JP5205034B2

JP5205034B2 - 面発光レーザダイオード

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Publication number: JP5205034B2
Application number: JP2007288338A
Authority: JP
Inventors: 聡一郎有村
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2007-11-06
Filing date: 2007-11-06
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2027-11-06
Also published as: US20090116527A1; JP2009117578A; US7856046B2

Description

本発明は、半導体基板上に形成されたレーザダイオードに係り、特に半導体基板基板と垂直方向に光を射出する面発光レーザダイオードに関する。

半導体レーザ等に、半導体基板上に複数の窒化物系化合物半導体層等を積層して形成されたレーザダイオードが使用されている。これらのレーザダイオードのうち、光が半導体基板と垂直に出射する構造のレーザダイオードを面発光レーザダイオードといい、共振器が半導体基板と垂直に配置された面発光レーザダイオードを「垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）」という。面発光レーザダイオードは、低しきい値動作、円形狭出射ビーム、２次元アレイ化が容易等といった優れた特徴を有し、高速光通信等の種々の分野に応用されている。

応用の一例として、レーザダイオードのビーム偏向をある形状に制御できれば出力光のスポットサイズを小さくでき、更なる高密度記録、読み出し用光ピックアップ光源への可能性が示唆されている。例えば、光軸方向と垂直に偏向した偏光のうち、アパーチャを用いて高ＮＡレンズの周辺部を透過した偏光のみを集光することで、光軸方向に偏向したスポットサイズの小さいビームが得られている（例えば、非特許文献１参照。）。
アール・ドーン（R. Dorn）、他著、「シャーパー・フォーカス・フォー・ア・ラディアリィ・ポラライズド・ライト・ビーム（Sharper Focus for a Radially Polarized Light Beam）」、フィジカル・レビュー・レターズ、第９１巻、２３号 (PHYSICAL REVIEW LETTERS vol.91 Number 23)、２００３年、ｐ．２３３９０

しかしながら、複数の光学素子に通過させて光軸方向と垂直に偏向した偏光を生成し、更にアパーチャ等によりスポットサイズを小さくする方法では、レーザ発生装置が大きくなり、かつコストが増大する。

また、ＶＣＳＥＬは、共振層を基板に平行な分布ブラック反射鏡（ＤＢＲ）で挟んだ構造を有する。このＤＢＲを有する構造のため、ＶＣＳＥＬの放熱性が低下する。このため、ＶＣＳＥＬの高出力化が抑制され、或いは信頼性が低下するという問題があった。

上記問題点を鑑み、本発明は、レーザ発生装置の規模の増大を抑制し、かつ放熱性の低下が抑制された面発光レーザダイオードを提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、（イ）ｎ型クラッド層を含む第１半導体層と、（ロ）第１半導体層上に配置された活性層と、（ハ）ｐ型クラッド層、及び、屈折率が互いに異なる複数の領域を円周方向に隣接したグレーティングユニットが円周方向に連続して配置された円形導波路として機能する回折格子層を含み、活性層上に配置された第２半導体層とを備え、活性層で生成されて回折格子層を円周方向に沿って伝播する光の伝播係数をβとして、第２半導体層の円心から互いに隣接する２つのグレーティングユニットにそれぞれ延伸する直線がなす角と、第２半導体層の半径との積で定義されるグレーティングユニットの配置ピッチが２π／βに等しく、リング共振器として機能する前記円形導波路のリングの径が入力光を集光するレンズの径とほぼ同じ大きさであり、前記活性層の円心を中心として放射状に偏向した方向である動径方向に偏向した環状のビームが前記レンズの周辺部のみを透過する面発光レーザダイオードが提供される。

本発明によれば、レーザ発生装置の規模の増大を抑制し、かつ放熱性の低下が抑制された面発光レーザを提供できる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

本発明の実施の形態に係る面発光レーザダイオードの上面図を図１に、図１のＩ−Ｉ方向に沿った切断面を図２に示す。図１、図２に示す面発光レーザダイオードは、基板１０と、基板１０の主面１１上に配置され、ｎ型クラッド層２１を含むリング形状の第１半導体層２０と、第１半導体層２０上に配置されたリング形状の活性層３０と、ｐ型クラッド層４３、及び、屈折率が互いに異なる複数の領域を円周方向に隣接したグレーティングユニットが円周方向に連続して配置された回折格子層４２を含み、活性層３０上に配置されたリング形状の第２半導体層４０とを備える。詳細は後述するが、活性層３０で生成されて回折格子層４２を円周方向に沿って伝播する光の伝播係数がβであるとき、第２半導体層４０の円心から互いに隣接する２つのグレーティングユニットにそれぞれ延伸する直線がなす角と、第２半導体層４０の半径との積で定義されるグレーティングユニットの配置ピッチが２π／βに等しくなるように設定される（π：円周率）。

