JP6015220B2 - 面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置 - Google Patents

面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置 Download PDF

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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装置、光伝送装置および情報処理装置に関する。
面発光型半導体レーザは、通信装置や画像形成装置の光源に利用されている。このような光源に利用される面発光型半導体レーザとっては、単一横モードでありかつ大きな光出力が要求される。そこで、面発光型半導体レーザでは、出射領域の中央領域では主に基本横モード、周辺領域では主に高次横モードで発振するという性質を利用して、出射領域内に新たに絶縁膜を形成したり、出射領域内の最上層をエッチングするなどして、出射領域内の反射率を制御し、光出力を低下させることなく単一横モード発振させる技術が報告されている（特許文献１、２、３）。
特開２００１−１５６３９５号公報 特表２００４−５２９４８７号公報 特開２００３−１１５６３４号公報
本発明は、高次横モード発振を抑制し高出力の基本横モード発振を得ることができる面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置
を提供することを目的とする。
請求項１は、基板上に、第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡、および高抵抗領域によって囲まれた導電領域を有する電流狭窄層を含む面発光型半導体レーザであって、前記第２の半導体多層膜反射鏡上に形成される高次横モード抑制層であって、前記第２の半導体多層膜反射鏡の最上層は平坦な面を有しており、レーザ光を出射する出射面上の高次横モードが発生する領域に形成された高次横モード抑制層を含み、前記高次横モード抑制層は、発振波長を透過可能な第１の屈折率を有する第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜上に形成されかつ発振波長を透過可能な第２の屈折率を有する第２の絶縁膜と、第２の絶縁膜上に形成されかつ発振波長を透過可能な第３の屈折率を有する第３の絶縁膜とを含み、第２の屈折率は、第１の屈折率よりも小さく、第３の屈折率は、第２の屈折率よりも大きく、第１の絶縁膜、第２の絶縁膜および第３の絶縁膜の光学膜厚は、発振波長の１／４の奇数倍であり、前記第１、第２および第３の絶縁膜は、前記第２の半導体多層膜反射鏡を構成する材料と異なる材料から構成されている、面発光型半導体レーザ。
請求項２は、面発光型半導体レーザはさらに、レーザ光を出射する出射面上の基本横モードが発生する領域に形成された基本横モード促進層を含み、前記基本横モード促進層は、前記高次横モード抑制層の内側に位置し、基本横モード促進層は、前記第１の絶縁膜によって露出された出射面上に前記第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜上の前記第３の絶縁膜とを有する、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項３は、前記高次横モード抑制層は、前記出射面を露出する内径Ｄ０を有し、前記電流狭窄層の導電領域の径Ｄ１は、Ｄ１＞Ｄ０の関係にある、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項４は、前記第１の絶縁膜の膜厚ｈ１は、発振波長λ、第１の絶縁膜の屈折率ｎ１、空気の屈折率ｎ０に対して、以下の関係式を満たす膜厚である、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。
Figure 0006015220
 請求項５は、前記高次横モード抑制層が形成された領域の前記高次モード抑制層を含む第２の半導体多層膜反射鏡の反射率は、第２の半導体多層膜反射鏡の反射率、または前記基本横モード促進層が形成された領域の前記基本横モード促進層を含む第２の半導体多層膜反射鏡の反射率よりも少なくとも２％以上小さい、請求項１ないし４いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項６は、面発光型半導体レーザはさらに、前記電流狭窄層に至る柱状構造を含み、前記第３の絶縁膜は、前記柱状構造の底面、側面および頂部の周縁を覆う、請求項１ないし５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項７は、前記電流狭窄層は、選択酸化領域によって囲まれた導電領域を有し、前記導電領域の径Ｄ１は少なくとも３μｍよりも大きい、請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項８は、基板上に、第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡、および高抵