JP4232475B2

JP4232475B2 - 面発光レーザ素子

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Publication number: JP4232475B2
Application number: JP2003026224A
Authority: JP
Inventors: 義昭渡部
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-02-03
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2023-02-03
Also published as: JP2004241422A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光レーザ素子に関し、更に詳細には、大きなメサポスト及び電流注入領域の径を有し、かつ出射光を電極金属膜によって遮ることなく、高いレーザ光出力を有する面発光レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
面発光レーザ素子は、半導体基板上に形成された、相互に屈折率が異なる化合物半導体のペア層からなる一対のＤＢＲ（Diffractive Bragg Reflector）共振器と、その一対のＤＢＲ共振器の間に設けられ、発光領域となる活性層とを有し、基板面に対して直交方向にレーザ光を出射する半導体レーザ素子である。
【０００３】
面発光レーザ素子では、一般的に上部のＤＢＲ共振器上にキャップ層などを介して上部電極が形成され、半導体基板の裏面に下部電極が形成され、それぞれ上部及び下部のＤＢＲ共振器を介して活性層に電流が供給される。また、例えば上部のＤＢＲ共振器中に、上部電極から活性層に注入される電流経路の断面を限定する電流狭窄層が設けられ、活性層の一部に電流が集中して流れるようにして、面発光レーザ素子の発光効率を高めている。
【０００４】
ここで、従来の面発光レーザ素子の一例として、図６を参照して特開２００１−２１０９０８号公報に記載の面発光レーザ素子の構成を説明する。図６は前掲公報に開示されている面発光レーザ素子の構成を示す断面図である。
前掲公報によれば、面発光レーザ素子１０は、図６に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１２上に、順次、形成されたｎ型半導体多層膜からなる下部ＤＢＲ共振器（下部反射鏡層構造）１４、ノンドープＡｌＧａＡｓ下部クラッド層１６、活性層１８、ノンドープＡｌＧａＡｓ上部クラッド層２０、ｐ型半導体多層膜からなる上部ＤＢＲ共振器（上部反射鏡層構造）２２、及びｐ型ＧａＡｓキャップ層２４からなる積層構造を備えている。
【０００５】
下部ＤＢＲ共振器１４は、膜厚４０ｎｍのｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層と膜厚５０ｎｍのｎ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とを、ヘテロ界面に膜厚２０ｎｍの組成傾斜層を介在させ積層した３０．５ペアの半導体多層膜として構成されている。
上部ＤＢＲ共振器２２は、膜厚４０ｎｍのｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層と膜厚５０ｎｍのｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とを、ヘテロ界面に膜厚２０ｎｍの組成傾斜層を介在させ積層した２５ペアの半導体多層膜として構成されている。
【０００６】
また、上部ＤＢＲ共振器２２の活性層１８に最も近い構成層は、ｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層に代えて、膜厚５０ｎｍのｐ型ＡｌＡｓ層２６が形成され、中央の円形領域を除いて、その周囲のＡｌＡｓ層はＡｌが選択的に酸化されてＡｌ酸化層２８に転化している。
Ａｌ酸化層２８は電気抵抗の高い酸化狭窄型の電流狭窄領域として機能する。一方、中央の円形領域は、元のｐ型ＡｌＡｓ層２６のままであって、電流注入領域として機能する。
【０００７】
そして、キャップ層２４、上部ＤＢＲ共振器２２、上部クラッド層２０、活性層１８、下部クラッド層１６、及び下部ＤＢＲ共振器１４の上部は、エッチングされて、円柱状のメサポスト（柱状構造）３０に加工されている。
