JP2023015799A - 面発光レーザおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】面発光レーザの変調帯域を高めることが可能な面発光レーザおよびその製造方法を提供する。【解決手段】第１反射層２２と、第１反射層の上に設けられた活性層２４と、活性層の上に設けられた第２反射層２６と、を具備し、第１反射層、活性層および第２反射層はメサ１０を形成し、メサは、絶縁領域４０と導通領域４２とを有し、絶縁領域は、メサのうち面方向における中央部に位置し、導通領域は、第１反射層、活性層および第２反射層を有し、絶縁領域の外側に位置し、絶縁領域を囲む面発光レーザ１００。【選択図】図１Ｂ

Description

本開示は面発光レーザおよびその製造方法に関するものである。

面発光型のレーザダイオード（面発光レーザ、ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ－ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）が知られている（特許文献１など）。反射層（ＤＢＲ層：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）および活性層がメサを形成する。メサに電流を流し、活性層にキャリアを注入することで、メサから面発光レーザの外に光が出射される。

特開２０２１－００９９９９号公報

面発光レーザの動作に伴い熱が発生し、活性層の温度が上昇する。活性層の温度上昇により、利得が低下し、変調帯域を高周波数側に拡げることが困難となる。そこで、面発光レーザの変調帯域を高めることが可能な面発光レーザおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本開示に係る面発光レーザは、第１反射層と、前記第１反射層の上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられた第２反射層と、を具備し、前記第１反射層、前記活性層および前記第２反射層はメサを形成し、前記メサは、絶縁領域と導通領域とを有し、前記絶縁領域は、前記メサのうち面方向における中央部に位置し、前記導通領域は、前記第１反射層、前記活性層および前記第２反射層を有し、前記絶縁領域の外側に位置する。

本開示に係る面発光レーザの製造方法は、第１反射層と、活性層と、第２反射層とをこの順に積層する工程と、前記第１反射層、前記活性層および前記第２反射層からメサを形成する工程と、前記メサに絶縁領域と導通領域とを形成する工程と、を有し、前記絶縁領域は、前記メサのうち面方向における中央部に位置し、前記導通領域は、前記第１反射層、前記活性層および前記第２反射層を有し、前記絶縁領域の外側に位置し、前記絶縁領域を囲む。

本開示によれば面発光レーザの変調帯域を高めることが可能である。

図１Ａは、実施形態に係る面発光レーザを例示する平面図である。 図１Ｂは、図１Ａの線Ａ－Ａに沿った断面図である。 図２は、メサの平面図である。 図３Ａは、面発光レーザの製造方法を例示する断面図である。 図３Ｂは、面発光レーザの製造方法を例示する断面図である。 図３Ｃは、面発光レーザの製造方法を例示する断面図である。 図４Ａは、面発光レーザの製造方法を例示する断面図である。 図４Ｂは、面発光レーザの製造方法を例示する断面図である。 図５は、比較例に係る面発光レーザを例示する断面図である。 図６Ａは、熱抵抗の計算結果を例示する図である。 図６Ｂは、熱抵抗の計算結果を例示する図である。 図７Ａは、比較例の等価回路を例示する図である。 図７Ｂは、第１実施形態の等価回路を例示する図である。 図８は、周波数応答特性を例示する図である。 図９Ａは、面発光レーザの製造法を例示する断面図である。 図９Ｂは、面発光レーザの製造法を例示する断面図である。 図１０Ａは、第３実施形態に係る面発光レーザを例示する断面図である。 図１０Ｂは、電極を拡大した断面図である。 図１０Ｃは、回折格子を例示する平面図である。 図１１Ａは、第４実施形態に係る面発光レーザを例示する断面図である。 図１１Ｂは、電極を拡大した断面図である。 図１２Ａは、変形例におけるメサを例示する平面図である。 図１２Ｂは、変形例におけるメサを例示する平面図である。

