(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の反射層、活性層、及び第２の反射層の順に積層された共振器を備え、前記活性層の直上部に電流注入領域が形成された面発光レーザにおいて、
特定の発振モードに対応した複数の発光スポットが得られるように、前記電流注入領域の積層方向に対応する前記第２の反射層の表面領域に、前記電流注入領域の積層方向に対応する共振器からの発光を抑制する孔及び溝の少なくとも一方をエッチングにより形成した
表面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
前記孔及び溝の少なくとも一方を、前記表面領域の中央の領域を含んで形成した請求項１記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項３】
前記表面領域に、該表面領域の中央を通る直線上の溝、または該表面領域の中央で互いに交差する複数の溝を形成して、前記表面領域を円周方向に沿った複数の分割領域に分割し、前記複数の発光スポットの各々が前記円周方向に沿って得られるようにすると共に、隣合う分割領域から発光する発光スポットが同相となるように、隣合う分割領域の各々に対応する前記第２の反射層の媒質の屈折率を異ならせたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項４】
前記複数の分割領域の各々の積層方向に対応する前記第２の反射層の断面形状が、円周方向に沿って一つおきに凹部形状または凸部形状に形成されることを特徴とする請求項３記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項５】
前記断面形状が凹部形状であるとき、凹部形状がエッチングで形成され、前記断面形状が凸部形状であるとき、凸部形状が誘電体膜、半導体膜、及び透光性の金属膜のうち少なくとも一つを積層して形成されることを特徴とする請求項４記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項６】
前記孔及び溝の少なくとも一方が形成された表面領域の積層方向に対応する共振器の反射率が、前記孔及び溝の少なくとも一方が形成されていない表面領域の積層方向に対応する共振器の反射率より小さいことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項７】
第１の反射層、活性層、第２の反射層の順に積層された共振器を備え、前記活性層の直上部に電流注入領域が形成された面発光レーザにおいて、
特定の発振モードに対応した複数の発光スポットが得られるように、前記電流注入領域の積層方向に対応する前記第２の反射層の表面領域を円周方向に沿った複数の分割領域に分割し、前記複数の分割領域の各々の積層方向に対応する前記第２の反射層の断面形状を、円周方向に沿って一つおきに凹部形状または凸部形状に形成することによって、隣合う分割領域から発光する発光スポットが同相となるようにされており、かつ隣合う前記分割領域の各々に対応する前記第２の反射層間の段差によって、前記電流注入領域の積層方向に対応する共振器からの発光を抑制する
表面発光型半導体レーザ。
【請求項８】
前記段差にテーパを持たせたことを特徴とする請求項７記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項９】
前記段差から深さ方向に延びる窪みを設けたことを特徴とする請求項７または請求項８記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項１０】
前記断面形状が凹部形状であるとき、当該凹部形状をエッチングで形成したときに、前記窪みが当該凹部形状と同時に形成されることを特徴とする請求項９記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項１１】
前記電流注入領域の大きさは、前記特定の発振モードの発光を許容する大きさであることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項１２】
前記特定の発振モードが直線偏光モードの１次以上のモードであることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項１３】
前記第１の反射層の最上層に隣接する層は、エッチングを阻止する材料よりなるエッチング阻止層であることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項１４】
表面発光型半導体レーザの製造方法であって、
半導体基板の主面上に、第１の反射層、活性層、及び第２の反射層を順に設ける積層工程と、
少なくとも前記第２の反射層を部分的に残して柱状のポスト部を形成するポスト部形成工程と、
前記活性層の直上部であって、前記ポスト部の一部に電流注入領域を形成する電流注入領域形成工程と、
特定の発振モードに対応した複数の発光スポットが得られるように、前記電流注入領域の積層方向に対応する前記第２の反射層の表面領域に、前記電流注入領域の積層方向に対応する共振器からの発光を抑制する孔及び溝の少なくとも一方をエッチングにより形成する発光抑制領域形成工程と、
を含む表面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項１５】
前記積層工程において、前記第１の反射層の最上層に隣接し、エッチングの進行を阻止する材料よりなるエッチング阻止層を形成することを特徴とする請求項１４記載の表面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項１６】
前記発光抑制領域形成工程において、前記表面領域に、該表面領域の中央を通る直線上の溝、または該表面領域の中央で互いに交差する複数の溝を形成して、前記表面領域を円周方向に沿った複数の分割領域に分割し、前記複数の発光スポットの各々が前記円周方向に沿って得られるようにすると共に、隣合う分割領域から発光する発光スポットが同相となるように、隣合う分割領域の各々に対応する前記第２の反射層の媒質の屈折率を異ならせることを特徴とする請求項１４または請求項１５記載の表面発光型半導体レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面発光型半導体レーザ及び表面発光型半導体レーザの製造方法に係り、特に、光情報処理や光通信用の光源、または光を使用してなされるデータ記憶装置の光源として用いられる表面発光型半導体レーザ及び表面発光型半導体レーザの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信や光記録等の技術分野において、光源の２次元アレイ化が容易な表面発光型半導体レーザ（垂直共振器型表面発光レーザ；Ｖｅｒｔｉｃａｌ−Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ（以下、ＶＣＳＥＬと称する。））への要求が高まっている。
【０００３】
表面発光レーザは、しきい値電流が低く消費電力が小さい、円形の光スポットが容易に得られる、ウエハ状態で評価が可能なことから生産性に優れる、といった利点がある。その反面、低しきい値の理由でもある「活性領域の体積が小さい」という原理から、素子抵抗が数十から数百Ωと高く、光出力を数から数十ｍＷまで高めるのに困難が伴うことが知られている。
【０００４】
昨今、プラスティック・オプティカル・ファイバ（ＰＯＦ）に代表されるコストの安いマルチモード型光ファイバを用いた、短距離（数から数百メーター）の光通信が注目を集めている。長距離の光通信にはシングルモード型光ファイバと１．３若しくは１．５５μｍといった比較的長い波長のレーザとの組合せが用いられるが、これらは共に高価で、低コスト化が求められる民生用途には向かない。一方、マルチモード型光ファイバに使用される光源は、素子それ自体が安価であると同時に、特別な光学系や駆動系を必要としない、小型・軽量である、といった点を満足する必要があり、これらの特徴を兼ね備えた面発光レーザは有力な選択肢のひとつとなっている。
【０００５】
現在主に市場に流通している代表的な表面発光レーザはプロトン注入型ＶＣＳＥＬで、サーマルレンズ効果によって電流通過領域とその周囲の領域との間に熱に基因する僅かな屈折率差が生じ、弱い光閉じ込め状態が作られる。この原理に従い、非プロトン注入領域（電流通路）の径を十から数十μｍとしてレーザ発振を得る。ただし、光閉じ込めが弱いため発光効率が低く、また熱の発生も大きいことから、しきい値電流は高く、さらにバイアス電圧をかけない状態においては応答特性が悪いことも知られている。
【０００６】
