JP2013138176A - 面発光レーザ素子、面発光レーザ素子の製造方法及び原子発振器 - Google Patents

面発光レーザ素子、面発光レーザ素子の製造方法及び原子発振器 Download PDF

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Abstract

【課題】所望の波長間隔で正確に発振させることのできる複数の面発光レーザを有する面発光レーザ素子を提供する。
【解決手段】半導体基板の上に形成された下部ブラッグ反射鏡と、前記下部ブラッグ反射鏡の上に形成された活性層を含む共振器と、前記共振器の上に形成された上部ブラッグ反射鏡と、を有し、前記上部ブラッグ反射鏡または前記下部ブラッグ反射鏡内には、波長調整層が形成されており、前記波長調整層の厚さを変えることにより、異なる波長を各々出射する複数の面発光レーザを有するものであって、前記波長調整層は、２の種類の異なる材料により形成される各々の調整層を積層することにより形成されており、前記波長調整層の厚さは、前記波長調整層における前記調整層の層数を変えることにより、変えたものであることを特徴とする面発光レーザ素子を提供することにより上記課題を解決する。
【選択図】図２

Description

本発明は、面発光レーザ素子、面発光レーザ素子の製造方法及び原子発振器に関する。
面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）は、基板面に対し垂直方向に光を出射する半導体レーザであり、端面発光型の半導体レーザと比較して、低価格、低消費電力、小型であって高性能であること、また２次元的に集積化しやすいといった特徴を有している。
面発光レーザは、活性層を含む共振器領域と、共振器領域の上下に設けられた上部反射鏡及び下部反射鏡とからなる共振器構造を有している（例えば、特許文献１）。よって、共振器領域は、発振波長λの光を得るために、共振器領域において波長λの光が共振するように所定の光学的な厚さで形成されている。上部反射鏡及び下部反射鏡は、屈折率の異なる材料、即ち、低屈折率材料と高屈折率材料とを交互に積層形成することにより形成されており、波長λにおいて高い反射率が得られるように、低屈折率材料と高屈折率材料の光学的な膜厚がλ／４となるように形成されている。
また、チップ内に波長の異なる素子を形成することも開示されている（例えば、特許文献２〜５）。このような多波長面発光レーザ素子は、エッチング液の異なる２つの材料を交互に積層形成した構造の波長調整層を面発光レーザ素子の共振器領域に形成し、この波長調整層を各々の面発光レーザごとに一層ずつウエットエッチングにより除去し、波長調整層の厚みを変えることにより形成することができる。
一方、極めて正確な時間を計る時計として原子時計（原子発振器）があり、この原子時計を小型化する技術等の検討がなされている。原子時計とは、アルカリ金属等の原子を構成している電子の遷移エネルギー量を基準とする発振器であり、特に、アルカリ金属の原子における電子の遷移エネルギーは外乱がない状態では、非常に精密な値が得られるため、水晶発振器に比べて、数桁高い周波数安定性を得ることができる。
このような原子時計には、幾つかの方式があるが、中でも、ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式の原子時計は、従来の水晶発振器に比べて周波数安定性が３桁程度高く、また、超小型、超低消費電力を望むことができる（例えば、非特許文献１、２、特許文献６）。
ＣＰＴ方式の原子時計では、レーザ素子と、アルカリ金属を封入したセルと、セルを透過したレーザ光を受光する受光素子とを有しており、レーザ光は変調され、特定波長である搬送波の両側に出現するサイドバンド波長により、アルカリ金属原子における電子の２つの遷移を同時に行ない、励起する。この遷移における遷移エネルギーは不変であり、レーザ光のサイドバンド波長と遷移エネルギーに対応する波長とが一致したときに、アルカリ金属における光の吸収率が低下する透明化現象が生じる。このように、アルカリ金属による光の吸収率が低下するように、搬送波の波長を調整するとともに、受光素子において検出された信号を変調器にフィードバックし、変調器によりレーザ素子からのレーザ光の変調周波数を調整することを特徴とした原子時計である。尚、この原子時計では、レーザ素子から出射されたレーザ光は、コリメートレンズ、λ／４波長板を介し、アルカリ金属を封入したセルに照射される。
このような超小型の原子時計の光源としては、小型で超低消費電力であり、波長品質の高い面発光レーザが適しており、搬送波の波長精度としては、特定波長に対し±１ｎｍが求められる（例えば、非特許文献３）。
ところで、原子時計に面発光レーザ素子を用いる場合には、各々の面発光レーザごとに狭い波長間隔（５ｎｍ）とする必要がある。よって、面発光レーザの共振器領域に波長調整層を形成することにより、このような狭い波長間隔で面発光レーザを形成する場合には、波長調整層における各々の膜の膜厚は極めて薄く形成する必要がある。しかしながら、波長調整層を形成している各々の膜の膜厚を極めて薄く均一に形成することは、半導体層を形成する際の成長速度のバラツキ、膜厚の分布ムラ等により困難である。
具体的には、特許文献２に示されるように、共振器領域に波長調整層を形成した場合では、発振させる波長間隔を５ｎｍ以内にしようとすると、波長調整層の膜厚は１．２ｎｍ以下にする必要があり、現在の化合物半導体の結晶成長の技術では、このような薄い膜厚の制御は極めて困難である。このように、膜厚が僅かに変化しただけでも、発振波長に影響を与えてしまう。
本発明は、上記に鑑みなされたものであり、所望の波長間隔で正確に発振させることのできる複数の面発光レーザを有する面発光レーザ素子を提供することを目的とするものである。
本発明は、半導体基板の上に形成された下部ブラッグ反射鏡と、前記下部ブラッグ反射鏡の上に形成された活性層を含む共振器と、前記共振器の上に形成された上部ブラッグ反射鏡と、を有し、前記上部ブラッグ反射鏡または前記下部ブラッグ反射鏡内には、波長調整層が形成されており、前記波長調整層の厚さを変えることにより、異なる波長を各々出射する複数の面発光レーザを有するものであって、前記波長調整層は、２の種類の異なる材料により形成される各々の調整層を積層することにより形成されており、前記波長調整層の厚さは、前記波長調整層における前記調整層の層数を変えることにより、変えたものであることを特徴とする。
また、本発明は、半導体基板の上に形成された下部ブラッグ反射鏡と、前記下部ブラッグ反射鏡の上に形成された活性層を含む共振器と、前記共振器の上に形成された上部ブラッグ反射鏡と、を有する面発光レーザ素子の製造方法において、前記上部ブラッグ反射鏡または前記下部ブラッグ反射鏡内には、波長調整層が形成されており、前記波長調整層の厚さを変えることにより、異なる波長を各々出射する複数の面発光レーザを有するものであって、前記波長調整層は、２の種類の異なる材料により形成される各々の調整層を積層することにより形成されており、前記波長調整層の厚さは、前記波長調整層における前記調整層を前記調整層ごとに除去し層数を変えることにより、変えたものであって、前記波長調整層における２の種類の異なる材料により形成される各々の調整層のうち、一方の調整層を第１のエッチング液により除去する工程と、前記波長調整層における２の種類の異なる材料により形成される各々の調整層のうち、他方の調整層を第２のエッチング液により除去する工程と、を有し、前記第１のエッチング液と前記第２のエッチング液とが異なるものであることを特徴とする。
本発明によれば、波長調整層を形成している膜の膜厚を厚くすることができるため、所望の波長間隔で正確に発振させることのできる複数の面発光レーザを有する面発光レーザ素子を提供することができる。
第１の実施の形態における面発光レーザ素子の上面図 第１の実施の形態における面発光レーザ素子の説明図 第１の実施の形態における面発光レーザ素子の波長調整層の構造図 第１の実施の形態における面発光レーザ素子の波長調整層の説明図（１） 第１の実施の形態における面発光レーザ素子の波長調整層の説明図（２） 第１の実施の形態における面発光レーザ素子の波長調整層の説明図（３） 第１の実施の形態における面発光レーザ素子の波長調整層の説明図（４） 第１の実施の形態における面発光レーザ素子の波長調整層の説明図（５） 第１の実施の形態における面発光レーザ素子の波長調整層の説明図（６） 第２の実施の形態における面発光レーザ素子の上面図 第２の実施の形態における面発光レーザ素子の説明図 第２の実施の形態における面発光レーザ素子の波長調整層の説明図（１） 第２の実施の形態における面発光レーザ素子の波長調整層の説明図（２） 第３の実施の形態における面発光レーザ素子の上面図 第３の実施の形態における面発光レーザ素子の説明図 第１の波長調整層及び第２の波長調整層と発振波長との相関図 第３の実施の形態における面発光レーザ素子の第１の波長調整層の説明図（１） 第３の実施の形態における面発光レーザ素子の第１の波長調整層の説明図（２） 第３の実施の形態における面発光レーザ素子の第１の波長調整層の説明図（３） 第４の実施の形態における面発光レーザ素子の上面図 第５の実施の形態における原子発振器の構造図 ＣＰＴ方式を説明する原子エネルギー準位の説明図 面発光レーザ変調時における出力波長の説明図 変調周波数と透過光量との相関図
本発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
〔第１の実施の形態〕
（面発光レーザ素子の構造）
第１の実施の形態における面発光レーザ素子について説明する。本実施の形態における面発光レーザ素子１０は、図１及び図２に示すように、複数の面発光レーザを有しており、具体的には、第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２、第３の面発光レーザ１３、第４の面発光レーザ１４を有している。尚、図１は本実施の形態の説明のため簡略化されており、便宜上コンタク層等の記載は省略されている。また、図２は、図１における一点鎖線１Ａ−１Ｂにおいて切断した断面図である。
本実施の形態における面発光レーザ素子１０は、３００μｍ角の半導体チップ上に形成されており、この半導体チップ上に形成された第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２、第３の面発光レーザ１３、第４の面発光レーザ１４は、各々に対応して設けられた電極パッドに接続されている。具体的には、第１の面発光レーザ１１には電極パッド２１が接続されており、第２の面発光レーザ１２には電極パッド２２が接続されており、第３の面発光レーザ１３には電極パッド２３が接続されており、第４の面発光レーザ１４には電極パッド２４が接続されている。
また、第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２、第３の面発光レーザ１３、第４の面発光レーザ１４は、出射される光の波長が相互に異なるものである。即ち、第１の面発光レーザ１１より出射される波長λ１、第２の面発光レーザ１２より出射される波長λ２、第３の面発光レーザ１３より出射される波長λ３、第４の面発光レーザ１４より出射される波長λ４は、相互に異なる波長である。
