(57)【要約】【課題】高精度な層厚制御を行うことができ、再現性かつ均一性良くシングルモード動作することが可能となる凸型の表面レリーフ構造を備えた面発光レーザおよびその製造方法を提供する。【解決手段】基板上に、下部反射ミラー、活性層、上部反射ミラーが積層されており、  前記上部反射ミラーの光出射部に、反射率の低い領域と該反射率の低い領域の中央部に形成された凸形状の反射率の高い領域からなる反射率を制御するための構造を備え、波長λで発振する面発光レーザであって、  前記上部反射ミラーが複数の層を積層した積層構造体による多層膜反射鏡で構成され、  前記積層構造体中に、前記波長λに対して吸収係数が５０００ｃｍ−１以上の吸収層が設けられている構成とする。【選択図】            図１
2010040602.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、下部反射ミラー、活性層、上部反射ミラーが積層されており、
前記上部反射ミラーの光出射部に、反射率の低い領域と該反射率の低い領域の中央部に形成された凸形状の反射率の高い領域とからなる反射率を制御するための構造を備え、波長λで発振する面発光レーザであって、
前記上部反射ミラーが複数の層を積層した積層構造体による多層膜反射鏡で構成され、
前記積層構造体中に、前記波長λに対して吸収係数が５０００ｃｍ−１以上の吸収層が設けられていることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項２】
前記吸収層が、前記積層構造体において真ん中に積層されている層よりも表面側で、且つ、最表面の層以外の層に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項３】
前記吸収層が、前記積層構造体の表面側から５ペア以内に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項４】
前記吸収層は、前記多層膜反射鏡の表面側からみて、前記多層膜反射鏡における高屈折率層から低屈折率層へ移る界面に、該吸収層の一部が含まれるように配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
【請求項５】
前記吸収層は、厚さが２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
【請求項６】
前記上部反射ミラーの光出射部における前記凸形状が、選択エッチングによって形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
【請求項７】
前記吸収層が、少なくともＡｌを含まない半導体層で形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の面発光レーザを複数個配置して構成されていることを特徴とする面発光レーザアレイ。
【請求項９】
請求項８に記載の面発光レーザアレイを光源として備えていることを特徴とする光学機器。
【請求項１０】
基板上に、下部反射ミラー、活性層、上部反射ミラーが順次積層され、
前記上部反射ミラーの光出射部に、反射率の低い領域と該反射率の低い領域の中央部に凸形状の反射率の高い領域からなる反射率を制御するための構造を形成し、波長λで発振する面発光レーザを製造する面発光レーザの製造方法であって、
前記上部反射ミラーとして、複数の層を積層した積層構造体による多層膜反射鏡を形成する際に、前記波長λに対して吸収係数が５０００ｃｍ−１以上の吸収層を、前記積層構造体中に形成する工程と、
前記吸収層を形成する工程の後で、且つ、前記多層膜反射鏡を形成し終える前に、前記積層構造体に光を照射することによって反射スペクトルを測定する工程と、
前記反射スペクトルを測定する工程において得られたブロードなディップ波長を測定する工程と、
前記ディップ波長に基づいて、前記積層構造体の表面層の厚さを調整する工程と、
を有することを特徴とする面発光レーザの製造方法。
【請求項１１】
基板上に、下部反射ミラー、活性層、上部反射ミラーが順次積層され、
前記上部反射ミラーの光出射部に、反射率の低い領域と該反射率の低い領域の中央部に凸形状の反射率の高い領域からなる反射率を制御するための構造を形成し、波長λで発振する面発光レーザを製造する面発光レーザの製造方法であって、
前記上部反射ミラーとして、複数の層を積層した積層構造体による多層膜反射鏡を形成する際に、前記波長λに対して吸収係数が５０００ｃｍ−１以上の吸収層を、前記積層構造体中に形成する工程と、
前記吸収層を形成する工程の後で、且つ、前記多層膜反射鏡を形成し終える前に、前記積層構造体の表面に少なくともＡｌを含まない半導体層を形成する工程と、
前記積層構造体の表面に形成された半導体層に光を照射することにより、反射スペクトルを測定する工程と、
前記反射スペクトルを測定する工程において得られたブロードなディップ波長を測定する工程と、
前記ディップ波長に基づいて、前記半導体層の厚さを調整する工程と、
を有することを特徴とする面発光レーザの製造方法。
【請求項１２】
前記吸収層を形成するに際し、該吸収層を前記積層構造体において真ん中に積層されている層よりも表面側で、且つ、最表面の層以外の層に形成する工程を有することを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の面発光レーザの製造方法。
【請求項１３】
前記吸収層を形成するに際し、該吸収層を前記積層構造体の表面側から５ペア以内に形成する工程を有することを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の面発光レーザの製造方法。
【請求項１４】
前記吸収層を形成するに際し、前記多層膜反射鏡の表面側からみて、前記多層膜反射鏡における高屈折率層から低屈折率層へ移る界面に、
前記吸収層の一部が含まれるように形成する工程を有することを特徴とする請求項１０から１３のいずれか１項に記載の面発光レーザの製造方法。
【請求項１５】
前記吸収層を形成するに際し、該吸収層の厚さが２ｎｍ以上３０ｎｍ以下になるように形成する工程を有することを特徴とする請求項１０から１４のいずれか１項に記載の面発光レーザの製造方法。
【請求項１６】
前記上部反射ミラーの光出射部における前記凸形状を形成するに際し、該凸形状を選択エッチングを用いて形成する工程を有することを特徴とする請求項１０から１５のいずれか１項に記載の面発光レーザの製造方法。
【請求項１７】
請求項１０から１６のいずれか１項に記載の面発光レーザの製造方法による面発光レーザを複数個配置して製造することを特徴とする面発光レーザアレイの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光レーザおよびその製造方法、面発光レーザアレイ、面発光レーザアレイの製造方法、および面発光レーザアレイを備えている光学機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光レーザの一つとして、垂直共振器型面発光レーザ（Ｖａｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ、以下これをＶＣＳＥＬと記す。）が知られている。
この面発光レーザによれば、半導体基板表面に対して垂直方向に光を取り出すことができるため、二次元アレイの形成が素子形成時のマスクパターンの変更のみで容易に可能になる。
この二次元アレイから出射される複数のビームを用いた並列処理により、高密度化および高速化が可能になり、様々な産業上の応用が期待される。
例えば、電子写真プリンタの露光光源として面発光レーザアレイを用いると、複数のビームによる印字工程の高密度・高速化が可能となる。
このような電子写真における印刷工程では、感光ドラム上に安定かつ微小なレーザスポットの形成が必要なため、レーザ特性として、単一横モードや単一縦モードでの安定動作も要求される。
【０００３】
近年、電流狭窄構造を形成し、必要な領域のみに電流を注入する方法が開発されている。
この方法では、面発光レーザの高性能化のためにＡｌ組成の高い、例えばＡｌ組成９８％のＡｌＧａＡｓ層を多層膜反射鏡内に設け、それを高温水蒸気雰囲気中で選択酸化することで、電流狭窄構造を形成し、必要な領域のみに電流を注入するようにされる。
