(57)【要約】【課題】実装時に光軸調製の不要な面発光型半導体レーザおよびその製造方法、ならびに光モジュールを提供する【解決手段】本発明にかかる面発光型半導体レーザ１００は、上方からレーザ光を出射する面発光型半導体レーザであって、第１ミラー１０２と、第１ミラーの上方に形成された活性層１０３と、活性層の上方に形成された第２ミラー１０４と、第２ミラーの上方に形成され、前記第２ミラーの上面から出射した光を集光する集光部１０１と、集光部の上方に形成され、前記集光部が集光した光を反射する第３ミラー１０６と、を含む。【選択図】図１
2008244240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上方からレーザ光を出射する面発光型半導体レーザであって、
第１ミラーと、
前記第１ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された第２ミラーと、
前記第２ミラーの上方に形成され、前記第２ミラーの上面から出射した光を集光する集光部と、
前記集光部の上方に形成され、前記集光部が集光した光を反射する第３ミラーと、
を含み、
前記集光部は、基板からなり、前記第２ミラーおよび前記第３ミラーを支持する、面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
請求項１において、
前記集光部は、熱レンズとして機能し、
前記集光部の温度分布は、当該面発光型半導体レーザの駆動時に、前記第２ミラーの上面から出射した光の中心軸から外側に向かって低くなっている、面発光型半導体レーザ。
【請求項３】
請求項２において、
前記集光部は、前記第１ミラーより抵抗の高い材質からなる、面発光型半導体レーザ。
【請求項４】
請求項２または３において、
前記集光部の上面に形成された第１電極と、
前記第１ミラーの下方に形成された第２電極と、
をさらに含み、
前記第１電極および前記第２電極は、前記集光部に温度分布を与え、かつ当該面発光型半導体レーザを駆動させるために設けられている、面発光型半導体レーザ。
【請求項５】
請求項１において、
前記集光部の上面は、凸レンズ形状を有する、面発光型半導体レーザ。
【請求項６】
請求項５において、
前記第３ミラーの上面は、凸レンズ形状を有する、面発光型半導体レーザ。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、
前記第３ミラーは、屈折率の異なる複数の誘電体層からなる、面発光型半導体レーザ。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかにおいて、
前記第１ミラーおよび前記第２ミラーのうち少なくとも一方は、電流狭窄層として機能する絶縁領域を有し、
前記絶縁領域は、水素イオンを含む、面発光型半導体レーザ。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかにおいて、
前記集光部によって集光された光の焦点の位置は、前記光の光軸方向において、前記第３ミラーの下面にある、面発光型半導体レーザ。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかにおいて、
前記第２ミラーおよび前記第３ミラーの各々は、高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層した積層体からなり、
前記第２ミラーの最上層は、低屈折率層であり、
前記第３ミラーの最下層は、低屈折率層であり、
前記集光部の屈折率は、前記第２ミラーの最上層および前記第３ミラーの最下層の屈折率より高い、面発光型半導体レーザ。
【請求項１１】
上方からレーザ光を出射する面発光型半導体レーザと、前記レーザ光の波長を変換する波長変換素子とを備えた光モジュールであって、
前記面発光型半導体レーザは、
第１ミラーと、
前記第１ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された第２ミラーと、
前記第２ミラーの上方に形成され、前記第２ミラーの上面から出射した光を集光する集光部と、
前記集光部の上方に形成され、前記集光部が集光した光を反射する第３ミラーと、
を含み、
前記波長変換素子は、前記面発光型半導体レーザが出射するレーザ光の出射方向に配置されている、光モジュール。
【請求項１２】
上方からレーザ光を出射する面発光型半導体レーザの製造方法であって、
半導体基板の下方に、当該半導体基板側から第２導電型の第２ミラー、活性層、および第１導電型の第１ミラーを含む半導体堆積体を形成する工程と、
前記半導体基板の上方に第３ミラーを形成する工程と、
を含み、
前記半導体基板は、前記第２ミラーの上面から出射した光を集光する機能を有する、面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記第３ミラーを形成する工程の前に、
前記半導体基板の上方に所定のパターンの第１レジスト層を形成する工程と、
前記第１レジスト層を加熱してリフローさせて、当該第１レジスト層を凸レンズ形状に成形して第２レジスト層を形成する工程と、
エッチングすることにより、少なくとも前記第２レジスト層を除去して、前記第２レジスト層の形状を前記半導体基板の上部に反映させる、面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項１４】
請求項１２または１３において、
半導体堆積体を形成した後に、
前記第１ミラーの下方から所定の領域にイオンを打ち込むことによって、電流狭窄層として機能する絶縁領域を形成する工程をさらに含む、面発光型半導体レーザの製造方法。
