JP2007165501A - 面発光型半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】低抵抗、低発振閾値といった優れた性能を有する面発光型半導体レーザ、及び当該面発光型半導体レーザを歩留まりの低下を招かずに安価に製造することができる面発光型半導体レーザの製造方法を提供する。
【解決手段】面発光型半導体レーザ10は、半導体基板SB上に順に積層された第1ミラー11、活性層12、及び第2ミラー13を備える。第1ミラー11は、活性層12に接する第1領域R1と、第1領域R1の下方に位置する第2領域R2とに大別される。第1領域R1は、低組成層と高組成層とが交互に積層されるとともに、低組成層と高組成層との間にAl組成をなだらかに変化させた組成傾斜層(GI(Graded Index)層)が形成されている。これに対し、第2領域R2は、低組成層と高組成層とが交互に積層された領域であり、第1領域R1のように低組成層と高組成層との間にGI層は形成されていない。
【選択図】図1
【解決手段】面発光型半導体レーザ10は、半導体基板SB上に順に積層された第1ミラー11、活性層12、及び第2ミラー13を備える。第1ミラー11は、活性層12に接する第1領域R1と、第1領域R1の下方に位置する第2領域R2とに大別される。第1領域R1は、低組成層と高組成層とが交互に積層されるとともに、低組成層と高組成層との間にAl組成をなだらかに変化させた組成傾斜層(GI(Graded Index)層)が形成されている。これに対し、第2領域R2は、低組成層と高組成層とが交互に積層された領域であり、第1領域R1のように低組成層と高組成層との間にGI層は形成されていない。
【選択図】図1
Description
本発明は、レーザ光を射出する面発光型半導体レーザ及びその製造方法に関する。
面発光型半導体レーザは、半導体多層膜からなる下部ミラー、活性層、及び半導体多層膜からなる上部ミラーを順に積層した構造を基本構造としている。下部ミラーと上部ミラーとにより共振器が形成され、この共振器内に活性層が配置されている。かかる構造の面発光型半導体レーザは、積層方向にレーザ光を射出する。基板の平行な劈開面を共振器として用いる従来の端面発光型半導体レーザに比べて面発光型半導体レーザは、量産性に適している、直接変調が可能である、低閾値動作が可能である、単一縦モード発振が可能である、二次元レーザアレイ構造を容易に形成することができる等の特徴を有している。
面発光型半導体レーザに設けられる上部ミラー及び下部ミラーとしては、屈折率の異なる2種類の半導体層を交互に積層した分布型ブラッグ反射鏡(DBR:Distributed Bragg Reflector)が用いられることが多い。AlGaAs系材料を用いてDBRを形成する場合には、アルミニウム(Al)とガリウム(Ga)との組成が異なる2種類の半導体層が用いられる。
面発光型半導体レーザは、上述した通り、上部ミラーと下部ミラーとからなる共振器内に活性層が配置された構造であるため、DBRを介して活性層に電流を供給する必要がある。DBRは、積層された異なる種類の半導体層の界面におけるエネルギー障壁が原因で抵抗が高い。以下の特許文献1には、DBRをなす半導体層の間に、組成をなだらかに変化させた組成傾斜層(GI(Graded Index)層)を形成することで、DBRの抵抗を低減する技術が開示されている。
また、面発光型半導体レーザは、活性層に流れる電流の流路を制限するために活性層の近傍に電流狭窄層が形成されるが、この電流狭窄層を形成するためにメサ構造にされることが多い。つまり、上部ミラー、活性層、及び下部ミラーの途中までをエッチングして柱状形状とした構造にされることが多い。以下の特許文献2には、メサ構造の面発光型半導体レーザの一例が開示されている。
特許第2646799号明細書
特表2003−522421号公報
ところで、上述したDBRの抵抗を低減させるために、DBRをなす屈折率の異なる2種類の半導体層の間に上記特許文献1に開示されたGI層を形成すると、半導体層間の屈折率の変化がなだらかになるため、GI層が形成されていないもの(半導体層間の屈折率変化が急峻なもの)に比べて反射率が低下してしまう。かかるGI層が形成されたミラーを前述の上部ミラー又は下部ミラーとして用いると、共振器内に蓄積される光パワーが低下して面発光型半導体レーザの発振閾値の上昇等を招いてしまう。
GI層が形成されたミラーを用いつつ発振閾値の上昇を防ぐためには、上部ミラー又は下部ミラーの積層数(異なる2種類の半導体層のペア数)を増加させることにより、GI層を形成することで生ずる反射率の低下を補償すれば良いと考えられる。しかしながら、上部ミラー又は下部ミラーの積層数が増加することは、結晶成長量を増大させることになるため、結晶性の悪化を招いて面発光型半導体レーザの性能が低下するという問題が生ずる。また、結晶成長量を増大させるとコストが増大し、タクトタイム(ミラーを形成するために必要な工程作業時間)が増大するという問題も生ずる。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、低抵抗、低発振閾値といった優れた性能を有する面発光型半導体レーザ、及び当該面発光型半導体レーザを歩留まりの低下を招かずに安価に製造することができる面発光型半導体レーザの製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の面発光型半導体レーザは、上部ミラー及び下部ミラーと、当該上部ミラーと当該下部ミラーとの間に配置される活性層とを備え、前記下部ミラー、前記活性層、及び前記上部ミラーの積層方向にレーザ光を射出する面発光型半導体レーザにおいて、前記上部ミラー及び前記下部ミラーの少なくとも一方は、前記活性層に接する領域であって、第1屈折率を有する第1半導体層と、第2屈折率を有する第2半導体層と、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に前記第1屈折率と前記第2屈折率との間の屈折率を有する第3半導体層とが形成された第1領域と、前記第1半導体層と前記第2半導体層とが交互に積層されてなる第2領域とを備えることを特徴としている。
ここで、第1半導体層と第2半導体層とが交互に積層されるとは、第1半導体層と第2半導体とが互いに接した状態で積層されることをいい、第1半導体層と第2半導体層との間に異なる他の半導体層が存在しないことをいう。また、第3半導体層は組成が一定である層に限られず、組成が傾斜されている層(GI層)も含む。
この発明によると、活性層の上方に形成された上部ミラーと活性層の下方に形成された下部ミラーとの少なくとも一方に、活性層に近接する領域であって、第1屈折率を有する第1半導体層と、第2屈折率を有する第2半導体層と、第1半導体層と第2半導体層との間に第1屈折率と第2屈折率との間の屈折率を有する第3半導体層とが形成された第1領域と、第1半導体層と第2半導体層とが交互に積層されてなる第2領域とが設けられているため、抵抗を低減することができる。
ここで、本発明の面発光型半導体レーザは、前記第1領域には前記第1半導体層及び前記第2半導体層が複数形成されており、前記第3半導体層は、前記第1半導体層及び前記第2半導体層の間の各々に形成されていることが望ましい。
また、本発明の面発光型半導体レーザは、前記上部ミラー及び前記下部ミラーの少なくとも一方が、誘電体多層膜からなるミラーが形成された第3領域を備えることを特徴としている。
