JP2020141046A - 半導体レーザーおよび原子発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】ミラー層の酸化によって活性層に生じる応力を低減できる半導体レーザーを提供する。【解決手段】積層体は、平面視において、第１部分と、第２部分と、活性層で発生した光を共振させる第３部分と、第４部分と、第５部分と、を有し、前記第１部分、前記第２部分、および前記第３部分は、前記第３部分の中心を通る第１軸に沿って配置され、前記第４部分、前記第５部分、および前記第３部分は、前記第３部分の中心を通り、前記第１軸に交差する第２軸に沿って配置され、前記第４部分の長さは、前記第１部分および前記第２部分の長さよりも小さく、前記第４部分の幅は、前記第１部分および前記第２部分の幅以下であり、前記第５部分の長さは、前記第１部分および前記第２部分の長さよりも小さく、前記第１部分および前記第２部分の幅以下である、半導体レーザー。【選択図】図３

Description

本発明は、半導体レーザーおよび原子発振器に関する。

面発光型半導体レーザーは、例えば、量子干渉効果のひとつであるＣＰＴ（Coherent Population Trapping）を利用した原子発振器の光源として用いられる。このような半導体レーザーは、２つのミラー層と、２つのミラー層の間に配置された活性層と、を有している。さらに、半導体レーザーは、活性層に注入される電流が活性層の面内に広がることを防ぐための電流狭窄層を有している。

このような半導体レーザーとして、例えば、特許文献１には、ｎ−ＧａＡｓ基板上に、ｎ−Ａｌ_０．９ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ_０．２ＧａＡｓの３５ペアからなる下部ＤＢＲミラー、活性層、およびｐ−Ａｌ_０．９ＧａＡｓ／ｐ−Ａｌ_０．２ＧａＡｓの２５ペアからなる上部ＤＢＲミラーの積層構造を備えている半導体レーザーが開示されている。また、上部ＤＢＲミラーの活性層に近い側の一層を、Ａｌ_０．９ＧａＡｓ層に変えてＡｌＡｓ層とし、電流注入領域以外の領域のＡｌＡｓ層のＡｌを選択的に酸化して、Ａｌ酸化層からなる電流狭窄層を形成している。

ここで、ＡｌＡｓ層を酸化して、電流狭窄領域を構成するＡｌ酸化層を生成する際に、Ａｌ酸化層の生成に伴って上部ＤＢＲミラーの一部が酸化され、それにより歪みが発生し、信頼性が低下するという問題がある。特許文献１では、Ａｌ酸化層の組成や、Ａｌ酸化層の膜厚、上部ＤＢＲミラーの低屈折率層のＡｌ組成を最適化することによって、上部ＤＢＲミラーの酸化を低減している。

特開２００３−８１４２号公報

上記のように、半導体レーザーでは、ミラー層の酸化によって活性層に生じる応力が信頼性を低下させる。そのため、半導体レーザーでは、ミラー層の酸化によって活性層に生じる応力を低減させることが望まれている。

本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することができる。

本適用例に係る半導体レーザーは、第１ミラー層と、第２ミラー層と、前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間に配置された活性層と、前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間に配置された電流狭窄層と、前記第１ミラー層と連続して設けられ、複数の第１酸化層を含む第１領域と、前記第２ミラー層と連続して設けられ、複数の第２酸化層を含む第２領域と、を含み、前記第１ミラー層、前記第２ミラー層、前記活性層、前記電流狭窄層、前記第１領域、および前記第２領域は、積層体を構成し、前記積層体は、平面視において、第１部分と、第２部分と、前記活性層で発生した光を共振させる第３部分と、前記第３部分に接続された第４部分と、前記第３部分に接続された第５部分と、を有し、前記第３部分は、前記第１部分と前記第２部分との間、かつ、前記第４部分と前記第５部分
との間に配置され、前記第１部分、前記第２部分、および前記第３部分は、前記第３部分の中心を通る第１軸に沿って配置され、前記第４部分、前記第５部分、および前記第３部分は、前記第３部分の中心を通り、前記第１軸に交差する第２軸に沿って配置され、前記第４部分の長さは、前記第１部分および前記第２部分の長さよりも小さく、前記第４部分の幅は、前記第１部分および前記第２部分の幅以下であり、前記第５部分の長さは、前記第１部分および前記第２部分の長さよりも小さく、前記第１部分および前記第２部分の幅以下である。

本適用例に係る半導体レーザーにおいて、前記第１軸に沿った前記積層体の酸化速度をＶ１とし、前記第２軸に沿った前記積層体の酸化速度をＶ２とし、平面視において、前記第３部分の中心を通り、前記第１部分と前記第５部分との間および前記第２部分と前記第４部分との間を通る第３軸に沿った前記積層体の酸化速度をＶ３とした場合、Ｖ１＜Ｖ３、かつ、Ｖ２＜Ｖ３であってもよい。

本適用例に係る半導体レーザーにおいて、前記第１軸と前記第２軸とは直交していてもよい。

本適用例に係る半導体レーザーにおいて、前記積層体の側面に配置された樹脂層を含んでいてもよい。

本適用例に係る原子発振器は、半導体レーザーと、前記半導体レーザーから出射された光が照射される、アルカリ金属原子が収容された原子セルと、前記原子セルを透過した光の強度を検出して、検出信号を出力する受光素子と、を含み、前記半導体レーザーは、第１ミラー層と、第２ミラー層と、前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間に配置された活性層と、前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間に配置された電流狭窄層と、前記第１ミラー層と連続して設けられ、複数の第１酸化層を含む第１領域と、前記第２ミラー層と連続して設けられ、複数の第２酸化層を含む第２領域と、を含み、前記第１ミラー層、前記第２ミラー層、前記活性層、前記電流狭窄層、前記第１領域、および前記第２領域は、積層体を構成し、前記積層体は、平面視において、第１部分と、第２部分と、前記活性層で発生した光を共振させる第３部分と、前記第３部分に接続された第４部分と、前記第３部分に接続された第５部分と、を有し、前記第３部分は、前記第１部分と前記第２部分との間、かつ、前記第４部分と前記第５部分との間に配置され、前記第１部分、前記第２部分、および前記第３部分は、前記第３部分の中心を通る第１軸に沿って配置され、前記第４部分、前記第５部分、および前記第３部分は、前記第３部分の中心を通り、前記第１軸に交差する第２軸に沿って配置され、前記第４部分の長さは、前記第１部分および前記第２部分の長さよりも小さく、前記第４部分の幅は、前記第１部分および前記第２部分の幅以下であり、前記第５部分の長さは、前記第１部分および前記第２部分の長さよりも小さく、前記第１部分および前記第２部分の幅以下である。

