(57)【要約】【課題】選択酸化層の未酸化部の大きさを比較的大きくした場合でも、単一横モード発振を実現可能なＶＣＳＥＬ素子を提供する。【解決手段】ＶＣＳＥＬ素子２０は、基板２１側から順に、Ｎ型導電性を有する第１のＤＢＲ領域２２と、レーザ光を発光する活性領域２３と、カーボンをドープすることによってＰ型導電性を有する第２のＤＢＲ領域２４とを備える。電流経路となる未酸化部２５と未酸化部２５の周囲の酸化部２６とを含む選択酸化層２７は、第２のＤＢＲ領域２４のうちの高屈折率層中で、レーザ光の電界の定在波分布の節に対応する位置に設けられる。【選択図】図１
2020064926.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直共振器型面発光レーザであって、
基板側から順に、
Ｎ型導電性を有する第１の分布ブラッグ反射鏡領域と、
レーザ光を発光する活性領域と、
カーボンをドープすることによってＰ型導電性を有する第２の分布ブラッグ反射鏡領域とを備え、
前記第１の分布ブラッグ反射鏡領域および前記第２の分布ブラッグ反射鏡領域の各々は、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層された層であり、
前記垂直共振器型面発光レーザは、電流経路となる未酸化部と前記未酸化部の周囲の酸化部とを含む選択酸化層をさらに備え、
前記選択酸化層は、前記第２の分布ブラッグ反射鏡領域のうちの高屈折率層中で、前記レーザ光の電界の定在波分布の節に対応する位置に設けられる、垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項２】
前記第２の分布ブラッグ反射鏡領域は、
前記活性領域に隣接する第１の低屈折率層と、
前記第１の低屈折率層に隣接する第１の高屈折率層とを含み、
前記選択酸化層は、前記第１の高屈折率層中に設けられる、請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項３】
前記第１の低屈折率層の厚みは、前記レーザ光の波長の４分の１に対応し、
前記第１の高屈折率層の厚みは、前記レーザ光の波長の４分の３に対応し、
前記選択酸化層は、前記第１の低屈折率層と前記第１の高屈折率層との境界から前記基板に垂直方向に前記レーザ光の波長の２分の１だけ離れた位置に設けられる、請求項２に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項４】
前記基板に垂直な方向から見て、前記選択酸化層の前記未酸化部は円形を有し、
前記未酸化部の直径は、４μｍ以上かつ６μｍ以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【請求項５】
前記選択酸化層は、１つのみ設けられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の垂直共振器型面発光レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この開示は、垂直共振器型面発光レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical  Cavity  Surface  Emitting  Laser）では、活性層への電流注入効率を高めるために電流狭窄構造が設けられる。具体的には、Ａｌ（アルミニウム）Ａｓ（ヒ素）層（以下、選択酸化層と称する）を設け、その周辺部のみを酸化する選択酸化によって電流狭窄構造が形成される。選択酸化層の中央付近の未酸化部が電流の通過領域となる。
【０００３】
このような電流狭窄構造を実現するための選択酸化層を、分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Distributed  Bragg  Reflector）領域のどの位置に配置するかについて、これまで種々の提案がなされている。
【０００４】
特開２０１０−０１０６４６号公報（特許文献１）に開示されたＶＣＳＥＬでは、選択酸化層は、上部ＤＢＲ領域の低屈折率層の一部をなすように形成されている。この場合、酸化層の厚さのばらつきを低減するために、選択酸化層に隣接する第１の層のアルミニウム含有率は、第１の層と反対側で選択酸化層に隣接する第２の層のアルミニウム含有率よりも大きく、選択酸化層のアルミニウム含有率よりも小さくさなるように設定される。さらに、選択酸化層と、この選択酸化層が設けられた低屈折率層のうち基板に反対側の組成傾斜層とは、ともに電界強度分布の節に対応する位置に設けられている。
【０００５】
