WO2005122350A1 - 面発光レーザダイオードおよびその製造方法 - Google Patents

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Shunichi Sato
Akihiro Itoh
Naoto Jikutani
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    • H01S5/2205—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers

Definitions

  • the present invention relates to a surface emitting laser diode and a method for manufacturing the same.
  • a surface-emitting laser diode (a surface-emitting laser diode) is a semiconductor laser that emits light in a direction perpendicular to a substrate, and has higher performance at a lower cost than an edge-emitting laser diode. It is used in consumer applications such as light sources for optical communication such as interconnection, light sources for optical pickups, and light sources for image forming apparatuses.
  • Patent Document 1 JP 2002-164621
  • Patent Document 2 JP-A-9107153
  • Patent Document 3 JP 2001-60739
  • Patent Document 4 JP 2001-168461
  • Non-Patent Document 1 IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 10, No. 12, pp. 1676-1678, 1998 (Tokyo Tech)
  • Non-Patent Document 2 IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 12, No. 6, pp. 603-605, 2000 (Wisconsin Univ.)
  • the surface emitting laser diode has a small active layer volume, it is often required to increase the output so that the optical output is small compared to the edge emitting laser diode.
  • One method of increasing the light output is to take measures to suppress the temperature rise of the light emitting section.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a general surface emitting laser diode.
  • FIG. 1 shows an example of a surface emitting laser diode having an active layer of InGaAs / GaAs and selectively oxidizing an AlAs layer to form a current confinement structure.
  • the general surface-emitting laser diode shown in FIG. 1 is manufactured as follows.
  • an n_AlGa AsZn-AlGaAs lower semiconductor multilayer film reflector (DBR: distributed Bragg reflector) 12 a lower GaAs spacer layer 13, An AlGaAs / AlGaAs_MQW active layer 14, an upper AlGaAs spacer layer 15, an AlAs selective oxidation layer 16, and a p_AlGaAs / p_AlGaAs upper semiconductor multilayer reflector (DBR) are sequentially stacked to form a stacked film.
  • DBR distributed Bragg reflector
  • the laminated film is processed into a mesa shape by a dry etching method. At this time, it is general that the etching surface reaches the lower semiconductor DBR12.
  • the AlAs selectively oxidized layer 16 whose side surface is exposed by the dry etching is heat-treated in water vapor to oxidize the periphery to change to an Al 2 O insulator layer, and to pass an element driving current.
  • the periphery of the mesa structure is buried with an insulating film 18, and a p-side electrode 19 and an n-side electrode 20 are formed at predetermined locations, whereby the surface emitting laser diode of FIG. 1 can be manufactured.
  • Patent Document 1 discloses a configuration for further reducing the thermal resistance.
  • AlAs having much higher thermal conductivity than AlGaAs is used for the low refractive index layers of most of the lower DBRs in the lower semiconductor DBR.
  • the low refractive index layer above the lower semiconductor DBR uses conventional AlGaAs. The reason for this is that if the etched surface reaches the lower AlAs-DBR, the end of the AlAs layer of the lower AlAs_DBR exposed on the mesa sidewalls during the oxidation process of the AlAs selective oxidation layer in the subsequent process. This is because oxidation proceeds simultaneously from the surface, and the active portion in the device is insulated or the resistance of the device increases. This occurs because the oxidation rate of AlGaAs greatly depends on the A1 composition, and the higher the A1 composition, the higher the oxidation rate, and AlAs has the highest oxidation rate.
  • Patent Document 1 an upper AlGaAs-DBR using AlGaAs having a low oxidation rate is provided, and the etching bottom surface is controlled so as to be located in the upper AlGaAs-DBR. — Avoids exposing the AlAs end face of the DBR.
  • the number of pairs of such upper AlGaAs-DBR is preferably 4/7 or less as a whole, as shown in Patent Document 1, and is particularly preferably within 10 pairs.
  • the change in the Ga composition or the GaZAl composition ratio is small and the wavelength varies depending on the wavelength.
  • the film thickness of the DBR and resonator becomes smaller, In optical spectroscopy, the amplitude of the above-mentioned vibration waveform becomes small and monitoring becomes easy.
  • the sample to be etched is large, there is a problem that monitoring becomes difficult due to the influence of the etching rate distribution in the sample.
  • the 850 nm band and 980 nm band surface emitting laser diodes can obtain good carrier confinement in the active layer.
  • a surface-emitting laser diode in the 850 nm band GaAs is used for the quantum well active layer, and AlGaAs is used for the barrier layer and the spacer layer (cladding layer).
  • a 850-nm surface emitting laser diode can use a high-performance AlGaAs-based reflector (DBR) and a current confinement structure using an A1 oxide film, realizing practical-level performance. ing.
  • DBR high-performance AlGaAs-based reflector
  • Non-Patent Document 1 discloses that by using a (311) B substrate, that is, a so-called off-substrate inclined from (100) by 25 ° in the direction of the (ll) B plane, the optical gain in the inclined direction is increased. It has been shown that polarization control can be realized by such optical gain anisotropy. It is also shown that the (311) A substrate has the same effect.
  • Non-Patent Document 1 crystal growth on a (311) B substrate, which is greatly inclined, is more difficult than crystal growth on a (100) substrate. 311) Crystal growth on the A-substrate has the disadvantage that it is even more difficult.
  • a surface emitting laser diode having a wavelength band shorter than 850 nm is realized by adding A1 to a quantum well active layer and increasing its band gap.
  • Patent Document 2 discloses an A1-free active region (a quantum well active layer and a layer adjacent thereto) for the purpose of suppressing formation of a non-radiative recombination center in a surface emitting laser diode having a wavelength band shorter than 850 nm.
  • a surface-emitting laser diode (780 nm band) using a laser has been proposed.
  • GaAsP having tensile strain is used for the quantum well active layer
  • GalnP having compressive strain is used for the barrier layer
  • the spacer layer (cladding) is used.
  • Lattice-matched GalnP is used for the layer (the layer between the layer and the first and third quantum well active layers)
  • AlGalnP is used for the cladding layer.
  • the active region is A1-free, so that the reliability of the surface emitting laser diode is improved.
  • Non-Patent Document 2 discloses that, in addition to the effect of the A1-free active region, GalnPAs having a compressive strain in the quantum well active layer is used to increase the gain of the active layer.
  • GalnP with lattice matching or tensile strain in the barrier layer, and using AlGalnP in the spacer layer (layer between the cladding layer and the first and third quantum well active layers) A 780 nm surface emitting laser diode using AlGalnP (A1 composition larger than the spacer layer) for the gate layer has been proposed.
  • the barrier layer has a lattice matching composition and a band gap larger than the compressive strain composition as compared with the structure of Patent Document 2 described above. , The carrier confinement efficiency is improved.
  • Patent Document 3 discloses that the plane orientation of the substrate is in the range of 15 ° to 40 ° (inclination angle) from (100) to (111) A-plane direction or (ll) B-plane direction.
  • a tilted substrate utilizing optical gain anisotropy, and employing a multiple quantum well active layer composed of InAlGaAs and InGaAsP with compressive strain, the optical gain in the tilted direction is increased, and polarization is increased.
  • a technique for performing control is shown.
  • Patent Document 4 discloses that the mesa shape is circular, elliptical, or oblong, and the direction of the long axis is
  • a method of changing the direction from (100) to (111) A plane direction or (111) B plane direction is shown. This place In this case, use a substrate with a plane orientation of 2 ° off (including -5 ° to + 5 °) from (100) to [110]. It should be noted that this is not a substrate inclined in the A-plane and B-plane directions.
  • the surface of the active layer has a large and low threshold value, has a high output, is excellent in reliability, and has a shorter wavelength than 850 nm in which the polarization direction is controlled.
  • the laser diode has been realized.
  • Patent Document 2 improves the reliability because the active region is A1 free, but does not disclose a polarization control method.
  • Non-Patent Document 2 has a structure with good carrier confinement, but does not show a polarization control method.
  • the polarization direction can be controlled, but no consideration is given to the reliability and the configuration suitable for the characteristics of the material.
  • Patent Document 4 no consideration is given to a high gain and a long life in a surface emitting laser diode having a wavelength capable of controlling the polarization direction having a wavelength shorter than 850 nm.
  • Non-Patent Document 2 when an (Al) GalnP-based material is used as a material for forming a resonator region sandwiched between upper and lower reflecting mirrors, At the interface with the upper reflector made of AlGaAs-based material, In segregation occurs, such as carryover of In to the AlGaAs layer, causing the inconvenience of a large increase in threshold current. It is known that
  • AlGalnP which is a quaternary mixed crystal, has a large thermal resistance, and the (Al) GalnP-based material has a problem that Zn (zinc) used as a p-type dopant is easily diffused.
  • the active layer has a low threshold value with a large gain, has a high output, is excellent in reliability, and has a surface emission having a wavelength shorter than 850 nm whose polarization direction is controlled.
  • the laser diode has been realized.
  • the present invention provides a surface emitting laser diode in which the change in Ga composition and Ga / Al ratio in a semiconductor distributed Bragg reflector (DBR) is small and the heat dissipation is improved. It is an object of the present invention to provide a structure capable of improving the controllability of etching when forming a mesa structure by using the structure, and to provide a surface emitting laser diode capable of high-power operation by the structure. [0041] In addition, the present invention particularly relates to a surface emitting laser diode having a wavelength shorter than 850 nm, a surface emitting laser diode excellent in reliability, and a high threshold having a low threshold value in which the gain of the active layer is large. It is an object to provide an output surface emitting laser diode.
  • DBR distributed Bragg reflector
  • the present invention also provides a surface-emitting laser diode having a wavelength shorter than 850 nm, which is excellent in reliability, has a large threshold of a large gain of an active layer, has a high output, and further has a polarization direction. It is an object of the present invention to provide a surface emitting laser diode in which is controlled.
  • the present invention provides a surface emitting laser diode lay, an image forming apparatus, an optical pickup system, an optical transmitting module, an optical transmitting / receiving module, and an optical communication system in which the above-described surface emitting laser diode is integrated.
  • the present invention provides:
  • An active layer structure including at least one quantum well active layer and a barrier layer that generate laser light; and a spacer layer provided near the active layer structure and made of at least one material, A resonator region formed on the semiconductor substrate;
  • An upper reflector and a lower reflector provided above and below the resonator region on the semiconductor substrate;
  • a surface emitting laser diode comprising:
  • the resonator region, the upper reflecting mirror and the lower reflecting mirror form a mesa structure on the semiconductor substrate;
  • the upper reflector and the lower reflector constitute a semiconductor distributed Bragg reflector in which the refractive index changes periodically and the incident light is reflected by light wave interference
  • At least a part of the semiconductor distributed Bragg reflector has a low refractive index layer made of AlGaAs (0 ⁇ x ⁇ 1) and a refractive index made of AlGaAs (0 ⁇ y ⁇ x ⁇ l). From the great layers
  • the lower reflector includes a first lower reflector whose low refractive index layer is made of AlAs, and a second lower reflector formed on the first lower reflector and whose low refractive index layer is made of AlGaAs,
  • One of the layers constituting the resonator region is a surface emitting laser diode containing In. Provide code.
  • the present invention provides, in a second aspect,
  • a (100) GaAs substrate having a plane orientation inclined at an angle in the range of 5 ° to 20 ° with respect to the (111) A plane direction;
  • An active layer structure part comprising at least one quantum well layer activity and a barrier layer for generating laser light; and a spacer layer provided near the active layer structure part and made of at least one kind of material.
  • An upper reflector and a lower reflector provided at the upper and lower portions of the resonator region
  • the resonator region and the upper and lower reflectors form a mesa structure on the GaAs substrate;
  • the upper reflector and the lower reflector are semiconductor distributed Bragg reflectors whose refractive index changes periodically and reflects incident light by light wave interference
  • At least a part of the semiconductor distributed Bragg reflector has a low refractive index layer composed of Al Ga As (0 x x ⁇ 1) and a refractive index composed of Al Ga As (0 ⁇ y ⁇ x ⁇ l). Greater layers and more structures
  • Part of the spacer layer is composed of (AlGa) InP (0 ⁇ a ⁇ 1, 0 ⁇ b ⁇ 1),
  • the quantum well active layer is made of Ga In P As (0 ⁇ c ⁇ 1, 0 ⁇ d ⁇ 1),
  • the barrier layer is made of Ga In P As (0 ⁇ e ⁇ l, O ⁇ f ⁇ l),
  • the quantum well active layer has a compressive strain
  • the active layer structure provides a surface emitting laser diode having a long shape anisotropy in the (111) A plane direction when viewed from the light emitting direction.
  • the present invention provides, in a third aspect,
  • An active layer structure including at least one quantum well active layer for generating laser light and a barrier layer on a semiconductor substrate, and a spacer made of at least one material provided near the active layer structure.
  • a method for manufacturing a surface emitting laser diode comprising: a resonator region comprising a layer; and an upper reflecting mirror and a lower reflecting mirror provided above and below said resonator region. Forming a laminated structure including the lower reflector, the resonator region, and the upper reflector on the semiconductor substrate;
  • the step of forming the laminated structure includes a step of including In in any of the layers constituting the resonator region,
  • the step of forming the mesa structure by dry etching includes a step of controlling the height of the mesa structure by monitoring the emission of In, and provides a method of manufacturing a surface emitting laser diode.
  • the present invention provides, in a fourth aspect,
  • An upper reflector and a lower reflector provided on the GaAs substrate at upper and lower portions of the resonator region, respectively.
  • the upper reflector and / or the lower reflector include a semiconductor distributed Bragg reflector, and at least a part of the semiconductor distributed Bragg reflector is formed of a semiconductor layer containing Al, Ga and As as main components,
  • the present invention provides, in a fifth aspect,
  • the upper reflector and / or the lower reflector includes a semiconductor distributed Bragg reflector, and at least a part of the semiconductor distributed Bragg reflector is composed of a semiconductor layer containing Al, Ga, As as a main component,
  • the present invention provides a surface emitting laser diode in which C (carbon) is added as a p-type dopant to a semiconductor layer containing Al, Ga, As as a main component.
  • the present invention provides:
  • An upper reflector and a lower reflector provided on the GaAs substrate and above and below the resonator region,
  • the upper reflector and / or the lower reflector includes a semiconductor distributed Bragg reflector, and at least a part of the semiconductor distributed Bragg reflector is composed of a semiconductor layer containing Al, Ga, As as a main component,
  • (Al Ga) In P (0 ⁇ a ⁇ 1, 0 ⁇ b ⁇ 1) layer is a short-period superclass composed of AllnP and GalnP a 1- a b 1-b
  • a surface-emitting laser diode which is a semiconductor layer having a semiconductor structure.
  • the present invention provides, in a seventh aspect, A GaAs substrate,
  • An upper reflector and a lower reflector provided on the GaAs substrate and above and below the resonator region, respectively.
  • the upper reflector and the Z or lower reflector include a semiconductor distributed Bragg reflector, and at least a part of the semiconductor distributed Bragg reflector is formed by Al Ga As (0 ⁇ x ⁇ 1).
  • It consists of a low refractive index layer and a high refractive index layer made of Al Ga As (0 ⁇ y ⁇ x ⁇ l).
  • At least the low-refractive-index layer closest to the active layer is (Al Ga) In P (0 ⁇ a ⁇ l, 0 ⁇ ba 1-ab 1-b
  • a surface emitting laser diode in which an antinode of an electric field intensity distribution coincides with an interface between the resonator region and a low refractive index layer closest to an active layer of the upper reflecting mirror and the Z or lower reflecting mirror.
  • the mesa of the laser laminated structure including the resonator and the upper and lower semiconductor DRRs is formed.
  • the accuracy and reproducibility of the mesa etching are improved, and the lower semiconductor DBR contains AlAs / (Al) GaAs_DBR having excellent heat dissipation.
  • AlAs / (Al) GaAs-DBR is provided up to the vicinity of the resonator can be realized.
  • the mesa structure can be more reproducibly formed.
  • it can be formed with higher accuracy, and as a result, a surface emitting laser diode with better temperature characteristics, higher output, and more uniform laser characteristics can be formed with high processing reproducibility and high yield. Can be achieved.
  • the semiconductor DBR constituting the second lower reflector is formed to have a thickness of 10 pairs or less. Is set to be larger and smaller than the accuracy of the mesa etching. As a result, a rise in temperature during driving is further suppressed, and a surface-emitting laser diode with good temperature characteristics and high output can be obtained.
  • a part of the spacer layer is made of (AlGa) InP (0 ⁇ a ⁇ 1, 0 ⁇ b ⁇ 1).
  • the door active layer is composed of Ga in P As (0 ⁇ c ⁇ 1, 0 ⁇ d ⁇ 1), and the barrier layer is Ga In
  • the band gap difference between the spacer layer and the quantum well active layer can be increased as compared with the case of using an aAs system, the carrier confinement efficiency is improved, and the excellent heat dissipation inherent to a strong structure is achieved. Together with the effect, a high-power laser having a lower threshold can be realized.
  • a GalnPAs material is used for the barrier layer and the quantum well active layer, that is, the quantum well active layer is formed of Ga in P As (0 ⁇ c ⁇ 1, 0 ⁇ d ⁇ 1), and the barrier layer is Ga
  • the active layer structure portion including the quantum well active layer and the layer adjacent thereto does not include A1. Therefore, the incorporation of oxygen by A1 into the active layer structure and the formation of a non-radiative recombination center due to this are suppressed, and a long-life surface emitting laser diode can be realized.
  • the quantum well active layer is formed with a compressive strain composition so that a compressive strain is accumulated in the quantum well active layer.
  • the effect of distortion is added, and the optical gain of the active layer structure further increases. This is combined with the improvement of the heat radiation effect, so that the threshold value is further lowered.
  • the reflectivity of the light extraction side DBR (upper semiconductor DBR) is reduced in accordance with the improvement of the carrier confinement efficiency and the decrease in the threshold obtained by the gain increasing effect due to the use of the strained quantum well active layer. It is also possible to further increase the light output as a result of such a reduction in the reflectance of the DBR on the light extraction side.
  • the semiconductor substrate may have a plane orientation (lOO) GaA s inclined at an angle in a range of 5 ° to 20 ° with respect to the (lll) A plane direction. Since it is a substrate (ie, by taking into account the plane orientation of the substrate, using a (100) GaAs substrate whose plane orientation is inclined at an angle in the range of 5 ° to 20 ° with respect to the (111) A plane direction, It is possible to reduce adverse effects on device characteristics such as semiconductor lasers, such as reduction of band gap due to formation of superlattices, deterioration of surface properties due to generation of hillocks (hill-shaped defects), and generation of non-radiative recombination centers. .
  • a (100) GaAs substrate whose plane orientation is inclined at an angle in the range of 5 ° to 20 ° with respect to the (111) A plane direction.
  • a (100) GaAs substrate whose plane orientation is inclined at an angle in the range of 5 ° to 20 ° in the direction of the (lll) A plane for polarization control
  • the decrease in the optical gain anisotropy can be compensated by applying a compressive strain to the quantum well active layer, thereby inducing an increase in the optical gain anisotropy.
  • the polarization direction can be effectively controlled. That is, according to the present invention, the synergistic effect of the improvement of the heat dissipation efficiency and the gain of the active layer structure portion has a low threshold value, is excellent in reliability, and is controlled in the polarization direction, and is shorter than 850 nm.
  • a high-power surface-emitting laser diode that oscillates at a wavelength can be realized.
  • an AlGalnP material that is, (AlGa) InP (0 ⁇ a ⁇ 1, 0 ⁇ b ⁇ 1) is formed on a part of the spacer layer.
  • GaAs AlGa
  • the threshold value of laser oscillation can be reduced and the output can be increased.
  • the active layer composed of the quantum well layer and the layer adjacent thereto is formed.
  • the structure does not include A1.
  • A1 incorporation of oxygen by A1 into the active layer structure is reduced, and the formation of non-radiative recombination centers is suppressed. Thereby, a long-life surface emitting laser diode is realized.
  • the quantum well active layer has a compressive strain composition, so that the threshold of laser oscillation is further reduced by the effect of the compressive strain, the efficiency of the laser is improved, and a large output is obtained. It becomes possible to take out.
  • the laser oscillation is improved by improving the carrier confinement efficiency in the active layer structure and the gain by employing the strained quantum well active layer.
  • the threshold is further reduced, and the reflectance of the DBR on the light extraction side can be reduced. This makes it possible to obtain a higher output.
  • the plane orientation in consideration of the plane orientation of the substrate, is in the range of 5 ° to 20 ° in the (ll) A plane direction.
  • the use of a (100) GaAs substrate that is inclined to the lower side reduces the band gap due to the formation of a natural superlattice, deteriorates the surface properties due to the occurrence of hillocks (hill-shaped defects), and generates non-radiative recombination centers.
  • adverse effects on device characteristics of a semiconductor laser or the like can be reduced.
  • the effect of using the (311) B substrate which is currently regarded as the most promising, is considered.
  • the optical gain anisotropy due to the use of a tilted substrate cannot be used, the optical gain anisotropy is increased by applying compressive strain to the quantum well active layer.
  • the outer peripheral shape of the active layer as viewed from the light emitting direction of the surface emitting laser diode is made anisotropic, and in particular, the substrate tilt direction ((11 1) A surface Direction) is compensated by the effect of increasing the optical gain.
  • the polarization direction can be controlled extremely easily.
  • the optical gain of the active layer structure is large, the threshold value of laser oscillation is small, and the reliability is excellent.
  • High-power surface-emitting laser that has a polarization plane and oscillates at a wavelength shorter than 850 nm A diode can be realized.
  • the band discontinuity with the quantum well active layer can be further increased, and the gain can be increased. It becomes possible. As a result, the threshold value of the laser oscillation is reduced, and the surface emitting laser diode can operate at a high output.
  • the semiconductor material constituting the barrier layer can increase the band gap by reducing the lattice constant.
  • the oscillation wavelength is approximately
  • a surface emitting laser diode having a wavelength longer than 680 nm can be realized.
  • the active layer including the quantum well layer and the barrier layer is formed of a material that does not include A1. Even in this case, it is possible to achieve carrier confinement equal to or greater than that of a 780 nm surface emitting laser diode using an AlGaAs-based active layer. Further, the effect of the strained quantum well active layer is added to this, so that it is possible to realize characteristics equal to or higher than those of the surface emitting laser diode in the 78 Onm band having the AlGaAs-based active layer.
  • an active layer structure including at least one quantum well active layer for generating laser light and a barrier layer on a semiconductor substrate;
  • a resonator region provided near the layer structure and comprising a spacer layer made of at least one kind of material, and an upper reflector and a lower reflector provided above and below the resonator region.
  • a stacked structure including the lower reflecting mirror, the resonator region, and the upper reflecting mirror is formed on the semiconductor substrate, and the stacked film is patterned by dry etching.
  • the emission of In is monitored to monitor the mesa structure. height More controlling, the can reliably detect the cavity portion in the dry etching process, thereby, it is possible to form the reproducibility Yogu also good accuracy instrument mesa structure. According to the present invention, it becomes possible to manufacture such a surface emitting laser diode with good reproducibility and high yield.
  • a semiconductor layer containing A1, In, P as a main component and a semiconductor layer containing Al, Ga, As as a main component are different from each other.
  • the interface By setting the interface to the position of the node of the electric field intensity distribution, the crystal growth of the semiconductor layer containing Al, Ga, As as the main component on the semiconductor layer containing Al, In, P as the main component, Even if the separation occurs to some extent, the influence of optical absorption at the interface can be greatly reduced, and the adverse effect on the threshold increase due to the In separation can be effectively suppressed.
  • Mg magnesium
  • C carbon
  • dopant and memory effect can be reduced, and doping can be performed with good controllability. This makes it possible to obtain a doping profile close to the design, suppress the decrease in the crystallinity of the active layer, and easily realize a surface emitting laser diode that operates at a high output with a low threshold.
  • heat dissipation is improved by quasi-constituting the AlGalnP mixed crystal with AllnP and GalnP having low thermal resistance. High output operation can be easily realized.
  • the spacer layer is changed to AlGa l -a b 1 -b
  • the band gap difference between the spacer layer and the quantum well active layer can be increased, the threshold of laser oscillation is reduced, the efficiency of laser oscillation is improved, and the Operation can be realized.
  • Ga In P As (0 ⁇ c ⁇ l c 1 -c d 1 -d
  • the active layer is composed of a material that does not contain Al, the active region consisting of the quantum well active layer and the layer adjacent thereto becomes A1 free, the incorporation of oxygen can be reduced, and the formation of a non-radiative recombination center can be achieved. It is possible to realize a surface-emitting laser diode that is suppressed and has a long life. That is, a high output surface emitting laser diode having a wavelength shorter than 850 nm is realized, which is excellent in reliability in which the gain of the active layer is large and the laser oscillation threshold is low.
  • the laser oscillation threshold can be reduced by the effect of strain, the laser oscillation efficiency can be improved, and the efficiency of carrier confinement is improved and the strained quantum well active layer is used. Due to the effect of increasing the gain, the laser oscillation threshold is further reduced, and the reflectivity of the DBR on the light extraction side can be reduced. Thereby, the laser output can be further increased.
  • a quantum well active layer having a larger strain in the surface emitting laser diode, by compensating for the strain in the quantum well active layer, a quantum well active layer having a larger strain can be employed. This increases the degree of freedom in design. Furthermore, in the GalnPAs-based material, the semiconductor material used as the barrier layer has a larger band gap when the material has a smaller lattice constant, so that the band discontinuity with the quantum well active layer can be increased, and the gain increases. This enables low threshold operation and high output operation.
  • the lower reflective mirror is configured so that the low refractive index layer contains AlAs having a small thermal resistance, so that it is generated in the active layer.
  • the heat radiation characteristics are improved, the temperature rise during driving is suppressed, and a surface-emitting laser diode with good temperature characteristics and high output can be obtained.
  • an intermediate layer having a small A1 composition is inserted between the low refractive index layer and the high refractive index layer of the semiconductor distributed Bragg reflector. This facilitates bonding between the AlGalnP-based material and the AlGaAs-based material.
  • Al Ga In P (0 ⁇ a ⁇ 1, 0 ⁇ b ⁇ 1) Al Ga As (0 ⁇ y ⁇ x ⁇ l) a 1— a b 1— b y l-y
  • the growth of the high refractive index layer can be performed in a wide range of conditions by reducing the A1 composition at the interface. Furthermore, a strong configuration can reduce band discontinuity in the valence band, and can reduce resistance to a current flowing in the stacking direction.
  • the composition wavelength is longer than 680 nm, A1
  • a free active layer quantum well active layer and barrier layer
  • carrier confinement equal to or more than that of a 780 nm surface emitting laser diode using an AlGaAs-based active layer can be achieved. Since the effect is added, it is possible to obtain the same or better characteristics.
  • the surface emitting laser diode Considering the plane orientation of the plate, by using a (100) GaAs substrate whose plane orientation is inclined at 5 ° in the direction of the (111) A plane and within 20 ° in the direction of the plane, it is possible to reduce the band gap due to the formation of a natural superlattice, In addition, it is possible to reduce adverse effects on device characteristics such as semiconductor lasers due to deterioration of surface properties due to generation of hillocks (hill-shaped defects) and generation of non-radiative recombination centers. Polarization control.
  • the effect of using the (311) B substrate, which is currently regarded as the most promising, cannot be used, and the optical gain anisotropy due to the use of the inclined substrate is small. Although it is inevitable, this decrease in optical gain anisotropy is compensated for by increasing the optical gain anisotropy by applying compressive strain to the quantum well active layer. In any case, the controllability of the polarization plane can be improved.
  • the outer peripheral shape of the active layer viewed from the light emitting direction of the surface emitting laser diode has anisotropy. (ll) Since the shape is long in the A-plane direction, the controllability of the polarization direction can be further improved by adding the effect of increasing the optical gain in the substrate tilt direction ((ll) A-plane direction).
  • a surface emitting laser diode ray can be formed.
  • a surface emitting laser diode ray with improved mesa formation accuracy and reproducibility, uniform laser characteristics, and good process reproducibility is manufactured at a high yield and a low cost. It becomes possible.
  • the surface emitting laser diode according to the first aspect of the present invention when used, heat radiation characteristics are improved, so that thermal interference between elements in the array is suppressed, and the surface emitting laser diode elements are further connected to each other. A closer, higher density array can be formed.
  • a configuration in which a large number of surface emitting laser diodes capable of high-output operation are integrated on the same substrate is used in an image writing optical system such as an electrophotographic image forming apparatus.
  • an image writing optical system such as an electrophotographic image forming apparatus.
  • high speed writing is realized by multiple beams at the same time, and writing speed is remarkably improved.
  • the image forming apparatus using the surface emitting laser diode has a higher density than the conventional image forming apparatus. High-speed printing becomes possible.
  • the surface emitting laser diode of the present invention is applied to communication, data transmission is performed by multiple beams at the same time, and high-speed communication is realized.
  • the surface emitting laser diode of the present invention operates with low power consumption, and therefore, particularly when incorporated and operated in a device, a rise in temperature in the device can be reduced.
  • a conventional surface-emitting laser diode laser can be used. It is possible to improve the printing speed as compared with the image forming apparatus using the image forming apparatus.
  • the number of laser arrays can be reduced, and the manufacturing yield of the surface emitting laser diode ray chip can be greatly improved, and the cost of the image forming apparatus can be reduced. it can.
  • a surface emitting laser diode capable of controlling the polarization plane is used, the reliability of image formation is improved.
  • a communication surface emitting laser diode such as a 850 nm band surface emitting laser diode is used. The same life can be achieved, and therefore, the optical writing optical unit itself can be reused, which can contribute to a reduction in environmental load.
  • a handy type having a long battery life is provided.
  • An optical pickup system can be realized.
  • a compact disk drive uses a semiconductor laser with a wavelength of 780 nm for optical writing and reproduction on a recording medium, and a surface emitting laser diode consumes about one digit of power compared to an edge emitting laser diode. Note that it is small.
  • a surface emitting laser diode having an oscillation wavelength of 650 nm has been conventionally considered as a light source in consideration of its absorption loss characteristics, but its high-temperature characteristics are poor. Not practical. For this reason, LEDs are currently used, but high-speed modulation is difficult with LEDs, and semiconductor lasers are required to achieve high-speed transmission exceeding 1 Gbps.
  • the surface emitting laser diode of the present invention having a wavelength longer than 680 nm has a large active layer gain, has a large output, and has excellent high-temperature characteristics. Therefore, by using such a surface emitting laser diode, Although the absorption loss due to the fiber increases, short-distance optical transmission is possible, and an economical high-speed optical transmission module or optical device combining an inexpensive P ⁇ F with a surface emitting laser diode, which is an inexpensive light source. A transmission / reception module and an optical communication system using the same are realized. Such an optical communication system is extremely economical, and is particularly suitable for use in an optical communication system in a general home, office room, equipment, or the like.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a general surface emitting laser diode.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a basic configuration example of a surface emitting laser diode according to a first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a surface emitting laser diode of Example 1.
  • FIG. 4 is a diagram showing a time change of an In (451 nm) / Al (396 nm) emission intensity ratio in Example 1.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of a surface emitting laser diode according to a fifth embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing a surface emitting laser diode of Example 6.
  • FIG. 7 is a diagram showing a surface emitting laser diode of Example 6.
  • FIG. 8 is a top view of a surface emitting laser diode according to a seventh embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing a surface emitting laser diode of Example 8.
  • FIG. 10 is a diagram showing a surface emitting laser diode ray of Example 9.
  • FIG. 11 is a diagram showing an optical transmission module according to Embodiment 10.
  • FIG. 12 is a diagram showing an optical transceiver module according to an eleventh embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing a laser printer according to a twelfth embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram (top view) showing a schematic configuration of a surface emitting laser diode ray chip (16-beam VCSEL array) used in the laser printer of FIG.
  • FIG. 15 is a principle sectional view showing a part of a first configuration example according to a twelfth embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a principle sectional view showing a part of a second configuration example according to the twelfth embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a principle sectional view showing a configuration example of a thirteenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view showing an extracted and enlarged structure around the active layer in FIG. 17.
  • FIG. 19 is a plan view of a part of FIG.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view showing an extracted and enlarged structure around an active layer according to a fourteenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 shows an example of a peripheral cross-sectional structure of an active layer of a surface-emitting laser diode when an AlGalnP layer is provided in a resonator region sandwiched between upper and lower reflectors in the seventeenth and eighteenth embodiments.
  • FIG. 22 is a diagram showing a configuration example of a surface emitting laser diode according to a twenty-first embodiment of the present invention.
  • a semiconductor substrate an active layer structure including at least one quantum well active layer and a barrier layer that generate laser light, and an active layer structure provided near the active layer structure are provided.
  • a resonator layer formed of at least one kind of material, the resonator region formed on the semiconductor substrate, and an upper reflecting mirror provided on the semiconductor substrate above and below the resonator region.
  • a surface emitting laser diode comprising a lower reflector, wherein the resonator region, the upper reflector and the lower reflector form a mesa structure on the semiconductor substrate, and the upper reflector and the lower reflector
  • the mirror constitutes a semiconductor distributed Bragg reflecting mirror whose refractive index changes periodically and reflects incident light by light wave interference, and at least a part of the semiconductor distributed Bragg reflecting mirror includes AlGa.
  • the first in which the refractive index layer is made of AlAs A lower reflecting mirror, and a second lower reflecting mirror formed on the first lower reflecting mirror and having a low refractive index layer made of AlGaAs, and one of the layers constituting the resonator region contains In A surface emitting laser diode is provided.
  • any of the layers constituting the resonator region contains In, and the lower semiconductor DBR contains AlAs / (Al) GaAs_DBR excellent in heat dissipation. Therefore, the accuracy and reproducibility of mesa formation are improved, and a configuration in which A1A sZ (Al) GaAs_DBR is provided up to the vicinity of the resonator region.
  • At least the lower spacer layer and the upper spacer layer of the layers constituting the resonator region may include In. .
  • the spacer layer which is much thicker than the active layer structure portion, contains In, so that the reproducibility is higher.
  • the mesa etching can be performed with higher accuracy, and as a result, a higher-output surface-emitting laser diode with better temperature characteristics and more uniform laser characteristics can be manufactured with high processing reproducibility and high processability. It can be obtained by staying.
  • the second lower semiconductor DBR has 10 pairs or less.
  • the thickness force of the second lower semiconductor DBR is set to a value larger than the accuracy at the time of the mesa processing and the minimum value, so that the surface emitting laser diode can be manufactured with a higher yield.
  • the surface-emitting laser diode according to the first embodiment of the present invention has an active layer structure including at least one quantum well active layer for generating laser light and a barrier layer on a semiconductor substrate. And a reflector region provided around the active layer structure portion and made of at least one kind of material. An upper reflector and a lower reflector are provided above and below the resonator region. Formed as a laminated film, and dry-etched the laminated film to form a mesa It can be manufactured by processing into a shape. At this time, in the present embodiment, the height of the mesa structure obtained by including In in any of the layers constituting the resonator region and monitoring the emission of In in the dry etching step. Control.
  • the height of the mesa structure is controlled by monitoring the emission of In in the step of dry-etching the laminated film to form the mesa structure. That is, since dry etching is performed while monitoring the emission of In from the resonator layer, the resonator layer can be reliably detected, and thereby, the mesa structure can be formed with high reproducibility and accuracy. As a result, according to the present embodiment, it is possible to manufacture the first surface emitting laser diode with a high level of reproducibility, reproducibility, and yield.
  • FIG. 2 shows a basic configuration example of the surface emitting laser diode 40 according to the first embodiment of the present invention.
  • the surface emitting laser diode 40 is formed on a single crystal semiconductor substrate 41 such as GaAs, InP, GaP, GaNAs, Si, or Ge by MOCVD or MBE, or directly.
  • a single crystal semiconductor substrate 41 such as GaAs, InP, GaP, GaNAs, Si, or Ge by MOCVD or MBE, or directly.
