(57)【要約】【課題】  レーザ光の偏波面の制御が可能な面発光型半導体レーザおよびその製造方法を提供する。【解決手段】  面発光型半導体レーザは、基板の上方に垂直共振器１４０を有し、前記垂直共振器１４０は、基板１０１側から配置された、第１ミラー１０２、活性層１０３および第２ミラー１０４を含む。前記第２ミラー１０４の上方に垂直共振器１４０を構成する複屈折層１２０を有する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上方に垂直共振器を有する面発光型半導体レーザであって、
前記垂直共振器は、前記基板側から配置された、第１ミラー、活性層および第２ミラーを含み、
前記第２ミラーの上方に前記垂直共振器を構成する複屈折層を有する、面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
請求項１において、
前記複屈折層は、複屈折を有する樹脂からなる、面発光型半導体レーザ。  
【請求項３】
請求項２において、
前記複屈折層は、前記樹脂のポリマー分子の配向方向と、前記活性層の結晶方位軸の方向とが一致するように配置された、面発光型半導体レーザ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記複屈折層の平面形状は、長軸と短軸とを有する面発光型半導体レーザ。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかにおいて、
前記複屈折層は、少なくとも前記第２ミラーの一部を含む柱状部の出射面と、前記柱状部の上方に形成された電極と、前記柱状部の側面を覆う埋込み絶縁層との上方に形成された、面発光型半導体レーザ。
【請求項６】
請求項５において、
前記複屈折層は、その中央部が前記出射面と前記電極の上に位置し、その両端部が前記埋込み絶縁層の上に位置するように配置された、面発光型半導体レーザ。
【請求項７】
請求項１ないし４のいずれかにおいて、
前記複屈折層は、少なくとも前記第２ミラーの一部を含む柱状部の出射面と、前記柱状部の上方に形成された電極との上方に形成された、面発光型半導体レーザ。
【請求項８】
請求項７において、
前記出射面の上方に前記電極より熱伝導率が小さい下地樹脂層が形成され、前記複屈折層は該下地樹脂層の上方に形成された、面発光型半導体レーザ。
【請求項９】
基板の上方に垂直共振器を有する面発光型半導体レーザの製造方法であって、
前記基板の上方に、少なくとも、第１ミラー、活性層および第２ミラーを構成するための半導体層を積層する工程と、
前記半導体層をパターニングすることにより、少なくとも前記第２ミラーの一部を含む柱状部を形成する工程と、
前記柱状部の周囲に絶縁層を形成して埋め込み絶縁層を形成する工程と、
前記柱状部および前記埋込み絶縁層の上方に電極を形成する工程と、
前記柱状部の出射面、前記電極および前記埋込み絶縁層の上方に前駆体層を形成する工程と、
前記前駆体層を硬化する過程で、樹脂層を一軸方向に延伸させ、該樹脂層に複屈折を発現させて複屈折層を形成する工程と、
を含む、面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項１０】
請求項９において、
前記複屈折層を形成する工程は、前記柱状部、前記電極および前記埋込み絶縁層の熱膨張係数の違いによって、前記樹脂層を一軸方向に延伸させることによって行われる、面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項１１】
基板の上方に垂直共振器を有する面発光型半導体レーザの製造方法であって、
前記基板の上方に、少なくとも、第１ミラー、活性層および第２ミラーを構成するための半導体層を積層する工程と、
前記半導体層をパターニングすることにより、少なくとも前記第２ミラーの一部を含む柱状部を形成する工程と、
前記柱状部の周囲に絶縁層を形成して埋め込み絶縁層を形成する工程と、
前記柱状部および前記埋込み絶縁層の上方に電極を形成する工程と、
前記柱状部の出射面および前記電極の上方に前駆体層を形成する工程と、
前記前駆体層を硬化する過程で、樹脂層を一軸方向に延伸させ、該樹脂層に複屈折を発現させて複屈折層を形成する工程と、
を含む、面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記複屈折層を形成する工程は、前記柱状部の出射面および前記電極の熱伝導率の違いによって、前記樹脂層を一軸方向に延伸させることによって行われる、面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項１３】
請求項１１または１２において、
前記出射面上に前記電極より熱伝導率が小さい下地樹脂層を形成し、該下地樹脂層の上方に前記前駆体層を形成する、面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項１４】
請求項９ないし１３のいずれかにおいて、
前記複屈折層は、該複屈折層のポリマー分子の配向方向と、前記活性層の結晶方位軸の方向とが一致するように形成される、面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項１５】
請求項９ないし１４のいずれかにおいて、
前記前駆体層を硬化する工程は、熱硬化によって行われる、面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項１６】
請求項９ないし１５のいずれかにおいて、