基板１０には、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）基板等が採用可能である。
図２に示したように、第１半導体層２０は、ｎ型クラッド層２１と活性層３０との間に配置されたｎ型ガイド層２２を更に備える。第２半導体層４０は、ｐ型電子ブロック層４１及びｐ型コンタクト層４４を更に備え、活性層３０上にｐ型電子ブロック層４１、回折格子層４２、ｐ型クラッド層４３及びｐ型コンタクト層４４が順に積層されている。

ｎ型クラッド層２１及びｐ型クラッド層４３は、活性層３０で発生する光を屈折率差によってｎ型クラッド層２１とｐ型クラッド層４３の間に閉じ込める「光閉じ込め効果」を生じさせるために形成される。そのため、ｎ型クラッド層２１及びｐ型クラッド層４３のバンドギャップは活性層３０より広く設定される。バンドギャップが狭い物質ほど格子定数が大きい傾向があるため、活性層３０と活性層３０の周囲の層との間に格子の不整合が生じ、活性層３０に圧縮歪が生じる。つまり、格子周期が短くなるような歪が活性層３０にかかる。

第１半導体層２０、活性層３０及び第２半導体層４０は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等により、基板１０の主面１１上に成長させられる。ｐ側電極６０とｎ側電極７０間に電流が流されて、第１半導体層２０から活性層３０に電子が注入され、第２半導体層４０から活性層３０に正孔(ホール）が注入される。活性層３０において注入された電子と正孔とが再結合することにより、光が発生する。活性層３０で、電子と正孔が再結合することにより発生した光が増幅される。

活性層３０には、例えば、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる複数のバリア層と、そのバリア層間に配置され、バリア層よりバンドギャップが小さい発光層とからなる量子井戸（ＱＷ）構造を採用可能である。例えば、膜厚３ｎｍのＩｎＧａＮ層からなる発光層と、膜厚７ｎｍのシリコン（Ｓｉ）をドープしたＩｎＧａＮ層からなるバリア層とを、交互に数周期（ペア）繰り返し積層して、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層３０が形成される。

なお、発光波長は、インジウム（Ｉｎ）の組成比を調整すること等によって、例えば４００ｎｍ〜５５０ｎｍ程度に設定できる。また、発光層をＩｎの組成比が５％以上のＩｎＧａＮ層としてバンドギャップを比較的小さくし、バリア層をバンドギャップが比較的大きなＧａＮ層として量子井戸層を構成してもよい。

ｎ型クラッド層２１は、既に説明したように、活性層３０で発生する光をｎ型クラッド層２１及びｐ型クラッド層４３の間に閉じ込める「光閉じ込め効果」を生じさせるために形成される。ｎ型クラッド層２１は、ｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープして形成される。また、ｎ型クラッド層２１に、複数のＡｌＧａＮ層とＧａＮ層を交互に積層した超格子構造も採用可能である。例えば膜厚２．５ｎｍ程度のＡｌＧａＮ層と膜厚２．５ｎｍ程度のＧａＮ層を、２６０周期（ペア）程度繰り返し積層してｎ型クラッド層２１が構成される。

ｎ型ガイド層２２は、活性層３０にキャリア（電子及び正孔）を閉じ込める「キャリア閉じ込め効果」を生じさせるための半導体層である。これにより、活性層３０における電子及び正孔の再結合の効率が高められる。ｎ型ガイド層２２は、例えば膜厚６０ｎｍ程度のＧａＮ層にｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープして形成される。

ｐ型電子ブロック層４１は、活性層３０からの電子の流出を防いで、活性層３０における電子と正孔の再結合効率を高める。ｐ型電子ブロック層４１は、例えば、膜厚１３ｎｍ程度のＡｌＧａＮ層に、ｐ型ドーパントとしてマグネシウム（Ｍｇ）をドープして形成される。

回折格子層４２は、図１に示した面発光レーザダイオードがリング共振器として機能し、リング共振器内を伝播する光を面垂直方向に取り出すために配置される。回折格子層４２の詳細については後述するが、一般に、光ガイド層に一定の条件を満たす回折格子を配置することにより、特定の波長の光を選択的に発振させ、発光波長を単一化する共振器を形成できる。

ｐ型クラッド層４３は、既に述べた「光閉じ込め効果」を生じさせるために形成される。ｐ型クラッド層４３は、ｐ型ドーパントとしてのＭｇ等をドープして形成される。また、ｐ型クラッド層４３には、複数のＡｌＧａＮ層とＧａＮ層を交互に積層した超格子構造等が採用可能である。例えば膜厚２．５ｎｍ程度のＡｌＧａＮ層と膜厚２．５ｎｍ程度のＧａＮ層を、８５周期（ペア）程度繰り返し積層してｐ型クラッド層４３が構成される。

ｐ型コンタクト層４４は、第２半導体層４０とｐ側電極６０間の電気抵抗を低減するための低抵抗層である。ｐ型コンタクト層４４は、例えば膜厚６０ｎｍ程度のＧａＮ層にｐ型ドーパントとしてのＭｇを高濃度でドープして形成される。

