JP4992503B2 - 面発光型半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、上面からレーザ光を射出する面発光型半導体レーザに関する。

面発光型半導体レーザは、従来の端面射出型のものとは異なり、基板に対して直交する方向に光を射出するものであり、同じ基板上に２次元アレイ状に多数の素子を配列することが可能であることから、近年、デジタルコピー機やプリンタ機用の光源として注目されている。

従来、この種の面発光型半導体レーザでは、半導体基板上に一対の多層膜反射鏡が形成されており、その対の多層膜反射鏡の間に発光領域となる活性層が設けられている。また、一方の多層膜反射鏡と活性層との間には、活性層への電流注入効率を高め、しきい値電流を下げるために、電流注入領域を狭めた構造を有する電流狭窄層が設けられている。また、下面側には下部電極、上面側には上部電極がそれぞれ設けられ、上部電極にはレーザ光を射出するために開口部が設けられている。この面発光型半導体レーザでは、電流は電流狭窄層により狭窄されたのち活性層に注入され、そこで発光し、これが一対の多層膜反射鏡で反射を繰り返しながらレーザ光として上部電極の開口部から射出される。

ところで、上記した面発光型半導体レーザは、一般に、素子のばらつきにより偏光方向がばらついてしまう不均一性や、出力や環境温度により偏光方向が変化してしまう不安定性を有している。そのため、このような面発光型半導体レーザをミラーやビームスプリッタといった偏波依存のある光学素子に対して適用する場合、例えば、デジタルコピー機やプリンタ機用の光源として用いる場合には、偏光方向のばらつきが像の結像位置や出力に差異を生じさせ、にじみや色むらが発生してしまうという問題がある。

そこで、この問題に対して、面発光型半導体レーザの内部に偏光制御機能を設け、偏光方向を一方向に安定化させる技術がいくつか報告されている。

例えば、そのような技術の１つとして、（３１１）面を法線とする高角度の傾斜基板（ＧａＡｓ傾斜基板）を用いるものがある。このように高角度の傾斜基板を用いて面発光型半導体レーザ素子を構成した場合、［−２３３］方向に対する利得特性が高くなり、レーザ光の偏光方向をこの方向に制御することが可能となる。また、レーザ光の偏光比も非常に高いものであり、面発光型半導体レーザ素子の偏光方向を一方向に安定化させるために有効な技術である。

また、特許文献１には、メサ部の一の面内方向の幅を、光がメサ部の側面で回折損失を受ける程度に狭くすることにより、その側面に平行な偏光を得る技術が開示されている。

また、特許文献２には、光射出口から射出されるレーザ光の特性に影響の及ばないような金属コンタクト層の一部に不連続部を形成し、不連続部の境界に対して平行方向をなす偏光を得る技術が開示されている。

特許２８９１１３３号公報 特表２００１−５２５９９５号公報

しかしながら、上記した高角度の傾斜基板は、（３１１）面を法線とする特殊な基板であるため、標準的な基板である（００１）面基板などと比較して非常に高額なものである。また、このような高角度の傾斜基板を用いた場合、成長温度、ドーピング条件およびガス流量などのエピタキシャル成長条件も、（００１）面基板の場合と全く異なるため、簡易に製造することが容易ではない。

また、上記特許文献１の技術では、メサ部の径を極めて小さくする必要があるので、垂直共振器の抵抗が高くなってしまう。また、レーザ光の出力が１ｍＷ程度と低く、デジタルコピー機やプリンタ機用の光源として利用するには実用的な大きさではない。また、基板側からレーザ光を射出させる場合には、ＧａＡｓ基板によるレーザ吸収を抑えるためにＤＢＲ層の直近までＧａＡｓ基板をエッチオフすることが必要となるので、製造工程が複雑化してしまう。さらに、メサ部の径が小さいので、製造工程において破損してしまう虞があり、安定して製造することが容易ではない。

また、上記特許文献２では、実施例として、光射出口の縁部から７μｍ離れた位置に４．０〜４．５μｍの深さの溝（不連続部）を形成したものが記載されており、これにより溝に対して平行方向をなす偏光が得られたとしている。しかしながら、共振領域の短辺側の幅を回折損失効果が生じる程度まで狭くしなければ偏光方向を一方向に安定化させることができないため、回折損失効果が得られないような範囲（短辺側の幅が７μｍ）で形成された不連続部によっては、安定化させることができないと思われる。また、このような偏光方向の安定化が、溝形成による応力や歪による効果であるならば、結晶成長や形成工程の際に素子に加わる他要因からの応力の影響が考えられる。

このように、従来の技術では、レーザ光の偏光方向を一方向に安定化することが可能な面発光型半導体レーザ素子を簡易に製造するのが容易ではないという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、簡易かつ安価に製造可能であり、かつレーザ光の偏光方向を一方向に安定化することが可能な面発光型半導体レーザを提供することにある。

本発明の面発光型半導体レーザは、基板上に、第１多層膜反射鏡、発光領域を有する活性層および第２多層膜反射鏡を基板側からこの順に配置した半導体積層構造を備えたものである。半導体積層構造は、一対の溝部と、１または複数の第１酸化層とを有している。ここで、一対の溝部は発光領域との対向領域を間にして設けられている。また、第１酸化層は、少なくとも発光領域との対向領域に設けられた第１未酸化領域と、一対の溝部のそれぞれの側面に設けられた第１酸化領域とを含んでいる。半導体積層構造は、さらに、発光領域との対向領域に設けられた第２未酸化領域と、発光領域との非対向領域に設けられた第２酸化領域とを含む１または複数の第２酸化層とを有している。半導体積層構造は、円柱形状となっており、第２未酸化領域は、対角線の交点が前記発光領域に対応する四辺形状となっている。一対の溝部は、第２未酸化領域のうち一方の対角線の延在方向と平行な方向に対向配置されている。

