JP4943052B2 - 面発光レーザ素子、面発光レーザアレイ、光走査装置、画像形成装置及び光通信システム - Google Patents

Description

本発明は、面発光レーザ素子、面発光レーザアレイ、光走査装置、画像形成装置及び光通信システムに係り、さらに詳しくは、基板に垂直な方向に光を発光する面発光レーザ素子、該面発光レーザ素子を複数有する面発光レーザアレイ、前記面発光レーザ素子あるいは前記面発光レーザアレイを備える光走査装置、画像形成装置及び光通信システムに関する。

近年、基板に垂直な方向にレーザ発振を生じる面発光レーザ素子（面発光型半導体レーザ素子）が、精力的に研究されている。面発光レーザ素子は、端面発光型レーザ素子に比べて発振の閾値電流が低く、円形の高品質な出射ビーム形状を得ることが可能である。また、面発光レーザ素子は基板に垂直な方向にレーザ出力が取り出せることから、高密度で２次元アレイの集積が容易であり、並列光インターコネクション用光源、高速で高精細の電子写真システム等への応用が検討されている。

面発光レーザ素子は、共振器ミラーである半導体多層膜反射鏡を通して電流の注入、レーザ出力の取り出しが行われるため、半導体多層膜反射鏡は、電気特性及び光学特性の両方において適切に設計されている必要がある。

例えば特許文献１には、電気抵抗と光吸収の両方を考慮して設計を行った例として、光の電界強度に応じてドーピング濃度を調整した面発光半導体レーザ素子が開示されている。この特許文献１では、抵抗の低減と、吸収損失の低減を図るために、電界の１周期の定存波分布に応じて不純物のドーピング濃度を調整しており、定在波の節の位置におけるドーピング濃度を高く設定し、腹の位置におけるドーピング濃度を低く設定している。

また、非特許文献１には、半導体多層膜反射鏡中における定在波のピーク強度に応じて、不純物ドーピング濃度を設定した面発光レーザ（ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒｓ）が示されている。この非特許文献では、７８０ｎｍ帯に発振波長を有する面発光レーザにおいて、ｐ及びｎ型半導体多層膜反射鏡のドーピング濃度を、共振器領域（共振器スペーサー層と活性層とから構成される領域）に隣接する部分で５〜１０×１０^１７ｃｍ^−３と低く設定し、共振器領域から離れた領域で１〜２×１０^１８ｃｍ^−３と高く設定することで、自由キャリア吸収の低減と、多層膜反射鏡の低抵抗化を行っている。

特許第２７５７６３３号公報 Ｒ．Ｐ．シュナイダ（Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ），Ｊｒ．、Ｍ ハゲロット−クラウフォード（Ｈａｇｅｒｏｔｔ−Ｃｒａｗｆｏｒｄ）、「ＧａＩｎＡｓＰ／ＡｌＧａＩｎＰ−ベースド ニア−ＩＲ（７８０ｎｍ） バーチカル−キャビティ サーフィス−エミッティング レーザ（ＧａＩｎＡｓＰ／ＡｌＧａＩｎＰ−ｂａｓｅｄ ｎｅａｒ−ＩＲ（７８０ｎｍ） ｖｅｒｔｉｃａｌ−ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒｓ）」、エレクトロニクス レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｌｅｔｔｅｒｓ）、ｖｏｌ．３１、Ｎｏ．７、ｐ．５５４−５５５、１９９５

しかしながら、特許文献１のように、吸収損失を低減するために、電界強度が大きな共振器領域の近傍における多層膜反射鏡の不純物ドーピング濃度を低濃度に設定することは公知であるが、これは吸収損失についてのみ考慮したものであり、キャリアの閉じ込めまで含めて考慮されたものではない。実際には、共振器領域周辺における多層膜反射鏡のドーピングを低濃度に設定すると、キャリアに対するポテンシャル障壁の高さが低下し、共振器領域から多層膜反射鏡へキャリアが大幅にリークしてしまうという問題がある。この結果、スロープ効率自体は向上するものの、高注入とした場合や環境温度が高い場合におけるピーク出力が低下するという不都合があった。

また、非特許文献１に開示されている面発光レーザについても、環境温度が高くなるとピーク出力が低下する場合があるという不都合があった。

本発明は、かかる事情の下になされたもので、その第１の目的は、短波長帯における温度特性、及びレーザ出力に優れた面発光レーザ素子を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、短波長帯における温度特性、及びレーザ出力に優れた面発光レーザアレイを提供することにある。

また、本発明の第３の目的は、被走査面上を安定して走査することができる光走査装置を提供することにある。

また、本発明の第４の目的は、高精細な画像を安定して形成することができる画像形成装置を提供することにある。

また、本発明の第５の目的は、安定した光通信を行うことができる光通信システムを提供することにある。

本発明は、第１の観点からすると、低屈折率層と高屈折率層を組として複数の組からなるｎ導電型半導体多層膜反射鏡、第１のスペーサー層、活性層、第２のスペーサー層、及び低屈折率層と高屈折率層を組として複数の組からなるｐ導電型半導体多層膜反射鏡を有し、光を発光する面発光レーザ素子において、前記ｎ導電型半導体多層膜反射鏡及び前記ｐ導電型半導体多層膜反射鏡は、不純物がドーピングされており、前記ｐ導電型半導体多層膜反射鏡は、予め設定されている組と前記第２のスペーサー層との間であって前記第２のスペーサー層に接する位置に、前記予め設定されている組における前記不純物の濃度よりも高い濃度の不純物がドーピングされた一組を有することを特徴とする第１の面発光レーザ素子である。

本発明は、第２の観点からすると、低屈折率層と高屈折率層を組として複数の組からなるｎ導電型半導体多層膜反射鏡、第１のスペーサー層、活性層、第２のスペーサー層、及び低屈折率層と高屈折率層を組として複数の組からなるｐ導電型半導体多層膜反射鏡を有し、光を発光する面発光レーザ素子において、前記ｎ導電型半導体多層膜反射鏡及び前記ｐ導電型半導体多層膜反射鏡は、不純物がドーピングされており、前記ｐ導電型半導体多層膜反射鏡は、予め設定されている組と前記第２のスペーサー層との間であって前記第２のスペーサー層に接する位置に、予め設定されている組における前記不純物の濃度よりも高い濃度の不純物がドーピングされた低屈折率層を有することを特徴とする第２の面発光レーザ素子である。

これら第１の面発光レーザ素子及び第２の面発光レーザ素子のいずれかの面発光レーザ素子によれば、ｎ導電型半導体多層膜反射鏡とｐ導電型半導体多層膜反射鏡とで挟まれた領域である、いわゆる共振器領域から、ｐ導電型半導体多層膜反射鏡へのキャリアのリークが抑制され、その結果として、短波長帯における温度特性、及びレーザ出力を向上させることが可能となる。

本発明は、第３の観点からすると、本発明の面発光レーザ素子を複数有する面発光レーザアレイである。

これによれば、本発明の面発光レーザ素子を有しているため、短波長帯における温度特性、及びレーザ出力を向上させることが可能となる。

本発明は、第４の観点からすると、光ビームによって被走査面上を走査する光走査装置において、前記光ビームを発する本発明の面発光レーザ素子を備えていることを特徴とする第１の光走査装置である。

これによれば、本発明の面発光レーザ素子を備えているため、被走査面上を安定して走査することが可能となる。

本発明は、第５の観点からすると、光ビームによって被走査面上を走査する光走査装置において、前記光ビームを発する本発明の面発光レーザアレイを備えていることを特徴とする第２の光走査装置である。

これによれば、本発明の面発光レーザアレイを備えているため、被走査面上を安定して走査することが可能となる。

本発明は、第６の観点からすると、光ビームを用いて物体上に画像を形成する画像形成装置において、前記光ビームは、本発明の面発光レーザ素子から出射される光ビームであることを特徴とする第１の画像形成装置である。

これによれば、本発明の面発光レーザ素子から出射される光ビームを用いているため、高精細な画像を安定して形成することが可能となる。

本発明は、第７の観点からすると、光ビームを用いて物体上に画像を形成する画像形成装置において、前記光ビームは、本発明の面発光レーザアレイから出射される光ビームであることを特徴とする第２の画像形成装置である。

