JP2002217491A - 面発光レーザ装置、その製造方法、およびその駆動方法 - Google Patents

面発光レーザ装置、その製造方法、およびその駆動方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】低抵抗で動作電圧を低くでき、低消費電力にで
きる面発光レーザ装置である。 【解決手段】面発光レーザ装置は、基板１０１上に、第
１のｎ型半導体多層膜ミラー層１０３、第１の活性層１
０５、ｐ型のスペーサ層１０９、第２の活性層１１３、
第２のｎ型半導体多層膜ミラー層１１５、の各層を積層
して成る共振器構造を有する。活性層１０５、１１３の
近傍に電流狭窄構造１０８、１１２が設けられ、ｐ型ス
ペーサ層１０９と電気的に接続されたｐ側電極１１７、
第１のｎ型半導体多層膜ミラー層１０３と電気的に接続
された第１のｎ側電極１２１、第２のｎ型半導体多層膜
ミラー層１１５と電気的に接続された第２のｎ側電極１
１９が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、大容量光通信、光
インターコネクションや光情報処理、並列光記録等の光
源として用いられる面発光レーザ装置とその製造方法、
駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】大容量の光通信や光インターコネクショ
ンを実現するために、複数のレーザ素子をアレイ状に配
置し、光情報を並列に伝送する研究が進められている。
また、レーザビームプリンタの更なる高速化を進めるた
めに、記録光源を複数にする方式が検討されている。こ
のような光源のアレイ化に適した発光デバイスとして、
垂直共振器型面発光半導体レーザ（Vertical Cavity Su
rface Emitting Laser:VCSEL）が注目されている。
【０００３】近年、Ａｌを含んだ半導体層を活性層近傍
に設け、その層を選択的に酸化して電流狭窄構造を設け
ることで面発光レーザの性能を向上させる研究が盛んに
行われている。この選択酸化を用いた面発光レーザの例
がAppl. Phys. Lett. 1995,66, (25), pp.3413-3415に
おいて開示されている。この例の模式図を図６に示す。
この例では、ｎ型の半導体多層膜ミラー１００１の上
に、活性層１００３、Ａｌを含んだ半導体層１００５、
ｐ型の半導体多層膜ミラー１００７、開口を設けたｐ側
電極１００９が積層されている。
【０００４】この構成において、Ａｌを含んだ半導体層
１００５は選択酸化され、その外周部がＡｌｘＯｙを主
成分とする絶縁層１００６となっており、電流狭窄構造
が形成されている。これにより、活性層１００３に効果
的且つ効率的に電流を注入することができ、しきい値電
流の低減が期待できるとともに、単一モード発振を実現
できる。しかし、この構造の場合、ｐ型の半導体多層膜
ミラー１００７の抵抗の高さ、および電流狭窄部分での
電流の通過領域が数μｍ程度(面積で２０平方μｍ程度)
と小さいことに起因する抵抗の増加のため、高抵抗であ
る。そのため、所定の光パワーを得るために必要な動作
電圧が高くなる、素子自体が発熱してしまい特性が劣化
する、といった欠点がある。
【０００５】上記抵抗を低減するため、いくつかの方法
が検討されている。１つは、Electron. Lett., 1995, 3
1, (11), pp. 886-888に示されているように半導体多層
膜ミラーを迂回して電流を注入する方法である。この例
の模式図を図７に示す。この例では、ｎ型基板２００１
の上に、ｎ型半導体多層膜ミラー２００３、活性層２０
０５、Ａｌを含んだ半導体層２００７、ｐ型コンタクト
層２００９、アンドープの半導体多層膜ミラー２０１１
が積層されて成る。ここにおいて、Ａｌを含んだ半導体
層２００７は選択酸化され、その外周部がＡｌｘＯｙを
主成分とする絶縁層２００８となっており、電流狭窄構
造が形成されている。また、ｐ型コンタクト層２００９
上にはｐ側電極２０１３が形成され、ｎ型基板２００１
の裏面上にはｎ側電極２０１５が形成されている。ｐ型
電極２０１３はコンタクト層２００９上に設けられてい
るので、抵抗の高いｐ型半導体多層膜ミラー２０１１は
電流のパスとして用いられていない。
【０００６】抵抗低減の他の方法としては、ｐ型基板上
にｐ型半導体多層膜ミラー、Ａｌを含んだ半導体層、活
性層、ｎ型半導体多層膜ミラーを積層して、ｎ型半導体
多層膜ミラー側からエッチングしてＡｌを含んだ半導体
層の側面を露出させた柱状の突起を形成し、Ａｌを含ん
だ半導体層を中心近傍まで酸化して電流狭窄構造を構成
する方法もある。この場合、ｐ型半導体多層膜ミラー中
を通過する電流の面積を大きくできるので抵抗低減の効
果がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
面発光レーザ装置においては、ｐ型半導体多層膜ミラー
の抵抗についての抵抗低減の効果はあるが、電流狭窄部
分が微小面積であることによる抵抗増加については考慮
されていない。
【０００８】このような課題に鑑み、本発明の目的は、
低抵抗で動作電圧を低くでき、低消費電力にでき、アノ
ードコモン化が可能で、高速変調可能で、波長可変で波
長多重が可能な構成に容易にできる面発光レーザ装置、
その製造方法、および駆動方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の面発光レーザ装置は、少なくとも１つの発光
