JP2013191784A

JP2013191784A - 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

Info

Publication number: JP2013191784A
Application number: JP2012058104A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kondo; 崇近藤
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2013-09-26
Anticipated expiration: 2032-03-15
Also published as: US8780950B2; US20130243023A1; JP5978669B2

Abstract

【課題】信頼性の高い長共振器の面発光型半導体レーザを提供する。
【解決手段】長共振器の面発光型半導体レーザ１０は、半絶縁性のｉ型のＧａＡｓ基板１００と、半絶縁性のｉ型のＡｌＧａＡｓから成る下部ＤＢＲ１０２と、半絶縁性のｉ型のＡｌＧａＡｓ層１１０と、ｎ型のＧａＩｎＰからなるコンタクト層１１２と、活性領域１１４と、ｐ型のＡｌＡｓからなる電流狭窄層１２０と、ｐ型のＡｌＧａＡｓからなる上部ＤＢＲ１０６と、メサＭの頂部に形成されたｐ側電極１３０と、メサＭの底部で露出されたコンタクト層１１２に電気的に接続されたｎ側電極１４０とを有する。
【選択図】図１

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装置、光伝送装置および情報処理装置に関する。

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１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。

H. J. Unold, el al, "Improving Single-Mode VCSEL Performance by Introducing a Long Monolithic Cavity", IEEE, PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 12, NO. 8, AUGUST 2000 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 特開２００５−１２９９６０号公報

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。

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、発振波長よりも光学的膜厚が大きい半絶縁性のｉ型のＡｌＧａＡｓ層と、前記ＡｌＧａＡｓ層上に形成され、不純物による深い準位を持たない、または深い準位はΓ準位よりも高い、前記基板に格子整合可能なｎ型の半導体層と、前記半導体層上に形成された活性領域と、前記活性領域上に形成され、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ｐ型の第２の半導体多層膜反射鏡と、前記半導体層と電気的に接続されるｎ側の第１の電極と、前記第２の半導体多層膜反射鏡と電気的に接続されるｐ側の第２の電極と、を有する面発光型半導体レーザ。
請求項２は、前記半導体層は、ｎ型のＧａＩｎＰから構成される、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項３は、前記第１の半導体多層膜反射鏡は、半絶縁性のｉ型である、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項４は、前記第１の半導体多層膜反射鏡、前記ＡｌＧａＡｓ層、前記半導体層、前記活性領域および前記第２の半導体多層膜反射鏡によって規定される共振器の長さが発振波長よりも大きく、かつ前記共振器の反射帯域内に少なくとも２つの共振波長を含み、選択された共振波長が発振される、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、前記第２の半導体多層膜反射鏡から前記半導体層に至る柱状構造が形成され、前記柱状構造の頂部には、前記第２の半導体多層膜反射鏡に電気的に接続される前記第２の電極が形成され、前記柱状構造の底部で露出された前記半導体層上には、前記第２の半導体層と電気的に接続される前記第１の電極が形成される、請求項１ないし４いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項６は、前記第２の半導体多層膜反射鏡内には電流狭窄層が形成される、請求項１ないし５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項７は、前記第１の半導体多層膜反射鏡は、相対的にＡｌ組成が高いＡｌＧａＡｓ層と、相対的にＡｌ組成が低いＡｌＧａＡｓの対を含んで構成され、前記第２の半導体多層膜反射鏡は、相対的にＡｌ組成が高いＡｌＧａＡｓ層と、相対的にＡｌ組成が低いＡｌＧａＡｓの対を含んで構成される、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、前記半導体層は、ｎ型のＡｌＧａＩｎＰである、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、前記半導体層は、ｎ型のＡｌＧａＡｓＰである、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１０は、ｐ型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、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ｐ型の第１の半導体多層膜反射鏡と、前記第１の半導体多層膜反射鏡上に形成された活性領域と、前記活性領域上に形成され、不純物による深い準位を持たない、または深い準位はΓ準位よりも高い、前記基板に格子整合可能なｎ型の半導体層と、前記半導体層上に形成された半絶縁性のｉ型のＡｌＧａＡｓ層と、前記ＡｌＧａＡｓ層上に形成され、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２の半導体多層膜反射鏡と、前記半導体層と電気的に接続されるｎ側の第１の電極と、前記第１の半導体多層膜反射鏡と電気的に接続されるｐ側の第２の電極と、を有する面発光型半導体レーザ。
請求項１１は、前記半導体層は、ｎ型のＧａＩｎＰから構成される、請求項１０に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項１２は、前記第１の半導体多層膜反射鏡、前記活性領域、前記半導体層、前記ＡｌＧａＡｓ層、および前記第２の半導体多層膜反射鏡によって規定される共振器の長さが発振波長よりも大きく、かつ前記共振器の反射帯域内に少なくとも２つの共振波長を含み、選択された共振波長が発振される、請求項１０または１１に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項１３は、前記第２の半導体多層膜反射鏡から前記半導体層に至る柱状構造が形成され、前記柱状構造の底部で露出された前記半導体層上には、前記第２の半導体層と電気的に接続される前記第１の電極が形成され、前記半導体基板の裏面には、前記第１の半導体多層膜反射鏡に電気的に接続される前記第２の電極が形成される、請求項１０ないし１２いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項１４は、前記半導体層は、ｎ型のＡｌＧａＩｎＰである、請求項１０ないし１３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項１５は、前記半導体層は、ｎ型のＡｌＧａＡｓＰである、請求項１０ないし１３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項１６は、請求項１ないし１５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１７は、請求項１６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１８は、請求項１ないし１５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、７、１０によれば、信頼性の高い面発光型半導体レーザを提供することができる。
請求項２、３、８、９、１１、１４、１５によれば、ｎ型のＡｌＧａＡｓと比べて結晶欠陥の発生を抑制することができる。
請求項４、１２によれば、信頼性の高い長共振器構造の面発光型半導体レーザを提供することができる。
請求項５、１３によれば、表面電極構造の面発光型半導体レーザを提供することができる。
請求項６によれば、光の高出力化を図ることができる。
請求項１６ないし１８によれば、信頼性の高い長共振器構造の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を提供することができる。

