JP2008192733A - 面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザの製造方法、光学装置、光照射装置、情報処理装置、光送信装置、光空間伝送装置および光伝送システム。 - Google Patents

Abstract

【課題】広がり角の制御を容易に行うことができる面発光型半導体レーザを提供する。
【解決手段】面発光型半導体レーザは、ｎ型の下部ＤＢＲ１０６、活性領域１０８、活性領域１０８上のｐ型の上部ＤＢＲ１１２、および活性領域１０８に近接する電流狭窄層１１０を含み、電流狭窄層１１０の側面が露出するようにメサＰが形成されている。電流狭窄層１１０は、ＡｌＡｓ１１０ａとそれよりも活性領域側に形成されるＡｌ_0.88Ｇａ_0.12Ａｓ層１１０ｂとを含み、それらを合わせた光学膜厚は、レーザ光の発振波長をλとしたとき、λ／４である。ＡｌＡｓ層１１０ａおよびＡｌ_0.88Ｇａ_0.12Ａｓ層１１０ｂは、メサＰの側面から選択的に同時に酸化される。
【選択図】図３

Description

本発明は、面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザの製造方法、光学装置、光照射装置、情報処理装置、光送信装置、光空間伝送装置および光伝送システムに関する。

光通信や光記録等の技術分野において、面発光型半導体レーザ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode：以下ＶＣＳＥＬと呼ぶ）への関心が高まっている。ＶＣＳＥＬ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、ウエハ状態での評価や光源の二次元アレイ化が可能であるといった、端面発光型半導体レーザにはない優れた特長を有する。これらの特長を生かし、通信および情報記録分野における光源としての需要がとりわけ期待されている。

特許文献１は、半導体発光素子において、ＡｌＧａＡｓからなるパッシベート層でエッチングを止め、ＡｌＡｓ層を選択酸化するときにその直下のパッシベート層を同時に酸化させることで保護膜を形成し、選択酸化部のストレスを緩和し、実効的な屈折率差を大きくし、低しきい値化を可能にする技術を開示している。
特許文献２は、選択酸化型面発光レーザにおいて、酸化速度の速い組成からなる第１層と、第1層よりも酸化速度の遅い組成からなる第２層の超格子層を積層し、これを酸化することによって酸化領域を形成する技術を開示している。
特許文献３は、半導体積層構造において、電流狭窄層のＶ族元素を複数の元素により構成すると共に複数の元素の組成比を積層方向に段階的に変化させる技術を開示している。

ＶＣＳＥＬを光通信や情報記録の光源に利用する場合、ＶＣＳＥＬから発せられるレーザ光の広がり角またはファーフィールドパターン（ＦＦＰ：far field pattern）は、一定の大きさ以下であることが要求される。広がり角が大きくなると、スポット径が大きくなり、光通信のエラー発生率が高くなったり、また情報を読み書きするときの記録媒体への解像度が低下してしまう。

８５０ｎｍのレーザ光を出射するＧａＡｓ系ＶＣＳＥＬでは、電流狭窄層にＡｌ組成の高いＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓを用いている。電流狭窄層は、メサ内に形成され、酸化工程においてメサ側面から一定距離だけ酸化され、内部に酸化領域によって囲まれた導電領域（酸化アパーチャー）を形成している。

ＶＣＳＥＬの広がり角は、電流狭窄層に形成される酸化アパーチャーの径に依存する。すなわち、酸化アパーチャー径が小さくなると、広がり角が大きくなり、酸化アパーチャー径が大きくなると、広がり角が小さくなる傾向にある。他方、酸化アパーチャーは、レーザ光の発振モードを決定する重要なファクターであり、シングルモードのレーザ光を得るためには、酸化アパーチャー径を小さくしなければならない。

メサは、基板上に積層された半導体層をエッチングすることにより円筒状または矩形状に加工されるが、加工精度によって径の大きさが変動する。さらに、そのようなメサ側面から電流狭窄層を酸化する場合、酸化によるばらつきも生じる。特に、シングルモードのように酸化アパーチャー径が小さくなると、酸化アパーチャー径の再現性が難しく、このことは同時に、広がり角の制御を難しくしている。

特開２０００−２２２０４号 特開２０００−１２９７４号 特開２０００−１８３４６１号

本発明は、従来技術に比べて広がり角を小さくすることができる面発光型半導体レーザおよびこれを用いたモジュール、光源装置、情報処理装置、光送信装置、光空間伝送装置および光空間伝送システム、並びに面発光型半導体レーザの製造方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る面発光型半導体レーザは、第１導電型の第１の半導体ミラー層、第１の半導体ミラー層上の活性領域、活性領域上の第２導電型の第２の半導体ミラー層、および活性領域に近接する電流狭窄層を含み、少なくとも電流狭窄層の側面が露出するようにメサ構造が形成され、電流狭窄層は、Ａｌ組成を含む第１の半導体層と第１の半導体層よりも活性領域側に形成されるＡｌ組成を含む第２の半導体層とを含み、第１の半導体層のＡｌ濃度が第２の半導体層のＡｌ濃度よりも高く、レーザ光の発振波長をλとしたとき、第１および第２の半導体層を合わせた光学膜厚はλ／４であり、さらに第１および第２の半導体層は、メサ構造の側面から選択的に酸化されている。

