(57)【要約】  基板（１）上に第１のＤＢＲ層（２）、第１クラッド層（３）、活性層（４）、第２クラッド層（５）、酸化電流狭窄部形成層（６）、第２のＤＢＲ層（７）が順次積層された積層構造（２０）と、上部電極（８）及び下部電極（９）とを有する。また、光軸（１０）から所定の距離以上離れた積層構造（２０）の一部領域に、基板（１）上に形成された段差（１１）付近から伸びる構造変調領域（１２）が存在する。この構造変調領域（１２）は、層厚、界面平坦性及び界面の基板面に対する傾き等のパラメータの少なくとも１つが他の領域と異なり、光軸（１０）を含む発光の中心部に比べて反射率が低い。構造変調領域（１２）に囲まれた内側の高反射領域の実効的な幅（Ａ）を、ほぼ基本横モード光の幅に等しく設定する。一方、電流狭窄部の非酸化領域の直径（Ｂ）を、これより広めに設定する。このような構成とすることにより、簡単な構造で、工程を著しく増加させることなく、単一モード発振特性の優れた面発光レーザを得ることができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に少なくとも第１導電型のブラッグ反射鏡層、活性層及び第２導電型のブラッグ反射鏡層が順次積層された積層構造と、
前記積層構造を流れる電流を前記活性層の発光領域に集中させる電流狭窄構造と、
前記積層構造における光軸から離間した領域に形成され、前記光軸を含む発光の中心部に比べて反射率が低い構造変調領域と
を備えることを特徴とする面発光レーザ。
【請求項２】
前記電流狭窄構造は、前記第１導電型のブラッグ反射鏡層と前記活性層との間及び前記第２導電型のブラッグ反射鏡層と前記活性層との間のいずれかに形成され、前記光軸を含む中心部に形成された電流狭窄領域と、この電流狭窄領域の周囲に形成されかつ前記電流狭窄領域よりも電気抵抗が高い非電流狭窄領域とを備える電流狭窄部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。
【請求項３】
前記構造変調領域に囲まれる中心部の幅は、前記電流狭窄領域の幅よりも狭い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】
前記構造変調領域は、前記第１導電型のブラッグ反射鏡層及び前記第２導電型のブラッグ反射鏡層の少なくとも一方に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５】
前記構造変調領域は、前記積層構造の他の領域と反射率に影響を与えるパラメータが異なっ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６】
前記パラメータは、層厚、平坦性及び前記基板の表面に対する傾きの少なくとも１つであることを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ。
【請求項７】
前記基板及び前記積層構造に含まれる層のいずれかの表面に形成された段差を更に備え、
前記構造変調領域は、前記段差を起点に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８】
前記段差は、前記基板の表面の法線方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項７に記載の面発光レーザ。
【請求項９】
前記段差は、メサ構造により規定されていることを特徴とする請求項７に記載の面発光レーザ。
【請求項１０】
前記メサ構造の平面形状は、円形、楕円形及び矩形のいずれかであることを特徴とする請求項９に記載の面発光レーザ。
【請求項１１】
前記段差は、前記光軸から外側に向かって低くなることを特徴とする請求項９に記載の面発光レーザ。
【請求項１２】
前記段差は、環状に形成された多重の凹凸により規定されていることを特徴とする請求項７に記載の面発光レーザ。
【請求項１３】
前記多重の凹凸の平面形状は、円、楕円及び矩形形状のいずれかであることを特徴とする請求項１２に記載の面発光レーザ。
【請求項１４】
前記段差は、前記光軸から離間した領域に形成された複数の島状の凹凸からなることを特徴とする請求項７に記載の面発光レーザ。
【請求項１５】
前記構造変調領域は、前記第２導電型のブラッグ反射鏡層を構成する多層膜の相互拡散により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１６】
前記構造変調領域は、高濃度の不純物拡散により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１７】
基板上に、少なくとも第１導電型のブラッグ反射鏡層、活性層、第２導電型のブラッグ反射鏡層を順次積層して積層構造を形成する工程と、
前記積層構造における中心軸から離間した領域に、前記中心軸を含む中心部に比べて反射率が低い構造変調領域を形成する工程と
を備えることを特徴とする面発光レーザの製造方法。
【請求項１８】
前記積層構造を形成する工程は、前記第１導電型のブラッグ反射鏡層と前記活性層との間及び前記第２導電型のブラッグ反射鏡層と前記活性層との間のいずれかに、酸化により電気抵抗が高くなる材料からなる電流狭窄部形成層を形成する工程を備え、
前記積層構造を形成する工程の後に、前記電流狭窄部形成層の周縁部を酸化する工程を更に備えることを特徴とする請求項１７に記載の面発光レーザの製造方法。
【請求項１９】
前記酸化する工程は、前記電流狭窄部形成層の酸化されない中心部の幅が、前記構造変調領域に囲まれる中心部の幅より狭くなる前に、酸化処理を停止することを特徴とする請求項１８に記載の面発光レーザの製造方法。
【請求項２０】
前記構造変調領域を形成する工程は、前記第１導電型のブラッグ反射鏡層及び前記第２導電型のブラッグ反射鏡層の少なくとも一方に前記構造変調領域を形成することを特徴とする請求項１７に記載の面発光レーザの製造方法。
【請求項２１】
