JP2017212321A - 面発光レーザ、面発光レーザアレイ、光源ユニット及びレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶性が良好で、活性層へのｎ型不純物の拡散が少ない面発光レーザを提供すること。【解決手段】半導体基板の上にｎ型不純物がドーピングされた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上部ブラッグ反射鏡と、を有し、前記活性層は、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＡｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）により形成された量子井戸層と、（ＡｌｓＧａ１−ｓ）ｔＩｎ１−ｔＡｓ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）により形成された障壁層とを有し、前記活性層と前記下部ブラッグ反射鏡との間、又は、前記下部ブラッグ反射鏡には、（ＡｌａＧａ１−ａ）ｂＩｎ１−ｂＰ（０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１）により形成された不純物拡散防止層が形成されていることを特徴とする面発光レーザにより上記課題を解決する。【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、光源ユニット及びレーザ装置に関する。

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射出する半導体レーザである。面発光レーザは、端面発光型の半導体レーザと比較し、低価格、低消費電力、小型、高性能、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ブラッグ反射鏡及び下部ブラッグ反射鏡とを含む共振器構造を有している。上部ブラッグ反射鏡はカーボン等のｐ型不純物がドーピングされたｐ型半導体により形成され、下部ブラッグ反射鏡はセレン等のｎ型不純物がドーピングされたｎ型半導体により形成されている。

このような面発光レーザにおいては、ｎ型不純物の拡散係数が大きいため、例えば結晶成長中の熱処理により、ｎ型不純物が活性層に拡散する場合がある。このようにｎ型不純物が活性層に拡散すると、活性層において不純物準位が生じ、面発光レーザの発光効率が低下する。

そこで、従来では、窒素と他のＶ族元素との混晶半導体で構成された不純物拡散防止層を設けることで、活性層へのＳｅ等のｎ型不純物の拡散を防止している（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体材料は、原子間距離の大きさや終端構造の違いから結晶性よく成長させることが困難であるという問題があった。

そこで、上記課題を鑑み、結晶性が良好で、活性層へのｎ型不純物の拡散が少ない面発光レーザを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る面発光レーザは、
半導体基板の上にｎ型不純物がドーピングされた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上部ブラッグ反射鏡と、を有し、前記活性層は、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＡｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）により形成された量子井戸層と、（Ａｌ_ｓＧａ_１−ｓ）_ｔＩｎ_１−ｔＡｓ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）により形成された障壁層とを有し、前記活性層と前記下部ブラッグ反射鏡との間、又は、前記下部ブラッグ反射鏡には、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１）により形成された不純物拡散防止層が形成されていることを特徴とする。

開示の技術によれば、結晶性が良好で、活性層へのｎ型不純物の拡散が少ない面発光レーザを提供することができる。

第１実施形態の面発光レーザの概略断面図 第１実施形態の面発光レーザの説明図 Ｓｅ濃度の深さ方向プロファイルを示す図（１） Ｓｅ濃度の深さ方向プロファイルを示す図（２） 第２実施形態の面発光レーザの概略断面図 第２実施形態の面発光レーザの説明図 第３実施形態の面発光レーザの概略断面図 第３実施形態の面発光レーザの説明図 第４実施形態のレーザ装置の概略構成図 第５実施形態の点火装置の概略構成図 図１０の点火装置におけるレーザ共振器を説明するための図

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。

〔第１実施形態〕
（面発光レーザ）
第１実施形態の面発光レーザについて説明する。図１は、第１実施形態の面発光レーザの概略断面図である。図２は、第１実施形態の面発光レーザの説明図であり、図１における破線の領域Ａ１を拡大して示している。

図１に示されるように、面発光レーザは、半導体基板１０１の上に、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、電流狭窄層１０６、上部ブラッグ反射鏡１０７、コンタクト層１０８が形成されている。これらの層は半導体材料により形成されている。本実施形態においては、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。なお、半導体基板１０１と下部ブラッグ反射鏡１０２との間には、図示しないｎ−ＧａＡｓ等のバッファ層が形成されていてもよい。

半導体基板１０１は、ｎ型半導体であるｎ−ＧａＡｓ基板により形成されている。ｎ−ＧａＡｓ基板の面方位は、例えば（１００）面から（０１１）面方向に１５°傾斜した面とすることができる。また、ｎ−ＧａＡｓ基板の面方位は、（１００）面から（０１１）面方向に１５°傾斜した面と等価な面であってもよい。

