(57)【要約】【課題】放射角の狭い放射パターンのレーザ光を得ることのできる面発光レーザおよびその製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る面発光レーザ１００は、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た熱レンズ層１１０と、を含み、熱レンズ層の温度分布は、熱レンズ層に入射する光の中心軸から外側に向かって低くなっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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た熱レンズ層と、
を含み、
前記熱レンズ層の温度分布は、前記熱レンズ層に入射する光の中心軸から外側に向かって低くなっている、面発光レーザ。
【請求項２】
請求項１において、
前記熱レンズ層は、前記第２ミラーより抵抗の高い材質からなる高抵抗半導体層を含む、面発光レーザ。
【請求項３】
請求項２において、
前記高抵抗半導体層の不純物濃度は、前記第２ミラーの不純物濃度より低い、面発光レーザ。
【請求項４】
請求項２において、
前記高抵抗半導体層は、真性半導体からなる、面発光レーザ。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれかにおいて、
前記高抵抗半導体層は、当該面発光レーザの設計波長の光を吸収しない材料からなる、面発光レーザ。
【請求項６】
請求項５において、
前記高抵抗半導体層は、当該面発光レーザ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、面発光レーザ。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、
前記第１ミラーに接続された第１電極と、
前記第２ミラーに接続された第２電極と、
前記熱レンズ層に接続された第３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、当該面発光レーザを駆動するための電極であり、
前記第２電極および前記第３電極は、前記熱レンズ層に電流を流すための電極である、面発光レーザ。
【請求項８】
請求項１において、
前記熱レンズ層は、当該面発光レーザ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小さい半導体からなる、面発光レーザ。
【請求項９】
請求項８において、
前記第２ミラーの上方に形成された電極をさらに含み、
前記電極は、開口部を有し、
前記熱レンズ層は、前記開口部の内側であって、前記電極に接しないように形成されている、面発光レーザ。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかにおいて、
前記熱レンズ層は、周縁に酸化狭窄層を有する、面発光レーザ。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記第２ミラーに形成された他の酸化狭窄層をさらに含み、
前記酸化狭窄層の内径は、前記他の酸化狭窄層の内径より大きい、面発光レーザ。
【請求項１２】
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た熱レンズ層と、
前記熱レンズ層に接続された熱レンズ層用電極と、
を含み、
前記熱レンズ層は、前記第２ミラーより抵抗の高い材質からなる高抵抗半導体層を含む、面発光レーザ。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記熱レンズ層は、ダイオードからなり、
前記熱レンズ層用電極は、前記熱レンズ層に順方向電圧を加えるための電極である、面発光レーザ。
【請求項１４】
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た熱レンズ層と、
を含み、
前記熱レンズ層は、当該面発光レーザ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小さい半導体からなる、面発光レーザ。
【請求項１５】
基板の上方に、基板側から第１ミラー、活性層、第２ミラー、および熱レンズ層を構成するための半導体多層膜を積層する工程と、
前記半導体多層膜をパターニングすることにより、活性層および第２ミラーを含む第１柱状部を形成する工程と、
前記半導体多層膜をパターニングすることにより、熱レンズ層を含む第２柱状部を形成する工程と、
を含む、面発光レーザの製造方法。
【請求項１６】
請求項１５において、
パターニング工程の後に、
前記第２ミラーを構成する半導体層のうち少なくとも１層と、前記熱レンズ層を構成する半導体層のうち少なくとも１層とを、同時に側面から酸化することによって、前記第２ミラー中に第１の酸化狭窄層を形成し、かつ前記熱レンズ層中に第２の酸化狭窄層を形成する工程を、さらに含む、面発光レーザの製造方法。
【請求項１７】
請求項１６において、
