(57)【要約】【課題】膜厚の精密な制御が難しい工程などを含んで作製される場合でも、発振波長を所望の波長に近づけることが可能な面発光レーザ、その製造方法などを提供する。【解決手段】第２の基板１１５上に、第３のスペーサ層、半導体多層膜の第３の反射鏡１０８、第２のスペーサ層、活性層、第１のスペーサ層を積層し、第１のスペーサ層上に第１の反射鏡を形成し、第１の反射鏡上に第１の電極を形成する。第１の反射鏡１０３と第１の電極１０２を介して積層構造を第１の基板１００に接合する。積層構造から第２の基板を除去して第３のスペーサ層１０９を露出させる。第３のスペーサ層の光学膜厚Ｌが所定の範囲内にあるように第３のスペーサ層の膜厚を調整し、第３のスペーサ層に第２の電極１１４と第２の反射鏡１１０を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第２の基板上に、第２導電型の第３のスペーサ層、半導体多層膜からなる第３の反射鏡、第２導電型の第２のスペーサ層、発光層である活性層、第１導電型の第１のスペーサ層をこの順に積層した積層構造を準備する第１の工程と、
前記第１のスペーサ層に第１の反射鏡を形成する第２の工程と、
前記第１の反射鏡上に前記第１のスペーサ層と電気的に接続するように第１の電極を形成する第３の工程と、
前記第１の反射鏡および前記第１の電極を介して前記積層構造を第１の基板に接合する第４の工程と、
前記積層構造から前記第２の基板を除去して前記第３のスペーサ層を露出させ、前記第３のスペーサ層の光学膜厚Ｌが、λを当該面発光レーザのレーザ発振波長として、１／４×λの奇数倍を中心とする略±３／１６×λの範囲内にあるように前記第３のスペーサ層の膜厚を調整する第５の工程と、
前記第３のスペーサ層に第２の電極と第２の反射鏡を形成する第６の工程と、
を含むことを特徴とする面発光レーザの製造方法。
【請求項２】
第２の基板上に、第２導電型の第３のスペーサ層、半導体多層膜からなる第３の反射鏡、第２導電型の第２のスペーサ層、発光層である活性層、第１導電型の第１のスペーサ層をこの順に積層した積層構造を準備する第１の工程と、
前記第１のスペーサ層に第１の反射鏡を形成する第２の工程と、
前記第１の反射鏡上に前記第１のスペーサ層と電気的に接続するように第１の電極を形成する第３の工程と、
前記第１の反射鏡および前記第１の電極を介して前記積層構造を第１の基板に接合する第４の工程と、
前記積層構造から前記第２の基板を除去して前記第３のスペーサ層を露出させ、前記第３のスペーサ層の光学膜厚Ｌが所定の範囲内の値となるように膜厚を調整すべく前記第３のスペーサ層を研削ないし研磨により物理的に削る第５の工程と、
前記第３のスペーサ層に第２の電極と第２の反射鏡を形成する第６の工程と、
を含むことを特徴とする面発光レーザの製造方法。
【請求項３】
前記第５の工程において、前記第３のスペーサ層の光学膜厚Ｌが
（ｍ／２＋１／４−３／１６）×λ≦Ｌ≦（ｍ／２＋１／４＋３／１６）×λ（ｍは０以上の整数）となるように前記第３のスペーサ層の膜厚を調整す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の製造方法。
【請求項４】
前記第５の工程において、前記第３のスペーサ層の光学膜厚Ｌが
（ｍ／２＋１／４−１／８）×λ≦Ｌ≦（ｍ／２＋１／４＋１／８）×λ
となるように膜厚を前記第３のスペーサ層の調整することを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザの製造方法。
【請求項５】
前記第５の工程と前記第６の工程の間に、前記第３のスペーサ層の膜厚を測定する工程を含むことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の面発光レーザの製造方法。
【請求項６】
前記測定する工程において前記第３のスペーサ層の膜厚が所定の範囲から外れた場合に、前記第３のスペーサ層の膜厚を再度調整する工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザの製造方法。
【請求項７】
前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡をともに誘電体ＤＢＲとすることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の面発光レーザの製造方法。
【請求項８】
前記第３の反射鏡を半導体ＤＢＲとすることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の面発光レーザの製造方法。
【請求項９】
前記半導体ＤＢＲの積層数が２ペア以上であることを特徴とする請求項８に記載の面発光レーザの製造方法。
