(57)【要約】【課題】出力を高くすることができる化合物半導体デバイスを提供する。【解決手段】  化合物半導体デバイス１０は、半導体基板１０１、第１スペーサ層１０２、活性層１０３、第２スペーサ層１０４、反射鏡１０５、コンタクト層１０６、第１電極１１０、第２電極１１１などを有している。第１電極１１０は開口部を有し、半導体基板１０１の＋Ｚ側に積層されている。第１スペーサ層１０２、活性層１０３、第２スペーサ層１０４、反射鏡１０５は、半導体基板１０１の−Ｚ側に順に積層されている。反射鏡１０５の−Ｚ側にメサが形成され、該メサ上にコンタクト層１０６を介して第２電極１１１が積層されている。そして、第１電極１１０の開口部の大きさは、メサの外形の大きさよりも大きくなるように設定されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板の一側に積層された活性層と、
前記活性層の前記一側に積層され、その一側の面にメサが形成されている反射鏡と、
前記基板の他側に形成され、開口部を有する第１電極と、
前記メサに形成された第２電極とを有し、
前記メサの外形の大きさが、前記第１電極の開口部の大きさよりも小さい化合物半導体デバイス。
【請求項２】
前記基板における前記第１電極の開口部直下の少なくとも一部が除去されており、
該除去されている領域の大きさは、前記メサの外形の大きさよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体デバイス。
【請求項３】
前記基板と前記活性層との間に積層された電流拡散層を更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の化合物半導体デバイス。
【請求項４】
前記基板と前記活性層との間に積層された第２の反射鏡を更に有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の化合物半導体デバイス。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の化合物半導体デバイスと、
前記化合物半導体デバイスから射出される光の光路上に配置された外部反射鏡とを備える光源装置。
【請求項６】
前記化合物半導体デバイスと前記外部反射鏡との間に配置された非線形光学結晶を更に備えることを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
【請求項７】
対象物にレーザ光を照射するレーザ装置であって、
請求項５又は６に記載の光源装置と、
前記光源装置から射出されるレーザ光を前記対象物に導光する光学系とを備えるレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体デバイス、光源装置及びレーザ装置に係り、更に詳しくは、光を射出する化合物半導体デバイス、該化合物半導体デバイスを有する光源装置、及び該光源装置を備えるレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｎｄ：ＹＶＯ４やＮｄ：ＹＡＧなどの固体レーザは、波長が限定的であるのに対し、半導体レーザ（例えば、特許文献１、特許文献２、非特許文献１参照）は、活性材料の組成を調整することが比較的容易で種々の波長を放出することが可能であることから、高出力レーザ分野への応用に対して期待されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の半導体レーザでは、出力を高くするのが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、基板と、該基板の一側に積層された活性層と、前記活性層の前記一側に積層され、その一側の面にメサが形成されている反射鏡と、前記基板の他側に形成され、開口部を有する第１電極と、前記メサに形成された第２電極とを有し、前記メサの外形の大きさが、前記第１電極の開口部の大きさよりも小さい化合物半導体デバイスである。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の化合物半導体デバイスによれば、出力を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１（Ａ）及び図１（Ｂ）は、それぞれ本発明の第１の実施形態に係る化合物半導体デバイス１０を説明するための図である。
【図２】図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、それぞれ傾斜基板を説明するための図である。
【図３】第１電極の開口部の大きさとメサの外径の大きさとの関係を説明するための図である。
【図４】化合物半導体デバイス１０における光閉じ込め領域を説明するための図である。
