(57)【要約】【課題】簡単な構造を有し高効率で小型の半導体レーザ素子およびその製造方法を実現することである。【解決手段】半導体レーザ素子は、量子井戸薄膜５により構成される円筒状のレーザ共振器を備える。量子井戸薄膜５は、量子井戸層の両面を障壁層で挟んだ量子井戸構造を有する。光励起または電流注入により量子井戸薄膜５に光が発生し、発生した光が円筒状のレーザ共振器の周上を走行し、ウィスパリング・ギャラリー・モードによる光共鳴状態が発生する。【選択図】　　　　図３
2004047645.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の半導体層上に第２の半導体層が形成され、
前記第１の半導体層は、第１の格子定数を有し、
前記第２の半導体層は、前記第１の格子定数よりも大きな第２の格子定数を有するとともに、光を発生する活性層を含み、
前記第１の半導体層および前記第２の半導体層が略筒状に形成されたことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記活性層は、量子井戸層を含む量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記活性層は、前記量子井戸層の両面を挟むように設けられた複数の障壁層をさらに含むことを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
円筒状に形成された前記第２の半導体層は、光を受ける受光領域を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記第１の半導体層および前記第２の半導体層は、互いに隣接するｎ型領域およびｐ型領域を有し、
前記ｎ型領域に接触する第１電極と、
前記ｐ型領域に接触する第２電極とをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
基板上にエッチング層、第１の半導体層および第２の半導体層を順に備え、
前記第１の半導体層は、第１の格子定数を有し、
前記第２の半導体層は、前記第１の格子定数よりも大きな第２の格子定数を有するとともに、光を発生する活性層を含み、
前記第１の半導体層の所定領域を取り囲むように前記第１の半導体層、前記第２の半導体層および前記エッチング層に溝部が形成され、前記所定領域下の前記エッチング層が一部領域を除いてエッチングにより選択的に除去されることにより前記第１の半導体層および前記第２の半導体層が略筒状に湾曲したことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項７】
基板上にエッチング層を形成する工程と、
前記エッチング層上に第１の格子定数を有する第１の半導体層を形成する工程と、
前記第１の半導体層上に前記第１の格子定数よりも大きな第２の格子定数を有するとともに光を発生する活性層を含む第２の半導体層を形成する工程と、
前記第１の半導体層の所定領域を取り囲むように前記第１の半導体層、前記第２の半導体層および前記エッチング層に溝部を形成する工程と、
前記所定領域下の前記エッチング層を一部領域を除いてエッチングにより選択的に除去することにより前記第１の半導体層および前記第２の半導体層を略筒状に湾曲させる工程とを備えたことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のストライプ型半導体レーザ素子（レーザダイオード）では、量子井戸層等のストライプ状の発光活性部を含む半導体層の両端に、その半導体層の平面に対して垂直方向に延びる２つの反射鏡が設けられ、反射鏡の間を光が往復することによりレーザ発振を行うレーザ共振器（レーザ共振器）が形成される。
【０００３】
このような従来の半導体レーザ素子では、通常反射鏡としては半導体基板を劈開することにより形成される劈開面が使用される。しかし、劈開面の反射率は低いので、高いＱ値を有するレーザ共振器を形成することができない。そのため、レーザ発振のしきい値を下げることができない。
【０００４】
半導体基板の劈開面を反射鏡として用いる代わりに外部に反射鏡を設ける方法もあるが、レーザ素子全体のサイズが非常に大型になり、小型という半導体レーザ素子の利点の１つが失われてしまう。さらに、上記の外部の反射鏡からなるレーザ共振器においては、光の閉じ込めが良好に行われず、２つの外部の反射鏡を往復する間に光がその光路から外れやすく、結果として高いＱ値を実現することは困難である。
【０００５】
上記のようなストライプ型半導体レーザ素子に比べてＱ値の高いレーザ共振器構造を有する半導体レーザ素子として、表面放射型レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）がある。
【０００６】
ＶＣＳＥＬにおいては、半導体の量子井戸層からなる発光活性部の上下に半導体多層膜により構成されるＤＢＲ（分布ブラッグ反射）膜を成長させ、ＤＢＲ膜をレーザ共振器の反射鏡として使用する。この方式では、ストライプ構造に比べて光閉じ込めが良好に行われるものの、ＤＢＲ膜の反射率を高めるためには、ＤＢＲ膜を構成する多層膜の層数を増加させなければならず、ＤＢＲ膜の成長時間が増加し、製造コストが高くなる。また、ＤＢＲ膜を構成する多層膜の層数を増加させても、反射率の向上に限界がある。これは、多層膜の層数を増加させた場合、多層膜の成長時の膜厚が一定しないことや、上下方向から発光活性部に電流注入を行うためにＤＢＲ膜の部分にも不純物をドーピングする必要があり、多層膜の層数を増加させるとともにＤＢＲ膜の部分での光吸収による損失が増加するためである。そのため、ＶＣＳＥＬにおいても、高いＱ値を得ることは困難とされてきた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