  • a resonator layer 44 composed of a spacer layer 44A, an active layer 44B, and an upper spacer layer 44C, and having any one of the lower spacer layer 44A, the active layer 44B, and the upper spacer layer 44C containing In; A1
  • the layer containing In is composed of Al Ga In As ⁇ (0 ⁇ 1,
  • it may contain other Group V and Group V elements such as B, N, Sb, and ⁇ 1.
  • Table 1 shows a specific example of such a VCSEL laminated structure.
  • a mesa mask pattern is formed with a photoresist or the like, and the laminated structure thus formed is held in a processing vessel of a dry etching apparatus. Further, in the processing container
  • a halogen-based gas such as CI, BC1, SiCl, CC1, or CF is introduced, and a reactive ion beam is introduced.
  • Mesa etching is performed by a dry etching method using a plasma such as an etching method (RIBE), an inductively coupled plasma (ICP) etching method, and a reactive ion etching method (RIE).
  • RIBE etching method
  • ICP inductively coupled plasma
  • RIE reactive ion etching method
  • plasma emission spectroscopy is performed through a sight window provided in a processing vessel of a dry etching apparatus, and a time change of the emission intensity of In at a wavelength of 451 nm is monitored.
  • the etching can be reliably stopped in the second semiconductor DBR43.
  • the Al (Ga) As selectively oxidized layer 45 is heat-treated in water vapor to form a current confinement structure made of Al 2 O 3.
  • the space around the mesa structure thus formed was filled with an insulating film 47 made of polyimide ⁇ Si ⁇ except for the electrode take-out part and the light output part.
  • the surface emitting laser element is planarized.
  • a p-side electrode 48 and an n-side electrode 49 are formed at predetermined locations, and the manufacture of the surface emitting laser diode 40 of FIG. 2 is completed.
  • the lower spacer layer 44A, the active layer 44B, and the upper spacer layer 44C constitute a resonator 44 as a whole, and thus the total thickness of the resonator is (N + 1) X ( ⁇ / ⁇ ) and
  • the resonator thickness is f / ⁇ .
  • ⁇ is an integer greater than or equal to 0 and ⁇
  • I the oscillation wavelength
  • ⁇ is the refractive index of the semiconductor constituting the resonator 44.
  • the active layer 44 # usually has a thin quantum well structure
  • most of the length of the resonator is the thickness of the upper and lower spacer layers 44 # and 44C.
  • the semiconductor thickness of DBR43 is (1 + 2 chi New) X tut / (4 11), often; 17 (4 1 1) Dearu. Therefore, the upper and lower spacers
  • Layers 44 ⁇ and 44C have a significantly greater thickness than the films in the other stacks.
  • the above-mentioned VCSEL laminated structure was formed on one wafer by the monitoring method.
  • the variation of the etching depth can be controlled to such an extent that the bottom surface of the mesa structure is located within the range of a few pairs of the second lower semiconductor DBR43. Therefore, even if the variation in the mesa height within the wafer and the variation between processes during etching a large number of wafers at the same time are considered, the high refractive index film and the low refractive index film pair in the second lower semiconductor DBR43 are considered. If the number of repetitions is at most 10, the necessary etching control can be achieved by the normal etching process.
  • the present embodiment it is possible to provide the configuration in which the AlAs / (Al) GaAs_DBR43 having a small thermal resistance is provided up to the vicinity of the cavity of the surface emitting laser diode, the heat radiation effect can be improved, and the driving time can be improved. The temperature rise can be suppressed, and a surface-emitting laser diode with good temperature characteristics and high output can be obtained.
  • the oxidation rate of the low refractive index layer of the first lower semiconductor DBR 42 is a material having a thickness higher than the oxidation rate of the selective oxidation layer 45
  • the mesa etching is performed by the first lower semiconductor.
  • both the selective oxidation layer 45 and the low refractive index layer of the first lower semiconductor DBR 42 are made of AlAs.
  • the low-refractive-index layer of the second lower semiconductor DBR43 is a material having a lower oxidation rate than the selective oxidation layer 45, and the low-refractive-index layer of the first lower semiconductor DBR42 has a lower refractive index. If the composition or the material has a lower thermal resistance than the low refractive index layer in the second lower semiconductor DBR43, a satisfactory heat radiation effect can be obtained.
  • the emission intensity of In and the emission intensities of other constituent elements must be canceled in order to cancel the effects of changes in the plasma state. It is also possible to use a method of monitoring the ratio of the emission intensity of In or the emission intensity of In to the emission intensity of a wavelength not belonging to any of them.
  • the etching bottom surface directly below the resonator it is also possible to use a method in which the uppermost layer of the lower semiconductor DBR43 is made of GalnP or AlGalnP, and the upper layer including the resonator is made of GaAs or AlGaAs.
  • selective etching using H 2 SO 3 / HO 2 / HO solution becomes possible. Shi In such wet etching, it is difficult to control the mesa width, and problems such as an asymmetric mesa being easily formed due to etching anisotropy occur. Under such circumstances, the mesa etching is preferably performed by dry etching.
  • the AlAs selectively oxidized layer 45 is provided in the vicinity of the active layer 44B. And its position is not limited.
  • a layer containing In may be provided in a region other than the resonator region 44, such as a part of the reflector 43 closest to the resonator region 44.
  • the surface emitting laser diode according to the second embodiment of the present invention is different from the surface emitting laser diode 40 according to the first embodiment in that a part of the spacer layers 44A and 44C is (AlGa) In.
  • the active layer 44B is formed by Ga In P As (0 ⁇ c ⁇
  • It is characterized by being constituted by a barrier layer.
  • a part of the spacer layers 44A and 44C includes (AlGa) InP (0 ⁇ a ⁇ l, 0 ⁇ b ⁇
  • the band gap difference between the spacer layer and the quantum well active layer can be greatly increased as compared with the case where the spacer layer is formed of an AlGaAs system.
  • Table 2 shows surface emitting laser diodes of 780 nm and 850 nm band of AlGaAs (spacer layer) / AlGaAs (quantum well active layer), and AlGalnP (spacer layer) / GalnPAs (quantum well active layer). 2) Indicates the band gap difference that occurs between the spacer layer and the quantum well layer, and between the barrier layer and the quantum well layer, in a typical material composition used in a 780-nm surface emitting laser diode of the system.
  • AIGaAs / AIGaAs-based materials AIGalnP / GalnPAs-based materials
  • Onm band surface emitting laser diodes are not only AlGaAs / AlGaAs 780 nm band surface emitting laser diodes, but also AlGaAs / AlGaAs. It can be seen that the above band gap difference can be made larger than the 850 nm band surface emitting laser diode of the system.
  • the quantum well active layer can have a compression strain configuration.
  • the band separation between the heavy hole and the light hole increases, so that the gain increases, the threshold value of laser oscillation decreases, and the efficiency of laser oscillation improves. That is, the laser output increases. It should be noted that this effect cannot be realized with an AlGaAs / AlGaAs 850 nm surface emitting laser diode.
  • the threshold value is reduced and the laser output efficiency is improved compared to the 850 nm surface emitting laser diode of AlGaAs / AlGaAs system. Can be realized.
  • the carrier confinement efficiency is improved, and the threshold value is reduced even by increasing the gain by using the strained quantum well active layer.
  • the threshold value is reduced even by increasing the gain by using the strained quantum well active layer.
  • the quantum well active layer power SGa ln P As (0 ⁇ c ⁇ 1, 0 ⁇ d ⁇ 1) and the barrier layer is Ga In P As (0 c 1 -cd 1 -de 1 -ef 1 -f
  • the active layer structure 44 consisting of the quantum well active layer and its adjacent layers contains A1. Therefore, the incorporation of oxygen into the quantum well active layer is reduced, and the formation of a non-radiative recombination center can be suppressed. As a result, a long-life surface emitting laser diode can be realized.
  • the optical gain of the active layer is significantly low.
  • a high-power surface-emitting laser diode that emits light in a band shorter than 850 nm and has a threshold value and excellent reliability can be realized.
  • the plane orientation is inclined at an angle (inclination angle) in the range of 5 ° to 20 ° with respect to the (111) A plane direction. It is preferable to use a (100) GaAs substrate as the substrate 41. This is because when the plane orientation of the substrate is close to (100), the band gap decreases due to the formation of a natural superlattice, the surface shape deteriorates due to the generation of hillocks (hill-shaped defects), and the non-radiative recombination center occurs. This is because there is a risk of adversely affecting device characteristics such as a semiconductor laser formed on the substrate.
  • the band gap has a tilt angle of 10 ° 15. , And then gradually approach the normal band gap (band gap value of the mixed crystal), and hillocks gradually disappear.
  • AlGalnP materials used in red laser (630 nm to 680 nm) material systems have the following characteristics. Substrates tilted to angles in the range of ⁇ 20 ° (and more often in the range of 7 ° to 15 °) are commonly used. This is true not only for the AlGalnP spacer layer (cladding layer) but also for the barrier layer made of GalnP as shown in Table 2. Furthermore, even when the barrier layer and the quantum well active layer are made of GalnPAs, there is a concern that adverse effects may occur.
  • the growth of these materials requires the plane orientation to be in the range of 5 ° to 20 ° in the (111) A plane direction. It is preferable to use a (100) GaAs substrate inclined at an angle (more preferably, an angle in the range of 7 ° to 15 °).
  • the polarization angle using the optical gain anisotropy of the (311) B substrate which is currently considered the most prominent, (Polarization direction) control technology cannot be used. That is, in the present embodiment, by using an inclination angle (an angle in the range of 5 ° to 20 °) smaller than the (311) B substrate (the inclination angle is 25 °), the cost of the substrate can be suppressed and the cleavage can be performed. However, the optical gain anisotropy to be obtained must be reduced.
  • the above-mentioned decrease in optical gain anisotropy is applied to the quantum well active layer. Compensation is performed by increasing the optical gain anisotropy induced by applying the compressive strain.
  • the force limiting to a wavelength shorter than 850 nm is because the advantage difference is extremely large in this wavelength range as compared with the conventional example, and the same effect is obtained when the wavelength is shorter than 850 nm. It should be noted that even wavelengths can be obtained.
  • operation is performed at a wavelength shorter than 850 nm, and in addition to the features of the first embodiment, the threshold at which the gain of the active layer is large is reduced, and high output and reliability are achieved.
  • a surface emitting laser diode having excellent characteristics a surface emitting laser diode whose polarization direction is further controlled is provided.
  • a (100) GaAs substrate having a plane orientation inclined at an angle in the range of 5 ° to 20 ° with respect to the (A) plane direction, and at least one layer for generating a laser beam are provided.
  • An active layer structure including a quantum well layer active layer and a barrier layer, and a spacer layer provided near the active layer structure and made of at least one kind of material, are formed on the GaAs substrate.
  • Resonator region, and an upper reflector and a lower reflector provided above and below the resonator region. The resonator region and the upper and lower reflectors are formed on the GaAs substrate.
  • the upper reflector and the lower reflector are semiconductor distributed Bragg reflectors whose refractive index changes periodically and reflects incident light by light wave interference, and the semiconductor distributed Bragg reflector is used.
  • mirror At least in part, a layer Al Ga As (0 ⁇ x ⁇ 1) than becomes a refractive index of small, Al Ga
  • the quantum well active layer is made of GaIa-ab-bcnPAs (0 ⁇ c ⁇ l 0 ⁇ d ⁇ l), and the barrier layer is made of GaInPAs (0 ⁇ el -cd 1 -de 1 -ef 1 -f
  • the quantum well active layer has a compressive strain
  • the active layer structure has an anisotropic shape elongated in the (111) A plane direction when viewed from the light emitting direction. It has characteristics.
  • the polarization angle (polarization direction) is controlled by using the optical gain anisotropy obtained by inclining the plane orientation of the substrate in the (ll) A plane direction
  • 31 1) Use a tilt angle (angle within the range of 5 ° to 20 °) smaller than the B board (tilt angle is 25 °). Therefore, the effect of using the (311) B substrate, which is currently regarded as the most promising, cannot be used.
  • this reduction is compensated for by increasing the optical gain anisotropy by applying compressive strain to the quantum well active layer.
  • the substrate tilt direction ((111) A plane Direction) is compensated by the effect of increasing the optical gain.
  • the optical gain in the direction of the tilt angle (the direction of the (ll) surface) is further increased, and the controllability of the deflection angle is improved.
  • the fourth embodiment of the present invention provides the surface emitting laser diode according to the second or third embodiment, wherein the barrier layer has a tensile strain.
  • the band gap of GalnP is the largest when compared with the same lattice constant.
  • a material having a smaller lattice constant can ensure a larger band gap.
  • a large band discontinuity can be realized between the barrier layer and the quantum well active layer, and the gain of the surface emitting laser diode can be increased. .
  • the band gap of the Ga In P tensile strain layer is 2 ⁇ 02
  • the band gap of the GaInP lattice matching layer is 1.87 eV.
  • the fifth embodiment of the present invention provides a surface emitting laser diode having an oscillation wavelength longer than about 680 nm in the surface emitting laser diode of the second to fourth embodiments.
  • the band gap is the largest in the typical composition range of the spacer layer. (Al Ga) In a 1 -a b 1
  • the band gap difference with the active layer is about 200 meV, which is almost the same as that of a 780 nm surface emitting laser diode using an AlGaAsZAlGaAs-based active layer.
  • the sixth embodiment of the present invention provides a surface emitting laser diode ray in which a plurality of the surface emitting laser diodes according to any of the first to fifth embodiments are formed on the same substrate.
  • a surface-emitting laser diode has a surface-emitting configuration, so that a laser array can be easily formed.
  • each surface-emitting laser diode element is formed by a normal semiconductor process, each surface-emitting laser diode is individually formed.
  • the element can be formed with high positional accuracy.
  • the etching controllability at the time of mesa formation is improved, and as a result, the yield is improved, and the manufacturing cost can be reduced.
  • the heat dissipation of the lower DBR is improved, and as a result, the thermal interference between elements in the array is reduced, the output of each element is increased, and the formation density of the elements is increased. S power.
  • a high-power surface-emitting laser diode of the present invention in which the polarization direction is controlled to a predetermined direction.
  • a laser array in which a large number of lasers are integrated on the same substrate, writing using a plurality of beams at the same time is easily realized in a writing optical system such as an image forming apparatus, and the writing speed is remarkably improved.
  • printing can be performed without lowering the printing speed even when the writing dot density increases. In the case of the same writing dot density, the printing speed can be increased.
  • a powerful laser array is applied to communication, data can be transmitted by multiple beams at the same time, and high-speed communication can be realized.
  • the surface emitting laser diode operates with low power consumption, it is possible to suppress the rise in temperature inside the device, especially when it is installed in the device.
  • the surface emitting laser diode according to any one of the first to fifth aspects or the surface emitting laser diode ray according to the sixth aspect is used as a writing light source.
  • An image forming apparatus is provided.
  • the image forming apparatus of the present embodiment using them has a conventional surface emitting laser. High-speed printing is possible compared to an image forming apparatus using a laser diode ray. Also, if the image forming apparatus is designed to have the same printing speed as the conventional one, the number of laser arrays to be used can be reduced, and the manufacturing yield of the surface emitting laser diode chip can be greatly improved. The manufacturing cost of the device can be reduced.
  • the active layer of the surface emitting laser diode is an A1-free active layer, the lifetime is the same as that of a surface emitting laser diode for communication such as the 850 nm band surface emitting laser diode (the estimated room temperature is 1 million hours). Is reported), and the optical writing optical unit can be reused. Thereby, the environmental load can be reduced.
  • An eighth embodiment of the present invention is a laser using the surface emitting laser diode of any of the first to fifth embodiments or the surface emitting laser diode ray of the sixth embodiment as a light source. To provide an optical pickup system.
  • a compact disk device has been used as a light source for optical writing and reproduction on optical media. Uses a wavelength of 780 nm. Since surface-emitting laser diodes consume about one order of magnitude less power than edge-emitting laser diodes, using the 780 nm band surface-emitting laser diode of the present invention as a light source for reproduction allows hand-held light with a long buttery life to be used. It becomes possible to realize a pickup system.
  • a ninth embodiment of the present invention is directed to an optical transmitter using the surface emitting laser diode according to any one of the first to fifth embodiments or the surface emitting laser diode ray according to the sixth embodiment as a light source.
  • the surface emitting laser diode of the present invention having the shortest wavelength of 680 nm has a large active layer gain, and therefore has high output and excellent high-temperature characteristics. Although the absorption loss of the optical fiber increases, optical transmission is sufficiently possible over short distances, realizing an economical and high-speed optical transmission module using an inexpensive surface-emitting laser diode and an inexpensive POF. can do.
  • a tenth embodiment of the present invention is directed to an optical transceiver using the surface emitting laser diode of any one of the first to fifth embodiments or the surface emitting laser diode ray of the sixth embodiment as a light source.
  • the surface emitting laser diode of the present invention having the shortest wavelength of 680 nm has a large active layer gain. Because of its high power and excellent high-temperature characteristics, the use of such a surface emitting laser diode as a light source increases the absorption loss of the optical fiber, but allows for sufficient optical transmission over short distances. Therefore, an economical and high-speed optical transceiver module using an inexpensive surface emitting laser diode and an inexpensive POF can be realized.
  • An eleventh embodiment of the present invention is directed to an optical communication system using the surface emitting laser diode of any one of the first to fifth embodiments or the surface emitting laser diode ray of the sixth embodiment as a light source. provide.
  • the surface-emitting laser diode of the present invention having the shortest wavelength of 680 nm has a large active layer gain, and therefore has high output and excellent high-temperature characteristics. Although optical fiber absorption loss is large, optical transmission is sufficiently possible over short distances, realizing an economical and high-speed optical transceiver module using an inexpensive surface-emitting laser diode and an inexpensive POF. can do.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the surface emitting laser diode 60 according to the first embodiment of the present invention.
  • the surface emitting laser diodes of Examples 2, 3, and 4 described later have the same configuration as that of FIG.
  • Example 1 a first lower semiconductor in which an n—AlAs / Al Ga As pair was repeatedly stacked 42.5 times on an n—GaAs single crystal (100) substrate 61 by MOCVD.
  • DB n—AlAs / Al Ga As pair
  • TQW active layer 64B Ga In P upper spacer layer 64C, p-AlAs selected
  • the upper semiconductor DBR 66 and the p_GaAs contact layer 67 are sequentially laminated to form a VCSEL laminated structure.
  • the lower spacer layer 64A, the active layer 64B, and the upper spacer layer 64C form a resonator structure 64.
  • a circular mesa mask was patterned with a photoresist on the VCSEL laminated structure thus formed, C1 gas was introduced, and the mask was formed by reactive ion beam etching (RIBE).
  • RIBE reactive ion beam etching
  • the emission intensity of In (451 nm) and the emission intensity of A1 (396 nm) were obtained using a plasma emission spectrometer, and the ratio (In / Al ratio) was determined. Monitor the time change.
  • FIG. 4 shows the time change of the In (451 nm) / Al (396 nm) emission intensity ratio obtained in Example 1.
  • the AlAs selectively oxidized layer 65 is subjected to a heat treatment at 400 ° C. in water vapor so that the non-oxidized AlAs region becomes 25 / im 2.
  • a current confinement structure is formed in the selected oxide layer 65, and the periphery of the mesa structure is filled with a polyimide protective film 68 except for the electrode extraction portion and the light output portion.
  • a p-side electrode film 69 is deposited on the upper surface of the mesa structure M by vapor deposition so as to be in contact with the p-type contact layer 67, and an opening for light output is formed by a lift-off method. Further, by forming an n-side electrode 70 on the back surface of the substrate 61, it is possible to produce a surface emitting laser diode having the configuration shown in FIG.
  • the positive and negative carriers are injected into the p-side electrode 69 and the n-side electrode 70, respectively, so that the laser light having a wavelength of 780 nm is applied to the upper electrode.
  • the light is emitted in a direction perpendicular to the substrate 61 from an opening formed in the pole 69.
  • the entire cavity structure 64 is favorably etched. 64 can be detected, so that the second lower semiconductor DBR 63 can be formed with a smaller number of layers than 4/7 of the entire lower semiconductor DBR. As a result, the temperature rise of the element is suppressed, and the surface emitting laser diode can be driven with higher output.
  • the mesa etching is performed with high reproducibility, the mesa height becomes uniform, and a surface emitting laser diode having uniform laser characteristics can be obtained with a high yield.
  • the surface emitting laser diode 80 of the second embodiment also has the same configuration as that of FIG.
  • Example 2 the n-AlAs / Al Ga As pair was repeatedly stacked 47.5 times on the n-GaAs single crystal (100) substrate 61 by MBE method.
  • Lower semiconductor DB Lower semiconductor DB
  • 0.95 0. 05 0.5 0.5 s pairs are repeatedly stacked 40.5 times, and the upper semiconductor DBR 66 and the ⁇ -GaAs contact layer 67 are sequentially stacked to form a VCSEL stacked structure.
  • a circular mesa mask is patterned with a photoresist on the VCSEL laminated structure thus formed, C1 gas is introduced, and mesa etching is performed by an ICP etching method.
  • the emission intensity of In was measured by the plasma emission spectrometer.
  • the AlAs selectively oxidized layer 65 was subjected to a heat treatment at 400 ° C. in water vapor so that the non-oxidized AlAs region was 25 / im 2.
  • Selectable acid A current confinement structure is formed in the passivation layer 65, and the periphery of the mesa structure is filled with a polyimide protective film 68 except for an electrode extraction portion and a light output portion.
  • a p-side electrode film 69 is deposited on the upper surface of the mesa structure M by vapor deposition so as to be in contact with the p-type contact layer 67, and an opening for light output is formed by a lift-off method. Further, by forming an n-side electrode 70 on the back surface of the substrate 61, it is possible to produce a surface emitting laser diode having the configuration shown in FIG.
  • the laser light having a wavelength of 650 nm is applied to the upper electrode.
  • the light is emitted in a direction perpendicular to the substrate 61 from an opening formed in the substrate 69.
  • the surface emitting laser diode 100 of the third embodiment also has the same configuration as that of FIG.
  • Example 3 the first lower semiconductor D in which the n_AlAs / AlGaAs pair was repeatedly stacked 40.5 times on the n_GaAs single crystal (100) substrate 61 by MOCVD.
  • the layers 67 are sequentially laminated to form a VCSEL laminated structure.
  • the VCSEL laminated structure was mesa-etched in the same manner as in Example 2, further subjected to the same thermal oxidation treatment, and after filling the periphery of the mesa structure M with a polyimide film 68, an electrode was formed.
  • the surface emitting laser diode 100 of 3 is obtained.
  • the p-side electrode 69 and the n-side electrode By injecting the positive carrier and the negative carrier, respectively, a laser beam having a wavelength of 850 nm is emitted from the opening formed in the upper electrode 69 to the substrate 61 in the vertical direction.
  • a surface emitting laser diode having excellent heat radiation characteristics and uniform element characteristics can be obtained with a high yield.
  • the surface emitting laser diode 120 according to the fourth embodiment has the same configuration as that of FIG.
  • Example 4 the first lower semiconductor in which the n—AlAs / GaAs pair was repeatedly laminated 32.5 times on the n—GaAs single crystal (100) substrate 61 by the MOCVD method was used.
  • an upper semiconductor DBR66 consisting of 26 repeated GaAs pairs and p
  • the GaAs contact layer 67 is sequentially laminated to form a VCSEL laminated structure.
  • the VCSEL laminated structure was mesa-etched in the same manner as in Example 2 to form a mesa structure M, and further subjected to the same thermal oxidation treatment. After filling the periphery of the mesa structure M with a polyimide film 68, Then, electrodes are formed, and the surface emitting laser diode 120 of FIG. 3 is obtained.
  • the laser light having a wavelength of 1300 nm is applied to the upper electrode.
  • the light is emitted in a direction perpendicular to the substrate 61 from an opening formed in the substrate 69.
  • the active layer contains GalnNAs
  • even a 1.3 zm band laser device can be formed on a GaAs substrate.
  • a high performance AlGaAs DBR can be used, and a selective oxidation confinement structure can be adopted.
  • the band gap between the barrier layer and the spacer layer and the GalnNAs active layer is large. Carrier confinement efficiency is improved, so the characteristic temperature is further improved, and the applicability as a light source for optical transmission is high. A light emitting laser diode is obtained.
  • the surface emitting laser diode of this embodiment is a device in the 1.3 / im band, the DBR6 Even if the thickness of the second lower DBR 63, in which the semiconductor layers constituting the layers 63 are thick, is set to a thickness corresponding to three pairs, the mesa etching is performed so that the lower end of the etching is located in the second lower DBR 63. It is possible to execute As a result, the heat radiation characteristics and the temperature characteristics are further improved, and the surface emitting laser diode can be driven with higher output.
  • FIG. 5 shows the configuration of a surface emitting laser diode 140 according to the fifth embodiment.
  • Example 5 a p-AlAs / p—AlGaAs pair was repeatedly laminated 39.5 times on a p-GaAs single crystal (100) substrate 81 by MOCVD. 1st lower half
  • Conductor DBR82 and p-AlGaAs / p-AlGaAs pair were repeatedly laminated six times
  • the tatto layers 87 are sequentially laminated to form a VCSEL laminated structure.
  • the lower spacer layer 85A, the active layer 85B, and the upper spacer layer 84C form an active structure portion 85 serving as a resonator.
  • the VCSEL laminated structure was mesa-etched in the same manner as in Example 2 to form a mesa structure M, and further subjected to the same thermal oxidation treatment. After the periphery of the mesa structure M was filled with a polyimide film 90, Then, electrodes are formed, and the surface emitting laser diode 120 of FIG. 3 is obtained. However, in this embodiment, the p-side electrode 89 is formed on the back surface of the substrate 81, and the n-side electrode 88 is formed on the contact layer 87.
  • the n-side electrode 88 and the p-side electrode 89 are injected with negative and positive carriers, respectively, so that a laser beam having a wavelength of 850 nm is applied to the upper electrode.
  • the light is emitted in a direction perpendicular to the substrate 81 from an opening formed in the substrate 88.
  • the AlAs selectively oxidized layer 84 is made to have the above active property. It must be provided on the substrate side rather than the structural part 85. This is because, in a compound semiconductor, the mobility of the p-type conduction type layer is smaller than that of the n-type conduction type layer. The reason for this is that the stenosis effect is greater in the case of (1).
  • the substrate-side semiconductor layer is formed to be a p-type conductivity type, more accurate etching control is required.
  • the progress of the etching is monitored by using the plasma emission spectroscopy, so that the mesa etching can be stably performed even if the substrate-side semiconductor layer is a p-type conduction type surface emitting laser diode. Can be executed.
  • FIGS. 6 to 7 show the configuration of the surface emitting laser diode 160 according to Embodiment 6 of the present invention.
  • FIG. 7 is an enlarged view of a region A around the active layer of the surface emitting laser diode 160 of FIG.
  • the surface emitting laser diode of the sixth embodiment oscillates at a wavelength of 780 nm.
  • the surface emitting laser diode 160 has an n— (100) GaAs substrate 101 whose plane orientation is inclined at an inclination angle of 15 ° in the (111) A plane direction.
  • a first lower semiconductor DBR (lower first reflecting mirror) 102 having a periodic structure of 30.5 stacked layers, an n—Al Ga As low refractive index layer and an n_Al Ga As high refractive index layer are placed in a medium.
  • a second lower semiconductor DBR (lower second reflecting mirror) 103 having a periodic structure in which, for example, 10 periods are alternately stacked with a thickness of 1Z4 times the oscillation wavelength of the laser.
  • DBR lower second reflecting mirror
  • the thickness including the inclined layer is set to be 1/4 times the oscillation wavelength in the medium.
  • an (AlGa) InP lower first spacer (cladding) layer 104A that is lattice-matched with the second lower semiconductor DBR103, and the (Al)
  • the barrier layers 104b are alternately stacked, and the quantum well active layers 104C and the Ga
  • the spacer layer 104D and the (AlGa) InP upper first spacer (cladding) layer 104E are sequentially arranged.
  • the semiconductor layers 104A to 104E form a resonator 104 for one wavelength.
  • An upper semiconductor DBR (upper reflecting mirror) 105 having a periodic structure in which, for example, 25 periods are alternately stacked with a refractive index layer is formed (details are omitted in FIG. 6).
  • a composition gradient layer is inserted between the low refractive index layer and the high refractive index layer in the upper reflecting mirror 105.
  • a p_GaAs contact layer 106 is formed on the upper reflecting mirror 105.
  • a resonator 104 having a thickness corresponding to one oscillation wavelength is provided between the lower reflecting mirror 103 and the upper reflecting mirror 105. It is formed.
  • the growth of the semiconductor layers 102-106 is performed by the MOCVD method.
  • the raw materials are TMG (trimethylgallium), TMA (trimethylaluminum), TMI (trimethylindium), PH ( Phosphine) and AsH (arsine) are used as needed.
  • n trimethylgallium
  • TMA trimethylaluminum
  • TMI trimethylindium
  • PH Phosphine
  • AsH arsine
  • HSe hydrogen selenide
  • CBr p-type dopant
  • H is used as a carrier gas.
  • the MOCVD method is particularly suitable as a crystal growth method for a surface emitting laser diode including a DBR because a composition such as a composition gradient layer can be easily formed by controlling the supply amount of the source gas.
  • mass productivity is excellent.
  • a part of the low-refractive-index layer is formed of the AlAs layer 107 in the p-side DBR (upper reflector) 105 near the active layer 104C.
  • the space around the mesa structure M formed by the mesa etching is filled with the polyimide film 108 and flattened, and thereafter, the p-contact layer 106 and a predetermined light emission on the upper reflector are emitted.
  • the polyimide film 108 is removed from the portion 109A, and a p-side electrode 109 is formed on the p-contact layer 106 while avoiding the light emitting portion 109A.
  • an n-side electrode 110 is formed on the back surface of the substrate 101.
  • the current is confined by the selective oxidation of the selectively oxidized layer 107 mainly containing A1 and As, so that the threshold current is reduced.
  • the current confinement layer 107A can be formed close to the active layer 104C, and the diffusion of the injection holes is suppressed.
  • carriers can be efficiently confined in a minute region that does not come into contact with the atmosphere.
  • the refractive index is reduced, and light is efficiently confined to a small region in which carriers are confined by the convex lens effect. And the efficiency of stimulated emission is greatly improved. Accordingly, the threshold current is reduced.
  • the structure for reducing the current can be easily formed, so that the manufacturing cost of the surface emitting laser diode can be reduced.
  • (AlGa) InP which is a wide band gap material, is used as the spacer layers (cladding layers) 104A and 104E. For this reason,
  • the band gap difference between the spacer layers 104A and 104E and the quantum well active layer 104a is 743meV compared to 466meV (in the case of Al composition 0.6) when the spacer layer is formed of AlGaAs. Increase.
  • a band gear between the barrier layer 104b and the quantum well active layer 104a is also superior in the surface emitting laser diode 160, and good carrier confinement is realized.
  • the quantum well active layer 104a accumulates compressive strain, an increase in gain due to band separation between heavy holes and light holes can be obtained.
  • the surface emitting laser diode 160 has an extremely high gain and can operate at a high output with a low threshold value.
  • the quantum well active layer 104a and the barrier layer 104b also have a material strength not including A1, the incorporation of oxygen into these layers is reduced, and the formation of a non-radiative recombination center is reduced. It can be suppressed. As a result, it is possible to realize a long-life surface emitting laser diode.
  • the control of the polarization direction is realized by using the optical gain anisotropy due to the inclination of the substrate.
  • the inclination angle of the surface emitting laser diode according to the present embodiment is smaller (15 °), and therefore the optical gain anisotropy must be reduced. Therefore, in the surface emitting laser diode 160 according to the sixth embodiment, the decrease in the optical gain anisotropy is compensated for by increasing the optical gain anisotropy by applying compressive strain to the quantum well active layer. With such a configuration, satisfactory polarization control can be realized.
  • the gain of the active layer 104a is large and the heat radiation is improved, whereby the threshold value of laser oscillation is low and the reliability is excellent.
  • a high-output surface-emitting laser diode with a wavelength of 780 nm can be realized.
  • the effect of the present invention described above is reduced in a shorter wavelength band, but is remarkable in a longer wavelength band than 680 nm.
  • Al has the largest band gap in the typical composition range of an AlGaAs (0 x x ⁇ 1) -based spacer layer.
  • the band gap difference with the active layer is about 200 meV, which is almost the same as that of the 780 nm surface emitting laser diode using the AlGaAs / AlGaAs active layer.
  • the AlGalnP-based spacer layer is used, and if the composition wavelength is longer than 680 nm, the AlGaAs / AlG layer can be used even if the A1 free active layer (quantum well active layer and barrier layer) is used. This means that carrier confinement equal to or greater than that of a 780 nm surface-emitting laser diode using an aAs-based active layer is possible. Taking into account the effect of the strained quantum well active layer, the surface emitting laser diode according to the present embodiment has characteristics equal to or better than those of the 780 nm band surface emitting laser diode using the conventional AlGaAs / AlGaAs-based active layer. Power to gain S
  • FIG. 8 is a top view of a surface emitting laser diode 180 according to the seventh embodiment.
  • the surface emitting laser diode 180 according to the seventh embodiment has the same cross-sectional structure as the surface emitting laser diode 160 according to the sixth embodiment, but the mesa structure M viewed from the light emitting direction of the surface emitting laser diode is different from the (111) A plane. It is different in that it is formed with anisotropy so as to have a long elliptical shape long in the direction. Therefore, description of the cross-sectional structure of the surface emitting laser diode 180 will be omitted.
  • the shape of the current injection region 107 defined by the A1 oxide film 107A also becomes longer in the (ll) A plane direction.
  • the anisotropic shape is not limited to the oblong shape, but may be another shape such as a rectangle.
  • the optical gain anisotropy due to the inclination of the substrate 101 is used for polarization control.
  • the tilt angle is smaller (15 °) than when the (311) B substrate (tilt angle is 25 °), which is currently regarded as the most promising, is used for polarization control. It must be.
  • Example 7 the decrease in optical gain anisotropy was increased by compressive strain in the quantum well active layer 104a.
  • the outer peripheral shape of the active layer viewed from the light emitting direction force of the surface emitting laser diode 180 is given anisotropy. More specifically, (111) Compensation by increasing the optical gain in the substrate tilt direction ((111) A-plane direction) by making the shape longer in the A-plane direction. (311) The polarization control is not inferior to that using the B-substrate. realizable.
  • FIG. 9 shows a configuration of a surface emitting laser diode 200 according to the eighth embodiment.
  • FIG. 9 is an enlarged view of the area around the active layer of the surface emitting laser diode of Example 8 corresponding to FIG. 7 described above.
  • the surface-emitting laser diode 200 of the eighth embodiment is different from the surface-emitting laser diode 160 of the sixth embodiment in that Ga In P having tensile strain is used as the barrier layer 104b.
  • Example 8 the failure of Ga In P having tensile strain was observed.
  • the wall layer 104b is provided below the first quantum well active layer 104a and also above the third quantum well active layer 104a.
  • Other structures are the same as those of the surface emitting laser diode 160 in FIG.
  • the band gap of GalnP is the largest when compared with the same lattice constant.
  • a composition having a smaller lattice constant can secure a larger band gap, so that the band discontinuity with the quantum well active layer 104a can be further increased, and the gain is further increased.
  • Low threshold operation and high output operation are possible.
  • the band gap of the Ga InP tensile strain layer used in Example 8 is 2.02 eV
  • the band gap is Ga In P of Example 6 with a band gap of 1.87 eV.
  • FIG. 10 is a top view showing a configuration of a surface emitting laser diode ray 220 according to Embodiment 9 of the present invention.
  • the surface emitting laser diode ray 220 the surface emitting laser of Example 8 was used.
  • Laser diodes 200 are one-dimensionally arranged on a substrate 101 in ten elements.
