JP2009283639A - 面発光レーザ素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】素子厚を増加させることなく出射面におけるレーザ光のビーム径を拡大することができる面発光レーザ素子およびその製造方法を提供すること。
【解決手段】水平共振器面発光レーザ素子１０１は、ｎ型ＩｎＰ基板１１と、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に形成されたＩｎＧａＡｌＡｓ活性層６１と、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層６１で発生する光をその長手方向に共振させる共振器と、共振器内で共振するレーザ光の少なくとも一部をｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面方向に反射する反射鏡１８と、反射鏡１８により反射されるレーザ光を外部に出射するよう該レーザ光の光軸上に形成された光出射面が凸状の低屈折率レンズ３１と、を含む。低屈折率レンズ３１は、ｎ型ＩｎＰ基板１１の屈折率とは異なる屈折率と、反射鏡１８から入射するレーザ光の放射角を広げるよう形成された光入射面と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信モジュールや光ディスク装置などに用いられる面発光レーザ素子およびその製造方法に関する。

半導体基板と垂直な方向にレーザ光を出射する面発光レーザ素子の１つに、水平共振器面発光レーザ素子がある。水平共振器面発光レーザ素子は、半導体基板面に平行な方向に形成されたレーザ共振器と、レーザ光を基板表面（上面）または裏面（下面）から出射するために形成された傾斜角４５°の反射ミラーと、が集積された構造を持つ。

たとえば、特許文献１には、半導体基板上に形成された多層膜反射鏡と、多層膜反射鏡上に形成された光導波路層と、光導波路層の端部に形成された４５°の傾斜を有する反射鏡と、を備えた水平共振器面発光レーザが開示されている。

図８は、従来の水平共振器面発光レーザ素子（以下単に「レーザ素子」ともいう）の一例を示す図である。図８（ａ）はレーザ素子１０４の一部切欠斜視図、図８（ｂ）は共振器の光軸を含む平面での断面図、図８（ｃ）はレーザ素子１０４の下面図、図８（ｄ）は共振器の光軸方向に直交する平面での断面図である。ここでは、レーザ素子１０４の構造を三次元的に表すために、基板面に平行な面をｘｙ平面、基板裏面から表面に向かう方向をｚ軸方向、共振器の光軸に沿って反射鏡１８に向かう方向をｘ軸方向として、レーザ素子１０４の構造を説明する。

図８に示すように、水平共振器面発光レーザ素子１０４は、ｎ型ＩｎＰ基板１１と、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に形成されたＩｎＧａＡｓＰ活性層１４と、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１４の上方近傍に形成されたｘ軸方向に屈折率が周期的に変化する回折格子層１７と、回折格子層１７の上方に形成されたｐ型ＩｎＰクラッド層１５と、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１４をｙ軸方向両側から挟み込む半絶縁性ＩｎＰ１６と、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１４を含む光導波路層の一端に形成された傾斜角４５°の反射鏡１８と、ｐ電極１３と、ｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面に形成された円形の開口部を有するｎ電極１２と、ｎ電極１２の開口部に形成された無反射コーティング１９と、を含んで構成される。

光は、ｐ電極１３から電流が注入されるＩｎＧａＡｓＰ活性層１４で発生する。ＩｎＧａＡｓＰ活性層１４で発生した光は、ｐ型ＩｎＰクラッド層１５／ＩｎＧａＡｓＰ活性層１４／ｎ型ＩｎＰ基板１１からなる光閉じ込め構造によりｚ方向に閉じ込められる。また、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１４で発生した光は、半絶縁性ＩｎＰ層１６／ＩｎＧａＡｓＰ活性層１４／半絶縁性ＩｎＰ層１６からなる光閉じ込め構造によりｙ方向にも閉じ込められる。こうしてｙ方向およびｚ方向に閉じ込められた光はｘ軸方向に伝播する。ＩｎＧａＡｓＰ活性層１４の近傍にはｘ軸方向に屈折率が周期的に変化する回折格子層１７が形成されており、ｘ軸方向に伝播する光がこの回折格子層１７で帰還されることによりレーザ発振が起こる。このレーザは、分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feedback）レーザと呼ばれる。

こうして発生したレーザ光は、導波路の一端を４５°にエッチング加工することにより形成した反射鏡１８で全反射し、ｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面方向に導かれる。反射鏡１８により反射されたレーザ光は、その光軸とｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面とが交差する部分に形成された無反射コーティング１９から出射される。

