JP5212113B2 - 面発光レーザ - Google Patents

Description

本発明は、データ通信用の光源などに用いられる面発光レーザに関する。

面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）は、その低コスト性、低消費電力性から広くイーサネット（登録商標）やファイバーチャネルといったデータ通信用の光源として用いられている。これらＶＣＳＥＬの変調速度は、近年のデータ通信容量の増大に従って、１０Ｇｂｐｓ（ギガビット毎秒）といった高速変調動作が要求されてきている。また、ＶＣＳＥＬは、光インターコネクション用の光源としても期待されており、並列・超高速（２０Ｇｂｐｓ/チャンネル）といった素子が必要となってきている。

ＶＣＳＥＬを高速で変調するためには、緩和振動周波数（ｆｒ）を上げることと、ＣＲ時定数を小さくすることが必要となる。ＣＲ時定数は、ＶＣＳＥＬの電気抵抗を下げ、イオン注入や絶縁体埋め込み等による発光部周辺の電気容量の低減技術等により２０Ｇｂｐｓを越えるものも作製可能となってきている。一方、ｆｒに関しては一般に、注入電流を大きくして光子密度を高くすることでｆｒを増加させることが可能である。しかしながら活性層への注入電流を大きくすると、ＶＣＳＥＬの発光部周辺の温度は環境温度に比べて非常に高くなるため、これがＶＣＳＥＬのｆｒの上限を決めている大きな要因の一つとなっている。

ＶＣＳＥＬではｆｒを上げるために光の存在する体積を小さくし、同じ電流でも大きな光子密度が得られるようにすることが行われている。その一つの方法として、大きな光閉じ込め効果を有する酸化電流狭窄構造による、酸化径の狭小化がある。この構造は、高いＡｌ組成を有するＡｌＧａＡｓ層をメサ側面から水蒸気により酸化させてＡｌＧａＡｓ層の一部をＡｌＯｘの絶縁体に変化させるものである。

この構造では、微細な電流の狭窄構造ができるだけでなく、半導体と絶縁体の屈折率差による強い光閉じ込め効果を有するので、酸化狭窄径を小さくするに従い、面内での光の存在する部分の面積、積層方向も考えれば光の存在する部分の体積も小さくなり、小さな電流で大きな光子密度が得られる。このため、ＶＣＳＥＬのｆｒの電流変調効率は非常に高くなり、電流注入による発熱の影響が顕著になる前に、高いｆｒを得ることができる。

上記の技術は、ＶＣＳＥＬ面内方向に光の存在する体積を小さくするものであるが、同様に積層方向にも光の存在する体積を小さくすることで、活性層のゲインが同じでも、ｆｒの電流変調効率を高めることができる。

ＶＣＳＥＬの積層方向の構造は、上下のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）部とそれに挟まれた光共振器部とからなり、光強度は上下方向に定在波を形成している。光強度は活性層部でもっとも強くなるように設計すると低閾値、高効率なＶＣＳＥＬ特性が得られる。ＤＢＲ部の光強度は光共振器部から離れるにしたがって弱くなり、定在波のうち光強度の強い部分である「腹」は指数関数的に減衰する。この減衰の仕方は、ＤＢＲを形成する多層膜の屈折率差に依存し、屈折率差が大きいほど減衰が早く、光の積層方向への閉じ込めが強い。また、光共振器部では、光強度はほとんど減衰のない一定の定在波分布をする。

このように、積層方向の光の分布は、ＤＢＲ部での光の侵入長と光共振器部の層厚で決まる。ｆｒの電流変調効率を高めるためには、ＤＢＲ部での光の侵入長と光共振器部の層厚をできるだけ小さくすることが有効である。

光共振器部の層厚は、上下ＤＢＲ部と定在波を形成する必要があるため、任意の値とることはできない。一般に光共振器部の実効的な光路長は、ＶＣＳＥＬの発振波長をλとすると、λ／２の整数倍となる。従って、光共振器部の層厚をもっとも小さくする構造は、光共振器部の実効的な光路長がλ／２となるときであり、このような小さな光共振器は微小共振器（マイクロキャビティ）構造として知られている。マイクロキャビティ構造では、発振波長以外の自然放出光の抑制効果があるため、発振閾値が低下し、同じ電流値におけるＶＣＳＥＬの熱発生をより小さくすることが可能である。

このλ／２共振器の構造に関する技術が、特開平０５−２１１３４６号公報、特開平０７−１９３３２５号公報および特開平１０−２５６６６５号公報に開示されている。また、その技術が文献（Ｄ．Ｇ．Ｄｅｐｐｅ等，Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９５年，Ｖｏｌ．７，Ｎｏ．９，９６５−９６７頁）にも開示されている。

これらに開示された、いずれの構造においても、λ／２共振器の両側は、共振器部の実効的な屈折率よりも屈折率の高い層で挟まれた構造をしている。これにより、定在波の腹が共振器部のほぼ真中に立ち、ここに活性層を配置することにより、マイクロキャビティ構造を有する面発光レーザを形成できることが開示されている。以下では、この構造の面発光レーザを、λ／２微小共振器面発光レーザと称する。

ここで、微小共振器のうち半波長共振器の一例であるλ／２微小共振器面発光レーザについて簡単に説明する。

図１は、λ／２微小共振器面発光レーザの構造のバンド構造と電界強度曲線を示す図である。図１は、横軸に積層方向（光軸方向）位置を示し、縦軸に各層のバンドギャップエネルギーを模式的に示している。なお、電界強度とは、電界ベクトルの絶対値の２乗を意味するものとする。

そのため、電界強度曲線において、電界ベクトルを２乗する前の定在波の山と谷のピーク位置の「腹」が極大値になり、定在波の「節」が最小値になる。ここで言う極大値には最大値の場合を含む。以下では、電界強度曲線の極大値になる部位を「腹」と称し、最小値になる部位を「節」と称する。

図１に示すように、第１の多層膜ブラッグ反射鏡２１１と第２の多層膜ブラッグ反射鏡２１３との間に光共振器部２１２が挟まれている。光共振器部２１２では、大きなバンドギャップを有する層（低屈折率層に相当）２１２３の間に活性層部２１２１が形成されている。第１の多層膜ブラッグ反射鏡２１１は、第１の低屈折率層２１１１および第１の高屈折率層２１１２のペアが複数積層されている。

第２の多層膜ブラッグ反射鏡２１３は、第２の低屈折率層２１３２および第２の高屈折率層２１３１のペアが複数積層されている。第１の高屈折率層２１１２および第２の高屈折率層２１３１が光共振器部２１２に接している。光共振器部２１２の電界強度を示す電界強度曲線２１２２を見ると、活性層部２１２１に電界強度曲線２１２２の腹が位置している。