請求項２において、電流狭窄層の第２の半導体層は、活性領域に隣接して形成され、第２の半導体層に隣接して第１の半導体層が形成されている。
請求項３において、電流狭窄層は、第２の半導体ミラー層内に形成され、第１の半導体層は、第２導電型のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層であり、第２の半導体層は、第２導電型のＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ層であり、ｘ＞ｙである。

請求項４において、電流狭窄層は、第１の第１の半導体ミラー層内に形成され、第１の半導体層は、第１導電型のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層であり、第２の半導体層は、第１導電型のＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ層であり、ｘ＞ｙである。

請求項５において、第１の半導体層は、ｘ＝１であり、第２の半導体層は、０．８５＜ｙ＜０．９０である。

請求項６において、第２の半導体ミラー層は、Ａｌ組成が高い第１のＡｌＧａＡｓ層とＡｌ組成が低い第２のＡｌＧａＡｓ層を交互に積層し、電流狭窄層の第２の半導体層のＡｌ濃度は、第２の半導体ミラー層の第１のＡｌＧａＡｓ層のＡｌ濃度よりも低い。

請求項７において、第１の半導体ミラー層は、Ａｌ組成が高い第１のＡｌＧａＡｓ層とＡｌ組成が低い第２のＡｌＧａＡｓ層を交互に積層し、電流狭窄層の第２の半導体層のＡｌ濃度は、第１の半導体ミラー層の第１のＡｌＧａＡｓ層のＡｌ濃度よりも低い。

請求項８において、電流狭窄層の第１の半導体層に形成された酸化領域によって囲まれた導電領域の径は、少なくとも５．０ミクロン以下である。

請求項９において、第２の半導体ミラー層は、最上層にコンタクト層を含み、当該コンタクト層上に、レーザ光を出射する開口が形成された電極層が形成されている。

請求項１０に係る面発光型半導体レーザの製造方法は、基板上に、第１導電型の第１の半導体ミラー層、第１の半導体ミラー層上の活性領域、活性領域上の第２導電型の第２の半導体ミラー層、および活性領域に近接する電流狭窄層を形成する工程であって、電流狭窄層は、Ａｌ組成を含む第１の半導体層と第１の半導体層よりも活性領域側に形成されるＡｌ組成を含む第２の半導体層とを含み、第１の半導体層のＡｌ濃度が第２の半導体層のＡｌ濃度よりも高く、レーザ光の発振波長をλとしたとき、第１および第２の半導体層を合わせた光学膜厚はλ／４である、前記工程と、少なくとも電流狭窄層の側面が露出されるようにメサ構造を形成する工程と、メサ構造の側面から電流狭窄層の第１および第２の半導体層を同時に選択的に酸化させる工程と有する。

請求項１１において、電流狭窄層の第２の半導体層は、活性領域に隣接して形成され、第２の半導体層に隣接して第１の半導体層が形成されている。

請求項１２において、電流狭窄層は、第２の半導体ミラー層内に形成され、第１の半導体層は、第２導電型のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層であり、第２の半導体層は、第２導電型のＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ層であり、ｘ＞ｙである。

請求項１３において、電流狭窄層は、第１の第１の半導体ミラー層内に形成され、第１の半導体層は、第１導電型のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層であり、第２の半導体層は、第１導電型のＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ層であり、ｘ＞ｙである。

請求項１４において、第１の半導体層は、ｘ＝１であり、第２の半導体層は、０．８５＜ｙ＜０．９０である。

請求項１５において、製造方法はさらに、第２の半導体ミラー層上にレーザ光を出射するための開口が形成された電極層を形成する工程とを含む。

請求項１６に係る光学装置は、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と、面発光型半導体レーザに電気的に接続された電気接続端子と、面発光型半導体レーザから出射された光を入射する光学部品とを備える。

請求項１７に係る光照射装置は、請求項１ないし９いずれか１つに記載された面発光型半導体レーザと、面発光型半導体レーザから発せられた光をレンズおよびミラーの少なくとも１つを含む光学部品を介して照射する照射手段とを備える。

請求項１８に係る情報処理装置は、請求項１６に記載された光学装置と、面発光型半導体レーザから発せられた光を送信する送信手段とを備える。

請求項１９に係る光送信装置は、請求項１６に記載された光学装置と、面発光型半導体レーザから発せられた光を送信する送信手段とを備える。

請求項２０に係る光空間伝送装置は、請求項１６に記載された光学装置と、面発光型半導体レーザから発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備える。