このような構造を持つ水平共振器面発光レーザ素子では、共振器が基板面に平行な方向に形成されているので、共振器長を長くとることができ、高い光出力を得ることが容易である。また、基板面に垂直な方向に光が出射されるので、フルウェハプロセスでレーザ素子を作製し、へき開によるチップ化の前にレーザ素子を検査することも可能であり、製造検査にかかるコストを低く抑ることができる。

ところで、水平共振器面発光レーザ素子の中には、図９に示すレーザ素子１０５のように（半導体レンズ３４参照）、レーザ光の出射面が凸状に形成されたレンズ集積型の水平共振器面発光レーザ素子がある。

このような構造を持つ水平共振器面発光レーザ素子では、凸状の出射面から出射されるレーザ光が平行光線に近づくため、レーザ素子と光ファイバまたは導波路との光結合効率を高めることができる。

たとえば、特許文献２には、１０〜１００μｍの活性領域と、分布ブラッグ反射鏡と、斜めミラーと、凸状に形成された出射面と、を有するレンズ集積型水平共振器面発光レーザが開示されている。また、非特許文献１には、ＩｎＰ基板上に形成されたＩｎＧａＡｓＰ活性層を含む光導波路と、光導波路の端部に形成された４５°の傾斜を有する反射鏡と、ＩｎＰ基板裏面における反射鏡と対向する位置に形成された円形レンズと、を備えたレンズ集積型水平共振器面発光レーザの室温連続発振特性が開示されている。
特開２００４-２３５１８２号公報 特開２００７-５５９４号公報 「アイトリプルイー・フォトニクス・テクノロジー・レターズ（IEEE Photonics Technology Letters)」、第３巻、第９号、ｐ．７７６

レーザビームにおける近視野像と遠視野像はフーリエ変換により関係付けられる。すなわち、近視野像が狭いと遠視野像が広くなり、近視野像が広いと遠視野像が狭くなる。このため、レーザ素子の出射面におけるビーム径によって出射光の広がり角の下限値が決まり、出射面におけるビーム径が大きいほどその下限値は０に近づく。したがって、光結合効率の観点からは、ビームを平行光線に近づけるためにレーザ素子の出射面におけるビーム径をできるだけ大きくすることが好ましい。

しかしながら、図９に示すような従来のレンズ集積型水平共振器面発光レーザ素子では、レンズの出射面におけるビーム径が数十ミクロン程度と小さい。これは、量産性の要請からチップサイズ（素子面積）が小さくてもヘキ開可能な範囲にレーザ素子の素子厚が制限され、ビーム径を決める活性層端からレンズまでの距離を十分に確保することができないからである。

本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、素子厚を増加させることなく出射面におけるレーザ光のビーム径を拡大することができる面発光レーザ素子およびそ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、本発明に係る面発光レーザ素子は、半導体基板と、前記半導体基板の一方面上に形成された活性層と、前記活性層で発生する光を該活性層の長手方向に共振させる共振器と、前記共振器内で共振するレーザ光の少なくとも一部を前記半導体基板の他方面方向に反射する反射部と、前記反射部により反射されるレーザ光を外部に出射するよう該レーザ光の光軸上に形成された光出射面が凸状のレンズと、を含む面発光レーザ素子であって、前記レンズは、前記半導体基板の屈折率とは異なる屈折率と、前記反射部から入射するレーザ光の放射角を広げるよう形成された光入射面と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、半導体基板の屈折率とは異なる屈折率を有するレンズの光入射面でレーザ光の放射角が広がるため、素子厚を増加させることなく出射面におけるレーザ光のビーム径を拡大することができる。

また、本発明の一態様では、前記レンズの屈折率は、前記半導体基板の屈折率より小さく、前記レンズの光入射面は、凸面、平面、または凹面である。

また、本発明の一態様では、前記レンズの屈折率は、前記半導体基板の屈折率より大きく、前記レンズの光入射面は、凹面である。

また、本発明の一態様では、前記レンズは、レジスト材料で形成されている。この態様では、前記半導体基板の他方面には、前記レジスト材料で充填される窪み部が形成されていてもよい。

