(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、下部半導体多層膜反射鏡、活性層、上部半導体多層膜反射鏡、を含む複数の半導体層が積層されて構成された面発光レーザであって、
前記基板に対して平行方向に配列された高屈折率部と酸化物である低屈折率部とによる２次元フォトニック結晶構造が形成された第１の半導体層を有する前記下部半導体多層膜反射鏡または前記上部半導体多層膜反射鏡と、
前記第１の半導体層の上に積層され、かつ、前記低屈折率部にまで通じ、前記基板と平行方向の断面が前記第１の半導体層に形成された前記低屈折率部の断面よりも小さい断面を有する細孔が形成された第２の半導体層と、
前記上部半導体多層膜反射鏡に設けられており、かつ、前記活性層に注入される電流を狭窄するための酸化領域と非酸化領域とを含む電流狭窄層とを有し、
前記電流狭窄層における非酸化領域はＡｌＧａＡｓまたはＡｌＡｓにより構成され、かつ、前記第１の半導体層は該非酸化領域よりもＡｌ組成比が低いＡｌＧａＡｓにより構成されていることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項２】
前記細孔は、低屈折率部が形成されている第１の半導体層の上面から前記第２の半導体層の上面に到る途中の層まで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項３】
前記細孔の前記第２の半導体層の上面に到る途中の層まで形成された構造が、前記第２の半導体層の上に、結晶の再成長による第３の半導体層を形成することによって構成されていることを特徴とする請求項２に記載の面発光レーザ。
【請求項４】
前記第１の半導体層は、前記第２の半導体層よりもＡｌ組成比が高いことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
【請求項５】
前記低屈折率部は、前記第１の半導体層の一部領域を、前記細孔を通じて供給された酸化種によって酸化して形成された酸化領域によって構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
【請求項６】
前記低屈折率部は、前記第１の半導体層の一部領域に形成された空孔によって構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１項に記載の面発光レーザ。
【請求項７】
前記空孔は、前記第１の半導体層よりも屈折率が低い材料で充填されていることを特徴とする請求項６に記載の面発光レーザ。
【請求項８】
前記細孔は、前記第１の半導体層よりも屈折率が低い材料で充填されてい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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光レーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
垂直共振器型面発光レーザ（以下、ＶＣＳＥＬと記す）は、半導体基板の面内方向に対して垂直方向にレーザ光を出射するレーザである。
この面発光レーザの反射層としては、通常、分布型ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：以下ＤＢＲと記す）が用いられる。
このＤＢＲは、一般的には、高屈折率層と低屈折率層とを、λ／４の光学膜厚で交互に積層して形成する。
面発光レーザは、縦モード特性として安定した単一モードが得られ、また端面発光レーザに比べて低しきい値、２次元アレイ化が容易、などの優れた特性を持つ。
そのため、面発光レーザは、光通信、光伝送用の光源、また電子写真の光源として応用が期待されている。
上記ＶＣＳＥＬの用途への適用性を高めるため、単一横モード発振を維持しつつ、より高出力が得られるＶＣＳＥＬが望まれている。
このようなことから、種々の構成が検討されてきているが、有望な構成の一つとして、非特許文献１では、ＶＣＳＥＬにフォトニック結晶ファイバ構造の２次元フォトニック結晶構造を形成したフォトニック結晶ＶＣＳＥＬが提案されている。
【０００３】