また、特開２０１２−２３１１７８号公報（特許文献２）は、高次横モード発振を抑制するために、選択酸化層の位置を発振光の電界の定在波分布における節と腹との間に設けることを開示する。さらに、この文献に開示されたＶＣＳＥＬの一構成例では、電流狭窄層の他に、活性層において発振した高次モード成分を抑制するための抑制層が設けられる。抑制層を構成する第１の選択酸化層は、発振光の電界の定在波分布の節の位置と腹の位置との間に設けられる。電流狭窄層を構成する第２の選択酸化層は、第１の選択酸化層よりも活性層に近接して設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−０１０６４６号公報
【特許文献２】特開２０１２−２３１１７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＶＣＳＥＬを種々のアプリケーションに応用するためには、単一横モード発振が得られることが望ましい。従来、単一横モード発振を実現するために、選択酸化層の未酸化部を小径化する必要があった。
【０００８】
しかしながら、選択酸化層の未酸化部を小径化すると、ＶＣＳＥＬからの光出力が低下するというディメリットがある。さらに、選択酸化層の酸化時間が長くなるので、選択酸化層のうち酸化収縮する部分の割合が増し、歪みの要因になる。この結果、ＶＣＳＥＬの信頼性が損なわれることになる。
【０００９】
この開示は、上記の問題点を考慮してなされたものであり、その目的は、選択酸化層の未酸化部の大きさを比較的大きくした場合でも、単一横モード発振が実現可能なＶＣＳＥＬを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一実施形態の垂直共振器型面発光レーザは、基板側から順に、Ｎ型導電性を有する第１の分布ブラッグ反射鏡領域と、レーザ光を発光する活性領域と、カーボンをドープすることによってＰ型導電性を有する第２の分布ブラッグ反射鏡領域とを備える。第１の分布ブラッグ反射鏡領域および第２の分布ブラッグ反射鏡領域の各々は、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層された層である。垂直共振器型面発光レーザは、電流経路となる未酸化部と未酸化部の周囲の酸化部とを含む選択酸化層をさらに備える。選択酸化層は、第２の分布ブラッグ反射鏡領域のうちの高屈折率層中で、レーザ光の電界の定在波分布の節に対応する位置に設けられる。
【００１１】
上記のように、選択酸化層を高屈折率層中に設けることによって、選択酸化層の周辺の半導体層中への余分なカーボンの取り込みを抑制することができる。この結果、結晶性を損なうことなく局所歪みや欠陥発生を抑制することができる。さらに、選択酸化層をレーザ光の電界の定在波分布の節に配置することによって、選択酸化層の光閉じ込め効果を弱めることができる。以上により、電流経路となる未酸化部の小径化をできるたけ抑えて、単一横モード発振を実現することができる。
【００１２】
好ましくは、第２の分布ブラッグ反射鏡領域は、活性領域に隣接する第１の低屈折率層と、第１の低屈折率層に隣接する第１の高屈折率層とを含む。選択酸化層は、第１の高屈折率層中に設けられる。
【００１３】
上記のように選択酸化層を活性領域にできるだけ近接する位置に配置することによって、活性領域への電流注入効率を高めることができる。
【００１４】
好ましくは、第１の低屈折率層の厚みは、レーザ光の波長の４分の１に対応する。第１の高屈折率層の厚みは、レーザ光の波長の４分の３に対応する。選択酸化層は、第１の低屈折率層と第１の高屈折率層との境界から基板に垂直方向にレーザ光の波長の２分の１だけ離れた位置に設けられる。
【００１５】
上記のような光学膜厚で各層を形成することによって、選択酸化層をレーザ光の電界の定在波分布の節に配置することができる。
【００１６】
好ましくは、基板に垂直な方向から見て、選択酸化層の未酸化部は円形を有する。未酸化部の直径は、４μｍ以上かつ６μｍ以下である。
【００１７】
このように、選択酸化層の未酸化部の直径を４μｍ以上にすることによって、単一横モード発振の場合でも光出力の低下を抑制することができる。さらに、未酸化部の直径を６μｍまで増やしても、十分な大きさのＳＭＳＲで単一横モード発振を実現することができる。
【００１８】
好ましくは、選択酸化層は、１つのみ設けられる。本開示のＶＣＳＥＬ素子は、上記の特許文献２のように複数の選択酸化層を設けなくても、比較的高出力の単一横モード発振を実現することができる。
【発明の効果】
【００１９】
