JP4656041B2 - 面発光型半導体レーザ及び面発光型半導体レーザアレイ - Google Patents

Description

本発明は、光ディスクやレーザプリンタ、レーザディスプレイなどの光源に使用する面発光型半導体レーザと面発光型半導体レーザアレイに関する。

面発光レーザの光出力をモニターする方法として、レーザ素子のパッケイジの光出射窓にビームスプリッターを設け、これで分岐した光をパッケイジ内に設けた受光素子でモニターする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この方法では、レーザのパッケイジが特殊な構造になり、汎用品が使用できないのでコストが高くつき、また、ビームスプリッターと比較的面積の大きい受光素子使用するためコストが高いという問題がある。また、この方法では、面発光レーザがマルチビームの場合、各々の光出力を個々にモニターすることができないという問題や、全体のサイズをコンパクトにできないなどの問題から、フォトディテクターを面発光レーザにモノリシックに形成する技術が望まれている。

モノリシックにフォトディテクターを形成する方法としては、面発光レーザの構造層の上に受光素子を積層する方法と、面発光レーザの横に受光素子を並列的に形成する方法とが提案されている。

面発光レーザの構造層の上に受光素子を積層する方法として、初めにＵＳＰ−５１３６６０３が提案された。これは、面発光レーザの表面側のｐ型ＤＢＲ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ミラー層上に、ｉ型層とｎ型層を順次積層し、柱状のｐｉｎフォトディテクターを形成し、これを通して光を出射してレーザ光出力をモニターする。しかし、この構造では、ｐｉｎフォトディテクターがＤＢＲミラー周期構造を壊し、反射率が低下する問題が起こる。また、ｐ型ＤＢＲに形成されたｐ型電極は、柱状のｐｉｎフォトディテクターの外側を取り囲むリング形状を持つために、この電極より注入される電流は活性層の発光部の外周部に集中し、出射光の強度分布が単峰性の凸形状になりにくく、高次の横モードが立つ。これは光ディスクやレーザプリンターなどの光源に使用できないという問題が引き起こす。

ＵＳＰ−５７５７８３７では、上記ＵＳＰ−５１３６６０３を改良し、イントラキャビティ型面発光レーザの表面側のＤＢＲミラーの中に、イントラキャビティ型のｐｉｎフォトディテクターを埋め込んだ構造が提案された。レーザ構造はイントラキャビティ構造なので、図１５（ａ）に示すように、基板表面側のレーザ駆動電極（ｐ型電極５０）は上側のスペーサ層１６かＤＢＲミラー１７の途中に形成される。レーザ駆動のｎ型電極２１は基板の裏面に形成される。

ｐｉｎフォトディテクターは、光吸収層となる量子井戸が８０Å−Ｇａ_0.8Ｉｎ_0.2Ａｓで構成され、これがＧａＡｓスペーサ層でサンドウィッチされ、さらにλ／４厚さの積層構造のＤＢＲミラーでサンドウィッチされている。このフォトディテクターは、レーザ駆動用のｐ型電極５０をフォトディテクターのｐ型電極として共用し、最表面に形成したフォトディテクター用のｎ型電極５２との間に電源５４によって逆バイアスを印加して、電流計５６によってレーザの光量をモニターする。

この特許では、面発光レーザの構造をイントラキャビティ型にすることにより、レーザの駆動電流がフォトディテクターに流れない構造とすることができる。しかし、このフォトディテクターをモノリシックに形成したイントラキャビティ型面発光レーザは、次のような問題点を持っている。

イントラキャビティ型面発光レーザでは、上側のＤＢＲミラーのポスト形状の外側にｐ型電極５０が形成されるので、そのｐ型電極５０のリングの穴が大きくなる。そのため、このｐ型電極５０から活性層へ注入される電流は発光部の外周部に集中する。このために、横モードが高次モードになりやすく、単峰性の光強度分布を得にくいという欠点がある。これをある程度避けるために、電流経路の径が小さい電流狭窄構造を、スペーサ層の中かあるいはスペーサ層に近いＤＢＲミラーの中に作り込むのが一般的であるが、それでもこの電流経路の外周に電流は集中し、発光部はその外周部に集中する問題はなくならない。また、ｐ型電極から活性層へ注入される電流は、水平方向への移動となり、電気抵抗が大きくなるという欠点もある。特に、ｐ型電極がスペーサ層に形成された場合は、電流は狭いスペーサ層を水平に移動することになり抵抗値が大きくなる。

また、このイントラキャビティ型面発光レーザでは、フォトディテクターのｐｉｎ構造は量子井戸構造を有しているので、量子井戸で光吸収により発生したフォトキャリアは量子井戸の中に閉じ込められ、外部へ取り出しにくいという欠点がある。そのために、その電流値はフォトディテクターへの逆バイアスの電圧に大きく依存する。従って、レーザ光を正しくモニターするためには、フォトディテクターのｐ型電極５０とｎ型電極５２に印加する電圧を一定に保持しなければならない。つまり、図１５（ａ）に示すように、レーザとフォトディテクターの共用ｐ型電極５０の電位を共通電極（接地）とし、フォトディテクターのｎ型電極５２に一定の逆バイアス電圧を印加した状態で、レーザ駆動のｎ型電極２１の電位を操作してレーザを駆動することになる。図３（ｂ）に、このフォトディテクターを備えた面発光レーザの等価回路を示す。シングルビームレーザの場合では、この駆動方法で問題はないのであるが、マルチビームレーザの場合では、一般にはｎ型ＤＢＲミラーが電気的に接続されているので、この駆動方法では全てのレーザが同時に駆動されてしまう問題があり、採用できない。この問題を避ける方法としては、図１５（ｂ）に示すように、レーザを半絶縁性基板５８の上に成長し、各々のレーザをエッチングなどにより孤立化させる必要がある。しかし、その場合には作製プロセスが複雑で、狭ピッチで面発光レーザを配列できないという深刻な問題がある。

面発光レーザの横に受光素子を並列的に形成する方法としては、ＵＳＰ−５７４８６６１が提案されている。この特許では、柱状の面発光レーザを取り囲むように、円筒状のフォトディテクターを形成し、面発光レーザから漏れ出た自然放出光を検出する。この方法では、レーザ発振している光ではなく、レーザ発振に寄与していない自然放出光を検出するために、レーザ発振に至るまでは注入電流の増加とともに検出される光量は増加するが、一旦レーザ発振すると、注入電流が増加しても、自然放出光はほとんど増加しないという欠点がある。従って、レーザ光の光量増加に対して、光量モニターの電流値の増加は極わずかで、モニターリングが適正にできない。また、フォトディテクターが面発光レーザと同じｐｉｎ構造を有するために、ｉ層である活性層に発生したキャリアはポテンシャル井戸に閉じ込められた構造となり、外部に取り出しにくいという大きな欠点を持つ。特に、自然放出光の強度は小さいので、その光によりフォトディテクターに発生する電流値は小さく、その検出は困難である。
特開平８−３３０６６１号

