JP5304694B2 - 面発光型半導体レーザ - 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係り、特に、横モード制御の要求される用途に好適に適用可能な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を有している。そして、一方の多層膜反射鏡には、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ｐ側電極がそれぞれ設けられ、ｐ側電極にはレーザ光を射出するために光射出口が設けられている。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、ここで発光し、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ｐ側電極の光射出口から射出される。

ところで、上記した面発光型半導体レーザでは、一般に、高次横モードの発振が生じ易い。そこで、例えば、特許文献１では、メサ部上面の光射出口の中央部に反射率調整層を設け、基本横モードが主に現れる領域を高反射率とすると共に、高次横モードが主に現れる領域を低反射率にすることにより、高次横モードの発振を抑制し、単一横モード発振を実現している。

特開２００４−１１９５８２号公報

しかし、上記特許文献１の方策では、高次横モードが主に現れる領域において、基本横モードの発振が抑制されてしまうので、基本横モードを高出力化すること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、高次横モードの発振を抑制しつつ、基本横モードを高出力化することの可能な面発光型半導体レーザを提供することにある。

参考例に係る面発光型半導体レーザは、活性層および電流狭窄層を有する半導体層と、半導体層上に形成された横モード調整部とを備えたものである。電流狭窄層は、電流注入領域および電流狭窄領域を有している。横モード調整部は、高反射領域および低反射領域を有している。高反射領域は、電流注入領域の中心点との第１対向領域を含む領域に形成されており、高反射領域の中心点は、第１対向領域とは異なる領域に位置している。一方、低反射領域は、電流注入領域との対向領域のうち高反射領域の未形成領域に形成されている。

参考例に係る面発光型半導体レーザでは、半導体層上の横モード調整部において、高反射領域は、電流注入領域の中心点との第１対向領域を含む領域に形成されており、高反射領域の中心点は、第１対向領域とは異なる領域に位置している。一方、低反射領域は、電流注入領域との対向領域のうち高反射領域の未形成領域に形成されている。これにより、２回回転対称または４回回転対称の４つのピークを含む高次横モードが生じる領域との対向領域のうち特定領域での反射率を、第１対向領域を含む領域での反射率よりも低くすることが可能である。ここで、特定領域が、第１対向領域を除く領域を間にして対向する２つのピークに対応する領域である場合には、基本横モードのゲインの低下を最低限に抑えつつ、高次横モードのゲインを大幅に低下させることができる。

ここで、２回回転対称とは、回転対象を３６０度回転させる間に回転前と対称となる回転位置の数が２つあることを指しており、４回回転対称とは、回転対象を３６０度回転させる間に回転前と対称となる回転位置の数が４つあることを指している。

本発明の面発光型半導体レーザは、活性層および電流狭窄層を有する半導体層と、半導体層上に形成された横モード調整部とを備えたものである。電流狭窄層は、電流注入領域および電流狭窄領域を有している。横モード調整部は、酸化物および窒化物の積層体からなるか、または誘電体の積層体からなり、高反射領域および低反射領域を有している。高反射領域は、電流注入領域の中心点との第１対向領域を含む領域に形成されると共に、十字形状となっている。一方、低反射領域は、電流注入領域との対向領域のうち高反射領域の未形成領域に形成されている。

本発明の面発光型半導体レーザでは、半導体層上の横モード調整部において、高反射領域は、電流注入領域の中心点との第１対向領域を含む領域に形成されると共に、十字形状となっている。一方、低反射領域は、電流注入領域との対向領域のうち高反射領域の未形成領域に形成されている。これにより、２回回転対称または４回回転対称の４つのピークを含む高次横モードが生じる領域との対向領域のうち特定領域での反射率を、第１対向領域を含む領域での反射率よりも低くすることが可能である。ここで、特定領域が、４つのピークに対応する領域である場合には、基本横モードのゲインの低下を最低限に抑えつつ、高次横モードのゲインを大幅に低下させることができる。

