数倍に設定されていればよいので、共振器の長さを発振波長（＝９８０ｎｍ）の光学距離の１倍よりも長い距離に設定してもよい。これにより、共振器内において、超格子構造膜２０６およびトンネル接合層２０７を活性層２０４から遠ざけることが可能となり、イオン注入により超格子構造およびトンネル接合を無秩序化した場合、活性層２０４まで無秩序化されることがなく、活性層２０４における無効電流が抑制され、面発光レーザ素子１００Ａを低閾電流で動作させることができる。
【０１１３】
さらに、上記においては、活性層２０４は、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓの多重量子井戸構造からなると説明したが、この発明においては、これに限らず、活性層２０４は、Ｎと、Ｎ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体を用いて構成されていてもよい。
【０１１４】
ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体は、実施の形態１において説明した混晶半導体からなる。ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体は、石英の光ファイバの伝送に適した１．３〜１．６μｍの長波長帯のバンドギャップを有しており、ＧａＡｓ等からなる障壁層との間で伝導帯の電子を井戸層に閉じ込めるときの障壁高さを高くすることができるため、活性層２０４からの電子のオーバーフローが抑制され、ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体を活性層２０４に用いた面発光レーザ素子１００Ａは、良好な温度特性を有する。
【０１１５】
また、ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体をＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させることができるため、ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体を活性層２０４に用いた面発光レーザ素子において、多層膜反射鏡として高反射率、かつ、熱伝導率に優れたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系（特に、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ）の反射層を用いることができる。したがって、高性能な長波長帯の面発光レーザ素子を作製できる。
【０１１６】
なお、超格子構造膜２０６は、「光学層」を構成し、秩序化された領域２０６Ｂは、「光通過層」を構成し、無秩序化された領域２０６Ａ，２０６Ｃは、「光閉込層」を構成する。
【０１１７】
また、秩序化された領域２０６Ｂは、「第１の超格子構造膜」を構成し、無秩序化された領域２０６Ａ，２０６Ｃは、「第２の超格子構造膜」を構成する。
【０１１８】
さらに、トンネル接合層２０７は、「電流注入層」を構成し、領域２０７Ａ，２０７Ｃは、「電流狭窄層」を構成し、領域２０７Ｃは、「電流通過層」を構成する。
【０１１９】
さらに、共振器スペーサー層２０３は、「第１の共振器スペーサー層」を構成し、共振器スペーサー層２０５は、「第２の共振器スペーサー層」を構成する。
【０１２０】
さらに、反射層２０２は、「第１の反射層」を構成し、反射層２０８は、「第２の反射層」を構成する。
【０１２１】
［実施の形態３］
図８は、実施の形態３による面発光レーザ素子の概略断面図である。図８を参照して、実施の形態３による面発光レーザ素子１００Ｂは、図５に示す面発光レーザ素子１００Ａの共振器スペーサー層２０３，２０５、活性層２０４、超格子構造膜２０６およびトンネル接合層２０７を共振器スペーサー層３０１，３０３，３０５，３０７、超格子構造膜３０２、活性層３０４およびトンネル接合層３０６に代えたものであり、その他は、面発光レーザ素子１００Ａと同じである。なお、面発光レーザ素子１００Ｂは、発振光の波長λ３が１３００ｎｍである面発光レーザ素子である。
【０１２２】
共振器スペーサー層３０１は、ｎ−ＧａＡｓからなり、反射層２０２上に形成される。超格子構造膜３０２は、ｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓの対を一周期とした場合、４周期の［ｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］からなり、共振器スペーサー層３０１上に形成される。そして、ｎ−ＧａＡｓおよびｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓの各々は、４ｎｍの膜厚を有する。
【０１２３】
超格子構造膜３０２は、無秩序化された領域３０２Ａ，３０２Ｃと、秩序化された領域３０２Ｂとからなる。領域３０２Ａ，３０２Ｃの各々は、Ｇａイオンを注入した［ｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］の超格子構造膜からなり、領域３０２Ｂは、Ｇａイオンを注入していない［ｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］の超格子構造膜からなる。そして、領域３０２Ａ，３０２Ｃの各々は、領域３０２Ｂの屈折率よりも低い屈折率を有する。また、領域３０２Ｂは、面内方向ＤＲ２において３μｍの長さを有する。
【０１２４】
共振器スペーサー層３０３は、ｎ−ＧａＡｓからなり、超格子構造膜３０２上に形成される。活性層３０４は、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓの対を一周期とした場合、３周期の［ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ］からなる多重量子井戸構造を有し、共振器スペーサー層３０３上に形成される。そして、ＧａＩｎＮＡｓは、８ｎｍの膜厚を有し、ＧａＡｓは、１５ｎｍの膜厚を有する。
【０１２５】
共振器スペーサー層３０５は、ｐ−ＧａＡｓからなり、活性層３０４上に形成される。トンネル接合層３０６は、ｐ＋−ＧａＡｓ／ｎ＋−ＧａＡｓからなり、共振器スペーサー層３０５上に形成される。この場合、ｐ＋−ＧａＡｓが共振器スペーサー層３０５側に形成される。そして、ｐ＋−ＧａＡｓおよびｎ＋−ＧａＡｓの各々の膜厚は、１０ｎｍであり、ｐ＋−ＧａＡｓは、１×１０２０ｃｍ−３のＣがドーピングされており、ｎ＋−ＧａＡｓは、３×１０１９ｃｍ−３のＳｉがドーピングされている。
【０１２６】
トンネル接合層３０６は、無秩序化された領域３０６Ａ，３０６Ｃと、秩序化された領域３０６Ｂとからなる。領域３０６Ａ，３０６Ｃの各々は、Ｇａイオンを注入した［ｐ＋−ＧａＡｓ／ｎ＋−ＧａＡｓ］からなり、領域３０６Ｂは、Ｇａイオンを注入していない［ｐ＋−ＧａＡｓ／ｎ＋−ＧａＡｓ］からなる。
【０１２７】
領域３０６Ａ，３０６Ｃの各々は、トンネル接合の領域において、高濃度にドーピングした不純物（Ｃ，Ｓｉ）が相互に拡散し、キャリア濃度が低下するため、トンネル接合が破壊されている。したがって、領域３０６Ａ，３０６Ｃにおいては、ｐｎ逆バイアス接合により、電流が流れなくなり、電流阻止構造が形成される。
【０１２８】
その結果、電流は、無秩序化されていない領域３０６Ｂのトンネル接合の領域に狭窄されて活性層３０４に注入される。なお、領域３０６Ｂは、面内方向ＤＲ２において５μｍの長さを有する。したがって、面発光レーザ素子１００Ｂにおいては、トンネル接合層３０６の領域３０６Ｂは、超格子構造膜３０２の領域３０２Ｂよりも広くなっている。
【０１２９】
共振器スペーサー層３０７は、ｎ−ＧａＡｓからなり、トンネル接合層３０６上に形成される。
【０１３０】
なお、面発光レーザ素子１００Ｂにおいては、反射層２０２，２０８の各々を構成するｎ−ＧａＡｓおよびｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの各々は、λ３／４ｎ（ｎは半導体層における屈折率）の膜厚を有する。
【０１３１】
面発光レーザ素子１００Ｂにおいては、反射層２０２と反射層２０８との間隔は、発振波長（＝１３００ｎｍ）の３波長分の光学長になっており、反射層２０２，２０８によって挟まれた共振器スペーサー層３０１，３０３，３０５，３０７、超格子構造膜３０２、活性層３０４、およびトンネル接合層３０６は、共振器を構成する。
【０１３２】
超格子構造膜３０２において、無秩序化された領域３０２Ａ，３０２Ｃの各々は、秩序化された領域３０２Ｂの屈折率よりも低い屈折率を有するので、超格子構造膜３０２は、活性層３０４において発振した発振光を領域３０２Ａ，３０２Ｃによって領域３０２Ｂに閉じ込めるとともに、発振光を領域３０２Ｂによって出射口２０８Ａの方向へ通過させる。これによって、面発光レーザ素子１００Ｂの横モードが安定化する。つまり、面発光レーザ素子１００Ｂにおいて、高次発振モードが抑制され、単一の基本発振モードのみからなる発振光が放射される。
【０１３３】
また、超格子構造膜３０２は、［ｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］の周期構造からなり、活性層３０４は、［ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ］の多重量子井戸構造からなるので、超格子構造膜３０２は、活性層３０４のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する。したがって、超格子構造膜３０２は、活性層３０４で発振した発振光を吸収せず、損失の低い導波路構造を形成する。
【０１３４】
トンネル接合層３０６の領域３０６Ａ，３０６Ｃは、トンネル接合が破壊され、電流阻止構造を形成しているので、ｐ側電極２０９から注入された電流が活性層３０４側へ流れるのを阻止し、電流が通過する領域を領域３０６Ｂに制限する。
【０１３５】
面発光レーザ素子１００Ｂにおいては、反射層２０２，２０８および活性層３０４以外の領域において、超格子構造膜３０２は、活性層３０４よりも基板２０１側に形成され、トンネル接合層３０６は、活性層３０４よりも出射口２０８Ａ側に形成される。すなわち、超格子構造膜３０２およびトンネル接合層３０６は、反射層２０２，２０８および活性層３０４以外の領域において、相互に活性層３０４の反対側に形成される。
【０１３６】
そして、共振器スペーサー層３０１，３０３を１つの共振器スペーサー層と考え、共振器スペーサー層３０５，３０７を１つの共振器スペーサー層と考えた場合、超格子構造膜３０２およびトンネル接合層３０６は、共振器スペーサー層中に形成されることになる。
【０１３７】
図９、図１０および図１１は、それぞれ、図８に示す面発光レーザ素子１００Ｂの作製方法を示す第１から第３の工程図である。図９を参照して、一連の動作が開始されると、ＭＯＣＶＤ法を用いて、反射層２０２、共振器スペーサー層３０１および超格子構造膜３０２を基板２０１上に順次積層する（図９の工程（ａ）参照）。
【０１３８】
この場合、反射層２０２のｎ−ＧａＡｓおよびｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）およびセレン化水素（Ｈ２Ｓｅ）を原料として形成する。
【０１３９】
また、共振器スペーサー層３０１のｎ−ＧａＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）およびシラン（ＳｉＨ４）を原料として形成し、超格子構造膜３０２のｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）およびシラン（ＳｉＨ４）を原料として形成する。
【０１４０】
その後、超格子構造膜３０２上にＳｉＮ膜３２０を形成し、その形成したＳｉＮ膜３２０上にパターンニングされたレジストパターン３３０を形成する（図９の工程（ｂ）参照）。この場合、レジストパターン３３０は、直径が３μｍである円形の形状を有する。
【０１４１】
レジストパターン３３０を形成すると、その形成したレジストパターン３３０をマスクとして用いて、ＳｉＮ膜３２０をエッチングにより除去し、さらに、レジストパターン３３０を除去する。これにより、ＳｉＮ膜３２１が超格子構造膜３０２上に形成される。そして、ＳｉＮ膜３２１をマスクとしてＧａイオンをイオン注入し（図９の（ｃ）参照）、引き続いて、７００℃で熱処理してＧａイオンを注入した領域の結晶性を回復する。そして、ＳｉＮ膜３２１をエッチングにより除去すると、無秩序化された領域３０２Ａ，３０２Ｃおよび秩序化された領域３０２Ｂが超格子構造膜３０２中に形成される（図９の（ｄ）参照）。
【０１４２】
次に、図１０を参照して、図９に示す工程（ｄ）が終了すると、ＭＯＣＶＤ法により、共振器スペーサー層３０３、活性層３０４、共振器スペーサー層３０５およびトンネル接合層３０６を超格子構造膜３０２上に順次積層する（図１０の（ｅ）参照）。
【０１４３】
この場合、共振器スペーサー層３０３のｎ−ＧａＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）およびシラン（ＳｉＨ４）を原料として形成し、活性層３０４のＧａＩｎＮＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）およびアルシン（ＡｓＨ３）を原料として形成し、活性層３０４のＧａＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアルシン（ＡｓＨ３）を原料として形成する。
【０１４４】
また、共振器スペーサー層３０５のｐ−ＧａＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）および四臭化炭素（ＣＢｒ４）を原料として形成し、トンネル接合層３０６のｐ＋−ＧａＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）および四臭化炭素（ＣＢｒ４）を原料として形成し、トンネル接合層３０６のｎ＋−ＧａＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）およびシラン（ＳｉＨ４）を原料として形成する。
【０１４５】
その後、トンネル接合層３０６上にＳｉＮ膜３４０を形成し、その形成したＳｉＮ膜３４０上にパターンニングされたレジストパターン３５０を形成する（図１０の工程（ｆ）参照）。この場合、レジストパターン３５０は、直径が５μｍである円形の形状を有する。
【０１４６】