  • the p-side and the n-side of the surface emitting laser diode 220 are opposite to the surface emitting laser diode of the eighth embodiment. That is, in the ninth embodiment, the GaAs substrate 101 on which the surface emitting laser diode 220 is formed is a substrate, and the n-side individual electrode pad 109 is formed on the upper surface and the p-side common electrode 110 is formed on the back surface. .
  • a force in which a plurality of surface emitting laser diodes 200 are arranged one-dimensionally may be arranged two-dimensionally.
  • FIG. 11 shows an optical transmission module 240 according to Embodiment 10 of the present invention.
  • the optical transmission module 240 has a configuration in which an inexpensive acrylic POF (plastic optical fiber) 240 is combined with the surface emitting laser diode laser chip 220 of FIG.
  • the laser light 241A from the surface emitting laser diode 200 is injected into the corresponding POF 241 and transmitted.
  • the acrylic POF has a minimum absorption loss at a wavelength of 650 nm, and therefore, a 650 nm surface-emitting laser diode has been conventionally studied.
  • conventional surface-emitting laser diodes in the 650 nm band have not been put into practical use due to poor high-temperature characteristics. Under such circumstances, it is difficult to perform high-speed modulation with a power LED that uses an LED in an optical transmitter module using such a P ⁇ F.
  • Semiconductor lasers are considered indispensable for high-speed transmission exceeding lGbps.
  • the laser oscillation wavelength is 780 nm.
  • the heat radiation characteristics are excellent and the active layer gain is large, high output operation is possible.
  • because of its excellent high-temperature characteristics even if there is a problem of absorption loss due to POF, it is possible to transmit light sufficiently over short distances.
  • each surface emitting laser diode element 200 of the surface emitting laser diode ray and the optical fiber 241 correspond to each other on a one-to-one basis. It is also possible to further increase the transmission speed by arranging the surface emitting laser diode elements in a one-dimensional or two-dimensional array and performing wavelength-division multiplexing transmission via a single optical fiber.
  • the inexpensive surface-emitting laser diode element 200 and the inexpensive POF241 are combined, so that a low-cost optical transmission module can be realized, and a low-cost optical communication system can be realized using this module. it can.
  • Powerful optical communication systems are extremely low-cost and are effective for short-distance data communication such as home use, indoor use in offices, and use in equipment.
  • FIG. 12 shows a configuration of an optical transceiver module 260 according to Embodiment 11 of the present invention.
  • an optical transceiver module 260 has a configuration in which the surface emitting laser diode element 200 of the eighth embodiment, a receiving photodiode 261, and an acrylic POF 262 are combined.
  • the surface emitting laser diode element 200 and the POF 262 according to the present invention are both inexpensive, and the light transmitting / receiving system 260 using the surface emitting laser diode element 200 according to the present invention in an optical communication system, as shown in FIG.
  • a surface emitting laser diode element 200 for transmission and a photodiode 261 for reception with a single POF 262 to form an optical transmission / reception module, a low-cost optical communication system can be realized.
  • the cost of the optical transceiver module 260 can be further reduced.
  • the surface emitting laser diode element 200 of the present invention has excellent temperature characteristics and a low laser oscillation threshold value, so that a low-cost optical communication system that can be used to a high temperature with little heat generation and without cooling can be realized.
  • the optical communication system 260 performs optical transmission between devices such as a computer such as a LAN (Local Area Network) using a P ⁇ F, optical transmission between boards in the device, and It is particularly effective for short-distance communication, such as optical transmission between LSIs and optical interconnection between elements in the LSI.
  • devices such as a computer such as a LAN (Local Area Network) using a P ⁇ F
  • P ⁇ F Local Area Network
  • P ⁇ F Local Area Network
  • optical transmission between boards in the device and It is particularly effective for short-distance communication, such as optical transmission between LSIs and optical interconnection between elements in the LSI.
  • an ultra-high-speed network system can be constructed.
  • surface-emitting laser diode elements are extremely suitable for constructing a parallel transmission type optical communication system because power consumption can be reduced by orders of magnitude compared to edge-emitting laser diodes and two-dimensional arrays can be easily formed. .
  • FIG. 13 shows a configuration of a laser printer 280 according to the twelfth embodiment.
  • the laser printer 280 shown in FIG. 13 has a surface emitting laser diode array chip in which the surface emitting laser diode 200 having an oscillation wavelength of 780 nm is arranged in a 4 ⁇ 4 two-dimensional array on the GaAs substrate 101 (16 beam emitting chip).
  • VCSEL array) 281 is combined with a photosensitive drum 282.
  • FIG. 13 shows an outline of the optical scanning portion of the laser printer 280 in particular.
  • FIG. 14 is a top view showing a schematic configuration of the surface emitting laser diode ray chip (16-beam VCSEL array) 281 used in the laser printer 280 of FIG.
  • a surface emitting laser diode ray chip (16-beam VCSEL array) 281 adjusts the lighting timing so that the light source on the photoconductor 282 moves in the sub scanning direction V-SCAN as shown in FIG. It is possible to realize a situation equivalent to a system 1J at 10 ⁇ m intervals.
  • a plurality of light beams of a plurality of surface emitting laser diode rays 200 are focused on a running polygon mirror 284 by using an optical system including a lens 283 as described above.
  • the polygon mirror 284 is rotated at a high speed, and the timing of lighting is adjusted to form a plurality of light spots arranged in the sub-scanning V-SCAN direction, and these are spotted through a so-called f_ lens 285.
  • the light is condensed on the photosensitive member 282, which is the scanning surface, to form an image. That is, according to the present embodiment, image formation is performed by scanning a plurality of beams at a time.
  • optical writing can be performed on the photosensitive member 282 at an interval of about 10 / im on the V-SCAN in the sub-scanning direction, which is 2400 DPI (dots / inch). resolution It corresponds to.
  • the writing interval in the main scanning direction HSCAN can be easily controlled by turning on the light source.
  • the laser printer 280 of the present embodiment 16 dots can be simultaneously written, and high-speed printing is possible. Further, by increasing the number of surface emitting laser diodes 200 in the array, higher speed printing becomes possible. In addition, by adjusting the interval between the surface emitting laser diode elements 200, the dot interval in the sub-scanning H_SCAN direction can be adjusted, and high-density printing, for example, higher quality printing than 2400 DPI becomes possible.
  • the surface emitting laser diode according to the twelfth embodiment has a constant efficiency compared with the conventional surface emitting laser diode, has excellent heat radiation characteristics, can maintain a high output even when a plurality of elements operate simultaneously, and has a high printing speed. Can be made faster than before.
  • the surface emitting laser diode of the present invention can be applied to other image forming apparatuses. Further, it can be used as a light source for recording and reproduction of a CD or the like. That is, the present invention is applicable to an optical pickup system. Further, the present invention is also applicable to photoelectric fusion integrated circuits and the like.
  • the surface-emitting laser diode of any of the embodiments described above or below can be used instead of the surface-emitting laser diode 200. .
  • a twelfth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • the twelfth embodiment of the present invention relates to a basic configuration example and an operation example of the surface emitting laser diode of the present invention.
  • the surface emitting laser diode includes a GaAs substrate, at least one quantum well active layer formed on the GaAs substrate, and generating a laser beam, and a barrier.
  • the lower reflector is a semiconductor distributed Bragg reflector At least a portion of the semiconductor distributed Bragg reflector comprises a semiconductor layer containing Al, Ga, As as a main component, between the active layer and the semiconductor layer containing Al, Ga, As as a main component.
  • In, and P are surface emitting laser diodes formed so as to have an interface with the semiconductor layer containing P, In, and P as main components at positions of nodes of the electric field intensity distribution.
  • the semiconductor layer containing Al, In, and P as a main component is, for example, (AlGa) InP (0 ⁇ a ⁇ 1, 0 ⁇ b ⁇ 1) Consists of a 1 ab 1 -b
  • the conventional surface emitting laser diode is configured such that the interface between the resonator region and the reflector is located at the antinode of the electric field intensity distribution, and Al, In, A semiconductor layer containing P as a main component is provided. Therefore, the interface with the upper reflector made of a semiconductor layer containing Al, Ga, and As as a main component is formed at the antinode where the effect of light absorption greatly appears.
  • a semiconductor layer containing Al, Ga, As as the main component is grown on a semiconductor layer containing Al, In, P as the main component, separation of In such as carry-over of In occurs immediately.
  • the force S that needs to be suppressed, conventionally it was difficult to avoid a threshold rise. This problem is remarkable when a semiconductor layer containing Al, Ga, As as a main component is crystal-grown on a semiconductor layer containing Al, In, P as a main component.
  • the semiconductor layer 1 containing Al, In, and P as main components and Al, Ga, As are mainly used.
  • the semiconductor layer (part of upper mirror) 2 as a component at node AN in the electric field intensity distribution. Therefore, even if the above-described separation of In occurs to some extent, an increase in the laser oscillation threshold value can be significantly suppressed.
  • the antinode of the electric field intensity distribution is represented by N.
  • a thin In separation suppression is provided between the semiconductor layer 1 mainly containing Al, In, and P and the semiconductor layer 2 (part of the upper reflector) mainly containing Al, Ga, As. It is even better to provide a layer to reduce In separation.
  • the semiconductor layer 1 containing Al, In, and P as main components for example, (Al Ga) In P
  • a 1 ab 1 -b (0 ⁇ a ⁇ l, 0 ⁇ b ⁇ l) layers. Due to the powerful structure, it is necessary to use not only the surface emitting laser diode using the AlGalnP layer, such as the 780 nm band and the 850 nm band, but also the red emitting laser diode using the AlGalnP layer regardless of the wavelength, such as the 650 nm band and the 850 nm band. Thus, the effect of reducing the threshold value can be obtained.
  • a surface emitting laser diode includes a GaAs substrate, at least one quantum well active layer and a barrier layer formed on the GaAs substrate and generating laser light.
  • the mirror includes a semiconductor distributed Bragg reflector, and at least a part of the semiconductor distributed Bragg reflector comprises a semiconductor layer containing Al, Ga, As as a main component, and mainly includes the active layer and the Al, Ga, As.
  • Zn (zinc) is generally used as a p-type dopant for a semiconductor layer containing Al, In, and P as a main component.
  • Force Zn is an active layer with a large diffusion coefficient or close to an active layer. They are diffused and have a problem of deteriorating device characteristics due to a decrease in luminous efficiency due to deterioration of crystallinity and an increase in absorption loss.
  • Mg which can be used as a p-type dopant, has a smaller diffusion coefficient than Zn.
  • the ability to improve the above-mentioned problem is higher than that of Zn. Small, When Mg is added to a material containing As, the controllability of doping is deteriorated due to the memory effect.
  • Mg is mainly added to the semiconductor layer containing Al, In, and P as main components
  • C is mainly added to the semiconductor layer containing Al, Ga, and As as main components. I did it.
  • dopant diffusion and memory effects can be reduced, doping controllability is improved, and a doping profile close to the design can be obtained.
  • deterioration of the crystallinity of the active layer is suppressed, and a high output operation can be realized with a low level, a low threshold, and a high value.
  • a surface emitting laser diode includes a GaAs substrate, at least one quantum well active layer and a barrier layer formed on the GaAs substrate and generating laser light. And an upper reflector and a lower reflector provided on the GaAs substrate and above and below the resonator region, wherein the upper reflector and / or the lower reflector are provided.
  • the mirror includes a semiconductor distributed Bragg reflector, and at least a part of the semiconductor distributed Bragg reflector comprises a semiconductor layer containing Al, Ga, As as a main component, and the active layer and Al, Ga, As as main components.
  • the semiconductor layer containing Al, Ga, and As as a main component and the semiconductor layer containing Al, In, and P as a main component (Al Ga) In P (0 ⁇ a ⁇ 1, 0 ⁇ b ⁇ 1) layer, and the (AlGa) InP (0 ⁇ a ⁇ l, 0 ⁇ b ⁇ l) layer is composed of AllnP and GalnP Characterized in that it is a surface emitting laser diode which is a semiconductor layer made of a more becomes short period superlattice structure.
  • the thermal resistance of the ternary materials ⁇ and GalnP is smaller than that of the quaternary material AlGalnP. Adjustment Therefore, in this configuration example, in the surface emitting laser diode, at least two materials having a lower thermal resistance than the average composition are selected in place of the semiconductor layer, which was conventionally a uniform composition AlGal nP, and the super lattice structure is selected. Is formed, the thermal resistance is reduced.
  • the heat generated in the active layer can be efficiently dissipated, the temperature rise of the active layer due to current injection can be reduced, the current can be injected to a higher level than before, the output increases, and as a result A surface-emitting laser diode capable of output operation can be obtained.
  • a surface emitting laser diode includes a GaAs substrate, at least one quantum well active layer and a barrier layer formed on the GaAs substrate and generating laser light.
  • An upper reflector and / or a lower reflector provided above and below the resonator region on the GaAs substrate, wherein the upper reflector and / or the lower reflector are provided.
  • the reflector includes a semiconductor distributed Bragg reflector, and at least a portion of the semiconductor distributed Bragg reflector is a low-profile AlGaAs (0 ⁇ x ⁇ 1).
  • An upper refractive mirror comprising a refractive index layer and a high refractive index layer of Al Ga As (0 ⁇ y ⁇ x ⁇ l).
  • At least the low refractive index layer closest to the active layer has a lower refractive index than (Al Ga) In P (0 ⁇ a ⁇ 1, 0 ⁇ b ⁇ 1).
  • the surface emitting laser diode is characterized in that the interface between the resonator region and the low refractive index layer closest to the active layer of the upper reflector and / or the lower reflector is located at the antinode of the electric field intensity distribution.
  • FIG. 16 shows a configuration of a surface emitting laser diode according to the fourth configuration example.
  • the interface 306 between the resonator region 304 including the active layer 307 and the upper reflecting mirror 305 is formed according to the conventional general configuration.
  • the force that is configured to match the antinode AN of the electric field intensity distribution In particular, in the configuration of FIG. ) In P (0 ⁇ a ⁇ 1, 0 ⁇ b ⁇ 1), the (AlGa) Ia1ab1ba1abnP (0 ⁇ a ⁇ l, 0 ⁇ b ⁇ l) layer A semiconductor layer containing Al, Ga, As as a main component
  • the interface 309 in the case of crystal growth of the partial reflecting mirror 305) matches the node N of the electric field intensity distribution.
  • reference numeral 310 denotes a lower reflector (part). In FIG. 16, only a part of the upper reflecting mirror 305 is shown.
  • the lower reflecting mirror 310 is, in order from the substrate side, a first lower reflecting mirror in which the low refractive index layer is made of AlAs, and the low refractive index layer is Al Ga As (0 xl ⁇ l)
  • the thermal resistance of AlAs increases sharply with a small amount of Ga.
  • the low refractive index layer contains AlAs having low thermal resistance, the heat radiation of the heat generated in the active layer 307 is improved, and the temperature rise during driving is suppressed. In addition, a high-output surface emitting laser diode having excellent temperature characteristics can be obtained.
  • an AlGaAs low refractive index having a small A1 composition is placed between the first lower reflector using an AlAs low refractive index layer and the layer containing In.
  • the etching for forming the mesa stops between the selectively oxidized layer that becomes the A1 oxide film and the AlAs of the first lower reflector, and the etching is easily controlled. be able to.
  • a high-refractive-index layer made of Al Gya As (0 ⁇ y ⁇ x ⁇ l) and (Al Ga) In P (0 A ⁇ 1, 0 ⁇ b ⁇ 1)
  • An Al Ga As (0 ⁇ y x x ⁇ l) high refractive index layer can be easily formed on the layer in a wide range of conditions.
  • the semiconductor distributed Bragg reflector constituting the p-type reflector has an Al Ga As (0 x x ⁇ l) low refractive index layer and
  • C (carbon) is added as a p-type dopant to the Al Ga As (0 ⁇ y ⁇ x ⁇ l) high refractive index layer, and y i-y
  • the low refractive index layer 308 made of (AlGa) InP (0 ⁇ a ⁇ l, 0 ⁇ b ⁇ 1) has p a 1 -a b 1 -b
  • Mg manganesium
  • the (AlGa) InP (0 ⁇ a ⁇ 1, 0 ⁇ b ⁇ 1) low refractive index layer 308 is composed of AllnP and G a 1 -a b 1 -b
  • a semiconductor layer having a short-period superlattice structure made of alnP may be used.
  • the surface emitting laser diode according to a fifth configuration example of the twelfth embodiment of the present invention is the same as the surface emission laser diode according to the fourth configuration example, except that the active layer, the upper reflector, and / or the lower layer are formed.
  • a spacer layer is provided between the reflector and a part of the spacer layer, and a part of the spacer layer has a band gap smaller than that of the AlGalnP low refractive index layer (Al Ga,) In P (0 ⁇ a ' ⁇ l, 0 ⁇ b' ⁇ l) layers, and the quantum well active layer has a compressive strain of Ga.
  • the barrier layer is Ga In P As c 1-c d 1-d e 1- e f 1-
  • At least the low refractive index layer closest to the active layer 307 is an AlGalnP layer, and the barrier layer and the quantum well active layer are Uses GalnPAs-based materials.
  • the spacer layer can be used as a cladding layer for confining carriers, and the cladding layer and the quantum well active layer can be used compared to the case where the cladding layer for confining carriers is formed of AlGaAs. Can be further increased.
  • the spacer layer is a layer between the active layer and the reflector in the case of a normal configuration, and refers to a layer having a function as a cladding layer for confining carriers. .
  • a low refractive index layer of the DBR closest to the active layer may have a function in addition to the spacer layer.
  • the low refractive index layer can have a function as a cladding layer.
  • the band gap is formed in the spacer layer.
  • the spacer layer and the quantum layer can be reduced more than AlGaAs / AlGaAs-based 850 nm surface-emitting laser diodes as well as AlGaAs / ZAlGaAs-based 850 nm surface-emitting laser diodes. It can be seen that a large band gap difference can be secured between the well layer and the barrier layer and the quantum well layer.
  • the active layer 307 by forming the active layer 307 from a quantum well layer having a compressive strain composition, the band separation between the heavy hole and the light hole is increased as described in the previous embodiment. As a result, the gain is increased, the threshold value is reduced, the laser oscillation efficiency is improved, and the laser output is increased. It should be noted that this effect cannot be obtained with the AlGaAs / AlGaAs 850 nm surface emitting laser diode.
  • a high-efficiency, high-output surface-emitting laser having a threshold lower than that of an AlGaAs / AlGaAs-based 850-nm surface-emitting laser diode It can be seen that a diode is obtained.
  • the carrier confinement efficiency is improved, and the threshold value is also reduced due to the increase in gain due to the use of the strained quantum well active layer, whereby the reflectance of the DBR305 on the light extraction side can be reduced. It becomes. Thereby, the output of the surface emitting laser can be further increased.
  • the quantum well layer in the quantum well active layer 307 is defined as Ga in P As (0 ⁇ c ⁇ l, 0
  • the barrier layer in the quantum well active layer 307 is Ga In P As (0
  • the active layer 307 can be composed of a material not containing A1.
  • the incorporation of oxygen into the active layer 307 is reduced, the formation of non-radiative recombination centers is suppressed, and a long-life surface-emitting laser diode is manufactured. realizable.
  • the active layer is formed by using the AlGalnP material for a part of the spacer layer and using GalnP As for the barrier layer and the quantum well active layer. The layer gain is large, the threshold is reduced, and a high-power surface-emitting laser diode operating at a wavelength shorter than 850 nm, which is excellent in reliability, can be realized.
  • the same lattice as that of the GalnPAs-based material used as the barrier layer in the quantum well active layer of the surface emitting laser diode is used.
  • the band gap of GalnP is the largest.
  • a material having a smaller lattice constant can secure a larger band gap.
  • a large band discontinuity can be realized between the barrier layer and the quantum well active layer, and the gain of the surface emitting laser diode can be increased. it can. This allows the surface emitting laser diode to operate at a high output with a low threshold.
  • the band gap of the Ga In P tensile strained layer is 202 eV
  • the band gap of the In P lattice matching layer is 1.87 eV, and the Ga In P
  • the band gap is 150meV larger.
  • the fifth configuration example has been described based on the fourth configuration example in which the AlGalnP layer is used as the low refractive index layer closest to the active layer, the first to third configuration examples are described.
  • a part of the spacer layer provided between the active layer and the reflecting mirror is composed of an AlGalnP layer, and the quantum well active layer is formed of Ga In P As (0 ⁇ c ⁇ 1
  • the barrier layer is formed of Ga in P As (0 ⁇ e ⁇ 1
  • a spacer layer is provided between the active layer and the upper reflecting mirror and / or the lower reflecting mirror in the surface emitting laser diode.
  • the quantum well active layer is formed of Ga in P As (0 ⁇ c ⁇ 1, 0 ⁇ d ⁇ 1) having accumulated compressive strain
  • the barrier layer is formed of Ga In P As c 1 -cd 1 -de 1 -ef 1 (0 ⁇ e ⁇ l, 0 ⁇ f ⁇ l).
  • a spacer layer having a composition of (Al Ga) In P (0 ⁇ a, ⁇ l, 0 ⁇ b, ⁇ l) is used.
  • the improvement of the carrier confinement efficiency and the reduction of the threshold realized by the gain increase by using the strained quantum well active layer enable the reflection coefficient of the DBR 305 on the light extraction side to be reduced.
  • the light output can be increased.
  • Ga in P As (0 ⁇ c ⁇ 1, 0 ⁇ d ⁇ 1) was used as the quantum well active layer, and Ga In was used as the barrier layer.
  • the active layer 307 is made of a material that does not contain Al.
  • the surface emitting laser diode according to the sixth configuration example of the twelfth aspect of the present invention is the surface emitting laser diode of the fifth configuration example, wherein the oscillation wavelength is longer than about 680 nm. It is characterized by.
  • the band gap difference between the active layer and the active layer is determined by using (Al Ga) In P (0 ⁇ a ⁇ l, 0 ⁇ b ⁇ ) used in the surface emitting laser diode in this embodiment.
  • the band gap is the largest in the typical composition range of the spacer layer, (Al Ga) In
  • the band gap difference with the active layer is about 200 meV, which is almost the same as that of a 780 nm surface emitting laser diode using an AlGaAsZAlGaAs-based active layer.
  • a surface emitting laser diode according to a seventh configuration example of the twelfth aspect of the present invention is the same as the surface emitting laser diode according to any one of the first to sixth configuration examples, except that the plane orientation of the substrate to be grown is the same. It is characterized in that it is configured as a (100) plane inclined at 5 ° in the direction of the (111) A plane within a range of 20 °.
  • the substrate plane orientation affects the crystal growth.
  • the substrate plane orientation is (111) A
  • the substrate plane orientation is (100) GaAs substrate inclined at an angle (inclination angle) in the range of 5 ° to 20 ° in the plane direction as the substrate 41. This is because when the plane orientation of the substrate is close to (100), the band gap decreases due to the formation of a natural superlattice, the surface shape deteriorates due to the generation of hillocks (hill-shaped defects), and non-radiative recombination centers occur. This is because there is a possibility that device characteristics such as a semiconductor laser formed on the substrate may be adversely affected.
  • the band gap has a tilt angle of 10 ° 15. , And then gradually approach the normal band gap (band gap value of the mixed crystal), and hillocks gradually disappear.
  • the growth of these materials requires the plane orientation to be in the range of 5 ° to 20 ° in the (111) A plane direction. It is preferable to use a (100) GaAs substrate inclined at an angle (more preferably, an angle in the range of 7 ° to 15 °).
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-60739 discloses that the plane orientation of the substrate is from 15 to 40 from (100) in the direction of the (ll) A plane or (lll) B plane.
  • Polarization control technology that increases the optical gain in the tilt direction by using a tilted substrate, utilizing optical gain anisotropy, and employing a multiple quantum well active layer composed of InAlGaAs and InGaAsP with compressive strain. Is described.
  • 2001-168461 discloses a configuration in which the mesa shape is circular, elliptical, or oblong, and the direction of the long axis is set from (100) to the (lll) A plane direction or (lll) B plane direction.
  • the substrate plane orientation is 2 ° off (including 15 ° to + 5 °) from the (100) direction to the [110] direction, and is not a substrate inclined in the A-plane or B-plane direction.
  • the optical gain anisotropy generated by inclining the substrate plane in the (111) A plane direction is used for polarization control. I do.
  • this configuration example it is currently considered to be the most promising (311)
  • the use of a B substrate and the use of polarization control technology are not possible.
  • the substrate tilt angle is smaller than the (311) B substrate (25 °) (within a range of 5 ° and 20 °) (within a range of 5 ° and 20 °), the cost of the substrate can be reduced and cleavage can be easily performed. Despite the advantages, the obtained optical gain anisotropy must be reduced.
  • this reduction is compensated for by increasing the optical gain anisotropy by applying compressive strain to the quantum well active layer.
  • the outer peripheral shape of the active layer viewed from the light emitting direction is given a shape anisotropy such that the (lll) A plane direction becomes longer.
  • the outer shape of the active layer viewed from the light emission direction of the surface emitting laser diode The optical gain in the tilt direction ((111) A-plane direction) is further increased by providing anisotropy and having a long shape in the (111) A-plane direction, and improving the deflection controllability. Can be. (Thirteenth embodiment)
  • FIG. 17 is a principle sectional view showing a structural example of the surface emitting laser diode 400.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view showing, in an enlarged scale, the structure around the active layer of the surface-emitting laser diode 400, and
  • FIG. 19 is a plan view showing a part of the surface-emitting laser diode 400.
  • a surface emitting laser diode 400 uses an n_ (100) GaAs substrate 411 inclined at 15 ° in the (111) A-plane direction with a plane azimuth force. Sets the n-AlGaAs layer and the n-AlGaAs layer to have an oscillation wavelength of 1 in the medium.
  • Periodic structure 412 alternately stacked with, for example, 35 periods with a thickness of / 4 times, and n- (AlGa) InP low refractive index layer (cladding layer) formed on top of it with a quarter wavelength thickness 413,
  • n-AlGaAs constituting one unit of the repetition period in the periodic structure 412
  • the Al composition gradually changes from one value to the other between the n-AlGaAs layer and the 1-layer
  • a composition gradient layer (not shown) having a thickness of 20 nm is inserted, and the thickness of one unit of the repetition period is 1/4 times the oscillation wavelength in the medium including the composition gradient layer. Is set.
  • the periodic structure 412 is lattice-matched to the substrate 411 (A1
  • a p-semiconductor distributed Bragg reflector (upper reflector) 422 composed of a periodic structure 421 laminated with 24.5 periods is formed (details are omitted in FIG. 1).
  • a composition gradient layer similar to that of the lower reflecting mirror 414 is inserted between the high refractive index layer and the low refractive index layer.
  • a ⁇ -GaAs contact layer 423 for forming an ohmic contact with an electrode is formed on the uppermost part of the upper reflector 422.
  • a resonator region 424 having a thickness of one oscillation wavelength is formed between the lower reflecting mirror 414 and the upper reflecting mirror 422.
  • the resonator area 424, the lower reflector 414, and the upper reflector 422 form a resonator structure of the surface emitting laser 400.
  • an AlGalnP cladding layer (spacer layer) is provided at the top of the resonator region.
  • the interface between the resonator region and the upper reflector made of an AlGaAs-based material is formed at the antinode where the effect of light absorption is large.
  • the interface 426 is made to coincide with the node of the electric field intensity distribution, the influence of light absorption at the interface 426 is greatly reduced, and the separation of In at this portion is reduced. Even if it occurs to some extent, it is possible to effectively suppress an increase in the threshold value.
  • the p_ (AlGa) InP low refractive index layer 420 and the p_AlGaAs (x 0.
  • the Al composition is smaller than or not contained in the low refractive index layer. Reducing the In separation by providing a thin (Al) GalnP further effectively suppresses the increase in threshold voltage.
  • the low refractive index layer closest to the active layer 18 of the lower reflector 414 is also an (AlGa) InP layer.
  • AlGaAs-based materials can be used if only the problem of In separation can be improved.
  • the semiconductor multilayer structure forming the surface emitting laser diode 400 is formed by MOCVD.
  • TMG trimethylgallium
  • TMA trimethylaluminum
  • TMI trimethylindium
  • PH phosphine
  • AsH AsH
  • H Se hydrogen selenide
  • the MOCVD method is suitable as a crystal growth method for a surface emitting laser diode including a DBR, which can easily form a composition such as a composition gradient layer by controlling the supply amount of a source gas.
  • mass productivity is excellent.
  • a part of the low refractive index layer near the active layer 418 in the p-side DBR is an AlAs layer.
  • the mesa structure 426 having a predetermined size is formed such that at least the side wall surface of the p-AlAs selectively oxidized layer 427 is exposed by further mesa etching the laminated structure thus formed. Then, the exposed AlAs layer is oxidized from the side wall surface in water vapor to form an A1O current confinement layer 428.
  • the periphery of the mesa structure 426 is buried with a polyimide film 432 and flattened, and the polyimide film 432 is removed from a portion of the contact layer 423 corresponding to the light exit window 429. Further, a p-side electrode 430 is formed on the p-type contact layer 423 while avoiding the light emitting portion 29, and an n-side electrode 431 is formed on the back surface of the substrate 411.
  • the current is confined by selective oxidation of the selectively oxidized layer 427 mainly composed of A1 and As, so that the threshold current is greatly reduced.
  • the current confinement layer 428 can be formed close to the active layer 418. In other words, diffusion of the injected current can be suppressed, and the carrier can be efficiently confined to a small region that does not come into contact with the atmosphere.
  • the oxidized portion 428 changes to an A1 oxide film, whereby the refractive index is reduced. Due to the effect of the convex lens, light is efficiently confined in the small region in which the carriers are confined. It is possible to achieve extremely high efficiency. This also reduces the threshold current. Further, such a current confinement structure can be easily formed, and the manufacturing cost of the laser diode can be greatly reduced.
  • the mesa shape as viewed from the light emitting direction of the surface emitting laser diode is anisotropic so as to have a long elliptical shape long in the (ll) A plane direction as shown in FIG. To form.
  • the anisotropic shape is not limited to the elliptical shape, but may be another shape such as a rectangle.
  • the current injection region defined by the A1 oxide film 428 also has a shape elongated in the (111) A plane direction.
  • an AlGalnP-based material is used for the low refractive index layer 425 and the spacer layer 419 of the reflector 422 closest to the active layer 418.
  • GalnPAs is used for the 417 and the quantum well active layer 416.
  • the band gap decreases due to the formation of a natural superlattice, and the hillock (hill) It is possible to reduce the deterioration of the surface shape due to the occurrence of shape defects) or the influence of the non-radiative recombination center due to such deterioration of the surface shape.
  • the wide gap material (AlGa) In is used as the clad layer (low refractive index layer in the reflector 422 closest to the active layer 418) 420 for confining carriers.
  • a band gap difference of 743 meV which is much larger than a band gap difference of 466 meV when the cladding layer 420 is formed of AlGaAs (in the case of an Al composition of 0.6) is obtained.
  • a larger band gap difference is ensured between the barrier layer 417 and the active layer 418 according to the above configuration, so that very good carrier confinement is realized.
  • the active layer 418 since the active layer 418 has a compressive strain, an increase in gain due to band separation of heavy holes and light holes can be obtained.
  • the AlGalnP low refractive index layer 420 and the AlGalnP spacer layer 419 may contain trace amounts of other constituent elements.
  • the active layer 418 and the barrier layer 417 also have a material strength not including A1 and have an A1 free active region (a quantum well active layer and a layer adjacent thereto).
  • the uptake of oxygen is reduced, the formation of a non-radiative recombination center can be suppressed, and a long-life laser diode can be realized.
  • the polarization is controlled using the optical gain anisotropy caused by the inclination of the substrate 411.
  • the substrate tilt angle is smaller (15 °) than in the case where a (311) B substrate (25 °), which is currently regarded as the most promising, is used. Therefore, the optical gain anisotropy must be reduced.
  • the outer peripheral shape of the quantum well active layer 416 is elongated in the (lll) A plane direction and is anisotropic when viewed from the light emitting direction.
  • a polarization control that is not inferior to that using a B substrate is realized by increasing the optical gain in the substrate tilt direction (the (111) A plane direction). ing.
  • the gain of the active layer 418 is large, the threshold is small, the reliability is excellent, and the polarization direction can be controlled in the 780 nm band.
  • a high output surface emitting laser diode can be realized.
  • the surface emitting laser diode 400 of the present embodiment is used for growing a semiconductor layer 425 containing Al, Ga, As as a main component on a semiconductor layer 420 containing Al, In, P as a main component. Even if separation occurs, It is designed to have a structure that does not easily raise the threshold value, and can easily manufacture laser diodes.
  • the surface emitting laser diode of the present embodiment is compared with the case of a 780 nm surface emitting laser diode having an AlGaAs / AlGaAs-based active layer, the AlGa-As (0 K) used in the AlGaAsZAlGaAs-based surface emitting laser diode is compared.
  • the band gap difference with the active layer is about 200 meV, which is almost the same as that of the 780 nm surface emitting laser diode using the AlGaAs / AlGaAs active layer.
  • a red surface emitting laser diode having a wavelength shorter than 680 nm, such as a 650 nm band can be manufactured. In this case, the effect when the active layer is A1-free is not obtained, but it becomes possible to improve the problem of In separation described above.
  • the fourteenth embodiment relates to a configuration example that further embodies the third configuration example described above.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view showing an enlarged structure around the active layer of the surface emitting laser diode 500 of the present embodiment.
  • the present embodiment is basically the same as the configuration of the thirteenth embodiment in FIG. 18, except that the barrier layer 417 is replaced by a force S, More than In P
  • a barrier layer 417a is used.
  • the band gap of GalnP is the largest when compared with the same lattice constant.
  • a material having a smaller lattice constant can ensure a larger band gap. That is, by using a GalnP-based material having a small lattice constant as the barrier layer 417a, a large band discontinuity can be realized between the barrier layer and the quantum well active layer, and the gain of the surface emitting laser diode 500 can be reduced. Can be increased. As a result, the surface emitting laser diode can operate at high output with a low threshold value. For example, Ga In P tensile strained layer 417a band
  • the gap is 2.02 eV, and the band gap of Ga In P lattice matching layer 417 is 1.87 eV.
  • the band gap of the Ga In P tensile strained layer 417a is larger by 150meV.
  • the effect of increasing the band discontinuity by using the tensile strain composition layer as the barrier layer is due to the lattice matching composition and the tensile strain composition that are not only available when the quantum well active layer has the compressive strain composition. Note that you can still get
  • the surface emitting laser diode according to the fifteenth embodiment of the present invention has the same configuration as the surface emitting laser diode 400 according to the thirteenth embodiment described above with reference to FIG. , P-Al
  • Mg is used as the dopant for the P low refractive index layer.
  • Mg is considered to be able to improve the above-mentioned problem in that the diffusion coefficient is smaller than that of Zn.
  • the diffusion coefficient of C is smaller than that of Mg. It is also known that adding Mg to an As-based material deteriorates controllability due to the memory effect.
  • Mg is added to the AlGalnP layer, and C is added to the AlGaAs multilayer film.
  • the effect of using the dopant of the AlGalnP film as Mg and the dopant of the AlGaAs film as C is not limited to the case where the AlGalnP film is used as the low refractive index layer of the reflector as shown in FIG. This is obtained even when the AlGalnP film is provided in the resonator region sandwiched between the upper and lower reflectors.
  • the surface emitting laser diode in the visible region such as the 650 nm band
  • the surface emitting laser diode in which the cavity region is formed of AlGalnP-based material and the reflecting mirror is formed of A1 GaAs-based material as in the present embodiment A similar effect can be obtained.
  • ⁇ _ ⁇ 1 constituting the uppermost low refractive index layer of the n-type lower reflecting mirror
  • n— (AlGa) InP cladding layer 512 is formed on the GaAs layer 511,
  • the active layer is formed by alternately stacking the GalnPAs quantum well active layers 514 and the GaO.5InO.5P barrier layers 515 that have accumulated therein only the active layer, and the (AlGa) InP A p- (AlGa) InP cladding layer 517 was formed via a spacer layer 516, and
  • the P-A1 which constitutes the lowermost low refractive index layer of the p-type upper reflecting mirror 518
  • a Ga As layer 518 is formed.
