JP4605024B2 - 面発光型半導体レーザ - Google Patents

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Description

本発明は、面発光型半導体レーザに関する。
近年、面発光型半導体レーザにおける情報量の拡大、及び用途の多様化等により発振モード数を削減しつつ高出力化することが望まれている。一般には、共振器体積を小さくすることにより、モード数を削減することができる。
一方、半導体レーザの出力は、注入される電流値とともに大きくなり、ある電流値において最大値（ロールオフ点）に達する。半導体レーザでは、電流注入によりデバイス温度が上昇するとともに、利得スペクトルがシフトし、ある温度で利得が最大値を迎えるためである。共振器体積が小さい場合、デバイス温度が上昇しやすく、低い電流値でロールオフ点に達するため十分な出力や電流駆動範囲が得られない場合がある。十分な出力が得られない場合、駆動点とロールオフが近づくため、駆動電流範囲を狭くしなければ、環境温度による出力のゆらぎが大きくなってしまう。そこで、デバイス温度の上昇を防止するために、特許文献１には、発光部の周辺部に電流狭窄部に達するまで溝を掘り、この溝上に直接電極を形成する方法が開示されている。これにより、発熱部から電極までの距離を短くして放熱性を高めている。
特開２００３−８６８９５号公報
本発明の目的は、モード数を削減することができ、かつ高出力化の可能な面発光型半導体レーザを提供することにある。
本発明にかかる面発光型半導体レーザは、
第１ミラーと、
前記第１ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された第２ミラーと、
前記活性層の上方または下方に形成された電流狭窄層と、
前記活性層の上方に形成され、光の出射方向と垂直な面内に配列された回折格子と、
を含み、
前記回折格子によって周囲を囲まれた光閉じこめ領域は、平面視において前記電流狭窄層に囲まれた領域の内側に形成されている。
本発明にかかる面発光型半導体レーザおいて、
少なくとも前記活性層、前記第２ミラー、および前記電流狭窄層によって構成される第１の柱状部を含み、
前記第１の柱状部は、前記活性層と前記電流狭窄層とを有する第３の柱状部と、当該第３の柱状部の上方に形成された第２の柱状部とを含み、
前記第３の柱状部の上面かつ前記第２の柱状部の周囲に形成された電極をさらに含むことができる。
本発明にかかる面発光型半導体レーザおいて、
前記第２ミラーの上方に形成された放熱膜をさらに含むことができる。
本発明にかかる面発光型半導体レーザおいて、
前記放熱膜は、光透過性を有することができる。
本発明にかかる面発光型半導体レーザおいて、
前記放熱膜は、導電性材料からなり、
前記第２ミラーと前記放熱膜との間に光透過性を有する絶縁膜をさらに含むことができる。
本発明にかかる面発光型半導体レーザおいて、
前記第２ミラーの上方の全面に形成された導電膜と、
前記導電膜の上方に形成された第１の放熱膜と、
前記第１の放熱膜の上方に形成された第２の放熱膜と、
をさらに含み、
前記導電膜は、当該面発光型半導体レーザを駆動するための電極として機能し、
前記第２の放熱膜は、導電性材料からなり、前記導電膜と電気的に接続されていることができる。
本発明にかかる面発光型半導体レーザおいて、
前記第２ミラーの上方に形成された誘電体ミラーをさらに含み、
前記回折格子は、前記誘電体ミラーと前記活性層との間に形成されることができる。
本発明にかかる面発光型半導体レーザおいて、
光の出射方向と垂直な面内に、複数の回折格子が配列されており、
回折格子を構成する格子と格子の隙間に前記誘電体ミラーの一部が形成されていることができる。
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
１．面発光型半導体レーザ
図１は、実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００を模式的に示す断面図である。図２は、実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００を模式的に示す平面図である。図１は、図２に示すＥ−Ｅ線に沿った断面を示す図である。
