面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置
【課題】信頼性の高い面発光型半導体レーザを提供する。
【解決手段】長共振器構造のＶＣＳＥＬ１０は、ｎ型のＧａＡｓ基板１００と、ＡｌＧａＡｓ層から構成されるｎ型の下部ＤＢＲ１０２と、下部ＤＢＲ１０２上に形成された共振器１０４と、共振器１０４上に形成されたＡｌＧａＡｓ層から構成されるｐ型の上部ＤＢＲ１０８とを有する。共振器１０４の光学的膜厚が発振波長よりも大きく、共振器１０４は、活性層１０６Ｂの上下に配された一対のスペーサ層１０６Ａ、１０６Ｃと、スペーサ層１０６Ｃの側に形成された共振器延長領域１０５とを含む。共振器延長領域１０５は、ｎ型のＧａＩｎＰから構成される。
【解決手段】長共振器構造のＶＣＳＥＬ１０は、ｎ型のＧａＡｓ基板１００と、ＡｌＧａＡｓ層から構成されるｎ型の下部ＤＢＲ１０２と、下部ＤＢＲ１０２上に形成された共振器１０４と、共振器１０４上に形成されたＡｌＧａＡｓ層から構成されるｐ型の上部ＤＢＲ１０８とを有する。共振器１０４の光学的膜厚が発振波長よりも大きく、共振器１０４は、活性層１０６Ｂの上下に配された一対のスペーサ層１０６Ａ、１０６Ｃと、スペーサ層１０６Ｃの側に形成された共振器延長領域１０５とを含む。共振器延長領域１０５は、ｎ型のＧａＩｎＰから構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１や２は、長いモノリシックなキャビティを用いた選択酸化型の長共振器の面発光型半導体レーザを開示している。また、特許文献３は、ミラー間に空洞の延長領域を介在させた長共振器の面発光型半導体レーザを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】H. J. Unold, et al, ”Improving Single-Mode VCSEL Performance by Introducing a Long Monolithic Cavity”, IEEE, PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 12, NO. 8, AUGUST 2000
【非特許文献２】S. W. Z. Mahmoud, “Analysis of longitudinal mode wave guiding in vertical-cavity surface-emitting lasers with long monolithic cavity”, APPLIED PHYSICS LETTERS, VOL. 78, NUMBER 5
【特許文献１】特開２００５−１２９９６０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、信頼性の高い面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１は、基板と、前記基板上に形成され、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層した第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡と、第１の半導体多層膜反射鏡上に形成された活性層を含む共振器と、前記共振器上に形成され、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層した前記第１導電型と異なる第２導電型の第１の半導体多層膜反射鏡とを有し、前記共振器は、前記活性層の上下に配された一対のスペーサ層と、前記一対のスペーサ層のいずれか一方の側に形成された共振器延長領域とを含み、前記共振器延長領域は、結晶欠陥のあるエネルギー準位が結晶欠陥のない通常のエネルギー準位よりも高い材料を含む、面発光型半導体レーザ。
請求項２は、前記共振器は、前記活性層の一方のスペーサ層と前記共振器延長領域との間に、前記活性層内にキャリアを閉じ込めるためのキャリア障壁層を含む、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項３は、前記共振器延長領域は、ｎ型のＧａＩｎＰ層から構成される、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項４は、前記共振器延長領域は、ｎ型のＧａＩｎＰ層とｎ型のＡｌＧａＡｓ層とを含み、前記ＧａＩｎＰ層は、前記活性層と前記ＡｌＧａＡｓ層との間に配置される、請求項１ないし３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項５は、前記ＡｌＧａＡｓ層の膜厚は、前記ＧａＩｎＰ層の膜厚よりも大きい、請求項４に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項６は、前記ＧａＩｎＰ層は、発振波長の１／４よりも大きい、請求項４または５に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項７は、前記ＧａＩｎＰ層には、不純物としてシリコンが注入される、請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項８は、前記ＡｌＧａＡｓ層には、不純物としてシリコンが注入される、請求項１ないし７いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項９は、前記キャリア障壁層と前記ＧａＩｎＰ層との間に、前記キャリア障壁層のＡｌ組成比よりも低いＡｌ組成比をもつ緩衝層が形成される、請求項１ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項１０は、前記基板上には、少なくとも第２の半導体多層膜反射鏡を含む柱状構造が形成され、前記柱状構造内には、選択的に酸化された酸化領域を含む電流狭窄層が形成される、請求項１ないし９いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項１１は、前記柱状構造をエッチングにより形成するとき、前記共振器延長領域はエッチング停止層として機能する、請求項１０に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項１２は、請求項１ないし１１いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材とを備えた面発光型半導体レーザ装置。
請求項１３は、請求項１２に記載された面発光型半導体レーザ装置と、前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段とを備えた光伝送装置。
請求項１４は、請求項１ないし１１いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構とを有する情報処理装置。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１、３、６、７によれば、活性層の劣化を抑制することができる。
請求項２、１０によれば、発光出力を向上させることができる。
請求項４、５、８によれば、ＡｌＧａＡｓ層を含まない場合と比較して、共振器延長領域の形成を容易にすることができる。
請求項９によれば、キャリア障壁層の形成を容易にすることができる。
請求項１１によれば、柱状構造を精度良く形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１の実施例に係る長共振器構造の面発光型半導体レーザの概略断面図である。
【図２】図２（ａ）は、ＡｌＧａＡｓのエネルギーバンドを示す図であり、図２（ｂ）はｎ型のＡｌＧａＡｓのＤＸセンターを説明するためのエネルギーバンドを示す図である。
【図３】本発明の第２の実施例に係る長共振器構造の面発光型半導体レーザの概略断面図である。
【図４】本発明の第３の実施例に係る長共振器構造の面発光型半導体レーザの概略断面図である。
【図５】本発明の第４の実施例に係る長共振器構造の面発光型半導体レーザの概略断面図である。
【図６】本実施例の面発光型半導体レーザに光学部材を実装した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す概略断面図である。
【図７】本実施例の面発光型半導体レーザを使用した光源装置の構成例を示す図である。
【図８】図６（ａ）に示す面発光型半導体レーザ装置を用いた光伝送装置の構成を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）は、通信装置や画像形成装置の光源に利用されている。このような光源に利用される面発光型半導体レーザとっては、単一横モードにおいて光出力やＥＳＤ（Electro Static Discharge）耐性を向上させ、他方、抵抗値や放熱性を低減させることで、素子の寿命を延ばすことが要求されている。
