JP2007173304A - 面発光型半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易に製造可能であり、高次横モード発振だけを選択的に抑制することが可能な面発光型半導体レーザを提供する。
【解決手段】共振器、第１電流狭窄層１５および第２電流狭窄層１７を備える。共振器は、基板１０上に、ｎ型ＤＢＲ層１１、ｎ型ガイド層１２、発光領域１３Ａを有する活性層１３、ｐ型ガイド層１４、第１電流狭窄層１５、スペーサ層１６、第２電流狭窄層１７、ｐ型ＤＢＲ層１８およびｐ型コンタクト層１９をこの順に含んで構成され、所定の波長で共振するようになっている。第１電流狭窄層１５は発光領域１３Ａと対応する領域に電流注入領域１５ｂを有し、定在波の腹を含む部位に形成されている。第２電流狭窄層１７は電流注入領域１５ｂの径よりも小さな径の電流注入領域１７ｂを中央領域に有すると共に第１電流狭窄層１５の厚さよりも薄くなっている。第２電流狭窄層１７は定在波の節を含む部位に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、上面にレーザ光の出射領域を有する面発光型半導体レーザに係り、特に、低次横モードの光出力が要求される用途に好適に適用可能な面発光型半導体レーザに関する。

面発光型半導体レーザは、従来の端面出射型のものとは異なり、基板に対して直交する方向に光を出射するものであり、同じ基板上に２次元アレイ状に多数の素子を配列することが可能であることから、近年、デジタルコピー機やプリンタ機用の光源として注目されている。

従来、この種の面発光型半導体レーザは、半導体基板上に一対の多層膜反射鏡が形成されており、その対の多層膜反射鏡の間に発光領域となる活性層を有している。そして、一方の多層膜反射鏡と活性層との間には、活性層への電流注入効率を高め、しきい値電流を下げるために、電流注入領域を狭めた構造を有する電流狭窄層が設けられている。また、下面側にはｎ側電極、上面側にはｐ側電極がそれぞれ設けられ、ｐ側電極にはレーザ光を出射するために光出射口が設けられている。この面発光型半導体レーザでは、電流は電流狭窄層により狭窄されたのち活性層に注入され、ここで発光し、これが一対の多層膜反射鏡で反射を繰り返しながらレーザ光としてｐ側電極の光出射口から出射される。

ところで、上記した面発光型半導体レーザでは、レーザ光の出射領域のうち中央部分において主に基本横モード発振が生じる一方、外縁部分において主に高次横モード発振が生じることが知られている。そのため、面発光型半導体レーザ１を高出力にしようとして、光出射口をあまり大きくすると高次横モードのレーザ光までもが高出力で出力されてしまうという問題がある。

そこで、このような問題に対して、横モード発振の制御に関する技術が多数報告されている。例えば、特許文献１では、活性層に向かうにつれて電流注入領域の径が大きくなる構造を有する電流狭窄層を設ける技術が開示されている。

特開２００３−２７３４５９号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の技術は、電流注入領域の活性層側の径が大きくなっており、活性層の広い範囲で電流密度が均一となるので、確かに、素子の低抵抗化や低消費電力化を実現することはできる。しかし、電流注入領域をこのような形状とするには、電流狭窄層を厚くすることが必要となるので、厚い電流狭窄層により光の損失が発生し、基本横モードの光出力が低下してしまう。

このように、従来の技術では、高次横モード発振だけを選択的に抑制することが可能な面発光型半導体レーザ素子を、簡易に製造するのが困難であった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、高次横モード発振だけを選択的に抑制することが可能な面発光型半導体レーザを提供することにある。

本発明の面発光型半導体レーザは、共振器と、第１電流狭窄層と、第２電流狭窄層とを備えたものである。共振器は、第１多層膜反射鏡と、発光領域を有する活性層と、第２多層膜反射鏡とをこの順に含んで構成されており、所定の波長で共振するようになっている。第１電流狭窄層は、発光領域と対応する領域に第１電流注入領域を有する。この第１電流狭窄層は、活性層と第１多層膜反射鏡との間であって、共振器内に形成される所定の波長の定在波の腹を含む部位に形成されている。第２電流狭窄層は、第１電流注入領域の径よりも小さな径の第２電流注入領域を中央領域に有すると共に第１電流狭窄層の厚さよりも薄くなっている。この第２電流狭窄層は、第１電流狭窄層と第１多層膜反射鏡との間、または第１多層膜反射鏡内であって、共振器内に形成される所定の波長の定在波の節を含む部位に形成されている。

