(57)【要約】【課題】レーザ光にケラレを生じさせず、光量損失の発生とファーフィールドパターンにおける擾乱の発生とを防止できること。【解決手段】面発光レーザ素子１００は、基板１上に積層された活性層４、電流狭窄層５および上部ＤＢＲミラー８を備えるとともに、電流狭窄開口部としての開口部５ａと上部ＤＢＲミラー８との間に積層され、開口部５ａによるレーザ光の所定回折角ξと開口部５ａからの距離とに基づくレーザ光の光束径以上の大きさの平坦面を有した凸部８ｂを上部ＤＢＲミラー８の界面ごとに形成する凸部形成層としてのスペーサ層７を備える。【選択図】        図３
2008251718.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に積層された活性層、電流狭窄層および多層膜ミラーを備え、前記電流狭窄層の電流狭窄開口部と前記多層膜ミラーとを介したレーザ光を射出する面発光レーザ素子において、
前記電流狭窄開口部と前記多層膜ミラーとの間に積層され、前記電流狭窄開口部の開口径と、前記電流狭窄開口部による前記レーザ光の所定回折角と、前記電流狭窄開口部からの距離とに基づく前記レーザ光の光束径以上の大きさの平坦面を有した凸部を前記多層膜ミラーの界面ごとに形成する凸部形成層を備えたことを特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項２】
前記凸部形成層の積層面上または該積層面の近傍層上における前記凸部形成層周りの少なくとも一部に段差を形成する段差形成層を備え、
前記多層膜ミラーは、前記凸部形成層上および前記段差形成層上に一体に積層された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】
前記凸部形成層の層厚は、前記段差形成層の層厚以上であることを特徴とする請求項２に記載の面発光レーザ素子。
【請求項４】
前記段差形成層は、前記電流狭窄開口部を介して前記活性層に電流を注入する電極であることを特徴とする請求項２または３に記載の面発光レーザ素子。
【請求項５】
基板上に積層された活性層、電流狭窄層および多層膜ミラーを備え、前記電流狭窄層の電流狭窄開口部と前記多層膜ミラーとを介したレーザ光を射出する面発光レーザ素子の製造方法において、
前記電流狭窄開口部の開口径と、前記電流狭窄開口部による前記レーザ光の所定回折角と、前記電流狭窄開口部からの距離とに基づく前記レーザ光の光束径以上の大きさの平坦面を有した凸部を前記多層膜ミラーの界面ごとに形成するための凸部形成層を、前記電流狭窄開口部と前記多層膜ミラーとの間に積層する凸部形成層積層工程と、
前記凸部形成層上に前記多層膜ミラーを積層する多層膜ミラー積層工程と、
を含むことを特徴とする面発光レーザ素子の製造方法。
【請求項６】
前記凸部形成層の積層面上または該積層面の近傍層上における前記凸部形成層周りの少なくとも一部に段差を形成する段差形成層を積層する段差形成層積層工程を含み、
前記多層膜ミラー積層工程は、前記凸部形成層上および前記段差形成層上に一体に前記多層膜ミラーを積層することを特徴とする請求項４に記載の面発光レーザ素子の製造方法。
【請求項７】
前記凸部形成層積層工程は、前記凸部形成層の層厚を前記段差形成層の層厚以上とす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の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に積層された活性層、電流狭窄層および多層膜ミラーを備え、前記電流狭窄層の電流狭窄開口部と前記多層膜ミラーとを介したレーザ光を射出する面発光レーザ素子および面発光レーザ素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser。以下、面発光レーザ素子と称す。）は、光インターコネクションをはじめとする種々の光通信用光源、あるいは他の様々なアプリケーション用デバイスとして利用されている。面発光レーザ素子は、基板に対して垂直方向にレーザ光を射出するため、従来の端面発光型レーザ素子に比べて同一基板上に複数の素子を容易に２次元配列させることができる。また、活性層体積が非常に小さいため、極低閾値電流および低消費電力でレーザ発振が可能であるなど、多くの利点を有している。
【０００３】