尚、本実施の形態における面発光レーザ素子は、発振波長が８９４．６ｎｍとなる面発光レーザを得るためのものであり、３００μｍ角の半導体チップ（基板）に４つの面発光レーザが形成されている。面発光レーザ素子では、狭い領域に複数の面発光レーザを形成することができるため、発光させる面発光レーザを切換えた場合であっても、発光位置は殆ど変わらない。従って、基板の大きさとしては、５００μｍ×５００μｍ以下の大きさとすることにより、光軸調整等が不要または極めて容易となる。
本実施の形態における面発光レーザ素子は、半導体等からなる基板１０１上に、屈折率の異なる半導体材料を交互に積層形成することにより、下部ブラッグ反射鏡１０２を形成し、下部ブラッグ反射鏡１０２上には、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５を形成する。上部スペーサ層１０５上には、第１の上部ブラッグ反射鏡１０６、コンタクト層１１０、波長調整領域１２０、第２の上部ブラッグ反射鏡１０７が形成されている。また、コンタクト層１１０の上には上部電極１１１が形成され接続されており、基板１０１の裏面には下部電極１１２が形成されている。本実施の形態では、コンタクト層１１０と波長調整領域１２０により波長調整層１３０が形成されているが、波長調整領域１２０に隣接してコンタクト層１１０が形成されていない場合には、波長調整層１３０は、波長調整領域１２０のみにより形成される場合がある。尚、基板１０１上に形成される半導体層となる下部ブラッグ反射鏡１０２、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５、第１の上部ブラッグ反射鏡１０６、コンタクト層１１０、波長調整領域１２０は、半導体材料をエピタキシャル成長させることにより形成されている。具体的には、これらの半導体層は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）またはＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）によるエピタキシャル成長により形成されている。尚、本願明細書において記載されているブラッグ反射鏡は、ＤＢＲと記載される場合がある。
また、波長調整層１３０の上には、第２の上部ブラッグ反射鏡１０７が各々の面発光レーザごとに形成されている。第２の上部ブラッグ反射鏡１０７は、酸化物、窒化物、フッ化物等からなる誘電体膜であって高屈折率材料膜と低屈折率材料膜とを交互に積層形成することにより形成されている。尚、本実施の形態では、第１の上部ブラッグ反射鏡１０６、波長調整層１３０、第２の上部ブラッグ反射鏡１０７により、上部ブラッグ反射鏡が形成されている。また、波長調整層１３０は、下部ブラッグ反射鏡１０２の内部に形成したものであってもよい。
本実施の形態における面発光レーザ素子では、第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２、第３の面発光レーザ１３、第４の面発光レーザ１４において、各々波長調整層１３０における波長調整領域１２０の厚さが異なっている。具体的には、図３に示すように、波長調整領域１２０は、コンタクト層１１０の上に形成されており、波長調整領域１２０は、第１の調整層１２１、第２の調整層１２２、第３の調整層１２３により形成されている。本実施の形態では、第１の調整層１２１及び第３の調整層１２３はＧａＩｎＰにより形成されており、第２の調整層１２２はＧａＡｓＰにより形成されている。尚、第１の調整層１２１、第２の調整層１２２、第３の調整層１２３を形成している材料は、この逆であってもよい。
このように本実施の形態における面発光レーザ素子は、第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２、第３の面発光レーザ１３、第４の面発光レーザ１４における波長調整領域１２０の厚さが異なるものである。
具体的には、第１の面発光レーザ１１には、波長調整領域１２０において、第１の調整層１２１、第２の調整層１２２、第３の調整層１２３が形成されており、この波長調整領域１２０とコンタクト層１１０との和である波長調整層１３０の厚さに対応した波長λ１の光が出射される。
また、第２の面発光レーザ１２には、波長調整領域１２０のうち、第１の調整層１２１、第２の調整層１２２が形成されており、この波長調整領域１２０とコンタクト層１１０との和である波長調整層１３０の厚さに対応した波長λ２の光が出射される。
また、第３の面発光レーザ１３には、波長調整領域１２０において、第１の調整層１２１が形成されており、この波長調整領域１２０とコンタクト層１１０との和である波長調整層１３０の厚さに対応した波長λ３の光が出射される。
また、第４の面発光レーザ１４には、波長調整領域１２０は形成されないため、コンタク層１１０の厚さと等しい波長調整層１３０の厚さに対応した波長λ４の光が出射される。
このようにして、第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２、第３の面発光レーザ１３、第４の面発光レーザ１４における波長調整層１３０の厚さを少しずつ変えることができ、波長調整層１３０における各々の厚さに対応した波長の光を各々出射させることができる。
（面発光レーザ素子の製造方法）
本実施の形態においては、基板１０１は、ｎ−ＧａＡｓ基板を用いている。また、下部ブラッグ反射鏡１０２は、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層とｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とを各々の層の光学的な膜厚がλ／４となるように３５．５ペア積層することにより形成されている。
下部ブラッグ反射鏡１０２の上には、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる下部スペーサ層１０３を介し、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層／ＧａＩｎＰＡｓ障壁層からなる活性層１０４が形成されている。活性層１０４上には、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる上部スペーサ層１０５、第１の上部ブラッグ反射鏡１０６が形成されている。尚、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５により１波長光学厚さとなる共振器領域が形成されている。
第１の上部ブラッグ反射鏡１０６は、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層とｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とを各々の層の光学的な膜厚がλ／４となるように６ペア積層することにより形成されている。第１の上部ブラッグ反射鏡１０６の低屈折率層の一つは、ＡｌＡｓからなる電流狭窄層１０８により形成されており、電流狭窄層１０８の周辺部分は選択酸化されて選択酸化領域１０８ａが形成されており、中心部分は酸化されていない電流狭窄領域１０８ｂが形成されている。
第１の上部ブラッグ反射鏡１０６の上には、ｐ−ＧａＡｓからなるコンタクト層１１０、第１の調整層１２１、第２の調整層１２２、第３の調整層１２３からなる波長調整領域１２０が形成されている。尚、上述したように、各々の面発光レーザより出射される波長に対応して波長調整領域１２０における層の一部は除去されている。
本実施の形態における面発光レーザ素子では、各々の面発光レーザはメサ構造となっており、このメサ構造は、形成される面発光レーザ間の半導体層をエッチングにより除去することにより形成される。メサ構造を形成した後、水蒸気中で熱処理を行なうことにより、電流狭窄層１０８をメサ構造の周囲より酸化し、周辺部分の選択酸化領域１０８ａ（酸化されている領域）と中心部分の酸化されていない電流狭窄領域１０８ｂとが形成される。つまり、電流狭窄層１０８は、酸化された選択酸化領域１０８ａと、酸化されていない電流狭窄領域１０８ｂとから構成されており、電流狭窄構造となっている。尚、メサ構造の上部より見た形状は、円形となるように形成してもよく、楕円形、正方形、長方形等の形状となるように形成してもよい。
また、各々の面発光レーザに対応してエッチングにより除去された波長調整層１３０の上には、第２の上部ブラッグ反射鏡１０７が形成されている。第２の上部ブラッグ反射鏡１０７はＴｉＯ２高屈折率層とＳｉＯ２低屈折率層とを各々の層の光学的な膜厚がλ／４となるように８．５ペア積層することにより形成されている。尚、第２の上部ブラッグ反射鏡１０７は、誘電体材料であって、高屈折率材料と低屈折率材料とを積層して形成したものであればよく、具体的には、酸化物、窒化物、フッ化物等の材料が挙げられる。高屈折率材料としては、ＴｉＯ２の他、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２等が挙げられる。また、低屈折率材料としては、ＳｉＯ２の他、ＭｇＦ２等が挙げられる。第２の上部ブラッグ反射鏡１０７におけるＴｉＯ２高屈折率層とＳｉＯ２低屈折率層の形成方法は、スパッタリングまたは真空蒸着等により形成される。更に、全体にはＳｉＮからなる保護膜１４０が形成されており、各々の面発光レーザのメサの間にはポリイミド等の樹脂材料からなる樹脂層１４１が形成されている。
この後、ｐ側電極となる上部電極１１１を形成する。この上部電極１１１は、各々の面発光レーザに対応して各々形成されており、各々の上部電極１１１は、各々電極パッド２１〜２４と接続されている。また、基板１０１の裏面にはｎ側電極となる下部電極１１２が形成されている。
次に、本実施の形態における面発光レーザ素子における波長調整層１３０の形成方法について詳しく説明する。
最初に、基板１０１上に、半導体材料からなる下部ブラッグ反射鏡１０２、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５、第１の上部ブラッグ反射鏡１０６、コンタクト層１１０、波長調整領域１２０をＭＯＣＶＤまたはＭＢＥによるエピタキシャル成長より形成する。尚、波長調整層１３０は、コンタクト層１１０と波長調整領域１２０により形成されており、波長調整領域１２０は、第１の調整層１２１、第２の調整層１２２、第３の調整層１２３を積層することにより形成されている。ここで、前述したように、第１の調整層１２１及び第３の調整層１２３は、ＧａＩｎＰにより形成されており、第２の調整層１２２は、ＧａＡｓＰにより形成されている。
次に、第１の面発光レーザ１１が形成される領域にレジストパターンを形成する。具体的には、波長調整領域１２０における第３の調整層１２３上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、レジストパターンを形成する。