これによれば、本発明の面発光レーザアレイから出射される光ビームを用いているため、高精細な画像を安定して形成することが可能となる。

本発明は、第８の観点からすると、光信号を用いて情報を伝達する光通信システムにおいて、前記光信号は、本発明の面発光レーザ素子から出射される光ビームによって生成されることを特徴とする第１の光通信システムである。

これによれば、本発明の面発光レーザ素子から出射される光ビームによって光信号を生成しているため、安定した光通信を行うことが可能となる。

本発明は、第９の観点からすると、光信号を用いて情報を伝達する光通信システムにおいて、前記光信号は、本発明の面発光レーザアレイから出射される光ビームによって生成されることを特徴とする第２の光通信システムである。

これによれば、本発明の面発光レーザアレイから出射される光ビームによって光信号を生成しているため、安定した光通信を行うことが可能となる。

《第１の実施形態》
以下、本発明の第１の実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１には、本発明の第１の実施形態に係る面発光レーザ素子１００の概略構成が示されている。

この面発光レーザ素子１００は、７８０ｎｍ帯の面発光レーザ素子であり、図１に示されるように、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、バッファー層１０２、下部半導体多層膜反射鏡（半導体分布ブラッグ反射器）１０３、共振器スペーサー層１０４、多重量子井戸活性層１０５、共振器スペーサー層１０６、上部半導体多層膜反射鏡１０７などの半導体層が、順次積層されている。なお、以下では、これら複数の半導体層が積層されているものを、便宜上「第１の積層体」ともいう。

上部半導体多層膜反射鏡１０７の途中には、ｐ−ＡｌＡｓからなる選択酸化層１０８が形成されている。さらに、積層体の最表面には、ＧａＡｓからなるコンタクト層（図示省略）が設けられている。

バッファー層１０２は、ｎ−ＧａＡｓからなる層である。

下部半導体多層膜反射鏡１０３は、ｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層とｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層を組として、該組を４２．５組有している。すなわち、下部半導体多層膜反射鏡１０３では、低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層されている。言い換えると、下部半導体多層膜反射鏡１０３は、１組を１周期とする４２．５周期構造を有している。なお、低屈折率層と高屈折率層との間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成に向かって組成を徐々に変化させた厚さ２０ｎｍの組成傾斜層（図示省略）が設けられている。低屈折率層及び高屈折率層の厚さは、いずれも組成傾斜層を含めて、ブラッグの多重反射の位相条件を満たすように、レーザ発振された光の位相変化がπ／２となる厚さに設定されている。

共振器スペーサー層１０４は、ノンドープＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓからなる層である。

多重量子井戸活性層１０５は、Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ／Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓからなる層である。

共振器スペーサー層１０６は、ノンドープＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓからなる層である。

上部半導体多層膜反射鏡１０７は、ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層とｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層とを組として、該組を２５組有している。すなわち、上部半導体多層膜反射鏡１０７では、低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層されている。言い換えると、上部半導体多層膜反射鏡１０７は、１組を１周期とする２５周期構造を有している。なお、低屈折率層と高屈折率層との間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた厚さ２０ｎｍの組成傾斜層（図示省略）が設けられている。低屈折率層及び高屈折率層の厚さは、いずれも組成傾斜層を含めて、ブラッグの多重反射の位相条件を満たすように、レーザ発振された光の位相変化がπ／２となる厚さに設定されている。

また、共振器スペーサー層１０４と多重量子井戸活性層１０５と共振器スペーサー層１０６とからなる領域は、共振器領域と呼ばれており、この共振器領域における光の位相変化が２πとなるように設定されている。すなわち、共振器領域は、一波長共振器構造体を形成している。また、高い誘導放出確率を得るために、多重量子井戸活性層１０５は、一波長共振器構造体内における中央部の、発振光の定在波の腹に対応する位置に設けられている。

ここでは、各半導体多層膜反射鏡で生じる自由キャリアによる光吸収を低減するために、各半導体多層膜反射鏡中の電界強度に応じて、低屈折率層及び高屈折率層における不純物のドーピング濃度（以下、「不純物濃度」と略述する）を段階的に変化させている。つまり、電界強度が大きな共振器スペーサー層に近い領域の不純物濃度を低く設定し、電界強度が小さくなる方に向けて、段階的に不純物濃度が高くなるように設定されている。

ここでは、一例として図２に示されるように、上部半導体多層膜反射鏡１０７では、共振器スペーサー層１０６と接する１組からなる第１の上部層領域１０７ａを除いた２４組における低屈折率層と高屈折率層のｐ型不純物濃度を、８組毎に３段階に変化させている。具体的には、第１の上部層領域１０７ａ側の８組からなる第２の上部層領域１０７ｂでは、ｐ型不純物濃度を５×１０^１７ｃｍ^−３、次の８組からなる第３の上部層領域１０７ｃでは、ｐ型不純物濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３、表面側の８組からなる第４の上部層領域１０７ｄでは、ｐ型不純物濃度を１．５×１０^１８ｃｍ^−３としている。なお、ここでは、一例として前記選択酸化層１０８は、第２の上部層領域１０７ｂの途中に形成されている。

また、第１の上部層領域１０７ａでは、低屈折率層及び高屈折率層のｐ型不純物濃度はいずれも１．５×１０^１８ｃｍ^−３であり、第２の上部層領域１０７ｂにおけるｐ型不純物濃度よりも高くなるように設定されている。

また、ここでは、一例として図２に示されるように、下部半導体多層膜反射鏡１０３も同様にｎ型不純物濃度を３段階に分けて変化させている。具体的には、共振器スペーサー層１０４側の１４組からなる第１の下部層領域１０３ａでは、ｎ型不純物濃度を５×１０^１７ｃｍ^−３、中央の１４組からなる第２の下部層領域１０３ｂでは、ｎ型不純物濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３、バッファー層１０２側の１４．５組からなる第３の下部層領域１０３ｃでは、ｎ型不純物濃度を３×１０^１８ｃｍ^−３としている。

このように構成される面発光レーザ素子１００の共振器領域周辺のバンドエネルギーが図３に模式的に示されている。この図３におけるＥｃは伝導帯のエネルギーを示し、Ｅｖは価電子帯のエネルギーを示し、Ｅ_ｆｎは電子の擬フェルミエネルギーを示し、Ｅ_ｆｐは正孔の擬フェルミエネルギーを示している。

上部半導体多層膜反射鏡１０７のＥｖから測ったＥ_ｆｐのエネルギーは、正孔密度と対応があり、正孔密度が高い程Ｅ_ｆｐが大きくなる。なお、Ｅｖ及びＥ_ｆｐは正孔に対する擬フェルミエネルギーであるので、エネルギーの負方向が高エネルギー側となる。

ところで、一般的に面発光レーザ素子において、例えばキャリアとして電子に注目すると、ｎ型半導体層から共振器領域（ここでは、活性層を含む共振器スペーサー領域）へ注入された電子は、ポテンシャルエネルギーの低い活性層部に溜まり、発光再結合を生じる。しかし、この際に活性層とバリア層（ここでは、共振器スペーサー層）との間のバンド不連続量が十分でないと、電子の一部は活性層から溢れ出る。溢れ出た電子は活性層を挟んでｎ型半導体層の反対側に位置するｐ型半導体層によるポテンシャル障壁によって共振器領域に閉じ込められる。

しかしながら、ｐ型半導体層によるポテンシャル障壁の高さが十分でない場合には、溢れ出た電子は共振器領域からｐ型半導体層へリークしてしまう。このリークした電子はｐ型半導体層中で再結合して消滅してしまうので、レーザ発振には寄与しない無効電流成分となる。

電子のリークは、高注入とした場合や、環境温度が上昇した場合のように、電子の運動エネルギーが大きくなった場合に顕著に生じるので、ピーク出力や温度特性を低下させる要因になる。