【図５】光源装置Ａを説明するための図である。
【図６】光源装置Ｂを説明するための図である。
【図７】図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、それぞれ本発明の第２の実施形態に係る化合物半導体デバイス２０を説明するための図である。
【図８】化合物半導体デバイス２０における光閉じ込め領域を説明するための図である。
【図９】光源装置Ｃを説明するための図である。
【図１０】光源装置Ｄを説明するための図である。
【図１１】図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は、それぞれ本発明の第３の実施形態に係る化合物半導体デバイス３０を説明するための図である。
【図１２】化合物半導体デバイス３０における光閉じ込め領域を説明するための図である。
【図１３】光源装置Ｅを説明するための図である。
【図１４】光源装置Ｆを説明するための図である。
【図１５】図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）は、それぞれ本発明の第４の実施形態に係る化合物半導体デバイス４０を説明するための図である。
【図１６】化合物半導体デバイス４０における光閉じ込め領域を説明するための図である。
【図１７】光源装置Ｇを説明するための図である。
【図１８】光源装置Ｈを説明するための図である。
【図１９】イオン注入領域を有する面発光レーザを説明するための図である。
【図２０】選択酸化領域を有する面発光レーザを説明するための図である。
【図２１】図２１（Ａ）及び図２１（Ｂ）は、それぞれレーザアニール装置の概略構成を説明するための図である。
【図２２】レーザ加工機の概略構成を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
《第１の実施形態》
以下、本発明の第１の実施形態を図１（Ａ）〜図６に基づいて説明する。図１（Ａ）及び図１（Ｂ）には、第１の実施形態に係る化合物半導体デバイス１０の概略構成が示されている。
【０００８】
この化合物半導体デバイス１０は、半導体基板１０１、第１スペーサ層１０２、活性層１０３、第２スペーサ層１０４、反射鏡１０５、コンタクト層１０６、第１電極１１０、第２電極１１１などを有している。
【０００９】
半導体基板１０１は、Ｓｉ（珪素）が１×１０１８／ｃｍ３の濃度でドーピングされ、ｎ型の導電性を有するＧａＡｓ基板である。
【００１０】
半導体基板１０１は、表面が鏡面研磨面であり、図２（Ａ）に示されるように、鏡面研磨面（主面）の法線方向が、結晶方位［１  ０  ０］方向に対して、結晶方位［１  １  １］Ａ方向に向かって１５度（θ＝１５度）傾斜している。すなわち、半導体基板１０１はいわゆる傾斜基板である。ここでは、図２（Ｂ）に示されるように、結晶方位［０  −１  １］方向が＋Ｘ方向、結晶方位［０  １  −１］方向が−Ｘ方向となるように配置されている。
【００１１】
第１電極１１０は、レーザ光の射出口となる開口部を有し、半導体基板１０１の＋Ｚ側に形成されている。この第１電極１１０は、ＡｕＧｅ、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（均）が順次積層された金属多層膜でできている。なお、第１電極１１０の外形は、円形及び矩形いずれでも良い。
【００１２】
第１スペーサ層１０２は、半導体基板１０１の−Ｚ側に積層され、ＧａＩｎＰからなる層である。
【００１３】
活性層１０３は、第１スペーサ層１０２の−Ｚ側に積層され、ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＰの３重量子井戸構造の活性層である。各量子井戸層は、発光波長７００ｎｍ、格子歪み＋１．０％、膜厚５ｎｍとなるよう調整されている。各障壁層は、格子歪み−０．３％、膜厚８ｎｍとなるよう調整されている。
【００１４】
第２スペーサ層１０４は、半導体基板１０１の−Ｚ側に積層され、ＧａＩｎＰからなる層である。
【００１５】
第１スペーサ層１０２と活性層１０３と第２スペーサ層１０４とからなる部分は、光学的厚さが７１０ｎｍとなるように、各スペーサ層によって調整されている。なお、各スペーサ層は、活性層１０３と格子整合している。
【００１６】
反射鏡１０５は、第２スペーサ層１０４の−Ｚ側に積層され、ｐ−ＡｌＡｓからなる低屈折率層とｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる高屈折率層のペアを２５ペア有している。各屈折率層には、Ｃ（炭素）がドーパントとして５×１０１６／ｃｍ３の濃度で均一にドーピングされている。
【００１７】
反射鏡１０５の−Ｚ側には、メサ構造（以下では、単に「メサ」ともいう）が形成されている。ここでは、一例として図３に示されるように、メサの外形の大きさは、第１電極１１０の開口部の大きさよりも小さくなるように設定されている。