ところで、以上のような選択酸化によることは、単一横モードという観点からは、望ましくないものである。
すなわち、酸化層の存在により必要以上に大きな屈折率差が生じることにより、高次横モードを発生させてしまうこととなる。
そこで、その対策として、上記電流狭窄構造により発光領域を３μｍ径程度まで小さくすることで、高次横モードが閉じ込められないようにし、単一横モード発振を達成する等の方法が用いられる。
しかしながら、このような発光領域を制限する方法では、発光領域が小さくなるために素子一個当たりの出力が大幅に低下する。
【０００４】
このようなことから、従来において、上記したように発光領域を小さくして電流狭窄構造だけで単一横モード化を図る場合よりも、ある程度広い発光領域を保ちながら、単一横モード発振を可能にする方法が検討されている。
すなわち、基本横モードと高次横モード間に損失差を意図的に導入することで、ある程度広い発光領域を保ちながらも、単一横モード発振を可能にする方法が検討されている。
【０００５】
その方法の一つとして、特許文献１、非特許文献１、非特許文献２では、いわゆる表面レリーフという方法が開示されている。
これは、面発光レーザ素子の光出射面である素子表面に段差加工を施すことで、高次横モードへの損失を基本横モードの損失よりも増大させる方法である。
なお、本明細書では、上記したように反射鏡の光出射面の光出射領域に、反射率を制御のために施された段差構造を、以下において表面レリーフ構造と称することとする。
ＶＣＳＥＬ用のミラーとしては、一般に、屈折率の異なる二つの層を各々レーザ発振波長の１／４（以後、断りがなければこれを１／４波長と略記することもある）の光学的厚さで、交互に複数ペア積層する多層膜反射鏡が用いられている。
通常、この多層膜反射鏡は、高屈折率層で終端し、低屈折率である空気との最終界面の反射も利用して９９％以上の高反射率を得ている。
【０００６】
ここで、まず図２（ａ）に示される凸型の表面レリーフ構造について説明する。このような凸型の表面レリーフ構造については、非特許文献１にも開示されている。
図２（ａ）に示される低反射領域２０４のように、高屈折率層２０６の最終層（１／４波長の光学的厚さ）を取り除けば、多層膜反射鏡は低屈折率層２０８で終端することとなる。これにより、凸型の表面レリーフ構造が得られる。
このような凸型の表面レリーフ構造によれば、低屈折率層２０８と、該低屈折率層２０８よりも屈折率の低い空気との界面での反射による光の位相は、その下に存在する多層膜反射鏡の全反射光の位相とπずれることになる。
このため、低反射領域２０４では、反射率が例えば９９％以下にまで下がり、その反射損失を５〜１０倍程度まで大きくすることができる。
【０００７】
基本横モードと高次横モード間に損失差を導入するために、以上の原理が用いられる。
すなわち、低反射領域２０４と高次横モード光分布２１２とのオーバーラップが大きくなるように、低反射領域２０４を光出射部の周辺部にのみ形成する。
一方、基本横モード光分布２１０は高屈折率層２０６の最終層が残っている高反射領域２０２とのオーバーラップが大きくなるように、高反射領域２０２を光出射部の中央部に残す。
これにより、高次横モードへの反射損を大きくして、高次横モードでの発振を抑え、基本横モードのみの発振が得られる。
【０００８】
また、図２（ｂ）に示される低反射領域２０４のように、高屈折率層２０６の最終層の上に、さらに低屈折率層（あるいは高屈折率層であってもよい）を１／４波長の光学的厚さだけ付加することにより、凹型の表面レリーフ構造を構成することも可能である。
このような凹型の表面レリーフ構造は、特許文献１にも開示されているが、この構造によっても、低反射領域２０４では位相がπずれることにより凸型と同じ原理で反射率を低下させることができ、基本横モード発振が可能となる。
【特許文献１】特開２００１−２８４７２２号公報
【非特許文献１】Ｈ．Ｊ．Ｕｎｏｌｄ  ｅｔ  ａｌ．，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．９（２００１）５７０
【非特許文献２】Ｊ．Ａ．Ｖｕｋｕｓｉｃ  ｅｔ  ａｌ．、ＩＥＥＥ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＱＵＡＮＴＵＭ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ、Ｖｏｌ．３７、Ｎｏ．１、（２００１）１０８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記した従来例の特許文献１、非特許文献１，２における表面レリーフ構造によれば、電流狭窄構造だけで単一横モード化を図る場合よりも、ある程度広い発光領域を保ちながら、単一横モード発振が可能となる。
しかしながら、表面レリーフ構造は、それを構成する層厚によって反射率が敏感に左右され、単一横モード化が大きく影響されることから、その作製に際して層厚制御がきわめて重要となる。
すなわち、表面レリーフ構造は、その作製に際して除去あるいは付加される層の厚さに、反射率（反射損失）が極めて敏感であるという特徴を有している。
【００１０】
つぎに、以上のような表面レリーフ構造の特徴について更に説明する。
図３は、非特許文献２に記載された図であって、横軸に表面レリーフにより除去される層厚、縦軸（左側）に導入される損失をプロットしたものである。
図３より、除去される層厚に対して、損失が周期的なピークを持つ様子が見て取れる。
しかも、そのピークは急峻で、所望の損失値を導入しようとすると、除去する層厚を極めて高い精度（＋／−５ｎｍ以下）で制御する必要がある。
一方、損失の大きさは、シングルモード化の程度、さらにはその素子の出力特性に大きく影響する。
【００１１】
したがって、表面レリーフ構造の作製において、再現性および均一性が良好で特性の揃ったシングルモード動作の可能な素子の作製には、高い精度で層厚制御をすることが必要となる。
言い換えれば、表面レリーフ構造を作製する際に、除去あるいは付加される層厚を高い精度で簡便に把握でき、それに応じて層厚を調整することができれば、素子の作製における再現性および均一性は大幅に向上すると言える。
【００１２】
本発明は、高精度な層厚制御を行うことができ、再現性かつ均一性良くシングルモード動作することが可能となる凸型の表面レリーフ構造を備えた面発光レーザおよびその製造方法を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、上記面発光レーザによる面発光レーザアレイ、上記面発光レーザの製造方法による面発光レーザで構成される面発光レーザアレイの製造方法、およひ面発光レーザアレイを備えている光学機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、つぎのように構成した面発光レーザおよびその製造方法、面発光レーザアレイ、面発光レーザアレイの製造方法、および面発光レーザアレイを備えている光学機器を提供するものである。
本発明の面発光レーザは、基板上に、下部反射ミラー、活性層、上部反射ミラーが積層されており、
前記上部反射ミラーの光出射部に、反射率の低い領域と該反射率の低い領域の中央部に形成された凸形状の反射率の高い領域とからなる反射率を制御するための構造を備え、波長λで発振する面発光レーザであって、
前記上部反射ミラーが複数の層を積層した積層構造体による多層膜反射鏡で構成され、
前記積層構造体中に、前記波長λに対して吸収係数が５０００ｃｍ−１以上の吸収層が設けられていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザアレイは、上記した面発光レーザを複数個配置して構成されていることを特徴とする。
また、本発明の光学機器は、上記した面発光レーザアレイを光源として備えていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、基板上に、下部反射ミラー、活性層、上部反射ミラーが順次積層され、
前記上部反射ミラーの光出射部に、反射率の低い領域と該反射率の低い領域の中央部に凸形状の反射率の高い領域からなる反射率を制御するための構造を形成し、波長λで発振する面発光レーザを製造する面発光レーザの製造方法であって、