【請求項１０】
前記第３のスペーサ層を窒化物半導体を含み構成することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の面発光レーザの製造方法。
【請求項１１】
第１の反射鏡、発光層である活性層、第２の反射鏡を含み構成された面発光レーザであり、
前記第１の反射鏡と前記活性層との間に第１導電型の第１のスペーサ層を含み、
前記第２の反射鏡と前記活性層との間に半導体多層膜からなる第３の反射鏡を含み、
前記活性層と前記第３の反射鏡との間に第２導電型の第２のスペーサ層を含み、
前記第２の反射鏡と前記第３の反射鏡との間に第２導電型の第３のスペーサ層を含み、
前記第３のスペーサ層の光学膜厚Ｌが、λを当該面発光レーザのレーザ発振波長として、１／４×λの奇数倍を中心とする略±３／１６×λの範囲内にあることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項１２】
第１の反射鏡、発光層である活性層、第２の反射鏡を含み構成された面発光レーザであり、
前記第１の反射鏡と前記活性層との間に第１導電型の第１のスペーサ層を含み、
前記第２の反射鏡と前記活性層との間に半導体多層膜からなる第３の反射鏡を含み、
前記活性層と前記第３の反射鏡との間に第２導電型の第２のスペーサ層を含み、
前記第２の反射鏡と前記第３の反射鏡との間に第２導電型の第３のスペーサ層を含み、
前記第３のスペーサ層の光学膜厚Ｌが所定の範囲内の値となるように、前記第３のスペーサ層は研削ないし研磨により物理的に削られて膜厚が調整されていることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項１３】
前記第３のスペーサ層の光学膜厚Ｌは
（ｍ／２＋１／４−３／１６）×λ≦Ｌ≦（ｍ／２＋１／４＋３／１６）×λ（ｍは０以上の整数）となっていることを特徴とする請求項１１または１２に記載の面発光レーザ。
【請求項１４】
前記第３のスペーサ層の光学膜厚Ｌは
（ｍ／２＋１／４−１／８）×λ≦Ｌ≦（ｍ／２＋１／４＋１／８）×λ
となっていることを特徴とする請求項１３に記載の面発光レーザ。
【請求項１５】
前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡がともに誘電体ＤＢＲであることを特徴とする請求項１１から１４のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
【請求項１６】
前記第３の反射鏡が半導体ＤＢＲであることを特徴とする請求項１１から１５のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
【請求項１７】
前記半導体ＤＢＲの積層数を２ペア以上とすることを特徴とする請求項１６に記載の面発光レーザ。
【請求項１８】
前記第３のスペーサ層が窒化物半導体を含み構成されていることを特徴とする請求項１１から１７のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
【請求項１９】
請求項１１から１８のいずれか１項に記載の面発光レーザが同一平面上に複数配列されていることを特徴とする面発光レーザアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直共振器型面発光レーザ（以下、単に面発光レーザまたはＶＣＳＥＬとも呼ぶ）、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、面発光レーザの開発が行われ、特に青紫色領域のＶＣＳＥＬの実用化に向けた検討が盛んになってきている。しかし、いまだ商業レベルで実用化されたものはない。青紫色領域のＶＣＳＥＬの実用化を妨げている一因として、窒化物半導体を使った良質な分布ブラッグ反射鏡（以下、ＤＢＲとも呼ぶ）を作製することが困難であることが挙げられる。
【０００３】
特許文献１には、作製が困難な窒化物半導体ＤＢＲを使用せず、誘電体ＤＢＲを使用して共振器を形成した青紫色領域のＶＣＳＥＬが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１２３９２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特許文献１に示された構造を用いれば、作製が困難な窒化物半導体ＤＢＲを使用せずに青紫色領域のＶＣＳＥＬを実現できる。しかしながら、上記の構造を使用した場合、以下のような点が指摘される。即ち、共振器の上下両面に誘電体ＤＢＲを形成するためには、基板を除去する必要がある。しかし、窒化物半導体では、選択的なウエットエッチングにより基板を除去する方法が実用的なレベルでは確立されていない。そのため、研削や研磨（以下、研磨等とも呼ぶ）により物理的に基板を削って除去する手法がとられる。なお、サファイア基板を使用した場合はレーザリフトオフで基板を剥離することも可能であるが、剥離面を平坦化するために研磨等が用いられる。