構造分類的に利得導波構造と呼ばれるプロトン注入型ＶＣＳＥＬに対し、光閉じ込めのための屈折率分布を意識的に形成したものが屈折率導波構造に分類される選択酸化型のＶＣＳＥＬである。この型のＶＣＳＥＬは、活性領域近傍の半導体多層反射膜の一部を選択的に酸化し、屈折率導波路を形成するものであり、強い光閉じ込め効果を有するので、しきい値電流が低く、しかも応答特性が速い。
【０００７】
ところが、このように良好な特性を示す選択酸化型ＶＣＳＥＬも、出力を増大させる目的で発光領域の径（ほぼ非選択酸化領域の径に相当）を大きくすると様々な次数での発振が許容されるようになり、いわゆるマルチモード発振となる。マルチモード発振ではスペクトル線幅が広がり、光ファイバの有するモード分散特性のためファイバ中での信号の減衰が増加する。あるいはモード状態が不安定になり、注入電流量や周囲温度の変化によって発振の主たるモードの次数が容易に変化してしまう。モード次数の動的な変化はファイバへの結合効率の変化をもたらし好ましくない。
【０００８】
この問題を回避するのに発光領域の径を狭くして、最も次数の低い基本（０次）モードのみで発振するよう発振横モードを制御する方法がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらのＶＣＳＥＬは、典型的には発光領域の径を４μｍ以下と、上述のプロトン注入型に比べて狭くする必要があり、このため素子抵抗が高い上に高出力化が望めないという欠点があった。横モードの安定化は光ファイバとの光学的結合時に減衰を生じないための必須要件であり、その上で電気・光学特性を向上させる必要がある。
【００１０】
発光効率、応答特性に優れた選択酸化型ＶＣＳＥＬにおける横モードの安定性と低抵抗化・高出力化、という対立した課題を両立するアイデアとして、アイイーイーイー・フォトニクス・テクノロジー・レターズ ヴォリューム１１、ナンバー１２、１５３６−１５３８ページに示される構造のＶＣＳＥＬがある（図１５参照）。この例においては発光領域の径は２０μｍと大きいが、レーザ光が出射する電極開口の内側を、開口の中心から半径７．７５μｍの領域を残して深さ４０ｎｍまでエッチング除去している。
【００１１】
発光領域の径が２０μｍと大きいため、この表面加工がない場合は注入電流量に応じて発振モードの次数が変化し、遠視野像の移り変わりが観察される。これに対して孔有り表面発光型半導体レーザでは光出力０．７ｍＷまでは基本モードでの発振が得られたが、それ以上の電流注入時にはモードの分裂が生じ、遠視野像は徐々に広がっていったと記されている。
【００１２】
上記のＶＣＳＥＬの狙いは基本モード光出力の向上にあるが、孔有り表面発光型半導体レーザにおける最大光出力は１０．４ｍＷであるのに対して、基本モードでの出力はわずか０．７ｍＷにとどまっている。表面加工を行なわなかった場合の最大光出力が１７．９ｍＷであったとのことであるから、横モードを安定化させた上で大きな光出力を得ることがいかに困難であるかを端的に示す結果である。
【００１３】
なお、この他にもモード制御を目的とする様々なＶＣＳＥＬ構造が提案されている。例えば、米国特許５，９４０，４２２号公報（（Ｆｉｌｅｄ：Ｊｕｎ．２８． １９９６）Ａｓｓｉｇｎｅｅ： Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｃ．）には、膜厚の異なる２つの領域を形成することでモード制御を行なうＶＣＳＥＬが示されている。ここでは、付加的は膜を着膜した領域のみが発光領域になるとしているが、人為的に発光スポットの位置を決めることが狙いであり、ＶＣＳＥＬで生じ得る特定の発振を意識して位置を定めているわけではないと考えられる（例えば、実施例の一つとして示されている発光スポットが５個現れる発振モードは自然界には存在しない）。
【００１４】
また、米国特許５，９６３，５７６号公報（（Ｆｉｌｅｄ： Ａｕｇｕｓｔ．４．１９９７）Ａｓｓｉｇｎｅｅ：ＭｏｔｏｒｏｌａＩｎｃ．）には、環状の導波路を有するＶＣＳＥＬが示されている。ここでは、超解像スポットを得るため、環状の領域に発光スポットが規則正しく並ぶモードを生じさせることが狙いであり、必ずしも次数の定まった特定の発振モードを得ることを目的としていないと考えられる。
【００１５】
アイイーイーイー・フォトニクス・テクノロジー・レターズ  ヴォリューム９、ナンバー９、１１９３−１１９５ページ（ＩＥＥＥ  ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＬＥＴＴＥＲＳ（文献名；Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ：ＳＥＰＴＥＭＢＥＲ，１９９７）Ａｕｔｈｏｒｓ：Ｕｎｉｖ．Ｂｒｉｓｔｏｌ／Ｈｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ Ｌａｂｓ．）には、ポスト上面部にエッチングによって円形の窪みを形成し、ミラー反射率に局所的な変調を加えた構成のＶＣＳＥＬが示されている。この素子の発振スペクトル幅は窪みのない素子に比べ半減し、モード抑制の効果があったとしている。ただし、注入電流量の増加と共にこの発振スペクトルについても変化が見られ、このことは特定の発振モードが常に支配的でないことを端的に示すものであるから、モードが安定していないことは明らかである。
【００１６】
さらに、エレクトロニクス・レターズ・ヴォリューム３４、ナンバー７、６８１−６８２ページ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．（Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ： Ａｐｒｉｌ．１９９８）Ａｕｔｈｏｒｓ：Ｍｏｔｏｒｏｌａ  Ｉｎｃ．）には、ポスト上面部にエッチングによって円形の窪みを形成し、この窪みの外周部に円環状の発光領域を設けた構成のＶＣＳＥＬが提案されている。環状の領域に非常に次数の高い（＞３０次）モードが生じていることがニアフィールドパターンからわかるが、同時に発光スポットの強度に大きなばらつきがあることがわかる。これは、内径が３０μｍにも達する環状領域に均一な電流注入を行なうことが難しいことを示しており、したがって実用のため安定した高次モードの発振を得るにはまだ改善の余地がある。
【００１７】
以上述べてきたようにマルチモード型光ファイバ用の光源として期待されるＶＣＳＥＬについては、横モードを安定化させるという要件を満足しながら、高出力、低抵抗、高効率、かつ高速応答の素子が現状では得られていない。
【００１８】
従って本発明の目的は、横モードを安定化させるという要件を満足しながら、高出力、低抵抗、高効率、かつ高速応答という特性を有する表面発光型半導体レーザ及び表面発光型半導体レーザの製造方法を提供することを目的とする。また、前記特性を有する表面発光型半導体レーザを容易な製造方法で、かつ再現性高く製造できる表面発光型半導体レーザの製造方法を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、第１の反射層、活性層、及び第２の反射層の順に積層された共振器を備え、前記活性層の直上部に電流注入領域が形成された面発光レーザにおいて、特定の発振モードに対応した複数の発光スポットが得られるように、前記電流注入領域の積層方向に対応する前記第２の反射層の表面領域に、前記電流注入領域の積層方向に対応する共振器からの発光を抑制する孔及び溝の少なくとも一方をエッチングにより形成したことを特徴としている。
【００２０】
請求項１に記載の発明では、発光抑制領域（境界領域）としての孔及び溝の少なくとも一方が特定の発振モードを除く発振モードの発光を抑制するように、例えば、発光抑制領域により共振器の周回損失が相対的に大きくなるように特定の発振モードに対応した複数の発光スポットが得られるように発光領域を分割する境界上にエッチングにより形成され、この境界により分割される発光領域の各々（分割領域）に特定の発振モードに対応した発光スポットを形成させるように働く。
【００２１】
このような境界領域は、発光に関係する第１の反射層又は第２の反射層との少なくとも一方に設ければよいが、好ましくは、光出射側となる反射層に形成するとよい。
【００２２】
また、境界領域はこれら反射層の最上層に限らず、共振に関係する反射層の上層、反射層の内部の層又は最下層に設けるようにすることもできる。この構成は、例えば、結晶成長などの方法により発光領域を構成する各層の少なくとも１つ層の形成時に、境界領域に対応する発光領域の一部分の光の反射状態が変わるように選択成長させる、すなわち、分割領域より周回損失をおおきくすることにより実現できる。なお、境界領域は０次モードを抑制するために中央領域を含むように形成する。
【００２３】
