特許 6237075 面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6237075

(24)【登録日】2017年11月10日

(45)【発行日】2017年11月29日

(54)【発明の名称】面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/183 20060101AFI20171120BHJP

   H01S 5/343 20060101ALI20171120BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/183

   H01S5/343

【請求項の数】12

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2013-207460(P2013-207460)

(22)【出願日】2013年10月2日

(65)【公開番号】特開2015-72992(P2015-72992A)

(43)【公開日】2015年4月16日

【審査請求日】2016年6月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005496

【氏名又は名称】富士ゼロックス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098497

【弁理士】

【氏名又は名称】片寄 恭三

(74)【代理人】

【識別番号】100087480

【弁理士】

【氏名又は名称】片山 修平

(72)【発明者】

【氏名】武田 一隆

(72)【発明者】

【氏名】近藤 崇

【審査官】 村井 友和

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−０１８７６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１９２７３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１２４３９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１０３５４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１８１７８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１４２２５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１９０８７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１３５０３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第５４９３５７７（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上に、第１導電型の下部半導体多層膜反射鏡、活性領域および第２導電型の上部半導体多層膜反射鏡を有し、
前記下部半導体多層膜反射鏡または前記上部半導体多層膜反射鏡は、内部に電流狭窄層を含み、前記電流狭窄層を境界に第１の半導体多層膜反射鏡と第２の半導体多層膜反射鏡とが隔てられ、
前記活性領域側の第１の半導体多層膜反射鏡を構成する高屈折率層と低屈折率層の屈折率差は、第２の半導体多層膜反射鏡を構成する高屈折率層と低屈折率層の屈折率差よりも大きく、レーザ発振するよう構成された面発光型半導体レーザ。

【請求項2】

第１の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層の屈折率は、第２の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層の屈折率よりも大きく、第１の半導体多層膜反射鏡の低屈折率層の屈折率は、第２の半導体多層膜反射鏡の低屈折率層の屈折率よりも小さい、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。

【請求項3】

第１の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層のドーピング濃度は、低屈折率層のドーピング濃度よりも小さい、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。

【請求項4】

第１の半導体多層膜反射鏡の平均ドーピング濃度は、第２の半導体多層膜反射鏡の平均ドーピング濃度よりも小さい、請求項１ないし３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。

【請求項5】

第１の半導体多層膜反射鏡は、高屈折率層と低屈折率層との間に中間の屈折率を有する傾斜層を含む、請求項１ないし４いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。

【請求項6】

第１の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層と低屈折率層の対は、２対以下である、請求項１ないし５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。

【請求項7】

第１および第２の半導体多層膜反射鏡がＡｌＧａＡｓから構成されるとき、第１の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層のＡｌ組成は、第２の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層のＡｌ組成よりも小さく、かつ少なくとも１５％以上である、請求項１ないし３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。

【請求項8】

第１および第２の半導体多層膜反射鏡がＡｌＧａＡｓから構成されるとき、第１の半導体多層膜反射鏡の低屈折率層のＡｌ組成は、第２の半導体多層膜反射鏡の低屈折率層のＡｌ組成よりも大きく、かつ前記電流狭窄層を構成するＡｌ組成よりも小さい、請求項１ないし７いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。

【請求項9】

前記電流狭窄層は、ＡｌＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層の２層構造から構成され、ＡｌＡｓ層およびＡｌＧａＡｓ層が選択的に酸化される、請求項１ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。

【請求項10】

請求項１ないし９に記載の面発光型半導体レーザと、
面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材とを実装した面発光型半導体レーザ装置。

【請求項11】

請求項１０に記載された面発光型半導体レーザ装置と、
前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段とを備えた光伝送装置。

【請求項12】

請求項１ないし９に記載の面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、
前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構とを有する情報処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

面発光型半導体レーザは、通信装置や画像形成装置の光源に利用されている。このような光源に利用される面発光型半導体レーザとっては、単一横モードでありかつ大きな光出力が要求される。そこで、面発光型半導体レーザでは、出射領域の中央領域では主に基本横モード、周辺領域では主に高次横モードで発振するという性質を利用して、出射領域内に新たに絶縁膜を形成したり、出射領域内の最上層をエッチングするなどして、出射領域内の反射率を制御し、光出力を低下させることなく単一横モード発振させている。

