(57)【要約】【課題】発光強度の低下を低減して、信頼性を高めることができる面発光レーザーを提供する。【解決手段】面発光レーザー１００は、基板１０と、基板１０の上方に設けられた積層体２と、を含み、積層体２は、基板１０の上方に設けられた第１ミラー層２０、第１ミラー層２０の上方に設けられた活性層３０、および、活性層３０の上方に設けられた第２ミラー層４０を含み、第１ミラー層２０の最上層２８の表面粗さＲａは、０．４５ｎｍ以上、１．０ｎｍ以下である。【選択図】図１
2016086140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上方に設けられた積層体と、
を含み、
前記積層体は、前記基板の上方に設けられた第１ミラー層、前記第１ミラー層の上方に設けられた活性層、および、前記活性層の上方に設けられた第２ミラー層を含み、
前記第１ミラー層の最上層の表面粗さＲａは、０．４５ｎｍ以上、１．０ｎｍ以下である、ことを特徴とする面発光レーザー。
【請求項２】
前記第１ミラー層は、
ＡｌＧａＡｓからなる第１層と、前記第１層よりもＡｌ組成の低いＡｌＧａＡｓからなる第２層と、からなる、ことを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザー。
【請求項３】
前記第１層にドーピングされている炭素濃度は、７．５×１０１７ｃｍ−３以上、２．０×１０１８ｃｍ−３以下である、ことを特徴とする請求項２に記載の面発光レーザー。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の面発光レーザーを含む、原子発振器。
【請求項５】
基板の上方に第１ミラー層を形成する工程と、
前記第１ミラー層の上方に活性層を形成する工程と、
前記活性層の上方に第２ミラー層を形成する工程と、
前記第１ミラー層、前記活性層、および前記第２ミラー層をパターニングして、積層体を形成する工程と、
を含み、
前記第１ミラー層を形成する工程では、前記第１ミラー層にドーピングされる炭素濃度を制御することにより、前記第１ミラー層の最上層の表面粗さＲａを０．４５ｎｍ以上、１．０ｎｍ以下に制御する、ことを特徴とする面発光レーザーの製造方法。
【請求項６】
前記第１ミラー層は、ＡｌＧａＡｓからなる第１層と、前記第１層よりもＡｌ組成の低いＡｌＧａＡｓからなる第２層と、からなる、ことを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザーの製造方法。
【請求項７】
前記第１ミラー層を形成する工程では、前記第１層にドーピングされる炭素濃度を７．５×１０１７ｃｍ−３以上、２．０×１０１８ｃｍ−３以下とする、ことを特徴とする請求項６に記載の面発光レーザーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光レーザー、原子発振器、および面発光レーザーの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）は、例えば、量子干渉効果のひとつであるＣＰＴ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ  Ｔｒａｐｐｉｎｇ）を利用した原子発振器の光源として用いられる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、第１の分布ブラッグリフレクタと、第２の分布ブラッグリフレクタと、第１の分布ブラッグリフレクタと第２の分布ブラッグリフレクタとの間に設けられた活性層を備えた面発光レーザーが開示されている。特許文献１の面発光レーザーでは、第１及び第２の分布ブラッグリフレクタ（ＤＢＲ）のうちの少なくとも一方が、ＡｌＧａＡｓからなる第１層と、第１層よりもＡｌ組成の低いＡｌＧａＡｓからなる第２層と、を有し、第１層における炭素濃度を１×１０１８ｃｍ−３以下とすることで、発光強度の低下を抑制している。面発光レーザーにおいて、発光強度の低下を抑制することは重要な問題であり、発光強度の低下が低減された、信頼性の高い面発光レーザーが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２８９９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、上述した特許文献１では、ＤＢＲのＡｌＧａＡｓ層の炭素濃度と、エージング特性と、の相関を求めて、発光強度の低下が抑制された面発光レーザーを見出したことが記載されている。これに対して、本発明者は、ｎ−ＤＢＲの表面粗さＲａと、エージング特性と、の相関に着目し、本発明を為すに至った。
【０００６】
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、発光強度の低下を低減して、信頼性を高めることができる面発光レーザー、およびその製造方法を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記の面発光レーザーを含む原子発振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る面発光レーザーは、
基板と、
前記基板の上方に設けられた積層体と、
を含み、
前記積層体は、前記基板の上方に設けられた第１ミラー層、前記第１ミラー層の上方に設けられた活性層、および、前記活性層の上方に設けられた第２ミラー層を含み、
