JPH06177480A - 半導体レーザ素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 所望の方向の直線偏光のみを選択性よく発振
できる垂直共振器型面発光半導体レーザ素子を得る。 【構成】 基板に垂直な方向にレーザ共振が生じる半導
体レーザ素子において、光が発生する活性層に、光を閉
じ込める複数の量子細線１１０が形成されている。この
量子細線１１０の長手方向には、それと直交する方向に
比べて大きな利得が生じる。よって、発生するレーザ光
の偏光方向を、量子細線１１０の長手方向と一致させる
ことができる。また、隣合う量子細線１１０の中心間距
離が、ＬＤ素子内における光の波長以下とされている。
よって、レーザ光の発振横モードに高次モードが発生す
ることがない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、垂直共振器型半導体レ
ーザ素子に関し、特に、所望の方向に偏波面が制御され
た直線偏光のレーザ出力を、選択的に発生できる垂直共
振器型面発光半導体レーザ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体レーザ（ＬＤ）素子は、光
通信や光ディスクメモリなどの光源として広く利用され
ており、今後も光情報処理分野や光信号処理分野などへ
の用途拡大が期待されている。従来のＬＤ素子は、基板
上に形成された結晶層の劈開面を、レーザ光が出力され
る共振器の端面としており、結晶層に平行な方向に光が
伝播する構造とされている。このため、レーザ光は、Ｌ
Ｄ素子の側面から出力される。

【０００３】しかし、光の超並列性を利用した光情報処
理分野に利用される場合には、ＬＤ素子を２次元的に集
積化（アレイ化）することが必要となる。このため、上
記のような素子の側面から出力するＬＤ素子ではなく、
結晶層に対して垂直な方向にレーザ光を出力できる、面
発光ＬＤ素子が必要とされる。

【０００４】特に、垂直共振器型面発光ＬＤ素子は、ア
レイ化の集積度が高いこと、共振器長が短くレーザ光の
縦モード間隔が広いため、単一波長の発振が容易である
こと、共振器自体が基板に対して垂直方向に形成されて
いるため、面発光のために新たに構造を付加する必要が
ないことなどの利点を有している。よって、面発光ＬＤ
素子として、今後最も期待されている構造である。

【０００５】図１０（ａ）に、垂直共振器型面発光ＬＤ
の基本的な構造を示す。尚、半導体層の材料としては、
通常型のＬＤとして発振可能な材料であれば、いずれも
用いることができる。ここでは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡ
ｓ系の材料を用いた場合について説明する。

【０００６】このＬＤは、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層
１００２とｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１００４とに挟
まれて、円形のＧａＡｓ活性領域１００３とそれを取り
囲む電流狭窄層１００５が形成されている。基板１００
１には、光取り出し用の窓が形成されており、窓の底部
分と、クラッド層１００４の成長側面には、レーザ発振
のための共振器用ミラーとして、反射膜１００６、１０
０７が形成されて、光の共振器とされている。さらに、
電流注入のための電極として、オーミック電極１００
８、１００９が形成され、ＬＤ素子とされている。

【０００７】このＬＤ素子において、注入された電子と
正孔は、電流狭窄構造１００５により、活性領域１００
３に集中的に注入される。活性領域１００３は、周囲の
層よりも禁制帯幅が小さい材料で形成されているため、
注入された電子と正孔は活性領域１００３に閉じ込めら
れ、再結合することにより光を発する。この時、両クラ
ッド層１００２、１００４が活性領域１００３で発生し
た光に対して透明であるため、光は両反射膜１００６、
１００７の間を往復し、活性領域を通る度に増幅され、
最終的にはレーザ発振される。尚、活性領域１００３で
発生した光の内、基板に平行な方向や斜め方向に伝播す
るものは、レーザ発振には寄与せず、自然放出光として
素子外部に放出される。

【０００８】通常、光出力側に形成される反射膜１００
６は、光の反射率が９０〜９９％、即ち、光の透過率が
１〜１０％である。共振器内に発生したレーザ光の一部
は、この反射膜１００６を透過して、基板に垂直な方向
の光として素子外部に出力される。

【０００９】しかし、上記のような垂直共振器型面発光
ＬＤ素子においては、以下のような問題点がある。

【００１０】（１） 通常のＬＤ素子に比べて活性領域
の体積が小さいため、発振閾値電流密度が大きくなり、
素子寿命が短くなる。

【００１１】（２） 共振器の基本的構成が、レーザ光
の進行方向に対して同心円状になっているため、レーザ
光の偏波面制御が困難である。

【００１２】問題点（１）を解決する方法としては、例
えば、多重バリア構造が、K. Igaらによって、Electro
n. Lett., 22, 1008(1986).において提案されている。

【００１３】また、クラッド層の材料として、ＡｌＧａ
Ａｓ系よりも禁制帯幅の大きな、例えば、ＩｎＧｓＡｌ
Ｐ系を用いることも有効な方法である。

【００１４】問題点（２）を解決するための新しい技術
も報告されている。例えば、清水らによって、Electro
n. Lett., 27, 1067(1991).において提案されているよ
うに、レーザ共振器用ミラーとしての反射膜に、偏波構
造に依存した損失を設ける方法が検討されている。

