JP2007173291A - 面発光型半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents

面発光型半導体レーザおよびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】モード数を削減することができ、かつ高出力化の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、第１ミラー１０２と、前記第１ミラーの上方に形成された活性層１０３と、前記活性層の上方に形成された第２ミラー１０４と、前記活性層の上方または下方に形成された電流狭窄層１０５と、を含み、前記第２ミラーは、低屈折率領域に周囲を囲まれた高屈折率領域１０６を有し、前記高屈折率領域は、平面視において前記電流狭窄層に囲まれた領域の内側に形成されている。
【選択図】図１

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。
近年、面発光型半導体レーザにおける情報量の拡大、及び用途の多様化等により発振モード数を削減しつつ高出力化することが望まれている。一般には、共振器体積を小さくすることにより、モード数を削減することができる。
一方、半導体レーザの出力は、注入される電流値とともに大きくなり、ある電流値において最大値（ロールオフ点）に達する。半導体レーザでは、電流注入によりデバイス温度が上昇するとともに、利得スペクトルがシフトし、ある温度で利得が最大値を迎えるためである。共振器体積が小さい場合、デバイス温度が上昇しやすく、低い電流値でロールオフ点に達するため十分な出力や電流駆動範囲が得られない場合がある。十分な出力が得られない場合、駆動点とロールオフが近づくため、駆動電流範囲を狭くしなければ、環境温度による出力のゆらぎが大きくなってしまう。そこで、デバイス温度の上昇を防止するために、特許文献１には、発光部の周辺部に電流狭窄部に達するまで溝を掘り、この溝上に直接電極を形成する方法が開示されている。これにより、発熱部から電極までの距離を短くして放熱性を高めている。
特開２００３−８６８９５号公報
本発明の目的は、モード数を削減することができ、かつ高出力化の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、
第１ミラーと、
前記第１ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された第２ミラーと、
前記活性層の上方または下方に形成された電流狭窄層と、
を含み、
前記第２ミラーは、低屈折率領域に周囲を囲まれた高屈折率領域を有し、
前記高屈折率領域は、平面視において前記電流狭窄層に囲まれた領域の内側に形成されている。
本発明にかかる面発光型半導体レーザにおいて、
前記第２ミラーは、多層膜ミラーであり、
前記高屈折率領域の上方に交互に積層された高屈折率層と低屈折率層とをさらに有することができる。
本発明にかかる面発光型半導体レーザにおいて、
少なくとも前記活性層、前記第２ミラー、および前記電流狭窄層によって構成される第１の柱状部を含み、
前記第１の柱状部は、前記活性層と前記電流狭窄層とを有する第３の柱状部と、当該第３の柱状部の上方に形成された前記活性層より小さい径を有する第２の柱状部と、
前記第３の柱状部の上面かつ前記第２の柱状部の周囲に形成された電極をさらに含むことができる。
本発明にかかる面発光型半導体レーザにおいて、
前記第２ミラーを構成する高屈折率層および低屈折率層のうち、少なくとも一層は、誘電体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において、
前記高屈折率領域は、半導体層からなり、
前記低屈折率領域、高屈折率層、および低屈折率層は、誘電体層からなることができる。
本発明にかかる面発光型半導体レーザにおいて、
前記第２ミラーの上方に形成された放熱膜をさらに含むことができる。
本発明にかかる面発光型半導体レーザにおいて、
前記放熱膜は、光透過性を有することができる。
本発明にかかる面発光型半導体レーザにおいて、
前記放熱膜は、導電性材料からなり、
前記第２ミラーと前記放熱膜との間に光透過性を有する絶縁膜をさらに含むことができる。
本発明にかかる面発光型半導体レーザの製造方法は、
（ａ）基板側から、第１ミラー、活性層、および高屈折率領域を構成するための半導体層を積層する工程と、
（ｂ）前記高屈折率領域を構成するための半導体層を所定の形状にパターニングして、高屈折率領域を形成する工程と、
（ｃ）前記第２ミラーを構成するための低屈折率層および高屈折率層を、前記高屈折率領域の上方に積層する工程と、
（ｄ）前記第１ミラーまたは第２ミラーに電流狭窄層を形成する工程と、
を含み、
前記高屈折率領域は、平面視において前記電流狭窄層に囲まれた領域の内側に形成されている。
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、
前記工程（ｃ）では、
前記第２ミラーを構成するための低屈折率層および高屈折率層として、誘電体層を積層することができる。