第１実施形態に係る半導体レーザーを模式的に示す平面図。 第１実施形態に係る半導体レーザーを模式的に示す断面図。 第１実施形態に係る半導体レーザーを模式的に示す平面図。 第１実施形態に係る半導体レーザーを模式的に示す断面図。 第１実施形態に係る半導体レーザーの製造工程を模式的に示す断面図。 第１実施形態に係る半導体レーザーの製造工程を模式的に示す断面図。 第１実施形態に係る半導体レーザーの製造工程を模式的に示す断面図。 第１実施形態に係る半導体レーザーの製造工程を模式的に示す断面図。 第２実施形態に係る原子発振器の構成を示す図。 第３実施形態に係る周波数信号生成システムの一例を説明するための図。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１． 第１実施形態
１．１． 半導体レーザー
まず、第１実施形態に係る半導体レーザーについて、図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る半導体レーザー１００を模式的に示す平面図である。図２は、第１実施形態に係る半導体レーザー１００を模式的に示す図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図３は、第１実施形態に係る半導体レーザー１００を模式的に示す平面図である。図４は、第１実施形態に係る半導体レーザー１００を模式的に示す図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。

なお、便宜上、図２では、積層体２を簡略化して図示している。また、図３では、半導体レーザー１００の積層体２以外の部材の図示を省略している。また、図１〜図４では、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を図示している。また、本明細書においては、半導体レーザー１００における位置関係を、相対的に第２電極８２側を上、基板１０側を下として説明する。

半導体レーザー１００は、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical
Cavity Surface Emitting Laser）である。半導体レーザー１００は、図１〜図４に示すように、基板１０と、第１ミラー層２０と、活性層３０と、第２ミラー層４０と、電流狭窄層４２と、コンタクト層５０と、第１領域６０と、第２領域６２と、樹脂層７０と、第１電極８０と、第２電極８２と、を含む。

基板１０は、例えば、第１導電型（例えばｎ型）のＧａＡｓ基板である。

第１ミラー層２０は、基板１０上に配置されている。第１ミラー層２０は、活性層３０に対して基板１０側に配置されている。第１ミラー層２０は、基板１０と活性層３０との間に配置されている。第１ミラー層２０は、例えば、ｎ型の半導体層である。第１ミラー層２０は、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）ミラーである。第１ミラー層２０は、高屈折率層２４と低屈折率層２６とが交互に積層されて構成されている。高屈折率層２４は、例えば、シリコンがドープされたｎ型のＡｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓ層である。低屈折率層２６は、例えば、シリコンがドープされたｎ型のＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層である。高屈折率層２４と低屈折率層２６との積層数（ペア数）は、例えば、１０ペア以上５０ペア以下である。

活性層３０は、第１ミラー層２０上に配置されている。活性層３０は、第１ミラー層２０と第２ミラー層４０との間に配置されている。活性層３０は、例えば、ｉ型のＩｎ_０．０６Ｇａ_０．９４Ａｓ層とｉ型のＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ層とから構成される量子井戸構造を３層重ねた多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造を有している。

第２ミラー層４０は、活性層３０上に配置されている。第２ミラー層４０は、活性層３０に対して基板１０側とは反対側に配置されている。第２ミラー層４０は、活性層３０とコンタクト層５０との間に配置されている。第２ミラー層４０は、例えば、第２導電型（例えばｐ型）の半導体層である。第２ミラー層４０は、分布ブラッグ反射型ミラーである。第２ミラー層４０は、高屈折率層４４と低屈折率層４６とが交互に積層されて構成され
ている。高屈折率層４４は、例えば、炭素がドープされたｐ型のＡｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓ層である。低屈折率層４６は、例えば、炭素がドープされたｐ型のＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層である。高屈折率層４４と低屈折率層４６との積層数（ペア数）は、例えば３ペア以上４０ペア以下である。

第２ミラー層４０、活性層３０、および第１ミラー層２０は、垂直共振器型のｐｉｎダイオードを構成している。第１電極８０と第２電極８２との間にｐｉｎダイオードの順方向の電圧を印加すると、活性層３０において電子と正孔との再結合が起こり、発光が生じる。活性層３０で生じた光は、第１ミラー層２０と第２ミラー層４０との間を多重反射し、その際に誘導放出が起こって、強度が増幅される。そして、光利得が光損失を上回ると、レーザー発振が起こり、コンタクト層５０の上面から、レーザー光が出射される。

電流狭窄層４２は、第１ミラー層２０と第２ミラー層４０との間に配置されている。電流狭窄層４２は、例えば、活性層３０上に配置されてもよいし、第２ミラー層４０の内部に配置されてもよい。電流狭窄層４２は、例えば、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ≧０．９５）層が酸化された層である。電流狭窄層４２は、電流の経路となる開口部４３を有している。電流狭窄層４２によって、活性層３０に注入される電流が活性層３０の面内に広がることを防ぐことができる。

コンタクト層５０は、第２ミラー層４０上に設けられている。コンタクト層５０は、第２導電型の半導体層である。具体的には、コンタクト層５０は、炭素がドープされたｐ型のＧａＡｓ層である。