【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およびその製造方法、ならびに光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
青色半導体レーザの登場に伴い、レーザ光源を用いたプロジェクタやディスプレイ等の表示装置が検討されている。レーザ光源は、波長域が狭いため、色再現範囲を非常に広くすることが可能であり、かつ小型化も可能であることから、次世代の表示装置の光源として大きな可能性を秘めている。また、青色や緑色のような短波長のレーザ光源は、表示装置以外の分野でも、医療や計測などの多くの分野で必要とされている。
【０００３】
表示装置の光源としては、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の光の３原色のレーザ光源が必要であるが、Ｇについては原振が存在しないため、たとえば特許文献１は、他の色のレーザ光源からの光を波長変換素子によりＧの光を作り出すことを開示している。
【０００４】
波長変換素子を用いる際、共振器長を短くするために外部ミラーを組み合わせて使用することがあるが、外部ミラーとレーザ光源とが離れているために光軸調製が困難になる場合がある。
【特許文献１】特開２００１−１４８５３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、実装時に光軸調製の不要な面発光型半導体レーザおよびその製造方法、ならびに光モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にかかる面発光型半導体レーザは、
上方からレーザ光を出射する面発光型半導体レーザであって、
第１ミラーと、
前記第１ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された第２ミラーと、
前記第２ミラーの上方に形成され、前記第２ミラーの上面から出射した光を集光する集光部と、
前記集光部の上方に形成され、前記集光部が集光した光を反射する第３ミラーと、
を含み、
前記集光部は、基板からなり、前記第２ミラーおよび前記第３ミラーを支持する。
【０００７】
本発明において、特定のＡ部材（以下、「Ａ部材」という。）の上方に設けられた特定のＢ部材（以下、「Ｂ部材」という。）というとき、Ａ部材の上に直接Ｂ部材が設けられた場合と、Ａ部材の上に他の部材を介してＢ部材が設けられた場合とを含む意味である。
【０００８】
本発明にかかる面発光型半導体レーザによれば、第１ミラー、活性層、第２ミラー、集光部、および第３ミラーが一体化されている。これにより、光の高出力化が可能となる。また、実装時に外部ミラーとして機能することができる第３ミラーと、他の構成との光軸調製が不要となり、工程数を削減することができる。
【０００９】
また、集光部は、基板からなり、第２ミラーおよび第３ミラーを直接的に支持する。これにより、第２ミラーと第３ミラーとの間の距離を大きくすることができ、共振器長を長くすることができる。また、第３ミラーの形成時に、第２ミラーの表面を荒らしてしまうのを防止することができる。
【００１０】
本発明にかかる面発光型半導体レーザにおいて、
前記集光部は、熱レンズとして機能し、
前記集光部の温度分布は、当該面発光型半導体レーザの駆動時に、前記第２ミラーの上面から出射した光の中心軸から外側に向かって低くなっていることができる。
【００１１】
本発明にかかる面発光型半導体レーザにおいて、
前記集光部は、前記第１ミラーより抵抗の高い材質からなることができる。
【００１２】
本発明にかかる面発光型半導体レーザにおいて、
前記集光部は、基板からなり、前記第１ミラー、前記活性層、前記第２ミラー、前記第３ミラーを支持することができる。
【００１３】
本発明にかかる面発光型半導体レーザにおいて、
前記集光部の上面に形成された第１電極と、
前記第１ミラーの下方に形成された第２電極と、
をさらに含み、
前記第１電極および前記第２電極は、前記集光部に温度分布を与え、かつ当該面発光型半導体レーザを駆動させるために設けられていることができる。
【００１４】
本発明にかかる面発光型半導体レーザにおいて、
前記集光部の上面は、凸レンズ形状を有することができる。
【００１５】
本発明にかかる面発光型半導体レーザにおいて、
前記第３ミラーの上面は、凸レンズ形状を有することができる。
【００１６】
本発明にかかる面発光型半導体レーザにおいて、
前記第３ミラーは、屈折率の異なる複数の誘電体層からなることができる。
【００１７】
本発明にかかる面発光型半導体レーザにおいて、
前記第１ミラーおよび前記第２ミラーのうち少なくとも一方は、電流狭窄層として機能する絶縁領域を有し、
前記絶縁領域は、水素イオンを含むことができる。
【００１８】
本発明にかかる面発光型半導体レーザにおいて、
前記集光部によって集光された光の焦点の位置は、前記光の光軸方向において、前記第３ミラーの下面にあることができる。
【００１９】
本発明にかかる面発光型半導体レーザにおいて、
前記第２ミラーおよび前記第３ミラーの各々は、高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層した積層体からなり、
前記第２ミラーの最上層は、低屈折率層であり、
前記第３ミラーの最下層は、低屈折率層であり、
前記集光部の屈折率は、前記第２ミラーの最上層および前記第３ミラーの最下層の屈折率より高いことができる。
【００２０】
本発明にかかる光モジュールは、
上方からレーザ光を出射する面発光型半導体レーザと、前記レーザ光の波長を変換する波長変換素子とを備えた光モジュールであって、
前記面発光型半導体レーザは、
第１ミラーと、
前記第１ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された第２ミラーと、
前記第２ミラーの上方に形成され、前記第２ミラーの上面から出射した光を集光する集光部と、