【0003】

また、活性層近傍の半導体多層膜反射鏡の不純物濃度を相対的に小さくし光吸収を抑制することで面発光型半導体レーザの高出力化を図ったり（特許文献１）、そのような近傍の半導体多層膜反射鏡のうち低屈折率層の不純物濃度を高屈折率層の不純物濃度よりも高くすることで直列抵抗に起因する発熱を抑制し素子の信頼性の向上を図っている（特許文献２）。さらに活性層と選択酸化層との間に半導体多層膜反射鏡を設けることで活性層の信頼性を向上させたり（特許文献３）、活性層に近接する低Ａｌ半導体層のＡｌ組成を通常の低Ａｌ半導体層のＡｌ組成よりも高くすることで広い温度範囲で光出力の低下を改善している（特許文献４）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００１−３３２８１２号公報

【特許文献2】特開２００６−２１０４３０号公報

【特許文献3】特開２０１１−１８７６３号公報

【特許文献4】特開２００３−８６８９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、高出力化が可能な面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

請求項１は、基板上に、第１導電型の下部半導体多層膜反射鏡、活性領域および第２導電型の上部半導体多層膜反射鏡を有し、前記下部半導体多層膜反射鏡または前記上部半導体多層膜反射鏡は、内部に電流狭窄層を含み、前記電流狭窄層を境界に第１の半導体多層膜反射鏡と第２の半導体多層膜反射鏡とが隔てられ、前記活性領域側の第１の半導体多層膜反射鏡を構成する高屈折率層と低屈折率層の屈折率差は、第２の半導体多層膜反射鏡を構成する高屈折率層と低屈折率層の屈折率差よりも大きく、レーザ発振するよう構成された面発光型半導体レーザ。
請求項２は、第１の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層の屈折率は、第２の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層の屈折率よりも大きく、第１の半導体多層膜反射鏡の低屈折率層の屈折率は、第２の半導体多層膜反射鏡の低屈折率層の屈折率よりも小さい、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項３は、第１の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層のドーピング濃度は、低屈折率層のドーピング濃度よりも小さい、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項４は、第１の半導体多層膜反射鏡の平均ドーピング濃度は、第２の半導体多層膜反射鏡の平均ドーピング濃度よりも小さい、請求項１ないし３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項５は、第１の半導体多層膜反射鏡は、高屈折率層と低屈折率層との間に中間の屈折率を有する傾斜層を含む、請求項１ないし４いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項６は、第１の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層と低屈折率層の対は、２対以下である、請求項１ないし５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項７は、第１および第２の半導体多層膜反射鏡がＡｌＧａＡｓから構成されるとき、第１の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層のＡｌ組成は、第２の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層のＡｌ組成よりも小さく、かつ少なくとも１５％以上である、請求項１ないし３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項８は、第１および第２の半導体多層膜反射鏡がＡｌＧａＡｓから構成されるとき、第１の半導体多層膜反射鏡の低屈折率層のＡｌ組成は、第２の半導体多層膜反射鏡の低屈折率層のＡｌ組成よりも大きく、かつ前記電流狭窄層を構成するＡｌ組成よりも小さい、請求項１ないし７いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項９は、前記電流狭窄層は、ＡｌＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層の２層構造から構成され、ＡｌＡｓ層およびＡｌＧａＡｓ層が選択的に酸化される、請求項１ないし８いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項１０は、請求項１ないし９に記載の面発光型半導体レーザと、面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材とを実装した面発光型半導体レーザ装置。
請求項１１は、請求項１０に記載された面発光型半導体レーザ装置と、前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段とを備えた光伝送装置。
請求項１２は、請求項１ないし９に記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構とを有する情報処理装置。