抗領域によって囲まれた導電領域を有する電流狭窄層を含む面発光型半導体レーザの製造方法であって、レーザ光を出射する出射面上に、発振波長を透過可能な第１の屈折率を有する第１の絶縁膜を形成し、前記出射面上の高次横モードが発生する領域に前記第１の絶縁膜が残存するように内径Ｄ０の開口を前記第１の絶縁膜に形成し、前記開口を含む第１の絶縁膜上に、発振波長を透過可能な第２の屈折率を有する第２の絶縁膜を形成し、前記第２の絶縁膜上に、発振波長を透過可能な第３の屈折率を有する第３の絶縁膜を形成する工程を含み、第２の屈折率は、第１の屈折率よりも小さく、第３の屈折率は、第２の屈折率よりも大きく、前記第１の絶縁膜、前記第２の絶縁膜および前記第３の絶縁膜の光学膜厚は、発振波長の１／４の奇数倍である、面発光型半導体レーザの製造方法。
請求項９は、製造方法はさらに、前記電流狭窄層に至る柱状構造を形成し、柱状構造の側面から前記電流狭窄層を選択的に酸化し、前記高抵抗領域を形成する工程を含み、前記導電領域の径Ｄ１は、Ｄ１＞Ｄ０の関係にある、請求項８に記載の製造方法。
請求項１０は、前記第１の絶縁膜の光学膜厚は、発振波長の１／４の奇数倍である、請求項８または９に記載の製造方法。
請求項１１は、製造方法はさらに、少なくとも前記第３の絶縁膜を加工する工程を含み、当該加工された第３の絶縁膜は、前記高次横モードが発生する領域、および前記柱状構造の底面、側面および頂部の周縁を覆う、請求項８ないし１０いずれか１つに記載の製造方法。
請求項１２は、請求項１ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材と、を実装した面発光型半導体レーザ装置。
請求項１３は、請求項１２に記載された面発光型半導体レーザ装置と、前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段と、を備えた光伝送装置。
請求項１４は、請求項１ないし８いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構と、を有する情報処理装置。
請求項１、８によれば、第１ないし第３の絶縁膜の高次横モード抑制層を持たない構成の面発光型半導体レーザと比較して、高次横モード発振を抑制することができる。
請求項２によれば、第２および第３の絶縁膜の基本横モード促進層を持たない構成の面発光型半導体レーザと比較して、基本横モード発振を促進することができる。
請求項３、９によれば、効果的に高次横モード発振を抑制することができる。
請求項４、１０によれば、高次横モード発振で発生する光と基本横モード発振で発生する光の位相差を抑制することができる。
請求項５によれば、電流狭窄層の導電領域の径Ｄ１を大きくすることができる。
請求項６、１１によれば、第３の絶縁膜を、高次横モード抑制層と柱状構造の保護の双方に利用することができる。
請求項７によれば、高出力の基本横モードの光を得ることができる。
請求項１２ないし１４によれば、高出力の基本横モード発振された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装置、光伝送装置および情報処理装置を提供することができる。
図１（Ａ）は、本発明の第１の実施例に係る面発光型半導体レーザの概略断面図、図１（Ｂ）は、高次横モード抑制層と電流狭窄層の大きさＤ０、Ｄ１の関係を説明する図である。 本発明の第１の実施例の反射率と比較構造の反射率の一例を示す表である。 従来例１の面発光型半導体レーザの構成を示す断面図である。 従来例２の面発光型半導体レーザの構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施例に係る面発光型半導体レーザの概略断面図である。 本発明の第２の実施例の面発光型半導体レーザの製造工程を説明する概略断面図である。 本発明の第２の実施例の面発光型半導体レーザの製造工程を説明する概略断面図である。 本発明の第２の実施例の面発光型半導体レーザの他の製造工程を説明する概略断面図である。 本実施例の面発光型半導体レーザに光学部材を実装した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す概略断面図である。 本実施例の面発光型半導体レーザを使用した光源装置の構成例を示す図である。 図７（Ａ）に示す面発光型半導体レーザ装置を用いた光伝送装置の構成を示す概略断面図である。
今後は、プリンターや画像形成装置等のさらなる高速化に向けて、基本横モードによる高出力の面発光型半導体レーザが求められている。従来の酸化狭窄型構造の面発光型半導体レーザにおいて基本横モードを得るためには酸化アパーチャを２〜３μｍ程度にまで小さくする必要がある。しかし、この酸化アパーチャ径では、３ｍＷ以上の基本横モード出力を安定的に得ることが難しい。他方、酸化アパーチャ径をさらに大きくすると高出力化は可能になるが、マルチモード発振となってしまう。酸化アパーチャ径を広げても基本横モードを維持する技術として、出射面に絶縁膜を設けて高次横モード発振を抑制する技術が有望である。