この発明によれば、上部ミラー及び下部ミラーの少なくとも一方に誘電体多層膜からなるミラーが形成された第3領域を備えている。このため、第1領域での反射率が低下しても、第1領域以外の第3領域で高い反射率が維持されていることで、上部ミラー及び下部ミラーの大幅な反射率の低下が防止される。これにより、面発光型半導体レーザの発振閾値の大幅な上昇を招くことはない。
また、本発明の面発光型半導体レーザは、前記第1領域をなす前記第1半導体層及び前記第2半導体層の何れか一方に接触し、前記活性層に電流を供給する電極を備えることを特徴としている。
この発明によると、活性層に電流を供給する電極が、低抵抗の領域である第1領域をなす第1半導体層及び第2半導体層の何れか一方に接触しているため、発信閾値を低下させることができる。
また、本発明の面発光型半導体レーザは、前記電極が接触する半導体層が、他の半導体層よりも不純物濃度が高いことを特徴としている。
この発明によると、不純物の濃度が高い半導体層と電極とが接触しているため、十分なオーミックコンタクトが得られる。また、電極の高い密着性を得ることもできる。
また、本発明の面発光型半導体レーザは、前記電極が、前記上部ミラーが備える前記第1領域に対して設けられる第1電極と、前記下部ミラーが備える前記第1領域に対して設けられる第2電極とを含むことを特徴としている。
この発明によると、電極の1つである第1電極が上部ミラーの第1領域に対して設けられており、残りの電極である第2電極が下部ミラーの第1領域に対して設けられている。これにより、面発光型半導体レーザ内における電流の流路上には積層された異なる種類の半導体層の界面におけるエネルギー障壁が殆ど存在しないため、抵抗を低減する上で極めて好適である。
また、本発明の面発光型半導体レーザは、前記第2電極が、前記下部ミラーの最上層に形成された前記第1半導体層と前記第2半導体層との第1番目のペアから第5番目のペアまでの何れかのペアをなす前記第1半導体層及び前記第2半導体層の何れか一方に接触することを特徴としている。
この発明によると、活性層の下方に位置するミラーの最上層に形成された第1半導体層と第2半導体層との第1番目のペアから第5番目のペアまでの何れかのペアをなす第1半導体層及び第2半導体層の何れか一方に第2電極が接触しており、活性層に極力近い位置に配置された半導体層に第2電極が接触しているため、抵抗低減を図る上で好適である。
また、本発明の面発光型半導体レーザは、前記上部ミラー及び前記活性層、並びに前記下部ミラーに設けられる前記第1領域の少なくとも一部は、柱状形状の柱状部とされていることを特徴としている。
ここで、本発明の面発光型半導体レーザは、前記下部ミラーが、前記第2電極が接触する半導体層よりも上方に位置する半導体層が前記柱状部とされていることを特徴としている。
これらの発明によると、前記上部ミラー及び前記活性層、並びに前記下部ミラーに設けられる前記第1領域の少なくとも一部、具体的には第2電極が接触する半導体層よりも上方に位置する半導体層が柱状部とされている。ここで、前述の通り、抵抗低減のためには、活性層に極力近い位置に配置された半導体層に第2電極を接触させるのが望ましい。しかしながら、面発光型半導体レーザの形状を柱状形状にした場合には、その柱状部の根本部分に応力が加わって根本部分に亀裂が生ずることがあり、根本部分に活性層が配置されていると素子の特性の劣化を招いてしまう。このため、第2電極が接触する半導体層よりも上方に位置する半導体層、具体的には下部ミラーの最上層に形成された第1半導体層と第2半導体層との第1番目のペアから第5番目のペアまでの何れかのペアをなす第1半導体層及び第2半導体層の何れか一方に第2電極を接触させることで、抵抗を低減しつつ上記の劣化も防止することができる。
また、本発明の面発光型半導体レーザは、前記第1半導体層及び前記第2半導体層が、組成が異なる混晶半導体からなることを特徴としている。
更に、本発明の面発光型半導体レーザは、前記第1半導体層が、前記第2半導体層よりも低組成の混晶半導体からなることを特徴としている。
上記課題を解決するために、本発明の面発光型半導体レーザの製造方法は、上部ミラー及び下部ミラーと、当該上部ミラーと当該下部ミラーとの間に配置される活性層とを備え、前記下部ミラー、前記活性層、及び前記上部ミラーの積層方向にレーザ光を射出する面発光型半導体レーザの製造方法において、前記上部ミラー及び前記下部ミラーを形成する際に、前記上部ミラー及び前記下部ミラーの少なくとも一方に、第1屈折率を有する第1半導体層と、第2屈折率を有する第2半導体層と、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に前記第1屈折率と前記第2屈折率との間の屈折率を有する第3半導体層とを含んで前記活性層に接する第1領域を形成する工程と、前記第1半導体層と前記第2半導体層とが交互に積層されてなる第2領域を前記第1領域以外の領域に形成する工程とを含むことを特徴としている、
この発明によると、活性層の上方の上部ミラーを形成する際、及び活性層の下方の下部ミラーを形成する際に、上部ミラー及び下部ミラーの少なくとも一方に、活性層に近接する領域であって、第1屈折率を有する第1半導体層と、第2屈折率を有する第2半導体層と、第1半導体層と第2半導体層との間に第1屈折率と第2屈折率との間の屈折率を有する第3半導体層とを有する第1領域と、第1半導体層と第2半導体層とが交互に積層されてなる第2領域とを形成しているため、抵抗を低減することができる。
また、本発明の面発光型半導体レーザの製造方法は、前記上部ミラー及び前記下部ミラーの少なくとも一方に、誘電体多層膜からなるミラーを有する第3領域を形成する工程を含むことを特徴としている。
こらの発明によれば、上部ミラー及び下部ミラーの少なくとも一方に、前記第1半導体層と前記第2半導体層とが交互に積層されてなる第3領域が形成される。このため、第1領域での反射率が低下しても、第3領域で高い反射率を維持されていることで、上部ミラー及び下部ミラーの大幅な反射率の低下が防止される。これにより、面発光型半導体レーザの発振閾値の大幅な上昇を招くことはない。
また、本発明の面発光型半導体レーザの製造方法は、前記上部ミラー、前記活性層、及び前記下部ミラーを前記下部ミラーに形成された前記第1領域の内部までエッチングして、前記上部ミラー及び前記活性層、並びに前記下部ミラーの少なくとも一部を柱状形状とした柱状部を形成する工程を含むことを特徴としている。
ここで、本発明の面発光型半導体レーザの製造方法は、前記第1半導体層及び前記第2半導体層が、組成が異なる混晶半導体からなり、前記上部ミラー、前記活性層、及び前記下部ミラーに形成された前記第1領域の内部までエッチングする際に、前記組成の変化をモニタしつつエッチング量を制御することを特徴としている。
この発明によると、上部ミラー、活性層、及び下部ミラーの第1領域の内部までをエッチングする際のエッチング量が、組成の変化をモニタしつつ制御されるため、第1領域内の所望の第1半導体層又は第2半導体層を露出させることができる。
ここで、第1半導体層と第2半導体層とが交互に積層されるとは、第1半導体層と第2半導体とが互いに接した状態で積層されることをいい、第1半導体層と第2半導体層との間に異なる他の半導体層が存在しないことをいう。また、第3半導体層は組成が一定である層に限られず、組成が傾斜されている層(GI層)も含む。
この発明によると、活性層の上方に形成された上部ミラーと活性層の下方に形成された下部ミラーとの少なくとも一方に、活性層に近接する領域であって、第1屈折率を有する第1半導体層と、第2屈折率を有する第2半導体層と、第1半導体層と第2半導体層との間に第1屈折率と第2屈折率との間の屈折率を有する第3半導体層とが形成された第1領域と、第1半導体層と第2半導体層とが交互に積層されてなる第2領域とが設けられているため、抵抗を低減することができる。