参考例に係る面発光型半導体レーザおよび本発明の面発光型半導体レーザによれば、基本横モードのゲインの低下を最低限に抑えつつ、高次横モードのゲインを大幅に低下させるようにしたので、高次横モードの発振を抑制しつつ、基本横モードを高出力化することができる。

本発明の一実施の形態に係る半導体レーザの斜視図である。 図１の半導体レーザのＡ−Ａ矢視方向の断面構成図である。 図２の電流狭窄層の平面構成図である。 図２の横モード調整部と高次横モードとの関係について説明するための模式図である。 図２の横モード調整部の反射率分布について説明するための分布図である。 図１の半導体レーザの製造過程を説明するための断面図である。 図６に続く過程を説明するための断面図である。 図７に続く過程を説明するための断面図である。 比較例の横モード調整部と高次横モードとの関係について説明するための模式図である。 電流狭窄層の幅と、ミラー損失および光出力との関係について説明するための特性図である。 図２の横モード調整部の一変形例について説明するための模式図である。 図２の横モード調整部の他の変形例について説明するための模式図である。 図２の横モード調整部のその他の変形例について説明するための模式図である。 図１１、図１３の横モード調整部を用いた際の、電流狭窄層の幅と、ミラー損失および光出力との関係について説明するための特性図である。

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の半導体レーザ１の斜視図を表したものである。図２は図１の半導体レーザ１のＡ−Ａ矢視方向の断面構成を、図３は図２の電流狭窄層１５の積層面内方向の断面構成をそれぞれ表したものである。なお、図１ないし図３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。

この半導体レーザ１は、基板１０の一面側に、下部ＤＢＲ層１１、下部スペーサ層１２、活性層１３、上部スペーサ層１４、電流狭窄層１５、上部ＤＢＲ層１６およびコンタクト層１７をこの順に積層した半導体層３０（共振器）を備えている。この半導体層３０の上部、具体的には、下部ＤＢＲ層１１の上部、下部スペーサ層１２、活性層１３、上部スペーサ層１４、電流狭窄層１５、上部ＤＢＲ層１６およびコンタクト層１７がメサ部１８を構成している。なお、本実施の形態では、下部ＤＢＲ層１１が本発明の「第１多層膜反射鏡」の一具体例に相当し、電流狭窄層１５および上部ＤＢＲ層１６が本発明の「第２多層膜反射鏡」の一具体例に相当する。

基板１０は、例えばｎ型ＧａＡｓからなる。下部ＤＢＲ層１１は、低屈折率層および高屈折率層（いずれも図示せず）を１組として、それを複数組分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_a（λは発振波長、ｎ_aは屈折率）のｎ型Ａｌ_x1Ｇａ_1-x1Ａｓ（０＜ｘ１＜１）からなり、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（０＜ｘ２＜ｘ１）からなる。下部スペーサ層１２は、例えばＡｌ_x3Ｇａ_1-x3Ａｓ（０＜ｘ３＜１）からなる。基板１０、下部ＤＢＲ層１１および下部スペーサ層１２に含まれる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。

活性層１３は、例えばＧａＡｓ系材料からなる。この活性層１３において、積層面内方向における中央部分（後述の電流注入領域１５Ｂとの対向領域）が発光領域１３Ａとなる。
この発光領域１３Ａでは、中心領域が主に基本横モード発振が生じる領域に対応しており、中心領域の周辺領域が主に高次横モード発振が生じる領域に対応している。

