JP2005150519A - 面発光型半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 レーザ光の横モードの制御が容易に可能な面発光型半導体レーザおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明にかかる面発光型半導体レーザ１００は，基板１０１の上方に垂直共振器１４０を有する面発光型半導体レーザ１００であって、垂直共振器１４０は、基板１０１側から配置された、第１ミラー１０２、活性層１０３および第２ミラー１０４を含み、第２ミラー１０４の上方に凹状曲面１０を有する光路調整層１２０を備えている。
【選択図】 図２
【解決手段】 本発明にかかる面発光型半導体レーザ１００は，基板１０１の上方に垂直共振器１４０を有する面発光型半導体レーザ１００であって、垂直共振器１４０は、基板１０１側から配置された、第１ミラー１０２、活性層１０３および第２ミラー１０４を含み、第２ミラー１０４の上方に凹状曲面１０を有する光路調整層１２０を備えている。
【選択図】 図２
Description
本発明は、面発光型半導体レーザおよびその製造方法に関する。
面発光型半導体レーザは、半導体基板に垂直にレーザ光を出射する半導体レーザであり、従来の端面型半導体レーザに比べて、扱いが容易で、しかもしきい値電流が低いなどの優れた特徴を有するため、各種センサや光通信の光源として期待されている。しかし、面発光型半導体レーザは、その平面構造の対称性から、偏波方向が安定せず、高次横モードのレーザ光が出射されやすい。そのため、面発光型半導体レーザを偏波依存性のある光学系などに用いると、偏波面が不安定であること、すなわちレーザ光の横モードが不安定であることがノイズの原因となる。
本発明の目的は、レーザ光の横モードの制御が容易に可能な面発光型半導体レーザおよびその製造方法を提供することにある。
本発明にかかる面発光型半導体レーザは、
基板の上方に垂直共振器を有する面発光型半導体レーザであって、
前記垂直共振器は、前記基板側から配置された、第１ミラー、活性層および第２ミラーを含み、
前記第２ミラーの上方に凹状曲面を有する光路調整層を備えている。
基板の上方に垂直共振器を有する面発光型半導体レーザであって、
前記垂直共振器は、前記基板側から配置された、第１ミラー、活性層および第２ミラーを含み、
前記第２ミラーの上方に凹状曲面を有する光路調整層を備えている。
本発明にかかる半導体装置の製造方法において、特定の層（以下、「Ａ層」という）の上方に他の特定の層（以下、「Ｂ層」という）を形成するとは、Ａ層上に直接、Ｂ層を形成する場合と、Ａ層上の他の層を介して、Ｂ層を形成する場合と、を含む。
この面発光型半導体レーザによれば、前記垂直共振器が前記凹状曲面を有する前記光路調整層を有することにより、以下の理由でレーザ光の横モードを制御することができる。すなわち、高次横モードのレーザ光は、基本横モードのレーザ光に比べ、放射角が大きい。そのため、高次横モードのレーザ光は、前記凹状曲面で反射されて光が散乱するため、平面で反射される場合に比べ、損失が大きい。言い換えるならば、前記凹状曲面によって高次横モードのレーザ光に損失を与えることができる。その結果、相対的に基本横モードのレーザ光の発振出力が増加する。すなわち、レーザ光の発振特性は、より基本モードに近いものとなる。このようにして、レーザ光の横モードを制御することができる。
本発明にかかる面発光型半導体レーザは、
基板の上方に垂直共振器を有する面発光型半導体レーザであって、
前記垂直共振器は、前記基板側から配置された、第１ミラー、活性層および第２ミラーを含み、
前記第１ミラーの下方に凹状曲面を有する光路調整層を備えている。
基板の上方に垂直共振器を有する面発光型半導体レーザであって、
前記垂直共振器は、前記基板側から配置された、第１ミラー、活性層および第２ミラーを含み、
前記第１ミラーの下方に凹状曲面を有する光路調整層を備えている。
この面発光型半導体レーザによれば、前記垂直共振器が前記凹状曲面を有する前記光路調整層を有することにより、上述と同様の理由でレーザ光の横モードを制御することができる。
本発明にかかる面発光型半導体レーザの製造方法は、
基板の上方に垂直共振器を有する面発光型半導体レーザの製造方法であって、
前記基板の上方に、少なくとも、第１ミラー、活性層および第２ミラーを構成するための半導体層を積層する工程と、
前記半導体層をパターニングすることにより、少なくとも前記第２ミラーの一部を含む柱状部を形成する工程と、
前記柱状部の周囲に絶縁層を形成して埋め込み絶縁層を形成する工程と、
前記柱状部および前記埋込み絶縁層の上方に電極を形成する工程と、
前記柱状部の出射面、前記電極および前記埋込み絶縁層の上方に前駆体層を形成する工程と、
前記前駆体層の上方にマスク層を形成する工程と、
前記マスク層をパターニングする工程と、
前記マスク層をマスクとして前記前駆体層をエッチングすることにより、該前駆体層に凹状曲面を形成する工程と、
前記前駆体層を硬化して光路調整層を形成する工程と、を含む。
基板の上方に垂直共振器を有する面発光型半導体レーザの製造方法であって、