前記第１ミラー層の最上層の表面粗さＲａは、０．４５ｎｍ以上、１．０ｎｍ以下である。
【０００８】
このような面発光レーザーでは、第１ミラー層の最上層の表面粗さＲａが０．４５ｎｍ以上、１．０ｎｍ以下であるため、後述するように、発光強度の低下を低減することができ、信頼性を高めることができる。
【０００９】
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下、「Ａ」という）の「上方」に他の特定のもの（以下、「Ｂ」という）を形成する」などと用いる場合に、Ａ上に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ上に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。
【００１０】
本発明に係る面発光レーザーにおいて、
前記第１ミラー層は、
ＡｌＧａＡｓからなる第１層と、前記第１層よりもＡｌ組成の低いＡｌＧａＡｓからなる第２層と、からなっていてもよい。
【００１１】
このような面発光レーザーでは、発光強度の低下を低減することができ、信頼性を高めることができる。
【００１２】
本発明に係る面発光レーザーにおいて、
前記第１層にドーピングされている炭素濃度は、７．５×１０１７ｃｍ−３以上、２．０×１０１８ｃｍ−３以下であってもよい。
【００１３】
このような面発光レーザーでは、第１層にドーピングされている炭素濃度は、７．５×１０１７ｃｍ−３以上、２．０×１０１８ｃｍ−３以下であるため、後述するように、発光強度の低下を低減することができ、信頼性を高めることができる。
【００１４】
本発明に係る原子発振器は、
本発明に係る面発光レーザーを含む。
【００１５】
このような原子発振器では、発光強度の低下を低減して信頼性を高めることができる面発光レーザーを含むことができる。
【００１６】
本発明に係る面発光レーザーの製造方法は、
基板の上方に第１ミラー層を形成する工程と、
前記第１ミラー層の上方に活性層を形成する工程と、
前記活性層の上方に第２ミラー層を形成する工程と、
前記第１ミラー層、前記活性層、および前記第２ミラー層をパターニングして、積層体を形成する工程と、
を含み、
前記第１ミラー層を形成する工程では、前記第１ミラー層にドーピングされる炭素濃度を制御することにより、前記第１ミラー層の最上層の表面粗さＲａを０．４５ｎｍ以上、１．０ｎｍ以下に制御する。
【００１７】
このような面発光レーザーの製造方法では、第１ミラー層を形成する工程では、第１ミラー層にドーピングされる炭素濃度を制御することにより、第１ミラー層の最上層の表面粗さＲａを０．４５ｎｍ以上、１．０ｎｍ以下に制御するため、発光強度の低下を低減することができ、信頼性の高い面発光レーザーを得ることができる。
【００１８】
本発明に係る面発光レーザーの製造方法において、
前記第１ミラー層は、ＡｌＧａＡｓからなる第１層と、前記第１層よりもＡｌ組成の低いＡｌＧａＡｓからなる第２層と、からなってもよい。
【００１９】
このような面発光レーザーの製造方法では、発光強度の低下を低減することができ、信頼性の高い面発光レーザーを得ることができる。
【００２０】
本発明に係る面発光レーザーの製造方法において、
前記第１ミラー層を形成する工程では、前記第１層にドーピングされる炭素濃度を７．５×１０１７ｃｍ−３以上、２．０×１０１８ｃｍ−３以下としてもよい。
【００２１】
このような面発光レーザーの製造方法では、発光強度の低下を低減することができ、信頼性の高い面発光レーザーを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態に係る面発光レーザーを模式的に示す断面図。
【図２】本実施形態に係る面発光レーザーの製造方法の一例を示すフローチャート。
【図３】本実施形態に係る面発光レーザーの製造工程を模式的に示す断面図。
【図４】本実施形態に係る面発光レーザーの製造工程を模式的に示す断面図。
【図５】本実施形態に係る面発光レーザーの製造工程を模式的に示す断面図。
【図６】本実験例の面発光レーザー（Ａ）のレーザーエージング特性を示すグラフ。
【図７】本実験例の面発光レーザー（Ｂ）のレーザーエージング特性を示すグラフ。
【図８】本実験例の面発光レーザー（Ｃ）のレーザーエージング特性を示すグラフ。
【図９】本実験例の面発光レーザー（Ｄ）のレーザーエージング特性を示すグラフ。
【図１０】本実験例の面発光レーザー（Ｆ）のレーザーエージング特性を示すグラフ。
【図１１】本実験例における、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の炭素濃度と、第１ミラー層の最表面の表面粗さＲａと、の相関を示すグラフ。
【図１２】本実施形態に係る原子発振器を示す機能ブロック図。
【図１３】共鳴光の周波数スペクトラムを示す図。
【図１４】アルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと第１側帯波および第２側帯波の関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００２４】
１．  面発光レーザー
まず、本実施形態に係る面発光レーザーについて、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る面発光レーザー１００を模式的に示す断面図である。