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説明する。
１．面発光型半導体レーザ
図１は、実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００を模式的に示す断面図である。図２は、実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００を模式的に示す平面図である。図１は、図２に示すＣ−Ｃ線に沿った断面を示す図である。
面発光型半導体レーザ１００は、基板１０１と、第１ミラー１０２と、活性層１０３と、第２ミラー１０４とを含む。面発光型半導体レーザ１００は、垂直共振器を有し、図１および図２に示すように、柱状の半導体堆積体（以下「第１の柱状部」とする）１３０を含むことができる。第１の柱状部１３０は、第１ミラー１０２の一部、活性層１０３および第２ミラー１０４によって構成される。
基板１０１は、半導体基板からなることができ、たとえばｎ型ＧａＡｓ基板からなることができる。第１ミラー１０２は、例えば、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からなることができる。活性層１０３は、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ことができる。
第２ミラー１０４は、活性層の近領域に形成された電流狭窄層１０５と、高屈折率領域１０６と、低屈折率領域１０７とを有する。第２ミラー１０４は、分布反射型多層膜ミラーとして機能することができる。
電流狭窄層１０５は、酸化狭窄層またはプロトン打ち込み領域により形成される。電流狭窄層１０５は、たとえばＡｌｘＧａ1-ｘＡｓ（ｘ＞０．９５）層を側面から酸化することにより得られ、平面視においてリング形状を有することができる。
高屈折率領域１０６は、電流狭窄層１０５が設けられる層の上方に形成される。また高屈折率領域１０６は、低屈折率領域１０７に周囲を囲まれている。高屈折率領域１０６は、平面視において電流狭窄層１０５に囲まれた領域の内側（第１の領域１１０）に形成される。即ち、図１および図２に示すように、電流狭窄層１０５の内径Ａは、高屈折率領域１０６の径Ｂより大きい。これにより、高屈折率領域１０６において光閉じこめが行われ、発振モード数は、高屈折率領域１０６の径Ｂによって決定される。一方、電流閉じこめは、電流狭窄層１０５において行われるため、電流狭窄層１０５の内径Ａを大きくすることにより、大電流を注入した場合でも発熱量を抑制でき、ロールオフ点における電流量を大きくし、高出力化することができる。また、高出力化によりロールオフを迎える電流が駆動電流範囲から離れるため、広い温度範囲での動作を可能とすることができる。即ち、電流狭窄層１０５の内径Ａを大きくし、同時に高屈折率領域１０６の径Ｂを小さくすることにより、発振モード数を低減するとともに、高出力化を可能とすることができる。
また、図１に示すように、高屈折率領域１０６は、活性層１０３の近傍に形成されることが好ましい。これにより、効率的に光閉じこめを行うことができる。
高屈折率領域１０６は、周囲に形成された低屈折率領域１０７より高い屈折率を有すればよい。すなわち高屈折率領域１０６および低屈折率領域１０７が、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層からなる場合には、高屈折率領域１０６のＡｌ組成が、低屈折率領域１０７より高い。たとえば、高屈折率領域１０６は、ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層からなることができ、低屈折率領域１０７は、ｐ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層からなることができる。なお、高屈折率領域１０６の径Ｂは、所望のモード数、設計波長等に応じて適宜調整することができる。
低屈折率領域１０７は、上述したように高屈折率領域１０６より低い屈折率を有すればよく、たとえばｐ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層からなることができる。
さらに、第２ミラー１０４は、高屈折率領域１０６および低屈折率領域１０７の上方に交互に積層された高屈折率層１０８および低屈折率層１０９を有する。たとえば高屈折率層１０８は、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層からなり、低屈折率層１０９は、ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層からなることができる。これにより、高屈折率層１０８および低屈折率層１０９は、ミラーとして機能することができる。なお、高屈折率層１０８および低屈折率層１０９は、電流狭窄層１０５が設けられている層と高屈折率領域１０６および低屈折率領域１０７との間に交互に形成されていてもよい。
