JP7123068B2 - 面発光半導体レーザ - Google Patents

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Description

本発明は、面発光半導体レーザに関する。
光の共振方向が基板面に対して垂直な面発光半導体レーザが知られている。
たとえば、特許文献１は、ｎ型ＧａＡｓ基板と、ｎ型ＧａＡｓ基板上のｎ型多層膜ブラッグ反射層と、ｎ型多層膜ブラッグ反射層上のｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層と、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層上の多重量子井戸活性層と、多重量子井戸活性層上のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層と、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層の途中に設けられたｐ型ＡｌＡｓ選択酸化層と、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層上のｐ型多層膜ブラッグ反射層と、ｐ型多層膜ブラッグ反射層上のｐ型ＧａＡｓコンタクト層と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層の表面に形成されたｐ側電極と、基板裏面に形成されたｎ側電極とを含む、面発光半導体レーザを開示している。
特開２０１４－２２６９０号公報
従来の面発光半導体レーザでは、入力電流の増加に従い、斜め方向の光（高次モード）が発生し、光の方射角が大きくなりやすくなる。そのため、光学設計をすることが難しく、たとえば測距センサのようなセンサ用途として使用する際に光出力が制限される。
そこで、本発明の目的は、より指向性の高いレーザ光を出力することができる面発光半導体レーザを提供することである。
本発明の一実施形態に係る面発光半導体レーザは、第１導電型層、前記第１導電型層上に積層された活性層、および前記活性層上に積層された第２導電型層を含み、前記活性層で発生した光が、これらの層の積層方向に沿って共振して前記第２導電型層側からレーザ光として取り出される半導体積層構造と、前記活性層上であって前記第２導電型層の表面よりも前記活性層側に形成され、開口を有する絶縁性の電流狭窄層であって、前記開口を介して前記活性層と前記第２導電型層とが電気的に接続された電流狭窄層と、前記第２導電型層上に形成され、前記活性層の発光波長に対して透光性を有する絶縁層と、前記第１導電型層に電気的に接続された第１電極と、前記絶縁層上に形成され、前記絶縁層を貫通して前記第２導電型層に電気的に接続された第２電極とを含み、前記絶縁層の一部は前記第２電極から露出しており、その露出する前記絶縁層は、第１の厚さを有する第１部分と、前記第１の厚さに比べて前記活性層から発せられた光の出力を前記第１部分よりも低減させるような第２の厚さを有し、前記第１部分を取り囲む第２部分とを含む。
図１は、本発明の一実施形態に係る面発光半導体レーザの模式的な平面図である。 図２は、図１のII－II切断線における前記面発光半導体レーザの模式的な断面図である。 図３は、図１のIII－III切断線における前記面発光半導体レーザの模式的な断面図である。 図４は、図１のIV－IV切断線における前記面発光半導体レーザの模式的な断面図である。 図５は、図１のメサ構造部の模式的な拡大斜視図である。 図６は、図１のメサ構造部の模式的な拡大平面図である。 図７は、図６のVII－VII切断線における前記メサ構造部の模式的な断面図である。 図８は、図７の二点鎖線VIIIで囲まれた部分の拡大図である。 図９は、図８の二点鎖線IXで囲まれた部分の拡大図である。 図１０は、実施例、比較例および参考例にかかるレーザ光の方射角と光出力との関係を示す図である。 図１１は、実施例、比較例および参考例にかかる電流と光出力との関係を示す図である。 図１２Ａは、本発明の一実施形態に係る面発光半導体レーザの製造工程の一部を示す図である。 図１２Ｂは、図１２Ａの次の工程を示す図である。 図１２Ｃは、図１２Ｂの次の工程を示す図である。 図１２Ｄは、図１２Ｃの次の工程を示す図である。 図１２Ｅは、図１２Ｄの次の工程を示す図である。 図１２Ｆは、図１２Ｅの次の工程を示す図である。 図１２Ｇは、図１２Ｆの次の工程を示す図である。 図１２Ｈは、図１２Ｇの次の工程を示す図である。 図１３は、前記面発光半導体レーザの変形例を示す図である。 図１４は、前記面発光半導体レーザの変形例を示す図である。 図１５は、前記面発光半導体レーザの変形例を示す図である。 図１６は、前記面発光半導体レーザの変形例を示す図である。 図１７は、前記面発光半導体レーザの変形例を示す図である。 図１８は、前記面発光半導体レーザの変形例を示す図である。 図１９は、図７の二点鎖線XIXで囲まれた部分の拡大図である。 図２０は、前記面発光半導体レーザの変形例を示す図である。 図２１は、前記面発光半導体レーザの変形例を示す図である。 図２２は、前記面発光半導体レーザの変形例を示す図である。 図２３は、前記面発光半導体レーザの変形例を示す図である。
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る面発光半導体レーザ１の模式的な平面図である。図２は、図１のII－II切断線における面発光半導体レーザ１の模式的な断面図である。図３は、図１のIII－III切断線における面発光半導体レーザ１の模式的な断面図である。図４は、図１のIV－IV切断線における面発光半導体レーザ１の模式的な断面図である。なお、図２、図３および図４の間で、各構成の比率は一致するものではない。
面発光半導体レーザ１は、基板２と、基板２上に形成された半導体積層構造３（III族窒化物半導体積層構造）と、基板２の裏面（半導体積層構造と反対側の表面）上に形成された本発明の第１電極の一例としてのｎ側電極４と、半導体積層構造３の表面上に形成された本発明の第２電極の一例としてのｐ側電極５とを備えた面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）である。
基板２は、図１に示すように、平面視長方形状に形成されており、たとえば長辺２Ａの長さが９００μｍ±５μｍ程度であり、短辺２Ｂの長さが４７０μｍ±５μｍ程度である。基板２は、この実施形態では、ｎ型のＧａＡｓ単結晶基板で構成されており、たとえば、７０μｍ～３００μｍの厚さを有している。また、基板２には、たとえば５×１０１７ｃｍ－３～４×１０１８ｃｍ－３の濃度で、ｎ型不純物（たとえば、Ｓｉ）がドープされている。この基板２は、たとえば、ｃ面やｍ面を主面としたものである。この主面上における結晶成長によって、半導体積層構造３が形成されている。したがって、半導体積層構造３は、基板２の主面と同じ結晶面を成長主面とするIII族窒化物半導体からなる。非極性面（とくにｍ面）を主面とするＧａＡｓ単結晶基板上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させると、転位がより低減した良好なIII族窒化物半導体結晶を成長させることができる。
