(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に対して垂直な面内でリング共振器を形成するリング共振器型の面発光半導体レーザを構成していることを特徴とする面発光半導体レーザ。
【請求項２】
基板に対して垂直な面内でリング共振器を形成するリング共振器型の面発光半導体レーザであって、基板に平行な面と該平行面に対向して形成された少なくとも１つの全反射面とによりリング状共振器を構成していることを特徴とする請求項１記載の面発光半導体レーザ。
【請求項３】
前記全反射面は屋根状の半導体面であることを特徴とする請求項２記載の面発光半導体レーザ。
【請求項４】
前記全反射面は多角錐状の半導体面であることを特徴とする請求項２記載の面発光半導体レーザ。
【請求項５】
前記全反射面は四角錐状の半導体面であることを特徴とする請求項４記載の面発光半導体レーザ。
【請求項６】
前記全反射面は円錐状の半導体面であることを特徴とする請求項２記載の面発光半導体レーザ。
【請求項７】
閃亜鉛鉱型結晶構造の半導体基板上に成長した活性層を含む半導体層からなり、（１００）の面、（−１−１１）面、（−１１−１）面の３面、または（１００）の面、（−１１１）面、（−１−１−１）面の３面、或はこれらと結晶の対称性を考慮した場合に等価な位置関係にある３つの結晶面を反射面とするリング型の共振器構造を有することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の面発光半導体レーザ。
【請求項８】
前記３つの反射面が、（１００）の面および、（１００）の面を有する半導体面上に形成した〈０１１〉方向に平行なストライプ構造のマスクを介して面方位依存エッチングを施して逆メサ形状を形成した場合に両側の斜面に生じる（−１−１１）面、（−１１−１）面からなる、或はこれらと結晶の対称性を考慮した場合に等価な位置関係にある３つの結晶面からなることを特徴とする請求項７記載の面発光半導体レーザ。
【請求項９】
前記３つの反射面が、（−１００）の面および、（１００）の面を有する半導体面上に形成した〈０１−１〉方向に平行なストライプ構造のマスクを介して面方位依存エッチングを施して順メサ形状を形成した場合に両側の斜面に生じる（１−１−１）面、（１１１）面からなる、或はこれらと結晶の対称性を考慮した場合に等価な位置関係にある３つの結晶面からなることを特徴とする請求項７記載の面発光半導体レーザ。
【請求項１０】
前記３つの反射面が、（−１００）の面および（１００）の面を有する半導体面上に形成した〈０１１〉方向に平行なストライプ構造の開口を有するマスク上に選択成長して順メサ形状を形成した場合に両側の斜面に生じる（１−１１）面、（１１−１）面からなる、或はこれらと結晶の対称性を考慮した場合に等価な位置関係にある３つの結晶面からなることを特徴とする請求項７記載の面発光半導体レーザ。
【請求項１１】
（１００）面を有する閃亜鉛鉱型結晶構造の半導体基板上に成長した活性層を含む半導体層からなり、前記四角錐状の半導体面が（１−１−１）面、（１１１）面、（１１−１）面、（１−１１）面からなることを特徴とする請求項５記載の面発光半導体レーザ。
【請求項１２】
前記基板に平行な面に対向して形成された少なくとも１つの全反射面が、半導体上に形成された適当形状のマスクを用いて、イオンビームを照射することによりエッチングを行うことで形成されたことを特徴とする請求項２乃至６の何れかに記載の面発光半導体レーザ。
【請求項１３】
前記基板に平行な面に対向して形成された少なくとも１つの全反射面が、半導体上に形成された適当形状のマスクを用いて、基板を面法線を中心に回転させながら該面法線に対して所定の角度で傾けた方向よりイオンビームを照射することによりエッチングを行うことで形成されたことを特徴とする請求項１２記載の面発光半導体レーザ。
【請求項１４】
前記基板に平行な面も全反射面である半導体面であることを特徴とする請求項２乃至１３の何れかに記載の面発光半導体レーザ。
【請求項１５】
前記基板に平行な面に多層反射膜面が形成されていることを特徴とする請求項２乃至１３の何れかに記載の面発光半導体レーザ。
【請求項１６】
前記多層反射膜が誘電体多層膜であることを特徴とする請求項１５記載の面発光半導体レーザ。
【請求項１７】
前記多層反射膜が半導体多層膜であることを特徴とする請求項１５記載の面発光半導体レーザ。
【請求項１８】
前記多層反射膜がｎ側に設けられていることを特徴とする請求項１７に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項１９】
前記全反射面を、埋め込み材で埋め込んであることを特徴とする請求項２乃至１８の何れかに記載の面発光半導体レーザ。
【請求項２０】
前記全反射面を構成する半導体の屈折率に対し全反射条件を満たす程度に屈折率の小さい絶縁性の埋め込み材で該全反射面を、一部を除いて、埋め込んであることを特徴とする請求項１９記載の面発光半導体レーザ。
【請求項２１】
前記埋め込み材で全反射面の中央部以外の領域を埋め込んであり、該全反射面の中央部において半導体層と電極とが電気的に接触していることを特徴とする請求項２０記載の面発光半導体レーザ。
【請求項２２】
電極が前記全反射面の中央部と前記埋め込み材との全面に形成されていることを特徴とする請求項２１記載の面発光半導体レーザ。
【請求項２３】
前記埋め込み材側が接着剤でヒートシンクに接着されていることを特徴とする請求項１９乃至２２の何れかに記載の面発光半導体レーザ。
【請求項２４】
前記全反射面において、内側すなわち半導体側の屈折率をＮ１、外側の屈折率をＮ２、前記全反射面への光の入射角をθ１とすると、
Ｎ１・ｓｉｎθ１＞Ｎ２
の関係を満たし、多層反射膜面である前記基板に平行な面において、半導体の屈折率をＮ２、基板に平行な面への光の入射光をθ２とすると、
Ｎ２・ｓｉｎθ２＜１
の関係を満たすことを特徴とする請求項１９乃至２３の何れかに記載の面発光半導体レーザ。
【請求項２５】
前記埋め込み材が誘電体であり、該誘電体で前記全反射面の所定領域を埋め込むことが、該全反射面の半導体面の中央部に平板を形成する工程と、該平板をマスクとして誘電体を成膜する工程と、該平板を除去する工程で行なわれたことを特徴とする請求項１９乃至２４の何れかに記載の面発光半導体レーザ。
【請求項２６】
前記埋め込み材が熱硬化樹脂或は紫外線硬化樹脂からなり、該熱硬化樹脂或は紫外線硬化樹脂で前記全反射面の所定領域を埋め込むことが、、該全反射面の半導体面上全面に熱硬化樹脂或は紫外線硬化樹脂を形成する工程と、エッチングによって所定領域の半導体面を露出させる工程で行なわれたことを特徴とする請求項１９乃至２４の何れかに記載の面発光半導体レーザ。
【請求項２７】
前記熱硬化樹脂或は紫外線硬化樹脂が、熱伝導性粒子を含んでいることを特徴とする請求項２６記載の面発光半導体レーザ。
【請求項２８】
前記埋め込み材が熱伝導性の良い材料であることを特徴とする請求項１９乃至２５の何れかに記載の面発光半導体レーザ。
【請求項２９】
反射面で全反射する際に生じるエバネセント波が放射モード或は導波モードとして結合するように所定の屈折率を有する材質の手段を反射面に近接させることによりレーザ光を面発光半導体レーザの外部に取り出すことを特徴とする請求項２乃至１４及び１９乃至２８の何れかに記載の面発光半導体レーザ。
【請求項３０】
反射面で全反射する際に生じるエバネセント波が放射モード或は導波モードとして結合するように所定の屈折率を有する材質の手段は、先球光ファイバ、斜め研磨光ファイバ或は微小プリズムであることを特徴とする請求項２９記載の面発光半導体レーザ。
【請求項３１】
反射面の一部に設けられた微小凹凸での光の散乱を用いてレーザ光を面発光半導体レーザの外部に取り出すことを特徴とする請求項１乃至１３及び１９乃至２８の何れかに記載の面発光半導体レーザ。
【請求項３２】
活性層が前記全反射面付近に形成され、リング状共振器の光路に沿って該活性層が位置することを特徴とする請求項２乃至３１の何れかに記載の面発光半導体レーザ。
【請求項３３】
請求項２記載の面発光半導体レーザの製造方法において、閃亜鉛鉱型結晶構造の半導体基板上に成長した活性層を含む半導体層を面方位依存エッチングすることで前記全反射面を形成することを特徴とする面発光半導体レーザの製造方法。
【請求項３４】
請求項２記載の面発光半導体レーザの製造方法において、半導体面上に形成した開口を有するマスク上に選択成長することで前記全反射面を形成することを特徴とする面発光半導体レーザの製造方法。
【請求項３５】
請求項２記載の面発光半導体レーザの製造方法において、半導体面上に形成した開口を有するマスク上に選択成長することで前記全反射面を形成すると共に、閃亜鉛鉱型結晶構造の半導体基板上に成長した活性層を含む半導体層を面方位依存エッチングすることで前記反射面ないし全反射面を形成することを特徴とする面発光半導体レーザの製造方法。
【請求項３６】
請求項２記載の面発光半導体レーザの製造方法において、半導体上に形成された適当形状のマスクを用いて、イオンビームを照射することによりエッチングを行うことで前記全反射面を形成することを特徴とする面発光半導体レーザの製造方法。
【請求項３７】