第１の柱状部１３０は、第２の柱状部１４０および第３の柱状部１５０を有する。第２の柱状部１４０は、電流狭窄層１０５が設けられている層の上方に形成され、高屈折率層１０８および低屈折率層１０９を有する。第３の柱状部１５０は、第１ミラー１０２の一部、活性層１０３、第２ミラー１０４の一部、および電流狭窄層１０５を有する。高屈折率領域１０６および低屈折率領域１０７については、第２の柱状部１４０および第３の柱状部１５０のいずれが有してもよい。本実施の形態においては、第３の柱状部１５０が高屈折率領域１０６および低屈折率領域１０７を有する。
また第２の柱状部１４０は、第１の領域１１０および第２の領域１１１に形成される。図１および図２に示すように、第１の領域１１０は、平面視において円形状を有し、第２の領域１１１は、平面視においてリング形状を有し、第１の領域１１０の周囲に設けられている。なお、低屈折率領域１０７は、高屈折率領域１０６の周囲（第２の領域１１１）だけでなく、第１の領域１１０において高屈折率領域１０６の上面にも形成されていてもよい。この場合、第１の領域１１０および第２の領域１１１の双方の上面に、高屈折率層１０８が形成され、さらにその上面に低屈折率層１０９が形成される。
第３の柱状部１５０の上面には、第１電極１１４が形成されるため、第３の柱状部１５０の最上層の導電性を向上することで、より均一に電流注入を行うことができる。したがって、第３の柱状部１５０の最上層の第１電極１１４が形成される領域には、Ａｌを含まないＧａＡｓ層、もしくは高屈折率領域１０６のようなＡｌをほとんど含まないＡｌＧａＡｓ層が形成されていることが好ましい。
第２ミラー１０４は、たとえば炭素（Ｃ）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、たとえばケイ素（Ｓｉ）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、ｐ型の第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ｎ型の第１ミラー１０２により、ｐｉｎダイオードが形成される。なお、本実施の形態において、第２の柱状部１４０および第３の柱状部１５０は、平面視において、円形状を有するとしたが、この形状は任意の形状をとることができる。
また、面発光型半導体レーザ１００は、第１電極１１４および第２電極１１６をさらに含む。この第１電極１１４および第２電極１１６は、面発光型半導体レーザ１００を駆動するために使用される。
具体的には、図１に示すように、第１電極１１４は、第３の柱状部１５０の上面に形成される。第２電極１１６は、半導体基板１０１の裏面に形成される。第１電極１１４は、たとえば図２に示すようなリング状の平面形状を有することができる。すなわち、第１電極１１４は主として第２の柱状部１４０を取り囲むように任意の形状に設けられている。また第１電極１１４は、第３の柱状部１５０に接するリング形状部から引き出された直線形状の引き出し部を有してもよい。
なお、本実施の形態では、第２電極１１６は半導体基板１０１の裏面に設けられているが、第１ミラー１０２の上面に設けられていてもよい。
第２電極１１６は、例えば金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の合金と、金（Ａｕ）との積層膜からなる。また、第１電極１１４は、例えば白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）および金（Ａｕ）の積層膜からなる。第１電極１１４と第２電極１１６とによって活性層１０３に電流が注入される。なお、第１電極１１４および第２電極１１６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、例えば金（Ａｕ）と亜鉛（Ｚｎ）との合金などが利用可能である。面発光型半導体レーザ１００は、第１電極１１４の内側から上方に向かって、発振モード数の削減された光を出射することができる。
２．面発光型半導体レーザの製造方法
次に、本発明を適用した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８を用いて説明する。図３〜図８は、図１および図２に示す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１に示す断面図に対応している。
（１）まず、ｎ型ＧａＡｓ層からなる基板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、半導体多層膜が形成される。ここで、半導体多層膜は、例えば、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層とを交互に積層した３８．５ペアの第１ミラー１０２ａ、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１０３ａ、ｐ型ＡｌＡｓ層またはｐ型ＡｌＧａＡｓ層からなる低屈折率層１０５ａ、ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層からなる高屈折率層１０６ａ、からなることができる。
