面発光レーザ
【課題】ビーム形状を制御することができ、高効率、高出力化が可能となる面発光レーザを提供する。
【解決手段】対向して配置された第１の半導体多層膜反射鏡と第２の半導体多層膜反射鏡との間に、電流注入により利得が生じる複数の活性層を有する利得領域と、前記複数の活性層に注入される電流を狭窄する電流狭窄層と、を有する面発光レーザであって、
前記利得領域は、前記複数の活性層として、少なくとも第１の活性層と第２の活性層とを有し、
前記第１の活性層と第２の活性層が、前記電流狭窄層による電流の狭窄によって生じるこれら活性層の面内方向の電流密度分布の違いに応じた、異なる活性層構造を有する構成とする。
【解決手段】対向して配置された第１の半導体多層膜反射鏡と第２の半導体多層膜反射鏡との間に、電流注入により利得が生じる複数の活性層を有する利得領域と、前記複数の活性層に注入される電流を狭窄する電流狭窄層と、を有する面発光レーザであって、
前記利得領域は、前記複数の活性層として、少なくとも第１の活性層と第２の活性層とを有し、
前記第１の活性層と第２の活性層が、前記電流狭窄層による電流の狭窄によって生じるこれら活性層の面内方向の電流密度分布の違いに応じた、異なる活性層構造を有する構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光レーザ素子に関し、特に電流狭窄層と複数の活性層をもつ面発光レーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
面発光レーザ素子（特に垂直共振器型の面発光レーザを、ＶＣＳＥＬという。）は、半導体基板の厚さ方向に垂直な方向に光を取り出すことができると共に、二次元アレイ化が比較的実現し易いと言われている。
二次元アレイ化した場合、出射されるマルチビームにより並列処理が可能となるため、高密度化及び高速化を意図して、様々な産業上の応用が期待されている。例えば、電子写真プリンタの露光光源として面発光レーザアレイを用いると、マルチビームによる印字工程の並列処理により、印刷速度の高速化が可能となる。このような電子写真における印刷工程においては、感光ドラムを露光するために必要な光量だけでなく、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となる。
したがって、レーザ特性としては、必要な光量を満たす高出力動作と、単峰性ビーム形状での単一横モード動作という量と質の両方がレーザビームに要求される。
【０００３】
一般的に、面発光レーザでは共振器長（１〜２ｕｍ程度）にくらべ、活性層の厚さが非常に薄い（０．１ｕｍ以下）ため構造的に高出力動作が得られにくい。そこで、共振器内に活性層を複数個配置する手法、例えば、光定在波の腹の位置に活性層を周期的に配置する周期利得構造（ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｇａｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：ＰＧＳ）が必要に応じて採用されている。
これにより、光閉じ込め係数が増大し、出力の増大が見込まれる。
しかしながら、このＰＧＳ構造では原理的にｐ−ｉ−ｎ接合においてｉ層が厚くなってしまう。
さらに、正孔の移動度が電子に比べ小さいことも由来して、ｉ層内縦方向に電子と正孔の分布が生じてしまい、期待した程にはその効果が得られていなかった。このようなことから、特許文献１のようにｐｎ接合を面内方向に形成することで周期利得構造のように複数の活性層が存在する場合であっても各々の活性層に、等しいキャリア注入が可能となる手法が提案されている。
また、電流狭窄構造を形成し、必要な領域に絞って電流を注入することで、高効率、高出力を得ることができる面発光レーザが実現されている。
この方法では、Ａｌ組成の高い、例えばＡｌ組成９８％のＡｌＧａＡｓ層を多層膜反射鏡内に設ける。
そして、それを高温水蒸気雰囲気中で選択酸化することで、例えば１０ｕｍ以下の開口径を持つ電流狭窄構造を形成し、必要な領域のみに効率的に電流を注入するようにされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−９４２０９号公報（第８頁、第２図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記した従来例の電流狭窄構造を構成したものにおいては、高効率・高出力の観点からは好ましいが、ビーム形状制御のための横モード制御の観点からは必ずしも好ましくない。
面内方向のキャリア分布に着目すると、電流狭窄構造の開口端部において電流がより集中し、開口部および活性層では凹型の電流密度になり易い。
ここで、単峰性ビーム、すなわち凸型の光分布形状が必要とされる場合には、その凹型電流密度分布と凸型光分布との結合効率が悪い。
そのため、単峰性ビームを実現する０次光モードへの利得（電流の寄与）は実効的に低く、光出力が制限されてしまうという課題があった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑み、ビーム形状を制御することができ、高効率、高出力化が可能となる面発光レーザの提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、つぎのように構成した面発光レーザを提供するものである。
本発明の面発光レーザは、
対向して配置された第１の半導体多層膜反射鏡と第２の半導体多層膜反射鏡との間に、電流注入により利得が生じる複数の活性層を有する利得領域と、前記複数の活性層に注入される電流を狭窄する電流狭窄層と、を有する面発光レーザであって、
前記利得領域は、前記複数の活性層として、少なくとも第１の活性層と第２の活性層とを有し、
前記第１の活性層と第２の活性層が、前記電流狭窄層による電流の狭窄によって生じるこれら活性層の面内方向の電流密度分布の違いに応じた、異なる活性層構造を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ビーム形状を制御することができ、高効率、高出力を得ることができる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】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１における面発光レーザの構造を説明する図である。
【図２】本発明の実施例形態における複数の活性層を持つ面発光レーザの従来例を含む計算例を説明する図である。
【図３】本発明の実施例形態における複数の活性層をもつ面発光レーザの各活性層での電流密度分布を説明する図である。
【図４】本発明の実施例形態における面発光レーザの０次および１次光モード分布を説明する図である。
【図５】本発明の実施例１における様々な活性層構造の場合の活性層での面内電流密度の中央部と端部の値を示す図である。
【図６】本発明の実施例１における様々な活性層構造の場合の面内モード利得の中央部と端部の値の比を示す図である。
【図７】本発明の実施例２における面発光レーザの構造を説明する図である。
【図８】本発明の実施例３における面発光レーザの構造を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
つぎに、本発明の実施形態における対向して配置された第１の半導体多層膜反射鏡と第２の半導体多層膜反射鏡との間に、複数の活性層を有する利得領域と、電流を狭窄する電流狭窄層と、を有する面発光レーザについて説明する。
本発明者らは、複数の活性層を備えたものにおいて、高効率、高出力化を達成するため、鋭意検討した結果、電流の狭窄によって生じる活性層の面内方向の電流密度分布の違いに応じた、異なる活性層構造とすることで、これらが達成可能となることを見出した。
その際、つぎのような計算を行った。
電流狭窄構造をもち、さらに利得領域として複数の活性層を併せ持つ面発光レーザにおいて、それぞれの活性層における面内方向電流密度分布の算出を行った。計算のための構造として、図２に示すような面発光レーザを用いた。
図２（ａ）には、ｐｎ接合も兼ねる半導体多層膜反射鏡１０４、１１８内に二つの多重量子井戸構造１０８、２０４を含み、また、図２（ｂ）には、それらが共振器内の光強度分布の腹１２２に配置される、いわゆる周期利得構造のものが示されている。
酸化狭窄層１１６はｐ型半導体層による多層膜反射鏡内１１８に配置され、そこで電流狭窄され活性層に電流が注入される。
【００１１】
この図２に示す構造において、酸化狭窄層開口径が６ｕｍであり、活性層の多重量子井戸として両方とも４重量子井戸を用いた従来例の場合について計算した。
酸化狭窄層に近い第１の活性層２０４における電流密度の面内分布を図３（ａ）に、酸化狭窄層から遠い第２の活性層１０８における電流密度の面内分布を図３（ｂ）に示す。
