JP5776825B1 - 面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光出射面上に形成される出射保護膜の異方的な応力が柱状構造へ伝わり難いという不具合を抑制することができる面発光型半導体レーザを提供する。【解決手段】面発光型半導体レーザ10は、基板上に形成されたメサMの頂部の光出射面上に形成されたp側の金属電極112と、メサMの頂部に形成される長軸と短軸とを有する異方形状を有する出射保護膜120とを有する。金属電極112には、出射保護膜120の長軸方向に不連続な部分112B−1、112B−2が形成される。出射保護膜120は、金属電極112の中央の光出射口112Aを覆うとともに、不連続な部分112B−1、112B−2によって露出された半導体層の光出射面を覆う。【選択図】図1
Description
本発明は、面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置に関する。
面発光型半導体レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)は、通信装置や画像形成装置の光源に利用されている。これらの装置には、偏光ビームスプリッタなど偏光依存性のある光学機器が含まれることが多く、面発光型半導体レーザには、レーザ光の安定した偏光制御が求められる。面発光型半導体レーザ素子の利得や応力を異方的に偏在させることで偏光を制御することが提案されている(特許文献1ないし6)。
面発光型半導体レーザのメサ頂部の光出射面上に、光出射口を規定した金属電極を形成し、当該金属電極上に光出射口を覆うように異方形状の出射保護膜を形成することで、メサの活性領域に異方的な応力を与え、一定方向への偏光制御を行うことが知られている。しかしながら、出射保護膜と光出射面との間に金属電極が介在すると、出射保護膜による異方的な応力が金属電極によって緩和され、メサに異方的な応力が効果的に伝わり難くなり、偏光の制御性が低下してしまうという課題がある。
そこで、本発明では、光出射面上に形成される出射保護膜の異方的な応力が柱状構造へ伝わり難いという不具合を抑制することを目的とする。
請求項1は、基板上に垂直共振器が形成された面発光型半導体レーザであって、前記垂直共振器に形成され、頂部に半導体層の光出射面を提供する柱状構造と、前記光出射面上に形成され、中央に光出射口が形成され、かつ前記垂直共振器に電気的に接続された金属電極と、発振波長を透過可能な材料から構成され、前記基板の主面と平行な面において長軸と短軸とを有する異方性の出射保護膜と、前記金属電極に接続される金属配線とを有し、前記金属電極は、前記出射保護膜の長軸方向において、当該金属電極が2つに分割されるような不連続な部分を有し、前記出射保護膜は、前記光出射口を覆うとともに、前記不連続な部分によって露出された光出射面の少なくとも一部を覆い、2つに分割された金属電極は、前記金属配線を介して共通に駆動され、2つに分割された金属電極は、前記垂直共振器に同時にキャリアを注入し、前記柱状構造は、長軸と短軸とを有する異方性の平面形状を有し、前記柱状構造の長軸方向が前記出射保護膜の長軸方向と直交する、面発光型半導体レーザ。
請求項2は、前記不連続な部分によって分割された2つの金属電極は、前記出射保護膜の長軸に関し線対称に配置される、請求項1に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項3は、前記基板は、結晶面が特定の方向に傾斜された基板表面を有する傾斜基板であり、前記出射保護膜の長軸方向が前記傾斜基板の傾斜方向と直交する、請求項1または2に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項4は、2つに分割された金属電極は、前記傾斜基板の傾斜方向と平行に配置される、請求項3に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項5は、前記柱状構造は円筒状を有し、前記光出射面は円形状のコンタクト層であり、2つに分割された金属電極は概ね円形状である、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、前記垂直共振器は、活性領域と、活性領域の近傍に電流狭窄層とを含み、前記電流狭窄層には、選択酸化された領域によって囲まれた導電領域が形成され、前記導電領域が長軸と短軸とを有する異方性の平面形状を有するとき、前記導電領域の長軸と前記出射保護膜の長軸とが直交する、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、請求項1ないし6いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材と、を実装した面発光型半導体レーザ装置。