以上、説明したように、ＵＳＰ−５７５７８３７のように、ｐｉｎフォトディテクター構造をイントラキャビティ型面発光レーザの積層構造の中にモノリシックに作製する方法では、フォトディテクターの挿入位置は、レーザ活性層に電流を流す一対のレーザ駆動電極よりも活性層から遠い位置に形成されるために、面発光レーザはイントラキャビティ構造となり、レーザ駆動電極はフォトディテクターの外側を取り囲むリング状の電極形状となる。このため、レーザ駆動電流は活性層の発光部の外周部分に電流が集中し、出射光の強度分布が単峰性のシングルモードではなくマルチモードになりやすいという問題があった。また、同時に電流経路が水平方向や斜め方向となり、その電気抵抗が高くなったり、作製プロセスが複雑になったり、レーザ性能を低下させるなどの問題があった。また、ＤＢＲミラーの積層構造の中に挿入された従来のｐｉｎフォトディテクターは量子井戸構造などのダブルヘテロ構造になっており、光吸収により発生した電流が外部に取り出しにくいという問題があった。同時にフォトディテクターから外部に取り出される電流値は、フォトディテクターに印加された逆バイアス電圧に大きく依存するため、この逆バイアス電流を一定に保つ必要があり、レーザ用ｐ型電極（フォトディテクターのｐ型電極でもある）を共通電極として接地し、フォトディテクター用ｎ型電極の電位を一定に固定した条件で、レーザ駆動用の基板裏面のｎ型電極によりレーザを駆動しなければならなかった。そのために、マルチビームレーザの場合には、レーザ結晶を半絶縁性基板の上に成長した後、エッチングなどにより各レーザ素子を孤立化しなければならず、その作製プロセスと電極配線構造が複雑で、狭ピッチのレーザアレイを作製できないという問題があった。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、面発光レーザの性能を落とすことなく、レーザの光出力を容易にかつ高速にモニターできる光検出器を備えた面発光型半導体レーザを提供することにある。また、本発明の他の目的は、簡易な構成で各レーザの光出力をモニターできる光検出器を備えた面発光型半導体レーザアレイを提供することにある。

本発明者等は、鋭意検討した結果、下記手段により上記課題が解決できることを見出した。

すなわち、本発明の請求項１に記載の面発光型半導体レーザは、活性層、該活性層を挟む一対のスペーサ層、該一対のスペーサ層を挟む一対のＤＢＲミラー、及び少なくとも前記一対のスペーサ層を含む領域を挟んで形成された一対のレーザ駆動電極を有し、該レーザ駆動電極に電圧を印加することにより、レーザ光を出力する面発光型半導体レーザにおいて、前記一対のＤＢＲミラー間に前記活性層に対し共振方向に積層されると共に、前記一対のＤＢＲミラーで構成されたレーザ共振器の中心部に開口を有し且つ前記レーザ共振器内を導波するレーザ光が前記開口の周囲を通過するように配置されて、前記活性層より発せられたレーザ光を吸収しキャリアを発生する受光部と、該受光部で発生したキャリアを取り出す受光部電極と、を有する光検出器を備えたことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記受光部と前記受光部が接する面発光型半導体レーザの構成層との界面に、ｐｎ接合かあるいはｐｉｎ接合を形成することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記受光部は第１の導電型の部位を有し、前記受光部が接する前記面発光型半導体レーザの構成層は第２の導電型の部位を有していることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１から３までのいずれか１項に記載の発明において、前記受光部は、レーザ光を吸収する光吸収層と、前記光吸収層に発生したキャリアを受光部電極に輸送する導電性の電荷輸送層と、で構成されることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記光吸収層はノンドープのｉ層であり、前記受光部電極が前記電荷輸送層と電気的に接続されていることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１から５までのいずれか１項に記載の発明において、前記受光部は、前記一対のレーザ駆動電極により流れる電流の経路に挿入されていることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記受光部は第１の導電型の部位を有し、前記一対のＤＢＲミラーの一方のＤＢＲミラーは第２の導電型を有し、前記受光部が、第２の導電型の前記ＤＢＲミラーと該ＤＢＲミラーに接するスペーサ層との界面に挿入されるように形成されていることを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記受光部は第１の導電型の部位を有し、前記一対のスペーサ層の一方のスペーサ層は第２の導電型の部位を有し、前記受光部が、前記スペーサ層の第２の導電型の部位と該部位に接する前記スペーサ層の他の部位又はＤＢＲミラーとの界面に挿入されるように形成されていることを特徴とする。
請求項９に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記受光部は第１の導電型の部位を有し、前記一対のスペーサ層の一方のスペーサ層は第２の導電型の部位を有し、前記スペーサ層の第２の導電型の部位に接するＤＢＲミラーは第２の導電型を有し、前記受光部が、前記スペーサ層の第２の導電型の部位と該部位に接する前記第２の導電型のＤＢＲミラーとの界面に挿入されるように形成されていることを特徴とする。

請求項１０に記載の本発明の面発光型半導体レーザアレイは、本発明の面発光型半導体レーザの複数を、同一基板上にアレイ状に配列した面発光型半導体レーザアレイであって、前記複数の面発光型半導体レーザの全部に対して複数の受光部が一体に形成され、前記複数の受光部が電気的に接続され、該複数の受光部の各々で発生したキャリアを取り出す受光部電極が設けられた、単一の光検出器を備えたことを特徴とする。または、請求項１１に記載の本発明の面発光型半導体レーザアレイは、本発明の面発光型半導体レーザの複数を、同一基板上にアレイ状に配列した面発光型半導体レーザアレイであって、前記複数の面発光型半導体レーザの各行毎に複数の受光部が一体に形成され、各行毎に、一体に形成された複数の受光部が電気的に接続され、該複数の受光部の各々で発生したキャリアを取り出す受光部電極が設けられた、複数の光検出器を備えたことを特徴とする。

請求項１２に記載の発明は、請求項１０又は１１に記載の発明において、前記基板に設けられ共通電極となる一方のレーザ駆動電極と、該レーザ駆動電極と対をなし駆動回路に接続されたレーザ駆動電極と、受光部に逆バイアスを印加した状態で受光部電極を所定の電位に保つための電源と、を設けたことを特徴とする。

本発明の面発光型半導体レーザでは、活性層から放出される光量をモニターするために、活性層よりバンドギャップの小さい材料で構成した受光部を面発光型半導体レーザの導波路内に形成するが、その受光部には開口が設けてあり、その開口を光導波路の中心線付近に配置させる。これにより、光強度の大きい導波路の中心線付近では、通常の面発光型半導体レーザの積層構造を有し、その導波路の周辺部分のみに受光部が存在する構造となる。

この受光部を第１の導電型（仮にｎ型とする）とし、これを埋め込む面発光型半導体レーザの構成層を第２の導電型（ｐ型）とする。これにより、受光部と周辺層との界面にｐｎ接合界面が形成される。また、受光部をｉ層（光吸収層）と第１の導電型の電荷輸送層とで構成すると、その界面にはｐｉｎ接合界面が形成され、ｉ層の光吸収が大きいために、光吸収層に発生する電流も大きく、光モニターの感度を高くすることができる。

受光部の一部は面発光型半導体レーザの導波路の外部にまで広がっており、その部分に受光部電極を設ける。受光部は活性層から放出された光量を受光してキャリアを発生するが、このキャリアを受光部電極により取り出すことにより、面発光型半導体レーザの内部の光強度をモニターすることができる。面発光型半導体レーザの内部の光強度は、外部に出射される光強度と対応しているので、本発明の構成により、面発光型半導体レーザの光出力を逐次モニターすることができる。

本発明では、開口を有する受光部は、面発光型半導体レーザの構成層との界面にｐｎ接合かｐｉｎ接合界面を形成しているので、面発光型半導体レーザの構成層の中を流れる電流にとっては、ポテンシャル障壁を形成しており、電流を阻止する働きをする。したがって、その開口をレーザの駆動電流の経路に配置すれば、受光部の開口のみに電流を流すことができる。従って、活性層を挟むスペーサ層の内部や外部に、受光部を形成することで、その開口の直下あるいは直上の活性層の部分にのみ電流を集中させることができ、レーザの高性能化に貢献することができる。