以上はキャリアとして電子の場合について具体例に説明を行ったが、正孔の場合についても全く同様に議論ができる。

ｐ型半導体層によって形成されるポテンシャル障壁の高さは、ｐ型半導体層のバンドギャップエネルギーと、正孔の密度によって決定され、バンドギャップエネルギーが大きい程、かつ正孔密度が高い程、電子に対するポテンシャル障壁の高さは高くなる。つまり、共振器スペーサー層に接するｐ型半導体層の正孔密度が高い程、電子を効率良く共振器領域に閉じ込めることができる。

面発光レーザ素子１００では、上部半導体多層膜反射鏡１０７の共振器領域に接する１組のｐ型不純物濃度を高く設定しているため、電子に対するポテンシャルエネルギーが従来（図４参照）に比べて△Ｅだけ高くなり、電子のリークを効果的に抑制することができる。

ところで、従来、面発光レーザ素子においては、共振器領域周辺の多層膜反射鏡の不純物濃度を高くすることは吸収損失の増加をもたらすと考えられているため、意図的に多層膜反射鏡の不純物濃度を高く設定するということは行われていなかった。本第１の実施形態に係る面発光レーザ素子１００では、意図的に上部半導体多層膜反射鏡１０７の不純物濃度を高く設定しているが、低屈折率層と高屈折率層とからなる１組分のみの不純物濃度を高く設定しており、その厚さは、多層膜反射鏡への光の沁み出し距離（有効共振器長）に比べると薄いので、不純物濃度を高く設定したことによるスロープ効率への影響よりも、キャリアリークを低減したことによる効果の方を大きく得ることができる。

例えば、キャリアとして電子を例に挙げると、波長７８０ｎｍを有する面発光レーザ素子において、ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる多層膜反射鏡の共振器周辺の不純物濃度を５×１０^１７ｃｍ^−３程度に低く設定した場合には、スロープ効率に関して大幅な向上が見られるものの、電子のリークに関しては大きな改善は見られなかった。

しかし、例えば多層膜反射鏡の共振器に接する低屈折率層と高屈折率層とからなる１組分の不純物濃度を１．５×１０^１８ｃｍ^−３〜２×１０^１８ｃｍ^−３程度と、周辺の多層膜反射鏡に対して高濃度に設定した場合には、電子のリークは殆ど抑制され、温度特性、ピーク出力が向上する効果を十分に確認することができた。また、更に多層膜反射鏡の共振器に接する２組の不純物濃度を周辺の多層膜反射鏡に対して高濃度に設定した場合でも、スロープ効率への影響は殆ど見られなかった。

以上のように、ここでは、多層膜反射鏡に不純物濃度を高くした領域を設けることによって、多層膜反射鏡へのキャリアのリークを抑制することが可能になり、スロープ効率を高く保ったまま、ピーク出力、温度特性を大幅に改善できる効果が得られた。

《製造方法》
次に、面発光レーザ素子１００の製造方法について簡単に説明する。

（１）上記第１の積層体を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）による結晶成長によって作成する。III族の原料には、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用い、Ｖ族の原料にはアルシン（ＡｓＨ_３）ガスを用いている。また、ｐ型ドーパントの原料には四臭化炭素（ＣＢｒ_４）を用い、ｎ型ドーパントの原料にはセレン化水素（Ｈ_２Ｓｅ）を用いている。

（２）公知の写真製版技術を用いて、第１の積層体の中央部に直径２０μｍの円形レジストパターンを形成した後、公知のドライエッチング技術を用いて、表面のコンタクト層からｎ型下部半導体多層膜反射鏡１０３までの各層を除去し、溝を形成する。

（３）加熱水蒸気雰囲気中で選択酸化層１０８を酸化して電流狭窄層を形成する。図１では、選択酸化層１０８において酸化された領域が黒く示されている。ここでは、選択酸化層１０８における非酸化領域（開口領域）の直径を３μｍとしている。

（４）公知の気相化学堆積法（ＣＶＤ法）を用いて、第１の積層体の全面にＳｉＯ_２層１０９を形成する。

（５）光出射部となる領域とその周辺のＳｉＯ_２層を除去する。

（６）絶縁性樹脂１１０のスピンコートを行い、溝に絶縁性樹脂１１０を埋め込む。なお、いわゆるメサ上面に塗布された絶縁性樹脂は除去する。

（７）光出射部となる領域に直径６μｍの円形レジストパターンを形成し、ｐ側電極材料の蒸着を行った後、リフトオフによって光出射部の電極材料を除去して、ｐ側リング状電極１１１を形成する。

（８）ｎ−ＧａＡｓ基板１０１の裏面を研磨した後、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１の裏面に蒸着によってｎ側電極１１２を形成し、アニールによって、両電極のオーミック導通をとる。

以上説明したように、本第１の実施形態に係る面発光レーザ素子１００によると、上部半導体多層膜反射鏡１０７における共振器スペーサー層１０６に接する第１の上部層領域１０７ａでは、第２の上部層領域１０７ｂよりもｐ型不純物濃度を高く設定している。これにより、共振器領域から上部半導体多層膜反射鏡１０７へのキャリアのリークが抑制され、その結果として、従来よりもピーク出力、及び温度特性を向上させることが可能となる。

ところで、２種のキャリアのうち、電子は正孔に対して有効質量が軽く、熱的にポテンシャル障壁を乗り越えやすく、また量子力学的にもトンネルし易いという性質がある。従って、本質的に電子は共振器領域からリークし易いという特性を有している。つまり、特に電子がｐ型半導体多層膜反射鏡へ顕著にリークすることが、面発光レーザ素子のピーク出力、温度特性を低下させる原因となっている。本第１の実施形態に係る面発光レーザ素子１００では、ｐ型半導体多層膜反射鏡（ここでは、上部半導体多層膜反射鏡１０７）において、不純物濃度を高く設定した領域を設けているため、電子のリークを抑制することができ、その結果として、スロープ効率を高く保ったまま、ピーク出力、温度特性を効果的に向上させることができる。

また、ポテンシャル障壁の高さは、半導体材料のバンドギャップエネルギーと、ドーピング濃度（キャリア濃度）によって決まるので、ドーピングを高濃度に設定した半導体層のバンドギャップエネルギーが大きい程、キャリアリークを抑制する効果が大きい。

近赤外から可視帯までの面発光レーザ素子はＧａＡｓを基板とすることが可能であり、ＡｌＧａＩｎＰ材料はＧａＡｓ基板に格子整合する材料の中で最もバンドギャップエネルギーが大きな材料である。また、ＡｌＧａＩｎＰの屈折率はＡｌＧａＡｓと略同じ範囲であり、多層膜反射鏡の材料として用いることができる。

従って、ドーピングを高濃度に設定する半導体層にＡｌＧａＩｎＰ混晶を用いると、ＡｌＧａＡｓ材料に比べて高いポテンシャル障壁を形成することができ、多層膜反射鏡へのキャリアのリークを更に効果的に抑制することができる。

なお、上記第１の実施形態において、一例として図５に示されるように、共振器スペーサー層と接する１組１０７ａのうち、高屈折率層のｐ型不純物濃度を前記共振器スペーサー層１０６側の８組１０７ｂにおけるｐ型不純物濃度と同じ５×１０^１７ｃｍ^−３とし、低屈折率層のｐ型不純物濃度を１．５×１０^１８ｃｍ^−３としても良い。すなわち、低屈折率層のｐ型不純物濃度のみを共振器スペーサー層１０６側の８組１０７ｂにおけるｐ型不純物濃度よりも高くなるように設定しても良い。

同材料系からなる混晶半導体の屈折率とバンドギャップエネルギーには対応関係があり、多層膜反射鏡を構成する２種の層（低屈折率層と高屈折率層）のうち、低屈折率層の方がバンドギャップエネルギーが大きく、共振器領域にキャリアを閉じ込める作用が大きい。また、キャリアを閉じ込めるのに必要な厚さは、トンネルが生じない厚さ以上であれば良いので、３０ｎｍ以上あれば十分である。赤外から可視帯までの面発光レーザ素子における多層膜反射鏡はこの要件を満たしている。

従って、多層膜反射鏡の１組のうち低屈折率層の不純物濃度のみを高く設定することによって、キャリアに対する閉じ込め効果を高く保ったまま、高屈折率層における吸収を低減することが可能である。