第１領域６０は、図４に示すように、積層体２を構成する第１ミラー層２０の側方に設けられている。第１領域６０は、第１ミラー層２０と連続して設けられた、複数の第１酸化層６を含む。具体的には、第１領域６０は、第１ミラー層２０を構成している低屈折率層２６と連続する層が酸化された第１酸化層６と、第１ミラー層２０を構成している高屈折率層２４と連続する層４と、が交互に積層されて構成されている。低屈折率層２６は、例えばＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層であり、高屈折率層２４は、例えば、Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓ層である。

第２領域６２は、積層体２を構成する第２ミラー層４０の側方に設けられている。第２領域６２は、第２ミラー層４０と連続して設けられた、複数の第２酸化層１６を含む。具体的には、第２領域６２は、第２ミラー層４０を構成している低屈折率層４６と連続する層が酸化された第２酸化層１６と、第２ミラー層４０を構成している高屈折率層４４と連続する層１４と、が交互に積層されて構成されている。低屈折率層４６は、例えばＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層であり、高屈折率層４４は、例えば、Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓ層である。

第１領域６０と第２領域６２とにより、酸化領域８が構成されている。酸化領域８は、図３に示すように、積層体２の外縁に沿って設けられている。酸化領域８の上面６３は、第２ミラー層４０の上面４８に対して傾斜している。

第１ミラー層２０の一部、活性層３０、第２ミラー層４０、電流狭窄層４２、コンタクト層５０、第１領域６０、および第２領域６２は、積層体２を構成している。図２に示すように、積層体２は、柱状である。積層体２は、第１ミラー層２０上に配置され、第１ミラー層２０から上方に突出している。積層体２は、樹脂層７０によって囲まれている。

積層体２は、図３に示すように、平面視において、第１部分２ａと、第２部分２ｂと、第３部分２ｃと、第４部分２ｄと、第５部分２ｅと、を有している。なお、平面視とは、
基板１０に垂直な軸に沿って見ることをいい、図示の例では、Ｚ軸に沿って見ることをいう。なお、図において、Ｚ軸は基板１０に垂直な軸であり、Ｘ軸およびＹ軸はＺ軸に垂直、かつ、互いに垂直な軸である。

第１部分２ａ、第２部分２ｂ、および第３部分２ｃは、平面視において、第１軸Ａに沿って配置されている。第１部分２ａ、第２部分２ｂ、および第３部分２ｃは、平面視において、第１軸Ａ上に配置されている。第１軸Ａは、第３部分２ｃの中心を通る軸である。図示の例では、第１軸Ａは、Ｙ軸に平行である。第３部分２ｃは、第１部分２ａと第２部分２ｂとの間に位置している。第１部分２ａ、第３部分２ｃ、および第２部分２ｂは、この順で第１軸Ａに沿って並んでいる。第１部分２ａは、第３部分２ｃから第１軸Ａに沿って、一方側に突出している。第２部分２ｂは、第３部分２ｃから第１軸Ａに沿って、第１部分２ａが突出している方向とは反対側に突出している。第１部分２ａおよび第２部分２ｂは、平面視において、同じ形状を有している。

第１部分２ａは、第３部分２ｃに接続されている。第２部分２ｂは、第３部分２ｃに接続されている。すなわち、第１部分２ａ、第２部分２ｂ、および第３部分２ｃは、一体に設けられている。

第３部分２ｃは、活性層３０で発生した光を共振させる。すなわち、第３部分２ｃでは、共振器が形成される。第３部分２ｃの平面形状は、例えば、円である。

第４部分２ｄ、第５部分２ｅ、および第３部分２ｃは、平面視において、第２軸Ｂに沿って配置されている。第４部分２ｄ、第５部分２ｅ、および第３部分２ｃは、平面視において、第２軸Ｂ上に配置されている。第２軸Ｂは、第３部分２ｃの中心を通る軸であり、第１軸Ａと交差する軸である。図示の例では、第２軸ＢはＸ軸と平行であり、第１軸Ａと第２軸Ｂとは直交している。第４部分２ｄ、第３部分２ｃ、および第５部分２ｅは、この順で第２軸Ｂに沿って並んでいる。第４部分２ｄは、第３部分２ｃから第２軸Ｂに沿って、一方側に突出している。第５部分２ｅは、第３部分２ｃから第２軸Ｂに沿って、第４部分２ｄが突出している方向とは反対側に突出している。第４部分２ｄおよび第５部分２ｅは、平面視において、同じ形状を有している。

第４部分２ｄは、第３部分２ｃに接続されている。第５部分２ｅは、第３部分２ｃに接続されている。すなわち、第１部分２ａ、第２部分２ｂ、第３部分２ｃ、第４部分２ｄ、および第５部分２ｅは、一体に設けられている。

平面視おいて、第１部分２ａの幅をＷ１とし、第２部分２ｂの幅をＷ２とし、第４部分２ｄの幅をＷ４とし、第５部分２ｅの幅をＷ５とした場合、Ｗ４≦Ｗ１、かつ、Ｗ４≦Ｗ２であり、Ｗ５≦Ｗ１、かつ、Ｗ５≦Ｗ２である。図３に示す例では、Ｗ１＝Ｗ２であり、Ｗ４＝Ｗ５である。

なお、第１部分２ａの幅Ｗ１は、第１軸Ａに直交する軸に沿った第１部分２ａの最大の大きさである。第２部分２ｂの幅Ｗ２は、第１軸Ａに直交する軸に沿った第２部分２ｂの最大の大きさである。第４部分２ｄの幅Ｗ４は、第２軸Ｂに直交する軸に沿った第４部分２ｄの最大の大きさである。第５部分２ｅの幅Ｗ５は、第２軸Ｂに直交する軸に沿った第５部分２ｅの最大の大きさである。