【０００６】
一般に、研磨等のレートを常に一定に保つことは難しいので、研磨等の後の膜厚を精密に制御することは難しい。さらに、基板に反りがある場合などは研磨等によって膜厚に面内分布が生じる。研磨等の後に膜厚を測定して、設計値からのずれを補正することは可能であるが、以下のような問題が発生する懸念がある。
【０００７】
研磨等の後の膜厚が設計値より厚くなってしまった場合は、追加の研磨等を行うことができる。しかし、膜厚の精度を上げようとすればするほど、膜厚測定と少量ずつの研磨等を何度も繰り返す必要が生じるため、生産性を考慮すると好ましくない。研磨後の膜厚が設計値より薄くなってしまった場合は、追加の結晶成長（再成長）を行うことが可能である。しかしながら、特許文献１に示された製造工程のように、研磨等の前に金属電極等を形成している場合、再成長時に金属等で結晶成長炉が汚染されてしまう可能性があるため好ましくない。
【０００８】
また、前述のように膜厚の面内分布が生じやすいため、いずれにしても基板全面で膜厚誤差を抑えることは容易とは言い難い。そのため、研磨等を含む製造方法では所望の膜厚を得られない場合がある。ＶＣＳＥＬの共振器を形成する層の膜厚が設計値からずれた場合、レーザ発振波長が設計値からずれてしまうことがあるという課題が生じる。
【０００９】
図６に具体的な計算結果を示して説明する。図６に示したグラフは、特許文献１の図１に示された構造において、ｎ型層の厚さが設計値からずれた場合にレーザ発振波長にどのような影響が生じるかを示す計算結果である。グラフの縦軸は、ＶＣＳＥＬのレーザ発振波長を示している。グラフの横軸は、ｎ型層の厚さが設計値からずれた量を示している。ここでは、膜厚が設計値からずれていないときのレーザ発振波長を４１４ｎｍと想定して計算を行った。図６のグラフから、膜厚がずれるとそれに比例して共振波長がずれることが読み取れる。
【００１０】
以上述べたように、共振器の形成に研磨等の工程を含み膜厚の精密な制御が難しいＶＣＳＥＬにおいては、設計通りの波長でレーザ発振する素子を安定して作製することは容易とは言い難い。本発明は、上記課題に鑑み、膜厚の精密な制御が難しい工程を含んでＶＣＳＥＬを作製する場合においても、レーザ発振波長を所望の波長に近づけることが可能なＶＣＳＥＬ、ＶＣＳＥＬ製造方法などを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の面発光レーザの製造方法は以下の工程を含むことを特徴とする。第２の基板上に第２導電型の第３のスペーサ層、半導体多層膜からなる第３の反射鏡、第２導電型の第２のスペーサ層、発光層である活性層、第１導電型の第１のスペーサ層をこの順に積層した積層構造を形成する第１の工程。前記第１のスペーサ層上に第１の反射鏡を形成する第２の工程。前記第１の反射鏡上に前記第１のスペーサ層と電気的に接続するように第１の電極を形成する第３の工程。前記第１の反射鏡および前記第１の電極を介して前記積層構造を第１の基板に接合する第４の工程。前記積層構造から前記第２の基板を除去して前記第３のスペーサ層を露出させ、前記第３のスペーサ層の光学膜厚Ｌが、λを当該面発光レーザのレーザ発振波長として、１／４×λの奇数倍を中心とする略±３／１６×λの範囲内にあるように前記第３のスペーサ層の膜厚を調整する第５の工程。前記第３のスペーサ層に第２の電極と第２の反射鏡を形成する第６の工程。前記第５の工程は、前記積層構造から前記第２の基板を除去して前記第３のスペーサ層を露出させ、前記第３のスペーサ層の光学膜厚Ｌが所定の範囲内の値となるように膜厚を調整すべく前記第３のスペーサ層を研削ないし研磨により物理的に削る工程としてもよい。
【００１２】
また、本発明の面発光レーザは以下の構成を有することを特徴とする。第１の反射鏡、発光層である活性層、第２の反射鏡を含み構成された面発光レーザであり、前記第１の反射鏡と前記活性層との間に第１導電型の第１のスペーサ層を含み、前記第２の反射鏡と前記活性層との間に半導体多層膜からなる第３の反射鏡を含み、前記活性層と前記第３の反射鏡との間に第２導電型の第２のスペーサ層を含み、前記第２の反射鏡と前記第３の反射鏡との間に第２導電型の第３のスペーサ層を含む。そして、前記第３のスペーサ層の光学膜厚Ｌが、λを当該面発光レーザのレーザ発振波長として、１／４×λの奇数倍を中心とする略±３／１６×λの範囲内にある。最後の部分は、前記第３のスペーサ層の光学膜厚Ｌが所定の範囲内の値となるように、前記第３のスペーサ層は研削ないし研磨により物理的に削られて膜厚が調整されている、としてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、膜厚の精密な制御が難しい工程を含んでＶＣＳＥＬを作製する場合においても、レーザ発振波長を所望の波長に近づけることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態および実施例１におけるＶＣＳＥＬの一例を示す断面模式図。
