JP5116960B2 - 面発光レーザ素子およびレーザアレイ - Google Patents

Description

本発明は、基板に対して垂直方向にレーザ光を射出する面発光レーザ素子およびレーザアレイに関するものである。

垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser。以下、面発光レーザ素子と称す。）は、その名の示す通り、光の共振する方向が基板面に対して垂直であり、基板面に対して垂直方向にレーザ光が射出される構造を有する。このため、面発光レーザ素子は、従来の端面発光型レーザ素子と比較して、素子の２次元配列を容易に形成できる。また、面発光レーザ素子は、端面発光型レーザ素子と異なり、ミラーを設けるために劈開する必要がないことや、活性層の体積が格段に小さいため極低閾値でレーザ発振が可能であり、消費電力が小さいこと等の利点を有する（たとえば、特許文献１参照）。

図７は、従来の面発光レーザ素子の構成を例示する斜視断面図である。図７に示すように、面発光レーザ素子４１は、ｐ−ＧａＡｓである基板２上に、順に、下部多層膜反射鏡４３と、下部クラッド層４４と、多重量子井戸構造の活性層４５と、上部クラッド層４６と、上部多層膜反射鏡４７とが積層された構造のメサポストＭＰ４を有する。

下部多層膜反射鏡４３は、例えばｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ／ｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓを１ペアとして３５ペア積層した構造を有し、上部多層膜反射鏡４７は、例えばｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ／ｎ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓを１ペアとして２５ペア積層した構造を有する。なお、下部多層膜反射鏡４３および上部多層膜反射鏡４７を形成する各半導体層の厚さは、λ／４ｎ（λ：発振波長、ｎ：屈折率）である。また、下部多層膜反射鏡４３の上端層には、メサポストＭＰ４の中軸上に位置し電流注入領域として機能する開口部４３ａを有する電流狭窄層としての選択酸化層４３ｂが形成されている。この選択酸化層４３ｂは、レーザ光を閉じ込める光閉じ込め層としても機能する。

上部多層膜反射鏡４７の上部には、この上部多層膜反射鏡４７と電気的接続を果たすリング状のｎ側電極９が形成され、ｎ側電極９に対向する基板２の裏面にはｐ側電極１０が形成されている。ｎ側電極９は、メサポストＭＰ４の上面部中央に開口部を有し、この開口部は、活性層４５で発生したレーザ光ＬＯを外部に出力するための射出窓として機能する。また、メサポストＭＰ４の周囲にはポリイミド層８が配置されており、ｎ側電極９は、上部多層膜反射鏡４７の上部からポリイミド層８の上面を覆うように形成されている。

かかる構成によって面発光レーザ素子４１は、ｎ側電極９とｐ側電極１０との間に適当な電圧が印加された場合、ｎ側電極９の中央開口部からメサポストＭＰ４の上方に向けて、例えば波長８５０ｎｍのレーザ光ＬＯを射出する。

特開２００３−３４７６７０号公報

ところで、面発光レーザ素子は、低閾値電流、高効率、低消費電力、高速動作等の優れた性能を有することから発振波長８５０ｎｍ帯を中心に光通信用デバイスとして利用が拡大している。かかる面発光レーザ素子では、磨耗故障に関して、室温で数百万時間を越える長寿命を有することが報告される一方、偶発故障に関して、他の通信用光デバイスと比較して故障発生率がｐｐｍオーダーと大きいことが問題とされている。発振波長８５０ｎｍ帯の面発光レーザ素子は、年間６００万個レベルの膨大な数の利用が実現されているため、故障発生率の一層の低減が要求される。

本発明者らは、かかる問題点を解決するべく調査および研究を重ねた結果、面発光レーザ素子の偶発故障は、メサポスト側面部に生じた転位に起因して発生しており、メサポスト側面部から転位が拡大および増殖して活性層内の発光領域（電流注入領域）に到達した途端に故障するモードであるという事実を見出した。

