(57)【要約】【課題】所望のモード数で発振する面発光レーザ素子を提供すること。【解決手段】垂直共振器型の面発光レーザ素子であって、基板と、前記基板上に積層した第１の反射鏡と、前記第１の反射鏡上に積層した活性層と、前記活性層上の一部に積層した円盤状の電流注入部および前記電流注入部の外周に形成された電流狭窄部を含む電流狭窄層と、前記電流狭窄層上に積層した電流経路層と、を備える半導体積層部と、前記半導体積層部上に形成され、円状の開口部を有する電極と、前記開口部上に積層した第２の反射鏡と、を備え、前記第１の反射鏡および第２の反射鏡は光共振器を形成しており、前記電流狭窄部の内径と前記電極の開口部の開口径との差、および、前記光共振器の共振方向における前記電流狭窄層と前記電極との間の距離が、当該面発光レーザ素子が所望のモード数のレーザ光を出力するように設定されている面発光レーザ素子。【選択図】図１
2015133426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直共振器型の面発光レーザ素子であって、
基板と、
前記基板上に積層した第１の反射鏡と、
前記第１の反射鏡上に積層した活性層と、前記活性層上の一部に積層した円盤状の電流注入部および前記電流注入部の外周に形成された電流狭窄部を含む電流狭窄層と、前記電流狭窄層上に積層した電流経路層と、を備える半導体積層部と、
前記半導体積層部上に形成され、円状の開口部を有する電極と、
前記開口部上に積層した第２の反射鏡と、
を備え、
前記第１の反射鏡および第２の反射鏡は光共振器を形成しており、
前記電流狭窄部の内径と前記電極の開口部の開口径との差、および、前記光共振器の共振方向における前記電流狭窄層と前記電極との間の距離が、当該面発光レーザ素子が所望のモード数のレーザ光を出力するように設定されていることを特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項２】
前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡とのうち、少なくとも一方は誘電体多層膜反射鏡であることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
【請求項３】
前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡とのうち、少なくとも一方は高屈折率差サブ波長格子であることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
【請求項４】
垂直共振器型の面発光レーザ素子であって、
第１の反射鏡と、
第２の反射鏡と、
前記第１の反射鏡と、前記第２の反射鏡との間に配置され、
活性層と、前記活性層上の一部に積層した円盤状の電流注入部および前記電流注入部の外周に形成された電流狭窄部を含む電流狭窄層と、前記電流狭窄層上に積層した電流経路層と、を備える半導体積層部と、
前記半導体積層部上に形成され、円状の開口部を有する電極と、
を備え、
前記第１の反射鏡および第２の反射鏡は光共振器を形成しており、
前記第１の反射鏡と、前記第２の反射鏡とのうち、少なくとも一方は可動式であり、
前記第１の反射鏡と、前記第２の反射鏡とのうち、少なくとも可動式である反射鏡は前記半導体積層部と離間して配置され、
前記電流狭窄部の内径と前記電極の開口部の開口径との差、および、前記光共振器の共振方向における前記電流狭窄層と前記電極との間の距離が、当該面発光レーザ素子が所望のモード数のレーザ光を出力するように設定されていることを特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項５】
前記電流経路層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）系の材料を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
【請求項６】
前記電流狭窄部の内径より、前記電極の開口部の開口径が大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
【請求項７】
前記電流狭窄部の内径と、前記電極の開口部の開口径との差は、当該面発光レーザ素子の発振波長をλとして、４λ／１１００μｍ以上６μｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の面発光レーザ素子。
【請求項８】
前記電流狭窄層と、前記電極との間の距離が１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
【請求項９】
前記所望のモード数は、０次モードと１次モードとの２モードであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
【請求項１０】