請求項8は、請求項7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9は、請求項1ないし6いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、
前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構と、
を有する情報処理装置。
請求項2は、前記不連続な部分によって分割された2つの金属電極は、前記出射保護膜の長軸に関し線対称に配置される、請求項1に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項3は、前記基板は、結晶面が特定の方向に傾斜された基板表面を有する傾斜基板であり、前記出射保護膜の長軸方向が前記傾斜基板の傾斜方向と直交する、請求項1または2に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項4は、2つに分割された金属電極は、前記傾斜基板の傾斜方向と平行に配置される、請求項3に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項5は、前記柱状構造は円筒状を有し、前記光出射面は円形状のコンタクト層であり、2つに分割された金属電極は概ね円形状である、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、前記垂直共振器は、活性領域と、活性領域の近傍に電流狭窄層とを含み、前記電流狭窄層には、選択酸化された領域によって囲まれた導電領域が形成され、前記導電領域が長軸と短軸とを有する異方性の平面形状を有するとき、前記導電領域の長軸と前記出射保護膜の長軸とが直交する、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、請求項1ないし6いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材と、を実装した面発光型半導体レーザ装置。
請求項8は、請求項7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9は、請求項1ないし6いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、
前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構と、
を有する情報処理装置。
請求項1、5によれば、金属電極に不連続な部分が形成されていない場合と比較して、長軸方向の出射保護膜が半導体層の光出射面に接触する面積を増加させることができる。
請求項2によれば、出射保護膜の長軸に関し線対称でない配置と比較して、出射保護膜が半導体層の光出射面に接触する面積を均等にすることができる。
請求項3、4によれば、傾斜基板を用いないときよりも、偏光抑圧比を向上させることができる。
請求項1によれば、柱状構造の長軸方向が出射保護膜の長軸方向と直交しない場合と比較して、偏光抑圧比を向上させることができる。
請求項6によれば、導電領域の長軸方向が出射保護膜の長軸方向と直交しない場合と比較して、偏光抑圧比を向上させることができる。
請求項2によれば、出射保護膜の長軸に関し線対称でない配置と比較して、出射保護膜が半導体層の光出射面に接触する面積を均等にすることができる。
請求項3、4によれば、傾斜基板を用いないときよりも、偏光抑圧比を向上させることができる。
請求項1によれば、柱状構造の長軸方向が出射保護膜の長軸方向と直交しない場合と比較して、偏光抑圧比を向上させることができる。
請求項6によれば、導電領域の長軸方向が出射保護膜の長軸方向と直交しない場合と比較して、偏光抑圧比を向上させることができる。