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（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。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。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。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４（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。

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。

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、光出力も例えば５ｍＷぐらいまで高くすることが可能である。

以下の説明では、選択酸化型の長共振器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。

図１は、本発明の第１の実施例に係る長共振器の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のＶＣＳＥＬ１０は、不純物がドープされていない半絶縁性のｉ型のＧａＡｓ基板１００上に、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたアンドープのｉ型（真性）の下部分布ブラッグ型反射鏡（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ＤＢＲ１０６を積層している。これらの半導体層は、好ましくはＭＯＣＶＤにより形成される。

ｉ型の下部ＤＢＲ１０２は、例えば、Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層とのペアを複数積層して構成され、各層の厚さはλ／４ｎ_ｒ（但し、λは発振波長、ｎ_ｒ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。また、ｐ型の上部ＤＢＲ１０６は、ｐ型のＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とＡｌ_0.３Ｇａ_0.７Ａｓ層とのペアを複数積層して構成され、各層の厚さはλ／４ｎ_ｒ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ＤＢＲ１０６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ＤＢＲ１０６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１２０が形成される。

共振器１０４は、下部ＤＢＲ１０２上に形成された不純物がドーピングされていないｉ型のＡｌＧａＡｓ層１１０と、ＡｌＧａＡｓ層１１０上に形成されたｎ型の半導体層からなるコンタクト層１１２と、コンタクト層１１２上に形成された活性領域１１４とを含んで構成される。活性領域１１４は、上部および下部スペーサ層１１４Ａ、１１４Ｃに挟まれた量子井戸活性層１１４Ｂを含み、好ましくは活性領域１１４の膜厚は、発振波長λに等しい。下部スペーサ層１１４Ａは、例えば、アンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層であり、量子井戸活性層１１４Ｂは、アンドープＡｌ_０．１１Ｇａ_０．８９Ａｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ_0.３Ｇａ_0.７Ａｓ障壁層であり、上部スペーサ層１１４Ｃは、アンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層である。