半導体積層構造３は、活性層６と、本発明の第１導電型層の一例としてのｎ型半導体層７と、本発明の第２導電型層の一例としてのｐ型半導体層８とを備えている。ｎ型半導体層７は活性層６に対して基板２側に配置されており、ｐ型半導体層８は活性層６に対してｐ側電極５側に配置されている。こうして、活性層６が、ｎ型半導体層７およびｐ型半導体層８によって挟持されていて、ダブルヘテロ接合が形成されている。活性層６には、ｎ型半導体層７から電子が注入され、ｐ型半導体層８から正孔が注入される。これらが活性層６で再結合することにより、光が発生するようになっている。
ｎ型半導体層７は、基板２側から順に、ｎ型バッファ層９、ｎ型ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector：分布ブラッグ反射）層１０およびｎ型クラッド層１１を積層して構成されている。
ｎ型バッファ層９は、この実施形態では、ｎ型のＧａＡｓで構成されており、たとえば、０．０５μｍ～０．２μｍの厚さを有している。また、ｎ型バッファ層９には、たとえば１×１０１８ｃｍ－３～３×１０１８ｃｍ－３の濃度で、ｎ型不純物（たとえば、Ｓｉ）がドープされている。
ｎ型ＤＢＲ層１０は、この実施形態では、たとえば６００Åの厚さを有する相対的にＡｌ組成が低いｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層１２（低Ａｌ組成層）と、たとえば７００Åの厚さを有する相対的にＡｌ組成が高いｎ型Ａｌ０．９２Ｇａ０．１６Ａｓ層１３（高Ａｌ組成層）とを交互に複数周期（たとえば、２０周期）繰り返し積層して構成されている。ｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層１２およびｎ型Ａｌ０．９２Ｇａ０．１６Ａｓ層１３には、それぞれ、たとえば２×１０１７ｃｍ－３～３×１０１８ｃｍ－３および２×１０１７ｃｍ－３～３×１０１８ｃｍ－３の濃度で、ｎ型不純物（たとえば、Ｓｉ）がドープされている。
ｎ型ＤＢＲ層１０は、ｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層１２とｎ型Ａｌ０．９２Ｇａ０．１６Ａｓ層１３とで構成される複数の界面からの反射光同士の干渉現象を利用するものであり、異なる界面から反射されてくる光の位相を３６０°ずらせるようにして、互いに強め合うようにし、反射光の強度をより高くするものである。このように動作させるためには、ｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層１２の屈折率をｎ１、ｎ型Ａｌ０．９２Ｇａ０．１６Ａｓ層１３の屈折率をｎ２とし、レーザ共振器内の発振させたいレーザ光の波長をλとすると、ｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層１２の厚さはλ／４ｎ１で決定され、ｎ型Ａｌ０．９２Ｇａ０．１６Ａｓ層１３の厚さはλ／４ｎ２で決定される。後述するｐ型ＤＢＲ層１７におけるｐ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層２２およびｐ型Ａｌ０．９２Ｇａ０．１６Ａｓ層２３についても上記と同様のことが言える。
ｎ型クラッド層１１は、この実施形態では、ｎ型のＡｌＧａＡｓで構成されており、たとえば、０．０８μｍ～０．１２μｍの厚さを有している。また、ｎ型クラッド層１１には、たとえば３×１０１８ｃｍ－３以下の濃度で、ｎ型不純物（たとえば、Ｓｉ）がドープされていてもよいし、アンドープであってもよい。
活性層６は、量子井戸構造（Quantum Well）を有する活性層であり、井戸層（ウェル層）を、井戸層よりもバンドギャップの大きな障壁層（バリア層）でサンドイッチ状に挟んだ構造となっている。この量子井戸構造は、１つではなく、多重化してもよく、この場合は、ＭＱＷ（Multi Quantum Well）、すなわち多重量子井戸構造となる。
活性層６は、この実施形態では、アンドープのＧａＡｓ井戸層１４とアンドープのＡｌＧａＡｓ障壁層１５（バリア層）とを交互に積層した多重量子井戸構造により構成されている。たとえば、最初に、１００Å厚のアンドープＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ障壁層１５を形成する。次に、この障壁層１５上に、８０Å厚のアンドープＧａＡｓ井戸層１４と１００Å厚のアンドープＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ障壁層１５を交互に繰り返し２～６周期形成する。この上に、８０Å厚のアンドープＧａＡｓ井戸層１４を積層し、さらに、この井戸層１４上に１００Å厚のアンドープＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ障壁層１５を積層する。すなわち、多重量子井戸構造の両側は、中間の障壁層１５と厚さが異なるアンドープＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層による障壁層１５で形成される。
ｐ型半導体層８は、活性層６の上に順に、ｐ型クラッド層１６、ｐ型ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector：分布ブラッグ反射）層１７およびｐ型コンタクト層１８を積層して構成されている。
ｐ型クラッド層１６は、この実施形態では、ｐ型のＡｌＧａＡｓで構成されており、たとえば、０．０８μｍ～０．１２μｍの厚さを有している。また、ｐ型クラッド層１６には、たとえば５×１０１８ｃｍ－３以下の濃度で、ｐ型不純物（たとえば、Ｃ）がドープされていてもよいし、アンドープであってもよい。
ｐ型クラッド層１６には、ｐ型層１９およびｐ型層１９を取り囲む電流狭窄層２０が形成されている。ｐ型層１９および電流狭窄層２０は、この実施形態では、互いの上面および下面が半導体積層構造３の積層界面に沿って連続して構成されている。ｐ型層１９は、この実施形態では、ｐ型クラッド層１６よりもＡｌ組成が高いｐ型のＡｌＧａＡｓで構成されている。たとえば、ｐ型クラッド層１６がＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ層であり、ｐ型層１９がＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層であってもよい。一方、電流狭窄層２０は、この実施形態では、Ａｌを含有する酸化絶縁層で構成されている。また、ｐ型層１９および電流狭窄層２０は、１５ｎｍ～５０ｎｍの厚さを有している。また、ｐ型層１９には、たとえば５×１０１８ｃｍ－３～２×１０１９ｃｍ－３の濃度で、ｐ型不純物（たとえば、Ｃ）がドープされている。
面発光半導体レーザ１を流れる電流は、ｐ型クラッド層１６においては、電流狭窄層２０に流れず、電流狭窄層２０で取り囲まれたｐ型層１９に狭窄されるようになっており、ｐ型層１９に対向する活性層６の領域が発光領域となる。
なお、ｐ型層１９および電流狭窄層２０は、図２～図４に示すように、ｐ型クラッド層１６の厚さ方向途中部に選択的に形成されていてもよい。この場合、半導体積層構造３の積層方向において、ｐ型層１９および電流狭窄層２０の両側に、ｐ型クラッド層１６が配置されることになる。また、図示は省略するが、ｐ型クラッド層１６の厚さ方向一端から他端にわたって形成されていてもよい（つまり、ｐ型層１９がｐ型クラッド層１６であってもよい）。また、電流狭窄層２０は、この実施形態のように、ｐ型半導体層８の積層構造の一部としてｐ型ＤＢＲ層１７と活性層６との間に形成されていてもよいし、ｐ型半導体層８の積層構造から独立して、ｐ型半導体層８と活性層６との間に形成されていてもよい。つまり、電流狭窄層２０は、活性層６上であって、ｐ型半導体層８の表面よりも活性層６側に形成されていればよい。