メサポスト３０の上面、側面及び両脇の下部ＤＢＲ共振器１４上には、ＳｉＮｘ膜３２が成膜されている。
【０００８】
メサポスト３０の上面のＳｉＮｘ膜３２は、円形状に除去されてｐ型ＧａＡｓキャップ層２４を露出させている。そこに、露出したｐ型ＧａＡｓキャップ層２４の円形状の表面と同じ外径を有する、図７に示すようなリング状のＡｕＺｎ電極がｐ側電極３４として形成されている。
また、電極引き出し用のパッドとして金属膜３８が、ｐ側電極３４を被覆して、ＳｉＮｘ膜３２上に成膜されている。
また、ｎ型ＧａＡｓ基板１２の裏面には、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ膜がｎ側電極３６として形成されている。
【０００９】
このような構成を備えた面発光レーザ素子では、一般的に、出射窓の直径を１０から２０μｍ程度に設定し、メサポスト３０の直径を２０μｍ程度、電流注入領域の直径を１０μｍ程度とした場合、活性層１８の一部に電流が集中して注入され、効率の良いレーザ発振を実現できる。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−２１０９０８号公報（図１）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のような構成を有する面発光レーザ素子では、レーザ光の高出力化を図るために、メサポスト及び電流注入領域の直径を大きくして活性層の発光領域を拡大させようとする場合に、以下の問題が生じる。図８は、従来の面発光レーザ素子のメサポスト３０の近傍の構成を簡潔に示した断面図である。
【００１２】
第１の問題は、従来の面発光レーザ素子では、上部電極（ｐ側電極）３４がリング状であるため、メサポスト３０及び電流注入領域２６の径の拡大に伴って、活性層１８の上部電極３４に比較的近い領域と、活性層１８の上部電極３４から離れた中央領域とで、注入される電流密度が異なってくる。
即ち、図８に示すように、上部電極３４から注入される電流は、活性層１８の上部電極３４に比較的近い領域に主に流入し、活性層１８の中央領域は上部電極３４から離れているため流入し難い。
このため、従来の面発光レーザ素子に電流を注入すると、活性層１８の上部電極３４の直下に近い電流密度の高い領域が先にレーザ発振を生じ、この領域にレーザ発振が集中するので、注入電流を増大させても電流密度の低い電極直下から離れたメサ中心部分の直下では、まったく発振にいたらず、かえってその部分が損失源となって、レーザ光の出力を増加させることが難しい。
【００１３】
第２の問題は、注入される電流密度が活性層１８の領域によって不均一であるため、注入電流を高めるに従って、活性層１８に注入される電流密度の分布に変化が生じ、これに従って、励振される横モードが変化する。
このため、電流−光出力特性にキンクが発生し易く、電流−光出力特性が不安定になるということである。
【００１４】
上記第１及び第２の問題を解決するために、面発光レーザ素子で、例えば、メサポスト３０上の露出面の全面に上部電極３４を構成する金属膜を肉厚で形成すれば、活性層１８の中央領域にも電流が注入され、活性層１８に注入される電流密度が均一化されることが考えられる。
しかし、メサポスト３０上の露出面の全面に金属膜を形成すれば、金属膜により出射光の一部が遮られ、吸収されてしまい、レーザ光の高出力化を図ることは困難である。
また、この場合、基板の裏面よりレーザ光を取り出すことも考えられるが、基板がレーザ光の吸収を生じる場合、例えばＧａＡｓ基板とＧａＡｓ系の活性層とが組み合された面発光レーザ素子などでは、ＧａＡｓ基板の光吸収のため、レーザ光を効率良く取り出し、レーザ光の高効率化を図ることは困難である。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、大きなメサポスト及び電流注入領域の径を有し、かつ出射光を電極金属膜や基板によって遮ることなく、高いレーザ光出力を有する面発光レーザ素子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】
本発明者は、上記課題の解決に際し、下記のように考察した。
面発光レーザ素子で、レーザ出力を高めるためにメサポスト及び電流注入領域の径を大きくすると、面発光レーザ素子で励振される横モードは大径のファイバを伝搬するレーザ光の場合と同様に多モードとなり、径の拡大に伴って様々な横モードが存在するようになる。