一般に、面発光レーザ素子では、共振器を構成するミラーに多層膜ミラーであるＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）ミラーが利用されている。なかでも誘電体多層膜ミラーとしての誘電体ＤＢＲミラーは、光の吸収損失を低減し、レーザ光の高出力化を可能にするものとして知られており、これを共振器に用いた面発光レーザ素子が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図５は、特許文献１に開示された面発光レーザ素子の構成を示す断面図である。この図に示すように、特許文献１の面発光レーザ素子では、注入電流をもとに活性層２１が発した光は、下部ＤＢＲミラー２２と上部ＤＢＲミラー２３との間で共振され、上部ＤＢＲミラー２３上の射出面２３ａからレーザ光として射出される。下部ＤＢＲミラー２２と上部ＤＢＲミラー２３との間には空間フィルタ層２４が設けられており、射出面２３ａから射出されるレーザ光は、この空間フィルタ層２４によって回折され、その回折に応じた広がり角（回折角）をもって上部ＤＢＲミラー２３を透過する。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６１８５２４１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１の面発光レーザ素子では、空間フィルタ層２４が積層された際、その中央部に凹状空間となる射出窓２４ａが形成される。そして、この状態から空間フィルタ層２４上に上部ＤＢＲミラー２３を積層形成することで、上部ＤＢＲミラー２３における射出窓２４ａの直上部には、射出窓２４ａの凹形状にならった凹状積層部２３ｂが形成される。これにともない、射出窓２４ａを通過したレーザ光の周縁部の光束２５には凹状積層部２３ｂの側壁部（傾斜部）によるケラレが生じ、光量損失が発生するという問題があった。また、そのケラレによって、射出面２３ａから射出したレーザ光のファーフィールドパターン（Far Field Pattern）に擾乱が生じるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザ光にケラレを生じさせることがなく、光量損失の発生とファーフィールドパターンにおける擾乱の発生とを防止することができる面発光レーザ素子および面発光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】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる面発光レーザ素子は、基板上に積層された活性層、電流狭窄層および多層膜ミラーを備え、前記電流狭窄層の電流狭窄開口部と前記多層膜ミラーとを介したレーザ光を射出する面発光レーザ素子において、前記電流狭窄開口部と前記多層膜ミラーとの間に積層され、前記電流狭窄開口部の開口径と、前記電流狭窄開口部による前記レーザ光の所定回折角と、前記電流狭窄開口部からの距離とに基づく前記レーザ光の光束径以上の大きさの平坦面を有した凸部を前記多層膜ミラーの界面ごとに形成する凸部形成層を備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記凸部形成層の積層面上または該積層面の近傍層上における前記凸部形成層周りの少なくとも一部に段差を形成する段差形成層を備え、前記多層膜ミラーは、前記凸部形成層上および前記段差形成層上に一体に積層されたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記凸部形成層の層厚は、前記段差形成層の層厚以上であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明にかかる面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記段差形成層は、前記電流狭窄開口部を介して前記活性層に電流を注入する電極であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる面発光レーザ素子の製造方法は、基板上に積層された活性層、電流狭窄層および多層膜ミラーを備え、前記電流狭窄層の電流狭窄開口部と前記多層膜ミラーとを介したレーザ光を射出する面発光レーザ素子の製造方法において、前記電流狭窄開口部の開口径と、前記電流狭窄開口部による前記レーザ光の所定回折角と、前記電流狭窄開口部からの距離とに基づく前記レーザ光の光束径以上の大きさの平坦面を有した凸部を前記多層膜ミラーの界面ごとに形成するための凸部形成層を、前記電流狭窄開口部と前記多層膜ミラーとの間に積層する凸部形成層積層工程と、前記凸部形成層上に前記多層膜ミラーを積層する多層膜ミラー積層工程と、を含むことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明にかかる面発光レーザ素子の製造方法は、上記の発明において、前記凸部形成層の積層面上または該積層面の近傍層上における前記凸部形成層周りの少なくとも一部に段差を形成する段差形成層を積層する段差形成層積層工程を含み、前記多層膜ミラー積層工程は、前記凸部形成層上および前記段差形成層上に一体に前記多層膜ミラーを積層することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明にかかる面発光レーザ素子の製造方法は、上記の発明において、前記凸部形成層積層工程は、前記凸部形成層の層厚を前記段差形成層の層厚以上とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明にかかる面発光レーザ素子および面発光レーザ素子の製造方法によれば、レーザ光にケラレを生じさせることがなく、光量損失の発生とファーフィールドパターンにおける擾乱の発生とを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して、本発明にかかる面発光レーザ素子および面発光レーザ素子の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本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、同一部分には同一の符号を付して示している。
【００１７】
（実施の形態）
図１および図２は、本実施の形態にかかる面発光レーザ素子１００の要部構成を示す図である。図１は平面図であり、図２は、図１中に示したII−II矢視断面を示す断面図である。これらの図に示すように、面発光レーザ素子１００は、半絶縁性の基板１上に積層された下部ＤＢＲミラー２、ｎ型クラッド層３、活性層４、電流狭窄層５、ｐ型クラッド層６、スペーサ層７、上部ＤＢＲミラー８、ｐ型電極９およびｎ型電極１０を備える。このうち、ｎ型クラッド層３の上端部と、その上に積層された活性層４、電流狭窄層５およびｐ型クラッド層６とは、エッチング処理等によって柱状に成形されたメサポスト１１として形成されている。
【００１８】
下部ＤＢＲミラー２は、例えばＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる複合半導体層が複数積層された半導体多層膜ミラーとして形成されている。この複合半導体層を構成する各層の厚さは、λ／４ｎ（λ：発振波長、ｎ：屈折率）とされている。一方、上部ＤＢＲミラー８は、例えばＳｉＮ／ＳｉＯ2からなる複合誘電体層が複数積層された誘電体多層膜ミラーとして形成されており、下部ＤＢＲミラー２と同様に各層の厚さがλ／４ｎとされている。
【００１９】
電流狭窄層５は、電流狭窄開口部としての開口部５ａと選択酸化層５ｂとから構成されている。電流狭窄層５は、例えばＡｌＡｓからなるＡｌ含有層によって形成され、選択酸化層５ｂは、このＡｌ含有層が外周部から積層面に沿って所定範囲だけ酸化されることで輪帯上に形成されている。選択酸化層５ｂは、絶縁性を有し、ｐ型電極９から注入される電流を狭窄して開口部５ａ内に集中させることで、開口部５ａ直下における活性層４内の電流密度を高めている。
【００２０】
活性層４は、例えばＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓからなる３層の量子井戸構造を有し、ｐ型電極９から注入されて電流狭窄層５によって狭窄された電流をもとに自然放出光を発する。この自然放出光は、共振器としての下部ＤＢＲミラー２と上部ＤＢＲミラー８との間で活性層４を含む各層に対して垂直方向に共振されて増幅された後、上部ＤＢＲミラー８上の射出面８ａからレーザ光として射出される。この射出面８ａは、上部ＤＢＲミラー８の上面部における開口部５ａ直上の円形領域である。
【００２１】