[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施形態の内容を列記して説明する。

本開示の一形態は、（１）第１反射層と、前記第１反射層の上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられた第２反射層と、を具備し、前記第１反射層、前記活性層および前記第２反射層はメサを形成し、前記メサは、絶縁領域と導通領域とを有し、前記絶縁領域は、前記メサのうち面方向における中央部に位置し、前記導通領域は、前記第１反射層、前記活性層および前記第２反射層を有し、前記絶縁領域の外側に位置し、前記絶縁領域を囲む面発光レーザである。活性層で発生した光は、第１反射層と第２反射層との間で共振し、メサの中央部から上面に向かって出射される。絶縁領域も放熱の経路となるため、導通領域の内側に熱がこもりにくい。導通領域で発生する熱は、導通領域の外周面および内周面から放出される。放熱性が高くなることで、導通領域の活性層の温度上昇が抑制される。温度上昇に起因する利得の低下が抑制され、面発光レーザの変調帯域を高くすることが可能である。
（２）前記導通領域は前記絶縁領域の周囲全体を囲んでもよい。導通領域において活性層の面積を所定の大きさに保ちつつ、活性層の半径方向の幅を小さくすることができる。これにより、放熱性がより高くなり、活性層の温度上昇が抑制される。温度上昇による利得の低下が抑制されるため、変調帯域を高くすることが可能である。
（３）前記絶縁領域は、前記第２反射層および前記活性層のうちイオンが注入された領域でもよい。イオンが注入されることで、絶縁領域は導通領域に比べて高い電気抵抗を有する。導通領域に電流が流れやすくなる。
（４）前記絶縁領域は光学材料で形成されてもよい。絶縁領域は導通領域に比べて高い電気抵抗を有する。導通領域に電流が流れやすくなる。
（５）前記導通領域の上面に設けられ、前記導通領域の前記第２反射層と電気的に接続された電極を具備し、前記電極の前記第２反射層に対向する面は、前記第２反射層の上面に対して傾斜してもよい。光は導通領域を伝搬し、電極の面で第２反射層の面内における中央部に向かって反射され、中央部から面発光レーザの外側に出射される。
（６）前記電極の前記第２反射層に対向する面の傾斜角度は４５°であり、前記メサの上面のうち前記電極よりも内側に設けられた回折格子を具備してもよい。光は電極の面で反射され、回折格子で回折することで、面発光レーザの外側に出射される。
（７）前記電極の前記第２反射層に対向する面の傾斜角度は４５°未満であり、前記絶縁領域の屈折率は、前記導通領域の屈折率以下でもよい。光は電極の面で反射され、絶縁領域に入射し、第１反射層で反射され、面発光レーザの外側に出射される。
（８）前記絶縁領域の平面形状および前記導通領域の平面形状は、光軸に対して回転対称性を有してもよい。光軸に対して回転対称であり、かつ光軸上に強度分布を有する横モードがレーザ発振する。
（９）第１反射層と、活性層と、第２反射層とをこの順に積層する工程と、前記第１反射層、前記活性層および前記第２反射層からメサを形成する工程と、前記メサに絶縁領域と導通領域とを形成する工程と、を有し、前記絶縁領域は、前記メサのうち面方向における中央部に位置し、前記導通領域は、前記第１反射層、前記活性層および前記第２反射層を有し、前記絶縁領域の外側に位置し、前記絶縁領域を囲む面発光レーザの製造方法である。絶縁領域も放熱の経路となるため、導通領域の内側に熱がこもりにくい。導通領域で発生する熱は、導通領域の外周面および内周面から放出される。放熱性が高くなることで、導通領域の活性層の温度上昇が抑制される。これにより、活性層の利得の低下が抑制され、面発光レーザの変調帯域を高くすることが可能である。

［本開示の実施形態の詳細］
本開示の実施形態に係る面発光レーザおよびその製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

＜第１実施形態＞
（面発光レーザ）
図１Ａは、実施形態に係る面発光レーザ１００を例示する平面図である。図１Ｂは、図１Ａの線Ａ－Ａに沿った断面図である。断面図において、ＤＢＲ層２２および２６のハッチングを省略している。

図１Ａに示すように、面発光レーザ１００の平面形状は矩形である。面発光レーザ１００の２つの辺はＸ軸方向に延伸する。別の２つの辺はＹ軸方向に延伸する。１辺の長さは、例えば２４０μｍから２５０μｍである。Ｚ軸方向は、半導体層の積層方向であり、かつ面発光レーザ１００の出射光の光軸方向である。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向は、互いに直交する。

面発光レーザ１００の上面は、ＸＹ平面に平行に延伸する。面発光レーザ１００は、メサ１０、テラス１２、凹部１４および１６、電極３０および３４、パッド３２および３８を有する。凹部１４および１６は、メサ１０およびテラス１２よりもＺ軸方向に窪んでいる。凹部１６は、複数の面発光レーザ１００間を分離するためのものであり、面発光レーザ１００の外周に位置する。ＸＹ平面内におけるメサ１０、パッド３２および３８の形状は円形である。メサ１０の上面の直径Ｄ１は例えば１５μｍである。パッド３２の直径、およびパッド３８の直径は、例えば７０μｍである。凹部１４は、円環状であり、メサ１０を囲む。テラス１２は、メサ１０および凹部１４の外側に位置する。電極３０は、凹部１４内に位置する。電極３４は、メサ１０の上に位置し、例えばリング状である。

図１Ｂに示すように、面発光レーザ１００は、基板２０、ＤＢＲ（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）層２２（第１反射層）、活性層２４、ＤＢＲ層２６（第２反射層）、およびコンタクト層２８を備える。基板２０の上面に、ＤＢＲ層２２、活性層２４およびＤＢＲ層２６がこの順に積層されている。ＤＢＲ層２２の途中にコンタクト層２８が挿入されている。ＤＢＲ層２２、活性層２４およびＤＢＲ層２６は、共振器長がλ／２のレーザ共振器を形成する。λは面発光レーザ１００の出射光の波長であり、例えば８００ｎｍ以上、９５０ｎｍである。

メサ１０およびテラス１２は、それぞれＤＢＲ層２２の一部、活性層２４およびＤＢＲ層２６で形成されている。後述のように、メサ１０は絶縁領域４０と導通領域４２とを含む。ＤＢＲ層２２のうちコンタクト層２８よりも上側の部分は、メサ１０またはテラス１２に含まれる。凹部１４は、Ｚ軸方向においてコンタクト層２８の上面まで延伸する。凹部１４の底面を基準とするメサ１０の高さは例えば６μｍである。メサ１０、テラス１２、および凹部１４の下には、コンタクト層２８、ＤＢＲ層２２のうちコンタクト層２８よりも下側の部分が広がる。凹部１６は、Ｚ軸方向において基板２０まで延伸する。

基板２０は例えば半絶縁性のガリウム砒素（ＧａＡｓ）で形成された半導体基板である。ＤＢＲ層２２は、例えばｎ型のアルミニウムガリウム砒素（Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ、０≦ｘ≦０．３）と、ｎ型のＡｌ_ｙＧａ_１－ｙＡｓ（０．７≦ｙ≦１）とを光学膜厚λ／４ずつ交互に積層した半導体多層膜である。λは面発光レーザ１００の出射光の波長である。ＤＢＲ層２２には例えばシリコン（Ｓｉ）がドーピングされている。コンタクト層２８は例えばｎ型のＡｌＧａＡｓまたはＧａＡｓで形成される。

