JP5429242B2 - 面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザアレイ、画像形成装置、光ピックアップ、光送信モジュール、光送受信モジュール及び光通信システム - Google Patents

Description

本発明は、面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザアレイ、画像形成装置、光ピックアップ、光送信モジュール、光送受信モジュール及び光通信システムに関する。

面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、基板に対して垂直方向に光を出射する半導体レーザであり、端面発光型半導体レーザに比べて低コストで高性能が得られることから、光インタコネクションなどの光通信の光源、光ピックアップ用の光源、レーザプリンタ等の画像形成装置の光源など民生用途で用いられている。

このような面発光型半導体レーザには、活性層の利得が大きく低閾値・高出力であって、信頼性に優れ、偏光方向が制御された面発光型半導体レーザが必要となる。

ここに、８５０ｎｍ帯，９８０ｎｍ帯は活性層へのキャリア閉じ込めが良好である。具体的に、８５０ｎｍ帯では、量子井戸活性層にはＧａＡｓが用いられ、障壁層やスペーサ層（クラッド層）にはＡｌＧａＡｓが用いられている。さらに、高性能なＡｌＧａＡｓ系反射鏡（ＤＢＲ）と、Ａｌ酸化膜を利用した電流狭窄構造を採用できるので、実用レベルの性能を実現している。偏光方向制御については、光出射方向から見た活性層の外周形状に異方性を持たせる方法など、多数が提案されている。中でも、非特許文献１に示されるように（３１１）Ｂ基板、つまり（１００）から（１１１）Ｂ面方向に２５°傾斜（ｏｆｆ）した基板を用いることで、傾斜した方向の光学的利得が大きくなり、偏光方向制御が実現できているため、この方法が有力視されている。（３１１）Ａ基板も同様な効果がある。しかし、大きく傾斜した（３１１）Ｂ基板上への結晶成長も（１００）基板上への結晶成長に比べて難しくなるが、（３１１）Ａ基板上への結晶成長はさらに困難であるといった欠点がある。ただし、何れの場合も、基板が大きく傾斜しているので基板の価格が２倍以上することや、へき開しにくくて扱いにくいなどのデメリットがある。

一方、８５０ｎｍよりも短波長帯では、量子井戸活性層にＡｌを添加してバンドギャップを大きくして実現している。７８０ｎｍ帯では、Ａｌ組成１２％程度が添加されている。しかし、障壁層やスペーサ層とのバンド不連続が小さくなり活性層へのキャリア閉じ込めが弱くなってしまうために、８５０ｎｍ帯に比べて、特に温度特性において良好な特性を得るのが困難であるといった問題点がある。また、活性層に活性なＡｌが添加されているので成長中や加工中等に酸素が取り込まれてしまい、非発光再結合センタが形成されて、発光効率や信頼性の低下を招いてしまう。

８５０ｎｍよりも短波長帯の面発光型半導体レーザで非発光再結合センタの形成を抑える目的で、Ａｌフリー活性領域（量子井戸活性層、及びそれに隣接する層）を採用する７８０ｎｍ帯面発光型半導体レーザの提案（特許文献１参照）がある。具体的には、量子井戸活性層には、引っ張り歪を有するＧａＡｓＰが用いられ、障壁層には、圧縮歪を有するＧａＩｎＰが用いられ、スペーサ層（クラッド層と、第１及び第３量子井戸活性層との間の層）には、格子整合ＧａＩｎＰが用いられ、クラッド層には、ＡｌＧａＩｎＰが用いられている。これによれば、活性領域がＡｌフリーなので信頼性が改善される。

さらに、非特許文献２によれば、このような活性領域Ａｌフリーによる効果に加えて、活性層の利得を大きくするために、量子井戸活性層に圧縮歪を有するＧａＩｎＰＡｓを用い、障壁層に格子整合又は引っ張り歪を有するＧａＩｎＰを用い、スペーサ層（クラッド層と、第１及び第３量子井戸活性層との間の層）に格子整合ＡｌＧａＩｎＰを用い、クラッド層にＡｌＧａＩｎＰ（スペーサ層よりＡｌ組成大）を用いた７８０ｎｍ帯の面発光型半導体レーザが提案されている。この面発光型半導体レーザは、特許文献１の構造に比べて、障壁層が格子整合であり、圧縮歪組成よりもバンドギャップが大きいので、キャリア閉じ込めが良好になっている。

また、偏光方向制御について、特許文献２には、基板の面方位が（１００）から（１１１）Ａ面方向または（１１１）Ｂ面方向に１５°乃至４０°の範囲内の角度（傾斜角）に傾斜した基板を用い、光学利得異方性を利用し、更に圧縮歪を有するＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸活性層を採用することで、傾斜した方向の光学的利得を大きくして、偏光方向の制御をすることが示されている。

また、特許文献３には、メサ形状を円形，楕円形または長円形として、長軸の方向を（１００）から（１１１）Ａ面方向または（１１１）Ｂ面方向とする方法が示されている。この場合、基板の面方位は（１００）から［１１０］方向に２°ｏｆｆ（−５°〜＋５°含む）のものであり、Ａ面，Ｂ面方向へ傾斜した基板ではない。

しかしながら、非特許文献２に記載されているように、上下の反射鏡で挟まれた共振器領域を形成する材料として、（Ａｌ）ＧａＩｎＰ系材料を用いた場合、共振器領域とＡｌＧａＡｓ系材料とで構成された上部反射鏡との界面ではＡｌＧａＡｓ層へのＩｎのキャリーオーバーなど、Ｉｎの分離（ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ）の影響が生じ、閾値電流の大幅増加が生じてしまう不都合がある。

また、４元混晶であるＡｌＧａＩｎＰは熱抵抗が大きいという課題がある。また、（Ａｌ）ＧａＩｎＰ系材料のｐ型ドーパントであるＺｎ（亜鉛）は拡散し易い課題がある。

また、従来では、活性層の利得が大きく低しきい値，高出力であって、信頼性に優れ、偏光方向が制御された８５０ｎｍよりも波長の短い面発光型半導体レーザは実現されていない。

すなわち、特許文献１では、活性領域がＡｌフリーなので信頼性が改善されるが、偏光制御方法が示されていない。また、非特許文献２では、キャリア閉じ込めが良好な構造であるが、偏光制御方法が示されていない。また、特許文献２では、偏光方向の制御が可能となるが、信頼性や、材料の特質にあった構成について、何ら考慮されていない。また、特許文献３では、偏光方向を制御できるが、８５０ｎｍよりも波長の短い面発光型半導体レーザにおいて、高利得，長寿命化について、何ら考慮されていない。

本発明の目的は、ＧａＡｓ基板上にＡｌ、Ｉｎ、Ｐを主成分として含む半導体層が少なくとも１層設けられている面発光型半導体レーザにおいて、Ｉｎの分離の影響による閾値電流増加を抑制できる面発光型半導体レーザを提供することである。

さらなる目的は、ＧａＡｓ基板上にＡｌ、Ｉｎ、Ｐを主成分として含む半導体層が少なくとも１層設けられている面発光型半導体レーザにおいて、ドーピングプロファイルの制御が容易で低しきい値、高出力である面発光型半導体レーザ、放熱特性が優れ高出力である面発光型半導体レーザを提供することである。

また、８５０ｎｍより波長の短い面発光型半導体レーザに関して、活性層の利得が大きく低閾値・高出力である面発光型半導体レーザ、信頼性に優れている面発光型半導体レーザ、偏光方向が制御されている面発光型半導体レーザを提供することである。

そして更には、上記面発光型半導体レーザを用いた、面発光型半導体レーザアレイおよび画像形成装置および光ピックアップおよび光送信モジュールおよび光送受信モジュールおよび光通信システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、ＧａＡｓ基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の量子井戸活性層と障壁層とを有する活性層を含んだ共振器領域と、その上部及び下部に設けられた上部反射鏡及び下部反射鏡とを有する共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、
前記上部反射鏡および／または下部反射鏡は、屈折率が周期的に変化し入射光を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡を含み、
該半導体分布ブラッグ反射鏡の少なくとも一部は、Ａｌ_ｘＧａ_1−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）による低屈折率層とＡｌ_ｙＧａ_1−ｙＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）による高屈折率層とからなり、
前記上部反射鏡および／または下部反射鏡を構成する前記低屈折率層のうちで少なくとも前記活性層に最も近い低屈折率層は、（Ａｌ_ａＧａ_1−ａ）_ｂＩｎ_1−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）からなり、
前記（Ａｌ _ａ Ｇａ _1−ａ ） _ｂ Ｉｎ _1−ｂ Ｐ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）からなる低屈折率層と前記Ａｌ _ｙ Ｇａ _1−ｙ Ａｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）による高屈折率層との間に、前記（ＡｌａＧａ _1−ａ ） _ｂ Ｉｎ _1−ｂ Ｐ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）からなる低屈折率層よりもＡｌ組成の小さい（Ａｌ _ａ１ Ｇａ _1−ａ１ ） _ｂ１ Ｉｎ _1−ｂ１ Ｐ（０≦ａ１＜ａ≦１、０≦ｂ１≦１）による中間層が設けられており、
前記共振器領域と前記上部反射鏡および／または下部反射鏡の活性層に最も近い低屈折率層との界面を電界強度分布の腹の位置としたことを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の面発光型半導体レーザにおいて、下部反射鏡は、基板側から順番に、低屈折率層がＡｌＡｓからなる第１下部反射鏡と、低屈折率層がＡｌ_ｘ１Ｇａ_1-ｘ１Ａｓ（０＜ｘ１＜１）からなる第２下部反射鏡と、少なくとも１層からなる（Ａｌ_ａＧａ_1-ａ）_ｂＩｎ_1-ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）低屈折率層とから構成されていることを特徴としている。

また、請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記活性層と前記上部反射鏡および／または下部反射鏡との間には、スペーサ層が設けられており、該スペーサ層の一部は、前記ＡｌＧａＩｎＰ低屈折率層よりもバンドギャップが小さい（Ａｌ_ａＧａ_1−ａ）_ｂＩｎ_1−ｂＰ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）からなり、
前記量子井戸活性層は、Ｇａ_ｃＩｎ_1−ｃＰ_ｄＡｓ_1−ｄ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１）からなり、
前記障壁層は、Ｇａ_ｅＩｎ_1−ｅＰ_ｆＡｓ_1−ｆ（０≦ｅ≦１、０≦ｆ≦１）からなることを特徴としている。

また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記量子井戸活性層は、圧縮歪を有することを特徴としている。

また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記障壁層は、引っ張り歪を有することを特徴としている。