ここで、縦軸は電流密度（Ａ／ｃｍ2）を、横軸は酸化狭窄径中心からの距離を示す。
この結果から、複数の活性層が存在する場合、電流狭窄層に近い第１の活性層２０４では、電流狭窄開口端部周辺（中心から２〜３ｕｍあたり）に電流が集中する影響が依然として残り、凹型の電流密度分布になっている。
一方、酸化狭窄層から遠い第２の活性層１０８では、端部に電流集中する影響が十分薄れ、凸型の電流密度分布になることがわかった。
【００１２】
これは、電流が拡散する効果に加え、酸化狭窄層に近い第１の活性層において酸化狭窄開口端部での電流消費量が多いために、酸化狭窄層から遠い第２の活性層では開口中央部での電流消費量が相対的に大きくなるためと考えられる。
【００１３】
ここで、光モードを考えてみると、図４（ａ）に示すように、１次モードでは凹型の光分布であり、図４（ｂ）に示すように０次モードでは凸型の光分布である。
図４において、縦軸は規格化した光強度であり、横軸は図３と同じく酸化狭窄径中心からの距離を示す。
例として、０次モードでのシングルモード動作を得ようとすると、０次光モード分布と電流密度分布の形状が似通っている、つまり結合効率が高いものが望まれる。
上記の計算結果を考慮すると、酸化狭窄層から遠い第２の活性層１０８の電流密度分布（図３（ｂ））は、０次光モード（図４（ｂ））との結合が高くなる。
一方、酸化狭窄層に近い第１の活性層２０４の電流密度分布（図３（ａ））では、０次光モードとの結合が低く、ここでは望ましくない１次光モード（図４（ａ））との結合が高くなってしまう。
【００１４】
以上の計算結果から、例えば、０次モードでのシングルモード出力を大きくするためには、つぎのように構成すれば良いことが分かる。
すなわち、より凸型の電流密度分布を持つ、酸化狭窄層から遠い第２の活性層からのモード利得への寄与を、酸化狭窄層に近い第１の活性層に比べて、相対的に大きくする。例えば、酸化狭窄層から遠い第２の活性層の井戸数を、酸化狭窄層に近い第１の活性層の井戸数より多くすれば良い。
また、これとは逆に、例えば、１次モードでのシングルモード出力を大きくするためには、つぎのように構成すれば良いことが分かる。
すなわち、１次光モードとの結合係数の高い凹型の電流密度分布をもつ酸化狭窄層に近い活性層の井戸数を、それより遠い活性層の井戸数よりも多い井戸数とすれば良い。
これらにより、電流狭窄構造と複数の活性層を持つ面発光レーザにおいて、その電流狭窄によって生じる電流密度分布に応じた複数の異なる活性層構造により、所望の特性を有する面発光レーザを見出した。
【００１５】
上記従来例の周期利得構造のものでは、特許文献１のように同じ構造の活性層が配置されて構成されている。
この構造では、出射（縦）方向の光分布と活性層との結合効率、いわゆる光閉じ込め係数を極力高めてレーザ特性（主に光出力）の向上が図られるだけである。したがって、このような同じ構造の活性層が配置されている従来例のものでは、０次モードでのシングルモード出力を大きくしたり、１次モードでのシングルモード出力を大きくするというように、所望の特性を得るための制御ができない。これに対して、本発明では、電流狭窄によって生じる電流密度分布に応じた複数の異なる活性層構造とすることにより、酸化狭窄構造によって生じる面内方向の電流密度分布、すなわち面内方向の実効的な活性領域と光分布を考慮した最適な構造とすることができる。
【実施例】
【００１６】
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では、図１を用いて０次光モードでのシングルモード動作を得る面発光レーザの構造について説明する。
図１（ａ）に、６８０ｎｍで発振する赤色面発光レーザに適用した具体的な構造を示す。
ｎ−ＧａＡｓ基板１０２上に下部半導体多層膜反射鏡（第２の半導体多層膜反射鏡）としてｎ−ＡｌＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多層膜反射鏡１０４が存在する。
その上に、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰスペーサ層１０６、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ四重量子井戸１０８（第２の活性層）が存在する。
そして、その上にｐ−ＡｌＧａＩｎＰ中間スペーサ層１１０、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ一重量子井戸１１２（第１の活性層）、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰスペーサ層１１４が存在する。
さらに、その上に上部半導体多層膜反射鏡（第１の半導体多層膜反射鏡）としてｐ−ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多層膜反射鏡１１８が存在し、その一部はＡｌＧａＡｓ酸化狭窄層１１６となっている。
最後はｐ−ＧａＡｓコンタクト層１２０で終端される。この図では簡単のため、素子動作のために必要な電極や、層間絶縁膜を記載していないが、実際には形成する必要がある。
【００１７】
ｎ−ＧａＡｓ基板１０２は、四元材料であるＡｌＧａＩｎＰのドーピング効率や自然超格子の影響を考慮して１０°オフ基板がよく用いられる。必要に応じて、５〜１５°オフ基板を用いてもよい。
【００１８】
ｎ−ＡｌＡｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ多層膜反射鏡１０４は適切な反射特性を得るために、各々の層厚が共振波長である６８０ｎｍの１／４波長の光学的厚さに相当する膜厚が用いられる。ペア数は６０ペアである。
また、良好な電気伝導性を得るために、ＡｌＡｓとＡｌＧａＡｓのヘテロ界面での障壁の影響を極力減らすため、１０〜２０ｎｍ厚の組成傾斜層を用いてもよい。
ｎ型電導性を得るために、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅなどがドーパントとして用いられ、その不純物濃度は５×１０17〜５×１０18ｃｍ-2になるように制御される。
ここでは、多層膜反射鏡の熱抵抗を小さくすることを優先して低屈折率層にＡｌＡｓを用いたが、酸化狭窄の際に酸化されやすいという問題もある。
このため、この多層膜反射鏡の上部、すなわち活性層に近い領域の数ペアをＡｌＡｓではなく、より酸化されにくいＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓを用いてもよい。
【００１９】
ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ多層膜反射鏡１１８も同様に１／４波長の光学的厚さに相当する膜厚が用いられる。ペア数は３４ペアである。電気的特性を考慮して、組成傾斜層を用いてもよい。
ｐ型電導性を得るために、Ｃ、Ｚｎ、Ｍｇなどがドーパントとして用いられる。その不純物濃度は、５×１０17〜５×１０18ｃｍ-2になるように制御される。
ＡｌＧａＡｓ酸化狭窄層１１６は、Ａｌ組成が９８％、層厚３０ｎｍである。水蒸気雰囲気中で４００℃に昇温することでメサ側壁の酸化層端面から選択酸化を行い、ＡｌＧａＡｓをＡｌＯなどの酸化物に変性させて絶縁層にさせる。
選択酸化されずに残った開口部が６ｕｍ径になるように酸化距離を時間で制御する。酸化されない開口部はＡｌＧａＡｓのままで電気伝導性が残るため、電流狭窄が可能になる。
この層の開口部においてもｐ型電導性を得るために、ＡｌＧａＡｓ酸化狭窄層はＣ、Ｚｎ、Ｍｇなどを５×１０17〜５×１０18ｃｍ-2にドーピングする。必要に応じて組成傾斜層を設けてもよい。
【００２０】
上下の多層膜反射鏡１０４、１１８に挟まれた共振器内の各スペーサ層は四元材料であるＡｌＧａＩｎＰを使用する。
ｐ側スペーサ層１１４には、Ａｌ0.35Ｇａ0.15Ｉｎ0.5Ｐ層を用いる。可能な限り電子のオーバーフローを低減するために、バンドギャップが最大になるＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐを用いてもよい。
ドーパントはＭｇ、Ｚｎなどを用いて、不純物濃度が７×１０17〜２×１０18ｃｍ-2になるようにする。
ｎ側スペーサ層１０６はＡｌ0.35Ｇａ0.15Ｉｎ0.5Ｐを用いる。ドーパントはＳｉ、Ｓｅなどを用いて、その不純物濃度が１×１０17〜１×１０18ｃｍ-2になるようにする。
中間スペーサ層１１０は、ここではｐ型導電性をもつようにＭｇ、Ｚｎなどを１×１０17〜１×１０18ｃｍ-2になるようにドープする。
Ｍｇはメモリー効果の影響により、この中間スペーサ層上に形成する活性層への意図しないドーピングに繋がる可能性もあり、必要に応じてアンドープであってもよい。
