(57)【要約】【課題】発散角の広いレーザ光を出射する面発光レーザ素子を提供する。【解決手段】基板上に形成された下部ＤＢＲと、前記下部ＤＢＲの上に形成された活性層と、前記活性層上に形成された上部ＤＢＲと、を有し、前記上部ＤＢＲは屈折率の異なる誘電体を交互に積層形成することにより形成された誘電体多層膜を含むものであって、前記上部ＤＢＲの上には遮光部が形成されており、前記遮光部の中央部分には光を出射するための開口部を有していることを特徴とする面発光レーザ素子を提供することにより上記課題を解決する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された下部ＤＢＲと、
前記下部ＤＢＲの上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成された上部ＤＢＲと、
を有し、
前記上部ＤＢＲは屈折率の異なる誘電体を交互に積層形成することにより形成された誘電体多層膜を含むものであって、
前記上部ＤＢＲの上には遮光部が形成されており、
前記遮光部の中央部分には光を出射するための開口部を有していることを特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項２】
基板上に形成された下部ＤＢＲと、
前記下部ＤＢＲの上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成された上部ＤＢＲと、
を有し、
前記上部ＤＢＲは屈折率の異なる誘電体を交互に積層形成することにより形成された誘電体多層膜を含むものであって、
前記活性層の上であって、前記誘電体多層膜の下には遮光部が形成されており、
前記遮光部の中央部分には光を出射するための開口部を有していることを特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項３】
前記遮光部により、前記開口部からの出射される光は、強度１／ｅ２となる角度（発散角）が、２０ｄｅｇ以上となるものであることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ素子。
【請求項４】
前記開口部の面積は、３０μｍ２以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
【請求項５】
前記開口部の面積は、２０μｍ２以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
【請求項６】
前記遮光部は、金属材料または、前記光を吸収する材料により形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
【請求項７】
前記活性層と前記上部ＤＢＲの誘電体部分との間にはコンタクト層が形成されており、
一方の電極は、前記コンタクト層と接続されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
【請求項８】
前記活性層と前記上部ＤＢＲの誘電体部分との間には波長調整層を有しており、
前記波長調整層の厚さを変えることにより、異なる波長を各々出射する複数の面発光レーザを有するものであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
【請求項９】
前記活性層と前記波長調整層との間にはコンタクト層が形成されており、
一方の電極は、前記コンタクト層と接続されていることを特徴とする請求項８に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１０】
前記コンタクト層は、ＧａＡｓを含む材料により形成されているものであることを特徴とする請求項７または９に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１１】
前記波長調整層はＧａＩｎＰとＧａＡｓＰとを交互に積層した膜、または、ＧａＩｎＰとＧａＡｓとを交互に積層した膜により形成されているものであって、前記積層した膜の一部を各々の層ごとに除去することにより、前記波長調整層の膜厚を変えたものであることを特徴とする請求項８または９に記載の面発光レーザ素子。
【請求項１２】
前記波長調整層における前記積層した膜の除去はウェットエッチングにより行なわれるものであって、前記ＧａＩｎＰを除去するエッチングするための第１のエッチング液と、前記ＧａＡｓＰまたは前記ＧａＡｓをエッチングするための第２のエッチング液とが異なるものであることを特徴とする請求項１１に記載の面発光レーザ。
【請求項１３】
前記基板は導電性を有する半導体結晶基板であって、
前記下部ＤＢＲ、前記活性層、前記波長調整層は、半導体材料をエピタキシャル成長させることにより形成されているものであることを特徴とする請求項８、９、１１及び１２のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
【請求項１４】
前記複数の面発光レーザは、すべて異なる波長の光を出射するものであることを特徴とする請求項８、９、１１から１３のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
【請求項１５】
前記複数の面発光レーザは、同じ波長の光を出射する面発光レーザを複数有していることを特徴とする請求項８、９、１１から１３のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
【請求項１６】
前記複数の波長のうちいずれか１つは、７８０．２ｎｍ、７９５．０ｎｍ、８５２．３ｎｍ、８９４．６ｎｍであることを特徴とする請求項８、９、１１から１５のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
【請求項１７】
前記誘電体は、酸化物、窒化物、フッ化物を含むものであることを特徴とする請求項１から１６のいずれかに記載の面発光レーザ。
【請求項１８】
前記活性層は、ＧａＩｎＡｓを含むものであることを特徴とする請求項１から１７のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
【請求項１９】
前記基板の大きさは、５００μｍ×５００μｍより小さいことを特徴とする請求項１から１８のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
【請求項２０】
請求項１から１９のいずれかに記載の面発光レーザ素子と、
アルカリ金属を封入したアルカリ金属セルと、
前記面発光レーザ素子における面発光レーザより前記アルカリ金属セルに照射した光のうち、前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と、
を有し、前記面発光レーザより出射したサイドバンドを含む光のうち、２つの異なる波長の光を前記アルカリ金属セルに入射させることにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により変調周波数を制御することを特徴とする原子発振器。
【請求項２１】
前記２つの異なる波長の光は、ともに前記面発光レーザより出射したサイドバンドの光であることを特徴とする請求項２０に記載の原子発振器。
【請求項２２】
前記アルカリ金属は、ルビジウム、または、セシウムであることを特徴とする請求項２０または２１に記載の原子発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光レーザ素子及び原子発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）は、基板面に対し垂直方向に光を出射する半導体レーザであり、端面発光型の半導体レーザと比較して、低価格、低消費電力、小型であって高性能であること、また２次元的に集積化しやすいといった特徴を有している。
【０００３】
面発光レーザは、活性層を含む共振器領域と、共振器領域の上下に設けられた上部反射鏡及び下部反射鏡とからなる共振器構造を有している（特許文献１）。よって、共振器領域は、発振波長λの光を得るために、共振器領域において波長λの光が共振するように所定の光学的な厚さで形成されている。上部反射鏡及び下部反射鏡は、屈折率の異なる材料、即ち、低屈折率材料と高屈折率材料とを交互に積層形成することにより形成されており、波長λにおいて高い反射率が得られるように、低屈折率材料と高屈折率材料の光学的な膜厚がλ／４となるように形成されている。チップ内に波長の異なる素子を形成することも提案されている（特許文献２、３、４、７）。
【０００４】
また、極めて正確な時間を計る時計として原子時計（原子発振器）があり、この原子時計を小型化する技術等の検討がなされている。原子時計とは、アルカリ金属等の原子を構成している電子の遷移エネルギー量を基準とする発振器であり、特に、アルカリ金属の原子における電子の遷移エネルギーは外乱がない状態では、非常に精密な値が得られるため、水晶発振器に比べて、数桁高い周波数安定性を得ることができる。
【０００５】
このような原子時計には、幾つかの方式があるが、中でも、ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式の原子時計は、従来の水晶発振器に比べて周波数安定性が３桁程度高く、また、超小型、超低消費電力を望むことができる（非特許文献１、２、特許文献５）。
