JP2004063707A

JP2004063707A - 表面発光型半導体レーザ

Info

Publication number: JP2004063707A
Application number: JP2002219026A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Ueki; 植木　伸明
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2004-02-26
Also published as: US20040028103A1; US6816527B2; CN1224149C; CN1472853A

Abstract

【課題】マルチモード型光ファイバ用の光源に適した表面発光型半導体レーザを提供する。
【解決手段】下部多層反射膜２と、活性領域３と、上部多層反射膜５とが積層された基板１と、上部多層反射膜５上に設けられ、且つ活性領域３で発生したレーザ光の出射領域を画定する第１の開口部９ａが形成された上部電極９と、上部電極９と下部多層反射膜２との間に設けられ、且つレーザ光の発光領域を画定する第２の開口部を有する光閉じ込め領域１２とを備え、第１の開口部９ａの径が第２の開口部の径よりも１乃至５ミクロン小さい。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は表面発光型半導体レーザに関し、特に、光情報処理や光通信用の光源、または光を使用してなされるデータ記憶装置の光源として用いられる表面発光型半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信や光記録等の技術分野において、光源の二次元アレイ化が容易な表面発光型半導体レーザ（垂直共振器型表面発光レーザ；Ｖｅｒｔｉｃａｌ−Ｃａｖｉｔｙ　Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｌａｓｅｒ　ｄｉｏｄｅ）への需要が増加している。
【０００３】
ＶＣＳＥＬ（または、面発光レーザ）は、しきい値電流が低く消費電力が小さい、円形の光スポットが容易に得られる、ウエハ状態で評価が可能であるため生産性に優れる、といった利点がある。その反面、低しきい値の理由ともなっている「活性領域の体積が小さい」という原理から、素子抵抗が数十から数百オームと高いこと、単体素子で大きな光出力（例えば１０ｍＷ以上）を得るのが困難であること、などの欠点も知られている。
【０００４】
プラスティック・オプティカル・ファイバ（ＰＯＦ）に代表される低コストのマルチモード型光ファイバが開発され、これを用いた短距離（数メートルから数百メートル）の光通信が注目を集めている。長距離の光通信には、シングルモード型光ファイバと、１．３１μｍ（マイクロメータ）あるいは１．５５μｍといった比較的長い波長の端面発光型レーザとの組合せが用いられているが、これらは共に高価で、低コストが求められるローカルエリアでの用途には向かない。
【０００５】
マルチモード型光ファイバに用いられる光源は、素子それ自体が安価であることの外に、特別な光学系や駆動系を必要としないことなどが求められている。面発光レーザは、これらの特徴を兼ね備えており、マルチモード型光ファイバの光源の有力な選択肢のひとつとなっている。
【０００６】
現在市場に流通している代表的なＶＣＳＥＬは、プロトン注入型と呼ばれるもので、サーマルレンズ効果（電流通過領域とその周囲の領域との間に熱に基因する僅かな屈折率差を生じ、弱い光閉じ込め状態が作られる）を用い、非プロトン注入領域または電流通過領域の径を十から数十ミクロンとしてレーザ発振を得る。しかし、光閉じ込めが弱いため発光効率は低く、しきい値電流が高いという欠点を有する。また、熱の発生も大きいため特性が劣化しやすく、さらにバイアス電圧を印加しない状態においては応答特性が悪いことも知られている。
【０００７】
構造分類的に利得導波構造と呼ばれるプロトン注入型ＶＣＳＥＬに対し、光閉じ込めを行うための屈折率分布を意図的に形成したものが、屈折率導波構造に分類される選択酸化型ＶＣＳＥＬである。選択酸化型ＶＣＳＥＬは、活性領域近傍の半導体多層反射膜の一部を選択的に酸化し屈折率導波路を形成する。この領域は、強い光閉じ込め効果を有するので、高効率で低しきい値電流が可能で、しかも応答特性は変調帯域（３ｄＢダウン遮断周波数）が数から十数ギガヘルツに達するものを容易に得ることができる。
【０００８】
このように良好な特性を示す選択酸化型ＶＣＳＥＬも、出力を増大させる目的で発光部の径（屈折率導波路の幅）を１０μｍ以上と大きくすると、様々な次数の発振が許されるようになり、いわゆるマルチモード発振特性を示す。マルチモード発振においてスペクトル幅が一定以上広がると、光ファイバの有するモード分散特性のためファイバ中での信号の減衰が増加する。あるいは注入電流量や周囲温度の変化に対してモード状態が不安定となりモード分配雑音を生じ易い。さらに、広がり角が増大して光ファイバへの結合効率が低下するといった問題点も指摘されている。
【０００９】
モード特性を改善するのに発光領域の径を狭く（典型的には４μｍ以下に）し、最も次数の低い基本（０次）横モードのみの発振に限定する方法はあるものの、この方法では素子抵抗が高くなることはもちろん、高出力化が望めないという欠点がある。
【００１０】
発光効率、応答特性に優れた選択酸化型ＶＣＳＥＬの特徴を活かしながら、光ファイバとの光学的結合時に減衰を生じないための必須要件である横モードの安定性と、低広がり角、低抵抗化・高出力化という対立した課題を解決する方法が求められている。
【００１１】
モード制御を目的とするＶＣＳＥＬには様々なものが提案されている。例えば、米国特許５，９４０，４２２号公報には、膜厚の異なる２つの領域を形成してモード制御を行なうＶＣＳＥＬが示されている。これは、発振を促進したい領域と抑止したい領域との間にｌ／４の厚みに相当する膜厚差を形成するというものである。
【００１２】
米国特許５，９６３，５７６号公報には、環状の導波路を有するＶＣＳＥＬが示されている。ポスト上面部にエッチングによって円形の窪みを形成し、この窪みの外周部に円環状の発光領域を設けるというものである。
【００１３】
特開平２００１−２１０９０８号公報は、１０μｍ以上の口径をもつ電流注入経路を形成し、かつ出射窓の口径をこの電流注入経路の口径よりも小さくすることで単一横モードで発振する半導体レーザを得るものである。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記いずれの文献に開示された半導体レーザにおいて、上述したようなマルチモード型光ファイバ用の光源の要件を満足させるものはない。すなわち、従来のＶＣＳＥＬは、横モードの安定性という要件を満たしながら、低広がり角、低抵抗、高出力、かつ高効率で高速応答性に優れた素子は未だ実現されていない。
【００１５】
そこで本発明は、これら上記要件を満足することが可能な表面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
さらに本発明は、マルチモード型光ファイバ用の光源の要件に適した表面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の表面発光型半導体レーザは、下部反射鏡と、活性領域と、前記下部反射鏡と共に共振器を構成する上部反射鏡とが積層された基板と、前記上部反射鏡上に設けられ、且つ前記活性領域で発生したレーザ光の出射領域を画定する第１の開口部が形成された金属部と、前記金属部と前記下部反射鏡との間に設けられ、且つレーザ光の発光領域を画定する第２の開口部を有する光閉じ込め領域とを備え、前記光閉じ込め領域の前記第２の開口部の径は少なくとも１２ミクロン以上であり、かつ前記第１の開口部の径が前記第２の開口部の径よりも１乃至５ミクロン小さく、前記出射領域から出射されるレーザ光は所定の波長範囲内に選択された複数の次数のレーザ光を含むマルチモードである。
