JP4497859B2 - 面発光半導体レーザ装置および光伝送モジュールおよび光伝送システム - Google Patents
面発光半導体レーザ装置および光伝送モジュールおよび光伝送システム Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光半導体レーザ装置および光伝送モジュールおよび光伝送システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１１−３５４８８１には、ｐ側電極を共振器上に形成し、電流がｐ−ＤＢＲミラーを流れないようにすることで、素子の直列抵抗を低減する面発光半導体レーザが示されている。しかしながら、この面発光半導体レーザでは、活性領域に対して電流を横側から注入しているため、活性領域に均一に電流を注入することが難しく、閾電流が高くなってしまうという問題がある。
【０００３】
これに対し、特開２０００−１９６１８９には、透明電極を共振器とＤＢＲミラーの間に設ける面発光半導体レーザが示されており、この構造により、活性領域に対する電流注入を均一化している。しかしながら、光吸収係数が小さく、接触抵抗が小さい透明電極を実際に作製することは困難である。
【０００４】
一方、Ｕ．Ｓ．Ｐ．０８／９９７，７１２には、共振器内で定在波の節の位置に、高ドープ層を設けることにより直列抵抗を低減する面発光半導体レーザが示されている。ドーピング濃度を高くすると、素子の抵抗を下げることができるが、自由キャリア吸収が増加して、高出力動作が得られなくなる。そこで、この面発光半導体レーザでは、高ドープ層を、光強度が低い節の位置に設けている。
【０００５】
しかしながら、高ドープ層は、ある厚さを有しているため、定在波の節からずれた部分では光吸収が生じてしまう。一方、高ドープ層を薄くしすぎると、直列抵抗を低減する効果が小さくなってしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、素子抵抗が低く、かつ活性領域に均一に電流を注入でき、光吸収損失の小さい面発光半導体レーザ装置および光伝送モジュールおよび光伝送システムを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、基板に垂直な共振器を形成する下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、共振器内に配置された活性層と該活性層に隣接したスペーサ層とを有し、共振器上に第１の電極が形成され、基板の裏面に第２の電極が形成されており、共振器内であって前記スペーサ層に挟まれてキャリア拡散層が設けられており、該キャリア拡散層は、活性層のバンドギャップよりも大きく、かつ前記スペーサ層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有することを特徴としている。
【０００８】
また、請求項２記載の発明は、基板に垂直な共振器を形成する下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、共振器内に配置された活性層と該活性層に隣接したスペーサ層とを有し、活性層に電流を注入する第１の電極と第２の電極が共振器に形成され、共振器内であって前記スペーサ層に挟まれてキャリア拡散層が設けられており、該キャリア拡散層は、活性層のバンドギャップよりも大きく、かつ前記スペーサ層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有することを特徴としている。
【０００９】
また、請求項３記載の発明は、基板に垂直な共振器を形成する下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、共振器内に配置された活性層と該活性層に隣接したスペーサ層とを有し、第１の電極と第２の電極のうちの少なくとも一方の電極は、多層膜反射鏡の途中に形成されており、共振器内であって前記スペーサ層に挟まれてキャリア拡散層が設けられており、該キャリア拡散層は、活性層のバンドギャップよりも大きく、かつ前記スペーサ層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有することを特徴としている。
【００１０】
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、前記キャリア拡散層は、圧縮歪を有していることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、前記キャリア拡散層は、共振器のｐ型領域に設けられていることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、前記キャリア拡散層が複数設けられていることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、前記キャリア拡散層は、圧縮歪を有する層と引張歪を有する層が交互に複数積層されて構成されていることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器のｐ型領域の層厚がｎ型領域の層厚よりも厚く形成されていることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器内の活性層とキャリア拡散層の間に、イオン注入による高抵抗領域から成る電流狭窄構造が設けられていることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項１０記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器内の活性層とキャリア拡散層との間に、選択的に酸化された絶縁領域と非酸化領域である導電領域とからなる電流狭窄構造が設けられていることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項１１記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器内の活性層とキャリア拡散層の間に、選択的にエッチングされたエアギャップ領域と、非エッチング領域である導電領域とから成る電流狭窄構造が設けられていることを特徴としている。
【００１９】
また、請求項１２記載の発明は、請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器内に設けられた電流狭窄領域と第１の電極との間に、高濃度ドーピング領域を設けたことを特徴としている。
【００２０】
また、請求項１３記載の発明は、請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、活性層が窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体からなることを特徴としている。
【００２１】
また、請求項１４記載の発明は、請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置を備えていることを特徴とする光伝送モジュールである。
【００２２】
また、請求項１５記載の発明は、請求項１４記載の光伝送モジュールを備えていることを特徴とする光伝送システムである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態の面発光半導体レーザ装置は、基板に垂直な共振器を形成する下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、共振器内に配置された活性層とを有し、共振器上に第１の電極が形成され、基板の裏面に第２の電極が形成されており、共振器内に、活性層のバンドギャップよりも大きく、かつ共振器を構成する材料のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有するキャリア拡散層が設けられていることを特徴としている。
【００２５】
多層膜反射鏡（ＤＢＲ）は、媒質内の波長の１／４厚さで高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層して形成される。多層膜反射鏡を半導体で形成する場合、屈折率の異なる層を交互に２０周期以上積層する。高屈折率半導体層と低屈折率半導体層との界面にはヘテロ障壁が形成されるため、半導体多層膜反射鏡は高抵抗となる。特に、ｐ型の半導体多層膜反射鏡では抵抗増加が問題となる。
【００２６】
半導体多層膜反射鏡の抵抗を下げるためには、半導体層のキャリア濃度を高濃度にする方法が有効である。しかしながら、高濃度にドーピングした半導体層では、自由キャリアによる光吸収が増加してしまうため、反射鏡内の吸収損失が増加してしまうという問題が起こる。
【００２７】
本発明の第１の実施形態においては、第１の電極は共振器上に形成されており、電流は上部多層膜反射鏡を流れないで活性層に注入される構造となっている。従って、上部多層膜反射鏡を電流が通ることによる直列抵抗の増加は回避される。
【００２８】
一方、共振器上に第１の電極を形成した場合、電流は活性層の発振領域に対して横側から注入されることになる。そのため、活性層に対して電流を均一に注入することが難しいという問題が生じる。
【００２９】
そこで、本発明の第１の実施形態においては、共振器内にキャリア拡散層を設けている。キャリア拡散層のバンドギャップは共振器を構成するスペーサ層のバンドギャップよりも小さくなっている。そのため、キャリア拡散層内では、キャリアはスペーサ層とのヘテロ障壁に閉じ込められるため、横方向（面内方向）へのキャリア拡散が促進される。これにより、第１の電極から活性層に流れ込む電流の均一性を改善することができる。
【００３０】
なお、キャリア拡散層のバンドギャップは共振器を構成するスペーサ層のバンドギャップよりも小さくなっていることから、キャリア拡散層とスペーサ層とのヘテロ障壁によって直列抵抗が増加する影響は小さくなっている。
【００３１】
また、キャリア拡散層のバンドギャップは活性層のバンドギャップよりも大きくなっているため、キャリア拡散層内でバンド間光吸収は生じない。また、従来例である。Ｕ．Ｓ．Ｐ．０８／９９７，７１２と異なり、キャリア拡散層を高ドープする必要がない。従って、キャリア拡散層において自由キャリアによる光吸収を抑制することができる。
【００３２】
また、電流は上部多層膜反射鏡を通さないため、上部多層膜反射鏡の抵抗を下げる必要がない。従って上部多層膜反射鏡として、低キャリア濃度またはアンドープの半導体多層膜反射鏡を用いることができる。あるいは、吸収係数が非常に小さい誘電体材料で上部多層膜反射鏡を構成することもできる。よって、上部多層膜反射鏡の光吸収損失を低減することができる。
【００３３】
以上のことから、本発明の第１の実施形態では、素子抵抗を低減し、活性層に対する電流注入均一性を改善し、かつ光吸収損失の小さい面発光半導体レーザを実現できる。
【００３４】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態の面発光半導体レーザ装置は、基板に垂直な共振器を形成する下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、共振器内に配置された活性層とを有し、活性層に電流を注入する第１の電極と第２の電極が共振器に形成され、共振器内に、活性層のバンドギャップよりも大きく、かつ共振器を構成する材料のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有するキャリア拡散層が設けられていることを特徴としている。
【００３５】
本発明の第２の実施形態では、第１の電極と第２の電極の両方が共振器に形成されている。従って、電流を上部多層膜反射鏡と下部多層膜反射鏡を通さないで活性層に注入することができる。従って、第１の実施形態に比べてさらに直列抵抗を低減することができる。
【００３６】
また、共振器内にキャリア拡散層を設けることにより、横方向へのキャリア拡散を促進して、電流を活性層の発振領域に対して均一に注入できるようにしている。
【００３７】
なお、下部多層膜反射鏡は、半導体材料で構成される。例えば、高屈折率材料としてＡｌａＧａ１−ａＡｓ（０≦ａ＜ｂ）が用いられ、低屈折率材料としてＡｌｂＧａ１−ｂＡｓ（ａ＜ｂ≦１）が用いられる。本発明の第２の実施形態では、下部多層膜反射鏡に電流を流す必要がないため、下部多層膜反射鏡の抵抗を下げる必要がない。従って、ヘテロ障壁は大きくなるが、最も屈折率差が大きくとれるＧａＡｓ高屈折率層とＡｌＡｓ低屈折率層で構成することができる。従って、９９．９％以上の高反射率を得るのに、より少ない層数で形成できる。また、２元化合物半導体材料の組み合わせであることから、熱抵抗が低くなる。よって、素子の放熱性を向上させることができる。
【００３８】
また、下部多層膜反射鏡を低濃度またはノンドープで形成できるため、下部多層膜反射鏡内での自由キャリア光吸収も抑制できる。
【００３９】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態の面発光半導体レーザ装置は、基板に垂直な共振器を形成する下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、共振器内に配置された活性層とを有し、第１の電極と第２の電極のうちの少なくとも一方の電極は、多層膜反射鏡の途中に形成されており、共振器内に、活性層のバンドギャップよりも大きく、かつ共振器を構成する材料のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有するキャリア拡散層が設けられていることを特徴としている。
【００４０】
本発明の第３の実施形態では、第１の電極または第２の電極は、共振器ではなく多層膜反射鏡の途中に設けられている。この構造では、電流は多層膜反射鏡の１部を通って活性層に注入されることになる。そのため、第１または第２の実施形態と比較すると、直列抵抗は増加してしまう。しかし、電流が通過する反射鏡の周期を、数周期と薄くすることによって、直列抵抗の増加を比較的抑制することができる。
【００４１】
電流が通過する反射鏡のキャリア濃度は、自由キャリア吸収が小さくなるように、例えば１×１０１８ｃｍ−３以下に下げる必要がある。なおかつ、反射鏡の直列抵抗を下げるために、高屈折率層と低屈折率層との間に組成傾斜層を設けたり、高屈折率層と低屈折率層とのバンドギャップ差を小さくしたり、光の定在波分布の節でドーピング濃度を高くする等の手段が用いられる。
【００４２】
また、共振器内にはキャリア拡散層が設けられており、横方向へのキャリア拡散を促進して、電流を活性層の発振領域に対して均一に注入できるようにしている。
【００４３】
さらに、本発明の第３の実施形態では、第１の電極または第２の電極が多層膜反射鏡の途中に設けられていることにより、電極と活性層までの距離を長くできる。また、ヘテロ界面を通って電流が流れるため、電流がより横方向に拡散して均一に注入されやすくなっている。
【００４４】
一般に、電極は、接触抵抗を下げるために、１×１０１８ｃｍ−３以上の高濃度にドーピングされたコンタクト層上に形成される。高濃度にドーピングされたコンタクト層による光吸収を抑制するため、コンタクト層は光の定在波の節に設けられる。しかしながら、コンタクト層はある厚さを有しているため、定在波の節からずれた部分では光吸収が生じてしまう。
【００４５】
本発明の第３の実施形態では、電極が多層膜反射鏡の途中に設けられているため、コンタクト層と共振器との間の多層膜反射鏡によって反射が生じ、光強度分布の包絡線はコンタクト層に達するまでに減少する。従って、コンタクト層を共振器に設けた場合に比べて、コンタクト層を多層膜反射鏡の途中に設けた方が、コンタクト層近傍の光強度分布は腹の位置においても低下する。従って、定在波の節からずれた部分のコンタクト層で生じる光吸収を低減することができる。
【００４６】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態は、第１乃至第３のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザ装置において、キャリア拡散層は圧縮歪を有していることを特徴としている。
【００４７】
圧縮歪を有することにより、価電子帯のバンド構造が変形して正孔の有効質量が小さくなる。従って、キャリア拡散層における正孔の移動度が高くなるため、正孔の横方向拡散が更に促進される。
【００４８】
また、ＧａＡｓ基板やＩｎＰ基板に対して格子定数が大きいＩｎＡｓは特に移動度が大きい材料であることが知られている。従って、ＧａＡｓ基板やＩｎＰ基板に対して圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓやＩｎＡｓＰをキャリア拡散層に用いることによって、電子についてもキャリアの拡散を促進することができる。
【００４９】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態は、第１乃至第４のいずれかの実施形態の面発光型半導体レーザ装置において、キャリア拡散層は共振器のｐ型領域に設けられていることを特徴としている。
【００５０】
半導体層の正孔の有効質量は、電子の有効質量よりも大きくなっている。そのため、ｐ型半導体多層膜反射鏡の抵抗の方が、ｎ型半導体多層膜反射鏡の抵抗よりも高くなる。従って、直列抵抗を低減する上でｐ型半導体多層膜反射鏡を通さずに電流を注入することがより必要である。
【００５１】
また、半導体層の正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、正孔の方が拡散しにくくなっている。そこで、本発明の第５の実施形態においては、キャリア拡散層を特に共振器のｐ型領域に設けることで、正孔の拡散を促進して、活性層に対する電流注入を均一化している。
【００５２】
このとき、第４の実施形態に示したようにキャリア拡散層として圧縮歪を有する材料を用いると、正孔の移動度が更に大きくなるため効果が高い。
【００５３】
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態は、第１乃至第５のいずれかの実施形態の面発光型半導体レーザ装置において、キャリア拡散層が複数設けられていることを特徴としている。
【００５４】
キャリア拡散層を複数重ねることにより、１層のみを設けた場合に比べて、よりキャリアの拡散を促進することができる。
【００５５】
共振器を構成するスペーサ層よりもバンドギャップが小さい半導体層を井戸層とし、スペーサ層の材料を障壁層とする多重量子井戸構造でキャリア拡散層を構成することができる。
【００５６】
特に、圧縮歪を有するキャリア拡散層は、転位が入らないようにするため、層厚を臨界膜厚よりも薄くする必要がある。そこで、層厚の薄い圧縮歪を有するキャリア拡散層を、無歪の障壁層ではさんで積層した多重量子井戸構造にすることにより、よりキャリアを拡散させることができる。
【００５７】
また、共振器内の別々の場所にキャリア拡散層を複数設けることもできる。
【００５８】
また、共振器のｐ側スペーサ層とｎ側スペーサ層の両方に設けることもできる。この場合は、電子と正孔の両方について、活性層への注入を均一化することができる。
【００５９】
キャリア拡散層は高濃度ドープする必要がないため、自由キャリアによる光吸収を抑制することができる。従って、必ずしもキャリア拡散層を光の定在波の節に設ける必要はない。そのため、高ドープ層を設ける場合に比べて、キャリア拡散層を配置する位置の設計自由度が高くなっている。従って、キャリア拡散層を容易に複数設けることが可能である。
【００６０】
（第７の実施形態）
圧縮歪を有する層は、歪による価電子帯バンド構造の変形により、正孔の有効質量が小さくなる。そのため、キャリア拡散層における正孔の移動度が高くなり、横方向のキャリア拡散が促進される。
【００６１】
この圧縮歪を有する層を複数重ねることにより、１層のみ設けた場合に比べてさらにキャリアの拡散を促進することができる。しかしながら、圧縮歪を有する層を多層に積層していくと、内部の歪エネルギーが蓄積されていき、限界値を超えたところで転位が発生してしまう。
【００６２】
そこで、第７の実施形態では、キャリア拡散層が圧縮歪を有する層と引張歪を有する層とを交互に複数積層して構成している。これにより、圧縮歪層を引張歪層で補償して、正味の歪量をゼロ近傍にすることで、圧縮歪を有するキャリア拡散層の積層数を転位が入ることなく増加させることができる。これにより、横方向のキャリア拡散を促進させることができる。
【００６３】
（第８の実施形態）
本発明の第８の実施形態は、第１乃至第７のいずれかの実施形態の面発光型半導体レーザ装置において、共振器のｐ型領域の層厚がｎ型領域の層厚よりも厚いことを特徴としている。
【００６４】
半導体層の正孔の移動度は、電子の移動度よりも小さくなっているため、ｐ型層ではｎ型層に比べて電流が広がりにくくなっている。そこで、第７の実施形態では、活性層の位置を共振器の中心からずらしてｐ型領域の層厚をｎ型領域よりも厚くすることにより、ｐ側の電極と活性層との距離を長くして、横方向の電流拡散をさらに促進している。
【００６５】
また、共振器のｐ側領域を厚くすることにより、共振器のｐ側にキャリア拡散層を複数設けることが容易となる。
【００６６】
活性層は共振器内で、光の定在波の腹に設ける必要がある。そして、活性層位置を共振器の中心からずらすために、共振器長は、媒質内の光の波長（λ）に対して、０．５λ×ｍ（ｍ＝３，４，５，…）となるようにしている。
【００６７】
（第９の実施形態）
本発明の第９の実施形態は、第１乃至第８のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザ装置において、共振器内の活性層とキャリア拡散層の間に、イオン注入による高抵抗領域から成る電流狭窄構造が設けられていることを特徴としている。
【００６８】
高抵抗領域を形成するために注入するイオンとしては、例えば、プロトンイオンや酸素イオンを用いることができる。
【００６９】
共振器内の活性層とキャリア拡散層の間に、高抵抗領域からなる電流狭窄構造を設けることにより、電流を上部多層膜反射鏡の下に位置する活性層領域に集中して流すことができる。これにより、発振領域の活性層に対する電流注入均一性をさらに改善することができる。
【００７０】
（第１０の実施形態）
本発明の第１０の実施形態は、第１乃至第８のいずれかの実施形態の面発光型半導体レーザ装置において、共振器内の活性層とキャリア拡散層との間に、選択的に酸化された絶縁領域と非酸化領域である導電領域とからなる電流狭窄構造が設けられていることを特徴としている。
【００７１】
活性層の電流狭窄構造としては、イオン注入による高抵抗化も用いられる。しかし、共振器内で高抵抗領域が増加すると、横方向に電流を流す場合に抵抗が高くなるという問題がある。
【００７２】
一方、選択的に酸化された絶縁領域を用いて電流狭窄構造を形成する場合には、酸化層厚を５０ｎｍ以下と薄く設けるだけで、十分な絶縁領域を形成できる。従って、酸化層を共振器内に設けても、横方向に電流が流れる経路を大きくとれるため、抵抗の増加を抑制することができる。