【０００６】
ＣＰＴ方式の原子時計では、図１に示すように、レーザ素子等の光源９１０と、アルカリ金属を封入したアルカリ金属セル９４０と、アルカリ金属セル９４０を透過したレーザ光を受光する光検出器９５０とを有しており、レーザ光は変調され、特定波長である搬送波の両側に出現するサイドバンド波長により、アルカリ金属原子における電子の２つの遷移を同時に行ない、励起する。この遷移における遷移エネルギーは不変であり、レーザ光のサイドバンド波長と遷移エネルギーに対応する波長とが一致したときに、アルカリ金属における光の吸収率が低下する透明化現象が生じる。このように、アルカリ金属による光の吸収率が低下するように、搬送波の波長を調整するとともに、光検出器９５０において検出された信号を変調器９６０にフィードバックし、変調器９６０によりレーザ素子等の光源９１０からのレーザ光の変調周波数を調整することを特徴とした原子時計である。尚、レーザ光は、光源９１０より発せられ、コリメートレンズ９２０及びλ／４板９３０を介し、アルカリ金属セル９４０に照射される。
【０００７】
このような超小型の原子時計の光源としては、小型で超低消費電力であり、波長品質の高い面発光レーザが適しており、搬送波の波長精度としては、特定波長に対し±１ｎｍが求められる（非特許文献３）。
【０００８】
また、原子時計の周波数安定度は、アルカリ金属セル９４０を通過するレーザ光の径と光路長のどちらか短い方の距離に律速し、短いと安定度は悪くなる。従って、できるだけレーザ光の径が広い方が好ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、面発光レーザのレーザ光の発散角は、端面型レーザに比べて狭く、周波数安定度を高くする場合には、アルカリ金属セル９４０を通過するレーザ光の径を広げるため、光源９１０とコリメートレンズ９２０との距離Ｘを長くとる必要がある。よって、光源９１０に面発光レーザを用いる場合には、原子時計の小型化と高い周波数安定度を両立することは困難であった。
【００１０】
また、面発光レーザは、製造時における半導体層の成長速度のバラツキ、膜厚の分布ムラ等の影響により、同じ波長で発振する面発光レーザを大量に生産することは困難であり、製造される面発光レーザの再現性及び均一性において問題を有していた。具体的には、通常のＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置、または、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）装置により成膜された膜は、膜厚均一性が１％〜２％程度であり、波長８５０ｎｍと同じ膜厚の膜を成膜した場合には、８．５ｎｍ〜１７ｎｍの面内分布が生じてしまう。よって、波長に対し±１ｎｍ程度が求められる用途においては、歩留りが低くなり、高コストなものとなってしまう。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みなされたものであり、広い発散角を有する面発光レーザを提供することを目的とするものである。また、所定の波長の広い発散角の光を出射する面発光レーザを有する面発光レーザ素子を低コストで提供することを目的とするものである。また、小型化と高い周波数安定度が両立される原子発振器を提供し、更には、低コストで高精度な原子発振器を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、基板上に形成された下部ＤＢＲと、前記下部ＤＢＲの上に形成された活性層と、前記活性層上に形成された上部ＤＢＲと、を有し、前記上部ＤＢＲは屈折率の異なる誘電体を交互に積層形成することにより形成された誘電体多層膜を含むものであって、前記上部ＤＢＲの上には遮光部が形成されており、前記遮光部の中央部分には光を出射するための開口部を有していることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、基板上に形成された下部ＤＢＲと、前記下部ＤＢＲの上に形成された活性層と、前記活性層上に形成された上部ＤＢＲと、を有し、前記上部ＤＢＲは屈折率の異なる誘電体を交互に積層形成することにより形成された誘電体多層膜を含むものであって、前記活性層の上であって、前記誘電体多層膜の下には遮光部が形成されており、前記遮光部の中央部分には光を出射するための開口部を有していることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、前記遮光部により、前記開口部からの出射される光は、強度１／ｅ２となる角度（発散角）が、２０ｄｅｇ以上となるものであることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、前記開口部の面積は、３０μｍ２以下であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、前記開口部の面積は、２０μｍ２以下であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、前記遮光部は、金属材料または、前記光を吸収する材料により形成されていることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、前記活性層と前記上部ＤＢＲの誘電体部分との間にはコンタクト層が形成されており、一方の電極は、前記コンタクト層と接続されていることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、前記活性層と前記上部ＤＢＲの誘電体部分との間には波長調整層を有しており、前記波長調整層の厚さを変えることにより、異なる波長を各々出射する複数の面発光レーザを有するものであることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明は、前記活性層と前記波長調整層との間にはコンタクト層が形成されており、一方の電極は、前記コンタクト層と接続されていることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明は、前記コンタクト層は、ＧａＡｓを含む材料により形成されているものであることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明は、前記波長調整層はＧａＩｎＰとＧａＡｓＰとを交互に積層した膜、または、ＧａＩｎＰとＧａＡｓとを交互に積層した膜により形成されているものであって、前記積層した膜の一部を各々の層ごとに除去することにより、前記波長調整層の膜厚を変えたものであることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明は、前記波長調整層における前記積層した膜の除去はウェットエッチングにより行なわれるものであって、前記ＧａＩｎＰを除去するエッチングするための第１のエッチング液と、前記ＧａＡｓＰまたは前記ＧａＡｓをエッチングするための第２のエッチング液とが異なるものであることを特徴とする。
【００２４】
また、本発明は、前記基板は導電性を有する半導体結晶基板であって、前記下部ＤＢＲ、前記活性層、前記波長調整層は、半導体材料をエピタキシャル成長させることにより形成されているものであることを特徴とする。
【００２５】
また、本発明は、前記複数の面発光レーザは、すべて異なる波長の光を出射するものであることを特徴とする。
【００２６】
また、本発明は、前記複数の面発光レーザは、同じ波長の光を出射する面発光レーザを複数有していることを特徴とする。
【００２７】
また、本発明は、前記複数の波長のうちいずれか１つは、７８０．２ｎｍ、７９５．０ｎｍ、８５２．３ｎｍ、８９４．６ｎｍであることを特徴とする。
【００２８】
また、本発明は、前記誘電体は、酸化物、窒化物、フッ化物を含むものであることを特徴とする。
【００２９】
また、本発明は、前記活性層は、ＧａＩｎＡｓを含むものであることを特徴とする。
【００３０】
また、本発明は、前記基板の大きさは、５００μｍ×５００μｍより小さいことを特徴とする。
【００３１】
また、本発明は、前記記載の面発光レーザ素子と、アルカリ金属を封入したアルカリ金属セルと、前記面発光レーザ素子における面発光レーザより前記アルカリ金属セルに照射した光のうち、前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と、を有し、前記面発光レーザより出射したサイドバンドを含む光のうち、２つの異なる波長の光を前記アルカリ金属セルに入射させることにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により変調周波数を制御することを特徴とする。
【００３２】
また、本発明は、前記２つの異なる波長の光は、ともに前記面発光レーザより出射したサイドバンドの光であることを特徴とする。
【００３３】
また、本発明は、前記アルカリ金属は、ルビジウム、または、セシウムであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、広い発散角を有する面発光レーザを提供することができる。また、所定の波長の広い発散角の光を出射する面発光レーザを有する面発光レーザ素子を低コストで提供することができる。また、小型化と高い周波数安定度が両立される原子発振器を提供することができ、更には、低コストで高精度な原子発振器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】原子発振器の説明図