図５に、上記非特許文献１に記載の面発光レーザの構造を示す。
図５において、面発光レーザ６００は基板６０５上に、下部多層膜反射鏡６１０、下部スペーサ層６２０、活性層６３０、上部スペーサ層６４０、上部多層膜反射鏡６５０が積層されている。
上部多層膜反射鏡６５０上の上部電極６９０と、基板６０５下の下部電極６９５に電圧が印加されると、活性層６３０が発光し、上部／下部反射鏡による共振器で増幅されレーザ発振に至り、レーザ光を基板に対して垂直方向に放出する。
【０００４】
上部多層膜反射鏡６５０の一部に、導電性領域６６１と高抵抗領域６６２からなる電流狭窄構造６６０が形成されている。
電流狭窄構造はＡｌ組成比の高いＡｌＧａＡｓ層またはＡｌＡｓ層の酸化により形成される。
ＡｌＧａＡｓまたはＡｌＡｓを酸化してできるＡｌｘＯｙは、ＡｌＧａＡｓまたはＡｌＡｓに比べ電気抵抗が高く、また屈折率は低い。
また、上部多層膜反射鏡６５０の上部表面から活性層側まで複数の孔６７５からなる２次元フォトニック結晶構造が形成されている。この２次元フォトニック結晶構造の中央には欠陥が設けられている。
上記２次元フォトニック結晶構造が形成された領域は、実効屈折率が下がる。
ここで、この実効屈折率の低下分は、ＡｌＧａＡｓまたはＡｌＡｓが酸化された領域で得られる屈折率低下分より小さい。
屈折率差による光閉じ込めでは、屈折率差が小さいほうが、単一横モードを維持できる導波部分の面積は大きくなる。
したがって、電流閉じ込めを酸化アパーチャで、水平方向の光閉じ込めを２次元フォトニック結晶構造で行うことにより、酸化アパーチャで両方の閉じ込めを行う場合に比べて単一横モード発振のまま発光面積を大きくすることができる。
以上の非特許文献１の面発光レーザにおいては、２次元フォトニック結晶構造の欠陥径を電流狭窄径より小さくすることで、単一横モードで、かつ発光面積を大きくすることができる面発光レーザを実現している。
【非特許文献１】Ｓｏｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ８０，３９０１（２００２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１のように、上部多層膜反射鏡の表面から２次元フォトニック結晶の孔を形成する構造においては、十分な横モード制御を達成するために、深い孔を掘る必要がある。
それは、共振している光強度の大きい場所は上部多層膜反射鏡の活性層側であることから、そこに２次元フォトニック結晶構造がなければ横モード制御を十分に発現させることができないからである。
しかし、深い穴を掘ると、上部多層膜反射鏡内で垂直方向に長い距離に渡って屈折率が変化するために、反射鏡の共振波長のシフト量は大きくなる。
その結果、レーザ共振光にとって上部反射鏡の反射率が減少することになるから、反射損失が増大する。
このためこの横モード制御構造では発光面積を大きく取れるものの、共振器性能が低下しているため、結果として出力を十分に上げることができない。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑み、上部反射鏡の反射率への影響を抑制することができ、単一横モードで、かつ高出力が得られる面発光レーザ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】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するため、次のように構成した面発光レーザを提供するものである。
本発明の面発光レーザは、基板上に、下部半導体多層膜反射鏡、活性層、上部半導体多層膜反射鏡、を含む複数の半導体層が積層されて構成された面発光レーザであって、
前記基板に対して平行方向に配列された高屈折率部と酸化物である低屈折率部とによる２次元フォトニック結晶構造が形成された第１の半導体層を有する前記下部半導体多層膜反射鏡または前記上部半導体多層膜反射鏡と、
前記第１の半導体層の上に積層され、かつ、前記低屈折率部にまで通じ、前記基板と平行方向の断面が前記第１の半導体層に形成された前記低屈折率部の断面よりも小さい断面を有する細孔が形成された第２の半導体層と、