本発明の受光部は光導波路の中心部付近に開口を有するので、ＤＢＲミラーの反射率を低下させることがない。即ち、レーザの性能を低下させることなく、レーザの光量をモニターすることが可能となった。

本発明のフォトディテクターは、従来例ＵＳＰ−５７５７８３７のように、量子井戸構造にする必要はなく、フォトキャリアが井戸に閉じ込められることを避けられる。従って、フォトディテクターから取り出される電流は、フォトディテクターへの逆バイアス電圧には依存せず一定であり、安定して光量をモニターできる特徴がある。逆バイアス電圧はフォトディテクターから取り出す電流の速度に影響を与える。

本発明では、フォトディテクターに印加される逆バイアスは、レーザ用ｎ電極とフォトディテクター用のｐ型電極の電位で決定されており、レーザ駆動用ｐ電極の電位変化とは関係ない。これは、ｎ型基板裏面全面もレーザ駆動用ｎ型電極を形成した面発光型半導体レーザでは、ｐ型ＤＢＲミラーの電気抵抗が支配的であり、ｎ型ＤＢＲミラーの電気抵抗が無視できるからである。即ち、ｎ型ＤＢＲミラーの電気抵抗率はｐ型ＤＢＲミラーの電気抵抗率の１／１０程度であり、かつ電流の流れる断面積がｎ型ＤＢＲミラーはｐ型ＤＢＲミラーの１００倍以上大きくできるので、ｎ型ＤＢＲミラーの電気抵抗値はｐ型ＤＢＲミラーの１／１０００以下となるのである。従って、レーザ駆動用ｐ型電極の電位に拘わらず、フォトディテクターにはほぼ一定の逆バイアスが印加されるので、常に、精度よくレーザ光量をモニターすることができる。

図２（ａ）に示すように、ｎ型基板の裏面に形成したレーザ駆動用ｎ型電極を接地し、フォトディテクターのｎ型電極の電位をある一定値に固定するだけで、精度よくレーザ光量をモニターすることができる。本発明と従来技術との回路構成図を図３に示す。図３から、本発明と従来技術とでは接地する共通電極の位置が異なることが一目瞭然に分かる。

また、図２（ｂ）に示すように、マルチビームレーザにおいても、シングルビームレーザの場合と同様に、ｎ型基板の裏面を共通電極とし、かつフォトディテクター用のｎ型電極の電位をある一定値に固定した状態において、各々のレーザのｐ型ＤＢＲミラーを独立駆動すると、各レーザの光出力をモニターすることができる。

また、マルチビームレーザの場合、受光部を個々のレーザで孤立化させず、全面に広がった構造あるいは電気的に接続された構造とすることにより、全面に広がった受光部に対して設けられた１個の受光部電極と、１個の駆動回路とで、全てのレーザの光出力を正しくモニターすることができる。構造が簡易で、低コストを実現することができる。

本発明によれば、面発光レーザの性能を落とすことなく、レーザの光出力を容易にかつ高速にモニターできる光検出器を備えた面発光型半導体レーザが提供される。また、簡易な構成で各レーザの光出力をモニターできる光検出器を備えた面発光型半導体レーザアレイが提供される。

以下、本発明の面発光型半導体レーザの実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザは、図１に示すように、面発光型半導体レーザのｐ型ＤＢＲ層１７とスペーサ層１６との間に受光部となるｎ型ＧａＡｓ光吸収層を挿入したｐｎ接合フォトディテクター（ＰＤ）を備えている。以下、その構造を製造工程に従い説明する。

図４（ａ）に示すように、導電性のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ基板１１の上に、ｎ型ＧａＡｓバッファー層１２（０．２μｍ厚さ、キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³）、ｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ／Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓＤＢＲミラー１３（５７．６ｎｍ／６４．５ｎｍ ×４０．５周期、但し、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ上側／Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ下側の配置、キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³）、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓスペーサー層１４（９８．２ｎｍ、ノンドープ）、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ（量子井戸層／障壁層８ｎｍ／５ｎｍ×３周期、ノンドープ）の活性領域１５、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓスペーサー層１６（９８．２ｎｍ）、ｎ型ＧａＡｓ光吸収層１（１００ｎｍ厚さ、キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³）を順次積層する。なお、面発光型半導体レーザ構造の結晶成長にはＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いた。

Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ スペーサー層１６（９８．２ｎｍ）は、図５に示すように、活性領域１５に接するノンドープのスペーサ層１６ａ（５８．２ｎｍ）とその上のｐ型スペーサ層１６ｂ（４０ｎｍ、キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³）で構成した。

積層後のサンプルをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、図４（ｂ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ光吸収層１の中央付近をエッチングにより除去し、直径Φ５μｍの円形形状の開口部２を形成する。さらに、この光吸収層１の上に、ＳｉＯ₂絶縁膜３（０．１μｍ厚さ）をプラズマＣＶＤ法により成膜し、このＳｉＯ₂絶縁膜３に開口部２より大きい直径Φ２０μｍの開口部をエッチングにより形成し、光吸収層１の一部を表面に露出させる。

このサンプルを再び、ＭＯＣＶＤ装置の中にセットし、図４（ｃ）に示すように、サンプル表面に順次、ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ／Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓＤＢＲミラー１７（６４．５ｎｍ／５７．６ｎｍ×３０周期、キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³）、ｐ型コンタクト層１８（９ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁹／ｃｍ³）を成長する。

ｐ型ＤＢＲミラー１７は、図５に示すように、ｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層１７ａを下側とし、ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ１７ｂを上側として３０周期成長した。ＳｉＯ₂膜３の上には結晶が成長しないので（選択成長）、図４（ｃ）に示す形状にｐ型ＤＢＲミラー１７を積層することができる。

ＤＢＲミラー１３，１７のそれぞれの積層界面は組成を徐々に変化させたグレーデッド層にし、電気抵抗を低減した。また、ＤＢＲミラー１３，１７の各層の厚さｔ_iは、レーザ波長λ（ここでは７８０ｎｍ）の光に対して、ｔ_i＝λ／（４・ｎ_i）を満足するようになっており（ｎ_iは各層の屈折率）、スペーサ層１６を挟むＤＢＲミラー１３，１７は各々９９．５％程度以上の高反射率が達成されている。また、スペーサ層１６と活性領域１５は、波長λの光路長を持つように設計されており、２枚のＤＢＲミラーがレーザ共振器ミラーの役割を果たしている。

次に、図４（ｄ）に示すように、ＳｉＯ₂膜３をエッチングにより除去し、レーザ活性領域１５に電流を注入するための電極として、ｎ型電極２１（ＡｕＧｅ合金）をｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面全面に形成し、ｐ型電極２２（ＡｕＺｎ合金）をｐ型コンタクト層１８の表面の光出射口Φ５μｍ以外の部分に形成し、ｎ型ＧａＡｓ光吸収層１内に発生した電子を取り出すためのＰＤ電極２３（ＡｕＧｅ合金）を光吸収層１の上に形成した。これらの電極は蒸着法により厚さが３００ｎｍになるように成膜し、図４（ｅ）に示す構造とした。このＰＤ電極２３を電流計５６を介して電源５４に接続することにより、図１に示すフォトディテクター付きの面発光型半導体レーザを得た。