具体的には、高次横モードが発生する領域の反射率が基本横モードの反射率よりも小さくなるように出射面に構造物（絶縁膜または誘電体膜）を作製することで、基本横モードと高次横モード間の反射率差を生じさせ、高次横モード発振を抑制して基本モード発振の高出力化を可能にする。しかし、面発光型半導体レーザの反射率は、ＤＢＲ構造によりほとんど決まってしまうため、出射面上の絶縁膜で高次横モードを抑制する構造を作製しても、基本横モードと高次横モード間で大きな反射率差を得ることが難しく、高次横モードを抑制する効果が十分でないと、酸化アパーチャを大きくして高出力化を図れることができない。また、大きな反射率差を得ることができたとしても、バラツキの大きいプロセスであると、安定して高次横モードを抑制することが難しくなる。
以下の説明では、酸化狭窄構造の面発光型半導体レーザを例示し、面発光型半導体レーザをＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）と称する。なお、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調しており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。
図１は、本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの概略断面図である。同図に示すように、本実施例のＶＣＳＥＬ１０は、ｎ型のＧａＡｓ基板１００上に、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｎ型の下部分布ブラック型反射鏡（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲという）１０２、下部ＤＢＲ１０２上に形成された、上部および下部スペーサ層に挟まれた量子井戸層を含む活性領域１０４、活性領域１０４上に形成されたＡｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｐ型の上部ＤＢＲ１０６を含んで構成される。
ｎ型の下部ＤＢＲ１０２は、例えば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層とのペアの複数層積層体で、各層の厚さはλ／４ｎｒ（但し、λは発振波長、ｎｒは媒質の屈折率）であり、これらを交互に４０周期で積層している。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、例えば、３×１０18ｃｍ-3である。
活性領域１０４の下部スペーサ層は、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層であり、量子井戸活性層は、アンドープＡｌ0.１１Ｇａ0.８９Ａｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ障壁層であり、上部スペーサ層は、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層である。
ｐ型の上部ＤＢＲ１０６は、例えば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層とのペアの複数層積層体で、各層の厚さはλ／４ｎｒであり、これらを交互に２２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、例えば、３×１０18ｃｍ-3である。また、上部ＤＢＲ１０６の最上層には、ｐ型のＧａＡｓからなるコンタクト層１０６Ａが形成され、上部ＤＢＲ１０６の内部には、ｐ型のＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓからなる電流狭窄層１０８が形成される。電流狭窄層１０８は、活性領域１０４に近接することが好ましく、上部ＤＢＲ１０６の最下層に形成されるようにしてもよい。
上部ＤＢＲ１０６から下部ＤＢＲ１０２の一部に至る半導体層をエッチングすることにより、基板１００上に円筒状のメサ（柱状構造）Ｍが形成される。電流狭窄層１０８は、メサＭの側面で露出され、当該側面から選択的に酸化された酸化領域１０８Ａと酸化領域１０８Ａによって囲まれた導電領域（酸化アパーチャ）１０８Ｂとを有する。電流狭窄層１０８の酸化工程において、ＡｌＡｓ層の酸化速度は、ＤＢＲのＡｌＧａＡｓ層よりも速く、メサＭの側面から内部に向けてほぼ一定の速度で酸化が進行する。このため、導電領域１０８Ｂの基板１００の主面と平行な面内の平面形状は、メサＭの外形を反映した円形状となり、その中心は、メサＭの軸方向の中心、すなわち光軸と一致する。導電領域１０８Ｂの径Ｄ１は、高次横モード発振が生じる大きさであることができ、例えば、７８０ｎｍの波長帯で、５ミクロンまたはそれ以上である。
メサＭの頂部には、金属製の環状のｐ側電極１１０が形成される。ｐ側電極１１０は、例えば、ＡｕまたはＴｉ／Ａｕなどを積層した金属から構成され、上部ＤＢＲ１０６のコンタクト層１０６Ａにオーミック接続される。ｐ側電極１１０の中央には、円形状の開口が形成され、当該開口は、光出射口１１０Ａを規定する。光出射口１１０Ａの径は、導電領域１０８Ｂの径よりも大きく、光出射口１１０Ａの中心は、導電領域１０８Ｂの中心とほぼ一致する。メサＭの底面、側面および頂部の周縁を覆うように層間絶縁膜１１２が形成される。ｐ側電極１１０は、図示しない引き出し配線を介して電極パッドに接続される。
