(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置された半導体多層構造からなる第１の反射ミラーと、
前記第１の反射ミラーの上方に配置された活性層と、
前記活性層の上方に配置され、前記基板の表面に対して平行方向の横断面形状が矩形である柱状部分を有する、第２の反射ミラーと、
前記柱状部分の側面を覆うように配置された絶縁層と、
前記柱状部分の上面の周縁部と、前記絶縁層を介して前記柱状部分の側面と、を覆うように配置された上部電極と、
前記柱状部分の上面を覆うように配置され、かつ、前記柱状部分の上面から延設され前記絶縁層および前記上部電極を介して前記柱状部分の側面を覆うように配置された、誘電体層と、
を含むことを特徴とする面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
請求項１において、前記上部電極は、前記誘電体層に覆われていることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記柱状部分は、対向する一対の第１の側面と、前記第１の側面とは別の対向する一対の第２の側面と、を有し、
前記第１の側面を覆う前記誘電体層と前記第２の側面を覆う前記誘電体層とは、膜厚が異なることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
【請求項４】
請求項１又は２において、
前記誘電体層は、
第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層を覆うように配置され、前記第１の誘電体層とは材質の異なる第２の誘電体層と、からなることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
【請求項５】
半導体基板上に面発光型半導体レーザを形成するにあたり、
前記半導体基板の下側の一部分に第１の電極を形成する工程と、
前記半導体基板上に屈折率の異なる半導体層を積層して第１の反射ミラーを形成する工程と、
前記第１の反射ミラー上に少なくとも活性層およびクラッド層を含む多層の半導体層を形成する工程と、
前記多層の半導体層上に屈折率の異なる半導体層を積層して第２の反射ミラーを形成する工程と、
前記第２の反射ミラーのうち、少なくとも表面側から２分の１の厚さを柱状にエッチングする工程と、
前記柱状部分の周囲に絶縁層と前記柱状部分の端面に望んで開口部を有する上部電極を形成する工程と、
前記開口部および上部電極を覆うように、前記柱状部分に斜めから誘電体材料を蒸着する工程と、
を有することを特徴とする面発光型半導体レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光の偏光面を安定化できる面発光型半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、面発光型半導体レーザのレーザ光の偏光面を安定にする方法として、本出願人らは特開平６−２８３８１８号公報で偏光面を安定にする面発光型半導体レーザの構造を開示している。本公報では、面発光型半導体レーザの垂直共振器部の横断面形状を矩形にすることにより偏光面方向を１方向に安定化できることを開示している。
【０００３】
しかしながら、近年多く研究されてきている、上部下部とも半導体多層膜で反射ミラーを構成し、レーザ光が多重往復する共振器の長さを１波長程度まで短くした面発光型半導体レーザの構造においては、上記公報開示の構造を用いても、レーザ出力を上げていくにつれ、偏光面が変化し不安定なレーザ発振をしてしまうことが確認された。
【０００４】
また特開平９−８３０６６号公報では、共振器の長さが１波長程度の面発光型半導体レーザの偏光面方向がレーザ発光中に不安定になりやすい問題点をあげ、面発光型半導体レーザの電極部の構造を変えることで、偏光面を安定化かつ外部制御できる構造を開示しているが、構造が複雑になり、同一基板内に複数の発光部を作製できる面発光型半導体レーザにおいては、安定に製造しにくくなるという課題が新たに発生した。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上部下部とも半導体多層膜で反射ミラーを構成する面発光型半導体レーザにおいて、レーザ出力を増加させても偏光面が変化せず安定したレーザ発振を行う面発光型半導体レーザの構造およびその簡易な製造方法を提供することにある。
【０００６】