請求項２記載の面発光半導体レーザの製造方法において、半導体上に形成された適当形状のマスクを用いて、基板を面法線を中心に回転させながら該面法線に対して所定の角度で傾けた方向よりイオンビームを照射することによりエッチングを行うことで前記全反射面を形成することを特徴とする面発光半導体レーザの製造方法。
【請求項３８】
請求項１９記載の面発光半導体レーザの製造方法において、前記埋め込み材が誘電体であり、該誘電体で前記全反射面の所定領域を埋め込むことが、該全反射面の半導体面の中央部に平板を形成する工程と、該平板をマスクとして誘電体を成膜する工程と、該平板を除去する工程で行われることを特徴とする面発光半導体レーザの製造方法。
【請求項３９】
請求項１９記載の面発光半導体レーザの製造方法において、前記埋め込み材が熱硬化樹脂或は紫外線硬化樹脂からなり、該熱硬化樹脂或は紫外線硬化樹脂で前記全反射面の所定領域を埋め込むことが、、該全反射面の半導体面上全面に熱硬化樹脂或は紫外線硬化樹脂を形成する工程と、エッチングによって所定領域の半導体面を露出させる工程で行なわれることを特徴とする面発光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、光インターコネクション、並列情報処理、大容量並列光伝送などに用いられる低しきい値の微小共振器型半導体レーザ、特に、積層方向に共振させるリング共振器型の面発光半導体レーザ及びその製造法等に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
面発光半導体レーザは、高密度２次元アレイ化が可能である、低しきい値駆動が可能であるといった特徴から、光インターコネクションや並列光情報処理、或は大容量並列光伝送といった分野における光源として注目されており、開発が進められている。
【０００３】
面発光半導体レーザは、上下２つのの反射ミラーで構成された共振器長数μｍのファブリペロー共振器であるのが一般的であり、また、基板として何を用いるかで発振波長０．８５μｍや０．９８μｍのＧａＡｓ系面発光レーザと、発振波長１．３μｍや１．５５μｍのＩｎＰ系面発光レーザの２つに大別される。更に、低しきい値化を実現するためには、発振波長において透明で、できるだけ反射率の高い反射ミラーが要求され、通常、２種の屈折率の異なる材料を１／４波長の厚さで交互に積層した多層膜が用いられる。ＧａＡｓ系の場合、ミラーとしては、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長が可能なＡｌＡｓ／（Ａｌ）ＧａＡｓ多層膜を用いるのが一般的である。一方、ＩｎＰ系の場合、ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長が可能なＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰでは屈折率差が小さく高反射率を得にくいため、他の材料、例えばＳｉＯ２／Ｓｉ多層膜やＡｌ２Ｏ３／Ｓｉ多層膜などが用いられている。また、ＩｎＰ基板上に成長した活性層を含む半導体層上に、ＧａＡｓ基板上に成長したＡｌＡｓ／（Ａｌ）ＧａＡｓ多層膜を貼り合わせて形成するといった手法が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとしている課題】
しかしながら、従来の面発光半導体レーザにおいては、ＧａＡｓ系の場合、ＡｌＡｓ／（Ａｌ）ＧａＡｓ多層膜で高反射率化するためには２０ペア以上の多層化が必要であり、成長時間がかかってしまうという欠点がある。一方、ＩｎＰ系の場合、半導体層をエッチング等で加工した後に蒸着やスパッタリングといった手法でＳｉＯ２／Ｓｉ多層膜やＡｌ２Ｏ３／Ｓｉ多層膜を成膜する必要があり、工程が煩雑になるといった欠点がある。また、ＳｉＯ２は熱伝導率が小さい材料であり、蒸着やスパッタリングによるＳｉ膜も単結晶Ｓｉに比ベると熱伝導率が小さいため、レーザの熱特性ないし放熱性が悪いといった欠点がある。また、ＡｌＡｓ／（Ａｌ）ＧａＡｓ多層膜を貼り合わせた場合は、ＳｉＯ２／Ｓｉ多層膜やＡｌ２Ｏ３／Ｓｉ多層膜に比べ熱伝導率は大きいが、貼り合わせという手法を用いるため、工程が煩雑になることは否めず、更には共振器中に貼り合わせの界面が存在するため、界面の状態（洗浄状態、接合強度など）が直接レーザ特性に影響を与えてしまうといった欠点がある。
【０００５】
また、ｐ側の多層膜はドーピングを施しても多数のヘテロ障壁を含むため低抵抗化が困難であり、電流注入を行うために電極を多層膜を迂回するように構成しなければならないといった点も指摘される。
【０００６】
このような課題に鑑み、本発明の第１の目的は、一対の特別な高反射率の多層膜ミラーのうち少なくとも１つを用いることなく構成され、共振器損失の少ない、低しきい値のリング共振器型の面発光半導体レーザ及びその製造方法等を提供することにある。
【０００７】
また、本発明の第２の目的は、特別な高反射率の多層膜ミラーを用いることなく、共振器損失の少ない、低しきい値の面発光半導体レーザを提供することにある。
【０００８】
また、本発明の第３の目的は、高反射率の多層膜ミラーが活性層の片側だけでよく、振器損失の小さく、低しきい値の面発光半導体レーザを提供することにある。
【０００９】
また、本発明の第４の目的は、特別な高反射率の多層膜ミラーを少なくとも１つ必要としない、共振器損失の小さい、作製上の自由度の大きい、放熱性を向上させた面発光半導体レーザを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明による面発光半導体レーザの特徴は、基板に対して垂直な面内でリング共振器を形成するリング共振器型の面発光半導体レーザを構成していることにある。
【００１１】
詳細には、上記第１の目的を達成する本発明による面発光半導体レーザは、基板に対して垂直な面内でリング共振器を形成するリング共振器型の面発光半導体レーザであって、基板に平行な面と該平行面に対向して形成された少なくとも１つの全反射面とによりリング状共振器を構成していることを特徴とする。前記全反射面は屋根状の半導体面であったり、多角錐状の半導体面であったり、四角錐状の半導体面であったり、円錐状の半導体面であったりする。
【００１２】
上記第２の目的を達成する本発明による面発光半導体レーザは、上記第１の目的を達成する本発明による面発光半導体レーザの構成において、前記基板に平行な面も全反射面である半導体面であることを特徴とする。
【００１３】
上記第３の目的を達成する本発明による面発光半導体レーザは、上記第１の目的を達成する本発明による面発光半導体レーザの構成において、前記基板に平行な面には多層反射膜面が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
上記第４の目的を達成する本発明による面発光半導体レーザは、上記第１の目的を達成する本発明による面発光半導体レーザの構成において、前記全反射面を、埋め込み材で埋め込んであることを特徴とする。
【００１５】
より具体的には、以下の如き構成が可能である。
閃亜鉛鉱型結晶構造の半導体基板上に成長した活性層を含む半導体層からなり、（１００）の面、（−１−１１）面、（−１１−１）面の３面、または（１００）の面、（−１１１）面、（−１−１−１）面の３面、或はこれらと結晶の対称性を考慮した場合に等価な位置関係にある３つの結晶面（例えば、（１００）の面、（−１１１）面、（−１−１−１）面の３面は、図９に示す（−１００）の面、（１−１１）面、（１１−１）面の３面と等価な位置関係にある）を反射面とするリング型の共振器構造を有する。
【００１６】
前記３つの反射面が、（１００）の面および、（１００）の面を有する半導体面上に形成した〈０１１〉方向に平行なストライプ構造のマスクを介して面方位依存エッチングを施して逆メサ形状を形成した場合に両側の斜面に生じる（−１−１１）面、（−１１−１）面からなる、或はこれらと結晶の対称性を考慮した場合に等価な位置関係にある３つの結晶面からなる。
【００１７】
前記３つの反射面が、（−１００）の面および、（１００）の面を有する半導体面上に形成した〈０１−１〉方向に平行なストライプ構造のマスクを介して面方位依存エッチングを施して順メサ形状を形成した場合に両側の斜面に生じる（１−１−１）面、（１１１）面からなる、或はこれらと結晶の対称性を考慮した場合に等価な位置関係にある３つの結晶面からなる。
【００１８】
前記３つの反射面が、（−１００）の面および（１００）の面を有する半導体面上に形成した〈０１１〉方向に平行なストライプ構造の開口を有するマスク上に選択成長して順メサ形状を形成した場合に両側の斜面に生じる（１−１１）面、（１１−１）面からなる、或はこれらと結晶の対称性を考慮した場合に等価な位置関係にある３つの結晶面からなる。
【００１９】
（１００）面を有する閃亜鉛鉱型結晶構造の半導体基板上に成長した活性層を含む半導体層からなり、全反射面である前記四角錐状の半導体面が（１−１−１）面、（１１１）面、（１１−１）面、（１−１１）面からなる。
【００２０】
前記基板に平行な面に対向して形成された少なくとも１つの全反射面が、半導体上に形成された適当形状のマスクを用いて、イオンビームを照射することによりエッチングを行うことで形成される。所定の角度を有する半導体面を容易に形成することが可能である。