低屈折率層１０５ａと活性層１０３ａとの間、低屈折率層１０５ａと高屈折率層１０６ａとの間、および高屈折率層１０６ａの上面には、さらにｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層とが交互に積層されていてもよい。
低屈折率層１０５ａは、後に酸化されて電極狭窄層１０５となる。低屈折率層１０５ａにおいて、Ａｌの組成比は高いことが好ましく、例えば０．９５以上であることが望ましい。
エピタキシャル成長を行う際の温度は、成長方法や原料、基板１０１の種類、あるいは形成する半導体多層膜の種類、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法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、あるいはＬＰＥ法（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いることができる。
（２）次に、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、高屈折率層１０６ａを所望の形状にパターニングする。このとき、図３に示すように、高屈折率領域１０６の形成領域１１０にレジスト層Ｒ１が設けられ、たとえばドライエッチングにより、高屈折率層１０６ａはパターニングされる。領域１１０は、たとえば円形状を有することができる。これにより、図４に示すように、高屈折率領域１０６が形成される。高屈折率層１０６ａは完全にエッチングで除去する必要はなく、領域１１０の高屈折率層１０６ａが領域１１１の高屈折率層１０６ａより薄ければよく、また活性層１０３のまで達しない限り、高屈折率層１０６ａの下の層までエッチングしてもよい。
（３）次に、図５に示すように、高屈折率領域１０６および低屈折率層１０５ａ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、低屈折率層１０７ａと、高屈折率層１０８ａと、低屈折率層１０９ａが形成される。高屈折率層１０８ａと低屈折率層１０９ａは、交互に積層される。低屈折率層１０７ａおよび低屈折率層１０９ａは、たとえばｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層からなることができる。高屈折率層１０８ａは、ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層からなることができる。こうして、２ミラー１０４ａが形成される。
（４）次に、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、低屈折率層１０５ａより上に積層された層を所望の形状にパターニングする。本実施の形態では、高屈折率層１０８ａおよび低屈折率層１０９ａを所望の形状にパターニングする。このとき、図５に示すように、領域１１０および領域１１１にレジスト層Ｒ２が設けられ、たとえばドライエッチングにより、高屈折率層１０８ａおよび低屈折率層１０９ａはパターニングされる。領域１１１は、領域１１０の周囲に形成され、たとえばリング形状を有することができる。これにより、図６に示すように、第２の柱状部１４０が形成される。
（５）次に、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、第１ミラー１０２ａの一部、活性層１０３ａ、低屈折率層１０５ａ、および低屈折率層１０７ａを所望の形状にパターニングする。このとき、図７に示すように、レジスト層Ｒ３が設けられ、たとえばドライエッチングにより、第１ミラー１０２ａの一部、活性層１０３ａ、低屈折率層１０５ａ、および低屈折率層１０７ａをパターニングする。これにより、図８に示すように、第１の柱状部１３０が形成される。
（６）次に、例えば４００℃程度の水蒸気雰囲気中に、第１の柱状部１３０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（低屈折率層１０５ａ）を側面から酸化して、電流狭窄層１０５が形成される（図８参照）。ここで電流狭窄層１０５の内径が領域１１０より大きくなるように、投入時間等を調整する。
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。酸化により形成される電流狭窄層１０５を備えた面発光型半導体レーザ１００では、駆動する際に、電流狭窄層１０５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、酸化によって電流狭窄層１０５を形成する工程において、形成する電流狭窄層１０５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。
（７）次いで、図１に示すように、第１電極１１４および第２電極１１６が形成される。まず、各電極を形成する前に、必要に応じて、プラズマ処理法等を用いて、電極の形成領域を洗浄する。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、第１電極１１４および第２電極１１６の形成領域以外にフォトレジストを設け、例えば真空蒸着法により、電極用導電性材料の単層または積層膜（図示せず）を形成する。次に、公知のリフトオフ技術を用いて、所定の位置以外(フォトレジストを残した部分)の積層膜を除去することで、所望の領域に電極を形成することができる。