下部ブラッグ反射鏡１０２は、光学膜厚がλ／４のｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ高屈折率層とｎ−ＡｌＡｓ低屈折率層とを４０ペア交互に積層することにより形成されている。各層には、ドーパントとしてｎ型不純物のセレン（Ｓｅ）が５×１０^１７〜２×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングされている。

下部スペーサ層１０３は、ノンドープの（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐにより形成されており、不純物拡散防止層としてＳｅの拡散を抑制する機能を有している。

活性層１０４は、Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ障壁層と（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．９Ｉｎ_０．１Ａｓ量子井戸層とを３ペア交互に積層することにより形成された三重量子井戸（ＴＱＷ：Triple Quantum Well）構造を有する。なお、活性層１０４は、三重量子井戸構造以外の多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造であってもよい。

上部スペーサ層１０５は、ノンドープの（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐにより形成されている。なお、上部スペーサ層１０５は、ノンドープのＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓにより形成されていてもよい。

本実施形態の面発光レーザにおいては、下部スペーサ層１０３、活性層１０４及び上部スペーサ層１０５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。

電流狭窄層１０６は、ＡｌＡｓにより形成されている。電流狭窄層１０６は、後述するメサの周囲より選択酸化することにより形成される選択酸化領域１０６ａと、選択酸化されなかったメサの中央部分の領域である電流狭窄領域１０６ｂとを含む。

上部ブラッグ反射鏡１０７は、光学膜厚がλ／４のｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ高屈折率層とｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層とを複数ペア交互に積層することにより形成されている。各層には、ドーパントとしてｐ型不純物のカーボン（Ｃ）が５×１０^１７〜６×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングされている。

また、半導体基板１０１の上において、コンタクト層１０８、上部ブラッグ反射鏡１０７、電流狭窄層１０６、上部スペーサ層１０５、活性層１０４、下部スペーサ層１０３、下部ブラッグ反射鏡１０２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、窒化シリコン（ＳｉＮ）により保護膜１０９が形成されている。メサの上面における外周部分のコンタクト層１０８の上には、上部電極１１０が形成されている。また、半導体基板１０１の裏面には、下部電極１１１が形成されている。

（面発光レーザの製造方法）
次に、第１実施形態の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１０１の上に、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、電流狭窄層１０６、上部ブラッグ反射鏡１０７、コンタクト層１０８を含む半導体層を積層して形成する。半導体層の形成方法としては、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法を用いることができる。

次に、コンタクト層１０８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図示しないレジストパターンを形成する。この後、電流狭窄層１０６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ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法等のドライエッチング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１０６の側面が露出している。メサの上面における形状は、例えば円形、楕円形、正方形、長方形等の形状であってもよく、他の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１０６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１０６ａを形成する。これにより、電流狭窄層１０６において選択酸化されなかった領域が電流狭窄領域１０６ｂとなり、電流狭窄（酸化アパーチャ）構造が形成される。

次に、ドライエッチングにより半導体層をエッチングすることにより、素子を分離するための図示しない素子分離溝を形成する。

次に、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＮを成膜することにより保護膜１０９を形成する。保護膜１０９の膜厚は、例えば１５０ｎｍ〜２００ｎｍとすることができ、１５０ｎｍであることが好ましい。

次に、メサの上面における半導体層の上に、スピンコータ等によりフォトレジストを塗布し、プリベークを行い、露光装置による露光、現像を行うことにより、上部電極１１０が形成されない領域に図示しないレジストパターンを形成する。

次に、真空蒸着法、スパッタリング法等により、レジストパターンが形成されたメサの上面における半導体層の上に、Ｃｒ／ＡｕＺｎ／Ａｕ積層膜を形成する。この後、アセトン等の有機溶媒中において超音波洗浄を行うことによりリフトオフを行い、上部電極１１０を形成する。

次に、半導体基板１０１の裏面を研磨し、研磨した裏面に、真空蒸着法、スパッタリング法等により、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ積層膜を形成することにより、下部電極１１１を形成する。半導体基板１０１を研磨した後の板厚は、例えば１００μｍ〜３００μｍとすることができ、１００μｍであることが好ましい。