ｐ側電極１１０の光出射口１１０Ａによって露出された出射面上には、絶縁膜もしくは誘電体膜の多層構造からなる環状の高次横モード抑制層１２０が形成される。高次横モード抑制層１２０は、第１の絶縁膜１２１、第２の絶縁膜１２２、第３の絶縁膜１２３を含んで構成される。
第１の絶縁膜１２１は、発振波長の光を透過可能な屈折率ｎ１の材料から構成され、第１の絶縁膜１２１の膜厚は、発振波長λの１／４の奇数倍、つまり（２ａ−１）λ／４ｎ１（ａは自然数、λは発光波長、ｎ１は屈折率）である。第１の絶縁膜１２１は、例えば、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＴｉＯ２などの材料から構成される。図示する例では、第１の絶縁膜１１２の外径は、ｐ側電極１１０上に延在するように光出射口１１０Ａよりも大きいが、この外径は、光出射口１１０Ａと同一であってもよい。
第１の絶縁膜１２１上には、発振波長の光を透過可能な屈折率ｎ２の材料から構成された第２の絶縁膜１２２が形成される。好ましい例では、第２の絶縁膜１２２は、第１の絶縁膜１２１と同一形状にパターニングされる。第２の絶縁膜１２２の屈折率ｎ２は、第１の絶縁膜１２１の屈折率ｎ１よりも小さく、また第２の絶縁膜１２２の膜厚は、発振波長λの１／４の奇数倍、つまり（２ｂ−１）λ／４ｎ２（ｂは自然数、ｎ２は屈折率、ｎ２＜ｎ１）である。第２の絶縁膜１２２は、例えば、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＴｉＯ２などの材料から構成される。
第２の絶縁膜１２２上には、発振波長の光を透過可能な屈折率ｎ３の材料から構成された第３の絶縁膜１２３が形成される。好ましい例では、第３の絶縁膜１２３は、第１の絶縁膜１２１と同一形状にパターニングされる。第３の絶縁膜１２３の屈折率ｎ３は、第２の絶縁膜１２２の屈折率ｎ２よりも大きく、また第３の絶縁膜１２３の膜厚は、発振波長λの１／４の奇数倍、つまり（２ｃ−１）λ／４ｎ３（ｃは自然数、ｎ３は屈折率、ｎ２＜ｎ３）である。第３の絶縁膜１２２は、例えば、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＴｉＯ２などの材料から構成される。
好ましい態様では、層間絶縁膜１１２は、第３の絶縁膜１２３と同一材料で構成され、第３の絶縁膜１２３と層間絶縁膜１１２は、同時にパターンニングされる。
高次横モード抑制層１２０の内径Ｄ０は、基本横モードのレーザ光が発生される領域に対応する。好ましくは、高次横モード抑制層１２０の内径Ｄ０は、図１（Ｂ）に示すように電流狭窄層１０８の導電領域Ｄ１の径よりも小さく、基本横モードの周辺に発生する高次横モードを効果的に抑制する。出射面（コンタクト層１０６Ａ）上に、第１ないし第３の絶縁膜１２１、１２２、１２３の積層構造の高次横モード抑制層１２０を形成することにより、光軸近傍の高次横モードが発生する領域の反射率を大幅に低下させることがでる。
好ましい例では、第１の絶縁膜１２１は、ＳｉＮ（ｎ１＝１．９２）、第２の絶縁膜１２２は、ＳｉＯＮ（ｎ２＝１．５７）、第３の絶縁膜１２３は、ＳｉＮ（ｎ３＝１．９２）である。このときの高次横モード抑制層１２０を含む上部ＤＢＲ１０６の反射率の理論計算値は、図２に示すように９７．２％である。他方、このような高次横モード抑制層１２０を形成しないときの上部ＤＢＲ１０６の反射率は、９９．５％であり、反射率を約２％以上も小さくすることができる。言い換えれば、基本横モードが発生する領域（内径Ｄ０）と高次横モードが発生する領域の反射率差を２．３％にすることができる。また、他の比較例として、高次横モード抑制層の代わりに単一の絶縁膜（ＳｉＮを膜厚０．１μｍ）を形成したときの反射率は、９８．１％である。
導電領域（酸化アパーチャ）１０８Ｂの径Ｄ１をより大きくすれば、高出力のレーザ発振を得ることができるが、同時に高次横モードの発振の強度も大きくなる。本実施例の高次横モード抑制層１２０は、従来と比較して大幅に反射率を低下させることができるので、高次横モードの抑制効果がより顕著であり、それ故、導電領域１０８Ｂの径Ｄ１を大きくしても、よりガウシアン分布に近い単峰性の高出力の基本横モード発振を得ることができる。
上記の実施例では、第１、第２、第３の絶縁膜１２１〜１２３を１組とする高次横モード抑制層１２０を形成したが、これに限らず、第１ないし第３の絶縁膜１２１〜１２３の組を複数組積層した高次横モード抑制層を形成するようにしてもよい。この場合には、上部ＤＢＲ１０６を含む共振器部分の反射率をさらに低下させることができる。
図２Ａは、従来例１（特開２００１−１５６３９５号）のＶＣＳＥＬの構成を示す断面図である。従来例１のＶＣＳＥＬは、出射面の一部に、単層の誘電体膜８Ａを形成し、誘電体膜８Ａの膜厚を発振波長の（２ｉ＋１）／４ｎ倍（ｎは誘電体膜の屈折率、ｉは整数）にすることで、誘電体膜８Ａが形成されている領域の反射率を下げ、モード制御を行っている。しかし、従来例１のＶＣＳＥＬでは、誘電体膜８Ａは単層であり、誘電体膜８Ａのある領域と無い領域の反射率差は、約０．８%であり、本実施例のＶＣＳＥＬのように大きな反射率差を得ることができない。