サイドモード抑圧比が１０ｄＢ以下であり、かつ、０次モードと２次モードとの光強度比が３５ｄＢ以上であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
【請求項１１】
ランダムジッタが１．３ｐｓ以下であり、かつ、シンボル間干渉が０．１２以下であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直共振器型の面発光レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の面発光レーザ素子として、誘電体多層膜（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）反射鏡である上部および下部ＤＢＲミラーの間に活性層を含む複数の半導体層を積層した半導体積層部を有する垂直共振器型の面発光レーザ素子が開示されている（特許文献１、２参照）。また、特許文献１、２に開示される面発光レーザ素子は、メサポスト構造を有するとともに、電流経路を制限して電流注入効率を上げるための電流狭窄層を備えている。この電流狭窄層は、外周に位置するＡｌ２Ｏ３からなる電流狭窄部と、電流狭窄部の中心に位置し、ＡｌＡｓからなる円形の電流注入部とを有するものである。この電流注入部は、面発光レーザ素子に電流を注入した際の電流経路になるとともに、レーザ光が出射する開口部になる。
【０００３】
さらに、特許文献１、２に開示される面発光レーザ素子は、ｐ側円環電極からの電流注入を効率よく行なうために、半導体積層部の最上層、およびこの最上層と電流狭窄層との間の所定位置に、ｐ＋型半導体からなる低抵抗の電流経路層を備えている。ｐ側円環電極から注入された電流は、これらの電流経路層を電流経路として横方向に流れ、電流狭窄層を経由して効率よく活性層まで注入される。その結果、面発光レーザ素子の発振しきい値電流は低減される。また、半導体積層部の最上層には、ｐ＋型コンタクト層が形成されている。
【０００４】
ここで、面発光レーザ素子においては、レーザ発振させるべき波長の光が上部および下部ＤＢＲミラーの間で定在波を形成する必要があるが、この定在波が形成される場合、下部ＤＢＲミラーの最上面、および上部ＤＢＲミラーの最下面がその定在波の腹の位置になる。また、上述した電流狭窄層、電流経路層、およびｐ＋型コンタクト層は、その電気的特性が優先的に設計された層であるため、レーザ発振光を吸収、散乱するおそれがある。そのため、電流狭窄層、電流経路層、およびｐ＋型コンタクト層は、光の定在波の節の位置に配置されることが好ましい。したがって、従来の面発光レーザ素子においては、上述した光の定在波の腹と節の位置を実現するために、各層の厚さおよび屈折率が調整されている。
【０００５】
さらに、特許文献１、２に開示される面発光レーザ素子は、ｐ側円環電極の開口部内のｐ＋型コンタクト層の表面に、リフェイズ層と呼ばれる位相調整層を備えている。この位相調整層は、窒化珪素などからなる誘電体層であり、ｐ＋型コンタクト層と上部ＤＢＲミラーの最下面との間に介挿され、ｐ＋型コンタクト層が定在波の節に位置し、上部ＤＢＲミラーの最下面が定在波の腹に位置するように、その光学厚さがλ／４程度に調整されている。ここで、ある層の光学厚さは、その層厚と屈折率との積で示される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６９１６６７２号明細書
【特許文献２】米国特許第６７５００７１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このような面発光レーザ素子においては、電流経路層における電流経路
が横方向となるため不均一な電流分布となり、所望のモード数で発振することができない場合があるという課題がある。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、所望のモード数で発振する面発光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】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る面発光レーザ素子は、垂直共振器型の面発光レーザ素子であって、基板と、前記基板上に積層した第１の反射鏡と、前記第１の反射鏡上に積層した活性層と、前記活性層上の一部に積層した円盤状の電流注入部および前記電流注入部の外周に形成された電流狭窄部を含む電流狭窄層と、前記電流狭窄層上に積層した電流経路層と、を備える半導体積層部と、前記半導体積層部上に形成され、円状の開口部を有する電極と、前記開口部上に積層した第２の反射鏡と、を備え、前記第１の反射鏡および第２の反射鏡は光共振器を形成しており、前記電流狭窄部の内径と前記電極の開口部の開口径との差、および、前記光共振器の共振方向における前記電流狭窄層と前記電極との間の距離が、当該面発光レーザ素子が所望のモード数のレーザ光を出力するように設定されