JP4626686B2 - 面発光型半導体レーザ - Google Patents

Description

本発明は、上面からレーザ光を射出する共振器構造を備えた面発光型半導体レーザに関する。

面発光型半導体レーザは、従来のファブリペロー共振器型半導体レーザとは異なり、基板に対して直交する方向に光を射出するものであり、同じ基板上に２次元アレイ状に多数の共振器構造を配列することが可能であることから、近年、データ通信分野などで注目されている。

この種の半導体レーザは、一般に、基板上に、下部ＤＢＲ層、下部スペーサ層、活性層、上部スペーサ層、上部ＤＢＲ層およびコンタクト層をこの順に積層してなるメサ形状の共振器構造を備えている。そして、下部ＤＢＲ層および上部ＤＢＲ層のいずれか一方には、活性層への電流注入効率を高め、しきい値電流を下げるために、電流注入領域を狭めた構造を有する電流狭窄層が設けられている。また、コンタクト層の表面および基板裏面にはそれぞれ、電極が設けられている。この半導体レーザでは、電極から注入された電流が電流狭窄層により狭窄されたのち活性層に注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、一対の多層膜反射鏡により反射され、所定の波長でレーザ発振が生じ、共振器構造の上面からレーザ光として射出される。

ところで、上記した半導体レーザでは、レーザ光の射出領域のうち中央領域において主に基本横モード発振が生じる一方、周辺領域において主に高次横モード発振が生じることが知られており、従来から、高次横モード発振を抑える種々の技術が提案されている。例えば、特許文献１では、レーザ光の射出領域のうち中央領域に開口を有する金属電極を設け、さらに、アロイによって金属電極での反射率を８０％以下程度に小さくする技術が開示されている。

特開２０００-３３２３５５号公報

しかし、特許文献１の技術では、金属電極による光吸収が大きいので、高次横モード発振の抑制と高出力化との両立が困難である。実際、実験結果では、２５℃で光出力３ｍＷ弱までしか基本縦モード発振が生じていない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、高次横モード発振の抑制と高出力化とを両立させることの可能な面発光型半導体レーザを提供することにある。

本発明の第１の面発光型半導体レーザは、基板上に、第１多層膜反射鏡、活性層、第２多層膜反射鏡および反射率調整層を前記基板側からこの順に含むとともに、電流狭窄層を含むメサ状の積層構造を備えたものである。活性層は、２５℃での発振波長λ ₁ と当該活性層の２５℃でのバンドギャップに相当する発光波長λ ₂ との差分Δλａ（＝λ ₁ −λ ₂ ）が最大利得となるときの、発振波長λｘと発光波長λｙとの差分Δλｍよりも大きくなるような材料によって構成されている。第１多層膜反射鏡は、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₁ の第１低屈折率層と、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₂ の第１高屈折率層とを交互に積層して構成されており、第２多層膜反射鏡は、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₃ の第２低屈折率層と、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₄ の第２高屈折率層とを交互に積層して構成されている。電流狭窄層は、メサの中央領域に電流注入領域を有するとともに、電流注入領域の周縁であって、かつメサの外縁領域に電流狭窄領域を有している。反射率調整層は、電流注入領域の外縁領域との対向領域に第３多層膜反射鏡を有すると共に、電流注入領域の中心領域との対向領域に、第３多層膜反射鏡で囲まれた開口を有している。第３多層膜反射鏡は、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₅ の第３低屈折率層と、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₆ よりも薄い第３高屈折率層とを交互に積層して構成されている。
本発明の第２の面発光型半導体レーザは、基板上に、第１多層膜反射鏡、活性層、第２多層膜反射鏡および反射率調整層を前記基板側からこの順に含むとともに、電流狭窄層を含むメサ状の積層構造を備えたものである。活性層は、２５℃での発振波長λ ₁ と当該活性層の２５℃でのバンドギャップに相当する発光波長λ ₂ との差分Δλａ（＝λ ₁ −λ ₂ ）が最大利得となるときの、発振波長λｘと前記発光波長λｙとの差分Δλｍよりも大きくなるような材料によって構成されている。第１多層膜反射鏡は、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₁ の第１低屈折率層と、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₂ の第１高屈折率層とを交互に積層して構成されており、第２多層膜反射鏡は、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₃ の第２低屈折率層と、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₄ の第２高屈折率層とを交互に積層して構成されている。電流狭窄層は、メサの中央領域に電流注入領域を有するとともに、電流注入領域の周縁であって、かつメサの外縁領域に電流狭窄領域を有している。反射率調整層は、電流注入領域との対向領域に、第３多層膜反射鏡および第４多層膜反射鏡を第２多層膜反射鏡側から順に有している。第３多層膜反射鏡は、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₅ の第３低屈折率層と、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₆ よりも薄い第３高屈折率層とを交互に積層して構成されている。第４多層膜反射鏡は、電流注入領域の中央領域との対向領域に、厚さが（２ｋ−１）λ ₁ ／４ｎ ₇ であり、かつ屈折率ｎ ₇ が第３多層膜反射鏡の最表面の屈折率よりも低い値を有する第１調整層と、厚さが（２ｍ−１）λ ₁ ／４ｎ ₈ よりも厚く、かつ屈折率ｎ ₈ が第１調整層の屈折率ｎ ₇ よりも高い値を有する第２調整層とを第３多層膜反射鏡側からこの順に含み、かつ、電流注入領域の外縁領域との対向領域に、厚さが（２ｎ−１）λ ₁ ／４ｎ ₉ よりも厚く、かつ屈折率ｎ ₉ が第１調整層の屈折率ｎ ₇ よりも高い値を有する第３調整層を含んでいる。
本発明の第１および第２の面発光型半導体レーザにおいて、λ ₁ は２５℃での発振波長であり、λ ₂ は活性層の２５℃でのバンドギャップに相当する発光波長である。ｎ ₁ は第１低屈折率層の屈折率であり、ｎ ₂ は第１高屈折率層の屈折率であり、ｎ ₃ は第２低屈折率層の屈折率であり、ｎ ₄ は第２高屈折率層の屈折率であり、ｎ ₅ は第３低屈折率層の屈折率であり、ｎ ₆ は第３高屈折率層の屈折率である。ｎ ₇ は第１調整層の屈折率であり、ｎ ₈ は第２調整層の屈折率であり、ｎ ₉ は第３調整層の屈折率である。ｋは１以上の整数であり、ｍは１以上の整数であり、ｎは１以上の整数である。