前記前駆体層は、長軸と短軸とを有する形状に形成され、該長軸の方向と前記樹脂層を延伸させる一軸方向とが一致する、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、特に偏波面制御が可能な面発光型半導体レーザおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、光通信用光源として、面発光型半導体レーザが注目されている。例えば波長８５０ｎｍの面発光型半導体レーザは、近距離マルチモードファイバ伝送に用いやすい。そして、このような光通信用光源として用いるためには、安定した偏波方向を持つ面発光型半導体レーザが必要である。
【０００３】
一般に、面発光型半導体レーザは、平面構造が対称性を有することから、偏波方向が安定せず、高次横モードが立ちやすい。偏波方向の安定しないレーザ光を光通信用途に用いると、光結合系に偏光依存を持つ光素子が入るとノイズが増大するという問題がある。
【０００４】
このような問題を解決する方法として、レーザ光の偏波方向を安定させるために、意図的に偏光素子を用いる場合がある。例えば特開２００２−２５２４１５号公報では、面発光型レーザからの出射光の経路に偏向子を配設した例が記載されている。偏光子を用いることで偏光方向の安定したレーザを作ることが可能である。しかし、面発光型レーザとは別に偏光子を設けることは、高精度の素子の位置合わせを必要とし、実装上の大きな手間とコスト高を発生させる。
【特許文献１】特開２００２−２５２４１５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、レーザ光の偏波面の制御が可能な面発光型半導体レーザおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、基板の上方に垂直共振器を有する面発光型半導体レーザであって、
前記垂直共振器は、前記基板側から配置された、第１ミラー、活性層および第２ミラーを含み、
前記第２ミラーの上方に前記垂直共振器を構成する複屈折層を有する。
【０００７】
本発明の面発光型半導体レーザによれば、垂直共振器が複屈折層を有することから、特定の偏波方向の屈折率を変化させることができ、第１，第２ミラーの反射率に偏波方向の依存性を持たせることができる。その結果、面発光型半導体レーザは、偏波面が制御され、偏波方向の安定したレーザ光を出射できる。
【０００８】
本発明にかかる面発光型半導体レーザは、以下のような各種の態様をとることができる。
【０００９】
（ａ）本発明の面発光型半導体レーザにおいて、前記複屈折層は、複屈折を有する樹脂からなることができる。
【００１０】
（ｂ）本発明の面発光型半導体レーザにおいて、前記複屈折層は、前記樹脂のポリマー分子の配向方向と、前記活性層の結晶方位軸の方向とが一致するように配置されることができる。このように複屈折層を配置することで、偏波面の制御がより確実に行われる。
【００１１】
（ｃ）本発明の面発光型半導体レーザにおいて、前記複屈折層の平面形状は、長軸と短軸とを有することができる。このように複屈折層の平面形状が異方性を有することで、複屈折の発現がより確実に行われる。
【００１２】
（ｄ）本発明の面発光型半導体レーザにおいて、前記複屈折層は、少なくとも前記第２ミラーの一部を含む柱状部の出射面と、前記柱状部の上方に形成された電極と、前記柱状部の側面を覆う埋込み絶縁層との上方に形成されることができる。この場合、前記複屈折層は、その中央部が前記出射面と前記電極の上に位置し、その両端部が前記埋込み絶縁層の上に位置するように配置されることができる。
【００１３】
（ｅ）本発明の面発光型半導体レーザにおいて、前記複屈折層は、少なくとも前記第２ミラーの一部を含む柱状部の出射面と、前記柱状部の上方に形成された電極との上方に形成されることができる。この場合、前記出射面上に前記電極より熱伝導率が小さい下地樹脂層が形成され、前記複屈折層は該下地樹脂層の上方に形成されることができる。
【００１４】
本発明に係る第１の製造方法は、基板の上方に垂直共振器を有する面発光型半導体レーザの製造方法であって、
前記基板の上方に、少なくとも、第１ミラー、活性層および第２ミラーを構成するための半導体層を積層する工程と、
前記半導体層をパターニングすることにより、少なくとも前記第２ミラーの一部を含む柱状部を形成する工程と、
前記柱状部の周囲に絶縁層を形成して埋め込み絶縁層を形成する工程と、
前記柱状部および前記埋込み絶縁層の上方に電極を形成する工程と、
前記柱状部の出射面、前記電極および前記埋込み絶縁層の上方に前駆体層を形成する工程と、
前記前駆体層を硬化する過程で、樹脂層を一軸方向に延伸させ、該樹脂層に複屈折を発現させて複屈折層を形成する工程と、
を含む。
【００１５】
本発明において、「前駆体層」とは、樹脂層が形成されるまえの状態の層を意味し、例えばモノマー、オリゴマーおよび低分子量のポリマーなどの少なくともいずれかを含み、重合によって樹脂層となる層をいう。
【００１６】
本発明の第１の製造方法において、前記複屈折層を形成する工程は、前記柱状部、前記電極および前記埋込み絶縁層の熱膨張係数の違いによって、前記樹脂層を一軸方向に延伸させることによって行うことができる。
【００１７】
本発明にかかる第２の製造方法は、基板の上方に垂直共振器を有する面発光型半導体レーザの製造方法であって、
前記基板の上方に、少なくとも、第１ミラー、活性層および第２ミラーを構成するための半導体層を積層する工程と、
前記半導体層をパターニングすることにより、少なくとも前記第２ミラーの一部を含む柱状部を形成する工程と、