前記構造変調領域を形成する工程は、前記積層構造の他の領域と層厚、平坦性及び前記基板の表面に対する傾きの少なくとも１つが異なる構造変調領域を形成する工程を備えることを特徴とする請求項１７に記載の面発光レーザの製造方法。
【請求項２２】
前記構造変調領域を形成する工程は、
前記基板及び前記積層構造に含まれる層のいずれかの表面の前記中心軸から離間した領域に、段差を形成する工程と、
前記段差を形成した表面上に前記積層構造の残りの層を形成する工程と
を備えることを特徴とする請求項１７に記載の面発光レーザの製造方法。
【請求項２３】
前記段差を形成する工程は、前記中心軸から外側に向かって低くなる段差を形成することを特徴とする請求項２２に記載の面発光レーザの製造方法。
【請求項２４】
前記段差を形成する工程は、前記中心軸から外側に向かって低くなる段差と、高くなる段差とを複数形成することを特徴とする請求項２２に記載の面発光レーザの製造方法。
【請求項２５】
前記構造変調領域を形成する工程は、前記積層構造における前記中心軸から離間した領域に電子線を照射することにより、前記積層構造の各層を構成する原子を他の層に拡散させる工程を備えることを特徴とする請求項１７に記載の面発光レーザの製造方法。
【請求項２６】
前記構造変調領域を形成する工程は、
前記第２導電型のブラッグ反射鏡層における前記中心軸から離間した領域の上に、前記中心軸を取り囲むように第２導電型の不純物を含む不純物層を形成する工程と、
前記不純物層から前記第２導電型のブラッグ反射鏡層に不純物を拡散させる工程と
を備えることを特徴とする請求項１７に記載の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、基本横モード光を出力する垂直共振器型面発光レーザ、及びその製造方法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（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ、以下、ＶＣＳＥＬと略す）は、端面型レーザに比べて、製造コストが低い、製造の歩留りが高い、二次元アレイ化が容易であるなど、多くの利点を有しており近年活発に、開発が進められている。【０００３】
面発光レーザにおいては、高出力の単一基本横モードレーザが求められている。しかし、例えば酸化電流狭窄型の面発光レーザにおいて、単一基本横モードを得るためには、電気抵抗が低い電流狭窄領域を約５μｍφ以下に小さくしなければならない。電流狭窄領域を小さくすると、素子抵抗、熱抵抗ともに大きくなってしまい、発熱の影響で十分な出力が得られないという問題がある。【０００４】
基本横モードで高出力を有する従来の面発光レーザとして、図８に示すような面発光レーザがある。この装置は、下部電極１１１１、基板１０１１、下部反射鏡構造１０２１、下部クラッド層１０３１、発光層１０４１、上部クラッド層１０５１、上部反射鏡構造１０６１、イオン打ち込み等により形成した低反射率ゾーン１０７１、損失決定素子１０８１及び上部電極１１０１からなる構造となっており、光軸１０９１に沿ってレーザ光が出射される。損失決定素子１０８１は、光軸１０９１と直交する方向において、光軸１０９１からの距離が増大するのに従って共振器の光学損失を漸進的に増大させるために、凹状の形状に加工されている。この損失決定素子１０８１により、光軸１０９１と直交する方向における光軸１０９１からの距離が増大するのに従って光の反射方向が発光層１０４１の中央部から離れ共振器損失が増大する。この面発光レーザにおける基本横モード発振は光軸１０９１に近接して生じ、それに対して高次横モード発振は光軸１０９１から離れた位置において生じるため、高次横モードの共振器損失が増大する結果、基本横モード光出力が大幅に増加することになる（例えば、特開平１０-５６２３３号公報を参照）。【０００５】
また、従来の面発光レーザとして、図９に示すような面発光レーザがある。この装置は、電極１１１２、基板１０１２、多層膜ミラー１０２２、活性層１０４２、酸化層１０６２、多層膜ミラー１０７２、スペーサ層１０８２、多層膜ミラー１０９２及び電極１１０２が順次積層された構造となっている。電流狭窄構造は酸化層１０６２が一部酸化されることにより形成される。また、スペーサ層１０８２も酸化層１０６２と同時に酸化されている。このスペーサ層１０８２は高次横モードの光に共振器損失を与えるため、出射中心領域の周辺部における高次横モードを抑制できる。つまり電流狭窄構造を大きめに形成しておき、スペーサ層１０８２により横モード制御を実現する構造となっている（例えば、特開２００２-３５３５６２号公報を参照）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図８に示された従来の面発光レーザでは、凹部を形成するためのプロセスが複雑になるという欠点がある。また、発光層中心と凹部中心のずれや、凹部の曲率半径のばらつきによって、レーザ特性が大きく影響を受けるために歩留りの向上には限界がある。また、凹部の中心から少しでも外れた光に対しても反射率の低下を引き起こすため、基本横モード光に対しても閾値上昇を招いてしまう。【０００７】
一方、図９に示された構造の場合、電極間の電流経路に電流狭窄層である酸化層１０６２のみならず、高次横モードを抑制するために酸化されたスペーサ層１０８２が存在するため、素子抵抗が増大し、動作電圧の増大及び発熱の問題が生じる場合がある。また、より効率的に基本横モード光のみを選択して発振させるために図９のスペーサ層１０８２における非酸化領域の幅を酸化層１０６２の非酸化領域の幅より狭く設定すると、電流経路（図１０中の実線矢印）が狭くなり、素子抵抗の増大の影響がさらに大きくなってしまう。【０００８】