【００２５】
面発光レーザー１００は、図１に示すように、基板１０と、第１ミラー層２０と、活性層３０と、第２ミラー層４０と、電流狭窄層４２と、コンタクト層５０と、絶縁層６０と、第１電極７０と、第２電極７２と、を含む。
【００２６】
基板１０としては、例えば、ｎ型のＧａＡｓ基板などを用いることができる。
【００２７】
第１ミラー層２０は、基板１０上に形成されている。第１ミラー層２０は、ｎ型の半導体層である。第１ミラー層２０は、低屈折率の高Ａｌ組成層（第１層）２４と高屈折率の低Ａｌ組成層（第２層）２６とを交互に積層した分布ブラッグ反射型（ＤＢＲミラー）である。高Ａｌ組成層２４は、ＡｌＧａＡｓからなる層であり、低Ａｌ組成層２６は、高Ａｌ組成層２４よりもＡｌ組成の低いＡｌＧａＡｓからなる層である。高Ａｌ組成層２４および低Ａｌ組成層２６には、Ｓｉがドープされている。高Ａｌ組成層２４は、例えば、Ｓｉがドープされたｎ型のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなる層であり、低Ａｌ組成層２６は、例えば、Ｓｉがドープされたｎ型のＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓからなる層である。高Ａｌ組成層２４と低Ａｌ組成層２６との積層数（ペア数）は、例えば１０ペア以上５０ペア以下であり、例えば４０．５ペアである。
【００２８】
高Ａｌ組成層２４には、炭素（Ｃ）がドーピングされている。高Ａｌ組成層２４にドーピングされている炭素濃度は、７．５×１０１７ｃｍ−３以上、２．０×１０１８ｃｍ−３以下である。より好ましくは、高Ａｌ組成層２４にドーピングされている炭素濃度は、１．３×１０１８ｃｍ−３以上、１．８×１０１８ｃｍ−３以下である。
【００２９】
第１ミラー層２０の最上層２８の表面粗さＲａは、０．４５ｎｍ以上、１．０ｎｍ以下である。好ましくは、第１ミラー層２０の最上層２８の表面粗さＲａは、０．４５ｎｍ以上、０．９３ｎｍ以下であり、より好ましくは０．４５ｎｍ以上、０．４７ｎｍ以下である。ここで、第１ミラー層２０の最上層２８は、例えば、第１ミラー層２０を構成している複数の高ＡｌＧａＡｓ層２４および複数の低ＡｌＧａＡｓ層２６のうち、最も活性層３０側に位置する層であり、図示の例では、第１ミラー層２０の最上層２８の表面（上面）に活性層３０が形成されている。
【００３０】
なお、粗さ（算術平均粗さ）Ｒａとは、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さｌだけを抜き取り、この抜取り部分の平均線の方向にＸ軸を、縦倍率の方向にＹ軸を取り、粗さ曲線をｙ＝ｆ（ｘ）で表したときに、次の式によって求められる値を表したものをいう。
【００３１】
【数１】
2016086140.tif 000003
【００３２】
高Ａｌ組成層２４にドーピングされている炭素濃度と、第１ミラー層２０の最上層２８の表面粗さＲａとは、相関がある。この相関については後述する「３．実験例」で説明する。
【００３３】
活性層３０は、第１ミラー層２０上に設けられている。活性層３０は、例えば、ｉ型のＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ａｓ層とｉ型のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層とから構成される量子井戸構造を３層重ねた多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。
【００３４】
第２ミラー層４０は、活性層３０上に形成されている。第２ミラー層４０は、ｐ型の半導体層である。第２ミラー層４０は、低屈折率の高Ａｌ組成層４４と高屈折率の低Ａｌ組成層４６とを交互に積層した分布ブラッグ反射型（ＤＢＲミラー）である。高Ａｌ組成層４４は、ＡｌＧａＡｓからなる層であり、低Ａｌ組成層４６は、高Ａｌ組成層２４よりもＡｌ組成の低いＡｌＧａＡｓからなる層である。高Ａｌ組成層４４は、例えば、炭素がドープされたｐ型のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層である。低Ａｌ組成層４６は、例えば、炭素がドープされたｐ型のＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層である。高Ａｌ組成層４４と低Ａｌ組成層４６との積層数（ペア数）は、例えば３ペア以上４０ペア以下であり、例えば２０ペアである。
【００３５】
第２ミラー層４０、活性層３０、および第１ミラー層２０は、垂直共振器型のｐｉｎダイオードを構成している。電極７０，７２間にｐｉｎダイオードの順方向の電圧を印加すると、活性層３０において電子と正孔との再結合が起こり、発光が生じる。活性層３０で発生した光は、第１ミラー層２０と第２ミラー層４０との間を往復し（多重反射し）、その際に誘導放出が起こって、強度が増幅される。そして、光利得が光損失を上回ると、レーザー発振が起こり、コンタクト層５０の上面から、垂直方向に（第１ミラー層２０と活性層３０との積層方向に）レーザー光が射出する。
【００３６】
電流狭窄層４２は、第１ミラー層２０と第２ミラー層４０との間に設けられている。図示の例では、電流狭窄層４２は、活性層３０上に設けられている。電流狭窄層４２は、第１ミラー層２０または第２ミラー層４０の内部に設けることもできる。電流狭窄層４２は、開口部４３が形成された絶縁層である。電流狭窄層４２は、電極７０，７２によって垂直共振器に注入される電流が平面方向（第１ミラー層２０と活性層３０との積層方向と直交する方向）に広がることを防ぐことができる。