前記集光部の上方に形成され、前記集光部が集光した光を反射する第３ミラーと、
を含み、
前記波長変換素子は、前記面発光型半導体レーザが出射するレーザ光の出射方向に配置されている。
【００２１】
本発明にかかる面発光型半導体レーザの製造方法は、
上方からレーザ光を出射する面発光型半導体レーザの製造方法であって、
半導体基板の下方に、当該半導体基板側から第２導電型の第２ミラー、活性層、および第１導電型の第１ミラーを含む半導体堆積体を形成する工程と、
前記半導体基板の上方に第３ミラーを形成する工程と、
を含み、
前記半導体基板は、前記第２ミラーの上面から出射した光を集光する機能を有する。
【００２２】
本発明にかかる面発光型半導体レーザの製造方法において、
前記第３ミラーを形成する工程の前に、
前記半導体基板の上方に所定のパターンの第１レジスト層を形成する工程と、
前記第１レジスト層を加熱してリフローさせて、当該第１レジスト層を凸レンズ形状に成形して第２レジスト層を形成する工程と、
エッチングすることにより、少なくとも前記第２レジスト層を除去して、前記第２レジスト層の形状を前記半導体基板の上部に反映させることができる。
【００２３】
本発明にかかる面発光型半導体レーザの製造方法において、
半導体堆積体を形成した後に、
前記第１ミラーの下方から所定の領域にイオンを打ち込むことによって、電流狭窄層として機能する絶縁領域を形成する工程をさらに含むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２５】
１．面発光型半導体レーザの構成
まず、本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの構成について説明する。図１および図４は、本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００の構成を示す模式図であり、図１は、面発光型半導体レーザ１００を模式的に示す断面図であり、図４は、面発光型半導体レーザ１００を模式的に示す平面図である。図１は、図４のＡ−Ａ線における断面を示す図である。
【００２６】
面発光型半導体レーザ１００は、第１ミラー１０２と、第１ミラー１０２上に形成された活性層１０３と、活性層１０３上に形成された第２ミラー１０４と、第２ミラー１０４上に形成された集光部１０１と、集光部１０１上に形成された第３ミラー１０６と、を含む。面発光型半導体レーザ１００は、第１ミラー１０２と、活性層１０３と、第２ミラー１０４と、第３ミラー１０６とによって構成された垂直共振器を有する。
【００２７】
第１ミラー１０２は、たとえばｐ型ＡｌＡｓ層とｐ型ＧａＡｓ層とを交互に積層した４０ペアの分布反射型多層膜ミラーであることができる。第１ミラー１０２の最下層１１２は、ｐ型ＧａＡｓ層であることができる。
【００２８】
活性層１０３は、たとえば第１ミラー１０２側から形成されたｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓコンファインメント層、量子井戸層、およびｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓコンファインメント層からなることができる。量子井戸層は、ｉ型ＧａＡｓバリア層と、ＩｎＧａＡｓ井戸層からなり、井戸層が３層で構成される量子井戸構造を含む。ＩｎＧａＡｓ井戸層のＩｎ組成比および膜厚を調製することにより、面発光型半導体レーザ１００の発振波長をかえることができる。
【００２９】
第２ミラー１０４は、たとえばｎ型ＡｌＡｓ層とｎ型ＧａＡｓ層とを交互に積層した１０ペアの分布反射型多層膜ミラーであることができる。第２ミラー１０４の最上層１１４は、低屈折率層のｎ型ＡｌＡｓ層であることができる。これにより、集光部１０１と第２ミラー１０４の最上層１１４との界面における反射効率を高めることができる。
【００３０】
集光部１０１は、第２ミラー１０４と第３ミラー１０６との間に形成されている。集光部１０１は、第２ミラー１０４の上面から出射した光を集光することができる。また集光部１０１は、第３ミラー１０６の下面から出射した光を集光することができる。
【００３１】
集光部１０１は、熱レンズとして機能することにより光を集光することができる。集光部１０１は、たとえば第２ミラー１０４より抵抗の高い材質からなることによって、熱レンズとして機能することができる。この場合、集光部１０１は、第２ミラー１０４より低い不純物濃度を有する。たとえば、第２ミラー１０４のキャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３程度である場合には、集光部１０１のキャリア濃度は、１×１０１８ｃｍ−３未満であることが好ましい。また、集光部１０１が熱レンズとして機能する場合には、集光した光の焦点位置が第３ミラー１０６の下面にあることが好ましい。これにより、面発光型半導体レーザ１００から出射される光の放射角を狭めることができる。
【００３２】
本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００においては、集光部１０１内の温度を上昇させ、温度分布を不均一にすることができる。即ち、集光部１０１では、中央で電流が流れやすいことから、面発光型半導体レーザ１００が発振するレーザ光の中心軸付近の温度を主に上昇させて、外側に向かって温度を低くすることができ、集光部１０１は熱レンズとして機能することができる。
【００３３】
また集光部１０１は、半導体基板からなることができる。集光部１０１は、半導体基板からなることにより、第２ミラー１０４、活性層１０３、第１ミラー１０２、および第３ミラー１０６を支持することができる。また、集光部１０１は、半導体基板からなることにより、第２ミラー１０４と第３ミラー１０６との間の距離を離して共振器長を長くすることができるため、面発光型半導体レーザ１００の高出力化を図ることができる。