ところで、発振波長を短波とするためには、活性層にバンドギャップエネルギーの大きな半導体材料を用いる必要があり、一般に活性層とバリア層（ここでは、共振器スペーサー層）、及び多層膜反射鏡の低屈折率層との間に十分なバンドギャップエネルギー差を確保することが難しい。このため特に８５０ｎｍ帯よりも短波長帯の面発光レーザ素子では、元々キャリアリークが生じやすい傾向があり、多層膜反射鏡のドーピング濃度を低濃度に設定した場合には、顕著なキャリアリークを生じる。つまり、このような波長帯において本発明の構成を用いると、大きな特性の改善効果を得ることができる。

《第２の実施形態》
以下、本発明の第２の実施形態を図６及び図７に基づいて説明する。図６には、本発明の第２の実施形態に係る面発光レーザ素子２００の概略構成が示されている。

この面発光レーザ素子２００は、７８０ｎｍ帯の面発光レーザ素子であり、図６に示されるように、ｎ−ＧａＡｓ基板２０１上に、バッファー層２０２、下部半導体多層膜反射鏡２０３、共振器スペーサー層２０４、多重量子井戸活性層２０５、共振器スペーサー層２０６、上部半導体多層膜反射鏡２０７などの半導体層が、順次積層されている。なお、以下では、これら複数の半導体層が積層されているものを、便宜上「第２の積層体」ともいう。

上部半導体多層膜反射鏡２０７の途中には、ｐ−ＡｌＡｓからなる選択酸化層２０８が形成されている。さらに、第２の積層体の最表面には、ＧａＡｓからなるコンタクト層（図示省略）が設けられている。

バッファー層２０２は、ｎ−ＧａＡｓからなる層である。

下部半導体多層膜反射鏡２０３は、ｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層とｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層を組として、該組を４０．５組有している。すなわち、下部半導体多層膜反射鏡２０３では、低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層されている。言い換えると、下部半導体多層膜反射鏡２０３は、１組を１周期とする４０．５周期構造を有している。なお、低屈折率層と高屈折率層との間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成に向かって組成を徐々に変化させた厚さ２０ｎｍの組成傾斜層（図示省略）が設けられている。低屈折率層及び高屈折率層の厚さは、いずれも組成傾斜層を含めて、ブラッグの多重反射の位相条件を満たすように、レーザ発振された光の位相変化がπ／２となる厚さに設定されている。

共振器スペーサー層２０４は、ノンドープＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓからなる層である。

多重量子井戸活性層２０５は、Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ／Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓからなる層である。

共振器スペーサー層２０６は、ノンドープＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓからなる層である。

上部半導体多層膜反射鏡２０７は、ｐ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる低屈折率層２１３とｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層２１４とを有する第１の上部層領域２０７ａと、ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層とｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層とを組として、該組を２４組有している。

なお、低屈折率層２１３と高屈折率層２１４の間には、電気抵抗を低減するため、厚さ２０ｎｍのｐ−（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐのヘテロスパイク緩衝層（図示省略）を設けている。また、ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層とｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる高屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成に向かって組成を徐々に変化させた厚さ２０ｎｍの組成傾斜層（図示省略）が設けられている。低屈折率層及び高屈折率層の厚さは、いずれも組成傾斜層を含めて、ブラッグの多重反射の位相条件を満たすように、レーザ発振された光の位相変化がπ／２となる厚さに設定されている。

ここでは、各半導体多層膜反射鏡で生じる自由キャリアによる光吸収を低減するために、各半導体多層膜反射鏡中の電界強度に応じて、低屈折率層及び高屈折率層における不純物濃度を段階的に変化させている。つまり、電界強度が大きな共振器スペーサー層に近い領域の不純物濃度を低く設定し、電界強度が小さくなる方に向けて、段階的に不純物濃度が高くなるように設定されている。

ここでは、一例として図７に示されるように、上部半導体多層膜反射鏡２０７では、共振器スペーサー層１０６と接する第１の上部層領域２０７ａを除いた２４組における低屈折率層と高屈折率層のｐ型不純物濃度を、８組毎に３段階に変化させている。具体的には、第１の上部層領域２０７ａ側の８組からなる第２の上部層領域２０７ｂでは、ｐ型不純物濃度を５×１０^１７ｃｍ^−３、次の８組からなる第３の上部層領域２０７ｃでは、ｐ型不純物濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３、表面側の８組からなる第４の上部層領域２０７ｄでは、ｐ型不純物濃度を１．５×１０^１８ｃｍ^−３としている。なお、ここでは、一例として前記選択酸化層２０８は、第２の上部層領域２０７ｂの途中に形成されている。

また、第１の上部層領域２０７ａにおける低屈折率層２１３では、ｐ型不純物濃度を１．５×１０^１８ｃｍ^−３、第１の上部層領域２０７ａにおける高屈折率層２１４では、ｐ型不純物濃度を５×１０^１７ｃｍ^−３としている。すなわち、低屈折率層２１３のｐ型不純物濃度は、第２の上部層領域２０７ｂにおけるｐ型不純物濃度よりも高くなるように設定されている。

また、ここでは、一例として図７に示されるように、下部半導体多層膜反射鏡２０３も同様にｎ型不純物濃度を３段階に分けて変化させている。具体的には、共振器スペーサー層２０４側の１４組からなる第１の下部層領域２０３ａでは、ｎ型不純物濃度を５×１０^１７ｃｍ^−３、中央の１４組からなる第２の下部層領域２０３ｂでは、ｎ型不純物濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３、バッファー層１０２側の１４．５組からなる第３の下部層領域２０３ｃでは、ｎ型不純物濃度を３×１０^１８ｃｍ^−３としている。

《製造方法》
次に、面発光レーザ素子２００の製造方法について簡単に説明する。

（１）上記第２の積層体を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）による結晶成長によって作成する。III族の原料には、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いている。ＡｌＧａＩｎＰ層以外の層におけるＶ族の原料にはアルシン（ＡｓＨ_３）ガスを用い、ＡｌＧａＩｎＰ層におけるＶ族の原料には、フォスフィン（ＰＨ_３）ガスを用いている。また、ｎ型ドーパントの原料にはセレン化水素（Ｈ_２Ｓｅ）を用い、ｐ型ドーパント原料にはシクロペンタジフェニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いている。

（２）公知の写真製版技術を用いて、第２の積層体の中央部に直径２０μｍの円形レジストパターンを形成した後、公知のドライエッチング技術を用いて、表面のコンタクト層からｎ型下部半導体多層膜反射鏡２０３までの各層を除去し、溝を形成する。

（３）加熱水蒸気雰囲気中で選択酸化層２０８を酸化して電流狭窄層を形成する。図６では、選択酸化層２０８において酸化された領域が黒く示されている。ここでは、選択酸化層２０８における非酸化領域（開口領域）の直径を３μｍとしている。

（４）公知の気相化学堆積法（ＣＶＤ法）を用いて、第２の積層体の全面にＳｉＯ_２層２０９を形成する。

（５）光出射部となる領域とその周辺のＳｉＯ_２層を除去する。

（６）絶縁性樹脂２１０のスピンコートを行い、溝に絶縁性樹脂２１０を埋め込む。なお、いわゆるメサ上面に塗布された絶縁性樹脂は除去する。

（７）光出射部となる領域に直径６μｍの円形レジストパターンを形成し、ｐ側電極材料の蒸着を行った後、リフトオフによって光出射部の電極材料を除去して、ｐ側リング状電極２１１を形成する。

（８）ｎ−ＧａＡｓ基板２０１の裏面を研磨した後、ｎ−ＧａＡｓ基板２０１の裏面に蒸着によってｎ側電極２１２を形成し、アニールによって、両電極のオーミック導通をとる。

以上説明したように、本第２の実施形態に係る面発光レーザ素子２００によると、上部半導体多層膜反射鏡２０７における共振器スペーサー層２０６に接する低屈折率層をバンドギャップエネルギーの大きなＡｌＧａＩｎＰ材料により形成し、このＡｌＧａＩｎＰ材料のｐ型不純物濃度を第２の上部層領域２０７ｂにおけるｐ型不純物濃度よりも高く設定している。これにより、共振器領域から上部半導体多層膜反射鏡２０７へのキャリアのリークが抑制され、その結果として、従来よりもピーク出力、及び温度特性を向上させることが可能となる。