図８および図９は、図７に示した面発光レーザ素子４１のメサポストＭＰ４内の活性層４５に生じた転位を説明する模式図であって、活性層４５をレーザ光ＬＯの射出方向から見た断面図として示している。面発光レーザ素子の偶発故障のモードでは、まず、図８に示すように、活性層４５の周縁部に複数の転位ＤＬが生じる。これらの転位ＤＬは、メサポストＭＰ４を形成するためのエッチング工程で与えられるダメージや、その後の酸化工程で形成される酸化部分（特に多層膜反射鏡内の高アルミ層であるＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層の酸化部分）によって与えられるダメージ（歪、応力）によって発生するものと考えられる。

本発明者らは、かかる転位ＤＬが、活性層４５内の発光領域から導波した自然放出光の吸収に基づいて生成されるキャリアに依存して拡大し、増殖するという事実を見出した。そして、図９に示すように、活性層４５の周縁部から増殖した転位ＤＬが発光領域ＥＡに到達した場合に、偶発故障を誘発するという事実を見出した。

通常、面発光レーザ素子は、活性層の近傍に、レーザ光を閉じ込める光閉じ込め層を備えており、この光閉じ込め層が有する開口部を活性層上に投影した開口投影領域の内部にある活性層の部分的な領域が、発光領域とされている。すなわち、図９に示す発光領域ＥＡは、開口部４３ａを活性層４５上に投影した開口投影領域に相当する。ただし、厳密には、開口投影領域の外周から外側に３μｍ程度の領域まで光の染み出しがあり、この染み出した領域までが発光領域と考えられる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、転位の増殖を抑制して偶発故障の故障発生率を低減し、一層の高信頼化を実現できる面発光レーザ素子およびレーザアレイを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る面発光レーザ素子は、半導体基板上に、下部多層膜反射鏡、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、および上部多層膜反射鏡が順に積層された積層構造を有する面発光レーザ素子であって、前記下部多層膜反射鏡の上端部から上の積層部はメサポストとして形成され、前記メサポスト中軸上に開口部を有する電流狭窄層を備え、前記活性層は、前記開口部を前記活性層上に投影した開口投影領域に相当して前記電流狭窄層によって狭窄された電流に応じて自然放出光を放出する発光領域と、前記開口投影領域の外周から前記メサポストの側面部まで前記発光領域を取り囲む輪帯領域と、を含み、前記輪帯領域内の少なくとも一部に、前記発光領域からの前記自然放出光の吸収に基づいて生成されるキャリアに起因する、前記活性層の外周部に生じた転位の拡大および増殖を抑制する転位拡大抑制構造を有することを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記転位拡大抑制構造は、前記輪帯領域をドーピングにより混晶化し、バンドギャップを拡大することで、前記発光領域からの前記自然放出光の吸収を抑制し、前記自然放出光の吸収に基づくキャリアの生成を抑制するキャリア生成抑制構造であることを特徴とする。また、前記ドーピングは、イオン注入、亜鉛拡散、もしくはＩＦＶＤ法の不純物拡散、または超格子構造の無秩序化により行うことを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記半導体基板の上面中央部に、円盤状の段部をさらに備え、前記積層構造は、前記段部の上部に前記段部の段差に応じてベンディングして形成され、少なくとも前記輪帯領域内の前記発光領域との境界付近に屈曲部をさらに備え、前記屈曲部は、前記開口投影領域を取り囲むように形成され、前記転位拡大抑制構造は、前記屈曲部により、前記発光領域からの前記自然放出光の前記輪帯領域への導波を抑制する自然放出光導波抑制構造であることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記半導体基板の上面中央部に、リング状の段部をさらに備え、前記積層構造は、前記段部の上部に前記段部の段差に応じてベンディングして形成され、少なくとも前記輪帯領域内の前記発光領域との境界付近に屈曲部をさらに備え、前記屈曲部は、前記開口投影領域を取り囲むように形成され、前記転位拡大抑制構造は、前記屈曲部により、前記発光領域からの前記自然放出光の前記輪帯領域への導波を抑制する自然放出光導波抑制構造であることを特徴とする。