本発明の面発光型半導体レーザは、基板と、前記基板上に配置された半導体多層構造からなる第１の反射ミラーと、前記第１の反射ミラーの上方に配置された活性層と、前記活性層の上方に配置され、前記基板の表面に対して平行方向の横断面形状が矩形である柱状部分を有する、第２の反射ミラーと、前記柱状部分の側面を覆うように配置された絶縁層と、前記柱状部分の上面の周縁部と、前記絶縁層を介して前記柱状部分の側面と、を覆うように配置された上部電極と、前記柱状部分の上面を覆うように配置され、かつ前記柱状部分の上面から延設され前記絶縁層および前記上部電極を介して前記柱状部分の側面を覆うように配置された、誘電体層と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
また、前記上部電極は、前記誘電体層に覆われていることを特徴とする。前記柱状部分は、対向する一対の第１の側面と、前記第１の側面とは別の対向する一対の第２の側面と、を有し、前記第１の側面を覆う前記誘電体層と前記第２の側面を覆う前記誘電体層とは、膜厚が異なることを特徴とする。
【０００８】
また、前記誘電体層は、第１の誘電体層と、前記第１の誘電体層を覆うように配置され、前記第１の誘電体層とは材質の異なる第２の誘電体層と、からなることを特徴とする。
【０００９】
本発明の面発光型半導体レーザの製造方法は、半導体基板の下側の一部分に第１の電極を形成する工程と、前記半導体基板上に屈折率の異なる半導体層を積層して第１の反射ミラーを形成する工程と、前記第１の反射ミラー上に少なくとも活性層およびクラッド層を含む多層の半導体層を形成する工程と、前記多層の半導体層上に屈折率の異なる半導体層を積層して第２の反射ミラーを形成する工程と、前記第2の反射ミラーのうち、少なくとも表面側から２分の１の厚さを柱状にエッチングする工程と、前記柱状部分の周囲に絶縁層と前記柱状部分の端面に望んで開口部を有する上部電極を形成する工程と、前記開口部および上部電極を覆うように、前記柱状部分に斜めから誘電体材料を蒸着する工程を有することを特徴とする。
【００１１】
【作用】
本発明の面発光型半導体レーザは、共振器の一部を横断面形状が矩形となるような柱状部分とすることにより、共振器内に光学異方性構造を持たすことができる。しかしながら、本発明の面発光型半導体レーザでは一対の反射ミラーの間が１波長程度と短いため、このままでは共振器内の光学異方性構造の影響が小さく、共振器内のレーザ光の偏光面に影響を与えにくく、レーザ光出力を増加するにつれ、偏光面が安定しなくなってしまった。
【００１２】
従って共振器の長さが短い面発光型半導体レーザで偏光面を安定化させるためには、共振器内の光学異方性の影響を大きくする必要がある。化合物半導体の光学特性は温度や圧力により変化することはよく知られている。そこで共振器内の光学特性に異方性を持たせるためには、共振器内に温度や圧力の分布を持たせれば良いと考え、共振器構造の柱状部分の周囲に誘電体層を形成した。この構造を用いることにより、矩形の柱状部の周りを化合物半導体とは異なる熱膨張係数をもつ誘電体層が覆い、共振器の矩形構造と誘電体層による歪みの効果により、共振器の光学異方性効果が大きくなる。従って、一対の反射ミラーの間が1波長程度と短い本発明のような面発光型半導体レーザにおいても、レーザ光の偏光面方向を柱状部分の矩形の短辺方向にそろえることができ、レーザ光出力を増加しても偏光面を安定できるようになった。
【００１３】
また本発明の誘電体層はシリコン酸化物、タンタル酸化物、チタン酸化物、ジルコニウム酸化物のうち、１つもしくは複数からなる層で構成されていることを定義している。これらの誘電体層は、本発明の面発光型半導体レーザの発振波長である０．６μｍ付近から１．８μｍ付近の波長帯において吸収係数が小さくかつ熱膨張係数が大きいことから柱状部に与える効果が大きい特徴を持っている。
【００１４】
また、複数の誘電体層を組み合わせることにより、誘電体層全体の熱膨張係数と透過率を制御することも可能である。
【００１５】
また、柱状部分の横断面形状の長軸方向の長さをＡとし、短軸方向の長さをＢとしたとき、Ｂ＜Ａ＜２×Ｂであることを定義している。これは、本発明の構造では柱状部分の横断面形状を矩形にすることにより、共振器内に光学異方性を持たしているが、矩形の大きさを上記範囲外の関係にすると長軸方向が長くなりすぎ、レーザ発振横モードが多モードになりやすくなることから制限としている。
【００１６】
上記の構造において、誘電体層を形成する工程に真空蒸着法を用いている。これにより、特に従来の面発光型半導体レーザ作製工程を変えることなく、レーザ作製終了後、基板表面に誘電体を真空蒸着する工程を追加するだけでよい。また、誘電体がない状態で面発光型半導体レーザを測定し、その結果を用いて誘電体の蒸着状態を変えることができるので、偏光面安定の歩留まりも向上できる。例えば、柱状部分に斜め方向から誘電体を蒸着することにより、柱状部分の側面につく誘電体の厚さを側面位置で変えることができ、これにより共振器内の光学異方性をさらに大きくすることもできる。
