JP2011035115A - 面発光レーザ、面発光レーザアレイ、および光学機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】四元以上の半導体材料を用いることにより基板の反りを解消する一方、熱抵抗の大幅な増大を防ぎ、熱による素子の基本特性の劣化の抑制が可能となる面発光レーザ等を提供する。
【解決手段】一対の多層膜反射鏡を有する面発光レーザであって、
少なくとも一つの多層膜反射鏡は、
第一の歪を有する高屈折率層と、第二の歪を有する低屈折率層とのペアからなる第一のペア層が複数層積層され、
複数層中の、いずれかの第一のペア層における前記高屈折率層と前記低屈折率層のうちの一方が、第三の歪を有する四元以上の混晶半導体材料による層と置き換えられた第二のペア層を含み構成され、
第一の歪と第二の歪の和は圧縮性または引張性の歪であり、
第三の歪は、その歪みが第一の歪と第二の歪の和と逆であって、その絶対値が第一の歪および第二の歪の絶対値より大きい構成とする。
【選択図】 図１
【解決手段】一対の多層膜反射鏡を有する面発光レーザであって、
少なくとも一つの多層膜反射鏡は、
第一の歪を有する高屈折率層と、第二の歪を有する低屈折率層とのペアからなる第一のペア層が複数層積層され、
複数層中の、いずれかの第一のペア層における前記高屈折率層と前記低屈折率層のうちの一方が、第三の歪を有する四元以上の混晶半導体材料による層と置き換えられた第二のペア層を含み構成され、
第一の歪と第二の歪の和は圧縮性または引張性の歪であり、
第三の歪は、その歪みが第一の歪と第二の歪の和と逆であって、その絶対値が第一の歪および第二の歪の絶対値より大きい構成とする。
【選択図】 図１
Description
本発明は、面発光レーザ、面発光レーザアレイ、および面発光レーザアレイを備えている光学機器に関する。
面発光レーザの一つとして、垂直共振器型面発光レーザ（Ｖａｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）が知られている。
この面発光レーザによれば、半導体基板表面に対して垂直方向に光を取り出すことができるため、二次元アレイの形成が素子形成時のマスクパターンの変更のみで容易に可能になる。
この二次元アレイから出射される複数のビームを用いた並列処理により、高密度化および高速化が可能になり、様々な産業上の応用が期待される。
例えば、電子写真プリンタの露光光源として面発光レーザアレイを用いると、複数のビームによる印字工程の高密度・高速化が可能となる。
この面発光レーザによれば、半導体基板表面に対して垂直方向に光を取り出すことができるため、二次元アレイの形成が素子形成時のマスクパターンの変更のみで容易に可能になる。
この二次元アレイから出射される複数のビームを用いた並列処理により、高密度化および高速化が可能になり、様々な産業上の応用が期待される。
例えば、電子写真プリンタの露光光源として面発光レーザアレイを用いると、複数のビームによる印字工程の高密度・高速化が可能となる。
面発光レーザは活性層とそれを上下に挟む少なくとも一対の多層膜反射鏡から構成される。
多層膜反射鏡は、屈折率が異なる二種類の層からなるペアの繰返しで構成され、各々の層の厚さは１／４波長の光学的厚さである。
一般的に多層膜反射鏡としては誘電体や半導体材料が使用される。半導体を使用した場合、半導体基板上に結晶成長させながら不純物をドープすることで電流を流すことができ、活性層への電流注入を容易にさせる。
しかしながら、結晶成長させて単結晶層を得る必要があることから、多層膜半導体の構成層としては基板に格子整合する材料に限定される。
また、そのような格子整合する半導体材料の組み合わせにおいては、屈折率差が誘電体の場合ほど大きな値が得られないため、発振に必要な反射率を得るためには繰返しペア数を多くする必要がある。
多層膜反射鏡は、屈折率が異なる二種類の層からなるペアの繰返しで構成され、各々の層の厚さは１／４波長の光学的厚さである。
一般的に多層膜反射鏡としては誘電体や半導体材料が使用される。半導体を使用した場合、半導体基板上に結晶成長させながら不純物をドープすることで電流を流すことができ、活性層への電流注入を容易にさせる。
しかしながら、結晶成長させて単結晶層を得る必要があることから、多層膜半導体の構成層としては基板に格子整合する材料に限定される。
また、そのような格子整合する半導体材料の組み合わせにおいては、屈折率差が誘電体の場合ほど大きな値が得られないため、発振に必要な反射率を得るためには繰返しペア数を多くする必要がある。
実際に実用化されている面発光レーザとしては、８５０ｎｍや７８０ｎｍ帯で発振する赤外面発光レーザがある。
その多層膜反射鏡はＧａＡｓ基板上に、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ層とＡｌ組成の低いＡｌＧａＡｓ層とのペアで構成される。ＡｌＧａＡｓはＧａＡｓに比べ格子定数がわずかに大きく、例えばＡｌ組成が最も多いＡｌＡｓの場合でも、ＧａＡｓ基板との格子不整合は０．１４％である。
この程度の少ない歪であれば一般的には格子整合系の材料とみなされ、歪の影響は少ない。
しかしながら、面発光レーザでは多層膜反射鏡を数１０ペア積層する必要があるため、少ない歪であってもその歪をもつ層厚の合計が極めて厚くなることから、累積される歪として大きな影響が生じる。
その多層膜反射鏡はＧａＡｓ基板上に、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ層とＡｌ組成の低いＡｌＧａＡｓ層とのペアで構成される。ＡｌＧａＡｓはＧａＡｓに比べ格子定数がわずかに大きく、例えばＡｌ組成が最も多いＡｌＡｓの場合でも、ＧａＡｓ基板との格子不整合は０．１４％である。
この程度の少ない歪であれば一般的には格子整合系の材料とみなされ、歪の影響は少ない。
しかしながら、面発光レーザでは多層膜反射鏡を数１０ペア積層する必要があるため、少ない歪であってもその歪をもつ層厚の合計が極めて厚くなることから、累積される歪として大きな影響が生じる。
６８０ｎｍ帯で発振する赤色面発光レーザを例にとると、この素子ではＧａＡｓ基板上にほぼ格子整合するＡｌＧａＡｓが多層膜反射鏡に用いられる。発振波長で吸収しないＡｌ組成をもつＡｌＧａＡｓを選択する必要があるため、組み合わせとしては、例えば、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ／Ａｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓやＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ／ＡｌＡｓが選択される。
ゆえに、平均Ａｌ組成は０．７以上と赤外の場合にくらべて大きくなっている。これは歪量に換算すると０．１％程度である。
また、屈折率差が小さいため、反射率を確保するためにペア数を多くする必要が生じる。
具体的には、光を取り出す側で３０ペア、取り出さない側では６０ペア近く必要となり、合計１０ｕｍ近い厚さとなる。
この場合、歪量とそれが内在する全層厚の積算量である累積歪み量は０．１％×１０ｕｍ＝１％・ｕｍという大きな値になる。歪を積極的に用いる例として歪量子井戸構造が挙げられる。
この例では、一般的に１％と比較的大きな歪を持つ層が用いられるが、その層厚は多重量子井戸であってもせいぜい５０ｎｍ程度であり、累積歪量としては０．０５％・ｕｍと桁違いに小さい値でしかない。
ゆえに、平均Ａｌ組成は０．７以上と赤外の場合にくらべて大きくなっている。これは歪量に換算すると０．１％程度である。
また、屈折率差が小さいため、反射率を確保するためにペア数を多くする必要が生じる。
具体的には、光を取り出す側で３０ペア、取り出さない側では６０ペア近く必要となり、合計１０ｕｍ近い厚さとなる。
この場合、歪量とそれが内在する全層厚の積算量である累積歪み量は０．１％×１０ｕｍ＝１％・ｕｍという大きな値になる。歪を積極的に用いる例として歪量子井戸構造が挙げられる。
この例では、一般的に１％と比較的大きな歪を持つ層が用いられるが、その層厚は多重量子井戸であってもせいぜい５０ｎｍ程度であり、累積歪量としては０．０５％・ｕｍと桁違いに小さい値でしかない。
この大きな累積歪に起因してエピウエハに反りが生じるが、６５０ｕｍ厚のＧａＡｓ基板の場合には、計算では曲率半径７ｍまで反ることが見積もられる。ＡｌＧａＡｓ層はＧａＡｓ基板に対してわずかに大きな格子定数を持つことからエピウエハは凸型に反る。
曲率半径７ｍという値は、３インチウエハの中央において７０ｕｍ近いギャップが生じることに相当する。
実際、エピウエハの反りを測定すると、７０〜８０ｕｍのギャップが生じており、累積歪により基板が凸型に反ってしまうことがわかる。
このように、ウエハに反りが生じると、フォトリソグラフィー工程のアライメントにおいてパターンずれが生じたり、プロセス時のウエハ加熱工程において温度分布ムラが生じたりして、素子形成における歩留まりの低下に繋がる。
さらに累積歪みが内在することで信頼性への影響も大きな懸念点である。
曲率半径７ｍという値は、３インチウエハの中央において７０ｕｍ近いギャップが生じることに相当する。
実際、エピウエハの反りを測定すると、７０〜８０ｕｍのギャップが生じており、累積歪により基板が凸型に反ってしまうことがわかる。
このように、ウエハに反りが生じると、フォトリソグラフィー工程のアライメントにおいてパターンずれが生じたり、プロセス時のウエハ加熱工程において温度分布ムラが生じたりして、素子形成における歩留まりの低下に繋がる。
さらに累積歪みが内在することで信頼性への影響も大きな懸念点である。
このような基板の反りに対する解決策として、いくつかの方法が提案されている。
例えば、特許文献１や特許文献２では、多層膜反射鏡を構成するペアにおいて、そのペア同士で歪みを補償する材料を選択する方法が提案されている。
これらの方法では、ＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＡｓのような圧縮歪みをもつ層をペアの一層に選んだ場合には、残りのもう一層には引張歪みを持つ層を用いる等の手法が採られる。
具体的には、多層膜反射鏡はその構成層の厚さが１／４波長の光学的厚さに揃えられるため、正確には屈折率の大きさに応じて層厚が異なるが、半導体材料の場合、それほど大きな屈折率差はないため、各層厚はほとんど等しくなっている。例えば、赤色面発光レーザの場合、１／４の光学的厚さは、およそ５０ｎｍになる。
ゆえに、歪みを補償するためには、ペアを構成する層において、各々の歪みの絶対値はほぼ等しく、その符号、すなわち向きが逆である歪を持てば良いことになる。
例えば、特許文献１や特許文献２では、多層膜反射鏡を構成するペアにおいて、そのペア同士で歪みを補償する材料を選択する方法が提案されている。