  • n-AlGaAs layer 511 and the p-AlGaAs layer 518 form a laser beam in a medium.
  • the semiconductor layers 512 to 517 form a resonator 519 for one wavelength between the upper and lower reflecting mirrors 511 and 518. . (Sixteenth embodiment)
  • the surface emitting laser according to the sixteenth embodiment of the present invention has a force similar to that of the surface emitting laser diode 400 of FIG.
  • the thermal resistance of the semiconductor layer increases as the number of elements included in the semiconductor material increases.
  • AlGalnP which is a quaternary material, has a large thermal resistance.
  • the heat generated in such an active layer is not easily dissipated, but is accumulated in the active layer, causing an increase in the temperature of the active layer.
  • the thermal resistance of ternary materials ⁇ and GalnP is smaller than that of quaternary material AlGalnP. Because of the matching, in this configuration example, in the surface emitting laser diode, at least two materials whose thermal resistance is smaller than the average composition are selected instead of the semiconductor layer, which was conventionally a uniform composition AlGal nP, and the superlattice is used. Forming the structure reduces thermal resistance. As a result, the heat generated in the active layer can be efficiently dissipated, and the temperature rise of the active layer due to current injection can be reduced. The current can be reduced, the current can be injected to a higher level than before, the output increases, and as a result, a surface emitting laser diode that can operate at a high output can be obtained.
  • the effect of reducing the thermal resistance when AlGalnP is formed in a short-period superlattice structure using AllnP and GalnP is not limited to the case where AlGalnP is used as the low refractive index layer of the reflecting mirror, as shown in FIG. It should be noted that this is obtained even when this is provided in the resonator region 519 sandwiched between the upper and lower reflecting mirrors 511 and 518 as shown in FIG. Similar effects can be obtained in a surface emitting laser diode in which the cavity region is formed of an AlGalnP-based material, such as a surface emitting laser diode in the visible region such as the 650 nm band.
  • the heat radiation from the active layer is mainly on the substrate side
  • the above configuration is preferably applied to at least the AlGaln P layer on the substrate side.
  • a surface emitting laser diode 600 according to a seventeenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. However, in FIG. 22, the same reference numerals are given to the parts described above, and description thereof will be omitted.
  • the surface emitting laser diode 600 according to the present embodiment is different from the surface emitting laser diode 500 according to the fourteenth embodiment in the following two points.
  • the lower reflecting mirror 414 is composed of a first lower reflecting mirror 412A in which the n-AlAs low refractive index layer and the n-A1 Ga As high refractive index layer are stacked 31 times in order from the substrate side 411. And n—Al
  • a second lower anti-reflection layer consisting of 9 layers of Ga As low refractive index layer and n-Al Ga As high refractive index layer
  • the lower reflector 414 includes AlAs having a low thermal resistance as a low refractive index layer, the heat dissipation of the heat generated in the active layer 416 is improved, and the temperature rise during driving is suppressed. As a result, a surface emitting laser diode having good temperature characteristics and high output can be obtained.
  • the AlAs layer exposed on the mesa side wall is oxidized in the subsequent step of oxidizing the AlAs selectively oxidized layer. Oxidation also proceeds simultaneously from the end face of the laser diode, and the active layer 416 is insulated, or the electrical resistance of the laser diode increases. This is the oxidation rate of AlGaAs In this case, the dependence on Al composition is extremely large, and the oxidation rate increases as the A1 composition increases. The oxidation rate is maximized with AlAs.
  • a second lower reflecting mirror 412B using A1 GaAs having a low oxidation rate is provided on the lower reflecting mirror 412A.
  • the second lower reflecting mirror 412B needs to be provided when the oxidation rate S of the low refractive index layer in the first lower reflecting mirror 412A is higher than that of the material to be selectively oxidized. come.
  • the selectively oxidized layer 427 is made of a material in which Ga is slightly added to AlAs, even if Ga is contained in the low refractive index layer of the first lower reflecting mirror 412A, the oxidation rate is reduced. May be faster than Even in this case, the second lower reflecting mirror 412B is required. If the low refractive index layer in the first lower reflecting mirror 412A has a composition (material) having a lower thermal resistance than the low refractive index layer in the second lower reflecting mirror 412B, efficient heat radiation is realized. .
  • the mesetsuting is performed so as to stop between the selectively oxidized layer 427 to be the A1 oxide film and the AlAs412A of the first lower reflecting mirror. Les ,.
  • a C1 gas is applied to a dry etching apparatus that holds a substrate to be processed.
  • RIBE reactive ion beam etching
  • the second point is that the n-side and p-side Al Ga As high refractive index layers and (Al Ga) In
  • a (AlGa) InP intermediate layer 60 having a thickness of 20 nm
  • the intermediate layer 601 having a small A1 composition by introducing the intermediate layer 601 having a small A1 composition, particularly, the p_AlGaAs high refractive index layer is formed on the p_ (AlGa) InP low refractive index layer.
  • the range of growth conditions under which flat growth can be achieved with good crystallinity is expanded, and a high refractive index layer can be easily formed.
  • the heterojunction of AlGaAs-based material and AlGalnP-based material if the Al composition of the AlGalnP-based material is large, the band discontinuity of the valence band increases, but an intermediate layer with a small A1 composition is introduced. As a result, such band discontinuity of the valence band can be reduced, and the electric resistance can be reduced.
  • the intermediate layer 601 may contain As.
  • a system 260, a laser printer 280 using a surface emitting laser array chip 281 and the like can be configured.

Abstract

　面発光レーザダイオードは、レーザ光を発生する少なくとも１層の量子井戸層および障壁層を含む活性層と前記活性層の近傍に設けられ少なくとも１種類の材料よりなるスペーサ層とよりなり半導体基板上に形成された共振器領域と、前記半導体基板上において前記共振器領域の上部および下部に設けられた上部反射鏡および下部反射鏡とより構成され、前記共振器領域、前記上部反射鏡および前記下部反射鏡は、前記半導体基板上においてメサ構造を形成し、前記上部反射鏡および下部反射鏡は、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構成し、前記半導体分布ブラッグ反射鏡の少なくとも一部は、ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ（０<ｘ≦１）よりなる屈折率が小なる層と、ＡｌｙＧａ１－ｙＡｓ（０≦ｙ<ｘ≦１）よりなる屈折率が大なる層とから構成され、前記下部反射鏡は、低屈折率層がＡｌＡｓよりなる第１下部反射鏡と、第１下部反射鏡の上に形成され、低屈折率層がＡｌＧａＡｓよりなる第２下部反射鏡とから構成され、前記共振器領域を構成するいずれかの層は、Ｉｎを含む。

Description

明 細 書
面発光レーザダイオードおよびその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、面発光レーザダイオードおよびその製造方法に関する。
背景技術
[0002] 面発光レーザダイオード（面発光レーザダイオード）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、端面発光レーザダイオードに比べて低コストで高 性能が得られることから、光インター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、画像形成装置の光源など、民生用途で用いられている。
特許文献 1 :特開 2002— 164621
特許文献 2：特開平 9 107153号公報
特許文献 3：特開 2001— 60739
特許文献 4：特開 2001— 168461
非特許文献 1 : IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 10, No. 12, pp. 1676 - 1678, 1998 (東工大）
非特許文献 2 : IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 12, No. 6, pp. 603 - 605, 2000 (Wisconsin Univ. )
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0003] このような用途の面発光レーザダイオードでは、活性層の利得が大きぐ低いしきい 値を有し、高出力であって、信頼性に優れ、偏光方向が制御されていることが求めら れる。
[0004] 特に、面発光レーザダイオードは、活性層体積が小さレ、ため、端面発光レーザダイ オードと比較して、光出力が小さぐ出力の増大が求められる場合が多い。この光出 力を増大させる方法の一つは、発光部の温度上昇を抑制する対策を行うことである。
[0005] まず、典型的な面発光レーザダイオードの素子構造を説明し、熱対策について述 ベる。 [0006] 図 1は一般的な面発光レーザダイオードの構成例を示す図である。なお、図 1は、 I nGaAs/GaAsを活性層にもち、 AlAs層を選択酸化して電流狭窄構造とした面発 光レーザダイオードの例となっている。
[0007] 図 1に示す一般的な面発光レーザダイオードは、次のように作製される。
[0008] すなわち、 MOCVD法や MBE法により、 η— GaAs単結晶基板 11上に、 n_AlGa AsZn—AlGaAs下部半導体多層膜反射鏡 (DBR:分布ブラッグ反射鏡） 12、下部 GaAsスぺーサ層 13、 AlGaAs/AlGaAs_MQW活性層 14、上部 AlGaAsスぺー サ層 15、 AlAs被選択酸化層 16、 p_AlGaAs/p_AlGaAs上部半導体多層膜反 射鏡 (DBR)を順次に積層して積層膜を形成する。
[0009] 次に、前記積層膜をドライエッチング法によりメサ形状に加工する。このとき、エッチ ング面は下部半導体 DBR12中に達するようにすることが一般的である。
[0010] 次に、前記ドライエッチングにより側面が露出した AlAs被選択酸化層 16を、水蒸 気中で熱処理し、周辺を酸化して Al Oの絶縁物層に変化させ、素子駆動電流の経 路を中心部の酸化されていない AlAs領域だけに制限する電流狭窄構造を形成する
[0011] 続いて、前記メサ構造の周辺を絶縁膜 18で埋め込み、所定の個所に p側電極 19, n側電極 20を形成して、図 1の面発光レーザダイオードを作製することができる。
[0012] ところで、このような面発光レーザダイオードでは、活性層 14からの放熱を良くする ためには、メサの高さを低くし基板への熱抵抗を小さくすることが望ましい。しかし、ド ライエッチング法によるメサ形成工程では、エッチング深さのバラツキが ± 10%以上 になることは稀ではなぐ試料内でのエッチング深さのバラツキを勘案すると、メサの 高さを必要な高さ以上に設定せざるをえない。
[0013] 特許文献 1には、さらに熱抵抗を小さくする構成が示されている。
[0014] 特許文献 1に示されている構成では、下部半導体 DBR中の下側の大部分の DBR の低屈折率層に、 AlGaAsよりも熱伝導性が格段によい AlAsを用いている。なお、 下部半導体 DBRの上側の低屈折率層では従来の AlGaAsを用いている。この理由 は、もしも、エッチング面が下側 AlAs— DBR中に達すると、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下側 AlAs _DBRの AlAs層の端 面からも同時に酸化が進み、素子中の活性部が絶縁されてしまう、あるいは素子抵 抗が増大する事態が生じるからである。このような事態が生じるのは、 AlGaAsの酸 化速度が A1組成に大きく依存し、 A1組成が大きいほど酸化速度が大きいため、そし て、 AlAsでは最も酸化速度が大きいためである。
[0015] これを防ぐため、特許文献 1では、酸化速度が小さい AlGaAsを用いた上側 AlGa As— DBRを設け、エッチング底面をこの上側 AlGaAs— DBR中に位置するように制 御し、下側 AlAs— DBRの AlAs端面の露出を回避している。このような上側 AlGaA s— DBRのペア数は、特許文献 1に示されてレ、るように全体の 4/7以下が好ましく、 特に 10ペア以内とするのが好ましい。
[0016] し力、し、エッチング時間の管理によりエッチング底面を、 10ペア程度の上側 AlGaA s _ DBR中に位置するように制御する場合は、歩留まりの低下が著しぐ上側 AlGaA s _DBR中のエッチング底面位置に大きなバラツキが生じる問題が生じる。
[0017] よって、歩留まり良くこれらの熱対策の効果を得るには、ドライエッチング法によるメ サ形成工程の制御が重要になる。このためには、エッチングモニタを行うのが好まし レ、。
[0018] ドライエッチングのモニタ法としては、プラズマ発光分光法と、被エッチング試料表 面に光を照射しその反射光の強度をモニタして膜の干渉強度の変化からエッチング 深さを検出する方法が知られている力 司見き窓の特別の配置が必要でなぐ方式が 確立していて、計測機器も市販されていることを勘案すると、プラズマ発光分光法を 用いることが望ましいと考えられる。
[0019] このプラズマ発光分析法を使ったモニタ方式の場合、 Gaの 417nmの発光強度か 、 Gaの 417nmの発光強度と A1の 396nmの発光強度との比の時間変化をモニタす ることにより、半導体膜組成に対応した発光強度変化が検出できる。面発光レーザダ ィオードの積層構造のように 2種の組成の層の繰り返しが大部分である試料の場合 は、この発光強度変化は振動波形となる。
[0020] しかし、特に GaAs活性層のレーザ発振波長（850nm程度）以下の短い発振波長 をもつ面発光レーザダイオードの半導体膜の場合は、 Ga組成や GaZAl組成比の 変化が小さぐまた波長に応じて DBRや共振器の膜厚が小さくなるため、プラズマ発 光分光法では前記の振動波形の振幅が小さくなりモニタが容易でなレ、。さらに、被ェ ツチング試料が大きい場合、試料内のエッチング速度分布の影響により、モニタが困 難となる問題が生じる。
[0021] ところで、 850nm帯， 980nm帯の面発光レーザダイオードでは、活性層への良好 なキャリア閉じ込めが得られることが知られている。
[0022] 例えば 850nm帯の面発光レーザダイオードでは、量子井戸活性層に GaAsが用 レ、られ、障壁層ゃスぺーサ層（クラッド層）に AlGaAsが用いられている。また、このよ うな 850nm帯の面発光レーザダイオードでは、高性能な AlGaAs系反射鏡（DBR) と、 A1酸化膜を利用した電流狭窄構造とを使うことができるので、実用レベルの性能 が実現されている。
[0023] また、このような面発光レーザダイオードの偏光制御についても、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、多数の提案がなされている。 中でも、非特許文献 1には、 (311) B基板、つまり（100)から（l l l) B面方向に 25° 傾斜した、いわゆるオフ基板を用いることで、傾斜した方向の光学的利得を増大させ 、このような光学利得異方性により偏光制御を実現できることが示されている。また、 ( 311) A基板も同様な効果があることが示されている。
[0024] し力しながら、この非特許文献 1の技術では、大きく傾斜した（311) B基板上への結 晶成長は、（100)基板上への結晶成長に比べて難しぐさらに、（311) A基板上へ の結晶成長は、より一層困難であるという欠点がある。
[0025] また、いずれの基板の場合も、基板が大きく傾斜しているので、基板の価格が 2倍 以上に増大すること、へき開が困難で、扱いにくいなどの欠点がある。
[0026] 一方、 850nmよりも短波長帯の面発光レーザダイオードは、量子井戸活性層に A1 を添カ卩し、そのバンドギャップを増大させることにより実現されている。
[0027] 例えば、量子井戸活性層に A1を組成比で 12%程度添加した、 780nm帯の面発光 レーザダイオードが提案されてレ、る。
[0028] し力、し、このような 850nmよりも短波長帯の面発光レーザダイオードでは、量子井 戸活性層と障壁層ゃスぺーサ層と間のバンド不連続が減少し、活性層中へのキヤリ ァ閉じ込め効率が低下してしまい、 850nm帯の面発光レーザダイオードに比べて、 良好な温度特性を得るのが困難である問題が生じる。また、活性層に活性な A1が添 加されているので、成長中や加工中等に活性層中に酸素が取り込まれやすぐ非発 光再結合センタが形成され、発光効率や信頼性の低下を招きやすい問題が生じる。
[0029] 特許文献 2には、 850nmよりも短波長帯の面発光レーザダイオードで非発光再結 合センタの形成を抑える目的で、 A1フリー活性領域 (量子井戸活性層、及びそれに 隣接する層）を使った面発光レーザダイオード（780nm帯）が提案されてレ、る。
[0030] この従来技術の面発光レーザダイオードでは、量子井戸活性層に引っ張り歪を有 する GaAsPが用いられ、また、障壁層に圧縮歪を有する GalnPが用いられ、また、ス ぺーサ層（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 GalnP が用いられ、また、クラッド層に AlGalnPが用いられている。上記特許文献 2の技術 によれば、活性領域が A1フリーなので、面発光レーザダイオードの信頼性が改善さ れる。
[0031] 更に、非特許文献 2には、活性領域が A1フリーであること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 GalnPAsを使 レ、、障壁層に格子整合または引っ張り歪を有する GalnPを使レ、、スぺーサ層（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 AlGalnPを使い、クラッ ド層に AlGalnP (スぺーサ層より A1組成大）を使う、 780nm帯の面発光レーザダイォ ードが提案されている。
[0032] 上記非特許文献 2の面発光レーザダイオードは、前述した特許文献 2の構造に比 ベて、障壁層が格子整合組成を有し、圧縮歪組成よりも大きなバンドギャップを有す るため、キャリア閉じ込め効率が向上している。
[0033] また偏光制御について、特許文献 3には、基板の面方位が（100)から（111) A面 方向または（l l l) 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 より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増大 させ、偏光制御を行う技術が示されている。
[0034] また、特許文献 4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、基板として（100)から [110]方向に 2° オフした（— 5° 〜 + 5° 含む）面方位 を有するものを使う。これは A面， B面方向へ傾斜した基板ではないことに注意すベ きである。
[0035] し力、しながら、従来では、活性層の利得が大きく低いしきい値を有し、高出力であつ 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レーザダ ィオードは実現されてレ、なレ、。
[0036] すなわち、特許文献 2では、活性領域が A1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レ、。また、特許文献 3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 4では、偏光方向を制御できる力 850nmよりも波長の短 い面発光レーザダイオードにおいて、高利得，長寿命化について、何ら考慮されて いない。
[0037] さらに、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) GalnP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のキャリーォー バーなど、 Inの分離（segregation)が生じ、しきい値電流の大幅増加が生じてしまう不 都合が生じるのが知られてレ、る。
[0038] さらに、 4元混晶である AlGalnPは熱抵抗が大きぐまた (Al) GalnP系材料では、 p型ドーパントとして使われる Zn (亜鉛）が拡散し易い問題が生じる。
[0039] このように、従来では、活性層の利得が大きぐ低いしきい値を有し、高出力であつ 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レーザダ ィオードは実現されてレ、なレ、。
[0040] そこで本発明は、半導体分布ブラッグ反射鏡 (DBR)中の Ga組成や Ga/Al比の 変化が小さぐかつ放熱性を向上させた面発光レーザダイオードにおいて、レーザ積 層構造をエッチングしてメサ構造を形成する際に、エッチングの制御性を向上させる ことができる構成を提供すること、および、かかる構成により、高出力動作が可能な面 発光レーザダイオードを提供することを課題とする。 [0041] これに加え、本発明は特に 850nmよりも波長の短い面発光レーザダイオードにお いて、信頼性に優れた面発光レーザダイオード、および活性層の利得が大きぐ低い しきい値を有する高出力面発光レーザダイオードを提供することを課題とする。
[0042] また本発明は、特に 850nmよりも波長の短い面発光レーザダイオードにおいて、 信頼性に優れ、活性層の利得が大きぐ低いしきい値を有し，高出力であり、さらに、 偏光方向が制御された面発光レーザダイオードを提供することを課題とする。
[0043] 更に本発明は、上記面発光レーザダイオードが集積された面発光レーザダイォー ドレイおよび画像形成装置および光ピックアップシステム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。
課題を解決するための手段
[0044] 本発明は第 1の側面において、
半導体基板と、
レーザ光を発生する少なくとも 1層の量子井戸活性層および障壁層を含む活性層 構造部と、前記活性層構造部の近傍に設けられ、少なくとも 1種類の材料よりなるス ぺーサ層とよりなり、前記半導体基板上に形成された共振器領域と、
前記半導体基板上において前記共振器領域の上部および下部に設けられた上部 反射鏡および下部反射鏡と、
よりなる面発光レーザダイオードであって、
前記共振器領域、前記上部反射鏡および前記下部反射鏡は、前記半導体基板上 におレ、てメサ構造を形成し、
前記上部反射鏡および下部反射鏡は、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構成し、
前記半導体分布ブラッグ反射鏡の少なくとも一部は、 Al Ga As (0<x≤ 1)よりな る屈折率が小なる層と、 Al Ga As (0≤y<x≤l)よりなる屈折率が大なる層とから
y y
構成され、
前記下部反射鏡は、低屈折率層が AlAsよりなる第 1下部反射鏡と、第 1下部反射 鏡の上に形成され、低屈折率層が AlGaAsよりなる第 2下部反射鏡とから構成され、 前記共振器領域を構成するいずれかの層は、 Inを含んでいる面発光レーザダイォ ードを提供する。
[0045] 本発明は、第 2の側面において、
(111) A面方向に 5° 乃至 20° の範囲内の角度で傾斜した面方位を有する（100 ) GaAs基板と、
レーザ光を発生する少なくとも 1層の量子井戸層活性と障壁層とよりなる活性層構 造部と、前記活性層構造部の近傍に設けられ、少なくとも 1種類の材料よりなるスぺ ーサ層とを含み、前記 GaAs基板上に形成される共振器領域と、
前記共振器領域の上部および下部に設けられた上部反射鏡および下部反射鏡と よりなり、
前記共振器領域と、前記上部および下部反射鏡とは、前記 GaAs基板上において メサ構造を形成し、
前記上部反射鏡および下部反射鏡は、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よりなり、
前記半導体分布ブラッグ反射鏡の少なくとも一部は、 Al Ga As (0く x≤ 1)よりな る屈折率が小なる層と、 Al Ga As (0≤y<x≤l)よりなる屈折率が大なる層とより構
y i -y
成され、
前記スぺーサ層の一部は（Al Ga ) In P (0く a≤ 1、 0≤b≤ 1)よりなり、
a 1 -a b 1 -b
前記量子井戸活性層は Ga In P As (0≤c≤ 1、 0≤d≤ 1)よりなり、
c 1 -c d 1 -d
前記障壁層は Ga In P As (0≤e≤l , O ^f ^ l)よりなり、
e 1 -e f 1 -f
前記量子井戸活性層は圧縮歪を有しており、
前記活性層構造部は、光出射方向から見て（111) A面方向に長い形状異方性を 有する面発光レーザダイオードを提供する。
[0046] 本発明は第 3の側面において、
半導体基板上に、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 含む活性層構造部、および前記活性層構造部の近傍に設けられ少なくとも 1種類の 材料よりなるスぺーサ層よりなる共振器領域と、前記共振器領域の上部および下部 に設けられた上部反射鏡および下部反射鏡とを備えた面発光レーザダイオードの製 造方法であって、 前記半導体基板上に、前記下部反射鏡、前記共振器領域および前記上部反射鏡 を含む積層構造を形成する工程と、
前記積層膜をドライエッチングによりパターニングしてメサ構造を形成する工程を含 み、
前記積層構造を形成する工程は、前記共振器領域を構成するいずれかの層に In を含ませる工程を含み、
前記ドライエッチングによりメサ構造を形成する工程は、 Inの発光をモニタすること により前記メサ構造の高さを制御する工程を含む、面発光レーザダイオードの製造方 法を提供する。
[0047] 本発明は第 4の側面において、
GaAs基板と、
前記 GaAs基板上に形成され、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、
前記 GaAs基板上、前記共振器領域の上部及び下部にそれぞれ設けられた上部 反射鏡及び下部反射鏡と、を含み、
前記上部反射鏡および/または下部反射鏡は半導体分布ブラッグ反射鏡を含み、 前記半導体分布ブラッグ反射鏡の少なくとも一部は、 Al， Gaおよび Asを主成分と して含む半導体層よりなり、
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に、前記 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設 け、
前記 Al, Ga, Asを主成分として含む半導体層と前記 Al, In, Pを主成分として含む 半導体層との界面が、電界強度分布の節の位置に一致して形成された面発光レー ザダイオードを提供する。
[0048] 本発明は第 5の側面において、
GaAs基板と、
前記 GaAs基板上に形成され、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、 前記 GaAs基板上、前記共振器領域のそれぞれ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、を含み、
前記上部反射鏡および/または下部反射鏡は半導体分布ブラッグ反射鏡を含み、 前記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 む半導体層よりなり、
前記活性層と前記 Al, Ga, Asを主成分として含む半導体層との間に、前記 Al， G a, 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 Ga
a 1
) In P (0<a≤l、 0≤b≤l)層を設け、
-a b 1- b
前記（Al Ga ) In P (0<a≤ 1、 0≤b≤ 1)層には、 p型ドーパントとして Mg (マグ a 1- a b 1-b
ネシゥム）が添加され、
前記 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） が添加されている面発光レーザダイオードを提供する。
[0049] また本発明は第 6の側面において、
GaAs基板と、
前記 GaAs基板上に形成され、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、
前記 GaAs基板上、前記共振器領域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、を含み、
前記上部反射鏡および/または下部反射鏡は半導体分布ブラッグ反射鏡を含み、 前記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 む半導体層よりなり、
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に、 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 Ga ) In
a 1 - a b 1-b
P (0<a≤l、 0≤b≤l)層を設け、
(Al Ga ) In P (0<a≤ 1、 0≤b≤ 1)層は、 AllnPと GalnPとよりなる短周期超格 a 1- a b 1-b
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レーザダイオードを 提供する。
[0050] 本発明は第 7の側面において、 GaAs基板と、
前記 GaAs基板上に形成され、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む共振器領域と、
前記 GaAs基板上、前記共振器領域のそれぞれ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、を含み、
前記上部反射鏡および Zまたは下部反射鏡は半導体分布ブラッグ反射鏡を含み、 前記半導体分布ブラッグ反射鏡の少なくとも一部は、 Al Ga As (0<x≤ 1)による
x 1- x
低屈折率層と Al Ga As (0≤y<x≤l)による高屈折率層とよりなり、
y l-y
前記上部反射鏡および Z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 Ga ) In P (0く a≤l、 0≤b a 1-a b 1-b
≤1)よりなり、
前記共振器領域と前記上部反射鏡および Z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に、電界強度分布の腹が一致する面発光レーザダイオードを 提供する。
発明の効果
[0051] 本発明の前記第 1の側面によれば、共振器領域を構成するいずれかの層が Inを含 んでいるため、前記共振器および上部、下部の半導体 DRRよりなるレーザ積層構造 のメサエッチングの際に、前記 In含有層の露出を検出することでメサエッチングの精 度と再現性が向上し、下部半導体 DBRが放熱性に優れる AlAs/ (Al) GaAs _ DB Rを含む場合であっても、共振器の近傍まで AlAs/ (Al) GaAs— DBRを設けた構 成を実現することができる。かかる構成により、レーザ駆動時の温度上昇が抑制され 、温度特性が良好な高出力面発光レーザダイオードが提供される。また同時に、均 一性に優れたレーザ特性をもち、加工再現性が良く歩留が良い面発光レーザダイォ ードを提供できる。
[0052] 特に、共振器領域を構成する層のうち、活性層構造部よりも格段に厚い上部あるい は下部のスぺーサ層に Inを含ませた場合、メサ構造をより再現性良ぐまたより高い 精度に形成でき、これにより、より温度特性が良好で高出力、さらにより均一性の優れ たレーザ特性を有する面発光レーザダイオードを、高い加工再現性と高い歩留で形 成することが可能になる。
[0053] また、前記本発明の第 1の側面による面発光レーザダイオードにおいて、前記第 2 下部反射鏡を構成する半導体 DBRを前記 10ペア以下の厚さに形成することにより、 前記半導体 DBRの厚さが、メサエッチングの精度よりも大きぐ且つ、最小限に設定 される。これにより、駆動時の温度上昇がさらに抑制され、温度特性が良好で高出力 な面発光レーザダイオードが得られる。
[0054] さらに、前記本発明の第 1の側面による面発光レーザダイオードにおいて、前記ス ぺーサ層の一部を (Al Ga ) In P (0く a≤ 1、 0≤b≤ 1)より構成し、前記量子井
a 1 a b 1 -b
戸活性層を Ga in P As (0≤c≤ 1、 0≤d≤ 1)より構成し、前記障壁層を Ga In
c 1 c d 1 -d e
P As (0≤e≤l, 0≤f≤l)より構成し、スぺーサ層の一部に AlGalnP材料、 l -e f 1 -f
すなわち（Al Ga ) In P (0く a≤l、 0≤b≤ 1)を用いることで、スぺーサ層を A1G
a 1 a b 1 -b
aAs系で形成した場合に比べて、スぺーサ層と量子井戸活性層との間のバンドギヤ ップ差を増大させることができ、キャリア閉じ込め効率が向上し、力かる構造に固有の 優れた放熱効果と合わせ、更に低いしきい値を有する高出力レーザを実現すること ができる。
[0055] また、本発明の前記第 1の側面による面発光レーザダイオードにおいて、前記障壁 層や量子井戸活性層には GalnPAs材料が用いられており、すなわち、前記量子井 戸活性層は Ga in P As (0≤c≤ 1、 0≤d≤ 1)よりなり、また前記障壁層は Ga
c 1 -c d 1 -d e
In P As (0≤e≤l、 0≤f≤l)よりなることに注意すべきである。すなわち、本発 l -e f 1 -f
明の第 1の特徴によれば、前記量子井戸活性層、及びそれに隣接する層よりなる活 性層構造部は A1を含まなレ、。このため、活性層構造部中への A1による酸素の取り込 み、およびこれに伴う非発光再結合センタの形成が抑制され、長寿命の面発光レー ザダイオードを実現できる。