前記第１の酸化狭窄層の膜厚は、前記第２の酸化狭窄層の膜厚より大きい、面発光レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光レーザおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に面発光レーザは、基板に垂直にレーザ光を出射するレーザであり、端面発光型レーザに比べて扱いが容易で、しかも放射パターンが円形であることから、各種センサや光通信の光源として期待されている。面発光レーザを実際に各種センサや光通信に用いるときには、放射角の狭い放射パターンのレーザ光を得ることが望ましい。
【特許文献１】特開２００２−２６４５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、放射角の狭い放射パターンのレーザ光を得ることのできる面発光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】
【０００４】
本発明に係る面発光レーザは、
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た熱レンズ層と、
を含み、
前記熱レンズ層の温度分布は、前記熱レンズ層に入射する光の中心軸から外側に向かって低くなっている。
【０００５】
本発明において、熱レンズ層は、熱レンズ効果の得られる半導体層をいう。このような熱レンズ層を第２ミラーの上方に設けることによって、発振する光の放射角を狭め、光ファイバ等との結合効率を向上させることができる。
【０００６】
本発明に係る面発光レーザにおいて、
前記熱レンズ層は、前記第２ミラーより抵抗の高い材質からなる高抵抗半導体層を含むことができる。
【０００７】
本発明に係る面発光レーザにおいて、
前記高抵抗半導体層の不純物濃度は、前記第２ミラーの不純物濃度より低いことができる。
【０００８】
本発明に係る面発光レーザにおいて、
前記高抵抗半導体層は、真性半導体からなることができる。
【０００９】
本発明に係る面発光レーザにおいて、
前記高抵抗半導体層は、当該面発光レーザの設計波長の光を吸収しない材料からなることができる。
【００１０】
本発明に係る面発光レーザにおいて、
前記高抵抗半導体層は、当該面発光レーザ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できる。
【００１１】
本発明に係る面発光レーザにおいて、
前記第１ミラーに接続された第１電極と、
前記第２ミラーに接続された第２電極と、
前記熱レンズ層に接続された第３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、当該面発光レーザを駆動するための電極であり、
前記第２電極および前記第３電極は、前記熱レンズ層に電流を流すための電極であることができる。
【００１２】
本発明に係る面発光レーザにおいて、
前記熱レンズ層は、当該面発光レーザ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小さい半導体からなることができる。
【００１３】
本発明に係る面発光レーザにおいて、
前記第２ミラーの上方に形成された電極をさらに含み、
前記電極は、開口部を有し、
前記熱レンズ層は、前記開口部の内側であって、前記電極に接しないように形成されていることができる。
【００１４】
本発明に係る面発光レーザにおいて、
前記熱レンズ層は、周縁に酸化狭窄層を有することができる。
【００１５】
本発明に係る面発光レーザにおいて、
前記第２ミラーに形成された他の酸化狭窄層をさらに含み、
前記酸化狭窄層の内径は、前記他の酸化狭窄層の内径より大きいことができる。
【００１６】
本発明に係る面発光レーザは、
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た熱レンズ層と、
前記熱レンズ層に接続された熱レンズ層用電極と、
を含み、
前記熱レンズ層は、前記第２ミラーより抵抗の高い材質からなる高抵抗半導体層を含む。
【００１７】
本発明に係る面発光レーザにおいて、
前記熱レンズ層は、ダイオードからなり、
前記熱レンズ層用電極は、前記熱レンズ層に順方向電圧を加えるための電極であることができる。
【００１８】
本発明に係る面発光レーザは、
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た熱レンズ層と、
を含み、
前記熱レンズ層は、当該面発光レーザ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小さい半導体からなる。
【００１９】
本発明に係る面発光レーザの製造方法は、
基板の上方に、基板側から第１ミラー、活性層、第２ミラー、および熱レンズ層を構成するための半導体多層膜を積層する工程と、
前記半導体多層膜をパターニングすることにより、活性層および第２ミラーを含む第１柱状部を形成する工程と、
前記半導体多層膜をパターニングすることにより、熱レンズ層を含む第２柱状部を形成する工程と、
を含む。
【００２０】
このように、本発明にかかる面発光レーザの製造方法では、半導体多層膜をパターニングすることにより熱レンズ層を得ることができる。したがって、レーザの形成後にレンズを付加する場合と比べて、工程数を減少することができる。
【００２１】
本発明に係る面発光レーザの製造方法において、
パターニング工程の後に、