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下の説明では、選択酸化型の面発光型半導体レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)を例示し、面発光型半導体レーザをVCSELと称する。なお、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調しており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。
図1(A)は、本発明の第1の実施例に係るVCSELの概略平面図、図1(B)は、そのX−X線断面図、図1(C)は、そのY−Y線断面図である。但し、図1には、層間絶縁膜および金属配線が省略されている。
本実施例のVCSEL10は、n型のGaAs基板100上に、Al組成の異なるAlGaAs層を交互に重ねたn型の分布ブラック型反射鏡(Distributed Bragg Reflector:以下、DBRという)102、上部および下部スペーサ層に挟まれた量子井戸層を含む活性領域104、活性領域104上に形成されたAl組成の異なるAlGaAs層を交互に重ねたp型の上部DBR106を積層している。下部DBR102、活性領域104および上部DBR106は、基板上に垂直共振器を構成する。
n型の下部DBR102は、例えば、Al0.9Ga0.1As層とAl0.3Ga0.7As層との複数層積層体で、各層の厚さはλ/4nr(但し、λは発振波長、nrは媒質の屈折率)であり、これらを交互に40.5周期で積層してある。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、3×1018cm-3である。
活性領域104の下部スペーサ層は、アンドープのAl0.6Ga0.4As層であり、量子井戸活性層5は、アンドープAl0.11Ga0.89As量子井戸層およびアンドープのAl0.3Ga0.7As障壁層であり、上部スペーサ層は、アンドープのAl0.6Ga0.4As層である。
p型の上部DBR106は、例えば、Al0.9Ga0.1As層とp型のAl0.3Ga0.7As層との積層体で、各層の厚さはλ/4nr(但し、λは発振波長、nrは媒質の屈折率)であり、これらを交互に20ないし30周期程度積層してある。p型不純物であるカーボンをドーピングした後のキャリア濃度は、3×1018cm-3である。上部DBR106の最上層には、p型GaAsからなるコンタクト層108が形成される。コンタクト層108のキャリア濃度は、例えば、1×1019cm-3である。また、上部DBR106の最下層もしくはその内部には、p型AlAsから形成された電流狭窄層110が形成される。
図1には省略されているが、レーザ素子の直列抵抗を下げるため、p型の上部DBR106あるいは/およびn型の下部DBR102中に、Al0.9Ga0.1As層とAl0.3Ga0.7As層との間の中間のGaAs/AlAs混晶比を有する中間層(グレーデッド層)を挿入してもよい。
上部DBR106から下部DBR102に至る半導体層をエッチングすることにより、基板100上に円筒状のメサ(柱状構造)Mが形成される。電流狭窄層110は、メサMの側面で露出され、当該側面から選択的に酸化された酸化領域110Aと酸化領域110Aによって囲まれた導電領域(酸化アパーチャ)110Bを有する。VCSELの酸化工程において、AlAs層はAlGaAs層よりも酸化速度が速く、AlAs層は、メサMの側面から内部に向けてほぼ一定の速度で酸化される。このため、導電領域110Bの基板100の主面と平行な面内の平面形状は、メサMの外形を反映した円形状となり、その中心は、メサMの軸方向の光軸を規定する。本実施例では、シングルモードのレーザ光が出射されるように、導電領域110Bの径は、例えば、約5μmまたはそれ以下にされる。
コンタクト層108の終端面である光出射面上には、例えば、Ti/Auなどの積層金属から構成されたp側の金属電極112(金属電極112は、2つの金属電極112−1、112−2の総称)が形成される。金属電極112は、中央に円形状の光出射口112Aが規定された概ね環状またはリング状を有し、光出射口112Aの中心がメサMの光軸とほぼ一致する。金属電極112は、コンタクト層108にオーミック接続され、上部DBR106内にキャリアを注入する。基板100の裏面には、n側電極114が形成される。
本実施例において特徴的な構成の1つは、金属電極112には、Y軸方向において、金属電極を2つに分割するための2つの不連続な部分112B−1、112B−2が形成されていることである。2つの不連続な部分112B−1、112B−2は、あたかも環状の金属電極112から扇形状の一部を除去したような形状であり、このような不連続な部分112BをY軸方向に形成することで、金属電極112は、Y軸を挟んで2つの円弧状または円形状の金属電極112−1、112−2に分割される。