また、図２に示すように、第２半導体層４０の上部の一部、具体的にはｐ型コンタクト層４４及びｐ型クラッド層４３の一部の端部を円周方向に沿ってエッチングして、リッジ部４００が形成されている。

更に、ｐ型コンタクト層４４上に絶縁膜５０が配置されている。絶縁膜５０上にｐ側電極６０が配置され、絶縁膜５０に設けられた開口部においてｐ側電極６０がｐ型コンタクト層４４に接続されている。図１に示すようにｐ側電極６０は、基板１の主面１１を含め面発光レーザダイオード全体を覆うように形成されるが、ｐ側電極６０がリッジ部４００の頂面のｐ型コンタクト層４４だけに接触するように、ｐ型クラッド層４３の露出面を覆うように絶縁膜５０が配置される。これによりリッジ部４００に電流が集中するため、効率的なレーザ発振が可能になる。また、リッジ部４００の表面は、ｐ側電極６０との接触領域以外が絶縁膜５０で覆われて保護されるので、横方向の光閉じ込めを緩やかにして制御を容易にすることができると共に、側面からのリーク電流を防ぐことができる。

また、主面１１に対向する基板１０の主面に接して、ｎ側電極７０が配置されている。ｎ側電極７０は、ダイボンディングにより図示を省略する配線基板上の配線パターン上に接した配置される。そして、ｐ側電極６０上に配置されるボンディングパッド５００と配線基板とが、ボンディングワイヤーで電気的に接続される。

ｐ側電極６０は、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）やインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）等の透明電極が採用可能である。また、ｎ側電極７０は、例えばアルミニウム（Ａｌ）膜や、Ａｌ−チタン（Ｔｉ）−金（Ａｕ）の積層体等が採用可能である。絶縁膜５０は、例えば膜厚１００ｎｍ程度のジルコニア（ＺｒＯ₂）膜や、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜等が採用可能である。

図３に、回折格子層４２の基板１０の主面１１に平行な切断面を示す。図３に示すように、回折格子層４２は、ｎ個のグレーティングユニット４２１〜４２ｎが円周方向に連続して配置された構造である（ｎ：２以上の整数）。

図４に、図１のＩＩ−ＩＩ方向に沿った切断面を示す。図３及び図４に示すように、回折格子層４２は、第１の屈折率ｎ１を有し、第２半導体層４０の動径方向に延伸するストライプ状の複数の溝が表面に形成された第１領域４２ａと、溝に埋め込まれ、第１の屈折率ｎ１と異なる第２の屈折率ｎ２を有する第２領域４２ｂとを有する。ここで、「動径方向」は円心から円周状の各点に延伸する方向である。

つまり、グレーティングユニット４２１〜４２ｎのそれぞれは、第１の屈折率ｎ１を有する第１領域４２ａと、第１の屈折率ｎ１と屈折率の異なる第２の屈折率ｎ２を有する第２領域４２ｂが隣接して配置された構造である。そのため、回折格子層４２は、円周方向に沿って屈折率が変化するグレーティング屈折率導波路となる。

具体的には、例えば第１領域４２ａを比屈折率が１．４〜１．６程度のスピン・オン・グラス（ＳＯＧ）で構成し、第２領域４２ｂを比屈折率が２．６程度のＧａＮ或いはＡｌＧａＮで構成する。なお、ＡｌＧａＮの屈折率は組成に依存する。そのため、例えば第１領域４２ａをＧａＮで形成し、第２領域４２ｂをＧａＮと異なる屈折率に設定されたＡｌＧａＮで形成してもよい。第１領域４２ａと第２領域４２ｂの円周方向に沿った幅の比は１：１程度であることが好ましい。回折格子層４２の形成方法は後述する。

グレーティングユニット４２１〜４２ｎの配置ピッチｐは、図３に示す第２半導体層４０の円心Ｃから互いに隣接するグレーティングユニット４２１、４２２にそれぞれ延伸する直線がなす鋭角Δθと、第２半導体層４０の曲率半径Ｒとの積で定義される。そして、活性層３０で生成されて回折格子層４２内を円周方向に沿って伝播する光の伝播係数βｄに対して、配置ピッチｐが２π／βｄに等しくなるように設定される。

曲率半径Ｒは、円心Ｃからグレーティングユニット４２１〜４２ｎの例えば外周と内周との中間点までの距離である。伝播係数βｄは、図１、２に示した面発光レーザダイオードがリング共振器として動作する場合の伝播係数である。真空中の光の波長をλ、リング共振器の有効屈折率をｎとして、伝播係数βｄは概ね２πｎ／λ程度の値になる。

例えば、活性層３０で生成された光の波長が４００ｎｍ程度である場合に、回折格子層４２を比屈折率が１．４〜１．６程度のＳＯＧと比屈折率が２．６程度のＧａＮ或いはＡｌＧａＮで構成すると、配置ピッチｐは１６０ｎｍ程度である。