本発明の面発光型半導体レーザでは、厚さが第１電流狭窄層より薄く、第２電流注入領域の径が第１電流注入領域の径より小さい第２電流狭窄層を定在波の節に設けるようにしたので、第２電流狭窄層において、光に損失をほとんど与えることなく、電流が狭窄される。これにより、第２電流注入領域の全体に渡って電流密度がほぼ均一となる程度にまで第２電流注入領域の径を絞ることが可能となる。ここで、第２電流狭窄層は第１電流狭窄層よりも活性層から遠い位置に設けられているので、第２電流狭窄層の径を、第２電流注入領域の全体に渡って電流密度がほぼ均一となるような大きさにした場合には、第２電流狭窄層で狭窄された電流が第１電流狭窄層の第１電流注入領域の外縁部分に集中することがなくなり、第１電流注入領域の中央部分に集中するようになる。その結果、活性層のうち第１電流注入領域に対応する領域の中央部分（発光領域の中央部分）に電流が集中して注入されるようになる。他方、厚さが第２電流狭窄層より厚く、第１電流注入領域の径が第２電流注入領域の径より大きい第１電流狭窄層を定在波の腹に設けるようにしたので、第１電流狭窄層において、第１電流注入領域の外縁部分に対応する部分（発光領域の外縁部分）に大きなゲインを有する次数の横モードの光が損失を受け、第１電流注入領域の中央部分に対応する部分（発光領域の中央部分）に大きなゲインを有する次数の横モードの光は損失をほとんど受けない。

本発明の面発光型半導体レーザによれば、径の大きな第１電流注入領域を有する第１電流狭窄層、および径の小さな第２電流注入領域を有する第２電流狭窄層を活性層側からこの順に設けるようにしたので、電流を活性層の発光領域の中央部分に集中して注入することが可能となる。これにより、電流密度が発光領域の外縁部分に集中するような場合と比べて、発光領域の外縁部分に大きなゲインを有する高次横モードの発振だけを選択的に抑制することができる。このとき、厚さの薄い第２電流狭窄層を定在波の節に設けるようにしたので、第２電流注入領域の径の大きさに拘わらず光に損失を与えることがほとんどなく、発光領域の中央部分に大きなゲインを有する基本横モードの発振をほとんど阻害することはない。

また、上記したように、第２電流狭窄層は電流を狭窄する機能を有するので、定在波の腹に設けられた第１電流狭窄層の第１電流注入領域の径の大きさを比較的自由に設定することが可能である。第１電流注入領域の径の大きさを適切に調整した場合には、発光領域の中央部分に大きなゲインを有する基本横モードの光に対して損失をほとんど与えないようにすると共に、発光領域の外縁部分に大きなゲインを有する高次横モードの光にだけ選択的に損失を与えるようにすることができる。

このように、本発明の面発光型半導体レーザによれば、高次横モード発振だけを選択的に抑制することができる。

ここで、第１電流狭窄層が、当該第１電流狭窄層に対応する定在波の腹の両側にある２つの節で囲まれる定在波強度の積分値（面積）を１．０としたときに、当該第１電流狭窄層に対応する領域の定在波強度の積分値（面積）が０．５以上、１より小さくなるような光学厚さを有する場合には、第１電流注入領域の径を一定としたときに、第１電流狭窄層が基本横モードの光に与える損失を極めて小さくすることができる。また、第２電流狭窄層が、当該第２電流狭窄層に対応する定在波の節の両側にある２つの節で囲まれる定在波強度の積分値（面積）を１．０としたときに、酸化可能な厚さ以上、当該第２電流狭窄層に対応する領域の定在波強度の積分値（面積）が０．１より小さくなるような光学厚さを有する場合には、第２電流狭窄層における光の損失を極めて小さくすることができる。これにより、高次横モードでの発振を抑制しつつ、基本横モードの光出力をより一層大きくすることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１は本発明の一実施の形態に係る面発光型半導体レーザの断面構成を表し、図２（Ａ）は図１の面発光型半導体レーザの第１電流狭窄層１５および第２電流狭窄層１７およびその近傍の定在波強度を表し、図２（Ｂ）は図１の面発光型半導体レーザの第１電流狭窄層１５および第２電流狭窄層１７およびその近傍の断面構造を拡大して表すものである。なお、図１，図２（Ａ），（Ｂ）は模式的に表すものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。

面発光型半導体レーザは、基板１０の一面側に、ｎ型ＤＢＲ層１１（第２多層膜反射鏡）、ｎ型ガイド層１２、活性層１３、ｐ型ガイド層１４、第１電流狭窄層１５、スペーサ層１６、第２電流狭窄層１７、ｐ型ＤＢＲ層１８（第１多層膜反射鏡）およびｐ型コンタクト層１９をこの順に積層した共振器を備える。ここで、ｎ型ＤＢＲ層１１の上部、ｎ型ガイド層１２、活性層１３、ｐ型ガイド層１４、第１電流狭窄層１５、スペーサ層１６、第２電流狭窄層１７、ｐ型ＤＢＲ層１８およびｐ型コンタクト層１９は、ｐ型コンタクト層１９まで形成されたのち、上面から選択的にエッチングされることにより円柱状のメサ部３０となっている。また、ｐ型コンタクト層１９上にはｐ側電極２０が、基板１０の裏面にはｎ側電極２１がそれぞれ形成されている。