請求項２１に係る光伝送システムは、請求項１６に記載された光学装置と、面発光型半導体レーザから発せられた光を伝送する伝送手段とを備える。

請求項１によれば、本構成を有しない場合に比べ、レーザ光の広がり角を小さくすることができる。
請求項２によれば、第２の半導体層が活性領域に直接に接することで、第２の半導体層の酸化領域の終端部によって活性領域から発せられた光の閉じ込め量をより効果的に軽減することができる。
請求項３によれば、面発光型半導体レーザの広がり角を小さくすることができる。
請求項４によれば、面発光型半導体レーザの広がり角を小さくすることができる。
請求項５によれば、面発光型半導体レーザの広がり角を最適化させることができる。
請求項６によれば、第２の半導体ミラー層を構成するＡｌＧａＡｓ層のＡｌ濃度を変更するだけで、電流狭窄層の第２の半導体層を容易に形成し、広がり角を制御することができる。
請求項７によれば、第１の半導体ミラー層を構成するＡｌＧａＡｓ層のＡｌ濃度を変更するだけで、電流狭窄層の第２の半導体層を容易に形成し、広がり角を制御することができる。
請求項８によれば、第２の半導体層のＡｌ濃度によりシングルモードのレーザ光の広がり角を制御することができる。
請求項９によれば、レーザ光が出射される側の半導体ミラー層内に電流狭窄層を設けることで効果的に広がり角を小さくすることができる。
請求項１０によれば、第２の半導体層の酸化領域の終端部が傾斜され、これにより光閉じ込め量が軽減され、レーザ光の広がり角を小さくすることができる。
請求項１１によれば、第２の半導体層が活性領域に直接に接することで、第２の半導体層の酸化領域の終端部によって活性領域から発せられた光の閉じ込め量をより効果的に軽減することができる。
請求項１２によれば、面発光型半導体レーザの広がり角を従来技術に比べて小さくすることができる。
請求項１３によれば、面発光型半導体レーザの広がり角を従来技術に比べて小さくすることができる。
請求項１４によれば、面発光型半導体レーザの広がり角を最適化させることができる。
請求項１５によれば、レーザ光が出射される側の半導体ミラー層内に電流狭窄層を設けることで効果的に広がり角を小さくすることができる。
請求項１６ないし２１によれば、広がり角の小さなレーザ光を光通信や情報記録の光源に利用することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬの平面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。ＶＣＳＥＬ１００は、図１および図２に示すように、ｎ型のＧａＡｓ基板１０２の裏面にｎ側電極１５０を含み、さらに基板１０２上に、ｎ型のＧａＡｓバッファ層１０４、ｎ型のＡｌＧａＡｓの半導体多層膜からなる半導体ミラーを構成する下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector:分布ブラッグ型反射鏡）１０６、活性領域１０８、ｐ型のＡｌＡｓ層およびｐ型のＡｌＧａＡｓ層の２層からなる電流狭窄層１１０、ｐ型のＡｌＧａＡｓの半導体多層膜からなる半導体ミラーを構成する上部ＤＢＲ１１２、ｐ型のＧａＡｓコンタクト層１１４を含む半導体層が積層されている。

基板１０２には、半導体層をエッチングして形成されたリング状の溝１１６が形成され、溝１１６は、コンタクト層１１４から下部ＤＢＲ１０６の一部に到達する深さを有している。この溝１１６により、レーザ光の発光部である円筒状のメサＰまたはポストが形成され、メサＰと隔てられてパッド形成領域１１８が形成されている。メサＰは、下部ＤＢＲ１０６と上部ＤＢＲ１１２により共振器構造を形成し、これらの間に、活性領域１０８および電流狭窄層１１０を介在させている。

電流狭窄層１１０は、上記したように、ｐ型のＡｌＡｓ層１１０ａとその下層にｐ型のＡｌＧａＡｓ層１１０ｂとを含んでいる。ＡｌＡｓ層１１０ａおよびＡｌＧａＡｓ層１１０ｂは、メサＰを形成したとき、メサＰの側面において露出され、その後の酸化工程においてメサＰの側面から同時に酸化される。この酸化により、ＡｌＡｓ層１１０ａおよびＡｌＧａＡｓ層１１０ｂには、酸化領域１１１ａ、１１１ｂが形成され、酸化領域１１１ａ、１１１ｂによって包囲された導電領域が形成される。この導電領域内に、電流および光が閉じ込められる。

溝１１６を含む基板全面に層間絶縁膜１２０が形成されている。層間絶縁膜１２０は、メサＰの表面、溝１１６により露出されたメサＰの側面、溝１１６、溝１１６によって露出されたパッド形成領域１１８の側面、パッド形成領域１１８の表面を覆っている。メサＰの頂部において、層間絶縁膜１２０には環状のコンタクトホールが形成され、コンタクトホールを介してｐ側の円形状の上部電極１３０がコンタクト層１１４と電気的に接続されている。ｐ側の上部電極１３０は、金またはチタン／金から成り、その中央にレーザ光の出射領域を規定する円形状の開口１３２が形成されている。図２の例では、開口１３２は層間絶縁膜１２０によって塞がれ、ＧａＡｓコンタクト層１１４が外部に露出されないように保護されている。開口１３２は、必ずしも層間絶縁膜１２０により塞がれず、露出されていてもよい。