しかしながら、上記文献に記載されたλ／２微小共振器面発光レーザには電流注入の点で問題がある。図１に示したλ／２微小共振器面発光レーザでは、光共振器部２１２の実効的な屈折率は光共振器部２１２の両側層の第１の高屈折率層２１１２および第２の高屈折率層２１３１よりも低屈折率になっている。一般に屈折率と半導体のバンドギャップに相関があり、バンドギャップが大きいほど屈折率は小さくなる傾向にある。したがって、光共振器部を形成する半導体は、大きなバンドギャップを有する層（低屈折率層に相当）２１２３で構成される必要がある。

一方で、この光共振器部２１２は活性層部２１２１を内部に含んでいる必要がある。この活性層部２１２１のバンドギャップは、ＤＢＲを構成する材料のバンドギャップよりも小さいことが必要である。即ち、活性層部２１２１のバンドギャップは小さいが、この活性層部２１２１を包み込む光共振器部２１２の低屈折率層２１２３のバンドギャップは大きいということになる。

ＤＢＲ部では電気抵抗低減のためのドーピングやグレーディット層をこのような大きなバンドギャップ差のあるところに適用することは可能であるが、光共振器部に適用すると、光吸収が大きくなったり、活性層部に大きな電界が印加されたりするためデバイス特性が低下する。このため、このバンドギャップの大きい層にはドーピングができない。したがって、このような構造に電流を注入しようとしても、バンドギャップの大きい層に相当する低屈折率層２１２３が電流ブロック層の役割をしてしまい、活性層部に電流を注入することが困難となる。

本発明の目的は、光共振器部の光路長がλ／２に近い微小共振器構造において、低閾値、高効率、高速変調を可能にした面発光レーザを提供することである。

本発明の面発光レーザは、第１の層および第１の層よりも屈折率の大きい第１の高屈折率層を含む第１の多層膜ブラッグ反射鏡と、第２の層および第２の層よりも屈折率の大きい第２の高屈折率層を含む第２の多層膜ブラッグ反射鏡と、第１および第２の多層膜ブラッグ反射鏡に挟まれ、光学利得を発生する活性層部を含む光共振器部とを有する面発光レーザであって、第１の多層膜ブラッグ反射鏡について光共振器部に接している層が第１の層であり、第２の多層膜ブラッグ反射鏡について光共振器部に接している層が第２の層であり、共振器部の実効的な屈折率ｎ_effが第１および第２の層よりも大きく、かつ、光共振器部の光路長ｎ_effＬが面発光レーザの発振波長λと０．５λ＜ｎ_effＬ≦０．７λの関係にあり、光路長ｎ_effＬから０．５λを引いた結果の値をΔＬとすると、光共振器部と第１の多層膜ブラッグ反射鏡との境界からΔＬ離れた位置に活性層部が設けられ、第１の層および第１の高屈折率層がｎ型の導電性を有する半導体層である構成である。

本発明によれば、光共振器部の光路長がλ／２に近い微小共振器構造において、活性層部の光強度を大きくすることが可能となり、低閾値、高効率な素子特性が得られる。また、活性層への電流注入が容易になり、注入電流が大きくなり、緩和振動周波数が上がり、高速変調性が向上する。

図１は関連する半波長共振器のバンド構造と電界強度曲線を示す図である。 図２は本実施形態の面発光レーザのバンド構造と電界強度曲線を示す図である。 図３は本実施形態の面発光レーザの基本構造によるバンド構造と電界強度曲線を示す図である。 図４Ａは実施例１の面発光レーザのバンド構造および電界強度曲線を示す図である。 図４Ｂは実施例１の面発光レーザの電界強度曲線の計算結果を示す図である。 図５Ａは実施例１の面発光レーザの比較例となる面発光レーザのバンド構造および電界強度曲線を示す図である。 図５Ｂは実施例１の面発光レーザの比較例となる面発光レーザの電界強度曲線の計算結果を示す図である。 図６Ａは実施例２の面発光レーザのバンド構造を示す図である。 図６Ｂは実施例２の面発光レーザの断面構造を示す図である。 図７は実施例３の面発光レーザのバンド構造を示す模式図である。 図８は実施例４の面発光レーザのバンド構造を示す模式図である。 図９は実施例５の面発光レーザのバンド構造を示す模式図である。 図１０は実施例６の面発光レーザのバンド構造を示す模式図である。

符号の説明

１１、２１１、２２１、３１、４１ 第１の多層膜ブラック反射鏡
１１１、２１１２、３１１、４１１ 第１の高屈折率層
１１２、１１３、２１１１、３１２、３１３、４１２、４１３ 第１の低屈折率層
１２、２１２、２２２、３２、４２ 光共振器部
１２１、２１２１、３２１、４２１ 活性層部
１２２、２１２２、２２２２、３２２、４２２ 電界強度曲線
１２３、３２３、４２３ 高屈折率層
１３、２１３、３３、４３ 第２の多層膜ブラック反射鏡
１３１、２１３２、３３１、４３１ 第２の低屈折率層
１３２、２１３１、３３２、４３２ 第２の高屈折率層
２１２３ 大きなバンドギャップを有する層（低屈折率層）
５０ ｎ型ＧａＡｓ基板
５１、６１、７１、８１、９１ 第１の多層膜ブラック反射鏡
５１１ ＳｉドープＧａＡｓ層
５１２ ＳｉドープＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層
５１３ ｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層
５１４ ＳｉドープＡｌＧａＡｓグレーディット層
５２、６２、７２、８２、９２ 光共振器部
５２１、６２１、７２１、８２１、９２１ ３重量子活性層
５２２ ｐ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ電子ブロック層
５２３、６２３、７２３ トンネル接合部
５２４ ＳｉドープＧａＡｓ層
５３、６３、７３、８３、９３ 第２の多層膜ブラック反射鏡
５３１、６３１、７３１、８３１ ＳｉＯ_２層
５３２、６３２、７３２、８３２ アモルファスＳｉ層
５４、５５ 電極
６１１ ｎ型ＧａＡｓ層
６１２ ｎ型ＡｌＧａＡｓ層
６１３ ｎ型ＡｌＧａＡｓ層
６１４ ＳｉドープＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層（電流狭窄層）
６２２ ｐ型ＡｌＧａＡｓ電子ブロック層
６２４、７１５、７２４、８２２ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
７１１ ＧａＡｓ層
７１２ ＡｌＯｘ酸化低屈折率層
７１３ ｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層
７１４、９１３ ｎ型ＡｌＧａＡｓグレーディット層
７２２ ｐ型ＡｌＧａＡｓ電子ブロック層
８１１ ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層
８１２ ｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層
８１３ ｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層
８１４ ＣドープＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層（酸化狭窄層）
８１５ ｐ型ＡｌＧａＡｓグレーディット層
９１１ ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層
９１２ ｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層
９３１ ｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層
９３２ ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層
９３３ ｐ型ＡｌＧａＡｓ酸化狭窄層（電流狭窄層）

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

本実施形態の面発光レーザの構成を説明する。図２は本実施形態の面発光レーザのバンド構造と電界強度曲線を示す図である。図２は、横軸に積層方向（光軸方向）の位置を示し、縦軸に各層のバンドギャップエネルギーを模式的に示したものである。