【００３７】
コンタクト層５０は、第２ミラー層４０上に設けられている。コンタクト層５０は、ｐ型の半導体層である。コンタクト層５０は、例えば、炭素がドープされたｐ型のＧａＡｓ層である。
【００３８】
第１ミラー層２０の一部、活性層３０、第２ミラー層４０、電流狭窄層４２、コンタクト層５０は、柱状の積層体２を構成している。図１に示す例では、積層体２は、絶縁層６０によって囲まれている。積層体２の平面形状は、例えば、円である。
【００３９】
絶縁層６０は、第１ミラー層２０上に設けられている。絶縁層６０は、積層体２の少なくとも側面に設けられている。絶縁層６０は、積層体２を取り囲むように形成されている。絶縁層６０は、第２電極７２と第１ミラー層２０とを電気的に分離させることができる。絶縁層６０の材質は、絶縁材料であれば特に限定されず、例えば、ポリイミド等の樹脂である。
【００４０】
第１電極７０は、基板１０の下面（基板１０の、第１ミラー層２０が形成された面とは反対側の面）に形成されている。第１電極７０は、基板１０とオーミックコンタクトしている。第１電極７０は、基板１０を介して第１ミラー層２０と電気的に接続されている。なお、第１電極７０は、第１ミラー層２０上に形成されていてもよい。第１電極７０は、活性層３０に電流を注入するための一方の電極である。
【００４１】
第２電極７２は、コンタクト層５０上（積層体２上）に設けられている。第２電極７２は、コンタクト層５０とオーミックコンタクトしている。図示の例では、第２電極７２は、さらに、絶縁層６０上に形成されている。第２電極７２は、コンタクト層５０を介して第２ミラー層４０と電気的に接続されている。第２電極７２は、活性層３０に電流を注入するための他方の電極である。第２電極７２は、積層体２上に開口部を有する。該開口部によって、コンタクト層５０の上面に第２電極７２が設けられていない領域が形成される。この領域が、レーザー光の出射面となる。出射面の平面形状は、例えば、円形である。
【００４２】
面発光レーザー１００は、例えば、ＣＰＴ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ  Ｔｒａｐｐｉｎｇ）を利用した原子発振器の光源や、照明装置等として用いられる。
【００４３】
面発光レーザー１００は、例えば、以下の特徴を有する。
【００４４】
面発光レーザー１００では、第１ミラー層２０の最上層２８の表面粗さＲａは、０．４５ｎｍ以上、１．０ｎｍ以下である。これにより、第１ミラー層２０上に形成される活性層３０を結晶欠陥が少ない良好な層とすることができ、駆動時の電流、熱、および絶縁層６０等からの歪に起因した転位網の発生を抑制し、発光強度の低下を低減することができる（後述する「３．実験例」参照）。したがって、面発光レーザー１００では、発光強度の低下を低減することができ、信頼性を高めることができる。
【００４５】
面発光レーザー１００では、高Ａｌ組成層２４にドーピングされている炭素濃度は、７．５×１０１７ｃｍ−３以上、２．０×１０１８ｃｍ−３以下である。これにより、十分なｎ型キャリア濃度を得ることができ、かつ、発光強度の低下を低減することができる（後述する「３．実験例」参照）。ｎ型ＡｌＧａＡｓ半導体には、ドナーとして働くシリコン元素がドーピングされるが、炭素はアクセプタとして働くためｎ型キャリア濃度を補償してしまう。炭素濃度が高くなると十分なｎ型キャリア濃度を得るためにはより高濃度のシリコンをドープする必要があるが、高濃度のシリコンをドープするとＤＸセンターが形成され光出力を低下させてしまう。これに対して、面発光レーザー１００では、高Ａｌ組成層２４にドーピングされる炭素濃度を、７．５×１０１７ｃｍ−３以上、２．０×１０１８ｃｍ−３以下とすることで、このような問題を生じさせることなく、十分なｎ型キャリア濃度を得ることができ、かつ、発光強度の低下を低減することができる。したがって、面発光レーザー１００では、発光強度の低下を低減することができ、信頼性を高めることができる。
【００４６】
２．  面発光レーザーの製造方法
次に、本実施形態に係る面発光レーザーの製造方法について、図面を参照しながら説明する。図２は、本実施形態に係る面発光レーザーの製造方法の一例を示すフローチャートである。図３〜図５は、本実施形態に係る面発光レーザー１００の製造工程を模式的に示す断面図である。
【００４７】
図３に示すように、基板１０上に、第１ミラー層２０を形成する（ステップＳ１０）。第１ミラー層２０は、基板１０上に、高Ａｌ組成層２４と低Ａｌ組成層２６とを交互にエピタキシャル成長させて積層することにより形成される。エピタキシャル成長させる方法としては、例えば、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法が挙げられる。
【００４８】
ここで、第１ミラー層２０を形成する工程では、第１ミラー層２０の高Ａｌ組成層２４にドーピングされる炭素濃度を制御することにより、第１ミラー層２０の最上層２８の表面粗さＲａを０．４５ｎｍ以上、１．０ｎｍ以下に制御する。例えば、高Ａｌ組成層２４にドーピングされる炭素濃度を７．５×１０１７ｃｍ−３以上、２．０×１０１８ｃｍ−３以下とすることにより、第１ミラー層２０の最上層２８の表面粗さＲａを０．４５ｎｍ以上、１．０ｎｍ以下に制御する。