【００７３】
また、キャリア拡散層を選択的に酸化した絶縁領域と電極との間に設けることで、さらに横方向のキャリア拡散を促進して電流注入をより均一化できる。
【００７４】
（第１１の実施形態）
本発明の第１１の実施形態は、第１乃至第８のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザ装置において、共振器内の活性層とキャリア拡散層の間に、選択的にエッチングされたエアギャップ領域と、非エッチング領域である導電領域とから成る電流狭窄構造が設けられていることを特徴としている。
【００７５】
選択的にエッチングされたエアギャップ領域を用いて電流狭窄構造を形成する場合には、エッチング層厚を５０ｎｍ以下と薄く設けるだけで、十分な絶縁領域を形成できる。従って、エアギャップ領域を共振器内に設けても、横方向に電流が流れる経路を大きくとれるため、抵抗の増加を抑制することができる。
【００７６】
また、選択的に酸化された絶縁領域では酸化による体積収縮によって素子に応力が加わってしまうが、本実施例のように絶縁領域をエアギャップ領域で形成する場合には、応力が発生することがない。従って、素子の信頼性低下を抑制することができる。
【００７７】
（第１２の実施形態）
本発明の第１２の実施形態は、第９乃至第１１のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザ装置において、絶縁領域上部のキャリア拡散層のバンドギャップが、導電領域上部のキャリア拡散層のバンドギャップよりも小さいことを特徴としている。
【００７８】
キャリア拡散層において、絶縁領域上部のバンドギャップが導電領域上部のバンドギャップよりも小さいことにより、キャリア拡散層内で、キャリアはバンドギャップのより小さい導電領域側に集中しやすくなる。これにより、導電領域に対する電流注入をさらに均一化することができる。
【００７９】
キャリア拡散層のバンドギャップを変化させる方法としては、例えばキャリア拡散層を（多重）量子井戸構造で形成しておき、絶縁領域上部の（多重）量子井戸構造を混晶化することによって実現できる。混晶化した部分では、混晶化していない（多重）量子井戸構造よりもバンドギャップが大きくなる。
【００８０】
（多重）量子井戸構造を混晶化する手段としては、Ｚｎ， Ｓｉ等のドーパントを拡散させる方法や、Ｇａ， Ａｌ， Ａｓ， Ｚｎ， Ｓｉ等の元素をイオン注入した後で熱処理する方法や、空孔を拡散させる方法などを用いることができる。
【００８１】
（第１３の実施形態）
本発明の第９乃至第１１のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザ装置において、共振器内に設けられた電流狭窄領域と第１の電極との間に、高濃度ドーピング領域を設けたことを特徴としている。
【００８２】
共振器内に設けられた電流狭窄領域と第１の電極との間に、高濃度ドーピング領域を設けることにより、第１の電極から電流狭窄構造の導電領域にいたるまでの電気抵抗を大幅に低下することができる。
【００８３】
また、電流狭窄領域の下に位置する活性層には電流が注入されないため、発光再結合が生じない。さらに、選択酸化や選択エッチングによる電流狭窄構造では、横方向に屈折率差が生じるため、光を導電領域に閉じ込める作用がある。そのため共振器内で、導電領域の外側では光強度が急激に減衰する。そのため、高濃度ドーピング領域における光の自由キャリア吸収損失を十分低減することができる。
【００８４】
すなわち、レーザ発振領域ではドーピング濃度を低減して自由キャリア吸収を抑制し、レーザ発振領域の外側では高濃度にドーピングすることで、電気抵抗を低減している。
【００８５】
高濃度ドーピング領域のドーピング濃度としては、例えば１×１０１８ｃｍ− ３以上が望ましい。また、発振領域から外側にいくほどドーピング濃度を高くすることも可能である。
【００８６】
高濃度ドーピング領域は、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｅ等のドーパントを拡散したり、イオン注入してからアニールすることによって形成することができる。
【００８７】
（第１４の実施形態）
本発明の第１４の実施形態は、第１乃至第１３のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザ装置において、活性層が窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体からなることを特徴としている。
【００８８】
窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体としては、例えばＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ，ＧａＮＡｓＰ，ＧａＩｎＮＡｓＰ，ＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ等がある。窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体は、窒素を添加していくと、ある範囲まではバンドギャップが小さくなるという特性を有している。この特性により、ＧａＡｓ基板上に、石英光ファイバの伝送に適した１．３〜１．６μｍの長波長帯の活性層を形成することが可能となった。
【００８９】
また、ＧａＡｓ基板を用いることで、屈折率差が大きくとれて、熱抵抗が低いＡｌＧａＡｓ材料系で多層膜反射鏡を形成することができるというメリットも有している。また、ＡｌＡｓを選択的に酸化した電流狭窄構造を用いることもできる。
【００９０】
第１４の実施形態は、１．３〜１．６μｍの長波長帯の面発光半導体レーザにおいて、第１乃至第９の実施形態で示した特徴を有しているため、素子抵抗を低減し、活性層に対する電流注入均一性を改善し、かつ光吸収損失の小さくすることができる。従って、動作電圧が低く、高出力の長波長帯面発光半導体レーザを形成することができる。
【００９１】
（第１５の実施形態）
本発明の第１５の実施形態は、第１乃至第１４のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザ装置を備えていることを特徴とする光伝送モジュールである。
【００９２】
第１乃至第１４の実施形態に示した面発光半導体レーザ装置は、素子抵抗を低減し、活性層に対する電流注入を均一化できるため、動作電圧を低減できる。また、光吸収損失を減少させることにより、高効率でレーザ光が得られる。従って、これを光伝送モジュールに適用するとき、光伝送モジュールの消費電力を低減することができる。
【００９３】
（第１６の実施形態）
本発明の第１６の実施形態は、第１５の実施形態の光伝送モジュールを備えていることを特徴とする光伝送システムである。
【００９４】
第１５の実施形態の光伝送モジュールでは、光源である面発光半導体レーザの消費電力を低減しているため、低消費電力の光伝送システムを構築できる。
【００９５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００９６】
［実施例１］
図１は本発明の実施例１の面発光半導体レーザを示す図である。図１を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上には、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２が積層されている。ここで、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層とｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。
【００９７】
そして、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２上には、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部スペーサ層１０３、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層１０４、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６が積層されている。そして、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６の途中にＧａＡｓキャリア拡散層１０５が設けられている。
【００９８】
なお、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部スペーサ層１０３はｎ型となっており、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６はｐ型となっている。
【００９９】
また、図１において、上記積層構造の表面からｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２に達するまで円筒状にエッチングされて、メサ構造が形成されている。そして、メサ構造の表面には、光取り出し領域を除いてリング状のｐ側電極１０８が形成されている。なお、ｐ側電極１０８はｐ型キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上にしたコンタクト層（図示せず）上に形成されている。
【０１００】
そして、メサ頂上部のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６には、誘電体多層膜反射鏡１０７が積層されている。誘電体多層膜反射鏡１０７は、屈折率の異なる誘電体材料を、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層して形成されている。ここで、高屈折率層としては、ＴｉＯ２，ＺｒＯ２，ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＺｎＳｅ等を用いることができ、低屈折率層としては、ＳｉＯ２，ＭｇＦ２，ＣａＦ２等を用いることができる。
【０１０１】
また、図１において、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面には、ｎ側電極１０９が形成されている。
【０１０２】
図１の面発光半導体レーザにおいては、ｐ側電極１０８とｎ側電極１０９に順方向バイアスを印加することにより、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層１０４に電流が注入されて、波長０．９８μｍ帯で発光する。この際、誘電体多層膜反射鏡１０７とｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２とではさまれた領域が共振器構造となっており、基板１０１に対して垂直上方にレーザ光が取り出される構造となっている。
【０１０３】
図１の面発光半導体レーザにおいては、ｐ側電極１０８は共振器上に形成されており、電流は上部多層膜反射鏡を流れないで活性層に注入される構造となっている。従って、上部多層膜反射鏡を電流が通ることによる直列抵抗の増加は回避される。
【０１０４】
特に、半導体層の正孔の有効質量は、電子の有効質量よりも大きくなっているため、ｐ型半導体多層膜反射鏡の抵抗の方が、ｎ型半導体多層膜反射鏡の抵抗よりも高くなる。図１の構造では、ｐ側の多層膜反射鏡を通さずに電流を注入しているため、直列抵抗低減の効果が大きい。
【０１０５】
一方、比較的抵抗の低いｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２については電流が通過する構造となっている。
【０１０６】
また、図１の面発光半導体レーザにおいては、ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６内に、ＧａＡｓキャリア拡散層１０５が設けられている。ＧａＡｓキャリア拡散層１０５のバンドギャップはＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６のバンドギャップよりも小さくなっており、ＧａＡｓキャリア拡散層１０５内では、キャリア（正孔）はＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６とのヘテロ障壁に閉じ込められるため、横方向（面内方向）へのキャリア拡散が促進される。これにより、メサ構造内でｐ側電極１０８から活性層１０４に流れ込む電流の均一性を改善している。
【０１０７】
なお、ＧａＡｓキャリア拡散層１０５は高濃度にドーピングする必要がないため、必ずしも共振器内の光の定在波分布において、節の位置に設けなくてもよい。
【０１０８】
また、上部多層膜反射鏡１０７は吸収係数が非常に小さい誘電体材料で構成されている。よって、上部多層膜反射鏡１０７の光吸収損失を低減することができる。また、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部スペーサ層１０３及びＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６のキャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３以下と低くすることにより、共振器内の自由キャリア吸収を抑制している。
【０１０９】
以上のことから、図１の面発光半導体レーザでは、素子抵抗を低減し、活性層に対する電流注入均一性を改善し、かつ光吸収損失の小さくすることができる。
【０１１０】
［実施例２］
図２は本発明の実施例２の面発光半導体レーザを示す図である。図２を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上には、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２が積層されている。ここで、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層とｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。
【０１１１】
そして、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２上には、ＧａＡｓ下部スペーサ層２０１、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２、ＧａＡｓ上部スペーサ層２０４が積層されている。そして、ＧａＡｓ上部スペーサ層２０４の途中には、ＡｌＡｓ層２０３が設けられており、また、ＧａＡｓ上部スペーサ層２０４内で、ＡｌＡｓ層２０３よりも上部には、ＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５が２層設けられている。ここで、ＧａＡｓ下部スペーサ層２０１はｎ型となっており、ＧａＡｓ上部スペーサ層２０４はｐ型となっている。
【０１１２】
そして、ＧａＡｓ上部スペーサ層２０４上には、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６が積層されている。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６は、ノンドープＧａＡｓ高屈折率層とノンドープＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。
【０１１３】
図２の面発光半導体レーザでは、上記積層構造の表面からＧａＡｓ上部スペーサ層２０４の最表面まで円筒状にエッチングされて、１段目のメサ構造が形成されている。さらに、上記のサイズよりも大きいサイズで、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２に達するまで円筒状にエッチングされて、２段目のメサ構造が形成されている。
【０１１４】
また、ＡｌＡｓ層２０３は、メサ側面から選択的に酸化されて絶縁領域２０７が形成されている。
【０１１５】
また、１段目のメサ構造のエッチング底面（２段目のメサ構造頂上部）には、リング状のｐ側電極１０８が形成されている。なお、ｐ側電極１０８はｐ型キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上にしたコンタクト層（図示せず）上に形成されている。
【０１１６】
また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面には、ｎ側電極１０９が形成されている。
【０１１７】
図２の面発光半導体レーザにおいては、ｐ側電極１０８とｎ側電極１０９に順方向バイアスを印加することにより、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２に電流が注入されて、波長１．３μｍ帯で発光する。このとき、電流はＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２上に形成されたＡｌＡｓ層２０３において、酸化されていない導電領域を通って流れ込む。これにより、電流を第２のメササイズよりも狭い領域に集中させて閾電流を低減している。また、酸化された絶縁領域２０７は、酸化されていないＡｌＡｓ層２０３よりも屈折率が大きく低下するため、光を集光するレンズの役割を果たして、回折損失を低減している。
【０１１８】
図２の面発光半導体レーザでは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６とｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２とではさまれた領域が共振器構造となっており、基板１０１に対して垂直上方にレーザ光が取り出される。
【０１１９】
図２の面発光半導体レーザにおいては、図１の構造と同様に、ｐ側電極１０８は共振器上に形成されており、電流は上部多層膜反射鏡２０６を流れないで活性層２０２に注入される構造となっている。従って、抵抗の高いｐ型半導体多層膜反射鏡を電流が通ることによる直列抵抗の増加は回避される。
【０１２０】
一方、共振器上にｐ側電極１０８を形成した場合、電流は活性層の発振領域に対して横側から注入されることになる。そのため、活性層に対して電流を均一に注入することが難しいという問題が生じる。
【０１２１】
そこで、図２の面発光半導体レーザにおいては、ＡｌＡｓ層２０３とｐ側電極１０８との間にＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５を２層設けている。上部ＧａＡｓスペーサ層２０４よりもバンドギャップが小さいＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５内では、キャリア（正孔）はスペーサ層とのヘテロ障壁に閉じ込められるため、横方向（面内方向）へのキャリア拡散が促進される。これにより、ｐ側電極１０８から活性層２０２に流れ込む電流の均一性を改善することができる。
【０１２２】
また、ＩｎＧａＡｓは移動度が大きい材料であることが知られている。そして、ＧａＡｓ基板よりも格子定数が大きいため、圧縮歪を有している。圧縮歪を有することにより、価電子帯のバンド構造が変形して正孔の有効質量が小さくなる。従って、ＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５では正孔の移動度が高くなっており、正孔が拡散しやすくなっている。
【０１２３】
さらに、ＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５を２層設けることにより、１層のみを設けた場合に比べてよりキャリアの拡散を促進することができる。
【０１２４】
ＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５は高濃度ドープする必要がないため、自由キャリアによる光吸収を抑制することができる。従って、必ずしもＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５を光の定在波の節に設ける必要はない。よって、ＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５を上部ＧａＡｓスペーサ層２０４内で、ＡｌＡｓ層２０３とｐ側電極１０８との間の任意の位置に配置することが可能である。
【０１２５】
なお、ＡｌＡｓ酸化層２０３の層厚は２０〜５０ｎｍと薄く設けるだけで、選択酸化により有効な絶縁領域２０７を形成できる。従って、上部ＧａＡｓスペーサ層２０４内で、横方向に電流が流れる経路を制限することがない。
【０１２６】
また、電流は上部のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６を通らないため、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６の抵抗を下げる必要がない。従って、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６を、低キャリア濃度のノンドープ層で構成することができ、これにより、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６の光吸収損失を大きく低減することができる。
【０１２７】
［実施例３］
図３は本発明の実施例３の面発光半導体レーザを示す図である。図３を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上には、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ３０１が積層されている。ここで、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ３０１は、ノンドープＧａＡｓ高屈折率層とノンドープＡｌＡｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。
【０１２８】
そして、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ３０１上には、ＧａＡｓ下部スペーサ層３０２、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３が積層されている。そして、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３の途中にはＡｌＡｓ層２０３が設けられており、また、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３内で、ＡｌＡｓ層２０３よりも上部に、ＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５が２層設けられている。ここで、ＧａＡｓ下部スペーサ層３０２はｎ型となっており、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３はｐ型となっている。