【図２】実施形態および実施例１のＶＣＳＥＬの製造工程の一例を示す断面模式図。
【図３】従来例と本発明によるＶＣＳＥＬの屈折率分布及び光強度分布を比較するための計算結果を説明する図。
【図４】従来構造例と本発明によるＶＣＳＥＬの発振波長の計算結果を示すグラフ。
【図５】本発明によるＶＣＳＥＬの半導体ＤＢＲペア数が特性に与える影響を示す計算結果を説明する図。
【図６】従来構造で懸念される課題を説明するための計算結果を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下の実施形態ないし実施例の面発光レーザの製造方法では、活性層等を積層した積層構造から、これらの積層に用いた基板を除去して、半導体多層膜の反射鏡上のスペーサ層を露出させる。そして、このスペーサ層の光学膜厚Ｌが所定の範囲内にあるように該スペーサ層の膜厚を調整する。或いは、該スペーサ層の光学膜厚Ｌが所定の範囲内の値となるように膜厚を調整すべく該スペーサ層を研磨等により物理的に削る。この所定の範囲は、具体的には、λを当該面発光レーザのレーザ発振波長として、１／４×λの奇数倍を中心とする略±３／１６×λの範囲である。また、以下の実施形態ないし実施例の面発光レーザでは、半導体多層膜の反射鏡上のスペーサ層の光学膜厚Ｌが上記のようになっている。
【００１６】
以下に、本発明の実施形態ないし実施例における面発光レーザの構造および製造方法について説明する。まず、本明細書における用語の定義を行う。本明細書中では、素子の基板側を下側、該基板のある側と反対側を上側と定義する。また本明細書中では、分布ブラッグ反射鏡を構成する２種類の層のうち、相対的に屈折率の低い材料からなる層を低屈折率層と呼び、相対的に屈折率の高い材料からなる層を高屈折率層と呼ぶこととする。
【００１７】
本発明では、膜厚の精密な制御が難しい層における光分布を低減することで、膜厚変化に対してレーザ発振波長の変化が起きにくいようにすることができる。具体的には、ＶＣＳＥＬ共振器中に第３の反射鏡を形成し、特定の層における光強度分布が小さくなるようにすることで、その特定の層の膜厚が設計値からずれた場合でもレーザ発振波長が設計値からずれにくい構成にすることができる。
【００１８】
以下、本発明を適用した構成例とその効果を具体的に示す。図１は、本発明を適用した製造方法で作製されたＶＣＳＥＬの一例を示す断面模式図である。基板上に形成された多層膜構造からなるＶＣＳＥＬであり、波長４１４ｎｍで共振するように設計されている。即ち、第１の反射鏡１０３と第２の反射鏡１１０の間の光学距離で決まる共振器長によって、波長４１４ｎｍが決定されている。
【００１９】
基板１００上に、接合層１０１、第１の電極１０２、第１の反射鏡１０３、透明電極１０４、第１導電型の第１のスペーサ層１０５、活性層１０６、第２導電型の第２のスペーサ層１０７が順に設けられている。更に、その上に、第２導電型の第３の反射鏡１０８、第２導電型の第３のスペーサ層１０９、第２の反射鏡１１０が順に設けられている。第１の反射鏡１０３の周囲には接続電極１１２が形成されており、第１の電極１０２と透明電極１０４を電気的に接続している。第１導電型はｐ型を表し、第２導電型はｎ型を表すこととする。基板１００はＳｉ基板である。
【００２０】
接合層１０１はＴｉＳｉ２／Ｐｔ／Ｐｄの多層膜で形成されている。第１の反射鏡１０３は、高屈折率層としてのＮｂ２Ｏ５層と低屈折率層としてのＳｉＯ２層とを交互に１１ペア積層した誘電体ＤＢＲである。第２の反射鏡１１０は、高屈折率層としてのＮｂ２Ｏ５層と低屈折率層としてのＳｉＯ２層とを交互に７ペア積層した誘電体ＤＢＲである。第３の反射鏡１０８は、高屈折率層としてのＧａＮ層と低屈折率層としてのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層とを交互に５ペア積層した半導体ＤＢＲである。ＤＢＲのペア数は反射率に影響を与える。ＶＣＳＥＬの反射鏡は１００％近い高い反射率が必要とされるので、それが得られるようなペア数を積層している。第２の反射鏡のペア数を第１の反射鏡のペア数より少なくしている理由は、反射率を少し下げることでレーザ光１２０が第２の反射鏡１１０側から射出しやすくするためである。第３の反射鏡１０８は、第１及び第２の反射鏡ほど高い反射率は必要としないが、ペア数が多い方が効果は増す。ただし、ペア数を増やすと結晶成長の難易度が上がり、電気抵抗も増大してしまうので、本実施形態では５ペアとした。第１のスペーサ層１０５、第２のスペーサ層１０７、第３のスペーサ層１０９は全てＧａＮで構成されている。活性層１０６はＩｎＧａＮの多重量子井戸構造である。