【００１８】
メサを形成する手法としては、ウェットエッチング及びドライエッチングの何れをも用いることができる。メサの外形は５μｍ〜５００μｍの範囲が好ましい。
【００１９】
コンタクト層１０６は、メサの−Ｚ側に積層され、Ｚｎ（亜鉛）が１×１０１９／ｃｍ３の濃度でドーピングされたＧａＡｓからなる層である。
【００２０】
第２電極１１１は、コンタクト層１０６の−Ｚ側に形成されている。この第２電極１１１は、Ｃｒ（クロム）、ＡｕＺｎ、Ａｕが順次積層された金属多層膜でできている。
【００２１】
なお、各電極が形成されると、熱処理が行われ、半導体材料とのオーミックコンタクトが実現される。
【００２２】
活性層１０３への電流の注入は、第１電極１１０と第２電極１１１との間に電圧を印加することで行われる。
【００２３】
ここでは、反射鏡１０５はｐ型の導電性を有し、半導体基板１０１はｎ型の導電性を有しており、正孔（ｐ型キャリア）は電子（ｎ型キャリア）よりも移動度が小さいため、第２電極１１１より注入された正孔は第１電極１１０より注入された電子ほど拡散せずに活性層１０３に注入される（図４参照）。そこで、活性層１０３へ均一に電流を注入することができる。なお、電流注入領域（図４参照）の大きさは、第２電極１１１の形状や反射鏡１０５の不純物濃度によって調整することができる。
【００２４】
また、メサは半導体材料により構成され、メサの周囲は空気で構成されているため、メサでは、半導体基板１０１に平行な方向の光閉じ込め効果が高い。すなわち、メサの形状によって光閉じ込め領域（図４参照）を調整することができる。そこで、電流注入領域の中心部に光閉じ込め領域を形成することができる。
【００２５】
この化合物半導体デバイス１０では、イオン注入や酸化狭窄などを用いたデバイスと比較して、活性層のより広い領域に均一に電流注入を行うことが可能となり、活性層においてより高出力な発光を得ることができる。
【００２６】
各電極より注入されたキャリアは活性層１０３で結合し、所望の波長で発光する。活性層１０３で発光した光は第１電極１１０の開口部より取り出される。
【００２７】
以上説明したように、本第１の実施形態によると、高出力での発光が可能な化合物半導体デバイスを提供することができる。
【００２８】
図５には、光源装置Ａが示されている。この光源装置Ａは、化合物半導体デバイス１０と、該化合物半導体デバイス１０から射出される光の光路上に配置された外部反射鏡８０とを有している。この場合、化合物半導体デバイス１０と外部反射鏡８０とによって共振器（便宜上、「外部共振器」ともいう）が形成される。すなわち、活性層１０３で発光した光は該外部共振器内で反射を繰り返し、レーザ発振を実現することができる。ここでは、約７１０ｎｍの波長を有するレーザ光を発振させることができる。そこで、光源装置Ａは、レーザ光を高出力で射出することができる。
【００２９】
また、図６には、光源装置Ｂが示されている。この光源装置Ｂは、化合物半導体デバイス１０と、該化合物半導体デバイス１０から射出される光の光路上に配置された外部反射鏡８０と、化合物半導体デバイス１０と外部反射鏡８０との間に配置された非線形光学結晶８２とを有している。この場合、共振する基本波の波長の１／２の波長を有する二次高調波を生成することができる。そして、外部反射鏡８０を基本波に対して高反射率で、二次高調波に対して低反射率とすることによって、二次高調波のみを発振光として外部に取り出すことができる。ここでは、約３５５ｎｍの波長を有するレーザ光（紫外光）を得ることができる。そこで、光源装置Ｂは、活性層１０３での発光波長の１／２の波長を有するレーザ光を高出力で射出することができる。
【００３０】
《第２の実施形態》
次に、本発明の第２の実施形態に係る化合物半導体デバイス２０について説明する。この化合物半導体デバイス２０は、一例として図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示されるように、前記化合物半導体デバイス１０における半導体基板１０１に射出孔が形成されている点に特徴を有する。その他の構成は、前述した第１の実施形態と同様である。従って、以下においては、第１の実施形態との相違点を中心に説明するとともに、前述した第１の実施形態と同一若しくは同等の構成部分については同一の符号を用い、その説明を簡略化し若しくは省略するものとする。
【００３１】
第１の実施形態における化合物半導体デバイス１０は、活性層１０３での発光波長のエネルギーが半導体基板１０１のバンドギャップ以下の場合に限られる。活性層１０３での発光波長のエネルギーが半導体基板１０１のバンドギャップ以上の場合、活性層１０３で発生した光は半導体基板１０１によって吸収される。
【００３２】
