JP4815812B2 - 垂直共振器型面発光半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、面発光型半導体レーザ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode 以下ＶＣＳＥＬという）に関し、特にＶＣＳＥＬの静電破壊電圧の向上に関する。

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、光源の二次元アレイ化が可能であるなどの優れた特徴を持ち、光通信機器や電子機器等の光源としての利用が期待されている。

ＶＣＳＥＬは、他の半導体装置と同様に、回路基板等への実装時に、静電気等の高電圧に晒されることがある。素子内部に静電放電（Electrostatic discharge 以下ＥＳＤという）が生じると、瞬時に大きなスパイク電流が流れるため、素子の破壊または劣化が生じ、正常な動作を行い得ない故障の原因となる。こうした問題に対処するべくいくつかの報告がなされている。

特許文献１は、耐圧が大きい半導体レーザ装置を提供するものであり、半導体レーザ装置のＧａＡｓ基板の面方位を（１００）から（０１−１）方向に５°傾けることにより、端面破壊光出力よりも低い光出力で光導波モードを変形させ、端面破壊に至る電流値を上昇させている。

特許文献２は、半導体発光素子、特に窒化ガリウム系化合物半導体における逆方向の耐圧が５０Ｖ、順方向の耐圧が１５０Ｖと小さいことに鑑み、発光素子とは別個に保護素子を設けるものである。保護素子としては、例えばツエナーダイオードやトランジスタを用い、これにより発光素子に印加され得る逆方向電圧や動作電圧以上の順方向電圧を短絡またはショートさせている。

さらに非特許文献１は、選択酸化型ＶＣＳＥＬの信頼性についての研究報告であり、ＥＳＤによる破壊耐圧と酸化アパーチャーとの関係を説明している。ここでは、ＥＳＤの破壊を、米国ＭＩＬ規格の人体モデルでテストし、５−２０μｍの酸化アパーチャー径をサンプルとして使用している。ＶＣＳＥＬに対して順方向と逆方向のパルス電圧を印加し、光出力が−２ｄＢ変化したときに、破壊もしくは故障と定義している。非特許文献１の図９にはＥＳＤ破壊のテスト結果が示されている。この結果によれば、ＥＳＤ破壊は酸化アパーチャー径もしくは面積の関数であることが予想され、酸化アパーチャー径が大きくなるにつれて、ＥＳＤ破壊電圧が高くなっている。

特開平５−２４３６６６号 特開平１１−１１２０２６ Robby M, Hawkings et al, Reliability of Various Size Oxide Aperture VCSELs, Honeywell, ２００２年

上記特許文献１に示される基板の面方位を傾ける方法は、端面レーザ特有の静電破壊の防止策であり、垂直共振器型のＶＣＳＥＬにおいて必ずしも有効ではない。また、特許文献２に示される保護素子は、発光素子内において静電耐圧を向上させるものではないため、レーザ装置を構成する素子数が増加し、コスト高となってしまう。

さらに、非特許文献１に示されるように、ＥＳＤ耐圧が酸化アパーチャー径に比例して高くなることが示唆されているが、酸化アパーチャー径を単純に大きくしただけでは、所望のレーザ基本特性を得ることができない。特に、シングルモードのＶＣＳＥＬでは、酸化アパーチャー径を小さくする傾向にあり、これはＥＳＤ耐圧を下げることに他ならない。

本発明は、上記従来技術の課題を解決し、レーザ基本特性を満足しつつ、ＥＳＤ等の高電圧から内部素子を保護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を目的とする。
本発明はさらに、従来と比較してＥＳＤ耐圧が改善された面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
本発明はさらに、ＥＳＤ耐圧を向上させるとともに偏光制御の機能を併せ持つ構造の面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
本発明はさらに、ＥＳＤ耐圧が改善された、信頼性の高い光送信装置、光空間伝送装置、光空間伝送システム、光伝送装置および光伝送システムを提供することを目的とする。

本発明に係る選択酸化型のメサを含む面発光型半導体レーザは、基板と、前記基板上に形成され、レーザ光を出射する少なくとも１つのメサを含む第１のメサと、前記基板上に形成され、レーザ光の出射を抑制する少なくとも１つのメサを含む第２のメサとを有する。

好ましくは、第１、第２のメサは、メサ頂部に形成された金属層とを含み、第１のメサの金属層にはレーザ光を出射するための開口が形成され、第２のメサの金属層はレーザ光の出射を遮蔽する。すなわち、第２のメサの金属層には、開口が形成されていない。

金属層は、好ましくは、メサ頂部から電流を注入するための金属電極（ｐ側電極層）であり、第１、第２のメサの金属電極は互いに接続されている。

第１、第２のメサは、メサ内部に電流狭窄層を含み、当該電流狭窄層は、酸化領域と該酸化領域によって囲まれた酸化アパーチャーとを含んでいる。好ましくは、第２のメサの酸化アパーチャーの径が第１のメサの酸化アパーチャーの径よりも大きい。さらに、第２のメサの酸化アパーチャーの面積が第１のメサの酸化アパーチャーの面積よりも大きくてもよい。第２のメサが複数のメサを含んでいるとき、各メサの酸化アパーチャーの面積の総和が第１のメサの酸化アパーチャーの面積よりも大きい。