前記上部半導体多層膜反射鏡に設けられており、かつ、前記活性層に注入される電流を狭窄するための酸化領域と非酸化領域とを含む電流狭窄層とを有し、
前記電流狭窄層における非酸化領域はＡｌＧａＡｓまたはＡｌＡｓにより構成され、かつ、前記第１の半導体層は該非酸化領域よりもＡｌ組成比が低いＡｌＧａＡｓにより構成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記細孔の前記第２の半導体層の上面に到る途中の層まで形成された構造が、前記第２の半導体層の上に、結晶の再成長による第３の半導体層を形成することによって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記細孔が、低屈折率部が形成されている第１の半導体層の上面から前記第２の半導体層の上面に到る途中の層まで形成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記第１の半導体層は、前記第２の半導体層よりもＡｌ組成比が高いことを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記低屈折率部が、前記第１の半導体層の一部領域を、前記細孔を通じて供給された酸化種によって酸化して形成された酸化領域によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記低屈折率部が、前記第１の半導体層の一部領域に形成された空孔によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記空孔が、前記第１の半導体層よりも屈折率が低い材料で充填されていることを特徴とする。
また、本発明の面発光レーザは、前記細孔が、前記第１の半導体層よりも屈折率が低い材料で充填されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、上部反射鏡の反射率への影響を抑制することができ、単一横モードで、かつ高出力が得られる面発光レーザを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
つぎに、本発明の実施の形態について説明する。
以下の説明では、基板上に、下部半導体多層膜反射鏡、活性層、上部半導体多層膜反射鏡、を含む複数の半導体層が積層されて構成された、
本発明の面発光レーザの実施形態について、図面を参照しながら説明する。
なお、これらについて説明する図１から図４において、同一または対応する部分には同一の符号が付されている。
［実施形態１］
本発明の実施形態１における面発光レーザについて説明する。
図１に、本実施形態における面発光レーザを説明する模式図を示す。
図１において、１００は面発光レーザ、１０５は基板、１０７は共振器、１１０は下部半導体多層膜反射鏡、１２０は下部スペーサ層、１３０は活性層である。１４０は上部スペーサ層、１５０は上部半導体多層膜反射鏡、１６０は電流狭窄層、１７０は２次元フォトニック結晶構造、１７５は低屈折率部である。
１８０は細孔、１９０は上部電極、１９５は下部電極である。
【００１０】
本実施形態において、面発光レーザ１００は基板１０５上に共振器１０７が形成された構成を備えている。
共振器１０７は、下部多層膜反射鏡１１０、下部スペーサ層１２０、活性層１３０、上部スペーサ層１４０、上部半導体多層膜反射鏡１５０が順次設けられて構成されている。
上部半導体多層膜反射鏡１５０には、導電性領域１６１と高抵抗領域１６２とからなる電流狭窄層１６０が設けられている。
また、上部半導体多層膜反射鏡１５０を構成する第１の半導体層には、周囲の半導体層より屈折率の低い低屈折率部１７５が形成され、これにより前記基板に対して平行方向に２次元の屈折率分布をもつ２次元フォトニック結晶構造が構成されている。
つまり、この低屈折率部１７５の形成により、上記基板に対して平行方向に配列された高屈折率部と低屈折率部とによる２次元フォトニック結晶構造１７０が構成される。
上記第１の半導体層の上には第２の半導体層が積層され、上記低屈折率部１７５の上面から第２の半導体層の上面、すなわち上部半導体多層膜１５０の表面まで、細孔１８０が貫いている。