化合物半導体デバイス２０では、半導体基板１０１に射出孔を設けることによって、活性層１０３での発光波長のエネルギーが半導体基板１０１のバンドギャップ以上の場合であっても、半導体基板１０１側からの光の取出しが可能となる。なお、射出孔の内径は３０μｍ〜１０００μｍの範囲内が好ましい。
【００３３】
半導体基板１０１の厚さは数十μｍ以上であり、半導体基板１０１をエッチングにより除去する場合、厳密な膜厚制御が行われなければ、活性層１０３をエッチングしてしまう恐れがある。
【００３４】
そこで、半導体基板１０１がＧａＡｓ、量子井戸層がＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ、障壁層及びスペーサ層がＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓの場合、アンモニアと過酸化水素水の混合溶液でウェットエッチングを行うことにより、半導体基板１０１のみを除去し、容易に射出孔を作成することができる。
【００３５】
また、量子井戸層がＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ、障壁層及びスペーサ層が（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐの場合、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）エッチング法等のドライエッチングや、硫酸と過酸化水素水の混合溶液を用いたウェットエッチングにより半導体基板１０１のみを選択的に除去し、容易に射出孔を作成することができる。
【００３６】
また、反射鏡１０５の−Ｚ側に形成されているメサの外形を射出孔の大きさよりも小さくすることによって、半導体基板１０１に平行な方向に関する光閉じ込め効果を高めることができる（図８参照）。
【００３７】
そこで、本第２の実施形態によると、半導体基板のバンドギャップエネルギ以上のエネルギを有する光の高出力での発光が可能な化合物半導体デバイスを提供することができる。そして、高出力な短波長用の面発光レーザが可能である。
【００３８】
図９には、光源装置Ｃが示されている。この光源装置Ｃは、化合物半導体デバイス２０と、化合物半導体デバイス２０から射出される光の光路上に配置された外部反射鏡８０とを有している。この場合、化合物半導体デバイス２０と外部反射鏡８０とによって外部共振器が形成される。すなわち、活性層で発光した光は該外部共振器内で反射を繰り返し、レーザ発振を実現することができる。ここでは、約７１０ｎｍの波長を有するレーザ光を発振させることができる。そこで、光源装置Ｃは、レーザ光を高出力で射出することができる。
【００３９】
また、図１０には、光源装置Ｄが示されている。この光源装置Ｄは、化合物半導体デバイス２０と、化合物半導体デバイス２０から射出される光の光路上に配置された外部反射鏡８０と、化合物半導体デバイス２０と外部反射鏡８０との間に配置された非線形光学結晶８２とを有している。この場合、共振する基本波の波長の１／２の波長を有する二次高調波を生成することができる。そして、外部反射鏡８０を基本波に対し高反射率で、二次高調波に対し低反射率とすることによって、二次高調波のみを発振光として外部に取り出すことができる。ここでは、約３５５ｎｍの波長を有するレーザ光（紫外光）を得ることができる。そこで、光源装置Ｄは、活性層での発光波長の１／２の波長を有するレーザ光を高出力で射出することができる。
【００４０】
《第３の実施形態》
次に、本発明の第３の実施形態に係る化合物半導体デバイス３０について説明する。この化合物半導体デバイス３０は、一例として図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示されるように、前記化合物半導体デバイス２０における半導体基板１０１と第１スペーサ層１０２との間に電流拡散層１０７が設けられている点に特徴を有する。その他の構成は、前述した第２の実施形態と同様である。従って、以下においては、第２の実施形態との相違点を中心に説明するとともに、前述した第２の実施形態と同一若しくは同等の構成部分については同一の符号を用い、その説明を簡略化し若しくは省略するものとする。
【００４１】
第２の実施形態における化合物半導体デバイス２０では、半導体基板１０１の一部が除去されているため、電子（ｎ型キャリア）の経路が大きく制限されている。その結果、活性層１０３への電流注入が不均一になるか、あるいは電気抵抗が著しく上昇する恐れがある。
【００４２】
そこで、化合物半導体デバイス３０では、半導体基板１０１と第１スペーサ層１０２の間に電流拡散層１０７を挿入することによって、均一な電流注入を実現するための経路を確保するとともに、電気抵抗の上昇を抑制している。
【００４３】