第１のメサは、電流狭窄層の酸化アパーチャー径を小さくし、シングルモードのレーザ光を出射することができる。従来では、シングルモードを出射するために、その酸化アパーチャー径を小さくすることで、ＥＳＤ耐圧も小さくなっていたが、本発明では第２のメサにより実質的に酸化アパーチャー径が増加するため、レーザの基本特性を失うことなくＥＳＤ耐圧を高くすることができる。

さらに第２のメサが複数のメサを含んでいるとき、当該複数のメサは第１のメサの周囲にかつ第１のメサからほぼ等しい距離に位置するようにする。また複数のメサは、第１のメサを中心に放射状に配置され、あるいは第１のメサの中心に関し回転対称に配置される。

さらに本発明に係る選択酸化型のメサを有する面発光型半導体レーザは、基板と、基板上に形成された少なくとも１つのメサと、少なくとも１つのメサ内に形成された少なくとも２つ以上の電流経路とを含み、少なくとも２つ以上の電流経路の内の少なくとも１つはレーザ光を放出する第１の部位にあり、かつ少なくとも１つの電流経路はレーザ光を放出しない第２の部位にある。

好ましくは、第１の部位は、第１の活性領域と、メサ頂部に形成され第１の活性領域に電流を注入する第１の金属層とを含み、第２の部位は、第２の活性領域と、メサ頂部に形成され第２の活性領域に電流を注入する第２の金属層とを含む。第１の金属層にはレーザ光を放出するための開口が形成されているが、第２の金属層はレーザ光を遮蔽する。第１、第２の金属層は、第１、第２の部位へ電流を注入するための電極層であってもよい。

第１の部位と第２の部位とは、架橋メサ部によって連結され、第１、第２の部位および架橋メサ部は、モノリシックなメサ内に形成することができる。架橋メサ部は酸化領域を含むが、当該酸化領域は完全に酸化されていなくともよい。例えば、酸化領域としてＡｌＡｓ層を用いる場合、ＡｌＡｓ層が完全に酸化されていなくとも、すなわち、ＡｌＡｓ層は一部に酸化領域を含み、酸化されていない領域を含むものであってもよい。第１、第２の部位の各活性領域は、酸化領域によって分離されるが、第１、第２の活性領域は電気的に絶縁されていない構造であってもよい。

さらに好ましくは、架橋メサ部は、基板方位（１１０）または（１−１０）方向に延在する。架橋メサ部を上記の基板方位と合わせることで、屈折率および歪応力に異方性が生じ、放出されるレーザ光の偏光モードを安定化させることができる。

さらに本発明に係るモジュールは、面発光型半導体レーザが形成された半導体チップを実装する。実装は、例えばステム上に固定された半導体素子を中空のキャップにより封止したり、光透過の樹脂により封止することができる。さらに、キャップには、ボールレンズ等を取り付け、放出されたレーザ光を集光するようにしてもよい。

さらに本発明に係る光送信装置および光送信システムは、モジュールと、モジュールから発せられたレーザ光を送信する送信手段とを備える。送信手段としては、例えば、光ファイバを用いることができる。光送信装置は、光ファイバから送信された光信号を受信する機能を含むものであってもよい。

さらに本発明に係る光空間伝送装置および光空間伝送システムは、モジュールと、モジュールから発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備える。伝送手段として、例えば、回転楕円鏡のような反射ミラーを用いることができる。

本発明に係る面発光型半導体レーザによれば、レーザ光を出射する第１のメサに加えて、電流経路を有するがレーザ光を出射しない第２のメサを基板上に形成したので、全体としての酸化アパーチャーの径または面積を増加させることができ、その結果、面発光型半導体レーザのＥＳＤ等に対する耐圧を向上させることができる。同様に、少なくとも１つのメサ内に、少なくとも２つの電流経路を形成し、少なくとも１つの電流経路をレーザ光を放出する第１の部位に配し、少なくとも１つの電流経路をレーザ光を遮蔽する第２の部位に配するようにしたので、電流経路の面積を増加させ、ＥＳＤ等の耐圧を向上させることができる。また、メサの第１、第２の部位を連結する架橋メサ部を基板方位と合わせることで、放出されるレーザ光の偏光制御を行うことができる。

以下、本発明の最良の実施の形態について図面を参照して説明する。本発明に係る面発光型半導体レーザは、好ましくは選択酸化型のメサを有するＶＣＳＥＬによって構成される。

図１は、本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬを示し、図１(ａ)は模式的な平面図、図１（ｂ）はそのＸ−Ｘ線断面矢視図である。本実施例に係るＶＣＳＥＬ１０は、レーザ光を出射するためのメサ２０（第１のメサ）と、レーザ光を出射しないメサ３０（第２のメサ）とを同一の基板上に形成している。このようなレーザ光を出射させない、いわゆるダミーとして機能するメサ３０を形成することで、実質的にＶＣＳＥＬの酸化アパーチャーの面積を増加させることができ、その結果、ＥＳＤ耐圧を高くすることができる。他方、メサ２０から出射されるレーザ光の酸化アパーチャーの面積を、例えばシングルモード用に小さくすることも可能であり、レーザ基本特性を何ら低減させることがない。