【００２１】
これら三つのスペーサ層は図１（ａ）が示すように活性層１０８、１１２が光強度分布の腹１２２に配置されるように、また多層膜反射鏡間の共振器の光学的厚さがλ／２の整数倍になるようにその層厚が各々調整される。
低抵抗なｐ側コンタクトを得るために、最表面層はＣ、Ｚｎなどを１×１０19〜１×１０20ｃｍ-2までドーピングしたｐ−ＧａＡｓコンタクト層１２０を２０ｎｍ設ける。
二つの活性層として、ＧａＩｎＰ／Ａｌ0.25Ｇａ0.25Ｉｎ0.5Ｐ一重量子井戸１１２とＧａＩｎＰ／Ａｌ0.25Ｇａ0.25Ｉｎ0.5Ｐ四重量子井戸１０８が設けられる。
どちらの活性層も発光ピークは共振波長の６８０ｎｍよりも短い６６０ｎｍに設定される。
すなわち、この例では、ＧａＩｎＰ井戸層のＩｎ組成と井戸幅は同じに設定される。このように発光ピーク波長を共振波長より短くしてデチューニング量を設けることで、温度特性のより優れた素子が形成できる。
【００２２】
図３の計算結果から、０次モードでのシングルモード出力を大きくするためには、より凸型の電流密度分布を持つ、酸化狭窄層から遠い第２の活性層からのモード利得への寄与を、酸化狭窄層に近い第１の活性層に比べて、相対的に大きくすれば良い。
そのために、例えば、第１の活性層体積を第２の活性層体積に比べ減らせばよい。
そうすれば、縦方向の結合効率（光閉じ込め係数）が変化し、具体的には、第１の活性層の光閉じ込め係数、すなわちモード利得が低下する。
一方、第２の活性層の光閉じ込め係数、すなわちモード利得が増大し、結果、０次光モード発振がより得られ易い状況となる。
ここでは、酸化狭窄層に近い活性層に光閉じ込め係数が小さくなる一重量子井戸１１２を、酸化狭窄層から遠い活性層に光閉じ込め係数が大きくなる四重量子井戸１０８を用いる。図１（ｂ）に活性層周辺の詳細図を示す。
この図は伝導帯のエネルギー準位を示しており、右方向が高エネルギー側を示す。縦方向は各々の層の位置を示し、下側が基板側であり、図１（ａ）と対応する向きになっている。
【００２３】
上記に示すような半導体量子井戸構造における井戸数の異なる活性層を複数有する構造の効果を示す一例として、酸化狭窄層から遠い活性層（図１では１０８に相当）の井戸数を４に固定する。
そして、酸化狭窄層に近い活性層（図１では１１２に相当）の井戸数を４個（サンプル１：図２の従来例の場合）、２個（サンプル２）、１個（サンプル３）と変化させる。
その場合の面内電流密度分布における酸化狭窄開口部中心の値（左側：黒棒）と、端部（中心から３ｕｍ、右側：白棒）の値を、図５（ａ）、（ｂ）に示す。
図５（ａ）は酸化狭窄層に近い第１の活性層の電流密度であり、図５（ｂ）は酸化狭窄層から遠い第２の活性層の電流密度である。
この図からわかるように、井戸数を変化させることで各活性層への電流配分を制御させることができ、所望の面内電流密度をもつ活性層への電流注入量を増大させることができる。
【００２４】
さらに、レーザ特性へのより直接的な効果を見るために、図６を示す。
この図６は、図５（ａ）（ｂ）のふたつの活性層における電流密度分布の合計から算出できるモード利得（光閉じ込め係数を考慮）の開口部中心の値と端部の値の比である。
この比が大きいほど、０次光モードでのシングルモード発振には好ましい。
この図６からも、酸化狭窄層に近い第一の活性層の井戸数を、酸化狭窄層から遠い第二の活性層にくらべ相対的に減らすことで、その比は増大し、すなわち、より凸型の面内方向モード利得分布を達成し、０次光モードのシングルモード発振が得られ易くなることがわかる。
【００２５】
本実施例のポイントは、酸化狭窄層に近い凹型の電流密度分布をもつ活性層の井戸数を少なくし、酸化狭窄層から遠い凸型の電流密度分布をもつ活性層の井戸数を多くすることである。
上記例だけでなく、例えば、酸化狭窄層に近い活性層の井戸数を１〜３にし、酸化狭窄層から遠い活性層の井戸数を３〜５などにして遠い活性層の光閉じ込め係数を相対的に大きくすることが重要である。
このように井戸数に意図的に差を設けることで、より好ましい面内電流密度分布を持つ活性層からの利得の寄与を大きくして所望の光モードでの光出力の増大を達成することが可能となる。
ところで、光閉じ込め係数を変えるには、実効的な活性層体積を変えるようにすればよい。
ここでは量子井戸活性層を用いているため、井戸数を変えたが、その他の方法として、井戸幅、バリア幅を変えて、実効的な活性層体積を変えても良い。
つまり、０次光モードでのシングルモード動作が目的であれば、第１の活性層と比較して、酸化狭窄層から遠い第２の活性層の井戸幅を広くする、あるいはバリア幅を狭くするようにしてもよい。
【００２６】
さらにモード利得への寄与を制御するために、各活性層への電流注入量の積極的な制御を行うことも効果がある。
具体的には、中間スペーサ層に意図的にドーピングを行う。
上記サンプル３の場合で、中間スペーサ層にｐ型（サンプル４：図１に示す第１の実施例の場合）あるいはｎ型（サンプル５）にドーピングした場合も図５および図６に示す。
ドーピング量は各々ＭｇとＳｉが５×１０17ｃｍ-3である。
これらの図が示すように、この例では、中間スペーサ層をｐ型ドーピングすることで、より凸型のモード利得分布にすることができ、あるいはｎ型ドーピングすることでより凹型のモード利得分布にすることができる。
これは、もともとｐｎ接合間にあるｉ層中に、新たにｐ層やｎ層を設けると、新たに設けたそのドーピング層と、それと逆の極性のドーピングが行われていた層の間に優先的にｐｎ接合が形成される。
そして、その間に存在する活性層への電流注入をより強調させることができるため、と考えられる。
以上のように、中間スペーサ層に適切なドーピングを施すことで、さらに面内方向のモード利得分布を望ましい形状に制御することも可能になる。
【００２７】
［実施例２］
実施例２では、図７を用いて、１次モードでのシングルモード動作を得るための面発光レーザの構造について説明する。
図７（ａ）、（ｂ）に６８０ｎｍで発振する赤色面発光レーザに適用した具体的な構造を示す。
ここでは、実施例１における図１（ａ）、（ｂ）との差異を中心に説明する。実施例１では０次モードにおけるシングルモード動作が目的であったが、本実施例では１次光モードのシングルモード動作を得るためであり、実施例１とは反対の方針となる。
すなわち、図７（ｂ）に示すように、酸化狭窄層に近い活性層をＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ四重量子井戸６０６（（第１の活性層））とし、酸化狭窄層に遠い活性層を一重量子井戸６０２（第２の活性層）とする。
これにより、１次光モードとの結合係数の高い凹型の電流密度分布をもつ酸化狭窄層に近い活性層の井戸数を増やすことで、光閉じ込め係数を積極的に増大させている。
【００２８】
さらに、中間スペーサ層６０４をｎ型にドーピングすることで、より凹型の電流密度分布を強調させて１次モードでのシングルモード動作を可能にする。
ここでは、井戸数について変化させた例であるが、各々の活性層の構造を変える考え方は、実施例１に示した場合と同じであり、所望の面内電流密度分布をもつ活性層からの寄与をより大きくするような構造を用いるようにすることが重要である。
【００２９】
［実施例３］
３実施例では、図８を用い、０次光モードのシングルモード動作を得つつ、さらに、全駆動電流領域において高効率な面発光レーザの構造について説明する。一般に、電流が注入されて素子温度が上昇すると、共振波長と発光ピーク波長が長波長側にシフトする。
このとき、共振波長は０．０５ｎｍ／℃程度であるのに対し、発光ピーク波長は０．３ｎｍ／℃程度とより大きくシフトする。ゆえに、素子温度や環境温度が上昇すると、両者の波長が相対的にずれ、もはや発光ピーク波長と共振波長が一致しなくなる。
その結果、利得の低下を引き起こし、発振特性が劣化する。ゆえに、通常は発光ピーク波長を共振波長より前もって１０〜２０ｎｍ程度短波長側にシフトさせておく（デチューニング）。
これにより、高い環境温度や高電流注入時の温度上昇による発光ピーク波長のシフトに対応している。
しかしながら、これは一方で環境温度が低い時や、電流注入が少ない時にはしきい値が上昇し、効率が低下することを意味する。
本発明によれば、より広い駆動電流領域においてより高効率な素子が実現可能となる。
【００３０】
図８（ａ）、（ｂ）に６８０ｎｍで発振する赤色面発光レーザに適用した具体的な構造を示す。
ここでは、図１（ａ）、（ｂ）との差異を説明する。
図８（ｂ）に示すように、酸化狭窄層に近い第１の活性層をＧａＩｎＰ／Ａｌ0.25Ｇａ0.25Ｉｎ0.5Ｐ一重量子井戸７０６とし、酸化狭窄層から遠い第２の活性層をＧａＩｎＰ／Ａｌ0.25Ｇａ0.25Ｉｎ0.5Ｐ四重量子井戸７０２とする。
ここで、井戸層であるＧａＩｎＰのＩｎ組成を調整する。