そして、この細孔の前記基板と平行方向の断面は、上記低屈折率部の上記第１の半導体層における該基板と平行方向の断面よりも小さい断面とされている。
また、上部半導体多層膜反射鏡１５０の表面にはリング状の上部電極１９０が設けられており、基板１０５には下部電極１９５が設けられている。
【００１１】
この面発光レーザ１００は、上部電極１９０、下部１９５間に電圧を印加することにより、活性層１３０が発光し、活性層１３０から漏れた光が共振器１０７にて共振し増幅される。これにより、上部半導体多層膜反射鏡１５０の上面からレーザ光が面発光される。
本実施形態の２次元フォトニック結晶構造１７０としては、光の伝播軸部をコアとし、その周りに上部半導体多層膜反射鏡よりも低い屈折率をもつ複数の低屈折率部からなるクラッド部をなすフォトニック結晶ファイバ構造が望ましい。
電流狭窄構造は、従来の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の作製で用いられる方法と同じ方法で作製できる。
すなわち、代表的な方法としてプロトンイオン注入法や選択酸化法を使用できる。
【００１２】
以上の本実施形態における面発光レーザによれば、２次元フォトニック結晶構造により、横モードが制御できる。
また、上記したように、細孔の前記基板と平行方向の断面が、上記低屈折率部の上記第１の半導体層における該基板と平行方向の断面よりも小さい断面とされていることから、
前述した従来例の上部多層膜反射鏡の表面から２次元フォトニック結晶の孔を直接掘る構造のものと比べ、共振器性能の低下を抑えることが可能となる。
すなわち、上記構成により２次元フォトニック結晶構造の孔を表面から貫通させた場合に比べ、孔の体積が少なくて済むから反射鏡の波長シフトを抑制することが可能となる。
また、形成した孔の表面の荒れによっては共振光に界面での散乱損失を与えうるが、その表面積も小さくできる。このため多層膜反射鏡の反射率の低下を抑えることができ、結果として面発光レーザ共振器中の光の寿命の減少を抑えることができ、高出力動作が可能となる。
また、以上の本実施形態における面発光レーザによれば、上部の多層膜反射鏡は半導体であるから、導電性を持たせることができ、電極を上部多層膜反射鏡の表面におく構成が可能となる。
【００１３】
次に、本実施形態における面発光レーザ１００の作製方法について説明する。
本実施形態においては、図１に示す面発光レーザの基板１０５として、例えばｎ−ＧａＡｓ基板のようなｎ型半導体基板を用いることができる。
そして、このｎ型半導体基板１０５上に、下部多層膜反射鏡１１０、下側スペーサ層１２０、活性層１３０、上側スペーサ層１４０、上部多層膜反射鏡１５０を、つぎのように順次積層する。
【００１４】
まず、基板１０５上に、低屈折率層と高屈折率層を複数ペア積層して下部多層膜反射鏡１１０を形成する。
この低屈折率層と高屈折率層は、例えばＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて積層させる。
また、低屈折率層および高屈折率層としてはレーザ発振波長の光を吸収しない範囲で適宜選択することが可能である。
ここでは、波長６７０ｎｍの光に対し透明であり、かつ、少ないペア数で高い反射率をかせぐため低屈折率層と高屈折率層の間の屈折率差を大きく取るという観点から、つぎのような積層構造を採ることができる。
すなわち、低屈折率層として、４９ｎｍ厚のｎ−Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層を用い、高屈折率層として、５４ｎｍ厚のｎ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層を用いて、７０ペア積層させる。
そして、この多層膜反射鏡１１０の上に、下側スペーサ層１２０、活性層１３０、上側スペーサ層１４０を例えばＭＯＣＶＤを用いて積層させる。
【００１５】
また、下側スペーサ層１２０としては、ｎ型半導体、例えば、ｎ−Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓを用いる。
また、活性層１３０としては、例えば、波長６７０ｎｍで光学利得を持つという点から、量子井戸構造を有するＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰを用いる。