上記の実施形態のＶＣＳＥＬ素子によれば、選択酸化層の未酸化部の大きさを比較的大きくした場合でも、単一横モード発振を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】ＶＣＳＥＬ素子の構成の一例を示す断面図である。
【図２】活性領域の近傍における屈折率分布とＡｌ組成分布とを示す図である。
【図３】選択酸化層による光閉じ込め効果について説明するための図である。
【図４】ＶＣＳＥＬ素子の出力光の横モードのスペクトルを示す図である。
【図５】未酸化部の直径とＳＭＳＲとの関係を示す図である。
【図６】ＳＭＳＲと光パワーとの関係を示す図である。
【図７】図１のＶＣＳＥＬ素子の製造工程における断面形状を示す図である。
【図８】図１および図２で説明したＶＣＳＥＬ素子の製造工程を示すフローチャートである。
【図９】変形例のＶＣＳＥＬ素子において、活性領域の近傍における屈折率分布とＡｌ組成分布とを示す図である。
【図１０】他の変形例のＶＣＳＥＬ素子において、活性領域の近傍における屈折率分布とＡｌ組成分布とを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない場合がある。
【００２２】
［ＶＣＳＥＬの全体構成］
図１は、ＶＣＳＥＬ素子の構成の一例を示す断面図である。図１において、基板に平行な面内方向をｘ方向およびｙ方向とし、基板に垂直な方向をｚ方向とする。なお、図１およびその他の断面図は模式的なものであって各部の厚みは実際とは異なる。または、ＤＢＲ領域を構成する高屈折率層および低屈折率層の層数も実際とは異なる。
【００２３】
図１を参照して、ＶＣＳＥＬ素子２０は、基板２１と、下部ＤＢＲ領域２２と、活性領域２３と、上部ＤＢＲ領域２４と、選択酸化層２７と、表面電極３０と、裏面電極３１と、保護層２８と、層間絶縁層２９を備える。下部ＤＢＲ領域２２、活性領域２３、および上部ＤＢＲ領域２４は、この順で基板２１の上に形成されている。
【００２４】
本実施の形態では、基板２１として、Ｎ型導電性を示すＧａＡｓ（ガリウム・ヒ素）半導体基板が用いられる。この場合、基板２１の裏面に裏面電極３１が形成される。裏面電極３１をカソード電極とも称する。
【００２５】
なお、図１の場合と異なるが、基板２１として半絶縁性を示すノンドープのＧａＡｓ基板を用いることもできる。この場合には、カソード電極は、たとえば、下部ＤＢＲ領域２２の表面または内部に形成してもよい。もしくは、ノンドープＧａＡｓ基板上にカソード電極を形成するための高濃度Ｎ型ドーピングＧａＡｓ層を設けてもよい。ＶＣＳＥＬ素子を形成するための半導体多層膜は、この高濃度Ｎ型ドーピングＧａＡｓ層の上に形成される。
【００２６】
基板２１上には、Ｎ型導電性を示す化合物半導体で形成された下部ＤＢＲ領域２２が形成される。下部ＤＢＲ領域２２では、高屈折率層ＨＮと低屈折率層ＬＮとが交互に積層される。図１において、高屈折率層ＨＮにハッチングを付すことによって、低屈折率層ＬＮと区別している。発振光の波長をλで表すと、高屈折率層ＨＮおよび低屈折率層ＬＮの各々の基板垂直方向の厚みはλ／４の奇数倍である。通常、高屈折率層ＨＮおよび低屈折率層ＬＮの各々は、最小寸法であるλ／４の光学膜厚に形成される。
【００２７】
たとえば、低屈折率層ＬＮとしてＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓが用いられ、高屈折率層ＨＮとしてＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓが用いられる。Ｎ型の導電性を与えるためにＳｉ（シリコン）がドーピングされている。ＳｉはＧａ（Ａｌ）サイトに配位してドナーになりやすい。
【００２８】
なお、ＡｌXＧａ(1-X)Ａｓ（アルミニウム・ガリウム・ヒ素）は、ＧａＡｓとＡｌＡｓとの混晶半導体であり、Ａｌ組成（Ｘ）が高いほどエネルギーギャップが広く、屈折率は低くなる。Ａｌ組成（Ｘ）に応じて格子定数がほとんど変化しないために、あらゆるＡｌ組成（Ｘ）のＡｌXＧａ(1-X)Ａｓ膜をＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長可能である。この明細書では、Ａｌ組成（Ｘ）を特定しない場合には、ＡｌＧａＡｓと記載する場合がある。
【００２９】
下部ＤＢＲ領域２２の上に、レーザ光を発生する活性領域２３が形成される。活性領域２３の詳細な構成例については、図２を参照して後述する。
【００３０】
