JP2015177000A - 面発光レーザ、面発光レーザ素子及び原子発振器 - Google Patents

面発光レーザ、面発光レーザ素子及び原子発振器 Download PDF

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Abstract

【課題】イントラキャビティ構造の面発光レーザにおいて、電気抵抗を低くすることにより最大光出力等の特性を向上させ、面発光レーザの寿命を長くする。
【解決手段】半導体基板上に半導体材料により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領域と、前記共振器領域の上に半導体材料により形成された第２の上部ブラッグ反射鏡と、前記第２の上部ブラッグ反射鏡の上に形成されたコンタクト層と、前記コンタクト層の上に形成された第１の上部ブラッグ反射鏡と、を有し、前記活性層と前記第２の上部ブラッグ反射鏡との間、または、前記第２の上部ブラッグ反射鏡には、電流狭窄層が形成され、前記電流狭窄層と前記コンタクト層との間における低屈折率層または高屈折率層の一部または全部における光学膜厚は、（２Ｎ＋１）×λ／４（Ｎ＝１，２，，，）となるように形成されていることを特徴とする面発光レーザ。
【選択図】図７

Description

本発明は、面発光レーザ、面発光レーザ素子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（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分布型ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector)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における各材料の屈折率で規格化した光学的な膜厚がλ／４となるように形成されている。
また、面発光レーザは、ブラッグ反射鏡中に電流狭窄領域を設けることが多い。電流狭窄により低電流で活性層の透明電流密度に達するため閾値電流を下げる効果があるほか、横方向の屈折率差を付けることで横モード制御にも有効である。
面発光レーザの構造には、上部ブラッグ反射鏡の途中に、電極と接続するコンタクト層を設け、モードの存在する領域を取り囲むように電極を配置した「イントラキャビティ構造」がある（非特許文献１）。イントラキャビティ構造は、上部ブラッグ反射鏡の途中でプロセスを行う場合、活性層より上部層の成長温度の影響を少なくする場合等の理由から用いられることがある。
しかしながら、イントラキャビティ構造の場合、一般的に、面発光レーザの抵抗が高くなるため、電流を流したときに発熱し、この発熱により、面発光レーザからの最大光出力が低下したり、寿命が短くなる等の問題がある。
よって、上部ブラッグ反射鏡の途中で電極と接続するコンタクト層を設けるイントラキャビティ構造の面発光レーザにおいて、電気抵抗が低く、面発光レーザの寿命の長い面発光レーザが求められている。
本実施の形態の一観点によれば、半導体基板上に半導体材料により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領域と、前記共振器領域の上に半導体材料により形成された第２の上部ブラッグ反射鏡と、前記第２の上部ブラッグ反射鏡の上に形成されたコンタクト層と、前記コンタクト層の上に形成された第１の上部ブラッグ反射鏡と、を有し、前記活性層と前記第２の上部ブラッグ反射鏡との間、または、前記第２の上部ブラッグ反射鏡には、電流狭窄層が形成されており、前記電流狭窄層は、前記電流狭窄層の一部を選択酸化することにより形成された選択酸化領域と、前記選択酸化されていない電流狭窄領域とを有しており、前記電流狭窄層と前記コンタクト層との間における低屈折率層または高屈折率層の一部または全部における光学膜厚は、（２Ｎ＋１）×λ／４（Ｎ＝１，２，，，）となるように形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、イントラキャビティ構造の面発光レーザにおいて、電気抵抗を低くすることにより最大光出力等の特性が向上し、また、面発光レーザの寿命を長くすることができる。
イントラキャビティ構造の面発光レーザ素子の断面図 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断面図 第１の実施の形態における面発光レーザ素子の説明図 通常のイントラキャビティ構造の面発光レーザ素子の説明図 ＡｌＧａＡｓにおけるＡｌ組成比とバンドエネルギとの相関図 第２の実施の形態における面発光レーザ素子の断面図 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上面図 波長調整領域を有するイントラキャビティ構造の面発光レーザ素子の説明図 電流狭窄層における電流狭窄領域の面積と電気抵抗との相関図 ＡｌＧａＡｓにおけるＡｌ組成比と熱伝導率との相関図 第３の実施の形態における面発光レーザ素子の説明図 第４の実施の形態における面発光レーザ素子の説明図 第５の実施の形態における面発光レーザ素子の上面図 第６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〕
最初に、一般的なイントラキャビティ構造の面発光レーザについて、図１に基づき説明する。図１に示される面発光レーザは、半導体基板９１１の上に、下部ブラッグ反射鏡９１２、下部スペーサ層９１３、活性層９１４、上部スペーサ層９１５、第２の上部ブラッグ反射鏡９１６、コンタクト層９１８、第１の上部ブラッグ反射鏡９１９が形成されている。半導体基板９１１は、ｎ型半導体であるｎ−ＧａＡｓ基板により形成されており、下部ブラッグ反射鏡９１２は、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓと高屈折率層とｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とを交互に積層することにより形成されている。下部スペーサ層９１３は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓにより形成されており、活性層９１４は、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層／ＧａＩｎＰＡｓ障壁層により形成されており、上部スペーサ層９１５は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓにより形成されている。この面発光レーザにおいては、下部スペーサ層９１３、活性層９１４、上部スペーサ層９１５により光学長さが１波長となる共振器領域が形成されている。
