JP5326677B2 - 半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、偏光方向の安定した光出力が要求される用途に好適に適用可能な半導体レーザおよびその製造方法に関する。
半導体レーザには、端面射出型や面発光型などがあるが、面発光型は、基板に対して直交する方向に光を射出するため、同じ基板上に2次元アレイ状に多数の素子を配列することが可能である。このようなことから、近年、面発光型半導体レーザは、デジタルコピー機やプリンタ機用の光源として注目されている。
この面発光型半導体レーザは、例えば、半導体基板上に一対の多層膜反射鏡が形成されており、その一対の多層膜反射鏡の間に発光領域を含む活性層を備えている。一対の多層膜反射鏡のうちの一方には、活性層への電流注入効率を高め、しきい値電流を下げるために、電流狭窄層が設けられている。この面発光型半導体レーザでは、電流は電流狭窄層により狭窄されたのち活性層に注入され、ここで発光し、これが一対の多層膜反射鏡で反射を繰り返しながらレーザ光として一方の電極(p側電極)の光射出口から射出される。
このような面発光型半導体レーザでは、一般に、素子のばらつきにより偏光方向がばらついてしまうという不均一性や、出力や環境温度により偏光方向が変化してしまうという不安定性を有している。このため、面発光型半導体レーザをミラーやビームスプリッタといった偏波依存のある光学素子に対して適用する場合に問題がある。例えば、デジタルコピー機やプリンタ機用の光源として用いた場合には、偏光方向のばらつきが像の結像位置や出力に差異を生じさせ、にじみや色むらが発生しやすい。
そこで、このような問題に対して、面発光型半導体レーザの内部に偏光制御機能を設け、偏光方向を一方向に安定化させる技術がいくつか報告されている。
例えば、(311)面を法線とし、ガリウムヒ素(GaAs)からなる特殊な傾斜基板を用いる技術が知られている。このように特殊な傾斜基板を用いて面発光型半導体レーザを構成した場合、[−233]方向に対する利得特性が高くなり、レーザ光の偏光方向をこの方向に制御することが可能となる。また、レーザ光の偏光比も非常に高いものであり、面発光型半導体レーザの偏光方向を一方向に安定化させるために有効な技術であるとされている。
また、特許文献1には、ポスト断面のサイズを光のモードサイズよりも小さくすることにより偏光を制御する技術が開示されている。
また、特許文献2には、光射出口から射出されるレーザ光の特性に影響の及ばないような金属コンタクト層の一部に不連続部を形成し、不連続部の境界に対して平行方向をなす偏光を得る技術が開示されている。
さらに、特許文献3には、基板側の多層膜反射鏡内において、発光領域を間にして対向するように一対の酸化領域を設け、一対の酸化領域の対向方向に対して直交方向の偏光を得る技術が開示されている。
特許第2891133号公報 特表2001−525995号公報 特開2008−016824号公報
しかしながら、上記した傾斜基板は、(311)面を法線とする特殊な基板であるため、標準的な基板である(001)面基板などと比較して非常に高額なものである。その上、このように特殊な傾斜基板を用いた場合、成長温度、ドーピング条件およびガス流量などのエピタキシャル成長条件も、(001)面基板の場合と全く異なるため、簡易に製造するのが困難である。
また、上記特許文献1では、ポスト断面のサイズを光のモードサイズよりも小さくしているので、光出力が1mW程度と低くなってしまい、デジタルコピー機やプリンタ機用の光源のような高出力の要求される用途には適さない。
また、上記特許文献2では、実施例として、光射出口の縁部から7μm離れた位置に4.0〜4.5μmの深さの溝(不連続部)を形成したものが記載されており、これにより溝に対して平行方向をなす偏光が得られたとしている。しかしながら、共振領域の短辺側の距離を回折損失効果が生じる程度まで小さくしなければ偏光方向を一方向に安定化させることができない。このため、回折損失効果が得られないような範囲(短辺側の距離が7μm)で形成された不連続部によっては、安定化させることができないと思われる。
さらに、上記特許文献3では、所定の光出力においては、レーザ光の偏光方向は一方向に安定化するものの、十分な安定性が得られにくく、個々の面発光型半導体レーザで偏光方向の安定性にバラつきが生じやすい。
このように、従来の技術では、レーザ光の偏光方向を一方向に安定化することが可能な高出力の面発光型半導体レーザを、簡易かつ安価に製造することが困難であった。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡易かつ安価に製造可能であり、レーザ光の偏光方向を一方向に安定化し、高出力化することの可能な半導体レーザおよびその製造方法を提供することにある。
本発明の半導体レーザは、基板側から順に、下部多層膜反射鏡、活性層および上部多層膜反射鏡を含む積層構造を備えたものである。積層構造は、下部多層膜反射鏡の上部部分、活性層および上部多層膜反射鏡を含む柱状のメサ部を有する。第1半導体レーザの下部多層膜反射鏡は、基板側から順に、相対的に酸化されにくい第1多層膜、相対的に酸化されやすい第2多層膜および相対的に酸化されにくい第3多層膜を有し、第1多層膜は、Al x1 Ga 1-x1 Asを含む低屈折率層およびAl x2 Ga 1-x2 Asを含む高屈折率層の組を複数組有し、第2多層膜は、Al x3 Ga 1-x3 Asを含む第1屈折率層、Al x4 Ga 1-x4 Asを含む第2屈折率層、Al x5 Ga 1-x5 Asを含む第3屈折率層、Al x6 Ga 1-x6 Asを含む第4屈折率層およびAl x7 Ga 1-x7 Asを含む第5屈折率層からなる低屈折率層ならびにAl x8 Ga 1-x8 Asを含む高屈折率層の組を複数組有し、第3多層膜は、Al x9 Ga 1-x9 Asを含む低屈折率層およびAl x10 Ga 1-x10 Asを含む高屈折率層の組を複数組有し、x1〜x10は、式(5)で表される数式を満たし、
1≧(x4,x6)>(x1,x3,x5,x7,x9)>0.8>(x2,x8,x10)≧0…(5)
第2半導体レーザの下部多層膜反射鏡は、基板側から順に、相対的に酸化されやすい第2多層膜および相対的に酸化されにくい第3多層膜を有し、第2多層膜は、Al x3 Ga 1-x3 Asを含む第1屈折率層、Al x4 Ga 1-x4 Asを含む第2屈折率層、Al x5 Ga 1-x5 Asを含む第3屈折率層、Al x6 Ga 1-x6 Asを含む第4屈折率層およびAl x7 Ga 1-x7 Asを含む第5屈折率層からなる低屈折率層ならびにAl x8 Ga 1-x8 Asを含む高屈折率層の組を複数組有し、第3多層膜は、Al x9 Ga 1-x9 Asを含む低屈折率層およびAl x10 Ga 1-x10 Asを含む高屈折率層の組を複数組有し、x3〜x10は、式(6)で表される数式を満たし、
1≧(x4,x6)>(x3,x5,x7,x9)>0.8>(x8,x10)≧0…(6)
第2多層膜の低屈折率層のうちの少なくとも1層の中の中央領域を除く領域に、メサ部の中心軸を中心にして回転する方向に不均一に分布する複数の酸化層を有する。
本発明の半導体レーザでは、下部多層膜反射鏡は、低屈折率層のうちの少なくとも1層の中に複数の酸化層を有し、これらの酸化層は、低屈折率層の中央領域を除く領域に、メサ部の中心軸を中心にして回転する方向に不均一に分布している。これにより、複数の酸化層による応力が活性層に対して、低屈折率層のうちの少なくとも1層の中に同じように不均一に分布する酸化層を一層だけ有する場合よりも、不均一にかつ大きく発生する。このとき、複数の酸化層の不均一な分布が異方性を有している場合には、複数の酸化層による異方的な応力が活性層に発生するので、応力の向きと直交する方向の偏光成分が強められる一方、応力の向きと平行な方向の偏光成分が抑制される。これにより、レーザ光の偏光成分が一方向に強く固定される。
本発明の半導体レーザの製造方法は、以下の(A)〜(E)の工程を含むものである。
(A)第1半導体レーザは基板上に、基板側から順に、相対的に酸化されにくい第1多層膜、相対的に酸化されやすい第2多層膜および相対的に酸化されにくい第3多層膜を有する下部多層膜反射鏡を形成する工
第2半導体レーザは基板上に、基板側から順に、相対的に酸化されやすい第2多層膜および相対的に酸化されにくい第3多層膜を有する下部多層膜反射鏡を形成する工程
第1多層膜は、Al x1 Ga 1-x1 Asを含む低屈折率層およびAl x2 Ga 1-x2 Asを含む高屈折率層の組を複数組有し、第2多層膜は、Al x3 Ga 1-x3 Asを含む第1屈折率層、Al x4 Ga 1-x4 Asを含む第2屈折率層、Al x5 Ga 1-x5 Asを含む第3屈折率層、Al x6 Ga 1-x6 Asを含む第4屈折率層およびAl x7 Ga 1-x7 Asを含む第5屈折率層からなる低屈折率層ならびにAl x8 Ga 1-x8 Asを含む高屈折率層の組を複数組有し、第3多層膜は、Al x9 Ga 1-x9 Asを含む低屈折率層およびAl x10 Ga 1-x10 Asを含む高屈折率層の組を複数組有し、x1〜x10は、式(5)で表される数式を満たす
1≧(x4,x6)>(x1,x3,x5,x7,x9)>0.8>(x2,x8,x10)≧0…(5)
(B)下部多層膜反射鏡の上面側に、活性層および上部多層膜反射鏡をこの順に形成する工程
(C)上部多層膜反射鏡の上面側に、不均一な幅を有する環状の開口部を1または複数有する被覆層を形成する工程
(D)被覆層をマスクとしてドライエッチングすることにより開口部の幅に応じた不均一な深さの溝部を形成する工程
(E)溝部の側面を酸化することにより下部多層膜反射鏡に、溝部の深さに対応して不均一に分布する酸化部を形成する工程
本発明の半導体レーザの製造方法では、下部多層膜反射鏡、活性層および上部多層膜反射鏡を含む積層構造に、ドライエッチングにより開口部の幅に応じた不均一な深さの溝部が形成される。次いで、溝部の側面からの酸化により、低屈折率層の相対的に酸化されやすい複数の屈折率層が溝部の側面側から酸化され、溝部の深さに対応して不均一に分布する酸化部が形成される。このとき、溝部の不均一な深さが異方性を有する場合には、酸化部の分布も溝部と同様の異方性を有することになる。この場合、酸化部による異方的な応力は、低屈折率層が相対的に酸化されやすい屈折率層を1層だけ有する場合よりも、活性層に大きく発生する。これにより、応力の向きと直交する方向の偏光成分が強められる一方、応力の向きと平行な方向の偏光成分が抑制される。よって、レーザ光の偏光成分が一方向に固定される。
本発明の半導体レーザによれば、下部多層膜反射鏡は、低屈折率層のうちの少なくとも1層の中の中央領域を除く領域に、メサ部の中心軸を中心にして回転する方向に不均一に分布する複数の酸化層を有する。これにより、レーザ光の偏光方向を一方向に安定化することが可能となる。
本発明の半導体レーザの製造方法によれば、ドライエッチングにより開口部の幅に応じた不均一な深さの溝部を形成し、その後の酸化により溝部の深さに対応して不均一に分布する酸化部を形成する。これにより、レーザ光の偏光方向を一方向に安定化することが可能となる。
また、基板は(n11)面基板(nは整数)などの特殊な基板である必要はなく、(100)面基板でもかまわないので、簡易かつ安価に製造することができる。また、酸化層を低屈折率層の中の、活性層の発光する領域と対応する領域にまで設ける必要はないので、光出力が低下するおそれがほとんどなく、高出力のレーザ光を射出することができる。
このように、本発明の半導体レーザおよびその製造方法によれば、簡易かつ安価に製造可能であり、レーザ光の偏光方向を一方向に安定化すると共に高出力化することができる。