次に、この面発光型半導体レーザに設けられたフォトディテクターの動作原理について説明する。

図５において、光吸収層１はｎ型導電型であり、周囲のスペーサ層１６ｂとＤＢＲミラー１７ａはｐ型であるので、その接合界面はｐｎ接合となる。また、その接合界面近傍にはキャリアが存在しない空乏領域ができる。各層のキャリア濃度とバンドギャップから空乏領域の幅は約５０ｎｍとなり、光吸収層１内に形成される空乏層の幅は約２５ｎｍで上下合わせると５０ｎｍとなる。本実施形態では、光吸収層１の膜厚を１００ｎｍと設定したので、空乏層以外の厚さは５０ｎｍある。光吸収層１に発生したキャリアはこのｎ型導電型の光吸収層１内を移動し、高速にＰＤ電極２３から引き出すことができる。

光吸収層１にはΦ５μｍの開口部２が設けられている。そのために、面発光型半導体レーザの導波路内において、光強度の強い導波路の中心線近傍の領域には光吸収層１は存在せず、光強度の弱い導波路の周縁部分にのみ光吸収層１は存在する。従って、出射光の強度をほとんど弱めることなく、光吸収層１で光を吸収し、光量検出のための電流を発生させることができる。

ＤＢＲミラー１３，１７の反射率は通常９９．５％以上あるので、出射光強度が１ｍＷの場合には、活性領域１５の光強度は約２００ｍＷとなる。光量分布が図６に示すようにガウシアン分布であるとして、光吸収層１を通過する光量を見積もると、その光量は全体２００ｍＷの少なくとも１／１００以上の２ｍＷとなる。即ち、光吸収層の受光部を通過する平均光量Ｐ₀は２ｍＷになると考えてよい。

光吸収層の光吸収面をΦ５μｍ−Φ７μｍのリング形状とする。また、光吸収層内に形成される空乏領域の全幅ｔは、上記のようにｔ＝５０ｎｍである。さらに、波長７８０ｎｍの光に対するＧａＡｓの吸収係数αは、α＝０．８μｍ^-1である。一方、ＧａＡｓの光電変換効率は８０％以上と見積もることができるので、光吸収層に発生するエネルギーＰ_abは、下記式
Ｐ_ab＝Ｐ₀（１−ｅｘｐ（−α・ｔ））×０．８
で表せる。この式に上記の数値を代入すると、Ｐ_ab＝６４μＷとなる。

吸収した光の波長は７８０ｎｍ（１．６ｅＶ）なので、これを電流値に換算すると、光吸収層１に発生する電流値の大きさは４０μＡとなる。この値は電流計で充分に検出できる値である。従って、図１に示すように、ｎ型電極２１をグランドに接地し、ＰＤ電極２３に電源５４により逆バイアスとして＋５Ｖ程度印加すれば、光吸収層に発生したキャリアを高速で引き出すことができ、この時の電流値を電流計５６でモニターすることによりレーザービームの光出力をモニターすることができる。この時、通常は、ｐ型電極２２には面発光型半導体レーザの駆動電圧として、＋２〜３Ｖ程度が印加されている。また、等価回路は図３（Ａ）に示すようになる。

以上のように、本実施形態に係る面発光型半導体レーザは、その構造内に設けられたフォトディテクターを利用して光出力をモニターすることができる。

また、本実施形態における光吸収層１は、電流狭窄層としての役割も果たしている。上述したように、光吸収層１はこれに接するｐ型スペーサ層１６ｂとｐ型ＤＢＲミラー１７ａとの界面にｐｎ接合界面を形成する。このｐｎ接合界面のｎ型層（光吸収層１）は、ｐ型ＤＢＲミラー１７ａを流れる正孔にとっては、ポテンシャル障壁として働く。従って、ｐ型電極２２からｐ型ＤＢＲミラー１７ａを経由して活性領域１５に向かって流れる電流は、光吸収層１を通過せずに、光吸収層１の存在しない開口部２に集中的に流れる。このように、光吸収層１は電流を導波路の中心線付近だけに流す電流狭窄の働きもしている。これは、面発光型半導体レーザの低しきい値電流化、高効率化などの高性能化に寄与する。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る面発光型半導体レーザの構造を図７（ｅ）に示す。本実施形態に係る面発光型半導体レーザは、受光部をノンドープのＧａＡｓ光吸収層１とｎ型ＧａＡｓ電荷輸送層４の２層構成とした以外は、第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザと同様の構造を有している。すなわち、光吸収層１をｉ層としてｐｉｎ接合界面を形成した例である。以下、その構造を製造工程に従い説明する。

図７（ａ）に示すように、第１の実施形態の場合と全く同様に、導電性のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ基板１１の上に、ｎ型ＧａＡｓバッファー層１２、ｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ／Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓＤＢＲミラー１３、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ スペーサー層１４、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ活性領域１５、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓスペーサー層１６を順次成長する。この上に、ノンドープＧａＡｓ光吸収層１（１００ｎｍ厚さ）とｎ型ＧａＡｓ電荷輸送層４（１００ｎｍ厚さ、キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³）をこの順に積層する。

積層後のサンプルをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、図７（ｂ）に示すように、ノンドープＧａＡｓ光吸収層１とｎ型ＧａＡｓ電荷輸送層４の中央付近をエッチングにより除去し、直径Φ５μｍの円形形状の開口部２を形成する。

このサンプルを再び、ＭＯＣＶＤ装置の中にセットし、図７（ｃ）に示すように、サンプル表面に順次、ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ／Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ ＤＢＲミラー１７（６４．５ｎｍ／５７．６ｎｍ×３０周期、キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³）、ｐ型コンタクト層１８（９ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁹／ｃｍ³）を成長する。

図７（ｄ）に示すように、結晶成長の終わったサンプルを、直径Φ２０μｍの円筒形状になるように、表面からエッチングする。エッチングの停止面はｎ型ＧａＡｓ電荷輸送層４とする。

最後に、レーザ活性領域１５に電流を注入するための電極として、ｎ型電極２１（ＡｕＧｅ合金）をｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面全面に形成し、ｐ型電極２２（ＡｕＺｎ合金）をｐ型コンタクト層１８の表面の光出射口Φ５μｍ以外の部分に形成し、ノンドープＧａＡｓ光吸収層１に発生した電子を取り出すためのＰＤ電極２３（ＡｕＧｅ合金）をｎ型ＧａＡｓ電荷輸送層４の上に形成した。これらの電極は蒸着法により厚さが３００ｎｍになるように成膜し、このＰＤ電極２３を電流計５６を介して電源５４に接続することにより、図７（ｅ）に示すフォトディテクター付きの面発光型半導体レーザを得た。

本実施形態に係る面発光型半導体レーザは、第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザと同様に、その構造内に設けられたフォトディテクターを利用して光出力をモニターすることができる。特に、受光部のｉ層（光吸収層）が１００ｎｍと厚く光吸収が大きいために、光吸収層に発生する電流も大きく、光モニターの感度を高くすることができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態に係る面発光型半導体レーザは、図８に示すように、受光部をノンドープＧａＡｓ光吸収層１とｎ型電荷輸送層４とｐ型ＰＤ−ｐ層５の３層構成とし、活性領域より上側のスペーサ層１６をすべてノンドープ層で構成した以外は、第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザと同様の構造を有している。すなわち、受光部内部にｐｉｎ接合界面を形成した例である。本実施形態に係る面発光型半導体レーザは第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザと同様の方法により製造することができるため、相違点のみを説明する。