ｐ型ＤＢＲ層１７は、この実施形態では、たとえば６００Åの厚さを有する相対的にＡｌ組成が低いｐ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層２２（低Ａｌ組成層）と、たとえば７００Åの厚さを有する相対的にＡｌ組成が高いｐ型Ａｌ０．９２Ｇａ０．１６Ａｓ層２３（高Ａｌ組成層）とを交互に複数周期（たとえば、２０周期）繰り返し積層して構成されている。ｐ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ層２２およびｐ型Ａｌ０．９２Ｇａ０．１６Ａｓ層２３には、それぞれ、たとえば２×１０１８ｃｍ－３～１×１０１９ｃｍ－３および２×１０１８ｃｍ－３～１×１０１９ｃｍ－３の濃度で、ｐ型不純物（たとえば、Ｃ）がドープされている。
ｐ型コンタクト層１８は、この実施形態では、ｐ型のＧａＡｓで構成されており、たとえば、０．０２μｍ～０．０８μｍの厚さを有している。また、ｐ型コンタクト層１８には、たとえば１×１０１９ｃｍ－３～５×１０１９ｃｍ－３の濃度で、ｐ型不純物（たとえば、Ｃ）がドープされている。
そして、半導体積層構造３には、メサ構造部２４が形成されている。より具体的には、半導体積層構造３に環状のトレンチ２５が形成されており、当該トレンチ２５の内側に、横断面視ほぼ台形形状のメサ構造部２４が形成されている。
この実施形態では、図１に示すように、平面視において、半導体積層構造３の表面のほぼ全体に複数のトレンチ２５が互いに独立して形成されており、各トレンチ２５に取り囲まれるようにメサ構造部２４が配置されている。メサ構造部２４の配列パターンは、図１に示すような千鳥配列であってもよいし、マトリクス配列であってもよい。
面発光半導体レーザ１では、各メサ構造部２４の活性層６で発光し、その光を増幅させることによってメサ構造部２４の頂面からレーザ発振が行われる。基板２の面内において、長辺２Ａに沿う方向における両端部のメサ構造部２４間の距離Ｌ１（長辺方向の発光点サイズ）は、たとえば８００μｍ程度であり、短辺２Ｂに沿う方向における両端部のメサ構造部２４間の距離Ｌ２（長辺方向の発光点サイズ）は、たとえば３５０μｍ程度であってもよい。また、隣り合うメサ構造部２４間の距離Ｌ３（メサ構造部のピッチ）は、たとえば、８０μｍ程度であってもよい。
一方、半導体積層構造３において、トレンチ２５の外側に形成され、レーザ発振に寄与しないｎ型半導体層７、活性層６およびｐ型半導体層８の積層構造は、フィールド構造部２６と定義してもよい。フィールド構造部２６は、図１に示すように、平面視において、隣り合うメサ構造部２４の間を連続して延び、半導体積層構造３の表面全体にわたって広がる積層構造部である。
また、各トレンチ２５の第２側面３０（フィールド構造部２６の壁面）および第１側面３１（メサ構造部２４の壁面）は、それぞれ、トレンチ２５の底面３２に対して傾斜した傾斜面となっている。これにより、横断面視において、トレンチ２５は、底面３２に向かって細くなるテーパ形状となっている。
半導体積層構造３の表面を覆うように、本発明の絶縁層の一例としての表面絶縁膜２７が形成されている。表面絶縁膜２７は、図１に示すように、平面視において、半導体積層構造３の周縁部２８以外の部分全体に形成されている。
一方、半導体積層構造３の周縁部２８は、面発光半導体レーザ１の製造プロセスにおけるダイシング工程において、ダイシングソーによって切断されるダイシングラインの残り部分であり、全周にわたって露出している。表面絶縁膜２７は、活性層６の発光波長（レーザ光の波長）λに対して透光性を有する材料からなり、たとえば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）等からなる。また、図２～図４に示すように、表面絶縁膜２７には、メサ構造部２４のｐ型コンタクト層１８を選択的に露出させるコンタクトホール２９が形成されている。
ｐ側電極５は、この実施形態では、半導体積層構造３の表面に接触するように形成されている。ｐ側電極５は、半導体積層構造３の周縁部２８を露出させるように表面絶縁膜２７の表面全体を覆っている。ｐ側電極５は、この実施形態では、半導体積層構造３側から順に、Ｔｉ層およびＡｕ層を積層して構成されている。ｐ側電極５の厚さは、たとえば、０．１μｍ～０．３μｍであってもよい。
また、ｐ側電極５は、配置された領域ごとに、メサ構造部２４の頂面に沿うコンタクト部３３、トレンチ２５の底面３２および側面３０，３１に沿う底面部３４および側面部３５、ならびに、フィールド構造部２６の頂面に沿うフィールド部３６と定義してもよい。
ｐ側電極５のコンタクト部３３は、表面絶縁膜２７のコンタクトホール２９を介して、メサ構造部２４のｐ型コンタクト層１８に接続されている。また、ｐ側電極５のコンタクト部３３には、コンタクトホール２９よりも内方の領域（コンタクトホール２９に取り囲まれた領域）に、表面絶縁膜２７の一部を露出させるレーザ発振用の開口３９が形成されている。
また、ｐ側電極５のフィールド部３６上には、ワイヤボンディング用の金属層３７および放熱用の金属層３８が選択的に形成されている。金属層３７，３８は、いずれも、ｐ側電極５よりも厚い厚さを有しており、その厚さは、たとえば、２μｍ～４μｍであってもよい。また、金属層３７，３８は、この実施形態では、Ａｕ層からなっていてもよい。なお、ｐ側電極５がＴｉ層とＡｕ層との積層構造からなり、金属層３７，３８がＡｕ層からなる場合、これらの界面はＡｕ／Ａｕ界面となるため、図２～図４に示す明確な界面が存在しないことがある。
また、図１に示すように、平面視において、ワイヤボンディング用の金属層３７は、ｐ側電極５の周縁部（半導体積層構造３の周縁部２８の近傍）に配置され、放熱用の金属層３８は、ｐ側電極５の中央部に配置されている。
ワイヤボンディング用の金属層３７をｐ側電極５の周縁部に配置することによって、ワイヤがメサ構造部２４の上方を通過することを防止できるので、ワイヤがレーザ発振の妨げになることを防止することができる。
一方、放熱用の金属層３８については、ｐ側電極５の中央部において隣り合うメサ構造部２４の間に配置することによって、ｐ側電極５上のスペースを有効に利用しながら、金属層３８の周囲にある複数のメサ構造部２４からの熱を集約して効率よく放熱することができる。
ｎ側電極４は、この実施形態では、基板２の裏面に接触するように形成されている。基板２側から順に、ＡｕＧｅ層、Ｎｉ層およびＡｕ層を積層して構成されている。ｎ側電極４の厚さは、たとえば、０．１μｍ～０．６μｍであってもよい。
そして、この面発光半導体レーザ１では、ｎ側電極４およびｐ側電極５を電源に接続し、ｎ型半導体層７およびｐ型半導体層８から電子および正孔を活性層６に注入することによって、各メサ構造部２４の活性層６内で電子および正孔の再結合を生じさせ、たとえば波長λ＝８４０ｎｍ～８６０ｎｍの光を発生させることができる。この光は、ｎ型ＤＢＲ層１０とｐ型ＤＢＲ層１７との間を基板２に垂直な方向に沿って往復しながら共振して増幅される。そして、レーザ出射端面である各メサ構造部２４の頂面から、レーザ発振用開口３９を介してレーザ出力が外部に取り出されることになる。
次に、面発光半導体レーザ１のメサ構造部２４の構造を、より詳細に説明する。