本発明の第1の実施の形態に係る半導体レーザの上面図である。 図1のレーザのA−A矢視方向の断面構成を表す図である。 図1のレーザのB−B矢視方向の断面構成を表す図である。 図1のレーザのC−C矢視方向の断面構成を表す図である。 図2の下部DBRミラー層の断面構成の一例を拡大して表す図である。 図2の酸化部および電流狭窄層の平面構成を表す図である。 図1のレーザの製造過程を説明するための断面図および上面図である。 図7に続く過程を説明するための断面図である。 図8に続く過程を説明するための断面図である。 図2の下部DBRミラー層の断面構成の他の例を拡大して表す図である。 図2の下部DBRミラー層の断面構成の他の例を拡大して表す図である。 本発明の第2の実施の形態に係る半導体レーザの一の方向の断面構成を表 す図である。 本発明の第2の実施の形態に係る半導体レーザの他の方向の断面構成を表 す図である。 図12のレーザの製造過程を説明するための断面図である。 図14に続く過程を説明するための断面図である。 本発明の第3の実施の形態に係る半導体レーザの一の方向の断面構成を表 す図である。 本発明の第3の実施の形態に係る半導体レーザの他の方向の断面構成を表 す図である。 図16のレーザの製造過程を説明するための断面図である。 図18に続く過程を説明するための断面図である。 本発明の第4の実施の形態に係る半導体レーザの上面図である。 図20の横モード調整層の一の方向の断面構成を拡大して表す図である。 図20の横モード調整層の他の方向の断面構成を拡大して表す図である。 図20の半導体レーザの変形例を表す上面図である。 本発明の第5の実施の形態に係る面発光型半導体レーザの上面図である。 図24のレーザのA−A矢視方向の断面構成を表す図である。 図25のレーザのA−A矢視方向の断面構成を表す図である。 図25のレーザのB−B矢視方向の断面構成を表す図である。 図24の半導体レーザの変形例の上面図である。 図28のレーザのA−A矢視方向の断面構成を表す図である。 図28のレーザのC−C矢視方向の断面構成を表す図である。 図29のレーザのA−A矢視方向の断面構成を表す図である。 実施例における酸化部および電流狭窄層の光射出口側からの赤外線顕微鏡 写真およびその模式図である。 実施例における活性層に印加される応力分布を表す特性図である。 レーザ光の偏光方向の変位量を表す特性図(A)、ならびに実施例におけ る注入電流と光出力との関係および注入電流の変化量に対する光出力の変化量の関係 を表す特性図(B)である。 比較例におけるレーザ光の偏光方向の変位量を表す特性図(A)、ならび に比較例における注入電流と光出力との関係および注入電流の変化量に対する光出力 の変化量の関係を表す特性図(B)である。 図2のレーザの一変形例の断面構成を表す図である。 図36のレーザの切断方向と直交する方向の断面構成を表す図である。 図2のレーザの他の変形例の断面構成を表す図である。 図38のレーザの切断方向と直交する方向の断面構成を表す図である。 図1のレーザの一変形例の上面図である。 図1のレーザの他の変形例の上面図である。 図1のレーザのその他の変形例の上面図である。 図1のレーザの更にその他の変形例の上面図である。 図41のレーザの一変形例の上面図である。 図41のレーザの他の変形例の上面図である。 図40のレーザの一変形例の上面図である。 図40のレーザの他の変形例の上面図である。 図40のレーザのその他の変形例の上面図である。 図42のレーザの一変形例の上面図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。説明する順序は以下の通りである。
1.第1の実施の形態(面発光型半導体レーザの構成および製造方法の例)
2.第1の実施の形態の変形例(他の下部DBRミラー層の構成例)
3.第2の実施の形態(その他の下部DBRミラー層を有する面発光型半導体レーザの例)
4.第3の実施の形態(更にその他の下部DBRミラー層を有する面発光型半導体レーザの例)
5.第4の実施の形態(横モード調整層を有する面発光型半導体レーザの例)
6.第5の実施の形態(他の面発光型半導体レーザの例)
7.第5の実施の形態の変形例(その他の面発光型半導体レーザの例)
<1.第1の実施の形態>
[半導体レーザ1(面発光型)の構成]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体レーザ1の上面図を表すものである。図2は図1の半導体レーザ1のA−A矢視方向の断面構成、図3は図1の半導体レーザ1のB−B矢視方向の断面構成、図4は図1の半導体レーザ1のC−C矢視方向の断面構成をそれぞれ表すものである。図5は図2の下部DBRミラー層11(後述)の断面構成を表すものである。図6は図1の面発光型半導体レーザ1を透かして、電流狭窄層17および酸化部30(後述)の上面からの分布(形状)を表すものである。
半導体レーザ1は、面発光型であり、基板10の一面側に積層構造20を備えている。積層構造20は、基板10側から順に、下部DBRミラー層11(下部多層膜反射鏡)、下部スペーサ層15A、活性層16、上部スペーサ層15B、電流狭窄層17、上部DBRミラー層18(上部多層膜反射鏡)およびコンタクト層19を有している。積層構造20のうち、下部DBRミラー層11の上部部分、下部スペーサ層15A、活性層16、上部スペーサ層15B、電流狭窄層17、上部DBRミラー層18およびコンタクト層19には、メサ部21およびそれを取り囲む溝部22がそれぞれ形成されている。メサ部21は、例えば幅10μm〜30μm程度の円柱状の形状を有している。
メサ部21の上面の外縁部、溝部22の内面、およびコンタクト層19のうちメサ部21以外の表面には、保護膜23が形成されている。コンタクト層19の表面には環状の上部電極24が形成されている。この上部電極24は、電流注入領域17Bに対応する領域に光射出口24Aを有している。保護膜23のうちメサ部21から離れた部分の表面には上部電極パッド25が形成されている。また、図1,図4に示したように、保護膜23のうち溝22Bを含む部分の表面には接続部26が形成されている。この接続部26を介して上部電極24と上部電極パッド25とが互いに電気的に接続されている。さらに、基板10の裏面には下部電極27が形成されている。
溝部22は不均一な幅を有する環状の溝であり、その溝の幅に応じた(比例した)不均一な深さを有している。具体的には、積層面と平行であって、かつメサ部21の中央部分を通る一の軸(図1のA−A線)に対応する部分に、径方向の幅がLy、周回方向の幅がLxの一対の溝22Aが設けられており、これらに連通して、径方向の幅がΔRの一対の溝22Bが設けられている。溝22Aは下部DBRミラー層11の下部第2DBRミラー層13(後述)にまで達すると共に下部第1DBRミラー層12(後述)にまで達しない深さD1を有している。他方、溝22Bは下部第2DBRミラー層13にまで達しない深さD2を有している。すなわち、溝22Bの深さD2は溝22Aの深さD1よりも浅くなっており、それに伴い、メサ部21の高さが溝部22の深さに対応して不均一となっており、メサ部21の側面に露出する層構成が溝部22の深さに対応して相違している。なお、図3には、溝22Bが下部DBRミラー層11の下部第3DBRミラー層13(後述)にまで達している場合が例示されている。
溝22Aの幅LxおよびLyは、後述のエッチング速度が遅くならない程度の大きさであることが好ましく、5μm以上であることが好ましい。また、溝22Bの幅ΔRは、LxおよびLyより小さく、後述のローディング効果により溝22Bのエッチング速度が溝22Aのそれよりも遅くなる程度の大きさであることが好ましい。中でも、溝22Bの幅ΔRは、1μm以上3μm以下であることが好ましく、1μm以上2μm以下であることがより好ましい。
基板10は、例えばn型GaAs基板である。このGaAs基板は、例えば(100)面基板であることが好ましいが、(n11)面基板(nは整数)などの特殊な基板であってもよい。
下部DBRミラー層11は、低屈折率層および高屈折率層を1組として、それを複数組積層したものである。各低屈折率層および高屈折率層には、例えば、n型不純物と、アルミニウム(Al)とガリウム(Ga)とヒ素(As)とが含まれている。n型不純物としては、例えば、ケイ素(Si)またはセレン(Se)などが挙げられる。また、下部DBRミラー層11は、基板10側から順に、図2〜図5に示したように、下部第1DBRミラー層12(第1多層膜)、下部第2DBRミラー層13(第2多層膜)および下部第3DBRミラー層14(第3多層膜)を積層した構造を有している。
下部第1DBRミラー層12も、低屈折率層12Aおよび高屈折率層12Bの組を複数組積層したものである。低屈折率層12Aは、例えば、光学厚さ(厚さ方向における光学的距離)がλ/4(λは発振波長)のn型Alx1Ga1-x1Asからなり、高屈折率層12Bは、例えば、光学厚さがλ/4のn型Alx2Ga1-x2Asからなる。
下部第2DBRミラー層13は、低屈折率層13Aおよび高屈折率層13Bの組を複数組積層したものである。低屈折率層13Aは、例えば、光学厚さL1 がλ/4以上(L1 ≧λ/4)であり、相対的に酸化されにくい屈折率層および相対的に酸化されやすい複数の屈折率層を含む多層構造を有している。具体的には、低屈折率層13Aは、基板10側から順に、n型Alx3Ga1-x3Asからなる第1屈折率層13C、n型Alx4Ga1-x4Asからなる第2屈折率層13D、n型Alx5Ga1-x5Asからなる第3屈折率層13E、n型Alx6Ga1-x6Asからなる第4屈折率層13Fおよびn型Alx7Ga1-x7Asからなる第5屈折率層13Gからなっている。ここでは第2屈折率層13Dおよび第4屈折率層13Fが相対的に酸化されやすい屈折率層に対応する。高屈折率層13Bは、例えば光学厚さL2 がλ/4以下であり、n型Alx8Ga1-x8Asからなる。
下部第3DBRミラー層14は、低屈折率層14Aおよび高屈折率層14Bの組を複数組積層したものである。低屈折率層14Aは、例えば光学厚さがλ/4のn型Al x9 Ga 1-x9 Asからなり、高屈折率層14Bは、例えば光学厚さがλ/4のn型Alx10 Ga1-x10 Asからなる。
下部DBRミラー層11内のAl組成の値x1〜x10は、式(1)で表される数式を満たす。これにより、下部第2DBRミラー層13の低屈折率層13Aは、下部第1DBRミラー層12の低屈折率層12Aおよび下部第3DBRミラー層14の低屈折率層14Aよりも酸化され易く、後述する電流狭窄層17と同等かそれよりも酸化されにくい性質を有している。
1≧(x4,x6,x13)>(x1,x3,x5,x7,x9,x14)>0.8>(x2,x8,x10)≧0…(1)
式(1)中のx13は電流狭窄層17を構成する材料に含まれるAl組成の値であり、x14は上部DBRミラー層18の低屈折率層を構成する材料に含まれるAl組成の値である。また、(x4,x6,x13)はx4,x6またはx13を意味し、(x1,x3,x5,x7,x9,x14)はx1,x3,x5,x7,x9またはx14を意味する。(x2,x8,x10)はx2,x8またはx10を意味する。また、0.8は低屈折率層の屈折率と高屈折率層の屈折率との境界に対応するものである。