ここで、本発明の面発光型半導体レーザは、前記第1領域には前記第1半導体層及び前記第2半導体層が複数形成されており、前記第3半導体層は、前記第1半導体層及び前記第2半導体層の間の各々に形成されていることが望ましい。
また、本発明の面発光型半導体レーザは、前記上部ミラー及び前記下部ミラーの少なくとも一方が、誘電体多層膜からなるミラーが形成された第3領域を備えることを特徴としている。
この発明によれば、上部ミラー及び下部ミラーの少なくとも一方に誘電体多層膜からなるミラーが形成された第3領域を備えている。このため、第1領域での反射率が低下しても、第1領域以外の第3領域で高い反射率が維持されていることで、上部ミラー及び下部ミラーの大幅な反射率の低下が防止される。これにより、面発光型半導体レーザの発振閾値の大幅な上昇を招くことはない。
また、本発明の面発光型半導体レーザは、前記第1領域をなす前記第1半導体層及び前記第2半導体層の何れか一方に接触し、前記活性層に電流を供給する電極を備えることを特徴としている。
この発明によると、活性層に電流を供給する電極が、低抵抗の領域である第1領域をなす第1半導体層及び第2半導体層の何れか一方に接触しているため、発信閾値を低下させることができる。
また、本発明の面発光型半導体レーザは、前記電極が接触する半導体層が、他の半導体層よりも不純物濃度が高いことを特徴としている。
この発明によると、不純物の濃度が高い半導体層と電極とが接触しているため、十分なオーミックコンタクトが得られる。また、電極の高い密着性を得ることもできる。
また、本発明の面発光型半導体レーザは、前記電極が、前記上部ミラーが備える前記第1領域に対して設けられる第1電極と、前記下部ミラーが備える前記第1領域に対して設けられる第2電極とを含むことを特徴としている。
この発明によると、電極の1つである第1電極が上部ミラーの第1領域に対して設けられており、残りの電極である第2電極が下部ミラーの第1領域に対して設けられている。これにより、面発光型半導体レーザ内における電流の流路上には積層された異なる種類の半導体層の界面におけるエネルギー障壁が殆ど存在しないため、抵抗を低減する上で極めて好適である。
また、本発明の面発光型半導体レーザは、前記第2電極が、前記下部ミラーの最上層に形成された前記第1半導体層と前記第2半導体層との第1番目のペアから第5番目のペアまでの何れかのペアをなす前記第1半導体層及び前記第2半導体層の何れか一方に接触することを特徴としている。
この発明によると、活性層の下方に位置するミラーの最上層に形成された第1半導体層と第2半導体層との第1番目のペアから第5番目のペアまでの何れかのペアをなす第1半導体層及び第2半導体層の何れか一方に第2電極が接触しており、活性層に極力近い位置に配置された半導体層に第2電極が接触しているため、抵抗低減を図る上で好適である。
また、本発明の面発光型半導体レーザは、前記上部ミラー及び前記活性層、並びに前記下部ミラーに設けられる前記第1領域の少なくとも一部は、柱状形状の柱状部とされていることを特徴としている。
ここで、本発明の面発光型半導体レーザは、前記下部ミラーが、前記第2電極が接触する半導体層よりも上方に位置する半導体層が前記柱状部とされていることを特徴としている。
これらの発明によると、前記上部ミラー及び前記活性層、並びに前記下部ミラーに設けられる前記第1領域の少なくとも一部、具体的には第2電極が接触する半導体層よりも上方に位置する半導体層が柱状部とされている。ここで、前述の通り、抵抗低減のためには、活性層に極力近い位置に配置された半導体層に第2電極を接触させるのが望ましい。しかしながら、面発光型半導体レーザの形状を柱状形状にした場合には、その柱状部の根本部分に応力が加わって根本部分に亀裂が生ずることがあり、根本部分に活性層が配置されていると素子の特性の劣化を招いてしまう。このため、第2電極が接触する半導体層よりも上方に位置する半導体層、具体的には下部ミラーの最上層に形成された第1半導体層と第2半導体層との第1番目のペアから第5番目のペアまでの何れかのペアをなす第1半導体層及び第2半導体層の何れか一方に第2電極を接触させることで、抵抗を低減しつつ上記の劣化も防止することができる。
また、本発明の面発光型半導体レーザは、前記第1半導体層及び前記第2半導体層が、組成が異なる混晶半導体からなることを特徴としている。
更に、本発明の面発光型半導体レーザは、前記第1半導体層が、前記第2半導体層よりも低組成の混晶半導体からなることを特徴としている。
上記課題を解決するために、本発明の面発光型半導体レーザの製造方法は、上部ミラー及び下部ミラーと、当該上部ミラーと当該下部ミラーとの間に配置される活性層とを備え、前記下部ミラー、前記活性層、及び前記上部ミラーの積層方向にレーザ光を射出する面発光型半導体レーザの製造方法において、前記上部ミラー及び前記下部ミラーを形成する際に、前記上部ミラー及び前記下部ミラーの少なくとも一方に、第1屈折率を有する第1半導体層と、第2屈折率を有する第2半導体層と、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に前記第1屈折率と前記第2屈折率との間の屈折率を有する第3半導体層とを含んで前記活性層に接する第1領域を形成する工程と、前記第1半導体層と前記第2半導体層とが交互に積層されてなる第2領域を前記第1領域以外の領域に形成する工程とを含むことを特徴としている、
この発明によると、活性層の上方の上部ミラーを形成する際、及び活性層の下方の下部ミラーを形成する際に、上部ミラー及び下部ミラーの少なくとも一方に、活性層に近接する領域であって、第1屈折率を有する第1半導体層と、第2屈折率を有する第2半導体層と、第1半導体層と第2半導体層との間に第1屈折率と第2屈折率との間の屈折率を有する第3半導体層とを有する第1領域と、第1半導体層と第2半導体層とが交互に積層されてなる第2領域とを形成しているため、抵抗を低減することができる。
また、本発明の面発光型半導体レーザの製造方法は、前記上部ミラー及び前記下部ミラーの少なくとも一方に、誘電体多層膜からなるミラーを有する第3領域を形成する工程を含むことを特徴としている。
こらの発明によれば、上部ミラー及び下部ミラーの少なくとも一方に、前記第1半導体層と前記第2半導体層とが交互に積層されてなる第3領域が形成される。このため、第1領域での反射率が低下しても、第3領域で高い反射率を維持されていることで、上部ミラー及び下部ミラーの大幅な反射率の低下が防止される。これにより、面発光型半導体レーザの発振閾値の大幅な上昇を招くことはない。
また、本発明の面発光型半導体レーザの製造方法は、前記上部ミラー、前記活性層、及び前記下部ミラーを前記下部ミラーに形成された前記第1領域の内部までエッチングして、前記上部ミラー及び前記活性層、並びに前記下部ミラーの少なくとも一部を柱状形状とした柱状部を形成する工程を含むことを特徴としている。
ここで、本発明の面発光型半導体レーザの製造方法は、前記第1半導体層及び前記第2半導体層が、組成が異なる混晶半導体からなり、前記上部ミラー、前記活性層、及び前記下部ミラーに形成された前記第1領域の内部までエッチングする際に、前記組成の変化をモニタしつつエッチング量を制御することを特徴としている。