図５は、図１のメサ構造部２４の模式的な拡大斜視図である。図６は、図１のメサ構造部２４の模式的な拡大平面図である。図７は、図６のVII－VII切断線におけるメサ構造部２４の模式的な断面図である。図８は、図７の二点鎖線VIIIで囲まれた部分の拡大図である。図９は、図８の二点鎖線IXで囲まれた部分の拡大図である。なお、図２～図４と図５～図９との間で、各構成の比率は一致するものではない。
前述したように、表面絶縁膜２７は、メサ構造部２４上の領域においてレーザ発振用の開口３９から露出した露出部４０を有している。露出部４０には、選択的に凹んだ環状の凹部４１が形成されている。この凹部４１で取り囲まれた内側部分に点状の第１凸部４２が形成されている。さらに、この実施形態では、凹部４１の外側に、凹部４１を取り囲む環状の第２凸部４３が形成されている。つまり、凹部４１は、第１凸部４２と第２凸部４３との間に区画されており、図８および図９に示すように、第１側面４５（第１凸部４２の壁面）および第２側面４４（第２凸部４３の壁面）第２側面４４第１側面４５を有し、これらが平坦な底面４６によって接続されている。
より具体的には、凹部４１の第１側面４５および第２側面４４は、それぞれ、底面４６に対して傾斜した傾斜面であり、これにより、凹部４１は、横断面視において、底面４６に向かって幅が狭まるテーパ形状を有している。たとえば、凹部４１の第１側面４５および第２側面４４の底面４６に対する傾斜角θ１（図９参照）は、３０°～４０°程度であってもよい。半導体積層構造３から傾斜面４４，４５に当たった光は、表面絶縁膜２７の屈折率＞空気の屈折率の関係、すなわちスネルの法則によって、凸部４２側に集まる効果がある。そのため、第１側面４５および第２側面４４が底面４６に対する垂直面である場合に比べて、光の放射角をより小さくする効果を得ることができる。
そして、図８および図９に示すように、表面絶縁膜２７の露出部４０は、第１凸部４２および第１凸部４２の直下の部分で構成された第１部分４７と、凹部４１の底面部で構成され、第１部分４７を取り囲む第２部分４８と、第２凸部４３および第２凸部４３の直下の部分で構成され、第２部分４８を取り囲む第３部分４９とに区別することができる。
第１部分４７および第２部分４８の膜厚（物理的な厚さ）に関して、第１部分４７の光学的厚さ（第１の光学的厚さ）に比べて、活性層６の発光波長λに対する反射率が低くなるように、第２部分４８の光学的厚さ（第２の光学的厚さ）が設定されている。
たとえば、図８および図９に示すように、第１部分４７の厚さｄ１（表面絶縁膜２７の裏面６９から第１凸部４２の表面７０までの距離）は、発光波長λに対して第１の光学的な厚さが（ｎ＋１）λ/２（ｎ：整数）となるように設定され、第２部分４８の厚さｄ２（表面絶縁膜２７の裏面６９から凹部４１の底面４６までの距離）は、発光波長λに対して第２の光学的な厚さが（２ｎ＋１）λ／４（ｎ：整数）となるように設定される。この条件に従い設定された物理的な厚さｄ１とｄ２とを比べると、第１部分４７の厚さｄ１＞第２部分４８の厚さｄ２となっている。
また、この実施形態では、第２部分４８の光学的厚さ（第２の光学的厚さ）は、第３部分４９の光学的厚さ（第３の光学的厚さ）に比べても、活性層６の発光波長λに対する反射率が低くなるように設定されている。たとえば、第３部分４９の厚さｄ３は、第１部分４７の厚さｄ１と同じであってよく、光学的な厚さも同じであってよい。
なお、この実施形態では、表面絶縁膜２７は、単一材料からなる単層膜で構成されており、たとえば、前述した酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜または窒化シリコン（ＳｉＮ）膜からなっていてもよい。
また、表面絶縁膜２７に形成されたコンタクトホール２９に関して、凹部４１と同様に、図６に示すように、平面視環状に形成されている。さらに、図９に示すように、コンタクトホール２９は、ｐ型半導体層８の表面に対して傾斜した側面５２を有している。
次に、電流狭窄層２０に関して、この実施形態では、図５および図６に示すように、電流狭窄層２０は、その外周端５０がトレンチ２５の第１側面３１（メサ構造部２４の壁面）から露出する環状に形成されている。図６では、明瞭化のため、電流狭窄層２０を破線ハッチングで示している。
一方、電流狭窄層２０の内周端５１（環状の電流狭窄層２０の内側に区画された開口の周縁）は、図６および図８に主に示すように、表面絶縁膜２７の第１部分４７よりも外側、より具体的には、環状の凹部４１の第１側面４５と第２側面４４との間（第１側面４５の下端の延長である補助線ａと、第２側面４４の下端の延長である補助線ｂとの間）であって、環状の凹部４１の直下の領域において環状の凹部４１に沿って形成されている。これにより、電流狭窄層２０は、平面視において、表面絶縁膜２７の第１部分４７を取り囲むと共に、環状の凹部４１（第２部分４８）を外側から部分的に覆っている。
なお、フィールド構造部２６内の電流狭窄層２０についても、その外周端５０がトレンチ２５の第２側面３０（フィールド構造部２６の壁面）から露出するように形成されている。
以上、この面発光半導体レーザ１によれば、高次モードに係る光出力は、メサ構造部２４の活性層６の外周部で大きくなるところ、表面絶縁膜２７の露出部４０の第２部分４８において、発光波長λの光の反射率が低くなっている。これにより、表面絶縁膜２７の第２部分４８における高次モードの光の反射率を低下させることができる。その結果、表面絶縁膜２７の第２部分４８においては、活性層６から発せられた高次モードの光が増幅することを抑制でき、光の出力を第１部分４７よりも低減できるので、入力電流を増加させても、基本モードの光を優先的に増幅させ、狭い方射角のレーザ光を発振することができる。これにより、従来に比べて指向性の高いレーザ光を出力することができる面発光半導体レーザを提供することができる。
一方、ｐ型半導体層８を頂部から選択的にエッチングすることによって得られる凹凸構造によっても、上記と同様に、高次モードの光の反射率を低下させることが考えられる。しかしながら、ｐ型半導体層８のような半導体層をエッチングするやり方では、エッチングによって半導体積層構造３に転位欠陥（結晶欠陥）が発生し、基本モードの光増幅に影響を与え、結果として光出力が大幅に低下するおそれがある。これに対し、面発光半導体レーザ１の構成であれば、表面絶縁膜２７に対する加工で済むので、半導体積層構造３に転位欠陥が発生することを防止でき、光出力の低下を抑制することができる。
さらに、上記の構成では、電流狭窄層２０が、２０ｎｍ～５０ｎｍと比較的薄く形成されているため、レーザ光の方射角を狭く維持できながら、光出力を向上させることができる。
また、表面絶縁膜２７が単層膜で構成されており、表面絶縁膜２７中で光の屈折が生じ難いので、基本モードの発振方向を予測しやすくなる。そのため、面発光半導体レーザ１をセンサとして使用するときの光学設計が容易となる。
図１０は、実施例、比較例および参考例にかかるレーザ光の方射角と光出力との関係（電流＝５ｍＡ）を示す図である。図１１は、実施例、比較例および参考例にかかる電流と光出力との関係を示す図である。
図１０および図１１を参照して、面発光半導体レーザ１の効果を説明する。
まず、実施例、比較例および参考例の条件を次の通り設定し、それ以外の条件は同じとした。なお、以下の条件において、「絶縁膜加工あり」は、表面絶縁膜２７に凹部４１を形成する加工のことであり、「エピ層加工あり」は、凹部４１の加工をｐ型半導体層８にエッチングによって施したものである。また、「電流狭窄層薄い」は、電流狭窄層２０の厚さを３００Åとしたものであり、「電流狭窄層通常」は、電流狭窄層２０の厚さを８００Åとしたものである。