前記上部反射ミラーとして、複数の層を積層した積層構造体による多層膜反射鏡を形成する際に、前記波長λに対して吸収係数が５０００ｃｍ−１以上の吸収層を、前記積層構造体中に形成する工程と、
前記吸収層を形成する工程の後で、且つ、前記多層膜反射鏡を形成し終える前に、前記積層構造体に光を照射することによって反射スペクトルを測定する工程と、
前記反射スペクトルを測定する工程において得られたブロードなディップ波長を測定する工程と、
前記ディップ波長に基づいて、前記積層構造体の表面層の厚さを調整する工程と、を有することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザの製造方法は、基板上に、下部反射ミラー、活性層、上部反射ミラーが順次積層され、
前記上部反射ミラーの光出射部に、反射率の低い領域と該反射率の低い領域の中央部に凸形状の反射率の高い領域からなる反射率を制御するための構造を形成し、波長λで発振する面発光レーザを製造する面発光レーザの製造方法であって、
前記上部反射ミラーとして、複数の層を積層した積層構造体による多層膜反射鏡を形成する際に、前記波長λに対して吸収係数が５０００ｃｍ−１以上の吸収層を、前記積層構造体中に形成する工程と、
前記吸収層を形成する工程の後で、且つ、前記多層膜反射鏡を形成し終える前に、前記積層構造体の表面に少なくともＡｌを含まない半導体層を形成する工程と、
前記積層構造体の表面に形成された半導体層に光を照射することにより、反射スペクトルを測定する工程と、
前記反射スペクトルを測定する工程において得られたブロードなディップ波長を測定する工程と、
前記ディップ波長に基づいて、前記半導体層の厚さを調整する工程と、を有することを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザアレイの製造方法は、上記したいずれかに記載の面発光レーザの製造方法による面発光レーザを複数個配置して製造することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高精度な層厚制御を行うことができ、再現性かつ均一性良くシングルモード動作することが可能となる凸型の表面レリーフ構造を備えた面発光レーザおよびその製造方法を実現することができる。
また、本発明によれば、上記面発光レーザによる面発光レーザアレイ、上記面発光レーザの製造方法による面発光レーザで構成される面発光レーザアレイの製造方法、およひ面発光レーザアレイを備えている光学機器を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の上記構成によれば、高精度な凸型の表面レリーフ構造の作製が可能になり、再現性および均一性の優れたシングルモード動作する面発光レーザおよびその製造方法を提供することができる。
それは、本発明者らの鋭意検討した結果による、つぎのような知見に基づくものである。
本発明者らは、面発光レーザ層構造内の低反射領域（図２（ａ）、２０４）に対応する層まで成長した状態で反射スペクトルを測定した。
これにより、図５の実線５０６、５０８、５１０に見られるようなブロードなディップ（窪み）５１４が生じることが明らかとなった。
そして、このようなディップによる波長（以下、これをディップ波長と記す）を把握することで、導入される損失量を定量的に見積もる方法を見出した。
このディップ波長はレリーフ構造における低反射領域を形成する層厚の情報を反映しており、その波長から導入される損失量を定量的に見積もることができる。言い換えれば、所望の損失量に対応するディップ波長になるように低反射領域を形成する表面層の層厚を調整すればよいと言える。
【００１６】
つぎに、その原理について説明する。
図５は、吸収層における吸収係数の違いによるディップ形状の違いを説明するための図であるが、図５の低反射領域におけるディップ波長５１４が反射スペクトル測定から把握可能になるには、ウエハ層構造が以下の条件を満たすことが必要である。
第一の条件として、面発光レーザ層構造において上部多層膜反射鏡を完全に形成せず、レリーフ構造における低反射領域での表面もしくはその付近で層構造の形成を停止したウエハ（積層構造体）を用意する。
また、第二の条件として、その積層構造体において面発光レーザ層構造上部多層膜反射鏡の半分より表面側に、発振波長においてバンド間吸収程度（５０００ｃｍ−１以上）の大きな吸収を起こす層を設ける。
【００１７】
図４に、上記条件を満たすウエハ層構造による赤色面発光レーザの場合の例を示す。図５は上記ウエハ層構造の反射スペクトルの例を示すものである。
反射スペクトルはレーザ発振波長を中心に短波長側から長波長側をカバーするように測定する。
図４は、赤色面発光レーザを形成するための最終ウエハ層構造である。
第一の条件である積層構造体にするために、図示してあるｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層１２４を成長させず、ｐ型ＧａＡｓ吸収層１２２で結晶成長を止めて、低反射領域の表面の状態を形成する。
このとき、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１２０がＧａＡｓ吸収層１２２の下に存在しているが、例えば、このＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１２０とこのＧａＡｓ吸収層１２２の層厚の合計が１／４波長付近の光学的厚さになるように調整する。
これにより、ＧａＡｓ吸収層／空気界面からの反射光がその下に存在する界面からの反射光と位相がπずれるために実質的な反射率が低下し、このＧａＡｓ吸収層１２２の表面に低反射領域が形成されることになる。
また、第二の条件として、このＧａＡｓ吸収層１２２は発振波長６８０ｎｍの光に対しバンド間吸収するため、上記第一および第二の二つの条件を満たしていることになる。
この場合、反射スペクトルにおいて、多層膜反射鏡１０６や１１４による高反射帯域と面発光レーザ共振器による鋭い共振波長５１２が見えるだけでなく、つぎのようにも観察される。
すなわち、低反射領域におけるブロードなディップ波長５１４も、図５の実線５０６（吸収係数５０００ｃｍ−１以上の場合）が示すようにも観察される。
【００１８】
つぎに、上記低反射領域におけるブロードなディップ波長５１４の発生理由について説明する。
ここで、第一の条件が示すような、積層構造体、すなわち低反射領域では、１／４波長の光学的厚さをもつＧａＡｓ層（１２２）／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層（１２０）で多層膜反射鏡１１４を終端している。
したがって、これらの層と直下の１／４波長の光学的厚さをもつＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層１１８をあわせた１／２波長の光学的厚さが形成する構造から見ると、
上部には空気とＧａＡｓ層との界面による反射鏡が、下部には面発光レーザの上部多層膜反射鏡１１４による反射鏡がそれぞれ存在することになる。
すなわち、面発光レーザ共振器以外に、新たに共振器が低反射領域の最表面に形成されたことになり、その新規共振器の共振波長が低反射領域における共振波長として観測される。
しかし、このままでは、上部と下部の反射率が大きく異なることから、明瞭に共振波長を観測することは困難である。
ここで、第二の条件である吸収を導入することで、共振波長における反射率が大きく落ち込み、ブロードなディップが形成されて初めてそのディップの共振波長の値が現実的に特定可能となる。
【００１９】
図５には、吸収が存在しない場合（５０２）と、少ない（１０００ｃｍ−１）場合（５０４）の二種類の反射スペクトルが示されている。
吸収がない、あるいは少ない場合には、ディップの落ち込みはほとんど認識できず、明瞭にその波長を特定することができない。
また、半導体の吸収としてバンド間吸収以外に自由キャリア吸収などがある。
しかし、１×１０２０ｃｍ−３程度の極めて高いドーピングを用いても、その吸収係数としては１０００ｃｍ−１程度にすることしかできず、十分なディップが形成できず、本目的には不十分となる。
一方、バンド間吸収は一般的に５０００ｃｍ−１以上あり、図５の５０６、５０８、５１０で見られるように十分なディップが得られ、波長を確定することができる。
【００２０】
