面発光レーザ素子
【課題】 高出力と基本横モード発振の両立が容易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１０は、順次に積層された第１の反射層１２、ｎ型スペーサ層１３、活性層１４、およびｐ型スペーサ層１５を有する。このｐ型スペーサ層上には、第１のトンネル接合構造１８と、第１のトンネル接合構造から離間した第２のトンネル接合構造１９が設けられている。これらのトンネル接合構造は、第２のスペーサ層上に設けられたｎ型スペーサ層２５によって覆われている。このｎ型スペーサ層上には、第２の反射層２８が形成されている。各トンネル接合構造は、ｐ型の下部層２０とｎ型の上部層２１とを含んでいる。
【解決手段】 面発光レーザ素子１０は、順次に積層された第１の反射層１２、ｎ型スペーサ層１３、活性層１４、およびｐ型スペーサ層１５を有する。このｐ型スペーサ層上には、第１のトンネル接合構造１８と、第１のトンネル接合構造から離間した第２のトンネル接合構造１９が設けられている。これらのトンネル接合構造は、第２のスペーサ層上に設けられたｎ型スペーサ層２５によって覆われている。このｎ型スペーサ層上には、第２の反射層２８が形成されている。各トンネル接合構造は、ｐ型の下部層２０とｎ型の上部層２１とを含んでいる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、トンネル接合構造を有する面発光レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記の非特許文献１には、ｐｎ接合構造中にトンネル接合構造を埋め込んだ面発光レーザ素子が開示されている。ｐｎ接合構造に対して逆方向に電流を注入すると、トンネル接合構造にだけ電流が流れ、活性層に流入する。トンネル接合構造の屈折率は、その周囲の層の屈折率よりも高いため、トンネル接合構造は光導波路のコアとしての機能を持つ。活性層で発生した光は、この光導波路を通って光共振器内を繰り返し往復し、レーザ発振を起こす。
【非特許文献１】ニシヤマ（Nishiyama）ほか５名、「ＭＯＣＶＤによって成長させたＩｎＰ上の高効率長波長ＶＣＳＥＬ（High efficiency long wavelength VCSEL on InP grown by MOCVD）、エレクトロニクス・レターズ（ElectronicsLetters）、第３９巻、第５号、４３７−４３９頁、２００３年３月６日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
面発光レーザ素子に対しては、高出力と基本横モード発振（横単一モード発振）の両立が要望されている。高出力化のためには、より多くの電流を活性層に注入できるように、トンネル接合面の径を大きくすることが好ましい。上記の面発光レーザ素子では、トンネル接合面の直径が５μｍのときは、基本横モード発振を実現することができる。しかし、直径をより大きくすると、基本横モードだけでなく、より高次の横モードもレーザ発振を起こしてしまう。
【０００４】
そこで、本発明は、高出力と基本横モード発振の両立が容易な面発光レーザ素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る面発光レーザ素子は、第１の反射層と、第１の反射層上に設けられた第１のスペーサ層と、第１のスペーサ層上に設けられた活性層と、活性層上に設けられた第２のスペーサ層と、第２のスペーサ層上に設けられた第１のトンネル接合構造と、第２のスペーサ層上に設けられ、第１のトンネル接合構造から離間した第２のトンネル接合構造と、第２のスペーサ層上に設けられ、第１および第２のトンネル接合構造を覆い、第１の導電型を有する第３のスペーサ層と、第３のスペーサ層上に設けられた第２の反射層とを備えている。第１および第２のトンネル接合構造の各々は、第２のスペーサ層上に設けられ第２の導電型を有する下部層と、この下部層上に設けられ第１の導電型を有する上部層とを含んでいる。
【０００６】
面発光レーザ素子の動作時に第１および第２のトンネル接合構造に電流が流れると、第１のトンネル接合構造だけでなく第２のトンネル接合構造も発熱する。このため、第１のトンネル接合構造から第２のトンネル接合構造へ向かう方向の熱勾配は、第１のトンネル接合構造が単独で設けられている場合に比べて緩やかになる。これに応じて屈折率勾配も緩やかになるので、その方向での熱レンズ効果の収束作用が抑えられる。これにより、高次横モードがレーザ発振を起こしにくくなるので、第１のトンネル接合構造におけるトンネル接合面の面積を大きくしても、横多モード発振が起こりにくい。したがって、この面発光レーザ素子は、高出力と基本横モード発振の両立が容易である。
【０００７】
第２のトンネル接合構造は、第１のトンネル接合構造を包囲する環状体であってもよい。
【０００８】
第２のトンネル接合構造によって第１のトンネル接合構造を包囲することで、第１のトンネル接合構造からその外側に向かう任意の方向で熱勾配および屈折率勾配が緩やかになる。この結果、熱レンズ効果の収束作用が大きく抑えられ、高次横モードがレーザ発振を極めて起こしにくくなるので、高出力と基本横モード発振の両立がいっそう容易になる。
【０００９】
第１のトンネル接合構造は、楕円形の平面形状を有していてもよい。第２のトンネル接合構造は、第１のトンネル接合構造を楕円状に包囲する環状体であってもよい。
【００１０】
第１のトンネル接合構造が楕円形であるため、直線偏光したレーザ光を生成することが可能になる。第２のトンネル接合構造によって第１のトンネル接合構造を包囲することで、第１のトンネル接合構造からその外側に向かう任意の方向で熱勾配および屈折率勾配が緩やかになる。この結果、直線偏光したレーザ光を生成する場合でも、熱レンズ効果の収束作用を抑え、高出力と基本横モード発振を容易に両立できるようになる。
【００１１】
本発明の面発光レーザ素子は、第２のスペーサ層上に設けられ、第１および第２のトンネル接合構造から離間した第３のトンネル接合構造を更に備えていてもよい。第３のトンネル接合構造は、第２のスペーサ層上に設けられ第２の導電型を有する下部層と、この下部層上に設けられ第１の導電型を有する上部層とを含んでいてもよい。第１のトンネル接合構造は、円形の平面形状を有しており、第２および第３のトンネル接合構造は、第１のトンネル接合構造の平面形状の中心を通る一つの直線上において、第１のトンネル接合構造をその両側から挟むように配置されていてもよい。
【００１２】
第１〜第３のトンネル接合構造に電流が流れて発熱が起こると、第２および第３のトンネル接合構造が並ぶ方向と、その方向に直交する方向とでは熱分布および屈折率分布が異なることになる。このため、活性層で生成された互いに直交する二つの偏光間で群速度に差が生じる。その結果、これらの直交偏光間で利得差が生じるので、第１〜第３のトンネル接合構造の寸法や配置を適切に設定すれば、一方の偏光のみをレーザ発振させることができる。このように、この面発光レーザ素子は、第１のトンネル接合構造が円形であるにもかかわらず、直線偏光されたレーザ光を生成することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高出力と基本横モード発振の両立が容易な面発光レーザ素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
第１実施形態