面発光型半導体レーザ１００は、基板１０１と、第１ミラー１０２と、活性層１０３と、第２ミラー１０４とを含む。面発光型半導体レーザ１００は、垂直共振器を有し、図１に示すように、柱状の半導体堆積体（以下「第１の柱状部１２０」とする）を含むことができる。第１の柱状部１２０は、第１ミラー１０２の一部、活性層１０３および第２ミラー１０４によって構成され、上部に設けられた第２の柱状部１３０および下部に設けられた第３の柱状部１４０を有する。第２の柱状部１３０は、第２ミラー１０４を有し、第３の柱状部１４０は、第１ミラー１０２、活性層１０３および第２ミラー１０４を有する。第２の柱状部１３０は、第３の柱状部１４０の上面に形成され、平面視において、第３の柱状部１４０の径より大きい径を有する。
基板１０１は、半導体基板からなることができ、たとえばｎ型ＧａＡｓ基板からなることができる。第１ミラー１０２は、例えば、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層した４０ペアの分布反射型多層膜ミラーからなることができる。活性層１０３は、ＧａＡｓウエル層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層からなり、ウエル層が３層で構成される量子井戸構造を含むことができる。第２ミラー１０４は、例えば、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層した２５ペアの分布反射型多層膜ミラーからなることができる。
第２ミラー１０４は、たとえば炭素（Ｃ）がドーピングされることによりｐ型にされ、第１ミラー１０２は、たとえばケイ素（Ｓｉ）がドーピングされることによりｎ型にされている。したがって、ｐ型の第２ミラー１０４、不純物がドーピングされていない活性層１０３、およびｎ型の第１ミラー１０２により、ｐｉｎダイオードが形成される。なお、本実施の形態において、第１の柱状部１２０は、平面視において、円形状を有するとしたが、この形状は任意の形状をとることができる。
第２ミラー１０４は、活性層の近領域に形成された電流狭窄層１０５をさらに有する。電流狭窄層１０５は、酸化狭窄層またはプロトン打ち込み領域により形成される。電流狭窄層１０５は、たとえばＡｌｘＧａ1-ｘＡｓ（ｘ＞０．９５）層を側面から酸化することにより得られ、平面視においてリング形状を有することができる。
面発光型半導体レーザ１００は、第２ミラー１０４上に複数の格子１０６、１０７、１０８、１０９を有し、これらにより円形の回折格子が構成される。回折格子を構成する各格子１０６、１０７、１０８、１０９は、面発光型半導体レーザ１００が出射する光の出射方向と垂直な面内に配列するように設けられている。格子１０６、１０７、１０８、１０９は、図２に示すようにそれぞれリング形状を有し、互いに同心円上に形成されている。回折格子１１０（格子１０７〜１０９）に囲まれた領域において、内側に向かって回折光を反射させることによって光閉じこめが行われ、この光閉じこめ領域、すなわち格子１０７の内側は、平面視において電流狭窄層１０５に囲まれた領域の内側に形成される。即ち、光閉じこめ領域の径Ｂは、電流狭窄層１０５の内径Ａより小さい。
格子１０６とその外側に形成されている格子１０７との間隔Ｃは、格子１０６の径と同一であることができる。すなわち格子間隔Ｃは、所望の発振モードの見た目上の横方向の波の周期をλとし、周期構造の平均屈折率をｎとした場合に、たとえばλ／２ｎであることができる。したがって、この場合光閉じ込めを行う領域の径Ｂは、３λ／２ｎであることができる。即ち、格子１０６〜１０９が吸収材料からなるため、格子１０７を所望の発振モードの節となる位置に挿入することで、そのモードの発振を妨げることなく、それ以外のモードに損失を加えることができる。
なお、面発光型半導体レーザ１００は、格子１０６と格子１０７との間にさらに１以上の格子を有してもよく、この１以上の格子は、所望の発振モードの節となる位置に挿入され、その格子間隔は、互いに等間隔でたとえばλ／２ｎであることが好ましいが、これに限定されるわけではない。また、回折格子１１０において、格子１０７と格子１０８との間隔および格子１０８と格子１０９との間隔Ｄは、たとえばλ／４ｎであることができる。これにより、回折光を効率的に反射させることができる。
また、格子１０６、１０７、１０８、１０９の断面形状は、たとえば円筒形状のような対称性形状に限られず、たとえば円錐形状などテーパーを有する非対称性形状であってもよい。