また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記半導体分布ブラッグ反射鏡のＡｌ_ｘＧａ_1−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）による低屈折率層とＡｌ_ｙＧａ_1−ｙＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）による高屈折率層とには、ｐ型ドーパントとしてＣ（炭素）が添加され、前記（Ａｌ_ａＧａ_1−ａ）_ｂＩｎ_1−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）からなる低屈折率層には、ｐ型ドーパントとしてＭｇ（マグネシウム）が添加されていることを特徴としている。

また、請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザにおいて、（Ａｌ_ａＧａ_1−ａ）_ｂＩｎ_1−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）からなる低屈折率層は、ＡｌＩｎＰとＧａＩｎＰとからなる短周期超格子構造により構成された半導体層であることを特徴としている。

また、請求項８記載の発明は、請求項３乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記共振器構造による発振波長がおよそ６８０ｎｍより長波長であることを特徴としている。

また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザにおいて、被成長基板の面方位は、（１１１）Ａ面方向に５°から２０°の範囲内で傾斜した（１００）面であることを特徴としている。

また、請求項１０記載の発明は、請求項９記載の面発光型半導体レーザにおいて、光出射方向から見た活性層の外周形状は、（１１１）Ａ面方向に長い形状となる形状異方性を有していることを特徴としている。

また、請求項１１記載の発明は、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザが同一基板上に複数個配列させていることを特徴とする面発光型半導体レーザアレイである。

また、請求項１２記載の発明は、請求項１１記載の面発光型半導体レーザレイを書き込み光源として備えることを特徴とする画像形成装置である。

また、請求項１３記載の発明は、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ又は請求項１１記載の面発光型半導体レーザアレイを光源として備えることを特徴とする光ピックアップである。

また、請求項１４記載の発明は、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ又は請求項１１記載の面発光型半導体レーザアレイを光源として備えることを特徴とする光送信モジュールである。

また、請求項１５記載の発明は、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ又は請求項１１記載の面発光型半導体レーザアレイを光源として備える光送受信モジュールである。

また、請求項１６記載の発明は、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ又は請求項１１記載の面発光型半導体レーザアレイを光源として備えることを特徴とする光通信システムである。

請求項１乃至請求項１０記載の発明によれば、ＧａＡｓ基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の量子井戸活性層と障壁層とを有する活性層を含んだ共振器領域と、その上部及び下部に設けられた上部反射鏡及び下部反射鏡とを有する共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、
前記上部反射鏡および／または下部反射鏡は、屈折率が周期的に変化し入射光を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡を含み、
該半導体分布ブラッグ反射鏡の少なくとも一部は、Ａｌ_ｘＧａ_1−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）による低屈折率層とＡｌ_ｙＧａ_1−ｙＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）による高屈折率層とからなり、
前記上部反射鏡および／または下部反射鏡を構成する前記低屈折率層のうちで少なくとも前記活性層に最も近い低屈折率層は、（Ａｌ_ａＧａ_1−ａ）_ｂＩｎ_1−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）からなり、
前記共振器領域と前記上部反射鏡および／または下部反射鏡の活性層に最も近い低屈折率層との界面を電界強度分布の腹の位置とすることによって、Ａｌ，Ｉｎ，Ｐを主成分として含む半導体層の上にＡｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む半導体層を結晶成長したときに、Ｉｎの分離がある程度生じていても界面における光学的吸収の影響を大幅に低減させることができ、よって、閾値増加への悪影響を大幅に抑えることが容易に実現できる。

特に、請求項２記載の発明によれば、下部反射鏡は、低屈折率層に熱抵抗の小さいＡｌＡｓを含んでいるので、活性層で発生する熱の放熱性が改善し、駆動時の温度上昇が抑制され、温度特性が良好で高出力なＶＣＳＥＬが得られる。

また、請求項３記載の発明によれば、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）スペーサ層を用いることで、スペーサ層をＡｌＧａＡｓ系で形成した場合に比べて、スペーサ層と量子井戸活性層とのバンドギャップ差を極めて大きく取ることができることにより、低閾値化するとともに高効率化（高出力化）することができる。また、量子井戸活性層はＧａ_ｃＩｎ_１−ｃＰ_ｄＡｓ_１−ｄ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１）、障壁層はＧａ_ｅＩｎ_１−ｅＰ_ｆＡｓ_１−ｆ（０≦ｅ≦１、０≦ｆ≦１）であり、Ａｌを含んでいない材料から活性層が構成されており、Ａｌフリー活性領域（量子井戸活性層、及びそれに隣接する層）としているので、酸素の取り込みを低減でき、非発光再結合センタの形成を抑制して、長寿命の面発光型半導体レーザを実現することができる。即ち、活性層の利得が大きく低閾値・高出力であって、信頼性に優れた８５０ｎｍより波長の短い面発光型半導体レーザを容易に実現することができる。

また、請求項４記載の発明によれば、量子井戸活性層を圧縮歪組成としており、歪の効果により低閾値化するとともに高効率化（高出力化）することができ、さらには、キャリア閉じ込めの向上と歪量子井戸活性層採用との相乗効果による高利得化によって低閾値化することで、光取り出し側ＤＢＲの反射率低減が可能となり、さらに高出力化を実現できる。

また、請求項５記載の発明によれば、量子井戸活性層の歪を補償することで、より大きな歪の量子井戸活性層を採用できるなど、設計の幅が広がる。更に、ＧａＩｎＰＡｓ系材料において、障壁層となる半導体材料は格子定数が小さい材料の方が大きなバンドギャップを取れるので、量子井戸活性層とのバンド不連続を大きくすることができ、利得が大きくなり、低閾値動作，高出力動作が可能になる。

また、請求項６記載の発明によれば、Ａｌ，Ｉｎ，Ｐを主成分として含む半導体層にはｐ型ドーパントとしてＭｇ（マグネシウム）が添加され、Ａｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む半導体層にはｐ型ドーパントとしてＣ（炭素）が添加されるので、ドーパントの拡散やメモリー効果を低減できることで制御性良くドーピングでき、設計に近いドーピングプロファイルが得られるとともに活性層の結晶性低下が抑えられ、低しきい値，高出力動作を容易に実現できる。

また、請求項７記載の発明によれば、ＡｌＧａＩｎＰ混晶を熱抵抗の小さいＡｌＩｎＰとＧａＩｎＰとで擬似的に構成した構成しているので、放熱が改善され、高出力動作を容易に実現できる。

また、請求項８記載の発明によれば、ＡｌＧａＩｎＰ系スペーサ層を用いることで、組成波長が６８０ｎｍよりも長波長であれば、Ａｌフリー活性層（量子井戸活性層と障壁層）を用いても、ＡｌＧａＡｓ系活性層による７８０ｎｍ面発光型半導体レーザの場合と同等以上のキャリア閉じ込めが可能となる上に、歪量子井戸活性層の効果も加わることから、同等以上の特性を得ることができる。

また、請求項９記載の発明によれば、基板の面方位を考慮し、面方位が（１１１）Ａ面方向に５°から２０°の範囲内で傾斜した（１００）ＧａＡｓ基板を用いるようにしたので、自然超格子の形成によるバンドギャップの低下や、ヒロック（丘状欠陥）発生による表面性の悪化や非発光再結合センタの発生による半導体レーザなどのデバイス特性への悪影響を低減させることができる。さらには、異方性基板であり偏光制御に効果がある。即ち、現在、最有力視されている（３１１）Ｂ基板を用いた場合の効果を利用することができず、傾斜基板利用による光学利得異方性は小さくなるが、この低下分を量子井戸活性層に圧縮歪を与えることによる光学利得異方性の増大により補償することで偏光方向の制御性を向上させることができる。

また、請求項１０記載の発明によれば、さらに、面発光型半導体レーザの光出射方向から見た活性層の外周形状に異方性を持たせ、（１１１）Ａ面方向に長い形状としたので、基板傾斜方向（（１１１）Ａ面方向）の光学的利得増大の効果を加えることで、偏光方向の制御性をさらに改善することができる。

また、請求項１１記載の発明によれば、閾値上昇が抑えられた、高出力動作可能な面発光型半導体レーザを同一基板上に多数集積することで、例えば、書き込み光学系の光源に応用した場合、同時にマルチビームでの書き込みが容易となり、書き込み速度が格段に向上し、書き込みドット密度が上昇しても印刷速度を落とすことなく印刷できる。また、同じ書き込みドット密度の場合であれば印刷速度を速くすることができる。また、光通信に応用した場合、同時に多数ビームによるデータ伝送が可能となるので高速通信ができる。さらに、面発光型半導体レーザは低消費電力で動作するので、特に機器の中に組み込んで利用した場合、温度上昇を低減させることもできる。

また、請求項１２記載の発明によれば、光源を、閾値上昇が抑えられてしかも高出力化できることから、従来の面発光型半導体レーザレイを用いたレーザプリンタ等の画像形成装置に比べて高速印刷を可能にすることができる。若しくは、従来と同速度の場合であればアレイ数の低減が可能となり、面発光型半導体レーザレイチップの製造歩留まりが大きく向上するとともに、画像形成装置の低コスト化を図ることができる。さらに、Ａｌフリー活性層により、８５０ｎｍ帯面発光型半導体レーザのような通信用面発光型半導体レーザと同等の寿命が達成可能となることから、光書き込み光学ユニット自体の再利用が可能となり、環境負荷の低減に貢献することもできる。

また、請求項１３記載の発明によれば、光記録媒体への光書き込み、再生用光源である半導体レーザの波長はＣＤでは７８０ｎｍが用いられており、面発光型半導体レーザは端面型半導体レーザに比べて１桁程度消費電力が小さいことから、本発明の７８０ｎｍの面発光型半導体レーザを再生用光源とした電力が長持ちするハンディータイプの光ピックアップシステムを実現できる。

また、請求項１４記載の発明によれば、容易に低閾値化可能であって、さらに活性層利得が高いために高出力であるとともに高温特性にも優れており、安い光源である面発光型半導体レーザ、安い光ファイバであるＰＯＦを用いた経済的で高速な光送信モジュールを実現できる。

また、請求項１５記載の発明によれば、容易に低閾値化可能であって、さらに活性層利得が高いために高出力であるとともに高温特性にも優れており、安い光源である面発光型半導体レーザ、安い光ファイバであるＰＯＦを用いた経済的で高速な光送受信モジュールを実現できる。

また、請求項１６記載の発明によれば、容易に低閾値化可能であって、さらに活性層利得が高いために高出力であるとともに高温特性にも優れており、安い光源である面発光型半導体レーザ、安い光ファイバであるＰＯＦを用いた経済的で高速な光通信システムを実現できる。よって、極めて経済的であることから、特に、一般家庭やオフィスの室内、機器内などの光通信システムに用いることが効果的である。