図１は、本発明の第１の実施形態に係る面発光レーザ素子１０を示す縦断面図であり、ここで、（ａ）は面発光レーザ素子１０の全体を示し、（ｂ）は面発光レーザ素子１０に含まれるトンネル接合構造１８および１９を拡大して示している。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った面発光レーザ素子１０の横断面図である。このレーザ素子１０は、垂直共振器型の面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）素子である。
【００１６】
面発光レーザ素子１０は、ｎ型半導体からなる基板１１を有しており、この基板１１の一方の主面、すなわち上面には、反射層として分布ブラッグ反射器（Distributed Bragg Reflector。以下、「ＤＢＲ」）１２が設けられている。基板１１は、ｎ型のＧａＡｓからなる。ＤＢＲ１２は、ｎ型ドーパントとしてＳｉがドープされたＧａＡｓ層の上にＡｌＧａＡｓ層（Ａｌの組成比は０．９）を重ねた積層体を３３周期積み重ねた構造を有している。
【００１７】
ＤＢＲ１２の上面には、スペーサ層１３、活性層１４、およびスペーサ層１５が順次に積層されている。スペーサ層１３はｎ型半導体からなり、スペーサ層１５はｐ型半導体からなる。具体的には、スペーサ層１３は、ＳｉがドープされたＧａＡｓからなる。活性層１４は、ＩｎＧａＡｓ（Ｉｎの組成比は０．２）からなり、三重量子井戸（Triple Quantum Well：ＴＱＷ）構造を有している。スペーサ層１５は、ｐ型ドーパントとしてＣがドープされたＡｌＧａＡｓ（Ａｌの組成比は０．２）からなる。
【００１８】
ｐ型スペーサ層１５の上面には、二つのトンネル接合構造１８、１９が設けられている。図２に示すように、トンネル接合構造１８は円形の平面形状を有しており、トンネル接合構造１９は、トンネル接合構造１８を包囲する円環形の平面形状を有している。これらのトンネル接合構造１８，１９は、互いに同軸に配置されている。各トンネル接合構造の高さ（厚さ）は３０ｎｍである。図１（ｂ）に示すように、各トンネル接合構造は、ｐ型スペーサ層１５の上面に直接形成された下部層２０と、下部層２０の上面に直接形成された上部層２１からなる。下部層２０と上部層２１との界面はトンネル接合４０を成している。下部層２０はｐ型半導体からなり、上部層２１はｎ型半導体からなる。具外的には、下部層２０は、ｐ型ドーパントとしてＣがドープされたＩｎＧａＡｓ（Ｉｎの組成比は０．１）からなり、上部層２１は、ｎ型ドーパントとしてＳｉがドープされたＩｎＧａＡｓ（Ｉｎの組成比は０．１）からなる。
【００１９】
更に、ｐ型スペーサ層１５の上面には、トンネル接合構造１８、１９を覆うように、ｎ型半導体からなるスペーサ層２５が直接形成されている。このｎ型スペーサ層２５は、ＳｉがドープされたＧａＡｓからなる。ｐ型スペーサ層１５とｎ型スペーサ層２５との界面はｐｎ接合を成している。
【００２０】
ｎ型スペーサ層２５の上面には、コンタクト層２６および上部電極２７が順次に形成されている。また、基板１１の上面とは反対側の主面、すなわち底面の全体には、下部電極３０が形成されている。上部電極２７はアノードであり、下部電極３０はカソードである。コンタクト層２６は、ＳｉがドープされたＧａＡｓからなる。図２に示すように、コンタクト層２６および上部電極２７は円環形の平面形状を有している。
【００２１】
ｎ型スペーサ層２５の上面には、更に、反射層としてＤＢＲ２８が設けられている。コンタクト層２６および上部電極２７の開口は、このＤＢＲ２８によって充填されている。ＤＢＲ２８は、Ａｌ２Ｏ３層の上にアモルファスＳｉ層を重ねた積層体を４周期積み重ねた構造を有している。
【００２２】
下側のＤＢＲ１２と上側のＤＢＲ２８は、光共振器を形成する。この光共振器は、基板１１の主面に垂直な光軸を有している。基板１１の主面に垂直な方向に沿ってＤＢＲ２８を上方から見ると、トンネル接合構造１８および１９は、ＤＢＲ２８の下方に配置され、ＤＢＲ２８によって覆われている。ＤＢＲ２８は、トンネル接合構造１８、１９と同軸に配置されている。したがって、光共振器の光軸、トンネル接合構造１８の中心軸、およびトンネル接合構造１９の開口の中心軸は、同一直線上に配置されている。光共振器の光軸は、トンネル接合構造１８とは交差するが、トンネル接合構造１９とは交差しない。
【００２３】
上部電極２７および下部電極３０を介して面発光レーザ素子１０に電流を流すと、ＤＢＲ２８からレーザ光が出射する。この電流は、ｐ型スペーサ層１５およびｎ型スペーサ層２５からなるｐｎ接合に対して逆方向に供給されるので、このｐｎ接合によって遮断されるが、トンネル効果によってトンネル接合構造１８および１９を通過することはできる。このように、面発光レーザ素子１０は、ｎ型スペーサ層２５中においてトンネル接合構造１８および１９でのみ電流が流れるという電流狭窄構造を有している。
【００２４】
活性層１４にキャリアが注入されると、活性層１４で光が発生する。トンネル接合構造１８、１９は、ｎ型スペーサ層２５より高い屈折率を有しているので、光導波路のコアとしての機能も有する。したがって、活性層１４で発生した光は、ｎ型スペーサ層２５中において、主にトンネル接合構造１８および１９を通過する。この光は、ＤＢＲ１２および２８によって繰り返し反射されて活性層１４を通過し、そこで増幅される。この結果、最終的にレーザ発振が起こる。
【００２５】
以下では、図３および図４を参照しながら、面発光レーザ素子１０の製造方法を説明する。まず、図３（ａ）に示すように、ＭＯＶＰＥ法を用いて、基板１１上に下側ＤＢＲ層１２、ｎ型スペーサ層１３、活性層１４、ｐ型スペーサ層１５、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層２０ａ、およびｎ型ＩｎＧａＡｓ層２１ａを順次に形成する。層２０ａおよび２１ａは、ｐ型スペーサ層１５の上面全体を覆う連続したトンネル接合構造２２を成しており、トンネル接合構造１８および１９の母体となる。
【００２６】
次に、リアクタから基板１１を取り出し、ｎ型ＩｎＧａＡｓ層２１の上面全体にレジスト２４を塗布する。図３（ｂ）に示すように、このレジスト２４は、トンネル接合構造１８および１９（図２を参照）と同じ平面形状を有するように、フォトリソグラフィによってパターニングされる。
【００２７】
続いて、図３（ｃ）に示すように、パターンニングされたレジスト２４をマスクとして用いてトンネル接合構造２２をウェットエッチングし、トンネル接合構造１８および１９を形成する。この後、基板１１を洗浄してから再びリアクタに搬入し、図４（ｄ）に示すように、ＭＯＶＰＥ法を用いてｎ型スペーサ層２５を形成し、更にｎ型スペーサ層２５の上面全体にコンタクト層２６ａを形成する。続いて、コンタクト層２６ａの上面に、開口２７ａを有する円環形の上部電極２７を形成すると共に、基板１１の下面全体に下部電極３０を形成する。
【００２８】
次に、図４（ｅ）に示すように、コンタクト層２６ａのうち上部電極２７の開口２７ａから露出する部分のみをウェットエッチングにより除去し、円環形のコンタクト層２６を得る。この後、コンタクト層２６および上部電極２７の各開口を充填するようにＤＢＲを蒸着し、上部電極２７上のＤＢＲをリフトオフ法によって除去してＤＢＲ２８を形成する。こうして面発光レーザ素子１０が完成する。
【００２９】
本発明者は、面発光レーザ素子１０を作製すると共に、比較用の面発光レーザ素子も作製し、各々の特性を調べた。後述する図７（ａ）に示すように、比較用レーザ素子５０は、面発光レーザ素子１０からトンネル接合構造１９を取り除いた構造を有している。各レーザ素子において、トンネル接合構造１８の直径Ｄは７μｍである。また、トンネル接合構造１９は、内径が１１μｍ、外径が１５μｍの円環であり、その幅Ｗは２μｍである。
【００３０】