これにより、ＧａＩｎＰ／Ａｌ0.25Ｇａ0.25Ｉｎ0.5Ｐ一重量子井戸７０６の発光ピーク波長を６７５ｎｍに、ＧａＩｎＰ／Ａｌ0.25Ｇａ0.25Ｉｎ0.5Ｐ四重量子井戸７０２の発光ピーク波長を６５５ｎｍにする。
具体的には、一重量子井戸７０６（第１の活性層）の６７５ｎｍを実現するために、Ｉｎ組成を多めにしてバンドギャップを狭めている。
また、四重量子井戸７０２（第２の活性層）の６５５ｎｍを達成するために、Ｉｎ組成を少なめにしてバンドギャップを広げている。
共振波長は６８０ｎｍであるから、一重量子井戸７０６ではデチューニング量は５ｎｍであり、四重量子井戸では２５ｎｍになる。また、中間スペーサ層はここではアンドープにしてある。
【００３１】
この素子に電流を注入した際の動作について説明する。しきい値直後の電流注入量においては、電流注入量が少ないために自己発熱は少なく、温度上昇が少ない。
この状況では発光ピーク波長の波長シフトが少ないために、発光ピーク波長が６７５ｎｍである一重量子井戸７０６からの発光が共振波長である６８０ｎｍとより一致し、その寄与が支配的になる。
この場合、電流密度分布は凹型ではあるものの、しきい値直後の低電流注入領域では、１次光モードにおける回折損がもともと０次光モードにおける回折損より大きいために、凹型であってもシングルモード動作が実現される。
【００３２】
一方、電流をさらに注入し、数ｍＡ程度（電流密度では１０数ｋＡ／ｃｍ2）になると、自己発熱による温度上昇で発光波長のピークが長波長側へ大きくシフトするようになる。
このような場合では、もともと６５５ｎｍに発光ピークをもつ四重量子井戸７０２からの発光が共振波長とより一致し始め、その寄与が大きくなる。
この活性層では面内方向電流密度は凸型の分布を持つため、電流注入量が増えた場合であっても引き続き０次モードでのシングルモード動作が可能となる。
しかも、高電流注入領域の温度上昇により整合するデチューニング量を設けているため、効率の低下が少ない。
このように幅広い電流注入量に応じた各々の温度上昇に整合した複数のデチューニング量を持つ活性層構造を設けることで、全電流領域で効率の高い面発光レーザが得られる。
【００３３】
ここでは、デチューニング量として低電流領域のための少ないデチューニング量として５ｎｍ、高電流領域のためのデチューニング量として２５ｎｍとしたが、電流注入による発熱量に応じて対応させればよい。
具体的には、少ないデチューニング量として０〜１０ｎｍ、大きいデチューニング量として２０〜３０ｎｍが有効である。
本実施例では、波長を変える方法としてＩｎ組成を変化させたが、井戸幅を変えて波長を制御してもよい。
この場合、光閉じ込め係数もその井戸幅によって変化するため、井戸数の調整も含めて所望の値になるように調整すればよい。
【００３４】
以上、活性層の数が二つの場合について述べたが、三つ以上の場合においても同様の考え方が拡張できる。
すなわち、上述したように電流狭窄層に近い活性層と遠い活性層の面内方向電流密度分布の違いを積極的に利用して所望の素子特性の向上に繋がるように活性層構造を変えるようにすればよい。
また、上記例ではＡｌＧａＩｎＰ活性層を用いた赤色面発光レーザについて説明したが、本発明の考え方は、波長や半導体層の材料に依存せず適用できるものである。
例えば、より長波長側で発光するＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、さらにより短波長側で発光するＺｎＣｄＳｅ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮといった活性層をもつ面発光レーザにも適用できる。
また、上記例では単素子の場合のみを説明したが、それら単素子を比較的容易に二次元アレイ化することに面発光レーザの利点があり、応用上大きな効果を発する。
したがって、本発明を用いた素子により二次元アレイ化を行い、多チャンネル化する等により、さらに有効な利用を図ることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１０２：ｎ−ＧａＡｓ基板
１０４：ｎ−ＡｌＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多層膜反射鏡
１０６：ｎ−ＡｌＧａＩｎＰスペーサ層
１０８：ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ四重量子井戸
１１０：ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ中間スペーサ層
１１２：ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ一重量子井戸
１１４：ｐ−ＡｌＩｎＰスペーサ層
１１６：ＡｌＧａＡｓ酸化狭窄層
１１８：ｐ−ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多層膜反射鏡
１２０：ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１２２：共振器内光強度分布の腹
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光レーザ素子に関し、特に電流狭窄層と複数の活性層をもつ面発光レーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
面発光レーザ素子（特に垂直共振器型の面発光レーザを、ＶＣＳＥＬという。）は、半導体基板の厚さ方向に垂直な方向に光を取り出すことができると共に、二次元アレイ化が比較的実現し易いと言われている。
二次元アレイ化した場合、出射されるマルチビームにより並列処理が可能となるため、高密度化及び高速化を意図して、様々な産業上の応用が期待されている。例えば、電子写真プリンタの露光光源として面発光レーザアレイを用いると、マルチビームによる印字工程の並列処理により、印刷速度の高速化が可能となる。このような電子写真における印刷工程においては、感光ドラムを露光するために必要な光量だけでなく、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となる。
したがって、レーザ特性としては、必要な光量を満たす高出力動作と、単峰性ビーム形状での単一横モード動作という量と質の両方がレーザビームに要求される。
【０００３】
一般的に、面発光レーザでは共振器長（１〜２ｕｍ程度）にくらべ、活性層の厚さが非常に薄い（０．１ｕｍ以下）ため構造的に高出力動作が得られにくい。そこで、共振器内に活性層を複数個配置する手法、例えば、光定在波の腹の位置に活性層を周期的に配置する周期利得構造（ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｇａｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：ＰＧＳ）が必要に応じて採用されている。
これにより、光閉じ込め係数が増大し、出力の増大が見込まれる。
しかしながら、このＰＧＳ構造では原理的にｐ−ｉ−ｎ接合においてｉ層が厚くなってしまう。
さらに、正孔の移動度が電子に比べ小さいことも由来して、ｉ層内縦方向に電子と正孔の分布が生じてしまい、期待した程にはその効果が得られていなかった。このようなことから、特許文献１のようにｐｎ接合を面内方向に形成することで周期利得構造のように複数の活性層が存在する場合であっても各々の活性層に、等しいキャリア注入が可能となる手法が提案されている。
また、電流狭窄構造を形成し、必要な領域に絞って電流を注入することで、高効率、高出力を得ることができる面発光レーザが実現されている。
この方法では、Ａｌ組成の高い、例えばＡｌ組成９８％のＡｌＧａＡｓ層を多層膜反射鏡内に設ける。
そして、それを高温水蒸気雰囲気中で選択酸化することで、例えば１０ｕｍ以下の開口径を持つ電流狭窄構造を形成し、必要な領域のみに効率的に電流を注入するようにされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−９４２０９号公報（第８頁、第２図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記した従来例の電流狭窄構造を構成したものにおいては、高効率・高出力の観点からは好ましいが、ビーム形状制御のための横モード制御の観点からは必ずしも好ましくない。
面内方向のキャリア分布に着目すると、電流狭窄構造の開口端部において電流がより集中し、開口部および活性層では凹型の電流密度になり易い。
ここで、単峰性ビーム、すなわち凸型の光分布形状が必要とされる場合には、その凹型電流密度分布と凸型光分布との結合効率が悪い。