上部スペーサ層１４は、例えばｐ型Ａｌ_x4Ｇａ_1-x4Ａｓ（０≦ｘ４＜１）からなる。上部ＤＢＲ層１６は、低屈折率層および高屈折率層（いずれも図示せず）を１組として、それを複数組分積層して構成されたものであり、その最上層が高屈折率層となっている。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_x5Ｇａ_1-x5Ａｓ（０＜ｘ５＜１）からなり、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_x6Ｇａ_1-x6Ａｓ（０＜ｘ６＜ｘ５）からなる。コンタクト層１７は、例えばｐ型ＧａＡｓからなり、後述の電流注入領域１５Ｂとの対向領域に、例えば円形の開口部が設けられている。ここで、上部スペーサ層１４、上部ＤＢＲ層１６およびコンタクト層１７に含まれる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、メサ部１８の側面から所定の深さまでの領域に電流狭窄領域１５Ａを有し、それ以外の領域（メサ部１８の中央領域）が電流注入領域１５Ｂとなっている。電流注入領域１５Ｂは、例えばｐ型Ａｌ_x7Ｇａ_1-x7Ａｓ（０＜ｘ７≦１）からなる。電流狭窄領域１５Ａは、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム）を含んで構成され、後述するように、側面から被酸化層１５Ｄに含まれる高濃度のＡｌを酸化することにより形成されるものである。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。

また、電流注入領域１５Ｂは、例えば、図３（Ａ）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（正四角形）状となっており、面内異方性を有している。この四辺形の対角線の長さは、例えば３μｍ以上１０μｍ以下程度となっている。このように電流注入領域１５Ｂ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、例えば、Ａｌ_x7Ｇａ_1-x7Ａｓ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度の角度をなす［００１］方向および［０１０］方向とで異なるからである。

なお、電流注入領域１５Ｂは、例えば、図３（Ｂ）に示したように、円形状となっていてもよいし、例えば、図３（Ｃ）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（菱形）状となっていてもよい。

メサ部１８は、電流狭窄層１５の電流注入領域１５Ｂを含んで形成されたものであり、例えば直径２０μｍ以上３０μｍ以下程度の円柱形状となっている。この直径は、後述の酸化工程においてメサ部１８の内部に所定の大きさの未酸化領域（電流注入領域１５Ｂ）が残るようにするために、酸化工程における酸化速度および酸化時間などに応じて適切に調整されている。

メサ部１８の上面（コンタクト層１７の上面）には、電流注入領域１５Ｂとの対向領域に開口を有する環状の上部電極１９が形成されており、メサ部１８の側面および周辺の表面には、保護膜２０が形成されている。保護膜２０の表面上には、ワイヤ（図示せず）をボンディングするための電極パッド２１が設けられており、この電極パッド２１と上部電極１９とが互いに電気的に接続されている。また、基板１０の裏面には、下部電極２２が設けられている。ここで、上部電極１９および電極パッド２１は、例えば、チタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）をこの順に積層して構成されたものであり、メサ部１８上部のコンタクト層１７と電気的に接続されている。下部電極２２は、例えば、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金，ニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）とを基板１０側から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、上部電極１９の開口内、すなわち、メサ部１８上面の中央領域に、横モード調整部２３が設けられている。この横モード調整部２３は、上部ＤＢＲ層１６の最上層に接して設けられており、第１調整層２３Ａと、第２調整層２３Ｂと、第３調整層２３Ｃとを含んで構成されている。

ここで、第１調整層２３Ａは、膜厚が（２ａ−１）λ／４ｎ₁（ａは１以上の整数，ｎ₁は屈折率）で、屈折率ｎ₁が上部ＤＢＲ層１６の表面に設けられた高屈折率層の屈折率より低い物質、例えばＳｉＯ₂（酸化シリコン）などの誘電体からなる。第２調整層２３Ｂは、具体的には、膜厚が（２ｂ−１）λ／４ｎ₂（ｂは１以上の整数，ｎ₂は屈折率）で、屈折率ｎ₂が第１調整層２３Ａの屈折率ｎ₁より高い材料、例えばＳｉＮ（窒化シリコン）などの誘電体からなる。従って、第１調整層２３Ａおよび第２調整層２３Ｂからなる積層構造は、活性層１３からの光を高反射率で反射する機能を有している。