これらの方法では、ＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＡｓのような圧縮歪みをもつ層をペアの一層に選んだ場合には、残りのもう一層には引張歪みを持つ層を用いる等の手法が採られる。
具体的には、多層膜反射鏡はその構成層の厚さが１／４波長の光学的厚さに揃えられるため、正確には屈折率の大きさに応じて層厚が異なるが、半導体材料の場合、それほど大きな屈折率差はないため、各層厚はほとんど等しくなっている。例えば、赤色面発光レーザの場合、１／４の光学的厚さは、およそ５０ｎｍになる。
ゆえに、歪みを補償するためには、ペアを構成する層において、各々の歪みの絶対値はほぼ等しく、その符号、すなわち向きが逆である歪を持てば良いことになる。
しかしながら、この場合、単に値がほぼ等しく、符号が逆の歪みをもつ層をもってくれば良いだけでなく、その層は発振波長において吸収がなく、十分な屈折率差が取れ、さらに、ドーピングによって良好な電気伝導性を示す材料であることが望まれる。
このような条件を同時に満たす材料としては、二元や三元半導体材料では限りがある。
図３は、二元、三元および四元材料におけるバンドギャップと格子定数の関係を説明する模式的である。
図３において、縦軸はバンドギャップを示し、横軸は格子定数を示す。
これは、縦軸は屈折率を示し、横軸は歪量を示すと言い換えても良い。
この図からわかるように、二元材料は屈折率と歪量が点の関係であって一意に決まってしまう。
三元であっても屈折率と歪量は線の関係であって独立に制御できない。
四元以上の材料を用いると、初めて屈折率と歪量は面の関係になり、それぞれを独立に制御することが可能となる。
このような条件を同時に満たす材料としては、二元や三元半導体材料では限りがある。
図３は、二元、三元および四元材料におけるバンドギャップと格子定数の関係を説明する模式的である。
図３において、縦軸はバンドギャップを示し、横軸は格子定数を示す。
これは、縦軸は屈折率を示し、横軸は歪量を示すと言い換えても良い。
この図からわかるように、二元材料は屈折率と歪量が点の関係であって一意に決まってしまう。
三元であっても屈折率と歪量は線の関係であって独立に制御できない。
四元以上の材料を用いると、初めて屈折率と歪量は面の関係になり、それぞれを独立に制御することが可能となる。
以上に説明したように、四元以上の材料を用いた場合には、初めて屈折率と歪量は面の関係になり、それぞれを独立に制御することが可能となるが、四元以上の混晶材料では二元や三元材料に比較して熱抵抗が増大する。
そのため、四元以上の材料を用いて構成された素子は、熱抵抗は大きくなり、熱の放散が少なく素子内部温度が上昇し、それに伴い素子特性が低下してしまうという課題を有する。
特に、温度特性の劣悪な赤色面発光レーザでは、熱抵抗の増大は素子特性の大幅な劣化に繋がり、累積歪による問題を解消できたとしても、素子特性に対する本来の要求を満たせなくなってしまう。
そのため、四元以上の材料を用いて構成された素子は、熱抵抗は大きくなり、熱の放散が少なく素子内部温度が上昇し、それに伴い素子特性が低下してしまうという課題を有する。
特に、温度特性の劣悪な赤色面発光レーザでは、熱抵抗の増大は素子特性の大幅な劣化に繋がり、累積歪による問題を解消できたとしても、素子特性に対する本来の要求を満たせなくなってしまう。
本発明は、上記課題に鑑み、四元以上の半導体材料を用いることにより基板の反りを解消する一方、熱抵抗の大幅な増大を防ぎ、熱による素子の基本特性の劣化を抑制することが可能となる面発光レーザ、面発光レーザアレイ、および光学機器の提供を目的とする。
本発明は、つぎのように構成した面発光レーザを提供するものである。
本発明の面発光レーザは、対向して配置された一対の多層膜反射鏡と、これらの対向して配置された多層膜反射鏡間に設けられた活性層と、を有する面発光レーザであって、
前記一対の多層膜反射鏡のうちの少なくとも一つの多層膜反射鏡は、
第一の歪を有する高屈折率層と、第二の歪を有する低屈折率層とのペアからなる第一のペア層が複数層積層され、
前記複数層中の、いずれかの第一のペア層における前記高屈折率層と前記低屈折率層のうちの一方が、第三の歪を有する四元以上の混晶半導体材料による層と置き換えられた第二のペア層を含み構成され、
前記第一の歪と前記第二の歪の和は圧縮性または引張性の歪であり、
前記第三の歪は、その歪みが前記第一の歪と第二の歪の和と逆であって、その絶対値が前記第一の歪および第二の歪の絶対値より大きいことを特徴とする。
本発明の面発光レーザは、対向して配置された一対の多層膜反射鏡と、これらの対向して配置された多層膜反射鏡間に設けられた活性層と、を有する面発光レーザであって、
前記一対の多層膜反射鏡のうちの少なくとも一つの多層膜反射鏡は、
第一の歪を有する高屈折率層と、第二の歪を有する低屈折率層とのペアからなる第一のペア層が複数層積層され、
前記複数層中の、いずれかの第一のペア層における前記高屈折率層と前記低屈折率層のうちの一方が、第三の歪を有する四元以上の混晶半導体材料による層と置き換えられた第二のペア層を含み構成され、
前記第一の歪と前記第二の歪の和は圧縮性または引張性の歪であり、
前記第三の歪は、その歪みが前記第一の歪と第二の歪の和と逆であって、その絶対値が前記第一の歪および第二の歪の絶対値より大きいことを特徴とする。
本発明によれば、四元以上の半導体材料を用いることにより基板の反りを解消する一方、熱抵抗の大幅な増大を防ぎ、熱による素子の基本特性の劣化を抑制することが可能となる面発光レーザ、面発光レーザアレイ、および光学機器を実現することができる。
本発明の上記構成によれば、格子不整合に起因する累積歪みを低減して基板反りを解消しつつ、熱抵抗が大きく増大しない素子特性の優れた面発光レーザを提供することができる。
つぎに、本発明の実施する形態について、赤色面発光レーザ用の多層膜反射鏡であるＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＡｓ多層構造を例にとり、その原理を含めて説明する。
光を取り出さない側の多層膜反射鏡においては極力その反射損失を少なくしたい、すなわち反射率を高くしたいため、通常６０ペア程度の多層膜反射鏡が用いられる。
ここでは、第一のペア層を構成する、高屈折率層としてＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓを、低屈折率層としてＡｌＡｓを用いる。
ＧａＡｓ基板との格子不整合により、高屈折率層のＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓは０．０７％の圧縮歪（第一の歪）を持ち、低屈折率層ｋＡｌＡｓは０．１４％の圧縮歪（第二の歪）を持つことになる。層厚は各々１／４波長の光学的厚さに相当する厚さである。
ここでは、単純な１／４波長の光学的厚さを用いるが、多層膜反射鏡自体の電気伝導をより良くするために高屈折率層と低屈折率層の間に１０〜２０ｎｍ程度の組成傾斜層を設けても良い。
このような第一のペア層が６０ペア積層された際の累積歪量は、１／４波長の光学的厚さが各々約５０ｎｍになることから、
（０．０７＋０．１４）×０．０５×６０＝０．６３％・ｕｍ
となる。
つぎに、本発明の実施する形態について、赤色面発光レーザ用の多層膜反射鏡であるＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＡｓ多層構造を例にとり、その原理を含めて説明する。
光を取り出さない側の多層膜反射鏡においては極力その反射損失を少なくしたい、すなわち反射率を高くしたいため、通常６０ペア程度の多層膜反射鏡が用いられる。
ここでは、第一のペア層を構成する、高屈折率層としてＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓを、低屈折率層としてＡｌＡｓを用いる。
ＧａＡｓ基板との格子不整合により、高屈折率層のＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓは０．０７％の圧縮歪（第一の歪）を持ち、低屈折率層ｋＡｌＡｓは０．１４％の圧縮歪（第二の歪）を持つことになる。層厚は各々１／４波長の光学的厚さに相当する厚さである。
ここでは、単純な１／４波長の光学的厚さを用いるが、多層膜反射鏡自体の電気伝導をより良くするために高屈折率層と低屈折率層の間に１０〜２０ｎｍ程度の組成傾斜層を設けても良い。
このような第一のペア層が６０ペア積層された際の累積歪量は、１／４波長の光学的厚さが各々約５０ｎｍになることから、
（０．０７＋０．１４）×０．０５×６０＝０．６３％・ｕｍ
となる。
本実施形態では、この累積歪を補償するために、第一のペア層が複数層積層された該複数層中の、いずれかの第一のペア層における前記高屈折率層と前記低屈折率層のうちの一方を、四元以上の混晶半導体材料を選択して構成された層と置き換える。
つまり、これによって上記いずれかの第一のペア層における前記高屈折率層と前記低屈折率層うちの一方が四元以上の混晶半導体材料により置き換えられた層とのペアによる、第二のペア層が構成される。
なお、ここでは第一のペア層は、二元半導体材料、または三元半導体材料で構成される。
また、ここではＧａＡｓ基板付近の格子定数を得ることができる四元材料の例として、ＡｌＧａＩｎＰを選択する。
つぎに、このＡｌＧａＩｎＰに導入すべき歪について説明する。
この例では、多層膜反射鏡を構成するＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ／ＡｌＡｓペアは累積歪として圧縮性の歪をもつことから、この四元以上の混晶半導体材料による層の歪み（第三の歪）は、歪の方向としては逆である引張歪を有する必要がある。
次に大きさであるが、あまり大きな歪を導入すると結晶性が劣化するし、少ない歪では本発明の目的である少ない層数による歪補償が達成できないが、いずれにしても、その絶対値が前記第一の歪および第二の歪の絶対値より大きいことが必要がある。
結晶性の観点からは、歪が２％を超えると大幅に劣化することから、２％以下が好ましい。より好ましくは１％以下であり、０．６％以下であればなお良い。
ここでは、０．６％の引張歪を想定する。層厚は１／４波長の光学的厚さということで、およそ５０ｎｍである。
つまり、これによって上記いずれかの第一のペア層における前記高屈折率層と前記低屈折率層うちの一方が四元以上の混晶半導体材料により置き換えられた層とのペアによる、第二のペア層が構成される。
なお、ここでは第一のペア層は、二元半導体材料、または三元半導体材料で構成される。
また、ここではＧａＡｓ基板付近の格子定数を得ることができる四元材料の例として、ＡｌＧａＩｎＰを選択する。
つぎに、このＡｌＧａＩｎＰに導入すべき歪について説明する。
この例では、多層膜反射鏡を構成するＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ／ＡｌＡｓペアは累積歪として圧縮性の歪をもつことから、この四元以上の混晶半導体材料による層の歪み（第三の歪）は、歪の方向としては逆である引張歪を有する必要がある。