活性層２４は、交互に積層された複数の量子井戸層と複数のバリア層とを含み、多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造を有する。活性層２４のバリア層は、例えばＡｌＧａＡｓで形成されている。活性層２４の量子井戸層は、例えばインジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）で形成されている。活性層２４は、光学利得を有する。活性層２４とＤＢＲ層２２との間、および活性層２４とＤＢＲ層２６との間には、不図示の分離閉じ込めヘテロ構造のＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層が介在する。

ＤＢＲ層２６は例えばｐ型のＡｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ（０≦ｘ≦０．３）およびｐ型のＡｌ_ｙＧａ_１－ｙＡｓ（０．７≦ｙ≦１）を光学膜厚λ／４ずつ交互に積層した半導体多層膜である。ＤＢＲ層２６の最も上の層は、Ａｌを含まないｐ型のＧａＡｓ層である。ＤＢＲ層２６には例えば炭素（Ｃ）がドーピングされている。基板２０、ＤＢＲ層２２、コンタクト層２８、活性層２４、ＤＢＲ層２６は上記以外の化合物半導体で形成されてもよい。

絶縁膜１３は、メサ１０の上面およびテラス１２の上面を覆う。絶縁膜１５は、絶縁膜１３の上面、メサ１０の上面および側面、テラス１２の上面および側面、凹部１４の底面、および凹部１６の底面を覆う。絶縁膜１３および１５は、それぞれ例えば酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）および酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などの絶縁体で形成される。厚さは例えば１００μｍ以上、２００μｍ以下である。絶縁膜１３および１５、電極３０および３４を覆うパッシベーション膜を設けてもよい。

絶縁膜１５は、凹部１４の内側、およびメサ１０の上面に開口部を有する。凹部１４内の開口部から、コンタクト層２８の上面が露出する。メサ１０の上面の開口部から、ＤＢＲ層２６の上面が露出する。

電極３０は、ｎ型電極であり、凹部１４の内側に設けられ、絶縁膜１５の開口部から露出するコンタクト層２８の上面に接触する。電極３０は、例えば金－ゲルマニウムの合金（ＡｕＧｅ）とニッケル（Ｎｉ）との積層構造など、金属で形成される。電極３４はｐ型電極であり、メサ１０の導通領域４２の上面に設けられ、絶縁膜１５の開口部から露出するＤＢＲ層２６の上面に接触する。電極３４は、例えばチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）およびＡｕの積層構造など、金属で形成される。パッド３２および３８、配線３１および３６は、Ａｕなどの金属で形成される。

図２は、メサ１０の平面図であり、絶縁膜、電極およびパッドは省略している。図１Ｂおよび図２に示すように、メサ１０は高抵抗領域１７、絶縁領域４０および導通領域４２を有する。図１Ｂにおいて、高抵抗領域１７と導通領域４２との境界は、点線で示している。図２に示すように、高抵抗領域１７、絶縁領域４０および導通領域４２は、ＸＹ平面内において同心円状に並ぶ。高抵抗領域１７は、メサ１０のうち外周部に位置する。絶縁領域４０はメサ１０の中央部に位置する。導通領域４２は、高抵抗領域１７と絶縁領域４０との間に位置し、絶縁領域４０の外周の全体を囲む。絶縁領域４０の平面形状は、円形である。導通領域４２の平面形状は、円環である。三次元空間内で絶縁領域４０は円柱型である。導通領域４２は円筒柱（中空円柱）型である。

メサ１０の直径Ｄ１は例えば１５μｍである。絶縁領域４０の直径Ｄ２は例えば５．２５μｍである。導通領域４２の幅Ｗ１（絶縁領域４０から高抵抗領域１７までの径方向の幅）は例えば１．７５μｍである。

図１Ｂに示すように、絶縁領域４０は、ＤＢＲ層２６の上面から、ＤＢＲ層２２のうち活性層２４とコンタクト層２８との間の部分までを占める。Ｚ軸方向において、高抵抗領域１７および絶縁領域４０は、例えばＤＢＲ層２６の上面から、少なくとも活性層２４の下面までに達する。Ｚ軸方向において、導通領域４２はＤＢＲ層２６の上面からコンタクト層２８までを含む。

高抵抗領域１７および絶縁領域４０は、導通領域４２に比べて高い電気抵抗を有する。高抵抗領域１７および絶縁領域４０におけるＤＢＲ層２６、ＤＢＲ層２２の一部、および活性層２４は、イオンの注入によって混晶化されている。ＤＢＲ層２２および２６のうちイオン注入された部分は、イオン注入されない部分に比べて高い電気抵抗を有する。活性層２４のうちイオン注入された部分は、光学的な活性を失う。

導通領域４２におけるＤＢＲ層２２および２６、活性層２４は、イオンを注入されておらず、混晶化していない。導通領域４２のＤＢＲ層２２はｎ型の導電層を有し、ＤＢＲ層２６はｐ型の導電型を有する。導通領域４２の活性層２４は、光学利得を有する。導通領域４２は、高抵抗領域１７および絶縁領域４０に比べて高い導電率を有し、電荷キャリアを流しやすい。導通領域４２は、電荷キャリアの経路となり、かつ光学利得によって光をレーザ発振する領域となる。