なお、基板と第１多層膜反射鏡との間、第１多層膜反射鏡と活性層との間、活性層と第２多層膜反射鏡との間、第１多層膜反射鏡内、または第２多層膜反射鏡内に何らかの層が挿入されていてもよい。また、このことは、以下の第２および第３の面発光型半導体レーザについても当てはまる。

本発明の面発光型半導体レーザでは、一対の溝部が発光領域との対向領域を間にして設けられている。これにより、一対の溝部の対向方向の偏光成分が光損失を受ける一方で、一対の溝部の対向方向と直交する方向の偏光成分は一対の溝部による光損失をほとんど受けない。また、本発明では、一対の溝部のそれぞれの側面に第１酸化領域が設けられている。つまり、第１酸化領域は発光領域との対向領域を中心にして一対の溝部の対向方向に分布しているので、第１酸化層の、発光領域との対向領域において一対の溝部の対向方向に引張歪が発生する。これにより、この引張歪の大きさに応じた引張応力が発光領域に与えられるので、引張応力の向きと直交する方向（一対の溝部の対向方向と直交する方向）の偏光成分が強められる一方、引張応力の向きと平行な方向（一対の溝部の対向方向）の偏光成分が抑制される。従って、本発明では、一対の溝部と第１酸化領域とによる２つの作用によって、レーザ光の偏光成分が一方向（一対の溝部の対向方向と直交する方向）に固定される。なお、基板は、（ｎ１１）面基板（ｎは整数）などの特殊な基板である必要はなく、（００１）面基板でもかまわない。

本発明の面発光型半導体レーザによれば、一対の溝部と第１酸化領域とによる２つの作用によって、レーザ光の偏光成分を一方向に固定するようにしたので、レーザ光の偏光方向を一方向に安定化することが可能となる。また、特殊な基板を用いる必要がないので、簡易かつ安価に製造することができる。

このように、本発明の面発光型半導体レーザによれば、レーザを簡易かつ安価に製造可能であり、かつレーザ光の偏光方向を一方向に安定化することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る面発光型半導体レーザ１の斜視図を表すものである。図２は図１の面発光型半導体レーザ１のＡ−Ａ矢視方向の断面構成を、図３は図１の面発光型半導体レーザ１のＢ−Ｂ矢視方向の断面構造を、図４は図２および図３の電流狭窄層１５の積層面内における断面構成を、図５は図１のメサ部１９の上面構成の一例を、図６は図１のメサ部１９の上面構成の他の例をそれぞれ表したものである。なお、図１ないし図６は、模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。

面発光型半導体レーザ１は、基板１０の一面側に、例えば、下部ＤＢＲミラー層１１（第１多層膜反射鏡）、下部クラッド層１２、活性層１３、上部クラッド層１４、電流狭窄層１５（第２酸化層）、上部ＤＢＲミラー層１６（第２多層膜反射鏡）およびコンタクト層１７をこの順に積層した半導体積層構造１８を備えている。ここで、下部クラッド層１２の上部、活性層１３、上部クラッド層１４、電流狭窄層１５、上部ＤＢＲミラー層１６およびコンタクト層１７は、例えば幅２０μｍ〜５０μｍ程度の円柱状のメサ部１９を構成している。

メサ部１９の上面（外縁部を除く）および側面ならびにメサ部１９の周辺基板上には、保護膜２０が形成されている（図１〜図３参照）。また、メサ部１９上面の外縁部（保護膜２０の形成されていない環状部分）に上部電極２１が形成されており、この上部電極２１と電気的に接続されたパッド部２２がメサ部１９周辺基板上に形成されている。また、基板１０の裏面には、下部電極２３が形成されている。

基板１０、下部ＤＢＲミラー層１１、下部クラッド層１２、活性層１３、上部クラッド層１４、上部ＤＢＲミラー層１６およびコンタクト層１７は、例えばＧａＡｓ（ガリウム・ヒ素）系の化合物半導体によりそれぞれ構成されている。なお、ＧａＡｓ系化合物半導体とは、短周期型周期表における３Ｂ族元素のうち少なくともガリウム（Ｇａ）と、短周期型周期表における５Ｂ族元素のうち少なくともヒ素（Ａｓ）とを含む化合物半導体のことをいう。

基板１０は、例えばｎ型ＧａＡｓ基板である。このＧａＡｓ基板は、例えば（１００）面基板であることが好ましいが、（ｎ１１）面基板（ｎは整数）などの特殊な基板であってもよい。

下部ＤＢＲミラー層１１は、低屈折率層および高屈折率層を交互に積層して形成されたものである。低屈折率層は、例えば厚さがλ／４ｎ_ａ（λは発振波長、ｎ_ａは屈折率）のｎ型Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ａｓ、高屈折率層は、例えば厚さがλ／４ｎ_ｂ（ｎ_ｂは屈折率）のｎ型Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ａｓによりそれぞれ形成されている。ｎ型不純物としては、例えばケイ素（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などが挙げられる。

ここで、下部ＤＢＲミラー層１１が上で例示した材料により形成されている場合には、下部ＤＢＲミラー層１１内のＡｌ組成比ｘ１，ｘ２は以下の式（１）を満たす。これにより、低屈折率層は高屈折率層よりも酸化され易く、電流狭窄層１５と同等かそれよりも酸化されにくい性質を有している。
１≧ｘ５＞ｘ１＞０．８＞ｘ２≧０…（１）

ただし、式（１）中のｘ５は、後述するように、電流狭窄層１５に含まれるＡｌ組成の値である。また、式（１）中の０．８は低屈折率層の屈折率と高屈折率層の屈折率との境界に対応するものである。