また、発光領域の径が大きいと光スポットがさらに分割され、より高次のモードへとホッピングすることがある。そのため、境界領域により区分けされた各領域の大きさを適当に選び、モードホッピングを生じにくくして、発振モードを固定化することも有効である。例えば、境界領域により区分けされる各領域に生ずる発光スポットの径を約３μｍ程度となる分け方とすると安定性が増すので好ましい。
【００２４】
また、前記境界領域は、前記発光領域の発光面となる表面層の一部に形成された凹部であることを特徴とする。境界領域を凹部とすることにより、凹部の底面部分が他の領域（分割領域）よりも周回損失が大きい領域となるので、この部分が境界領域として働くこととなる。
【００２５】
このような凹部としては、例えば、１つ以上の孔としたり、溝とすることができる。もちろん、孔と溝とを組み合わせたものとしてもよく、必要とするモードに応じて凹部の数や形状を適宜選択できる。
【００２６】
また、境界領域としては上述した凹部以外に、凸部として構成することも可能である。すなわち、請求項１に記載の表面発光型半導体レーザにおいて、前記境界領域は、前記発光領域の発光面となる表面層の一部に形成された凸部であることを特徴とする。前記境界領域を凸部とすることにより、凸部の底面部分が他の領域（分割領域）とは反射率が異なる領域となるので、この部分が境界領域として働くこととなる。
【００２７】
また、上記の表面発光型半導体レーザにおいて、前記発光領域の大きさは、前記特定の発振モードの発光を許容する大きさとすることが好ましい。
【００２８】
さらに、上記の表面発光型半導体レーザにおいて、前記境界領域における共振器としての反射率が、前記分割領域における共振器としての反射率より小さくすることが好ましい。
【００２９】
すなわち、境界領域は、前記分割領域の反射率よりも小さい反射率を持つ領域としている。この境界領域において、共振器としての反射状態が部分的に小さくなるので、発光領域が分割されて全体として特定の発振モードに対応した発光スポットが形成されることになる。
【００３０】
また、上記の表面発光型半導体レーザが、前記第１の反射層と前記活性層との間に、前記特定の発振モードの発光に必要な電流の注入量に対応した非酸化領域を持つように酸化された電流狭窄層を備える構成とすると好ましい。
【００３１】
さらに、上記の表面発光型半導体レーザにおいて、前記特定の発振モードが直線偏光モードの１次以上のモードであるように構成すると好ましい。
【００３２】
また、エッチングにより形成される凹部の深さは、深ければその分活性層の損失が大きくなり、境界領域が明確になるが、レーザとしての出力も下がるため、ある程度の深さとするのが好ましい。そのため、前記表面層に隣接する層は、エッチングを阻止する材料よりなるエッチング阻止層とすると好ましい。この場合、例えば、複数の凹部を形成する場合、精密な制御を行わなくても全ての凹部を同じ深さに形成できるので特に有効である。
【００３３】
以上説明してきたように、本発明の表面発光レーザによれば、選択酸化型ＶＣＳＥＬの高効率、高速応答性を維持しながら発振モードを安定化させ、さらに高出力、低抵抗の特性を初めて実現できる。
【００３４】
また、本発明の表面発光型半導体レーザの製造方法は、半導体基板の主面上に、第１の反射層、活性層、及び第２の反射層を順に設ける積層工程と、少なくとも前記第２の反射層を部分的に残して柱状のポスト部を形成するポスト部形成工程と、前記活性層の直上部であって、前記ポスト部の一部に電流注入領域を形成する電流注入領域形成工程と、特定の発振モードに対応した複数の発光スポットが得られるように、前記電流注入領域の積層方向に対応する前記第２の反射層の表面領域に、前記電流注入領域の積層方向に対応する共振器からの発光を抑制する孔及び溝の少なくとも一方をエッチングにより形成する発光抑制領域形成工程と、を含むことを特徴とする。
【００３５】
本発明の表面発光型半導体レーザの製造方法では、積層工程において、半導体基板の主面上に、下方の反射層、量子井戸が形成された活性層、及び上層側に発光領域の発光面となる表面層を含む上方の反射層を順に設けた後、少なくとも前記上方の反射層を部分的に残して柱状のポスト部を形成し、表面発光型半導体レーザを構成する共振器を形成した後、さらに、前記ポスト部の表面に露出する前記上方の反射層の表面の一部領域を加工することにより、特定の発振モードを除いて発振モードの発光を抑制し、かつ、前記特定の発振モードに対応した発光スポットを実質的に形成させる境界領域を形成している。
【００３６】
境界領域は、特定の発振モードを除いて発振モードの発光を抑制し、かつ、前記特定の発振モードに対応した発光スポットを実質的に形成させる領域であり、このような領域は、例えば、共振器としての反射率を他の領域と異ならせることにより形成できる。
【００３７】
共振器としての反射率を他の領域と異ならせるためには、前記上方の反射層の表面の一部領域を加工して他の部分に対する厚さや屈折率を変えることにより実現できる。加工方法としては、境界領域に対応する領域の上層を部分的に削除したり、境界領域に対応する領域の以外の領域にさらに層を積層して付加することにより形成できる。
【００３８】
また、境界領域としてエッチング等を用いて部分的に層の一部を除去することにより凹部及び凸部の少なくとも一方を形成してもよいし、リソグラフィ技術を用いて前記境界領域が形成されていない層を付加することにより凹部を形成してもよいし、前記境界領域の部分のみを付加することにより、凸部を形成するようにしてもよい。
【００３９】
また、境界領域に対応する領域の上層を部分的に削除する加工方法としては、エッチングが好適である。境界領域を複数の凹部により形成する場合、全ての凹部の反射率が揃うようにすることが好ましく、これを実現するためには、全ての凹部の深さが揃うようにエッチング加工する必要がある。このためには、エッチング条件を精密に制御することとなるが、エッチング条件を精密に制御するだけでは精度よく全ての凹部の深さが揃うよう凹部を形成するのは難しい。
【００４０】
すなわち、表面加工によって共振器平面内に反射率分布が生じ、光導波特性に影響を与えるが、その際例えばエッチングによってこれを行なう場合、エッチング深さが重要なパラメータとなる。ＶＣＳＥＬの共振器を構成する分布反射ミラー（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ Ｍｉｒｒｏｒ）の特性は材料固有の屈折率とその膜厚に依存して周期的に変化するから、エッチングの深さによって膜厚が変わるとミラー反射率もそれに応じて周期的に変化するからである。すなわち深さの絶対値も重要だが、エッチングする複数箇所の深さが揃っていないと所望の反射率分布が得られないからである。したがって一意的にエッチング深さを決める手段が必要となる。
【００４１】
そのため、上記の表面発光型半導体レーザの製造方法において、前記積層工程において、前記表面層の下層側にエッチングの進行を阻止する材料よりなるエッチング阻止層を形成することを特徴としている。
【００４２】
このようなエッチング阻止層を形成することにより、エッチング条件を精密に制御せずとも、精度よく全ての凹部の深さ揃うようにエッチング加工できる。そのため、製造効率、及び製造コスト、さらに、製造歩留まりも向上するので好ましい。
【００４３】
以上の発明では、隣合う分割領域の発光スポット間の位相差がπ（１８０°）あり、そのためファーフィールドパターン（ＦＦＰ）は双峰性となり、光ファイバとの結合性は、位相差のない単峰性のものより低い。そこで、この位相差を解消して単峰性のＦＦＰを得るために、位相シフトを生じさせる構造を設けるのが好ましい。このため、請求項１の発明において、隣合う分割領域から発光する発光スポットが同相となるように当該隣合う分割領域の発光面となる表面層の媒質が異なる屈折率を持つものである。即ち、光路長Ｌは  λ／ｎ（但し、λは波長、屈折率はｎ）であるので、隣合う分割領域の発光面となる表面層の媒質を異なる屈折率とすることにより、位相シフトさせ、同相とする事が可能である。この結果、広がり角が小さくなると共にＦＦＰが単峰性となり、光ファイバー等との結合効率を飛躍的に向上させることができる。従って、半導体レーザを更に高出力、高速化することができる。なお、本明細書において、「同相」とは、好ましくは、位相差０であるが、広がり角が小さくなることが目的であるので、完全に０でなく不完全でも位相シフト構造を設けないものより広がり角が小さくなる場合も「同相」に含むものとする。請求項１４の発明では、前記複数の分割領域に対して、一つおきに分割領域の断面形状が凹部形状又は凸部形状に形成されるものである。即ち、凹部形状の分割領域（又は凸部形状の分割領域に隣接する分割領域）の媒質の屈折率ｎと、凹部形状の分割領域の隣接する分割領域（又は凸部形状の分割領域）の媒質の屈折率ｎとは異なり、例えば、前者は空気でｎは１であり、後者は半導体でｎは３程度であり、光路長Ｌを制御して位相を同相にする事ができる。前記断面形状が凹部形状であるときは、凹部形状がエッチングで形成されるのが好ましく、前記断面形状が凸部形状であるときは、凸部形状が誘導体膜、半導体膜、及び透光性の金属膜のうち少なくとも一つを積層して形成されるのが好ましい。