【００１５】また、向原らは、第５２回応用物理学会学
術講演会予稿集（III）、11pZM-5、p. 1026、 1991年にお
いて、光取り出しのために基板に設ける窓の形状を、円
形ではなく楕円などの点対称ではない形とする方法を提
案している。この方法においては、素子内部、特に、活
性領域に、結晶方位に依存した応力歪みが発生し、利得
の異方性を生じさせることができる。

【００１６】図１０（ｂ）に、上記光取り出し用の窓の
形状を楕円形にしたＬＤ素子における、出射光強度の偏
光方向依存性を示す。ここで、目的とする偏光方向であ
るθ＝９０°の光強度と、それに直交する方向であるθ
＝０°の光強度との比は、４：１となっており、ある程
度の偏波面制御が実現されている。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、実際のレー
ザ応用システムに必要とされているレーザ光は、一方向
の直線偏光成分のみであることが多い。

【００１８】しかし、上記のような従来の垂直共振器型
面発光ＬＤ素子では、出力レーザ光の偏波面の制御性が
充分ではなく、出力光の８０％しか有効利用できていな
い。さらに、直交方向に偏波面を有する光が雑音となる
虞がある。

【００１９】偏波面の選択性を上げるために、結晶層の
劈開面から光を出力するタイプのＬＤ素子においては、
例えば、量子井戸構造とすることができる。量子井戸構
造においては、井戸に平行な方向、すなわち、結晶層に
平行な方向に電界を有する光は、伝導帯と重い正孔帯と
の間および伝導帯と軽い正孔帯との間の両方の電子遷移
と相互作用が可能である。しかし、井戸に直交する方
向、すなわち、結晶層に垂直な方向に電界を有する光
は、伝導帯と軽い正孔帯との間の電子遷移とのみ相互作
用が可能である。よって、結晶層に平行な方向に電界を
有するレーザ光のみを選択性よく出力することができ
る。上記のような結晶層の劈開面から光を出力するタイ
プのＬＤにおいては、出力レーザ光の偏光方向選択性
は、１００：１以上の精度を有している。

【００２０】しかし、上記量子井戸構造には、結晶層に
平行な方向における非対称性がない。よって、量子井戸
構造を上記のような垂直共振器型面発光ＬＤ素子の活性
層に適用しても、結晶層に電界を有する全ての光に均等
に利得を与えることになり、偏光方向の制御をするには
不適当であり、偏波面制御を実現できない。

【００２１】本発明は、上記問題点を解決しようとする
ものであり、所望の方向に偏波面が制御された直接偏光
のレーザ出力を選択性よく発振できる垂直共振器型面発
光半導体レーザ素子およびその製造方法を提供すること
を目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ素
子は、半導体基板上に活性層を含む複数の層を積層して
なり、その積層方向にレーザ共振が生じる半導体レーザ
素子であって、該活性層に、光を閉じ込める複数の量子
細線を該基板表面に沿って一列に有する量子細線列が、
基板の厚み方向に１行または２行以上形成され、該量子
細線列の隣合う量子細線の中心間距離が半導体レーザ素
子内でのレーザ光の波長以下でりそのことにより上記目
的が達成される。

【００２３】前記活性層の基板側に、表面が波状になっ
た層、または基板を有していてもよい。

【００２４】本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、
半導体基板上に活性層を含む複数の層を積層してなり、
その積層方向にレーザ共振が生じる半導体レーザ素子の
製造方法において、該活性層よりも基板側の層または該
基板の上表面を、半導体レーザ素子内でのレーザ光の波
長以下の周期で波状に形成する工程と、該波状に上表面
が形成された層または基板の上に、直接または間に該層
とは別の層を挟んで活性層を成長させて、該活性層に、
光を閉じ込める複数の量子細線を該基板表面に沿って一
列に有する量子細線列が、基板の厚み方向に１行または
２行以上形成された量子細線構造を形成する工程とを含
み、そのことにより上記目的が達成される。

【００２５】

【作用】光が発生する活性層に、電子を２次元的に閉じ
込めて１次元的にしか動けなくなるようにする量子細線
が形成されている。この量子細線の長手方向には、それ
と直交する方向に比べて大きな利得が生じる。このた
め、発生するレーザ光の偏光方向を、該量子細線の長手
方向と一致させることができる。よって、垂直共振器型
面発光半導体レーザ素子の活性層に、光を閉じ込める複
数の量子細線を該基板表面に沿って一列に有する量子細
線列が、基板の厚み方向に１行または２行以上形成され
た量子細線構造を形成することにより、レーザ光の偏波
面制御を実現することができる。

【００２６】また、互いに隣合う量子細線の中心間距離
が、発生するレーザ光の半導体レーザ素子内における波
長以下であるので、レーザ光の発振横モードに高次モー
ドが発生することがない。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。以下において、λは、ＬＤ素子によって発振され
るレーザ光のＬＤ素子内における波長とする。