第２の上部ブラッグ反射鏡９１６は、ｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層とｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とを交互に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９１６の一部には、ＡｌＡｓ層からなる電流狭窄層９１７が形成されている。コンタクト層９１８は、ｐ＋＋−ＧａＡｓにより形成されている。
半導体基板９１１の上において、半導体材料により形成されているコンタクト層９１８、第２の上部ブラッグ反射鏡９１６、上部スペーサ層９１５、活性層９１４、下部スペーサ層９１３、下部ブラッグ反射鏡９１２の一部を除去することによりメサが形成されている。メサの上面における中央部分のコンタクト層９１８の上には、第１の上部ブラッグ反射鏡９１９が形成されており、第１の上部ブラッグ反射鏡９１９の周囲のコンタクト層９１８の上には、上部電極９４１が形成されている。第１の上部ブラッグ反射鏡９１９は、ＴｉＯ２高屈折率層とＳｉＯ２低屈折率層とを交互に積層することにより形成されている。また、半導体基板９１１の裏面には、下部電極９４２が形成されている。
ＡｌＡｓ層により形成された電流狭窄層９１７は、メサの周囲より選択酸化することにより、選択酸化領域９１７ａが形成されており、選択酸化されなかったメサの中央部分の領域が電流狭窄領域９１７ｂとなる。メサの側面及びメサを形成する際に半導体材料が除去された領域の上には、ＳｉＮにより保護膜９３１が形成されており、メサを形成する際に半導体材料が除去された領域の保護膜９３１の上のには、ポリイミド層９３２が形成されている。
この構造の面発光レーザでは、上部電極９４１と下部電極９４２との間における半導体層に電流が流れることによりレーザ光が出射される。即ち、上部電極９４１と下部電極９４２との間における半導体基板９１１、下部ブラッグ反射鏡９１２、下部スペーサ層９１３、活性層９１４、上部スペーサ層９１５、第２の上部ブラッグ反射鏡９１６、コンタクト層９１８を電流が流れる。このようなイントラキャビティ構造の面発光レーザでは、上部ブラッグ反射鏡が、誘電体材料により形成された第１の上部ブラッグ反射鏡９１９と半導体材料により形成された第２の上部ブラッグ反射鏡９１６により形成されている。よって、電流の流れる第２の上部ブラッグ反射鏡９１６の厚さは、通常の面発光レーザよりも薄く形成される。
具体的には、図２（ａ）に示すように、イントラキャビティ構造ではない通常の面発光レーザにおいては、上部スペーサ層９１５とコンタクト層９１８の間に、厚い上部ブラッグ反射鏡９５６が形成されている。上部ブラッグ反射鏡９５６の一部に、電流狭窄層９１７が形成されており、面発光レーザに流れる電流は、上部電極９４１から電流狭窄層９１７における電流狭窄領域９１７ｂに向かって流れる。
一方、図２（ｂ）に示すように、イントラキャビティ構造の面発光レーザにおいては、面発光レーザに流れる電流は、上部電極９４１から第２の上部ブラッグ反射鏡９１６における電流狭窄層９１７の中央部分の電流狭窄領域９１７ｂに向かって流れる。尚、図２は、各々の構造における面発光レーザにおいて、下部スペーサ層９１３よりも上の部分を記載したものであり、半導体基板９１１、下部ブラッグ反射鏡９１２、下部電極９４２等は省略されている。
このように、上部電極９４１と電流狭窄層９１７との間の厚さは、図２（ｂ）に示すイントラキャビティ構造の面発光レーザは、図２（ａ）に示すイントラキャビティ構造ではない通常の面発光レーザよりも薄く形成されている。よって、図２（ｂ）に示すイントラキャビティ構造の面発光レーザは、図２（ａ）に示すイントラキャビティ構造ではない通常の面発光レーザよりも、上部電極９４１から電流狭窄層９１７における電流狭窄領域９１７ｂまでの抵抗が高くなる。
このように、上部電極９４１から電流狭窄層９１７における電流狭窄領域９１７ｂまでの抵抗が高くなると、面発光レーザが発熱し、最大光出力が低下したり、特性が変動したり、更には、面発光レーザの寿命の低下を招く。
（面発光レーザ）
次に、図３及び図４に基づき本実施の形態における面発光レーザについて説明する。尚、図４は、本実施の形態における面発光レーザにおける要部の構造を示す図である。本実施の形態における面発光レーザは、波長が９８０ｎｍのレーザ光を出射するイントラキャビティ構造の面発光レーザである。本実施の形態における面発光レーザは、半導体基板１１の上に、下部ブラッグ反射鏡１２、下部スペーサ層１３、活性層１４、上部スペーサ層１５、第２の上部ブラッグ反射鏡１６、コンタクト層１８、第１の上部ブラッグ反射鏡１９が形成されている。尚、本実施の形態においては、ブラッグ反射鏡には、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）が含まれているものとする。
半導体基板１１は、ｎ型半導体であるｎ−ＧａＡｓ基板により形成されている。図４に示されるように、下部ブラッグ反射鏡１２は、光学膜厚がλ／４のｎ−ＧａＡｓ高屈折率層５１とｎ−ＡｌＡｓ低屈折率層５２とを３０．５ペア交互に積層することにより形成されている。下部スペーサ層１３は、ＧａＡｓにより形成されており、活性層１４は、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層／ＧａＡｓ障壁層により形成されており、上部スペーサ層１５は、ＧａＡｓ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においては、下部スペーサ層１３、活性層１４、上部スペーサ層１５により光学長さが１波長となる共振器領域が形成されている。
第２の上部ブラッグ反射鏡１６は、光学膜厚がλ／４のｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ高屈折率層５３とｐ−Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ低屈折率層５４とを７ペア交互に積層することにより形成されている。尚、このように形成された第２の上部ブラッグ反射鏡１６の反射率は、光学膜厚がλ／４のｐ−ＧａＡｓ高屈折率層とｐ−ＡｌＡｓ低屈折率層とを３ペア交互に積層することにより形成されたものと同程度の９９．７５％である。本実施の形態においては、第２の上部ブラッグ反射鏡１６を形成している低屈折率層をＡｌｘＧａ１−ｘＡｓと記載し、高屈折率層をＡｌｙＧａ１−ｙＡｓと記載した場合に、ｘ＞ｙとなるように形成されている。また、第２の上部ブラッグ反射鏡１６の一部には、ＡｌＡｓ層からなる電流狭窄層１７が形成されている。コンタクト層１８は、ｐ＋＋−ＧａＡｓにより形成されている。
半導体基板１１の上において、半導体材料により形成されているコンタクト層１８、第２の上部ブラッグ反射鏡１６、上部スペーサ層１５、活性層１４、下部スペーサ層１３、下部ブラッグ反射鏡１２の一部を除去することによりメサが形成されている。メサの上面における中央部分のコンタクト層１８の上には、第１の上部ブラッグ反射鏡１９が形成されており、第１の上部ブラッグ反射鏡１９の周囲のコンタクト層１８の上には、上部電極４１が形成されている。第１の上部ブラッグ反射鏡１９は、Ｔａ２Ｏ５高屈折率層５５とＳｉＯ２低屈折率層５６とを６ペアの交互に積層することにより形成されている。また、半導体基板１１の裏面には、下部電極４２が形成されている。