高いＱ値を得るためのもう１つの方法として、近年、レーザ共振器の形状を球状または円盤状として、そのレーザ共振器の周上を光が周回する際に発生する光共鳴状態であるウィスパリング・ギャラリー・モード（ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ　ｇａｌｌｅｒｙ　ｍｏｄｅ）を利用することが試みられている。
【０００８】
色素や半導体微粒子をドープしたプラスチックの球の外周に発生するウィスパリング・ギャラリー・モードを用いた微小レーザ（Ｈ−Ｊ．Ｍｏｏｎ　ｅｔ　ａｌ．，Ｐｈｙ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．８５，Ｎｏ．１５，ｐｐ．３１６１−３１６４，ｙｅａｒ２０００）や、半導体量子井戸を含む微小な円盤の円周上に発生するウィスパリング・ギャラリー・モードを用いたマイクロディスクレーザ（Ｓ．Ｌ．ＭｃＣａｌｌ　ｅｔ　ａｌ．，Ａｐｐｌｅ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．６０，Ｎｏ．３，ｐｐ．２８９−２９１，ｙｅａｒ１９９２）が文献等において発表されている。これらの微小レーザおよびマイクロディスクレーザにおいては、ウィスパリング・ギャラリー・モードによる高いＱ値のレーザ共振器が実現されているものの、以下のような欠点がある。
【０００９】
まず、色素や半導体微粒子をドープしたプラスチック球の場合、光が周回する周上に存在するレーザ活性媒質の密度が低く、また球の内部にあるレーザ活性媒質はレーザ発振にほとんど寄与しないため、効率が悪い。さらに、色素は、強い励起に対しクエンチングと呼ばれる飽和作用があり、効率向上の妨げともなる。さらに、色素の劣化が避けられない。また、微小球の半径を所定値に正確に形成することは困難であり、ウィスパリング・ギャラリー・モードによる光共鳴波長が球ごとにばらつき、発振波長の制御性が悪い。
【００１０】
そのため、色素や半導体微粒子をドープしたプラスチック球を用いた微小レーザは、実用には至っておらず、もっぱら研究テーマとしてのみ興味が持たれているにすぎない。
【００１１】
次に、半導体量子井戸を含む微小な円盤の周上に発生するウィスパリング・ギャラリー・モードを用いたマイクロディスクレーザでは、光が周回する周上の量子井戸のみしか利用されないため、効率が低い。また、量子井戸のみを微小なディスク形状にするためには、量子井戸部分の下を選択的に掘り込む必要がある。このような加工プロセス上の困難性があるため、マイクロディスクレーザも、研究段階にとどまっている。
【００１２】
本発明の目的は、簡単な構造を有し高効率で小型の半導体レーザ素子およびその製造方法を実現することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本発明に係る半導体レーザ素子は、第１の半導体層上に第２の半導体層が形成され、第１の半導体層は、第１の格子定数を有し、第２の半導体層は、第１の格子定数よりも大きな第２の格子定数を有するとともに、光を発生する活性層を含み、第１の半導体層および第２の半導体層が略筒状に形成されたものである。
【００１４】
本発明に係る半導体レーザ素子においては、第１の半導体層の第１の格子定数が第２の半導体層の第２の格子定数よりも大きい。そのため、第１の半導体層と第２の半導体層との格子定数の差に起因する歪みを緩和するように第１の半導体層および第２の半導体層が湾曲する。それにより、略筒状のレーザ共振器が形成される。
【００１５】
略筒状のレーザ共振器に光照射または電流注入を行うことにより光が発生し、発生した光が略筒状のレーザ共振器の周上を走行する際にウィスパリング・ギャラリー・モードによる光共鳴状態が発生する。それにより、高いＱ値を有するレーザ発振が得られる。また、第１および第２の半導体層を格子定数の差に起因する歪みを利用して湾曲させることにより、略筒状のレーザ共振器が形成されるので、簡単な構造を有し高効率で小型の半導体レーザ素子が実現される。
【００１６】
活性層は、量子井戸層を含む量子井戸構造を有してもよい。また、活性層は、量子井戸層の両面を挟むように設けられた複数の障壁層をさらに含んでもよい。
【００１７】
略筒状に形成された第２の半導体層は、光を受ける受光領域を有してもよい。
この場合、第２の半導体層の受光領域に光を照射することにより、活性層内で光が発生し、略筒状のレーザ共振器の周上を光が走行する際にウィスパリング・ギャラリー・モードによる光共鳴状態が発生する。
【００１８】
第１の半導体層および第２の半導体層は、互いに隣接するｎ型領域およびｐ型領域を有し、ｎ型領域に接触する第１電極と、ｐ型領域に接触する第２電極とをさらに備えてもよい。
【００１９】
この場合、第１電極および第２電極を介して第２の半導体層のｎ型領域およびｐ型領域に電流を注入することにより、活性層内で光が発生し、略筒状のレーザ共振器の周上を光が走行する際にウィスパリング・ギャラリー・モードによる光共鳴状態が発生する。
【００２０】
本発明に係る半導体レーザ素子は、基板上にエッチング層、第１の半導体層および第２の半導体層を順に備え、第１の半導体層は、第１の格子定数を有し、第２の半導体層は、第１の格子定数よりも大きな第２の格子定数を有するとともに、光を発生する活性層を含み、第１の半導体層の所定領域を取り囲むように第１の半導体層、第２の半導体層およびエッチング層に溝部が形成され、所定領域下のエッチング層が一部領域を除いてエッチングにより選択的に除去されることにより第１の半導体層および第２の半導体層が略筒状に湾曲したものである。
【００２１】