【００２８】（実施例１）図１（ａ）は、本発明の実施
例１のＬＤ素子を示す断面図である。

【００２９】このＬＤ素子は、ｎ−ＩｎＰ基板１０１上
に、ｎ−ＩｎＰ層とｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層とを積層した
多層反射膜１０２が形成されている。その上に、ＩｎＧ
ａＡｓＰ線状構造１１０とＩｎＰバリア１１１とからな
る多重量子井戸活性層１０３およびｐ−ＩｎＰ層とｐ−
ＩｎＧａＡｓＰ層とを積層した多層反射膜１０４が、円
形のメサ構造１００に形成されている。このメサ構造１
００を埋め込むように、ｐ−ＩｎＰ層１０５、ｎ−Ｉｎ
Ｐ層１０６およびｐ−ＩｎＰ層１０７からなる電流狭窄
構造が形成されている。さらに、基板１０１側には、全
面にｎ型電極１０８が形成され、半導体層が形成されて
いる側には、光取り出し用の窓を設けたｐ型電極１０９
が形成されて、素子とされている。

【００３０】このＬＤ素子は、以下のようにして作製さ
れる。

【００３１】まず、ｎ−ＩｎＰ基板１０１上に、ＯＭＶ
ＰＥ（有機金属気層成長法）により、厚みλ／４のｎ−
ＩｎＰ層と厚みλ／４のｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層とを２５
対結晶成長させる。このことにより、反射率９９．２％
の多層反射膜１０２が形成される。

【００３２】続いて、図２（ａ）に示すように、厚み８
ｎｍのＩｎＧａＡｓ層１０と厚み５ｎｍのＩｎＰ層１１
とを５対結晶成長させる。次に、図２（ｂ）に示すよう
に、この５対の結晶成長層を、通常の電子ビーム露光技
術とエッチング技術により加工して、幅５０ｎｍ、深さ
２００ｎｍ、隣合うメサ同志の中心間距離が２００ｎｍ
の線状メサ１１０を形成する。そして、図２（ｃ）に示
すように、この線状メサ１１０をＩｎＰバリア層１１１
を用いて埋め込む。このことにより、図１（ｂ）に示す
ような線状構造を有する多重量子井戸活性層１０３が形
成される。上記のような線状構造の形成方法について
は、Y. Miyamotoらによって、Japanese Journal of App
lied Physics, 26, L225-L227(1987).に記載されている
方法を用いることができる。

【００３３】その上に、厚みλ／４のｐ−ＩｎＰ層と厚
みλ／４のｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層とを１５対結晶成長さ
せる。このことにより、反射率９８％の多層反射膜１０
４が形成される。

【００３４】その後、多重量子井戸層１０３および多層
反射膜１０４を、通常のフォトリソグラフィ技術とウェ
ットエッチング技術を用いることにより、直径５μｍの
円形メサ構造１００に形成する。そして、この円形メサ
構造１００を埋め込むように、ＯＭＶＰＥ法により、ｐ
−ＩｎＰ層１０５、ｎ−ＩｎＰ層１０６およびｐ−Ｉｎ
Ｐ層１０７からなる電流狭窄構造を形成する。

【００３５】さらに、基板１０１側全面には、真空蒸着
法により、ｎ型電極１０８を形成した。また、半導体層
が形成されている側には、光取り出し用の窓を設けて、
ｐ型電極１０９を形成して、ＬＤ素子とする。

【００３６】このＬＤ素子において、活性層１０３に
は、ＩｎＧａＡｓ線状構造が形成されている。このＩｎ
ＧａＡｓ線状構造は、線状メサ１１０の幅および各Ｉｎ
ＧａＡｓ層１０の厚みが電子のド・ブロイ波長と同程度
であり、かつ、線状メサ１１０の周囲がＩｎＰバリア層
１１１に囲まれているため、量子細線構造となる。以
下、線状メサ１１０を量子細線１１０と称する。

【００３７】この量子細線１１０内に存在する電子は、
量子細線１１０の長手方向には自由に動くことができる
が、それ以外の方向には、周囲に設けられたバリア層１
１１に動きを阻まれている。すなわち、量子細線１１０
内に存在する電子は、図１（ａ）において、紙面に直交
する方向にしか動けない。

【００３８】このように、上記のような量子細線構造に
おいて、電子の移動に対するポテンシャルが、結晶内で
非対称となる。よって、重い正孔帯と軽い正孔帯との縮
退が解け、伝導帯と重い正孔帯との間のエネルギー幅
が、伝導帯と軽い正孔帯との間のエネルギー幅よりも小
さくなる。このため、主に発光に寄与するのは、伝導帯
と重い正孔帯との間の電子遷移となる。