2つの不連続な部分112B−1、112B−2の形状や大きさは特に制限されないが、好ましくは、2つの不連続な部分112B−1、112B−2の形状が等しく、Y軸に関して線対称となるように形成される。また、不連続な部分112B−1、112B−2の間隔Lは、メサMの外径、金属電極112−1、112−2の半径方向の幅、光出射口112Aの径などから決定されるが、間隔Lが大きくなりすぎると、金属電極112−1、112−2がコンタクト層108と接触する面積が小さくなり、上部DBR106との電気的な抵抗が大きくなってしまう。反対に、間隔Lが小さくなりすぎると、後述するように、出射保護膜120がY軸方向においてコンタクト層108と密着される面積が小さくなり、出射保護膜120の異方的な応力がメサMの活性領域104に効果的に伝わり難くなる。
また、2つに分割された金属電極112−1、112−2の製造方法は、特に制限されないが、例えば、光出射面であるコンタクト層108上に、環状の金属電極を形成した後、不連続な部分112B−1、112B−2をエッチングにより選択的に除去することができる。あるいは、リフトオフ工程において、分割された金属電極112−1、112−2に対応するレジストパターンを光出射面上に形成し、その後、レジストパターンを除去することで光出射面上に金属電極112−1、112−2を形成することも可能である。
さらに本実施例において特徴的なことは、メサ頂部の光出射面であるコンタクト層108上に、光出射口112Aを覆うように異方性の形状の出射保護膜120が形成されることである。出射保護膜120は、発振波長に対して透明な絶縁膜、例えば、SiONから構成される。図1に示す例では、出射保護膜120は、Y軸方向に長軸、X軸方向に短軸を有する楕円形状である。好ましくは、出射保護膜120は、長軸または短軸に関し線対称であり、長軸と短軸との交点がメサMの光軸にほぼ一致するように位置決めされる。出射保護膜120の短軸方向の長さをLx、長軸方向の長さをLy、光出射口112Aの径をDとすると、Ly>Lx>Dの関係にある。つまり、出射保護膜120は、光出射口112Aを完全に覆い、さらに出射保護膜120は、長軸方向において不連続な部分112B−1、112B−2の一部または全部を覆う。出射保護膜120の膜厚は、所望の諸特性が得られるような膜厚に設定することが望ましく、例えば、λ/4*nからλ/4*(n+1)(nは奇数)であることが望ましい。
図2(A)、(B)は、図1に示すVCSELに層間絶縁膜および金属配線が形成された例である。電流狭窄層110の選択酸化を行った後、メサMを含む基板全面に層間絶縁膜130が形成される。層間絶縁膜130は、例えば、SiON、SiN等の絶縁膜から構成される。次いで、メサMの底部、側面および頂部の周縁を覆うように層間絶縁膜130がパターンニングされる。このとき、層間絶縁膜130と出射保護膜120との間に金属電極112−1、112−2の一部を露出させるようなコンタクトホールが形成される。次いで、金属配線140−1、140−2がコンタクトホールを介して金属配線112−1、112−2に接続される。金属配線140−1、140−2は、図示しない電極パッドなどに接続される。
このようなVCSEL10において、p側の金属電極112とn側の裏面電極114との間に順方向の駆動電流を印加すると、光出射口112Aからは、例えば、発振波長が約850nmのシングルモードの偏光制御されたレーザ光が出射される。
次に、本実施例のVCSELの偏光制御について説明する。上記したようにVCSEL10には、Y軸方向に2つの不連続な部分112B−1、112B−2が形成され、そして、光出射口112Aおよび2つの不連続な部分112B−1、112B−2を覆うように異方性の形状の出射保護膜120が形成される。これにより、出射保護膜120は、その長軸方向において、不連続な部分112B−1、112B−2によって露出された半導体層であるコンタクト層108に密着される。
図3(A)、(B)は、不連続な部分が形成されていない環状の金属電極150をコンタクト層(光出射面)上に形成した従来のVCSELの比較例である。図3(A)には、楕円形状の出射保護膜160が光出射口150Aを覆う例が示されている。金属電極150のY軸方向には不連続な部分が形成されていないため、出射保護膜160は、その長軸方向において金属電極150と接触し、コンタクト層に密着されない。図3(B)には、異方性の矩形状の出射保護膜162が光出射口150Aを覆う例が示されている。この場合にも、金属電極150は連続した環状であるため、出射保護膜162は、その長軸方向において金属電極150と接触し、コンタクト層に密着されない。