【００４４】
また、前記発光抑制領域を、前記複数の分割領域に対して、円周方向に沿って一つおきに該分割領域の断面形状が凹部形状または凸部形状に形成されたときの段差としてもよい。従って、結果としてできた段差が、特定の発振モード以外の発振モードを制御する境界領域であるので、半導体レーザの低コスト、高歩留まり化を達成することを可能とする。この段差部分は、特別に設けた溝等の境界領域より、反射率を低下させることができないので、好ましくは、反射率を低下させるために、前記段差にテーパを持たせるのがよい。別の好適な実施態様では、隣合う分割領域の境界領域にある段差部分を強調するように段差から深さ方向に延びる窪みを設けて反射率を低下させるのがよい。この場合、前記断面形状が凹部形状であるとき、当該凹部形状をエッチングで形成したときに、前記窪みが当該凹部形状と同時に形成されるようにするのが更に好ましい。
【００４５】
【発明の実施の形態】
まず、シングル高次モード発振を得るための原理について説明する。ＶＣＳＥＬの発光領域内に生ずる光学モードは、光ファイバ中での光の伝搬特性に関して分散方程式を解いた結果から類推可能である。例えば、通常ＬＰ01の基本モードに始まり、分裂を繰り返してＬＰ11、ＬＰ21と次数を高めつつ、光学的に許容される最大次数のモードまで、キャリア分布といった外的因子に影響を受けながら変化する。したがって所望のモードの形状に応じ、そのモードでは光強度（電界分布の２乗に対応）が弱い領域の反射率のみを意図的に下げれば、所望のモードで選択的に発振が生じ易くなる。
【００４６】
また、モードに対して求められるモードパターン（電界強度分布）が報告されており、アプライド・オプティクス ヴォリューム１５、ナンバー１、２３９−２４３ページには、ＬＰnm（Ｌｉｎｅａｒｌｙ Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ）モードに対して求められるモードパターン（電界強度分布）が報告されている。
【００４７】
例えば、図１に、ＬＰ01モード（基本モード）に対して、発光スポットを２分割したＬＰ11モード、発光スポットを４分割したＬＰ21モード、発光スポットを６分割したＬＰ31モード、発光スポットを８分割したＬＰ41モード、及び、発光スポットを１０分割したＬＰ51モードを示す。なお、図１の発光スポットの模式図においてスポット間に記載した破線はモードの境界を模式的に示す仮想線である。
【００４８】
ＬＰ11モードは、境界領域を孔で構成する場合は、発光スポットの中央に相当する領域に１つの孔または境界線（仮想線）に沿って複数の孔を設けることにより得られ、境界領域を溝で構成する場合は、発光スポットの中央に相当する領域を通る長溝を設けることにより得られる。
【００４９】
ＬＰ21モードは、境界領域を孔で構成する場合は、発光スポットの中央に相当する領域に１つの孔、及び、該孔を中心に４つの孔を設けることにより得られ、境界領域を溝で構成する場合は、発光スポットの中央に相当する領域を中心にして互いに９０度となるように配置された４本の長溝を設けることにより得られる。
【００５０】
ＬＰ31モードは、境界領域を孔で構成する場合は、発光スポットの中央に相当する領域に１つの孔、及び、該孔を中心に６つの孔を設けることにより得られ、境界領域を溝で構成する場合は、発光スポットの中央に相当する領域を中心にして互いに６０度となるように配置された６本の長溝を設けることにより得られる。
【００５１】
また、ＬＰ41モードは、境界領域を孔で構成する場合は、発光スポットの中央に相当する領域に１つの孔、及び、該孔を中心に８つの孔を設けることにより得られ、境界領域を溝で構成する場合は、発光スポットの中央に相当する領域を中心にして互いに４５度となるように配置された８本の長溝を設けることにより得られる。
【００５２】
さらに、ＬＰ51モードは、境界領域を孔で構成する場合は、発光スポットの中央に相当する領域に１つの孔、及び、該孔を中心に１０の孔を設けることにより得られ、境界領域を溝で構成する場合は、発光スポットの中央に相当する領域を中心にして互いに３６度となるように配置された１０本の長溝を設けることにより得られる。
【００５３】
なお、図１において孔及び溝は本発明の境界領域に相当し、得られる発光スポットは、それぞれ孔又は溝により分割された領域に形成されていることがわかる。
【００５４】
本発明をさらに詳細に説明するため、以下、図面を参照して本発明の表面発光型半導体レーザ及び表面発光型半導体レーザの製造方法を適用した実施の形態の例を詳細に説明する。
【００５５】
（第１の実施の形態）
第１の実施形態では、スポットエッチング型の境界領域を備えた表面発光型半導体レーザ、及びその製造方法について説明する。本実施の形態の方法は、請求項１１の表面発光型半導体レーザの製造方法に相当する。
【００５６】
まず、図２（Ａ）に示すように、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、ｎ型のＧａＡｓ基板１０の（１００）面上に、ｎ型のＡｌ0.8 Ｇａ0.2 Ａｓ層とｎ型のＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ａｓ層との複数層積層体よりなる下部多層反射膜１２と、アンドープのＡｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓ層よりなる下部スペーサ層１４と、アンドープのＧａＡｓ層よりなる量子井戸層とアンドープのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層よりなる障壁層との積層体よりなる量子井戸活性層（図示せず）と、アンドープのＡｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓ層よりなる上部スペーサ層１８と、ｐ型のＡｌＡｓ層２０と、ｐ型のＡｌ0.8 Ｇａ0.2 Ａｓ層とｐ型のＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ａｓ層との複数層積層体よりなる上部多層反射膜２２と、ｐ型のＧａＡｓ層よりなるコンタクト層２４とを、順次積層形成する。
【００５７】
下部多層反射膜１２は、ｎ型のＡｌ0.8 Ｇａ0.2 Ａｓ層とｎ型のＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ａｓ層との複数層積層体よりなるが、各層の厚さはλ／４ｎr（但し、λは発振波長であり、ｎrは媒質の屈折率である。）であり、混晶比の異なる層を交互に３６．５周期積層してある。ｎ型不純物であるシリコンのキャリア濃度は３×１０18ｃｍ-3である。
【００５８】
また、量子井戸活性層（図示せず）は、厚さが８ｎｍであるアンドープのＧａＡｓ層よりなる量子井戸層と厚さが５ｎｍであるアンドープのＡｌ0.8 Ｇａ0.8 Ａｓ層よりなる障壁層とを交互に積層した積層体の３組（但し、外層はいずれもアンドープのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層よりなる障壁層とするため、障壁層の数は４層である）よりなり、波長８５０ｎｍ帯の発振を得る。
【００５９】
上部多層反射膜２２は、ｐ型のＡｌ0.8 Ｇａ0.2 Ａｓ層とｐ型のＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ａｓ層よりなる複数積層体である。各層の厚さはλ／４ｎrであり、混晶比の異なる層を交互に２２周期積層してあるが、この周期数は下層に設けたＡｌＡｓ層２０、および上層に設けたコンタクト層２４を加えた数である。ただし、ＡｌＡｓ層２０に関してはλ／４ｎr膜を構成する材料がすべてＡｌＡｓからなる必然性はなく、反対にＡｌＡｓ層が必要以上に厚いと光学的散乱損失が増えるといった問題が生じる場合があるので、ここではＡｌＡｓ層は厚さ２０ｎｍとして、残りの部分はＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓとした。ｐ型不純物である炭素のキャリア濃度は５×１０18ｃｍ-3である。
【００６０】
上部多層反射膜２２の周期数（層数）を下部多層反射膜１２のそれよりも少なくしてある理由は、反射率に差をつけて出射光を基板上面より取り出すためである。また、詳しくは述べないが、素子の直列抵抗を下げるために、上部多層反射膜２２中には、Ａｌ0.8 Ｇａ0.2 Ａｓ層とＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ａｓ層との間に、その中間のアルミニウム混晶比を有する所謂中間層が介在している。
【００６１】