・実施例１：絶縁膜加工あり、電流狭窄層薄い
・実施例２：絶縁膜加工あり、電流狭窄層通常
・比較例１：絶縁膜加工なし、電流狭窄層通常
・比較例２：絶縁膜加工なし、エピ層加工あり、電流狭窄層通常
・参考例１：絶縁膜加工なし、電流狭窄層薄い
そして、図１０および図１１の結果から、比較例１では、電流の増加に伴い高い光出力を得ることができるものの、高次モードの光が支配的になり、放射角も２８°程度もあった。また、比較例２では、エピ層加工のおかげで、基本モードの光を発振できた一方、電流を増加させても光出力の増加が鈍く、高い光出力を得ることができなかった。
これに対し、実施例２では、絶縁膜加工のおかげで、基本モードの光（放射角約１２°）を発振でき、さらに、光出力の低下を抑えることができ、実用上十分な光出力を確保できた。さらに、実施例１では、電流狭窄層を薄くした結果、非常に高い光出力を得ることもできた。
また、参考例１では、明確に基本モードと定義し難いが、比較例１に比べて放射角を１８°程度にまで狭くすることができ、しかも光出力を向上させることができた。
図１２Ａ～図１２Ｈは、面発光半導体レーザ１の製造工程を工程順に示す図である。
次に、図１２Ａ～図１２Ｈを参照して、面発光半導体レーザ１の製造方法を説明する。
面発光半導体レーザ１を製造するには、たとえば、図１２Ａに示すように、半導体ウエハ（図示せず）上に、ｎ型半導体層７、活性層６およびｐ型半導体層８がエピタキシャル成長（結晶成長）させられることによって、半導体積層構造３が形成される。
次に、図１２Ｂに示すように、たとえばドライエッチングによって、ｐ型半導体層８、活性層６およびｎ型半導体層７が選択的に除去される。これにより、半導体積層構造３にトレンチ２５が形成されると共に、環状のトレンチ２５の内側にメサ構造部２４が形成され、環状のトレンチ２５の外側にフィールド構造部２６が形成される。
次に、図１２Ｃに示すように、半導体積層構造３が水蒸気中で加熱処理されることによって、トレンチ２５の第１側面３１からメサ構造部２４の内側に、かつトレンチ２５の第２側面３０からフィールド構造部２６の内側に向かって、ｐ型層１９（図示せず）が酸化される。これにより、ｐ型半導体層８中に電流狭窄層２０が形成され、これに取り囲まれるように、ｐ型半導体としてｐ型層１９の一部が残る。
次に、図１２Ｄに示すように、たとえばＣＶＤ法によって、表面絶縁膜２７が半導体積層構造３の全面に形成される。
次に、図１２Ｅに示すように、たとえばウエットエッチングによって、表面絶縁膜２７の表面部が選択的に除去される。これにより、表面絶縁膜２７に環状の凹部４１が形成される。凹部４１をウエットエッチングで形成することによって、図８および図９に示したように、凹部４１の第１側面４５および第２側面４４を、底面４６に対して傾斜させることができる。なお、凹部４１は、選択的なドライエッチングによって形成してもよい。
次に、図１２Ｆに示すように、たとえばウエットエッチングによって、表面絶縁膜２７が、ｐ型半導体層８が露出するまで選択的に除去される。これにより、表面絶縁膜２７にコンタクトホール２９が形成される。コンタクトホール２９をウエットエッチングで形成することによって、図９に示したように、コンタクトホール２９の側面５２を、ｐ型半導体層８の表面に対して傾斜させることができる。なお、コンタクトホール２９は、選択的なドライエッチングによって形成してもよい。
次に、図１２Ｇに示すように、たとえば蒸着法によって、ｐ側電極５（表面金属膜）が半導体積層構造３の全面に形成される。この後、図示は省略するが、ｐ側電極５を選択的にマスク（たとえばフォトレジスト）で覆った状態で、蒸着法またはめっき法によってｐ側電極５上に金属膜が形成される。これにより、ｐ側電極５上に選択的に形成されたワイヤボンディング用の金属層３７（図１および図３参照）および放熱用の金属層３８（図１および図４参照）が得られる。
次に、図１２Ｈに示すように、たとえばドライエッチングによって、ｐ側電極５が選択的に除去される。これにより、ｐ側電極５に、レーザ発振用の開口３９が形成される。
この後、たとえば蒸着法によって、ｎ側電極４（図示せず）が基板２の裏面に形成され、ウエハにあらかじめ設定されたダイシングラインに沿ってウエハが分割されることによって、個別の面発光半導体レーザ１が得られる。
図１３～図１８は、面発光半導体レーザ１の変形例を示す図である。図１３～図１８を参照して、面発光半導体レーザ１の変形例について説明する。
まず、表面絶縁膜２７の凹部４１は、図８では、その外側が第２凸部４３によって区画されていたが、図１３に示すように、レーザ発振用の開口３９の端面まで広がって形成されていてもよい。これにより、凹部４１は、第１凸部４２からなる第１側面４５と、レーザ発振用の開口３９の端面からなる第２側面５３とを含んでいてもよい。
次に、表面絶縁膜２７の第１部分４７と第２部分４８との膜厚差は、図１４に示すように、表面絶縁膜２７の露出部４０の中央部に点状の凹部５４を選択的に形成することによって設けられていてもよい。第１部分４７は、凹部５４の底面部で構成され、第２部分４８は、当該点状の凹部５４を取り囲む環状の凸部５５および凸部５５の直下の部分で構成されている。この場合、前述と同様に、第１部分４７の厚さｄ１（表面絶縁膜２７の裏面６９から凹部５４の底面５７までの距離）は、発光波長λに対して第１の光学的な厚さが（ｎ＋１）λ／２（ｎ：整数）となるように設定され、第２部分４８の厚さｄ２（表面絶縁膜２７の裏面６９から凸部５５の表面７１までの距離）は、発光波長λに対して第１の光学的な厚さが（２ｎ＋１）λ／４（ｎ：整数）となるように設定されるが、物理的な厚さｄ１とｄ２とを比べると、第１部分４７の厚さｄ１＜第２部分４８の厚さｄ２となっている。また、凹部５４の内側側面５６は、底面５７に対して傾斜した傾斜面であってもよい。これにより、凹部５４は、横断面視において、底面４６に向かって幅が狭まるテーパ形状を有していてもよい。
次に、表面絶縁膜２７は、図８では単一材料からなる単層膜で構成されていたが、図１５に示すように、第１凸部４２を構成する第１材料層５８と、第１凸部４２の下方部を構成する第１材料層５８とは異なる材料からなる第２材料層５９とを含む複層膜で構成されていてもよい。この場合、第１材料層５８および第２材料層５９の一方が酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜からなり、他方が窒化シリコン（ＳｉＮ）膜からなっていてもよい。表面絶縁膜２７が複層膜であれば、第１材料層５８と第２材料層５９との間にエッチング選択比を確保することができる。そのため、たとえば、表面絶縁膜２７に凹部４１を形成する際（図１２Ｅ参照）、表面絶縁膜２７の第１部分４７と第２部分４８との間に、エッチングによって容易に膜厚差を設けることができる。
また、第１材料層５８と第２材料層５９との界面６８に関しては、図１６に示すように、凹部４１の底面４６の高さ位置に位置していてもよいし、図１７に示すように、第１凸部４２の厚さ方向途中部に位置していてもよい。
次に、電流狭窄層２０は、図８では、その内周端５１が環状の凹部４１の直下の領域において環状の凹部４１に沿って形成されていたが、図１８に示すように、レーザ発振用の開口３９よりも外側（開口３９の下端の延長である補助線ｃよりも外側）に後退し、レーザ発振用の開口３９をさらに取り囲むように形成されていてもよい。