図２Ｂは、従来例２（特開２００６−２１０４２９号）のＶＣＳＥＬの構成を示す断面図である。従来例２のＶＣＳＥＬは、ｐ側コンタクト層１６の一部をエッチングして開口部を形成し、その中央領域２３Ａに、第１絶縁膜１７および第２絶縁膜１８を形成し、周辺領域２３Ｂに第３絶縁膜１９を形成することで、周辺領域の反射率Ｒ２を下げるものである。従来例２では、ｐ側コンタクト層１６をエッチングした後に絶縁膜構造を形成するため、ｐ側コンタクト層１６を精度良くエッチングしなければならない。しかし、エッチングを精度良く行なうことは難しく、エッチング量がばらつくことで反射率のばらつきに影響し、その結果、モード制御にもばらつきが生じる。これに対し、本実施例のＶＣＳＥＬは、コンタクト層１０６Ａをエッチングすることなくその上に多層構造の絶縁膜を形成するので、従来例２のように反射率等のバラツキを生じさせない。さらに、従来例２では、周辺領域２３Ｂには単層の第３絶縁膜１９を形成するものであり、本実施例のように多層構造の絶縁膜を用いて反射率を十分に低下させるものではない。
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図３は、第２の実施例のＶＣＳＥＬ１０Ａの概略断面図である。第１の実施例は、主に高次横モードを抑制するものであるが、第２の実施例は、高次横モードの抑制に加えて基本横モードの促進を同時に行うものである。なお、第２の実施例における第１、第２、第３の絶縁膜１３１、１３２、１３３は、第１の実施例のときの第１、第２、第３の絶縁膜１２１、１２２、１２３と同様の構成を有する。
第２の実施例のＶＣＳＥＬ１０Ａでは、図３に示すように、光出射口１１０Ａの全体を覆うように反射率調整層１３０が形成される。反射率調整層１３０は、第１の実施例のときの高次横モード抑制層１２０と、その内側の基本横モード促進層とを含む。すなわち、反射率調整層１３０は、高次横モード発振が生じる領域に、第１の実施例のときと同様に、第１の絶縁膜１３１、第２の絶縁膜１３２、第３の絶縁膜１３３の３層構造の高次横モード抑制層を含み、その内側の基本横モード発振が生じる領域に、第２の絶縁膜１３２と第３の絶縁膜１３３の２層構造の基本横モード促進層とを含む。但し、第１の実施例のときと異なり、第１の絶縁膜１３１のみが環状に形成され、光出射口１１０Ａを露出させている。そして、基本横モード発振が生じる領域には、高次横モード抑制層から第２の絶縁膜１３２および第３の絶縁膜１３３が延在されている。光出射口１１０Ａ上に、屈折率ｎ２、λ／４の奇数倍の光学膜厚を有する第２の絶縁膜１３２と、屈折率ｎ３、λ／４の奇数倍の光学膜厚を有する第３の絶縁膜１３３とを積層することにより、基本横モードが発生する領域の反射率は、第２の絶縁膜１３２および第３の絶縁膜１３３を積層しないときと比較して高くなる。
第２の実施例では、光出射面上に多層膜構造の反射率調整層１３０を形成することで、高次横モード発振が生じる領域の反射率を低下させつつ、基本横モード発振が生じる領域の反射率を増加させ、その結果、両者の反射率差を第１の実施例のときよりも大きくすることができる。これにより、ガウシアン分布に近い単峰性でありかつ高出力の基本横モード光を得ることができる。
次に、本発明の第３の実施例について説明する。基本横モードで発生する光と高次横モードで発生する光の位相差によって、基本横モードの裾野部分に高次横モードによる光が発生し、ビーム径の周辺に回折パターンが生じ得る。そこで、第３の実施例では、高次横モード抑制層１２０または反射率調整層１３０の膜厚を最適化することで、基本横モードと高次横モードの位相差を抑制し、基本横モードをよりガウシアン分布に近づけ、ビーム径の外周に発生し得る回折パターンの発生を防止する。
第３の実施例の好ましい例では、第１の絶縁膜１２１、１３１の膜厚ｈ１を、空気の屈折率をｎ０として以下の関係式を満たす膜厚にする。
Figure 0006015220
 第１、第２の実施例において位相差を解消するための理論値は、０．８５μｍである。第１の絶縁膜１２１、１３１の膜厚を、λ×９／４＝０．９１μｍにすることで、理論値に近似された最適値となり得る。これにより、高次横モードと基本横モードが発生する領域の反射率差を大きくしつつ、基本横モードと高次横モードの位相差を抑制し、ガウシアン分布に近い高出力の基本横モード光を得ることができる。
次に、本発明の第２の実施例に係るＶＣＳＥＬ１０Ａの製造方法について図４および図５を参照して説明する。先ず、有機金属気相成長(ＭＯＣＶＤ)法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１００上に、キャリア濃度３×１０18ｃｍ-3のＡｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に４０周期積層したｎ型の下部ＤＢＲ１０２、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓの下部スペーサ層、アンドープＡｌ0.１１Ｇａ0.