【００３９】ところで、量子細線構造においては、量子
細線に平行な電界を有する光は、伝導帯と重い正孔帯と
の間の電子遷移と、伝導帯と軽い正孔帯との間の電子遷
移との両方の電子遷移に、相互作用が可能である。しか
し、量子細線に直交する電界を有する光は、伝導帯と軽
い正孔帯との間の電子遷移にのみ、相互作用が可能であ
る。これは、量子細線に直交する方向に励起された電子
にとっては、伝導帯と重い正孔帯との間の遷移が禁制遷
移となるからである。よって、上記のような発光に寄与
する伝導帯と重い正孔帯との間の電子遷移は、量子細線
に平行な電界を有する光とのみ相互作用する。すなわ
ち、上記のような量子細線を有する半導体レーザ素子に
おいては、量子細線構造に平行な電界を有するレーザ光
に、選択的に利得を与えることになる。このことによ
り、上記のようなＬＤ素子においては、図１（ｃ）に示
すような、量子細線１１０に平行な方向に偏波面を有す
るレーザ光が、選択的に発振される。

【００４０】本発明において、隣合う量子細線の中心間
距離を、ＬＤ素子内部におけるレーザ光の波長以下に限
定している理由は以下の通りである。

【００４１】隣合う量子細線の中心間距離が、ＬＤ素子
内部におけるレーザ光の波長よりも大きい場合には、レ
ーザ光の横モードが線状構造に対応して高次モードとな
り、発振ビームが複数化する虞がある。しかし、上記中
心間距離が、ＬＤ素子内における光の波長よりも小さい
場合には、上記のような高次モードは発生しない。

【００４２】この実施例では、隣合う量子細線１１０の
中心間距離は、２００ｎｍであり、ＬＤ素子内における
光の波長約４００ｎｍよりも小さいため、上記のような
高次モードは発生しない。

【００４３】また、この実施例のＬＤ素子では、活性層
が多重量子井戸構造とされているため、さらに、共振器
内の利得を大きくすることができる。

【００４４】この実施例のＬＤ素子における光出力強度
の偏光方向依存性を図３に示す。

【００４５】ここで、目的とする偏光方向であるα＝９
０°の光強度と、それに直交する方向であるα＝０°の
光強度との比は、７０：１となっており、従来に比べて
優れた偏光方向選択性を有している。

【００４６】また、量子細線構造の形成方法としては、
一般的に量子細線作製のために用いられる方法を用いる
ことができる。例えば、高橋らによって、1990年度第37
回応用物理学関連連合講演会予稿集、30a-S-5/I、 p. 27
7において提案されているような、電子ビームにより細
線構造を選択的に成長する方法をもちいてもよい。ま
た、E. Kaponらによって、Appl. Phys. Lett., 55, 271
5(1989).において提案されているような、Ｖ字型のスト
ライプ溝内に、有機金属を用いて、化学的気層成長法に
より曲がり量子井戸層を形成する方法を用いてもよい。

【００４７】一般に、量子細線構造は、基板に対して任
意の方向に形成することが可能であるので、基板の結晶
の面方位に関係なく、所望の直接偏光を出力する垂直共
振器型面発光ＬＤ素子を作製することができる。

【００４８】（実施例２）図４（ａ）は、本発明の実施
例２のＬＤ素子を示す断面図である。

【００４９】このＬＤ素子は、ＳｉＯ₂層とＴｉＯ₂層と
を積層した多層反射膜３１３が形成された高抵抗ＧａＡ
ｓ基板３００上に、波状周期構造３０２を有するＡｌ
_0.5Ｇａ_0.5Ａｓパターン刻印層３０１が形成されてい
る。そして、パターン刻印層３０１の一部と、ｎ−Ａｌ
_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層３０３と、Ａｌ_0.06Ｇａ_0.94
Ａｓ活性層３０４と、ｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド
層３０５とが円形のメサ構造３０６に形成されている。
このメサ構造３０６を埋め込むようにｎ−Ａｌ_{0. 51}Ｇａ
_0.49Ａｓ埋め込み層３０７、ｎ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ａｓ
光吸収埋め込み層３０８およびｎ−Ａｌ_0.51Ｇａ_0.49Ａ
ｓ第２埋め込み層３０９が形成されている。

【００５０】ここで、埋め込み層３０７、光吸収埋め込
み層３０８および第２埋め込み層３０９の一部は、ｐ型
領域３１０とされている。

【００５１】また、第２埋め込み層３０９の上およびｐ
型領域３１０の上には、それぞれ、ｎ型電極３１１およ
びｐ型電極３１２が形成されている。さらに、円形メサ
構造３０６を覆うように、ＳｉＯ₂からなる絶縁膜３１
４が形成され、その上に金薄膜からなる反射膜３１５が
形成されている。