【００２１】
前記基板に平行な面に対向して形成された少なくとも１つの全反射面が、半導体上に形成された適当形状のマスクを用いて、基板を面法線を中心に回転させながら該面法線に対して所定の角度で傾けた方向よりイオンビームを照射することによりエッチングを行うことで形成される。
【００２２】
前記全反射面を構成する半導体の屈折率に対し全反射条件を満たす程度に屈折率の小さい絶縁性の埋め込み材で該全反射面を、一部を除いて、埋め込んである。前記埋め込み材で全反射面の中央部以外の領域を埋め込んであり、該全反射面の中央部において半導体層と電極とが電気的に接触している。電極が前記全反射面の中央部と前記埋め込み材との全面に形成されている。前記埋め込み材側が接着剤でヒートシンクに接着されている。
【００２３】
前記全反射面において、内側すなわち半導体側の屈折率をＮ１、外側の屈折率をＮ２、前記全反射面への光の入射角をθ１とすると、
Ｎ１・ｓｉｎθ１＞Ｎ２
の関係を満たし、多層反射膜面である前記基板に平行な面において、半導体の屈折率をＮ２、基板に平行な面への光の入射光をθ２とすると、
Ｎ２・ｓｉｎθ２＜１
の関係を満たす。
【００２４】
前記埋め込み材が誘電体であり、該誘電体で前記全反射面の所定領域を埋め込むことが、該全反射面の半導体面の中央部に平板を形成する工程と、該平板をマスクとして誘電体を成膜する工程と、該平板を除去する工程で行なわれる。容易な手法で誘電体による所定部分の埋め込みが可能である。
【００２５】
前記埋め込み材が熱硬化樹脂或は紫外線硬化樹脂からなり、該熱硬化樹脂或は紫外線硬化樹脂で前記全反射面の所定領域を埋め込むことが、該全反射面の半導体面上全面に熱硬化樹脂或は紫外線硬化樹脂を形成する工程と、エッチングによって所定領域の半導体面を露出させる工程で行なわれる。容易な手法で熱硬化樹脂或は紫外線硬化樹脂による所定部分の埋め込みが可能である。
【００２６】
前記埋め込み材が熱伝導性のよい材料であったり、前記熱硬化樹脂或は紫外線硬化樹脂が、熱伝導性粒子を含んでいたりする。また、前記多層反射膜が誘電体多層膜であったり、前記多層反射膜が半導体多層膜であったり、前記半導体多層反射膜がｎ側に設けられていたりする。
【００２７】
また、反射面で全反射する際に生じるエバネセント波が放射モード或は導波モードとして結合するように所定の屈折率を有する材質の手段（例えば、先球光ファイバ、斜め研磨光ファイバ、微小プリズム）を反射面に近接させることによりレーザ光を面発光半導体レーザの外部に取り出す。これにより、反射面での反射率をほとんど損なうことなく外部にレーザ光を取り出すことが可能である。取り出し効率は近接させる距離によって決まるので、反射率を損なわない程度に、所定の屈折率を有する材質を接近させればよい。
【００２８】
また、反射面の一部に設けられた微小凹凸での光の散乱を用いてレーザ光を面発光半導体レーザの外部に取り出す。簡単な構成でレーザ光を外部に取り出すことが可能である。
【００２９】
また、活性層が前記全反射面付近に形成され、リング状共振器の光路に沿って該活性層が位置する。
【００３０】
本発明の原理を具体例に沿って説明する。
本発明では、例えば、半導体と空気との屈折率の差によって生じる全反射を用いて共振器を構成するものである。例えば、屈折率が３．２０であるＩｎＰと屈折率が１．０である空気との境界において、ＩｎＰ側からこの境界に光が入射する場合、入射角が１８．２１°を超えると全反射する。この際のパワ反射率は１００％である。
【００３１】
そこで、図１に示すような、ＩｎＰの（−１００）の面、（１１１）面、（１−１−１）面が露出した半導体構造においては、（−１００）の面では入射角１９．４７°、（１１１）面、（１−１−１）面では入射角３５．２６°となるようなリング状の共振器が存在可能となる。この場合、３面とも全反射条件を満たしているので１００％反射となり共振器損失は０である（半導体内部での損失を無視している）。すなわち、多層膜ミラーを用いることなく、高反射率の反射面を有する面発光半導体レーザが構成できる。
【００３２】
上記した様に、閃亜鉛鉱型結晶構造を有する半導体の場合、面方位依存エッチング（面方位依存性のあるエッチングによって所定方位の半導体面を容易に形成することが可能）や、選択成長の技術を用いることにより、（１００）の面、（−１−１１）面、（−１１−１）面の３面、または（１００）の面、（−１１１）面、（−１−１−１）面の３面、或はこれらと結晶の対称性を考慮した場合に等価な位置関係にある３つの結晶面を反射面とするリング型の共振器構造を構成することができる。例えば、結晶の軸の取り方によっては（１００）面、（−１−１１）面、（−１１−１）面の３面は（−１００）、（１１１）、（１−１−１）の３面、（０１０）、（−１−１１）、（１−１−１）の３面などと等価であり、全部で６通りの表記が可能である。同様に、（１００）の面、（−１１１）面、（−１−１−１）面の３面についても全部で６通りの表記が可能である。このような等価な結晶面を統括して例えば｛１００｝面というように｛｝で表記する場合もあり、以下ではその意味で｛｝を用いている。
【００３３】
また、図１１に示すようなＩｎＰの（−１００）の面、（１１１）面、（１−１−１）面が露出した半導体構造においては、（−１００）の面では入射角１９．４７°、（１１１）面、（１−１−１）面では入射角３５．２６°となるようなリング状の共振器が存在可能となる。上述した様に、屈折率が３．２０であるＩｎＰと屈折率が１．０である空気との境界において、ＩｎＰ側からこの境界に光が入射する場合、入射角が１８．２１°を超えると全反射するので、入射角１９．４７°の（−１００）面では全反射条件を満たす。一方、入射角３５．２６°の（１１１）面、（１−１−１）面において全反射条件を満たすためには埋め込み材の屈折率は１．８４７以下であることが要求される。すなわち屈折率１．８４７以下の埋め込み材を用いればよい。
【００３４】
全反射の際のパワ反射率は１００％であるので共振器損失は小さい。ここでの説明では、（１１１）面、（１−１−１）面を用いた例を示した為この面での入射角が３５．２６°となっているが、全反射によるリング状共振器を構成するのであればどのような角度の面でもよく、その面の角度に合わせて適当な屈折率を有する埋め込み材で埋め込めばよい。
【００３５】
このような埋め込み材を用いることによって次のような利点がある。屋根状半導体面、四角錐状半導体面等の斜面部に電極がかかることがないので電極形成に特別な精度は要求されない。放熱機構を設けるためには屋根状等の半導体面側をヒートシンクにはんだ等で貼り付ける際にはんだが屋根状等の半導体面の斜面部に染み出すことがない。また、ほぼ全面をヒートシンクに貼り付けることになるので放熱効率がよい。即ち、埋め込み材により半導体斜面部への電極やはんだ等の回り込みを押さえることができ、反射時の損失がなく、ヒートシンクヘの接触面積を大きくできるので放熱が容易である。
【００３６】
また、図１６の面発光半導体レーザの構成においては、屋根状等の半導体の斜面と基板に平行な面とがなす角度を５２．５°になるように屋根状等の半導体を形成する。このとき、基板に平行な面での入射角が１５°、屋根状等の半導体の斜面での入射角が３７．５°となるようなリング状の共振器が存在可能となる。
【００３７】
例えば屈折率が３．２０である半導体と屈折率が１．０である空気との境界において、半導体側からこの境界に光が入射する場合、入射角が１８．２１°を超えると全反射するので、入射角３７．５°の屋根状半導体の斜面では全反射条件を満たす。全反射の際のパワ反射率は１００％である。
【００３８】
一方、基板に平行な面においては、高反射率化のため多層膜ミラーが設けられている。このミラーを通過したレーザ光が基板から外部（すなわち空気側）に出射される。基板から外部に出射する際、出射界面で全反射条件を満たしてしまうと外部へ洩れる光が存在しないことになり取り出しのために特別な工夫が必要となる。そこで、全反射しない条件、すなわちリング共振器のこの面への入射角を１８．２１°以下にしておけばよい。この例では入射角は１５°であり、全反射しない条件となっている。このリング共振器は２つの全反射面および高反射率の多層膜ミラーを付加した面からなっており共振器損失は小さい。
【００３９】
【発明の実施の形態】
［第１実施例］
図１、図２を用いて本発明による第１の実施例を説明する。図１は、｛１００｝面の例えば（１００）の面を有する半導体上に作製した本発明による面発光半導体レーザの〈０１−１〉方向に垂直な面での断面図である。図２は作製工程を説明する図であり、図２の左側では〈０１−１〉方向に垂直な面での断面の様子を示し、右側では〈０１１〉方向に垂直な面での断面の様子を示している。本実施例の層構成を以下に述べる。
【００４０】