この発明によると、上部ミラー、活性層、及び下部ミラーの第1領域の内部までをエッチングする際のエッチング量が、組成の変化をモニタしつつ制御されるため、第1領域内の所望の第1半導体層又は第2半導体層を露出させることができる。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による面発光型半導体レーザ及びその製造方法について詳細に説明する。尚、以下に説明する実施形態は、本発明の一部の態様を示すものであり、本発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の説明で参照する各図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならせてある。
〔面発光型半導体レーザ〕
図1は、本発明の一実施形態による面発光型半導体レーザを模式的に示す断面図である。図1に示す通り、本実施形態の面発光型半導体レーザ10は、半導体基板(本実施形態ではn型GaAs基板)SB上に形成されている。この面発光型半導体レーザ10は垂直共振器を有しており、本実施形態では垂直共振器をなす一方の分布反射型多層膜ミラー(第2ミラー)13、活性層12、及び他方の分布反射型多層膜ミラー(第1ミラー)11の一部が柱状の半導体堆積体(以下、柱状部という)P1に形成されている。つまり、面発光型半導体レーザ10はその一部が柱状部P1に含まれた構造である。
図1は、本発明の一実施形態による面発光型半導体レーザを模式的に示す断面図である。図1に示す通り、本実施形態の面発光型半導体レーザ10は、半導体基板(本実施形態ではn型GaAs基板)SB上に形成されている。この面発光型半導体レーザ10は垂直共振器を有しており、本実施形態では垂直共振器をなす一方の分布反射型多層膜ミラー(第2ミラー)13、活性層12、及び他方の分布反射型多層膜ミラー(第1ミラー)11の一部が柱状の半導体堆積体(以下、柱状部という)P1に形成されている。つまり、面発光型半導体レーザ10はその一部が柱状部P1に含まれた構造である。
面発光型半導体レーザ10は、上記の第1ミラー11、活性層12、及び第2ミラー13が半導体基板SB上に順に積層された構造である。第1ミラー11及び第2ミラー13は、組成が異なる三元混晶半導体を交互に積層した分布反射型多層膜ミラーである。第1ミラーは、例えば、n型Al0.15Ga0.85As層(以下、低組成層という)とn型Al0.9Ga0.1As層(以下、高組成層という)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。詳細は後述するが、第1ミラー11の一部には低組成層と高組成層との間にAl組成をなだらかに変化させた組成傾斜層(GI層)が形成されている。
尚、本実施形態において、低組成層とはAlGaAs層のガリウム(Ga)に対するアルミニウム(Al)の組成が低い層をいい、高組成層とはAlGaAs層のガリウム(Ga)に対するアルミニウム(Al)の組成が高い層をいう。AlGaAs層のAl組成は、「0」から「1」までである。即ち、AlGaAs層は、GaAs層(Al組成が「0」の場合)及びAlAs層(Al組成が「1」の場合)を含む。また、以上説明した第1ミラー11、活性層12、及び第2ミラー13を構成する各層の組成及び層数は特に限定される訳ではない。尚、第2ミラー13の最上層のAl組成は、0.3未満であることが好ましい。
活性層12は、第1ミラー11上に形成されており、GaAsウェル層とAl0.3Ga0.7Asバリア層からなり、ウェル層が3層で構成される量子井戸構造を含む構造である。第2ミラー13は、活性層12上に形成されており、p型Al0.15Ga0.85As層(以下、低組成層という)とp型Al0.9Ga0.1As層(以下、高組成層という)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。尚、第2ミラー13の最上層は、Al組成の小さい方、即ちp型Al0.15Ga0.85As層となるように構成されている。詳細は後述するが、第2ミラー13をなす低組成層と高組成層との間には、Al組成をなだらかに変化させた組成傾斜層(GI層)が形成されている。
面発光型半導体レーザ10をなす第1ミラー11は、例えばケイ素(Si)がドーピングされることによりn型にされており、第2ミラー13は、例えば炭素(C)がドーピングされることによりp型にされている。従って、p型の第2ミラー13、不純物がドーピングされていない活性層12、及びn型の第1ミラー11により、pinダイオードが形成される。
次に、第1ミラー11及び第2ミラー13について詳細に説明する。図2は、活性層12近傍の第1ミラー11及び第2ミラー13を拡大した断面図である。図2に示す通り、第1ミラー11は、活性層12に接する第1領域R1と、第1領域R1の下方に位置する第2領域R2とに大別される。第1領域R1は、低組成層L1と高組成層L2とが交互に積層されるとともに、低組成層L1と高組成層L2との間にAl組成をなだらかに変化させたGI層L3が形成された領域である。これに対し、第2領域R2は、低組成層L1と高組成層L2とが交互に積層された領域であり、第1領域R1のように低組成層L1と高組成層L2との間にGI層は形成されていない。
また、第2ミラー13は第1ミラー11のように領域に区別されてはおらず、その全体に低組成層L4と高組成層L5とが交互に積層されるとともに、低組成層L4と高組成層L5との間にGI層L6が形成されている。即ち、第2ミラー13は、その全体が第1ミラー11の第1領域R1と似た構造である。ここで、第1ミラー11に形成される高組成層L1及び低組成層L2、並びに第2ミラー13に形成される高組成層L4及び低組成層L5の各々は、光学的膜厚がλ/4となるよう設定されている。尚、λは面発光型半導体レーザ10のレーザ光の波長である。
第1ミラー11の第1領域R1及び第2ミラー13にそれぞれ形成されるGI層L3,L6は、例えば、Al組成を0.15〜0.9の間でなだらかに変化させたものであり、低組成層L1と高組成層L2との界面におけるエネルギー障壁及び低組成層L4と高組成層L5との界面におけるエネルギー障壁をなだらかにして抵抗を低減するために設けられる。Al組成が変化すると屈折率も変化するため、GI層L3,L6が形成された箇所においては、屈折率がなだらかに変化している。尚、図1,2に示す通り、面発光型半導体レーザ10を駆動するための電極17,18は、第1ミラー11の第1領域R1内における低組成層L1上、及び第2ミラー13上にそれぞれ形成されており、第1ミラー11の第2領域R2には電流が殆ど流れない。
第1ミラー11の第1領域R1内におけるGI層L3は第1ミラー11の抵抗を低減するために設けられ、第2ミラー13のGI層L6は第2ミラー13の抵抗を低減するために設けられる。しかしながら、上述の通り、低組成層L1と高組成層L2との間にGI層L3を形成すると屈折率もなだらかに変化し、低組成層L4と高組成層L5との間にGI層L6を形成すると屈折率もなだらかに変化する。第1ミラー11を高い反射率にするためには、低組成層L1と高組成層L2との間で屈折率が急峻に変化する方が望ましい。このため、本実施形態では、電流が殆ど流れない第2領域R2内の低組成層L1と高組成層L2との間にはGI層を設けない構造とし、第1ミラー11の反射率を高めている。
ここで、第1ミラー11の最上層に形成された第1番目のペアから第5番目のペア程度までのペアが第1領域R1に含まれるようにするのが望ましい。面発光型半導体レーザ10の抵抗低減のためには、電極17が接触している低組成層L1が活性層12に極力近いことが好ましい。しかしながら、前述した通り、本実施形態の面発光型半導体レーザ10はその一部が柱状部P1に含まれた構造であるため、その柱状部P1の根本部分に応力が集中しやすく、この根本部分が劣化しやすい。