本実施形態の面発光レーザでは、下部スペーサ層１０３が、ｎ型不純物の拡散係数が小さいリン（Ｐ）系材料である（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐにより形成されている。これにより、ｎ型半導体により形成された下部ブラッグ反射鏡１０２に含まれるｎ型不純物が活性層１０４に拡散することを抑制することができる。なお、下部スペーサ層１０３がＰ系材料により形成されていればよく、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）の組成は上記に限定されない。即ち、下部スペーサ層１０３は、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１）により形成されていればよい。

（効果）
次に、第１実施形態の面発光レーザの効果について、図３に基づき説明する。図３は、Ｓｅ濃度の深さ方向プロファイルを示す図であり、２次イオン質量分析測定法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）による測定結果を示している。なお、図３における横軸は深さ（μｍ）を示し、縦軸はＳｅ濃度（／ｃｍ^３）を示している。

図３では、ＧａＡｓ基板の上に、ＳｅドープのＡｌＡｓ、ノンドープの（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、ノンドープのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ／（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．９Ｉｎ_０．１Ａｓ、Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓを積層したウエハにおけるＳｅ濃度の深さ方向プロファイルを示している。

なお、ＧａＡｓ基板は半導体基板１０１の一例である。ＳｅドープのＡｌＡｓは下部ブラッグ反射鏡１０２の低屈折率層の一例である。ノンドープの（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐは下部スペーサ層１０３の一例である。ノンドープのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ／（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．９Ｉｎ_０．１Ａｓは活性層１０４の一例である。Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓは上部ブラッグ反射鏡１０７の一例である。また、ＳｅドープのＡｌＡｓのドーピング濃度は３〜５×１０^１７ｃｍ^−３としている。また、便宜上、Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓの図示を省略している。

図３に示されるように、ノンドープの（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの上に形成されたノンドープのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ／（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．９Ｉｎ_０．１Ａｓにおいて、Ｓｅ濃度が１×１０^１６ｃｍ^−３以下まで低減されていることが分かる。即ち、下部ブラッグ反射鏡１０２と活性層１０４との間に、Ｐ系材料であるＡｌＧａＩｎＰを設けることにより、Ｓｅの活性層１０４への拡散を抑制することができた。

次に、比較のために、下部ブラッグ反射鏡１０２と活性層１０４との間にＰ系材料が設けられていない場合について、図４に基づき説明する。図４は、Ｓｅ濃度の深さ方向プロファイルを示す図であり、ＳＩＭＳによる測定結果を示している。なお、図４における横軸は深さ（μｍ）を示し、縦軸はＳｅ濃度（／ｃｍ^３）を示している。

図４では、ＧａＡｓ基板の上に、ＳｅドープのＡｌＡｓ、ノンドープのＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓ、ノンドープのＧａＡｓ／Ｇａ_０．９Ｉｎ_０．１Ａｓ、Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓを積層したウエハにおけるＳｅ濃度の深さ方向プロファイルを示している。

なお、ＳｅドープのＡｌＡｓのドーピング濃度は、図３の場合と同様に３〜５×１０^１７ｃｍ^−３としている。また、便宜上、Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓの図示を省略している。

図４に示されるように、ＳｅドープのＡｌＡｓの上に形成されたＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓ及びノンドープのＧａＡｓ／Ｇａ_０．９Ｉｎ_０．１Ａｓにおいて、Ｓｅを意図的にドーピングしていないにも関わらず、Ｓｅが１〜５×１０_１７ｃｍ^−３の濃度で検出された。即ち、下部ブラッグ反射鏡と活性層との間にＰ系材料が設けられていない場合、下部ブラッグ反射鏡に含まれるＳｅが活性層に拡散し、活性層においてＳｅにより形成される不純物準位に起因して面発光レーザの発光効率が低下する虞がある。

〔第２実施形態〕
第２実施形態の面発光レーザについて説明する。第２実施形態の面発光レーザは、第１実施形態の面発光レーザにおける下部ブラッグ反射鏡の一部に、Ｐ系材料である不純物拡散防止層が形成されている点で、第１実施形態と異なる。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