ＡｌＡｓ層により形成された電流狭窄層１７は、メサの周囲より選択酸化することにより、選択酸化領域１７ａが形成されており、選択酸化されなかったメサの中央部分の領域が電流狭窄領域１７ｂとなる。メサの側面及びメサを形成する際に半導体材料が除去された領域の上には、ＳｉＮにより保護膜３１が形成されており、メサを形成する際に半導体材料が除去された領域の保護膜３１の上のには、ポリイミド層３２が形成されている。
（面発光レーザの製造方法）
次に、本実施の形態における面発光レーザの製造方法について説明する。最初に、半導体基板１１の上に、下部ブラッグ反射鏡１２、下部スペーサ層１３、活性層１４、上部スペーサ層１５、第２の上部ブラッグ反射鏡１６、コンタクト層１８からなる半導体層を積層して形成する。これらの半導体層は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、またはＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法により形成する。
次に、コンタクト層１８の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、メサが形成される領域に不図示のレジストパターンを形成する。この後、電流狭窄層１７の側面が露出するまで、レジストパターンが形成されていない領域における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メサを形成する。このように形成されたメサの側面においては、電流狭窄層１７の側面が露出している。メサの上面における形状は、本実施の形態においては、円形となるように形成しているが、円形の他、楕円形、正方形、長方形の矩形等の形状、または、任意の形状であってもよい。
次に、メサの側面において露出している電流狭窄層１７であるＡｌＡｓ膜を水蒸気中で熱処理し、周辺より酸化してＡｌｘＯｙを形成することにより選択酸化領域１７ａを形成する。これにより、電流狭窄層１７において選択酸化されなかった領域が電流狭窄領域１７ｂとなり、電流狭窄構造を形成される。
次に、ＳｉＮを成膜することにより保護膜３１を形成し、メサを形成する際にエッチングにより半導体層が除去された領域にポリイミドを埋め込み平坦化することにより、ポリイミド層３２を形成する。
次に、メサの上面において、光出射領域となる中央部分及び上部電極４１が形成される領域における保護膜３１及びポリイミド層３２を除去することにより、コンタクト層１８を露出させる。この後、メサの上面において、光出射領域を取り囲むようにｐ側個別電極となる上部電極４１を形成し、半導体基板１１の裏面には、ｎ側共通電極となる下部電極４２を形成する。
次に、メサの上面において、光出射領域となる中央部分のコンタクト層１８の上に、６ペアのＴａ２Ｏ５高屈折率層５５とＳｉＯ２低屈折率層５６とを電子ビーム蒸着法により、交互に積層することにより、第１の上部ブラッグ反射鏡１９を形成する。
本実施の形態における半導体装置においては、半導体基板１１側とは反対側よりレーザ光が出射される。本実施の形態においては、ＳｉＮにより形成された保護膜３１により、メサを形成する際におけるエッチングにより露出した腐食しやすいＡｌを含む層の側面や底面を保護しているため、信頼性を向上させることができる。
（効果）
次に、本実施の形態における面発光レーザの効果について説明する。本実施の形態における面発光レーザにおいては、第２の上部ブラッグ反射鏡１６は、光学膜厚がλ／４のｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ高屈折率層５３とｐ−Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ低屈折率層５４とを７ペア交互に積層することにより形成されている。従って、本実施の形態においては、第２の上部ブラッグ反射鏡１６を形成している高屈折率層と低屈折率層との屈折率差を小さくすることにより、積層されるペア数を３ペアから７ペアに増やしている。
具体的には、通常のイントラキャビティ構造の面発光レーザにおいては、図５に示されるように、第２の上部ブラッグ反射鏡９６６は光学膜厚がλ／４のｐ−ＧａＡｓ高屈折率層９６３とｐ−ＡｌＡｓ低屈折率層９６４とを交互に３ペア積層することにより形成される。このように形成された第２の上部ブラッグ反射鏡９６６の反射率は９９．７５％である。この反射率と同程度の反射率を本実施の形態における面発光レーザの第２の上部ブラッグ反射鏡１６により得るためには、光学膜厚がλ／４のｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ高屈折率層５３とｐ−Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ低屈折率層５４のペアが７ペア必要となる。
本実施の形態においては、このようにペア数を増やすことにより、電流狭窄層１７とコンタクト層１８との間の光学膜厚を図５に示される場合の１．２５λから３．２５λにすることができ、厚くすることができる。このように、電流狭窄層１７とコンタクト層１８との間の光学膜厚を厚くすることにより、流れる電流経路の断面積を広くすることができ、電気抵抗を低くすることができる。この際、ブラッグ反射鏡における反射率は変化していないため、閾値電流やスロープ効率の素子特性に影響を与えることはない。
一般的には、通常の構造のＶＣＳＥＬにおいては、ブラッグ反射鏡を形成している高屈折率層と低屈折率層との屈折率差は大きい方が好ましいとされている。これは屈折率差が小さいと、ブラッグ反射鏡を形成している高屈折率層と低屈折率層のペア数が増加し、バンド不連続により電気抵抗が増加し特性劣化するからである。尚、屈折率差があまり大きい場合には、バンド間光吸収が増大するので制限がある。
本実施の形態は、イントラキャビティ構造のＶＣＳＥＬにおいて、電流経路が狭くなることにより、電気抵抗が高くなるという問題点を解消するため、ブラッグ反射鏡を形成している高屈折率層と低屈折率層との屈折率差を小さくし、ペア数を増やしたものである。これにより、電流経路を広くして、電気抵抗を低下させている。このため、本実施の形態においては、屈折率差を小さくするため、ブラッグ反射鏡を形成している高屈折率層と低屈折率層との組成差を小さくしている。