方形状等のｐ−ＩｎＰ基板１１上に、厚さ０．１μｍのｐ−ＩｎＧａＡｓエッチストップ層１３、厚さ３．４μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層１５、厚さ０．２μｍのｉ（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）−ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長１．３μｍ）活性層１７、厚さ３．４μｍのｎ−ＩｎＰクラッド層１９、厚さ０．２μｍのｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１を順次成長する。成長手段はたとえばＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＣＢＥ等の方法で行う。
【００４１】
次に、コンタクト層２１上の所定の領域に、〈０１−１〉方向（図１紙面垂直方向）を長辺とする長方形状のエッチングマスク２３を形成する（図２（ａ））。次に、硫酸系エッチャント（Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ：Ｈ２Ｏ２＝３：１：１）でコンタクト層２１を除去した後に、クラッド層１９を臭化水素・燐酸エッチャント（ＨＢｒ：Ｈ３ＰＯ４＝３：１）を用いて活性層１７までエッチングする（図２（ｂ））。
【００４２】
臭化水素・燐酸エッチャントに対するＩｎＰのエッチングの様子を図３、図４を用いて説明する。臭化水素・燐酸エッチャントを用いたエッチングは面方位依存性が強く、ＩｎＰの｛１１１｝Ａ面は殆ど侵されないという性質がある。このため、図３のように〈０１１〉方向に平行なストライプ構造のエッチングマスク５３（幅約２μｍ）を用いてＩｎＰ５１のエッチングを行うと、（−１−１１）、（−１１−１）面を終端面とする逆メサ構造が得られる。一方、図４のように〈０１−１〉方向に平行なストライプ構造のエッチングマスク５５を用いてＩｎＰ５１のエッチングを行うと、（１１１）、（１−１−１）面を終端面とする順メサ構造が得られる。
【００４３】
本実施例においては、〈０１−１〉方向を長辺とする長方形状のエッチングマスク２３を用いているため、〈０１−１〉方向に垂直な断面では（１１１）、（１−１−１）面を終端面とする順メサ構造、〈０１１〉方向に垂直な断面では（−１−１１）、（−１１−１）面を終端面とする逆メサ構造となる（図２（ｂ））。
【００４４】
続いて、硫酸系エッチャントを用いて活性層１７をエッチングする。この際若干エッチング時間を長めにすれば横方向へのエッチングが進み、電流狭窄構造を作製することができる。その後、エッチングマスク２３を除去する（図２（ｃ））。
【００４５】
次に、基板１１の裏面側より塩酸系エッチャント（ＨＣｌ：Ｈ２Ｏ＝１：１）を用いて所定領域をエッチストップ層１３までエッチングし、更に、硫酸系エッチャントを用いてエッチストップ層１３を除去して（−１００）面を露出する（図２（ｄ））。最後に、エッチングされた基板１１の裏面の少なくとも一部上にｐ側電極２５を、そしてコンタクト層２１上にｎ側電極２７を蒸着形成する（図２（ｅ））。
【００４６】
このように、本実施例の半導体レーザでは、〈０１−１〉方向に垂直な断面において、（−１００）の面、（１１１）面、（１−１−１）面が露出しており、図１に示す様に（−１００）の面では入射角１９．４７°、（１１１）面と（１−１−１）面では入射角３５．２６°となるようなリング状の共振器が存在可能となる。この場合、３面とも全反射条件を満たしているので（これらの角度は全ての偏光成分について全反射条件を満たす）１００％の反射となり、半導体内部での損失を無視すると共振器損失は０である。すなわち、多層膜ミラーを用いることなく、高反射率の反射面を有するリング状の共振器の半導体レーザが構成できる。
【００４７】
ただし、このままでは各面で全反射しているために外部に光は出ず、積極的に光を取り出すためには何らかの工夫が必要である。
【００４８】
本実施例においては、図５のように、半導体６１の反射面に先球光ファイバ６３を近接させることによりレーザ光の外部への取り出しを実現している。これは、半導体内部で光が全反射するときに外部に生じたエバネセント波が光ファイバ６３の導波モードとして結合するように、光ファイバ６３の角度を調整して先球光ファイバ６３を半導体６１の反射面に近接させたものである。例えば、実効屈折率１．６の光ファイバを用いた場合、〈０１−１〉方向に垂直な面内で、〈１００〉方向から約４０°傾けてサブμｍ程度に光ファイバ６３を近接させればよい。近接させる位置は、角度が一定であれば半導体６１の反射面の中心に限らず、中心の近傍であればどこでもよい。この近接位置に光ファイバ６３を固定するには、例えば、治具などを用いて可動に固定すればよい。
【００４９】
光の取り出し効率は近接させる距離によって決まり、取り出し効率を大きくすることは半導体６１内部での反射率の低下、すなわちしきい値の上昇につながる。本実施例では、先球光ファイバ６３を用いているため、もっとも近接している部分の近傍では光ファイバ６３への結合が生じているが、その他の領域では殆ど結合せず全反射しているため、トータルでのこの面での半導体内部の反射率は殆ど低下していない。従って、光ファイバ６３の先を半導体面６１に接するように配置してもレーザ発振が止まることはなかった。
【００５０】
レーザ光の取り出し方法としては、この他に、例えば先球光ファイバの代わりに斜め研磨光ファイバなどを用いてもよい。微小プリズムを半導体面６１上に近接させてエバネセント波を放射光として取り出してもよい。更に、図６のように、半導体６１の反射面の適当な位置にサブμｍサイズの微小凹凸７１を設け（エッチストップ層１３を少し残して形成したり、微小な針などで形成する）、ここでの散乱によってレーザ光を外部に取り出してもよい。
【００５１】
また、本実施例においては、全反射面になった屋根状面以外の〈０１−１〉方向の光閉じ込め構造および電流狭窄構造を、図２の右側に示す様に、面方位依存エッチングによる逆メサ構造を作製することにより実現しているが、これに限ったものではない。例えば、ＲＩＢＥなどによる垂直エッチングによって光閉じ込め構造を形成したり、不純物の拡散によって電流狭窄構造を作製したり、予め活性層１７の〈０１１〉方向の回りを高抵抗ＩｎＰや逆ｐｎ接合を有するＩｎＰで埋め込むことにより電流狭窄構造を作製してもよい。
【００５２】
以上の構成のリング状共振器の半導体レーザに、電極２５、２７を通して低い値のしきい値以上の電流を注入すると、リング状共振器内で発振条件に達したレーザ光がファイバ等から取り出される。
【００５３】
［第２実施例］
図７、図８を用いて本発明による第２の実施例を説明する。図７は、｛１００｝面の例えば（１００）の面を有する半導体上に作製した本発明によるリング状共振器型の面発光半導体レーザの〈０１１〉方向に垂直な面での断面図である。図８は作製工程を説明する図であり、図８の左側は〈０１−１〉方向に垂直な面での断面の様子を示し、右側は〈０１１〉方向に垂直な面での断面の様子を示す。本実施例の層構成を以下に述べる。
【００５４】
ｐ−ＩｎＰ基板１１１上に、厚さ０．２μｍのｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１３、厚さ４．２μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層１１５、厚さ０．２μｍのｉ−ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長１．３μｍ）活性層１１７、厚さ２．６μｍのｎ−ＩｎＰクラッド層１１９、厚さ０．２μｍのＩｎＧａＡｓコンタクト層１２１を順次成長する。成長手段はたとえばＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＣＢＥ等の方法で行う。
【００５５】
次に、コンタクト層１２１上の所定の領域に、〈０１１〉方向、〈０１−１〉方向の辺を持つ正方形のエッチングマスク１２３を形成する（図８（ａ））。このエッチングマスク１２３を介して、ＲＩＢＥ法によりクラッド層１１５に達するまでエッチングを施した後、エッチングマスク１２３を除去して矩形リブを形成する（図８（ｂ））。
【００５６】
次に、この矩形リブを覆うようにエッチングマスク１２５を形成し（図８（ｃ））、クラッド層１１５を臭化水素・燐酸エッチャント（ＨＢｒ：Ｈ３ＰＯ４＝３：１）を用いてコンタクト層１１３までエッチングする。その結果、第１の実施例で説明したように、〈０１−１〉方向に垂直な断面では（１１１）、（１−１−１）面を終端面とする順メサ構造が得られ、〈０１１〉方向に垂直な断面では（−１−１１）、（−１１−１）面を終端面とする逆メサ構造が得られる。この後、エッチングマスク１２５を除去する（図８（ｄ））。
【００５７】
最後に、中央部の所定領域のコンタクト層１２１を光取り出しの窓用に除去した後、ｐ側電極１２７およびｎ側電極１２９を、例えば方形環状に蒸着形成する（図８（ｅ））。
【００５８】
このように、本実施例の半導体レーザでは、〈０１１〉方向に垂直な断面において、図７に示す様に（１００）面、（−１１−１）面、（−１−１１）面が露出しており、（１００）面では入射角１９．４７°、（−１１−１）面と（−１−１１）面では入射角３５．２６°となるようなリング状の共振器が存在可能となる。この場合、第１実施例と同様に３面とも全反射条件を満たしているので１００％の反射となり、半導体内部での損失を無視すると共振器損失は０である。すなわち、第１実施例と同様に多層膜ミラーを用いることなく、高反射率の反射面を有するリング状共振器型の半導体レーザが構成できる。