本発明に係る半導体レーザ素子においては、第１の半導体層の所定領域を取り囲むように第１の半導体層、第２の半導体層およびエッチング層に溝部が形成されているので、所定領域下のエッチング層が一部領域を除いてエッチングにより選択的に除去されることにより所定領域の第１の半導体層および第２の半導体層が解放状態となる。第１の半導体層の第１の格子定数が第２の半導体層の第２の格子定数よりも大きい。そのため、第１の半導体層と第２の半導体層との格子定数の差に起因する歪みを緩和するように第１の半導体層および第２の半導体層が湾曲する。それにより、略筒状のレーザ共振器が形成される。
【００２２】
略筒状のレーザ共振器に光照射または電流注入を行うことにより光が発生し、発生した光が略筒状のレーザ共振器の周上を走行する際にウィスパリング・ギャラリー・モードによる光共鳴状態が発生する。それにより、高いＱ値を有するレーザ発振が得られる。また、第１および第２の半導体層を格子定数の差に起因する歪みを利用して湾曲させることにより、略筒状のレーザ共振器が形成されるので、簡単な構造を有し高効率で小型の半導体レーザ素子が実現される。
【００２３】
本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、基板上にエッチング層を形成する工程と、エッチング層上に第１の格子定数を有する第１の半導体層を形成する工程と、第１の半導体層上に第１の格子定数よりも大きな第２の格子定数を有するとともに光を発生する活性層を含む第２の半導体層を形成する工程と、第１の半導体層の所定領域を取り囲むように第１の半導体層、第２の半導体層およびエッチング層に溝部を形成する工程と、所定領域下のエッチング層を一部領域を除いてエッチングにより選択的に除去することにより第１の半導体層および第２の半導体層を略筒状に湾曲させる工程とを備えたものである。
【００２４】
本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法によれば、第１の半導体層の所定領域を取り囲むように第１の半導体層、第２の半導体層およびエッチング層に溝部が形成されるので、所定領域下のエッチング層が一部領域を除いてエッチングにより除去されることにより所定領域の第１の半導体層および第２の半導体層が解放状態となる。第１の半導体層の第１の格子定数が第２の半導体層の第２の格子定数よりも大きい。そのため、第１の半導体層と第２の半導体層との格子定数の差に起因する歪みを緩和するように第１の半導体層および第２の半導体層が湾曲する。それにより、略筒状のレーザ共振器が形成される。
【００２５】
略筒状のレーザ共振器に光照射または電流注入を行うことにより光が発生し、発生した光が略筒状のレーザ共振器の周上を走行する際にウィスパリング・ギャラリー・モードによる光共鳴状態が発生する。それにより、高いＱ値を有するレーザ発振が得られる。また、第１および第２の半導体層を格子定数の差に起因する歪みを利用して湾曲させることにより、略筒状のレーザ共振器が形成されるので、簡単な構造を有し高効率で小型の半導体レーザ素子が実現される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００２７】
図１は本発明に係る半導体レーザ素子の基本原理を説明するための模式図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。図２は図１の半導体レーザ素子を構成する量子井戸薄膜を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。図３は図１の半導体レーザ素子における光共鳴状態を示す模式図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。図４は図３の半導体レーザ素子の一部拡大図である。
【００２８】
図１に示す半導体レーザ素子は、量子井戸薄膜５により構成される円筒状のレーザ共振器を備える。図２に示すように、量子井戸薄膜５は、量子井戸層５２の両面を障壁層５１，５３で挟んだ量子井戸構造を有する。量子井戸薄膜５を円筒状に形成する方法については後述する。
【００２９】
例えば、量子井戸層５２はＧａＡｓからなり、障壁層５１，５３はＡｌＧａＡｓからなり、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル法）等により作製される。
【００３０】
図３においては、円筒状の量子井戸薄膜５の周上にウィスパリング・ギャラリー・モードにおいて形成される定在波が示されている。光励起または電流注入により、図４に示すように量子井戸層５２に光が発生する。円筒状の量子井戸薄膜５の直径が数μｍから数十μｍと微小な場合、量子井戸薄膜５の円周の長さが光波長の整数倍となるような波長の定在波が形成され、レーザ共振器においてウィスパリング・ギャラリー・モードによる光共鳴状態が起こる。光波長の整数倍としては、多数の共鳴点が存在する。レーザ活性媒質である量子井戸層５２から発生する光の波長帯域のうち、共鳴波長群に合致しかつ最大の共振器共鳴強度（最大Ｑ値）となる波長で自動的にレーザ発振が起こる。
【００３１】
本発明に係る半導体レーザ素子においては、壁面の全ての部分に連続的に量子井戸層５２が分布しており、光は周上を周回するにつれて連続的に増幅される。
【００３２】
ウィスパリング・ギャラリー・モードによる光共鳴状態でレーザ発振を行うレーザ共振器では、Ｑ値が非常に高いために、レーザ発振のしきい値が低くなる（五神、応用物理、６５巻、９号、第９５０頁〜第９５４頁、１９９６年参照）。
【００３３】
図５は図１の円筒状のレーザ共振器の詳細構造およびその作製方法を示す模式図であり、（ａ）は量子井戸薄膜の湾曲前の状態を示す断面図、（ｂ）は量子井戸薄膜の湾曲後の状態を示す断面図である。
【００３４】