【００１７】
請求項１の構成によれば、金属部の出射領域の第１の開口部の径と光閉じ込め領域の第２の開口部の径との差を適切な値、すなわち前者の径を後者の径よりも１乃至５ミクロンだけ小さい値とすることで、出射されるレーザ光の横モードを制御し、安定したマルチモードのレーザ光を得ることができる。言い換えれば、金属部の第１の開口部により特定の発振モードの発光が抑制される。これは発光領域に生じた特定の発振モードに対応する発光スポットが出射領域（第１の開口部）で遮られることで、光学的な損失が増加し、ついにはこの特定モードの発振が抑制されるという原理に基づくものである。また第２の開口部の径を１２μｍ以上とすることで、低しきい値電流で、かつマルチモード発振されるレーザ光を安定させかつその広がり角およびスペクトル幅を一定範囲内に抑えることができ、光ファイバへの結合効率の低下を抑制することが可能となる。
【００１８】
このような出射領域の画定に用いられる金属部の材料としては元素周期律表で規定されるところの金属類が好ましい。金属類は薄膜化しても近赤外領域の光を良く反射することで知られ、本発明における光反射材料として好ましい。また、開口部の形状は、その開口部を平面的に表したときに、円形、長円形、矩形、あるいは多角形等であっても良く、開口部の径とは、それらの形状の最大となる部分を直線で結んだ距離で規定することができ、あるいは、それらの形状の複数箇所の直線距離を平均した距離で規定することもできる。
【００１９】
請求項２に記載するように、光閉じ込め領域は上部反射鏡及び下部反射鏡を構成する各々の材料よりも低い屈折率を有する材料からなることが望ましい。この領域は、特定の発振モードの発光を得る目的で上部反射鏡及び下部反射鏡を構成する各々の材料よりも低い屈折率を有する材料で構成され、屈折率導波路を形成する。これによって金属部と下部反射鏡との間に発光領域を画定するための開口部が形成され、屈折率導波型のレーザは高速変調時の立上り、立下りが速く、応答性に優れている。
【００２０】
請求項３に記載するように、光閉じ込め領域は電流狭窄の機能を有することも可能である。つまり、光閉じ込め領域は酸化により高抵抗化された電流狭窄部を備える。光閉じ込め領域の形成に半導体酸化技術を用いることで、屈折率と共にこの領域の導電性をも低下させ、絶縁領域とすることで光閉じ込め領域兼電流狭窄部として機能させるようにしてもよい。例えば、好ましい半導体層としては、ＡｌＡｓ層やＡｌＧａＡｓ層などが用いられ、これを選択的に酸化させることでＡｌ_２Ｏ_３を主成分とする絶縁領域あるいは高抵抗化領域が形成される。これによって、効果的に電流を閉じ込め、高いスロープ効率と低しきい値電流を得ることができる。
【００２１】
マルチモードは、直線偏光モードであり、かつ該直線偏光モードの１次以上のモードが含まれることが望ましい。そのようなマルチモードは一定の波長の範囲内に複数の次数のレーザ光を含み、スペクトル幅および広がり角が抑制されるため、光ファイバとの結合効率を低下させることなく、光信号の伝達を効率よく行うことができる。
【００２２】
請求項４に記載のように、前記表面発光型半導体レーザは、少なくとも前記上部反射鏡から前記光閉じ込め領域まで延びるポスト構造を含み、前記光閉じ込め領域は前記ホスト構造の側部から選択的に酸化された領域を含み、該酸化領域によって前記第２の開口部の径を規定するものであっても良い。ポスト構造内に配された光閉じ込め領域の第２の開口部は、好ましくはポスト構造の側面から内側に向けて酸化された酸化領域によって規定される。例えば、ポスト構造内に配されるＡｌＡｓやＡｌＧａＡｓ半導体層をポスト側面から内部に向けて酸化させ、その酸化距離を制御することで第２の開口部を形成する。
【００２３】
ポスト構造が円柱状である場合、第１、第２の開口部は円柱状であることが望ましい。但し、それ以外に断面形状が矩形、多角形、楕円、長円形等を有する柱状あっても勿論かまわない。開口部が円柱状（またはその平面形状が長円形、円形）であれば、ポスト構造と各開口部の中心軸を整合しやすい利点がある他、上述のように光閉じ込め領域をポスト構造内に形成する場合には、円形状の方がポスト側面からの酸化距離を均等に制御しやすく、第２の開口部の径を高精度に作成することができるという利点がある。
【００２４】
請求項５に記載のように、前記下部反射鏡は第１導電型の複数の半導体層を含み、前記上部反射鏡は第２導電型の複数の半導体層を含み、前記金属部は、前記上部反射鏡と電気的に接続され、前記上部反射鏡に対して電流を供給するための電極として機能するようにしても良い。つまり金属部は、レーザ光を発振させるための電流注入用の電極として機能するとともに、出射されるレーザ光の横モードを制御する機能を併せ持つ。上部反射鏡は、金属部との接続抵抗を低減させるための高不純物濃度のコンタクト層を含んでも良く、金属部がコンタクト層とオーミック接続することができる。金属部は、複数の金属材料からなる合金または複数の金属層を積層したものでも良い。金属部は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏ及びＣｒから選択される１種以上の金属材料を含む。
【００２５】
請求項６に記載のように、前記表面発光型半導体レーザは、前記上部反射鏡と前記光閉じ込め領域との間に介在される第１の電極層を含み、該第１の電極層は前記光閉じ込め領域の第２の開口部と整合する第３の開口部を有するものでもよい。レーザ光の横モードを制御するための金属部とは別に第１の電極を用意し、この第１の電極によってレーザ光を発振させるために必要な電力を供給する。電極は、上部反射鏡と光閉じ込め領域との間に介在されるため、光閉じ込め領域の第２の開口部と整合された第３の開口部を有する。
【００２６】
請求項７に記載のように、金属部とは別に第１の電極を設けた構成において、前記上部反射鏡を誘電体ミラーから構成し、該誘電体ミラーを前記第１の電極層上に積層するようにしても良い。ポスト状若しくは柱状の誘電体ミラーを電極層上に積層することで、複数の半導体層をエッチングしてポスト構造を形成するよりもそのポストの高さを小さくすることができるため、エッチング等を含む製造プロセスが容易となる。
【００２７】
請求項８に記載のように、表面発光型半導体レーザは、前記上部反射鏡上に誘電物質からなる保護層を含み、前記保護層の径は前記金属部の第１の開口部の径よりも大きく、前記保護層の周縁部上に前記金属部の端部が置かれるようにしても良い。上部反射鏡上に保護層を設けることで反射鏡の表面を大気やエッチング液による汚染や侵食等から保護することができる。さらに、保護層は誘電物質から形成されるため、金属部の端部がオーバーラップする部分（重複部分）で反射鏡の反射率の低下が著しくなり、金属部単体により横モード制御を行うときよりもモード数の低減を効率よく行うことが可能となる。なお、誘電物質は、例えばシリコン酸化膜であり、また、誘電体層の径は、光閉じ込め領域の第２の開口部の径より小さいことが望ましい。
【００２８】
請求項１０に記載のように、前記表面発光型半導体レーザは、前記基板上に第２の電極を含み、該第２の電極が前記第１導電型の下部反射鏡と電気的に接続されるようにしても良い。こうすることで、基板の同一面側から各導電型の電極の取出しを行うことができ、ボンディングパッドとの接続やあるいはバンプ電極との接続が容易となる。また、レーザ素子をフリップチップ接続することも可能となる。勿論、これ以外にも、基板に半導体基板を用い、半導体基板の裏面に電極を設けることも可能である。
【００２９】
請求項１２に記載の表面発光型半導体レーザは、基板と、基板上に形成された第１導電型の第１の半導体反射層と、前記第１の半導体反射層上に形成されレーザ光を生成する活性領域と、前記活性領域上に形成された第２導電型の第２の半導体反射層と、前記第２の半導体反射層上に形成され、レーザ光を出射可能な開口部を含む金属部と、前記第１、第２の半導体反射層の間に形成され、周囲を高抵抗部によって囲まれた導電部を有する電流狭窄部とを有し、前記金属部の開口部の大きさは前記電流狭窄部の導電部の大きさよりも相対的に小さく、前記金属部の開口部及び前記電流狭窄部の導電部の大きさは前記金属部の開口部から出射されるマルチモードのレーザ光を許容し、該マルチモードは、最も高い光出力を発生する次数のレーザ光の最大値から２０デシベル以内に２以下の他の次数のモードを含むものである。