【図２】第１の実施の形態における面発光レーザ素子の構造図
【図３】開口部の面積とＦＦＰとの相関図（１）
【図４】開口部の面積とＦＦＰとの相関図（２）
【図５】開口部の直径とＦＦＰとの相関図
【図６】第２の実施の形態における面発光レーザ素子の上面図
【図７】第２の実施の形態における面発光レーザ素子の説明図
【図８】第２の実施の形態における面発光レーザ素子の製造方法の説明図（１）
【図９】第２の実施の形態における面発光レーザ素子の製造方法の説明図（２）
【図１０】第２の実施の形態における面発光レーザ素子の製造方法の説明図（３）
【図１１】第２の実施の形態における面発光レーザ素子の構造図
【図１２】第３の実施の形態における面発光レーザ素子の構造図
【図１３】第３の実施の形態における面発光レーザ素子の上部電極開口部の面積とＦＦＰとの相関図
【図１４】第４の実施の形態における面発光レーザ素子の上面図
【図１５】第５の実施の形態における面発光レーザ素子の上面図
【図１６】第６の実施の形態における原子発振器の説明図
【図１７】第６の実施の形態における原子発振器の構造図
【図１８】ＣＰＴ方式を説明する原子エネルギー準位の説明図
【図１９】面発光レーザ変調時における出力波長の説明図
【図２０】変調周波数と透過光量との相関図
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３７】
〔第１の実施の形態〕
第１の実施の形態における面発光レーザ素子について図２に基づき説明する。本実施の形態における面発光レーザ素子は、半導体等からなる基板１０１上に、下部ＤＢＲ１０２、活性層１０３、コンタクト層１０５、上部ＤＢＲ１０６が積層して形成されており、上部ＤＢＲ１０６上には、遮光部１０７が形成されている。
【００３８】
下部ＤＢＲ１０２は、屈折率の異なる半導体層を交互に積層することにより形成されている。
【００３９】
活性層１０３は、下部ＤＢＲ１０２上に、所定の厚さで形成されており、内部には、電流狭窄層が形成されている。電流狭窄層は周囲より選択酸化された選択酸化領域１２３ａと、選択酸化されていない電流狭窄領域１２３ｂとを有しており、電流は、電流狭窄領域１２３ｂに集中して流れる。
【００４０】
コンタクト層１０５は、活性層１０３上に形成されており、半導体材料により形成されている。尚、下部ＤＢＲ１０２、活性層１０３、コンタクト層１０５は、半導体材料をエピタキシャル成長させることにより形成されており、活性層１０３及びコンタクト層１０５により共振器領域が形成される。
【００４１】
上部ＤＢＲ１０６は、コンタクト層１０５上に形成されている。上部ＤＢＲ１０６は、酸化物、窒化物、フッ化物等の誘電体膜により形成されており、高屈折率材料膜と低屈折率材料膜とを交互に積層することにより形成されている。尚、本実施の形態では、下部ＤＢＲ１０２及び上部ＤＢＲ１０６はミラーとしての機能を有するものであるため、下部ＤＢＲを下部反射鏡と記載し、上部ＤＢＲを上部反射鏡と記載する場合がある。
【００４２】
本実施の形態における面発光レーザ素子においては、出射されるレーザ光の波長は、ほぼ下部ＤＢＲ１０２と上部ＤＢＲ１０６との間の共振器領域の厚さにより定まる。
【００４３】
また、コンタクト層１０５上の上部ＤＢＲ１０６の周辺部分には、上部電極１３１が形成されており、基板１０１の裏面等に形成されている不図示の下部電極と上部電極１３１との間の活性層１０３に電流が供給される構造となっている。尚、下部電極は、基板１０１の裏面以外にも、活性層１０３に電流を流すことができものであれば、上面に設けた構造のものであってもよい。
【００４４】
また、本実施の形態における面発光レーザ素子には、上部ＤＢＲ１０６上に遮光部１０７が形成されている。遮光部１０７は上部ＤＢＲ１０６の中心部分に開口部１０８を有している。遮光部１０７は、金属材料により形成されており、例えば、Ｃｒ（下層）とＡｕ（上層）の積層膜等により形成されている。よって、本実施の形態における面発光レーザ素子では、波長λの光が開口部１０８より出射される。尚、Ｃｒを下層としているのは、上部ＤＢＲ１０６を形成している誘電体膜との密着性を高めるためであり、Ｃｒに代えて、Ｔｉ等を用いてもよい。このように、上部ＤＢＲ１０６の上に開口部１０８を有する遮光部１０７を形成することにより、開口部１０８より出射される光の発散角を広くすることができる。
【００４５】
このことを、図３に基づき説明する。図３は、開口部１０８の面積とＦＦＰ（Far Field Pattern：本実施の形態では、発散角と記載する場合がある）との関係を示すものであり、電流狭窄領域１２３ｂの面積を変えた場合を示す。尚、図３は、都合上、面発光レーザの発振波長が７８０ｎｍ（後述する原子発振器において、ＲｂのＤ２ラインに相当する波長）であり、上部ＤＢＲは屈折率の異なる半導体材料の積層膜により形成したものであって、ＦＦＰは１／ｅ２における値である。電流狭窄領域１２３ｂ及び開口部１０８はともに、矩形形状で形成されており、レーザ光の出力は、０．３ｍＷ、基本モードにおける動作のものである。
【００４６】
図３に示されるように、開口部１０８の面積が広いとＦＦＰの値は低く、開口部１０８の面積を狭くするとＦＦＰの値が高くなる。よって、開口部１０８の面積を狭くすることにより、ＦＦＰの値を高くすることができ、発散角を広くすることができる。図３に示す場合では、開口部１０８の面積が２０μｍ２以下の場合には、ＦＦＰの値が２０°以上となり、１０μｍ２以下の場合には、ＦＦＰの値が３０°以上となる。
【００４７】
通常の面発光レーザ素子では開口部面積は１００μｍ程度であり、図３によるとＦＦＰは１２°程度である。Φ１ｍｍのビーム径となる出射口からの距離は４．８ｍｍ程度である。これに対し、ＦＦＰが２０°の場合は、２．８ｍｍ程度まで短くできる。
【００４８】
また、ＦＦＰの値は、電流狭窄領域１２３ｂの面積にも依存し、電流狭窄領域１２３ｂの面積を狭くすることにより、ＦＦＰの値は高くなるが、ＦＦＰの値は、開口部１０８の面積の依存性の方が高い。尚、選択酸化領域１２３ａにおける酸化膜の厚さが厚くなると、光の閉じ込めは強くなるため、ＦＦＰの値は高くなるものの、酸化膜の厚さを厚くすると酸化膜により生じた歪みにより、面発光レーザ素子が破壊されやすくなる。図３等では、選択酸化領域１２３ａにおける酸化膜を形成するための被選択酸化層であるＡｌＡｓの厚さが３２ｎｍの場合を示している。
【００４９】
また、図４は、開口部１０８の形状が円形の場合と、矩形の場合における開口部１０８の面積とＦＦＰとの関係を示すものである。図４に示されるように、ＦＦＰは、開口部１０８の形状には殆ど依存することなく、開口部１０８の面積に依存している。
【００５０】
また、図５は、開口部１０８が円形の場合であって、開口部１０８の直径とＦＦＰとの関係を示すものであり、電流狭窄領域１２３ｂの面積を変えた場合を示す。開口部１０８の直径を短くすることによりＦＦＰの値が高くなっており、開口部１０８の面積を狭くした場合と同様の傾向にある。
【００５１】
以上より、開口部１０８を有する遮光部１０７を設けることにより、面発光レーザから出射されるレーザ光の発散角を広くすることができる。尚、本実施の形態における面発光レーザでは、電流狭窄領域１２３ｂの中心と開口部１０８の中心とが、光出射方向において重なるように形成されている。
【００５２】
また、本実施の形態では、遮光部１０７は光を遮るために形成されているものであることから、上部ＤＢＲ１０６上に上部電極を形成する場合と異なり、上部ＤＢＲ１０６が形成される領域の大きさを小さくしても、遮光部１０７としての機能に支障はない。
【００５３】
また、本実施の形態においては、光を吸収する材料により遮光部１０７を形成してもよい。光を吸収する材料により遮光部１０７を形成することにより、遮光部１０７からの光の反射を防ぐことができ、このような反射した光によりレーザの発振条件が変わってしまうこと等を防ぐことができる。
【００５４】
尚、特許文献６（特開２００２−２０８７５５）に、下部ＤＢＲ、活性層、上部ＤＢＲともに半導体により形成され、上部ＤＢＲ上に開口の狭い上部電極を形成し、面発光レーザの基本横モード出力を選択的に取り出す例がある。これによれば特許文献６の図２２に示されているように、発散角は上部電極開口径に依存し、極小点を持っている。上部電極開口を電流注入領域と同等程度に狭くすることにより発散角は拡がっている。一方、上部電極開口が広い場合も発散角が拡がっているがこれは高次モード発振によるものである。本発明では、上部ＤＢＲは誘電体であり、遮光部の下部は誘電体であり、遮光部はコンタクト層とは直接接しておらず、コンタクト層上部に形成された上部電極を遮光部とした特許文献６とは異なるものである。
【００５５】
本発明によれば、上部ＤＢＲを誘電体で形成した場合においても遮光部により発散角を広くすることが可能となる。
【００５６】
〔第２の実施の形態〕
（面発光レーザ素子の構造）
次に、第２の実施の形態における面発光レーザ素子について説明する。本実施の形態における面発光レーザ素子は、図６及び図７に示すように、複数の面発光レーザを有しており、具体的には、第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２、第３の面発光レーザ１３、第４の面発光レーザ１４を有している。尚、図７は本実施の形態の説明のため簡略化されており、便宜上、コンタク層、選択酸化領域等の記載は省略されている。