本発明の面発光型半導体レーザでは、第２多層膜反射鏡上に設けられた反射率調整層において、発光領域の中心領域との対向領域における反射率Ｒｘと、発光領域の外縁領域との対向領域における反射率Ｒｙとの差分ΔＲ（＝Ｒｘ−Ｒｙ）が常温から高温への温度上昇に伴って大きくなる。これにより、熱レンズ効果により高温時に発振し易くなる高次横モード発振を高温時においても効果的に抑制することができる。また、熱レンズ効果により、基本横モードのほとんどが発光領域の中心領域との対向領域内に分布するようになるので、基本横モードは反射率Ｒｙの変動による影響をほとんど受けない。

本発明の面発光型半導体レーザによれば、第２多層膜反射鏡上に設けられた反射率調整層において、差分ΔＲが常温から高温への温度上昇に伴って大きくなるようにしたので、基本横モードの光出力への影響を最小限にとどめつつ、高次横モード発振を効果的に抑制することができる。従って、高次横モード発振の抑制と高出力化とを両立させることができる。

以下、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。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ１の断面構成を表したものである。図２は図１の面発光型半導体レーザ１の断面構成の一部を拡大して表したものである。なお、図１、図２は模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。図３（Ａ）は、後述の温度補償ＤＢＲ層１７の反射率の温度依存性を表したものである。図３（Ｂ）は、図１の面発光型半導体レーザ１の利得の温度依存性を表したものである。図３（Ｃ）は、面発光型半導体レーザ１の発振波長λｘと、後述の活性層１３のバンドギャップに相当する発光波長λｙとの温度依存性を表したものである。

この面発光型半導体レーザ１は、例えば、基板１０の一面側に、下部ＤＢＲ層１１、下部スペーサ層１２、活性層１３、上部スペーサ層１４、電流狭窄層１５、上部ＤＢＲ層１６、温度補償ＤＢＲ層１７およびコンタクト層１８をこの順に積層した積層構造を備えている。この積層構造の上部、具体的には、下部スペーサ層１２の上部、活性層１３、上部スペーサ層１４、電流狭窄層１５、上部ＤＢＲ層１６、温度補償ＤＢＲ層１７およびコンタクト層１８には、例えば幅２０μｍ程度の円柱状のメサ部１９が形成されている。

なお、本実施の形態では、下部ＤＢＲ層１１が本発明の「第１多層膜反射鏡」の一具体例に相当し、上部ＤＢＲ層１６が本発明の「第２多層膜反射鏡」の一具体例に相当し、温度補償ＤＢＲ層１７が本発明の「反射率調整層」または「第３多層膜反射鏡」の一具体例に相当する。

基板１０は、例えばｎ型ＧａＡｓからなる。なお、ｎ型不純物としては、例えば、ケイ素（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などが挙げられる。

下部ＤＢＲ層１１は、低屈折率層（第１低屈折率層）および高屈折率層（第１高折率層）を交互に積層してなる積層構造となっている。この低屈折率層は、例えば厚さがλ_１／４ｎ_１のｎ型Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ａｓ（０＜ｘ１＜１）、高屈折率層は、例えば厚さがλ_１／４ｎ_２のｎ型Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ａｓ（０≦ｘ２＜ｘ１）によりそれぞれ構成されている。ここで、ｎ_１は低屈折率層の屈折率である。ｎ_２高屈折率層の屈折率であり、ｎ_１よりも大きい。λ_１は、面発光型半導体レーザ１の２５℃での発振波長であり、活性層１３の２５℃でのバンドギャップに相当する発光波長λ_２よりも大きい（図３（Ｃ）参照）。

なお、下部第１ＤＢＲ層１１内の低屈折率層および高屈折率層は上記の構成に限られるものではなく、例えば、その光学厚さをλ_１／４に保った上で、複数層により構成されていてもよい。

下部スペーサ層１２は、例えばｎ型Ａｌ_ｘ３Ｇａ_１−ｘ３Ａｓ（０≦ｘ３＜１）により構成されている。上部スペーサ層１４は、例えばｐ型Ａｌ_ｘ４Ｇａ_１−ｘ４Ａｓ（０≦ｘ４＜１）により構成されている。なお、ｐ型不純物としては、例えば、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）などが挙げられる。

活性層１３は、図３（Ｂ）に示したように、常温（２５℃）よりも高い温度で最大利得（例えば、図３（Ｂ）のＰで示した箇所での利得）となるような材料によって構成されている。より具体的には、活性層１３は、２５℃での発振波長λ_１と活性層１３の２５℃でのバンドギャップに相当する発光波長λ_２との差分Δλａ（＝λ_１−λ_２）が、Δλｍ（最大利得となるときの、発振波長λｘと発光波長λｙとの差分）よりも大きくなるような材料によって構成されている。例えば、活性層１３が、アンドープのＡｌ_ｘ５Ｇａ_１−ｘ５Ａｓ（０≦ｘ５＜１）により構成されている場合には、Ａｌ組成比ｘ５が２５℃で最大利得となるような値よりも大きな値となっている。