レジストパターン３５０を形成すると、その形成したレジストパターン３５０をマスクとして用いて、ＳｉＮ膜３４０をエッチングにより除去し、さらに、レジストパターン３５０を除去する。これにより、ＳｉＮ膜３４１がトンネル接合層３０６上に形成される。そして、ＳｉＮ膜３４１をマスクとしてＧａイオンをイオン注入し（図１０の（ｇ）参照）、引き続いて、アニール処理する。その後、ＳｉＮ膜３４１をエッチングにより除去すると、無秩序化された領域３０６Ａ，３０６Ｃおよび秩序化された領域３０６Ｂがトンネル接合層３０６中に形成される（図１０の（ｈ）参照）。
【０１４７】
図１１を参照して、図１０に示す工程（ｈ）が終了すると、ＭＯＣＶＤ法により、共振器スペーサー層３０７および反射層２０８をトンネル接合層３０６上に順次積層する（図１１の（ｉ）参照）。
【０１４８】
この場合、共振器スペーサー層３０７のｎ−ＧａＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）およびシラン（ＳｉＨ４）を原料として形成し、反射層２０８のｎ−ＧａＡｓおよびｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）およびシラン（ＳｉＨ４）を原料として形成する。
【０１４９】
そして、ｐ側電極２０９を蒸着とリフトオフとによって反射層２０８上の一部に形成し、ｎ側電極２１０を蒸着により基板２０１の裏面に形成する（図１１の（ｊ）参照）。これにより、面発光レーザ素子１００Ｂが完成する。
【０１５０】
面発光レーザ素子１００Ｂを発振させる場合、ｐ側電極２０９およびｎ側電極２１０にリード線を接続し、電流をｐ側電極２０９から注入する。そうすると、面発光レーザ素子１００Ｂにおいて、トンネル接合層３０６の領域３０６Ａ，３０６Ｃは、ｐ側電極２０９から注入された電流の通過領域を領域３０６Ｃに制限して電流を活性層３０４へ注入する。
【０１５１】
そして、活性層３０４に注入された電流が閾電流に達すると、活性層３０４において発振光が発生し、その発生した発振光は、反射層２０２，２０８で反射される。また、超格子構造膜３０２の領域３０２Ａ，３０２Ｃは、発振光を領域３０２Ｂに閉じ込める。その結果、発振光は、単一モードで発振し、出射口２０８Ａから放射される。
【０１５２】
このように、面発光レーザ素子１００Ｂにおいては、トンネル接合層３０６は、領域３０６Ａ，３０６Ｃによって電流の注入領域を領域３０６Ｂに制限して電流を活性層３０４に注入し、超格子構造膜３０２は、活性層３０４において発振した発振光を領域３０２Ａ，３０２Ｃによって領域３０２Ｂに閉じ込める。そして、無秩序化された領域３０２Ａ，３０２Ｃ；３０６Ａ，３０６Ｃは、活性層３０４および反射層２０２，２０８以外の領域に形成されているため、活性層３０４における欠陥密度の増加が抑制される。したがって、面発光レーザ素子１００Ｂは、低閾電流で単一モードの発振光を発振できる。
【０１５３】
また、面発光レーザ素子１００Ｂのトンネル接合層３０６の領域３０６Ｂは、超格子構造膜３０２の領域３０２Ｂよりも広くなるように形成されているため、面発光レーザ素子１００Ｂの発光領域が広くなる。その結果、面発光レーザ素子１００Ｂの発光強度を向上させることができる。
【０１５４】
さらに、面発光レーザ素子１００Ｂにおいては、反射層２０２と反射層２０８との間隔は、発振波長（＝１３００ｎｍ）の１波長分よりも長い３波長分に設定することを特徴としている。
【０１５５】
面発光レーザ素子１００Ｂにおいては、活性層３０４が光定在波の腹に位置して位相整合するためには、共振器スペーサー層３０１，３０３，３０５，３０７、超格子構造膜３０２、活性層３０４およびトンネル接合層３０６からなる共振器の長さ（方向ＤＲ１における長さ）を発振波長（＝１３００ｎｍ）の光学距離の２分の１×自然数倍に設定する必要がある。そのため、面発光レーザ素子１００Ｂにおいては、通常、共振器の長さは、発振波長（＝１３００ｎｍ）の光学距離の１倍に設定する。
【０１５６】
しかし、共振器の長さは、発振波長（＝１３００ｎｍ）の光学距離の２分の１×自然数倍に設定されていればよいので、共振器の長さを発振波長（＝１３００ｎｍ）の光学距離の１倍よりも長い距離に設定してもよい。これにより、共振器内において、超格子構造膜３０２およびトンネル接合層３０６を活性層３０４から遠ざけることが可能となり、イオン注入により超格子構造およびトンネル接合を無秩序化した場合、活性層３０４まで無秩序化されることがなく、活性層３０４における無効電流が抑制され、面発光レーザ素子１００Ｂを低閾電流で動作させることができる。
【０１５７】
さらに、超格子構造膜３０２およびトンネル接合層３０６の一部の領域３０２Ａ，３０２Ｃ；３０６Ａ，３０６Ｃを無秩序化するために、キャリア濃度を増加させないＧａイオンを用いている。したがって、領域３０２Ａ，３０２Ｃ；３０６Ａ，３０６Ｃのキャリア濃度を増加させないことにより、領域３０２Ａ，３０２Ｃ；３０６Ａ，３０６Ｃにおいて、自由キャリアによる光吸収損失が増加することがない。その結果、面発光レーザ素子１００Ｂのスロープ効率が低下することがなく、高効率な面発光レーザ素子を作製できる。
【０１５８】
なお、上記においては、Ｇａイオンを超格子構造膜３０２およびトンネル接合層３０６中へイオン注入して超格子構造膜３０２およびトンネル接合層３０６の無秩序化された領域３０２Ａ，３０２Ｃ；３０６Ａ，３０６Ｃを形成すると説明したが、この発明においては、これに限らず、アルゴン（Ａｒ）およびクリプトン（Ｋｒ）等の電気的に不活性な元素またはアルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、砒素（Ａｓ）およびリン（Ｐ）等の結晶構成元素を超格子構造膜３０２およびトンネル接合層３０６中へイオン注入することによって無秩序化された領域３０２Ａ，３０２Ｃ；３０６Ａ，３０６Ｃを形成してもよい。
【０１５９】
この場合、イオン注入した元素は、アクセプターおよびドナーとして機能しないため、無秩序化された領域３０２Ａ，３０２Ｃ；３０６Ａ，３０６Ｃのキャリア濃度を増加させることがない。その結果、無秩序化された領域３０２Ａ，３０２Ｃ；３０６Ａ，３０６Ｃにおいて、自由キャリアによる光吸収損失が増加することがない。したがって、面発光レーザ素子１００Ｂのスロープ効率が低下せず、高効率な面発光レーザ素子を作製できる。
【０１６０】
また、上記においては、超格子構造膜３０２は、反射層２０２，２０８および活性層３０４以外の領域において、活性層３０４よりも基板２０１側に形成され、トンネル接合層３０６は、活性層３０４よりも出射口２０８Ａ側に形成されると説明したが、この発明においては、これに限らず、超格子構造膜３０２は、反射層２０２，２０８および活性層３０４以外の領域において、活性層３０４よりも出射口２０８Ａ側に形成され、トンネル接合層３０６は、活性層３０４よりも基板２０１側に形成されてもよい。
【０１６１】
この場合、超格子構造膜３０２の領域３０２Ｂの直径は、トンネル接合層３０６の領域３０６Ｂの直径よりも大きい値に設定される。
【０１６２】
さらに、上記においては、活性層３０４は、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓの多重量子井戸構造からなると説明したが、この発明においては、これに限らず、活性層３０４は、ＧａＩｎＮＡｓ以外の、ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体を用いて構成されていてもよい。
【０１６３】
ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体は、実施の形態１において説明した混晶半導体からなる。ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体は、石英の光ファイバの伝送に適した１．３〜１．６μｍの長波長帯のバンドギャップを有しており、ＧａＡｓ等からなる障壁層との間で伝導帯の電子を井戸層に閉じ込めるときの障壁高さを３００ｍｅＶ以上に高くすることができるため、活性層３０４からの電子のオーバーフローが抑制され、ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体を活性層３０４に用いた面発光レーザ素子１００Ｂは、良好な温度特性を有する。
【０１６４】
また、ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体をＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させることができるため、ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体を活性層３０４に用いた面発光レーザ素子において、多層膜反射鏡として高反射率、かつ、熱伝導率に優れたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系（特に、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ）の反射層を用いることができる。したがって、高性能な長波長帯の面発光レーザ素子を作製できる。
【０１６５】
なお、超格子構造膜３０２は、「光学層」を構成し、秩序化された領域３０２Ｂは、「光通過層」を構成し、無秩序化された領域３０２Ａ，３０２Ｃは、「光閉込層」を構成する。
【０１６６】
また、秩序化された領域３０２Ｂは、「第１の超格子構造膜」を構成し、無秩序化された領域３０２Ａ，３０２Ｃは、「第２の超格子構造膜」を構成する。
【０１６７】
さらに、トンネル接合層３０６は、「電流注入層」を構成し、領域３０６Ａ，３０６Ｃは、「電流狭窄層」を構成し、領域３０６Ｃは、「電流通過層」を構成する。
【０１６８】
さらに、共振器スペーサー層３０１，３０３は、「第１の共振器スペーサー層」を構成し、共振器スペーサー層３０５，３０７は、「第２の共振器スペーサー層」を構成する。
【０１６９】
その他は、実施の形態２と同じである。
【０１７０】
上述した実施の形態１から実施の形態３においては、「無秩序化された領域」および「秩序化された領域」という文言を用いているが、この発明においては、「無秩序化された領域」とは、超格子構造膜においては、電気的に不活性な元素または結晶構成元素が入ることにより超格子の周期性がくずれている領域を言い、トンネル接合層においては、電気的に不活性な元素または結晶構成元素が入ることによりトンネル接合が破壊されている領域を言う。
【０１７１】
また、この発明においては、「秩序化された領域」とは、超格子構造膜においては、電気的に不活性な元素または結晶構成元素が入っておらず、超格子の周期性が保持されている領域を言い、トンネル接合層においては、電気的に不活性な元素または結晶構成元素が入っておらず、トンネル接合により電流が流れている領域を言う。
【０１７２】
［応用例］
図１２は、この発明による面発行レーザ素子を用いた光伝送システムの概略図である。図１２を参照して、この発明による面発行レーザ素子を用いた光伝送システム４００は、光送信モジュール４１０と、光受信モジュール４２０と、光ファイバケーブル４３０とを備える。
【０１７３】
光送信モジュール４１０は、駆動回路４１１と、面発光レーザ素子４１２とを含む。面発光レーザ素子４１２は、図８に示す面発光レーザ素子１００Ｂからなる。光受信モジュール４２０は、受光素子４２１と、受信回路４２２とを含む。駆動回路４１１は、面発光レーザ素子４１２の活性層３０４に注入する電流を変調し、面発光レーザ素子４１２から出力されるレーザ光強度を変調する。
【０１７４】
面発光レーザ素子４１２は、駆動回路４１１からの駆動に従って、変調されたレーザ光強度を有する発振光を光ファイバケーブル４３０へ放射する。光ファイバケーブル４３０は、面発光レーザ素子４１２から放射された発振光を光信号として光受信モジュール４２０へ伝搬させる。
【０１７５】
光受信モジュール４２０の受光素子４２１は、光ファイバケーブル４３０によって伝搬された光信号を受光し、その受光した光信号を電気信号に変換する。そして、受光素子４２１は、その変換した電気信号を受信回路４２２へ出力する。受信回路４２２は、受光素子４２１から受けた電気信号に対して信号増幅および波形整形等を行ない、外部へ出力する。
【０１７６】
このようにして、光伝送システム４００においては、光信号が光送信モジュール４１０から光ファイバケーブル４３０を介して光受信モジュール４２０へ伝搬され、光受信モジュール４２０において電気信号に変換されて光受信モジュール４２０の外部へ出力される。
【０１７７】
そして、光送信モジュール４１０は、光源として面発光レーザ素子４１２（＝面発光レーザ素子１００Ｂ）を備えている。面発光レーザ素子１００Ｂは、上述したように、活性層３０４における無効電流が抑制されて低閾電流で動作し、かつ、単一の横モードで安定に動作する。したがって、低消費電力で、かつ、高い伝送信頼性を有する光伝送モジュールを形成することができる。また、光伝送システム４００についても、低消費電力化および高伝送信頼性を実現できる。
【０１７８】
なお、光伝送システム４００においては、面発光レーザ素子４１２を面発光レーザ素子１００，１００Ａのいずれかによって構成してもよい。
【０１７９】
また、図１２においては、単チャネルの一方向通信の構成例を示すが、光伝送システム４００は、双方向通信、並列伝送方式および波長分割多重伝送方式等の構成を採用することも可能である。
【０１８０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１８１】
この発明は、低閾電流、かつ、単一モードで動作可能な面発光レーザ素子に適用される。また、この発明は、低閾電流、かつ、単一モードで動作可能な面発光レーザ素子を備える光伝送モジュールに適用される。さらに、この発明は、低閾電流、かつ、単一モードで動作可能な面発光レーザ素子を備える光伝送システムに適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１８２】
【図１】この発明の実施の形態１による面発光レーザ素子の概略断面図である。
【図２】図１に示す面発光レーザ素子の作製方法を示す第１の工程図である。
【図３】図１に示す面発光レーザ素子の作製方法を示す第２の工程図である。
【図４】図１に示す面発光レーザ素子の作製方法を示す第３の工程図である。
【図５】実施の形態２による面発光レーザ素子の概略断面図である。
【図６】図５に示す面発光レーザ素子の作製方法を示す第１の工程図である。
【図７】図５に示す面発光レーザ素子の作製方法を示す第２の工程図である。
【図８】実施の形態３による面発光レーザ素子の概略断面図である。