【発明の効果】

【0007】

請求項１、２によれば、第２の半導体多層膜反射鏡の屈折率差よりも屈折率差が大きくなる第１の半導体多層膜反射鏡を形成しない場合と比較して、高出力化を図ることができる。
請求項３、４によれば、電流狭窄層から活性領域への電流の広がりを抑制することができる。
請求項５、６によれば、第１の半導体多層膜反射鏡の直列抵抗を小さくすることができる。
請求項７によれば、発振波長の光の吸収を抑制することができる。
請求項８によれば、低屈折率層による導通不良を回避することができる。
請求項９によれば、光閉じ込めを弱めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザを示す概略断面図である。

【図2】図１に示す面発光型半導体レーザの上部ＤＢＲの詳細な構成を説明する模式図である。

【図3】波長７８０ｎｍに対するＡｌＧａＡｓの屈折率分散を示すグラフである。

【図4】図１に示す面発光型半導体レーザの上部ＤＢＲのバンド構造を示す図である。

【図5】本実施例に係る面発光型半導体レーザの電流狭窄層の好ましい構成例を示す模式図である。

【図6】本実施例に係る面発光型半導体レーザの第１のＤＢＲと第２のＤＢＲのドーピング濃度の関係を説明する図である。

【図7】本実施例の面発光型半導体レーザに光学部材を実装した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す概略断面図である。

【図8】本実施例の面発光型半導体レーザを使用した光源装置の構成例を示す図である。

【図9】図７に示す面発光型半導体レーザ装置を用いた光伝送装置の構成を示す概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

高速高画質プリンターで使用する面発光半導体レーザは、基本横モードでのシングルモード動作が要求される。今後は、プリンターのさらなる高速化に向けて、シングルモードで高出力、かつ長寿命な面発光型半導体レーザが求められている。プリンター用の面発光型半導体レーザでは、一般的に酸化狭窄型の面発光型半導体レーザが使用されている。酸化狭窄層（電流狭窄層）は、半導体多層膜反射鏡の共振器側の１ペア目に導入されているため、定在波の節の位置に酸化狭窄層を導入して光閉じ込めを弱くしたとしても、シングルモードを得るためには酸化アパーチャは２〜３μｍにする必要がある。３ｍＷ以上のシングルモード出力を安定的に得るためには、この酸化アパーチャ径を大きくすることが望ましい。また、酸化狭窄層が共振器側１ペア目に導入されているため、酸化狭窄層の歪で発生した欠陥が活性層に与える影響を抑制することが望ましい。

【0010】

以下の説明では、面発光型半導体レーザをＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）と称する。なお、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調しており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。

【実施例】

【0011】

図１は、本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬの典型的な構成を示す概略断面図である。本実施例に係るＶＣＳＥＬ１０は、ｎ型のＧａＡｓ基板１００上に、高屈折率材料の半導体層と低屈折率材料の半導体層を交互に重ねたｎ型の下部分布ブラック型反射鏡（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲという）１０２、下部ＤＢＲ１０２上に形成された活性領域１０４、活性領域１０４上に形成された、高屈折率材料の半導体層と低屈折率材料の半導体層を交互に重ねたｐ型の上部ＤＢＲ１０６が形成される。

【0012】

上部ＤＢＲ１０６から半導体層をエッチングすることで、基板上にメサＭが形成される。メサＭは、例えば円柱状に形成される。メサＭの頂部には、例えば、ＡｕまたはＡｕ／Ｔｉなどから構成された環状のｐ側電極１１０が形成され、ｐ側電極１１０は、上部ＤＢＲ１０６に電気的に接続される。好ましくは上部ＤＢＲ１０６は、最上層に不純物濃度が高いｐ型のＧａＡｓコンタクト層１０６Ｃを含み、ｐ側電極１１０とオーミック接続される。ｐ側電極１１０の中央の円形状の開口は、光出射口１１０Ａを規定する。図示する例では、光出射口１１０Ａが露出されているが、光出射口１１０Ａは、発振波長に対して透明な誘電体材料からなる保護膜によって覆われるようにしてもよい。

【0013】

メサＭの底部、側部および頂部の周縁を覆うように層間絶縁膜１１２が形成される。層間絶縁膜１１２は、例えば、シリコン酸化物やシリコン窒化物等から構成される。メサ頂部の層間絶縁膜１１２には、ｐ側電極１１０を露出するように円形状のコンタクトホールが形成され、図示しない配線電極が当該コンタクトホールを介してｐ側電極１１０に接続される。基板１００の裏面にはｎ側電極１２０が形成される。