以上の構成により、格子１０７の内側において光が閉じこめられ、発振モード数は、光閉じこめ領域によって決定される一方、電流閉じこめは、電流狭窄層１０５において行われるため、電流狭窄層１０５の内径Ａを大きくすることにより、抵抗によるジュール熱の発熱を低減でき、かつ局所的な温度上昇を防ぐことができるため、ロールオフする電流値を大きくし高出力化することができる。また、高出力化によりロールオフを迎える電流が駆動電流範囲から離れるため、広い温度範囲での動作を可能とすることができる。即ち、電流狭窄層１０５の内径Ａを大きくし、同時に光閉じこめ領域１１０の径Ｂを小さくすることにより、発振モード数を低減するとともに高出力化することができる。
なお、光閉じこめ領域の径Ｂは、所望のモード数、設計波長等に応じて適宜調整することができる。
また、面発光型半導体レーザ１００は、第１電極１１４および第２電極１１６をさらに含む。この第１電極１１４および第２電極１１６は、面発光型半導体レーザ１００を駆動するために使用される。
具体的には、図１に示すように、第１電極１１４は、第２ミラー１０４の上面に形成される。第１電極１１４は、より具体的には第３の柱状部１４０の上面に形成される。第２電極１１６は、半導体基板１０１の裏面に形成される。第１電極１１４は、たとえば図２に示すようなリング状の平面形状を有することができる。また第１電極１１４は、第２ミラー１０４の上面に接するリング形状部から引き出された直線形状の引き出し部を有してもよい。
このように、第１電極１１４が活性層１０３の近傍に設けられることにより、第２ミラー１０４に電流が流れる距離を短くすることができる。これによって、抵抗を低くし、発生する熱を低減することができる。なお、本実施の形態では、第２電極１１６は半導体基板１０１の裏面に設けられているが、第１ミラー１０２の上面に設けられていてもよい。
第２電極１１６は、例えば金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の合金と、金（Ａｕ）との積層膜からなる。また、第１電極１１４は、例えば白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）および金（Ａｕ）の積層膜からなる。第１電極１１４と第２電極１１６とによって活性層１０３に電流が注入される。なお、第１電極１１４および第２電極１１６を形成するための材料は、前述したものに限定されるわけではなく、例えば金（Ａｕ）と亜鉛（Ｚｎ）との合金などが利用可能である。面発光型半導体レーザ１００は、第１電極１１４の内側が出射面となり、上方に向かって光を出射することができる。
なお、本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００は、上述した回折格子１１０の周囲にさらに１以上の回折格子を有してもよい。このとき回折格子を構成する各格子の間隔は、上述した回折格子１１０と同じであってもよいし、異なってもよい。
２．面発光型半導体レーザの製造方法
次に、本発明を適用した実施の形態に係る面発光型半導体レーザ１００の製造方法の一例について、図３〜図５を用いて説明する。図３〜図５は、図１および図２に示す面発光型半導体レーザ１００の一製造工程を模式的に示す断面図であり、それぞれ図１に示す断面図に対応している。
（１）まず、ｎ型ＧａＡｓ層からなる基板１０１の表面に、組成を変調させながらエピタキシャル成長させることにより、図３に示すように、半導体多層膜が形成される。ここで、半導体多層膜は、例えば、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層とを交互に積層した第１ミラー１０２ａ、ＧａＡｓウエル層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層からなり、ウエル層が３層で構成される量子井戸構造を含む活性層１０３ａ、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層とを交互に積層した第２ミラー１０４ａ、ｐ型ＧａＡｓ層を含む光吸収層１０６ａからなることができる。ただし、吸収効果を高次モードの抑制に用いる必要がない場合は、必ずしも吸収材料である必要はない。