【００４９】
より好ましくは、第１ミラー層２０を形成する工程では、高Ａｌ組成層２４にドーピングされる炭素濃度を１．３×１０１８ｃｍ−３以上、１．８×１０１８ｃｍ−３以下とすることにより、第１ミラー層２０の最上層２８の表面粗さＲａを０．４７ｎｍ以上０．４５ｎｍ以下に制御する。
【００５０】
ＡｌＧａＡｓ半導体では、結晶成長時のＶ族元素（Ａｓ）とＩＩＩ族元素（ＧａとＡｌ）のモル比（すなわちＶ／ＩＩＩ比）と、ドーピングされる炭素濃度との間には、相関がある。また、後述するように、高Ａｌ組成層２４にドーピングされる炭素濃度と第１ミラー層２０の最上層２８の表面粗さＲａには、相関がある。したがって、本工程では、高Ａｌ組成層２４の結晶成長時のＶ／ＩＩＩ比を制御することによって、高Ａｌ組成層２４にドーピングされる炭素濃度を制御して、第１ミラー層２０の最上層の表面粗さＲａを所望の値とする。
【００５１】
なお、ここでは、高Ａｌ組成層２４の結晶成長時のＶ／ＩＩＩ比を制御することにより、ドーピングされる炭素濃度を制御する場合について説明したが、高Ａｌ組成層２４の結晶成長時の温度を制御することによってドーピングされる炭素濃度を制御してもよい。また、例えば、高Ａｌ組成層２４の結晶成長の速度を制御することによって、ドーピングされる炭素濃度を制御してもよい。
【００５２】
図４に示すように、第１ミラー層２０上に、活性層３０、酸化されて電流狭窄層４２となる被酸化層４２ａ、第２ミラー層４０、およびコンタクト層５０を、この順で形成する（ステップＳ１２、ステップＳ１４、ステップＳ１６）。活性層３０、被酸化層４２ａ、第２ミラー層４０、およびコンタクト層５０は、例えば、第１ミラー層２０と同様に、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法等を用いたエピタキシャル成長により形成される。
【００５３】
図５に示すように、コンタクト層５０、第２ミラー層４０、被酸化層４２ａ、活性層３０、および第１ミラー層２０をパターニングして、積層体２を形成する（ステップＳ１８）。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィーおよびエッチングによって行われる。
【００５４】
次に、被酸化層４２ａを酸化して、電流狭窄層４２を形成する（ステップＳ２０）。被酸化層４２ａは、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ≧０．９５）層である。例えば、４００℃程度の水蒸気雰囲気中に、積層体２が形成された基板１０を投入することにより、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ≧０．９５）層を側面から酸化して、電流狭窄層４２を形成する。
【００５５】
図１に示すように、積層体２を取り囲むように絶縁層６０を形成する（ステップＳ２２）。絶縁層６０は、例えば、スピンコート法等を用いて第１ミラー層２０の上面および積層体２の全面にポリイミド樹脂等からなる層を形成し、該層をパターニングすることにより形成される。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィーおよびエッチングによって行われる。次に、絶縁層６０を加熱処理（キュア）することにより硬化させる。
【００５６】
次に、基板１０の下面に第１電極７０を形成し、コンタクト層５０上および絶縁層６０上に第２電極７２を形成する（ステップＳ２４）。電極７０，７２は、例えば、真空蒸着法等により形成される。
【００５７】
以上の工程により、面発光レーザー１００を製造することができる。
【００５８】
本実施形態に係る面発光レーザーの製造方法は、例えば、以下の特徴を有する。
【００５９】
本実施形態に係る面発光レーザーの製造方法では、第１ミラー層２０を形成する工程（ステップＳ１０）では、第１ミラー層２０にドーピングされる炭素濃度を制御することにより、第１ミラー層２０の最上層２８の表面粗さＲａを０．４５ｎｍ以上、１．０ｎｍ以下に制御する。これにより、発光強度の低下を低減することができ、信頼性の高い面発光レーザーを得ることができる（後述する「３．実験例」参照）。
【００６０】
本実施形態に係る面発光レーザーの製造方法では、第１ミラー層２０を形成する工程（ステップＳ１０）では、高Ａｌ組成層２４にドーピングされる炭素濃度を７．５×１０１７ｃｍ−３以上、２．０×１０１８ｃｍ−３以下とする。これにより、第１ミラー層２０の最上層２８の表面粗さＲａを０．４５ｎｍ以上、１．０ｎｍ以下に制御することができる。したがって、発光強度の低下を低減することができ、信頼性の高い面発光レーザーを得ることができる（後述する「３．実験例」参照）。
【００６１】
なお、第１ミラー層２０の最上層２８の表面粗さＲａと高Ａｌ組成層２４にドーピングされる炭素濃度との間に相関があるため、第１ミラー層２０を形成する工程（ステップＳ１０）において、第１ミラー層２０の最上層２８の表面粗さＲａを指標として、結晶成長時のＶ／ＩＩＩ比を決定してもよい。これにより、例えば、第１ミラー層２０を形成する際にＶ／ＩＩＩ比が変動して高Ａｌ組成層２４にドーピングされる炭素濃度が所望の濃度からずれてしまい、レーザー特性が悪化してしまうことを防ぐことができる。したがって、安定した品質の面発光レーザーを提供することができる。
【００６２】
３．  実験例