ＡｌＧａＡｓ層１１０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ＡｌＧａＡｓの半導体層であり、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は発振波長）を有する。ＡｌＧａＡｓ層１１０は、不純物がドーピングされていないｉ型の半導体層であるため、Ｓｉなどの不純物がドーピングされたｎ型のＡｌＧａＡｓにおけるＤＸセンターのような深い不純物準位を形成しない。また、不純物ドーパントによる光の吸収も抑制される。

コンタクト層１１２もまた、一連のエピタキシャル成長によりＧａＡｓ基板１００と格子整合された材料から構成され、好ましくは、コンタクト層１１２は、ｎ型のＧａＩｎＰから構成される。ＧａＩｎＰは、ｎ型のＡｌＧａＡｓのようなＤＸセンターを形成しない、もしくは不純物による深い準位（ＤＸセンター）がΓ準位よりも高いため、ｎ型のＡｌＧａＡｓに比べて結晶欠陥の発生が少ない。このため、ｎ型のＡｌＧａＡｓのように、ＤＸセンターの発生による結晶欠陥に起因した活性領域１１４の劣化を生じさせない。また、ＧａＩｎＰは、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓのエッチャントに対し高い選択比を有するため、後述するように基板上にメサＭを形成するときのエッチングストッパーとして機能し得る。コンタクト層１１２は、ＧａＩｎＰ以外の材料を用いて構成することもでき、例えば、ｎ型のＡｌＧａＡｓのＤＸセンターの準位よりも不純物準位が浅くなるような材料を用いることができる。このような材料を用いれば、ｎ型のＡｌＧａＡｓと比較してＤＸセンターの発生確率が低減され、ＤＸセンターによる影響を低減させることができる。例えば、ｎ型のＡｌＧａＩｎＰまたはｎ型のＡｌＧａＡｓＰを用いることができる。

コンタクト層１１２は、ｎ側電極１４０と活性領域１１４との間の電流経路を提供するため、その電流抵抗が高くならないように膜厚が選択される。好ましくは、コンタクト層１１２の膜厚を、発振波長λ以上とすることで低抵抗化が図られる。下部ＤＢＲ１０２と活性領域１１４との間に形成されたＡｌＧａＡｓ層１１０およびコンタクト層１１２は、共振器延長領域を構成し、当該共振器延長領域は、空洞延長領域またはキャビティスペースとしても参照され得る。通常、長共振器を持たないＶＣＳＥＬは、共振器延長領域１１０を備えておらず、通常、下部ＤＢＲ１０２上に活性領域１０６を形成し、共振器１０４の光学的膜厚は、λ以下である。

上部ＤＢＲ１０６からコンタクト層１１２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。上記したようにコンタクト層１１２がＧａＩｎＰから構成される場合、ＧａＩｎＰは、上部ＤＢＲ１０６を構成するＡｌＧａＡｓに対しエッチング選択比が高いため、メサＭは、コンタクト層１１２で精度良く停止させることができる。

メサＭの形成によりメサＭの底部には、コンタクト層１１２が露出される。ＧａＩｎＰは、Ａｌを含まないので、表面が露出されても酸化され難い。また、上部ＤＢＲ１０６内の電流狭窄層１２０がメサＭの側面で露出され、酸化工程において選択的に酸化される。好ましくは、電流狭窄層１２０は、活性領域１１４の近傍に位置し、ｐ型のＡｌＡｓまたはＡｌ組成が非常に高いＡｌＧａＡｓ（例えば、Ａｌ組成が９８％以上）から構成される。電流狭窄層１２０は、上部ＤＢＲ１０６のＡｌ組成が高いＡｌＧａＡｓ層を置換するものであってもよい。電流狭窄層１２０は、メサＭの側面から選択的に酸化された酸化領域１２０Ａと酸化領域１２０Ａによって囲まれた導電領域（酸化アパーチャ）１２０Ｂを有する。導電領域１２０Ｂ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１２０Ｂの径を大きくすることができ、例えば、導電領域１２０Ｂの径を７ないし８ミクロン程度まで大きくし、高出力化を図ることができる。