パッド形成領域１１８には、層間絶縁膜１２０を介して円形状の電極パッド１３４が形成されている。電極パッド１３４は、溝１１６を延在する引き出し電極配線１３６を介してｐ側の上部電極１３０に接続されている。

図３は、図２のメサ部の拡大断面図である。活性領域１０８は、アンドープ下部Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓスぺーサー層１０８ａと、アンドープ量子井戸活性層１０８ｂ(膜厚７０ｎｍＧａＡｓ量子井戸層３層と膜厚５０ｎｍＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ障壁層４層とで構成されている)と、アンドープ上部Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓスぺーサー層１０８ｃとで構成されている。

上部ＤＢＲ１１２は、Ａｌ組成の高いＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層１１２ａとＡｌ組成の低いＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層１１２ｂとをそれぞれの光学膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に３０周期積層している。上部ＤＢＲ１１２の最終層または最上層であるＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層１１２ｂ上に、最上層のＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層１１２ｂとＧａＡｓコンタクト層１１４とのトータルの光学膜厚がλ／４となるようにＧａＡｓコンタクト層１１４が形成されている。これは、Ａｌ含有率の低い層の方が酸化し難く、電気的なコンタクトをとり易いためである。なお、本実施例のレーザ光の発振波長λは、約８５０ｎｍである。

スペーサ層１０８ｃに隣接して電流狭窄層１１０が形成される。すなわち、スペーサ層１０８ｃの直ぐ上に、Ａｌ_0.88Ｇａ_0.12Ａｓ層１１０ｂが形成され、その上にＡｌ濃度が高いＡｌＡｓ層１１０ａが形成されている。Ａｌ_0.88Ｇａ_0.12Ａｓ層１１０ｂおよびＡｌＡｓ層１１０ａを併せた光学膜厚は、レーザ光の波長λの１／４であり、電流狭窄層１１０は、上部ＤＢＲ１１２のひとつの半導体層を構成する。

図４(ａ)は、ＡｌＡｓ層１１０ａおよびＡｌ_0.88Ｇａ_0.12Ａｓ層１１０ｂに形成される酸化領域の終端面を模式的に示した断面図、図４（ｂ）は、酸化領域の平面的な大きさを模式的に示した平面図である。

電流狭窄層１１０は、後述するように、メサＰの側面から水蒸気雰囲気において約３４０度で一定時間酸化される。ＡｌＡｓ層１１０ａは、Ａｌ_0.88Ｇａ_0.12Ａｓ層１１０ｂよりもＡｌ濃度が高く、横方向への酸化速度が速く進行する。このため、ＡｌＡｓ層１１０ａの酸化領域１１１ａの終端面Ｅ１は、ほぼ直角に近い。一方、Ａｌ_0.88Ｇａ_0.12Ａｓ層１１０ｂの酸化は、垂直方向からＡｌＡｓ層１１０ａの酸素が侵入するため、ＡｌＡｓ層１１０ａに近いほど酸化が進行する。このため、Ａｌ_0.88Ｇａ_0.12Ａｓ層１１０ｂの酸化領域１１１ｂの終端面Ｅ２は、傾斜する。この終端面Ｅ２の傾斜角θは、Ａｌ_0.88Ｇａ_0.12Ａｓ層１１０ｂのＡｌ濃度に依存し、Ａｌ濃度が高いほど、横方向の酸化が速くなるために、傾斜角θが大きくなり、急勾配となる。

また、図４（ｂ）に示すように、ＡｌＡｓ層１１０ａおよびＡｌ_0.88Ｇａ_0.12Ａｓ層１１０ｂの酸化領域１１１ａ、１１１ｂによって形成された導電領域の平面形状は、メサＰの外形を反映した円形状となる。酸化領域１１１ａによって包囲された導電領域Ｐ１の直径は、レーザ光のシングルモードおよびしきい値電流を制御するものであり、好ましくは、約３ミクロンとなるように酸化距離が制御される。

一方、Ａｌ_0.88Ｇａ_0.12Ａｓ層１１０ｂの酸化領域１１１ｂによって包囲された導電領域Ｐ２の最下面の直径Ｄ２は、Ｄ２＝Ｄ１＋２Ｔ／tanθ（Ｔは、Ａｌ_0.88Ｇａ_0.12Ａｓ層１１０ｂの膜厚）であり、例えば、約８ミクロンにされる。上記したように、傾斜角θは、Ａｌ_0.88Ｇａ_0.12Ａｓ層１１０ｂのＡｌ濃度の依存し、Ａｌ濃度が高くなれば、それに応じて傾斜角θも大きくなる。このため、導電領域Ｐ２の径Ｄ２は、Ａｌ濃度と膜厚Ｔによって決定することができる。なお、本実施例では、上部電極１３０に形成される開口１３２の径Ｄ３は、導電領域Ｐ２の径Ｄ２よりも大きく、開口１３２によってレーザ光の広がり角を制御しない。