そのため、単峰性ビームを実現する０次光モードへの利得（電流の寄与）は実効的に低く、光出力が制限されてしまうという課題があった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑み、ビーム形状を制御することができ、高効率、高出力化が可能となる面発光レーザの提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、つぎのように構成した面発光レーザを提供するものである。
本発明の面発光レーザは、
対向して配置された第１の半導体多層膜反射鏡と第２の半導体多層膜反射鏡との間に、電流注入により利得が生じる複数の活性層を有する利得領域と、前記複数の活性層に注入される電流を狭窄する電流狭窄層と、を有する面発光レーザであって、
前記利得領域は、前記複数の活性層として、少なくとも第１の活性層と第２の活性層とを有し、
前記第１の活性層と第２の活性層が、前記電流狭窄層による電流の狭窄によって生じるこれら活性層の面内方向の電流密度分布の違いに応じた、異なる活性層構造を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ビーム形状を制御することができ、高効率、高出力を得ることができる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】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１における面発光レーザの構造を説明する図である。
【図２】本発明の実施例形態における複数の活性層を持つ面発光レーザの従来例を含む計算例を説明する図である。
【図３】本発明の実施例形態における複数の活性層をもつ面発光レーザの各活性層での電流密度分布を説明する図である。
【図４】本発明の実施例形態における面発光レーザの０次および１次光モード分布を説明する図である。
【図５】本発明の実施例１における様々な活性層構造の場合の活性層での面内電流密度の中央部と端部の値を示す図である。
【図６】本発明の実施例１における様々な活性層構造の場合の面内モード利得の中央部と端部の値の比を示す図である。
【図７】本発明の実施例２における面発光レーザの構造を説明する図である。
【図８】本発明の実施例３における面発光レーザの構造を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
つぎに、本発明の実施形態における対向して配置された第１の半導体多層膜反射鏡と第２の半導体多層膜反射鏡との間に、複数の活性層を有する利得領域と、電流を狭窄する電流狭窄層と、を有する面発光レーザについて説明する。
本発明者らは、複数の活性層を備えたものにおいて、高効率、高出力化を達成するため、鋭意検討した結果、電流の狭窄によって生じる活性層の面内方向の電流密度分布の違いに応じた、異なる活性層構造とすることで、これらが達成可能となることを見出した。
その際、つぎのような計算を行った。
電流狭窄構造をもち、さらに利得領域として複数の活性層を併せ持つ面発光レーザにおいて、それぞれの活性層における面内方向電流密度分布の算出を行った。計算のための構造として、図２に示すような面発光レーザを用いた。
図２（ａ）には、ｐｎ接合も兼ねる半導体多層膜反射鏡１０４、１１８内に二つの多重量子井戸構造１０８、２０４を含み、また、図２（ｂ）には、それらが共振器内の光強度分布の腹１２２に配置される、いわゆる周期利得構造のものが示されている。
酸化狭窄層１１６はｐ型半導体層による多層膜反射鏡内１１８に配置され、そこで電流狭窄され活性層に電流が注入される。
【００１１】
この図２に示す構造において、酸化狭窄層開口径が６ｕｍであり、活性層の多重量子井戸として両方とも４重量子井戸を用いた従来例の場合について計算した。
酸化狭窄層に近い第１の活性層２０４における電流密度の面内分布を図３（ａ）に、酸化狭窄層から遠い第２の活性層１０８における電流密度の面内分布を図３（ｂ）に示す。
ここで、縦軸は電流密度（Ａ／ｃｍ2）を、横軸は酸化狭窄径中心からの距離を示す。
この結果から、複数の活性層が存在する場合、電流狭窄層に近い第１の活性層２０４では、電流狭窄開口端部周辺（中心から２〜３ｕｍあたり）に電流が集中する影響が依然として残り、凹型の電流密度分布になっている。
一方、酸化狭窄層から遠い第２の活性層１０８では、端部に電流集中する影響が十分薄れ、凸型の電流密度分布になることがわかった。
【００１２】
これは、電流が拡散する効果に加え、酸化狭窄層に近い第１の活性層において酸化狭窄開口端部での電流消費量が多いために、酸化狭窄層から遠い第２の活性層では開口中央部での電流消費量が相対的に大きくなるためと考えられる。
【００１３】
ここで、光モードを考えてみると、図４（ａ）に示すように、１次モードでは凹型の光分布であり、図４（ｂ）に示すように０次モードでは凸型の光分布である。
図４において、縦軸は規格化した光強度であり、横軸は図３と同じく酸化狭窄径中心からの距離を示す。
例として、０次モードでのシングルモード動作を得ようとすると、０次光モード分布と電流密度分布の形状が似通っている、つまり結合効率が高いものが望まれる。
上記の計算結果を考慮すると、酸化狭窄層から遠い第２の活性層１０８の電流密度分布（図３（ｂ））は、０次光モード（図４（ｂ））との結合が高くなる。
一方、酸化狭窄層に近い第１の活性層２０４の電流密度分布（図３（ａ））では、０次光モードとの結合が低く、ここでは望ましくない１次光モード（図４（ａ））との結合が高くなってしまう。
【００１４】
以上の計算結果から、例えば、０次モードでのシングルモード出力を大きくするためには、つぎのように構成すれば良いことが分かる。
すなわち、より凸型の電流密度分布を持つ、酸化狭窄層から遠い第２の活性層からのモード利得への寄与を、酸化狭窄層に近い第１の活性層に比べて、相対的に大きくする。例えば、酸化狭窄層から遠い第２の活性層の井戸数を、酸化狭窄層に近い第１の活性層の井戸数より多くすれば良い。
また、これとは逆に、例えば、１次モードでのシングルモード出力を大きくするためには、つぎのように構成すれば良いことが分かる。
すなわち、１次光モードとの結合係数の高い凹型の電流密度分布をもつ酸化狭窄層に近い活性層の井戸数を、それより遠い活性層の井戸数よりも多い井戸数とすれば良い。
これらにより、電流狭窄構造と複数の活性層を持つ面発光レーザにおいて、その電流狭窄によって生じる電流密度分布に応じた複数の異なる活性層構造により、所望の特性を有する面発光レーザを見出した。
【００１５】
上記従来例の周期利得構造のものでは、特許文献１のように同じ構造の活性層が配置されて構成されている。
この構造では、出射（縦）方向の光分布と活性層との結合効率、いわゆる光閉じ込め係数を極力高めてレーザ特性（主に光出力）の向上が図られるだけである。したがって、このような同じ構造の活性層が配置されている従来例のものでは、０次モードでのシングルモード出力を大きくしたり、１次モードでのシングルモード出力を大きくするというように、所望の特性を得るための制御ができない。これに対して、本発明では、電流狭窄によって生じる電流密度分布に応じた複数の異なる活性層構造とすることにより、酸化狭窄構造によって生じる面内方向の電流密度分布、すなわち面内方向の実効的な活性領域と光分布を考慮した最適な構造とすることができる。
【実施例】
【００１６】
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では、図１を用いて０次光モードでのシングルモード動作を得る面発光レーザの構造について説明する。
図１（ａ）に、６８０ｎｍで発振する赤色面発光レーザに適用した具体的な構造を示す。
ｎ−ＧａＡｓ基板１０２上に下部半導体多層膜反射鏡（第２の半導体多層膜反射鏡）としてｎ−ＡｌＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多層膜反射鏡１０４が存在する。
その上に、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰスペーサ層１０６、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ四重量子井戸１０８（第２の活性層）が存在する。
そして、その上にｐ−ＡｌＧａＩｎＰ中間スペーサ層１１０、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ一重量子井戸１１２（第１の活性層）、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰスペーサ層１１４が存在する。
さらに、その上に上部半導体多層膜反射鏡（第１の半導体多層膜反射鏡）としてｐ−ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多層膜反射鏡１１８が存在し、その一部はＡｌＧａＡｓ酸化狭窄層１１６となっている。