【００３０】
このように、金属部の開口部の大きさを電流狭窄部の導電部の大きさよりも相対的に小さくすることでマルチモードで発振されるレーザ光を出力させ、そのマルチモードが最も高い出力を発生する次数のレーザ光の最大値から２０デシベル以内に他の２つの次数のレーザ光を含むようにしたので、発行効率、応答特性に優れ、かつ低しきい値電流で高出力のレーザ光を安定的に得ることができる。従って、光ファイバとの結合時に減衰を生じさせることなく、マルチモード型光ファイバ用の光源に適した表面発光型半導体レーザを提供することが可能となる。
【００３１】
好ましくは表面発光型半導体レーザは選択酸化型であり、電流狭窄部の高抵抗部はポストまたはメサ側面から選択的に酸化された酸化領域である。この場合、導電部はこの酸化領域によって包囲された部分である。電流狭窄部としてＡｌＡｓ層やＡｌＧａＡｓ層を用いることができ、勿論、それ以外のＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いても良い。
【００３２】
請求項１３に記載のように、ここで規定されるマルチモードは、０次、１次、２次のモードで発振するレーザ光を含むものであっても良い。また、請求項１４に記載のように、マルチモードは、１次または２次のモードで発振するレーザ光が最も高い出力を発生するものであっても良い。好ましくは、電流狭窄部の導電部の径をおおよそ１２ないし１５ミクロンとし、金属部の開口部の径を１１ないし１２ミクロンとしたときに、優れたモード制御されたレーザ光を得ることができる。
【００３３】
請求項１５に記載のように、マルチモードに含まれる複数の次数からなるレーザ光のスペクトル幅は０．５ナノメータ（ｎｍ）以下であることが望ましい。スペクトル幅は、複数の次数のレーザ光の光出力を平均二乗（ＲＭＳ）法により求めることができる。スペクトル幅を０．５ｎｍとすることで、パルス広がりによる符号誤りの少ない伝送効率あるいは伝送能力の優れたマルチモード型光ファイバ用の光源を実現することが可能となる。好ましくは、電流狭窄部の径をおおよそ１２ないし１５ミクロンとし、金属部の開口部の径をおおよそ９ないし１２ミクロンとする。
【００３４】
請求項１６に記載のように、金属部の開口部の大きさを規定する径は、前記電流狭窄部の導電部の大きさを規定する径よりも３ミクロン小さいことが好ましい。開口部の径を相対的に上記数値の範囲内にすることにより、マルチモード発振されたレーザ光を安定的に出力させることが可能となるとともに、高速応答性を維持しながら低抵抗及び高出力の特性を実現することができる。
【００３５】
請求項１７に記載の表面発光型半導体レーザは、基板と、基板上に形成された第１導電型の第１の半導体反射層と、前記第１の半導体反射層上に形成されレーザ光を生成する活性領域と、前記活性領域上に形成された第２導電型の第２の半導体反射層と、前記第２の半導体反射層上に形成され、レーザ光を出射可能な開口部を含む金属部と、前記第１、第２の半導体反射層の間に形成され、周囲を高抵抗部によって囲まれた導電部を有する電流狭窄部とを有し、前記導電部の径が少なくとも１２ミクロン以上であり、かつ前記金属部の開口部の径が前記導電部の径よりも少なくとも１ミクロン小さいものであって、マルチモードのレーザ光の出射を許容する。
【００３６】
請求項１７の記載によれば、電流狭窄部の導電部の径が少なくとも１２ミクロン以上あり、かつ金属部の開口部の径が導電部の径よりも少なくとも１ミクロン小さくしたことにより、金属部の開口部から出射されるレーザ光の広がり角を小さくすることができる。このような表面発光型半導体レーザを光通信用の光源として光ファイバに結合しても、その結合時にレーザの減衰を抑制することができる。
【００３７】
開口部から出射されるレーザ光は、おおよそ２３度以下の広がり角であることが望ましい。電流狭窄部の導電部の径が１０ミクロン程度では、仮に金属部の径を１ミクロン小さくしても、広がり角の低下にはあまり効果がない。
【００３８】
請求項１８に記載のように、前記開口部から出射されるレーザ光はマルチモード発振され、マルチモード発振されるレーザ光は０次、１次、２次の次数において発振されるレーザ光であることが望ましい。マルチモードのレーザ光であっても、その広がり角を小さくすることにより、マルチモード型光ファイバの光源として有用である。
【００３９】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザを説明する。ＶＣＳＥＬの発光領域内に生ずる光学モードは、光ファイバ中における光の伝搬特性に関する分散方程式を解くことで求められる。ＶＣＳＥＬからは、通常直線偏光（Ｌｉｎｅａｒｌｙ　Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ）モードの発振が得られ、基本モード（ＬＰ_０１と表記）に始まり、分裂を繰り返してＬＰ_１１、ＬＰ_２１と次数を高めつつ、光学的に許容される最大次数のモードまで変化する。
【００４０】
Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ，　Ｖｏｌ．１５，　Ｎｏ．１，　ｐｐ−２３９−２４３には、各モードで得られるモードパターン（電界強度分布）が報告されている。ＬＰ_０１モードに対して発光スポットが２分割されたＬＰ_１１モード、さらに２分割されたＬＰ_２１モード、発光スポットが６分割されたＬＰ_３１モード、発光スポットが８分割されたＬＰ_４１モード、発光スポットが１０分割されたＬＰ_５１モードという具合に続く。簡単のため、ＬＰ_０１モードを基本（０次）横モード、ＬＰ_１１モードを１次横モード、ＬＰ_２１モードを２次横モードと省略して呼ぶ場合がある。
【００４１】
ＬＰ_２１以上の発振モードのトポロジー的な特徴は、発光スポットがちょうど仮想的な円周上に規則正しく並ぶ点にある。実際のレーザ発振ではこれらの他にも数多くの発振モードが存在し、ＬＰｎｍ（ｎは０以上の整数、ｍは自然数）で表されるが、ランダムな発光パターンは許容されず、中心対称性を維持したパターンの繰り返しである。したがって所望のモード形状に応じ、発光領域に対して反射率の分布、若しくは変調を与えれば、所望のモードで選択的に発振が生じ易くすることも原理的に可能である。
【００４２】
本発明はこの原理に則り、モード制御を行ったＶＣＳＥＬに関するものである。以下、図面を参照して詳細に説明する。
【００４３】
まず本発明の基本構成要素となる、横モード制御のための第１の開口部が穿設された上部金属と、発光領域を画定する第２の開口部をなす光閉じ込め領域の、好ましい位置的あるいは数値的関係について述べる。
【００４４】
図１（ａ）は本実施の形態に係る選択酸化型ＶＣＳＥＬの断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のポスト構造の平面図、図１（ｃ）はレーザ素子の内部構造が透視できるようにした斜視図である。なお、図１（ａ）は図１（ｂ）のＸ−Ｘ線断面図であり、図１（ｃ）は要素の一部を省略している。
【００４５】
１はｎ型のＧａＡｓ基板、２はｎ型の下部多層反射膜、３はアンドープの活性領域、４はｐ型のＡｌＡｓ層、５はｐ型の上部多層反射膜、６はｐ型のコンタクト層、８は層間絶縁膜、９はｐ側の上部電極、１０はｎ側の裏面電極、１１は出射領域、１２は光閉じ込め領域を表す。
【００４６】
これら積層された複数の半導体層は、ポスト状（あるいはメサ状、ピラー状）に加工される。ポスト構造は同図（ｂ）に示すように円柱状である。上部電極９の頂部の中央には、出射領域１１を画定する円形状の開口９ａが形成される。上部電極９は、ポスト頂部からその側部を通り、そのままポスト底部にまで延在される。ここでは図示しないが、延在された電極は、電流注入のための電極パッド部に接続される。