前記柱状部の周囲に絶縁層を形成して埋め込み絶縁層を形成する工程と、
前記柱状部および前記埋込み絶縁層の上方に電極を形成する工程と、
前記柱状部の出射面および前記電極の上方に前駆体層を形成する工程と、
前記前駆体層を硬化する過程で、樹脂層を一軸方向に延伸させ、該樹脂層に複屈折を発現させて複屈折層を形成する工程と、
を含む。
【００１８】
本発明の第２の製造方法において、前記複屈折層を形成する工程は、前記柱状部および前記電極の熱伝導率の違いによって、前記樹脂層を一軸方向に延伸させることによって行うことができる。
【００１９】
本発明にかかる面発光レーザの製造方法によれば、面発光型半導体レーザを構成する部材、例えば柱状部，埋込み絶縁層および電極の熱膨張係数の違い、あるいは例えば柱状部および電極の熱伝導率の違いを利用して、複屈折層を形成することができる。そのため、前駆体層を形成する工程を追加する、比較的簡易なプロセスによって本発明の面発光型半導体レーザを製造することができる。
【００２０】
本発明の第２の製造方法において、前記出射面の上方に前記電極より熱伝導率が小さい下地樹脂層を形成し、該下地樹脂層の上方に前記前駆体層を形成することができる。
【００２１】
本発明にかかる第１および第２の製造方法において、前記複屈折層は、該複屈折層のポリマー分子の配向方向と、前記活性層の結晶方位軸の方向とが一致するように形成することができる。
【００２２】
本発明にかかる第１および第２の製造方法において、前記前駆体層を硬化する工程は、熱硬化によって行うことができる。
【００２３】
本発明にかかる第１および第２の製造方法において、前記前駆体層は、長軸と短軸とを有する形状に形成され、該長軸の方向と前記樹脂層を延伸させる一軸方向とが一致するように形成できる。
【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述べる。
【００２５】
１．第１の実施の形態
１−１．デバイスの構造
図１は、本発明を適用した第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ（以下、「面発光レーザ」ともいう）１００を模式的に示す平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【００２６】
本実施の形態の面発光レーザ１００は、図１および図２に示すように、半導体基板（本実施の形態ではＧａＡｓ基板）１０１と、半導体基板１０１上に形成された垂直共振器（以下「共振器」という）１４０と、第１電極１０７と、第２電極１０９と、を含む。共振器１４０は、第１ミラー１０２と、活性層１０３と、第２ミラー１０４と、複屈折層１２０と、を含む。
【００２７】
次に、この面発光レーザ１００の各構成要素について述べる。
【００２８】
共振器１４０は、たとえば、ｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ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第１ミラー１０２と、ＧａＡｓウエル層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓバリア層からなり、ウエル層が３層で構成される量子井戸構造を含む活性層１０３と、ｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層とを交互に積層した２５ペアの分布反射型多層膜ミラーである第２ミラー１０４とを有する。なお、第１ミラー１０２、活性層１０３、および第２ミラー１０４を構成する各層の組成および層数はこれに限定されるわけではない。
【００２９】
共振器１４０は、さらに、第２ミラー１０４と接合する部分を有する複屈折層１２０を含む。複屈折層１２０については、後に詳述する。
【００３０】
第２ミラー１０４は、たとえば、Ｃ、Ｚｎ、あるいはＭｇなどがドーピングされることによりｐ型にされ、第１ミラー１０２は、たとえば、Ｓｉ、あるいはＳｅなど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、第２ミラー１０４、不純物がドーピングされていない活性層１０３、および第１ミラー１０２により、ｐｉｎダイオードが形成される。
【００３１】
第２ミラー１０４、活性層１０３および第１ミラー１０２の一部は、柱状の半導体堆積体（以下「柱状部」という）１３０を構成している。柱状部１３０の側面は埋込み絶縁層１０６で覆われている。
【００３２】
柱状部１３０を構成する層のうち活性層１０３に近い領域に、電流狭窄層として機能する絶縁層１０５が形成されていてもよい。この絶縁層１０５は、柱状部１３０の周縁に沿ったリング形状を有することができる。また、電流狭窄用の絶縁層１０５は、たとえば酸化アルミニウムからなる。
【００３３】
本実施の形態に係る面発光レーザ１００においては、柱状部１３０の側面を覆うようにして、埋込み絶縁層１０６が形成されている。埋込み絶縁層１０６を構成する樹脂は、たとえば、ポリイミド樹脂、フッ素系樹脂、アクリル樹脂、またはエポキシ樹脂などを用いることができ、特に、加工の容易性や絶縁性の観点から、ポリイミド樹脂またはフッ素系樹脂であるのが望ましい。
【００３４】