下部スペーサ層１４の下面から上部スペーサ層１８の上面までの膜厚は全体でλ／ｎrの整数倍としてその間に定在波が立つようにし、光強度の最も強い所謂「腹」の部分が量子井戸活性層の位置に来るように設けられている。
【００６２】
ｐ型のＧａＡｓ層よるなるコンタクト層２４は厚さが２０乃至５０ｎｍ、ｐ型不純物である亜鉛のキャリア濃度は１×１０20ｃｍ-3である。
【００６３】
次に、レーザ基板を成長室から取り出し、基板上面にエッチング時のマスク材料となるＳｉＯＮ２６を堆積した後、図２（Ｂ）に示すように、正方形のレジストマスク２８を形成し、露出したＳｉＯＮ２６の部分をバッファードＨＦで除去する。これをエッチングマスクとしてＢＣｌ3：Ｃｌ2を原料ガスとする反応性イオンエッチングを行い、少なくともＡｌＡｓ層２０が露出するまで掘り下げ、図２（Ｃ）に示すように、３０μｍ径の角柱状のポスト部３０を形成する。ただしエッチングの深さは下部多層反射膜１２に到達するまで、あるいはＧａＡｓ基板１０に到達するまでとしても良く、その深さは本案特許の内容とは直接関係がない。
【００６４】
このようにして少なくとも上部多層反射膜２２をメサ（ポスト）状に加工した後、窒素をキャリアガス（流量：２リットル／分）とする３６０℃の水蒸気雰囲気に４０分間晒す。この工程において、上部多層反射膜の一部を構成するＡｌＡｓ層２０はＡｌ0.8 Ｇａ0.2 Ａｓ層やＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ａｓ層に比べ酸化速度が著しく速いから、外周部から酸化される。そしてポスト内の一部、活性領域の直上部分にポスト形状を反映した絶縁領域（電流狭窄部）３２が形成され、一方酸化されずに残った非酸化領域３４が電流注入領域となる。上記条件での実験では一辺８μｍの矩形電流注入領域が形成された。
【００６５】
その後、露出したポスト側面を含む基板上面に感光性ポリイミド３６を堆積した後、フォトリソグラフィによりポスト部３０の頂部に堆積した感光性ポリイミド３６のみ除去したのち、さらに、ポスト形成時に使用したＳｉＯＮ２６を除去して、図３（Ａ）に示すように、ポスト部３０の頂部にコンタクト層２４を露出させる。
【００６６】
次に、ポスト頂部の中央領域に、一辺約１０μｍの矩形のレジスト構造物３８を形成した後、上方から電子ビーム蒸着によりＡｕ、Ｚｎ、Ａｕを連続的に堆積する（図３（Ｂ）参照）。その後、レジスト構造物３８を除去するとレジスト構造物３８の上面に堆積していたＡｕ、Ｚｎ、Ａｕ１１ａが共に取り除かれて（リフトオフ）、図３（Ｃ）に示すように、ポスト頂部にはｐ側電極１１と共に電極開口部４０が形成される。
【００６７】
次にこの電極開口部４０内に集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工装置を用いて、図４（Ａ）に示すように、５つの丸い孔５０ａ〜５０ｅを形成する。なお、これら５つの丸い孔５０ａ〜５０ｅは請求項１の境界領域、請求項２の凹部、及び請求項４の孔に相当する。１つの孔５０ａは、例えば、図４（Ｃ）に示すように、約８μｍの矩形電流注入領域の中心位置に相当する上方の多層反射膜表面に形成し、残りの４つの孔５０ｂ〜５０ｅは矩形電流注入領域のコーナー部、例えば、約２μｍ角程度離れた位置に形成した。ここでは、各孔５０ａ〜５０ｅの径は例えば、約０．５μｍ、深さは上部多層反射膜２２に達する深さ、例えば、約０．５μｍとしている。勿論、本発明はこれらの数値に限定されない。なお、これら５つの丸い孔５０ａ〜５０ｅを形成した場合、図４（Ｂ）に示すように４つの発光スポット６０ａ〜６０ｄが得られる。
【００６８】
最後に、基板裏面側に、ｎ側電極１３としてＡｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕを蒸着し、３５０℃の窒素雰囲気下で熱処理を１０分間行い、図３（Ｄ）に示すような構成の表面発光型半導体レーザを得る。
【００６９】
ここで、得られた表面発光型半導体レーザによる光出力−注入電流（Ｌ−Ｉ）特性および近視野像を図５に示す。すべての電流注入域で安定なＬＰ21モードの発振が得られ、光出力は最大で３．５ｍＷ、直列抵抗も光出力３ｍＷ時に８０Ωという値が得られた。なお、図５において、光出力は直線、直列抵抗は一点鎖線、注入電流は破線で各々表されている。
【００７０】
また、図６は同一の非酸化領域３４の径を有し、表面加工を行なわないで５つの丸い孔５０ａ〜５０ｅを形成しなかった表面発光型半導体レーザ（以下、孔なし表面発光型半導体レーザと称する。）と表面加工を行って５つの丸い孔５０ａ〜５０ｅを形成した表面発光型半導体レーザ（以下、孔有り表面発光型半導体レーザと称する。）との間でＬ−Ｉ特性を比較したものである。図６に示されているように、表面加工によって共振器損失が増え、しきい値電流が上昇すると共に光出力も半分近くまで低下していることがわかる。
【００７１】
さらに、図７に、孔なし表面発光型半導体レーザと孔有り表面発光型半導体レーザとのそれぞれに対して、注入電流３ｍＡ、７ｍＡ、１０ｍＡのときのそれぞれ発振スペクトルのグラフを示す。
【００７２】
図７のグラフから、孔なし表面発光型半導体レーザでは注入電流３ｍＡで既にＬＰ01、ＬＰ11、ＬＰ21の各モードに対応したスペクトルが観察され、マルチモード発振していることが確認できる。これに対して孔有り表面発光型半導体レーザでは注入電流１０ｍＡでもＬＰ11とＬＰ21のモード間でのスペクトル強度比は３０ｄＢを超え、ＬＰ21モードによる発振が維持されていることがわかる。
【００７３】
以上示した例では５つの孔を開けてＬＰ21モードを得たが、これ以外にも他の高次モードを得ることが可能である。例えば、図８（Ａ）に示すように、９つの孔５１ａ〜５１ｉを設けることにより、図８（Ｂ）に示すようなスポット６１ａ〜６１ｈのＬＰ41モードを得ることができる。
【００７４】
なお、上述した第１の実施の形態では、孔の深さを例えば、約０．５μｍとした場合について述べたが、実験では孔の深さは約０．２μｍから約１．０μｍまで変化させて、特性の推移を調べている。その結果、孔の深さが深い方がミラー反射率が確実に低下するのでモードの選択度は向上し、シングルモードになりやすくなった。また、深さに対する変化もクリティカルでなくなるが、全体としてミラー反射率が低下した分、光出力が下がった。これに対し、浅い場合は深さに対する変化の割合が増大し、ＤＢＲミラーの設計に合わせて正確に深さを制御しないと、他のモードが現れやすいことが判明した。
【００７５】
以上のことから本第１の実施の形態によれば、横モードを安定化させるという要件を満足しながら、高出力、低抵抗、高効率、かつ高速応答という特性を有する表面発光型半導体レーザとなる。また、このような表面発光型半導体レーザを容易な製造方法で、かつ再現性高く製造できる。
【００７６】
（第２の実施の形態）
上述した第１の実施の形態においては多層反射膜表面に特定の発振モードを除いて発振モードの発光を抑制するための凹部を形成する際、小径の丸い孔を凹部として形成するスポットエッチングであるのに対して、本第２の実施の形態では幅の狭い溝を凹部として形成して同様な効果を得るストライプエッチングである。なお、第２の実施の形態では、基板の縦（積層）構造、および表面加工以外の製造工程は第１の実施の形態と同一なので説明は省略し、異なる個所だけ説明する。また、本第２の実施の形態の方法は、請求項１２の表面発光型半導体レーザの製造方法に相当する。
【００７７】
第１の実施の形態における図３（Ｂ）のあと、電極開口部４０内にＦＩＢ加工装置を用いて表面加工を行なうが、ここでは、例えば、図９（Ａ）に示すように、電極開口部４０の中心部で互いに交錯する８本のストライプ溝５２ａ〜５２ｈを形成する。なお、これら８本のストライプ溝５２ａ〜５２ｈは請求項１の境界領域、請求項２の凹部、及び請求項５の溝に相当する。
【００７８】
８本のストライプ溝５２ａ〜５２ｈのそれぞれの幅は、例えば、約０．５μｍ、長さは、例えば、約１４μｍとした。各溝の深さはコンタクト層８が除去される深さ、この場合では約５０ｎｍである。なお、これらの数値は一例であり、本発明はこれらの数値に限定されるものではない。このような溝が形成された表面発光型半導体レーザによるスポット６２ａ〜６２ｈの近視野像を図９（Ｂ）に示す。
【００７９】
また、図１０に第２の実施の形態の表面発光型半導体レーザのＬ−Ｉ特性を示す。なお、本実験では酸化工程の後、赤外線顕微鏡にて、一辺９μｍの矩形電流注入領域が形成されていることを確認した。表面加工によって抑制したいモードに対して過度の反射損失を与えたことで、すべての電流注入域で安定なＬＰ41モードの発振が得られた。この発振モードは溝の位置に定在波の節に相当する箇所が来るため、反射損失も小さく、選択的に発振することになる。光出力は最大で３．５ｍＷ、直列抵抗も発振領域ではすべての電流注入域に渡って５０Ω前後という低い値となった。