図1及び図2に示す通り、柱状部P1の根本部分には電極17が接触する低組成層L1が配置されており、この低組成層L1と活性層12とが近すぎると面発光型半導体レーザ10の特性の劣化を招きやすい。逆に、活性層12から余りにも離れた位置に電極17が接触する低組成層L1(又は高組成層L2)を形成すると、上述したGI層L3が形成されているとはいっても、抵抗が高くなってしまう。よって、第1ミラー11の最上層に形成された第1番目のペアから第5番目のペア程度までのペアが第1領域R1に含まれるようにすることで、抵抗を低減しつつ上記の劣化も防止することができる。
ここで、GI層を形成した場合及び形成しない場合の反射率の変化について説明する。図3は、GI層の有無による変化率の変化を説明するための図である。尚、図3においては、横軸に波長を取り、縦軸に反射率を取っている。図3おいて、符号G1を付して示す点線の曲線は、低組成層と高組成層とのペア数が25ペアであり、GI層が形成されていない場合の波長に対する反射率の変化を示している。
また、符号G2を付して示す破線の曲線は、低組成層と高組成層とのペア数が25ペアであり、低組成層と高組成層との間にGI層が形成されている場合の波長に対する反射率の変化を示している。更に、符号G3を付して示す実線の曲線は、低組成層と高組成層とのペア数が25ペアであり、5ペア分の低組成層と高組成層との間にGI層が形成されている場合の波長に対する反射率の変化を示している。即ち、曲線G2は第2ミラー13の波長に対する反射率の変化を示しており、曲線G3は第1ミラー11の波長に対する反射率の変化を示している。
曲線G1と曲線G2とを比較すると、25ペア分の低組成層と高組成層との間にGI層を形成した場合にはGI層を全く形成しない場合に比べて反射率が低下するとともに、高い反射率(99.9%程度)が得られる波長領域が狭くなることが分かる。反射率が低下すると面発光型半導体レーザ10の発振閾値が上昇する虞がある。また、高反射率が得られる波長領域が狭くなると、面発光型半導体レーザ10の設計マージンが狭くなって歩留まりの低下を招く可能性がある。
次に、曲線G3に着目すると、25ペアのうちの5ペア分の低組成層と高組成層との間のみにGI層を形成した場合にはGI層を全く形成しない場合に比べて若干反射率が低下するものの、GI層を全く形成しない場合とほぼ同様の反射率が得られている。また、曲線G3の高反射率が得られる波長領域は、曲線G1のそれとほぼ同様である。前述した通り、柱状部P1の根本部分の応力集中に加えて、以上の反射率の変化も考慮すると、第1ミラー11の最上層に形成された第1番目のペアから第5番目の程度までのペアが第1領域R1に含まれるようにするのが望ましい。
図1に戻り、面発光型半導体レーザ10のうち、第2ミラー13から第1ミラー11の第1領域R1内の途中までの部分が、第2ミラー13の上面からみて円形の形状にエッチングされて柱状部P1が形成されている。尚、本実施形態では、柱状部P1の平面形状が円形である場合を例に挙げて説明するが、この形状は任意の形状とすることができる。
更に、第2ミラー13を構成する層のうち活性層12に近い領域に、AlGaAs層を側面から酸化することにより得られる電流狭窄層15が形成されている。この電流狭窄層15はリング状に形成されている。即ち、この電流狭窄層15は、半導体基板SBの表面と平行な面で切断した場合における断面形状が、柱状部P1の平面形状の円形と同心の円のリング状である。
また、本実施形態の面発光型半導体レーザ10は、柱状部P1の周囲を取り囲むよう第1ミラー11(柱状部P1の周囲に露出している低組成層L1上に絶縁層16が形成されている。第1柱状部P1の周囲を絶縁層16で取り込むことで、柱状部P1をなす各層の酸化等が防止されるため、面発光型半導体レーザ10の信頼性を高めることができる。絶縁層16は、その膜厚が例えば2〜4μm程度であり、熱又は光等のエネルギーによって硬化可能な液体材料(例えば紫外線硬化型樹脂や熱硬化型樹脂の前駆体)を硬化させることにより得られるものを用いることができる。紫外線硬化型樹脂としては、例えば紫外線硬化型のアクリル系樹脂及びエポキシ系樹脂が挙げられる。また、熱硬化型樹脂としては、熱硬化型のポリイミド系樹脂等が例示できる。
また、第1ミラー11(柱状部P1の周囲に露出している低組成層L1)上には電極17が形成されており、第2ミラー13上には電極18が形成されている。電極17は、第1ミラー11の上面(柱状部P1の周囲に露出している低組成層L1)に接合されて電気的に接続されている。尚、この電極は不図示のパッド部に接続されている。また、本実施形態では、柱状部P1の周囲に露出している低組成層L1上に電極17が形成されている場合を例に挙げて説明するが柱状部P1の周囲に高組成層L2が露出している場合には、この高組成層L2上に電極17を形成しても良い。
電極18は、例えば第2ミラー13の中央部を開口する平面形状がリング状の接続部18aと、この接続部18aと不図示のパッド部(上記の電極17が接続されるパッド部とは異なるパッド部)とを接続する引き出し部18bとを有している。接続部18aは第2ミラー13の上面に接合されて電気的に接続されている。尚、第2ミラー13の上面はレーザ光の射出面19とされている。引き出し部18bは、絶縁層16上に形成されており、不図示のパッド部まで延びている。
電極17は、例えば金(Au)とゲルマニウム(Ge)の合金と、金(Au)との積層膜からなり、柱状部P1の周囲に露出している低組成層L1とオーミックコンタクトが取られている。また、電極18は、例えば白金(Pt)、チタン(Ti)及び金(Au)の積層膜からなり、第2ミラー13の上面とオーミックコンタクトが取られている。これら電極17,18は、面発光型半導体レーザ10を駆動するためのものであり、電極17と電極18とによって活性層12に電流が注入される。尚、電極17及び電極18を形成するための材料は、前述したものに限定される訳ではなく、例えば金(Au)と亜鉛(Zn)との合金等が利用可能である。
次に、本実施形態の面発光型半導体レーザ10の一般的な動作について説明する。尚、下記の面発光型半導体レーザ10の駆動方法は一例であり、本発明の範囲内で種々の変更が可能である。まず、電極17と電極18とを不図示の電源に接続してpinダイオードに順方向の電圧を印加すると、電極18から第2ミラー13を介して活性層12に正孔が流れ込むとともに、電極17から第1ミラー11の第1領域R1に含まれる低組成層L1を介して電子が流れ込む。面発光型半導体レーザ10の活性層12において、電子と正孔との再結合が生じ、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13と第1ミラー11との間を往復する間に誘導放出が起こって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、第2ミラー13の上面(射出面19)からレーザ光が射出される。
〔面発光型半導体レーザの製造方法〕
次に、以上説明した面発光型半導体レーザ10の製造方法について説明する。図4〜図6は、本発明の一実施形態による面発光型半導体レーザの製造工程を模式的に示す断面図である。尚、これらの図は図1に示す断面図に対応している。本実施形態の面発光型半導体レーザ10を製造するには、図4(a)に示す通り、まずn型GaAs層からなる半導体基板SB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て半導体多層膜を形成する。