ところで、この吸収層は、低反射領域における共振波長５１４の特定には不可欠である一方、面発光レーザとしては不必要な吸収になり、レーザ素子特性の劣化に繋がる可能性がある。
したがって、この吸収層の構造、配置にはいくつかの望ましい形態が存在する。まず、この吸収層は、上部多層膜反射鏡において結晶成長に用いた基板と反対側の表面側半分以内に設置する必要がある。
好ましくは、上部多層膜反射鏡の表面側５ペア以内である。
具体的には吸収層が、部多層膜反射鏡を構成する積層構造体の中間に積層されている層よりも表面側で、且つ、最表面の層以外の層に設けられている構成とし、前記吸収層が、前記積層構造体の表面側から５ペア以内に設けられている構成とする。  これは、基本横モードで単一横モード発振する面発光レーザとして機能する場合は、面内方向の光分布は高反射領域に集中し、その深さ方向の主要な光分布は図６の６０６が示すように表面に近くなるほど光分布が小さくなる。
一方、低反射領域の反射スペクトルを測定している場合には、光分布は６０８のように最表面に近づくに従って大きくなる。
しかしながら、低反射領域であっても多層膜反射鏡内で活性層（基板）に近い側では、図６に示すように光分布は次第に大きくなっていく。
このようなことから、多層膜反射鏡で表面に近い側に配置することで、反射スペクトル測定時には必要な吸収が増えて明瞭な共振波長５１４の特定が可能になり、面発光レーザ動作時には不必要な吸収を減らして、素子特性の劣化を抑えることができる。
【００２１】
さらには、図６に示すように、上部多層膜反射鏡内において、表面からみて、高屈折率層から低屈折率層へ移る界面６１０近傍に配置するのが好ましい。
図６に示すように、多層膜反射鏡の表面側において、低反射領域では、この界面付近は光分布６０８が示すように腹になり吸収が増え、反射スペクトル測定においてディップ波長５１４がより明瞭に測定できることになる。
一方、高反射領域では、この界面付近の光分布６０６は節になり吸収を極力抑えることができ、素子特性への影響を最小限にすることが可能となる。
【００２２】
また、図１３に示すように、明瞭なディップ波長が観測されるためにはその層厚として少なくとも２ｎｍ以上必要であることがわかる。
一方で厚くしすぎると素子駆動時に不必要な吸収が増えるため、多層膜反射鏡の構成層の半分（約３０ｎｍ）より薄くするのが好ましい。
【００２３】
続いて、このディップ波長と導入される反射損失の関係を明らかにするために、上部多層膜反射鏡を構成する層の厚さばらつきを想定し、そのときのディップ波長と損失を検討した。
具体的には、図６が示すような低反射領域２０４の第一層（低屈折率、６１２）のみならず、その下の層の層厚がばらついた場合を想定して検討した。
すなわち、その下の第二（高屈折率、６１４）、第三（低屈折率、６１６），第四の層（高屈折率、６１８）が別々に−２０〜＋２０ｎｍまで層厚が目標値（通常は１／４波長の光学的厚さ）からばらついた場合を、結晶成長などで起こり得るばらつきと想定した。
そして、この場合にディップ波長や反射損がどのように変化するかを検討した。
図６の各層は、具体的には図４に対応させると、第一層はＧａＡｓ吸収層１２２とＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１２０を組み合わせた１／４波長の光学的厚さをもつ層に相当する。
また、第二層はＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層１１８（１／４波長の光学的厚さ）に相当する。
また、第三層はＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層１１８の下に存在する１／４波長の光学的厚さの層（Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層）に相当する。
また、第四層はさらにその下の１／４波長の光学的厚さの層（Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層）に相当する。
【００２４】
図７に、各層厚がばらついた場合の導入される損失の変化を示す。
ここで損失として高反射領域２０２、すなわち最終層まで層構造を形成した状態での損失値で規格化した値（規格化損失）を用いた。
この図より、第一層だけでなく、その下に存在する第二、第三、あるいは第四の層がばらついても、ばらついた量に応じて導入される損失がほぼ同じように変化することがわかった。
言い換えると、第一層の厚さだけを高い精度で制御しても、導入される損失を制御するには不十分であることを意味している。
この検討により、その下に存在する多層膜反射鏡の構成層を含めた全体的な層厚制御が必要であることが明らかになった。
【００２５】
続いて、上記のように各四層が別々にばらついた場合に、今度は低反射領域におけるディップ波長のずれと導入される損失がどのような関係になるかを検討した。
ここで言うディップ波長のずれとは、第一から第四の層まですべての層が１／４波長の光学的厚さをもつ場合のディップ共振波長を基準とし、その波長からのずれを意味する。
その様子を図８に示す。
横軸はディップ波長のずれであり、縦軸は図７と同様に規格化損失である。結果として、第一層だけでなく、その下に存在する層がばらついたとしても、それに応じて損失がほとんど同じように低下することがみてとれる。
すなわち、その下に存在する第二、第三、あるいは第四の層がばらついたとしても、ばらついた量に相当する分だけディップ波長がずれ、それに応じて損失がほとんど同じように低下することがみてとれる。
言い換えると、ディップ波長のずれさえ正確に把握していれば、どの層がどれだけばらついているかを細かく把握する必要がなく、導入される損失を定量的に見積もることが可能であることがわかった。
さらに推し進めて、所望の損失が得られるように、ディップ波長がその損失に応じた値になるように、例えば第一の層厚だけを調整することで必要な損失が得られることも、この図から理解できる。
【００２６】
ここでは、赤色面発光レーザを例にとって説明したため、吸収層としてはＧａＡｓ層を例に挙げたが、発振波長で十分な吸収を示す層であれば、どのようなものでもよい。
例えば、６８０ｎｍである赤色面発光レーザに対しては、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓなどが挙げられる。
７００〜１０００ｎｍ帯の面発光レーザでは、ＩｎＧａＡｓが挙げられる。
また、より短波長側のＺｎＳｅ系面発光レーザでは、ＭｇＺｎＣｄＳＳｅＴｅ、ＺｎＣｄＳｅなどが、ＧａＮ系面発光レーザにおいては、ＡｌＧａＩｎＮＰＡｓ、ＩｎＧａＮなどが挙げられる。
【００２７】
つぎに、この原理を用いた具体的な表面レリーフ構造の作製手順について説明する。
まず、所望の素子特性を得るために低反射領域における必要な損失値を決定する。
その損失に相当する層厚と、その場合の低反射領域におけるディップ波長を算出する。
例えば、図８で規格化損失として６が必要であれば、ディップ波長の目標値として１／４波長の光学的厚さで層厚を形成した場合の低反射領域におけるディップ波長からのずれは０ｎｍになる。
一方、規格化損失として４が必要であれば、波長ずれの目標値は１／４波長の光学的厚さで形成した場合の低反射領域におけるディップ波長からの波長ずれは−８ｎｍ、あるいは＋５ｎｍとなる。
ｐ型ＧａＡｓ吸収層１２２まで結晶成長した時点で反射スペクトルを測定し、そのディップ波長のずれが上述したような所望の値になっているかどうか確認する。
足りなければ、再度ＧａＡｓを成長し、多すぎればエッチングを行うなどして調整する。
このように一旦結晶成長を中止し、反射スペクトルを測定するために、結晶成長装置から大気中に一度搬出する必要がある。
したがって、このウエハの最表面はＡｌを含まない層で終端するのが好ましい。
あるいは、成長中に反射スペクトルをその場観察することで、所望のディップ波長が得られた時点で成長を終了してもよい。
この場合には結晶成長装置から搬出する必要がないため、必ずしもＡｌを含む層で終端する必要がない。
いずれにせよ、反射スペクトルより所望のディップ波長が確認できた後に、ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層１２４を結晶成長し、ウエハ形成を終了する。