【０１２９】
そして、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３上には、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６が積層されている。ここで、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６は、ノンドープＧａＡｓ高屈折率層とノンドープＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。
【０１３０】
図３の面発光半導体レーザでは、上記積層構造の表面から、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３の最表面まで円筒状にエッチングされて１段目のメサ構造が形成されている。さらに、上記のサイズよりも大きいサイズで、ＧａＡｓ下部スペーサ層３０２の途中まで円筒状にエッチングされて、２段目のメサ構造が形成されている。
【０１３１】
また、ＡｌＡｓ層２０３は、メサ側面から選択的に酸化されて、絶縁領域２０７が形成されている。
【０１３２】
また、１段目のメサ構造のエッチング底面（２段目のメサ構造頂上部）には、リング状のｐ側電極１０８が形成されている。また、２段目のメサ構造のエッチング底面には、ｎ側電極１０９が形成されている。なお、ｐ側電極１０８及びｎ側電極１０９は、キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上にしたコンタクト層（図示せず）上に形成されている。そして、上記コンタクト層は、光の定在波分布における節に位置するように配置されている。
【０１３３】
図３の面発光半導体レーザにおいては、ｐ側電極１０８とｎ側電極１０９に順方向バイアスを印加することにより、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２に電流が注入されて、波長１．３μｍ帯で発光する。このとき、電流はＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２上に形成されたＡｌＡｓ層２０３において、酸化されていない導電領域を通って流れ込む。これにより、電流を第２のメササイズよりも狭い領域に集中させて閾電流を低減することができる。また、酸化された絶縁領域２０７は、酸化されていないＡｌＡｓ層２０３よりも屈折率が大きく低下するため、光を集光するレンズの役割を果たして、回折損失を低減することができる。
【０１３４】
図３の面発光半導体レーザでは、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ３０１とＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６とではさまれた領域が共振器構造となっており、基板１０１に対して垂直上方にレーザ光が取り出される。
【０１３５】
図３の面発光半導体レーザでは、ｐ側電極１０８とｎ側電極１０９の両方が共振器に形成されている。従って、電流を上部多層膜反射鏡と下部多層膜反射鏡を通さないで活性層２０２に注入することができる。従って、図１，図２の構造に比べてさらに直列抵抗を低減することができる。
【０１３６】
図３の構造においては、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ３０１とＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６とではさまれた共振器構造の共振器長を、媒質内の光の波長（λ）に対して、０．５λ×ｍ （ｍ＝３，４，５，…）となるようにしている。例えば、ｍ＝６とした場合、共振器長は３λとなる。
【０１３７】
そして、活性層２０２は、共振器内で光の定在波の腹に設けられているが、活性層位置を共振器の中心からずらして、ｐ型ＧａＡｓスペーサ層３０３の層厚をｎ型ＧａＡｓスペーサ層３０２の層厚よりも厚くすることができる。共振器長が３λの場合、活性層位置を下から０．５λまたは１λの位置に設けることで、ｐ側領域を厚くできる。
【０１３８】
これにより、ｐ側電極１０８と活性層２０２との距離を長くすることができ、メサ構造内で抵抗の高いｐ側領域における横方向への電流拡散を促進することができる。
【０１３９】
さらに、図３の面発光半導体レーザでは、ｐ型ＧａＡｓスペーサ層３０３中において、ＡｌＡｓ層２０３とｐ側電極１０８との間にＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５が２層設けられている。第３の実施例でも、第２の実施例と同様に、移動度の高いＩｎＧａＡｓ層を設けることにより、横方向への電流拡散を促進して、ｐ側電極１０８から活性層２０２に流れ込む電流の均一性をさらに改善することができる。
【０１４０】
図３の面発光半導体レーザでは、下部多層膜反射鏡３０１には電流を流す必要がないため、下部多層膜反射鏡３０１の抵抗を下げる必要がない。従って、ヘテロ障壁は大きくなるが、下部多層膜反射鏡３０１を最も屈折率差が大きくとれるＧａＡｓ高屈折率層とＡｌＡｓ低屈折率層で構成することができる。これによって、９９．９％以上の高反射率を得るのに、下部多層膜反射鏡３０１をより少ない層数で形成できる。また、ＧａＡｓとＡｌＡｓは、ＡｌＧａＡｓ混晶に比べて熱抵抗が低い材料であるため、素子の放熱性を向上させることができる。
【０１４１】
また、下部多層膜反射鏡３０１と上部多層膜反射鏡２０６は、ともに低キャリア濃度のノンドープ層で形成されており、これにより、多層膜反射鏡内での自由キャリア光吸収を大幅に低減することができる。
【０１４２】
［実施例４］
図４は本発明の実施例４の面発光半導体レーザを示す図である。図４を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上には、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ４０１が積層されている。ここで、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ４０１は、ノンドープＧａＡｓ高屈折率層とノンドープＡｌＡｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。
【０１４３】
そして、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ４０１上には、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ４０２が積層されている。ここで、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ４０２は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層とｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に２周期積層されて形成されている。
【０１４４】
そして、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ４０２上には、ＧａＡｓ下部スペーサ層３０２、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３が積層されている。そして、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３の途中にはＡｌＡｓ層２０３が設けられており、またＧａＡｓ上部スペーサ層３０３内で、ＡｌＡｓ層２０３よりも上部にＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５が設けられている。ここで、ＧａＡｓ下部スペーサ層３０２はｎ型となっており、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３はｐ型となっている。
【０１４５】
また、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３上には、ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ４０３が積層されている。ここで、ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ４０３は、ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層とｐ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に２周期積層されて形成されている。
【０１４６】
そして、図４の面発光半導体レーザでは、上記積層構造の表面からＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ４０１の最表面まで円筒状にエッチングされてメサ構造が形成され、ＡｌＡｓ層２０３は、メサ側面から選択的に酸化されて絶縁領域２０７が形成されている。そして、メサ構造の頂上には、光取り出し領域を除いてリング状のｐ側電極１０８が形成されている。
【０１４７】
そして、メサ頂上部のｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ４０３上には、誘電体多層膜反射鏡１０７が積層されている。
【０１４８】
また、メサ構造のエッチング底面には、ｎ側電極１０９が形成されている。なお、ｐ側電極１０８及びｎ側電極１０９は、キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上にしたコンタクト層（図示せず）上に形成されている。
【０１４９】
図４の面発光半導体レーザにおいては、ｐ側電極１０８及びｎ側電極１０９は、共振器ではなく多層膜反射鏡の途中に設けられている。すなわち、ｐ側電極１０８は、ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ４０３と誘電体多層膜反射鏡１０７の途中に設けられており、ｎ側電極１０９は、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ４０１とｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ４０２の間に設けられている。
【０１５０】
この構造では、電流は、多層膜反射鏡４０３と４０２を通って活性層に注入されることになる。そのため、図３の構造と比較すると、直列抵抗は増加してしまう。ただし、電流が通過する多層膜反射鏡の周期を、２周期と薄くすることによって、直列抵抗の増加を比較的抑制している。
【０１５１】
反射鏡の大部分である誘電体多層膜反射鏡１０７とＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ４０１については、光吸収損失を低減している。
【０１５２】
図４の構造では、ｐ側電極１０８及びｎ側電極１０９と共振器との間に多層膜反射鏡４０３，４０２を設けることで、電流が横方向に広がりやすくしている。
【０１５３】
さらに、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３内にＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５を設けることで、横方向へキャリア（正孔）拡散を促進して、電流を活性層の発振領域に対して均一に注入できるようにしている。
【０１５４】
また、ｐ側電極１０８とｎ側電極１０９が形成されているコンタクト層は、高濃度にドーピングされているため自由キャリア吸収が生じてしまう。これを抑制するために、コンタクト層は光の定在波分布において節の位置に設けられている。しかしながら、コンタクト層はある厚さを有しているため、定在波の節からずれた部分では光吸収が生じてしまう。
【０１５５】
図４の構造では、ｐ側電極１０８とｎ側電極１０９と共振器との間に多層膜反射鏡が設けられることにより、光強度分布の包絡線はコンタクト層に達するまでに減少する。従って、コンタクト層を共振器に設けた場合に比べて、コンタクト層近傍の光強度分布は腹の位置においても低下する。従って、定在波の節からずれた部分のコンタクト層で生じる光吸収についても、より低減することができる。
【０１５６】
［実施例５］
図５は本発明の実施例５の面発光半導体レーザを示す図である。図５を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上には、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ３０１が積層されている。ここで、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ３０１は、ノンドープＧａＡｓ高屈折率層とノンドープＡｌＡｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。
【０１５７】
そして、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ３０１上には、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部スペーサ層１０３、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６が積層されている。
【０１５８】
そして、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６の途中には、ＡｌＡｓ層２０３が設けられている。また、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部スペーサ層１０３内には、ＩｎＧａＡｓキャリア拡散層５０１が設けられており、また、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６内でＡｌＡｓ層２０３よりも上には、ＧａＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ多重量子井戸キャリア拡散層５０２が設けられている。
【０１５９】
また、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部スペーサ層１０３はｎ型となっており、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６はｐ型となっている。
【０１６０】
また、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６には、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６が積層されている。ここで、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６は、ノンドープＧａＡｓ高屈折率層とノンドープＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。
【０１６１】
図５の面発光半導体レーザでは、上記積層構造の表面から上部スペーサ層１０６の最表面まで円筒状にエッチングされて１段目のメサ構造が形成されている。さらに、上記のサイズよりも大きいサイズで、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部スペーサ層１０３の途中まで円筒状にエッチングされて、２段目のメサ構造が形成されている。
【０１６２】
そして、ＡｌＡｓ層２０３は、メサ側面から選択的に酸化されて絶縁領域２０７が形成されている。
【０１６３】
また、１段目のメサ構造のエッチング底面（２段目のメサ構造の頂上部）には、リング状のｐ側電極１０８が形成されている。また、２段目のメサ構造のエッチング底面には、ｎ側電極１０９が形成されている。なお、ｐ側電極１０８及びｎ側電極１０９は、キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上にしたＧａＡｓコンタクト層（図示せず）上に形成されている。そして、上記コンタクト層は、光の定在波分布における節に位置するように配置されている。
【０１６４】
図５の構造が、図３の構造と異なっている点は、キャリア拡散層が共振器のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部スペーサ層１０３とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６の両方に設けられている点である。これにより、電子と正孔の両方について横方向の拡散を促進している。
【０１６５】
また、ＧａＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ多重量子井戸キャリア拡散層５０２において、ＡｌＡｓ層２０３が選択的に酸化された絶縁領域２０７の上部にある領域では、ＧａＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ多重量子井戸構造が混晶化されている。混晶化領域５０３は、１段目のメサ構造のエッチング底面からＧａ，Ａｌ，Ａｓ，Ｚｎ等の元素をイオン注入した後で熱処理することにより形成される。混晶化されたＡｌＧａＡｓ層５０３のバンドギャップは、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部スペーサ層１０３よりも小さくなっており、キャリア拡散層として機能する。
【０１６６】
さらに、混晶化した領域５０３のバンドギャップは、混晶化していない多重量子井戸構造５０２のバンドギャップよりも大きくなっている。従って、キャリア拡散層において、絶縁領域２０７上部のバンドギャップが導電領域２０３上部のバンドギャップよりも小さくなっている。これにより、キャリア拡散層内でキャリアは、バンドギャップのより小さい導電領域側の多重量子井戸構造５０２に集中しやすくなる。これにより、導電領域２０３に対する電流注入をさらに均一化することができる。
【０１６７】
１段目のメサ構造のエッチング底面からＺｎイオン注入した領域は、熱処理後にＺｎが活性化して高濃度ｐ型ドーピング領域５０４となる。絶縁領域２０７とｐ側電極１０８との間に、高濃度ドーピング領域５０４を設けることにより、ｐ側電極１０８からＡｌＡｓ層２０３の導電領域にいたるまでの電気抵抗を大幅に低下することができる。
【０１６８】
一方、キャリアと光は選択的に酸化された絶縁領域２０７によって閉じ込められるため、ＡｌＡｓ層２０３の導電領域外側では光強度が急激に減衰する。また、図５の構造において、Ｚｎイオン注入されていない領域の径は、ＡｌＡｓが選択的に酸化されていない領域２０３の径とほぼ同じか、または大きくなっている。そのため、高濃度ドーピング領域５０４によって、光が自由キャリア吸収損失を受ける影響を低減することができる。
【０１６９】
［実施例６］
図６は本発明の実施例６の光伝送システムを示す図である。図６の光伝送システムは、光送信部６０１で発生した光信号が石英光ファイバ６０４を通って光受信部６０２に伝送される。図６では、光送信部６０１、光ファイバ６０４、光受信部６０２が２系列備わっており、双方向に通信できるようになっている。ここで、光送信部６０１と光受信部６０２は、１つのパッケージに集積されており、光送受信モジュール６０３を構成している。
【０１７０】
この実施例６では、光送信部６０１の光源に、実施例１乃至実施例５のいずれかの面発光半導体レーザ装置を用いることを特徴としている。実施例１乃至実施例５の面発光半導体レーザは、素子抵抗を低減し、活性層に対する電流注入を均一化できるため、動作電圧を低減できる。また、光吸収損失を減少させることにより、高効率でレーザ光が得られる。従って、光送信部６０１の光源に、実施例１乃至実施例５のいずれかの面発光半導体レーザ装置を用いることによって、光伝送部６０１の消費電力を低減することができ、低消費電力の光伝送システムを構築できる。
【０１７１】
なお、以上の例では、面発光半導体レーザ素子は、１素子の場合のみについて示したが、１次元または２次元のアレイ光源として用いることもできる。本発明の面発光半導体レーザ素子は、素子抵抗を低減することで発熱を抑制できるため、アレイ光源として用いた場合に熱的クロストークを抑制することができる。
【０１７２】
［実施例７］
図７は、本発明の実施例７の面発光半導体レーザの断面図である。ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２が積層されている。ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層とｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２上には、ＧａＡｓ下部スペーサ層２０１、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２、ＧａＡｓ上部スペーサ層２０４が積層されている。そして、ＧａＡｓ上部スペーサ層２０４の途中にはＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５が設けられている。ＧａＡｓ下部スペーサ層１０３はｎ型となっており、ＧａＡｓ上部スペーサ層１０６はｐ型となっている。
【０１７３】
ＧａＡｓ上部スペーサ層２０４上には、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６が積層されている。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６は、ノンドープＧａＡｓ高屈折率層とノンドープＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。
【０１７４】
上記積層構造の表面から、ＧａＡｓ上部スペーサ層２０４の最表面まで円筒状にエッチングされて１段目のメサ構造が形成されている。さらに、上記のサイズよりも大きいサイズで、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２に達するまで円筒状にエッチングされて、２段目のメサ構造が形成されている。
【０１７５】
２段目のメサ構造表面からプロトンイオンを注入し、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＤＢＲ２０６の下に位置する活性層を除いて、活性層の近傍に高抵抗領域７０１が形成されている。
【０１７６】
１段目のメサ構造のエッチング底面（２段目のメサ構造頂上部）には、リング状のｐ側電極１０８が形成されている。なお、ｐ側電極１０８はｐ型キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上にしたコンタクト層上に形成されている。（図示されていない）
【０１７７】
また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１裏面には、ｎ側電極１０９が形成されている。