【０００９】
選択酸化型の面発光型半導体レーザでは、電流狭窄層の酸化アパーチャ径を約３ミクロン程度にまで小さくすることで単一横モードを得ているが、酸化アパーチャ径を小さくすれば、素子の抵抗が高くなり、発熱温度も高くなり、これが要因となって寿命が短くなる。また、酸化アパーチャ径を小さくすれば、光出力も小さくなってしまう。面発光型半導体レーザの高光出力および長寿命を実現するための１つの方法に、共振器長を長くすることが考えられている。長共振器の面発光型半導体レーザは、典型的に、共振器長を３〜４ミクロン程度（発振波長の１０倍ないし２０倍程度）長くしたキャビティを備えている。共振器長が長くなると、広がり角が小さい基本横モードと広がり角が大きい高次横モードとの間の光学的損失の差が大きくなり、その結果、酸化アパーチャ径を大きくしても単一横モードを得ることができる。長共振器の面発光型半導体レーザであれば、酸化アパーチャ径を８ミクロン程度まで大きくすることが可能であり、光出力も５ｍＷぐらいまで高くすることが可能である。
【００１０】
以下の説明では、選択酸化型の長共振器構造の面発光型半導体レーザを例示し、面発光型半導体レーザをＶＣＳＥＬと称する。なお、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調しており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。
【実施例】
【００１１】
図１は、本発明の第１の実施例に係る長共振器構造のＶＣＳＥＬの概略断面図である。同図に示すように、本実施例の長共振器構造のＶＣＳＥＬ１０は、ｎ型のＧａＡｓ基板１００上に、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｎ型の下部分布ブラック型反射鏡（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲという）１０２、下部ＤＢＲ１０２上に形成された、長共振器構造を提供する共振器１０４、共振器１０４上に形成されたＡｌ組成が異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｐ型の上部ＤＢＲ１０８を積層している。
【００１２】
ｎ型の下部ＤＢＲ１０２は、例えば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層とのペアを複数積層して構成され、各層の厚さはλ／４ｎｒ（但し、λは発振波長、ｎｒは媒質の屈折率）であり、これらを交互に４０周期で積層してある。ｎ型不純物であるシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０18ｃｍ-3である。また、ｐ型の上部ＤＢＲ１０８は、ｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ層とのペアを複数積層して構成され、各層の厚さはλ／４ｎｒであり、これらを交互に２９周期積層してある。ｐ型不純物であるカーボンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０18ｃｍ-3である。好ましくは、上部ＤＢＲ１０８の最上層には、ｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層が形成され、上部ＤＢＲ１０８の最下層もしくはその内部には、ｐ型ＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓの電流狭窄層１１０が形成される。
【００１３】
共振器１０４は、下部ＤＢＲ１０２上に形成された共振器延長領域１０５と、共振器延長領域１０５上に形成された活性領域１０６とを含んで構成される。活性領域１０６は、上部および下部スペーサ層１０６Ａ、１０６Ｃに挟まれた量子井戸活性層１０６Ｂを含み、好ましくは活性領域１０６の膜厚は、発振波長λに等しい。下部スペーサ層１０６Ａは、例えば、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層であり、量子井戸活性層１０６Ｂは、アンドープＡｌ０．１１Ｇａ０．８９Ａｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ障壁層であり、上部スペーサ層１０６Ｃは、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層である。
【００１４】
共振器延長領域１０５は、一連のエピタキシャル成長により形成されたモノリシックな層であり、その光学的膜厚は、任意であるが、例えば、数λないし数十λ（λは所望の発振波長）を有することができ、好ましくは、５λないし２０λの間の厚み、または反射率が９７％以上の反射帯域に複数の共振波長が含まれる厚みの少なくとも一方を満たす。このような厚みを有することで、厚みが薄い構成に比べ高次の横モードが抑制される。長共振器構造を持たないＶＣＳＥＬは、共振器延長領域１０５を備えておらず、通常、下部ＤＢＲ１０２上に活性領域１０６が形成され、共振器１０４の光学的膜厚は、λ以下である。このような共振器延長領域１０５は、空洞延長領域またはキャビティスペースとして参照され得る。
【００１５】
本実施例では、共振器延長領域１０５は、ＤＸセンターによる深い準位が生じ難い材料から構成され、好ましくは、ＤＸセンターによる結晶欠陥のあるエネルギー準位が結晶欠陥のない通常のエネルギー準位よりも高くなる材料から構成される。このようなエネルギー準位であれば、後述するように、ＤＸセンターの発生による原子の移動が抑制され、その結果、活性層の劣化を防止することができる。共振器延長領域１０５は、例えば、ｎ型のドーパントとしてシリコンを注入したＧａＩｎＰ層などから構成される。なお、ＧａＩｎＰは、５λないし２０λの間の厚み、または反射率が９７％以上の反射帯域に複数の共振波長が含まれる厚みの少なくとも一方を満たすことが好ましいが、これに限定されず、活性領域１０６の劣化を抑制できる厚みであればよい。そのような厚みとして、λ／４またはそれより大きな膜厚であることができる。
【００１６】
上部ＤＢＲ１０８から下部ＤＢＲ１０２に至るまで半導体層をエッチングすることにより、基板１００上に円筒状のメサ（柱状構造）Ｍが形成される。電流狭窄層１１０は、メサＭの側面で露出され、当該側面から選択的に酸化された酸化領域１１０Ａと酸化領域１１０Ａによって囲まれた導電領域（酸化アパーチャ）１１０Ｂを有する。導電領域１１０Ｂの基板１００の主面と平行な面内の平面形状は、メサＭの外形を反映した円形状となり、その中心は、メサＭの軸方向の光軸とほぼ一致する。長共振器のＶＣＳＥＬ１０では、基本横モードを得るために、通常のＶＣＳＥＬと比べて導電領域１１０Ｂの径を大きくすることができ、例えば、導電領域１１０Ｂの径を７ミクロン程度まで大きくすることができる。
【００１７】
メサＭの最上層には、Ｔｉ／Ａｕなどを積層した金属製の環状のｐ側電極１１２が形成され、ｐ側電極１１２は、上部ＤＢＲ１０８のコンタクト層にオーミック接続される。ｐ側電極１１２には、円形状の開口すなわち光を出射する光出射口１１２Ａが形成される。光出射口１１２Ａの中心は、メサＭの光軸に一致する。さらに基板１００の裏面には、ｎ側電極１１４が形成される。
【００１８】
長共振器構造を持たないＶＣＳＥＬでは、単一横モードで動作するとき、共振器長が短いので１つの共振波長、すなわち１つの縦モードを有する。一方、本実施例のように長共振器のＶＣＳＥＬでは、共振器長が長くなるため、複数の共振波長が発生し得る。発生する共振波長の数は、共振器長の大きさに比例する。このため、長共振器構造のＶＣＳＥＬでは、動作電流の変動などに伴い共振波長のスイッチング（縦モードのスイッチング）が生じ易く、入力電流とレーザ出力の関係であるＩＬ特性に屈曲点（キンク）を発生させることがある。このような共振波長のスイッチングは、ＶＣＳＥＬの高速変調に好ましくないので、下部ＤＢＲ１０２を構成するＡｌＧａＡｓのペアの屈折率差、あるいは上部ＤＢＲ１０８を構成するＡｌＧａＡｓのペアの屈折率差を小さくすることで、レーザ発振可能な反射率（例えば９９％以上）となる反射帯域を狭め、複数存在する共振波長の中から所望の共振波長を選択し、縦モードスイッチングを抑制することができる。
【００１９】
また、長共振器構造のＶＣＳＥＬでは、通常、ｎ型の共振器延長領域１０５を用いる。これは、ｎ型であれば、光の吸収が少なく、素子抵抗を小さくすることができるためである。他方、共振器延長領域１０５を構成する材料がＡｌＧａＡｓであると、Ａｌ組成とｎ型のドーピング濃度（例えば、シリコン）に影響して深い準位であるＤＸセンターが非常に多くできてしまい、これに起因して活性層１０６Ｂの劣化が急速に進んでしまう。ＤＸセンターとは、伝導体側にできる深い準位のことであり、ドナーとなる不純物をＡｌＧａＡｓまたはＧａＡｓに注入したことによって発生するＡｓ欠陥と推測される。