これらの横モードは、電磁波の基本モードであるＴＥ（Transverse Electric）モード及びＴＭ（Transverse Magnetic）モード、電界及び磁界の重ね合わせであるＨＥモード、これらのモードのうち伝搬定数の等しいものを重ね合わせて構成される、いわゆるＬＰモード（Linear Polarized Mode）として表現される。
【００１７】
また、それぞれの横モードに対応して、出射端面の発光パターンの形状が定まる。例えば、メサポストが円柱状である場合には、出射端面の発光パターンは、それぞれ、横モードであるＬＰ₀₁モード（ＨＥ₁₁モード）、ＬＰ₁₁モード、ＬＰ₂₁モード、及びＨＥ₂₁モードに対応して、図３（ａ）から（ｄ）に示すような形状を呈する。
これらのうち、ＬＰ₀₁モードは最も低次の横モードであって、メサポスト及び電流注入領域の径が比較的小さい場合に励振される横モードである。ＬＰ₁₁モード、ＬＰ₂₁モード、及びＨＥ₂₁モードは、メサポスト及び電流注入領域の径が大きな場合に励振される横モードであって、これらのメサポスト及び電流注入領域の径が大きな場合に励振される横モードの発光パターンは、発光パターンの中央近傍に様々な形状の暗部を有する。
【００１８】
面発光レーザ素子で励振される横モードは、活性層の発光領域の形状や、面発光レーザ素子を構成する各層の屈折率、メサの直径、電極窓の開口径などのパラメータによって定まる。
【００１９】
本発明者は、上記の考察に基づき、メサポスト及び電流注入領域の径の大きい面発光レーザ素子の設計段階で、予め前述のようなパラメータを用いて励振させる横モードを決定する。そして、レーザ光の出射端面に発生する横モードの発光パターンの暗部の形状に一致する形状で、出射光を遮ることなく、レーザ光の出射窓の中央近傍にも上部電極を形成することに着想した。
そして、これにより、活性層に注入される電流密度の分布を均一化し、また電流密度の分布の変動も抑制でき、上記第１及び第２の問題を解決できることを見い出した。
【００２０】
また、リング状の上部電極を有する従来の面発光レーザ素子では、メサポストや電流注入領域の径を、高いレーザ光出力が得られる程度に大きくすると、発振する横モードの数が極めて多くなり、出力や環境温度により横モードが不安定に変化する可能性があった。
しかし、上述のような特定の横モードの発光パターンの暗部の形状に一致する形状で上部電極を形成することにより、上部電極の形状に対応した特定の横モードを安定して発振させることができることを見い出し、種々の実験を重ねた末に、本発明を発明するに到った。
【００２１】
上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係る面発光レーザ素子は、基板上に、順次、積層された半導体多層膜の下部反射鏡、活性層、及び半導体多層膜の上部反射鏡と、上部反射鏡上の一部に形成された上部電極と、上部反射鏡中に形成され、上部電極から活性層に注入される電流経路を規定する電流注入領域、及び電流注入領域を囲んで設けられた電流狭窄領域から構成される電流狭窄層とを有し、
少なくとも上部反射鏡及び活性層がメサポスト内に形成され、
電流注入により上部反射鏡の上面から基板と垂直にレーザ光を放射する面発光レーザ素子において、
上部電極が、上部反射鏡の上面に発生する横モードの発光パターンの暗部の形状と一致する平面形状に形成されていることを特徴としている。
【００２２】
上部電極が、上部反射鏡の上面に発生する横モードの発光パターンの暗部の形状と一致する平面形状に形成されていることにより、出射光を遮ることなく、レーザ光の出射窓の中央近傍にも上部電極を形成することができる。
これにより、大きいメサポスト及び電流注入領域の径を有する面発光レーザ素子において、活性層に注入される電流密度を均一化し、電流密度の分布の変動を抑制することができる。また、特定の横モードを安定して発振させることができる。
従って、メサポスト及び電流注入領域の径を大きくして発光領域を拡大し、安定した横モードで、高いレーザ光出力を有する面発光レーザ素子を得ることができる。
【００２３】
本発明の好適な実施態様では、横モードが、ＴＥモード、ＴＭモード、ＨＥモード、及びＬＰモードのうちの何れかである。
これらの横モードについて、面発光レーザ素子の横モードを算出する解析ソフトを用いて、面発光レーザ素子の設計段階で予め、上部反射鏡の上面に発生する発光パターンの形状を計算により得ることができる。
この場合、ＬＰモードは、ＴＥモード、ＴＭモード、及びＨＥモードのうち伝搬定数が等しいものを重ね合わせて構成されるモードである。
【００２４】
本発明の好適な実施態様では、横モードの発光パターンは、電流注入領域をコア層、電流狭窄領域をクラッド層と擬制し、光ファイバの横モード解析方法を適用して得られたものである。