この層で終了することでレーザ発振に必要な高反射領域の形成を可能にする。
図８が示すように、高反射率が得られる許容層厚は広い（＋／−１５ｎｍ）ため、その層厚制御は結晶成長の時間を制御することで十分可能である。
【００２８】
つぎに、上記導入される損失量を制御したウエハにおける表面レリーフ構造の作製について説明する。
ドライあるいはウェットエッチングにより、現在最表面にあるｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層１２４を、例えばリング状に取り除くことで低反射領域を形成し、図２（ａ）にあるような凸型レリーフを形成することができる。
図３に示すように、低反射領域（高損失領域）が得られる許容層厚は非常に狭い（＋／−５ｎｍ）ため、上記エッチングには高い制御性が求められる。
したがって、このエッチングにおいては、エッチングストップ層を用いた選択エッチングを利用することが好ましい。
例えば、図４の構造で説明すると、クエン酸系のエッチャントで最表面に存在するＧａＡｓコンタクト層をまず取り除き、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層を露出させて他のエッチャントを用いてＧａＡｓ吸収層まで取り除くことが考えられる。
あるいは、エッチングストップ層としてＧａＩｎＰ層を利用し、硫酸系エッチャントを用いてＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層を一度に選択エッチングすることも考えられる。
【００２９】
あるいは、エッチングではなく、低反射領域の層まで形成したウエハ上に、低反射領域になる領域を誘電体膜などでマスクする。
そして、それ以外の高反射領域になる領域にＧａＡｓコンタクト層／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層１２４を選択的に成長することで凸型レリーフ構造を形成しても良い。
上記手順を踏むことで、高精度な凸型の表面レリーフ構造の作製が可能になり、再現性および均一性の優れた素子の製造が可能となる。
【００３０】
上記本実施の形態の製造方法よれば、凸型の表面レリーフ構造を精度よく作製することが可能となるが、その表面レリーフ構造の作製に用いられる材料はＡｌＧａＡｓ系半導体材料に限定されるものではない。
例えば、その他のＩＩＩ−Ｖ族あるいはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体などの様々な半導体材料を適用することができる。
さらに、本実施形態の構造は、誘電体材料や金属材料などその他の材料を用いたレリーフ構造にも適用可能である。
また、以上では面発光レーザを例にとって説明したが、本発明の原理は面発光レーザに限定されることなく、一般的な多層膜反射鏡を用いた発光および受光素子にも適用可能である。
【００３１】
以上のことから、本発明の実施形態においては、面発光レーザをより具体的につぎのように構成することができる。
本実施形態においては、基板上に、下部反射ミラー、活性層、上部反射ミラーが積層されてなり、
前記上部反射ミラーの光出射部に、反射率の低い領域と該反射率の低い領域の中央部に形成された凸形状の反射率の高い領域とからなる反射率を制御するための構造を備え、波長λで発振する面発光レーザをつぎのように構成することができる。
前記上部反射ミラーを、複数の層を積層した積層構造体による多層膜反射鏡で構成する。
そして、前記積層構造体中に、前記波長λに対して吸収係数が５０００ｃｍ−１以上の吸収層が設けらている構成とする。
その際、前記吸収層を、前記積層構造体において真ん中に積層されている層よりも表面側で、且つ、最表面の層以外の層に設けるように構成することができる。
好ましくは、前記吸収層が、前記積層構造体の表面側から５ペア以内に設けるように構成する。
また、前記吸収層は、前記多層膜反射鏡の表面側からみて、前記多層膜反射鏡における高屈折率層から低屈折率層へ移る界面に、該吸収層の一部が含まれるように配置するように構成する。
また、前記吸収層は、厚さが２ｎｍ以上３０ｎｍ以下とすることが好ましい。
また、前記上部反射ミラーの光出射部における前記凸形状は、選択エッチングによって形成することができる。
また、前記吸収層は、少なくともＡｌを含まない半導体層で形成することができる。
また、本実施形態においては、上記したいずれかに記載の面発光レーザを複数個配置して面発光レーザアレイを構成することができる。
また、本実施形態においては、上記面発光レーザアレイを光源として備えた光学機器を構成することができる。
また、本実施形態においては、面発光レーザの製造方法を、つぎのように構成することができる。
すなわち、基板上に、下部反射ミラー、活性層、上部反射ミラーが順次積層する。
前記上部反射ミラーの光出射部に、反射率の低い領域と該反射率の低い領域の中央部に凸形状の反射率の高い領域からなる反射率を制御するための構造を形成する。
そして、波長λで発振する面発光レーザを製造する面発光レーザの製造方法を、つぎのように構成することができる。
まず、第１の工程において、前記上部反射ミラーとして、複数の層を積層した積層構造体による多層膜反射鏡を形成する際に、前記波長λに対して吸収係数が５０００ｃｍ−１以上の吸収層を、前記積層構造体中に形成する。
次に、第２の工程において、前記吸収層を形成する工程の後で、且つ、前記多層膜反射鏡を形成し終える前に、前記積層構造体に光を照射することによって反射スペクトルを測定する。
次に、第３の工程において、前記反射スペクトルを測定する工程において得られたブロードなディップ波長を測定する。
次に、第４の工程において、前記ディップ波長に基づいて、前記積層構造体の表面層の厚さを調整する。
また、本実施形態においては、面発光レーザの製造方法を、つぎのようにも構成することができる。
まず、第１の工程において、前記上部反射ミラーとして、複数の層を積層した積層構造体による多層膜反射鏡を形成する際に、前記波長λに対して吸収係数が５０００ｃｍ−１以上の吸収層を、前記積層構造体中に形成する。
次に、第２の工程において、前記吸収層を形成する工程の後で、且つ、前記多層膜反射鏡を形成し終える前に、前記積層構造体の表面に少なくともＡｌを含まない半導体層を形成する。
次に、第３の工程において、前記積層構造体の表面に形成された半導体層に光を照射することにより、反射スペクトルを測定する。
次に、第４の工程において、前記反射スペクトルを測定する工程において得られたブロードなディップ波長を測定する。
次に、第５の工程において、前記ディップ波長に基づいて、前記半導体層の厚さを調整する。
そして、前記吸収層を形成するに際し、該吸収層を前記積層構造体において真ん中に積層されている層よりも表面側で、且つ、最表面の層以外の層に形成するようにしてもよい。
また、前記吸収層を形成するに際し、該吸収層を前記積層構造体の表面側から５ペア以内に形成するようにしてもよい。
また、前記吸収層を形成するに際し、前記多層膜反射鏡の表面側からみて、前記多層膜反射鏡における高屈折率層から低屈折率層へ移る界面に、前記吸収層の一部が含まれるように形成してもよい。
また、前記吸収層を形成するに際し、該吸収層の厚さが２ｎｍ以上３０ｎｍ以下になるように形成してもよい。
また、前記上部反射ミラーの光出射部における前記凸形状を形成するに際し、該凸形状を選択エッチングを用いて形成するようにしてもよい。
また、本実施形態においては、上記したいずれかに記載の面発光レーザの製造方法による面発光レーザを複数個配置して製造する面発光レーザアレイの製造方法を構成することができる。
【実施例】
【００３２】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、６８０ｎｍで発振する凸型の表面レリーフ構造を備えた垂直共振器型面発光レーザの構成例およびその製造方法について説明する。
図１に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの構成例を説明するための断面模式図を示す。
図１において、１０２はｎ側電極、１０４はｎ型ＧａＡｓ基板、１０６はｎ型ＡｌＡｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ多層膜反射鏡、１０８はｎ型ＡｌＧａＩｎＰスペーサ層、１１０はＧａＩｎＰ量子井戸活性層である。