なお、上記第１及び第２の実施形態では、発振（発光）波長が７８０ｎｍ帯の場合について説明したが、これに限らず、７８０ｎｍ帯以外の発振波長であっても良い。この場合には波長帯に応じて、活性層の材料、多層膜反射鏡の材料、積層される組（周期）数を適切に選ぶことにより、同様にして面発光レーザ素子を作製することが可能であり、また同様な効果を得ることができる。

《第３の実施形態》
以下、本発明の第３の実施形態を図８及び図９に基づいて説明する。図８には、本発明の第３の実施形態に係る面発光レーザ素子３００の概略構成が示されている。

この面発光レーザ素子３００は、８５０ｎｍ帯の面発光レーザ素子であり、図８に示されるように、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に、バッファー層３０２、下部半導体多層膜反射鏡３０３、共振器スペーサー層３０４、多重量子井戸活性層３０５、共振器スペーサー層３０６、上部半導体多層膜反射鏡３０７などの半導体層が、順次積層されている。なお、以下では、これら複数の半導体層が積層されているものを、便宜上「第３の積層体」ともいう。

上部半導体多層膜反射鏡３０７の途中には、ｐ−ＡｌＡｓからなる選択酸化層３０８が形成されている。さらに、第３の積層体の最表面には、ＧａＡｓからなるコンタクト層（図示省略）が設けられている。

バッファー層３０２は、ｎ−ＧａＡｓからなる層である。

下部半導体多層膜反射鏡３０３は、ｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層とｎ−Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓからなる高屈折率層を組として、該組を４０．５組有している。すなわち、下部半導体多層膜反射鏡３０３では、低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層されている。言い換えると、下部半導体多層膜反射鏡３０３は、１組を１周期とする４０．５周期構造を有している。なお、低屈折率層と高屈折率層との間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成に向かって組成を徐々に変化させた厚さ２０ｎｍの組成傾斜層（図示省略）が設けられている。低屈折率層及び高屈折率層の厚さは、いずれも組成傾斜層を含めて、ブラッグの多重反射の位相条件を満たすように、レーザ発振された光の位相変化がπ／２となる厚さに設定されている。

共振器スペーサー層３０４は、ノンドープＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓからなる層である。

多重量子井戸活性層３０５は、ＧａＡｓ／Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓからなる層である。

共振器スペーサー層３０６は、ノンドープＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓからなる層である。

上部半導体多層膜反射鏡３０７は、ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層とｐ−Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓからなる高屈折率層とを組として、該組を２５組有している。

なお、低屈折率層と高屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成に向かって組成を徐々に変化させた厚さ２０ｎｍの組成傾斜層（図示省略）が設けられている。低屈折率層及び高屈折率層の厚さは、いずれも組成傾斜層を含めて、ブラッグの多重反射の位相条件を満たすように、レーザ発振された光の位相変化がπ／２となる厚さに設定されている。

ここでは、各半導体多層膜反射鏡で生じる自由キャリアによる光吸収を低減するために、各半導体多層膜反射鏡中の電界強度に応じて、低屈折率層及び高屈折率層における不純物濃度を段階的に変化させている。つまり、電界強度が大きな共振器スペーサー層に近い領域の不純物濃度を低く設定し、電界強度が小さくなる方に向けて、段階的に不純物濃度が高くなるように設定されている。

ここでは、一例として図９に示されるように、上部半導体多層膜反射鏡３０７では、共振器スペーサー層３０６と接する１組からなる第１の上部層領域３０７ａを除いた２４組における低屈折率層と高屈折率層のｐ型不純物濃度を、８組毎に３段階に変化させている。具体的には、第１の上部層領域３０７ａ側の８組からなる第２の上部層領域３０７ｂでは、ｐ型不純物濃度を５×１０^１７ｃｍ^−３、次の８組からなる第３の上部層領域３０７ｃでは、ｐ型不純物濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３、表面側の８組からなる第４の上部層領域３０７ｄでは、ｐ型不純物濃度を１．５×１０^１８ｃｍ^−３としている。なお、ここでは、一例として前記選択酸化層３０８は、第２の上部層領域３０７ｂの途中に形成されている。

また、第１の上部層領域３０７ａでは、低屈折率層及び高屈折率層のｐ型不純物濃度はいずれも１．５×１０^１８ｃｍ^−３であり、第２の上部層領域３０７ｂにおけるｐ型不純物濃度よりも高くなるように設定されている。

また、ここでは、一例として図９に示されるように、下部半導体多層膜反射鏡３０３では、共振器スペーサー層３０４と接する１組からなる第１の下部層領域３０３ａを除いた３９．５組における低屈折率層と高屈折率層のｎ型不純物濃度を３段階に分けて変化させている。具体的には、第１の下部層領域３０３ａ側の１３組からなる第２の下部層領域３０３ｂでは、ｎ型不純物濃度を５×１０^１７ｃｍ^−３、次の１３組からなる第３の下部層領域３０３ｃでは、ｎ型不純物濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３、バッファー層３０２側の１３．５組からなる第４の下部層領域３０３ｄでは、ｎ型不純物濃度を３×１０^１８ｃｍ^−３としている。

また、第１の下部層領域３０３ａでは、低屈折率層及び高屈折率層のｎ型不純物濃度はいずれも１．５×１０^１８ｃｍ^−３であり、第２の下部層領域３０３ｂにおけるｎ型不純物濃度よりも高くなるように設定されている。

《製造方法》
次に、面発光レーザ素子３００の製造方法について簡単に説明する。

（１）上記第３の積層体を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）による結晶成長によって作成する。III族の原料には、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用い、Ｖ族の原料にはアルシン（ＡｓＨ_３）ガスを用いている。また、ｐ型ドーパントの原料には四臭化炭素（ＣＢｒ_４）を用い、ｎ型ドーパントの原料にはセレン化水素（Ｈ_２Ｓｅ）を用いている。

（２）公知の写真製版技術を用いて、第３の積層体の中央部に直径２０μｍの円形レジストパターンを形成した後、公知のドライエッチング技術を用いて、表面のコンタクト層からｎ型下部半導体多層膜反射鏡３０３までの各層を除去し、溝を形成する。

（３）加熱水蒸気雰囲気中で選択酸化層３０８を酸化して電流狭窄層を形成する。図８では、選択酸化層３０８において酸化された領域が黒く示されている。ここでは、選択酸化層３０８における非酸化領域（開口領域）の直径を３μｍとしている。

（４）公知の気相化学堆積法（ＣＶＤ法）を用いて、第３の積層体の全面にＳｉＯ_２層３０９を形成する。

（５）光出射部となる領域とその周辺のＳｉＯ_２層を除去する。

（６）絶縁性樹脂３１０のスピンコートを行い、溝に絶縁性樹脂３１０を埋め込む。なお、いわゆるメサ上面に塗布された絶縁性樹脂は除去する。

（７）光出射部となる領域に直径６μｍの円形レジストパターンを形成し、ｐ側電極材料の蒸着を行った後、リフトオフによって光出射部の電極材料を除去して、ｐ側リング状電極３１１を形成する。

（８）ｎ−ＧａＡｓ基板３０１の裏面を研磨した後、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１の裏面に蒸着によってｎ側電極３１２を形成し、アニールによって、両電極のオーミック導通をとる。

以上説明したように、本第３の実施形態に係る面発光レーザ素子３００によると、上部半導体多層膜反射鏡３０７における共振器スペーサー層３０６に接する第１の上部層領域３０７ａでは、第２の上部層領域３０７ｂよりもｐ型不純物濃度を高く設定している。また、下部半導体多層膜反射鏡３０３における共振器スペーサー層３０６に接する第１の下部層領域３０７ａでは、第２の下部層領域３０７ｂよりもｎ型不純物濃度を高く設定している。これにより、共振器領域から各半導体多層膜反射鏡へのキャリアのリークが抑制され、その結果として、従来よりもピーク出力、及び温度特性を向上させることが可能となる。

《第４の実施形態》
以下、本発明の第４の実施形態を図１０及び図１１に基づいて説明する。図１０には、本発明の第４の実施形態に係る面発光レーザ素子４００の概略構成が示されている。