下部第2DBRミラー層13では、低屈折率層13Aの光学厚さL1 は、λ/4よりも大きくなっていてもよい。すなわち、λ/4≦L1 を満たすようになっていてもよい。その場合、光学厚さL1 は、λ/4≦L1 ≦1.4×(λ/4)を満たし、この低屈折率層13Aと隣り合う高屈折率層13Bのうちのいずれか一方の光学厚さL2 は、0.6×(λ/4)≦L2 ≦λ/4を満たすことが好ましい。低屈折率層13Aの光学厚さL1 が1.4×(λ/4)以下であれば、しきい値電流の上昇を10%未満に抑えられるからである。具体的には、1.4×(λ/4)よりも大きくなると、しきい値電流の上昇が10%以上となりやすく、その上、光学厚さL1 が1.5×(λ/4)以上になると発振しにくくなる。また、低屈折率層13Aと隣り合う高屈折率層13Bのうちのいずれか一方の光学厚さL2 が上記の範囲であることが好ましいのは、低屈折率層13Aの光学厚さL1 の大きくなった分だけ、それと組をなす高屈折率層13Bの光学厚さL2 を小さくし、一組の光学厚さをλ/2に保つことができるからである。中でも、低屈折率層13Aの光学厚さL1 は、λ/4≦L1 ≦1.2×(λ/4)を満たし、この低屈折率層13Aと隣り合う高屈折率層13Bのうちのいずれか一方の光学厚さL2 は、0.8×(λ/4)≦L2 ≦λ/4を満たすことが好ましい。低屈折率層13Aの中に相対的に酸化されやすい屈折率層を3層程度形成することが可能になるからである。また、光学厚さL1 およびL2 が上記の範囲において、それらの合計光学厚さL1 +L2 は、λ/2になっていることが好ましい。さらに、低屈折率層13Aの光学厚さL1 は、上記した範囲において、λ/4よりも大きいほうが好ましい。これにより、低屈折率層13Aの物理的厚さを厚くでき、その厚くした分だけ、高濃度のAlを含有する相対的に酸化されやすい屈折率層の層数をより多く、あるいはその層一層当たりの厚さをより厚く設けることができる。よって、下部DBRミラー層11の熱伝導性が向上し、半導体レーザ1の放熱性が向上する。なお、下部第1DBRミラー層12においても、例えば低屈折率層12Aおよび高屈折率層12Bの1組の光学厚さがλ/2になっていれば各低屈折率層12Aおよび高屈折率層12Bの光学厚さがλ/4になっていなくてもよい。このことは下部第3DBRミラー層14においても同様である。
このように下部DBRミラー層11では、式(1)に示した数式を満たすため、下部第1DBRミラー層12および下部第3DBRミラー層14は相対的に酸化されにくく、下部第2DBRミラー層13は相対的に酸化されやすくなっている。下部第2DBRミラー層13の各低屈折率層13Aのうちメサ部21の中央領域(後述の発光領域16A)に対応する領域の周辺であって、かつ溝22Aを取り囲む領域には、酸化部30が形成されている。この酸化部30は低屈折率層13Aの中央領域(発光領域16Aに対応する領域)を除く領域の一部を酸化することにより形成されたものである。酸化部30は、一対の酸化部31,32(第1酸化部、第2酸化部)からなる。これらの酸化部31,32は、下部第2DBRミラー層13のうち発光領域16Aに対応する領域を間にして距離Dox1で互いに対向配置されると共に、溝部22のうち深さが深い方の溝22Aに対応して形成されている。この発光領域16Aに対応する領域は後述の電流注入領域17Bに対応する領域でもある。すなわち、酸化部30(31,32)は、下部第2DBRミラー層13の、電流注入領域17Bに対応する領域の周辺に、メサ部21の中心軸を中心にして回転する方向に不均一に分布しており、その分布に応じた不均一な応力を活性層16に対して発生させるようになっている。
距離Dox1は、電流注入領域17Bの径方向の長さをDox2とすると、Dox2よりも大きいことが好ましく、高次横モード発振を抑制したい場合には、Dox2+1μm以上15μm以下であることが好ましい。さらに、より一層高次横モード発振を抑制したい場合には、Dox2+1μm以上10μm以下であることが好ましい。また、酸化部31,32による発光効率のロスを抑制したい場合には、距離Dox1は、Dox2よりも大きいことが好ましく、1.1×Dox2以上となっていることがより好ましい。
各低屈折率層13Aの酸化部31は、複数の酸化層31A(ここでは2層の酸化層31A)を有し、各低屈折率層13Aの酸化部32は、複数の酸化層32A(ここでは2層の酸化層32A)を有している。すなわち、下部第2DBRミラー層13は、低屈折率層13Aおよび高屈折率層13Bの組を複数組有し、各低屈折率層13Aの中の中央領域(電流注入領域17Bに対応する領域)を除く領域に複数の酸化層31A,32Aが不均一に分布している。各低屈折率層13Aが複数の酸化層31A,32Aを有するため、活性層16に不均一な応力をより強く発生させることができる。なお、メサ部21の側面のうち溝22Bと対向する部分には下部第2DBRミラー層13の低屈折率層13Aが露出していない。従って、メサ部21の側面のうち溝22Bと対向する部分のうち溝22Aと隣接する部分を除いた部分には酸化層31A,32Aは分布していない。
各酸化層31A,32Aは、Al2 3 (酸化アルミニウム)を含むものである。これら酸化層31A,32Aは、後述するように、メサ部21および溝部22の側面側から低屈折率層13Aの第2屈折率層13Dおよび第4屈折率層13Fに含まれる高濃度のAlを酸化することにより得られるものである。酸化層31A,32Aの一層当たりの厚さは、後述する電流狭窄層17の厚さよりも薄くなっていることが好ましい。低屈折率層13A中の相対的に酸化されやすい屈折率層と電流狭窄層17とのAl組成の値が同程度であっても、電流狭窄層17よりも薄ければ上記した距離Dox1の好ましい範囲を確保しやすいからである。
また、下部DBRミラー層11において低屈折率層および高屈折率層の総組数は、40組以上であることが好ましい。高い端面反射率が得られるからである。この総組数が40組以上の場合には、下部第1DBRミラー層12の低屈折率層12Aおよび高屈折率層12Bの組数は36組以上であり、下部第2DBRミラー層13の低屈折率層13Aおよび高屈折率層13Bの組数は2組以上であり、かつ下部第3DBRミラー層14の低屈折率層14Aおよび高屈折率層14Bの組数は2組以上であることが好ましい。これにより、下部第3DBRミラー層14において屈折率が良好に調整されると共に下部第2DBRミラー層13に分布した酸化部30が活性層16に対して不均一な応力を良好に発生させることができる。中でも、低屈折率層および高屈折率層の総組数は、45組以上であることが好ましく、その場合、下部第1DBRミラー層12での組数は39組以上であり、下部第2DBRミラー層13での組数は3組以上であり、かつ下部第3DBRミラー層14での組数は3組以上であることが好ましい。これにより、全体としてより高い端面反射率が得られ、かつ酸化部30が活性層16に対して不均一な応力をより強く発生させることができる。さらに、下部第3DBRミラー層14での組数が3組以上であるため、屈折率の調整がより良好にされ、その上、個々の半導体レーザ1において、溝22A,22Bの深さがバラついても、活性層16に対して発生させる応力(強さおよび分布)のバラつきを少なくすることができる。また、上記した範囲における下部第3DBRミラー層14の低屈折率層14Aおよび高屈折率層14Bの組数は、少ないほうが好ましい。酸化部30の分布領域が活性層16に近いほど、活性層16に対して不均一な応力をより強く発生させることができるからである。
下部スペーサ層15Aは、例えばAlx11 Ga1-x11 As(0<x11<1)からなる。活性層16は、例えばGaAs系材料からなる。この活性層16では、後述の電流注入領域17Bと対向する領域が発光領域16Aとなり、その発光領域16Aの中心領域(発光中心領域)が主に基本横モード発振が生じる領域となり、発光領域16Aのうち発光中心領域を囲む外縁領域が主に高次横モード発振が生じる領域となる。上部スペーサ層15Bは、例えばAlx12 Ga1-x12 As(0<x12<1)からなる。これら下部スペーサ層15A、活性層16および上部スペーサ層15Bは、不純物が含まれていないことが望ましいが、p型またはn型不純物が含まれていてもよい。p型不純物としては、例えば、炭素(C)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)またはベリリウム(Be)などが挙げられる。
電流狭窄層17は、その外縁領域に電流狭窄領域17Aを有し、その中央領域に電流注入領域17Bを有している。電流注入領域17Bは、例えばp型Alx13 Ga1-x13 As(0<x13≦1)からなる。電流狭窄領域17Aは、Al2 3 (酸化アルミニウム)を含んでおり、後述するように、メサ部21の側面側からAlx13 Ga1-x13As層17Dに含まれる高濃度のAlを酸化することにより得られるものである。
電流注入領域17Bは、[011]方向および[01−1]方向に、対角線を有する四辺形(例えば菱形)状となっており、面内異方性を有している。このように電流狭窄領域17Aが[011]方向および[01−1]方向に対角線を有する四辺形となるのは、Alx13 Ga1-x13 Asの酸化速度が、[011]方向および[01−1]方向と、これらの方向と45°の角度をなす[001]方向および[010]方向とで異なるからである。ここで、電流注入領域17Bの対角線の長さDox2は、高次横モード発振を抑制したい場合には、3μm以上8μm以下であることが好ましい。さらに、より一層高次横モード発振を抑制したい場合には、3μm以上5μm以下であることが好ましい。
上部DBRミラー層18は、低屈折率層および高屈折率層を1組として、それを複数組分積層したものである。低屈折率層は例えば光学厚さがλ/4のp型Alx14 Ga1-x14 As(0<x14<1)からなり、高屈折率層は例えば光学厚さがλ/4のp型Alx15 Ga1-x15 As(0<x15<1)からなる。コンタクト層19は、例えばp型GaAsからなっている。
保護膜23は、例えば酸化物または窒化物などの絶縁材料によりなっている。保護層23は、コンタクト層19の周縁部から溝部22の内面、更にその近傍を覆うように形成されている。上部電極24および上部電極パッド25は、例えばチタン(Ti)層、白金(Pt)層および金(Au)層をこの順に積層したものであり、コンタクト層19と電気的に接続されている。接続部26は、例えばTi層、Pt層およびAu層をこの順に積層してなる積層構造上にめっき層が形成されたものである。下部電極27は、基板10の側から順に、例えば、金(Au)とゲルマニウム(Ge)との合金層、ニッケル(Ni)層および金(Au)層を積層した構造を有しており、基板10と電気的に接続されている。
[半導体レーザ1の製造方法]
次に、図7(A),(B)〜図9(A),(B)を参照して半導体レーザ1の製造方法について説明する。図7(A),(B)〜図9(A),(B)は、その製造方法を工程順に表すものである。なお、図7(A)、図8(A)および図9(A)は製造過程の素子を図1のA−A矢視方向と同一の方向で切断した断面の構成を、図7(B)は図7(A)の上面構成を、図8(B),図9(B)は製造過程の素子を図1のB−B矢視方向と同一の方向で切断した断面の構成をそれぞれ表すものである。半導体レーザ1は、例えば、以下のようにして製造することができる。
ここでは、GaAsからなる基板10上の化合物半導体層を、例えば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition ;有機金属化学気相成長)法により形成する。この際、III−V族化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMIn)、アルシン (AsH3 )を用い、ドナー不純物の原料としては、例えば、H2 Seを用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えば、ジメチルジンク(DMZ)を用いる。
まず、基板10上に、上記した構成を有するように、下部第1DBRミラー層12,下部第2DBRミラー層13,および下部第3DBRミラー層14をこの順で積層することにより、下部DBRミラー層11を形成する。続いて、下部DBRミラー層11上に、下部スペーサ層15A、活性層16、上部スペーサ層15B、Alx13 Ga1-x13 As層17D、上部DBRミラー層18およびコンタクト層19をこの順に積層する。これにより、積層構造20が形成される。こののち、コンタクト層19の表面に、不均一な幅を有する環状の開口Wを有するレジスト層Rを形成する(図7(A),(B))。開口Wは、具体的には、径方向の幅がLy、周回方向の幅がLxの一対の円弧状の開口W1と、これらに連通して、径方向の幅がΔRの一対の円弧状の開口W2とからなる。