前記基板の上方に、少なくとも、第１ミラー、活性層および第２ミラーを構成するための半導体層を積層する工程と、
前記半導体層をパターニングすることにより、少なくとも前記第２ミラーの一部を含む柱状部を形成する工程と、
前記柱状部の周囲に絶縁層を形成して埋め込み絶縁層を形成する工程と、
前記柱状部および前記埋込み絶縁層の上方に電極を形成する工程と、
前記柱状部の出射面、前記電極および前記埋込み絶縁層の上方に前駆体層を形成する工程と、
前記前駆体層の上方にマスク層を形成する工程と、
前記マスク層をパターニングする工程と、
前記マスク層をマスクとして前記前駆体層をエッチングすることにより、該前駆体層に凹状曲面を形成する工程と、
前記前駆体層を硬化して光路調整層を形成する工程と、を含む。
この面発光型半導体レーザの製造方法によれば、従来の面発光型半導体レーザの製造工程に、前記光路調整層を形成する工程を追加するものである。そのため、比較的簡易なプロセスによって、本発明にかかる面発光型半導体レーザを製造することができる。
本発明にかかる面発光型半導体レーザの製造方法は、
基板の上方に垂直共振器を有する面発光型半導体レーザの製造方法であって、
前記基板の上方に、少なくとも、第１ミラー、活性層および第２ミラーを構成するための半導体層を積層する工程と、
前記半導体層をパターニングすることにより、少なくとも前記第２ミラーの一部を含む柱状部を形成する工程と、
前記柱状部の周囲に絶縁層を形成して埋め込み絶縁層を形成する工程と、
前記柱状部および前記埋込み絶縁層の上方に電極を形成する工程と、
前記半導体層の裏面をエッチングすることにより、凹部を形成する工程と、
前記凹部に前駆体層を埋め込む工程と、
前記前駆体層の下方にマスク層を形成する工程と、
前記マスク層をパターニングする工程と、
前記マスク層をマスクとして前記前駆体層をエッチングすることにより、該前駆体層に凹状曲面を形成する工程と、
前記前駆体層を硬化して光路調整層を形成する工程と、を含む。
基板の上方に垂直共振器を有する面発光型半導体レーザの製造方法であって、
前記基板の上方に、少なくとも、第１ミラー、活性層および第２ミラーを構成するための半導体層を積層する工程と、
前記半導体層をパターニングすることにより、少なくとも前記第２ミラーの一部を含む柱状部を形成する工程と、
前記柱状部の周囲に絶縁層を形成して埋め込み絶縁層を形成する工程と、
前記柱状部および前記埋込み絶縁層の上方に電極を形成する工程と、
前記半導体層の裏面をエッチングすることにより、凹部を形成する工程と、
前記凹部に前駆体層を埋め込む工程と、
前記前駆体層の下方にマスク層を形成する工程と、
前記マスク層をパターニングする工程と、
前記マスク層をマスクとして前記前駆体層をエッチングすることにより、該前駆体層に凹状曲面を形成する工程と、
前記前駆体層を硬化して光路調整層を形成する工程と、を含む。
この面発光型半導体レーザの製造方法によれば、従来の面発光型半導体レーザの製造工程に、前記光路調整層を形成する工程を追加するものである。そのため、比較的簡易なプロセスによって、本発明にかかる面発光型半導体レーザを製造することができる。
本発明にかかる面発光型半導体レーザの製造方法において、前記マスク層は撥液膜であることができる。
本発明にかかる面発光型半導体レーザの製造方法において、前記マスク層はレジスト層であることができる。
本発明にかかる面発光型半導体レーザの製造方法において、前記前駆体層をエッチングする工程において、エッチャントは液滴吐出法により滴下されることができる。
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら述べる。
１．第１の実施の形態
１−１．デバイスの構造
図１は、本発明を適用した第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ（以下、「面発光レーザ」ともいう）１００を模式的に示す平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
１−１．デバイスの構造
図１は、本発明を適用した第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ（以下、「面発光レーザ」ともいう）１００を模式的に示す平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
本実施の形態の面発光レーザ１００は、図１および図２に示すように、半導体基板（本実施の形態ではＧａＡｓ基板）１０１と、半導体基板１０１上に形成された垂直共振器（以下「共振器」という）１４０と、第１電極１０７と、第２電極１０９と、を含む。共振器１４０は、第１ミラー１０２と、活性層１０３と、第２ミラー１０４と、凹状曲面１０を有する光路調整層１２０と、を含む。
次に、この面発光レーザ１００の各構成要素について述べる。