図５は、第２実施形態の面発光レーザの概略断面図である。図６は、第２実施形態の面発光レーザの説明図であり、図５における破線の領域Ａ２を拡大して示している。

本実施形態の面発光レーザは、半導体基板２０１の上に、下部ブラッグ反射鏡２０２、下部スペーサ層２０３、活性層２０４、上部スペーサ層２０５、電流狭窄層２０６、上部ブラッグ反射鏡２０７、コンタクト層２０８が形成されている。これらの層は半導体材料により形成されている。本実施形態においては、ブラッグ反射鏡には、ＤＢＲが含まれているものとする。なお、半導体基板２０１と下部ブラッグ反射鏡２０２との間には、図示しないｎ−ＧａＡｓ等のバッファ層が形成されていてもよい。

半導体基板２０１は、ｎ型半導体であるｎ−ＧａＡｓ基板により形成されている。ｎ−ＧａＡｓ基板の面方位は、例えば（１００）面から（０１１）面方向に１５°傾斜した面とすることができる。また、ｎ−ＧａＡｓ基板の面方位は、（１００）面から（０１１）面方向に１５°傾斜した面と等価な面であってもよい。

下部ブラッグ反射鏡２０２は、第１積層膜２０２ａと、第２積層膜２０２ｂとを有する。第１積層膜２０２ａは、光学膜厚がλ／４のｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ高屈折率層とｎ−ＡｌＡｓ低屈折率層とを３９ペア交互に積層することにより形成されている。第２積層膜２０２ｂは、第１積層膜２０２ａの上に、光学膜厚がλ／４のｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ高屈折率層とノンドープの（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ低屈折率層とを１ペア交互に積層することにより形成されている。第１積層膜２０２ａのｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ高屈折率層、ｎ−ＡｌＡｓ低屈折率層、及び、第２積層膜２０２ｂのｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ高屈折率層には、ドーパントとしてｎ型不純物のＳｅがドーピングされている。このときの不純物濃度は、５×１０^１７〜２×１０^１８ｃｍ^−３程度である。第２積層膜２０２ｂにおけるノンドープの（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ低屈折率層は、不純物拡散防止層としてＳｅの拡散を抑制する機能を有している。

下部スペーサ層２０３は、ノンドープの（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐにより形成されており、不純物拡散防止層としてＳｅの拡散を抑制する機能を有している。

活性層２０４は、Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ障壁層と（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．９Ｉｎ_０．１Ａｓ量子井戸層とを３ペア交互に積層することにより形成された三重量子井戸構造を有する。なお、活性層２０４は、三重量子井戸構造以外の多重量子井戸構造であってもよい。

上部スペーサ層２０５は、ノンドープの（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐにより形成されている。なお、上部スペーサ層２０５は、ノンドープのＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓにより形成されていてもよい。

本実施形態の面発光レーザにおいては、下部スペーサ層２０３、活性層２０４及び上部スペーサ層２０５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。

電流狭窄層２０６は、ＡｌＡｓにより形成されている。電流狭窄層２０６は、後述するメサの周囲より選択酸化することにより、選択酸化領域２０６ａ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２０６ｂとなる。

上部ブラッグ反射鏡２０７は、光学膜厚がλ／４のｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ高屈折率層とｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層とを複数ペア交互に積層することにより形成されている。各層には、ドーパントとしてｐ型不純物のＣが５×１０^１７〜６×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングされている。

また、半導体基板２０１の上において、コンタクト層２０８、上部ブラッグ反射鏡２０７、電流狭窄層２０６、上部スペーサ層２０５、活性層２０４、下部スペーサ層２０３、下部ブラッグ反射鏡２０２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２０９が形成されている。メサの上面における外周部分のコンタクト層２０８の上には、上部電極２１０が形成されている。また、半導体基板２０１の裏面には、下部電極２１１が形成されている。

なお、第２実施形態の面発光レーザは、第１実施形態と同様の方法により製造することができる。

本実施形態の面発光レーザでは、第１実施形態と同様、下部スペーサ層２０３が、ｎ型不純物の拡散係数が小さいＰ系材料である（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐにより形成されている。これにより、ｎ型半導体により形成された下部ブラッグ反射鏡２０２に含まれるｎ型不純物が活性層２０４に拡散することを抑制することができる。