メサＭの最上層には、ＡｕまたはＴｉ／Ａｕなどを積層した金属製の環状のｐ側電極１３０が形成され、ｐ側電極１３０は、上部ＤＢＲ１０６のコンタクト層にオーミック接続される。ｐ側電極１３０には、円形状の開口すなわち光を出射する光出射口１３０Ａが形成され、光出射口１３０Ａの中心は、メサＭの光軸に概ね一致する。また、メサＭの底部で露出されたコンタクト層１１２上には、ＡｕまたはＴｉ／Ａｕなどを積層した金属製の環状のｎ側電極１４０が形成され、ｎ側電極１４０は、コンタクト層１１２に電気的に接続される。ｐ側電極１３０およびｎ側電極１４０は、リフトオフ工程により同時に形成されるものであってもよい。

長共振器を持たない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ＶＣＳＥＬ１０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ＤＢＲ１０６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望ましい。本実施例のＶＣＳＥＬ１０は、例えば、７８０ｎｍの単一横モードのレーザ光を出力する。

図２（ａ）は、ｎ型のＡｌＧａＡｓの正常状態（Γ準位）のエネルギーバンドを示し、図２（ｂ）は、ｎ型の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組成がおおよそ２０％以上のｎ型のＡｌＧａＡｓ内では、図２（ａ）のΓ準位よりも低いＤＸセンターの深い準位が形成され、ＤＸセンターに電子がトラップされ易くなる。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。このように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。

本実施例の長共振器のＶＣＳＥＬ１０は、共振器延長領域として、ＧａＡｓ基板１００に格子整合されたｉ型のＡｌＧａＡｓ層１１０とｎ型のＧａＩｎＰのコンタクト層１１２を用いる。ｉ型のＡｌＧａＡｓ層１１０は、不純物がドーピングされていないため、Ｓｉなどの不純物をドーピングしたｎ型のＡｌＧａＡｓのようなＤＸセンターを生じさせない(図２（ｂ）)。ｎ型のＡｌＧａＡｓ層では、Ａｌ組成やドーピング濃度に影響して深い準位であるＤＸセンターが非常に多く発生し、結晶欠陥の密度が高くなり、これに起因して活性層１１４Ｂの結晶構造が破壊され、劣化が急速に進行させ、特性を著しく劣化させる原因の１つになる。

また、ｎ型のＧａＩｎＰは、ＧａＡｓ基板１００に格子整合させることができるため、一連のエピタキシャル成長により形成することができる。ｎ型のＧａＩｎＰは、ｎ型のＡｌＧａＡｓのような深い準位（ＤＸセンター）を形成しないため、ｎ型のＡｌＧａＡｓと比べて結晶欠陥の発生確率が非常に小さい。従って、ＧａＩｎＰに起因する活性層１１４Ｂの結晶構造の破壊は抑制される。また、ＧａＩｎＰの成長は、ＡｌＧａＡｓと比べると難しいが、ＧａＩｎＰは、ｎ側電極１４０のコンタクト層として機能すればよいため、ｉ型のＡｌＧａＡｓ層１１０の膜厚よりは小さくすることができる。

このように本実施例の長共振器のＶＣＳＥＬ１０は、本質的にＤＸセンターを生じさせるようなｎ型のＡｌＧａＡｓを含まないため、ＤＸセンターの結晶欠陥による活性領域１１４の結晶構造の破壊やその劣化を抑制することができ、高寿命および信頼性の高い長共振器のＶＣＳＥＬを得ることができる。

次に、本発明の第２の実施例に係る長共振器のＶＣＳＥＬの概略断面図を図３に示す。第２の実施例に係るＶＣＳＥＬ１０Ａは、ｐ型のＧａＡｓ基板２００を用いて構成される。ＧａＡｓ基板２００上には、Ａｌ組成が異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｐ型の下部ＤＢＲ２０２、共振器２０４、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねた不純物がドーピングされていない半絶縁性のｉ型の上部ＤＢＲ２０６が積層される。