基板１０、ｎ型ＤＢＲ層１１、ｎ型ガイド層１２、活性層１３、ｐ型ガイド層１４、スペーサ層１６、ｐ型ＤＢＲ層１８およびｐ型コンタクト層１９は、例えばＧａＡｓ（ガリウム・ヒ素）系の化合物半導体によりそれぞれ構成される。なお、ＧａＡｓ系化合物半導体とは、短周期型周期表における３Ｂ族元素のうち少なくともガリウム（Ｇａ）と、短周期型周期表における５Ｂ族元素のうち少なくともヒ素（Ａｓ）とを含む化合物半導体のことをいう。

基板１０は、例えばｎ型ＧａＡｓにより構成される。ｎ型ＤＢＲ層１１は、例えば、低屈折率層（図示せず）および高屈折率層（図示せず）を１組として、それを複数組分積層して構成されたものである。低屈折率層は、例えば厚さがλ／４ｎ_a （λは発振波長、ｎ_a は屈折率）のｎ型Ａｌ_x1Ｇａ_1-x1Ａｓ（０＜ｘ１＜１）、高屈折率層は、例えば厚さがλ／４ｎ_b （ｎ_b は屈折率）のｎ型Ａｌ_x2Ｇａ_1-x2Ａｓ（０＜ｘ２＜ｘ１）によりそれぞれ形成されている。ｎ型不純物としては、例えばケイ素（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などが挙げられる。

ｎ型ガイド層１２は、例えばＡｌ_x3Ｇａ_1-x3Ａｓ（０＜ｘ３＜１）により構成されている。活性層１３は、例えばＧａＡｓ系材料により構成される。この活性層１３では、電流注入領域１１Ｃ−１と対向する領域が発光領域であり、その発光領域の中心領域（発光中心領域１３Ａ）が主に基本横モード発振が生じる領域であり、発光領域のうち発光中心領域１３Ａを囲む領域が主に高次横モード発振が生じる領域となっている。ｐ型ガイド層１４は、例えばＡｌ_x4Ｇａ_1-x4Ａｓ（０＜ｘ４＜１）により構成される。このｎ型ガイド層１２、活性層１３およびｐ型ガイド層１４は、不純物が含まれていないことが望ましいが、ｐ型またはｎ型不純物が含まれていてもよい。

スペーサ層１６は、例えばｐ型Ａｌ_x5Ｇａ_1-x5Ａｓ（０＜ｘ５＜１）により構成される。ｐ型ＤＢＲ層１８は、例えば、低屈折率層（図示せず）および高屈折率層（図示せず）を１組として、それを複数組分積層して構成されたものである。低屈折率層は、例えば厚さがλ／４ｎ_c （λは発振波長、ｎ_c は屈折率）のｐ型Ａｌ_x6Ｇａ_1-x6Ａｓ（０＜ｘ６＜１）、高屈折率層は、例えば厚さがλ／４ｎ_d （ｎ_d は屈折率）のｐ型Ａｌ_x7Ｇａ_1-x7Ａｓ（０＜ｘ７＜ｘ６）によりそれぞれ形成されている。ｐ型不純物としては、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）などが挙げられる。

第１電流狭窄層１５は、その外縁領域にドーナツ形状の電流狭窄領域１５ａを有し、その中央領域に直径がＷ１（例えば４〜６μｍ）の円形状の電流注入領域１５ｂ（第１電流注入領域）を有する。電流注入領域１５ｂは、例えば、Ａｌ_x8Ｇａ_1-x8Ａｓ（ｘ６＜ｘ８＜１）により構成され、電流狭窄領域１５ａは、メサ部３０の側面側から第１電流狭窄層１５に含まれる高濃度のＡｌを酸化することにより得られたＡｌ₂ Ｏ₃ （酸化アルミニウム）を含んで構成される。つまり、第１電流狭窄層１５は電流を狭窄する機能を有する。

この第１電流狭窄層１５は、活性層１３内の腹からｍλ／２（ｍは１以上の整数、λは発光波長）の光学距離だけ離れた位置にある腹を含む部位に形成されている。例えば、図２（Ａ），（Ｂ）に例示したように、活性層１３とｐ型ＤＢＲ層１８との間であって、共振器内に形成される発光波長λと同一波長の定在波の腹（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，……）のうち活性層１３側から３番目の腹Ｐ３を含む部位に形成されている。第１電流狭窄層１５の光学厚さＬ１は、第１電流狭窄層１５に対応する腹Ｐ３の両側にある節Ｚ２と節Ｚ３との間の光学距離より厚くてもよいが、節Ｚ２と節Ｚ３とで囲まれる定在波の１つの山の強度の積分値（面積）を１．０としたときに、第１電流狭窄層１５に対応する領域の定在波強度の積分値（面積Ａ）が０．５以上、１より小さいことが好ましい。