最後はｐ−ＧａＡｓコンタクト層１２０で終端される。この図では簡単のため、素子動作のために必要な電極や、層間絶縁膜を記載していないが、実際には形成する必要がある。
【００１７】
ｎ−ＧａＡｓ基板１０２は、四元材料であるＡｌＧａＩｎＰのドーピング効率や自然超格子の影響を考慮して１０°オフ基板がよく用いられる。必要に応じて、５〜１５°オフ基板を用いてもよい。
【００１８】
ｎ−ＡｌＡｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ多層膜反射鏡１０４は適切な反射特性を得るために、各々の層厚が共振波長である６８０ｎｍの１／４波長の光学的厚さに相当する膜厚が用いられる。ペア数は６０ペアである。
また、良好な電気伝導性を得るために、ＡｌＡｓとＡｌＧａＡｓのヘテロ界面での障壁の影響を極力減らすため、１０〜２０ｎｍ厚の組成傾斜層を用いてもよい。
ｎ型電導性を得るために、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅなどがドーパントとして用いられ、その不純物濃度は５×１０17〜５×１０18ｃｍ-2になるように制御される。
ここでは、多層膜反射鏡の熱抵抗を小さくすることを優先して低屈折率層にＡｌＡｓを用いたが、酸化狭窄の際に酸化されやすいという問題もある。
このため、この多層膜反射鏡の上部、すなわち活性層に近い領域の数ペアをＡｌＡｓではなく、より酸化されにくいＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓを用いてもよい。
【００１９】
ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ多層膜反射鏡１１８も同様に１／４波長の光学的厚さに相当する膜厚が用いられる。ペア数は３４ペアである。電気的特性を考慮して、組成傾斜層を用いてもよい。
ｐ型電導性を得るために、Ｃ、Ｚｎ、Ｍｇなどがドーパントとして用いられる。その不純物濃度は、５×１０17〜５×１０18ｃｍ-2になるように制御される。
ＡｌＧａＡｓ酸化狭窄層１１６は、Ａｌ組成が９８％、層厚３０ｎｍである。水蒸気雰囲気中で４００℃に昇温することでメサ側壁の酸化層端面から選択酸化を行い、ＡｌＧａＡｓをＡｌＯなどの酸化物に変性させて絶縁層にさせる。
選択酸化されずに残った開口部が６ｕｍ径になるように酸化距離を時間で制御する。酸化されない開口部はＡｌＧａＡｓのままで電気伝導性が残るため、電流狭窄が可能になる。
この層の開口部においてもｐ型電導性を得るために、ＡｌＧａＡｓ酸化狭窄層はＣ、Ｚｎ、Ｍｇなどを５×１０17〜５×１０18ｃｍ-2にドーピングする。必要に応じて組成傾斜層を設けてもよい。
【００２０】
上下の多層膜反射鏡１０４、１１８に挟まれた共振器内の各スペーサ層は四元材料であるＡｌＧａＩｎＰを使用する。
ｐ側スペーサ層１１４には、Ａｌ0.35Ｇａ0.15Ｉｎ0.5Ｐ層を用いる。可能な限り電子のオーバーフローを低減するために、バンドギャップが最大になるＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐを用いてもよい。
ドーパントはＭｇ、Ｚｎなどを用いて、不純物濃度が７×１０17〜２×１０18ｃｍ-2になるようにする。
ｎ側スペーサ層１０６はＡｌ0.35Ｇａ0.15Ｉｎ0.5Ｐを用いる。ドーパントはＳｉ、Ｓｅなどを用いて、その不純物濃度が１×１０17〜１×１０18ｃｍ-2になるようにする。
中間スペーサ層１１０は、ここではｐ型導電性をもつようにＭｇ、Ｚｎなどを１×１０17〜１×１０18ｃｍ-2になるようにドープする。
Ｍｇはメモリー効果の影響により、この中間スペーサ層上に形成する活性層への意図しないドーピングに繋がる可能性もあり、必要に応じてアンドープであってもよい。
【００２１】
これら三つのスペーサ層は図１（ａ）が示すように活性層１０８、１１２が光強度分布の腹１２２に配置されるように、また多層膜反射鏡間の共振器の光学的厚さがλ／２の整数倍になるようにその層厚が各々調整される。
低抵抗なｐ側コンタクトを得るために、最表面層はＣ、Ｚｎなどを１×１０19〜１×１０20ｃｍ-2までドーピングしたｐ−ＧａＡｓコンタクト層１２０を２０ｎｍ設ける。
二つの活性層として、ＧａＩｎＰ／Ａｌ0.25Ｇａ0.25Ｉｎ0.5Ｐ一重量子井戸１１２とＧａＩｎＰ／Ａｌ0.25Ｇａ0.25Ｉｎ0.5Ｐ四重量子井戸１０８が設けられる。
どちらの活性層も発光ピークは共振波長の６８０ｎｍよりも短い６６０ｎｍに設定される。
すなわち、この例では、ＧａＩｎＰ井戸層のＩｎ組成と井戸幅は同じに設定される。このように発光ピーク波長を共振波長より短くしてデチューニング量を設けることで、温度特性のより優れた素子が形成できる。
【００２２】
図３の計算結果から、０次モードでのシングルモード出力を大きくするためには、より凸型の電流密度分布を持つ、酸化狭窄層から遠い第２の活性層からのモード利得への寄与を、酸化狭窄層に近い第１の活性層に比べて、相対的に大きくすれば良い。
そのために、例えば、第１の活性層体積を第２の活性層体積に比べ減らせばよい。
そうすれば、縦方向の結合効率（光閉じ込め係数）が変化し、具体的には、第１の活性層の光閉じ込め係数、すなわちモード利得が低下する。
一方、第２の活性層の光閉じ込め係数、すなわちモード利得が増大し、結果、０次光モード発振がより得られ易い状況となる。
ここでは、酸化狭窄層に近い活性層に光閉じ込め係数が小さくなる一重量子井戸１１２を、酸化狭窄層から遠い活性層に光閉じ込め係数が大きくなる四重量子井戸１０８を用いる。図１（ｂ）に活性層周辺の詳細図を示す。
この図は伝導帯のエネルギー準位を示しており、右方向が高エネルギー側を示す。縦方向は各々の層の位置を示し、下側が基板側であり、図１（ａ）と対応する向きになっている。
【００２３】
上記に示すような半導体量子井戸構造における井戸数の異なる活性層を複数有する構造の効果を示す一例として、酸化狭窄層から遠い活性層（図１では１０８に相当）の井戸数を４に固定する。
そして、酸化狭窄層に近い活性層（図１では１１２に相当）の井戸数を４個（サンプル１：図２の従来例の場合）、２個（サンプル２）、１個（サンプル３）と変化させる。
その場合の面内電流密度分布における酸化狭窄開口部中心の値（左側：黒棒）と、端部（中心から３ｕｍ、右側：白棒）の値を、図５（ａ）、（ｂ）に示す。
図５（ａ）は酸化狭窄層に近い第１の活性層の電流密度であり、図５（ｂ）は酸化狭窄層から遠い第２の活性層の電流密度である。
この図からわかるように、井戸数を変化させることで各活性層への電流配分を制御させることができ、所望の面内電流密度をもつ活性層への電流注入量を増大させることができる。
【００２４】
さらに、レーザ特性へのより直接的な効果を見るために、図６を示す。
この図６は、図５（ａ）（ｂ）のふたつの活性層における電流密度分布の合計から算出できるモード利得（光閉じ込め係数を考慮）の開口部中心の値と端部の値の比である。
この比が大きいほど、０次光モードでのシングルモード発振には好ましい。
この図６からも、酸化狭窄層に近い第一の活性層の井戸数を、酸化狭窄層から遠い第二の活性層にくらべ相対的に減らすことで、その比は増大し、すなわち、より凸型の面内方向モード利得分布を達成し、０次光モードのシングルモード発振が得られ易くなることがわかる。
【００２５】
本実施例のポイントは、酸化狭窄層に近い凹型の電流密度分布をもつ活性層の井戸数を少なくし、酸化狭窄層から遠い凸型の電流密度分布をもつ活性層の井戸数を多くすることである。
上記例だけでなく、例えば、酸化狭窄層に近い活性層の井戸数を１〜３にし、酸化狭窄層から遠い活性層の井戸数を３〜５などにして遠い活性層の光閉じ込め係数を相対的に大きくすることが重要である。
このように井戸数に意図的に差を設けることで、より好ましい面内電流密度分布を持つ活性層からの利得の寄与を大きくして所望の光モードでの光出力の増大を達成することが可能となる。
ところで、光閉じ込め係数を変えるには、実効的な活性層体積を変えるようにすればよい。
ここでは量子井戸活性層を用いているため、井戸数を変えたが、その他の方法として、井戸幅、バリア幅を変えて、実効的な活性層体積を変えても良い。
つまり、０次光モードでのシングルモード動作が目的であれば、第１の活性層と比較して、酸化狭窄層から遠い第２の活性層の井戸幅を広くする、あるいはバリア幅を狭くするようにしてもよい。
【００２６】
さらにモード利得への寄与を制御するために、各活性層への電流注入量の積極的な制御を行うことも効果がある。
具体的には、中間スペーサ層に意図的にドーピングを行う。