下部クラッド層１２は、例えばＡｌ_ｘ３Ｇａ_１−ｘ３Ａｓ（０≦ｘ３＜１）により構成されている。活性層１３は、例えばＧａＡｓ系材料により構成されている。この活性層１３では、後述の電流注入領域１５Ａと対向する領域が発光領域１３Ａとなっている。上部クラッド層１４は、例えばＡｌ_ｘ４Ｇａ_１−ｘ４Ａｓ（０≦ｘ４＜１）により構成されている。これら下部クラッド層１２、活性層１３および上部クラッド層１４には不純物が含まれていないことが望ましいが、ｐ型またはｎ型の不純物が含まれていてもよい。ｐ型不純物としては、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）などが挙げられる。

電流狭窄層１５は、図２、図３に示したように、その外縁領域に電流狭窄領域１５Ｂ（酸化領域）を有し、その中央領域に電流注入領域１５Ａ（未酸化領域）を有している。電流注入領域１５Ａは、例えばｐ型Ａｌ_ｘ５Ｇａ_１−ｘ５Ａｓ（０＜ｘ５≦１）からなる。電流狭窄領域１５Ｂは、例えば、Ａｌ₂ Ｏ₃ （酸化アルミニウム）を含んで構成され、後述するように、メサ部１９の側面から電流狭窄層１５Ｄに含まれる高濃度のＡｌを酸化することにより得られるものである。従って、電流狭窄層１５は電流を狭窄する機能を有している。

電流注入領域１５Ａは、例えば、図４に示したように、［０１１］方向および［０１−１］方向に対角線を有する四辺形（例えば菱形）状となっており、面内異方性を有している。このように電流注入領域１５Ａが［０１１］方向および［０１−１］方向に対角線を有する四辺形となるのは、Ａｌ_ｘ５Ｇａ_１−ｘ５Ａｓの酸化速度が、［０１１］方向および［０１−１］方向と、これらの方向と４５°の角度をなす［００１］方向および［０１０］方向とで異なるからである。ここで、電流注入領域１５Ａの幅（対角線の長さ）Ｄ１は、高次横モード発振を抑制したい場合には、３μｍ以上８μｍ以下であることが好ましい。さらに、より一層高次横モード発振を抑制したい場合には、３μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。

ここで、電流注入領域１５Ａは、下部ＤＢＲミラー層１１と上部ＤＢＲミラー層１６とを含んで構成される共振器内に設けられているので、電流注入領域１５Ａが上記したような面内異方性を有している場合には、電流注入領域１５Ａの径方向の幅の大きさに応じて光の利得の大きさに差が生じる。これにより、例えば、射出光の偏光成分が四辺形の対角線方向、すなわち、［０１１］方向および［０１−１］方向に二極化するので、この場合には、電流注入領域１５Ａは射出光の偏光成分を制御する機能も有している。

なお、電流注入領域１５Ａが、四辺形とは異なる形状、例えば円形状となっていてもよい。ただし、この場合には、電流注入領域１５Ａは面内異方性を有していないので、射出光の偏光成分を制御する機能を持っていない。

上部ＤＢＲミラー層１６は、低屈折率層および高屈折率層を交互に積層して形成されたものである。ここで、低屈折率層は、例えば厚さがλ／４ｎ_ｃ（ｎ_ｃは屈折率）のｐ型Ａｌ_ｘ６Ｇａ_１−ｘ６Ａｓ、高屈折率層は、例えば厚さがλ／４ｎ_ｄ（ｎ_ｄは屈折率）のｐ型Ａｌ_ｘ７Ｇａ_１−ｘ７Ａｓによりそれぞれ形成されている。

ここで、上部ＤＢＲミラー層１６が上で例示した材料により形成されている場合には、上部ＤＢＲミラー層１６内のＡｌ組成比ｘ６，ｘ７は以下の式（２）を満たす。これにより、低屈折率層は高屈折率層よりも酸化され易く、電流狭窄層１５と同等かそれよりも酸化されにくい性質を有している。
１≧ｘ５＞ｘ６＞０．８＞ｘ７≧０…（２）

上部ＤＢＲミラー層１６のうち電流注入領域１５Ａに対応する領域を含む領域には、光射出口２４と、一対のトレンチ（溝部）２５，２５とが設けられている（図１、図３および図５参照）。光射出口２４は、例えば、四辺形の電流注入領域１５Ａのうち少なくとも一方の対角線に対応する領域を含んで設けられている。一対のトレンチ２５，２５は、その光射出口２４を間にして対向配置されており、例えば、一対のトレンチ２５，２５の対向面が光射出口２４に対応する対角線の延在方向（図４の［０１１］方向）と直交するように配置されている。また、トレンチ２５は、図３に示したように、上部ＤＢＲミラー層１６内に底面を有しており、電流狭窄層１５に到達しない深さとなっている。

また、光射出口２４の幅、すなわち、一対のトレンチ２５，２５の対向面の間の幅Ｄ２は、後述するように、偏光制御層２６の酸化領域２６Ｂによる光損失を積極的に利用したい場合には、電流注入領域１５Ａの幅Ｄ１との関係で特に制限されることはないが、偏光制御層２６の酸化領域２６Ｂによる光損失を避けたい場合には、電流注入領域１５Ａの幅Ｄ１よりも広いことが好ましい。

このようにトレンチ２５，２５を所定の間隔で対向配置することにより、トレンチ２５，２５の対向面がその対向面と直交する方向の光に対して損失効果を及ぼすことができる。これにより、例えば、電流注入領域１５Ａの対角線方向に二極化された偏光成分のうち、対向面と平行な対角線方向（図４の［０１−１］方向）の偏光成分が強められる一方、対向面と直交する対角線方向（図４の［０１１］方向）の偏光成分が抑制される。その結果、射出光の偏光成分が一方向（対向面と平行な方向）に固定される。

なお、トレンチ２５の積層面内での断面形状は、図１、図５では四辺形となっているが、この他の形状、例えば図６に示したような半円形であってもよい。また、光射出口２４のうち一対のトレンチ２５，２５の対向面と平行な方向の幅Ｌ１は、一対のトレンチ２５，２５の対向面の幅Ｌ２より短いことが好ましい。このようにした場合には、トレンチ２５，２５の対向面と直交する方向の光に対して、トレンチ２５，２５の対向面と直交する方向に均等に損失効果を及ぼすことができる。