【図９】図８に示す面発光レーザ素子の作製方法を示す第１の工程図である。
【図１０】図８に示す面発光レーザ素子の作製方法を示す第２の工程図である。
【図１１】図８に示す面発光レーザ素子の作製方法を示す第３の工程図である。
【図１２】この発明による面発行レーザ素子を用いた光伝送システムの概略図である。
【符号の説明】
【０１８３】
１００，１００Ａ，１００Ｂ，４１２ 面発光レーザ素子、１０１，２０１ 基板、１０２，１０７，２０２，２０８ 反射層、１０３，１０５，２０３，２０５，３０１，３０３，３０５，３０７ 共振器スペーサー層、１０４，２０４，３０４ 活性層、１０６，２０６，３０２ 超格子構造膜、１０６Ａ，１０６Ｂ，１０６Ｃ，１０８Ｃ，２０６Ａ，２０６Ｂ，２０６Ｃ，２０７Ａ，２０７Ｂ，２０７Ｃ，３０２Ａ，３０２Ｂ，３０２Ｃ，３０６Ａ，３０６Ｂ，３０６Ｃ 領域、１０７Ａ，２０８Ａ 出射口、１０８Ａ，１０８Ｂ 高抵抗層、１０９，２０９ ｐ側電極、１１０，２１０ ｎ側電極、１２０，１２１，１５０，１５１，２２０，２２１，３２０，３２１，３４０，３４１ ＳｉＮ膜、１３０，１６０，２３０，３３０，３５０ レジストパターン、１４０ ＺｎＯ膜、２０７，３０６ トンネル接合層、４００ 光伝送システム、４１０ 光送信モジュール、４１１ 駆動回路、４２０ 光受信モジュール、４２１ 受光素子、４２２ 受信回路、４３０ 光ファイバケーブル。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、面発光レーザ素子、それを備えた光伝送モジュール、およびそれを備えた光伝送システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光伝送技術は、幹線系伝送網だけでなく、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、光アクセス系およびホームネットワークに展開されている。そして、ＬＡＮまたは光インターコネクション用の光源として、共振器型面発光レーザ素子が用いられるようになってきている。
【０００３】
共振器型面発光レーザ素子は、従来の端面型半導体レーザに比べて、低消費電力であり、また、製造工程で劈開が不用であり、ウェハ状態で素子の検査が可能であるため、低コスト化に優れた特徴を有している。
【０００４】
共振器型面発光レーザ素子では、電流を活性層の狭い領域に閉じ込めることにより、低閾電流で動作させる。また、光の横モードを安定化させるために、光を閉じ込める構造が用いられている。共振器型面発光レーザ素子における光閉じ込め構造としては、エアポスト構造、埋め込み構造、選択酸化構造、サイドエッチング構造および無秩序化構造等がこれまでに提案されている。
【０００５】
エアポスト構造および埋め込み構造では、活性層の側面で再結合電流が流れてしまうため、低閾電流化が困難である。また、選択酸化構造およびサイドエッチング構造では、構造的に脆弱であり、クラックが発生して素子が劣化する場合がある。
【０００６】
一方、無秩序化構造を用いた共振器型面発光レーザ素子としては、超格子を含む活性層を無秩序化して、バンドギャップを大きくすることにより電流を閉じ込める構造（特許文献１，２）、および面発光レーザ素子の多層膜反射鏡の一部を無秩序化することにより、横方向に実効屈折率差を形成して光を閉じ込める構造（特許文献３，４）が提案されている。
【０００７】
特許文献１，２に開示された構造では、無秩序化された領域は、屈折率が低下するため、同時に光を閉じ込める作用も有する。
【特許文献１】特開平９−２６０７７８号公報
【特許文献２】特開平９−２０５２５０号公報
【特許文献３】特許第３５４６６３０号公報
【特許文献４】特開平９−０５１１４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１，２に開示された構造では、活性層が無秩序化されるため、活性層における欠陥密度が増加し、発光に寄与しない無効電流が増加する。その結果、レーザ発振のための閾電流が増加するという問題がある。
【０００９】
また、特許文献３，４に開示された構造では、多層膜反射鏡の一部が無秩序化されて周期性が無くなると、多層膜反射鏡の反射率が低下する。その結果、無秩序化した領域と無秩序化していない領域とで実効屈折率差が大きく異なり、高次横モードが立ちやすくなってしまう。したがって、単一モード動作させるためには、狭窄面積を狭くしなければならず、面発光レーザ素子の形成が困難である。
【００１０】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、低閾電流、かつ、単一モードで動作可能な面発光レーザ素子を提供することである。
【００１１】
また、この発明の別の目的は、低閾電流、かつ、単一モードで動作可能な面発光レーザ素子を備える光伝送モジュールを提供することである。
【００１２】
さらに、この発明の別の目的は、低閾電流、かつ、単一モードで動作可能な面発光レーザ素子を備える光伝送システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明によれば、面発光レーザ素子は、活性層と、共振器スペーサー層と、反射層と、電流注入層と、光学層とを備える。共振器スペーサー層は、活性層の両側に設けられる。反射層は、共振器スペーサー層の両側に設けられ、活性層において発振した発振光を反射する。電流注入層は、電流が通過する領域を制限して活性層へ電流を注入する。光学層は、活性層および反射層以外の領域に設けられ、発振光の出射方向と略垂直な面内方向において発振光を活性層に注入される電流が通過する電流通過領域に閉じ込めるとともに、閉じ込めた発振光を出射口へ通過させる。そして、光学層は、無秩序化された超格子構造膜を用いて発振光を電流通過領域に閉じ込める。
【００１４】
好ましくは、光学層は、第１および第２の超格子構造膜を含む。第１の超格子構造膜は、電流通過領域に設けられ、秩序化されている。第２の超格子構造膜は、面内方向において第１の超格子構造膜の外側に設けられ、無秩序化されている。
【００１５】
好ましくは、第１および第２の超格子構造膜の各々は、活性層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する。
【００１６】
好ましくは、光学層は、活性層よりも出射口側に設けられる。
【００１７】
好ましくは、共振器スペーサー層は、第１および第２の共振器スペーサー層からなる。第１の共振器スペーサー層は、活性層に対して出射口と反対側に設けられる。第２の共振器スペーサー層は、活性層よりも出射口側に設けられる。反射層は、第１および第２の反射層からなる。第１の反射層は、活性層に対して出射口と反対側に設けられる。第２の反射層は、活性層よりも出射口側に設けられる。光学層は、第２の共振器スペーサー層と、第２の反射層との間に設けられる。
【００１８】
好ましくは、電流注入層は、活性層よりも出射口側に設けられる。
【００１９】
好ましくは、電流注入層は、第２の反射層中に設けられる。
【００２０】
好ましくは、電流注入層は、電流通過層と、電流狭窄層とからなる。電流通過層は、第２の反射層と同じ抵抗を有する。電流狭窄層は、面内方向において電流通過層の外側に設けられ、電流通過層よりも大きい抵抗を有する。
【００２１】
好ましくは、電流注入層は、光学層と第２の反射層との間に設けられる。
【００２２】
好ましくは、電流注入層は、光学層に接して設けられる。
【００２３】
好ましくは、電流注入層は、電流通過層と、電流狭窄層とを含む。電流通過層は、トンネル接合により電流を活性層へ通過させる。電流狭窄層は、面内方向において電流通過層の外側に設けられ、ｐ−ｎ逆接合により電流の活性層への通過を制限する。
【００２４】
好ましくは、電流注入層および前学層は、相互に活性層の反対側に設けられる。
【００２５】
好ましくは、電流注入層および光学層は、共振器スペーサー層中に設けられる。
【００２６】
好ましくは、共振器スペーサー層は、第１および第２の共振器スペーサー層からなる。第１の共振器スペーサー層は、活性層に対して出射口と反対側に設けられる。第２の共振器スペーサー層は、活性層よりも出射口側に設けられる。そして、電流注入層は、第１の共振器スペーサー層中に設けられる。また、光学層は、第２の共振器スペーサー層中に設けられる。
【００２７】
好ましくは、電流注入層は、電流通過層と、電流狭窄層とを含む。電流通過層は、トンネル接合により電流を活性層へ通過させる。電流狭窄層は、面内方向において電流通過層の外側に設けられ、ｐ−ｎ逆接合により電流の活性層への通過を制限する。
【００２８】
好ましくは、電流通過層の面積は、第１の超格子構造膜の面積よりも大きい。
【００２９】
好ましくは、第２の超格子構造膜は、電気的に不活性な元素または結晶構成元素を含む。
【００３０】
好ましくは、活性層の膜厚と共振器スペーサー層の膜厚との和は、発振光の１波長分よりも長い。
【００３１】
好ましくは、活性層は、窒素元素と、窒素元素以外のＶ族元素との両方を含む。
【００３２】
また、この発明によれば、光伝送モジュールは、請求項１から請求項１９のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子を備える光伝送モジュールである。
【００３３】
さらに、この発明によれば、光伝送システムは、請求項２０に記載の光伝送モジュールを備える光伝送システムである。
【発明の効果】
【００３４】
この発明による面発光レーザ素子においては、無秩序化された超格子構造膜を用いて発振光を電流通過領域に閉じ込める光学層は、活性層および反射層以外の領域に設けられるので、活性層における無効電流が抑制されるとともに、反射層における反射率の低下が抑制される。
【００３５】
したがって、この発明によれば、低閾電流、かつ、単一モードで面発光レーザ素子を動作させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００３７】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による面発光レーザ素子の概略断面図である。図１を参照して、この発明による実施の形態１による面発光レーザ素子１００は、基板１０１と、反射層１０２，１０７と、共振器スペーサー層１０３，１０５と、活性層１０４と、超格子構造膜１０６と、高抵抗層１０８Ａ，１０８Ｂと、ｐ側電極１０９と、ｎ側電極１１０とを備える。なお、面発光レーザ素子１００は、発振光の波長が８５０ｎｍである面発光レーザ素子である。
【００３８】
基板１０１は、ｎ型ガリウム砒素（ｎ−ＧａＡｓ）からなる。反射層１０２は、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ｎ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓの対を一周期とした場合、４０．５周期の［ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ｎ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ］からなり、基板１０１の一主面に形成される。そして、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓおよびｎ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓの各々は、発振光の波長（８５０ｎｍ）をλ１とした場合、λ１／４ｎ（ｎは半導体層の屈折率）の膜厚を有する。
【００３９】
共振器スペーサー層１０３は、ノンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなり、反射層１０２上に形成される。活性層１０４は、ＧａＡｓ／Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓの対を一周期とした場合、３周期の［ＧａＡｓ／Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］からなる多重量子井戸構造を有し、共振器スペーサー層１０３上に形成される。そして、ＧａＡｓは、６ｎｍの膜厚を有し、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓは、８ｎｍの膜厚を有する。
【００４０】
共振器スペーサー層１０５は、ノンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなり、活性層１０４上に形成される。超格子構造膜１０６は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓの対を一周期とした場合、４周期の［Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］からなり、共振器スペーサー層１０５上に形成される。そして、Ａｌ０．２Ｇａ０．８ＡｓおよびＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓの各々は、４ｎｍの膜厚を有する。
【００４１】
超格子構造膜１０６は、無秩序化された領域１０６Ａ，１０６Ｃと、秩序化された領域１０６Ｂとからなる。領域１０６Ａ，１０６Ｃの各々は、亜鉛（Ｚｎ）を含む［Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］の超格子構造膜からなり、領域１０６Ｂは、Ｚｎを含まない［Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］の超格子構造膜からなる。そして、領域１０６Ａ，１０６Ｃの各々は、領域１０６Ｂの屈折率よりも低い屈折率を有する。また、領域１０６Ｂは、発振光の出射方向ＤＲ１に略垂直な面内方向ＤＲ２において４μｍの長さを有する。
【００４２】
反射層１０７は、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓの対を一周期とした場合、２６周期の［ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ］からなり、超格子構造膜１０６上に形成される。そして、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓおよびｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓの各々は、λ１／４ｎ（ｎは半導体層の屈折率）の膜厚を有する。
【００４３】