８９Ａｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ障壁層、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓの上部スペーサ層で構成された活性領域１０４、キャリア濃度が３×１０18ｃｍ-3のｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層とをそれぞれの膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に２２周期積層したｐ型の上部ＤＢＲ１０６が積層される。上部ＤＢＲ１０６の最上層には、キャリア濃度１×１０19ｃｍ-3のｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６Ａが形成され、上部ＤＢＲ１０６の最下層もしくはその内部には、ｐ型ＡｌＡｓ層１０８が形成される。ここでは例示しないが、基板１００と下部ＤＢＲ１０２の間に、バッファ層などを介在させてもよい。
次いで、公知のフォトリソ工程により、図４（Ａ）に示すように基板１００上にメサＭがＲＩＥ等のエッチングにより形成され、次いで、酸化工程によりメサＭ内の電流狭窄層１０８内に酸化領域１０８Ａが形成される。導電領域１０８Ｂの径Ｄ１は、例えば５μｍまたはそれ以上である。次に、コンタクト層１０６Ａ上にレジストパターンが形成され、リフトオフ工程により、コンタクト層１０６Ａ上にＡｕ／Ｔｉからなる環状のｐ側電極１１０が形成される。
次に、図４（Ｂ）に示すように、ＣＶＤによりメサＭを含む基板全面に第１の絶縁膜１３１が形成される。第１の絶縁膜１３１の膜厚は、例えば、λ／４である。次に、図４（Ｃ）に示すように、図示しないマスクパターンを用いて第１の絶縁膜１３１がエッチングによりパターニングされる。第１の絶縁膜１３１は、上記したように、光出射面であるコンタクト層１０６Ａを露出するように内径Ｄ０を有する環状にパターンニングされる。このとき、第１の絶縁膜１３１の内径Ｄ０は、電流狭窄層１０８の導電領域１０８Ｂの径Ｄ１よりも小さい。また、第１の絶縁膜１３１のエッチングは、半導体層（ＧａＡｓコンタクト層１０６Ａ）のエッチング量の選択比の大きいエッチング方式、例えばBHF（バッファードフッ酸）によるウェットエッチング、フッ素系混合ガスによるドライエッチングによって行われる。ここではメサＭ形成後に第１の絶縁膜１３１を形成しパターニングしたが、メサＭ形成前に第１の絶縁膜１３１を形成しパターニングしても良い。
次に、図５（Ｄ）に示すように、ＣＶＤによりメサＭを含む基板全面に第２の絶縁膜１３２が形成される。第２の絶縁膜１３２の膜厚は、λ／４の奇数倍であり、第１の絶縁膜１３１によって露出された光出射面を覆う。次に、図５（Ｅ）に示すように、図示しないマスクパターンを用いて第２の絶縁膜１３２が円形パターンにエッチングされる。第２の絶縁膜１３２も第１の絶縁膜１３１と同様に、メサＭ形成前に第２の絶縁膜１３２を形成しパターニングしても良い。
次に、図５（Ｆ）に示すように、ＣＶＤにより第３の絶縁膜１３３がメサＭを含む基板全面に形成される。第３の絶縁膜１３３の膜厚は、λ／４の奇数倍である。次に、図示しないマスクパターンを用いて第３の絶縁膜１３３がエッチングされ、図２に示すように、第２の絶縁膜１３２上に第３の絶縁膜１３３が形成されるとともに、メサＭの頂部の周縁、側面および底面を覆うように層間絶縁膜１１２が形成される。
なお、上記の製造工程では、第２の絶縁膜１３２を円形パターンに加工した後に第３の絶縁膜１３３を形成する例を示したが、これ以外にも図６（Ａ）に示すように、第２の絶縁膜１３２を形成し、次いで第３の絶縁膜１３３を形成し、その後、図６（Ｂ）に示すように第２および第３の絶縁膜１３２、１３３を同時にエッチングにより加工するようにしてもよい。この場合、層間絶縁膜１１２は、第２の絶縁膜１３２と第３の絶縁膜１３３の積層構造になる。第２の絶縁膜１３２の形成に引き続いて第３の絶縁膜１３３を着膜するだけで、出射口内に反射率を上げる領域と下げる領域を作製することができるため、製造工程の簡略化を図ることができる。
上記実施例では、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓの半導体材料を用いたＧａＡｓ系のＶＣＳＥＬを例示したが、本発明は、他のＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体を用いたＶＣＳＥＬにも適用することができる。また、上記実施例では、ｎ側電極を基板裏面に形成したが、これに限らず、ｎ側電極をｐ側電極と同じ側に形成するようにしてもよい。さらに上記実施例では、シングルスポットのＶＣＳＥＬを例示したが、基板上に多数のメサ（発光部）が形成されたマルチスポットのＶＣＳＥＬあるいはＶＣＳＥＬアレイであってもよい。