面発光レーザ素子の横モードは、主に電流狭窄層の構造により規定される。従って、電流注入領域をコア層、電流狭窄領域をクラッド層と擬制し、電流狭窄層を面発光レーザ素子の横モードを規定する光導波構造と擬制することにより、光ファイバに用いられる解析、設計ソフトを用いて、光ファイバ内の電磁界分布の解析と同様の方法で、横モードの発光パターンを簡便に得ることができる。
上記計算には、光ファイバの電磁界分布の解析ソフト、例えば、ＯＰＴＩＦＩＢＥＲ（サイバネットシステム社製）を用い、電流注入領域の形状などを用いて計算することができる。
【００２５】
横モードの発光パターンを、光ファイバの横モード解析方法を適用して得る計算方法を、電流狭窄層が円形断面の電流注入領域を有する場合を例に示す。図９は、円形断面の電流注入領域を有する電流狭窄層の構成を示す斜視図である。
光ファイバの横モードを解析する場合と同様に、電流狭窄層で規定される光導波構造に、図９に示すようにｚ、ｒ、θをパラメータとする円筒座標系を適用する。
電磁界解析のために、マックスウェルの方程式より得られる波動方程式は、電界のｚ成分をＥｚとすると、
【００２６】
【数１】

【００２７】
で表される。式（１）中、ｋ_i＝２πｎ_i/λ（ｉ＝１，２）である。
この式の解を、
Ｅｚ＝Ｒ（ｒ）cos（ｌθ）expｊ（ωｔ−βｚ）
と仮定すると、式（１）はベッセル方程式となり、その解はよく知られているとおり、
Ｅｚ＝Ａ_lＪ_l（κｒ）cos（ｌθ）expｊ（ωｔ−βｚ）（ｒ≦ａ）
＝Ａ_l'Ｋ_l（γｒ）cos（ｌθ）expｊ（ωｔ−βz）（ａ≦ｒ）
Ｈｚ＝Ｂ_lＪ_l（κｒ）sin（ｌθ）expｊ（ωｔ−βz）（ｒ≦a）
＝Ｂ_l'Ｋ_l（γｒ）sin（ｌθ）expｊ（ωｔ−βz）（ａ≦ｒ）
である。ここで、Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’は振幅（定数）を、Ｊ、Ｋはベッセル関数を、ａは光導波路、即ち図９に示す電流注入領域の直径を、それぞれ表し、κ＝（ｋ₁ ²−β²）^1/2、γ＝（β²−ｋ₂ ²）^1/2である。他の電界成分Ｅ_r、Ｅθ、Ｈ_r、及びＨθは、説明は省略するが、マックスウェル方程式より求めることができる。
【００２８】
ベクトルＥ、ベクトルＨについて、境界面での連続性を考慮して、境界面でこれらが等しいとおくと下記式（２）の導波モードに関する固有値特性方程式が得られる。
【００２９】
【数２】

【００３０】
式（２）中、Δ＝（ｎ₁ ²−ｎ₂ ²）／２ｎ₁、ｋ₀＝２π／λである。
式（２）を解き、固有値解を求めることにより、横モードが決定され、κa、γaを求めることができる。そして、この値を元にベクトルＥ、ベクトルＨを計算すると、電流狭窄層で規定される光導波構造内の電磁界分布を３次元的に求めることができる。
【００３１】
これらの固有値解のうち、同じ伝搬定数を有する横モードを重ね合わせて構成される横モード（ＬＰモードなど）が実際に観測され、このような横モードについて、上部反射鏡の上面の電磁界分布を求めて、上部反射鏡の上面の発光パターンを得ることができる。
【００３２】
本発明は、好適には、横モードの発光パターンは、活性層の発光領域の形状、面発光レーザ素子を構成する各層の屈折率、メサポスト構造の径、及び上部電極に設けられているレーザ光の出射窓の径（電極窓の開口径）を変数とした計算により得られたものである。
活性層の発光領域の形状、面発光レーザ素子を構成する各層の屈折率、メサポスト構造の径、及び上部電極に設けられているレーザ光の出射窓の径を変数とした計算により、高い精度を有する、上部反射鏡の上面の発光パターンを得ることができる。
上記計算には、面発光レーザ素子の横モードの解析ソフト、例えば、ＯＰＴＩＷＡＶＥ（サイバネットシステム社製）を用いることができる。
【００３３】
本発明の好適な実施態様では、メサポストが円柱状に形成され、電流狭窄層の電流注入領域が、直径１５μｍ以上の円形領域である。
この場合、従来のリング状の上部電極を用いると、活性層に注入される電流密度の分布が不均一となるため、本発明を好適に適用することができる。
【００３４】
本発明の好適な実施態様では、メサポストが円柱状に形成され、メサポストの基板に平行な断面の直径が、２０μｍ以上である。