また、上側スペーサ層１４０としては、ｐ型半導体、例えば、ｐ−Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓを用いる。
下側スペーサ層１２０と活性層１３０と上側スペーサ層１４０の光学厚さの合計が、例えばレーザ発振波長と同程度になるように積層する。
【００１６】
次に、電流狭窄構造を形成するための層１４０の上に、低屈折率層と高屈折率層を４０ペア積層して多層膜反射鏡１５０を形成する。
ここで多層膜反射鏡構造の一部に電流狭窄構造を形成するための層１６０を形成する。
電流狭窄構造を形成するための層１６０としては、Ａｌ組成比が高いＡｌＧａＡｓ、例えばｐ−Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓを２０ｎｍ成長させる（下から２ペア目の低屈折率層をＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓとする）。
また、同じく多層膜反射鏡構造の内部で電流狭窄層１６０の上方に、２次元フォトニック結晶構造１７０を形成するための第１の半導体層を積層する。この第１の半導体層の厚さは例えば共振波長の３．２５倍の光学厚さとする。
そして、第１の半導体層上に、複数の細孔１８０を形成するための第２の半導体層を積層する。
低屈折率層と高屈折率層は上記で示した材料から適宜選択することが可能である。
例えば、低屈折率層として、４９ｎｍ厚のｐ−Ａｌ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ層を用い、高屈折率層として、５４ｎｍ厚のｐ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層を用いて４０ペア積層させる。
その際、ＡｌＧａＡｓ層による第１の半導体層を、上記第２の半導体層よりもＡｌ組成比が高く、かつ、該第１の半導体層の下に形成されている半導体層よりも高いＡｌ組成比となるようにする。
【００１７】
次に、上記複数の細孔１８０を形成するため、上記第２の半導体層の表面にレジストを塗布し、塗布膜に２次元フォトニック結晶パターンを形成する。
例えば、図４のように、辺の長さが２．５μｍの正三角形の３つの頂点で直径が２５０ｎｍの円形にレジストを除去した単位形を周期的に繰り返した基本の細孔パターン４１０において、
発光部４２０を設ける位置に対応する場所では、１個分の円形レジスト除去がされていないレジストパターンを形成する。
次に、塩素系ガスを導入するＩＣＰエッチング法で、上記第２の半導体層に、複数の細孔１８０を形成する（径はたとえば５０ｎｍφ）。
ここで細孔の底面は、２次元フォトニック結晶構造１７０を形成するための上部半導体多層膜反射鏡１５０を構成する上記第１の半導体層の上面に位置するようにする。
【００１８】
次に、前記細孔を通じて供給された酸化種によって酸化された酸化領域によって上記第１の半導体層に、周囲の半導体層より屈折率の低い低屈折率部１７５を形成する。
例えば、レジストを除去した後、細孔から水蒸気を導入し、４５０℃で熱処理する。
これにより、つぎのように上記第１の半導体層に、上記基板と平行方向の断面が、上記細孔１８０の断面よりも大きい断面を備えた低屈折率部１７５（例えば、２００ｎｍφに相当する断面を備えた低屈折率部）を有する２次元フォトニック結晶構造を形成する。
すなわち、上記第１の半導体層に接する部分を酸化し、周囲の半導体層より屈折率の低いＡｌ酸化物を形成する。これが２次元フォトニック結晶の低屈折率部１７５に相当する領域を形成する。
低屈折率部の大きさは、酸化プロセスの条件、すなわち処理時間、水蒸気流量、熱処理温度を変更することで調整できる。
ここで、低屈折率孔の大きさは、例えば１μｍ直径の円形領域とすることができる。
【００１９】
細孔を、例えば、ＳｉＯ2や樹脂で充填したのち、直径３０μｍの円形メサを形成する。
円形メサの中心と２次元フォトニック結晶パターンの中心（図４においてはフォトニック結晶の欠陥の中心）は一致させる。
メサの底面は下部多層膜反射鏡に達するようにする。