次に、レジストパターンの形成されていない領域の第３の調整層１２３をウエットエッチングにより除去する。具体的には、第３の調整層１２３は、ＧａＩｎＰにより形成されているため、塩酸と水の混合液によりウエットエッチングを行なう。これによりレジストパターンが形成されていない領域の第３の調整層１２３のみを除去し、第２の調整層１２２の表面を露出させる。尚、この混合液は、第３の調整層１２３を形成しているＧａＩｎＰをエッチングすることはできるが、第２の調整層１２２を形成しているＧａＡｓＰは殆どエッチングすることができないものである。この混合液は第１のエッチング液とも記載する場合がある。この後、有機溶剤等によりレジストパターンを除去する。
次に、第１の面発光レーザ１１及び第２の面発光レーザ１２が形成される領域にレジストパターンを形成する。具体的には、波長調整領域１２０の第３の調整層１２３及び第２の調整層１２２上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、レジストパターンを形成する。
次に、レジストパターンの形成されていない領域の第２の調整層１２２をウエットエッチングにより除去する。具体的には、第２の調整層１２２は、ＧａＡｓＰにより形成されているため、硫酸と過酸化水素と水の混合液によりウエットエッチングを行なう。これによりレジストパターンが形成されていない領域の第２の調整層１２２のみを除去し、第１の調整層１２１の表面を露出させる。尚、この混合液は、第２の調整層１２２を形成しているＧａＡｓＰをエッチングすることはできるが、第１の調整層１２１を形成しているＧａＩｎＰは殆どエッチングすることができないものである。この混合液を第２のエッチング液と記載する場合がある。この後、有機溶剤等によりレジストパターンを除去する。
次に、第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２及び第３の面発光レーザ１３が形成される領域にレジストパターンを形成する。具体的には、波長調整領域１２０における第１の調整層１２１、第２の調整層１２２及び第３の調整層１２３上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、レジストパターンを形成する。
次に、レジストパターンの形成されていない領域の第１の調整層１２１をウエットエッチングにより除去する。具体的には、第１のエッチング液によりレジストパターンの形成されていない領域の第１の調整層１２１を除去する。これによりレジストパターンが形成されていない領域の第１の調整層１２１のみを除去し、コンタクト層１１０の表面を露出させる。この後、有機溶剤等によりレジストパターンを除去する。
次に、第２の上部ブラッグ反射鏡１０７を形成する。具体的には、スパッタリング等により、酸化物、窒化物、フッ化物等からなる高屈折率材料からなる誘電体膜と低屈折率材料からなる誘電体膜を所定の膜厚ごとに交互に積層することにより形成する。尚、第２の上部ブラッグ反射鏡１０７は、屈折率の異なる半導体材料を積層形成したものにより形成することも可能である。
これにより、本実施の形態における面発光レーザ素子における波長調整層１３０及び第２の上部ブラッグ反射鏡１０７を形成することができる。
本実施の形態においては、波長調整層１３０における波長調整領域１２０を形成している第１の調整層１２１、第２の調整層１２２、第３の調整層１２３には、Ａｌを含んでいないため、エッチング後に酸化等がされにくく、エッチング後もきれいな表面状態を維持することができる。即ち、Ａｌは極めて腐食されやすいため、Ａｌを含んだ材料により第１の調整層１２１、第２の調整層１２２、第３の調整層１２３のいずれかを形成した場合、ウエットエッチング等を行なった後の表面状態は劣悪なものとなり、この上に第２の上部ブラッグ反射鏡１０７を形成しても、剥がれてしまう場合や、厚さが不均一となる場合等がある。しかしながら、本実施の形態における面発光レーザ素子では、波長調整領域１２０はＡｌを含まない材料により形成されているため、Ａｌの腐食等が生じることはなく、このような問題が生じることはない。
また、本実施の形態においては、波長調整層１３０における波長調整領域１２０は、ＧａＡｓＰとＧａＩｎＰとを交互に形成したものであり、ウエットエッチングを行う際には、相互に一方はエッチングをすることができるが他方はエッチングすることができない２種類のエッチング液を用いてエッチングを行なっている。このような２種類のエッチング液を用いてエッチングを行なうことにより、エッチング後の表面は平坦になり、オーバーエッチングされることなく所定の厚さで形成することができる。これにより、特性の安定した面発光レーザ素子を得ることができる。
尚、本実施の形態における説明では、ＧａＡｓＰとＧａＩｎＰとの組み合わせの場合について説明したが、Ａｌを含まない材料であって、更にエッチング液が異なり、発振波長よりもバンドギャップエネルギーの大きい他の半導体材料の組み合わせでもよい。本実施の形態における発振波長である８９４．６ｎｍの場合、このような半導体材料の組み合わせとしては、例えばＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓＰ等が挙げられる。また、ＧａＡｓＮ／ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＳｂ／ＧａＩｎＰ等のようにＮ、Ｓｂが添加されていてもよい。
以上により、本実施の形態における面発光レーザ素子では、１つの基板１０１において、波長の異なる光を出射する複数の面発光レーザを形成することができる。これにより、面発光レーザ素子を製造する際に半導体層等において膜厚変動が生じた場合であっても、所望の波長に最も近い波長の光を出射するものを第１の面発光レーザ１１から第４の面発光レーザ１４のうちから選ぶことにより、所望の波長の半導体レーザを容易に得ることができる。これにより、所定の波長で発光する面発光レーザを有する面発光レーザ素子を低コストで製造することができる。
尚、波長調整領域１２０の上にコンタクト層１１０を形成した場合では、波長調整領域１２０の厚さに依存して各々の面発光レーザに流すことのできる電流量等も変化し、各々の面発光レーザにおける電気的な特性及び発光特性も大きく異なるものとなる。また、波長調整領域１２０に電流を通す場合、各層の界面におけるバンド不連続により電気抵抗が増加してしまう。しかしながら、本実施の形態における面発光レーザ素子では、コンタクト層１１０は波長調整領域１２０の下に形成されているため、面発光レーザに注入される電流は波長調整領域１２０を通過することはなく、波長調整領域１２０の厚さに依存して抵抗等が変化することはない。
次に、波長調整層１３０と共振器領域の間に形成される第１の上部ブラッグ反射鏡１０６の利点について説明する。例えば、波長調整層が１波長分の光学長を持つ共振器領域の中に形成されている場合、波長８９５ｎｍを中心として波長１ｎｍ間隔で４波長とすると、波長調整層を構成する１層あたり１．３ｎｍとなり、現状の結晶成長技術ではウエハ面内において均一に形成することは極めて困難である。そこで、本実施の形態においては、共振器領域と波長調整層１３０との間に上部ブラッグ反射鏡の一部となる第１の上部ブラッグ反射鏡１０６を形成する。具体的には、第１の上部ブラッグ反射鏡１０６として、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層とｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とを各々の層の光学的な膜厚がλ／４となるように６ペア積層することにより形成する。更に、第１の上部ブラッグ反射鏡１０６の上に、コンタクト層１１０を形成し、コンタクト層１１０の上に、波長調整領域１２０を形成する。波長調整領域１２０を形成している第１の調整層１２１、第２の調整層１２２及び第３の調整層１２３は、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＰの膜厚がそれぞれ１６ｎｍ／１６ｎｍ／１６ｎｍとなるように形成されており、現状の結晶成長技術で十分に均一に製造できるものである。よって、面発光レーザ間における波長間隔のバラつきを減らすことができる。
また、このような構造で形成することにより、同時に電気抵抗を低減させることもできる。即ち、波長調整層１３０の上部には誘電体による第２の上部ブラッグ反射鏡１０７が形成され、その周囲に上部電極１１１が形成されるが、共振器領域の中に波長調整層を設けた場合、層構造上、コンタクト層に近い位置にＡｌＡｓ被選択酸化層を設ける必要があり電流経路が非常に狭くなり電気抵抗が増加する。そこで、本実施の形態では、波長調整層１３０（波長調整領域１２０の下にコンタクト層１１０が形成されている）と共振器領域との間に第１の上部ブラッグ反射鏡１０６を形成することにより、電流経路を拡大させることができ、電気抵抗を低減させることができる。
尚、第２の上部ブラッグ反射鏡１０７を７ペア以上とすることにより、波長調整層１３０における波長調整領域１２０の各層の膜厚を更に増やすことができ、均一な製造が容易となり、電気抵抗も低減する。しかしながら、第２の上部ブラッグ反射鏡１０７におけるペア数が増えると、波長調整層１３０における光学厚さがλ／４より大きくなり、上部ブラッグ反射鏡全体の反射率が低下してしまう。このように第２の上部ブラッグ反射鏡１０７には、波長調整層１３０の光学的厚さをλ／４に近くすることができるような最適ペア数が存在する。
次に、波長調整層１３０の厚さについて説明する。図４（ａ）に示されるように、波長調整層１３０の光学的な厚さＰが、λ／４≦Ｐ＜λ／２である場合には、図４（ｂ）に示されるように、第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２、第３の面発光レーザ１３、第４の面発光レーザ１４における上部ブラッグ反射鏡の反射率を略一定にすることができる。尚、Ｌ１は第１の面発光レーザ１１における波長調整層１３０の表面であり、Ｌ２は第２の面発光レーザ１２における波長調整層１３０の表面であり、Ｌ３は第３の面発光レーザ１３における波長調整層１３０の表面であり、Ｌ４は第４の面発光レーザ１４における波長調整層１３０の表面を示す。
一方、図５（ａ）に示されるように、波長調整層１３０の光学的な厚さＰが、λ／２＜Ｐである場合には、図５（ｂ）に示されるように、第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２、第３の面発光レーザ１３、第４の面発光レーザ１４における上部ブラッグ反射鏡の反射率が大きく異なってしまう。
また、図６（ａ）に示されるように、波長調整層１３０の光学的な厚さＰが、Ｐ＜λ／４である場合には、図６（ｂ）に示されるように、第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２、第３の面発光レーザ１３、第４の面発光レーザ１４における上部ブラッグ反射鏡の反射率が大きく異なってしまう。
以上より、波長調整層１３０の光学的な厚さＰは、
λ／４≦Ｐ＜λ／２
であることが好ましく、このことを一般化するならば、
（２Ｎ−１）λ／４≦Ｐ＜Ｎλ／２
であることが好ましい。尚、Ｎは正の整数であるが、光吸収の影響を受け、閾値電流の増加などの弊害を考慮した場合には、Ｎは小さい方が好ましい。