同図に示すように、ＶＣＳＥＬ１０は、ｎ型のＧａＡｓ基板１００上に、ｎ型のバッファ層１０２、ｎ型の下部ＤＢＲ(Distributed Bragg Reflector:分布ブラック型反射鏡)ミラー層１０３、アンドープの下部スペーサ層１０４とアンドープの量子井戸活性層１０５とアンドープの上部スペーサ層１０６とを含む活性領域１０７、ｐ型の上部ＤＢＲミラー層１０８、及びｐ型のコンタクト層１０９を順次積層して構成される。基板上の半導体層を異方性エッチングすることで２つのメサ２０、３０を同時に形成することができる。メサ２０、３０はそれぞれ円筒状を有し、その外形は同一サイズである。

メサ２０、３０は、上部ＤＢＲミラー層１０８の最下層に、ｐ型のＡｌＡｓ層１１０を有する。ＡｌＡｓ層１１０は、メサ２０、３０の側面から一部が酸化された酸化領域１１１と、酸化領域１１１によって囲まれた円形状の酸化アパーチャー（導電領域）１１２とを有する。ＡｌＡｓ層１１０は、酸化領域１１１によって光の閉じ込めおよび電流狭窄を行い、電流狭窄層として働く。

メサ２０、３０の側壁および上面は、層間絶縁膜１１３によって覆われる。層間絶縁膜１１３には、メサの一部であるコンタクト層１０９を露出するためのコンタクトホール１１４が形成されている。メサ２０において、層間絶縁膜１１３上にｐ側電極層１１５ａが形成され、ｐ側電極層１１５ａがコンタクトホール１１４を介してコンタクト層１０９にオーミック接続される。ｐ側電極層１１５ａの中央には、レーザ光を出射するためのレーザ出射窓１１６ａが形成されている。

一方、メサ３０において、層間絶縁膜１１３上にｐ側電極層１１５ｂが形成され、ｐ側電極層１１５ｂがコンタクトホール１１４を介してコンタクト層１０９にオーミック接続される。メサ２０と異なり、ｐ側電極層１１５ｂにはレーザ出射窓は形成されていない。従って、メサ３０には電流が注入されレーザ発振が生じるが、レーザ光はメサ３０の頂部から出射されない。ｐ側電極層１１５ｂは、メサ底部において金属層１１５ｃによってｐ側電極層１１５ａと接続される。金属層１１５ｃは、後述するようにｐ側電極層１１５ａ、１１５ｂをパターンニングするときに同時に形成される。ｐ側電極層１１５ａ、１１５ｂは、図示されない電極パッド（図中省略）に電気的に接続されている。一方、基板１００の裏面には、メサ２０、３０に共通にｎ側電極１１７が形成されている。

下部ＤＢＲミラー層１０３は、ｎ型のＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とｎ型のＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層との複数層積層体で、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４０．５周期で積層してある。ｎ型不純物であるシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は３×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

活性領域１０７の下部スペーサ層１０４は、アンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層であり、量子井戸活性層１０５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障壁層を含む。上部スペーサ層１０６は、アンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層である。

上部ＤＢＲミラー層１０８は、ｐ型のＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とｐ型のＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層との積層体で、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３０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３×１０¹⁸ｃｍ^-3である。ｐ型のコンタクト層１０９はＧａＡｓ層で、膜厚２０ｎｍ、カーボン濃度は１×１０^２０ｃｍ^-3である。ｐ側電極１１５ａ、１１５ｂは、Ｔｉ／Ａｕの積層膜である。

ＶＣＳＥＬを駆動するとき、ｐ側電極層１１５ａ、１１５ｂとｎ側電極１１７に順方向電圧が印加され、メサ２０およびメサ３０に電流が注入される。活性領域１０７の厚さに応じた波長のレーザ発振が生じ、メサ２０では発振されたレーザ光がｐ側電極層１１５ａのレーザ出射窓１１６ａから出射される。一方、メサ３０では、発振されたレーザ光がｐ側電極層１１５ｂによって遮蔽され、レーザ光の出射が抑制される。言い換えれば、メサ３０は、電極から注入される電流についての電流経路を有するが、レーザ光の出射機能を有していない。

図２は、酸化アパーチャー面積と破壊電圧との関係を示すグラフであり、横軸は酸化アパーチャー面積（μｍ^２）、縦軸は破壊電圧（Ｖ）である。この実験結果は、シングルスポット（単一のメサ）の酸化アパーチャー径を変化させたときの破壊電圧（図中、四角のドットで表示）と、マルチスポット（複数のメサ）のときの破壊電圧（図中、三角のドットで表示）を示している。