前記第２ミラーを構成する半導体層のうち少なくとも１層と、前記熱レンズ層を構成する半導体層のうち少なくとも１層とを、同時に側面から酸化することによって、前記第２ミラー中に第１の酸化狭窄層を形成し、かつ前記熱レンズ層中に第２の酸化狭窄層を形成する工程を、さらに含むことができる。
【００２２】
本発明に係る面発光レーザの製造方法において、
前記第１の酸化狭窄層の膜厚は、前記第２の酸化狭窄層の膜厚より大きいことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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。
【００２４】
１．第１の実施の形態
１．１．面発光レーザの構成
図１および図２は、本発明を適用した第１の実施の形態に係る面発光レーザ１００を模式的に示す断面図である。また、図３は、図１および図２に示す面発光レーザ１００を模式的に示す平面図である。なお、図１は、図３のＩ−Ｉ線における断面を示す図であり、図２は、図３のII−II線における断面を示す図である。
【００２５】
面発光レーザ１００は、半導体基板（本実施形態ではｎ型ＧａＡｓ基板）１０１上に設けられている。この面発光レーザ１００は垂直共振器を有する。また、この面発光レーザ１００は、柱状の半導体堆積体（以下「柱状部」とする）１３０を含むことができる。
【００２６】
面発光レーザ１００は、例えば、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（以下、「第１ミラー」という）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（以下、「第２ミラー」という）１０４と、が順次積層されて構成されている。
【００２７】
第２ミラー１０４の最上層１４は、Ａｌ組成の低い半導体層、もしくはＧａＡｓ層からなることができる。具体的に最上層１４は、上述した第２ミラー１０４のＡｌ組成の小さい方、すなわちｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層、またはｐ型ＧａＡｓ層となるように形成されている。
【００２８】
第２ミラー１０４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１ミラー１０２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ｎ型の第１ミラー１０２により、ｐｉｎダイオードが形成される。
【００２９】
また、面発光レーザ１００のうち、第２ミラー１０４から第１ミラー１０２の途中にかけての部分が、第２ミラー１０４の上面からみて円形の形状にエッチングされて第１の柱状部１３０が形成されている。なお、本実施の形態では、第１の柱状部１３０の平面形状を円形としたが、この形状は任意の形状をとることができる。
【００３０】
さらに、面発光レーザ１００は、活性層１０３の上方に第１の酸化狭窄層１０５をさらに含む。具体的に第１の酸化狭窄層１０５は、第２ミラー１０４を構成する層のうち活性層１０３に近い領域の、ＡｌｘＧａ1-ｘＡｓ（ｘ＞０．９５）層を側面から酸化することにより得られる。この第１の酸化狭窄層１０５はたとえばリング状に形成されている。すなわち、この第１の酸化狭窄層１０５は、図１および図２に示す半導体基板１０１の表面１０１ａと平行な面で切断した場合における断面形状が、第１の柱状部１３０の平面形状の円形と同心の円のリング状であることができる。なお、第１の酸化狭窄層１０５によって光閉じ込めを行う場合には、第１の酸化狭窄層１０５の径は、面発光レーザ１００からシングルモードの光が発振されるように設計されることが好ましい。
【００３１】
また、面発光レーザ１００は、第１の柱状部１３０の上面に熱レンズ層１１０をさらに含む。熱レンズ層１１０は、第２ミラー１０４より抵抗の高い材質からなる高抵抗半導体層１１２と、高抵抗半導体層１１２の上面に形成されたコンタクト層１１３とを有する。高抵抗半導体層１１２は、第２ミラー１０４の不純物濃度より低い不純物を含む半導体または、真性半導体からなることができる。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、高抵抗半導体層１１２のキャリア濃度は、１×１０１８ｃｍ−３未満であることが好ましい。
【００３２】
これにより、高抵抗半導体層１１２の抵抗を高めて熱レンズ層１１０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、熱レンズ層１１０では、中央で電流が流れやすいことから、高抵抗半導体層１１２が抵抗の高い材質で形成されることによって、面発光レーザ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。即ち、熱レンズ層１１０内において温度分布を凸状にすることができる。これにより、熱レンズ層１１０内に屈折率分布をもたせることができ、熱レンズ層１１０は、レンズとして機能することができる。具体的には、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、熱レンズ層１１０は、凸レンズとして機能することができる。よって、面発光レーザ１００が発振するレーザ光の放射角を狭めることができる。