また、本実施形態の面発光レーザでは、下部ブラッグ反射鏡２０２の一部が、ｎ型不純物の拡散係数が小さいＰ系材料である（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐにより形成されている。これにより、Ａｓ系の層とＰ系の層との界面に急峻なドーピングプロファイルが形成されるため、吸収損失を低減することができる。

なお、下部スペーサ層１０３及び下部ブラッグ反射鏡２０２の一部がＰ系材料により形成されていればよく、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの組成は上記に限定されない。即ち、下部スペーサ層１０３及び下部ブラッグ反射鏡２０２の一部は、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１）により形成されていればよい。

〔第３実施形態〕
第３実施形態の面発光レーザについて説明する。第３実施形態の面発光レーザは、第２実施形態の面発光レーザにおける下部スペーサ層が、Ｐを含まない材料により形成されている点で、第２実施形態と異なる。以下、第２実施形態と異なる点を中心に説明する。

図７は、第３実施形態の面発光レーザの概略断面図である。図８は、第３実施形態の面発光レーザの説明図であり、図７における破線の領域Ａ３を拡大して示している。

本実施形態の面発光レーザは、半導体基板３０１の上に、下部ブラッグ反射鏡３０２、下部スペーサ層３０３、活性層３０４、上部スペーサ層３０５、電流狭窄層３０６、上部ブラッグ反射鏡３０７、コンタクト層３０８が形成されている。これらの層は半導体材料により形成されている。本実施形態においては、ブラッグ反射鏡には、ＤＢＲが含まれているものとする。なお、半導体基板３０１と下部ブラッグ反射鏡３０２との間には、図示しないｎ−ＧａＡｓ等のバッファ層が形成されていてもよい。

半導体基板３０１は、ｎ型半導体であるｎ−ＧａＡｓ基板により形成されている。ｎ−ＧａＡｓ基板の面方位は、例えば（１００）面から（０１１）面方向に１５°傾斜した面とすることができる。また、ｎ−ＧａＡｓ基板の面方位は、（１００）面から（０１１）面方向に１５°傾斜した面と等価な面であってもよい。

下部ブラッグ反射鏡３０２は、第１積層膜３０２ａと、第２積層膜３０２ｂとを有する。第１積層膜３０２ａは、光学膜厚がλ／４のｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ高屈折率層とｎ−ＡｌＡｓ低屈折率層とを３９ペア交互に積層することにより形成されている。第２積層膜３０２ｂは、第１積層膜３０２ａの上に、光学膜厚がλ／４のｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ高屈折率層とノンドープの（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ低屈折率層とを１ペア交互に積層することにより形成されている。第１積層膜３０２ａのｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ高屈折率層、ｎ−ＡｌＡｓ低屈折率層、及び、第２積層膜３０２ｂのｎ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ高屈折率層には、ドーパントとしてｎ型不純物のＳｅがドーピングされている。このときの不純物濃度は、５×１０^１７〜２×１０^１８ｃｍ^−３程度である。第２積層膜３０２ｂにおけるノンドープの（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ低屈折率層は、不純物拡散防止層としてＳｅの拡散を抑制する機能を有している。

下部スペーサ層３０３は、ノンドープのＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓにより形成されている。

活性層３０４は、Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ障壁層と（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．９Ｉｎ_０．１Ａｓ量子井戸層とを３ペア交互に積層することにより形成された三重量子井戸構造を有する。なお、活性層３０４は、三重量子井戸構造以外の多重量子井戸構造であってもよい。

上部スペーサ層３０５は、ノンドープの（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐにより形成されている。なお、上部スペーサ層２０５は、ノンドープのＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓにより形成されていてもよい。

本実施形態の面発光レーザにおいては、下部スペーサ層３０３、活性層３０４及び上部スペーサ層３０５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。

電流狭窄層３０６は、ＡｌＡｓにより形成されている。電流狭窄層３０６は、後述するメサの周囲より選択酸化することにより、選択酸化領域３０６ａ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３０６ｂとなる。

上部ブラッグ反射鏡３０７は、光学膜厚がλ／４のｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ高屈折率層とｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層とを複数ペア交互に積層することにより形成されている。各層には、ドーパントとしてｐ型不純物のＣが５×１０^１７〜６×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングされている。