[0056] また、前記第 1の側面による面発光レーザダイオードにおいて、前記量子井戸活性 層に圧縮歪が蓄積するように、前記量子井戸活性層を圧縮歪組成で形成することに より、キャリア閉じ込め効果に歪の効果が加わり、前記活性層構造部の光利得はさら に増大する。これに放熱効果の向上が合わさるため、しきい値は更に低下する。これ により、極めて高効率、かつ高出力の面発光レーザダイオードを実現することができ る。また、前記キャリア閉じ込め効率の向上と、前記歪量子井戸活性層の採用による 利得増大効果により得られるしきい値の低下に伴い、光取り出し側 DBR (上部半導 体 DBR)の反射率を低減することも可能となり、このような光取り出し側 DBRの反射 率低減の結果、更なる光出力の増大が可能となる。
[0057] また、前記第 1の側面による面発光レーザダイオードにおいて、前記半導体基板は 、面方位が（l l l) A面方向に 5° 乃至 20° の範囲内の角度に傾斜した（lOO) GaA s基板であるので (すなわち、基板の面方位を考慮し、面方位が（111) A面方向に 5 ° 乃至 20° の範囲内の角度に傾斜した（100) GaAs基板を用いることで）、 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など、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。
[0058] また、前記第 1の側面による面発光レーザダイオードでは、前記半導体基板として、 面方位が（111) A面方向に 5° 乃至 20° の範囲内の角度に傾斜した（100) GaAs 基板（すなわち、偏光制御について、面方位が（l l l)A面方向に 5° 乃至 20° の範 囲内の角度に傾斜した（100) GaAs基板）を使うので、現在、最有力視されている（3 11) B基板（25° 傾斜に相当）を用いた場合ほどの偏光制御効果を得ることはできず 、傾斜基板利用による光学利得異方性は小さくならざるを得ないが、本発明の前記 第 1の側面による面発光レーザダイオードでは、上記光学利得異方性の低下を、前 記量子井戸活性層に圧縮歪を与え、これにより光学利得異方性の増大を誘起するこ とで補償することができ、偏光方向を効果的に制御することが可能となる。すなわち 本発明によれば、放熱効率の向上と活性層構造部の利得向上の相乗効果により、 低いしきい値を有し，信頼性に優れ、さらに偏光方向が制御された、 850nmよりも短 い波長で発振する高出力面発光レーザダイオードを実現することができる。
[0059] 次に、本発明の第 2の側面によれば、スぺーサ層の一部に AlGalnP材料，すなわ ち（Al Ga ) In P (0<a≤ 1、 0≤b≤ 1)を用いることにより、スぺーサ層を AlGaA s系で形成した場合に比べて、スぺーサ層と量子井戸活性層との間に大きなバンドギ ヤップ差を確保することができ、キャリア閉じ込め効率が向上し、レーザ発振のしきレヽ 値を減少させるとともに、出力を増大させることが可能になる。 [0060] また、前記本発明の第 2の側面による面発光レーザダイオードでも、前記障壁層や 量子井戸活性層に GalnP As材料を用いることにより、前記量子井戸層及びそれに 隣接する層よりなる活性層構造部が A1を含まない構成となっており、その結果、活性 層構造中への A1による酸素の取り込みが低減され、非発光再結合センタの形成を抑 が抑制される。これにより、長寿命の面発光レーザダイオードが実現される。
[0061] また本発明では、前記量子井戸活性層を圧縮歪組成とすることで、前記圧縮歪の 効果によりレーザ発振のしきい値をさらに低減させ、レーザの効率を向上させ、大き な出力を取り出すことが可能になる。
[0062] 更に、本発明の前記第 2の側面による面発光レーザダイオードでも、活性層構造部 中へのキャリア閉じ込め効率の向上と歪量子井戸活性層の採用による利得の向上に より、レーザ発振のしきい値がさらに低減され、光取り出し側 DBRの反射率の低減が 可能となる。これにより、更に高い出力を得ることが可能になる。
[0063] さらに、本発明の前記第 2の側面による面発光レーザダイオードでは、基板の面方 位を考慮して、面方位が（l l l) A面方向に 5° 乃至 20° の範囲内の角度に傾斜し た（100) GaAs基板を用いることにより、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、さらに非発光再結合センタの発 生など、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。
[0064] 本発明の第 2の側面による面発光レーザダイオードでは、偏光制御について見ると 、先にも述べたように、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、本発明 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、及び、面発光レーザダイオード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、特に（111) A面方向に長レ、形状とすることによる基板傾斜方向（（11 1) A面方向）の光学的利得増大の効果により補償している。これにより、本発明では 偏光方向の制御を、極めて容易に行うことができる。
[0065] このように、本発明の第 2の側面による面発光レーザダイオードによれば、活性層構 造部の光利得が大きぐレーザ発振のしきい値が小さぐ信頼性に優れ、制御された 偏光面を有し、かつ 850nmよりも波長の短い波長で発振する高出力面発光レーザ ダイオードを実現することが可能となる。
[0066] 特に、本発明第 2の側面による面発光レーザダイオードにおいて、障壁層に引っ張 り歪を蓄積することにより、量子井戸活性層とのバンド不連続を更に増大でき、利得 を増大させることが可能となる。これによりレーザ発振のしきい値が低減し、面発光レ 一ザダイオードは高出力動作が可能となる。 GalnPAs系材料においては、障壁層を 構成する半導体材料は、格子定数を減少させることにより、バンドギャップを増大させ ること力 Sできる。
[0067] また、本発明の第 2の側面の面発光レーザダイオードによれば、発振波長がおよそ
680nmよりも長波長の面発光レーザダイオードを実現することができる。また、 AlGa InP系の材料を前記スぺーサ層に用いることで、組成波長が 680nmよりも長波長で あれば、前記量子井戸層および障壁層よりなる活性層を A1を含まない材料により形 成した場合であっても、 AlGaAs系の活性層による 780nm帯の面発光レーザダイォ ードの場合と同等以上のキャリア閉じ込めを実現することが可能となる。さらに、これ に歪量子井戸活性層の効果も加わることから、上記 AlGaAs系の活性層を有する 78 Onm帯の面発光レーザダイオードと同等以上の特性を実現することが可能となる。
[0068] さらに、本発明の第 3の側面によれば、半導体基板上に、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含む活性層構造部、および前記活性層構 造部の近傍に設けられ少なくとも 1種類の材料よりなるスぺーサ層とよりなる共振器領 域と、前記共振器領域の上部および下部に設けられた上部反射鏡および下部反射 鏡とを備えた面発光レーザダイオードの製造方法において、前記半導体基板上に、 前記下部反射鏡、前記共振器領域および前記上部反射鏡を含む積層構造を形成し 、前記積層膜をドライエッチングによりパターユングしてメサ構造を形成する際に、前 記共振器領域を構成するいずれかの層に Inを含ませ、前記ドライエッチングによりメ サ構造を形成する際に、 Inの発光をモニタして前記メサ構造の高さを制御することに より、前記ドライエッチング工程において前記共振器部を確実に検出でき、これにより 、再現性良ぐまた精度良ぐメサ構造を形成することができる。本発明によれば、こ のような面発光レーザダイオードを、再現性良ぐまた歩留まり良く製造することが可 肯 になる。 [0069] 本発明の第 4あるいは第 7の側面によれば、面発光レーザダイオードにおいて、 A1 , In, Pを主成分として含む半導体層と Al, Ga, Asを主成分として含む半導体層との 界面を電界強度分布の節の位置とすることにより、 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際に、 Inの 分離がある程度生じても、前記界面における光学的吸収の影響を大幅に低減でき、 I n分離によるしきい値増加への悪影響を効果的に抑制することができる。
[0070] また、本発明の第 5あるいは第 7の側面によれば、面発光レーザダイオードにおい て、 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 (マグネシゥ ム）を添カ卩し、 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）を添加することにより、ドーパントの拡散やメモリー効果を低減でき、制御性良く ドーピングを行うことが可能となり、設計に近いドーピングプロファイルが得られる、ま た、活性層の結晶性の低下が抑制され、低いしきい値で，高出力動作する面発光レ 一ザダイオードを容易に実現できる。
[0071] また、本発明の第 6、第 7の側面による面発光レーザダイオードにおいて、 AlGaln P混晶を、熱抵抗の小さい AllnPと GalnPとで擬似的に構成することにより、放熱が 改善され、高出力動作を容易に実現できる。
[0072] また、本発明の第 6、第 7の側面によれば、面発光レーザダイオードにおいて、（A1 a
Ga ) In P (0く a≤l、 0≤b≤ 1)スぺーサ層を用いることで、スぺーサ層を AlGa l -a b 1 -b
As系で形成した場合に比べ、スぺーサ層と量子井戸活性層との間のバンドギャップ 差を増大でき、レーザ発振のしきい値が低減され、またレーザ発振の効率が向上し、 大出力動作を実現できる。また、量子井戸活性層として Ga In P As (0≤c≤l c 1 -c d 1 -d
、 0≤d≤l)を使い、障壁層として Ga In P As (0≤e≤l、 0≤f≤l)を使うこと
e 1 -e f 1 -f
で、 Alを含んでいない材料で活性層が構成され、量子井戸活性層及びこれに隣接 する層よりなる活性領域が A1フリーとなり、酸素の取り込みが低減でき、非発光再結 合センタの形成が抑制され、長寿命の面発光レーザダイオードを実現することができ る。すなわち、活性層の利得が大きぐレーザ発振しきい値が低ぐ信頼性に優れ、 8 50nmより波長の短い高出力面発光レーザダイオードが実現される。
[0073] また、本発明の第 6および第 7の側面によれば、面発光レーザダイオードにおいて、 量子井戸活性層を圧縮歪組成とすることにより、歪の効果によりレーザ発振しきい値 を低減でき、レーザ発振効率を向上でき、さらには、キャリア閉じ込めの効率の向上と 歪量子井戸活性層を使う利得の増大効果により、レーザ発振しきい値はさらに低減 され、光取り出し側 DBRの反射率を低減することが可能となる。これにより、さらにレ 一ザ出力を増大させることができる。
[0074] また、本発明の第 6および第 7の側面によれば、面発光レーザダイオードにおいて、 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、設計自由度が増大する。更に、 GalnPAs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有するので、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、利得が増大し、低しきい値動 作，高出力動作が可能になる。
[0075] また、本発明の第 7の側面によれば、面発光レーザダイオードにおいて、下部反射 鏡が、低屈折率層に熱抵抗の小さい AlAsを含むように構成することにより、活性層 で発生する放熱特性が改善し、駆動時の温度上昇が抑制され、温度特性が良好で 高出力な面発光レーザダイオードが得られる。
[0076] また、本発明の第 7の側面によれば、面発光レーザダイオードにおいて、半導体分 布ブラッグ反射鏡の低屈折率層と高屈折率層の間に A1組成の小さい中間層を挿入 することにより、 AlGalnP系材料と AlGaAs系材料との接合が容易となる。すなわち（ Al Ga ) In P (0<a≤ 1、 0≤b≤ 1)低屈折率層上に Al Ga As (0≤y<x≤l) a 1— a b 1— b y l-y
高屈折率層を積層する場合、界面での A1組成を減少させることにより、高屈折率層 の成長が広い条件範囲可能になる。更に、力かる構成により価電子帯のバンド不連 続を小さくでき、積層方向に流れる電流に対する抵抗を低減することができる。
[0077] また、本発明の第 6、第 7の側面によれば、面発光レーザダイオードにおいて、 A1G alnP系スぺ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、 A1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 780η m面発光レーザダイオード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。
[0078] また、本発明の第 4〜第 7の側明によれば、面発光レーザダイオードにおいて、基 板の面方位を考慮し、面方位が（111) A面方向に 5° 力も 20° の範囲内で傾斜した (100) GaAs基板を用いることにより、 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、また異方性 基板の性質を利用して偏光制御を行うことができる。すなわち、本発明の面発光レー ザダイオードでは、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らざるを得ない が、この光学利得異方性の低下を、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、このような面発光レーザダイオードであ つても、偏光面の制御性を向上させることができる。
[0079] また、本発明の第 1〜第 7の側面によれば、面発光レーザダイオードにおいて、面 発光レーザダイオード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 、（l l l)A面方向に長い形状としたので、基板傾斜方向（（l l l) 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。
[0080] さらに、前記第 1〜第 7の側面による面発光レーザダイオードを、同一基板上に複 数個構成形成することにより、面発光レーザダイオードレイを構成することができる。 そこで、本発明によれば、メサ形成の精度と再現性が向上し、均一性のよいレーザ特 性をもち、加工再現性が良い面発光レーザダイオードレイを、高い歩留まりと低いコ ストで製造することが可能となる。
[0081] 特に、前記本発明の第 1の側面による面発光レーザダイオードを用いた場合、放熱 特性が改善される結果、アレイ内素子間の熱干渉が抑制され、より面発光レーザダイ オード素子同士がより近接した、高密度アレイを形成することが可能となる。
[0082] また、本発明の第 1〜第 7の側面による、高出力動作可能な面発光レーザダイォー ドを同一基板上に多数集積した構成を、電子写真画像形成装置などの画像書き込 み光学系に適用した場合、同時に複数のビームにより、高速書きこみが実現し、書き こみ速度が格段に向上する。また、書きこみドット密度が増大した場合であっても、速 度を落とすことなく印刷することができる。また、同一のドット密度で比較すると、协 る面発光レーザダイオードを使った画像形成装置では、従来の画像形成装置よりも 高速での印刷が可能になる。本発明の面発光レーザダイオードを通信に適用した場 合、同時に多数ビームによるデータ伝送がなされ、高速通信が実現される。
[0083] また本発明の面発光レーザダイオードは低消費電力で動作し、このため特に機器 中に組み込んで動作させた場合、機器内での温度上昇を低減することができる。
[0084] さらに、本発明の前記第 1〜第 7の側面による高出力面発光レーザダイオード、ま たは、これらの面発光レーザダイオードレイを書き込み光源として使うことにより、従来 の面発光レーザダイオードレイを用いた画像形成装置に比べて印刷速度を向上させ ること可能となる。
[0085] あるいは、従来と同速度で印刷する場合には、レーザアレイ数の低減が可能となり 、面発光レーザダイオード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 形成装置のコストを低減することができる。偏光面を制御できる面発光レーザダイォ ードを用いた場合、画像形成の信頼性が向上する。また特に、量子井戸層活性層お よびスぺーサ層よりなる活性層構造部に A1を含まない面発光レーザダイオードを用 いた場合、 850nm帯面発光レーザダイオードのような通信用面発光レーザダイォー ドと同等の寿命が達成でき、このため、光書き込み光学ユニット自体の再利用が可能 となり、環境負荷低減に貢献できる。
[0086] また、本発明の第 1〜第 7の側面による面発光レーザダイオード、あるいはこれらを 使った面発光レーザダイオードレイを光ピックアップシステムの光源として使うことによ り、バッテリ寿命の長いハンディータイプ光ピックアップシステムを実現できる。従来、 コンパクトディスク装置では、記録媒体の光書込および再生に、波長が 780nmの半 導体レーザが使われている力 S、面発光レーザダイオードは端面発光レーザダイォー ドに比べて 1桁程度消費電力が小さいことに注意すべきである。
[0087] また、本発明の第 1〜第 7の側面による面発光レーザダイオード、あるいはこれらの 面発光レーザダイオードレイを光送信モジュールあるいは光送受信モジュールの高 出力光源として使うことにより、安価な P〇F (プラスチックファイバ）を用いた経済的な 高速光伝送システムを構築することができる。
[0088] アクリル系 P〇Fを用いた光伝送では、その吸収損失特性に鑑み、従来 650nmの 発振波長の面発光レーザダイオードが光源として検討されているが、高温特性が悪 く実用になっていない。このため現状では、 LEDが使われているが、 LEDでは高速 変調が困難で、 lGbpsを越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。
[0089] 波長が 680nmより長波長の本発明の面発光レーザダイオードでは、活性層利得が 大きいので、出力が大きぐまた高温特性にも優れているため、かかる面発光レーザ ダイオードを使うことにより、ファイバによる吸収損失は増大するが、短距離の光伝送 は可能であり、安価な光源である面発光レーザダイオードに、安価な P〇Fを組み合 わせた、経済的な高速光送信モジュールあるいは光送受信モジュール、さらにはこ れらを使った光通信システムが実現される。このような光通信システムは極めて経済 的であり、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の に適している。
図面の簡単な説明
[0090] [図 1]一般的な面発光レーザダイオードの構成例を示す図である。
[図 2]第 1の形態の面発光レーザダイオードの基本構成例を示す図である。
[図 3]実施例 1の面発光レーザダイオードの構成を示す図である。
[図 4]実施例 1における In (451nm) /Al (396nm)発光強度比の時間変化を示す 図である。
[図 5]実施例 5の面発光レーザダイオードの構成を示す図である。
[図 6]実施例 6の面発光レーザダイオードを示す図である。
[図 7]実施例 6の面発光レーザダイオードを示す図である。
[図 8]実施例 7の面発光レーザダイオードの上面図である。
[図 9]実施例 8の面発光レーザダイオードを示す図である。
[図 10]実施例 9の面発光レーザダイオードレイを示す図である。
[図 11]実施例 10の光送信モジュールを示す図である。
[図 12]実施例 11の光送受信モジュールを示す図である。
[図 13]実施例 12のレーザプリンタを示す図である。
[図 14]図 13のレーザプリンタに用いられる面発光レーザダイオードレイチップ（16ビ ーム VCSELアレイ）の概略構成を示す図（上面図）である。 [図 15]本発明の第 12の実施形態における第一の構成例の一部を示す原理的断面 図である。
[図 16]本発明の第 12の実施形態における第二の構成例の一部を示す原理的断面 図である。
[図 17]本発明の第 13の実施形態の構成例を示す原理的断面図である。
[図 18]図 17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 19]図 17の一部の平面図である。
[図 20]本発明の第 14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。
[図 21]第 17,第 18の実施形態において AlGalnP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ダイオードの活性層の周辺断面構造 の例を示す図である。
[図 22]本発明の第 21の実施形態の面発光レーザダイオードの構成例を示す図であ る。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(第 1の実施形態）
本発明の第 1の実施形態によれば、半導体基板と、レーザ光を発生する少なくとも 1層の量子井戸活性層および障壁層を含む活性層構造部と、前記活性層構造部の 近傍に設けられ、少なくとも 1種類の材料よりなるスぺーサ層とよりなり、前記半導体 基板上に形成された共振器領域と、前記半導体基板上において前記共振器領域の 上部および下部に設けられた上部反射鏡および下部反射鏡と、よりなる面発光レー ザダイオードであって、前記共振器領域、前記上部反射鏡および前記下部反射鏡は 、前記半導体基板上においてメサ構造を形成し、前記上部反射鏡および下部反射 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 ラッグ反射鏡を構成し、前記半導体分布ブラッグ反射鏡の少なくとも一部は、 Al Ga
As (0く x≤ 1)よりなる屈折率が小なる層と、 Al Ga As (0≤yく x≤ 1)よりなる屈折 率が大なる層とから構成され、前記下部反射鏡は、低屈折率層が AlAsよりなる第 1 下部反射鏡と、第 1下部反射鏡の上に形成され、低屈折率層が AlGaAsよりなる第 2 下部反射鏡とから構成され、前記共振器領域を構成するいずれかの層は、 Inを含ん でレ、る面発光レーザダイオードが提供される。
[0092] この本発明の第 1の形態では、前記共振器領域を構成するいずれかの層は Inを含 んでおり、前記下部半導体 DBRは放熱性に優れる AlAs/ (Al) GaAs_DBRを含 んでいるため、メサ形成の精度と再現性が高くなり、前記共振器領域の近傍まで A1A sZ (Al) GaAs _ DBRを設けた構成とすることができる。
[0093] これにより、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面発光レ 一ザダイオードを提供できる。同時に、均一性のよいレーザ特性をもち、加工再現性 が良く歩留が良い面発光レーザダイオードが提供できる。
[0094] なお、本第 1の実施形態の面発光レーザダイオードにおいて、前記共振器領域を 構成する層のうち、少なくとも下部スぺーサ層と上部スぺーサ層に、 Inを含ませること ができる。
[0095] 力かる構成によれば、共振器領域を構成する層のうち、前記活性層構造部よりも格 段に厚さの厚いスぺーサ層が Inを含んでいるため、より再現性良ぐまたより精度良く メサエッチングを実行でき、これにより、より温度特性が良好で、より均一性に優れた レーザ特性を有する、より高出力の面発光レーザダイオードを、高い加工再現性と高 い歩留で得ることができる。
[0096] また、本発明の第 1の実施形態の面発光レーザダイオードにおいて、前記第 2下部 半導体 DBRは、 10ペア以下であるのが好ましい。
[0097] 力かる構成によれば、前記第 2下部半導体 DBRの厚さ力 メサ加工時の精度より大 きぐ且つ、最小値に設定されているので、より高い歩留で面発光レーザダイオードを 製造すること力 Sできる。
[0098] また、本発明の第 1の実施形態の面発光レーザダイオードは、半導体基板上に、レ 一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よりなる活性層構造部 と前記活性層構造部の周囲に設けられ少なくとも 1種類の材料よりなるスぺーサ層と を含む共振器領域を、前記共振器領域の上部および下部に上部反射鏡および下部 反射鏡が設けられた積層膜として形成し、前記積層膜をドライエッチングしてメサ形 状に加工することにより製造できる。その際、本実施形態では、前記共振器領域を構 成するいずれかの層に Inを含ませておき、前記ドライエッチング工程において Inの発 光をモニタすることにより、得られるメサ構造の高さを制御する。
[0099] 上記本実施形態による製造方法では、前記積層膜をドライエッチングしてメサ構造 を形成する工程において Inの発光をモニタすることにより、メサ構造の高さが制御さ れる。すなわち、共振器層からの Inの発光をモニタしながらドライエッチングが行われ るので、共振器層を確実に検出でき、これにより、前記メサ構造を高い再現性および 精度で形成できる。その結果、本実施例によれば、第 1の面発光レーザダイオードを 、高レ、再現性および歩留で製造することが可能となる。
[0100] 図 2は、上記本発明の第 1の実施形態による面発光レーザダイオード 40の基本構 成例を示す。
[0101] 図 2を参照するに、前記面発光レーザダイオード 40は、 GaAs, InP, GaP， GaNA s, Si, Geなどの単結晶半導体基板 41上に、 MOCVD法や MBE法により、直接に 又は中間層を介し、 AlAs/Al Ga As (0く u≤ 1)第 1下部半導体 DBR42と、 Al
Ga As/Al Ga As (0<v<l, 0<w≤l , vく w)第 2下部半導体 DBR43と、下部ス
V V — w w
ぺーサ層 44A,活性層 44B,上部スぺーサ層 44Cよりなり、下部スぺーサ層 44A, 活性層 44B,上部スぺーサ層 44Cのいずれかの層に Inを含む共振器層 44と、 A1
l -t
Ga As (0≤t≤0. 05)被選択酸ィ匕層 45と、 Al Ga As/Al Ga As (0<v<l , 0< t v v w w
w≤l , vく w)上部半導体 DBR46とを順次積層した、 VCSEL積層構造を有する。
[0102] ここで、前記 Inを含む層は、 Al Ga In As Ρ (0≤χ≤1 ,
y y
0<y≤l , 0く（x + y)≤l , 0≤z≤ 1)で表される化合物半導体材料よりなり、代表的に は、 GalnP, GalnAsP, GalnAs, AlGalnAs, AlGalnAsPなどよりなる力 さらに B , N, Sb, Τ1などの他の ΠΙ族、 V族の元素を含む場合もある。
[0103] 表 1は、このような VCSEL積層構造の具体例を示す。
[0104] [表 1]
Figure imgf000026_0001
Figure imgf000026_0002
次に、フォトレジスト等でメサマスクパターンを形成し、このようにして形成された積 層構造をドライエッチング装置の処理容器内に保持する。さらに、前記処理容器中に
CI , BC1 , SiCl , CC1 , CFなどのハロゲン系ガスを導入し、反応性イオンビーム エッチング法 (RIBE)、誘導結合プラズマ（ICP)エッチング法、反応性イオンエッチ ング法（RIE)などのプラズマを用いたドライエッチング法でメサエッチングを行う。
[0105] 力かるメサエッチングにおいて、ドライエッチング装置の処理容器に設けられた司見き 窓を介してプラズマ発光分光を行い、波長が 451nmの Inの発光強度の時間変化を モニタする。本発明では、共振器領域をエッチングしているときだけ Inの発光が検出 できるので、第 2半導体 DBR43中で確実にエッチングを停止することができる。
[0106] 次に、前記 Al (Ga)As被選択酸化層 45を、水蒸気中で熱処理し、 Al Oよりなる電 流狭窄構造を形成する。次に、このようにして形成されたメサ構造の周囲の空間を、 電極取り出し部と光出力部を除いて、ポリイミドゃ Si〇よりなる絶縁膜 47により、充填
2
する。前記絶縁膜 47を形成することにより、面発光レーザ素子が平坦化される。
[0107] さらに、所定の個所に p側電極 48， n側電極 49を形成し、図 2の面発光レーザダイ オード 40の製造が完了する。
[0108] 図 2の面発光レーザダイオード 40では、 p側電極 48および n側電極 49から、それぞ れ正キャリア，負キャリアを注入し、活性層 44Bで発光させ、基板 41に垂直方向にレ 一ザ光を取り出すことができる。なお、図 2の構成では、前記基盤 41の上方に光出力 する構成を示しているが、基板 41の下方に光を出力させるよう構成することもできる。
[0109] ここで、前記下部スぺーサ層 44Aと活性層 44Bと上部スぺーサ層 44Cは、全体で 共振器 44を構成し、従って、これらを合計した共振器の厚さは (N + 1) X ( λ /η)と
0
なる。多くの場合、共振器厚さはえ/ ηである。ここで、 Νは 0以上の整数であり、 λ
0
は発振波長、 ηは前記共振器 44を構成する半導体の屈折率である。
[0110] また、活性層 44Βは通常薄い量子井戸構造をとるので、共振器の長さの大部分は 上，下スぺーサ層 44Α, 44Cの厚さである。また、前記半導体 DBR43の厚さは（1 + 2 Χ Ν ) Xぇ/ (4 11)、多くの場合は；17(4 11)でぁる。よって、上下のスぺーサ
0
層 44Α, 44Cは他の積層構造中の膜よりも格段に大きな厚さを有する。
[0111] このこと力、ら、前述のように、特に上下スぺーサ層 44Α, 44Cが Inを含む場合、エツ チング時に Inの強い発光強度が得られ、高い精度でエッチングの終点を制御できる ようになり、メサエッチング工程の再現性が大きく向上する。
[0112] また、 1枚のウェハ上において上記 VCSEL積層構造を、前記モニタ法を用いてェ ツチングした場合、エッチング深さのバラツキを、メサ構造の底面が、前記第 2下部半 導体 DBR43の 2, 3ペアの範囲内に位置する程度に制御することが可能になる。従 つて、メサ高さのウェハ内バラツキや、多数のウェハを同時にエッチングする際のゥ工 ハ間バラツキを考慮しても、前記第 2下部半導体 DBR43中の高屈折率膜と低屈折 率膜ペアの繰り返し数が最大で 10もあれば、通常のエッチング処理により、必要なェ ツチング制御を達成できる。
[0113] このように、本実施形態によれば、面発光レーザダイオードの共振器近傍まで、熱 抵抗の小さい AlAs/ (Al) GaAs_DBR43を設けた構成にでき、放熱効果を向上 でき、駆動時の温度上昇を抑制でき、温度特性が良好で高出力な面発光レーザダイ オードが得られる。
[0114] なお、前記第 1下部半導体 DBR42の低屈折率層の酸化速度が、前記被選択酸化 層 45の酸化速度より速い材料'厚さの場合は、メサエッチングが前記第 1下部半導 体 DBR42まで到達してはいけないが、このような状況は、前記被選択酸化層 45と前 記第 1下部半導体 DBR42の低屈折率層がともに AlAsである場合以外にも生じ得る 。例えば、このような例として、前記被選択酸化層 45が AlAsではなく Gaがわずかに 含まれており、前記第 1下部半導体 DBRの低屈折率層も AlAsではなく Gaが含まれ ている場合が挙げられる。
[0115] しかし、このような場合でも、第 2下部半導体 DBR43の低屈折率層の酸化速度が 被選択酸化層 45よりも遅い材料であり、前記第 1下部半導体 DBR42の低屈折率層 力 前記第 2下部半導体 DBR43中の低屈折率層より熱抵抗の小さい組成あるいは 材料であれば、満足できる放熱効果が得られる。
[0116] また、 Inの発光分光では、 Inの発光強度だけを単純にモニタする方法の他に、ブラ ズマ状態の変動による影響をキャンセルすべぐ Inの発光強度と他の構成元素の発 光強度との比、あるいは Inの発光強度と、いずれにも帰属しない波長の発光強度と の比をモニタする方法を使うことも可能である。
[0117] エッチング底面を共振器の直下に制御するには、下部半導体 DBR43の最上層を GalnPや AlGalnPとし、共振器を含む上層を GaAsや AlGaAsなどにする方法も可 能である。この場合、 H SO /H O /H O液による選択エッチングが可能となる。し 力し、このようなウエットエッチングでは、メサ幅の制御が困難であり、またエッチング 異方性により非対称な形状のメサができやすレ、などの不具合が生じる。このような事 情で、前記メサエッチングはドライエッチングにより実行するのが好ましい。
[0118] また、上記の構成では、 AlAs被選択酸化層 45は活性層 44Bの近傍に設けられる が、上部半導体 DBR46や下部半導体 DBR42, 43の低屈折率層を兼ねて DBR中 に設ける場合等もあり、その位置は限定されない。
[0119] また、以上の説明では、共振器領域 44にのみ Inを含む層を設けた場合を説明した が、共振器領域 44のエッチング状況を把握できて、かつ、エッチングが第一下部反 射鏡 42まで到達しなければ良いのであり、例えば共振器領域 44に最も近い反射鏡 43の一部など、共振器領域 44以外に Inを含む層を設けてもかまわなレ、。
(第 2の実施形態）
本発明の第 2の実施形態の面発光レーザダイオードは、前記第 1の実施形態の面 発光レーザダイオード 40において、スぺーサ層 44A, 44Cの一部を (Al Ga ) In
a 1 a b 1
P (0<a≤l、 0≤b≤l)より構成し、前記活性層 44Bを、 Ga In P As (0≤c≤
c 1 c d 1 d
1、 0≤d≤l)よりなる量子井戸活性層と、 Ga In P As (0≤e≤l , 0≤f≤l)より e 1 -e f 1 -f
なる障壁層より構成することを特徴としている。
[0120] ここで前記スぺーサ層 44A, 44Cの一部に（Al Ga ) In P (0く a≤l、 0≤b≤
a 1 -a b 1 -b
1)を用いることで、前記スぺーサ層を AlGaAs系で形成した場合に比べて、スぺー サ層と量子井戸活性層との間のバンドギャップ差を大幅に増大させることができる。
[0121] 表 2は、 AlGaAs (スぺーサ層） /AlGaAs (量子井戸活性層）系の 780nmおよび 8 50nm帯域の面発光レーザダイオード、および AlGalnP (スぺーサ層）/ GalnPAs ( 量子井戸活性層）系の 780nm帯域の面発光レーザダイオードで使われる典型的な 材料組成において、スぺーサ層と量子井戸層、及び障壁層と量子井戸層との間に生 じるバンドギャップ差を示す。
[0122] [表 2] 波長 780nm 850nm(Ref.) スぺーサ層/量子井戸活性層
AIGaAs/AIGaAs系材料 AIGalnP/GalnPAs系材料 AIGaAs/GaAs系材料
Alo.eGao.4As CAIxGai_x)05In05P Alo.6Gao.4As スぺーサ層
(Eg=2.0226eV) (Eg(x=0.7)=2.289eV) (Eg=2.0226eV) 量子井戸 Alo.12Gao.88As GalnPAs (圧縮歪） GaAs 活性層 (Eg=1.5567eV) (Eg=1.5567eV) (Eg=1.42eV) 活性層
Alo.3Gao.7As Gaxlr xP (引っ張り歪） Alo.3Gao.7As 陣壁層
(Eg=1.7755eV) (Eg(x=0.6)=2.02eV) (Eg=1.7755eV) スぺ一サ層と井戸層の 465.9meV 743.3meV 602.6meV
Eg差（Δ Eg)
障壁層と井戸層の 218.8meV 463.3meV 355.5meV Eg差（Δ Eg)
表 2に示すように、 AlGalnP (スぺーサ層）/ GalnPAs (量子井戸活性層）系の 78 Onm帯域面発光レーザダイオードは、 AlGaAs/AlGaAs系の 780nm帯域面発光 レーザダイオードはもとより、 AlGaAs/AlGaAs系の 850nm帯域面発光レーザダイ オードよりも、上記バンドギャップ差を大きく取れることがわかる。
[0123] また、このような構成の面発光レーザダイオードでは、量子井戸活性層を圧縮歪組 成とすることができる。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、レーザ発振のしきい値が減少し、レーザ発 振の効率が向上する。すなわち、レーザ出力が増大する。この効果は AlGaAs/Al GaAs系の 850nm面発光レーザダイオードでは実現できないことに注意すべきであ る。
[0124] すなわち本発明の AlGalnPZGalnPAs材料系を使った面発光レーザダイオード によれば、 AlGaAs/AlGaAs系の 850nm面発光レーザダイオードよりも、しきい値 が減少し、レーザ発振効率が向上した高出力レーザを実現することができる。
[0125] 更に、本発明の第 2の形態の面発光レーザダイオードでは、キャリア閉じ込め効率 が向上し、歪量子井戸活性層の使用による利得の増大によっても、しきい値が低減さ れ、その結果、光取り出し側 DBRの反射率の低減が可能となる。これにより、より一層 の光出力の増大が実現できる。
[0126] また、本発明の第 2の実施形態の面発光レーザダイオードでは、量子井戸活性層 力 SGa ln P As (0≤c≤ 1、 0≤d≤ 1)により、また障壁層が Ga In P As (0 c 1 -c d 1 -d e 1 -e f 1 -f
≤e≤l、 0≤f≤l)により構成されている力 これらは A1を含んでいない材料である、 従って量子井戸活性層及びこれに隣接する層よりなる活性層構造部 44が A1を含ま ないため、前記量子井戸活性層への酸素の取り込みが低減され、非発光再結合セ ンタの形成を抑えることができる。これにより、長寿命の面発光レーザダイオードを実 現できる。
[0127] このように、前記スぺーサ層 44A, 44Cの一部に AlGalnP材料を用レ、、障壁層や 量子井戸活性層には GalnPAsを用いることで、活性層の光利得が大きぐ低いしき い値を有し、信頼性に優れた 850nmよりも波長の短い帯域で発信する高出力面発 光レーザダイオードを実現することができる。 [0128] ここで、上記の効果を実現するためには、以下に示すように前記基板 41の面方位 を考慮することが好ましい。
[0129] 特に AlGalnPや GalnPを活性領域に使う面発光レーザダイオードにおレ、ては、面 方位が（111) A面方向に 5° 乃至 20° の範囲内の角度 (傾斜角）に傾斜した（100) GaAs基板を、前記基板 41として使うのが好ましい。これは、基板の面方位が（100) 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） 発生による表面形状の悪化や非発光再結合センタの発生が生じ、基板上に形成さ れる半導体レーザなどのデバイス特性に悪影響を及ぼす恐れがあるためである。
[0130] 一方、基板面方位を（100)面から（l l l)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。そこで、バンドギャップは、傾斜角が 10° 力 15 。 くらいまでは急激に変化し、その後は徐々に正規のバンドギャップ (混晶のバンド ギャップ値）に近づき、また、ヒロックも徐々に発生しなくなつていく。
[0131] しかし、（l l l) A面方向の傾斜角が 20° を超えると、基板上への結晶成長が困難 になる。このため、例えば赤色レーザ（630nmから 680nm)の材料系で使われてい る AlGalnP材料では、 5。 乃至 20° の範囲内の角度に（より多くの場合、 7° 乃至 1 5° の範囲内の角度に)傾斜させた基板が一般に使われている。これは、スぺーサ層 (クラッド層）である AlGalnPはもとより、表 2の例のように障壁層を GalnPとした場合 も当てはまる。更には、障壁層や量子井戸活性層が GalnPAs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° 乃至 20° の範囲内の角度に（より望ましくは 7° 乃至 15° の範囲内の角度に)傾斜した（ 100) GaAs基板を用いることが好ましレ、。
[0132] 一方、このように基板 41の面方位を（l l l) A面方向に傾斜させた場合、現在最有 カ視されている（311) B基板における光学利得異方性を利用した偏光角（偏光方向 )の制御技術を利用することはできなくなる。すなわち本実施形態では、（311) B基 板 (傾斜角が 25° )よりも小さい傾斜角（5° 乃至 20° の範囲内の角度）を用いること で、基板のコストを抑えられ、またへき開が容易になり基板の扱い易さが改善するも のの、得られる光学利得異方性は小さくならざるを得ない。
[0133] そこで本実施形態では、上記光学利得異方性の低下分を、量子井戸活性層に圧 縮歪を与えることにより誘起される光学利得異方性の増大により補償する。
[0134] なお、上述例では、 850nmよりも短い波長に限定している力 これは、この波長域 において従来例に比べ優位差が極めて大きいからであり、同様の効果は、 850nmよ りも長い波長であっても得られることに注意すべきである。
[0135] このように本実施形態では、 850nmよりも短い波長で動作し、前記第 1の実施形態 の特徴に加え、活性層の利得が大きぐしきい値が低減され、高出力で信頼性に優 れた特徴を有する面発光レーザダイオードにおいて、さらに偏光方向が制御されて レ、る面発光レーザダイオードが提供される。
(第 3の実施形態）
本発明の第 3の実施形態は、（l l l) A面方向に 5° 乃至 20° の範囲内の角度で 傾斜した面方位を有する（100) GaAs基板と、レーザ光を発生する少なくとも 1層の 量子井戸層活性と障壁層とよりなる活性層構造部と、前記活性層構造部の近傍に設 けられ、少なくとも 1種類の材料よりなるスぺーサ層とを含み、前記 GaAs基板上に形 成される共振器領域と、前記共振器領域の上部および下部に設けられた上部反射 鏡および下部反射鏡とよりなり、前記共振器領域と、前記上部および下部反射鏡とは 、前記 GaAs基板上においてメサ構造を形成する面発光レーザダイオードにおいて、 前記上部反射鏡および下部反射鏡は、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よりなり、前記半導体分布ブラッグ反射 鏡の少なくとも一部は、 Al Ga As (0<x≤ 1)よりなる屈折率が小なる層と、 Al Ga