【００４７】
光閉じ込め領域１２は、ＡｌＡｓ層４をポスト側面から選択的に酸化することによって形成される。側壁からの酸化距離を制御することで所定の大きさの光閉じ込め領域１２を形成し、これによってＡｌＡｓ層４が包囲される。上部電極９の、基板に水平な面内の中央部に形成された開口９ａの径（Ｄ１）と、光閉じ込め領域１２の内径（Ｄ２）あるいはＡｌＡｓ層４の外径（Ｄ２）との関係を模式的に示したものが図１（ｃ）である。後述するように、開口９ａの径（Ｄ１）は、光閉じ込め領域１２の内径（Ｄ２）に比べて小さく、また両者は互いにその中心がポストの光軸と一致するように整合されることが望ましい。
【００４８】
上部電極９は、Ａｕ‐Ｚｎ／Ａｕから構成される。光閉じ込め領域１２は、上部多層反射膜５の一部として活性領域３に近い側の最下方に位置するＡｌＡｓ層４を熱的に酸化したもので、組成はほぼＡｌ_２Ｏ_３に変成し、この領域は、高抵抗領域あるいは絶縁領域として機能するとともに低い屈折率を有する。
【００４９】
本発明の効果確認実験では、上部電極９に設けられた開口９ａの径（Ｄ１）、および光閉じ込め領域１２の開口の径（Ｄ２）について、１０μｍφ、１２μｍφ、１４μｍφ及び１５μｍφの４種類の開口径（Ｄ２）に対し、開口９ａの開口径（Ｄ１）を種々変化させ、この時のＬ−Ｉ−Ｖ（光出力、注入電流量、および印加電圧）特性、発振スペクトル、ファーフィールドパターン、および周波数応答特性を各々測定した。
【００５０】
図４（ａ）、（ｂ）は、レーザ素子への注入電流（ｍＡ）とその光出力（ｍＷ）との関係を示し、光閉じ込め領域１２の開口径（Ｄ２）が各々１２μｍφと１５μｍφに対する開口９ａの径（Ｄ１）の依存性を示したものである。同図からも明らかなように、開口径（Ｄ１）が小さくなるにつれて同じ注入電流量に対する光出力が低下するのがわかる。開口径（Ｄ１）が開口径（Ｄ２）に比べ３μｍ程度小さくなったあたりから明らかな光出力低下が始まっている。これは上部電極９に設けられた開口９ａの径（Ｄ１）に応じて活性領域３の発光領域から放射される光が上部電極９により遮断されたことによるものと考えられる。
【００５１】
図５は、同じくレーザ素子への注入電流（ｍＡ）とその光出力（ｍＷ）との関係を示す。ここでは、光閉じ込め領域１２の開口径（Ｄ２）が１０μｍφとしたときの上部電極９の開口径（Ｄ１）の依存性を示したものである。開口９ａの径（Ｄ１）を１０μｍφから１５μｍφまで段階的に１μｍφ単位で変化させている。同図からも明らかなように、光閉じ込め領域１２の開口径（Ｄ２）が１０μｍφの場合、開口９ａの開口径（Ｄ１）の依存性はほとんど見られず、つまり、開口９ａの開口径（Ｄ１）の変化にかかわらず、それらの光出力はほぼ同じ値となっている。
【００５２】
次に、この時の遠視野像の変化を図６（ａ）、（ｂ）に示す。同図（ａ）は光閉じ込め領域１２の開口径（Ｄ２）が１２μｍφのときに、開口９ａの径（Ｄ１）を８μｍ、９μｍ、１０μｍ、１２μｍ、１４μｍ、１６μｍと変化させた遠視野像であり、同図（ｂ）は光閉じ込め領域の開口径（Ｄ２）が１５μｍφのときに、開口９ａの径（Ｄ１）を上記と同じように変化させた遠視野像である。なお、図の縦軸、横軸は放射角度を表す。遠視野像においては、注入電流量に対する光出力のときよりも顕著に開口径（Ｄ１）の依存性が現れている。すなわち、開口径（Ｄ１）が開口径（Ｄ２）に比べ１μｍ程度小さくなったあたりで既に広がり角が狭くなる傾向が始まる。但し、本明細書に添付の図面では必ずしも明瞭ではないが、実際の測定結果から、Ｄ２＝１２μｍφのときの開口径（Ｄ１）が１２μｍの遠視野像は、中央の濃い像の周囲に薄い像が広がっており、これは明らかに開口径（Ｄ１）が１０μｍのときの像よりも広がっている。また、Ｄ２＝１５μｍφのときの開口径（Ｄ１）が１６μｍのときの遠視野像も、周囲に像が広がっており、これは明らかに開口径（Ｄ１）が１４μｍのときの像よりも広がっている。これは上述したとおり、発光領域に生じた特定の発振モードが出射領域１１を画定する上部金属９により遮られ、このモードの発振が抑制された結果、マルチモード発振には変わりないが、発振モードの数が減ったためと考えられる。
【００５３】
この考察を裏付けるものとして、スペクトル幅についての測定結果を図７（ａ）、（ｂ）及び図８（ａ）、（ｂ）に示す。図７（ａ）、（ｂ）は、光閉じ込め領域１２の開口径（Ｄ２）がそれぞれ１２μｍφ、１５μｍφを用いたものであり、図８（ａ）、（ｂ）は開口径（Ｄ２）がそれぞれ１０μｍφ、１４μｍφを用いたものである。
これらのグラフにおいて、横軸が開口９ａの径（Ｄ１）、縦軸の左側が広がり角（１／ｅ^２）、右側がスペクトル幅（全値半幅：ＲＭＳ（平均二乗）値）、円のマークは広がり角を示し、四角のマークはスペクトル幅を示す。光出力は２ｍＷを一定とした。
【００５４】
図７（ａ）に示すように光閉じ込め領域１２の開口径（Ｄ２）が１２μｍφの素子では開口径（Ｄ１）が小さくなるにつれて両者とも単調に減少した。図７（ｂ）に示すように開口径（Ｄ２）が１５μｍφの素子では、やはり開口径（Ｄ１）が小さくなるにつれて両者とも減少したが、スペクトル幅については途中から急激増加に転じた。これはＲＭＳ法によるスペクトル測定自体に基因する問題と考えられ、レーザの特性が不連続的に変化した結果ではない。
【００５５】
図８（ａ）に示すように開口径（Ｄ２）が１０μｍφの素子では、開口径（Ｄ１）の変化にかかわらず広がり角およびスペクトル幅はほぼ一定である。このことから、開口径（Ｄ２）が１２μｍφよりも小さい１０μｍφ程度になると、その広がり角およびスペクトル幅は開口径（Ｄ１）にあまり依存しなくなる。図８（ｂ）に示すように、開口径（Ｄ２）が１４μｍφの素子では、やはり開口径（Ｄ１）の減少に伴い両者とも減少する傾向にあることがわかる。
【００５６】
このような開口径（Ｄ１）に依存したスペクトル幅の変化は、モードフィルタリング効果と呼ばれ、マルチモード発振を生じているレーザ光に含まれる発振モードのいくつかが発振を抑制された結果と見ることができる。図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び図１０（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）にモードフィルタリング効果の有無によるスペクトル幅の変化について、いくつかのパターンを示す。
【００５７】
図９（ａ）はＤ１＝１３μｍφ、Ｄ２＝１３μｍφ、図９（ｂ）はＤ１＝１１μｍφ、Ｄ２＝１５μｍφ、図９（ｃ）はＤ１＝１２μｍφ、Ｄ２＝１５μｍφ、１０図（ｄ）はＤ１＝１２μｍφ、Ｄ２＝１４μｍφ、１０図（ｅ）はＤ１＝１１μｍφ、Ｄ２＝１４μｍφ、１０図（ｆ）はＤ１＝１１μｍφ、Ｄ２＝１３μｍφの素子の条件を有している。
【００５８】
図９（ａ）に示すように、開口径Ｄ１、Ｄ２がそれぞれ等しい場合、そのスペクトル幅は０．８７ｎｍと大きく、高次のモードが比較的小さな出力差のレベルで生じている。図９（ｂ）に示すように、開口径Ｄ１が開口径Ｄ２よりも４μｍ小さくなると、スペクトル幅は０．６８ｎｍと小さくなり、高次のモードの出力レベルが減少されている。図９（ｃ）に示すように、開口径Ｄ１が開口径Ｄ２よりも３μｍ小さくなると、スペクトル幅はさらに０．４９ｎｍと小さくなり、レーザ光の出力も、０次、１次、２次のモードが他の高次のモードの出力よりも際立つ。このとき、レーザ光の最大出力値から２０ｄＢ以内には３つの次数のモードが存在し、それ以外の高次のモードはそれ以外の出力レベルにある。
【００５９】