図１Ａに示すパッド３２および３８は、外部の機器と電気的に接続される。パッド３２および３８に電圧を印加することで、面発光レーザ１００に電荷キャリアを注入する。高抵抗領域１７および絶縁領域４０は、導通領域４２に比べて高い電気抵抗を有する。電荷キャリアは、高抵抗領域１７および絶縁領域４０に流れにくく、導通領域４２を選択的に流れ、活性層２４に注入される。電荷キャリアの注入によって活性層２４から光が発生する。光は、ＤＢＲ層２２および２６で反射されることでレーザ発振し、メサ１０の上面から面発光レーザ１００の外側に出射される。

（製造方法）
図３Ａから図４Ｂは、面発光レーザ１００の製造方法を例示する断面図である。図３Ａに示すように、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などにより、基板２０の上面にＤＢＲ層２２、活性層２４およびＤＢＲ層２６を、この順にエピタキシャル成長する。ＤＢＲ層２２の成長の途中にコンタクト層２８も成長する。エピタキシャル成長の後、ＤＢＲ層２６の上面の一部を不図示のマスクで覆う。

図３Ｂに示すように、プロトン（Ｈ^＋）などのイオンを注入し、高抵抗領域１７および絶縁領域４０を形成する。イオンが注入される深さは、例えばＤＢＲ層２６の上面から活性層２４までの深さよりも大きく、コンタクト層２８には達しない。イオン注入されない部分が導通領域４２となる。

図３Ｃに示すように、凹部１４を形成する。ＤＢＲ層２６の上面に不図示のマスクを形成し、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を行う。ＤＢＲ層２６、活性層２４、およびＤＢＲ層２２のうち活性層２４とコンタクト層２８との間の部分が取り除かれ、凹部１４が形成される。マスクで覆われた部分にメサ１０およびテラス１２が形成される。ウェハ（基板２０）には、メサ１０およびテラス１２が複数形成される。マスクは除去する。さらに別のマスク（不図示）を形成し、ＤＢＲ層２２のうちテラス１２よりも外側の部分を取り除き、図１Ａに示した凹部１６を形成する。

図４Ａに示すように、例えばプラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ法：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などにより、絶縁膜１３および１５を形成する。

図４Ｂに示すように、絶縁膜１５のうち凹部１４内の部分に開口部を形成する。絶縁膜１５のうちメサ１０の上の部分に開口部を形成する。真空蒸着により、電極３０および３４を形成する。スパッタリングおよびメッキ処理などにより、配線３１および３６、パッド３２および３８を形成する。絶縁膜１３および１５、電極３０および３４を覆うパッシベーション膜を設けてもよい。図１Ａの凹部１６の絶縁膜１３および１５を取り除き、凹部１６においてウェハをダイシングし、面発光レーザ１００を形成する。複数の面発光レーザ１００を連結したアレイチップを形成してもよい。

（比較例）
図５は、比較例に係る面発光レーザ１００Ｒを例示する断面図である。メサ１０に絶縁領域４０、およびリング状の導通領域４２は設けられていない。ＤＢＲ層２６に酸化狭窄層４４が設けられている。ＤＢＲ層２６は、他のＡｌＧａＡｓ層に比べて高いＡｌ組成比を有する層（例えばＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層）を含む。酸化狭窄層４４は、ＤＢＲ層２６のうちＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層を酸化することで形成される。酸化狭窄層４４は、メサ１０の端部から中央部に向けて延伸する。酸化狭窄層４４のＸＹ平面内での形状はリング形状である。酸化狭窄層４４を形成する工程において、ＤＢＲ層２２および２６、活性層２４の一部が酸化されることで酸化領域４５が形成される。酸化領域４５は、メサ１０の側面から中央側に向けて延伸し、酸化狭窄層４４よりも短い。

メサ１０は、中央部に未酸化領域４６を有する。未酸化領域４６のＸＹ平面内での形状は円形である。未酸化領域４６は、酸化狭窄層４４の内側に位置し、酸化狭窄層４４に囲まれる。未酸化領域４６の直径をＤ３とする。未酸化領域４６は、電流の経路となり、かつ光の出射される出射領域となる。

（特性）
面発光レーザの特性について説明する。面発光レーザの周波数応答特性Ｈは次式で表される。

ωは信号の周波数である。ω_Ｒは緩和振動周波数である。γは減衰係数である。ω_Ｃはカットオフ周波数であり、寄生容量によって決まる。右辺の因子１／（１＋ω／ω_Ｃ）^２は、寄生容量成分の応答特性である。数１に示すように、面発光レーザの周波数応答特性は、緩和振動周波数および寄生容量に影響される。緩和振動周波数を高め、かつ寄生容量を低減することで、周波数応答特性Ｈを高くすることができる。

緩和振動周波数ω_Ｒは次式で表される。

Γは光の閉じ込め係数である。Ｖは、活性層２４内において利得が発生する有効領域の体積である。Ｖｇはレーザ共振器中の光の群速度である。ｑはキャリア電荷量である。Ｉは面発光レーザに入力される電流である。Ｉｔｈは面発光レーザの閾値電流である。ａ（Ｔ）はゲイン係数であり、温度Ｔに依存する。

ゲイン係数ａ（Ｔ）は次式で表される。Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ｂ０、Ｂ１、およびＢ２は係数である。