また、波長調整領域１２０の厚さが薄く、波長調整領域１２０とコンタクト層１１０の光学的な厚さの和がλ／４未満の場合には、図７（ａ）に示すように波長調整層１３０に位相調調整領域１３１を設けてもよい。これにより、波長調整層１３０における光学的な厚さＰをλ／４≦Ｐ＜λ／２、一般的には、（２Ｎ−１）λ／４≦Ｐ＜２Ｎλ／４とすることができ、図７（ｂ）に示されるように、第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２、第３の面発光レーザ１３、第４の面発光レーザ１４における上部ブラッグ反射鏡の反射率を略一定にすることができる。尚、この場合、波長調整層１３０は、コンタクト層１１０、波長調整領域１２０、位相調整領域１３１により形成される。また、位相調整領域１３１は、ＡｌＧａＡｓにより形成されており、図７（ａ）に示すように、位相調整領域１３１は、コンタクト層１１０の下に形成してもよく、図８に示すように、位相調整領域１３１は、コンタクト層１１０と波長調整領域１２０との間に形成してもよい。更には、図９に示すように、位相調整領域１３１ａをＧａＡｓＰとＧａＩｎＰとを交互に積層した積層膜により形成してもよい。
また、本実施の形態における面発光レーザ素子は、波長調整領域１２０において複数の膜を形成した構造のものであるが、波長調整層１３０において、光学的な膜厚がλ／４となる位置は、形成されている膜（調整層）の層数をＭとした場合（Ｍは正の整数）、Ｍが奇数の場合には、上から（Ｍ＋１）／２番目の膜（調整層）であり、Ｍが偶数の場合には、上からＭ／２番目または、（Ｍ／２）+１番目の膜（調整層）となるように形成されていることが好ましい。
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態における面発光レーザ素子について説明する。尚、本実施の形態における面発光レーザ素子は、波長が８９４．６ｎｍの面発光レーザであって、波長調整領域が下部ブラッグ反射鏡に設けられている構造のものである。本実施の形態における面発光レーザ素子１５０は、図１０及び図１１に示すように、複数の面発光レーザを有しており、具体的には、第１の面発光レーザ１５１、第２の面発光レーザ１５２、第３の面発光レーザ１５３、第４の面発光レーザ１５４を有している。尚、図１０は本実施の形態の説明のため簡略化されており、便宜上コンタク層等の記載は省略されている。また、図１１は、図１０における一点鎖線１０Ａ−１０Ｂにおいて切断した断面図である。
本実施の形態における面発光レーザ素子１５０は、３００μｍ角の半導体チップ上に形成されており、この半導体チップ上に形成された第１の面発光レーザ１５１、第２の面発光レーザ１５２、第３の面発光レーザ１５３、第４の面発光レーザ１５４は、各々に対応して設けられた電極パッドに接続されている。具体的には、第１の面発光レーザ１５１には電極パッド１６１が接続されており、第２の面発光レーザ１５２には電極パッド１６２が接続されており、第３の面発光レーザ１５３には電極パッド１６３が接続されており、第４の面発光レーザ１５４には電極パッド１６４が接続されている。
また、第１の面発光レーザ１５１、第２の面発光レーザ１５２、第３の面発光レーザ１５３、第４の面発光レーザ１５４は、出射される光の波長が相互に異なるものである。即ち、第１の面発光レーザ１５１より出射される波長λ１、第２の面発光レーザ１５２より出射される波長λ２、第３の面発光レーザ１５３より出射される波長λ３、第４の面発光レーザ１５４より出射される波長λ４は、相互に異なる波長である。
尚、本実施の形態における面発光レーザ素子は、発振波長が８９４．６ｎｍとなる面発光レーザを得るためのものであり、３００μｍ角の半導体チップ（基板）に４つの面発光レーザが形成されている。面発光レーザ素子では、狭い領域に複数の面発光レーザを形成することができるため、発光させる面発光レーザを切換えた場合であっても、発光位置は殆ど変わらない。
本実施の形態における面発光レーザ素子は、半導体等からなる基板１０１上に、屈折率の異なる半導体材料を交互に積層形成することにより、第１の下部ブラッグ反射鏡１７２を形成し、第１の下部ブラッグ反射鏡１７２上には、位相調整領域１７３、波長調整領域１８０、第２の下部ブラッグ反射鏡１７４、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５が形成されている。上部スペーサ層１０５上には、上部ブラッグ反射鏡１７６、コンタクト層１７７が形成されている。また、コンタクト層１７７の上には上部電極１７８が形成され接続されており、基板１０１の裏面には下部電極１１２が形成されている。尚、本実施の形態では、波長調整領域１８０と位相調整領域１７３とにより波長調整層１９０が形成されており、第１の下部ブラッグ反射鏡１７２、位相調整領域１７３、波長調整領域１８０、第２の下部ブラッグ反射鏡１７４により、下部ブラッグ反射鏡１７０が形成されている。
また、基板１０１上に形成される半導体層となる第１の下部ブラッグ反射鏡１７２、位相調整領域１７３、波長調整領域１８０、第２の下部ブラッグ反射鏡１７４、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５、上部ブラッグ反射鏡１７６、コンタクト層１７７は、半導体材料をエピタキシャル成長させることにより形成されている。具体的には、これらの半導体層は、ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥによるエピタキシャル成長により形成されている。
本実施の形態における面発光レーザ素子では、第１の面発光レーザ１５１、第２の面発光レーザ１５２、第３の面発光レーザ１５３、第４の面発光レーザ１５４において、各々の波長調整領域１８０の厚さが異なっている。具体的には、波長調整領域１８０は、第１の調整層１８１、第２の調整層１８２、第３の調整層１８３により形成されている。本実施の形態では、第１の調整層１８１及び第３の調整層１８３はＧａＩｎＰにより形成されており、第２の調整層１８２はＧａＡｓＰにより形成されている。尚、第１の調整層１８１、第２の調整層１８２、第３の調整層１８３を形成している材料は、この逆であってもよい。
このように本実施の形態における面発光レーザ素子は、第１の面発光レーザ１５１、第２の面発光レーザ１５２、第３の面発光レーザ１５３、第４の面発光レーザ１５４における波長調整領域１８０の厚さ、即ち、波長調整層１９０の厚さが異なるものである。
具体的には、第１の面発光レーザ１５１には、波長調整領域１８０において、第１の調整層１８１、第２の調整層１８２、第３の調整層１８３が形成されており、この波長調整領域１８０を含む波長調整層１９０の厚さに対応した波長λ１の光が出射される。
また、第２の面発光レーザ１５２には、波長調整領域１８０のうち、第１の調整層１８１、第２の調整層１８２が形成されており、この波長調整領域１８０を含む波長調整層１９０の厚さに対応した波長λ２の光が出射される。
また、第３の面発光レーザ１５３には、波長調整領域１８０において、第１の調整層１８１が形成されており、この波長調整領域１８０を含む波長調整層１９０の厚さに対応した波長λ３の光が出射される。
また、第４の面発光レーザ１５４には、波長調整領域１８０は形成されないため、波長調整領域１８０が形成されていない場合の波長調整層１９０の厚さに対応した波長λ４の光が出射される。
このようにして、第１の面発光レーザ１５１、第２の面発光レーザ１５２、第３の面発光レーザ１５３、第４の面発光レーザ１５４における波長調整領域１８０の厚さを少しずつ変えることができ、波長調整領域１８０における各々の厚さに対応した波長の光を各々出射させることができる。
本実施の形態においては、基板１０１は、ｎ−ＧａＡｓ基板を用いている。また、下部ブラッグ反射鏡１７０は、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層とｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とを各々の層の光学的な膜厚がλ／４となるように３５．５ペア積層することにより形成されている。
下部ブラッグ反射鏡１７０は前述したように、基板１０１の上に、第１の下部ブラッグ反射鏡１７２、位相調整領域１７３、波長調整領域１８０、第２の下部ブラッグ反射鏡１７４により形成されている。従って、位相調整領域１７３及び波長調整領域１８０は、下部ブラッグ反射鏡１７０の内部に形成されている。尚、本実施の形態においては、図１２に示されるように、位相調整領域１７３の光学的な膜厚と波長調整領域１８０の光学的な膜厚の半分との和、即ち、位相調整領域１７３の下部から波長調整領域１８０の中心部分までの光学的な膜厚がλ／４となるように形成されている。
下部ブラッグ反射鏡１７０の上には、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる下部スペーサ層１０３を介し、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層／ＧａＩｎＰＡｓ障壁層からなる活性層１０４が形成されている。活性層１０４上には、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる上部スペーサ層１０５が形成されている。尚、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５により１波長光学厚さとなる共振器領域が形成されている。
上部ブラッグ反射鏡１７６は、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層とｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とを各々の層の光学的な膜厚がλ／４となるように２４ペア積層することにより形成されている。上部ブラッグ反射鏡１７６の低屈折率層の一つは、ＡｌＡｓからなる電流狭窄層１０８により形成されており、電流狭窄層１０８の周辺部分は選択酸化されて選択酸化領域１０８ａが形成されており、中心部分は酸化されていない電流狭窄領域１０８ｂが形成されている。また、上部ブラッグ反射鏡１７６の上には、ｐ−ＧａＡｓからなるコンタクト層１７７が形成されている。
図１２（ａ）に示されるように、位相調整領域１７３の光学的な膜厚の値と波長調整領域１８０の光学的な膜厚の半分の値との和が約λ／４である場合には、図１２（ｂ）に示されるように、第１の面発光レーザ１５１、第２の面発光レーザ１５２、第３の面発光レーザ１５３、第４の面発光レーザ１５４における下部ブラッグ反射鏡の反射率を略一定にすることができる。尚、Ｌ１は第１の面発光レーザ１５１における波長調整層１９０の表面であり、Ｌ２は第２の面発光レーザ１５２における波長調整層１９０の表面であり、Ｌ３は第３の面発光レーザ１５３における波長調整層１９０の表面であり、Ｌ４は第４の面発光レーザ１５４における波長調整層１９０の表面を示す。
本実施の形態における面発光レーザ素子では、各々の面発光レーザはメサ構造となっており、このメサ構造は、形成される面発光レーザ間の半導体層をドライエッチング等により除去することにより形成される。メサ構造を形成した後、水蒸気中で熱処理を行なうことにより、電流狭窄層１０８をメサ構造の周囲より酸化し、周辺部分の選択酸化領域１０８ａ（酸化されている領域）と中心部分の酸化されていない電流狭窄領域１０８ｂとが形成される。つまり、電流狭窄層１０８は、酸化された選択酸化領域１０８ａと、酸化されていない電流狭窄領域１０８ｂとから構成されており、電流狭窄構造となっている。具体的には、電流狭窄層１０８を形成しているＡｌＡｓを水蒸気中で熱処理することにより酸化させてＡｌｘＯｙを形成し、このように形成されたＡｌｘＯｙにより選択酸化領域１０８ａが形成される。この際、電流狭窄層１０８において酸化されていないＡｌＡｓにより電流狭窄領域１０８ｂが形成される。尚、メサ構造の上部より見た形状は、円形となるように形成してもよく、楕円形、正方形、長方形等の形状となるように形成してもよい。