ｐ型電極９は、例えばｐ−ＧａＡｓからなるｐ型クラッド層６上に積層され、スペーサ層７をその積層面に沿って取り囲むようにリング状に形成されている。一方、ｎ型電極１０は、例えばｎ−ＧａＡｓからなるｎ型クラッド層３上に積層され、メサポスト１１の底面部をその積層面に沿って取り囲むようにＣ字状に形成されている。これらｐ型電極９およびｎ型電極１０は、それぞれｐ型引出電極１２およびｎ型引出電極１３によって、図示しない外部回路（電流供給回路等）に電気的に接続されている。
【００２２】
つづいて、ｐ型クラッド層６上に積層される凸部形成層としてのスペーサ層７と上部ＤＢＲミラー８とについて詳細に説明する。図３は、メサポスト１１上の構成を拡大して示す図である。スペーサ層７は、例えばｐ−ＧａＡｓを用いて形成され、開口部５ａの直上部においてｐ型クラッド層６上に円盤状に積層されている。スペーサ層７は、その積層面に沿って少なくとも開口部５ａより大きな範囲に積層されるととともに、ｐ型クラッド層６の上面部におけるレーザ光の光束径φ0よりも大きな範囲に積層されている。ここで、レーザ光の光束径φ0は、開口部５ａの開口径と、開口部５ａによるレーザ光の所定回折角ξと、開口部５ａからの距離つまりｐ型クラッド層６の層厚とをもとに定められる。
【００２３】
上部ＤＢＲミラー８は、ｐ型クラッド層６上において、スペーサ層７上および段差形成層としてのｎ型電極９上に一体に積層形成されている。そして、上部ＤＢＲミラー８の各界面には、開口部５ａの直上部において、スペーサ層７の層形状（凸形状）にならった凸部８ｂが形成されている。この各凸部８ｂには、開口部５ａの開口径と、開口部５ａによるレーザ光の所定回折角ξと、開口部５ａからの距離つまり開口部５ａ上面部からの層厚とに基づくレーザ光の光束径以上の大きさの平坦面が積層面に沿って形成されている。
【００２４】
具体的には、例えば最上層の凸部８ｂには、レーザ光の光束径φm以上の大きさの平坦面である射出面８ａが形成されている。また、スペーサ層７から射出面８ａまでの間の各界面には、上層部へ向かうに従って所定割合で順次拡大するように平坦面が形成されており、各界面における平坦面の縁部を結ぶ線分ＥＬは、レーザ光の光軸ＯＡに対してレーザ光の所定回折角ξ以上の傾斜角ηをなしている。
【００２５】
言い換えると、面発光レーザ素子１００では、レーザ光の光束径以上の平坦面を有した凸部８ｂを上部ＤＢＲミラー８の界面ごとに形成し、凸部８ｂ全体として傾斜角ηを所定回折角ξ以上とするためのスペーサ層７が、開口部５ａと上部ＤＢＲミラー８との間に設けられている。これによって、面発光レーザ素子１００では、レーザ光にケラレを生じさせることがなく、ケラレによる光量損失の発生とファーフィールドパターンにおける擾乱の発生とが防止されている。なお、所定回折角ξとは、面発光レーザ素子１００の用途等に応じて定められる回折角であって、例えば、レーザ光のフラウンホーファー回折像における第１明環に対応する回折角とされる。
【００２６】
ここで、スペーサ層７を設けず、各界面に凸部８ｂを形成しない場合、図４に示すように、上部ＤＢＲミラー８’は、ｐ型電極９の層形状にならって積層される。この場合、上部ＤＢＲミラー８’の上層部へ向かうにしたがって開口部５ａの直上部における平坦面が縮小され、所定層以上では平坦面がレーザ光の光束径以下とされる。例えば、最上層における平坦面である射出面８ａ’は、レーザ光の光束径φmより小さくなる。これによって、特許文献１に開示された面発光レーザ素子と同様に、レーザ光の一部にケラレが生じ、光量損失が発生するとともにファーフィールドパターンに擾乱が発生する。あるいは、ケラレを回避するためにｐ型電極９を積層面に沿って開口部５ａから遠ざけることが考えられるが、その場合、開口部５ａとｐ型電極９との距離を増加させることで注入電流に対する内部抵抗を増大させることとなり、レーザ発振特性を劣化させるという別の問題が発生する。
【００２７】
これに対して、面発光レーザ素子１００では、スペーサ層７を設け、上部ＤＢＲミラー８の各界面に凸部８ｂを形成することで、ｐ型電極９に起因する上述のような平坦面の縮小化を防止することができ、ｐ型電極９を開口部５ａから遠ざけることなくレーザ光の光束径以上の平坦面を各界面上に確保することができる。この結果、所定回折角ξ内でケラレのないレーザ光を射出させることができる。なお、ｐ型電極９に起因する平坦面の縮小化を防止するには、凸部形成層としてのスペーサ層７の層厚ＤＳは、段差形成層としてのｐ型電極９の層厚ＤＥ以上であることが好ましい。
【００２８】