また、本発明に係るレーザアレイは、上記の発明による面発光レーザ素子を同一基板上に複数備え、該面発光レーザ素子を１次元または２次元に集積したことを特徴とする。

本発明にかかる面発光レーザ素子およびレーザアレイによれば、転位の増殖を抑制して偶発故障の故障発生率を低減し、一層の高信頼化を実現できる。

以下、添付図面を参照して、本発明にかかる面発光レーザ素子およびレーザアレイの好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付している。

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１にかかる面発光レーザ素子について説明する。図１は、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１の構成を示す斜視断面図である。また、図２は、図１に示すメサポストＭＰ１の構成を示す断面図である。図１に示すように、面発光レーザ素子１は、ｐ−ＧａＡｓである基板２上に、順に、下部多層膜反射鏡３と、下部クラッド層４と、多重量子井戸構造の活性層５と、上部クラッド層６と、上部多層膜反射鏡７とが積層された構造を有する。かかる積層構造において、下部多層膜反射鏡３の上端部から上の積層部は、切頭円錐状のメサポストＭＰ１として形成されている。なお、図１に示す構成部分のうち、図６と同じ構成部分には同一の符号を付している。

下部多層膜反射鏡３は、分布反射型反射鏡（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）として形成され、例えばｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ／ｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓを１ペアとして３５ペア積層した構造を有する。また、上部多層膜反射鏡７は、分布反射型反射鏡として形成され、例えばｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ／ｎ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓを１ペアとして２５ペア積層した構造を有する。なお、下部多層膜反射鏡３および上部多層膜反射鏡７を形成する各半導体層の厚さは、λ／４ｎ（λ：発振波長、ｎ：屈折率）である。

下部多層膜反射鏡３の上端層には、メサポストＭＰ１の中軸上に開口部３ａを有する電流狭窄層としての選択酸化層３ｂが形成されている。選択酸化層３ｂは、図２に示すように、下部多層膜反射鏡３の上端層をメサポストＭＰ１の側面部から選択的に距離Ｗ１だけ酸化して形成され、開口部３ａは、酸化層中にあって酸化されていない非酸化開口部として形成される。開口部３ａの開口外周から外側は、酸化によって絶縁性を有している。かかる選択酸化層３ｂは、ｐ側電極１０から注入される電流を狭窄して活性層５内の電流密度を高め、開口部３ａは、電流注入領域として機能する。また、開口部３ａは、開口外周から外側が酸化により開口内部と異なる屈折率を有するため、光閉じ込め層として発振横モードを制御する機能を有する。

下部クラッド層４および上部クラッド層６は、活性層５を上下から挟み込むように積層され、活性層５とともに光共振器を形成する。下部クラッド層４は、例えばｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓによって形成され、上部クラッド層６は、例えばｎ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓによって形成される。なお、光共振器内に生成される定在波の腹が活性層５の層厚方向の中心部にくるように、下部クラッド層４および上部クラッド層６は、互いにほぼ等しい光学長を実現する膜厚を有することが好ましい。

活性層５は、例えばＧａＡｓ／Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓからなる多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造を有する。開口部３ａを活性層５上に投影した開口投影領域５ｂ内の活性層５は、ｐ側電極１０から注入され、選択酸化層３ｂによって狭窄された電流に応じて光を放出する発光領域として機能する。この発光領域から放出された自然放出光は、下部クラッド層４および上部クラッド層６が形成する光共振器によって増幅され、上部多層膜反射鏡７の上面部からレーザ光ＬＯとして射出される。