平面視において、第１部分２ａの長さをＬ１とし、第２部分２ｂの長さをＬ２とし、第４部分２ｄの長さをＬ４とし、第５部分２ｅの長さをＬ５とした場合、Ｌ４＜Ｌ１、かつ、Ｌ４＜Ｌ２であり、Ｌ５＜Ｌ１、かつ、Ｌ５＜Ｌ２である。図３に示す例では、Ｌ１＝Ｌ２、Ｌ４＝Ｌ５である。

なお、第１部分２ａの長さＬ１は、第１軸Ａに沿った第１部分２ａの最大の大きさである。第２部分２ｂの長さＬ２は、第１軸Ａに沿った第２部分２ｂの最大の大きさである。第４部分２ｄの長さＬ４は、第２軸Ｂに沿った第４部分２ｄの最大の大きさである。第５部分２ｅの長さＬ５は、第２軸Ｂに沿った第５部分２ｅの最大の大きさである。

第４部分２ｄの幅Ｗ４および第５部分２ｅの幅Ｗ５は、例えば、第１部分２ａの幅Ｗ１の半分程度である。第１部分２ａの幅Ｗ１および第２部分２ｂの幅Ｗ２は、例えば、１０μｍ程度であり、第４部分２ｄの幅Ｗ４および第５部分２ｅの幅Ｗ５は、例えば、５μｍ程度である。

第４部分２ｄの長さＬ４および第５部分２ｅの長さＬ５は、例えば、第１部分２ａの長さＬ１の半分程度である。第４部分２ｄの長さＬ４および第５部分２ｅの長さＬ５は、例えば、５μｍ程度であり、第１部分２ａの長さＬ１および第２部分２ｂの長さＬ２は、例えば、１０μｍ程度である。

第３部分２ｃの直径は、第１部分２ａの幅Ｗ１、第２部分２ｂの幅Ｗ２、第４部分２ｄの幅Ｗ４および第５部分２ｅの幅Ｗ５よりも大きい。

図３に示す例では、平面視において、積層体２は、第１軸Ａに関して対称な形状であり、かつ、第２軸Ｂに関して対称な形状である。

半導体レーザー１００では、第１部分２ａおよび第２部分２ｂによって、活性層３０に歪みを付与することができる。第１部分２ａおよび第２部分２ｂが活性層３０に歪みを付与することによって、活性層３０には所定の方向に応力が生じる。この結果、共振器を構成する第３部分２ｃは光学的に等方的でなくなり、活性層３０で発生する光が偏光する。よって、活性層３０で発生する光の偏光を安定させることができる。ここで、光を偏光させるとは、光の電場の振動方向を一定にすることをいう。

なお、上述したように、Ｗ４≦Ｗ１、Ｗ４≦Ｗ２、Ｗ５≦Ｗ１、Ｗ５≦Ｗ２であり、Ｌ４＜Ｌ１、Ｌ４＜Ｌ２、Ｌ５＜Ｌ１、Ｌ５＜Ｌ２である。そのため、第４部分２ｄおよび第５部分２ｅによって、活性層３０に付与される歪みの大きさは、第１部分２ａおよび第２部分２ｂによって活性層３０に付与される歪みの大きさよりも小さい。したがって、活性層３０では、第１部分２ａおよび第２部分２ｂによって生じる応力の影響が大きく、上記のように、第１部分２ａおよび第２部分２ｂによって偏光を安定させることができる。

樹脂層７０は、積層体２の少なくとも側面に配置されている。図１に示す例では、樹脂層７０は、第１部分２ａ、第２部分２ｂ、第４部分２ｄ、および第５部分２ｅを覆っている。樹脂層７０の材質は、例えば、ポリイミドである。

第１電極８０は、第１ミラー層２０上に設けられている。第１電極８０は、第１ミラー層２０とオーミックコンタクトしている。第１電極８０は、第１ミラー層２０と電気的に接続されている。第１電極８０としては、例えば、第１ミラー層２０側から、Ｃｒ層、Ｐｔ層、Ｔｉ層、Ｐｔ層、Ａｕ層の順序で積層したものを用いる。第１電極８０は、活性層３０に電流を注入するための一方の電極である。なお、図示はしないが、第１電極８０は、基板１０の下面に設けられていてもよい。

第２電極８２は、コンタクト層５０上に設けられている。第２電極８２は、コンタクト層５０とオーミックコンタクトしている。図示の例では、第２電極８２は、さらに樹脂層７０上に形成されている。第２電極８２は、コンタクト層５０を介して、第２ミラー層４
０と電気的に接続されている。第２電極８２としては、例えば、コンタクト層５０側から、Ｃｒ層、Ｐｔ層、Ｔｉ層、Ｐｔ層、Ａｕ層の順序で積層したものを用いる。第２電極８２は、活性層３０に電流を注入するための他方の電極である。

第２電極８２は、パッド８４と電気的に接続されている。図示の例では、第２電極８２は、引き出し配線８６を介して、パッド８４と電気的に接続されている。パッド８４および引き出し配線８６は、樹脂層７０上に設けられている。パッド８４および引き出し配線８６の材質は、例えば、第２電極８２の材質と同じである。

半導体レーザー１００では、第１軸Ａに沿った積層体２の酸化速度をＶ１とし、第２軸Ｂに沿った積層体２の酸化速度をＶ２とし、第３軸Ｃに沿った積層体２の酸化速度をＶ３とした場合、Ｖ１＜Ｖ３、かつ、Ｖ２＜Ｖ３である。第３軸Ｃは、平面視において、第３部分２ｃの中心を通り、第１部分２ａと第５部分２ｅとの間および第２部分２ｂと第４部分２ｄとの間を通る軸である。