つづいて、面発光レーザ素子１００の製造方法について説明する。面発光レーザ素子１００は、基板１上に下部ＤＢＲミラー２とｎ型クラッド層３とを順に積層し、その上部に活性層４からｐ型クラッド層６までの各層をメサポスト１１として積層形成するとともに、段差形成層積層工程としてｐ型クラッド層６上にｐ型電極９を形成する。その後、凸部形成層積層工程として、ｐ型クラッド層６上にスペーサ層７を積層し、さらに多層膜ミラー積層工程として、ｐ型クラッド層６、スペーサ層７およびｐ型電極９上に上部ＤＢＲミラー８を積層形成する。なお、ｐ型電極９の形成工程とスペーサ層７の形成工程とは、工程順序を入れ換えても構わない。
【００２９】
凸部形成層積層工程では、開口部５ａによるレーザ光の所定回折角ξと開口部５ａからの距離とに基づくレーザ光の光束径以上の大きさの平坦面を有した凸部８ｂを上部ＤＢＲミラー８の界面ごとに形成するための大きさと層厚とを有したスペーサ層７を、開口部５ａの直上部におけるｐ型クラッド層６上に積層する。このとき、スペーサ層７の層厚をｐ型電極９の層厚以上とすることが好ましい。
【００３０】
ここまで、本発明を実施する最良の形態を実施の形態として説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変形が可能である。
【００３１】
例えば、上述した面発光レーザ素子１００では、スペーサ層７は、ｐ−ＧａＡｓを用いて形成されるものとしたが、半導体材料に限定されず、ＳｉＮやＳｉＯ2等の誘電体材料を用いて形成することもできる。また、スペーサ層７は、単層構造に限定されず、多層構造とすることもできる。
【００３２】
また、上述した面発光レーザ素子１００では、スペーサ層７とｐ型電極９とは、共にｐ型クラッド層６上に積層されるものとしたが、同一面上に積層されるものとして限定して解釈する必要はなく、例えば、ｐ型クラッド層６とスペーサ層７またはｐ型電極９との間に他の層を介在させても構わない。
【００３３】
また、上述した面発光レーザ素子１００では、上部ＤＢＲミラー８は、誘電体多層膜ミラーであるものとして説明したが、誘電体多層膜ミラーに限定されず、半導体多層膜ミラーであってもよい。
【００３４】
また、上述した面発光レーザ素子１００では、段差形成層としてのｐ型電極９は、レーザ光の光束およびスペーサ層７を取り囲むようにリング状に形成されるものとしたが、必ずしも取り囲む必要はなく、レーザ光の光束周りの少なくとも一部に形成されるものであってもよい。なお、本発明における段差形成層とは、ｐ型電極９等の電極に限定されるものではなく、半導体あるいは誘電体を用いて形成され、レーザ光の光束周りの少なくとも一部に構造的な段差を形成する層を含むものである。
【００３５】
また、上述した面発光レーザ素子１００では、酸化型の電流狭窄層５を備えるものとして説明したが、酸化型に限らず、埋め込み型の電流狭窄層を備えた構造とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態にかかる面発光レーザ素子の構成を示す平面図である。
【図２】図１に示したII−II矢視断面を示す断面図である。
【図３】図２に示したメサポスト上の構成を拡大して示す断面図である。
【図４】スペーサ層を用いない場合のメサポスト上の構成を示す断面図である。
【図５】従来技術にかかる面発光レーザ素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１    基板
２    下部ＤＢＲミラー
３    ｎ型クラッド層
４    活性層
５    電流狭窄層
５ａ    開口部
５ｂ    選択酸化層
６    ｐ型クラッド層
７    スペーサ層
８    上部ＤＢＲミラー
８ａ    射出面
８ｂ    凸部
９    ｐ型電極
１０    ｎ型電極
１１    メサポスト
１２    ｐ型引出電極
１３    ｎ型引出電極
２１    活性層
２２    下部ＤＢＲミラー
２３    上部ＤＢＲミラー
２３ａ    射出面
２３ｂ    凹状積層部
２４    空間フィルタ層
２４ａ    射出窓
２５    光束
１００    面発光レーザ素子
【図１】
2008251718.tif 000003
【図２】
2008251718.tif 000004
【図３】
2008251718.tif 000005
【図４】
2008251718.tif 000006
【図５】
2008251718.tif 000007