【０１７８】
図７の面発光半導体レーザにおいては、ｐ側電極１０８とｎ側電極１０９に順方向バイアスをかけることにより、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２に電流が注入されて、波長１．３μｍ帯で発光する。このとき、電流は高抵抗領域７０１で狭窄されて、プロトンイオン注入されていないＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２に流れ込む。これにより、電流を第２のメササイズよりも狭い領域に集中させて閾電流を低減している。
【０１７９】
ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６とｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２とではさまれた領域が共振器構造となっており、基板に対して垂直上方にレーザ光が取り出される。
【０１８０】
図７の面発光半導体レーザにおいては、活性層２０２とｐ側電極１０８との間にＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５を設けている。上部ＧａＡｓスペーサ層２０４よりもバンドギャップが小さいＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５内では、キャリア（正孔）はスペーサ層とのヘテロ障壁に閉じ込められるため、横方向（面内方向）へのキャリア拡散が促進される。これにより、ｐ側電極１０８から活性層２０２に流れ込む電流の均一性を改善している。
【０１８１】
さらに、活性層２０２近傍に設けられた高抵抗領域７０１は、電流をＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６の下に位置する活性層領域に集中して流すことができるため、発振領域の活性層に対する電流注入均一性をさらに改善することができる。
【０１８２】
［実施例８］
図８は、本発明の実施例８の面発光半導体レーザの断面図である。ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２が積層されている。ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層とｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２上には、ＧａＡｓ下部スペーサ層２０１、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２、ＧａＡｓ上部スペーサ層２０４が積層されている。そして、ＧａＡｓ上部スペーサ層２０４の途中にはＡｌＡｓ層２０３が設けられており、またＧａＡｓ上部スペーサ層２０４内で、ＡｌＡｓ層２０３よりも上部に歪補償超格子キャリア拡散層８０１が設けられている。
【０１８３】
歪補償超格子キャリア拡散層８０１は、引張歪０．５％のＧａＡｓＰ層と圧縮歪１．４％のＩｎＧａＡｓ層を交互に５．５周期積層して形成している。ＧａＡｓＰ層の層厚は１４ｎｍ、ＩｎＧａＡｓ層の層厚は６ｎｍとした。
【０１８４】
ＧａＡｓ上部スペーサ層１０６上には、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６が積層されている。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６は、ノンドープＧａＡｓ高屈折率層とノンドープＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。
【０１８５】
上記積層構造の表面から、ＧａＡｓ上部スペーサ層２０４の最表面まで円筒状にエッチングされて１段目のメサ構造が形成されている。さらに、上記のサイズよりも大きいサイズで、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２に達するまで円筒状にエッチングされて、２段目のメサ構造が形成されている。
【０１８６】
ＡｌＡｓ層２０３はメサ側面から選択的に酸化されて絶縁領域２０７が形成されている。
【０１８７】
１段目のメサ構造のエッチング底面（２段目のメサ構造頂上部）には、リング状のｐ側電極１０８が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１裏面には、ｎ側電極１０９が形成されている。
【０１８８】
図８の面発光半導体レーザの特徴は、ＡｌＡｓ層２０３とｐ側電極１０８との間に歪補償超格子キャリア拡散層８０１を設けている点である。歪補償超格子キャリア拡散層８０１中のＩｎＧａＡｓ層は、上部ＧａＡｓスペーサ層２０４よりもバンドギャップが小さいため、キャリア（正孔）はスペーサ層とのヘテロ障壁に閉じ込められ、横方向（面内方向）へのキャリア拡散が促進される。さらに、圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓ層は、価電子帯のバンド構造が変形して正孔の有効質量が小さくなるため、正孔の移動度が高くなる。これにより、ｐ側電極１０８から活性層２０２に流れ込む電流の均一性が改善される。
【０１８９】
また、歪補償超格子キャリア拡散層８０１において、ＩｎＧａＡｓ層を多層に積層することによって、１層のみ設けた場合に比べてさらにキャリアの拡散を促進することができる。しかしながら、圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓ層を多層に積層していくと、内部の歪エネルギーが蓄積されていき、限界値を超えたところで転位が発生してしまう。そこで、本実施例では、圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓ層と引張歪を有するＧａＡｓＰ層とを交互に積層して構成している。これにより、圧縮歪層を引張歪層で補償して、正味の歪量をほぼゼロにしており、歪補償超格子キャリア拡散層８０１に転位が形成されることを抑制している。
【０１９０】
［実施例９］
図９は、本発明の実施例９の面発光半導体レーザの断面図である。ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ３０１が積層されている。ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ３０１は、ノンドープＧａＡｓ高屈折率層とノンドープＡｌＡｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ３０１上には、ＧａＡｓ下部スペーサ層３０２、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３が積層されている。そして、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３の途中にはＡｌＡｓエッチング層９０１が設けられており、またＧａＡｓ上部スペーサ層３０３内で、ＡｌＡｓエッチング層９０１よりも上部にＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５が２層設けられている。ＧａＡｓ下部スペーサ層３０２はｎ型となっており、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３はｐ型となっている。
【０１９１】
ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３上には、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６が積層されている。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６は、ノンドープＧａＡｓ高屈折率層とノンドープＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。
【０１９２】
上記積層構造の表面から、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３の最表面まで円筒状にエッチングされて１段目のメサ構造が形成されている。さらに、上記のサイズよりも大きいサイズで、ＧａＡｓ下部スペーサ層３０２の途中まで円筒状にエッチングされて、２段目のメサ構造が形成されている。
【０１９３】
ＡｌＡｓエッチング層９０１はメサ側面から選択的にサイドエッチングされてエアギャップ領域９０２が形成されている。
【０１９４】
１段目のメサ構造のエッチング底面（２段目のメサ構造頂上部）には、リング状のｐ側電極１０８が形成されている。また、２段目のメサ構造のエッチング底面にはｎ側電極１０９が形成されている。
【０１９５】
図９の面発光半導体レーザにおいては、ｐ側電極１０８とｎ側電極１０９に順方向バイアスをかけることにより、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２に電流が注入されて、波長１．３μｍ帯で発光する。このとき、電流はＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２上に形成されたサイドエッチングされていないＡｌＡｓエッチング層９０１を通って流れ込む。これにより、電流を第２のメササイズよりも狭い領域に集中させて閾電流を低減している。また、エアギャップ領域９０２は、エッチングされていないＡｌＡｓ層９０１よりも屈折率が大幅に低下するため、光を集光するレンズの役割を果たして、回折損失を低減している。
【０１９６】
ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ３０１とＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６とではさまれた領域が共振器構造となっており、基板に対して垂直上方にレーザ光が取り出される。
【０１９７】
ｐ型ＧａＡｓスペーサ層３０３中のＡｌＡｓエッチング層９０１とｐ側電極１０８との間にＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５を２層設けている。実施例２と同様に、移動度の高いＩｎＧａＡｓ層を設けることにより、横方向への電流拡散を促進して、ｐ側電極１０８から活性層２０２に流れ込む電流の均一性を改善している。
【０１９８】
選択的にエッチングされたエアギャップ領域９０２を用いて電流狭窄構造を形成する場合、ＡｌＡｓエッチング層９０１の層厚を５０ｎｍ以下、例えば２０ｎｍと薄く設けるだけで、十分に電気的に絶縁することができる。従って、エアギャップ領域９０２を設けても、共振器内で横方向に電流が流れる経路を大きくとれるため、抵抗の増加を抑制することができる。
【０１９９】
また、選択的にＡｌＡｓ層を酸化した絶縁領域では酸化による体積収縮によって素子に応力が加わってしまうが、本実施例のように絶縁領域をエアギャップ領域９０２で形成する場合には、応力が発生しない。従って、素子の信頼性低下を抑制することができる。
【０２００】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１記載の発明によれば、基板に垂直な共振器を形成する下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、共振器内に配置された活性層と該活性層に隣接したスペーサ層とを有し、共振器上に第１の電極が形成され、基板の裏面に第２の電極が形成されており、共振器内であって前記スペーサ層に挟まれてキャリア拡散層が設けられており、該キャリア拡散層は、活性層のバンドギャップよりも大きく、かつ前記スペーサ層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有するので、素子抵抗を低減し、活性層に対する電流注入の均一性を改善し、かつ光吸収損失の小さい面発光半導体レーザ装置を提供できる。
【０２０１】
また、請求項２記載の発明によれば、基板に垂直な共振器を形成する下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、共振器内に配置された活性層と該活性層に隣接したスペーサ層とを有し、活性層に電流を注入する第１の電極と第２の電極が共振器に形成され、共振器内であって前記スペーサ層に挟まれてキャリア拡散層が設けられており、該キャリア拡散層は、活性層のバンドギャップよりも大きく、かつ前記スペーサ層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有するので、請求項１の発明に比べてさらに直列抵抗を低減することができる。また、下部多層膜反射鏡をＧａＡｓ高屈折率層とＡｌＡｓ低屈折率層で構成することができ、この場合には、熱抵抗が低くなり、素子の放熱性を向上させることができる。
【０２０２】
また、請求項３記載の発明によれば、基板に垂直な共振器を形成する下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、共振器内に配置された活性層と該活性層に隣接したスペーサ層とを有し、第１の電極と第２の電極のうちの少なくとも一方の電極は、多層膜反射鏡の途中に形成されており、共振器内であって前記スペーサ層に挟まれてキャリア拡散層が設けられており、該キャリア拡散層は、活性層のバンドギャップよりも大きく、かつ前記スペーサ層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有するので、直列抵抗の増加を比較的抑制して、電流がより均一に注入されやすくすることができる。また、コンタクト層による光吸収の影響を低減することができる。
【０２０３】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、前記キャリア拡散層は、圧縮歪を有しているので、キャリア拡散層内の移動度が高くなって、キャリアの横方向の拡散を更に促進することができる。
【０２０４】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、前記キャリア拡散層は、ｐ型共振器のｐ型領域に設けられているので、正孔の横方向拡散を促進して、活性層に対する電流注入を均一化することができる。
【０２０５】
また、請求項６記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、前記キャリア拡散層が複数設けられているので、よりキャリアの拡散を促進することができる。
【０２０６】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、前記キャリア拡散層は、圧縮歪を有する層と引張歪を有する層が交互に複数積層されて構成されているので、圧縮歪を有するキャリア拡散層の積層数を転位が入ることなく増加させることができ、横方向のキャリア拡散を促進させることができる。
【０２０７】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器のｐ型領域の層厚がｎ型領域の層厚よりも厚く形成されているので、横方向に正孔を拡散しやすくし、活性層に正孔をより均一に注入することができる。
【０２０８】
また、請求項９記載の発明によれば、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器内の活性層とキャリア拡散層の間に、イオン注入による高抵抗領域から成る電流狭窄構造が設けられているので、発振領域の活性層に対する電流注入均一性を改善することができる。
【０２０９】
また、請求項１０記載の発明によれば、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器内の活性層とキャリア拡散層との間に、選択的に酸化された絶縁領域と非酸化領域である導電領域とからなる電流狭窄構造が設けられているので、活性層の狭い領域に電流を集中して閾電流を低減することができる。そして、絶縁領域を薄く形成できるため、酸化層を共振器内に設けても横方向に電流が流れる経路を大きくとることができ、抵抗の増加を抑制することができる。
【０２１０】
また、請求項１１記載の発明によれば、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器内の活性層とキャリア拡散層の間に、選択的にエッチングされたエアギャップ領域と、非エッチング領域である導電領域とから成る電流狭窄構造が設けられているため、横方向に電流が流れる経路を大きくとることができ、抵抗の増加を抑制することができる。また、選択的にエッチングして形成したエアギャップ領域では体積変化による応力が発生しないため、素子の信頼性低下を抑制することができる。
【０２１２】
また、請求項１２記載の発明によれば、請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器内に設けられた電流狭窄領域と第１の電極との間に、高濃度ドーピング領域を設けたことにより、自由キャリア吸収を増加させることなく、電気抵抗を低減することができる。
【０２１３】
また、請求項１３記載の発明によれば、請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、活性層が窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体からなるので、動作電圧が低く、高出力の長波長帯面発光半導体レーザ装置を提供することができる。
【０２１４】
また、請求項１４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置を備えていることを特徴とする光伝送モジュールであるので、光伝送モジュールの消費電力を低減することができる。
【０２１５】
また、請求項１５記載の発明によれば、請求項１４記載の光伝送モジュールを備えていることを特徴とする光伝送システムであるので、低消費電力の光伝送システムを構築できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の面発光半導体レーザを示す図である。
【図２】本発明の実施例２の面発光半導体レーザを示す図である。
【図３】本発明の実施例３の面発光半導体レーザを示す図である。
【図４】本発明の実施例４の面発光半導体レーザを示す図である。
【図５】本発明の実施例５の面発光半導体レーザを示す図である。
【図６】本発明の実施例６の光伝送システムを示す図である。
【図７】本発明の実施例７の面発光半導体レーザを示す図である。
【図８】本発明の実施例８の面発光半導体レーザを示す図である。
【図９】本発明の実施例９の面発光半導体レーザを示す図である。
【符号の説明】
１０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２ ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ
１０３ ＡｌＧａＡｓ下部スペーサ層
１０４ ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層
１０５ ＧａＡｓキャリア拡散層
１０６ ＡｌＧａＡｓ上部スペーサ層
１０７ 誘電体多層膜反射鏡
１０８ ｐ側電極
１０９ ｎ側電極
２０１ ＧａＡｓ下部スペーサ層
２０２ ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層
２０３ ＡｌＡｓ層
２０４ ＧａＡｓ上部スペーサ層
２０５ ＩｎＧａＡｓキャリア拡散層
２０６ ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ
２０７ 選択酸化領域
３０１ ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ
３０２ ＧａＡｓ下部スペーサ層
３０３ ＧａＡｓ上部スペーサ層
４０１ ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ
４０２ ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ
４０３ ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ
５０１ ＩｎＧａＡｓキャリア拡散層
５０２ ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸キャリア拡散層
５０３ 混晶化領域
６０１ 光送信部
６０２ 光受信部
６０３ 光送受信モジュール
６０４ 石英光ファイバ
５０４ 高濃度ドーピング領域
７０１ 高抵抗領域
８０１ 歪補償超格子キャリア拡散層
９０１ ＡｌＡｓエッチング層
９０２ エアギャップ領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光半導体レーザ装置および光伝送モジュールおよび光伝送システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１１−３５４８８１には、ｐ側電極を共振器上に形成し、電流がｐ−ＤＢＲミラーを流れないようにすることで、素子の直列抵抗を低減する面発光半導体レーザが示されている。しかしながら、この面発光半導体レーザでは、活性領域に対して電流を横側から注入しているため、活性領域に均一に電流を注入することが難しく、閾電流が高くなってしまうという問題がある。
【０００３】
これに対し、特開２０００−１９６１８９には、透明電極を共振器とＤＢＲミラーの間に設ける面発光半導体レーザが示されており、この構造により、活性領域に対する電流注入を均一化している。しかしながら、光吸収係数が小さく、接触抵抗が小さい透明電極を実際に作製することは困難である。
【０００４】
一方、Ｕ．Ｓ．Ｐ．０８／９９７，７１２には、共振器内で定在波の節の位置に、高ドープ層を設けることにより直列抵抗を低減する面発光半導体レーザが示されている。ドーピング濃度を高くすると、素子の抵抗を下げることができるが、自由キャリア吸収が増加して、高出力動作が得られなくなる。そこで、この面発光半導体レーザでは、高ドープ層を、光強度が低い節の位置に設けている。
【０００５】
しかしながら、高ドープ層は、ある厚さを有しているため、定在波の節からずれた部分では光吸収が生じてしまう。一方、高ドープ層を薄くしすぎると、直列抵抗を低減する効果が小さくなってしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、素子抵抗が低く、かつ活性領域に均一に電流を注入でき、光吸収損失の小さい面発光半導体レーザ装置および光伝送モジュールおよび光伝送システムを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、基板に垂直な共振器を形成する下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、共振器内に配置された活性層と該活性層に隣接したスペーサ層とを有し、共振器上に第１の電極が形成され、基板の裏面に第２の電極が形成されており、共振器内であって前記スペーサ層に挟まれてキャリア拡散層が設けられており、該キャリア拡散層は、活性層のバンドギャップよりも大きく、かつ前記スペーサ層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有することを特徴としている。