図に示す符号１２２の曲線はＶＣＳＥＬ中に形成される電界強度分布を示したものである。電界強度分布とは、定在波の電界ベクトルを２乗した値の分布のことである。本実施形態の面発光レーザは、第１の多層膜ブラッグ反射鏡１１と、第２の多層膜ブラッグ反射鏡１３と、これらの反射鏡に挟まれた光共振器部１２とを有する。第１の多層膜ブラッグ反射鏡１１および第２の多層膜ブラッグ反射鏡１３はＤＢＲの一種である。

λを面発光レーザの発振波長とすると、第１の多層膜ブラッグ反射鏡１１は、第１の低屈折率層１１２および第１の高屈折率層１１１のそれぞれのλ／４層厚の交互多層膜からなる。第２の多層膜ブラッグ反射鏡１３は、第２の低屈折率層１３１および第２の高屈折率層１３２のそれぞれのλ／４層厚の交互多層膜からなる。光共振器部１２は、光学利得を発生する活性層部１２１がその内部に含まれる構成である。

また、本実施形態の面発光レーザは、光共振器部１２の両側が第１の低屈折率層１１３と第２の低屈折率層１３１で挟まれ、かつ、光共振器部１２の実効的な屈折率ｎ_effが第１の低屈折率層１１３および第２の低屈折率層１３１よりも大きい構造である。さらに、光共振器の層厚をＬとすると、光共振器部１２の光路長ｎ_effＬは、０．５λ＜ｎ_effＬ≦０．７λになっている。光路長ｎ_effＬが半波長よりもやや大きく、かつ、活性層部１２１が電界強度曲線１２２の腹の近傍に形成されている。

光路長ｎ_effＬから０．５λを引いた結果の値をΔＬとすると、第１の多層膜ブラッグ反射鏡１１または第２の多層膜ブラッグ反射鏡１３と光共振器部１２との境界からΔＬ離れた位置に活性層１２１を設ければ、活性層１２１の位置が電界強度曲線１２２の腹の部位になる。図２では、第１の多層膜ブラッグ反射鏡１１の導電性がｎ型の場合として示しているので、第１の多層膜ブラッグ反射鏡１１に近い側に活性層１２１が設けられている。

次に、上述の構成の面発光レーザの動作原理について説明する。

ＶＣＳＥＬの緩和振動周波数を増大するための一つの手段として、光軸方向の光強度の広がりを小さくすることで実効的な光の体積を小さくし、光子密度を高める方法がある。光軸方向の光の広がりは、上下ＤＢＲへの光の侵入長と光共振器の光路長を足したもので測られる。

本実施形態では、光軸方向の光強度の広がりを小さくするために、光共振器の光路長を最小値である半波長キャビティ程度にしている。関連する半波長キャビティ（微小共振器）構造では、課題の欄で説明したように、電流注入が阻害されることに問題がある。この問題を解決するために、本実施形態の面発光レーザでは、光共振器部の実効的な屈折率を大きくし、光共振器部の両側を低屈折率層で挟んでいる。

図３は本実施形態の面発光レーザの基本構造のバンド構造と電界強度曲線を示す図である。

図３に示すように、本実施形態の基本構造となる面発光レーザは、第１の多層膜ブラッグ反射鏡２２１と第２の多層膜ブラッグ反射鏡１３との間に光共振器部２２２が挟まれた構成である。光共振器部２２２の活性層部２１２１は、活性層部２１２１と同程度のバンドギャップを有する層（高屈折率層に相当）１２３で挟まれている。

このような構造では、比較的バンドギャップが小さく、活性層と同程度のバンドギャップを有する層１２３で活性層部２１２１の周りを構成することができるため、活性層部２１２１への電流注入が容易となる。

しかし、図３に示した基本構造では、光共振器部２２２の中心付近は電界強度曲線２２２２の節にあたるため、ここに活性層部２１２１を配置しても活性層のゲインが共振器で有効に増幅しないため、良好なＶＣＳＥＬ特性は得られない。また、図３のようなＶＣＳＥＬ構造では、電界強度曲線２２２２の腹が光共振器部２２２とＤＢＲ２２１，１３のそれぞれとの境界にあるため、活性層の位置が電界強度曲線２２２２の腹の位置から大きく離れてしまっている。

そこで、本実施形態では、図３に示す基本構造を発展させて図２に示したように、電界強度曲線１２２の腹の位置に活性層１２１を配置できるように、光共振器部１２の光路長ｎ_effＬを、０．５λ＜ｎ_effＬ≦０．７λと半波長より少し長くしている。一方、光共振器部１２の光路長を０．７λより長くしてしまうと、ＶＣＳＥＬの共振ピーク波長が長波長化し、ＤＢＲの反射率が最大となる波長との差は大きくなるため、ＶＣＳＥＬとしての特性が低下する。

なお、光共振器部１２の光路長をλ／２よりも少し長くしたことで、光共振器部１２と接するＤＢＲ１１側の第１の低屈折率層１１３の光路長は、光共振器部１２の光路長が増加した分だけ小さくなり、λ／４よりも小さくなる。

光路長ｎ_effＬを長くした分のΔＬ（＝ｎ_effＬ−０．５λ）だけ第１の多層膜ブラッグ反射鏡１１の境界から内側に電界強度曲線１２２の腹が位置する。この位置に活性層１２１を配置している。図２では、第１の多層膜ブラッグ反射鏡１１の導電性をｎ型の場合を示している。そのため、第１の多層膜ブラッグ反射鏡１１の境界からΔＬの位置に活性層１２１を配置しているが、第２の多層膜ブラッグ反射鏡１３の導電性がｎ型であれば、第２の多層膜ブラッグ反射鏡１３の境界からΔＬの位置に活性層１２１を配置する。ｎ型のＤＢＲに近い側に活性層を設けるのは、電子の方がホールに比べてポテンシャル障壁を越えやすく、電子の供給源に近い側に活性層を設けるためである。

このような構造にすることで、電流注入が容易な微小共振器構造を有する面発光レーザが実現される。

本実施形態の面発光レーザにおいては、光共振器部は、これを挟む第１の層および第２の層の屈折率よりも実効的な屈折率ｎ_effが大きいので、バンドギャップが周囲よりも小さくなる。このような光共振器部の光路長を０．５λにすると、第１の層および第２の層のそれぞれと光共振器部との境界に電界強度の腹が位置する。本実施形態では、光共振器部の光路長ｎ_effＬを０．５λよりもΔＬ（０＜ΔＬ≦０．２λ）だけ長くすることで、電界強度の腹の位置を多層膜ブラッグ反射鏡との境界からΔＬだけ離し、その位置に活性層部を配置している。そのため、活性層部のゲインが共振器で有効に増幅可能となり、低閾値、高効率な素子特性が得られる。また、活性層部がバンドギャップの小さい層で挟まれているため、微小共振器構造においても容易に電流注入ができるようになる。よって、緩和振動周波数が上がり、高速変調性が向上する。