１１２はｐ型ＡｌＧａＩｎＰスペーサ層、１１４はｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ多層膜反射鏡、１１６はＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ酸化狭窄層、１１８はｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層である。１２０はｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層、１２２はｐ型ＧａＡｓ吸収層であり、ここでは低反射領域で最大の損失を得るために、１２０と１２２の二層で１／４波長の光学的厚さになるようにされている。
より少ない損失で済む場合には、例えば図７を参考にそれに応じた層厚にすれば良い。
１２４はｐ型ＧａＡｓコンタクト／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層であり、コンタクト層には５×１０１９ｃｍ−３以上の高濃度ｐ型ドーピングを行っている。１２６は絶縁膜、１２８はｐ側電極である。
【００３３】
本実施例において、活性層１１０は、複数のＧａＩｎＰ量子井戸層と複数のＡｌ０．２５Ｇａ０．２５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層で構成された多重量子井戸構造になっている。
その多重量子井戸構造が内部光定在波の腹に位置するように、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰスペーサ層１０８、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰスペーサ層１１２の層厚を調整する。これらで構成される共振器としては発振波長６８０ｎｍに対して、その波長の整数倍の光学的厚さを持つように層厚を調整する。
活性層自体の発光波長は面発光レーザ共振器の共振波長より短波側に発光ピーク波長（例えば６６０〜６７０ｎｍ）を持つように調整作製される。
【００３４】
ｎ型多層膜反射鏡１０６は、発振波長６８０ｎｍのそれぞれ１／４波長の光学的厚さをもつｎ型ＡｌＡｓ低屈折率層とｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層を６０ペア積層した構造である。
この反射鏡の反射帯域の中心波長は発振波長である６８０ｎｍに調節する。ｎ型伝導性を得るために、ＳｉやＳｅをドーピングする。
電気抵抗をさらに下げるために、二つの異なる屈折率層間に組成傾斜層を設けたり、光吸収を少なくしつつ、電気抵抗を下げるために光分布の腹周辺ではドーピング量を落とし、節ではドーピング量をふやす変調ドーピングなどを用いたりしてもよい。
【００３５】
ｐ型多層膜反射鏡１１４は、それぞれ１／４波長の光学的厚さをもつｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１２０とｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層１１８を３４ペア積層した構造である。
この反射鏡の反射帯域の中心波長は発振波長である６８０ｎｍに調節する。ｐ型伝導性を得るために、ＣやＺｎをドーピングする。
電気抵抗をさらに下げるために、ｎ型多層膜反射鏡で用いた組成傾斜層を用いる方法などもｐ型反射鏡に適用することが可能である。
【００３６】
ｐ型多層膜反射鏡内で活性層に近いｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１２０の一つをｐ型Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ酸化狭窄層１１６に置き換えてある。
この層を高温水蒸気雰囲気下で選択酸化させて素子周辺部から絶縁させることにより、中央部のみに電流が流れる電流狭窄構造を形成する。
本実施例では酸化狭窄により電流が流れる領域がほぼ円形で６ｕｍ径になるように調節した。
基本モードによる単一横モード化のために、光出射中央部はｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層１２４で終端して発振に必要な高反射率が得られるようにする。
また、光出射周辺部はこの高屈折率層１２４を取り除いて、ＧａＡｓ吸収層１２２の表面を露出させて高次モードが発振に到らないような低反射領域を形成する。
【００３７】
つぎに、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの製造方法の一例について、更に詳しく説明する。
その構造は上記した構造と同じであり、以下の工程により製造される。
まず、第１の工程において、低反射領域の表面層厚を決定する。
次に、第２の工程において、吸収層を決定する。
次に、第３の工程において、低反射領域におけるディップ波長を計算する。
次に、第４の工程において、低反射領域における反射スペクトルを測定し、第３の工程でのディップ波長の計算値と比較し、ディップ波長の実測値が計算値に一致するまで表面層の層厚調整をする。
次に、第５の工程において、残りの層構造部分を形成する。
次に、第６の工程において、上記調整後のウエハによる素子を形成する。
【００３８】
以下、順を追って上記各工程について、更に詳細に説明する。
第１の工程においては、まず、シングルモード化のために必要十分な損失をもつ低反射領域を形成するための表面層の層厚（具体的には１２０と１２２をあわせた層）を決定する。
本実施例では、図８が示すように規格化損失として６が得られる層厚として、ｐ型ＧａＡｓ吸収層１２２を１０ｎｍ、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１２０を４２ｎｍと、合計１／４波長の光学的厚さをもつように選んだ。
ここでは１／４波長の光学的厚さを選んだが、必要な素子特性に応じて、例えば図７を参考に、必要な損失に対応する層厚を決定すればよい。
また、おのおの界面にグレーデッド層を挿入してヘテロ障壁を減らして不必要な電気抵抗の上昇を抑える工夫を施しても良い。
【００３９】
第２の工程においては、精度よくディップ波長の測定ができるように、上部多層膜反射鏡内にバンド間吸収する層を配置する。
より好ましくは上述した形態で配置する。さらに、低反射領域を精度よく形成するために、最上部のｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層１２４を取り除くための選択エッチングが可能になるのが好ましい。
そこで、ここでは吸収層１２２として１０ｎｍのＧａＡｓを選択し、かつ、それをエッチングストップ層としても使用した。
以上を踏まえて、最終構造はつぎのような構造とする。
すなわち、最表面から２０ｎｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層、２７ｎｍのＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層（図４の１２４に相当し、１／４波長の光学的厚さに対応）、１０ｎｍのＧａＡｓ吸収層１２２（エッチングストップ層を兼ねる）とする。
また、４２ｎｍのＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１２０（１２２と１２０の二層で１／４波長の光学的厚さに対応）、５０ｎｍのＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層１１８（１／４波長の光学的厚さ）とする。
そして、これらの層を含みつつ、多層膜反射鏡１１４全体が形成される構造とする。
【００４０】
第３の工程においては、上記の構造において、ＧａＡｓ吸収層１２２まで形成した時点、すなわち低反射領域における反射スペクトルを算出する。
図１０に計算結果を示す。
ここでは、意図的にＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１２０の層厚を１／４波長の光学的厚さである目標値の４２ｎｍを基準に、−１０ｎｍから＋１０ｎｍまで５ｎｍ毎に変化させた場合の反射スペクトルの変化を示す。