素子を有する面発光レーザ装置であって、基板上に、少
なくとも、第１のｎ型半導体多層膜ミラー層、第１の活
性層、ｐ型のスペーサ層、第２の活性層、第２のｎ型半
導体多層膜ミラー層、の各層を積層して成る共振器構造
を有し、前記活性層の近傍に電流狭窄構造が設けられて
おり、更にｐ型スペーサ層と電気的に接続されたｐ側電
極、第１のｎ型半導体多層膜ミラー層と電気的に接続さ
れた第１のｎ側電極、第２のｎ型半導体多層膜ミラー層
と電気的に接続された第２のｎ側電極が形成されている
ことを特徴とする。
【００１０】上記構造によれば、ｐ型半導体多層膜ミラ
ー層が不要になるので、素子抵抗を小さくすることが可
能となり、動作電圧、消費電力を低減できる。さらに、
発光部を複数設けた場合において、各素子のｐ側電極を
等電位としてアノードコモン化が可能となる。また、両
活性層の近傍に電流狭窄部を設ける場合に、高抵抗であ
る電流狭窄部の抵抗が並列に接続された状態となるの
で、素子抵抗を更に小さくすることが可能となる。電流
狭窄部は活性層の外周部にイオン注入領域を形成するな
どしても設けられるが、好適には、次の様にするとよ
い。第１の活性層とｐ型のスペーサ層の間に第１のＡｌ
含有半導体層を含んだ第１のｐ型電流狭窄層、及びｐ型
のスペーサ層と第２の活性層の間に第２のＡｌ含有半導
体層を含んだ第２のｐ型電流狭窄層を積層し、第１、第
２のｐ型電流狭窄層の第１、第２のＡｌ含有半導体層を
選択酸化して電流狭窄構造を設ける。この方法では、制
御性良く柔軟に電流狭窄構造を形成できる。
【００１１】より具体的には、ある実施形態において
は、前記基板がｎ型の半導体基板であり、第１のｎ型半
導体多層膜ミラー層と第１のｎ側電極とが基板を介して
電気的に接続されていることを特徴としている。この構
造によれば、複数の発光部を設けた場合の、各素子の第
１のｎ側電極同士、ｐ側電極同士を電気的に接続させた
構造を容易に形成できる。
【００１２】また、ある実施形態においては、前記基板
が半絶縁型の半導体基板であり、第１のｎ型半導体多層
膜ミラー層がコンタクト層を含んでおり、コンタクト層
の一部が露出しており、該露出面上に第１のｎ側電極が
形成され、第１のｎ型半導体多層膜ミラー層と第１のｎ
側電極とが電気的に接続されていることを特徴としてい
る。この構造によれば、複数の発光部を設けた場合の、
各素子の第１のｎ側電極同士を電気的に絶縁させた構造
を容易に形成できる。
【００１３】更に、上記目的を達成する本発明による面
発光レーザ装置の製造方法は、基板上に、第１のｎ型半
導体多層膜ミラー層、第１の活性層、第１のＡｌ含有半
導体層を含んだ第１のｐ型電流狭窄層、ｐ型のスペーサ
層、第２のＡｌ含有半導体層を含んだ第２のｐ型電流狭
窄層、第２の活性層、第２のｎ型半導体多層膜ミラー
層、の各層を積層成長する工程と、第１のｐ型電流狭窄
層が側面に露出するまで除去して柱状の発光領域を形成
する工程と、発光領域の中心近傍まで第１、第２のＡｌ
含有半導体層を同時に酸化することでスペーサ層の上下
に電流狭窄構造を形成する工程と、発光領域の外周部を
スペーサ層が表面に露出するまで除去して階段構造を形
成する工程と、スペーサ層上にｐ側電極を形成する工
程、を含むことを特徴としている。
【００１４】上記製造方法によれば、第１、第２のＡｌ
含有半導体層の酸化前の形状がほぼ同一であり、かつ、
同一条件で同時に酸化できるので、上下の電流狭窄構造
の中心がほぼ一致し、共振方向での狭窄部の位置ずれを
小さくできる。その結果、共振器損失を小さくできる。
【００１５】また、上記目的を達成する本発明による面
発光レーザ装置の別の製造方法は、半絶縁性基板上に、
コンタクト層を含んだ第１のｎ型半導体多層膜ミラー
層、第１の活性層、第１のＡｌ含有半導体層を含んだ第
１のｐ型電流狭窄層、ｐ型のスペーサ層、第２のＡｌ含
有半導体層を含んだ第２のｐ型電流狭窄層、第２の活性
層、第２のｎ型半導体多層膜ミラー層、の各層を積層成
長する工程と、該コンタクト層が表面に露出するまで除
去して柱状の発光領域を形成する工程と、発光領域の中
心近傍まで第１、第２のＡｌ含有半導体層を同時に酸化
することでスペーサ層の上下に電流狭窄構造を形成する
工程と、発光領域の外周部をスペーサ層が表面に露出す
るまで除去して階段構造を形成する工程と、該露出した
スペーサ層表面上にｐ側電極を形成する工程と、コンタ
クト層上にｎ側電極を形成する工程、を含むことを特徴
とする。
【００１６】更に、上記目的を達成する本発明による面
発光レーザ装置の駆動方法は、第１のｎ側電極と第２の
ｎ側電極とを電気的に接続して等電位としておき、それ
らの電極とｐ側電極の間に、電流を注入、もしくは電圧
を印加することでレーザ駆動を行なうことを特徴とした
り、第１のｎ側電極とｐ側電極の間、および第２のｎ側
電極とｐ側電極の間に、電流を注入（もしくは電圧を印
加）することでレーザ駆動を行なうことを特徴としたり
する。後者の場合、２つの注入電流のうち、一方をバイ
アス電流、他方を変調電流とすることで、変調振幅を小
さくでき、高速変調が可能となる。また、２つの注入電
流のバランスを制御することで発振波長を制御すること
ができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】ここで、ｎ型ＧａＡｓ基板を用