上部多層膜反射鏡７の上部にはｎ側電極９が形成され、ｎ側電極９に対向する基板２の裏面にはｐ側電極１０が形成されている。ｎ側電極９は、メサポストＭＰ１の上面部中央に、レーザ光ＬＯを外部に射出する射出窓としての開口部を有する。また、メサポストＭＰ１の周囲にはポリイミド層８が形成され、ｎ側電極９は、上部多層膜反射鏡７の上部からポリイミド層８の上面を覆うように形成される。

本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１では、特に、メサポストＭＰ１内の外周部ＤＰは、図２に示すように、各種ドーピングによって不純物が添加された構造に形成されている。これによって、活性層５の外周部ＤＰ内に位置する領域、すなわち、活性層５内の中央部の発光領域を包囲する外周領域としての輪帯領域５ａは、発光領域を取り囲み、この発光領域からの自然放出光の吸収に基づくキャリアの発生または伝播を抑制するキャリア抑制構造として形成されている。また、このキャリア抑制構造としての輪帯領域５ａは、発光領域を規定する開口投影領域５ｂを取り囲むようにも形成されている。

このキャリア抑制構造は、具体的には、活性層５の輪帯領域５ａをドーピングにより混晶化し、活性層５内の発光領域からの自然放出光に対する非吸収性を有するものとして形成される。すなわち、このキャリア抑制構造では、混晶化によってバンドギャップ（エネルギー禁制帯幅）が拡大され、元の活性層５に比して自然放出光に対する非発光再結合が減少する。かかるキャリア抑制構造によると、選択酸化層３ｂを形成するための酸化工程において活性層５の外周部に転位が生じた場合に、この転位部での自然放出光の吸収を抑制することが可能であり、自然放出光の吸収に起因するキャリアの発生とともに転位の拡大および増殖を抑制することができる。

あるいは、キャリア抑制構造は、活性層５の輪帯領域５ａをドーピングにより電気的に高抵抗化し、活性層５内の発光領域からの自然放出光の吸収に応じて発生したキャリアに対する吸収性を有するものとして形成するようにしてもよい。かかるキャリア抑制構造によると、活性層５の外周部に転位が生じた場合に、この転位部での光の吸収に応じて発生したキャリアを吸収、すなわち電気的に消費することが可能であり、キャリアの発生に起因する転位の拡大および増殖を抑制することができる。

このように混晶化、高抵抗化等によってキャリア抑制構造を形成した結果として、この面発光レーザ素子１では、転位部が活性層５の発光領域に到達することを防止し、偶発故障の発生を未然に防ぐことができる。

なお、キャリア抑制構造を形成するドーピング方法には、イオン注入、亜鉛（Ｚｎ）拡散、ＩＦＶＤ法等の各種の不純物拡散技術、あるいは超格子構造の無秩序化技術等が利用可能であり、特定のドーピング方法に限定されるものではない。

例えば、イオン注入では、図２に示すように、まず、上部多層膜反射鏡７上面で外周部ＤＰに対応する領域に、注入後に高抵抗となる元素としてのＨ（プロトン）等が注入され、その後、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）等による熱処理が行われる。この熱処理によって、イオン注入に応じて発生した原子空孔が活性層５内の輪帯領域５ａに拡散され、輪帯領域５ａが混晶化とともに高抵抗化される。

また、Ｚｎ拡散では、同様に、上部多層膜反射鏡７上面で外周部ＤＰに対応する領域にＺｎ膜が形成され、その後、熱処理によってＺｎが輪帯領域５ａに拡散され、輪帯領域５ａが混晶化される。なお、基板２がｎ型半導体によって形成される場合などには、拡散不純物元素としてＺｎに替えてＳｉ（シリコン）を用いることもできる。