共振器１４０は、たとえば、ｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層とを交互に積層した４０ペアの分布反射型多層膜ミラーである第１ミラー１０２と、ＧａＡｓウエル層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓバリア層からなり、ウエル層が３層で構成される量子井戸構造を含む活性層１０３と、ｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層とを交互に積層した２５ペアの分布反射型多層膜ミラーである第２ミラー１０４とを有する。なお、第１ミラー１０２、活性層１０３、および第２ミラー１０４を構成する各層の組成および層数はこれに限定されるわけではない。
共振器１４０は、さらに、凹状曲面１０を有する光路調整層１２０を含む。光路調整層１２０については、後に詳述する。
第２ミラー１０４は、たとえば、Ｃ、Ｚｎ、あるいはＭｇなどがドーピングされることによりｐ型にされ、第１ミラー１０２は、たとえば、Ｓｉ、あるいはＳｅなどがドーピングされることによりｎ型にされている。したがって、第２ミラー１０４、不純物がドーピングされていない活性層１０３、および第１ミラー１０２により、ｐｉｎダイオードが形成される。
第２ミラー１０４、活性層１０３および第１ミラー１０２の一部は、柱状の半導体堆積体（以下「柱状部」という）１３０を構成している。柱状部１３０の側面は埋込み絶縁層１０６で覆われている。
柱状部１３０を構成する層のうち活性層１０３に近い領域に、電流狭窄層として機能する絶縁層１０５が形成されていてもよい。この絶縁層１０５は、柱状部１３０の周縁に沿ったリング形状を有することができる。また、電流狭窄用の絶縁層１０５は、たとえば酸化アルミニウムからなる。
本実施の形態に係る面発光レーザ１００においては、柱状部１３０の側面を覆うようにして、埋込み絶縁層１０６が形成されている。埋込み絶縁層１０６を構成する樹脂は、たとえば、ポリイミド樹脂、フッ素系樹脂、アクリル樹脂、またはエポキシ樹脂などを用いることができ、特に、加工の容易性や絶縁性の観点から、ポリイミド樹脂またはフッ素系樹脂であるのが望ましい。
柱状部１３０および埋込み絶縁層１０６の上には、第１電極１０７が形成されている。第１電極１０７における柱状部１３０上の開口部は、レーザ光の出射面１０８となる。第１電極１０７は、たとえばＡｕとＺｎの合金とＡｕとの積層膜からなる。さらに、半導体基板１０１の裏面には、第２電極１０９が形成されている。第２電極１０９は、たとえばＡｕとＧｅの合金とＡｕとの積層膜からなる。すなわち、図１および図２に示す面発光レーザ１００では、柱状部１３０上で第１電極１０７は第２ミラー１０４と接合し、かつ、第２電極１０９は半導体基板１０１と接合している。この第１電極１０７および第２電極１０９によって活性層１０３に電流が注入される。
第１および第２電極１０７，１０９を形成するための材料は、前述したものに限定されるわけではなく、密着性強化、拡散防止、あるいは酸化防止などのために必要に応じて、たとえばＣｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ、あるいはＰｔなどの金属やこれらの合金などが利用可能である。
共振器１４０を構成する光路調整層１２０は、柱状部１３０の出射面１０８および第１電極１０７上に形成されている。光路調整層１２０は、凹状曲面１０を有する。光路調整層１２０の凹状曲面１０は、その中心が出射面１０８の中心と平面視においてほぼ一致するように形成されている。このように凹状曲面１０を有する光路調整層１２０が配置されることにより、レーザ光の横モードを制御することができる。その理由については、後述する。
１−２．デバイスの動作
本実施の形態の面発光型半導体レーザ１００の一般的な動作を以下に示す。なお、下記の面発光型半導体レーザ１００の駆動方法は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない限り、種々の変更が可能である。
本実施の形態の面発光型半導体レーザ１００の一般的な動作を以下に示す。なお、下記の面発光型半導体レーザ１００の駆動方法は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない限り、種々の変更が可能である。
まず、第１電極１０７と第２電極１０９とで、ｐｉｎダイオードに順方向の電圧を印加すると、活性層１０３において、電子と正孔との再結合が起こり、かかる再結合による発光が生じる。そこで生じた光が第２ミラー１０４と第１ミラー１０２との間を往復する際に誘導放出が起こり、光の強度が増幅される。光利得が光損失を上まわると、レーザ発振が起こり、柱状部１３０上面にある出射面１０８から、半導体基板１０１に対して垂直方向にレーザ光が出射される。
本実施の形態の面発光型半導体レーザ１００では、共振器１４０が凹状曲面１０を有する光路調整層１２０を有することにより、以下の理由でレーザ光の横モードを制御することができる。すなわち、図２に示すように、高次横モードのレーザ光（矢印ａ）は、基本横モードのレーザ光（矢印ｂ）に比べ、放射角が大きい。そのため、高次横モードのレーザ光は、凹状曲面１０で反射されて光が散乱するため、平面で反射される場合に比べ、損失が大きい。言い換えるならば、凹状曲面１０によって高次横モードのレーザ光に損失を与えることができる。その結果、相対的に基本横モードのレーザ光の発振出力が増加する。すなわち、レーザ光の発振特性は、より基本モードに近いものとなる。このようにして、レーザ光の横モードを制御することができる。
