(57)【要約】【課題】低閾値特性と、高効率大出力特性の両方を実現でき、小型化可能な面発光型半導体レーザ素子を提供すること。【解決手段】発光層１４と、前記発光層１４を挟んで配置される出射側ＤＢＲ１５及び非出射側ＤＢＲ１２とを備えた面発光型半導体レーザ素子１００であって、前記出射側ＤＢＲ１５は、第１の層２３、及び前記第１の層２３との間にギャップ２５を有する第２の層２７から構成されるとともに、前記ギャップ２５の厚みを変化させる可変ギャップ手段１６、２１を有することを特徴とする面発光型半導体レーザ素子１００。【選択図】 図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層と、
前記発光層を挟んで配置される出射側ＤＢＲ及び非出射側ＤＢＲと、
を備えた面発光型半導体レーザ素子であって、
前記出射側ＤＢＲは、第１の層、及び前記第１の層との間にギャップを有する第２の層から構成されるとともに、
前記ギャップの厚みを変化させる可変ギャップ手段を有することを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記第１の層、又は前記第２の層は、単膜で構成されていることを特徴とする請求項１記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記可変ギャップ手段は、前記第１の層及び前記第２の層にそれぞれ設けられた一対の電極であり、
前記ギャップの厚みは、前記一対の電極間に加えられる電圧により変化することを特徴とする請求項１又は２記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記一対の電極に電圧を加えないとき、前記ギャップの厚さ方向における光学長は、発振波長λに対して、λ／４又はλ／２であることを特徴とする請求項３記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記出射側ＤＢＲは、前記ギャップのうち、一方の端部は絶縁層により埋められ、他方の端部は空気層となっているカンチレバー形状を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記出射側ＤＢＲは、前記ギャップのうち、両端部が絶縁層により埋められ、中間部が空気層となっているダイアフラム形状を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記出射側ＤＢＲのうち、前記ギャップに接する層の厚さ方向における光学長は、発振波長λに対して、λ／２、又はλ／４であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記ギャップの厚みにおける変化幅は、発振波長λに対して、λ／４以上であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光型半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光型半導体レーザ素子は、発光層と、その発光層を挟んで配置される出射側ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）及び非出射側ＤＢＲを備える。面発光型半導体レーザ素子の特性は、出射側ＤＢＲの反射率によって左右され、低電流領域で有利な低閾値特性、あるいは、高電流領域で有利な高効率大出力特性となる。低閾値特性、及び高効率大出力特性における電流と光出力の関係を図６に示す。この出射側ＤＢＲの反射率は、それを構成する膜の材質、膜厚、層数により一意に決定される。従って、通常１つの素子では、低閾値特性、及び高効率大出力特性のうちのどちらか一方の特性しか得られない。
【０００３】
そこで、低〜高電流領域を含む広い範囲に適した動作が可能な素子として、以下のものが提案されている。
（１）出射側反射鏡が異なる２つの面発光レーザを２次元アレイ化する（特許文献１参照）。