1
As (0≤y<x≤l)よりなる屈折率が大なる層とより構成され、前記スぺーサ層の一 部は (Al Ga ) In P (0<a≤ 1 0≤b≤ 1)よりなり、前記量子井戸活性層は Ga I a 一 a b 一 b c n P As (0≤c≤l 0≤d≤l)よりなり、前記障壁層は Ga In P As (0≤e l -c d 1 -d e 1 -e f 1 -f
≤1 0≤f≤l)よりなり、前記量子井戸活性層は圧縮歪を有しており、前記活性層構 造部は、光出射方向から見て（111) A面方向に長い形状異方性を有することを特徴 とする。
[0136] 本発明の面発光レーザダイオードでは、基板の面方位を（l l l) 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して偏光角（偏光方向）を制御する場合、 (31 1) B基板 (傾斜角が 25° )よりも小さい傾斜角（5° 乃至 20° の範囲内の角度）を使 うため、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。
[0137] そこで本発明の第 3の実施形態では、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し、さらにこの効果に加え、面発光レ 一ザダイオード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、すな わち（111) A面方向に長い形状とすることにより、基板傾斜方向（（111) A面方向） の光学利得を増大させる効果により補償している。これにより傾斜角方向（（l l l)A 面方向）の光学利得が更に増大し、偏向角の制御性が向上する。
(第 4の実施形態）
本発明の第 4の実施形態は、前記第 2または第 3の実施形態の面発光レーザダイ オードにおいて、障壁層が引っ張り歪を有している面発光レーザダイオードを提供す る。
[0138] 面発光レーザダイオードにおいて量子井戸活性層の障壁層として使われる GalnP As系材料では、同一格子定数で比較すると GalnP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確保できる。すなわち、 障壁層として GalnP系の格子定数が小さい材料を使うことにより、障壁層と量子井戸 活性層との間に大きなバンド不連続を実現でき、面発光レーザダイオードの利得が を増大させることができる。これにより、面発光レーザダイオードは低いしきい値で、高 出力動作が可能となる。例えば、 Ga In P引っ張り歪層のバンドギャップは 2· 02
0. 6 0. 4
eVであり、 Ga In P格子整合層のバンドギャップは 1. 87eVであり、 Ga In P
0. 5 0. 5 0. 6 0. 4 弓 [つ張り歪層のバンドギャップの方が 150meV大きレ、ことに注意すべきである。
(第 5の実施形態）
本発明の第 5の実施形態は、前記第 2乃至第 4の実施形態の面発光レーザダイォ ードにおレ、て、発振波長がおよそ 680nmよりも長波長である面発光レーザダイォー ドを提供する。
[0139] 本実施形態の面発光レーザダイオードを、 AlGaAsZAlGaAs系活性層を有する 7 80nm面発光レーザダイオードの場合と比較すると、 AlGaAs/AlGaAs系面発光レ 一ザダイオードで使われる Al Ga As (0<x≤ 1)系スぺーサ層の典型的な組成範 囲において最もバンドギャップが大きい Al Ga^ As (x = 0. 6、 Eg = 2. 0226eV)と 組成波長が 780nm (Eg= l . 5567eV)の活性層とのバンドギャップ差は、本実施形 態における面発光レーザダイオードで使われる（Al Ga ) In P (0く a≤l、0≤b a 1 -a b 1 -b
≤1)スぺーサ層の典型的な組成範囲で最もバンドギャップが大きレ、（Al Ga ) In a 1 -a b 1
P (a = 0. 7、b = 0. 5、Eg = 2. 289eV)と組成波長 680nm (Eg= l . 8233eV)の
-b
活性層とのバンドギャップ差 (460meV)とほぼ等しいことがわかる。
[0140] 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みると、例えば障壁 層を Ga In P As (e = 0. 6、 f= l、 Eg = 2. 02eV)とすれば、組成波長 680nm e 1 e f 1 f
の活性層とのバンドギャップ差がおよそ 200meVとなり、 AlGaAsZAlGaAs系活性 層による 780nm面発光レーザダイオードの場合とほぼ同等となる。
[0141] これは、 AlGalnP系スぺ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、 A1フリー活性層（量子井戸活性層と障壁層）を用いた面発光レーザダイォ ードであっても、 AlGaAs/AlGaAs系活性層を有する 780nm面発光レーザダイォ ードの場合と同等以上のキャリア閉じ込めが可能となることを意味する。実際には、更 に歪量子井戸活性層の効果も加わるため、同等以上の特性が得られる。
(第 6の実施形態）
本発明の第 6の実施形態は、前記第 1乃至第 5のいずれかの実施形態の面発光レ 一ザダイオードが同一基板上に複数個構成されている面発光レーザダイオードレイ を提供する。
[0142] 一般に面発光レーザダイオードは、その面発光構成のためレーザアレイを容易に 構成でき、しかも個々の面発光レーザダイオード素子が通常の半導体プロセスで形 成されるので、個々の面発光レーザダイオード素子を高い位置精度で形成できる。 特に本発明によれば、メサ形成時のエッチング制御性が改善され、その結果歩留ま りも向上し、製造コストを低減することが可能となる。
[0143] 更に本発明によれば、下部 DBRの放熱性が改善され、その結果、アレイ内の素子 間熱干渉が低減され、個々の素子の出力を増大させ、また素子の形成密度を増大さ せること力 Sできる。
[0144] 更に、本発明の偏光方向が所定方向に制御された、高出力面発光レーザダイォー ドを同一基板上に多数集積したレーザアレイを使うことにより、画像形成装置などの 書き込み光学系においては、同時に複数ビームを使った書きこみが容易に実現され 、書き込み速度が格段に向上する。またかかる構成によれば、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することが可能となる。また同じ書き込みド ット密度の場合は印刷速度を増大することができる。また、力かるレーザアレイを通信 に適用する場合には、同時に複数ビームによるデータ伝送が可能となり、高速通信 が実現できる。更に面発光レーザダイオードは低消費電力動作するため、特に機器 の中に組み込んだ場合、機器内の温度上昇を抑制することが可能になる。
(第 7の実施形態）
本発明の第 7の実施形態は、前記第 1乃至第 5のいずれかの形態の面発光レーザ ダイオード、または、前記第 6の形態の面発光レーザダイオードレイが書き込み光源 として用レヽられてレヽる画像形成装置を提供する。
[0145] 本発明の面発光レーザダイオード，面発光レーザダイオードレイは、偏光方向が制 御されてし力も高出力化できることから、これらを用いた本実施形態の画像形成装置 は、従来の面発光レーザダイオードレイを用いた画像形成装置に比べ、高速印刷が 可能となる。また、画像形成装置を従来と同じ印刷速度に設計する場合には、使わ れるレーザアレイの数を低減することが可能となり、面発光レーザダイオードレイチッ プの製造歩留まりが大きく向上するとともに、画像形成装置の製造コストを低減できる 。更に、本実施例では面発光レーザダイオードの活性層が A1フリー活性層であるた め、 850nm帯の面発光レーザダイオードのような通信用面発光レーザダイオードと 同等の寿命 (推定で室温 100万時間が報告されている）が達成可能となり、光書き込 み光学ユニットの再利用が可能となる。これにより、環境負荷を低減することができる
(第 8の実施形態）
本発明の第 8の実施形態は、前記第 1乃至第 5のいずれかの実施例形態の面発光 レーザダイオード、または、前記第 6の形態の面発光レーザダイオードレイが光源とし て用いられてレ、る光ピックアップシステムを提供する。
[0146] 従来、光メディアへの光書き込みおよび再生用光源として、コンパクトディスク装置 では、 780nmの波長が用いられている。面発光レーザダイオードは端面発光レーザ ダイオードに比べて 1桁程度消費電力が小さいことから、本発明の 780nm帯域の面 発光レーザダイオードを再生用光源として使うことにより、ノくッテリ寿命の長いハンデ ィータイプ光ピックアップシステムを実現することが可能になる。
(第 9の実施形態）
本発明の第 9の実施形態は、前記第 1乃至第 5のいずれかの実施形態による面発 光レーザダイオード、または、第 6の実施形態による面発光レーザダイオードレイを光 源として用いた光送信モジュールを提供する。
[0147] アクリル系 P〇F (プラスチックファイバー）を用いた光伝送では、その吸収損失特性 から、 650nmの発振波長の面発光レーザダイオードが光源として検討されているが 、高温特性が悪く実用にはなっていなレ、。このため、現在は LEDが光源として使わ れているが、 LEDでは高速変調が困難であり、 lGbpsを越えた高速伝送実現のため には、半導体レーザが不可欠である。
[0148] 最短波長が 680nmである本発明の面発光レーザダイオードは、活性層利得が大 きいので、高出力で、また高温特性にも優れており、かかる面発光レーザダイオード を光源として使うことにより、光ファイバの吸収損失は大きくなるものの、短距離であれ ば光伝送は充分に可能であり、安価な面発光レーザダイオードと安価な POFとを用 いた、経済的で高速な光送信モジュールを実現することができる。
(第 10の実施形態）
本発明の第 10の実施形態は、前記第 1乃至第 5のいずれかの実施形態の面発光 レーザダイオード、または、前記第 6の実施形態の面発光レーザダイオードレイを光 源として用いた光送受信モジュールを提供する。
[0149] アクリル系 P〇F (プラスチックファイバー）を用いた光伝送では、その吸収損失特性 から、 650nmの発振波長の面発光レーザダイオードが光源として検討されているが 、高温特性が悪く実用にはなっていなレ、。このため、現在は LEDが光源として使わ れているが、 LEDでは高速変調が困難であり、 lGbpsを越えた高速伝送実現のため には、半導体レーザが不可欠である。
[0150] 最短波長が 680nmである本発明の面発光レーザダイオードは、活性層利得が大 きいので、高出力で、また高温特性にも優れており、かかる面発光レーザダイオード を光源として使うことにより、光ファイバの吸収損失は大きくなるものの、短距離であれ ば光伝送は充分に可能であり、安価な面発光レーザダイオードと安価な POFとを用 いた、経済的で高速な光送受信モジュールを実現することができる。
(第 11の実施形態）
本発明の第 11の実施形態は、前記第 1乃至第 5のいずれかの実施形態の面発光 レーザダイオード、または前記第 6の実施形態の面発光レーザダイオードレイを光源 として用た光通信システムを提供する。
[0151] アクリル系 P〇F (プラスチックファイバー）を用いた光伝送では、その吸収損失特性 から、 650nmの発振波長の面発光レーザダイオードが光源として検討されているが 、高温特性が悪く実用にはなっていなレ、。このため、現在は LEDが光源として使わ れているが、 LEDでは高速変調が困難であり、 lGbpsを越えた高速伝送実現のため には、半導体レーザが不可欠である。
[0152] 最短波長が 680nmである本発明の面発光レーザダイオードは、活性層利得が大 きいので、高出力で、また高温特性にも優れており、かかる面発光レーザダイオード を光源として使うことにより、光ファイバの吸収損失は大きくなるものの、短距離であれ ば光伝送は充分に可能であり、安価な面発光レーザダイオードと安価な POFとを用 いた、経済的で高速な光送受信モジュールを実現することができる。
[0153] このようなシステムは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のに好適である。
以下に、本発明の実施例を説明する。
実施例 1
[0154] 図 3は、本発明の実施例 1の面発光レーザダイオード 60の構成を示す図である。な お、後述の実施例 2，実施例 3,実施例 4の面発光レーザダイオードも図 3と同様の構 成のものとなっている。
[0155] 図 3を参照すると、実施例 1では n— GaAs単結晶（100)基板 61上に、 MOCVD法 により、 n—AlAs/Al Ga As対を 42. 5回繰り返し積層した第 1下部半導体 DB
0. 3 0. 7
R62と、 n— Al Ga As/Al Ga As対を 6回繰り返し積層した第 2下部半導 体 DBR63と、 Ga In P下部スぺーサ層 64Aと、 GalnAsP/Ga In P (ウエノレ
0. 5 0. 5 0. 5 0. 5
/バリア） TQW活性層 64Bと、 Ga In P上部スぺーサ層 64Cと、 p—AlAs被選
0. 5 0. 5
択酸化層 65と、 p-Al Ga As/Al Ga As対を 34. 5回繰り返し積層した
0. 95 0. 05 0. 3 0. 7
上部半導体 DBR66と、 p_GaAsコンタクト層 67とを順次に積層して、 VCSEL積層 構造を形成する。ここで、前記下部スぺーサ層 64A、前記活性層 64Bおよび前記上 部スぺーサ層 64Cは、共振器構造 64を形成する。
[0156] 次に、このようにして形成された VCSEL積層構造上にフォトレジストで円形メサマス クをパターユングし、 C1ガスを導入し、反応性イオンビームエッチング法 (RIBE)でメ
2
サエッチングを開始する。
[0157] 本実施例では、このメサエッチング工程中において、プラズマ発光分光器を使って I nの発光強度（451nm)と A1の発光強度（396nm)を求め、その比（In/Al比）の時 間変化をモニタする。
[0158] 図 4は、本実施例 1で求められた In (451nm) /Al (396nm)発光強度比の時間変 化を示す。
[0159] 図 4を参照するに、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、やがて消失する。そこで、 Inの発光が消失した時点でエッチングを終了する と、たとえば前記第 2下部半導体 DBR63の上から 3層目でメサエッチングが停止し、 図 3のメサ構造 Mが形成されている。
[0160] 次に、前記メサ構造 Mが形成された時点で前記 AlAs被選択酸化層 65を水蒸気中 、 400°Cで熱処理し、非酸化 AlAs領域が 25 /i m2になるように、前記 AlAs被選択酸 化層 65中に電流狭窄構造を形成し、さらに、前記メサ構造の周辺部を、電極取り出 し部と光出力部を除いて、ポリイミド保護膜 68により充填する。
[0161] 続いて、前記メサ構造 Mの上面に p側電極膜 69を、前記 p型コンタクト層 67に接す るように蒸着法により堆積し、リフトオフ法により光出力用の開口を形成する。さらに、 基板 61の裏面に n側電極 70を形成して、図 3に示す構成の面発光レーザダイオード を作製すること力 Sできる。
[0162] 本実施例 1の面発光レーザダイオード 60では、 p側電極 69， n側電極 70力ら、それ ぞれ正キャリア，負キャリアを注入することにより、波長 780nmのレーザ光が上部電 極 69中に形成された開口部から、前記基板 61に垂直方向に出射される。
[0163] 実施例 1の面発光レーザダイオード 60では、共振器構造 64の全体に Inを含む VC SEL積層構造を、 Inの発光をモニタしながらエッチングするため、エッチングの際に 良好に共振器構造 64を検出でき、このため、前記第 2下部半導体 DBR63を、下部 半導体 DBR全体の 4/7よりも少ない層数で形成できる。その結果、素子の温度上 昇が抑えられ、面発光レーザダイオードをより高出力で駆動することが可能になる。ま た、本実施例では再現性よくメサエッチングが実行されるため、メサ高さが均一になり 、均一なレーザ特性をもつ面発光レーザダイオードが、高い歩留まりで得られる。 実施例 2
[0164] 次に、本発明の実施例 2による面発光レーザダイオード 80について説明する。前 述のように、実施例 2の面発光レーザダイオード 80も図 3と同様の構成を有している。
[0165] 図 3を参照するに、実施例 2では、 n— GaAs単結晶（100)基板 61上に、 MBE法 により、 n—AlAs/Al Ga As対を 47. 5回繰り返し積層した第 1下部半導体 DB
0. 5 0. 5
R62と、 n— Al Ga As/Al Ga As対を 10回繰り返し積層した第 2下部半
0. 95 0. 05 0. 5 0. 5
導体 DBR63と、 （Al Ga ) In P下部スぺーサ層 64Aと、 In Ga P/ (A
0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 0. 46 0. 54
1 Ga ) In P (ゥエル/バリア） TQW活性層 64Bと、 (Al Ga ) In P上
0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 部スぺーサ層 64Cと、 p_AlAs被選択酸化層 65と、 Al Ga As/Al Ga A
0. 95 0. 05 0. 5 0. 5 s対を 40. 5回繰り返し積層した上部半導体 DBR66と、 ρ— GaAsコンタクト層 67とを 順次に積層し、 VCSEL積層構造を形成する。
[0166] 次に、このようにして形成された VCSEL積層構造上にフォトレジストで円形メサマス クをパターユングし、 C1ガスを導入し、 ICPエッチング法でメサエッチングを行う。
2
[0167] 本実施例では、このプラズマエッチングの間、プラズマ発光分光器で Inの発光強度
(451nm)の時間変化をモニタする。エッチングが進行するにつれ、 Inの発光（451η m)が検出されるが、やがて Inの発光は消失する。そこで、 Inの発光が消失した時点 でエッチングを終了することにより、第 2下部半導体 DBR63中において、メサエッチ ングが停止した構造 Mを得ることができる。
[0168] 次に、前記メサ構造 Mが形成された時点で前記 AlAs被選択酸化層 65を水蒸気中 、 400°Cで熱処理し、非酸化 AlAs領域が 25 /i m2になるように、前記 AlAs被選択酸 化層 65中に電流狭窄構造を形成し、さらに、前記メサ構造の周辺部を、電極取り出 し部と光出力部を除いて、ポリイミド保護膜 68により充填する。
[0169] 続いて、前記メサ構造 Mの上面に p側電極膜 69を、前記 p型コンタクト層 67に接す るように蒸着法により堆積し、リフトオフ法により光出力用の開口を形成する。さらに、 基板 61の裏面に n側電極 70を形成して、図 3に示す構成の面発光レーザダイオード を作製すること力 Sできる。
[0170] 本実施例 2の面発光レーザダイオード 80では、 p側電極 69， n側電極 70力ら、それ ぞれ正キャリア，負キャリアを注入することにより、波長 650nmのレーザ光が上部電 極 69中に形成された開口部から、前記基板 61に垂直方向に出射される。
[0171] 実施例 2の面発光レーザダイオードでも、実施例 1の面発光レーザダイオードと同 様の、放熱特性が優れ均一な素子特性を有する面発光レーザダイオードが、高い歩 留まりで得られる。
実施例 3
[0172] 次に、本発明の実施例 3による面発光レーザダイオード 100について説明する。前 述のように、実施例 3の面発光レーザダイオード 100も図 3と同様の構成を有している
[0173] 図 3を参照するに、実施例 3では、 n_GaAs単結晶（100)基板 61上に、 MOCVD 法により、 n_AlAs/Al Ga As対を 40. 5回繰り返し積層した第 1下部半導体 D
0. 5 0. 5
BR62と、 n— Al Ga As/Al Ga As対を 5回繰り返し積層した第 2下部
0. 95 0. 05 0. 15 0. 85
半導体 DBR63と、 In Ga As P 下部スぺーサ層 64Aと、 GaAs/ln
0. 27 0. 73 0. 44 0. 56 0. 27
Ga As P (ゥヱル /バリア） TQW活性層 64Bと、 In Ga As P 上
0. 73 0. 44 0. 56 0. 27 0. 73 0. 44 0. 56 部スぺーサ層 64Cと、 p— AlAs被選択酸化層 65と、 p-Al Ga As/p-Al
0. 95 0. 05 0. 1
Ga As対を 30. 5回繰り返し積層した上部半導体 DBR66と、 p— GaAsコンタクト
5 0. 85
層 67とを順次に積層し、 VCSEL積層構造を形成する。
[0174] さらに、前記 VCSEL積層構造を、実施例 2と同様にメサエッチングし、さらに同様 な熱酸化処理を行い、前記メサ構造 Mの周囲をポリイミド膜 68で充填後、電極形成 を行い、図 3の面発光レーザダイオード 100が得られる。
[0175] 本実施例 3の面発光レーザダイオード 100では、 p側電極 69, n側電極 70力ら、そ れぞれ正キャリア，負キャリアを注入することにより、波長 850nmのレーザ光が上部 電極 69中に形成された開口部から、前記基板 61に垂直方向に出射される。
[0176] 実施例 3の面発光レーザダイオードでも、実施例 1の面発光レーザダイオードと同 様に、放熱特性が優れ均一な素子特性を有する面発光レーザダイオードが、高い歩 留まりで得られる。
実施例 4
[0177] 次に、本発明の実施例 4の面発光レーザダイオード 120について説明する。前述 のように、実施例 4の面発光レーザダイオード 120も図 3と同様の構成を有している。
[0178] 図 3を参照するに、実施例 4では、 n— GaAs単結晶（100)基板 61上に、 MOCVD 法により、 n— AlAs/GaAs対を 32. 5回繰り返し積層した第 1下部半導体 DBR62と 、 n-Al Ga As/n—GaAs対を 3回繰り返し積層した第 2下部半導体 DBR63
0. 95 0. 05
と、 Ga In P下部スぺーサ層 64Aと、 GalnNAs/GaAs (ゥエル/バリア） TQW
0. 5 0. 5
活性層 64Bと、 Ga In P上部スぺーサ層 64Cと、 ー八1八3被選択酸化層65と、 p
0. 5 0. 5
-A1 Ga As/p— GaAs対を 26回繰り返し積層した上部半導体 DBR66と、 p
0. 95 0. 05
- GaAsコンタクト層 67とを順次に積層し、 VCSEL積層構造を形成する。
[0179] さらに、前記 VCSEL積層構造を、実施例 2と同様にメサエッチングしてメサ構造 M を形成し、さらに同様な熱酸化処理を行い、前記メサ構造 Mの周囲をポリイミド膜 68 で充填後、電極形成を行い、図 3の面発光レーザダイオード 120が得られる。
[0180] 本実施例 4の面発光レーザダイオード 120では、 p側電極 69， n側電極 70力ら、そ れぞれ正キャリア，負キャリアを注入することにより、波長 1300nmのレーザ光が上部 電極 69中に形成された開口部から、前記基板 61に垂直方向に出射される。
[0181] 実施例 4では、先に説明した実施例 1の作用効果に加えて、 GalnNAsを活性層に 含んでいるため、 1. 3 z m帯のレーザ素子であっても GaAs基板上に形成でき、高 性能な AlGaAs系 DBRを利用できると共に、選択酸化狭窄構造を採用できる。さら に障壁層ゃスぺーサ層と GalnNAs活性層との間のバンド不連続が大きぐキャリア 閉じ込め効率が向上するので特性温度がさらに向上し、光伝送用の光源として適用 性の高レ、面発光レーザダイオードが得られる。
[0182] また、本実施例の面発光レーザダイオードは 1. 3 /i m帯の素子であるため、 DBR6 2、 63を構成する半導体層が厚ぐ第 2下部 DBR63の厚さを 3ペア分の厚さに設定 しても、メサエッチングを、エッチングの下端が、前記第 2下部 DBR63中に位置する ように実行することが可能である。これにより、放熱特性および温度特性がさらに向上 し、面発光レーザダイオードをさらに高出力で駆動することが可能になる。
実施例 5
[0183] 図 5は実施例 5の面発光レーザダイオード 140の構成を示す。
[0184] 図 5を参照するに、実施例 5では、 p— GaAs単結晶（100)基板 81上に、 MOCVD 法により、 p— AlAs/p— Al Ga As対を 39. 5回繰り返し積層した第 1下部半
0. 15 0. 85
導体 DBR82と、 p— Al Ga As/p-Al Ga As対を 6回繰り返し積層した
0. 95 0. 05 0. 15 0. 85
第 2下部半導体 DBR83と、 p— AlAs被選択酸化層 84と、 In Ga As P
0. 27 0. 73 0. 44 0. 56 下部スぺーサ層 85Aと、 GaAs/ln Ga P (ゥエル/バリア） TQW活性層 8
0. 27 0. 73 0. 56
5Bと、 In Ga As P 上部スぺーサ層 84Cと、 n—Al Ga As/n—A
0. 27 0. 73 0. 44 0. 56 0. 95 0. 05
1 Ga As対を 30. 5回繰り返し積層した上部半導体 DBR86と、 n— GaAsコンタ
0. 15 0. 85
タト層 87とを順次に積層し、 VCSEL積層構造を形成する。ここで、前記下部スぺー サ層 85A,活性層 85Bおよび上部スぺーサ層 84Cは、共振器となる活性構造部 85 を形成する。
[0185] さらに、前記 VCSEL積層構造を、実施例 2と同様にメサエッチングしてメサ構造 M を形成し、さらに同様な熱酸化処理を行い、メサ構造 Mの周囲をポリイミド膜 90で充 填後、電極形成を行い、図 3の面発光レーザダイオード 120が得られる。ただし本実 施例では、 p側電極 89が基板 81の裏面に、また n側電極 88がコンタクト層 87上に形 成される。
[0186] 本実施例 5の面発光レーザダイオード 120では、 n側電極 88， p側電極 89力ら、そ れぞれ負キャリア，正キャリアを注入することにより、波長 850nmのレーザ光が上部 電極 88中に形成された開口部から、前記基板 81に垂直方向に出射される。
[0187] 図 5のような面発光レーザダイオードにおいて、活性構造部 85中の活性層 85Bより も基板側の半導体層を P型伝導型にする場合は、 AlAs被選択酸化層 84を前記活 性構造部 85よりも基板側に設ける必要がある。これは、化合物半導体では p型伝導 型層の方が n型伝導型層よりも移動度が小さいため、電流狭窄構造を p型伝導領域 に設けた方が、狭窄効果が大きいためである。
[0188] 以上のように、基板側半導体層を p型伝導型に形成する場合は、より正確なエッチ ング制御が必要となる。本実施例 5の積層膜構成では、プラズマ発光分光法を用い てエッチングの進行をモニタすることにより、基板側半導体層が p型伝導型の面発光 レーザダイオードであっても、安定してメサエッチングを実行することが可能になる。
[0189] 本発明の他の特徴は、先に説明した実施例 1の通りであり、説明を省略する。
実施例 6
[0190] 次に、本発明の実施例 6による面発光レーザダイオードを説明する。
[0191] 図 6乃至図 7は、本発明実施例 6の面発光レーザダイオード 160の構成を示す。た だし、図 7は図 6の面発光レーザダイオード 160の活性層周辺の領域 Aの拡大図で ある。なお、本実施例 6の面発光レーザダイオードは、 780nmの波長で発振する。
[0192] 図 6を参照するに、面発光レーザダイオード 160は、面方位が（111) A面方向に傾 斜角 15° で傾斜した n— (100) GaAs基板 101上に、 n— AlAs低屈折率層と n— A1 Ga As高屈折率層とを、媒質内における発振波長の 1/4倍の厚さで交互に例
0. 3 0. 7
えば 30. 5周期積層した周期構造よりなる第 1下部半導体 DBR (下部第 1反射鏡） 1 02と、 n— Al Ga As低屈折率層と n_Al Ga As高屈折率層とを媒質内にお
0. 9 0. 1 0. 3 0. 7
ける発振波長の 1Z4倍の厚さで交互に例えば 10周期積層した周期構造よりなる第 2下部半導体 DBR (下部第 2反射鏡） 103とが形成されている。ただし図 6では詳細 の図示は省略している。
[0193] なお、第 1下部半導体 DBR102および第 2下部半導体 DBR103では、 DBRを構 成する各層の間に A1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 の組成傾斜層を揷入しており、傾斜層を含めた厚さが、媒質内における発振波長の 1/4倍となるように設定されている。かかる構成により、 DBRに通電する場合、高屈 折率層と低屈折率層の間のバンド不連続を緩和でき、 DBRの抵抗を低減できる。
[0194] さらに、前記第 2下部半導体 DBR103上には、前記第 2下部半導体 DBR103と格 子整合する（Al Ga) In P下部第 1スぺーサ（クラッド）層 104Aと、前記 (Al
0. 7 0. 5 0. 5 0. 7
Ga) In P下部第 1スぺーサ（クラッド）層と格子整合する Ga In P下部第 2ス
0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 ぺーサ層と 104Bと、圧縮歪組成を有しバンドギャップ波長が 780nmとなる 3層の Ga InPAs井戸層 104a、および基板に対して格子整合組成を有する 2層の Ga In P
0. 5 0. 5 障壁層 104bを、交互に積層した量子井戸活性層 104Cと、 Ga In P上部第 2ス
0. 5 0. 5
ぺーサ層 104Dと、 (Al Ga) In P上部第 1スぺーサ（クラッド）層 104Eとが順
0. 7 0. 5 0. 5
次積層されている。
[0195] 前記半導体層 104A— 104Eは 1波長分の共振器 104を形成し、前記共振器 104 上には、 p_Al Ga As (x = 0. 9)低屈折率層と p_Al Ga As (x = 0. 3)高屈
1 1
折率層とを交互に例えば 25周期積層した周期構造よりなる上部半導体 DBR (上部 反射鏡） 105が形成されている（図 6では詳細は省略)。本実施例では、前記上部反 射鏡 105においても、前記下部反射鏡 102， 103と同様に、低屈折率層と高屈折率 層との間に組成傾斜層を揷入してレ、る。
[0196] さらに前記上部反射鏡 105上には、 p_GaAsコンタクト層 106が形成されている。
先にも述べたように本実施例では、下部反射鏡 103と上部反射鏡 105との間には発 振波長の 1波長分の厚さの共振器 (レ、わゆるラムダキヤビティー） 104が形成される。
[0197] 以下、本実施例 6の面発光レーザダイオード 160の製造工程を説明する。
[0198] 本実施例では、半導体層 102— 106の成長は、 MOCVD法により行ない、その際 、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 (フォスフィン）、 AsH (アルシン）を必要に応じて用いる。また n
3 3
型ドーパントとしては H Seを（セレン化水素）を用い、 p型ドーパントとしては CBrを
2 4 用いる。また、キャリアガスには Hを用いる。
2
[0199] MOCVD法は、原料ガス供給量を制御することで、組成傾斜層のような構成を容 易に形成できるので、 DBRを含んだ面発光レーザダイオードの結晶成長方法として 特に適している。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。また本実施例 6では、 p 側 DBR (上部反射鏡） 105中で活性層 104Cに近レ、低屈折率層の一部を AlAs層 1 07により形成している。
[0200] このような VCSEL積層構造が形成されると、所定の深さのメサエッチングを、少なく とも前記 P—AlAs層 107の側壁面が露出するように実行し、メサ構造 Mを形成する。 さらに前記メサ構造 Mにより露出された AlAs層 107を、水蒸気中において前記露出 側壁面から始めて酸化し、前記 AlAs層 107中に Al O電流狭窄部 107Aを形成す る。
[0201] さらに、メサエッチングにより形成されたメサ構造 Mの周囲の空間をポリイミド膜 108 で坦め込んで平坦ィ匕し、その後、前記 p—コンタクト層 106と上部反射鏡上の所定の 光出射部 109Aから前記ポリイミド膜 108を除去し、さらに前記 p—コンタクト層 106上 に、前記光出射部 109Aを避けて p側電極 109を形成する。また、前記基板 101の裏 面に n側電極 110を形成する。
[0202] 前記実施例 6では、 A1と Asを主成分とした被選択酸化層 107の選択酸化により電 流狭窄を行うため、しきい値電流が低減される。前記被選択酸化層 107を選択酸化 して形成した A1酸化膜 107Aを電流狭窄層に用いた電流狭窄構造では、電流狭窄 層 107Aを活性層 104Cに近づけて形成でき、注入ホールの拡散が抑制され、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。さらにこのような 電流狭窄構造では、 AlAs膜 107が酸化して A1酸化膜 107Aとなる際に屈折率が減 少し、凸レンズ効果により、キャリアが閉じ込められた微小領域に光を効率良く閉じ込 めることが可能となり、誘導放出の効率が大きく向上する。これに伴い、しきい値電流 が低減される。また、かかる構成では、容易に電流狭さく構造を形成できることから、 面発光レーザダイオードの製造コストを低減することが可能になる。
[0203] なお実施例 6の面発光レーザダイオード 160では、スぺーサ層の一部 104A, 104 Eに AlGalnPを用レ、、障壁層や量子井戸活性層には GalnP Asを用いており、また 半導体層を、面方位が（111) A面方向に 15° 傾斜した（100) GaAs基板上に形成 しているので、 自然超格子の形成によるバンドギャップの低下ゃヒロック（丘状欠陥） 発生による表面性の悪化、さらには非発光再結合センタの影響を低減することが可 能となる。
[0204] また、前記面発光レーザダイオード 160では、スぺーサ層（クラッド層） 104A, 104 Eとしてワイドバンドギャップ材料である（Al Ga) In Pを用いている。このため、
0. 7 0. 5 0. 5
スぺーサ層 104A, 104Eと量子井戸活性層 104aとの間のバンドギャップ差は、前記 スぺーサ層を AlGaAsで形成した場合の 466meV (Al組成 0. 6の場合）に比べて、 743meVに増大する。また障壁層 104bと量子井戸活性層 104aとの間のバンドギヤ ップ差についても、前記面発光レーザダイオード 160では優位であり、良好なキヤリ ァ閉じ込めが実現される。
[0205] また、前記量子井戸活性層 104aが圧縮歪を蓄積しているため、ヘビーホールとラ イトホールのバンド分離による利得の増加も得られる。これらにより、面発光レーザダ ィオード 160は極めて高利得を有し、低いしきい値で高出力動作が可能である。
[0206] また、量子井戸活性層 104aと障壁層 104bは、 A1を含んでいない材料力も構成さ れているため、これらの層への酸素の取り込みが低減され、非発光再結合センタの 形成を抑えることが可能となる。これにより、長寿命の面発光レーザダイオードを実現 すること力 Sできる。
[0207] また、本実施例による面発光レーザダイオード 160では、偏光方向の制御を、基板 の傾斜による光学利得異方性を利用して実現している。
[0208] 現在、最有力視されている（311) B基板 (傾斜角が 25° )を用いた面発光レーザダ ィオードに比べると、本実施例による面発光レーザダイオードでは傾斜角が小さく（1 5° )、このため光学利得異方性は小さくならざるを得ない。そこで実施例 6の面発光 レーザダイオード 160では、この光学利得異方性の低下分を、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。かかる構成により、 満足しうる偏光制御が実現できる。
[0209] このように、本発明の実施例 6によれば、活性層 104aの利得が大きぐまた放熱が 改善され、これによりレーザ発振のしきい値が低ぐ信頼性に優れて、偏光方向が制 御された、波長 780nm帯域の高出力面発光レーザダイオードを実現することができ る。
[0210] なお上記の本発明の効果は、より短波長帯域では減少するものの、 680nmよりも 長波長帯域で顕著に現れる。例えば AlGaAs/AlGaAs系活性層を使った 780nm 帯域面発光レーザダイオードの場合と比較すると、 Al Ga As (0く x≤ 1)系スぺー サ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 Ga As (x = 0. 6、 Eg = 2. 0226eV)と組成波長 780nm (Eg = l . 5567eV)の活性層とのバンドギャップ 差は、（Al Ga ) In P (0く a≤l、 0≤b≤l)スぺーサ層の典型的な組成範囲で a 1 a b 1 b
最もノ ンドギャップ力 S大きレヽ（Al Ga ) In P (a = 0. 7、 b = 0. 5、Eg = 2. 289e
a 1 a b 1 b V)と組成波長 680nm (Eg= l . 8233eV)の活性層とのバンドギャップ差（460meV )とほぼ等しいことに注意すべきである。
[0211] 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 G a In P As (e = 0. 6、 f= l、 Eg = 2. 02eV)とすれば、組成波長 680nmの活 e 1 -e f 1 -f
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面発光レーザダイオードの場合とほぼ同等となる。
[0212] これは、 AlGalnP系スぺ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、 A1フリー活性層（量子井戸活性層と障壁層）を用いても、 AlGaAs/AlG aAs系活性層による 780nm帯域の面発光レーザダイオードの場合と同等以上のキ ャリア閉じ込めが可能となることを意味する。更に歪量子井戸活性層の効果も勘案す ると、本実施例による面発光レーザダイオードによれば、上記従来の AlGaAs/AlG aAs系活性層を使った 780nm帯域面発光レーザダイオードと同等以上の特性を得 ること力 S可言 となる。
実施例 7
[0213] 次に、本発明の実施例 7による面発光レーザダイオードを説明する。
[0214] 図 8は実施例 7の面発光レーザダイオード 180の上面図である。実施例 7の面発光 レーザダイオード 180は、実施例 6の面発光レーザダイオード 160と同一の断面構造 を有するが、面発光レーザダイオードの光出射方向から見たメサ構造 Mが、（111) A 面方向に長い長楕円形状となるように異方性を設けて形成した点で相違している。 従って、面発光レーザダイオード 180の断面構造についての説明は省略する。また、 このようにメサ構造が長楕円形状となる結果、本実施例では、 A1酸化膜 107Aにより 画成された電流注入領域 107の形状も、（l l l)A面方向に長い形状となる。なお、 上記異方性形状は、長楕円形状に限らず、長方形などの他の形状でも良い。
[0215] 本実施例では、偏光制御に、基板 101の傾斜による光学利得異方性を利用してい る。しかし、現在、最有力視されている（311) B基板 (傾斜角が 25° )を偏光制御に 用いた場合に比べ、傾斜角が小さく（15° )、このため光学利得異方性は小さくなら ざるを得ない。
[0216] 実施例 7では、力かる光学利得異方性の低下を、量子井戸活性層 104aに圧縮歪 を与えることで光学利得異方性を増大させることにより、また前記面発光レーザダイ オード 180の光出射方向力 見た活性層の外周形状に異方性を持たせ、より具体的 には（ 111 ) A面方向に長い形状とすることにより、基板傾斜方向（（ 111 ) A面方向） の光学的利得を増大させることにより補償しており、 （311) B基板利用と比べて劣ら ない偏光制御が実現できる。
実施例 8
[0217] 次に、本発明の実施例 7による面発光レーザダイオードを説明する。
[0218] 図 9は実施例 8の面発光レーザダイオード 200の構成を示す。
[0219] 図 9の面発光レーザダイオード 200は、前記実施例 6の面発光レーザダイオード 16
0と同様な構成を有しており、図 9は、前記図 7に対応した、実施例 8の面発光レーザ ダイオードの活性層周辺の領域の拡大図を示している。
[0220] 図 9を参照するに、実施例 8の面発光レーザダイオード 200は実施例 6の面発光レ 一ザダイオード 160に対し、障壁層 104bとして、引っ張り歪を有する Ga In Pを
0. 6 0. 4 用いた点で相違している。また、実施例 8では、引っ張り歪を有する Ga In Pの障
0. 6 0. 4 壁層 104bを、第 1量子井戸活性層 104aの下、及び第 3量子井戸活性層 104aの上 にも設けている。他の構造は、前記図 6の面発光レーザダイオード 160と同様である
[0221] GalnPAs系材料では、同一格子定数で比較すると、 GalnPのバンドギャップが最 も大きレ、。また GalnPAsを障壁層 14bに使う場合、格子定数が小さい組成の方が大 きなバンドギャップを確保できるので、量子井戸活性層 104aとのバンド不連続を更に 増大でき、利得が増加し、更なる低しきい値動作および高出力動作が可能となる。例 えば、本実施例 8で使われる Ga In P引っ張り歪層のバンドギャップは 2. 02eV
0. 6 0. 4
である力 S、このバンドギャップは、バンドギャップが 1. 87eVの実施例 6の Ga In P
0. 5 0. 5 格子整合層よりも、 150meVも大きレ、。
実施例 9
[0222] 図 10は本発明の実施例 9による、面発光レーザダイオードレイ 220の構成を示す 上面図である。
[0223] 図 10を参照するに、前記面発光レーザダイオードレイ 220では、実施例 8の面発光 レーザダイオード 200が基板 101上に 10素子、 1次元に配列されている。ただし、実 施例 9では、面発光レーザダイオード 220の p側と n側を実施例 8の面発光レーザダイ オードとは逆にしている。すなわち、実施例 9では、面発光レーザダイオード 220が形 成される GaAs基板 101は、基板であり、上面に n側個別電極パッド 109が、裏面に p 側共通電極 110が形成されてレ、る。