基板１０として、例えば、主面が（００１）面である（００１）ＧａＡｓ基板を用いた場合、第１軸Ａに沿った積層体２の酸化速度は、積層体２の[１１０]方向の酸化速度である。また、第２軸Ｂに沿った積層体２の酸化速度は、積層体２の[１−１０]方向の酸化速度である。また、第３軸Ｃに沿った積層体２の酸化速度は、積層体２の［０１０］方向の酸化速度である。なお、（００１）ＧａＡｓ基板とは、例えば、主面が厳密に（００１）面を有するＧａＡｓ基板だけでなく、主面が（００１）面に対して微小角度（例えば５度以内）傾いたＧａＡｓ基板を含む。

上記のように、積層体２の酸化速度は、Ｖ１＜Ｖ３、かつ、Ｖ２＜Ｖ３である。すなわち、積層体２の酸化速度は、他の方向に比べて、＜１００＞方向の酸化速度が速い。そのため、電流狭窄層４２の開口部４３の形状は、開口部４３の中心から見て、[１００]方向、[０１０]方向、[−１００]方向、[０−１０]方向における積層体２の外縁の形状が反映される。すなわち、開口部４３の形状は、平面視において、第１部分２ａと第４部分２ｄとを接続する第３部分２ｃの側面、第４部分２ｄと第２部分２ｂとを接続する第３部分２ｃの側面、第２部分２ｂと第５部分２ｅとを接続する第３部分２ｃの側面、および第５部分２ｅと第１部分２ａとを接続する第３部分２ｃの側面の形状が反映される。

なお、上記では、ＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザーについて説明したが、本発明に係る半導体レーザーは、発振波長に応じて、例えば、ＧａＩｎＰ系、ＺｎＳＳｅ系、ＩｎＧａＮ系、ＡｌＧａＮ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＧａＩｎＮＡｓ系、ＧａＡｓＳｂ系の半導体材料を用いてもよい。

１．２． 半導体レーザーの製造方法
次に、半導体レーザー１００の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図５〜図８は、半導体レーザー１００の製造工程を模式的に示す断面図である。

図５に示すように、基板１０上に、第１ミラー層２０、活性層３０、酸化されて電流狭窄層４２となる被酸化層４２ａ、第２ミラー層４０、およびコンタクト層５０を、エピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長させる方法としては、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法が挙げられる。

図６に示すように、コンタクト層５０、第２ミラー層４０、被酸化層４２ａ、活性層３０、および第１ミラー層２０をパターニングして、積層体２を形成する。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィーおよびエッチングによって行われる。

図７に示すように、被酸化層４２ａを酸化して、電流狭窄層４２を形成する。被酸化層４２ａは、例えば、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ≧０．９５）層である。例えば、４００℃程度の水蒸気雰囲気中に、積層体２が形成された基板１０を投入することにより、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ≧０．９５）層を側面から酸化して、電流狭窄層４２を形成する。上述のように、ＧａＡｓの結晶方位によって酸化速度が異なることから、電流狭窄層４２の開口部４３の形状は、平面視において、第３部分２ｃの側面の形状が反映される。

被酸化層４２ａを酸化して電流狭窄層４２を形成する酸化工程において、第１ミラー層２０を構成するＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層のヒ素が酸素に置き換わり、図４に示すように、第１酸化層６が形成される。この結果、第１領域６０が形成される。同様に、第２ミラー層４０を構成するＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層のヒ素が酸素に置き換わり、図４に示すように、第２酸化層１６が形成される。この結果、第２領域６２が形成される。

第１領域６０および第２領域６２は、ヒ素が酸素に置き換わることによって、体積が減少する。これにより、第２領域６２の上面６３が傾斜する。

図８に示すように、積層体２を取り囲むように樹脂層７０を形成する。樹脂層７０は、例えば、スピンコート法等を用いて第１ミラー層２０の上面および積層体２の全面にポリイミド樹脂等からなる層を形成し、該層をパターニングすることにより形成される。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィーおよびエッチングによって行われる。次に、樹脂層７０を加熱処理（キュア）することにより硬化させる。本加熱処理によって、樹脂層７０は、収縮する。さらに、樹脂層７０は、加熱処理から常温に戻す際において収縮する。

図２に示すように、コンタクト層５０上および樹脂層７０上に第２電極８２を形成し、第１ミラー層２０上に第１電極８０を形成する。第１電極８０および第２電極８２は、例えば、真空蒸着法およびリフトオフ法の組合せ等により形成される。なお、第１電極８０および第２電極８２を形成する順序は、特に限定されない。また、第２電極８２を形成する工程で、図１に示すパッド８４および引き出し配線８６を形成してもよい。

以上の工程により、半導体レーザー１００を製造することができる。

１．３． 効果
半導体レーザー１００は、例えば、以下の効果を有する。

半導体レーザー１００では、積層体２は、第１部分２ａと、第２部分２ｂと、を有している。そのため、半導体レーザー１００では、活性層３０で発生する光の偏光を安定させることができる。

半導体レーザー１００では、積層体２は、第４部分２ｄと、第５部分２ｅと、を有し、第１部分２ａ、第２部分２ｂ、および第３部分２ｃは、第３部分２ｃの中心を通る第１軸Ａに沿って配置され、第４部分２ｄ、第５部分２ｅ、および第３部分２ｃは、第３部分２ｃの中心を通り、第１軸Ａに交差する第２軸Ｂに沿って配置されている。そのため、半導体レーザー１００では、第１ミラー層２０および第２ミラー層４０が酸化されることによって第３部分２ｃを構成する活性層３０に生じる応力を、低減できる。したがって、半導体レーザー１００では、信頼性を向上できる。以下、その理由について説明する。

上述したように、電流狭窄層４２を形成する酸化工程において、第１ミラー層２０を構成するＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層のヒ素が酸素に置き換わり、第１領域６０が形成され
る。同様に、第２ミラー層４０を構成するＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層のヒ素が酸素に置き換わり、第２領域６２が形成される。このようにして、積層体２の外縁に沿って酸化領域８が形成される。