図１９は、図７の二点鎖線XIXで囲まれた部分の拡大図である。図２０および図２１は、図１９の構成に関する面発光半導体レーザ１の変形例を示す図である。
次に、図１９～図２１を参照して、メサ構造部２４を形成するトレンチ２５の構造を、より詳細に説明する。
前述したように、半導体積層構造３の環状のトレンチ２５は、ｐ型半導体層８、活性層６およびｎ型半導体層７の一部を選択的にドライエッチングで除去することによって形成されている（図１２Ｂ参照）。これにより、トレンチ２５は、ｎ型半導体層７、活性層６およびｐ型半導体層８に跨る壁面（第２側面３０および第１側面３１）を有し、活性層６よりもｎ型半導体層７側にまで掘り下げられている。
このように、トレンチ２５を、ｎ型半導体層７と活性層６との界面６２よりも下方に掘り下げることによって、たとえば、半導体積層構造３を構成する半導体層とｐ側電極５等の金属層との間の線膨張係数差に起因する熱応力が生じても、当該応力が集中しやすいトレンチ２５の壁面（第２側面３０および第１側面３１）の下部６０，６１や凹部の底面３２が活性層６でないため、活性層６にかかる応力を緩和することができる。その結果、応力による活性層６の破損を抑制できるので、面発光半導体レーザ１の信頼性を向上させることができる。
また、ｐ側電極５は、基板面に平行なコンタクト部３３、底面部３４およびフィールド部３６が、基板面に垂直もしくは傾斜した側面部３５に比べて厚く形成されている。これは、ｐ側電極５の形成時、半導体積層構造３の上方から垂直方向に金属材料を付着させることに起因する。たとえば、ｐ側電極５の厚さは、０．１μｍ～０．３μｍであってもよいが、より具体的には、コンタクト部３３、底面部３４およびフィールド部３６の厚さｄ４が、０．１μｍ～０．６μｍであり、側面部３５の厚さｄ５が、０．１μｍ～０．６μｍであってもよい。このように、ｐ側電極５を比較的薄く形成することによって、図１９では、トレンチ２５の底面３２上の表面絶縁膜２７の上面６３に加え、ｐ側電極５の底面部３４の上面６４が、ｎ型半導体層７と活性層６との界面６２よりも低い高さ位置になっている。
このような構成によって、熱応力によって半導体積層構造３に反りが生じ、それに伴ってトレンチ２５の底面３２上に存在する、表面絶縁膜２７およびｐ側電極５の基板面に平行な部分に反りが生じても、当該反り部分が活性層６に隣接していないので、表面絶縁膜２７およびｐ側電極５の基板面に平行な部分の反りが活性層６に与える影響を軽減することができる。
一方で、ｐ側電極５は、半導体積層構造３の表面全体に一体的に形成されるものであるため、フィールド部３６においては、ワイヤボンディング接合における耐衝撃性や、メサ構造部２４で発生する熱の放熱性の低下が懸念される。
しかしながら、この実施形態では、前述したように、ｐ側電極５のフィールド部３６上に、ワイヤボンディング用の金属層３７および放熱用の金属層３８が形成されている。これにより、ｐ側電極５の底面部３４を活性層６に隣接させないようにするために、ｐ側電極５全体を比較的薄く形成する場合でも、ワイヤボンディング用の金属層３７を選択的に厚く形成することによって、ワイヤボンディングを接合する際に生じる力（たとえば、超音波による振動等）に耐える強度を確保することができる。その結果、フィールド構造部２６の衝撃破壊の可能性を軽減できるので、面発光半導体レーザ１の信頼性を向上させることができる。さらに、放熱用の金属層３８選択的に厚く形成することによって、放熱に寄与する金属層の表面積を増加させることができる。その結果、面発光半導体レーザ１の放熱性を向上させることができる。
また、図１９に示すように、トレンチ２５の第２側面３０および第１側面３１には、ドライエッチングによる表面荒れによって、その面内全体にわたって凹凸構造６５，６６が形成されている。そして、この凹凸構造６５，６６に入り込むように、表面絶縁膜２７が形成されている。
このような構成によって、トレンチ２５の壁面（第２側面３０および第１側面３１）と表面絶縁膜２７との接触面積を増加させることができると共に、当該第２側面３０および第１側面３１に対する表面絶縁膜２７の摩擦力を増加させることができる。これにより、トレンチ２５の壁面（第２側面３０および第１側面３１）に対する表面絶縁膜２７の密着性を向上でき、表面絶縁膜２７の剥離可能性を軽減することができる。その結果、面発光半導体レーザ１の信頼性を向上させることができる。
一方、図２０に示すように、ｐ側電極５を図１９の構成よりも厚く形成することによって、ｐ側電極５の底面部３４（基板面に平行な部分）を、活性層６に隣接するように形成してもよい。つまり、ｐ側電極５の底面部３４の上面６４が、ｎ型半導体層７と活性層６との界面６２よりも高い高さ位置になっていてもよい。
この構成によれば、図１９の構成に比べて、ｐ側電極５の底面部３４（基板面に平行な部分）の反りの影響の軽減効果は小さくなるが、底面部３４が活性層６に隣接していることによって、活性層６で発生する熱を効率よく逃がすことができる。その結果、活性層６の熱破壊の可能性を軽減できるので、面発光半導体レーザ１の信頼性を向上させることができる。
また、図２１に示すように、トレンチ２５の底面３２には、トレンチ２５の壁面（第２側面３０および第１側面３１）の下部６０，６１から離れた中央部において選択的に凹んだ凹部６７が形成されていてもよい。この凹部６７は、トレンチ２５をエッチングによって形成する際、エッチング領域の中央部のエッチングレートが、エッチング領域の周縁部（第２側面３０および第１側面３１が形成される部分）のエッチングレートに比べて速いことに起因する。
この構成によれば、トレンチ２５の底面３２直下のｎ型半導体層７の厚さを薄くできるので、ｎ型半導体層７にかかる応力を緩和することができる。
また、図２２に示すように、ｐ型半導体層８のｐ型コンタクト層１８には、開口７２が形成されていてもよい。表面絶縁膜２７の一部は、ｐ型コンタクト層１８の開口７２を介して、ｐ型ＤＢＲ層１７に接続されていてもよい。さらに、開口７２は、ｐ型半導体層８の表面に対して傾斜した側面７４を有している。
開口７２の径Ｄ１は、電流狭窄層２０の径Ｄ２よりも小さく、表面絶縁膜２７の第１凸部４２の径Ｄ３よりも大きくてもよい。つまり、径Ｄ２＜径Ｄ１＜径Ｄ３の関係を満たしていてもよい。
これにより、ｐ型コンタクト層１８は、電流狭窄層２０の内周端５１よりも内方にはみ出す第１部分７３を有している。この実施形態では、電流狭窄層２０が環状に形成されているので、ｐ型コンタクト層１８の第１部分７３も同様に、環状に形成されている。また、表面絶縁膜２７の凹部４１は、開口７２の内方領域に形成されていてもよい。
この構成によれば、ｐ型コンタクト層１８に開口７２が形成されていることによって、基本モードの光がｐ型コンタクト層１８で吸収されることを抑制することができる。一方で、高次モードの光出力が比較的大きくなりやすい電流狭窄層２０の内周端５１付近を通過する光を、ｐ型コンタクト層１８の第１部分７３で吸収（カットオフ）することができる。しかも、開口７２の形成によって基本モードの光の吸収を抑制できるので、ｐ型コンタクト層１８の厚さは、第１部分７３で吸収させたい高次モードの光の量に合わせて設計することができる。たとえば、開口７２が形成されていないｐ型コンタクト層１８の厚さは、前述のように０．０２μｍ～０．０８μｍであってもよいが、開口７２が形成されている場合、ｐ型コンタクト層１８の厚さは、０．０１μｍ～０．５μｍであってもよい。