ここでは、電流拡散層１０７は、Ｓｅ（セレン）がドーパントとして５×１０１７／ｃｍ３の濃度で均一にドーピングされたＡｌ０．３ＧａＡｓからなる層であり、ｎ型の導電性を有している。この電流拡散層１０７の厚さは３μｍである。
【００４４】
なお、活性層１０３での発光波長のエネルギーが半導体基板１０１のバンドギャップエネルギー以上で、かつ電流拡散層１０７が挿入される場合、電流拡散層１０７には、発光波長のエネルギー以上のバンドギャップエネルギーを有する材料を用いなければならない。
【００４５】
また、反射鏡１０５の−Ｚ側に形成されているメサの外形を射出孔の大きさよりも小さくすることによって、半導体基板１０１に平行な方向に関する光閉じ込め効果を高めることができる（図１２参照）。
【００４６】
そこで、本第３の実施形態によると、半導体基板のバンドギャップエネルギ以上のエネルギを有する光の高出力での発光が可能で、かつ低抵抗な化合物半導体デバイスを提供することができる。そして、高効率かつ高出力な面発光レーザが可能である。
【００４７】
図１３には、光源装置Ｅが示されている。この光源装置Ｅは、化合物半導体デバイス３０と、化合物半導体デバイス３０から射出される光の光路上に配置された外部反射鏡８０とを有している。この場合、化合物半導体デバイス３０と外部反射鏡８０とによって外部共振器が形成される。すなわち、活性層で発光した光は該外部共振器内で反射を繰り返し、レーザ発振を実現することができる。ここでは、約７１０ｎｍの波長を有するレーザ光を発振させることができる。そこで、光源装置Ｅは、レーザ光を高効率かつ高出力で射出することができる。
【００４８】
また、図１４には、光源装置Ｆが示されている。この光源装置Ｆは、化合物半導体デバイス３０と、化合物半導体デバイス３０から射出される光の光路上に配置された外部反射鏡８０と、化合物半導体デバイス３０と外部反射鏡８０との間に配置された非線形光学結晶８２とを有している。この場合、共振する基本波の波長の１／２の波長を有する二次高調波を生成することができる。そして、外部反射鏡８０を基本波に対し高反射率で、二次高調波に対し低反射率とすることによって、二次高調波のみを発振光として外部に取り出すことができる。ここでは、約３５５ｎｍの波長を有するレーザ光（紫外光）を得ることができる。そこで、光源装置Ｆは、活性層での発光波長の１／２の波長を有するレーザ光を高効率かつ高出力で射出することができる。
【００４９】
《第４の実施形態》
次に、本発明の第４の実施形態に係る化合物半導体デバイス４０について説明する。この化合物半導体デバイス４０は、一例として図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）に示されるように、前記化合物半導体デバイス３０における電流拡散層１０７と第１スペーサ層１０２との間に反射鏡１０８が更に設けられている点に特徴を有する。その他の構成は、前述した第３の実施形態と同様である。従って、以下においては、第３の実施形態との相違点を中心に説明するとともに、前述した第３の実施形態と同一若しくは同等の構成部分については同一の符号を用い、その説明を簡略化し若しくは省略するものとする。
【００５０】
反射鏡１０８は、一例として、ｐ−ＡｌＡｓからなる低屈折率層とｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる高屈折率層のペアを２５ペア有している。
【００５１】
反射鏡１０８が設けられることにより、面発光レーザとしてキャビティモードが定義され、レーザ発振した際の共振波長が固定される。
【００５２】
反射鏡１０８の反射率を適切に設定することによって、化合物半導体デバイス４０を垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）として動作させることができる。反射鏡１０５及び反射鏡１０８の反射率は、いずれも９９％以上であることが好ましい。また、半導体基板１０１側より発振光を取り出すためには反射鏡１０８の反射率は、反射鏡１０５の反射率よりも小さくなければならない。
【００５３】
また、反射鏡１０５の−Ｚ側に形成されているメサの外形を射出孔の大きさよりも小さくすることによって、半導体基板１０１に平行な方向に関する光閉じ込め効果を高めることができる（図１６参照）。
【００５４】
そこで、本第４の実施形態によると、半導体基板のバンドギャップエネルギ以上のエネルギを有する光の高出力での発光が可能で、かつ波長制御性に優れた化合物半導体デバイスを提供することができる。そして、高効率かつ高出力で、波長制御性に優れた面発光レーザが可能である。
【００５５】