図１０（ｄ）に示すように、開口径Ｄ１がＤ２よりも２μｍ小さくなると、スペクトル幅は０．３６ｎｍとなり、レーザ光の出力はその最大出力から２０ｄＢ以内に３つの連続した次数のモード（０次、１次、２次）が含まれる。図１０（ｅ）および（ｆ）においても、スペクトル幅はそれぞれ０．３１ｎｍ、０．２５ｎｍとなり、出力において３つ次数の連続したモードが最大値から所定の範囲内に存在する。このように、開口径（Ｄ２）に比して開口径（Ｄ１）が十分に大きいと、モード数の増大に伴いスペクトル幅が広がるが、開口径（Ｄ１）を徐々に狭めていくと、より高い次数のモードから発振が抑制され、スペクトル幅は低下をたどる。
【００６０】
開口径（Ｄ１）が小さくなれば、広がり角、スペクトル幅も低下してモードの安定性が向上しまた光ファイバとの結合効率においても好ましい効果をもたらすことはわかった。しかし、開口径（Ｄ１）と開口径（Ｄ２）の好ましい数値関係については、広がり角、スペクトル幅に加え、高周波特性に密接な関係を有する光出力も勘案して決めなければならない。すなわち、開口径（Ｄ１）が小さくなれば得られる光出力も低下し、結合効率の向上分が相殺されてしまうからである。
【００６１】
ひとつの基準として本発明者は、同一の光出力時における小信号周波数応答特性を比較評価し、好ましい数値関係を導くための一助とした。その結果を図１１（ａ）、（ｂ）に示す。同図（ａ）に示す開口径（Ｄ２）が１２μｍφの素子では、開口径（Ｄ１）に対する依存性は小さく、上部金属９の開口径（Ｄ１）が光閉じ込め領域１２のそれに比べ十分大きな１６μｍφの素子で、７ＧＨｚを超えてから応答性の低下が見られる程度である。一方、同図（ｂ）に示すような開口径（Ｄ２）が１５μｍφの素子では、開口径（Ｄ１）が８μｍφあるいは９μｍφの素子で明らかな応答性の低下が観測された。
【００６２】
以上の結果を総合すると、広がり角あるいはスペクトル幅の変化は、開口径（Ｄ２）−開口径（Ｄ１）≧１μｍで十分低減の効果が見られるものの、小信号周波数応答特性の比較から、開口径（Ｄ２）−開口径（Ｄ１）≦５μｍが特性を劣化させない限界であることが判明した。またこの時の素子抵抗はすべての電流注入域に渡って５０Ω前後という低い値となっており、低抵抗性も満足している。
【００６３】
次に第２の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザについて説明する。上述した第１の実施の形態では、上部多層反射膜５の表面に形成した、横モード制御に用いられる上部電極９が、素子への電流注入のための電極としても利用されていたが、第２の実施の形態では電流注入に用いる電極を別途に用意し、上部金属を横モード制御のためにのみ用いられる。また、基板１の裏面に形成したｎ側裏面電極１０の代わりに、基板表面側にｎ側電極を形成する。なお、第１の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付してある。
【００６４】
図２（ａ）は第２の実施の形態に係るＶＣＳＥＬの断面図である。１はアンドープのＧａＡｓ基板、２はｎ型の下部多層反射膜、３はアンドープの活性領域、４はｐ型のＡｌＡｓ層、５は上部多層反射膜、６はｐ型のコンタクト層、８は層間絶縁膜、１１は出射領域、１２は光閉じ込め領域、２１は横モード制御用の上部金属、２２はｐ側電極、２３はｎ側電極である。
【００６５】
上部金属２１からコンタクト層６に至るまで積層体はポスト構造を有する。このポスト内の上部多層反射膜５とコンタクト層６との間にｐ側電極２２が接続される。ｐ側電極２２には空洞領域２２ａが形成され、この空洞領域２２ａの開口の径は、光閉じ込め領域１２の開口径（Ｄ２）よりもやや大きい。ｐ側電極２２は層間絶縁膜８上を延在され、図示しないが電流注入のための電極パッド部に接続される。上部多層反射膜５は、複数の半導体層をエッチングして形成しても良いが、これ以外にも誘電体を積層した誘電体ミラーをｐ側電極２２上に接続するようにしても良い。
【００６６】
ｎ側電極２３は、層間絶縁膜８および活性領域３に形成されたコンタクトホール２３ａを介して基板１上に積層された下部多層反射膜と電気的に接続される。層間絶縁膜８上を延在されるｎ側電極も、図示しない別の電極パッド部に接続される。このようにｎ側とｐ側の電極の取り出し口を基板上の同一平面側に置くことにより、ボンディング配線あるいはバンプ金属の形成を容易に行うことができる。
【００６７】
図２（ａ）の素子を斜め上方から見た斜視図が図２（ｂ）である。但し、図２（ｂ）では図２（ａ）で素子の断面を示した内部の構造が透視できるよう一部の要素を省略している。第１の実施の形態ではポスト構造を円柱状としたが、第２の実施の形態においては角柱状とした。上部金属２１によって規定される開口がＤ１であり、光閉じ込め領域１２によって囲まれた導電部分の径がＤ２である。なお、光閉じ込め領域１２のポスト構造の軸方向と垂直方向の断面形状は、ほぼ正方形であり、その対角線の長さを開口径（Ｄ２）とする。上部金属２１が電流注入に用いられるか否かとポスト形状との間にはなんら相互依存の関係はなく、第１の実施の形態でポスト形状を角柱状としても、反対に第２の実施の形態で円柱状としても、発明の本質に影響を与えることはない。
【００６８】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図３（ａ）は第３の実施の形態に係るＶＣＳＥＬの断面図、同図（ｂ）はその平面図、同図（ｃ）は各層の開口部の関係を示す図である。本実施の形態は、第１の実施の形態の変形例であるが、基板上のポスト構造あるいは積層構造に違いがある。すなわち、コンタクト層６の表面を保護すると共に、横モード制御の一助となる保護膜７が形成されている。これ以外の部分は同様の構成を有するため第１の実施の形態と同一参照符号を付してある。
【００６９】
ポスト構造のコンタクト層６上に誘電体物質からなる保護膜７が形成される。保護膜７は円形状の膜であり、その中心は光閉じ込め領域１２の開口の中心およびポストの光軸と一致することが望ましい。保護膜７の外径は、上部電極９の開口９ａの開口径（Ｄ１）よりも大きく、上部電極９の端部が保護膜７上に延在される。上部電極９の開口部（Ｄ１）、保護膜７、及び光閉じ込め領域１２の開口径（Ｄ２）を図３（ｃ）に示す。距離Ｄ３は、上部電極９の端部と保護膜７の周縁とのオーバーラップ部分である。
【００７０】
このように形成された保護膜７は、横モード制御の効果を高める役割を果たす。つまり、上部電極９と保護膜７が重なる部分Ｄ３で多層膜の反射率の低下が著しくなり、上部金属９の単層で横モード制御を行う場合よりもモード数を効率的に低減することができる。
【００７１】
また、上部電極９と保護膜７が重なる部分Ｄ３の幅は、上部電極９に設けられた開口径（Ｄ１）、および光閉じ込め領域の開口径（Ｄ２）と共に低減するモード数と密接な関係があり、重複距離（Ｄ３）を大きくすることでモード数が減少する傾向にある。ただし、Ｄ２＞Ｄ１＋（２×Ｄ３）の関係になるとその効果は急激に失われるので、３者の関係は適切に選ばれる必要がある。
【００７２】
さらに保護膜７は、結晶成長に引き続き最初に行われるプロセスである関係上、その後のプロセス中、あるいは素子の完成後、出射領域１１が薬液や大気に曝されるのを防護する役割も担い、レーザ素子の劣化を防ぐのに役立っている。
【００７３】
以下、本発明の各実施の形態に係るＶＣＳＥＬの詳細な構成およびその製造方法について説明する。
【００７４】
第１の実施の形態に係るＶＣＳＥＬは、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型のＧａＡｓ基板１の（１００）面上に、ｎ型のＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層とｎ型のＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層との複数層積層体よりなる下部多層反射膜２と、アンドープのＡｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ層よりなるスペーサ層、アンドープのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層よりなる障壁層、及びアンドープのＧａＡｓ層よりなる量子井戸層との積層体よりなる活性領域３と、ｐ型のＡｌＡｓ層４と、ｐ型のＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層とｐ型のＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層との複数層積層体よりなる上部多層反射膜５と、ｐ型のＧａＡｓ層よりなるコンタクト層６とを、順次積層する。