【0014】

上部ＤＢＲ１０６は、その内部に電流狭窄層（酸化狭窄層）１０８を有し、電流狭窄層１０８を境界に、第１のＤＢＲ１０６Ａと第２のＤＢＲ１０６Ｂとが隔てられる。すなわち、第１のＤＢＲ１０６Ａは、活性領域１０４と電流狭窄層１０８との間に位置し、第２のＤＢＲ１０６Ｂは、電流狭窄層１０８とｐ側電極１１０との間に位置する。

【0015】

電流狭窄層１０８は、メサＭの側面から選択的に酸化された酸化領域１０８Ａと、当該酸化領域１０８Ａによって囲まれた非酸化領域１０８Ｂとを有する。電流狭窄層１０８は、酸化可能なｐ型の半導体材料から構成され、酸化領域１０８Ａは、電気的に高抵抗または絶縁領域であり、かつ相対的に低屈折率である。非酸化領域１０８Ｂは、低抵抗の導電領域であり、かつ相対的に高屈折率である。ｐ側電極１１０から注入されたキャリアは、非酸化領域１０８Ｂ内で横方向に閉じ込められ、密度の高いキャリアが活性領域１０４へ注入される。また、活性領域１０４で発生されたレーザ光が非酸化領域１０８Ｂ内で横方向に閉じ込められる。非酸化領域（酸化アパーチャ）１０８Ｂの径を適宜選択することで、基本横モードまたは高次横モードの制御が可能である。このようなＶＣＳＥＬ１０に順方向の駆動電流が印加されたとき、基板と垂直方向に光出射口１１０Ａから、例えば７８０ｎｍのレーザ光が出射される。

【0016】

次に、本実施例のＶＣＳＥＬの詳細な構成について説明する。図２は、図１のＶＣＳＥＬの下部ＤＢＲ１０２、活性領域１０４および上部ＤＢＲ１０６の構成を示す模式的な断面図である。

【0017】

下部ＤＢＲ１０２は、例えば、Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層とのペアの複数層積層体であり、各層の厚さはλ／４ｎ_ｒ（但し、λは発振波長、ｎ_ｒは媒質の屈折率）であり、これらを４０ペアで積層している。ｎ型不純物であるシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

【0018】

活性領域１０４は、アンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層から成る下部スペーサ層１０４Ａと、アンドープＡｌ_0.１１Ｇａ_0.８９Ａｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ_0.３Ｇａ_0.７Ａｓ障壁層からなる量子井戸活性層１０４Ｂと、アンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層から成る上部スペーサ層１０４Ｃとから構成される。

【0019】

上部スペーサ層１０４Ｃ上に、第１のＤＢＲ１０６Ａが形成される。第１のＤＢＲ１０６Ａは、例えば、Ａｌ_0.9５Ｇａ_0.０５Ａｓ層とＡｌ_0.２５Ｇａ_0.7５Ａｓ層とのペアの複数層積層体であり、各層の厚さはλ／４ｎ_ｒであり、これらを２ペアで積層している。ｐ型不純物であるカーボンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、６×１０^1７ｃｍ^-3である。

【0020】

第１のＤＢＲ１０６Ａ上に、電流狭窄層１０８が形成される。電流狭窄層１０８は、上部ＤＢＲ１０６の１つの低屈折率材料を置換し、好ましくはＡｌＡｓから構成される。但し、電流狭窄層１０８は、Ａｌ組成が著しく高いＡｌＧａＡｓ（例えば、Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ）から構成されるようにしてもよい。

【0021】

電流狭窄層１０８上に、第２のＤＢＲ１０６Ｂが形成される。第２のＤＢＲ１０６Ｂは、例えば、Ａｌ_0.9Ｇａ_0.１Ａｓ層とＡｌ_0.３Ｇａ_0.7Ａｓ層とのペアの複数層積層体であり、各層の厚さはλ／４ｎ_ｒであり、これらを２２ペアで積層している。ｐ型不純物であるカーボンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