エピタキシャル成長を行う際の温度は、成長方法や原料、基板１０１の種類、あるいは形成する半導体多層膜の種類、厚さ、およびキャリア密度によって適宜決定されるが、一般に、４５０℃〜８００℃であるのが好ましい。また、エピタキシャル成長を行う際の所要時間も、温度と同様に適宜決定される。また、エピタキシャル成長させる方法としては、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法や、ＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、あるいはＬＰＥ法（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いることができる。
（２）次に、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、第１ミラー１０２ａ、活性層１０３ａ、第２ミラー１０４ａ、および光吸収層１０６ａを所望の形状にパターニングして、第１の柱状部１２０を形成する（図４参照）。具体的には、第１ミラー１０２ａ、活性層１０３ａ、および第２ミラー１０４ａの下部をパターニングすることにより第３の柱状部１４０を形成し、第２ミラー１０４ａの上部および光吸収層１０６ａをパターニングすることにより第２の柱状部１３０を形成する。
さらに光吸収層１０６ａに対しては、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術ならびに電子ビーム加工技術等を施して、複数の格子１０６、１０７、１０８、１０９を形成する。
（３）次に、例えば４００℃程度の水蒸気雰囲気中に、柱状部１２０を投入することにより、前述の第２ミラー１０４中のＡｌ組成が高い層を側面から酸化して、電流狭窄層１０５が形成される（図５参照）。ここで電流狭窄層１０５の内径が格子１０７の径より大きくなるように、投入時間等を調整する。
酸化レートは、炉の温度、水蒸気の供給量、酸化すべき層のＡｌ組成および膜厚に依存する。酸化により形成される電流狭窄層１０５を備えた面発光型半導体レーザ１００では、駆動する際に、電流狭窄層１０５が形成されていない部分（酸化されていない部分）のみに電流が流れる。従って、酸化によって電流狭窄層１０５を形成する工程において、形成する電流狭窄層１０５の範囲を制御することにより、電流経路の制御が可能となる。
（４）次いで、図１に示すように、第１電極１１４および第２電極１１６が形成される。まず、各電極を形成する前に、必要に応じて、プラズマ処理法等を用いて、電極の形成領域を洗浄する。これにより、より安定した特性の素子を形成することができる。
次に、第１電極１１４および第２電極１１６の形成領域以外にフォトレジストを設け、例えば真空蒸着法により、電極用導電性材料の単層または積層膜（図示せず）を形成する。次に、公知のリフトオフ技術を用いて、所定の位置以外(フォトレジストを残した部分)の積層膜を除去することで、所望の領域に電極を形成することができる。
次いで、必要に応じて、たとえば窒素雰囲気中において、アニール処理を行う。アニール処理の温度は、例えば４００℃前後で行う。アニール処理の時間は、例えば３分程度行う。
以上の工程を、電極ごとに行っても良いし、複数の電極を同時に形成してもよい。なお、第２電極１１６は、例えば金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の合金、および金（Ａｕ）の積層膜によって形成される。第１電極１１４は、たとえば白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）および金（Ａｕ）の積層膜によって形成される。なお、電極の材質は、上記のものに限定されず、公知の金属、合金、あるいはそれらの積層膜を用いることができる。
以上の工程により、図１および図２に示すように、本実施形態の面発光型半導体レーザ１００が得られる。
３．変形例
次に、図面を参照しながら本実施の形態に係る変形例について説明する。
３．１．第１の変形例
図６は、第１の変形例にかかる面発光型半導体レーザ２００を模式的に示す断面図である。第１の変形例にかかる面発光型半導体レーザ２００は、透明絶縁膜２０１および放熱膜２０２をさらに備える点で本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００と異なる。透明絶縁膜２０１は、面発光型半導体レーザ２００が出射する光を透過し、かつ絶縁性材料からなる。透明絶縁膜２０１は、たとえば窒化シリコン（ＳｉＮ）薄膜からなることができる。窒化シリコン薄膜は、光透過性および絶縁性を有するだけでなく、耐酸化性に優れているため、面発光型半導体レーザ２００が酸化されて変質するのを防止することができる。放熱膜２０２は、面発光型半導体レーザ２００が出射する光を透過し、かつ熱伝導率が高い材料からなる。放熱膜２０２は、少なくとも面発光型半導体レーザ３００の出射面の上方の領域で光を透過し、かつ熱伝導率が高い材料からなる。放熱膜２０２は、たとえば、炭化シリコン（ＳｉＣ）、ダイヤモンド（ダイヤモンド・ライク・カーボン）、サファイヤからなることができる。