以下、本発明を実験例により具体的に説明するが、本発明は下記の実験例により限定されるものではない。
【００６３】
本実験例で用いる面発光レーザーの構成は、上述した図１に示す面発光レーザーと同様である。本実験例では、第１ミラー層を構成する高Ａｌ組成層として、Ｓｉがドープされたｎ型のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなる層（Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層）を用いた。また、第１ミラー層を構成する低Ａｌ組成層として、Ｓｉがドープされたｎ型のＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓからなる層（Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層）を用いた。Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層との積層数（ペア数）は、４０．５ペアである。
【００６４】
本実験例では、第１ミラー層を構成するＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層にドーピングされる炭素濃度を、下記表１に示す値として、タイプＡ〜Ｉの面発光レーザーを作製した。
【００６５】
具体的には、基板上に、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層を交互に積層して第１ミラー層を形成する際に、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層を成長させるときのＶ族元素（Ａｓ）とＩＩＩ族元素（ＧａとＡｌ）のモル比を制御して、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の炭素濃度を以下の表１に示す値として、タイプＡ〜Ｉの面発光レーザーを作製した。表１に示すＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の炭素濃度は、二次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）により測定した。なお、タイプＡ〜Ｉにおいて、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の炭素濃度以外の条件は同じである。
【００６６】
このようにして作製されたタイプＡ〜Ｉの面発光レーザーについて、第１ミラー層の最表面の表面粗さＲａ、第１ミラー層のキャリア濃度、およびレーザーエージング特性を評価した。その結果を、表１に示す。
【００６７】
なお、第１ミラー層の最表面の表面粗さＲａは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により測定した。また、第１ミラー層のキャリア濃度は、面発光レーザーが所定の駆動電圧で動作（発振）したか否かで評価した。
【００６８】
また、レーザーエージング特性は、所定の温度条件、所定の駆動条件で各面発光レーザーを動作させてエージング時間に対する光出力の変化率をモニターすることで評価した。評価は、同じタイプの面発光レーザーを複数用いて行った。
【００６９】
図６は、タイプＡのレーザーエージング特性を示すグラフである。図７は、タイプＢのレーザーエージング特性を示すグラフである。図８は、タイプＣのレーザーエージング特性を示すグラフである。図９は、タイプＤのレーザーエージング特性を示すグラフである。図１０は、タイプＦのレーザーエージング特性を示すグラフである。図６〜図１０では、横軸はエージング時間であり、縦軸は初期の光出力を１としたときの光出力変化率を表している。なお、図６〜図１０の横軸は同じスケールである。
【００７０】
図６に示すタイプＡでは、評価したすべての面発光レーザーの光出力が所定の時間内に零となった。また、図７に示すタイプＢでは、評価した一部の面発光レーザーの光出力が所定の時間内に零となった。図６および図７に示すようなレーザーエージング特性を有する場合、評価を「×」とした。
【００７１】
図８に示すタイプＣでは、評価したすべての面発光レーザーにおいて光出力が所定の時間内に零となってはいないが、一部の面発光レーザーの光出力の変化率が所定の時間内に０．８を下回った。また、各素子の光出力の変化率のばらつきも大きかった。図８に示すようなレーザーエージング特性を有する場合、評価を「△」とした。
【００７２】
図９に示すタイプＤでは、評価したほとんどの面発光レーザーの光出力の変化率が所定の時間内に０．８を下回らなかった。図９に示すようなレーザーエージング特性を有する場合、評価を「○」とした。
【００７３】
図１０に示すタイプＦでは、評価したすべての面発光レーザーの光出力の変化率が所定の時間内に０．８を下回らなかった。また、各素子の光出力の変化率のばらつきも小さかった。図１０に示すようなレーザーエージング特性を有する場合、評価を「◎」とした。
【００７４】
【表１】
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【００７５】