温度Ｔが上昇すると、ゲイン係数ａ（Ｔ）は低くなる。緩和振動周波数ω_Ｒは低下し、周波数応答特性が低下する。変調帯域が低く抑制されてしまう。温度Ｔが低下すると、ゲイン係数ａ（Ｔ）は高くなる。緩和振動周波数ω_Ｒは高くなり、周波数応答特性が高くなる。変調帯域を高くするためには、面発光レーザの放熱性を高め、温度上昇を抑制すればよい。

比較例に係る面発光レーザ１００Ｒにおいては、円柱形の未酸化領域４６が発光領域となる。面発光レーザ１００Ｒを動作させると、未酸化領域４６が発熱する。円柱型の未酸化領域４６の外側に位置する高抵抗領域１７が熱の経路となる。しかし、未酸化領域４６の中央側には熱がこもるため、温度が上昇しやすい。

第１実施形態に係る面発光レーザ１００においては、円環形状の導通領域４２が発光領域となる。円環形状の導通領域４２の外側の高抵抗領域１７、および内側の絶縁領域４０が熱の経路となるため、比較例に比べて放熱性が高くなる。熱は、導通領域４２から高抵抗領域１７および絶縁領域４０などを通じて放出される。このため、温度上昇が抑制される。

具体的に、面発光レーザの温度Ｔは、近似的に次式で計算される。

Ｔ０は面発光レーザが置かれる環境の温度である。Ｐ０は面発光レーザの光出力である。Ｚｔは面発光レーザの熱抵抗である。Ｉは電流である。Ｖは電圧である。面発光レーザに入力される電力Ｉ×Ｖのうち、一部は光出力Ｐ０に変換され、他の一部が熱に変換される。熱抵抗Ｚｔが高いほど、温度Ｔは高くなる。熱抵抗Ｚｔが低いほど、温度Ｔは低くなる。

比較例の熱抵抗Ｚｔは、近似的に次式で表される。

ξは、半導体層の熱伝導率であり、ＤＢＲ層および活性層２４の組成で定まる。Ｄ３は未酸化領域４６の直径である。

第１実施形態の熱抵抗は、近似的に次式で表される。

ｈは、ヒートシンクとなる基板２０と、活性層２４との間の距離である。Ｗ１は、導通領域４２の幅である。Ｄは、導通領域４２の幅方向の中央を通る円の直径であり、絶縁領域４０の直径Ｄ２に導通領域４２の幅Ｗ１を加えた値である（Ｄ＝Ｄ２＋Ｗ１、図２参照）。

図６Ａおよび図６Ｂは、熱抵抗の計算結果を例示する図である。破線は、比較例を示す。実線は、第１実施形態を示す。横軸は、未酸化領域４６の直径Ｄ３、または直径Ｄを表す。縦軸は、熱抵抗Ｚｔと熱伝導率ξとの積である。熱伝導率ξは、比較例と第１実施形態とで共通である。

図６Ａは、ｈ＝２５μｍの例である。図６Ｂは、ｈ＝１０μｍの例である。図６Ａおよび図６Ｂのいずれの例でも、第１実施形態における熱抵抗は、比較例の熱抵抗よりも低い。直径が大きくなるほど、熱抵抗が低下する。熱抵抗が低下することで、温度上昇が抑制され、緩和振動周波数ω_Ｒが高くなる。変調帯域をより高い周波数とすることができる。

次に寄生容量について説明する。図５に示すように、比較例に係る面発光レーザ１００Ｒは、酸化狭窄層４４を有している。酸化狭窄層４４の上側および下側に導電性のＤＢＲ層２６が設けられているため、寄生容量が発生する。

図７Ａは、比較例の等価回路を例示する図である。Ｌ１は、パッド３８および配線３６のインダクタ成分である。Ｃ１は、テラス１２の容量成分である。Ｒ１は、テラス１２の抵抗成分である。Ｌ２は、メサ１０のインダクタ成分である。Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４およびＲ５は、メサ１０の抵抗成分である。抵抗Ｒ２は、ＤＢＲ層２６のうち酸化狭窄層４４に挟まれて、狭くなった部分の抵抗に対応する。Ｃ２およびＣ３は、メサ１０の容量成分である。Ｃ３は、酸化狭窄層４４から発生する寄生容量に対応する。Ｒ４、Ｃ２、Ｌ２およびＲ５は活性層２４の等価回路を表している。

図７Ａに示すように、キャパシタＣ１と抵抗Ｒ１とは直列接続されている。インダクタＬ１と抵抗Ｒ２とは直列接続されている。インダクタＬ１の第１の端部とキャパシタＣ１の第１の端部とが接続されている。抵抗Ｒ２の第１の端部は、キャパシタＣ３の第１の端部、および抵抗Ｒ３の第１の端部に接続されている。抵抗Ｒ３の第２の端部は、抵抗Ｒ４の第１の端部、キャパシタＣ２の第１の端部、およびインダクタＬ２の第１の端部に接続されている。インダクタＬ２の第２の端部は抵抗Ｒ５の第１の端部に接続されている。抵抗Ｒ１の１つの端部は、抵抗Ｒ４の第２の端部、キャパシタＣ２の第２の端部、抵抗Ｒ５の第２の端部、およびキャパシタＣ３の第２の端部に接続されている。抵抗Ｒ２とキャパシタＣ３とはＲＣ回路を形成し、ローパスフィルタとして機能する。

数１中のカットオフ周波数ω_Ｃは次式で与えられる。

Ｃｍは寄生容量成分であり、図７ＡのキャパシタＣ３に対応する。Ｒｍは寄生抵抗成分であり、図７Ａの抵抗Ｒ２に対応する。比較例では寄生成分の応答因子１／（１＋ω／ω_Ｃ）^２が大きくなり、周波数応答特性Ｈが低下する。

