(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された第１導電型の第１の半導体多層膜、第１のスペーサ層、活性層、第２のスペーサ層、および第１の半導体多層膜とともに共振器を構成する第２導電型の第２の半導体多層膜を含む半導体層と、を備え、
前記共振器により形成される定在波の分布のピークと前記活性層の中心とが異なる位置関係にあり、単一の縦モードで、共振および発振する
面発光型半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記第１のスペーサ層の光学膜厚と前記第２のスペーサ層の光学膜厚とが異なることにより、前記共振器により形成される定在波の分布のピークと前記活性層の中心とが異なる位置関係にある
請求項１に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記第１のスペーサ層の物理膜厚と前記第２のスペーサ層の物理膜厚とが異なること、および、前記第１のスペーサ層の屈折率と前記第２のスペーサ層の屈折率とが異なること、の少なくとも一方により、前記第１のスペーサ層の光学膜厚と前記第２のスペーサ層の光学膜厚とが異なる
請求項２に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記第１のスペーサ層の光学膜厚と前記第２のスペーサ層の光学膜厚との比が、０．９９以下、または、１．０１以上である
請求項２または請求項３に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項５】
基本横モードが発振する範囲内で前記共振器により形成される定在波の分布のピークと前記活性層の中心とがずらされ、前記共振器により形成される定在波の分布のピークと前記活性層の中心とが異なる位置関係にある
請求項１〜請求項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】
前記活性層の中心から前記第１の半導体多層膜と前記第１のスペーサ層との界面までの光学膜厚、または、前記活性層の中心から前記第２の半導体多層膜と前記第２のスペーサ層との界面までの光学膜厚が、λを発振波長、ｎを前記半導体層の屈折率とした場合に、λ／（４ｎ）の整数倍とは異なる
請求項１〜請求項５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】
基板上に第１導電型の第１の半導体多層膜を設ける工程と、
前記第１の半導体多層膜上に第１の光学膜厚で第１のスペーサ層を設ける工程と、
前記第１のスペーサ上に活性層を設ける工程と、
前記活性層上に前記第１の光学膜厚と異なる第２の光学膜厚で第２のスペーサ層を設ける工程と、
前記第２のスペーサ上に前記第１の半導体多層膜とともに共振器を構成する第２導電型の第２の半導体多層膜を設ける工程と、
を含む、単一の縦モードで、共振および発振する面発光型半導体レーザ素子の製造方法。
【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および面発光型半導体レーザ素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、第１の層および該第１の層よりも屈折率の大きい第１の高屈折率層を含む第１の多層膜ブラッグ反射鏡と、第２の層および該第２の層よりも屈折率の大きい第２の高屈折率層を含む第２の多層膜ブラッグ反射鏡と、該第１および第２の多層膜ブラッグ反射鏡に挟まれ、光学利得を発生する活性層部を含む光共振器部とを有する面発光レーザであって、第１の多層膜ブラッグ反射鏡について光共振器部に接している層が第１の層であり、第２の多層膜ブラッグ反射鏡について光共振器部に接している層が第２の層であり、共振器部の実効的な屈折率ｎｅｆｆが第１および第２の層よりも大きく、かつ、光共振器部の光路長ｎｅｆｆＬが面発光レーザの発振波長λと０．５λ＜ｎｅｆｆＬ≦０．７λの関係にあり、光路長ｎｅｆｆＬから０．５λを引いた結果の値をΔＬとすると、光共振器部と第１の多層膜ブラッグ反射鏡または第２の多層膜ブラッグ反射鏡との境界からΔＬ離れた位置に活性層部が設けられた面発光レーザが開示されている。
【０００３】
特許文献２には、基板上に、下部反射層、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、上部反射層を順次積層した構造を備え、基板に対して垂直方向にレーザ発振する面発光レーザ素子であって、下部反射層または上部反射層の内部であって、活性層中心から３７０ｎｍ以上、７８０ｎｍ以下の距離だけ積層方向に離隔した領域に配置された選択酸化領域と、該選択酸化領域に挟まれて配置された電流注入領域と、を備え、電流注入領域を含む積層方向領域の実効屈折率と、選択酸化領域を含む積層方向領域の実効屈折率との差分値が０．０３８以下であることを特徴とする面発光レーザ素子が開示されている。
【０００４】
特許文献３には、ｐドープ領域および非ドープ領域を有するｐスペーサと、ｎドープ領域および非ドープ領域を有するｎスペーサと、ｐスペーサの非ドープ領域およびｎスペーサの非ドープ領域の間の活性領域であって、正孔と電子の再結合によって波長λの光を生成する活性領域と、を有し、ｐスペーサの非ドープ領域は、ｎスペーサの非ドープ領域とは異なる厚さを有する、レーザが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００８／０７８５９５号
【特許文献２】特開２００３−２９８１８６号公報