次に大きさであるが、あまり大きな歪を導入すると結晶性が劣化するし、少ない歪では本発明の目的である少ない層数による歪補償が達成できないが、いずれにしても、その絶対値が前記第一の歪および第二の歪の絶対値より大きいことが必要がある。
結晶性の観点からは、歪が２％を超えると大幅に劣化することから、２％以下が好ましい。より好ましくは１％以下であり、０．６％以下であればなお良い。
ここでは、０．６％の引張歪を想定する。層厚は１／４波長の光学的厚さということで、およそ５０ｎｍである。
続いて、上述した歪（〜０．６％）、層厚（〜５０ｎｍ）をもつＡｌＧａＩｎＰ層をどの層と置き換えるのかを選択する。
本実施形態においては、この歪を補償するＡｌＧａＩｎＰ層に必ずしも多層膜反射鏡の機能を持たせる必要はないが、その機能を積極的に持たせたほうが多層膜反射鏡全体としてより薄い層厚で効率良く形成できる。
より具体的には、この歪補償のためのＡｌＧａＩｎＰ層を多層膜反射鏡の高屈折率層として用いるのか、あるいは低屈折率層として用いるのかを決める。
例えば、より歪量の大きい層（ここではＡｌＡｓ低屈折率層）と置き換えるために、ＡｌＧａＩｎＰ層を低屈折率層として用いる。
あるいは、反射率の低下を招かないように同じ屈折率が容易に達成できる層（ここではＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層）と置き換えてＡｌＧａＩｎＰ層を用いても良い。
いずれにせよ、四元以上の材料による設計自由度を有効に用いて、必要な特性が得られるような選択をする。
ここでは、屈折率が等しくなるようにＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層の置き換えとしてＡｌＧａＩｎＰ層を用いる。
Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓとほぼ同じ屈折率をもち、かつＧａＡｓ基板に格子整合するものとしてＡｌ0.25Ｇａ0.25Ｉｎ0.5Ｐがある。
これを基準に、必要な引張歪を導入するためにＩｎを０．５よりも減らして、その分ＡｌとＧａの合計を０．５より増やして０．６％の引張歪を達成するようにすれば良い。
本実施形態においては、この歪を補償するＡｌＧａＩｎＰ層に必ずしも多層膜反射鏡の機能を持たせる必要はないが、その機能を積極的に持たせたほうが多層膜反射鏡全体としてより薄い層厚で効率良く形成できる。
より具体的には、この歪補償のためのＡｌＧａＩｎＰ層を多層膜反射鏡の高屈折率層として用いるのか、あるいは低屈折率層として用いるのかを決める。
例えば、より歪量の大きい層（ここではＡｌＡｓ低屈折率層）と置き換えるために、ＡｌＧａＩｎＰ層を低屈折率層として用いる。
あるいは、反射率の低下を招かないように同じ屈折率が容易に達成できる層（ここではＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層）と置き換えてＡｌＧａＩｎＰ層を用いても良い。
いずれにせよ、四元以上の材料による設計自由度を有効に用いて、必要な特性が得られるような選択をする。
ここでは、屈折率が等しくなるようにＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層の置き換えとしてＡｌＧａＩｎＰ層を用いる。
Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓとほぼ同じ屈折率をもち、かつＧａＡｓ基板に格子整合するものとしてＡｌ0.25Ｇａ0.25Ｉｎ0.5Ｐがある。
これを基準に、必要な引張歪を導入するためにＩｎを０．５よりも減らして、その分ＡｌとＧａの合計を０．５より増やして０．６％の引張歪を達成するようにすれば良い。
次に、何ペア分の歪が補償できるかを求める。
そのペア数をｎとする。ＡｌＡｓ層はｎ層存在し、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層は１層だけＡｌＧａＩｎＰに置き換わることからｎ−１層となる。
これらの層とＡｌＧａＩｎＰ層１層の累積歪量がほぼゼロになることが歪補償の条件であることから、
ε1×ｔ1×ｎ＋ε2×ｔ2×（ｎ−１）＋ε3×ｔ3×１＝０…（式１）
が成り立つ。
ここで、
ε1：ＡｌＡｓ層の歪量
ｔ1：ＡｌＡｓ層の層厚
ε2：Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層の歪量
ｔ2：Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層の層厚
ε3：ＡｌＧａＩｎＰ層の歪量
ｔ3：ＡｌＧａＩｎＰ層の層厚
である。
歪に関しては、方向が逆の場合、符号が逆となる。
ここでは、圧縮歪をマイナス、引張歪はプラスとする。
これを上記例の数値に基づいて解くと、ｎ＝３となり、上記ＡｌＧａＩｎＰ層１層でＡｌＧａＡｓ多層膜反射鏡３ペア分の歪が補償できる。この３ペア構造は歪が補償される最小単位となるので、この歪補償される最小ペア構造を歪補償単位構造とする。
ペア単位で歪補償をする場合にくらべ、四元材料の必要な層数が１／３で済み、四元材料の熱抵抗による素子抵抗の増大を大幅に抑えることができる。
そのペア数をｎとする。ＡｌＡｓ層はｎ層存在し、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層は１層だけＡｌＧａＩｎＰに置き換わることからｎ−１層となる。
これらの層とＡｌＧａＩｎＰ層１層の累積歪量がほぼゼロになることが歪補償の条件であることから、
ε1×ｔ1×ｎ＋ε2×ｔ2×（ｎ−１）＋ε3×ｔ3×１＝０…（式１）
が成り立つ。
ここで、
ε1：ＡｌＡｓ層の歪量
ｔ1：ＡｌＡｓ層の層厚
ε2：Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層の歪量
ｔ2：Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層の層厚
ε3：ＡｌＧａＩｎＰ層の歪量
ｔ3：ＡｌＧａＩｎＰ層の層厚
である。
歪に関しては、方向が逆の場合、符号が逆となる。
ここでは、圧縮歪をマイナス、引張歪はプラスとする。
これを上記例の数値に基づいて解くと、ｎ＝３となり、上記ＡｌＧａＩｎＰ層１層でＡｌＧａＡｓ多層膜反射鏡３ペア分の歪が補償できる。この３ペア構造は歪が補償される最小単位となるので、この歪補償される最小ペア構造を歪補償単位構造とする。
ペア単位で歪補償をする場合にくらべ、四元材料の必要な層数が１／３で済み、四元材料の熱抵抗による素子抵抗の増大を大幅に抑えることができる。
この考えをより一般化すると、歪補償単位構造における歪補償層の歪量と平均歪量の関係のペア数依存性を示した図４のように表すことができる。
ここでは、歪補償単位構造のペア数に応じて場合分けした。
図４において、横軸にＡｌＧａＩｎＰ歪補償層の歪量を示し、縦軸に各歪単位補償構造の平均歪量を示している。
平均歪量とは、累積歪量を今考えている全層厚で規格化した値であり、この平均歪量が０であれば累積歪量も０となって基板反りなどの問題が解消される。
この図４から、歪補償単位構造が２ペアの場合、ＡｌＧａＩｎＰ層が持つべき必要な引張歪量は０．４％となる。
以下、３ペアの場合は上述したように０．６％、４ペアの場合は０．８％、５ペアの場合は１．０％、６ペアの場合は１．２％、７ペアの場合は１．４％になる。
ここでは、歪補償単位構造のペア数に応じて場合分けした。
図４において、横軸にＡｌＧａＩｎＰ歪補償層の歪量を示し、縦軸に各歪単位補償構造の平均歪量を示している。
平均歪量とは、累積歪量を今考えている全層厚で規格化した値であり、この平均歪量が０であれば累積歪量も０となって基板反りなどの問題が解消される。
この図４から、歪補償単位構造が２ペアの場合、ＡｌＧａＩｎＰ層が持つべき必要な引張歪量は０．４％となる。
以下、３ペアの場合は上述したように０．６％、４ペアの場合は０．８％、５ペアの場合は１．０％、６ペアの場合は１．２％、７ペアの場合は１．４％になる。
最後に、この歪補償単位構造をエピウエハ内の多層膜反射鏡構造に組み込む作業が必要となる。
ここで、３ペアの歪補償単位構造の場合を例に考える。
まず、この３ペアを文字通り単位構造として周期的に積層し６０ペアを形成する。
この構成を模式的に示すと、図１のような構成として表すことができる。
この場合、結晶成長中も大きな基板の反りの変動がなく、結晶成長中もウエハの温度分布の変動を極力抑えることができる。
この場合、歪補償単位構造の積層数がちょうど整数（２０）となるが、必ずしも整数にならない場合がある。この場合、累積歪が完全にはゼロにならないが、その値はたかだか歪補償単位構造の層厚において歪補償しなかった場合に相当するだけであるため、今問題になっている基板の反り量と比較すると桁違いに小さい値となり、この場合であっても本発明の十分な効果が得られる。
ここで、３ペアの歪補償単位構造の場合を例に考える。
まず、この３ペアを文字通り単位構造として周期的に積層し６０ペアを形成する。
この構成を模式的に示すと、図１のような構成として表すことができる。
この場合、結晶成長中も大きな基板の反りの変動がなく、結晶成長中もウエハの温度分布の変動を極力抑えることができる。
この場合、歪補償単位構造の積層数がちょうど整数（２０）となるが、必ずしも整数にならない場合がある。この場合、累積歪が完全にはゼロにならないが、その値はたかだか歪補償単位構造の層厚において歪補償しなかった場合に相当するだけであるため、今問題になっている基板の反り量と比較すると桁違いに小さい値となり、この場合であっても本発明の十分な効果が得られる。
一方、さらなる熱抵抗低減のために熱抵抗の大きい四元以上の材料をより活性層から離して配置するようにしてもよい。この構成を模式的に示すと、図５のような構成として表すことができる。
この場合の歪補償の考え方を以下に示す。活性層から遠い側では、１ペア毎にＡｌＧａＩｎＰ層を頻繁に挿入する。
この状態では基板は引張性の累積歪を感じて凹型に反る状態となる。そして活性層に近くなるに従ってＡｌＧａＩｎＰ層をほとんど挿入しない構造とする。
この場合、挿入するＡｌＧａＩｎＰの全層数としては、３ペア毎にＡｌＧａＩｎＰ層を一層挿入する場合と等しくすれば、この多層膜反射鏡全体での累積歪量は、歪単位構造を積層して得られる歪補償効果と同じ効果が得られる。
そのため、多層膜反射鏡を全層形成し終えた状態では基板反りは生じない。
このように熱抵抗の高い四元以上の材料を活性層からより離れた位置に配置すると、熱が集中している活性層付近の熱抵抗が実効的に増大することなく、素子形成後の活性層での温度上昇を極力抑えることが可能になる。
この場合の歪補償の考え方を以下に示す。活性層から遠い側では、１ペア毎にＡｌＧａＩｎＰ層を頻繁に挿入する。