次に、レジスト層Rをマスクとして、例えば反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching;RIE)法により、コンタクト層19側からエッチングする。すると、開口Wの不均一な幅によってローディング効果が発生し、幅の狭い開口W2におけるエッチング速度が幅の広い開口W1におけるそれよりも遅くなる。その結果、開口W1に対応して深さD1の溝22Aが形成され、開口W2に対応して深さD2の溝22Bが形成される(図8(A),(B))。このようにして、溝22Aおよび溝22Bを形成することにより、これらの溝22Aおよび溝22Bに囲まれた部分にメサ部21が形成される。
次に、水蒸気雰囲気中において、高温で酸化処理を行い、溝部22の内側から低屈折率層13Aの中の第2屈折率層13Dおよび第4屈折率層13FのAlならびにAlx13 Ga1-x13 As層17DのAlを選択的に酸化する。これにより低屈折率層13AおよびAlx13 Ga1-x13 As層17Dのうち溝部22の周辺領域が酸化されて絶縁層(酸化アルミニウム)となり、複数の酸化層31A,32Aおよび電流狭窄領域17Aが形成される。すなわち、各低屈折率層13Aのうち活性層16の発光領域16Aに対応する領域の周辺であって、かつ溝22Aを取り囲む領域に、発光領域16Aに対応する領域を間にして互いに対向する一対の酸化部31,32が形成される。さらに、発光領域16Aに対応して開口を有する電流狭窄領域17Aが形成され、その開口が電流注入領域17Bとなる(図9(A),(B))。ここでの酸化により形成された酸化部30(酸化部31,32)の収縮によって、酸化部30の分布に応じた応力が活性層16に発生する。
このように、不均一な幅を有する環状の開口Wを有するレジスト層Rを利用してローディング効果を発生させることにより、一度のエッチングプロセスにより不均一な深さの溝部22を形成することができる。また、この不均一な深さの溝部22を利用して酸化処理を施すことにより、メサ部21の中心軸を中心にして回転する方向に不均一に分布する酸化部30を容易に形成することができる。
次に、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition) 法により、メサ部21、溝部22、および溝部22の周辺の表面全体に渡って絶縁材料を堆積させたのち、エッチングにより堆積させた絶縁材料のうちメサ部21の上面に対応する部分を選択的に除去する。これにより、メサ部21上面のコンタクト層19を露出させる。続いて、例えば真空蒸着法により、表面全体に渡って金属材料を積層させる。こののち、積層された金属材料を、例えば選択エッチングすることにより、メサ部21の上面(コンタクト層19の露出している部分)に、光射出口24Aを有する上部電極24を形成すると共に、メサ部21から離れた場所に上部電極パッド25を形成する。さらに、めっきにより接続部26を形成して上部電極24および上部電極パッド25を電気的に接続すると共に、基板10の裏面を適宜研磨してその厚さを調整した後、基板10の裏面に下部電極27を形成する。最後に、ダイシングにより基板10を小さく分割してチップ状にする。このようにして半導体レーザ1が製造される。
上記の製造工程では、エッチング時間を変化させて溝22Aの深さD1を変化させると、溝22Aの内面に露出する下部DBRミラー層11中の低屈折率層の層数が変化する。具体的には、エッチング時間を長くして溝22Aの深さD1を深くすると、溝22Aは第1下部DBRミラー層12まで達して、下部第2DBRミラー層13の低屈折率層13Aに加えて、低屈折率層12Aも露出する。但し、低屈折率層12AのAl組成は、式(1)に示した数式を満たすため、そののちの酸化工程により酸化されにくくなっている。また、この場合、溝22Bの深さD2もエッチング時間に応じて変化するが、上記した範囲内で変化させても、溝22Bの内面には低屈折率層13Aが露出することはないので、低屈折率層13Aのうち溝22Bと対向する部分はほとんど酸化されない。このため溝22B同士が互いに対向する方向の応力が活性層16に発生するおそれはない。その一方で、エッチング時間を短くして溝22Aの深さD1を浅くすると、露出する低屈折率層13Aの層数が少なくなるが、そののちの酸化工程により、露出した低屈折率層13Aには複数の酸化層31A,32Aが形成される。このため、溝22Aの深さD1が浅くても溝22A同士が互いに対向する方向の応力を活性層16に発生させることができる。このように溝22Aの深さD1を下部第2DBRミラー層12の厚さの範囲内にすることにより、溝22Aの深さD1に応じて、溝22A同士が互いに対向する方向の応力を任意に設定することができる。よって、活性層16に発生させる異方的な応力の大きさを自由に設定することが可能である。
また、低屈折率層13AのAl組成の高い層(第2屈折率層13Dおよび第4屈折率層13F)と低い層(第1屈折率層13C、第3屈折率層13Eおよび第5屈折率層13G)とは、それぞれの層のAl組成を一定にした状態で、各層の厚さを変化させてもよい。これにより、低屈折率層13A(第2屈折率層13Dおよび第4屈折率層13F)の酸化速度を自由に制御することができる。この場合、低屈折率層13AのAl組成が高い層の厚さを厚くしても、例えば、下部DBRミラー層11内のAl組成値x1〜x10は式(1)に示した数式を満たしている。このため、低屈折率層13AのAl組成が高い層は、低屈折率層12A,14Aよりも酸化されやすく、電流狭窄層17と同等かそれよりも酸化されやすい、あるいは酸化されにくい性質となる。
なお、酸化条件にもよるが、例えば、電流狭窄層17のAl組成の値x13ならびに第2屈折率層13Dおよび第4屈折率層13FのAl組成の値x4,x6をそれぞれ1にし、第1屈折率層13C、第3屈折率層13Eおよび第5屈折率層13GのAl組成の値x3,x5,x7、ならびに上部DBRミラー層18の低屈折率層のAl組成の値x14をそれぞれ0.9にした場合には、距離Dox1を、Dox2+1μm以上15μm以下とすることができる。
さらに、例えば、低屈折率層13AのうちAl組成の高い層のAl組成値を電流狭窄層17のAl組成値と同じにし、さらに低屈折率層13AのうちAl組成の低い層のAl組成値を上部DBRミラー層18の低屈折率層のAl組成の値と同じにしてもよい。この場合には、低屈折率層13Aを形成する際に、電流狭窄層17や上部DBRミラー層18を製造する際に用いるドーピング条件およびガス流量などのエピタキシャル成長条件を利用することができるので、低屈折率層13Aを簡易に製造することができる。
[作用および効果]
この半導体レーザ1では、下部電極27と上部電極24との間に所定の電圧が印加されると、電流狭窄層17における電流注入領域17Bを通して活性層16に電流が注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、一対の下部DBRミラー層11および上部DBRミラー層18により反射され、所定の波長でレーザ発振を生じ、レーザビームとして外部に射出される。
本実施の形態の半導体レーザ1では、下部DBRミラー層11内の下部第2DBRミラー層13において、電流注入領域17Bと対応する領域の周辺に、酸化部30が形成され、この酸化部30はメサ部21の中心軸を中心にして回転する方向に不均一に分布している。そして、この酸化部30は、電流注入領域17Bと対応する領域を間にして互いに対向する一対の酸化部31,32からなり、溝22A同士が互いに対向する方向に異方的な分布を有している。これら酸化部31,32は、各低屈折率層13Aの中に設けられた複数の酸化層31A,32Aからなる。すなわち、活性層16には、複数の酸化層31A,32Aによる十分な引張り応力が発生し、ここでは複数の酸化層31A,32Aの分布に応じて溝22A同士が互いに対向する方向に異方的な引張り応力が強く発生する。なお、上記したように、溝22Bの内面では低屈折率層13Aが酸化されるおそれはなく、溝22B同士が互いに対向する方向の応力が活性層16に発生するおそれはない。これにより、引張り応力の向きと直交する方向の偏光成分が強められる一方、引張り応力の向きと平行な方向の偏光成分が抑制される。
以上のことから、本実施の形態の半導体レーザ1では、下部第2DBRミラー層13が、低屈折率層13Aの中の、中央領域を除く領域(電流注入領域17Bと対応する領域の周辺)に不均一に分布する複数の酸化層31A,32Aを有する。これら複数の酸化層31A,32Aが電流注入領域17Bと対応する領域を間にして互いに対向配置されている。これにより、レーザ光の偏光方向は一方向に固定され、安定化する。
ここで従来の面発光型半導体レーザにおいても、下部DBRミラー層の酸化領域は、不均一に分布している。この酸化領域は、下部DBRミラー層の低屈折率層の中の一部が酸化されて形成されたものであり、各低屈折率層の中に、一層の酸化層として含まれている。このため、酸化領域による引張り応力が活性層に不均一に発生するものの、十分ではないため、レーザ光の偏光成分を一方向に固定しにくい。具体的には、個々の面発光型半導体レーザにおいて、活性層に不均一に発生する酸化領域による引張り応力が、強いものと弱いものとのバラつきが生じやすい。すなわち、酸化領域による偏光制御は十分ではないため、レーザ光の偏光方向が不安定なものが生じるおそれがある。よって、歩留まりよく、レーザ光の偏光方向が一方向に安定化された半導体レーザを得ることが難しい。
これに対して、本実施の形態の半導体レーザ1では、酸化部31,32は、下部第2DBRミラー層13の各低屈折率層13Aの中に、複数の酸化層31A,31Bとして形成されている。これにより、個々の半導体レーザ1において、偏光制御性が向上するため、レーザ光の偏光方向の安定性にバラつきが生じにくくなり、歩留まりが向上する。
さらに、本実施の形態では、基板は(n11)面基板(nは整数)などの特殊な基板である必要はなく、一般的な(100)面基板でもかまわないので、一般的な(100)面基板のドーピング条件およびガス流量などのエピタキシャル成長条件を用いることができる。これにより簡易かつ安価に製造することができる。
また、本実施の形態では、下部DBRミラー層11が、基板10側から順に、下部第1DBRミラー層12、下部第2DBRミラー層13および下部第3DBRミラー層14を積層した構造となっている。これにより、溝22Aの深さD1を深くしても、下部第2DBRミラー層13に含まれる酸化層31A,32Aの層数(厚さ)は変化しない。このため、溝22Aの深さD1を精密に制御しなくても、所定の酸化部30を容易に形成することができ、良好に偏光制御することができる。その一方で、溝22Aの深さD1を浅くすれば、酸化層31A,32Aの層数をその深さD1によって容易に調整することができる。このため、酸化層31A,32Aの層数に応じて異方的な応力を調整することによって、効率よく偏光制御することができる。
また、本実施の形態では、下部DBRミラー層11が上記したような構造となっているので、浅い方の溝22Bの底面は下部第3DBRミラー層14内のどこかに形成されていれば偏光制御性に影響を及ぼすおそれはない。このため、溝22Bの深さを製造工程において精密に制御する必要はなく、また、溝22Bの深さがバラついた場合であっても、個々の半導体レーザ1において偏光制御性にバラつきが生じるおそれはない。
また、本実施の形態において、下部第2DBRミラー層13内の低屈折率層13A(第2屈折率層13Dおよび第4屈折率層13F)のAl組成値x4,x6が電流狭窄層17のAl組成の値x13と等しくなっているか、またはほぼ等しくなっていることが好ましい。これにより低屈折率層13Aにおける反射率が下部第1DBRミラー層12および下部第3DBRミラー層14内の低屈折率層12A,14Aのそれよりも高くなる。よって、基板10への光の漏れを低減できるため、上部DBRミラー層18側から外部に射出される光の出力を大きくすることができる。また、低屈折率層13AのAlGaAsのAl組成の値を大きくすると、低屈折率層13Aの熱伝導率が大きくなるので、半導体レーザ1の放熱性を向上させることができる。