柱状部１３０および埋込み絶縁層１０６の上には、第１電極１０７が形成されている。第１電極１０７は、図１に示すように、柱状部１３０上に形成されたリング状部１０７ａと、外部との電気的接続を行うための接続部１０７ｂとを有する。リング状部１０７ａの開口部は、レーザ光の出射面１０８となる。第１電極１０７は、たとえばＡｕとＺｎの合金とＡｕとの積層膜からなる。さらに、半導体基板１０１の上面には、第２電極１０９が形成されている。第２電極１０９は、たとえばＡｕとＧｅの合金とＡｕとの積層膜からなる。すなわち、図１に示す面発光レーザ１００では、柱状部１３０上で第１電極１０７は第２ミラー１０４と接合し、かつ、第２電極１０９は半導体基板１０１と接合している。この第１電極１０７および第２電極１０９によって活性層１０３に電流が注入される。
【００３５】
第１および第２電極１０７，１０９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、密着性強化、拡散防止、あるいは酸化防止などのために必要に応じて、たとえばＣｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕ、あるいはＰｔなどの金属やこれらの合金などが利用可能である。
【００３６】
共振器１４０を構成する複屈折層１２０は、柱状部１３０の出射面１０８，埋込み絶縁層１０６および第１電極１０７のリング状部１０７ａ上に形成されている。複屈折層１２０は、その平面形状が長軸と短軸とを有する。例えば図示の例では、複屈折層１２０の平面形状は、図１に示すように、ｘ軸方向に長軸を有し、ｙ軸方向に短軸を有する長方形である。そして、この場合、複屈折層１２０は、その中心を通る長軸（ｘ軸）が、出射面１０８の中心を通るように配置される。また、複屈折層１２０は、その中央部において、長軸方向の辺の一部が第１電極１０７のリング状部１０７ａ上に位置するように配置されることが望ましい。このように複屈折層１２０を配置することにより、樹脂層によって複屈折層１２０を形成する工程で、複屈折層１２０の下にある、柱状部１３０，埋込み絶縁層１０６および第１電極１０７のリング状部１０７ａの熱膨張係数の違いによる応力をより効果的に樹脂層に作用させることができる。
【００３７】
複屈折層１２０は、樹脂を一軸方向（ｘ軸方向）に延伸させて形成される。具体的には、樹脂層を延伸することで、樹脂のポリマー分子が延伸方向に配向し、その結果、応力方向（延伸方向）の屈折率と、延伸方向と直交する方向の屈折率との間に差が生じ、複屈折を発現する。
【００３８】
複屈折層１２０は、そのポリマー分子の配向方向と、活性層１０３のひとつの結晶方位軸の方向とが一致するように配置される。このような結晶方位軸は通常２つ存在するので、偏光方向を考慮していずれかの結晶方位軸が選択される。このように複屈折層１２０が配置されることにより、レーザ光の偏波面が制御される。その理由については、後述する。
【００３９】
１−２．デバイスの動作
本実施の形態の面発光型半導体レーザ１００の一般的な動作を以下に示す。なお、下記の面発光型半導体レーザ１００の駆動方法は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない限り、種々の変更が可能である。
【００４０】
まず、第１電極１０７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、かかる再結合による発光が生じる。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。光利得が光損失を上まわると、レーザ発振が起こり、柱状部１３０上面にある出射面１０８から、半導体基板１０１に対して垂直方向にレーザ光が出射される。
【００４１】
本実施の形態の面発光型半導体レーザ１００では、共振器１４０が複屈折層１２０を有することにより、以下の理由で偏波面を制御することができる。すなわち、複屈折層１２０は、その長軸方向（複屈折層１２０のポリマー分子の配向方向）と、活性層１０３の結晶方位軸の方向とが一致するように配置されているので、複屈折層１２０の長軸方向と短軸方向での屈折率の違いによって第１ミラー１０２および第２ミラー１０４の反射率が活性層１０３の結晶方位軸によって異なる。したがって、レーザ光の偏光方向は、このような第１，第２ミラー１０２，１０４における反射率の異なる方位に依存し、レーザ光の偏波面を制御することができる。
【００４２】
１−３．デバイスの製造方法
次に、本発明を適用した第１の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３〜図８を用いて述べる。図３〜図８は、図１および図２に示す本実施の形態の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２に示す断面に対応している。
【００４３】
（１）まず、ｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板１０１の表面に、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３に示すように、半導体多層膜１５０を形成する。ここで、半導体多層膜１５０は、たとえばｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層とを交互に積層した４０ペアの第１ミラー１０２と、ＧａＡｓウエル層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓバリア層からなり、ウエル層が３層で構成される量子井戸構造を含む活性層１０３と、ｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層とを交互に積層した２５ペアの第２ミラー１０４とからなる。これらの層を順に半導体基板１０１上に積層させることにより、半導体多層膜１５０が形成される。