以下に、図１に示した面発光レーザダイオードのリング共振器としての動作について説明する。リング共振器は、曲がり導波路の両端をつないで円形の導波路とした共振器である。既に説明したように、バンドギャップが広い層に隣接して配置された活性層３０には圧縮歪が生じている。そのため、活性層３０で発生する光では、基板１０の主面１１と平行方向に電界偏向がかかったＴＥモードの方が、主面１１と垂直方向に電界偏向がかかったＴＭモードより利得が大きい。なお、ここで「モード」は光の状態を意味し、偏向方向はモードを指定する１つの指標である。

活性層３０に圧縮歪がかかるとＴＭモードよりＴＥモードの利得が大きくなり、ＴＥモードでの発振がしやすくなる。このため、回折格子層４２を円周方向に沿って伝播する光（伝播光）は、進行方向と垂直に、基板１０の主面１１と平行な方向に偏向する。つまり、伝播光の導波モードはＴＥモードである。伝播光の導波モードがＴＥモードの場合、リング共振器内には、図５に示すように動径方向に平行な方向に電界が偏向したモード（以下において、「リング共振器内モード」という。）が形成される。

一般に、リング共振器において、曲率半径Ｒが一定の曲がり導波路である環状部の円周に沿って伝播する光の伝播係数βが定義される。リング共振器で共振可能な光の伝播係数βは、以下の式（１）の条件を満たす：

Ｒβ＝ｍ・・・・・（１）

式（１）で、ｍは自然数である。式（１）を満たす伝播係数βのうち最も利得の大きな伝播係数βlaserの光が選択的にリング共振器で発振する。

次に、本発明の実施の形態に係る面発光レーザダイオードの発光について説明する。以下において、図１に示した面発光レーザダイオードから出力される光のモードを「放射モード」という。

既に説明したように、回折格子層４２内を円周方向に沿って伝播する光の伝播係数βｄのとき、グレーティングユニット４２１〜４２ｎの配置ピッチｐは、２π／βｄに等しくなるように設定される。つまり、伝播係数βｄは、図３に示した鋭角Δθと曲率半径Ｒを用いて、以下の式（２）によって表される：

βｄ＝２π／ｐ＝２π／（Δθ×Ｒ）・・・・・（２）

リング共振器を伝播する光の伝播係数がβｄ＝βlaserの場合に、回折格子層４２のグレーティング（ピッチ１／βｄ）の効果により、伝播係数βlaserのリング共振器内モードが、基板１０の主面１１と垂直方向の放射モードと結合する。ここで、「モードの結合」とは、あるモードにある光（光子）が別のモードに移ることを可能にすることをいう。

通常、リング共振器を円周方向に沿って伝播する光が基板１０の主面１１と垂直方向に出力されることはない。しかし、図１に示した面発光レーザダイオードでは、式（１）及び式（２）を満足するように回折格子層４２のグレーティング構造を形成することによって、リング共振器内を周回する光を主面１１と垂直方向に回折する。つまり、回折格子の回折効果によって、リング共振器内モードを主面１１と垂直方向への放射モードに結合する。なお、βｄとβlaserが完全に一致しなくても、βｄとβlaserがほぼ一致する場合にも、リング共振器内モードは主面１１と垂直方向からわずかに離れた方向の放射モードと結合する。

したがって、図１に示した面発光レーザダイオードの円周方向に伝播する光は、電場の振動方向が保存されたまま、基板１０の主面１１と垂直な方向に出力される。その結果、図６に示すように、面発光レーザダイオードから、基板１０の主面１１と垂直な方向に、動径方向に偏光した環状のビーム（以下において、「動径偏光ビーム（ＲＰＢ）」という。）１００が出力される。図７に示すように、ＲＰＢ１００は円心を中心として放射状に偏向したビームであり、その偏向方向は、ＲＰＢ１００の円心を通過する方向である。図７は、基板１０の主面１１に垂直な方向からみたＲＰＢ１００を示す。ＲＰＢ１００は、絶縁膜５０に設けられた開口部を介してｐ側電極６０を透過して出力される。

ここで、図８を参照して、入力光Ｌ_INをレンズ２００を用いて集光し、入力光Ｌ_INの光軸上に光軸と平行な偏光成分を多く含む出力光Ｌ_OUTを得る方法を説明する。図８に示すように、光軸方向と垂直に偏向している入力光Ｌ_INをレンズ２００によって集光した出力光Ｌ_OUTは、光軸と平行な偏光成分（以下において「平行成分」という。）Ｌ_Lと光軸と垂直な偏光成分（以下において「垂直成分」という。）Ｌ_Tとを含む。そして、レンズ２００の焦点Ｆにおいて、光軸上に平行成分を有する出力光Ｌ_OUTが得られる。