１−３．デバイスの製造方法
次に、本発明を適用した第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ１００の製造方法の一例について、図３〜図１１を用いて述べる。図３〜図１１は、図１および図２に示す本実施の形態の面発光型半導体レーザ１００の一製造工程を模式的に示す断面図であり、それぞれ図２に示す断面に対応している。
次に、本発明を適用した第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ１００の製造方法の一例について、図３〜図１１を用いて述べる。図３〜図１１は、図１および図２に示す本実施の形態の面発光型半導体レーザ１００の一製造工程を模式的に示す断面図であり、それぞれ図２に示す断面に対応している。
（１）まず、ｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板１０１の表面に、組成を変調させながらエピタキシャル成長させることにより、図３に示すように、半導体多層膜１５０を形成する。ここで、半導体多層膜１５０は、たとえばｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層とを交互に積層した４０ペアの第１ミラー１０２と、ＧａＡｓウエル層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓバリア層からなり、ウエル層が３層で構成される量子井戸構造を含む活性層１０３と、ｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層とを交互に積層した２５ペアの第２ミラー１０４とからなる。これらの層を順に半導体基板１０１上に積層させることにより、半導体多層膜１５０が形成される。
なお、第２ミラー１０４を成長させる際に、活性層１０３近傍の少なくとも１層を、後に酸化されて電極狭窄用の絶縁層１０５となるＡｌＡｓ層またはＡｌＧａＡｓ層に形成することができる。この絶縁層１０５となるＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成は、０．９５以上である。また、第２ミラー１０４の最表面の層は、キャリア密度を高くし、電極（第１電極１０７）とのオーミック接触をとりやすくしておくのが望ましい。
エピタキシャル成長を行う際の温度は、成長方法や原料、半導体基板１０１の種類、あるいは形成する半導体多層膜１５０の種類、厚さ、およびキャリア密度によって適宜決定されるが、一般に、４５０℃〜８００℃であるのが好ましい。また、エピタキシャル成長を行う際の所要時間も、温度と同様に適宜決定される。また、エピタキシャル成長させる方法としては、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法や、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、あるいはＬＰＥ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法などを用いることができる。
続いて、半導体多層膜１５０上に、レジストを塗布した後リソグラフィ法により該レジストをパターニングすることにより、図３に示すように、所定のパターンのレジスト層Ｒ１００を形成する。レジスト層Ｒ１００は、柱状部１３０（図１および図２参照）の形成予定領域の上方に形成する。次いで、このレジスト層Ｒ１００をマスクとして、たとえばドライエッチング法により、第２ミラー１０４、活性層１０３、および第１ミラー１０２の一部をエッチングして、図４に示すように、柱状の半導体堆積体（柱状部）１３０を形成する。その後、レジスト層Ｒ１００を除去する。
続いて、図５に示すように、たとえば４００℃程度の水蒸気雰囲気中に、上記工程によって柱状部１３０が形成された半導体基板１０１を投入することにより、前述の第２ミラー１０４中のＡｌ組成が高い層（Ａｌ組成が０．９５以上の層）を側面から酸化して、電流狭窄用の絶縁層１０５を形成する。酸化レートは、炉の温度、水蒸気の供給量、酸化すべき層のＡｌ組成および膜厚に依存する。
（２）次いで、図６に示すように、柱状部１３０、すなわち第１ミラー１０２の一部、活性層１０３、および第２ミラー１０４を取り囲む埋込み絶縁層１０６を形成する。
ここでは、埋込み絶縁層１０６を形成するための材料として、ポリイミド樹脂を用いた場合について述べる。まず、たとえばスピンコート法を用いて前駆体（ポリイミド前駆体）を、柱状部１３０を有する半導体基板１０１上に塗布して、前駆体層を形成する。この際、前記前駆体層の膜厚が柱状部１３０の高さより大きくなるように形成する。なお、前記前駆体層の形成方法としては、前述したスピンコート法のほか、ディッピング法、スプレーコート法、液滴吐出法等の公知技術が利用できる。