ここで、発光波長λｘの温度変化に対する変動量と、発光波長λｙの温度変化に対する変動量は互いに異なっており、発光波長λｙの温度変化に対する変動量の方が発光波長λｘの温度変化に対する変動量よりも大きい。そのため、発光波長λｘと発光波長λｙとの差分Δλ（＝λｘ−λｙ）は、温度上昇に伴って小さくなる。従って、活性層１３が、ΔλａがΔλｍよりも大きくなるような材料によって構成されている場合には、発光波長λｘと発光波長λｙとの差分ΔλがΔλｍとなる温度が２５℃よりも高温側に存在することになる。なお、図３（Ｃ）には、２５℃での差分Δλａが２０ｎｍ（＞Δλｍ）となっており、かつ６０℃での発振波長λ_３と活性層１３の６０℃でのバンドギャップに相当する発光波長λ_４との差分Δλｂ（＝λ_３−λ_４）が１３ｎｍ（＝Δλｍ）となっている場合が例示されている。

なお、一般に、発振波長λｘと活性層のバンドギャップに相当する発光波長λｙ（＜λｘ）との差分Δλが所定の大きさとなるときに、面発光型半導体レーザの利得が最大となることが知られている。例えば、活性層１３がＡｌ_ｘ５Ｇａ_１−ｘ５Ａｓからなる場合には、Δλｍが１３ｎｍとなるときに、面発光型半導体レーザの利得が最大となる。また、活性層１３が６５０ｎｍ〜６７０ｎｍの波長帯のＡｌＧａＩｎＰ系材料や、４００ｎｍの波長帯のＩｎＧａＮ系材料からなる場合には、Δλｍが１０ｎｍとなるときに、面発光型半導体レーザの利得が最大となる。そのため、従来から、常温での差分ΔλａがΔλｍとなるように活性層材料と、下部ＤＢＲ層１１および上部ＤＢＲ層１６内の各層の厚さとを選択することが一般に行われている。

なお、発振波長λｘは、面発光型半導体レーザ１から射出されたレーザ光のスペクトル分布を計測することにより確認することが可能である。また、発光波長λｙは、面発光型半導体レーザ１から、例えば基板１０および下部ＤＢＲ層１１を除去し、下部スペーサ層１２を露出させた上で、下部スペーサ層１２に所定のレーザ光を照射して、活性層１３から発せられる光のスペクトル分布を計測することにより確認することが可能である。

電流狭窄層１５は、メサ部１９の側面から所定の深さまでの領域に電流狭窄領域１５Ａを有しており、それ以外の領域（メサ部１９の中央領域）に電流注入領域１５Ｂを有している。電流注入領域１５Ｂは、例えばｐ型Ａｌ_ｘ６Ｇａ_１−ｘ６Ａｓ（０＜ｘ６≦１）により構成されている。電流狭窄領域１５Ａは、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）を含んで構成されており、メサ部１９の側面から被酸化層（図示せず）に含まれる高濃度のＡｌを酸化することにより形成されたものである。従って、活性層１３のうち電流注入領域１５Ｂとの対向領域が活性層１３の電流注入領域、すなわち発光領域１３Ａに対応している。

なお、電流狭窄層１５は、常に上部スペーサ層１４と上部ＤＢＲ層１６との間に設けられている必要はなく、例えば、図示しないが、上部ＤＢＲ層１６内の、活性層１３側から数層離れた低屈折率層１６Ａの部位に低屈折率層１６Ａの代わり設けられていてもよい。

上部ＤＢＲ層１６は、例えば、図２に示したように、低屈折率層１６Ａ（第２低屈折率層）および高屈折率層１６Ｂ（第２高屈折率層）を交互に積層してなる積層構造となっており、最上層に高屈折率層１６Ｂを有している。低屈折率層１６Ａは、例えば厚さＤ１がλ_１／４ｎ_３のｐ型Ａｌ_ｘ７Ｇａ_１−ｘ７Ａｓ（０＜ｘ７＜１）、高屈折率層１６Ｂは、例えば厚さＤ２がλ_１／４ｎ_４のｐ型Ａｌ_ｘ８Ｇａ_１−ｘ８Ａｓ（０≦ｘ８＜ｘ７）によりそれぞれ構成されている。ここで、ｎ_３は低屈折率層の屈折率である。ｎ_４高屈折率層の屈折率であり、ｎ_３よりも大きい。

なお、上部ＤＢＲ層１６内の低屈折率層１６Ａおよび高屈折率層１６Ｂは上記の構成に限られるものではなく、例えば、その光学厚さをλ_１／４に保った上で、複数層により構成されていてもよい。

温度補償ＤＢＲ層１７は、発振波長λｘと、活性層１３のバンドギャップに相当する発光波長λｙとを含む所定の波長帯の反射率が長波長側に向かうにつれて小さくなる積層構造となっている。この温度補償ＤＢＲ層１７は、下部ＤＢＲ層１１および上部ＤＢＲ層１６の周期性とは異なる周期性を有する積層構造となっており、例えば、低屈折率層１７Ａ（第３低屈折率層）および高屈折率層１７Ｂ（第３高屈折率層）を交互に積層して形成されたものである。低屈折率層１７Ａは、例えば厚さＤ３がλ_１／４ｎ_５のｐ型Ａｌ_ｘ９Ｇａ_１−ｘ９Ａｓ（０＜ｘ９＜１）、高屈折率層１７Ｂは、例えば厚さＤ４がλ_１／４ｎ_６よりも薄いｐ型Ａｌ_ｘ１０Ｇａ_{１−ｘ１０}Ａｓ（０≦ｘ１０＜ｘ９）によりそれぞれ構成されている。ここで、ｎ_５は低屈折率層の屈折率である。ｎ_６高屈折率層の屈折率であり、ｎ_５よりも大きい。ここで、高屈折率層１７Ｂの厚さＤ４は、上部ＤＢＲ層１６上に温度補償ＤＢＲ層１７が設けられていない場合の反射率よりも低くなるような値となっている。