【００５７】
第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２、第３の面発光レーザ１３、第４の面発光レーザ１４は、各々に対応して設けられた電極パッドに接続されている。具体的には、第１の面発光レーザ１１には電極パッド２１が接続されており、第２の面発光レーザ１２には電極パッド２２が接続されており、第３の面発光レーザ１３には電極パッド２３が接続されており、第４の面発光レーザ１４には電極パッド２４が接続されている。また、第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２、第３の面発光レーザ１３、第４の面発光レーザ１４は、出射される光の波長が相互に波長が異なるものである。即ち、第１の面発光レーザ１１より出射される波長λ１、第２の面発光レーザ１２より出射される波長λ２、第３の面発光レーザ１３より出射される波長λ３、第４の面発光レーザ１４より出射される波長λ４は、相互に異なる波長である。
【００５８】
このように波長λ１から波長λ４を相互に異なるものとするため、図７に示すように、第１の面発光レーザ１１から第４の面発光レーザ１４において、活性層１０３と上部ＤＢＲ１０６との間に膜厚の異なる波長調整層１１０を形成する。即ち、基板１０１上に下部ＤＢＲ１０２を形成し、下部ＤＢＲ１０２上に活性層１０３、波長調整層１１０及び上部ＤＢＲ１０６を形成したものにおいて、各々の面発光レーザから出射される波長の光は、下部ＤＢＲ１０２と上部ＤＢＲ１０６との間における共振器領域の厚さに依存して定まる。従って、図７では、共振器領域は活性層１０３と波長調整層１１０とにより形成されるため、各々の面発光レーザごとに波長調整層１１０の厚さを異なる厚さとすることにより、各々の面発光レーザにおける共振器領域の厚さを変えることができ、各々の面発光レーザから出射される光の波長を異なる波長とすることができる。
【００５９】
具体的には、半導体等からなる基板１０１上に、屈折率の異なる半導体材料を交互に積層形成することにより、下部ＤＢＲ１０２を形成し、下部ＤＢＲ１０２上には、所定の厚さの活性層１０３を形成する。活性層１０３上には、各々の半導体レーザにより厚さが異なる波長調整層１１０を形成する。波長調整層１１０は、活性層１０３上より、第１の調整層１１１、第２の調整層１１２、第３の調整層１１３、第４の調整層１１４が積層して形成されているものであり、第１の調整層１１１と第３の調整層１１３は同じ材料により形成されており、第２の調整層１１２と第４の調整層１１４は同じ材料で形成されている。具体的には、第１の調整層１１１から第４の調整層１１４を形成する２種類の材料のうち、一方がＧａＩｎＰにより形成されており、他方がＧａＡｓＰまたはＧａＡｓにより形成されている。尚、基板１０１上に形成される半導体層となる下部ＤＢＲ１０２、活性層１０３及び波長調整層１１０は、半導体材料をエピタキシャル成長させることにより形成されている。
【００６０】
波長調整層１１０の上には、上部ＤＢＲ１０６が各々の面発光レーザごとに形成されている。上部ＤＢＲ１０６は、酸化物、窒化物、フッ化物等からなる誘電体膜であって高屈折率材料膜と低屈折率材料膜とを交互に積層形成することにより形成されている。
【００６１】
上部ＤＢＲ１０６上には、第１の実施の形態と同様に、中央に開口部１０８を有する遮光部１０７が形成されている。遮光部１０７は、金属材料により形成されており、例えば、Ｃｒ（下層）とＡｕ（上層）の積層膜等により形成されている。本実施の形態において、面発光レーザ素子からの光は、開口部１０８より出射される。尚、Ｃｒを下層としているのは、上部ＤＢＲ１０６を形成している誘電体膜との密着性を高めるためであり、Ｃｒに代えて、Ｔｉ等を用いてもよい。本実施の形態における面発光レーザでは、上部ＤＢＲ１０６上には上部電極１３１が形成されることなく遮光部１０７のみが形成される。このように、上部ＤＢＲ１０６の上に開口部１０８を有する遮光部１０７を形成することにより、開口部１０８より出射される光の発散角を広くすることができる。
【００６２】
このように、本実施の形態においては、第１の面発光レーザ１１では、波長調整層１１０において、第１の調整層１１１、第２の調整層１１２、第３の調整層１１３、第４の調整層１１４が形成されており、第１の調整層１１１、第２の調整層１１２、第３の調整層１１３、第４の調整層１１４と活性層１０３により共振器領域が形成される。よって、第１の面発光レーザ１１は、第１の面発光レーザ１１における共振器領域の厚さに対応した波長λ１の光が出射される。
【００６３】
また、第２の面発光レーザ１２では、波長調整層１１０のうち、第１の調整層１１１、第２の調整層１１２、第３の調整層１１３が形成されており、第１の調整層１１１、第２の調整層１１２、第３の調整層１１３と活性層１０３により共振器領域が形成される。よって、第２の面発光レーザ１２は、第２の面発光レーザ１２における共振器領域の厚さに対応した波長λ２の光が出射される。
【００６４】
また、第３の面発光レーザ１３では、波長調整層１１０のうち、第１の調整層１１１、第２の調整層１１２が形成されており、第１の調整層１１１、第２の調整層１１２と活性層１０３により共振器領域が形成される。よって、第３の面発光レーザ１３は、第３の面発光レーザ１３における共振器領域の厚さに対応した波長λ３の光が出射される。
【００６５】
また、第４の面発光レーザ１４では、波長調整層１１０のうち、第１の調整層１１１が形成されており、第１の調整層１１１と活性層１０３により共振器領域が形成される。よって、第４の面発光レーザ１４は、第４の面発光レーザ１４における共振器領域の厚さに対応した波長λ４の光が出射される。
【００６６】
以上により、本実施の形態における面発光レーザ素子では、１つの基板１０１において、波長の異なる光を出射する複数の面発光レーザを形成することができる。従って、面発光レーザ素子を製造する際に半導体層等において膜厚変動が生じた場合であっても、所望の波長に最も近い波長の光を出射するものを第１の面発光レーザ１１から第４の面発光レーザ１４のうちから選ぶことにより、所望の波長の半導体レーザを容易に得ることができる。これにより、所定の波長で発光する面発光レーザを有する面発光レーザ素子を低コストで製造することができる。尚、本実施の形態における面発光レーザ素子では、各々の面発光レーザは広い発散角を有しているため、第１の実施の形態と同様の効果を有している。
【００６７】
（面発光レーザ素子における波長調整層の形成方法）
次に、本実施の形態における面発光レーザ素子における波長調整層の形成方法について説明する。
【００６８】
最初に、図８（ａ）に示すように、基板１０１上に、半導体材料からなる下部ＤＢＲ１０２、活性層１０３、波長調整層１１０をＭＯＣＶＤまたはＭＢＥによるエピタキシャル成長させることにより形成する。尚、波長調整層１１０は第１の調整層１１１、第２の調整層１１２、第３の調整層１１３、第４の調整層１１４を積層することにより形成されている。ここで、第１の調整層１１１及び第３の調整層１１３は、ＧａＩｎＰにより形成されており、第２の調整層１１２及び第４の調整層１１４は、ＧａＡｓＰにより形成されている。また、本実施の形態では、共振器領域の光学的な厚さが発振波長λに対し、３λとなるように形成されている。
【００６９】
次に、図８（ｂ）に示すように、第１の面発光レーザ１１が形成される領域にレジストパターン１５１を形成する。具体的には、波長調整層１１０の第４の調整層１１４上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、レジストパターン１５１を形成する。
【００７０】
次に、図８（ｃ）に示すように、レジストパターン１５１の形成されていない領域の第４の調整層１１４をウェットエッチングにより除去する。具体的には、第４の調整層１１４は、ＧａＡｓＰにより形成されているため、硫酸と過酸化水素と水の混合液によりウェットエッチングを行なう。これによりレジストパターン１５１が形成されていない領域の第４の調整層１１４のみを除去し、第３の調整層１１３の表面を露出させる。尚、この混合液はＧａＡｓＰをエッチングすることはできるが、第３の調整層１１３を形成しているＧａＩｎＰは殆どエッチングすることができないものである。この混合液を第１のエッチング液と記載する場合がある。この後、有機溶剤等によりレジストパターン１５１を除去する。
【００７１】
次に、図９（ａ）に示すように、第１の面発光レーザ１１及び第２の面発光レーザ１２が形成される領域にレジストパターン１５２を形成する。具体的には、波長調整層１１０の第４の調整層１１４及び第３の調整層１１３上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、レジストパターン１５２を形成する。
【００７２】
次に、図９（ｂ）に示すように、レジストパターン１５２の形成されていない領域の第３の調整層１１３をウェットエッチングにより除去する。具体的には、第３の調整層１１３は、ＧａＩｎＰにより形成されているため、塩酸と水の混合液によりウェットエッチングを行なう。これによりレジストパターン１５２が形成されていない領域の第３の調整層１１３のみを除去し、第２の調整層１１２の表面を露出させる。尚、この混合液はＧａＩｎＰをエッチングすることはできるが、第２の調整層１１２を形成しているＧａＡｓＰは殆どエッチングすることができないものである。この混合液は第２のエッチング液とも記載する場合がある。この後、有機溶剤等によりレジストパターン１５２を除去する。