本発明の第１の形態における第一の構成例の要部を示す原理的断面図である。 本発明の第１の形態における第二の構成例の要部を示す原理的断面図である。 本発明の第２の形態の構成例を示す原理的断面図である。 図３の活性層周辺構造を抽出して拡大して示す断面図である。 図３の一部の平面図である。 本発明の第３の形態の活性層周辺構造を抽出して拡大して示す断面図である。 本発明の第４の形態の面発光型半導体レーザアレイの構成例を示す原理的な平面図である。 本発明の第５の形態の光送信モジュールの構成例を示す概要図である。 本発明の第６の形態の光送受信モジュールの構成例を示す概要図である。 本発明の第７の形態のレーザプリンタの光走査書き込み部を中心に示す概略的な平面図である。 図１０の面発光型半導体レーザアレイの構成例を示す原理的な正面図である。 第８，第９の形態においてＡｌＧａＩｎＰ層が上下の反射鏡で挟まれた共振器領域中に設けられた場合の面発光レーザの活性層の周辺断面構造の例を示す図である。 本発明の第１０の形態の面発光レーザの構成例を示す図である。

本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

（第１の形態）
本発明の第１の形態を図１及び図２に基づいて説明する。本発明の第１の形態は、本発明の面発光型半導体レーザの原理的構成例及びその動作例に関するものである。

（１） 第一の構成例
まず、本発明の第１の形態の面発光型半導体レーザは、第一の構成例として、ＧａＡｓ基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の量子井戸活性層と障壁層とを有する活性層を含んだ共振器領域と、その上部及び下部に設けられた上部反射鏡及び下部反射鏡とからなる共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、
前記上述反射鏡および／または下部反射鏡は、屈折率が周期的に変化し入射光を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡を含み、
該半導体分布ブラッグ反射鏡の少なくとも一部は、Ａｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む半導体層からなり、
前記活性層とＡｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む半導体層との間であって、Ａｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む半導体層に接して、Ａｌ，Ｉｎ，Ｐを主成分として含む半導体層を有し、
Ａｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む前記半導体層とＡｌ，Ｉｎ，Ｐを主成分として含む前記半導体層との界面を電界強度分布の節の位置としたことを特徴としている。

ここで、この第一の構成例の面発光型半導体レーザにおいて、Ａｌ，Ｉｎ，Ｐを主成分として含む前記半導体層は、例えば、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）である。

従来は、共振器領域と反射鏡との界面が電界強度分布の腹の位置となる構成であって、かつ、共振器領域の最上部にＡｌ，Ｉｎ，Ｐを主成分として含む半導体層が設けられている。従って、Ａｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む半導体層からなる上部反射鏡との界面は腹の位置であり、光学的吸収の影響が大きい場所であった。ところが、Ａｌ，Ｉｎ，Ｐを主成分として含む半導体層上にＡｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む半導体層を結晶成長する場合、ＩｎのキャリーオーバーなどＩｎの分離が生じやすく、これを抑える必要があるが、閾値上昇を避けるのは困難であった。なお、この問題は、Ａｌ，Ｉｎ，Ｐを主成分として含む半導体層上にＡｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む半導体層を結晶成長する場合に顕著である。

これに対し、上記第一の構成例の面発光型半導体レーザにおいては、図１に示すように、Ａｌ，Ｉｎ，Ｐを主成分として含む半導体層１とＡｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む半導体層（上部反射鏡の一部）２との界面３を電界強度分布の節の位置とすることで、界面３における光学的吸収の影響が大幅に低減するように設計してあるので、Ｉｎの分離がある程度生じていても、閾値増加への悪影響を大幅に抑えることができる。

なお、Ａｌ，Ｉｎ，Ｐを主成分として含む半導体層１とＡｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む半導体層（上部反射鏡の一部）２との間に薄いＩｎ分離抑制層を設け、Ｉｎの分離を低減すると更に良い。

ここで、Ａｌ，Ｉｎ，Ｐを主成分として含む半導体層１としては、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）なる構成例が挙げられる。ＡｌＧａＩｎＰ層を用いることが必須となる６５０ｎｍ帯などの赤色面発光型半導体レーザはもちろんのこと、７８０ｎｍ帯，８５０ｎｍ帯など、波長に関係なくＡｌＧａＩｎＰ層を用いた面発光型半導体レーザにおいて低閾値化の効果が得られる。

（２） 第二の構成例
本発明の第１の形態の面発光型半導体レーザは、第二の構成例として、ＧａＡｓ基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の量子井戸活性層と障壁層とを有する活性層を含んだ共振器領域と、その上部及び下部に設けられた上部反射鏡及び下部反射鏡とからなる共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、
前記上部反射鏡および／または下部反射鏡は、屈折率が周期的に変化し入射光を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡を含み、
該半導体分布ブラッグ反射鏡の少なくとも一部は、Ａｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む半導体層からなり、
前記活性層とＡｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む半導体層との間であって、Ａｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む半導体層に接して、Ａｌ，Ｉｎ，Ｐを主成分として含む（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）層を有し、
Ａｌ，Ｉｎ，Ｐを主成分として含む（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）層には、ｐ型ドーパントとしてＭｇ（マグネシウム）が添加され、Ａｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む半導体層には、ｐ型ドーパントとしてＣ（炭素）が添加されていることを特徴としている。

Ａｌ，Ｉｎ，Ｐを主成分として含む半導体層のｐ型ドーパントとしてはＺｎ（亜鉛）が良く用いられているが、拡散係数が大きく、活性層、または活性層の近くまで拡散してしまい、結晶性が悪くなって発光効率が低下したり、吸収損失が増えるなどといった原因で素子特性を悪くしてしまう問題がある。一方、Ｍｇは拡散係数がＺｎよりも小さく、上記問題を改善できる。しかし、Ａｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む半導体層においては、Ｃの拡散係数の方がより小さい。また、Ａｓ系材料にＭｇを添加するとメモリー効果により制御性が悪くなる。したがって本構成例では、Ａｌ，Ｉｎ，Ｐを主成分として含む半導体層には主にＭｇを添加し、Ａｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む半導体層にはＣを主に添加した。これにより、ドーパントの拡散やメモリー効果を低減できることで制御性良くドーピングでき、設計に近いドーピングプロファイルが得られるとともに活性層の結晶性低下が抑えられ、低しきい値，高出力動作を容易に実現できる。

（３） 第三の構成例
本発明の第１の形態の面発光型半導体レーザは、第三の構成例として、ＧａＡｓ基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の量子井戸活性層と障壁層とを有する活性層を含んだ共振器領域と、その上部及び下部に設けられた上部反射鏡及び下部反射鏡とからなる共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、
前記上部反射鏡および／または下部反射鏡は、屈折率が周期的に変化し入射光を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡を含み、
該半導体分布ブラッグ反射鏡の少なくとも一部は、Ａｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む半導体層からなり、
前記活性層とＡｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む半導体層との間であって、Ａｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む半導体層に接して、Ａｌ，Ｉｎ，Ｐを主成分として含む（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）層を有し、
（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）層は、ＡｌＩｎＰとＧａＩｎＰとからなる短周期超格子構造により構成された半導体層であることを特徴としている。

材料によって熱抵抗が違うが、熱抵抗は半導体材料を構成する元素数が多いほど高くなる。したがって、４元材料であるＡｌＧａＩｎＰは熱抵抗が高い。このため活性層で発生した熱は逃げにくく活性層にこもってしまい、活性層の温度上昇が早く、小さな注入電流で光出力が飽和してしまうという欠点があった。

面発光レーザの発振光の波長よりも充分薄い厚さの層を交互に積層した超格子構造にすると、光学的にはそれらが一様に混ざったとした時の平均組成の混晶が形成されている場合と同様であるとみなすことができる。ただし、屈折率については、超格子構造にすることで、わずかに高屈折率化するとの報告もある。したがって、このような超格子構造により構成された半導体層を用いて反射鏡などを構成することができる。

一方、４元材料であるＡｌＧａＩｎＰよりも３元材料であるＡｌＩｎＰやＧａＩｎＰの熱抵抗は小さい。しかも、ＡｌＧａＩｎＰと同様に、ＡｌＩｎＰやＧａＩｎＰもＧａＡｓ基板に格子整合させることができる。したがって、従来一様組成ＡｌＧａＩｎＰであった半導体層の変わりに、その平均組成より熱抵抗の小さくなる少なくとも２つの材料を選択して超格子構造を用いることで、熱抵抗が低下し、活性層で発生した熱を外部に逃がす効率が改善する。これにより、電流注入による活性層温度上昇を低減でき、従来よりも高電流注入まで光出力が上昇し、結果として高出力となる面発光レーザを得ることができる。

（４） 第四の構成例
本発明の第１の形態の面発光型半導体レーザは、第四の構成例として、ＧａＡｓ基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の量子井戸活性層と障壁層とからなる活性層を含んだ共振器領域と、その上部及び下部に設けられた上部反射鏡及び下部反射鏡とを有する共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、
前記上部反射鏡および／または下部反射鏡は、屈折率が周期的に変化し入射光を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡を含み、
該半導体分布ブラッグ反射鏡の少なくとも一部は、Ａｌ_ｘＧａ_1-ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）による低屈折率層とＡｌ_ｙＧａ_1-ｙＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）による高屈折率層とからなり、
前記上部反射鏡および／または下部反射鏡を構成する前記低屈折率層のうちで少なくとも前記活性層に最も近い低屈折率層は、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）からなり、
前記共振器領域と前記上部反射鏡および／または下部反射鏡の活性層に最も近い低屈折率層との界面を電界強度分布の腹の位置としたことを特徴としている。

図２に当該第四の構成例の一例を示す。従来一般的である共振器領域４と上部反射鏡５との界面６が電界強度分布の腹の位置となる構成とした場合、上部反射鏡５を構成する最も活性層７に近い低屈折率層（λ／４の厚さ）８を（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）とすることで、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）層８上にＡｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む半導体層（上部反射鏡５）を結晶成長する場合の界面９を電界強度分布の節の位置とすることができるので、界面９における光学的吸収の影響が大幅に低減し、Ｉｎの分離がある程度生じていても、閾値増加への悪影響を大幅に抑えることができる。なお、図２において、符号１０は下部反射鏡（一部）である。

また、下部反射鏡は、基板側から順番に、低屈折率層がＡｌＡｓからなる第一下部反射鏡と、低屈折率層がＡｌ_ｘ１Ｇａ_1-ｘ１Ａｓ（０＜ｘ１＜１）からなる第二下部反射鏡と、少なくとも１層からなる（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）低屈折率層とから構成することができる。