一方、ＩＦＶＤ法は、誘電体膜を利用した原子空孔の拡散技術であって、半導体層の表面に誘電体膜を形成して熱処理することにより、半導体中の構成原子を誘電体膜中に拡散させて原子空孔を発生させるとともに、原子空孔を半導体中に拡散させて半導体結晶を混晶化させる技術である。面発光レーザ素子１では、図２に示すように、まず、上部多層膜反射鏡７上面で外周部ＤＰに対応する領域にＳｉＮｘ、ＳｉＯ２等の誘電体膜が形成され、その後、熱処理によって原子空孔が輪帯領域５ａに拡散され、輪帯領域５ａが混晶化される。

なお、図２では、メサポストＭＰ１が形成された後に、メサポストＭＰ１の上面である上部多層膜反射鏡７上面にイオン注入または膜形成を行って輪帯領域５ａを混晶化、高抵抗化するように示したが、より好ましくは、エッチング等によってメサポストＭＰ１を形成する前の工程において、上部多層膜反射鏡７の一部もしくは全部を積層した段階で混晶化、高抵抗化を行うとよい。

また、図２では、活性層５内の発光領域を包囲する輪帯領域５ａの全域、すなわち、開口投影領域５ｂの外縁からメサポストＭ１の側面部までの全域をキャリア抑制構造として形成するように示したが、必ずしも全域に形成する必要はない。発光領域を取り囲み、この発光領域から放出される自然放出光がメサポストＭ１の側面部に生じた転位部へ到達することを抑制できるものであれば、キャリア抑制構造は、輪帯領域５ａ内の一部領域のみに形成してもよい。すなわち、開口投影領域５ｂの外周からメサポストＭ１の側面部までの一部領域のみに、開口投影領域５ｂを取り囲むように形成してもよい。

ただし、厳密には、開口投影領域５ｂの外周から外側に３μｍ程度の領域まで光の染み出しがあり、この染み出し領域までが発光領域と考えられる。このため、キャリア抑制構造は、この光の染み出し領域の外側に形成されることが好ましい。また、キャリア抑制構造は、このような発光領域の外側にあって、かつ、発光領域の近傍に形成されることが好ましい。

なお、面発光レーザ素子１では、図１および図２に示したように、選択酸化層３ｂを下部多層膜反射鏡３の上端層に形成するように示したが、上端層に限定して解釈する必要はなく、上端層より数層程度下方に位置する層に形成してもよい。

以上のようにして形成された面発光レーザ素子１は、ｎ側電極９とｐ側電極１０との間に適当な電圧が印加された場合、ｎ側電極９の中央開口部からメサポストＭＰの上方に向けて、例えば発振波長８５０ｎｍ帯のレーザ光ＬＯを射出する。なお、発振波長は、８５０ｎｍ帯に限定して解釈する必要はなく、６５０ｎｍ帯、９８０ｎｍ帯、１３００ｎｍ帯、１５５０ｎｍ帯等であってもよい。この場合、適宜、活性層材料や反射鏡を調整する。また、ｐ型半導体からなる基板２に替えて、ｎ型半導体基板を用いてもよく、この場合、基板上に形成される各半導体層のｐ−ｎの構成が反対に構成される。

以上説明したように、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子では、活性層の外周部の混晶化、高抵抗化によって、活性層からの自然放出光の吸収に基づくキャリアの発生または伝播を抑制するキャリア抑制構造を形成するようにしているため、活性層の外周部に転位が生じた場合にも、この転位部でのキャリアの発生に起因する転位の拡大および増殖を抑制することができ、結果として、面発光レーザ素子の偶発故障の故障発生率を低減して一層の高信頼化を実現できる。

なお、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１では、電流狭窄層としてＡｌを含む選択酸化層３ｂを備える構造としたが、選択酸化層３ｂに替えて、イオン注入によって形成した電流狭窄構造を備えるようにしてもよい。この場合にも、上述した面発光レーザ素子１のすべての効果を同様に享受できる。

（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２について説明する。上述した実施の形態１では、活性層の混晶化、高抵抗化によってキャリア抑制構造を形成するようにしていたが、この実施の形態２では、積層構造のベンディングによってキャリア抑制構造を形成するようにしている。