い、発振波長を８３０ｎｍとする場合を例にとり、本発
明の一実施の形態を説明する。図２を用いて説明する。
【００１８】この実施形態では、ｎ型ＧａＡｓ基板101
上に、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ｎ−Ａｌ０．１
Ｇａ０．９Ａｓからなる第１のｎ型半導体多層膜ミラー
層103、第１の活性層105、第１のＡｌ含有半導体層を含
んだ第１のｐ型電流狭窄層107、ｐ型のスペーサ層109、
第２のＡｌ含有半導体層を含んだ第２のｐ型電流狭窄層
111、第２の活性層113、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ
／ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ ０．９Ａｓからなる第２のｎ型半
導体多層膜ミラー層115、の各層を積層して共振器構造
を形成する。さらに、下側の第１のｐ型電流狭窄層107
が側面に露出するまで材料を除去して柱状の発光領域を
形成し、第１、第２のＡｌ含有半導体層107、111を側面
より酸化して発光領域の中心近傍に電流狭窄構造を設け
る。つづいて、発光領域の外周部をスペーサ層109が表
面に露出するまで材料を除去して階段構造を形成し、露
出したスペーサ層表面上にｐ側電極117を形成する。さ
らに、基板101の裏面に第１のｎ側電極121、第２のｎ型
半導体多層膜ミラー層115上に電気的に接続された第２
のｎ側電極119を設ける。
【００１９】第１、第２の活性層105、113は、例えば、
ＰＬ(photo luminescence)ピーク波長８３０ｎｍのＧａ
Ａｓ／Ａｌ０．3Ｇａ０．7Ａｓからなる３重量子井戸構
造をＡｌＧａＡｓキャリアブロック層で挟んだ構成とす
る。トータルの膜厚は１波長になるように設定してお
く。これは後述する図３の構成を実現し易くする為であ
る。キャリアブロック層としては、例えば、Ａｌ０．５
Ｇａ０．５Ａｓとしてもよいし、Ａｌ組成を層方向に徐
々に変化させた組成変調層としてもよい。
【００２０】第１、第２のｎ型半導体多層膜ミラー層10
3、115としては、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ｎ−
Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓだけでなく、低屈折率層（Ａ
ｌ組成比の大きい層）と高屈折率層（Ａｌ組成比の小さ
い層）との間に組成変調層を設けることでバンドギャッ
プエネルギーが連続的に変化する様にして、さらに抵抗
を下げる構造としてもよい。
【００２１】第１、第２のｐ型電流狭窄層107、111は、
例えば、ｐ−ＡｌＡｓをＡｌを含んだ選択酸化層とし、
それをｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓで挟んだ３層構成
とする。ＡｌＧａＡｓを熱酸化する場合、Ａｌ組成比が
小さいほど酸化速度が速く、Ａｌ組成比が０．９以下の
場合はほとんど酸化しないという性質がある。よって、
上記した電流狭窄層を、発光領域を残して酸化すると、
ＡｌＡｓ層のみがＡｌ ｘＯｙに変化して絶縁層となる
が、上下のｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓは変化しな
い。こうして、電流狭窄構造が実現できる。なお、上記
の３層構成においては、ｐ−ＡｌＡｓとｐ−Ａｌ０．９
Ｇａ０．１Ａｓの界面の方がｐ−ＡｌＡｓの中央部より
も酸化速度が遅くなる為、形成されたＡｌｘＯｙ層の形
状は先の尖ったテーパ状になる。そのため、面内方向の
屈折率の分布が連続的となり、散乱等の損失の影響を小
さくすることができる。さらに、ＡｌｘＯｙ層界面での
散乱の影響を極力小さくするため、ＡｌＡｓ層が共振器
中に存在する電界の定在波の節の部分に位置するよう
に、電流狭窄層を構成する各層の膜厚を設定しておくこ
とが望ましい。
【００２２】第１、第２のｐ型電流狭窄層107、111とし
ては、単層のＡｌＡｓ層や、Ａｌ組成比０．９以上のＡ
ｌＧａＡｓ層を用いてもよい。
【００２３】ｐ型スペーサ層109は、例えば、単層のｐ
−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓとする。しきい値電流を小
さくするためには、定在波の腹の部分に活性層105、113
が位置するように、スペーサ層の膜厚を設定しておくこ
とが望ましい。
【００２４】抵抗低減の観点からは、ドーピング密度を
増やしてｐ型スペーサ層109を低抵抗化したほうが良い
が、この場合、この層の光の吸収率が増加してしまう為
しきい値電流が増加してしまう。そこで、スペーサ層
を、ドーピング密度の高い半導体層とドーピング密度の
低い半導体層を交互に積層し、かつ、ドーピング密度の
高い半導体層が定在波の節の部分に位置するように各層
の材料、組成、膜厚を設定した構造としてもよい。こう
することで光吸収の増加を抑えることができる。
【００２５】電極としては、ｎ側電極119、121として、
Ｔｉ／ＡｕやＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕなど、ｐ側電極117
として、Ｔｉ／ＡｕやＣｒ／Ａｕを用いることができ
る。
【００２６】基板101としては、半絶縁性ＧａＡｓ基板
であってもよい。この場合は、第１のｎ型半導体多層膜