また、本発明に係る面発光レーザ素子の製造方法は、半導体基板の一方面上に活性層を形成する工程と、前記活性層で発生する光を該活性層の長手方向に共振させる共振器を形成する工程と、前記共振器内で共振するレーザ光の少なくとも一部を前記半導体基板の他方面方向に反射する反射部を形成する工程と、前記反射部により反射されるレーザ光を外部に出射するよう該レーザ光の光軸上に、前記半導体基板の屈折率とは異なる屈折率と、前記反射部から入射するレーザ光の放射角を広げる光入射面と、凸状の光出射面と、を有するレンズを形成するレンズ形成工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明の一態様では、前記レンズ形成工程は、前記レジスト材料で前記レンズを形成する。

また、本発明の一態様では、前記レンズ形成工程は、前記反射部により反射されるレーザ光の光軸と前記半導体基板の他方面との交点を含む領域に窪み部を形成する工程と、前記窪み部をレジスト材料で充填するレジスト充填工程と、前記窪み部に充填されたレジスト材料の表面を加熱融解することにより、該レジスト材料の表面を凸状に形成する凸面形成工程と、を含む。

また、本発明の一態様では、前記レジスト充填工程は、前記窪み部が埋没するよう前記半導体基板の他方面に前記レジスト材料を堆積する工程と、前記窪み部以外の領域に堆積されたレジスト材料を除去する工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明の一態様では、前記凸面形成工程では、前記融解したレジスト材料の表面張力を利用して、該レジスト材料の表面を凸状に形成する。

本発明によれば、半導体基板の屈折率とは異なる屈折率を有するレンズの光入射面でレーザ光の放射角が広がるため、素子厚を増加させることなく出射面におけるレーザ光のビーム径を拡大することができる。このため、平行光線に近いレーザ光を出射する面発光レーザ素子を実現できる。また、本発明に係る光結合効率の高い面発光レーザ素子を用いれば、レーザ実装時の高精度な光軸調整が不要となり、光モジュールや光トランシーバの大幅な低コスト化を実現できる。

以下、本発明の実施形態１〜３を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一のまたは類似する構成要素には同一の符号を付し、重複説明を省略する。

［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１に係る水平共振器面発光レーザ素子１０１を示す図である。図１（ａ）はレーザ素子１０１の斜視図、図１（ｂ）はレーザ素子１０１の一部切欠斜視図、図１（ｃ）は共振器の光軸を含む平面での断面図、図１（ｄ）はレーザ素子１０１の下面図、図１（ｅ）は共振器の光軸方向に直交する平面での断面図である。

水平共振器面発光レーザ素子１０１は、波長１．３μｍ帯のＩｎＧａＡｌＡｓ量子井戸型水平共振器面発光レーザ素子であり、図１に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１１と、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に形成されたＩｎＧａＡｌＡｓ活性層６１と、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層６１の上方近傍に形成された回折格子層１７と、回折格子層１７の上方に形成されたｐ型ＩｎＰクラッド層１５と、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層６１を短手方向両側から挟み込む半絶縁性ＩｎＰ１６と、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層６１を含む光導波路層の一端に形成された傾斜角約４５°の反射鏡１８と、ｐ電極１３と、ｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面に形成されたｎ電極１２と、反射鏡１８により反射されるレーザ光を外部に出射するよう該レーザ光の光軸上に形成された低屈折率レンズ３１と、を含んで構成される。

ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層６１は、図２に示すように、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層６１１と、厚さ７ｎｍのウェル層６１３と厚さ８ｎｍのバリア層６１４とが５周期積層されたＩｎＧａＡｌＡｓ歪多重量子井戸層と、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層６１２と、が積層された構造を有し、レーザとして十分な特性を実現できるように設計されている。

量子井戸層（ウェル層６１３とバリア層６１４の積層構造）を上下から挟むよう形成された光閉じ込め層（ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層６１１とｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層６１２）は、量子井戸層による光閉じ込めを強化するための層である。光導波機能はコア領域をそれより屈折率の小さいクラッド層で挟み込むことによって実現されるため、クラッド層（ｎ型ＩｎＰ基板１１、ｐ型ＩｎＰクラッド層１５）の屈折率は光閉じ込め層（ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層６１１，ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層６１２）の屈折率より小さい値とする。なお、本実施形態では、基板側のクラッド層をｎ型ＩｎＰ基板１１としているが、ｎ型ＩｎＰ基板１１とは異なる基板側クラッド層をｎ型ＩｎＰ基板１１上に別途設けてもよい。