また、光共振器部１２をバンドギャップの比較的小さな層で構成できるため、この光共振器部１２のほぼ中央にある電界強度の節の部分に、低電圧で十分なトンネル電流を流すことのできる、良好なトンネル接合構造を導入することが可能となる。トンネル電流は、バンドギャップが小さいほど指数関数的に大きくなるという性質があるからである。トンネル接合により電流のキャリアを正孔から電子に転換することができ、電流注入のための電極は両方ともｎ型電極にすることが可能となる。これにより、ＤＢＲ１３が誘電体多層膜等の非導電性材料で形成されている場合でも、良好な電流−電圧特性を有するＶＣＳＥＬを実現することが可能となる。

さらに、電流注入のための電極が両方とも低抵抗のｎ型電極にしたトンネル接合を活性層部の近くに配置することができるようになったため、素子の低抵抗化が実現され、微小共振器構造本来の特性である低閾値特性、高速変調特性等を引き出すことが可能となる。このため、本実施形態の面発光レーザを、特に、低消費電力性および高速変調特性等が必要とされる光インターコネクション用光源として用いることができる。
以下に、具体的なＶＣＳＥＬ構造について実施例を用いて説明する。各実施例において、Ｌを光共振器の層厚とし、λを面発光レーザの発振波長とする。

図４Ａは本実施例の面発光レーザのバンド構造および電界強度曲線を示す図である。図４Ａを用いて本実施例の面発光レーザの構成を説明する。

本実施例の面発光レーザは、半導体材料で構成された第１の多層膜ブラッグ反射鏡３１と、誘電体材料で構成された第２の多層膜ブラッグ反射鏡３３と、これらのＤＢＲに挟まれた光共振器部３２とを有する。第１の多層膜ブラッグ反射鏡３１は、半導体ＤＢＲに相当する。第２の多層膜ブラッグ反射鏡３３は、誘電体ＤＢＲに相当する。

第１の多層膜ブラッグ反射鏡３１は、第１の低屈折率層３１２および第１の高屈折率層３１１のそれぞれのλ／４層厚の交互多層膜からなる。第２の多層膜ブラッグ反射鏡３３は、第２の低屈折率層３３１および第２の高屈折率層３３２のそれぞれのλ／４層厚の交互多層膜からなる。光共振器部３２は、光学利得を発生する活性層部３２１がその内部に含まれる構成である。

また、光共振器部３２の両側が第１の低屈折率層３１３と第２の低屈折率層３３１で挟まれている。活性層部３２１は、活性層部３２１と同程度のバンドギャップを有する層（高屈折率層に相当）３２３で挟まれている。そのため、共振器部の実効的な屈折率ｎ_effが第１の低屈折率層３１３および第２の低屈折率層３３１よりも大きくなっている。

さらに、光共振器部３２の光路長ｎ_effＬは、０．５λ＜ｎ_effＬ≦０．７λであり、半波長よりも大きくなっており、かつ、活性層部３２１が電界強度曲線３２２の腹に該当する位置に形成されている。

図４Ｂは図４Ａに示したＶＣＳＥＬの電界強度の絶対値を計算した結果を示す。図４Ｂは、横軸は光軸方向位置を示し、縦軸は電界強度を示す。

計算には、光共振器部３２の光路長を０．６λとし、半導体ＤＢＲ３１の第１の低屈折率層３１２にＡｌＡｓ層を用い、第１の高屈折率層３１１にＧａＡｓ層を用いた。また、誘電体ＤＢＲ３３の第２の低屈折率層３３１にＳｉＯ_２層を用い、第２の高屈折率層３３２にアモルファスＳｉ層を用いた。ＳｉＯ_２層／アモルファスＳｉ層を１ペアとすると、誘電体ＤＢＲ３３のペア数を３ペアとし、半導体ＤＢＲのペア数を２０ペアとし、ＤＢＲの設計波長を１０７０ｎｍとした。

このＶＣＳＥＬ構造の共振ピーク波長は１０７５ｎｍと計算され、ＤＢＲの設計波長１０７０ｎｍとは５ｎｍしか変化しておらず、ＤＢＲからの反射率も十分に高い波長範囲にある。また、活性層部３２１は電界強度の腹の位置とほぼ一致しており、強度的にも十分な大きさになっている。このＶＣＳＥＬに励起光を光強度を変化させながら照射すると、低い励起光強度で良好なＶＣＳＥＬ発振が得られる。

ここで、光共振器部の光路長を０．５λとし、光共振器部の上下のＤＢＲの層厚を調整し、活性層を電界強度の腹の位置に合わせた場合について説明する。この場合の面発光レーザを、本実施形態の面発光レーザと比較するための比較例とする。

図５Ａは、比較例の面発光レーザのバンド構造および電界強度曲線を示す図である。

図５Ａに示すように、比較例の面発光レーザは、半導体材料で構成された第１の多層膜ブラッグ反射鏡４１と、誘電体材料で構成された第２の多層膜ブラッグ反射鏡４３と、これらのＤＢＲに挟まれた光共振器部４２とを有する。第１の多層膜ブラッグ反射鏡４１が半導体ＤＢＲに相当し、第２の多層膜ブラッグ反射鏡４３が誘電体ＤＢＲに相当する。

第１の多層膜ブラッグ反射鏡４１は、第１の低屈折率層４１２および第１の高屈折率層４１１のそれぞれのλ／４層厚の交互多層膜からなる。第２の多層膜ブラッグ反射鏡４３は、第２の低屈折率層４３１および第２の高屈折率層４３２のそれぞれのλ／４層厚の交互多層膜からなる。光共振器部４２は、光学利得を発生する活性層部４２１がその内部に含まれる構成である。

そして、図５Ａに示す比較例では、光共振器の光路長を０．５λとしている。活性層部４２１は、活性層部４２１と同程度のバンドギャップを有する層（高屈折率層に相当）４２３で挟まれている。また、上下のＤＢＲの光路長について、誘電体ＤＢＲ４３側の第２の低屈折率層４３１を本実施例よりも長くし、半導体ＤＢＲ４１側の第１の低屈折率層４１３を本実施例よりも短くして、電界強度曲線４２２に示すように、電界強度の腹および節の位置をシフトさせている。

図５Ｂは図５Ａの構造のＶＣＳＥＬでの電界強度の絶対値の計算結果を示す図である。この構造では、共振ピーク波長は１０５２ｎｍと計算され、ＤＢＲの設計波長１０７０ｎｍよりも１８ｎｍも短波長化しており、ＤＢＲからピーク反射率波長から大きく外れている。また、活性層部４２１は電界強度の腹の位置からずれており、強度的にも落ちていることがわかる。

比較例の結果を見てわかるように、活性層部を電界強度の腹の位置に合わせるために、ただ上下のＤＢＲの層厚を調整して空間的にシフトさせるような構造では、ＤＢＲと光共振器部の間の定在波の立ち方に乱れが生じることが明らかとなった。このような現象は、特に、屈折率差の大きい誘電体／半導体界面がきちんと定在波の腹の位置にない場合に顕著となる。