【００５２】このＬＤ素子は、以下のようにして作製さ
れる。

【００５３】まず、高抵抗ＧａＡｓ基板３００上に、厚
み０．５μｍのＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層を結晶成長させ
る。この層の上表面に、通常の電子ビーム露光技術とウ
ェットエッチング技術とにより、図４（ｂ）に示すよう
な、周期約２４０ｎｍ、深さ約１００ｎｍの三角波状周
期構造３０２を形成する。その状態の基板の上に、厚み
１．０μｍのｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層、厚み０．０３
μｍのＡｌ_0.06Ｇａ_0.94Ａｓ３０４および厚み１．０μ
ｍのｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層を、連続的に結晶成長さ
せる。次に、このウェハに、通常のリソグラフィ技術と
エッチング技術とにより、パターン刻印層３０１の一部
と、ｎ−クラッド層３０３と、活性層３０４と、ｐ−ク
ラッド層３０５とからなる、円形のメサ構造３０６を形
成する。そして、ｎ−Ａｌ_0.51Ｇａ_0.49Ａｓ埋め込み層
３０７、ｎ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ａｓ光吸収埋め込み層３
０８およびｎ−Ａｌ_0.51Ｇａ_0.49Ａｓ第２埋め込み層３
０９を結晶成長させて、上記メサ構造３０６を埋め込
む。上記において、結晶成長は、有機金属気層成長法を
用いて行ったが、これ以外に、一般にＡｌＧａＡｓ系半
導体の結晶成長に用いられる方法であれば、いずれも用
いることができる。例えば、分子線エピタキシャル法、
液相エピタキシャル法、ハロゲン輸送法などが挙げられ
る。

【００５４】その後、ｐ−クラッド層３０５の側面に接
する、埋め込み層３０７、光吸収埋め込み層３０８およ
び第２埋め込み層３０９の一部を、熱拡散法より亜鉛拡
散領域とする。この亜鉛拡散領域は、ｐ型領域３１０と
なる。

【００５５】さらに、第２埋め込み層３０９の上および
ｐ型領域３１０の上に、それぞれ、ｎ型電極３１１およ
びｐ型電極３１２を形成する。そして、基板３００にお
いてメサ構造３０６の下部となる部分を、通常のフォト
リソグラフィ技術と選択エッチング技術とを用いて、部
分的に除去し、その部分に、高周波スパッタ法により、
厚みλ／４のＳｉＯ₂層と厚みλ／４のＴｉＯ₂層とを５
対積層させる。このことにより、反射率９９％の多層反
射膜３１３が形成される。また、円形メサ構造３０６を
覆うように、プラズマ化学析出法により、ＳｉＯ₂から
なる絶縁膜３１４と、金薄膜からなる反射率９５％の反
射膜３１５を形成して、ＬＤ素子とする。

【００５６】このＬＤ素子において、波状周期構造３０
２の上下は、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓパターン刻印層３０１
およびｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層３０３であ
り、同じｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ材料からなっている。
このため、この波状周期構造３０２自身では、光に影響
を与えることはない。また、活性層３０４は、形状とし
ては面内均一であり、線状構造を有していない。しか
し、工藤らによって、特願平3-151546において開示され
ているように、基板に結晶を成長させる前に、波状周期
構造３０２が形成されているため、成長される結晶に波
状周期構造３０２に対応した応力が伝播される。このた
め、活性層３０４の結晶には、図４（ｂ）に示すよう
な、線状周期を有する歪みが生じる。この歪みは、図４
（ｄ）に示すような、極大点を有する分布となってい
る。そして、活性層３０４の禁制帯幅は、生じる圧縮歪
みが最大となる位置、すなわち、上記の極大点で最小と
なる。これは、歪みにより禁制帯幅が縮むためであり、
歪みの小さい部分の禁制帯幅は極大となる。このため、
活性層３０４内に存在する電子は、活性層３０４に線状
周期で生じる歪みの長手方向には自由に動くことができ
るが、それ以外の方向には、動きを制限されている。

【００５７】ここで、活性層３０４に生じる線状周期に
おいて、電子が移動できる部分の幅は、波状構造３０２
の周期と、活性層３０４に伝播する歪みの大きさ、すな
わち、禁制帯幅が変調される強度とによって決定され
る。

【００５８】この実施例においては、上記電子が移動で
きる部分の幅は３０ｎｍ、厚み３０ｎｍとなった。この
部分の寸法は、電子のド・ブロイ波長と同等なので、量
子細線となる。

【００５９】この量子細線においては、実施例１と同様
に、この量子細線の長手方向に平行な偏波面を有するレ
ーザ光に、選択的に利得を与えることになる。このこと
により、上記のようなＬＤ素子においては、図４（ｃ）
に示すような、直接偏光成分のみを、選択的に発振する
ことができる。

【００６０】また、活性層３０４に形成される上記量子
細線構造において、隣合う量子細線の中心間距離は、約
２４０ｎｍであり、ＬＤ素子内におけるレーザ光の波長
２３５ｎｍと同等である。よって、レーザ光の発振横モ
ードに高次モードが生じることはない。通常の半導体材
料では、量子細線とその周辺の物質との屈折率差は小さ
いので、量子細線の周期がレーザ波長の１．５倍以下で
ある場合には、問題が生じることはない。

【００６１】この実施例のＬＤ素子における光出力強度
の偏光方向依存性を図５に示す。

【００６２】ここで、目的とする偏光方向であるβ＝９
０°の光強度と、それに直交する方向であるβ＝０°の
光強度との比は、１９：１となっており、従来に比べて
優れた偏光方向選択性を有する垂直共振器型面発光ＬＤ
素子を比較的簡易な製作方法により得ることができる。