また、半導体基板３０１の上において、コンタクト層３０８、上部ブラッグ反射鏡３０７、電流狭窄層３０６、上部スペーサ層３０５、活性層３０４、下部スペーサ層３０３、下部ブラッグ反射鏡３０２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３０９が形成されている。メサの上面における外周部分のコンタクト層３０８の上には、上部電極３１０が形成されている。また、半導体基板３０１の裏面には、下部電極３１１が形成されている。

なお、第３実施形態の面発光レーザは、第１実施形態（第２実施形態）と同様の方法により製造することができる。

本実施形態の面発光レーザでは、第２実施形態と同様、下部ブラッグ反射鏡３０２の一部が、ｎ型不純物の拡散係数が小さいＰ系材料である（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐにより形成されている。これにより、Ａｓ系の層とＰ系の層との界面に急峻なドーピングプロファイルが形成されるため、吸収損失を低減することができる。なお、下部ブラッグ反射鏡３０２の一部がＰ系材料により形成されていればよく、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの組成は上記に限定されない。即ち、下部ブラッグ反射鏡３０２の一部は、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１）により形成されていればよい。

また、本実施形態の面発光レーザでは、下部スペーサ層３０３が活性層３０４における障壁層と同様にＡｓ系の半導体材料により形成されている。これにより、下部スペーサ層３０３の上に活性層３０４における障壁層を結晶性よく形成することができる。

〔第４実施形態〕
第４実施形態では、第１実施形態から第３実施形態の面発光レーザのいずれかを有するレーザ装置について説明する。図９は、第４実施形態のレーザ装置の概略構成図である。

図９に示すように、本実施形態のレーザ装置は、光源ユニット４１０と、集光レンズ４２０と、光ファイバ４３０とを有する。レーザ装置では、光源ユニット４１０から射出された光が集光レンズ４２０により集光された後、光ファイバ４３０の一端に入射し、光ファイバ４３０の他端からレーザ光が射出される。

光源ユニット４１０は、面発光レーザ４１１が２次元的に複数配列した面発光レーザアレイ４１２と、複数の面発光レーザ４１１から射出される光の光路上にそれぞれ配置される複数のマイクロレンズが配列した２次元のマイクロレンズアレイ４１３とを有する。各面発光レーザ４１１は、上記の第１実施形態から第３実施形態の面発光レーザのいずれかである。面発光レーザアレイ４１２から射出された光は、面発光レーザ４１１ごとに放射角を持ったレーザ光であり、マイクロレンズアレイ４１３を通ることによって平行光となる。平行光となった光は、集光レンズ４２０に入射する。

集光レンズ４２０は、光源ユニット４１０から射出された光を小さなスポットに効率よく集光し、光ファイバ４３０に入射させる光学系である。

光ファイバ４３０は、集光レンズ４２０により集光された光を伝送する。光ファイバ４３０は、中心部のコア４３１と、その周囲を覆うクラッド４３２とを含む二層構造になっている。光ファイバ４３０のコア４３１には、集光レンズ４２０で集光された光が入射する。

第４実施形態のレーザ装置では、活性層へのｎ型不純物の拡散を抑制可能な第１実施形態から第３実施形態の面発光レーザである発光部を有するので、レーザ特性の低下を抑制することができる。

〔第５実施形態〕
第５実施形態では、第１実施形態から第３実施形態の面発光レーザのいずれかを有する点火装置について説明する。図１０は、第５実施形態の点火装置の概略構成図である。図１１は、図１０の点火装置におけるレーザ共振器を説明するための図である。

点火装置１３０１は、一例として図１０に示されるように、レーザ装置１２００、射出光学系１２１０、及び保護部材１２１２などを有している。

射出光学系１２１０は、レーザ装置１２００から射出される光を集光する。これにより、集光点で高いエネルギー密度を得ることができる。

保護部材１２１２は、燃焼室に臨んで設けられた透明の窓である。ここでは、一例として、保護部材１２１２の材料としてサファイアガラスが用いられている。

レーザ装置１２００は、面発光レーザアレイ１２０１、第１集光光学系１２０３、光ファイバ１２０４、第２集光光学系１２０５、及びレーザ共振器１２０６を備えている。なお、本明細書では、ＸＹＺ３次元直交座標系を用い、面発光レーザアレイ１２０１からの光の射出方向を＋Ｚ方向として説明する。