【００７５】
下部多層反射膜２は、ｎ型のＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層とｎ型のＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層との複数層積層体よりなるが、各層の厚さはλ／４ｎ_ｒ（但し、λは発振波長、ｎ_ｒは媒質中の光学屈折率）に相当し、混晶比の異なる層を交互に３６．５周期積層してある。ｎ型不純物としてシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は３×１０^１８ｃｍ^−３である。
【００７６】
活性領域３は、アンドープのＧａＡｓ層よりなる厚さ８ｎｍの量子井戸活性層とアンドープのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層よりなる厚さ５ｎｍの障壁層とを交互に積層した（但し、外層は障壁層）積層体が、アンドープのＡｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ層よりなるスペーサ層の中央部に配置され、量子井戸活性層と障壁層とを含むスペーサ層の膜厚がλ／ｎ_ｒの整数倍となるよう設計されている。このような構成の活性領域３から波長８５０ｎｍの放射光を得る。
【００７７】
上部多層反射膜５は、ｐ型のＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層とｐ型のＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層との複数半導体層からなる積層体である。各層の厚さは下部多層反射膜２と同様にλ／４ｎ_ｒであり、混晶比の異なる層を交互に２２周期で積層してある。この周期数は下層に設けたＡｌＡｓ層４、および上層に設けたコンタクト層６を加えた数である。ただし、ＡｌＡｓ層４に関しては膜厚λ／４ｎ_ｒを構成する材料がすべてＡｌＡｓからなる必然性はなく、反対にＡｌＡｓ層が必要以上に厚いと光学的散乱損失が増えるといった問題を生じる場合もある。従って、ここではＡｌＡｓ層４は厚さ３０ｎｍとして、残りの部分はＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓとした。ｐ型不純物として炭素をドーピングした後のキャリア濃度は３×１０^１８ｃｍ^−３である。
【００７８】
ところで上部多層反射膜５の周期数（層数）を下部多層反射膜２のそれよりも少なくしてある理由は、反射率に差を設けて発振光を基板上面より取り出すためである。また、ここでは詳しくは述べないが、素子の直列抵抗を下げるため、上部多層反射膜５中には、Ａｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層とＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層との間に、その中間のアルミニウム組成比を有する中間層を介在させることができる。
【００７９】
ｐ型のＧａＡｓ層よるなるコンタクト層６は、厚さ２０ｎｍ、ｐ型不純物としてドーピングした亜鉛のキャリア濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３である。
【００８０】
半導体基板１上に下部多層反射膜２、活性領域３、上部多層反射膜５及びコンタクト層６を積層したレーザ基板を成長室から取り出し、これを異方性エッチングして、図１（ｂ）または（ｃ）に示すような円柱のポスト状に加工する。この時のエッチングの深さは活性領域３の一部に到達するまでとしたが、これは後段の酸化工程により、電流狭窄部兼光閉じ込め領域１２を形成する際、この領域の元の層であるＡｌＡｓ層４の側面を露出させておく必要があるためである。従って、選択酸化型のレーザ素子の場合、ポスト側面から少なくともＡｌＡｓ層４が露出していれば良く、エッチングの深さは、活性領域３を越えて下部多層反射膜３の一部にまで延びても良い。
【００８１】
このようにして上部多層反射膜５にメサ（ポスト）加工を施した後、窒素を含むキャリアガス（流量：２リットル／分）とする３６０℃の水蒸気雰囲気に半導体基板を４０分間晒し、酸化処理を行う。上部多層反射膜５の一部を構成するＡｌＡｓ層４は、同じくその一部を構成するＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層やＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層に比べ著しく酸化速度が速い。このため、ポスト内の一部である活性領域３の直上部分にポスト形状を反映した酸化領域が形成され、酸化されずに残った非酸化領域が電流注入領域あるいは導電領域となる。すなわち酸化領域は電流狭窄部となるが、同時に周囲の半導体層に比べ光学屈折率が半分程度（〜１．６）となることから、光閉じ込め領域１２としても機能する。こうして、上述したような光閉じ込め領域１２の開口径（Ｄ２）あるいは電流注入領域となる開口径（Ｄ２）が形成される。
【００８２】
その後、露出したポスト側面を含む基板上面にシリコン酸化物等からなる絶縁膜を形成した後、ポスト頂部のみコンタクト層６を露出させるために絶縁膜をパターンニングしてこれを除去し、層間絶縁膜８を形成する。
【００８３】
つづいて、コンタクト層６と電気的な接触を得るようポスト頂部にｐ側の上部電極９を形成する。その際、上部電極９の中央部に光出射あるいはモード制御用の開口９ａを形成するため、パターニングされたレジスト膜を用い上部電極９をエッチング除去し、ポスト形状を反映した円形状の開口径（Ｄ１）を持つ開口９ａを形成する。
【００８４】
最後に、基板１の裏面側にｎ側裏面電極１０を形成し、図１に示す第１の実施の形態に係るＶＣＳＥＬを得る。
【００８５】
次に第２の実施の形態に係るＶＣＳＥＬは、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型のＧａＡｓ基板１の（１００）面上に、ｎ型のＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層とｎ型のＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層との複数層積層体よりなる下部多層反射膜２と、アンドープのＡｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ層よりなるスペーサ層、アンドープのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層よりなる障壁層、及びアンドープのＧａＡｓ層よりなる量子井戸層との積層体よりなる活性領域３と、ｐ型のＡｌＡｓ層４と、ｐ型のＧａＡｓ層よりなるコンタクト層６とを、順次積層する。ＡｌＡｓ層４は、厚さ２０ｎｍ、ｐ型不純物として炭素をドーピングした後のキャリア濃度は３×１０^１８ｃｍ^−３である。ｐ型のＧａＡｓ層よるなるコンタクト層６は、厚さ２０ｎｍ、ｐ型不純物としてドーピングした亜鉛のキャリア濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３である。
【００８６】