基板２００の裏面には、ｐ側電極２３０が形成され、ｐ側電極２３０は、基板２００を介して下部ＤＢＲ２０２に電気的に接続される。下部ＤＢＲ２０２の一部には、活性領域に近接して電流狭窄層２２０が形成され、選択的に酸化された酸化領域２２０Ａとこれに囲まれた導電領域２２０Ｂとが形成される。共振器２０４は、下部ＤＢＲ２０２上に形成された活性領域２１０と、活性領域２１０上に形成されたｎ型のＧａＩｎＰから構成されるコンタクト層２１２と、コンタクト層２１２上に形成された、不純物がドーピングされていないｉ型のＡｌＧａＡｓ層２１４とを含む。第１の実施例のときと同様に、コンタクト層２１２は、発振波長λ以上の膜厚を有し、ｉ型のＡｌＧａＡｓ層２１２は、コンタクト層２１２よりも大きな膜厚を有し、両者の合計膜厚は、例えば、１０ないし２０λ程度とすることができる。

上部ＤＢＲ２０６からコンタクト層２１２に至るメサＭが形成され、メサＭの底部でコンタクト層２１２が露出され、コンタクト層２１２上に環状のｎ側電極２４０が形成される。さらにメサＭの下方には、少なくとも電流狭窄層２２０を露出させるようなメサＭ１が形成され、電流狭窄層２２０は、メサＭ１の側面から選択的に酸化される。

第２の実施例においても、ｎ型のＡｌＧａＡｓによるＤＸセンターを含まない長共振器のＶＣＳＥＬ１０Ａを得ることができる。また、第２の実施例の変形例として、図３（ｂ）に示すように、ｐ側の表面電極２３０Ａを、メサＭ１により露出された下部ＤＢＲ２０２上に形成するようにしてもよい。ｐ側の表面電極２３０Ａは、裏面電極２３０Ａと併用されてもよいし、あるいは図３（ｂ）のように単独で用いてもよい。ｐ側の表面電極２３０Ａのみを形成する場合には、基板２００は、半絶縁性のｉ型のＧａＡｓであってもよい。

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。

上記実施例では、下部ＤＢＲ１０２／２０２および上部ＤＢＲ１０６／２０６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ＤＢＲ１０２／２０２および上部ＤＢＲ１０６／２０６は、ＡｌＧａＡｓに限定されるものではない。下部ＤＢＲおよび上部ＤＢＲ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。

上記実施例では、共振器延長領域１０５の光学的膜厚を１６λとしたが、これは一例であって、例えば、１０λないし２０λの範囲内から選択される。但し、共振器長が大きくなれば、それに比例して共振波長の数が増加することに留意すべきである。また、下部ＤＢＲや上部ＤＢＲを構成する高屈折率層と低屈折率層の屈折率差（本例では、Ａｌ組成の差）は、存在し得る共振波長との関係から適宜選択される。つまり、所望でない共振波長の反射率が低下するような反射帯域を得ることができるように屈折率差が選択される。また、電流狭窄層１２０／２２０の導電領域（酸化アパーチャ）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、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。

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４（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。

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。

図４（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。

図５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４（ａ）または図４（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。

図６は、図４（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。

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。

１０、１０Ａ、１０Ｂ：長共振器のＶＣＳＥＬ
１００：基板
１０２：下部ＤＢＲ
１０４：共振器
１０６：上部ＤＢＲ
１１０：ＡｌＧａＡｓ層
１１２：コンタクト層
１１４：活性領域
１１４Ａ：下部スペーサ層
１１４Ｂ：活性層
１１４Ｃ：上部スペーサ層
１２０：電流狭窄層
１３０：ｐ側電極
１３０Ａ：光出射口
１４０：ｎ側電極
２００：基板
２０２：下部ＤＢＲ
２０４：共振器
２０６：上部ＤＢＲ
２１０：活性領域
２１２：コンタクト層
２１４：ＡｌＧａＡｓ層
２２０：電流狭窄層
２３０：ｐ側電極
２４０：ｎ側電極