（２）Ｑスイッチ用として提案されている半導体素子による可変反射率鏡を利用して、出射側反射鏡の反射率を変化させる（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−８１２８２号公報
【特許文献２】特開平５−１９０９６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記（１）の技術では、２素子分の面積が必要となり、小型化が困難である。また、上記（２）の技術でも、反射鏡を発光部とは別に作製する必要があるため、小型化は困難である。
【０００６】
本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、低閾値特性と、高効率大出力特性の両方を実現でき、小型化可能な面発光型半導体レーザ素子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】
【０００７】
本発明の面発光型半導体レーザ素子は、発光層と、前記発光層を挟んで配置される出射側ＤＢＲ及び非出射側ＤＢＲとを備え、前記出射側ＤＢＲは、第１の層、及び前記第１の層との間にギャップを有する第２の層から構成されるとともに、前記ギャップの厚みを変化させる可変ギャップ手段を有する。
【０００８】
本発明では、可変ギャップ手段により、第１の層と第２の層との間のギャップの厚みが変化し、出射側ＤＢＲの反射率が変化する。そのことにより、本発明の面発光型半導体レーザ素子は、１つの素子で、低電流領域で有利な低閾値特性と、高電流領域で有利な高効率大出力特性の両方を実現できる。
【０００９】
また、本発明の面発光型半導体レーザ素子は、２素子分の面積を要するようなことはなく、また、反射鏡を発光部とは別に設ける必要もないため、小型化できる。
前記第１の層、又は前記第２の層は、単膜で構成することができる。こうすることにより、出射側ＤＢＲの製造が容易になる。
【００１０】
前記可変ギャップ手段としては、例えば、第１の層及び第２の層にそれぞれ設けられた一対の電極が挙げられる。この場合、第１の層と第２の層との間のギャップの厚みは、一対の電極間に加えられる電圧により変化する。
【００１１】
前記一対の電極に電圧を加えないとき、ギャップの厚さ方向における光学長（以下ＤGとする）は、発振波長λに対して、λ／４又はλ／２であることが好ましい。ＤGを変えて反射率を下げる場合、図２に示すように、ＤGに関する制御マージンが狭いため、ＤGの初期値（電圧を加えないときのＤG）をλ／４又はλ／２にしておき、反射率が最小値となるようにしておけば、制御性が良くなる。
【００１２】
前記出射側ＤＢＲは、前記ギャップのうち、一方の端部は絶縁層により埋められ、他方の端部は空気層となっているカンチレバー形状を有するものとすることができる。この場合、可変ギャップ手段は、小さな力で、第１の層と第２の層との間のギャップの厚み（特に空気層に面する部分での厚み）を変化させることができる。
【００１３】
また、前記出射側ＤＢＲは、前記ギャップのうち、両端部が絶縁層により埋められ、中間部が空気層となっているダイアフラム形状を有するものとすることができる。この場合、第１の層と第２の層との平行度を高くすることができる。そのことにより、出射側ＤＢＲの反射率を精密に制御することができる。
【００１４】
前記出射側ＤＢＲのうち、前記ギャップに接する層の厚さ方向における光学長は、発振波長λに対して、λ／２、又はλ／４である。これは、第１の層を構成する層間の界面での反射光と、第１の層のギャップに接する層との界面での反射光を同位相にするためである。また、同様に、第２の層を構成する層間の界面での反射光と、第２の層のギャップに接する層との界面での反射光を同位相にするためである。こうすることにより、ＤGを変化させ，ギャップとの界面を含む第１の層と、ギャップとの界面を含む第２の層との間で、反射光の位相をずらすことができ、これにより、出射側ＤＢＲの反射率を変化させる。
【００１５】