図１７には、光源装置Ｇが示されている。この光源装置Ｇは、化合物半導体デバイス４０と、化合物半導体デバイス４０から射出される光の光路上に配置された外部反射鏡８０とを有している。この場合、反射鏡１０８の反射率を適切に設定し、反射鏡１０８及び外部反射鏡８０の合計の反射率を９９％以上、かつ反射鏡１０５の反射率以下とすることでレーザ発振が可能となり、外部反射鏡８０側より波長制御性の優れたレーザ光を取り出すことができる。このとき、共振波長は、反射鏡１０５と反射鏡１０８の間隔、及び反射鏡１０８と外部反射鏡８０の間隔との相関によって決定されるため、化合物半導体デバイス４０は垂直外部共振器型面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）として動作する。そこで、光源装置Ｇは、波長制御性に優れ、レーザ光を高効率かつ高出力で射出することができる。
【００５６】
また、図１８には、光源装置Ｈが示されている。この光源装置Ｈは、化合物半導体デバイス４０と、化合物半導体デバイス４０から射出される光の光路上に配置された外部反射鏡８０と、化合物半導体デバイス４０と外部反射鏡８０との間に配置された非線形光学結晶８２とを有している。この場合、共振する基本波の波長の１／２の波長を有する二次高調波を生成することができる。そして、外部反射鏡８０を基本波に対し高反射率で、二次高調波に対し低反射率とすることによって、二次高調波のみを発振光として外部に取り出すことができる。そこで、光源装置Ｆは、波長制御性に優れ、基本波の波長の１／２の波長を有するレーザ光を高効率かつ高出力で射出することができる。
【００５７】
ところで、高出力レーザの分野においては、アモルファスシリコンのアニール処理や微細加工の分野において、４００ｎｍ以下の紫外帯域のエキシマレーザが広く用いられている。しかしエキシマレーザはシステムが非常に高価であるだけではなく、定常的に励起用ガスを交換する必要があるため、その運用においても多大なコストを必要とする。このような状況に対して安価で高品質なレーザ光源が求められている。
【００５８】
半導体レーザでは、活性層への電流注入もしくは光励起によってキャリア注入され、所定のバンドギャップに応じて発光波長が決定する。すなわち、半導体レーザでは、活性層を構成する材料の組成を調整することによってバンドギャップを調整することが可能であり、任意の波長のレーザ光を得ることが可能である。
【００５９】
半導体レーザとしては端面発光型レーザや面発光レーザなどがあり、特に後者は波長の安定性や高集積化が容易などの長所を有していることから近年注目されている。
【００６０】
また、面発光レーザは、端面発光型レーザと比較すると消費電力が少ないという特徴を有している。面発光レーザでは、低消費電力化を実現するため、活性層への電流注入面積を限定している。
【００６１】
面発光レーザにおいて、活性層への注入電流密度を高める手法として、一例として図１９に示されるように、イオン注入によりメサ周辺部を高抵抗化する手法（以下では、「イオン注入法」ともいう）や、一例として図２０に示されるように、ｐ側反射鏡中にＡｌＡｓ層を設けメサ周辺部より水蒸気酸化させて選択酸化領域を形成する手法（以下では、「選択酸化法」ともいう）が用いられている。また、選択酸化法では、酸化領域と非酸化領域とで屈折率が異なるため、これによって基板に平行な方向での光閉じ込めを実現できる。市販されている多くの面発光レーザでは、選択酸化法が採用されている。
【００６２】
しかしながら、イオン注入法では、イオン注入を行うことにより結晶中に無数の格子欠陥が生成され、デバイスに通電することによってこれらの格子欠陥が起因して転位が生成され、デバイスの信頼性を低下させるおそれがあった。
【００６３】
選択酸化法では、ＡｌＡｓ層におけるメサ外周部のみを選択的に酸化させることによって、活性層の中心部のみに通電し電流密度を高めることができる。また、同時に上記の如く基板に平行な方向の光閉じ込めを実現することができる。
【００６４】
しかしながら、ＡｌＡｓ層を酸化させると体積が減少し、周辺の結晶に格子歪みを生じさせる。そして、通電時において、該格子歪みが転位の生成源となり信頼性を低下させるおそれがあった。
【００６５】
上記のように従来の電流狭窄方法は、信頼性の点において懸念を有しており、それは注入電流、すなわち光出力が増加するほど顕著となる。
【００６６】
上記２つの手法を用いる場合、電流注入領域は、それぞれイオン注入領域及び選択酸化領域によって調整されるが、注入領域が一定以上の大きさになると、均一な電流注入が不可能となる。すなわち、上記２つの手法を用いる場合、電流注入領域に上限があり、デバイスの最高出力が制限される。
【００６７】
ところで、面発光レーザには、励起方式やデバイス構成によって様々な種類が存在する。励起方式については、励起光源によりキャリアを発生させ量子井戸に注入し発光させる光励起方式、及び外部電極を設け電流注入により発光させる電流注入方式などがある。
【００６８】