【００３３】
また、高抵抗半導体層１１２は、面発光レーザ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、高抵抗半導体層１１２は、面発光レーザ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。面発光レーザ１００の設計波長の光を吸収しない材料としては、たとえばＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘは、０＜ｘ≦１を満たす。）、ＩｎｘＧａ１−ｘＰ（ｘ＝０．５）、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘは、０＜ｘ＜０．４を満たす。）等を適用することができる。
【００３４】
これにより、面発光レーザ１００がレーザ光を発振したときに、高抵抗半導体層１１２が光を吸収することにより温度が上昇するのを防ぐことができる。よって、高抵抗半導体層１１２に流す電流を調整することにより熱レンズ層の屈折率分布を精密に制御することができる。
【００３５】
コンタクト層１１３は例えばｎ型ＧａＡｓ層からなり、高抵抗半導体層１１２は例えば不純物が導入されていないＡｌＧａＡｓ層からなることができる。具体的には、コンタクト層１１３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２ミラー１０４の最上層１４、不純物がドーピングされていない高抵抗半導体層１１２、およびｎ型のコンタクト層１１３により、ｐｉｎダイオードが形成される。
【００３６】
なお、面発光レーザ１００のうち、第２の柱状部１４０は、熱レンズ層１１０の部分が、熱レンズ層１１０の上面からみて円形の形状にエッチングされて第２の柱状部１４０が形成されている。なお、本実施の形態では、第２の柱状部１４０の平面形状を円形としたが、この形状は任意の形状をとることができる。
【００３７】
また、面発光レーザ１００は、第１電極１０７、第２電極１０９、および第３電極１１４をさらに含む。この第１電極１０７および第２電極１０９は、面発光レーザ１００を駆動するために使用される。第２電極１０９および第３電極１１４は、熱レンズ層１１０に電流を流すために使用される。
【００３８】
第１電極１０７は、図１に示すように、基板１０１の下面に設けられている。第１電極１０７は、基板１０１を介して第１ミラー１０２と電気的に接続されている。第２電極１０９は、面発光レーザ１００の上面に設けられている。第２電極１０９は、図３に示すように、たとえばリング状の平面形状を有する接続部１０９ａと、直線状の平面形状を有する引き出し部１０９ｂと、円状の平面形状を有するパッド部１０９ｃと、を有する。第２電極１０９は、接続部１０９ａにおいて第２ミラー１０４と電気的に接続されている。第２電極１０９の引き出し部１０９ｂは、接続部１０９ａとパッド部１０９ｃとを接続している。第２電極のパッド部１０９ｃは、電極パッドとして用いることができる。第２電極１０９の接続部１０９ａは、主として熱レンズ層１１０を取り囲むように設けられている。言い換えれば、熱レンズ層１１０は第２電極１０９の内側に設けられている。
【００３９】
第３電極１１４は、図１に示すように、熱レンズ層１１０の上面に設けられている。第３電極１１４は、図３に示すように、たとえばリング状の平面形状を有する接続部１１４ａと、直線状の平面形状を有する引き出し部１１４ｂと、円状の平面形状を有するパッド部１１４ｃと、を有する。第３電極１１４は、接続部１１４ａにおいて熱レンズ層１１０と電気的に接続されている。第３電極１１４の引き出し部１１４ｂは、接続部１１４ａとパッド部１１４ｃとを接続している。第３電極１１４のパッド部１１４ｃは、電極パッドとして用いることができる。また第３電極１１４の接続部１１４ａの内径は、第１の酸化狭窄層１０５の内径より大きいことが好ましい。これにより、発振されたレーザ光が第３電極１１４によってけられる光量を低減することができる。
【００４０】
第１電極１０７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３電極１１４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。第１電極１０７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２電極１０９と第３電極１１４とによって熱レンズ層１１０に電流が注入される。なお、第１電極１０７、第２電極１０９、および第３電極１１４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。
【００４１】
なお、本実施の形態では、第１電極１０７が基板１０１の下面に設けられている場合について示したが、第１電極１０７は、第１ミラー１０２の上面に設けられてもよい。第１電極１０７は、たとえば第１の柱状部１３０を取り囲むようにリング状の平面形状を有することができる。
【００４２】