【００２０】
図２（ａ）は、ＡｌＧａＡｓのエネルギーバンドを示し、図２（ｂ）は、ｎ型ＡｌＧａＡｓにＤＸセンターが生じたときのエネルギーバンドを示している。図２（ａ）に示すように、伝導体の電子は、価電子帯の正孔と結合することにより光（フォトン）を発生する。一方、Ａｌ組成が２０％以上のＡｌＧａＡｓ内では、図２（ａ）のときよりもＤＸセンタの方がエネルギーが低くなり、そのため、ＤＸセンターに電子がトラップされる。その際、ＩＶ族ドナーは、ドナー自身が、ＶＩ族ドナーはＧａ（Ａｌ）が動く。また、電子は、ＤＸセンター内に蓄積され、光を吸収することでＤＸセンターから解放されて伝導体に戻るが、その際、ＩＶ族ドナーはドナー自身が、ＶＩ族ドナーはＧａ（Ａｌ）が動く。これにより、活性層の結晶構造が破壊され、著しく特性を劣化させる。
【００２１】
本実施例では、共振器延長領域１０５の材料を、深い準位をもつＡｌＧａＡｓではなく、深い準位を持たないもの、例えば、ＧａＩｎＰを用いる。ドーパントには、ＧａＩｎＰと格子定数が近いシリコンを用いることで、ＧａＩｎＰには、結晶欠陥による深い準位が形成されない。従って、図２（ｂ）に示すＡｌＧａＡｓのときのように、ＤＸセンターの準位が結晶欠陥がない通常の伝導体のエネルギー準位よりも低くなるのではなく、ＧａＩｎＰによるＤＸセンターの準位は、結晶欠陥がないときの通常の伝導体のエネルギー準位よりも高くなるため、電子は、容易にＤＸセンターにトラップされ難くなり、ＩＶ族ドナー自身の移動が抑制される。こうして、ＤＸセンターに起因する活性層１０６Ｂの結晶構造の劣化による短寿命化が防止され、長共振器構造のＶＣＳＥＬの信頼性を維持することができる。
【００２２】
なお、上記実施例では、下部ＤＢＲ１０２および上部ＤＢＲ１０８を、Ａｌ組成比が高い高ＡｌＧａＡｓ層とＡｌ組成比が低い低ＡｌＧａＡｓ層の対により構成したが、下部ＤＢＲ１０２および上部ＤＢＲ１０８は、ＡｌＧａＡｓに限定されるものではない。下部ＤＢＲ１０２および上部ＤＢＲ１０８は、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対から構成されればよく、例えば、高屈折率層としてＧａＡｓ、低屈折率層としてＡｌＧａＡｓの組合せであってもよい。発振波長が長い場合には、ＤＢＲにＧａＡｓを用いることが可能である。
【００２３】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図３は、第２の実施例に係る長共振器構造のＶＣＳＥＬ１０Ａの概略断面図である。第１の実施例では、共振器延長領域１０５が単一の材料（例えば、ＧａＩｎＰ）から構成されたが、第２の実施例では、共振器延長領域１０５が複数の材料から構成される。
【００２４】
好ましくは、図３に示すように、共振器延長領域１０５は、ＧａＩｎＰからなる第１のスペーサ層１０５Ａと、その直下に形成されるＡｌＧａＡｓからなる第２のスペーサ層１０５Ｂとを含んで形成される。第２のスペーサ層１０５Ｂは、下部ＤＢＲ１０２と同じ材料から構成されるため、結晶成長がされ易く、容易に膜厚を大きくすることができる。このため、第２のスペーサ層１０５Ｂの膜厚は、第１のスペーサ層１０５Ａの膜厚よりも大きい。好ましくは、第２のスペーサ層１０５ＢのＡｌ組成比は、下部ＤＢＲ１０２を構成する高屈折率層と低屈折率層のＡｌ組成比の範囲内であり、下部ＤＢＲ１０２と同様の不純物ドーパント（例えば、シリコン）を用いることができる。また、ＡｌＧａＡｓに不純物ドーパントとしてシリコンを注入した場合、図２（ｂ）に示したように、ＡｌＧａＡｓには多数のＤＸセンターが発生し、その結果、シリコンが拡散もしくは移動する。しかし、活性領域１０６に隣接して第１のスペーサ層１０５Ａが形成されているため、シリコンが活性層１０６Ｂへ拡散されることは防止される。
【００２５】
次に、本発明の第３の実施例について説明する。図４は、第３の実施例に係る長共振器構造のＶＣＳＥＬ１０Ｂの概略断面図である。第３の実施例では、共振器１０４は、第２の実施例の構成に加えて、活性領域１０６と共振器延長領域１０５との間に、キャリアブロック層１２０を備えている。
【００２６】
キャリアブロック層１２０は、下部スペーサ層１０６Ａよりも大きなバンドギャップをもつ材料から構成され、活性層１０６Ｂ内にキャリアを閉じ込める機能を果たす。例えば、第１のスペーサ層１０５ＡがＧａＩｎＰから構成されるとき、キャリアブロック層１２０は、一定の膜厚を有するｎ型のＡｌxＧａ1-xＡｓ（０＜Ｘ＜１）から構成され、下部スペーサ層１０６Ａに隣接するように形成される。キャリアブロック層１２０のバンドギャップは、Ａｌ組成比（Ｘ）によって決定することができ、Ａｌ組成比を高くすれば、それに応じてバンドギャップを大きくすることができる。好ましくは、下部ＤＢＲ１０２がＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層とのペアから構成されるとき、キャリアブロック層１２０は、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とすることができる。また、ＧａＩｎＰ層上にＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層を結晶成長させることは容易ではないので、キャリアブロック層１２０の下層に、バッファ層１２２としてＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層を形成することが望ましい。好ましくは、キャリアブロック層１２０およびバッファ層１２２の光学的膜厚は、それぞれ発振波長のλ／４である。
【００２７】
このように第３の実施例によれば、キャリアブロック層１２０を介在させることで、ＶＣＳＥＬ１０Ｂの発光効率を向上させることができる。
【００２８】
次に、本発明の第４の実施例について説明する。図５は、第４の実施例に係る長共振器構造のＶＣＳＥＬ１０Ｃの概略断面図である。第４の実施例では、第１のスペーサ層１０５ＡがＧａＩｎＰから構成されるとき、第１のスペーサ層１０５Ａは、メサＭをエッチングするときのエッチングストッパーに利用することができる。例えば、三塩化ホウ素をエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチングによりメサＭを形成するとき、ＡｌＧａＡｓとＧａＩｎＰにはエッチングの選択比が生じるため、エッチングをＧａＩｎＰ層において精度良く停止させることができる。上記のエッチングガスは一例であり、ＡｌＧａＡｓとＧａＩｎＰのエッチングに選択比がある他のエッチャントを用いることができることは言うまでもない。
【００２９】
なお、上記第２、第３および第４の実施例においても上記第１の実施例と同様に、共振器延長領域１０５は、５λないし２０λの間の厚み、または反射率が９７％以上の反射帯域に複数の共振波長が含まれる厚みの少なくとも一方を満たすことが好ましいが、これには限定されず、また、第１のスペーサ層１０５Ａは、活性領域１０６の劣化を抑制できる厚みであればよく、例えば、λ／４またはそれより大きな膜厚で構成できる。
また、上記第３および第４の実施例では、共振器延長領域１０５が第１および第２のスペーサ層１０５Ａ、１０５Ｂから構成される例を示したが、共振器延長領域１０５が第１の実施例のときのように単一の材料から構成されるものであってもよい。また、上記実施例では、ｎ型のＧａＡｓ基板を用いた例を示したが、勿論、ｐ型のＧａＡｓ基板を用いることも可能である。その場合には、基板上に形成される半導体層は、導電型がそれぞれ反転される。すなわち、基板上には、ｐ型の下部ＤＢＲが形成され、下部ＤＢＲの活性領域と隣接する位置には電流狭窄層が形成される。メサＭは、少なくとも電流狭窄層に至る深さを有する。そして、活性領域上には、共振器延長領域が形成され、その上に上部ＤＢＲが形成される。
【００３０】
また、電流狭窄層１１０の導電領域（酸化アパーチャ）１１０Ｂの径は、要求される光出力などに応じて適宜変更することができる。さらに、ＧａＡｓ基板１００と下部ＤＢＲ１０２との間に必要に応じてバッファ層を形成するようにしてもよい。さらに上記実施例では、ＧａＡｓ系のＶＣＳＥＬを例示したが、本発明は、他のＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体を用いた長共振器のＶＣＳＥＬにも適用することができる。さらに上記実施例では、シングルスポットのＶＣＳＥＬを例示したが、基板上に多数のメサ（発光部）が形成されたマルチスポットのＶＣＳＥＬあるいはＶＣＳＥＬアレイであってもよい。
【００３１】