次いで、この半導体基板１０１を、たとえばホットプレート等を用いて加熱して溶媒を除去した後、たとえば３５０℃程度の炉に入れて、前駆体層をイミド化させることにより、ほぼ完全に硬化したポリイミド樹脂層を形成する。続いて、図６に示すように、柱状部１３０の上面１３０ａを露出させて、埋込み絶縁層１０６を形成する。柱状部１３０の上面１３０ａを露出させる方法としては、ＣＭＰ法、ドライエッチング法、ウェットエッチング法などが利用できる。また、感光性を有する樹脂で埋込み絶縁層１０６を形成することもできる。埋込み絶縁層１０６は、必要に応じてリソグラフィーなどによってパターニングすることができる。
（３）次に、活性層１０３に電流を注入するための第１電極１０７、第２電極１０９およびレーザ光の出射面１０８（図１および図２参照）を形成する工程について述べる。
まず、第１電極１０７および第２電極１０９を形成する前に、必要に応じて、プラズマ処理法等を用いて、柱状部１３０および半導体基板１０１の露出している上面を洗浄する。これにより、より安定した特性の素子を形成することができる。つづいて、図７に示すように、たとえば真空蒸着法により埋込み絶縁層１０６および柱状部１３０の上面に、たとえばＡｕとＺｎの合金とＡｕとの積層膜を形成した後、リフトオフ法により、柱状部１３０の上面に、前記積層膜が形成されていない部分を形成する。この部分が出射面１０８となる。なお、前記工程において、リフトオフ法のかわりに、ドライエッチング法あるいはウェットエッチング法を用いることもできる。
また、半導体基板１０１の露出している面に、たとえば真空蒸着法により、たとえばＡｕとＧｅの合金とＡｕとの積層膜を形成する。次いで、アニール処理する。アニール処理の温度は電極材料に依存する。本実施の形態で用いた電極材料の場合は、通常４００℃前後で行う。以上の工程により、第１電極１０７および第２電極１０９が形成される。
（４）次に、共振器１４０を構成する光路調整層１２０（図１および図２参照）を形成する工程について述べる。
本実施の形態では、光路調整層１２０としては、出射するレーザ光を吸収しない材料で形成されていることが望ましい。すなわち、光路調整層１２０の材質は、面発光レーザ１００より出射されるレーザ光の波長帯域に吸収帯域をもたない材質から形成されていることが望ましい。光路調整層１２０としては、たとえばポリイミド樹脂、フッ素系樹脂、アクリル樹脂、またはエポキシ樹脂などを用いることができる。
以下に、光路調整層１２０の材料としてポリイミド系樹脂を用いた場合について述べる。まず、図７に示すように、柱状部１３０および第１電極１０７を覆うように、ポリイミドの前駆体層１２２を形成する。前駆体層１２２の形成方法としては、埋込み絶縁層１０６の形成で用いた同様のスピンコート法、ディッピング法、スプレーコート法、液滴吐出法等の公知技術を利用できる。
次いで、図８に示すように、前駆体層１２２上の凹状曲面１０（図１および図２参照）の形成領域以外の領域にマスク層１２４を形成する。マスク層１２４のパターンは、図１および図２に示す凹状曲面１０に対応した部分が開口されたものである。すなわち、この例ではマスク層１２４のパターンは、平面視において円形の開口部１２６を有する。この開口部１２６の中心軸は、前述の凹状曲面１０の中心軸と一致するように形成される。
マスク層１２４としては、レジスト層を用いることができる。マスク層１２４としてレジスト層を用いた場合には、マスク層１２４のパターニングは、公知のリソグラフィ技術を用いて行うことができる。
また、マスク層１２４としては、たとえばＦＡＳ（フルオロアルキルシラン）膜などの撥液膜を用いることもできる。撥液膜とは、後述するエッチャント２０に対して撥液性を有する膜をいう。マスク層１２４にＦＡＳを用いる場合、マスク層１２４のパターニングの方法としては、たとえば以下の方法が挙げられる。
まず、マスク層１２４の開口部１２６の形成領域にリソグラフィ技術を用いてレジスト層を形成する。次に、前駆体層１２２の形成された半導体基板１０１をＦＡＳガスの雰囲気中に投入することによって、前駆体層１２２の露出した表面にＦＡＳの単分子膜を形成する。次に、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）などを用いてレジスト層を除去する。その結果、開口部１２６を有するＦＡＳの単分子膜（マスク層１２４）が形成される。
他の方法としては、まず、前駆体層１２２の形成された半導体基板１０１をＦＡＳガスの雰囲気中に投入することによって、前駆体層１２２の表面にＦＡＳの単分子膜を形成する。次に、マスク層１２４の開口部１２６の形成領域のみにガラスマスクなどを通して紫外線を照射する。その結果、ＦＡＳの単分子膜の紫外線が照射された領域が分解・除去されて、開口部１２６を有するＦＡＳの単分子膜（マスク層１２４）が形成される。
次に、前駆体層１２２をエッチングすることによって、凹状曲面１０（図１および図２参照）を形成する。具体的には、以下の通りである。
まず、図９に示すように、マスク層１２４の開口部１２６（図８参照）に対して、液滴吐出法によりエッチャント２０を滴下する。その結果、マスク層１２４で囲まれた領域、すなわちマスク層１２４の開口部１２６にエッチャント２０が濡れ広がる。そして、エッチャント２０によって前駆体層１２２が等方的にエッチングされ、図１０に示すように、前駆体層１２２に凹状曲面１０が形成される。