素子抵抗が増大すると、動作電圧が増大すると共に、発熱の影響で十分な出力が得られなくなってしまう。このため、図９の構造では最大光出力（約２ｍＷ〜５ｍＷ程度）が得られているにもかかわらず、図１０の構造にした場合には同程度の出力は得られない。従って、高出力を目的とする場合には、図１０のようにスペーサ層１０８２の中央領域での非酸化領域を狭めることができなかった。即ち、高次横モード光を抑圧して基本横モードを出力する課題と高出力達成の課題はトレードオフの関係にあった。【０００９】
上記の課題を解決するため、本発明では、高次横モードを抑制して基本横モード光を高出力で出射することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明のＶＣＳＥＬは、基板上に少なくとも第１導電型のブラッグ反射鏡層、活性層及び第２導電型のブラッグ反射鏡層が順次積層された積層構造と、前記積層構造を流れる電流を前記活性層の発光領域に集中させる電流狭窄構造と、前記積層構造における光軸から離間した領域に形成され、前記光軸を含む発光の中心部に比べて反射率が低い構造変調領域とを備えることを特徴とする。【００１１】
また、本発明のＶＣＳＥＬの製造方法は、基板上に、少なくとも第１導電型のブラッグ反射鏡層、活性層、第２導電型のブラッグ反射鏡層を順次積層して積層構造を形成する工程と、前記積層構造における中心軸から離間した領域に、前記中心軸を含む中心部に比べて反射率が低い構造変調領域を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、簡単な構造で、工程を著しく増加させることなく単一モード発振特性の優れた、面発光レーザを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の第１の実施例であるＶＣＳＥＬの断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の第１の実施例であるＶＣＳＥＬの段差部分の拡大断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の第１の実施例におけるＶＣＳＥＬの製造工程を示す模式図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａに引き続く製造工程を示す模式図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図２Ｂに引き続く製造工程を示す模式図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、図２Ｃに引き続く製造工程を示す模式図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の第２の実施例であるＶＣＳＥＬの図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の第２の実施例であるＶＣＳＥＬの凹凸部分の拡大断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明の第２の実施例であるＶＣＳＥＬの凹凸部分の他の例を示す平面図である。
【図４】図４は、本発明の第３の実施例であるＶＣＳＥＬの断面図である。
【図５】図５は、本発明の第４の実施例であるＶＣＳＥＬの断面図である。
【図６】図６は、本発明の第５の実施例であるＶＣＳＥＬの断面図である。
【図７】図７は、本発明の第６の実施例であるＶＣＳＥＬの断面図である。
【図８】図８は、従来のＶＣＳＥＬの断面図である。
【図９】図９は、従来のＶＣＳＥＬの断面図である。
【図１０】図１０は、図９における従来のＶＣＳＥＬの問題点を示す模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、積層構造の一部に反射率の低下した構造変調領域を形成することで、高次横モードの抑制効果を高めつつ高出力を得るものである。【００１５】
積層構造の場合、層厚または界面平坦性または界面の基板面に対する傾きの分布が異なることにより反射率の低下が生じる。本発明の１つの最良の形態は、光軸と直交する方向に光軸から離間して、この反射率が低下した構造変調領域を電流狭窄部の非電流狭窄領域内に設けることで高次横モードの抑制効果を高めつつ高出力を得るものである。【００１６】
本発明の他の最良の形態は、第２導電型のブラッグ反射鏡（Distributed Bragg Reflector:ＤＢＲ）層の周辺部に、相互拡散あるいは高濃度の不純物拡散によって、発光の中心部に比べて反射率が低下した構造変調領域を設けることを特徴とする。【００１７】
以上の結果、反射率が低下した構造変調領域の内側にある高反射率領域の幅を、高次モードが抑制され、単一基本横モード発振に最適な幅まで自由に狭めることができるため、高次モードの抑制効果を最大限に高めることができる。【００１８】
また、電流狭窄部の幅を広めに設定できることで、電流経路の抵抗も低減でき、熱による飽和を抑えることができる。【００１９】
さらに、基本横モードレーザ光を得るために出射表面の複雑なエッチング工程なども必要としないので、比較的簡単なプロセスで製造できる。【００２０】
（第１の実施例）
図１Ａ及び図１Ｂを用いて本発明によるＶＣＳＥＬの第１の実施例を説明する。このレーザは、基板１上に第１のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層２、第１クラッド層３、活性層４、第２クラッド層５、酸化電流狭窄部形成層６、第２のＤＢＲ層７が順次積層された積層構造２０と、上部電極８及び下部電極９とを有している。さらに、光軸１０に対して直交する方向に光軸１０から所定の距離以上離れた積層構造２０の一部領域に、基板１上に形成された段差１１付近から伸びる構造変調領域１２が存在することを特徴の一つとしている。本実施例では、構造変調領域１２は、層厚、界面平坦性及び界面の基板面に対する傾き等、反射率に影響を与えるパラメータの少なくとも１つの分布が他の領域（光軸１０を含む発光の中心部）と異なり、他の領域に比べて反射率が低い。【００２１】