ところで、酸化物を含む層を定在波の腹に配置すると、共振器内を往復する光は酸化物を含む層によって散乱(scattering)されるので、電流狭窄領域１５ａは基本的に、共振器内を往復する光に損失を与え、発振を抑制する性質を有する。しかし、電流狭窄領域１５ａは、上記したように、第１電流狭窄層１５の外縁領域にだけ形成されているので、共振器内を往復する光のうち第１電流狭窄層１５の外縁領域に対応する領域（発光領域１３Ａの外縁部分）に大きなゲインを有する次数の横モードの発振を主として抑制するようになっている。つまり、共振器内を往復する光のうち電流注入領域１５ｂに対応する領域（発光領域１３Ａの中央部分）に大きなゲインを有する次数の横モードの発振は電流狭窄領域１５ａによって抑制されることはほとんどなく、当該次数の横モードの光にとって第１電流狭窄層１５はほとんど透明である。

ここで、第２電流狭窄層１７は後述するように第１電流狭窄層１５よりも強力に電流を狭窄する機能を有するので、電流注入領域１５ｂの径の大きさを比較的自由に設定することが可能である。電流注入領域１５ｂの径を適切な値に調整した場合には、発光領域１３Ａの中央部分に大きなゲインを有する基本横モードの光に対して損失をほとんど与えないようにすると共に、発光領域１３Ａの外縁部分に大きなゲインを有する高次横モードの光にだけ選択的に損失を与えるようにすることが可能となる。このように、第１電流狭窄層１５は、電流を狭窄するだけでなく、高次横モードの光にだけ選択的に損失を与える機能も兼ね備えている。

また、電流注入領域１５ｂの径を過度に狭めなくても、後述するように第２電流狭窄層１７によっても高次横モードでの発振を抑制することができるので、電流注入領域１５ｂの径を広げることも可能である。電流注入領域１５ｂの径を広げた場合には、発光領域１３Ａの面積が広がるので、活性層１３の抵抗（ジャンクション抵抗）が小さくなり、面発光型半導体レーザの直列抵抗や消費電力を低減することができる。

第２電流狭窄層１７は、その外縁領域にドーナツ形状の電流狭窄領域１７ａを有し、その中央領域に直径がＷ２（例えば３〜４μｍ）の円形状の電流注入領域１７ｂ（第２電流注入領域）を有する。ここで、Ｗ２はＷ１より小さくなっている。この電流注入領域１７ｂは、例えば、Ａｌ_x9Ｇａ_1-x9Ａｓ（ｘ８＜ｘ９≦１）により構成され、電流狭窄領域１７ａは、メサ部３０の側面側から第２電流狭窄層１７に含まれる高濃度のＡｌを酸化することにより得られたＡｌ₂ Ｏ₃ （酸化アルミニウム）を含んで構成される。つまり、第２電流狭窄層１７は、第１電流狭窄層１５よりも強力に電流を狭窄する機能を有する。

この第２電流狭窄層１７は、活性層１３内の腹から（２ｎ＋１）λ／４（ｎはｍより大きい整数）の光学距離だけ離れた位置にある節を含む部位に形成されている。例えば、図２（Ａ），（Ｂ）に例示したように、第１電流狭窄層１５とｐ型ＤＢＲ層１８との間であって、共振器内に形成される発光波長λと同一波長の定在波の節（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４，Ｚ５，……）のうち活性層１３側から４番目の節Ｚ４を含む部位に形成されている。

ここで、ｎはｍより大きい整数である、としたのは、第１電流狭窄層１５と第２電流狭窄層１７とが互いに接しない位置関係に配置されることを意図したものである。仮に第１電流狭窄層１５と第２電流狭窄層１７とが互いに接するようにした場合には、第１電流狭窄層１５と第２電流狭窄層１７とからなる分厚い酸化層が共振器内に形成されることとなり、共振器の増幅機能を阻害する虞がある。もし共振器の増幅機能が損なわれた場合には、高次横モードでの発振だけでなく、基本横モードでの発振までもが抑制されてしまい、高次横モード発振だけを選択的に抑制することが困難となってしまう。そのため、そのようなことが生じないようにするには、第１電流狭窄層１５と第２電流狭窄層１７とを互いに接しない位置関係に配置することが極めて重要であると言える。