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡とのうち、少なくとも一方は誘電体多層膜反射鏡であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡とのうち、少なくとも一方は高屈折率差サブ波長格子であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、垂直共振器型の面発光レーザ素子であって、第１の反射鏡と、第２の反射鏡と、前記第１の反射鏡と、前記第２の反射鏡との間に配置され、活性層と、前記活性層上の一部に積層した円盤状の電流注入部および前記電流注入部の外周に形成された電流狭窄部を含む電流狭窄層と、前記電流狭窄層上に積層した電流経路層と、を備える半導体積層部と、前記半導体積層部上に形成され、円状の開口部を有する電極と、を備え、前記第１の反射鏡および第２の反射鏡は光共振器を形成しており、前記第１の反射鏡と、前記第２の反射鏡とのうち、少なくとも一方は可動式であり、前記第１の反射鏡と、前記第２の反射鏡とのうち、少なくとも可動式である反射鏡は前記半導体積層部と離間して配置され、前記電流狭窄部の内径と前記電極の開口部の開口径との差、および、前記光共振器の共振方向における前記電流狭窄層と前記電極との間の距離が、当該面発光レーザ素子が所望のモード数のレーザ光を出力するように設定されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記電流経路層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）系の材料を含むことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記電流狭窄部の内径より、前記電極の開口部の開口径が大きいことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記電流狭窄部の内径と、前記電極の開口部の開口径との差は、当該面発光レーザ素子の発振波長をλとして、４λ／１１００μｍ以上６μｍ以下であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記電流狭窄層と、前記電極との間の距離が１μｍ以下であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記所望のモード数は、０次モードと１次モードとの２モードであることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、サイドモード抑圧比が１０ｄＢ以下であり、かつ、０次モードと２次モードとの光強度比が３５ｄＢ以上であることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、ランダムジッタが１．３ｐｓ以下であり、かつ、シンボル間干渉が０．１２以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、所望のモード数で発振する面発光レーザ素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る面発光レーザ素子の断面を表す模式図である。
【図２】図２は、面発光レーザ素子の出力光の波長と光強度との関係の一例を表す図である。
【図３】図３は、図１に示す面発光レーザ素子の断面の一部を拡大した模式図である。
【図４】図４は、図１に示す面発光レーザ素子の製造方法の一例について説明する説明図である。
【図５】図５は、図１に示す面発光レーザ素子の製造方法の一例について説明する説明図である。
【図６】図６は、図１に示す面発光レーザ素子の製造方法の一例について説明する説明図である。
【図７】図７は、図１に示す面発光レーザ素子の製造方法の一例について説明する説明図である。
【図８】図８は、図１に示す面発光レーザ素子の製造方法の一例について説明する説明図である。
【図９】図９は、実施例に係る面発光レーザ素子のｐ側円環電極の開口部の開口径と電流狭窄部の内径との差と、出力光におけるサイドモード抑圧比、および、０次モードと２次モードとの光強度比との関係を表す図である。
【図１０】図１０は、実施例に係る面発光レーザ素子のｐ側円環電極の開口部の開口径と電流狭窄部の内径との差と、出力光におけるシンボル間干渉、および、ランダムジッタとの関係を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、図面を参照して本発明に係る面発光レーザ素子の実施の形態を説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
【００２３】
（実施の形態）
はじめに、本発明の実施の形態に係る面発光レーザ素子について説明する。本実施の形態に係る面発光レーザ素子は、垂直共振型の面発光レーザ素子であって、レーザ発振波長