【0022】

第１のＤＢＲ１０６Ａを構成する高屈折率材料Ａｌ_0.２５Ｇａ_0.７５Ａｓの屈折率ｎ_ｘａは、波長７８０ｎｍでｎ_ｘａ＝３．６０であり、低屈折率材料Ａｌ_0.９５Ｇａ_0.０５Ａｓの屈折率ｎ_ｙａは、波長７８０ｎｍでｎ_ｙａ＝３．０７である。一方、第２のＤＢＲ１０６Ｂを構成する高屈折率材料Ａｌ_0.３Ｇａ_0.７Ａｓの屈折率ｎ_ｘｂは、波長７８０ｎｍでｎ_ｘｂ＝３．５０であり、低屈折率材料Ａｌ_0.９Ｇａ_0.１Ａｓの屈折率ｎ_ｙｂは、波長７８０ｎｍでｎ_ｙａ＝３．１０である。

【0023】

第１のＤＢＲ１０６Ａの高屈折率材料と低屈折率材料の屈折率差ｎａ（ｎａ＝ｎ_ｘａ−ｎ_ｙａ＝３．６０−３．０７＝０．５３）は、第２のＤＢＲ１０６Ｂの高屈折率材料と低屈折率材料の屈折率差ｎｂ（ｎａ＝ｎ_ｘａ−ｎ_ｙａ＝３．５０−３．１０＝０．４０）よりも大きい。屈折率差ｎａの大きいペアで構成された第１のＤＢＲ１０６Ａを電流狭窄層１０８と活性領域１０４の間に設けたことにより、定在波光強度が低減されて光閉じ込めが弱くなり、シングルモードに必要な酸化アパーチャ径（電流狭窄層の導電領域１０８Ｂの径）を、従来の例えば３μｍよりも広げることができる。その結果、シングルモード高出力化が可能になり、電流狭窄層１０８での素子発熱が低減して寿命改善につながる。

【0024】

さらに、電流狭窄層１０８は、酸化されることによって体積が収縮するが、電流狭窄層１０８と活性領域１０４との間には第１のＤＢＲ１０６Ａが存在するため、電流狭窄層１０８によるストレスが活性領域１０４へ与える影響を抑制することができ、素子の信頼性の向上を図ることができる。

【0025】

次に、本実施例の好ましい態様について説明する。第１のＤＢＲ１０６Ａの高屈折率材料がＡｌ_ｘａＧａ_１−ｘａＡｓ、低屈折率材料がＡｌ_ｙａＧａ_１−ｙａＡｓから構成され（ｘａ＜ｙａ）、発振波長λに対する高屈折率材料の屈折率をｎ_ｘａ、低屈折率材料の屈折率をｎ_ｙａとする。また、第２のＤＢＲ１０６Ｂの高屈折率材料がＡｌ_ｘｂＧａ_１−ｘｂＡｓ、低屈折率材料がＡｌ_ｙｂＧａ_１−ｙｂＡｓから構成され（ｘｂ＜ｙｂ）、発振波長λに対する高屈折率材料の屈折率をｎ_ｘｂ、低屈折率材料の屈折率ｎ_ｙｂとする。このとき、第１のＤＢＲ１０６Ａの高屈折率材料の好ましい条件は、次のようになる。

【0026】

（ａ）第１のＤＢＲ１０６Ａの高屈折率材料の屈折率ｎ_ｘａは、第２のＤＢＲ１０６Ｂの高屈折率材料の屈折率ｎ_ｘｂよりも大きい（ｎ_ｘａ＞ｎ_ｘｂ）。すなわち、第１のＤＢＲ１０６Ａの高屈折率材料のＡｌ組成ｘａは、第２のＤＢＲ１０６Ｂの高屈折率材料のＡｌ組成ｘｂよりも小さい（ｘａ＜ｘｂ）。
（ｂ）第１のＤＢＲ１０６Ａの高屈折率材料は、発振波長λに対して光吸収が少ない材料、望ましくは光吸収がない材料から構成される。図３は、波長７８０ｎｍに対するＡｌＧａＡｓの屈折率分散を示すグラフであり、縦軸は屈折率、横軸はＡｌ組成である。同図から明らかなように、Ａｌ組成が約１５％以下になると光が吸収される。従って、発振波長が７８０ｎｍの場合、高屈折率材料のＡｌ組成は、光吸収の影響を低くするため少なくとも１５％以上であることが望ましく、より好ましくはＡｌ組成が１５％〜３０％の範囲である。