この状態では基板は引張性の累積歪を感じて凹型に反る状態となる。そして活性層に近くなるに従ってＡｌＧａＩｎＰ層をほとんど挿入しない構造とする。
この場合、挿入するＡｌＧａＩｎＰの全層数としては、３ペア毎にＡｌＧａＩｎＰ層を一層挿入する場合と等しくすれば、この多層膜反射鏡全体での累積歪量は、歪単位構造を積層して得られる歪補償効果と同じ効果が得られる。
そのため、多層膜反射鏡を全層形成し終えた状態では基板反りは生じない。
このように熱抵抗の高い四元以上の材料を活性層からより離れた位置に配置すると、熱が集中している活性層付近の熱抵抗が実効的に増大することなく、素子形成後の活性層での温度上昇を極力抑えることが可能になる。
また、ＡｌＧａＩｎＰなどの四元以上の混晶半導体材料では、一般的に混晶散乱の影響をより強く受けて移動度が低くなり、特にｐ型の電気伝導性が悪くなる。
また、ＰやＮを構成元素に含むバンドギャップの広い材料ではもともとｐ型化が難しい。一方で、良好なｎ型伝導性は得られることが知られている。そこで、素子の電気抵抗の上昇を抑えるために、ｐ型多層膜反射鏡における累積歪を補償する分の四元以上の混晶半導体材料をｎ型多層膜反射鏡内に配置することも可能である。この構成を模式的に示すと、図７のような構成として表すことができる。この場合も挿入するＡｌＧａＩｎＰ層の全層数は変わりがなく、同等の歪補償効果が得られる。
これらＡｌＧａＩｎＰ層の配置方法は目的と必要に応じて取捨選択すれば良い。ここでは、赤色面発光レーザを例にとって説明したため、四元以上の半導体層としてＡｌＧａＩｎＰ層を例に挙げたが、バンドギャップ（屈折率）と格子定数が独立に制御できる四元以上の材料であれば、どのようなものでもよい。
例えば、ＡｌＧａＩｎＰやＡｌＧａＩｎＡｓＰＮなども候補として挙げられる。また、より短波長側のＧａＮ系面発光レーザにおいては、ＡｌＧａＩｎＮなどの四元材料が挙げられる。
また、ＰやＮを構成元素に含むバンドギャップの広い材料ではもともとｐ型化が難しい。一方で、良好なｎ型伝導性は得られることが知られている。そこで、素子の電気抵抗の上昇を抑えるために、ｐ型多層膜反射鏡における累積歪を補償する分の四元以上の混晶半導体材料をｎ型多層膜反射鏡内に配置することも可能である。この構成を模式的に示すと、図７のような構成として表すことができる。この場合も挿入するＡｌＧａＩｎＰ層の全層数は変わりがなく、同等の歪補償効果が得られる。
これらＡｌＧａＩｎＰ層の配置方法は目的と必要に応じて取捨選択すれば良い。ここでは、赤色面発光レーザを例にとって説明したため、四元以上の半導体層としてＡｌＧａＩｎＰ層を例に挙げたが、バンドギャップ（屈折率）と格子定数が独立に制御できる四元以上の材料であれば、どのようなものでもよい。
例えば、ＡｌＧａＩｎＰやＡｌＧａＩｎＡｓＰＮなども候補として挙げられる。また、より短波長側のＧａＮ系面発光レーザにおいては、ＡｌＧａＩｎＮなどの四元材料が挙げられる。
以上の本実施形態の構成によれば、
所望のバンドギャップ、屈折率を得つつ、累積歪を補償するのに必要十分な歪を得ることができる設計自由度が高い四元以上の半導体材料を用いて基板の反りを解消する。その一方では、素子の熱抵抗の大幅な増大を防ぎ、熱による素子の基本特性の劣化を抑制することができる。
特に、赤色面発光レーザのような温度特性の劣悪な素子に対して、効果が大きい。
また、本実施形態の構成によれば、上記面発光レーザを配列して構成された面発光レーザアレイ、および面発光レーザアレイを備えている光学機器を実現することができる。
所望のバンドギャップ、屈折率を得つつ、累積歪を補償するのに必要十分な歪を得ることができる設計自由度が高い四元以上の半導体材料を用いて基板の反りを解消する。その一方では、素子の熱抵抗の大幅な増大を防ぎ、熱による素子の基本特性の劣化を抑制することができる。
特に、赤色面発光レーザのような温度特性の劣悪な素子に対して、効果が大きい。
また、本実施形態の構成によれば、上記面発光レーザを配列して構成された面発光レーザアレイ、および面発光レーザアレイを備えている光学機器を実現することができる。
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、図１を用いて、６８０ｎｍで発振する対向して配置された一対の多層膜反射鏡と、これらの対向して配置された多層膜反射鏡間に設けられた活性層と、を有する垂直共振器型面発光レーザの構成例について説明する。
本実施例の面発光レーザは、ＡｌＧａＩｎＰ四元歪補償層１２４を含むｎ型多層膜反射鏡１０６と、ＡｌＧａＩｎＰ四元歪補償層を含むｐ型多層膜反射鏡１１６を備える。
そして、図１に示したように、ＡｌＧａＩｎＰ四元歪補償層１２４が、ｐ側、ｎ側多層膜反射鏡に関わらず、歪補償単位構造毎に均等に配置されている。
図２には、その様子を詳しく示した、ｎ型多層膜反射鏡１０６の拡大図が示されている。
ｎ型多層膜反射鏡１０６は、発振波長６８０ｎｍのそれぞれ１／４波長の光学的厚さをもつｎ型ＡｌＡｓ低屈折率層２０６とｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層２０４を主要な構成層とし、６０ペア積層した構造である。
ここでは３ペアのＡｌＧａＡｓ多層膜反射鏡毎にｎ型ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層２０２が１層挿入されており、ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層２０４の１層と置き換えられている。これが歪補償単位構造２０８である。
この歪補償単位構造２０８を、２０個積層することで６０ペアのｎ型多層膜反射鏡１０６が達成される。
ｐ型多層膜反射鏡１１６も、同じ考え方で形成される。
但し、酸化狭窄層１１４を設けているために、多層膜反射鏡としては酸化され易いＡｌＡｓ低屈折率層の変わりにＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ低屈折率層を用いる。
［実施例１］
実施例１として、図１を用いて、６８０ｎｍで発振する対向して配置された一対の多層膜反射鏡と、これらの対向して配置された多層膜反射鏡間に設けられた活性層と、を有する垂直共振器型面発光レーザの構成例について説明する。
本実施例の面発光レーザは、ＡｌＧａＩｎＰ四元歪補償層１２４を含むｎ型多層膜反射鏡１０６と、ＡｌＧａＩｎＰ四元歪補償層を含むｐ型多層膜反射鏡１１６を備える。
そして、図１に示したように、ＡｌＧａＩｎＰ四元歪補償層１２４が、ｐ側、ｎ側多層膜反射鏡に関わらず、歪補償単位構造毎に均等に配置されている。
図２には、その様子を詳しく示した、ｎ型多層膜反射鏡１０６の拡大図が示されている。
ｎ型多層膜反射鏡１０６は、発振波長６８０ｎｍのそれぞれ１／４波長の光学的厚さをもつｎ型ＡｌＡｓ低屈折率層２０６とｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層２０４を主要な構成層とし、６０ペア積層した構造である。
ここでは３ペアのＡｌＧａＡｓ多層膜反射鏡毎にｎ型ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層２０２が１層挿入されており、ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層２０４の１層と置き換えられている。これが歪補償単位構造２０８である。
この歪補償単位構造２０８を、２０個積層することで６０ペアのｎ型多層膜反射鏡１０６が達成される。
ｐ型多層膜反射鏡１１６も、同じ考え方で形成される。
但し、酸化狭窄層１１４を設けているために、多層膜反射鏡としては酸化され易いＡｌＡｓ低屈折率層の変わりにＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ低屈折率層を用いる。
続いて、この歪補償単位構造での歪について説明する。
ＡｌＡｓ低屈折率層の１／４波長の光学的厚さは５５．２ｎｍで歪量は圧縮方向に０．１４％である。Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層の１／４波長の光学的厚さは４９．６ｎｍで歪量は圧縮方向に０．０７％である。
歪補償のためのＡｌＧａＩｎＰ層はＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層と同じ屈折率を持つように調整するため、その１／４波長の光学的厚さは４９．６ｎｍである。
一方、引張歪としては０．５７％を持つ。このような歪をもたせるために、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ層のＩｎ組成として約４０％、Ａｌ組成として約１０％、Ｇａ組成として約５０％を用いるとよい。そのときの歪と屈折率の関係を図１１に示す。
この図より、Ａｌ0.1Ｇａ0.5Ｉｎ0.4Ｐ歪補償層の屈折率（縦軸）はＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層と同じであることがわかる。一方、このＡｌ0.1Ｇａ0.5Ｉｎ0.4Ｐ歪補償層の歪（横軸）は、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層とＡｌＡｓ低屈折率層の歪の和と比較すると、その方向（符号、ここでは正が引張、負が圧縮方向）は逆であり、またその絶対値は、その和より大きくなっていることがわかる。ここでは０．５７％の引張歪を用いたが、上述したように、例えば１％の引張歪層を用いる場合にはＩｎ組成は３５％を用いるようにすればよい。
ＡｌＡｓ低屈折率層の１／４波長の光学的厚さは５５．２ｎｍで歪量は圧縮方向に０．１４％である。Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層の１／４波長の光学的厚さは４９．６ｎｍで歪量は圧縮方向に０．０７％である。
歪補償のためのＡｌＧａＩｎＰ層はＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層と同じ屈折率を持つように調整するため、その１／４波長の光学的厚さは４９．６ｎｍである。
一方、引張歪としては０．５７％を持つ。このような歪をもたせるために、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ層のＩｎ組成として約４０％、Ａｌ組成として約１０％、Ｇａ組成として約５０％を用いるとよい。そのときの歪と屈折率の関係を図１１に示す。
この図より、Ａｌ0.1Ｇａ0.5Ｉｎ0.4Ｐ歪補償層の屈折率（縦軸）はＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層と同じであることがわかる。一方、このＡｌ0.1Ｇａ0.5Ｉｎ0.4Ｐ歪補償層の歪（横軸）は、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層とＡｌＡｓ低屈折率層の歪の和と比較すると、その方向（符号、ここでは正が引張、負が圧縮方向）は逆であり、またその絶対値は、その和より大きくなっていることがわかる。ここでは０．５７％の引張歪を用いたが、上述したように、例えば１％の引張歪層を用いる場合にはＩｎ組成は３５％を用いるようにすればよい。