次に、本実施例のＶＣＳＥＬを利用した面発光型半導体レーザ装置、光情報処理装置および光伝送装置について図面を参照して説明する。図７（Ａ）は、ＶＣＳＥＬと光学部材を実装（パッケージ）した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。面発光型半導体レーザ装置３００は、ＶＣＳＥＬが形成されたチップ３１０を、導電性接着剤３２０を介して円盤状の金属ステム３３０上に固定する。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、一方のリード３４０は、ＶＣＳＥＬのｎ側電極に電気的に接続され、他方のリード３４２は、ｐ側電極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、キャップ３５０の中央の開口３５２内に光学部材のボールレンズ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。リード３４０、３４２間に順方向の電圧が印加されると、チップ３１０から垂直方向に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からのレーザ光の広がり角θ内にボールレンズ３６０が含まれるように調整される。また、キャップ内に、ＶＣＳＥＬの発光状態をモニターするための受光素子や温度センサを含ませるようにしてもよい。
図７（Ｂ）は、他の面発光型半導体レーザ装置の構成を示す図であり、同図に示す面発光型半導体レーザ装置３０２は、ボールレンズ３６０を用いる代わりに、キャップ３５０の中央の開口３５２内に平板ガラス３６２を固定している。平板ガラス３６２の中心は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。チップ３１０と平板ガラス３６２との距離は、平板ガラス３６２の開口径がチップ３１０からのレーザ光の広がり角度θ以上になるように調整される。
図８は、ＶＣＳＥＬを光情報処理装置の光源に適用した例を示す図である。光情報処理装置３７０は、図７（Ａ）または図７（Ｂ）のようにＶＣＳＥＬを実装した面発光型半導体レーザ装置３００または３０２からのレーザ光を入射するコリメータレンズ３７２、一定の速度で回転し、コリメータレンズ３７２からの光線束を一定の広がり角で反射するポリゴンミラー３７４、ポリゴンミラー３７４からのレーザ光を入射し反射ミラー３７８を照射するｆθレンズ３７６、ライン状の反射ミラー３７８、反射ミラー３７８からの反射光に基づき潜像を形成する感光体ドラム(記録媒体)３８０を備えている。このように、ＶＣＳＥＬからのレーザ光を感光体ドラム上に集光する光学系と、集光されたレーザ光を光体ドラム上で走査する機構とを備えた複写機やプリンタなど、光情報処理装置の光源として利用することができる。
図９は、図７（Ａ）に示す面発光型半導体レーザ装置を光伝送装置に適用したときの構成を示す断面図である。光伝送装置４００は、ステム３３０に固定された円筒状の筐体４１０、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０、およびフェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０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。
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、光伝送装置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、光伝送装置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。
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、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。
１０、１０Ａ：ＶＣＳＥＬ
１００：基板
１０２：下部ＤＢＲ
１０４：活性領域
１０６：上部ＤＢＲ
１０６Ａ：コンタクト層
１０８：電流狭窄層
１０８Ａ：酸化領域
１０８Ｂ：導電領域
１１０：ｐ側電極
１１０Ａ：光出射口
１２０：高次横モード抑制層
１２１、１３１：第１の絶縁膜
１２２、１３２：第２の絶縁膜
１２３、１３３：第３の絶縁膜
１３０：反射率調整層

Claims (14)

  1. 基板上に、第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡、および高抵抗領域によって囲まれた導電領域を有する電流狭窄層を含む面発光型半導体レーザであって、
    前記第２の半導体多層膜反射鏡上に形成される高次横モード抑制層であって、前記第２の半導体多層膜反射鏡の最上層は平坦な面を有しており、レーザ光を出射する出射面上の高次横モードが発生する領域に形成された高次横モード抑制層を含み、
    前記高次横モード抑制層は、発振波長を透過可能な第１の屈折率を有する第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜上に形成されかつ発振波長を透過可能な第２の屈折率を有する第２の絶縁膜と、第２の絶縁膜上に形成されかつ発振波長を透過可能な第３の屈折率を有する第３の絶縁膜とを含み、
    第２の屈折率は、第１の屈折率よりも小さく、第３の屈折率は、第２の屈折率よりも大きく、第１の絶縁膜、第２の絶縁膜および第３の絶縁膜の光学膜厚は、発振波長の１／４の奇数倍であり、前記第１、第２および第３の絶縁膜は、前記第２の半導体多層膜反射鏡を構成する材料と異なる材料から構成されている、面発光型半導体レーザ。