【００３４】
また、集光部１０１は、面発光型半導体レーザ１００の設計波長の光を吸収しない材料からなることが好ましい。即ち、集光部１０１は、面発光型半導体レーザ１００の設計波長の光のエネルギーよりエネルギーバンドギャップの大きい半導体からなることが好ましい。面発光型半導体レーザ１００の設計波長をたとえば１０６０ｎｍとした場合、その光を吸収しない材料としては、たとえばＧａＡｓ（吸収端８７３ｎｍ）、ＩｎＰ（吸収端９１９ｎｍ）、ＧａＰ（吸収端５４９ｎｍ）等を適用することができる。また、これらの材料に不純物が導入されていてもよい。
【００３５】
具体的には、集光部１０１は、キャリア濃度が１×１０１７ｃｍ−３のｎ型ＧａＡｓ基板であることができる。
【００３６】
第１ミラー１０２は、たとえば炭素（Ｃ）がドーピングされることによりｐ型にされ、第２ミラー１０４および集光部１０１は、たとえばケイ素（Ｓｉ）がドーピングされることによりｎ型にされている。したがって、ｐ型の第１ミラー１０２、不純物がドーピングされていない活性層１０３、およびｎ型の第２ミラー１０４および集光部１０１により、ｐｉｎダイオードが形成される。
【００３７】
面発光型半導体レーザ１００は、さらに第１ミラー１０２および第２ミラー１０４の少なくとも一方に電流狭窄層としての絶縁領域１０５を有する。絶縁領域１０５は、たとえば上述した第１ミラー１０２が水素イオンを含むことにより形成されている。また、絶縁領域１０５は、第１ミラー１０２および第２ミラー１０４の少なくとも一方の活性層１０３に近い領域のＡｌＡｓ層を側面から酸化することにより形成されていてもよい。この場合、少なくとも第１ミラー１０２をパターニングして柱状部を形成することによって、側面からの酸化を可能とすることができる。絶縁領域１０５の平面形状は、図４に示すように、たとえば中央部に略円形の孔を有するリング形状であることができる。これにより、中央部のレーザ光２０の光軸付近に電流経路を集中させることができる。なお、絶縁領域は、高抵抗化されて電流経路を集中させることができれば、完全に絶縁性である必要はない。
【００３８】
第３ミラー１０６は、第１ミラー１０２および第２ミラー１０４との間で共振可能な分布反射型多層膜ミラーであることができ、その材質は誘電体の多層膜であってもよいし、導電体や半導体の多層膜であってもよい。第３ミラー１０６が半導体の多層膜からなる場合には、上述した第１ミラー１０２や第２ミラー１０４と同様の材質を用いることができる。
【００３９】
第３ミラー１０６は、誘電体の多層膜の場合には、たとえば酸化シリコン層と酸化タンタル層とを交互に積層した１０ペアの分布反射型多層膜ミラー、または酸化シリコン層と窒化シリコン層とを交互に積層した１０ペアの分布反射型多層膜ミラーであることができる。なお、第３ミラー１０６の最下層１１６は、低屈折率層である酸化シリコン層からなることが好ましい。これにより、第３ミラー１０６の最下層１１６と集光部１０１との界面における反射効率を高めることができる。
【００４０】
第３ミラー１０６の平面形状は、少なくとも集光部１０１の上面からの出射光の経路を覆う形状であればよく、たとえば図４に示すように、後述する第１電極１０８の開口部を覆うように円形状に形成されることができる。また第３ミラー１０６は、第１電極１０８の上面を覆う用に形成されていてもよい。
【００４１】
面発光型半導体レーザ１００は、さらに第１電極１０８および第２電極１０９を含む。第１電極１０８および第２電極１０９によって、面発光型半導体レーザ１００を駆動することができる。また第１電極１０８および第２電極１０９によって、集光部１０１に電流を面内方向に不均一に流して温度分布を与えることができる。これにより、半導体基板からなる集光部１０１を熱レンズとして機能させることができる。
【００４２】
第１電極１０８は、集光部１０１の上面に設けられており、集光部１０１を介して第２ミラー１０４と電気的に接続されている。第１電極１０８の平面形状は、図４に示すように、リング形状の部分と、直線状の引き出し部分と、円形のパッド部分とを有する。第１電極１０８のリング形状の部分の開口部には、第３ミラー１０６から形成されており、第３ミラー１０６の上面からレーザ光が発振される。また第１電極１０８の開口部の内径は、絶縁領域１０５の内径より大きいことが好ましい。これにより、集光部１０１から発振された光が第１電極１０８の下面でけられるのを抑制することができる。
【００４３】
第１電極１０８は、例えば金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の合金と、金（Ａｕ）との積層膜からなる。また、第２電極１０９は、例えば白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）および金（Ａｕ）の積層膜からなる。第１電極１０８と第２電極１０９とによって活性層１０３に電流が注入される。第１電極１０８と第２電極１０９とによって集光部１０１に電流が注入される。なお、第１電極１０８と第２電極１０９を形成するための材料は、前述したものに限定されるわけではなく、例えば金（Ａｕ）と亜鉛（Ｚｎ）との合金などが利用可能である。
【００４４】
面発光型半導体レーザ１００の構成については以上である。次に集光部１０１の熱レンズ効果について説明する。
【００４５】
図２は、集光部１０１の温度分布の一例を模式的に示す図である。上述したように、集光部１０１では、絶縁領域１０５を有することによって、中央で電流が流れやすいことから、面発光型半導体レーザ１００が発振するレーザ光の中心軸付近の温度を主に上昇させて、外側に向かって温度を低くすることができる。図２に示すように、集光部１０１内において温度分布を凸状にすることにより、集光部１０１内に屈折率分布をもたせることができ、ひいては集光部１０１は、レンズとして機能することができる。半導体は温度上昇に伴って屈折率が高くなるという特性を有するため、集光部１０１は、凸レンズとして機能することができる。よって、第２ミラー１０４および第３ミラー１０６からの光の放射角を図３に示すように狭めることができる。