【００１７】
【発明の実施形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【００１８】
（実施例１）
図１は本発明の一実施例における偏光面を安定にできる面発光型半導体レーザの断面を模式的に示す断面図であり、図２はその概略斜視図である。図２に示すＡ−Ａ’での断面を図１に示している。
【００１９】
図１に示す面発光型半導体レーザ１００の構造について説明するとｎ型ＧａＡｓ基板１０２上に，ｎ型ＧａＡｓバッファ層１０３、ｎ型ＡｌＡｓ層とｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層からなり７８０ｎｍ付近の光に対し９９％以上の反射率を持つ４０ペアの分布反射型半導体多層膜ミラー１０４、ｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓクラッド層１０５、ｎ−型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓウエル層とｎ−型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓバリア層から成り該ウエル層が５層で構成される多重量子井戸活性層１０６、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓクラッド層１０７、ｐ型ＡｌＡｓ層とｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層からなり７８０ｎｍ付近の光に対し９８．５％以上の反射率を持つ３０ペアの分布反射型半導体多層膜ミラー１０８及びｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓコンタクト層１０９が、順次積層されている。この積層の作製にはＭＯＶＰＥ法によるエピタキシャル成長を用いた。このとき、 ｎ型クラッド層１０５と多重量子井戸活性層１０６とｐ型クラッド層１０７の合計の厚さは、共振器構造内のレーザ波長の１波長程度の長さになるようにした。
【００２０】
そして、ｐ型クラッド層１０７の上部層まで、半導体の積層体の上面からみて長方形の形状にエッチングされて柱状部分１１４が形成される。本実施例では長方形の長辺Ａの長さは２０μｍ、短辺の長さＢは１５μｍとした。各種大きさの共振器を作製したところＢの長さが５〜２０μｍまではレーザ光の横モードがシングルモードであり、出力も１ｍＷ以上でたが、Ｂが5μｍよりも小さいときは開口部の大きさが小さいため出力が小さく、またＢが２０μｍよりも大きいときはレーザ光の横モードがマルチモードになってしまった。
【００２１】
この柱状部分１１４の基板１０２と平行な横断面を長方形とすることにより、柱状部分１１４内に光学異方性を持たすことができる。
【００２２】
この柱状部分１１４の周囲は、熱ＣＶＤ法により形成されたＳｉＯ2などのシリコン酸化膜（ＳｉＯＸ膜）からなる絶縁層１１０で埋め込まれている。
【００２３】
絶縁層１１０は、ｐ型半導体多層膜ミラー１０８およびコンタクト層１０９の側面に沿って連続して形成され、その上に例えばＣｒと金−亜鉛合金で構成されるコンタクト金属層（上部電極）１１１が、コンタクト層１０９と接して形成され、電流注入のための電極となる。
【００２４】
柱状部分１１４の中央部は上部電極１１１に覆われず露出している（以後、この部分を「開口部１１５」と記す）。
【００２５】
基板１０２の下部には、金−ゲルマニウム合金で構成される下部電極１０１が形成されている。
【００２６】
さらに、柱状部分１１４の上部および周囲には、電子ビーム（ＥＢ）真空蒸着法により形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯＸ膜）からなる誘電体層１１２が形成されている。誘電体層１１２の厚さは、開口部１１５の上で２６９０オングストローム程度に設定してある。誘電体層１１２の厚さを出射するレーザ光の空気中での波長を誘電体層の屈折率の2倍の値で割った値の整数倍とすることにより、面発光型半導体レーザの上部ミラーの反射率を低下させず、面発光型半導体レーザの発光特性への影響を少なくさせている。
【００２７】