【特許文献３】特開２００４−３２７９９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、定在波の分布のピークと活性層の中心とが一致している場合と比較して、より高い基本横モードの光出力が得られる面発光型半導体レーザ素子および面発光型半導体レーザ素子の製造方法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】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ素子は、基板と、前記基板上に形成された第１導電型の第１の半導体多層膜、第１のスペーサ層、活性層、第２のスペーサ層、および第１の半導体多層膜とともに共振器を構成する第２導電型の第２の半導体多層膜を含む半導体層と、を備え、前記共振器により形成される定在波の分布のピークと前記活性層の中心とが異なる位置関係にあり、単一の縦モードで、共振および発振するものである。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１のスペーサ層の光学膜厚と前記第２のスペーサ層の光学膜厚とが異なることにより、前記共振器により形成される定在波の分布のピークと前記活性層の中心とが異なる位置関係にあるものである。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記第１のスペーサ層の物理膜厚と前記第２のスペーサ層の物理膜厚とが異なること、および、前記第１のスペーサ層の屈折率と前記第２のスペーサ層の屈折率とが異なること、の少なくとも一方により、前記第１のスペーサ層の光学膜厚と前記第２のスペーサ層の光学膜厚とが異なるものである。
【００１０】
また、請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の発明において、前記第１のスペーサ層の光学膜厚と前記第２のスペーサ層の光学膜厚との比が、０．９９以下、または、１．０１以上であるものである。
【００１１】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、基本横モードが発振する範囲内で前記共振器により形成される定在波の分布のピークと前記活性層の中心とがずらされ、前記共振器により形成される定在波の分布のピークと前記活性層の中心とが異なる位置関係にあるものである。
【００１２】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の発明において、前記活性層の中心から前記第１の半導体多層膜と前記第１のスペーサ層との界面までの光学膜厚、または、前記活性層の中心から前記第２の半導体多層膜と前記第２のスペーサ層との界面までの光学膜厚が、λを発振波長、ｎを前記半導体層の屈折率とした場合に、λ／（４ｎ）の整数倍とは異なるものである。
【００１３】
上記の目的を達成するために、請求項７に記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法は、基板上に第１導電型の第１の半導体多層膜を設ける工程と、前記第１の半導体多層膜上に第１の光学膜厚で第１のスペーサ層を設ける工程と、前記第１のスペーサ上に活性層を設ける工程と、前記活性層上に前記第１の光学膜厚と異なる第２の光学膜厚で第２のスペーサ層を設ける工程と、前記第２のスペーサ上に前記第１の半導体多層膜とともに共振器を構成する第２導電型の第２の半導体多層膜を設ける工程と、を含む、単一の縦モードで、共振および発振する面発光型半導体レーザ素子の製造方法である。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１および請求項７に記載の発明によれば、定在波の分布のピークと活性層の中心とが一致している場合と比較して、より高い基本横モードの光出力が得られる面発光型半導体レーザ素子および面発光型半導体レーザ素子の製造方法が提供される、という効果を奏する。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、第１のスペーサ層の光学膜厚と第２のスペーサ層の光学膜厚が同じ場合と比較して、より精度よく定在波の分布のピークと活性層の中心とが異なる位置関係にされる、という効果を奏する。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、第１のスペーサ層と第２のスペーサ層について、物理膜厚また屈折率以外を変えて光学膜厚を異ならせる場合と比較して、より簡易に光学膜厚が異なるものとされる、という効果を奏する。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、第１のスペーサ層の光学膜厚と第２のスペーサ層の光学膜厚との比が、０．９９より大きく１．０１未満である場合と比較して、より基本横モードの光出力が高くされる、という効果を奏する。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、基本横モードが発振する範囲と関係なく定在波の分布のピークと活性層の中心とをずらす場合と比較して、より確実に高い基本横モードの光出力が得られる、という効果を奏する。
【００１９】
請求項６に記載の発明によれば、活性層の中心から第１の半導体多層膜と第１のスペーサ層との界面までの光学膜厚、または、活性層の中心から第２の半導体多層膜と第２のスペーサ層との界面までの光学膜厚が、λ／（４ｎ）の整数倍である場合と比較して、より多様な構造の面発光型半導体レーザ素子について、より高い基本横モードの光出力が得られる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子の構成の一例を示す断面図である。