図５（ａ）に示すように、ＧａＡｓからなる基板１上に、ＧａＡｓからなるバッファ層２、ＡｌＡｓからなるエッチング層３、後述する素子構成層５０およびＧａＡｓからなるキャップ層６が順に形成されている。素子構成層５０は、ＩｎＧａＡｓからなる歪み層４および量子井戸薄膜５を順に含む。量子井戸薄膜５は、ＡｌＧａＡｓからなる障壁層５１、ＧａＡｓからなる量子井戸層５２およびＡｌＧａＡｓからなる障壁層５３から構成される。
【００３５】
エッチング層３の厚さは例えば１００ｎｍであり、歪み層４の厚さは例えば１０ｎｍであり、障壁層５１，５３の厚さは例えば２０〜３０ｎｍであり、量子井戸層５２の厚さは例えば５〜１０ｎｍである。なお、素子構成層５０の湾曲を容易にするために、ＧａＡｓキャップ層６の厚さは、１０００ｎｍ以下にすることが好ましい。
【００３６】
ＩｎＧａＡｓからなる歪み層４の格子定数は、ＡｌＧａＡｓからなる障壁層５１，５３およびＧａＡｓからなる量子井戸層５２の格子定数よりも大きい。それにより、歪み層４の格子間隔が圧縮され、量子井戸薄膜５の格子間隔が伸張される。このように、歪み層４および量子井戸薄膜５に格子定数の差に起因する歪みが発生する。
【００３７】
素子構成層５０下のエッチング層３をエッチングにより選択的に除去すると、素子構成層５０が解放状態となり、ＩｎＧａＡｓからなる歪み層４とＡｌＧａＡｓからなる障壁層５１との格子定数の差による歪みを緩和するように素子構成層５０が円筒状に湾曲する。この場合、ＩｎＧａＡｓからなる歪み層４の格子間隔が本来の格子定数に戻るように歪み層４が伸張する。
【００３８】
図６は歪み層および素子構成層の厚さ、格子定数および曲率半径の関係を示す模式図である。
【００３９】
図６において、半導体層３０１は図５のＡｌＧａＡｓからなる障壁層５１に相当し、半導体層３０２は図５のＩｎＧａＡｓからなる歪み層４に相当する。
【００４０】
半導体層３０１の膜厚をｄ１　とし、格子定数をａ１とする。また、半導体層３０２の膜厚をｄ２　とし、格子定数をａ２　とする。ここで、ａ２　＞ａ１　である。また、半導体層３０１の上面の曲率半径をρとする。
【００４１】
この場合、曲率半径ρは次式（１）より求められる。
【００４２】
【数１】
2004047645.tif 000003
【００４３】
上式（１）において、歪みはε＝（ａ２　−ａ１　）／ａ１　で表される。また、ｄ＝ｄ１　＋ｄ２　は半導体層３０１，３０２の合計の厚みである。
【００４４】
また、ｎは次式（２）で表される。
ｎ＝Ｙ１　／Ｙ２　　　…（２）
上式（２）において、Ｙ１　は半導体層３０１のヤング率であり、Ｙ２　は半導体層３０２のヤング率である。さらに、ｍは次式（３）で表される。
【００４５】
ｍ＝ｄ１　／ｄ２　　　…（３）
例えば、半導体層３０１がＧａＡｓからなり、半導体層３０２がＩｎＧａＡｓからなる場合、ｄ１　＝０．０１［μｍ］とし、ｄ２　＝０．０１［μｍ］とすると、ρ＝０．９５［μｍ］となり、ｄ１　＝０．１［μｍ］とし、ｄ２　＝０．０１［μｍ］とすると、ρ＝１６．６６［μｍ］となる。
【００４６】
図７は本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザ素子の模式的斜視図である。図８〜図１２は図７の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図であり、これらの図において（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ線断面図である。また、図１３は図７の半導体レーザ素子の層構造を示す断面図である。
【００４７】
図７に示すように、本実施の形態の半導体レーザ素子においては、ＧａＡｓからなる基板１上に、円筒状のレーザ共振器１００が一対の支持板１０１を介して支持されている。
【００４８】
ここで、図７の半導体レーザ素子の製造方法を説明する。まず、図８に示すように、ＧａＡｓからなる基板１上に、ＡｌＡｓからなるエッチング層３０、後述する素子構成層５０および湾曲防止層６０を順にエピタキシャル成長させる。
【００４９】
これらのエッチング層３０、素子構成層５０および湾曲防止層６０は、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）、ＣＶＤ法（化学的気相成長法）等のエピタキシャル成長技術を用いて形成される。
【００５０】
図１３は素子構成層の詳細な構成を示した断面図であって、素子構成層５０はＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる歪み層４および量子井戸薄膜５を含む。量子井戸薄膜５は、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓからなる障壁層５１、ＧａＡｓからなる量子井戸層５２およびＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓからなる障壁層５３により構成される。湾曲防止層６０はＡｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ層６１およびＧａＡｓからなるギャップ層６２を順に含む。
【００５１】
エッチング層３０の厚さは例えば１００ｎｍであり、歪み層４の厚さは例えば１０ｎｍであり、障壁層５１の厚さは例えば２０ｎｍであり、量子井戸層５２の厚さは例えば５ｎｍであり、障壁層５３の厚さは例えば２０ｎｍである。ＡｌＧａＡｓ層６１の厚さは例えば２００ｎｍであり、キャップ層６２の厚さは例えば３００ｎｍである。
【００５２】
次に、図９に示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより湾曲防止層６０の一部領域を除去し、矩形の凹部７０を形成する。エッチングとしては、ウェットエッチング法またはＲＩＥ法（反応性イオンエッチング法）を用いることができる。