上記の構造にすることにより、柱状構造をもつ共振器１１４内の光学異方性を大きくできることから、一対の反射ミラーの間が1波長程度と短い面発光型半導体レーザにおいても、共振器内を多重往復するレーザ光に光学異方性の影響を与えることがでるようになった。これにより、本発明の面発光型半導体レーザでは、偏光面方向を柱状部分の矩形の短辺方向にそろえることができ、レーザ光出力を増加しても偏光面を安定できるようになった。
【００２８】
次に、本実施例における誘電体層１１２の作製方法について説明する。
【００２９】
図3は本実施例で誘電体層１１２を作製する際用いたＥＢ蒸着器内部の概略図であり、蒸着源３０１と面発光型半導体レーザ基板３０２の位置関係を示している。
【００３０】
蒸着源３０１にある蒸着材料（本実施例ではＳｉＯ２粒を用いている）は電子ビーム源３０３からの電子ビームにより加熱され、３０４のように半球面上の蒸着ビームとなって蒸発をする。ここで、柱状構造を持った面発光型半導体レーザを３０２Ａのように蒸着源３０１に対向して設置すると蒸着ビーム３０４が等方的であるため柱状部側面につく誘電体の厚さは矩形の短辺、長辺側とも同じになる。従って、共振器内の光学異方性は柱状部の矩形形状に依存する。
【００３１】
他方、誘電体層蒸着時に柱状構造を持った面発光型半導体レーザを３０２Ｂのように蒸着ビーム３０４に対して斜めに設置すると柱状部分に影ができ、柱状部側面の場所により誘電体の厚さに差をつけることができる。そこで、面発光型半導体レーザを設置する際、柱状部の短辺を蒸着ビーム３０４に垂直、平行にして設置することにより、柱状部短辺側側面につく誘電体層膜厚を長辺側に比べ厚くしたり、薄くしたりできるようになり、柱状部矩形形状に依存していた共振器内の光学異方性を強めたり、弱めたりすることができる。このことは、基板内に複数の共振器構造を持つ面発光型半導体レーザにおいて、各々の共振器構造の作製時のばらつきを押さえることに大きな効果がある。
【００３２】
（実施例２）
図４は本発明の第２実施例における偏光面を安定にできる面発光型半導体レーザの断面を模式的に示す断面図である。本実施例は、柱状部分周囲にある誘電体層が2種類の誘電体により形成されているところが、前記実施例１の構造と異なる。
【００３３】
図4に示す面発光型半導体レーザ２００の構造について説明するとｎ型ＧａＡｓ基板２０２上に，ｎ型ＧａＡｓバッファ層２０３、ｎ型ＡｌＡｓ層とｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層からなり７８０ｎｍ付近の光に対し９９％以上の反射率を持つ４０ペアの分布反射型半導体多層膜ミラー２０４、ｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓクラッド層２０５、ｎ−型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓウエル層とｎ−型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓバリア層から成り該ウエル層が５層で構成される多重量子井戸活性層２０６、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓクラッド層２０７、ｐ型ＡｌＡｓ層とｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層からなり７８０ｎｍ付近の光に対し９８．５％以上の反射率を持つ３０ペアの分布反射型半導体多層膜ミラー２０８及びｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓコンタクト層２０９が、順次積層されている。この積層の作製にはＭＯＶＰＥ法によるエピタキシャル成長を用いた。このとき、ｎ型クラッド層２０５と多重量子井戸活性層２０６とｐ型クラッド層２０７の合計の厚さは、共振器構造内のレーザ波長の１波長程度の長さになるようにした。
【００３４】
そして、ｐ型半導体多層膜ミラー２０８の表面側から2分の１の厚さのところまで、半導体の積層体の上面からみて長方形の形状にエッチングされて柱状部分２１４が形成される。本実施例では長方形の長辺Ａの長さは３０μｍ、短辺の長さＢは２０μｍとした。
【００３５】
柱状部分２１４の高さをｐ型半導体多層膜ミラー２０８の表面側から2分の１の厚さにすることは、柱状部作製時のエッチング時間短縮およびエッチング速度の基板面内ばらつきをおさえることに効果があり、面発光型半導体レーザの作製工程の安定化につながる。しかしながら、柱状部分２１４の長さが短いため、上部電極から共振器内に注入される電流の拡散が少なくなるという問題がある。そこで、柱状部分２１４をエッチング形成後、 ｐ型半導体多層膜ミラー２０８を形成しているｐ型ＡｌＡｓ層を側面から5μｍ程度水蒸気酸化し、酸化Ａｌ絶縁層２１３を形成し、共振器内の電流の拡散を起こしやすくしている。