【図２】従来技術に係る面発光型半導体レーザ素子の定在波の分布のピークと活性層の中心との位置関係を説明する図である。
【図３】第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子の定在波の分布のピークと量子井戸活性層の中心との位置関係を説明する図である。
【図４】第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子の特性の一例を説明するグラフである。
【図５】第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子の定在波の分布のピークと量子井戸活性層の中心との位置関係を説明する図である。
【図６】第３の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子の定在波の分布のピークと量子井戸活性層の中心との位置関係を説明する図である。
【図７】第４の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子の定在波の分布のピークと量子井戸活性層の中心との位置関係を説明する図である。
【図８】実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子の製造方法の一例を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態について詳細に説明するが、まず、図１を参照して、実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０の構成の一例について説明する。図１は、実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０の断面図である。
なお、本実施の形態では、ｎ型ＧａＡｓ基板を用いたＧａＡｓ系の面発光型半導体レーザ素子を例示して説明するが、これに限られず、ＩｎＧａＡｓＰ系や、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系材料等を用いた面発光型半導体レーザ素子に適用した形態としてもよい。また、基板はｎ型に限られず、ｐ型を用いてもよい。その場合には、以下の説明において、ｎ型とｐ型を逆に読み替えればよい。
【００２２】
図１に示すように、面発光型半導体レーザ素子１０は、ｎ型ＧａＡｓ基板１２上に形成されたｎ型ＧａＡｓバッファ層１４、下部ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）１６、活性領域２４、ＡｌＡｓ層３２、上部ＤＢＲ２６、およびＰ型ＧａＡｓコンタクト層２８含んで構成されている。
【００２３】
メサ構造を含む半導体層の周囲は無機絶縁膜としてのシリコン酸窒化膜３４が着膜されており、該シリコン酸窒化膜３４を介してＰ型電極３６が設けられている。Ｐ型電極３６はＰ型ＧａＡｓコンタクト層２８に接続され、Ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２８との間でオーミック性接触を形成している。Ｐ型電極３６は、たとえば、Ｔｉ（チタン）／Ａｕ（金）の積層膜を着膜して形成される。一方、ｎ型ＧａＡｓ基板１２の上記半導体層が形成された面とは反対側の面には、ｎ型電極３０が設けられている。ｎ型電極３０は、一例として、ＡｕＧｅ（金とゲルマニウムとの合金）／Ａｕの積層膜を着膜して形成される。
【００２４】
本実施の形態に係るｎ型ＧａＡｓ基板１２には、一例としてＳｉ（シリコン）がドープされたＧａＡｓ基板を用いている。
【００２５】
ｎ型ＧａＡｓ基板１２上に形成された、一例としてＳｉがドープされたＧａＡｓによって構成されるｎ型ＧａＡｓバッファ層１４は、サーマルクリーニング後、基板表面の結晶性を良好にするために設けられる。
【００２６】
ｎ型ＧａＡｓバッファ層１４上に形成されたｎ型の下部ＤＢＲ１６は、面発光型半導体レーザ素子１０の発振波長をλ、媒質（半導体層）の屈折率をｎとした場合に、膜厚がそれぞれ０．２５λ／ｎとされかつ屈折率の互いに異なる２つの半導体層を交互に繰り返し積層して構成される多層膜反射鏡である。具体的には、下部ＤＢＲ１６は、ＳｉがドープされたＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓによるｎ型の低屈折率層と、ＳｉがドープされたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓによるｎ型の高屈折率層と、を交互に繰り返し積層することにより構成されている。なお、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０では、発振波長λを、一例として７８０ｎｍとしている。
【００２７】
本実施の形態に係る活性領域２４は、下部スペーサ層１８、量子井戸活性層２０、および上部スペーサ層２２を含んで構成されている。本実施の形態に係る量子井戸活性層２０は、４層のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる障壁層と、その間に設けられた３層のＡｌ０．１１Ｇａ０．８９Ａｓからなる量子井戸層と、で構成されている。下部スペーサ層１８、上部スペーサ層２２は、各々量子井戸活性層２０と下部ＤＢＲ１６、上部ＤＢＲ２６との間に配置されることにより、後述する共振器の長さを調整する機能とともに、キャリアを閉じ込めるためのクラッド層としての機能も有している。
【００２８】