図１Ａに示したＶＣＳＥＬの製法につき図２Ａ〜図２Ｄを用いて説明する。なお、以下の説明は、短波長レーザ装置の例であり、発振波長約０.８５μｍとなる材質を選択している。【００２２】
まず、図２Ａに示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、フォトリソグラフィ及びエッチングの手法を用いて、０.１μｍ程度の段差１１で囲まれた平面形状が円形で直径約３μｍのメサを形成する（工程１）。中心軸１０ａから所定の距離以上離れた位置に段差１１がくるようにする。【００２３】
上記メサの平面形状は単純な円形パターンとしたが、円形に限定されるものではなく、目的に応じて任意の形状を用いることができる。例えば偏波制御のため楕円形や矩形など異方性を持たせたりすることも出来る。また段差１１は０.１μｍ程度としたが、これに限られるものではない。エピタキシャル成長中の平坦化作用が強い場合はもっと大きくても良く、逆に僅かな段差でも程度の差こそあれ効果は得られる。また必ずしも急峻な段差である必要はなく、基板面の法線方向に対して緩やかに傾斜する斜面を有する段差や、さらに斜面の傾斜角が変化する段差でも良い。【００２４】
次に図２Ｂに示すように、段差１１を形成したｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層２−２とｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層２−１の一対を基本単位とするＤＢＲ（ｎ型半導体ミラー層）を複数積層した第１のＤＢＲ層２、ｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓの第１クラッド層３、ノンドープＧａＡｓ量子井戸とＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ障壁層からなる活性層４、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓの第２クラッド層５、ｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ただし０．９＜ｘ＜１）の酸化電流狭窄部形成層６及びｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層とｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層の一対を基本単位とするＤＢＲ（ｐ型半導体ミラー層）を複数積層した第２のＤＢＲ層７を、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法にて順次積層し、積層構造２０を形成する（工程２）。もちろん、分子線エピタキシー成長（ＭＢＥ）法など他の方法を用いてもよい。【００２５】
各々のＤＢＲ層２，７では、高屈折率のＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層２−２と低屈折率のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層２−１とのそれぞれの膜厚は、これら媒質内の各々の光路長が発振波長のほぼ１／４となるように設定してある。または、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層２−２の厚みとＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層２−１の厚みの合計の膜厚（ＤＢＲ単位の膜厚）を、光路長が発振波長の１／２となるように設定してもよい。なお酸化電流狭窄部形成層６のＡｌ組成ｘを高い組成（０．９＜ｘ）に設定したのは、０．９以下ではほとんど酸化が生じないためである。一方、ＤＢＲ層２，７の低屈折率Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層２−１は酸化がほとんど生じない低いＡｌ組成に設定されており、これによって酸化電流狭窄部形成層６の選択的な酸化が可能となる。【００２６】
工程２において、段差１１付近では図１Ｂの拡大図中に示すように、主に段の高さが低い側（ここでは積層構造２０の中心軸１０ａから見て外側）で、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層２−１の層厚増加や結晶面の傾斜などが起き、これがさらに上層に順次引継がれることで、反射率の低下した構造変調領域１２が積層方向の主に段の高さが低い側（ただし成長条件に依存）に形成される。【００２７】
次に、図２Ｃに示すように、フォトレジスト１３を第２のＤＢＲ層７上へ塗布し、円形のレジストマスクを形成する（工程３）。ついで、ドライエッチングにより、第２のクラッド層５の表面が露出するまでエッチングを行い、直径約３０μｍの円柱状構造を形成し（工程４）、酸化電流狭窄部形成層６の側面を露出させる。その後、フォトレジスト１３を除去する（工程５）。【００２８】
次に、図２Ｄに示すように、水蒸気雰囲気中の炉内において温度約４００℃で約１０分間加熱を行う（工程６）。これにより、酸化電流狭窄部形成層６の外側周縁部のみが円環状に選択的に酸化され、酸化領域が形成される。同時に、酸化電流狭窄部形成層６の光軸１０を含む中心部には直径が約８μｍの非酸化領域が形成される。この工程においては、非酸化領域の幅Ｂが、構造変調領域１２に囲まれる中心部の幅Ａより狭くなる前に、加熱を停止することに注意する。【００２９】
次に、上部電極８形成のため、所定位置にフォトレジストマスクを形成（工程７）、全面に電極としてチタン（Ｔｉ）及び金（Ａｕ）を蒸着（工程８）した後、フォトレジストを除去してリフトオフすることにより上部電極８が形成される（工程９）。最後に、基板裏面全面にＡｕＧｅ（ゲルマニウム）合金を蒸着し、加熱してアロイすることで、下部電極９を形成する（工程１０）。【００３０】