前記ギャップの厚みにおける変化幅は、発振波長λに対して、λ／４以上であることが好ましい。こうすることにより、出射側ＤＢＲの反射率を、最小値から最大値までの間における任意の値とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態における面発光型半導体レーザ素子１００の構成を表す断面図である。
【図２】ギャップ２５の光学長と出射側ＤＢＲ１５の反射率との関係を表すグラフである。
【図３】第１の実施形態における面発光型半導体レーザ素子１００の製造方法を表す説明図である。
【図４】第２の実施形態における面発光型半導体レーザ素子１００の構成を表す断面図である。
【図５】第２の実施形態における面発光型半導体レーザ素子１００の製造方法を表す説明図である。
【図６】低閾値特性と高効率大出力特性を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
１．第１の実施形態
（１）面発光型半導体レーザ素子１００の構成
面発光型半導体レーザ素子１００の構成を図１に基づいて説明する。面発光型半導体レーザ素子１００は、半導体基板１１と、非出射側ＤＢＲ１２と、クラッド層１３ａ、１３ｂと、活性層１４と、出射側ＤＢＲ１５と、第１電極１６と、非出射側絶縁物１７と、第２電極１８と、第３電極２１とを有する。非出射側ＤＢＲ１２と出射側ＤＢＲ１５とは、活性層（発光層）１４を間に挟んで配置される。
【００１８】
上記出射側ＤＢＲ１５は、クラッド層１３ｂ上に形成された第１の層２３と、第１の層２３との間にギャップ２５を有する第２の層２７とから構成される。ギャップ２５のうち、一方（図１において左側）の端部は、SiO2から成る絶縁物１９により埋められ、他方の端部は空気層２５ａとなっている。よって、第２の層２７及び絶縁物１９は、いわゆるカンチレバー形状を有する。
【００１９】
半導体基板１１は、化合物半導体からなり、例えばn型GaAs基板またはn型InP基板で構成される。非出射側ＤＢＲ１２は、屈折率の高い層と低い層を交互に積層した構成である。非出射側ＤＢＲ１２は、例えば、n型GaAs層とn型AlAs層とを１組として、２５組を積層したものである。各層の膜厚は、面発光型半導体レーザ素子１００の発振波長λに対し、光学長がλ／４となる膜厚である。クラッド層１３ａ、１３ｂは、そのバンドギャップが、非出射側ＤＢＲ１２及び出射側ＤＢＲ１５における低屈折率層よりも低く、活性層１４より高い。クラッド層１３ａ、１３ｂは、例えば、Al0.3GaAsで構成される。活性層１４は発光層であり、量子井戸で構成される。活性層１４は、例えば、厚さ10nmのAl0.3GaAs層及びGaAs層で構成される。
【００２０】
出射側ＤＢＲ１５は、非出射側ＤＢＲ１２と同様の構成であるが、積層する組数を２１組程度とし、非出射側ＤＢＲ１２の組数よりも少なくする。ただし、第１の層２３及び第２の層２７を構成する層のうち、ギャップ２５に接する層の厚さ方向における光学長は、λ／２、又はλ／４のいずれかとする。第１電極１６と第３電極２１との間に（すなわちギャップ２５の両側に）に電圧をかけると、第２の層２７が第１の層２３に近づくか、第１の層２３から遠ざかることにより、空気層２５ａの厚みが変化する。さらに詳しくは、第２の層２７のうち、絶縁物１９に接していない部分が、第１の層２３に近づく方向、又はその反対方向に撓むことで、空気層２５ａの厚みが変化する。空気層２５ａの厚み方向（図１における上下方向）における光学長を光学長ＤGとする。光学長ＤGは、第１電極１６と第３電極２１との間に電圧をかけないとき、λ／４又はλ／２のうち、出射側ＤＢＲ１５の反射率が最小となる方に設定する。なお、出射側ＤＢＲ１５の反射率は、光学長ＤGがλ／４、λ／２のうちの一方であるときに最小値をとる。
【００２１】
第１電極１６と第３電極２１との間に電圧をかけ、光学長ＤGが変化することにより、図２に示すように、出射側ＤＢＲ１５の反射率が変化する。面発光型半導体レーザ素子１００は、光学長ＤGを、図２におけるＤLからＤUの範囲で変化させることができる。ＤLは、出射側ＤＢＲ１５の反射率が最大になるときの光学長ＤGである。また、ＤUは、出射側ＤＢＲ１５の反射率が最小になるときの光学長ＤGである。ＤLとＤUとの距離（光学長ＤGの最大変化幅）はλ／４である。