【００５９】
レーザ光の取り出し方法については第１の実施例で述べたように、光ファイバを近接させたり、微小凸部や微小凹部を設けたりすればよい。本実施例では光を図７上方から取り出すので、第１の実施例に比べ、基板１１１裏面からのエッチングが不要であるという利点がある。また、本実施例における〈０１−１〉方向に垂直な断面での（１１１）、（１−１−１）面を終端面とする順メサ構造は発明に必須の要素ではなく、第１実施例における逆メサ構造面と同様に、例えば垂直な面であってもよい。
【００６０】
［第３実施例］
図９を用いて本発明による第３の実施例を説明する。図９は｛１００｝面の例えば（１００）の面を有する半導体上に作製した本発明によるリング状共振器型の面発光半導体レーザの作製工程を説明する図であり、図９の左側は〈０１−１〉方向に垂直な面での断面の様子を示し、右側は〈０１１〉方向に垂直な面での断面の様子を示す。本実施例の層構成を以下に述べる。
【００６１】
ｐ−ＩｎＰ基板２１１上に、厚さ０．２μｍのｐ−ＩｎＧａＡｓエッチストップ層２１３、厚さ３μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層２１５を順次成長する。更に、クラッド層２１５上に、〈０１１〉方向に平行なストライプ状の開口部を有する選択成長用マスク２１７を形成する（図９（ａ））。
【００６２】
次に、ＭＯＣＶＤ法を用いて厚さ１μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層２１９、厚さ０．２μｍのｉ−ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長１．３μｍ）活性層２２１、厚さ２．８μｍのｎ−ＩｎＰクラッド層２２３、厚さ０．２μｍのｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２２５を選択成長する。
【００６３】
図１０に示すように、ＩｎＰ２５１上に〈０１１〉方向に平行なストライプ状の開口部を有する選択成長用マスク２５３を形成しＭＯＣＶＤ法を用いて結晶成長を行った場合、｛１１１｝Ｂ面上には成長が起こりにくく、その結果、（１−１１）、（１１−１）面を成長終端面とする順メサ構造が得られることが知られている。従って、本実施例では、（１−１１）、（１１−１）面を成長終端面とする順メサ構造が得られる（図９（ｂ））。
【００６４】
この２つの面と、基板裏面からのエッチングにより得られる（−１００）面を用いれば、〈０１１〉方向に垂直な面において３つの全反射面から成るリング共振器を構成することができるが（即ち、この段階でプロセスを止めてもリング状共振器型の半導体レーザが構成できる）、第１の実施例で用いたような面方位依存エッチングの手法を併用すれば、より優れたリング状共振器型の半導体レーザを構成することができる。その方法について更に説明する。
【００６５】
図９（ｂ）に続けて、選択成長用マスク２１７を除去した後、〈０１−１〉方向に平行なストライプ状のエッチングマスク２２７を形成する（図９（ｃ））。
【００６６】
続いて、硫酸系エッチャントでコンタクト層２２５を除去した後に、臭化水素・燐酸エッチャントを用いて活性層２２１までクラッド層２２３をエッチングする。その結果、第１の実施例で説明したように、〈０１−１〉方向に垂直な断面において、（１１１）、（１−１−１）面を終端面とする順メサ構造が得られる（図９（ｄ））。
【００６７】
次に、硫酸系エッチャントを用いて活性層２２１をエッチングする。この際若干エッチング時間を長めにすれば横方向への活性層２２１のエッチングが進み、電流狭窄構造を作製することができる。その後、エッチングマスク２２７を除去する（図９（ｅ））。
【００６８】
更に、基板２１１の裏面側より塩酸系エッチャントを用いて中央部の所定領域を光取り出し窓用にエッチストップ層２１３までエッチングし、更に、硫酸系エッチャントを用いてエッチストップ層１３を除去して、（−１００）の面を露出する（図９（ｆ））。最後に、ｐ側電極２２９およびｎ側電極２３１を蒸着形成する（図９（ｇ））。
【００６９】
レーザ光の取り出し方法については第１の実施例で述べたように、例えば、光ファイバを近接させたり、微小凸部や微小凹部を設けたりすればよい。
【００７０】
本実施例においては、〈０１１〉方向に垂直な断面でのリング共振器、および〈０１−１〉方向に垂直な断面でのリング共振器が存在しているため、第１、第２の実施例に比べて、より効果的に光を閉じ込めることができ、しきい値利得を更に低下させることができるという利点がある。
【００７１】
［第４実施例］
以上の実施例は、特別な高反射率の多層膜ミラーを用いることなく、半導体と空気との屈折率差により、適当な角度でその界面に光が入射すると全反射するという性質を利用したリング状共振器を有する面発光レーザであった。
【００７２】
しかし、全反射ミラーを用いたリング状共振器を有する面発光レーザの場合、屋根状、四角錐状等の半導体面の斜面部に電極がかかってしまうと、そこでの反射において損失を伴ってしまうため、電極を精度良く形成しなければならない。また、光の取り出しは屋根状等の半導体面と反対側の半導体面で行うため、放熱機構を設けるためには屋根状等の半導体面側をヒートシンクに、はんだ等で貼り付ける必要があるが、この場合も、はんだが屋根状等の半導体面の斜面部にしみ出すことを避ける必要があり、精度が要求される。また、うまく貼り付けることができたとしても、ヒートシンクヘの接触面積が小さく効果的に放熱できないという点が指摘される。
【００７３】
第４実施例はこれらの点を考慮した例に係る。図１１、図１２を用いて本発明による第４の実施例を説明する。図１１は、｛１００｝面の例えば（１００）の面を有する半導体上に作製した本発明による面発光半導体レーザの〈０１−１〉方向に垂直な面での断面図である。図１２は作製工程を説明する図であり、図１２の左側では〈０１−１〉方向に垂直な面での断面の様子を示し、右側では〈０１１〉方向に垂直な面での断面の様子を示している。本実施例の層構成を以下に述べる。本実施例の製法は、図１２（ｃ）までの工程は第１実施例の図２（ｃ）までの工程と同じであるので、同一部分は同符号で示し説明は省略する。ただし、本実施例では図１２（ｃ）の工程でエッチングマスク２３を除去せずその上にもＡｌ２Ｏ３埋め込み層３２４を成膜している。
【００７４】
さて、図１２（ｄ）の工程において、Ａｌ２Ｏ３埋め込み層３２４をスパッタ法により成膜する。この時、エッチングマスク２３があるため斜め方向のスパッタ粒子がブロックされ、エッチングマスク２３から離れるにつれて埋め込み層３２４の膜厚が厚くなったテーパ状の形状となる（図１２（ｄ）））。その後、リフトオフ法によりエッチングマスク２３とともに中央部の埋め込み層３２４を除去し、更に、ｎ側電極３２５を蒸着形成する（図１２（ｅ）））。埋め込み層３２４が存在するため、電極３２５は全面を覆うように蒸着しても問題ない。次に、基板１１の裏面側より塩酸系エッチャント（ＨＣｌ：Ｈ２Ｏ＝１：１）を用いて所定領域をエッチストップ層１３までエッチングし、更に、硫酸系エッチャントを用いてエッチストップ層１３を除去して（−１００）の面を露出する（図１２（ｆ））。最後に、所定部分にｐ側電極３２７を蒸着形成する（図１２（ｇ）。
【００７５】
このように、本実施例の半導体レーザでも、〈０１−１〉方向に垂直な断面において、（−１００）面、（１１１）面、（１−１−１）面が露出しており、（−１００）の面では入射角１９．４７°、（１１１）面と（１−１−１）面では入射角３５．２６°となるようなリング状の共振器が存在可能となる。この場合、（−１００）の面では境界はＩｎＰ（屈折率３．２）と空気（屈折率１．０）で構成されており、入射角１９．４７°は全反射条件を満たしている。また、（１１１）面と（１−１−１）面では境界はＩｎＰとＡｌ２Ｏ３３２４で構成されているが、スパッタ法で成膜したＡｌ２Ｏ３３２４の屈折率は通常１．６２程度であり、ここでも入射角３５．２６°は全反射条件を満たしている。こうして本実施例でも、３面とも全反射条件を満たしているので１００％の反射となり、半導体内部での損失を無視すると共振器損失は０である。すなわち、多層膜ミラーを用いることなく、高反射率の反射面を有するリング共振器型の半導体レーザが構成できる。光の取り出し方等は上記実施例と同じである。
【００７６】
本実施例において、図１１のように、はんだ３２９でリング共振器型の半導体レーザをヒートシンク３３１に貼り付けるといった放熱機構を設けた場合、埋め込み層３２４があるため、はんだ３２９が全反射面に回り込むことがなく作製が容易である。また、ほぼ全面でヒートシンク３３１に貼り付けることが可能であり、放熱効率が高い。更に、Ａｌ２Ｏ３は熱伝導率が高い材料であるので、より放熱効率を向上させている。埋め込み材料としては、Ａｌ２Ｏ３に限ったものではなく、たとえばＳｉＯ２やＳｉＮｘやＡｌＮやＭｇＯ等であってもよい。望ましくは熱伝導率の高い材料である方が優れた効果を発揮できることは言うまでもない。その他の点は第１実施例と同じである。