また面発光レーザ１００は、第１絶縁層３０および第２絶縁層４０を含む。第１絶縁層３０は、主として第１の柱状部１３０を取り囲むように、かつ第１ミラー１０２の上面に形成されている。また第１絶縁層３０は、第２電極１０９の引き出し部１０９ｂおよびパッド部１０９ｃの下に形成されている。さらに、第１絶縁層３０は、後述する第２絶縁層４０の下に形成されている。第２絶縁層４０は、熱レンズ層１１０を取り囲むように、かつ第２ミラー１０４の上面に形成されている。また第２絶縁層４０は、第２電極１０９の上に形成されていてもよい。また第２絶縁層４０は、第３電極１１４の引き出し部１１４ｂおよびパッド部１１４ｃの下に形成されている。第１絶縁層３０および第２絶縁層４０は、絶縁性材料からなり、たとえばポリイミドからなることができる。
【００４３】
なお、本実施の形態にかかる面発光レーザ１００では、ＡｌＧａＡｓ系の材料を用いた場合について説明したが、これに限定されるわけではない。
【００４４】
また、本実施の形態にかかる面発光レーザ１００は、３端子型の電極構造であるが、これにかえて、４端子型の電極構造であってもよい。即ち第２電極１０９は、熱レンズ層１１０と活性層１０３に電流を流すための共通電極として機能しているが、たとえば活性層１０３に電流を流すためだけに機能し、面発光レーザ１００は、熱レンズ層１１０に電気的に接続された第４電極をさらに設けてもよい。このとき熱レンズ層１１０の下に第２ミラー１０４と絶縁するための分離層を設けてもよい。
【００４５】
１．２．面発光レーザの駆動方法
本実施の形態の面発光レーザ１００の動作を以下に示す。なお、下記の面発光レーザ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。
【００４６】
熱レンズ層１１０は、第２ミラー１０４の上面から発振された光の放射角を狭めることができる。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、該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、第２ミラー１０４の上面からレーザ光が出射し、熱レンズ層１１０の高抵抗半導体層１１２へと入射する。
【００４７】
ここで第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同時に、第２電極１０９と第３電極１１４とで熱レンズ層１１０によって構成されるｐｉｎダイオードに電圧を印加する。高抵抗半導体層１１２に入射した光は、高抵抗半導体層１１２とコンタクト層１１３とを通過する間に放射角が狭められてコンタクト層１１３の上面１１５から出射する。ここで熱レンズ層１１０に印加する電圧は、順方向電圧であることが好ましい。これにより、効率的に大きな電流を流すことができる。
【００４８】
１．３．面発光レーザの製造方法
次に、本発明を適用した実施の形態に係る面発光レーザ１００の製造方法の一例について、図３〜図５を用いて説明する。図４〜図６は、図１、図２および図３に示す面発光レーザ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。
【００４９】
（１）まず、ｎ型ＧａＡｓ層からなる半導体基板１０１の表面１０１ａ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４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は例えば、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層とを交互に積層した３８．５ペアの第１ミラー１０２ａ、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１０３ａ、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層とを交互に積層した２４ペアの第２ミラー１０４ａ、不純物がドーピングされていないＡｌＧａＡｓ層からなる高抵抗半導体層１１２ａ、ｐ型ＧａＡｓ層からなるコンタクト層１１３ａ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。
【００５０】
なお、第２ミラー１０４ａを成長させる際に、活性層１０３ａ近傍の少なくとも１層を、後に酸化されて第１の酸化狭窄層１０５となるＡｌＡｓ層またはＡｌＧａＡｓ層に形成することができる。この第１の酸化狭窄層１０５となるＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成は、例えば０．９５以上である。本実施の形態において、ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成とは、３族元素に対するアルミニウム（Ａｌ）の組成である。ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成は、０から１までである。すなわち、ＡｌＧａＡｓ層は、ＧａＡｓ層（Ａｌ組成が０の場合）およびＡｌＡｓ層（Ａｌ組成が１の場合）を含む。また、第２ミラー１０４ａ最表面の層は、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、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、半導体多層膜１５０をパターニングする。これにより、図５に示すように、第１の柱状部１３０および第２の柱状部１４０が形成される。