液滴吐出法としては、たとえば、（I）熱により液体（ここではエッチャント２０）中の気泡の大きさを変化させることで圧力を生じさせ、液体をインクジェットノズルから吐出させる方法や、（II）圧電素子により生じた圧力によって液体をインクジェットノズルから吐出させる方法などがある。圧力の制御性の観点からは、前記（II）の方法が望ましい。
インクジェットヘッド１１４のノズル１１２の位置と、エッチャント２０の吐出位置とのアライメントは、一般的な半導体集積回路の製造工程における露光工程や検査工程で用いられる公知の画像認識技術を用いて行なわれる。たとえば、図９に示すように、インクジェットヘッド１１４のノズル１１２の位置と、マスク層１２４の開口部１２６（図８参照）とのアライメントを画像認識により行なう。アライメント後、インクジェットヘッド１１４に印加する電圧を制御した後、エッチャント２０を吐出する。
この場合、ノズル１１２から吐出されるエッチャント２０の吐出角度にはある程度のばらつきがあるが、エッチャント２０が着弾した位置が開口部１２６の内側であれば、マスク層１２４で囲まれた領域にエッチャント２０が濡れ広がり、自動的に位置の補正がなされる。
なお、前駆体層１２２のエッチング方法は、上述のような液滴吐出法のみならず、前駆体層１２２に凹状曲面１０を形成することができる方法であれば特に限定されない。たとえば、図１１に示すように、半導体基板１０１をエッチャント２０に浸し、前駆体層１２２をエッチングする方法を用いることもできる。
エッチャント２０としては、前駆体層１２２をエッチングできる公知のエッチャントを用いることが可能である。たとえば、前駆体層１２２がポリイミド系樹脂の前駆体である場合には、アルカリ性の現像液などを用いることができる。
次に、必要に応じて、マスク層１２４を除去する。マスク層１２４の除去は、たとえばマスク層１２４としてレジスト層を用いた場合には、アッシングにより行うことができる。たとえばマスク層１２４としてＦＡＳの単分子膜を用いた場合には、紫外線を照射することによって分解・除去することができる。
次いで、前駆体層１２２の表面を洗浄した後、ホットプレートや炉を用いて半導体基板１０１を加熱することにより、前駆体層１２２に熱を供給してこれを硬化（イミド化）し、図１および図２に示す光路調整層１２０を形成する。
以上のプロセスにより、図１および図２に示す面発光型半導体レーザ１００が得られる。
１−４．作用効果
以下に、本実施の形態の主な作用効果について述べる。
以下に、本実施の形態の主な作用効果について述べる。
本実施の形態にかかる面発光レーザ１００によれば、共振器１４０が凹状曲面１０を有する光路調整層１２０を有することにより、以下の理由でレーザ光の横モードを制御することができる。すなわち、図２に示すように、高次横モードのレーザ光（矢印ａ）は、基本横モードのレーザ光（矢印ｂ）に比べ、放射角が大きい。そのため、高次横モードのレーザ光は、凹状曲面１０で反射されて光が散乱するため、平面で反射される場合に比べ、損失が大きい。言い換えるならば、凹状曲面１０によって高次横モードのレーザ光に損失を与えることができる。その結果、相対的に基本横モードのレーザ光の発振出力が増加する。すなわち、レーザ光の発振特性は、より基本モードに近いものとなる。このようにして、レーザ光の横モードを制御することができる。
本実施の形態にかかる面発光レーザ１００によれば、従来の面発光レーザ上に光路調整層１２０を形成するだけで、上述したようにレーザ光の横モードを制御することができる。すなわち、従来の面発光レーザの構造をそのまま利用することが可能である。
本実施の形態にかかる面発光レーザの製造方法によれば、従来の面発光レーザの製造工程に、光路調整層１２０を形成する工程を追加するものである。そのため、比較的簡易なプロセスによって、本実施の形態の面発光レーザ１００を製造することができる。
２．第２の実施の形態
２−１．デバイスの構造
図１２は、本発明を適用した第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ２００を模式的に示す断面図である。なお、第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ１００と実質的に同じ構成要素には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
２−１．デバイスの構造
図１２は、本発明を適用した第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ２００を模式的に示す断面図である。なお、第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ１００と実質的に同じ構成要素には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