面発光レーザアレイ１２０１は、励起用光源であり、複数の発光部を有している。各発光部は、上記の第１実施形態から第３実施形態の面発光レーザのいずれかである。面発光レーザアレイ１２０１から射出される光の波長は８０８ｎｍである。

面発光レーザアレイ１２０１は、射出される光の温度による波長ずれが非常に少ないため、励起波長のずれによって特性が大きく変化するＱスイッチレーザを励起するのに有利な光源である。そこで、面発光レーザアレイ１２０１を励起用光源に用いると、環境の温度制御を簡易なものにできるという利点がある。

第１集光光学系１２０３は、面発光レーザアレイ１２０１から射出される光を集光する。

光ファイバ１２０４は、第１集光光学系１２０３によって光が集光される位置にコアの−Ｚ側端面の中心が位置するように配置されている。ここでは、光ファイバ１２０４として、コア径が１．５ｍｍ、ＮＡが０．３９の光ファイバ（Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製、型番：ＦＴ１５００ＵＭＴ）が用いられている。

光ファイバ１２０４を設けることによって、面発光レーザアレイ１２０１をレーザ共振器１２０６から離れた位置に置くことができる。これにより配置設計の自由度を増大させることができる。また、レーザ装置１２００を点火装置に用いる際に、熱源から面発光レーザアレイ１２０１を遠ざけることができるため、エンジンを冷却する方法の幅を広げることが可能である。

光ファイバ１２０４に入射した光はコア内を伝播し、コアの＋Ｚ側端面から射出される。

第２集光光学系１２０５は、光ファイバ１２０４から射出された光の光路上に配置され、該光を集光する。第２集光光学系１２０５で集光された光は、レーザ共振器１２０６に入射する。

レーザ共振器１２０６は、Ｑスイッチレーザであり、一例として図１１に示されるように、レーザ媒質１２０６ａ、及び可飽和吸収体１２０６ｂを有している。

レーザ媒質１２０６ａは、３ｍｍ×３ｍｍ×８ｍｍの直方体形状のＮｄ：ＹＡＧ結晶であり、Ｎｄが１．１％ドーピングされている。可飽和吸収体１２０６ｂは、３ｍｍ×３ｍｍ×２ｍｍの直方体形状のＣｒ：ＹＡＧ結晶であり、初期透過率が３０％のものである。

なお、ここでは、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶とＣｒ：ＹＡＧ結晶は接合されており、いわゆるコンポジット結晶となっている。また、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶及びＣｒ：ＹＡＧ結晶は、いずれもセラミックスである。

第２集光光学系１２０５からの光は、レーザ媒質１２０６ａに入射される。すなわち、第２集光光学系１２０５からの光によってレーザ媒質１２０６ａが励起される。なお、面発光レーザアレイ１２０１から射出される光の波長は、ＹＡＧ結晶において最も吸収効率の高い波長である。そして、可飽和吸収体１２０６ｂは、Ｑスイッチの動作を行う。

レーザ媒質１２０６ａの入射側（−Ｚ側）の面、及び可飽和吸収体１２０６ｂの射出側（＋Ｚ側）の面は光学研磨処理がなされ、ミラーの役割を果たしている。なお、以下では、便宜上、レーザ媒質１２０６ａの入射側の面を「第１の面」とも称し、可飽和吸収体１２０６ｂの射出側の面を「第２の面」とも称する（図１１参照）。

そして、第１の面及び第２の面には、面発光レーザアレイ１２０１から射出される光の波長、及びレーザ共振器１２０６から射出される光の波長に応じた誘電体膜がコーティングされている。

具体的には、第１の面には、波長が８０８ｎｍの光に対して９９．５％の高い透過率を示し、波長が１０６４ｎｍの光に対して９９．５％の高い反射率を示すコーティングがなされている。また、第２の面には、波長が１０６４ｎｍの光に対して５０％の反射率を示すコーティングがなされている。

これにより、レーザ共振器１２０６内で光が共振し増幅される。ここでは、レーザ共振器１２０６の共振器長は１０（＝８＋２）ｍｍである。

図１０に戻り、駆動装置１２２０は、エンジン制御装置１２２２の指示に基づいて、面発光レーザアレイ１２０１を駆動する。すなわち、駆動装置１２２０は、エンジンの動作における着火のタイミングで点火装置から光が射出されるように、面発光レーザアレイ１２０１を駆動する。なお、面発光レーザアレイ１２０１における複数の発光部は、同時に点灯及び消灯される。