なお、温度補償ＤＢＲ層１７内の低屈折率層１７Ａおよび高屈折率層１７Ｂは上記の構成に限られるものではなく、例えば、低屈折率層１７Ａが、その光学厚さをλ_１／４に保った上で、複数層により構成されていてもよいし、高屈折率層１７Ｂが。その光学厚さをλ_１／４よりも薄い所定の厚さを保った上で、複数層により構成されていてもよい。

本実施の形態では、この温度補償ＤＢＲ層１７は、少なくとも発光領域１３Ａの外縁領域との対向領域であって、かつ発光領域１３Ａの中心領域との対向領域を除いた領域に設けられており、面発光型半導体レーザ１の積層方向から見て環状の形状となっている。なお、図１、図２には、温度補償ＤＢＲ層１７が、発光領域１３Ａの外縁領域だけでなくその外側の周囲との対向領域にも設けられている場合が例示されている。

発光領域１３Ａの中心領域との対向領域には開口１７Ａが設けられており、開口１７Ａの底面に上部ＤＢＲ層１６の最表面（高屈折率層１６Ｂ）が露出している。この面発光型半導体レーザ１を積層方向から見たときに、開口１７Ａと対応する領域は、温度補償ＤＢＲ層１７が存在しないことから、高反射エリアβとなっており、開口１７Ａの周縁（温度補償ＤＢＲ層１７のうち発光領域１３Ａと対向する領域）と対応する領域は、温度補償ＤＢＲ層１７が存在することから、低反射エリアαとなっている。

ここで、高反射エリアβの反射率Ｒｘは、図３（Ａ）に示したように、温度変化に依らずほぼ一定となっている。これは、下部ＤＢＲ層１１および上部ＤＢＲ層１６が光学厚さλ_１／４の周期性を有していることに起因している。また、低反射エリアαの反射率Ｒｙは、図３（Ａ）に示したように、常温から高温への温度上昇に伴って小さくなっている。これは、温度補償ＤＢＲ層１７が光学厚さλ_１／４の周期性からずれていることに起因している。反射率Ｒｘと反射率Ｒｙとを対比してみると、反射率Ｒｘと反射率Ｒｙとの差分ΔＲ（＝Ｒｘ−Ｒｙ）が常温から高温への温度上昇に伴って大きくなっていることがわかる。また、反射率Ｒｙの、常温から高温への温度上昇に伴う減少率（ｄＲｘ／ｄｔ）が、反射率Ｒｘの、常温から高温への温度上昇に伴う減少率（ｄＲｙ／ｄｔ）よりも大きくなっていることもわかる。従って、低反射エリアαの反射率Ｒｘと、高反射エリアβの反射率Ｒｙとの差分ΔＲ（＝Ｒｘ−Ｒｙ）が、図３（Ａ）に示したように、常温から高温への温度上昇に伴って大きくなっていることがわかる。

コンタクト層１８は、例えばｐ型Ａｌ_ｘ１１Ｇａ_{１−ｘ１１}Ａｓ（０≦ｘ１１＜１）により構成されている。

また、この面発光型半導体レーザ１には、上部電極２０がメサ部１９（コンタクト層１８）の上面に形成されている。上部電極２０は、少なくとも高反射エリアβとの対向領域に開口を有する環状の形状となっている。また、基板１０の裏面には、下部電極２１が形成されている。

ここで、上部電極２０は、例えば、チタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）を基板１０側からこの順に積層した構造を有しており、コンタクト層１８と電気的に接続されている。下部電極２１は、例えば、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金，ニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）を基板１０側からこの順に積層した構造を有しており、基板１０と電気的に接続されている。

本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ１は、例えば次のようにして製造することができる。

例えばＧａＡｓ系の面発光型半導体レーザを製造するためには、基板１０上の積層構造を、例えば、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy；分子線エピタキシー）法や、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；有機金属化学気相成長）法によりエピタキシャル結晶成長させることにより形成する。この際、ＧａＡｓ系の化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、アルシン (ＡｓＨ_３)を用い、ドナー不純物の原料としては、例えば、Ｈ_２Ｓｅを用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えば、ジメチルジンク（ＤＭＺ）を用いる。

まず、基板１０上に、下部ＤＢＲ層１１、下部スペーサ層１２、活性層１３、上部スペーサ層１４、被酸化層（図示せず）、上部ＤＢＲ層１６、温度補償ＤＢＲ層１７およびコンタクト層１８をこの順に積層する。

次に、コンタクト層１８上に、高反射エリアβに対応する領域に開口を有するレジスト層を形成する。続いて、例えばウエットエッチング法により、レジスト層をマスクとして、コンタクト層１８から温度補償ＤＢＲ層１７まで選択的にエッチングすることにより、開口１７Ａを形成する。その後、レジスト層を除去する。

次に、開口１７Ａを含む所定の領域に、円形状のレジスト層を形成する。続いて、例えば反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；ＲＩＥ）法により、レジスト層をマスクとして、コンタクト層１８から下部ＤＢＲ層１１の一部まで選択的にエッチングすることにより、メサ部１９を形成する。その後、レジスト層を除去する。

次に、水蒸気雰囲気中において、高温で酸化処理を行い、メサ部１９の側面から被酸化層のＡｌを選択的に酸化する。これにより、被酸化層の外縁領域が電流狭窄領域１５Ａとなり、中央領域が電流注入領域１５Ａとなる。

次に、例えば蒸着法により、コンタクト層１８上に上部電極２０を形成すると共に、基板１０の裏面側に下部電極２１を形成する。このようにして、本実施の形態の面発光型半導体レーザ１が製造される。

次に、本実施の形態の面発光型半導体レーザ１の作用および効果について説明する。

本実施の形態の面発光型半導体レーザ１では、上部電極２０と下部電極２１との間に所定の電圧が印加されると、電流狭窄層１５によって電流狭窄された電流が活性層１３に注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、一対の下部ＤＢＲ層１１および上部ＤＢＲ層１８により反射され、所定の波長でレーザ発振を生じ、レーザビームとして外部に射出される。