レーザ素子１０１の光導波路部分は、図１（ｂ）および（ｅ）に示すように、ストライプ状の埋め込みヘテロ（ＢＨ：Buried Hetero）構造を有する。すなわち、レーザ素子１０１の光導波路部分は、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層６１の厚さ方向にｐ型ＩｎＰクラッド層１５／ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層６１／ｎ型ＩｎＰ基板１１からなる光閉じ込め構造を有し、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層６１の短手方向に半絶縁性ＩｎＰ層１６／ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層６１／半絶縁性ＩｎＰ層１６からなる光閉じ込め構造を有する。かかる光閉じ込め構造により、ｐ電極１３からｎ電極１２方向に流れる電流によってＩｎＧａＡｌＡｓ活性層６１から放射される光は、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層６１の長手方向に伝播する。

また、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層６１の上方近傍には、図１（ｂ）および（ｃ）に示すように、ＩｎＧａＡｓＰ系材料からなる極性がｐ型の回折格子層１７が形成されている。回折格子層１７は、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層６１の長手方向に屈折率が周期的に変化する回折格子（グレーティング）を含み、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層６１の長手方向に伝播する光を帰還させることによってレーザ発振させる、いわゆる屈折率結合型ＤＦＢレーザを実現する。活性層領域および回折格子層１７の構造は、室温でのＤＦＢレーザの発振波長が１３１０ｎｍとなるように形成されている。なお、回折格子層１７には、ＤＦＢレーザの全領域に均一に分布する回折格子を設けてもよいし、該領域の一部に回折格子の位相をずらした、いわゆる位相シフト構造を持つ回折格子を設けてもよい。

反射鏡１８は、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層６１を含む光導波路層に対して約４５°傾斜した反射面であり、回折格子層１７内で共振するレーザ光の少なくとも一部をｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面方向に反射する。反射鏡１８により反射されるレーザ光は、該レーザ光の光軸とｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面との交点を含む領域に形成された底面が平面の窪み部に密着保持される低屈折レンズ３１に入射する。

低屈折率レンズ３１は、ｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面に形成された窪み部の底面に密接する平面の光入射面と、凸面（たとえば凸状曲面）の光出射面と、を有するフォトレジストで形成されたレンズである。このフォトレジストの屈折率は、ｎ型ＩｎＰ基板１１の屈折率より小さく、外気（たとえば空気）の屈折率より高い。

かかる低屈折率レンズ３１を設けることにより、図１（ｂ）および（ｃ）に波線で示すように、反射鏡１８から入射するレーザ光２１の放射角が低屈折率レンズ３１の光入射面で広がるため、素子厚を増加させることなく光出射面におけるレーザ光２１のビーム径を拡大することが可能となる。このため、平行光線に近い狭出射ビームを得ることができ、レーザ素子１０１と光ファイバまたは導波路との光結合効率を高めることができる。

なお、窪み部の底面に密接する低屈折率レンズ３１の光入射面は平面に限らず、凸面であってもよいし、ｎ型ＩｎＰ基板１１の屈折率と低屈折率レンズ３１の屈折率との関係に基づき反射鏡１８から入射するレーザ光の放射角を拡大できるという条件さえ満たせば凹面であってもよい。

次に、水平共振器面発光レーザ素子１０１の製造工程を図３〜５を参照しながら説明する。図３および図４は、水平共振器面発光レーザ素子１０１の製造工程を説明する図であり、図５は、水平共振器面発光レーザ素子１０１の製造工程を示すフロー図である。

図５に示すように、まず、レーザ部分の構造を形成するために、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層６１１、ＩｎＧａＡｌＡｓ歪多重量子井戸層、およびｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層６１２からなるＩｎＧａＡｌＡｓ活性層６１を形成する（Ｓ７０１）。次に、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層６１の上方近傍にＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子層１７を含む多層構造を形成する（Ｓ７０２）。さらに、回折格子層１７の上方にｐ型ＩｎＰクラッド層１５を形成し（Ｓ７０３）、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７２を形成する（Ｓ７０４）。なお、ドーピングによるキャリア濃度は、たとえばｎ型ｐ型ともに１０の１８乗ｃｍ^−３とする。