上記の実施形態において、面発光レーザアレイ１２０１をレーザ共振器１２０６から離れた位置に置く必要がない場合は、光ファイバ１２０４が設けられなくてもよい。

また、第１集光光学系１２０３、第２集光光学系１２０５、及び射出光学系１２１０は、いずれも単一のレンズからなっていてもよいし、複数のレンズからなっていてもよい。

また、エンジンとしては、燃焼ガスによってピストンを運動させるエンジン（ピストンエンジン）であってもよく、ロータリーエンジンや、ガスタービンエンジンや、ジェットエンジンであってもよい。要するに、燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する内燃機関であればよい。

また、排熱を利用して、動力や温熱や冷熱を取り出し、総合的にエネルギー効率を高めるシステムであるコジェネレーションに、点火装置を用いてもよい。

また、ここでは、点火装置が内燃機関に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。

また、ここでは、レーザ装置１２００が点火装置に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、レーザ加工機、レーザピーニング装置、テラヘルツ発生装置等に用いることができる。

以上、本発明の実施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く、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

上記の実施形態では、不純物拡散防止層が単層のＡｌＧａＩｎＰにより形成されている場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。不純物拡散防止層は、単層であってもよく、組成の異なる複数の層であってもよい。

１０１ 半導体基板
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 電流狭窄層
１０６ａ 選択酸化領域
１０６ｂ 電流狭窄領域
１０７ 上部ブラッグ反射鏡
１０８ コンタクト層
１０９ 保護膜
１１０ 上部電極
１１１ 下部電極
２０１ 半導体基板
２０２ 下部ブラッグ反射鏡
２０３ 下部スペーサ層
２０４ 活性層
２０５ 上部スペーサ層
２０６ 電流狭窄層
２０６ａ 選択酸化領域
２０６ｂ 電流狭窄領域
２０７ 上部ブラッグ反射鏡
２０８ コンタクト層
２０９ 保護膜
２１０ 上部電極
２１１ 下部電極
３０１ 半導体基板
３０２ 下部ブラッグ反射鏡
３０３ 下部スペーサ層
３０４ 活性層
３０５ 上部スペーサ層
３０６ 電流狭窄層
３０６ａ 選択酸化領域
３０６ｂ 電流狭窄領域
３０７ 上部ブラッグ反射鏡
３０８ コンタクト層
３０９ 保護膜
３１０ 上部電極
３１１ 下部電極
４１０ 光源ユニット
４１１ 面発光レーザ
４１２ 面発光レーザアレイ
４１３ マイクロレンズアレイ
４２０ 集光レンズ
４３０ 光ファイバ

特開２００５−２６００４４号公報

Claims (7)

1. 半導体基板の上にｎ型不純物がドーピングされた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上部ブラッグ反射鏡と、
   を有し、
   前記活性層は、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＡｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）により形成された量子井戸層と、（Ａｌ_ｓＧａ_１−ｓ）_ｔＩｎ_１−ｔＡｓ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）により形成された障壁層とを有し、
   前記活性層と前記下部ブラッグ反射鏡との間、又は、前記下部ブラッグ反射鏡には、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_ｂＩｎ_１−ｂＰ（０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１）により形成された不純物拡散防止層が形成されていることを特徴とする面発光レーザ。
2. 前記不純物拡散防止層は、前記下部ブラッグ反射鏡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ｎ型不純物は、セレンであることを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光レーザ。
4. 前記半導体基板は、ＧａＡｓ基板であり、
   前記ＧａＡｓ基板の面方位は、（１００）面から（０１１）面方向に１５°傾斜した面であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の面発光レーザが２次元的に複数配列されていることを特徴とする面発光レーザアレイ。
6. 請求項５に記載の面発光レーザアレイと、
   前記面発光レーザアレイより射出される光を平行光とするマイクロレンズアレイと、
   を有することを特徴とする光源ユニット。
7. 請求項６に記載の光源ユニットと、
   前記光源ユニットより射出される光を集光する集光レンズと、
   前記集光レンズにより集光された光を伝送する光ファイバと、
   を有することを特徴とするレーザ装置。

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