高抵抗層１０８Ａ，１０８Ｂは、反射層１０７中に形成され、［ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ］の周期構造にプロトン（Ｈ＋）を注入した構造からなる。そして、高抵抗層１０８Ａ，１０８Ｂによって挟まれた領域１０８Ｃは、面内方向ＤＲ２において４μｍの長さを有する。
【００４４】
ｐ側電極１０９は、出射口１０７Ａを除く反射層１０７の一部に形成される。ｎ側電極１１０は、基板１０１の裏面に形成される。
【００４５】
反射層１０２，１０７の各々は、活性層１０４で発振した発振光をブラッグの多重反射により反射して活性層１０４に閉じ込める半導体分布ブラッグ反射器を構成する。そして、反射層１０２と反射層１０７との間隔は、発振波長（＝８５０ｎｍ）の１波長分の光学長になっており、反射層１０２，１０７によって挟まれた共振器スペーサー層１０３，１０５、活性層１０４および超格子構造膜１０６は、共振器を構成する。
【００４６】
超格子構造膜１０６は、活性層１０４よりも出射口１０７Ａ側において反射層１０２，１０７および活性層１０４以外の領域に形成される。そして、超格子構造膜１０６において、無秩序化された領域１０６Ａ，１０６Ｃの各々は、秩序化された領域１０６Ｂの屈折率よりも低い屈折率を有するので、超格子構造膜１０６は、活性層１０４において発振した発振光を領域１０６Ａ，１０６Ｃによって領域１０６Ｂに閉じ込めるとともに、発振光を領域１０６Ｂによって出射口１０７Ａの方向へ通過させる。これによって、面発光レーザ素子１００の横モードが安定化する。つまり、面発光レーザ素子１００において、高次発振モードが抑制され、単一の基本発振モードのみからなる発振光が放射される。
【００４７】
また、超格子構造膜１０６は、［Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］の周期構造からなり、活性層１０４は、［ＧａＡｓ／Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］の多重量子井戸構造からなるので、超格子構造膜１０６は、活性層１０４のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する。したがって、超格子構造膜１０６は、活性層１０４で発振した発振光を吸収せず、損失の低い導波路構造を形成する。
【００４８】
高抵抗層１０８Ａ，１０８Ｂは、反射層１０７の抵抗よりも高い抵抗を有するので、ｐ側電極１０９から注入された電流が活性層１０４側へ流れるのを阻止し、電流が通過する領域を領域１０８Ｃに制限する。
【００４９】
図２、図３および図４は、それぞれ、図１に示す面発光レーザ素子１００の作製方法を示す第１から第３の工程図である。図２を参照して、一連の動作が開始されると、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて、反射層１０２、共振器スペーサー層１０３、活性層１０４、共振器スペーサー層１０５および超格子構造膜１０６を基板１０１上に順次積層する（図２の工程（ａ）参照）。
【００５０】
この場合、反射層１０２のｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓおよびｎ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）およびセレン化水素（Ｈ２Ｓｅ）を原料として形成する。
【００５１】
また、共振器スペーサー層１０３のノンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアルシン（ＡｓＨ３）を原料として形成し、活性層１０４のＧａＡｓ／Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアルシン（ＡｓＨ３）を原料として形成する。
【００５２】
さらに、共振器スペーサー層１０５のノンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアルシン（ＡｓＨ３）を原料として形成し、超格子構造膜１０６のＡｌ０．２Ｇａ０．８ＡｓおよびＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアルシン（ＡｓＨ３）を原料として形成する。
【００５３】
その後、超格子構造膜１０６上にシリコンナイトライド（ＳｉＮ）膜１２０を形成し、その形成したＳｉＮ膜１２０上にパターンニングされたレジストパターン１３０を形成する（図２の工程（ｂ）参照）。この場合、レジストパターン１３０は、直径が４μｍである円形の形状を有する。
【００５４】
レジストパターン１３０を形成すると、その形成したレジストパターン１３０をマスクとして用いて、ＳｉＮ膜１２０をエッチングにより除去し、さらに、レジストパターン１３０を除去する（図２の工程（ｃ）参照）。これにより、ＳｉＮ膜１２１が超格子構造膜１０６上に形成される。
【００５５】
そして、酸化亜鉛（ＺｎＯ）膜１４０を蒸着によって超格子構造膜１０６およびＳｉＮ膜１２１上に形成し、その後、６００℃で熱処理してＺｎを超格子構造膜１０６中へ熱拡散させる（図２の（ｄ）参照）。
【００５６】
次に、図３を参照して、図２に示す工程（ｄ）において熱処理が終了し、ＳｉＮ膜１２１およびＺｎＯ膜１４０をエッチングにより除去すると、無秩序化された領域１０６Ａ，１０６Ｃと秩序化された領域１０６Ｂとが超格子構造膜１０６中に形成される（図３の（ｅ）参照）。
【００５７】
その後、反射層１０７をＭＯＣＶＤ法によって超格子構造膜１０６上に形成する（図３の（ｆ）参照）。この場合、反射層１０７のｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓおよびｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）および四臭化炭素（ＣＢｒ４）を原料として形成する。
【００５８】
そして、ＳｉＮ膜１５０を反射層１０７上に形成し、その形成したＳｉＮ膜１５０上にパターンニングされたレジストパターン１６０を形成する（図３の工程（ｇ）参照）。この場合、レジストパターン１６０は、直径が４μｍである円形の形状を有する。
【００５９】
レジストパターン１６０を形成すると、その形成したレジストパターン１６０をマスクとして用いて、ＳｉＮ膜１５０をエッチングにより除去し、さらに、レジストパターン１６０を除去する。これにより、ＳｉＮ膜１５１が反射層１０７上に形成される（図４の工程（ｈ）参照）。
【００６０】
そうすると、ＳｉＮ膜１５１をマスクとして用いて、Ｈ＋を注入し、反射層１０７中に高抵抗層１０８Ａ，１０８Ｂを形成する（図４の（ｉ）参照）。そして、ＳｉＮ１５１をエッチングにより除去し、ｐ側電極１０９を蒸着とリフトオフとによって反射層１０７上の一部に形成し、ｎ側電極１１０を蒸着により基板１０１の裏面に形成する（図４の（ｊ）参照）。これにより、面発光レーザ素子１００が完成する。
【００６１】
面発光レーザ素子１００を発振させる場合、ｐ側電極１０９およびｎ側電極１１０にリード線を接続し、電流をｐ側電極１０９から注入する。そうすると、面発光レーザ素子１００において、高抵抗層１０８Ａ，１０８Ｂは、ｐ側電極１０９から注入された電流の通過領域を領域１０８Ｃに制限して電流を活性層１０４へ注入する。
【００６２】
そして、活性層１０４に注入された電流が閾電流に達すると、活性層１０４において発振光が発生し、その発生した発振光は、反射層１０２，１０７で反射される。また、超格子構造膜１０６の領域１０６Ａ，１０６Ｃは、発振光を領域１０６Ｂに閉じ込める。その結果、発振光は、単一モードで発振し、出射口１０７Ａから放射される。
【００６３】
このように、面発光レーザ素子１００においては、高抵抗層１０８Ａ，１０８Ｂおよび領域１０８Ｃからなる層は、高抵抗層１０８Ａ，１０８Ｂによって電流の注入領域を領域１０８Ｃに制限して電流を活性層１０４に注入し、超格子構造膜１０６は、活性層１０４において発振した発振光を領域１０６Ａ，１０６Ｃによって領域１０６Ｂに閉じ込める。そして、無秩序化された領域１０６Ａ，１０６Ｃは、活性層１０４および反射層１０２，１０７以外の領域に形成されているため、活性層１０４における欠陥密度の増加が抑制される。したがって、面発光レーザ素子１００は、低閾電流で単一モードの発振光を発振できる。
【００６４】
なお、上記においては、Ｚｎを超格子構造膜１０６中へ熱拡散させて超格子構造膜１０６の無秩序化された領域１０６Ａ，１０６Ｃを形成すると説明したが、この発明においては、これに限らず、アルゴン（Ａｒ）およびクリプトン（Ｋｒ）等の電気的に不活性な元素またはガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、砒素（Ａｓ）およびリン（Ｐ）等の結晶構成元素を超格子構造膜１０６中へイオン注入し、続いてアニールすることによって無秩序化された領域１０６Ａ，１０６Ｃを形成してもよい。
【００６５】
この場合、イオン注入した元素は、アクセプターおよびドナーとして機能しないため、無秩序化された領域１０６Ａ，１０６Ｃのキャリア濃度を増加させることがない。その結果、無秩序化された領域１０６Ａ，１０６Ｃにおいて、自由キャリアによる光吸収損失が増加することがない。したがって、面発光レーザ素子１００のスロープ効率が低下せず、高効率な面発光レーザ素子を作製できる。なお、スロープ効率とは、注入電流を横軸に取り、発振光の強度を縦軸に取ったグラフにおいて、発振光の強度が注入電流に対して変化する割合を言う。
【００６６】
また、上記においては、反射層１０２と反射層１０７との間隔は、発振波長（＝８５０ｎｍ）の１波長分に設定されると説明したが、この発明においては、これに限らず、反射層１０２と反射層１０７との間隔は、発振波長（＝８５０ｎｍ）の１波長分よりも長く設定されてもよい。
【００６７】
面発光レーザ素子１００においては、活性層１０４が光定在波の腹に位置して位相整合するためには、共振器スペーサー層１０３，１０５、活性層１０４および超格子構造膜１０６からなる共振器の長さ（方向ＤＲ１における長さ）を発振波長（＝８５０ｎｍ）の光学距離の２分の１×自然数倍に設定する必要がある。そのため、面発光レーザ素子１００においては、通常、共振器の長さは、発振波長（＝８５０ｎｍ）の光学距離の１倍に設定する。
【００６８】
しかし、共振器の長さは、発振波長（＝８５０ｎｍ）の光学距離の２分の１×自然数倍に設定されていればよいので、共振器の長さを発振波長（＝８５０ｎｍ）の光学距離の１倍よりも長い距離に設定してもよい。これにより、共振器内において、超格子構造膜１０６を活性層１０４から遠ざけることが可能となり、熱拡散またはイオン注入により超格子構造を無秩序化した場合、活性層１０４まで無秩序化されることがなく、活性層１０４における無効電流が抑制され、面発光レーザ素子１００を低閾電流で動作させることができる。
【００６９】
さらに、上記においては、活性層１０４は、ＧａＡｓ／Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓの多重量子井戸構造からなると説明したが、この発明においては、これに限らず、活性層１０４は、窒素（Ｎ）と、窒素（Ｎ）以外のＶ族元素とを含む混晶半導体を用いて構成されていてもよい。
【００７０】
ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体は、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＡｌＧａＮＡｓ，ＡｌＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＰ，ＧａＩｎＮＡｓＰ，ＡｌＧａＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＮＡｓＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ，ＡｌＧａＮＡｓＳｂ，ＡｌＧａＩｎＮＡｓＳｂ，ＧａＮＡｓＰＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ，ＡｌＧａＮＡｓＰＳｂ，ＡｌＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ等からなる。
【００７１】
ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体は、石英の光ファイバの伝送に適した１．３〜１．６μｍの長波長帯のバンドギャップを有しており、ＧａＡｓ等からなる障壁層との間で伝導帯の電子を井戸層に閉じ込めるときの障壁高さを高くすることができるため、活性層１０４からの電子のオーバーフローが抑制され、ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体を活性層１０４に用いた面発光レーザ素子１００は、良好な温度特性を有する。
【００７２】
また、ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体をＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させることができるため、ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体を活性層１０４に用いた面発光レーザ素子において、多層膜反射鏡として高反射率、かつ、熱伝導率に優れたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の反射層を用いることができる。したがって、高性能な長波長帯の面発光レーザ素子を作製できる。
【００７３】
なお、超格子構造膜１０６は、「光学層」を構成し、秩序化された領域１０６Ｂは、「光通過層」を構成し、無秩序化された領域１０６Ａ，１０６Ｃは、「光閉込層」を構成する。
【００７４】
また、秩序化された領域１０６Ｂは、「第１の超格子構造膜」を構成し、無秩序化された領域１０６Ａ，１０６Ｃは、「第２の超格子構造膜」を構成する。
【００７５】
さらに、高抵抗層１０８Ａ，１０８Ｂおよび領域１０８Ｃは、「電流注入層」を構成し、領域１０８Ａ，１０８Ｂは、「電流狭窄層」を構成し、領域１０８Ｃは、「電流通過層」を構成する。
【００７６】
さらに、共振器スペーサー１０３は、「第１の共振器スペーサー層」を構成し、共振器スペーサー１０５は、「第２の共振器スペーサー層」を構成する。
【００７７】
さらに、反射層１０２は、「第１の反射層」を構成し、反射素１０７は、「第２の反射層」を構成する。
【００７８】
［実施の形態２］