通常、ＡｌＧａＡｓ等の材料においては、組成比の差が大きくなると屈折率差も大きくなり、バンドギャップの差も大きくなる。ここで、３００ＫにおけるＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓのバンドギャップは１．７８ｅＶであり、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓのバンドギャップは２．０５ｅＶであり、バンドギャップの差は、０．２７である。また、波長８８５．７ｎｍにおけるＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓの屈折率は３．３９４であり、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓの屈折率は３．１６２であり、屈折率差は、０．２３２である。よって、本実施の形態においては、バンドギャップの差は、０．２７以下であることが好ましく、また、屈折率差は、０．２３２以下であることが好ましい。尚、図６は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓにおいて、ｘを変化させた場合におけるエネルギを示すものである（非特許文献５）。図６においては、ｘが０から０．５までは、Γ点に電子が存在し、０．５から１までは、Ｘ点に電子が存在している。
また、ブラッグ反射鏡を形成している高屈折率層と低屈折率層との屈折率差を更に小さくしてペア数を増やすことにより、より一層電気抵抗を低くすることが可能である。しかしながら、この場合には、ドーパントによる光吸収の影響を受けやすく、スロープ効率低下等の弊害が現れるため、屈折率差はあまり小さくなりすぎない方が好ましい。
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、８９４．６ｎｍ近傍の波長において、相互に異なる波長のレーザ光を出射する面発光レーザが形成されている面発光レーザ素子である。
図７から図９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。尚、図８は、本実施の形態における面発光レーザ素子における要部の構造を示す図であり、図９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る。尚、図７は、図９における一点鎖線９Ａ−９Ｂ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は、例えば、図９に示されるように、３００μｍ角のチップ上に４ｃｈの発光可能な面発光レーザが形成されている。
本実施の形態における面発光レーザ素子は、半導体基板１１１の上に、下部ブラッグ反射鏡１１２、下部スペーサ層１１３、活性層１１４、上部スペーサ層１１５、第２の上部ブラッグ反射鏡１１６、第２の位相調整層１２１、コンタクト層１１８が形成されている。コンタクト層１１８の上には、第１の位相調整層１２２、波長調整層１２３、第１の上部ブラッグ反射鏡１１９が形成されている。本実施の形態においては、第２の位相調整層１２１、コンタクト層１１８、第１の位相調整層１２２、波長調整層１２３により、波長調整領域が形成される。本実施の形態においては、この波長調整領域は、第２の上部ブラッグ反射鏡１１６における高屈折率層の一つとして機能している。
本実施の形態では、第１の上部ブラッグ反射鏡１１９と第２の上部ブラッグ反射鏡１１６との間の波長調整領域における波長調整層１２３の層数（トータル厚さ）をｃｈごとに異ならせることにより、発振波長が異なる面発光レーザをチップ内に複数形成している。即ち、波長調整層１２３には複数の半導体膜が積層されており、複数の半導体膜を一層ごと除去することにより、波長調整層１２３における光学膜厚を変化させて、レーザ光の発振波長が異なるようにしている。
本実施の形態においては、図９に示されるように、４つの異なる波長λ１、λ２、λ３、λ４のレーザ光を各々出射する４つの面発光レーザ１０１、１０２、１０３、１０４が形成されている。尚、面発光レーザ１０１における上部電極は電極パッド１８１に接続されており、面発光レーザ１０２における上部電極は電極パッド１８２に接続されている。面発光レーザ１０３における上部電極は電極パッド１８３に接続されており、面発光レーザ１０４における上部電極は電極パッド１８４に接続されている。
半導体基板１１１は、ｎ型半導体であるｎ−ＧａＡｓ基板により形成されている。図８に示されるように、下部ブラッグ反射鏡１１２は、光学膜厚がλ／４のｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層１５１とｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１５２とを３５．５ペア交互に積層することにより形成されている。下部スペーサ層１１３は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓにより形成されており、活性層１１４は、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層／ＧａＩｎＰＡｓ障壁層により形成されており、上部スペーサ層１１５は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ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においては、下部スペーサ層１１３、活性層１１４、上部スペーサ層１１５により光学長さが１波長となる共振器領域が形成されている。
第２の上部ブラッグ反射鏡１１６は、光学膜厚がλ／４のｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層１５３とｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１５４とを５ペア交互に積層することにより形成されている。本実施の形態においては、第２の上部ブラッグ反射鏡１１６を形成している低屈折率層をＡｌｘＧａ１−ｘＡｓと記載し、高屈折率層をＡｌｙＧａ１−ｙＡｓと記載した場合に、ｘ＞ｙとなるように形成されている。尚、第２の上部ブラッグ反射鏡１１６において共振器領域から２ペア目の低屈折率層は、ＡｌＡｓ層からなる電流狭窄層１１７により形成されている。ＡｌＡｓ層により形成された電流狭窄層１１７は、メサの周囲より選択酸化することにより、選択酸化領域１１７ａが形成されており、選択酸化されなかったメサの中央部分の領域が電流狭窄領域１１７ｂとなる。
また、第２の上部ブラッグ反射鏡１１６において、電流狭窄層１１７よりも上の３ペアにおけるｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１５４は、光学膜厚が３λ／４となるように形成されている。コンタクト層１１８は、ｐ＋＋−ＧａＡｓにより形成されている。
第２の位相調整層１２１はｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓにより形成されており、第１の位相調整層１２２はＧａＩｎＰにより形成されている。波長調整層１２３は、積層されたＧａＡｓＰ膜、ＧａＩｎＰ膜、ＧａＡｓＰ膜により形成されており、１層ごと除去することにより、各々の面発光レーザにおける波長調整層１２３の膜厚を変化させている。尚、波長調整層１２３を形成している積層されたＧａＡｓＰ膜、ＧａＩｎＰ膜、ＧａＡｓＰ膜の光学膜厚は１層あたり８ｎｍである。本実施の形態においては、第２の位相調整層１２１の下端から波長調整層１２３における中央のＧａＩｎＰ膜の真ん中までの光学膜厚が３λ／４となるように形成されている。尚、本実施の形態においては、ＧａＡｓＰを第１の波長調整材料と記載し、ＧａＩｎＰを第２の波長調整材料と記載する場合がある。また、第１の波長調整材料を除去するためのエッチング液を第１のエッチング液と記載し、第２の波長調整材料を除去するためのエッチング液を第２のエッチング液と記載する場合がある。また、第１の波長調整材料はＧａＡｓであってもよい。