更に、全体にはＳｉＮからなる保護膜１４０が形成されており、各々の面発光レーザのメサの間にはポリイミド等の樹脂材料を埋め込むことにより樹脂層１４１が形成されている。この後、ｐ側電極となる上部電極１７８を形成する。この上部電極１７８は、各々の面発光レーザに対応して各々形成されており、各々の上部電極１７８は、各々電極パッド１６１〜１６４と接続されている。
具体的には、ＳｉＮからなる保護膜１４０を形成し、各々の面発光レーザのメサの間にポリイミド等の樹脂材料を埋め込み平坦化することにより樹脂層１４１を形成する。この後、コンタクト層１７７の上の保護膜１４０及び樹脂層１４１を除去し、コンタクト層１７７を露出させ、コンタクト層１７７の上に、上部電極１７８を形成する。尚、基板１０１の裏面にはｎ側電極となる下部電極１１２が形成されている。
本実施の形態における面発光レーザ素子は、基板１０１側とは反対側にレーザ光が出射されるものである。尚、本実施の形態においては、ＳｉＮにより形成されている保護膜１４０により、メサエッチングで現れた腐食しやすいＡｌを含む層の側面や底面を誘電体により保護することができるため、信頼性を向上させることができる。
次に、波長調整領域１８０と共振器の間に形成される第２の下部ブラッグ反射鏡１７４の利点について説明する。波長調整領域が１波長分の光学長を持つ共振器の中に形成されている場合、波長８９５ｎｍを中心として波長１ｎｍ間隔で４波長とすると、波長調整領域を構成する調整層の１層あたりが１ｎｍ程度となり、現状の結晶成長技術ではウエハ面内における均一化は極めて困難である。
そこで、本実施の形態においては、共振器と波長調整領域１８０の間に下部ブラッグ反射鏡１７０の一部となる第２の下部ブラッグ反射鏡１７４を形成する。具体的には、第２の下部ブラッグ反射鏡１７４として、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層とｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とを各々の層の光学的な膜厚がλ／４となるように１０ペア積層することにより形成する。これにより、波長調整領域１８０を形成している第１の調整層１８１、第２の調整層１８２及び第３の調整層１８３におけるＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＰの膜厚が、それぞれ１６ｎｍ／１６ｎｍ／１６ｎｍとすることができ、現状の結晶成長技術により十分に均一に製造することができるため、第１の実施の形態と同様に、波長間隔のバラつきを改善することができる。
尚、第２の下部ブラッグ反射鏡１７４を１１ペア以上形成した場合、波長調整領域１８０における各々の層の膜厚をより一層厚くすることが可能であるため、均一性をさらに高めることができる。しかしながら、図１３に示されるように、第２の下部ブラッグ反射鏡１７４におけるペア数が増加すると、波長調整領域１８０における光学膜厚がλ／４（ブラッグ反射鏡の光学膜厚）より大幅に厚くなるため、下部ブラッグ反射鏡１７０全体の反射率が低下してしまい好ましくない。このように第２の下部ブラッグ反射鏡には、波長調整領域１８０の光学的膜厚がλ／４に近くなるべき最適ペア数が存在する。
一方、図１３（ａ）に示されるように、位相調整領域１７３の光学的な膜厚の値と波長調整領域１８０の光学的な膜厚の半分の値との和がλ／４以上である場合には、図１３（ｂ）に示されるように、第１の面発光レーザ１５１、第２の面発光レーザ１５２、第３の面発光レーザ１５３、第４の面発光レーザ１５４における各々の下部ブラッグ反射鏡の反射率が大きく異なってしまう。これに対し、本実施の形態においては、図１２（ｂ）に示されるように、各々の下部ブラッグ反射鏡における反射率の均一性を高めることができる。
次に、本実施の形態における面発光レーザ素子における波長調整領域１８０の形成方法について詳しく説明する。
最初に、基板１０１上に、半導体材料からなる第１の下部ブラッグ反射鏡１７２、位相調整領域１７３、波長調整領域１８０をＭＯＣＶＤまたはＭＢＥによるエピタキシャル成長より形成する。前述したように、波長調整層１９０は、位相調整領域１７３と波長調整領域１８０により形成されており、波長調整領域１８０は、第１の調整層１８１、第２の調整層１８２、第３の調整層１８３を積層することにより形成されている。尚、第１の調整層１８１及び第３の調整層１８３は、ＧａＩｎＰにより形成されており、第２の調整層１８２は、ＧａＡｓＰにより形成されている。
次に、第１の面発光レーザ１５１が形成される領域にレジストパターンを形成する。具体的には、波長調整領域１８０における第３の調整層１８３上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、レジストパターンを形成する。
次に、レジストパターンの形成されていない領域の第３の調整層１８３をウエットエッチングにより除去する。具体的には、第３の調整層１８３は、ＧａＩｎＰにより形成されているため、塩酸と水の混合液によりウエットエッチングを行なう。これによりレジストパターンが形成されていない領域の第３の調整層１８３のみを除去し、第２の調整層１８２の表面を露出させる。尚、この混合液は、第３の調整層１８３を形成しているＧａＩｎＰをエッチングすることはできるが、第２の調整層１８２を形成しているＧａＡｓＰは殆どエッチングすることができない。この混合液は第１のエッチング液とも記載する場合がある。この後、有機溶剤等によりレジストパターンを除去する。
次に、第１の面発光レーザ１５１及び第２の面発光レーザ１５２が形成される領域にレジストパターンを形成する。具体的には、波長調整領域１８０の第３の調整層１８３及び第２の調整層１８２上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、レジストパターンを形成する。
次に、レジストパターンの形成されていない領域の第２の調整層１８２をウエットエッチングにより除去する。具体的には、第２の調整層１８２は、ＧａＡｓＰにより形成されているため、硫酸と過酸化水素と水の混合液によりウエットエッチングを行なう。これによりレジストパターンが形成されていない領域の第２の調整層１８２のみを除去し、第１の調整層１８１の表面を露出させる。尚、この混合液は、第２の調整層１８２を形成しているＧａＡｓＰをエッチングすることはできるが、第１の調整層１８１を形成しているＧａＩｎＰは殆どエッチングすることができない。この混合液を第２のエッチング液と記載する場合がある。この後、有機溶剤等によりレジストパターンを除去する。
次に、第１の面発光レーザ１５１、第２の面発光レーザ１５２及び第３の面発光レーザ１５３が形成される領域にレジストパターンを形成する。具体的には、波長調整領域１８０における第１の調整層１８１、第２の調整層１８２及び第３の調整層１８３上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、レジストパターンを形成する。
次に、レジストパターンの形成されていない領域の第１の調整層１８１をウエットエッチングにより除去する。具体的には、第１のエッチング液によりレジストパターンの形成されていない領域の第１の調整層１８１を除去する。これによりレジストパターンが形成されていない領域の第１の調整層１８１のみを除去し、位相調整領域１７３の表面を露出させる。この後、有機溶剤等によりレジストパターンを除去する。
次に、第２の下部ブラッグ反射鏡１７４を形成する。これにより、本実施の形態における面発光レーザ素子における波長調整領域１８０を含む下部ブラッグ反射鏡１７０を形成することができる。
本実施の形態では、波長調整層１９０において波長調整領域１８０を形成している第１の調整層１８１、第２の調整層１８２、第３の調整層１８３には、Ａｌが含まれていないため、エッチング後に酸化等がされにくく、エッチング後もきれいな表面状態を維持することができる。即ち、Ａｌは極めて腐食されやすいため、Ａｌを含んだ材料により第１の調整層１８１、第２の調整層１８２、第３の調整層１８３のいずれかを形成した場合、ウエットエッチング等を行なった後の表面状態は劣悪なものとなり、この上に第２の下部ブラッグ反射鏡１７４を形成しても、剥がれてしまう場合や、厚さが不均一となる場合等がある。しかしながら、本実施の形態における面発光レーザ素子では、波長調整領域１８０はＡｌを含まない材料により形成されているため、Ａｌの腐食等が生じることはなく、このような問題が生じることはない。
また、本実施の形態では、波長調整層１９０における波長調整領域１８０は、ＧａＡｓＰとＧａＩｎＰとを交互に形成したものであり、ウエットエッチングを行う際には、相互に一方はエッチングをすることができるが他方はエッチングすることができない２種類のエッチング液を用いてエッチングを行なっている。このような２種類のエッチング液を用いてエッチングを行なうことにより、エッチング後の表面は平坦になり、オーバーエッチングされることなく所定の厚さで形成することができる。これにより、特性の安定した面発光レーザ素子を得ることができる。
尚、本実施の形態における説明では、ＧａＡｓＰとＧａＩｎＰとの組み合わせの場合について説明したが、Ａｌを含まない材料であって、更にエッチング液が異なり、発振波長よりもバンドギャップエネルギーの大きい他の半導体材料の組み合わせでもよい。本実施の形態における発振波長である８９４．６ｎｍの場合、このような半導体材料の組み合わせとしては、例えばＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓＰ等が挙げられる。また、ＧａＡｓＮ／ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＳｂ／ＧａＩｎＰ等のようにＮ、Ｓｂが添加されていてもよい。
以上により、本実施の形態における面発光レーザ素子では、１つの基板１０１において、波長の異なる光を出射する複数の面発光レーザを形成することができる。これにより、面発光レーザ素子を製造する際に半導体層等において膜厚変動が生じた場合であっても、所望の波長に最も近い波長の光を出射するものを第１の面発光レーザ１５１から第４の面発光レーザ１５４のうちから選ぶことにより、所望の波長の半導体レーザを容易に得ることができる。これにより、所定の波長で発光する面発光レーザを有する面発光レーザ素子を低コストで製造することができる。
尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態における面発光レーザは、波長７８０ｎｍの１２ｃｈの面発光レーザ素子であり、図１４及び図１５に基づき説明する。尚、図１４は、本実施の形態における面発光レーザ素子の上面図であり、図１５（ａ）は、図１４における一点鎖線１４Ａ−１４Ｂにおいて切断した断面図、図１５（ｂ）は、図１４における一点鎖線１４Ｃ−１４Ｄにおいて切断した断面図である。