図3(A)、(B)に示すような環状の金属電極150は、この中心がメサMの光軸にほぼ一致し、かつ光軸に関して点対称な構成であり、さらに出射保護膜160、162との密着強度も大きくないため、そのような金属電極150上に異方性の出射保護膜160、162が形成されても、出射保護膜160、162による異方的な応力が金属電極150によって緩和、または軽減されてしまい、異方的な応力がメサMの活性領域104へ効果的に伝わり難い。これに対し、本実施例のように、金属電極150のY軸方向に不連続な部分が形成されていると、出射保護膜120が長軸方向において金属電極150に接触せずにコンタクト層108に密着されるため、出射保護膜120による異方的な応力が金属電極112によって緩和されず、活性領域104へ伝わり易い構造となる。それ故、図3(A)、(B)に示すような環状の連続する金属電極を形成するVCSELと比較して、本実施例では、VCSELの偏光を制御し易くなる。
図4に、本実施例のVCSELと図3(A)に示すような従来のVCSELとの偏光抑圧比(PMSR)とを対比した実験結果を示す。縦軸は、PMSR(dB)、横軸は、駆動電流(mA)である。PMSRは、所望の偏光方向における光強度とそれに直交する光強度との比と定義される。同グラフからも明らかなように、本実施例のVCSELは、従来のVCSELと比較して、すべての駆動帯域において偏光抑圧比が高いことがわかる。
このように本実施例によれば、金属電極に不連続な部分を形成し、光出射口を覆う出射保護膜が長軸方向において半導体層である光出射面に直接密着されるようにしたので、出射保護膜による異方的な応力が効果的にメサの活性領域に与えられ、従来よりも偏光の制御性が改善される。また、金属電極に不連続な部分を形成することで、特に反射率分布のための構成を設けずとも、簡単に偏光の制御性を向上させることができる。
図1に示す例では、出射保護膜120の異方性の形状として楕円形状を用いたが、出射保護膜120は、これ以外の異方性の形状であることができる。異方性の形状は、概ね、長軸方向と短軸方向との長さが異なるような形状であればよい。また、出射保護膜の短軸方向の長さは、光出射口の径Dよりも大きいことが望ましい。これにより光出射口112Aが出射保護膜120によって完全に覆われ、外部から保護される。
図5(A)、(B)に、本実施例の出射保護膜の他の例を示す。図5(A)に示すように、出射保護膜120Aは、縦横の長さが異なる矩形状に形成される。この場合、出射保護膜120Aは、光出射口112Aを完全に覆うとともに、長軸方向に延在する部分は、金属電極112−1、112−2を分割する不連続な部分112B−1、112B−2まで延在し、そこで、露出されたコンタクト層108に密着される。また、出射保護膜120Bは、図5(B)に示すように、金属電極112−1、112−2の輪郭を倣うような異方性の形状であってもよい。すなわち、出射保護膜120Bは、金属電極112−1、112−2の光出射口112Aの輪郭に対応する円形部分と、不連続な部分112B−1、112B−2の輪郭に対応する扇形部分とを有し、当該円形部分および扇形部分が、金属電極によって露出されたコンタクト層108に密着して接続される。
次に、本発明の第2の実施例について説明する。第1の実施例では、VCSELのメサMを円柱状に形成したが、第2の実施例では、メサ自身を異方性の形状に加工する。図6(A)、(B)は、第2の実施例に係るVCSELのメサ頂部の平面図であり、ここでも、層間絶縁膜および金属配線が省略されている。
図6(A)に示すメサM1は、その平面視野においてY軸方向に長軸、X軸方向に短軸を有する楕円状に加工されている。電流狭窄層110は、メサM1の側面から内部に向けてほぼ一定の速度で酸化が進行するため、導電領域110Bの平面形状は、メサM1の外形を反映した概ね楕円状となる。図中の破線は、酸化領域110Aと導電領域110Bとの境界を示しており、導電領域110Bの長軸および短軸は、メサM1の長軸および短軸にほぼ一致し、導電領域110Bの中心は、メサMの光軸とほぼ一致する。メサM1の光出射面であるGaAsコンタクト層108上に、X軸方向に不連続な部分112B−1、112B−2を有する2つに分割された円弧状のp側の金属電極112−1、112−2が形成される。楕円状の出射保護膜120は、X軸方向に長軸、Y軸方向に短軸を有する。それ故、出射保護膜120は、光出射口112Aを覆うとともに、その長軸方向において不連続な部分112B−1、112B−2によって露出されたコンタクト層108を覆う。その結果、出射保護膜120の長軸は、導電領域110Bの長軸またはメサM1の長軸と直交する。