また、第２電流狭窄層１７の光学厚さＬ２は、第２電流狭窄層１７に対応する節Ｚ４の両側にある節Ｚ３と節Ｚ５とで囲まれる定在波の２つの山の強度の積分値（面積）を１．０としたときに、酸化可能な厚さ以上、第２電流狭窄層１７に対応する領域の定在波強度の積分値（面積Ｂ）が０．１より小さいことが好ましい。

ところで、酸化物を含む層を定在波の節に配置しても、共振器内を往復する光は酸化物を含む層によって散乱されることはなく、酸化物を含む層は共振器内を往復する光にとって透明となる。そのため、電流狭窄領域１７ａは理想的には、共振器内を往復する光に損失を与えることはなく、発振を抑制する性質を有しない。しかし、電流狭窄領域１７ａは、実際には一定の厚さを有しており、定在波の節以外の部分も占めている。そのため、光の損失が多少発生するが、第２電流狭窄層１７の厚さＬ２を、酸化可能な厚さ以上、第２電流狭窄層１７に対応する領域の定在波強度の積分値（面積Ｂ）が０．１より小さくなるような範囲内の値にした場合には、電流狭窄領域１７ａによる光の損失を無視できる程度に小さくすることが可能である。このように、第２電流狭窄層１７は、共振器内を往復する光に損失を実質的に与えない性質を有する。

また、第２電流狭窄層１７の中央部分には電流注入領域１７ｂが設けられているので、第２電流狭窄層１７は電流を狭窄する機能を有する。これにより、第２電流狭窄層１７は、光に損失を実質的に与えることなく、電流注入領域１７ｂの全体に渡って電流密度がほぼ均一となる程度にまで電流注入領域１７ｂの径を絞ることもできる。このように第２電流狭窄層１７は、電流注入領域１７ｂの径の大きさを比較的自由に設定することができるようになっている。ここで、第２電流狭窄層１７は第１電流狭窄層１５よりも活性層から遠い位置に設けられているので、電流注入領域１７ｂの径を、電流注入領域１７ｂの全体に渡って電流密度がほぼ均一となるような大きさにした場合には、第２電流狭窄層１７で狭窄された電流が第１電流狭窄層１５の電流注入領域１５ｂの外縁部分に集中することがなくなり、電流が電流注入領域１５ｂの中央部分に集中するようになる。その結果、活性層１３のうち電流注入領域１５ｂに対応する領域の中央部分（発光領域１３Ａの中央部分）に電流を集中して注入することができる。このように、第２電流狭窄層１７は、電流を狭窄するだけでなく、発光領域１３Ａの中央部分に電流を集中して注入することができるようになっている。

なお、第２電流狭窄層１７は、その機能および性質上、活性層１３側から見て第１電流狭窄層１５よりも遠い部位に設けられていればよく、例えば、ｐ型ＤＢＲ層１８の低屈折率層の部位に設けられていてもよい。

ｐ型コンタクト層１９は、例えばｐ型ＧａＡｓにより構成される。なお、上記の電流注入領域１７ｂと対向する領域に例えば円形状の開口部が設けられていてもよい。

ｐ側電極２０は、例えばチタン（Ｔｉ）層，白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層をこの順に積層して構成されたものであり、ｐ型コンタクト層１９と電気的に接続されている。また、ｐ側電極２０には、上記の電流注入領域１７ｂに対応する領域に開口部Ｗ１が設けられている。ｎ側電極２１は、例えば、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金層，ニッケル（Ｎｉ）層および金（Ａｕ）層とを基板１０の側から順に積層した構造を有しており、基板１０と電気的に接続されている。なお、ｎ側電極２１は、ｎ型ＤＢＲ層１１のうちメサ部３０周辺に露出している表面上に形成されていてもよい。

本実施の形態に係る面発光型半導体レーザは、例えば次のようにして製造することができる。

図３（Ａ），（Ｂ）および図４は、その製造方法を工程順に表すものである。ここでは、ＧａＡｓからなる基板１０上の化合物半導体層を、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法により形成する。この際、ＧａＡｓ系の化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン (ＡｓＨ₃)を用い、ドナー不純物の原料としては、例えば、Ｈ₂ Ｓｅを用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えば、ジメチルジンク（ＤＭＺ）を用いる。

まず、基板１０上に、ｎ型ＤＢＲ層１１，ｎ型ガイド層１２，活性層１３，ｐ型ガイド層１４，第１電流狭窄層１５Ｄ、スペーサ層１６、第２電流狭窄層１７Ｄ、ｐ型ＤＢＲ層１８およびｐ型コンタクト層１９をこの順に積層したのち、ｐ型コンタクト層１９の上にレジスト層Ｒ１を形成する（図３（Ａ））。なお、第１電流狭窄層１５Ｄおよび第２電流狭窄層１７Ｄの末尾にある「Ｄ」は、酸化処理前の状態であって、電流狭窄領域１５ａや電流狭窄領域１７ａのような酸化物を含む領域がまだ形成されていないことを意味するものである。