【００２１】
対向して配置された第１の反射鏡１０３と第２の反射鏡１１０とで共振器を形成しており、波長４１４ｎｍ付近の光が共振を起こす。共振した光は活性層１０６で増幅され、レーザ発振を起こす。レーザ発振を起こした光の一部が、第２の反射鏡１１０を透過して射出光１２０となる。なお、図を簡略化するために、各反射鏡は、多層構造を省略または実際より少ない層数で図示する。
【００２２】
図１に示したＶＣＳＥＬは、図２に示した工程で作製することができる。第１の工程として、第２の基板１１５上に、第２導電型の第３のスペーサ層１０９、半導体多層膜の第３の反射鏡１０８、第２導電型の第２のスペーサ層１０７、発光層である活性層１０６、第１導電型の第１のスペーサ層１０５をこの順に積層した構造を形成する。第２の工程として、前記第１のスペーサ層１０５上に、透明電極１０４、第１の反射鏡１０３を形成する。透明電極１０４にも僅かに光吸収があるため、厚くすると光吸収が増してレーザ発振が困難になる。現実的に許容される透明電極の厚さは５０ｎｍ程度で、絶縁層１１３はおよそ百〜数百ｎｍの厚さを持つので、透明電極１０４の形状が図示した様なものとなっている。
【００２３】
第３の工程として、前記第１の反射鏡１０３上に、接続電極１１２と透明電極１０４を介して前記第１のスペーサ層１０５と電気的に接続するように第１の電極１０２を形成する。この段階の構造が、図２（ａ）に示した構造に相当する。
【００２４】
次に、第４の工程として、図２（ａ）に示した構造の上下を反転し、前記第１の電極１０２と接合層１０１を介して第２の基板１００に接合する。この段階の構造が、図２（ｂ）に示した構造に相当する。
【００２５】
次に、第５の工程として、図２（ｂ）に示した構造から前記第２の基板１１５を除去して前記第３のスペーサ層１０９を露出させ、第３のスペーサ層１０９の光学膜厚Ｌが次の範囲となるように膜厚を調整する。
（ｍ／２＋１／４−３／１６）×λ≦Ｌ≦（ｍ／２＋１／４＋３／１６）×λ
なお、ｍは０以上の整数、λはレーザ発振波長を表す。±３／１６の根拠は、次の通りである。後述の図４の計算結果から、膜厚のずれが±３０ｎｍ以内であれば効果があることが読み取れる。この３０ｎｍに、第３のスペーサ層１０９を構成するＧａＮの屈折率２．５５を掛けると光学膜厚７６．５ｎｍとなる。この値を膜厚ずれが０の場合のレーザ発振波長４１４ｎｍで割ると、約３／１６という値が求まる。３／１６という値は計算結果に合うように選んだ分数であるが、厳密には少し誤差もあるので、近い値であれば他の分数や小数に置き換えても構わない。つまり、第３のスペーサ層１０９の光学膜厚Ｌを、レーザ発振波長の４分の１の奇数倍を挟む所定の範囲となるように調整する。
【００２６】
最後に第６の工程として、前記第３のスペーサ層１０９に第２の電極１１４と第２の反射鏡１１０を形成する。この段階の構造が、図２（ｃ）に示した構造に相当する。環状の電極１１４の径を大きくするか、第２の反射鏡１１０の径を小さくすれば、両者が重ならないように形成することは可能である。しかし、電極１１４の径を大きくしすぎると活性層１０６における電流分布がドーナツ状になり、単峰の発光パターンを得ることが難しくなる。また、第２の反射鏡１１０の径を小さくしすぎると、活性層１０６で生じた光の一部が第２の反射鏡１１０からはみ出して、反射されなくなるので、レーザ発振が難しくなる。よって、現実的には、図示のように、環状の電極１１４と第２の反射鏡１１０は一部重なるように形成する。
【００２７】
第５の工程において第２の基板１１５を除去する手段としては、研削ないし研磨（研磨等）を用いることができる。また、レーザリフトオフのように特定の層や界面にレーザ光を吸収させて発生する熱で熱分解を起こし、基板を剥離することもできる。第３のスペーサ層１０９の膜厚を調整する手段としては、研磨等を用いることができる。具体的には化学機械研磨（ＣＭＰ）などを使用することができる。前記第５の工程と前記第６の工程の間に、第３のスペーサ層１０９の膜厚を測定する工程を含んでもよい。
【００２８】
第３のスペーサ層１０９の膜厚は、様々な方法で測定することができる。物理膜厚を測定する例としては、電子顕微鏡などが挙げられる。屈折率が既知であれば、物理膜厚に屈折率をかけて光学膜厚を算出することができる。光学膜厚を測定する例としては、反射光や発光のスペクトルを測定してピーク波長やディップ波長から推定する方法や、干渉計などを用いて反射光の光学的位相を測定する方法が挙げられる。屈折率が既知であれば、光学膜厚を屈折率で割って物理膜厚を算出することができる。また、物理膜厚を別に測定し、光学膜厚を物理膜厚で割って屈折率を算出することができる。分光エリプソメトリーなどを使用すれば、物理膜厚と屈折率を同時に推定することもできる。