が、たとえば１１００ｎｍ帯であり、ｐ側円環電極と電流狭窄層との位置関係が、所望のモード数で発振するように調整されている。
【００２４】
図１は、本発明の実施の形態に係る面発光レーザ素子の断面を表す模式図である。図１に示すとおり、この面発光レーザ素子１００は、基板１０１と、基板１０１上に形成された第１の反射鏡である下部ＤＢＲミラー１０２とを備える。さらに、下部ＤＢＲミラー１０２上に形成されたバッファ層１０３と、ｎ型コンタクト層１０４と、多重量子井戸構造を有する活性層１０５と、下部傾斜組成層１０６と、外周に位置する電流狭窄部１０７ａおよび電流狭窄部１０７ａの中心に位置する円形の電流注入部１０７ｂを含む電流狭窄層１０７と、上部傾斜組成層１０８と、電流経路層１０９と、ｐ＋型コンタクト層１１０とが順次積層した構造を有する半導体積層部を備える。そして、活性層１０５からｐ＋型コンタクト層１１０までが円柱状のメサポストＭ１を構成している。
【００２５】
基板１０１は、アンドープのＧａＡｓからなる。また、下部ＤＢＲミラー１０２は、ＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の３４ペアからなる。また、ｎ型コンタクト層１０４は、ｎ型ＧａＡｓからなる。また、活性層１０５は、層数が３のＧａＩｎＮＡｓ井戸層と層数が４のＧａＡｓ障壁層が交互に積層した構造を有しており、最下層のＧａＡｓ障壁層はｎ型クラッド層としても機能する。また、電流狭窄層１０７については、電流狭窄部１０７ａはＡｌ２Ｏ３からなり、電流狭窄部１０７ａの内径、すなわち、電流注入部１０７ｂの外径は、たとえば６〜７μｍであり、電流注入部１０７ｂはＡｌＡｓからなる。下部傾斜組成層１０６および上部傾斜組成層１０８は、ＡｌＧａＡｓからなり、厚さ方向において電流狭窄層１０７に近づくにつれてそのＡｓ組成が段階的に増加するように構成されている。また、電流経路層１０９と、ｐ＋型コンタクト層１１０とは、それぞれ炭素をドープしたｐ型、ｐ＋型のＧａＡｓからなる。なお、各ｐ型またはｎ型層のアクセプタまたはドナー濃度はたとえば１×１０１８ｃｍ−３程度であり、ｐ＋型層のアクセプタ濃度はたとえば１×１０１９ｃｍ−３以上である。なお、ＧａＡｓからなる各半導体層の屈折率は約３．４５である。
【００２６】
また、ｐ＋型コンタクト層１１０上に、Ｐｔ／Ｔｉからなり、中心に開口部１１１ａを有するとともに、メサポストＭ１の外周と一致する外周を有するｐ側円環電極１１１が形成されている。ただし、ｐ側円環電極１１１は、円環の一部が途切れたＣ字状であってもよい。ｐ側円環電極１１１の外径は、たとえば３０μｍであり、ｐ側円環電極１１１の開口部１１１ａの開口径は、たとえば１１〜１２μｍである。そして、開口部１１１ａには、誘電体層１１２が積層されている。誘電体層１１２は、誘電体層１１２上に形成される上部ＤＢＲミラー１１３の下面が定在波の腹の位置となるように、レーザ発振波長をλとすると、光学厚さが、たとえばλ／４となるように形成されている。
【００２７】
さらに、誘電体層１１２の上に、メサポストＭ１の外周にわたって誘電体からなる第２の反射鏡である上部ＤＢＲミラー１１３が形成されている。上部ＤＢＲミラー１１３は、たとえばＳｉＮｘ／ＳｉＯ２の１０〜１２ペアからなるが、たとえばα−Ｓｉ／ＳｉＯ２またはα−Ｓｉ／Ａｌ２Ｏ３のペアを、その材料の屈折率に応じて９９％程度の適切な反射率がえられるようなペア数にしたものでもよい。また、ｎ型コンタクト層１０４は、メサポストＭ１の下部から半径方向外側に延びており、その表面にたとえばＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなる半円環状のｎ側電極１１４が形成されている。ｎ側電極１１４は、たとえば外径が８２μｍ、内径が４２μｍである。また、上部ＤＢＲミラー１１３が形成されていない領域には、表面保護のためにＳｉＮｘなどの誘電体からなるパッシベーション膜１１５が形成されている。
【００２８】
また、ｎ側電極１１４に対して、パッシベーション膜１１５に形成された開口部を介して接触するように、Ａｕからなるｎ側引き出し電極１１６が形成されている。一方、ｐ側
円環電極１１１に対しても、パッシベーション膜１１５に形成された開口部を介して接触するように、Ａｕからなるｐ側引き出し電極１１７が形成されている。そして、ｎ側電極１１４およびｐ側円環電極１１１は、それぞれｎ側引き出し電極１１６およびｐ側引き出し電極１１７によって、外部に設けた不図示の電流供給回路に電気的に接続している。
【００２９】
つぎに、本実施の形態に係る面発光レーザ素子１００の動作について説明する。この面発光レーザ素子１００は、電流供給回路からそれぞれｎ側引き出し電極１１６およびｐ側引き出し電極１１７を介してｎ側電極１１４およびｐ側円環電極１１１間に電圧を印加し、電流を注入すると、電流は主に低抵抗のｐ＋型コンタクト層１１０と電流経路層１０９とを流れ、さらに電流経路が電流狭窄層１０７によって電流注入部１０７ｂ内に狭窄されて、高い電流密度で活性層１０５に供給される。その結果、活性層１０５はキャリア注入されて自然放出光を発光する。自然放出光のうち、レーザ発振波長である波長λの光は、下部ＤＢＲミラー１０２と上部ＤＢＲミラー１１３との間で定在波を形成し、活性層１０５によって増幅される。そして、注入電流がしきい値以上になると、定在波を形成する光がレーザ発振し、ｐ側円環電極１１１の開口部１１１ａから１１００ｎｍ帯のレーザ光が出力する。