図９に、焦点Ｆにおける出力光Ｌ_OUTの成分分布を示す。図９（ａ）は、光軸を中心として、光軸方向からみた出力光Ｌ_OUTの分布状態を示し、図９（ｂ）は、平行成分Ｌ_Lと垂直成分Ｌ_Tの強度分布を示す。図９（ａ）及び図９（ｂ）において、ハッチングで示した部分が垂直成分Ｌ_Tの分布を示す。図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、光軸を中心として平行成分Ｌ_Lが分布し、平行成分Ｌ_Lの周囲に垂直成分Ｌ_Tが分布する。

出力光Ｌ_OUTのスポットサイズを小さくするためには、焦点Ｆにおける出力光Ｌ_OUTの垂直成分Ｌ_Tが少ないほど好ましい。入力光Ｌ_INの光軸に垂直な成分がレンズ２００によって絞られて光軸に平行な成分となるために、レンズ２００に入射するまでの進行方向と、レンズ２００に入射した後に焦点Ｆに進行する方向とのなす角が大きいほど、レンズ２００を透過した出力光Ｌ_OUTの平行成分Ｌ_Lが多い。つまり、レンズ２００の周辺部を透過した出力光Ｌ_OUTは平行成分Ｌ_Lが多い。一方、レンズ２００の中心部を透過した出力光Ｌ_OUTは垂直成分Ｌ_Tが多く、平行成分Ｌ_Lが少ない。そのため、図１０に示すように、アパーチャ２１０をレンズ２００の中心部を覆うように配置してレンズ２００の中心部を透過した出力光Ｌ_OUTが焦点Ｆに集光されることを妨げることによって、焦点Ｆでの出力光Ｌ_OUTの垂直成分Ｌ_Tが少なくなり、出力光Ｌ_OUTのスポットサイズを小さくできる。しかしながら、図１０に示した方法では、アパーチャ２１０を配置することにより、レーザ発生装置の規模が増大する。

一方、図１に示した面発光レーザダイオードはＲＰＢ１００を出力するため、リングの径をレンズ２００の径とほぼ同じにすることでアパーチャ２１０を配置した場合と同様の状態にできる。このような工夫をすることで、光軸に垂直な成分を多く含む環状のＲＰＢ１００がレンズ２００の周辺部のみを透過する。そのため、図１０に示したアパーチャ２１０等の装置なしでも、平行成分Ｌ_Lを多く含む出力光Ｌ_OUTを生成できる。

以上に説明したように、本発明の実施の形態に係る面発光レーザダイオードによれば、基板１０の主面１１と垂直な方向に、動径方向に偏光した環状のＲＰＢ１００を出力する面発光レーザダイオードを１チップで実現できる。そのため、光軸方向と垂直に偏向した偏光を生成するために、複数の光学素子を必要としない。また、図１に示した面発光レーザダイオードでは環状のＲＰＢ１００が出力されるため、図１０に示したようなレンズ２００と組み合わせるアパーチャ２１０を必要とせずにスポットサイズを小さくできる。つまり、図１に示した面発光レーザダイオードによれば、光軸方向に偏向した出力光Ｌ_OUTを生成するレーザ発生装置の規模の増大が抑制され、小型で低コストのレーザ発生装置を実現可能である。更に、ＶＣＳＥＬのように基板１０に平行に配置されたＤＢＲを使用しないため、ＤＢＲ構造に起因する放熱性の低下が抑制される。その結果、面発光レーザダイオードの信頼性の低下を招くことなく、高出力化が可能である。

ＶＣＳＥＬでは電流を大きくすることによって放射される光の出力を大きくすることができるが、その場合には出力光の形状の制御が困難になる。また、ファブリペロー型レーザダイオードは光射出部の面積が小さく、射出部の光密度が著しく上昇して破壊が起こるために製品寿命が短くなるという問題がある。一方、図１に示した面発光レーザダイオードでは、リング径を変化させて発光面積を変えることにより、出力の大きさ及び変調速度を変えることができる。具体的には、曲率半径Ｒを大きくするほど出力が大きくなり、曲率半径Ｒを小さくするほど変調速度が速くなる。したがって、曲率半径Ｒを適当に設定することにより、所望の出力或いは変調速度のレーザダイオードを実現できる。

以上の説明のように、図１に示した面発光レーザダイオードでは、レーザ発生装置の増大が抑制され、かつ放熱性の低下が抑制されるため、面発光レーザダイオードのアレイ化が可能である。そのため、アレイ状に配列した各面発光レーザダイオードの出力を合計することで高出力光源を実現できる。また、各面発光レーザダイオードを異なる発光波長にすることにより、波長多重の高密度光通信に利用できる。更に、各面発光レーザダイオードを独立した光源として使用することにより、レーザプリンタ等の光源として利用可能である。

以下に、図１１〜図１７を参照して、本発明の実施の形態に係る面発光レーザダイオードの製造方法を説明する。図１１〜図１３は、図１のＩＩ−ＩＩ方向に沿った切断面である。図１４〜図１７は、図１のＩ−Ｉ方向に沿った切断面である。なお、以下に述べる面発光レーザダイオードの製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。