ミラー層103中の一層（ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａ
ｓ）を高ドーピング密度としたコンタクト層を形成して
おき、発光領域の外側にコンタクト層を露出させた領域
を形成し、その上に第１のｎ側電極を形成しておけばよ
い。この構造の場合、複数の発光部を設けたときに、各
素子の第１のｎ側電極同士を電気的に絶縁させた構造を
容易に形成でき、素子間の電気的干渉を低減できると共
に、各素子の第１のｎ側電極、第２のｎ側電極に独立に
電流注入や電圧印加を行うことができ、同一の層構成で
ありながら波長多重面発光レーザアレイが構成できる。
【００２７】上記実施形態の駆動方法については、 ・第１のｎ側電極と第２のｎ側電極とを電気的に接続し
て等電位としておき、それらの電極とｐ側電極の間に、
電流を注入、もしくは電圧を印加することでレーザ駆動
を行なう。 ・第１のｎ側電極とｐ側電極の間、および、第２のｎ側
電極とｐ側電極の間に、それぞれ独立に、電流を注入、
もしくは電圧を印加することでレーザ駆動を行なう。 ・第１のｎ側電極とｐ側電極の間にバイアス電流を注
入、もしくはバイアス電圧を印加し、第２のｎ側電極と
ｐ側電極の間に変調電流を注入、もしくは変調電圧を印
加することで（或いは第１と第２のｎ側電極の役目を逆
にする）、変調振幅を小さくでき、高速変調が可能とな
る。といった駆動方法が可能である。
【００２８】発光部を複数形成した場合は、 ・各発光素子のｐ側電極同士、および第１のｎ側電極同
士を電気的に接続して等電位としておき、第１のｎ側電
極とｐ側電極の間に各発光素子に共通のバイアス電流を
注入、もしくはバイアス電圧を印加し、かつ、各発光素
子ごとに独立に、第２のｎ側電極とｐ側電極の間に変調
電流を注入、もしくは変調電圧を印加することで、発振
状態を変調する。 ・各発光素子のｐ側電極同士を電気的に接続して等電位
としておき、第１のｎ側電極とｐ側電極の間に注入する
電流もしくは印加する電圧と、第２のｎ側電極とｐ側電
極の間に注入する電流もしくは印加する電圧との割合を
各発光素子ごとに変化させた状態でレーザ駆動を行なう
ことで波長多重面発光レーザアレイを構成する。といっ
た駆動方法が可能である。
【００２９】本発明による面発光レーザ装置はアノード
コモン型のレーザドライバーを用いて駆動できるので、
高速変調に有利である。
【００３０】上記実施形態において、波長は８３０ｎｍ
に限定されることはなく、設定する波長に応じて各層の
材料、組成、膜厚、層数を適宜設定すればよいことは明
らかである。
【００３１】基板も、ＧａＡｓ基板の他に、ＩｎＰ基板
や、ＡｌＧａＡｓ基板であってもよい。
【００３２】酸化を施すＡｌ含有半導体層としては、上
記したＡｌＡｓの他に、ＡｌｘＧａ １−ｘＡｓ、Ａｌｘ
Ｉｎ１−ｘＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘＰ、ＡｌｘＩｎ
１−ｘＰ、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＡｓ、ま
たは（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ １−ｙＰ（０≦ｘ≦
１、０≦ｙ≦１）のいずれかからなる１層構成、または
その複数層構成であってもよい。
【００３３】また、上記実施形態において、第１、第２
の活性層を同一の構成としているが、これに限ったもの
ではなく、発振波長をより柔軟に制御できる様に異なっ
た構成としてもよい。第１、第２のｐ型電流狭窄層につ
いても同様に、異なった構成としてもよい。これによ
り、例えば、第１のｎ側電極とｐ側電極の間に注入する
電流もしくは印加する電圧と、第２のｎ側電極とｐ側電
極の間に注入する電流もしくは印加する電圧との割合を
変える際の波長シフトの効果をより大きくできる。
【００３４】また、活性層とｎ型半導体多層膜ミラー層
の間にもｎ型の電流狭窄層を設けて、さらに、電流狭窄
効果を高めた構造にしてもよい。
【００３５】以下に、上記実施形態を更に具体的にした
実施例を図面を参照しつつ説明する。
【００３６】（第１の実施例）図１、図２を用いて本発
明による面発光レーザ装置の第１の実施例を説明する。
図１は、本実施例による面発光レーザ装置の断面図であ
る。図２は作製工程を示す図である。
【００３７】先ず、図２を用いて作製工程を説明する。
ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ
０．１Ａｓ／ｎ−Ａｌ０． １Ｇａ０．９Ａｓ２２．５周
期からなる第１のｎ型半導体多層膜ミラー１０３、第１
の活性層１０５、第１のｐ型電流狭窄層１０７、ｐ型ス
ペーサ層１０９、第２のｐ型電流狭窄層１１１、第２の
活性層１１３、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ｎ−Ａ
ｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ２２周期からなる第２のｎ型半
導体多層膜ミラー層１１５、の各層を積層して共振器構
造を形成する（図２（ａ））。
【００３８】次いで、柱状の発光領域を残して、第１の
電流狭窄層１０５が側面に露出するまで半導体層をＣｌ
ガスを用いた反応性イオンエッチングによってドライエ
ッチングする（図２（ｂ））。発光領域は、直径４０μ