【００４６】
図３は、面発光型半導体レーザ１００内おける光束の経路を模式的に示す図である。面発光型半導体レーザ１００内の光束の経路については以下のとおりである。
【００４７】
まず、第１電極１０８と第２電極１０９とでｐｉｎダイオードに順方向の電圧を印加すると、活性層１０３において、電子と正孔との再結合が起こり、該再結合による発光が生じる。このとき、第２ミラー１０４に絶縁領域１０５が設けられていることによって、その内側の光の中心軸付近に電流が集中し、活性層１０３においても光の中心軸付近に発光が集中して起こる。そこで生じた光が第２ミラー１０４と第１ミラー１０２との間を往復する際に誘導放出が起こり、光の強度が増幅されると、集光部１０１に光が入射する。このとき入射した光の経路は、図３に示すように、集光部１０１方向に広がっている。そして集光部１０１に入射した光は、熱レンズ効果により集光されて、第３ミラー１０６に入射する。このとき、集光部１０１において熱レンズ効果により集光された光の焦点は、第３ミラー１０６と集光部１０１との界面に位置する。
【００４８】
集光部１０１を通過した光は第３ミラー１０６に入射する。第３ミラー１０６に入射した光は、第３ミラー１０６の各層間において反射して集光部１０１に戻されて、第２ミラー１０４および第１ミラー１０２に入射する。そして第３ミラー１０６と第１ミラー１０２および第２ミラー１０４との間で往復し、さらに誘導放出が起こる。その結果、光の強度がさらに増幅され、第３ミラー１０６の上面からレーザ光が発振する。
【００４９】
２．面発光型半導体レーザの製造方法
次に、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ１００の製造方法の一例について、図５〜図８を用いて説明する。図５〜図８は、図１および図４に示す面発光型半導体レーザ１００の一製造工程を模式的に示す断面図であり、それぞれ図１に示す断面図に対応している。
【００５０】
（１）まず、ｎ型ＧａＡｓ層からなる半導体基板１０１ａを準備する（図５参照）。そして半導体基板の下面１０１ｂに、組成を変調させながらエピタキシャル成長させることにより、図５に示すように、半導体多層膜１５０が形成される。ここで、半導体多層膜１５０は、半導体基板側から第２ミラー１０４、活性層１０３、および第１ミラー１０２となる膜によって構成される。第２ミラー１０４、活性層１０３、および第１ミラー１０２の材質は、上述したとおりである。なお、第１ミラー１０２の最下層１１２は、キャリア密度を高くし、第２電極１０９とのオーミック接触をとりやすくしておくのが望ましい。
【００５１】
エピタキシャル成長を行う際の温度は、成長方法や原料、半導体基板１０１ａの種類、あるいは形成する半導体多層膜１５０の種類、厚さ、およびキャリア密度によって適宜決定されるが、一般に、４５０℃〜８００℃であるのが好ましい。また、エピタキシャル成長を行う際の所要時間も、温度と同様に適宜決定される。また、エピタキシャル成長させる方法としては、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法や、ＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、あるいはＬＰＥ法（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いることができる。
【００５２】
（２）次に、半導体多層膜１５０の下方からイオンを打ち込むことにより、絶縁領域１０５を形成する（図６参照）。打ち込むイオンとしては、たとえば、Ｈ＋、Ｂ＋、Ｏ＋、またはＣｒ＋などを用いることができる。これらのイオンを注入することによって、打ち込み領域を高抵抗化して絶縁領域１０５を形成し、電流閉じこめを行うことができる。イオンは、活性層１０３の領域に達するような速度で打ち込まれることが好ましい。イオンの打ち込みは、半導体多層膜１５０の下面の所定の領域にマスクを形成して、行われる。所定の領域とは、平面視において、面発光型半導体レーザ１００から出射される光の中心軸およびその近傍以外の領域であって、この領域以外にイオンが打ち込まれる。
【００５３】
このようにイオンの打ち込みを行い、絶縁領域１０５を形成することによって、電流狭窄のための絶縁領域を形成するために、エッチング工程や成膜工程が不要となり、工程を簡略化することができる。
【００５４】
（３）次に、半導体基板１０１ａの上面１０１ｃを研磨する。半導体基板１０１ａを研磨することにより、集光部１０１を形成することができる（図７参照）。研磨は、たとえばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法等の平坦化技術を用いて行われる。研磨工程では、半導体基板１０１ａの上面１０１ｃの表面を平坦化するとともに、半導体基板１０１ａの膜厚を所望の膜厚にする。ここで所望の膜厚とは、研磨後の集光部１０１が熱レンズとして機能する場合に、集光した光の焦点位置が集光部１０１の上面にくるような膜厚をいう。これにより、第３ミラー１０６で反射される光の放射角を狭めて、ひいては面発光型半導体レーザ１００から出射される光の放射角を狭めることができる。
【００５５】
（４）次に、第１ミラー１０２の下面１０２ａに第２電極１０９が形成される（図７参照）。まず、第２電極１０９を形成する前に、必要に応じて、プラズマ処理法等を用いて、第１ミラー１０２の下面１０２ａを洗浄する。これにより、より安定した特性の素子を形成することができる。