透明絶縁膜２０１および放熱膜２０２は、面発光型半導体レーザ２００が出射する光を透過する材質からなるため、面発光型半導体レーザ２００は、上方にレーザ光を出射することができる。また、面発光型半導体レーザ２００は、透明絶縁膜２０１および放熱膜２０２を備えることから、放熱性を高めることができる。これにより、電流注入時においてデバイス温度が上昇するのを抑制することができる。
次に、面発光型半導体レーザ２００の製造方法の一例について説明する。本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００の製造工程（１）〜（３）を行った後に、透明絶縁膜２０１を形成する。透明絶縁膜２０１は、公知の方法で成膜およびパターニングされる。透明絶縁膜２０１としての窒化シリコン薄膜の成膜は、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）を用いることができる。
次に、上述した方法により第１電極２１４および第２電極１１６を形成し、放熱膜２０２を成膜する。放熱膜２０２としては、上述したように炭化シリコン、ダイヤモンド、サファイヤ等を用いることができる。炭化シリコンおよびサファイヤの成膜方法としては、たとえばスパッタ法を挙げることができる。ダイヤモンドの成膜方法としては、たとえばＣＶＤ法、スパッタ法、熱電子衝撃法を挙げることができる。次いで、エッチング等によりパターニングを行うことにより、第１電極２１４の引き出し部を露出させてもよい。また、予め引き出し部の上面にレジスト層を残しておき、成膜後に当該レジスト層を除去するリフトオフ工程によって、第１電極２１４の引き出し部を露出させてもよい。
以上の工程により、面発光型半導体レーザ２００を製造することができる。なお、第１の変形例にかかる面発光型半導体レーザ２００の他の構成および製造工程については、本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００の構成および製造工程と同様であるので説明を省略する。
３．２．第２の変形例
図７は、第２の変形例にかかる面発光型半導体レーザ３００を模式的に示す断面図である。第２の変形例にかかる面発光型半導体レーザ３００は、導電膜３０１、第１の放熱膜３０２、第２の放熱膜３０３、および絶縁膜３０６をさらに備え、第１電極１１４を備えない点で本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００と異なる。また、第２の変形例にかかる面発光型半導体レーザ３００は、下方にレーザ光の出射面３０５を有する点で、上方に出射面を有する面発光型半導体レーザ１００と異なる。
導電膜３０１は、たとえば金錫（ＡｕＳｎ）等の導電性材料からなり、面発光型半導体レーザ３００を駆動するための電極として機能することができる。導電膜３０１は、誘電体層３０５を覆うように形成され、第２ミラー３０４の上面に接する。
第１の放熱膜３０２は、導電膜３０１の上方に形成される。第１の放熱膜３０２は、熱伝導率が高い材料からなる。第１の放熱膜３０２は、たとえば、炭化シリコン（ＳｉＣ）、ダイヤモンド（ダイヤモンド・ライク・カーボン）、サファイヤからなることができる。第２の放熱膜３０３は、第１の放熱膜３０２の上方に形成される。第２の放熱膜３０３は、熱伝導率が高い材料からなる。また、第２の放熱膜３０３が、銅等の導電性材料である場合には、導電膜３０１と電気的に接続することにより配線として機能することができる。絶縁膜３０６は、第２ミラー１０４、電流狭窄層１０５および活性層１０３の周囲および第１ミラー１０２の上面を覆うように形成される。
半導体基板１０１としては、面発光型半導体レーザ３００が出射する光を透過する透明基板を用いることが好ましい。若しくは半導体基板として透明基板を用いない場合には、第１ミラー１０２ａを積層する前に基板１０１の上にエッチングストップ層を設けておき、裏面からエッチングすることで出射口を設ける。半導体基板１０１の裏面には、第２電極３１６が形成され、第２電極３１６に囲まれた領域に出射面３０５を有する。これにより、面発光型半導体レーザ３００は、下方にレーザ光を出射することができる。