本実施例のように、一方のＤＢＲが誘電体で構成されているような場合は、光共振器の光路長を０．５λより長くとり、活性層を定在波の腹の位置に配置することが重要である。

本実施例では、電流注入型ＶＣＳＥＬ構造の一構成例について説明する。図６Ａは本実施例の面発光レーザのバンド構造を示す模式図であり、図６Ｂは素子構造の断面を示す模式図である。図６Ａには縦軸および横軸を示していないが、縦軸、横軸は図２と同様である。

図６Ａに示すように、本実施例の面発光レーザは、第１の多層膜ブラッグ反射鏡５１と、第２の多層膜ブラッグ反射鏡５３と、これらのＤＢＲに挟まれた光共振器部５２とを有する。第１の多層膜ブラッグ反射鏡５１はｎ型ＤＢＲ層に相当し、第２の多層膜ブラッグ反射鏡５３は誘電体ＤＢＲに相当する。

ｎ型ＤＢＲ層５１は、高屈折率層のＳｉドープＧａＡｓ層５１１と低屈折率層のＳｉドープＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層５１２との一対（ペア）を基本単位にして、この組み合わせのペアを複数含んでいる。これらの層はいずれもＳｉドープの濃度を２ｘ１０^１８ｃｍ^−３とする。

低屈折率層と高屈折率層の間には、電気抵抗低減のためにＳｉドープＡｌＧａＡｓグレーディット層５１４が設けられている。誘電体ＤＢＲ５３は、ＳｉＯ_２層５３１／アモルファスＳｉ層５３２のペアを複数含んでいる。光共振器部５２は、３重量子井戸活性層５２１と、炭素（Ｃ）ドープされたｐ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ電子ブロック層５２２と、トンネル接合部５２３と、ＳｉドープＧａＡｓ層５２４とが積層されている。３重量子井戸活性層を、以下では、単に活性層と称する。光共振器部５２の光路長ｎ_effＬと、活性層５２１の配置は実施例１と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

次に、本実施例の面発光レーザの製造方法を説明する。

高屈折率層のＳｉドープＧａＡｓ層５１１と低屈折率層のＳｉドープＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層５１２とのペアを基本単位にして、３５．５ペアを有するｎ型ＤＢＲ層５１をｎ型ＧａＡｓ基板５０上に有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法にて形成する。ｎ型ＧａＡｓ基板５０はＳｉドープの濃度が２ｘ１０^１８ｃｍ^−３の基板とする。ＭＯＣＶＤ法の代わりに、分子線エピタキシー成長（ＭＢＥ）法を用いてもよい。

低屈折率層と高屈折率層の間には、電気抵抗低減のためにＳｉドープＡｌＧａＡｓグレーディット層５１４を形成する。ｎ型ＤＢＲ層５１を構成する各層の層厚がいわゆるλ／４の多層反射膜になるように、それぞれの層を形成している。ｎ型ＤＢＲ層５１の最後の低屈折率層のｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層５１３の層厚を、光路長０．１λ分だけ薄くしている。

光共振器部５２の製造工程では、ｎ型ＤＢＲ層５１の上に５ｎｍ厚のアンドープＩｎ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓウエル層と１０ｎｍ厚のアンドープＧａＡｓバリア層からなる３重量子井戸活性層（以下では、活性層と称する）５２１を成長させる。続いて、電子ブロック層として３０ｎｍ厚の炭素（Ｃ）ドープしたｐ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ電子ブロック層５２２や高濃度ＣドープＧａＡｓＳｂと高濃度ＳｉドープＩｎＧａＡｓからなるトンネル接合層を積層する。

ここで、一旦成長ウエハを成長炉から取り出し、円形メサ型のマスクレジストをトンネル接合層の上に形成し、マスクレジストの上からエッチングを行ってトンネル接合部５２３をパターニングする。この工程により、素子通電時にはトンネル接合部５２３のない部分にはｐｎ接合の逆バイアスがかかり電流がブロックされるので、最終的にトンネル接合部５２３の残った部分にだけ電流が流れ、電流狭窄構造が実現される。

その後、活性層領域の一部を酸素イオン注入で高抵抗化し、マスクレジスト除去後、再度成長炉にウエハを入れて、ＳｉドープＧａＡｓ層５２４を成長させて、光共振器部５２が形成される。最後の３０ｎｍ厚のＳｉドープＧａＡｓ層５２４はコンタクト層である。

ここで、トンネル接合部５２３の形成位置が光共振器部５２の電界強度の節になるようにスペーサ層厚が設計されている。これにより、高濃度ドーピングによる光吸収を最小限に抑えることができる。また、活性層５２１の形成位置が電界強度の腹になるように設計されており、光共振器部５２の光路長は本実施例の場合０．６λとした。

その後、ウエハを成長炉から取り出し、ＳｉＯ_２層５３１／アモルファスＳｉ層５３２のペアが３層積層された誘電体ＤＢＲ５３を形成する。

以上のようにして形成された積層構造を、デバイスプロセス工程で面発光レーザ素子に加工する。まず、誘電体ＤＢＲ５３の一部をエッチングで除去し、ＳｉドープＧａＡｓ層５２４を露出させる。そこに、電極として、ＡｕＧｅ合金によるｎ型の電極５５を形成する。また、ｎ型ＧａＡｓ基板５０の裏面にもＡｕＧｅ合金によるｎ型の電極５４を形成する。

このＶＣＳＥＬ素子に、電圧を印加することで電流が流れ、電流値が閾値電流を越えたところでレーザ発振する。電圧を電極５４と電極５５との間に印加し、電極５５の方が電極５４よりも高電圧になるようにする。これにより、トンネル接合部５２３以外のところでは、ｐｎ逆バイアスがかかり空乏層が広がるため電流がブロックされる。トンネル接合５２３では、逆バイアス印加により電流が流れ、ｐ型ＧａＡｓＳｂ層またはｐ型ＡｌＧａＡｓ層から活性層５２１に向けて正孔が注入される。

このＶＣＳＥＬの電流狭窄径５μｍの素子では、発振閾値電流が０．５ｍＡ、微分抵抗が８０Ωと、良好な静特性を有している。本実施例により、活性層部の周りにバンドギャップの小さい半導体層を配置できるようになったため、電流注入阻害の問題が解消する。また、トンネル接合も活性層部の近くに配置することができるようになったため、素子の低抵抗化を実現できた。

さらに、小信号変調実験から、この素子の緩和振動周波数ｆｒは、約２６ＧＨｚであり、関連するλ共振器の酸化狭窄型ＶＣＳＥＬの２０ＧＨｚを大幅に上回った。

この理由は次のように考えられる。λ共振器の酸化狭窄型ＶＣＳＥＬの積層方向の有効共振器長が約１．２４μｍであるのに対して、本実施例の素子では関連するλ共振器に比べて０．７０５μｍと小さくなっている。その結果、ｆｒの電流変調効率は関連するλ共振器よりも約１．３３倍になり、緩和振動周波数ｆｒの上限が伸びたためと考えられる。