メサ側壁に露出したｐ−Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ電流狭窄層（高抵抗可能層）１６０の端面から水蒸気を導入し、４５０℃で熱処理してＡｌｘＯｙ高抵抗層１６２を形成する。
このとき、メサ中央に１００μｍ２断面の導電層１６１が残るように酸化時間を制御して電流狭窄構造を形成する。
次に、ポリイミド保護膜をメサ周辺に形成し、さらにメサ上面にｐ上部電極１９０を接続し設ける。
上部電極は例えばＴｉ／Ａｕからなる。光取り出しのためにメサ中央の直径１０μｍ領域の電極はリフトオフ法により除去する。
最後に基板１０５の裏面にｎ下部電極１９５を形成し、波長６７０ｎｍにて発振する横モードの制御された面発光レーザ１００を作製することができる。
【００２０】
以上の説明では、２次元フォトニック結晶の低屈折率部の形成について、第１の半導体層の一部領域を、上記細孔を通じて供給された酸化種によって酸化して形成された酸化領域による形成方法について説明したが、このような方法に限られるものではない。
例えば、Ａｌ組成により選択的にウエットエッチングできるエッチング液（たとえばバッファードフッ酸）を用い、エッチングにより上記第１の半導体層の一部領域に空孔による低屈折率部を形成するようにしてもよい。
その際、この空孔に上記第１の半導体層よりも屈折率の低い物質で充填してもよい。
また、本実施形態では、電流狭窄構造は上部多層膜反射鏡中にあるとしたが、下部多層膜反射鏡中にあってもよい。
また、本実施形態では、電流狭窄構造は選択酸化法によって形成するとしたが、プロトンインプラ法によって形成してもよい。この場合は必ずしもメサ構造を形成する必要がないために、面発光レーザ素子を小面積に集積化しアレイとすることが容易になる。
また、本実施形態では、前記細孔は、前記第１の半導体層よりも屈折率が低い材料で充填することで、細孔が空気で構成されている場合に比べて機械的強度が増し、また細孔の側壁界面からの半導体多層膜反射鏡への酸化などの影響を抑えることができる。
【００２１】
［実施形態２］
本発明の実施形態２における面発光レーザについて説明する。
図２に、本実施形態における面発光レーザを説明する模式図を示す。
図２において、２００は面発光レーザ、２０５は基板、２０７は共振器、２１０は下部多層膜反射鏡、２２０は下部スペーサ層、２３０は活性層である。
２４０は上部スペーサ層、２５０は上部多層膜反射鏡、２６０は電流狭窄層である。
２７０は２次元フォトニック結晶構造、２７５は低屈折率部である。
２８０は細孔、２９０は上部電極、２９５は下部電極である。
【００２２】
本実施形態２において、面発光レーザ２００は、基板２０５上に共振器２０７が形成された構成を備えている。
共振器２０７は下部多層膜反射鏡２１０、下部スペーサ層２２０、活性層２３０、上部スペーサ層２４０、上部半導体多層膜反射鏡２５０が順次設けられている。
上部半導体多層膜反射鏡２５０には導電性領域２６１と高抵抗領域２６２とからなる電流狭窄層２６０が設けられている。
また、上部半導体多層膜反射鏡２５０を構成する第１の半導体層には低屈折率部２７５が形成され、これにより、上記基板に対して平行方向に配列された高屈折率部と低屈折率部とによる２次元フォトニック結晶構造２７０が構成されている。
上記第１の半導体層の上には第２の半導体層が積層され、上記低屈折率部２７５の上面から第２の半導体層の上面ではない途中の層、すなわち上部半導体多層膜２５０の表面ではない途中の層まで、細孔２８０が貫いている。
そして、この細孔の前記基板と平行方向の断面は、上記低屈折率部の上記第１の半導体層における領域での該基板と平行方向の断面よりも小さい断面とされている。
また上部半導体多層膜反射鏡２５０の表面にはリング状の上部電極２９０が設けられており、基板２０５には下部電極２９５が設けられている。
すなわち、実施形態２は、上部半導体多層膜反射鏡において、２次元フォトニック結晶の低屈折率部に接する細孔が、上部半導体多層膜反射鏡の表面まで貫いていない点を除いては、実施形態１とほぼ同様の構成を有する。
実施形態２では、実施形態１にくらべ細孔の体積が小さいために、上部半導体多層膜反射鏡の光学損失をより抑えることができるというメリットがある。