図５は、実施の形態２による面発光レーザ素子の概略断面図である。図５を参照して、実施の形態２による面発光レーザ素子１００Ａは、基板２０１と、反射層２０２，２０８と、共振器スペーサー層２０３，２０５と、活性層２０４と、超格子構造膜２０６と、トンネル接合層２０７と、ｐ側電極２０９と、ｎ側電極２１０とを備える。なお、面発光レーザ素子１００Ａは、発振光の波長λ２が９８０ｎｍである面発光レーザ素子である。
【００７９】
基板２０１は、ｎ−ＧａＡｓからなる。反射層２０２は、ｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの対を一周期とした場合、４０．５周期の［ｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ］からなり、基板２０１の一主面に形成される。そして、ｎ−ＧａＡｓおよびｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの各々は、λ２／４ｎ（ｎは半導体層の屈折率）の膜厚を有する。
【００８０】
共振器スペーサー層２０３は、ｎ−ＧａＡｓからなり、反射層２０２上に形成される。活性層２０４は、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓの対を一周期とした場合、３周期の［ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ］からなる多重量子井戸構造を有し、共振器スペーサー層２０３上に形成される。そして、ＧａＩｎＡｓは、８ｎｍの膜厚を有し、ＧａＡｓは、１０ｎｍの膜厚を有する。
【００８１】
共振器スペーサー層２０５は、ｐ−ＧａＡｓからなり、活性層２０４上に形成される。超格子構造膜２０６は、ｐ−ＧａＡｓ／ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓの対を一周期とした場合、４周期の［ｐ−ＧａＡｓ／ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］からなり、共振器スペーサー層２０５上に形成される。そして、ｐ−ＧａＡｓおよびｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓの各々は、４ｎｍの膜厚を有する。
【００８２】
超格子構造膜２０６は、無秩序化された領域２０６Ａ，２０６Ｃと、秩序化された領域２０６Ｂとからなる。領域２０６Ａ，２０６Ｃの各々は、Ｇａイオンを注入した［ｐ−ＧａＡｓ／ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］の超格子構造膜からなり、領域２０６Ｂは、Ｇａイオンを注入していない［ｐ−ＧａＡｓ／ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］の超格子構造膜からなる。そして、領域２０６Ａ，２０６Ｃの各々は、領域２０６Ｂの屈折率よりも低い屈折率を有する。また、領域２０６Ｂは、面内方向ＤＲ２において４μｍの長さを有する。
【００８３】
トンネル接合層２０７は、ｐ型高ドープＧａＡｓ（ｐ＋−ＧａＡｓ）／ｎ型高ドープＧａＡｓ（ｎ＋−ＧａＡｓ）からなり、超格子構造膜２０６上に形成される。この場合、ｐ＋−ＧａＡｓが超格子構造膜２０６側に形成される。そして、ｐ＋−ＧａＡｓおよびｎ＋−ＧａＡｓの各々の膜厚は、１０ｎｍであり、ｐ＋−ＧａＡｓは、１×１０２０ｃｍ−３のカーボン（Ｃ）がドーピングされており、ｎ＋−ＧａＡｓは、３×１０１９ｃｍ−３のシリコン（Ｓｉ）がドーピングされている。
【００８４】
トンネル接合層２０７は、無秩序化された領域２０７Ａ，２０７Ｃと、秩序化された領域２０７Ｂとからなる。領域２０７Ａ，２０７Ｃの各々は、Ｇａイオンを注入した［ｐ＋−ＧａＡｓ／ｎ＋−ＧａＡｓ］からなり、領域２０７Ｂは、Ｇａイオンを注入していない［ｐ＋−ＧａＡｓ／ｎ＋−ＧａＡｓ］からなる。
【００８５】
領域２０７Ａ，２０７Ｃの各々は、トンネル接合の領域において、高濃度にドーピングした不純物（Ｃ，Ｓｉ）が相互に拡散し、キャリア濃度が低下するため、トンネル接合が破壊されている。したがって、領域２０７Ａ，２０７Ｃにおいては、ｐｎ逆バイアス接合により、電流が流れなくなり、電流阻止構造が形成される。
【００８６】
その結果、電流は、無秩序化されていない領域２０７Ｂのトンネル接合の領域に狭窄されて活性層２０４に注入される。なお、領域２０７Ｂは、面内方向ＤＲ２において４μｍの長さを有する。
【００８７】
反射層２０８は、ｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの対を一周期とした場合、２６周期の［ｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ］からなり、トンネル接合層２０７上に形成される。そして、ｎ−ＧａＡｓおよびｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの各々は、λ２／４ｎ（ｎは半導体層の屈折率）の膜厚を有する。
【００８８】
ｐ側電極２０９は、出射口２０８Ａを除く反射層２０８の一部に形成される。ｎ側電極２１０は、基板２０１の裏面に形成される。
【００８９】
反射層２０２，２０８の各々は、活性層２０４で発振した発振光をブラッグの多重反射により反射して活性層２０４に閉じ込める半導体分布ブラッグ反射器を構成する。そして、反射層２０２と反射層２０８との間隔は、発振波長（＝９８０ｎｍ）の１波長分の光学長になっており、反射層２０２，２０８によって挟まれた共振器スペーサー層２０３，２０５、活性層２０４、超格子構造膜２０６およびトンネル接合層２０７は、共振器を構成する。
【００９０】
超格子構造膜２０６は、活性層２０４よりも出射口２０８Ａ側において反射層２０２，２０８および活性層２０４以外の領域に形成される。そして、超格子構造膜２０６において、無秩序化された領域２０６Ａ，２０６Ｃの各々は、秩序化された領域２０６Ｂの屈折率よりも低い屈折率を有するので、超格子構造膜２０６は、活性層２０４において発振した発振光を領域２０６Ａ，２０６Ｃによって領域２０６Ｂに閉じ込めるとともに、発振光を領域２０６Ｂによって出射口２０８Ａの方向へ通過させる。これによって、面発光レーザ素子１００Ａの横モードが安定化する。つまり、面発光レーザ素子１００Ａにおいて、高次発振モードが抑制され、単一の基本発振モードのみからなる発振光が放射される。
【００９１】
また、超格子構造膜２０６は、［ｐ−ＧａＡｓ／ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］の周期構造からなり、活性層２０４は、［ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ］の多重量子井戸構造からなるので、超格子構造膜２０６は、活性層２０４のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する。したがって、超格子構造膜２０６は、活性層２０４で発振した発振光を吸収せず、損失の低い導波路構造を形成する。
【００９２】
トンネル接合層２０７は、超格子構造膜２０６に接して形成される。その結果、領域２０７Ａ，２０７Ｂ，２０７Ｃは、それぞれ、超格子構造膜２０６の領域２０６Ａ，２０６Ｂ，２０６Ｃに接して形成される。そして、トンネル接合層２０７の領域２０７Ａ，２０７Ｃは、トンネル接合が破壊され、ｐｎ逆接合による電流阻止構造を形成しているので、ｐ側電極２０９から注入された電流が活性層２０４側へ流れるのを阻止し、電流が通過する領域を領域２０７Ｂに制限する。
【００９３】
図６および図７は、それぞれ、図５に示す面発光レーザ素子１００Ａの作製方法を示す第１および第２の工程図である。図６を参照して、一連の動作が開始されると、ＭＯＣＶＤ法を用いて、反射層２０２、共振器スペーサー層２０３、活性層２０４、共振器スペーサー層２０５、超格子構造膜２０６およびトンネル接合層２０７を基板２０１上に順次積層する（図６の工程（ａ）参照）。
【００９４】
この場合、反射層２０２のｎ−ＧａＡｓおよびｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）およびセレン化水素（Ｈ２Ｓｅ）を原料として形成する。
【００９５】
また、共振器スペーサー層２０３のｎ−ＧａＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）およびシラン（ＳｉＨ４）を原料として形成し、活性層２０４のＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）およびアルシン（ＡｓＨ３）を原料として形成する。
【００９６】
さらに、共振器スペーサー層２０５のｐ−ＧａＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）および四臭化炭素（ＣＢｒ４）を原料として形成し、超格子構造膜２０６のｐ−ＧａＡｓおよびｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）および四臭化炭素（ＣＢｒ４）を原料として形成する。
【００９７】
さらに、トンネル接合層２０７のｐ＋−ＧａＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）および四臭化炭素（ＣＢｒ４）を原料として形成し、ｎ＋−ＧａＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）およびシラン（ＳｉＨ４）を原料として形成する。
【００９８】
その後、トンネル接合層２０７上にＳｉＮ膜２２０を形成し、その形成したＳｉＮ膜２２０上にパターンニングされたレジストパターン２３０を形成する（図６の工程（ｂ）参照）。この場合、レジストパターン２３０は、直径が４μｍである円形の形状を有する。
【００９９】
レジストパターン２３０を形成すると、その形成したレジストパターン２３０をマスクとして用いて、ＳｉＮ膜２２０をエッチングにより除去し、さらに、レジストパターン２３０を除去する（図６の工程（ｃ）参照）。これにより、ＳｉＮ膜２２１がトンネル接合層２０７上に形成される。そして、ＳｉＮ膜２２１をマスクとしてＧａイオンをイオン注入する（図６の（ｄ）参照）。
【０１００】
次に、図７を参照して、図６に示す工程（ｄ）においてイオン注入が終了し、ＳｉＮ膜２２１をエッチングにより除去すると、無秩序化された領域２０６Ａ，２０６Ｃと秩序化された領域２０６Ｂとが超格子構造膜２０６中に形成され、無秩序化された領域２０７Ａ，２０７Ｃと秩序化された領域２０７Ｂとがトンネル接合層２０７中に形成される（図７の（ｅ）参照）。
【０１０１】
その後、反射層２０８をＭＯＣＶＤ法によってトンネル接合層２０７上に形成する（図７の（ｆ）参照）。この場合、反射層２０８のｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）およびシラン（ＳｉＨ４）を原料として形成する。
【０１０２】
そして、ｐ側電極２０９を蒸着とリフトオフとによって反射層２０８上の一部に形成し、ｎ側電極２１０を蒸着により基板２０１の裏面に形成する（図７の（ｇ）参照）。これにより、面発光レーザ素子１００Ａが完成する。
【０１０３】
面発光レーザ素子１００Ａを発振させる場合、ｐ側電極２０９およびｎ側電極２１０にリード線を接続し、電流をｐ側電極２０９から注入する。そうすると、面発光レーザ素子１００Ａにおいて、トンネル接合層２０７の領域２０７Ａ，２０７Ｃは、ｐ側電極２０９から注入された電流の通過領域を領域２０７Ｃに制限して電流を活性層２０４へ注入する。
【０１０４】
そして、活性層２０４に注入された電流が閾電流に達すると、活性層２０４において発振光が発生し、その発生した発振光は、反射層２０２，２０８で反射される。また、超格子構造膜２０６の領域２０６Ａ，２０６Ｃは、発振光を領域２０６Ｂに閉じ込める。その結果、発振光は、単一モードで発振し、出射口２０８Ａから放射される。
【０１０５】
このように、面発光レーザ素子１００Ａにおいては、トンネル接合層２０７は、領域２０７Ａ，２０７Ｃによって電流の注入領域を領域２０７Ｂに制限して電流を活性層２０４に注入し、超格子構造膜２０６は、活性層２０４において発振した発振光を領域２０６Ａ，２０６Ｃによって領域２０６Ｂに閉じ込める。そして、無秩序化された領域２０６Ａ，２０６Ｃ；２０７Ａ，２０７Ｃは、活性層２０４および反射層２０２，２０８以外の領域に形成されているため、活性層２０４における欠陥密度の増加が抑制される。したがって、面発光レーザ素子１００Ａは、低閾電流で単一モードの発振光を発振できる。
【０１０６】
また、面発光レーザ素子１００Ａの超格子構造膜２０６およびトンネル接合層２０７は、一部の領域２０６Ａ，２０６Ｃ；２０７Ａ，２０７Ｃが１回の工程で同時に無秩序化されるため（図６の（ｄ）および図７の（ｅ）参照）、面発光レーザ素子１００Ａの製造工程が容易になる。
【０１０７】
さらに、超格子構造膜２０６およびトンネル接合層２０７の一部の領域２０６Ａ，２０６Ｃ；２０７Ａ，２０７Ｃを無秩序化するために、キャリア濃度を増加させないＧａイオンを用いている。したがって、領域２０６Ａ，２０６Ｃ；２０７Ａ，２０７Ｃのキャリア濃度を増加させないことにより、領域２０６Ａ，２０６Ｃ；２０７Ａ，２０７Ｃにおいて、自由キャリアによる光吸収損失が増加することがない。その結果、面発光レーザ素子１００Ａのスロープ効率が低下することがなく、高効率な面発光レーザ素子を作製できる。
【０１０８】
なお、上記においては、Ｇａイオンを超格子構造膜２０６およびトンネル接合層２０７中へイオン注入して超格子構造膜２０６およびトンネル接合層２０７の無秩序化された領域２０６Ａ，２０６Ｃ；２０７Ａ，２０７Ｃを形成すると説明したが、この発明においては、これに限らず、アルゴン（Ａｒ）およびクリプトン（Ｋｒ）等の電気的に不活性な元素またはアルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、砒素（Ａｓ）およびリン（Ｐ）等の結晶構成元素を超格子構造膜２０６およびトンネル接合層２０７中へイオン注入することによって無秩序化された領域２０６Ａ，２０６Ｃ；２０７Ａ，２０７Ｃを形成してもよい。
【０１０９】
この場合、イオン注入した元素は、アクセプターおよびドナーとして機能しないため、無秩序化された領域２０６Ａ，２０６Ｃ；２０７Ａ，２０７Ｃのキャリア濃度を増加させることがない。その結果、無秩序化された領域２０６Ａ，２０６Ｃ；２０７Ａ，２０７Ｃにおいて、自由キャリアによる光吸収損失が増加することがない。したがって、面発光レーザ素子１００Ａのスロープ効率が低下せず、高効率な面発光レーザ素子を作製できる。