また、開口７２の形成によって、高次モードの光を吸収できると共に、基本モードの光の吸収を抑制できるので、前述のように、表面絶縁膜２７の第１部分４７と第２部分４８との間に膜厚差を設けなくてもよい。
たとえば、図２３に示すように、表面絶縁膜２７は、ｐ型コンタクト層１８の開口７２上の領域において、平坦な表面を有していてもよい（つまり、第１凸部４２が形成されていなくてもよい）。
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
たとえば、前述の面発光半導体レーザ１は、光学式センサ、レーザプリンタ等の用途に使用することができる。
また、面発光半導体レーザ１の各半導体部分の導電型を反転した構成が採用されてもよい。すなわち、面発光半導体レーザ１において、ｐ型の部分がｎ型であり、ｎ型の部分がｐ型であってもよい。
また、前述のｎ型半導体層７、活性層６およびｐ型半導体層８の各層の組成は、ほんの一例に過ぎず、基板面に対して垂直なレーザ発振ができる範囲内で変更することが可能である。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
なお、前述の実施形態の内容から、特許請求の範囲に記載した発明以外にも、以下のような特徴が抽出され得る。
（項１）
第１導電型ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層を含む第１導電型層と、前記第１導電型層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成され、第２導電型ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層を含む第２導電型層と、前記第１導電型層、前記活性層および前記第２導電型層に跨る壁面を有し、前記活性層よりも前記第１導電層側に掘り下げられた凹部と、前記第２導電型層の頂部、前記壁面および前記凹部の底面に沿って形成された絶縁層と、前記絶縁層を覆うように形成された金属層とを含む、面発光半導体レーザ。
この構成によれば、たとえば、第１導電型層、活性層および第２導電型層を含む半導体層と金属層との間の線膨張係数差に起因する熱応力が生じても、当該応力が集中しやすい凹部の壁面の下部や凹部の底面部が活性層でないため、活性層にかかる応力を緩和することができる。その結果、応力による活性層の破損を抑制できるので、面発光半導体レーザの信頼性を向上させることができる。
（項２）
前記凹部の前記底面上に配置された前記絶縁層の部分は、その上面が前記第１導電型層と前記活性層との界面よりも低い高さ位置に位置する厚さで形成されている、項１に記載の面発光半導体レーザ。
この構成によれば、熱応力によって半導体層に反りが生じ、それに伴って凹部の底面上の絶縁層の部分に反りが生じても、当該絶縁層の部分が活性層に隣接していないので、その絶縁層の反りが活性層に与える影響を軽減することができる。
（項３）
前記凹部の前記底面上に配置された前記金属層の部分は、その上面が前記第１導電型層と前記活性層との界面よりも低い高さ位置に位置する厚さで形成されている、項２に記載の面発光半導体レーザ。
この構成によれば、熱応力によって半導体層に反りが生じ、それに伴って凹部の底面上の金属層の部分に反りが生じても、当該金属層の部分が活性層に隣接していないので、その金属層の反りが活性層に与える影響を軽減することができる。
（項４）
前記凹部の前記底面上に配置された前記金属層の部分は、前記活性層に隣接するように形成されている、項１または２に記載の面発光半導体レーザ。
この構成によれば、項３に比べて、金属層の反りの影響の軽減効果は小さくなるが、金属層が活性層に隣接していることによって、活性層で発生する熱を効率よく逃がすことができる。その結果、活性層の熱破壊の可能性を軽減できるので、面発光半導体レーザの信頼性を向上させることができる。
（項５）
前記凹部は、前記第１導電型層、前記活性層および前記第２導電型層からなるメサ構造部を取り囲む環状に形成されており、
前記メサ構造部において、前記金属層は、前記絶縁層を通って前記第２導電型層に電気的に接続されており、前記絶縁層の一部を露出させるレーザ発振用の開口を有している、項３に記載の面発光半導体レーザ。
（項６）
前記凹部の外側において、レーザ発振に使用されない前記第１導電型層、前記活性層および前記第２導電型層からなる積層構造部からなるフィールド領域が形成されており、
前記フィールド領域において、前記金属層上に形成され、前記金属層よりも厚い厚さを有するワイヤボンディング用の第２金属層をさらに含む、項５に記載の面発光半導体レーザ。
この構成によれば、凹部の底面上に配置された金属層の部分を活性層に隣接させないようにするために金属層全体を比較的薄く形成する場合でも、ワイヤボンディング用の第２金属層を選択的に厚く形成することによって、ワイヤボンディングを接合する際に生じる力（たとえば、超音波による振動等）に耐える強度を確保することができる。その結果、フィールド領域の衝撃破壊の可能性を軽減できるので、面発光半導体レーザの信頼性を向上させることができる。
（項７）
前記金属層は、０．１μｍ～０．３μｍの厚さを有し、前記第２金属層は、２μｍ～４μｍの厚さを有している、項６に記載の面発光半導体レーザ。
（項８）
前記フィールド領域において、前記金属層上に形成され、前記金属層よりも厚い厚さを有する放熱用の第３金属層をさらに含む、項６に記載の面発光半導体レーザ。
この構成によれば、凹部の底面上に配置された金属層の部分を活性層に隣接させないようにするために金属層全体を比較的薄く形成する場合でも、放熱用の第３金属層を選択的に厚く形成することによって、金属層の表面積を増加させることができる。その結果、面発光半導体レーザの放熱性を向上させることができる。
（項９）
前記金属層は、０．１μｍ～０．３μｍの厚さを有し、前記第３金属層は、２μｍ～４μｍの厚さを有している、項８に記載の面発光半導体レーザ。
（項１０）
前記壁面は、前記凹部の前記底面に対して傾斜した傾斜面であり、その面内に凹凸構造が形成されている、項１～９のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ。
この構成によれば、凹部の壁面と絶縁層との接触面積を増加させることができると共に、当該壁面に対する絶縁層の摩擦力を増加させることができる。これにより、凹部の壁面に対する絶縁層の密着性を向上でき、絶縁層の剥離可能性を軽減することができる。その結果、面発光半導体レーザの信頼性を向上させることができる。
（項１１）
前記凹部の底面には、前記壁面の下端部から離れた領域において選択的に凹んだ第２の凹部が形成されている、項１～１０のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ。
この構成によれば、凹部の底面直下の第１導電型層の厚さを薄くできるので、第１導電型層にかかる応力を緩和することができる。
本出願は、２０１７年１０月３１日に日本国特許庁に提出された特願２０１７－２１０９５４号、および２０１８年１０月４日に日本国特許庁に提出された特願２０１８－１８９３６９号に対応しており、これらの出願の全開示はここに引用により組み込まれるものとする。
１ 面発光半導体レーザ
２ 基板
２Ａ 長辺
２Ｂ 短辺
３ 半導体積層構造
４ ｎ側電極
５ ｐ側電極
６ 活性層