これらの半導体層が積層されたレーザ基板を成長室から取り出し、積層体を角柱状にエッチング加工する。この時エッチングの深さは活性領域３に到達するまでとしたが、これは上述したように後の酸化工程により、電流狭窄部兼光閉じ込め領域１２を形成する際、ＡｌＡｓ層４をポスト側面から選択酸化させるためである。
【００８７】
ＡｌＡｓ層４を露出させた角柱状の積層体を、窒素をキャリアガス（流量：２リットル／分）とする３６０℃の水蒸気雰囲気に４０分間晒すことによりポスト側面に露出したＡｌＡｓ層４が酸化され、電流狭窄部兼光閉じ込め領域１２が形成される。ポストの真上から見た光閉じ込め領域１２の平面形状は、ポスト形状に依存したほぼ矩形状であり、その対角線の長さが開口径（Ｄ２）として図２（ｂ）に示されている。
【００８８】
その後、露出したポスト側面を含む基板上面に絶縁膜８を形成し、次いでｐ側電極およびｎ側電極を形成するために絶縁膜８のエッチングが行われる。すなわち、ポスト頂部から絶縁膜８がエッチング除去されてコンタクト層６が露出され、また、ポスト底部において絶縁膜８及び活性領域３をエッチングし、下部多層反射膜２が露出するようなコンタクトホール２３ａを形成する。
【００８９】
次に、コンタクト層６と電気的な接触を得るようポスト頂部に環状のｐ側電極２２を形成し、同時に下部多層反射膜２と電気的な接触を得るようコンタクトホール２３ａ上にｎ側電極２３を形成する。ｐ側電極２２の開口径は、光閉じ込め領域兼電流狭窄部１２の開口径（Ｄ２）とほぼ等しいかあるいはそれよりも大きい。
【００９０】
次に、ＴｉＯ_２層とＳｉＯ_２層との複数層積層体よりなる誘電体多層膜２４を堆積させ、リフトオフ法により上記ポスト部の基板平面中央付近に上部多層反射膜２４を形成する。各層の厚さは下部多層反射膜２と同様にλ／４ｎ_ｒであり、材料の異なる２層を交互に１０周期積層してある。この周期数には下層に設けたＡｌＡｓ層４、およびコンタクト層６はカウントされないが、これらを加えた積層膜として上部多層反射膜２４は機能する。
【００９１】
最後に、ポスト頂部にＡｕ単層からなるモード制御用の上部金属２１を形成し、その中央部に開口径（Ｄ１）を形成し、第２の実施の形態に係るＶＣＳＥＬを得る。但し、上部金属２１として用いられる材料はＡｕに限定されるものではなく、薄膜化しても近赤外領域の光を良く反射する、元素周期律表で規定されるところの金属類、例えばＡｇ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｒあるいはこれらの合金系材料でもその要件を満たす。
【００９２】
第３の実施の形態に係るＶＣＳＥＬは、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型のＧａＡｓ基板１の（１００）面上に、ｎ型のＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層とｎ型のＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層との複数層積層体よりなる下部多層反射膜２と、アンドープのＡｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ層よりなるスペーサ層、アンドープのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層よりなる障壁層、及びアンドープのＧａＡｓ層よりなる量子井戸層との積層体よりなる活性領域３と、ｐ型のＡｌＡｓ層４と、ｐ型のＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層とｐ型のＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層との複数層積層体よりなる上部多層反射膜５と、ｐ型のＧａＡｓ層よりなるコンタクト層６とを、順次積層する。
【００９３】
ＲＦスパッタリング法によりＳｉＯ_２を基板全面に着膜した後、フォトリソグラフィによりこの膜を１４μｍφの円形に加工して保護膜７とする。この後の工程は第１の実施の形態におけるプロセスと全く同じなので省略する。
【００９４】
保護膜７の膜厚は、出射特性に影響のないλ／２ｎ_ｒの整数倍とすることが望ましい。しかし、プロセス中に膜減りを起こすことも十分考えられ、また、最終的な膜厚が（２ｉ＋１）λ／４ｎ_ｒ（ｉ：整数）になると共振器の反射特性に影響がある。このため、膜減りも考慮した上で慎重に保護膜７の膜厚を決める必要がある。ＳｉＯ_２を使った場合、λ／４ｎ_ｒの値が１２０ｎｍ程度（λ＝８５０ｎｍの場合）になると予想されるので、非常に薄く１０ｎｍ程度にするか、あるいは分厚く２４０ｎｍ程度にすることが考えられる。
【００９５】
第１、第３実施に形態においては、上部多層反射膜５をｐ型とし、下部多層反射膜２をｎ型としたが、これに限定されることなく、導電型を反対にすること、あるいはいわゆるイントラキャビティ型ＶＣＳＥＬを想定し、片側の導電型は導電性の低い真性とすることなどが考えられる。一般にｐ型層はｎ型層に比べエネルギーバンド不連続性に起因する素子抵抗の増大が懸念されるから、層数が増えることはレーザ特性を劣化させる要因となり好ましくない。このため、出射光を基板上面から取り出す関係上、下部多層反射膜２よりも上部多層反射膜５の層数を減らす目的で上部多層反射膜５の導電型をｐ型とした。
【００９６】
しかし別の視点から考えると、素子抵抗は面積に反比例するので、上部多層反射膜５をポスト状に加工することは素子抵抗を増大させる要因となる。したがって、同じ面積ならｐ型層よりもｎ型層を上部多層反射膜５とすることは好ましいという考え方もできる。結局、光の取り出し方向や導電型による素子抵抗の違い、あるいは駆動回路側との相性を勘案しながら、総合的な見地から導電型を適宜選択すればよい。
【００９７】
上記第１ないし第３の実施の形態において、量子井戸層を構成する材料として、ＧａＡｓを用いたが、本発明はこの材料に限定されるものではなく、例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、あるいはＧａＩｎＮＡｓ等の他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を用いることも可能である。
【００９８】
さらに、上記第１ないし第３の実施の形態において、結晶成長方法としてＭＯＣＶＤ法を用いる場合について述べたが、本発明はこの方法に限定されることなく、他の方法により半導体層の積層を行っても良い。例えば、分子線ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法等を用いることができる。
【００９９】
さらに、上記第１ないし第３の実施の形態において、上部多層反射膜の上層を発光層としたが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、例えば、上部多層反射膜の形成時に膜形成条件を制御するなどにより、境界領域を組み込んだ発光層を下層又は内層に組み込むように構成することも可能である。
【０１００】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は上記実施の形態に限定的に解釈されるべきものではなく、特許請求の範囲の構成要件を満足する範囲内で、上記実施の形態と異なる他の構成あるいは他の方法を適用することが可能である。
【０１０１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、上部反射鏡上に設けられた金属部の第１の開口部を光閉じ込め領域の第２の開口部よりも１ないし５ミクロン小さくしたので、出射されるレーザ光の横モードの安定性という要件を満たしながら、低広がり角、低抵抗、高出力、かつ高効率で高速応答性に優れた表面発光型半導体レーザを得ることができる。さらに、このような表面発光型半導体レーザをマルチモード型光ファイバの光源に用いることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの断面図（同図（ｂ）のＸ１−Ｘ１線断面）、同図（ｂ）は同図（ａ）の平面図、同図（ｃ）は同図（ａ）の主要部の模式的な斜視図である。