活性領域２３の上に、Ｐ型導電性を示す化合物半導体で形成された上部ＤＢＲ領域２４が形成される。上部ＤＢＲ領域２４では、下部ＤＢＲ領域２２と同様に、低屈折率層ＬＮと高屈折率層ＨＮとが交互に積層される。高屈折率層ＨＮのうちの１つに、電流狭窄構造を実現するための選択酸化層２７が形成される。選択酸化層２７を内部に含む高屈折率層ＨＮの光学膜厚はλ／４の（２ｋ＋１）倍［ただし、ｋ＝１，２，３，…］である。通常は最小寸法の３λ／４が用いられる。その他の高屈折率層ＨＮおよび低屈折率層ＬＮの各々の厚みは、λ／４の奇数倍である。通常は、最小寸法であるλ／４が用いられる。
【００３１】
たとえば、低屈折率層ＬＮとしてＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓが用いられ、高屈折率層ＨＮとしてＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓが用いられる。Ｐ型の導電性を与えるためにＣ（カーボン）がドーピングされている。ＣはＡｓサイトに配位してアクセプタになりやすい。
【００３２】
選択酸化層２７は、図１の場合、上部ＤＢＲ領域２４のうち、最も活性領域２３に近接した高屈折率層ＨＮに設けられる。すなわち、選択酸化層２７は、２つの高屈折率層に挟まれている。図１に示すように、選択酸化層２７は中心部分の未酸化部２５とその周囲の絶縁体の酸化部２６とを有する。中心部分の未酸化部２５のみが電流経路となるので、活性領域２３に効率よく電流を注入できる。
【００３３】
上記の電流狭窄構造を形成するためには、全体が未酸化状態の選択酸化層２７を、０．９５≦Ｘ≦１（たとえば、Ｘ＝０．９８）のＡｌXＧａ(1-X)Ａｓで形成する（Ｘ＝１の場合、すなわちＡｌＡｓを含む）。次に、選択酸化層２７を含むエピタキシャル多層膜をメサポスト形状に加工する。その後、加熱水蒸気雰囲気下で選択酸化層２７を周囲から選択的に酸化させる。この結果、中心部分の未酸化部２５とその周囲の酸化部２６とを有する選択酸化層２７が形成される。
【００３４】
本実施の形態の場合、メサポストは円柱状に加工されている。この結果、基板に垂直な方向から見て、選択酸化層２７の形状および未酸化部２５の形状は円形である。なお、メサポストパターンの形状は円柱状には限定されない。
【００３５】
メサポスト形状に加工されたエピタキシャル多層膜の側面および下部ＤＢＲ領域２２の表面には、保護層２８としての絶縁膜が形成される。さらに、保護層２８を覆うように層間絶縁層２９が形成される。寄生容量を低減するために、層間絶縁層２９として、たとえば、ポリイミドが用いられる。
【００３６】
上部ＤＢＲ領域２４および層間絶縁層２９の表面上には、表面電極３０が設けられる。表面電極３０をアノード電極とも称する。表面電極３０において、未酸化部２５の上方には、レーザ光を出射するための出射開口が形成される。
【００３７】
［活性領域の構成］
図２は、活性領域の近傍における屈折率分布とＡｌ組成分布とを示す図である。図２（Ａ）には屈折率分布が実線で示され、図２（Ｂ）はＡｌ組成分布が実線で示される。さらに、図２（Ａ）および図２（Ｂ）では、発振光の縦モードの定在波の電界強度が破線で示されている。
【００３８】
図２（Ａ）および図２（Ｂ）の横軸は、活性層４０の中心位置を０としたときの基板垂直方向（ｚ方向）の位置を、発振光の波長λを単位として示している。図２（Ａ）および図２（Ｂ）では、活性層４０の中心よりも基板２１により近い位置が負の値で表される。活性層４０の中心よりも基板２１から遠い位置が正の値で表される。
【００３９】
図２を参照して、まず、活性領域２３の構成例について説明する。活性領域２３は、下部ＤＢＲ領域２２に隣接するクラッド層４２と、上部ＤＢＲ領域２４に隣接するクラッド層４３と、クラッド層４２，４３に挟まれた光学利得を有する活性層４０とを含む。活性層４０には、量子井戸層と障壁層を多重に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple  Quantum  Well）４１が形成される。
【００４０】
クラッド層４２，４３は、活性層４０よりも屈折率を小さくした層である。図１のＶＣＳＥＬ素子２０の構成の場合、クラッド層４２，４３は設けなくてもよい。クラッド層４２，４３は、デバイスの抵抗値の設計に応じて、アンドープにすることも部分的にドープすることもできる。たとえば、クラッド層４２のうち下部ＤＢＲ領域２２に近接する領域にＮ型不純物を導入し、クラッド層４３のうち上部ＤＢＲ領域２４に近接する領域にＰ型不純物を導入してもよい。
【００４１】
［ＤＢＲ領域の詳細な構成］
図１および図２を参照して、下部ＤＢＲ領域２２および上部ＤＢＲ領域２４では、活性層４０に隣接する領域に低屈折率層ＬＮが設けられ、その低屈折率層ＬＮに隣接して高屈折率層ＨＮが設けられる。以下、低屈折率層ＬＮ、高屈折率層ＨＮの順に交互に配置される。