【００７７】
［第５実施例］
図１３を用いて本発明による第５の実施例を説明する。図１３は｛１００｝面の例えば（１００）の面を有する半導体上に作製した本発明によるリング共振器型の面発光半導体レーザの作製工程を説明する図であり、図１３の左側は〈０１−１〉方向に垂直な面での断面の様子を示し、右側は〈０１１〉方向に垂直な面での断面の様子を示す。第５の実施例では、埋め込み層としてＡｌ２Ｏ３の代わりにポリイミド等の熱硬化樹脂を用いたものである。層構成を以下に述べる。第４の実施例と同一のものは同一番号で表す。
【００７８】
図１３（ａ）は第４の実施例の図１１（ｃ）と同様であるので説明は省略する。エッチングマスク２３を除去し、スピンコーティングおよび焼結によりポリイミド埋め込み層４２４を形成する。この時、基板の凸部の膜厚は周りに比べて薄くなっている（図１３（ｂ））。更に、この埋め込み層４２４を垂直方向にＲＩＥ等でエッチングし、コンタクト層２１を露出させる（図１３（ｃ））。
【００７９】
続いて、ｎ側電極４２５を蒸着形成する（図１３（ｄ））。埋め込み層４２４が存在するため、電極４２５は全面を覆うように蒸着しても問題ない。裏面側の工程（図１３（ｅ）、（ｆ））は図１２（ｆ）、（ｇ）と同様であり、説明は省略する。ポリイミド４２４は、全反射条件を満たす屈折率を有するものを選択すればよい。
【００８０】
本実施例の面発光半導体レーザの動作は第４の実施例と同様である。レーザ光の取り出し方法については第１の実施例で述べたように、光ファイバを近接させたり、微小凸凹を設けたりすればよい。本実施例では、第４の実施例に比べ、埋め込み層４２４を全面に形成すればよく、埋め込み層の特別なパターニングが不要といった利点がある。また、くぼみ等にもポリイミド４２４を回り込ませることが可能であるので漏れ電流を低減することができる。
【００８１】
本実施例では、埋め込み層としてポリイミドを用いた例を示したが、これに限ったものではなく、例えばラダーシリコン系の熱硬化樹脂などを用いてもよく、また、紫外線硬化樹脂であってもよい。熱硬化樹脂や紫外線硬化樹脂は一般に熱抵抗が高いという欠点があるが、これを補うためには樹脂中に熱伝導度の高いＡｌＮ等の粉末を混入させることによって改善すればよい。動作は第４実施例と同じである。
【００８２】
［第６実施例］
図１４を用いて本発明による第６の実施例を説明する。図１４は｛１００｝面の例えば（１００）の面を有する半導体上に作製した本発明によるリング状共振器型の面発光半導体レーザの作製工程を説明する図であり、図１４の左側は〈０１−１〉方向に垂直な面での断面の様子を示し、右側は〈０１１〉方向に垂直な面での断面の様子を示す。本実施例の層構成を以下に述べる。図１４（ｅ）までは第３の実施例の図９（ｅ）までと同様であるので、同一部分は同一符号で示して説明は省略する。
【００８３】
本実施例では、図１４（ｅ）の状態において図１３（ｂ）から図１３（ｄ）と同様の手法で４つの全反射面を誘電体或はポリイミド等の埋め込み層５２４で埋め込む。そして、基板２１１裏面からのエッチングにより得られる（−１００）面を用いれば、〈０１１〉方向に垂直な面と〈０１−１〉方向に垂直な面においてリング共振器を構成することができる。尚、５２９、５３１は夫々ｎ側電極、ｐ側電極である。本実施例は第３実施例と第４実施例の特徴を併せ持つものである。
【００８４】
［第７実施例］
図１５を用いて本発明による第７の実施例を説明する。図１５は本実施例によるリング共振器型の面発光半導体レーザの作製工程を説明する断面図である。層構成を以下に述べる。
【００８５】
ｐ−ＩｎＰ基板６１１上に、厚さ０．２μｍのｐ−ＩｎＧａＡｓエッチストップ層６１３、厚さ３．８μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層６１５、厚さ０．２μｍのｉ−ＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長１．３μｍ）活性層６１７、厚さ３．４μｍのｎ−ＩｎＰクラッド層６１９、厚さ０．２μｍのｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層６２１を順次成長する。成長手段はたとえばＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＣＢＥ等の方法で行う。更に、その上にフォトレジスト６２３を塗布し、長方形状のエッチングマスク６２５を形成する（図１５（ａ））。図１５はエッチングマスク６２５の長手方向に垂直な面での断面図である。
【００８６】
次に、フォトレジスト６２３を酸素を用いた反応性イオンエッチング等の手段でエッチングし、エッチングマスク６２５を除去する（図１５（ｂ））。更に、フォトレジスト６２３のまわりを粘性の高い埋め込み用フォトレジスト６２７で埋め込む（図１５（ｃ））。続いて、その上にエッチング耐性のあるマスク６２９を成膜し（図１５（ｄ））、フォトレジスト６２３より広い幅が残るように加工し、埋め込み用フォトレジスト６２７を除去する（図１５（ｅ））。
【００８７】
そして、基板を回転させながら、斜め方向から塩素ガスを用いた反応性イオンエッチング等の手段でｐ−ＩｎＰクラッド層６１５までエッチングを行う（図１５（ｆ））。イオンビームを照射する角度を適当に設定すれば、形成される半導体斜面の角度を自由に選ぶことができる。
【００８８】
その後、フォトレジスト６２３およびマスク６２９を除去し、図１５（ｇ）のようなほぼ屋根状の形状を得る。
【００８９】
図１５（ｇ）以降の工程は、第４、第５の実施例で述べたような手法で誘電体または熱硬化樹脂等で半導体斜面を埋め込み、ｎ側電極形成、裏面エッチング、ｐ側電極形成を行えばよい。
【００９０】
本実施例では、上記の実施例に比べ、半導体斜面の角度を自由に選択できるため、全反射条件を満たすための埋め込み層の屈折率の制限が緩くなる、半導体の面方位と関係なく素子の設計が可能である、といった利点がある。
【００９１】
また、本実施例は第１、第２、第３実施例の様に埋め込み層を用いない構成にも変更できる。この場合も、半導体斜面の角度を自由に選択できるため、半導体の面方位と関係なく素子の設計が可能である。また、上記マスク６２９を円板状にすれば、ほぼ円錐状の半導体斜面が形成でき、この場合も角度を適当に設定すれば全反射面にできてリング共振器を構成できる。その他、マスクの形状、イオンビームの照射角度、エッチング工程の数などを適当に設定することで多角錐状の全反射面をも形成できる。この様に、本実施例のエッチング方法を用いることで、基板側の全反射平面と該エッチングによる全反射面を構成要素として種々の形態のリング共振器を形成できる。
【００９２】
本実施例の動作原理は、本質的に上記の実施例と同じである。
【００９３】
上記した全て全反射面でリング共振器を構成する実施例において、ｐ基板ではなくｎ基板を用いてもよい。また、エッチャントについても所望の面方位依存性を有するものであれば何でもよい。更に、ＩｎＰ系の半導体レーザに限らず、例えばＧａＡｓ基板を用いた短波長半導体レーザに応用してもよく、その場合は、それに合わせて適当なプロセスを選択すればよい（例えば、エッチャントを適当なものに代える）。加えて、活性層として多重量子井戸構造（更に低しきい値化ができる）等を用いてもよい。
【００９４】
［第８実施例］
以下の実施例は多層膜ミラーを１つにした例に係る。上記実施例に比べ、光を全反射面から取り出す為に光ファイバを近接させるといった特別な手段を設けなくてもよいといった利点がある。特にｎ側に半導体多層膜ミラーを設ける構成にすれば、ｐ側の半導体多層膜はドーピングを施しても多数のヘテロ障壁を含むため低抵抗化が困難であり、電流注入を行うために電極を多層膜を迂回するように構成しなければならないといった難点が解決されるものである。
【００９５】
図１６、図１７を用いて本発明による第８の実施例を説明する。図１６は本実施例によるリング共振器型の面発光半導体レーザの断面図、図１７は作製工程を説明する図である。製法を説明しつつ層構成を以下に述べる。
【００９６】
ｎ−ＧａＡｓ基板７１１上に、ｎ−ＡｌＡｓ／ｎ−ＧａＡｓとが２０．５周期で交互に積層された分布反射型の多層反射膜７１３、厚さ３．０μｍのｎ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓクラッド層７１５、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる量子井戸構造の活性層７１７、厚さ２．５μｍのｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓクラッド層７１９、厚さ４．０μｍのｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓコンタクト層７２１を順次成長する（図１７（ａ））。成長手段はたとえばＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＣＢＥ等の方法で行う。
【００９７】