次に、以上説明した面発光型半導体レーザ10の製造方法について説明する。図4〜図6は、本発明の一実施形態による面発光型半導体レーザの製造工程を模式的に示す断面図である。尚、これらの図は図1に示す断面図に対応している。本実施形態の面発光型半導体レーザ10を製造するには、図4(a)に示す通り、まずn型GaAs層からなる半導体基板SB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て半導体多層膜を形成する。
ここで、半導体多層膜は、第ミラー11、活性層12、及び第2ミラー13からなる。第1ミラー11を形成するには、例えばn型Al0.15Ga0.85As層(低組成層L1)とn型Al0.9Ga0.1As層(高組成層L2)とを交互に積層して20ペア程度形成して第2領域R2を形成する。尚、低組成層L1及び高組成層L2は、その光学的膜厚がλ/4となるよう形成する。次に、積層された低組成層L1及び高組成層L2からなる第2領域R2上に第1領域R1を形成する。具体的には、低組成層L1、GI層L3、及び高組成層L2を順に積層して5ペア程度形成する。尚、第1領域R1の低組成層L1及び高組成層L2も、その光学的膜厚がλ/4となるよう形成する。
活性層12は、例えばGaAsウェル層とAl0.3Ga0.7Asバリア層とからなり、ウェル層が3層で構成される量子井戸構造とする。第2ミラー13は、p型Al0.15Ga0.85As層(低組成層L4)、GI層L6、及びp型Al0.9Ga0.1As層(高組成層L5)を順に積層して25ペア程度形成する。第2ミラー13をなすこれら低組成層L4及び高組成層L5も、その光学的膜厚がλ/4となるよう形成する。尚、第2ミラー13の最上層は、低組成層L4とする。
尚、第2ミラー13を成長させる際に、活性層12近傍の少なくとも1層は、後に酸化されて電流狭窄層15となる層に形成される(図5(a)参照)。このため、電流狭窄層15となる層は、Al組成がより大きなAlGaAs層(AlAs層を含む)に形成される。例えば、例えば電流狭窄層15となる層は、Al組成が0.95以上となるように形成するのが望ましい。
また、後の工程において電極18が形成された際に、第2ミラー13のうち少なくとも電極18と接する部分は、キャリア密度を高くすることにより、電極18とのオーム性接触をとり易くし、且つ電極18との密着性を高められるようにするのが望ましい。同様に、第2ミラー11の第1領域R1に含まれる低組成層L1のうち、後に電極17と接する低組成層L1は、他の低組成層L1よりもキャリア密度を高くすることにより、電極17とのオーム性接触をとり易くし、且つ電極17との密着性を高められるようにするのが望ましい。
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SBの種類、或いは形成する半導体多層膜の種類、厚さ、及びキャリア密度によって適宜決定されるが、一般に、450℃〜800℃に設定するのが好ましい。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、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、或いはLPE(Liquid Phase Epitaxy)法を用いることができる。
次に、図4(b)に示す通り、柱状部P1を形成する。柱状部P1を形成するには、まず、半導体多層膜上にレジスト(図示省略)を塗布した後、リソグラフィ法によりレジストをパターニングする。これにより、第2ミラー13の上面に所定の平面形状を有するレジスト層が形成される。次いで、このレジスト層をマスクとして、例えばドライエッチング法により、第2ミラー13、活性層12、及び第1ミラー11の第1領域R1の内部までエッチングする。具体的には、第1領域R1に含まれる低組成層L1のうち、他の低組成層L1よりもキャリア密度を高くした低組成層L1の上部に位置する高組成層L2(図2参照)までエッチングする。
ドライエッチング法によりエッチングを行っている最中は、プラズマ中に含まれるアルミニウム(Al)及びガリウム(Ga)の少なくとも一方に起因する発光スペクトルの強度をモニタする。そして、このモニタ結果に基づいてエッチング量を制御する。これにより、第2ミラー13、活性層12、及び第1ミラー11の上部が同一の平面形状にされた柱状部P1が形成される。尚、柱状部P1が形成されると、レジスト層は除去される。
柱状部P1が形成されると、図5(a)に示す通り、電流狭窄層15が形成される。この電流狭窄層15を形成するには、上記工程によって柱状部P1が形成された半導体基板SBを、例えば400℃程度の水蒸気雰囲気中に投入する。これにより、前述した第2ミラー13中のAl組成が高い層が側面から酸化されて、電流狭窄層15が形成される。
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、及び膜厚に依存する。酸化により形成される電流狭窄層15を備えた面発光型半導体レーザでは、駆動する際に、電流狭窄層15が形成されていない部分(酸化されていない部分)のみに電流が流れる。従って、電流狭窄層15を形成する工程において、形成する電流狭窄層15の範囲を制御することにより、電流密度の制御が可能となる。
次に、図5(b)に示す通り、柱状部P1の周囲に露出している低組成層L1上に絶縁層16を形成する。この絶縁層16は、厚膜化が容易なものを用いることが望ましい。絶縁層16の膜厚は、例えば2〜4μm程度であるが、特に限定される訳ではない。例えば、絶縁層16は、熱又は光等のエネルギーによって硬化可能な液体材料(例えば紫外線硬化型樹脂や熱硬化型樹脂の前駆体)を硬化させることにより得られるものを用いることができる。紫外線硬化型樹脂としては、例えば紫外線硬化型のアクリル系樹脂及びエポキシ系樹脂が挙げられる。また、熱硬化型樹脂としては、熱硬化型のポリイミド系樹脂等が例示できる。また、例えば、絶縁層16は、上記材料を複数用いて積層膜とすることもできる。
ここでは、絶縁層16を形成するための材料として、ポリイミド系樹脂の前駆体を用いた場合について述べる。まず、例えばスピンコート法を用いて前駆体(ポリイミド系樹脂の前駆体)を第1ミラー11(柱状部P1の周囲に露出している低組成層L1)上に塗布して前駆体層を形成する。尚、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、例えばホットプレート等を用いて半導体基板SBを加熱して溶媒を除去した後、例えば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系樹脂層を形成する。続いて、ポリイミド系樹脂層を公知のリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより絶縁層16を形成する。
尚、パターニングの際に用いられるエッチング方法としては、ドライエッチング法等を用いることができる。ドライエッチングは、例えば酸素又はアルゴン等のプラズマにより行うことができる。また、上述の絶縁層16の形成方法では、ポリイミド系樹脂の前駆体層を硬化した後、パターニングを行う例について示したが、ポリイミド系樹脂の前駆体層を硬化する前に、パターニングを行うこともできる。このパターニングの際に用いられるエッチング方法としては、ウェットエッチング法等を用いることができる。ウェットエッチングは、例えばアルカリ溶液又は有機溶液等により行うことができる。
以上の工程が終了すると、図6に示す通り、第1ミラー11(柱状部P1の周囲に露出している低組成層L1)の上面上に電極17が形成され、第2ミラー13の上面上に電極18が形成される。尚、前述した通り、電極18は、リング状の平面形状を有する接続部18a及び直線状の平面形状を有する引き出し部18bを有しているが、第2ミラー13の上面上には接続部18aが形成され、引き出し部18bは絶縁層16上に形成される。