上記の場合、歪単位構造での累積歪量は、上記式１の左辺を用いて、
（−０．１４）×０．０５５２×３＋（−０．０７）×０．０４９６×２＋０．５７×０．０４９６×１＝−０．０００２９％・ｕｍ
となる。
今、多層膜反射鏡としてｐ側に３０ペア、ｎ側に６０ペア用いるので、上記の歪単位構造はｐ側で１０個、ｎ側で２０個、計３０個必要となる。
ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層に着目すれば、ｐ側で１０層、ｎ側で２０層の計３０層になる。
したがって、素子全体での累積歪量は−０．００８６％・ｕｍとなる。３インチ基板を想定するとウエハ反りによるウエハ中央のギャップは０．６ｕｍまで大幅に低減される。
歪補償しない通常の場合の累積歪は上述したように−１．０％・ｕｍであり、ウエハ中央のギャップは約７０ｕｍであることから、それぞれ１／１００まで低減される。
（−０．１４）×０．０５５２×３＋（−０．０７）×０．０４９６×２＋０．５７×０．０４９６×１＝−０．０００２９％・ｕｍ
となる。
今、多層膜反射鏡としてｐ側に３０ペア、ｎ側に６０ペア用いるので、上記の歪単位構造はｐ側で１０個、ｎ側で２０個、計３０個必要となる。
ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層に着目すれば、ｐ側で１０層、ｎ側で２０層の計３０層になる。
したがって、素子全体での累積歪量は−０．００８６％・ｕｍとなる。３インチ基板を想定するとウエハ反りによるウエハ中央のギャップは０．６ｕｍまで大幅に低減される。
歪補償しない通常の場合の累積歪は上述したように−１．０％・ｕｍであり、ウエハ中央のギャップは約７０ｕｍであることから、それぞれ１／１００まで低減される。
一方、活性層への電流注入を容易にするために、多層膜反射鏡に電気伝導性を持たせる必要がある。
ｎ型多層膜反射鏡１０６では、ｎ型伝導性を得るために、ＡｌＧａＡｓ層およびＡｌＧａＩｎＰ歪補償層はＳｉやＳｅをドーピングする。
ｐ型多層膜反射鏡１１６では、ｐ型電気伝導を得るために、ＡｌＧａＡｓ層はＣやＺｎをドーピングする。
一方、ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層はＭｇやＺｎをドーピングしてｐ型伝導を得る。電気抵抗をさらに下げるために、二つの異なる屈折率層間に組成傾斜層を設けたり、光吸収を少なくしつつ電気抵抗を下げるために光分布の腹周辺ではドーピング量を落とし節ではドーピング量をふやす変調ドーピングなどを用いたりしてもよい。
ｎ型多層膜反射鏡１０６では、ｎ型伝導性を得るために、ＡｌＧａＡｓ層およびＡｌＧａＩｎＰ歪補償層はＳｉやＳｅをドーピングする。
ｐ型多層膜反射鏡１１６では、ｐ型電気伝導を得るために、ＡｌＧａＡｓ層はＣやＺｎをドーピングする。
一方、ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層はＭｇやＺｎをドーピングしてｐ型伝導を得る。電気抵抗をさらに下げるために、二つの異なる屈折率層間に組成傾斜層を設けたり、光吸収を少なくしつつ電気抵抗を下げるために光分布の腹周辺ではドーピング量を落とし節ではドーピング量をふやす変調ドーピングなどを用いたりしてもよい。
ｐ型多層膜反射鏡１１６内で活性層に近いｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ低屈折率層のひとつをｐ型Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ酸化狭窄層１１４に置き換えてある。
この層を高温水蒸気雰囲気下で選択酸化させて素子周辺部から絶縁させることにより、中央部のみに電流が流れる電流狭窄構造を形成する。
１１０の活性層は、複数のＧａＩｎＰ量子井戸層と複数のＡｌ0.25Ｇａ0.25Ｉｎ0.5Ｐ障壁層で構成された多重量子井戸構造になっている。
その多重量子井戸構造が内部光定在波の腹に位置するように、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰスペーサ層１０８、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰスペーサ層１１２の層厚を調整する。これらで構成される共振器としては発振波長である６８０ｎｍに対して、その波長の整数倍の光学的厚さを持つように層厚を調整する。
活性層自体の発光波長は面発光レーザ共振器の共振波長より短波側に発光ピーク波長（例えば６６０〜６７０ｎｍ）を持つように調整作製される。
この層を高温水蒸気雰囲気下で選択酸化させて素子周辺部から絶縁させることにより、中央部のみに電流が流れる電流狭窄構造を形成する。
１１０の活性層は、複数のＧａＩｎＰ量子井戸層と複数のＡｌ0.25Ｇａ0.25Ｉｎ0.5Ｐ障壁層で構成された多重量子井戸構造になっている。
その多重量子井戸構造が内部光定在波の腹に位置するように、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰスペーサ層１０８、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰスペーサ層１１２の層厚を調整する。これらで構成される共振器としては発振波長である６８０ｎｍに対して、その波長の整数倍の光学的厚さを持つように層厚を調整する。
活性層自体の発光波長は面発光レーザ共振器の共振波長より短波側に発光ピーク波長（例えば６６０〜６７０ｎｍ）を持つように調整作製される。
必要な絶縁膜１２０を堆積し、再度パターニングしてｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１８の一部を露出させ、その上部にリング状のＴｉ／Ａｕを蒸着してｐ側電極１２２を形成する。
その後、ｎ型ＧａＡｓ基板１０２の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを蒸着し、４００℃前後でアニールすることでｎ側電極１０２を形成する。
最後に必要な大きさのチップに切り出して、パッケージにダイボンディングし、ｐ側電極をワイヤーボンディングして素子が完成する。
また、マスクをアレイ用に適切に設計することで、単一素子のみならず、素子が複数個二次元に配置されたアレイを作製することができる。このように、マスクのみの変更で、比較的容易にアレイ構造が得られる点が面発光レーザの利点である。
上記説明した本実施例の構成によれば、基板の反りを解消しつつ素子の熱抵抗の増大を抑えることができ、熱による特性劣化の少ない素子が高い歩留まりで形成することができる。
その後、ｎ型ＧａＡｓ基板１０２の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを蒸着し、４００℃前後でアニールすることでｎ側電極１０２を形成する。
最後に必要な大きさのチップに切り出して、パッケージにダイボンディングし、ｐ側電極をワイヤーボンディングして素子が完成する。
また、マスクをアレイ用に適切に設計することで、単一素子のみならず、素子が複数個二次元に配置されたアレイを作製することができる。このように、マスクのみの変更で、比較的容易にアレイ構造が得られる点が面発光レーザの利点である。
上記説明した本実施例の構成によれば、基板の反りを解消しつつ素子の熱抵抗の増大を抑えることができ、熱による特性劣化の少ない素子が高い歩留まりで形成することができる。
［実施例２］
実施例２として、図５を用いて、６８０ｎｍで発振する対向して配置された一対の多層膜反射鏡と、これらの対向して配置された多層膜反射鏡間に設けられた活性層と、を有する垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図５では、図１に示した構成と同様の構成には同一の符号が付されており、重複する部分の説明は省略し、異なる構造について説明する。
図５において、５０２はｎ型ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層である。この層自体は図１のｎ型ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層１２４と同一であるが、各々ｐ型、ｎ型多層膜反射鏡内における配置が異なる。
ここでは、ＧａＩｎＰ歪量子井戸１１０による活性層への熱の影響をできるだけ低減するために、活性層から遠いところにより多くの四元歪補償層を配置し、活性層近傍にはより少ない四元歪補償層を配置する。
実施例２として、図５を用いて、６８０ｎｍで発振する対向して配置された一対の多層膜反射鏡と、これらの対向して配置された多層膜反射鏡間に設けられた活性層と、を有する垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図５では、図１に示した構成と同様の構成には同一の符号が付されており、重複する部分の説明は省略し、異なる構造について説明する。
図５において、５０２はｎ型ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層である。この層自体は図１のｎ型ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層１２４と同一であるが、各々ｐ型、ｎ型多層膜反射鏡内における配置が異なる。
ここでは、ＧａＩｎＰ歪量子井戸１１０による活性層への熱の影響をできるだけ低減するために、活性層から遠いところにより多くの四元歪補償層を配置し、活性層近傍にはより少ない四元歪補償層を配置する。
以下、具体的な配置構成について説明する。
本実施例では、ｎ型およびｐ型多層膜反射鏡内で各々累積歪がゼロになるようになっている。
つまり、実施例１と同じようにｎ型多層膜反射鏡内では６０ペア中にＡｌＧａＩｎＰ歪補償層を計２０層必要とする。
一方、ｐ型多層膜反射鏡内では３０ペア中ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層を計１０層必要とする。
これらのＡｌＧａＩｎＰ層の具体的な配置を図６に示す。
ｎ型多層膜反射鏡６０２は三つの領域に分かれており、活性層に近い側、すなわち基板から遠い側から、６０４の領域Ｉ、６０６の領域ＩＩ、６０８の領域ＩＩＩとなっている。
ここでは領域Ｉは３０組の低屈折率と高屈折率層の組み合わせからなり、領域ＩＩおよびＩＩＩはそれぞれ１５組の組み合わせからなる。
活性層に最も近い領域Ｉではｎ型ＡｌＡｓ低屈折率層とｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層の組み合せだけで構成され、熱抵抗の高いＡｌＧａＩｎＰ歪補償層はまったく含まない。