次に、かかる多層構造を有するＩｎＰウェハ上面の一部を保護マスク用の二酸化珪素膜７３で被覆し（Ｓ７０５、図３（ａ））、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７２、ｐ型クラッド層１５、回折格子層１７、ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層６１、およびｎ型ＩｎＰ基板１１の一部をエッチングすることにより、光導波路を形成する（Ｓ７０６、図３（ｂ））。エッチングには、例えば塩素系ガスによる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）等のドライエッチングおよび臭素系溶液等によるウェットエッチングの少なくとも一方を用いる。

ここで、本試料を結晶成長炉に搬入し、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法を用いて６００℃にてＦｅをドープした高抵抗の半絶縁性ＩｎＰ層１６を埋め込み成長させる（Ｓ７０７、図３（ｃ））。このエッチング工程Ｓ７０６と埋め込み層（半絶縁性ＩｎＰ層１６）を再成長させる工程Ｓ７０７とにより、埋め込みヘテロ構造が形成される（図１（ｅ）参照）。埋め込みへテロ構造は、光導波路における光の進行方向の両側を光を閉じ込め得る材料で埋め込んだ構造である。閉じ込めに用いる材料は、通例高抵抗の材料とする。

なお、この埋め込み構造形成工程においては、光導波路における光の進行方向の両側を半絶縁性ＩｎＰ１６で埋め込むと同時に、光導波路の光出射端も半絶縁性ＩｎＰ１６で埋め込む。このときＩｎＰウェハを上面から見ると、光導波路がコの字型（Ｕ字型）の半絶縁性ＩｎＰ１６に挟み込まれた状態となっている。これにより、エッチング加工により４５°傾斜ミラー（反射鏡１８）が形成される部分が半絶縁性ＩｎＰ１６だけで構成されるため、後述するＳ７１０において反射鏡１８を平滑に加工することが容易になる。

その後、埋め込み層の選択成長マスクとして用いた二酸化珪素膜７３を除去し（Ｓ７０８、図３（ｄ））、エッチングマスク用の窒化珪素膜７４をＩｎＰウェハ上面の一部に形成する（Ｓ７０９、図３（ｅ））。次に、Ｆｅがドープされた半絶縁性ＩｎＰ層１６を傾斜角４５°にエッチング加工する（Ｓ７１０、図３（ｆ））。この傾斜エッチング工程Ｓ７１０では、４５°の角度に固定したウェハを塩素とアルゴンガスを用いた化学アシストイオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ：Chemically Assisted Ion Beam Etching）を用いてエッチングすることにより、傾斜角４５°の反射鏡１８を形成する。なお、ＣＡＩＢＥの代わりに、塩素系ガスの反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ：Reactive Ion Beam Ethching）やウェットエッチングを用いてもよい。

エッチングにより反射鏡１８を形成した後、窒化珪素膜７４を除去し（Ｓ７１１）、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７２の上部にｐ電極１３を蒸着する（Ｓ７１２、図３（ｇ））。

次に、ｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面を１３０μｍの厚みまで研磨した後（Ｓ７１３）、基板裏面にマスク用の窒化珪素膜７５を形成する（Ｓ７１４、図４（ａ））。続いて、メタンと水素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチングより、反射鏡１８により反射されるレーザ光の光軸と基板裏面との交点を含む領域を直径６０μｍ、深さ５０μｍの円柱形状にエッチングし窪み部を形成する（Ｓ７１５、図４（ｂ））。なお、窪み部の形状は、円柱形状に限らず、用途によって楕円柱形状、多角柱形状、またはその他の形状にしてもよい。また、窪み部の底面の形状は、平面に限らず、用途によって凹形状もしくは凸形状であってもよい。

円柱形状の窪み部を形成した後、ｎ型ＩｎＰ基板１１の屈折率より小さい屈折率を持つ液状のフォトレジストで窪み部を充填し、さらに窪み部からフォトレジストが十分に溢れる程度に（窪み部がフォトレジストで埋没するよう）基板裏面にフォトレジストを堆積する（Ｓ７１６、図４（ｃ））。その後、窪み部以外の領域に堆積する不要なフォトレジストをフォトリソグラフィにより除去し（Ｓ７１７、図４（ｄ））、さらにマスク用の窒化珪素膜７５を除去する（Ｓ７１８、図４（ｅ））。