【００４４】
なお、第２ミラー１０４を成長させる際に、活性層１０３近傍の少なくとも１層を、後に酸化されて電極狭窄用の絶縁層１０５となるＡｌＡｓ層またはＡｌＧａＡｓ層に形成することができる。この絶縁層１０５となるＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成は、０．９５以上である。また、第２ミラー１０４の最表面の層は、キャリア密度を高くし、電極（第１電極１０７）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。
【００４５】
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１０１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（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、あるいはＬＰＥ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法などを用いることができる。
【００４６】
続いて、半導体多層膜１５０上に、レジストを塗布した後リソグラフィ法により該レジストをパターニングすることにより、図３に示すように、所定のパターンのマスク層Ｒ１００を形成する。マスク層Ｒ１００は、柱状部１３０（図１参照）の形成予定領域の上方に形成する。次いで、このマスク層Ｒ１００をマスクとして、たとえばドライエッチング法により、第２ミラー１０４、活性層１０３および第１ミラー１０２の一部をエッチングして、図４に示すように、柱状の半導体堆積体（柱状部）１３０を形成する。その後、マスク層Ｒ１００を除去する。
【００４７】
続いて、図５に示すように、たとえば４００℃程度の水蒸気雰囲気中に、上記工程によって柱状部１３０が形成された半導体基板１０１を投入することにより、前述の第２ミラー１０４中のＡｌ組成が高い層（Ａｌ組成が０．９５以上の層）を側面から酸化して、電流狭窄用の絶縁層１０５を形成する。酸化レートは、炉の温度、水蒸気の供給量、酸化すべき層のＡｌ組成および膜厚に依存する。
【００４８】
（２）次いで、図５に示すように、柱状部１３０、すなわち第１ミラー１０２の一部、活性層１０３、および第２ミラー１０４を取り囲む埋込み絶縁層１０６を形成する。
【００４９】
ここでは、埋込み絶縁層１０６を形成するための材料として、ポリイミド樹脂を用いた場合について述べる。まず、たとえばスピンコート法を用いて、前駆体（ポリイミド前駆体）を柱状部１３０を有する半導体基板１０１上に塗布して、前駆体層を形成する。この際、前記前駆体層の膜厚が柱状部１３０の高さより大きくなるように形成する。なお、前記前駆体層の形成方法としては、前述したスピンコート法のほか、ディッピング法、スプレーコート法、インクジェット法等の公知技術が利用できる。
【００５０】
次いで、この半導体基板１０１を、たとえばホットプレート等を用いて加熱して溶媒を除去した後、たとえば３５０℃程度の炉に入れて、前駆体層をイミド化させることにより、ほぼ完全に硬化した樹脂層を形成する。続いて、図５に示すように、柱状部１３０の上面１３０ａを露出させて、埋込み絶縁層１０６を形成する。柱状部１３０の上面１３０ａを露出させる方法としては、ＣＭＰ法、ドライエッチング法、ウエットエッチング法などが利用できる。また、感光性を有する樹脂で埋込み絶縁層１０６を形成することもできる。埋込み絶縁層１０６は、必要に応じてリソグラフィーなどによってパターニングすることができる。
【００５１】
（３）次に、活性層１０３に電流を注入するための第１電極１０７、第２電極１０９およびレーザ光の出射面１０８（図１参照）を形成する工程について述べる。
【００５２】
まず、第１電極１０７および第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、柱状部１３０および半導体基板１０１の露出している上面を洗浄する。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。つづいて、図６に示すように、たとえば真空蒸着法により埋込み絶縁層１０６および柱状部１３０の上面に、たとえばＡｕとＺｎの合金とＡｕとの積層膜を形成した後、リフトオフ法により、柱状部１３０の上面に、前記積層膜が形成されていない部分を形成する。この部分が出射面１０８となる。なお、前記工程において、リフトオフ法のかわりに、ドライエッチング法あるいはウェットエッチング法を用いることもできる。
【００５３】
また、半導体基板１０１の露出している面に、たとえば真空蒸着法により、たとえばＡｕとＧｅの合金とＡｕとの積層膜を形成する。次いで、アニール処理する。アニール処理の温度は電極材料に依存する。本実施の形態で用いた電極材料の場合は、通常４００℃前後で行う。以上の工程により、第１電極１０７および第２電極１０９が形成される。
【００５４】
（４）次に、共振器１４０（図２参照）を構成する複屈折層１２０を形成する工程について述べる。
【００５５】
本実施の形態では、複屈折層１２０の材料は特に限定されず、延伸によって複屈折が発現する樹脂を用いることができる。このような樹脂としては、例えばポリイミド、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を挙げることができ、特にベンゼン環構造を有する芳香族ポリイミドが好ましい。
【００５６】