【００５３】
このパターニング工程において、第１の柱状部１３０および第２の柱状部１４０の形成順序は特に限定されない。
【００５４】
（３）次いで、例えば４００℃程度の水蒸気雰囲気中に、上記工程によって第１の柱状部１３０および第２の柱状部１４０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組成が高い層を側面から酸化して、第１の酸化狭窄層１０５が形成される（図６参照）。
【００５５】
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。酸化により形成される第１の酸化狭窄層１０５を備えた面発光レーザ１００では、駆動する際に、第１の酸化狭窄層１０５が形成されていない部分（酸化されていない部分）のみに電流が流れる。従って、酸化によって第１の酸化狭窄層１０５を形成する工程において、形成する第１の酸化狭窄層１０５の範囲を制御することにより、電流密度の制御が可能となる。
【００５６】
また、第２ミラー１０４の上面から出射する光の大部分が高抵抗半導体層１１２に入射するように、第１の酸化狭窄層１０５が形成されていない部分（酸化されていない部分）の円形の直径を調整することが望ましい。具体的には、図６に示すように、第１の酸化狭窄層１０５の内径を高抵抗半導体層１１２の径より小さくすることが好ましい。
【００５７】
（４）次いで、図１に示すように、第１絶縁層３０が形成される。第１絶縁層３０は、たとえば、熱または光等のエネルギーによって硬化可能な液体材料（例えば紫外線硬化型樹脂や熱硬化型樹脂の前駆体）を硬化させることにより得られるものを用いることができる。紫外線硬化型樹脂としては、例えば紫外線硬化型のアクリル系樹脂およびエポキシ系樹脂が挙げられる。また、熱硬化型樹脂としては、熱硬化型のポリイミド系樹脂等が例示できる。また、絶縁層１０６は、たとえば、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜などの無機系の誘電体膜を用いることができる。また、第１絶縁層３０は、たとえば上記材料を複数用いて積層膜とすることもできる。
【００５８】
ここでは、第１絶縁層３０を形成するための材料として、ポリイミド系樹脂の前駆体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（ポリイミド系樹脂の前駆体）を、半導体基板１０１上に塗布して、前駆体層を形成する。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、液滴吐出法等の公知技術が利用できる。
【００５９】
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４００℃程度の炉に数時間程度入れて、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ポリイミド系樹脂層を形成する。続いて、図７に示すように、ポリイミド系樹脂層を公知のリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより、第１絶縁層３０を形成する。パターニングの際に用いられるエッチング方法としては、ドライエッチング法などを用いることができる。ドライエッチングは、たとえば酸素またはアルゴンなどのプラズマにより行うことができる。
【００６０】
なお、上述の第１絶縁層３０の形成方法では、ポリイミド系樹脂の前駆体層を硬化した後、パターニングを行う例について示したが、ポリイミド系樹脂の前駆体層を硬化する前に、パターニングを行うこともできる。このパターニングの際に用いられるエッチング方法としては、ウェットエッチング法などを用いることができる。ウェットエッチングは、たとえばアルカリ溶液または有機溶液などにより行うことができる。
【００６１】
また、たとえば、第１絶縁層３０として、窒化シリコンを用いる場合には、第１絶縁層３０は、たとえばプラズマＣＶＤ法によって形成することができる。より具体的には、シラン（ＳｉＨ４）、アンモニア（ＮＨ３）、および窒素（Ｎ２）を原料ガスとしたプラズマ中であって、３５０℃前後の温度下において、第１絶縁層３０を形成することができる。
【００６２】
（５）次いで、図１に示すように、第２ミラー１０４の上面に第２電極１０９が形成される。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２ミラー１０４の上面を洗浄する。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。
【００６３】
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。次いで、リフトオフ法により、所定の位置以外の積層膜を除去することにより、第２電極１０９が形成される。本工程では、熱処理を行わずに、第２電極１０９と第２ミラー１０４の最上面はオーミックコンタクトを得ることができる。
【００６４】
（６）次いで、図１に示すように、第２絶縁層４０が形成される。第２絶縁層４０の形成工程は、上述した第１絶縁層３０の形成工程と同様の方法で形成することができる。