ところで、一般に、面発光型半導体レーザでは、レーザ光の射出領域のうち中央領域において主に基本横モード発振が生じる一方、周辺領域において主に高次横モード発振が生じることが知られており、従来から、高次横モード発振を抑える種々の技術が提案されている。例えば、レーザ光の射出領域のうち中央領域にだけ開口を有する金属電極を設け、さらに、アロイによって金属電極での反射率を８０％以下程度に小さくする方法が提案されている。

しかし、そのような方法では、金属電極による光吸収が大きいので、高次横モード発振の抑制と高出力化との両立が困難である。実際、実験結果では、２５℃で光出力３ｍＷ弱までしか基本縦モード発振が生じていない。

一方、本実施の形態では、上部ＤＢＲ層１６上であって、かつ少なくとも発光領域１３Ａの外縁領域との対向領域であって、かつ発光領域１３Ａの中心領域との対向領域を除いた領域に温度補償ＤＢＲ層１７が設けられており、発光領域１３Ａの中心領域との対向領域に開口１７Ａが設けられており、低反射エリアαの反射率Ｒｘと、高反射エリアβの反射率Ｒｙとの差分ΔＲ（＝Ｒｘ−Ｒｙ）が、常温から高温への温度上昇に伴って大きくなっている。

これにより、熱レンズ効果により、高次横モードのプロファイルが、発光領域１３Ａの外縁領域から発光領域１３Ａの中心領域へとシフトしてきて、高次横モード発振が生じ易くなった場合であっても、高次横モード発振を高温時においても効果的に抑制することができる。

図４（Ａ）は、常温時の低反射エリアαの反射率Ｒｘと高反射エリアβの反射率Ｒｙとの関係の一例を表したものであり、図４（Ｂ）は、常温時の基本横モードおよび１次横モードのプロファイルの一例を表したものである。図５（Ａ）は、高温時の低反射エリアαの反射率Ｒｘと高反射エリアβの反射率Ｒｙとの関係の一例と、常温から高温に変化したときの反射率Ｒｘ，Ｒｙの変化の様子を表したものである。図５（Ｂ）は、高温時の基本横モードおよび１次横モードのプロファイルの一例と、常温から高温に変化したときの基本横モードおよび１次横モードのプロファイルの変化の様子を表したものである。

図４（Ａ），（Ｂ）、図５（Ａ），（Ｂ）から、常温から高温になるにつれて、１次横モードのピーク位置が低反射エリアαと高反射エリアβとの境界付近にまでシフトするのがわかる。しかし、本実施の形態では、常温から高温になるにつれて、高反射エリアβの反射率Ｒｙが大きく低下するので、１次横モード発振の抑制を維持しているのがわかる。

また、図４（Ａ），（Ｂ）、図５（Ａ），（Ｂ）から、常温から高温になるにつれて、基本横モードのほとんどが高反射エリアβ内に分布するようになるのがわかる。そのため、高反射エリアβの反射率Ｒｙを大きく低下させた場合であっても、基本横モードはその影響をほとんど受けないので、高反射エリアβの高反射率によって、基本横モード発振を高出力で行うことができる。

このように、本実施の形態では、基本横モードの光出力への影響を最小限にとどめつつ、高次横モード発振を効果的に抑制することができる。従って、高次横モード発振の抑制と高出力化とを両立させることができる。

また、一般的な面発光型半導体レーザでは、従来から、常温での差分ΔλａがΔλｍ（最大利得となるときの、発振波長λｘと発光波長λｙとの差分）となるように、活性層材料と、下部ＤＢＲ層１１および上部ＤＢＲ層１６内の各層の厚さとを選択することが一般に行われている。そのため、高温での差分ΔλｂがΔλｍよりも小さくなるので、図６の破線で示したように、高温（６０℃）時に、閾値電流が大きくなってしまう。

一方、本実施の形態では、活性層１３が、２５℃での発振波長λ_１と活性層１３の２５℃でのバンドギャップに相当する発光波長λ_２との差分Δλａ（＝λ_１−λ_２）がΔλｍよりも大きくなるような材料によって構成されている。これにより、図３（Ｃ）に示したように、発光波長λｘと発光波長λｙとの差分ΔλがΔλｍとなる温度が２５℃よりも高温側に存在することになる。従って、差分ΔλがΔλｍとなる温度（図３（Ｃ）では６０℃））、すなわち面発光型半導体レーザ１の利得が最大となる温度において、面発光型半導体レーザ１を駆動させることにより、閾値電流を最小化することができる。その結果、図６の一点鎖線で示したように、高温（６０℃）時に、閾値電流を小さくすることができる。

ただし、本実施の形態の面発光型半導体レーザ１では、一般的な面発光型半導体レーザと同様、図６に示したように、高温によるスロープ効率の低下がみられる。

［第２の実施の形態］
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ２の断面構成を表したものである。なお、図７は模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。図８（Ａ）は、温度補償ＤＢＲ層１７および後述の横モード調整層２２からなる積層構造（反射率調整層）の反射率の温度依存性を表したものである。図８（Ｂ）は、面発光型半導体レーザ２の利得の温度依存性を表したものである。図８（Ｃ）は、発振波長λｘと発光波長λｙとの温度依存性を表したものである。

本実施の形態の面発光型半導体レーザ２は、少なくとも発光領域１３Ａとの対向領域全体に温度補償ＤＢＲ層１７を備えており、開口１７Ａを備えていない点で上記実施の形態の面発光型半導体レーザ１の構成と相違する。また、面発光型半導体レーザ２は、さらに、温度補償ＤＢＲ層１７上であって、かつ発光領域１３Ａとの対向領域全体に横モード調整層２２を備えている点で、上記実施の形態の面発光型半導体レーザ１の構成と相違する。そこで、以下では、上記実施の形態との相違点について主に説明し、上記実施の形態との共通点についての説明を適宜省略するものとする。