【００３０】
図２は、面発光レーザ素子の出力光の波長と光強度との関係の一例を表す図である。図２の０ｔｈ、１ｓｔ、２ｎｄは、それぞれ０次モード、１次モード、２次モードの横モードにおいて発振されたレーザ光である。このように、通常、面発光レーザ素子は、複数の横モードで発振する。ここで、面発光レーザ素子の発振モード数は、主にモード分布と利得の分布との重なりにより決まる。特に、電流注入部１０７ｂを通る電流の電流分布に不均一性が生じると、高次の横モードをより発生させやすくなる場合がある。これは、高次の横モードでは電流注入部１０７ｂの中心から離れた位置での光分布が大きく、電流注入部１０７ｂを通る電流に不均一性が生じ電流注入部１０７ｂの中心から離れた位置での電流分布が大きくなると、モード分布と利得の分布との重なりが増大し、高次の横モードをより発生させやすくなることによる。
【００３１】
また、図２の比率Ｒ０１は、面発光レーザ素子の出力光における０次モードの光強度と１次モードの光強度との比であるサイドモード抑圧比であり、図２の比率Ｒ０２は、面発光レーザ素子の出力光における０次モードの光強度と２次モードの光強度との比である。したがって、比率Ｒ０１が十分大きいと、面発光レーザ素子は０次モードのみで発振していることを表す。また、比率Ｒ０１が十分小さく、比率Ｒ０２が十分大きいと、面発光レーザ素子は０次モードと１次モードとの２モード発振していることを表す。さらに、比率Ｒ０１および比率Ｒ０２が十分小さいと、面発光レーザ素子は０〜２次モードの発振があることを表し、このとき、より高次の発振を伴っている場合もある。
【００３２】
図３は、図１に示す面発光レーザ素子の断面の一部を拡大した模式図である。図３において、距離ａは、半導体の積層方向における電流狭窄層１０７とｐ側円環電極１１１との距離であり、距離２ｂは、半導体の積層方向に垂直な平面におけるｐ側円環電極１１１の開口部１１１ａの開口径と、電流狭窄部１０７ａの内径との差である。図３に示すように、本実施の形態に係る面発光レーザ素子１００は、ｐ側円環電極１１１の開口部１１１ａの開口径と、電流狭窄部１０７ａの内径と、電流経路層１０９の厚さとを制御し、距離ａおよび距離２ｂが所定の値となるように製造されている。
【００３３】
まず、面発光レーザ素子１００において、距離ａは、光子寿命が長くなることによる変調速度の劣化を防ぐため、１μｍ以下であることが好ましい。この距離ａの値は、距離２ｂに対して十分小さい値であるため、電流経路層１０９は横方向の電流経路となる。また、距離ａが大きいと時間的な揺らぎを表すランダムジッタ（ＲＪ：Ｒａｎｄｏｍ  Ｊｉｔｔｅｒ）が大きくなり、出力光のノイズが大きくなる。そのため、距離ａは、０．５μｍ
以下であることがより好ましい。また、距離ａが大きくなると、高次モードの発振が起こりやすくなることに留意すべきである。
【００３４】
次に、面発光レーザ素子１００において、距離２ｂは、後述する実施例の結果から、所望のモード数で発振するように、たとえば、４μｍ以上６μｍ以下とされている。このとき、面発光レーザ素子１００は、０次モードと１次モードとの２モードでノイズの少ない安定した発振をする。また、面発光レーザ素子１００は、距離２ｂが４μｍ以下である場合には、シングルモードで発振する。このように、距離２ｂを適切な値とすることにより、電流経路層１０９を流れる横方向の電流の電流分布を制御することができ、所望のモード数で発振する面発光レーザ素子を実現することができる。
【００３５】
以上説明したように、本実施の形態に係る面発光レーザ素子１００は、所望のモード数で発振する面発光レーザ素子である。
【００３６】
次に、本実施の形態に係る面発光レーザ素子１００の製造方法について説明する。図４〜８は、図１に示す面発光レーザ素子の製造方法の一例について説明する説明図である。
【００３７】
はじめに、エピタキシャル成長法によって、図４に示すように、基板１０１上に下部ＤＢＲミラー１０２、バッファ層１０３、ｎ型コンタクト層１０４、活性層１０５、下部傾斜組成層１０６、ＡｌＡｓからなる被酸化層１１８、上部傾斜組成層１０８、電流経路層１０９、ｐ＋型コンタクト層１１０を順次積層し、さらにＣＶＤ法によって、ｐ＋型コンタクト層１１０の一部領域に、ＳｉＮｘからなる円板状の誘電体層１１２を形成する。
【００３８】
つぎに、リフトオフ法を用いて、ｐ＋型コンタクト層１１０上に、ｐ側円環電極１１１を、開口部１１１ａ内に誘電体層１１２が配置されるように形成する。具体的には、まず図５に示すように、誘電体層１１２上とｐ＋型コンタクト層１１０上とにネガ型のフォトレジストＰを塗布し、ｐ側円環電極１１１の形状のパターンを形成する。