次に、面発光型半導体レーザ３００の製造方法の一例について説明する。まず、本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００の製造工程（１）〜（３）を行った後に、絶縁膜３０６および第２電極３１６を形成する。絶縁膜３０６の材質は、特に限定されないが、たとえば窒化シリコン薄膜からなることができる。窒化シリコン薄膜の成膜は、上述した方法により行うことができる。
次いで第２の放熱膜３０３上に第１の放熱膜３０２を成膜した後に、ハンダ等の導電膜３０１を塗布する。次いで、第１ミラー１０２、活性層１０３および第２ミラー１０４を導電膜３０１に埋め込み、導電膜３０１を硬化させる。
以上の工程により、面発光型半導体レーザ３００を製造することができる。このように、面発光型半導体レーザ３００は、電極およびヒートシンクとして機能できる導電膜３０１を広い領域で第２ミラー１０４と接触させることができ、放熱性を高めることができる。これにより、電流注入時においてデバイス温度が上昇するのを抑制することができる。また面発光型半導体レーザ３００は、熱伝導率の高い第１の放熱膜３０２および第２の放熱膜３０３を備えることにより、さらに放熱性を高めることができる。
なお、第２の変形例にかかる面発光型半導体レーザ３００の他の構成および製造工程については、本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００の構成および製造工程と同様であるので説明を省略する。
３．３．第３の変形例
図８は、第３の変形例にかかる面発光型半導体レーザ４００を模式的に示す断面図である。第３の変形例にかかる面発光型半導体レーザ４００は、第２ミラー４０４の上方にさらに誘電体層４０５を有する点で、本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００と異なる。誘電体層４０５は、屈折率の異なる層が交互に積層されてミラーとして機能することができる。誘電体層４０５の平面形状は、たとえば、第２ミラー４０４より径の小さい円形状を有することができるが、これに限定されない。また第２ミラー４０４の上面には、複数の格子４０６、４０７、４０８、４０９が形成されている。これらの格子４０６〜４０９の隙間および外側に誘電体層４０５の一部が入りこんでいてもよい。
また、ミラーとして機能できる誘電体層４０５を第２ミラー４０４の上方に形成することによって、第２ミラー４０４の膜厚を薄くすることができる。これにより、格子４０６、４０７、４０８、４０９を活性層１０３の近傍に形成することができるため、より効果的に発振モードを制御することができる。なお、第３の変形例にかかる面発光型半導体レーザ４００は、第２ミラー４０４を含まなくてもよく、この場合には、誘電体層４０５のみが上部ミラーとして機能することができる。
また第１電極１１４は、第２ミラー４０４の上面に形成されている。また第１電極１１４は、誘電体層４０５の周囲に形成されることができる。上述したように第３の変形例にかかる面発光型半導体レーザ４００では、第２ミラー４０４の膜厚を薄くすることができるため、第１電極１１４を活性層１０３の近傍に形成することができ、第２ミラー４０４に電流が流れることによって発生する熱を低減することができる。
誘電体層４０５は、Ｔａ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔｉ２Ｏ、Ｔｉ、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ等を用いて形成され、たとえば、ＳｉＯ２とＳｉＮとが交互に積層された膜からなることができる。誘電体層４０５の成膜は、例えばプラズマＣＶＤやスパッタにより行われることができる。
このように誘電体層を用いてミラーを設けることにより、層間の屈折率比を大きくして、誘電体層を用いないでミラーを形成する場合と比べてペア数を削減することができる。これにより、材料資源を削減することができる。
なお、面発光型半導体レーザ４００は、上述した格子４０９の周囲にさらに１以上の回折格子を有してもよい。このとき回折格子を構成する各格子の隙間だけでなく、格子４０９と周囲の回折格子との隙間にも誘電体層４０５の一部が入り込んでもよい。