受光部を構成する３層は、活性領域１５の上側のノンドープスペーサ層１６を成長した後、その上に、ｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓＰＤ−ｐ層５（５０ｎｍ厚さ、キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³）、ノンドープＧａＡｓ光吸収層１（５０ｎｍ厚さ）、ｎ型ＧａＡｓ電荷輸送層４（１００ｎｍ厚さ、キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³）の順で順次積層する。

この後、第１の実施形態と同様に、面発光型半導体レーザの光導波路の中心部付近をエッチングにより除去し、直径Φ５μｍの円形形状の開口部２を形成する。この後、第１の実施形態と同様に、ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ／Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓＤＢＲミラー１７（６４．５ｎｍ／５７．６ｎｍ×３０周期、キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³）、ｐ型コンタクト層１８（９ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁹／ｃｍ³）を成長する。ＳｉＯ₂膜３の上には結晶が成長しないので（選択成長）、₁ＡｓＤＢＲミラー１７は、図４（ｃ）に示したのと同様の形状となる。

最後に、ｎ型電極２１（ＡｕＧｅ合金）をｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面全面に形成し、ｐ型電極２２（ＡｕＺｎ合金）をｐ型コンタクト層１８の光出射口Φ５μｍ以外の部分に形成し、ｎ型ＰＤ電極２３（ＡｕＧｅ合金）を電荷輸送層４の上に形成した。このＰＤ電極２３を電流計５６を介して電源５４に接続し、フォトディテクター付きの面発光型半導体レーザとした。

本実施形態に係る面発光型半導体レーザは、第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザと同様に、その構造内に設けられたフォトディテクターを利用して光出力をモニターすることができる。その際に、受光部のｉ層（光吸収層）の厚さを自由に変えることができるので、光感度を自由に調節することができる。

また、電荷輸送層４は光を吸収しないことから、光の損失がすくなく、レーザ特性を低下させることが無く、ｐ型ＰＤ−ｐ層５は大きなバンドギャップを有するので、活性領域１５からオーバーフローした電子が光吸収層１や電荷輸送層４に流れ込むのを防ぐことができる。

なお、本実施形態では、ｎ型電荷輸送層４とノンドープＧａＡｓ光吸収層１とを直接接合させた例を述べたが、光吸収層と電荷輸送層の間に、伝導帯ポテンシャルのスパイク状障壁が発生しないようにＡｌ組成を０〜２０％までを徐々に変化させたグレーデッド層を２０ｎｍ程度の厚さで挿入した方が、光吸収層１に発生した電荷を電荷輸送層４までスムーズに移動させることができる。即ち、受光部を、光吸収層／グレーデッド層／電荷輸送層の積層構造にした方がフォトディテクターとしての性能は向上する。

（第４の実施形態）
第４の実施形態は、図９（ｅ）に示すフォトディテクター（ＰＤ）を備えた選択酸化型面発光型半導体レーザの例である。以下、その構造を製造工程に従い説明する。

図９（ａ）に示すように、導電性のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ基板１１の上に、ｎ型ＧａＡｓバッファー層１２（０．２μｍ厚さ、キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³）、ｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ／Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓＤＢＲミラー１３（５７．６ｎｍ／６４．５ｎｍ×４０．５周期、但し、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ上側／Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ下側の配置、キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³）を積層し、その上に、ｐ型ＧａＡｓ光吸収層１（１００ｎｍ厚さ、キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³）を成長する。このサンプルを結晶成長装置から取り出し、ｐ型ＧａＡｓ光吸収層１の中央部をエッチングにより除去して、Φ５μｍの円形形状の開口部２を形成する。さらに、この光吸収層１の上に、ＳｉＯ₂絶縁膜３（０．２μｍ厚さ）をプラズマＣＶＤ法により成膜し、このＳｉＯ₂絶縁膜３に開口部２より大きい直径Φ３０μｍの開口部をエッチングにより形成し、光吸収層１の一部を表面に露出させる。

再び、サンプルを結晶成長装置内にセットし、図９（ｂ）に示すように、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓスペーサー層１４（９８．２ｎｍ）、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ（量子井戸層／障壁層８ｎｍ／５ｎｍ×３周期、ノンドープ）の活性領域１５、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓスペーサー層１６（９８．２ｎｍ、ノンドープ）を順次積層する。次に、選択的に酸化するために、ｐ型Ａｌ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓ層３１（６５．４ｎｍ、キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³）を成長し、その上にｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ（上側）／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ（下側）多層膜ミラー１７（６４．５ｎｍ／５７．６ｎｍ×２９．５周期、キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³）、ｐ型コンタクト層１８（９ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁹／ｃｍ³）を順次成長する。

Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓスペーサー層１４（９８．２ｎｍ）は、ｐ型ＧａＡｓ光吸収層１に接するｎ型スペーサ層１４ａ（４０ｎｍ）とその上のノンドープスペーサ層１４ｂ（５８．２ｎｍ）とで構成した。ＳｉＯ₂膜３の上には結晶は成長しないので、スペーサー層１４からｐ型コンタクト層１８まではΦ３０μｍの円柱形状に積層される。

図９（ｃ）に示すように、このサンプルを結晶成長装置から取り出し、Φ３０μｍの円柱の側面をｐ型Ａｌ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓ層３１までエッチングにより除去し、ｐ型Ａｌ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓ層３１からｐ型コンタクト層１８までを直径Φ２０μｍの円筒形状にする。これは、円柱側壁に選択酸化を受ける層の断面を確実に露出するための工程である。なお、本実施形態では、エッチングを止める深さ位置はスペーサー層１６の上としたが、ｐ型Ａｌ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓ層３１より下で、かつｎ型ＧａＡｓ光吸収層１より上であればどこでもよい。

次に、このサンプルを水蒸気雰囲気で４００℃に保持した。図９（ｄ）に示すように、ｐ型Ａｌ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓ層３１だけが円筒外周から内側に向かって酸化され、ドーナツ状の酸化領域３３が形成された。約１０分間で、ｐ型Ａｌ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓ層３１の内、中心部Φ５μｍの未酸化領域を残して、全てが酸化された。酸化領域３３は絶縁性のＡｌ₂Ｏ₃になり、未酸化領域だけに電流が流れる電流狭窄構造が形成された。

最後に、ＳｉＯ₂膜３を除去し、ｎ型ＰＤ電極２３（ＡｕＧｅ合金）をｐ型光吸収層１の上に形成した。ｐ型電極２２（ＡｕＺｎ合金）はｐ型コンタクト層１８の光出射口Φ５μｍ以外の部分に形成し、ｎ型電極２１（ＡｕＧｅ合金）はｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面全面に形成した。ＰＤ電極２３を電流計５６を介して電源５４に接続し、図９（ｅ）に示すフォトディテクター付きの面発光型半導体レーザを得た。

本実施形態に係る面発光型半導体レーザは、第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザと同様に、その構造内に設けられたフォトディテクターを利用して光出力をモニターすることができる。

また、本構造では、光吸収層１は、低屈折率の酸化領域３３（Ａｌ₂Ｏ₃）によって形成された強い光閉じ込め構造を低減する役割も果たしており、光導波路の閉じ込めの程度が適切になり、光出力分布が単峰性になりやすい、即ち、本実施形態に係る面発光型半導体レーザは、シングル横モードが実現しやすいという特徴をも有している。

さらに、本構造では、活性領域１５より上側の選択酸化３３とこれより下側の開口部２とにより電流狭窄が行われる。このように、電流狭窄構造がしっかりと形成されているため、活性領域１５への電流注入が効率良く行われ、面発光型半導体レーザの特性が高いという特徴を有している。