表１に示すように、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の炭素濃度が低くなるに従って、第１ミラー層の最表面の表面粗さＲａは悪化した。特に、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の炭素濃度が５．３×１０１７ｃｍ−３以下では、表面粗さＲａが１．３０ｎｍ以上となり、レーザーエージング特性が極めて悪化した。
【００７６】
また、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の炭素濃度が７．５×１０１７ｃｍ−３以上、２．０×１０１８ｃｍ−３以下では、表面粗さＲａが０．４５ｎｍ以上、０．９３ｎｍ以下となり、良好なレーザーエージング特性が得られた。特に、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の炭素濃度が１．３×１０１８ｃｍ−３以上、１．８×１０１８ｃｍ−３以下では、表面粗さＲａが０．４５ｎｍ以上、０．４７ｎｍ以下となり、各素子のばらつきも小さく、かつ、光出力の変化率も小さい、極めて良好なエージング特性が得られた。
【００７７】
また、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の炭素濃度が５．７×１０１８ｃｍ−３以上では、表面粗さＲａは小さいものの、十分なキャリア濃度が得られず、レーザー発振の閾値が上昇してしまった。
【００７８】
この結果から、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の炭素濃度を７．５×１０１７ｃｍ−３以上、２．０×１０１８ｃｍ−３以下とすることにより、第１ミラー層の最上層の表面粗さＲａを０．４５ｎｍ以上０．９３ｎｍ以下とすることができ、光強度の低下が小さく、信頼性が高い面発光レーザーが得られることがわかった。
【００７９】
さらに、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の炭素濃度を１．３×１０１８ｃｍ−３以上、１．８×１０１８ｃｍ−３以下とすることで、第１ミラー層の最上層の表面粗さＲａを０．４５ｎｍ以上、０．４７ｎｍ以下とすることができ、より光強度の低下が小さく、より信頼性が高い面発光レーザーが得られることがわかった。
【００８０】
図１１は、本実験例における、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の炭素濃度と、第１ミラー層の最表面の表面粗さＲａと、の相関を示すグラフである。
【００８１】
図１１に示すグラフから、第１ミラー層の最上層の表面粗さＲａとＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層にドーピングされる炭素濃度との間に相関がわかる。そのため、第１ミラー層を形成する工程において、第１ミラー層の最上層の表面粗さＲａを指標として、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の炭素濃度を求めることで、結晶成長時のＶ／ＩＩＩ比を決定することができる。これにより、安定した品質の面発光レーザーを提供することができる。
【００８２】
４．  原子発振器
次に、本実施形態に係る原子発振器について、図面を参照しながら説明する。図１２は、本実施形態に係る原子発振器１０００を示す機能ブロック図である。
【００８３】
原子発振器１０００は、図１２に示すように、光学モジュール１１００と、中心波長制御部１２００と、高周波制御部１３００と、を含んで構成されている。
【００８４】
光学モジュール１１００は、本発明に係る面発光レーザー（図示の例では、面発光レーザー１００）と、ガスセル１１１０と、光検出部１１２０と、を有する。
【００８５】
図１３は、面発光レーザー１００が射出する光の周波数スペクトラムを示す図である。図１４は、アルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２の関係を示す図である。面発光レーザー１００から射出される光は、図１３に示す、中心周波数ｆ０（＝ｃ／λ０：ｃは光の速さ、λ０はレーザー光の中心波長）を有する基本波Ｆと、中心周波数ｆ０に対して上側サイドバンドに周波数ｆ１を有する第１側帯波Ｗ１と、中心周波数ｆ０に対して下側サイドバンドに周波数ｆ２を有する第２側帯波Ｗ２と、を含む。第１側帯波Ｗ１の周波数ｆ１は、ｆ１＝ｆ０＋ｆｍであり、第２側帯波Ｗ２の周波数ｆ２は、ｆ２＝ｆ０−ｆｍである。
【００８６】
図１４に示すように、第１側帯波Ｗ１の周波数ｆ１と第２側帯波Ｗ２の周波数ｆ２との周波数差が、アルカリ金属原子の基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２とのエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数と一致している。したがって、アルカリ金属原子は、周波数ｆ１を有する第１側帯波Ｗ１と、周波数ｆ２を有する第２側帯波Ｗ２と、によってＥＩＴ現象を起こす。
【００８７】