【0027】

次に、第１のＤＢＲ１０６Ａの低屈折率材料の好ましい条件について説明する。
（ｃ）第１のＤＢＲ１０６Ａの低屈折率材料は、第２のＤＢＲ１０６Ｂの高屈折率材料よりも屈折率が低い（ｎ_ｙａ＜ｎ_ｙｂ）。すなわち、第１のＤＢＲ１０６Ａの低屈折率材料のＡｌ組成ｙａは、第２のＤＢＲ１０６Ｂの低屈折率材料のＡｌ組成ｙｂよりも大きい（ｙａ＞ｙｂ）。
（ｄ）第１のＤＢＲ１０６Ａの低屈折率材料は、酸化狭窄工程のときの電流狭窄層１０８よりも酸化速度が遅い。低屈折率材料は、全面酸化による導通不良を回避するため、電流狭窄層１０８のＡｌ組成よりも小さくことが必要である。電流狭窄層にＡｌＡｓを用いる場合、低屈折率材料のＡｌ組成は１００％未満である。電流狭窄層にＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓを用いる場合、低屈折率材料のＡｌ組成は９８％未満となる。但し、第２のＤＢＲ１０６Ｂよりも屈折率差を大きくするには、電流狭窄層をＡｌＡｓとした方が良い。

【0028】

図４に、本実施例に係るＶＣＳＥＬの上部ＤＢＲ１０６のバンド構造を示す。同図に示すように、第１のＤＢＲ１０６Ａの高屈折率材料と低屈折率材料のバンドギャップ差は、第２のＤＢＲ１０６Ｂのバンドギャップ差よりも大きい。そして、異なる材料の界面に生じるスパイクが直列抵抗成分となり、抵抗値が増加する。そこで、第１のＤＢＲ１０６Ａの高屈折率材料と低屈折率材料の間に、Ａｌ組成が、ｘａないしｙａの範囲の中間のＡｌ組成を有する組成傾斜層（グレーデッド層）を導入することで直列抵抗増加分を抑えることが望ましい。組成傾斜層は、単一または複数のいずれであってもよい。

【0029】

また、電流狭窄層１０８は、図４に示すように、ＡｌＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層の２層構造から構成されるようにしてもよい。図５は、このような２層構造の電流狭窄層を酸化させたときの模式的な断面図である。同図に示すように、ＡｌＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層を酸化させたとき、ＡｌＡｓの単層を酸化させたときと比較して、酸化領域１０８Ａの端面にテーパを形成することができる。電流狭窄層１０８は、メサＭの側面から水蒸気雰囲気において約３４０度で一定時間酸化され、このとき、ＡｌＡｓ層は、ＡｌＧａＡｓ層よりもＡｌ濃度が高く、横方向への酸化速度が速く進行する。ＡｌＡｓ層の酸化領域の終端面Ｅ１は、ほぼ直角に近いが、ＡｌＧａＡｓ層の酸化は、垂直方向からＡｌＡｓ層の酸素が侵入するため、ＡｌＡｓ層に近いほど酸化が進行する。このため、ＡｌＧａＡｓ層の酸化領域の終端面Ｅ２は傾斜する。この終端面Ｅ２の傾斜角θは、ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ濃度に依存し、Ａｌ濃度が低いほど、横方向の酸化が遅くなるために、傾斜角θが小さくなり、緩やかな勾配となる。

【0030】

ＡｌＧａＡｓ層の終端面Ｅ２の傾斜角θをより小さくすることで、光閉じ込め量を軽減することができ、導電領域（酸化アパーチャ）１０８Ｂの径を実質的に大きくすることができる。このため、ＡｌＧａＡｓのＡｌ組成を、第１のＤＢＲ１０６Ａの低屈折率層のＡｌ組成０．９５よりも小さくすることが好ましく、例えばＡｌ組成は、０．９０である。また、ＡｌＡｓとＡｌＧａＡｓを積層したときの膜厚は、λ／４であることが望ましい。