図５は、レーザ光の広がり角と電流狭窄層のＡｌＡｓ層の直下に形成されるＡｌＧａＡｓ層のＡｌ濃度との関係を示すグラフである。グラフから明らかなように、ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ濃度を０．９０から０．８５程度に小さくすると、レーザ光の広がり角が約１７度から約１４度に小さくなることがわかる。

このように本実施例によれば、電流狭窄層１１０に、ＡｌＡｓ層１１０ａに比べてＡｌ濃度が低いＡｌＧａＡｓ層１１０ｂを形成することで、酸化領域１１１ｂの終端面Ｅ２に傾斜を形成し、これにより、光閉じ込め量を軽減し、広がり角またはＦＦＰを小さくする、また鋭いＦＦＰを得ることができる。

また、広がり角の制御は、電流狭窄層１１０のＡｌ濃度の高いＡｌＡｓ層１１０ａに形成された導電領域Ｐ１の径Ｄ１によって行われるのではなく、その直下に設けられたＡｌＧａＡｓ層１１０ｂのＡｌ濃度によって行うことができるため、従来と比較して広がり角の制御が容易である。

さらに、シングルモードの制御と広がり角の制御を、個別のＡｌＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層によって行うことができるので、二律背反の関係にあるシングルモードと広がり角との最適化を図ることができる。

さらに、ＡｌＧａＡｓ層１１０ｂのＡｌ濃度は、上部ＤＢＲを構成するＡｌＧａＡｓ層のＡｌ濃度を変更すればよいので比較的容易に形成することができる。さらに、電流狭窄層１１０を活性領域１０８に隣接して形成することにより、活性領域１０８で発生された光の閉じ込め量の軽減をより効果的に行うことができる。

上記実施例では、電流狭窄層１１０を、ＡｌＡｓ層１１０ａとＡｌ_0.88Ｇａ_0.12Ａｓ層１１０ｂから構成する例を示したが、これは一例である。電流狭窄層１１０は、Ａｌ濃度の高いＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層と、Ａｌ濃度の低いＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ層とから構成することができ、ｘ＞ｙの関係にあればよい。好ましくは、ｘ＝１のとき、０．８５＜ｙ＜０．９０である。

さらに上記実施例では、電流狭窄層１１０を上部ＤＢＲ内に形成するようにしたが、電流狭窄層１１０は、下部ＤＢＲ内に形成するようにしてもよい。この場合、電流狭窄層１１０は、活性領域１０８に近接していることが望ましい。また、電流狭窄層１１０はｎ型を有し、メサＰは下部ＤＢＲにまで至り、電流狭窄層１１０の側面を露出させる。

さらに上記実施例では、基板上に単一のメサＰが形成される例を示しているが、基板上に複数のメサが形成され、複数のメサから同時にレーザ光を出射するマルチビームまたはマルチスポットであってもよい。さらに上記実施例では、発振波長を８５０ｎｍとしたが、波長は特に限定されるものではなく、７８０ｎｍのような別な波長であってもよい。さらに上記実施例では、ＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体を用いたＶＣＳＥＬを例示したが、他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたＶＣＳＥＬに適用することも可能である。また、メサの形状は、円筒状の他、矩形状であってもよい。

次に、本実施例のＶＣＳＥＬの製造方法について図６ないし図８を参照して説明する。先ず、図６Ａに示すように、有機金属気相成長(ＭＯＣＶＤ)法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１０２上に、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、膜厚０．２μｍ程度のｎ型ＧａＡｓバッファ層１０４を積層し、その上に、Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓとＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓとをそれぞれの光学膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に４０．５周期積層した、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3で総膜厚が約４μｍとなる下部ｎ型ＤＢＲ１０６、アンドープ下部Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓスぺーサー層とアンドープ量子井戸活性層(膜厚７０ｎｍＧａＡｓ量子井戸層３層と膜厚５０ｎｍＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ障壁層４層とで構成されている)とアンドープ上部Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓスぺーサー層とで構成された光学膜厚が媒質内波長となる活性領域１０８、その上にＡｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓとＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓとをそれぞれの光学膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に３０周期積層したキャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3、総膜厚が約２μｍとなる上部ｐ型ＤＢＲ１１２を順次積層する。

上部ＤＢＲ１１２の最下部に、選択酸化を行うためにＡｌＡｓ層１１０ａとＡｌがＡｓ層１１０ｂを挿入しているが、ＡｌＡｓ層１１０ａとＡｌＧａＡｓ層１１０ｂのペアについても媒質内波長の１／４となるようにしている。このＡｌＧａＡｓ層１１０ｂのＡｌ組成を８８％とする。上部ＤＢＲ１１２の最上層には、キャリア濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3となる膜厚２０ｎｍ程のｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１４が形成される。なお、詳しくは述べないが、ＤＢＲ層の電気的抵抗を下げるためにＡｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓとＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓの界面にＡｌ組成を９０％から１５％に段階的に変化させた膜厚が２０ｎｍ程度の領域を設けることも可能である。ここで原料ガスとしては、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アルシン、ドーパント材料としては、ｐ型用にシクロペンタジニウムマグネシウム、n型用にシランを用い、成長時の基板温度は７５０℃とし、真空を破ることなく、原料ガスを順次変化し、連続して成膜をおこなった。