活性領域２４上に設けられたｐ型のＡｌＡｓ層３２は電流狭窄層であり、電流注入領域３２ａおよび選択酸化領域３２ｂを含んで構成されている。ｐ型電極３６からｎ型電極３０に向かって流れる電流は、電流注入領域３２ａによって絞られる。以下、電流注入領域３２ａの直径を「酸化狭窄径」という場合がある。
【００２９】
ＡｌＡｓ層３２上に形成された上部ＤＢＲ２６は、膜厚がそれぞれ０．２５λ／ｎとされかつ屈折率の互いに異なる２つの半導体層を交互に繰り返し積層して構成される多層膜反射鏡である。具体的には、上部ＤＢＲ２６は、Ｃ（カーボン）がドープされたＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓによるｐ型の低屈折率層と、ＣがドープされたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓによるｐ型の高屈折率層と、を交互に繰り返し積層することにより構成されている。
【００３０】
ところで、上記のような面発光型半導体レーザ素子は、基板に垂直な方向にレーザ出力を取り出せ、さらに２次元集積によるアレイ化が容易であることなどから、電子写真システムの書き込み用光源や光通信用光源として利用されている。
【００３１】
面発光型半導体レーザ素子は、半導体基板（ｎ型ＧａＡｓ基板１２）上に設けられた一対の分布ブラッグ反射器（下部ＤＢＲ１６および上部ＤＢＲ２６）、一対の分布ブラッグ反射器の間に設けられた活性層（量子井戸活性層２０）、および共振器スペーサ層（下部スペーサ層１８および上部スペーサ層２２）を備えて構成されている。そして、分布ブラッグ反射器の両側に設けられた電極（ｐ型電極３６およびｎ型電極３０）により活性層へ電流を注入し、基板面に対して垂直にレーザ発振を生じさせ、素子の上部（ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２８の面側）から発振した光を出射させる構成となっている。
【００３２】
また、低閾値電流化と、横モードの制御からＡｌを組成に含む半導体層を酸化して形成される酸化狭窄層（ＡｌＡｓ層３２）を備えており、このＡｌを含む半導体層を酸化するために、素子はメサ形状にエッチング加工され、酸化処理が施される。その後、エッチング加工により露出したメサ形状の側面やエッチングされた半導体表面は、ＳｉＮ膜（シリコン窒化膜）やＳｉＯ２膜（シリコン酸化膜）、あるいはＳｉＯＮ膜（シリコン酸窒化膜）などの絶縁材料によって覆われるのが一般的である。
【００３３】
特に、電子写真システムにおけるＲＯＳ（Ｒａｓｔｅｒ  Ｏｕｔｐｕｔ  Ｓｃａｎｎｅｒ、画像書込み部）等の用途においては、スポットサイズの制御等の必要性から、横モードについて基本モードを支配的にして発振させたい場合がある。面発光型半導体レーザ素子の横モードは、上記電流狭窄層の酸化狭窄径によって制御するのが一般的であるが、基本モードが支配的となるようにしたい場合には、酸化狭窄径を小さくする手法に加え、出射面に高次モードに損失を与える機構を設ける手法、共振器長を長くする手法等も採られてきた。しかしながら、これらの手法は、基本モードの制御についての効果はあるが、プロセスバラツキが生じやすく、高い歩留まりで製造することが難しい。
【００３４】
そこで、本実施の形態では、プロセスのバラツキが少ない結晶成長工程に着目し、結晶成長工程において、共振器により形成される定在波の分布のピークと活性層の中心とが異なる位置関係となる構成を採用した。なお、以下において面発光型半導体レーザ素子の発振モードに言及する場合には、横モードを意味するものとする。
【００３５】
［第１の実施の形態］
図３および図４を参照して、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０ａについて説明するが、その前に、図２を参照して、従来技術に係る面発光型半導体レーザ素子１０ｐの定在波の分布のピークと活性層の中心との位置関係について説明する。
【００３６】
図２（ａ）に示すように、面発光型半導体レーザ素子１０ｐは、下部ＤＢＲ１６、下部スペーサ層１８ｐ、量子井戸活性層（図２（ａ）では「活性層」と表記）２０、上部スペーサ層２２ｐ、および上部ＤＢＲ２６を含んで構成されている。そして、上部スペーサ層２２ｐ物理膜厚（実際の長さで表した膜厚）ｄ１と下部スペーサ層１８ｐの物理膜厚ｄ２とは等しくされ（ｄ１＝ｄ２）、かつ上部スペーサ層２２ｐの屈折率ｎ１と下部スペーサ層１８ｐの屈折率ｎ２とは等しくされている（ｎ１＝ｎ２）。したがって、上部スペーサ層２２ｐの光学膜厚（光学長で表した膜厚、物理膜厚と媒質の屈折率との積）Ｌ１（＝ｎ１・ｄ１）と下部スペーサ層１８ｐの光学膜厚Ｌ２（＝ｎ２・ｄ２）とは等しい（Ｌ１＝Ｌ２）。
【００３７】
図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す面発光型半導体レーザ素子１０ｐの積層方向に対する定在波強度ＳＷと屈折率ＲＩの分布を示すグラフである。定在波強度ＳＷは、電界強度の２乗の値を示している。面発光型半導体レーザ素子１０ｐでは、上部スペーサ層２２ｐと上部ＤＢＲ２６との界面Ｓ１と、下部スペーサ層１８ｐと下部ＤＢＲ１６との界面Ｓ２によって共振器ＣＡが構成される。そして、共振器ＣＡ内においては、界面Ｓ１に腹（定在波強度ＳＷがピーク値を示す箇所）ＡＮ１、界面Ｓ２に腹ＡＮ２が位置するように定在波が発生する。
【００３８】
面発光型半導体レーザ素子１０ｐでは、２（ｂ）に示すように、上部スペーサ層２２ｐの光学膜厚Ｌ１と下部スペーサ層１８ｐの光学膜厚Ｌ２とが等しいので、定在波強度ＳＷのピークＰＳの位置と、量子井戸活性層２０の中心ＰＡの位置とが一致している。
【００３９】