【００２９】
光学膜厚を測定する際に、第３のスペーサ層１０９と空気の界面における反射率が小さすぎてピーク波長やディップ波長の検出が困難な場合は、第３のスペーサ層１０９の上面に多層膜などを形成して反射率を上げてもよい。形成した多層膜は、測定後に除去してもよいし、ＶＣＳＥＬの特性に悪影響を及ぼさないものであればそのまま残してもよい。
【００３０】
前記第３のスペーサ層１０９の膜厚が所望の範囲から外れた場合に、第３のスペーサ層１０９の膜厚を再度調整する工程を含んでもよい。膜厚を再度調整する工程は、粒子径の小さなスラリーを用いたＣＭＰなどにより行うことが好ましい。
【００３１】
図３に、従来構造および図１に示した本発明を適用した構造例における屈折率分布と光強度分布を計算した結果を示す。図３（ａ）に示したものが従来構造である。従来構造では共振器内の活性層１０６の上側の光強度は均一である。一方、図３（ｂ）に示した本発明を適用した構成例では、共振器中に半導体ＤＢＲで構成された第３の反射鏡１０８が配置されており、その影響で上側に配置された第３のスペーサ層１０９における光強度分布が小さくなっている。これにより、第３のスペーサ層１０９の膜厚が変化しても従来構造に比べて光学的な影響が小さくなる。一般的に光強度分布が小さい方が物質との相互作用が小さいので構造の変化に鈍感になるからである。
【００３２】
図４に、図１に示した構造の第３のスペーサ層１０９の膜厚が設計値からずれた場合にレーザ発振波長に与える影響を計算した結果を示す。参考のため、本発明を適用していない従来構造での計算結果も示している。この計算は、第３のスペーサ層１０９の膜厚を少しずつ振って、レーザ発振波長の変化を計算することで行うことができる。レーザ発振波長の計算方法は幾つかあるが、代表的なものは、反射スペクトルを計算して反射率の落ち込む波長（ディップ波長）をレーザ発振波長とみなす方法である。
【００３３】
従来構造では膜厚ずれの値によらずグラフの傾きは一定であるのに対し、本発明を適用した構成例ではグラフの傾きは膜厚ずれ量に応じて変化している。本発明を適用した構成例では、設計値からの膜厚ずれが或る程度より小さい範囲ではグラフの傾きが従来構造より小さい。つまり、膜厚ずれに対するレーザ発振波長のずれの程度が小さい。
【００３４】
具体的に述べると、設計値からの膜厚ずれが小さい領域におけるグラフの傾きは、従来構造が０．３２であるのに対し、本発明を適用した構成例では０．２４である。すなわち、従来構造では膜厚が設計値から１ｎｍずれるとレーザ発振波長が０．３２ｎｍずれていたのに対し、本発明を適用した構成例ではレーザ発振波長は０．２４ｎｍしかずれないことになり、波長ずれを２５％低減できる。一方、設計値からの膜厚ずれが大きくなるにつれて、図４に示したように、本発明を適用した構成例のグラフの傾きが大きくなる。膜厚ずれが一定範囲を超えると従来構造よりグラフの傾きが大きくなってしまうことが分かる。なお、波長ずれは、例え１％でも従来構造より低減できれば良い。２５％という値は、膜厚ずれ量が小さく０に近い範囲でのグラフの傾きから求めたものである。本発明を適用した構成例のグラフの傾きが従来構造より小さくなる範囲は、上述した様に、前記第３のスペーサ層１０９の光学膜厚Ｌが次の不等式を満たす範囲である。
（ｍ／２＋１／４−３／１６）×λ≦Ｌ≦（ｍ／２＋１／４＋３／１６）×λ
【００３５】
また、次の不等式を満たす範囲であれば、より傾きが小さくなるため好ましい。
（ｍ／２＋１／４−１／８）×λ≦Ｌ≦（ｍ／２＋１／４＋１／８）×λ
ｍは０以上の整数、λはレーザ発振波長を表す。
図４に示した計算結果は、ｍ＝２、λ＝４１４ｎｍとして計算を行ったものである。本発明を適用した構成例は全ての場合において特性を均一に揃える効果を持つものではなく、設計値に或る程度（上記の式で示した範囲）近い範囲で作製できたものについては、特性をより均一に揃える効果を持つものであると言える。
【００３６】
図５に、共振器中に挿入した第３の反射鏡である半導体ＤＢＲのペア数依存を計算した結果を示す。図４に示したものと同様の計算を行って、設計値からの膜厚ずれが０付近におけるグラフの傾きを読み取り、プロットしたものである。ペア数が増すにしたがって縦軸の値が小さくなり、膜厚変化に対する波長変化が小さくなることが分かる。このことから、第３の反射鏡を半導体ＤＢＲで構成する場合、その積層数は２ペア以上であることが好ましい。従来構造における上記値（０．３２ｎｍ／１ｎｍ＝０.３２）より確実に膜厚変化に対する波長変化が小さくなるからである。また、本実施形態のように積層数が５ペア以上であればより好ましい。