従来技術で引用した非特許文献１や、図２の実験結果からも明らかなように、酸化アパーチャーの面積と破壊電圧は比例関係にあり、酸化アパーチャーの面積が増加すれば、破壊電圧が向上する。第１の実施例では、メサ２０とメサ３０は、同一サイズの外形を用いているため、同一の酸化プロセス下において、それぞれの酸化アパーチャー１１２の面積が等しい。従って、メサ２０を単独で形成する場合と比較して、本実施例のＶＣＳＥＬでは酸化アパーチャーの面積が２倍となり、その分だけ破壊電圧を高くすることができる。例えば、単一のメサ２０が８μｍの酸化アパーチャー径を有するとき、酸化アパーチャー面積は約５０μｍ^２であり、破壊電圧は約１８０Ｖである。しかし、メサ３０を併設することで、酸化アパーチャー面積は約１００μｍ^２となり、破壊電圧を約２００Ｖにまで高くすることができる。

次に、本発明の第２の実施例について図３を参照して説明する。第２の実施例において、ＶＣＳＥＬ１２は、シングルモードのレーザ光を出射するためのメサ２２と、耐圧向上用の口径の大きなメサ３２とが基板上に形成されている。それ以外の基本的なメサの構造は、第１の実施例と同様であり、すなわち、メサ２２の頂部のｐ側電極層１１５ａにはレーザ出射窓１１６ａが形成されているが、メサ３２のｐ側電極層１１５ｂにはレーザ出射窓が形成されていない。

メサ２２、３２は、基板上に同一のプロセスにより形成され、同一の条件により酸化が行われる。これにより、メサ２２におけるメサ側面からの酸化距離と、メサ３２におけるメサ側面からの酸化距離とが等しくなる。メサ２２の直径（層間絶縁膜の形成前）をＤ１、メサ３２の直径をＤ２、酸化距離をＳ１とすると、メサ２２の酸化アパーチャー１１２ａの直径はＤ１−Ｓ１であり、メサ３２の酸化アパーチャー１１２ｂの直径はＤ２−Ｓ１であり、
（Ｄ１−Ｓ１）＜（Ｄ２−Ｓ１）となる。

メサ２２の酸化アパーチャー径をシングルモードが発振する程度（例えば５μｍ）に小さくする一方、メサ３２の酸化アパーチャー径をより大きくし、ＥＳＤの破壊電圧を大きくすることができる。

図４は、第３の実施例に係るＶＣＳＥＬの模式的な平面図である。第３の実施例に係るＶＣＳＥＬ１４は、基板１００の中央にレーザ光を出射する発光機能を備えたメサ２４と、このメサ２４の周囲に４つのメサ３４（破線にて表示）を配置している。メサ２４と４つのメサ３４とは同一サイズの円筒ポストを有している。メサ２４は、その頂部がｐ側金属層１１５ａで覆われているが、中央にレーザ出射窓１１６ａが形成されている。一方、メサ３４は、第1の実施例と同様に電流経路として機能はするが、ｐ側金属層１１５ｂにレーザ出射窓が形成されておらず、メサ頂部からレーザ光は出射されない。

４つのメサ３４は、好ましくは、メサ２４を中心にその対角線上に配置され、かつ、メサ２４の中心から等しい距離にある。ＶＣＳＥＬを小型化するためには、各メサ３４をメサ２４に近接することが望ましいが、メサ３４による発熱の影響を最小限にするため、メサ３４をメサ２４に対して等距離に配置している。メサ２４のｐ側電極層１１５ａと、メサ３４のｐ側電極層１１５ｂは、基板１００の全面に形成された金属層パターン１１５ｄによって共通に接続されている。

図４（ｂ）は、ｐ側電極層の他の配線パターン例を示す図である。メサ３４の外形に対応する円形状のｐ側電極層１１５ｂを形成し、これらを連結パターン１１５ｅによってメサ２４のｐ側電極層１１５ａと連結するようにしてもよい。

第３の実施例によれば、メサ３４を形成したことにより、メサ２４を単独で形成した場合と比較して、酸化アパーチャーの総面積を５倍にすることができ、ＶＣＳＥＬの破壊電圧を一層高くすることができる。なお、第３の実施例では、レーザ光を出射するメサは１つであるが、これに限らず、複数のメサからレーザ光を出射するマルチスポット構造であってもよく、それらの周囲にメサ３４を配置することもできる。

図５は、本発明の第４の実施例に係るＶＣＳＥＬの模式的な平面図である。第４の実施例に係るＶＣＳＥＬ１６は、中心に配置されるレーザ光を出射するメサ２６と、その周囲に放射状に配置される出射光を抑制する８つのメサ（破線で表示）３６とを有している。図５（ａ）では、中心のメサ２６の外形サイズが周囲に配置されるメサ３６よりも大きく、図５（ｂ）では、周囲に配置されるメサ３６の外形サイズがメサ２６よりも大きい例を示している。複数のメサ３６は、メサ２６の中心に関して点対称となるような位置に配置されるようにしてもよい。

以上説明したように、電流経路としてのみ機能する複数のメサを適宜形成することで、所望の酸化アパーチャー面積を確保し、設計されたＶＣＳＥＬの破壊耐圧を得ることができる。また、電流経路として機能するメサを複数形成する場合、各メサが同一の外形サイズであってもよいし、各々が異なる外形サイズであってもよい。さらに、メサの形状は、円筒状に限らず、角柱状であってもよい。