半導体基板１１１の上においてコンタクト層１１８、第２の位相調整層１２１、第２の上部ブラッグ反射鏡１１６、上部スペーサ層１１５、活性層１１４、下部スペーサ層１１３、下部ブラッグ反射鏡１１２等の一部を除去することによりメサが形成されている。メサの上面における中央部分のコンタクト層１１８の上には、第１の位相調整層１２２、波長調整層１２３、第１の上部ブラッグ反射鏡１１９が積層して形成されている。また、第１の位相調整層１２２、波長調整層１２３、第１の上部ブラッグ反射鏡１１９が積層形成されている中央部分の周辺の周辺部分においては、コンタクト層１１８の上に、上部電極１４１が形成されている。
第１の上部ブラッグ反射鏡１１９は、ＴｉＯ２高屈折率層１５５とＳｉＯ２低屈折率層１５６とを８．５ペアの交互に積層することにより形成されている。また、半導体基板１１１の裏面には、下部電極１４２が形成されている。
本実施の形態においては、波長調整層１２３を形成している積層されたＧａＡｓＰ膜、ＧａＩｎＰ膜、ＧａＡｓＰ膜を一層ごとに除去することにより、４つの発振波長の異なる面発光レーザが形成されている。上述したように、波長調整層１２３を形成している積層されたＧａＡｓＰ膜、ＧａＩｎＰ膜、ＧａＡｓＰ膜の光学膜厚は１層あたり８ｎｍとすることにより、各々の面発光レーザにおける発振波長の間隔を１．４ｎｍにすることができる。
また、本実施の形態においては、第２の位相調整層１２１の光学膜厚を調整し、コンタクト層１１８をモード節位置に置くことにより、特性を向上させることができる。また、第１の位相調整層１２２の光学膜厚を調整し、波長調整層１２３におけるＧａＩｎＰ膜の真ん中をモード腹位置に置くことにより各波長ｃｈにおける特性変化を避けることができる。尚、波長調整領域を形成している材料は概ね第２の上部ブラッグ反射鏡１１６におけるｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層１５３における屈折率の値に近い値である。よって、波長調整領域により、第２の上部ブラッグ反射鏡１１６におけるｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層１５３が置き換えられた形態となっている。
（面発光レーザ素子の製造方法）
次に、本実施の形態における面発光レーザの製造方法について説明する。最初に、半導体基板１１１の上に、下部ブラッグ反射鏡１１２、下部スペーサ層１１３、活性層１１４、上部スペーサ層１１５、第２の上部ブラッグ反射鏡１１６、波長調整領域からなる半導体層を積層して形成する。これらの下部ブラッグ反射鏡１１２、下部スペーサ層１１３、活性層１１４、上部スペーサ層１１５、第２の上部ブラッグ反射鏡１１６、波長調整領域における半導体層は、ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥにより形成されている。
波長調整層１２３は、各々の面発光レーザごとに、フォトリソグラフ及び選択的エッチングを行うことにより、波長調整層１２３における層数を異ならせて膜厚を変化させている。例えば、ＧａＰＡｓ（ＧａＡｓの場合も同様）膜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膜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。
また、後述する第１の上部ブラッグ反射鏡１１９等の周囲のコンタクト層１１８の上に、上部電極４１を形成するため、第１の上部ブラッグ反射鏡１１９等の周囲における波長調整層１２３及び第１の位相調整層１２２を除去し、コンタクト層１１８を露出させる。
次に、コンタクト層１１８及び波長調整層１２３の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、メサが形成される領域に不図示のレジストパターンを形成する。この後、電流狭窄層１１７の側面が露出するまで、レジストパターンが形成されていない領域における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メサを形成し、メサの側面において、電流狭窄層１１７の側面を露出させる。メサの上面における形状は、本実施の形態においては、円形となるように形成しているが、円形の他、楕円形、正方形、長方形の矩形等の形状、または、任意の形状であってもよい。
次に、メサの側面において露出している電流狭窄層１１７であるＡｌＡｓ膜を水蒸気中で熱処理し、周辺より酸化してＡｌｘＯｙを形成することにより選択酸化領域１１７ａを形成する。電流狭窄層１１７において選択酸化されなかった領域が電流狭窄領域１１７ｂとなり、各々の面発光レーザにおいて電流狭窄構造が形成される。
次に、ＳｉＮを成膜することにより保護膜１３１を形成し、エッチングにより半導体層が除去された領域にポリイミドを埋め込み平坦化することにより、ポリイミド層１３２を形成する。
次に、メサの上面において光出射領域となる中央部分及び上部電極１４１が形成される領域の保護膜１３１及びポリイミド層１３２を除去することにより、コンタクト層１１８及び波長調整層１２３を露出させる。この後、メサの上面における光出射領域を取り囲むようにｐ側個別電極となる上部電極１４１を形成し、半導体基板１１１の裏面には、ｎ側共通電極となる下部電極１４２を形成する。
次に、メサの上面において光出射領域となる中央部分となる波長調整層１２３の上に、８．５ペアのＴｉＯ２高屈折率層１５５とＳｉＯ２低屈折率層１５６とを電子ビーム蒸着法により、交互に積層することにより、第１の上部ブラッグ反射鏡１１９を形成する。
本実施の形態における半導体装置においては、半導体基板１１１側とは反対側よりレーザ光が出射される。本実施の形態においては、ＳｉＮにより形成された保護膜１３１により、メサを形成する際におけるエッチングにより露出した腐食しやすいＡｌを含む層の側面や底面を保護しているため、信頼性を向上させることができる。
（効果）
次に、本実施の形態において、第２の上部ブラッグ反射鏡１１６に形成されている電流狭窄層１１７よりも上の３ペアにおけるｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１５４の光学膜厚が３λ／４となるように形成されていることの効果について説明する。