つぎに、図３を参照して、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０ａにおける定在波の分布のピークと量子井戸活性層の中心との位置関係について説明する。なお、図３（ｂ）における界面Ｓ１、Ｓ２、共振器ＣＡ、腹ＡＮ１、ＡＮの位置関係は図２（ｂ）と同様なので、図示を省略している。
【００４０】
図３（ａ）に示すように、面発光型半導体レーザ素子１０ａでは、上部スペーサ層２２ａの物理膜厚ｄ１と下部スペーサ層１８ａの物理膜厚ｄ２とを変えることにより（ｄ１＞ｄ２）、上部スペーサ層２２ａの光学膜厚Ｌ１と下部スペーサ層１８ａの光学膜厚Ｌ２とを異ならせ（Ｌ１＞Ｌ２）、非対称としている。この際、上部スペーサ層２２ａの屈折率ｎ１と下部スペーサ層１８ａの屈折率ｎ２とは同じ値にしている（ｎ１＝ｎ２）。
【００４１】
本実施の形態では、一例として、上部スペーサ層２２ａの物理膜厚ｄ１を下部スペーサ層１８ａの物理膜厚ｄ２よりも長くすることにより、光学膜厚Ｌ１を光学膜厚Ｌ２より１０％長くしている。なお、この長さの差分は１０％に限られず、要求される基本横モードの光出力パワー等に応じて適切な値を設定してよい。また、以下において、上部スペーサ層２２ａの光学膜厚Ｌ１と下部スペーサ層１８ａの光学膜厚Ｌ２とを異ならせた構造を、「非対称共振器構造」という場合がある。
【００４２】
図３（ｂ）に示すように、面発光型半導体レーザ素子１０ａでは、上部スペーサ層２２ａの光学膜厚Ｌ１と下部スペーサ層１８ａの光学膜厚Ｌ２とが異なることにより、定在波強度ＳＷのピークＰＳの位置と、量子井戸活性層２０の中心ＰＡの位置とが一致していない（ずれている）。面発光型半導体レーザ素子１０ａでは、上部スペーサ層２２ａの光学膜厚Ｌ１の方が下部スペーサ層１８ａの光学膜厚Ｌ２より長く設定されているので、定在波強度ＳＷのピークＰＳの位置は、量子井戸活性層２０の中心ＰＡの位置よりも上部スペーサ層２２ａ側にずれる。上記とは逆に、上部スペーサ層２２ａの物理膜厚ｄ１を下部スペーサ層１８ａの物理膜厚ｄ２よりも短くすれば、定在波強度ＳＷのピークＰＳの位置は、量子井戸活性層２０の中心ＰＡの位置よりも下部スペーサ層１８ａ側にずれることはむろんである。
【００４３】
上記のように、定在波強度ＳＷのピークＰＳの位置と、量子井戸活性層２０の中心ＰＡの位置とを異なるように設定すると、以下のような作用が生ずる。すなわち、定在波強度ＳＷのピークＰＳの位置と、量子井戸活性層２０の中心ＰＡの位置とを異なるように設定すると、光の閉じ込め効果は弱くなるが、基本モードと高次モードとの間の利得差が拡大される。この利得差は、定在波強度ＳＷのピークＰＳの位置と、量子井戸活性層２０の中心ＰＡの位置とのずれ量が大きくなるに従って増加する。したがって、基本モードは発振するが、高次モードは大きく抑圧されるようにずれ量を調整することにより、面発光型半導体レーザ素子１０ａの発振モードは、基本モードが支配的ある発振モードとなる。
【００４４】
図４を参照して、上記のように構成した面発光型半導体レーザ素子１０ａの特性について説明する。図４（ａ）は、従来技術に係る面発光型半導体レーザ素子１０ｐ、および、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０ａの酸化狭窄径とＦＦＰ（Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ）との関係を実測により求めたグラフである。ＦＦＰとは、レーザの発光端面に対して充分遠方における水平方向および垂直方向の光強度分布であり、光強度が最大値の１／２になる角度幅（単位度）で表した。ＦＦＰが小さいほど、面発光型半導体レーザ素子１０ａからの出射光のスポットサイズが小さくされる。なお、図４（ａ）における酸化狭窄径は、電流注入領域３２ａの直径（単位μｍ）で表している。
【００４５】
図４（ａ）に示すように、従来技術に係る面発光型半導体レーザ素子１０ｐでは、酸化狭窄径の増加とともに、ＦＦＰの値は一旦低下する。しかしながら、酸化狭窄径のある値を境に上昇に転じ、面発光型半導体レーザ素子１０ｐの酸化狭窄径に対するＦＦＰの特性は、下に凸な曲線に沿う傾向を示す。これに対し、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０ａでは、酸化狭窄径の増加とともにＦＦＰの値は低下し続け、右下がりの曲線に沿う傾向を示す。
【００４６】
面発光型半導体レーザ素子１０ａと面発光型半導体レーザ素子１０ｐとの、上記酸化狭窄径とＦＦＰとの関係における相違は、面発光型半導体レーザ素子１０ａでは、酸化狭窄径が増加しても基本モードが支配的である発振モードが持続されるのに対し、面発光型半導体レーザ素子１０ｐでは、酸化狭窄径のある値を境にして、高次モードが混在することに起因している。図４（ａ）では、面発光型半導体レーザ素子１０ｐにおいて高次モードが多く混在する領域を、「高次モード発生領域ＨＡ」として示している。
【００４７】
図４（ｂ）および（ｃ）は、面発光型半導体レーザ素子１０ａと面発光型半導体レーザ素子１０ｐとの、発振モードに関する上記相違を確認したデータである。すなわち、図４（ｂ）は、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０ａからの出射光のスペクトルを、図４（ｃ）は、従来技術に係る面発光型半導体レーザ素子１０ｐからの出射光のスペクトルを、各々示している。なお、図４（ｂ）は、図４（ａ）において「Ｂ」で示された箇所のサンプルのデータであり、図４（ｃ）は、図４（ａ）において「Ａ」で示された箇所のサンプルのデータである。
【００４８】
図４（ｂ）および図４（ｃ）に示すように、面発光型半導体レーザ素子１０ａからの出射光のスペクトルおよび面発光型半導体レーザ素子１０ｐからの出射光のスペクトルともに、メインモードＭＭの他にサイドモードＳＭが立つスペクトルを示す。メインモードＭＭは発振モードにおける基本モードにより発生するモードであるが、サイドモードＳＭは、発振モードにおける高次モードに起因して発生する。