【図２】図２（ａ）は、第２の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの断面図、同図（ｂ）はその主要部の模式的な斜視図である。
【図３】図３（ａ）は、第３の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの断面図（同図（ｂ）のＸ２−Ｘ２線断面）、同図（ｂ）は同図（ａ）の平面図、同図（ｃ）は同図（ａ）の主要部の模式的な斜視図である。
【図４】図４は、第１の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの光出力−注入電流（Ｌ−Ｉ）特性における上部電極の開口径（Ｄ１）の依存性を示すグラフである。
【図５】図５は、第１の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの光出力−注入電流（Ｌ−Ｉ）特性における開口径（Ｄ１）の依存性を示すグラフである。
【図６】図６は、遠視野像における開口径（Ｄ１）の依存性を示す図である。
【図７】図７（ａ）、（ｂ）は、広がり角とスペクトル幅における開口径（Ｄ１）の依存性を示すグラフである。
【図８】図８（ａ）、（ｂ）は、広がり角とスペクトル幅における開口径（Ｄ１）の依存性を示すグラフである。
【図９】図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、モードフィルタリング効果の有無によるスペクトル幅の変化を示すグラフである。
【図１０】図１０（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）は、モードフィルタリング効果の有無によるスペクトル幅の変化を示すグラフである。
【図１１】図１１（ａ）、（ｂ）は、小信号周波数応答性における開口径（Ｄ１）の依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１　　ＧａＡｓ基板、　　　　　　　　　　２　　下部多層反射膜、
３　　活性領域、　　　　　　　　　　　　４　　ＡｌＡｓ層、
５、２４　　上部多層反射膜　　　　　　　６　　コンタクト層、
７　　保護膜、　　　　　　　　　　　　　８　　層間絶縁膜、
９、２２　　上部（ｐ側）電極、　　　　　９ａ　　開口、
１０、２３　　下部（ｎ側）電極、　　　　１１　　　出射領域、
１２　　光閉じ込め領域（電流狭窄部）、　　２１　　上部金属、
２３ａ　コンタクトホール、

Claims

下部反射鏡と、活性領域と、前記下部反射鏡と共に共振器を構成する上部反射鏡とが積層された基板と、
前記上部反射鏡上に設けられ、且つ前記活性領域で発生したレーザ光の出射領域を画定する第１の開口部が形成された金属部と、
前記金属部と前記下部反射鏡との間に設けられ、且つレーザ光の発光領域を画定する第２の開口部を有する光閉じ込め領域とを備え、
前記光閉じ込め領域の前記第２の開口部の径は少なくとも１２ミクロン以上であり、かつ前記第１の開口部の径が前記第２の開口部の径よりも１乃至５ミクロン小さく、前記出射領域から出射されるレーザ光は、所定の波長範囲内に選択された複数の次数のレーザ光を含むマルチモードである、表面発光型半導体レーザ。
前記光閉じ込め領域は、前記上部反射鏡及び前記下部反射鏡を構成する各々の材料よりも低い屈折率を有する材料からなる、請求項１に記載の表面発光型半導体レーザ。
前記光閉じ込め領域は、酸化された高抵抗化領域を含む電流狭窄部を備える、請求項１または２に記載の表面発光型半導体レーザ。
前記表面発光型半導体レーザは、少なくとも前記上部反射鏡から前記光閉じ込め領域まで延びるポスト構造を含み、前記光閉じ込め領域は前記ホスト構造の側部から選択的に酸化された領域を含み、該酸化領域によって前記第２の開口部の径を規定する、請求項１ないし３いずれかに記載の表面発光型半導体レーザ。
前記下部反射鏡は第１導電型の複数の半導体層を含み、前記上部反射鏡は第２導電型の複数の半導体層を含み、前記金属部は、前記上部反射鏡と電気的に接続され、前記上部反射鏡に対して電流を供給するための電極として機能する、請求項１または４に記載の表面発光型半導体レーザ。
前記表面発光型半導体レーザは、前記上部反射鏡と前記光閉じ込め領域との間に介在される第１の電極層を含み、該第１の電極層は前記光閉じ込め領域の第２の開口部と整合する第３の開口部を有する、請求項１に記載の表面発光型半導体レーザ。
前記上部反射鏡は誘電体ミラーを含み、該誘電体ミラーが前記第１の電極層上に積層される、請求項６に記載の表面発光型半導体レーザ。
前記表面発光型半導体レーザは、前記上部反射鏡上に誘電物質からなる保護層を含み、前記保護層の径は前記金属部の第１の開口部の径よりも大きく、前記保護層の周縁部上に前記金属部の端部が置かれる、請求項１に記載の表面発光型半導体レーザ。
前記上部反射鏡は不純物濃度が高いコンタクト層を含み、前記金属部または前記電極層が該コンタクト層に電気的に接続される、請求項１、５または６いずれかに記載の表面発光型半導体レーザ。
前記表面発光型半導体レーザは、前記基板上に第２の電極を含み、該第２の電極が前記第１導電型の下部反射鏡と電気的に接続される、請求項８または９に記載の表面発光型半導体レーザ。
前記金属部は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏ、及びＣｒから選択される１種以上の金属材料を含む、請求項１ないし１０いずれかに記載の表面発光型半導体レーザ。
基板と、
基板上に形成された第１導電型の第１の半導体反射層と、
前記第１の半導体反射層上に形成されレーザ光を生成する活性領域と、
前記活性領域上に形成された第２導電型の第２の半導体反射層と、
前記第２の半導体反射層上に形成され、レーザ光を出射可能な開口部を含む金属部と、
前記第１、第２の半導体反射層の間に形成され、周囲を高抵抗部によって囲まれた導電部を有する電流狭窄部とを有し、
前記金属部の開口部の大きさは前記電流狭窄部の導電部の大きさよりも相対的に小さく、前記金属部の開口部及び前記電流狭窄部の導電部の大きさは前記金属部の開口部から出射されるマルチモードのレーザ光を許容し、該マルチモードは、最も高い光出力を発生する次数のレーザ光の最大値から２０デシベル以内に２以下の他の次数のモードを含む、表面発光型半導体レーザ。
前記マルチモードは、０次、１次、２次のモードで発振するレーザ光を含む、請求項１２に記載の表面発光型半導体レーザ。
前記マルチモードは、前記１次または２次のモードで発振するレーザ光が最も高い光出力を発生する、請求項１３に記載の表面発光型半導体レーザ。
前記マルチモードに含まれる複数の次数からなるレーザ光のスペクトル幅が０．５ナノメータ（ｎｍ）以下である、請求項１２ないし１４いずれかに記載の表面発光型半導体レーザ。
前記金属部の開口部の大きさを規定する径は、前記電流狭窄部の導電部の大きさを規定する径よりも３ミクロン小さい、請求項１５に記載の表面発光型半導体レーザ。
基板と、
基板上に形成された第１導電型の第１の半導体反射層と、
前記第１の半導体反射層上に形成されレーザ光を生成する活性領域と、
前記活性領域上に形成された第２導電型の第２の半導体反射層と、
前記第２の半導体反射層上に形成され、レーザ光を出射可能な開口部を含む金属部と、
前記第１、第２の半導体反射層の間に形成され、周囲を高抵抗部によって囲まれた導電部を有する電流狭窄部とを有し、
前記導電部の径が少なくとも１２ミクロン以上であり、かつ前記金属部の開口部の径が前記導電部の径よりも少なくとも１ミクロン小さいものであって、マルチモードのレーザ光を許容する表面発光型半導体レーザ。
前記開口部から出射されるレーザ光はマルチモード発振され、マルチモード発振されるレーザ光は０次、１次、２次の次数において発振されるレーザ光である、請求項１７に記載の表面発光型半導体レーザ。