ｍの円柱状とした。
【００３９】次に、第１、第２の電流狭窄層１０７、１
１１を一括して酸化することで、絶縁層１０８、１１２
を形成する（図２（ｃ））。中央の電流狭窄領域が直径
５μｍとなるように絶縁層を形成した。酸化の条件は、
水蒸気雰囲気中で３９０℃、３５分とした。
【００４０】さらに、発光領域の一部を、ｐ型スペーサ
層１０９が表面に露出するまでエッチングし、階段構造
を形成する（図２（ｄ））。上部の円柱は直径２０μｍ
とした。エッチング方法は、半導体層についてはドライ
エッチング、酸化により形成したＡｌｘＯｙ層はふっ酸
とふっ化アンモニウムの混合液によるウエットエッチン
グを用いた。
【００４１】最後に、ｐ型スペーサ層１０９上の所定位
置にＣｒ／Ａｕからなるｐ側電極１１７、基板１０１の
裏面側にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる第１のｎ側電極
１２１、第２のｎ型半導体多層膜ミラー層１１５上にＡ
ｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる第２のｎ側電極１１９を形
成する（図２（ｅ））。電極１１９には、直径１０μｍ
の光取出し用の開口部が設けてある。
【００４２】このような作製方法を用いることで、第
１、第２のｐ型電流狭窄層１０７、１１１の酸化前の形
状がほぼ同一であり、かつ、同一条件で同時に酸化でき
るので、上下の電流狭窄構造の中心がほぼ一致し、共振
方向での電流狭窄部の位置ずれを小さくできる。その結
果、共振器損失を小さくできる。
【００４３】第１の活性層１０５、第１のｐ型電流狭窄
層１０７、ｐ型スペーサ層１０９、第２のｐ型電流狭窄
層１１１、第２の活性層１１３の構成について、図３を
用いて詳細に説明する。
【００４４】第１（第２）の活性層１０５（１１３）
は、波長８３０ｎｍに利得ピークを有するＧａＡｓ／Ａ
ｌ０．3Ｇａ０．7Ａｓ３重量子井戸１０５ｂ（１１３
ｂ）をＡｌ組成を０．３から０．６まで徐々に変化させ
たＡｌＧａＡｓキャリアブロック層１０５ａ（１１３
ａ）で挟んだ構成とした。活性層全体の光学的厚さが１
波長となるように各層の膜厚を設計した。
【００４５】第１（第２）のｐ型電流狭窄層１０７（１
１１）は、酸化速度の速いｐ−ＡｌＡｓ層１０７ｂ（１
１１ｂ）を酸化が殆ど進まないｐ−Ａｌ０．９Ｇａ
０．１Ａｓ層１０７ａ（１１１ａ）で挟んだ３層構成と
した。電流狭窄層全体の光学的厚さが１／２波長とな
り、かつ、ｐ−ＡｌＡｓ層１０７ｂ（１１１ｂ）が共振
器中に存在する電界の定在波の節の部分に位置するよう
に各層の膜厚を設定した。
【００４６】ｐ型スペーサ層１０９は、高ドーピング濃
度（１０１９ｃｍ−３以上）のｐ−Ａｌ０．１Ｇａ
０．９Ａｓ層１０９ｂを低ドーピング濃度（１０１８ｃ
ｍ−３程度）のｐ−ｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層１０９ａ
で挟んだ構成とした。ｐ型スペーサ層１０９全体の光学
的厚さが２波長となり、かつ、吸収を少なくする為に高
ドーピング濃度層１０９ｂが共振器中に存在する電界の
定在波の節の部分に位置するように各層の膜厚を設定し
た。
【００４７】この様な構成とすることで、光散乱や吸収
による損失の要因となる層は、電界の定在波の節の位置
に配置され、利得を与える活性層は電界の定在波の腹の
位置に配置される。よって、レーザ装置を低しきい値電
流で動作させることが可能となる。
【００４８】本実施例による面発光レーザ装置の駆動に
ついて説明する。第１、第２のｎ側電極１２１、１１９
をショートして、ｐ側電極１１７より電流を注入したと
ころ、レーザのしきい値電流は２．６ｍＡであり、電流
８ｍＡにおいて、２．１ｍＷの光出力を得ることができ
た。このときの発振波長は８３２ｎｍであり、電圧は
２．４５Ｖ、微分抵抗は６２Ωであった。一方、ｎ側電
極１２１、１１９をショートせずに、第１のｎ側電極１
２１とｐ側電極１１７間に２．４５Ｖの電圧を印加した
場合の微分抵抗は１１０Ωであり、第２のｎ側電極１１
９とｐ側電極１１７間に２．４５Ｖの電圧を印加した場
合の微分抵抗は１４０Ωであった。この結果から、高抵
抗である電流狭窄部の抵抗を並列に接続した状態をとる
ことで、素子抵抗を小さくすることが可能となったこと
が分かる。
【００４９】また、第１のｎ側電極１２１とｐ側電極１
１７間に２．５ｍＡのバイアス電流を注入しておき、第
２のｎ側電極１１９とｐ側電極１１７間に振幅２ｍＡの
矩形の変調電流を注入したところ、光強度変調信号を発
生させることができた。このときの、立ち上がり、立ち
下がり時間は共に１ｎｓ以下であった。
【００５０】また、第１のｎ側電極１２１とｐ側電極１
１７間に４ｍＡ、第２のｎ側電極１１９とｐ側電極１１
７間に４ｍＡの電流を注入したところ、８３２．１ｎｍ
で発振した。注入電流をそれぞれ３ｍＡ、５ｍＡに変え
たところ、光出力には殆ど変化はなく、発振波長が８３
２．６ｎｍと変化した。すなわち、本実施例の構造の面
発光レーザが波長可変面発光レーザとして機能すること
を確認できた。
【００５１】（第２の実施例）図４を用いて本発明によ
る面発光レーザ装置の第２の実施例を説明する。図４
は、本実施例による面発光レーザ装置の断面図である。
本実施例は、複数の発光部を形成した面発光レーザ装置
の駆動方法に関するものである。層構成、作製方法は第
１の実施例と同様であり、詳細の説明は省略する。