コンタクト層１７は、例えばｐ型ＧａＡｓにより構成されており、上記の光射出口２４と対向する領域に、例えば方形状の開口部が設けられている。

保護膜２０は、例えば、酸化物（酸化シリコンなど）、窒化物（窒化シリコンなど）またはポリイミドなどにより形成されたもので、少なくともコンタクト層１７の周縁部からメサ部１９の側面、更にその近傍を覆うように形成されている。なお、保護膜２０は、さらにトレンチ２５の内壁を覆うように形成されていてもよい。また、トレンチ２５の内壁を覆う材料と、コンタクト層１７の周縁部からメサ部１９の側面、更にその近傍を覆う材料とが互いに異なっていてもよい。

ここで、保護膜２０がトレンチ２５の内壁を覆っている場合には、トレンチ２５の内壁を覆う材料は、光吸収効果のある材料であることが好ましく、例えば、上記した酸化物（酸化シリコンなど）、窒化物（窒化シリコンなど）またはポリイミドなどの他に、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、金ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）、金亜鉛（ＡｕＺｎ）、クロム金（ＣｒＡｕ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属材料などであってもよい。このように、トレンチ２５の内壁が光吸収効果のある材料で覆われている場合には、一対のトレンチ２５，２５の対向面に直交する偏光成分が吸収されるので、この方向の偏光成分に損失を与えることができ、射出光の偏光比を大きくすることができる。また、保護膜２０でトレンチ２５の内面を全て覆うことが好ましい。このようにした場合には、上部ＤＢＲミラー層１６を保護すると共に、一対のトレンチ２５，２５の対向面に直交する偏光成分が外部に漏れるのを抑え、光の輻射を防止することができる。

また、上部ＤＢＲミラー層１６の保護という観点からではなく、光の損失効果という観点からは、トレンチ２５の内面のうち、底面および対向面の少なくとも一方に形成することが好ましい。例えば、底面に約０．５μｍ程度以上の厚みで保護膜２０を形成した場合には、偏光比を大きくすることができる。

また、トレンチ２５の内面に、上部電極２１とオーミックの取りやすい金属材料（例えば、金亜鉛（ＡｕＺｎ））を充填し、上部電極２１と電気的に接続するようにしてもよい。このように構成した場合には、上部電極２１から注入された電流が、トレンチ２５の内面に形成された保護膜２０を介して活性層１３へ注入されることとなり、上部ＤＢＲミラー層１６の直列抵抗をより減少させることができる。

上部電極２１は、例えばチタン（Ｔｉ）層、白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層をこの順に積層して構成されたものであり、コンタクト層１７と電気的に接続されている。また、上部電極２１は、上記のコンタクト層１７の開口部に対応する領域に開口部が設けられており、レーザ光の光軸方向から見ると、コンタクト層１７および上部電極２１の開口部からなる一つの開口部がメサ部１９上部に設けられているようにみえる。ただし、コンタクト層１７および上部電極２１の開口部は、それぞれ同一の内径を有している必要はなく、例えば、上部電極２１の開口部の内径がコンタクト層１７のそれより大きくてもよい。

パッド部２２は、例えばＴｉ層，Ｐｔ層およびＡｕ層をこの順に積層して構成されたものであり、ワイヤーボンディングをするのに十分な表面積を有する平板状の形状となっている。また、下部電極２３は、例えば、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金層、ニッケル（Ｎｉ）層および金（Ａｕ）層を基板１０の側からこの順に積層した構造を有しており、基板１０と電気的に接続されている。

ところで、本実施の形態では、上部ＤＢＲミラー層１６内の複数の低屈折率層の全部または一部の部位には、低屈折率層の代わりに偏光制御層２６（第１酸化層）が設けられている。この偏光制御層２６は、例えば、図２、図３に示したように上部ＤＢＲミラー層１６内に一層だけ設けられていてもよいし、図７、図８に示したように上部ＤＢＲミラー層１６内に複数層設けられていてもよい。

この偏光制御層２６は、図９に示したように、トレンチ２５の側壁およびメサ部１９の外縁に沿って設けられた酸化領域２６Ｂと、その酸化領域２６Ｂを含む面内において酸化領域２６Ｂ以外の領域に設けられた未酸化領域２６Ａを有している。つまり、偏光制御層２６は、上部ＤＢＲミラー層１６のうちトレンチ２５の形成されている層内の低屈折率層の部位に設けられている。なお、図９は、メサ部１９を積層面内方向に切断したときの断面構成を表したものである。

未酸化領域２６Ａは、例えばｐ型Ａｌ_ｘ８Ｇａ_１−ｘ８Ａｓからなる。酸化領域２６Ｂは、例えば、Ａｌ₂ Ｏ₃ （酸化アルミニウム）を含んで構成され、後述するように、少なくともトレンチ２５の内壁から偏光制御層２６Ｄに含まれる高濃度のＡｌを酸化することにより得られるものである。

ここで、未酸化領域２６Ａのうち酸化領域２６Ｂで挟まれた部分の幅Ｄ３は、酸化領域２６Ｂによる光損失を積極的に利用したい場合には、電流注入領域１５Ａの幅Ｄ１よりも狭いことが好ましいが、その逆に、酸化領域２６Ｂによる光損失を避けたい場合には、電流注入領域１５Ａの幅Ｄ１と等しいか、それよりも広い（例えば幅Ｄ１よりも１μｍ程度広い）ことが好ましい（図９参照）。また、酸化領域２６Ｂは、後述するように、トレンチ２５の内壁側からの酸化処理によって形成されるので、幅Ｄ３は、一対のトレンチ２５，２５の対向面の間の幅Ｄ２よりも狭い。なお、酸化領域２６Ｂは後述するように応力源となるので、酸化領域２６Ｂの、トレンチ２５の内壁からの深さ（幅）が１μｍ以上あることが好ましく、３μｍ程度あることがより好ましい。なお、偏光制御を実現するだけの十分な応力を活性層１３に伝えるために、幅Ｄ３は１０μｍ以下であることが好ましい。