【００４２】
ここで、活性層４０の中心は、発振光の電界の定在波分布の腹の位置に配置される。活性層４０からの出射光が低屈折率層ＬＮから高屈折率層ＨＮへ透過するとき、その境界は定在波分布の節の位置になる。活性層４０からの出射光が高屈折率層ＨＮから低屈折率層ＬＮに透過するとき、その境界は定在波分布の腹の位置になる。活性領域２３から低屈折率層ＬＮにレーザ光が透過するときも、その境界は定在波分布の腹の位置になる。
【００４３】
選択酸化層２７は、上部ＤＢＲ領域２４のうち、活性領域２３に最も近い高屈折率層ＨＮ１中で、発振光の電界の定在波分布の節の位置に設けられる。このような配置にする理由について後述する。
【００４４】
発振光の波長をλとすると、図２の上部ＤＢＲ領域２４において、活性層４０の中心から活性領域２３と低屈折率層ＬＮ１との境界までの基板垂直方向の長さは、λ／２になる。活性領域２３と低屈折率層ＬＮ１との境界は、定在波分布の腹の位置に対応する。活性領域２３に隣接する低屈折率層ＬＮ１の光学膜厚は、λ／４である。この低屈折率層ＬＮ１と次の高屈折率層ＨＮ１との境界は定在波分布の節の位置に対応する。
【００４５】
高屈折率層ＨＮ１中に選択酸化層２７が設けられる。すなわち、高屈折率層ＨＮ１は、基板側の高屈折率層ＨＮ１＿Ａと基板と反対側の高屈折率層ＨＮ１＿Ｂとの２つの部分に区分される。そして、選択酸化層２７は高屈折率層ＨＮ１＿Ａと高屈折率層ＨＮ１＿Ｂとの間に挟まれている。
【００４６】
選択酸化層２７は、低屈折率層ＬＮ１と高屈折率層ＨＮ１（ＨＮ１＿Ａ）との境界からλ／２の位置に配置される。また、選択酸化層２７は、高屈折率層ＨＮ１（ＨＮ１＿Ｂ）と次の低屈折率層ＬＮ２との境界からλ／４の位置に配置される。これにより、選択酸化層２７を、定在波分布の節の位置に配置することができる。高屈折率層ＨＮ１と次の低屈折率層ＬＮ２との境界は、定在波分布の腹の位置に対応する。
【００４７】
［選択酸化層の配置による効果について］
上記のとおり、選択酸化層２７は、上部ＤＢＲ領域２４のうち、活性領域２３に最も近い高屈折率層ＨＮ中で、発振光の電界の定在波分布の節の位置に設けられる。選択酸化層２７をこのような配置にする理由について次に説明する。
【００４８】
エピタキシャル成長時にＡｌ（アルミニウム）は半導体層中にカーボンを取り込む性質を有する。このため、カーボンをドーパントとするＶＣＳＥＬの低屈折率層（すなわち、高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓ層）中では意図せず多くのカーボンが半導体層中に取り込まれやすい。そのように高濃度にカーボンがドーピングされた半導体層は、結晶性が損なわれ局所歪や欠陥の発生により、デバイス特性や信頼性を損なう。加えて、選択酸化層２７の酸化部２６は体積収縮をするため、選択酸化層２７周辺の半導体層に歪みを生じさせる。その歪みによるストレスが、前述のカーボンドーピングによって生じた欠陥を更に増殖させ、ＶＣＳＥＬ素子の信頼性を損なうおそれがある。
【００４９】
上記の理由から、酸化アパーチャを有する選択酸化層２７は、高屈折率層中に（すなわち、低Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓ層に挟まれるように）配置される。これにより、選択酸化層２７の周辺の半導体層中への余分なカーボンの取り込みを抑制することができるので、結晶性を損なうことなく局所歪みや欠陥発生を抑制することができる。
【００５０】
さらに、選択酸化層２７の中心を光定在波の節の位置にすることで、選択酸化層２７による光の閉じ込め効果を弱めることができる。以下、この点について図面を参照して説明する。
【００５１】
図３は、選択酸化層による光閉じ込め効果について説明するための図である。図３を参照して、Ａｌ濃度が９５％以上のＡｌＧａＡｓまたはＡｌＡｓで形成された選択酸化層２７は、未酸化部２５とその周辺の酸化部２６とを有する。
【００５２】
ここで、未酸化部２５の屈折率は、酸化部２６の屈折率よりも大きいため、選択酸化層２７は横方向（図３のｘｙ平面方向）に光を閉じ込める性質を有する。この光閉じ込め効果により、ＶＣＳＥＬによる発振光の横モードは、基本モード５０だけでなく高次モード５１も含んでしまう。従来は、未酸化部２５の大きさを小さく形成することによって、高次モード５１の発生を抑制していた。しかしながら、選択酸化層２７のうち酸化部２６の領域が増えるため、酸化による体積収縮の影響が大きく、ＶＣＳＥＬ素子の信頼性が劣化する結果となっていた。
【００５３】