更に、その上にフォトレジスト７２３を塗布し、長方形状のエッチングマスク７２５を形成する（図１７（ｂ））。図１７はエッチングマスク７２５の長手方向に垂直な面での断面図である。次に、フォトレジスト７２３を酸素を用いた反応性イオンエッチング等の手段でエッチングし、エッチングマスク７２５を除去する（図１７（ｃ））。次に、フォトレジスト７２３のまわりを粘性の高い埋め込み用フォトレジスト７２７で埋め込む（図１７（ｄ）））。
【００９８】
続いて、その上にエッチング耐性のあるマスク７２９を成膜し（図１７（ｅ））、フォトレジスト７２３より広い幅が残るように加工し、埋め込み用フォトレジスト７２７を除去する（図１７（ｆ））。
【００９９】
そして、基板を回転させながら、斜め方向から塩素ガスを用いた反応性イオンエッチング等の手段でエッチングを行う（図１７（ｇ））。その後、フォトレジスト７２３およびマスク７２９を除去し、図１７（ｈ）のようなほぼ屋根状の形状を得る。上記した様に、イオンビームを照射する角度やエッチング用マスクの形状等を適当に設定することにより生じる半導体の斜面の角度、形状を自由に選ぶことができる。本実施例においては、斜面と基板面とがなす角度を５２．５°に設定した。
【０１００】
更に、リング共振器を構成する領域を制限するために不純物を注入して拡散領域７３１を形成する（図１７（ｉ）））。図では省略しているが、基板を上から見たとき共振器を構成する領域は四角形状であり、その周りを取り囲むように拡散領域７３１が形成されている。最後に、ｐ側電極７３３およびｎ側電極７３５を蒸着形成する（図１７（ｊ））。
【０１０１】
本実施例においては、屋根状半導体の斜面と基板面とのなす角度を５２．５°としたため、基板に平行な面での入射角が１５°、屋根状半導体の斜面での入射角が３７．５°となるようなリング状の共振器が存在可能となる。
【０１０２】
屈折率が３．２０程度であるＡｌＧａＡｓと屈折率が１．０である空気との境界において、半導体側からこの境界に光が入射する場合、入射角が１８．２１°を超えると全反射する。入射角３７．５°の屋根状半導体の斜面では全反射条件を満たす。全反射の際のパワ反射率は１００％である。
【０１０３】
一方、基板に平行な面においては入射角が１５°であり、基板７１１と外部の空気との界面で全反射することなく一部は外部に透過するが、ここには、更に、高反射率化のため多層反射膜７１３が設けられている。すなわち、本実施例でのリング共振器は２つの全反射面および高反射率の多層膜ミラー７１３を付加した面からなっており共振器損失は小さい。よって、両面に多層反射膜を用いることなく低しきい値の面発光半導体レーザが構成できる。従って、ｐ側において電流注入を行うために電極７３３を多層膜を迂回するように構成する必要がなくなる。
【０１０４】
本実施例において、半導体の斜面と基板面とが成す角度を５２．５°に設定したが、これに限ったものではなく、２つの斜面では全反射条件を満たし、基板に平行な面では全反射せず外部へのレーザ光の取り出しが可能なようにリング共振器を形成できるものであれば、どの様なものでもよい。また、半導体斜面を形成するための手法としては上記したものに限定されるものではなく、例えば、イオンミリングや反応性イオンエッチング等のドライエッチングを基板に垂直な方向からと所定の角度傾けた斜め方向からの２回行うことにより形成することができる。加えて、電流狭窄構造を不純物の拡散によって実現しているが、これに限ったものではなく、例えば、反応性イオンエッチング等による垂直エッチングによって光閉じ込め構造を形成したり、予め活性層の回りを高抵抗ＩｎＰや逆ｐｎ接合を有するＡｌＧａＡｓで埋め込むことによる電流狭窄構造を作製してもよい。更に、活性層としてバルク構造のものを用いてもよい。これらのことは、適用できる範囲で他の実施例でも言い得る。本実施例の動作原理は、外部へのレーザ光の取り出し手段を除いて、本質的に上記の実施例と同じである。
【０１０５】
［第９実施例］
図１８を用いて本発明による第９の実施例を説明する。図１８は本実施例によるリング共振器型の面発光半導体レーザの断面図である。第８の実施例との違いは屋根状半導体の斜面を絶縁性の材料で埋め込んでいることである（第１乃至第３実施例に対する第４乃至第７実施例の関係と同じである）。半導体の層構成等は図１６とほぼ同様であり、重複する部分の説明は省略する。図１８において、同一層には同一番号をつけてある（図１６とは上下が反転している）。
【０１０６】
本実施例においては、埋め込み層８００としてＡｌ２Ｏ３を用いている。埋め込みの方法を図１９を用いて説明する。
【０１０７】
まず、屋根状半導体面を有する半導体基体８５１（図１９（ａ））に、リフトオフ用フォトレジスト８５３を形成する（図１９（ｂ））。このレジスト８５３は新たに設けてもよく、また、半導体のエッチングの時に用いたエッチングマスクを流用してもよい。そして、Ａｌ２Ｏ３埋め込み層８５５をスパッタ法により成膜する。この時、フォトレジスト８５３のため斜め方向のスパッタ粒子がブロックされ、フォトレジスト８５３から離れるにつれて埋め込み層８５５の膜厚が厚くなったテーパ状の形状となる（図１９（ｃ））。その後、リフトオフ法によりフォトレジスト８５３とともに中央部の埋め込み層８５５を除去して、中央部のみ半導体の表面が露出した構造を得る（図１９（ｄ））。
【０１０８】
その後、ｐ側電極８３３を形成する。この際、埋め込み層８００があるため電極８３３は全面を覆うように成膜しても問題なく、電極のための特別なパターニングは不要である。
【０１０９】
本実施例において、スパッタ法で成膜したＡｌ２Ｏ３８００の屈折率は通常１．６２程度であり、入射角３７．５°は全反射条件を満たしている。従って第８の実施例と同様、共振器損失は小さく、低しきい値のリング共振器型の面発光半導体レーザを実現できる。
【０１１０】
また、本実施例において、図１８のように、はんだ８３７でｐ側をヒートシンク８３９に貼り付けるといった放熱機構を設けた場合、埋め込み層８００があるため、はんだ８３７が全反射面に回り込むことがなく作製が容易である。また、ほぼ全面でヒートシンク８３９に貼り付けることが可能であり、放熱効率が高い。更に、Ａｌ２Ｏ３は熱伝導率が高い材料であるので、より放熱効率を向上させている。第４実施例で説明した様に、埋め込み材料としては、Ａｌ２Ｏ３に限ったものではなく、たとえＳｉＯ２やＳｉＮｘやＡｌＮやＭｇＯであってもよい。望ましくは熱伝導率の高い材料であるほうが優れた効果を発揮できる。
【０１１１】
［第１０実施例］
本発明の第１０の実施例は第９の実施例のＡｌ２Ｏ３埋め込み層の代わりにポリイミド等の熱硬化樹脂を用いたものである。全体構造の図は第９の実施例と同様であるので省略する。埋め込みの方法を図２０を用いて説明する。
【０１１２】
まず、屋根状半導体面を有する半導体基体９０１（図２０（ａ））の全面に、スピンコーティングおよび焼結によりポリイミド埋め込み層９１１を形成する。この時、基板９０１の凸部の膜厚は周りに比べて薄くなっている（図２０（ｂ））。更に、この埋め込み層９１１を垂直方向に反応性イオンエッチング等の手段でエッチングし、半導体中央部のみ露出した構造を得る（図２０（ｃ））。
【０１１３】
ポリイミドは全反射条件を満たす屈折率を有するものを選べばよい。本実施例の面発光半導体レーザの動作は第８、第９の実施例と同様である。本実施例では、第９の実施例に比べ、埋め込み層を全面に形成すればよく、埋め込み層の特別なパターニングが不要といった利点がある。埋め込み層のポリイミドについては、第５実施例で述べたことと同様なことが言える。
【０１１４】
［第１１実施例］
図２１を用いて本発明による第１１の実施例を説明する。図２１は本実施例によるリング共振器型の面発光半導体レーザの断面図である。層構成を以下に述べる。
【０１１５】
ｎ−ＧａＡｓ基板１４１１上に、ｎ−ＡｌＡｓ／ｎ−ＧａＡｓとが２０．５周期で交互に積層された分布反射型の多層反射膜１４１３、厚さ６．０μｍのｎ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓクラッド層１４１５、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる量子井戸構造の活性層１４１７、厚さ２．５μｍのｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓクラッド層１４１９、厚さ０．５μｍのｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓコンタクト層１４２１を順次成長する。成長手段はたとえばＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＣＢＥ等の方法で行う。
【０１１６】
更に、第８の実施例で述べたような方法でクラッド層１４１５が現れるまでエッチングして屋根状半導体の形成する。そして、不純物の拡散領域１４３１を形成し、第９の実施例で述べたような方法でＡｌ２Ｏ３埋め込み層１４００を形成する。最後に、ｐ側電極１４３３およびｎ側電極１４３５を蒸着形成する。放熱機構を設ける場合は、はんだ１１３７でｐ側をヒートシンク１１３９に貼り付ける。
【０１１７】