【００３９】
つぎに、図６に示すように、フォトレジストＰの上方からＰｔ／Ｔｉ層を蒸着し、パターン内のｐ＋型コンタクト層１１０上にｐ側円環電極１１１を形成する。
【００４０】
また、誘電体層１１２の光学厚さがλ／４程度となるように誘電体層１１２を形成する。上述したようにＳｉＮｘはその組成比によって屈折率が異なるから、誘電体層１１２の具体的層厚については、その組成比に応じて決定する。
【００４１】
ところで、通常のＳｉＮｘには、その生成過程においてある程度の水素が含有される。誘電体層１１２を構成するＳｉＮｘの組成比ｘが小さいと、ＳｉＮｘの密度が高くなるため、後の熱処理工程において、含有される水素の移動が制限され、ｐ＋型コンタクト層１１０に侵入し、電気抵抗を増大させる場合がある。一方、ＳｉＮｘの組成比ｘが大きいと、ＳｉＮｘの密度が低くなる。その結果、熱処理工程において水素が表面から逃げやすくなるので、水素のｐ＋型コンタクト層１１０への侵入が抑制され、電気抵抗の増大も抑制される。したがって、誘電体層１１２を構成するＳｉＮｘの組成比ｘについては、少なくともｐ＋型コンタクト層１１０に接している部分では大きいほうが好ましい。すなわち、たとえば誘電体層１１２が多層構造を有する場合、この多層構造のうち、ｐ＋型コンタクト層１１０に接している層を構成するＳｉＮｘの組成比ｘが大きいほうが好ましい。また、組成比ｘについては、特に化学量論的組成であるｘ＝１．３３よりも大きいほうが好ましい。なお、水素がｐ＋型コンタクト層１１０に侵入した場合でも、ｐ＋型コンタクト層１１０のアクセプタ濃度が１×１０１９ｃｍ−３以上であり、水素濃度が１×１０１８ｃｍ−３以下であれば、ｐ＋型コンタクト層１１０は電流経路として有効に機能するので好ましい。
【００４２】
つぎに、ｐ側円環電極１１１を金属マスクとして、酸エッチング液等を用いてｎ型コンタクト層１０４に到る深さまで半導体層をエッチングして円柱状のメサポストＭ１を形成し、さらに別のマスクを形成し、バッファ層１０３に到る深さまでｎ型コンタクト層１０４をエッチングする。その結果、図７に示すメサポストＭ１が形成された構造が得られる。これによって、ｐ側円環電極１１１の外周とメサポストＭ１の外周とが高精度に一致するようにすることができる。
【００４３】
つぎに、水蒸気雰囲気中において熱処理を行って、被酸化層１１８をメサポストＭ１の外周側から選択酸化する。このとき、被酸化層１１８において２ＡｌＡｓ＋３Ｈ２Ｏ→Ａｌ２Ｏ３＋２ＡｓＨ３なる化学反応が起こり、被酸化層１１８の外周側からＡｌＡｓがＡｌ２Ｏ３となり、図８に示すように電流狭窄部１０７ａが形成される。上記化学反応は被酸化層１１８の外周側から均一に進行するので、中心にはＡｌＡｓからなる電流注入部１０７ｂが形成される。ここでは、熱処理時間等を調整して、電流注入部１０７ｂの直径が、たとえば６〜７μｍになるようにする。このように電流注入部１０７ｂを形成するので、メサポストＭ１の中心と、電流注入部１０７ｂの中心と、さらにｐ側円環電極１１１の開口部１１１ａの中心とを高精度に一致させることができる。その結果、面発光レーザ素子１００を歩留まり良く所望のモード数とすることができる。
【００４４】
なお、上記の化学反応によって生成したＡｓＨ３は飛散する。飛散したＡｓＨ３は、ｐ側円環電極１１１の露出した領域において、ｐ側円環電極１１１に含まれるＰｔと、Ｐｔ＋２ＡｓＨ３→ＰｔＡｓ２＋３Ｈ２なる化学反応を起こす。その結果、ｐ側円環電極１１１は露出した領域において変質し、電気抵抗が増大するが、誘電体層１１２で覆われた領域はそのような変質から保護され、低抵抗のままである。
【００４５】
つぎに、メサポストＭ１の外周側のｎ型コンタクト層１０４の表面に、半円環状のｎ側電極１１４を形成する。つぎに、全面にパッシベーション膜１１５を形成した後、ｎ側電極１１４およびｐ側円環電極１１１上においてパッシベーション膜１１５を形成し、この開口部を介してｎ側電極１１４に接触するｎ側引き出し電極１１６と、ｐ側円環電極１１１に接触するｐ側引き出し電極１１７とを形成する。
【００４６】
つぎに、ＣＶＤ法を用いて上部ＤＢＲミラー１１３を形成した後に、基板１０１の裏面を研磨し、基板１０１の厚さをたとえば１５０μｍに調整する。その後、素子分離を行い、図１に示す面発光レーザ素子１００が完成する。
【００４７】
以上のように、本実施の形態に係る面発光レーザ素子１００が製造され、所望のモード数で発振する面発光レーザ素子が実現される。
【００４８】
（実施例）
次に、本発明の実施例として、上記の製造方法によって、図１に示す構造を有する面発光レーザ素子１００を製造した。この際、ｐ側円環電極１１１の開口部１１１ａの開口径と電流狭窄部１０７ａの内径との差である距離２ｂを変化させ、製造された各面発光レーザ素子１００の性能を評価した。なお、以下において、距離ａは、１μｍ以下の所定の値としている。
【００４９】