【００５６】
次いで、例えば真空蒸着法により、例えばチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）の積層膜（図示せず）を形成する。本工程では、熱処理を行わずに、第２電極１０９と第１ミラー１０２の下面１０２ａはオーミックコンタクトを得ることができる。
【００５７】
（５）次いで、集光部１０１の上面１０１ｄに第１電極１０８が形成される（図７参照）。まず、第１電極１０８を形成する前に、必要に応じて、プラズマ処理法等を用いて、集光部１０１の上面１０１ｄを洗浄する。これにより、より安定した特性の素子を形成することができる。
【００５８】
次いで、例えば真空蒸着法により、例えば金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の合金、ニッケル（Ｎｉ）、および金（Ａｕ）の積層膜（図示せず）を形成する。次に、公知のリフトオフ技術を用いて、所定の位置以外の積層膜を除去することで、集光部１０１の上面１０１ｄに第１電極１０８が形成される。
【００５９】
次いで、例えば窒素雰囲気中において、アニール処理を行う。アニール処理の温度は、例えば４００℃前後で行う。アニール処理の時間は、例えば３分程度行う。
【００６０】
なお、第１電極１０８および第２電極１０９の形成前に必要に応じて、光の出射領域以外の領域に絶縁膜を形成してもよい。
【００６１】
（６）次に、集光部１０１の上面１０１ｄに第３ミラー１０６を形成する（図１参照）。第３ミラー１０６は、集光部１０１の上面１０１ｄにおいて、少なくとも光が出射される領域に形成されればよく、本実施の形態では、第１電極１０８の開口部を埋めるようにして形成される。第３ミラー１０６の成膜は、たとえば反応性スッパタリングやプラズマＣＶＤ（Chemical vapor deposition）によって形成することができる。成膜後、第３ミラー１０６をエッチング等によりパターニングしてもよい。第３ミラー１０６の材質については上述したとおりである。
【００６２】
以上の工程により、図１および図４に示すように、面発光型半導体レーザ１００が得られる。
【００６３】
本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００によれば、第１ミラー１０２と、活性層１０３と、第２ミラー１０４と、集光部１０１と、第３ミラー１０６とを一体化することができる。そのため、面発光型半導体レーザ１００を備えた光モジュールにおいて、部品点数を削減することができる。
【００６４】
そして、集光部１０１を第２ミラー１０４と第３ミラー１０６との間に形成することにより、第３ミラー１０６を面発光型半導体レーザとは別体の外部ミラーと同等に機能させることができる。このように第３ミラー１０６及び集光部１０１を配置することで、高出力化を図ることができる。
【００６５】
また、外部ミラーを設けるときに必要な実装時の光軸合わせをする工程が不要になるなど、工程数を削減することができる。さらに集光部１０１として半導体基板を利用することによっても、工程数を削減することができる。
【００６６】
３．変形例
次に、本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００の変形例について説明する。
【００６７】
３．１．変形例にかかる面発光型半導体レーザの構成
図８は、変形例にかかる面発光型半導体レーザ２００を模式的に示す断面図であり、図１に対応している。変形例にかかる面発光型半導体レーザ２００は、集光部２０１が凸レンズ形状を有する点において、上述した面発光型半導体レーザ１００と異なる。
【００６８】
変形例にかかる面発光型半導体レーザ２００は、第１ミラー１０２と、第１ミラー１０２上に形成された活性層１０３と、活性層１０３上に形成された第２ミラー１０４と、第２ミラー１０４上に形成された集光部２０１と、集光部２０１上に形成された第３ミラー２０６と、少なくとも第１ミラー１０２に形成された絶縁領域１０５と、を含む。面発光型半導体レーザ２００は、第１ミラー１０２と、活性層１０３と、第２ミラー１０４と、第３ミラー２０６とによって構成された垂直共振器を有する。
【００６９】
第１ミラー１０２、活性層１０３、第２ミラー１０４、絶縁領域１０５、第１電極１０８、および第２電極１０９の構成および材質については、上述したとおりであるので説明を省略する。
【００７０】
集光部２０１は、その上面が凸状の凸レンズ形状部２１１を有する。凸レンズ形状部２１１は、第２ミラー１０４の上面から出射される光の中心軸に凸レンズの中心部またはその付近がくるように配置される。また、凸レンズ形状部２１１の外縁は、平面視において、絶縁領域の内縁と同心円状であってもよい。集光部２０２の上面において、凸レンズ形状部２１１の周囲には、平坦な領域が設けられてもよく、その平坦な領域に第１電極１０８が形成されている。
【００７１】
集光部２０１が凸レンズ形状部２１１を有することにより、上述した集光部１０１の機能と同じように、第２ミラー１０４または第３ミラー２０６から出射した光を集光することができる。これにより、面発光型半導体レーザ２００から発振される光の放射角を狭めることができる。
【００７２】
第１電極１０８は、集光部２０１の上面に形成されている。具体的には、第１電極１０８は、図８に示すように、凸レンズ形状部２１１の周囲に形成されているが、凸レンズ形状部２１１の縁部にかかるように形成されてもよい。
【００７３】
第３ミラー２０６は、集光部２０１の上面に形成されており、その断面形状は、集光部２０１の上面の形状が反映されている。即ち、第３ミラー２０６の上面の断面形状は、凸レンズ形状部２１１と同様の形状を有する。
【００７４】