本実施例では、ｎ型およびｐ型多層膜反射鏡内で各々累積歪がゼロになるようになっている。
つまり、実施例１と同じようにｎ型多層膜反射鏡内では６０ペア中にＡｌＧａＩｎＰ歪補償層を計２０層必要とする。
一方、ｐ型多層膜反射鏡内では３０ペア中ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層を計１０層必要とする。
これらのＡｌＧａＩｎＰ層の具体的な配置を図６に示す。
ｎ型多層膜反射鏡６０２は三つの領域に分かれており、活性層に近い側、すなわち基板から遠い側から、６０４の領域Ｉ、６０６の領域ＩＩ、６０８の領域ＩＩＩとなっている。
ここでは領域Ｉは３０組の低屈折率と高屈折率層の組み合わせからなり、領域ＩＩおよびＩＩＩはそれぞれ１５組の組み合わせからなる。
活性層に最も近い領域Ｉではｎ型ＡｌＡｓ低屈折率層とｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層の組み合せだけで構成され、熱抵抗の高いＡｌＧａＩｎＰ歪補償層はまったく含まない。
領域ＩＩでは、ｎ型ＡｌＡｓ低屈折率層／ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層ペアが２層と、ｎ型ＡｌＡｓ低屈折率層／ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層ペアが１層を基本とする構造が周期的に５個積層されている。
言い換えると、３ペアの歪補償基本構造が５個積層されている。
領域ＩＩＩでは、ｎ型ＡｌＡｓ低屈折率層とｎ型ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層の組み合せだけで構成されている。
ｎ型多層膜反射鏡内でみると、ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層は、領域Ｉにはまったくなく、領域ＩＩでは５層、領域ＩＩＩでは１５層含まれ、計２０層になる。
このＡｌＧａＩｎＰ層のｎ側での全層数は実施例１の値と等しくなり、累積歪量は実施例１と同様にほぼゼロに等しくなる。
言い換えると、３ペアの歪補償基本構造が５個積層されている。
領域ＩＩＩでは、ｎ型ＡｌＡｓ低屈折率層とｎ型ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層の組み合せだけで構成されている。
ｎ型多層膜反射鏡内でみると、ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層は、領域Ｉにはまったくなく、領域ＩＩでは５層、領域ＩＩＩでは１５層含まれ、計２０層になる。
このＡｌＧａＩｎＰ層のｎ側での全層数は実施例１の値と等しくなり、累積歪量は実施例１と同様にほぼゼロに等しくなる。
ｐ型多層膜反射鏡の場合も同様の考え方でＡｌＧａＩｎＰ層を配置する。ｐ型多層膜反射鏡も三つの領域に分かれており、活性層に近い側から領域Ｉ、領域ＩＩ、領域ＩＩＩとする。
屈折率の異なる層の組み合わせ数はそれぞれ、領域Ｉで１０組、領域ＩＩで１５組、領域ＩＩＩで５組となっている。
領域Ｉはｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ低屈折率層とｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層の組み合わせだけで１０組構成され、熱抵抗の高いＡｌＧａＩｎＰ歪補償層はまったく含まない。
領域ＩＩではｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ低屈折率層／ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層ペアが２層と、ｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ低屈折率層／ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層ペアが１層を基本とする構造が周期的に５個積層されている。
言い換えると、３ペアの歪補償基本構造が５個積層されている。
領域ＩＩＩでは、ｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ低屈折率層とｐ型ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層の組み合わせだけで５組で構成されている。
ｐ型多層膜反射鏡内でみると、ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層は、領域Ｉにはまったくなく、領域ＩＩでは５層、領域ＩＩＩでは５層含まれ、計１０層になる。
このＡｌＧａＩｎＰ層のｐ側での全層数は実施例１の値と等しくなり、累積歪量は実施例１と同様にほぼゼロに等しくなる。
本実施例では、以上のように、歪補償の観点からは必要であるが、熱抵抗の観点からは望ましくないＡｌＧａＩｎＰ層を、活性層から遠い位置に配置する。
これにより、活性層付近の熱抵抗を増やすことなく、基板反りを解消しつつ、素子特性の劣化のより少ない面発光レーザ素子が実現できる。
屈折率の異なる層の組み合わせ数はそれぞれ、領域Ｉで１０組、領域ＩＩで１５組、領域ＩＩＩで５組となっている。
領域Ｉはｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ低屈折率層とｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層の組み合わせだけで１０組構成され、熱抵抗の高いＡｌＧａＩｎＰ歪補償層はまったく含まない。
領域ＩＩではｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ低屈折率層／ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層ペアが２層と、ｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ低屈折率層／ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層ペアが１層を基本とする構造が周期的に５個積層されている。
言い換えると、３ペアの歪補償基本構造が５個積層されている。
領域ＩＩＩでは、ｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ低屈折率層とｐ型ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層の組み合わせだけで５組で構成されている。
ｐ型多層膜反射鏡内でみると、ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層は、領域Ｉにはまったくなく、領域ＩＩでは５層、領域ＩＩＩでは５層含まれ、計１０層になる。
このＡｌＧａＩｎＰ層のｐ側での全層数は実施例１の値と等しくなり、累積歪量は実施例１と同様にほぼゼロに等しくなる。
本実施例では、以上のように、歪補償の観点からは必要であるが、熱抵抗の観点からは望ましくないＡｌＧａＩｎＰ層を、活性層から遠い位置に配置する。
これにより、活性層付近の熱抵抗を増やすことなく、基板反りを解消しつつ、素子特性の劣化のより少ない面発光レーザ素子が実現できる。
［実施例３］
実施例３として、図７を用いて、対向して配置された一対の多層膜反射鏡と、これらの対向して配置された多層膜反射鏡間に設けられた活性層と、を有する６８０ｎｍで発振する垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図７では、図１に示した構成と同様の構成には同一の符号が付されており、重複する部分の説明は省略し、異なる構造について説明する。図７において、７０２はｎ型ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層である。この層自体は図１のｎ型ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層１２４と同一であるが、多層膜反射鏡内におけるその配置が異なる。
本実施例では、ＧａＩｎＰ歪量子井戸１１０による活性層への熱の影響をできるだけ低減するために、活性層から遠いところにより多くの四元歪補償層を配置する。
そして、活性層近傍にはより少ない四元歪補償層を配置しつつ、かつより良好な電気的特性も同時に得るために、ｐ型多層膜反射鏡の累積歪分を補償するＡｌＧａＩｎＰ層もすべてｎ型多層膜反射鏡内に配置する。
実施例３として、図７を用いて、対向して配置された一対の多層膜反射鏡と、これらの対向して配置された多層膜反射鏡間に設けられた活性層と、を有する６８０ｎｍで発振する垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図７では、図１に示した構成と同様の構成には同一の符号が付されており、重複する部分の説明は省略し、異なる構造について説明する。図７において、７０２はｎ型ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層である。この層自体は図１のｎ型ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層１２４と同一であるが、多層膜反射鏡内におけるその配置が異なる。
本実施例では、ＧａＩｎＰ歪量子井戸１１０による活性層への熱の影響をできるだけ低減するために、活性層から遠いところにより多くの四元歪補償層を配置する。
そして、活性層近傍にはより少ない四元歪補償層を配置しつつ、かつより良好な電気的特性も同時に得るために、ｐ型多層膜反射鏡の累積歪分を補償するＡｌＧａＩｎＰ層もすべてｎ型多層膜反射鏡内に配置する。
以下、具体的な配置構成について説明する。
本実施例では、ｎ型多層膜反射鏡内のＡｌＧａＩｎＰ歪補償層で素子構造すべての累積歪がゼロになるようになっている。
つまり、実施例１と同じようにＡｌＧａＩｎＰ層の層数は３０層であるが、それがすべてｎ型多層膜反射鏡内に配置される。
これらのＡｌＧａＩｎＰ層の具体的な配置構成を図８に示す。
ｎ型多層膜反射鏡８０２は三つの領域に分かれており、活性層に近い側、すなわち基板から遠い側から、８０４の領域Ｉ、８０６の領域ＩＩ、８０８の領域ＩＩＩとなっている。
ここではすべての領域は２０組の低屈折率と高屈折率層の組み合わせからなる。活性層に最も近い領域Ｉではｎ型ＡｌＡｓ低屈折率層とｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層の組み合せだけで構成され、熱抵抗の高いＡｌＧａＩｎＰ歪補償層はまったく含まない。