なお、第３の変形例にかかる面発光型半導体レーザ４００の他の構成および製造工程については、本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００の構成および製造工程と同様であるので説明を省略する。
３．４．第４の変形例
図９は、第４の変形例にかかる面発光型半導体レーザ５００を模式的に示す断面図である。第４の変形例にかかる面発光型半導体レーザ５００は、誘電体層５０５、導電膜５０１、第１の放熱膜５０２、第２の放熱膜５０３、および絶縁膜５２６をさらに備え、第１電極１１４を備えない点で本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００と異なる。また、第４の変形例にかかる面発光型半導体レーザ５００は、下方にレーザ光の出射面５１５を有する点で、上方に出射面を有する面発光型半導体レーザ１００と異なる。
導電膜５０１は、たとえば金錫（ＡｕＳｎ）等の導電性材料からなり、面発光型半導体レーザ５００を駆動するための電極として機能することができる。導電膜５０１は、誘電体層５０５を覆うように形成され、第２ミラー５０４の上面に接する。
第１の放熱膜５０２は、導電膜５０１の上方に形成される。第１の放熱膜５０２は、熱伝導率が高い材料からなる。第１の放熱膜５０２は、たとえば、炭化シリコン（ＳｉＣ）、ダイヤモンド（ダイヤモンド・ライク・カーボン）、サファイヤからなることができる。第２の放熱膜５０３は、第１の放熱膜５０２の上方に形成される。第２の放熱膜５０３は、熱伝導率が高い材料からなる。また、第２の放熱膜５０３が、銅等の導電性材料である場合には、導電膜５０１と電気的に接続することにより配線として機能することができる。絶縁膜５２６は、第２ミラー５０４、電流狭窄層１０５および活性層１０３の周囲および第１ミラー１０２の上面を覆うように形成される。
半導体基板１０１としては、面発光型半導体レーザ３００が出射する光を透過する透明基板を用いることが好ましい。若しくは半導体基板として透明基板を用いない場合には、第１ミラー１０２ａを積層する前に基板１０１の上にエッチングストップ層を設けておき、裏面からエッチングすることで出射口を設ける。半導体基板１０１の裏面には、第２電極５１６が形成され、第２電極５１６に囲まれた領域に出射面５１５を有する。これにより、面発光型半導体レーザ５００は、下方にレーザ光を出射することができる。
次に、面発光型半導体レーザ５００の製造方法の一例について説明する。まず、本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００の製造工程（１）〜（３）を行った後に、上述した方法により誘電体層５０５を形成する。次に第２電極５１６を形成し、絶縁膜５２６を形成する。絶縁膜５２６の材質は、特に限定されないが、たとえば窒化シリコン薄膜からなることができる。窒化シリコン薄膜の成膜は、上述した方法により行うことができる。
次いで第２の放熱膜５０３上に第１の放熱膜５０２を成膜した後に、ハンダ等の導電膜５０１を塗布する。次いで、第１ミラー１０２、活性層１０３および第２ミラー４０４を導電膜５０１に埋め込み、導電膜５０１を硬化させる。
以上の工程により、面発光型半導体レーザ５００を製造することができる。このように、面発光型半導体レーザ５００は、電極およびヒートシンクとして機能できる導電膜５０１を広い領域で第２ミラー４０４と接触させることができ、放熱性を高めることができる。これにより、電流注入時において環境温度が上昇するのを抑制することができる。また面発光型半導体レーザ５００は、熱伝導率の高い第１の放熱膜５０２および第２の放熱膜５０３を備えることにより、さらに放熱性を高めることができる。
なお、第４の変形例にかかる面発光型半導体レーザ５００の他の構成および製造工程については、本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００の構成および製造工程と同様であるので説明を省略する。
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、例えば、第３の変形例にかかる面発光型半導体レーザ４００の上方に第１の変形例にかかる透明絶縁膜２０１および放熱膜２０２を設けてもよい。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、あるいは目的及び結果が同一の構成）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。