（２）面発光型半導体レーザ素子１００の製造方法
面発光型半導体レーザ素子１００の製造方法を、図３に基づいて説明する。
【００２２】
図３（ａ）に示すように、半導体基板１１上に、MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法等の結晶成長技術を用いて、非出射側ＤＢＲ１２、クラッド層１３ａ、活性層１４、クラッド層１３ｂ、第１の層２３、犠牲層２９、第２の層２７を順次形成する。ここで、犠牲層２９の材質は、他の層との選択酸化が可能なAlAs等を用いる。
【００２３】
次に、図３（ｂ）に示すように、第２の層２７及び犠牲層２９に対し、フォトリソグラフィ及びエッチングを施して、メサを形成する。
次に、犠牲層２９を選択酸化して絶縁物１９としておいてから、図３（ｃ）に示すように、ウェットエッチング等の方法で、絶縁物１９を選択エッチングし、第２の層２７の下に空気層２５ａを形成する。
【００２４】
次に、図３（ｄ）に示すように、非出射側絶縁物１７をＣＶＤ、フォトリソグラフィ、及びエッチングにより形成する。また、第１電極１６、第２電極１８、及び第３電極２１を、リフトオフ等の方法を用いて形成し、面発光型半導体レーザ素子１００を完成する。
（３）面発光型半導体レーザ素子１００が奏する効果
（i）第１電極１６と第３電極２１との間に電圧をかけると、空気層２５ａの厚みが変化し、出射側ＤＢＲ１５の反射率が変化する。そのことにより、面発光型半導体レーザ素子１００は、１つの素子で、低電流領域で有利な低閾値特性と、高電流領域で有利な高効率大出力特性の両方を実現できる。
(ii) 面発光型半導体レーザ素子１００は、２素子分の面積を要するようなことはなく、また、反射鏡を発光部とは別に設ける必要もないため、小型化できる。
(iii) 第１電極１６と第３電極２１との間に電圧を加えないときの光学長ＤG（ＤGの初期値）は、λ／４又はλ／２である。光学長ＤGを変えて反射率を下げる場合、図２に示すように、光学長ＤGに関する制御マージンが狭いため、光学長ＤGの初期値をλ／４又はλ／２にしておき、反射率が最小値となるようにしておけば、制御性が良くなる。
(iv) 第２の層２７は、その一方の端部のみにおいて、絶縁物１９で支えられ、いわゆるカンチレバー形状を構成している。そのため、第１電極１６と第３電極２１との間に加える電圧が低くても、第２の層２７（特に絶縁物１９で支えられていない部分）を容易に動かし（撓ませ）、光学長ＤGを変化させることができる。
(v) 面発光型半導体レーザ素子１００において、光学長ＤGの変化幅は、λ／４である。そのため、図２から明らかなように、出射側ＤＢＲ１５の反射率を、最小値から最大値までの間における任意の値とすることができる。
【００２５】
２．第２の実施形態
（１）面発光型半導体レーザ素子１００の構成
面発光型半導体レーザ素子１００の構成を図４に基づいて説明する。面発光型半導体レーザ素子１００は、半導体基板１１と、非出射側ＤＢＲ１２と、クラッド層１３ａ、１３ｂと、活性層１４と、出射側ＤＢＲ１５と、第１電極１６と、非出射側絶縁物１７と、第２電極１８と、第３電極２１とを有する。非出射側ＤＢＲ１２と出射側ＤＢＲ１５とは、活性層（発光層）１４を間に挟んで配置される。
【００２６】
上記出射側ＤＢＲ１５は、クラッド層１３ｂ上に形成された第１の層２３と、第１の層２３との間にギャップ２５を有する第２の層２７とから構成される。ギャップ２５のうち、一方（図４において左側）の端部と、他方（図４において右側）の端部は、それぞれ、SiO2から成る絶縁物１９により埋められ、絶縁物１９で挟まれた中間部分が空気層２５ａとなっている。よって、第２の層２７及び絶縁物１９は、ダイアフラム形状を有する。
【００２７】
半導体基板１１、非出射側ＤＢＲ１２、非出射側ＤＢＲ１２、クラッド層１３ａ、１３ｂ、活性層１４、出射側ＤＢＲ１５の材質、膜厚、層構成等は前記第１の実施形態と同様である。
【００２８】