【００８０】
図１１は連続注入時の発振スペクトル、およびバイアス電流４ｍＡ時に２．５ギガビット／秒のノン・リターン・トゥー・ゼロ、擬似ランダム・ビットシーケンス変調を行なった際の発振スペクトルを示したものである。高速直接変調下でも副モード抑圧比３０ｄＢを保っていることがわかる。
【００８１】
なお、本実施の形態では、電流注入領域の径および形状を一辺９μｍの矩形とした場合について述べたが、実験では径が１５μｍの円形の場合について、モード特性を調べている。上述の矩形電流注入領域の例と同様、電極開口部の中心部で互いに交錯する８本のストライプ溝を形成した。その結果、発振しきい値付近ではＬＰ41モードの発振が得られたものの、注入電流量を増加させるとさらに高次のモードが現れた。
【００８２】
そこで、図１２に示すように電極開口部の内側に９μｍ径の円環状の境界領域（損失領域）５２ｉを設けたところ、境界領域の内側・外側で１６個のスポットが生ずるモード６３で安定することを確認した。なお、図１２に示すスポットは模式的なものであり、その形状は必ずしも丸くなるわけではなく、扇形となる場合もある。
【００８３】
（第３の実施の形態）
本第３の実施の形態は、上記第１の実施の形態、および第２の実施の形態の応用例であり、異なる点は基板の縦（積層）構造に関するものである。すなわち、上部多層反射膜の最上層がＡｌ0.8 Ｇａ0.2 Ａｓ層に替えてＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層３３となっている。これ以外の部分はほぼ共通であるから、第１の実施の形態と同様な個所は同様な符号を付して説明は省略する。なお、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層３３は本発明のエッチング阻止層に相当し、本実施の形態の方法は、請求項１２の表面発光型半導体レーザの製造方法に相当する。
【００８４】
図１３（Ａ）において、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、ｎ型のＧａＡｓ基板１０の（１００）面上に、ｎ型のＡｌ0.8 Ｇａ0.2 Ａｓ層とｎ型のＡｌ0.1 Ｇａ0.8 Ａｓ層との複数層積層体よりなる下部多層反射膜１２と、アンドープのＡｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓ層よりなる下部スペーサ層１４と、アンドープのＧａＡｓ層よりなる量子井戸層とアンドープのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層よりなる障壁層との積層体よりなる量子井戸活性層（図示せず）と、アンドープのＡｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓ層よりなる上部スペーサ層１８と、ｐ型のＡｌＡｓ層２０と、最上層にｐ型のＧａ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ層３３が形成され、かつ、ｐ型のＡｌ0.8 Ｇａ0.2 Ａｓ層とｐ型のＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ａｓ層との複数層積層体よりなる上部多層反射膜２７と、ｐ型のＧａＡｓ層よりなるコンタクト層２５とを、順次積層形成する。
【００８５】
本第３の実施の形態の上部多層反射膜２７は、上層にＧａ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ層３３が設けられたｐ型のＡｌ0.8 Ｇａ0.2 Ａｓ層とｐ型のＡｌ0.1 Ｇａ0.9 Ａｓ層よりなる複数積層体である。各層の厚さはλ／４ｎrであり、混晶比の異なる層を交互に２２周期積層してあるが、この周期数は下層に設けたＡｌＡｓ層２０、および上層に設けたＧａ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ層３３を加えた数である。
【００８６】
本第３の実施の形態では、上記第１、および第２の実施の形態の場合と同様に、リフトオフによりポスト頂部に電極開口部４０を形成した後、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）法を用いて所望の発振モードに応じて必要箇所に孔、あるいは溝を形成する。ここでは、ＧａＡｓコンタクト層２５とＧａ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ層３３との間で高いエッチング選択比（＞１０：１）が取れるため、孔、あるいは溝の深さを精密に制御することが可能となる。
【００８７】
前述の第１の実施の形態及び第２の実施の形態ではＧａＡｓコンタクト層のみを除去するにあたり、Ａｌ0.8 Ｇａ0.2 Ａｓ層との界面で加工を阻止させる必要があったが、打ち込むイオン（Ｇａ+等）のドーズ量、あるいは加速電圧といった条件次第では深さにばらつきが生じることがあった。
【００８８】
第３の実施の形態では反応性のイオンビームエッチング法を用いており、ＧａＡｓとＧａ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐは格子定数は近いが材料組成は大きく異なるのでエッチング選択比は十分大きく、Ｇａ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ層３３との界面で容易にエッチングの進行を阻止することができる。特に溝状にエッチングする場合、溝が交錯する箇所は複数回の工程を経るため深さの制御が困難になるが、選択性エッチングであるのでこの問題も解消されている。
【００８９】
前記３つの実施の形態においては、表面加工の方法としてＦＩＢ、若しくはＲＩＢＥといった切削加工を前提とする装置を利用した例を述べたが、これに限定されることなく、例えば表面に誘電体膜、あるいは金属膜を形成して、損失領域を作ることも可能である。
【００９０】
なお、前記第３の実施の形態においては、上部多層反射膜の最上層にエッチング阻止層としてＧａ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐを設けたが、このエッチング阻止層はエッチングを阻止させる材料より形成されていればよく、この材料に限定されるものではない。すなわち、エッチング阻止層は、エッチング阻止層の上方に配置されるコンタクト層２５との間でエッチング選択比が大きい、典型的には１０：１を超える程度の物性を有し、使用する半導体基板に格子整合する材料であれば良い。上記の実施例の場合、例えば、（ＡｌX Ｇａ1-X ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ、あるいはＺｎＳＳｅ系材料等がその要件を満たす。ＡｌＩｎＰ組成比を大きくした材料、あるいはＺｎＳＳｅはＧａＩｎＰよりも大きなエネルギーバンドギャップを有するから、活性層からの光に対して透明性が高まり、エネルギー変換効率の見地からすれば好ましい。ただし（ＡｌX Ｇａ1-X ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐの場合、ｘの値が１に近づくにつれて大気中に晒された際、酸化して特性劣化に繋がる可能性があるので、できるだけ小さい値、典型的には０．１以下で用いるのが望ましい。
【００９１】
上記第１の実施の形態から第３の実施の形態においては、いずれも上部多層反射膜２２（または２７）をｐ型とし、下部多層反射膜１２をｎ型としたが、これに限定されることなく、導電型を反対にすること、あるいはいわゆるイントラキャビティ型ＶＣＳＥＬを想定し、片側の導電型は導電性の低い真性とすることなどが考えられる。一般にｐ型層はｎ型層に比べエネルギーバンド不連続性に起因する素子抵抗の増大が懸念されるから、層数が増えることはレーザ特性を劣化させる要因となり好ましくない。このため出射光を基板上面から取り出す関係上、下部多層反射膜１２よりも上部多層反射膜２２（または２７）の層数を減らす目的で上部多層反射膜２２（または２７）の導電型をｐ型とした。しかし別の視点から考えると素子抵抗は面積に反比例するので、上部多層反射膜２２（または２７）をポスト状に加工することは素子抵抗を増大させる要因となる。したがって、同じ面積ならｐ型層よりもｎ型層を上部多層反射膜２２とすることは好ましいという考え方もできる。結局、光の取り出し方向や導電型による素子抵抗の違い、あるいは駆動回路側との相性を勘案しながら、総合的な見地から導電型を適宜選択すればよい。
【００９２】
また、上記第１の実施の形態から第３の実施の形態において、量子井戸層を構成する材料として、ＧａＡｓを用いたが、本発明はこの材料に限定されるものではなく、例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、あるいはＧａＩｎＮＡｓ等のたの材料を用いることも可能である。