ガスセル１１１０は、容器中に気体状のアルカリ金属原子（ナトリウム原子、ルビジウム原子、セシウム原子等）が封入されたものである。このガスセル１１１０に対して、アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数（波長）を有する２つの光波が照射されると、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こす。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、Ｄ１線における基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２のエネルギー差に相当する周波数が９．１９２６３・・・ＧＨｚなので、周波数差が９．１９２６３・・・ＧＨｚの２つの光波が照射されるとＥＩＴ現象を起こす。
【００８８】
光検出部１１２０は、ガスセル１１１０に封入されたアルカリ金属原子を透過した光の強度を検出する。光検出部１１２０は、アルカリ金属原子を透過した光の量に応じた検出信号を出力する。光検出部１１２０としては、例えば、フォトダイオードを用いる。
【００８９】
中心波長制御部１２００は、光検出部１１２０が出力する検出信号に応じた大きさの駆動電流を発生させて面発光レーザー１００に供給し、面発光レーザー１００が射出する光の中心波長λ０を制御する。面発光レーザー１００、ガスセル１１１０、光検出部１１２０、中心波長制御部１２００を通るフィードバックループにより、面発光レーザー１００が射出するレーザー光の中心波長λ０が微調整されて安定する。
【００９０】
高周波制御部１３００は、光検出部１１２０が出力する検出結果に基づいて、第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２の波長（周波数）差が、ガスセル１１１０に封入されたアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数に等しくなるように制御する。高周波制御部１３００は、光検出部１１２０が出力する検出結果に応じた変調周波数ｆｍ（図１３参照）を有する変調信号を発生させる。
【００９１】
面発光レーザー１００、ガスセル１１１０、光検出部１１２０、高周波制御部１３００を通るフィードバックループにより、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２との周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と極めて正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。その結果、変調周波数ｆｍは極めて安定した周波数になるので、変調信号を原子発振器１０００の出力信号（クロック出力）とすることができる。
【００９２】
次に、原子発振器１０００の動作について、図１２〜図１４を参照しながら説明する。
【００９３】
面発光レーザー１００から射出されたレーザー光は、ガスセル１１１０に入射する。面発光レーザー１００から射出される光は、アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数（波長）を有する２つの光波（第１側帯波Ｗ１、第２側帯波Ｗ２）を含んでおり、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こす。ガスセル１１１０を透過した光の強度は光検出部１１２０で検出される。
【００９４】
中心波長制御部１２００および高周波制御部１３００は、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２との周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と極めて正確に一致するように、フィードバック制御を行う。原子発振器１０００では、ＥＩＴ現象を利用し、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２との周波数差ｆ１−ｆ２が基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２とのエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数からずれた時の光吸収挙動の急峻な変化を検出し制御することで、高精度な発振器をつくることができる。
【００９５】
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、あるいは目的及び効果が同一の構成）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。
【符号の説明】
【００９６】
２…積層体、１０…基板、２０…第１ミラー層、２４…高Ａｌ組成層、２６…低Ａｌ組成層、２８…最上層、３０…活性層、４０…第２ミラー層、４２…電流狭窄層、４２ａ…被酸化層、４３…開口部、４４…高Ａｌ組成層、４６…低Ａｌ組成層、５０…コンタクト層、６０…絶縁層、７０…第１電極、７２…第２電極、１００…面発光レーザー、１０００…原子発振器、１１００…光学モジュール、１１１０…ガスセル、１１２０…光検出部、１２００…中心波長制御部、１３００…高周波制御部
【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】
2016086140.tif 000009
【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】
2016086140.tif 000017
【図１４】
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