【００７３】
次に、図９（ｃ）に示すように、第１の面発光レーザ１１、第２の面発光レーザ１２及び第３の面発光レーザ１３が形成される領域にレジストパターン１５３を形成する。具体的には、波長調整層１１０の第４の調整層１１４、第３の調整層１１３及び第２の調整層１１２上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、レジストパターン１５３を形成する。
【００７４】
次に、図１０（ａ）に示すように、レジストパターン１５３の形成されていない領域の第２の調整層１１２をウェットエッチングにより除去する。具体的には、第１のエッチング液によりレジストパターン１５３の形成されていない領域の第２の調整層１１２を除去する。これによりレジストパターン１５３が形成されていない領域の第２の調整層１１２のみを除去し、第１の調整層１１１の表面を露出させる。この後、有機溶剤等によりレジストパターン１５３を除去する。
【００７５】
次に、図１０（ｂ）に示すように、上部ＤＢＲ１０６を形成する。具体的には、各々の波長調整層１１０上において、スパッタリング等により、酸化物、窒化物、フッ化物等からなる高屈折率材料からなる誘電体膜と低屈折率材料からなる誘電体膜とを所定の膜厚ごとに交互に積層することにより形成する。
【００７６】
これにより、本実施の形態における面発光レーザ素子における波長調整層１１０及び上部ＤＢＲ１０６を形成することができる。
【００７７】
本実施の形態においては、特許文献３及び７とは異なり、波長調整層１１０となる第１の調整層１１１、第２の調整層１１２、第３の調整層１１３、第４の調整層１１４には、Ａｌを含んでいないため、エッチング後に酸化等がされにくく、エッチング後もきれいな表面状態を維持することができる。即ち、Ａｌは極めて腐食されやすいため、Ａｌを含んだ材料により第１の調整層１１１、第２の調整層１１２、第３の調整層１１３、第４の調整層１１４のいずれかを形成した場合、ウェットエッチング等を行なった後の表面状態は劣悪なものとなり、この上に上部ＤＢＲ１０６を形成しても、剥がれてしまう場合や、共振器領域の厚さが不均一となる場合等がある。しかしながら、本実施の形態における面発光レーザ素子では、波長調整層１１０はＡｌを含まない材料により形成されているため、Ａｌの腐食等が生じることはなく、このような問題が生じることはない。
【００７８】
また、本実施の形態においては、波長調整層１１０は、ＧａＡｓＰとＧａＩｎＰとを交互に形成したものであり、ウェットエッチングを行う際には、一方はエッチングをすることができるが他方をエッチングすることができない２種類のエッチング液を用いて、相互にエッチングを行なっている。このような２種類のエッチング液を用いてエッチングを行なうことにより、エッチング後の表面は平坦になり、オーバーエッチングされることなく所定の厚さで形成することができる。これにより、特性の安定した面発光レーザ素子を得ることができる。
【００７９】
尚、特許文献３、７のように、エピウエハを加工（波長調整層を加工）してから、上部ＤＢＲを再成長させて形成する場合、再成長層においてエッチングの段差上の平坦性や結晶性が悪い等の不具合が生じる。これに比べ、本実施の形態においては、波長調整層を加工する場合においても、上部ＤＢＲが誘電体により形成されているため、このような不具合が生じることはない。
【００８０】
（面発光レーザ素子）
次に、図１１に基づき、本実施の形態における面発光レーザ素子についてより詳細に説明する。図１１は、図６における一点鎖線６Ａ−６Ｂにおいて切断した断面図である。この面発光レーザ素子は、電流狭窄層となるＡｌＡｓ層を選択酸化し電流狭窄構造を形成したものであり、発振波長が８９４．６ｎｍとなるように作製された面発光レーザである。具体的には、３００μｍ角の半導体チップ（基板）に４つの面発光レーザが形成されているものである。このように、面発光レーザ素子では、狭い領域に複数の面発光レーザを形成することができるため、発光させる面発光レーザを切換えた場合であっても、発光位置は殆ど変わらない。従って、光軸調整等が不要または極めて容易となる。このため、基板の大きさとしては、５００μｍ×５００μｍ以下の大きさであることが好ましい。
【００８１】
本実施の形態においては、基板１０１は、ｎ−ＧａＡｓ基板を用いている。また、下部ＤＢＲ１０２は、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層とｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とを各々の層の光学的な膜厚がλ／４となるように３５．５ペア積層することにより形成されている。
【００８２】
下部ＤＢＲ１０２の上には、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる下部スペーサ層１２１を介し、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層／ＧａＩｎＰＡｓ障壁層からなる活性層１０３が形成されている。活性層１０３上には、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる第１の上部スペーサ層１２２、ＡｌＡｓからなる電流狭窄層１２３、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる第２の上部スペーサ層１２４、ｐ−ＧａＡｓからなるコンタクト層１２５を順次積層することにより形成する。尚、コンタクト層１２５は、第１の実施の形態におけるコンタクト層１０５と同様のものである。
【００８３】
コンタクト層１２５上には、ＧａＡｓＰとＧａＩｎＰとを交互に積層形成することにより、第１の調整層１１１、第２の調整層１１２、第３の調整層１１３、第４の調整層１１４からなる波長調整層１１０が形成されており、上述したように、各々の面発光レーザに対応して所定の領域の波長調整層１１０の一部が除去されている。尚、下部ＤＢＲ１０２、下部スペーサ層１２１、活性層１０３、第１の上部スペーサ層１２２、電流狭窄層１２３、第２の上部スペーサ層１２４、コンタクト層１２５、波長調整層１１０は、ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥにより半導体材料をエピタキシャル成長させることにより形成されている。
【００８４】
本実施の形態における面発光レーザ素子では、各々の面発光レーザはメサ構造となっており、このメサ構造は、形成される面発光レーザ間の半導体層をエッチングすることにより形成される。メサ構造を形成した後、水蒸気中で熱処理を行なうことにより、酸化されていない電流狭窄層１２３をメサ構造の周囲より酸化し、周辺部分の選択酸化領域１２３ａ（酸化されている領域）と中心部分の酸化されていない電流狭窄領域１２３ｂとが形成される。つまり、電流狭窄層１２３は、酸化された選択酸化領域１２３ａと、酸化されていない電流狭窄領域１２３ｂとから構成されており、電流狭窄構造となっている。本実施の形態では、メサ構造の形状を上部より見た形状が円形となるものを示すが、楕円形、正方形、長方形等の形状となるように形成してもよい。
【００８５】
また、各々の面発光レーザに対応してエッチングにより除去された波長調整層１１０上には、上部ＤＢＲ１０６がＴｉＯ２高屈折率層とＳｉＯ２低屈折率層とを各々の層の光学的な膜厚がλ／４となるように８．５ペア積層することにより形成されている。尚、上部ＤＢＲ１０６は、誘電体材料であって、高屈折率材料と低屈折率材料とを積層して形成したものであればよく、具体的には、酸化物、窒化物、フッ化物等が挙げられる。高屈折率材料としては、ＴｉＯ２の他、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２等が挙げられる。また、低屈折率材料としては、ＳｉＯ２の他、ＭｇＦ２等が挙げられる。
【００８６】
尚、本実施の形態における面発光レーザ素子では、波長調整層１１０及び上部ＤＢＲ１０６は、各々の面発光レーザにおいてコンタクト層１２５が形成される領域よりも狭い領域に形成されている。即ち、コンタクト層１２５の表面の一部が露出するように、波長調整層１１０及び上部ＤＢＲ１０６が形成されている。また、本実施の形態では、下部ＤＢＲ１０２と上部ＤＢＲ１０６との間に形成される活性層１０３及び波長調整層１１０等により共振器領域が形成される。また、活性層１０３とコンタクト層１２５との間に屈折率の異なる半導体層を積層した数ペアのＤＢＲを形成してもよく、波長調整層の効果が得られる。
【００８７】
この後、全体に光学的な膜厚がλ／４であるＳｉＮからなる保護膜１２６を形成し、コンタクト層１２５上において上部電極１３１が形成される領域の保護膜１２６を除去し、ｐ側電極となる上部電極１３１を形成する。この上部電極１３１は、各々の面発光レーザに対応して各々形成されており、各々の上部電極１３１は、図６に示される各々電極パッド２１〜２４と接続されている。また、基板１０１の裏面にはｎ側電極となる下部電極１３２が形成されており、メサ構造とメサ構造との間の溝はポリイミド１２７により埋められている。尚、下部電極は、イントラキャビティーコンタクト構造等、基板裏面に形成するのみならず、下部ＤＢＲ１０２と活性層１０３との間にコンタクト層を形成し、このコンタクト層と接続するように形成した構造であってもよい。