次に、図１に示すＶＣＳＥＬの製造方法について図６を参照して説明する。図６（ａ）に示すように、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用い基板１００上に複数の半導体層を積層する。すなわち、ｎ型のＧａＡｓ基板１００上に、ｎ型のバッファ層１０２、ｎ型の下部ＤＢＲミラー層１０３、アンドープの下部スペーサ層１０４とアンドープの量子井戸活性層１０５とアンドープの上部スペーサ層１０６とを含む活性領域１０７、ＡｌＡｓ層（電流狭窄層）１１０、ｐ型の上部ＤＢＲミラー層１０８、及びｐ型のコンタクト層１０９が順次積層される。

次に、図６（ｂ）に示すように、フォトリソ工程を用いて半導体層上にマスクパターン２００、２０２を形成する。マスクパターンは、ＳｉＯ_２やレジストを用いることができる。マスクパターン２００は、メサ２０の外形に対応する円形状のパターンであり、マスクパターン２０２は、メサ３０の外形に対応する円形状のパターンである。

マスクパターン２００、２０２を用い、積層された半導体層をリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）によりエッチングする。エッチングは、下部ミラー層１０３の一部が露出するまで行われる。これによって、メサ２０とメサ３０が形成される。

次に、図６（ｃ）に示すように、基板１００を、窒素をキャリアガス（流量：２リットル／分）とする３５０℃の水蒸気雰囲気に３０分間晒す。ＡｌＡｓ層１１０は、上部ミラー層を構成するＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ層やＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ層に比べ著しく酸化速度が速い。これにより、ＡｌＡｓ層１１０がメサ側面から酸化を開始され、最終的にメサ外形を反映した酸化領域１１１ａ、１１１ｂが形成され、酸化領域１１１ａ、１１１ｂによって囲まれた酸化アパーチャー１１２ａ、１１２ｂが形成され、電流狭窄層となる。酸化領域１１１ａ、１１１ｂは、導電性が低下し電流狭窄部となるが、同時に周囲の半導体層に比べ光学屈折率が半分程度（〜１．６）である関係から、光閉じ込め領域としても機能し、酸化アパーチャー（非酸化領域）が電流注入部となる。

次に、図６（ｄ）に示すように、マスクパターン２００、２０２を除去した後、露出したメサ側面を含む基板上面に層間絶縁膜１１３が着膜される。そして、メサ２０、３０の頂部において層間絶縁膜１１３にコンタクトホール１１４が形成される。続いて、基板上面にｐ側電極層が形成され、メサ２０、３０の頂部においてコンタクトホール１１４を介してコンタクト層１０９と接触される。

次に、図１（ｂ）に示すように、ｐ側電極層のパターンニングが行われる。メサ２０の頂部において、ｐ側電極層１１５ａにはレーザ出射窓１１６ａが形成されるが、メサ３０の頂部においてはｐ側電極層１１５ｂにはレーザ出射窓が形成されない。さらに、ｐ側電極層１１５とｐ側電極層１１５ｂとを連結するパターン１１５ｃも同時に形成される。そして、基板１００の裏面にｎ側電極１１７が形成される。

次に本発明の第５の実施例について図７を参照して説明する。図７(ａ)は、第５の実施例に係るＶＣＳＥＬの模式的な平面図、図７（ｂ）はＸ−Ｘ線断面矢視図である。第５の実施例に係るＶＣＳＥＬ１８は、第１の実施例のメサ２０とメサ３０とを架橋メサ部２１０によって連結するようにモノリシックに形成されたメサ２００を基板上に有している。なお、以降の説明において、第１ないし第４の実施例と同一構成については同一参照番号を付してある。

メサ２００は、第１の実施例のメサ２０に相当する円筒状の第１のメサ部２２０と、第１の実施例のメサ３０に相当する円筒状の第２のメサ部２３０と、第１、第２のメサ部２２０、２３０を連結する直方体状に延在する架橋メサ部２１０とを含んでいる。第１、第２のメサ部２２０、２３０および架橋メサ部２１０は、基板上に積層された半導体層を所定のマスクパターンを用いてエッチングすることにより、同時に形成することができる。

第１のメサ部２２０の頂部は、ｐ側電極層２２２によって覆われ、その中央には円形状のレーザ出射窓２２４が形成されている。第２のメサ部２３０の頂部は、ｐ側電極層２３２によって覆われているが、レーザ出射窓は形成されていない。このｐ側電極層２３２は、図示しないコンタクトパッドに接続されている。架橋メサ部２１０の頂部は、層間絶縁膜１１３を介してｐ側電極層２１２によって覆われ、ｐ側電極層２１２は、第１、第２のメサ部のｐ側電極層２２２、２３２に接続される。これらのｐ側電極層は、１回のパターニングで同時に形成することができる。