第３ミラー２０６は、第１ミラー１０２および第２ミラー１０４と同様に分布反射型多層膜ミラーであることができ、その材質は誘電体の多層膜であってもよいし、半導体の多層膜であってもよい。第３ミラー２０６が半導体の多層膜からなる場合には、上述した第１ミラー１０２や第２ミラー１０４と同様の材質を用いることができる。
【００７５】
第３ミラー２０６は、誘電体の多層膜の場合には、たとえば酸化シリコン層と酸化タンタル層とを交互に積層した１０ペアの分布反射型多層膜ミラー、または酸化シリコン層と窒化シリコン層とを交互に積層した１０ペアの分布反射型多層膜ミラーであることができる。なお、第３ミラー２０６の最下層１１６は、低屈折率層である酸化シリコン層からなることが好ましい。
【００７６】
第３ミラー２０６の平面形状は、少なくとも集光部１０１の上面からの出射光の経路を覆う形状であればよく、たとえば図８に示すように、後述する第１電極１０８の開口部を覆うように円形状に形成されることができる。また第３ミラー２０６は、第１電極１０８の上面を覆う用に形成されていてもよい。
【００７７】
本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ２００によれば、上述した面発光型半導体レーザ１００と同様に、第１ミラー１０２と、活性層１０３と、第２ミラー１０４と、集光部２０１と、第３ミラー２０６とを一体化することができる。そのため、面発光型半導体レーザ２００を備えた光モジュールにおいて、部品点数を削減することができる。
【００７８】
そして、集光部２０１を第２ミラー１０４と第３ミラー２０６との間に形成することにより、第３ミラー２０６を面発光型半導体レーザとは別体の外部ミラーと同等に機能させることができる。このように第３ミラー２０６及び集光部２０１を配置することで、高出力化を図ることができる。
【００７９】
また、外部ミラーを設けるときに必要な実装時の光軸合わせをする工程が不要になるなど、工程数を削減することができる。さらに集光部２０１として半導体基板を利用することによっても、工程数を削減することができる。
【００８０】
３．２．変形例にかかる面発光型半導体レーザの製造方法
次に変形例にかかる面発光型半導体レーザ２００の製造方法について説明する。図９〜図１２は、面発光型半導体レーザ２００の一製造工程を模式的に示す断面図であり、それぞれ図８に示す断面図に対応している。
【００８１】
（１）まず、「２．面発光型半導体レーザの製造方法」の工程（１）および（２）を行う。即ち、ｎ型ＧａＡｓ層からなる半導体基板１０１ａを準備し、半導体基板１０１ａの下面１０１ｂに半導体多層膜１５０を形成する。次いで、半導体多層膜１５０の下方からイオンを打ち込むことにより、絶縁領域１０５を形成する（図６参照）。
【００８２】
（２）次に、半導体基板１０１ａの上面１０１ｃを凸レンズ形状に加工し、凸レンズ形状部２１１を形成する（図１１参照）。凸レンズ形状部２１１は、たとえば以下のようにして、形成することができる。
【００８３】
まず、半導体基板１０１ａの上面１０１ｃに所定のパターンの第１レジスト層Ｒ１を形成する（図９参照）。具体的には、フォトレジストを半導体基板１０１ａの上面１０１ｃに塗布した後、フォトリソグラフィーによりフォトレジストをパターニングすることによって、第１レジスト層Ｒ１を形成することができる。
【００８４】
次いで、第１レジスト層Ｒ１を加熱することにより溶融し、リフローさせて、図１０に示すように、凸レンズ状に再形成することにより、第２レジスト層Ｒ２が得られる。加熱は、たとえばホットプレートまたは温風循環式オーブン等を用いて行うことができる。ホットプレートを用いた場合の条件は、レジストの材質によって異なるが、加熱温度が１５０℃以上で、加熱時間が２分〜１０分、好ましくは５分である。また温風循環式オーブンを用いた場合の条件は、加熱温度が１６０℃以上で、加熱時間が２０分〜３０分程度が適当である。
【００８５】
次いで、反応性イオンエッチングにより、第２レジストＲ２の形状が半導体基板１０１ａに反映されるように、第２レジスト層Ｒ２および半導体基板１０１ａをドライエッチングする。エッチングは、半導体基板１０１ａの上面に第２レジスト層Ｒ２のレンズ形状が転写されるまで行われればよい。エッチング工程では、たとえばエッチングガスとして塩素または塩素系ガス（塩化水素、ＢＣｌ３）と酸素ガスを用いて、反応性イオンビームエッチングが行われる。このエッチングの選択比は、たとえば０．５〜１．０であることが好ましい。この際、プラズマ状態を安定化させるために、アルゴンガスを付加してもよい。以上の工程により、凸レンズ形状部２１１を形成して、当該凸レンズ形状部２１１を有する集光部２０１を形成することができる。
【００８６】
（３）次に、第１ミラー１０２の下面１０２ａに第２電極１０９が形成される（図１２参照）。まず、第２電極１０９を形成する前に、必要に応じて、プラズマ処理法等を用いて、第１ミラー１０２の下面１０２ａを洗浄する。これにより、より安定した特性の素子を形成することができる。
【００８７】
次いで、例えば真空蒸着法により、例えばチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）の積層膜（図示せず）を形成する。本工程では、熱処理を行わずに、第２電極１０９と第１ミラー１０２の下面１０２ａはオーミックコンタクトを得ることができる。
【００８８】
（４）次いで、集光部２０１の上面２０１ｄに第１電極１０８が形成される（図１２参照）。まず、第１電極１０８を形成する前に、必要に応じて、プラズマ処理法等を用いて、集光部２０１の上面２０１ｄを洗浄する。これにより、より安定した特性の素子を形成することができる。
【００８９】
次いで、例えば真空蒸着法により、例えば金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の合金、ニッケル（Ｎｉ）、および金（Ａｕ）の積層膜（図示せず）を形成する。次に、公知のリフトオフ技術を用いて、所定の位置以外の積層膜を除去することで、集光部２０１の上面２０１ｄに第１電極１０８が形成される。