ＡｌＡｓにＧａをわずかに含ませるだけで熱抵抗は急激に大きくなっていく。下部反射鏡は、低屈折率層に熱抵抗の小さいＡｌＡｓを含んでいるので、活性層で発生する熱の放熱性が改善し、駆動時の温度上昇が抑制され、温度特性が良好で高出力なＶＣＳＥＬが得られる。なお、Ａｌ酸化膜を利用した電流狭窄構造を採用した構造の場合、ＡｌＡｓ低屈折率層を用いた第一下部反射鏡とＩｎを含んだ層との間に、Ａｌ組成の小さいＡｌＧａＡｓ低屈折率層からなる第二下部反射鏡を設けたので、メサ形成のエッチングはＡｌ酸化膜となる被選択酸化層と第一下部反射鏡のＡｌＡｓとの間で止まるように行えば良く、容易に制御できる。

また、Ａｌ_ｙＧａ_1-ｙＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）による高屈折率層と（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）による低屈折率層とが積層される場合、その界面に（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）低屈折率層よりもＡｌ組成の小さい（Ａｌ_ａ１Ｇａ_1-ａ１）_ｂ１Ｉｎ_1-ｂ１Ｐ（０≦ａ１＜ａ≦１、０≦ｂ1≦１）による中間層（Ｉｎ分離抑制層）を設けることができる。

Ａｌ組成の小さい中間層が挿入されることで、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）低屈折率層上にＡｌ_ｙＧａ_1-ｙＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）高屈折率層を積層する場合に、その界面でのＡｌ組成が小さくなり、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）低屈折率層上にＡｌ_ｙＧａ_1-ｙＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）高屈折率層を広い条件範囲で容易に形成できる。更に、ＡｌＧａＡｓ系材料とＡｌＧａＩｎＰ系材料とのヘテロ接合では、ＡｌＧａＩｎＰ系材料のＡｌ組成が大きい場合、価電子帯のバンド不連続が大きくなってしまうが、Ａｌ組成の小さい中間層を挿入しているので、価電子帯のバンド不連続を小さくでき、積層方向に電流を流す場合、抵抗を小さくできる。

また、Ａｌ_ｘＧａ_1-ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）による低屈折率層とＡｌ_ｙＧａ_1-ｙＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）による高屈折率層とからなる前記半導体分布ブラッグ反射鏡には、ｐ型ドーパントとしてＣ（炭素）が添加され、また、前記（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）からなる低屈折率層８には、ｐ型ドーパントとしてＭｇ（マグネシウム）が添加されていても良い。

また、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）からなる低屈折率層８は、ＡｌＩｎＰとＧａＩｎＰとからなる短周期超格子構造により構成された半導体層であっても良い。

（５） 第五の構成例
本発明の第１の形態の面発光型半導体レーザは、第五の構成例として、第四の構成例において、前記活性層と前記上部反射鏡および／または下部反射鏡との間には、スペーサ層が設けられており、該スペーサ層の一部は、前記ＡｌＧａＩｎＰ低屈折率層よりもバンドギャップが小さい（Ａｌ_ａ’Ｇａ_１−ａ’）_ｂ’Ｉｎ_１−ｂ’Ｐ（０≦ａ’≦１、０≦ｂ’≦１）からなり、
前記量子井戸活性層は、Ｇａ_ｃＩｎ_1-ｃＰ_ｄＡｓ_1-ｄ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１）からなり、かつ、圧縮歪を有し、
前記障壁層は、Ｇａ_ｅＩｎ_1-ｅＰ_ｆＡｓ_1-ｆ（０≦ｅ≦１、０≦ｆ≦１）からなることを特徴としている。

即ち、図２の例では、上部反射鏡を構成する低屈折率層のうちで少なくとも活性層に最も近い低屈折率層をＡｌＧａＩｎＰとし、障壁層や量子井戸活性層にはＧａＩｎＰＡｓ系材料を用いている。

そして、ワイドバンドギャップである（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）低屈折率層、及び（Ａｌ_ａ’Ｇａ_１−ａ’）_ｂ’Ｉｎ_１−ｂ’Ｐ（０≦ａ’≦１、０≦ｂ’ ≦１）スペーサ層をキャリア閉じ込めのクラッド層とすることができる。この場合には、キャリア閉じ込めのクラッド層をＡｌＧａＡｓ系で形成した場合に比べて、クラッド層と量子井戸活性層とのバンドギャップ差を極めて大きく取ることができる。

次表（表１）には、ＡｌＧａＡｓ（スペーサ層）／ＡｌＧａＡｓ（量子井戸活性層）系７８０ｎｍ，８５０ｎｍ面発光型半導体レーザ、さらに、ＡｌＧａＩｎＰ（スペーサ層）／ＧａＩｎＰＡｓ（量子井戸活性層）系７８０ｎｍ面発光型半導体レーザの典型的な材料組成でのスペーサ層と井戸層、及び障壁層と井戸層とのバンドギャップ差が示されている。なお、スペーサ層とは、通常構成の場合には活性層と反射鏡の間にあたる層のことであって、キャリアを閉じ込めるためのクラッド層としての機能を有している層を指している。キャリア閉じ込め層としては、スペーサ層のほかに活性層に最も近いＤＢＲの低屈折率層も機能を有している場合がある。第五の構成例の場合では、（Ａｌ_ａ’Ｇａ_１−ａ’）_ｂ’Ｉｎ_１−ｂ’Ｐ（０≦ａ’≦１、０≦ｂ’ ≦１）スペーサ層と（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）低屈折率層がクラッド層としての機能を有することができる。

表１に示すように、ＡｌＧａＩｎＰ（スペーサ層）／ＧａＩｎＰＡｓ（量子井戸活性層）系７８０ｎｍ面発光型半導体レーザによれば、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系７８０ｎｍ面発光型半導体レーザはもとより、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系８５０ｎｍ面発光型半導体レーザよりもバンドギャップ差を大きく取れることが判る。

また、量子井戸活性層を圧縮歪組成としている。歪が増加すると、ヘビーホールとライトホールのバンド分離が大きくなるため、利得の増加が大きくなり、低閾値化するとともに高効率化（高出力化）する。この効果は、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系８５０ｎｍ面発光型半導体レーザでは実現できないので、第五の構成例による提案材料系によれば、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系８５０ｎｍ面発光型半導体レーザよりも低閾値・高効率化（高出力化）可能であることが判る。

さらには、キャリア閉じ込め向上、歪量子井戸活性層による高利得化によって低閾値化することで、光取り出し側ＤＢＲの反射率低減が可能となり、さらに高出力化できる。

また、量子井戸活性層はＧａ_ｃＩｎ_１−ｃＰ_ｄＡｓ_１−ｄ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１）、障壁層はＧａ_ｅＩｎ_１−ｅＰ_ｆＡｓ_１−ｆ（０≦ｅ≦１、０≦ｆ≦１）であり、Ａｌを含んでいない材料から構成されている。即ち、Ａｌフリー活性領域（量子井戸活性層、及びそれに隣接する層）としているので、酸素の取り込みを低減させることで非発光再結合センタの形成を抑えることができ、長寿命の面発光型半導体レーザを実現できる。

このように、第五の構成例によれば、スペーサ層の一部にＡｌＧａＩｎＰ材料を用い、障壁層や量子井戸活性層にはＧａＩｎＰＡｓを用いることで、活性層の利得が大きく、低閾値・高出力であって、信頼性に優れた８５０ｎｍより波長の短い面発光型半導体レーザを実現できる。

なお、第五の構成例では、８５０ｎｍよりも短い波長に限定しているが、これは従来に比べて優位差が極めて大きいからであって、８５０ｎｍよりも長い波長であっても効果が得られる。

また、第五の構成例において、障壁層を引っ張り歪を有するものとすることも効果的である。即ち、障壁層となるＧａＩｎＰＡｓ系材料において、同一格子定数の場合はＧａＩｎＰのバンドギャップが最も大きい。また、格子定数が小さい材料の方が大きなバンドギャップを取れる。これにより量子井戸活性層とのバンド不連続を大きくでき利得が大きくなるので、低閾値動作、高出力動作が可能となる。例えば、Ｇａ_０．６Ｉｎ_０．４Ｐ引っ張り歪層のバンドギャップは２．０２ｅＶ、Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ格子整合層のバンドギャップは１．８７ｅＶであり、１５０ｍｅＶ大きい。

なお、第五の構成例は、第四の構成例を元に説明した（ＡｌＧａＩｎＰ層を活性層に最も近い低屈折率層として用いた）が、第一乃至第三の構成例において、前記活性層と前記反射鏡との間に設けられるスペーサ層の一部は、ＡｌＧａＩｎＰ層よりなり、前記量子井戸活性層は、Ｇａ_ｃＩｎ_１−ｃＰ_ｄＡｓ_１−ｄ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１）からなり、かつ、圧縮歪を有し、前記障壁層は、Ｇａ_ｅＩｎ_１−ｅＰ_ｆＡｓ_１−ｆ（０≦ｅ≦１、０≦ｆ≦１）から構成しても、クラッド層をＡｌＧａＩｎＰとし、障壁層や量子井戸活性層にＧａＩｎＰＡｓ系材料を用いた場合と同様な効果が得られる。

すなわち、第三の構成例において、前記活性層と前記上部反射鏡および／または下部反射鏡との間には、スペーサ層が設けられており、該スペーサ層の一部は、ＡｌＧａＩｎＰ層よりなり、前記量子井戸活性層は、Ｇａ_ｃＩｎ_１−ｃＰ_ｄＡｓ_１−ｄ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１）からなり、かつ、圧縮歪を有し、前記障壁層は、Ｇａ_ｅＩｎ_１−ｅＰ_ｆＡｓ_１−ｆ（０≦ｅ≦１、０≦ｆ≦１）からなるように構成できる。

このように、（Ａｌ_ａ’Ｇａ_１−ａ’）_ｂ’Ｉｎ_１−ｂ’Ｐ（０≦ａ’≦１、０≦ｂ’≦１）スペーサ層を用いることで、スペーサ層をＡｌＧａＡｓ系で形成した場合に比べて、スペーサ層と量子井戸活性層とのバンドギャップ差を極めて大きく取ることができる。また、量子井戸活性層を圧縮歪組成としており、歪の効果により低閾値化するとともに高効率化（高出力化）することができ、さらには、キャリア閉じ込めの向上，歪量子井戸活性層による高利得化によって低閾値化することで、光取り出し側ＤＢＲの反射率低減が可能となり、さらに高出力化を実現できる。また、量子井戸活性層はＧａ_ｃＩｎ_１−ｃＰ_ｄＡｓ_１−ｄ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１）、障壁層はＧａ_ｅＩｎ_１−ｅＰ_ｆＡｓ_１−ｆ（０≦ｅ≦１、０≦ｆ≦１）であり、Ａｌを含んでいない材料から活性層が構成されており、Ａｌフリー活性領域（量子井戸活性層、及びそれに隣接する層）としているので、酸素の取り込みを低減でき、非発光再結合センタの形成を抑制して、長寿命の面発光型半導体レーザを実現することができる。即ち、活性層の利得が大きく低閾値・高出力であって、信頼性に優れた８５０ｎｍより波長の短い面発光型半導体レーザを容易に実現することができる。