架橋メサ部２１０は、基板上に、第１、第２のメサ部２２０、２３０と同一構成の半導体層を含んでいる。第１、第２のメサ部２２０、２３０のＡｌＡｓ層１１０が酸化されるとき、架橋メサ部２３０のＡｌＡｓ層１１０も同時に酸化され酸化領域２１４となる。この際、架橋メサ部２１０のＡｌＡｓ層１１０が側面からすべて酸化されるように、架橋メサ部２１０の幅Ｗを選択することが望ましい。これにより第１のメサ部２２０と第２のメサ部２３０とが分離され、単一のメサ２００内に、第１、第２のメサ部２２０、２３０のそれぞれ独立した活性領域を持たせることができる。但し、架橋メサ部２１０において、ＡｌＡｓ層１１０のすべてが酸化されなくても良く、その場合には、レーザの特性はやや劣るものの同様の機能を保持したデバイスとなり得る。

第５の実施例においても、ＶＣＳＥＬ１８の電流経路面積が増えるため、静電耐圧を向上させることができる。さらに、第５の実施例において、架橋メサ部２１０の伸長方向を、基板１００の方位に合わせることが望ましい。例えば、基板方位は、（１１０）または（１−１０）である。架橋メサ部２１０に電流が流れることで、架橋メサ部２１０およびレーザ光を出射しない第２のメサ部２３０の温度が上昇するため屈折率が変化するとともに、発熱による歪応力が生じる。架橋メサ部の伸長方向を適当な方向に設定することで、屈折率および歪応力に異方性が生じる。これらの作用によりＶＣＳＥＬの活性領域のレーザ光の偏光モードを安定化させることができる。

次に、本発明の第６の実施例について図８を参照して説明する。第６の実施例のＶＣＳＥＬにおいて、基板上の単一のメサ２０２は、レーザ出射機能を有する第１のメサ部２２０と、その両側にレーザ出射機能を有しない第２、第３のメサ部２３０、２４０を含んでいる。第１のメサ部２２０の対向する側から一対の架橋メサ部２１０、２５０が延在し、架橋メサ部２１０、２５０によって第２、第３のメサ部２３０、２４０が第１のメサ部２２０に接続されている。

架橋メサ部２１０、２５０のＡｌＡｓ層１１０は、例えばすべてが酸化領域２１４、２５４となるように架橋メサ部２１０、２５０の幅が選択される。但し、第５の実施例と同様に、ＡｌＡｓ層１１０のすべてが酸化領域となる必要はなく、酸化されない部分が残存するような幅を選択してもよい。また、第３のメサ部２４０の頂部には、コンタクト層１０９とオーミック接続されるｐ側電極層２４２が形成されるが、レーザ出射窓は形成されない。架橋メサ部２５０の頂部には、層間絶縁膜１１３を介してｐ側電極層２５２が形成され、ｐ側電極層２５２は、ｐ側電極層２４２とｐ側電極層２２２とを接続する。

第６の実施例に係るＶＣＳＥＬにおいても電流経路面積を増加させ、静電耐圧を向上させることができる。さらに、ｐ側電極層から電流を流すと、第２、第３のメサ部の電流通路および架橋メサ部２１０、２５０において発熱を生じる。図９に発熱領域を模式的に示す。同図に示すように、第２、第３のメサ部２３０、２４０の電流通路領域２３６、２４６（円形のハッチング領域）、および架橋メサ部２１０、２５０の酸化領域２１４、２５４より上方の領域２１６、２５６（楕円のハッチング領域）において発熱する。電流の印加および発熱により、それらの領域２３６、２４６、２１６、２５６の屈折率が変化し、かつ、熱により歪応力が発生する。屈折率変化および歪応力が、架橋メサ部２１０、２５０の伸長する方位に選択的に印加されるため、第１のメサ部２２０のレーザ光の偏光モード（方位）Ｐは、架橋メサ部の物性値（屈折率と歪応力）の影響を受けて安定化（固定化）される。

第５、第６の実施例は、単一のメサ内に複数の活性領域または電流通路を有する複数のメサ部を形成する例を示したが、メサ部の大きさ、数、位置は、これらに限定されるものではない。例えば、第２の実施例のように、第１のメサ部の外径と第２のメサ部の外径を異ならせ、電流通路面積または酸化アパーチャー径を可変してもよいし、第３の実施例のように、第１のメサ部の周囲に複数のメサ部を配置させることもできる。さらに、架橋メサ部２１０、２５０の形状を直方体状の梁としたが、これ以外の形状であってもよい。

次に、本発明のＶＣＳＥＬを実装したパッケージ（モジュール）の概略断面を図１０に示す。同図に示すように、パッケージ３００は、ＶＣＳＥＬを含むチップ３１０を、導電性接着剤３２０を介して円盤状の金属ステム３３０上に実装する。チップ３１０は、単一のＶＣＳＥＬ（レーザ素子）であってもよいし、複数のＶＣＳＥＬをアレイ状に配置したマルチスポットタイプであってもよい。