本開示のＶＣＳＥＬでは、選択酸化層２７は、発振光の縦モードの定在波の節の位置に配置される。これによって、選択酸化層２７の近傍では電界強度が弱まるので、選択酸化層２７の光閉じ込め効果を弱めることができる。結果として、本来励起しやすい基本モードの比率を高めることができる。
【００５４】
以上により、酸化アパーチャの小径化をできるだけ抑えて単一横モード発振を実現することが可能となる。この結果、選択酸化層２７の体積収縮の影響が軽減され、より高い信頼性をもつＶＣＳＥＬを実現できる。また、酸化アパーチャの小径化に伴う光の通過領域の減少も抑制できるため、光出力の大幅な低下を引き起こすことがない。
【００５５】
［ＶＣＳＥＬ素子の特性の測定例］
以下、上記の構成を有するＶＣＳＥＬ素子の特性の測定結果について説明する。
【００５６】
図４は、ＶＣＳＥＬ素子の出力光の横モードのスペクトルを示す図である。図４において、横軸は波長（単位：ｎｍ）を示し、縦軸はｄＢスケールで表した光強度を示す。選択酸化層２７の未酸化部２５の直径は４μｍ程度である。
【００５７】
図４に示すように、単一横モードの発振が実現できている。サイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ：Side  Mode  Suppression  Ratio）は、４０ｄＢ近くある。
【００５８】
図５は、未酸化部の直径とＳＭＳＲとの関係を示す図である。図５では、横軸に選択酸化層２７の未酸化部２５の直径（単位：μｍ）を示し、縦軸にｄＢスケールで表したＳＭＳＲを示す。
【００５９】
図５では、選択酸化層２７を高屈折率層ＨＮ１中で定在波分布の節の位置に配置した本開示のＶＣＳＥＬ素子における測定結果を○印で示す。比較例として選択酸化層２７を高屈折率層ＨＮ１中で定在波分布の腹の位置に配置した場合の測定結果を×印で示す。たとえば、図２において、低屈折率層ＬＮ１と高屈折率層ＨＮ１（高屈折率層ＨＮ１＿Ａ）との境界からλ／４の位置に選択酸化層２７を配置することによって、選択酸化層２７を定在波分布の腹に位置に配置することができる。
【００６０】
図５に示すように、高屈折率層ＨＮ１中で定在波分布の節の位置に選択酸化層２７を配置することによって、未酸化部２５の直径が比較的大きい場合であっても、十分な大きさのＳＭＳＲが得られ、単一横モード（すなわち、単峰形のビーム形状）を実現できている。
【００６１】
具体的にＳＭＳＲが１０ｄＢ以上あれば、単峰形のビーム形状を実現できていると考えられる。本実施の形態のＶＣＳＥＬ素子の場合（図５の○印）、未酸化部２５の直径が６μｍ以下であれば１０ｄＢ以上のＳＭＳＲが得られ、単峰形のビーム形状を実現できていることがわかる。一方、比較例のＶＣＳＥＬ素子の場合（図５の×印）、未酸化部２５の直径を概ね４μｍ以下にしないと、単峰形のビーム形状を実現できない。なお、未酸化部２５の直径を３μｍ以下にすると、小径化の効果が強く効いてくるので、比較例の場合（図５の×印）であっても、本実施の形態のＶＣＳＥＬ素子（図５の○印）と同程度のＳＭＳＲを有する単峰形のビームが得られる。
【００６２】
図６は、ＳＭＳＲと光パワーとの関係を示す図である。図６では、横軸にｄＢスケールで表したＳＭＳＲを示し、縦軸にＶＣＳＥＬ素子の出力光のパワー（単位：ｍＷ）を示す。
【００６３】
図５で説明したように、本実施の形態（○印）の場合、未酸化部２５の直径が比較的大きい場合でも、比較的大きいＳＭＳＲを維持できる。このため、図６に示すように、ＳＭＳＲが比較的大きい場合でも、大きな光出力を実現できる。これに対して、比較例（×印）の場合、比較的大きなＳＭＳＲを実現するためには、未酸化部２５を小径化しなければならない。この結果、光出力が低下してしまう。
【００６４】
［ＶＣＳＥＬ素子の製造方法］
次に、図１および図２で説明したＶＣＳＥＬ素子の製造方法について説明する。ＶＣＳＥＬ素子の製造方法は公知のものと同じであるので、以下では、図１、図７および図８を参照して簡単に説明する。
【００６５】
図７は、図１のＶＣＳＥＬ素子の製造工程における断面形状を示す図である。図７（Ａ）は、基板２１上に半導体多層膜が形成された状態を示す。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の半導体多層膜がメサポスト形状に加工された状態を示す。
【００６６】
図８は、図１および図２で説明したＶＣＳＥＬ素子の製造工程を示すフローチャートである。
【００６７】
最初に、図７（Ａ）に示すように、基板２１上に半導体多層膜（すなわち、下部ＤＢＲ領域２２、活性領域２３、上部ＤＢＲ領域２４、未酸化状態の選択酸化層２７）をエピタキシャル成長させる。エピタキシャル膜の形成はＭＯＣＶＤ（Metal  Organic  Chemical  Vapor  Deposition）またはＭＢＥ（Molecular  Beam  Epitaxy）などの手法が好適である。