また、本実施の形態では、下部第2DBRミラー層13の低屈折率層13Aおよび高屈折率層13Bの組数を多くし、酸化層31A,32Aの層数(厚さ)を増やすことができるため、異方的な応力を大きくすることができる。これにより活性層16に大きな応力を与えるために酸化部30を発光領域16Aと対応する領域にまで広げる必要はない。従って、酸化部30によって光出力が低下するおそれはほとんどなく、高出力のレーザ光を射出することができる。
すなわち、本実施の形態では、レーザ光の偏光方向が安定化した半導体レーザ1を簡易かつ安価に製造でき、また高出力化も可能である。
また、本実施の形態では、図1〜図4に示したように、メサ部21の周囲に形成された溝部22は少なくとも活性層16を貫通する程度の深さを有していることから、上部電極24、上部電極パッド25および接続部26から活性層16へ通じる電流経路はメサ部21の内部にしか存在していない。これにより、メサ部21の周囲に溝部22を形成したことによって電流注入効率が低下するおそれはない。
<2.第1の実施の形態の変形例>
[半導体レーザ1の変形例]
第1の実施の形態では、下部第2DBRミラー層13内の各低屈折率層13Aが2層の酸化層31A,32Aを含む場合について説明したが、これに限られるものではなく、例えば、図10に示した構造を有していてもよい。図10は図5に示した下部DBRミラー層11の断面構成の変形例を表すものである。
具体的には、図10に示したように、各低屈折率層13Aは、例えば、基板10側から順に、n型Alx3Ga1-x3Asからなる第1屈折率層13C、n型Alx4Ga1-x4Asからなる第2屈折率層13D、n型Alx5Ga1-x5Asからなる第3屈折率層13E、n型Alx6Ga1-x6Asからなる第4屈折率層13F、n型Alx7Ga1-x7Asからなる第5屈折率層13G、n型Alx16 Ga1-x16 Asからなる第6屈折率層13H、n型Alx17 Ga1-x17 Asからなる第7屈折率層13Iからなっている。ここでは第2屈折率層13D、第4屈折率層13Fおよび第6屈折率層13Hが相対的に酸化されやすい屈折率層に対応し、これらの層に酸化部31,32が形成されることにより、各低屈折率層13Aの中に3層の酸化層31A、32Aが含まれる。この場合のAl組成の値x1〜x10,x13,x14,x16,x17は、式(2)で表される数式を満たす。図10に示した構成を有する場合でも、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができるうえ、各低屈折率層13の中に2層の酸化層31A,32Aを設けた場合よりも、異方的な引張り応力を活性層16に対して強く発生させることができる。よって、レーザ光の偏光成分をより強く固定でき、その結果、レーザ光の偏光方向を一方向により安定化することができる。特に、この場合には、低屈折率層13Aの光学厚さL1 はλ/4より大きくなりやすくなるため、各低屈折率層13Aの厚さを厚くした分だけ、各低屈折率層13AのAl含有量が高くなる。よって、半導体レーザ1の放熱性が向上する。
1≧(x4,x6,x13,x16)>(x1,x3,x5,x7,x9,x14,x17)>0.8>(x2,x8,x10)≧0…(2)
式(2)中の(x4,x6,x13,x16)はx4,x6、x13またはx16を意味し、(x1,x3,x5,x7,x9,x14,x17)はx1,x3,x5,x7,x9、x14またはx17を意味する。(x2,x8,x10)はx2,x8またはx10を意味する。
また、例えば、酸化層31A,32Aの層数が異なる低屈折率層13Aを設けるようにしてもよい。具体的には、複数の低屈折率層13Aのうち、一部の低屈折率層13Aでは、図5に示した低屈折率層13Aの構成を有し、他の一部の低屈折率層13Aでは、図10に示した低屈折率層13Aの構成を有している。これにより、一の低屈折率層13Aの中に3層の酸化層31A、32Aが含まれ、他の低屈折率層13Aの中に3層の酸化層31A、32Aが含まれることになる。この場合のAl組成の値x1〜x16は、式(2)に示した数式を満たす。この場合においても、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。酸化層31A,32Aの層数が異なる低屈折率層13Aを設ける場合には、図11に示したように、酸化層31A,32Aの層数が多い低屈折率層13Aを活性層16側に設けることが好ましい。酸化層31A,32Aの層数が少ない低屈折率層13Aを活性層16側に配置する場合よりも、異方的な引張り応力を活性層16に対して強く発生させることができるからである。図11は図5に示した下部DBRミラー層11の断面構成の他の変形例を表すものである。
なお、図10,図11では、下部第2DBRミラー層13が、3層の酸化層31A,32Aを含む低屈折率層13Aを有する、または3層の酸化層31A,32Aを含む低屈折率層13Aと2層の酸化層31A,32Aを含む低屈折率層13Aとを併せて有する場合を示した。しかしながら、下部DBRミラー層11内の低屈折率層の少なくとも1層が、電流注入領域17Bと対応する領域の周辺に、メサ部21の中心軸を中心にして回転する方向に不均一に分布する複数の酸化層を有していれば、これらに限定されるものではない。例えば、低屈折率層13Aが4層以上の酸化層31A,32Aを有していてもよく、2層の酸化層31A,32Aを含む低屈折率層13Aと1層の酸化層31A,32Aを含む低屈折率層13Aとを併せて有していてもよい。この場合においても、酸化部が形成された各低屈折率層が1層の酸化層を有する場合よりも、偏光制御性が向上し、異方的な引張り応力を活性層16に対して強く発生させることができる。以上説明したことは、後述する実施の形態についても同様である。
<3.第2の実施の形態>
[半導体レーザ2(面発光型)の構成]
図12、図13は第2の実施の形態に係る面発光型の半導体レーザ2の断面構成を表すものである。第1の実施の形態およびその変形例では、下部DBRミラー層11は、基板10側から順に、下部第1DBRミラー層12、下部第2DBRミラー層13および下部第3DBRミラー層14を積層した構造を有していた。これに対して、本実施の形態では、下部DBRミラー層11において下部第1DBRミラー層12の代わりに下部第2DBRミラー層13を形成したことを除き、第1の実施の形態の半導体レーザ1と同様の構成を有している。すなわち本実施の形態では、下部DBRミラー層11は、基板10側から順に下部第2DBRミラー層13および下部第3DBRミラー層14を積層して構成されている。この下部DBRミラー層11内のAl組成の値x3〜x10は、式(3)で表される数式を満たしている。
1≧(x4,x6,x13)>(x3,x5,x7,x9,x14)>0.8>(x8,x10)≧0…(3)
この半導体レーザ2では、製造工程において、図14(A),(B)に示したように、エッチングにより溝部22を形成すると、溝22Aの深さD1に応じて、溝22Aの内面に低屈折率層13Aが露出する。なお、ここでも溝22Bの深さD2は下部第2DBRミラー層13まで達しないので、溝22Bの内面では低屈折率層13Aが露出することはない。よって、図15(A),(B)に示したように、酸化部31,32は、低屈折率層12Aのうち溝22Aと対向する部分に形成される。
[作用および効果]
このように、本実施の形態の半導体レーザ2においても、下部DBRミラー層11の下部第2DBRミラー層13では、酸化部30が電流注入領域17Bと対応する領域の周辺に形成され、この酸化部30はメサ部21の中心軸を中心にして回転する方向に不均一に分布している。そして、この酸化部30は、電流注入領域17Bと対応する領域を間にして互いに対向する一対の酸化部31,32からなり、溝22A同士が互いに対向する方向に異方的な分布を有している。これら酸化部31,32は、溝部22を形成する際に溝22A内に露出した低屈折率層13Aの中に設けられた複数の酸化層31A,32Aからなる。すなわち、活性層16には、複数の酸化層31A,32Aによる十分な引張り応力が不均一に発生し、ここでも複数の酸化層31A,32Aの分布に応じて溝22A同士が互いに対向する方向に異方的な引張り応力が強く発生する。なお、本実施の形態においても、溝22Bの内面では低屈折率層13Aが酸化されるおそれはなく、溝22B同士が互いに対向する方向の応力が活性層16に発生するおそれはない。これにより、引張り応力の向きと直交する方向の偏光成分が強められる一方、引張り応力の向きと平行な方向の偏光成分が抑制される。
以上のことから、本実施の形態の半導体レーザ2では、下部第2DBRミラー層13が、低屈折率層13Aの中に不均一に分布する複数の酸化層31A,32Aを有し、これら複数の酸化層31A,32Aは、電流注入領域17Bに対応する領域を間にして互いに対向配置されている。これにより、レーザ光の偏光方向は一方向に固定され、安定化する。
特に、本実施の形態では、エッチング時間を変化させて溝22Aの深さD1を変化させると、溝22Aの内面に露出する低屈折率層13Aの層数が変化する。従って、エッチング時間を長くして溝22Aの深さD1を深くすると、露出する低屈折率層13Aの層数が多くなり、逆にエッチング時間を短くして溝22Aの深さD1を浅くすると、露出する低屈折率層13Aの層数が少なくなる。すなわち、溝22Aの深さD1が浅くても溝22A同士が互いに対向する方向の応力を活性層16に発生させることが可能であり、また、溝22Aの深さD1に応じて(比例して)、溝22A同士が互いに対向する方向の応力を大きくすることができる。よって、活性層16に発生させる異方的な応力の大きさを自由に設定することが可能であり、偏光制御性を向上させることができる。
また、上記の実施の形態と同様、酸化部31,32を有する各低屈折率層13Aは、複数の酸化層31A,32Aを有するため、低屈折率層13Aの中に酸化層を一層だけ設けた場合と比較して、個々の半導体レーザ2において偏光制御性が向上する。これにより、レーザ光の偏光方向の安定性にバラつきが生じにくくなり、レーザ光の偏光方向をより良好に安定化することができる。また、基板は(n11)面基板(nは整数)などの特殊な基板である必要はなく、一般的な(100)面基板でもかまわないので、一般的な(100)面基板のドーピング条件およびガス流量などのエピタキシャル成長条件を用いることができる。これにより、簡易かつ安価に製造することができる。また、酸化層31A,32Aの層数(厚さ)を増やせば増やす程、異方的な応力を大きくすることができるので、活性層16に大きな応力を与えるために発光領域16Aと対応する領域にまで酸化部30を設ける必要はない。これにより、酸化部30によって光出力が低下するおそれはほとんどなく、高出力のレーザ光を射出することができる。
すなわち、本実施の形態では、上記の実施の形態と同様、レーザ光の偏光方向が一方向に安定化した半導体レーザ2を簡易かつ安価に製造でき、また高出力化も可能である。その他の作用効果は、第1の実施の形態等と同様である。
<4.第3の実施の形態>
[半導体レーザ3(面発光型)の構成]
図16、図17は、第3の実施の形態に係る面発光型の半導体レーザ3の断面構成を表すものである。本実施の形態では、下部DBRミラー層11の下部第1DBRミラー層12および下部第3DBRミラー層14に代えて下部第2DBRミラー層13を形成したことを除き、第1の実施の形態の半導体レーザ1と同様の構成を有している。すなわち、半導体レーザ3の下部DBRミラー層11は、下部第2DBRミラー層13と同様の構成を有している。