また、第３調整層２３Ｃは、膜厚が（２ｃ−１）λ／４ｎ₃（ｃは１以上の整数，ｎ₃は屈折率）で屈折率ｎ₃が第１調整層２３Ａの屈折率ｎ₁より高い材料、例えばＳｉＮ（窒化シリコン）などの誘電体からなる。従って、第３調整層２３Ｃは、活性層１３からの光を、第１調整層２３Ａおよび第２調整層２３Ｂからなる積層構造よりも低い反射率で反射する機能を有している。

なお、第２調整層２３Ｂおよび第３調整層２３Ｃは、同一の膜厚および材料により構成されていることが好ましい。後述のように、これらの層を一括形成することができ、製造工程を簡略化することができるからである。

ところで、本実施の形態では、第１調整層２３Ａおよび第２調整層２３Ｂからなる積層構造２３Ｄ（高反射領域）は、例えば図４（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示したように、円形状となっており、電流注入領域１５Ｂの中心点との対向領域Ｃ１（第１対向領域）を含む領域に形成されると共に、積層構造２３Ｄの中心点Ｃ２が対向領域Ｃ１とは異なる領域に位置するように配置されている。

より具体的には、第１調整層２３Ａおよび第２調整層２３Ｂは、２回回転対称または４回回転対称の４つのピークＰを含む高次横モード（１次モード）が生じる領域との対向領域のうち、対向領域Ｃ１を除く領域を間にして対向する２つのピークＰに対応する特定領域２３Ｅを避けるように（特定領域２３Ｅ以外の領域に）配置されている。一方、第３調整層２３Ｃ（低反射領域）は、電流注入領域１５Ｂとの対向領域のうち第１調整層２３Ａおよび第２調整層２３Ｂの未形成領域、すなわち、上記した特定領域２３Ｅを含む領域に形成されている。

従って、図５（Ａ），（Ｂ）に示したように、横モード調整部２３では、第３調整層２３Ｃ（特定領域２３Ｅを含む領域）での反射率Ｒ₂が、第１調整層２３Ａおよび第２調整層２３Ｂからなる積層構造２３Ｄ（対向領域Ｃ１）での反射率Ｒ₁よりも低くなっている。

なお、積層構造２３Ｄの幅（直径）Ｗ₁は、電流注入領域１５Ｂの対角線の（短軸方向の）長さ（または直径）をＷ₂とすると、以下の式（１）を満たす範囲であることが好ましい。また、第１調整層２３Ａおよび第２調整層２３Ｂの中心と、電流注入領域１５Ｂの中心点との差分（ずれ量）Ｓは、以下の式（２）を満たす範囲であることが好ましい。

Ｗ₁≧０．６×Ｗ₂…（１）
Ｓ≧０．１×Ｗ₂…（２）

また、上部電極１９の開口内にこれらの調整層を設けなかった場合の反射率をＲ₃とすると、以下の式の関係を満たすようにそれぞれの屈折率を調節することが好ましい。これにより、基本横モードの光出力を低減することなく、高次横モード発振を選択的に抑制することができるからである。

Ｒ₁≧Ｒ₃＞Ｒ₂…（３）

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

図６（Ａ），（Ｂ）〜図８（Ａ），（Ｂ）は、その製造方法を工程順に表すものである。なお、図６（Ａ），（Ｂ）〜図８（Ａ），（Ｂ）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したものである。

ここでは、ＧａＡｓからなる基板１０上の化合物半導体層を、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 (ＡｓＨ３)を用い、ドナー不純物の原料としては、例えば、Ｈ₂Ｓｅ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層１１、下部スペーサ層１２、活性層１３、上部スペーサ層１４、被酸化層１５Ｄ、上部ＤＢＲ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６（Ａ））。