【００６８】
具体的に、図８のステップＳ１０１において、基板２１の上に、Ｎ型導電性を示す下部ＤＢＲ領域２２を形成する。発振光の波長をλとして、それぞれλ／４の光学膜厚を有する高屈折率層ＨＮおよび低屈折率層ＬＮを１ペアとして、たとえば、３０〜４０ペアが形成される。高屈折率層ＨＮおよび低屈折率層ＬＮの材料としてＡｌＧａＡｓが用いられる。高屈折率層ＨＮの場合にはＡｌの含有率を１５％とし、低屈折率層ＬＮの場合にはＡｌの含有率を９０％とする。Ｎ型の導電性を得るために、Ｓｉが不純物として導入される。
【００６９】
次のステップＳ１０２において、活性領域２３を形成する。具体的に、下部ＤＢＲ領域２２の上に、図２のクラッド層４２、活性層４０、クラッド層４３の順に形成される。図２の例では、クラッド層４２の光学膜厚をλ／４とし、活性層４０の光学膜厚をλ／２とし、クラッド層４３の光学膜厚をλ／４としている。
【００７０】
その次のステップＳ１０３〜Ｓ１０５において、上部ＤＢＲ領域２４が活性領域２３の上に形成される。その途中のステップＳ１０４で、全体が未酸化状態の選択酸化層２７が形成される。
【００７１】
具体的には図２で説明したように、活性領域２３の上にλ／４の光学膜厚の低屈折率層ＬＮ１が形成される。次に、概ねλ／２の光学膜厚（λ／２よりも選択酸化層２７の膜厚の半分だけ薄い）の高屈折率層ＨＮ１＿Ａが形成される。次に、全体が未酸化状態の選択酸化層２７が形成される。選択酸化層２７の酸化処理を行うときに体積収縮により歪が発生するので、歪の影響を抑えるために選択酸化層２７の膜厚はたとえば４０ｎｍ以下にすることが望ましい。その次に、概ねλ／４の光学膜厚（λ／４よりも選択酸化層２７の膜厚の半分だけ薄い）の高屈折率層ＨＮ１＿Ｂが形成される。その後、それぞれλ／４の光学膜厚を有する低屈折率層ＬＮおよび高屈折率層ＨＮを１ペアとして、たとえば、２０ペア程度が形成される。
【００７２】
上記の低屈折率層ＬＮ、高屈折率層ＨＮ、および選択酸化層２７の材料としてＡｌＧａＡｓが用いられる。高屈折率層ＨＮの場合にはＡｌの含有率を１５％とし、低屈折率層ＬＮの場合にはＡｌの含有率を９０％とする。選択酸化層２７の場合にはＡｌの含有率を９８％とする。Ｐ型の導電性を得るために、カーボンが不純物として導入される。
【００７３】
次のステップＳ１０６において、図７（Ｂ）に示すように、上記のステップＳ１０１〜Ｓ１０５で形成された半導体多層膜を円柱状のメサポスト形状に加工する。メサポストパターンはフォトリソグラフィーおよびドライエッチングの手法で形成する。ドライエッチングは、少なくとも選択酸化層２７の側面が露出するまで行う必要がある。図７（Ｂ）の場合には、下部ＤＢＲ領域２２の表面が露出する深さまでドライエッチングを行っている。
【００７４】
その次のステップＳ１０７において、メサポスト形状に加工した半導体多層膜を、水蒸気雰囲気中で４５０℃以上に加熱する。これによって、選択酸化層２７の外周部から酸化が進行して酸化部２６が形成される。酸化時間は、中心部分の未酸化部２５の直径が所望の大きさになるように調整される。なお、上記では、基板に平行な方向でのメサポストパターン断面形状が円形の場合について説明したが、メサポストパターンの形状は特に限定されない。たとえば、メサポストパターンの断面形状は、正方形であってもよいし、長方形であってもよい。
【００７５】
その次のステップＳ１０８において、図１の保護層２８として、窒化シリコン膜または酸化シリコン膜などの絶縁膜を形成する。保護層２８の形成は、ＣＶＤまたはスパッタなどの手法が適用可能である。メサポストの上に形成された絶縁膜はドライエッチングの手法などにより除去される。
【００７６】
その次のステップＳ１０９において、図１の層間絶縁層２９が形成される。層間絶縁層２９の材料としてたとえばポリイミドが用いられる。
【００７７】
その次のステップＳ１１０において、メサポストの上および層間絶縁層２９の上に、表面電極３０として金属薄膜が形成される。レーザ光の出射開口部分の表面電極３０は除去される。さらに、基板２１の裏面に裏面電極３１として金属薄膜が形成される。以上によって、図１に示す構成のＶＣＳＥＬ素子２０が完成する。
【００７８】
［選択酸化層の配置の変形例］
図２では、選択酸化層２７が設けられる高屈折率層ＨＮ１の光学膜厚が３λ／４の場合について説明したが、より一般には、高屈折率層ＨＮ１の光学膜厚は、ｋを１以上の整数として、（２ｋ＋１）・（λ／４）であってもよい。以下では、高屈折率層ＨＮ１の光学膜厚が５λ／４の場合（ｋ＝２）において、選択酸化層２７を発振光の定在波分布の節の位置に配置した例について説明する。