  2. 面発光型半導体レーザはさらに、レーザ光を出射する出射面上の基本横モードが発生する領域に形成された基本横モード促進層を含み、
    前記基本横モード促進層は、前記高次横モード抑制層の内側に位置し、基本横モード促進層は、前記第１の絶縁膜によって露出された出射面上に前記第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜上の前記第３の絶縁膜とを有する、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
  3. 前記高次横モード抑制層は、前記出射面を露出する内径Ｄ０を有し、前記電流狭窄層の導電領域の径Ｄ１は、Ｄ１＞Ｄ０の関係にある、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
  4. 前記第１の絶縁膜の膜厚ｈ１は、発振波長λ、第１の絶縁膜の屈折率ｎ１、空気の屈折率ｎ０に対して、以下の関係式を満たす膜厚である、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。
    Figure 0006015220
  5. 前記高次横モード抑制層が形成された領域の前記高次モード抑制層を含む第２の半導体多層膜反射鏡の反射率は、第２の半導体多層膜反射鏡の反射率、または前記基本横モード促進層が形成された領域の前記基本横モード促進層を含む第２の半導体多層膜反射鏡の反射率よりも少なくとも２％以上小さい、請求項１ないし４いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
  6. 面発光型半導体レーザはさらに、前記電流狭窄層に至る柱状構造を含み、前記第３の絶縁膜は、前記柱状構造の底面、側面および頂部の周縁を覆う、請求項１ないし５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
  7. 前記電流狭窄層は、選択酸化領域によって囲まれた導電領域を有し、前記導電領域の径Ｄ１は少なくとも３μｍよりも大きい、請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
  8. 基板上に、第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡、および高抵抗領域によって囲まれた導電領域を有する電流狭窄層を含む面発光型半導体レーザの製造方法であって、
    レーザ光を出射する出射面上に、発振波長を透過可能な第１の屈折率を有する第１の絶縁膜を形成し、
    前記出射面上の高次横モードが発生する領域に前記第１の絶縁膜が残存するように内径Ｄ０の開口を前記第１の絶縁膜に形成し、
    前記開口を含む第１の絶縁膜上に、発振波長を透過可能な第２の屈折率を有する第２の絶縁膜を形成し、
    前記第２の絶縁膜上に、発振波長を透過可能な第３の屈折率を有する第３の絶縁膜を形成する工程を含み、
    第２の屈折率は、第１の屈折率よりも小さく、第３の屈折率は、第２の屈折率よりも大きく、前記第１の絶縁膜、前記第２の絶縁膜および前記第３の絶縁膜の光学膜厚は、発振波長の１／４の奇数倍である、面発光型半導体レーザの製造方法。
  9. 製造方法はさらに、前記電流狭窄層に至る柱状構造を形成し、柱状構造の側面から前記電流狭窄層を選択的に酸化し、前記高抵抗領域を形成する工程を含み、前記導電領域の径Ｄ１は、Ｄ１＞Ｄ０の関係にある、請求項８に記載の製造方法。
  10. 前記第１の絶縁膜の光学膜厚は、発振波長の１／４の奇数倍である、請求項８または９に記載の製造方法。
  11. 製造方法はさらに、少なくとも前記第３の絶縁膜を加工する工程を含み、当該加工された第３の絶縁膜は、前記高次横モードが発生する領域、および前記柱状構造の底面、側面および頂部の周縁を覆う、請求項８ないし１０いずれか１つに記載の製造方法。
  12. 請求項１ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、
    前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材と、
    を実装した面発光型半導体レーザ装置。
  13. 請求項１２に記載された面発光型半導体レーザ装置と、
    前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段と、
    を備えた光伝送装置。
  14. 請求項１ないし８いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、
    前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、
    前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構と、
    を有する情報処理装置。
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