図５は、面発光レーザ素子１０および比較用レーザ素子５０の室温での電流−光出力特性を示している。ここで、実線は面発光レーザ素子１０の特性を示し、破線は比較用レーザ素子５０の特性を示している。比較用レーザ素子５０の室温での最大光出力は３．０ｍＷであるのに対し、面発光レーザ素子１０の最大光出力は４．９ｍＷである。面発光レーザ素子１０の出力がより大きいのは、トンネル接合構造１９の分だけトンネル接合の面積が大きく、それに応じて電流注入面積が大きくなり、結果として、より多くのキャリアが活性層１４に注入されるためである。
【００３１】
図６は、面発光レーザ素子１０および比較用レーザ素子５０の電流に対する横モード抑圧比の変化を示している。ここで、丸印および三角印は、様々な電流の下で測定された面発光レーザ素子１０および比較用レーザ素子５０の横モード抑圧比をそれぞれ示している。比較用レーザ素子５０では、いずれの電流値でも横モード抑圧比が３０ｄＢに達しておらず、マルチモード発振が行われていることが分かる。一方、面発光レーザ素子１０では、その出力に熱飽和が見られるような電流値の下でも、横モード抑圧比が３０ｄＢ以上を維持しており、いずれの電流値でも基本横モード発振が行われている。
【００３２】
このように、面発光レーザ素子１０は比較用レーザ素子５０に比べて電流注入面積が大きいにもかかわらず、基本横モード発振が確保されている。以下では、図７および図８を参照しながら、この理由を説明する。ここで、図７（ａ）は、面発光レーザ素子５０の縦断面図であり、図７（ｂ）は、面発光レーザ素子５０内の熱分布を図７（ａ）に対応させて表す概略図である。図８（ａ）は、面発光レーザ素子１０の縦断面図であり、図８（ｂ）は、面発光レーザ素子１０内の熱分布を図８（ａ）に対応させて表す概略図である。
【００３３】
トンネル接合を利用した電流狭窄構造を有する面発光レーザ素子では、電流がトンネル接合構造を通過して流れるが、トンネル接合構造は抵抗体であるため、電流が流れると発熱する。この発熱は、比較用レーザ素子５０では、トンネル接合構造１８の径方向に沿って図７（ｂ）に示すようなガウス型の熱分布（温度分布）５０ａを形成する。トンネル接合構造１８の周縁部は電流の流れない領域に接しているため、トンネル接合構造１８の中央部に比べて温度が低い。トンネル接合構造１８の外側の領域でも、トンネル接合構造１８の中心軸から遠ざかるにつれて温度が低下する。
【００３４】
比較用レーザ素子５０の屈折率は、熱分布５０ａに応じて変化する。つまり、図７（ｂ）の５０ａは、比較用レーザ素子５０の屈折率分布をも表している。比較用レーザ素子５０の屈折率は、熱分布５０ａに対応して、トンネル接合構造１８の中心軸から遠ざかるにつれて低下する。こうして、ガウス型の屈折率分布５０ａが形成される。この屈折率分布５０ａは、「熱レンズ効果」と呼ばれる現象を発生させ、光共振器内を伝播する光を収束させる。この熱レンズ効果は、基本横モードだけでなく、より高次の横モード４２も収束させる。この結果、比較用レーザ素子５０では、基本横モードと高次横モード間の損失差が減少し、基本横モードだけでなく、高次横モードまでもがレーザ発振を起こしたと考えられる。
【００３５】
これに対し、面発光レーザ素子１０では、トンネル接合構造１８に加えて、その外側に設けたもう一つのトンネル接合構造１９が電流によって発熱する。このため、トンネル接合構造１８からトンネル接合構造１９へ向かう任意の方向において熱勾配が緩やかになり、それに応じて屈折率勾配も緩やかになる。トンネル接合構造１９はトンネル接合構造１８から離間しているため、面発光レーザ素子１０の屈折率は、トンネル接合構造１８の中心軸から遠ざかるにつれて一旦、減少する。しかし、トンネル接合構造１９に近づくにつれて温度が上昇し、それに伴い屈折率も上昇する。したがって、図８（ｂ）に示すように、面発光レーザ素子１０の熱分布および屈折率分布１０ａはガウス型ではなくなる。
【００３６】
屈折率分布１０ａは、トンネル接合構造１８の中心軸上にピークを有すると共に、トンネル接合構造１９に対応する径方向位置にもピークを有する。基本横モードは、トンネル接合構造１８の中心軸上にピークを有するガウス型の光パワー分布を有するので、屈折率分布１０ａによって十分に収束され、レーザ発振を起こす。しかし、より高次の横モードは、その光パワーのピークがトンネル接合構造１８の中心軸から径方向にずれるため、トンネル接合構造１９に対応する屈折率ピークの影響を比較的強く受ける。このため、高次横モードに対しては熱レンズ効果の収束作用が抑えられ、図８（ｂ）に示すように、高次横モード４２の回折損失が増加する。これにより、高次横モードがレーザ発振に至らず、結果として、比較用レーザ素子５０と同じトンネル接合構造１８を有するにもかかわらず、基本横モード発振が維持されたと考えられる。
【００３７】
なお、トンネル接合構造１８および１９の平面形状の寸法を下記の表に示すように設定した面発光レーザ素子を作製したところ、いずれにおいても基本横モード発振が得られた。
【表１】
ここで、「主トンネル」は、光共振器の光軸上に配置されたトンネル接合構造１８を表し、「副トンネル」は、光共振器の光軸からずらして配置されたトンネル接合構造１９を表している。一つの主トンネルの直径値に対して副トンネルの内径値を２通り用意し、各内径値に対して副トンネルの幅を２通り用意した。したがって、主トンネルの各直径値に対して面発光レーザ素子を４個ずつ作製した。
【００３８】
このように、本実施形態では、トンネル接合構造１８の外側に別のトンネル接合構造１９を離間させて配置することで、電流注入面積（トンネル接合面積）を増加してレーザ光のパワーを高めつつ、基本横モード発振を保つことができる。したがって、電流注入面積の拡大による高出力と、基本横モード発振（単一横モード発振）との両立を容易に実現することができる。
【００３９】
特に、本実施形態では、トンネル接合構造１９がトンネル接合構造１８を包囲する環状体であるため、トンネル接合構造１８からトンネル接合構造１９へ向かう任意の方向において屈折率勾配を緩和し、熱レンズ効果の高次横モードに対する収束作用を大きく抑えることができる。これにより、高次横モードがレーザ発振を極めて起こしにくくなるので、高出力と基本横モード発振の両立がいっそう容易である。したがって、面発光レーザ素子１０は、それ単独では横多モード発振してしまうほど面積の大きなトンネル接合構造１８を有するにもかかわらず、基本横モード発振を行うことができる。
【００４０】
第２実施形態
本発明の第２の実施形態に係る面発光レーザ素子は、トンネル接合構造の平面形状が第１実施形態と異なる。第２実施形態の他の構成は、第１実施形態と同様である。図９は、本実施形態の面発光レーザ素子の横断面図であり、トンネル接合構造３１および３２を示している。この図は、第１実施形態に対する図２に対応する。
【００４１】
トンネル接合構造３１は、ＤＢＲ２８と同軸に配置されており、楕円形の平面形状を有している。トンネル接合構造３２は、トンネル接合構造３１を楕円状に包囲し、トンネル接合構造３１から離間した環状の平面形状を有している。図９に示すように、基板１１の主面に垂直な方向（図９の紙面に垂直な方向）に沿ってＤＢＲ２８を上方から見ると、トンネル接合構造３１および３２は、ＤＢＲ２８の下方に配置され、ＤＢＲ２８によって覆われている。
【００４２】
トンネル接合構造３１が楕円形状であるため、出力レーザ光を直線偏光にすることができる。トンネル接合構造３１に電流が流れて発熱が起こると、トンネル接合構造３１の楕円形の長軸方向と短軸方向とで屈折率分布が異なるようになる。このため、活性層１４で生成された互いに直交する二つの偏光間で群速度に差が生じる。その結果、これらの直交偏光間で利得差が生じ、結果として、一方の偏光のみがレーザ発振を起こして出力されることになる。このように、本実施形態の面発光レーザ素子からは、一方向に偏光したレーザ光が出射する。