Claims

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、発振波長よりも光学的膜厚が大きい半絶縁性のｉ型のＡｌＧａＡｓ層と、
前記ＡｌＧａＡｓ層上に形成され、不純物による深い準位を持たない、または深い準位はΓ準位よりも高い、前記基板に格子整合可能なｎ型の半導体層と、
前記半導体層上に形成された活性領域と、
前記活性領域上に形成され、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ｐ型の第２の半導体多層膜反射鏡と、
前記半導体層と電気的に接続されるｎ側の第１の電極と、
前記第２の半導体多層膜反射鏡と電気的に接続されるｐ側の第２の電極と、
を有する面発光型半導体レーザ。
前記半導体層は、ｎ型のＧａＩｎＰから構成される、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
前記第１の半導体多層膜反射鏡は、半絶縁性のｉ型である、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
前記第１の半導体多層膜反射鏡、前記ＡｌＧａＡｓ層、前記半導体層、前記活性領域および前記第２の半導体多層膜反射鏡によって規定される共振器の長さが発振波長よりも大きく、かつ前記共振器の反射帯域内に少なくとも２つの共振波長を含み、選択された共振波長が発振される、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。
前記第２の半導体多層膜反射鏡から前記半導体層に至る柱状構造が形成され、前記柱状構造の頂部には、前記第２の半導体多層膜反射鏡に電気的に接続される前記第２の電極が形成され、前記柱状構造の底部で露出された前記半導体層上には、前記第２の半導体層と電気的に接続される前記第１の電極が形成される、請求項１ないし４いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
前記第２の半導体多層膜反射鏡内には電流狭窄層が形成される、請求項１ないし５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
前記第１の半導体多層膜反射鏡は、相対的にＡｌ組成が高いＡｌＧａＡｓ層と、相対的にＡｌ組成が低いＡｌＧａＡｓの対を含んで構成され、前記第２の半導体多層膜反射鏡は、相対的にＡｌ組成が高いＡｌＧａＡｓ層と、相対的にＡｌ組成が低いＡｌＧａＡｓの対を含んで構成される、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。
前記半導体層は、ｎ型のＡｌＧａＩｎＰである、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。
前記半導体層は、ｎ型のＡｌＧａＡｓＰである、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。
ｐ型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、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ｐ型の第１の半導体多層膜反射鏡と、
前記第１の半導体多層膜反射鏡上に形成された活性領域と、
前記活性領域上に形成され、不純物による深い準位を持たない、または深い準位はΓ準位よりも高い、前記基板に格子整合可能なｎ型の半導体層と、
前記半導体層上に形成された半絶縁性のｉ型のＡｌＧａＡｓ層と、
前記ＡｌＧａＡｓ層上に形成され、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２の半導体多層膜反射鏡と、
前記半導体層と電気的に接続されるｎ側の第１の電極と、
前記第１の半導体多層膜反射鏡と電気的に接続されるｐ側の第２の電極と、
を有する面発光型半導体レーザ。
前記半導体層は、ｎ型のＧａＩｎＰから構成される、請求項１０に記載の面発光型半導体レーザ。
前記第１の半導体多層膜反射鏡、前記活性領域、前記半導体層、前記ＡｌＧａＡｓ層、および前記第２の半導体多層膜反射鏡によって規定される共振器の長さが発振波長よりも大きく、かつ前記共振器の反射帯域内に少なくとも２つの共振波長を含み、選択された共振波長が発振される、請求項１０または１１に記載の面発光型半導体レーザ。
前記第２の半導体多層膜反射鏡から前記半導体層に至る柱状構造が形成され、前記柱状構造の底部で露出された前記半導体層上には、前記第２の半導体層と電気的に接続される前記第１の電極が形成され、前記半導体基板の裏面には、前記第１の半導体多層膜反射鏡に電気的に接続される前記第２の電極が形成される、請求項１０ないし１２いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
前記半導体層は、ｎ型のＡｌＧａＩｎＰである、請求項１０ないし１３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
前記半導体層は、ｎ型のＡｌＧａＡｓＰである、請求項１０ないし１３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項１ないし１５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１６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１ないし１５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。