【００８８】
また、上部ＤＢＲ１０６上には、中央に開口部１０８を有する遮光部１０７が形成されている。遮光部１０７は、金属材料により形成されており、例えば、Ｃｒ（下層）とＡｕ（上層）の積層膜等により形成されている。本実施の形態において、面発光レーザ素子からの光は、開口部１０８より出射される。尚、Ｃｒを下層としているのは、上部ＤＢＲ１０６を形成している誘電体膜との密着性を高めるためであり、Ｃｒに代えて、Ｔｉ等を用いてもよい。遮光部１０７の形成方法としては、リフトオフ法により形成することができる。具体的には、上部ＤＢＲ１０６上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、遮光部１０７が形成される領域に開口を有するレジストパターンを形成し、真空蒸着等により、Ｃｒ膜及びＡｕ膜を成膜した後、有機溶剤等に浸漬させて、レジストパターンとともにＣｒ膜及びＡｕ膜を除去する。
【００８９】
尚、ｐ側電極となる上部電極１３１と遮光部１０７とは別々に形成する場合について説明したが、上部電極１３１と遮光部１０７とを同時に形成してもよく、この場合、上部電極１３１と遮光部１０７とが一体となるように形成してもよい。本実施の形態における面発光レーザでは、上部ＤＢＲ１０６上には上部電極１３１は形成されず遮光部１０７のみが形成される。このように、上部ＤＢＲ１０６の上に開口部１０８を有する遮光部１０７を形成することにより、開口部１０８より出射される光の発散角を広くすることができる。
【００９０】
本実施の形態における面発光レーザ素子は、矢印に示す方向に各々の面発光レーザごとに異なる波長λ１、λ２等のレーザ光を出射する。また、保護膜１２６となるＳｉＮは上部反射鏡としての機能を有するとともに、メサ構造を形成する際に側面において露出したＡｌを含む層を覆うため信頼性を向上させる機能を有している。
【００９１】
本実施の形態における面発光レーザ素子では、上部ＤＢＲ１０６は屈折率の異なる誘電体膜を積層形成することにより形成したものであるため、屈折率が異なる半導体材料を積層形成したものよりも屈折率差を大きくとることができる。これにより、上部ＤＢＲ１０６における積層数を減らすことができ、更には、上部ＤＢＲ１０６における光学的な厚さを薄く形成することができる。
【００９２】
また、本実施の形態における面発光レーザでは、上部電極１３１は、波長調整層１１０の下に形成されている各々の面発光レーザにおけるコンタクト層１２５上に形成されている。このため波長調整層１１０の厚さの影響を受けることなく、各々の面発光レーザに均等に電流を流すことができる。即ち、波長調整層の上に上部電極を形成し、波長調整層と直接接触させた場合には、接触させる材料が素子により異なるため、接触部分における抵抗が異なる場合や、波長調整層の厚さに依存して各々の面発光レーザに流すことのできる電流量等も変化する場合がある。よって、これらの場合には、各々の面発光レーザにおける電気的な特性及び発光特性も大きく異なってしまう。また、波長調整層の上にコンタクト層を形成し、その上に上部電極を形成した場合では、波長調整層を形成している各層の界面におけるバンド不連続により、電気抵抗が上昇してしまう。しかも界面の数が面発光レーザにより異なるため、面発光レーザにより抵抗値も異なってしまう。しかしながら、本実施の形態における面発光レーザ素子では、上部電極１３１は、波長調整層１１０の下に形成されたコンタクト層１２５に接続されているため、波長調整層１１０の厚さに依存することなく、各々の面発光レーザにおいて同じ位置に形成される。よって、各々の面発光レーザの電気的な特性を略均一にすることができるため、発光する波長に依存して特性が大きく異なることはない。
【００９３】
尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
【００９４】
〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第２の実施の形態と異なり、遮光部が誘電体材料からなるＤＢＲの下に設けられている構造のものである。本実施の形態における面発光レーザ素子について、図１２に基づき説明する。
【００９５】
図１２は、第２の実施の形態の図６における一点鎖線６Ａ−６Ｂに相当する部分において切断した断面図である。本実施の形態における面発光レーザ素子は、電流狭窄層１２３となるＡｌＡｓ層を選択酸化することにより、電流狭窄構造が形成されているものであり、発振波長が８９４．６ｎｍの面発光レーザである。
【００９６】
具体的には、３００μｍ角の半導体チップ（基板）に４つの面発光レーザ１１ａ、１２ａ等が形成されているものである。このように、本実施の形態における面発光レーザ素子では、狭い領域に複数の面発光レーザを形成することができるため、発光させる面発光レーザを切換えた場合であっても、発光位置は殆ど変わらない。従って、光軸調整等が不要または極めて容易となる。このため、基板１０１の大きさとしては、５００μｍ×５００μｍ以下の大きさであることが好ましい。
【００９７】
本実施の形態においては、基板１０１は、ｎ−ＧａＡｓ基板を用いている。また、下部ＤＢＲ１０２は、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層とｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とを各々の層の光学的な膜厚がλ／４となるように３５．５ペア積層することにより形成されている。
【００９８】
下部ＤＢＲ１０２の上には、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる下部スペーサ層１２１を介し、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層／ＧａＩｎＰＡｓ障壁層からなる活性層１０３が形成されている。また、活性層１０３上には、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる第１の上部スペーサ層１２２、ＡｌＡｓからなる電流狭窄層１２３、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる第２の上部スペーサ層１２４、ｐ−ＧａＡｓからなるコンタクト層１２５が順次積層することにより形成されている。
【００９９】
コンタクト層１２５上には、ＧａＡｓＰとＧａＩｎＰとを交互に積層形成することにより、第１の調整層１６１、第２の調整層１６２、第３の調整層１６３、第４の調整層１６４等からなる波長調整層１６０が形成されており、上述したように、各々の面発光レーザ１１ａ、１２ａ等に対応して、所定の領域の波長調整層１６０の一部が除去されている。尚、下部ＤＢＲ１０２、下部スペーサ層１２１、活性層１０３、第１の上部スペーサ層１２２、電流狭窄層１２３、第２の上部スペーサ層１２４、コンタクト層１２５、波長調整層１６０は、ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥにより半導体材料をエピタキシャル成長させることにより形成されている。
【０１００】
本実施の形態における面発光レーザ素子においては、各々の面発光レーザ１１ａ、１２ａ等はメサ構造となっており、このメサ構造は、形成される面発光レーザ間の半導体層をエッチングすることにより形成される。メサ構造を形成した後、水蒸気中で熱処理を行なうことにより、酸化されていない電流狭窄層１２３をメサ構造の周囲より酸化し、周辺部分の選択酸化領域（酸化されている領域）１２３ａと中心部分の酸化されていない電流狭窄領域１２３ｂとが形成される。つまり、電流狭窄層１２３においては、酸化された選択酸化領域１２３ａと、酸化されていない電流狭窄領域１２３ｂとにより電流狭窄構造が形成されている。尚、メサ構造の上部より見た形状は、円形となるように形成されたものであってもよく、また、楕円形、正方形、長方形等の形状となるように形成されたものであってもよい。
【０１０１】
また、半導体層の全体にはＳｉＮからなる保護膜１２６が形成されているが、コンタクト層１２５上において、波長調整層１６０及び上部電極１８１が形成される領域における保護膜１２６は除去されている。
【０１０２】
この後、ｐ側電極となる上部電極１８１を形成する。この上部電極１８１は、各々の面発光レーザに対応して各々形成されており、各々の上部電極１８１は、各々電極パッドと接続されている。上部電極１８１を形成する材料としては、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｃｒ／ＡｕＺｎ／Ａｕ等の積層された金属膜を用いることができる。具体的には、レジストパターンを形成した後、上述した積層された金属膜を成膜した後、有機溶剤等に浸漬されることにより、レジストパターンの上に形成されている金属膜を除去するリフトオフ法等により形成することができる。尚、この上部電極１８１は遮光機能を有しているものであり、よって、遮光部を兼ねている。
【０１０３】