この場合、従来のリング状の上部電極を用いると、活性層に注入される電流密度の分布が不均一となるため、本発明を好適に適用することができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照して、実施形態例に基づいて本発明をより詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示した導電型、膜種、膜厚、成膜方法、その他寸法等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、本発明はこれら例示に限定されるものではない。
実施形態例１
本実施形態例は、本発明に係る面発光レーザ素子の実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の面発光レーザ素子の構成を示す断面図である。
【００３６】
本実施形態例の面発光レーザ素子５０は、励振される横モードをＬＰ₂₁モードに設定した、発振波長８５０ｎｍの面発光レーザ素子であって、図１に示すように、ＧａＡｓ基板５２上に、ｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ層とｎ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とからなるｎ−下部多層膜反射鏡（以下、ｎ−下部ＤＢＲと言う）５４と、発光構造層５６、電流狭窄層５８と、ｐ−ＡｌＧａＡｓ層とｐ−ＡｌＧａＡｓ層とからなるｐ−上部多層膜反射鏡（以下、ｐ−上部ＤＢＲと言う）６０と、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層６２の積層構造を備えている。
ｐ−ＧａＡｓコンタクト層６２、ｐ−上部ＤＢＲ６０、狭窄ＡｌＡｓ層５８、及び発光構造層５６は、直径が１００μｍの円柱状メサに形成されている。
電流狭窄層５８は、中央の直径５０μｍの円形領域をなすＡｌＡｓ層からなる電流注入領域５８Ａと、電流注入領域５８Ａの周囲に形成され、ＡｌＡｓ層のＡｌが選択的に酸化されてＡｌ酸化層に転換した、電気抵抗の高い電流狭窄領域５８Ｂとから構成される。
【００３７】
ｎ−下部ＤＢＲ５４を構成するｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ層及びｎ−Ａｌ_0.9ＧａＡｓ層の膜厚、並びにｐ−上部ＤＢＲを構成するｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ層及びｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層の膜厚は、それぞれ、発振波長λに対する各層の屈折率をｎλとして、λ／４ｎλに相当する厚さに設定されていて、ｎ−下部ＤＢＲ５４及びｐ−上部ＤＢＲの反射率は９９％以上である。
【００３８】
発光構造層５６は、ＡｌＧａＡｓからなる下部クラッド層５６ａと、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸からなる活性層５６ｂと、ＡｌＧａＡｓからなる上部クラッド層５６ｃとで構成されている。
電流狭窄層５８の膜厚は、７０ｎｍである。
メサはポリイミド６４等の誘電体で埋め込まれている。
【００３９】
メサの最上層を構成するｐ−ＧａＡｓコンタクト層６２上には、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層６２上に発生するＬＰ₂₁モードの発光パターンの暗部に対応させて、図２に示す形状のｐ側電極６６が形成されている。
ｐ側電極６６は４回の回転対称性を有する形状であって、発光領域を囲んで環状に設けられた環状部６６ａと、環状部６６ａの直交する２つの直径に沿って十字状に設けられ、環状部６６ａに接続する十字状部６６ｂからなる形状である。同図中、Ｌ₁はメサ径以下の大きさ、Ｌ₂はメサ径以上の大きさ、Ｌ₃は３μｍ以上の大きさであるのが好ましく、Ｌ₁＝６０μｍ、Ｌ₃＝１０μｍに設定されている。
また、ｐ側電極６６に接続して、直径１００μｍ程度の電極パッド７２が形成されている。ＧａＡｓ基板５２の裏面にはｎ側電極６８が形成されている。
【００４０】