次に、例えば反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；ＲＩＥ）法により、ｐ型コンタクト層１９からｎ型ＤＢＲ層１１の一部までを選択的に除去してメサ部３０を形成する（図３（Ｂ））。

次に、水蒸気雰囲気中において、高温で酸化処理を行い、メサ部３０の外側から第１電流狭窄層１５Ｄおよび第２電流狭窄層１７Ｄ中に高濃度に含まれるＡｌを同時に酸化する。このとき、第１電流狭窄層１５Ｄおよび第２電流狭窄層１７Ｄ中に含まれるＡｌ濃度（またはＡｌ組成比）は、例えば、酸化条件を同一にして所定の時間だけ酸化したときに、第１電流狭窄層１５Ｄおよび第２電流狭窄層１７Ｄにおける未酸化領域の径の大きさがそれぞれ所定の値となるように設定されている。そのため、酸化処理の際は、酸化時間を厳密に制御するだけでよいので、第１電流狭窄層１５および第２電流狭窄層１７を容易かつ精確に形成することができる。このようにして酸化処理を行うことにより、第１電流狭窄層１５Ｄおよび第２電流狭窄層１７Ｄの外縁部分が絶縁層（酸化アルミニウム）となり、外縁部分に電流狭窄領域１５ａ，１７ａが形成され、その中央部分が電流注入領域１５ｂ，１７ｂとなる。このようにして、第１電流狭窄層１５および第２電流狭窄層１７が形成される（図４）。

次に、例えば真空蒸着法により、メサ部３０上およびメサ部３０の周辺基板上に前述の金属材料を積層させたのち、例えば選択エッチングにより、ｐ側電極２０が形成されると共に、メサ部３０の上部に開口部Ｗ１が形成される。続いて、基板１０の裏面を適宜研磨してその厚さを調整した後、この基板１０の裏面にｎ側電極２１を形成する。このようにして本実施の形態の面発光型半導体レーザが製造される。

このような構成の面発光型半導体レーザでは、ｎ側電極２１とｐ側電極２０との間に所定の電圧が印加されると、電流狭窄層１５ａ，１７ａにおける電流注入領域１５ｂ，１７ｂを通して活性層１３に電流が注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、一対のｎ型ＤＢＲ層１１およびｐ型ＤＢＲ層１８により反射され、素子内を一往復したときの位相の変化が２πの整数倍となる波長でレーザ発振を生じ、レーザビームとして外部に出射される。

以下に、本実施の形態の面発光型半導体レーザの作用・効果について、比較例と対比しつつ詳細に説明する。図５（Ａ）は、第２電流狭窄層が設けられておらず、電流狭窄領域１１５ａおよび電流注入領域１１５ｂからなる第１電流狭窄層１１５だけが設けられている場合の、電流注入領域１１５ｂにおける電流密度の分布を表すものである。図５（Ｂ）は、第１電流狭窄層が設けられておらず、電流狭窄領域１１７ａおよび電流注入領域１１７ｂからなる第２電流狭窄層１１７だけが設けられている場合の、電流注入領域１１７ｂにおける電流密度の分布を表すものである。図６（Ａ）は、第１電流狭窄層１１５だけが設けられている場合の、電流注入領域１１５ｂにおける定在波の積分強度の分布を表すものである。図６（Ｂ）は、第２電流狭窄層１１７だけが設けられている場合の、電流注入領域１１７ｂにおける定在波の積分強度の分布を表すものである。図７は、本実施の形態の電流注入領域１５ｂ，１１７ｂにおける電流密度の分布を表すものである。図８は、本実施の形態の電流注入領域１５ｂ，１１７ｂにおける定在波の積分強度の分布を表すものである。なお、第１電流狭窄層１１５は、本実施の形態の第１電流狭窄層１５と同様、定在波の腹に設けられており、厚いものとする。また、第２電流狭窄層１１７は、本実施の形態の第２電流狭窄層１７と同様、定在波の節に設けられており、薄いものとする。

一般に、第１電流狭窄層１１５だけを設けた場合には、第１電流狭窄層１１５だけで高次横モードでの発振を抑制することが必要となるので、電流注入領域１１５ｂの径Ｗ１１は本実施の形態における電流注入領域１５ｂの径Ｗ１よりも自由度が低く、Ｗ１１を比較的狭くする傾向がある（図５（Ａ））。そのため、電流注入領域１１５ｂの外縁部分に電流が集中してしまい、高次横モードでの発振が促進されてしまう（図６（Ａ））。