第１領域６０および第２領域６２では、ヒ素が酸素に置き換わることによって、体積が減少する。これにより、共振器を構成する第３部分２ｃの活性層３０に応力が生じる。この応力によって活性層３０に欠陥が生じると、半導体レーザーの特性が変化し、信頼性が低下してしまう。

半導体レーザー１００では、第４部分２ｄおよび第５部分２ｅが第３部分２ｃに接続されている。そのため、例えば、積層体２が第４部分２ｄおよび第５部分２ｅを有さない場合と比べて、共振器を構成する第３部分２ｃの活性層３０と、酸化領域８と、の間の距離を大きくできる。したがって、第３部分２ｃの活性層３０に生じる応力を低減できる。よって、半導体レーザー１００では、信頼性を向上できる。

半導体レーザー１００は、積層体２の側面に配置された樹脂層７０を含む。半導体レーザー１００では、積層体２が、第４部分２ｄおよび第５部分２ｅを有している。上述したように、樹脂層７０を形成する工程では、加熱処理などによって、樹脂層７０が収縮する。半導体レーザー１００では、積層体２が第４部分２ｄおよび第５部分２ｅを有するため、樹脂層７０の収縮によって第３部分２ｃを構成する活性層３０に生じる応力を、低減できる。

ここで、樹脂層７０の収縮によって積層体２に加わる力は、樹脂層７０が厚い積層体２の側面近傍で大きくなる。積層体２が第４部分２ｄおよび第５部分２ｅを有することによって、積層体２が第４部分２ｄおよび第５部分２ｅを有さない場合と比べて、積層体２の側面近傍と、第３部分２ｃを構成する活性層３０と、の間の距離を大きくできる。したがって、樹脂層７０の収縮によって第３部分２ｃを構成する活性層３０に生じる応力を、低減できる。

半導体レーザー１００では、Ｖ１＜Ｖ３、かつ、Ｖ２＜Ｖ３である。すなわち、第１部分２ａ、第２部分２ｂ、第４部分２ｄ、および第５部分２ｅは、酸化速度の速い方向を避けて配置されている。そのため、半導体レーザー１００では、電流狭窄層４２を形成する酸化工程において、第１ミラー層２０および第２ミラー層４０の酸化を低減できる。したがって、第１ミラー層２０および第２ミラー層４０が酸化されることによって第３部分２ｃを構成する活性層３０に生じる応力を、低減できる。

例えば、Ｖ１＞Ｖ３、かつ、Ｖ２＞Ｖ３である場合、電流狭窄層４２を形成する酸化工程において、所定の大きさの開口部４３を形成するためには、水蒸気雰囲気中に投入する時間を長くしなければならない。この場合、第１ミラー層２０および第２ミラー層４０の酸化も進んでしまう。これに対して、Ｖ１＜Ｖ３、かつ、Ｖ２＜Ｖ３である場合、Ｖ１＞Ｖ３、かつ、Ｖ２＞Ｖ３と比べて、水蒸気雰囲気中に投入する時間を短くでき、第１ミラー層２０および第２ミラー層４０の酸化を低減できる。

半導体レーザー１００では、第１軸Ａと第２軸Ｂとは直交している。そのため、第３部分２ｃを構成する活性層３０に生じる応力を、第１軸Ａに沿った方向および第２軸Ｂに沿った方向に関して対称にできる。したがって、活性層３０で発生する光の偏光を安定させることができる。

また、第１軸Ａと第２軸Ｂとは直交する場合、第１部分２ａと第２部分２ｂとを接続する第３部分２ｃの側面の中心部分に第４部分２ｄおよび第５部分２ｅが配置される。第１
部分２ａと第２部分２ｂとを接続する第３部分２ｃの側面の中心部分は、酸化領域８および樹脂層７０によって加わる力が大きい部分である。したがって、第１部分２ａと第２部分２ｂとを接続する第３部分２ｃの側面の中心部分に第４部分２ｄおよび第５部分２ｅを配置することによって、第３部分２ｃを構成する活性層３０に生じる応力を低減できる。

２． 第２実施形態
次に、第２実施形態に係る原子発振器について、図面を参照しながら説明する。図９は、第２実施形態に係る原子発振器２００の構成を示す図である。

原子発振器２００は、アルカリ金属原子に対して特定の異なる波長の２つの共鳴光を同時に照射したときに当該２つの共鳴光がアルカリ金属原子に吸収されずに透過する現象が生じる量子干渉効果（ＣＰＴ：Coherent Population Trapping）を利用した原子発振器である。なお、この量子干渉効果による現象は、電磁誘起透明化（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象とも言う。また、本発明に係る原子発振器は、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用した原子発振器であってもよい。

原子発振器２００は、第１実施形態に係る半導体レーザー１００を含む。

原子発振器２００は、図９に示すように、発光素子モジュール１１０と、減光フィルター１２２と、レンズ１２４と、１／４波長板１２６と、原子セル１３０と、受光素子１４０と、ヒーター１５０と、温度センサー１６０と、コイル１７０と、制御回路１８０と、を含む。

発光素子モジュール１１０は、半導体レーザー１００と、ペルチェ素子１１２と、温度センサー１１４と、を有している。半導体レーザー１００は、周波数の異なる２種の光を含んでいる直線偏光の光ＬＬを出射する。温度センサー１１４は、半導体レーザー１００の温度を検出する。ペルチェ素子１１２は、半導体レーザー１００の温度を制御する。

減光フィルター１２２は、半導体レーザー１００から出射された光ＬＬの強度を減少させる。レンズ１２４は、光ＬＬの放射角度を調整する。具体的には、レンズ１２４は、光ＬＬを平行光にする。１／４波長板１２６は、光ＬＬに含まれる周波数の異なる２種の光を、直線偏光から円偏光に変換する。