電極18を形成する具体的な方法は以下の通りである。まず、電極18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、第2ミラー13の上面を洗浄する。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。次に、例えば真空蒸着法により、例えば白金(Pt)、チタン(Ti)、及び金(Au)の積層膜(図示省略)を形成する。次いで、リフトオフ法により、所定の位置以外の積層膜を除去することにより電極18が形成される。
この際、第2ミラー13の上面に、積層膜が形成されていない部分が形成される。この部分が開口部となり、この開口部によって第2ミラー13の上面の一部が露出する。この露出した面がレーザ光の射出面19となる。尚、上記工程において、リフトオフ法の代わりにドライエッチング法又はウェットエッチング法を用いることもできる。また、上記工程において、真空蒸着法の代わりにスパッタ法を用いることもできる。
次に、電極18を形成する場合と同様の方法で、例えば金(Au)とゲルマニウム(Ge)の合金と金(Au)との積層膜をパターニングすることで、図6に示す通り、第1ミラー11(柱状部P1の周囲に露出している低組成層L1)上に電極17を形成する。最後に、アニール処理を行う。アニール処理の温度は電極材料に依存する。本実施形態で用いる電極材料の場合は、通常400℃前後で行う。以上の工程により、電極17,18が形成される。以上の工程によって図1に示す本実施形態の面発光型半導体レーザ10が製造される。
以上説明した通り、本実施形態の面発光型半導体レーザ10は、第1ミラー11の活性層12に接する第1領域R1内に積層された低組成層L1と高組成層L2との間にGI層L3が形成されており、第2ミラー13、活性層12、及び第1ミラー11の第1領域R1の内部までエッチングされて柱状部P1が形成されている。また、第2ミラー13は、低組成層L4と高組成層L5との間にGI層L6が形成されている。更に、エッチングによって露出した第1ミラー11(柱状部P1の周囲に露出している低組成層L1)上に電極17が形成され、第2ミラー13上に電極18が形成されている。よって、電極17,18を介する電流の流路上には積層された異なる種類の半導体層の界面におけるエネルギー障壁が殆ど存在しないため、面発光型半導体レーザ10の抵抗を低減することができる。
また、第1ミラー11の第2領域R2には、低組成層L1と高組成層L2とが交互に積層されており、第1領域R1のように低組成層L1と高組成層L2との間にGI層L3は形成されていない。よって、低組成層L1と高組成層L2との間では、屈折率が急峻に変化している。このため、本実施形態では、電流が殆ど流れない第2領域R2は反射率を高めることができ、第1ミラー11の第1領域R1にGI層L3を形成したことによる反射率の大幅な低下を防止することができる。この結果として、面発光型半導体レーザ10の発振閾値の上昇を抑えることができる。
〔他の実施形態〕
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図7は、本発明の他の実施形態による面発光型半導体レーザを模式的に示す断面図である。尚、図7においては、図1に示す部材と同一の部材については同一の符号を付してある。図7に示す通り、本実施形態の面発光型半導体レーザ20は、半導体基板(本実施形態ではn型GaAs基板)SB上に形成されており、第1ミラー11、活性層12、及び第2ミラー23を含んで構成される。
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図7は、本発明の他の実施形態による面発光型半導体レーザを模式的に示す断面図である。尚、図7においては、図1に示す部材と同一の部材については同一の符号を付してある。図7に示す通り、本実施形態の面発光型半導体レーザ20は、半導体基板(本実施形態ではn型GaAs基板)SB上に形成されており、第1ミラー11、活性層12、及び第2ミラー23を含んで構成される。
図7に示す通り、本実施形態の面発光型半導体レーザ20が備える第1ミラー11は、図1に示す面発光型半導体レーザ10が備えるものと同じである。即ち、活性層12に接する第1領域R1と、第1領域R1の下方に位置する第2領域R2とに大別され、第1領域R1には低組成層L1と高組成層L2とが交互に積層されるとともに、低組成層L1と高組成層L2との間にAl組成をなだらかに変化させたGI層L3が形成されており、第2領域R2には低組成層L1と高組成層L2とが交互に積層されている。また、本実施形態の面発光型半導体レーザ20が備える活性層12は、図1に示す面発光型半導体レーザ10が備えるものと同じである。
本実施形態の面発光型半導体レーザ20は、活性層12上に形成されるミラー(第2ミラー23)の構造が図1に示す面発光型半導体レーザ10が備える第2ミラー13とは異なる。本実施形態の面発光型半導体レーザ20が備える第2ミラー23は、活性層12に接する第4領域R4と、第4領域R4の上方に位置する第3領域R4とに大別される。第4領域R4は、低組成層L4と高組成層L5とが交互に積層されるとともに、低組成層L4と高組成層L5との間にAl組成をなだらかに変化させたGI層L6が形成された領域である。即ち、第4領域R4には、図1に示す第2ミラー13と同じ構造のミラーが形成されている。
これに対し、第3領域R3には誘電体多層膜からなるミラーが形成されている。上記の通り、第2ミラー23の第4領域R4には低組成層L4と高組成層L5との間にGI層L6が形成されているため、第2ミラー23の反射率が低下する。このため、この反射率の低下を補うために第3領域R3に誘電体多層膜からなるミラーを形成している。第3領域R3に形成されるミラーは、例えばSiO2とTiO2とからなる誘電体多層膜であり、そのペア数は第2ミラー23で必要となる反射率に応じて決定される。
また、図7に示す通り、第2ミラー23の第3領域R3は、柱状部P1よりも径が小さな柱状形状に形成されている。第3領域R3の周囲には、電極18が形成されているため、本実施形態の面発光型半導体レーザ20は、図1に示す面発光型半導体レーザ10のレーザ光の射出面19上に誘電体多層膜からなるミラー(第3領域R3)を形成したものであるということもできる。以上の構造を有する本実施形態の面発光型半導体レーザ20は、図1に示す面発光型半導体レーザ10に比べて第2ミラー23の反射率を高めることができるため、発振閾値の上昇を更に抑えることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、図1に示す面発光型半導体レーザ10では、第1ミラー11についてのみ第1領域R1と第2領域R2とに分け、活性層12に接する第1領域R1には低組成層L1と、高組成層L2と、低組成層L1と高組成層L2との間のGI層L3とを積層し、第2領域R2には低組成層L1と高組成層L2とを積層していた。
また、図7に示す面発光型半導体レーザ20では、図1に示す面発光型半導体レーザ10と同様に第1ミラー11については第1領域R1と第2領域R2とに分けている。一方、第2ミラー23については、第3領域R3と第4領域R4とに分け、活性層12に接する第4領域R4には低組成層L4と、高組成層L5と、低組成層L4と高組成層L5との間のGI層L6とを積層し、第3領域R3には誘電体多層膜を形成していた。