【００５３】
次いで、図１０に示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより矩形の凹部７０の周囲における湾曲防止層６０、素子構成層５０およびエッチング層３０を除去し、口の字状の溝部８０を形成するとともに、矩形の溝部８１を形成する。この場合にも、エッチングとしてウェットエッチング法またはＲＩＥ法を用いることができる。
【００５４】
その後、図１１に示すように、素子構成層５０下のエッチング層３０を酸等を用いたウェットエッチング法により選択的に除去する。それにより、素子構成層５０が解放状態になる。その結果、図１２に示すように、素子構成層５０内のＩｎＧａＡｓからなる歪み層４とＡｌＧａＡｓからなる障壁層５１との格子定数の差に起因する歪みを緩和するように、素子構成層５０が上方に持ち上がるとともに、湾曲防止層６０が存在しない領域では素子構成層５０が円筒状に湾曲する。この場合、湾曲防止層６０は十分な厚さを有するので、湾曲防止層６０が存在する領域では、素子構成層５０は湾曲しない。
【００５５】
このようにして、円筒状のレーザ共振器１００が形成されるとともに、円筒状のレーザ共振器１００が素子構成層５０および湾曲防止層６０からなる支持板１０１により基板１から離れるように支持される。
【００５６】
このような工程を経て製造された図７に示す半導体レーザ素子においては、レーザ共振器１００の外周面が受光領域となる。外部からレーザ共振器１００の外周面に光を照射することによりレーザ発振を誘起することができる。この場合、量子井戸薄膜５の端面と内周面との接合箇所で一部の光の漏れが生じるが、大部分の光が円筒状のレーザ共振器の周上を走行し、ウィスパリング・ギャラリー・モードによる光共鳴状態が発生する。また、円筒状のレーザ共振器１００が基板１から離れるように１対の支持板１０１により支持されているので、円筒状のレーザ共振器１００の周上を周回する光が基板１に吸収されることが防止される。したがって、高いＱ値が得られ、レーザ発振のしきい値が低下する。
【００５７】
以上のように、上記の方法で量子井戸薄膜５を円筒状に形成することにより、簡単な構造を有し高効率で小型の半導体レーザ素子を実現することができる。
【００５８】
図１４は本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ素子を示す模式的斜視図である。図１５および図１６は図１４の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図であり、これらの図において（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ線断面図である。
【００５９】
図１４に示す半導体レーザ素子においては、ＧａＡｓからなる基板１およびその上の各層がｎ型半導体層からなる。また、基板１およびその上の半導体層の一部領域にｐ型不純物のドーピングによりｐ型領域１１０が形成されている。また、基板１上に、円筒状のレーザ共振器１００が１対の支持板１０１を介して基板１から離れるように支持されている。円筒状のレーザ共振器１００の半分はｐ型領域１３１となり、残りの半分はｎ型領域１３２となっている。また、一方の支持板１０１上にｐ電極１２１が形成され、他方の支持板１０１上にｎ電極１２２が形成されている。
【００６０】
ここで、図１４の半導体レーザ素子の製造方法を説明する。まず、図１５に示すように、ＧａＡｓからなる基板１上に、ＧａＡｓからなるバッファ層（図示せず）、ＡｌＡｓからなるエッチング層３０、素子構成層５０および湾曲防止層６０を順にエピタキシャル成長させる。バッファ層、エッチング層３０、素子構成層５０および湾曲防止層６０の材料は、第１の実施の形態と同様である。このエピタキシャル成長時にバッファ層、エッチング層３０、素子構成層５０および湾曲防止層６０にｎ型不純物をドープする。
【００６１】
その後、湾曲防止層６０および素子構成層５０の一部領域にｐ型不純物をドープし、矩形のｐ型領域１１０を形成する。ｐ型不純物のドーピングは、亜鉛の蒸着およびアニーリングによる拡散ドーピングまたはイオン注入により行うことができる。
【００６２】
次に、図１６に示すように、湾曲防止層６０上の所定領域にｐ電極１２１およびｎ電極１２２を形成する。また、図９および図１０に示した方法により湾曲防止層６０に矩形の凹部７０を形成し、湾曲防止層６０、素子構成層５０およびエッチング層３０に口の字状の溝部８０および矩形の溝部８１を形成する。
【００６３】
その後、図１１に示した方法により素子構成層５０下のエッチング層３０を除去する。それにより、図１２に示したように、素子構成層５０が解放状態になる。その結果、図１２に示したように、素子構成層５０内のＩｎＧａＡｓからなる歪み層４とＡｌＧａＡｓからなる障壁層５１との格子定数の差に起因する歪みを緩和するように、素子構成層５０が上方に持ち上がるとともに、湾曲防止層６０が存在しない領域で素子構成層６０が円筒状に湾曲する。この場合、湾曲防止層６０は十分な厚さを有するので、湾曲防止層６０が存在する領域では、素子構成層５０は湾曲しない。
【００６４】
このようにして、円筒状のレーザ共振器１００が形成されるとともに、円筒状のレーザ共振器１００が素子構成層５０および湾曲防止層６０からなる支持板１０１により基板１から離れるように支持される。
【００６５】