【００９３】
さらに、上記第１の実施の形態から第３の実施の形態においては、結晶成長方法としてＭＯＣＶＤ法を用いる場合について述べたが、本発明はこの方法に限定されることなく、同様な積層膜が得られる方法であれば適用できる。そのような方法としては、例えば、分子線ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法等が挙げられる。
【００９４】
上記第１の実施の形態から第３の実施の形態においては、いずれも上部多層反射膜の上層を発光層としたが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、例えば、上部多層反射膜の形成時に膜形成条件を制御するなどにより、境界領域を組み込んだ発光層を下層又は内層に組み込むように構成することも可能である。
【００９５】
また、上記第１の実施の形態から第３の実施の形態においては、いずれもエッチングにより表面層を削って境界領域として凹部を形成する場合について述べたが、例えば、境界領域上にレジストパターンを形成した状態で複数の膜を形成した後、レジストパターンを取除くなどのように、境界領域以外の領域に膜を付加することにより境界領域を形成するようにも構成できる。
【００９６】
（第４の実施の形態）
次に、上記の実施の形態で説明した表面に境界領域としての溝形状を有するＶＣＳＥＬにおいて、フェーズロック機構を別途設けることでファーフィールドパターン（ＦＦＰ）を単峰化して、光ファイバへの高次横モードの結合効率を飛躍的に改善した第４の実施の形態について説明する。
【００９７】
まず、はじめにフェーズロックの原理について図２１を参照して説明する。伊賀健一編著「半導体レーザ」（オーム社）によれば、「同一基板上に複数の発光導波路を形成し、隣合う導波路間の光電界位相を同期させて、時間的、空間的に一定の位相関係を保つようにすれば、大出力の単峰性ビームが得られることが期待される。そのような素子を位相同期レーザアレイと呼ぶ。」との記述がある。また、「Ｎ個の導波路からなるアレイの場合、結合が弱い場合にはＮ個のアレイモード（スーパーモードとも呼ばれる）が存在し、結合が強い場合には、各導波路が基本モード条件を満たしていても、１次モードが許容されるために２Ｎ個のアレイモードが存在することが理論的に示されている。Ｎ個のモードのうち、導波路間の位相がそろった状態のモードを０度位相モードと呼び、ほぼ単峰性の遠視野象が得られ、実用上望ましい。また隣合う導波路間の位相が１８０°異なるものを１８０度位相モードと呼び、遠視野像は双峰となる。」、「導波路間での光電界振幅は１８０度位相モードの場合０となるのに対し、０度位相モードの場合には０でなく、導波路間領域における損失のため、しきい値利得が大きくなる。したがって１８０度位相モードのほうが発振しやすい。」との説明が加えられている。
【００９８】
高次モード発振を生じているＶＣＳＥＬの発光は、発光スポットの光電界位相間で１８０度位相がずれているものと考えられ、このためＦＦＰは双峰性を示す。従って、図２１に示したように、位相シフト素子を使用して片方の発光スポットに位相シフトを生じさせ、１８０度位相を反転させれば、０度位相モードと同様に単峰性のＦＦＰが得られると考えられる。
【００９９】
上記第１の実施の形態から第３の実施の形態によって作製された素子は高次横モード発振でありながら通常見られるマルチモードではなく単一モードでの発振特性を示すが、ＦＦＰが双峰性になりやすく、光ファイバとの結合効率はあまり高くなかった。そこで、本実施の形態では、上記の素子表面を、一定膜厚だけ部分的にエッチング除去し、エッチング除去した部分とこの部分に隣接するエッチング除去しない部分の発光スポットの間に、１８０度（π）の位相シフトを生じさせた。
【０１００】
図１６（Ａ）は本実施の形態の素子の概観図を示し、図１６（Ｂ）はＦＩＢによるエッチングによって深さΔだけエッチング除去した部位の断面模式図を表し、図１６（Ｃ）は発光部の平面図を表している。なお、図１６（Ａ）〜（Ｃ）において、図２及び図３と対応する部分には同一符号を付して説明を省略する。
【０１０１】
本実施の形態では、複数本のストライプ溝５２ａ〜５２ｈによって区画されて円周方向に配置された分割領域を交互、すなわち一つ置きにエッチングによって削ることにより、削った部分の間に残存している部分に深さΔの位相シフト領域として凹部５３を形成している。
【０１０２】
この図１６（Ａ）〜（Ｃ）で示した素子はＬＰ41モードで発振するが、他のモードで発振する素子でも以下に述べる原理は同じである。ＬＰ41モードの発振では発光スポット領域が複数本のストライプ溝５２ａ〜５２ｈによって８個に分割されて複数の分割領域が形成されているが、円周方向に隣り合う２つの発光スポットを生じさせる分割領域間では位相がπずれて安定する。
【０１０３】
本実施の形態では、発光スポットを生じさせる扇形の分割領域表面を１つ置きにＦＩＢによるエッチングを使って上部多層反射膜２２の途中まで、深さ約０．２μｍ削っている。深さΔは、削った領域の発光スポットの位相が、削らずに残存している領域の発光スポットに対してπだけずれるよう光路長を計算して決定している。ここでは、膜厚４０ｎｍのコンタクト層２４および上部多層反射膜２２の最上層の１ペアを除去する深さとした。
【０１０４】
この時得られたＬ−Ｉ−Ｖ特性を図１７に示す。グラフはシングル高次モードを得るためモードの境界領域に放射状に広がる８本の溝を形成しただけの素子のＩ−Ｌ特性Ｄ１と、これに加えてさらに上述のエッチングを施して位相をπシフトさせ、フェーズロックした場合の素子のＩ−Ｌ特性Ｄ２の２つについて示している。フェーズロックした場合の素子の光出力は略半減しているが、Ｖ−Ｉ特性Ｄ３についてはほとんど変化がなく、低抵抗性を保っていることがわかる。また、Ｉ−Ｒ特性Ｄ４についてもほとんど変化がない。光出力の低下についてもＦＩＢによるエッチングで削ったために表面の平坦性が損なわれたことに起因するもので、選択性エッチングといった表面の平坦性を維持できる方法を用いれば改善できる。
【０１０５】
続いて、両素子のＦＦＰの結果を図１８に示す。ストライプ溝を形成しただけの素子は上述の通り双峰性のＦＦＰを示したが、位相をπシフトさせることによるフェーズロックを行った素子では主ピークの近傍に副ピークが見られるものの、強度比は高く、半値全幅で示される広がり角は５ｄｅｇ．程度と著しく改善されていることが分かる。これにより光ファイバへの結合効率は飛躍的に向上する。
【０１０６】
上記第４の実施の形態においては、位相シフトを生じさせるために半導体多層膜をエッチング除去する方法を示したが、本発明はこの方法に限定されることなく、例えば表面に誘電体膜、あるいは金属膜を積層して位相シフト層を形成して、同様の効果を得ることも可能である。
（第５の実施の形態）
上記第４の実施の形態では、特定の高次発振モードを得るため表面に形成されたストライプ溝を有するＶＣＳＥＬにおいて、特定領域に位相シフト領域（凹部）設けることによりＦＦＰを擬似単峰化し、光ファイバへの結合効率を飛躍的に高める例について述べた。
【０１０７】
ところがこの方法は特に溝形状を有しない素子においてもある程度高次モードを単一化し、かつＦＦＰを擬似単峰化する効果を有することが判明したので、次は溝形状を有しない素子に本発明を適用した第５の実施の形態について述べる。
【０１０８】
第５の実施の形態の素子製造方法は、上記第１の実施の形態から第４の実施の形態で行った溝等の境界領域形成工程用いることなく、第４の実施の形態と同様に、扇形の分割領域について、素子表面を一定膜厚だけ部分的にエッチング除去してπ位相シフトさせるものである。
【０１０９】
図１９（Ａ）は素子の平面を模式的に示す平面図を表し、図１９（Ｂ）はエッチング除去した部位の断面模式図を表している。図１９（Ａ）において、７は電流狭窄領域を示し、８はその開口部で発光領域を示す。
【０１１０】
本実施の形態では、上記第４の実施の形態と同様にＬＰ41モードでの発振を想定して位相シフト層の平面形状を決定したが、他のモードでも以下に述べる原理は同じである。発光領域８は、特定の発振モードに対応して複数の分割領域に分割され、図１９の例では、８個の分割領域に分割され、この分割領域としての扇形のスポット領域８ａ，８ｂをＲＩＥを使ってコンタクト層、および上部ＤＢＲ層の一部を、発光スポットの位相がπだけシフトする深さΔまで１つ置きのスポット領域８ｂを削って凹部を設け、スポット領域８ａとの間に段差形状を形成した。
【０１１１】