特に、本ＶＣＳＥＬ構造では、上側ＤＢＲに誘電体ＤＢＲ５３を用いているため、その部分の光の侵入長が０．０５４μｍと小さくなっている。そのため、光共振器部の光路長を関連するλ共振器から半分程度にしたときの、全体の有効共振器長に対する影響が大きくなっている。

なお、本実施例では基板裏面からｎ側電極を取ったが、表面の一部からｎ型ＤＢＲ層５１までエッチングを行い、基板の露出面からｎ側電極をとることも可能である。

実施例２においては、電流狭窄をトンネル接合部５２３で行ったのに対して、本実施例では、ｎ型半導体ＤＢＲ部の一部に酸化電流狭窄構造を設けている。

図７は本実施例の面発光レーザのバンド構造を示す模式図である。図７には縦軸および横軸を示していないが、縦軸、横軸は図２と同様である。

図７に示すように、本実施例の面発光レーザは、第１の多層膜ブラッグ反射鏡６１と、第２の多層膜ブラッグ反射鏡６３と、これらのＤＢＲに挟まれた光共振器部６２とを有する。第１の多層膜ブラッグ反射鏡６１は下部ｎ型ＤＢＲ層に相当し、第２の多層膜ブラッグ反射鏡６３は上部ｎ型ＤＢＲ層に相当する。

下部ｎ型ＤＢＲ層６１は、高屈折率層のｎ型ＧａＡｓ層６１１と低屈折率層のｎ型ＡｌＧａＡｓ層６１２との一対（ペア）を基本単位にして、この組み合わせのペアを複数含んでいる。低屈折率層と高屈折率層の間には、電気抵抗低減のためにＳｉドープＡｌＧａＡｓグレーディット層６１５が設けられている。また、光共振器部６２近くの低屈折率層となるｎ型ＡｌＧａＡｓ層６１３の一部が、電流狭窄用の層であるＳｉドープＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層６１４になっている。

上部ｎ型ＤＢＲ層６３は、ＳｉＯ_２層６３１／アモルファスＳｉ層６３２のペアを複数含んでいる。光共振器部６２は、３重量子井戸活性層（以下では、単に活性層と称する）６２１と、ｐ型ＡｌＧａＡｓ電子ブロック層６２２と、トンネル接合部６２３と、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層６２４とが積層されている。

なお、上部ｎ型ＤＢＲ層６３および光共振器部６２は、実施例２のそれぞれに対応する構成と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

上述したように、本実施例では、下部ｎ型ＤＢＲ層６１の一部に電流狭窄用の層であるＳｉドープＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層（以下では、単に電流狭窄層と称する）６１４が形成されている。また、この構造では、電子によるｎ型電流狭窄となるので、電流狭窄層６１４と活性層６２１との間には移動度の高いＧａＡｓ層はできるだけ積層しないようにしている。

電子の移動度はＡｌＧａＡｓのＡｌ組成が０．３５以上では正孔と同程度に小さいことが知られており、このような組成のＡｌＧａＡｓを用いることで十分な電流狭窄効果が得られる。また、材料としてはＡｌＧａＡｓだけではなく移動度の小さい材料ならよく、希薄Ｎ系半導体などでもよい。希薄Ｎ系半導体の例としては、ＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＰＮ、ＡｌＧａＡｓＮおよびＧａＡｓＰＮがある。

また、電流狭窄はＡｌＧａＡｓの酸化層部で行うため、トンネル接合部６２３はパターニングする必要はない。素子化のプロセス工程は関連する酸化狭窄型面発光レーザ素子と同様であるため、ここでは、詳細な説明を省略し、酸化狭窄構造の形成工程について簡単に説明する。

酸化狭窄構造は、下部ｎ型ＤＢＲ層６１の高屈折率層のうち最上層のｎ型ＧａＡｓ層６１１が露出するまで選択的にエッチングを行うことで、直径約３０μｍの円柱状構造に形成される。この工程により、Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓの電流狭窄層の側面が露出する。そして、水蒸気雰囲気中の炉内において温度約４００度で約１０分間加熱を行う。電流狭窄層のＡｌ組成は０．９８と大きく、下部ｎ型ＤＢＲ層６１の中の低屈折率ＡｌＧａＡｓ層６１２のＡｌ組成０．９と差があるため酸化速度が速く、電流狭窄層６１４で選択的に酸化が進む。これにより、ドーナッツ型の電流ブロック構造が形成され、中心部には直径が約６μｍの電流通過層が形成される。

本実施例では、面内の光閉じ込めが酸化層によって行われる点が実施例２とは異なるが、積層方向の有効共振器長は同じであり、このため高速変調特性は実施例２と同様である。

本実施例では、実施例２の下部ｎ型ＤＢＲ層の一部を半導体／絶縁体の多層膜で構成されるＤＢＲに置き換えている。

図８は本実施例の面発光レーザのバンド構造を示す模式図である。図８には縦軸および横軸を示していないが、縦軸、横軸は図２と同様である。

図８に示すように、本実施例の面発光レーザは、第１の多層膜ブラッグ反射鏡７１と、第２の多層膜ブラッグ反射鏡７３と、これらのＤＢＲに挟まれた光共振器部７２とを有する。第１の多層膜ブラッグ反射鏡７１は下部ｎ型ＤＢＲ層に相当し、第２の多層膜ブラッグ反射鏡７３は上部ｎ型ＤＢＲ層に相当する。

下部ｎ型ＤＢＲ層７１は、高屈折率層のＧａＡｓ層７１１とＡｌＯｘ酸化低屈折率層７１２との一対（ペア）を基本単位にして、この組み合わせのペアを複数含んでいる。ＡｌＯｘ酸化低屈折率層７１２は、本実施例では、Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層が酸化されたものである。また、上部ｎ型ＤＢＲ層７１内の最上層のＡｌＯｘ酸化低屈折率層７１２の光共振器部７２側に、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７１５、ｎ型ＡｌＧａＡｓグレーディット層７１４および低屈折率層のｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層７１３が順に形成されている。

上部ｎ型ＤＢＲ層７３は、ＳｉＯ_２層７３１／アモルファスＳｉ層７３２のペアを複数含んでいる。光共振器部７２は、３重量子井戸活性層（以下では、単に活性層と称する）７２１と、ｐ型ＡｌＧａＡｓ電子ブロック層７２２と、トンネル接合部７２３と、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７２４とが積層されている。

なお、上部ｎ型ＤＢＲ層７３および光共振器部７２は、実施例２のそれぞれに対応する構成と同様であるため、その詳細な説明を省略する。また、実施例２と同様に、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７２４の一部に接続する電極が設けられている。

上述したように、本実施例では、下部ｎ型ＤＢＲ層７１において、光共振器部７２に最も近いｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層７１３以外の低屈折率層を酸化に容易なＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層で形成している。そして、この層を酸化したＡｌＯｘ酸化低屈折率層７１２が設けられている。Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層の層厚は酸化後の光路長がλ／４になるように、この層を形成する。