【0031】

第１のＤＢＲ１０６Ａは、高屈折率材料と低屈折率材料との対を少なくとも１ペア含み、好ましくは２ペア以内である。ペア数が増加すると、直列抵抗が増加し、それに伴う発熱により信頼性が低下する。さらに電流狭窄層１０８を活性領域（共振器）１０４から離すことで、電流狭窄層１０８で狭窄された電流が活性領域１０４に到達するまでに横方向に広がり、しきい値電流の増加につながる。そこで、電流狭窄層１０８からの電流の広がりを抑制するため、第１のＤＢＲ１０６Ａのシート抵抗を大きくすることが望ましい。シート抵抗を大きくするには、抵抗率を大きくすれば良く、抵抗率を大きくするには、ドーピング濃度を小さくする、あるいは移動度を小さくすることが有効である。

【0032】

数式（１）に、抵抗率ρとドーピング濃度ｎの関係を示し、数式（２）に移動度μを示す。ｑは電荷、ｎはドーピング濃度、μは移動度、τは緩和時間、ｍ^＊は有効質量である。

【数1】

【0033】

ここで、図６に示すように、第１のＤＢＲ１０６Ａの高屈折率材料のドーピング濃度をＤｘａ、低屈折率材料のドーピング濃度をＤｙａ、第２のＤＢＲ１０６Ｂの高屈折率材料のドーピング濃度をＤｘｂ、低屈折率材料のドーピング濃度をＤｙｂとする。

【0034】

１つの態様では、第１のＤＢＲ１０６Ａの高屈折率層および低屈折率層のドーピング濃度を等しくし（Ｄｘａ＝Ｄｙａ）、このドーピング濃度が第２のＤＢＲ１０６Ｂの高屈折率層および低屈折率層のドーピング濃度（Ｄｘｂ＝Ｄｙｂ）よりも小さくなるようにする。

【0035】

他の態様では、第１のＤＢＲ１０６Ａの高屈折率層および低屈折率層の平均ドーピング濃度（（Ｄｘａ＋Ｄｙａ）／２、Ｄｘａ≠Ｄｙａ）が、第２のＤＢＲ１０６Ｂの平均ドーピング濃度（（Ｄｘｂ＋Ｄｙｂ）／２、Ｄｘｂ≠Ｄｙｂ）よりも小さくなるようにしてもよい。また、単に第１のＤＢＲ１０６Ａのドーピング濃度を下げるだけでは直列抵抗が増加するため、第１のＤＢＲ１０６Ａのキャリアの移動度の大きい高屈折率材料のみドーピング濃度Ｄｘａを小さくするようにしてもよい（Ｄｘａ＜Ｄｙａ＝Ｄｘｂ＝Ｄｙｂ）。さらに組成傾斜層のドーピング濃度を低くせずに通常通りとして、直列抵抗増加を防ぐことが望ましい。例えば、第１のＤＢＲ１０６Ａの平均ドーピング濃度は、６×１０^１７〜８×１０^１７であり、第２のＤＢＲ１０６Ｂの平均ドーピング濃度は、１×１０^１８〜３×１０^１８である。これらのドーピング濃度は、例えば有機金属気相成長法(ＭＯＣＶＤ)において各層を成膜するときに、不純物（ドーパント）の流量または成膜の時間等によって制御することができる。

【0036】

上記実施例では、典型的な形状としてメサを円柱状としたが、これに限らずメサは楕円状であってもよい。さらに上記実施例では、基板上に単一の発光部が形成されたシングルスポットのＶＣＳＥＬを例示したが、複数の発光部（メサ）が形成されたマルチスポットのＶＣＳＥＬまたはＶＣＳＥＬアレイであってもよい。さらにＶＣＳＥＬを構成する半導体材料は、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系のみならず、発振波長等に応じて、ＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体を適宜選択することができる。さらにＧａＡｓ基板の裏面にｎ側電極を形成したが、これ以外にも、ｎ側電極１２０がメサの底部において下部ＤＢＲ１０２と電気的コンタクトを取るような構成であってもよい。この場合、基板は半絶縁性であってもよい。さらに上記実施例では、基板上にメサを形成し、当該メサの側面から電流狭窄層の選択酸化を行うようにしたが、メサは選択酸化において必ずしも必要ではない。例えば、積層された半導体層の表面から電流狭窄層に至る複数の穴を形成し、当該穴から電流狭窄層の選択酸化を行うようにしてもよい。