上記サンプル３の場合で、中間スペーサ層にｐ型（サンプル４：図１に示す第１の実施例の場合）あるいはｎ型（サンプル５）にドーピングした場合も図５および図６に示す。
ドーピング量は各々ＭｇとＳｉが５×１０17ｃｍ-3である。
これらの図が示すように、この例では、中間スペーサ層をｐ型ドーピングすることで、より凸型のモード利得分布にすることができ、あるいはｎ型ドーピングすることでより凹型のモード利得分布にすることができる。
これは、もともとｐｎ接合間にあるｉ層中に、新たにｐ層やｎ層を設けると、新たに設けたそのドーピング層と、それと逆の極性のドーピングが行われていた層の間に優先的にｐｎ接合が形成される。
そして、その間に存在する活性層への電流注入をより強調させることができるため、と考えられる。
以上のように、中間スペーサ層に適切なドーピングを施すことで、さらに面内方向のモード利得分布を望ましい形状に制御することも可能になる。
【００２７】
［実施例２］
実施例２では、図７を用いて、１次モードでのシングルモード動作を得るための面発光レーザの構造について説明する。
図７（ａ）、（ｂ）に６８０ｎｍで発振する赤色面発光レーザに適用した具体的な構造を示す。
ここでは、実施例１における図１（ａ）、（ｂ）との差異を中心に説明する。実施例１では０次モードにおけるシングルモード動作が目的であったが、本実施例では１次光モードのシングルモード動作を得るためであり、実施例１とは反対の方針となる。
すなわち、図７（ｂ）に示すように、酸化狭窄層に近い活性層をＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ四重量子井戸６０６（（第１の活性層））とし、酸化狭窄層に遠い活性層を一重量子井戸６０２（第２の活性層）とする。
これにより、１次光モードとの結合係数の高い凹型の電流密度分布をもつ酸化狭窄層に近い活性層の井戸数を増やすことで、光閉じ込め係数を積極的に増大させている。
【００２８】
さらに、中間スペーサ層６０４をｎ型にドーピングすることで、より凹型の電流密度分布を強調させて１次モードでのシングルモード動作を可能にする。
ここでは、井戸数について変化させた例であるが、各々の活性層の構造を変える考え方は、実施例１に示した場合と同じであり、所望の面内電流密度分布をもつ活性層からの寄与をより大きくするような構造を用いるようにすることが重要である。
【００２９】
［実施例３］
３実施例では、図８を用い、０次光モードのシングルモード動作を得つつ、さらに、全駆動電流領域において高効率な面発光レーザの構造について説明する。一般に、電流が注入されて素子温度が上昇すると、共振波長と発光ピーク波長が長波長側にシフトする。
このとき、共振波長は０．０５ｎｍ／℃程度であるのに対し、発光ピーク波長は０．３ｎｍ／℃程度とより大きくシフトする。ゆえに、素子温度や環境温度が上昇すると、両者の波長が相対的にずれ、もはや発光ピーク波長と共振波長が一致しなくなる。
その結果、利得の低下を引き起こし、発振特性が劣化する。ゆえに、通常は発光ピーク波長を共振波長より前もって１０〜２０ｎｍ程度短波長側にシフトさせておく（デチューニング）。
これにより、高い環境温度や高電流注入時の温度上昇による発光ピーク波長のシフトに対応している。
しかしながら、これは一方で環境温度が低い時や、電流注入が少ない時にはしきい値が上昇し、効率が低下することを意味する。
本発明によれば、より広い駆動電流領域においてより高効率な素子が実現可能となる。
【００３０】
図８（ａ）、（ｂ）に６８０ｎｍで発振する赤色面発光レーザに適用した具体的な構造を示す。
ここでは、図１（ａ）、（ｂ）との差異を説明する。
図８（ｂ）に示すように、酸化狭窄層に近い第１の活性層をＧａＩｎＰ／Ａｌ0.25Ｇａ0.25Ｉｎ0.5Ｐ一重量子井戸７０６とし、酸化狭窄層から遠い第２の活性層をＧａＩｎＰ／Ａｌ0.25Ｇａ0.25Ｉｎ0.5Ｐ四重量子井戸７０２とする。
ここで、井戸層であるＧａＩｎＰのＩｎ組成を調整する。
これにより、ＧａＩｎＰ／Ａｌ0.25Ｇａ0.25Ｉｎ0.5Ｐ一重量子井戸７０６の発光ピーク波長を６７５ｎｍに、ＧａＩｎＰ／Ａｌ0.25Ｇａ0.25Ｉｎ0.5Ｐ四重量子井戸７０２の発光ピーク波長を６５５ｎｍにする。
具体的には、一重量子井戸７０６（第１の活性層）の６７５ｎｍを実現するために、Ｉｎ組成を多めにしてバンドギャップを狭めている。
また、四重量子井戸７０２（第２の活性層）の６５５ｎｍを達成するために、Ｉｎ組成を少なめにしてバンドギャップを広げている。
共振波長は６８０ｎｍであるから、一重量子井戸７０６ではデチューニング量は５ｎｍであり、四重量子井戸では２５ｎｍになる。また、中間スペーサ層はここではアンドープにしてある。
【００３１】
この素子に電流を注入した際の動作について説明する。しきい値直後の電流注入量においては、電流注入量が少ないために自己発熱は少なく、温度上昇が少ない。
この状況では発光ピーク波長の波長シフトが少ないために、発光ピーク波長が６７５ｎｍである一重量子井戸７０６からの発光が共振波長である６８０ｎｍとより一致し、その寄与が支配的になる。
この場合、電流密度分布は凹型ではあるものの、しきい値直後の低電流注入領域では、１次光モードにおける回折損がもともと０次光モードにおける回折損より大きいために、凹型であってもシングルモード動作が実現される。
【００３２】
一方、電流をさらに注入し、数ｍＡ程度（電流密度では１０数ｋＡ／ｃｍ2）になると、自己発熱による温度上昇で発光波長のピークが長波長側へ大きくシフトするようになる。
このような場合では、もともと６５５ｎｍに発光ピークをもつ四重量子井戸７０２からの発光が共振波長とより一致し始め、その寄与が大きくなる。
この活性層では面内方向電流密度は凸型の分布を持つため、電流注入量が増えた場合であっても引き続き０次モードでのシングルモード動作が可能となる。
しかも、高電流注入領域の温度上昇により整合するデチューニング量を設けているため、効率の低下が少ない。
このように幅広い電流注入量に応じた各々の温度上昇に整合した複数のデチューニング量を持つ活性層構造を設けることで、全電流領域で効率の高い面発光レーザが得られる。
【００３３】
ここでは、デチューニング量として低電流領域のための少ないデチューニング量として５ｎｍ、高電流領域のためのデチューニング量として２５ｎｍとしたが、電流注入による発熱量に応じて対応させればよい。
具体的には、少ないデチューニング量として０〜１０ｎｍ、大きいデチューニング量として２０〜３０ｎｍが有効である。
本実施例では、波長を変える方法としてＩｎ組成を変化させたが、井戸幅を変えて波長を制御してもよい。
この場合、光閉じ込め係数もその井戸幅によって変化するため、井戸数の調整も含めて所望の値になるように調整すればよい。
【００３４】
以上、活性層の数が二つの場合について述べたが、三つ以上の場合においても同様の考え方が拡張できる。
すなわち、上述したように電流狭窄層に近い活性層と遠い活性層の面内方向電流密度分布の違いを積極的に利用して所望の素子特性の向上に繋がるように活性層構造を変えるようにすればよい。
また、上記例ではＡｌＧａＩｎＰ活性層を用いた赤色面発光レーザについて説明したが、本発明の考え方は、波長や半導体層の材料に依存せず適用できるものである。
例えば、より長波長側で発光するＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、さらにより短波長側で発光するＺｎＣｄＳｅ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮといった活性層をもつ面発光レーザにも適用できる。
また、上記例では単素子の場合のみを説明したが、それら単素子を比較的容易に二次元アレイ化することに面発光レーザの利点があり、応用上大きな効果を発する。
したがって、本発明を用いた素子により二次元アレイ化を行い、多チャンネル化する等により、さらに有効な利用を図ることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１０２：ｎ−ＧａＡｓ基板
１０４：ｎ−ＡｌＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多層膜反射鏡
１０６：ｎ−ＡｌＧａＩｎＰスペーサ層
１０８：ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ四重量子井戸
１１０：ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ中間スペーサ層
１１２：ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ一重量子井戸
１１４：ｐ−ＡｌＩｎＰスペーサ層
１１６：ＡｌＧａＡｓ酸化狭窄層
１１８：ｐ−ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多層膜反射鏡