酸化電流狭窄部形成層６に形成された、酸化領域と非酸化領域からなる構成を電流狭窄部（電流狭窄構造）という。外側周縁部の酸化領域は電気抵抗が高く、中心部の非酸化領域は電気抵抗が低い。したがって、非酸化領域の幅を活性層４で光る発光領域とほぼ同じ幅にすることにより、発光領域に電流を集中して流すことができる。なお、酸化領域を「非電流狭窄領域」、非酸化領域を「電流狭窄領域」または「開口部」ともいう。【００３１】
以上、図２Ａ〜図２Ｄの製法により得られた図１ＡのＶＣＳＥＬは、電流狭窄部の非酸化領域の直径（図１Ａ中の矢印Ｂ）が約８μｍと広いため抵抗及び熱抵抗を抑えることができる。【００３２】
一方、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に設けた段差１１で囲まれた円形メサの直径は十分に小さい約３μｍに設定されており、従って反射率の低下した構造変調領域１２が電流狭窄部の非酸化領域の内側にも形成されていることにより高次横モードを抑制できる。【００３３】
本実施例では、さらに構造変調領域１２で囲まれた内側の高反射領域の実効的な幅（図１Ａ中の矢印Ａ）がほぼ基本横モード光の幅（約５μｍ）に等しいことで、単一基本横モードを維持したまま高出力化を可能とする面発光レーザ装置を提供でき、約５ｍＷ以上の高出力で、単一基本横モード発振を実現することができた。【００３４】
基本横モード光は、その強度が光軸の中心で最大となり、外周では弱くなる。ここで、基本横モード光の幅とは、光の強度が全体の約７５％になる幅としている。素子の要求される特性により、６０％〜９０％の間で適宜決定される。【００３５】
図２Ａの工程１では、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に直接段差１１を形成したが、例えばバッファ層を成長してから段差１１を形成する、あるいは第１のＤＢＲ層２の積層を途中で中断し、その後段差１１を形成し、引き続き残りを積層することもできる。【００３６】
後者の場合、プロセスは増えるが活性層４により近い領域で反射率の低下した構造変調領域１２を有効に生成することができるため、より大きな高次横モードの抑制効果が期待できる。【００３７】
また図２Ａの工程１では、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、単一のメサを形成したが、プロセスは増えるがメサを２重、３重に形成して多段の階段状に段差を形成しても良く、これによってより広い範囲に渡って反射率の低下した構造変調領域１２を、その分布を制御して形成することが出来る。【００３８】
さらに段差１１は光軸１０から外側に向かって低くなるように形成したが、この方が構造変調領域１２の影響が活性層４の発光領域に及びにくいためである。しかし段差１１と活性層４とが大きく離れている場合、段差を低めに設定すれば積層中に十分平坦化するため影響はほとんど活性層４に及ばなくなる。この場合は逆に内側で低くなるように形成したり混在させたりすることも可能である。【００３９】
また図２Ａ〜図２Ｄでは、１つのＶＣＳＥＬが形成される様子が示されているが、大面積基板を用いて、多数のＶＣＳＥＬをマトリックス状に同時に形成することができる。従って、１つの装置ごとに切り出して使用することのみならず、所望のアレイ状（例えば１個×１０個、１００個×１００個など）に基板から切り出して使用することができる。【００４０】
（第２の実施例）
図３Ａ〜図３Ｃを用いて本発明によるＶＣＳＥＬの第２の実施例を説明する。【００４１】
第１の実施例で示した図１Ａ及び図１Ｂと異なる点は、次のとおりである。即ち、本実施例は、第１の実施例とほぼ同じ製法を採用するものであるが、第１の実施例の図２Ａで示された工程１では、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、段差１１で囲まれた平面形状が円形のメサを形成したのに対して、本実施例では図３Ａに示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、平面形状が同心円状の凹凸１４を形成した点が異なっている。なお凹凸であれば同心円状に限られるものではなく、環状に形成された多重の楕円形や矩形でも良い。また図３Ｃに示した複数の島状の凹凸１４ａでも良い。さらに、規則的でも非規則的でも良い。【００４２】
このように構成することで、第１の実施例に比べ、より簡単なプロセスで広い範囲に構造変調領域１２の分布を制御して形成することができる（例えば第１の実施例で段差を複数設けるにはフォトリソグラフィを何度も繰り返す必要がある）。【００４３】
従って、本実施例においては第１の実施例の効果を有するのみならず、より適切な反射率分布制御が容易にできるため、より効率的に高出力の単一基本横モード光を出力することができる。【００４４】
また本実施例でも、第１の実施例と同様に、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に直接凹凸１４，１４ａを形成するのではなく、例えばバッファ層を成長してから、あるいは第１のＤＢＲ層２の積層を途中中断してから凹凸１４，１４ａを形成し、引き続き残りを積層することもできる。後者の場合、第１の実施例と同様に、プロセスは増えるが活性層４により近い領域で反射率の低下した構造変調領域１２を有効に生成することができるため、より大きな高次横モードの抑制効果が期待できる。【００４５】
（第３の実施例）
図４を用いて本発明によるＶＣＳＥＬの第３の実施例を説明する。【００４６】
図４の構成と第１の実施例である図１Ａ及び図１Ｂの構成との相違点は、図１Ａ及び図１Ｂでは段差１１はｎ型ＧａＡｓ基板１上に形成されているのに対して、本実施例では酸化電流狭窄部形成層６の上部に設けたスペーサ層１５に段差１１が形成されている点である。従って、図１Ａでは構造変調領域１２は主に第１のＤＢＲ層２の内部に存在するのに対して、本実施例では構造変調領域１２は第２のＤＢＲ層７の内部に存在する。本実施例においても第１の実施例と同様の効果を奏するが、構造変調領域１２の影響が活性層４に及ぶことはない。【００４７】