ＧａＡｓ層７１１とＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層（ＡｌＯｘ酸化低屈折率層７１２に相当）のペア数は５ペアとした。また、この部分には電流が流れないので実施例２で設けられたＳｉドープＡｌＧａＡｓグレーディット層５１４に対応する層は、ｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層７１３の両側にだけに必要である。

Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層の酸化プロセスは、実施例３で説明したのと同様である。本実施例では、ＧａＡｓ基板からは、電極がとれないので、光共振器部７２に最も近い高屈折率層のＧａＡｓコンタクト層７１５の一部から表面電極でとる。

このＶＣＳＥＬの電流狭窄径５μｍの素子の緩和振動周波数ｆｒは、約３０ＧＨｚであり、実施例２、３のＶＣＳＥＬ構造よりもさらに高い。これは、実施例２のＶＣＳＥＬの積層方向の有効共振器長が０．４３μｍと非常に小さくなっているため、ｆｒの電流変調効率は関連するλ共振器の酸化狭窄型ＶＣＳＥＬの約１．７倍にまで増加しており、これにより緩和振動周波数ｆｒの上限が伸びたためと考えられる。

ただし、計算上は、ｆｒは３４ＧＨｚ程度まで伸びるはずであるが、そこまで上限が伸びていない。これは、ＧａＡｓ基板側に半導体を酸化させた絶縁体層のＡｌＯｘ酸化低屈折率層７１２があり、この層の熱抵抗が高く、駆動電流を増やしていったときの活性層の温度上昇が早く、この分緩和振動周波数ｆｒの電流に対する伸びが早めに飽和したためと考えられる。

本実施例では、基板にｐ型ＧａＡｓを用い、下側のＤＢＲ層をｐ型ドープ層で構成している。

図９は本実施例の面発光レーザのバンド構造を示す模式図である。図９には縦軸および横軸を示していないが、縦軸、横軸は図２と同様である。

図９に示すように、本実施例の面発光レーザは、第１の多層膜ブラッグ反射鏡８１と、第２の多層膜ブラッグ反射鏡８３と、これらのＤＢＲに挟まれた光共振器部８２とを有する。第１の多層膜ブラッグ反射鏡８１は下部ＤＢＲ層に相当し、第２の多層膜ブラッグ反射鏡８３は上部ＤＢＲ層に相当する。

下部ＤＢＲ層８１は、ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層８１１とｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層８１２との一対（ペア）を基本単位にして、この組み合わせのペアを複数含んでいる。低屈折率層と高屈折率層の間には、電気抵抗低減のためにｐ型ＡｌＧａＡｓグレーディット層８１５が設けられている。

光共振器部８２近くのｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層８１３の一部が、電流狭窄用の層であるＣドープＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層（酸化狭窄層）８１４になっている。上部ＤＢＲ層８３は、ＳｉＯ_２層８３１／アモルファスＳｉ層８３２のペアを複数含んでいる。光共振器部６２は、３重量子井戸活性層８２１とｎ型ＧａＡｓコンタクト層８２２とが積層されている。

光共振器部６２の光路長ｎ_effＬと、３重量子井戸活性層８２１の配置は実施例１と同様であるため、その詳細な説明を省略する。また、実施例２と同様に、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層８２２の一部に接続する電極が設けられている。

上述したように、本実施例では、光共振器部８２に近いｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層８１３の一部に酸化狭窄のためのＣドープＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層８１４が設けられている。光共振器部８２の一部には、ＳｉドープＧａＡｓのｎ型コンタクト層８２２が設けられている。上部ＤＢＲ層８３はＳｉＯ_２層８３１／アモルファスＳｉ層８３２の３ペアの誘電体ＤＢＲから構成されている。

なお、本実施例の場合は、２つのＤＢＲの組み合わせがｐ型半導体層（下部ＤＢＲ層８１に相当）と誘電体層（上部ＤＢＲ層８３に相当）であり、半導体層がｐ型である点が上述の他の実施例と異なる。光共振器部８２と上部ＤＢＲ層８３との屈折率差により、これらの境界に電界強度の腹が位置し、光共振器部８２の光路長を実施例１のようにΔＬだけ長くしても、これらの境界の腹の位置は変わらない。そのため、光路長をΔＬだけ長くしたとき、下部ＤＢＲ層８１と光共振器部８２との境界に近い方の腹に活性層８２１を配置している。

このＶＣＳＥＬ構造の素子化プロセスは、関連する酸化狭窄型ＶＣＳＥＬのものと同様であるため、その詳細な説明を省略する。

本実施例では、面発光レーザを動作させる際に用いるｐ型電極を、基板裏面からチタン(Ｔｉ)／金（Ａｕ）のｐ型電極でとった。本実施例のＶＣＳＥＬの積層方向の有効共振器長は、実施例２、３と同等であり、緩和振動周波数ｆｒも２６ＧＨｚと同等であった。

なお、ｐ型電極を第１の多層膜ブラッグ反射鏡８１のｐ型半導体層の一部に設けてもよい。ｐ型基板やｐ型半導体層は抵抗が高いため、活性層により近い側で電極をとって電圧をかけることで、ホールを活性層に注入しやすくなる。

本実施例では、実施例５で説明した第１の多層膜ブラッグ反射鏡および第２の多層膜ブラッグ反射鏡が共に半導体ＤＢＲで構成されている。

図１０は本実施例の面発光レーザのバンド構造を示す模式図である。図１０には縦軸および横軸を示していないが、縦軸、横軸は図２と同様である。

図１０に示すように、本実施例の面発光レーザは、下部ＤＢＲ層９１と、上部ＤＢＲ層９３と、これらのＤＢＲに挟まれた光共振器部９２とを有する。下部ＤＢＲ層９１は第１の多層膜ブラッグ反射鏡に相当し、上部ＤＢＲ層９３は第２の多層膜ブラッグ反射鏡に相当する。下部ＤＢＲ層９１および上部ＤＢＲ層９３のそれぞれが半導体ＤＢＲで構成されている。

下部ＤＢＲ層９１は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層９１１とｎ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層９１２との一対（ペア）を基本単位にして、この組み合わせのペアを複数含んでいる。低屈折率層と高屈折率層の間には、電気抵抗低減のためにｎ型ＡｌＧａＡｓグレーディット層９１３が設けられている。光共振器部９２は３重量子井戸活性層９２１を有する構成である。

上部ＤＢＲ層９３は、ｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層９３１とｐ型ＧａＡｓ高屈折率層９３２とのペアを複数含んでいる。光共振器部９２近くのｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層９３３の一部が、電流狭窄用の層であるｐ型ＡｌＧａＡｓ酸化狭窄層（電流狭窄層）９３３になっている。ｐ型ＡｌＧａＡｓ酸化狭窄層９３３は、例えば、ＣドープＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層である。