続いて、窪み部から盛り上がったフォトレジストの表面を加熱により溶かし、融解したフォトレジストの表面張力を利用したフォトレジストのリフローにより光出射面が半球形状の低屈折率レンズ３１を形成する（Ｓ７１９、図４（ｆ））。

以上のような工程で製造される水平共振器面発光レーザ素子１０１では、反射鏡１８により反射されるレーザ光の光路上に、屈折率の大きいｎ型ＩｎＰ基板１１と屈折率の小さい低屈折率レンズ３１とが密接する平面の界面が設けられている。これにより、低屈折率レンズ３１の光入射面でレーザ光の放射角が広がるため、素子厚を増加させることなく出射面におけるレーザ光のビーム径を拡大することができる。また、低屈折率レンズ３１の光出射面が凸状に形成されているため、狭出射ビームを得ることができる。

本発明の効果を確認するために水平共振器面発光レーザ素子１０１から出射されるレーザ光を測定したところ、レーザ光のビーム拡がり角は２°であり、レーザ出射面から１．５ｍｍの位置において直径１６５μｍの円形なビームスポットが得られた。一方、比較用に作製した４５°反射鏡と裏面半導体レンズとを備える従来構造の１．３μｍ帯水平共振器面発光レーザ素子を用いて同様の測定をしたところ、ビーム拡がり角は４°であり、レーザ出射面から１．５ｍｍの位置において直径２５０μｍのビームスポットが得られた。この結果、本発明により、従来よりも平行光線に近い狭出射ビームを出射する水平共振器面発光レーザ素子が得られることが分かった。

なお、本実施形態では、本発明をｎ型ＩｎＰ基板１１上に形成された波長帯１．３μｍのＩｎＧａＡｌＡｓ量子井戸型レーザに適用する例を示したが、基板材料、活性層材料、発振波長などは、この例に限定されるものではない。たとえば本発明は、１．５５μｍ帯ＩｎＧａＡｓＰレーザやその他の材料系からなる面発光レーザにも適用可能である。

また、低屈折レンズ３１の材料は、フォトレジストに限らず、半導体基板の屈折率より小さく外気の屈折率より高いという条件を満たすものであれば他の媒質であってもよく、たとえば半導体基板に所定濃度の不純物をドープしたものであってもよい。

［実施形態２］
本発明の実施形態２に係る水平共振器面発光レーザ素子１０２を図６に基づいて説明する。図６（ａ）は基板裏面の窪み部からレンズを外したレーザ素子１０２の一部切欠斜視図であり、図６（ｂ）は基板裏面にレンズを備えるレーザ素子１０２の一部切欠斜視図である。

図６に示すように、水平共振器面発光レーザ素子１０２は、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１４と、ｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面に形成された窪み部の底面形状と、該窪み部の底面に密接する低屈折レンズ３２の光入射面の形状と、を除いて、実施形態１に係る水平共振器面発光レーザ素子１０１と同様の構成を有する。また、水平共振器面発光レーザ素子１０２の製造工程は、水平共振器面発光レーザ素子１０１の製造工程と同様である。

水平共振器面発光レーザ素子１０２は、反射鏡１８により反射されるレーザ光の光軸とｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面との交点を含む領域に、底面が凹面（たとえば凹状曲面）の窪み部と、該窪み部に密着保持される低屈折レンズ３２と、を有する。

低屈折率レンズ３２は、ｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面に形成された窪み部の凹状底面に密接する凸面の光入射面と、凸面の光出射面と、を有するフォトレジストで形成されたレンズである。このフォトレジストの屈折率は、ｎ型ＩｎＰ基板１１の屈折率より小さく、外気の屈折率より高い。

かかる低屈折率レンズ３２を設けることにより、図６（ｂ）に波線で示すように、反射鏡１８から入射するレーザ光２１の放射角が低屈折率レンズ３２の光入射面で広がるため、素子厚を増加させることなく光出射面におけるレーザ光２１のビーム径を拡大することが可能となる。このため、平行光線に近い狭出射ビームを得ることができ、レーザ素子１０２と光ファイバまたは導波路との光結合効率を高めることができる。