【０１１０】
また、上記においては、反射層２０２と反射層２０８との間隔は、発振波長（＝９８０ｎｍ）の１波長分に設定されると説明したが、この発明においては、これに限らず、反射層２０２と反射層２０８との間隔は、発振波長（＝９８０ｎｍ）の１波長分よりも長く設定されてもよい。
【０１１１】
面発光レーザ素子１００Ａにおいては、活性層２０４が光定在波の腹に位置して位相整合するためには、共振器スペーサー層２０３，２０５、活性層２０４、超格子構造膜２０６およびトンネル接合層２０７からなる共振器の長さ（方向ＤＲ１における長さ）を発振波長（＝９８０ｎｍ）の光学距離の２分の１×自然数倍に設定する必要がある。そのため、面発光レーザ素子１００Ａにおいては、通常、共振器の長さは、発振波長（＝９８０ｎｍ）の光学距離の１倍に設定する。
【０１１２】
しかし、共振器の長さは、発振波長（＝９８０ｎｍ）の光学距離の２分の１×自然数倍に設定されていればよいので、共振器の長さを発振波長（＝９８０ｎｍ）の光学距離の１倍よりも長い距離に設定してもよい。これにより、共振器内において、超格子構造膜２０６およびトンネル接合層２０７を活性層２０４から遠ざけることが可能となり、イオン注入により超格子構造およびトンネル接合を無秩序化した場合、活性層２０４まで無秩序化されることがなく、活性層２０４における無効電流が抑制され、面発光レーザ素子１００Ａを低閾電流で動作させることができる。
【０１１３】
さらに、上記においては、活性層２０４は、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓの多重量子井戸構造からなると説明したが、この発明においては、これに限らず、活性層２０４は、Ｎと、Ｎ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体を用いて構成されていてもよい。
【０１１４】
ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体は、実施の形態１において説明した混晶半導体からなる。ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体は、石英の光ファイバの伝送に適した１．３〜１．６μｍの長波長帯のバンドギャップを有しており、ＧａＡｓ等からなる障壁層との間で伝導帯の電子を井戸層に閉じ込めるときの障壁高さを高くすることができるため、活性層２０４からの電子のオーバーフローが抑制され、ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体を活性層２０４に用いた面発光レーザ素子１００Ａは、良好な温度特性を有する。
【０１１５】
また、ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体をＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させることができるため、ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体を活性層２０４に用いた面発光レーザ素子において、多層膜反射鏡として高反射率、かつ、熱伝導率に優れたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系（特に、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ）の反射層を用いることができる。したがって、高性能な長波長帯の面発光レーザ素子を作製できる。
【０１１６】
なお、超格子構造膜２０６は、「光学層」を構成し、秩序化された領域２０６Ｂは、「光通過層」を構成し、無秩序化された領域２０６Ａ，２０６Ｃは、「光閉込層」を構成する。
【０１１７】
また、秩序化された領域２０６Ｂは、「第１の超格子構造膜」を構成し、無秩序化された領域２０６Ａ，２０６Ｃは、「第２の超格子構造膜」を構成する。
【０１１８】
さらに、トンネル接合層２０７は、「電流注入層」を構成し、領域２０７Ａ，２０７Ｃは、「電流狭窄層」を構成し、領域２０７Ｃは、「電流通過層」を構成する。
【０１１９】
さらに、共振器スペーサー層２０３は、「第１の共振器スペーサー層」を構成し、共振器スペーサー層２０５は、「第２の共振器スペーサー層」を構成する。
【０１２０】
さらに、反射層２０２は、「第１の反射層」を構成し、反射層２０８は、「第２の反射層」を構成する。
【０１２１】
［実施の形態３］
図８は、実施の形態３による面発光レーザ素子の概略断面図である。図８を参照して、実施の形態３による面発光レーザ素子１００Ｂは、図５に示す面発光レーザ素子１００Ａの共振器スペーサー層２０３，２０５、活性層２０４、超格子構造膜２０６およびトンネル接合層２０７を共振器スペーサー層３０１，３０３，３０５，３０７、超格子構造膜３０２、活性層３０４およびトンネル接合層３０６に代えたものであり、その他は、面発光レーザ素子１００Ａと同じである。なお、面発光レーザ素子１００Ｂは、発振光の波長λ３が１３００ｎｍである面発光レーザ素子である。
【０１２２】
共振器スペーサー層３０１は、ｎ−ＧａＡｓからなり、反射層２０２上に形成される。超格子構造膜３０２は、ｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓの対を一周期とした場合、４周期の［ｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］からなり、共振器スペーサー層３０１上に形成される。そして、ｎ−ＧａＡｓおよびｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓの各々は、４ｎｍの膜厚を有する。
【０１２３】
超格子構造膜３０２は、無秩序化された領域３０２Ａ，３０２Ｃと、秩序化された領域３０２Ｂとからなる。領域３０２Ａ，３０２Ｃの各々は、Ｇａイオンを注入した［ｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］の超格子構造膜からなり、領域３０２Ｂは、Ｇａイオンを注入していない［ｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］の超格子構造膜からなる。そして、領域３０２Ａ，３０２Ｃの各々は、領域３０２Ｂの屈折率よりも低い屈折率を有する。また、領域３０２Ｂは、面内方向ＤＲ２において３μｍの長さを有する。
【０１２４】
共振器スペーサー層３０３は、ｎ−ＧａＡｓからなり、超格子構造膜３０２上に形成される。活性層３０４は、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓの対を一周期とした場合、３周期の［ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ］からなる多重量子井戸構造を有し、共振器スペーサー層３０３上に形成される。そして、ＧａＩｎＮＡｓは、８ｎｍの膜厚を有し、ＧａＡｓは、１５ｎｍの膜厚を有する。
【０１２５】
共振器スペーサー層３０５は、ｐ−ＧａＡｓからなり、活性層３０４上に形成される。トンネル接合層３０６は、ｐ＋−ＧａＡｓ／ｎ＋−ＧａＡｓからなり、共振器スペーサー層３０５上に形成される。この場合、ｐ＋−ＧａＡｓが共振器スペーサー層３０５側に形成される。そして、ｐ＋−ＧａＡｓおよびｎ＋−ＧａＡｓの各々の膜厚は、１０ｎｍであり、ｐ＋−ＧａＡｓは、１×１０２０ｃｍ−３のＣがドーピングされており、ｎ＋−ＧａＡｓは、３×１０１９ｃｍ−３のＳｉがドーピングされている。
【０１２６】
トンネル接合層３０６は、無秩序化された領域３０６Ａ，３０６Ｃと、秩序化された領域３０６Ｂとからなる。領域３０６Ａ，３０６Ｃの各々は、Ｇａイオンを注入した［ｐ＋−ＧａＡｓ／ｎ＋−ＧａＡｓ］からなり、領域３０６Ｂは、Ｇａイオンを注入していない［ｐ＋−ＧａＡｓ／ｎ＋−ＧａＡｓ］からなる。
【０１２７】
領域３０６Ａ，３０６Ｃの各々は、トンネル接合の領域において、高濃度にドーピングした不純物（Ｃ，Ｓｉ）が相互に拡散し、キャリア濃度が低下するため、トンネル接合が破壊されている。したがって、領域３０６Ａ，３０６Ｃにおいては、ｐｎ逆バイアス接合により、電流が流れなくなり、電流阻止構造が形成される。
【０１２８】
その結果、電流は、無秩序化されていない領域３０６Ｂのトンネル接合の領域に狭窄されて活性層３０４に注入される。なお、領域３０６Ｂは、面内方向ＤＲ２において５μｍの長さを有する。したがって、面発光レーザ素子１００Ｂにおいては、トンネル接合層３０６の領域３０６Ｂは、超格子構造膜３０２の領域３０２Ｂよりも広くなっている。
【０１２９】
共振器スペーサー層３０７は、ｎ−ＧａＡｓからなり、トンネル接合層３０６上に形成される。
【０１３０】
なお、面発光レーザ素子１００Ｂにおいては、反射層２０２，２０８の各々を構成するｎ−ＧａＡｓおよびｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの各々は、λ３／４ｎ（ｎは半導体層における屈折率）の膜厚を有する。
【０１３１】
面発光レーザ素子１００Ｂにおいては、反射層２０２と反射層２０８との間隔は、発振波長（＝１３００ｎｍ）の３波長分の光学長になっており、反射層２０２，２０８によって挟まれた共振器スペーサー層３０１，３０３，３０５，３０７、超格子構造膜３０２、活性層３０４、およびトンネル接合層３０６は、共振器を構成する。
【０１３２】
超格子構造膜３０２において、無秩序化された領域３０２Ａ，３０２Ｃの各々は、秩序化された領域３０２Ｂの屈折率よりも低い屈折率を有するので、超格子構造膜３０２は、活性層３０４において発振した発振光を領域３０２Ａ，３０２Ｃによって領域３０２Ｂに閉じ込めるとともに、発振光を領域３０２Ｂによって出射口２０８Ａの方向へ通過させる。これによって、面発光レーザ素子１００Ｂの横モードが安定化する。つまり、面発光レーザ素子１００Ｂにおいて、高次発振モードが抑制され、単一の基本発振モードのみからなる発振光が放射される。
【０１３３】
また、超格子構造膜３０２は、［ｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ］の周期構造からなり、活性層３０４は、［ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ］の多重量子井戸構造からなるので、超格子構造膜３０２は、活性層３０４のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する。したがって、超格子構造膜３０２は、活性層３０４で発振した発振光を吸収せず、損失の低い導波路構造を形成する。
【０１３４】
トンネル接合層３０６の領域３０６Ａ，３０６Ｃは、トンネル接合が破壊され、電流阻止構造を形成しているので、ｐ側電極２０９から注入された電流が活性層３０４側へ流れるのを阻止し、電流が通過する領域を領域３０６Ｂに制限する。
【０１３５】
面発光レーザ素子１００Ｂにおいては、反射層２０２，２０８および活性層３０４以外の領域において、超格子構造膜３０２は、活性層３０４よりも基板２０１側に形成され、トンネル接合層３０６は、活性層３０４よりも出射口２０８Ａ側に形成される。すなわち、超格子構造膜３０２およびトンネル接合層３０６は、反射層２０２，２０８および活性層３０４以外の領域において、相互に活性層３０４の反対側に形成される。
【０１３６】
そして、共振器スペーサー層３０１，３０３を１つの共振器スペーサー層と考え、共振器スペーサー層３０５，３０７を１つの共振器スペーサー層と考えた場合、超格子構造膜３０２およびトンネル接合層３０６は、共振器スペーサー層中に形成されることになる。
【０１３７】
図９、図１０および図１１は、それぞれ、図８に示す面発光レーザ素子１００Ｂの作製方法を示す第１から第３の工程図である。図９を参照して、一連の動作が開始されると、ＭＯＣＶＤ法を用いて、反射層２０２、共振器スペーサー層３０１および超格子構造膜３０２を基板２０１上に順次積層する（図９の工程（ａ）参照）。
【０１３８】
この場合、反射層２０２のｎ−ＧａＡｓおよびｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）およびセレン化水素（Ｈ２Ｓｅ）を原料として形成する。
【０１３９】
また、共振器スペーサー層３０１のｎ−ＧａＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）およびシラン（ＳｉＨ４）を原料として形成し、超格子構造膜３０２のｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）およびシラン（ＳｉＨ４）を原料として形成する。
【０１４０】
その後、超格子構造膜３０２上にＳｉＮ膜３２０を形成し、その形成したＳｉＮ膜３２０上にパターンニングされたレジストパターン３３０を形成する（図９の工程（ｂ）参照）。この場合、レジストパターン３３０は、直径が３μｍである円形の形状を有する。
【０１４１】
レジストパターン３３０を形成すると、その形成したレジストパターン３３０をマスクとして用いて、ＳｉＮ膜３２０をエッチングにより除去し、さらに、レジストパターン３３０を除去する。これにより、ＳｉＮ膜３２１が超格子構造膜３０２上に形成される。そして、ＳｉＮ膜３２１をマスクとしてＧａイオンをイオン注入し（図９の（ｃ）参照）、引き続いて、７００℃で熱処理してＧａイオンを注入した領域の結晶性を回復する。そして、ＳｉＮ膜３２１をエッチングにより除去すると、無秩序化された領域３０２Ａ，３０２Ｃおよび秩序化された領域３０２Ｂが超格子構造膜３０２中に形成される（図９の（ｄ）参照）。
【０１４２】
次に、図１０を参照して、図９に示す工程（ｄ）が終了すると、ＭＯＣＶＤ法により、共振器スペーサー層３０３、活性層３０４、共振器スペーサー層３０５およびトンネル接合層３０６を超格子構造膜３０２上に順次積層する（図１０の（ｅ）参照）。
【０１４３】
この場合、共振器スペーサー層３０３のｎ−ＧａＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）およびシラン（ＳｉＨ４）を原料として形成し、活性層３０４のＧａＩｎＮＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）およびアルシン（ＡｓＨ３）を原料として形成し、活性層３０４のＧａＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアルシン（ＡｓＨ３）を原料として形成する。
【０１４４】