図３は、本発明の実施の形態２にかかる面発光レーザ素子２１の構成を示す斜視断面図である。また、図４は、図３に示すメサポストＭＰ２の構成を示す断面図である。図３に示すように、面発光レーザ素子２１は、面発光レーザ素子１が積層して備えた下部多層膜反射鏡３、下部クラッド層４、活性層５、上部クラッド層６および上部多層膜反射鏡７のそれぞれに替えて、下部多層膜反射鏡２３、下部クラッド層２４、活性層２５、上部クラッド層２６および上部多層膜反射鏡２７を積層した構造を有する。

下部多層膜反射鏡２３の上端部から上の積層部は、メサポストＭＰ２として形成されている。また、下部多層膜反射鏡２３の上端層には、選択酸化層３ａおよび開口部３ｂに替えて、選択酸化層２３ａおよび開口部２３ｂが形成され、基板２の上面中央部には、新たに円盤状の段部２ａが形成されている。その他の構成は、実施の形態１と同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。

段部２ａは、メサポストＭＰ２の中心軸上で基板２に一体に所定の段差を有して形成される。かかる段部２ａの上部に積層される各層は、段部２ａの段差に応じてベンディングして形成される。これによって、活性層２５には、図４に示すように、中央部の発光領域を包囲する輪帯領域２５ａ内の発光領域との境界付近に屈曲部２５ｂが形成される。また、この屈曲部２５ｂは、開口部２３ｂを活性層２５上に投影した開口投影領域２５ｃを取り囲むようにも形成される。かかる屈曲部２５ｂは、活性層２５内の発光領域からの自然放出光の導波を抑制することによってキャリアの発生を抑制するキャリア抑制構造として機能する。

すなわち、屈曲部２５ｂは、中央部の発光領域から外周部へ活性層２５内を導波する自然放出光を減衰または遮断することができ、活性層２５の外周部に転位が生じた場合に、この転位部での自然放出光の吸収を抑制することができる。この結果、屈曲部２５ｂは、転位部での自然放出光の吸収に起因するキャリアの発生とともに転位の拡大および増殖を抑制することができ、面発光レーザ素子２１の偶発故障の発生を未然に防止することができる。

なお、面発光レーザ素子２１では、図３に示したように、屈曲部２５ａを形成するための段部２ａを基板２に対して凸状としたが、これとは逆に、段部を基板２に対して凹状（掘り込み形状）に形成してもよい。この場合、活性層２５に形成される屈曲部は、発光領域を含む中央部に対して、キャリア抑制構造としての輪帯領域を積層方向に高くするように形成される。

さらに、面発光レーザ素子２１では、段部２ａを円盤状に形成したが、例えばリング状に段部を形成するようにしてもよい。その場合、段部は、発光領域とメサポスト側面との間にあればよい。図５は、この実施の形態２にかかる変形例として、基板２上にリング状の段部２ｂを形成した構造を有する面発光レーザ素子３１の構成を示す斜視断面図である。図５に示すように、面発光レーザ素子３１は、面発光レーザ素子２１が積層して備えた下部多層膜反射鏡２３、下部クラッド層２４、活性層２５、上部クラッド層２６および上部多層膜反射鏡２７のそれぞれに替えて、下部多層膜反射鏡３３、下部クラッド層３４、活性層３５、上部クラッド層３６および上部多層膜反射鏡３７を積層した構造を有する。

下部多層膜反射鏡３３の上端部から上の積層部は、メサポストＭＰ３として形成されている。また、下部多層膜反射鏡３３の上端層には、選択酸化層２３ａおよび開口部２３ｂに替えて、選択酸化層３３ａおよび開口部３３ｂが形成され、基板２の上面中央部には、円盤状の段部２ａに替えて、リング状の段部２ｂが形成されている。その他の構成は、面発光レーザ素子２１と同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。