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、上部ＤＢＲ層１６、被酸化層１５Ｄ、上部スペーサ層１４，活性層１３、下部スペーサ層１２および下部ＤＢＲ層１１の上部を選択的に除去してメサ部１８を形成する（図６（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１８の側面から被酸化層１５ＤのＡｌを選択的に酸化する。これにより被酸化層１５Ｄの外縁領域が絶縁層（酸化アルミニウム）となる。すなわち、外縁領域が電流狭窄領域１５Ａとなり、その中心領域のみが電流注入領域１５Ｂとなる。このようにして、電流狭窄層１５が形成される（図７（Ａ））。その後、レジスト層Ｒ１を除去する。

次に、メサ部１８上部にレジスト層Ｒ２を形成したのち、例えばウェットエッチングにより、コンタクト層１７の中央部分を選択的に除去して、コンタクト層１７の中央部分に開口を形成する（図７（Ｂ））。その後、レジスト層Ｒ２を除去する。

次に、メサ部１８の表面を含む表面全体に、例えばＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition) 法により前述の誘電体を堆積させたのち、メサ部１８上面のうち特定領域２３Ｅ以外の領域に対応する部分が残るように、堆積させた誘電体をエッチングにより選択的に除去する。これにより第１調整層２３Ａが形成される（図８（Ａ））。

次に、上記と同様の方法を用いて、第１調整層２３Ａ上に第２調整層２３Ｂを形成したのち、メサ部１８上面のうち特定領域２３Ｅに第３調整層２３Ｃを形成し、さらに、メサ部１８側面と、メサ部１８周辺の表面に保護膜２０を形成する（図８（Ｂ））。なお、上記誘電体は上部ＤＢＲ層１６などの半導体に対して優れた選択性を有しており、さらに複雑な形状とする必要がないことから、エッチングにより第１調整層２３Ａを容易に形成することができる。

なお、第２調整層２３Ｂ、第３調整層２３Ｃおよび保護膜２０を同一の膜厚および材料により構成する場合には、製造工程の簡略化の点から、これらの層を一括形成することが好ましい。

次に、例えば真空蒸着法により、表面全体に前述の金属材料を積層させたのち、例えば選択エッチングによりメサ部１８上面の中央領域に開口を有する上部電極１９を形成すると共に、メサ部１８周辺の表面上に電極パッド２１を形成する。

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２２を形成する。このようにして、本実施の形態の半導体レーザ１が製造される。

次に、半導体レーザ１の作用および効果について説明する。

半導体レーザ１では、上部電極１９と下部電極２２との間に所定の電圧が印加されると、電流狭窄層１５における電流注入領域１５Ｂ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層１１および上部ＤＢＲ層１６により反射され、所定の波長λでレーザ発振を生じ、レーザビームとして外部に出射される。

一般に、面発光型の半導体レーザでは、基本横モードの光出力は、光出射口の中心部分で最も大きく、電流注入領域の中心点との対向領域から離れるにつれて小さくなる傾向がある。このため、面発光型の半導体レーザを高出力の用途に用いる場合には、基本横モードのレーザ光をなるべく沢山取り出せるように上部電極の開口（光射出窓）を大きくすることが好ましい。しかし、高次横モードの光出力は、一般的に、電流注入領域の中心点から所定の距離離れた領域において最も大きく、電流注入領域の中心点に向かうにつれて小さくなる傾向があるため、光射出窓をあまり大きくすると高次横モードのレーザ光までもが高出力で出力されてしまう虞がある。

このため、従来の面発光型の半導体レーザでは、電流注入領域を小さくしたり、光射出窓の中央部に反射率調整層を設け、基本横モードが主に現れる領域を高反射率とすると共に、高次横モードが主に現れる領域を低反射率にしたりするなどの対策を施して、高次横モードのレーザ光が射出されるのを抑制していた。