【００９０】
次いで、例えば窒素雰囲気中において、アニール処理を行う。アニール処理の温度は、例えば４００℃前後で行う。アニール処理の時間は、例えば３分程度行う。
【００９１】
なお、第１電極１０８および第２電極１０９の形成前に必要に応じて、光の出射領域以外の領域に絶縁膜を形成してもよい。
【００９２】
（５）次に、集光部２０１の上面２０１ｄに第３ミラー２０６を形成する（図８参照）。第３ミラー２０６は、集光部２０１の上面２０１ｄにおいて、少なくとも光が出射される領域に形成されればよく、変形例にかかる面発光型半導体レーザ２００では、第１電極１０８の開口部を埋めるようにして形成される。第３ミラー２０６の成膜は、たとえば反応性スッパタリングやプラズマＣＶＤ（Chemical vapor deposition）によって形成することができる。成膜後、第３ミラー１０６をエッチング等によりパターニングしてもよい。第３ミラー２０６の材質については上述したとおりである。
【００９３】
以上の工程により、図８に示すように、面発光型半導体レーザ２００が得られる。本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ２００の製造方法によれば、半導体基板をレンズ形状にエッチングすることにより、集光部２０１を形成している。このような方法を用いることにより、レンズ形状を適宜調製することが可能であるため、集光部２０１における光の屈折を制御することができ、ひいては集光機能を容易に向上させることができる。
【００９４】
４．光モジュール
次に、本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００を適用した光モジュール１０００について説明する。図１３は、本実施の形態にかかる光モジュール１００を模式的に示す断面図である。光モジュール１０００は、面発光型半導体レーザ１００と、波長変換素子４００とを含む。
【００９５】
波長変換素子４００は、面発光型半導体レーザ１００の上方におけるレーザ光の光路上に設けられており、面発光型半導体レーザ１００から発振されたレーザ光２０の波長を変換することができる。波長変換素子４００の材質は、たとえばニオブ酸リチウムからなるＳＨＧ（Second Harmonic Generation）素子であることができる。
【００９６】
面発光型半導体レーザ１００は、上述した材料で製造されることにより、たとえば波長が１０６０ｎｍのレーザ光２０を上方に発振することができる。レーザ光２０は、波長変換素子４００を透過することにより、波長５３０ｎｍのレーザ光に変換されることができる。
【００９７】
このように、本実施の形態にかかる光モジュール１０００によれば、高出力可能な短波長レーザを、安価で容易に大量生産で得ることができる。このような光モジュール１０００は、プロジェクタ等の表示装置だけでなく、医療やセンサ等の計測分野等において広く利用されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザを模式的に示す断面図である。
【図２】集光部１０１の温度分布の一例を模式的に示す図である。
【図３】面発光型半導体レーザ１００内おける光束の経路を模式的に示す図である。
【図４】本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザを模式的に示す平面図である。
【図５】本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造工程を模式的に示す断面図である。
【図６】本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造工程を模式的に示す断面図である。
【図７】本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの製造工程を模式的に示す断面図である。
【図８】変形例にかかる面発光型半導体レーザを模式的に示す断面図である。
【図９】変形例にかかる面発光型半導体レーザの製造工程を模式的に示す断面図である。
【図１０】変形例にかかる面発光型半導体レーザの製造工程を模式的に示す断面図である。
【図１１】変形例にかかる面発光型半導体レーザの製造工程を模式的に示す断面図である。
【図１２】変形例にかかる面発光型半導体レーザの製造工程を模式的に示す断面図である。
【図１３】本実施の形態にかかる光モジュールを模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００９９】
１００  面発光型半導体レーザ、１０１  集光部、１０２  第１ミラー、１０３  活性層、１０４  第２ミラー、１０５  絶縁領域、１０６  第３ミラー、１０８  第１電極、１０９  第２電極、１５０  半導体多層膜、２００  面発光型半導体レーザ、２０１  集光部、２０６  第３ミラー、４００  波長変換素子、１０００  光モジュール
【図１】
2008244240.tif 000003
【図２】
2008244240.tif 000004
【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】
2008244240.tif 000010
【図９】
2008244240.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2008244240.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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