このようにして製造された半導体レーザ素子においては、ｐ電極１２１およびｎ電極１２２を介して円筒状のレーザ共振器１００のｐ型領１３１およびｎ型領１３２へ電流を注入することにより、レーザ発振を誘起することができる。この場合、量子井戸薄膜５の端面と内周面との接合箇所で一部の光の漏れが生じるが、大部分の光が円筒状のレーザ共振器１００の周上を走行し、ウィスパリング・ギャラリー・モードによる光共鳴状態が発生する。また、円筒状のレーザ共振器１００が基板１から離れるように１対の支持板１０１により支持されているので、円筒状のレーザ共振器１００の周上を周回する光が基板１に吸収されることが防止される。したがって、高いＱ値が得られ、レーザ発振のしきい値が低下する。
【００６６】
以上のように、上記の方法で量子井戸薄膜５を円筒状に形成することにより、簡単な構造を有し高効率で小型の半導体レーザ素子を実現することができる。
【００６７】
図１７は本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザ素子の模式的斜視図である。図１８〜図２１は図１７の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図であり、これらの図において（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ線断面図である。
【００６８】
図１７に示すように、本実施の形態の半導体レーザ素子においては、ＧａＡｓからなる基板１上に、円筒状のレーザ共振器１００が一対の支持板１０１を介して支持されている。
【００６９】
ここで、図１７の半導体レーザ素子の製造方法を説明する。まず、図１８に示すように、ＧａＡｓからなる基板１上に、ＡｌＡｓからなるエッチング層３０および素子構成層５０を順にエピタキシャル成長させる。素子構成層５０の構成は図１３に示した構成と同様である。これらのエッチング層３０および素子構成層５０は、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＣＶＤ法等のエピタキシャル成長技術を用いて形成される。
【００７０】
次いで、図１９に示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより素子構成層５０およびエッチング層３０を除去し、口の字状の溝部８０を形成するとともに、矩形の溝部８１を形成する。この場合にも、エッチングとしてウェットエッチング法またはＲＩＥ法を用いることができる。
【００７１】
その後、図２０に示すように、素子構成層５０下のエッチング層３０を一部領域を除いて酸等を用いたウェットエッチング法により選択的に除去する。それにより、素子構成層５０が解放状態になる。その結果、図２１に示すように、素子構成層５０内のＩｎＧａＡｓからなる歪み層４とＡｌＧａＡｓからなる障壁層５１との格子定数の差に起因する歪みを緩和するように、素子構成層５０が円筒状に湾曲する。
【００７２】
このようにして、円筒状のレーザ共振器１００が形成される。この場合、円筒状のレーザ共振器１００の両端の所定幅の領域では、素子構成層５０が２重に巻回され、中央部の領域では、素子構成層５０が１重に巻回されている。それにより、円筒状のレーザ共振器１００の両端の所定幅の素子構成層５０が支持板１０１により支持され、円筒状のレーザ共振器１００の中央部が基板１から離れる。。
【００７３】
このような工程を経て製造された図１７に示す半導体レーザ素子においては、レーザ共振器１００の外周面が受光領域となる。外部からレーザ共振器１００の外周面に光を照射することによりレーザ発振を誘起することができる。この場合、量子井戸薄膜５の端面と内周面との接合箇所で一部の光の漏れが生じるが、大部分の光が円筒状のレーザ共振器の周上を走行し、ウィスパリング・ギャラリー・モードによる光共鳴状態が発生する。また、円筒状のレーザ共振器１００の中央部が基板１から離れるように両端部が１対の支持板１０１により支持されているので、円筒状のレーザ共振器１００の周上を周回する光が基板１に吸収されることが防止される。したがって、高いＱ値が得られ、レーザ発振のしきい値が低下する。
【００７４】
以上のように、上記の方法で量子井戸薄膜５を円筒状に形成することにより、簡単な構造を有し高効率で小型の半導体レーザ素子を実現することができる。
【００７５】
図２２は本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザ素子を示す模式的斜視図である。図２３および図２４は図２２の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図であり、これらの図において（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ線断面図である。
【００７６】
図２２に示す半導体レーザ素子においては、ＧａＡｓからなる基板１およびその上の各層がｎ型半導体層からなる。また、基板１およびその上の半導体層の一部領域にｐ型不純物のドーピングによりｐ型領域１１０が形成されている。また、基板１上に、円筒状のレーザ共振器１００の中央部が基板１から離れるように両端部が１対の支持板１０１を介して支持されている。円筒状のレーザ共振器１００の半分はｐ型領域１３１なり、残りの半分はｎ型領域１３２となっている。また、一方の支持板１０１上にｐ電極１２１が形成され、他方の支持板１０１上にｎ電極１２２が形成されている。
【００７７】
ここで、図２２の半導体レーザ素子の製造方法を説明する。まず、図２３に示すように、ＧａＡｓからなる基板１上に、ＧａＡｓからなるバッファ層（図示せず）、ＡｌＡｓからなるエッチング層３０および素子構成層５０を順にエピタキシャル成長させる。バッファ層、エッチング層３０および素子構成層５０の材料は、第１の実施の形態と同様である。このエピタキシャル成長時にバッファ層、エッチング層３０および素子構成層５０にｎ型不純物をドープする。
【００７８】