図6(B)は、図5(B)に示す出射保護膜120Bを用いた例である。この場合にも、出射保護膜120Bの長軸は、メサM1の長軸または導電領域110Bの長軸と直交する。本例では、出射保護膜の長軸と、メサM1または導電領域110Bの長軸とが直交する方が、両者の長軸が平行であるときよりも、図4に示す偏光抑圧比が大きくなることが確認されている。つまり、両者の長軸が直交する方が、活性領域104への異方的な応力または歪みが大きく与えられる。但し、出射保護膜が活性領域に与える異方的な応力の方向は、使用する材料や形状によっても可変し得るので、もし、両者の長軸を平行にしたときの方が偏光抑圧比を大きくできるのであれば、両者の長軸は、直交ではなく平行となるように構成される。
さらに本実施例のVCSELは、上記したような円筒状のメサM、楕円状のメサM1の他にも、角柱状または矩形状のメサを用いることも可能である。そして、矩形状のメサ頂部の光出射面には、第1および第2の実施例のときと同様に、異方性の出射保護膜の長軸方向において、不連続な部分を有する分割された金属電極が形成される。2つの金属電極の形状は、円弧状であってもよいし、それ以外の形状であってもよく、例えば、メサの輪郭に合わせた矩形状であってもよい。但し、この場合にも、光出射口の形状は、円形状であることが望ましい。
次に、本発明の第3の実施例について説明する。第3の実施例では、VCSELの基板に、いわゆる傾斜基板を用いる。図7は、本実施例の傾斜基板を説明する図である。同図に示すように、GaAsウエハWを用意し、(100)の結晶面から<111>結晶方位の方向に、角度θだけ傾けた面が基板表面となるように、ウエハWを研磨加工(スライス)している。傾斜角θは、好ましくは10°である。傾斜基板を利用することで、結晶面によって原子間距離を異ならせ、活性領域に利得の異方性を与えることができる。
本実施例では、このような傾斜基板を用いた場合、2つに分割した金属電極112−1、112−2は、メサMの光軸(発光中心)Oに関し、基板の傾斜方向と平行にかつ対称となるように配置される。あるいは、出射保護膜120の長軸が傾斜方向に直交するように配置される。本実施例のように、傾斜方向と平行にかつ対称となるように2つの金属電極112−1、112−2を配置することで、傾斜基板を用いない場合、あるいはそのような配置をしない場合と比較して、偏光抑圧比をより大きくすることができる。
次に、第1の実施例で説明したVCSELの製造工程を例示する。VCSELの製造は、有機金属気相成長(MOCVD)法を用いて行われ、n型のGaAs基板100上に、n型の下部DBR102、活性領域104、p型の上部DBR106が順次積層される。DBRの各層の膜厚は、媒質内波長の1/4となるように調整される。上部DBR106内の活性領域104に近い低屈折率層がAlAsの電流狭窄層110に置換され、上部DBR106の最上層にp型のGaAsコンタクト層108が形成される。
コンタクト層108上に、リフトオフ工程により環状の金属電極112が形成され、次いで、環状の金属電極112の一部をエッチングにより除去することで不連続な部分112B−1、112B−2を形成し、金属電極112を2分割する。次に、光出射口112Aおよび不連続な部分112B−1、112B−2を覆うような異方性の出射保護膜120がコンタクト層108上に形成される。
次に、基板上の半導体層がエッチングされ、基板上に円柱状のメサMが形成される。次に、酸化処理を行い、電流狭窄層110内に酸化領域110Aとこれによって囲まれた導電領域110Bを形成する。次に、図2に示すように層間絶縁膜130をパターンニングした後、金属配線140が形成される。