芳香族ポリイミドとしては、例えば、ＰＭＤＡ（Pyromellitic Dianhydride：無水ピロメリト酸）、ＯＤＡ（bis（4-aminophenyl）ether oxydianiline：4,4 ’−ジアミノジフェニルエーテル−オキシジアニリン）、ＴＦＤＢ（2,2 ’-bistrifluoromethy-4,4’-diaminobiphenyl：2,2 ’−ビス（トリフルオロメチル）−4,4 ’−ジアミノビフェニル）、ＤＭＤＢ（2,2 ’−ジメチル−4,4 ’−ジアミノビフェニル）を挙げることができる。これらのうち、例えば、ＰＭＤＡ／ＯＤＡ，ＰＭＤＡ／ＴＦＤＢ，ＰＭＤＡ／ＤＭＤＢの組合せを用いることができる。
【００５７】
以下に、複屈折層１２０の材料としてポリイミドを用いた場合について述べる。まず、図７に示すように、柱状部１３０，埋込み絶縁層１０６および第１電極１０７を覆うように、ポリイミドの前駆体層１２２を形成する。前駆体層１２２の形成方法としては、埋込み絶縁層１０６の形成で用いた同様のスピンコート法、ディッピング法、スプレーコート法、インクジェット法等の公知技術を利用できる。
【００５８】
次いで、図７に示すように、前駆体層１２２上の複屈折層形成領域にレジスト層Ｒ２００を形成する。レジスト層Ｒ２００のパターンは、この例では図２に示す複屈折層１２０に対応した長方形とされる。その後、レジスト層Ｒ２００をマスクとしてエッチングすることにより、図８に示すように、パターニングされた前駆体層１２２を形成する。
【００５９】
次いで、ホットプレートや炉を用いて半導体基板１０１を加熱することにより、前駆体層１２２に熱を供給してこれを硬化（イミド化）し、図１および図２に示す複屈折層１２０を形成する。前駆体からポリイミドに変化する際に、以下の理由によって、複屈折層１２０に複屈折が発現する。
【００６０】
複屈折層１２０の下に位置する柱状部１３０，埋込み絶縁層１０６および第１電極１０７は、熱膨張係数が異なる。具体的には、埋込み絶縁層１０６を構成するポリイミドなどの樹脂は、柱状部１３０を構成する半導体および第１電極１０７を構成する金属に比べて大きい熱膨張係数を有する。したがって、前駆体層１２２の中央部は熱膨張係数の小さい領域上に位置し、前駆体層１２２の両端部は熱膨張係数の大きい領域上に位置することになる。そのため、前駆体層１２２が硬化して収縮するときに、この熱膨張係数の違いにより、長軸側の収縮量は短軸側の収縮量より大きくなる。その結果、樹脂層に長軸方向の延伸が生じて複屈折が発現し、複屈折層１２０が形成される。このような複屈折が発現するメカニズムは、ポリイミド以外の樹脂においても同様である。
【００６１】
以上のプロセスにより、図１および図２に示す面発光型半導体レーザ１００が得られる。
【００６２】
１−４．作用効果
以下に、本実施の形態の主な作用効果について述べる。
【００６３】
本実施の形態にかかる面発光レーザ１００によれば、共振器１４０が複屈折層１２０を有することから、特定の偏波方向の屈折率を変化させることができ、第１，第２ミラー１０２，１０４の反射率に偏波方向の依存性を持たせることができる。その結果、面発光レーザ１００は、偏波面が制御され、偏波方向の安定したレーザ光を出射できる。このように本実施の形態の面発光レーザ１００によれば、それ自体で偏光機能を有するため、偏光方向を制御するために面発光レーザと別個の偏光子を設ける必要がなく、実装上のスループットがよい。
【００６４】
本実施の形態にかかる面発光レーザの製造方法によれば、面発光レーザ１００を構成する部材、すなわち柱状部１３０，埋込み絶縁層１０６および第１電極１０７の熱膨張係数の違いを利用して複屈折層１２０を形成することができる。そのため、前駆体層１２２を形成する工程を追加する、比較的簡易なプロセスによって本実施の形態の面発光レーザ１００を製造することができる。
【００６５】
２．第２の実施の形態
２−１．デバイスの構造
図９は、本発明を適用した第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ（以下、「面発光レーザ」ともいう）２００を模式的に示す平面図であり、図１０は図９のＡ−Ａ線に沿った断面図である。第１の実施の形態で述べた部材と実質的に同じ部材には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００６６】
本実施の形態の面発光レーザ２００は、図９および図１０に示すように、半導体基板（本実施の形態ではＧａＡｓ基板）１０１と、半導体基板１０１上に形成された垂直共振器（以下「共振器」という）１４０と、第１電極１０７と、第２電極１０９と、を含む。共振器１４０は、第１ミラー１０２と、活性層１０３と、第２ミラー１０４と、下地樹脂層２４と、複屈折層１２０と、を含む。
【００６７】
次に、この面発光レーザ２００の各構成要素について述べる。
【００６８】
共振器１４０は、第１ミラー１０２、活性層１０３、および第２ミラー１０４とを有する。共振器１４０は、さらに、第２ミラー１０４と接合する下地樹脂層１２４と、下地樹脂層２４上に形成された複屈折層１２０とを含む。下地樹脂層１２４および複屈折層１２０については、後に詳述する。
【００６９】
第２ミラー１０４、不純物がドーピングされていない活性層１０３、および第１ミラー１０２により、ｐｉｎダイオードが形成される。
【００７０】
第２ミラー１０４、活性層１０３および第１ミラー１０２の一部は、柱状の半導体堆積体（以下「柱状部」という）１３０を構成している。柱状部１３０の側面は埋込み絶縁層１０６で覆われている。柱状部１３０を構成する層のうち活性層１０３に近い領域に、電流狭窄層として機能する絶縁層１０５が形成されていてもよい。
【００７１】