【００４９】
両者ともサイドモードＳＭが発生するものの、メインモードＭＭのピーク値とサイドモードＳＭのピーク値との差分であるＳＭＳＲ（Ｓｉｄｅ  Ｍｏｄｅ  Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ  Ｒａｔｉｏ：サイドモード抑圧比）は、面発光型半導体レーザ素子１０ｐが１２ｄＢであるのに対し、面発光型半導体レーザ素子１０ａでは２２ｄＢとなっており１０ｄＢの差がある。すなわち、面発光型半導体レーザ素子１０ａでは面発光型半導体レーザ素子１０ｐに対して、高次モードが１／１０に抑圧されていることが分かる。本データにより、定在波強度ＳＷのピークＰＳの位置と、量子井戸活性層２０の中心ＰＡの位置とを異なるように設定することにより、より高い基本横モードの光出力が得られる面発光型半導体レーザ素子が実現されることが分かる。
【００５０】
［第２の実施の形態］
図５を参照して、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０ｂについて説明する。面発光型半導体レーザ素子１０ｂは、上部スペーサ層２２ｂと下部スペーサ層１８ｂとで屈折率を変えることにより、両者の光学膜厚を非対称とした形態である。
【００５１】
図５に示すように、面発光型半導体レーザ素子１０ｂでは、上部スペーサ層２２ｂの物理膜厚ｄ１と下部スペーサ層１８ｂの物理膜厚ｄ２は等しくされている（ｄ１＝ｄ２）一方、上部スペーサ層２２ｂの屈折率ｎ１は、下部スペーサ層１８ｂの屈折率ｎ２よりも大きくされている（ｎ１＞ｎ２）。したがって、上部スペーサ層２２ｂの光学膜厚Ｌ１は、下部スペーサ層１８ｂの光学膜厚Ｌ２より大きくされている（Ｌ１＞Ｌ２）。そのため、定在波強度ＳＷのピークＰＳの位置は、量子井戸活性層２０の中心ＰＡの位置よりも上部スペーサ層２２ｂ側にずれている。
【００５２】
以上のように、上部スペーサ層２２ｂの物理膜厚ｄ１と下部スペーサ層１８ｂの物理膜厚ｄ２は同じ値とし、両者の屈折率を変えることによっても、上部スペーサ層２２ｂの光学膜厚Ｌ１と下部スペーサ層１８ｂの光学膜厚Ｌ２とが異なるように設定される。したがって、上部スペーサ層２２ｂの屈折率ｎ１と下部スペーサ層１８ｂの屈折率ｎ２とを異ならせることによっても、定在波強度ＳＷのピークＰＳの位置と、量子井戸活性層２０の中心ＰＡの位置とが異なるように設定される。定在波強度ＳＷのピークＰＳの位置と、量子井戸活性層２０の中心ＰＡの位置とを異ならせる場合において、上部スペーサ層２２ｂと下部スペーサ層１８ｂとで、物理膜厚を変えるか屈折率を変えるかは、製造条件等を考慮して選択してよい。
【００５３】
［第３の実施の形態］
図６を参照して、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０ｃについて説明する。面発光型半導体レーザ素子１０ｃは、上部スペーサ層２２ｃと下部スペーサ層１８ｃとで物理膜厚および屈折率の双方を変えることにより、両者の光学膜厚を非対称とした形態である。
【００５４】
図６（ａ）に示すように、面発光型半導体レーザ素子１０ｃでは、上部スペーサ層２２ｃの物理膜厚ｄ１は、下部スペーサ層１８ｃの物理膜厚ｄ２よりも大きく設定され（ｄ１＞ｄ２）、上部スペーサ層２２ｃの屈折率ｎ１は、下部スペーサ層１８ｃの屈折率ｎ２よりも大きく設定されている（ｎ１＞ｎ２）。その結果、上部スペーサ層２２ｃの光学膜厚Ｌ１は、下部スペーサ層１８ｃの光学膜厚Ｌ２よりも大きく設定されている（Ｌ１＞Ｌ２）。
【００５５】
本実施の形態では、上記物理膜厚および屈折率の設定の結果、定在波強度ＳＷのピークＰＳの位置を、量子井戸活性層２０の中心ＰＡの位置から上部スペーサ層２２ｃ側にずらしている。
【００５６】
以上のように、上部スペーサ層２２ｃの物理膜厚ｄ１と下部スペーサ層１８ｃの物理膜厚ｄ２、および、上部スペーサ層２２ｃの屈折率ｎ１と下部スペーサ層１８ｃの屈折率ｎ２の双方を異なる値としても、上部スペーサ層２２ｃの光学膜厚Ｌ１と下部スペーサ層１８ｃの光学膜厚Ｌ２が異なるように設定される。したがって、上部スペーサ層２２ｃの物理膜厚ｄ１と下部スペーサ層１８ｃの物理膜厚ｄ２、および、上部スペーサ層２２ｃの屈折率ｎ１と下部スペーサ層１８ｃの屈折率ｎ２とを異ならせることによっても、定在波強度ＳＷのピークＰＳの位置と、量子井戸活性層２０の中心ＰＡの位置とが異なるように設定される。
【００５７】
本実施の形態によれば、物理膜厚および屈折率の双方を調整して、定在波強度ＳＷのピークＰＳの位置と、量子井戸活性層２０の中心ＰＡの位置とが異なるように設定されるので、たとえば、定在波強度ＳＷのピークＰＳの位置と、量子井戸活性層２０の中心ＰＡの位置とのずれ量を大きくしたい場合等において有効な手法である。
【００５８】
ここで、本実施の形態では、物理膜厚によって位置がずれる方向と、屈折率によって位置がずれる方向とが同じ方向である形態を例示して説明したが、必ずしも同じ方向とする必要はない。つまり、たとえば、上部スペーサ層２２ｃの物理膜厚ｄ１を下部スペーサ層１８ｃの物理膜厚ｄ２より大きくして、定在波強度ＳＷのピークＰＳを上部スペーサ層２２ｃの側にずらし、下部スペーサ層１８ｃの屈折率ｎ２を上部スペーサ層２２ｃの屈折率ｎ１より大きくして、定在波強度ＳＷのピークＰＳを下部スペーサ層１８ｃの側にずらしてもよい。最終的にずらす方向は、物理膜厚によるずれ量の絶対値、屈折率によるずれ量の絶対値を調整して決めればよい。
【００５９】