次に、本実施例のＶＣＳＥＬを利用した面発光型半導体レーザ装置、光情報処理装置および光伝送装置について図面を参照して説明する。図６（ａ）は、ＶＣＳＥＬと光学部材を実装（パッケージ）した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。面発光型半導体レーザ装置３００は、長共振器ＶＣＳＥＬが形成されたチップ３１０を、導電性接着剤３２０を介して円盤状の金属ステム３３０上に固定する。導電性のリード３４０、３４２は、ステム３３０に形成された貫通孔（図示省略）内に挿入され、一方のリード３４０は、ＶＣＳＥＬのｎ側電極に電気的に接続され、他方のリード３４２は、ｐ側電極に電気的に接続される。
【００３２】
チップ３１０を含むステム３３０上に矩形状の中空のキャップ３５０が固定され、キャップ３５０の中央の開口３５２内に光学部材のボールレンズ３６０が固定されている。ボールレンズ３６０の光軸は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。リード３４０、３４２間に順方向の電圧が印加されると、チップ３１０から垂直方向にレーザ光が出射される。チップ３１０とボールレンズ３６０との距離は、チップ３１０からのレーザ光の広がり角θ内にボールレンズ３６０が含まれるように調整される。また、キャップ内に、ＶＣＳＥＬの発光状態をモニターするための受光素子や温度センサを含ませるようにしてもよい。
【００３３】
図６（ｂ）は、他の面発光型半導体レーザ装置の構成を示す図であり、同図に示す面発光型半導体レーザ装置３０２は、ボールレンズ３６０を用いる代わりに、キャップ３５０の中央の開口３５２内に平板ガラス３６２を固定している。平板ガラス３６２の中心は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。チップ３１０と平板ガラス３６２との距離は、平板ガラス３６２の開口径がチップ３１０からのレーザ光の広がり角度θ以上になるように調整される。
【００３４】
図７は、ＶＣＳＥＬを光情報処理装置の光源に適用した例を示す図である。光情報処理装置３７０は、図６（ａ）または図６（ｂ）のように長共振器ＶＣＳＥＬを実装した面発光型半導体レーザ装置３００または３０２からのレーザ光を入射するコリメータレンズ３７２、一定の速度で回転し、コリメータレンズ３７２からの光線束を一定の広がり角で反射するポリゴンミラー３７４、ポリゴンミラー３７４からのレーザ光を入射し反射ミラー３７８を照射するｆθレンズ３７６、ライン状の反射ミラー３７８、反射ミラー３７８からの反射光に基づき潜像を形成する感光体ドラム(記録媒体)３８０を備えている。このように、ＶＣＳＥＬからのレーザ光を感光体ドラム上に集光する光学系と、集光されたレーザ光を光体ドラム上で走査する機構とを備えた複写機やプリンタなど、光情報処理装置の光源として利用することができる。
【００３５】
図８は、図６（ａ）に示す面発光型半導体レーザ装置を光伝送装置に適用したときの構成を示す断面図である。光伝送装置４００は、ステム３３０に固定された円筒状の筐体４１０、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０、およびフェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０を含んで構成される。ステム３３０の円周方向に形成されたフランジ３３２には、筐体４１０の端部が固定される。フェルール４３０は、スリーブ４２０の開口４２２に正確に位置決めされ、光ファイバ４４０の光軸がボールレンズ３６０の光軸に整合される。フェルール４３０の貫通孔４３２内に光ファイバ４４０の芯線が保持されている。
【００３６】
チップ３１０の表面から出射されたレーザ光は、ボールレンズ３６０によって集光され、集光された光は、光ファイバ４４０の芯線に入射され、送信される。上記例ではボールレンズ３６０を用いているが、これ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。さらに、光伝送装置４００は、リード３４０、３４２に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよい。さらに、光伝送装置４００は、光ファイバ４４０を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。
【００３７】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ：長共振器構造のＶＣＳＥＬ
１００：基板
１０２：下部ＤＢＲ
１０４：共振器
１０５：共振器延長領域
１０６：活性領域
１０８：上部ＤＢＲ
１１０：電流狭窄層
１１０Ａ：酸化領域
１１０Ｂ：導電領域
１１２：ｐ側電極
１１２Ａ：光出射口
１１４：ｎ側電極
１２０：キャリアブロック層
１２２：バッファ層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１や２は、長いモノリシックなキャビティを用いた選択酸化型の長共振器の面発光型半導体レーザを開示している。また、特許文献３は、ミラー間に空洞の延長領域を介在させた長共振器の面発光型半導体レーザを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】H. J. Unold, et al, ”Improving Single-Mode VCSEL Performance by Introducing a Long Monolithic Cavity”, IEEE, PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 12, NO. 8, AUGUST 2000
【非特許文献２】S. W. Z. Mahmoud, “Analysis of longitudinal mode wave guiding in vertical-cavity surface-emitting lasers with long monolithic cavity”, APPLIED PHYSICS LETTERS, VOL. 78, NUMBER 5
【特許文献１】特開２００５−１２９９６０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、信頼性の高い面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１は、基板と、前記基板上に形成され、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層した第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡と、第１の半導体多層膜反射鏡上に形成された活性層を含む共振器と、前記共振器上に形成され、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層した前記第１導電型と異なる第２導電型の第１の半導体多層膜反射鏡とを有し、前記共振器は、前記活性層の上下に配された一対のスペーサ層と、前記一対のスペーサ層のいずれか一方の側に形成された共振器延長領域とを含み、前記共振器延長領域は、結晶欠陥のあるエネルギー準位が結晶欠陥のない通常のエネルギー準位よりも高い材料を含む、面発光型半導体レーザ。
請求項２は、前記共振器は、前記活性層の一方のスペーサ層と前記共振器延長領域との間に、前記活性層内にキャリアを閉じ込めるためのキャリア障壁層を含む、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項３は、前記共振器延長領域は、ｎ型のＧａＩｎＰ層から構成される、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項４は、前記共振器延長領域は、ｎ型のＧａＩｎＰ層とｎ型のＡｌＧａＡｓ層とを含み、前記ＧａＩｎＰ層は、前記活性層と前記ＡｌＧａＡｓ層との間に配置される、請求項１ないし３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項５は、前記ＡｌＧａＡｓ層の膜厚は、前記ＧａＩｎＰ層の膜厚よりも大きい、請求項４に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項６は、前記ＧａＩｎＰ層は、発振波長の１／４よりも大きい、請求項４または５に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項７は、前記ＧａＩｎＰ層には、不純物としてシリコンが注入される、請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項８は、前記ＡｌＧａＡｓ層には、不純物としてシリコンが注入される、請求項１ないし７いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項９は、前記キャリア障壁層と前記ＧａＩｎＰ層との間に、前記キャリア障壁層のＡｌ組成比よりも低いＡｌ組成比をもつ緩衝層が形成される、請求項１ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項１０は、前記基板上には、少なくとも第２の半導体多層膜反射鏡を含む柱状構造が形成され、前記柱状構造内には、選択的に酸化された酸化領域を含む電流狭窄層が形成される、請求項１ないし９いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項１１は、前記柱状構造をエッチングにより形成するとき、前記共振器延長領域はエッチング停止層として機能する、請求項１０に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項１２は、請求項１ないし１１いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材とを備えた面発光型半導体レーザ装置。