【０００８】
また、請求項２記載の発明は、基板に垂直な共振器を形成する下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、共振器内に配置された活性層と該活性層に隣接したスペーサ層とを有し、活性層に電流を注入する第１の電極と第２の電極が共振器に形成され、共振器内であって前記スペーサ層に挟まれてキャリア拡散層が設けられており、該キャリア拡散層は、活性層のバンドギャップよりも大きく、かつ前記スペーサ層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有することを特徴としている。
【０００９】
また、請求項３記載の発明は、基板に垂直な共振器を形成する下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、共振器内に配置された活性層と該活性層に隣接したスペーサ層とを有し、第１の電極と第２の電極のうちの少なくとも一方の電極は、多層膜反射鏡の途中に形成されており、共振器内であって前記スペーサ層に挟まれてキャリア拡散層が設けられており、該キャリア拡散層は、活性層のバンドギャップよりも大きく、かつ前記スペーサ層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有することを特徴としている。
【００１０】
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、前記キャリア拡散層は、圧縮歪を有していることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、前記キャリア拡散層は、共振器のｐ型領域に設けられていることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、前記キャリア拡散層が複数設けられていることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、前記キャリア拡散層は、圧縮歪を有する層と引張歪を有する層が交互に複数積層されて構成されていることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器のｐ型領域の層厚がｎ型領域の層厚よりも厚く形成されていることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器内の活性層とキャリア拡散層の間に、イオン注入による高抵抗領域から成る電流狭窄構造が設けられていることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項１０記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器内の活性層とキャリア拡散層との間に、選択的に酸化された絶縁領域と非酸化領域である導電領域とからなる電流狭窄構造が設けられていることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項１１記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器内の活性層とキャリア拡散層の間に、選択的にエッチングされたエアギャップ領域と、非エッチング領域である導電領域とから成る電流狭窄構造が設けられていることを特徴としている。
【００１９】
また、請求項１２記載の発明は、請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器内に設けられた電流狭窄領域と第１の電極との間に、高濃度ドーピング領域を設けたことを特徴としている。
【００２０】
また、請求項１３記載の発明は、請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、活性層が窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体からなることを特徴としている。
【００２１】
また、請求項１４記載の発明は、請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置を備えていることを特徴とする光伝送モジュールである。
【００２２】
また、請求項１５記載の発明は、請求項１４記載の光伝送モジュールを備えていることを特徴とする光伝送システムである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態の面発光半導体レーザ装置は、基板に垂直な共振器を形成する下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、共振器内に配置された活性層とを有し、共振器上に第１の電極が形成され、基板の裏面に第２の電極が形成されており、共振器内に、活性層のバンドギャップよりも大きく、かつ共振器を構成する材料のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有するキャリア拡散層が設けられていることを特徴としている。
【００２５】
多層膜反射鏡（ＤＢＲ）は、媒質内の波長の１／４厚さで高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層して形成される。多層膜反射鏡を半導体で形成する場合、屈折率の異なる層を交互に２０周期以上積層する。高屈折率半導体層と低屈折率半導体層との界面にはヘテロ障壁が形成されるため、半導体多層膜反射鏡は高抵抗となる。特に、ｐ型の半導体多層膜反射鏡では抵抗増加が問題となる。
【００２６】
半導体多層膜反射鏡の抵抗を下げるためには、半導体層のキャリア濃度を高濃度にする方法が有効である。しかしながら、高濃度にドーピングした半導体層では、自由キャリアによる光吸収が増加してしまうため、反射鏡内の吸収損失が増加してしまうという問題が起こる。
【００２７】
本発明の第１の実施形態においては、第１の電極は共振器上に形成されており、電流は上部多層膜反射鏡を流れないで活性層に注入される構造となっている。従って、上部多層膜反射鏡を電流が通ることによる直列抵抗の増加は回避される。
【００２８】
一方、共振器上に第１の電極を形成した場合、電流は活性層の発振領域に対して横側から注入されることになる。そのため、活性層に対して電流を均一に注入することが難しいという問題が生じる。
【００２９】
そこで、本発明の第１の実施形態においては、共振器内にキャリア拡散層を設けている。キャリア拡散層のバンドギャップは共振器を構成するスペーサ層のバンドギャップよりも小さくなっている。そのため、キャリア拡散層内では、キャリアはスペーサ層とのヘテロ障壁に閉じ込められるため、横方向（面内方向）へのキャリア拡散が促進される。これにより、第１の電極から活性層に流れ込む電流の均一性を改善することができる。
【００３０】
なお、キャリア拡散層のバンドギャップは共振器を構成するスペーサ層のバンドギャップよりも小さくなっていることから、キャリア拡散層とスペーサ層とのヘテロ障壁によって直列抵抗が増加する影響は小さくなっている。
【００３１】
また、キャリア拡散層のバンドギャップは活性層のバンドギャップよりも大きくなっているため、キャリア拡散層内でバンド間光吸収は生じない。また、従来例である。Ｕ．Ｓ．Ｐ．０８／９９７，７１２と異なり、キャリア拡散層を高ドープする必要がない。従って、キャリア拡散層において自由キャリアによる光吸収を抑制することができる。
【００３２】
また、電流は上部多層膜反射鏡を通さないため、上部多層膜反射鏡の抵抗を下げる必要がない。従って上部多層膜反射鏡として、低キャリア濃度またはアンドープの半導体多層膜反射鏡を用いることができる。あるいは、吸収係数が非常に小さい誘電体材料で上部多層膜反射鏡を構成することもできる。よって、上部多層膜反射鏡の光吸収損失を低減することができる。
【００３３】
以上のことから、本発明の第１の実施形態では、素子抵抗を低減し、活性層に対する電流注入均一性を改善し、かつ光吸収損失の小さい面発光半導体レーザを実現できる。
【００３４】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態の面発光半導体レーザ装置は、基板に垂直な共振器を形成する下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、共振器内に配置された活性層とを有し、活性層に電流を注入する第１の電極と第２の電極が共振器に形成され、共振器内に、活性層のバンドギャップよりも大きく、かつ共振器を構成する材料のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有するキャリア拡散層が設けられていることを特徴としている。
【００３５】
本発明の第２の実施形態では、第１の電極と第２の電極の両方が共振器に形成されている。従って、電流を上部多層膜反射鏡と下部多層膜反射鏡を通さないで活性層に注入することができる。従って、第１の実施形態に比べてさらに直列抵抗を低減することができる。
【００３６】
また、共振器内にキャリア拡散層を設けることにより、横方向へのキャリア拡散を促進して、電流を活性層の発振領域に対して均一に注入できるようにしている。
【００３７】
なお、下部多層膜反射鏡は、半導体材料で構成される。例えば、高屈折率材料としてＡｌａＧａ１−ａＡｓ（０≦ａ＜ｂ）が用いられ、低屈折率材料としてＡｌｂＧａ１−ｂＡｓ（ａ＜ｂ≦１）が用いられる。本発明の第２の実施形態では、下部多層膜反射鏡に電流を流す必要がないため、下部多層膜反射鏡の抵抗を下げる必要がない。従って、ヘテロ障壁は大きくなるが、最も屈折率差が大きくとれるＧａＡｓ高屈折率層とＡｌＡｓ低屈折率層で構成することができる。従って、９９．９％以上の高反射率を得るのに、より少ない層数で形成できる。また、２元化合物半導体材料の組み合わせであることから、熱抵抗が低くなる。よって、素子の放熱性を向上させることができる。
【００３８】
また、下部多層膜反射鏡を低濃度またはノンドープで形成できるため、下部多層膜反射鏡内での自由キャリア光吸収も抑制できる。
【００３９】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態の面発光半導体レーザ装置は、基板に垂直な共振器を形成する下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、共振器内に配置された活性層とを有し、第１の電極と第２の電極のうちの少なくとも一方の電極は、多層膜反射鏡の途中に形成されており、共振器内に、活性層のバンドギャップよりも大きく、かつ共振器を構成する材料のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有するキャリア拡散層が設けられていることを特徴としている。
【００４０】
本発明の第３の実施形態では、第１の電極または第２の電極は、共振器ではなく多層膜反射鏡の途中に設けられている。この構造では、電流は多層膜反射鏡の１部を通って活性層に注入されることになる。そのため、第１または第２の実施形態と比較すると、直列抵抗は増加してしまう。しかし、電流が通過する反射鏡の周期を、数周期と薄くすることによって、直列抵抗の増加を比較的抑制することができる。
【００４１】
電流が通過する反射鏡のキャリア濃度は、自由キャリア吸収が小さくなるように、例えば１×１０１８ｃｍ−３以下に下げる必要がある。なおかつ、反射鏡の直列抵抗を下げるために、高屈折率層と低屈折率層との間に組成傾斜層を設けたり、高屈折率層と低屈折率層とのバンドギャップ差を小さくしたり、光の定在波分布の節でドーピング濃度を高くする等の手段が用いられる。
【００４２】
また、共振器内にはキャリア拡散層が設けられており、横方向へのキャリア拡散を促進して、電流を活性層の発振領域に対して均一に注入できるようにしている。
【００４３】
さらに、本発明の第３の実施形態では、第１の電極または第２の電極が多層膜反射鏡の途中に設けられていることにより、電極と活性層までの距離を長くできる。また、ヘテロ界面を通って電流が流れるため、電流がより横方向に拡散して均一に注入されやすくなっている。
【００４４】
一般に、電極は、接触抵抗を下げるために、１×１０１８ｃｍ−３以上の高濃度にドーピングされたコンタクト層上に形成される。高濃度にドーピングされたコンタクト層による光吸収を抑制するため、コンタクト層は光の定在波の節に設けられる。しかしながら、コンタクト層はある厚さを有しているため、定在波の節からずれた部分では光吸収が生じてしまう。
【００４５】
本発明の第３の実施形態では、電極が多層膜反射鏡の途中に設けられているため、コンタクト層と共振器との間の多層膜反射鏡によって反射が生じ、光強度分布の包絡線はコンタクト層に達するまでに減少する。従って、コンタクト層を共振器に設けた場合に比べて、コンタクト層を多層膜反射鏡の途中に設けた方が、コンタクト層近傍の光強度分布は腹の位置においても低下する。従って、定在波の節からずれた部分のコンタクト層で生じる光吸収を低減することができる。
【００４６】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態は、第１乃至第３のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザ装置において、キャリア拡散層は圧縮歪を有していることを特徴としている。
【００４７】
圧縮歪を有することにより、価電子帯のバンド構造が変形して正孔の有効質量が小さくなる。従って、キャリア拡散層における正孔の移動度が高くなるため、正孔の横方向拡散が更に促進される。
【００４８】
また、ＧａＡｓ基板やＩｎＰ基板に対して格子定数が大きいＩｎＡｓは特に移動度が大きい材料であることが知られている。従って、ＧａＡｓ基板やＩｎＰ基板に対して圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓやＩｎＡｓＰをキャリア拡散層に用いることによって、電子についてもキャリアの拡散を促進することができる。
【００４９】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態は、第１乃至第４のいずれかの実施形態の面発光型半導体レーザ装置において、キャリア拡散層は共振器のｐ型領域に設けられていることを特徴としている。
【００５０】
半導体層の正孔の有効質量は、電子の有効質量よりも大きくなっている。そのため、ｐ型半導体多層膜反射鏡の抵抗の方が、ｎ型半導体多層膜反射鏡の抵抗よりも高くなる。従って、直列抵抗を低減する上でｐ型半導体多層膜反射鏡を通さずに電流を注入することがより必要である。
【００５１】
また、半導体層の正孔の移動度は電子の移動度に比べて小さいため、正孔の方が拡散しにくくなっている。そこで、本発明の第５の実施形態においては、キャリア拡散層を特に共振器のｐ型領域に設けることで、正孔の拡散を促進して、活性層に対する電流注入を均一化している。
【００５２】
このとき、第４の実施形態に示したようにキャリア拡散層として圧縮歪を有する材料を用いると、正孔の移動度が更に大きくなるため効果が高い。
【００５３】
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態は、第１乃至第５のいずれかの実施形態の面発光型半導体レーザ装置において、キャリア拡散層が複数設けられていることを特徴としている。
【００５４】
キャリア拡散層を複数重ねることにより、１層のみを設けた場合に比べて、よりキャリアの拡散を促進することができる。
【００５５】
共振器を構成するスペーサ層よりもバンドギャップが小さい半導体層を井戸層とし、スペーサ層の材料を障壁層とする多重量子井戸構造でキャリア拡散層を構成することができる。
【００５６】
特に、圧縮歪を有するキャリア拡散層は、転位が入らないようにするため、層厚を臨界膜厚よりも薄くする必要がある。そこで、層厚の薄い圧縮歪を有するキャリア拡散層を、無歪の障壁層ではさんで積層した多重量子井戸構造にすることにより、よりキャリアを拡散させることができる。
【００５７】
また、共振器内の別々の場所にキャリア拡散層を複数設けることもできる。
【００５８】
また、共振器のｐ側スペーサ層とｎ側スペーサ層の両方に設けることもできる。この場合は、電子と正孔の両方について、活性層への注入を均一化することができる。
【００５９】
キャリア拡散層は高濃度ドープする必要がないため、自由キャリアによる光吸収を抑制することができる。従って、必ずしもキャリア拡散層を光の定在波の節に設ける必要はない。そのため、高ドープ層を設ける場合に比べて、キャリア拡散層を配置する位置の設計自由度が高くなっている。従って、キャリア拡散層を容易に複数設けることが可能である。
【００６０】
（第７の実施形態）
圧縮歪を有する層は、歪による価電子帯バンド構造の変形により、正孔の有効質量が小さくなる。そのため、キャリア拡散層における正孔の移動度が高くなり、横方向のキャリア拡散が促進される。
【００６１】
この圧縮歪を有する層を複数重ねることにより、１層のみ設けた場合に比べてさらにキャリアの拡散を促進することができる。しかしながら、圧縮歪を有する層を多層に積層していくと、内部の歪エネルギーが蓄積されていき、限界値を超えたところで転位が発生してしまう。
【００６２】
そこで、第７の実施形態では、キャリア拡散層が圧縮歪を有する層と引張歪を有する層とを交互に複数積層して構成している。これにより、圧縮歪層を引張歪層で補償して、正味の歪量をゼロ近傍にすることで、圧縮歪を有するキャリア拡散層の積層数を転位が入ることなく増加させることができる。これにより、横方向のキャリア拡散を促進させることができる。
【００６３】
（第８の実施形態）
本発明の第８の実施形態は、第１乃至第７のいずれかの実施形態の面発光型半導体レーザ装置において、共振器のｐ型領域の層厚がｎ型領域の層厚よりも厚いことを特徴としている。
【００６４】
半導体層の正孔の移動度は、電子の移動度よりも小さくなっているため、ｐ型層ではｎ型層に比べて電流が広がりにくくなっている。そこで、第７の実施形態では、活性層の位置を共振器の中心からずらしてｐ型領域の層厚をｎ型領域よりも厚くすることにより、ｐ側の電極と活性層との距離を長くして、横方向の電流拡散をさらに促進している。
【００６５】
また、共振器のｐ側領域を厚くすることにより、共振器のｐ側にキャリア拡散層を複数設けることが容易となる。
【００６６】
活性層は共振器内で、光の定在波の腹に設ける必要がある。そして、活性層位置を共振器の中心からずらすために、共振器長は、媒質内の光の波長（λ）に対して、０．５λ×ｍ（ｍ＝３，４，５，…）となるようにしている。
【００６７】
（第９の実施形態）
本発明の第９の実施形態は、第１乃至第８のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザ装置において、共振器内の活性層とキャリア拡散層の間に、イオン注入による高抵抗領域から成る電流狭窄構造が設けられていることを特徴としている。
【００６８】
高抵抗領域を形成するために注入するイオンとしては、例えば、プロトンイオンや酸素イオンを用いることができる。
【００６９】
共振器内の活性層とキャリア拡散層の間に、高抵抗領域からなる電流狭窄構造を設けることにより、電流を上部多層膜反射鏡の下に位置する活性層領域に集中して流すことができる。これにより、発振領域の活性層に対する電流注入均一性をさらに改善することができる。
【００７０】
（第１０の実施形態）
本発明の第１０の実施形態は、第１乃至第８のいずれかの実施形態の面発光型半導体レーザ装置において、共振器内の活性層とキャリア拡散層との間に、選択的に酸化された絶縁領域と非酸化領域である導電領域とからなる電流狭窄構造が設けられていることを特徴としている。
【００７１】
活性層の電流狭窄構造としては、イオン注入による高抵抗化も用いられる。しかし、共振器内で高抵抗領域が増加すると、横方向に電流を流す場合に抵抗が高くなるという問題がある。
【００７２】
一方、選択的に酸化された絶縁領域を用いて電流狭窄構造を形成する場合には、酸化層厚を５０ｎｍ以下と薄く設けるだけで、十分な絶縁領域を形成できる。従って、酸化層を共振器内に設けても、横方向に電流が流れる経路を大きくとれるため、抵抗の増加を抑制することができる。
【００７３】
また、キャリア拡散層を選択的に酸化した絶縁領域と電極との間に設けることで、さらに横方向のキャリア拡散を促進して電流注入をより均一化できる。
【００７４】
（第１１の実施形態）
本発明の第１１の実施形態は、第１乃至第８のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザ装置において、共振器内の活性層とキャリア拡散層の間に、選択的にエッチングされたエアギャップ領域と、非エッチング領域である導電領域とから成る電流狭窄構造が設けられていることを特徴としている。
【００７５】
選択的にエッチングされたエアギャップ領域を用いて電流狭窄構造を形成する場合には、エッチング層厚を５０ｎｍ以下と薄く設けるだけで、十分な絶縁領域を形成できる。従って、エアギャップ領域を共振器内に設けても、横方向に電流が流れる経路を大きくとれるため、抵抗の増加を抑制することができる。
【００７６】
また、選択的に酸化された絶縁領域では酸化による体積収縮によって素子に応力が加わってしまうが、本実施例のように絶縁領域をエアギャップ領域で形成する場合には、応力が発生することがない。従って、素子の信頼性低下を抑制することができる。
【００７７】
（第１２の実施形態）
本発明の第１２の実施形態は、第９乃至第１１のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザ装置において、絶縁領域上部のキャリア拡散層のバンドギャップが、導電領域上部のキャリア拡散層のバンドギャップよりも小さいことを特徴としている。
【００７８】
キャリア拡散層において、絶縁領域上部のバンドギャップが導電領域上部のバンドギャップよりも小さいことにより、キャリア拡散層内で、キャリアはバンドギャップのより小さい導電領域側に集中しやすくなる。これにより、導電領域に対する電流注入をさらに均一化することができる。
【００７９】
キャリア拡散層のバンドギャップを変化させる方法としては、例えばキャリア拡散層を（多重）量子井戸構造で形成しておき、絶縁領域上部の（多重）量子井戸構造を混晶化することによって実現できる。混晶化した部分では、混晶化していない（多重）量子井戸構造よりもバンドギャップが大きくなる。
【００８０】
（多重）量子井戸構造を混晶化する手段としては、Ｚｎ， Ｓｉ等のドーパントを拡散させる方法や、Ｇａ， Ａｌ， Ａｓ， Ｚｎ， Ｓｉ等の元素をイオン注入した後で熱処理する方法や、空孔を拡散させる方法などを用いることができる。
【００８１】
（第１３の実施形態）