しかしながら、上記の例の如く2つの領域に分けるのは、第2ミラー13についてのみであっても良い。第2ミラー13についてのみ上記の2領域を形成する場合には、活性層12に接する領域に低組成層L4と、高組成層L5と、低組成層L4と高組成層L5との間のGI層L6とを積層し、この領域の上部に位置する領域には低組成層L4と高組成層L5とを積層した構造とする。
かかる構造の場合には、第2ミラー13のみを柱状形状としてGI層L6が形成された領域の低組成層L4(又は、高組成層L5)に電極18に相当する電極を接続することが好適である。また、かかる構造の場合には、第1ミラー11の全体を低組成層L1と、高組成層L2と、低組成層L1と高組成層L2との間のGI層L3とを積層した構造とし、電極17に相当する電極を第1ミラー11の底面(基板SBを除去することにより露出した第1ミラー11の底面)に接続するのが好適である。
更に、かかる構造の場合には、基板SBを除去することにより露出した第1ミラー11の底面であって、柱状部P1の下方の位置に、図7に示す第2ミラー23の第3領域R3に形成される誘電体多層膜からなるミラーと同様のミラーを形成するのが好ましい。かかるミラーを形成することで第1ミラー11の反射率の低下を防止することができる。
また、上記実施形態においてはAl組成が異なるAlGaAs層を用いて第1ミラー11及び第2ミラー13を形成していたが、本発明はAlGaAs層に限られる訳ではなく、他の半導体層を用いて第1ミラー11及び第2ミラー13が形成されている面発光型半導体レーザにも適用可能である。更に、上記実施形態において、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範囲外となるものではない。
更に、上記実施形態で説明した面発光型半導体レーザ10は柱状部P1が形成された構造であったが、本発明の面発光型半導体レーザは必ずしもこの構造にする必要はない。例えば、レーザ光の射出面の周囲数カ所に、第2ミラー13から第1ミラー11の上部に至る孔が形成された構造であっても良い。尚、この孔は電流狭窄層を形成するために用いられる孔である。
10……面発光型半導体レーザ
11……第1ミラー
12……活性層
13……第2ミラー
17,18……電極
20……面発光型半導体レーザ
23……第2ミラー
L1……低組成層
L2……高組成層
L3……GI層
P1……柱状部
R1……第1領域
R2……第2領域
R3……第3領域
11……第1ミラー
12……活性層
13……第2ミラー
17,18……電極
20……面発光型半導体レーザ
23……第2ミラー
L1……低組成層
L2……高組成層
L3……GI層
P1……柱状部
R1……第1領域
R2……第2領域
R3……第3領域
Claims (15)
- 上部ミラー及び下部ミラーと、当該上部ミラーと当該下部ミラーとの間に配置される活性層とを備え、前記下部ミラー、前記活性層、及び前記上部ミラーの積層方向にレーザ光を射出する面発光型半導体レーザにおいて、
前記上部ミラー及び前記下部ミラーの少なくとも一方は、前記活性層に接する領域であって、第1屈折率を有する第1半導体層と、第2屈折率を有する第2半導体層と、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に前記第1屈折率と前記第2屈折率との間の屈折率を有する第3半導体層とが形成された第1領域と、
前記第1半導体層と前記第2半導体層とが交互に積層されてなる第2領域と
を備えることを特徴とする面発光型半導体レーザ。 - 前記第1領域には前記第1半導体層及び前記第2半導体層が複数形成されており、
前記第3半導体層は、前記第1半導体層及び前記第2半導体層の間の各々に形成されている
ことを特徴とする請求項1記載の面発光型半導体レーザ。 - 前記上部ミラー及び前記下部ミラーの少なくとも一方は、誘電体多層膜からなるミラーが形成された第3領域を備えることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の面発光型半導体レーザ。
- 前記第1領域をなす前記第1半導体層及び前記第2半導体層の何れか一方に接触し、前記活性層に電流を供給する電極を備えることを特徴とする請求項1から請求項3の何れか一項に記載の面発光型半導体レーザ。
- 前記電極が接触する半導体層は、他の半導体層よりも不純物濃度が高いことを特徴とする請求項4記載の面発光型半導体レーザ。
- 前記電極は、前記上部ミラーが備える前記第1領域に対して設けられる第1電極と、
前記下部ミラーが備える前記第1領域に対して設けられる第2電極と
を含むことを特徴とする請求項4又は請求項5記載の面発光型半導体レーザ。 - 前記第2電極は、前記下部ミラーの最上層に形成された前記第1半導体層と前記第2半導体層との第1番目のペアから第5番目のペアまでの何れかのペアをなす前記第1半導体層及び前記第2半導体層の何れか一方に接触することを特徴とする請求項6記載の面発光型半導体レーザ。
- 前記上部ミラー及び前記活性層、並びに前記下部ミラーに設けられる前記第1領域の少なくとも一部は、柱状形状の柱状部とされていることを特徴とする請求項6又は請求項7記載の面発光型半導体レーザ。
- 前記下部ミラーは、前記第2電極が接触する半導体層よりも上方に位置する半導体層が前記柱状部とされていることを特徴とする請求項8記載の面発光型半導体レーザ。
- 前記第1半導体層及び前記第2半導体層は、組成が異なる混晶半導体からなることを特徴とする請求項1から請求項9の何れか一項に記載の面発光型半導体レーザ。
- 前記第1半導体層は、前記第2半導体層よりも低組成の混晶半導体からなることを特徴とする請求項10記載の面発光型半導体レーザ。
- 上部ミラー及び下部ミラーと、当該上部ミラーと当該下部ミラーとの間に配置される活性層とを備え、前記下部ミラー、前記活性層、及び前記上部ミラーの積層方向にレーザ光を射出する面発光型半導体レーザの製造方法において、
前記上部ミラー及び前記下部ミラーを形成する際に、
前記上部ミラー及び前記下部ミラーの少なくとも一方に、第1屈折率を有する第1半導体層と、第2屈折率を有する第2半導体層と、前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に前記第1屈折率と前記第2屈折率との間の屈折率を有する第3半導体層とを含んで前記活性層に接する第1領域を形成する工程と、
前記第1半導体層と前記第2半導体層とが交互に積層されてなる第2領域を前記第1領域以外の領域に形成する工程と
を含むことを特徴とする面発光型半導体レーザの製造方法。 - 前記上部ミラー及び前記下部ミラーの少なくとも一方に、誘電体多層膜からなるミラーを有する第3領域を形成する工程を含むことを特徴とする請求項12記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
- 前記上部ミラー、前記活性層、及び前記下部ミラーを前記下部ミラーに形成された前記第1領域の内部までエッチングして、前記上部ミラー及び前記活性層、並びに前記下部ミラーの少なくとも一部を柱状形状とした柱状部を形成する工程を含むことを特徴とする請求項12又は請求項13記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
- 前記第1半導体層及び前記第2半導体層は、組成が異なる混晶半導体からなり、
前記上部ミラー、前記活性層、及び前記下部ミラーに形成された前記第1領域の内部までエッチングする際に、前記組成の変化をモニタしつつエッチング量を制御することを特徴とする請求項14記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
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