他方、第２電流狭窄層１１７だけを設けた場合にも、第２電流狭窄層１１７だけで高次横モードでの発振を抑制することが必要となる。ところが、第２電流狭窄層１１７は定在波の節に設けられており、その性質上、光の散乱を利用して高次横モードでの発振を抑制することが困難である。そのため、電流注入領域１１７ｂの径Ｗ２１を径Ｗ１１よりも更に狭くして、電流注入領域１１７ｂでの電流密度の分布を均一にすることにより（図５（Ｂ））、高次横モードでの発振を低減することが可能である（図６（Ｂ））。ただし、あまり狭くすると、第２電流狭窄層１１７の抵抗値が大きくなるだけでなく、発光領域１３Ａの面積の狭小化により活性層の抵抗も大きくなってしまい、これにより、面発光型半導体レーザの直列抵抗や消費電力が増大し、光出力を大きくすることが困難となってしまう。

一方、本実施の形態では、電流注入領域１７ｂの全体に渡って電流密度がほぼ均一となる程度にまで電流注入領域１７ｂの径を絞った場合には、第２電流狭窄層１７で狭窄された電流が、図５（Ａ）に示したような電流注入領域１１５ｂの外縁部分への集中が起こることはなくなり、電流が電流注入領域１５ｂの中央部分に集中する（図７）。その結果、活性層１３のうち電流注入領域１５ｂに対応する領域の中央部分（発光領域１３Ａの中央部分）に電流を集中して注入することができるので、発光領域１３Ａの外縁部分に大きなゲインを有する高次横モードの発振だけを選択的に抑制することができる。

このとき、厚さの薄い第２電流狭窄層１７を定在波の節に設けるようにしたので、電流注入領域１１７ｂの径の大きさに拘わらず光に損失を与えることがほとんどなく、発光領域１３Ａの中央部分に大きなゲインを有する基本横モードの発振をほとんど阻害することはない（図８）。また、上記したように、第２電流狭窄層１７は電流を狭窄する機能を有するので、定在波の腹に設けられた第１電流狭窄層１５の電流注入領域１１５ｂの径の大きさを比較的自由に設定することが可能である。電流注入領域１１５ｂの径の大きさを適切に調整した場合には、発光領域１３Ａの中央部分に大きなゲインを有する基本横モードの光に対して損失をほとんど与えないようにすると共に、発光領域１３Ａの外縁部分に大きなゲインを有する高次横モードの光にだけ選択的に損失を与えるようにすることができる（図８）。

また、電流注入領域１５ｂの径を過度に狭めなくても、第２電流狭窄層１７によっても高次横モードでの発振を抑制することができるので、第１電流狭窄層１１５だけを設けた場合よりも、電流注入領域１５ｂの径を広げることができる。電流注入領域１５ｂの径を広げた場合には、発光領域１３Ａの面積が広がるので、活性層１３の抵抗（ジャンクション抵抗）が小さくなり、面発光型半導体レーザの直列抵抗や消費電力を低減することができる。その結果、高次横モードでの発振を抑制しつつ、基本横モードの光出力を大きくすることが可能となる。

また、第１および第２電流注入領域の径の大きさは、上記したように、第１電流狭窄層および第２電流狭窄層に含まれるＡｌ濃度（Ａｌ組成比）を適宜調節することにより容易に調整可能である。

このように、本実施の形態の面発光型半導体レーザでは、第１電流狭窄層および第２電流狭窄層を備えるようにしたので、簡易に製造可能であり、高次横モード発振だけを選択的に抑制することができる。

ここで、第１電流狭窄層１５が、第１電流狭窄層１５に対応する定在波の腹の両側にある２つの節Ｚ２，Ｚ３で囲まれる定在波強度の積分値（面積）を１．０としたときに、第１電流狭窄層１５に対応する領域の定在波強度の積分値（面積）が０．５以上、１より小さくなるような光学厚さを有する場合には、電流注入領域１５ｂの径を一定としたときに、第１電流狭窄層１５が基本横モードの光に与える損失を極めて小さくすることができる。また、第２電流狭窄層１７が、第２電流狭窄層１７に対応する定在波の節の両側にある２つの節Ｚ３，Ｚ５で囲まれる定在波強度の積分値（面積）を１．０としたときに、酸化可能な厚さ以上、第２電流狭窄層１７に対応する領域の定在波強度の積分値（面積）が０．１より小さくなるような光学厚さを有する場合には、第２電流狭窄層１７における光の損失を極めて小さくすることができる。従って、第１電流狭窄層１５および第２電流狭窄層１７の光学厚さをこのように設定した場合には、高次横モードでの発振を抑制しつつ、基本横モードの光出力をより一層大きくすることが可能となる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。