この面発光レーザ素子４００は、６５０ｎｍ帯の面発光レーザ素子であり、図１０に示されるように、ｎ−ＧａＡｓ基板４０１上に、バッファー層４０２、下部半導体多層膜反射鏡４０３、共振器スペーサー層４０４、多重量子井戸活性層４０５、共振器スペーサー層４０６、上部半導体多層膜反射鏡４０７などの半導体層が、順次積層されている。なお、以下では、これら複数の半導体層が積層されているものを、便宜上「第４の積層体」ともいう。

上部半導体多層膜反射鏡４０７の途中には、ｐ−ＡｌＡｓからなる選択酸化層４０８が形成されている。さらに、第４の積層体の最表面には、ＧａＡｓからなるコンタクト層（図示省略）が設けられている。

バッファー層４０２は、ｎ−ＧａＡｓからなる層である。

下部半導体多層膜反射鏡４０３は、ｎ−Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓからなる高屈折率層４１３とｎ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる低屈折率層４１４とを有する第１の下部層領域４０３ａと、ｎ−Ａｌ_０．９５Ｇａ_０．０５Ａｓからなる低屈折率層とｎ−Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓからなる高屈折率層を組として、該組を５４．５組有している。

なお、低屈折率層４１４と高屈折率層４１３の間には、電気抵抗を低減するため、厚さ２０ｎｍのｎ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐヘテロスパイク緩衝層（図示省略）を設けている。また、ｎ−Ａｌ_０．９５Ｇａ_０．０５Ａｓからなる低屈折率層とｎ−Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓからなる高屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成に向かって組成を徐々に変化させた厚さ２０ｎｍの組成傾斜層（図示省略）が設けられている。低屈折率層及び高屈折率層の厚さは、いずれも組成傾斜層を含めて、ブラッグの多重反射の位相条件を満たすように、レーザ発振された光の位相変化がπ／２となる厚さに設定されている。

共振器スペーサー層４０４は、ノンドープ（Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる層である。

多重量子井戸活性層４０５は、ＧａＩｎＰ／（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる層である。

共振器スペーサー層４０６は、ノンドープ（Ａｌ_０．６Ｇａ_０．４）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる層である。

上部半導体多層膜反射鏡４０７は、ｐ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる低屈折率層４１５とｐ−Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓからなる高屈折率層４１６とを有する第１の上部層領域４０７ａと、ｐ−Ａｌ_０．９５Ｇａ_０．０５Ａｓからなる低屈折率層とｐ−Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓからなる高屈折率層とを組として、該組を３４組有している。

なお、低屈折率層４１５と高屈折率層４１６の間には、電気抵抗を低減するため、厚さ２０ｎｍのｐ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐのヘテロスパイク緩衝層（図示省略）を設けている。また、ｐ−Ａｌ_０．９５Ｇａ_０．０５Ａｓからなる低屈折率層とｐ−Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓからなる高屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成に向かって組成を徐々に変化させた厚さ２０ｎｍの組成傾斜層（図示省略）が設けられている。低屈折率層及び高屈折率層の厚さは、いずれも組成傾斜層を含めて、ブラッグの多重反射の位相条件を満たすように、レーザ発振された光の位相変化がπ／２となる厚さに設定されている。

ここでは、各半導体多層膜反射鏡で生じる自由キャリアによる光吸収を低減するために、各半導体多層膜反射鏡中の電界強度に応じて、低屈折率層及び高屈折率層における不純物濃度を段階的に変化させている。つまり、電界強度が大きな共振器スペーサー層に近い領域の不純物濃度を低く設定し、電界強度が小さくなる方に向けて、段階的に不純物濃度が高くなるように設定されている。

ここでは、一例として図１１に示されるように、上部半導体多層膜反射鏡４０７では、共振器スペーサー層４０６と接する第１の上部層領域４０７ａを除いた３４組における低屈折率層と高屈折率層のｐ型不純物濃度を３段階に変化させている。具体的には、第１の上部層領域４０７ａ側の１１組からなる第２の上部層領域４０７ｂでは、ｐ型不純物濃度を５×１０^１７ｃｍ^−３、次の１１組からなる第３の上部層領域４０７ｃでは、ｐ型不純物濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３、表面側の１２組からなる第４の上部層領域４０７ｄでは、ｐ型不純物濃度を１．５×１０^１８ｃｍ^−３としている。なお、ここでは、一例として前記選択酸化層４０８は、第２の上部層領域４０７ｂの途中に形成されている。

また、第１の上部層領域４０７ａにおける低屈折率層４１５では、ｐ型不純物濃度を１．５×１０^１８ｃｍ^−３、第１の上部層領域４０７ａにおける高屈折率層４１６では、ｐ型不純物濃度を５×１０^１７ｃｍ^−３としている。すなわち、低屈折率層４１５のｐ型不純物濃度は、第２の上部層領域４０７ｂにおけるｐ型不純物濃度よりも高くなるように設定されている。

また、ここでは、一例として図１１に示されるように、下部半導体多層膜反射鏡４０３では、共振器スペーサー層４０４と接する１組からなる第１の下部層領域４０３ａを除いた５４．５組における低屈折率層と高屈折率層のｎ型不純物濃度を３段階に分けて変化させている。具体的には、第１の下部層領域４０３ａ側の１８組からなる第２の下部層領域４０３ｂでは、ｎ型不純物濃度を５×１０^１７ｃｍ^−３、次の１８組からなる第３の下部層領域４０３ｃでは、ｎ型不純物濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３、バッファー層４０２側の１８．５組からなる第４の下部層領域４０３ｄでは、ｎ型不純物濃度を１．５×１０^１８ｃｍ^−３としている。

また、第１の下部層領域４０３ａにおける低屈折率層４１４では、ｎ型不純物濃度を１．５×１０^１８ｃｍ^−３、第１の下部層領域４０３ａにおける高屈折率層４１３では、ｎ型不純物濃度を５×１０^１７ｃｍ^−３としている。すなわち、低屈折率層４１４のｎ型不純物濃度は、第２の下部層領域４０３ｂにおけるｎ型不純物濃度よりも高くなるように設定されている。

《製造方法》
次に、面発光レーザ素子４００の製造方法について簡単に説明する。

（１）上記第４の積層体を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）による結晶成長によって作成する。III族の原料には、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いている。ＡｌＧａＩｎＰ層以外の層におけるＶ族の原料にはアルシン（ＡｓＨ_３）ガスを用い、ＡｌＧａＩｎＰ層におけるＶ族の原料には、フォスフィン（ＰＨ_３）ガスを用いている。また、ｎ型ドーパントの原料にはセレン化水素（Ｈ_２Ｓｅ）を用い、ｐ型ドーパント原料にはシクロペンタジフェニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いている。

（２）公知の写真製版技術を用いて、第４の積層体の中央部に直径２０μｍの円形レジストパターンを形成した後、公知のドライエッチング技術を用いて、表面のコンタクト層からｎ型下部半導体多層膜反射鏡４０３までの各層を除去し、溝を形成する。

（３）加熱水蒸気雰囲気中で選択酸化層４０８を酸化して電流狭窄層を形成する。図１０では、選択酸化層４０８において酸化された領域が黒く示されている。ここでは、選択酸化層４０８における非酸化領域（開口領域）の直径を３μｍとしている。

（４）公知の気相化学堆積法（ＣＶＤ法）を用いて、第４の積層体の全面にＳｉＯ_２層４０９を形成する。

（５）光出射部となる領域とその周辺のＳｉＯ_２層を除去する。

（６）絶縁性樹脂４１０のスピンコートを行い、溝に絶縁性樹脂４１０を埋め込む。なお、いわゆるメサ上面に塗布された絶縁性樹脂は除去する。

（７）光出射部となる領域に直径６μｍの円形レジストパターンを形成し、ｐ側電極材料の蒸着を行った後、リフトオフによって光出射部の電極材料を除去して、ｐ側リング状電極４１１を形成する。

（８）ｎ−ＧａＡｓ基板４０１の裏面を研磨した後、ｎ−ＧａＡｓ基板４０１の裏面に蒸着によってｎ側電極４１２を形成し、アニールによって、両電極のオーミック導通をとる。