このように、量子井戸活性層２０の中心ＰＡの位置に対する定在波強度ＳＷのピークＰＳのずれる方向が逆の方向の手段を組み合わせる手法は、たとえば、製造工程において、量子井戸活性層２０の中心ＰＡの位置に対する定在波強度ＳＷのピークＰＳの位置を微細に調整したい場合等において適した手法である。
【００６０】
［第４の実施の形態］
図７を参照して、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０ｄについて説明する。面発光型半導体レーザ素子１０ｄも、面発光型半導体レーザ素子１０ｃと同様、上部スペーサ層２２ｄと下部スペーサ層１８ｄとで物理膜厚および屈折率の双方を変えることにより、両者の光学膜厚を非対称とした形態である。ただし、面発光型半導体レーザ素子１０ｄでは、上部スペーサ層２２ｄおよび下部スペーサ層１８ｄに対する物理膜厚および屈折率の設定方法を、面発光型半導体レーザ素子１０ｃとは逆にしている。
【００６１】
図７（ａ）に示すように、面発光型半導体レーザ素子１０ｄでは、下部スペーサ層１８ｄの物理膜厚ｄ２は、上部スペーサ層２２ｄの物理膜厚ｄ１よりも大きく設定され（ｄ１＜ｄ２）、下部スペーサ層１８ｄの屈折率ｎ２は、上部スペーサ層２２ｄの屈折率ｎ１よりも大きく設定されている（ｎ１＜ｎ２）。
【００６２】
本実施の形態では、上記の物理膜厚および屈折率の設定の結果、定在波強度ＳＷのピークＰＳの位置が、量子井戸活性層２０の中心ＰＡの位置から下部スペーサ層１８ｄ側にずらされている。
【００６３】
以上のように、物理膜厚および屈折率の設定は、上部スペーサ層２２に施してもよいし、下部スペーサ層１８に施してもよい（つまり、光学膜厚は、標準的な設計値に対して、どちらを長くしてもよいし、どちらを短くしてもよい）。本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０ｄの作用、効果は、上記面発光型半導体レーザ素子１０ｃと同様なので、説明を省略する。
【００６４】
つぎに、図８を参照して、実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０の製造方法について説明する。
【００６５】
図８（ａ）に示すように、まず、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１２上に、キャリア濃度２×１０１８ｃｍ−３、膜厚５００ｎｍ程度のｎ型ＧａＡｓバッファ層１４を積層する。
【００６６】
つぎに、図８（ｂ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１４上に、各々の膜厚が媒質内波長λ／ｎの１／４とされた、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層とＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とを交互に３７．５周期積層してｎ型の下部ＤＢＲ１６を形成する。この際、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層のキャリア濃度およびＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層のキャリア濃度は、各々約２×１０１８ｃｍ−３とされ、下部ＤＢＲ１６の総膜厚は約４μｍとされる。
【００６７】
つぎに、図８（ｃ）に示すように、下部ＤＢＲ１６上に、ノンドープのＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ層による下部スぺーサ層１８と、ノンドープの量子井戸活性層２０と、ノンドープのＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ層による上部スぺーサ層２２と、で構成される活性領域２４を形成する。量子井戸活性層２０は、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓによる４層の障壁層、および各障壁層の間に設けられたＡｌ０．１１１Ｇａ０．８９Ａｓによる３層の量子井戸層で構成されている。Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓによる障壁層の膜厚は各々約５ｎｍとされ、Ａｌ０．１１１Ｇａ０．８９Ａｓによる量子井戸層の膜厚は各々約９ｎｍとされ、活性領域２４全体の膜厚は媒質内波長λ／ｎとされている。
【００６８】
つぎに、上部スペーサ層２２上にｐ型のＡｌＡｓ層（図示省略）を形成し、図８（ｄ）に示すように、ＡｌＡｓ層上に、各々の膜厚が媒質内波長λ／ｎの１／４とされた、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層とＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とを交互に２５周期積層してｐ型の上部ＤＢＲ２６を形成する。この際、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層のキャリア濃度およびＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層のキャリア濃度は、各々約２×１０１８ｃｍ−３とされ、上部ＤＢＲ２６の総膜厚は約３μｍとされる。上部ＤＢＲ２６上には、キャリア濃度が約１×１０１９ｃｍ−３で、膜厚が１０ｎｍ程度のｐ型ＧａＡｓコンタクト層（図示省略）を形成する。
【００６９】