【００４３】
トンネル接合構造３２は、このような直線偏光を出射する面発光レーザ素子において横多モード発振を防止するように働く。トンネル接合構造３１の外側にトンネル接合構造３２がトンネル接合構造３１から離間させて配置されているため、第１実施形態と同様に、熱レンズ効果の高次横モードに対する収束作用が抑えられる。このため、トンネル接合構造３２によって電流注入面積を増加してレーザ光のパワーを高めつつ、基本横モード発振を保つことができる。特に本実施形態では、トンネル接合構造３２がトンネル接合構造３１を包囲する環状体であるため、トンネル接合構造３１からトンネル接合構造３２へ向かう任意の方向において屈折率勾配を緩和し、熱レンズ効果の高次横モードに対する収束作用を大きく抑えることができる。これにより、高出力と基本横モード発振の両立がいっそう容易になるので、トンネル接合構造３１におけるトンネル接合面積が、それ単独では横多モード発振してしまうほど大きくても、基本横モード発振を確保することができる。
【００４４】
第３実施形態
本発明の第３の実施形態に係る面発光レーザ素子は、トンネル接合構造の平面形状が第１、第２実施形態と異なる。第３実施形態の他の構成は、第１実施形態と同様である。図１０は、本実施形態の面発光レーザ素子の横断面図であり、トンネル接合構造３５、３６および３７を示している。この図は、第１実施形態に対する図２に対応する。
【００４５】
トンネル接合構造３５はＤＢＲ２８と同軸に配置されており、円形の平面形状を有している。トンネル接合構造３６および３７は、トンネル接合構造３５の直径よりも小さい同一の直径を有する円形の平面形状を有している。トンネル接合構造３６、３７は、トンネル接合構造３５の一つの直径の延長線上においてトンネル接合構造３５の両側に配置されており、トンネル接合構造３５から離間している。すなわち、トンネル接合構造３５〜３７の円形平面形状の各中心は、一本の直線４５上に配置されている。図１０に示すように、基板１１の主面に垂直な方向（図１０の紙面に垂直な方向）に沿ってＤＢＲ２８を上方から見ると、トンネル接合構造３５〜３７は、ＤＢＲ２８の下方に配置され、ＤＢＲ２８によって覆われている。
【００４６】
トンネル接合構造３５の外側にトンネル接合構造３６、３７がトンネル接合構造３５から離間させて配置されているため、上記実施形態と同様に、熱レンズ効果の高次横モードに対する収束作用が抑えられる。このため、トンネル接合構造３６、３７によって電流注入面積を増加してレーザ光のパワーを高めつつ、基本横モード発振を確保することができる。
【００４７】
更に、本実施形態では、トンネル接合構造３５が円形であるにもかかわらず出力レーザ光を直線偏光にすることができる。トンネル接合構造３５〜３７に電流が流れて発熱が起こると、トンネル接合構造３６および３７が並ぶ方向（図１０の直線４５に沿った方向）と、その方向に直交する方向とでは屈折率分布が異なるようになる。このため、活性層１４で生成された互いに直交する二つの偏光間で群速度に差が生じるので、これらの直交偏光間で利得差が生じ、結果として、一方の直線偏光のみがレーザ発振を起こして出力される。このように、本実施形態の面発光レーザ素子からは、一方向に偏光したレーザ光が出射する。
【００４８】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【００４９】
活性層１４とｐ型スペーサ層１５との間に、これらの層１４，１５よりも高いバンドギャップを有する別のｐ型スペーサ層を追加してもよい。この追加スペーサ層は、例えば、ｐ型ドーパントとしてＣがドープされたＡｌＧａＡｓからなる。このような追加スペーサを設けることで、活性層１４にキャリアが効率良く閉じ込められるので、面発光レーザ素子の電流−光出力特性を改良することができる。
【００５０】
本発明において、第１のトンネル接合構造から離間した第２のトンネル接合構造は、単一でもよいし、第３実施形態のように複数であってもよい。第２のトンネル接合構造を複数設ける場合、高次横モードのレーザ発振を防ぐ観点からは、それらの第２のトンネル接合構造を第３実施形態のように一直線上に配置する必要は必ずしもなく、不規則に配置してもよい。また、高次横モードのレーザ発振を防ぐためには、それら第２のトンネル接合構造の平面形状が同一である必要もない。
【００５１】
上記実施形態では、基板１１、スペーサ層１３、上部層２１、およびスペーサ層２５がｎ型であり、スペーサ層１５、および下部層２０がｐ型であるが、これらの層の導電型を逆にしてもよい。また、スペーサ層１３はノンドープ層であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】第１実施形態の面発光レーザ素子を示す縦断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った横断面図である。
【図３】面発光レーザ素子の製造方法を示す工程図である。
【図４】面発光レーザ素子の製造方法を示す工程図である。
【図５】実施形態および比較例の電流−光出力特性を示す図である。
【図６】実施形態および比較例の電流−横モード抑圧比特性を示す図である。
【図７】比較例の熱分布を表す概略図である。
【図８】実施形態の熱分布を表す概略図である。
【図９】第２実施形態の面発光レーザ素子を示す横断面図である。
【図１０】第３実施形態の面発光レーザ素子を示す横断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０…面発光レーザ素子、１１…基板、１２…下側ＤＢＲ、１３…ｎ型スペーサ層、１４…活性層、１５…ｐ型スペーサ層、２５…ｎ型スペーサ層、２７…上部電極、２８…上側ＤＢＲ、３０…下部電極、１８、１９、３１、３２、３５〜３７…トンネル接合構造、５０…比較用レーザ素子。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、トンネル接合構造を有する面発光レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記の非特許文献１には、ｐｎ接合構造中にトンネル接合構造を埋め込んだ面発光レーザ素子が開示されている。ｐｎ接合構造に対して逆方向に電流を注入すると、トンネル接合構造にだけ電流が流れ、活性層に流入する。トンネル接合構造の屈折率は、その周囲の層の屈折率よりも高いため、トンネル接合構造は光導波路のコアとしての機能を持つ。活性層で発生した光は、この光導波路を通って光共振器内を繰り返し往復し、レーザ発振を起こす。
【非特許文献１】ニシヤマ（Nishiyama）ほか５名、「ＭＯＣＶＤによって成長させたＩｎＰ上の高効率長波長ＶＣＳＥＬ（High efficiency long wavelength VCSEL on InP grown by MOCVD）、エレクトロニクス・レターズ（ElectronicsLetters）、第３９巻、第５号、４３７−４３９頁、２００３年３月６日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
面発光レーザ素子に対しては、高出力と基本横モード発振（横単一モード発振）の両立が要望されている。高出力化のためには、より多くの電流を活性層に注入できるように、トンネル接合面の径を大きくすることが好ましい。上記の面発光レーザ素子では、トンネル接合面の直径が５μｍのときは、基本横モード発振を実現することができる。しかし、直径をより大きくすると、基本横モードだけでなく、より高次の横モードもレーザ発振を起こしてしまう。
【０００４】