上述したように、本実施例では、ｎ型ＧａＡｓ基板の上にｎ型半導体ＤＢＲ部（下部ＤＢＲ層９１に相当）が形成され、その上に光共振器部９２およびｐ型半導体ＤＢＲ部（上部ＤＢＲ層９３に相当）が順次形成されている。電流狭窄層９３３はｐ型半導体ＤＢＲ部の光共振器部９２に最も近い低屈折率層のところに設けられている。ｎ側の電極は、表面側からでも裏面側からでもとることが可能である。

本実施例では、光共振器部９２の上下に設けられた下部ＤＢＲ層９１および上部ＤＢＲ層９３に半導体ＤＢＲを用いている。そのため、この部分の光の侵入長が片側約０．４７μｍと大きく、光共振器部９２の光路長を約半分にしても、全体の有効共振器長はそれほど小さくならない。

本実施例では、有効共振器長は約１．１５μｍである。これは関連するλ共振器のＶＣＳＥＬの有効共振器長（約１．２４２μｍ）の０．９３倍であり、ｆｒの電流変調効率は約１．０４倍となり、緩和振動周波数ｆｒとして約２１ＧＨｚ程度が期待される。

上述した実施例１から実施例６のいずれにおいても、面発光レーザの発振波長として１０７０ｎｍの例を挙げたが、他の材料系を用いた異なる波長帯においても同様の効果が期待される。

また、電流狭窄構造の一部にＡｌＧａＡｓの選択酸化を用いたが、この代わりにプロトン等のイオン注入を行った電流狭窄構造であってもよい。また、量子井戸構造のウエル数を３としたが、発振に必要なゲインが得られるなら、これに限定されない。

また、光共振器の光路長ｎ_effＬを０．６λとして説明したが、光路長ｎ_effＬは０．５λ＜ｎ_effＬ≦０．７λの範囲であればよい。また、ｎ型ＧａＡｓ基板上にＶＣＳＥＬを形成したが、ｐ型基板を用いて積層順を反対にしてもよい。さらに、実施例６では、電流狭窄構造としてｐ型の酸化電流狭窄構造を示したが、実施例３で示したようなｎ型の酸化電流狭窄構造を用いてもよい。

以上、実施形態及び実施例を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２００６年１２月２７日に出願された日本出願の特願２００６−３５２５３５の内容が全て取り込まれており、この日本出願を基礎として優先権を主張するものである。

Claims (7)

1. 第１の層および該第１の層よりも屈折率の大きい第１の高屈折率層を含む第１の多層膜ブラッグ反射鏡と、第２の層および該第２の層よりも屈折率の大きい第２の高屈折率層を含む第２の多層膜ブラッグ反射鏡と、該第１および第２の多層膜ブラッグ反射鏡に挟まれ、光学利得を発生する活性層部を含む光共振器部とを有する面発光レーザであって、
   前記第１の多層膜ブラッグ反射鏡について前記光共振器部に接している層が前記第１の層であり、前記第２の多層膜ブラッグ反射鏡について前記光共振器部に接している層が前記第２の層であり、
   前記共振器部の実効的な屈折率ｎ_effが前記第１および第２の層よりも大きく、かつ、前記光共振器部の光路長ｎ_effＬが面発光レーザの発振波長λと０．５λ＜ｎ_effＬ≦０．７λの関係にあり、
   前記光路長ｎ_effＬから０．５λを引いた結果の値をΔＬとすると、前記光共振器部と前記第１の多層膜ブラッグ反射鏡との境界から前記ΔＬ離れた位置に前記活性層部が設けられ、
   前記第１の層および前記第１の高屈折率層がｎ型の導電性を有する半導体層である、面発光レーザ。
2. 前記第２の層および前記第２の高屈折率層が誘電体層であり、
   前記第２の多層膜ブラッグ反射鏡と前記光共振器部との境界が電界強度の腹の部位に位置し、
   前記活性層部が前記第１の多層膜ブラッグ反射鏡の境界から前記ΔＬ離れた位置に設けられた請求項１に記載の面発光レーザ。
3. 前記光共振器部に、電流狭窄効果を有するトンネル接合部が電界強度の節の部位に設けられ、前記トンネル接合部よりも前記第２の多層膜ブラッグ反射鏡に近い側にｎ型の導電性を有するコンタクト層が形成され、
   前記コンタクト層の一部に電極が設けられた請求項２に記載の面発光レーザ。
4. 前記第１の層の一部に電流狭窄構造が設けられ、
   前記光共振器部に、トンネル接合部が電界強度の節の部位に設けられ、前記トンネル接合部よりも前記第２の多層膜ブラッグ反射鏡に近い側にｎ型の導電性を有するコンタクト層が形成され、
   前記コンタクト層の一部に電極が設けられた請求項２に記載の面発光レーザ。
5. 前記第１の多層膜ブラッグ反射鏡の一部が、半導体と、該半導体とは構成元素の異なる半導体を酸化させた層とで構成されている請求項３または４に記載の面発光レーザ。
6. 第１の層および該第１の層よりも屈折率の大きい第１の高屈折率層を含む第１の多層膜ブラッグ反射鏡と、第２の層および該第２の層よりも屈折率の大きい第２の高屈折率層を含む第２の多層膜ブラッグ反射鏡と、該第１および第２の多層膜ブラッグ反射鏡に挟まれ、光学利得を発生する活性層部を含む光共振器部とを有する面発光レーザであって、
   前記第１の多層膜ブラッグ反射鏡について前記光共振器部に接している層が前記第１の層であり、前記第２の多層膜ブラッグ反射鏡について前記光共振器部に接している層が前記第２の層であり、
   前記共振器部の実効的な屈折率ｎ_effが前記第１および第２の層よりも大きく、かつ、前記光共振器部の光路長ｎ_effＬが面発光レーザの発振波長λと０．５λ＜ｎ_effＬ≦０．７λの関係にあり、
   前記光路長ｎ_effＬから０．５λを引いた結果の値をΔＬとすると、前記光共振器部と前記第１の多層膜ブラッグ反射鏡との境界から前記ΔＬ離れた位置に前記活性層部が設けられ、
   前記第１の層および前記第１の高屈折率層が半導体層であり、
   前記第２の層および前記第２の高屈折率層が誘電体層であり、
   前記第２の多層膜ブラッグ反射鏡と前記光共振器部との境界が電界強度の腹の部位に位置し、
   前記第１の層および前記第１の高屈折率層がｐ型の導電性を有し、
   前記第１の層の一部に電流狭窄構造が設けられ、
   前記光共振器部に、前記活性層部よりも前記第２の多層膜ブラッグ反射鏡に近い側にｎ型の導電性を有するコンタクト層が形成され、
   前記第１の多層膜ブラッグ反射鏡の一部にｐ型の導電性を有する第１の電極が設けられ、
   前記コンタクト層に第２の電極が設けられた、面発光レーザ。
7. 前記第２の層および前記第２の高屈折率層がｐ型の導電性を有する半導体層であり、
   前記第１の多層膜ブラッグ反射鏡または前記第２の多層膜ブラッグ反射鏡の少なくとも一方に電流狭窄構造を有する請求項１に記載の面発光レーザ。

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