【００５２】以下、発光部を２つ設けた場合について説
明する。２００およびは３００は第１の実施例と同様の
面発光レーザである。ｐ型スペーサ層１０９上の所定位
置に、Ｃｒ／Ａｕからなるｐ側電極２０１、３０１が形
成されている。また、基板１０１の裏面側にＡｕＧｅ／
Ｎｉ／Ａｕからなる第１のｎ側電極２０５が、第２のｎ
型半導体多層膜ミラー層１１５上にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａ
ｕからなる第２のｎ側電極２０３、３０３が形成されて
いる。電極２０３、３０３には、光取出し用の開口部が
設けてある。
【００５３】第１のｎ側電極２０５は各発光素子の共通
電極となっている。また、ｐ側電極２０１、３０１は電
気的に接続されて等電位となっている。
【００５４】共通の第１のｎ側電極２０５はバイアス電
流用の電流源と接続されている。また、第２のｎ側電極
２０３、２０５は、各発光素子ごとに独立に、アノード
コモン型のレーザドライバーおよび変調電流用の電流源
と接続されている。
【００５５】本面発光レーザ装置の駆動について説明す
る。バイアス電流を５ｍＡとした。このとき、各発光素
子にはそれぞれ２．５ｍＡ注入されている。変調電流
は、各発光素子とも２ｍＡとした。この状態で、各レー
ザドライバーに変調信号を印加したところ、各発光素子
それぞれより光強度変調信号を発生させることができ
た。このときの立ち上がり、立ち下がり時間は、各発光
素子とも共に１ｎｓ以下であった。
【００５６】本実施例により、本発明の面発光レーザ装
置がアノードコモン型のレーザドライバーを用いて駆動
できることが明らかになった。
【００５７】（第３の実施例）図５を用いて本発明によ
る面発光レーザ装置の第３の実施例を説明する。図５
は、本実施例による面発光レーザ装置の断面図である。
本実施例は、複数の発光部を形成した面発光レーザ装置
に関するものである。第１の実施例と異なり、本実施例
においては基板として半絶縁型ＧａＡｓ基板６０１を用
いている。図５において、第１の実施例と同一の部材に
は同一の番号が付してある。
【００５８】本実施例では、半絶縁型ＧａＡｓ基板６０
１上に、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ｎ−Ａｌ
０．１Ｇａ０．９Ａｓ２２．５周期からなる第１のｎ型
半導体多層膜ミラー層６０３、第１の活性層１０５、第
１のｐ型電流狭窄層１０７、ｐ型のスペーサ層１０９、
第２のｐ型電流狭窄層１１１、第２の活性層１１３、ｎ
−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ
０．９Ａｓ２２周期からなる第２のｎ型半導体多層膜ミ
ラー層１１５、の各層を積層して共振器構造を形成す
る。第１のｎ型半導体多層膜ミラー層６０３の途中に
は、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０． ９Ａｓを高ドーピング密度
としたコンタクト層（図５中不図示）が形成されてい
る。
【００５９】上記共振器構造をエッチングして図５に示
す階段構造を形成する。さらに、ｐ型スペーサ層１０９
上の所定位置にＣｒ／Ａｕからなるｐ側電極４０１、５
０１を形成し、第１のｎ型半導体多層膜ミラー層６０３
中のコンタクト層上にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる第
１のｎ側電極４０５、５０５を形成し、第２のｎ型半導
体多層膜ミラー層１１５上にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕから
なる第２のｎ側電極４０３、５０３を形成して、面発光
レーザ４００、５００を構成する。電極４０３、５０３
には、光取出し用の開口部が設けてある。また、各面発
光レーザ間に半絶縁型ＧａＡｓ基板６０１内に達する分
離溝６００を形成することで、素子間を電気的に分離し
ている。
【００６０】本実施例による面発光レーザ装置の駆動に
ついて説明する。面発光レーザ４００において、第１の
ｎ側電極４０５とｐ側電極４０１間に４ｍＡ、第２のｎ
側電極４０３とｐ側電極４０１間に４ｍＡの電流を注入
したところ、８３１．９ｎｍで発振した。また、面発光
レーザ５００において、第１のｎ側電極５０５とｐ側電
極５０１間に３ｍＡ、第２のｎ側電極５０３とｐ側電極
５０１間に５ｍＡの電流を注入したところ、８３１．９
ｎｍとは０．５ｎｍ異なる８３２．４ｎｍで発振した。
光出力には大きな差はなかった。すなわち、本実施例の
共通の層構造を持つ面発光レーザ装置が多波長発振面発
光レーザアレイとして機能することを確認できた。
【００６１】また、本実施例では、第２の実施例によう
に、バイアス電流および変調電流で変調する方式におい
ても有効である。すなわち、作製プロセスやその他の要
因によって素子抵抗やしきい値電流が素子ごとにばらつ
くが、各素子ごとに独立にバイアス電流を設定すること
で変調時の光出力や振幅を一定にできるので、より制御
性よく変調動作させることが可能となる。また、各素子
間は電気的に分離されており、それぞれの変調信号が干
渉することがないので、各素子をより安定に動作させる
ことができる。
【００６２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