また、デバイス構成については、半導体基板上に第１反射鏡、活性領域、第２反射鏡が積層され、短い共振器を有するデバイスと、半導体基板上に第１反射鏡、活性領域が積層され、活性領域を挟んで第１反射鏡と対向する位置に第２反射鏡としての外部反射鏡を配置することで半導体層の外部に共振器（外部共振器）を形成するデバイスなどが考えられている。
【００６９】
光励起方式については、例えば特許文献１に記されている。この特許文献１では、ヒートシンク上に固定された化合物半導体基板に励起光を照射することでキャリアを生成し活性層で発光させている。光励起方式は、外部で発生した励起光を使用するので電力変換効率が低い。
【００７０】
上記外部共振器を利用する光励起方式の場合、発振波長は主に活性層の組成によって決定される。また外部共振器内の光路中に非線形光学結晶を配置することで、非線形光学結晶が存在しない場合の波長の整数分の一とすることができる。
【００７１】
また、活性層の発光波長について、原理的に励起光よりも短波で発光させることはできない。同様に励起光以上の出力を得ることも不可能である。すなわち、光励起方式の場合、発振波長や出力については励起光源に大きく依存している。
【００７２】
装置の小型化及び低コスト化を考慮する場合、励起光源としては半導体レーザを用いるのが好ましいが、短波になるほど原理的に高出力化が困難である。
【００７３】
光励起方式により紫外帯域の波長を得る場合、波長が８００ｎｍ以下の発振光に対して非線形光学結晶での二次高調波発生（Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）を利用する方法が考えられる。波長が１μｍ以上の発振光を二次以上の高調波に変換する方法も理論的には存在するが、それに対応する非線形光学結晶の変換効率はきわめて低く、高出力化については困難である。
【００７４】
二次高調波発生を利用して紫外帯域の発振光を得る場合、励起光源として波長が８００ｎｍ以下の励起光源が必要であり、現実的に光励起方式によって紫外帯域の高出力化を実現するには、波長が６５０ｎｍ以下の励起光源が必要である。そのような光源としては、Ａｒレーザや、Ｎｄ：ＹＶＯ４と非線形光学結晶とを組み合わせたレーザなどの比較的大型の光源であり、小型の半導体レーザにおいては波長が６５０ｎｍ以下の高出力光源は存在しない。
【００７５】
すなわち、紫外帯域の安価なレーザ光源を実現するためには、電流注入方式を用いなければならない。
【００７６】
電流注入方式については、紫外帯域のレーザ光を直接、発振により獲得するためには、窒化物半導体材料を用いなければならないが、現在高出力化に耐えうる高品質のＧａＮ基板は開発されていない。そこで、ＧａＡｓ基板を用いたＡｌＧａＩｎＰＡｓ系材料の半導体レーザを作製し、非線形光学結晶を用いて波長変換することにより紫外帯域のレーザ光を発振させなければならない。
【００７７】
面発光レーザは、低い消費電力、容易な高集積性などの特徴を有していることから、それを搭載した製品が多数発売されている。非特許文献１に開示されているＶＣＳＥＬでは、電極と活性層との間に選択酸化層により高抵抗化した構造を挿入することにより電流狭窄を行い、活性層への電流注入面積を制限することにより低消費電力化を実現している。
【００７８】
また、選択酸化層における酸化領域と通電領域の屈折率の差によって、基板に平行な方向での光閉じ込めを向上させている。しかしながら、非特許文献１に開示されている構造では、電流注入面積が小さいため高出力化は困難である。また、正孔を注入する上部電極が環状をなしており、高出力化のため上記電流狭窄の面積を拡大すると、電流注入が不均一となり発振閾値の増加や、ビーム形状の乱れなど多くの弊害が発生する。
【００７９】
また、非特許文献１に開示されている構造では、選択酸化領域と上部電極とは異なる工程で作製されるため、それらの位置的な不整合を完全に回避することは不可能である。その結果、基板に平行な方向での光閉じ込め効果に不均衡が生じ、ビームスポットを所望の形状とすることが困難となる。
【００８０】
これに対し、特許文献２では、正孔を注入する面積を制限することで注入領域を制限している。その結果、電流狭窄層が不要になり、大面積の注入領域であっても均一な電流注入が可能となる。しかしながら、特許文献２に開示されている構造では、基板に平行な方向での光閉じ込めについては何ら考慮されていないため、効率的なレーザ発振は困難である。
【００８１】
また、特許文献２に開示されている構造では、ＧａＡｓ基板を通してレーザ光を取り出しているため、ＧａＡｓのバンドギャップ幅以上のエネルギを有するレーザ光の取り出しは不可能である。ＧａＡｓのバンドギャップ幅以上のエネルギを有するレーザ光を取り出すためには、射出光に対応する領域のＧａＡｓ基板を除去すれば良いが、基板に平行な方向での光閉じ込め効果が更に低下する。すなわち、特許文献２に開示されている構造では、ＧａＡｓのバンドギャップ幅以上のエネルギを有するレーザ光を発振するデバイスを実現することは不可能である。