（６） 第六の構成例
本発明の第１の形態の面発光型半導体レーザは、第六の構成例として、第五の構成例に適用可能であるが、発振波長がおよそ６８０ｎｍより長波長とされている。

ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系活性層による７８０ｎｍ面発光型半導体レーザの場合と比較する。Ａｌ_ｘＧａ_1-ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）系スペーサ層（クラッド層）の典型的な組成範囲で最もバンドギャップが大きいＡｌ_ｘＧａ_1-ｘＡｓ（ｘ＝０．６、Ｅｇ＝２．０２２６ｅＶ）と、組成波長７８０ｎｍ（Ｅｇ＝１．５５６７ｅＶ）の活性層とのバンドギャップ差は、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）スペーサ層（クラッド層）の典型的な組成範囲で最もバンドギャップが大きい（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（ａ＝０．７、ｂ＝０．５、Ｅｇ＝２．２８９ｅＶ）と、組成波長６８０ｎｍ（Ｅｇ＝１．８２３３ｅＶ）の活性層とのバンドギャップ差（４６０ｍｅＶ）とほぼ等しい。

また、障壁層と量子井戸活性層とのバンドギャップ差については、例えば、障壁層をＧａ_ｅＩｎ_１−ｅＰ_ｆＡｓ_１−ｆ（ｅ＝０．６、ｆ＝１、Ｅｇ＝２．０２ｅＶ）とすれば、組成波長６８０ｎｍの活性層とのバンドギャップ差がおよそ２００ｍｅＶとなり、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系活性層による７８０ｎｍ面発光型半導体レーザの場合とほぼ同等となる。

つまり、ＡｌＧａＩｎＰ系スペーサ層（クラッド層）を用いることで、組成波長が６８０ｎｍよりも長波長であれば、Ａｌフリー活性層（量子井戸活性層と障壁層）を用いても、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系活性層による７８０ｎｍ面発光型半導体レーザの場合と同等以上のキャリア閉じ込めが可能となる、さらに、歪量子井戸活性層の効果も加わることから、同等以上の特性を得ることが可能となる。

（７） 第七の構成例
本発明の第１の形態の面発光型半導体レーザは、第七の構成例として、第一乃至第六の構成例の何れにも適用可能であるが、被成長基板の面方位が、（１１１）Ａ面方向に５°から２０°の範囲内で傾斜した（１００）面として構成されている。

Ａｌ，Ｉｎ，Ｐを含んだ材料や、ＧａＩｎＰの結晶成長においては、特に、基板の面方位を考慮した方が良い。特に、ＡｌＧａＩｎＰやＧａＩｎＰにおいては、面方位が（１１１）Ａ面方向に５°から２０°の範囲内で傾斜した（１００）ＧａＡｓ基板が適している。（１００）面に近い場合、自然超格子の形成によるバンドギャップの低下や、ヒロック（丘状欠陥）発生による表面性の悪化や非発光再結合センタの発生が生じ、半導体レーザなどのデバイス特性に悪影響を及ぼす。一方、（１００）面から（１１１）Ａ面方向に傾斜させると、傾斜角に応じて自然超格子の形成が抑えられる。１０°から１５°位まで急激に変化し、その後は徐々に正規のバンドギャップ（完全に混ざった混晶の値）に近づく。ヒロックも徐々に発生しなくなっていく。しかし、（１１１）Ａ面方向の傾斜角が２０°を超えると結晶成長が困難になっていく。そこで、赤色レーザ（６３０ｎｍから６８０ｎｍ）の材料系で使われているＡｌＧａＩｎＰ材料は５°から２０°（より多くの場合、７°から１５°）の範囲内で傾斜させた基板が一般に使われている。スペーサ層（クラッド層）であるＡｌＧａＩｎＰはもとより、表１の例のように障壁層をＧａＩｎＰとした場合も当てはまる。さらには、障壁層や量子井戸活性層がＧａＩｎＰＡｓの場合であっても悪影響が懸念されるので、これら材料の成長には面方位が（１１１）Ａ面方向に５°から２０°（より望ましくは、７°から１５°）の範囲内で傾斜した（１００）ＧａＡｓ基板を用いることが好ましい。

ちなみに、偏光方向制御については、特開２００１−６０７３９公報に、基板の面方位が（１００）から（１１１）Ａ面方向又は（１１１）Ｂ面方向に１５°〜４０°傾斜した基板を用い、光学利得異方性を利用し、さらに圧縮歪を有するＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸活性層を採用することで、傾斜した方向の光学的利得を大きくして、偏光方向の制御をしている。また、特開２００１−１６８４６１公報に示されているように、メサ形状を円形、楕円形、長円形として、長軸の方向を（１００）から（１１１）Ａ面方向又は（１１１）Ｂ面方向とする方法も示されている。基板の面方位は（１００）から［１１０］方向に２°ｏｆｆ（−５°〜＋５°含む）のものであり、Ａ面，Ｂ面方向へ傾斜した基板ではない。

この点、この第七の構成例における偏光角制御の手段の一つは、基板の面方位を（１１１）Ａ面方向に傾斜させることによる光学利得異方性を利用するものである。しかし、現在、最有力視されている（３１１）Ｂ基板を用いた場合の効果を利用することができない。当該第七の構成例では、（３１１）Ｂ基板（２５°）より小さい傾斜角（５°から２０°の範囲内）であるので、基板コストを抑えられることやへき開し易く扱い易いものの、光学利得異方性は小さくなる。第七の構成例では、この低下分を量子井戸活性層に圧縮歪を与えることによる光学利得異方性の増大により補償することができる。

当該第七の構成例に関して、光出射方向から見た活性層の外周形状として、（１１１）Ａ面方向に長い形状となる形状異方性を持たせることが効果的である。即ち、上記の偏光制御について、さらに、面発光型半導体レーザの光出射方向から見た活性層の外周形状自体に異方性を持たせ、（１１１）Ａ面方向に長い形状とすることによって、傾斜角方向（（１１１）Ａ面方向）の光学的利得がさらに増大し、偏向角の制御性が向上する。

（第２の形態）
本発明の第２の形態を図３乃至図５に基づいて説明する。この第２の形態は、前述の第一の構成例をより具体化した構成例に関するものである。図３は、本発明の第２の形態の面発光型半導体レーザの構造例を示す原理的断面図、図４は、その活性層周辺構造を抽出して拡大して示す断面図、図５は、その一部の平面図である。

本発明の第２の形態における面発光型半導体レーザは、面方位が（１１１）Ａ面方向に１５°傾斜したｎ−（１００）ＧａＡｓ基板１１上に、ｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓとｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓとを媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に例えば３５周期積層した周期構造１２と、その上部の１／４倍の厚さからなるｎ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ低屈折率層（クラッド層）１３とからなるｎ−半導体分布ブラッグ反射鏡（下部反射鏡）１４が形成（図１では詳細は省略）されている。なお、周期構造１２を構成するｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓとｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓとの間には、Ａｌ組成を一方の値から他方の値に徐々に変化させた厚さ２０ｎｍの組成傾斜層を挿入しており、傾斜層を含めて媒質内における発振波長の１／４倍の厚さとしている。これによれば、ＤＢＲに電気を流す場合、両者のバンド不連続を滑らかにすることができ、高抵抗化を抑制できる。

その上に、図４に示すように、格子整合する（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ下部スペーサ層１５、圧縮歪組成であってバンドギャップ波長が７８０ｎｍとなる３層のＧａＩｎＰＡｓ量子井戸活性層１６と格子整合する４層のＧａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ障壁層１７とからなる活性層１８、及び、（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ上部スペーサ層１９が形成されている。さらにその上に、１／４倍の厚さからなるｐ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ低屈折率層（クラッド層を兼ねる）２０と、ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_1-ｘＡｓ（ｘ＝０．９）とｐ−Ａｌ_ｘＧａ_1-ｘＡｓ（ｘ＝０．３）とを交互に例えば２４．５周期積層した周期構造２１とからなるｐ−半導体分布ブラッグ反射鏡（上部反射鏡）２２が形成（図１では詳細は省略）されている。こちらにも同様に組成傾斜層を挿入している。最上部には、電極とコンタクトを取るｐ−ＧａＡｓコンタクト層２３が形成されている。下部反射鏡１４と上部反射鏡２２との間は、発振波長の１波長分の厚さ（いわゆるラムダキャビティー）の共振器領域２４とした。これらの共振器領域２４と下部反射鏡１４と上部反射鏡２２とにより共振器構造が構成されている。

ここに、この第２の形態の面発光型半導体レーザにおいては、ｐ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ低屈折率層（クラッド層を兼ねる）２０上に形成される、ＡｌＧａＡｓ系材料からなる上部反射鏡２２を構成するｐ−Ａｌ_ｘＧａ_1-ｘＡｓ（ｘ＝０．３）２５との界面２６（界面３に相当）を電界強度分布の節の位置としている。

ちなみに、従来は、共振器領域の最上部にＡｌＧａＩｎＰクラッド層（スペーサ層）が設けられていた。従って、ＡｌＧａＡｓ系材料からなる上部反射鏡との界面は腹の位置であり、光学的吸収の影響が大きい場所であった。しかしながら、Ａｌ，Ｉｎ，Ｐを主成分として含む半導体層上にＡｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む半導体層を結晶成長する場合、ＩｎのキャリーオーバーなどＩｎの分離が生じやすく、これを抑える必要があるが、困難な課題であり、閾値上昇を避けるのは困難であった。

この点、この第２の形態の構成によれば、界面２６を電界強度分布の節の位置させており、界面２６における光学的吸収の影響が大幅に低減するように設計してあるので、Ｉｎの分離がある程度生じていても、閾値増加への悪影響を大幅に抑えることができる。なお、ｐ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ低屈折率層２０とｐ−Ａｌ_ｘＧａ_1-ｘＡｓ（ｘ＝０．３）２５との間にＩｎ分離抑制層として上記低屈折率層よりＡｌ組成が小さいかＡｌを含まない、薄い（Ａｌ）ＧａＩｎＰを設け、Ｉｎの分離を低減すると更に良い。

なお、この第２の形態では、構造の対称性から、下部反射鏡１４の活性層１８に最も近い低屈折率層も（Ａｌ_０．７Ｇａ）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層としたが、Ｉｎの分離の問題の改善だけであればＡｌＧａＡｓ系材料でも構わない。