本実施の形態に係る面発光レーザ１００においては、柱状部１３０の側面を覆うようにして、埋込み絶縁層１０６が形成されている。
【００７２】
柱状部１３０および埋込み絶縁層１０６の上には、第１電極１０７が形成されている。第１電極１０７は、図９に示すように、柱状部１３０上に形成されたリング状部１０７ａと、外部との電気的接続を行うための接続部１０７ｂとを有する。リング状部１０７ａの開口部は、レーザ光の出射面１０８となる。第１電極１０７は、たとえばＡｕとＺｎの合金とＡｕとの積層膜からなる。さらに、半導体基板１０１の上面には、第２電極１０９が形成されている。第２電極１０９は、たとえばＡｕとＧｅの合金とＡｕとの積層膜からなる。この第１電極１０７および第２電極１０９によって活性層１０３に電流が注入される。
【００７３】
第１電極１０７の開口部には、下地樹脂層１２４が形成されている。下地樹脂層１２４は、柱状部１３０を構成する半導体および第１電極１０７を構成する金属に比べて小さい熱伝導率を有する。また、下地樹脂層１２４は、レーザ光の出射を阻害しない材料で形成されている。このような材料としては、光硬化性樹脂あるいは熱硬化樹脂を用いることができ、例えばエポキシ樹脂、フッ素系樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂などを用いることができる。
【００７４】
共振器１４０を構成する複屈折層１２０は、第１電極１０７のリング状部１０７ａおよび下地樹脂層１２４上に形成されている。複屈折層１２０は、その平面形状が長軸と短軸とを有する。例えば図示の例では、複屈折層１２０の平面形状は、図９に示すように、ｙ軸方向に長軸を有し、ｘ軸方向に短軸を有する長方形である。そして、この場合、複屈折層１２０は、その中心を通る長軸（ｙ軸）が、出射面１０８の中心を通るように配置される。また、複屈折層１２０は、その中央部が下地樹脂層１２４上に位置するように配置されることが望ましい。このように複屈折層１２０を配置することにより、樹脂層によって複屈折層１２０を形成する工程で、複屈折層１２０の下にある、第１電極１０７のリング状部１０７ａおよび下地樹脂層１２４の熱伝導率の違いによる応力をより効果的に樹脂層に作用させることができる。
【００７５】
複屈折層１２０は、樹脂を一軸方向（ｙ軸方向）に延伸させて形成される。具体的には、樹脂層を延伸することで、樹脂のポリマー分子が延伸方向に配向し、その結果、応力方向（延伸方向）の屈折率と、延伸方向と直交する方向の屈折率との間に差が生じ、複屈折を発現する。
【００７６】
複屈折層１２０は、そのポリマー分子の配向方向と、活性層１０３のひとつの結晶方位軸の方向とが一致するように配置される。このような結晶方位軸は通常２つ存在するので、偏光方向を考慮していずれかの結晶方位軸が選択される。このように複屈折層１２０が配置されることにより、レーザ光の偏波面が制御される。その理由については、後述する。
【００７７】
２−２．デバイスの動作
本実施の形態の面発光型半導体レーザ２００の一般的な動作を以下に示す。なお、下記の面発光型半導体レーザ２００の駆動方法は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない限り、種々の変更が可能である。
【００７８】
まず、第１電極１０７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、かかる再結合による発光が生じる。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。光利得が光損失を上まわると、レーザ発振が起こり、柱状部１３０上面にある出射面１０８から、半導体基板１０１に対して垂直方向にレーザ光が出射される。
【００７９】
本実施の形態の面発光型半導体レーザ２００では、共振器１４０が複屈折層１２０を有することにより、以下の理由で偏波面を制御することができる。すなわち、複屈折層１２０は、その長軸方向（複屈折層１２０のポリマー分子の配向方向）と、活性層１０３の結晶方位軸の方向とが一致するように配置されているので、複屈折層１２０の長軸方向と短軸方向での屈折率の違いによって第１ミラー１０２および第２ミラー１０４の反射率が活性層１０３の結晶方位軸によって異なる。したがって、レーザ光の偏光方向は、このような第１，第２ミラー１０２，１０４における反射率の異なる方位に依存し、レーザ光の偏波面を制御することができる。
【００８０】
２−３．デバイスの製造方法
次に、本発明を適用した第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ２００の製造方法の一例について、図３〜図６，図１１，図１２を用いて述べる。
【００８１】
図３〜図６に対応する工程は、第１の実施の形態と同様であるので、記載を省略する。すなわち、図３〜図６に示す工程を経て、半導体基板１０１上に、共振器１４０を構成する柱状部１３０，埋込み絶縁層１０６，第１、第２電極１０７，１０９を形成することができる。
【００８２】
以下に、共振器１４０（図２参照）を構成する下地樹脂層１２４と複屈折層１２０とを形成する工程について述べる。
【００８３】
まず、図１１に示すように、第１電極１０７のリング状部１０７ａの開口部内に下地樹脂層１２４を形成する。下地樹脂層１２４の形成方法は特に限定されず、樹脂膜を形成した後リソグラフィーを用いたパターニング法などで形成できる。
【００８４】