【００８２】
《レーザアニール装置》
一例として図２１（Ａ）及び図２１（Ｂ）にレーザ装置としてのレーザアニール装置１０００の概略構成が示されている。このレーザアニール装置１０００は、光源１０１０、光学系１０２０、テーブル装置１０３０、及び不図示の制御装置などを備えている。
【００８３】
光源１０１０は、上記光源装置Ａ〜Ｈのいずれかを複数有し、複数のレーザ光を射出することができる。光学系１０２０は、光源１０１０から射出された複数のレーザ光を対象物Ｐの表面に導光する。テーブル装置１０３０は、対象物Ｐが載置されるテーブルを有している。該テーブルは、少なくともＹ軸方向に沿って移動することができる。
【００８４】
例えば、対象物Ｐがアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）の場合、レーザ光が照射されると、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）は、温度が上昇し、その後、徐々に冷却されることによって結晶化し、ポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）になる。
【００８５】
この場合、レーザアニール装置１０００は、光源１０１０が上記光源装置Ａ〜Ｈのいずれかを有しているため、アニール処理を効率的に行うことができる。
【００８６】
《レーザ加工機》
一例として図２２にレーザ装置としてのレーザ加工機２０００の概略構成が示されている。このレーザ加工機２０００は、光源２０１０、光学系２１００、対象物Ｐが載置されるテーブル２１５０、テーブル駆動装置２１６０、操作パネル２１８０及び制御装置２２００などを備えている。
【００８７】
光源２０１０は、上記光源装置Ａ〜Ｈのいずれかを有し、制御装置２２００の指示に基づいてレーザ光を射出する。光学系２１００は、光源２０１０から射出されたレーザ光を対象物Ｐの表面近傍で集光させる。テーブル駆動装置２１６０は、制御装置２２００の指示に基づいて、テーブル２１５０をＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に移動させる。
【００８８】
操作パネル２１８０は、作業者が各種設定を行うための複数のキー、及び各種情報を表示するための表示器を有している。制御装置２２００は、操作パネル２１８０からの各種設定情報に基づいて、光源２０１０及びテーブル駆動装置２１６０を制御する。
【００８９】
この場合、レーザ加工機２０００は、光源２０１０が上記光源装置Ａ〜Ｈのいずれかを有しているため、加工処理（例えば、切断）を効率的に行うことができる。
【００９０】
なお、レーザ加工機２０００は、複数の光源２０１０を有しても良い。
【００９１】
また、光源装置Ａ〜Ｈは、レーザアニール装置及びレーザ加工機以外のレーザ光を利用する装置にも好適である。例えば、表示装置の光源に用いても良い。
【００９２】
また、化合物半導体デバイス１０〜４０を単体で光源に用いても良い。この場合であっても、従来よりも高出力でレーザ光を射出することができる。
【００９３】
なお、上記各実施形態では、活性層での発光波長が約７１０ｎｍの場合について説明したが、これに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００９４】
１０…化合物半導体デバイス、２０…化合物半導体デバイス、３０…化合物半導体デバイス、４０…化合物半導体デバイス、８０…外部反射鏡、８２…非線形光学結晶、１０１…半導体基板（基板）、１０２…第１スペーサ層、１０３…活性層、１０４…第２スペーサ層、１０５…反射鏡、１０６…コンタクト層、１０７…電流拡散層、１０８…反射鏡（第２の反射鏡）、１１０…第１電極、１１１…第２電極、１０００…レーザアニール装置（レーザ装置）、１０１０…光源、１０２０…光学系、１０３０…テーブル装置、２０００…レーザ加工機（レーザ装置）、２０１０…光源、２１００…光学系、２１５０…テーブル、２１６０…テーブル駆動装置、２１８０…操作パネル、２２００…制御装置、Ｐ…対象物。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９５】
【特許文献１】特表２００２−５２３８８９号公報
【特許文献２】特許第４８３７８３０号公報
【非特許文献】
【００９６】
【非特許文献１】ＩＥＥＥ．Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．１１，  Ｎｏ．１２（１９９９）ｐ１５３９−１５４１
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図１９】
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