また、この第２の形態の面発光型半導体レーザのウエハは以下のように作製される。結晶成長はＭＯＣＶＤにより成長した。原料にはＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＴＭＩ（トリメチルインジウム），ＰＨ_３（フォスフィン）、ＡｓＨ_３（アルシン）を用い、ｎ型のドーパントとしてＨ_２Ｓｅ（セレン化水素）を用い、ｐ型のドーパントとしてＤＭＺｎ又はＣＢｒ_４を用いた。キャリアガスにはＨ_２を用いた。ＭＯＣＶＤ法は、組成傾斜層のような構成は原料ガス供給量を制御することで容易に形成できるので、ＤＢＲを含んだ面発光型半導体レーザの結晶成長方法として適している。また、ＭＢＥ法のような高真空を必要とせず、原料ガスの供給流量や供給時間を制御すれば良いので、量産性にも優れている。

この第２の形態では、ｐ側ＤＢＲ中で活性層１８に近い低屈折率層の一部をＡｌＡｓ層とした。そして、所定の大きさのメサ２６を少なくともｐ−ＡｌＡｓ被選択酸化層２７の側面を露出させて形成し、側面の現れたＡｌＡｓを水蒸気で側面から酸化してＡｌ_ｘＯ_ｙ電流狭窄層２８を形成した。次に、ポリイミドでエッチング部を埋め込んで平坦化し、ｐコンタクト層２３と光出射部２９のある上部反射鏡２２上のポリイミドを除去し、ｐコンタクト層２３上の光出射部２９以外にｐ側電極３０を形成し、裏面にｎ側電極３１を形成した。３２はポリイミド絶縁膜である。

ＡｌとＡｓを主成分とした被選択酸化層２７の選択酸化により電流狭窄を行ったので閾値電流は低かった。被選択酸化層２７を選択酸化したＡｌ酸化膜からなる電流狭窄層２８を用いた電流狭窄構造によると、電流狭窄層２８を活性層１８に近づけて形成することで電流の広がりを抑えられ、大気に触れない微小領域に効率良くキャリアを閉じ込めることができる。さらに、酸化してＡｌ酸化膜となることで屈折率が小さくなり、凸レンズの効果でキャリアの閉じ込められた微小領域に効率良く光を閉じ込めることができ、極めて効率が良くなり、閾値電流は低減される。また、容易に電流狭窄構造を形成できることから、製造コストを低減できる。

なお、面発光型半導体レーザの光出射方向から見たメサ形状を、図５に示すように、（１１１）Ａ面方向に長い長楕円形状となるように異方性を持たせて形成した。これは長方形など他の形状でも良い。これにより、Ａｌ酸化膜により形成された電流注入領域の形状も（１１１）Ａ面方向に長い形状となった。

この第２の形態の面発光型半導体レーザでは、活性層１８に最も近い反射鏡２２の低屈折率層２５やスペーサ層１９にＡｌＧａＩｎＰ材料を用い、障壁層１７や量子井戸活性層１６にはＧａＩｎＰＡｓを用いている。面方位が（１１１）Ａ面方向に１５°傾斜した（１００）ＧａＡｓ基板１１上に形成したので、自然超格子の形成によるバンドギャップの低下や、ヒロック（丘状欠陥）発生による表面性の悪化や非発光再結合センタの影響を低減できた。

また、キャリア閉じ込めのためのクラッド層（活性層１８に最も近い反射鏡２２の低屈折率層）２０としてワイドバンドギャップである（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐを用いている。クラッド層２０と活性層１８とのバンドギャップ差は、クラッド層２０をＡｌＧａＡｓで形成した場合の４６６ｍｅＶ（Ａｌ組成０．６の場合）に比べて、７４３ｍｅＶであり極めて大きい。障壁層１７と活性層１８とのバンドギャップ差も同様に優位差があり、良好なキャリア閉じ込めとなる。また、活性層１８が圧縮歪を有しているので、ヘビーホールとライトホールのバンド分離により利得の増加が大きくなった。これらにより高利得となるので、この第２の形態の面発光型半導体レーザは低閾値で、高出力であった。

なお、（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ低屈折率層２０と活性層１８との間のスペーサ層として（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層１９を１層で形成したが、複数の半導体層で形成しても良い。また、ＡｌＧａＩｎＰ低屈折率層２０やＡｌＧａＩｎＰスペーサ層１９は、微量に他の構成元素を含んでいても構わない。

また、活性層１８と障壁層１７は、Ａｌを含んでいない材料から構成されており、Ａｌフリー活性領域（量子井戸活性層、及びそれに隣接する層）としているので、酸素の取り込みが低減することで非発光再結合センタの形成を抑えることができ、長寿命化を図れる。

また、偏向角制御については、基板１１の傾斜による光学利得異方性を利用している。現在、最有力視されている（３１１）Ｂ基板（２５°）を用いた場合に比べて、小さい傾斜角（１５°）であるので光学利得異方性は小さくなる。この第２の形態では、この低下分を量子井戸活性層１６に圧縮歪を与えることによる光学利得異方性の増大、及び、面発光型半導体レーザの光出射方向から見た量子井戸活性層１６の外周形状に異方性を持たせ、（１１１）Ａ面方向に長い形状とすることによる基板傾斜方向（（１１１）Ａ面方向）の光学的利得増大により補償しており、（３１１）Ｂ基板利用と比べて劣らない偏向角制御ができた。

このように、第２の形態によれば、活性層１８の利得が大きく、低閾値，高出力，優れた信頼性，偏光方向制御を同時に満たした７８０ｎｍ面発光型半導体レーザを実現することができる。なお、Ａｌ，Ｉｎ，Ｐを主成分として含む半導体層２０上にＡｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む半導体層２５を結晶成長する場合に生じるＩｎの分離に関わる閾値上昇が生じにくいように設計しているので容易に実現できた。

なお、この第２の形態のＡｌフリー活性層の効果は、短波長化とともに小さくなっていくが、６８０ｎｍより長波長であれば得ることができる。例えば、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系活性層による７８０ｎｍ面発光型半導体レーザの場合と比較する。Ａｌ_ｘＧａ_1-ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）系スペーサ層（キャリア閉じ込めのクラッド層）の定型的な組成範囲で最もバンドギャップが大きいＡｌ_ｘＧａ_1-ｘＡｓ（ｘ＝０．６、Ｅｇ＝２．０２２６ｅＶ）と、組成波長７８０ｎｍ（Ｅｇ＝１．５５６７ｅＶ）の活性層とのバンドギャップ差は、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）スペーサ層（キャリア閉じ込めのクラッド層）の定型的な組成範囲で最もバンドギャップが大きい（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（ａ＝０．７、ｂ＝０．５、Ｅｇ＝２．２８９ｅＶ）と、組成波長６８０ｎｍ（Ｅｇ＝１．８２３３ｅＶ）の活性層とのバンドギャップ差（４６０ｍｅＶ）とほぼ等しい。

また、障壁層と量子井戸活性層とのバンドギャップ差については、例えば、障壁層をＧａ_ｅＩｎ_１−ｅＰ_ｆＡｓ_１−ｆ（ｅ＝０．６、ｆ＝１、Ｅｇ＝２．０２ｅＶ）とすれば、組成波長６８０ｎｍの活性層とのバンドギャップ差がおよそ２００ｍｅＶとなり、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系活性層による７８０ｎｍ面発光型半導体レーザの場合とほぼ同等となる。

つまり、ＡｌＧａＩｎＰ系スペーサ層１９を用いることで、組成波長が６８０ｎｍよりも長波長であれば、Ａｌフリー活性層（量子井戸活性層１６と障壁層１７）を用いても、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系活性層による７８０ｎｍ面発光型半導体レーザの場合と同等以上のキャリア閉じ込めが可能となる、さらに、歪量子井戸活性層の効果も加わることから、同等以上の特性を得ることが可能となる。

また、障壁層１７にＡｌを含ませた場合には、６５０ｎｍ帯など６８０ｎｍより波長の短い赤色面発光型半導体レーザ作製が可能となる。この場合、Ａｌフリーの効果は得られないが、前述のＩｎの分離の問題は、この第２の形態によって改善できる。

（第３の形態）
本発明の第３の形態を図６に基づいて説明する。この第３の形態は、前述の第三の構成例をより具体化した構成例に関するものである。図６は、本発明の第３の形態の面発光型半導体レーザの活性層周辺構造を抽出して拡大して示す断面図である。基本的には、前述の第２の形態に準ずるものであるが、この第３の形態は、障壁層１７ａの材料として引っ張り歪を有するＧａ_０．６Ｉｎ_０．４Ｐとした点で異なり、他の点は第２の形態（図４）の場合と同様である。

ＧａＩｎＰＡｓ系材料において、同一格子定数ではＧａＩｎＰのバンドギャップが最も大きい。また、格子定数が小さい組成の方が大きなバンドギャップを取れるので、量子井戸活性層１６とのバンド不連続をさらに大きくでき、利得が大きくなるので、さらに、低閾値動作，高出力動作が可能となる。例えば、この第３の形態のＧａ_０．６Ｉｎ_０．４Ｐ引っ張り歪障壁層１７ａのバンドギャップは２．０２ｅＶ、第２の形態のＧａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ格子整合層１７のバンドギャップは１．８７ｅＶであり、１５０ｍｅＶ大きい。なお、障壁層を引っ張り歪組成としてバンド不連続が大きくなる効果は、量子井戸活性層が圧縮歪組成の時だけでなく、格子整合組成や引っ張り歪組成であっても得られる。

（第４の形態）
本発明の第４の形態を図７に基づいて説明する。本発明の第４の形態は、前述したような面発光型半導体レーザを利用した面発光型半導体レーザアレイに関する。図７は本発明の第４の形態の面発光型半導体レーザアレイの構成例を示す原理的な平面図である。

本発明の第４の形態の面発光型半導体レーザアレイ４１は、アレイチップ基板４２上に前述の各形態で説明したような構成の複数個の面発光型半導体レーザ４３を一列（１次元）に配列させて搭載させることにより構成されている。４４は各面発光型半導体レーザ４３毎に設けられた電極パッドである。ただし、この第４の形態では、面発光型半導体レーザ４３に関して前述した構成例の場合とはｐとｎとが逆とされている。即ち、ｐ型ＧａＡｓ半導体基板上に形成されており、表面にｎ側個別電極、裏面にｐ側共通電極が形成されている。なお、面発光型半導体レーザアレイ４１を構成する上で、面発光型半導体レーザ４３は２次元配列であっても構わない。