本実施の形態に係る面発光レーザ２００は、半導体基板１０１の裏面１０１ｂ側から光が出射する点、半導体基板１０１の裏面１０１ｂに凹部２２２が設置され、凹部２２２に光路調整層２２０が埋め込まれている点、ならびに第２電極１０９が半導体基板１０１に対して第１電極１０７と同じ側に形成されている点、光路調整層２２０の上面に出射面２０８が設置されている点で、第１の実施の形態の面発光レーザ１００と異なる構造を有する。
本実施の形態に係る面発光レーザ２００では、半導体基板１０１の裏面１０１ｂに凹部２２２が形成され、凹部２２２に光路調整層２２０が埋め込まれている。光路調整層２２０の幅および膜厚は、凹部２２２の幅および深さを調整することによって、制御することが可能である。
また、この面発光レーザ２００には、ＩｎＧａＡｓ系の層を含む活性層２０３が形成されている点で、ＡｌＧａＡｓ系の層を含む活性層１０３が形成されている第１の実施の形態の面発光レーザ１００と異なる構造を有する。具体的には、活性層２０３は、Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓウエル層およびＧａＡｓバリア層を含む量子井戸構造を有する。
２−２．デバイスの動作
本実施の形態の面発光レーザ２００の動作は、第１の実施の形態の面発光レーザ１００と基本的に同様である。ただし、本実施の形態の面発光レーザ２００では、出射面２０８が半導体基板１０１の裏面１０１ｂ側に設置されているため、活性層２０３で生じた光は、下部ミラー１０２および半導体基板１０１を経た後、出射面２０８から出射し、しかる後に光路調整層２２０へと入射する。光路調整層２２０に入射したレーザ光は、凹状曲面２０によってレーザ光の横モードが制御された後、半導体基板１０１に対して垂直方向（図１２に示す−Ｚ方向）へと出射する。
本実施の形態の面発光レーザ２００の動作は、第１の実施の形態の面発光レーザ１００と基本的に同様である。ただし、本実施の形態の面発光レーザ２００では、出射面２０８が半導体基板１０１の裏面１０１ｂ側に設置されているため、活性層２０３で生じた光は、下部ミラー１０２および半導体基板１０１を経た後、出射面２０８から出射し、しかる後に光路調整層２２０へと入射する。光路調整層２２０に入射したレーザ光は、凹状曲面２０によってレーザ光の横モードが制御された後、半導体基板１０１に対して垂直方向（図１２に示す−Ｚ方向）へと出射する。
また、この面発光レーザ２００は、ＩｎＧａＡｓ系の層を含む活性層２０３が設置されていることにより、ＧａＡｓ基板を透過可能な波長８８０ｎｍ以上の光（たとえば１１００ｎｍ程度）を出射する面発光レーザとして機能することができる。
２−３．デバイスの製造方法
次に、本発明を適用した第２の実施の形態に係る面発光レーザ２００の製造方法の一例について説明する。
次に、本発明を適用した第２の実施の形態に係る面発光レーザ２００の製造方法の一例について説明する。
第２の実施の形態に係る面発光レーザ２００は、途中の製造プロセスまでは、前述の第１の実施の形態に係る面発光レーザ１００の製造プロセスとほぼ同様の工程によって形成することができる。具体的には、活性層１０３（図２参照）のかわりに、Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓウエル層およびＧａＡｓバリア層を含む活性層２０３を形成する点、第１および第２電極１０７，１０９の平面形状が異なる点、第１電極１０７と第２電極１０９とを半導体基板１０１に対して同じ側に形成する点、半導体基板１０１の裏面１０１ｂに凹部２２２を形成し、凹部２２２に凹状曲面３０を有する光路調整層２２０を形成する点を除いて、第１の実施の形態の面発光レーザ１００の製造プロセスとほぼ同様の工程によって形成される。よって、ここでは、第１の実施の形態の面発光レーザ１００の製造プロセスと異なる点について主に説明する。
本実施の形態に係る面発光レーザ２００の製造プロセスでは、具体的には、埋め込み絶縁層１０６を形成するまでは、上述の第１の実施の形態の面発光レーザ１００の製造プロセスとほぼ同様である。
次いで、第２ミラー１０４の側方に存在する埋め込み絶縁層１０６を除去して、第１ミラー１０２を露出させる（図１２参照）。埋め込み絶縁層１０６の除去は、たとえば公知のリソグラフィ技術を用いたエッチングにより行うことができる。エッチングは、たとえばウェットエッチング法やドライエッチング法などにより行うことができる。
次に、たとえば真空蒸着法により絶縁層１０６および柱状部１３０の上面に、第１電極１０７を形成する。また、第１ミラー１０２の露出している上面に、第２電極１０９を形成する。第１および第２電極１０７，１０９の具体的な形成方法は、第１の実施の形態で説明した方法と同様である。
次に、半導体基板１０１の裏面１０１ｂに凹部２２２を形成する。凹部２２２の形成は、たとえば公知のリソグラフィ技術を用いたエッチングにより行うことができる。エッチングは、たとえばウェットエッチング法やドライエッチング法などにより行うことができる。
次に、凹部２２２に凹状曲面２０を有する光路調整層２２０を埋め込む。凹状曲面２０を有する光路調整層２２０の具体的な形成方法は、第１の実施の形態で説明した方法と同様である。