従って、図18(A),(B)に示したように、エッチングにより溝部22を形成すると、下部DBRミラー層11内の低屈折率層13Aが溝22A内だけでなく、溝22B内にも露出することとなる。このため、図19(A),(B)に示したように、酸化部40は、低屈折率層13Aのうち溝22Aと対向する部分に形成されるだけでなく、溝22Bと対向する部分にも形成されることとなる。もっとも、溝22Aの深さD1は溝22Bの深さD2よりも深く、溝部22内に露出した低屈折率層13Aのうち溝22A側の層数が溝22B側の層数よりも多くなっている。このため、酸化部40は、溝22A,22Bの双方の内面に露出した低屈折率層13Aに環状に形成された酸化部41(酸化層41A)と、溝22Aの内面にだけ露出した低屈折率層13Aに形成された酸化部42,43(酸化層42A,43A)とから構成されることになる。酸化部42,43は、下部DBRミラー層11の電流注入領域17B(または発光領域16A)に対応した領域を間にして互いに対向配置している。よって、下部DBRミラー層11は、低屈折率層13Aのうちの少なくとも1層の中の、電流注入領域17Bに対応した領域の周辺に、メサ部21の中心軸を中心として回転方向に分布する不均一な複数の酸化層42A,43Aを有している。これにより、酸化部40は、その分布に応じた不均一な応力を活性層16に対して発生させるようになっている。
[作用および効果]
このように、本実施の形態の半導体レーザ3では、下部DBRミラー層11において、酸化部40が電流注入領域17Bと対応する領域の周辺に形成され、酸化部40はメサ部21の中心軸を中心にして回転する方向に不均一に分布している。そして、この酸化部40は、電流注入領域17Bに対応する領域を取り囲む環状の酸化部41と、電流注入領域17Bに対応する領域を間にして対向配置された酸化部42,43とからなり、溝22A同士が互いに対向する方向に異方的な分布を有している。酸化部41は、溝部22を形成する際に、溝22A,22Bの双方の内面に露出した低屈折率層13Aの中に設けられた複数の酸化層41Aからなり、酸化部42,43は、溝22A内にだけ露出した低屈折率層13Aの中に設けられた複数の酸化層42A,43Aからなる。すなわち、活性層16には、等方的に分布した酸化層41Aにより等方的な応力が発生する一方で、異方的に分布した複数の酸化層42A,43Aにより異方的な応力が発生する。従って、活性層16に発生する応力の向きは、上記実施の形態と同様、溝22A同士が互いに対向する方向と一致する。これにより、応力の向きと直交する方向の偏光成分が強められる一方、応力の向きと平行な方向の偏光成分が抑制される。
以上のことから、本実施の形態の半導体レーザ3では、下部DBRミラー層11が、低屈折率層13Aの中に不均一に分布する複数の酸化層42A,43Aを有し、これら複数酸化層42A,43Aが電流狭窄領域17Aに対応する領域を間にして互いに対向配置されている。これにより、レーザ光の偏光方向が一方向に固定され、安定化する。
また、上記の実施の形態と同様、酸化部40を有する各低屈折率層13Aが複数の酸化層41A,42A,43Aを有するため、各低屈折率層13Aの中に酸化層を一層だけ設けた場合と比較して、個々の半導体レーザ3において偏光制御性が向上する。これにより、レーザ光の偏光方向の安定性にバラつきが生じにくくなり、よってレーザ光の偏光方向をより良好に安定化することができる。また、基板は(n11)面基板(nは整数)などの特殊な基板である必要はなく、一般的な(100)面基板でもかまわないので、一般的な(100)面基板のドーピング条件およびガス流量などのエピタキシャル成長条件を用いることができる。これにより、簡易かつ安価に製造することができる。また、酸化層41Aの層数と酸化層42A,43Aの層数との差を大きくすればする程、異方的な応力を大きくすることができるので、発光領域16Aと対応する領域にまで酸化部40を設ける必要はない。これにより、酸化部40によって光出力が低下するおそれはほとんどなく、高出力のレーザ光を射出することができる。
すなわち、本実施の形態では、上記の実施の形態と同様、レーザ光の偏光方向が一方向に安定化した半導体レーザ3を簡易かつ安価に製造でき、また共に高出力化も可能である。その他の作用効果は、上記実施の形態等と同様である。
<5.第4の実施の形態>
[半導体レーザ4(面発光型)の構成]
図20は第4の実施の形態に係る面発光型の半導体レーザ4の上面構成を表すものである。図21は図20のA−A矢視方向の断面構成のうち光射出口24A近傍を拡大して表すものであり、図22は図20のB−B矢視方向の断面構成のうち光射出口24A近傍を拡大して表すものである。半導体レーザ4は、光射出口24Aに対応して横モード調整層50を備えていることを除き、上記実施の形態等と同様の構成を有している。
この横モード調整層50は、第1調整層51、第2調整層52および第3調整層53からなり、第1調整層51および第2調整層52は光射出口24Aの中央領域、すなわち主に基本横モード発振が生じる領域に、この順に積層されている。第3調整層53は、中央領域を囲む外縁領域、すなわち主に高次横モード発振が生じる領域に形成されている。
なお、図20〜図22では、第1調整層51および第2調整層52は、溝22B同士が互いに対向する方向の高次横モード発振をより一層低減するために、その方向の幅は溝22A同士が互いに対向する方向の幅よりも狭い長方形状となっているが、他の形状、例えば、図23に示したように、円形状となっていてもよい。
第1調整層51は、膜厚が(2a−1)λ/4n1 (aは1以上の整数,n1 は屈折率)であり、屈折率n1 が上部DBRミラー層18の表面に設けられた高屈折率層の屈折率より低い物質、例えばSiO2 (酸化シリコン)などの誘電体により構成されている。第1調整層51の、溝22B同士が互いに対向する方向の幅は、主に基本横モード発振が生じる領域とほぼ等しい幅であり、3.0μm以上5.0μm以下であることが好ましい。
第2調整層52は、膜厚が(2b−1)λ/4n2 (bは1以上の整数,n2は屈折率)であり、屈折率n2 が第1調整層51のそれよりも高い材料、例えばSiN(窒化シリコン)などの誘電体により構成されている。
第3調整層53は、膜厚が(2c−1)λ/4n3 (cは1以上の整数,n3 は屈折率)であり、屈折率n3 が第1調整層51のそれよりも高い材料、例えばSiN(窒化シリコン)などの誘電体により構成されている。なお、第2調整層52および第3調整層53は、同一の膜厚および材料により構成されていることが好ましい。これにより、これらの層を一括形成することができ、製造工程を簡略化することができる。
ここで、光射出口24Aの中央領域の反射率をR1、中央領域を囲む外縁領域の反射率をR2、光射出口24Aにこれらの調整層を設けなかった場合の反射率をR3とすると、式(4)で表される数式の関係を満たすようにそれぞれの屈折率を調節することが好ましい。これにより、基本横モードの光出力を低減することなく、高次横モード発振のみを抑制することができる。
R1≧R3>R2…(4)
一般に、面発光型の半導体レーザでは、基本横モードの光出力は、光射出口の中心部分で最も大きく、光射出口の中心部分から離れるにつれて小さくなる傾向がある。このため、面発光型の半導体レーザを高出力の用途に用いる場合には、基本横モードのレーザ光をなるべく沢山取り出せるように光射出口を大きくすることが好ましい。しかしながら、高次横モードの光出力は、一般的に、光射出口の中心部分から所定の距離離れた領域において最も大きく、光射出口の中心部分に向かうにつれて小さくなる傾向があるため、光射出口をあまり大きくすると高次横モードのレーザ光までもが高出力で出力されてしまうおそれがある。そこで、従来の面発光型半導体レーザでは、光射出口を小さくしたり、光射出口内に複雑な形状の構造物を設けるなどの対策を施して、高次横モードのレーザ光が射出されるのを抑制していた。また、面発光型半導体レーザを低出力の用途に用いる場合であっても、高次横モードのレーザ光を極力排除しようとすると、上記と同様の対策を施すことが必要であった。
[作用および効果]
これに対して、本実施の形態では、第1調整層51および第2調整層52が光射出口24Aの中央領域にこの順に積層して設けられると共に、第3調整層53が光射出口24Aの中央領域の周辺領域に設けられている。これにより、周辺領域の反射率が中央領域のそれより低くなる。よって、レーザ光の偏光方向を一方向に安定化すると共に、基本横モードの光出力を低減することなく高次横モード発振のみを抑制することが可能となる。
また、本実施の形態では、第1調整層51は半導体材料からなるコンタクト層19上に設けられているので、第1調整層51を選択的にエッチングすることが非常に容易であり、かつ第1調整層51、第2調整層52および第3調整層53を複雑な形状とする必要がないことから、半導体レーザ4を容易に製造することができる。
<6.第5の実施の形態>
[半導体レーザ5(面発光型)の構成]
図24は第5の実施の形態に係る面発光型の半導体レーザ5の上面構成を表すものである。図25は図24の半導体レーザ5のA−A矢視方向の断面構成を表すものである。図26は図25の半導体レーザ5のA−A矢視方向の断面構成を、図27は図25の半導体レーザ5のB−B矢視方向の断面構成をそれぞれ表すものである。なお、図24のB−B,C−C矢視方向の断面構成については上記第1の実施の形態の半導体レーザ1の場合と同様である。
半導体レーザ5は、図24〜図27に示したように、メサ部21の側壁を含む溝22Aの内壁に形成された半導体層28と、この半導体層28の表面のうち溝22Aの底面に対応する部分の一部に形成された一対の電極29A,29Bとを備えていることを除き、上記実施の形態等と同様の構成を有している。
半導体層28は、例えば、エピタキシャル結晶成長(再成長)により、溝22Aの内壁側から、n型半導体層、p型半導体層およびn型半導体層を順に積層したNPN構造となっている。
電極29A,29Bは、例えばAuGe合金層,Ni層およびAu層とを溝22Aの底部側から順に積層した構造となっており、半導体層28の表面と電気的に接続されている。この電極29A,29Bは、保護膜23のうち溝22Aの底部に形成された開口部から露出している。
[作用および効果]
本実施の形態の半導体レーザ5では、電極29A,29Bは、NPN構造を有する半導体層28を介してメサ部21を含む溝22Aの内壁と接続されているので、電極29A,29B間に直流電圧(バイアス)を印加しても、メサ部21内部に電流が流れることはなく、また、レーザ駆動のために上部電極24および下部電極27間に電流を流したときに、その電流が電極29A,29Bへ流れることもない。従って、電極29A,29B間に直流電圧(バイアス)を印加すると、メサ部21内部に電場を形成することができる。この電場は、電極29A,29B対向方向(溝22A同士が互いに対向する方向)であって、かつメサ部21の積層面内方向とほぼ平行な方向に形成されるので、この電場の存在によって、溝22A同士が互いに対向する方向の吸収損失が増大する。
これにより、本実施の形態では、溝22A同士が互いに対向する方向と直交する方向の偏光成分が強められる一方、溝22A同士が互いに対向する方向の偏光成分が抑制されるため、レーザ光の偏光成分を一方向に固定することができる。その結果、レーザ光の偏光方向を一方向に安定化することができる。
また、本実施の形態では、メサ部21の一部(溝20A側の側壁)が半導体層28で覆われているので、メサ部21の熱を半導体層28を介して外部に放散することが可能となり、上記各実施の形態の場合よりも放熱性に優れている。
また、本実施の形態では、半導体層28および電極29A,29Bは簡易な構造となっており、かつ半導体層28は再成長により容易に形成することが可能なものであることから、半導体レーザ5を容易に製造することができる。
<7.第5の実施の形態の変形例>
[半導体レーザ6(面発光型)の構成(半導体レーザ5の変形例)]