図９は、実施例に係る面発光レーザ素子のｐ側円環電極の開口部の開口径と電流狭窄部の内径との差と、出力光におけるサイドモード抑圧比、および、０次モードと２次モードとの光強度比との関係を表す図である。図９（ａ）からわかるとおり、距離２ｂが、４μｍ以上である場合に、比率Ｒ０１が１０ｄＢ以下となり、十分小さい。これは、面発光レーザ素子１００の出力光において、０次モードの光強度に対し、１次モードの光強度が十
分大きいことを表す。つまり、面発光レーザ素子１００は、少なくとも０次モードおよび１次モードの出力光を発振している。一方で、図９（ｂ）からわかるとおり、距離２ｂが、６μｍ以下である場合に、比率Ｒ０２が３５ｄＢ以上となり、十分大きい。これは、面発光レーザ素子１００の出力光において、０次モードの光強度に対し、２次モードの光強度が十分小さいことを表す。つまり、面発光レーザ素子１００は、２次モードの出力光を発振していない。したがって、このとき、面発光レーザ素子１００は、０次モードと１次モードとの２モードで発振していることがわかる。
【００５０】
このように、本実施例に係る面発光レーザ素子１００は、距離２ｂが４μｍ以上６μｍ以下である場合に０次モードと１次モードのとの２モードで発振する。さらに、面発光レーザ素子１００は、図９（ａ）から明らかなように、距離２ｂが４μｍ以下である場合、０次モードのみのシングルモードで発振させることも可能である。したがって、面発光レーザ素子１００は、距離ａおよび距離２ｂを適切な値とすることにより所望のモード数で発振する面発光レーザ素子である。
【００５１】
さらに、面発光レーザ素子１００にビットレートが１２．５ＧｂｐｓでＰＲＢＳ７段の変調電圧を印加した場合のノイズを計測した。さらに、そのノイズが距離２ｂを変化させた場合にどのように変化するかを計測した。ノイズの計測は、一般的な性能指標として、時間的な揺らぎを表すランダムジッタ（ＲＪ）と、振幅方向の揺らぎを表すシンボル間干渉（ＩＳＩ：Ｉｎｔｅｒ−Ｓｙｍｂｏｌ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）とを計測した。
【００５２】
図１０は、実施例に係る面発光レーザ素子のｐ側円環電極の開口部の開口径と電流狭窄部の内径との差と、出力光におけるシンボル間干渉、および、ランダムジッタとの関係を表す図である。図１０（ａ）からわかるとおり、距離２ｂが４μｍ以上である場合に、ＩＳＩは０．１２以下と十分小さい。そして、図１０（ｂ）からわかるとおり、距離２ｂが６μｍ以下である場合に、ＲＪは１．３ｐｓ以下と十分小さい。このように、本実施例に係る面発光レーザ素子１００は、距離２ｂが４μｍ以上６μｍ以下である場合に、ＲＪおよびＩＳＩが小さくノイズの少ない安定した出力光を発振することがわかる。
【００５３】
したがって、図９および図１０の結果から、本実施例に係る面発光レーザ素子１００は、距離２ｂが４μｍ以上６μｍ以下である場合に、ノイズの少ない安定した２モード発振をする。このように、本実施例に係る面発光レーザ素子は、距離ａおよび距離２ｂを適切な値とすることにより所望のモード数で発振する面発光レーザ素子である。
【００５４】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、所望のモード数で発振する面発光レーザ素子を提供することができる。
【００５５】
なお、上記の実施の形態において、面発光レーザ素子をＧａＡｓ系の材料（ＧａＡｓと格子整合する材料、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）等を含む）によって構成したが、たとえば、ＩｎＰ系の材料など、他の材料系であってもよい。ただし、材料系によって電流経路層の横方向の抵抗率が異なるため、材料系にあわせて適切な距離ａおよび距離２ｂを選択する必要がある。換言すると、面発光レーザ素子に用いる材料系にあわせて、距離ａおよび距離２ｂを選択することにより、どのような材料系に対しても本発明の効果を得ることができる。
【００５６】
また、同種の材料系で発振波長が異なる場合において、上記の実施の形態と同様の効果を得るには、面発光レーザ素子の発振波長をλ（ｎｍ）とすると、距離ａを１μｍ以下、距離２ｂを４λ／１１００μｍ以上６μｍ以下とすればよい。まず、距離ａは、同種の材料系では、電気抵抗率があまり変化しないため、変調速度等を考慮した値、たとえば、１μｍ以下であればよい。つぎに、距離２ｂの上限値は、同種の材料系では、電気抵抗率が