（イ）例えばＧａＮ基板の基板１０を用意する。そして、ＭＯＣＶＤ法等により、基板１０の主面１１上にｎ型クラッド層２１、ｎ型ガイド層２２及び活性層３０を順次積層する。その後、活性層３０上にｐ型電子ブロック層４１を形成し、更にｐ型電子ブロック層４１上にｐ型の光ガイド層のＧａＮ層４２Ａを積層して、図１１に示す構造断面が得られる。

（ロ）ナノインプリント法、ＵＶフォトリソグラフィ技術或いは電子線描画法等を用いたエッチングによって、図１２に示すように、例えば膜厚１００ｎｍのＧａＮ層４２Ａの表面に、第２半導体層４０の動径方向に延伸するストライプ状の複数の溝を、深さ６０ｎｍ程度で形成する。溝のピッチがグレーティングユニット４２１〜４２ｎの配置ピッチｐとなるため、回折格子層４２内を円周方向に沿って伝播する光の伝播係数βｄに対し、溝のピッチが２π／βであるようには設定される。つまり、溝のピッチ（配置ピッチｐ）は、式（２）を満足する値に設定される。

（ハ）図１３に示すように、ＧａＮ層４２Ａの表面に形成された溝を埋め込むようにして、ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層４３をＭＯＣＶＤ法等により形成する。つまり、ＧａＮ層４２Ａが第１領域４２ａであり、ＧａＮ層４２Ａの表面に形成された溝に埋め込まれた部分のＡｌＧａＮが第２領域４２ｂである回折格子層４２が形成される。その後、ｐ型クラッド層４３上にｐ型コンタクト層４４が形成される。

（ニ）プラズマエッチング等のドライエッチングによって、第２半導体層４０の上部の一部を除去してリッジ部４００を形成する。具体的には、例えば、ＳＯＧ膜をｐ型コンタクト層４４上に塗布した後、図１４に示すようにフォトリソグラフィ技術によって、リッジ部４００を形成する領域のＳＯＧ膜９０を残して、エッチングする部分のＳＯＧ膜を除去し、第２半導体層４０の表面の一部を露出させる。

（ホ）図１５に示すように、ＳＯＧ膜９０をマスクにしてｐ型コンタクト層４４及びｐ型クラッド層４３の上部の一部をエッチング除去して、リッジ部４００を形成する。

（ヘ）次いで、図１６に示すように、リフトオフ法等に第２半導体層４０の上面によって絶縁膜５０を形成する。例えば、フォトレジスト膜等でエッチング用マスクを形成した後、回折格子層４２、ｐ型クラッド層４３及びｐ型コンタクト層４４の全体を覆うように絶縁体薄膜を形成する。この絶縁体薄膜をリフトオフしてｐ型コンタクト層４４の頂面のみが露出するように、絶縁膜５０を形成する。

（ト）露出したｐ型コンタクト層４４の頂面に接するように、絶縁膜５０上にｐ側電極６０を形成し、図１７に示す構造断面を得る。更に、基板１０の裏面にｎ側電極７０を形成する。

以上に説明したように、基板１０上に第１半導体層２０からＧａＮ層４２Ａまで成長させた後、回折格子層４２が形成され、成長炉に基板１０を再度投入して、ｐ型クラッド層４３及びｐ型コンタクト層４４が形成される。

上記に説明した例では、グレーティングユニット４２１〜４２ｎのそれぞれは、ＧａＮからなる第１領域４２ａと、ＡｌＧａＮからなる第２領域４２ｂが隣接して配置された構造である。

図１８〜図２２を参照して、グレーティングユニット４２１〜４２ｎの第１領域４２ａがＧａＮからなり、第２領域４２ｂがＧａＮよりも屈折率の低い絶縁膜からなる回折格子層４２を形成する例を示す。図１８〜図２２は、図１のＩＩ−ＩＩ方向に沿った切断面である。

（イ）基板１０の主面１１上にｎ型クラッド層２１、ｎ型ガイド層２２、活性層３０、ｐ型電子ブロック層４１、及びｐ型光ガイド層のＧａＮ層４２Ａを積層して、図１８に示す構造断面が得られる。

（ロ）ナノインプリント法、ＵＶフォトリソグラフィ技術或いは電子線描画法によって、図１９に示すように、ＧａＮ層４２Ａの表面に、第２半導体層４０の動径方向に延伸するストライプ状の複数の溝を形成する。溝のピッチ（配置ピッチｐ）は、図１２の説明で既に述べたように、式（２）を満足する値に設定される。

（ハ）図２０に示すように、ＧａＮ層４２Ａの表面に形成された溝を埋め込むようにして、例えばＳＯＧ膜や酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜等の屈折率がＧａＮ層４２Ａより低い低屈折率膜４２Ｂがスパッタ法等によって形成される。