請求項１３は、請求項１２に記載された面発光型半導体レーザ装置と、前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段とを備えた光伝送装置。
請求項１４は、請求項１ないし１１いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構とを有する情報処理装置。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１、３、６、７によれば、活性層の劣化を抑制することができる。
請求項２、１０によれば、発光出力を向上させることができる。
請求項４、５、８によれば、ＡｌＧａＡｓ層を含まない場合と比較して、共振器延長領域の形成を容易にすることができる。
請求項９によれば、キャリア障壁層の形成を容易にすることができる。
請求項１１によれば、柱状構造を精度良く形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１の実施例に係る長共振器構造の面発光型半導体レーザの概略断面図である。
【図２】図２（ａ）は、ＡｌＧａＡｓのエネルギーバンドを示す図であり、図２（ｂ）はｎ型のＡｌＧａＡｓのＤＸセンターを説明するためのエネルギーバンドを示す図である。
【図３】本発明の第２の実施例に係る長共振器構造の面発光型半導体レーザの概略断面図である。
【図４】本発明の第３の実施例に係る長共振器構造の面発光型半導体レーザの概略断面図である。
【図５】本発明の第４の実施例に係る長共振器構造の面発光型半導体レーザの概略断面図である。
【図６】本実施例の面発光型半導体レーザに光学部材を実装した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す概略断面図である。
【図７】本実施例の面発光型半導体レーザを使用した光源装置の構成例を示す図である。
【図８】図６（ａ）に示す面発光型半導体レーザ装置を用いた光伝送装置の構成を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）は、通信装置や画像形成装置の光源に利用されている。このような光源に利用される面発光型半導体レーザとっては、単一横モードにおいて光出力やＥＳＤ（Electro Static Discharge）耐性を向上させ、他方、抵抗値や放熱性を低減させることで、素子の寿命を延ばすことが要求されている。
【０００９】
選択酸化型の面発光型半導体レーザでは、電流狭窄層の酸化アパーチャ径を約３ミクロン程度にまで小さくすることで単一横モードを得ているが、酸化アパーチャ径を小さくすれば、素子の抵抗が高くなり、発熱温度も高くなり、これが要因となって寿命が短くなる。また、酸化アパーチャ径を小さくすれば、光出力も小さくなってしまう。面発光型半導体レーザの高光出力および長寿命を実現するための１つの方法に、共振器長を長くすることが考えられている。長共振器の面発光型半導体レーザは、典型的に、共振器長を３〜４ミクロン程度（発振波長の１０倍ないし２０倍程度）長くしたキャビティを備えている。共振器長が長くなると、広がり角が小さい基本横モードと広がり角が大きい高次横モードとの間の光学的損失の差が大きくなり、その結果、酸化アパーチャ径を大きくしても単一横モードを得ることができる。長共振器の面発光型半導体レーザであれば、酸化アパーチャ径を８ミクロン程度まで大きくすることが可能であり、光出力も５ｍＷぐらいまで高くすることが可能である。
【００１０】
以下の説明では、選択酸化型の長共振器構造の面発光型半導体レーザを例示し、面発光型半導体レーザをＶＣＳＥＬと称する。なお、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調しており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。
【実施例】
【００１１】
図１は、本発明の第１の実施例に係る長共振器構造のＶＣＳＥＬの概略断面図である。同図に示すように、本実施例の長共振器構造のＶＣＳＥＬ１０は、ｎ型のＧａＡｓ基板１００上に、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｎ型の下部分布ブラック型反射鏡（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲという）１０２、下部ＤＢＲ１０２上に形成された、長共振器構造を提供する共振器１０４、共振器１０４上に形成されたＡｌ組成が異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｐ型の上部ＤＢＲ１０８を積層している。
【００１２】
ｎ型の下部ＤＢＲ１０２は、例えば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層とのペアを複数積層して構成され、各層の厚さはλ／４ｎｒ（但し、λは発振波長、ｎｒは媒質の屈折率）であり、これらを交互に４０周期で積層してある。ｎ型不純物であるシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０18ｃｍ-3である。また、ｐ型の上部ＤＢＲ１０８は、ｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ層とのペアを複数積層して構成され、各層の厚さはλ／４ｎｒであり、これらを交互に２９周期積層してある。ｐ型不純物であるカーボンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０18ｃｍ-3である。好ましくは、上部ＤＢＲ１０８の最上層には、ｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層が形成され、上部ＤＢＲ１０８の最下層もしくはその内部には、ｐ型ＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓの電流狭窄層１１０が形成される。
【００１３】
共振器１０４は、下部ＤＢＲ１０２上に形成された共振器延長領域１０５と、共振器延長領域１０５上に形成された活性領域１０６とを含んで構成される。活性領域１０６は、上部および下部スペーサ層１０６Ａ、１０６Ｃに挟まれた量子井戸活性層１０６Ｂを含み、好ましくは活性領域１０６の膜厚は、発振波長λに等しい。下部スペーサ層１０６Ａは、例えば、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層であり、量子井戸活性層１０６Ｂは、アンドープＡｌ０．１１Ｇａ０．８９Ａｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ障壁層であり、上部スペーサ層１０６Ｃは、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層である。
【００１４】
共振器延長領域１０５は、一連のエピタキシャル成長により形成されたモノリシックな層であり、その光学的膜厚は、任意であるが、例えば、数λないし数十λ（λは所望の発振波長）を有することができ、好ましくは、５λないし２０λの間の厚み、または反射率が９７％以上の反射帯域に複数の共振波長が含まれる厚みの少なくとも一方を満たす。このような厚みを有することで、厚みが薄い構成に比べ高次の横モードが抑制される。長共振器構造を持たないＶＣＳＥＬは、共振器延長領域１０５を備えておらず、通常、下部ＤＢＲ１０２上に活性領域１０６が形成され、共振器１０４の光学的膜厚は、λ以下である。このような共振器延長領域１０５は、空洞延長領域またはキャビティスペースとして参照され得る。