面発光レーザ素子５０を製造する際には、先ず、ＭＯＣＶＤ法等により、ＧａＡｓ基板５２上に、順次、所要の化合物半導体層をエピタキシャル成長させて、ｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ層とｎ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とからなるｎ−下部ＤＢＲ５４、ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層５６ａ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸活性層５６ｂ、ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層５６ｃからなる発光構造層５６、ＡｌＡｓ層（５８）、ｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ層とｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とからなるｐ−上部ＤＢＲ６０、及びｐ−ＧａＡｓコンタクト層６２の積層構造を形成する。
【００４１】
次いで、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層６２、ｐ−上部ＤＢＲ６０、ＡｌＡｓ層（５８）、及び発光構造層５６をエッチングして、直径が１００μｍの円柱状メサを形成する。メサ脇には、ｐ−下部ＤＢＲ５４の最上層であるｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ層が露出している。
メサ構造の形成に際し、エッチング形状の制御性が高いことが必要であるから、メサを形成するエッチングでは、異方性エッチングが可能なドライエッチング法を適用する。ＧａＡｓ系材料の場合、エッチングガスとして、塩素系ガス、例えばＣｌ₂、ＢＣｌ₃、ＳｉＣｌ₄などを使用する。
【００４２】
次いで、メサを形成した後、ウェハーを水蒸気雰囲気で４００℃に加熱し、メサ外周より中心に向かって、ＡｌＡｓのみを選択酸化する。これにより、メサ外周部にＡｌ酸化層からなる電流狭窄領域５８Ｂを生成すると共に、メサの中央領域を元のＡｌＡｓ層（５８）のまま残して電流注入領域５８Ａを形成する。
次いで、メサをポリイミド６４で埋め込む。
【００４３】
続いて、ポリイミド６４上及びｐ−ＧａＡｓコンタクト層６２上に、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層６２の上面に発生するＬＰ₂₁モードの発光パターンの暗部に対応させて、図２（ｂ）に示す形状のｐ側電極６６、及びｐ側電極６６に接続する電極パッド７２を形成する。
ｐ側電極６６の形状の設定に当って、予め、素子の設計段階において、面発光レーザ素子の横モードの解析ソフトであるＯＰＴＩＷＡＶＥ（サイバネットシステム社製）を用い、活性層の発光領域の形状、面発光レーザ素子を構成する各層の屈折率、メサの直径、ｐ側電極６６のレーザ光の出射窓の径Ｌ₁などの数値を入力して、励振される横モードとしてＬＰ₂₁モードを、またＬＰ₂₁モードによりｐ−ＧａＡｓコンタクト層６２上に発生する発光パターンの形状として図２（ａ）に示す形状を算出した。具体的な計算方法については、前述の通りである。
そして、図２（ａ）に示した発光パターンの暗部の形状に一致するように、図２（ｂ）に示したｐ側電極６６の形状を設定した。
【００４４】
ＧａＡｓ基板５２の裏面にｎ側電極６８を形成することにより面発光レーザ素子５０を完成することができる。
【００４５】
本実施形態例の面発光レーザ素子５０によれば、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層６２の上面に発生するＬＰ₂₁モードの発光パターンの暗部に一致する形状のｐ側電極６６を形成することにより、出射光を遮ることなく、レーザ光の出射窓の中央近傍にもｐ側電極６６を形成する。
これにより、活性層５６ｂに注入される電流密度を均一化し、電流密度の分布の変動も抑制することができる。また、ＬＰ₂₁モードを安定して発振させることができる。
従って、メサポスト及び電流注入領域の径を大きくして発光領域を拡大し、安定した横モードで、高いレーザ光出力を有する面発光レーザ素子を得ることができる。
【００４６】
尚、電流狭窄の方法については、メサを形成した後、特願２００２−３２３５２０号に記載されている製造方法を用いて、メサを上面に有するウエハをエッチャント、例えばアンモニウム塩の水溶液等の有機アルカリ溶液に浸漬して、ＡｌＡｓ層（５８）を周囲から選択的にエッチングして、狭窄ＡｌＡｓ層を形成する方法を用いても構わない。
【００４７】
実施形態例２
本実施形態例は、本発明に係る面発光レーザ素子の実施形態の別の一例であって、本実施形態例の面発光レーザ素子は、励振される横モードをＬＰ₂₁モードに代えて、ＬＰ₁₁モードに設定したこと、及びｐ側電極６６の形状が異なることを除いては、基本的な構成は実施形態例１に示した面発光レーザ素子５０と同じである。