なお、窪み部の底面に密接する低屈折率レンズ３２の光入射面は凸面に限らず、平面であってもよいし、ｎ型ＩｎＰ基板１１の屈折率と低屈折率レンズ３２の屈折率との関係に基づき反射鏡１８から入射するレーザ光の放射角を拡大できるという条件さえ満たせば凹面であってもよい。また、低屈折レンズ３２の材料は、フォトレジストに限らず、半導体基板の屈折率より小さく外気の屈折率より高いという条件を満たすものであれば他の媒質であってもよく、たとえば半導体基板に所定濃度の不純物をドープしたものであってもよい。

［実施形態３］
本発明の実施形態３に係る水平共振器面発光レーザ素子１０３を図７に基づいて説明する。図７（ａ）は基板裏面の窪み部からレンズを外したレーザ素子１０３の一部切欠斜視図であり、図７（ｂ）は基板裏面にレンズを備えるレーザ素子１０３の一部切欠斜視図である。また、水平共振器面発光レーザ素子１０３の製造工程は、水平共振器面発光レーザ素子１０２の製造工程と同様である。

図７に示すように、水平共振器面発光レーザ素子１０３は、ｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面に形成された窪み部の底面形状と、該窪み部に形成される高屈折レンズ３３と、を除いて、実施形態２に係る水平共振器面発光レーザ素子１０２と同様の構成を有する。

水平共振器面発光レーザ素子１０３は、反射鏡１８により反射されるレーザ光の光軸とｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面との交点を含む領域に、底面が凸面（たとえば凸状曲面）の窪み部と、該窪み部に密着保持される高屈折レンズ３３と、を有する。

高屈折率レンズ３３は、ｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面に形成された窪み部の凸状底面に密接する凹面の光入射面と、凸面の光出射面と、を有する所定の媒質で形成されたレンズである。高屈折率レンズ３３を構成する媒質の屈折率は、ｎ型ＩｎＰ基板１１の屈折率より高い（もちろん、外気の屈折率より高い）。

かかる高屈折率レンズ３３を設けることにより、図７（ｂ）に波線で示すように、反射鏡１８から入射するレーザ光２１の放射角が高屈折率レンズ３３の光入射面で広がるため、素子厚を増加させることなく光出射面におけるレーザ光２１のビーム径を拡大することが可能となる。このため、平行光線に近い狭出射ビームを得ることができ、レーザ素子１０３と光ファイバまたは導波路との光結合効率を高めることができる。

以上説明した実施形態１〜３によれば、半導体基板の屈折率とは異なる屈折率を有するレンズの光入射面でレーザ光の放射角が広がるため、素子厚を増加させることなく出射面におけるレーザ光のビーム径を拡大することができる。このため、平行光線に近いレーザ光を出射する面発光レーザ素子を実現することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。たとえば、実施形態１〜３では、ＤＦＢレーザを含む面発光レーザ素子に本発明を適用したが、本発明は、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）レーザを含む面発光レーザ素子にも適用可能である。

本発明の実施形態１に係る水平共振器面発光レーザ素子を示す図であり、（ａ）はレーザ素子の斜視図、（ｂ）はレーザ素子の一部切欠斜視図、（ｃ）は共振器の光軸を含む平面での断面図、（ｄ）はレーザ素子の下面図、（ｅ）は共振器の光軸方向に直交する平面での断面図である。 本発明の実施形態１に係る水平共振器面発光レーザ素子の活性層の拡大図である。 本発明の実施形態１に係る水平共振器面発光レーザ素子の製造工程を説明する図である。 本発明の実施形態１に係る水平共振器面発光レーザ素子の製造工程を説明する図である。 本発明の実施形態１に係る水平共振器面発光レーザ素子の製造工程を示すフロー図である。 本発明の実施形態２に係る水平共振器面発光レーザ素子の一部切欠斜視図である。 本発明の実施形態３に係る水平共振器面発光レーザ素子の一部切欠斜視図である。 従来の水平共振器面発光レーザ素子の一例を示す図であり、（ａ）はレーザ素子の一部切欠斜視図、（ｂ）は共振器の光軸を含む平面での断面図、（ｃ）はレーザ素子の下面図、（ｄ）は共振器の光軸方向に直交する平面での断面図である。 従来のレンズ集積型水平共振器面発光レーザ素子の一例を示す図である。