次に、図６Ｂに示すように、フォトリソ工程により結晶成長層上にレジストマスクＲを形成し、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下部ＤＢＲ１０６の途中までエッチングし、図６Ｃに示すように、環状の溝１１６を形成する。これにより、１０〜３０μｍ程度の径の円柱もしくは角柱の半導体柱（メサ）Ｐと、その周囲にパッド形成領域１１８を形成する。メサＰの形成により、電流狭窄層１１０のＡｌＡｓ層１１０ａとその直下のＡｌ_0.88Ｇａ_0.12Ａｓ層１１０ｂがメサ側面に露出される。

次に、レジストＲを除去した後、図７Ａに示すように、例えば３４０℃の水蒸気雰囲気に基板を一定時間晒し、酸化処理を行う。電流狭窄層１１０を構成するＡｌＡｓ層１１０ａおよびＡｌ_0.88Ｇａ_0.18Ａｓ層１１０ｂがメサＰの側面からポスト形状を反映するように酸化され、酸化領域１１１ａ、１１１ｂが形成され、酸化されずに残った非酸化領域(導電領域)が電流注入領域あるいは導電領域となる。このとき、Ａｌ_0.88Ｇａ_0.18Ａｓ層１１０ｂの酸化領域１１１ｂの終端面が傾斜される。

次に、図７Ｂに示すように、プラズマＣＶＤ装置を用いて、溝１１６を含む基板全面にＳｉＮからなる層間絶縁膜１２０を着膜する。その後、図７Ｃに示すように、通常のフォトリソ工程を用いて層間絶縁膜１２０をエッチングし、メサＰの頂部の層間絶縁膜１２０に円形状のコンタクトホール１２０ａを形成し、コンタクト層１１４を露出させる。あるいは、コンタクトホール１２０ａをリング状とし、図２に示したように、出射領域となるコンタクト層１１４をＳｉＮで保護するようにしてもよい。

その後、図８Ａに示すように、フォトリソ工程を用いてメサＰの上部中央にレジストパターンＲ１を形成し、その上方からＥＢ蒸着機を用いて、ｐ側電極材料としてＡｕを１００〜１０００ｎｍ、望ましくは６００ｎｍ蒸着する。次に、レジストパターンＲ１を剥離すると、図８Ｂに示すように、レジストパターンＲ１上のＡｕが取り除かれ、上部電極１３０、電極パッド１３４および引き出し配線１３６が完成する。ｐ側電極のない部分、すなわちポスト中央部の開口１３２からレーザ光が出射される。ここでは詳しく述べないが、メサＰ上に形成される金属の開口部は、メサ形成前に作成されても良い。

そして、基板裏面には、ｎ電極としてＡｕ／Ｇｅが蒸着される。その後、アニール温度２５０℃〜５００℃、望ましくは３００℃〜４００℃で１０分間アニールを行う。尚、アニール時間は１０分に限定されるわけではなく、０〜３０分の間であればよい。また、蒸着方法としてＥＢ蒸着機に限定されるものではなく、抵抗加熱法、スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法、ＣＶＤ法を用いてもよい。また、アニール方法として通常の電気炉を用いた熱アニールに限定されるものではなく、赤外線によるフラッシュアニールやレーザアニール、高周波加熱、電子ビームによるアニール、ランプ加熱によるアニールにより、同等の効果を得ることも可能である。

次に、本実施例のＶＣＳＥＬを利用した光学装置（モジュール）、光送信装置、光伝送システム、光伝送装置等について図面を参照して説明する。図９は、ＶＣＳＥＬを実装した光学装置の構成を示す断面図である。光学装置３００は、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。

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の中央の開口内にボールレンズ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。

図１０は、他の光学装置の構成を示す図であり、同図に示す光学装置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。

図１１は、ＶＣＳＥＬを光源として適用した例を示す図である。光照射装置３７０は、図９または図１０のようにＶＣＳＥＬを実装した光学装置３００、（３０２）、光学装置３００、（３０２）からのマルチビーム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感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。

図１２は、図９に示す光学装置を光送信装置に適用したときの構成を示す断面図である。光送信装置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。

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、光送信装置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、光送信装置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。

図１３は、図１０に示すモジュールを空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。空間伝送システム５００は、光学装置３０２と、集光レンズ５１０と、拡散板５２０と、反射ミラー５３０とを含んでいる。集光レンズ５１０によって集光された光は、反射ミラー５３０の開口５３２を介して拡散板５２０で反射され、その反射光が反射ミラー５３０へ向けて反射される。反射ミラー５３０は、その反射光を所定の方向へ向けて反射させ、光伝送を行う。