【0037】

次に、本実施例のＶＣＳＥＬを利用した面発光型半導体レーザ装置、情報処理装置および光伝送装置について図面を参照して説明する。

【0038】

図７は、ＶＣＳＥＬと光学部材を実装（パッケージ）した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。面発光型半導体レーザ装置３００は、単一のＶＣＳＥＬ素子またはＶＣＳＥＬアレイが形成されたチップ３１０を、導電性接着剤３２０を介して円盤状の金属ステム３３０上に固定する。複数の導電性のリード３４０は、ステム３３０に形成された貫通孔（図示省略）内に挿入され、リード３４０は、対応する電極パッド６０、およびチップ３１０のｎ側電極１２０に電気的に接続される。チップ３１０を含むステム３３０上に矩形状の中空のキャップ３５０が固定され、キャップ３５０の中央の開口３５２内に平板ガラス３６２が固定される。選択されたリード３４０間に順方向の駆動電流が印加されると、チップ３１０から垂直方向にレーザ光が出射される。チップ３１０と平板ガラス３６２との距離は、チップ３１０からのレーザ光の広がり角θ内に平板ガラス３６２が含まれるように調整される。また、キャップ内に、発光状態をモニターするための受光素子や温度センサを含ませるようにしてもよい。

【0039】

図８は、ＶＣＳＥＬを情報処理装置の光源に適用した例を示す図である。情報処理装置３７０は、図７のような単一のＶＣＳＥＬまたはＶＣＳＥＬアレイを実装した面発光型半導体レーザ装置３００からのレーザ光を入射するコリメータレンズ３７２、一定の速度で回転し、コリメータレンズ３７２からの光線束を一定の広がり角で反射するポリゴンミラー３７４、ポリゴンミラー３７４からのレーザ光を入射し反射ミラー３７８を照射するｆθレンズ３７６、ライン状の反射ミラー３７８、反射ミラー３７８からの反射光に基づき潜像を形成する感光体ドラム(記録媒体)３８０を備えている。このように、面発光型半導体レーザ装置３００からのレーザ光を感光体ドラム上に集光する光学系と、集光されたレーザ光を光体ドラム上で走査する機構とを備えた複写機やプリンタなど、光情報処理装置の光源として利用することができる。

【0040】

図９は、図７に示すＶＣＳＥＬを光伝送装置に適用したときの構成を示す断面図である。光伝送装置４００は、ステム３３０に固定された円筒状の筐体４１０、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０、およびフェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０を含んで構成される。ステム３３０の円周方向に形成されたフランジ３３２には、筐体４１０の端部が固定される。フェルール４３０は、スリーブ４２０の開口４２２に正確に位置決めされ、光ファイバ４４０の光軸が平板ガラス３６２のほぼ中央に整合される。フェルール４３０の貫通孔４３２内に光ファイバ４４０の芯線が保持されている。チップ３１０の表面から出射されたレーザ光は、平板ガラス３６２を介して光ファイバ４４０の芯線に入射され、送信される。さらに、光伝送装置４００は、リード３４０に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよい。さらに、光伝送装置４００は、光ファイバ４４０を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。

【0041】

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

【符号の説明】

【0042】

１０：ＶＣＳＥＬ
１００：ＧａＡｓ基板
１０２：下部ＤＢＲ
１０４：活性領域
１０４Ａ：下部スペーサ層
１０４Ｂ：量子井戸活性層
１０４Ｃ：上部スペーサ層
１０６：上部ＤＢＲ
１０６Ａ：第１のＤＢＲ
１０６Ｂ：第２のＤＢＲ
１０６Ｃ：コンタクト層
１０８：電流狭窄層
１０８Ａ：酸化領域
１０８Ｂ：非酸化領域
１１０：ｐ側電極
１１２：層間絶縁膜
１２０：ｎ側電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】