本実施例では、ｎ型多層膜反射鏡内のＡｌＧａＩｎＰ歪補償層で素子構造すべての累積歪がゼロになるようになっている。
つまり、実施例１と同じようにＡｌＧａＩｎＰ層の層数は３０層であるが、それがすべてｎ型多層膜反射鏡内に配置される。
これらのＡｌＧａＩｎＰ層の具体的な配置構成を図８に示す。
ｎ型多層膜反射鏡８０２は三つの領域に分かれており、活性層に近い側、すなわち基板から遠い側から、８０４の領域Ｉ、８０６の領域ＩＩ、８０８の領域ＩＩＩとなっている。
ここではすべての領域は２０組の低屈折率と高屈折率層の組み合わせからなる。活性層に最も近い領域Ｉではｎ型ＡｌＡｓ低屈折率層とｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層の組み合せだけで構成され、熱抵抗の高いＡｌＧａＩｎＰ歪補償層はまったく含まない。
領域ＩＩでは、ｎ型ＡｌＡｓ低屈折率層／ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層ペアが１層と、ｎ型ＡｌＡｓ低屈折率層／ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層ペアが１層を基本とする構造が周期的に１０個積層されている。言い換えると、２ペアを基本とする構造が１０個積層されている。
領域ＩＩＩでは、ｎ型ＡｌＡｓ低屈折率層とｎ型ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層の組み合せだけで構成されている。
ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層は、領域Ｉにはまったくなく、領域ＩＩでは１０層、領域ＩＩＩでは２０層含まれ、計３０層になる。このＡｌＧａＩｎＰ層の全層数は実施例１の値と等しくなり、累積歪量は実施例１と同様にほぼゼロに等しくなる。
ｐ型多層膜反射鏡はｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ低屈折率層とｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層の組み合わせだけで３０組構成され、ＡｌＧａＩｎＰ層は含まれない。
領域ＩＩＩでは、ｎ型ＡｌＡｓ低屈折率層とｎ型ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層の組み合せだけで構成されている。
ＡｌＧａＩｎＰ歪補償層は、領域Ｉにはまったくなく、領域ＩＩでは１０層、領域ＩＩＩでは２０層含まれ、計３０層になる。このＡｌＧａＩｎＰ層の全層数は実施例１の値と等しくなり、累積歪量は実施例１と同様にほぼゼロに等しくなる。
ｐ型多層膜反射鏡はｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ低屈折率層とｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ高屈折率層の組み合わせだけで３０組構成され、ＡｌＧａＩｎＰ層は含まれない。
本実施例では、以上のように、歪補償の観点からは必要ではあるが、熱抵抗の高いＡｌＧａＩｎＰ層を活性層から遠い位置に配置し、かつより良好な電気伝導性が得られやすいｎ側に配置する。
これにより、基板反りを解消しつつ、素子特性の劣化のより少ない面発光レーザ素子が実現できる。
これにより、基板反りを解消しつつ、素子特性の劣化のより少ない面発光レーザ素子が実現できる。
［実施例４］
実施例４として、図９を用いて、４００ｎｍで発振する垂直共振器型面発光レーザに用いられるｎ側多層膜反射鏡について説明する。
ｎ型多層膜反射鏡１０６は、発振波長４００ｎｍのそれぞれ１／４波長の光学的厚さをもつｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ低屈折率層９０６とｎ型ＧａＮ高屈折率層９０４を主要な構成層とし、６０ペア積層した構造である。
ここでは、３ペアのＡｌＧａＮ多層膜反射鏡毎にｎ型ＡｌＧａＩｎＮ歪補償層９０２が１層挿入されており、ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ低屈折率層９０６の１層と置き換えられている。
これが歪補償単位構造２０８である。これを２０個積層することで６０ペアのｎ型多層膜反射鏡１０６が達成される。
実施例４として、図９を用いて、４００ｎｍで発振する垂直共振器型面発光レーザに用いられるｎ側多層膜反射鏡について説明する。
ｎ型多層膜反射鏡１０６は、発振波長４００ｎｍのそれぞれ１／４波長の光学的厚さをもつｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ低屈折率層９０６とｎ型ＧａＮ高屈折率層９０４を主要な構成層とし、６０ペア積層した構造である。
ここでは、３ペアのＡｌＧａＮ多層膜反射鏡毎にｎ型ＡｌＧａＩｎＮ歪補償層９０２が１層挿入されており、ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ低屈折率層９０６の１層と置き換えられている。
これが歪補償単位構造２０８である。これを２０個積層することで６０ペアのｎ型多層膜反射鏡１０６が達成される。
つぎに、この歪補償単位構造での歪について説明する。
Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ低屈折率層の１／４波長の光学的厚さは４１．８ｎｍで歪量は引張方向に０．４９％である。ＧａＮ高屈折率層の１／４波長の光学的厚さは３９．４ｎｍで歪はｎ型ＧａＮ基板９０４に格子整合するため０％である。ここでは、歪補償のためのＡｌＧａＩｎＮ層はＧａＮ高屈折率層と同じ屈折率を持つように調整するため、その１／４波長の光学的厚さは３９．４ｎｍである。一方、圧縮歪としては１．６％を持つ。
このような歪をもたせるために、例えば、ＡｌＧａＩｎＮ層のＩｎ組成として約２０％Ａｌ組成として約３０％、Ｇａ組成として約５０％を用いるとよい。そのときの歪と屈折率の関係を図１２に示す。この図より、Ａｌ0.3Ｇａ0.5Ｉｎ0.2Ｎ歪補償層の屈折率（縦軸）はＧａＮ高屈折率層と同じであることがわかる。一方、このＡｌ0.3Ｇａ0.5Ｉｎ0.2Ｎ歪補償層の歪（横軸）は、ＧａＮ高屈折率層とＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ低屈折率層の歪の和と比較すると、その方向は逆であり、またその絶対値は、その和より大きくなっていることがわかる。
Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ低屈折率層の１／４波長の光学的厚さは４１．８ｎｍで歪量は引張方向に０．４９％である。ＧａＮ高屈折率層の１／４波長の光学的厚さは３９．４ｎｍで歪はｎ型ＧａＮ基板９０４に格子整合するため０％である。ここでは、歪補償のためのＡｌＧａＩｎＮ層はＧａＮ高屈折率層と同じ屈折率を持つように調整するため、その１／４波長の光学的厚さは３９．４ｎｍである。一方、圧縮歪としては１．６％を持つ。
このような歪をもたせるために、例えば、ＡｌＧａＩｎＮ層のＩｎ組成として約２０％Ａｌ組成として約３０％、Ｇａ組成として約５０％を用いるとよい。そのときの歪と屈折率の関係を図１２に示す。この図より、Ａｌ0.3Ｇａ0.5Ｉｎ0.2Ｎ歪補償層の屈折率（縦軸）はＧａＮ高屈折率層と同じであることがわかる。一方、このＡｌ0.3Ｇａ0.5Ｉｎ0.2Ｎ歪補償層の歪（横軸）は、ＧａＮ高屈折率層とＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ低屈折率層の歪の和と比較すると、その方向は逆であり、またその絶対値は、その和より大きくなっていることがわかる。
上記の場合、歪単位構造での累積歪量は上記式１の左辺を用いて、
０．４９×０．０４１８×３＋０×０．０３９４×２＋（−１．６）×０．０３９４×１＝−０．００１６％・ｕｍ
となる。
今、多層膜反射鏡として６０ペア用いるので、上記の歪単位構造は２０個必要となる。ＡｌＧａＩｎＮ歪補償層に着目すれば、２０層になる。したがって、素子全体での累積歪量は−０．０３２％・ｕｍとなる。
歪補償しない通常の場合の累積歪は１．２％・ｕｍであるので、１／５０まで低減される。３インチ基板を想定するとウエハ反りによるウエハ中央のギャップは０．６ｕｍまで大幅に低減される。
さらに、ＡｌＧａＮは引張歪によりクラックが入り結晶性が劣化することがあるが、これを防ぐこともできる。
０．４９×０．０４１８×３＋０×０．０３９４×２＋（−１．６）×０．０３９４×１＝−０．００１６％・ｕｍ
となる。
今、多層膜反射鏡として６０ペア用いるので、上記の歪単位構造は２０個必要となる。ＡｌＧａＩｎＮ歪補償層に着目すれば、２０層になる。したがって、素子全体での累積歪量は−０．０３２％・ｕｍとなる。
歪補償しない通常の場合の累積歪は１．２％・ｕｍであるので、１／５０まで低減される。３インチ基板を想定するとウエハ反りによるウエハ中央のギャップは０．６ｕｍまで大幅に低減される。
さらに、ＡｌＧａＮは引張歪によりクラックが入り結晶性が劣化することがあるが、これを防ぐこともできる。
ところで、活性層への電流注入を容易にするために、多層膜反射鏡に電気伝導性を持たせる必要がある。ｎ型多層膜反射鏡１０６では、ｎ型伝導性を得るために、ＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層およびＡｌＧａＩｎＮ歪補償層はＳｉやＳｅをドーピングする。
電気抵抗をさらに下げるために、二つの異なる屈折率層間に組成傾斜層を設けたり、光吸収を少なくしつつ電気抵抗を下げるために光分布の腹周辺ではドーピング量を落とし節ではドーピング量をふやす変調ドーピングなどを用いたりしてもよい。
９１２の活性層は、複数のＧａＩｎＮ量子井戸層と複数のＧａＮ障壁層で構成された多重量子井戸構造になっている。その多重量子井戸構造が内部光定在波の腹に位置するように、ｐ型ＡｌＧａＮスペーサ層９１４、ｐ型ＡｌＧａＮスペーサ層９１０の層厚を調整する。
これらで構成される共振器としては発振波長である４００ｎｍに対して、その波長の整数倍の光学的厚さを持つように層厚を調整する。
活性層自体の発光波長は面発光レーザ共振器の共振波長より短波側に発光ピーク波長（例えば３９０〜４００ｎｍ）を持つように調整作製される。
本実施例では、以上のように、材料系が異なると歪が入る方向や大きさが変わるが、その場合であっても十分な効果を示す。
電気抵抗をさらに下げるために、二つの異なる屈折率層間に組成傾斜層を設けたり、光吸収を少なくしつつ電気抵抗を下げるために光分布の腹周辺ではドーピング量を落とし節ではドーピング量をふやす変調ドーピングなどを用いたりしてもよい。
９１２の活性層は、複数のＧａＩｎＮ量子井戸層と複数のＧａＮ障壁層で構成された多重量子井戸構造になっている。その多重量子井戸構造が内部光定在波の腹に位置するように、ｐ型ＡｌＧａＮスペーサ層９１４、ｐ型ＡｌＧａＮスペーサ層９１０の層厚を調整する。