活性層の発光領域の形状、面発光レーザ素子を構成する各層の屈折率、メサの直径、ｐ側電極６６のレーザ光の出射窓の径のうちの少なくとも一つを変えることによって面発光レーザ素子の励振される横モードを変えることができる。
【００４８】
本実施形態例では、素子の設計段階において、実施形態例１と同じ横モードの解析ソフトを用いて、所定の数値を入力して、励振される横モードとしてＬＰ₁₁モードを、またＬＰ₁₁モードによりｐ−ＧａＡｓコンタクト層６２上に発生する発光パターンの形状として図３（ｂ）に示した形状を算出した。
ｐ側電極７４は、図３（ｂ）に示したＬＰ₁₁モードの発光パターンの暗部の形状に一致する形状であって、図４（ａ）に示すように、発光領域を囲んで環状に設けられた環状部７４ａと、環状部７４ａの直径に沿って帯状に設けられ、環状部７４ａに接続する帯状部７４ｂとから構成される。
【００４９】
本実施形態例の変形例として、励振される横モードをＨＥ₂₁モードに設定した場合、ｐ側電極として、図３（ｄ）に示したＨＥ₂₁モードの発光パターンの暗部の形状に一致する形状であって、図４（ｂ）に示すように、発光領域を囲んで環状に設けられた環状部７６ａと、発光パターンの中央近傍の暗部に一致する形状の円形部７６ｂと、環状部７６ａと円形部７６ｂとを接続し導通する帯状の引出し部７６ｃとから構成される電極７６を設ける。
ＨＥ₁₁モード、ＨＥ₃₁モードも同じ発光パターンの形状を有しているため、励振される横モードをＨＥ₁₁モード、又はＨＥ₃₁モードに設定した場合にも、ｐ側電極７６と同じ形状の電極を設けることができる。
【００５０】
また、励振される横モードをＨＥ₁₂モードに設定した場合、ｐ側電極として、ＨＥ₁₂モードの発光パターンの暗部の形状（図示せず）に一致する形状であって、図５（ａ）に示すように、発光領域を囲んで環状に設けられた外環状部７８ａと、発光パターンの中央近傍の暗部に一致するように環状に設けられた内環状部７８ｂと、外環状部７８ａと内環状部７８ｂとを接続し導通する帯状の引出し部７８ｃとから構成される電極７８を設ける。
【００５１】
励振される横モードをＨＥ₁₂モードとＥＨ₁₁モードとの重ね合わせであるＨＥ₁₂＋ＥＨ₁₁モードに設定した場合、ｐ側電極として、ＨＥ₁₂＋ＥＨ₁₁モードの発光パターンの暗部の形状（図示せず）に一致する形状であって、図５（ｂ）に示すように、発光パターンの中央近傍に発光領域の形状に一致する円形の孔８０ａを有する略楕円形状の電極８０を設ける。
この場合、略楕円形状のｐ側電極８０の両側も発光領域となっている。
【００５２】
励振される横モードをＨＥ₁₂モードとＥＨ₁₁モードとＥＨ₃₁モードとの重ね合わせである２ＨＥ₁₂−ＥＨ₁₁＋ＥＨ₃₁モードに設定した場合、ｐ側電極として、２ＨＥ₁₂−ＥＨ₁₁＋ＥＨ₃₁モードの発光パターンの暗部の形状（図示せず）に一致する形状であって、図５（ｃ）に示すように、４回の回転対称性を有する形状で、発光パターンの中央近傍に発光領域の形状に一致する円形の孔８２ａを有し、四方に突出した突起を有する形状の電極８２を設ける。
この場合、ｐ側電極８２の突起形状に挟まれる、ｐ側電極８２の外側の領域も発光領域となっている。
【００５３】
本実施形態例では、励振される横モードに対応して、それぞれ励振される横モードの発光パターンの暗部の形状に一致する形状のｐ側電極を設けることにより、出射光を遮ることなく、レーザ光の出射窓の中央近傍にもｐ側電極を形成する。このように、実施形態例１と同様の効果を得ることができる。
【００５４】
【発明の効果】
レーザ光がレーザ光の励振される横モードに対応して、上部反射鏡の上面に形成する発光パターンの暗部の形状と一致する平面形状に、上部電極が形成されていることにより、電極が出射光を遮ることなく、レーザ光の出射窓の中央近傍にも上部電極を形成し、活性層に注入される電流密度を均一化し、電流密度の分布の変動も抑制することができる。また、特定の横モードを安定して発振させることができる。
従って、メサポスト及び電流注入領域の径を大きくして発光領域を拡大し、安定した横モードで、高いレーザ光出力を有する面発光レーザ素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例の面発光レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図２】（ａ）はＬＰ₁₁モードに対応する発光パターンを示す平面図であり、（ｂ）は実施形態例の面発光レーザ素子のｐ側電極及びその近傍を示す平面図である。