例えば、図９（Ａ），（Ｂ）に示したように、積層構造２３Ｄの中心点Ｃ２が電流注入領域１５Ｂの中心点との対向領域Ｃ１と対応するように、積層構造２３Ｄを配置した場合には、図１０のα１，β１に示したように、積層構造２３Ｄの幅（直径）Ｗ₁を小さくする程、０次横モードのミラー損失と、１次横モードのミラー損失との差を大きくすることができる。しかし、積層構造２３Ｄの幅Ｗ₁を小さく（例えば３．２μｍ）すると、光出力が、上部ＤＢＲ層１６上に横モード調整部２３を設けなかった場合の光出力の９０％を下回ってしまう。だからといって、積層構造２３Ｄの幅Ｗ₁を大きく（例えば４．５μｍ）すると、光出力が、上部ＤＢＲ層１６上に横モード調整部２３を設けなかった場合の光出力の９０％を超えるものの、０次横モードのミラー損失と、１次横モードのミラー損失との差が極めて小さくなってしまい、高次横モードのゲインを基本横モードのゲインよりも大幅に小さくすることができなくなってしまう。その結果、高次横モード発振が生じてしまい、ＮＦＰ（Near Field Pattern）が歪んでしまう。このように、従来の方法では、光出力とＮＦＰとはトレードオフの関係となっていた。

一方、本実施の形態では、積層構造２３Ｄがメサ部１８上面のうち特定領域２３Ｅを除く領域に設けられると共に、第３調整層２３Ｃが特定領域２３Ｅを含む領域に設けられている。これにより、図５（Ｂ）に示したように、第３調整層２３Ｃ（高反射領域）での反射率が、積層構造２３Ｄ（低反射領域）での反射率よりも低くなるので、上記した２回回転対称または４回回転対称の４つのピークＰを含む１次モードにおいて、対向領域Ｃ１を間にして対向する一対のピークのうち少なくとも１つのゲインが抑制される。ここで、上記した２回回転対称または４回回転対称の４つのピークＰを含む１次モードは、対向領域Ｃ１を間にして対向する一対のピークを２組、重ね合わせたものであることから、各組にそれぞれ含まれる２つのピークのうち少なくとも１つのゲインを抑制することにより、各組のゲインを抑制することができる。

例えば、積層構造２３Ｄを、特定領域２３Ｅを除く領域に配置して、積層構造２３Ｄの中心点Ｃ２を対向領域Ｃ１から１μｍ程度ずらした場合には、図１０のα２，β２に示したように、積層構造２３Ｄの幅Ｗ₁が小さい（例えば３．２μｍ）場合だけでなく、大きい（例えば４．５μｍ）場合にも、０次横モードのミラー損失と、１次横モードのミラー損失との差を大きくすることができる。つまり、積層構造２３Ｄの中心点Ｃ２を対向領域Ｃ１からずらすだけで、０次横モードのミラー損失と、１次横モードのミラー損失との差を大きくすることができる。これにより、高次横モードのゲインを基本横モードのゲインよりも大幅に小さくすることができるので、高次横モード発振を抑制することができ、ＮＦＰをトップハット形状とすることができる。ここで、積層構造２３Ｄの幅Ｗ₁が大きい（例えば４．５μｍ）ときの光出力が、上部ＤＢＲ層１６上に横モード調整部２３を設けなかった場合の光出力の９０％を超えていることから、積層構造２３Ｄの幅Ｗ₁を適度な大きさとすることにより、高次横モードの発振を抑制しつつ、基本横モードを高出力化することが可能であることがわかる。つまり、本実施の形態では、光出力とＮＦＰとを両立させることができる。

なお、上記したミラー損失とは、基本横モードおよび１次横モードのそれぞれに対して個別に定義されたものである。具体的には、横モード調整部２３の高反射エリア（積層構造２３Ｄ）と基本横モードとが重なり合った部分の体積をＶ_0(high)とし、横モード調整部２３の高反射エリア（積層構造２３Ｄ）と１次モードとが重なり合った部分の体積をＶ_1(high)とし、横モード調整部２３の高反射エリア（積層構造２３Ｄ）と基本横モードとが重なり合わない部分の体積をＶ_0(low)とし、横モード調整部２３の高反射エリア（積層構造２３Ｄ）と１次モードとが重なり合わない部分の体積をＶ_1(low)とすると、高反射エリア（積層構造２３Ｄ）のミラー損失α_M(high)および低反射エリア（横モード調整部２３のうち積層構造２３Ｄ以外の部分）のミラー損失α_M(low)は、以下の数１，２に示したように、ファブリペロー（Fabry-Perot）モデルで導出される。なお、Ｖ_0(high)およびＶ_1(low)は、式（４），（５）に示したように、モードごとに規格化されている。