次いで、必要に応じて、たとえば窒素雰囲気中において、アニール処理を行う。アニール処理の温度は、例えば４００℃前後で行う。アニール処理の時間は、例えば３分程度行う。
以上の工程を、電極ごとに行っても良いし、複数の電極を同時に形成してもよい。なお、第２電極１１６は、例えば金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の合金、および金（Ａｕ）の積層膜によって形成される。第１電極１１４は、たとえば白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）および金（Ａｕ）の積層膜によって形成される。なお、電極の材質は、上記のものに限定されず、公知の金属、合金、あるいはそれらの積層膜を用いることができる。
以上の工程により、図１および図２に示すように、本実施形態の面発光型半導体レーザ１００が得られる。
３．変形例
次に、本実施の形態に係る変形例について説明する。
３．１．第１の変形例
図９は、第１の変形例にかか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。第１の変形例にかかる面発光型半導体レーザ２００は、透明絶縁膜２０１および放熱膜２０２をさらに備える点で本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００と異なる。透明絶縁膜２０１は、面発光型半導体レーザ２００が出射する光を透過し、かつ絶縁性材料からなる。透明絶縁膜２０１は、たとえば窒化シリコン（ＳｉＮ）薄膜からなることができる。窒化シリコン薄膜は、光透過性および絶縁性を有するだけでなく、耐酸化性に優れているため、面発光型半導体レーザ２００が酸化されて変質するのを防止することができる。放熱膜２０２は、面発光型半導体レーザ２００が出射する光を透過し、かつ熱伝導率が高い材料からなる。放熱膜２０２は、たとえば、炭化シリコン（ＳｉＣ）、ダイヤモンド（ダイヤモンド・ライク・カーボン）、サファイヤからなることができる。
透明絶縁膜２０１および放熱膜２０２は、面発光型半導体レーザ２００が出射する光を透過する材質からなるため、面発光型半導体レーザ２００は、上方にレーザ光を出射することができる。また、面発光型半導体レーザ２００は、透明絶縁膜２０１および放熱膜２０２を備えることから、放熱性を高めることができる。これにより、電流注入時においてデバイス温度(活性層温度)が上昇するのを抑制することができる。
次に、面発光型半導体レーザ２００の製造方法の一例について図１０および図１１を用いて説明する。図１０および図１１は、面発光型半導体レーザ２００の一製造工程を模式的に示す断面図である。
本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００の製造工程（１）〜（６）を行った後に、図１０に示すように透明絶縁膜２０１を形成する。透明絶縁膜２０１は、公知の方法で成膜およびパターニングされる。透明絶縁膜２０１としての窒化シリコン薄膜の成膜は、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）を用いることができる。
次に、図１１に示すように、上述した方法により第１電極２１４および第２電極１１６を形成し、放熱膜２０２を成膜する。放熱膜２０２としては、上述したように炭化シリコン、ダイヤモンド、サファイヤ等を用いることができる。炭化シリコンおよびサファイヤの成膜方法としては、たとえばスパッタ法を挙げることができる。ダイヤモンドの成膜方法としては、たとえばＣＶＤ法、スパッタ法、熱電子衝撃法を挙げることができる。次いで、エッチング等によりパターニングを行うことにより、第１電極２１４の引き出し部を露出させてもよい。また、予め引き出し部の上面にレジスト層を残しておき、成膜後に当該レジスト層を除去するリフトオフ工程によって、第１電極２１４の引き出し部を露出させてもよい。
以上の工程により、面発光型半導体レーザ２００を製造することができる。なお、第１の変形例にかかる面発光型半導体レーザ２００の他の構成および製造工程については、本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００の構成および製造工程と同様であるので説明を省略する。
３．２．第２の変形例
図１２は、第２の変形例にかかる面発光型半導体レーザ３００を模式的に示す断面図である。第２の変形例にかかる面発光型半導体レーザ３００は、導電膜３０１、第１の放熱膜３０２、第２の放熱膜３０３、および絶縁膜３０６をさらに備え、第１電極１１４を備えない点で本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００と異なる。また、第２の変形例にかかる面発光型半導体レーザ３００は、下方にレーザ光の出射面３０５を有する点で、上方に出射面を有する面発光型半導体レーザ１００と異なる。