本実施例の製造方法は、第１の実施例における製造方法を示す図２Ａ〜図２Ｄにおいて、段差１１を形成する工程を挿入する位置を変えたものである。即ち、図２Ａで段差１１を形成する工程１は行わずに、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に直接、図２Ｂの工程２における第１のＤＢＲ層２、第１クラッド層３、活性層４、第２クラッド層５、酸化電流狭窄部形成層６まで積層し、次の第２のＤＢＲ層７の積層初期の適当な段階で積層を一旦中断する。その中断表面に段差１１を形成する新たな工程を追加した後に、第２のＤＢＲ層７の積層を再開して残りの部分を形成する。この場合、図４におけるスペーサ層１５は、この第２のＤＢＲ層７の積層初期部分に相当する。【００４８】
本実施例では、スペーサ層１５を酸化電流狭窄部形成層６の上部に設けたが、酸化電流狭窄部形成層６の下部に設け、そこに段差１１を形成しても良い。また第２のＤＢＲ層７をさらに厚く積層した段階で中断し、段差１１を形成しても良い。【００４９】
（第４の実施例）
図５を用いて本発明によるＶＣＳＥＬの第４の実施例を説明する。【００５０】
本実施例の構成と、第２の実施例である図３Ａ〜図３Ｃの構成との違いは、第３の実施例である図４の構成と、第１の実施例である図１Ａ及び図１Ｂの構成との違いとほぼ同様である。即ち、図３Ａ〜図３Ｃでは凹凸１４，１４ａがｎ型ＧａＡｓ基板１上に形成されているのに対して、本実施例では酸化電流狭窄部形成層６の下部に設けたスペーサ層１５に凹凸１４，１４ａが形成されている。従って、図３Ａでは構造変調領域１２は主に第１のＤＢＲ層２の内部に存在するのに対して、本実施例では構造変調領域１２は第２のＤＢＲ層７の内部に存在する。本実施例においても第３の実施例と同様に構造変調領域１２の影響が活性層４に及ぶことはない。【００５１】
製造方法も、第３の実施例とほぼ同様であり、第３の実施例での段差１１に対して、本実施例では凹凸１４，１４ａを形成する点、またスペーサ層１５の位置を、第３の実施例では酸化電流狭窄部形成層６の上部としたのに対して、本実施例では酸化電流狭窄部形成層６の下部とした点のみ異なる。なおスペーサ層１５は第３の実施例と同様に、酸化電流狭窄部形成層６の上部に設けても良く、また第２のＤＢＲ層７をさらに厚く積層した段階で中断し、凹凸１４，１４ａを形成しても良い。【００５２】
（第５の実施例）
図６を用いて本発明によるＶＣＳＥＬの第５の実施例を説明する。図６の構成と第３の実施例である図４の構成との相違点は、図６では酸化電流狭窄部形成層６が無く、第２のＤＢＲ層７の円柱状構造の直径を約１０μｍ程度と小さくすることで電流狭窄を実現している点である。このように、電流狭窄を実現するために第２のＤＢＲ層７の直径を小さくした構造を、電流狭窄構造３０という。【００５３】
本実施例では構造変調領域１２によって横モード制御を行うため、相対的に電流狭窄の幅は大きくすることができる。従って本実施例のように電気抵抗の大幅な上昇を招かない現実的な直径で第２のＤＢＲ層７による円柱状構造を形成し、直接電流狭窄を実現することもでき、選択酸化プロセスを省略することができる。【００５４】
本実施例ではスペーサ層１５を第２クラッド層５の直上に設けているが、第２のＤＢＲ層７をさらに厚く積層した段階で中断して段差１１を形成しても良い。また段差１１の代わりに第４の実施例のように凹凸１４，１４ａを形成しても良い。【００５５】
また段差１１または凹凸１４，１４ａを形成する位置としては、第１または第２の実施例と同様に、ｎ型ＧａＡｓ基板１上、またはバッファ層を成長した表面、あるいは第１のＤＢＲ層２の積層を途中で中断した表面としても良い。【００５６】
以上の第１〜第５の実施例では、第１のＤＢＲ層２または第２のＤＢＲ層７のいずれか一方には少なくとも構造変調領域１２が形成され、この構造変調領域１２で囲まれた内側の高反射領域の幅Ａが、電流狭窄領域の幅Ｂよりも狭い部分を有している。このため、高出力で単一基本横モードを維持したＶＣＳＥＬが得られる。
特に、出射側の第２のＤＢＲ層７に構造変調領域１２が形成されていることが好ましい。更に、第２のＤＢＲ層７に形成された構造変調領域１２で囲まれた内側の高反射領域の幅Ａが、電流狭窄領域の幅Ｂよりも狭いことがより好ましい。
また、第１または第２のＤＢＲ層２，７に形成された構造変調領域１２で囲まれた内側の高反射領域の実効的な幅Ａが、基本横モードの光の幅と等しいことが好ましい。【００５７】
（第６の実施例）
図７を用いて本発明によるＶＣＳＥＬの第６の実施例について説明する。【００５８】
本実施例では、基板１０１上に第１のＤＢＲ層１０２、第１クラッド層１０３、活性層１０４、第２ラッド層１０５、酸化電流狭窄部形成層１０６、第２のＤＢＲ層１０７が順次積層された積層構造１２０と、第１の電極１０９及び第２の電極１１１とを有している。第１のＤＢＲ層１０２は低屈折率層１０２−１と高屈折率層１０２−２の多層膜から構成される。第２のＤＢＲ層１０７についても同様である。出射側の第２のＤＢＲ層１０７のペア数は、第１のＤＢＲ層１０２より反射率を小さくするため、通常第１のＤＢＲ層１０２のペア数より少なく設定される。【００５９】
共振部は第１クラッド層１０３、活性層１０４及び第２クラッド層１０５から構成される。活性層１０４は、共振部の電界強度の腹にあたる部分に配置される。酸化電流狭窄部形成層１０６は、共振部と第１または第２のＤＢＲ層１０２，１０７との間に配置されるる。特に、電流狭窄部が酸化膜により形成される場合には、半導体と酸化膜の屈折率差が大きく光閉じこめ効果が大きくなりすぎないように、酸化電流狭窄部形成層１０６は電界強度が節となる位置に配置される。【００６０】