【００６３】また、この実施例において、活性層を多重
量子井戸構造とすることにより、さらに、閾値電流を小
さくすることもできる。

【００６４】（実施例３）図６（ａ）は、本発明の実施
例３のＬＤ素子を示す断面図である。

【００６５】このＬＤ素子は、ｐ−ＧａＡｓ基板５００
に、波状構造として、線状凹凸形状５０１が形成されて
いる。その上に、ｐ−ＧａＡｓバッファ層５０２、ｐ−
ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ層からなる多層反射膜５０３、Ｉｎ
_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ単一歪み量子井戸活性層５０４、ｎ−Ａ
ｌＡｓ／ＧａＡｓ層からなる多層反射膜５０５、ｎ−Ｇ
ａＡｓ光位相整合層５０６が形成されている。そして、
活性層５０４を含むような円形メサ構造５０７が形成さ
れ、この円形メサ構造５０７を埋め込むように、絶縁性
樹脂層５０８が形成されている。基板５００において、
光取り出し部となる部分には、Ｓｉ₃Ｎ₄層からなる無反
射膜５０９が形成されており、光取り出し部以外の部分
には、ｐ型電極５１０が形成されている。また、半導体
層成長側には、全面に、ｎ型電極５１１が形成されてい
る。

【００６６】このＬＤ素子は以下のようにして作製され
る。

【００６７】まず、ｐ−ＧａＡｓ基板５００に、二光束
干渉露光技術とウェットエッチング技術とにより、周期
１００ｎｍ、深さ５０ｎｍの線状凹凸形状５０１を形成
する。その上に、有機金属気層成長法により、厚み０．
１５μｍのｐ−ＧａＡｓバッファ層５０２、厚みλ／４
の傾斜組成型ｐ−ＡｌＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層１５．５対
からなる多層反射膜５０３、厚み８ｎｍのＩｎ_0.2Ｇａ
_0.8Ａｓ単一歪み量子井戸活性層５０４、厚みλ／４の
傾斜組成型ｎ−ＡｌＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層１４対からな
る多層反射膜５０５、厚みλ／４のｎ−ＧａＡｓ光位相
整合層５０６を連続的に結晶成長させる。バッファ層５
０２の成長においては、その表面が平坦となるように、
基板温度などの成長条件を制御した。ここで、多層反射
膜５０３および５０５は、図６（ｂ）に示すような組成
変化を有しており、それぞれ反射率９９．５％、９８．
７％となる。

【００６８】次に、この状態のウェハに、通常のフォト
リソグラフィ技術とウェットエッチング技術とを用い
て、単一量子井戸活性層５０４を含むような円形メサ構
造５０７を形成する。そして、この円形メサ構造５０７
を埋め込むように、絶縁性樹脂層５０８を形成する。ま
ず、ウェハ全体に、ポリイミドなどを有機溶剤に溶かし
た絶縁性樹脂を、スピンコーティングして、乾燥させ
る。その後、メサ構造５０７上に残留している絶縁性樹
脂を、酸素プラズマにより除去することにより、メサ構
造５０７を埋め込んだ状態で樹脂層５０８が形成され
る。

【００６９】その後、基板５００において、光取り出し
部となる部分に、プラズマ化学析出法により、Ｓｉ₃Ｎ₄
層からなる無反射膜５０９を形成する。そして、光取り
出し部以外の部分に、ｐ型電極５１０を形成する。さら
に、半導体層成長側には、全面に、ｎ型電極５１１を形
成して、ＬＤ素子とする。

【００７０】このＬＤ素子において、活性層５０４は、
基板５００のＧａＡｓ結晶と格子サイズが異なっている
ため、圧縮応力を受ける。また、基板５００表面に形成
された線状周期構造５０１の上に結晶を成長させている
ため、実施例２と同様に、線状周期５０１に対応した方
向性を有する応力が活性層５０４にかかる。このため、
活性層５０４には、面内で線状に変調された強度の応力
がかかることになる。すなわち、活性層５０４は、形状
としては面内均一であるが、応力による線状の歪みを有
している。この線状の歪みは、実施例２と同様に、電子
が移動できる量子細線となり、この量子細線の長手方向
に平行な電界を有する光に選択的に利得を与えることが
できる。よって、このＬＤ素子は、直線偏光を選択的に
発振させることができる。

【００７１】また、活性領域５０４に形成される上記量
子細線構造において、隣合う量子細線の中心間距離は、
１００ｎｍとなり、ＬＤ素子内におけるレーザ光の波長
２７０ｎｍより小さい。よって、この量子細線構造によ
りレーザ光の発振横モードに、高次モードが生じること
はない。

【００７２】さらに、この実施例においては、電流注入
により活性層５０４に発生する利得と、その上下に設け
られている多層反射膜５０３および５０５の分布帰還型
反射機構とにより、レーザ光を発生する構成とされてい
る。このＬＤ素子の発振波長は、約９５０ｎｍであり、
この波長の光は、ＧａＡｓ基板には吸収されない。よっ
て、基板５００に光取り出し窓を設けることなく、基板
５００側からレーザ光を出力することができる。また、
活性層５０４を含む、レーザ発振に関係する構造（傾斜
組成型多層反射膜と光位相整合層）は、厚みλ／４の薄
膜を積層したもので構成されている。よって、活性層５
０４で発生する光を、有効にレーザ発振に結び付けるこ
とができる。