（第５の実施形態）
第５の実施形態は、図１０に示すフォトディテクター（ＰＤ）を備えたイントラキャビティ型面発光型半導体レーザの例である。以下、その構造を製造工程に従い説明する。

まず、第１の実施形態と同様の方法で、導電性のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ基板１１の上に、ｎ型ＧａＡｓバッファー層１２（０．２μｍ厚さ、キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³）、ｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ／Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓＤＢＲミラー１３（５７．６ｎｍ／６４．５ｎｍ×４０．５周期、但し、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ（上側）／Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ（下側）の配置、キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³）、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓスペーサー層１４（９８．２ｎｍ、ノンドープ）、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ活性領域１５（量子井戸層／障壁層８ｎｍ／５ｎｍ×３周期、ノンドープ）、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ スペーサー層１６ａ（９８．２ｎｍ、ノンドープ）、ｐ型Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ スペーサー層１６ｂ（７３ｎｍ、キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³）、ｎ型ＧａＡｓ光吸収層１（１００ｎｍ厚さ、キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³）を順次積層する。

このサンプルを結晶成長装置の外に取り出し、ｎ型ＧａＡｓ光吸収層１の中央部をエッチング除去し、開口部２を形成する。

再び、結晶成長装置の中にセットし、ｐ型Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓスペーサー層１６ｃ（１６０ｎｍ、キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³）とｐ型コンタクト層１８（１０ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁹／ｃｍ³）とを順次成長する。本実施形態では、スペーサ層１６（コンタクト層１８を含む）と活性領域１５は、波長２λの光路長を持ち、これを挟み込む２枚のＤＢＲミラーがレーザ共振器の役割を果たしている。

このサンプルの表面に、ＥＢ蒸着法を用いて、Ｓｉ（上側）／ＳｉＯ₂（下側）誘電体ＤＢＲミラー４１（２７３ｎｍ／５２０ｎｍ×５周期）を積層した。その後、この誘電体ＤＢＲミラー４１はΦ１０μｍの円柱形状にエッチングした。次に、ｐ型Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓスペーサー層１６とｐ型コンタクト層１８とをΦ２０μｍの円盤形状にエッチングし、ｎ型ＧａＡｓ光吸収層１の表面の一部を露出させた。

最後に、ｎ型電極２１（ＡｕＧｅ合金）をｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面全面に形成し、ｐ型電極２２（ＡｕＺｎ合金）はｐ型コンタクト層１８の光出射口Φ５μｍ以外の部分に形成し、ｎ型ＰＤ電極２３（ＡｕＧｅ合金）をｎ型光吸収層１の上に形成し、ＰＤ電極２３を電流計５６を介して電源５４に接続することで、図１０に示すフォトディテクター付きの面発光型半導体レーザを得た。

本実施形態に係る面発光型半導体レーザでは、上側のＤＢＲミラー４１には電流を流さず、ｐ型のスペーサ層１６から電流を流している。ｎ型の光吸収層１をｐ型のスペーサ層１６に接触させることにより、ｐｎ接合界面を形成することができ、受光部として機能させることができる。これにより、本実施形態に係る面発光型半導体レーザは、第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザと同様に、その構造内に設けられたフォトディテクターを利用して光出力をモニターすることができる。

また、本実施形態では、上側のＤＢＲミラー４１に誘電体を使用することができるので、繰り返し周期が少なくとも、高い反射率のＤＢＲミラーを作製できる特徴があり。また、ｎ型の光吸収層１は、電流狭窄層としての役割を果たしており、レーザ特性を向上させる働きもしている。

（第６の実施形態）
第６の実施形態に係る面発光型半導体レーザは、第５の実施形態に係る面発光型半導体レーザの変形例であり、受光部が面発光型半導体レーザの駆動電流の経路の外側に設置された例である。以下、その構造を、図１１を参照して説明する。

図１１に示すように、本実施形態では、第５の実施形態と全く同様に、導電性のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ基板１１の上に、ｎ型ＧａＡｓバッファー層１２、ｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ／Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓＤＢＲミラー１３、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓスペーサー層１４、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ量子井戸活性領域１５、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓスペーサー層１６ａ、ｐ型Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓスペーサー層１６ｂ（２３３ｎｍ、キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³）、ｐ型コンタクト層１８（１０ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁹／ｃｍ³）、ｎ型ＧａＡｓ光吸収層１（１００ｎｍ厚さ、キャリア濃度２×１０¹⁸／ｃｍ³）を順次積層する。

このサンプルを結晶成長装置の外に取り出し、ｎ型ＧａＡｓ光吸収層１の中央部をエッチングにより除去し、Φ３μｍの開口部２を形成する。また、エッチングによりｎ型ＧａＡｓ光吸収層１の外周寸法がΦ１５μｍとなるように、周辺部分を除去する。この上に、Ｓｉ／ＳｉＯ₂ 誘電体ＤＢＲミラー４１を堆積し、この誘電体ＤＢＲミラー４１を、さらにエッチングしてΦ７μｍの円柱形状を形成する。

最後に、ｎ型電極２１をｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面全面に形成し、ｐ型電極２２はΦ１５μｍのｎ型ＧａＡｓ光吸収層１の外側のｐ型コンタクト層１８に形成した。ｎ型ＰＤ電極２３は、ｐ型電極２２の上にＳｉＯ₂絶縁膜３４を０．２μｍ厚さ堆積して、ｎ型ＰＤ電極２３とｐ型電極２２とが接触しない構造にしてから、ｎ型光吸収層１の上に形成した。このＰＤ電極２３を電流計５６を介して電源５４に接続することで、図１１に示すフォトディテクター付きの面発光型半導体レーザを得た。

本実施形態に係る面発光型半導体レーザでは、第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザと同様に、その構造内に設けられたフォトディテクターを利用して光出力をモニターすることができる。なお、本実施形態では、光吸収層は電流狭窄の働きはしておらず、光出力のモニターの役割だけを果たしている。

（第７の実施形態）
第７の実施形態は、そのｐ型ＤＢＲ層１７とスペーサ層１６との間に受光部となるｎ型ＧａＡｓ光吸収層を挿入したｐｎ接合フォトディテクター（ＰＤ）を備えた面発光型半導体レーザを、２個並べて配置した面発光型半導体レーザアレイとした例である。図１２（ａ）は、第７の実施形態に係る面発光型半導体レーザアレイの上面図であり、図１２（ｂ）はその断面図である。以下、その構造を製造工程に従い説明する。

第１の実施形態と全く同様に、導電性のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ基板１１の上に、ｎ型ＧａＡｓバッファー層１２、ｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ／Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓＤＢＲミラー１３、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓスペーサー層１４、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ（量子井戸層／障壁層８ｎｍ／５ｎｍ×３周期、ノンドープ）の活性領域１５、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓスペーサー層１６（９８．２ｎｍ、ノンドープ）、ｎ型ＧａＡｓ光吸収層１を順次積層する。

このサンプルをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、ｎ型ＧａＡｓ光吸収層１の中央付近をエッチングにより除去し、図１２（ａ）に示すように、直径Φ５μｍの円形形状の開口部２を２個形成する（開口部２ａと開口部２ｂ）。なお、本例では、開口部２の数を最も単純な例として２個としたが、所望のマルチビームの個数と同数だけ設けることができる。

また、光吸収層１は基板平面の全面に広がっており、各々のレーザの光吸収層１は電気的に接続された状態となっている。この光吸収層１の上に、ＳｉＯ₂絶縁膜（０．１μｍ厚さ）をプラズマＣＶＤ法により成膜し、このＳｉＯ₂絶縁膜に、光吸収層１の一部を表面に露出させるように、開口部２より大きい直径Φ２０μｍの開口部をエッチングにより形成した。