（ニ）その後、低屈折率膜４２Ｂの表面がエッチングされる。具体的には、図２１に示すように、低屈折率膜４２Ｂの上面とＧａＮ層４２Ａの溝部の上面が同じ高さになるまでエッチバックされて、回折格子層４２が形成される。つまり、回折格子層４２の第２領域４２ｂがＧａＮ層４２Ａで構成され、第１領域４２ａが低屈折率膜４２Ｂで構成される。

（ホ）図２２に示すように、回折格子層４２上に、ｐ型クラッド層４３及びｐ型コンタクト層４４が形成される。

回折格子層４２の形成方法の他の例を、図２３〜図２６を参照して説明する。図２３〜図２６は、図１のＩＩ−ＩＩ方向に沿った切断面である。

（イ）基板１０の主面１１上にｎ型クラッド層２１、ｎ型ガイド層２２、活性層３０、ｐ型電子ブロック層４１、及びｐ型ガイド層のＧａＮ層４２０を積層して、図２３に示す構造断面が得られる。

（ロ）図２４に示すように、ＧａＮ層４２０上に、ＡｌＧａＮよりも屈折率が低い低屈折率膜４２Ｂが、スパッタ法等によって形成される。低屈折率膜４２Ｂには、例えばＳＯＧ膜等が採用可能である。

（ハ）ナノインプリント法、ＵＶフォトリソグラフィ技術或いは電子線描画法によって、図２５に示すように、低屈折率膜４２Ｂの表面に、第２半導体層４０の動径方向に延伸するストライプ状の複数の溝を形成する。溝のピッチ（配置ピッチｐ）は、図１２の説明で既に述べたように、式（２）を満足する値に設定される。

（ニ）低屈折率膜４２Ｂの表面に形成された溝を埋め込むようにして、ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層４３が形成される。つまり、低屈折率膜４２Ｂが第１領域４２ａであり、低屈折率膜４２Ｂの表面に形成された溝に埋め込まれた部分のＡｌＧａＮが第２領域４２ｂである回折格子層４２が形成される。ｐ型クラッド層４３上にｐ型コンタクト層４４が形成されて、図２６に示す構造断面が得られる。

上記のような本発明の実施の形態に係る面発光レーザダイオードの製造方法によれば、互いに屈折率の異なる第１領域４２ａと第２領域４２ｂを含む回折格子層４２を形成することが可能であり、基板１０の主面１１と垂直な方向に、動径方向に偏光した環状のＲＰＢ１００を出力する面発光レーザダイオードを提供することができる。

＜第１の変形例＞
図２７に本発明の実施の形態の第１の変形例に係る面発光レーザダイオードを示す。図２７は、リング形状の面発光レーザダイオードの動径方向に沿った切断面である。図２７に示した面発光レーザダイオードは、回折格子層４２が、リッジ部４００に含まれている点が、図１に示した面発光レーザダイオードと異なる。図２７に示した面発光レーザダイオードでは、横方向への光の閉じ込め効果が向上し、光学的なロスを抑制できる。

図１に示した面発光レーザダイオードでは、ｐ型コンタクト層４４及びｐ型クラッド層４３の上部の一部をエッチング除去してリッジ部４００を形成したが、ｐ型コンタクト層４４からｎ型クラッド層２１の一部までをエッチング除去することにより、図２７に示した面発光レーザダイオードを形成できる。

＜第２の変形例＞
実施の形態の第２の変形例に係る面発光レーザダイオードを図２８に示す。図２８は、リング形状の面発光レーザダイオードの動径方向に沿った切断面である。図２８に示した面発光レーザダイオードは利得導波のみのレーザダイオードであり、リッジ部４００を有さない点が図１に示した面発光レーザダイオードと異なる。

図２８に示した面発光レーザダイオードは、絶縁膜５０によって第２半導体層とｐ側電極との接触部分を制限して電流狭窄を行う。リッジ部４００を形成しないため、製造工程を簡略化でき、量産性を向上できる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

既に述べた実施の形態の説明においては、ｐ側電極６０に、例えばＡｌ膜やニッケル（Ｎｉ）／Ａｕ合金等からなるメタル電極を採用し、ｐ側電極６０を配線基板にダイボンディングしてもよい。このとき、ｎ側電極７０に開口部を設けて、この開口部からＲＰＢ１００を出力する。