このような段差形状が形成された場合、平坦部での反射率は初期状態を略維持していることから高い反射率（高反射率領域Ｐ１）のままで発振特性への影響はほとんどない。しかし、段差に相当する界面部分（境界領域）は高反射率領域Ｐ１からそれと同等の高反射率領域Ｐ２への遷移領域となる関係から反射率の低下を生じ、また界面近傍での回折、散乱による光損失も避けられないから、この部分に溝形状を形成した上記第１の実施の形態から第４の実施の形態の場合と同様に機能し、この部分を節とする定在波が立ちやすくなる。
【０１１２】
したがってフェーズロック動作と共にモード選択性も生じて高次シングルモードが得られる。ただし溝形状を形成した場合に比べると他のモードを抑制する効果は弱い。
【０１１３】
それでも、π位相シフトによるフェーズロックの結果、ＦＦＰの広がり角は５ｄｅｇ．程度と狭く、光ファイバへの結合効率は充分高くなるが、さらにモード選択性を改善する施策として高反射率領域Ｐ１から高反射率領域Ｐ２への遷移領域の反射率低下を促進する、あるいはこの領域の幅を広げる方法が考えられる。この目的のため図２２に示すように、段差部分を順テーパ、あるいは逆テーパ形状に加工する方法が有効である。
【０１１４】
段差に相当する界面部分（境界領域）は高反射率領域Ｐ１からそれと同等の高反射率領域Ｐ２への遷移領域となる関係から高い反射率を保つための膜厚条件からはずれた特異点とみなせる。テーパ形状はこれを強調する役割を果たし、入射した光の回折、あるいは散乱が生じ易く、反射率の低下は避けられない。
【０１１５】
エッチングプロセス、特にドライ加工技術（反応性イオンエッチング等）においても、このような段差の根元部分は特異点領域であり、プロセス条件次第では反跳イオンの影響で深くえぐれる現象がしばしば観察される。図２２（ｄ）はこのような現象を利用したもので、段差から深さ方向に延びる窪みである、えぐれたディップ部分で反射率低下が著しいことを用いて横モード制御に資することを狙いとしたものである。
【０１１６】
上記第５の実施の形態においては位相シフトを生じさせるために半導体多層膜をエッチング除去して凹部を形成する方法を示したが、本発明はこの方法に限定されることなく、例えば表面に誘電体膜、半導体膜、あるいは透光性の金属膜の少なくとも１つを形成して、凸部を形成することにより同様の効果を得ることも可能である。図２０はコンタクト層上に位相シフト層５０を半導体連続成長にて積層した後、両者の間で選択性エッチングを行って位相シフト効果を有する領域を形成した素子の例である。ここでは、コンタクト層２４がＧａＩｎＰ、位相シフト層５０がＧａＡｓの組み合わせが考えられる。また、積層タイプの位相シフト層は単層である必要はなく、ＤＢＲミラー同様ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓの多層膜を用いてもよい。誘電体膜、半導体膜、あるいは透光性の金属膜を用いる場合も同様である。以上の実施の形態の説明では、基板上のポストの上部から発光する例を示したが、例えば、基板をリフトオフ等により除去し、除去した側から発光するようにしてもよいことは明らかである。
【０１１７】
以上の工程を使用して製造した表面発光型半導体レーザは、電流、および光閉じ込め機能は選択的に酸化された領域によって分担され、一方、発振モードの制御は電極開口部に形成された表面加工パターンによって分担されることになり、低しきい値電流で、かつ高効率、高速応答性を有する屈折率導波型ＶＣＳＥＬでありながら、高出力、低抵抗の優れた特性を有し、しかも、本発明の本来の目的である、横モードが安定なＶＣＳＥＬを実現したものとなる。
【０１１８】
最後に、前記いずれの実施の形態も限定的に解釈されるべきものではなく、本発明の構成要件を満足する範囲内で他の方法によっても実現可能であることは言うまでもない。
【０１１９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、横モードを安定化させるという要件を満足しながら、高出力、低抵抗、高効率、かつ高速応答という特性を有する表面発光型半導体レーザが得られる、という効果がある。
【０１２０】
また、前記特性を有する表面発光型半導体レーザを容易な製造方法で、かつ再現性高く製造できる、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】表面加工のパターンとＬｉｎｅａｒｌｙ Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ近似に基づく電磁界モードパターンとの対応関係を表す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの製造工程の前半の工程を説明するための断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの製造工程の後半の工程を説明するための断面図である。
【図４】図４（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの上面模式図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の表面発光型半導体レーザによるスポットを示す模式図であり、図４（Ｃ）は図４（Ａ）のＡ−Ａ線部分断面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの光出力−注入電流（Ｌ−Ｉ）特性を示すグラフ、および近視野像の概略を示す説明図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザのＬ−Ｉ特性の比較を行なうための特性図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの発振スペクトルの比較を行なうための特性図である。
【図８】図８（Ａ）は本発明の第１の実施の形態の表面発光型半導体レーザの応用例を示す上面模式図であり、図８（Ｂ）は図８（Ａ）の表面発光型半導体レーザによるスポットを示す模式図である。
【図９】図９（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの上面模式図であり、図９（Ｂ）は図９（Ａ）の表面発光型半導体レーザによるスポットを示す模式図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの光出力−注入電流（Ｌ−Ｉ）特性を示すグラフである。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの発振スペクトルを示すグラフである。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの変形の一例を示す表面加工のパターンと、その時に得られる電磁界モードパターンを表す模式図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの製造工程の前半の工程を説明するための断面図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの製造工程の後半の工程を説明するための断面図である。
【図１５】従来技術に係る表面発光型半導体レーザの断面図である。
【図１６】図１６（Ａ）は第４の実施の形態の素子の概観図、図１６（Ｂ）はＦＩＢによってエッチング除去した部位の断面模式図、図１６（Ｃ）は発光部の平面図である。
【図１７】第４の実施の形態のＬ−Ｉ−Ｖ特性を示す線図である。
【図１８】ストライプ溝を形成しただけの素子のＦＦＰとフェーズロックを行った素子のＦＦＰとを比較して示す線図である。
【図１９】図１９（Ａ）は第５の実施の形態の素子の平面図、図１９（Ｂ）はエッチング除去した部位の断面模式図である。
【図２０】積層によって位相シフト層を形成した素子の断伝図である。
【図２１】フェーズロック機構を説明するための線図である。
【図２２】順テーパ段差、逆テーパ段差等を説明するための線図である。
【符号のの説明】
１０ ＧａＡｓ基板
１１ ｐ側電極
１２ 下部多層反射膜
１３ ｎ側電極
１４ 下部スペーサ層
１８ 上部スペーサ層
２０ ｐ型のＡｌＡｓ層
２２、２７ 上部多層反射膜
２４、２５ コンタクト層
２６、ＳｉＯＮ
２８ レジストマスク
３０ ポスト部
３３ Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層
３４ 非酸化領域
３６ 感光性ポリイミド
３８ レジスト構造物
４０ 電極開口部
５０ａ〜５０ｅ、５１ａ〜５１ｉ 孔
５２ａ〜５２ｈ ストライプ溝
６０ａ〜６０ｄ、６１ａ〜６１ｈ、６２ａ〜６２ｈ 発光スポット
６３ １６個のスポットが生じたモード
【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１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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