本発明の第９乃至第１１のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザ装置において、共振器内に設けられた電流狭窄領域と第１の電極との間に、高濃度ドーピング領域を設けたことを特徴としている。
【００８２】
共振器内に設けられた電流狭窄領域と第１の電極との間に、高濃度ドーピング領域を設けることにより、第１の電極から電流狭窄構造の導電領域にいたるまでの電気抵抗を大幅に低下することができる。
【００８３】
また、電流狭窄領域の下に位置する活性層には電流が注入されないため、発光再結合が生じない。さらに、選択酸化や選択エッチングによる電流狭窄構造では、横方向に屈折率差が生じるため、光を導電領域に閉じ込める作用がある。そのため共振器内で、導電領域の外側では光強度が急激に減衰する。そのため、高濃度ドーピング領域における光の自由キャリア吸収損失を十分低減することができる。
【００８４】
すなわち、レーザ発振領域ではドーピング濃度を低減して自由キャリア吸収を抑制し、レーザ発振領域の外側では高濃度にドーピングすることで、電気抵抗を低減している。
【００８５】
高濃度ドーピング領域のドーピング濃度としては、例えば１×１０１８ｃｍ− ３以上が望ましい。また、発振領域から外側にいくほどドーピング濃度を高くすることも可能である。
【００８６】
高濃度ドーピング領域は、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｅ等のドーパントを拡散したり、イオン注入してからアニールすることによって形成することができる。
【００８７】
（第１４の実施形態）
本発明の第１４の実施形態は、第１乃至第１３のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザ装置において、活性層が窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体からなることを特徴としている。
【００８８】
窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体としては、例えばＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ，ＧａＮＡｓＰ，ＧａＩｎＮＡｓＰ，ＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ等がある。窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体は、窒素を添加していくと、ある範囲まではバンドギャップが小さくなるという特性を有している。この特性により、ＧａＡｓ基板上に、石英光ファイバの伝送に適した１．３〜１．６μｍの長波長帯の活性層を形成することが可能となった。
【００８９】
また、ＧａＡｓ基板を用いることで、屈折率差が大きくとれて、熱抵抗が低いＡｌＧａＡｓ材料系で多層膜反射鏡を形成することができるというメリットも有している。また、ＡｌＡｓを選択的に酸化した電流狭窄構造を用いることもできる。
【００９０】
第１４の実施形態は、１．３〜１．６μｍの長波長帯の面発光半導体レーザにおいて、第１乃至第９の実施形態で示した特徴を有しているため、素子抵抗を低減し、活性層に対する電流注入均一性を改善し、かつ光吸収損失の小さくすることができる。従って、動作電圧が低く、高出力の長波長帯面発光半導体レーザを形成することができる。
【００９１】
（第１５の実施形態）
本発明の第１５の実施形態は、第１乃至第１４のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザ装置を備えていることを特徴とする光伝送モジュールである。
【００９２】
第１乃至第１４の実施形態に示した面発光半導体レーザ装置は、素子抵抗を低減し、活性層に対する電流注入を均一化できるため、動作電圧を低減できる。また、光吸収損失を減少させることにより、高効率でレーザ光が得られる。従って、これを光伝送モジュールに適用するとき、光伝送モジュールの消費電力を低減することができる。
【００９３】
（第１６の実施形態）
本発明の第１６の実施形態は、第１５の実施形態の光伝送モジュールを備えていることを特徴とする光伝送システムである。
【００９４】
第１５の実施形態の光伝送モジュールでは、光源である面発光半導体レーザの消費電力を低減しているため、低消費電力の光伝送システムを構築できる。
【００９５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００９６】
［実施例１］
図１は本発明の実施例１の面発光半導体レーザを示す図である。図１を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上には、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２が積層されている。ここで、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層とｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。
【００９７】
そして、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２上には、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部スペーサ層１０３、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層１０４、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６が積層されている。そして、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６の途中にＧａＡｓキャリア拡散層１０５が設けられている。
【００９８】
なお、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部スペーサ層１０３はｎ型となっており、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６はｐ型となっている。
【００９９】
また、図１において、上記積層構造の表面からｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２に達するまで円筒状にエッチングされて、メサ構造が形成されている。そして、メサ構造の表面には、光取り出し領域を除いてリング状のｐ側電極１０８が形成されている。なお、ｐ側電極１０８はｐ型キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上にしたコンタクト層（図示せず）上に形成されている。
【０１００】
そして、メサ頂上部のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６には、誘電体多層膜反射鏡１０７が積層されている。誘電体多層膜反射鏡１０７は、屈折率の異なる誘電体材料を、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層して形成されている。ここで、高屈折率層としては、ＴｉＯ２，ＺｒＯ２，ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＺｎＳｅ等を用いることができ、低屈折率層としては、ＳｉＯ２，ＭｇＦ２，ＣａＦ２等を用いることができる。
【０１０１】
また、図１において、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面には、ｎ側電極１０９が形成されている。
【０１０２】
図１の面発光半導体レーザにおいては、ｐ側電極１０８とｎ側電極１０９に順方向バイアスを印加することにより、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層１０４に電流が注入されて、波長０．９８μｍ帯で発光する。この際、誘電体多層膜反射鏡１０７とｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２とではさまれた領域が共振器構造となっており、基板１０１に対して垂直上方にレーザ光が取り出される構造となっている。
【０１０３】
図１の面発光半導体レーザにおいては、ｐ側電極１０８は共振器上に形成されており、電流は上部多層膜反射鏡を流れないで活性層に注入される構造となっている。従って、上部多層膜反射鏡を電流が通ることによる直列抵抗の増加は回避される。
【０１０４】
特に、半導体層の正孔の有効質量は、電子の有効質量よりも大きくなっているため、ｐ型半導体多層膜反射鏡の抵抗の方が、ｎ型半導体多層膜反射鏡の抵抗よりも高くなる。図１の構造では、ｐ側の多層膜反射鏡を通さずに電流を注入しているため、直列抵抗低減の効果が大きい。
【０１０５】
一方、比較的抵抗の低いｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２については電流が通過する構造となっている。
【０１０６】
また、図１の面発光半導体レーザにおいては、ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６内に、ＧａＡｓキャリア拡散層１０５が設けられている。ＧａＡｓキャリア拡散層１０５のバンドギャップはＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６のバンドギャップよりも小さくなっており、ＧａＡｓキャリア拡散層１０５内では、キャリア（正孔）はＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６とのヘテロ障壁に閉じ込められるため、横方向（面内方向）へのキャリア拡散が促進される。これにより、メサ構造内でｐ側電極１０８から活性層１０４に流れ込む電流の均一性を改善している。
【０１０７】
なお、ＧａＡｓキャリア拡散層１０５は高濃度にドーピングする必要がないため、必ずしも共振器内の光の定在波分布において、節の位置に設けなくてもよい。
【０１０８】
また、上部多層膜反射鏡１０７は吸収係数が非常に小さい誘電体材料で構成されている。よって、上部多層膜反射鏡１０７の光吸収損失を低減することができる。また、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部スペーサ層１０３及びＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６のキャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３以下と低くすることにより、共振器内の自由キャリア吸収を抑制している。
【０１０９】
以上のことから、図１の面発光半導体レーザでは、素子抵抗を低減し、活性層に対する電流注入均一性を改善し、かつ光吸収損失の小さくすることができる。
【０１１０】
［実施例２］
図２は本発明の実施例２の面発光半導体レーザを示す図である。図２を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上には、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２が積層されている。ここで、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層とｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。
【０１１１】
そして、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２上には、ＧａＡｓ下部スペーサ層２０１、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２、ＧａＡｓ上部スペーサ層２０４が積層されている。そして、ＧａＡｓ上部スペーサ層２０４の途中には、ＡｌＡｓ層２０３が設けられており、また、ＧａＡｓ上部スペーサ層２０４内で、ＡｌＡｓ層２０３よりも上部には、ＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５が２層設けられている。ここで、ＧａＡｓ下部スペーサ層２０１はｎ型となっており、ＧａＡｓ上部スペーサ層２０４はｐ型となっている。
【０１１２】
そして、ＧａＡｓ上部スペーサ層２０４上には、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６が積層されている。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６は、ノンドープＧａＡｓ高屈折率層とノンドープＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。
【０１１３】
図２の面発光半導体レーザでは、上記積層構造の表面からＧａＡｓ上部スペーサ層２０４の最表面まで円筒状にエッチングされて、１段目のメサ構造が形成されている。さらに、上記のサイズよりも大きいサイズで、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２に達するまで円筒状にエッチングされて、２段目のメサ構造が形成されている。
【０１１４】
また、ＡｌＡｓ層２０３は、メサ側面から選択的に酸化されて絶縁領域２０７が形成されている。
【０１１５】
また、１段目のメサ構造のエッチング底面（２段目のメサ構造頂上部）には、リング状のｐ側電極１０８が形成されている。なお、ｐ側電極１０８はｐ型キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上にしたコンタクト層（図示せず）上に形成されている。
【０１１６】
また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面には、ｎ側電極１０９が形成されている。
【０１１７】
図２の面発光半導体レーザにおいては、ｐ側電極１０８とｎ側電極１０９に順方向バイアスを印加することにより、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２に電流が注入されて、波長１．３μｍ帯で発光する。このとき、電流はＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２上に形成されたＡｌＡｓ層２０３において、酸化されていない導電領域を通って流れ込む。これにより、電流を第２のメササイズよりも狭い領域に集中させて閾電流を低減している。また、酸化された絶縁領域２０７は、酸化されていないＡｌＡｓ層２０３よりも屈折率が大きく低下するため、光を集光するレンズの役割を果たして、回折損失を低減している。
【０１１８】
図２の面発光半導体レーザでは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６とｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２とではさまれた領域が共振器構造となっており、基板１０１に対して垂直上方にレーザ光が取り出される。
【０１１９】
図２の面発光半導体レーザにおいては、図１の構造と同様に、ｐ側電極１０８は共振器上に形成されており、電流は上部多層膜反射鏡２０６を流れないで活性層２０２に注入される構造となっている。従って、抵抗の高いｐ型半導体多層膜反射鏡を電流が通ることによる直列抵抗の増加は回避される。
【０１２０】
一方、共振器上にｐ側電極１０８を形成した場合、電流は活性層の発振領域に対して横側から注入されることになる。そのため、活性層に対して電流を均一に注入することが難しいという問題が生じる。
【０１２１】
そこで、図２の面発光半導体レーザにおいては、ＡｌＡｓ層２０３とｐ側電極１０８との間にＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５を２層設けている。上部ＧａＡｓスペーサ層２０４よりもバンドギャップが小さいＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５内では、キャリア（正孔）はスペーサ層とのヘテロ障壁に閉じ込められるため、横方向（面内方向）へのキャリア拡散が促進される。これにより、ｐ側電極１０８から活性層２０２に流れ込む電流の均一性を改善することができる。
【０１２２】
また、ＩｎＧａＡｓは移動度が大きい材料であることが知られている。そして、ＧａＡｓ基板よりも格子定数が大きいため、圧縮歪を有している。圧縮歪を有することにより、価電子帯のバンド構造が変形して正孔の有効質量が小さくなる。従って、ＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５では正孔の移動度が高くなっており、正孔が拡散しやすくなっている。
【０１２３】
さらに、ＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５を２層設けることにより、１層のみを設けた場合に比べてよりキャリアの拡散を促進することができる。
【０１２４】
ＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５は高濃度ドープする必要がないため、自由キャリアによる光吸収を抑制することができる。従って、必ずしもＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５を光の定在波の節に設ける必要はない。よって、ＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５を上部ＧａＡｓスペーサ層２０４内で、ＡｌＡｓ層２０３とｐ側電極１０８との間の任意の位置に配置することが可能である。
【０１２５】
なお、ＡｌＡｓ酸化層２０３の層厚は２０〜５０ｎｍと薄く設けるだけで、選択酸化により有効な絶縁領域２０７を形成できる。従って、上部ＧａＡｓスペーサ層２０４内で、横方向に電流が流れる経路を制限することがない。
【０１２６】
また、電流は上部のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６を通らないため、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６の抵抗を下げる必要がない。従って、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６を、低キャリア濃度のノンドープ層で構成することができ、これにより、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６の光吸収損失を大きく低減することができる。
【０１２７】
［実施例３］
図３は本発明の実施例３の面発光半導体レーザを示す図である。図３を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上には、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ３０１が積層されている。ここで、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ３０１は、ノンドープＧａＡｓ高屈折率層とノンドープＡｌＡｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。
【０１２８】
そして、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ３０１上には、ＧａＡｓ下部スペーサ層３０２、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３が積層されている。そして、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３の途中にはＡｌＡｓ層２０３が設けられており、また、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３内で、ＡｌＡｓ層２０３よりも上部に、ＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５が２層設けられている。ここで、ＧａＡｓ下部スペーサ層３０２はｎ型となっており、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３はｐ型となっている。
【０１２９】
そして、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３上には、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６が積層されている。ここで、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６は、ノンドープＧａＡｓ高屈折率層とノンドープＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。
【０１３０】
図３の面発光半導体レーザでは、上記積層構造の表面から、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３の最表面まで円筒状にエッチングされて１段目のメサ構造が形成されている。さらに、上記のサイズよりも大きいサイズで、ＧａＡｓ下部スペーサ層３０２の途中まで円筒状にエッチングされて、２段目のメサ構造が形成されている。
【０１３１】
また、ＡｌＡｓ層２０３は、メサ側面から選択的に酸化されて、絶縁領域２０７が形成されている。
【０１３２】
また、１段目のメサ構造のエッチング底面（２段目のメサ構造頂上部）には、リング状のｐ側電極１０８が形成されている。また、２段目のメサ構造のエッチング底面には、ｎ側電極１０９が形成されている。なお、ｐ側電極１０８及びｎ側電極１０９は、キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上にしたコンタクト層（図示せず）上に形成されている。そして、上記コンタクト層は、光の定在波分布における節に位置するように配置されている。
【０１３３】
図３の面発光半導体レーザにおいては、ｐ側電極１０８とｎ側電極１０９に順方向バイアスを印加することにより、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２に電流が注入されて、波長１．３μｍ帯で発光する。このとき、電流はＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２上に形成されたＡｌＡｓ層２０３において、酸化されていない導電領域を通って流れ込む。これにより、電流を第２のメササイズよりも狭い領域に集中させて閾電流を低減することができる。また、酸化された絶縁領域２０７は、酸化されていないＡｌＡｓ層２０３よりも屈折率が大きく低下するため、光を集光するレンズの役割を果たして、回折損失を低減することができる。
【０１３４】