また、細孔を形成する際に必要なエッチング深さが小さいために、プロセスがより簡単になるというメリットがある。
【００２３】
次に、本実施形態２における面発光レーザ２００の作製方法について説明する。
図２に示すように、この面発光レーザ装置においては、例えばｎ−ＧａＡｓ基板のようなｎ型半導体基板２０５上に下部多層膜反射鏡２１０、下側スペーサ層２２０、活性層２３０、上側スペーサ層２４０、上部多層膜反射鏡２５０が順次積層されている。
上部多層膜反射鏡２５０は、第１の上部多層膜反射鏡２５１と第２の上部多層膜反射鏡２５２からなる。
上側スペーサ層２４０までの作製方法は実施形態１と同様の手順を取る。
次に、上側スペーサ層の上に、低屈折率層と高屈折率層１０ペアで構成される第１の上部多層膜反射鏡２５１を積層する。
ここで第１の上部多層膜反射鏡２５１の下側から２ペア目の低屈折率層は電流狭窄のための層２６０とし、例えばｐ−Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓを用いる。また、下から７ペア目の低屈折率層は２次元フォトニック結晶構造２７０を作るための第１の半導体層とし、ｐ−Ａｌ０．９６Ｇａ０．０４Ａｓを用いる。
また、この第１の半導体層の厚さは例えば共振波長の３．２５倍の光学厚さとする。
次に、上記２次元フォトニック結晶構造２７０を形成するための第１の半導体層上に第２の半導体層を積層し、この積層膜表面に保護層を形成した後、レジストを塗布し、実施形態１と同様のパターンを形成する。
【００２４】
次に、塩素系ガスを導入するＩＣＰエッチング法で、上記第２の半導体層に複数の細孔２８０を形成する。
この細孔の底面は、上記した実施形態１と同様に、２次元フォトニック結晶構造２７０を形成するための上部半導体多層膜反射鏡２５０を構成する第１の半導体層の上面に位置するようにする。
次に、レジストを除去した後、細孔から水蒸気を導入し、たとえば４５０℃で熱処理する。
これにより、上記した実施形態１と同様に、上記第１の半導体層に、上記基板と平行方向の断面が、上記細孔２８０の断面よりも大きい断面を備えた低屈折率部２７５を有する２次元フォトニック結晶構造を形成する。
低屈折率部の大きさは酸化プロセスの条件、すなわち処理時間、水蒸気流量、熱処理温度を変更することで調整できる。低屈折率部の大きさはたとえば１μｍ直径の円形とする。
【００２５】
次に、前記細孔が前記第２の半導体層の上面に到る途中の層まで形成された構造を作製するため、前記第２の半導体層の上に、結晶の再成長による第３の半導体層を形成する。
具体的には、細孔を、例えばＳｉＯ2や樹脂で充填したのち、第１の上部多層膜反射鏡２５１の表面の保護層を除去し、第１の上部多層膜反射鏡２５１の表面から半導体結晶の再成長を行う。
これにより、前記第２の半導体層の上に、結晶の再成長による第３の半導体層からなる第２の上部多層膜反射鏡２５２を形成する。
再成長には、例えばＭＯＣＶＤ法を用いる。
通常、ＭＯＣＶＤは、成長パラメータを制御することにより、横方向成長モードを厚さ方向成長モードより大きくすることができる。
具体的には、ＡｌＧａＡｓ系のＭＯＣＶＤにおいては、Ｖ／ＩＩＩを大きく（〜５００）し、成長圧力を下げ（〜１００ｍｍＨｇ）、成長温度を上げる（〜７５０℃）ことで、５０ｎｍ以上の拡散長を確保することは十分可能である。
細孔が平坦化されたあとは、通常の成長モードに成長条件を戻すことが望ましい。
【００２６】
第２の上部多層膜反射鏡２５２は、例えば３０ペアの多層膜とする。
この再成長は、半導体表面に形成された低屈折率媒質の孔の面積が小さいほど行いやすい。
このため、２次元フォトニック結晶構造から再成長を行うことはその低屈折率孔の大きさのために困難であっても、２次元フォトニック結晶構造の低屈折率孔より小さくなっている細孔の空いた表面からでは再成長を行うことが容易になる。この後に、実施形態１の場合と同様に、円形メサ形成、電流狭窄層の形成を行った後、上部電極２９０および下部電極２９５を形成し、面発光レーザ２００を作製することができる。
【００２７】
このように、本実施形態の構成によれば、２次元フォトニック結晶構造の孔の上に、その孔よりも孔径の小さい細孔が空いた層が存在することで、その上に半導体の結晶再成長をすることが可能となる。