以上説明したように、本第４の実施形態に係る面発光レーザ素子４００によると、上部半導体多層膜反射鏡４０７における共振器スペーサー層４０６に接する低屈折率層をバンドギャップエネルギーの大きなＡｌＧａＩｎＰ材料により形成し、このＡｌＧａＩｎＰ材料のｐ型不純物濃度を第２の上部層領域４０７ｂにおけるｐ型不純物濃度よりも高く設定している。また、下部半導体多層膜反射鏡４０３における共振器スペーサー層４０４に接する低屈折率層をバンドギャップエネルギーの大きなＡｌＧａＩｎＰ材料により形成し、このＡｌＧａＩｎＰ材料のｎ型不純物濃度を第２の下部層領域４０３ｂにおけるｎ型不純物濃度よりも高く設定している。これにより、共振器領域から各半導体多層膜反射鏡へのキャリアのリークが抑制され、その結果として、従来よりもピーク出力、及び温度特性を向上させることが可能となる。

なお、上記各実施形態では、面発光レーザ素子の構造として選択酸化構造を電流狭窄構造に用いる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば水素イオン注入によって形成した高抵抗領域を電流狭窄構造に用いた構造であっても良い。

また、上記各実施形態では、結晶成長方法としてＭＯＣＶＤ法を用いる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）等のその他の結晶成長法を用いることもできる。

《面発光レーザアレイ》
図１２には、本発明の一実施形態に係る面発光レーザアレイＬＡの概略構成が示されている。この面発光レーザアレイＬＡは、前記面発光レーザ素子１００、前記面発光レーザ素子２００、及び前記面発光レーザ素子３００のうちのいずれかの面発光レーザ素子が複数個（ここでは、一例として２４個）集積されている。従って、この面発光レーザアレイＬＡによれば、従来よりもピーク出力、及び温度特性を向上させることが可能となる。

なお、面発光レーザアレイＬＡは、２次元アレイだけでなく、１次元アレイであっても良い。

《レーザプリンタ》
図１３には、本発明の一実施形態に係る画像形成装置としてのレーザプリンタ５００の概略構成が示されている。

図１３に示されるレーザプリンタ５００は、光走査装置９００、感光体ドラム９０１、帯電チャージャ９０２、現像ローラ９０３、トナーカートリッジ９０４、クリーニングブレード９０５、給紙トレイ９０６、給紙コロ９０７、レジストローラ対９０８、転写チャージャ９１１、除電ユニット９１４、定着ローラ９０９、排紙ローラ９１２、及び排紙トレイ９１０などを備えている。

帯電チャージャ９０２、現像ローラ９０３、転写チャージャ９１１、除電ユニット９１４及びクリーニングブレード９０５は、それぞれ感光体ドラム９０１の表面近傍に配置されている。そして、感光体ドラム９０１の回転方向に関して、帯電チャージャ９０２→現像ローラ９０３→転写チャージャ９１１→除電ユニット９１４→クリーニングブレード９０５の順に配置されている。

感光体ドラム９０１の表面には、感光層が形成されている。ここでは、感光体ドラム９０１は、図１３における面内で時計回り（矢印方向）に回転するようになっている。

帯電チャージャ９０２は、感光体ドラム９０１の表面を均一に帯電させる。

光走査装置９００は、帯電チャージャ９０２で帯電された感光体ドラム９０１の表面に、上位装置（例えばパソコン）からの画像情報に基づいて変調された光を照射する。これにより、感光体ドラム９０１の表面では、画像情報に対応した潜像が感光体ドラム９０１の表面に形成される。ここで形成された潜像は、感光体ドラム９０１の回転に伴って現像ローラ９０３の方向に移動する。なお、この光走査装置９００の構成については後述する。

トナーカートリッジ９０４にはトナーが格納されており、該トナーは現像ローラ９０３に供給される。

現像ローラ９０３は、感光体ドラム９０１の表面に形成された潜像にトナーカートリッジ９０４から供給されたトナーを付着させて画像情報を顕像化させる。ここでトナーが付着された潜像は、感光体ドラム９０１の回転に伴って転写チャージャ９１１の方向に移動する。

給紙トレイ９０６には記録紙９１３が格納されている。この給紙トレイ９０６の近傍には給紙コロ９０７が配置されており、該給紙コロ９０７は、記録紙９１３を給紙トレイ９０６から１枚ずつ取り出し、レジストローラ対９０８に搬送する。該レジストローラ対９０８は、転写ローラ９１１の近傍に配置され、給紙コロ９０７によって取り出された記録紙９１３を一旦保持するとともに、該記録紙９１３を感光体ドラム９０１の回転に合わせて感光体ドラム９０１と転写チャージャ９１１との間隙に向けて送り出す。

転写チャージャ９１１には、感光体ドラム９０１の表面上のトナーを電気的に記録紙９１３に引きつけるために、トナーとは逆極性の電圧が印加されている。この電圧により、感光体ドラム９０１の表面の潜像が記録紙９１３に転写される。ここで転写された記録紙９１３は、定着ローラ９０９に送られる。

この定着ローラ９０９では、熱と圧力とが記録紙９１３に加えられ、これによってトナーが記録紙９１３上に定着される。ここで定着された記録紙９１３は、排紙ローラ９１２を介して排紙トレイ９１０に送られ、排紙トレイ９１０上に順次スタックされる。

除電ユニット９１４は、感光体ドラム９０１の表面を除電する。

クリーニングブレード９０５は、感光体ドラム９０１の表面に残ったトナー（残留トナー）を除去する。なお、除去された残留トナーは、再度利用されるようになっている。残留トナーが除去された感光体ドラム９０１の表面は、再度帯電チャージャ９０２の位置に戻る。

《光走査装置》
次に、前記光走査装置９００の構成及び作用について図１４を用いて説明する。

この光走査装置９００は、前記面発光レーザ素子１００、前記面発光レーザ素子２００、及び前記面発光レーザ素子３００のうちのいずれかの面発光レーザ素子を含む光源１１、カップリングレンズ１２、シリンドリカルレンズ１３、ポリゴンミラー１４、ｆθレンズ１５、トロイダルレンズ１６及び上記各部を統括的に制御する不図示の主制御装置を備えている。

前記カップリングレンズ１２は、光源１１から出射された光ビームを略平行光に整形する。

前記シリンドリカルレンズ１３は、カップリングレンズ１２を透過した光ビームをポリゴンミラー１４の反射面に集光する。

前記ポリゴンミラー１４は、高さの低い正六角柱状部材からなり、側面には６面の偏向面が形成されている。そして、不図示の回転機構により、図１４に示される矢印の方向に一定の角速度で回転されている。したがって、光源１１から出射され、シリンドリカルレンズ１３によってポリゴンミラー１４の偏向面に集光された光ビームは、ポリゴンミラー１４の回転により一定の角速度で偏向される。

前記ｆθレンズ１５は、ポリゴンミラー１４からの光ビームの入射角に比例した像高をもち、ポリゴンミラー１４により一定の角速度で偏向される光ビームの像面を、主走査方向に対して等速移動させる。

前記トロイダルレンズ１６は、ｆθレンズ１５を透過した光ビームを感光体ドラム９０１の表面上に結像する。

以上説明したように、本実施形態に係る光走査装置９００によると、光源１１は前記面発光レーザ素子１００、前記面発光レーザ素子２００、及び前記面発光レーザ素子３００のうちのいずれかの面発光レーザ素子を含んでいるため、感光体ドラム９０１の表面上を安定して走査することが可能となる。

また、本実施形態に係るレーザプリンタ５００によると、前記面発光レーザ素子１００、前記面発光レーザ素子２００、及び前記面発光レーザ素子３００のうちのいずれかの面発光レーザ素子を含む光走査装置９００を備えているため、高精細な画像を安定して形成することが可能となる。

なお、上記実施形態に係る光走査装置９００において、前記光源１１は前記面発光レーザアレイＬＡを含んでいても良い。この場合には、同時に複数の走査を行うことができ、その結果、レーザプリンタ５００では高速に画像を形成することができる。