ここで、偏光制御層２６が上で例示した材料により形成されている場合であって、かつ製造工程において電流狭窄層１５Ｄおよび偏光制御層２６Ｄを同時に酸化させることにより形成されているとき（ケースＡ）には、偏光制御層２６のＡｌ組成比ｘ８は以下の式（３）を満たす。このように、偏光制御層２６が式（３）を満たす場合には、偏光制御層２６Ｄの方が電流狭窄層１５Ｄよりも酸化され難いことになるので、偏光制御層２６Ｄの酸化深さの方が電流狭窄層１５Ｄの酸化深さよりも必然的に浅くなる。なお、偏光制御層２６Ｄに対して酸化処理を施す際に低屈折率層および高屈折率層の方が偏光制御層２６Ｄよりも深く酸化されることのないように、偏光制御層２６Ｄは上部ＤＢＲミラー層１６内の低屈折率層および高屈折率層よりも酸化され易い半導体材料により構成されていることが必要である。
１≧ｘ５＞ｘ８＞ｘ６…（３）

また、偏光制御層２６が上で例示した材料により形成されている場合であって、かつ製造工程において電流狭窄層１５Ｄおよび偏光制御層２６Ｄを互いに異なる工程で酸化させることにより形成されているとき（ケースＢ）には、偏光制御層２６のＡｌ組成比ｘ８は以下の式（４）を満たす。つまり、この場合には、Ａｌ組成比ｘ８は電流狭窄層１５のＡｌ組成比ｘ５の値によって制限されることがないので、偏光制御層２６のＡｌ組成比ｘ８が電流狭窄層１５のＡｌ組成比ｘ５と等しくてもよいし、それよりも大きくても小さくてもよい。ただし、偏光制御層２６Ｄの酸化深さの方が電流狭窄層１５Ｄの酸化深さよりも浅くなるように偏光制御層２６Ｄの酸化条件（例えば酸化時間）などを調整することが必要となる。なお、偏光制御層２６Ｄに対して酸化処理を施す際に低屈折率層および高屈折率層の方が偏光制御層２６Ｄよりも深く酸化されることのないように、偏光制御層２６Ｄは上部ＤＢＲミラー層１６内の低屈折率層および高屈折率層よりも酸化され易い半導体材料により構成されていることが必要である。
１≧ｘ８＞ｘ６…（４）

本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ１は、例えば次のようにして製造することができる。

図１０（Ａ），（Ｂ）ないし図１２（Ａ），（Ｂ）は、その製造方法を工程順に表すものである。なお、図１０（Ａ），（Ｂ）、図１１（Ａ），（Ｂ）、図１２（Ｂ）は、製造過程の素子を図１のＢ−Ｂ矢視方向と同一の方向で切断した断面の構成を、図１２（Ａ）は、製造過程の素子を図１のＡ−Ａ矢視方向と同一の方向で切断した断面の構成をそれぞれ表すものである。

ここでは、ＧａＡｓからなる基板１０上の半導体積層構造１８を、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法により形成する。この際、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、アルシン (ＡｓＨ_３)を用い、ドナー不純物の原料としては、例えば、Ｈ_２Ｓｅを用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えば、ジメチルジンク（ＤＭＺ）を用いる。

まず、基板１０上に、下部ＤＢＲミラー層１１，下部クラッド層１２，活性層１３，上部クラッド層１４，電流狭窄層１５Ｄ、上部ＤＢＲミラー層１６およびコンタクト層１７をこの順に積層したのち、コンタクト層１７上にレジスト層Ｒ１を形成する（図１０（Ａ））。このとき、上部ＤＢＲミラー層１６内に一層だけ偏光制御層２６Ｄを設けておく。

次に、例えば反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；ＲＩＥ）法により、コンタクト層１７および上部ＤＢＲミラー層１６の一部を選択的にエッチングして一対のトレンチ２５，２５を形成する（図１０（Ｂ））。このとき、トレンチ２５，２５の底部が偏光制御層２６Ｄに到達する一方で、電流狭窄層１５に到達しないようにする。

次に、レジスト層（図示せず）を形成したのち、コンタクト層１７のうち光射出口２４に対応する部分を除去する（図１１（Ａ））。続いて、レジスト層（図示せず）を形成したのち、コンタクト層１７、上部ＤＢＲミラー層１６、電流狭窄層１５Ｄ、上部クラッド層１４，活性層１３、下部クラッド層１２および下部ＤＢＲミラー層１１の一部を選択的に除去してメサ部１９を形成する（図１１（Ｂ））。

次に、水蒸気雰囲気中において高温で酸化処理を行い、メサ部１９の外側から電流狭窄層１５Ｄ中のＡｌを選択的に酸化すると共に、トレンチ２５の内壁側およびメサ部１９の外側から偏光制御層２６Ｄ中のＡｌを選択的に酸化する（図１２（Ａ），（Ｂ））。これにより電流狭窄層１５Ｄの外縁領域が電流狭窄領域１５Ｂとなり、中央領域が電流注入領域１５Ａとなる。さらに、偏光制御層２６Ｄのトレンチ２５の内壁近傍と、偏光制御層２６Ｄの外縁領域とが酸化領域２６Ｂとなり、それ以外の領域が未酸化領域２６Ａとなる。このように、電流狭窄層１５Ｄおよび偏光制御層２６Ｄを同時に酸化することにより、電流狭窄層１５および偏光制御層２６が形成される。