その後、素子構成層５０の一部領域にｐ型不純物をドープし、矩形のｐ型領域１１０を形成する。ｐ型不純物のドーピングは、亜鉛の蒸着およびアニーリングによる拡散ドーピングまたはイオン注入により行うことができる。
【００７９】
次に、図２４に示すように、素子構成層５０上の所定領域にｐ電極１２１およびｎ電極１２２を形成する。また、図１９に示した方法により、素子構成層５０およびエッチング層３０に口の字状の溝部８０および矩形の溝部８１を形成する。
【００８０】
その後、図２０に示した方法により素子構成層５０下のエッチング層３０を除去する。それにより、図２１に示したように、素子構成層５０が解放状態になる。その結果、図２１に示したように、素子構成層５０内のＩｎＧａＡｓからなる歪み層４とＡｌＧａＡｓからなる障壁層５１との格子定数の差に起因する歪みを緩和するように、素子構成層６０が円筒状に湾曲する。
【００８１】
このようにして、円筒状のレーザ共振器１００が形成される。この場合、円筒状のレーザ共振器１００の両端の所定幅の領域では、素子構成層５０が２重に巻回され、中央部の領域では、素子構成層５０が１重に巻回されている。それにより、円筒状のレーザ共振器１００の両端の所定幅の素子構成層５０が支持板１０１により支持され、円筒状のレーザ共振器１００の中央部が基板１から離れる。
【００８２】
このようにして製造された半導体レーザ素子においては、ｐ電極１２１およびｎ電極１２２を介して円筒状のレーザ共振器１００のｐ型領１３１およびｎ型領１３２へ電流を注入することにより、レーザ発振を誘起することができる。この場合、量子井戸薄膜５の端面と内周面との接合箇所で一部の光の漏れが生じるが、大部分の光が円筒状のレーザ共振器１００の周上を走行し、ウィスパリング・ギャラリー・モードによる光共鳴状態が発生する。また、円筒状のレーザ共振器１００の中央部が基板１から離れるように両端部が１対の支持板１０１により支持されているので、円筒状のレーザ共振器１００の周上を周回する光が基板１に吸収されることが防止される。したがって、高いＱ値が得られ、レーザ発振のしきい値が低下する。
【００８３】
以上のように、上記の方法で量子井戸薄膜５を円筒状に形成することにより、簡単な構造を有し高効率で小型の半導体レーザ素子を実現することができる。
【００８４】
図２５および図２６は本発明の第５の実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【００８５】
図２５に示すように、ＧａＡｓからなる基板１上にエッチング層３０および素子構成層５０を順にエピタキシャル成長させた後、素子構成層５０およびエッチング層３０に１対のコの字状の溝部９０を互いに対向するように形成する。エッチング層３０および素子構成層５０の材料は、第１の実施の形態と同様である。
【００８６】
さらに、１対のコの字状の溝部９０間のストライプ状領域を残して素子構成層５０下のエッチング層３０を除去する。それにより、図２６に示すように、残されたストライプ状のエッチング層３０の両側の領域で素子構成層５０が解放状態となる。その結果、素子構成層５０内のＩｎＧａＡｓからなる歪み層４とＡｌＧａＡｓからなる障壁層５１との格子定数の差に起因する歪みを緩和するように、素子構成層５０が円筒状に湾曲し、素子構成層５０の両端面同士が接触する。それにより、完全な円筒状のレーザ共振器が形成される。
【００８７】
本実施の形態の半導体レーザ素子においては、素子構成層５０により完全な円筒状のレーザ共振器が構成されるので、光の漏れが生じず、高い効率を得ることができる。
【００８８】
なお、上記実施の形態の半導体レーザ素子では、量子井戸薄膜５が１つの量子井戸層を含む単一量子井戸構造を有するが、量子井戸薄膜５が複数の量子井戸層を含む多重量子井戸構造を有してもよい。
【００８９】
また、上記実施の形態の半導体レーザ素子では、量子井戸薄膜５を１重に巻くことにより、円筒状のレーザ共振器が構成されているが、量子井戸薄膜５を多重に巻くことにより、円筒状のレーザ共振器を構成してもよい。
【００９０】
上記実施の形態の半導体レーザ素子では、量子井戸薄膜５により形成されるレーザ共振器の断面形状が円形となっているが、量子井戸薄膜５により形成されるレーザ共振器の断面形状は、ウィスパリング・ギャラリー・モードが起こる範囲で円形以外の他の形状（例えば楕円形）であってもよい。
【００９１】
また、上記実施の形態の半導体レーザ素子では、量子井戸薄膜５の量子井戸層５２がＧａＡｓにより形成されているが、量子井戸層５２の材料はＧａＡｓに限らず、他の半導体材料（例えばＩｎＧａＡｓ）を用いてもよい。
【００９２】
さらに、上記実施の形態の半導体レーザ素子では、量子井戸薄膜５を湾曲させるための歪み層４がＩｎＧａＡｓにより形成されているが、歪み層４の材料はＩｎＧａＡｓに限らず、量子井戸薄膜５よりも大きな格子定数を有する他の材料（例えばＩｎＰ）を用いてもよい。
【００９３】
また、円筒状のレーザ共振器を基板から分離し、レーザ光を吸収しない誘電体材料（例えばガラス）、金属等からなる基板上に取り付けるか、あるいは、基板上にレーザ共振器を図１に示したように軸方向が垂直になるように設置してもよい。それにより、円筒状のレーザ共振器の周上を周回する光が基板に吸収されることによりウィスパリング・ギャラリー・モードが起こりにくくなることが防止される。
【００９４】
本発明に係る半導体レーザ素子では、次の利用形態が可能である。
例えば太陽光を励起光として円筒状のレーザ共振器に照射することにより、自然光をレーザ光に変換することができるため、太陽光エネルギーを指向性の強いコヒーレントな光ビームに変換してエネルギー伝送を行うことが可能である。
【００９５】
また、量子井戸薄膜５に種々の活性材料を用いることにより、種々の発光波長を得ることが可能となる。それにより、例えば家庭内の照明を種々の色の光に高効率に変換するイルミネーション素子として利用することが可能である。