そこで、本発明は、高出力と基本横モード発振の両立が容易な面発光レーザ素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る面発光レーザ素子は、第１の反射層と、第１の反射層上に設けられた第１のスペーサ層と、第１のスペーサ層上に設けられた活性層と、活性層上に設けられた第２のスペーサ層と、第２のスペーサ層上に設けられた第１のトンネル接合構造と、第２のスペーサ層上に設けられ、第１のトンネル接合構造から離間した第２のトンネル接合構造と、第２のスペーサ層上に設けられ、第１および第２のトンネル接合構造を覆い、第１の導電型を有する第３のスペーサ層と、第３のスペーサ層上に設けられた第２の反射層とを備えている。第１および第２のトンネル接合構造の各々は、第２のスペーサ層上に設けられ第２の導電型を有する下部層と、この下部層上に設けられ第１の導電型を有する上部層とを含んでいる。
【０００６】
面発光レーザ素子の動作時に第１および第２のトンネル接合構造に電流が流れると、第１のトンネル接合構造だけでなく第２のトンネル接合構造も発熱する。このため、第１のトンネル接合構造から第２のトンネル接合構造へ向かう方向の熱勾配は、第１のトンネル接合構造が単独で設けられている場合に比べて緩やかになる。これに応じて屈折率勾配も緩やかになるので、その方向での熱レンズ効果の収束作用が抑えられる。これにより、高次横モードがレーザ発振を起こしにくくなるので、第１のトンネル接合構造におけるトンネル接合面の面積を大きくしても、横多モード発振が起こりにくい。したがって、この面発光レーザ素子は、高出力と基本横モード発振の両立が容易である。
【０００７】
第２のトンネル接合構造は、第１のトンネル接合構造を包囲する環状体であってもよい。
【０００８】
第２のトンネル接合構造によって第１のトンネル接合構造を包囲することで、第１のトンネル接合構造からその外側に向かう任意の方向で熱勾配および屈折率勾配が緩やかになる。この結果、熱レンズ効果の収束作用が大きく抑えられ、高次横モードがレーザ発振を極めて起こしにくくなるので、高出力と基本横モード発振の両立がいっそう容易になる。
【０００９】
第１のトンネル接合構造は、楕円形の平面形状を有していてもよい。第２のトンネル接合構造は、第１のトンネル接合構造を楕円状に包囲する環状体であってもよい。
【００１０】
第１のトンネル接合構造が楕円形であるため、直線偏光したレーザ光を生成することが可能になる。第２のトンネル接合構造によって第１のトンネル接合構造を包囲することで、第１のトンネル接合構造からその外側に向かう任意の方向で熱勾配および屈折率勾配が緩やかになる。この結果、直線偏光したレーザ光を生成する場合でも、熱レンズ効果の収束作用を抑え、高出力と基本横モード発振を容易に両立できるようになる。
【００１１】
本発明の面発光レーザ素子は、第２のスペーサ層上に設けられ、第１および第２のトンネル接合構造から離間した第３のトンネル接合構造を更に備えていてもよい。第３のトンネル接合構造は、第２のスペーサ層上に設けられ第２の導電型を有する下部層と、この下部層上に設けられ第１の導電型を有する上部層とを含んでいてもよい。第１のトンネル接合構造は、円形の平面形状を有しており、第２および第３のトンネル接合構造は、第１のトンネル接合構造の平面形状の中心を通る一つの直線上において、第１のトンネル接合構造をその両側から挟むように配置されていてもよい。
【００１２】
第１〜第３のトンネル接合構造に電流が流れて発熱が起こると、第２および第３のトンネル接合構造が並ぶ方向と、その方向に直交する方向とでは熱分布および屈折率分布が異なることになる。このため、活性層で生成された互いに直交する二つの偏光間で群速度に差が生じる。その結果、これらの直交偏光間で利得差が生じるので、第１〜第３のトンネル接合構造の寸法や配置を適切に設定すれば、一方の偏光のみをレーザ発振させることができる。このように、この面発光レーザ素子は、第１のトンネル接合構造が円形であるにもかかわらず、直線偏光されたレーザ光を生成することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高出力と基本横モード発振の両立が容易な面発光レーザ素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
第１実施形態
図１は、本発明の第１の実施形態に係る面発光レーザ素子１０を示す縦断面図であり、ここで、（ａ）は面発光レーザ素子１０の全体を示し、（ｂ）は面発光レーザ素子１０に含まれるトンネル接合構造１８および１９を拡大して示している。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った面発光レーザ素子１０の横断面図である。このレーザ素子１０は、垂直共振器型の面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）素子である。
【００１６】
面発光レーザ素子１０は、ｎ型半導体からなる基板１１を有しており、この基板１１の一方の主面、すなわち上面には、反射層として分布ブラッグ反射器（Distributed Bragg Reflector。以下、「ＤＢＲ」）１２が設けられている。基板１１は、ｎ型のＧａＡｓからなる。ＤＢＲ１２は、ｎ型ドーパントとしてＳｉがドープされたＧａＡｓ層の上にＡｌＧａＡｓ層（Ａｌの組成比は０．９）を重ねた積層体を３３周期積み重ねた構造を有している。
【００１７】
ＤＢＲ１２の上面には、スペーサ層１３、活性層１４、およびスペーサ層１５が順次に積層されている。スペーサ層１３はｎ型半導体からなり、スペーサ層１５はｐ型半導体からなる。具体的には、スペーサ層１３は、ＳｉがドープされたＧａＡｓからなる。活性層１４は、ＩｎＧａＡｓ（Ｉｎの組成比は０．２）からなり、三重量子井戸（Triple Quantum Well：ＴＱＷ）構造を有している。スペーサ層１５は、ｐ型ドーパントとしてＣがドープされたＡｌＧａＡｓ（Ａｌの組成比は０．２）からなる。
【００１８】
ｐ型スペーサ層１５の上面には、二つのトンネル接合構造１８、１９が設けられている。図２に示すように、トンネル接合構造１８は円形の平面形状を有しており、トンネル接合構造１９は、トンネル接合構造１８を包囲する円環形の平面形状を有している。これらのトンネル接合構造１８，１９は、互いに同軸に配置されている。各トンネル接合構造の高さ（厚さ）は３０ｎｍである。図１（ｂ）に示すように、各トンネル接合構造は、ｐ型スペーサ層１５の上面に直接形成された下部層２０と、下部層２０の上面に直接形成された上部層２１からなる。下部層２０と上部層２１との界面はトンネル接合４０を成している。下部層２０はｐ型半導体からなり、上部層２１はｎ型半導体からなる。具外的には、下部層２０は、ｐ型ドーパントとしてＣがドープされたＩｎＧａＡｓ（Ｉｎの組成比は０．１）からなり、上部層２１は、ｎ型ドーパントとしてＳｉがドープされたＩｎＧａＡｓ（Ｉｎの組成比は０．１）からなる。
【００１９】
更に、ｐ型スペーサ層１５の上面には、トンネル接合構造１８、１９を覆うように、ｎ型半導体からなるスペーサ層２５が直接形成されている。このｎ型スペーサ層２５は、ＳｉがドープされたＧａＡｓからなる。ｐ型スペーサ層１５とｎ型スペーサ層２５との界面はｐｎ接合を成している。
【００２０】
ｎ型スペーサ層２５の上面には、コンタクト層２６および上部電極２７が順次に形成されている。また、基板１１の上面とは反対側の主面、すなわち底面の全体には、下部電極３０が形成されている。上部電極２７はアノードであり、下部電極３０はカソードである。コンタクト層２６は、ＳｉがドープされたＧａＡｓからなる。図２に示すように、コンタクト層２６および上部電極２７は円環形の平面形状を有している。