また、基板１０がサファイア基板等の電流が流れない基板の場合は、第２半導体層４０、活性層３０及び第１半導体層２０の一部をエッチング除去して第１半導体層２０の表面の一部を露出させ、露出させた第１半導体層２０の表面上にｎ側電極７０を配置してもよい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の実施の形態に係る面発光レーザダイオードの模式的な上面図である。図１に示した面発光レーザダイオードのＩ−Ｉ方向に沿った切断面を示す模式図である。本発明の実施の形態に係る面発光レーザダイオードの回折格子層の基板に平行な切断面を示す模式図である。図１に示した面発光レーザダイオードのＩＩ−ＩＩ方向に沿った切断面を示す模式図である。本発明の実施の形態に係る面発光レーザダイオードを伝播する光の偏向方向を示す模式図である。本発明の実施の形態に係る面発光レーザダイオードの出力光を示す模式図である。本発明の実施の形態に係る面発光レーザダイオードの出力光の偏向方向を示す模式図である。光軸上に光軸と平行な偏光成分の出力光を得る方法の例を示す模式図である。図８に示した出力光の強度分布を示す模式図である。関連技術によって出力光のスポットサイズを小さくする方法の例を示す模式図である。本発明実施の形態に係る面発光レーザダイオードの製造方法を説明するための工程断面図である（その１）。本発明実施の形態に係る面発光レーザダイオードの製造方法を説明するための工程断面図である（その２）。本発明実施の形態に係る面発光レーザダイオードの製造方法を説明するための工程断面図である（その３）。本発明実施の形態に係る面発光レーザダイオードの製造方法を説明するための工程断面図である（その４）。本発明実施の形態に係る面発光レーザダイオードの製造方法を説明するための工程断面図である（その５）。本発明実施の形態に係る面発光レーザダイオードの製造方法を説明するための工程断面図である（その６）。本発明実施の形態に係る面発光レーザダイオードの製造方法を説明するための工程断面図である（その７）。本発明実施の形態に係る面発光レーザダイオードの他の製造方法を説明するための工程断面図である（その１）。本発明実施の形態に係る面発光レーザダイオードの他の製造方法を説明するための工程断面図である（その２）。本発明実施の形態に係る面発光レーザダイオードの他の製造方法を説明するための工程断面図である（その３）。本発明実施の形態に係る面発光レーザダイオードの他の製造方法を説明するための工程断面図である（その４）。本発明実施の形態に係る面発光レーザダイオードの他の製造方法を説明するための工程断面図である（その５）。本発明実施の形態に係る面発光レーザダイオードのさらに他の製造方法を説明するための工程断面図である（その１）。本発明実施の形態に係る面発光レーザダイオードのさらに他の製造方法を説明するための工程断面図である（その２）。本発明実施の形態に係る面発光レーザダイオードのさらに他の製造方法を説明するための工程断面図である（その３）。本発明実施の形態に係る面発光レーザダイオードのさらに他の製造方法を説明するための工程断面図である（その４）。本発明の実施の形態の第１の変形例に係る面発光レーザダイオードの構造を示す模式図である。本発明の実施の形態の第２の変形例に係る面発光レーザダイオードの構造を示す模式図である。

符号の説明

１０…基板
１１…主面
２０…第１半導体層
２１…ｎ型クラッド層
２２…ｎ型ガイド層
３０…活性層
４０…第２半導体層
４１…ｐ型電子ブロック層
４２…回折格子層
４２Ａ…ＧａＮ層
４２Ｂ…低屈折率膜
４２ａ…第１領域
４２ｂ…第２領域
４３…ｐ型クラッド層
４４…ｐ型コンタクト層
６０…ｐ側電極
７０…ｎ側電極
１００…ＲＰＢ
２００…レンズ
２１０…アパーチャ
４００…リッジ部
４２０…ＧａＮ層
４２１〜４２ｎ…グレーティングユニット

Claims

ｎ型クラッド層を含む第１半導体層と、
前記第１半導体層上に配置された活性層と、
ｐ型クラッド層、及び、屈折率が互いに異なる複数の領域を円周方向に隣接したグレーティングユニットが円周方向に連続して配置された円形導波路として機能する回折格子層を含み、前記活性層上に配置された第２半導体層と、
を備え、前記活性層で生成されて前記回折格子層を円周方向に沿って伝播する光の伝播係数がβのとき、前記第２半導体層の円心から互いに隣接する２つの前記グレーティングユニットにそれぞれ延伸する直線がなす角と、前記第２半導体層の半径との積で定義される前記グレーティングユニットの配置ピッチが２π／βに等しく、
リング共振器として機能する前記円形導波路のリングの径が入力光を集光するレンズの径とほぼ同じ大きさであり、前記活性層の円心を中心として放射状に偏向した方向である動径方向に偏向した環状のビームが前記レンズの周辺部のみを透過することを特徴とする面発光レーザダイオード。
前記回折格子層が、
第１の屈折率を有し、前記第２半導体層の動径方向に延伸するストライプ状の複数の第１領域と、
前記複数の第１領域溝間にそれぞれ配置され、前記第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する複数の第２領域と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザダイオード。
前記活性層が、前記活性層の円心を中心として放射状に偏向した方向である動径方向に偏向する偏光を発生す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ダイオード。
前記第２半導体層の上部の一部が円周方向に沿ってエッチング除去されたリッジ部を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の面発光レーザダイオード。
前記回折格子層が、前記リッジ部に含まれることを特徴とする請求項４に記載の面発光レーザダイオード。