以上のプロセスにより、図１２に示す面発光型半導体レーザ２００が得られる。
２−４．作用効果
本実施の形態に係る面発光レーザ２００およびその製造方法は、第１の実施の形態に係る面発光レーザ１００およびその製造方法と実質的に同じ作用および効果を有する。
本実施の形態に係る面発光レーザ２００およびその製造方法は、第１の実施の形態に係る面発光レーザ１００およびその製造方法と実質的に同じ作用および効果を有する。
以上、本発明の好適な実施の形態について述べたが、本発明はこれらに限定されず、各種の態様を取りうる。たとえば、上述した本発明の第１の実施の形態では、第１電極１０７は第２ミラー１０４の上面に形成され、第２電極１０９は半導体基板１０１の裏面に形成された両面電極構造の例について述べたが、第１電極１０７は第２ミラー１０４の上面に形成され、第２電極１０９は第１ミラー１０２の上面に形成された片面電極構造とすることもできる。
また、たとえば、上述した本発明の実施の形態では、柱状部を一つ有する面発光レーザについて説明したが、基板面内で柱状部を複数個設けることも可能である。また、複数の面発光レーザがアレイ化されている場合でも、同様の作用および効果を有する。
また、たとえば、上記実施の形態において、各半導体層におけるｐ型とｎ型とを入れ替えても本発明の趣旨を逸脱するものではない。上記第１の実施の形態ではＡｌＧａＡｓ系のもの、上記第２の実施の形態ではＩｎＧａＡｓ系のものについて説明したが、発振波長に応じてその他の材料系、たとえば、ＧａＩｎＰ系、ＺｎＳＳｅ系、ＩｎＧａＮ系、ＡｌＧａＮ系、ＧａＩｎＮＡｓ系、ＧａＡｓＳｂ系などの半導体材料を用いることも可能である。
１０ 凹状曲面、２０ エッチャント、３０ 凹状曲面、１００ 面発光型半導体レーザ、１０１ 半導体基板、１０２ 第１ミラー、１０３ 活性層、１０４ 第２ミラー、１０５ 絶縁層、１０６ 埋め込み絶縁層、１０７ 第１電極、１０８ 出射面、１０９ 第２電極、１１２ ノズル、１１４ インクジェットヘッド、１２０ 光路調整層、１２２ 前駆体層、１２４ マスク層、１２６ 開口部 、１３０ 柱状部、１４０ 垂直共振器、１５０ 半導体多層膜、２００ 面発光型半導体レーザ、２０３ 活性層、２０８ 出射面、２２０ 光路調整層、２２２ 凹部
Claims (7)
- 基板の上方に垂直共振器を有する面発光型半導体レーザであって、
前記垂直共振器は、前記基板側から配置された、第１ミラー、活性層および第２ミラーを含み、
前記第２ミラーの上方に凹状曲面を有する光路調整層を備えている、面発光型半導体レーザ。 - 基板の上方に垂直共振器を有する面発光型半導体レーザであって、
前記垂直共振器は、前記基板側から配置された、第１ミラー、活性層および第２ミラーを含み、
前記第１ミラーの下方に凹状曲面を有する光路調整層を備えている、面発光型半導体レーザ。 - 基板の上方に垂直共振器を有する面発光型半導体レーザの製造方法であって、
前記基板の上方に、少なくとも、第１ミラー、活性層および第２ミラーを構成するための半導体層を積層する工程と、
前記半導体層をパターニングすることにより、少なくとも前記第２ミラーの一部を含む柱状部を形成する工程と、
前記柱状部の周囲に絶縁層を形成して埋め込み絶縁層を形成する工程と、
前記柱状部および前記埋込み絶縁層の上方に電極を形成する工程と、
前記柱状部の出射面、前記電極および前記埋込み絶縁層の上方に前駆体層を形成する工程と、
前記前駆体層の上方にマスク層を形成する工程と、
前記マスク層をパターニングする工程と、
前記マスク層をマスクとして前記前駆体層をエッチングすることにより、該前駆体層に凹状曲面を形成する工程と、
前記前駆体層を硬化して光路調整層を形成する工程と、を含む、面発光型半導体レーザの製造方法。 - 基板の上方に垂直共振器を有する面発光型半導体レーザの製造方法であって、
前記基板の上方に、少なくとも、第１ミラー、活性層および第２ミラーを構成するための半導体層を積層する工程と、
前記半導体層をパターニングすることにより、少なくとも前記第２ミラーの一部を含む柱状部を形成する工程と、
前記柱状部の周囲に絶縁層を形成して埋め込み絶縁層を形成する工程と、
前記柱状部および前記埋込み絶縁層の上方に電極を形成する工程と、
前記半導体層の裏面をエッチングすることにより、凹部を形成する工程と、
前記凹部に前駆体層を埋め込む工程と、
前記前駆体層の下方にマスク層を形成する工程と、
前記マスク層をパターニングする工程と、
前記マスク層をマスクとして前記前駆体層をエッチングすることにより、該前駆体層に凹状曲面を形成する工程と、
前記前駆体層を硬化して光路調整層を形成する工程と、を含む、面発光型半導体レーザの製造方法。 - 請求項３または４において、
前記マスク層は撥液膜である、面発光型半導体レーザの製造方法。 - 請求項３または４において、
前記マスク層はレジスト層である、面発光型半導体レーザの製造方法。 - 請求項３〜６のいずれかにおいて、
前記前駆体層をエッチングする工程において、エッチャントは液滴吐出法により滴下される、面発光型半導体レーザの製造方法。
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