この第４の形態によれば、閾値上昇が抑えられた、高出力動作可能な面発光型半導体レーザ４３を同一基板４２上に多数集積することで、例えば、書き込み光学系の光源に応用した場合、同時にマルチビームでの書き込みが容易となり、書き込み速度が格段に向上し、書き込みドット密度が上昇しても印刷速度を落とすことなく印刷できる。また、同じ書き込みドット密度の場合であれば印刷速度を速くすることができる。また、光通信に応用した場合、同時に多数ビームによるデータ伝送が可能となるので高速通信ができる。さらに、面発光型半導体レーザは低消費電力で動作するので、特に機器の中に組み込んで利用した場合、温度上昇を低減させることもできる。

（第５の形態）
本発明の第５の形態を図８に基づいて説明する。本発明の第５の形態は、前述の第４の形態で説明した面発光型半導体レーザアレイ４１を光源として安価なアクリル系ＰＯＦ（プラスチック光ファイバ）５１とを組み合わせた光送信モジュール５２への適用例を示し、図８はその構成例を示す概要図である。

本発明の第５の形態の光送信モジュール５２では、各面発光型半導体レーザ４３からのレーザ光が対応するＰＯＦ５１に入力され、伝送される。アクリル系ＰＯＦは６５０ｎｍに吸収損失のボトムがあり、６５０ｎｍの面発光型半導体レーザが検討されているが、高温特性が悪く実用にはなっていない。ＬＥＤが使われているが高速変調が困難で１Ｇｂｐｓを超えた高速伝送実現のためには半導体レーザが必要である。

この第５の形態の面発光型半導体レーザ４３の波長は７８０ｎｍであるが、活性層利得が大きいので高出力であるとともに高温特性にも優れており、ファイバの吸収損失は大きくなるが短距離であれば伝送可能である。

光通信の分野では、同時により多くのデータを伝送するために複数の半導体レーザが集積したレーザアレイを用いた並列伝送が試みられている。これにより、高速な並列伝送が可能となり、従来よりも多くのデータを同時に伝送できるようになった。

この第５の形態では、面発光型半導体レーザ４３と光ファイバ５１とを１対１に対応させたが、発振波長の異なる複数の面発光型半導体レーザ素子を１次元又は２次元にアレイ状に配置して、波長多重送信することにより伝送速度をさらに増大させることも可能である。

さらに、本発明による安価な面発光型半導体レーザアレイ４１と安価なＰＯＦ５１とを組み合わせたので、これを光通信システムに用いると、低コストな光送信モジュール５２を実現できる他、これを用いた低コスト光通信システムを実現できる。極めて低コストであることから、家庭用，オフィスの室内用，機器内用等の短距離のデータ通信に有効である。

（第６の形態）
本発明の第６の形態を図９に基づいて説明する。本発明の第６の形態は、前述したような面発光型半導体レーザ４３を光源とし、受信用フォトダイオード６１を受光素子とし、アクリル系ＰＯＦ６２と組み合わせた光送受信モジュール６３への適用例を示し、図９はこの光送受信モジュール６３の構成例を示す概要図である。

前述したような面発光型半導体レーザ４３を光通信システムに用いる場合、面発光型半導体レーザ４３とＰＯＦ６２は低コストであるので、図９に示すように送信用の面発光型半導体レーザ４３と、受信用フォトダイオード６１と、ＰＯＦ６２とを組み合わせた光送受信モジュール６３を用いた低コストの光通信システムを実現できる。また、ＰＯＦ６２はファイバの径が大きくてファイバとのカップリングが容易で実装コストを低減できることから、極めて低コストのモジュールを実現できる。また、この第６の形態に係る面発光型半導体レーザ４３の場合，温度特性が良いこと、及び、低閾値であることにより、発熱が少なく、高温まで冷却なしで使えるより低コストのシステムを実現できる。

この第６の形態に係る面発光型半導体レーザ４３を用いた光通信システムとしては、光ファイバを用いた、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などのコンピュータ等の機器間伝送、さらには機器内のボード間データ伝送、ボード内のＬＳＩ間、ＬＳＩ内の素子間等、光インタコネクションとして特に短距離通信に用いることができる。

近年ＬＳＩ等の処理性能は向上しているが、これらを接続する部分の伝送速度が今後ボトルネックとなる。システム内の信号接続を従来の電気接続から光インターコネクトに変えると、例えばコンピュータシステムのボード間、ボード内のＬＳＩ間、ＬＳＩ内の素子間等を本発明に係る光送信モジュール５２や光送受信モジュール６３を用いて接続すると、超高速コンピュータシステムが可能となる。

また、複数のコンピュータシステム等を本発明に係る光送信モジュール５２や光送受信モジュール６３を用いて接続した場合、超高速ネットワークシステムが構築できる。特に、面発光型半導体レーザ４３は端面発光型レーザに比べて桁違いに低消費電力化でき、２次元アレイ化が容易なので、並列伝送型の光通信システムに適している。

（第７の形態）
本発明の第７の形態を図１０及び図１１に基づいて説明する。本発明の第７の形態は、前述の第４の形態に準ずる２次元の面発光型半導体レーザアレイ７１を書き込み用光源として用いた画像形成装置、例えば、レーザプリンタへの適用例を示す。図１０は当該レーザプリンタの光走査書き込み部を中心に示す概略的な平面図、図１１はその面発光型半導体レーザアレイ７１の構成例を示す原理的な正面図である。

この第７の形態のレーザプリンタでは、面発光型半導体レーザアレイ７１からの複数のビームを、レンズ７２，走査用ポリゴンミラー７３，ｆθレンズ７４等からなる同じ光学系を用い走査用ポリゴンミラー７３を高速回転させるとともに、ドット位置を点灯のタイミングを調整して副走査方向に分離した複数の光スポットとして被走査面である感光体７５上に集光して一度に複数のビームを走査させる構成例とされている。

ここに、この第７の形態の面発光型半導体レーザアレイ７１は、例えば図１１に示すように使用波長７８０ｎｍの面発光型半導体レーザ４３を４０μｍ間隔で副走査方向に１０μｍずつの重なりを持たせて４×４の２次元にチップ基板４２上に配置させたものであり、点灯のタイミングを調整することで感光体７５上では図のように副走査方向に１０μｍ間隔で光源が並んでいる場合と同様な構成と捉えることができる。

この第７の形態によれば、副走査方向に約１０μｍ間隔で感光体７５上に書き込み可能であり、２４００ＤＰＩ（ドット／インチ）に相当する。主走査方向の書き込み間隔は、光源４３の点灯のタイミングで容易に制御できる。１６ドットを同時に書き込み可能であり、高速印刷できた。アレイ数を増加させることでさらに高速印刷可能である。また、面発光型半導体レーザ４３の素子間隔を調整することで副走査方向の間隔を調整でき、２４００ＤＰＩよりも高密度にすることができ、より高品質の印刷が可能となる。この第７の形態による面発光型半導体レーザ４３は従来の面発光型半導体レーザよりも高出力化されているので、印刷速度を従来よりも速くすることができた。

なお、この第７の形態では面発光型半導体レーザアレイ７１（或いは、面発光型半導体レーザ４３）のレーザプリンタへの応用例を示したが、光ピックアップ（図示せず）に搭載させることで、ＣＤ等の記録，再生用光源としても用いることができる。

（第８の形態）
本発明の第８の形態は、ｐ−半導体分布ブラッグ反射鏡における、ｐ−Ａｌ_ｘＧａ_1-ｘＡｓ（ｘ＝０．９）とｐ−Ａｌ_ｘＧａ_1-ｘＡｓ（ｘ＝０．３）からなる多層構造部のドーパントはＣであるが、ｐ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ低屈折率層のドーパントをＭｇとした点で異なり、他の点は第２の形態（図４）の場合と同様である。

（Ａｌ）ＧａＩｎＰ層のｐ型ドーパントとしてＺｎ（亜鉛）が良く用いられているが、拡散係数が大きく、上部反射鏡成長中にＺｎが活性層、または活性層の近くまで拡散してしまい、結晶性が悪くなって発光効率が低下したり、吸収損失が増えるなどといった原因で素子特性を悪くしてしまう問題がある。これはｐ側が下部の場合はより一層影響が出る。また、面発光型半導体レーザは、端面発光型半導体レーザに比べて膜厚が数倍厚くなるので、成長時間も長く、熱拡散の影響は極めて大きい。一方、Ｍｇは拡散係数がＺｎより小さく上記問題を改善できる。しかし、Ａｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む半導体層においては、Ｃの拡散係数の方がより小さい。また、Ａｓ系材料にＭｇを添加するとメモリー効果により制御性が悪くなる。したがって、この第８の形態では、ＡｌＧａＩｎＰ層にはＭｇを添加し、ＡｌＧａＡｓ多層膜にはＣを添加した。これにより、ドーパントの拡散やメモリー効果を低減できることで、制御性良くドーピングでき、設計に近いドーピングプロファイルが得られるとともに活性層の結晶性低下が抑えられ、低しきい値，高出力動作を容易に実現できる。

なお、ＡｌＧａＩｎＰのドーパントをＭｇとし、ＡｌＧａＡｓのドーパントをＣとした場合の効果は、ＡｌＧａＩｎＰを反射鏡の低屈折率層として用いた場合でなくとも、図１２に示すような上下の反射鏡で挟まれた共振器領域中に設けられた場合であっても効果が得られる。また、６５０ｎｍ帯等可視領域の面発光型半導体レーザのように、共振器領域を本願と同様にＡｌＧａＩｎＰ系材料で形成し、反射鏡をＡｌＧａＡｓ系材料で形成している面発光型半導体レーザにおいても効果が得られる。

（第９の形態）
本発明の第９の形態は、ｎ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ低屈折率層とｐ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ低屈折率層を、Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５ＰとＧａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐとの短周期超格子構造とした点で異なり、他の点は第２の形態（図４）の場合と同様である。

材料によって熱抵抗が違うが、熱抵抗は半導体材料を構成する元素数が多いほど高くなる。したがって、４元材料であるＡｌＧａＩｎＰは熱抵抗が極めて高い。このため活性層で発生した熱は逃げにくく活性層にこもってしまい、活性層の温度上昇が早く、小さな注入電流で光出力が飽和してしまうという欠点があった。

面発光レーザの発振光の波長よりも充分薄い厚さの層を交互に積層した超格子構造にすると、光学的にはそれらが一様に混ざったとした時の平均組成の混晶が形成されている場合と同様であるとみなすことができる。ただし、屈折率については超格子構造にすることで、わずかに高屈折率化するとの報告もある。したがって、このような超格子構造により構成された半導体層を用いて反射鏡などを構成することができる。