【００１５】
本実施例では、共振器延長領域１０５は、ＤＸセンターによる深い準位が生じ難い材料から構成され、好ましくは、ＤＸセンターによる結晶欠陥のあるエネルギー準位が結晶欠陥のない通常のエネルギー準位よりも高くなる材料から構成される。このようなエネルギー準位であれば、後述するように、ＤＸセンターの発生による原子の移動が抑制され、その結果、活性層の劣化を防止することができる。共振器延長領域１０５は、例えば、ｎ型のドーパントとしてシリコンを注入したＧａＩｎＰ層などから構成される。なお、ＧａＩｎＰは、５λないし２０λの間の厚み、または反射率が９７％以上の反射帯域に複数の共振波長が含まれる厚みの少なくとも一方を満たすことが好ましいが、これに限定されず、活性領域１０６の劣化を抑制できる厚みであればよい。そのような厚みとして、λ／４またはそれより大きな膜厚であることができる。
【００１６】
上部ＤＢＲ１０８から下部ＤＢＲ１０２に至るまで半導体層をエッチングすることにより、基板１００上に円筒状のメサ（柱状構造）Ｍが形成される。電流狭窄層１１０は、メサＭの側面で露出され、当該側面から選択的に酸化された酸化領域１１０Ａと酸化領域１１０Ａによって囲まれた導電領域（酸化アパーチャ）１１０Ｂを有する。導電領域１１０Ｂの基板１００の主面と平行な面内の平面形状は、メサＭの外形を反映した円形状となり、その中心は、メサＭの軸方向の光軸とほぼ一致する。長共振器のＶＣＳＥＬ１０では、基本横モードを得るために、通常のＶＣＳＥＬと比べて導電領域１１０Ｂの径を大きくすることができ、例えば、導電領域１１０Ｂの径を７ミクロン程度まで大きくすることができる。
【００１７】
メサＭの最上層には、Ｔｉ／Ａｕなどを積層した金属製の環状のｐ側電極１１２が形成され、ｐ側電極１１２は、上部ＤＢＲ１０８のコンタクト層にオーミック接続される。ｐ側電極１１２には、円形状の開口すなわち光を出射する光出射口１１２Ａが形成される。光出射口１１２Ａの中心は、メサＭの光軸に一致する。さらに基板１００の裏面には、ｎ側電極１１４が形成される。
【００１８】
長共振器構造を持たないＶＣＳＥＬでは、単一横モードで動作するとき、共振器長が短いので１つの共振波長、すなわち１つの縦モードを有する。一方、本実施例のように長共振器のＶＣＳＥＬでは、共振器長が長くなるため、複数の共振波長が発生し得る。発生する共振波長の数は、共振器長の大きさに比例する。このため、長共振器構造のＶＣＳＥＬでは、動作電流の変動などに伴い共振波長のスイッチング（縦モードのスイッチング）が生じ易く、入力電流とレーザ出力の関係であるＩＬ特性に屈曲点（キンク）を発生させることがある。このような共振波長のスイッチングは、ＶＣＳＥＬの高速変調に好ましくないので、下部ＤＢＲ１０２を構成するＡｌＧａＡｓのペアの屈折率差、あるいは上部ＤＢＲ１０８を構成するＡｌＧａＡｓのペアの屈折率差を小さくすることで、レーザ発振可能な反射率（例えば９９％以上）となる反射帯域を狭め、複数存在する共振波長の中から所望の共振波長を選択し、縦モードスイッチングを抑制することができる。
【００１９】
また、長共振器構造のＶＣＳＥＬでは、通常、ｎ型の共振器延長領域１０５を用いる。これは、ｎ型であれば、光の吸収が少なく、素子抵抗を小さくすることができるためである。他方、共振器延長領域１０５を構成する材料がＡｌＧａＡｓであると、Ａｌ組成とｎ型のドーピング濃度（例えば、シリコン）に影響して深い準位であるＤＸセンターが非常に多くできてしまい、これに起因して活性層１０６Ｂの劣化が急速に進んでしまう。ＤＸセンターとは、伝導体側にできる深い準位のことであり、ドナーとなる不純物をＡｌＧａＡｓまたはＧａＡｓに注入したことによって発生するＡｓ欠陥と推測される。
【００２０】
図２（ａ）は、ＡｌＧａＡｓのエネルギーバンドを示し、図２（ｂ）は、ｎ型ＡｌＧａＡｓにＤＸセンターが生じたときのエネルギーバンドを示している。図２（ａ）に示すように、伝導体の電子は、価電子帯の正孔と結合することにより光（フォトン）を発生する。一方、Ａｌ組成が２０％以上のＡｌＧａＡｓ内では、図２（ａ）のときよりもＤＸセンタの方がエネルギーが低くなり、そのため、ＤＸセンターに電子がトラップされる。その際、ＩＶ族ドナーは、ドナー自身が、ＶＩ族ドナーはＧａ（Ａｌ）が動く。また、電子は、ＤＸセンター内に蓄積され、光を吸収することでＤＸセンターから解放されて伝導体に戻るが、その際、ＩＶ族ドナーはドナー自身が、ＶＩ族ドナーはＧａ（Ａｌ）が動く。これにより、活性層の結晶構造が破壊され、著しく特性を劣化させる。
【００２１】
本実施例では、共振器延長領域１０５の材料を、深い準位をもつＡｌＧａＡｓではなく、深い準位を持たないもの、例えば、ＧａＩｎＰを用いる。ドーパントには、ＧａＩｎＰと格子定数が近いシリコンを用いることで、ＧａＩｎＰには、結晶欠陥による深い準位が形成されない。従って、図２（ｂ）に示すＡｌＧａＡｓのときのように、ＤＸセンターの準位が結晶欠陥がない通常の伝導体のエネルギー準位よりも低くなるのではなく、ＧａＩｎＰによるＤＸセンターの準位は、結晶欠陥がないときの通常の伝導体のエネルギー準位よりも高くなるため、電子は、容易にＤＸセンターにトラップされ難くなり、ＩＶ族ドナー自身の移動が抑制される。こうして、ＤＸセンターに起因する活性層１０６Ｂの結晶構造の劣化による短寿命化が防止され、長共振器構造のＶＣＳＥＬの信頼性を維持することができる。
【００２２】
なお、上記実施例では、下部ＤＢＲ１０２および上部ＤＢＲ１０８を、Ａｌ組成比が高い高ＡｌＧａＡｓ層とＡｌ組成比が低い低ＡｌＧａＡｓ層の対により構成したが、下部ＤＢＲ１０２および上部ＤＢＲ１０８は、ＡｌＧａＡｓに限定されるものではない。下部ＤＢＲ１０２および上部ＤＢＲ１０８は、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対から構成されればよく、例えば、高屈折率層としてＧａＡｓ、低屈折率層としてＡｌＧａＡｓの組合せであってもよい。発振波長が長い場合には、ＤＢＲにＧａＡｓを用いることが可能である。
【００２３】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図３は、第２の実施例に係る長共振器構造のＶＣＳＥＬ１０Ａの概略断面図である。第１の実施例では、共振器延長領域１０５が単一の材料（例えば、ＧａＩｎＰ）から構成されたが、第２の実施例では、共振器延長領域１０５が複数の材料から構成される。
【００２４】
好ましくは、図３に示すように、共振器延長領域１０５は、ＧａＩｎＰからなる第１のスペーサ層１０５Ａと、その直下に形成されるＡｌＧａＡｓからなる第２のスペーサ層１０５Ｂとを含んで形成される。第２のスペーサ層１０５Ｂは、下部ＤＢＲ１０２と同じ材料から構成されるため、結晶成長がされ易く、容易に膜厚を大きくすることができる。このため、第２のスペーサ層１０５Ｂの膜厚は、第１のスペーサ層１０５Ａの膜厚よりも大きい。好ましくは、第２のスペーサ層１０５ＢのＡｌ組成比は、下部ＤＢＲ１０２を構成する高屈折率層と低屈折率層のＡｌ組成比の範囲内であり、下部ＤＢＲ１０２と同様の不純物ドーパント（例えば、シリコン）を用いることができる。また、ＡｌＧａＡｓに不純物ドーパントとしてシリコンを注入した場合、図２（ｂ）に示したように、ＡｌＧａＡｓには多数のＤＸセンターが発生し、その結果、シリコンが拡散もしくは移動する。しかし、活性領域１０６に隣接して第１のスペーサ層１０５Ａが形成されているため、シリコンが活性層１０６Ｂへ拡散されることは防止される。
【００２５】
次に、本発明の第３の実施例について説明する。図４は、第３の実施例に係る長共振器構造のＶＣＳＥＬ１０Ｂの概略断面図である。第３の実施例では、共振器１０４は、第２の実施例の構成に加えて、活性領域１０６と共振器延長領域１０５との間に、キャリアブロック層１２０を備えている。
【００２６】
キャリアブロック層１２０は、下部スペーサ層１０６Ａよりも大きなバンドギャップをもつ材料から構成され、活性層１０６Ｂ内にキャリアを閉じ込める機能を果たす。例えば、第１のスペーサ層１０５ＡがＧａＩｎＰから構成されるとき、キャリアブロック層１２０は、一定の膜厚を有するｎ型のＡｌxＧａ1-xＡｓ（０＜Ｘ＜１）から構成され、下部スペーサ層１０６Ａに隣接するように形成される。キャリアブロック層１２０のバンドギャップは、Ａｌ組成比（Ｘ）によって決定することができ、Ａｌ組成比を高くすれば、それに応じてバンドギャップを大きくすることができる。好ましくは、下部ＤＢＲ１０２がＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層とのペアから構成されるとき、キャリアブロック層１２０は、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とすることができる。また、ＧａＩｎＰ層上にＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層を結晶成長させることは容易ではないので、キャリアブロック層１２０の下層に、バッファ層１２２としてＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層を形成することが望ましい。好ましくは、キャリアブロック層１２０およびバッファ層１２２の光学的膜厚は、それぞれ発振波長のλ／４である。