上記第1ないし第3の実施例において種々の例を示したが、本発明は、これらの例示に限定されるものではない。出射保護膜の材料、形状、ならびにp側の金属電極の材料、形状は、一つの具体的な例示であって必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、出射保護膜の異方性の形状は、ひし形などであってもよい。また、上記製造方法では、メサを形成する前にp側の金属電極および出射保護膜を形成したが、メサの形成後にp側の金属電極および出射保護膜を形成するようにしてもよい。また、上記実施例で示したDBR等のAl組成比は一例であって、目的や用途に応じてAl組成比を適宜選択することができる。電流狭窄層は、必ずしもAlAsに限らず、例えばAl組成が0.98程度のAlGaAsを用いるようにしてもよい。さらに、上記実施例では、AlGaAs系のVCSELを例示したが、他のIII−V族の化合物半導体を用いたVCSELであってもよい。さらに、上記実施例では、シングルスポットのVCSELを例示したが、基板上に多数のメサ(発光部)が形成されたマルチスポットのVCSELあるいはVCSELアレイであってもよい。さらに上記説明では、第1ないし第3の実施例が個々の形態で説明されたが、本発明は、第1ないし第3の実施例を組合せた形態を包含し得るものである。
次に、本実施例のVCSELを利用した面発光型半導体レーザ装置、光情報処理装置および光伝送装置について図面を参照して説明する。図8(A)は、VCSELと光学部材を実装(パッケージ)した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。面発光型半導体レーザ装置300は、VCSELが形成されたチップ310を、導電性接着剤320を介して円盤状の金属ステム330上に固定する。導電性のリード340、342は、ステム330に形成された貫通孔(図示省略)内に挿入され、一方のリード340は、VCSELのn側電極に電気的に接続され、他方のリード342は、p側電極に電気的に接続される。
チップ310を含むステム330上に矩形状の中空のキャップ350が固定され、キャップ350の中央の開口352内にボールレンズ360等の光学部材が固定されている。ボールレンズ360の光軸は、チップ310のほぼ中心と一致するように位置決めされる。リード340、342間に順方向の電圧が印加されると、チップ310から垂直方向にレーザ光が出射される。チップ310とボールレンズ360との距離は、チップ310からのレーザ光の広がり角θ内にボールレンズ360が含まれるように調整される。また、キャップ内に、VCSELの発光状態をモニターするための受光素子や温度センサを含ませるようにしてもよい。
図8(B)は、他の面発光型半導体レーザ装置の構成を示す図であり、同図に示す面発光型半導体レーザ装置302は、ボールレンズ360を用いる代わりに、キャップ350の中央の開口352内に平板ガラス362を固定している。平板ガラス362の中心は、チップ310のほぼ中心と一致するように位置決めされる。チップ310と平板ガラス362との距離は、平板ガラス362の開口径がチップ310からのレーザ光の広がり角度θ以上になるように調整される。
図9は、VCSELを光情報処理装置の光源に適用した例を示す図である。光情報処理装置370は、図8(A)または図8(B)のようにVCSELを実装した面発光型半導体レーザ装置300または302からのレーザ光を入射するコリメータレンズ372、一定の速度で回転し、コリメータレンズ372からの光線束を一定の広がり角で反射するポリゴンミラー374、ポリゴンミラー374からのレーザ光を入射し反射ミラー378を照射するfθレンズ376、ライン状の反射ミラー378、反射ミラー378からの反射光に基づき潜像を形成する感光体ドラム(記録媒体)380を備えている。このように、VCSELからのレーザ光を感光体ドラム上に集光する光学系と、集光されたレーザ光を光体ドラム上で走査する機構とを備えた複写機やプリンタなど、光情報処理装置の光源として利用することができる。
図10は、図8(A)に示す面発光型半導体レーザ装置を光伝送装置に適用したときの構成を示す断面図である。光伝送装置400は、ステム330に固定された円筒状の筐体410、筐体410の端面に一体に形成されたスリーブ420、スリーブ420の開口422内に保持されるフェルール430、およびフェルール430によって保持される光ファイバ440を含んで構成される。ステム330の円周方向に形成されたフランジ332には、筐体410の端部が固定される。フェルール430は、スリーブ420の開口422に正確に位置決めされ、光ファイバ440の光軸がボールレンズ360の光軸に整合される。フェルール430の貫通孔432内に光ファイバ440の芯線が保持されている。