【００７３】（実施例４）図７は、本発明の実施例４の
ＬＤ素子の要部を示す断面図である。

【００７４】このＬＤ素子においては、ｎ−ＧａＡｓ基
板上に、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰ／ＩｎＧａＰ層からなる多
層反射膜７１が形成されている。その上に、波状構造と
して、グレーティング７３が設けられたｎ−ＩｎＧａＡ
ｌＰ加工層７２が形成されている。グレーティング７３
の上には、ＩｎＧａＡｌＰ下部バリア層７４、ＩｎＧａ
Ｐ量子細線７５、ＩｎＧａＡｌＰ上部バリア層７６およ
びｐ−ＩｎＧａＡｌＰ／ＩｎＧａＰ層からなる多層反射
膜７７が形成されている。このＬＤ素子において、電流
狭窄構造や電極などの構造は、実施例１から３までの構
造と同様なものとすることができる。

【００７５】このＬＤ素子は、以下のようにして作製さ
れる。

【００７６】まず、ｎ−ＧａＡｓ基板上に、ＯＭＶＰＥ
法により、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰ／ＩｎＧａＰ層からなる
多層反射膜７１、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰ層を形成する。次
に、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰ層の上表面に、電子ビーム露光
技術とエッチング技術とにより、グレーディング７３を
形成して、加工層７２とする。このグレーティング７３
は、共振器の中心部に近付くほど密で、周辺部になるほ
ど粗な周期を有する波状構造になるように制御して形成
する。そして、その周期は、ＬＤ素子内部におけるレー
ザ光の波長以下である。例えば、密の部分の周期は１２
ｎｍ、粗の部分の周期は２３ｎｍとすることができる。

【００７７】次に、有機金属気層成長法により、厚み
０．１５μｍのＩｎＧａＡｌＰ下部バリア層７４、Ｉｎ
ＧａＰ量子細線７５、厚み０．２μｍのＩｎＧａＡｌＰ
上部バリア層７６および厚み１．９μｍのｐ−ＩｎＧａ
ＡｌＰ／ＩｎＧａＰ層１５対からなる反射率９８％の多
層反射膜７７を形成した。この時、量子細線７５は、グ
レーティング７３の波状構造に対応するように制御して
形成する。

【００７８】以下、実施例１から３と同様にしてＬＤ素
子を作製する。

【００７９】この実施例においては、量子細線７５の断
面形状は、４０ｎｍ直径の円形となっている。この量子
細線７５の寸法は電子のド・ブロイ波長より小さいの
で、実施例２と同様に、量子細線７５の長手方向に沿っ
た量子細線構造が形成され、この量子細線構造に平行な
電界を有する光に選択的に利得を与えることができる。
よって、このＬＤ素子は、直線偏光を選択的に発振させ
ることができる。

【００８０】また、この実施例において、隣合う量子細
線７５の中心間距離は、グレーティング７３の周期に等
しく、ＬＤ素子内におけるレーザ光の波長２７０ｎｍよ
り小さい。よって、この量子細線構造により、レーザ光
の発振横モードに高次モードが生じることはない。

【００８１】さらに、本実施例においては、量子細線７
５の密度が、共振器の中心部に近付くほど密で、周辺部
になるほど粗であるので、空間的な利得分布が得られ、
共振器の中央で最も大きな光電界を有する基本横モード
を選択的に発振することができる。

【００８２】尚、本発明は、上記実施例で示した構造に
限られない。例えば、図８に示すような、構造に適用す
ることもできる。このＬＤ素子においては、周期９０ｎ
ｍのグレーティング８２上に、バッファ層８３を介して
量子井戸活性層８１が形成されている。活性層８１の下
部は、波状構造としてのグレーティング８２の周期構造
に対応する周期構造を有し、上部は平坦となっている。
さらに、上下面に反射膜８４が形成されている。この構
造においては、活性層８１において、厚く形成された部
分に電子が閉じ込められ、量子細線構造となる。ここ
で、活性層８１の厚みの変調周期を、素子内におけるレ
ーザ光の波長より小さく形成することにより、利得の偏
波面依存性を高めて、量子細線の長手方向に平行な電界
成分を有するレーザ光を選択性よく発振させることがで
きる。

【００８３】また、図９に示すような構造に適用するこ
ともできる。このＬＤ素子においては、グレーティング
９１上に結晶成長させた、波状量子井戸活性層９２が形
成されている。この構造においては、波状の谷の部分で
結晶成長が速くなり、他の部分よりも層が厚くなるの
で、この部分に電子が閉じ込められる量子細線構造とな
る。この構造においても、量子細線の長手方向に平行な
電界成分を有するレーザ光を選択性よく発生させること
ができた。