図１４は、ＶＣＳＥＬを光源に利用した光伝送システムの一構成例を示す図である。光伝送システム６００は、ＶＣＳＥＬが形成されたチップ３１０を含む光源６１０と、光源６１０から放出されたレーザ光の集光などを行う光学系６２０と、光学系６２０から出力されたレーザ光を受光する受光部６３０と、光源６１０の駆動を制御する制御部６４０とを有する。制御部６４０は、ＶＣＳＥＬを駆動するための駆動パルス信号を光源６１０に供給する。光源６１０から放出された光は、光学系６２０を介し、光ファイバや空間伝送用の反射ミラーなどにより受光部６３０へ伝送される。受光部６３０は、受光した光をフォトディテクターなどによって検出する。受光部６３０は、制御信号６５０により制御部６４０の動作（例えば光伝送の開始タイミング）を制御することができる。

次に、光伝送システムに利用される光伝送装置の概観構成を図１５に示す。光伝送装置７００は、ケース７１０、光信号送信／受信コネクタ接合部７２０、発光／受光素子７３０、電気信号ケーブル接合部７４０、電源入力部７５０、動作中を示すＬＥＤ７６０、異常発生を示すＬＥＤ７７０、ＤＶＩコネクタ７８０を含み、内部に送信回路基板／受信回路基板を有している。

光伝送装置７００を用いた映像伝送システムを図１６に示す。映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０で発生された映像信号を、液晶ディスプレイなどの画像表示装置８２０に伝送するため、図１５に示す光伝送装置を利用している。すなわち、映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０、画像表示装置８２０、ＤＶＩ用電気ケーブル８３０、送信モジュール８４０、受信モジュール８５０、映像信号伝送光信号用コネクタ８６０、光ファイバ８７０、制御信号用電気ケーブルコネクタ８８０、電源アダプタ８９０、ＤＶＩ用電気ケーブル９００を含んでいる。

上記映像伝送システムでは、映像信号発生装置８１０と送信モジュール８４０、および受信モジュール８５０と画像表示装置８２０の間を電気ケーブル８３０、９００による電気信号の伝送としたが、これらの間の伝送を光信号により行うことも可能である。例えば、電気−光変換回路および光−電気変換回路をコネクタに含む信号送信用ケーブルを電気ケーブル８３０、９００の代わりに用いるようにしてもよい。

本発明に係る面発光型半導体レーザは、光情報処理や光高速データ通信の分野で利用することができる。

本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬの平面図である。 図１のＡ−Ａ線線断面図である。 図２に示すメサの詳細に示す拡大図である。 図４(ａ)は、ＡｌＡｓ層およびＡｌ_0.88Ｇａ_0.12Ａｓ層に形成される酸化領域の終端面を模式的に示した断面図、図４（ｂ）は、酸化領域の平面的な大きさを模式的に示した平面図である。 電流狭窄層のＡｌＡｓ層直下のＡｌＧａＡｓ層のＡｌ濃度と広がり角の関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法を説明する工程断面図である。 本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法を説明する工程断面図である。 本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法を説明する工程断面図である。 本実施例に係るＶＣＳＥＬに光学部品を実装した光学装置の構成を示す概略断面図である。 他の光学装置の構成を示す概略断面図である。 ＶＣＳＥＬを使用した光照射装置の構成例を示す図である。 図９に示す光学装置を用いた光送信装置の構成を示す概略断面図である。 図１０に示す光学装置を空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。 光伝送システムの構成を示すブロック図である。 光伝送装置の外観構成を示す図である。 図１５の光伝送装置を利用した映像伝送システムを示す図である。

符号の説明

１００：ＶＣＳＥＬ １０２：基板
１０４：バッファ層 １０６：下部ＤＢＲ
１０８：活性領域 １１０：電流狭窄層
１１０ａ：ＡｌＡｓ層 １１０ｂ：Ａｌ_0.88Ｇａ_0.12Ａｓ層
１１１ａ：酸化領域 １１１ｂ：酸化領域
１１２：上部ＤＢＲ １１４：コンタクト層
１１６：溝 １１８：パッド形成領域
１２０：層間絶縁膜 １３０：ｐ側上部電極
１３２：開口 １３４：電極パッド
１３６：配線電極 １５０：ｎ側下部電極
Ｐ：メサ

Claims (21)