【００３６】
この柱状部分２１４の周囲は、熱ＣＶＤ法により形成されたＳｉＯ2などのシリコン酸化膜（ＳｉＯＸ膜）からなる絶縁層２１０で埋め込まれている。
【００３７】
絶縁層２１０は、ｐ型半導体多層膜ミラー２０８およびコンタクト層２０９の側面に沿って連続して形成され、その上に例えばＣｒと金−亜鉛合金で構成されるコンタクト金属層（上部電極）２１１が、コンタクト層２０９と接して形成され、電流注入のための電極となる。
【００３８】
柱状部分２１４の中央部は上部電極２１１に覆われず開口部２１５となっている。基板２０２の下部には、金−ゲルマニウム合金で構成される下部電極２０１が形成されている。
【００３９】
さらに、柱状部分２１４の上部および周囲には、電子ビーム（ＥＢ）真空蒸着法により形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯＸ膜）とジルコニウム酸化膜（ＺｒＯＸ膜）からなる誘電体層２１２が形成されている。誘電体層２１２の厚さは、開口部２１５の上で２２００オングストローム程度に設定してある。
【００４０】
ジルコニウム酸化膜と化合物半導体の熱膨張係数の差は大きいため、１０００オングストローム程度のジルコニウム酸化膜だけでも共振器２１４内の光学異方性を大きくできるが、膨張係数の差が大きすぎるため、ジルコニウム酸化膜がはがれやすくなる問題が発生した。そこで、シリコン酸化膜とジルコニウム酸化膜の2層構造とすることにより膜はがれを防止しながら、実施例１に記載したシリコン酸化膜単層だけの誘電体層の厚さに比べ薄い膜厚の誘電体層２１２で光学異方性を大きくする効果を出している。
【００４１】
従って、本構造においても偏光面方向を柱状部分の矩形の短辺方向にそろえることができ、レーザ光出力を増加しても偏光面を安定できるようになった。
【００４２】
また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
【００４３】
例えば、基板は面発光型半導体レーザの発振波長を決定する半導体層の材料に応じて、Ｓｉ，ＧａＡｌＡｓ系，ＧａＩｎＰ系，ＺｎＳＳｅ系、ＩｎＧａＮ系半導体基板のいずれか、若しくは酸化シリコン、酸化アルミ、窒化アルミ、窒化シリコン誘電体基板のいずれかを使用すればよく、半導体層のｐ型、ｎ型をそれぞれ入れ替えても実施が可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明を用いれば、簡易な構造、容易な製造方法により、レーザ発光特性を損なうことなく、偏光面を安定にできる面発光型半導体レーザが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における偏光面を安定にできる面発光型半導体レーザの断面を模式的に示す断面図である。
【図２】図１に示す面発光型半導体レーザの概略斜視図である。
【図３】実施例で用いたＥＢ蒸着器内部の概略図である。
【図４】本発明の別の実施例における偏光面を安定にできる面発光型半導体レーザの断面を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１０１，２０１  下部電極
１０２，２０２  ｎ型ＧａＡｓ基板
１０３，２０３  ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１０４，２０４，１０８，２０８  分布反射型半導体多層膜ミラー
１０５，２０５  ｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓクラッド層
１０６，２０６  多重量子井戸活性層
１０７，２０７  ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓクラッド層
１０９，２０９  ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓコンタクト層
１１０，２１０  絶縁層
１１１，２１１  上部電極
１１２，２１２  誘電体層
１１４，２１４  柱状部分
１１５，２１５  開口部
２１３  酸化Ａｌ絶縁層
３０１  蒸着源
３０２Ａ，３０２Ｂ  面発光型半導体レーザ基板
３０３  電子ビーム源
３０４  蒸着ビーム
【図１】
0003635880.tif 000002
【図２】
0003635880.tif 000003
【図３】
0003635880.tif 000004
【図４】
0003635880.tif 000005