チップ310の表面から出射されたレーザ光は、ボールレンズ360によって集光され、集光された光は、光ファイバ440の芯線に入射され、送信される。上記例ではボールレンズ360を用いているが、これ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。さらに、光伝送装置400は、リード340、342に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよい。さらに、光伝送装置400は、光ファイバ440を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
10:VCSEL
100:基板
102:下部DBR
104:活性領域
106:上部DBR
108:コンタクト層
110:電流狭窄層
110A:酸化領域
118B:導電領域(酸化アパーチャ)
112:p側の金属電極
112−1、112−2:分割された金属電極
112A:光出射口
112B−1、112B−2:不連続な部分
114:n側電極
120:出射保護膜
130:層間絶縁膜
140:金属配線
100:基板
102:下部DBR
104:活性領域
106:上部DBR
108:コンタクト層
110:電流狭窄層
110A:酸化領域
118B:導電領域(酸化アパーチャ)
112:p側の金属電極
112−1、112−2:分割された金属電極
112A:光出射口
112B−1、112B−2:不連続な部分
114:n側電極
120:出射保護膜
130:層間絶縁膜
140:金属配線
Claims (9)
- 基板上に垂直共振器が形成された面発光型半導体レーザであって、
前記垂直共振器に形成され、頂部に半導体層の光出射面を提供する柱状構造と、
前記光出射面上に形成され、中央に光出射口が形成され、かつ前記垂直共振器に電気的に接続された金属電極と、
発振波長を透過可能な材料から構成され、前記基板の主面と平行な面において長軸と短軸とを有する異方性の出射保護膜と、
前記金属電極に接続される金属配線とを有し、
前記金属電極は、前記出射保護膜の長軸方向において、当該金属電極が2つに分割されるような不連続な部分を有し、
前記出射保護膜は、前記光出射口を覆うとともに、前記不連続な部分によって露出された光出射面の少なくとも一部を覆い、
2つに分割された金属電極は、前記金属配線を介して共通に駆動され、2つに分割された金属電極は、前記垂直共振器に同時にキャリアを注入し、
前記柱状構造は、長軸と短軸とを有する異方性の平面形状を有し、前記柱状構造の長軸方向が前記出射保護膜の長軸方向と直交する、面発光型半導体レーザ。 - 前記不連続な部分によって分割された2つの金属電極は、前記出射保護膜の長軸に関し線対称に配置される、請求項1に記載の面発光型半導体レーザ。
- 前記基板は、結晶面が特定の方向に傾斜された基板表面を有する傾斜基板であり、前記出射保護膜の長軸方向が前記傾斜基板の傾斜方向と直交する、請求項1または2に記載の面発光型半導体レーザ。
- 2つに分割された金属電極は、前記傾斜基板の傾斜方向と平行に配置される、請求項3に記載の面発光型半導体レーザ。
- 前記柱状構造は円筒状を有し、前記光出射面は円形状のコンタクト層であり、2つに分割された金属電極は概ね円形状である、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。
- 前記垂直共振器は、活性領域と、活性領域の近傍に電流狭窄層とを含み、前記電流狭窄層には、選択酸化された領域によって囲まれた導電領域が形成され、前記導電領域が長軸と短軸とを有する異方性の平面形状を有するとき、前記導電領域の長軸と前記出射保護膜の長軸とが直交する、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1ないし6いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材と、
を実装した面発光型半導体レーザ装置。 - 請求項7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1ないし6いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、
前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構と、
を有する情報処理装置。
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