また、共振器スペーサー層３０５のｐ−ＧａＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）および四臭化炭素（ＣＢｒ４）を原料として形成し、トンネル接合層３０６のｐ＋−ＧａＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）および四臭化炭素（ＣＢｒ４）を原料として形成し、トンネル接合層３０６のｎ＋−ＧａＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）およびシラン（ＳｉＨ４）を原料として形成する。
【０１４５】
その後、トンネル接合層３０６上にＳｉＮ膜３４０を形成し、その形成したＳｉＮ膜３４０上にパターンニングされたレジストパターン３５０を形成する（図１０の工程（ｆ）参照）。この場合、レジストパターン３５０は、直径が５μｍである円形の形状を有する。
【０１４６】
レジストパターン３５０を形成すると、その形成したレジストパターン３５０をマスクとして用いて、ＳｉＮ膜３４０をエッチングにより除去し、さらに、レジストパターン３５０を除去する。これにより、ＳｉＮ膜３４１がトンネル接合層３０６上に形成される。そして、ＳｉＮ膜３４１をマスクとしてＧａイオンをイオン注入し（図１０の（ｇ）参照）、引き続いて、アニール処理する。その後、ＳｉＮ膜３４１をエッチングにより除去すると、無秩序化された領域３０６Ａ，３０６Ｃおよび秩序化された領域３０６Ｂがトンネル接合層３０６中に形成される（図１０の（ｈ）参照）。
【０１４７】
図１１を参照して、図１０に示す工程（ｈ）が終了すると、ＭＯＣＶＤ法により、共振器スペーサー層３０７および反射層２０８をトンネル接合層３０６上に順次積層する（図１１の（ｉ）参照）。
【０１４８】
この場合、共振器スペーサー層３０７のｎ−ＧａＡｓをトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）およびシラン（ＳｉＨ４）を原料として形成し、反射層２０８のｎ−ＧａＡｓおよびｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓをトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ３）およびシラン（ＳｉＨ４）を原料として形成する。
【０１４９】
そして、ｐ側電極２０９を蒸着とリフトオフとによって反射層２０８上の一部に形成し、ｎ側電極２１０を蒸着により基板２０１の裏面に形成する（図１１の（ｊ）参照）。これにより、面発光レーザ素子１００Ｂが完成する。
【０１５０】
面発光レーザ素子１００Ｂを発振させる場合、ｐ側電極２０９およびｎ側電極２１０にリード線を接続し、電流をｐ側電極２０９から注入する。そうすると、面発光レーザ素子１００Ｂにおいて、トンネル接合層３０６の領域３０６Ａ，３０６Ｃは、ｐ側電極２０９から注入された電流の通過領域を領域３０６Ｃに制限して電流を活性層３０４へ注入する。
【０１５１】
そして、活性層３０４に注入された電流が閾電流に達すると、活性層３０４において発振光が発生し、その発生した発振光は、反射層２０２，２０８で反射される。また、超格子構造膜３０２の領域３０２Ａ，３０２Ｃは、発振光を領域３０２Ｂに閉じ込める。その結果、発振光は、単一モードで発振し、出射口２０８Ａから放射される。
【０１５２】
このように、面発光レーザ素子１００Ｂにおいては、トンネル接合層３０６は、領域３０６Ａ，３０６Ｃによって電流の注入領域を領域３０６Ｂに制限して電流を活性層３０４に注入し、超格子構造膜３０２は、活性層３０４において発振した発振光を領域３０２Ａ，３０２Ｃによって領域３０２Ｂに閉じ込める。そして、無秩序化された領域３０２Ａ，３０２Ｃ；３０６Ａ，３０６Ｃは、活性層３０４および反射層２０２，２０８以外の領域に形成されているため、活性層３０４における欠陥密度の増加が抑制される。したがって、面発光レーザ素子１００Ｂは、低閾電流で単一モードの発振光を発振できる。
【０１５３】
また、面発光レーザ素子１００Ｂのトンネル接合層３０６の領域３０６Ｂは、超格子構造膜３０２の領域３０２Ｂよりも広くなるように形成されているため、面発光レーザ素子１００Ｂの発光領域が広くなる。その結果、面発光レーザ素子１００Ｂの発光強度を向上させることができる。
【０１５４】
さらに、面発光レーザ素子１００Ｂにおいては、反射層２０２と反射層２０８との間隔は、発振波長（＝１３００ｎｍ）の１波長分よりも長い３波長分に設定することを特徴としている。
【０１５５】
面発光レーザ素子１００Ｂにおいては、活性層３０４が光定在波の腹に位置して位相整合するためには、共振器スペーサー層３０１，３０３，３０５，３０７、超格子構造膜３０２、活性層３０４およびトンネル接合層３０６からなる共振器の長さ（方向ＤＲ１における長さ）を発振波長（＝１３００ｎｍ）の光学距離の２分の１×自然数倍に設定する必要がある。そのため、面発光レーザ素子１００Ｂにおいては、通常、共振器の長さは、発振波長（＝１３００ｎｍ）の光学距離の１倍に設定する。
【０１５６】
しかし、共振器の長さは、発振波長（＝１３００ｎｍ）の光学距離の２分の１×自然数倍に設定されていればよいので、共振器の長さを発振波長（＝１３００ｎｍ）の光学距離の１倍よりも長い距離に設定してもよい。これにより、共振器内において、超格子構造膜３０２およびトンネル接合層３０６を活性層３０４から遠ざけることが可能となり、イオン注入により超格子構造およびトンネル接合を無秩序化した場合、活性層３０４まで無秩序化されることがなく、活性層３０４における無効電流が抑制され、面発光レーザ素子１００Ｂを低閾電流で動作させることができる。
【０１５７】
さらに、超格子構造膜３０２およびトンネル接合層３０６の一部の領域３０２Ａ，３０２Ｃ；３０６Ａ，３０６Ｃを無秩序化するために、キャリア濃度を増加させないＧａイオンを用いている。したがって、領域３０２Ａ，３０２Ｃ；３０６Ａ，３０６Ｃのキャリア濃度を増加させないことにより、領域３０２Ａ，３０２Ｃ；３０６Ａ，３０６Ｃにおいて、自由キャリアによる光吸収損失が増加することがない。その結果、面発光レーザ素子１００Ｂのスロープ効率が低下することがなく、高効率な面発光レーザ素子を作製できる。
【０１５８】
なお、上記においては、Ｇａイオンを超格子構造膜３０２およびトンネル接合層３０６中へイオン注入して超格子構造膜３０２およびトンネル接合層３０６の無秩序化された領域３０２Ａ，３０２Ｃ；３０６Ａ，３０６Ｃを形成すると説明したが、この発明においては、これに限らず、アルゴン（Ａｒ）およびクリプトン（Ｋｒ）等の電気的に不活性な元素またはアルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、砒素（Ａｓ）およびリン（Ｐ）等の結晶構成元素を超格子構造膜３０２およびトンネル接合層３０６中へイオン注入することによって無秩序化された領域３０２Ａ，３０２Ｃ；３０６Ａ，３０６Ｃを形成してもよい。
【０１５９】
この場合、イオン注入した元素は、アクセプターおよびドナーとして機能しないため、無秩序化された領域３０２Ａ，３０２Ｃ；３０６Ａ，３０６Ｃのキャリア濃度を増加させることがない。その結果、無秩序化された領域３０２Ａ，３０２Ｃ；３０６Ａ，３０６Ｃにおいて、自由キャリアによる光吸収損失が増加することがない。したがって、面発光レーザ素子１００Ｂのスロープ効率が低下せず、高効率な面発光レーザ素子を作製できる。
【０１６０】
また、上記においては、超格子構造膜３０２は、反射層２０２，２０８および活性層３０４以外の領域において、活性層３０４よりも基板２０１側に形成され、トンネル接合層３０６は、活性層３０４よりも出射口２０８Ａ側に形成されると説明したが、この発明においては、これに限らず、超格子構造膜３０２は、反射層２０２，２０８および活性層３０４以外の領域において、活性層３０４よりも出射口２０８Ａ側に形成され、トンネル接合層３０６は、活性層３０４よりも基板２０１側に形成されてもよい。
【０１６１】
この場合、超格子構造膜３０２の領域３０２Ｂの直径は、トンネル接合層３０６の領域３０６Ｂの直径よりも大きい値に設定される。
【０１６２】
さらに、上記においては、活性層３０４は、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓの多重量子井戸構造からなると説明したが、この発明においては、これに限らず、活性層３０４は、ＧａＩｎＮＡｓ以外の、ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体を用いて構成されていてもよい。
【０１６３】
ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体は、実施の形態１において説明した混晶半導体からなる。ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体は、石英の光ファイバの伝送に適した１．３〜１．６μｍの長波長帯のバンドギャップを有しており、ＧａＡｓ等からなる障壁層との間で伝導帯の電子を井戸層に閉じ込めるときの障壁高さを３００ｍｅＶ以上に高くすることができるため、活性層３０４からの電子のオーバーフローが抑制され、ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体を活性層３０４に用いた面発光レーザ素子１００Ｂは、良好な温度特性を有する。
【０１６４】
また、ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体をＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させることができるため、ＮとＮ以外のＶ族元素とを含む混晶半導体を活性層３０４に用いた面発光レーザ素子において、多層膜反射鏡として高反射率、かつ、熱伝導率に優れたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系（特に、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ）の反射層を用いることができる。したがって、高性能な長波長帯の面発光レーザ素子を作製できる。
【０１６５】
なお、超格子構造膜３０２は、「光学層」を構成し、秩序化された領域３０２Ｂは、「光通過層」を構成し、無秩序化された領域３０２Ａ，３０２Ｃは、「光閉込層」を構成する。
【０１６６】
また、秩序化された領域３０２Ｂは、「第１の超格子構造膜」を構成し、無秩序化された領域３０２Ａ，３０２Ｃは、「第２の超格子構造膜」を構成する。
【０１６７】
さらに、トンネル接合層３０６は、「電流注入層」を構成し、領域３０６Ａ，３０６Ｃは、「電流狭窄層」を構成し、領域３０６Ｃは、「電流通過層」を構成する。
【０１６８】
さらに、共振器スペーサー層３０１，３０３は、「第１の共振器スペーサー層」を構成し、共振器スペーサー層３０５，３０７は、「第２の共振器スペーサー層」を構成する。
【０１６９】
その他は、実施の形態２と同じである。
【０１７０】
上述した実施の形態１から実施の形態３においては、「無秩序化された領域」および「秩序化された領域」という文言を用いているが、この発明においては、「無秩序化された領域」とは、超格子構造膜においては、電気的に不活性な元素または結晶構成元素が入ることにより超格子の周期性がくずれている領域を言い、トンネル接合層においては、電気的に不活性な元素または結晶構成元素が入ることによりトンネル接合が破壊されている領域を言う。
【０１７１】
また、この発明においては、「秩序化された領域」とは、超格子構造膜においては、電気的に不活性な元素または結晶構成元素が入っておらず、超格子の周期性が保持されている領域を言い、トンネル接合層においては、電気的に不活性な元素または結晶構成元素が入っておらず、トンネル接合により電流が流れている領域を言う。
【０１７２】
［応用例］
図１２は、この発明による面発行レーザ素子を用いた光伝送システムの概略図である。図１２を参照して、この発明による面発行レーザ素子を用いた光伝送システム４００は、光送信モジュール４１０と、光受信モジュール４２０と、光ファイバケーブル４３０とを備える。
【０１７３】
光送信モジュール４１０は、駆動回路４１１と、面発光レーザ素子４１２とを含む。面発光レーザ素子４１２は、図８に示す面発光レーザ素子１００Ｂからなる。光受信モジュール４２０は、受光素子４２１と、受信回路４２２とを含む。駆動回路４１１は、面発光レーザ素子４１２の活性層３０４に注入する電流を変調し、面発光レーザ素子４１２から出力されるレーザ光強度を変調する。
【０１７４】
面発光レーザ素子４１２は、駆動回路４１１からの駆動に従って、変調されたレーザ光強度を有する発振光を光ファイバケーブル４３０へ放射する。光ファイバケーブル４３０は、面発光レーザ素子４１２から放射された発振光を光信号として光受信モジュール４２０へ伝搬させる。
【０１７５】
光受信モジュール４２０の受光素子４２１は、光ファイバケーブル４３０によって伝搬された光信号を受光し、その受光した光信号を電気信号に変換する。そして、受光素子４２１は、その変換した電気信号を受信回路４２２へ出力する。受信回路４２２は、受光素子４２１から受けた電気信号に対して信号増幅および波形整形等を行ない、外部へ出力する。
【０１７６】
このようにして、光伝送システム４００においては、光信号が光送信モジュール４１０から光ファイバケーブル４３０を介して光受信モジュール４２０へ伝搬され、光受信モジュール４２０において電気信号に変換されて光受信モジュール４２０の外部へ出力される。
【０１７７】
そして、光送信モジュール４１０は、光源として面発光レーザ素子４１２（＝面発光レーザ素子１００Ｂ）を備えている。面発光レーザ素子１００Ｂは、上述したように、活性層３０４における無効電流が抑制されて低閾電流で動作し、かつ、単一の横モードで安定に動作する。したがって、低消費電力で、かつ、高い伝送信頼性を有する光伝送モジュールを形成することができる。また、光伝送システム４００についても、低消費電力化および高伝送信頼性を実現できる。
【０１７８】
なお、光伝送システム４００においては、面発光レーザ素子４１２を面発光レーザ素子１００，１００Ａのいずれかによって構成してもよい。
【０１７９】
また、図１２においては、単チャネルの一方向通信の構成例を示すが、光伝送システム４００は、双方向通信、並列伝送方式および波長分割多重伝送方式等の構成を採用することも可能である。
【０１８０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１８１】