段部２ｂは、リング状の中心をメサポストＭＰ３の中軸上に配置して、基板２に一体に所定の段差を有して形成される。かかる段部２ｂの上部に積層される各層は、段部２ｂの段差に応じてベンディングして形成される。これによって、活性層３５には、図６に示すように、中央部の発光領域を包囲する輪帯領域３５ａ内の発光領域との境界付近に屈曲部３５ｂが形成される。また、この屈曲部３５ｂは、開口部３３ｂを活性層３５上に投影した開口投影領域３５ｃを取り囲むようにも形成されている。かかる屈曲部３５ｂは、屈曲部２５ｂと同様にキャリア抑制構造として機能する。

すなわち、屈曲部３５ｂは、中央部の発光領域から外周部へ活性層３５内を導波する自然放出光を減衰または遮断することができ、活性層３５の外周部に転位が生じた場合に、この転位部での自然放出光の吸収を抑制することができる。結果として、屈曲部３５ｂは、屈曲部２５ｂと同様の効果を奏する。

なお、面発光レーザ素子３１では、図５に示したように、屈曲部３５ａを形成するための段部２ｂを基板２に対して凸状としたが、これとは逆に、段部を基板２に対して凹状（溝状）に形成してもよい。この場合、活性層３５に形成される屈曲部は、発光領域を含む中央部に対して、キャリア抑制構造としての輪帯領域を積層方向に低くするように形成される。

以上説明したように、この実施の形態２にかかる面発光レーザ素子では、基板上に形成した段部の上部に活性層を形成することによって、活性層の中央部の発光領域を取り囲むように屈曲部を形成し、この屈曲部によって、発光領域から外周部へ活性層内を導波する自然放出光を減衰または遮断するようにしているため、活性層の外周部に転位が生じた場合にも、この転位部での自然放出光の吸収を抑制することが可能であり、自然放出光の吸収に起因するキャリアの発生とともに転位の拡大および増殖を抑制することができ、結果として、面発光レーザ素子の偶発故障の故障発生率を低減して一層の高信頼化を実現できる。

なお、面発光レーザ素子２１，３１の各段部２ａ，２ｂは、図３および図５に示した断面内で等脚台形状の構造を有するものとしたが、かかる構造に限定して解釈する必要はなく、他の台形状、矩形状等、種々の構造を有する段部として形成してよい。

また、上述した実施の形態１および２にかかる面発光レーザ素子１，２１，３１等の本発明にかかる面発光レーザ素子は、面発光レーザ素子を同一基板上に１次元または２次元に配列して集積したレーザアレイにも、適用可能である。かかるレーザアレイでは、レーザアレイの信頼性として、集積された複数の面発光レーザ素子の全てにおいて信頼性が要求されるため、本発明にかかる面発光レーザ素子の適用が効果的である。

本発明の実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の構成を示す斜視断面図である。 図１に示したメサポストの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる面発光レーザ素子の構成を示す斜視断面図である。 図３に示したメサポストの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる変形例としての面発光レーザ素子の構成を示す斜視断面図である。 図５に示したメサポストの構成を示す断面図である。 従来の面発光レーザ素子の構成を示す斜視断面図である。 活性領域に生じた転位を説明する図である。 活性領域に増殖した転位領域を説明する図である。

符号の説明

１，２１，３１，４１ 面発光レーザ素子
２ 基板
２ａ，２ｂ 段部
３，２３，３３，４３ 下部多層膜反射鏡
３ａ，２３ａ，３３ａ，４３ａ 開口部
３ｂ，２３ｂ，３３ｂ，４３ｂ 選択酸化層
４，２４，３４，４４ 下部クラッド層
５，２５，３５，４５ 活性層
５ａ，２５ａ，３５ａ 輪帯領域
５ｂ，２５ｃ，３５ｃ 開口投影領域
６，２６，３６，４６ 上部クラッド層
７，２７，３７，４７ 上部多層膜反射鏡
８ ポリイミド層
９ ｎ側電極
１０ ｐ側電極
２５ｂ，３５ｂ 屈曲部
ＤＡ 転位領域
ＤＬ 転位
ＥＡ 発光領域
ＬＯ レーザ光
ＭＰ１〜ＭＰ４ メサポスト