図３の面発光半導体レーザでは、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ３０１とＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６とではさまれた領域が共振器構造となっており、基板１０１に対して垂直上方にレーザ光が取り出される。
【０１３５】
図３の面発光半導体レーザでは、ｐ側電極１０８とｎ側電極１０９の両方が共振器に形成されている。従って、電流を上部多層膜反射鏡と下部多層膜反射鏡を通さないで活性層２０２に注入することができる。従って、図１，図２の構造に比べてさらに直列抵抗を低減することができる。
【０１３６】
図３の構造においては、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ３０１とＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６とではさまれた共振器構造の共振器長を、媒質内の光の波長（λ）に対して、０．５λ×ｍ （ｍ＝３，４，５，…）となるようにしている。例えば、ｍ＝６とした場合、共振器長は３λとなる。
【０１３７】
そして、活性層２０２は、共振器内で光の定在波の腹に設けられているが、活性層位置を共振器の中心からずらして、ｐ型ＧａＡｓスペーサ層３０３の層厚をｎ型ＧａＡｓスペーサ層３０２の層厚よりも厚くすることができる。共振器長が３λの場合、活性層位置を下から０．５λまたは１λの位置に設けることで、ｐ側領域を厚くできる。
【０１３８】
これにより、ｐ側電極１０８と活性層２０２との距離を長くすることができ、メサ構造内で抵抗の高いｐ側領域における横方向への電流拡散を促進することができる。
【０１３９】
さらに、図３の面発光半導体レーザでは、ｐ型ＧａＡｓスペーサ層３０３中において、ＡｌＡｓ層２０３とｐ側電極１０８との間にＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５が２層設けられている。第３の実施例でも、第２の実施例と同様に、移動度の高いＩｎＧａＡｓ層を設けることにより、横方向への電流拡散を促進して、ｐ側電極１０８から活性層２０２に流れ込む電流の均一性をさらに改善することができる。
【０１４０】
図３の面発光半導体レーザでは、下部多層膜反射鏡３０１には電流を流す必要がないため、下部多層膜反射鏡３０１の抵抗を下げる必要がない。従って、ヘテロ障壁は大きくなるが、下部多層膜反射鏡３０１を最も屈折率差が大きくとれるＧａＡｓ高屈折率層とＡｌＡｓ低屈折率層で構成することができる。これによって、９９．９％以上の高反射率を得るのに、下部多層膜反射鏡３０１をより少ない層数で形成できる。また、ＧａＡｓとＡｌＡｓは、ＡｌＧａＡｓ混晶に比べて熱抵抗が低い材料であるため、素子の放熱性を向上させることができる。
【０１４１】
また、下部多層膜反射鏡３０１と上部多層膜反射鏡２０６は、ともに低キャリア濃度のノンドープ層で形成されており、これにより、多層膜反射鏡内での自由キャリア光吸収を大幅に低減することができる。
【０１４２】
［実施例４］
図４は本発明の実施例４の面発光半導体レーザを示す図である。図４を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上には、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ４０１が積層されている。ここで、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ４０１は、ノンドープＧａＡｓ高屈折率層とノンドープＡｌＡｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。
【０１４３】
そして、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ４０１上には、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ４０２が積層されている。ここで、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ４０２は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層とｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に２周期積層されて形成されている。
【０１４４】
そして、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ４０２上には、ＧａＡｓ下部スペーサ層３０２、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３が積層されている。そして、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３の途中にはＡｌＡｓ層２０３が設けられており、またＧａＡｓ上部スペーサ層３０３内で、ＡｌＡｓ層２０３よりも上部にＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５が設けられている。ここで、ＧａＡｓ下部スペーサ層３０２はｎ型となっており、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３はｐ型となっている。
【０１４５】
また、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３上には、ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ４０３が積層されている。ここで、ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ４０３は、ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層とｐ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に２周期積層されて形成されている。
【０１４６】
そして、図４の面発光半導体レーザでは、上記積層構造の表面からＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ４０１の最表面まで円筒状にエッチングされてメサ構造が形成され、ＡｌＡｓ層２０３は、メサ側面から選択的に酸化されて絶縁領域２０７が形成されている。そして、メサ構造の頂上には、光取り出し領域を除いてリング状のｐ側電極１０８が形成されている。
【０１４７】
そして、メサ頂上部のｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ４０３上には、誘電体多層膜反射鏡１０７が積層されている。
【０１４８】
また、メサ構造のエッチング底面には、ｎ側電極１０９が形成されている。なお、ｐ側電極１０８及びｎ側電極１０９は、キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上にしたコンタクト層（図示せず）上に形成されている。
【０１４９】
図４の面発光半導体レーザにおいては、ｐ側電極１０８及びｎ側電極１０９は、共振器ではなく多層膜反射鏡の途中に設けられている。すなわち、ｐ側電極１０８は、ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ４０３と誘電体多層膜反射鏡１０７の途中に設けられており、ｎ側電極１０９は、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ４０１とｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ４０２の間に設けられている。
【０１５０】
この構造では、電流は、多層膜反射鏡４０３と４０２を通って活性層に注入されることになる。そのため、図３の構造と比較すると、直列抵抗は増加してしまう。ただし、電流が通過する多層膜反射鏡の周期を、２周期と薄くすることによって、直列抵抗の増加を比較的抑制している。
【０１５１】
反射鏡の大部分である誘電体多層膜反射鏡１０７とＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ４０１については、光吸収損失を低減している。
【０１５２】
図４の構造では、ｐ側電極１０８及びｎ側電極１０９と共振器との間に多層膜反射鏡４０３，４０２を設けることで、電流が横方向に広がりやすくしている。
【０１５３】
さらに、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３内にＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５を設けることで、横方向へキャリア（正孔）拡散を促進して、電流を活性層の発振領域に対して均一に注入できるようにしている。
【０１５４】
また、ｐ側電極１０８とｎ側電極１０９が形成されているコンタクト層は、高濃度にドーピングされているため自由キャリア吸収が生じてしまう。これを抑制するために、コンタクト層は光の定在波分布において節の位置に設けられている。しかしながら、コンタクト層はある厚さを有しているため、定在波の節からずれた部分では光吸収が生じてしまう。
【０１５５】
図４の構造では、ｐ側電極１０８とｎ側電極１０９と共振器との間に多層膜反射鏡が設けられることにより、光強度分布の包絡線はコンタクト層に達するまでに減少する。従って、コンタクト層を共振器に設けた場合に比べて、コンタクト層近傍の光強度分布は腹の位置においても低下する。従って、定在波の節からずれた部分のコンタクト層で生じる光吸収についても、より低減することができる。
【０１５６】
［実施例５］
図５は本発明の実施例５の面発光半導体レーザを示す図である。図５を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上には、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ３０１が積層されている。ここで、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ３０１は、ノンドープＧａＡｓ高屈折率層とノンドープＡｌＡｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。
【０１５７】
そして、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ３０１上には、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部スペーサ層１０３、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６が積層されている。
【０１５８】
そして、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６の途中には、ＡｌＡｓ層２０３が設けられている。また、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部スペーサ層１０３内には、ＩｎＧａＡｓキャリア拡散層５０１が設けられており、また、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６内でＡｌＡｓ層２０３よりも上には、ＧａＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ多重量子井戸キャリア拡散層５０２が設けられている。
【０１５９】
また、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部スペーサ層１０３はｎ型となっており、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６はｐ型となっている。
【０１６０】
また、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６には、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６が積層されている。ここで、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６は、ノンドープＧａＡｓ高屈折率層とノンドープＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。
【０１６１】
図５の面発光半導体レーザでは、上記積層構造の表面から上部スペーサ層１０６の最表面まで円筒状にエッチングされて１段目のメサ構造が形成されている。さらに、上記のサイズよりも大きいサイズで、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部スペーサ層１０３の途中まで円筒状にエッチングされて、２段目のメサ構造が形成されている。
【０１６２】
そして、ＡｌＡｓ層２０３は、メサ側面から選択的に酸化されて絶縁領域２０７が形成されている。
【０１６３】
また、１段目のメサ構造のエッチング底面（２段目のメサ構造の頂上部）には、リング状のｐ側電極１０８が形成されている。また、２段目のメサ構造のエッチング底面には、ｎ側電極１０９が形成されている。なお、ｐ側電極１０８及びｎ側電極１０９は、キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上にしたＧａＡｓコンタクト層（図示せず）上に形成されている。そして、上記コンタクト層は、光の定在波分布における節に位置するように配置されている。
【０１６４】
図５の構造が、図３の構造と異なっている点は、キャリア拡散層が共振器のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部スペーサ層１０３とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部スペーサ層１０６の両方に設けられている点である。これにより、電子と正孔の両方について横方向の拡散を促進している。
【０１６５】
また、ＧａＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ多重量子井戸キャリア拡散層５０２において、ＡｌＡｓ層２０３が選択的に酸化された絶縁領域２０７の上部にある領域では、ＧａＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ多重量子井戸構造が混晶化されている。混晶化領域５０３は、１段目のメサ構造のエッチング底面からＧａ，Ａｌ，Ａｓ，Ｚｎ等の元素をイオン注入した後で熱処理することにより形成される。混晶化されたＡｌＧａＡｓ層５０３のバンドギャップは、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部スペーサ層１０３よりも小さくなっており、キャリア拡散層として機能する。
【０１６６】
さらに、混晶化した領域５０３のバンドギャップは、混晶化していない多重量子井戸構造５０２のバンドギャップよりも大きくなっている。従って、キャリア拡散層において、絶縁領域２０７上部のバンドギャップが導電領域２０３上部のバンドギャップよりも小さくなっている。これにより、キャリア拡散層内でキャリアは、バンドギャップのより小さい導電領域側の多重量子井戸構造５０２に集中しやすくなる。これにより、導電領域２０３に対する電流注入をさらに均一化することができる。
【０１６７】
１段目のメサ構造のエッチング底面からＺｎイオン注入した領域は、熱処理後にＺｎが活性化して高濃度ｐ型ドーピング領域５０４となる。絶縁領域２０７とｐ側電極１０８との間に、高濃度ドーピング領域５０４を設けることにより、ｐ側電極１０８からＡｌＡｓ層２０３の導電領域にいたるまでの電気抵抗を大幅に低下することができる。
【０１６８】
一方、キャリアと光は選択的に酸化された絶縁領域２０７によって閉じ込められるため、ＡｌＡｓ層２０３の導電領域外側では光強度が急激に減衰する。また、図５の構造において、Ｚｎイオン注入されていない領域の径は、ＡｌＡｓが選択的に酸化されていない領域２０３の径とほぼ同じか、または大きくなっている。そのため、高濃度ドーピング領域５０４によって、光が自由キャリア吸収損失を受ける影響を低減することができる。
【０１６９】
［実施例６］
図６は本発明の実施例６の光伝送システムを示す図である。図６の光伝送システムは、光送信部６０１で発生した光信号が石英光ファイバ６０４を通って光受信部６０２に伝送される。図６では、光送信部６０１、光ファイバ６０４、光受信部６０２が２系列備わっており、双方向に通信できるようになっている。ここで、光送信部６０１と光受信部６０２は、１つのパッケージに集積されており、光送受信モジュール６０３を構成している。
【０１７０】
この実施例６では、光送信部６０１の光源に、実施例１乃至実施例５のいずれかの面発光半導体レーザ装置を用いることを特徴としている。実施例１乃至実施例５の面発光半導体レーザは、素子抵抗を低減し、活性層に対する電流注入を均一化できるため、動作電圧を低減できる。また、光吸収損失を減少させることにより、高効率でレーザ光が得られる。従って、光送信部６０１の光源に、実施例１乃至実施例５のいずれかの面発光半導体レーザ装置を用いることによって、光伝送部６０１の消費電力を低減することができ、低消費電力の光伝送システムを構築できる。
【０１７１】
なお、以上の例では、面発光半導体レーザ素子は、１素子の場合のみについて示したが、１次元または２次元のアレイ光源として用いることもできる。本発明の面発光半導体レーザ素子は、素子抵抗を低減することで発熱を抑制できるため、アレイ光源として用いた場合に熱的クロストークを抑制することができる。
【０１７２】
［実施例７］
図７は、本発明の実施例７の面発光半導体レーザの断面図である。ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２が積層されている。ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層とｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２上には、ＧａＡｓ下部スペーサ層２０１、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２、ＧａＡｓ上部スペーサ層２０４が積層されている。そして、ＧａＡｓ上部スペーサ層２０４の途中にはＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５が設けられている。ＧａＡｓ下部スペーサ層１０３はｎ型となっており、ＧａＡｓ上部スペーサ層１０６はｐ型となっている。
【０１７３】
ＧａＡｓ上部スペーサ層２０４上には、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６が積層されている。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６は、ノンドープＧａＡｓ高屈折率層とノンドープＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。
【０１７４】
上記積層構造の表面から、ＧａＡｓ上部スペーサ層２０４の最表面まで円筒状にエッチングされて１段目のメサ構造が形成されている。さらに、上記のサイズよりも大きいサイズで、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２に達するまで円筒状にエッチングされて、２段目のメサ構造が形成されている。
【０１７５】
２段目のメサ構造表面からプロトンイオンを注入し、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＤＢＲ２０６の下に位置する活性層を除いて、活性層の近傍に高抵抗領域７０１が形成されている。
【０１７６】
１段目のメサ構造のエッチング底面（２段目のメサ構造頂上部）には、リング状のｐ側電極１０８が形成されている。なお、ｐ側電極１０８はｐ型キャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上にしたコンタクト層上に形成されている。（図示されていない）
【０１７７】
また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１裏面には、ｎ側電極１０９が形成されている。
【０１７８】
図７の面発光半導体レーザにおいては、ｐ側電極１０８とｎ側電極１０９に順方向バイアスをかけることにより、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２に電流が注入されて、波長１．３μｍ帯で発光する。このとき、電流は高抵抗領域７０１で狭窄されて、プロトンイオン注入されていないＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２に流れ込む。これにより、電流を第２のメササイズよりも狭い領域に集中させて閾電流を低減している。
【０１７９】
ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６とｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２とではさまれた領域が共振器構造となっており、基板に対して垂直上方にレーザ光が取り出される。
【０１８０】
図７の面発光半導体レーザにおいては、活性層２０２とｐ側電極１０８との間にＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５を設けている。上部ＧａＡｓスペーサ層２０４よりもバンドギャップが小さいＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５内では、キャリア（正孔）はスペーサ層とのヘテロ障壁に閉じ込められるため、横方向（面内方向）へのキャリア拡散が促進される。これにより、ｐ側電極１０８から活性層２０２に流れ込む電流の均一性を改善している。
【０１８１】
さらに、活性層２０２近傍に設けられた高抵抗領域７０１は、電流をＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６の下に位置する活性層領域に集中して流すことができるため、発振領域の活性層に対する電流注入均一性をさらに改善することができる。
【０１８２】
［実施例８］
図８は、本発明の実施例８の面発光半導体レーザの断面図である。ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２が積層されている。ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層とｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２上には、ＧａＡｓ下部スペーサ層２０１、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２、ＧａＡｓ上部スペーサ層２０４が積層されている。そして、ＧａＡｓ上部スペーサ層２０４の途中にはＡｌＡｓ層２０３が設けられており、またＧａＡｓ上部スペーサ層２０４内で、ＡｌＡｓ層２０３よりも上部に歪補償超格子キャリア拡散層８０１が設けられている。