次いで、複屈折層１２０を形成する。複屈折層１２０の材料は特に限定されず、延伸によって複屈折が発現する樹脂を用いることができる。このような樹脂としては、例えばポリイミド、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を挙げることができ、特にベンゼン環構造を有する芳香族ポリイミドが好ましい。
【００８５】
以下に、複屈折層１２０の材料としてポリイミドを用いた場合について述べる。まず、図１１に示すように、第１電極１０７のリング状部１０７および下地樹脂層１２４を覆うように、ポリイミドの前駆体層１２２を形成する。前駆体層１２２の形成方法としては、埋込み絶縁層１０６の形成で用いた同様のスピンコート法、ディッピング法、スプレーコート法、インクジェット法等の公知技術を利用できる。
【００８６】
次いで、前駆体層１２２上の複屈折層形成領域にレジスト層Ｒ３００を形成する。レジスト層Ｒ３００のパターンは、この例では図９に示す複屈折層１２０に対応した長方形とされる。その後、レジスト層Ｒ３００をマスクとしてエッチングすることにより、図１２に示すように、パターニングされた前駆体層１２２を形成する。
【００８７】
次いで、ホットプレートを用いて半導体基板１０１を加熱することにより、前駆体層１２２に熱を供給してこれを硬化（イミド化）し、図９および図１０に示す複屈折層１２０を形成する。前駆体からポリイミドに変化する際に、以下の理由によって、複屈折層１２０に複屈折が発現する。
【００８８】
複屈折層１２０の下に位置する第１電極１０７および下地樹脂層１２４は、熱伝導率が異なる。具体的には、下地樹脂層１２４を構成する樹脂は、第１電極１０７を構成する金属に比べて小さい熱伝導率を有する。したがって、前駆体層１２２の中央部は熱伝導率の小さい領域上に位置し、前駆体層１２２の両端部は熱伝導率の大きい領域上に位置することになる。熱伝導率の大きい領域上では、イミド化反応が熱伝導率の小さい領域上より早い。そのため、熱伝導率の大きい領域上では、熱伝導率の小さい領域上より樹脂層の硬化による収縮が早いので、樹脂層の長軸方向に引張応力が作用する。その結果、樹脂層に長軸方向の延伸が生じて複屈折が発現し、複屈折層１２０が形成される。このような複屈折が発現するメカニズムは、ポリイミド以外の樹脂においても同様である。
【００８９】
以上のプロセスにより、図９および図１０に示す面発光型半導体レーザ２００が得られる。
【００９０】
２−４．作用効果
以下に、本実施の形態の主な作用効果について述べる。
【００９１】
本実施の形態にかかる面発光レーザ２００によれば、共振器１４０が複屈折層１２０を有することから、特定の偏波方向の屈折率を変化させることができ、第１，第２ミラー１０２，１０４の反射率に偏波方向の依存性を持たせることができる。その結果、面発光レーザ２００は、偏波面が制御され、偏波方向の安定したレーザ光を出射できる。このように本実施の形態の面発光レーザ２００によれば、それ自体で偏光機能を有するため、偏光方向を制御するために面発光レーザと別個の偏光子を設ける必要がなく、実装上のスループットがよい。
【００９２】
本実施の形態にかかる面発光レーザの製造方法によれば、面発光レーザ２００を構成する部材、すなわち第１電極１０７および下地樹脂層１２４の熱伝導率の違いを利用して複屈折層１２０を形成することができる。そのため、前駆体層１２２を形成する工程を追加する、比較的簡易なプロセスによって本実施の形態の面発光レーザ１００を製造することができる。
【００９３】
以上、本発明の好適な実施の形態について述べたが、本発明はこれらに限定されず、各種の態様を取りうる。例えば、複屈折層１２０の形状は長方形に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】第１の実施の形態に係る面発光レーザの平面図。
【図２】図１に示す面発光レーザの断面図。
【図３】第１の実施の形態に係る面発光レーザの製造方法を示す断面図。
【図４】第１の実施の形態に係る面発光レーザの製造方法を示す断面図
【図５】第１の実施の形態に係る面発光レーザの製造方法を示す断面図。
【図６】第１の実施の形態に係る面発光レーザの製造方法を示す断面図。
【図７】第１の実施の形態に係る面発光レーザの製造方法を示す断面図。
【図８】第１の実施の形態に係る面発光レーザの製造方法を示す断面図。
【図９】第２の実施の形態に係る面発光レーザの平面図。
【図１０】図２に示す面発光レーザの断面図。
【図１１】第２の実施の形態に係る面発光レーザの製造方法を示す断面図。
【図１２】第２の実施の形態に係る面発光レーザの製造方法を示す断面図。
【符号の説明】
【００９５】
１００，２００  面発光レーザ、１０１  半導体基板、１０２  第１ミラー、１０３  活性層、１０４  第２ミラー、１０６  埋込み絶縁層、１０７  第１電極、１０９  第２電極、１２０  複屈折層、１２２  前駆体層、１２４  下地樹脂層、１３０  柱状部、１４０  共振器
【図１】
2005093588.tif 000003
【図２】
2005093588.tif 000004
【図３】
2005093588.tif 000005
【図４】
2005093588.tif 000006
【図５】
2005093588.tif 000007
【図６】
2005093588.tif 000008
【図７】
2005093588.tif 000009
【図８】
2005093588.tif 000010
【図９】
2005093588.tif 000011
【図１０】
2005093588.tif 000012
【図１１】
2005093588.tif 000013
【図１２】
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