【００２７】
このように第３の実施例によれば、キャリアブロック層１２０を介在させることで、ＶＣＳＥＬ１０Ｂの発光効率を向上させることができる。
【００２８】
次に、本発明の第４の実施例について説明する。図５は、第４の実施例に係る長共振器構造のＶＣＳＥＬ１０Ｃの概略断面図である。第４の実施例では、第１のスペーサ層１０５ＡがＧａＩｎＰから構成されるとき、第１のスペーサ層１０５Ａは、メサＭをエッチングするときのエッチングストッパーに利用することができる。例えば、三塩化ホウ素をエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチングによりメサＭを形成するとき、ＡｌＧａＡｓとＧａＩｎＰにはエッチングの選択比が生じるため、エッチングをＧａＩｎＰ層において精度良く停止させることができる。上記のエッチングガスは一例であり、ＡｌＧａＡｓとＧａＩｎＰのエッチングに選択比がある他のエッチャントを用いることができることは言うまでもない。
【００２９】
なお、上記第２、第３および第４の実施例においても上記第１の実施例と同様に、共振器延長領域１０５は、５λないし２０λの間の厚み、または反射率が９７％以上の反射帯域に複数の共振波長が含まれる厚みの少なくとも一方を満たすことが好ましいが、これには限定されず、また、第１のスペーサ層１０５Ａは、活性領域１０６の劣化を抑制できる厚みであればよく、例えば、λ／４またはそれより大きな膜厚で構成できる。
また、上記第３および第４の実施例では、共振器延長領域１０５が第１および第２のスペーサ層１０５Ａ、１０５Ｂから構成される例を示したが、共振器延長領域１０５が第１の実施例のときのように単一の材料から構成されるものであってもよい。また、上記実施例では、ｎ型のＧａＡｓ基板を用いた例を示したが、勿論、ｐ型のＧａＡｓ基板を用いることも可能である。その場合には、基板上に形成される半導体層は、導電型がそれぞれ反転される。すなわち、基板上には、ｐ型の下部ＤＢＲが形成され、下部ＤＢＲの活性領域と隣接する位置には電流狭窄層が形成される。メサＭは、少なくとも電流狭窄層に至る深さを有する。そして、活性領域上には、共振器延長領域が形成され、その上に上部ＤＢＲが形成される。
【００３０】
また、電流狭窄層１１０の導電領域（酸化アパーチャ）１１０Ｂの径は、要求される光出力などに応じて適宜変更することができる。さらに、ＧａＡｓ基板１００と下部ＤＢＲ１０２との間に必要に応じてバッファ層を形成するようにしてもよい。さらに上記実施例では、ＧａＡｓ系のＶＣＳＥＬを例示したが、本発明は、他のＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体を用いた長共振器のＶＣＳＥＬにも適用することができる。さらに上記実施例では、シングルスポットのＶＣＳＥＬを例示したが、基板上に多数のメサ（発光部）が形成されたマルチスポットのＶＣＳＥＬあるいはＶＣＳＥＬアレイであってもよい。
【００３１】
次に、本実施例のＶＣＳＥＬを利用した面発光型半導体レーザ装置、光情報処理装置および光伝送装置について図面を参照して説明する。図６（ａ）は、ＶＣＳＥＬと光学部材を実装（パッケージ）した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。面発光型半導体レーザ装置３００は、長共振器ＶＣＳＥＬが形成されたチップ３１０を、導電性接着剤３２０を介して円盤状の金属ステム３３０上に固定する。導電性のリード３４０、３４２は、ステム３３０に形成された貫通孔（図示省略）内に挿入され、一方のリード３４０は、ＶＣＳＥＬのｎ側電極に電気的に接続され、他方のリード３４２は、ｐ側電極に電気的に接続される。
【００３２】
チップ３１０を含むステム３３０上に矩形状の中空のキャップ３５０が固定され、キャップ３５０の中央の開口３５２内に光学部材のボールレンズ３６０が固定されている。ボールレンズ３６０の光軸は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。リード３４０、３４２間に順方向の電圧が印加されると、チップ３１０から垂直方向にレーザ光が出射される。チップ３１０とボールレンズ３６０との距離は、チップ３１０からのレーザ光の広がり角θ内にボールレンズ３６０が含まれるように調整される。また、キャップ内に、ＶＣＳＥＬの発光状態をモニターするための受光素子や温度センサを含ませるようにしてもよい。
【００３３】
図６（ｂ）は、他の面発光型半導体レーザ装置の構成を示す図であり、同図に示す面発光型半導体レーザ装置３０２は、ボールレンズ３６０を用いる代わりに、キャップ３５０の中央の開口３５２内に平板ガラス３６２を固定している。平板ガラス３６２の中心は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。チップ３１０と平板ガラス３６２との距離は、平板ガラス３６２の開口径がチップ３１０からのレーザ光の広がり角度θ以上になるように調整される。
【００３４】
図７は、ＶＣＳＥＬを光情報処理装置の光源に適用した例を示す図である。光情報処理装置３７０は、図６（ａ）または図６（ｂ）のように長共振器ＶＣＳＥＬを実装した面発光型半導体レーザ装置３００または３０２からのレーザ光を入射するコリメータレンズ３７２、一定の速度で回転し、コリメータレンズ３７２からの光線束を一定の広がり角で反射するポリゴンミラー３７４、ポリゴンミラー３７４からのレーザ光を入射し反射ミラー３７８を照射するｆθレンズ３７６、ライン状の反射ミラー３７８、反射ミラー３７８からの反射光に基づき潜像を形成する感光体ドラム(記録媒体)３８０を備えている。このように、ＶＣＳＥＬからのレーザ光を感光体ドラム上に集光する光学系と、集光されたレーザ光を光体ドラム上で走査する機構とを備えた複写機やプリンタなど、光情報処理装置の光源として利用することができる。
【００３５】
図８は、図６（ａ）に示す面発光型半導体レーザ装置を光伝送装置に適用したときの構成を示す断面図である。光伝送装置４００は、ステム３３０に固定された円筒状の筐体４１０、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０、およびフェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０を含んで構成される。ステム３３０の円周方向に形成されたフランジ３３２には、筐体４１０の端部が固定される。フェルール４３０は、スリーブ４２０の開口４２２に正確に位置決めされ、光ファイバ４４０の光軸がボールレンズ３６０の光軸に整合される。フェルール４３０の貫通孔４３２内に光ファイバ４４０の芯線が保持されている。
【００３６】
チップ３１０の表面から出射されたレーザ光は、ボールレンズ３６０によって集光され、集光された光は、光ファイバ４４０の芯線に入射され、送信される。上記例ではボールレンズ３６０を用いているが、これ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。さらに、光伝送装置４００は、リード３４０、３４２に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよい。さらに、光伝送装置４００は、光ファイバ４４０を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。
【００３７】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ：長共振器構造のＶＣＳＥＬ
１００：基板
１０２：下部ＤＢＲ
１０４：共振器
１０５：共振器延長領域
１０６：活性領域
１０８：上部ＤＢＲ
１１０：電流狭窄層
１１０Ａ：酸化領域
１１０Ｂ：導電領域
１１２：ｐ側電極
１１２Ａ：光出射口
１１４：ｎ側電極
１２０：キャリアブロック層
１２２：バッファ層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層した第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡と、
第１の半導体多層膜反射鏡上に形成された活性層を含む共振器と、
前記共振器上に形成され、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層した前記第１導電型と異なる第２導電型の第１の半導体多層膜反射鏡とを有し、