【００３７】
第３の反射鏡は、上記のように半導体ＤＢＲを用いても良いが、必ずしもＤＢＲ構造に限定されず、半導体多層膜構造により光を反射する効果を有するものであれば効果を得ることができる。製造上の観点から言うと、第３の反射鏡として半導体多層膜を使用すれば第３のスペーサ層や第２のスペーサ層と連続して一括で結晶成長により形成することができる。一方、半導体以外の材料（金属など）を第３の反射鏡として使う場合は、第３のスペーサ層１０９まで結晶成長した後に一旦成長炉からサンプルを出す。そして、第３の反射鏡を形成した後に再び成長炉に戻して、第２のスペーサ層１０７以降を結晶成長するという手順が必要となり、手間が増える。また、異種材料上に第２のスペーサ層１０７を成長するのは技術的な難易度が高い。さらに、金属膜などが付いた状態で成長炉に戻すと成長炉が汚染される可能性があり、好ましくない。光学特性の観点から言うと、金属膜は光の吸収があるのでＶＣＳＥＬのミラーとしては適していない。また、本発明における第３の反射鏡の目的は光分布に偏りを持たせることであり、それほど高い反射率を必要としない。そのため、高反射率を実現することが困難な半導体ＤＢＲでも十分使えるということになる。以上のことを考慮すると、現実的には第３の反射鏡は半導体多層膜を使用することになる。
【００３８】
第３の反射鏡を半導体ＤＢＲで構成する場合は、一般的なＤＢＲのように全ての層の光学厚さが１／４波長になるように構成してもよい。また、ＤＢＲの周期は１／２波長を維持し、ＤＢＲを構成する各層の光学膜厚をλ／４からずらした、いわゆる膜厚変調ＤＢＲを使用してもよい。膜厚変調ＤＢＲを使用する場合、格子不整合の大きい材料を極力薄く形成することで、歪の蓄積を低減することができる。また、同様に、電気抵抗の大きい層を薄く形成することで、素子全体の駆動電圧の上昇を抑えることができる。
【００３９】
膜厚変調ＤＢＲを使用する場合、ＤＢＲの全ての層を一様に膜厚変調する必要は無い。ＤＢＲを構成する一部の層のみ膜厚変調を行った構成であってもよい。ＤＢＲの各層の界面が急峻ではなく組成が連続的に変化するグレーデッドＤＢＲと呼ばれる構造を使用することも可能である。その場合、組成が連続的に変化している領域（グレーデッド領域）の中心を疑似的な界面とみなして膜厚を見積もる。
【００４０】
ＶＣＳＥＬの共振器を形成する第１の反射鏡および第２の反射鏡は、レーザ発振に必要な反射率を得ることができるものであれば、特に制限は無い。ただし、作製時に研磨等の工程を含まずに作製できる場合は、比較的精密に膜厚を制御することが可能であるため、前述の課題がそれほど顕在化しない。課題が顕在化し、本発明を適用する必要性が生じるものとして代表的なものは、特許文献１に示された構造のように、第１および第２の反射鏡が共に誘電体ＤＢＲで構成されているものである。誘電体ＤＢＲを構成する材料の組み合わせとしては、ＴｉＯ２／ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５／ＳｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２などが挙げられる。
【００４１】
第３の反射鏡に使用することができる半導体ＤＢＲを構成する材料の組み合わせとしては、例えば、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＧａＮ／ＡｌＩｎＮ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰなどが挙げられる。ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ構造においては、発光層である活性層は一般的な半導体レーザに使用されているものを使用することができる。活性層を構成する材料の組成や層厚などはレーザ発振させたい波長に応じて適宜選択することができる。
【００４２】
本発明を適用した面発光レーザは、複写機、レーザプリンタなどの画像形成装置が有する感光ドラムへ描画を行うための光源として利用することができる。また、本発明を適用した面発光レーザは、光計測用光源として利用することもできる。また、本発明を適用した面発光レーザを同一平面上に複数配列してアレイ光源として使用してもよい。特に、研磨等のときの膜厚分布が原因で各面発光レーザの発振波長を均一に揃えることが困難な場合に、本発明を適用することで、より均一な波長でレーザ発振する面発光レーザアレイを実現することが可能になる。
【００４３】