横モード調整層２２は、２５℃での発振波長λ_１よりも大きな所定の波長（λ_３）において、低反射エリアαの反射率Ｒｘが高反射エリアβの反射率Ｒｙよりも低くなる積層構造となっている。この横モード調整層２２は、上部ＤＢＲ層１６の最表面（高屈折率層１６Ｂ）に接して設けられており、下部ＤＢＲ層１１および上部ＤＢＲ層１６の周期性とは異なる周期性を有する積層構造となっている。横モード調整層２２は、例えば、高反射エリアβにおいて、第１調整層２２Ａおよび第２調整層２２Ｂを上部ＤＢＲ層１６側からこの順に積層して構成されており、低反射エリアαにおいて、第３調整層２２Ｃを含んで構成されている。

ここで、第１調整層２２Ａは、厚さが（２ｋ−１）λ_１／４ｎ_７であり、かつ屈折率ｎ_７が上部ＤＢＲ層１６の最表面（高屈折率層１６Ｂ）の屈折率よりも低い値を有する物質、例えばＳｉＯ_２（酸化シリコン）などの誘電体からなる。第２調整層２２Ｂは、厚さが（２ｍ−１）λ_１／４ｎ_８よりも厚く、かつ屈折率ｎ_８が第１調整層２２Ａの屈折率ｎ_７よりも高い値を有する材料、例えばＳｉＮ（窒化シリコン）などの誘電体からなる。また、第３調整層２２Ｃは、厚さが（２ｎ−１）λ_１／４ｎ_９であり、かつ屈折率ｎ_９が第１調整層２２Ａの屈折率ｎ_７よりも高い値を有する材料、例えばＳｉＮ（窒化シリコン）などの誘電体からなる。

ただし、ｋ，ｍ，ｍはそれぞれ１以上の整数である。ｎ_７は第１調整層２２Ａの屈折率である。ｎ_８は第２調整層２２Ｂの屈折率である。ｎ_９は第３調整層２２Ｃの屈折率である。

なお、第２調整層２２Ｂおよび第３調整層２２Ｃは、同一の膜厚および材料により構成されていることが好ましい。そのようにした場合には、製造過程において、これらの層を一括形成することができ、製造工程を簡略化することができる。

ここで、第２調整層２２Ｂおよび第３調整層２２Ｃにおける光学厚さλ_１／４からの周期性のずれは、温度補償ＤＢＲ層１７における光学厚さλ_１／４からの周期性のずれを補償するものである。例えば、図９に示したように、温度補償ＤＢＲ層１７における高屈折率層１７Ｂのトータルシフト量は高屈折率層１７Ｂのペア数の増加に応じてマイナス方向に増加するので、高屈折率層１７Ｂのペア数が増加するにつれて第２調整層２２Ｂおよび第３調整層２２Ｃのシフト量がプラス方向に増加する。また、図９に示したように、温度補償ＤＢＲ層１７における高屈折率層１７Ｂのトータルシフト量は高屈折率層１７Ｂ単体のシフト量の増加に応じてマイナス方向に増加するので、高屈折率層１７Ｂ単体のシフト量が増加するにつれて第２調整層２２Ｂおよび第３調整層２２Ｃのシフト量がプラス方向に増加する。

このようにして、第２調整層２２Ｂおよび第３調整層２２Ｃによって温度補償ＤＢＲ層１７の周期性のずれを補償することにより、第１調整層２２Ａおよび第２調整層２２Ｂからなる積層構造が、活性層１３からの光を高反射率で反射する機能を有するようになり、横モード調整層２２における高反射率領域となる。一方、第３調整層２２Ｃは、活性層１３からの光を、第１調整層２２Ａおよび第２調整層２２Ｂからなる積層構造よりも低い反射率で反射する機能を有するようになり、横モード調整層２２における低反射率領域となる。

次に、本実施の形態の面発光型半導体レーザ２の作用および効果について説明する。

本実施の形態では、上部ＤＢＲ層１６上であって、かつ少なくとも発光領域１３Ａの対向領域に温度補償ＤＢＲ層１７が設けられており、温度補償ＤＢＲ層１７であって、かつ少なくとも発光領域１３Ａの対向領域に横モード調整層２２が設けられている。そして、温度補償ＤＢＲ層１７によって、低反射エリアαの反射率Ｒｘおよび高反射エリアβの反射率Ｒｙが共に、常温から高温への温度上昇に伴って小さくなっている。さらに、横モード調整層２２によって、２５℃での発振波長λ_１よりも大きな所定の波長（λ_３）において、低反射エリアαの反射率Ｒｘが高反射エリアβの反射率Ｒｙよりも低くなっている。

これにより、図８（Ａ）に示したように、温度補償ＤＢＲ層１７および横モード調整層２２からなる積層構造において、常温から高温への温度上昇に伴って小さくなっている。また、反射率Ｒｙの、常温から高温への温度上昇に伴う減少率（ｄＲｘ／ｄｔ）が、反射率Ｒｘの、常温から高温への温度上昇に伴う減少率（ｄＲｙ／ｄｔ）よりも大きくなっている。従って、温度補償ＤＢＲ層１７および横モード調整層２２からなる積層構造において、低反射エリアαの反射率Ｒｘと、高反射エリアβの反射率Ｒｙとの差分ΔＲ（＝Ｒｘ−Ｒｙ）が、常温から高温への温度上昇に伴って大きくなっている。