本実施の形態における面発光レーザ素子２００は、３００μｍ角の半導体チップ上に形成されており、この半導体チップ上に形成された第１の面発光レーザ２０１、第２の面発光レーザ２０２、第３の面発光レーザ２０３、第４の面発光レーザ２０４、第５の面発光レーザ２０５、第６の面発光レーザ２０６、第７の面発光レーザ２０７、第８の面発光レーザ２０８、第９の面発光レーザ２０９、第１０の面発光レーザ２１０、第１１の面発光レーザ２１１、第１２の面発光レーザ２１２は、各々に対応して設けられた電極パッドに接続されている。
具体的には、第１の面発光レーザ２０１には電極パッド２２１が接続されており、第２の面発光レーザ２０２には電極パッド２２２が接続されており、第３の面発光レーザ２０３には電極パッド２２３が接続されており、第４の面発光レーザ２０４には電極パッド２２４が接続されており、第５の面発光レーザ２０５には電極パッド２２５が接続されており、第６の面発光レーザ２０６には電極パッド２２６が接続されており、第７の面発光レーザ２０７には電極パッド２２７が接続されており、第８の面発光レーザ２０８には電極パッド２２８が接続されており、第９の面発光レーザ２０９には電極パッド２２９が接続されており、第１０の面発光レーザ２１０には電極パッド２３０が接続されており、第１１の面発光レーザ２１１には電極パッド２３１が接続されており、第１２の面発光レーザ２１２には電極パッド２３２が接続されている。
また、第１の面発光レーザ２０１、第２の面発光レーザ２０２、第３の面発光レーザ２０３、第４の面発光レーザ２０４、第５の面発光レーザ２０５、第６の面発光レーザ２０６、第７の面発光レーザ２０７、第８の面発光レーザ２０８、第９の面発光レーザ２０９、第１０の面発光レーザ２１０、第１１の面発光レーザ２１１、第１２の面発光レーザ２１２は、出射される光の波長が相互に異なるものである。即ち、第１の面発光レーザ２０１より出射される波長λ１、第２の面発光レーザ２０２より出射される波長λ２、第３の面発光レーザ２０３より出射される波長λ３、第４の面発光レーザ２０４より出射される波長λ４、第５の面発光レーザ２０５より出射される波長λ５、第６の面発光レーザ２０６より出射される波長λ６、第７の面発光レーザ２０７より出射される波長λ７、第８の面発光レーザ２０８より出射される波長λ８、第９の面発光レーザ２０９より出射される波長λ９、第１０の面発光レーザ２１０より出射される波長λ１０、第１１の面発光レーザ２１１より出射される波長λ１１、第１２の面発光レーザ２１２より出射される波長λ１２は、相互に異なる波長である。
本実施の形態における面発光レーザ素子は、半導体等からなる基板１０１上に、下部ブラッグ反射鏡１０２、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５、第１の上部ブラッグ反射鏡１０６が形成されており、第１の上部ブラッグ反射鏡１０６の上には、第１の波長調整層２５０、第２の上部ブラッグ反射鏡２７１、第２の波長調整層２６０、第３の上部ブラッグ反射鏡２７２、コンタクト層２４０、上部電極１１１が形成されている。また、コンタクト層２４０は上部電極１１１と接続されており、基板１０１の裏面には下部電極１１２が形成されている。尚、本実施の形態では、基板１０１上に形成される半導体層となる下部ブラッグ反射鏡１０２、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５、第１の上部ブラッグ反射鏡１０６、第１の波長調整層２５０、第２の上部ブラッグ反射鏡２７１、第２の波長調整層２６０、第３の上部ブラッグ反射鏡２７２、コンタクト層２４０は、半導体材料をエピタキシャル成長させることにより形成されている。具体的には、これら半導体層は、ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥによるエピタキシャル成長により形成されている。尚、本実施の形態では、第１の上部ブラッグ反射鏡１０６、第１の波長調整層２５０、第２の上部ブラッグ反射鏡２７１、第２の波長調整層２６０、第３の上部ブラッグ反射鏡２７２により上部ブラッグ反射鏡が形成されている。また、第１の波長調整層２５０、第２の波長調整層２６０は下部ブラッグ反射鏡１０２の内部に形成したものであってもよい。
本実施の形態においては、基板１０１は、ｎ−ＧａＡｓ基板を用いている。また、下部ブラッグ反射鏡１０２は、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層とｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とを各々の層の光学的な膜厚がλ／４となるように３５．５ペア積層することにより形成されている。
下部ブラッグ反射鏡１０２の上には、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる下部スペーサ層１０３を介し、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層／ＧａＩｎＰＡｓ障壁層からなる活性層１０４が形成されている。活性層１０４上には、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる上部スペーサ層１０５、第１の上部ブラッグ反射鏡１０６が形成されている。尚、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５は１波長光学厚さとなる共振器領域が形成されている。
第１の上部ブラッグ反射鏡１０６は、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層とｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とを各々の層の光学的な膜厚がλ／４となるように３．５ペア積層することにより形成されている。尚、第１の上部ブラッグ反射鏡１０６の低屈折率層の一つは、図１５には不図示のＡｌＡｓからなる電流狭窄層により形成されている。
第１の上部ブラッグ反射鏡１０６の上には、第１の波長調整層２５０が形成されている。第１の波長調整層２５０は、ｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓからなる位相調整領域２５４、ＧａＩｎＰからなる第１の調整層２５１、ＧａＡｓＰからなる第２の調整層２５２、ＧａＩｎＰからなる第３の調整層２５３を積層することにより形成されている。
第１の波長調整層２５０の上には、第２の上部ブラッグ反射鏡２７１が形成されている。第２の上部ブラッグ反射鏡２７１は、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層とｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とを各々の層の光学的な膜厚がλ／４となるように４．５ペア積層することにより形成されている。
第２の上部ブラッグ反射鏡２７１の上には、第２の波長調整層２６０が形成されている。第２の波長調整層２６０は、ｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓからなる位相調整領域２６３、ＧａＩｎＰからなる第４の調整層２６１、ＧａＡｓＰからなる第５の調整層２６２を積層することにより形成されている。
第２の波長調整層２６０の上には、第３の上部ブラッグ反射鏡２７２が形成されている。第３の上部ブラッグ反射鏡２７２は、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層とｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とを各々の層の光学的な膜厚がλ／４となるように１７ペア積層することにより形成されている。
第３の上部ブラッグ反射鏡２７２の上には、ｐ−ＧａＡｓからなるコンタクト層２４０が形成されており、コンタクト層２４０の上には上部電極１１１が形成され、基板１０１の裏面には下部電極１１２が形成されている。
本実施の形態では、各々の面発光レーザに対応して各々のｃｈごとに、第１の波長調整層２５０及び第２の波長調整層２６０が異なる厚さとなるように形成されている。尚、厚さの異なる第１の波長調整層２５０及び第２の波長調整層２６０は、第１の実施の形態と同様の方法により形成することができる。具体的には、フォトリソグラフィと選択的エッチングを行なうことにより、波長調整層の層数を異なるように形成することができる。例えば、ＧａＡｓＰ（ＧａＡｓの場合も同様）をエッチングする際には、硫酸、過酸化水素、水の混合液を用いることができ、ＧａＩｎＰをエッチングする際には、塩酸、水の混合液を用いることができる。第１の波長調整層２５０の選択エッチングを行なった後に、第２の上部ブラッグ反射鏡２７１及び第２の波長調整層２６０を結晶成長により形成し、第２の波長調整層２６０の選択エッチングを行い、第３の上部ＢＤＲ２７２及びコンタクト層２４０を結晶成長により形成する。尚、各々の面発光レーザの形成に必要となるメサのエッチングは、ドライエッチング法により行なわれている。また、図１５に示されるように、コンタクト層２４０上に各々面発光レーザのｐ側電極となる上部電極１１１を形成し、基板１０１の裏面にｎ側共通電極となる下部電極１１２を形成する。本実施の形態における面発光レーザ素子では、基板１０１と反対側にレーザ光が放射される。
特許文献２では、波長調整層は１波長分の光学長を持つ共振器領域の中に形成されている。例えば、この場合、波長７８０ｎｍを中心として波長３ｎｍ間隔とすると、波長調整層を構成する１層あたり０．９ｎｍとなる。これは約３原子層に相当する厚さであり、現状の結晶成長技術ではウエハ面内において均一に形成することは困難である。また、Ｘ波長分（Ｘ＝２、３、、、、、）の光学長を持つ共振器領域とすると、波長調整層を構成する１層あたり０．９×Ｘｎｍとなり膜厚が増加するが、この場合、緩和振動周波数がＸ−１/２倍だけ悪化し、高速変調動作が困難となるなどの弊害が生じる。
そこで、図１５に示されるように、本実施の形態における面発光レーザ素子においては、共振器領域と第１の波長調整層２５０との間に第１の上部ブラッグ反射鏡１０６を形成する。具体的には、第１の波長調整層２５０と共振器領域との間に、４．５ペアのｐ-Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層とｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とを交互に積層することにより第１の上部ブラッグ反射鏡１０６を形成する。この場合、異なる発光素子間での発振波長間隔を３ｎｍとしても、第１の波長調整層２５０を形成しているＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＰの膜厚は、それぞれ１１．６ｎｍ／１１．６ｎｍ／１１．６ｎｍとなり、現状の結晶成長技術で十分に均一に製造することができる。よって、面発光レーザ間における波長間隔のバラつきを減らすことができる。