【００２１】
ｎ型スペーサ層２５の上面には、更に、反射層としてＤＢＲ２８が設けられている。コンタクト層２６および上部電極２７の開口は、このＤＢＲ２８によって充填されている。ＤＢＲ２８は、Ａｌ２Ｏ３層の上にアモルファスＳｉ層を重ねた積層体を４周期積み重ねた構造を有している。
【００２２】
下側のＤＢＲ１２と上側のＤＢＲ２８は、光共振器を形成する。この光共振器は、基板１１の主面に垂直な光軸を有している。基板１１の主面に垂直な方向に沿ってＤＢＲ２８を上方から見ると、トンネル接合構造１８および１９は、ＤＢＲ２８の下方に配置され、ＤＢＲ２８によって覆われている。ＤＢＲ２８は、トンネル接合構造１８、１９と同軸に配置されている。したがって、光共振器の光軸、トンネル接合構造１８の中心軸、およびトンネル接合構造１９の開口の中心軸は、同一直線上に配置されている。光共振器の光軸は、トンネル接合構造１８とは交差するが、トンネル接合構造１９とは交差しない。
【００２３】
上部電極２７および下部電極３０を介して面発光レーザ素子１０に電流を流すと、ＤＢＲ２８からレーザ光が出射する。この電流は、ｐ型スペーサ層１５およびｎ型スペーサ層２５からなるｐｎ接合に対して逆方向に供給されるので、このｐｎ接合によって遮断されるが、トンネル効果によってトンネル接合構造１８および１９を通過することはできる。このように、面発光レーザ素子１０は、ｎ型スペーサ層２５中においてトンネル接合構造１８および１９でのみ電流が流れるという電流狭窄構造を有している。
【００２４】
活性層１４にキャリアが注入されると、活性層１４で光が発生する。トンネル接合構造１８、１９は、ｎ型スペーサ層２５より高い屈折率を有しているので、光導波路のコアとしての機能も有する。したがって、活性層１４で発生した光は、ｎ型スペーサ層２５中において、主にトンネル接合構造１８および１９を通過する。この光は、ＤＢＲ１２および２８によって繰り返し反射されて活性層１４を通過し、そこで増幅される。この結果、最終的にレーザ発振が起こる。
【００２５】
以下では、図３および図４を参照しながら、面発光レーザ素子１０の製造方法を説明する。まず、図３（ａ）に示すように、ＭＯＶＰＥ法を用いて、基板１１上に下側ＤＢＲ層１２、ｎ型スペーサ層１３、活性層１４、ｐ型スペーサ層１５、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層２０ａ、およびｎ型ＩｎＧａＡｓ層２１ａを順次に形成する。層２０ａおよび２１ａは、ｐ型スペーサ層１５の上面全体を覆う連続したトンネル接合構造２２を成しており、トンネル接合構造１８および１９の母体となる。
【００２６】
次に、リアクタから基板１１を取り出し、ｎ型ＩｎＧａＡｓ層２１の上面全体にレジスト２４を塗布する。図３（ｂ）に示すように、このレジスト２４は、トンネル接合構造１８および１９（図２を参照）と同じ平面形状を有するように、フォトリソグラフィによってパターニングされる。
【００２７】
続いて、図３（ｃ）に示すように、パターンニングされたレジスト２４をマスクとして用いてトンネル接合構造２２をウェットエッチングし、トンネル接合構造１８および１９を形成する。この後、基板１１を洗浄してから再びリアクタに搬入し、図４（ｄ）に示すように、ＭＯＶＰＥ法を用いてｎ型スペーサ層２５を形成し、更にｎ型スペーサ層２５の上面全体にコンタクト層２６ａを形成する。続いて、コンタクト層２６ａの上面に、開口２７ａを有する円環形の上部電極２７を形成すると共に、基板１１の下面全体に下部電極３０を形成する。
【００２８】
次に、図４（ｅ）に示すように、コンタクト層２６ａのうち上部電極２７の開口２７ａから露出する部分のみをウェットエッチングにより除去し、円環形のコンタクト層２６を得る。この後、コンタクト層２６および上部電極２７の各開口を充填するようにＤＢＲを蒸着し、上部電極２７上のＤＢＲをリフトオフ法によって除去してＤＢＲ２８を形成する。こうして面発光レーザ素子１０が完成する。
【００２９】
本発明者は、面発光レーザ素子１０を作製すると共に、比較用の面発光レーザ素子も作製し、各々の特性を調べた。後述する図７（ａ）に示すように、比較用レーザ素子５０は、面発光レーザ素子１０からトンネル接合構造１９を取り除いた構造を有している。各レーザ素子において、トンネル接合構造１８の直径Ｄは７μｍである。また、トンネル接合構造１９は、内径が１１μｍ、外径が１５μｍの円環であり、その幅Ｗは２μｍである。
【００３０】
図５は、面発光レーザ素子１０および比較用レーザ素子５０の室温での電流−光出力特性を示している。ここで、実線は面発光レーザ素子１０の特性を示し、破線は比較用レーザ素子５０の特性を示している。比較用レーザ素子５０の室温での最大光出力は３．０ｍＷであるのに対し、面発光レーザ素子１０の最大光出力は４．９ｍＷである。面発光レーザ素子１０の出力がより大きいのは、トンネル接合構造１９の分だけトンネル接合の面積が大きく、それに応じて電流注入面積が大きくなり、結果として、より多くのキャリアが活性層１４に注入されるためである。
【００３１】
図６は、面発光レーザ素子１０および比較用レーザ素子５０の電流に対する横モード抑圧比の変化を示している。ここで、丸印および三角印は、様々な電流の下で測定された面発光レーザ素子１０および比較用レーザ素子５０の横モード抑圧比をそれぞれ示している。比較用レーザ素子５０では、いずれの電流値でも横モード抑圧比が３０ｄＢに達しておらず、マルチモード発振が行われていることが分かる。一方、面発光レーザ素子１０では、その出力に熱飽和が見られるような電流値の下でも、横モード抑圧比が３０ｄＢ以上を維持しており、いずれの電流値でも基本横モード発振が行われている。
【００３２】
このように、面発光レーザ素子１０は比較用レーザ素子５０に比べて電流注入面積が大きいにもかかわらず、基本横モード発振が確保されている。以下では、図７および図８を参照しながら、この理由を説明する。ここで、図７（ａ）は、面発光レーザ素子５０の縦断面図であり、図７（ｂ）は、面発光レーザ素子５０内の熱分布を図７（ａ）に対応させて表す概略図である。図８（ａ）は、面発光レーザ素子１０の縦断面図であり、図８（ｂ）は、面発光レーザ素子１０内の熱分布を図８（ａ）に対応させて表す概略図である。
【００３３】
トンネル接合を利用した電流狭窄構造を有する面発光レーザ素子では、電流がトンネル接合構造を通過して流れるが、トンネル接合構造は抵抗体であるため、電流が流れると発熱する。この発熱は、比較用レーザ素子５０では、トンネル接合構造１８の径方向に沿って図７（ｂ）に示すようなガウス型の熱分布（温度分布）５０ａを形成する。トンネル接合構造１８の周縁部は電流の流れない領域に接しているため、トンネル接合構造１８の中央部に比べて温度が低い。トンネル接合構造１８の外側の領域でも、トンネル接合構造１８の中心軸から遠ざかるにつれて温度が低下する。
【００３４】
比較用レーザ素子５０の屈折率は、熱分布５０ａに応じて変化する。つまり、図７（ｂ）の５０ａは、比較用レーザ素子５０の屈折率分布をも表している。比較用レーザ素子５０の屈折率は、熱分布５０ａに対応して、トンネル接合構造１８の中心軸から遠ざかるにつれて低下する。こうして、ガウス型の屈折率分布５０ａが形成される。この屈折率分布５０ａは、「熱レンズ効果」と呼ばれる現象を発生させ、光共振器内を伝播する光を収束させる。この熱レンズ効果は、基本横モードだけでなく、より高次の横モード４２も収束させる。この結果、比較用レーザ素子５０では、基本横モードと高次横モード間の損失差が減少し、基本横モードだけでなく、高次横モードまでもがレーザ発振を起こしたと考えられる。
【００３５】