あまり変化しないため、横方向の電流の電流分布が均一となる上限値であればよく、６μｍ以下であればよい。そして、距離２ｂの下限値は、面発光レーザ素子の共振器内に生じる横モードの電磁界分布のしみ出しとｐ側円環電極の内側とが干渉しない値であればよい。なお、このような干渉が生じる場合には、図１０（ａ）に示すとおり、振幅方向の揺らぎを表すＩＳＩが増大してしまうため好ましくない。ここで、横モードの電磁界分布のしみ出しとは、主に電流狭窄部で生じる横方向の屈折率分布の境界からのしみ出しを指す。この横高次モードの電磁界分布のしみ出しは、λに依存し、発振波長が１１００ｎｍのときには、図１０（ａ）から共振器に直交する径方向に２μｍ程度（電磁界分布の直径としては４μｍ程度）であると考えられる。そのため、上記実施例では、横モードの電磁界分布のしみ出しとｐ側円環電極の内側とが干渉しない距離２ｂの下限値を４μｍとしている。したがって、発振波長がλのときには、距離２ｂを４λ／１１００μｍ以上とすると、面発光レーザ素子の共振器内に生じる基本モードに対する高次モードの電磁界分布のしみ出しとｐ側円環電極の内側とが干渉することを抑制することができる。ＧａＡｓ系の材料の場合、８５０ｎｍ帯〜１．１μｍ帯（最大１．２μｍ程度）において本発明を適用できる。
【００５７】
また、上記の実施の形態において、面発光レーザ素子の第１の反射鏡および第２の反射鏡は、いずれもＤＢＲミラーとしたが、第１の反射鏡および第２の反射鏡は、反射鏡であればこれに限られない。たとえば、第１の反射鏡と第２の反射鏡とのうち、どちらか一方または両方が、高屈折率差サブ波長格子（ＨＣＧ：Ｈｉｇｈ  Ｃｏｎｔｒａｓｔ  Ｓｕｂ−Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｇｒａｔｉｎｇ）からなる反射鏡であってよい。ＨＣＧは、例えば、Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓからなる高屈折率層と、空気層からなる低屈折率層とからなり、高屈折率層と低屈折率層とがストライプ状の凹凸を界面として接している構成を有する。ＨＣＧのストライプの周期、凹凸の厚さ、高屈折率層と低屈折率層とのデューティー比、低屈折率層の厚さは、所望の発振波長において高反射率が実現されるよう設定されている。
【００５８】
また、上記の実施の形態において、第１の反射鏡および第２の反射鏡は、半導体積層部と一体として構成されているが、第１の反射鏡と、第２の反射鏡とのうち、どちらか一方または両方が半導体積層部と離間し、別体として構成されていてもよい。さらに、第１の反射鏡と第２の反射鏡とのうち、別体として構成された反射鏡は可動式であってもよい。可動式の反射鏡として、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
Ｓｙｓｔｅｍｓ）、あるいは、ＭＯＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｏｐｔｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）を用いることができ、これにより所望の発振波長が得られるよう共振器長を調整することが可能となる。
【００５９】
また、上記の実施の形態において、面発光レーザ素子の電流経路層の一部に半導体からなる中間反射膜が設けられていてもよい。これにより、たとえば、面発光レーザ素子の応答速度を向上させることができる。
【００６０】
また、上記の実施の形態において、半導体の積層方向に垂直な平面に対するｐ側円環電極の開口部の中心と電流狭窄部の開口部の中心とは略等しい。これは、ｐ側円環電極を金属マスクとしてエッチングによりメサポストを形成し、メサポストの外周側から均等に選択酸化を行ったためである。しかしながら、本発明はこれに限らず、半導体の積層方向に垂直な平面に対するｐ側円環電極の開口部の中心と電流狭窄部の開口部の中心とが、たとえば、０．５μｍ以内の範囲でずれていてもよい。
【００６１】
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の
実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１００  面発光レーザ素子
１０１  基板
１０２  下部ＤＢＲミラー
１０３  バッファ層
１０４  ｎ型コンタクト層
１０５  活性層
１０６  下部傾斜組成層
１０７  電流狭窄層
１０７ａ  電流狭窄部
１０７ｂ  電流注入部
１０８  上部傾斜組成層
１０９  電流経路層
１１０  ｐ＋型コンタクト層
１１１  ｐ側円環電極
１１１ａ  開口部
１１２  誘電体層
１１３  上部ＤＢＲミラー
１１４  ｎ側電極
１１５  パッシベーション膜
１１６  ｎ側引き出し電極
１１７  ｐ側引き出し電極
１１８  被酸化層
ａ、ｂ  距離
Ｒ０１、Ｒ０２  比率
Ｍ１  メサポスト
Ｐ  フォトレジスト
【図１】
2015133426.tif 000003
【図２】
2015133426.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2015133426.tif 000008
【図７】
2015133426.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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