また、更に、第１の波長調整層２５０の上に、第２の上部ブラッグ反射鏡２７１及び第２の波長調整層２６０を形成する。これにより、第１の波長調整層２５０をより均一に発振波長間隔を狭くして形成することができる。図１６は、図１４及び図１５に示される本実施の形態における面発光レーザ素子において、第１の波長調整層２５０及び第２の波長調整層２６０の膜厚（光学的な膜厚で示す。λ／４を０．２５とする。）と発振波長の関係を示す。尚、第１の波長調整層２５０の膜厚は、第１の波長調整層２５０を形成しているＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＰについて選択エッチングをすることにより変化させることができる。同様に、第２の波長調整層２６０の膜厚は、第２の波長調整層２６０を形成しているＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰについて選択エッチングをすることにより変化させることができる。
図１６に示されるように、第２の波長調整層２６０が同じ膜厚においては、第１の波長調整層２５０の膜厚を変化させること、即ち、第１の波長調整層２５０を形成している１１．６ｎｍ／１１．６ｎｍ／１１．６ｎｍのＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＰを１層ずつエッチングすることで、約３ｎｍの発振波長変化を得ることができる。また、第１の波長調整層２５０が同じ膜厚とし、第２の波長調整層２６０の膜厚を変化させること、即ち、第２の波長調整層２６０を形成している１４ｎｍ／１１ｎｍのＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰを１層ずつエッチングすることにより、約１ｎｍの発振波長変化を得ることができる。このように、図１５に示されるように、第１の波長調整層２５０及び第２の波長調整層２６０の膜厚をそれぞれ４水準及び３水準で変化させることで、４×３＝１２水準で発振波長を異なる面発光レーザを形成することができる。また、第１の波長調整層２５０及び第２の波長調整層２６０の膜厚を調整することにより、図１６に示されるように、１２個の面発光レーザを全て約１ｎｍ間隔の異なる波長で発振させることができる。
次に、第１の波長調整層２５０に形成される位相調整領域２５４について説明する。図１７（ａ）に示されるように、位相調整領域２５４を形成することなく第１の調整層２５１、第２の調整層２５２及び第３の調整層２５３を形成した場合において、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＰの各々の層をウエットエッチングにより除去した場合の反射率を図１７（ｂ）に示す。図１７（ｂ）に示されるように、位相調整領域２５４を形成しない場合には、第１の波長調整層２５０の厚さが変化することにより反射率が大きく変化してしまう。これは、各々の波長において閾値電流等のレーザ特性におけるバラツキが大きくなることを意味する。
一方、図１８（ａ）に示すように、第１の波長調整層２５０に位相調整領域２５４を形成することにより、第１の波長調整層２５０における光学的な厚さがλ／４となる位置をＧａＡｓＰからなる第１の調整層２５２が形成されている位置にすることができる。これにより、図１８（ｂ）に示されるように、反射率の変化を少なくすることができる。
即ち、第１の波長調整層２５０の光学的な厚さＰ１は、
λ／４≦Ｐ１＜λ／２
であることが好ましく、このことを一般化するならば、
（２Ｎ−１）λ／４≦Ｐ１＜２Ｎλ／４
であることが好ましい。尚、Ｎは正の整数である。
また、第１の波長調整層２５０において光学的な膜厚がλ／４となる位置は、形成されている膜（調整層）の層数をＭとした場合（Ｍは正の整数）、Ｍが奇数の場合には、上から（Ｍ＋１）／２番目の膜（調整層）であり、Ｍが偶数の場合には、上からＭ／２番目または、（Ｍ／２）+１の膜（調整層）となるように形成されていることが好ましい。
図１９（ａ）に示されるように、位相調整領域２５４は、ｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓにより形成してもよく、図１９（ｂ）に示されるように、ＧａＩｎＰ及びＧａＡｓＰを交互に積層することに位相調整領域２５４ａを形成してもよい。尚、上記においては、第１の波長調整層２５０について説明したが、第２の波長調整層２６０についても同様である。
ところで、波長調整層としては、特許文献４ではＡｌＧａＡｓとＩｎＧａＰの組み合わせが開示されており、特許文献２ではＧａＡｓとＡｌＧａＡｓの組み合わせが開示されている。いずれもＡｌを含むＡｌＧａＡｓを用いているが、Ａｌを含んでいるので酸化など腐食しやすく信頼性に問題があった。特に、本実施の形態のように波長調整層のエッチング後に半導体層の結晶成長を行う場合においては、波長調整層表面は製造工程において大気に触れるため、Ａｌの表面が酸化され、その上に上部ブラッグ反射鏡を結晶成長させることは極めて困難である。そこで、本実施の形態における面発光レーザ素子では、特許文献２、４とは異なり、Ａｌを含まないＧａＩｎＰとＧａＡｓＰとにより波長調整層を形成することにより、製造工程における腐食の進行を極めて遅くすることができ、高い信頼性を得ることができる。
尚、本実施の形態における説明では、ＧａＡｓＰとＧａＩｎＰとの組み合わせの場合について説明したが、Ａｌを含まない材料であって、更にエッチング液が異なり、発振波長よりもバンドギャップエネルギーの大きい他の半導体材料の組み合わせでもよい。本実施の形態における発振波長である７８０ｎｍの場合、このような半導体材料の組み合わせとしては、例えばＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓＰ等が挙げられる。また、波長が１μｍ以上の長波長においてはＧａＡｓＰの代わりにＧａＡｓを用いこともできる。この場合には、ＧａＡｓ基板に対してＧａＡｓＰのように歪を有していないので扱いやすい。
尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
〔第４の実施の形態〕
次に、第４の実施の形態について説明する。図２０に基づき、本実施の形態における面発光レーザ素子について説明する。本実施の形態における面発光レーザ素子３００は、基板３０１上に８個の面発光レーザを有するものであり、第１から第３の実施の形態により異なる波長を出射する面発光レーザが形成されているものであって、更に、同じ波長を発光する面発光レーザが２個ずつ形成されているものである。
具体的には、本実施の形態における面発光レーザ素子３００は、基板３０１上に第１の面発光レーザ３１１、第２の面発光レーザ３１２、第３の面発光レーザ３１３、第４の面発光レーザ３１４、第５の面発光レーザ３１５、第６の面発光レーザ３１６、第７の面発光レーザ３１７、第８の面発光レーザ３１８を有している。第１の面発光レーザ３１１から第８の面発光レーザ３１８は、各々電極パッドに接続されている。具体的には、第１の面発光レーザ３１１には電極パッド３２１が接続されており、第２の面発光レーザ３１２には電極パッド３２２が接続されており、第３の面発光レーザ３１３には電極パッド３２３が接続されており、第４の面発光レーザ３１４には電極パッド３２４が接続されており、第５の面発光レーザ３１５には電極パッド３２５が接続されており、第６の面発光レーザ３１６には電極パッド３２６が接続されており、第７の面発光レーザ３１７には電極パッド３２７が接続されており、第８の面発光レーザ３１８には電極パッド３２８が接続されている。
また、第１の面発光レーザ３１１から第８の面発光レーザ３１８は、同じ波長のものが２個ずつとなるように形成されている。具体的には、第１の面発光レーザ３１１及び第２の面発光レーザ３１２より出射される光は同じ波長λ１、第３の面発光レーザ３１３及び第４の面発光レーザ３１４より出射される光は同じ波長λ２、第５の面発光レーザ３１５及び第６の面発光レーザ３１６より出射される光は同じ波長λ３、第７の面発光レーザ３１７及び第８の面発光レーザ３１８より出射される光は同じ波長λ４であり、波長λ１からλ４は、相互に異なる波長である。このように各々の面発光レーザにおいて異なる波長の光を出射させるために、第１の実施の形態と同様に波長調整層を設け、各々の面発光レーザごとに、波長調整層の厚さを変えて形成している。尚、電極バッド３２１から３２８の大きさは、各々約５０μｍ角であり、基板３０１は３００μｍ角の大きさの半導体チップである。
本実施の形態における面発光レーザ素子では、同じ波長の光を発光する面発光レーザが２個ずつ存在しているため、不良や故障等により、同じ波長の光を出射する面発光レーザのうち、一方が発光しなくなったとしても他方を用いることができる。よって、面発光レーザ素子の寿命を長寿命にすることができるとともに、歩留りをより向上させることができる。また、本実施の形態における面発光レーザ素子では、必要な波長に最も近い波長の素子のみならず、２番目に近い波長の素子を用いてもよく、それを予備の面発光レーザとして用いることで長寿命化させることができる。
尚、上記以外の内容については、第１から第３の実施の形態と同様である。
〔第５の実施の形態〕
次に、第５の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１から第４の実施の形態における面発光レーザ素子を用いた原子発振器である。図２１に基づき本実施の形態における原子発振器について説明する。本実施の形態における原子発振器は、ＣＰＴ方式の小型原子発振器であり、光源４１０、コリメートレンズ４２０、λ／４波長板４３０、アルカリ金属セル４４０、光検出器４５０、変調器４６０を有している。
光源４１０は、第１から第４の実施の形態における面発光レーザ素子が用いられている。アルカリ金属セル４４０には、アルカリ金属としてＣｓ（セシウム）原子ガスが封入されており、Ｄ１ラインの遷移を用いるものである。光検出器４５０は、フォトダイオードが用いられている。
本実施の形態のおける原子発振器では、光源４１０より出射された光をセシウム原子ガスが封入されたアルカリ金属セル４４０に照射し、セシウム原子における電子を励起する。アルカリ金属セル４４０を透過した光は光検出器４５０において検出され、光検出器４５０において検出された信号は変調器４６０にフィードバックされ、変調器４６０により光源４１０における面発光レーザ素子を変調する。
図２２に、ＣＰＴに関連する原子エネルギー準位の構造を示す。二つの基底準位から励起準位に電子が同時に励起されると光の吸収率が低下することを利用する。面発光レーザは搬送波波長が８９４．６ｎｍに近い素子を用いている。搬送波の波長は面発光レーザの温度、もしくは出力を変化させてチューニングすることができる。温度や出力を上げると長波長にシフトするため、アルカリ金属セルの光密度の変動は好ましくないので温度変化を利用するのが好ましい。具体的に、波長の温度依存性は０．０５ｎｍ／℃程度で調整できる。図２３に示すように、変調をかけることで搬送波の両側にサイドバンドが発生し、その周波数差がＣｓ原子の固有振動数である９．２ＧＨｚに一致するように４．６ＧＨｚで変調させている。図２４に示すように、励起されたＣｓガスを通過するレーザ光はサイドバンド周波数差がＣｓ原子の固有周波数差に一致した時に最大となるので、光検出器４５０の出力が最大値を保持するように変調器４６０においてフィードバックして光源４１０における面発光レーザ素子の変調周波数を調整する。原子の固有振動数が極めて安定なので変調周波数は安定した値となり、この情報がアウトプットとして取り出される。尚、波長が８９４．６ｎｍの場合では、±１ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。即ち、８９３．６ｎｍ〜８９５．６ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。