導電膜３０１は、たとえば金錫（ＡｕＳｎ）等の導電性材料からなり、面発光型半導体レーザ３００を駆動するための電極として機能することができる。導電膜３０１は、第２の柱状部１４０を覆うように形成され、第３の柱状部１５０の上面に接する。
第１の放熱膜３０２は、導電膜３０１の上方に形成される。第１の放熱膜３０２は、熱伝導率が高い材料からなる。第１の放熱膜３０２は、たとえば、炭化シリコン（ＳｉＣ）、ダイヤモンド（ダイヤモンド・ライク・カーボン）、サファイヤからなることができる。第２の放熱膜３０３は、第１の放熱膜３０２の上方に形成される。第２の放熱膜３０３は、熱伝導率が高い材料からなる。また、第２の放熱膜３０３が、銅等の導電性材料である場合には、導電膜３０１と電気的に接続することにより配線として機能することができる。絶縁膜３０６は、第３の柱状部１５０の周囲および第１ミラー１０２の上面を覆うように形成される。
半導体基板３０４は、面発光型半導体レーザ３００が出射する光を透過する透明基板を用いてもよい。また、透明基板を用いない場合には、第１ミラー１０２を積層する前にエッチストップ層を基板上に設けておき、裏面からエッチングすることで出射面を設けてもよい。半導体基板３０４の裏面には、第２電極３１６が形成され、第１の領域１１０の下方を含む領域において、出射面３０５を有する。これにより、面発光型半導体レーザ３００は、下方にレーザ光を出射することができる。
次に、面発光型半導体レーザ３００の製造方法の一例について図１３および図１４を用いて説明する。図１３および図１４は、面発光型半導体レーザ３００の一製造工程を模式的に示す断面図である。
まず、本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００の製造工程（１）〜（６）を行った後に、第２電極３１６を形成する（図１３参照）。次いで絶縁膜３０６を形成する。絶縁膜３０６の材質は、特に限定されないが、たとえば窒化シリコン薄膜からなることができる。窒化シリコン薄膜の成膜は、上述した方法により行うことができる。
次いで第２の放熱膜３０３上に第１の放熱膜３０２を成膜した後に、ハンダ等の導電膜３０１を塗布する。次いで、図１４の矢印の方向に、第１ミラー１０２、活性層１０３および第２ミラー１０４を導電膜３０１に埋め込み、導電膜３０１を硬化させる。
以上の工程により、面発光型半導体レーザ３００を製造することができる。このように、面発光型半導体レーザ３００は、電極およびヒートシンクとして機能できる導電膜３０１を備えることにより、広い領域で第２ミラー１０４と接することができ、放熱性を高めることができる。これにより、電流注入時においてデバイス温度が上昇するのを抑制することができる。また面発光型半導体レーザ３００は、熱伝導率の高い第１の放熱膜３０２および第２の放熱膜３０３を備えることにより、さらに放熱性を高めることができる。
なお、第２の変形例にかかる面発光型半導体レーザ３００の他の構成および製造工程については、本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００の構成および製造工程と同様であるので説明を省略する。
３．３．第３の変形例
図１５は、第３の変形例にかかる面発光型半導体レーザ４００を模式的に示す断面図である。第３の変形例にかかる面発光型半導体レーザ４００は、第２ミラー４０４が誘電体層を有する点で、本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００と異なる。
第２ミラー４０４は、電流狭窄層１０５の上面に形成されている多層膜４４０のうち、一部が誘電体層であってもよいし、全体が誘電体層であってもよい。第３の変形例において第２ミラー４０４は、高屈折率領域４０６、低屈折率領域４０７、高屈折率層４０８、および低屈折率層４０９を有する。高屈折率領域４０６と低屈折率領域４０７は、双方が半導体層であってもよいし、高屈折率領域４０６のみが半導体層であってもよいし、双方が誘電体層であってもよい。また、半導体よりも屈折率の高い誘電体が存在する場合には、高屈折率領域４０６が誘電体層であり、低屈折率領域４０７が半導体層であってもよい。
高屈折率領域４０６は、上述した高屈折率領域１０６と同様の材料を用いることができる。低屈折率領域４０７も上述した低屈折率領域１０７と同様の材料を用いることもできるし、Ｔａ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔｉ２Ｏ、Ｔｉ、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ等の誘電体を用いて形成してもよい。高屈折率層４０８、および低屈折率層４０９は、Ｔａ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔｉ２Ｏ、Ｔｉ、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ等を用いて形成される。たとえば、低屈折率領域４０７および低屈折率領域４０７は、ＳｉＯ２からなり、高屈折率層４０８は、ＳｉＮからなることができる。低屈折率領域４０７が上述した低屈折率領域１０７と同様の材料の場合は、同じくＭＯＣＶＤを用いて製膜することができる。低屈折率領域４０７が誘電体材料の場合は、例えばプラズマＣＶＤやスパッタにより行われることができる。高屈折率層４０８および低屈折率層４０９の成膜も同様に、例えばプラズマＣＶＤやスパッタにより行われることができる。