例えば、上記実施の形態では、活性層１３は、共振器内に形成される定在波の腹を含む部位に形成されていたが、定在波の節を含む部位に形成されていてもよい。ただし、この場合には、第１電流狭窄層１５は、活性層１３内の節から（２ｍ−１）λ／４（ｍは１以上の整数、λは発光波長）の光学距離だけ離れた位置にある腹を含む部位に形成され、第２電流狭窄層１７は、活性層１３内の腹からｎλ／２（ｎはｍより大きい整数）の光学距離だけ離れた位置にある節を含む部位に形成されることとなる。これは、活性層１３が共振器内に形成される定在波の腹を含む部位に形成されていた場合と同様の理由から導き出されるものである。

また、上記実施の形態では、ＧａＡｓ系の化合物半導体レーザを例にして本発明を説明したが、他の化合物半導体レーザ、例えばＧａＩｎＰ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＧａＩｎＰ系、ＩｎＰ系、ＧａＮ系、ＧａＩｎＮ系、ＧａＩｎＮＡｓ系などの化合物半導体レーザにも適用可能である。

本発明の一実施の形態に係る面発光型半導体レーザの断面構成図である。 レーザの要部を拡大して表す断面構成図である。 レーザの製造過程を説明するための断面図である。 図３に続く過程を説明するための断面図である。 従来のレーザにおける電流密度を説明するための分布図である。 従来のレーザにおける定在波の積分強度を説明するための分布図である。 図１のレーザにおける電流密度を説明するための分布図である。 図１のレーザにおける定在波の積分強度を説明するための分布図である。

符号の説明

１０…基板、１１…ｎ型ＤＢＲ層、１２…ｎ型ガイド層、１３…活性層、１３Ａ…発光領域、１４…ｐ型ガイド層、１５，１５Ｄ，１１５…第１電流狭窄層、１５ａ，１７ａ，１１５ａ，１１７ａ…電流狭窄領域、１５ｂ，１７ｂ，１１５ｂ，１１７ｂ…電流注入領域、１６…スペーサ層、１７，１７Ｄ…第２電流狭窄層、１８…ｐ型ＤＢＲ層、１９…ｐ型コンタクト層、２０…ｐ側電極、２１…ｎ側電極、３０…メサ部、Ａ，Ｂ…面積、Ｌ１，Ｌ２…厚さ、Ｐ１〜Ｐ５…腹、Ｚ１〜Ｚ５…節、Ｗ…開口部、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ１１，Ｗ２１…径。

Claims (4)

1. 発光領域を有する活性層、ならびに前記活性層を間にして設けられた一対の第１多層膜反射鏡および第２多層膜反射鏡を含み、所定の波長で共振するように構成された共振器と、
   前記発光領域と対応する領域に第１電流注入領域を有し、前記活性層と前記第１多層膜反射鏡との間であって、前記共振器内に形成される前記定在波の腹を含む部位に形成された第１電流狭窄層と、
   前記第１電流注入領域の径よりも小さな径の第２電流注入領域を中央領域に有すると共に前記第１電流狭窄層の厚さよりも薄く、かつ、前記第１電流狭窄層と前記第１多層膜反射鏡との間、または前記第１多層膜反射鏡内であって、前記共振器内に形成される前記定在波の節を含む部位に形成された第２電流狭窄層と
   を備えたことを特徴とする面発光型半導体レーザ。
2. 前記第１電流狭窄層は、当該第１電流狭窄層に対応する定在波の腹の両側にある２つの節で囲まれる定在波強度の積分値（面積）を１．０としたときに、当該第１電流狭窄層に対応する領域の定在波強度の積分値（面積）が０．５以上、１より小さくなるような光学厚さを有し、
   前記第２電流狭窄層は、当該第２電流狭窄層に対応する定在波の節の両側にある２つの節で囲まれる定在波強度の積分値（面積）を１．０としたときに、酸化可能な厚さ以上、当該第２電流狭窄層に対応する領域の定在波強度の積分値（面積）が０．１より小さくなるような光学厚さを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
3. 前記活性層は、前記共振器内に形成される前記定在波の腹を含む部位に形成され、
   前記第１電流狭窄層は、前記活性層内の腹からｍλ／２（ｍは１以上の整数、λは発光波長）の光学距離だけ離れた位置にある腹を含む部位に形成され、
   前記第２電流狭窄層は、前記活性層内の腹から（２ｎ＋１）λ／４（ｎはｍより大きい整数）の光学距離だけ離れた位置にある節を含む部位に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
4. 前記活性層は、前記共振器内に形成される前記定在波の節を含む部位に形成され、
   前記第１電流狭窄層は、前記活性層内の節から（２ｍ−１）λ／４（ｍは１以上の整数、λは発光波長）の光学距離だけ離れた位置にある腹を含む部位に形成され、
   前記第２電流狭窄層は、前記活性層内の腹からｎλ／２（ｎはｍより大きい整数）の光学距離だけ離れた位置にある節を含む部位に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
   

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