以下に、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下に説明する実施例の構成に限定されるものではない。例えば、材料の種類や組成、形状や大きさは本発明の要旨の範囲内で適宜変更できる。以下の実施例では、レーザ発振波長として青紫色領域のものを示したが、適切な材料・構造の選択により、任意の波長での動作も可能である。
【００４４】
［実施例１］
実施例１として、本発明の製造方法を適用して作製したＶＣＳＥＬについて、図１を用いて説明する。図１は、本実施例におけるＶＣＳＥＬの層構造を示す断面模式図である。
【００４５】
本実施例におけるＶＣＳＥＬは窒化物半導体と誘電体で形成され、真空中の波長λ＝４１４ｎｍでレーザ発振するように設計されている。Ｓｉからなる第１の基板１００の下側（裏面）にＴｉＳｉ２／Ｐｔ／Ａｕからなる裏面電極１１１が形成されている。基板１００上には、ＴｉＳｉ２／Ｐｔ／Ｐｄの接合層１０１、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｓｎ／Ａｕの第１の電極１０２、Ｎｂ２Ｏ５とＳｉＯ２を交互にλ／４ずつの厚さで１１ペア積層して構成された第１の反射鏡１０３、ＩＴＯの透明電極１０４が積層されている。更に、ＧａＮの第１のスペーサ層１０５、ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造の活性層１０６、ＧａＮの第２のスペーサ層１０７、ＧａＮ層とＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層を交互にλ／４厚で５ペア積層した半導体ＤＢＲの第３の反射鏡１０８がこの順に積層されている。また更に、ＧａＮの第３のスペーサ層１０９、Ｎｂ２Ｏ５とＳｉＯ２を交互にλ／４厚で７ペア積層して構成された誘電体ＤＢＲの第２の反射鏡１１０がこの順に積層されている。
【００４６】
第１の反射鏡１０３の周囲には、Ｔｉ／Ｒｈ／Ａｕからなる接続電極１１２が形成されており、第１の電極１０２と透明電極１０４を電気的に接続している。透明電極１０４の上側には、ＳｉＯ２からなる絶縁層１１３の開口が形成されており、該開口の内部のみ透明電極１０４と第１のスペーサ層１０５が接している。第３のスペーサ層１０９と第２の反射鏡１１０の間には第２の電極１１４がドーナツ状に形成されている。
【００４７】
第１の反射鏡１０３と第２の反射鏡１１０との間の光学距離で決まる共振器長が波長４１４ｎｍをλとした時に７λとなるように、各部の膜厚を設計している。活性層１０６で生じた光が共振し、活性層１０６で増幅されることで、レーザ発振する。レーザ発振した光の一部が第２の反射鏡１１０を透過して射出光１２０となる。
【００４８】
本実施例におけるＶＣＳＥＬの製造方法について、図２を用いて説明する。サファイアで形成された第２の基板１１５の上に第３のスペーサ層１０９、第３の反射鏡１０８、第２のスペーサ層１０７、活性層１０６、第１のスペーサ層１０５をエピタキシャル成長で形成する。その後、絶縁層１１３、透明電極１０４、誘電体ＤＢＲの第１の反射鏡１０３、接続電極１１２、第１の電極１０２を形成し、図２（ａ）に示した構造を作製する。その後、図２（ａ）に示した構造を上下反転させ、これを、別に用意した第１の基板であるＳｉ基板１００上に接合層１０１を形成した構造の上に接合し、図２（ｂ）に示した構造を作製する。
【００４９】
更にその後、レーザリフトオフにより第２の基板１１５を剥離し、ＣＭＰにより第３のスペーサ層１０９を設計厚さの２０８ｎｍになるように研磨する。最後に、第３のスペーサ層１０９上に第２の電極１１４と誘電体ＤＢＲの第２の反射鏡１１０を形成し、図２（ｃ）に示した構造を作製する。
【００５０】
本実施例において、研磨レートが想定した値よりやや大きく、第３のスペーサ層１０９の膜厚は設計値より１５ｎｍ薄くなってしまった。第３の反射鏡１０８が形成されていない従来構造の場合、上記の膜厚ずれに起因してレーザ発振波長が設計値の４１４．０ｎｍより４．６ｎｍ短くなる。一方、本発明を適用した本実施例の構造では、レーザ発振波長は設計値より３．４ｎｍ短くなる。このように、本発明を適用することにより、膜厚ずれに起因するレーザ発振波長のずれを約２６％低減することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１００：第１の基板 
１０２：第１の電極
１０３：第１の反射鏡
１０５：第１のスペーサ層
１０６：活性層
１０７：第２のスペーサ層
１０８：第３の反射鏡
１０９：第３のスペーサ層
１１０：第２の反射鏡
１１４：第２の電極
１１５：第２の基板
【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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