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、その貫通孔内においてステム３３０と絶縁されている。チップ３１０の裏面に形成されたｎ側電極は、導電性接着剤３２０を介して一方のリード３４０の端部に電気的に接続される。チップ３１０の表面に形成されたｐ側電極は、図示しないボンディングワイヤ等を介して他方のリード３４２の端部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が固定される。キャップ３５０の中央には開口が形成され、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。例えば、第１、第２の実施例のようなＶＣＳＥＬ１０、１２のとき、レーザ出射機能を有するメサ２０、２２の中心が光軸と一致される。第３、第４の実施例のときも同様に、レーザ出射機能を有するメサ２４、２６の中心が光軸と一致される。第５、第６の実施例のときも同様に、レーザ出射機能を有する第１のメサ部２２０の中心が光軸と一致される。

リード３４０、３４２に順方向の電圧を印加すると、チップ３１０から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からのレーザ光の発散角度θ内にボールレンズ３６０が含まれるように調整する。

図１１は、図１０に示すＶＣＳＥＬパッケージ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と、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０と、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０と、フェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０と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。

ＶＣＳＥＬを含むチップ３１０は、レーザ光の光源として機能し、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１２は、図１０に示すＶＣＳＥＬパッケージ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、ＶＣＳＥＬパッケージ３００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。空間伝送システム５００では、パッケージ３００に用いられたボールレンズ３６０を用いる代わりに、集光レンズ５１０を用いている。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５２０へ向けて反射される。反射ミラー５２０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１３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。

光源６１０は、単一のＶＣＳＥＬまたは複数のＶＣＳＥＬが実装されたモジュールを含む。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）を制御するようにしてもよい。

次に、光伝送システムに利用される光伝送装置の構成について説明する。図１４は、光伝送装置の外観構成を示す図であり、図１５はその内部構成を模式的に示す図である。光伝送装置７００は、ケース７１０を含み、ケース７１０の正面には、光信号送信／受信コネクタ接合部７２０、接合部７２０に接続された発光／受光素子７３０、および電気信号ケーブル接合部７４０が取り付けられている。ケース７１０の背面には、電源入力部７５０、動作中であることを表示するＬＥＤ７６０、異常発生を表示するＬＥＤ７７０、およびＤＶＩコネクタ７８０が取り付けられている。ケース７１０の内部には、図１５に示すように、信号の送受信を制御するための送信回路基板／受信回路基板７９０が設けられている。

光伝送装置７００は、発光素子７３０による光信号を送信する機能と受光素子７３０による光信号を受信する機能を含んでいる。発光素子７３０の光源としてＶＣＳＥＬが利用される。ＶＣＳＥＬは、例えば、図１０に示すようなパッケージ化されて実装される。

光伝送装置７００を用いた映像伝送システムを図１６および図１７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。図１４に示す光伝送装置を映像伝送システムの送信／受信モジュール８４０、８５０に利用することで、映像信号の光通信を可能にしている。

映像信号発生装置８１０に接続されたＤＶＩ用電気ケーブル８３０は、送信モジュール８４０のＤＶＩコネクタ７８０（図１４参照）に接続される。送信モジュール８４０は、ＤＶＩコネクタ７８０から供給された映像信号に応答して発光素子７３０を駆動し、これにより映像信号を電気信号から光信号に変換する。

送信モジュール８４０および受信モジュール８５０のそれぞれの光信号送信／受信コネクタ部７２０には、映像信号伝送光信号用コネクタ８６０が接続され、両コネクタ８６０間に光ファイバ８７０が接続されている。また、送信モジュール８４０および受信モジュール８５０の各電気信号ケーブル接合部７４０には、映像信号伝送用電気ケーブルコネクタ８８０が接続され、かつ電源入力部７５０には電源アダプタ８９０が接続されている。受信モジュール８５０のＤＶＩコネクタ７８０（図１４参照）は、ＤＶＩ用電気ケーブル９００を介して画像表示装置８２０に接続されている。

送信モジュール８４０から光ファイバ８７０を介して送信された光信号は、受信モジュール８５０の受光素子７３０において受光され、そこで電気信号に変換され、ＤＶＩ用電気ケーブル９００を介して画像表示装置８２０へ伝送される。

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、勿論、こら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、図１８に示すように、電気−光変換回路９１０および光−電気変換回路９２０をコネクタに含む信号送信用ケーブル９３０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。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る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ＶＣＳＥＬの実施例では、電流狭窄層にＡｌＡｓ層を用いたが、これに限らず、ＡｌＧａＡｓ層を用いることもできる。さらに、上記実施例では、ＧａＡｓ系の化合物半導体レーザを示したが、これ以外にも窒化ガリウム系やガリウムインジウム系を用いた半導体レーザであってもよい。

本発明に係る面発光型半導体レーザは、光ファイバ等を利用した光通信機器やそれを用いた光通信システム、ならびに光学的な読み書きを行う電子装置、複写機等の光源などにおいて利用することができる。