図８は、本実施の形態における面発光レーザの構造の一部であり、第２の上部ブラッグ反射鏡１１６における電流狭窄層１１７よりも上の３ペアのうちのｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１５４における光学膜厚が３λ／４となるように形成されている。一方、図１０は、第２の上部ブラッグ反射鏡９７６におけるｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層９７３及びｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層９７４における光学膜厚がλ／４となるように形成されている面発光レーザの構造の一部を示すものである。
図１１は、電流狭窄層１１７における電流狭窄領域１１７ｂにおける面積と上部電極１４１と下部電極１４２との間における電気抵抗との関係を示す。図１１において、１１Ａは、図８に示す本実施の形態における面発光レーザの特性を示し、１１Ｂは図１０に示す構造の面発光レーザの特性を示す。図１１より、電流狭窄層１１７における電流狭窄領域１１７ｂにおける面積が同じである場合、電気抵抗は、図１０に示す構造の面発光レーザよりも、図８に示す本実施の形態における面発光レーザの方が低くなっている。即ち、第２の上部ブラッグ反射鏡において電流狭窄層よりも上の低屈折率層の厚さをλ／４から３λ／４にすることにより、電気抵抗を低くすることができる。尚、第２の上部ブラッグ反射鏡におけるｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層の光学膜厚を１層あたりλ／４から３λ／４にしても、第２の上部ブラッグ反射鏡における反射率が変わらないため、閾値電流やスロープ効率といった特性は変化しない。更に、本実施の形態においては、第２の上部ブラッグ反射鏡におけるｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層の光学膜厚を１層あたりλ／４から３λ／４にしても、波長調整層１２３のモード強度は変らない。よって、波長調整層１２３における各層の膜厚と波長間隔の関係は変化することはなく、複数の波長の異なる面発光レーザを有する面発光レーザ素子を製造する際においても影響はない。
更に、本実施の形態における面発光レーザ素子は、放熱効果においても効果がある。図１２は、ＡｌＧａＡｓにおけるＡｌ組成比と熱伝導率との関係を示すものである。Ａｌ組成比が０．９となるＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓにおいては、Ａｌ組成比が０．７となるＡｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓよりも熱伝導率が高い。よって、本実施の形態においては、電気抵抗を下げるとともに、放熱効果も高いため、活性層１１４における温度を低くすることができ、寿命を長くすることができる。
尚、本実施の形態は、半導体ｐｎ接合側と反対の半導体基板１１１側でボンディングするジャンクジョンアップ構造であるが、半導体ｐｎ接合側でボンディングするジャンクションダウン構造では低抵抗層側にボンディングするため更に効果がある。
また、本実施の形態のように、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１５４の光学膜厚を３λ／４にすることにより、同時に材料のバンドギャップが広くなり、ポテンシャル障壁が少なく、電気抵抗を下げることができる。
更に、本実施の形態においては、第２の上部ブラッグ反射鏡１１６におけるｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１５４の光学膜厚を３λ／４よりも多く、（２Ｎ＋１）×λ／４（Ｎ＝２，３，，）としてもよい。ただし、各層のドーピング調整が十分でないと光吸収の影響を受けやすく、ｃｈ全体でのスロープ効率低下等の弊害が現れるので、Ｎは小さい方が好ましい。
〔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。本実施の形態は、８９４．６ｎｍ近傍の波長において、相互に異なる波長のレーザ光を出射する面発光レーザが形成されている面発光レーザ素子である。
図１３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は、第２の上部ブラッグ反射鏡１１６におけるｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層１５３を厚く形成した構造の面発光レーザ素子である。尚、図１３は、本実施の形態における面発光レーザ素子における要部の構造を示す図である。
本実施の形態における面発光レーザ素子は、図１３に示されるように、第２の上部ブラッグ反射鏡１１６における電流狭窄層１１７よりも上の３ペアにおけるｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層１５３の光学膜厚を３λ／４としたものである。このような構造であっても、電気抵抗を低くすることができ、放熱効果を含め、第２の実施の形態における面発光レーザ素子と同様の効果を得ることができる。具体的には、図１２において、Ａｌ組成比が０．１となるＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓにおいても、Ａｌ組成比が０．３となるＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓと比べて熱伝導率が高い。
従って、本実施の形態においては、熱伝導率の高いｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層１５３の光学膜厚が厚いため、放熱効果は高く、活性層１１４における温度を低くすることができ、寿命を長くすることができる。
更に、本実施の形態においては、第２の上部ブラッグ反射鏡１１６におけるｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層１５３の光学膜厚を３λ／４よりも多く、（２Ｎ＋１）×λ／４（Ｎ＝２，３，，）としてもよい。また、Ａｌ組成比が多いと腐食しやすくなるが、本実施の形態においては、厚く形成されているｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層１５３におけるＡｌ組成比が低いため、腐食しにくいため、信頼性を高めることができる。
尚、上記以外の内容については、第２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。本実施の形態は、８９４．６ｎｍ近傍の波長において、相互に異なる波長のレーザ光を出射する面発光レーザが形成されている面発光レーザ素子である。
図１４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は、第２の上部ブラッグ反射鏡１１６におけるｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層１５３とｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１５４をともに厚く形成した構造の面発光レーザ素子である。尚、図１４は、本実施の形態における面発光レーザ素子における要部の構造を示す図である。