これに対し、面発光レーザ素子１０では、トンネル接合構造１８に加えて、その外側に設けたもう一つのトンネル接合構造１９が電流によって発熱する。このため、トンネル接合構造１８からトンネル接合構造１９へ向かう任意の方向において熱勾配が緩やかになり、それに応じて屈折率勾配も緩やかになる。トンネル接合構造１９はトンネル接合構造１８から離間しているため、面発光レーザ素子１０の屈折率は、トンネル接合構造１８の中心軸から遠ざかるにつれて一旦、減少する。しかし、トンネル接合構造１９に近づくにつれて温度が上昇し、それに伴い屈折率も上昇する。したがって、図８（ｂ）に示すように、面発光レーザ素子１０の熱分布および屈折率分布１０ａはガウス型ではなくなる。
【００３６】
屈折率分布１０ａは、トンネル接合構造１８の中心軸上にピークを有すると共に、トンネル接合構造１９に対応する径方向位置にもピークを有する。基本横モードは、トンネル接合構造１８の中心軸上にピークを有するガウス型の光パワー分布を有するので、屈折率分布１０ａによって十分に収束され、レーザ発振を起こす。しかし、より高次の横モードは、その光パワーのピークがトンネル接合構造１８の中心軸から径方向にずれるため、トンネル接合構造１９に対応する屈折率ピークの影響を比較的強く受ける。このため、高次横モードに対しては熱レンズ効果の収束作用が抑えられ、図８（ｂ）に示すように、高次横モード４２の回折損失が増加する。これにより、高次横モードがレーザ発振に至らず、結果として、比較用レーザ素子５０と同じトンネル接合構造１８を有するにもかかわらず、基本横モード発振が維持されたと考えられる。
【００３７】
なお、トンネル接合構造１８および１９の平面形状の寸法を下記の表に示すように設定した面発光レーザ素子を作製したところ、いずれにおいても基本横モード発振が得られた。
【表１】
ここで、「主トンネル」は、光共振器の光軸上に配置されたトンネル接合構造１８を表し、「副トンネル」は、光共振器の光軸からずらして配置されたトンネル接合構造１９を表している。一つの主トンネルの直径値に対して副トンネルの内径値を２通り用意し、各内径値に対して副トンネルの幅を２通り用意した。したがって、主トンネルの各直径値に対して面発光レーザ素子を４個ずつ作製した。
【００３８】
このように、本実施形態では、トンネル接合構造１８の外側に別のトンネル接合構造１９を離間させて配置することで、電流注入面積（トンネル接合面積）を増加してレーザ光のパワーを高めつつ、基本横モード発振を保つことができる。したがって、電流注入面積の拡大による高出力と、基本横モード発振（単一横モード発振）との両立を容易に実現することができる。
【００３９】
特に、本実施形態では、トンネル接合構造１９がトンネル接合構造１８を包囲する環状体であるため、トンネル接合構造１８からトンネル接合構造１９へ向かう任意の方向において屈折率勾配を緩和し、熱レンズ効果の高次横モードに対する収束作用を大きく抑えることができる。これにより、高次横モードがレーザ発振を極めて起こしにくくなるので、高出力と基本横モード発振の両立がいっそう容易である。したがって、面発光レーザ素子１０は、それ単独では横多モード発振してしまうほど面積の大きなトンネル接合構造１８を有するにもかかわらず、基本横モード発振を行うことができる。
【００４０】
第２実施形態
本発明の第２の実施形態に係る面発光レーザ素子は、トンネル接合構造の平面形状が第１実施形態と異なる。第２実施形態の他の構成は、第１実施形態と同様である。図９は、本実施形態の面発光レーザ素子の横断面図であり、トンネル接合構造３１および３２を示している。この図は、第１実施形態に対する図２に対応する。
【００４１】
トンネル接合構造３１は、ＤＢＲ２８と同軸に配置されており、楕円形の平面形状を有している。トンネル接合構造３２は、トンネル接合構造３１を楕円状に包囲し、トンネル接合構造３１から離間した環状の平面形状を有している。図９に示すように、基板１１の主面に垂直な方向（図９の紙面に垂直な方向）に沿ってＤＢＲ２８を上方から見ると、トンネル接合構造３１および３２は、ＤＢＲ２８の下方に配置され、ＤＢＲ２８によって覆われている。
【００４２】
トンネル接合構造３１が楕円形状であるため、出力レーザ光を直線偏光にすることができる。トンネル接合構造３１に電流が流れて発熱が起こると、トンネル接合構造３１の楕円形の長軸方向と短軸方向とで屈折率分布が異なるようになる。このため、活性層１４で生成された互いに直交する二つの偏光間で群速度に差が生じる。その結果、これらの直交偏光間で利得差が生じ、結果として、一方の偏光のみがレーザ発振を起こして出力されることになる。このように、本実施形態の面発光レーザ素子からは、一方向に偏光したレーザ光が出射する。
【００４３】
トンネル接合構造３２は、このような直線偏光を出射する面発光レーザ素子において横多モード発振を防止するように働く。トンネル接合構造３１の外側にトンネル接合構造３２がトンネル接合構造３１から離間させて配置されているため、第１実施形態と同様に、熱レンズ効果の高次横モードに対する収束作用が抑えられる。このため、トンネル接合構造３２によって電流注入面積を増加してレーザ光のパワーを高めつつ、基本横モード発振を保つことができる。特に本実施形態では、トンネル接合構造３２がトンネル接合構造３１を包囲する環状体であるため、トンネル接合構造３１からトンネル接合構造３２へ向かう任意の方向において屈折率勾配を緩和し、熱レンズ効果の高次横モードに対する収束作用を大きく抑えることができる。これにより、高出力と基本横モード発振の両立がいっそう容易になるので、トンネル接合構造３１におけるトンネル接合面積が、それ単独では横多モード発振してしまうほど大きくても、基本横モード発振を確保することができる。
【００４４】
第３実施形態
本発明の第３の実施形態に係る面発光レーザ素子は、トンネル接合構造の平面形状が第１、第２実施形態と異なる。第３実施形態の他の構成は、第１実施形態と同様である。図１０は、本実施形態の面発光レーザ素子の横断面図であり、トンネル接合構造３５、３６および３７を示している。この図は、第１実施形態に対する図２に対応する。
【００４５】
トンネル接合構造３５はＤＢＲ２８と同軸に配置されており、円形の平面形状を有している。トンネル接合構造３６および３７は、トンネル接合構造３５の直径よりも小さい同一の直径を有する円形の平面形状を有している。トンネル接合構造３６、３７は、トンネル接合構造３５の一つの直径の延長線上においてトンネル接合構造３５の両側に配置されており、トンネル接合構造３５から離間している。すなわち、トンネル接合構造３５〜３７の円形平面形状の各中心は、一本の直線４５上に配置されている。図１０に示すように、基板１１の主面に垂直な方向（図１０の紙面に垂直な方向）に沿ってＤＢＲ２８を上方から見ると、トンネル接合構造３５〜３７は、ＤＢＲ２８の下方に配置され、ＤＢＲ２８によって覆われている。
【００４６】
トンネル接合構造３５の外側にトンネル接合構造３６、３７がトンネル接合構造３５から離間させて配置されているため、上記実施形態と同様に、熱レンズ効果の高次横モードに対する収束作用が抑えられる。このため、トンネル接合構造３６、３７によって電流注入面積を増加してレーザ光のパワーを高めつつ、基本横モード発振を確保することができる。
【００４７】
更に、本実施形態では、トンネル接合構造３５が円形であるにもかかわらず出力レーザ光を直線偏光にすることができる。トンネル接合構造３５〜３７に電流が流れて発熱が起こると、トンネル接合構造３６および３７が並ぶ方向（図１０の直線４５に沿った方向）と、その方向に直交する方向とでは屈折率分布が異なるようになる。このため、活性層１４で生成された互いに直交する二つの偏光間で群速度に差が生じるので、これらの直交偏光間で利得差が生じ、結果として、一方の直線偏光のみがレーザ発振を起こして出力される。このように、本実施形態の面発光レーザ素子からは、一方向に偏光したレーザ光が出射する。