上記実施の形態では、半導体層28は溝22A内部に形成されていたが、図28〜図31の面発光型の半導体レーザ6に示したように、半導体層28を溝22B内部にまで形成し、半導体層28によって溝22Bを埋め込むことも可能である。このようにした場合には、メサ部21の大部分(溝22A,22B側の側壁)が半導体層28で覆われているので、半導体層28のうち溝22Bに埋め込まれた部分を介してメサ部21の熱を効果的に放散することが可能となり、上記第5の実施の形態の場合よりも放熱性に優れている。
なお、図28は本変形例に係る半導体レーザ6の上面構成、図29は図28のB−B矢視方向の断面構成、図30は図28のC−C矢視方向の断面構成をそれぞれ表すものである。また、図28のA−A矢視方向の断面構成は図25と同様であり、図31は図29のA−A矢視方向の断面構成を表すものである。
本発明の実施例について詳細に説明する。
(実施例1)
以下の手順により、図1に示した半導体レーザ1を1チャンネルとして40チャンネル備えたレーザアレイを作製した。
まず、基板10上に積層構造20を、MOCVD法により形成した。この際、III−V族化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム(TMIn)、アルシン (AsH3 )を用い、ドナー不純物としては、ケイ素を用い、アクセプタ不純物としては、炭素を用いた。
具体的には、n型GaAsからなる基板10上に、表1に示したように、下部第1DBRミラー層12、下部第2DBRミラー層13および下部第3DBRミラー層14をこの順で積層することにより、下部DBRミラー層11を形成した。なお、表1に示した各層の厚さは、おおよその値である。続いて、下部DBRミラー層11上に、1λキャビティとなるように、n型の下部スペーサ層15A、2組〜4組の量子井戸層からなる活性層16およびp型の上部スペーサ層15Bをこの順で積層した。ここでの発振波長λは、例えば、785nm程度である。続いて、上部スペーサ層15Bの上に、Alx13 Ga1-x13 As層17D(1≦x13<0.9)を形成したのち、Alx13 Ga1-x13 As層17Dの上に、低屈折率層および高屈折率層の多層構造を有する上部DBRミラー層18を形成した。最後に、上部DBRミラー層18上にp型GaAsからなるコンタクト層19を積層した。
Figure 0005326677
こののち、コンタクト層19の表面に、不均一な幅を有する環状の開口Wを40チャンネル分有するレジスト層Rを形成した。この際、各開口Wを、径方向の幅Lyが5μm、周回方向の幅Lxが5μmの一対の円弧状の開口W1と、これらに連通して、径方向の幅ΔRが2μmの一対の円弧状の開口W2とからなるようにした。
次に、レジスト層Rをマスクとして、反応性イオンエッチング法により、コンタクト層19側からエッチングした。これにより、開口W1に対応して溝22Aが形成されると共に開口W2に対応して溝22Bが形成され、これらの溝22A,22Bに囲まれた部分にメサ部21を形成した。
次に、水蒸気雰囲気中において、高温で酸化処理を行い、溝部22の内側から低屈折率層13Aの中の第2屈折率層13Dおよび第4屈折率層13FのAlならびにAlx13 Ga1-x13 As層17DのAlを選択的に酸化し、酸化部31,32および電流狭窄領域17Aを形成した。
次に、CVD法により、メサ部21、溝部22および溝部22の周辺の表面全体に渡って酸化シリコンを堆積させたのち、エッチングにより堆積した酸化シリコンのうちメサ部21の上面に対応する部分を選択的に除去して、コンタクト層19を露出させた。続いて、真空蒸着法により、表面全体に渡って金属材料を積層させたのち、例えば選択エッチングにより、メサ部21の上面に、光射出口24Aを有する上部電極24を形成すると共に、メサ部21から離れた場所に上部電極パッド25を形成した。さらに、めっきにより接続部26を形成して上部電極24および上部電極パッド25を電気的に接続すると共に、基板10の裏面を研磨してその厚さを調整した後、基板10の裏面に下部電極27を形成した。以上により、半導体レーザ1を備えたレーザアレイが完成した。
ここで実施例1の各半導体レーザ1について光射出口24A側から赤外顕微鏡により酸化部30および電流狭窄領域17Aを観察した。この結果の代表例の写真を図32に示した。図32(A)は光射出口24A側から赤外顕微鏡により撮影した写真であり、図32(B)は図32(A)の写真を模式的に表したものである。このように、酸化部31,32(酸化層31A,32A)は、溝22Aに取り囲まれた領域に、電流注入領域17Bに対応する領域を間にして互いに対向配置されていた。また、酸化部31,32の距離Dox1は電流注入領域17Bの径Dox2よりも大きくなっていた。
また、活性層16に発生する応力をシミュレーションしたところ、図33に示した結果が得られた。図33(A)は、半導体レーザ1における基本横モードの出力分布を表し、図33(B)は、応力シミュレーション結果(歪量分布)を表している。なお、図33では、溝22A同士が互いに対向する方向をX軸方向、溝22B同士が互いに対向する方向をY軸方向、活性層16の垂直方向をZ軸方向として表している。また、図33(B)中の歪量のうち、プラスの値が引張り歪み、マイナスの値が圧縮歪みをそれぞれ表している。図33(B)に示したように、活性層16では、電流注入領域17Bに対応する領域(発光領域16A)を間にして、X軸方向に圧縮歪みの強い領域(マイナスの値を示す領域)が対向配置されていた。従って、図33(B)は、活性層16におけるX軸方向の引張り歪量からY軸方向の引張り歪量を差し引いた値(X軸方向の引張り歪量−Y軸方向の引張り歪量)の分布を表していることとなる。そして、活性層16の電流注入領域17Bに対応する領域において、その歪量がプラスの値であった。これらのことから、発光領域16Aでは、X軸方向の引張り歪性が強くなるため、レーザ光の偏光はY軸方向に揃うことが示唆された。
(比較例1)
下部DBRミラー層11の下部第2DBRミラー層13を、表2のように形成したことを除き、実施例1と同様の手順を経た。
Figure 0005326677
これらの実施例1および比較例1のレーザアレイについて、60℃の雰囲気下で注入電流を変化させたときの偏光成分の角度変化量およびI−L特性を調べたところ、図34、図35に示した結果を得た。図34は実施例1,図35は比較例1の結果をそれぞれ表している。図34(A),図35(A)は60℃の雰囲気下で注入電流を変化させたときの光出力2.5mWにおける偏光成分の角度変化量(PolD:°)を表し、図中の縦5個×横8個で並んだ区画はレーザアレイの各チャンネルを表している。また、図34(B),図35(B)は注入電流(If)に対する光出力(Po)の関係(I−L特性:曲線C11,C21)と、各注入電流値における注入電流の変化量に対する光出力の変化量(SE)(曲線C12,C22)の関係とをそれぞれ表している。
図34に示したように、各低屈折率層13Aの中に不均一に分布した複数の酸化層31A,32Aを有する実施例1では、40チャンネル全てにおいてレーザ光の偏光方向は一方向に固定されていた(図34(A))。この実施例1のI−L特性の結果は、注入電流1mA以上で基本横モードを発振したのち、注入電流6mA以上で高次横モードを発振していることを表している(図34(B))。この結果からもわかるように、実施例1では、レーザ光は高出力で発振可能であり、いずれの横モード発振時においても偏光方向が回転したことを表す変曲点はみられなかった(曲線C11,C12)。その一方で、図35に示したように、各低屈折率層中に不均一に分布した酸化層を1層だけ有する比較例1では、11チャンネル(図35(A)中の赤で示したチャンネル)で偏光方向が約90°回転していた。偏光方向が約90°回転した比較例1のチャンネルでは、基本横モード発振時および高次横モード発振時において、偏光成分の方向が回転したことを表す変曲点が複数みられた(図35(B)の曲線C21,22)。
このことから、下部第2DBRミラー層13内に電流注入領域17Bに対応する領域を間にして互いに対向配置された一対の酸化部31,32が溝22A同士の互いに対向する方向に異方的な分布を有する面発光型の半導体レーザでは、以下のことが確認された。すなわち、酸化部31,32が低屈折率層13Aの中に、複数の酸化層31A,32Aとして形成されていることにより、酸化部31,32の互いに対向する方向にかかる引張り応力が活性層16に対して強く発生する。よって、個々の半導体レーザでバラつきなく、レーザ光の偏光方向が一方向に固定され、安定化する。
以上、実施の形態およびその変形例ならびに実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記各実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形可能である。
例えば、図36,図37に示したように溝部22(溝22A,22B)の底部がテーパー形状となっていてもよい。但し、この場合には、上記の面発光型の半導体レーザ1〜3では、個々の半導体レーザにおいて、テーパー形状がバラつくことによる溝22Aの深さがバラつく可能性があり、これにより酸化層31A,32Aの層数あるいは分布が異なる可能性がある。テーパー形状や溝22Aの深さがバラつくと、個々の半導体レーザにおける活性層16へ加わる応力の大きさにバラつきが生じる可能性がある。このような場合には、積層構造20を半導体レーザ1と同様の構成にし、図38,図39に示したように、溝22Aを下部第1DBRミラー層12の中程まで達するように形成すると共に、溝22Bを下部第2DBRミラー層13に達しないように形成する。これにより、溝部22の底部がテーパー形状となったとしても、底部のテーパーが下部第2DBRミラー層13に到達しないので、テーパー形状のバラつきによる悪影響が酸化層31A,32Aの分布に及ぶ虞はない。よって、個々の面発光型の半導体レーザにおける活性層16に加わる応力の大きさにバラつきが生じるのを防止することができる。
また、上記各実施の形態等では、上面側から見た溝22Aの形状がほぼ四辺形状となっていたが、例えば、図40に示したように扇形状としたり、図41に示したように釘の断面のような形状とすることも可能である。
また、上記各実施の形態等では、メサ部21を1つだけ設けた場合について説明したが、図42,図43に示したように、複数のメサ部21をアレイ状に配置すると共に、各メサ部21の周辺の溝部22を互いに連通して形成するようにしてもよい。このとき、溝部22の形状を図44,図45に示したように釘の断面のような形状とすることも可能である。このように、各メサ部21の周辺の溝部22を互いに連通して形成した場合には、面発光型半導体レーザ1をチップ状にダイシングする前のウェハにおいて、エピタキシャル結晶成長により生じたウェハ全体の反りを緩和することができる。これにより、ダイシング後の個々のチップに残留する反り量を小さくすることができ、また、個々のチップの反り量のバラつきを低減することができる。
また、溝部22の形状を扇形状とした場合に、図46,図47に示したように溝22A同士が互いに対向する方向を等しくしたときには、各メサ部21の光射出口24Aから射出されるレーザ光の偏光成分を一方向に固定することができ、その結果、高出力化しつつ、レーザ光の偏光方向を一方向に安定化することができる。もっとも、図48に示したように、溝22A同士が互いに対向する方向を互い違いにしたときには、溝22A同士が互いに対向する方向が一の方向の溝部22に囲まれた各メサ部21に電圧を印加する期間と、溝22A同士が互いに対向する方向が他の方向の溝部22に囲まれた各メサ部21に電圧を印加する期間とが互いに重なり合わないように面発光型の半導体レーザを駆動することにより、レーザ光の偏光方向を一方向に安定化しつつ、必要に応じて偏光方向を切り換えることも可能となる。また、図49に示したように、一方の列に含まれる複数のメサ部21と、他方の列に含まれる複数のメサ部21とを互い違いに配置してもよい。