次に、例えば、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition) 法により、表面全体に渡って絶縁物を堆積させる。その後、エッチングにより、絶縁物の堆積した層のうちメサ部１９上面の外縁に対応する部分を選択的に除去して、コンタクト層１７を露出させる。これにより保護膜２０が形成される。なお、保護膜２０のうちトレンチ２５内に形成される部分の材料を他の部分と異なる材料で形成する場合には、例えば、絶縁物の堆積した層のうちメサ部１９の上面の外縁に対応する部分と、トレンチ２５内に堆積した部分とを選択的に除去して、コンタクト層１７およびトレンチ２５の内壁（上部ＤＢＲミラー層１６）を露出させたのち、トレンチ２５の内壁にだけ所望の材料を選択的に堆積させればよい。

次に、例えば、真空蒸着法により、表面全体に渡って金属材料を積層させる。その後、エッチングにより、金属材料の堆積した層のうちメサ部１９上面の外縁に対応する部分と、メサ部１９の側面の一部と、メサ部１９の周辺基板上の一部とを除いた部分を選択的に除去する。これにより上部電極２１およびパッド部２２が形成されると共に、メサ部１９の上面に光射出口２４が形成される。

次いで、基板１０の裏面を適宜研磨してその厚さを調整した後、この基板１０の裏面に下部電極２３を形成する。このようにして面発光型半導体レーザ１が製造される。

このような構成の面発光型半導体レーザ１では、下部電極２３と上部電極２１との間に所定の電圧が印加されると、電流狭窄層１５の電流注入領域１５Ａを通して活性層１３に電流が注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、一対の下部ＤＢＲミラー層１１および上部ＤＢＲミラー層１６により反射され、所定の波長でレーザ発振を生じ、レーザビームとして外部に射出される。

ここで、本実施の形態において、電流注入領域１５Ａが面内異方性をなす四辺形状となっている場合には、矩形の対角線以外の方向では、レーザ光の偏光成分が抑制される。すなわち、対角線方向とそれ以外の方向とで、レーザ光の偏光成分が二極化する。さらに、光射出口２４が電流注入領域１５Ａのうち一方の対角線に対応する領域に設けられると共に、その光射出口２４を間にして一対のトレンチ２５，２５が設けられている場合には、光射出口２４と対応する対角線方向の偏光成分が強められる一方、他方の対角線方向の偏光成分は抑制される。これにより、レーザ光の偏光成分が一方向に固定される。

また、本実施の形態では、上部ＤＢＲミラー層１６内の複数の低屈折率層の全部または一部の部位には、低屈折率層の代わりに偏光制御層２６が設けられている。この偏光制御層２６では、図９に示したように、主としてトレンチ２５の側壁に沿って酸化領域２６Ｂが設けられており、その酸化領域２６Ｂ以外の領域に未酸化領域２６Ａが設けられている。つまり、酸化領域２６Ｂは、偏光制御層２６の面内において、一対のトレンチ２５，２５の中間地点を中心として回転する方向に不均一に分布している。

一般に、半導体層を酸化すると、その酸化された部分の体積が収縮する。そのため、酸化された部分の面内形状がある領域を中心領域として回転する方向に不均一に分布している場合には、その分布に応じた不均一な歪が上記中心領域に発生する。このように中心領域に不均一な歪が発生している半導体層が他の半導体層と共に積層されている場合には、他の半導体層には、その不均一な歪による応力が不均一に発生する。この不均一な応力が発生している層に活性層が含まれている場合には、その活性層の発光領域から発せられる光は応力のプロファイルに応じた偏光分布となる。従って、応力が発光領域において異方性を有している場合には、応力の最も大きな方向の偏光成分および応力の最も大きな方向と直交する方向の偏光成分のいずれか一方の偏光成分が強められ、他方の偏光成分が抑制される。

一方、本実施の形態では、酸化領域２６Ｂは、上記したように、主としてトレンチ２５の側壁に沿って形成されているので、偏光制御層２６の面内において、一対のトレンチ２５，２５の中間地点を中心として回転する方向に不均一に分布している。これにより、偏光制御層２６の面内の中心領域において、一対のトレンチ２５，２５の対向面と直交する方向に引張歪が発生しており、この引張歪による引張応力が、偏光制御層２６に隣接して設けられている活性層１３の発光領域１３Ａに発生している。その結果、引張応力の向きと直交する方向（一対のトレンチ２５，２５の対向面と平行な方向）の偏光成分が強められる一方、応力の向きと平行な方向（一対のトレンチ２５，２５の対向面と直交する方向）の偏光成分が抑制される。つまり、酸化領域２６Ｂによって強められる偏光方向が電流注入領域１５Ａによって強められる偏光方向と等しくなっている。従って、射出光の偏光成分をより一層一方向に安定化することができる。

また、本実施の形態では、特殊な基板を用いる必要はなく、光射出口２４内に複雑な形状および構成のものを設ける必要がないので、簡易かつ安価に製造することができる。さらに、メサ部１９を小さくする必要がないので、電流注入領域１５Ａおよび光射出口２４の大面積を確保することが可能なので、下部ＤＢＲミラー層１１および上部ＤＢＲミラー層１６を含んで構成される共振器の低抵抗化およびレーザ光の高出力化を図ることが可能となる。よって、実用的な面発光型半導体レーザを得ることができる。

また、本実施の形態では、上記したように、一対のトレンチ２５を、四辺形の電流狭窄領域１５Ｂのうち一方の対角線に対応する領域を含んで設けられた光射出口２４を間にして対向配置するようにしたので、光射出口２４と対応する対角線方向の偏光成分を強めることができる一方、他方の対角線方向の偏光成分を抑制することができる。これにより、射出光の偏光成分を一方向に安定化することができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。