原子セル１３０は、半導体レーザー１００から出射された光が照射される。原子セル１３０は、半導体レーザー１００から出射される光ＬＬを透過する。原子セル１３０には、アルカリ金属原子が収容されている。アルカリ金属原子は、互いに異なる２つの基底準位と励起準位とからなる３準位系のエネルギー準位を有する。原子セル１３０には、半導体レーザー１００から出射された光ＬＬが減光フィルター１２２、レンズ１２４、および１／４波長板１２６を介して入射する。

受光素子１４０は、原子セル１３０を透過した励起光ＬＬの強度を検出し、光の強度に応じた検出信号を出力する。受光素子１４０としては、例えば、フォトダイオードを用いることができる。

ヒーター１５０は、原子セル１３０の温度を制御する。ヒーター１５０は、原子セル１３０に収容されたアルカリ金属原子を加熱し、アルカリ金属原子の少なくとも一部をガス状態にする。

温度センサー１６０は、原子セル１３０の温度を検出する。コイル１７０は、原子セル１３０内のアルカリ金属原子の縮退した複数のエネルギー準位をゼーマン分裂させる磁場
を発生させる。コイル１７０は、ゼーマン分裂により、アルカリ金属原子の縮退している異なるエネルギー準位間のギャップを拡げて、分解能を向上させることができる。この結果、原子発振器２００の発振周波数の精度を高めることができる。

制御回路１８０は、温度制御回路１８２と、温度制御回路１８４と、磁場制御回路１８６と、光源制御回路１８８と、を有している。

温度制御回路１８２は、温度センサー１１４の検出結果に基づいて、半導体レーザー１００の温度が所望の温度となるように、ペルチェ素子１１２への通電を制御する。温度制御回路１８４は、温度センサー１６０の検出結果に基づいて、原子セル１３０の内部が所望の温度となるように、ヒーター１５０への通電を制御する。磁場制御回路１８６は、コイル１７０が発生する磁場が一定となるように、コイル１７０への通電を制御する。

光源制御回路１８８は、受光素子１４０の検出結果に基づいて、ＥＩＴ現象が生じるように、半導体レーザー１００から出射された光ＬＬに含まれる２種の光の周波数を制御する。ここで、これら２種の光が原子セル１３０に収容されたアルカリ金属原子の２つの基底準位間のエネルギー差に相当する周波数差の共鳴光対となったとき、ＥＩＴ現象が生じる。光源制御回路１８８は、２種の光の周波数の制御に同期して安定化するように発振周波数が制御される電圧制御型発振器（図示せず）を備えており、この電圧制御型発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）の出力信号を原子発振器２００の出力信号（クロック信号）として出力する。

制御回路１８０は、例えば、不図示の基板に実装されたＩＣ（Integrated Circuit）チップに設けられている。制御回路１８０は、単一のＩＣであってもよいし、複数のデジタル回路またはアナログ回路の組み合わせであってもよい。

原子発振器２００は、光源として半導体レーザー１００を含む。そのため、原子発振器２００では、信頼性を向上できる。

３． 第３実施形態
次に、第３実施形態に係る周波数信号生成システムについて、図面を参照しながら説明する。以下のクロック伝送システム（タイミングサーバー）は、周波数信号生成システムの一例である。図１０は、クロック伝送システム５００を示す概略構成図である。

クロック伝送システム５００は、第２実施形態に係る原子発振器２００を含む。

クロック伝送システム５００は、時分割多重方式のネットワーク内の各装置のクロックを一致させるものであって、Ｎ（Normal）系およびＥ（Emergency）系の冗長構成を有するシステムである。

クロック伝送システム５００は、図１０に示すように、Ａ局のクロック供給装置５０１およびＳＤＨ（Synchronous Digital Hierarchy）装置５０２と、Ｂ局のクロック供給装置５０３およびＳＤＨ装置５０４と、Ｃ局のクロック供給装置５０５およびＳＤＨ装置５０６，５０７と、を備える。クロック供給装置５０１は、原子発振器２００を有し、Ｎ系のクロック信号を生成する。クロック供給装置５０１内の原子発振器２００は、セシウムを用いた原子発振器を含むマスタークロック５０８，５０９からのより高精度なクロック信号と同期して、クロック信号を生成する。

ＳＤＨ装置５０２は、クロック供給装置５０１からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行うとともに、Ｎ系のクロック信号を主信号に重畳し、下位のクロック供給装
置５０５に伝送する。クロック供給装置５０３は、原子発振器２００を有し、Ｅ系のクロック信号を生成する。クロック供給装置５０３内の原子発振器２００は、セシウムを用いた原子発振器を含むマスタークロック５０８，５０９からのより高精度なクロック信号と同期して、クロック信号を生成する。

ＳＤＨ装置５０４は、クロック供給装置５０３からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行うとともに、Ｅ系のクロック信号を主信号に重畳し、下位のクロック供給装置５０５に伝送する。クロック供給装置５０５は、クロック供給装置５０１，５０３からのクロック信号を受信し、その受信したクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。

クロック供給装置５０５は、通常、クロック供給装置５０１からのＮ系のクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。そして、Ｎ系に異常が発生した場合、クロック供給装置５０５は、クロック供給装置５０３からのＥ系のクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。このようにＮ系からＥ系に切り換えることにより、安定したクロック供給を担保し、クロックパス網の信頼性を高めることができる。ＳＤＨ装置５０６は、クロック供給装置５０５からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行う。同様に、ＳＤＨ装置５０７は、クロック供給装置５０５からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行う。これにより、Ｃ局の装置をＡ局またはＢ局の装置と同期させることができる。

第２実施形態に係る周波数信号生成システムは、クロック伝送システムに限定されない。周波数信号生成システムは、原子発振器が搭載され、原子発振器の周波数信号を利用する各種の装置および複数の装置から構成されるシステムを含む。