すなわち、横モード制御をするための２次元フォトニック結晶の孔の孔径は一般に数百ｎｍ以上のサイズのため、その上に直接質の良い半導体結晶再成長をすることが困難であるが、本実施形態の構成によれば、より質の良い再成長を行うことができる。
これにより、高品質な上部半導体多層膜反射鏡を積むことができるから、面発光レーザの横モードを制御しつつ、電流注入の問題、プロセスの問題を解決することができる。
【００２８】
［実施形態３］
本発明の実施形態３における面発光レーザについて説明する。
図３に、本実施形態における面発光レーザを説明する模式図を示す。
図３において、３００は面発光レーザ、３０５は基板、３０７は共振器、３１０は下部多層膜反射鏡、３２０は下部スペーサ層、３３０は活性層である。
３４０は上部スペーサ層、３５０は上部多層膜反射鏡、３６０は電流狭窄層である。
３７０は２次元フォトニック結晶構造、３７５は低屈折率部である。
３８０は細孔、３９０は上部電極、３９５は下部電極である。
【００２９】
実施形態２においては、２次元フォトニック結晶構造および細孔は上部半導体多層膜反射鏡の中に形成されていたが、本実施の形態のように、下部多層膜反射鏡の中に形成することも可能である。
本実施の形態の面発光レーザ３００においては、基板３０５上に、下部多層膜反射鏡３１０、下部スペーサ層３２０、活性層３３０、上部スペーサ層３４０、上部多層膜反射鏡３５０が積層されている。
そして、２次元フォトニック結晶構造３７０、および細孔３８０が下部多層膜反射鏡３１０中に形成されているが、本発明はこのような実施形態を採ることもできる。
【００３０】
この構成においては、作成方法は基板３０５上に下部多層膜反射鏡３１１を３５ペア積層した後、細孔およびフォトニック結晶構造の形成を行う。
そして、下部多層膜反射鏡３１１の表面から半導体結晶再成長により下部多層膜反射鏡３１２、下部スペーサ層３２０、活性層３３０、上部スペーサ層３４０、上部多層膜反射鏡３５０の積層を行う。
本実施形態では下部スペーサ層、活性層の形成が、フォトニック結晶構造形成後に行われることになる。
したがって、活性層側の半導体多層膜反射鏡３１２にはオーバーエッチングなどの作製誤差が及ばないために、特性が安定する。
【００３１】
本発明に係る面発光レーザは、上記した実施形態１から実施形態３の構成に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に変更することができる。
特に、半導体層、フォトニック結晶構造、電極の材料や形状、フォトニック結晶の屈折率分布のパターン、などにおいて任意に変更することができる。
例えば、上記各実施形態では半導体層としてＡｌＧａＡｓ層を用いる場合について説明したが、ＡｌＡｓ層を用いるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態１における面発光レーザを説明する模式図である。
【図２】本発明の実施形態２における面発光レーザを説明する模式図である。
【図３】本発明の実施形態３における面発光レーザを説明する模式図である。
【図４】本発明の実施形態１の面発光レーザのフォトニック結晶構造におけるレジストパターンの形成について説明する図である。
【図５】従来例における面発光レーザを説明する模式図である。
【符号の説明】
【００３３】
１００、２００、３００：面発光レーザ
１０５、２０５、３０５：基板
１０７、２０７、３０７：共振器
１１０、２１０、３１０：下部半導体多層膜反射鏡
１２０、２２０、３２０：下部スペーサ層
１３０、２３０、３３０：活性層
１４０、２４０、３４０：上部スペーサ層
１５０、２５０、３５０：上部半導体多層膜反射鏡
１６０、２６０、３６０：電流狭窄層
１７０、２７０、３７０：２次元フォトニック結晶構造
１７５、２７５、３７５：低屈折率部
１８０、２８０、３８０：細孔
１９０、２９０、３９０：上部電極
１９５、２９５、３９５：下部電極
【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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