低抵抗で動作電圧が低くでき、低消費電力にでき、アノ
ードコモン化が可能で、高速変調可能で、波長可変で波
長多重が可能な面発光レーザ装置、その製造方法、およ
び駆動方法を実現することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施例を示す断面図。
【図２】第１の実施例の作製工程を説明する断面図。
【図３】層構成を示す図。
【図４】本発明による第２の実施例を示す断面図。
【図５】本発明による第３の実施例を示す断面図。
【図６】従来例を示す断面図。
【図７】別の従来例を示す断面図。
【符号の説明】
１０１ ｎ型基板 １０３、１１５、６０３ ｎ型半導体多層膜ミラー １０５、１１３ 活性層 １０５ａ、１１３ａ キャリアブロック層 １０５ｂ、１１３ｂ 多重量子井戸 １０７、１１１	ｐ型電流狭窄層 １０７ａ、１１１ａ ＡｌＧａＡｓ層 １０７ｂ、１１１ｂ ＡｌＡｓ層 １０８、１１２	絶縁層 １０９ ｐ型スペーサ層 １０９ａ 低ドープＡｌＧａＡｓ層 １０９ｂ 高ドープＡｌＧａＡｓ層 １１７、２０１、３０１、４０１、５０１ ｐ側電
極 １１９、１２１、２０３、２０５、３０３、４０３、４
０５、５０３、５０５ｎ側電極 ２００、３００、４００、５００ 面発光レーザ ６００ 分離溝 ６０１ 半絶縁型基板

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも１つの発光素子を有する面発光
    レーザ装置であって、基板上に、少なくとも、第１のｎ
    型半導体多層膜ミラー層、第１の活性層、ｐ型のスペー
    サ層、第２の活性層、第２のｎ型半導体多層膜ミラー
    層、の各層を積層して成る共振器構造を有し、前記第１
    の及び第２の活性層の近傍に電流狭窄構造が設けられて
    おり、更にｐ型スペーサ層と電気的に接続されたｐ側電
    極、第１のｎ型半導体多層膜ミラー層と電気的に接続さ
    れた第１のｎ側電極、第２のｎ型半導体多層膜ミラー層
    と電気的に接続された第２のｎ側電極が形成されている
    ことを特徴とする面発光レーザ装置。
  2. 【請求項２】第１の活性層とｐ型のスペーサ層の間に第
    １のＡｌ含有半導体層を含んだ第１のｐ型電流狭窄層、
    及びｐ型のスペーサ層と第２の活性層の間に第２のＡｌ
    含有半導体層を含んだ第２のｐ型電流狭窄層が積層さ
    れ、前記電流狭窄構造が、第１、第２のｐ型電流狭窄層
    の第１、第２のＡｌ含有半導体層が選択酸化されて成る
    ことを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ装置。
  3. 【請求項３】前記基板がｎ型の半導体基板であり、第１
    のｎ型半導体多層膜ミラー層と第１のｎ側電極とが該基
    板を介して電気的に接続されていることを特徴とする請
    求項１または２に記載の面発光レーザ装置。
  4. 【請求項４】前記基板が半絶縁型の半導体基板であり、
    第１のｎ型半導体多層膜ミラー層がコンタクト層を含ん
    でおり、該コンタクト層の一部が露出しており、該露出
    面上に第１のｎ側電極が形成され、第１のｎ型半導体多
    層膜ミラー層と第１のｎ側電極とが電気的に接続されて
    いることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光
    レーザ装置。
  5. 【請求項５】前記第１、第２の活性層が共振器中に存在
    する電界の定在波の腹の部分に位置するように、前記ス
    ペーサ層の層数、材料、組成、膜厚が設定されているこ
    とを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の面発
    光レーザ装置。
  6. 【請求項６】前記第１、第２のＡｌ含有半導体層が共振
    器中に存在する電界の定在波の節の部分に位置するよう
    に、第１、第２のｐ型電流狭窄層の層数、材料、組成、
    膜厚が設定されていることを特徴とする請求項２から５
    のいずれかに記載の面発光レーザ装置。
  7. 【請求項７】前記スペーサ層が、ドーピング密度の高い
    半導体層とドーピング密度の低い半導体層を交互に積層
    した構造で構成されており、該ドーピング密度の高い半
    導体層が共振器中に存在する電界の定在波の節の部分に
    位置するように、各層の材料、組成、膜厚が設定されて
    いることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載
    の面発光レーザ装置。
  8. 【請求項８】前記第１のｎ型半導体多層膜ミラー層と第
    １の活性層との間及び第２のｎ型半導体多層膜ミラー層
    と第２の活性層との間の少なくとも一方にも、第３のＡ
    ｌ含有半導体層を含んだ第３のｎ型電流狭窄層が挿入さ
    れており、第３のｐ型電流狭窄層には、第３のＡｌ含有
    半導体層が選択酸化されて成る電流狭窄構造が設けられ
    ていることを特徴とする請求項２から７のいずれかに記
    載の面発光レーザ装置。
  9. 【請求項９】複数の発光素子を有する面発光レーザ装置
    であって、各発光素子のｐ側電極が電気的に接続された
    アノードコモン型の面発光レーザ装置であることを特徴