【００８４】本発明において、量子細線の形成は、上記
実施例に示した以外の方法を用いて行うこともできる。
例えば、電子ビームアシスト結晶成長や、電子ビームエ
ッチング、傾斜基板上への結晶成長などを用いることが
できる。

【００８５】また、垂直共振器型面発光半導体レーザ素
子の構成は、上記実施例に示したものに限られない。例
えば、横電流注入型の構成にも適用することができる。

【００８６】半導体レーザ素子を構成する材料について
も、上記実施例に示したものに限られず、例えば、Ｉｎ
ＧａＡｌＰ系などの他のIII-V族半導体を用いてもよ
く、また、II-VI族半導体を用いてもよい。

【００８７】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、発振レーザ光を、所望の方向に偏波面を有する
直線偏光とし、かつ、直交する偏光成分の出力を抑制で
きる。また、レーザ光の発振横モードは高次モードとな
ることはない。よって、レーザ光応用システムに用いる
ことができる垂直共振器型面発光ＬＤ素子を得ることが
できる。

【００８８】さらに、基板または基板側の層の上表面を
波状にすることにより、優れた偏光方向選択性を有する
垂直共振器型面発光ＬＤ素子を簡易な製作方法により得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の半導体レーザ素子の図であ
る。（ａ）は断面図であり、（ｂ）は活性層の形状を示
す図であり、（ｃ）は出力されるレーザ光の偏光状態を
示す図である。

【図２】本発明の実施例１の半導体レーザ素子の製造工
程を示す図である。

【図３】本発明の実施例１における出力レーザ光の偏光
方向依存性を示す図である。

【図４】本発明の実施例２の半導体レーザ素子の図であ
る。（ａ）は断面図であり、（ｂ）は活性層の形状を示
す図であり、（ｃ）は出力されるレーザ光の偏光状態を
示す図であり、（ｄ）は活性層の周期的歪みを示す図で
ある。

【図５】本発明の実施例２における出力レーザ光の偏光
方向依存性を示す図である。

【図６】本発明の実施例３の半導体レーザ素子の図であ
る。（ａ）は断面図であり、（ｂ）は反射膜の組成変化
を示す図である。

【図７】本発明の実施例４の半導体レーザ素子を示す要
部断面図である。

【図８】本発明の他の半導体レーザ素子の例を示す要部
断面図である。

【図９】本発明の他の半導体レーザ素子の例を示す要部
断面図である。

【図１０】従来の垂直共振器型面発光半導体レーザ素子
を示す図である。（ａ）は断面図であり、（ｂ）は出力
されるレーザ光の偏光状態を示す図である。

【符号の説明】

１００、３０６、５０７ 円形メサ構造 １０１、３００、５００ 基板 １０２、１０４、３１３、５０３、５０５、７１、７７
多層反射膜 １０３、３０４、５０４、８１、９２ 活性層 １０５、１０６、１０７ 電流狭窄構造 １０８、３１１、５１１ ｎ型電極 １０９、３１２、５１０ ｐ型電極 ３０２ 波状周期構造 ３０１ パターン刻印層 ３０３ ｎ−クラッド層 ３０５ ｐ−クラッド層 ３０７、３０８、３０９ ｎ−埋め込み層 ３１０ ｐ型領域 ３１４ 絶縁膜 ３１５ 金属反射膜 ５０１ 線状凹凸形状 ５０２、８３ バッファ層 ５０６ 光位相整合層 ５０８ 絶縁性樹脂層 ５０９ 無反射膜 ７３、８２、９１ グレーティング ７２ 加工層 ７４、７６ バリア層 ７５ 量子細線７５ ８４ 反射膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 猪口 和彦 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 工藤 裕章 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 奥村 敏之 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 菅原 聰 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に活性層を含む複数の層を
   積層してなり、その積層方向にレーザ共振が生じる半導
   体レーザ素子であって、 該活性層に、光を閉じ込める複数の量子細線を該基板表
   面に沿って一列に有する量子細線列が、基板の厚み方向
   に１行または２行以上形成され、 該量子細線列の隣合う量子細線の中心間距離が半導体レ
   ーザ素子内でのレーザ光の波長以下である半導体レーザ
   素子。
2. 【請求項２】 前記活性層の基板側に、表面が波状にな
   った層または基板を有する請求項１に記載の半導体レー
   ザ素子。
3. 【請求項３】 半導体基板上に活性層を含む複数の層を
   積層してなり、その積層方向にレーザ共振が生じる半導
   体レーザ素子の製造方法において、 該活性層よりも基板側の層または該基板の上表面を、半
   導体レーザ素子内でのレーザ光の波長以下の周期で波状
   に形成する工程と、 該波状に上表面が形成された層または基板の上に、直接
   または間に該層とは別の層を挟んで活性層を成長させ
   て、該活性層に、光を閉じ込める複数の量子細線を該基
   板表面に沿って一列に有する量子細線列が、基板の厚み
   方向に１行または２行以上形成された量子細線構造を形
   成する工程と、 を含む半導体レーザ素子の製造方法。