高次横モードの発生を抑制するために、第２のＤＢＲ層１０７の周辺部に、相互拡散あるいは高濃度の不純物拡散によって、発光の中心部に比べて反射率が低下した構造変調領域１０８を形成する。この構造変調領域１０８の開口幅１１３は、電流狭窄部の開口幅１１２より狭くなっている。電流注入時に活性層で光る発光領域は、電流狭窄部の開口幅１１２から、楕円の領域１１４のようになる。【００６１】
楕円の発光領域１１４から出た光は、上下のＤＢＲ層１０２、１０７により構成された光共振器によりフィードバックがかかりレーザ発振が生じる。しかし、本実施例では低反射率である構造変調領域１０８が形成されているため、発光の周辺部では十分なフィードバックがかからない。このため発光の中心部に最大の光強度がある基本横モードでは発振するが、周辺部に最大光強度がある高次横モードは発振しにくくなる。【００６２】
反射率の低下した構造変調領域１０８を形成する方法として、本実施例では第２のＤＢＲ層１０７を構成する多層膜の相互拡散、あるいは高濃度の不純物拡散による周期構造の破壊作用を用いている。【００６３】
多層膜の相互拡散とは、多層膜を構成している原子が、互いの層に拡散する現象をいう。例えば、２４周期のＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなるＤＢＲ膜の反射率は９９％以上である。このＤＢＲ膜に対し、発光中心部のＤＢＲは相互拡散させないように、外周囲だけ電子線照射を行い、この電子線照射が行われた領域の異常拡散を用い、多層膜の相互拡散を行なう。こうしてＡｌＧａＡｓ（Ａｌ:０．４）／ＡｌＧａＡｓ(Ａｌ：０．６)のＤＢＲに変えると、反射率は７７％に低下する。【００６４】
一方、不純物拡散により構造変調領域１０８を形成すると、キャリア吸収も起こる。上記の例の多層膜構造で各層中の吸収係数が１００ｃｍ-1とすると、ＤＢＲ全体での吸収率は約４％になり、反射率もその分下がって約７４％になる。【００６５】
次に本実施例によるＶＣＳＥＬについて、製造工程も含めて詳細に説明する。なお、以下の説明は、短波長レーザ装置の例であり、発振波長約０．８５μｍとなる材質を選択している。【００６６】
まず、図７に示すように、Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層からなる高屈折率層１０２−２とｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層からなる低屈折率層１０２−１の一対を基本単位とするｎ型のＤＢＲ（ｎ型半導体ミラー層）を複数積層した第１のＤＢＲ層１０２、ｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓの第１クラッド層１０３、ノンドープＧａＡｓ量子井戸とＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ障壁層からなる活性層１０４、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓの第２クラッド層１０５、ｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ただし０．９＜ｘ＜１）の酸化電流狭窄部形成層１０６、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層とｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層の一対を基本単位とするＤＢＲ（ｐ型半導体ミラー層）を複数積層した第２のＤＢＲ層１０７を、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法にて順次積層し、積層構造１２０を形成する。分子線エピタキシー成長（ＭＢＥ）法等の他の成長方法を用いてもよい。この工程は、図２（Ｂ）の工程に相当する。【００６７】
各々のＤＢＲ層１０２，１０７では、高屈折率のＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓと低屈折率のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓとのそれぞれの膜厚は、これら媒質内の各々の光路長が発振波長約０．８５μｍのほぼ１／４となるように設定してある。または、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓの厚みとＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓの厚みの合計の膜厚（ＤＢＲ単位の膜厚）を、光路長を発振波長である約０．８５μｍの１／２となるように設定してもよい。【００６８】
次に、フォトレジストをエピタキシャル成長膜上へ塗布し、円形のレジストマスクを形成する。ついで、ドライエッチングにより、第２クラッド層１０５の表面が露出するまでエッチングを行い、直径約３０μｍの円柱状構造を形成する。この工程により、酸化電流狭窄部形成層１０６の側面が露出する。その後、フォトマスクを除去する。この工程は、図２（Ｃ）の工程に相当する。【００６９】
次に、再びメサ上面における、内径が約８μｍ〜１０μｍで、外径は直径約１２〜１４μｍであるメサと同心円の円環部を除く面をフォトレジストで覆う。その後、メサ最上層上にＺｎＯ膜（不純物層）をスパッタで円環状に形成し、５８０℃、１０分のアニールを行う。この結果、光軸の中心部を除く周縁部に、深さ約２μｍ程度までＺｎ（第２導電型の不純物）が拡散し、第２のＤＢＲ層１０７の破壊が生じる。これにより高屈折率のＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層と低屈折率のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層の界面はなだらかになり、その領域の反射率は低下する。この結果、第２のＤＢＲ層１０７の一部に発光の中心部に比べて低反射率である構造変調領域１０８が形成される。【００７０】