この発明は、低閾電流、かつ、単一モードで動作可能な面発光レーザ素子に適用される。また、この発明は、低閾電流、かつ、単一モードで動作可能な面発光レーザ素子を備える光伝送モジュールに適用される。さらに、この発明は、低閾電流、かつ、単一モードで動作可能な面発光レーザ素子を備える光伝送システムに適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１８２】
【図１】この発明の実施の形態１による面発光レーザ素子の概略断面図である。
【図２】図１に示す面発光レーザ素子の作製方法を示す第１の工程図である。
【図３】図１に示す面発光レーザ素子の作製方法を示す第２の工程図である。
【図４】図１に示す面発光レーザ素子の作製方法を示す第３の工程図である。
【図５】実施の形態２による面発光レーザ素子の概略断面図である。
【図６】図５に示す面発光レーザ素子の作製方法を示す第１の工程図である。
【図７】図５に示す面発光レーザ素子の作製方法を示す第２の工程図である。
【図８】実施の形態３による面発光レーザ素子の概略断面図である。
【図９】図８に示す面発光レーザ素子の作製方法を示す第１の工程図である。
【図１０】図８に示す面発光レーザ素子の作製方法を示す第２の工程図である。
【図１１】図８に示す面発光レーザ素子の作製方法を示す第３の工程図である。
【図１２】この発明による面発行レーザ素子を用いた光伝送システムの概略図である。
【符号の説明】
【０１８３】
１００，１００Ａ，１００Ｂ，４１２ 面発光レーザ素子、１０１，２０１ 基板、１０２，１０７，２０２，２０８ 反射層、１０３，１０５，２０３，２０５，３０１，３０３，３０５，３０７ 共振器スペーサー層、１０４，２０４，３０４ 活性層、１０６，２０６，３０２ 超格子構造膜、１０６Ａ，１０６Ｂ，１０６Ｃ，１０８Ｃ，２０６Ａ，２０６Ｂ，２０６Ｃ，２０７Ａ，２０７Ｂ，２０７Ｃ，３０２Ａ，３０２Ｂ，３０２Ｃ，３０６Ａ，３０６Ｂ，３０６Ｃ 領域、１０７Ａ，２０８Ａ 出射口、１０８Ａ，１０８Ｂ 高抵抗層、１０９，２０９ ｐ側電極、１１０，２１０ ｎ側電極、１２０，１２１，１５０，１５１，２２０，２２１，３２０，３２１，３４０，３４１ ＳｉＮ膜、１３０，１６０，２３０，３３０，３５０ レジストパターン、１４０ ＺｎＯ膜、２０７，３０６ トンネル接合層、４００ 光伝送システム、４１０ 光送信モジュール、４１１ 駆動回路、４２０ 光受信モジュール、４２１ 受光素子、４２２ 受信回路、４３０ 光ファイバケーブル。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、
前記活性層を挟む共振器スペーサー層と、
前記活性層および前記共振器スペーサー層を挟み、前記活性層において発振した発振光を反射する反射層と、
電流が通過する領域を制限して前記活性層へ電流を注入する電流注入層と、
前記活性層および前記反射層以外の領域に設けられ、前記発振光の出射方向と略垂直な面内方向において前記発振光を前記活性層に注入される電流が通過する電流通過領域に閉じ込めるとともに、前記閉じ込めた発振光を出射口へ通過させる光学層とを備え、
前記光学層は、無秩序化された超格子構造膜を用いて前記発振光を前記電流通過領域に閉じ込める、面発光レーザ素子。
【請求項２】
前記光学層は、
前記電流通過領域に設けられ、秩序化された第１の超格子構造膜と、
前記面内方向において前記第１の超格子構造膜の外側に設けられ、無秩序化された第２の超格子構造膜とを含む、請求項１に記載の面発光レーザ素子。
【請求項３】
前記第１および第２の超格子構造膜の各々は、前記活性層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する、請求項２に記載の面発光レーザ素子。
【請求項４】
前記光学層は、前記活性層よりも前記出射口側に設けられる、請求項２または請求項３に記載の面発光レーザ素子。
【請求項５】
前記共振器スペーサー層は、
前記活性層に対して前記出射口と反対側に設けられた第１の共振器スペーサー層と、
前記活性層よりも前記出射口側に設けられた第２の共振器スペーサー層とからなり、
前記反射層は、
前記活性層に対して前記出射口と反対側に設けられた第１の反射層と、
前記活性層よりも前記出射口側に設けられた第２の反射層とからなり、
前記光学層は、前記第２の共振器スペーサー層と、前記第２の反射層との間に設けられる、請求項４に記載の面発光レーザ素子。
【請求項６】
前記電流注入層は、前記活性層よりも前記出射口側に設けられる、請求項４または請求項５に記載の面発光レーザ素子。
【請求項７】
前記電流注入層は、前記第２の反射層中に設けられる、請求項６に記載の面発光レーザ素子。
【請求項８】
前記電流注入層は、
前記第２の反射層と同じ抵抗を有する電流通過層と、
前記面内方向において前記電流通過層の外側に設けられ、前記電流通過層よりも大きい抵抗を有する電流狭窄層とからなる、請求項７に記載の面発光レーザ素子。
【請求項９】
前記電流注入層は、前記光学層と前記第２の反射層との間に設けられる、請求項６に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１０】
前記電流注入層は、前記光学層に接して設けられる、請求項９に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１１】
前記電流注入層は、
トンネル接合により前記電流を前記活性層へ通過させる電流通過層と、
前記面内方向において前記電流通過層の外側に設けられ、ｐ−ｎ逆接合により前記電流の前記活性層への通過を制限する電流狭窄層とを含む、請求項９または請求項１０に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１２】
前記電流注入層および前記光学層は、相互に前記活性層の反対側に設けられる、請求項２または請求項３に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１３】
前記電流注入層および前記光学層は、前記共振器スペーサー層中に設けられる、請求項１２に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１４】
前記共振器スペーサー層は、
前記活性層に対して前記出射口と反対側に設けられた第１の共振器スペーサー層と、
前記活性層よりも前記出射口側に設けられた第２の共振器スペーサー層とからなり、
前記電流注入層は、前記第１の共振器スペーサー層中に設けられ、
前記光学層は、前記第２の共振器スペーサー層中に設けられる、請求項１３に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１５】
前記電流注入層は、
トンネル接合により前記電流を前記活性層へ通過させる電流通過層と、
前記面内方向において前記電流通過層の外側に設けられ、ｐ−ｎ逆接合により前記電流の前記活性層への通過を制限する電流狭窄層とを含む、請求項１４に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１６】
前記電流通過層の面積は、前記第１の超格子構造膜の面積よりも大きい、請求項１５に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１７】
前記第２の超格子構造膜は、電気的に不活性な元素または結晶構成元素を含む、請求項３から請求項１６のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１８】
前記活性層の膜厚と前記共振器スペーサー層の膜厚との和は、前記発振光の１波長分よりも長い、請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１９】
前記活性層は、窒素元素と、前記窒素元素以外のＶ族元素との両方を含む、請求項１から請求項１８のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
【請求項２０】
請求項１から請求項１９のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子を備える光伝送モジュール。
【請求項２１】
請求項２０に記載の光伝送モジュールを備える光伝送システム。
【請求項１】
活性層と、
前記活性層を挟む共振器スペーサー層と、
前記活性層および前記共振器スペーサー層を挟み、前記活性層において発振した発振光を反射する反射層と、
電流が通過する領域を制限して前記活性層へ電流を注入する電流注入層と、
前記活性層および前記反射層以外の領域に設けられ、前記発振光の出射方向と略垂直な面内方向において前記発振光を前記活性層に注入される電流が通過する電流通過領域に閉じ込めるとともに、前記閉じ込めた発振光を出射口へ通過させる光学層とを備え、
前記光学層は、無秩序化された超格子構造膜を用いて前記発振光を前記電流通過領域に閉じ込める、面発光レーザ素子。
【請求項２】
前記光学層は、
前記電流通過領域に設けられ、秩序化された第１の超格子構造膜と、
前記面内方向において前記第１の超格子構造膜の外側に設けられ、無秩序化された第２の超格子構造膜とを含む、請求項１に記載の面発光レーザ素子。
【請求項３】
前記第１および第２の超格子構造膜の各々は、前記活性層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する、請求項２に記載の面発光レーザ素子。
【請求項４】
前記光学層は、前記活性層よりも前記出射口側に設けられる、請求項２または請求項３に記載の面発光レーザ素子。
【請求項５】
前記共振器スペーサー層は、
前記活性層に対して前記出射口と反対側に設けられた第１の共振器スペーサー層と、
前記活性層よりも前記出射口側に設けられた第２の共振器スペーサー層とからなり、
前記反射層は、
前記活性層に対して前記出射口と反対側に設けられた第１の反射層と、
前記活性層よりも前記出射口側に設けられた第２の反射層とからなり、
前記光学層は、前記第２の共振器スペーサー層と、前記第２の反射層との間に設けられる、請求項４に記載の面発光レーザ素子。
【請求項６】
前記電流注入層は、前記活性層よりも前記出射口側に設けられる、請求項４または請求項５に記載の面発光レーザ素子。
【請求項７】
前記電流注入層は、前記第２の反射層中に設けられる、請求項６に記載の面発光レーザ素子。
【請求項８】
前記電流注入層は、
前記第２の反射層と同じ抵抗を有する電流通過層と、
前記面内方向において前記電流通過層の外側に設けられ、前記電流通過層よりも大きい抵抗を有する電流狭窄層とからなる、請求項７に記載の面発光レーザ素子。
【請求項９】
前記電流注入層は、前記光学層と前記第２の反射層との間に設けられる、請求項６に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１０】
前記電流注入層は、前記光学層に接して設けられる、請求項９に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１１】
前記電流注入層は、
トンネル接合により前記電流を前記活性層へ通過させる電流通過層と、
前記面内方向において前記電流通過層の外側に設けられ、ｐ−ｎ逆接合により前記電流の前記活性層への通過を制限する電流狭窄層とを含む、請求項９または請求項１０に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１２】
前記電流注入層および前記光学層は、相互に前記活性層の反対側に設けられる、請求項２または請求項３に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１３】
前記電流注入層および前記光学層は、前記共振器スペーサー層中に設けられる、請求項１２に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１４】
前記共振器スペーサー層は、
前記活性層に対して前記出射口と反対側に設けられた第１の共振器スペーサー層と、
前記活性層よりも前記出射口側に設けられた第２の共振器スペーサー層とからなり、
前記電流注入層は、前記第１の共振器スペーサー層中に設けられ、
前記光学層は、前記第２の共振器スペーサー層中に設けられる、請求項１３に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１５】
前記電流注入層は、
トンネル接合により前記電流を前記活性層へ通過させる電流通過層と、
前記面内方向において前記電流通過層の外側に設けられ、ｐ−ｎ逆接合により前記電流の前記活性層への通過を制限する電流狭窄層とを含む、請求項１４に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１６】
前記電流通過層の面積は、前記第１の超格子構造膜の面積よりも大きい、請求項１５に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１７】
前記第２の超格子構造膜は、電気的に不活性な元素または結晶構成元素を含む、請求項３から請求項１６のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１８】
前記活性層の膜厚と前記共振器スペーサー層の膜厚との和は、前記発振光の１波長分よりも長い、請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１９】
前記活性層は、窒素元素と、前記窒素元素以外のＶ族元素との両方を含む、請求項１から請求項１８のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
【請求項２０】
請求項１から請求項１９のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子を備える光伝送モジュール。
【請求項２１】
請求項２０に記載の光伝送モジュールを備える光伝送システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−２２１０２３（Ｐ２００７−２２１０２３Ａ）
【公開日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−４１９３８（Ｐ２００６−４１９３８）
【出願日】平成１８年２月２０日（２００６．２．２０）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月２０日（２００６．２．２０）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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