また、各々の面発光レーザ１１ａ、１２ａ等に対応してエッチングにより除去された波長調整層１６０上には、ＴｉＯ２高屈折率層とＳｉＯ２低屈折率層とを各々の層の光学的な膜厚がλ／４となるように８．５ペア積層することにより、上部ＤＢＲ１７０が形成されている。尚、上部ＤＢＲ１７０は、誘電体材料であって、高屈折率材料と低屈折率材料とを積層して形成したものであればよく、具体的には、酸化物、窒化物、フッ化物等が挙げられる。高屈折率材料としては、ＴｉＯ２の他、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２等が挙げられる。また、低屈折率材料としては、ＳｉＯ２の他、ＭｇＦ２等が挙げられる。この際、誘電体材料からなる上部ＤＢＲ１７０は、図１２に示すように、遮光部を兼ねた上部電極１８１の上の一部にも形成されていてもよい。
【０１０４】
尚、本実施の形態における面発光レーザ素子では、波長調整層１６０は、各々の面発光レーザにおいてコンタクト層１２５が形成される領域よりも狭い領域に形成されている。即ち、コンタクト層１２５の表面の一部が露出するように、波長調整層１６０が形成されている。このように波長調整層１６０が形成されていない領域におけるコンタクト層１２５の上には、上部電極１８１が形成されている。また、本実施の形態においては、下部ＤＢＲ１０２と上部ＤＢＲ１７０との間に形成される活性層１０３及び波長調整層１６０等により共振器領域が形成される。また、活性層１０３とコンタクト層１２５との間に、屈折率の異なる半導体層を積層した数ペアのＤＢＲを形成してもよく、この場合にも、波長調整層１６０の効果を得ることができる。
【０１０５】
また、基板１０１の裏面には、ｎ側電極となる下部電極１３２が形成されており、メサ構造とメサ構造との間の溝は、ポリイミド１２７により埋められている。尚、本実施の形態における形態における面発光レーザ素子は、下部電極１３２が、基板１０１の裏面に形成された構造のみならず、イントラキャビティーコンタクト構造等のように、下部ＤＢＲ１０２と活性層１０３との間に、不図示のコンタクト層を形成し、この不図示のコンタクト層と接続するように、下部電極１３２を形成した構造であってもよい。
【０１０６】
本実施の形態における面発光レーザ素子は、矢印に示す方向に各々の面発光レーザ１１ａ、１２ａ等ごとに異なる波長λ１及びλ２等のレーザ光を出射する。また、保護膜１２６となるＳｉＮは、メサ構造を形成する際に側面において露出したＡｌを含む層を覆うため信頼性を向上させる機能を有している。
【０１０７】
本実施の形態における面発光レーザ素子では、遮光部を兼ねた上部電極１８１により、出射光の発散角を広くすることができる。図１３には、発散角（出射光の強度が１／ｅ２以上となる角度）の上部電極開口部面積依存性を示す。上部電極開口部の面積が３０μｍ２より小さい時、発散角が２０ｄｅｇより大きくなることがわかる。尚、上部電極開口部とは、上部電極１８１の内側に形成されている開口部である。
【０１０８】
上部ＤＢＲ１７０は、屈折率の異なる誘電体膜を積層形成することにより形成したものであるため、屈折率が異なる半導体材料を積層形成したものよりも屈折率差を大きくすることができる。これにより、上部ＤＢＲ１７０における積層数を減らすことができ、更には、上部ＤＢＲ１７０を薄く形成することができる。
【０１０９】
また、本実施の形態における面発光レーザ素子においては、コンタクト層１２５上には、上部電極１８１と波長調整層１６０とが形成されている。従って、波長調整層１６０の厚さの影響を受けることなく、各々の面発光レーザに均等に電流を流すことができる。即ち、波長調整層の上に上部電極を形成し、波長調整層と直接接触させた場合には、接触させる材料が素子により異なるため、接触部分における抵抗が異なる場合や、波長調整層の厚さに依存して各々の面発光レーザに流すことのできる電流量等も変化する場合がある。よって、これらの場合には、各々の面発光レーザにおける電気的な特性及び発光特性も大きく異なってしまう。また、波長調整層の上にコンタクト層を形成し、その上に上部電極を形成した場合では、波長調整層を形成している各層の界面におけるバンド不連続により、電気抵抗が上昇してしまう。しかも界面の数が面発光レーザにより異なるため、面発光レーザにより抵抗値も異なってしまう。しかしながら、本実施の形態における面発光レーザ素子では、上部電極１８１は、波長調整層１６０の下に形成されたコンタクト層１２５に接続されているため、これらのことを回避することができる。尚、本実施の形態では、上部ＤＢＲには誘電体を含み、半導体と誘電体との間に遮光部が設けられているため、上部ＤＢＲをすべて半導体とした特許文献６とは異なるものである。
【０１１０】
〔第４の実施の形態〕
次に、第４の実施の形態について説明する。図１４に基づき、本実施の形態における面発光レーザ素子について説明する。本実施の形態における面発光レーザ素子２００は、基板２０１上に８個の面発光レーザを有するものであり、各々異なる波長の光を出射するものである。
【０１１１】
具体的には、本実施の形態における面発光レーザ素子２００は、基板２０１上に第１の面発光レーザ２１１、第２の面発光レーザ２１２、第３の面発光レーザ２１３、第４の面発光レーザ２１４、第５の面発光レーザ２１５、第６の面発光レーザ２１６、第７の面発光レーザ２１７、第８の面発光レーザ２１８を有している。第１の面発光レーザ２１１から第８の面発光レーザ２１８は、各々電極パッドに接続されている。具体的には、第１の面発光レーザ２１１には電極パッド２２１が接続されており、第２の面発光レーザ２１２には電極パッド２２２が接続されており、第３の面発光レーザ２１３には電極パッド２２３が接続されており、第４の面発光レーザ２１４には電極パッド２２４が接続されており、第５の面発光レーザ２１５には電極パッド２２５が接続されており、第６の面発光レーザ２１６には電極パッド２２６が接続されており、第７の面発光レーザ２１７には電極パッド２２７が接続されており、第８の面発光レーザ２１８には電極パッド２２８が接続されている。
【０１１２】
また、第１の面発光レーザ２１１から第８の面発光レーザ２１８は、相互に波長が異なっている。即ち、第１の面発光レーザ２１１より出射される波長λ１、第２の面発光レーザ２１２より出射される波長λ２、第３の面発光レーザ２１３より出射される波長λ３、第４の面発光レーザ２１４より出射される波長λ４、第５の面発光レーザ２１５より出射される波長λ５、第６の面発光レーザ２１６より出射される波長λ６、第７の面発光レーザ２１７より出射される波長λ７、第８の面発光レーザ２１８より出射される波長λ８は、相互に異なる波長である。このように各々の面発光レーザにおいて異なる波長の光を出射させるために、第２の実施の形態と同様に波長調整層を設け、各々の面発光レーザごとに、波長調整層の厚さを変えて形成している。もちろん、波長調整層内の総数は増やしている。尚、電極バッド２２１から２２８の大きさは、各々約５０μｍ角であり、基板２０１は３００μｍ角の大きさの半導体チップである。
【０１１３】
本実施の形態における面発光レーザ素子では、より多くの波長より選択することができるため、歩留りをより向上させることができる。また、本実施の形態における面発光レーザ素子では、必要な波長に最も近い波長の素子のみならず、２番目に近い波長の素子を用いてもよく、それを予備の面発光レーザとして用いることで長寿命化させることができる。
【０１１４】
尚、上記以外の内容については、第２の実施の形態と同様である。
【０１１５】
〔第５の実施の形態〕
次に、第５の実施の形態について説明する。図１５に基づき、本実施の形態における面発光レーザ素子について説明する。本実施の形態における面発光レーザ素子３００は、基板３０１上に８個の面発光レーザを有するものであり、同じ波長を発光する面発光レーザが２個ずつ形成されているものである。
【０１１６】
具体的には、本実施の形態における面発光レーザ素子３００は、基板３０１上に第１の面発光レーザ３１１、第２の面発光レーザ３１２、第３の面発光レーザ３１３、第４の面発光レーザ３１４、第５の面発光レーザ３１５、第６の面発光レーザ３１６、第７の面発光レーザ３１７、第８の面発光レーザ３１８を有している。第１の面発光レーザ３１１から第８の面発光レーザ３１８は、各々電極パッドに接続されている。具体的には、第１の面発光レーザ３１１には電極パッド３２１が接続されており、第２の面発光レーザ３１２には電極パッド３２２が接続されており、第３の面発光レーザ３１３には電極パッド３２３が接続されており、第４の面発光レーザ３１４には電極パッド３２４が接続されており、第５の面発光レーザ３１５には電極パッド３２５が接続されており、第６の面発光レーザ３１６には電極パッド３２６が接続されており、第７の面発光レーザ３１７には電極パッド３２７が接続されており、第８の面発光レーザ３１８には電極パッド３２８が接続されている。
【０１１７】
また、第１の面発光レーザ３１１から第８の面発光レーザ３１８は、同じ波長のものが２個ずつとなるように形成されている。具体的には、第１の面発光レーザ３１１及び第２の面発光レーザ３１２より出射される光は同じ波長λ１、第３の面発光レーザ３１３及び第４の面発光レーザ３１４より出射される光は同じ波長λ２、第５の面発光レーザ３１５及び第６の面発光レーザ３１６より出射される光は同じ波長λ３、第７の面発光レーザ３１７及び第８の面発光レーザ３１８より出射される光は同じ波長λ４であり、波長λ１からλ４は、相互に異なる波長である。このように各々の面発光レーザにおいて異なる波長の光を出射させるために、第２の実施の形態と同様に波長調整層を設け、各々の面発光レーザごとに、波長調整層の厚さを変えて形成している。尚、電極バッド３２１から３２８の大きさは、各々約５０μｍ角であり、基板３０１は３００μｍ角の大きさの半導体チップである。