本発明の第1の実施例に係るＶＣＳＥＬを示し、同図（ａ）は模式的な平面図、同図（ｂ）はＸ−Ｘ線断面矢視図である。 酸化アパーチャー面積と破壊電圧との関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施例に係るＶＣＳＥＬを示し、同図（ａ）は模式的な平面図、同図（ｂ）はＸ−Ｘ線断面矢視図である。 本発明の第３の実施例に係るＶＣＳＥＬの模式的な平面図である。 本発明の第４の実施例に係るＶＣＳＥＬの模式的な平面図である。 本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造工程を示す断面図である。 本発明の第５の実施例に係るＶＣＳＥＬを示し、同図（ａ）は模式的な平面図、同図（ｂ）はＸ−Ｘ線断面矢視図である。 本発明の第６の実施例に係るＶＣＳＥＬを示し、同図（ａ）は模式的な平面図、同図（ｂ）はＸ−Ｘ線断面矢視図である。 第６の実施例に係るＶＣＳＥＬの発熱領域を模式的に示す図である。 本発明に係るＶＣＳＥＬを実装したパッケージの構成を示す概略断面図である。 図９に示すパッケージを用いた光送信装置の構成を示す断面図である。 図９に示すＶＣＳＥＬパッケージ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１４の光伝送装置の内部構成を示す図であり、図１４(ａ)は上面を切り取り内部を示し、図１４（ｂ）は側面を切り取り内部を示している。 図１４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。 図１６の映像伝送システムを裏側から示した図である。 信号送信用ケーブルの他の構成を示す図である。

符号の説明

１０、１２、１４、１６：ＶＣＳＥＬ
２０、２２、２４、２６：メサ（第１のメサ）
３０、３２、３４、３６：メサ（第２のメサ）
１００：基板
１１０：ＡｌＡｓ層（電流狭窄層）
１１１ａ、１１１ｂ：酸化領域
１１２、１１２ａ、１１２ｂ：酸化アパーチャー
１１３：層間絶縁膜
１１４：コンタクトホール
１１５ａ、１１５ｂ：ｐ側電極層
１１６ａ：レーザ出射窓
１１７：ｎ側電極
２００、２０２：メサ
２１０、２５０：架橋メサ部
２２０：第１のメサ部
２３０：第２のメサ部
２４０：第３のメサ部
３００：ＶＣＳＥＬパッケージ
４００：光送信装置
５００：空間光伝送システム
６００：光伝送システム
７００：光伝送装置

Claims (8)

1. 選択酸化型のメサを含む面発光型半導体レーザであって、
   半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成された少なくとも１つのメサと、
   少なくとも１つのメサ内に形成された少なくとも２つ以上の電流経路とを含み、
   少なくとも２つ以上の電流経路の内の第１の電流経路はレーザ光を放出する第１の部位にあり、かつ第２の電流経路はレーザ光を放出しない第２の部位にあり、
   前記第１の部位は、第１の活性領域と、第１の活性領域を挟む第１導電型の下部半導体ミラー層および第２導電型の上部半導体ミラー層と、下部半導体ミラー層および上部半導体ミラー層の間に形成されかつ酸化領域によって囲まれた導電性の酸化アパーチャーを含む第１の電流狭窄層と、メサ頂部に形成され上部半導体ミラー層に電気的に接続される第１の金属層とを含み、
   前記第２の部位は、第２の活性領域と、第２の活性領域を挟む第１導電型の下部半導体ミラー層および第２導電型の上部半導体ミラー層と、下部半導体ミラー層および上部半導体ミラー層の間に形成されかつ酸化領域によって囲まれた導電性の酸化アパーチャーを含む第２の電流狭窄層と、メサ頂部に形成され上部半導体ミラー層に電気的に接続される第２の金属層とを含み、前記第１の金属層にはレーザ光を放出するための開口が形成され、前記第２の金属層はレーザ光を遮蔽し、
   前記少なくとも１つのメサはさらに、前記第１の部位と前記第２の部位とを連結する少なくとも１つの架橋メサ部を含み、
   前記少なくとも１つの架橋メサ部は、前記半導体基板の基板方位（１１０）または（１−１０）方向に延在し、かつ、前記第１の部位および前記第２の部位の下部半導体ミラー層および上部半導体ミラー層にそれぞれ接続される下部半導体ミラー層および上部半導体ミラー層と、第１および第２の活性領域に接続される第３の活性領域と、第１および第２の電流狭窄層に接続される第３の電流狭窄層と、メサ頂部に形成され前記第１および第２の金属層に接続される第３の金属層とを含む、面発光型半導体レーザ。
2. 前記少なくとも１つのメサが酸化されるとき、第３の電流狭窄層のすべての領域が酸化されるように前記少なくとも１つの架橋メサ部の幅が選択される、請求項２に記載の面発光型半導体レーザ。
3. 前記少なくとも１つのメサは、前記第１の部位の両側にメサ架橋部を介して複数の第２の部位を含む、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
4. 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が形成された半導体チップが実装されたモジュール。
5. 請求項４に記載されたモジュールと、モジュールから発せられたレーザ光を送信する送信手段とを備えた、光送信装置。
6. 請求項４に記載されたモジュールと、モジュール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。
7. 請求項４に記載されたモジュールと、モジュールから発せられたレーザ光を送信する送信手段とを備えた、光送信システム。
8. 請求項４に記載されたモジュールと、モジュールから発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送システム。

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