前記共振器は、前記活性層の上下に配された一対のスペーサ層と、前記一対のスペーサ層のいずれか一方の側に形成された共振器延長領域とを含み、
前記共振器延長領域は、結晶欠陥のあるエネルギー準位が結晶欠陥のない通常のエネルギー準位よりも高い材料を含む、面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
前記共振器は、前記活性層の一方のスペーサ層と前記共振器延長領域との間に、前記活性層内にキャリアを閉じ込めるためのキャリア障壁層を含む、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項３】
前記共振器延長領域は、ｎ型のＧａＩｎＰ層から構成される、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項４】
前記共振器延長領域は、ｎ型のＧａＩｎＰ層とｎ型のＡｌＧａＡｓ層とを含み、前記ＧａＩｎＰ層は、前記活性層と前記ＡｌＧａＡｓ層との間に配置される、請求項１ないし３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項５】
前記ＡｌＧａＡｓ層の膜厚は、前記ＧａＩｎＰ層の膜厚よりも大きい、請求項４に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項６】
前記ＧａＩｎＰ層は、発振波長の１／４よりも大きい、請求項４または５に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項７】
前記ＧａＩｎＰ層には、不純物としてシリコンが注入される、請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項８】
前記ＡｌＧａＡｓ層には、不純物としてシリコンが注入される、請求項１ないし７いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項９】
前記キャリア障壁層と前記ＧａＩｎＰ層との間に、前記キャリア障壁層のＡｌ組成比よりも低いＡｌ組成比をもつ緩衝層が形成される、請求項１ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項１０】
前記基板上には、少なくとも第２の半導体多層膜反射鏡を含む柱状構造が形成され、前記柱状構造内には、選択的に酸化された酸化領域を含む電流狭窄層が形成される、請求項１ないし９いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項１１】
前記柱状構造をエッチングにより形成するとき、前記共振器延長領域はエッチング停止層として機能する、請求項１０に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項１２】
請求項１ないし１１いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材と、
を備えた面発光型半導体レーザ装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載された面発光型半導体レーザ装置と、
前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段と、
を備えた光伝送装置。
【請求項１４】
請求項１ないし１１いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、
前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構と、
を有する情報処理装置。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層した第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡と、
第１の半導体多層膜反射鏡上に形成された活性層を含む共振器と、
前記共振器上に形成され、相対的に屈折率が高い高屈折率層と屈折率が低い低屈折率層の対を積層した前記第１導電型と異なる第２導電型の第１の半導体多層膜反射鏡とを有し、
前記共振器は、前記活性層の上下に配された一対のスペーサ層と、前記一対のスペーサ層のいずれか一方の側に形成された共振器延長領域とを含み、
前記共振器延長領域は、結晶欠陥のあるエネルギー準位が結晶欠陥のない通常のエネルギー準位よりも高い材料を含む、面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
前記共振器は、前記活性層の一方のスペーサ層と前記共振器延長領域との間に、前記活性層内にキャリアを閉じ込めるためのキャリア障壁層を含む、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項３】
前記共振器延長領域は、ｎ型のＧａＩｎＰ層から構成される、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項４】
前記共振器延長領域は、ｎ型のＧａＩｎＰ層とｎ型のＡｌＧａＡｓ層とを含み、前記ＧａＩｎＰ層は、前記活性層と前記ＡｌＧａＡｓ層との間に配置される、請求項１ないし３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項５】
前記ＡｌＧａＡｓ層の膜厚は、前記ＧａＩｎＰ層の膜厚よりも大きい、請求項４に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項６】
前記ＧａＩｎＰ層は、発振波長の１／４よりも大きい、請求項４または５に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項７】
前記ＧａＩｎＰ層には、不純物としてシリコンが注入される、請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項８】
前記ＡｌＧａＡｓ層には、不純物としてシリコンが注入される、請求項１ないし７いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項９】
前記キャリア障壁層と前記ＧａＩｎＰ層との間に、前記キャリア障壁層のＡｌ組成比よりも低いＡｌ組成比をもつ緩衝層が形成される、請求項１ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項１０】
前記基板上には、少なくとも第２の半導体多層膜反射鏡を含む柱状構造が形成され、前記柱状構造内には、選択的に酸化された酸化領域を含む電流狭窄層が形成される、請求項１ないし９いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項１１】
前記柱状構造をエッチングにより形成するとき、前記共振器延長領域はエッチング停止層として機能する、請求項１０に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項１２】
請求項１ないし１１いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材と、
を備えた面発光型半導体レーザ装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載された面発光型半導体レーザ装置と、
前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段と、
を備えた光伝送装置。
【請求項１４】
請求項１ないし１１いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、
前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構と、
を有する情報処理装置。
【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２０１３−９３５７１（Ｐ２０１３−９３５７１Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２２１８６６（Ｐ２０１２−２２１８６６）
【出願日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【出願人】（０００００５４９６）富士ゼロックス株式会社 (21,908)
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【出願人】（０００００５４９６）富士ゼロックス株式会社 (21,908)
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]