Ｖ_0(high)＋Ｖ_0(low)＝１…（４）
Ｖ_1(high)＋Ｖ_1(low)＝１…（５）

ここで、数１，２中のＲｂは下部ＤＢＲ層１１の反射率を表し、Ｒ_t(high)は上部ＤＢＲ層１６の高反射エリアの反射率を表し、Ｒ_t(low)は上部ＤＢＲ層１６の低反射エリアの反射率を表している。なお、反射率の関係から、当然のことながら、α_M(high)がα_M(low)よりも小さくなっている。

以上より、基本横モードのミラー損失α⁰ _Mおよび１次横モードのミラー損失α¹ _Mは、以下の数３に示したようになる。数３から分かるように、高反射エリアが大きくなると、Ｖ_0(high)，Ｖ_1(high)が大きくなり、Ｖ_0(low)，Ｖ_1(low)が小さくなるので、α⁰ _M，α¹ _Mは小さくなり、最終的には、α_M(high)と等しくなる。

また、本実施の形態では、積層構造２３Ｄの中心点Ｃ２が対向領域Ｃ１からずれていたり、積層構造２３Ｄの形状が円形以外の形状（例えば凸形状や十字形状）となっていたりする場合であっても、ＮＦＰの中心位置が電流注入領域１５Ｂの中心点Ｃ１に一致しており、さらに、ＮＦＰが積層構造２３Ｄの形状に依らず円形状となる。そのため、半導体レーザ１の汎用性が低下する虞がない。

また、本実施の形態では、上記したように、第１調整層２３Ａを選択的にエッチングすることが非常に容易であり、かつ第１調整層２３Ａ，第２調整層２３Ｂ，第３調整層２３Ｃを複雑な形状とする必要がないことから、半導体レーザ１を容易に製造することができる。

また、本実施の形態では、特殊な基板を用いる必要はなく、上部電極１９の開口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１８を小さくする必要がないので、電流注入領域１５Ｂおよび上部電極１９の開口の大面積を確保することが可能となり、半導体層３０（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、実用的な面発光型の半導体レーザを得ることができる。

［変形例］
上記実施の形態では、積層構造２３Ｄが円形状となっていたが、例えば、図１１（Ａ）〜（Ｃ）に示したように、特定領域２３Ｅ同士で挟まれた領域に向かって突出する凸形状となっていてもよいし、例えば、図１２（Ａ）〜（Ｃ）に示したように、特定領域２３Ｅ同士で挟まれた２つの領域に向かって突出する二重凸形状となっていてもよい。また、例えば、図１３（Ａ）〜（Ｃ）に示したように、電流注入領域１５Ｂとの対向領域のうち各ピークＰに対応する領域を除いた領域に、積層構造２３Ｄを十字状に形成してもよい。

例えば、仮に、積層構造２３Ｄを円形状とすると共に、積層構造２３Ｄの中心点Ｃ２が対向領域Ｃ１と対応するように、積層構造２３Ｄを配置した場合には、図１４に示したように、積層構造２３Ｄの幅Ｗ₁を３．６５μｍ程度としたときに、単一横モードの出力を最も大きくすることができる。しかし、この場合であっても、光出力が、上部ＤＢＲ層１６上に横モード調整部２３を設けなかった場合の光出力の９０％程度となってしまう。