【０１８３】
歪補償超格子キャリア拡散層８０１は、引張歪０．５％のＧａＡｓＰ層と圧縮歪１．４％のＩｎＧａＡｓ層を交互に５．５周期積層して形成している。ＧａＡｓＰ層の層厚は１４ｎｍ、ＩｎＧａＡｓ層の層厚は６ｎｍとした。
【０１８４】
ＧａＡｓ上部スペーサ層１０６上には、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６が積層されている。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６は、ノンドープＧａＡｓ高屈折率層とノンドープＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。
【０１８５】
上記積層構造の表面から、ＧａＡｓ上部スペーサ層２０４の最表面まで円筒状にエッチングされて１段目のメサ構造が形成されている。さらに、上記のサイズよりも大きいサイズで、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ１０２に達するまで円筒状にエッチングされて、２段目のメサ構造が形成されている。
【０１８６】
ＡｌＡｓ層２０３はメサ側面から選択的に酸化されて絶縁領域２０７が形成されている。
【０１８７】
１段目のメサ構造のエッチング底面（２段目のメサ構造頂上部）には、リング状のｐ側電極１０８が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１裏面には、ｎ側電極１０９が形成されている。
【０１８８】
図８の面発光半導体レーザの特徴は、ＡｌＡｓ層２０３とｐ側電極１０８との間に歪補償超格子キャリア拡散層８０１を設けている点である。歪補償超格子キャリア拡散層８０１中のＩｎＧａＡｓ層は、上部ＧａＡｓスペーサ層２０４よりもバンドギャップが小さいため、キャリア（正孔）はスペーサ層とのヘテロ障壁に閉じ込められ、横方向（面内方向）へのキャリア拡散が促進される。さらに、圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓ層は、価電子帯のバンド構造が変形して正孔の有効質量が小さくなるため、正孔の移動度が高くなる。これにより、ｐ側電極１０８から活性層２０２に流れ込む電流の均一性が改善される。
【０１８９】
また、歪補償超格子キャリア拡散層８０１において、ＩｎＧａＡｓ層を多層に積層することによって、１層のみ設けた場合に比べてさらにキャリアの拡散を促進することができる。しかしながら、圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓ層を多層に積層していくと、内部の歪エネルギーが蓄積されていき、限界値を超えたところで転位が発生してしまう。そこで、本実施例では、圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓ層と引張歪を有するＧａＡｓＰ層とを交互に積層して構成している。これにより、圧縮歪層を引張歪層で補償して、正味の歪量をほぼゼロにしており、歪補償超格子キャリア拡散層８０１に転位が形成されることを抑制している。
【０１９０】
［実施例９］
図９は、本発明の実施例９の面発光半導体レーザの断面図である。ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ３０１が積層されている。ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ３０１は、ノンドープＧａＡｓ高屈折率層とノンドープＡｌＡｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ３０１上には、ＧａＡｓ下部スペーサ層３０２、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３が積層されている。そして、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３の途中にはＡｌＡｓエッチング層９０１が設けられており、またＧａＡｓ上部スペーサ層３０３内で、ＡｌＡｓエッチング層９０１よりも上部にＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５が２層設けられている。ＧａＡｓ下部スペーサ層３０２はｎ型となっており、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３はｐ型となっている。
【０１９１】
ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３上には、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６が積層されている。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６は、ノンドープＧａＡｓ高屈折率層とノンドープＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。
【０１９２】
上記積層構造の表面から、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０３の最表面まで円筒状にエッチングされて１段目のメサ構造が形成されている。さらに、上記のサイズよりも大きいサイズで、ＧａＡｓ下部スペーサ層３０２の途中まで円筒状にエッチングされて、２段目のメサ構造が形成されている。
【０１９３】
ＡｌＡｓエッチング層９０１はメサ側面から選択的にサイドエッチングされてエアギャップ領域９０２が形成されている。
【０１９４】
１段目のメサ構造のエッチング底面（２段目のメサ構造頂上部）には、リング状のｐ側電極１０８が形成されている。また、２段目のメサ構造のエッチング底面にはｎ側電極１０９が形成されている。
【０１９５】
図９の面発光半導体レーザにおいては、ｐ側電極１０８とｎ側電極１０９に順方向バイアスをかけることにより、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２に電流が注入されて、波長１．３μｍ帯で発光する。このとき、電流はＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０２上に形成されたサイドエッチングされていないＡｌＡｓエッチング層９０１を通って流れ込む。これにより、電流を第２のメササイズよりも狭い領域に集中させて閾電流を低減している。また、エアギャップ領域９０２は、エッチングされていないＡｌＡｓ層９０１よりも屈折率が大幅に低下するため、光を集光するレンズの役割を果たして、回折損失を低減している。
【０１９６】
ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ３０１とＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ２０６とではさまれた領域が共振器構造となっており、基板に対して垂直上方にレーザ光が取り出される。
【０１９７】
ｐ型ＧａＡｓスペーサ層３０３中のＡｌＡｓエッチング層９０１とｐ側電極１０８との間にＩｎＧａＡｓキャリア拡散層２０５を２層設けている。実施例２と同様に、移動度の高いＩｎＧａＡｓ層を設けることにより、横方向への電流拡散を促進して、ｐ側電極１０８から活性層２０２に流れ込む電流の均一性を改善している。
【０１９８】
選択的にエッチングされたエアギャップ領域９０２を用いて電流狭窄構造を形成する場合、ＡｌＡｓエッチング層９０１の層厚を５０ｎｍ以下、例えば２０ｎｍと薄く設けるだけで、十分に電気的に絶縁することができる。従って、エアギャップ領域９０２を設けても、共振器内で横方向に電流が流れる経路を大きくとれるため、抵抗の増加を抑制することができる。
【０１９９】
また、選択的にＡｌＡｓ層を酸化した絶縁領域では酸化による体積収縮によって素子に応力が加わってしまうが、本実施例のように絶縁領域をエアギャップ領域９０２で形成する場合には、応力が発生しない。従って、素子の信頼性低下を抑制することができる。
【０２００】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１記載の発明によれば、基板に垂直な共振器を形成する下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、共振器内に配置された活性層と該活性層に隣接したスペーサ層とを有し、共振器上に第１の電極が形成され、基板の裏面に第２の電極が形成されており、共振器内であって前記スペーサ層に挟まれてキャリア拡散層が設けられており、該キャリア拡散層は、活性層のバンドギャップよりも大きく、かつ前記スペーサ層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有するので、素子抵抗を低減し、活性層に対する電流注入の均一性を改善し、かつ光吸収損失の小さい面発光半導体レーザ装置を提供できる。
【０２０１】
また、請求項２記載の発明によれば、基板に垂直な共振器を形成する下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、共振器内に配置された活性層と該活性層に隣接したスペーサ層とを有し、活性層に電流を注入する第１の電極と第２の電極が共振器に形成され、共振器内であって前記スペーサ層に挟まれてキャリア拡散層が設けられており、該キャリア拡散層は、活性層のバンドギャップよりも大きく、かつ前記スペーサ層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有するので、請求項１の発明に比べてさらに直列抵抗を低減することができる。また、下部多層膜反射鏡をＧａＡｓ高屈折率層とＡｌＡｓ低屈折率層で構成することができ、この場合には、熱抵抗が低くなり、素子の放熱性を向上させることができる。
【０２０２】
また、請求項３記載の発明によれば、基板に垂直な共振器を形成する下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、共振器内に配置された活性層と該活性層に隣接したスペーサ層とを有し、第１の電極と第２の電極のうちの少なくとも一方の電極は、多層膜反射鏡の途中に形成されており、共振器内であって前記スペーサ層に挟まれてキャリア拡散層が設けられており、該キャリア拡散層は、活性層のバンドギャップよりも大きく、かつ前記スペーサ層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有するので、直列抵抗の増加を比較的抑制して、電流がより均一に注入されやすくすることができる。また、コンタクト層による光吸収の影響を低減することができる。
【０２０３】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、前記キャリア拡散層は、圧縮歪を有しているので、キャリア拡散層内の移動度が高くなって、キャリアの横方向の拡散を更に促進することができる。
【０２０４】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、前記キャリア拡散層は、ｐ型共振器のｐ型領域に設けられているので、正孔の横方向拡散を促進して、活性層に対する電流注入を均一化することができる。
【０２０５】
また、請求項６記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、前記キャリア拡散層が複数設けられているので、よりキャリアの拡散を促進することができる。
【０２０６】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、前記キャリア拡散層は、圧縮歪を有する層と引張歪を有する層が交互に複数積層されて構成されているので、圧縮歪を有するキャリア拡散層の積層数を転位が入ることなく増加させることができ、横方向のキャリア拡散を促進させることができる。
【０２０７】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器のｐ型領域の層厚がｎ型領域の層厚よりも厚く形成されているので、横方向に正孔を拡散しやすくし、活性層に正孔をより均一に注入することができる。
【０２０８】
また、請求項９記載の発明によれば、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器内の活性層とキャリア拡散層の間に、イオン注入による高抵抗領域から成る電流狭窄構造が設けられているので、発振領域の活性層に対する電流注入均一性を改善することができる。
【０２０９】
また、請求項１０記載の発明によれば、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器内の活性層とキャリア拡散層との間に、選択的に酸化された絶縁領域と非酸化領域である導電領域とからなる電流狭窄構造が設けられているので、活性層の狭い領域に電流を集中して閾電流を低減することができる。そして、絶縁領域を薄く形成できるため、酸化層を共振器内に設けても横方向に電流が流れる経路を大きくとることができ、抵抗の増加を抑制することができる。
【０２１０】
また、請求項１１記載の発明によれば、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器内の活性層とキャリア拡散層の間に、選択的にエッチングされたエアギャップ領域と、非エッチング領域である導電領域とから成る電流狭窄構造が設けられているため、横方向に電流が流れる経路を大きくとることができ、抵抗の増加を抑制することができる。また、選択的にエッチングして形成したエアギャップ領域では体積変化による応力が発生しないため、素子の信頼性低下を抑制することができる。
【０２１２】
また、請求項１２記載の発明によれば、請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器内に設けられた電流狭窄領域と第１の電極との間に、高濃度ドーピング領域を設けたことにより、自由キャリア吸収を増加させることなく、電気抵抗を低減することができる。
【０２１３】
また、請求項１３記載の発明によれば、請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、活性層が窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体からなるので、動作電圧が低く、高出力の長波長帯面発光半導体レーザ装置を提供することができる。
【０２１４】
また、請求項１４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置を備えていることを特徴とする光伝送モジュールであるので、光伝送モジュールの消費電力を低減することができる。
【０２１５】
また、請求項１５記載の発明によれば、請求項１４記載の光伝送モジュールを備えていることを特徴とする光伝送システムであるので、低消費電力の光伝送システムを構築できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の面発光半導体レーザを示す図である。
【図２】本発明の実施例２の面発光半導体レーザを示す図である。
【図３】本発明の実施例３の面発光半導体レーザを示す図である。
【図４】本発明の実施例４の面発光半導体レーザを示す図である。
【図５】本発明の実施例５の面発光半導体レーザを示す図である。
【図６】本発明の実施例６の光伝送システムを示す図である。
【図７】本発明の実施例７の面発光半導体レーザを示す図である。
【図８】本発明の実施例８の面発光半導体レーザを示す図である。
【図９】本発明の実施例９の面発光半導体レーザを示す図である。
【符号の説明】
１０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２ ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ
１０３ ＡｌＧａＡｓ下部スペーサ層
１０４ ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層
１０５ ＧａＡｓキャリア拡散層
１０６ ＡｌＧａＡｓ上部スペーサ層
１０７ 誘電体多層膜反射鏡
１０８ ｐ側電極
１０９ ｎ側電極
２０１ ＧａＡｓ下部スペーサ層
２０２ ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層
２０３ ＡｌＡｓ層
２０４ ＧａＡｓ上部スペーサ層
２０５ ＩｎＧａＡｓキャリア拡散層
２０６ ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ
２０７ 選択酸化領域
３０１ ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ
３０２ ＧａＡｓ下部スペーサ層
３０３ ＧａＡｓ上部スペーサ層
４０１ ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ
４０２ ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ
４０３ ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＤＢＲ
５０１ ＩｎＧａＡｓキャリア拡散層
５０２ ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸キャリア拡散層
５０３ 混晶化領域
６０１ 光送信部
６０２ 光受信部
６０３ 光送受信モジュール
６０４ 石英光ファイバ
５０４ 高濃度ドーピング領域
７０１ 高抵抗領域
８０１ 歪補償超格子キャリア拡散層
９０１ ＡｌＡｓエッチング層
９０２ エアギャップ領域
Claims (15)
- 基板に垂直な共振器を形成する下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、共振器内に配置された活性層と該活性層に隣接したスペーサ層とを有し、共振器上に第１の電極が形成され、基板の裏面に第２の電極が形成されており、共振器内であって前記スペーサ層に挟まれてキャリア拡散層が設けられており、該キャリア拡散層は、活性層のバンドギャップよりも大きく、かつ前記スペーサ層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有することを特徴とする面発光半導体レーザ装置。
- 基板に垂直な共振器を形成する下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、共振器内に配置された活性層と該活性層に隣接したスペーサ層とを有し、活性層に電流を注入する第１の電極と第２の電極が共振器に形成され、共振器内であって前記スペーサ層に挟まれてキャリア拡散層が設けられており、該キャリア拡散層は、活性層のバンドギャップよりも大きく、かつ前記スペーサ層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有することを特徴とする面発光半導体レーザ装置。
- 基板に垂直な共振器を形成する下部多層膜反射鏡および上部多層膜反射鏡と、共振器内に配置された活性層と該活性層に隣接したスペーサ層とを有し、第１の電極と第２の電極のうちの少なくとも一方の電極は、多層膜反射鏡の途中に形成されており、共振器内であって前記スペーサ層に挟まれてキャリア拡散層が設けられており、該キャリア拡散層は、活性層のバンドギャップよりも大きく、かつ前記スペーサ層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有することを特徴とする面発光半導体レーザ装置。
- 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、前記キャリア拡散層は、圧縮歪を有していることを特徴とする面発光半導体レーザ装置。
- 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、前記キャリア拡散層は、共振器のｐ型領域に設けられていることを特徴とする面発光半導体レーザ装置。
- 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、前記キャリア拡散層が複数設けられていることを特徴とする面発光半導体レーザ装置。
- 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、前記キャリア拡散層は、圧縮歪を有する層と引張歪を有する層が交互に複数積層されて構成されていることを特徴とする面発光半導体レーザ装置。
- 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器のｐ型領域の層厚がｎ型領域の層厚よりも厚く形成されていることを特徴とする面発光半導体レーザ装置。
- 請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器内の活性層とキャリア拡散層の間に、イオン注入による高抵抗領域から成る電流狭窄構造が設けられていることを特徴とする面発光半導体レーザ装置。
- 請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器内の活性層とキャリア拡散層との間に、選択的に酸化された絶縁領域と非酸化領域である導電領域とからなる電流狭窄構造が設けられていることを特徴とする面発光半導体レーザ装置。
- 請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器内の活性層とキャリア拡散層の間に、選択的にエッチングされたエアギャップ領域と、非エッチング領域である導電領域とから成る電流狭窄構造が設けられていることを特徴とする面発光半導体レーザ装置。
- 請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、共振器内に設けられた電流狭窄領域と第１の電極との間に、高濃度ドーピング領域を設けたことを特徴とする面発光半導体レーザ装置。
- 請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置において、活性層が窒素と他のＶ族元素とを含む混晶半導体からなることを特徴とする面発光型半導体レーザ装置。
- 請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ装置を備えていることを特徴とする光伝送モジュール。
- 請求項１４記載の光伝送モジュールを備えていることを特徴とする光伝送システム。
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