[0224] 図 10の例では、複数の面発光レーザダイオード 200を 1次元に配列した力 これら の面発光レーザダイオードを 2次元に配列しても良い。
実施例 10
[0225] 図 11は、本発明の実施例 10の光送信モジュール 240を示す。
[0226] 図 11を参照するに、光送信モジュール 240は、図 10の面発光レーザダイオードレ ィチップ 220に、安価なアクリル系 POF (プラスチック光ファイバ一） 240を組み合わ せた構成を有し、個々の面発光レーザダイオード 200からのレーザ光 241A力 対応 する POF241に注入され、伝送される。
[0227] アクリル系 POFは最小吸収損失が 650nmの波長にあり、このため従来、 650nm の面発光レーザダイオードが検討されている。しかし、 650nm帯域の従来の面発光 レーザダイオードは高温特性が悪ぐ実用にはなっていない。このような事情で、従 来、このような P〇Fを使う光送信モジュールには LEDが使われている力 LEDでは 高速変調が困難である。 lGbpsを越えた高速伝送実現のためには半導体レーザが 必須と考えられる。
[0228] 上記実施例 10の光送信モジュール 240に用いられる面発光レーザダイオード 200 では、レーザ発振波長は 780nmであるが、放熱特性が優れ、活性層利得が大きい ので、高出力動作が可能であり、また高温特性にも優れているため、 POFによる吸収 損失の問題はあっても、短距離であれば充分に光伝送が可能である。
[0229] 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る。
[0230] 図 11に示す本実施例 10では、面発光レーザダイオードレイの各面発光レーザダイ オード素子 200と光ファイバ 241とを 1対 1に対応させたが、発振波長の異なる複数 の面発光レーザダイオード素子を 1次元または 2次元にアレイ状に配置して、単一の 光ファイバを介して波長多重送信することにより伝送速度を更に増大させることも可 能である。
[0231] さらに、本実施例では安価な面発光レーザダイオード素子 200と安価な POF241 とを組み合わせたので、低コストの光送信モジュールを実現でき、これを用いて低コ ストの光通信システムを実現できる。力かる光通信システムは極めて低コストであるた め、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。 実施例 11
[0232] 図 12は、本発明の実施例 11による光送受信モジュール 260の構成を示す。
[0233] 図 12を参照するに、光送受信モジュール 260は、実施例 8の面発光レーザダイォ ード素子 200と、受信用フォトダイオード 261と、アクリル系 POF262とを組み合わせ た構成を有する。
[0234] 本発明の面発光レーザダイオード素子 200および POF262はいずれも安価であり 、本発明による面発光レーザダイオード素子 200を光通信システムに用いた光送受 信システム 260では、図 12に示すように、送信用の面発光レーザダイオード素子 20 0と受信用フォトダイオード 261とを単一の POF262と組み合わせて光送受信モジュ ールを構成することにより、低コストの光通信システムを実現できる。
[0235] また、 P〇F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 低減できることを勘案すると、光送受信モジュール 260の費用はさらに低減できる。ま た、本発明の面発光レーザダイオード素子 200では温度特性が優れ、レーザ発振し きい値が低いことから、発熱が少なぐ高温まで冷却なしで使える低コストの光通信シ ステムを実現できる。
[0236] 本実施例による光通信システム 260は、 P〇Fを用いた LAN (Local Area Netw ork)などのコンピュータ等の機器間光伝送、さらには機器内のボード間光伝送、ボ ード内の LSI間での光伝送、さらには LSI内の素子間等の光インターコネクションな ど、特に短距離通信に有効である。
[0237] ところで近年、 LSI等の処理性能は向上している力 今後は、これらを接続する部 分の伝送速度がボトルネックとなることが予測される。 [0238] しかし、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更し、 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 実施例の光送信モジュール 240や光送受信モジュール 260を用いて接続することに より、超高速コンピュータシステムが実現される。
[0239] 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 220や光送 受信モジュール 260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。特に面発光レーザダイオード素子は、端面発光レーザダイオードに比べて桁違 いに低消費電力化でき 2次元アレイの形成が容易なので、並列伝送型の光通信シス テムの構築に特に適してレ、る。
実施例 12
[0240] 図 13は、本実施例 12によるレーザプリンタ 280の構成を示す。ただし図 13のレー ザプリンタ 280は、発振波長が 780nmの前記実施例 8の面発光レーザダイオード 20 0を、 GaAs基板 101上に 4 X 4二次元アレイ配置した面発光レーザダイオードアレイ チップ（16ビーム VCSELアレイ） 281を、感光体ドラム 282と組み合わせている。図 1 3は、特に前記レーザプリンタ 280の光走査部分の概要を示す。
[0241] 図 14は、図 13のレーザプリンタ 280に用いられる前記面発光レーザダイオードレイ チップ（16ビーム VCSELアレイ） 281の概略構成を示す上面図である。このような面 発光レーザダイオードレイチップ（16ビーム VCSELアレイ） 281は、点灯のタイミング を調整することで、前記感光体 282上で光源が、図 14に示すように副走查方向 V— SCANに 10 μ m間隔で配歹 1Jしている場合と等価な状況を実現できる。
[0242] 本実施例 12では、このように複数の面発光レーザダイオードレイ 200力、らの複数の 光ビームを、レンズ 283を含む光学系を用いて走查用ポリゴンミラー 284に集束させ 、さらに前記ポリゴンミラー 284を高速回転させ、さらに点灯のタイミングを調整して副 走查 V— SCAN方向に配列した複数の光スポットを形成し、これを、いわゆる f _ Θレ ンズ 285を介して、被走査面である感光体上 282に集光し、像形成を行う。すなわち 本実施例によれば、像形成が、一度に複数のビームを走査してなされる。
[0243] 本実施例 12によれば、前記感光体 282上に、副走査方向 V— SCAN上、約 10 /i mの間隔で光書き込みが可能となるが、これは 2400DPI (ドット/インチ）の解像度 に相当する。一方、主走査方向 HSCANでの書き込み間隔は、光源の点灯タイミ ングにより、容易に制御できる。
[0244] 本実施例のレーザプリンタ 280では、 16ドットを同時に書き込み可能であり、高速 印刷が可能になる。また、アレイ中の面発光レーザダイオード 200数を増加させること により、更に高速印刷が可能になる。また、面発光レーザダイオード素子 200の間隔 を調整することで、前記副走查 H_ SCAN方向のドット間隔を調整でき、例えば 240 0DPIよりも高密度な、すなわちより高品質の印刷が可能となる。本実施例 12による 面発光レーザダイオードは、従来の面発光レーザダイオードよりも効率が恒常してい るとともに、放熱特性に優れ、複数素子が同時に動作しても高出力を保つことができ 、印刷速度を従来よりも早くすることができる。
[0245] なお、実施例 12ではレーザのレーザプリンタ応用例を示したが、本発明の面発光 レーザダイオードは、その他の画像形成装置にも適用可能である。また、 CD等の記 録用，再生用光源としても用いることができる、すなわち、本発明は、光ピックアップ システムにも適用可能である。さらに、本発明は、光電融合集積回路などにも適用可 能である。
なお、前記実施例 9〜実施例 12において、前記面発光レーザダイオード 200の代 わりに、先に説明した、あるいは以下に説明する、いずれの実施形態の面発光レー ザダイオードを使うことも可能である。
(第 12の実施形態）
本発明の第 12の実施形態を図 15及び図 16に基づいて説明する。本発明の第 12 の実施形態は、本発明の面発光レーザダイオードの原理的構成例及びその動作例 に関する。
(1) 第一の構成例
まず、本発明の第 12の実施形態の第一の構成例による面発光レーザダイオードは 、 GaAs基板と、前記 GaAs基板上に形成され、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、前記 GaAs基板 上、前記共振器領域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、 を含み、前記上部反射鏡および/または下部反射鏡は半導体分布ブラッグ反射鏡 を含み、前記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よりなり、前記活性層と Al， Ga, Asを主成分として含む半導体 層との間に、 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備え、前記 Al， Ga, Asを主成分として含む前記半導体層と前 記 Al， In, Pを主成分として含む前記半導体層との界面が、電界強度分布の節の位 置に一致して形成された面発光レーザダイオードであることを特徴としている。
[0246] 前記第一の構成例の面発光レーザダイオードにおいて、 Al, In, Pを主成分として 含む前記半導体層は、例えば、（Al Ga ) In P (0〈a≤ 1、 0≤b≤ 1)より構成さ a 1 a b 1 -b
れる。
[0247] 従来の面発光レーザダイオードは、共振器領域と反射鏡との界面が電界強度分布 の腹の位置となるように構成され、かつ、前記共振器領域の最上部には 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 含む半導体層よりなる上部反射鏡との界面は、光吸収の影響が大きく現れる腹の位 置に形成されている。ところ力 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、 I nの分離が生じやすぐこれを抑える必要がある力 S、従来、しきい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。
[0248] これに対し、上記第一の構成例の面発光レーザダイオードにおいては、図 15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 AN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り、上記 I nの分離がある程度生じても、レーザ発振しきい値の増加を大幅に抑制することがで きる。なお、図 1において、電界強度分布の腹を Nで表している。
[0249] ここで、 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。
[0250] 前記 Al, In， Pを主成分として含む半導体層 1としては、例えば (Al Ga ) In P
a 1 a b 1 -b (0<a≤l、 0≤b≤l)層が挙げられる。力かる構成により、 AlGalnP層を用いることが 必須となる 650nm帯などの赤色面発光レーザダイオードはもちろんのこと、 780nm 帯， 850nm帯など、波長に関係なく AlGalnP層を用いた面発光レーザダイオードに おいて、しきい値低減の効果が得られる。
(2) 第二の構成例
本発明の第 12の形態の第二の構成例による面発光レーザダイオードは、 GaAs基 板と、前記 GaAs基板上に形成され、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、前記 GaAs基板上、前記 共振器領域のそれぞれ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 含み、前記上部反射鏡および Zまたは下部反射鏡は半導体分布ブラッグ反射鏡を 含み、前記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 て含む半導体層よりなり、前記活性層と前記 Al， Ga, Asを主成分として含む半導体 層との間に、前記 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 Ga ) In P (0<a≤l、 0≤b≤l)層を有し、前記 Al, In, Pを 主成分として含む（Al Ga ) In P (0<a≤ 1、 0≤b≤ 1)層には、 p型ドーパントと a 1— a b 1— b
して Mg (マグネシウム）が添加され、前記 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）が添加されている面発光レーザダイオードである ことを特徴としている。
[0251] 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）が一般 的に用いられている力 Znは拡散係数が大きぐ活性層、または活性層の近くまで拡 散してしまい、結晶性の劣化による発光効率の低下や、吸収損失の増大などにより、 素子特性を劣化させてしまう問題を有してレ、る。
[0252] これに対し、 p型ドーパントとして使える Mgは拡散係数が Znよりも小さぐ上記問題 を改善できる力 Al, Ga, Asを主成分として含む半導体層では、 Cの拡散係数の方 がより小さレ、。また、 Asを含む材料に Mgを添カ卩すると、メモリー効果によりドーピング の制御性が劣化する。
[0253] 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を主に添カ卩した。これにより 、ドーパントの拡散やメモリー効果が低減でき、ドーピングの制御性が向上し、設計に 近いドーピングプロファイルが得られる。またに活性層の結晶性劣化が抑えられ、低 レ、しきレ、値で高出力動作が実現される。
(3) 第三の構成例
本発明の第 12の形態の第三の構成例による面発光レーザダイオードは、 GaAs基 板と、前記 GaAs基板上に形成され、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、前記 GaAs基板上、前記 共振器領域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、を含み、 前記上部反射鏡および/または下部反射鏡は半導体分布ブラッグ反射鏡を含み、 前記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 む半導体層よりなり、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 に、前記 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 Ga ) In P (0<a≤ 1、 0≤b≤ 1)層を設け、前記（Al Ga ) In P (0<a≤l、 0≤b≤l)層は、 AllnPと GalnPとより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面発光レーザダイオードであることを特徴とする。
[0254] 材料によって異なる力 半導体層の熱抵抗は、半導体材料を構成する元素の数が 多いほど増大する。このため、 4元材料である AlGalnPは大きな熱抵抗を有する。そ こで、このような活性層で発生した熱は容易に散逸せず、活性層中に蓄積され、活性 層の温度上昇を招く。このため従来、わずかな注入電流で光出力が飽和してしまうと レ、う問題が生じていた。
[0255] 面発光レーザダイオードでは、発振光の波長よりも充分薄い厚さの層を交互に積層 した超格子構造を形成した場合、光学的には、これらの層が一様に混合した平均組 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 成すること力 Sできる。
[0256] ここで、 4元材料である AlGalnPよりも 3元材料である ΑΠηΡや GalnPの熱抵抗は 小さレ、こと力、ら、し力も、 AlGalnPと同様に、 AllnPや GalnPも GaAs基板に格子整 合させることから、本構成例では面発光レーザダイオード中に、従来一様組成 AlGal nPであった半導体層の代わりに、その平均組成より熱抵抗の小さい少なくとも 2つの 材料を選択して超格子構造を形成することで、熱抵抗を低減する。これにより、活性 層で発生した熱を効率的に放熱することができ、電流注入による活性層温度上昇を 低減でき、従来よりも高いレベルに電流注入が可能となり、出力が上昇し、結果として 高出力動作可能な面発光レーザダイオードを得ることができる。
(4) 第四の構成例
本発明の第 12の形態の第四の構成例による面発光レーザダイオードは、 GaAs基 板と、前記 GaAs基板上に形成され、レーザ光を発生する少なくとも 1層の量子井戸 活性層と障壁層とよりなる活性層を含んだ共振器領域と、前記 GaAs基板上に、前記 共振器領域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、を含み、 前記上部反射鏡および/または下部反射鏡は半導体分布ブラッグ反射鏡を含み、 前記半導体分布ブラッグ反射鏡の少なくとも一部は、 Al Ga As (0<x≤ 1)による低
1
屈折率層と Al Ga As (0≤y<x≤l)による高屈折率層とよりなり、前記上部反射鏡
y l-y
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 Ga ) In P (0く a≤ 1、 0≤b≤ 1)よりなり、前記
a 1—a b 1— b
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面発光レーザダイオードであるこ とを特徴とする。
[0257] 図 16に前記第四の構成例による面発光レーザダイオードの構成を示す。
[0258] 図 16を参照するに、前記第四構成例による面発光レーザダイオードでは、従来一 般的な構成に従って、活性層 307を含む共振器領域 304と上部反射鏡 305との界 面 306が電界強度分布の腹 ANに一致する構成としている力 特に図 2の構成では 、前記上部反射鏡 305中、最も活性層 307に近い低屈折率層（λ Ζ4の厚さ） 308を 、（Al Ga ) In P (0<a≤ 1、 0≤b≤ 1)により形成することで、前記（Al Ga ) I a 1 a b 1 b a 1 a b n P (0く a≤l、 0≤b≤l)層 308上に Al， Ga, Asを主成分として含む半導体層（上
1 b
部反射鏡 305)を結晶成長する場合の界面 309を、電界強度分布の節 Nに一致させ ている。これにより、界面 309における光学的吸収の影響が大幅に低減でき、 Inの分 離がある程度生じても、しきい値の増加を効果的に抑制することができる。なお、図 1 6において、符号 310は下部反射鏡 (一部）である。また、図 16中、前記上部反射鏡 305は、その一部のみが図示されている。
[0259] また図 16の構成において、前記下部反射鏡 310を、基板側から順番に、低屈折率 層が AlAsよりなる第一下部反射鏡と、低屈折率層が Al Ga As (0く xl<l)よりな
xl 1-xl
る第二下部反射鏡と、少なくとも 1層よりなる (Al Ga ) In P (0<a≤ 1、 0≤b≤ 1) a 1— a b 1— b
低屈折率層とから構成することができる。
[0260] AlAsの熱抵抗は、 Gaをわずかに含ませるだけで急激に増大する。これに対し、前 記下部反射鏡 310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 307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 が良好で高出力な面発光レーザダイオードが得られる。なお、 A1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、 A1組成の小さい AlGaAs低屈折率層よりなる第二下部反射 鏡を設けることで、メサ形成のエッチングは A1酸化膜となる被選択酸化層と第一下部 反射鏡の AlAsとの間で停止し、エッチングを容易に制御することができる。
[0261] また図 16の構成において、前記上部反射鏡 305または下部反射鏡 310中に Al G y a As (0≤yく x≤l)よりなる高屈折率層と（Al Ga ) In P (0く a≤ 1、 0≤b≤ 1)
1-y a 1— a b 1— b
よりなる低屈折率層とが積層される場合、これらの界面に、前記 (Al Ga ) In P ( a 丄一 a b 1— b
0く a≤l、 0≤b≤l)低屈折率層よりも Al組成の小さい（Al Ga ) In P (0≤al< al 1-al bl 1-bl a≤l、 0≤bl≤l)よりなる中間層（In分離抑制層）を設けることができる。
[0262] このように A1組成の小さい中間層を挿入することで、（Al Ga ) In P (0く a≤l、 a 1 -a b 1 -b
0≤b≤l)低屈折率層上に Al Ga As (0≤y<x≤l)高屈折率層を積層する場合に
y 1- y
、その界面での Al組成が減少し、（Al Ga ) In P (0く a≤ 1、 0≤b≤ 1)低屈折率
a 1—a b 1— b
層上に Al Ga As (0≤yく x≤l)高屈折率層を広い条件範囲で容易に形成できる。
y l-y
[0263] 更に、 AlGaAs系材料と AlGalnP系材料とのヘテロ接合では、 AlGalnP系材料の A1組成が大きい場合、価電子帯のバンド不連続が増大するが、 A1組成の小さい中 間層が挿入されているため、価電子帯のバンド不連続が減少し、積層方向への電気 抵抗を減少させることが可能になる。 [0264] また、前記上部反射鏡 305あるいは下部反射鏡 310のうち、 p型反射鏡を構成する 前記半導体分布ブラッグ反射鏡においては、 Al Ga As (0く x≤l)低屈折率層およ
1—
び Al Ga As (0≤y<x≤l)高屈折率層に p型ドーパントとして C (炭素）を添加し、さ y i-y
らに、前記 (Al Ga ) In P (0〈a≤l、 0≤b≤ 1)よりなる低屈折率層 308には、 p a 1 -a b 1 -b
型ドーパントとして Mg (マグネシウム）が添カ卩するように構成してもよレ、。
[0265] また、前記（Al Ga ) In P (0く a≤ 1、 0≤b≤ 1)低屈折率層 308は、 AllnPと G a 1 -a b 1 -b
alnPとより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 12の形態の第五の構成例による面発光レーザダイオードは、前記第 四の構成例の面発光レーザダイオードにおレ、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、スぺーサ層が設けられており、前記スぺーサ層 の一部は、前記 AlGalnP低屈折率層よりもバンドギャップが小さい（Al Ga ,) In P (0≤a'≤l、 0≤b'≤l)層よりなり、前記量子井戸活性層は、圧縮歪を有する Ga
In P As (0≤c≤l、 O ^ d^ l)層よりなり、かつ、前記障壁層は、 Ga In P As c 1-c d 1-d e 1- e f 1-
(0≤ e≤ 1、 0≤ f≤ 1)よりなる構成を有する面発光レーザダイオードであることを特 f
徴とする。
[0266] 即ち、図 16の例では、上部反射鏡 305を構成する低屈折率層のうちで少なくとも活 性層 307に最も近い低屈折率層を AlGalnP層とし、障壁層や量子井戸活性層には GalnPAs系材料を用いている。
[0267] そこで、ワイドギャップ材料である（Al Ga ) In P (0く a≤l、 0≤b≤l)低屈折 a 1 -a b 1 -b
率層、及び (Al .Ga ,) In P (0≤
a' 1— a' b' 1— b'
a'≤l、 0≤b'≤1)スぺーサ層をキャリア閉じ込めのクラッド層として使うことができ、 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、クラッド層と量子 井戸活性層とのバンドギャップ差をさらに増大させることができる。ここで、スぺーサ層 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。
[0268] キャリア閉じ込め層について見ると、スぺ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。本第五の構成例の場合では、 (Al Ga a 1 ) In P (0≤a'≤l、 0≤b，≤1)スぺーサ層と（Al Ga ) In P (0く a≤l、0
-a' b' 1 -b' a 1 -a b l _b
≤b≤l)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。
[0269] 例えば先の実施形態で説明した表 2を参照するに、 AlGalnP (スぺーサ層）/ Gal nPAs (量子井戸活性層）系 780nm面発光レーザダイオードでは、スぺーサ層にバ ンドギャップ Eg力 S2. 289eVの（AlO. 7GaO. 3) 0. 5InO. 5P層を使レヽ、量子井戸活 性層にバンドギャップ 1. 5567eVの圧縮歪みを蓄積した GalnPAs層を使レ、、障壁 層にバンドギャップ Egが 2. 02eVの引張り歪みを蓄積した Gaxlnl— xPを使うことに より、 AlGaAsZAlGaAs系 780nm面発光レーザダイオードはもとより、 AlGaAs/ AlGaAs系 850nm面発光レーザダイオードよりも、スぺーサ層と量子井戸層との間 で、また障壁層と量子井戸層との間で、大きなバンドギャップ差を確保できることがわ かる。
[0270] また、前記表 2を参照するに、活性層 307を圧縮歪組成の量子井戸層により形成 することにより、先の実施形態でも説明したようにへビーホールとライトホールのバンド 分離が増大し、利得が増加し、しきい値が低減され、レーザ発振効率が向上し、レー ザ出力が増大する。この効果は、 AlGaAs/AlGaAs系 850nm面発光レーザダイォ ードでは得られないことに注意すべきである。
[0271] このように、本発明の第 12の実施形態の第五構成例によれば、 AlGaAs/AlGaA s系 850nm面発光レーザダイオードよりも低いしきい値の高効率.高出力面発光レー ザダイオードが得られることがわかる。また本構成例では、キャリア閉じ込め効率が向 上し、歪量子井戸活性層を使うことによる利得の増大によっても、しきい値が低減さ れ、これにより、光取り出し側 DBR305の反射率低減が可能となる。これにより、面発 光レーザの出力をさらに増大できる。
[0272] また、前記量子井戸活性層 307中の量子井戸層を Ga in P As (0≤c≤l、0
c 1 -c d 1 -d
≤d≤l)層により、また前記量子井戸活性層 307中の障壁層を Ga In P As (0
e 1 -e f 1 -f
≤e≤l、 0≤f≤l)層により構成することにより、前記活性層 307を、 A1を含んでいな い材料力 構成できる。これにより、先の第 2の実施形態で説明したと同様に、前記 活性層 307中への酸素の取り込みが低減され、非発光再結合センタの形成が抑制 され、長寿命の面発光レーザダイオードを実現できる。 [0273] このように、本実施形態の第五の構成例によれば、スぺーサ層の一部に AlGalnP 材料を用い、障壁層や量子井戸活性層には GalnP Asを用いることで、活性層の利 得が大きぐしきい値が低減され、信頼性に優れた 850nmより短い波長で動作する 高出力面発光レーザダイオードを実現できる。
[0274] 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力 これはこの波 長域において従来に対する優位が極めて顕著に現れるために外ならず、 850nmよ りも長い波長であっても上記の好ましい効果は、大なり小なり得ることができる。
[0275] また、第五の構成例においても、先の第 4の実施形態で説明したように、面発光レ 一ザダイオードの量子井戸活性層において障壁層として使われる GalnPAs系材料 では、同一格子定数で比較すると GalnP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確保できる。すなわち、障壁層とし て GalnP系の格子定数が小さい材料を使うことにより、障壁層と量子井戸活性層との 間に大きなバンド不連続を実現でき、面発光レーザダイオードの利得を増大させるこ とができる。これにより、面発光レーザダイオードは低いしきい値で、高出力動作が可 能となる。例えば、 Ga In P引っ張り歪層のバンドギャップは 2· 02eVであり、 Ga
0. 6 0. 4 0
In P格子整合層のバンドギャップは 1. 87eVであり、 Ga In P引っ張り歪層の
. 5 0. 5 0. 6 0. 4
バンドギャップの方が 150meV大きいことに注意すべきである。
[0276] なお、前記第五の構成例では、 AlGalnP層を活性層に最も近い低屈折率層として 用いた前記第四の構成例をもとに説明したが、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ぺーサ層の一部を AlGalnP層より構成 し、前記量子井戸活性層を、圧縮歪を有する Ga In P As (0≤c≤ 1
c 1 -c d 1 -d 、 0≤d≤ 1
)より構成し、前記障壁層を、 Ga in P As (0≤e≤ 1
e 1 -e f 1 -f 、 0≤f≤ 1)力も構成した場 合であっても、前記クラッド層を AlGalnPとし、障壁層や量子井戸活性層に GalnPA s系材料を用いた場合と同様な効果が得られる。
[0277] すなわち、第三の構成例において、前記面発光レーザダイオードを、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スぺーサ層が設けられ、前記ス ぺーサ層の一部は、 AlGalnP層よりなり、前記量子井戸活性層は、圧縮歪みを蓄積 した Ga in P As (0≤c≤ 1、 0≤d≤ 1)よりなり、前記障壁層を、 Ga In P As c 1 -c d 1 -d e 1 -e f 1 (0≤e≤l、 0≤f≤l)よりなるように構成できる。
-f
[0278] このように、組成が（Al Ga ) In P (0≤a，≤l、 0≤b，≤l)スぺーサ層を用い
a' 1— a' b' 1— b'
ることで、スぺーサ層を AlGaAs系で形成した場合に比べ、スぺーサ層と量子井戸活 性層との間に非常に多き間バンドギャップ差を確保することが可能になる。また、量 子井戸活性層を圧縮歪組成とすることで、しきい値が低減されレーザ発振の効率が 向上し、面発光レーザダイオードは高出力化動作が可能になる。
[0279] さらに、このようなキャリア閉じ込め効率の向上、および歪量子井戸活性層の使用 による利得増大により実現されるしきい値の低減により、光取り出し側 DBR305の反 射率低減が可能となり、さらに光出力を増大させることが可能になる。また、量子井戸 活性層として Ga in P As (0≤c≤ 1、 0≤d≤ 1)を使レ、、障壁層として Ga In
c 1 c d 1 d e 1 e
P As (0≤e≤l, 0≤f≤l)を使うことにより、活性層 307が Alを含んでいない材料 f l -f
から構成され、活性層 307中への酸素の取り込みが低減され、非発光再結合センタ の形成を抑制して、長寿命の面発光レーザダイオードを実現することができる。
[0280] すなわち、本構成例によれば、活性層の利得が大きぐ低いしきい値を有し、信頼 性に優れた 850nmより短波長で動作する高出力面発光レーザダイオードが得られ る。
(6) 第六の構成例
本発明の第 12の形態の第六の構成例による面発光レーザダイオードは、前記第 五の構成例の面発光レーザダイオードにおレ、て、発振波長がおよそ 680nmより長波 長とされていることを特徴とする。
[0281] 本構成の面発光レーザダイオードを、 AlGaAs/AlGaAs系活性層を有する 780η m面発光レーザダイオードの場合と比較すると、 AlGaAsZAlGaAs系面発光レー ザダイオードで使われる Al Ga _ As (0<χ≤1)系スぺーサ層の典型的な組成範囲 において最もバンドギャップが大きい Al Ga As (x = 0. 6、 Eg = 2. 0226eV)と組 成波長が 780nm (Eg= l . 5567eV)の活性層とのバンドギャップ差は、本実施形態 における面発光レーザダイオードで使われる（Al Ga ) In P (0く a≤l、0≤b≤
a 1 a b 1 b
1)スぺーサ層の典型的な組成範囲で最もバンドギャップが大きレ、（Al Ga ) In
a 1 -a b 1 b
P (a = 0. 7、b = 0. 5、Eg = 2. 289eV)と組成波長 680nm (Eg = l . 8233eV)の 活性層とのバンドギャップ差 (460meV)とほぼ等しいことがわかる。
[0282] 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みると、例えば障壁 層を Ga In P As (e = 0. 6、 f= l、 Eg = 2. 02eV)とすれば、組成波長 680應 e 1 -e f 1 -f
の活性層とのバンドギャップ差がおよそ 200meVとなり、 AlGaAsZAlGaAs系活性 層による 780nm面発光レーザダイオードの場合とほぼ同等となる。
[0283] これは、 AlGalnP系スぺ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、 A1フリー活性層（量子井戸活性層と障壁層）を用いた面発光レーザダイォ ードであっても、 AlGaAs/AlGaAs系活性層を有する 780nm面発光レーザダイォ ードの場合と同等以上のキャリア閉じ込めが可能となることを意味する。実際には、更 に歪量子井戸活性層の効果も加わるため、同等以上の特性が得られる。
(7) 第七の構成例
本発明の第 12の形態の第七の構成例による面発光レーザダイオードは、前記第 一乃至第六の構成例の何れかの面発光レーザダイオードにおレ、て、被成長基板の 面方位が、（111) A面方向に 5° 力も 20° の範囲内で傾斜した（100)面として構成 されていることを特徴とする。
[0284] Al, In, Pを含んだ材料や、 GalnPの結晶成長においては、基板面方位が結晶成 長に影響し、特に AlGalnPや GalnP層の結晶成長では、基板面方位が（111) A面 方向に 5° 乃至 20° の範囲内の角度 (傾斜角）に傾斜した（lOO) GaAs基板を、前 記基板 41として使うのが好ましい。これは、基板の面方位が（100)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 形状の悪化や非発光再結合センタの発生が生じ、基板上に形成される半導体レー ザなどのデバイス特性に悪影響を及ぼす恐れがあるためである。
[0285] 一方、基板面方位を（100)面から（l l l)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。そこで、バンドギャップは、傾斜角が 10° 力 15 。 くらいまでは急激に変化し、その後は徐々に正規のバンドギャップ (混晶のバンド ギャップ値）に近づき、また、ヒロックも徐々に発生しなくなつていく。
[0286] しかし、（l l l) A面方向の傾斜角が 20° を超えると、基板上への結晶成長が困難 になる。このため、例えば赤色レーザ（630nmから 680nm)の材料系で使われてい る AlGalnP材料では、 5。 乃至 20° の範囲内の角度に（より多くの場合、 7° 乃至 1 5° の範囲内の角度に)傾斜させた基板が一般に使われている。これは、スぺーサ層 (クラッド層）である AlGalnPはもとより、表 2の例のように障壁層を GalnPとした場合 も当てはまる。更には、障壁層や量子井戸活性層が GalnPAs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° 乃至 20° の範囲内の角度に（より望ましくは 7° 乃至 15° の範囲内の角度に)傾斜した（ 100) GaAs基板を用いることが好ましレ、。
[0287] 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（l l l)A面方向又は（l l l) B面方向に 15° 〜40。 傾斜した基板を用 レ、、光学利得異方性を利用し、さらに圧縮歪を有する InAlGaAs, InGaAsPよりなる 多重量子井戸活性層を採用することで、傾斜方向の光学的利得を増大させる偏光 制御技術が記載されている。また、特開 2001— 168461公報には、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（l l l) A面方向又は（l l l) B面 方向に設定する構成が記載されている。この場合、基板面方位は（100)から [110] 方向に 2° オフ（一 5° 〜+ 5° 含む）したものであり、 A面， B面方向へ傾斜した基 板ではない。
[0288] 本発明第 12実施形態の第七の構成例における面発光レーザダイオードでは、偏 光制御に、基板面方位を（111) A面方向に傾斜させることにより生じる光学利得異 方性を利用する。し力 本構成例では、現在最有力視されている（311) B基板を用 レ、た偏光制御技術を使うことができなレ、。このように前記第七の構成例では、基板傾 斜角が（311) B基板（25° )より小さい（5° 力 20° の範囲内）ため、基板コストを 抑えられ、またへき開が容易になるなどの利点があるものの、得られる光学利得異方 性は小さくならざるを得ない。
[0289] そこで上記第七の構成例では、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。
[0290] すなわち、前記第七の構成例による面発光レーザダイオードでは、光出射方向か ら見た活性層の外周形状を、 （l l l)A面方向が長くなるように形状異方性を持たせ る。また、面発光レーザダイオードの光出射方向から見た活性層の外周形状自体に も異方性を持たせ、 (111) A面方向に長レ、形状とすることによって、傾斜方向（（ 111 ) A面方向）の光学的利得をさらに増大させ、偏向制御性を向上させることができる。 (第 13の実施形態）
以下、本発明の第 13の実施形態による面発光レーザ 400を、図 17乃至図 19に基 づいて説明する。
[0291] 前記第 13の実施形態は、前記第 12の実施形態の第一の構成例をより具体化した ものであり、図 17は、前記面発光レーザダイオード 400の構造例を示す原理的断面 図、図 18は、前記面発光レーザダイオード 400の活性層周辺構造を抽出して拡大し て示す断面図、図 19は、前記面発光レーザダイオード 400の一部を示す平面図で ある。
[0292] 本発明の第 13の形態における面発光レーザダイオード 400は、面方位力 (111) A面方向に 15° 傾斜した n_ (100) GaAs基板 411を使レ、、前記 GaAs基盤 411上 には、 n— Al Ga As層と n— Al Ga As層を、媒質内における発振波長の 1
0. 9 0. 1 0. 3 0. 7
/4倍の厚さで交互に例えば 35周期積層した周期構造 412と、その上部に 1/4波 長の厚さで形成された n— (Al Ga ) In P低屈折率層（クラッド層） 413とが、
0. 7 0. 3 0. 5 0. 5
n—半導体分布ブラッグ反射鏡（下部反射鏡) 414として形成されている。
[0293] また、前記周期構造 412中で繰り返し周期の 1単位を構成する n—Al Ga As
0. 9 0. 1 層と n— Al Ga As層との間には、 Al組成を一方の値から他方の値に徐々に変化
0. 3 0. 7
させた厚さ 20nmの組成傾斜層（図示せず）が挿入されており、前記繰り返し周期の 1単位の厚さは、前記組成傾斜層を含めて、媒質内における発振波長の 1/4倍に 設定されている。これにより、 DBR中に駆動電流を流す場合、前記低屈折率層と高 屈折率層の間のバンド不連続を滑らかにすることができ、電気抵抗の増大を抑制で きる。
[0294] 前記周期構造 412上には、図 18に示すように、前記基板 411に格子整合する (A1
0
Ga ) In P下部スぺーサ層 415と、圧縮歪蓄積組成であってバンドギャップ
. 2 0. 8 0. 5 0. 5
波長が 780nmの 3層の GalnPAs量子井戸活性層 416および前記基板 411に格子 整合する 4層の Ga In P障壁層 417を交互に積層した活性層 418と、 (Al Ga
0. 5 0. 5 0. 2 0.
) In P上部スぺーサ層 419と力 S、順次形成されている。 [0295] さらに前記上部スぺーサ層 419上には、媒質中でのレーザ発振波長の 1/4倍の 厚さの p— (Al Ga ) In P低屈折率層（クラッド層を兼ねる） 420と、 p—Al G
0. 7 0. 3 0. 5 0. 5 x a As (x = 0. 9)低屈折率層と p—Al Ga As (x = 0. 3)高屈折率層とを交互に例
1一 1
えば 24. 5周期積層した周期構造 421とより構成される p—半導体分布ブラッグ反射 鏡（上部反射鏡) 422が形成されている（図 1では詳細は省略)。ここで、前記上部反 射鏡 422においても、高屈折率層と低屈折率層との間には、前記下部反射鏡 414と 同様な組成傾斜層が挿入されてレ、る。
[0296] さらに前記上部反射鏡 422の最上部には、電極との間でォーミックコンタクト形成す る ρ— GaAsコンタクト層 423が形成されている。
[0297] かかる構成では、前記下部反射鏡 414と上部反射鏡 422との間は、発振波長の 1 波長分の厚さ（いわゆるラムダキヤビティー）の共振器領域 424が形成される。前記共 振器領域 424と、前記下部反射鏡 414と、前記上部反射鏡 422とにより、面発光レー ザ 400の共振器構造が構成される。
[0298] 前記第 13の実施形態による面発光レーザダイオード 400では、 p—(Al Ga )
0. 7 0. 3 0.