本実施例の面発光半導体レーザの動作は第９の実施例と同様である。本実施例では、リング共振器中を基板に平行な方向に光が進む際、活性層１４１７を横に通過している。すなわち、第８、第９の実施例では光は活性層をほぼ垂直に通過していたのに対し、より効果的に活性層を利用することができる。よって、更なる低しきい値化が可能である。この様に、より効果的に活性層を利用する形態は、第１実施例や第４実施例のようなタイプの例（全てが全反射面である例）にも適用できる。
【０１１８】
［第１２実施例］
ＩｎＰ基板を用いた場合の実施例を図２２を用いて説明する。図２２は、本実施例によるリング共振器型の面発光半導体レーザの断面図である。層構成を以下に述べる。
【０１１９】
ｎ−ＩｎＰ基板１５１１上に、ｎ−ＩｎＧａＡｓエッチストップ層１５１３、厚さ６．０μｍのｎ−ＩｎＰクラッド層１５１５、厚さ０．２μｍのＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長１．３μｍ）のバルク活性層１５１７、厚さ２．５μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層１５１９、厚さ０．５μｍのｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１５２１を順次成長する。成長手段はたとえばＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＣＢＥ等の方法で行う。
【０１２０】
更に、第８の実施例で述べたような方法でクラッド層１５１５が現れるまでエッチングして屋根状半導体の形成する。図中で表れない方向の光閉じ込めについては、例えば、反応性イオンエッチング等による垂直エッチングによって光閉じ込め構造を形成している。そして、第９の実施例で述べたような方法でＡｌ２Ｏ３埋め込み層１５００を形成し、ｐ側電極１５３３を蒸着形成する。
【０１２１】
次に、基板１５１１を裏面側より塩酸系エッチャントで所定領域をエッチストップ層１５１３までエッチングし、更に、硫酸系エッチャントを用いてエッチストップ層１５１３を除去してクラッド層１５１５を露出する。そして、所定領域にＡｌ２Ｏ３／Ｓｉからなる多層反射膜１５２３を形成する。
【０１２２】
最後に、所定部分にｎ側電極１５３５を蒸着形成する。放熱機構を設ける場合は、はんだ１１３７でｐ側をヒートシンク１１３９に貼り付ける。
【０１２３】
本実施例の面発光半導体レーザの動作は第１１の実施例と同様であり、共振器損失の小さい、低しきい値の長波系の面発光半導体レーザを構成できる。本実施例においても、電流狭窄構造を不純物の拡散によって実現したり、予め活性層の回りを高抵抗ＩｎＰや逆ｐｎ接合を有するＩｎＰで埋め込むことによる電流狭窄構造を作製してもよい。また、多重量子井戸構造の活性層を用いてもよい。更に、多層反射膜として、ＳｉＯ２／Ｓｉ、ＭｇＯ／Ｓｉ等を用いてもよい。また、上記した第８乃至第１２の実施例において、ｐ型基板を用いてもよい。
【０１２４】
【発明の効果】
以上説明したように、リング状共振器型の面発光半導体レーザである本発明によれば、共振器損失の少ない、低しきい値の面発光半導体レーザを比較的簡単に実現できる。
【０１２５】
特に、全て全反射面でリング状共振器を構成する形態では、特別な高反射率の多層膜ミラーを用いることなく、共振器損失の少ない、低しきい値の面発光半導体レーザを実現できる。簡単な方法で高反射率を有する反射面を作製する方法も開示されている。この場合、簡単な方法で作製可能なレーザ光取り出し手段を設けた面発光半導体レーザも開示されている。
【０１２６】
また、高反射率の多層膜ミラーが活性層の片側だけでよく他は全反射面となったリング状共振器を構成する形態でも、共振器損失の小さく、低しきい値の面発光半導体レーザを実現することができる。この形態によれば、性能の良い電極の形成が容易にでき、レーザ光の取り出しの為に特別な手段を必要としない。また、少なくとも１つの全反射面を有する構成でリング状共振器を構成し全反射面の埋め込み構造を有する形態では、共振器損失の小さい、作製上の自由度の大きい、放熱性を向上させたリング状共振器型の面発光半導体レーザを実現できる。簡単な方法で作製可能な埋め込み構造を設けた面発光半導体レーザも開示されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明によるリング共振器型の面発光半導体レーザの第１の実施例を示す断面図である。
【図２】図２は第１の実施例の作製プロセスを説明する図である。
【図３】図３はエッチングの様子を説明する図である。
【図４】図４は他のエッチングの様子を説明する図である。
【図５】図５は本発明によるレーザ光取り出し手段を示す図である。
【図６】図６は本発明によるレーザ光取り出し手段の他の例を示す図である。
【図７】図７は本発明によるリング共振器型の面発光半導体レーザの第２の実施例を示す断面図である。
【図８】図８は第２の実施例の作製プロセスを説明する図である。
【図９】図９は本発明によるリング共振器型の面発光半導体レーザの第３の実施例の作製プロセスを説明する図である。
【図１０】図１０は選択成長の様子を説明する図である。
【図１１】図１１は本発明によるリング共振器型の面発光半導体レーザの第４の実施例を示す断面図である。
【図１２】図１２は第４の実施例の作製プロセスを説明する図である。
【図１３】図１３は本発明によるリング共振器型の面発光半導体レーザの第５の実施例の作製プロセスを説明する図である。
【図１４】図１４は本発明によるリング共振器型の面発光半導体レーザの第６の実施例の作製プロセスを説明する図である。
【図１５】図１５は本発明によるリング共振器型の面発光半導体レーザの第７の実施例の作製プロセスを説明する図である。
【図１６】図１６は本発明によるリング共振器型の面発光半導体レーザの第８の実施例を示す断面図である。
【図１７】図１７は第８の実施例の作製プロセスを説明する図である。
【図１８】図１８は本発明によるリング共振器型の面発光半導体レーザの第９の実施例を示す断面図である。
【図１９】図１９は第９の実施例の埋め込みの様子を説明する図である。
【図２０】図２０はリング共振器型の面発光半導体レーザの第１０の実施例の埋め込みの様子を説明する図である。
【図２１】図２１は本発明によるリング共振器型の面発光半導体レーザの第１１の実施例を示す断面図である。
【図２２】図２２は本発明によるリング共振器型の面発光半導体レーザの第１２の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１１，１１１，２１１，６１１，７１１，１４１１，１５１１    基板
１３，２１３，６１３，１５１３    エッチストップ層
１５，１９，１１５，１１９，２１５，２１９，２２３，６１５，６１９，７１５，７１９，１４１５，１４１９，１５１５，１５１９    クラッド層
１７，１１７，２２１，６１７，７１７，１４１７，１５１７    活性層
２１，１１３，１２１，２２５，６２１，７２１，１４２１，１５２１    コンタクト層
２３，５３，５５，１２３，１２５，２２７，６２５，６２９，７２５    エッチングマスク
２５，２７，１２７，１２９，２２９，２３１，３２５，３２７，４２５，４２７，５２９，５３１，７３３，７３５，８３３，１４３３，１４３５，１５３３，１５３５    電極
５１    ＩｎＰ
６１，２５１，８５１，９０１    半導体
６３    先球光ファイバ
７１    微小凹凸
２１７，２５３    選択成長用マスク
３２４，４２４，５２４，８００，８５５，９１１，１４００    埋め込み層
３２９，８３７，１１３７    はんだ
３３１，８３９，１１３９    ヒートシンク
６２３，６２７，７２３，７２９，８５３    フォトレジスト
７１３，４１３，５２３，１４１３，１５２３    多層反射膜
７３１，４３１，１４３１    拡散領域
【図１】
0003559680.tif 000002
【図２】
0003559680.tif 000003
【図３】
0003559680.tif 000004
【図４】
0003559680.tif 000005
【図５】
0003559680.tif 000006
【図６】
0003559680.tif 000007
【図７】
0003559680.tif 000008
【図８】
0003559680.tif 000009
【図９】
0003559680.tif 000010
【図１０】
0003559680.tif 000011
【図１１】
0003559680.tif 000012
【図１２】
0003559680.tif 000013
【図１３】
0003559680.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
0003559680.tif 000016
【図１６】
0003559680.tif 000017
【図１７】
0003559680.tif 000018
【図１８】
0003559680.tif 000019
【図１９】
0003559680.tif 000020
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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