本実施の形態は、第２の上部ブラッグ反射鏡１１６における電流狭窄層１１７よりも上の３ペアのｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層１５３とｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１５４の光学膜厚をともに３λ／４としたものである。このような構造にすることにより、より一層電気抵抗を低くすることができる。
更に、本実施の形態においては、第２の上部ブラッグ反射鏡１１６におけるｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層１５３及びｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１５４の光学膜厚を（２Ｎ＋１）×λ／４（Ｎ＝２，３，，）としてもよい。
尚、上記以外の内容については、第２の実施の形態または第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の実施の形態における面発光レーザ素子について、図１５に基づき説明する。本実施の形態における面発光レーザ素子は、ＡｌＡｓ層を選択酸化した電流狭窄構造を用いた８９４．６ｎｍの面発光レーザ素子である。本実施の形態における面発光レーザ素子は、図１５示されるように、３００μｍ角のチップ上に８個の発光可能な面発光レーザを形成したものであり、同一波長の面発光レーザを２個ずつ、４種類の波長の面発光レーザを形成したものである。即ち、３００μｍ角のチップ上に８つの発光可能な面発光レーザ３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６、３１７、３１８が形成されている。本実施の形態においては、面発光レーザ３１１及び３１２は波長λ１のレーザ光を出射し、面発光レーザ３１３及び３１４は波長λ２のレーザ光を出射する。面発光レーザ３１５及び３１６は波長λ３のレーザ光を出射し、面発光レーザ３１７及び３１８は波長λ４のレーザ光を出射する。また、面発光レーザ３１１における上部電極は電極パッド３２１に接続されており、面発光レーザ３１２における上部電極は電極パッド３２２に接続されている。面発光レーザ３１３における上部電極は電極パッド３２３に接続されており、面発光レーザ３１４における上部電極は電極パッド３２４に接続されている。面発光レーザ３１５における上部電極は電極パッド３２５に接続されており、面発光レーザ３１６における上部電極は電極パッド３２６に接続されている。面発光レーザ３１７における上部電極は電極パッド３２７に接続されており、面発光レーザ３１８における上部電極は電極パッド２８８に接続されている。
本実施の形態においては、同一波長の面発光レーザが２個あるため、一方を予備の面発光レーザとして用いることができる。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。
〔第６の実施の形態〕
次に、第６の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第２から第５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１６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（非特許文献２、特許文献２）。
尚、本実施の形態は、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アルカリ金属セル４４０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原子発振器である。
光源４１０は、第２から第５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１７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。図１８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１９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する。これにより、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、より望ましくは±０．３ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる（非特許文献４）。
本実施の形態における原子発振器は第２から第５の実施の形態における面発光レーザ素子を用いている。面発光レーザは、結晶成長での膜厚のバラツキにより上記±１ｎｍの範囲の均一な発振波長を得ることが困難であるが、チップ内で発振波長の異なる面発光レーザを複数形成することで、８９４．６ｎｍに近い発振波長の面発光レーザを選んで動作させる。これにより、発振波長に関する歩留まりを向上することができ、原子発振器を低コストで作製し提供することができる。本実施の形態によれば、所望の波長間隔をより高精度に制御できることから、（単に波長間隔を等間隔にするだけでなく）結晶成長による発振波長ばらつきの分布を考慮した最適な波長間隔を設定することが容易になる。よって、更に発振波長の歩留まりを向上することができる。また、更に、第５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、本実施の形態においては、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２から第５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。
１１ 半導体基板
１２ 下部ブラッグ反射鏡
１３ 下部スペーサ層
１４ 活性層
１５ 上部スペーサ層
１６ 第２の上部ブラッグ反射鏡
１７ 電流狭窄層
１７ａ 選択酸化領域
１７ｂ 電流狭窄領域
１８ コンタクト層
１９ 第１の上部ブラッグ反射鏡
３１ 保護膜
３２ ポリイミド層
４１ 上部電極
４２ 下部電極
１０１ 面発光レーザ
１０２ 面発光レーザ
１０３ 面発光レーザ
１０４ 面発光レーザ
１１１ 半導体基板
１１２ 下部ブラッグ反射鏡
１１３ 下部スペーサ層
１１４ 活性層
１１５ 上部スペーサ層
１１６ 第２の上部ブラッグ反射鏡
１１７ 電流狭窄層
１１７ａ 選択酸化領域
１１７ｂ 電流狭窄領域
１１８ コンタクト層
１１９ 第１の上部ブラッグ反射鏡
１２１ 第２の位相調整層
１２２ 第１の位相調整層
１２３ 波長調整層
１３１ 保護膜
１３２ ポリイミド層
１４１ 上部電極
１４２ 下部電極
４１０ 光源
４２０ コリメートレンズ
４３０ λ／４波長板
４４０ アルカリ金属セル
４５０ 光検出器
４６０ 変調器
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Claims (17)