In P低屈折率層（クラッド層を兼ねる） 420と、前記低屈折率層 450上に形成され
5 0. 5
、上部反射鏡 422を構成する p— Al Ga As (x = 0. 3) 425との界面 426 (図 15の
1
界面 3に相当）を電界強度分布の節の位置に一致させてレ、る。
[0299] ちなみに、従来は、共振器領域の最上部に AlGalnPクラッド層（スぺーサ層）が設 けられている。このような構成では、共振器領域と AlGaAs系材料よりなる上部反射 鏡との界面は、光吸収の影響が大きい腹の位置に形成されている。し力しながら、 A1 , 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の分離が生じやすぐしきい値の 上昇を抑制するのは困難であった。
[0300] 本発明の第 13の実施形態によれば、界面 426を電界強度分布の節に一致させて いるため、界面 426における光吸収の影響は大幅に低減され、この部分で Inの分離 がある程度生じても、しきい値の増加を効果的に抑制することが可能になる。なお、 前記 p_ (Al Ga ) In P低屈折率層 420と前記 p_Al Ga As (x = 0. 3) 42
0. 7 0. 3 0. 5 0. 5 x 1-x
5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 レ、、薄い (Al) GalnPを設け、 Inの分離を低減すると、しきい値の増大がさらに効果的 に抑制される。
[0301] なお、前記第 13の実施形態では、レーザ構造に対称性を付与する観点から、下部 反射鏡 414の活性層 18に最も近い低屈折率層も（Al Ga) In P層としているが
0. 7 0. 5 0. 5
、 Inの分離の問題の改善だけであれば AlGaAs系材料を使っても構わなレ、。
[0302] 以下、前記第 13の実施形態による面発光レーザダイオード 400の製造工程を説明 する。
[0303] 本実施形態では、前記面発光レーザダイオード 400を構成する半導体積層構造は 、 MOCVD法により形成される。その際、原料として TMG (トリメチルガリウム）， TM A (トリメチルアルミニウム）， TMI (トリメチルインジウム）， PH (フォスフィン）、 AsH (
3 3 アルシン）を用い、 n型のドーパントとしては H Se (セレン化水素）を、 p型のドーパント
2
としては DMZn又は CBrを使う。またキャリアガスには Hを使う。
4 2
[0304] MOCVD法では、組成傾斜層のような構成を、原料ガス供給量を制御することで 容易に形成できる、 DBRを含んだ面発光レーザダイオード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、量産性にも優れてレ、る。
[0305] 前記第 13の実施形態では、 p側 DBR中で前記活性層 418に近い低屈折率層の一 部を AlAs層としている。
[0306] このようにして形成された積層構造体をさらにメサエッチングすることにより、所定の 大きさのメサ構造 426が、少なくとも p—AlAs被選択酸化層 427の側壁面が露出す るように形成し、前記露出された AlAs層を、水蒸気中で前記側壁面から酸化し、 A1 O電流狭窄層 428を形成する。
y
[0307] 次に、前記メサ構造 426の周囲をポリイミド膜 432埋め込んで平坦ィ匕し、さらに前記 コンタクト層 423上の光出射窓 429に対応する部分から前記ポリイミド膜 432を除去 する。さらに前記 p型コンタクト層 423上に、前期光出射部 29を回避して p側電極 43 0を形成し、さらに基板 411の裏面に n側電極 431を形成する。
[0308] 本実施例形態の面発光レーザ 400では、 A1と Asを主成分とした被選択酸化層 42 7の選択酸化により電流狭窄を行うため、しきい値電流が大きく低減される。 [0309] 被選択酸化層 427を選択酸化した Al酸化膜よりなる電流狭窄層 428を用いた電流 狭窄構造を使うことにより、電流狭窄層 428を活性層 418に近接して形成することが 可能になり、注入電流の拡散を抑制でき、大気に触れない微小領域に効率良くキヤ リアを閉じ込めることができる。
[0310] さらに、かかる電流狭窄構造では、酸化された部分 428が A1酸化膜に変化すること で屈折率が減少し、凸レンズの効果により、前記キャリアの閉じ込められた微小領域 に効率良く光閉じ込めがなされ、極めて大きな効率を実現することが可能になる。ま た、これにより、しきい値電流が低減される。さらに、かかる電流狭窄構造は容易に形 成でき、レーザダイオードの製造コストを大きく低減できる。
[0311] なお、本実施形態では、面発光レーザダイオードの光出射方向から見たメサ形状 を、図 19に示すように、（l l l) A面方向に長い長楕円形状となるように異方性を持た せて形成する。かかる異方性形状は、前記楕円形状に限定されるものではなぐ例え ば長方形など他の形状でも良い。これにより、 A1酸化膜 428により画成された電流注 入領域も（111) A面方向に長い形状となる。
[0312] 前記第 13の形態の面発光レーザダイオード 400では、前記活性層 418に最も近い 反射鏡 422の低屈折率層 425ゃスぺーサ層 419に AlGalnP系の材料を用レ、、障壁 層 417や量子井戸活性層 416には GalnPAsを用いている。その際、レーザ構造を、 面方位が（111) A面方向に 15° 傾斜した（100) GaAs基板 411上に形成している 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 よる表面形状の劣化、あるいはこのような表面形状の劣化に伴う非発光再結合センタ の影響を低減することが可能になる。
[0313] また上記構成では、キャリア閉じ込めのためのクラッド層（活性層 418に最も近い反 射鏡 422中の低屈折率層） 420として、ワイドギャップ材料である（Al Ga ) In
0. 7 0. 3 0. 5 0
Pを用いていることに注意すべきである。このため、クラッド層 420と活性層 418との
. 5
間には、前記クラッド層 420を AlGaAsで形成した場合のバンドギャップ差 466meV (Al組成 0. 6の場合）に比べて非常に大きい 743meVのバンドギャップ差が得られる 。同様に、障壁層 417と活性層 418との間においても、上記構成によればより大きな バンドギャップ差が確保され、このため、非常に良好なキャリア閉じ込めが実現される 。また、上記構成では活性層 418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る利得の増加が得られる。
[0314] 面発光レーザダイオード 400では、これらの効果により、高い利得が得られ、低いし きい値で、大出力動作が実現される。
[0315] なお、（Al Ga ) In P低屈折率層 420と活性層 418との間のスぺーサ層と
0. 7 0. 3 0. 5 0. 5
して (Al Ga ) In P層 419を 1層だけ形成した力 S、前記スぺーサ層を複数の
0. 2 0. 8 0. 5 0. 5
半導体層で形成しても良レ、。また、 AlGalnP低屈折率層 420や AlGalnPスぺーサ 層 419は、微量に他の構成元素を含んでいても構わない。
[0316] また、前記活性層 418と障壁層 417は、 A1を含んでいない材料力も構成されており 、A1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、前 記面発光レーザダイオード 400では酸素の取り込みが低減され、非発光再結合セン タの形成を抑えることができ、長寿命レーザダイオードを実現することができる。
[0317] また、前記面発光レーザダイオード 400では、偏光制御を、基板 411の傾斜による 光学利得異方性を利用して行つている。
[0318] 本実施形態の面発光レーザダイオード 400では、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、基板傾斜角が小さく（15° )、このため光学 利得異方性は小さくならざるを得ない。
[0319] このため、本実施形態ではかかる光学利得異方性の減少を、前記量子井戸活性層
416に圧縮歪を与えることによる光学利得異方性の増大効果により、また前記量子 井戸活性層 416の外周形状を、（l l l) A面方向に長く延在する、光出射方向から見 て異方性形状に形成し、前記基板傾斜方向（（111) A面方向）への光学的利得を増 大させることにより補償しており、 （311) B基板利用と比べて劣らない偏光制御を実 現している。
[0320] このように、本発明の第 13の実施形態によれば、活性層 418の利得が大きぐしき い値が小さぐ優れた信頼性を有し、偏光方向制御が可能な 780nm帯の高出力面 発光レーザダイオードを実現することができる。その際、本実施形態の面発光レーザ ダイオード 400は、 Al, In, Pを主成分として含む半導体層 420上に Al， Ga, Asを主 成分として含む半導体層 425を結晶成長する際に Inの分離が生じても、これによるし きい値上昇が生じにくい構造に設計されており、レーザダイオードの製造を容易にお こなうこと力 Sできる。
[0321] なお、前記第 13の実施形態における、活性層が A1を含まないことによる効果は、発 振波長が短くなると減少するが、それでも、発振波長が 680nmより長波長であれば、 上記効果は持続する。
[0322] 例えば、本実施形態の面発光レーザダイオードを、 AlGaAs/AlGaAs系活性層 を有する 780nm面発光レーザダイオードの場合と比較すると、 AlGaAsZAlGaAs 系面発光レーザダイオードで使われる Al Ga― As (0く x≤l)系スぺーサ層の典型 的な組成範囲において最もバンドギャップが大きい Al Ga As (x = 0. 6、 Eg = 2.
x 1 -x
0226eV)と組成波長力 780nm (Eg = l . 5567eV)の活性層とのバンドギャップ差 は、本実施形態における面発光レーザダイオードで使われる (Al Ga ) In P (0 <a≤ 1、 0≤b≤ 1)スぺーサ層の典型的な組成範囲で最もバンドギャップが大きレヽ（A 1 Ga ) In P (a = 0. 7、 b = 0. 5、 Eg = 2. 289eV)と組成波長 680應（Eg= 1 a 1 a b 1 -b
. 8233eV)の活性層とのバンドギャップ差（460meV)とほぼ等しいことがわ力る。
[0323] 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みると、例えば障壁 層を Ga In P As (e = 0. 6、 f= l、 Eg = 2. 02eV)とすれば、組成波長 680應 e 1 -e f 1 -f
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面発光レーザダイオードの場合とほぼ同等となる。
[0324] これは、 AlGalnP系スぺーサ層 219を用いることで、組成波長が 680nmよりも長波 長であれば、 A1フリー活性層（量子井戸活性層 216と障壁層 217)を用いた面発光 レーザダイオードであっても、 AlGaAs/AlGaAs系活性層を有する 780nm面発光 レーザダイオードの場合と同等以上のキャリア閉じ込めが可能となることを意味する。 実際には、更に歪量子井戸活性層の効果も加わるため、同等以上の特性が得られる
[0325] また、前記障壁層 417に A1を含ませた場合には、 650nm帯など 680nmより波長の 短い赤色面発光レーザダイオード作製が可能となる。この場合、活性層が A1フリーで ある場合の効果は得られないが、前述の Inの分離の問題を改善することが可能にな る。 (第 14の実施形態）
次に本発明の第 14の形態を、図 20に基づいて説明する。前記第 14の実施形態は 、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。
[0326] 図 20は、本形態の面発光レーザダイオード 500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。
[0327] 図 20を参照するに、本実施形態は、基本的には、図 18の第 13の実施形態の構成 と同じである力 S、前記障壁層 417の代わりに、引っ張り歪を有する Ga In Pよりな
0. 6 0. 4 る障壁層 417aを用いた点で異なっている。
[0328] 面発光レーザダイオードにおいて量子井戸活性層の障壁層として使われる GalnP As系材料では、同一格子定数で比較すると GalnP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確保できる。すなわち、そ こで障壁層 417aとして GalnP系の格子定数が小さい材料を使うことにより、障壁層と 量子井戸活性層との間に大きなバンド不連続を実現でき、面発光レーザダイオード 5 00の利得を増大させることができる。これにより、面発光レーザダイオードは低いしき い値で、高出力動作が可能となる。例えば、 Ga In P引っ張り歪層 417aのバンド
0. 6 0. 4
ギャップは 2· 02eVであり、 Ga In P格子整合層 417のバンドギャップは 1 · 87e
0. 5 0. 5
Vであり、 Ga In P引っ張り歪層 417aのバンドギャップの方が 150meV大きいこ
0. 6 0. 4
とに注意すべきである。
[0329] なお、障壁層として引っ張り歪組成層を使レ、、バンド不連続を増大させる効果は、 量子井戸活性層が圧縮歪組成の時だけでなぐ格子整合組成や引つ張り歪組成で あっても得られることに注意すべきである。
(第 15の実施形態）
本発明の第 15の実施形態による面発光レーザダイオードは、先に図 18で説明した 前記第 13の実施形態による面発光レーザダイオード 400と同様な構成を有するが、 p—半導体分布ブラッグ反射鏡における、 p-Al
Figure imgf000071_0001
As (x = 0. 3)よりなる多層構造部のドーパントに Cを使レヽ、 p_ (Al Ga ) In
0. 7 0. 3 0. 5 0. 5
P低屈折率層のドーパントに Mgを使った点で相違している。
[0330] (Al) GalnP層の p型ドーパントとして Zn (亜鉛）が広く用いられている力 Znは拡散 係数が大きぐ上部反射鏡の成長工程中に Znは活性層、あるいは活性層の近傍ま で拡散してしまい、活性層の結晶性を劣化させ、発光効率の低下や、吸収損失の増 大など、素子特性の劣化招来してしまう。この問題は、 p側半導体層が、活性層の下 部に形成されている場合、より一層深刻になる。
[0331] また、面発光レーザダイオードは、端面発光レーザダイオードに比べて膜厚が数倍 厚ぐ成長時間も長ぐこのため、熱拡散の影響は決して見過ごすことのできない問 題である。
[0332] 一方、 Mgは拡散係数が Znより小さぐ上記問題を改善できると考えられる。しかし、 Al, Ga, Asを主成分として含む半導体層においては、 Mgの拡散係数よりも、 Cの拡 散係数がより小さい。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 悪くなることが知られている。
[0333] 従って、この本実施形態では、 AlGalnP層には Mgを添加し、 AlGaAs多層膜には Cを添加する構成としている。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 、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る。これにより、面発光レーザダイオードにおいて、低 しきい値，高出力動作を容易に実現することが可能になる。
[0334] なお、上記の AlGalnP膜のドーパントを Mgとし、 AlGaAs膜のドーパントを Cとする ことによる効果は、 AlGalnP膜を反射鏡の低屈折率層として用いた場合だけでなぐ 図 21に示すように AlGalnP膜が上下の反射鏡で挟まれた共振器領域中に設けられ た場合であっても得られる。また、 650nm帯等可視領域の面発光レーザダイオード のように、共振器領域を本実施形態と同様に AlGalnP系材料で形成し、反射鏡を A1 GaAs系材料で形成している面発光レーザダイオードにおいても同様な効果が得ら れる。
[0335] なお図 21の構成では、 n型下部反射鏡の最上部低屈折率層を構成する η_Α1
0. 9
Ga As層 511上に、 n— (Al Ga ) In Pクラッド層 512が形成され、前記 n
0. 1 0. 7 0. 3 0. 5 0. 5
型クラッド層 512上に、（Al Ga ) In P下部スぺーサ層 513を介して、圧縮歪
0. 2 0. 8 0. 5 0. 5
みを蓄積した GalnPAs量子井戸活性層 514と GaO. 5InO. 5P障壁層 515を交互に 積層した活性層が形成され、さらに前記活性層上には、 (Al Ga ) In P上部 スぺーサ層 516を介して p— (Al Ga ) In Pクラッド層 517が形成され、前記
0. 7 0. 3 0. 5 0. 5
クラッド層 517上には、 p型上部反射鏡 518の最下部低屈折率層を構成する P—A1
0.
Ga As層 518が形成されている。
9 0. 1
[0336] 前記 n— Al Ga As層 511および p— Al Ga As層 518は、媒質中でのレー
0. 9 0. 1 0. 9 0. 1
ザ発振波長の 1Z4倍の厚さを有し、また図示の例では、前記半導体層 512〜517 は、前記上下の反射鏡 511 , 518の間で 1波長分の共振器 519を形成している。 (第 16の実施形態）
本発明の第 16の実施形態による面発光レーザは、図 18の面発光レーザダイォー ド 400と同様な構成を有する力 下部反射鏡 413上部の n_ (Al Ga ) In P
0. 7 0. 3 0. 5 0. 5 低屈折率層と p—（Al Ga ) In P低屈折率層の積層を、 Al In Pと Ga I
0. 7 0. 3 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 0. 5 n Pとの短周期超格子構造とした点で異なっている。
0. 5
[0337] 材料によって異なるが、半導体層の熱抵抗は、半導体材料を構成する元素の数が 多いほど増大する。このため、 4元材料である AlGalnPは大きな熱抵抗を有する。そ こで、このような活性層で発生した熱は容易に散逸せず、活性層中に蓄積され、活性 層の温度上昇を招く。このため従来、わずかな注入電流で光出力が飽和してしまうと レ、う問題が生じていた。
[0338] 面発光レーザダイオードでは、発振光の波長よりも充分薄い厚さの層を交互に積層 した超格子構造を形成した場合、光学的には、これらの層が一様に混合した平均組 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 成すること力 Sできる。
[0339] ここで、 4元材料である AlGalnPよりも 3元材料である ΑΠηΡや GalnPの熱抵抗は 小さレ、こと力、ら、し力も、 AlGalnPと同様に、 AllnPや GalnPも GaAs基板に格子整 合させることから、本構成例では面発光レーザダイオード中に、従来一様組成 AlGal nPであった半導体層の代わりに、その平均組成より熱抵抗の小さい少なくとも 2つの 材料を選択して超格子構造を形成することで、熱抵抗を低減する。これにより、活性 層で発生した熱を効率的に放熱することができ、電流注入による活性層温度上昇を 低減でき、従来よりも高いレベルに電流注入が可能となり、出力が上昇し、結果として 高出力動作可能な面発光レーザダイオードを得ることができる。
[0340] なお、 AlGalnPを AllnPと GalnPとによる短周期超格子構造で形成した場合の熱 抵抗低減効果は、必ずしも AlGalnPを反射鏡の低屈折率層として用いた場合でなく とも、先の図 21に示すような、これが上下の反射鏡 511， 518で挟まれた共振器領域 519中に設けられた場合であっても得られることに注意すべきである。また、 650nm 帯等可視領域の面発光レーザダイオードのように、共振器領域を AlGalnP系材料で 形成してレ、る面発光レーザダイオードにおレ、ても同様な効果が得られる。
[0341] 活性層からの放熱は基板側が主なので、上記構成は、少なくとも基板側の AlGaln P層に適用することが好ましレ、。
(第 17の実施形態）
本発明の第 17の実施形態による面発光レーザダイオード 600を、図 22を参照しな がら説明する。ただし図 22中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明 を省略する。
[0342] 本実施形態の面発光レーザダイオード 600は、前記第 14の実施形態の面発光レ 一ザダイオード 500と類似した構成を有する力 以下の二点で異なっている。
[0343] 第一点は、下部反射鏡 414が、基板側 411から順番に、 n— AlAs低屈折率層と n -A1 Ga As高屈折率層とを 31周期積層した第 1下部反射鏡 412Aと、 n—Al
0. 3 0. 7 0. 9
Ga As低屈折率層と n— Al Ga As高屈折率層とを 9周期積層した第 2下部反
0. 1 0. 3 0. 7
射鏡 412Bの積層により形成され、さらにその上に、前記 n— (Al Ga ) In P
0. 7 0. 3 0. 5 0. 5 低屈折率層（クラッド層） 413を形成した点である。
[0344] 力、かる下部反射鏡 414は、低屈折率層として、熱抵抗の小さい AlAsを含んでいる ため、活性層 416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の面発光レーザダイオードが得られる。
[0345] なお、もしもメサ構造形成時のエッチング面が前記第 1下部反射鏡 412A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、活性層 416が絶縁され、あるいはレーザ ダイオードの電気抵抗が増大する事態となってしまう。これは、 AlGaAsの酸化速度 では Al組成依存性が極めて大きぐ A1組成が大きいほど酸化速度が大きぐ AlAsで 酸化速度が最大となるためである。
[0346] このため、本実施例形態では、前記下部反射鏡 412A上に、酸化速度が小さい A1 GaAsを用いた第 2下部反射鏡 412Bを設けている。なお、このような第 2下部反射鏡 412Bは、第 1下部反射鏡 412A中の低屈折率層の酸化速度力 S、被選択酸化層より も速い材料'厚さの場合に設ける必要が出てくる。例えば被選択酸化層 427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 412Aの低屈折率層 に Gaが含まれていても、その酸化速度が被選択酸化層 427よりも速い場合がある。 この場合でも前記第 2下部反射鏡 412Bが必要となる。前記第 1下部反射鏡 412A中 の低屈折率層が前記第 2下部反射鏡 412B中の低屈折率層よりも熱抵抗の小さい組 成 (材料)であれば、効率的な放熱が実現される。
[0347] メサ形成エッチングでは、ロットごとのばらつきが生じる力 本実施形態では、メサェ ツチングが A1酸化膜となる被選択酸化層 427と第 1下部反射鏡の AlAs412Aの間で 止まるように行えば良レ、。
[0348] このメサエッチングは、例えば C1ガスを、被処理基板を保持するドライエッチング装
2
置の処理容器に導入し、反応性イオンビームエッチング法 (RIBE)法で行うことがで きる。このメサエッチングの際、先の実施形態でも説明したように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、その時間変化により、エッチ ングの進行をモニタすることができる。
[0349] 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、やがて消失 する。そこで、前記 Inの発光が消失した時点でエッチングを終了することにより、前記 第 2下部反射鏡 412B中でエッチングを停止させることができ、メサエッチングを容易 に再現性良く制御することが可能になる。
[0350] また上記第二点は、 n側及び p側の Al Ga As高屈折率層と（Al Ga ) In
0. 3 0. 7 0. 7 0. 3 0. 5 0
P低屈折率層との界面に、例えば 20nmの厚さの（Al Ga ) In P中間層 60
. 5 0. 1 0. 9 0. 5 0. 5
1を設けたことである。
[0351] 本実施形態では、このように A1組成の小さい中間層 601を揷入することにより、特 に、 p_ (Al Ga ) In P低屈折率層上に p_Al Ga As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拡大され、高屈折率層 の形成を容易に行うことができる。また、 AlGaAs系材料と AlGalnP系材料のへテロ 接合では、 AlGalnP系材料の A1組成が大きい場合、価電子帯のバンド不連続が大 きくなつてしまうが、 A1組成の小さい中間層を揷入することにより、このような価電子帯 のバンド不連続を減少でき、電気抵抗低減することが可能になる。なお、中間層 601 には、 Asが含まれていても良い。
さらに、本発明の上記第 12〜： 17の実施形態による面発光レーザダイオードを使つ て、先に図 10〜図 14で説明した面発光レーザダイオードアレイ 220、光送信モジュ 一ノレ 240、光通信システム 260、面発光レーザアレイチップ 281をつかったレーザプ リンタ 280などを構成することが可能である。
さらに本発明は、上記の実施例に限定されるものではなぐ特許請求の範囲に記載 した要旨内におレ、て様々な変形 ·変更が可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 半導体基板と、
レーザ光を発生する少なくとも 1層の量子井戸層および障壁層を含む活性層と、前 記活性層の近傍に設けられ、少なくとも 1種類の材料よりなるスぺーサ層とよりなり、 前記半導体基板上に形成された共振器領域と、
前記半導体基板上において前記共振器領域の上部および下部に設けられた上部 反射鏡および下部反射鏡と、
よりなる面発光レーザダイオードであって、
前記共振器領域、前記上部反射鏡および前記下部反射鏡は、前記半導体基板上 においてメサ構造を形成し、
前記上部反射鏡および下部反射鏡は、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構成し、
前記半導体分布ブラッグ反射鏡の少なくとも一部は、 Al Ga As (0く x≤ 1)よりな る屈折率が小なる層と、 Al Ga As (0≤y<x≤l)よりなる屈折率が大なる層とから
y i -y
構成され、
前記下部反射鏡は、低屈折率層が AlAsよりなる第 1下部反射鏡と、第 1下部反射 鏡の上に形成され、低屈折率層が AlGaAsよりなる第 2下部反射鏡とから構成され、 前記共振器領域を構成するいずれかの層は、 Inを含んでいる面発光レーザダイォ ード。
[2] 請求項 1記載の面発光レーザダイオードにおいて、少なくとも下部スぺーサ層と上 部スぺーサ層は、 Inを含んでいる面発光レーザダイオード。
[3] 請求項 1記載の面発光レーザダイオードにおいて、前記第 2下部反射鏡では、前 記低屈折率層と前記高屈折率層が、 10ペア以下で繰り返される面発光レーザダイ オード。
[4] 請求項 1記載の面発光レーザダイオードにおいて、前記スぺーサ層の一部は (A1 a
Ga ) In P (0く a≤l、 0≤b≤l)よりなり、前記量子井戸活性層は Ga in P As l -a b 1 -b c 1 c d
(0≤c≤l, 0≤d≤l)よりなり、前記障壁層は Ga In P As (0≤e≤l , 0≤f l -d e 1 -e f 1 -f
≤ 1)よりなる面発光レーザダイオード。
[5] 請求項 4記載の面発光レーザダイオードにおいて、前記量子井戸活性層は圧縮歪 を有していることを特徴とする面発光レーザダイオード。
[6] 請求項 5記載の面発光レーザダイオードにおいて、前記障壁層は引っ張り歪を有し ていることを特徴とする面発光レーザダイオード。
[7] 請求項 4記載の面発光レーザダイオードにおレ、て、前記半導体基板は、面方位が（
111) A面方向に 5° 乃至 20° の範囲内の角度に傾斜した（100) GaAs基板である ことを特徴とする面発光レーザダイオード。
[8] 請求項 4記載の面発光レーザダイオードにおいて、前記面発光レーザダイオードは
、発振波長がおよそ 680nmよりも長波長であることを特徴とする面発光レーザダイォ ード。
[9] 請求項 5記載の面発光レーザダイオードにおレ、て、前記半導体基板は、面方位が（
111) A面方向に 5° 乃至 20° の範囲内の角度に傾斜した（100) GaAs基板である ことを特徴とする面発光レーザダイオード。
[10] 請求項 5記載の面発光レーザダイオードにおいて、前記面発光レーザダイオードは
、発振波長がおよそ 680nmよりも長波長であることを特徴とする面発光レーザダイォ ード。
[11] (111) A面方向に 5° 乃至 20° の範囲内の角度で傾斜した面方位を有する（100 ) GaAs基板と、
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よりなる活性層と、 前記活性層の近傍に設けられ、少なくとも 1種類の材料よりなるスぺーサ層とを含み、 前記 GaAs基板上に形成される共振器領域と、
前記共振器領域の上部および下部に設けられた上部反射鏡および下部反射鏡と よりなり、
前記共振器領域と、前記上部および下部反射鏡とは、前記 GaAs基板上において メサ構造を形成し、
前記上部反射鏡および下部反射鏡は、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よりなり、
前記半導体分布ブラッグ反射鏡の少なくとも一部は、 Al Ga As (0<x≤ 1)よりな る屈折率が小なる層と、 Al Ga As (0≤y<x≤l)よりなる屈折率が大なる層とより構
y i -y
成され、
前記スぺーサ層の一部は（Al Ga ) In P (0く a≤ 1、 0≤b≤ 1)よりなり、
a 1 -a b 1 -b
前記量子井戸活性層は Ga In P As (0≤c≤ 1、 0≤d≤ 1)よりなり、
c 1 -c d 1 -d
前記障壁層は Ga In P As (0≤e≤l、 0≤f≤l)よりなり、
e 1 -e f 1 -f
前記量子井戸活性層は圧縮歪を有しており、
前記活性層は、光出射方向から見て（111) A面方向に長い形状異方性を有する 面発光レーザダイオード。
[12] 請求項 11記載の面発光レーザダイオードにおいて、障壁層は引っ張り歪を有して いることを特徴とする面発光レーザダイオード。
[13] 請求項 11記載の面発光レーザダイオードにおいて、前記面発光レーザダイオード は、発振波長がおよそ 680nmよりも長波長であることを特徴とする面発光レーザダイ オード。
[14] 半導体基板上に、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 含む活性層、および前記活性層の近傍に設けられ少なくとも 1種類の材料よりなるス ぺーサ層とよりなる共振器領域と、前記共振器領域の上部および下部に設けられた 上部反射鏡および下部反射鏡とを備えた面発光レーザダイオードの製造方法であつ て、
前記半導体基板上に、前記下部反射鏡、前記共振器領域および前記上部反射鏡 を含む積層構造を形成する工程と、
前記積層膜をドライエッチングによりパターニングしてメサ構造を形成する工程を含 み、
前記積層構造を形成する工程は、前記共振器領域を構成するいずれかの層に In を含ませる工程を含み、
前記ドライエッチングによりメサ構造を形成する工程は、 Inの発光をモニタすること により前記メサ構造の高さを制御する工程を含む、面発光レーザダイオードの製造方 法。
[15] GaAs基板と、 前記 GaAs基板上に形成され、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、
前記 GaAs基板上、前記共振器領域の上部及び下部にそれぞれ設けられた上部 反射鏡及び下部反射鏡と、を含み、
前記上部反射鏡および Zまたは下部反射鏡は半導体分布ブラッグ反射鏡を含み、 前記半導体分布ブラッグ反射鏡の少なくとも一部は、 Al， Gaおよび Asを主成分と して含む半導体層よりなり、
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に、前記 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設 け、
前記 Al, Ga, Asを主成分として含む半導体層と前記 Al, In, Pを主成分として含む 半導体層との界面が、電界強度分布の節の位置に一致して形成された面発光レー ザダイオード。
[16] 請求項 15記載の面発光レーザダイオードにおいて、前記 Al, In, Pを主成分として 含む前記半導体層は、（Al Ga ) In P (0<a≤ 1、 0≤b≤ 1)である面発光レーザ a 1-a 1 - b
ダイオード。
[17] 請求項 15記載の面発光レーザダイオードにおいて、
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、スぺーサ層 が設けられており、前記スぺーサ層の一部は、 AlGalnP層よりなり、
前記量子井戸活性層は、 Ga In P As (0≤c≤ 1、 0≤d≤ 1)よりなり、 c 1-c d 1-d
前記障壁層は、 Ga in P As (0≤e≤ 1、 0≤f≤ 1)よりなることを特徴とする面発 e 1-e f 1-f
光レーザダイオード。
[18] 請求項 17記載の面発光レーザダイオードにおいて、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レーザダイオード。
[19] 請求項 18記載の面発光レーザダイオードにおいて、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レーザダイオード。
[20] GaAs基板と、
前記 GaAs基板上に形成され、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、
前記 GaAs基板上、前記共振器領域のそれぞれ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、を含み、
前記上部反射鏡および Zまたは下部反射鏡は半導体分布ブラッグ反射鏡を含み、 前記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 む半導体層よりなり、
前記活性層と前記 Al, Ga, Asを主成分として含む半導体層との間に、前記 Al， G a, 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 Ga
a 1
) In P (0<a≤l、 0≤b≤l)層を設け、
-a b 1- b
前記（Al Ga ) In P (0<a≤ 1、 0≤b≤ 1)層には、 p型ドーパントとして Mg (マグ a 1- a b 1-b
ネシゥム）が添加され、
前記 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） が添加されてレ、る面発光レーザダイオード。
[21] 請求項 20記載の面発光レーザダイオードにおレ、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、スぺーサ層 が設けられており、前記スぺーサ層の一部は、 AlGalnP層よりなり、
前記量子井戸活性層は、 Ga In P As (0≤c≤ 1、 0≤d≤ 1)よりなり、 c 1-c d 1-d
前記障壁層は、 Ga in P As (0≤e≤ 1、 0≤f≤ 1)よりなることを特徴とする面発 e 1-e f 1-f
光レーザダイオード。
[22] 請求項 21記載の面発光レーザダイオードにおいて、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レーザダイオード。
[23] 請求項 22記載の面発光レーザダイオードにおいて、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レーザダイオード。
[24] GaAs基板と、
前記 GaAs基板上に形成され、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、
前記 GaAs基板上、前記共振器領域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、を含み、 前記上部反射鏡および/または下部反射鏡は半導体分布ブラッグ反射鏡を含み、 前記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 む半導体層よりなり、
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に、 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 Ga ) In P a 1 - a b 1-b
(0<a≤l、 o≤b≤l)層を設け、
(Al Ga ) In P (0<a≤ 1、 0≤b≤ 1)層は、 AllnPと GalnPとよりなる短周期超格 a 1- a b 1-b
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レーザダイオード。
[25] 請求項 24記載の面発光レーザダイオードにおレ、て、
前記活性層と前記上部反射鏡および Zまたは下部反射鏡との間には、スぺーサ層 が設けられており、前記スぺーサ層の一部は、 AlGalnP層よりなり、
前記量子井戸活性層は、 Ga In P As (0≤c≤ 1、 0≤d≤ 1)よりなり、
c 1-c d 1-d
前記障壁層は、 Ga in P As (0≤e≤ 1、 0≤f≤ 1)よりなることを特徴とする面発
e 1-e f 1-f
光レーザダイオード。
[26] 請求項 25記載の面発光レーザダイオードにおいて、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レーザダイオード。
[27] 請求項 26記載の面発光レーザダイオードにおいて、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レーザダイオード。
[28] GaAs基板と、
前記 GaAs基板上に形成され、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む共振器領域と、
前記 GaAs基板上、前記共振器領域のそれぞれ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、を含み、
前記上部反射鏡および Zまたは下部反射鏡は半導体分布ブラッグ反射鏡を含み、 前記半導体分布ブラッグ反射鏡の少なくとも一部は、 Al Ga As (0<x≤ 1)による
x 1- x
低屈折率層と Al Ga As (0≤y<x≤l)による高屈折率層とよりなり、
y l-y
前記上部反射鏡および Z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 Ga ) In P (0く a≤l、0≤b a 1-a b 1-b ≤1)よりなり、
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に、電界強度分布の腹が一致する面発光レーザダイオード。 請求項 28記載の面発光レーザダイオードにおいて、前記下部反射鏡は、前記基 板から順に、前記低屈折率層として AlAs層を含む第 1下部反射鏡と、前記低屈折率 層として Al Ga As (0<xlく 1)を含む第 2下部反射鏡と、少なくとも 1層よりなる (A1 xl 1-xl
Ga ) In P (0<a≤l、 0≤b≤l)低屈折率層とが設けられている面発光レーザダ a 1- a b 1-b
ィオード。
請求項 28記載の面発光レーザダイオードにおいて、前記高屈折率層は Al Ga A s (0≤y〈x≤l)よりなり、前記低屈折率層は（Al Ga ) In P (0<a≤l, 0≤b≤l) a 1- a b 1-b
よりなり、前記高屈折率層と前記低屈折率層の界面には、前記 (Al Ga ) In P (0 a 1- a b 1-b く a≤l、 0≤b≤l)低屈折率層よりも Al組成の小さい（Al Ga ) In P (0≤al<a al 1-al bl 1-bl
≤ 1、 0≤ bl≤ 1)による中間層が設けられてレ、る面発光レーザダイオード。
請求項 28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、スぺーサ層が設けられており、該スぺーサ 層の一部は、前記 AlGalnP低屈折率層よりもバンドギャップが小さレ、（Al Ga ) In a 1-a b 1 -
P (0≤a≤l , 0≤b≤l)よりなり、
b
前記量子井戸活性層は、 Ga In P As (0≤c≤ 1、 0≤d≤ 1)よりなり、
c 1-c d 1-d
前記障壁層は、 Ga in P As (0≤e≤ 1、 0≤f≤ 1)よりなること、を特徴とする面
e 1-e f 1-f
発光型半導体レーザ。
請求項 31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。
請求項 32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。
請求項 28記載の面発光型半導体レーザにぉレ、て、前記半導体分布ブラッグ反射 鏡の Al Ga As (0<x≤l)による低屈折率層と Al Ga As (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 Ga ) In P (0< a 1-a b 1-b a≤l、 0≤b≤l)より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。
請求項 28記載の面発光型半導体レーザにおいて、（Al Ga ) In P (0<a≤l, 0
a i-a b 1 - b
≤b≤ 1)よりなる低屈折率層は、 AllnPと GalnPとより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。
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