１２０：ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１２２：共振器内光強度分布の腹
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向して配置された第１の半導体多層膜反射鏡と第２の半導体多層膜反射鏡との間に、電流注入により利得が生じる複数の活性層を有する利得領域と、前記複数の活性層に注入される電流を狭窄する電流狭窄層と、を有する面発光レーザであって、
前記利得領域は、前記複数の活性層として、少なくとも第１の活性層と第２の活性層とを有し、
前記第１の活性層と第２の活性層が、前記電流狭窄層による電流の狭窄によって生じるこれら活性層の面内方向の電流密度分布の違いに応じた、異なる活性層構造を有することを特徴とする面発光レーザ。
【請求項２】
前記電流狭窄層は、ｐ型半導体層を選択酸化して形成されており、
前記第１の活性層と第２の活性層の間に半導体層からなるスペーサ層を備え、該スペーサ層がｐ型またはｎ型にドーピングされていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項３】
前記第１の活性層と第２の活性層は、
前記異なる活性層構造として、体積が異なる構造を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ。
【請求項４】
前記第１の活性層は、前記第２の活性層よりも小さい体積を備え、
前記電流狭窄層に対して前記第２の活性層よりも近い位置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ。
【請求項５】
前記第１の活性層と第２の活性層は、半導体量子井戸構造とされており、
前記異なる活性層構造として、異なる井戸数による半導体量子井戸構造を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ。
【請求項６】
前記第１の活性層は、前記第２の活性層よりも少ない井戸数を備え、
前記電流狭窄層に対して前記第２の活性層よりも近い位置に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ。
【請求項７】
前記第１の活性層と第２の活性層は、半導体量子井戸構造とされており、
前記異なる活性層構造として、異なる井戸幅による半導体量子井戸構造を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ。
【請求項８】
前記第１の活性層は、前記第２の活性層よりも狭い井戸幅を備え、
前記電流狭窄層に対して前記第２の活性層よりも近い位置に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の面発光レーザ。
【請求項９】
前記第１の活性層と第２の活性層は、半導体量子井戸構造とされており、
前記異なる活性層構造として、異なるバリア幅による半導体量子井戸構造を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ。
【請求項１０】
前記第１の活性層は、前記第２の活性層よりも広いバリア幅を備え、
前記電流狭窄層に対して前記第２の活性層よりも近い位置に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の面発光レーザ。
【請求項１１】
前記第１の活性層と第２の活性層は、半導体層により構成され、
前記異なる活性層構造として、異なる組成による構造を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ。
【請求項１２】
前記半導体層が、ＡｌＧａＩｎＰからなることを特徴とする請求項１１に記載の面発光レーザ。
【請求項１３】
前記第１の活性層は、前記第２の活性層よりも多いＩｎ組成を備え、
前記電流狭窄層に対して前記第２の活性層よりも近い位置に配置されていることを特徴とする請求項１２に記載の面発光レーザ。
【請求項１】
対向して配置された第１の半導体多層膜反射鏡と第２の半導体多層膜反射鏡との間に、電流注入により利得が生じる複数の活性層を有する利得領域と、前記複数の活性層に注入される電流を狭窄する電流狭窄層と、を有する面発光レーザであって、
前記利得領域は、前記複数の活性層として、少なくとも第１の活性層と第２の活性層とを有し、
前記第１の活性層と第２の活性層が、前記電流狭窄層による電流の狭窄によって生じるこれら活性層の面内方向の電流密度分布の違いに応じた、異なる活性層構造を有することを特徴とする面発光レーザ。
【請求項２】
前記電流狭窄層は、ｐ型半導体層を選択酸化して形成されており、
前記第１の活性層と第２の活性層の間に半導体層からなるスペーサ層を備え、該スペーサ層がｐ型またはｎ型にドーピングされていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項３】
前記第１の活性層と第２の活性層は、
前記異なる活性層構造として、体積が異なる構造を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ。
【請求項４】
前記第１の活性層は、前記第２の活性層よりも小さい体積を備え、
前記電流狭窄層に対して前記第２の活性層よりも近い位置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ。
【請求項５】
前記第１の活性層と第２の活性層は、半導体量子井戸構造とされており、
前記異なる活性層構造として、異なる井戸数による半導体量子井戸構造を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ。
【請求項６】
前記第１の活性層は、前記第２の活性層よりも少ない井戸数を備え、
前記電流狭窄層に対して前記第２の活性層よりも近い位置に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ。
【請求項７】
前記第１の活性層と第２の活性層は、半導体量子井戸構造とされており、
前記異なる活性層構造として、異なる井戸幅による半導体量子井戸構造を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ。
【請求項８】
前記第１の活性層は、前記第２の活性層よりも狭い井戸幅を備え、
前記電流狭窄層に対して前記第２の活性層よりも近い位置に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の面発光レーザ。
【請求項９】
前記第１の活性層と第２の活性層は、半導体量子井戸構造とされており、
前記異なる活性層構造として、異なるバリア幅による半導体量子井戸構造を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ。
【請求項１０】
前記第１の活性層は、前記第２の活性層よりも広いバリア幅を備え、
前記電流狭窄層に対して前記第２の活性層よりも近い位置に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の面発光レーザ。
【請求項１１】
前記第１の活性層と第２の活性層は、半導体層により構成され、
前記異なる活性層構造として、異なる組成による構造を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ。
【請求項１２】
前記半導体層が、ＡｌＧａＩｎＰからなることを特徴とする請求項１１に記載の面発光レーザ。
【請求項１３】
前記第１の活性層は、前記第２の活性層よりも多いＩｎ組成を備え、
前記電流狭窄層に対して前記第２の活性層よりも近い位置に配置されていることを特徴とする請求項１２に記載の面発光レーザ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２９４９３（Ｐ２０１１−２９４９３Ａ）
【公開日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７５３５２（Ｐ２００９−１７５３５２）
【出願日】平成２１年７月２８日（２００９．７．２８）
【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２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月２８日（２００９．７．２８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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