これらで構成される共振器としては発振波長である４００ｎｍに対して、その波長の整数倍の光学的厚さを持つように層厚を調整する。
活性層自体の発光波長は面発光レーザ共振器の共振波長より短波側に発光ピーク波長（例えば３９０〜４００ｎｍ）を持つように調整作製される。
本実施例では、以上のように、材料系が異なると歪が入る方向や大きさが変わるが、その場合であっても十分な効果を示す。
［実施例５］
実施例５として、図１０を用いて、本発明の垂直共振器型面発光レーザを適用して構成した光学機器の構成例について説明する。
ここでは、光学機器として、本発明の垂直共振器型面発光レーザによる赤色面発光レーザアレイを用いて構成した画像形成装置の構成例について説明する。
図１０（ａ）は画像形成装置の上面図であり、図１０（ｂ）は同装置の側面図である。
図１０において、１２００は感光体、１２０２は帯電器、１２０４は現像器、１２０６は転写帯電器、１２０８は定着器、１２１０は回転多面鏡、１２１２はモータである。
また、１２１４は赤色面発光レーザアレイ、１２１６は反射鏡、１２２０はコリメータレンズ及び１２２２はｆ−θレンズである。
実施例５として、図１０を用いて、本発明の垂直共振器型面発光レーザを適用して構成した光学機器の構成例について説明する。
ここでは、光学機器として、本発明の垂直共振器型面発光レーザによる赤色面発光レーザアレイを用いて構成した画像形成装置の構成例について説明する。
図１０（ａ）は画像形成装置の上面図であり、図１０（ｂ）は同装置の側面図である。
図１０において、１２００は感光体、１２０２は帯電器、１２０４は現像器、１２０６は転写帯電器、１２０８は定着器、１２１０は回転多面鏡、１２１２はモータである。
また、１２１４は赤色面発光レーザアレイ、１２１６は反射鏡、１２２０はコリメータレンズ及び１２２２はｆ−θレンズである。
本実施例の画像形成装置は、本発明の垂直共振器型面発光レーザを適用してなる光源からの光を、感光体上に入射させ、画像を形成するように構成されている。
具体的には、図１０に示されるモータ１２１２は、回転多面鏡１２１０を回転駆動するように構成されている。
また、本実施例における回転多面鏡１２１０は、６つの反射面を備えている。１２１４は記録用光源であるところの赤色面発光レーザアレイである。
この赤色面発光レーザアレイ１２１４は、レーザドライバ（図示せず）により画像信号に応じて点灯または消灯し、こうして変調されたレーザ光は、赤色面発光レーザアレイ１２１４からコリメータレンズ１２２０を介し回転多面鏡１２１０に向けて照射される。
具体的には、図１０に示されるモータ１２１２は、回転多面鏡１２１０を回転駆動するように構成されている。
また、本実施例における回転多面鏡１２１０は、６つの反射面を備えている。１２１４は記録用光源であるところの赤色面発光レーザアレイである。
この赤色面発光レーザアレイ１２１４は、レーザドライバ（図示せず）により画像信号に応じて点灯または消灯し、こうして変調されたレーザ光は、赤色面発光レーザアレイ１２１４からコリメータレンズ１２２０を介し回転多面鏡１２１０に向けて照射される。
回転多面鏡１２１０は矢印方向に回転していて、赤色面発光レーザアレイ１２１４から出力されたレーザ光は、回転多面鏡１２１０の回転に伴い、その反射面で連続的に出射角度を変える偏向ビームとして反射される。
この反射光は、ｆ−θレンズ１２２２により歪曲収差の補正等を受け、反射鏡１２１６を経て感光体１２００に照射され、感光体１２００上で主走査方向に走査される。
このとき、回転多面鏡１２１０の１面を介したビーム光の反射により、感光体１２００の主走査方向に赤色面発光レーザアレイ１２１４に対応した複数のライン分の画像が形成される。
本実施例においては、４×８の赤色面発光レーザアレイ１２１４を用いており、３２ライン分の画像が同時に形成される。
この反射光は、ｆ−θレンズ１２２２により歪曲収差の補正等を受け、反射鏡１２１６を経て感光体１２００に照射され、感光体１２００上で主走査方向に走査される。
このとき、回転多面鏡１２１０の１面を介したビーム光の反射により、感光体１２００の主走査方向に赤色面発光レーザアレイ１２１４に対応した複数のライン分の画像が形成される。
本実施例においては、４×８の赤色面発光レーザアレイ１２１４を用いており、３２ライン分の画像が同時に形成される。
感光体１２００は、予め帯電器１２０２により帯電されており、レーザ光の走査により順次露光され、静電潜像が形成される。
また、感光体１２００は矢印方向に回転していて、形成された静電潜像は、現像器１２０４により現像され、現像された可視像は転写帯電器１２０６により、転写紙（図示せず）に転写される。
可視像が転写された転写紙は、定着器１２０８に搬送され、定着を行った後に機外に排出される。
また、本実施例では、４×８赤色面発光レーザアレイを用いたが、これに限定されるものではなく、ｍ×ｎ赤色面発光レーザアレイ（ｍ、ｎ：自然数）であっても良い。
また、感光体１２００は矢印方向に回転していて、形成された静電潜像は、現像器１２０４により現像され、現像された可視像は転写帯電器１２０６により、転写紙（図示せず）に転写される。
可視像が転写された転写紙は、定着器１２０８に搬送され、定着を行った後に機外に排出される。
また、本実施例では、４×８赤色面発光レーザアレイを用いたが、これに限定されるものではなく、ｍ×ｎ赤色面発光レーザアレイ（ｍ、ｎ：自然数）であっても良い。
以上説明したように、本実施例による赤色面発光レーザアレイを電子写真記録方式の画像形成装置に用いることにより、高速・高精細印刷を可能とする画像形成装置を得ることが可能となる。
なお、上記説明では、光学機器として画像形成装置を構成した例について説明したが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。
例えば、本発明の垂直共振器型面発光レーザを適用して構成した光源を用い、該光源からの光を画像表示体上に入射させ、画像の表示をするようにしてプロジェクションディスプレイ等の光学機器を構成するようにしてもよい。
なお、上記説明では、光学機器として画像形成装置を構成した例について説明したが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。
例えば、本発明の垂直共振器型面発光レーザを適用して構成した光源を用い、該光源からの光を画像表示体上に入射させ、画像の表示をするようにしてプロジェクションディスプレイ等の光学機器を構成するようにしてもよい。
１０２：ｎ側電極
１０４：ｎ型ＧａＡｓ基板
１０６：ｎ型多層膜反射鏡
１０８：ｎ型ＡｌＧａＩｎＰスペーサ層
１１０：ＧａＩｎＰ量子井戸活性層
１１２：ｐ型ＡｌＧａＩｎＰスペーサ層
１１４：Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ酸化狭窄層
１１６：ｐ型多層膜反射鏡
１１８：ＧａＡｓコンタクト層
１２０：絶縁膜
１２２：ｐ側電極
１２４：ＡｌＧａＩｎＰ四元歪補償層
１０４：ｎ型ＧａＡｓ基板
１０６：ｎ型多層膜反射鏡
１０８：ｎ型ＡｌＧａＩｎＰスペーサ層
１１０：ＧａＩｎＰ量子井戸活性層
１１２：ｐ型ＡｌＧａＩｎＰスペーサ層
１１４：Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ酸化狭窄層
１１６：ｐ型多層膜反射鏡
１１８：ＧａＡｓコンタクト層
１２０：絶縁膜
１２２：ｐ側電極
１２４：ＡｌＧａＩｎＰ四元歪補償層
Claims (10)
- 対向して配置された一対の多層膜反射鏡と、これらの対向して配置された多層膜反射鏡間に設けられた活性層と、を有する面発光レーザであって、
前記一対の多層膜反射鏡のうちの少なくとも一つの多層膜反射鏡は、
第一の歪を有する高屈折率層と、第二の歪を有する低屈折率層とのペアからなる第一のペア層が複数層積層され、
前記複数層中の、いずれかの第一のペア層における前記高屈折率層と前記低屈折率層のうちの一方が、第三の歪を有する四元以上の混晶半導体材料による層と置き換えられた第二のペア層を含み構成され、
前記第一の歪と前記第二の歪の和は圧縮性または引張性の歪であり、
前記第三の歪は、その歪みが前記第一の歪と第二の歪の和と逆であって、その絶対値が前記第一の歪および第二の歪の絶対値より大きいことを特徴とする面発光レーザ。 - 前記第一のペア層における高屈折率層と低屈折率層は、二元半導体材料、または三元半導体材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
- 前記第二のペア層は、前記第一のペア層における前記高屈折率層が前記混晶半導体材料による層と置き換えられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ。
- 前記第二のペア層における前記四元以上の混晶半導体材料は、ＡｌとＰを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
- 前記第一のペア層はＡｌＧａＡｓで構成され、前記第一の歪と前記第二の歪の和が圧縮性であり、
前記第二のペア層における前記四元以上の混晶半導体材料は、ＡｌＧａＩｎＰ層で構成され、前記第三の歪が引張歪であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の面発光レーザ。 - 前記第一のペア層はＡｌＧａＮ層で構成され、前記第一の歪と前記第二の歪の和が引張歪であり、
前記第二のペア層における前記四元以上の混晶半導体材料は、ＡｌＧａＩｎＮ層で構成され、前記第三の歪が圧縮歪であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の面発光レーザ。 - 前記対向して配置された一対の多層膜反射鏡のうち、前記活性層により近い側により多くの第一のペア層が配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
- 前記多層膜反射鏡は、ｎ型またはｐ型の多層膜反射鏡を構成し、前記第二のペア層がｎ型を構成する多層膜反射鏡にのみ含まれることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
- 請求項１から８のいずれか１項に記載の面発光レーザが、配列されて構成されていることを特徴とする面発光レーザアレイ。
- 請求項９に記載の面発光レーザアレイを光源として構成されていることを特徴とする光学機器。
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- 2009-07-31 JP JP2009178992A patent/JP5489576B2/ja not_active Expired - Fee Related
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