第１電極１６と第３電極２１との間に（すなわちギャップ２５の両側に）に電圧をかけると、第２の層２７（特に絶縁物１９に接していない中央部分）が第１の層２３に近づくか、遠ざかることにより、空気層２５ａの厚みが変化する。空気層２５ａの光学長ＤGは、第１電極１６と第３電極２１との間に電圧をかけないとき、λ／４又はλ／２のうち、出射側ＤＢＲ１５の反射率が最小となる方に設定する。なお、出射側ＤＢＲ１５の反射率は、光学長ＤGがλ／４、λ／２のうちの一方であるときに最小値をとる。
【００２９】
第１電極１６と第３電極２１との間に電圧をかけ、光学長ＤGが変化することにより、図２に示すように、出射側ＤＢＲ１５の反射率が変化する。面発光型半導体レーザ素子１００は、光学長ＤGを、図２におけるＤLからＤUの範囲で変化させることができる。ＤLは、出射側ＤＢＲ１５の反射率が最大になるときの光学長ＤGである。また、ＤUは、出射側ＤＢＲ１５の反射率が最小になるときの光学長ＤGである。ＤLとＤUとの距離（光学長ＤGの最大変化幅）はλ／４である。
（２）面発光型半導体レーザ素子１００の製造方法
面発光型半導体レーザ素子１００の製造方法を、図５に基づいて説明する。
【００３０】
図５（ａ）に示すように、半導体基板１１上に、MOCVD法等の結晶成長技術を用いて、非出射側ＤＢＲ１２、クラッド層１３ａ、活性層１４、クラッド層１３ｂ、第１の層２３、犠牲層２９、第２の層２７を順次形成する。ここで、犠牲層２９の材質は、他の層との選択酸化が可能なAlAs等を用いる。
【００３１】
次に、図５（ｂ）に示すように、第２の層２７及び犠牲層２９に対し、フォトリソグラフィ及びエッチングを施して、メサを形成する。
次に、犠牲層２９を選択酸化して絶縁物１９としておいてから、図５（ｃ）に示すように、ウェットエッチング等の方法で、絶縁物１９を選択エッチングし、第２の層２７の下に空気層２５ａを形成する。
【００３２】
次に、図５（ｄ）に示すように、非出射側絶縁物１７をＣＶＤ、フォトリソグラフィ、及びエッチングにより形成する。また、第１電極１６、第２電極１８、及び第３電極２１を、リフトオフ等の方法を用いて形成し、面発光型半導体レーザ素子１００を完成する。
（３）面発光型半導体レーザ素子１００が奏する効果
(i) 第２の層２７は、その両方端部において、絶縁物１９で支えられ、いわゆるダイアフラム形状を構成している。そのため、第１の層２３と、第２の層２７との平行度を高くすることができる。そのことにより、出射側ＤＢＲ１５の反射率を精密に制御することができる。
(ii)その他、本実施形態の面発光型半導体レーザ素子１００は、前記第１の実施形態と略同様の効果を奏することができる。
【００３３】
尚、本発明は前記実施の形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、空気層２５ａの厚みを変化させる方法は、第１電極１６と第３電極２１との間に電圧をかける方法には限定されず、周知の方法を広く用いることができる。例えば、アクチュエータ等によって、第２の層２７の全部又は一部を、第１の層２３から遠ざける方向、又は近づける方向に移動させ、空気層２５ａの厚みを変化させてもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１１・・・半導体基板、１２・・・非出射側ＤＢＲ、１３ａ、１３ｂ・・・クラッド層、
１４・・・活性層、１５・・・出射側ＤＢＲ、１６・・・第１電極、
１７・・・非出射側絶縁物、１８・・・第２電極、１９・・・絶縁物、
２１・・・第３電極、２３・・・第１の層、２５・・・ギャップ、２５ａ・・・空気層、
２７・・・第２の層、２９・・・犠牲層、１００・・・面発光型半導体レーザ素子
【図２】
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【図６】
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【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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