符号の説明

１１ ｎ型ＩｎＰ基板、１２ ｎ電極、１３ ｐ電極、１４ ＩｎＧａＡｓＰ活性層、１５ ｐ型ＩｎＰクラッド層、１６ 半絶縁性ＩｎＰ（層）、１７ 回折格子層、１８ 反射鏡、１９ 無反射コーティング、２１ レーザ光、３１，３２ 低屈折率レンズ、３３ 高屈折率レンズ、３４ 半導体レンズ、６１ ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層、６１１ ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層、６１２ ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光閉じ込め層、６１３ ウェル層、６１４ バリア層、６２ 高反射コーティング膜、７２ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、７３ 二酸化珪素膜、７４，７５ 窒化珪素膜、１０１，１０２，１０３，１０４，１０５ 水平共振器面発光レーザ素子（レーザ素子）。

Claims (10)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板の一方面上に形成された活性層と、
   前記活性層で発生する光を該活性層の長手方向に共振させる共振器と、
   前記共振器内で共振するレーザ光の少なくとも一部を前記半導体基板の他方面方向に反射する反射部と、
   前記反射部により反射されるレーザ光を外部に出射するよう該レーザ光の光軸上に形成された光出射面が凸状のレンズと、
   を含む面発光レーザ素子であって、
   前記レンズは、前記半導体基板の屈折率とは異なる屈折率と、前記反射部から入射するレーザ光の放射角を広げるよう形成された光入射面と、を有する、
   ことを特徴とする面発光レーザ素子。
2. 請求項１に記載の面発光レーザ素子において、
   前記レンズの屈折率は、前記半導体基板の屈折率より小さく、
   前記レンズの光入射面は、凸面、平面、または凹面である、
   ことを特徴とする面発光レーザ素子。
3. 請求項１に記載の面発光レーザ素子において、
   前記レンズの屈折率は、前記半導体基板の屈折率より大きく、
   前記レンズの光入射面は、凹面である、
   ことを特徴とする面発光レーザ素子。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の面発光レーザ素子において、
   前記レンズは、レジスト材料で形成されている、
   ことを特徴とする面発光レーザ素子。
5. 請求項４に記載の面発光レーザ素子において、
   前記半導体基板の他方面には、前記レジスト材料で充填される窪み部が形成されている、
   ことを特徴とする面発光レーザ素子。
6. 半導体基板の一方面上に活性層を形成する工程と、
   前記活性層で発生する光を該活性層の長手方向に共振させる共振器を形成する工程と、
   前記共振器内で共振するレーザ光の少なくとも一部を前記半導体基板の他方面方向に反射する反射部を形成する工程と、
   前記反射部により反射されるレーザ光を外部に出射するよう該レーザ光の光軸上に、前記半導体基板の屈折率とは異なる屈折率と、前記反射部から入射するレーザ光の放射角を広げる光入射面と、凸状の光出射面と、を有するレンズを形成するレンズ形成工程と、
   を含むことを特徴とする面発光レーザ素子の製造方法。
7. 請求項６に記載の面発光レーザ素子の製造方法において、
   前記レンズ形成工程は、前記レジスト材料で前記レンズを形成する、
   ことを特徴とする面発光レーザ素子の製造方法。
8. 請求項７に記載の面発光レーザ素子の製造方法において、
   前記レンズ形成工程は、
   前記反射部により反射されるレーザ光の光軸と前記半導体基板の他方面との交点を含む領域に窪み部を形成する工程と、
   前記窪み部をレジスト材料で充填するレジスト充填工程と、
   前記窪み部に充填されたレジスト材料の表面を加熱融解することにより、該レジスト材料の表面を凸状に形成する凸面形成工程と、
   を含むことを特徴とする面発光レーザ素子の製造方法。
9. 請求項８に記載の面発光レーザ素子の製造方法において、
   前記レジスト充填工程は、
   前記窪み部が埋没するよう前記半導体基板の他方面に前記レジスト材料を堆積する工程と、
   前記窪み部以外の領域に堆積されたレジスト材料を除去する工程と、
   を含むことを特徴とする面発光レーザ素子の製造方法。
10. 請求項８または９に記載の面発光レーザ素子の製造方法において、
    前記凸面形成工程では、前記融解したレジスト材料の表面張力を利用して、該レジスト材料の表面を凸状に形成する、
    ことを特徴とする面発光レーザ素子の製造方法。

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