また、上記実施形態では、画像形成装置としてレーザプリンタ５００の場合について説明したが、これに限定されるものではない。要するに、前記面発光レーザ素子１００、前記面発光レーザ素子２００、及び前記面発光レーザ素子３００のうちのいずれかの面発光レーザ素子、又は前記面発光レーザアレイＬＡを有する画像形成装置であれば、高精細な画像を安定して形成することが可能となる。

また、カラー画像を形成する画像形成装置であっても、カラー画像に対応した光走査装置を用いることにより、高精細な画像を高速度で形成することが可能となる。

また、画像形成装置として、カラー画像に対応し、例えばブラック（Ｋ）用の感光体ドラム、シアン（Ｃ）用の感光体ドラム、マゼンダ（Ｍ）用の感光体ドラム、イエロー（Ｙ）用の感光体ドラムのように複数の感光体ドラムを備えるタンデムカラー機であっても良い。

《光通信システム》
図１５には、本発明の一実施形態に係る光通信システム１０００の概略構成が示されている。

図１５に示される光通信システム１０００は、機器１と機器２との間を、光ファイバアレイを用いて接続したものである。送信側である機器１には、前記面発光レーザ素子１００、前記面発光レーザ素子２００、及び前記面発光レーザ素子３００のうちのいずれかの面発光レーザ素子が１次元に複数集積されている面発光レーザアレイと、該面発光レーザアレイの駆動回路とを含む面発光レーザアレイモジュールが設けられている。また、受信側である機器２には、受光素子が１次元に複数集積されているＰＤアレイと、該ＰＤアレイの出力信号を増幅及び整形する信号処理回路とを含むフォトダイオードアレイモジュールが設けられている。

以上説明したように、本実施形態に係る光通信システム１０００によると、前記面発光レーザ素子１００、前記面発光レーザ素子２００、及び前記面発光レーザ素子３００のうちのいずれかの面発光レーザ素子を用いているため、安定した光通信を行うことが可能となる。

なお、上記実施形態に係る光通信システム１０００は、面発光レーザアレイを用いる場合について説明したが、前記面発光レーザ素子２００、及び前記面発光レーザ素子３００のうちのいずれかの単一の面発光レーザ素子を用いても良い。また、機器間の光通信だけでなく、ボード間、チップ間、及びチップ内の光通信に応用することも可能である。

以上説明したように、本発明の面発光レーザ素子によれば、短波長帯における温度特性、及びレーザ出力を向上させるのに適している。また、本発明の面発光レーザアレイによれば、短波長帯における温度特性、及びレーザ出力を向上させるのに適している。また、本発明の光走査装置によれば、被走査面上を安定して走査するのに適している。また、本発明の画像形成装置によれば、高精細な画像を安定して形成するのに適している。また、本発明の光通信システムによれば、安定した光通信を行うのに適している。

本発明の第１の実施形態に係る面発光レーザ素子の概略構成を説明するための図である。 図１の面発光レーザ素子の共振器領域を説明するための図である。 図１の面発光レーザ素子のバンドエネルギーを説明するための図である。 従来の面発光レーザ素子のバンドエネルギーを説明するための図である。 図１の面発光レーザ素子の変形例を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係る面発光レーザ素子の概略構成を説明するための図である。 図６の面発光レーザ素子の共振器領域を説明するための図である。 本発明の第３の実施形態に係る面発光レーザ素子の概略構成を説明するための図である。 図８の面発光レーザ素子の共振器領域を説明するための図である。 本発明の第４の実施形態に係る面発光レーザ素子の概略構成を説明するための図である。 図１０の面発光レーザ素子の共振器領域を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る面発光レーザアレイの概略構成を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るレーザプリンタの概略構成を説明するための図である。 図１３のレーザプリンタにおける光走査装置の概略構成を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る光通信システムの概略構成を説明するための図である。

符号の説明

１００…面発光レーザ素子、１０１…ｎ−ＧａＡｓ基板、１０２…バッファー層、１０３…下部半導体多層膜反射鏡、１０４…共振器スペーサー層、１０５…多重量子井戸活性層、１０６…共振器スペーサー層、１０７…上部半導体多層膜反射鏡、２００…面発光レーザ素子、２０１…ｎ−ＧａＡｓ基板、２０２…バッファー層、２０３…下部半導体多層膜反射鏡、２０４…共振器スペーサー層、２０５…多重量子井戸活性層、２０６…共振器スペーサー層、２０７…上部半導体多層膜反射鏡、３００…面発光レーザ素子、３０１…ｎ−ＧａＡｓ基板、３０２…バッファー層、３０３…下部半導体多層膜反射鏡、３０４…共振器スペーサー層、３０５…多重量子井戸活性層、３０６…共振器スペーサー層、３０７…上部半導体多層膜反射鏡、４００…面発光レーザ素子、４０１…ｎ−ＧａＡｓ基板、４０２…バッファー層、４０３…下部半導体多層膜反射鏡、４０４…共振器スペーサー層、４０５…多重量子井戸活性層、４０６…共振器スペーサー層、４０７…上部半導体多層膜反射鏡、５００…レーザプリンタ、９００…光走査装置、１０００…光通信システム。

Claims (12)

1. 低屈折率層と高屈折率層を組として複数の組からなるｎ導電型半導体多層膜反射鏡、第１のスペーサー層、活性層、第２のスペーサー層、及び低屈折率層と高屈折率層を組として複数の組からなるｐ導電型半導体多層膜反射鏡を有し、光を発光する面発光レーザ素子において、
   前記ｎ導電型半導体多層膜反射鏡及び前記ｐ導電型半導体多層膜反射鏡は、不純物がドーピングされており、
   前記ｐ導電型半導体多層膜反射鏡は、予め設定されている組と前記第２のスペーサー層との間であって前記第２のスペーサー層に接する位置に、前記予め設定されている組における前記不純物の濃度よりも高い濃度の不純物がドーピングされた一組を有することを特徴とする面発光レーザ素子。
2. 前記高い濃度の不純物がドーピングされた組の低屈折率層及び高屈折率層は、ＡｌＧａＩｎＰで構成されてい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。
3. 低屈折率層と高屈折率層を組として複数の組からなるｎ導電型半導体多層膜反射鏡、第１のスペーサー層、活性層、第２のスペーサー層、及び低屈折率層と高屈折率層を組として複数の組からなるｐ導電型半導体多層膜反射鏡を有し、光を発光する面発光レーザ素子において、
   前記ｎ導電型半導体多層膜反射鏡及び前記ｐ導電型半導体多層膜反射鏡は、不純物がドーピングされており、
   前記ｐ導電型半導体多層膜反射鏡は、予め設定されている組と前記第２のスペーサー層との間であって前記第２のスペーサー層に接する位置に、予め設定されている組における前記不純物の濃度よりも高い濃度の不純物がドーピングされた低屈折率層を有することを特徴とする面発光レーザ素子。
4. 前記高い濃度の不純物がドーピングされた低屈折率層は、ＡｌＧａＩｎＰで構成されてい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。
5. 前記発光する光の波長は、８５０ｎｍを超えない波長であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子を複数有する面発光レーザアレイ。
7. 光ビームによって被走査面上を走査する光走査装置において、
   前記光ビームを発する請求項１〜５のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子を備えていることを特徴とする光走査装置。
8. 光ビームによって被走査面上を走査する光走査装置において、
   前記光ビームを発する請求項６に記載の面発光レーザアレイを備えていることを特徴とする光走査装置。
9. 光ビームを用いて物体上に画像を形成する画像形成装置において、
   前記光ビームは、請求項１〜５のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子から出射される光ビームであることを特徴とする画像形成装置。
10. 光ビームを用いて物体上に画像を形成する画像形成装置において、
    前記光ビームは、請求項６に記載の面発光レーザアレイから出射される光ビームであることを特徴とする画像形成装置。
11. 光信号を用いて情報を伝達する光通信システムにおいて、
    前記光信号は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子から出射される光ビームによって生成されることを特徴とする光通信システム。
12. 光信号を用いて情報を伝達する光通信システムにおいて、
    前記光信号は、請求項６に記載の面発光レーザアレイから出射される光ビームによって生成されることを特徴とする光通信システム。

Images