  1. 半導体基板上に半導体材料により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領域と、
    前記共振器領域の上に半導体材料により形成された第２の上部ブラッグ反射鏡と、
    前記第２の上部ブラッグ反射鏡の上に形成されたコンタクト層と、
    前記コンタクト層の上に形成された第１の上部ブラッグ反射鏡と、
    を有し、
    前記活性層と前記第２の上部ブラッグ反射鏡との間、または、前記第２の上部ブラッグ反射鏡には、電流狭窄層が形成されており、
    前記電流狭窄層は、前記電流狭窄層の一部を選択酸化することにより形成された選択酸化領域と、前記選択酸化されていない電流狭窄領域とを有しており、
    前記電流狭窄層と前記コンタクト層との間における低屈折率層または高屈折率層の一部または全部における光学膜厚は、（２Ｎ＋１）×λ／４（Ｎ＝１，２，，，）となるように形成されていることを特徴とする面発光レーザ。
  2. 前記電流狭窄層と前記コンタクト層との間における低屈折率層の一部または全部における光学膜厚は、（２Ｎ＋１）×λ／４（Ｎ＝１，２，，，）となるように形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。
  3. 前記電流狭窄層と前記コンタクト層との間における高屈折率層の一部または全部における光学膜厚は、（２Ｎ＋１）×λ／４（Ｎ＝１，２，，，）となるように形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。
  4. 前記電流狭窄層と前記コンタクト層との間における低屈折率層の一部または全部における光学膜厚は、３λ／４となるように形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。
  5. 前記電流狭窄層と前記コンタクト層との間における高屈折率層の一部または全部における光学膜厚は、３λ／４となるように形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。
  6. 前記第２の上部ブラッグ反射鏡は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓとＡｌｙＧａ１−ｙＡｓとを交互に積層することにより形成されており、
    ｘ＞ｙであって、前記低屈折率層はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓにより形成されており、前記高屈折率層はＡｌｙＧａ１−ｙＡｓにより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。
  7. 半導体基板上に半導体材料により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領域と、
    前記共振器領域の上に半導体材料により形成された第２の上部ブラッグ反射鏡と、
    前記第２の上部ブラッグ反射鏡の上に形成されたコンタクト層と、
    前記コンタクト層の上に形成された第１の上部ブラッグ反射鏡と、
    を有し、
    前記活性層と前記第２の上部ブラッグ反射鏡との間、または、前記第２の上部ブラッグ反射鏡には、電流狭窄層が形成されており、
    前記電流狭窄層は、前記電流狭窄層の一部を選択酸化することにより形成された選択酸化領域と、前記選択酸化されていない電流狭窄領域とを有しており、
    前記電流狭窄層と前記コンタクト層との間における低屈折率層と高屈折率層との屈折率差が、０．２３２以下であることを特徴とする面発光レーザ。
  8. 前記第１の上部ブラッグ反射鏡は、屈折率の異なる誘電体材料を交互に積層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７のいずれかに記載の面発光レーザ。
  9. 請求項８に記載されている面発光レーザを複数有しており、
    前記第２の上部ブラッグ反射鏡と前記第１の上部ブラッグ反射鏡との間には、波長調整領域が形成されており、
    前記波長調整領域は、前記第２の上部ブラッグ反射鏡の上に、第１の位相調整層、前記コンタクト層、第２の位相調整層、波長調整層の順に形成されたものであって、前記波長調整層の上には、前記第１の上部ブラッグ反射鏡が形成されており、
    前記波長調整層は複数の半導体膜を積層することにより形成されており、
    前記複数の面発光レーザにおける前記波長調整層の膜厚を変えることにより、前記複数の面発光レーザより出射されるレーザ光の波長を相互に異なるものとしていることを特徴とする面発光レーザ素子。
  10. 前記波長調整層は、第１の波長調整材料により形成された膜と第２の波長調整材料により形成された膜とを積層することにより形成されているものであって、
    前記第１の波長調整材料により形成された膜を除去するための第１のエッチング液と、前記第１のエッチング液とは異なる前記第２の波長調整材料により形成された膜を除去するための第２のエッチング液を用いて、前記波長調整層における半導体層を一層ごと除去することにより、前記面発光レーザにおける前記波長調整層の膜厚を変えていることを特徴とする請求項９に記載の面発光レーザ素子。
  11. 前記第１の波長調整材料は、ＧａＡｓＰまたはＧａＡｓを含む材料であり、
    前記第２の波長調整材料は、ＧａＩｎＰを含む材料により形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の面発光レーザ素子。
  12. 前記複数の面発光レーザは、すべて異なる波長のレーザ光を出射するものであることを特徴とする請求項９から１１のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
  13. 前記複数の面発光レーザには、同じ波長の光を出射するものが複数含まれていることを特徴とする請求項９から１１のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
  14. 前記複数の波長のうちいずれか１つは、７８０．２ｎｍ、７９５．０ｎｍ、８５２．３ｎｍ、８９４．６ｎｍであることを特徴とする請求項９から１３のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
  15. 請求項９から１４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２つの異なる波長の光は、ともに前記面発光レーザより出射したサイドバンドの光であることを特徴とする請求項１５に記載の原子発振器。
  17. 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または１６に記載の原子発振器。
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