【００７９】
図９は、変形例のＶＣＳＥＬ素子において、活性領域の近傍における屈折率分布とＡｌ組成分布とを示す図である。図９において、活性領域２３および活性領域２３に隣接する低屈折率層ＬＮ１の構成は、図２の場合と同じである。図９の高屈折率層ＨＮ１の各部の厚みは、図２の場合と異なる。
【００８０】
具体的に、選択酸化層２７は、低屈折率層ＬＮ１と高屈折率層ＨＮ１（ＨＮ１＿Ａ）との境界からλ／２の位置に配置される。また、選択酸化層２７は、高屈折率層ＨＮ１（ＨＮ１＿Ｂ）と次の低屈折率層ＬＮ２との境界から３λ／４の位置に配置される。これにより、選択酸化層２７を、定在波分布の節の位置に配置することができる。活性領域２３に隣接する低屈折率層ＬＮ１と高屈折率層ＨＮ１（ＨＮ１＿Ａ）との境界は、定在波分布の節の位置に対応する。高屈折率層ＨＮ１（ＨＮ１＿Ｂ）と次の低屈折率層ＬＮ２との境界は、定在波分布の腹の位置に対応する。
【００８１】
図１０は、他の変形例のＶＣＳＥＬ素子において、活性領域の近傍における屈折率分布とＡｌ組成分布とを示す図である。図１０において、活性領域２３および活性領域２３に隣接する低屈折率層ＬＮ１の構成は、図２および図９の場合と同じである。図１０の高屈折率層ＨＮ１の各部の厚みは、図２および図９の場合と異なる。
【００８２】
具体的に、選択酸化層２７は、低屈折率層ＬＮ１と高屈折率層ＨＮ１（ＨＮ１＿Ａ）との境界からλの位置に配置される。また、選択酸化層２７は、高屈折率層ＨＮ１（ＨＮ１＿Ｂ）と次の低屈折率層ＬＮ２との境界からλ／４の位置に配置される。これにより、選択酸化層２７を、定在波分布の節の位置に配置することができる。活性領域２３に隣接する低屈折率層ＬＮ１と高屈折率層ＨＮ１（ＨＮ１＿Ａ）との境界は、定在波分布の節の位置に対応する。高屈折率層ＨＮ１（ＨＮ１＿Ｂ）と次の低屈折率層ＬＮ２との境界は、定在波分布の腹の位置に対応する。
【００８３】
上記をさらに一般化すると、次のように言うことができる。選択酸化層２７の中心位置がＶＣＳＥＬ内部に発生する光定在波の節と重なる位置となるためには、選択酸化層２７を挟む高屈折率層ＨＮ１＿Ａおよび高屈折率層ＨＮ１＿Ｂの光学膜厚について次の条件を満たす必要がある。
【００８４】
活性領域２３に近い方の高屈折率層ＨＮ１＿Ａの光学膜厚は、低屈折率層ＬＮ１と高屈折率層ＨＮ１＿Ａとの境界から選択酸化層２７の中心までの基板垂直方向の距離が、
（２ｉ）・λ／４  ［ｉ＝１，２，３，…］    …(A1)
となるように形成する。
【００８５】
活性領域２３から遠い方の高屈折率層ＨＮ１＿Ｂの光学膜厚は、選択酸化層２７の中心から、高屈折率層ＨＮ１＿Ｂと低屈折率層ＬＮ２との境界までの基板垂直方向の距離が、
（２ｊ−１）・λ／４  ［ｊ＝１，２，３，…］    …(A2)
となるように形成する。
【００８６】
なお、上部ＤＢＲ領域２４において、活性領域２３から第２番目の高屈折率層ＨＮ中に選択酸化層２７を形成することも一応可能である。しかしながら、活性層４０への電流注入効率は高めるために、選択酸化層２７を活性領域２３により近い第１番目の高屈折率層ＨＮ１中に形成することが望ましい。
【００８７】
［有利な効果］
以上のとおり、本実施形態のＶＣＳＥＬ素子によれば、電流狭窄のための選択酸化層２７は、上部ＤＢＲ領域２４を構成する高屈折率層ＨＮのうち、活性領域２３に最も近い高屈折率層ＨＮ１中で、ＶＣＳＥＬ素子２０の縦方向に生成される光定在波の節の位置に設けられる。これにより、酸化アパーチャの小径化をできるだけ抑制して単一横モード発振を実現することが可能となる。この結果、選択酸化層２７の体積収縮の影響が軽減され、より高い信頼性をもつＶＣＳＥＬ素子２０を実現できる。また、酸化アパーチャの小径化に伴う光の通過領域の減少も抑制できるため、光出力の大幅な低下を引き起こすことない。
【００８８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８９】
２０  ＶＣＳＥＬ素子、２１  基板、２２  下部ＤＢＲ領域、２３  活性領域、２４  上部ＤＢＲ領域、２５  未酸化部、２６  酸化部、２７  選択酸化層、２８  保護層、２９  層間絶縁層、３０  表面電極、３１  裏面電極、４０  活性層、４２，４３  クラッド層、ＨＮ，ＨＮ１  高屈折率層、ＬＮ，ＬＮ１，ＬＮ２  低屈折率層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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