一方、４元材料であるＡｌＧａＩｎＰと比べて、３元材料であるＡｌＩｎＰやＧａＩｎＰの熱抵抗は小さい。しかも、ＡｌＧａＩｎＰと同様にＡｌＩｎＰやＧａＩｎＰもＧａＡｓ基板に格子整合させることができる。したがって、従来一様組成ＡｌＧａＩｎＰであった半導体層のかわりに、その平均組成より熱抵抗の小さくなる少なくとも２つの材料を選択して超格子構造を用いることで、熱抵抗が低下し、活性層で発生した熱を外部に逃がす効率が改善する。これにより電流注入による活性層温度上昇を低減でき、従来よりも高電流注入まで光出力が上昇し、結果として高出力となる面発光レーザを得ることができる。

なお、ＡｌＧａＩｎＰをＡｌＩｎＰとＧａＩｎＰとによる短周期超格子構造で形成した場合の効果はＡｌＧａＩｎＰを反射鏡の低屈折率層として用いた場合でなくとも、図１２に示すような上下の反射鏡で挟まれた共振器領域中に設けられた場合であっても効果が得られる。また、６５０ｎｍ帯等可視領域の面発光型半導体レーザのように、共振器領域をＡｌＧａＩｎＰ系材料で形成している面発光型半導体レーザにおいても効果が得られる。また、活性層からの放熱は基板側が主なので、少なくとも基板側のＡｌＧａＩｎＰ層に適用することが好ましい。

（第１０の形態）
本発明の第１０の形態を図１３に基づいて説明する。この第１０の形態と前述の第３の形態の面発光型半導体レーザとの違いは、次に２点である。

第一点は、下部反射鏡を、基板側から順番に、ｎ−ＡｌＡｓ低屈折率層とｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ高屈折率層とを３１周期積層した第１下部反射鏡と、ｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層とｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ高屈折率層とを９周期積層した第２下部反射鏡と、その上のｎ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ低屈折率層（クラッド層）１３とから構成したことである。

下部反射鏡は、低屈折率層に熱抵抗の小さいＡｌＡｓを含んでいるので、活性層で発生する熱の放熱性が改善し、駆動時の温度上昇が抑制され、温度特性が良好でかつ高出力となった。

なお、もしも、メサ形成時のエッチング面が第１下部反射鏡のＡｌＡｓまで達すると、後工程のＡｌＡｓ被選択酸化層の酸化工程時に、メサ側壁に露出しているＡｌＡｓ層の端面からも同時に酸化が進み、素子が絶縁化するか高抵抗化する事態となってしまう。これは、ＡｌＧａＡｓの酸化速度はＡｌ組成依存性が極めて大きく、Ａｌ組成が大きいほど酸化速度が大きく、ＡｌＡｓが最も酸化速度が大きいからである。このため酸化速度が小さいＡｌＧａＡｓを用いた第２下部反射鏡を設けた。なお、第１下部反射鏡の低屈折率層の酸化速度が被選択酸化層よりも速い材料・厚さの場合に第２下部反射鏡を設ける必要が出てくる。例えば被選択酸化層がＡｌＡｓにわずかにＧａを添加した材料である場合など、第１下部反射鏡の低屈折率層としてＡｌＡｓではなくＧａが含まれていても、酸化速度が被選択酸化層よりも速い場合がある。この場合、第２下部反射鏡が必要であり、第１下部反射鏡の低屈折率層が第２下部反射鏡の低屈折率層より熱抵抗の小さい組成（材料）であれば放熱の効果がある。

メサ形成のエッチングはロットごとのばらつきがあるが、Ａｌ酸化膜となる被選択酸化層と第１下部反射鏡のＡｌＡｓとの間で止まるように行えば良い。エッチングはＣｌ_２ガスを導入し、反応性イオンビームエッチング法（ＲＩＢＥ）法で行った。この時プラズマ発光分光器でＩｎの発光（４５１ｎｍ）とＡｌの発光（３９６ｎｍ）の比をとり、その時間変化をモニタした。エッチング開始から数分経過すると、Ｉｎの発光（４５１ｎｍ）が検出され、やがてなくなった。この時点でエッチングを終了したところ、第２下部反射鏡中でエッチングが停止した。このように容易に再現性良く制御できた。

また、第二点は、ｎ側及びｐ側のＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ高屈折率層と（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ低屈折率層との界面に、例えば２０ｎｍの厚さの（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ中間層を設けたことである。

Ａｌ組成の小さい中間層を挿入したので、特に、ｐ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ低屈折率層上にｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ高屈折率層を積層する場合、平坦で結晶性良く成長できる成長条件の範囲が広くなり、容易に形成できた。更にＡｌＧａＡｓ系材料とＡｌＧａＩｎＰ系材料のヘテロ接合では、ＡｌＧａＩｎＰ系材料のＡｌ組成が大きい場合、価電子帯のバンド不連続が大きくなってしまうが、Ａｌ組成の小さい中間層を挿入しているので小さくでき、抵抗を小さくできた。なお、中間層としてＡｓが含まれていても良い。

１ Ａｌ，Ｉｎ，Ｐを主成分として含む半導体層
２ Ａｌ，Ｇａ，Ａｓを主成分として含む半導体層
３ 界面
４ 共振器領域
５ 上部反射鏡
７ 活性層
８ 低屈折率層
９ 界面
１１ 基板
１３ 低屈折率層
１４ 下部反射鏡
１５ スペーサ層
１６ 量子井戸活性層
１７ 障壁層
１８ 活性層
１９ スペーサ層
２０ 半導体層、低屈折率層
２２ 上部反射鏡
２４ 共振器領域
２５ 半導体層
２６ 界面
４１ 面発光型半導体レーザアレイ
４３ 面発光型半導体レーザ

特開平９−１０７１５３号公報 特開平２００１−６０７３９ 特開平２００１−１６８４６１ ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ．１０， Ｎｏ．１２， ｐｐ．１６７６−１６７８， １９９８（東工大） ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ．１２， Ｎｏ．６， ｐｐ．６０３−６０５， ２０００（Ｗｉｓｃｏｎｓｉｎ Ｕｎｉｖ．）

Claims (16)

1. ＧａＡｓ基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の量子井戸活性層と障壁層とを有する活性層を含んだ共振器領域と、その上部及び下部に設けられた上部反射鏡及び下部反射鏡とを有する共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、
   前記上部反射鏡および／または下部反射鏡は、屈折率が周期的に変化し入射光を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡を含み、
   該半導体分布ブラッグ反射鏡の少なくとも一部は、Ａｌ_ｘＧａ_1−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）による低屈折率層とＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）による高屈折率層とからなり、
   前記上部反射鏡および／または下部反射鏡を構成する前記低屈折率層のうちで少なくとも前記活性層に最も近い低屈折率層は、（Ａｌ_ａＧａ_1−ａ）_ｂＩｎ_1−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）からなり、
   前記（Ａｌ _ａ Ｇａ _1−ａ ） _ｂ Ｉｎ _1−ｂ Ｐ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）からなる低屈折率層と前記Ａｌ _ｙ Ｇａ _1−ｙ Ａｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）による高屈折率層との間に、前記（ＡｌａＧａ _1−a ） _ｂ Ｉｎ _1−ｂ Ｐ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）からなる低屈折率層よりもＡｌ組成の小さい（Ａｌ _ａ１ Ｇａ _1−ａ1 ） _ｂ１ Ｉｎ _1−ｂ１ Ｐ（０≦ａ１＜ａ≦１、０≦ｂ１≦１）による中間層が設けられており、
   前記共振器領域と前記上部反射鏡および／または下部反射鏡の活性層に最も近い低屈折率層との界面を電界強度分布の腹の位置としたことを特徴とする面発光型半導体レーザ。
2. 請求項１記載の面発光型半導体レーザにおいて、下部反射鏡は、基板側から順番に、低屈折率層がＡｌＡｓからなる第１下部反射鏡と、低屈折率層がＡｌ_ｘ１Ｇａ_1−ｘ１Ａｓ（０＜ｘ１＜１）からなる第２下部反射鏡と、少なくとも１層からなる（Ａｌ_ａＧａ_1−ａ）_ｂＩｎ_1−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）低屈折率層とから構成されていることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
3. 請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記活性層と前記上部反射鏡および／または下部反射鏡との間には、スペーサ層が設けられており、該スペーサ層の一部は、前記ＡｌＧａＩｎＰ低屈折率層よりもバンドギャップが小さい（Ａｌ_ａＧａ_1−ａ）_ｂＩｎ_1−ｂＰ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）からなり、
   前記量子井戸活性層は、Ｇａ_ｃＩｎ_1−ｃＰ_ｄＡｓ_1−ｄ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１）からなり、
   前記障壁層は、Ｇａ_ｅＩｎ_1−ｅＰ_ｆＡｓ_1−ｆ（０≦ｅ≦１、０≦ｆ≦１）からなることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
4. 請求項３記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記量子井戸活性層は、圧縮歪を有することを特徴とする面発光型半導体レーザ。
5. 請求項４記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記障壁層は、引っ張り歪を有することを特徴とする面発光型半導体レーザ。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記半導体分布ブラッグ反射鏡のＡｌ_ｘＧａ_1−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）による低屈折率層とＡｌ_ｙＧａ_1−ｙＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）による高屈折率層とには、ｐ型ドーパントとしてＣ（炭素）が添加され、前記（Ａｌ_ａＧａ_1−ａ）_ｂＩｎ_1−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）からなる低屈折率層には、ｐ型ドーパントとしてＭｇ（マグネシウム）が添加されていることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
7. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザにおいて、（Ａｌ_ａＧａ_1−ａ）_ｂＩｎ_1−ｂＰ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）からなる低屈折率層は、ＡｌＩｎＰとＧａＩｎＰとからなる短周期超格子構造により構成された半導体層であることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
8. 請求項３乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記共振器構造による発振波長がおよそ６８０ｎｍより長波長であることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザにおいて、被成長基板の面方位は、（１１１）Ａ面方向に５°から２０°の範囲内で傾斜した（１００）面であることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
10. 請求項９記載の面発光型半導体レーザにおいて、光出射方向から見た活性層の外周形状は、（１１１）Ａ面方向に長い形状となる形状異方性を有していることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザが同一基板上に複数個配列させていることを特徴とする面発光型半導体レーザアレイ。
12. 請求項１１記載の面発光型半導体レーザレイを書き込み光源として備えることを特徴とする画像形成装置。
13. 請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ又は請求項１１記載の面発光型半導体レーザアレイを光源として備えることを特徴とする光ピックアップ。
14. 請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ又は請求項１１記載の面発光型半導体レーザアレイを光源として備えることを特徴とする光送信モジュール。
15. 請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ又は請求項１１記載の面発光型半導体レーザアレイを光源として備える光送受信モジュール。
16. 請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ又は請求項１１記載の面発光型半導体レーザアレイを光源として備えることを特徴とする光通信システム。

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