上記実施の形態では、偏光制御層２６は上部ＤＢＲミラー層１６内の複数の低屈折率層の全部または一部の部位に設けられていたが、下部ＤＢＲミラー層１１内の複数の低屈折率層の全部または一部の部位に設けられていてもよい。ただし、この場合には、製造工程において、下部ＤＢＲミラー層１１内の部位に設けられた全ての偏光制御層２６Ｄを少なくとも貫通するようにトレンチ２５を設けることが必要となる。また、トレンチ２５を設けた後に偏光制御層２６Ｄに対して酸化処理を施す際に、下部ＤＢＲミラー層１１内の低屈折率層および高屈折率層の方が偏光制御層２６Ｄよりも深く酸化されることのないように、偏光制御層２６Ｄは下部ＤＢＲミラー層１１内の低屈折率層および高屈折率層よりも酸化され易い半導体材料により構成されていることが必要である。

また、上記実施の形態では、偏光制御層２６は上部ＤＢＲミラー層１６内の部位に設けられていたが、上部クラッド層１４と上部ＤＢＲミラー層１６との間に設けられていてもよいし、下部クラッド層１２と下部ＤＢＲミラー層１１との間に設けられていてもよい。

また、上記実施の形態では、偏光制御層２６の活性層１３からの距離が電流狭窄層１５の活性層１３からの距離よりも遠くなるように偏光制御層２６が配置されていたが、偏光制御層２６の活性層１３からの距離が電流狭窄層１５の活性層１３からの距離よりも近くなるように偏光制御層２６が配置されていてもよい。

また、上記実施の形態では、偏光制御層２６は電流狭窄層１５から離れて設けられていたが、電流狭窄層１５と接していてもよい。

また、上記実施の形態では、電流狭窄層１５は、上部クラッド層１４と上部ＤＢＲミラー層１６との間に設けられていたが、下部クラッド層１２と下部ＤＢＲミラー層１１との間に設けられていてもよいし、上部ＤＢＲミラー層１６内の部位や下部ＤＢＲミラー層１１内の部位に設けられていてもよい。

また、上記実施の形態では、偏光制御層２６をトレンチ２５の内壁に沿って形成することにより偏光制御を行う場合について説明したが、図１３に示したように、電流狭窄層１５および偏光制御層２６と共にトレンチ２５の内面の全部または一部に偏光制御層３０を設け、これら３つの相乗効果によって偏光制御を安定に行うことも可能である。また、電流狭窄層１５を上記したような円形状とすると共に、偏光制御層２６を設けていない場合、つまり偏光制御可能な層が半導体積層構造１８内に設けられていない場合であっても、トレンチ２５の内面の全部または一部に偏光制御層３０を設けて偏光制御を行うことが可能である。

なお、図１３に示したように、偏光制御層３０をトレンチ２５の内壁に直接接触させてもよいし、図１４に示したように、偏光制御層３０を、保護膜２０を介してトレンチ２５の内壁上に設けてもよい。

例えば、偏光制御層３０の材料として、酸化物（酸化シリコンなど）、窒化物（窒化シリコンなど）を用いた場合には、製造条件を適切に調整することにより、偏光制御層２６に圧縮歪を生じさせることが可能である。また、その材料として、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、金ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）、金亜鉛（ＡｕＺｎ）、クロム金（ＣｒＡｕ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属材料を用いた場合には、その部分に圧縮歪が生じる。

トレンチ２５の内壁を覆う材料として、ＳｉＮまたはＳｉＯ_２を用いた場合における製造条件と、応力の値との関係の一具体例を図１５、図１６、図１７および図１８に挙げておく。ここで、図１５は、Ｎ_２で希釈された２０％ＳｉＨ_４を１２０ｓｃｃｍ、ＮＨ_３を５０ｓｃｃｍ、Ｎ_２を２０ｓｃｃｍで真空チャンバ内に流し込むと共に、真空チャンバ内の温度を３５０℃とし、さらに圧力を１１０Ｐａとした状態で８分間ＳｉＮを堆積させた場合のＲＦ出力とＳｉＮ膜の応力との関係を示したものである。図１６は、図１５と同様のガス混合条件、温度および時間とした状態でＳｉＮを堆積させた場合の圧力とＳｉＮ膜の応力との関係を示したものである。また、図１７は、Ｎ_２で希釈された２０％ＳｉＨ_４を５０ｓｃｃｍ、Ｎ_２Ｏを１４０ｓｃｃｍ、Ｎ_２を４１０ｓｃｃｍで真空チャンバ内に流し込むと共に、真空チャンバ内の温度を３５０℃とし、さらに圧力を１２０Ｐａとした状態で４分間ＳｉＯ_２を堆積させた場合のＲＦ出力とＳｉＯ_２膜の応力との関係を示したものである。図１８は、図１７と同様のガス混合条件、温度および時間とした状態でＳｉＯ_２を堆積させた場合の圧力とＳｉＯ_２膜の応力との関係を示したものである。なお、図１５、図１６、図１７および図１８では、圧縮応力の場合には応力の値をマイナスで表し、引張応力の場合には応力の値をプラスで表している。

このように製造条件を適切に調整したり、金属材料を選択することにより、偏光制御層３０に圧縮歪を生じさせることができる。これにより、偏光制御層３０に隣接して設けられている活性層１３の発光領域１３Ａに引張応力を発生させることが可能である。その結果、引張応力の向きと直交する方向（一対のトレンチ２５，２５の対向面と平行な方向）の偏光成分が強められる一方、応力の向きと平行な方向（一対のトレンチ２５，２５の対向面と直交する方向）の偏光成分が抑制される。つまり、偏光制御層３０によって強められる偏光方向が電流注入領域１５Ａや偏光制御層２６によって強められる偏光方向と等しくなっている。従って、電流注入領域１５Ａが上記したような形状異方性を有しており、かつ偏光制御層２６を備えている場合に、さらに偏光制御層３０を設けたときには、３つの相乗効果によって射出光の偏光成分をより一層一方向に安定化することができる。また、電流注入領域１５Ａが円形状となっており、かつ偏光制御層２６が設けられていない場合であっても、偏光制御層３０を設けたときには、射出光の偏光成分を一方向に安定化することができる。