これにより、熱レンズ効果により、高次横モードのプロファイルが、発光領域１３Ａの外縁領域から発光領域１３Ａの中心領域へとシフトしてきて、高次横モード発振が生じ易くなった場合であっても、高次横モード発振を高温時においても効果的に抑制することができる。また、上記実施の形態の図４（Ａ），（Ｂ）、図５（Ａ），（Ｂ）で説明したように、本実施の形態においても、基本横モードの光出力への影響を最小限にとどめつつ、高次横モード発振を効果的に抑制することができるので、高次横モード発振の抑制と高出力化とを両立させることができる。

また、本実施の形態では、上記実施の形態と同様、活性層１３が、２５℃での発振波長λ_１と活性層１３の２５℃でのバンドギャップに相当する発光波長λ_２との差分Δλａ（＝λ_１−λ_２）がΔλｍよりも大きくなるような材料によって構成されている。これにより、図８（Ｃ）に示したように、発光波長λｘと発光波長λｙとの差分ΔλがΔλｍとなる温度が２５℃よりも高温側に存在することになる。従って、差分ΔλがΔλｍとなる温度（図８（Ｃ）では６０℃））、すなわち面発光型半導体レーザ２の利得が最大となる温度において、面発光型半導体レーザ２を駆動させることにより、閾値電流を最小化することができる。その結果、図１０に示したように、高温（６０℃）時に、閾値電流を小さくすることができる。

さらに、本実施の形態では、発光領域１３Ａの中心領域との対向領域にも温度補償ＤＢＲ層１７が設けられているので、発光領域１３Ａの中心領域との対向領域（高反射エリアβ）の反射率Ｒｘが常温から高温への温度上昇に伴って小さくなる。これにより、温度上昇に伴うスロープ効率の低下を防止することができるので、図１０に示したように、常温（２５℃）時と、高温（６０℃）時でスロープ効率が変化するのをほとんどなくすることができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。

例えば、上記実施の形態では、半導体材料をＧａＡｓ系化合物半導体により構成した場合について説明したが、他の材料系、例えば、ＧａＩｎＰ系（赤系）材料またはＡｌＧａＡｓ系（赤外系）や、ＧａＮ系（青緑色系）などにより構成することも可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザの断面図である。 図１の温度補償ＤＢＲ層およびその近傍を拡大して表す断面図である。 図１のレーザの反射率、利得および波長の温度依存性を表す特性図である。 図１のレーザの２５℃における反射率分布と光強度の関係の一例を表す関係図である。 図１のレーザの６０℃における反射率分布と光強度の関係の一例を表す関係図である。 図１のレーザのＩ−Ｌ特性を表す特性図である。 本発明の第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザの断面図である。 図９のレーザの反射率、利得および波長の温度依存性を表す特性図である。 温度補償ＤＢＲ層内の高屈折率層のトータルシフト量と、第２（第３）調整層のシフト量との関係を表す関係図である。 図７のレーザのＩ−Ｌ特性を表す特性図である。

符号の説明

１，２…面発光型半導体レーザ、１０…基板、１１…下部ＤＢＲ層、１２…下部スペーサ層、１３…活性層、１３Ａ…発光領域、１４…上部スペーサ層、１５…電流狭窄層、１５Ａ…電流狭窄領域、１５Ｂ…電流注入領域、１６…上部ＤＢＲ層、１６Ａ，１７Ａ…低屈折率層、１６Ｂ，１７Ｂ…高屈折率層、１７…温度補償ＤＢＲ層、１７Ａ…開口、１８…コンタクト層、１９…メサ部、２０…上部電極、２１…下部電極、２２…横モード調整層、２２Ａ…第１調整層、２２Ｂ…第２調整層、２２Ｃ…第３調整層、α…低反射エリア、β…高反射エリア、λ２，λ４，λｘ…発振波長、λ３，λ５，λｙ…発光波長、Δλａ，Δλｂ…波長オフセット、Δλｍ…最大利得となるときの、発振波長λｘと発光波長λｙとの差分、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４…厚さ、Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒ１、Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４…反射率、ΔＲａ，ΔＲｂ…反射率の差分、ｄＲｘ／ｄｔ，ｄＲｙ／ｄｔ…反射率の減少割合。

Claims (4)