【００４８】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【００４９】
活性層１４とｐ型スペーサ層１５との間に、これらの層１４，１５よりも高いバンドギャップを有する別のｐ型スペーサ層を追加してもよい。この追加スペーサ層は、例えば、ｐ型ドーパントとしてＣがドープされたＡｌＧａＡｓからなる。このような追加スペーサを設けることで、活性層１４にキャリアが効率良く閉じ込められるので、面発光レーザ素子の電流−光出力特性を改良することができる。
【００５０】
本発明において、第１のトンネル接合構造から離間した第２のトンネル接合構造は、単一でもよいし、第３実施形態のように複数であってもよい。第２のトンネル接合構造を複数設ける場合、高次横モードのレーザ発振を防ぐ観点からは、それらの第２のトンネル接合構造を第３実施形態のように一直線上に配置する必要は必ずしもなく、不規則に配置してもよい。また、高次横モードのレーザ発振を防ぐためには、それら第２のトンネル接合構造の平面形状が同一である必要もない。
【００５１】
上記実施形態では、基板１１、スペーサ層１３、上部層２１、およびスペーサ層２５がｎ型であり、スペーサ層１５、および下部層２０がｐ型であるが、これらの層の導電型を逆にしてもよい。また、スペーサ層１３はノンドープ層であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】第１実施形態の面発光レーザ素子を示す縦断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った横断面図である。
【図３】面発光レーザ素子の製造方法を示す工程図である。
【図４】面発光レーザ素子の製造方法を示す工程図である。
【図５】実施形態および比較例の電流−光出力特性を示す図である。
【図６】実施形態および比較例の電流−横モード抑圧比特性を示す図である。
【図７】比較例の熱分布を表す概略図である。
【図８】実施形態の熱分布を表す概略図である。
【図９】第２実施形態の面発光レーザ素子を示す横断面図である。
【図１０】第３実施形態の面発光レーザ素子を示す横断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０…面発光レーザ素子、１１…基板、１２…下側ＤＢＲ、１３…ｎ型スペーサ層、１４…活性層、１５…ｐ型スペーサ層、２５…ｎ型スペーサ層、２７…上部電極、２８…上側ＤＢＲ、３０…下部電極、１８、１９、３１、３２、３５〜３７…トンネル接合構造、５０…比較用レーザ素子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の反射層と、
前記第１の反射層上に設けられた第１のスペーサ層と、
前記第１のスペーサ層上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられた第２のスペーサ層と、
前記第２のスペーサ層上に設けられた第１のトンネル接合構造と、
前記第２のスペーサ層上に設けられ、前記第１のトンネル接合構造から離間した第２のトンネル接合構造と、
前記第２のスペーサ層上に設けられ、前記第１および第２のトンネル接合構造を覆い、第１の導電型を有する第３のスペーサ層と、
前記第３のスペーサ層上に設けられた第２の反射層と、
を備え、
前記第１および第２のトンネル接合構造の各々は、前記第２のスペーサ層上に設けられ第２の導電型を有する下部層と、この下部層上に設けられ前記第１の導電型を有する上部層とを含んでいる、
る面発光レーザ素子。
【請求項２】
前記第２のトンネル接合構造は、前記第１のトンネル接合構造を包囲する環状体である、請求項１に記載の面発光レーザ素子。
【請求項３】
前記第１のトンネル接合構造は、楕円形の平面形状を有しており、
前記第２のトンネル接合構造は、前記第１のトンネル接合構造を楕円状に包囲する環状体である、請求項１に記載の面発光レーザ素子。
【請求項４】
前記第２のスペーサ層上に設けられ、前記第１および第２のトンネル接合構造から離間した第３のトンネル接合構造を更に備える請求項１に記載の面発光レーザ素子であって、
前記第３のトンネル接合構造は、前記第２のスペーサ層上に設けられ前記第２の導電型を有する下部層と、この下部層上に設けられ前記第１の導電型を有する上部層とを含んでおり、
前記第１のトンネル接合構造は、円形の平面形状を有しており、
前記第２および第３のトンネル接合構造は、前記第１のトンネル接合構造の前記平面形状の中心を通る一つの直線上において、前記第１のトンネル接合構造をその両側から挟むように配置されている、請求項１に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１】
第１の反射層と、
前記第１の反射層上に設けられた第１のスペーサ層と、
前記第１のスペーサ層上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられた第２のスペーサ層と、
前記第２のスペーサ層上に設けられた第１のトンネル接合構造と、
前記第２のスペーサ層上に設けられ、前記第１のトンネル接合構造から離間した第２のトンネル接合構造と、
前記第２のスペーサ層上に設けられ、前記第１および第２のトンネル接合構造を覆い、第１の導電型を有する第３のスペーサ層と、
前記第３のスペーサ層上に設けられた第２の反射層と、
を備え、
前記第１および第２のトンネル接合構造の各々は、前記第２のスペーサ層上に設けられ第２の導電型を有する下部層と、この下部層上に設けられ前記第１の導電型を有する上部層とを含んでいる、
る面発光レーザ素子。
【請求項２】
前記第２のトンネル接合構造は、前記第１のトンネル接合構造を包囲する環状体である、請求項１に記載の面発光レーザ素子。
【請求項３】
前記第１のトンネル接合構造は、楕円形の平面形状を有しており、
前記第２のトンネル接合構造は、前記第１のトンネル接合構造を楕円状に包囲する環状体である、請求項１に記載の面発光レーザ素子。
【請求項４】
前記第２のスペーサ層上に設けられ、前記第１および第２のトンネル接合構造から離間した第３のトンネル接合構造を更に備える請求項１に記載の面発光レーザ素子であって、
前記第３のトンネル接合構造は、前記第２のスペーサ層上に設けられ前記第２の導電型を有する下部層と、この下部層上に設けられ前記第１の導電型を有する上部層とを含んでおり、
前記第１のトンネル接合構造は、円形の平面形状を有しており、
前記第２および第３のトンネル接合構造は、前記第１のトンネル接合構造の前記平面形状の中心を通る一つの直線上において、前記第１のトンネル接合構造をその両側から挟むように配置されている、請求項１に記載の面発光レーザ素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−３４４７８（Ｐ２００８−３４４７８Ａ）
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２０３６４６（Ｐ２００６−２０３６４６）
【出願日】平成１８年７月２６日（２００６．７．２６）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月２６日（２００６．７．２６）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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