このサンプルを再び、ＭＯＣＶＤ装置の中にセットし、サンプル表面に順次、ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ／Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓＤＢＲミラー１７、ｐ型コンタクト層１８を成長する。ＳｉＯ₂膜の上には結晶が成長しないので（選択成長）、ポスト形状のｐ型ＤＢＲミラー１７が形成される。次に、ＳｉＯ₂膜をエッチングにより除去し、レーザ活性領域に電流を注入するための電極として、ｎ型電極２１（ＡｕＧｅ合金）をｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面全面に形成し、ｐ型電極２２（ＡｕＺｎ合金）を各素子のｐ型コンタクト層１８の表面の光出射口Φ５μｍ以外の部分に形成した。このようにして作製した面発光型半導体レーザ素子をそれそれ５１ａと５１ｂとする。

また、図１２（ｂ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ光吸収層１内に発生した電子を取り出すためのＰＤ電極２３（ＡｕＧｅ合金）を光吸収層１の上に１つ形成した。このＰＤ電極２３を電流計５６を介して電源５４に接続し、フォトディテクター付きの面発光型半導体レーザアレイとした。

本実施形態に係る面発光型半導体レーザアレイは、第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザと同様に、その構造内に設けられたフォトディテクターを利用して光出力をモニターすることができる。

本実施形態では、レーザ駆動のｎ型電極２１の電位を０Ｖ、ＰＤ電極２３の電位を５Ｖに固定し、ｐ型電極２２の電位を自由に設定して、個々のレーザを独立に駆動することができる。レーザ駆動時に、フォトディテクターに印加される逆バイアス電圧は変動しないので、安定してレーザ光をモニターすることができる。これはｎ型ＤＢＲミラー１３の電気抵抗がｐ型ＤＢＲミラー１７の電気抵抗に比べて無視できるくらい小さいからである。具体的には、ｎ型ＤＢＲミラー１３の電気抵抗率はｐ型ＤＢＲミラー１７の約１／１０であり、かつその電流経路の断面積は１００倍以上大きくとれるために、ｎ型ＤＢＲミラー１３の電気抵抗はｐ型ＤＢＲミラー１７の１０００分の１程度になり、無視することができる。すなわち、電気抵抗による電圧降下はｐ型ＤＢＲミラー１７で生じるので、レーザ駆動の電流値が変化しても、接地したレーザ駆動のｎ型電極２１とＰＤ電極２３の間の電圧はほとんど変化せず、一定である。

従って、本発明では、図１５（ａ）に示した従来のＰＤのように、レーザ駆動のｐ型電極５０を共通電極として接地し、基板裏面などに形成したレーザ駆動のｎ型電極２１の電位を操作してレーザを駆動する必要はなくなる。即ち、図２（ａ）に示すように、レーザ駆動のｎ型電極２１を共通電極として、接地し、ＰＤ電極２３に一定の逆バイアス電圧を印加した状態で、レーザ駆動のｐ型電極２２の電位を操作して、レーザを動作させることができる。同時に、その光強度をフォトディテクターでモニターすることができる。

また、本実施形態では、レーザ素子数は２個であるが、ＰＤ電極２３は１個である。しかも、そのＰＤ電極２３の電位を一定に固定すれば良いだけなので、フォトディテクターの駆動回路が簡単となり、低コストで多数個の素子から出力されるレーザ光をモニターすることが実現できる。

（第８の実施形態）
第８の実施形態に係る面発光型半導体レーザアレイは、第７の実施形態と同じ面発光型半導体レーザを、アレイ状に配置した面発光型半導体レーザアレイの例である。以下、その構造を製造工程に従い説明するが、面発光型半導体レーザとしての積層構造は、第７の実施形態と同様であるため説明を省略する。

本実施形態では、面発光型半導体レーザ素子５１は、図１３に示すように、３行５列に配列されている。光吸収層１は基板平面の全面に広がっており、総てのレーザ素子５１の光吸収層１は電気的に接続された状態となっている。すなわち、１５個のレーザ素子に対して１個のフォトディテクターが設けられている。

駆動回路は独立しているため、各レーザの電流値と光出力の関係は、各レーザを１個ずつ順番に測定することができる。即ち、１個のフォトディテクターでこれら全てのレーザの電流と光出力の関係を求めることができた。

また、本実施形態では、図１４に示すように、光吸収層１を各行毎に電気的に絶縁化することもできる。光吸収層１は各行毎に電気的に切断され３本の帯状の光吸収層１ａ，１ｂ，１ｃに分けて形成される。また、各光吸収層１ａ，１ｂ，１ｃに形成されるＰＤ電極２３ａ，２３ｂ，２３ｃも電気的に切断された構造となる。この構造では、ＰＤ電極２３ａにより、１行目のレーザ素子の電流−光出力の関係を順次測定することができる。そして、各行のレーザ素子の電流−光出力の関係を並列的に行えるので、検出時間を短縮できる特徴がある。

第１から第８までの実施形態では、ＡｌＧａＡｓ系の材料に基づいた面発光型半導体レーザの例を説明したが、本発明は、ＡｌＧａＩｎＮ系材料、ＡｌＧａＩｎＰ系材料などのIII‐Ｖ族化合物半導体材料に基づいた面発光型半導体レーザや、ＣｄＺｎＳＳｅ系材料のII−VI族化合物半導体材料などに基づいた面発光型半導体レーザも適用できることは言うまでもない。

第１から第８までの実施形態では、光吸収層の開口部を円形としたが、これに限定されず、楕円形、正方形、長方形、多角形などの形状か、あるいは受光部を２分割以上に分割するスリット形状などとすることができる。特に、受光部の開口部の形状を長円形や長方形、スリット形状などとすることにより、その形状の長手方向に偏波面を制御することができる。

以上、説明したように、本発明の面発光型半導体レーザは、その光導波路内において、光強度の最も大きい領域である中心線近傍には、光を吸収する受光部が存在せず、光強度の小さい導波路周辺領域にのみ受光部が存在するので、面発光型半導体レーザの性能を落とすことなく、面発光型半導体レーザの光出力をモニターできる。

また、面発光型半導体レーザ構造の中に挿入したｐｎ接合構造あるいはｐｉｎ接合構造のフォトディテクターでは、受光部で発生したキャリアーを逆バイアスを印加することで、容易にかつ高速に取り出すことができる。従来法のように、面発光型半導体レーザの積層構造をそのままフォトディテクターに利用する構造では、光吸収層となる量子井戸はポテンシャル井戸構造となっており、ここに発生したキャリアは外部に取り出しにくく、検出電流が小さいことと対照的である。

また、面発光型半導体レーザのスペーサ層近傍は、外部に出射される光の１００倍〜２００倍の光量がある領域であり、この光量の分布関数の裾野をフォトディテクターで検知することができるので、比較的薄い光吸収層で構成したフォトディテクターで充分な光量を吸収し、電流変換することができる。

また、受光部電極に電圧を印加して、受光部界面のｐｎ接合あるいはｐｉｎ接合界面に逆バイアスを直接的に印加することができるので、高速にキャリアを引き出すことができる。即ち、高速の光量モニターが可能である。

また、フォトディテクターの受光部は、光導波路内において共振方向の中心線上には存在せず、その周辺部分にのみ存在するので、凸形状の光強度分布の裾野部分のみを吸収する。これは出射光の強度分布を凸形状（単峰性）のシングルモードに保持しやすい特徴がある。