また、上記実施の形態では、ＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体レーザを例にして本発明を説明したが、他の化合物半導体レーザ、例えばＧａＩｎＰ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＧａＩｎＰ系、ＩｎＰ系、ＧａＮ系、ＧａＩｎＮ系、ＧａＩｎＮＡｓ系などのなど化合物半導体レーザにも適用可能である。

本発明の一実施の形態に係る面発光型半導体レーザの斜視図である。 図１のレーザのＡ−Ａ矢視方向の断面構成図である。 図１のレーザのＢ−Ｂ矢視方向の断面構成図である。 図２の電流狭窄層の面内方向の断面構成図である。 図２のメサ部の上面構成図の一例である。 図２のメサ部の上面構成図の他の例である。 一変形例に係る面発光型半導体レーザのＡ−Ａ矢視方向の断面構成図である。 図７の面発光型半導体レーザのＢ−Ｂ矢視方向の断面構成図である。 図２の偏光制御層の面内方向の断面構成図である。 図１に示したレーザの製造過程を説明するための断面図である。 図１０に続く過程を説明するための断面図である。 図１１に続く過程を説明するための断面図である。 他の変形例に係る面発光型半導体レーザのＢ−Ｂ矢視方向の断面構成図である。 その他の変形例に係る面発光型半導体レーザのＢ−Ｂ矢視方向の断面構成図である。 トレンチ内の偏光制御層をＳｉＮで構成した場合のＲＦ出力と応力との関係を表す関係図である。 トレンチ内の偏光制御層をＳｉＮで構成した場合の圧力と応力との関係を表す関係図である。 トレンチ内の偏光制御層をＳｉＯ_２で構成した場合のＲＦ出力と応力との関係を表す関係図である。 トレンチ内の偏光制御層をＳｉＯ_２で構成した場合の圧力と応力との関係を表す関係図である。

符号の説明

１…面発光型半導体レーザ、１０…基板、１１…下部ＤＢＲミラー層、１２…下部クラッド層、１３…活性層、１３Ａ…発光領域、１４…上部クラッド層、１５，１５Ｄ…電流狭窄層、１５Ａ…電流注入領域、１５Ｂ…電流狭窄領域、１６…上部ＤＢＲミラー層、１７…コンタクト層、１８…半導体積層構造、１９…メサ部、２０…保護膜、２１…上部電極、２２…パッド部、２３…下部電極、２４…光射出口、２５…トレンチ、２６…偏光制御層。

Claims (14)

1. 基板上に、第１多層膜反射鏡、発光領域を有する活性層および第２多層膜反射鏡を前記基板側からこの順に配置した半導体積層構造を備え、
   前記半導体積層構造は、
   前記発光領域との対向領域を間にして設けられた一対の溝部と、
   少なくとも前記発光領域との対向領域に設けられた第１未酸化領域と、前記一対の溝部のそれぞれの側面に設けられた第１酸化領域とを含む１または複数の第１酸化層と、
   前記発光領域との対向領域に設けられた第２未酸化領域と、
   前記発光領域との非対向領域に設けられた第２酸化領域とを含む１または複数の第２酸化層と
   を有し、
   前記半導体積層構造は、円柱形状となっており、
   前記第２未酸化領域は、対角線の交点が前記発光領域に対応する四辺形状となっており、
   前記一対の溝部は、前記第２未酸化領域のうち一方の対角線の延在方向と平行な方向に対向配置されている
   面発光型半導体レーザ。
2. 前記第１未酸化領域のうち前記第１酸化領域で挟まれた部分の幅は、前記第２未酸化領域の幅と等しいか、またはそれよりも広い
   請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
3. 前記第１酸化層は、前記第１多層膜反射鏡および前記第２多層膜反射鏡よりも酸化され易い半導体材料を含む
   請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
4. 前記第１酸化層は、前記第２酸化層よりも酸化され難い半導体材料を含む
   請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
5. 前記第２未酸化領域の幅は、前記一対の溝部の対向面の間の幅よりも狭い
   請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
6. 前記溝部の底面は、前記第２多層膜反射鏡内に形成されている
   請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
7. 前記第１多層膜反射鏡および前記第２多層膜反射鏡はそれぞれ、低屈折率層および高屈折率層を交互に積層して形成され、
   前記第１酸化層は、前記第１多層膜反射鏡および前記第２多層膜反射鏡の少なくとも一方の反射鏡に含まれる複数の低屈折率層の全ての層または一部の層の部位に形成されている
   請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
8. 前記第１酸化層は、前記活性層と、前記第１多層膜反射鏡および前記第２多層膜反射鏡の少なくとも一方の反射鏡との間に形成されている
   請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
9. 前記第１多層膜反射鏡および前記第２多層膜反射鏡はそれぞれ、低屈折率層および高屈折率層を交互に積層して形成され、
   前記第２酸化層は、前記第１多層膜反射鏡および前記第２多層膜反射鏡の少なくとも一方の反射鏡に含まれる複数の低屈折率層の少なくとも１つの層の部位に形成されている
   請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
10. 前記第２酸化層は、前記溝部の形成されていない層の部位に形成されている
    請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
11. 前記第２酸化層は、前記活性層と、前記第１多層膜反射鏡および前記第２多層膜反射鏡の少なくとも一方の反射鏡との間に形成されている
    請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
12. 前記第２酸化層は、前記第１酸化層よりも前記活性層側に形成されている
    請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
13. 前記溝部の内壁の全部または一部に設けられ、かつ前記半導体積層構造のうち前記発光領域との対向領域に対して前記一対の溝部の対向方向に引張応力を与える絶縁層を備える
    請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
14. 前記溝部の内壁の全部または一部に設けられ、かつ前記半導体積層構造のうち前記発光領域との対向領域に対して前記一対の溝部の対向方向に引張応力を与える金属層を備える
    請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。

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