このように誘電体層を用いてミラーを設けることにより、層間の屈折率比を大きくして、ペア数を削減することができる。これにより、材料資源を削減することができる。また、高屈折率領域４０６を設けるためのパターニングを行った後に、エピタキシャル成長を再開することなくミラーを形成することができる。さらに、第２ミラーの領域を流れる電流がほぼ完全になくなり、かつ第２ミラーにおける吸収もほぼ完全になくなるため、さらなるデバイス温度の低減が可能となる。
なお、第３の変形例にかかる面発光型半導体レーザ４００の他の構成および製造工程については、本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００の構成および製造工程と同様であるので説明を省略する。
３．４．第４の変形例
図１６は、第４の変形例にかかる面発光型半導体レーザ５００を模式的に示す断面図である。第４の変形例にかかる面発光型半導体レーザ５００は、第２ミラー５０４が誘電体層を有する点、および透明絶縁膜５０１および放熱膜５０２をさらに備える点で、本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００と異なる。
透明絶縁膜５０１および放熱膜５０２については、上述した第１の変形例にかかる透明絶縁膜２０１および放熱膜２０２と同一の材料および製造方法を用いて形成されることができ、第２ミラー５０４は、第３の変形例にかかる第２ミラー４０４と同一の材料および製造方法を用いて形成されることができる。また、第１電極５１４は、上述した第１の変形例にかかる第１電極２１４と同一の材料および製造方法を用いて形成されることができる。
このように第２ミラー５０４が誘電体層を有することにより、層間の屈折率比を大きくして、ペア数を削減することができる。したがって、電流閉じこめ領域と放熱膜５０２との距離を近づけることができ、さらに放熱性を高めることができる。これにより、電流注入時においてデバイス温度が上昇するのを抑制することができる。
なお、第４の変形例にかかる面発光型半導体レーザ５００の他の構成および製造工程については、本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００の構成および製造工程と同様であるので説明を省略する。
３．４．第５の変形例
図１６は、第５の変形例にかかる面発光型半導体レーザ６００を模式的に示す断面図である。第５の変形例にかかる面発光型半導体レーザ６００は、第２ミラー６０４が誘電体層を有する点、ならびに導電膜６０１、第１の放熱膜６０２、第２の放熱膜６０３、および絶縁膜６０６をさらに備え、第１電極１１４を備えない点で本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００と異なる。また、第２の変形例にかかる面発光型半導体レーザ６００は、下方にレーザ光の出射面６０５を有する点で、上方に出射面を有する面発光型半導体レーザ１００と異なる。
導電膜６０１、第１の放熱膜６０２、第２の放熱膜６０３、および絶縁膜６０６は、上述した第２の変形例にかかる導電膜３０１、第１の放熱膜３０２、第２の放熱膜３０３、および絶縁膜３０６と同様の構成および材質を有することができる。また、半導体基板６０１および第２電極６１６についても、第２の変形例にかかる第２電極３１６と同様の構成および材質を有することができる。
第２ミラー６０４は、上述した第３の変形例にかかる第２ミラー４０４と同様の構成および材質を有することができるが、面発光型半導体レーザ６００は下方に光を出射するために、第３の変形例にかかる第２ミラー４０４より多くのペア数を有する必要がある。
このように誘電体層を用いてミラーを設けることにより、層間の屈折率比を大きくして、ペア数を削減することができる。これにより、材料資源を削減することができる。また、高屈折率領域４０６を設けるためのパターニングを行った後に、エピタキシャル成長を再開することなくミラーを形成することができる。さらに、第２ミラーの領域を流れる電流がほぼ完全になくなり、かつ第２ミラーにおける吸収もほぼ完全になくなるため、さらなるデバイス温度の低減が可能となる。
このように、面発光型半導体レーザ６００は、電極およびヒートシンクとして機能できる導電膜６０１を備えることにより、広い領域で第２ミラー６０４と接することができ、放熱性を高めることができる。これにより、電流注入時においてデバイス温度が上昇するのを抑制することができる。また面発光型半導体レーザ６００は、熱伝導率の高い第１の放熱膜６０２および第２の放熱膜６０３を備えることにより、さらに放熱性を高めることができる。
なお、第５の変形例にかかる面発光型半導体レーザ６００の他の構成および製造工程については、本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００の構成および製造工程と同様であるので説明を省略する。