本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザを模式的に示す断面図。 本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザを模式的に示す平面図。 本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造工程を示す図。 本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造工程を示す図。 本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造工程を示す図。 第１の変形例にかかる面発光型半導体レーザを模式的に示す断面図。 第２の変形例にかかる面発光型半導体レーザを模式的に示す断面図。 第３の変形例にかかる面発光型半導体レーザを模式的に示す断面図。 第４の変形例にかかる面発光型半導体レーザを模式的に示す断面図。
符号の説明
１００ 面発光型半導体レーザ、１０１ 半導体基板、１０２ 第１ミラー、１０３ 活性層、１０４ 第２ミラー、１０５ 電流狭窄層、１０６、１０７、１０８、１０９ 回折格子、１１４ 第１電極、１１６ 第２電極、１２０ 第１の柱状部、１３０ 第２の柱状部、１４０ 第４の柱状部

Claims (7)

  1. 径の異なる複数の柱状の半導体堆積体からなる第１の柱状部を含む面発光型半導体レーザであって、
    半導体基板上に形成された第１ミラーと、
    前記第１ミラーの上方に形成された活性層と、
    前記活性層の上方に形成された第２ミラーと、
    前記活性層の上方に形成され、光の出射方向と垂直な面内に配列された回折格子と、
    前記第１ミラー及び前記第２ミラーの上方に形成され前記第１ミラー及び前記第２ミラーの酸化防止と電気絶縁性を有する透明絶縁膜と、を含み、
    前記第１の柱状部は、第２の柱状部と前記第２の柱状部の下方に配置され前記第２の柱状部より大きい径の第３の柱状部とを有し、
    前記第２ミラーは、前記活性層の上方に形成された電流狭窄層と前記電流狭窄層の上方に形成された分布反射型多層膜ミラーとを有し、
    前記第２の柱状部は前記分布反射型多層膜ミラーの一部を有し、
    前記第３の柱状部は前記第１ミラーの一部、前記活性層、電流狭窄層、及び前記分布反射型多層膜ミラーの他方の一部を有し、
    前記第３の柱状部の外周から前記第２の柱状部に向けて前記第３の柱状部の上面にリング状に形成された第１電極が配置され、
    前記第１ミラーの下方には前記第１電極と対向する場所に第２電極が配置され、
    前記回折格子によって周囲を囲まれた光閉じこめ領域は、平面視において前記電流狭窄層に囲まれた領域の内側に形成されている、面発光型半導体レーザ。
  2. 請求項１において、
    前記回折格子は同心円状に形成され、前記光閉じこめ領域の直径をＢ、前記光閉じこめ領域内の格子間隔をＣ、前記光閉じこめ領域外の格子間隔をＤ、発振モードの見た目上の横方向の波の周期をλ、前記第１ミラーと前記第２ミラーと間で光が反復する場所の平均屈折率をｎとするとき、
    Ｂ＝３λ／２ｎ、
    Ｃ＝λ／２ｎ、
    Ｄ＝λ／４ｎ、
    となっている、面発光型半導体レーザ。
  3. 請求項１または２において、
    前記第２ミラーの上方に形成された放熱膜をさらに含む、面発光型半導体レーザ。
  4. 請求項３において、
    前記放熱膜は、光透過性を有する、面発光型半導体レーザ。
  5. 請求項３または４において、
    前記放熱膜は、導電性材料からなり、
    前記第２ミラーと前記放熱膜との間に光透過性を有する絶縁膜をさらに含む、面発光型
    半導体レーザ。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項において、
    前記第２ミラーの上方に形成された誘電体ミラーをさらに含み、
    前記回折格子は、前記誘電体ミラーと前記活性層との間に形成される、面発光型半導体
    レーザ。
  7. 請求項６において、
    前記回折格子を構成する格子と格子の隙間に前記誘電体ミラーの一部が形成されている、面発光型半導体レーザ。
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