【００９６】
また、本発明に係る半導体レーザ素子は、光通信における低消費電力の光源としても利用することが可能である。それにより、光通信におけるエネルギー消費が低減され、省資源化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体レーザ素子の基本原理を説明するための模式図である。
【図２】図１の半導体レーザ素子を構成する量子井戸薄膜を示す模式図である。
【図３】図１の半導体レーザ素子における光共鳴状態を示す模式図である。
【図４】図３の半導体レーザ素子の一部拡大図である。
【図５】図１の円筒状のレーザ共振器の作製方法を示す模式図である。
【図６】歪み層および素子構成層の厚さ、格子定数および曲率半径の関係を示す模式図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザ素子の模式的斜視図である。
【図８】図７の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。
【図９】図７の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。
【図１０】図７の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。
【図１１】図７の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。
【図１２】図７の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。
【図１３】図７の半導体レーザ素子の層構造を示す断面図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ素子を示す模式的斜視図である。
【図１５】図１４の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。
【図１６】図１４の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。
【図１７】本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザ素子の模式的斜視図である。
【図１８】図１７の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。
【図１９】図１７の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。
【図２０】図１７の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。
【図２１】図１７の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。
【図２２】本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザ素子を示す模式的斜視図である。
【図２３】図２２の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。
【図２４】図２２の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。
【図２５】本発明の第５の実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。
【図２６】本発明の第５の実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。
【符号の説明】
１　ＧａＡｓからなる基板
２　ＧａＡｓからなるバッファ層
３　ＡｌＡｓからなるエッチング層
４　ＩｎＧａＡｓからなる歪み層
５　量子井戸薄膜
６　ＧａＡｓからなるキャップ層
３０　エッチング層
５０　素子構成層
６０　湾曲防止層
７０　凹部
８０，８１，９０　溝部
１００　レーザ共振器
１０１　支持板
１３１　ｐ型領域
１３２　ｎ型領域
【図１】
2004047645.tif 000004
【図２】
2004047645.tif 000005
【図３】
2004047645.tif 000006
【図４】
2004047645.tif 000007
【図５】
2004047645.tif 000008
【図６】
2004047645.tif 000009
【図７】
2004047645.tif 000010
【図８】
2004047645.tif 000011
【図９】
2004047645.tif 000012
【図１０】
2004047645.tif 000013
【図１１】
2004047645.tif 000014
【図１２】
2004047645.tif 000015
【図１３】
2004047645.tif 000016
【図１４】
2004047645.tif 000017
【図１５】
2004047645.tif 000018
【図１６】
2004047645.tif 000019
【図１７】
2004047645.tif 000020
【図１８】
2004047645.tif 000021
【図１９】
2004047645.tif 000022
【図２０】
2004047645.tif 000023
【図２１】
2004047645.tif 000024
【図２２】
2004047645.tif 000025
【図２３】
2004047645.tif 000026
【図２４】
2004047645.tif 000027
【図２５】
2004047645.tif 000028
【図２６】
2004047645.tif 000029