７ ｎ型半導体層
８ ｐ型半導体層
１０ ｎ型ＤＢＲ層
１７ ｐ型ＤＢＲ層
１９ ｐ型層
２０ 電流狭窄層
２４ メサ構造部
２５ トレンチ
２６ フィールド構造部
２７ 表面絶縁膜
３０ （トレンチ）第２側面
３１ （トレンチ）第１側面
３２ （トレンチ）底面
３４ （ｐ側電極）底面部
３６ （ｐ側電極）フィールド部
３７ ワイヤボンディング用の金属層
３８ 放熱用の金属層
３９ レーザ発振用開口
４０ 露出部
４１ 凹部
４２ 凸部
４３ 第２凸部
４４ （凹部）第２側面
４５ （凹部）第１側面
４６ （凹部）底面
４７ （表面絶縁膜）第１部分
４８ （表面絶縁膜）第２部分
４９ （表面絶縁膜）第３部分
５１ （高抵抗領域）内周端
５３ （凹部）第２側面
５４ 凹部
５５ 凸部
５６ （凹部）内側側面
５７ （凹部）底面
５８ 第１材料層
５９ 第２材料層
６０ （トレンチ）下部
６１ （トレンチ）下部
６２ 界面
６３ （表面絶縁膜）上面
６４ （ｐ側電極）上面
６５ 凹凸構造
６６ 凹凸構造
６７ 凹部

Claims (15)

  1. 第１導電型層、前記第１導電型層上に積層された活性層、および前記活性層上に積層された第２導電型層を含み、前記活性層で発生した光が、これらの層の積層方向に沿って共振して前記第２導電型層側からレーザ光として取り出される半導体積層構造と、
    前記活性層上であって前記第２導電型層の表面よりも前記活性層側に形成され、開口を有する絶縁性の電流狭窄層であって、前記開口を介して前記活性層と前記第２導電型層とが電気的に接続された電流狭窄層と、
    前記第２導電型層上に形成され、前記活性層の発光波長に対して透光性を有する絶縁層と、
    前記第１導電型層に電気的に接続された第１電極と、
    前記絶縁層上に形成され、前記絶縁層を貫通して前記第２導電型層に電気的に接続された第２電極とを含み、
    前記絶縁層の一部は前記第２電極から露出しており、その露出する前記絶縁層は、第１の厚さを有する第１部分と、前記第１の厚さに比べて前記活性層から発せられた光の出力を前記第１部分よりも低減させるような第２の厚さを有し、前記第１部分を取り囲む第２部分とを含み、
    前記第２導電型層は、第２導電型ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層と、前記第２導電型ＤＢＲ層上に形成され、前記第２導電型ＤＢＲ層の一部を露出させる開口を有する第２導電型コンタクト層とを含み、
    前記第２電極から露出する前記絶縁層は、環状の凹部と、前記環状の凹部で囲まれた第１凸部と含み、
    前記絶縁層の前記第１の厚さは、前記絶縁層の裏面から前記第１凸部の表面までの厚さであり、
    前記絶縁層の前記第２の厚さは、前記絶縁層の裏面から前記環状の凹部の底面までの厚さであり、
    前記絶縁層の一部は、前記第２導電型コンタクト層の前記開口を介して、前記第２導電型ＤＢＲ層に接続されており、
    前記第２導電型コンタクト層の前記開口の径は、前記電流狭窄層の前記開口の径よりも小さく、
    前記第２導電型コンタクト層は、前記電流狭窄層の内周端よりも内方にはみ出す第１部分を有し、
    前記絶縁層の前記第１凸部および前記環状の凹部は、前記電流狭窄層の前記開口の内方領域に形成されている、面発光半導体レーザ。
  2. 前記第１導電型層は、第１導電型ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層を含む、
    請求項１に記載の面発光半導体レーザ。
  3. 前記第２電極から露出する前記絶縁層は、前記環状の凹部の外周側に、前記環状の凹部を取り囲む第２凸部をさらに含み、
    前記環状の凹部は、前記第１凸部と前記第２凸部との間に区画されており、前記環状の凹部の内面は、前記第１凸部からなる第１側面と、前記第２凸部からなる第２側面とを含む、請求項１または２に記載の面発光半導体レーザ。
  4. 前記環状の凹部の前記第１側面および前記第２側面は、断面視において前記環状の凹部が前記環状の凹部の底面に向かって幅が狭まるテーパ形状となるように、前記第２導電型層の表面に対して傾斜した傾斜面を含む、請求項３に記載の面発光半導体レーザ。
  5. 前記第２電極は、前記絶縁層の一部を露出させるレーザ発振用の開口を有しており、
    前記環状の凹部は、前記レーザ発振用の開口の端面まで広がって形成されており、前記環状の凹部の内面は、前記第１凸部からなる第１側面と、前記レーザ発振用の開口の端面からなる第２側面とを含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ。
  6. 前記絶縁層は、単一材料からなる単層膜を含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ。
  7. 前記単層膜は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜または窒化シリコン（ＳｉＮ）膜からなる、請求項６に記載の面発光半導体レーザ。
  8. 前記絶縁層は、前記第１凸部を構成する第１材料層と、前記第１凸部の下方部を構成する前記第１材料層とは異なる材料からなる第２材料層とを含む複層膜を含む、請求項１～７のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ。
  9. 前記第１材料層と前記第２材料層との界面は、前記環状の凹部の底面の高さ位置に位置している、請求項８に記載の面発光半導体レーザ。
  10. 前記第１材料層と前記第２材料層との界面は、前記第１凸部の厚さ方向途中部に位置している、請求項８に記載の面発光半導体レーザ。
  11. 前記第１材料層および前記第２材料層の一方が酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜からなり、他方が窒化シリコン（ＳｉＮ）膜からなる、請求項８～１０のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ。
  12. 前記電流狭窄層は、１５ｎｍ～５０ｎｍの厚さを有している、請求項１～１１のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ。
  13. 前記電流狭窄層は、前記半導体積層構造の一部が、前記積層方向に直交する方向に沿って選択的に酸化された選択酸化層を含む、請求項１～１２のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ。
  14. 前記電流狭窄層の前記開口の周縁は、平面視において、前記絶縁層の前記第１部分よりも外側に配置されて前記絶縁層の前記第１部分を取り囲んでいる、請求項１～１３のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ。
  15. 前記第２電極は、前記絶縁層の一部を露出させるレーザ発振用の開口を有しており、
    前記電流狭窄層の前記開口の周縁は、平面視において、前記レーザ発振用の開口よりも外側に配置されて前記前記レーザ発振用の開口を取り囲んでいる、請求項１～１４のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ。
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