Claims (11)

1. 半導体基板上に、下部多層膜反射鏡、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、および上部多層膜反射鏡が順に積層された積層構造を有する面発光レーザ素子であって、
   前記下部多層膜反射鏡の上端部から上の積層部はメサポストとして形成され、
   前記メサポストの中軸上に開口部を有する電流狭窄層を備え、
   前記活性層は、前記開口部を前記活性層上に投影した開口投影領域に相当して前記電流狭窄層によって狭窄された電流に応じて自然放出光を放出する発光領域と、前記開口投影領域の外周から前記メサポストの側面部まで前記発光領域を取り囲む輪帯領域と、を含み、
   前記輪帯領域内の少なくとも一部に、前記発光領域からの前記自然放出光の吸収に基づいて生成されるキャリアに起因する、前記活性層の外周部に生じた転位の拡大および増殖を抑制する転位拡大抑制構造を有する
   ことを特徴とする面発光レーザ素子。
2. 前記発光領域は、前記開口投影領域の外周から外側に光が染み出す染み出し領域を含み、前記転位拡大抑制構造は、前記染み出し領域の外側に形成されている
   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. 前記転位拡大抑制構造は、前記染み出し領域の外側にあって、前記発光領域の近傍に形成する
   ことを特徴とする請求項２に記載の面発光レーザ素子。
4. 前記電流狭窄層は、前記メサポストの側面部から選択的に所定の距離だけ酸化して形成した選択酸化層と、前記開口部を形成する非酸化開口部とを有する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
5. 前記転位拡大抑制構造は、前記輪帯領域をドーピングにより混晶化し、バンドギャップを拡大することで、前記発光領域からの前記自然放出光の吸収を抑制し、前記自然放出光の吸収に基づくキャリアの生成を抑制するキャリア生成抑制構造である
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
6. 前記ドーピングは、イオン注入、亜鉛拡散、もしくはＩＦＶＤ法の不純物拡散、または超格子構造の無秩序化により行う
   ことを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ素子。
7. 前記半導体基板の上面中央部に、円盤状の段部をさらに備え、
   前記積層構造は、前記段部の上部に前記段部の段差に応じてベンディングして形成され、
   少なくとも前記輪帯領域内の前記発光領域との境界付近に屈曲部をさらに備え、
   前記屈曲部は、前記開口投影領域を取り囲むように形成され、
   前記転位拡大抑制構造は、前記屈曲部により、前記発光領域からの前記自然放出光の前記輪帯領域への導波を抑制する自然放出光導波抑制構造である
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
8. 前記半導体基板の上面中央部に、リング状の段部をさらに備え、
   前記積層構造は、前記段部の上部に前記段部の段差に応じてベンディングして形成され、
   少なくとも前記輪帯領域内の前記発光領域との境界付近に屈曲部をさらに備え、
   前記屈曲部は、前記開口投影領域を取り囲むように形成され、
   前記転位拡大抑制構造は、前記屈曲部により、前記発光領域からの前記自然放出光の前記輪帯領域への導波を抑制する自然放出光導波抑制構造である
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
9. 前記段部は凸状に形成されている
   ことを特徴とする請求項７または８に記載の面発光レーザ素子。
10. 前記段部は凹状に形成されている
    ことを特徴とする請求項７または８に記載の面発光レーザ素子。
11. 請求項１〜１０のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子を同一基板上に複数備え、前記面発光レーザ素子を１次元または２次元に集積した
    ことを特徴とする面発光レーザアレイ。

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