低反射領域におけるブロードなディップ波長が明瞭に観測され、かつ上記１２０層の厚さが変化するとそれに応じてディップ波長が変化する様子も観測される。ディップ波長の測定分解能が数ｎｍあれば、層厚ばらつきも＋／−５ｎｍ以内に十分収まり、所望の損失を導入することができる。
【００４１】
第４の工程においては、作成したウエハの反射スペクトルを測定する。その反射スペクトルから得られたディップ波長を図９の計算値と比較し、所望のディップ波長、すなわち所望の損失からどの程度ずれがあるかを確認する。ディップ波長が短すぎれば、再度結晶成長を行い、ＧａＡｓ吸収層１２２を付け加え、長すぎればＧａＡｓ吸収層１２２をエッチングするなど、所望のディップ波長が得られるまで層厚調整およびディップ波長実測を繰り返す。
【００４２】
第５の工程においては、層構造の残りの部分、すなわち低反射領域より上部層、ここではｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層  （１２４）を再度結晶成長で形成する。
第６の工程においては、上記第５の工程までの工程が済み、層厚調整がなされたウエハを用いて下記のように素子形成を行う。
始めに、レリーフ構造を形成する。そのためのマスクパターン形成として、誘電体層を堆積し、フォトリソグラフィー、バッファードふっ酸によるウェットエッチングを用いてＳｉＯ２をパターニングする。ここでは３．５ｕｍφの凸型レリーフを形成する。
まず、クエン酸系エッチャントにより、１２４の上半分であるＧａＡｓコンタクト層を同じく１２４の下半分のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層に対して選択的に取り除く。
続いて、そのＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層を、その下に存在するＧａＡｓ吸収層１２２に対して選択的にエッチングし、ＧａＡｓ吸収層１２２の表面を露出させて低反射領域を形成する。
次に、２０〜３０ｕｍ径のメサを形成する。上記と同じように、誘電体層を再度パターニングしてドライエッチング等により、少なくともＡｌＧａＡｓ選択酸化層の側面が露出するまでエッチングを行う。
この時、レリーフ径の中心とメサ径の中心が揃うように注意してアライメントを行う。あるいは、セルフアライメントが可能になるようなプロセスを採用してもよい。
続いて、高温・水蒸気雰囲気下で必要なだけＡｌ０．９８Ｇａ０．２Ａｓ酸化狭窄層１１６をメサ周辺から酸化させる。
ここでは６ｕｍ径で中央に電流が流れるような酸化狭窄領域になるように時間を調整する。その後、必要な誘電体層を堆積し、再度パターニングしてｐ型ＧａＡｓコンタクト層の一部を露出させ、その上部にリング状のＴｉ／Ａｕを蒸着してｐ側電極を形成する。
その後、ｎ型ＧａＡｓ基板の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを蒸着し、４００℃前後でアニールすることでｎ側電極を形成する。
最後に必要な大きさのチップに切り出して、パッケージにダイボンディングし、ｐ側電極をワイヤーボンディングして素子が完成する。
また、マスクをアレイ用に適切に設計することで、単一素子のみならず、素子が複数個二次元に配置されたアレイを作製することができる。
このように、マスクのみの変更で、比較的容易にアレイ構造が得られる点が面発光レーザの利点である。
以上に説明した本実施例の構成によれば、反射スペクトル測定から、導入される損失量の再現性を大幅に向上させ、ウエハ間での再現性および均一性を大幅に向上させることができる。
【００４３】
［実施例２］
実施例２として、同じく６８０ｎｍで発振する凸型の表面レリーフ構造を備えた垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
本実施例においては、素子構造は図１に示す実施例１の構造と同じであるが、凸型の表面レリーフ構造の作製方法として、エッチングの代わりに選択成長が用いられる。
図１０に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの構成例を説明するための断面模式図を示す。
図１０では、図１に示した構成と同様の構成には同一の符号が付されており、重複する部分の説明は省略する。
図１０において、１００２は誘電体膜を形成するＳｉＯ２膜（低反射領域）、１００６は高反射領域や電極とのコンタクトを形成するその他の領域である。
【００４４】
本実施例では、実施例１の第４の工程まで終了した状態、すなわち、ＧａＡｓ吸収層１２２の層厚調整が終了し、低反射領域に導入する損失が決まった段階から開始する。
まず、誘電体膜を用いて選択成長のためのマスクを形成する。具体的には、誘電体膜としてＳｉＯ２膜１００２を堆積する。
その後、フォトリソグラフィーとウェットエッチングを用いてＳｉＯ２膜１００２をパターニングする。
このとき、図１０が示すように、低反射領域を形成したい領域はＳｉＯ２膜１００２でカバーし、高反射領域や電極とのコンタクトを形成するその他の領域１００６は結晶成長のためにＧａＡｓ吸収層１２２が露出するようにパターニングする。
そして、ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層１２４を選択成長によりＧａＡｓ吸収層１２２が露出した領域にのみ形成することで凸型レリーフ構造を形成する。
【００４５】
この後、実施例１で説明したようにメサを形成し、素子化を進める。
このように本発明は、エッチングだけでなく、選択成長を用いても実施可能で、レリーフ構造の形成方法に関わらず、反射スペクトル測定から導入される損失量の再現性が大幅に向上し、ウエハ間での再現性および均一性が大幅に向上する。
【００４６】
［実施例３］
実施例３として、同じく６８０ｎｍで発振する凸型の表面レリーフ構造を備えた垂直共振器型面発光レーザについて説明する。
図１１に、本実施例における垂直共振器型面発光レーザの構成例を説明するための断面模式図を示す。
図１１では、図１に示した構成と同様の構成には同一の符号が付されており、重複する部分の説明は省略する。
図１１において、１１０２は型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層、１１０４はｐ型ＧａＡｓ吸収層である。
１１０６はｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層、１１０８はｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層、１１１０はｐ型ＧａＩｎＰエッチストップ層である。
【００４７】
本実施例では、エッチストップ層としてＧａＩｎＰエッチストップ層１１１０を用いる。
吸収層としては実施例１と同様にｐ型ＧａＡｓ吸収層１１０４を用いるが、その配置が異なる。
本実施例の具体的な構造は、最表面から２０ｎｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層、２７ｎｍのＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層（図１１の１２４に相当し、１／４波長の光学的厚さに対応）が形成される。
また、１０ｎｍのｐ型ＧａＩｎＰエッチストップ層１１１０、４３ｎｍのｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１１０８（１１１０と１１０８の二層で１／４波長の光学的厚さに対応）が形成される。
また、４４ｎｍのｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層１１０６、１０ｎｍのｐ型ＧａＡｓ吸収層１１０４、４８ｎｍのｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１１０２が形成される。
そして、これらの層を含みつつ、多層膜反射鏡１１４が形成された構造を備えている。
【００４８】
ここで、１０ｎｍのｐ型ＧａＡｓ吸収層１１０４は面発光レーザ動作時における光定在波強度分布の節の位置に設ける。
すなわち、図６でいう高屈折率層から低屈折率層へ移る界面６１０に吸収層１１０４の中心を配置する。