本製造方法においては、原料には、一例として、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アルシンを用い、ドーパントには、一例として、ｎ型用にジシラン、ｐ型用にカーボンテトラブロマイドを用いる。また、成長時の基板温度は７００℃程度とし、減圧下で、原料を順次変化させ、連続して成長を行う。なお、下部ＤＢＲおよび上部ＤＢＲの電気抵抗を下げるために、下部ＤＢＲの中および上部ＤＢＲの中の層界面に、Ａｌ組成を段階的に変化させた膜厚が２０ｎｍ程度の組成傾斜領域が設けられる場合もある。
【００７０】
ここで、下部スペーサ層１８の光学膜厚と上部スペーサ層２２の光学膜厚とが異なる非対称共振器構造の製造方法について説明する。
【００７１】
物理膜厚を下部スペーサ層１８と上部スペーサ層２２とで非対称とする場合は、ノンドープのＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓによる下部スペーサ層１８の成長時間（成長レート）と、ノンドープのＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓによる上部スペーサ層２２の成長時間とを変えることにより、物理膜厚を非対称とする。たとえば、面発光型半導体レーザ素子１０ａ（第１の実施の形態）の場合には、上部スペーサ層２２の成長時間を、下部スペーサ層１８の成長時間よりも１０％増加させている。この際、下部スペーサ層１８と上部スペーサ層２２の成長におけるトリメチルアルミニウムとトリメチルガリウムのモル流量比は同じ値に設定する。
【００７２】
また、屈折率を変え、下部スペーサ層１８と上部スペーサ層２２とで光学膜厚を非対称とする場合は、下部スペーサ層１８および上部スペーサ層２２を成長する際のトリメチルガリウムとトリメチルアルミニウムとのモル流量比（組成）を変えて屈折率を変化させる。その際、下部スペーサ層１８と上部スペーサ層２２とで成長時間は同じにする。たとえば、下部スぺーサ層１８の組成はＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓとなるように制御し、上部スペーサ層２２の組成はＡｌ０．５５Ｇａ０．４５Ａｓとなるように制御する。この場合、下部スペーサ層１８のトリメチルアルミニウムとトリメチルガリウムとのモル流量比は６０％とし、上部スペーサ層２２のモル流量比は５５％とする。
【００７３】
また、下部スペーサ層１８および上部スペーサ層２２の物理膜厚、屈折率の双方を変えて光学膜厚を非対称とする場合は、上記の物理膜厚により非対称とする手法と屈折率により非対称とする手法とを組み合わせることで実現される。すなわち、下部スペーサ層１８の成長時間と上部スペーサ層２２の成長時間とを異ならせ、かつ、下部スペーサ層１８および上部スペーサ層２２を成長する際のトリメチルガリウムとトリメチルアルミニウムとのモル流量比（組成）を変えればよい。
【００７４】
ここで、面発光型半導体レーザ素子１０の製造においては、一般的に製造誤差、つまり、ある層を予め定められた膜厚で形成する場合の、予め定められた膜厚と実際に形成された膜厚との差分が存在する。上記製造方法についても、上部スペーサ層２２および下部スペーサ層１８の形成工程における製造誤差が存在する。この製造誤差に起因して、定在波強度ＳＷのピークＰＳの位置が、量子井戸活性層２０の中心ＰＡの位置からずれてしまうことも想定される。
【００７５】
しかしながら、上記製造方法について、上部スペーサ層２２および下部スペーサ層１８等の形成工程における製造誤差は１％未満（光学膜厚換算）であることを確認しており、かつこの程度のずれ量では、面発光型半導体レーザ素子１０の発振モードにおいて基本モードが支配的となるように設定することは困難であることを確認している。したがって、上記各実施の形態における上部スペーサ層２２の光学膜厚と下部スペーサ層１８の光学膜厚とは、少なくとも１％以上異なるように設定される。
【符号の説明】
【００７６】
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ  面発光型半導体レーザ素子
１２      ｎ型ＧａＡｓ基板
１４      ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１６      下部ＤＢＲ
１８      下部スペーサ層
２０      量子井戸活性層
２２      上部スペーサ層
２４      活性領域
２６      上部ＤＢＲ
２８      ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
３０      ｎ型電極
３２      ＡｌＡｓ層
３２ａ    電流注入領域
３２ｂ    選択酸化領域
３４      シリコン酸窒化膜
３６      ｐ型電極
【要約】
【課題】定在波の分布のピークと活性層の中心とが一致している場合と比較して、より高い基本横モードの光出力が得られる面発光型半導体レーザ素子および面発光型半導体レーザ素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】面発光型半導体レーザ素子（１０ａ）において、基板と、基板上に形成された第１導電型の第１の半導体多層膜（１６）、第１のスペーサ層（１８ａ）、活性層（２０）、第２のスペーサ層（２２ａ）、および第１の半導体多層膜（１６）とともに共振器を構成する第２導電型の第２の半導体多層膜（２６）を含む半導体層と、を備え、共振器により形成される定在波の分布のピーク（ＰＳ）と活性層（２０）の中心（ＰＡ）とが異なる位置関係にあるようにした。
【選択図】図３【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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