    とする請求項１から８のいずれかに記載の面発光レーザ
    装置。
  10. 【請求項１０】前記Ａｌ含有半導体層が、ＡｌｘＧａ
    １−ｘＡｓ、ＡｌｘＩｎ １−ｘＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘ
    Ｐ、ＡｌｘＩｎ１−ｘＰ、（ＡｌｘＧａ１−ｘ） ｙＩｎ
    １−ｙＡｓ、または（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙ
    Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の少なくとも１種類から
    構成されることを特徴とする請求項２から９のいずれか
    に記載の面発光レーザ装置。
  11. 【請求項１１】請求項３に記載の面発光レーザ装置の製
    造方法であって、基板上に、第１のｎ型半導体多層膜ミ
    ラー層、第１の活性層、第１のＡｌ含有半導体層を含ん
    だ第１のｐ型電流狭窄層、ｐ型のスペーサ層、第２のＡ
    ｌ含有半導体層を含んだ第２のｐ型電流狭窄層、第２の
    活性層、第２のｎ型半導体多層膜ミラー層、の各層を積
    層成長する工程と、第１のｐ型電流狭窄層が側面に露出
    するまで除去して柱状の発光領域を形成する工程と、発
    光領域の中心近傍まで第１、第２のＡｌ含有半導体層を
    同時に酸化することでスペーサ層の上下に電流狭窄構造
    を形成する工程と、発光領域の外周部をスペーサ層が表
    面に露出するまで除去して階段構造を形成する工程と、
    該露出したスペーサ層表面上にｐ側電極を形成する工
    程、を含むことを特徴とする面発光レーザ装置の製造方
    法。
  12. 【請求項１２】請求項４に記載の面発光レーザ装置の製
    造方法であって、半絶縁性基板上に、コンタクト層を含
    んだ第１のｎ型半導体多層膜ミラー層、第１の活性層、
    第１のＡｌ含有半導体層を含んだ第１のｐ型電流狭窄
    層、ｐ型のスペーサ層、第２のＡｌ含有半導体層を含ん
    だ第２のｐ型電流狭窄層、第２の活性層、第２のｎ型半
    導体多層膜ミラー層、の各層を積層成長する工程と、該
    コンタクト層が表面に露出するまで除去して柱状の発光
    領域を形成する工程と、発光領域の中心近傍まで第１、
    第２のＡｌ含有半導体層を同時に酸化することでスペー
    サ層の上下に電流狭窄構造を形成する工程と、発光領域
    の外周部をスペーサ層が表面に露出するまで除去して階
    段構造を形成する工程と、該露出したスペーサ層表面上
    にｐ側電極を形成する工程と、コンタクト層上にｎ側電
    極を形成する工程、を含むことを特徴とする面発光レー
    ザ装置の製造方法。
  13. 【請求項１３】請求項１から１０のいずれかに記載の面
    発光レーザ装置の駆動方法であって、第１のｎ側電極と
    第２のｎ側電極とを電気的に接続して等電位としてお
    き、それらの電極とｐ側電極の間に、電流を注入、もし
    くは電圧を印加することでレーザ駆動を行なうことを特
    徴とする面発光レーザ装置の駆動方法。
  14. 【請求項１４】請求項１から１０のいずれかに記載の面
    発光レーザ装置の駆動方法であって、第１のｎ側電極と
    ｐ側電極の間、および、第２のｎ側電極とｐ側電極の間
    に、それぞれ独立に、電流を注入、もしくは電圧を印加
    することでレーザ駆動を行なうことを特徴とする面発光
    レーザ装置の駆動方法。
  15. 【請求項１５】請求項１から１０のいずれかに記載の面
    発光レーザ装置の駆動方法であって、第１のｎ側電極と
    ｐ側電極の間に、バイアス電流を注入、もしくはバイア
    ス電圧を印加し、第２のｎ側電極とｐ側電極の間に変調
    電流を注入、もしくは変調電圧を印加することで発振状
    態を変調することを特徴とする面発光レーザ装置の駆動
    方法。
  16. 【請求項１６】請求項１５に記載の面発光レーザ装置の
    駆動方法において、複数の発光素子を有する面発光レー
    ザ装置の駆動方法であって、各発光素子のｐ側電極同
    士、および第１のｎ側電極同士を電気的に接続して等電
    位としておき、第１のｎ側電極とｐ側電極の間に、各発
    光素子に共通のバイアス電流を注入、もしくはバイアス
    電圧を印加し、かつ、各発光素子ごとに独立に、第２の
    ｎ側電極とｐ側電極の間に変調電流を注入、もしくは変
    調電圧を印加することで発振状態を変調することを特徴
    とする面発光レーザ装置の駆動方法。
  17. 【請求項１７】請求項４から１０のいずれかに記載の面
    発光レーザ装置の駆動方法であって、複数の発光素子を
    有する面発光レーザ装置の駆動方法であって、各発光素
    子のｐ側電極同士を電気的に接続して等電位としてお
    き、第１のｎ側電極とｐ側電極の間に注入する電流もし
    くは印加する電圧と、第２のｎ側電極とｐ側電極の間に
    注入する電流もしくは印加する電圧との割合を異なる発
    光素子で変化させた状態でレーザ駆動を行なうことを特
    徴とする面発光レーザ装置の駆動方法。
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