したがって、４４ｎｍのＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層１１０６、１０ｎｍのＧａＡｓ吸収層１１０４の１／２の５ｎｍで１／４波長の光学的厚さに対応し、
残り１／２の５ｎｍのＧａＡｓ吸収層１１０４と４８ｎｍのＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層１１０２で１／４波長の光学的厚さに対応するように構成されている。
このＧａＡｓ吸収層１１０４が設けられた節の位置は、図６に示すように、低反射領域における反射スペクトル測定では、光強度分布において腹となるため、十分な吸収が生じて、ディップ波長の測定が可能となる。
ここで、おのおの界面にグレーデッド層を挿入してヘテロ障壁を減らして不必要な電気抵抗の上昇を抑える工夫を施しても良い。
本実施例によれば、実施例１で示した方法により導入する損失量を見積もり、均一性、再現性の高い素子を形成することができる。
【００４９】
［実施例４］
実施例４として、本発明の垂直共振器型面発光レーザを適用して構成した光学機器の構成例について説明する。
ここでは、光学機器として、本発明の垂直共振器型面発光レーザによる赤色面発光レーザアレイを用いて構成した画像形成装置の構成例について説明する。
図１２に、本実施例の赤色面発光レーザによるレーザアレイを実装した電子写真記録方式の画像形成装置の構造図を示す。
図１２（ａ）は画像形成装置の上面図であり、図１２（ｂ）は同装置の側面図である。
図１２において、１２００は感光体、１２０２は帯電器、１２０４は現像器、１２０６は転写帯電器、１２０８は定着器、１２１０は回転多面鏡、１２１２はモータである。
また、１２１４は赤色面発光レーザアレイ、１２１６は反射鏡、１２２０はコリメータレンズ及び１２２２はｆ−θレンズである。
【００５０】
本実施例の画像形成装置は、本発明の垂直共振器型面発光レーザを適用してなる光源からの光を、感光体上に入射させ、画像を形成するように構成されている。
具体的には、図１２に示されるモータ１２１２は、回転多面鏡１２１０を回転駆動するように構成されている。
また、本実施例における回転多面鏡１２１０は、６つの反射面を備えている。１２１４は記録用光源であるところの赤色面発光レーザアレイである。
この赤色面発光レーザアレイ１２１４は、レーザドライバ（図示せず）により画像信号に応じて点灯または消灯し、こうして変調されたレーザ光は、赤色面発光レーザアレイ１２１４からコリメータレンズ１２２０を介し回転多面鏡１２１０に向けて照射される。
【００５１】
回転多面鏡１２１０は矢印方向に回転していて、赤色面発光レーザアレイ１２１４から出力されたレーザ光は、回転多面鏡１２１０の回転に伴い、その反射面で連続的に出射角度を変える偏向ビームとして反射される。
この反射光は、ｆ−θレンズ１２２２により歪曲収差の補正等を受け、反射鏡１２１６を経て感光体１２００に照射され、感光体１２００上で主走査方向に走査される。
このとき、回転多面鏡１２１０の１面を介したビーム光の反射により、感光体１２００の主走査方向に赤色面発光レーザアレイ１２１４に対応した複数のライン分の画像が形成される。
本実施例においては、４×８の赤色面発光レーザアレイ１２１４を用いており、３２ライン分の画像が同時に形成される。
【００５２】
感光体１２００は、予め帯電器１２０２により帯電されており、レーザ光の走査により順次露光され、静電潜像が形成される。
また、感光体１２００は矢印方向に回転していて、形成された静電潜像は、現像器１２０４により現像され、現像された可視像は転写帯電器１２０６により、転写紙（図示せず）に転写される。
可視像が転写された転写紙は、定着器１２０８に搬送され、定着を行った後に機外に排出される。
【００５３】
また、本実施例では、４×８赤色面発光レーザアレイを用いたが、これに限定されるものではなく、ｍ×ｎ赤色面発光レーザアレイ（ｍ、ｎ：自然数）であっても良い。
以上説明したように、本実施例による赤色面発光レーザアレイを電子写真記録方式の画像形成装置に用いることにより、高速・高精細印刷を可能とする画像形成装置を得ることが可能となる。
【００５４】
なお、上記説明では、光学機器として画像形成装置を構成した例について説明したが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。
例えば、本発明の垂直共振器型面発光レーザを適用して構成した光源を用い、該光源からの光を画像表示体上に入射させ、画像の表示をするようにしてプロジェクションディスプレイ等の光学機器を構成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施例１における凸型の表面レリーフ構造を備えた垂直共振器型面発光レーザおよびその製造方法を説明するための断面模式図。
【図２】従来例における凸型（ａ）および凹型（ｂ）の表面レリーフ構造を説明するための断面模式図。
【図３】従来例である非特許文献２のレリーフ構造における、レーザ構造に導入される規格化損失の層厚依存性の例を示す図。
【図４】本発明の実施形態における凸型の表面レリーフ構造を備えた面発光レーザのウエハ層構造を説明するための断面模式図。
【図５】本発明の実施形態における吸収層における吸収係数の違いによるディップ形状の違いを説明するための図であり、面発光レーザのウエハ層構造の反射スペクトルを示す図。
【図６】本発明の実施形態における面発光レーザの多層膜反射鏡の層構成と素子駆動時および反射スペクトル測定時の内部光強度分布を説明するための図。
【図７】本発明の実施形態における低反射領域に導入される規格化損失の層厚依存性を説明するための図であり、第一層から第四層まで各々の層厚がばらついた場合に導入される規格化損失を示す図。
【図８】本発明の実施形態における低反射領域に導入される規格化損失のディップ波長依存性を説明するための図であり、第一層から第四層まで各々の層厚がばらついた場合に導入される規格化損失を示す図。
【図９】本発明の実施例１における反射領域における表面層の層厚の違いによるディップ波長の違いを説明するための図であり、面発光レーザのウエハ層構造の反射スペクトルを示す図。
【図１０】本発明の実施例２における凸型の表面レリーフ構造を備えた面発光レーザの構成および製造方法を説明するための模式図。
【図１１】本発明の実施例３における凸型の表面レリーフ構造を備えた面発光レーザの構成および製造方法を説明するための断面模式図。
【図１２】本発明の実施例４における画像形成装置を説明するための模式図。
【図１３】本発明の実施形態における吸収層における吸収係数の違いによるディップ形状の違いを説明するための図であり、面発光レーザのウエハ層構造の反射スペクトルを示す図。
【符号の説明】
【００５６】
１０２：ｎ側電極
１０４：ｎ型ＧａＡｓ基板
１０６：ｎ型ＡｌＡｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ多層膜反射鏡
１０８：ｎ型ＡｌＧａＩｎＰスペーサ層
１１０：ＧａＩｎＰ量子井戸活性層
１１２：ｐ型ＡｌＧａＩｎＰスペーサ層
１１４：ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ多層膜反射鏡
１１６：Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ酸化狭窄層
１１８：ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層
１２０：ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層
１２２：ｐ型ＧａＡｓ吸収層
１２４：ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ高屈折率層
１２６：絶縁膜
１２８：ｐ側電極
１３０：光出射中央部（高反射領域）
１３２：光出射周辺部（低反射領域）
２０２：高反射領域
２０４：低反射領域
２０６：高屈折率層
２０８：低屈折率層
２１０：基本横モード光分布
２１２：高次横モード光分布
５１２：共振波長
５１４：低反射領域における共振波長（ディップ（窪み））
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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