【００６５】
（７）次いで、図１に示すように、基板１０１の下面に第１電極１０７が形成され、コンタクト層１１３上に第３電極１１４が形成される。まず、第１電極１０７および第３電極１１４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、基板１０１の下面およびコンタクト層１１１の上面を洗浄する。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。
【００６６】
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、基板１０１の下面に第１電極１０７が形成され、コンタクト層１１３上に第３電極１１４が形成される。
【００６７】
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。
【００６８】
以上の工程により、図１、図２および図３に示すように、本実施形態の面発光レーザ１００が得られる。
【００６９】
２．第２の実施の形態
図７は、本発明を適用した第２の実施の形態に係る面発光レーザ２００を模式的に示す断面図である。
【００７０】
面発光レーザ２００は、第３電極１１４を有さない点および熱レンズ層の材質において、上述した面発光レーザ１００と異なる。
【００７１】
面発光レーザ２００の熱レンズ層２１０は、面発光レーザ２００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小さい半導体からなる。即ち、熱レンズ層２１０は、面発光レーザ２００の設計波長の光を吸収できる材料からなる。たとえば活性層１０３の材料としてＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層を適用した場合には、レーザ波長は７８０ｎｍ〜８６０ｎｍであるため、面発光レーザ２００の設計波長の光を吸収できる材料としては、たとえばＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘは、０≦ｘ≦０．１を満たす。）、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘは、０＜ｘ＜０．４を満たす。）等を適用することができる。たとえば活性層１０３の材料としてＩｎＧａＡｓ層とＧａＡｓ層を適用した場合には、レーザ波長は９００ｎｍ〜１２００ｎｍであるため、面発光レーザ２００の設計波長の光を吸収できる材料としては、たとえばＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘは、０．１≦ｘ≦０．５を満たす。）等を適用することができる。
【００７２】
熱レンズ層２１０は、第２ミラー１０４から出射された光の一部を吸収することにより、熱レンズ層２１０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、面発光レーザ１００が発振するレーザ光の中心軸付近の光量が多いことから、熱レンズ層２１０の中央の温度を主に上昇させて、外側に向かってデバイス温度を低くすることができる。即ち、熱レンズ層２１０内において温度分布を凸状にすることができる。これにより、熱レンズ層２１０内に屈折率分布をもたせることができ、熱レンズ層２１０は、凸レンズとして機能することができる。よって、面発光レーザ２００が発振するレーザ光の放射角を狭めることができる。
【００７３】
なお、熱レンズ層２１０は、上述した熱レンズ層１１０と同様に第２電極１０９の内側に第２電極１０９と接しないように形成されている。
【００７４】
第２の実施の形態にかかる面発光レーザ２００の他の構成および製造方法については、上述した第１の実施の形態にかかる面発光レーザ１００と同様であるので説明を省略する。
【００７５】
３．第３の実施の形態
３．１．面発光レーザの構成
図８は、本発明を適用した第３の実施の形態に係る面発光レーザ３００を模式的に示す断面図である。面発光レーザ３００は、第２の酸化狭窄層３１８をさらに含む点で、上述した面発光レーザ１００と異なる。第２の酸化狭窄層３１８は、図８に示すように、高抵抗半導体層３１２の周縁に形成される。具体的に第２の酸化狭窄層３１８は、高抵抗半導体層３１２を構成する層のいずれかを側面から酸化することにより得られる。この第２の酸化狭窄層３１８は、たとえばリング状に形成されている。第２の酸化狭窄層３１８は、図１および図２に示す半導体基板１０１の表面１０１ａと平行な面で切断した場合における断面形状が、第２の柱状部１４０の平面形状の円形と同心の円のリング状であることができる。
【００７６】
このように第２の酸化狭窄層３１８を設けることにより、熱レンズ層３１０を流れる電流を中央部に集中させることができるため、光の中心軸付近の温度を飛躍的に上昇させることができる。したがって、熱レンズ層３１０内に屈折率分布を顕著にもたせることができ、熱レンズ層３１０は、より高性能な凸レンズとして機能することができる。よって、面発光レーザ３００が発振するレーザ光の放射角を狭めることができる。
【００７７】