図７Ｂは、第１実施形態の等価回路を例示する図である。第１実施形態では酸化狭窄層４４が形成されないため、図７Ｂに示すように抵抗Ｒ３およびキャパシタＣ３が形成されない。キャパシタＣ３がないため、ＲＣ回路が形成されない。数１中の寄生成分の応答因子による、周波数応答特性の低下が抑制される。

図８は、周波数応答特性を例示する図であり、数１から数７までの数式を用いて計算した結果である。ヒートシンク（基板２０）までの距離ｈは１０μｍ、直径は７μｍとした。横軸は周波数を表す。縦軸は周波数応答特性を表す。破線は比較例である。実線は第１実施形態である。比較例に比べ、第１実施形態では周波数応答特性が改善している。４０ＧＨｚにおいて－３ｄＢの周波数応答特性が得られる。

第１実施形態によれば、メサ１０は、絶縁領域４０および導通領域４２を有する。図１Ｂおよび図２に示すように、絶縁領域４０は、メサ１０の中央部に位置する。導通領域４２は、絶縁領域４０の外側に位置し、絶縁領域４０を囲む。電荷キャリアは導通領域４２を流れ、活性層２４に注入される。活性層２４で発生する光は、導通領域４２を伝搬し、面発光レーザ１００の外側に出射される。導通領域４２はリング状であるため、導通領域４２で発生する熱は、導通領域４２にこもりにくく、導通領域４２の外周面および内周面から放出される。絶縁領域４０は放熱の経路になる。放熱性が高くなることで、温度上昇が抑制される。温度上昇の抑制により緩和振動周波数が高くなるため、周波数応答特性が改善する。この結果、面発光レーザ１００の変調帯域を高くすることが可能である。

図２に示すように、導通領域４２は、ＸＹ平面内で絶縁領域４０の周囲を完全に囲む。導通領域４２の内周面から、絶縁領域４０を通じて熱が放出される。放熱性が高くなることで、温度上昇が抑制される。変調帯域を高くすることが可能である。

絶縁領域４０はＤＢＲ層２６および活性層２４のうちイオンを注入された部分を含む。イオン注入により、ＤＢＲ層２６を絶縁化し、かつ活性層２４の光学的な活性を失わせることができる。絶縁領域４０は、導通領域４２よりも高い電気抵抗を有する。図３Ｂに示すように、一回のイオン注入により、高抵抗領域１７とともに絶縁領域４０を形成することができるため、工程が簡略化される。

導通領域４２の幅Ｗ１が小さいほど、熱抵抗Ｚｔは低下し、温度上昇を抑制することができる。一方、幅Ｗ１が小さくなると、キャリア注入される導通領域４２が小さくなり、光出力が低下する。例えば、ＸＹ平面内での導通領域４２の面積が、図５の未酸化領域４６の面積と同程度となるように、幅Ｗ１を定める。比較例と同程度の光出力を得ることができる。

面発光レーザ１００の温度上昇が抑制されることで、活性層２４の光学利得がピークになる波長と共振波長とのずれ（デチューニング）が抑制される。面発光レーザ１００の利得の低下が抑制され、かつ変調帯域の低下も抑制される。

比較例においては、ＤＢＲ層２６に酸化狭窄層４４が形成されることで、ＤＢＲ層２６の屈折率の分布が不連続になる。第１実施形態では、ＤＢＲ層２６に酸化狭窄層４４が形成されない。ＤＢＲ層２６の屈折率は、Ｚ軸方向に沿って周期的に分布する。光の損失が抑制される。面発光レーザ１００に酸化狭窄層を形成しないため、酸化によるＤＢＲ層の体積の変化が抑制される。応力が発生しにくく、歩留まりが向上する。

導通領域４２のリング状の活性層２４は、上下をＤＢＲ層２２および２６に挟まれたブラッグ反射導波路になる。活性層２４を含むＺ軸方向の共振器長がλ／２である場合には、周方向に伝搬する固有モードは存在しない。したがって光は周方向にはレーザ発振せず、Ｚ軸方向にレーザ発振する。面発光レーザ１００に注入されるエネルギーは、周方向でのレーザ発振に消費されず、Ｚ軸方向のレーザ発振に供給される。絶縁領域４０および導通領域４２を設けても、効率の低下は抑制される。

＜第２実施形態＞
第２実施形態における絶縁領域４０は、絶縁体で形成されている。第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。平面図は図１Ａと同じである。断面図は図１Ｂと同じである。絶縁領域４０および導通領域４２の形状は、図２と同じである。

絶縁領域４０は、例えば窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、光学ガラス、光学樹脂などの光学材料で形成されている。光学材料は、光透過性であり、絶縁性である。絶縁領域４０の屈折率は、ＤＢＲ層２６の屈折率よりも低い。

（製造方法）
図９Ａおよび図９Ｂは、面発光レーザの製造法を例示する断面図である。図３Ａのように半導体層をエピタキシャル成長した後、図９Ａに示すようにＤＢＲ層２２および２６、ならびに活性層２４の一部をエッチングで取り除き、凹部４１を形成する。図９Ｂに示すように、凹部４１に絶縁体を充填することで絶縁領域４０を形成する。以降の工程は第１実施形態と同じである。