また、上記各実施の形態等では、AlGaAs系の化合物半導体レーザを例にして本発明を説明したが、他の化合物半導体レーザ、例えばGaInP系、AlGaInP系、InGaAs系、GaInP系、InP系、GaN系、GaInN系またはGaInNAs系などのなど化合物半導体レーザにも適用可能である。
また、上記各実施の形態等では、活性層16に対して不均一な応力を発生させるための酸化部を下部DBRミラー層11に形成した場合について説明したが、この酸化部を上部DBRミラー層18に形成するようにしてもよい。この場合においても、酸化部が、上部DBRミラー層18内の低屈折率層のうちの少なくとも1層の中の、電流注入領域17Bに対応する領域の周辺に、メサ部21の中心軸を中心にして回転する方向に不均一に分布する複数の酸化層として含まれていれば、上記各実施の形態等と同様に作用し、同様の効果が得られる。
また、上記実施の形態等では、積層構造20が下部第1DBRミラー層11等を積層したものとして説明したが、その「積層」は積層構造20が下部第1DBRミラー層11等以外の層を含む可能性を否定したものではない。すなわち、積層構造20は下部第1DBRミラー層11等の他に、他の層を含んでいてもよい。この積層の意味するところは、積層構造20以外の、例えば下部第1DBRミラー層11などの積層した構造を有するものについても同様である。
さらに、上記した実施の形態等では、酸化部が形成される低屈折率層のAl組成や光学厚さ等について、適正な数値範囲を説明しているが、その説明は、酸化部が形成される低屈折率層のAl組成や光学厚さ等が上記した範囲外となる可能性を完全に否定するものではない。すなわち、上記した適正範囲は、あくまで本発明の効果を得る上で特に好ましい範囲であり、本発明の効果が得られるのであれば、酸化部が形成される低屈折率層のAl組成や光学厚さ等が上記した範囲から多少外れてもよい。
1,2,3,4,5,6…半導体レーザ、10…基板、11…下部DBRミラー層、12…下部第1DBRミラー層、12A,13A,14A…低屈折率層、12B,13B,14B…高屈折率層、13…下部第2DBRミラー層、13C…第1屈折率層、13D…第2屈折率層、13E…第3屈折率層、13F…第4屈折率層、13G…第5屈折率層、13H…第6屈折率層、13I…第7屈折率層、14…下部第3DBRミラー層、15A…下部スペーサ層、15B…上部スペーサ層、16…活性層、16A…発光領域、17…電流狭窄層、17A…電流狭窄領域、17B…電流注入領域、17D…Alx13 Ga1-x13 As層、18…上部DBRミラー層、19…コンタクト層、20…積層構造、21…メサ部、22…溝部、22A,22B…溝、23…保護膜、24…上部電極、24A…光射出口、25…上部電極パッド、26…接続部、27…下部電極、30,31,32,40,41,42,43…酸化部、31A,32A,41A,42A,43A…酸化層、50…横モード調整層、51…第1調整層、52…第2調整層、53…第3調整層、Lx,Ly,ΔR…幅、D1,D2…深さ、Dox1…酸化層の間隙の距離、Dox2…電流注入領域の径方向の長さ、W,W1,W2…開口。

Claims (15)

  1. 基板側から順に、下部多層膜反射鏡、活性層および上部多層膜反射鏡を含む積層構造を備え、
    前記積層構造は、前記下部多層膜反射鏡の上部部分、前記活性層および前記上部多層膜反射鏡を含む柱状のメサ部を有し、
    前記下部多層膜反射鏡は、前記基板側から順に、相対的に酸化されにくい第1多層膜、相対的に酸化されやすい第2多層膜および相対的に酸化されにくい第3多層膜を有し、
    前記第1多層膜は、Al x1 Ga 1-x1 Asを含む低屈折率層およびAl x2 Ga 1-x2 Asを含む高屈折率層の組を複数組有し、
    前記第2多層膜は、Al x3 Ga 1-x3 Asを含む第1屈折率層、Al x4 Ga 1-x4 Asを含む第2屈折率層、Al x5 Ga 1-x5 Asを含む第3屈折率層、Al x6 Ga 1-x6 Asを含む第4屈折率層およびAl x7 Ga 1-x7 Asを含む第5屈折率層からなる低屈折率層ならびにAl x8 Ga 1-x8 Asを含む高屈折率層の組を複数組有し、
    前記第3多層膜は、Al x9 Ga 1-x9 Asを含む低屈折率層およびAl x10 Ga 1-x10 Asを含む高屈折率層の組を複数組有し、
    前記x1〜x10は、式(1)で表される数式を満たし、
    1≧(x4,x6)>(x1,x3,x5,x7,x9)>0.8>(x2,x8,x10)≧0…(1)
    前記第2多層膜の低屈折率層のうちの少なくとも1層の中の中央領域を除く領域に、前記メサ部の中心軸を中心にして回転する方向に不均一に分布する複数の酸化層を有する
    半導体レーザ。
  2. 基板側から順に、下部多層膜反射鏡、活性層および上部多層膜反射鏡を含む積層構造を備え、
    前記積層構造は、前記下部多層膜反射鏡の上部部分、前記活性層および前記上部多層膜反射鏡を含む柱状のメサ部を有し、
    前記下部多層膜反射鏡は、前記基板側から順に、相対的に酸化されやすい第2多層膜および相対的に酸化されにくい第3多層膜を有し、
    前記第2多層膜は、Al x3 Ga 1-x3 Asを含む第1屈折率層、Al x4 Ga 1-x4 Asを含む第2屈折率層、Al x5 Ga 1-x5 Asを含む第3屈折率層、Al x6 Ga 1-x6 Asを含む第4屈折率層およびAl x7 Ga 1-x7 Asを含む第5屈折率層からなる低屈折率層ならびにAl x8 Ga 1-x8 Asを含む高屈折率層の組を複数組有し、
    前記第3多層膜は、Al x9 Ga 1-x9 Asを含む低屈折率層およびAl x10 Ga 1-x10 Asを含む高屈折率層の組を複数組有し、
    前記x3〜x10は、式(2)で表される数式を満たし、
    1≧(x4,x6)>(x3,x5,x7,x9)>0.8>(x8,x10)≧0…(2)
    前記第2多層膜の低屈折率層のうちの少なくとも1層の中の中央領域を除く領域に、前記メサ部の中心軸を中心にして回転する方向に不均一に分布する複数の酸化層を有する
    半導体レーザ。
  3. 前記複数の酸化層のうちの少なくとも1層は、前記メサ部の中心軸を間にして互いに対向配置された第1酸化部および第2酸化部からなる
    請求項1または2に記載の半導体レーザ。
  4. 前記酸化層を有する低屈折率層の厚さ方向における光学的距離L1 は、L1 ≧λ/4(λは活性層から発光する光の波長を表す。)を満たす
    請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体レーザ。
  5. 前記光学的距離L1 は、λ/4≦L1 ≦1.4×(λ/4)を満たし、
    前記酸化層を有する低屈折率層と隣り合う高屈折率層のうちのいずれか一方の厚さ方向における光学的距離L2 は、0.6×(λ/4)≦L2 ≦λ/4を満たす
    請求項に記載の半導体レーザ。
  6. 前記光学的距離L1 は、λ/4≦L1 ≦1.2×(λ/4)を満たし、
    前記光学的距離L2 は、0.8×(λ/4)≦L2 ≦λ/4を満たす
    請求項に記載の半導体レーザ。
  7. 前記下部多層膜反射鏡は、前記酸化層の層数が異なる低屈折率層を有する
    請求項1または2に記載の半導体レーザ。
  8. 前記下部多層膜反射鏡は、前記酸化層の層数が異なる低屈折率層のうち、酸化層の層数が多いものを前記活性層側に有する
    請求項に記載の半導体レーザ。
  9. 前記メサ部は、面内の中央領域に未酸化領域を有する共に、前記未酸化領域の周縁に環状の酸化領域を含む電流狭窄層を有し、
    前記酸化層の厚さは、前記電流狭窄層の厚さよりも薄くなっている
    請求項1または2に記載の半導体レーザ。
  10. 前記積層構造は、メサ部を取り囲む溝部を有し、
    前記溝部は、前記酸化層の分布に対応して不均一な深さを有する
    請求項1または2に記載の半導体レーザ。
  11. 前記複数の酸化層のうちの少なくとも1層は、前記メサ部の中心軸を間にして互いに対向配置された第1酸化部および第2酸化部からなり、
    前記第1酸化部および前記第2酸化部は、前記溝部のうち深さが深い部分に対応して形成されている
    請求項10に記載の半導体レーザ。
  12. 前記溝部は、前記酸化層の分布に対応して不均一な幅を有する
    請求項10に記載の半導体レーザ。
  13. 前記溝部のうち深さが浅い部分に対応する部分の幅は、1μm以上3μm以下である
    請求項10に記載の半導体レーザ。
  14. 基板上に、前記基板側から順に、相対的に酸化されにくい第1多層膜、相対的に酸化されやすい第2多層膜および相対的に酸化されにくい第3多層膜を有する下部多層膜反射鏡を形成する工程と、
    前記下部多層膜反射鏡の上面側に、活性層および上部多層膜反射鏡をこの順に形成する工程と、
    前記上部多層膜反射鏡の上面側に、不均一な幅を有する環状の開口部を1または複数有する被覆層を形成する工程と、
    前記被覆層をマスクとしてドライエッチングすることにより前記開口部の幅に応じた不均一な深さの溝部を形成する工程と、
    前記溝部の側面を酸化することにより前記下部多層膜反射鏡に、前記溝部の深さに対応して不均一に分布する酸化部を形成する工程とを含み、
    前記第1多層膜は、Al x1 Ga 1-x1 Asを含む低屈折率層およびAl x2 Ga 1-x2 Asを含む高屈折率層の組を複数組有し、
    前記第2多層膜は、Al x3 Ga 1-x3 Asを含む第1屈折率層、Al x4 Ga 1-x4 Asを含む第2屈折率層、Al x5 Ga 1-x5 Asを含む第3屈折率層、Al x6 Ga 1-x6 Asを含む第4屈折率層およびAl x7 Ga 1-x7 Asを含む第5屈折率層からなる低屈折率層ならびにAl x8 Ga 1-x8 Asを含む高屈折率層の組を複数組有し、
    前記第3多層膜は、Al x9 Ga 1-x9 Asを含む低屈折率層およびAl x10 Ga 1-x10 Asを含む高屈折率層の組を複数組有し、
    前記x1〜x10は、式(3)で表される数式を満たす
    1≧(x4,x6)>(x1,x3,x5,x7,x9)>0.8>(x2,x8,x10)≧0…(3)
    半導体レーザの製造方法。
  15. 基板上に、前記基板側から順に、相対的に酸化されやすい第2多層膜および相対的に酸化されにくい第3多層膜を有する下部多層膜反射鏡を形成する工程と、
    前記下部多層膜反射鏡の上面側に、活性層および上部多層膜反射鏡をこの順に形成する工程と、
    前記上部多層膜反射鏡の上面側に、不均一な幅を有する環状の開口部を1または複数有する被覆層を形成する工程と、
    前記被覆層をマスクとしてドライエッチングすることにより前記開口部の幅に応じた不均一な深さの溝部を形成する工程と、
    前記溝部の側面を酸化することにより前記下部多層膜反射鏡に、前記溝部の深さに対応して不均一に分布する酸化部を形成する工程とを含み、
    前記第2多層膜は、Al x3 Ga 1-x3 Asを含む第1屈折率層、Al x4 Ga 1-x4 Asを含む第2屈折率層、Al x5 Ga 1-x5 Asを含む第3屈折率層、Al x6 Ga 1-x6 Asを含む第4屈折率層およびAl x7 Ga 1-x7 Asを含む第5屈折率層からなる低屈折率層ならびにAl x8 Ga 1-x8 Asを含む高屈折率層の組を複数組有し、
    前記第3多層膜は、Al x9 Ga 1-x9 Asを含む低屈折率層およびAl x10 Ga 1-x10 Asを含む高屈折率層の組を複数組有し、
    前記x3〜x10は、式(4)で表される数式を満たす
    1≧(x4,x6)>(x3,x5,x7,x9)>0.8>(x8,x10)≧0…(4)
    半導体レーザの製造方法。
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