また、第２の酸化狭窄層３１８の内径Ｂは、第１の酸化狭窄層１０５（他の酸化狭窄層）の内径Ａより大きいことが好ましい。これにより、第１の酸化狭窄層１０５の内径を調整することにより、面発光レーザ３００から出射する光のモード数を制御することができる。
【００７８】
第３の実施の形態にかかる面発光レーザ３００の他の構成については、上述した第１の実施の形態にかかる面発光レーザ１００と同様であるので説明を省略する。
【００７９】
３．２．面発光レーザの製造方法
第２の酸化狭窄層３１８は、上述した工程（３）において第１の酸化狭窄層１０５を形成する際に同時に形成することができる。具体的には、上述した工程（１）において、半導体多層膜１５０をエピタキシャル成長によって形成する際、熱レンズ層３１０を構成するための層の一部または全部をＡｌＡｓ層またはＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ層に形成する。Ａｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ層とは、たとえばＡｌ組成は、たとえば０．９５以上のＡｌＧａＡｓ層である。図８に示すように、高抵抗半導体層３１２の一部の層を、ＡｌＡｓ層またはＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ層にすることができる。このとき、ＡｌＡｓ層またはＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ層の膜厚は、第１の酸化狭窄層１０５を構成する層の膜厚より小さいことが好ましい。これにより、第２の酸化狭窄層３１８の内径Ｂを、第１の酸化狭窄層１０５の内径Ａより大きくすることができる。
【００８０】
また、第２の酸化狭窄層３１８のためのＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成は、第１の酸化狭窄層１０５のためのＡｌＡｓ層またはＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成より小さいことが好ましい。これにより、第２の酸化狭窄層３１８の内径Ｂを、第１の酸化狭窄層１０５の内径Ａより大きくすることができる。
【００８１】
その後、上述したパターニング工程を経て、工程（３）において、ＡｌＡｓ層またはＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ層を側面から酸化する。第３の実施の形態にかかる面発光レーザ３００のその後の工程は、上述した第１の実施の形態にかかる面発光レーザ１００の製造方法と同様であるので説明を省略する。
【００８２】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。たとえば実施の形態において、各半導体層におけるｐ型とｎ型とを入れ替えても本発明の趣旨を逸脱するものではない。例えば、本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び結果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【００８３】
また、例えば、上記実施の形態では、ＡｌＧａＡｓ系のものについて主に説明したが、発振波長に応じてその他の材料系、例えば、ＧａＩｎＰ系、ＺｎＳＳｅ系、ＩｎＧａＮ系、ＡｌＧａＮ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＧａＩｎＮＡｓ系、ＧａＡｓＳｂ系の半導体材料を用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】第１の実施の形態にかかる面発光レーザを模式的に示す断面図。
【図２】第１の実施の形態にかかる面発光レーザを模式的に示す断面図。
【図３】第１の実施の形態にかかる面発光レーザを模式的に示す平面図。
【図４】第１の実施の形態にかかる面発光レーザの製造工程を模式的に示す断面図。
【図５】第１の実施の形態にかかる面発光レーザの製造工程を模式的に示す断面図。
【図６】第１の実施の形態にかかる面発光レーザの製造工程を模式的に示す断面図。
【図７】第２の実施の形態にかかる面発光レーザを模式的に示す断面図。
【図８】第３の実施の形態にかかる面発光レーザを模式的に示す断面図。
【符号の説明】
【００８５】
１００  面発光レーザ、１０１  基板、１０２  第１ミラー、１０３  活性層、１０４  第２ミラー、１０５  第１の酸化狭窄層、１０７  第１電極、１０９  第２電極、１１０  熱レンズ層、１１２  高抵抗半導体層、１１３  コンタクト層、１１４  第３電極、１１５  出射面、１５０  半導体多層膜、２００  面発光レーザ、２１０  熱レンズ層、３００  面発光レーザ、３１０  熱レンズ層
【図１】
2007311616.tif 000003
【図２】
2007311616.tif 000004
【図３】
2007311616.tif 000005
【図４】
2007311616.tif 000006
【図５】
2007311616.tif 000007
【図６】
2007311616.tif 000008
【図７】
2007311616.tif 000009
【図８】
2007311616.tif 000010