第２実施形態によれば、絶縁領域４０は、光透過性および絶縁性の光学材料で形成されているため、導通領域４２よりも高い電気抵抗を有する。電荷キャリアを導通領域４２に選択的に注入することができる。導通領域４２で発生する熱は、導通領域４２の外周面および内周面から放出される。放熱性が高くなることで、温度上昇が抑制される。緩和振動周波数が高くなるため、周波数応答特性が改善する。この結果、変調帯域を高くすることが可能である。

第１実施形態および第２実施形態において、絶縁領域４０の平面形状は円形でもよいし、例えば楕円形、多角形などでもよい。導通領域４２の平面形状は円環でもよいし、例えば楕円環、多角形環などでもよい。多角形環とは、内周面および外周面が多角形のリング形状である。

＜第３実施形態＞
図１０Ａは、第３実施形態に係る面発光レーザ３００を例示する断面図である。第１実施形態または第２実施形態と同じ構成については説明を省略する。

図１０Ａに示すように、メサ１０には絶縁領域４０および導通領域４２が設けられている。絶縁領域４０は、イオン注入によって形成されてもよいし、光学材料を充填することで形成されてもよい。第４実施形態で説明するように、絶縁領域４０の屈折率は導通領域４２の屈折率以下である。メサ１０には回折格子４８が設けられている。

メサ１０の上面のうち導通領域４２に斜面が設けられている。当該斜面は、メサ１０の外側から内側に向けて、Ｚ軸方向の上側に傾斜している。導通領域４２の斜面に電極３４が設けられている。

図１０Ｂは、電極３４を拡大した断面図である。図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、電極３４は、メサ１０の外側で厚く、内側で薄い。電極３４の面３４ａは、導通領域４２に対向し、かつＸＹ平面に対して傾斜している。面３４ａは、メサ１０の内側を向いている。図１０Ｂに示す、面３４ａの傾斜角度θは例えば４５°である。

図１０Ａに示すように、回折格子４８は、メサ１０の上面であって、絶縁領域４０に設けられている。回折格子４８は、絶縁膜１５およびＤＢＲ層２６のうち、凹凸が周期的に並ぶ部分である。

図１０Ｃは、回折格子４８を例示する平面図である。回折格子４８は、複数の凸部４８ａと複数の凹部４８ｂとを有する。複数の凸部４８ａと複数の凹部４８ｂとは、同心円状に並ぶ。凸部４８ａは、絶縁膜１５およびＤＢＲ層２６を含む。凹部４８ｂにおいては、絶縁膜１５が除去されている。凹部４８ｂは、ＤＢＲ層２６のうち凸部４８ａよりもＺ軸方向に窪んだ部分を含む。

メサ１０を形成した後、メサ１０にエッチングを行い、斜面を形成する。例えば、絶縁膜１５およびＤＢＲ層２６をエッチングすることで、回折格子４８を形成する。メサ１０の斜面に電極３４を形成する。メサ１０に接する面３４ａが斜面となる。

第３実施形態によれば、放熱性が高くなるため、温度上昇が抑制される。面発光レーザ３００の変調帯域を高くすることが可能である。図１０Ａに矢印で示すように、光は導通領域４２を伝搬し、電極３４の面３４ａで反射され、ＸＹ平面を伝搬する。面３４ａで反射された光の横モードは、主に絶縁領域４０内に強度分布を有する。光は回折格子４８で回折され、Ｚ軸方向の上側に向けて出射される。第３実施形態によれば、電極３４の面３４ａおよび回折格子４８によって、光を外部に良好に取り出すことができる。

＜第４実施形態＞
図１１Ａは、第４実施形態に係る面発光レーザ４００を例示する断面図である。図１１Ｂは、電極３４を拡大した断面図である。第１実施形態から第３実施形態のいずれかと同じ構成については、説明を省略する。図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、電極３４の面３４ａは、ＸＹ平面に対して傾斜している。傾斜角度θは、例えば４５°未満である。メサ１０に回折格子４８は設けられていない。

図１１Ａおよび図１１Ｂに矢印で示すように、光は導通領域４２を伝搬し、電極３４の面３４ａで反射され、絶縁領域４０に入射する。図１１Ｂに示すように、導通領域４２から絶縁領域４０への光の入射角は、π／２－２θである。図１１Ｂのｎ１は導通領域４２の屈折率である。ｎ２は絶縁領域４０の屈折率であり、導通領域４２の屈折率ｎ１以下である。

絶縁領域４０および導通領域４２の下にはＤＢＲ層２２が設けられている。光は電極３４の面３４ａで反射され、絶縁領域４０に入射し、ＤＢＲ層２２で反射される。面３４ａとＤＢＲ層２２とによって光の多重反射が繰り返され、面発光レーザ４００の外部に光が出射される。導通領域４２の内周と外周とが同心円状である場合、導通領域４２の形状の対称性に起因して、回転対称な横モードの光のみが発振し、面発光レーザ４００の外部に光が出射される。

絶縁領域４０がＤＢＲ層２６および活性層２４にイオンを注入することで形成される場合、絶縁領域４０の屈折率ｎ２は、導通領域４２の屈折率ｎ１に等しい、またはｎ１より１％程度低くなる。入射角π／２－２θは、光が全反射する角度（臨界角）より小さい角度とする。例えば面３４ａの角度θを４°以上、４５°未満とすればよい。光は面３４ａで反射され、絶縁領域４０に入射し、絶縁領域４０の下および導通領域４２の下に位置するＤＢＲ層２２で反射される。