【０１１８】
本実施の形態における面発光レーザ素子では、同じ波長の光を発光する面発光レーザが２個ずつ存在しているため、不良や故障等により、同じ波長の光を出射する面発光レーザのうち、一方が発光しなくなったとしても他方を用いることができる。よって、面発光レーザ素子の寿命を長寿命にすることができるとともに、歩留りをより向上させることができる。また、本実施の形態における面発光レーザ素子では、必要な波長に最も近い波長の素子のみならず、２番目に近い波長の素子を用いてもよく、それを予備の面発光レーザとして用いることで長寿命化させることができる。
【０１１９】
尚、上記以外の内容については、第２の実施の形態と同様である。
【０１２０】
〔第６の実施の形態〕
次に、第６の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１から第５の実施の形態における面発光レーザ素子を用いた原子発振器である。図１６に基づき本実施の形態における原子発振器について説明する。本実施の形態における原子発振器は、ＣＰＴ方式の小型原子発振器であり、光源４１０、コリメートレンズ４２０、λ／４板４３０、アルカリ金属セル４４０、光検出器４５０、変調器４６０を有している。
【０１２１】
光源４１０は、第１から第５の実施の形態における面発光レーザ素子が用いられている。アルカリ金属セル４４０には、アルカリ金属としてＣｓ（セシウム）原子ガスが封入されており、Ｄ１ラインの遷移を用いるものである。光検出器４５０は、フォトダイオードが用いられている。
【０１２２】
本実施の形態における原子発振器では、光源４１０より出射された光をセシウム原子ガスが封入されたアルカリ金属セル４４０に照射し、セシウム原子における電子を励起する。アルカリ金属セル４４０を透過した光は光検出器４５０において検出され、光検出器４５０において検出された信号は変調器４６０にフィードバックされ、変調器４６０により光源４１０における面発光レーザ素子を変調する。
【０１２３】
尚、第１から第５の実施の形態における面発光レーザ素子は、広い発散角、例えば、２０°以上、更には、３０°以上の発散角の光を出射するものであるため、光源４１０とコリメートレンズ４２０との距離Ｘａを短くすることができ、原子発振器をより小型にすることができる。
【０１２４】
図１７に基づき、本実施の形態における原子発振器について、より具体的に説明すると、本実施の形態における原子発振器は、回路基板４７１上に縦方向に形成されている。回路基板４７１上には、アルミナ基板４７２が設けられており、アルミナ基板４７２上には光源４１０となる第１から第５の実施の形態における面発光レーザ素子が設置されている。尚、アルミナ基板４７２は、光源４１０の温度等を制御するための面発光レーザ用ヒータ４７３が設けられている。光源４１０の上方には、ＮＤ（Neutral Density）フィルタ４７４が設けられている。ＮＤフィルタ４７４は、ガラス等により形成された断熱スペーサ４７５により所定の位置に設置されている。ＮＤフィルタ４７４の上部にはコリメートレンズ４２０が設けられており、コリメータレンズの上方には、λ／４板４３０が設けられている。λ／４板４３０はシリコン等により形成されたスペーサ４７６により所定の位置に設置されている。λ／４板４３０の上には、アルカリ金属セル４４０が設けられている。アルカリ金属セル４４０は、２枚のガラス基板４４１を有しており、２枚のガラス基板４４１が対向している状態で、縁の部分がシリコン基板４４２により接続されており、ガラス基板４４１とシリコン基板４４２に囲まれた部分には、アルカリ金属が封入されている。尚、アルカリ金属セル４４０において、レーザ光が透過する面がガラス基板４４１により形成されている。アルカリ金属セル４４０の両側には、セル用ヒータ４７７が設けられており、アルカリ金属セル４４０を所定の温度に設定することができる。アルカリ金属セル４４０の上方には、光検出器４５０が設けられており、光検出器４５０はシリコンからなるスペーサ４７８により所定の位置に設置されている。
【０１２５】
次に、図１８に、ＣＰＴに関連する原子エネルギー準位の構造を示す。二つの基底準位から励起準位に電子が同時に励起されると光の吸収率が低下することを利用する。面発光レーザは搬送波波長が８９４．６ｎｍに近い素子を用いている。搬送波の波長は面発光レーザの温度、もしくは出力を変化させてチューニングすることができる。図１９に示すように、変調をかけることで搬送波の両側にサイドバンドが発生し、その周波数差がＣｓ原子の固有振動数である９．２ＧＨｚに一致するように４．６ＧＨｚで変調させている。図２０に示すように、励起されたＣｓガスを通過するレーザ光はサイドバンド周波数差がＣｓ原子の固有周波数差に一致した時に最大となるので、光検出器４５０の出力が最大値を保持するように変調器４６０においてフィードバックして光源４１０における面発光レーザ素子の変調周波数を調整する。原子の固有振動数が極めて安定なので変調周波数は安定した値となり、この情報がアウトプットとして取り出される。尚、波長が８９４．６ｎｍの場合では、±１ｎｍ（より好ましくは、±０．３ｎｍ）の範囲の波長が必要となる。
【０１２６】
本実施の形態における原子発振器は、第１から第５の実施の形態における面発光レーザ素子を用いることにより、原子発振器を小型にすることができる。また、第２から第５の実施の形態における面発光レーザ素子を用いることにより、原子発振器を低コストで作製し提供することができる。また、更に、第４の実施の形態及び第５の実施の形態における面発光レーザ素子を用いることにより、より長寿命の原子発振器を提供することができる。
【０１２７】
また、本実施例ではアルカリ金属としてＣｓを用い、そのＤ１ラインの遷移を用いるために波長が８９４．６ｎｍの面発光レーザを用いたが、ＣｓのＤ２ラインを利用する場合８５２．３ｎｍを用いることもできる。また、アルカリ金属としてＲｂ（ルビジウム）を用いることもでき、Ｄ１ラインを利用する場合は７９５．０ｎｍ、Ｄ２ラインを利用する場合は７８０．２ｎｍを用いることができる。活性層の材料組成などは波長に応じて設計することができる。また、Ｒｂを用いる場合の変調周波数は、８７Ｒｂでは３．４ＧＨｚ、８５Ｒｂでは１．５ＧＨｚで変調させる。尚、これらの波長においても、±１ｎｍの範囲の波長が必要となる。
【０１２８】
以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。また、本発明の実施に係る形態では、面発光レーザ素子を原子発振器に用いた場合について説明したが、第２から第５の実施の形態における面発光レーザ素子は、ガスセンサー等の所定の波長の光が必要な他の装置等に用いることができる。この場合、これらの装置等においても、用途に応じた所定の波長の面発光レーザ光を用いることにより、同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【０１２９】
１０        面発光レーザ素子
１１        面発光レーザ
１２        面発光レーザ
１３        面発光レーザ
１４        面発光レーザ
２１        電極パッド
２２        電極パッド
２３        電極パッド
２４        電極パッド
１０１      基板
１０２      下部ＤＢＲ
１０３      活性層
１０５      コンタクト層
１０６      上部ＤＢＲ
１０７      遮光部
１０８      開口部
１１０      波長調整層
１２３ａ    選択酸化領域
１２３ｂ    電流狭窄領域
１３１      上部電極
１３２      下部電極
４１０      光源
４２０      コリメートレンズ
４３０      λ／４板
４４０      アルカリ金属セル
４５０      光検出器
４６０      変調器
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１３０】
【特許文献１】特開２００８−５３３５３号公報
【特許文献２】特開２０００−５８９５８号公報
【特許文献３】特開平１１−３３０６３１号公報
【特許文献４】特開２００８−２８３１２９号公報
【特許文献５】特開２００９−１８８５９８号公報
【特許文献６】特開２００２−２０８７５５号公報
【特許文献７】特許２７５１８１４号公報
【非特許文献】
【０１３１】
【非特許文献１】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８５，ｐｐ．１４６０−１４６２ （２００４）．
【非特許文献２】Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ， ｖｏｌ．３，ｐｐ．５７１−６１２
【非特許文献３】Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ  Ｎｏｌ．６１３２ ６１３２０８−１（２００６）
【図１】
2013243329.tif 000003
【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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