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び結果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザを模式的に示す断面図。 本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザを模式的に示す平面図。 本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造工程を示す図。 本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造工程を示す図。 本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造工程を示す図。 本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造工程を示す図。 本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造工程を示す図。 本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造工程を示す図。 第１の変形例にかかる面発光型半導体レーザを模式的に示す断面図。 第１の変形例にかかる面発光型半導体レーザの製造工程を示す図。 第１の変形例にかかる面発光型半導体レーザの製造工程を示す図。 第２の変形例にかかる面発光型半導体レーザを模式的に示す断面図。 第２の変形例にかかる面発光型半導体レーザの製造工程を示す図。 第２の変形例にかかる面発光型半導体レーザの製造工程を示す図。 第３の変形例にかかる面発光型半導体レーザを模式的に示す断面図。 第４の変形例にかかる面発光型半導体レーザを模式的に示す断面図。 第４の変形例にかかる面発光型半導体レーザを模式的に示す断面図。
符号の説明
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 電流狭窄層、１０６ 高屈折率領域、１０７ 低屈折率領域、１０８ 高屈折率層、１０９ 低屈折率層、１１４ 第１電極、１１６ 第２電極

Claims (10)

  1. 第１ミラーと、
    前記第１ミラーの上方に形成された活性層と、
    前記活性層の上方に形成された第２ミラーと、
    前記活性層の上方または下方に形成された電流狭窄層と、
    を含み、
    前記第２ミラーは、低屈折率領域に周囲を囲まれた高屈折率領域を有し、
    前記高屈折率領域は、平面視において前記電流狭窄層に囲まれた領域の内側に形成されている、面発光型半導体レーザ。
  2. 請求項１において、
    前記第２ミラーは、多層膜ミラーであり、
    前記高屈折率領域の上方に交互に積層された高屈折率層と低屈折率層とをさらに有する、面発光型半導体レーザ。
  3. 請求項２において、
    少なくとも前記活性層、前記第２ミラー、および前記電流狭窄層によって構成される第１の柱状部を含み、
    前記第１の柱状部は、前記活性層と前記電流狭窄層とを有する第３の柱状部と、当該第３の柱状部の上方に形成された前記活性層より小さい径を有する第２の柱状部とを含み、
    前記第３の柱状部の上面かつ前記第２の柱状部の周囲に形成された電極をさらに含む、面発光型半導体レーザ。
  4. 請求項２において、
    前記第２ミラーを構成する高屈折率層および低屈折率層のうち、少なくとも一層は、誘電体層である、面発光型半導体レーザ。
  5. 請求項４において、
    前記高屈折率領域は、半導体層からなり、
    前記低屈折率領域、高屈折率層、および低屈折率層は、誘電体層からなる、面発光型半導体レーザ。
  6. 請求項１ないし５のいずれかにおいて、
    前記第２ミラーの上方に形成された放熱膜をさらに含む、面発光型半導体レーザ。
  7. 請求項６において、
    前記放熱膜は、光透過性を有する、面発光型半導体レーザ。
  8. 請求項６または７において、
    前記放熱膜は、導電性材料からなり、
    前記第２ミラーと前記放熱膜との間に光透過性を有する絶縁膜をさらに含む、面発光型半導体レーザ。
  9. （ａ）基板側から、第１ミラー、活性層、および高屈折率領域を構成するための半導体層を積層する工程と、
    （ｂ）前記高屈折率領域を構成するための半導体層を所定の形状にパターニングして、高屈折率領域を形成する工程と、
    （ｃ）前記第２ミラーを構成するための低屈折率層および高屈折率層を、前記高屈折率領域の上方に積層する工程と、
    （ｄ）前記第１ミラーまたは第２ミラーに電流狭窄層を形成する工程と、
    を含み、
    前記高屈折率領域は、平面視において前記電流狭窄層に囲まれた領域の内側に形成されている、面発光型半導体レーザの製造方法。
  10. 請求項９において、
    前記工程（ｃ）では、
    前記第２ミラーを構成するための低屈折率層および高屈折率層として、誘電体層を積層する、面発光型半導体レーザの製造方法。
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