ＤＢＲ層２６のうちイオンを注入された部分は、絶縁性となる。活性層２４のうちイオンを注入された部分は、光学的な活性を失う。一方、絶縁領域４０においてもＤＢＲ層２２および２６、ならびに活性層２４は、レーザ共振器として機能する。絶縁領域４０に入射した光は、導通領域４２を伝搬する光と同様に共振し、メサ１０の上面から面発光レーザ１００の外側に出射される。

絶縁領域４０が光学材料で形成されている場合、絶縁領域４０の屈折率ｎ２は、導通領域４２の屈折率ｎ１より低い。入射角π／２－２θは、臨界角より小さい角度とする。例えば面３４ａの角度θを４°以上、４５°未満とすればよい。光は面３４ａで反射され、絶縁領域４０に入射し、絶縁領域４０の下および導通領域４２の下に位置するＤＢＲ層２２で反射され、面発光レーザの外側に出射される。

第４実施形態によれば、放熱性が高くなるため、温度上昇が抑制される。面発光レーザ４００の変調帯域を高くすることが可能である。図１１Ａに矢印で示すように、光は導通領域４２を伝搬し、電極３４の面３４ａで反射され、絶縁領域４０に入射する。光は面３４ａとＤＢＲ層２２とで反射され、Ｚ軸方向の上側に向けて出射される。第４実施形態によれば、光を外部に良好に取り出すことができる。

第３実施形態および第４実施形態において、図２に示すように絶縁領域４０と導通領域４２とは同心円状であり、光軸（Ｚ軸）に関して回転対称である。図１０Ａおよび図１１Ａのように光が反射されることで、光軸に対し回転対称で、かつ光軸方向に強度分布を有する横モードが発振し、回転対称な強度分布を有する光をＺ軸方向に出射することができる。図１２Ａおよび図１２Ｂで述べるように、絶縁領域４０および導通領域４２は他の形状を有してもよい。

図１２Ａおよび図１２Ｂは変形例におけるメサ１０を例示する平面図である。図１２Ａの例では、絶縁領域４０は楕円形状である。導通領域４２は楕円環形状である。図１２Ｂの例では、絶縁領域４０は正六角形である。導通領域４２は、六角形環形状である。六角形環とは、内周面および外周面が正六角形のリング形状である。絶縁領域４０の頂点は、導通領域４２の頂点に対向する。図１２Ａおよび図１２Ｂどちらの例でも、絶縁領域４０の中心と、導通領域４２の中心とは一致する。光が反射を繰り返すことで、光軸に対し回転対称で、かつ光軸方向に強度分布を有する横モードが発振する。絶縁領域４０の平面形状と導通領域４２の平面形状とが相似であり、かつ光軸に対して回転対称性を有していればよく、例えば六回対称以上の回転対称性を有することが好ましい。回転対称な横モードが発振し、光を光軸上に取り出すことができる。

以上、本開示の実施形態について詳述したが、本開示は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本開示の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ メサ
１２ テラス
１３、１５ 絶縁膜
１４、１６、４１、４８ｂ 凹部
１７ 高抵抗領域
２０ 基板
２２、２６ ＤＢＲ層
２４ 活性層
２８ コンタクト層
３０、３４ 電極
３１、３６ 配線
３２、３８ パッド
３４ａ 面
４０ 絶縁領域
４２ 導通領域
４４ 酸化狭窄層
４６ 未酸化領域
４８ 回折格子
４８ａ 凸部
１００、１００Ｒ、３００、４００ 面発光レーザ

Claims (9)

1. 第１反射層と、
   前記第１反射層の上に設けられた活性層と、
   前記活性層の上に設けられた第２反射層と、を具備し、
   前記第１反射層、前記活性層および前記第２反射層はメサを形成し、
   前記メサは、絶縁領域と導通領域とを有し、
   前記絶縁領域は、前記メサのうち面方向における中央部に位置し、
   前記導通領域は、前記第１反射層、前記活性層および前記第２反射層を有し、前記絶縁領域の外側に位置し、前記絶縁領域を囲む面発光レーザ。
2. 前記導通領域は前記絶縁領域の周囲全体を囲む請求項１に記載の面発光レーザ。
3. 前記絶縁領域は、前記第２反射層および前記活性層のうちイオンが注入された領域である請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ。
4. 前記絶縁領域は光学材料で形成される請求項１または請求項２に記載の面発光レーザ。
5. 前記導通領域の上面に設けられ、前記導通領域の前記第２反射層と電気的に接続された電極を具備し、
   前記電極の前記第２反射層に対向する面は、前記第２反射層の上面に対して傾斜している請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
6. 前記電極の前記第２反射層に対向する面の傾斜角度は４５°であり、
   前記メサの上面のうち前記電極よりも内側に設けられた回折格子を具備する請求項５に記載の面発光レーザ。
7. 前記電極の前記第２反射層に対向する面の傾斜角度は４５°未満であり、
   前記絶縁領域の屈折率は、前記導通領域の屈折率以下である請求項５に記載の面発光レーザ。
8. 前記絶縁領域の平面形状および前記導通領域の平面形状は、光軸に対して回転対称性を有する請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
9. 第１反射層と、活性層と、第２反射層とをこの順に積層する工程と、
   前記第１反射層、前記活性層および前記第２反射層からメサを形成する工程と、
   前記メサに絶縁領域と導通領域とを形成する工程と、を有し、
   前記絶縁領域は、前記メサのうち面方向における中央部に位置し、
   前記導通領域は、前記第１反射層、前記活性層および前記第２反射層を有し、前記絶縁領域の外側に位置し、前記絶縁領域を囲む面発光レーザの製造方法。
   
   

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