第２実施形態に係る周波数信号生成システムは、例えば、スマートフォン、タブレット端末、時計、携帯電話機、デジタルスチルカメラ、液体吐出装置（例えばインクジェットプリンター）、パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ（point of sales）端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡、心磁計）、魚群探知機、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）周波数標準器、各種測定機器、計器類（例えば、自動車、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター、地上デジタル放送システム、携帯電話基地局、移動体（自動車、航空機、船舶等）であってもよい。

本発明は、本願に記載の特徴や効果を有する範囲で一部の構成を省略したり、各実施形態や変形例を組み合わせたりしてもよい。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

２…積層体、２ａ…第１部分、２ｂ…第２部分、２ｃ…第３部分、２ｄ…第４部分、２ｅ…第５部分、４…層、６…第１酸化層、８…酸化領域、１０…基板、１４…層、１６…第２酸化層、２０…第１ミラー層、２４…高屈折率層、２６…低屈折率層、３０…活性層、
４０…第２ミラー層、４２…電流狭窄層、４２ａ…被酸化層、４３…開口部、４４…高屈折率層、４６…低屈折率層、４８…上面、５０…コンタクト層、６０…第１領域、６２…第２領域、６３…上面、７０…樹脂層、８０…第１電極、８２…第２電極、８４…パッド、８６…引き出し配線、１００…半導体レーザー、１１０…発光素子モジュール、１１２…ペルチェ素子、１１４…温度センサー、１２２…減光フィルター、１２４…レンズ、１２６…１／４波長板、１３０…原子セル、１４０…受光素子、１５０…ヒーター、１６０…温度センサー、１７０…コイル、１８０…制御回路、１８２…温度制御回路、１８４…温度制御回路、１８６…磁場制御回路、１８８…光源制御回路、２００…原子発振器、５００…クロック伝送システム、５０１…クロック供給装置、５０２…ＳＤＨ装置、５０３…クロック供給装置、５０４…ＳＤＨ装置、５０５…クロック供給装置、５０６…ＳＤＨ装置、５０７…ＳＤＨ装置、５０８…マスタークロック、５０９…マスタークロック

Claims (5)

1. 第１ミラー層と、
   第２ミラー層と、
   前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間に配置された活性層と、
   前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間に配置された電流狭窄層と、
   前記第１ミラー層と連続して設けられ、複数の第１酸化層を含む第１領域と、
   前記第２ミラー層と連続して設けられ、複数の第２酸化層を含む第２領域と、
   を含み、
   前記第１ミラー層、前記第２ミラー層、前記活性層、前記電流狭窄層、前記第１領域、および前記第２領域は、積層体を構成し、
   前記積層体は、平面視において、
   第１部分と、
   第２部分と、
   前記活性層で発生した光を共振させる第３部分と、
   前記第３部分に接続された第４部分と、
   前記第３部分に接続された第５部分と、
   を有し、
   前記第３部分は、前記第１部分と前記第２部分との間、かつ、前記第４部分と前記第５部分との間に配置され、
   前記第１部分、前記第２部分、および前記第３部分は、前記第３部分の中心を通る第１軸に沿って配置され、
   前記第４部分、前記第５部分、および前記第３部分は、前記第３部分の中心を通り、前記第１軸に交差する第２軸に沿って配置され、
   前記第４部分の長さは、前記第１部分および前記第２部分の長さよりも小さく、前記第４部分の幅は、前記第１部分および前記第２部分の幅以下であり、
   前記第５部分の長さは、前記第１部分および前記第２部分の長さよりも小さく、前記第１部分および前記第２部分の幅以下である、半導体レーザー。
2. 請求項１において、
   前記第１軸に沿った前記積層体の酸化速度をＶ１とし、
   前記第２軸に沿った前記積層体の酸化速度をＶ２とし、
   平面視において、前記第３部分の中心を通り、前記第１部分と前記第５部分との間および前記第２部分と前記第４部分との間を通る第３軸に沿った前記積層体の酸化速度をＶ３とした場合、
   Ｖ１＜Ｖ３、かつ、Ｖ２＜Ｖ３である、半導体レーザー。
3. 請求項２において、
   前記第１軸と前記第２軸とは直交している、半導体レーザー。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
   前記積層体の側面に配置された樹脂層を含む、半導体レーザー。
5. 半導体レーザーと、
   前記半導体レーザーから出射された光が照射される、アルカリ金属原子が収容された原子セルと、
   前記原子セルを透過した光の強度を検出して、検出信号を出力する受光素子と、
   を含み、
   前記半導体レーザーは、
   第１ミラー層と、
   第２ミラー層と、
   前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間に配置された活性層と、
   前記第１ミラー層と前記第２ミラー層との間に配置された電流狭窄層と、
   前記第１ミラー層と連続して設けられ、複数の第１酸化層を含む第１領域と、
   前記第２ミラー層と連続して設けられ、複数の第２酸化層を含む第２領域と、
   を含み、
   前記第１ミラー層、前記第２ミラー層、前記活性層、前記電流狭窄層、前記第１領域、および前記第２領域は、積層体を構成し、
   前記積層体は、平面視において、
   第１部分と、
   第２部分と、
   前記活性層で発生した光を共振させる第３部分と、
   前記第３部分に接続された第４部分と、
   前記第３部分に接続された第５部分と、
   を有し、
   前記第３部分は、前記第１部分と前記第２部分との間、かつ、前記第４部分と前記第５部分との間に配置され、
   前記第１部分、前記第２部分、および前記第３部分は、前記第３部分の中心を通る第１軸に沿って配置され、
   前記第４部分、前記第５部分、および前記第３部分は、前記第３部分の中心を通り、前記第１軸に交差する第２軸に沿って配置され、
   前記第４部分の長さは、前記第１部分および前記第２部分の長さよりも小さく、前記第４部分の幅は、前記第１部分および前記第２部分の幅以下であり、
   前記第５部分の長さは、前記第１部分および前記第２部分の長さよりも小さく、前記第１部分および前記第２部分の幅以下である、原子発振器。