最上層は、ＧａＡｓのλ／２層を設けても良い。更に、この工程は、上述のメサを形成する工程の前に行っても良く、更に、後述の電流狭窄部形成の選択酸化の工程の後で行っても良いことは言うまでもない。【００７１】
その後、水蒸気雰囲気中の炉内において温度約４００℃で約１０分間加熱を行う。これにより、酸化電流狭窄部形成層１０６が円環状に選択的に酸化され、酸化領域が形成される。同時に、酸化電流狭窄部形成層１０６の中心部には直径が約８μｍの非酸化領域が形成される。【００７２】
酸化電流狭窄部形成層１０６に形成された、酸化領域と非酸化領域からなる構成を電流狭窄部という。電流狭窄部は、電流を非酸化領域とほぼ同じ幅の活性層領域に集中して流すために設けている。【００７３】
その後、メサ上の外周にチタン（Ｔｉ）／金（Ａu）のリング状の上部電極１０９、基板裏面全面にＡｕＧｅ合金の下部電極１１１を形成する。  この工程は、図２（Ｄ）に相当する。
構造変調領域１０８は、上記電流狭窄部と同一の中心軸で、構造変調領域１０８が囲う内径１１３は、前記電流狭窄部の開口幅１１２より小さくなっている。このため、電流狭窄部の開口幅１１２を約８μｍと大きくとっても単一基本モードが維持され、約５ｍＷ以上の高出力動作が可能となる。【００７４】
本実施例におけるＶＣＳＥＬでは、構造変調領域１０８の形状が円環状となっているため、出力光の断面も円環状となるが、必要に応じて楕円型などの所望の断面形状をもつ出力光を出射するようにしてもよい。【００７５】
上述した実施例においては、活性層４，１０４の材料としてノンドープＧａＡｓやノンドープＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓを用いたが、活性層４，１０４の材料としてはこれらに限られず、ＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓを用いて近赤外用のＶＣＳＥＬを構成することもできるし、また、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＰなどの可視ＶＣＳＥＬにも適用できる。【００７６】
更に、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰや、ＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＡｓＳｂなどを用いて長波帯の単一モードＶＣＳＥＬを構成することもできる。これらのＶＣＳＥＬは単一モードファイバを用いた比較的長距離の通信に非常に有効である。さらには、ＧａＮ系やＺｎＳｅ系等を用いて青色または紫外線用のＶＣＳＥＬを構成することができる。【００７７】
また、これらの活性層４，１０４の材料に応じて、ＤＢＲ層２，７，１０２，１０７を含めたその他の層の材料・組成や、ＤＢＲ層２，７，１０２，１０７の周期数を含めたそれぞれの層の厚みを適宜選択、設定できることはいうまでもない。【００７８】
第１〜４、６の実施例におけるＶＣＳＥＬでは、電流狭窄部の酸化領域はアルミニウム（Ａｌ）が酸化する構成となっているが、Ａｌに限るものではなく、酸化した場合に非酸化領域に比べ電気抵抗が大幅に増大（絶縁体となれば望ましい）する物質であればよい。
また、上述した実施例で第１と第２の導電性を逆に、即ち、n型をｐ型に、かつｐ型をn型に変更してもよい。この場合には、電流狭窄部は活性層４，１０４と第１のＤＢＲ層２，１０２との間に形成するのが望ましい。あるいは、何れの場合も、電流狭窄部は、活性層４，１０４と第１のＤＢＲ層２，１０２との間、及び、活性層４，１０４と第２のＤＢＲ層７，１０７との間の両方に形成してもよい。【００７９】
また、上述した実施例と組み合わせて十分機能しさえすれば、必ずしも選択酸化による電流狭窄である必要もなく、第５の実施例で示した方法以外にも、例えばプロトン注入による方法などを適用することも出来る。【００８０】
また、上述した実施例では導電性基板１，１０１上にＶＣＳＥＬを形成していたが、p型及びn型両電極とも表面側に形成する場合などは必ずしも導電性基板１，１０１に限定されず、例えばノンドープ基板または半絶縁性基板を用いても良い。さらに上述した実施例では基板１，１０１上に積層した全ての層にドーピングした場合について説明したが、電流経路となり動作上必須な範囲に少なくともドーピングすれば良い。【００８１】
本発明は、これら実施例に具体的に示した構成、方法に限定されるものではなく、発明の趣旨に沿うものであれば種々のバリエーションが考えられる。
【図１Ａ】
2005074080.tif 000002
【図１Ｂ】
2005074080.tif 000003
【図２Ａ】
2005074080.tif 000004
【図２Ｂ】
2005074080.tif 000005
【図２Ｃ】
2005074080.tif 000006
【図２Ｄ】
2005074080.tif 000007
【図３Ａ】
2005074080.tif 000008
【図３Ｂ】
2005074080.tif 000009
【図３Ｃ】
2005074080.tif 000010
【図４】
2005074080.tif 000011
【図５】
2005074080.tif 000012
【図６】
2005074080.tif 000013
【図７】
2005074080.tif 000014
【図８】
2005074080.tif 000015
【図９】
2005074080.tif 000016
【図１０】
2005074080.tif 000017
【国際調査報告】
2005074080.tif 000018
2005074080.tif 000019
2005074080.tif 000020
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2005074080.tif 000022
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