【図３】（ａ）はＬＰ₀₁モード（ＨＥ₁₁モード）に対応する発光パターンを、（ｂ）はＬＰ₁₁モードに対応する発光パターンを、（ｃ）はＬＰ₂₁モードに対応する発光パターンを、（ｄ）はＨＥ₂₁モードに対応する発光パターンをそれぞれ示す平面図である。
【図４】（ａ）は、実施形態例２のＬＰ₁₁モードに対応するｐ側電極を、（ｂ）は実施形態例２のＨＥ₂₁モードに対応するｐ側電極をそれぞれ示す平面図である。
【図５】（ａ）は、実施形態例２のＨＥ₁₂モードに対応するｐ側電極を、（ｂ）は実施形態例２のＨＥ₁₂＋ＥＨ₁₁モードに対応するｐ側電極を、（ｃ）は実施形態例２の２ＨＥ₁₂−ＥＨ₁₁＋ＨＥ₃₁モードに対応するｐ側電極をそれぞれ示す平面図である。
【図６】特許文献１に開示されている面発光レーザ素子を示す断面図である。
【図７】特許文献１に開示されている面発光レーザ素子のｐ側電極の形状を示す平面図である。
【図８】従来の面発光レーザ素子のメサポストの近傍を簡潔に示す断面図である。
【図９】円形断面の電流注入領域を有する電流狭窄層の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０……特許文献１に開示の面発光レーザ素子、１２……ｎ型ＧａＡｓ基板、１４……下部ＤＢＲ共振器（下部反射鏡層構造）、１６……下部クラッド層、１８……活性層、２０……上部クラッド層、２２……上部ＤＢＲ共振器（上部反射鏡層構造）、２４……キャップ層、２６……ｐ型ＡｌＡｓ層、２８……Ａｌ酸化層、３０……メサポスト（柱状構造）、３２……ＳｉＮｘ膜、３４……ｐ側電極、３６……ｎ側電極、３８……金属膜、３９……出射窓、４０……発光領域、４２……暗部、４４……電流の経路、５０……実施形態例の面発光レーザ素子、５２……ＧａＡｓ基板、５４……ｎ−下部ＤＢＲ、５６……発光構造層、５６ａ……下部クラッド層、５６ｂ……活性層、５６ｃ……上部クラッド層、５８……電流狭窄層、５８Ａ……電流注入領域（ＡｌＡｓ層）、５８Ｂ……電流狭窄領域（Ａｌ酸化層）、６０……ｐ−上部ＤＢＲ、６２……ｐ−ＧａＡｓコンタクト層、６４……ポリイミド、６６……ｐ側電極、６８……ｎ側電極、７２……電極パッド、７４……ｐ側電極、７４ａ……環状部、７４ｂ……帯状部、７６……ｐ側電極、７６ａ……環状部、７６ｂ……円形部、７６ｃ……引出し部、７８……ｐ側電極、７８ａ……外環状部、７８ｂ……内環状部、７８ｃ……引出し部、８０……ｐ側電極、８０ａ……孔、８２……ｐ側電極、８２ａ……孔。

Claims

基板上に、順次、積層された半導体多層膜の下部反射鏡、活性層、及び半導体多層膜の上部反射鏡と、前記上部反射鏡上の一部に形成された上部電極と、前記上部反射鏡中に形成され、前記上部電極から前記活性層に注入される電流経路を規定する電流注入領域、及び前記電流注入領域を囲んで設けられた電流狭窄領域から構成される電流狭窄層とを有し、
少なくとも前記上部反射鏡及び前記活性層がメサポスト構造として形成され、
電流注入により前記上部反射鏡の上面から前記基板と垂直にレーザ光を放射する面発光レーザ素子において、
前記上部電極が、前記上部反射鏡の上面に発生する横モードの発光パターンの暗部の形状と一致する平面形状に形成されていることを特徴とする面発光レーザ素子。
前記横モードが、ＴＥモード、ＴＭモード、ＨＥモード、及びＬＰモードのうちの何れかであることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
前記横モードの発光パターンは、前記電流注入領域をコア層、前記電流狭窄領域をクラッド層と擬制し、光ファイバの横モード解析方法を適用して得られたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光レーザ素子。
前記横モードの発光パターンは、前記活性層の発光領域の形状、前記面発光レーザ素子を構成する各層の屈折率、前記メサポスト構造の径、及び前記上部電極に設けられている前記レーザ光の出射窓の径を変数とした計算により得られたものであることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ素子。
前記メサポストが円柱状に形成され、前記電流狭窄層の電流注入領域が、直径１５μｍ以上の円形領域であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。
前記メサポストが円柱状に形成され、前記メサポストの前記基板に平行な断面の直径が、２０μｍ以上であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の面発光レーザ素子。