一方、例えば、図１１（Ａ）〜（Ｃ）に示したように積層構造２３Ｄを凸形状とすると共に、積層構造２３Ｄの幅Ｗ₁を３．０μｍ程度とした場合には、図１４に示したように、１次横モードのミラー損失の大きさを、積層構造２３Ｄを円形状とした場合とほぼ等しくしつつ、０次横モードのミラー損失と、１次横モードのミラー損失との差を大きくすることができる。これにより、高次横モードのゲインを基本横モードのゲインよりも大幅に小さくすることができるので、高次横モード発振を抑制することができ、ＮＦＰをトップハット形状とすることができる。また、積層構造２３Ｄを円形状とした場合と比べて、光出力を約９６％程度にまで大きくすることができる。

また、例えば、図１３（Ａ）〜（Ｃ）に示したように積層構造２３Ｄを十字形状とすると共に、積層構造２３Ｄの幅Ｗ₁を３．５μｍ程度とした場合には、図１４に示したように、１次横モードのミラー損失の大きさを、積層構造２３Ｄを円形状とした場合とほぼ等しくしつつ、０次横モードのミラー損失と、１次横モードのミラー損失との差を大きくすることができる。これにより、高次横モードのゲインを基本横モードのゲインよりも大幅に小さくすることができるので、高次横モード発振を抑制することができ、ＮＦＰをトップハット形状とすることができる。また、積層構造２３Ｄを円形状とした場合と比べて、光出力を約９４％程度にまで大きくすることができる。

このように、上記各変形例では、高次横モードの発振を抑制しつつ、基本横モードをさらに高出力化することができる。

なお、図１１（Ａ）〜（Ｃ）、図１２（Ａ）〜（Ｃ）および図１３（Ａ）〜（Ｃ）において、積層構造２３Ｄの幅Ｗ₁は、積層構造２３Ｄの外縁のうち電流注入領域１５Ｂの中心点Ｃ１から最も近い部分と、電流注入領域１５Ｂの中心点Ｃ１との距離を２倍した値とする。

以上、実施の形態およびその変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形可能である。

例えば、上記実施の形態では、横モード調整部は、第１調整層２３Ａ、第２調整層２３Ｂおよび第３調整層２３Ｃにより構成されていたが、横モード調整部は他の構成であってもよく、要は、上記した２回回転対称または４回回転対称の４つのピークＰを含む１次モードにおいて、対向領域Ｃ１を間にして対向する一対のピークのうち少なくとも１つのゲインを抑制することができるような構成となっていればよい。

また、上記実施の形態等では、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。

１…半導体レーザ、１０…基板、１１…下部ＤＢＲ層、１２…下部スペーサ層、１３…活性層、１３Ａ…発光領域、１４…上部スペーサ層、１５…電流狭窄層、１５Ａ…電流狭窄領域、１５Ｂ…電流注入領域、１５Ｄ…被酸化層、１６…上部ＤＢＲ層、１７…コンタクト層、１８…メサ部、１９…上部電極、２０…保護膜、２１…電極パッド、２２…下部電極、２３…横モード調整部、２３Ａ…第１調整層、２３Ｂ…第２調整層、２３Ｃ…第３調整層。

Claims (2)

1. 活性層および電流狭窄層を有する半導体層と、
   前記半導体層上に形成され、酸化物および窒化物の積層体からなるか、または誘電体の積層体からなる横モード調整部と
   を備え、
   前記電流狭窄層は、電流注入領域および電流狭窄領域を有し、
   前記横モード調整部は、高反射領域および低反射領域を有し、
   前記高反射領域は、前記電流注入領域の中心点との第１対向領域を含む領域に形成されると共に、十字形状となっており、
   前記低反射領域は、前記電流注入領域との対向領域のうち前記高反射領域の未形成領域に形成されている
   面発光型半導体レーザ。
2. 前記高反射領域は、２回回転対称または４回回転対称の４つのピークを含む高次横モードが生じる領域との対向領域のうち特定領域以外の領域に形成され、
   前記特定領域は、前記４つのピークに対応する領域である
   請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。

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