本実施の形態における原子発振器は第１から第４の実施の形態における面発光レーザ素子を用いているため、原子発振器を低コストで作製し提供することができる。また、更に、第３の実施の形態及び第４の実施の形態における面発光レーザ素子を用いることにより、より長寿命の原子発振器を提供することができる。
また、本実施例ではアルカリ金属としてＣｓを用い、そのＤ１ラインの遷移を用いるために波長が８９４．６ｎｍの面発光レーザを用いたが、ＣｓのＤ２ラインを利用する場合は８５２．３ｎｍを用いることもできる。また、アルカリ金属としてＲｂ（ルビジウム）を用いることもでき、Ｄ１ラインを利用する場合は７９５．０ｎｍ、Ｄ２ラインを利用する場合は７８０．２ｎｍを用いることができる。活性層の材料組成などは波長に応じて設計することができる。また、Ｒｂを用いる場合の変調周波数は、８７Ｒｂでは３．４ＧＨｚ、８５Ｒｂでは１．５ＧＨｚで変調させる。尚、これらの波長においても、±１ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。即ち、ＣｓのＤ２ラインを利用する場合は８５１．３ｎｍ〜８５３．３ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。また、ＲｂのＤ１ラインを利用する場合は７９４．０ｎｍ〜７９６．０ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。また、ＲｂのＤ２ラインを利用する場合は７７９．２ｎｍ〜７８１．２ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。
以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。また、本発明の実施に係る形態では、面発光レーザ素子を原子発振器に用いた場合について説明したが、第１から第４の実施の形態における面発光レーザ素子は、ガスセンサー等の所定の波長の光が必要な他の装置等に用いることができる。この場合、これらの装置等においても、用途に応じた所定の波長の面発光レーザ光を用いることにより、同様の効果を得ることができる。
１０ 面発光レーザ素子
１１ 第１の面発光レーザ
１２ 第２の面発光レーザ
１３ 第３の面発光レーザ
１４ 第４の面発光レーザ
２１ 電極パッド
２２ 電極パッド
２３ 電極パッド
２４ 電極パッド
１０１ 基板
１０２ 下部ブラッグ反射鏡
１０３ 下部スペーサ層
１０４ 活性層
１０５ 上部スペーサ層
１０６ 第１の上部ブラッグ反射鏡
１０７ 第２の上部ブラッグ反射鏡
１０８ 電流狭窄層
１０８ａ 選択酸化領域
１０８ｂ 電流狭窄領域
１１０ コンタクト層
１１１ 上部電極
１１２ 下部電極
１２０ 波長調整領域
１２１ 第１の調整層
１２２ 第２の調整層
１２３ 第３の調整層
１２４ 第４の調整層
１３０ 波長調整層
１３１ 位相調整領域
１４０ 保護膜
１４１ 樹脂層
特開２００８−５３３５３号公報 特許第２７５１８１４号公報 特開２０００−５８９５８号公報 特開平１１−３３０６３１号公報 特開２００８−２８３１２９号公報 特開２００９−１８８５９８号公報
Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８５，ｐｐ．１４６０−１４６２ （２００４）． Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ， ｖｏｌ．３，ｐｐ．５７１−６１２ Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．６１３２ ６１３２０８−１（２００６）

Claims (16)

  1. 半導体基板の上に形成された下部ブラッグ反射鏡と、
    前記下部ブラッグ反射鏡の上に形成された活性層を含む共振器と、
    前記共振器の上に形成された上部ブラッグ反射鏡と、
    を有し、
    前記上部ブラッグ反射鏡または前記下部ブラッグ反射鏡内には、波長調整層が形成されており、
    前記波長調整層の厚さを変えることにより、異なる波長を各々出射する複数の面発光レーザを有するものであって、
    前記波長調整層は、２の種類の異なる材料により形成される各々の調整層を積層することにより形成されており、
    前記波長調整層の厚さは、前記波長調整層における前記調整層の層数を変えることにより、変えたものであることを特徴とする面発光レーザ素子。
  2. 前記波長調整層における光学的な厚さＰは、λを前記面発光レーザの波長、Ｎを正の整数とした場合に、
    （２Ｎ−１）λ／４≦Ｐ＜Ｎλ／２
    であることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
  3. 前記波長調整層には前記調整層はＭ層形成されており（Ｍは正の整数）、
    前記波長調整層における光学的な膜厚が、前記活性層が設けられている側よりλ／４となる位置は、Ｍが奇数の場合には、上から（Ｍ＋１）／２番目の調整層であり、Ｍが偶数の場合には、上からＭ／２番目または、（Ｍ／２）+１番目の調整層であることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ素子。
  4. 前記波長調整層は、波長調整領域と、位相調整領域により形成されており、
    前記波長調整領域は、前記２の種類の異なる材料により形成される各々の調整層により形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
  5. 前記波長調整層は、前記波長調整領域よりも前記共振器に近い側に形成されたコンタクト層を含むものであって、
    前記コンタクト層は、一方の電極と接続されていることを特徴とする請求項４に記載の面発光レーザ素子。
  6. 前記波長調整層が、１組形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
  7. 前記波長調整層は、上部ブラッグ反射鏡中に１組形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
  8. 前記波長調整層において、前記調整層ごとに除去することにより、前記波長調整層の膜厚を変えたものであって、
    前記波長調整層における２の種類の異なる材料により形成される各々の調整層のうち、一方の調整層は、第１のエッチング液により除去されるものであり、他方の調整層は、第２のエッチング液により除去されるものであり、
    前記第１のエッチング液と前記第２のエッチング液とは異なるものであることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
  9. 前記波長調整層における２の種類の異なる材料により形成される各々の調整層のうち、一方の調整層はＧａＩｎＰにより形成されており、他方の調整層はＧａＡｓＰまたはＧａＡｓにより形成されているものであることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
  10. 前記上部ブラッグ反射鏡には、前記活性層が形成されている側より順に、第１の上部ブラッグ反射鏡、波長調整層、第２の上部ブラッグ反射鏡が形成されているものを含むものであって、
    前記第２の上部ブラッグ反射鏡は、屈折率の異なる誘電体を交互に積層形成することにより形成されたものであることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
  11. 前記複数の波長のうちいずれか１つは、８９３．６ｎｍ〜８９５．６ｎｍ、８５１．３ｎｍ〜８５３．３ｎｍ、７９４．０ｎｍ〜７９６．０ｎｍ、７７９．２ｎｍ〜７８１．２ｎｍの範囲に含まれるものであることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
  12. 半導体基板の上に形成された下部ブラッグ反射鏡と、
    前記下部ブラッグ反射鏡の上に形成された活性層を含む共振器と、
    前記共振器の上に形成された上部ブラッグ反射鏡と、
    を有する面発光レーザ素子の製造方法において、
    前記上部ブラッグ反射鏡または前記下部ブラッグ反射鏡内には、波長調整層が形成されており、
    前記波長調整層の厚さを変えることにより、異なる波長を各々出射する複数の面発光レーザを有するものであって、
    前記波長調整層は、２の種類の異なる材料により形成される各々の調整層を積層することにより形成されており、
    前記波長調整層の厚さは、前記波長調整層における前記調整層を前記調整層ごとに除去し層数を変えることにより、変えたものであって、
    前記波長調整層における２の種類の異なる材料により形成される各々の調整層のうち、一方の調整層を第１のエッチング液により除去する工程と、
    前記波長調整層における２の種類の異なる材料により形成される各々の調整層のうち、他方の調整層を第２のエッチング液により除去する工程と、
    を有し、前記第１のエッチング液と前記第２のエッチング液とが異なるものであることを特徴とする面発光レーザ素子の製造方法。
  13. 前記波長調整層における２の種類の異なる材料により形成される各々の調整層のうち、一方の調整層はＧａＩｎＰにより形成されており、他方の調整層はＧａＡｓＰまたはＧａＡｓにより形成されているものであることを特徴とする請求項１２に記載の面発光レーザ素子の製造方法。
  14. 前記上部ブラッグ反射鏡には、前記活性層が形成されている側より順に、第１の上部ブラッグ反射鏡、波長調整層、第２の上部ブラッグ反射鏡が形成されているものを含むものであって、
    前記第２の上部ブラッグ反射鏡は、屈折率の異なる誘電体を交互に積層形成することにより形成されたものであることを特徴とする請求項１２または１３のいずれかに記載の面発光レーザ素子の製造方法。
  15. 請求項１から１１のいずれかに記載の面発光レーザ素子と、
    アルカリ金属を封入したアルカリ金属セルと、
    前記面発光レーザ素子における面発光レーザより前記アルカリ金属セルに照射した光のうち、前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と、
    を有し、前記面発光レーザより出射したサイドバンドを含む光のうち、２つの異なる波長の光を前記アルカリ金属セルに入射させることにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により発振周波数を制御することを特徴とする原子発振器。
  16. 前記アルカリ金属は、ルビジウム、または、セシウムであることを特徴とする請求項１５に記載の原子発振器。
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