1. 基板上に、第１多層膜反射鏡、活性層、第２多層膜反射鏡および反射率調整層を前記基板側からこの順に含むとともに、電流狭窄層を含むメサ状の積層構造を備え、
   前記第１多層膜反射鏡は、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₁ の第１低屈折率層と、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₂ の第１高屈折率層とを交互に積層して構成され、
   前記第２多層膜反射鏡は、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₃ の第２低屈折率層と、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₄ の第２高屈折率層とを交互に積層して構成され、
   前記活性層は、２５℃での発振波長λ ₁ と当該活性層の２５℃でのバンドギャップに相当する発光波長λ ₂ との差分Δλａ（＝λ ₁ −λ ₂ ）が最大利得となるときの、前記発振波長λｘと前記発光波長λｙとの差分Δλｍよりも大きくなるような材料によって構成され、
   前記電流狭窄層は、メサの中央領域に電流注入領域を有するとともに、前記電流注入領域の周縁であって、かつメサの外縁領域に電流狭窄領域を有し、
   前記反射率調整層は、前記電流注入領域の外縁領域との対向領域に第３多層膜反射鏡を有すると共に、前記電流注入領域の中心領域との対向領域に、前記第３多層膜反射鏡で囲まれた開口を有し、
   前記第３多層膜反射鏡は、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₅ の第３低屈折率層と、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₆ よりも薄い第３高屈折率層とを交互に積層して構成されている
   面発光型半導体レーザ。
   λ ₁ ：２５℃での発振波長
   λ ₂ ：前記活性層の２５℃でのバンドギャップに相当する発光波長
   ｎ ₁ ：前記第１低屈折率層の屈折率
   ｎ ₂ ：前記第１高屈折率層の屈折率
   ｎ ₃ ：前記第２低屈折率層の屈折率
   ｎ ₄ ：前記第２高屈折率層の屈折率
   ｎ ₅ ：前記第３低屈折率層の屈折率
   ｎ ₆ ：前記第３高屈折率層の屈折率
2. 前記第１低屈折率層は、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₁ のＡｌ _x1 Ｇａ _1-x1 Ａｓ（０＜ｘ１＜１）により構成され、
   前記第１高屈折率層は、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₂ のｎ型Ａｌ _x2 Ｇａ _1-x2 Ａｓ（０≦ｘ２＜ｘ１）により構成され、
   前記第２低屈折率層は、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₃ のＡｌ _x7 Ｇａ _1-x7 Ａｓ（０＜ｘ７＜１）により構成され、
   前記第２高屈折率層は、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₄ のＡｌ _x8 Ｇａ _1-x8 Ａｓ（０≦ｘ８＜ｘ７）により構成され、
   前記第３低屈折率層は、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₅ のＡｌ _x9 Ｇａ _1-x9 Ａｓ（０＜ｘ９＜１）により構成され、
   前記第３高屈折率層は、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₆ よりも薄いＡｌ _x10 Ｇａ _1-x10 Ａｓ（０≦ｘ１０＜ｘ９）により構成され、
   前記活性層は、Ａｌ組成比ｘ５が２５℃で最大利得となるような値よりも大きな値となっているＡｌ _x5 Ｇａ _1-x5 Ａｓ（０≦ｘ５＜１）により構成されている
   請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
3. 基板上に、第１多層膜反射鏡、活性層、第２多層膜反射鏡および反射率調整層を前記基板側からこの順に含むとともに、電流狭窄層を含むメサ状の積層構造を備え、
   前記第１多層膜反射鏡は、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₁ の第１低屈折率層と、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₂ の第１高屈折率層とを交互に積層して構成され、
   前記第２多層膜反射鏡は、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₃ の第２低屈折率層と、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₄ の第２高屈折率層とを交互に積層して構成され、
   前記活性層は、２５℃での発振波長λ ₁ と当該活性層の２５℃でのバンドギャップに相当する発光波長λ ₂ との差分Δλａ（＝λ ₁ −λ ₂ ）が最大利得となるときの、前記発振波長λｘと前記発光波長λｙとの差分Δλｍよりも大きくなるような材料によって構成され、
   前記電流狭窄層は、メサの中央領域に電流注入領域を有するとともに、前記電流注入領域の周縁であって、かつメサの外縁領域に電流狭窄領域を有し、
   前記反射率調整層は、前記電流注入領域との対向領域に、第３多層膜反射鏡および第４多層膜反射鏡を前記第２多層膜反射鏡側から順に有し、
   前記第３多層膜反射鏡は、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₅ の第３低屈折率層と、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₆ よりも薄い第３高屈折率層とを交互に積層して構成され、
   前記第４多層膜反射鏡は、前記電流注入領域の中央領域との対向領域に、厚さが（２ｋ−１）λ ₁ ／４ｎ ₇ であり、かつ前記屈折率ｎ ₇ が前記第３多層膜反射鏡の最表面の屈折率よりも低い値を有する第１調整層と、厚さが（２ｍ−１）λ ₁ ／４ｎ ₈ よりも厚く、かつ屈折率ｎ ₈ が前記第１調整層の屈折率ｎ ₇ よりも高い値を有する第２調整層とを前記第３多層膜反射鏡側からこの順に含み、かつ、前記電流注入領域の外縁領域との対向領域に、厚さが（２ｎ−１）λ ₁ ／４ｎ ₉ よりも厚く、かつ屈折率ｎ ₉ が前記第１調整層の屈折率ｎ ₇ よりも高い値を有する第３調整層を含む
   面発光型半導体レーザ。
   λ ₁ ：２５℃での発振波長
   λ ₂ ：前記活性層の２５℃でのバンドギャップに相当する発光波長
   ｎ ₁ ：前記第１低屈折率層の屈折率
   ｎ ₂ ：前記第１高屈折率層の屈折率
   ｎ ₃ ：前記第２低屈折率層の屈折率
   ｎ ₄ ：前記第２高屈折率層の屈折率
   ｎ ₅ ：前記第３低屈折率層の屈折率
   ｎ ₆ ：前記第３高屈折率層の屈折率
   ｎ ₇ ：前記第１調整層の屈折率
   ｎ ₈ ：前記第２調整層の屈折率
   ｎ ₉ ：前記第３調整層の屈折率
   ｋ：１以上の整数
   ｍ：１以上の整数
   ｎ：１以上の整数
4. 前記第１低屈折率層は、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₁ のＡｌ _x1 Ｇａ _1-x1 Ａｓ（０＜ｘ１＜１）により構成され、
   前記第１高屈折率層は、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₂ のｎ型Ａｌ _x2 Ｇａ _1-x2 Ａｓ（０≦ｘ２＜ｘ１）により構成され、
   前記第２低屈折率層は、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₃ のＡｌ _x7 Ｇａ _1-x7 Ａｓ（０＜ｘ７＜１）により構成され、
   前記第２高屈折率層は、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₄ のＡｌ _x8 Ｇａ _1-x8 Ａｓ（０≦ｘ８＜ｘ７）により構成され、
   前記第３低屈折率層は、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₅ のＡｌ _x9 Ｇａ _1-x9 Ａｓ（０＜ｘ９＜１）により構成され、
   前記第３高屈折率層は、厚さがλ ₁ ／４ｎ ₆ よりも薄いＡｌ _x10 Ｇａ _1-x10 Ａｓ（０≦ｘ１０＜ｘ９）により構成され、
   前記活性層は、Ａｌ組成比ｘ５が２５℃で最大利得となるような値よりも大きな値となっているＡｌ _x5 Ｇａ _1-x5 Ａｓ（０≦ｘ５＜１）により構成されている
   請求項３に記載の面発光型半導体レーザ。

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