1. 基板上に、第１導電型の第１の半導体ミラー層、第１の半導体ミラー層上の活性領域、活性領域上の第２導電型の第２の半導体ミラー層、および活性領域に近接する電流狭窄層を含み、
   少なくとも電流狭窄層の側面が露出するようにメサ構造が形成され、
   電流狭窄層は、Ａｌ組成を含む第１の半導体層と第１の半導体層よりも活性領域側に形成されるＡｌ組成を含む第２の半導体層とを含み、第１の半導体層のＡｌ濃度が第２の半導体層のＡｌ濃度よりも高く、レーザ光の発振波長をλとしたとき、第１および第２の半導体層を合わせた光学膜厚はλ／４であり、さらに第１および第２の半導体層は、メサ構造の側面から選択的に酸化されている、面発光型半導体レーザ。
2. 電流狭窄層の第２の半導体層は、活性領域に隣接して形成され、第２の半導体層に隣接して第１の半導体層が形成されている、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
3. 電流狭窄層は、第２の半導体ミラー層内に形成され、第１の半導体層は、第２導電型のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層であり、第２の半導体層は、第２導電型のＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ層であり、ｘ＞ｙである、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
4. 電流狭窄層は、第１の第１の半導体ミラー層内に形成され、第１の半導体層は、第１導電型のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層であり、第２の半導体層は、第１導電型のＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ層であり、ｘ＞ｙである、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
5. 第１の半導体層は、ｘ＝１であり、第２の半導体層は、０．８５＜ｙ＜０．９０である、請求項３または４に記載の面発光型半導体レーザ。
6. 第２の半導体ミラー層は、Ａｌ組成が高い第１のＡｌＧａＡｓ層とＡｌ組成が低い第２のＡｌＧａＡｓ層を交互に積層し、電流狭窄層の第２の半導体層のＡｌ濃度は、前記第１のＡｌＧａＡｓ層のＡｌ濃度よりも低い、請求項３に記載の面発光型半導体レーザ。
7. 第１の半導体ミラー層は、Ａｌ組成が高い第１のＡｌＧａＡｓ層とＡｌ組成が低い第２のＡｌＧａＡｓ層を交互に積層し、電流狭窄層の第２の半導体層のＡｌ濃度は、第１のＡｌＧａＡｓ層のＡｌ濃度よりも低い、請求項４に記載の面発光型半導体レーザ。
8. 電流狭窄層の第１の半導体層に形成された酸化領域によって囲まれた導電領域の径は、少なくとも５．０ミクロン以下である、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
9. 第２の半導体ミラー層は、最上層にコンタクト層を含み、当該コンタクト層上に、レーザ光を出射する開口が形成された電極層が形成されている、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
10. 基板上に、第１導電型の第１の半導体ミラー層、第１の半導体ミラー層上の活性領域、活性領域上の第２導電型の第２の半導体ミラー層、および活性領域に近接する電流狭窄層を形成する工程であって、電流狭窄層は、Ａｌ組成を含む第１の半導体層と第１の半導体層よりも活性領域側に形成されるＡｌ組成を含む第２の半導体層とを含み、第１の半導体層のＡｌ濃度が第２の半導体層のＡｌ濃度よりも高く、レーザ光の発振波長をλとしたとき、第１および第２の半導体層を合わせた光学膜厚はλ／４である、前記工程と、
    少なくとも電流狭窄層の側面が露出されるようにメサ構造を形成する工程と、
    メサ構造の側面から電流狭窄層の第１および第２の半導体層を同時に選択的に酸化させる工程と、
    を有する面発光型半導体レーザの製造方法。
11. 電流狭窄層の第２の半導体層は、活性領域に隣接して形成され、第２の半導体層に隣接して第１の半導体層が形成されている、請求項１０に記載の製造方法。
12. 電流狭窄層は、第２の半導体ミラー層内に形成され、第１の半導体層は、第２導電型のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層であり、第２の半導体層は、第２導電型のＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ層であり、ｘ＞ｙである、請求項１０または１１に記載の製造方法。
13. 電流狭窄層は、第１の第１の半導体ミラー層内に形成され、第１の半導体層は、第１導電型のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層であり、第２の半導体層は、第１導電型のＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ層であり、ｘ＞ｙである、請求項１０または１１に記載の製造方法。
14. 第１の半導体層は、ｘ＝１であり、第２の半導体層は、０．８５＜ｙ＜０．９０である、請求項１２または１３に記載の製造方法。
15. 製造方法はさらに、第２の半導体ミラー層上にレーザ光を出射するための開口が形成された電極層を形成する工程とを含む、請求項１０に記載の製造方法。
16. 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と、面発光型半導体レーザに電気的に接続された電気接続端子と、面発光型半導体レーザから出射された光を入射する光学部品とを備えた光学装置。
17. 請求項１ないし９いずれか１つに記載された面発光型半導体レーザと、面発光型半導体レーザから発せられた光をレンズおよびミラーの少なくとも１つを含む光学部品を介して照射する照射手段と備えた、光照射装置。
18. 請求項１６に記載された光学装置と、面発光型半導体レーザから発せられた光を送信する送信手段とを備えた、情報処理装置。
19. 請求項１６に記載された光学装置と、面発光型半導体レーザから発せられた光を送信する送信手段とを備えた、光送信装置。
20. 請求項１６に記載された光学装置と、面発光型半導体レーザから発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送装置。
21. 請求項１６に記載された光学装置と、面発光型半導体レーザから発せられた光を伝送する伝送手段とを備えた、光伝送システム。

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