また、フォトディテクターの光検出強度が異常な変化を示した場合には、面発光型半導体レーザの光導波路内で光の横モードがシングルモードからマルチモードに変化した場合であるので、シングルモードのディテクターとしても本発明を利用できる。

また、受光部の開口部に、電流を集中的に流すことができるので、レーザの性能を上げることができる。また、受光部が電流狭窄構造を形成しているので、作製プロセスが簡易であるという特徴がある。

また、フォトディテクターをレーザの作製プロセスの中で作製できるので、外部のフォトディテクターを使用することがなく、低コストを実現することができる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザの上面図であり、（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザの層構成を示す概略断面図である。 （ａ）は本発明の面発光型半導体レーザの駆動方法を示す概略図であり、（ｂ）は本発明の面発光型半導体レーザアレイの駆動方法を示す概略図である。 （ａ）は本発明の面発光型半導体レーザの駆動回路を示す回路図であり、（ｂ）は従来の面発光型半導体レーザの駆動回路を示す回路図である。 （ａ）から（ｅ）は本発明の第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザの作製工程を順に示す概略断面図である。 本発明の面発光型半導体レーザの受光部のｐｎ接合界面を示す概略図である。 本発明の面発光型半導体レーザの受光層の位置とレーザ共振器内での光強度分布との関係を示す説明図である。 （ａ）から（ｅ）は本発明の第２の実施形態に係る面発光型半導体レーザの作製工程を順に示す概略断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る面発光型半導体レーザの受光部の構成を示す概略断面図である。 （ａ）から（ｅ）は本発明の第４の実施形態に係る面発光型半導体レーザの作製工程を順に示す概略断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る面発光型半導体レーザの層構成を示す概略断面図である。 本発明の第６の実施形態に係る面発光型半導体レーザの層構成を示す概略断面図である。 （ａ）は本発明の第７の実施形態に係る面発光型半導体レーザアレイの上面図であり、（ｂ）は本発明の第７の実施形態に係る面発光型半導体レーザアレイの層構成を示す概略断面図である。 本発明の第８の実施形態に係る面発光型半導体レーザアレイの素子配置を示す上面図である。 本発明の第８の実施形態に係る面発光型半導体レーザアレイの他の素子配置を示す上面図である。 （ａ）は従来の面発光型半導体レーザの駆動方法を示す概略図であり、（ｂ）は従来の面発光型半導体レーザアレイの駆動方法を示す概略図である。

符号の説明

１ 光吸収層
２ 開口部
３ ＳｉＯ₂絶縁膜
４ 電荷輸送層
５ ｐ型ＰＤ−ｐ層
１１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１２ ｎ型ＧａＡｓバッファー層
１３ ｎ型ＤＢＲミラー
１４ スペーサー層
１５ 活性領域
１６ スペーサー層
１７ ｐ型ＤＢＲミラー
１８ ｐ型コンタクト層
２１ ｎ型電極
２２ ｐ型電極
２３ ＰＤ電極
３１ 選択酸化用ＡｌＡｓ層
３３ 酸化領域
４１ 誘電体ＤＢＲミラー
５１ レーザ素子
５４ 電源
５６ 電流計

Claims (12)

1. 活性層、該活性層を挟む一対のスペーサ層、該一対のスペーサ層を挟む一対のＤＢＲミラー、及び少なくとも前記一対のスペーサ層を含む領域を挟んで形成された一対のレーザ駆動電極を有し、該レーザ駆動電極に電圧を印加することにより、レーザ光を出力する面発光型半導体レーザにおいて、
   前記一対のＤＢＲミラー間に前記活性層に対し共振方向に積層されると共に、前記一対のＤＢＲミラーで構成されたレーザ共振器の中心部に開口を有し且つ前記レーザ共振器内を導波するレーザ光が前記開口の周囲を通過するように配置されて、前記活性層より発せられたレーザ光を吸収しキャリアを発生する受光部と、
   該受光部で発生したキャリアを取り出す受光部電極と、
   を有する光検出器を備えたことを特徴とする面発光型半導体レーザ。
2. 前記受光部と前記受光部が接する面発光型半導体レーザの構成層との界面に、ｐｎ接合かあるいはｐｉｎ接合を形成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. 前記受光部は第１の導電型の部位を有し、前記受光部が接する前記面発光型半導体レーザの構成層は第２の導電型の部位を有していることを特徴とする請求項２に記載の面発光型半導体レーザ。
4. 前記受光部は、レーザ光を吸収する光吸収層と、前記光吸収層に発生したキャリアを受光部電極に輸送する導電性の電荷輸送層と、で構成されることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の面発光型半導体レーザ。
5. 前記光吸収層はノンドープのｉ層であり、前記受光部電極が前記電荷輸送層と電気的に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の面発光型半導体レーザ。
6. 前記受光部は、前記一対のレーザ駆動電極により流れる電流の経路に挿入されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の面発光型半導体レーザ。
7. 前記受光部は第１の導電型の部位を有し、前記一対のＤＢＲミラーの一方のＤＢＲミラーは第２の導電型を有し、
   前記受光部が、第２の導電型の前記ＤＢＲミラーと該ＤＢＲミラーに接するスペーサ層との界面に挿入されるように形成されていることを特徴とする請求項６に記載の面発光型半導体レーザ。
8. 前記受光部は第１の導電型の部位を有し、前記一対のスペーサ層の一方のスペーサ層は第２の導電型の部位を有し、
   前記受光部が、前記スペーサ層の第２の導電型の部位と該部位に接する前記スペーサ層の他の部位又はＤＢＲミラーとの界面に挿入されるように形成されていることを特徴とする請求項６に記載の面発光型半導体レーザ。
9. 前記受光部は第１の導電型の部位を有し、前記一対のスペーサ層の一方のスペーサ層は第２の導電型の部位を有し、前記スペーサ層の第２の導電型の部位に接するＤＢＲミラーは第２の導電型を有し、
   前記受光部が、前記スペーサ層の第２の導電型の部位と該部位に接する前記第２の導電型のＤＢＲミラーとの界面に挿入されるように形成されていることを特徴とする請求項６に記載の面発光型半導体レーザ。
10. 請求項１から９までのいずれか１項に記載の複数の面発光型半導体レーザを、同一基板上にアレイ状に配列した面発光型半導体レーザアレイであって、
    前記複数の面発光型半導体レーザの全部に対して複数の受光部が一体に形成され、
    前記複数の受光部が電気的に接続され、該複数の受光部の各々で発生したキャリアを取り出す受光部電極が設けられた、単一の光検出器を備えたことを特徴とする面発光型半導体レーザアレイ。
11. 請求項１から９までのいずれか１項に記載の複数の面発光型半導体レーザを、同一基板上にアレイ状に配列した面発光型半導体レーザアレイであって、
    前記複数の面発光型半導体レーザの各行毎に複数の受光部が一体に形成され、
    各行毎に、一体に形成された複数の受光部が電気的に接続され、該複数の受光部の各々で発生したキャリアを取り出す受光部電極が設けられた、複数の光検出器を備えたことを特徴とする面発光型半導体レーザアレイ。
12. 前記基板に設けられ共通電極となる一方のレーザ駆動電極と、該レーザ駆動電極と対をなし駆動回路に接続されたレーザ駆動電極と、受光部に逆バイアスを印加した状態で受光部電極を所定の電位に保つための電源と、を設けたことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の面発光型半導体レーザアレイ。

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