JP2003115634A

JP2003115634A - 面発光レーザ素子

Info

Publication number: JP2003115634A
Application number: JP2001286199A
Authority: JP
Inventors: Norihiro Iwai; 則広岩井; Noriyuki Yokouchi; 則之横内
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2001-08-02
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2003-04-18
Also published as: DE10234152A1; US20030026308A1

Abstract

(57)【要約】【課題】抵抗等の増加を抑え、かつ信頼性が良好な基
本横モード発振の面発光レーザ素子を提供する。【解決手段】上部ＤＢＲミラー１４上に、発振波長に
対して高い反射率を示す厚みのＧａＡｓ層１６を形成す
るとともに、そのＧａＡｓ層１６上であってＡｌ酸化層
３２とＡｌＡｓ層３１の境界の延長線上をまたいだ位置
に、直下のＧａＡｓ層１６が発振波長に対して低い反射
率を示す厚みとなるような深さの窪み４２を形成する。
これにより、窪み４２で囲まれたポスト領域４１内での
みレーザ発振を行わせることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基本横モード発振
を可能にした面発光レーザ素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】垂直共振器型面発光レーザ（VCSEL：Ver
tical Cavity Surface Emitting Laser。以下、単に面
発光レーザ素子と称する。）は、その名の示す通り、光
の共振する方向が基板面に対して垂直であり、光インタ
ーコネクションを初め、通信用光源として、また、その
他の様々なアプリケーション用デバイスとして注目され
ている。

【０００３】その理由として面発光レーザ素子は、従来
の端面発光型レーザ素子と比較して、素子の２次元配列
を容易に形成できること、ミラーを設けるために劈開す
る必要がないのでウエハレベルでテストできること、活
性層のボリュームが格段に小さいので極低閾値で発振で
き消費電力が小さいこと等の利点を有していることが挙
げられる。

【０００４】特に、面発光レーザ素子では、共振器長が
極端に短いことから、発振スペクトルの縦モードはおの
ずと基本モード発振が得られることを特徴としている。
その一方で、横モードに関しては何ら制御機構を有して
いないため、複数の高次モードが発振してしまう。この
複数の高次の横モードによって発振されたレーザ出力
は、光伝送時、特に高速変調時に伝送距離に比例して著
しい劣化を引き起こす原因となる。そこで、面発光レー
ザ素子では、基本横モードでレーザ発振をおこなう種々
の構造が提案されている。

【０００５】基本横モードを得るための最も単純な方法
は、発光領域の面積を、基本モードのみがレーザ発振で
きる程度に小さくした構造を採用することである。例え
ば、発振波長が８５０ｎｍ帯の面発光レーザの場合、基
本横モードを得るためには発光領域のサイズを約１０μ
ｍ²以下にする必要がある。ここで、酸化層閉じ込め型
構造の場合、発光領域の面積の大きさを制御する電流狭
窄幅は、後述するように一般に、ＡｌＡｓ層の外縁部を
選択的に酸化して形成した酸化層によって決定される。
ところが、この酸化層を、上記約１０μｍ²以下となる
ような内径を有するように形成するには、精密な酸化制
御が要求されることになり結果的に製品歩留まりが悪く
なる。さらには、そのような狭面積では素子抵抗が増大
してしまい、面発光レーザ素子に印加する電圧の増大を
引き起こしてしまう。

【０００６】そこで、面発光レーザ素子において基本横
モード発振を得るための手段として、例えば、文献「IE
EE Photonics Technology Letters vol.11,No.12,Decem
ber1999」に示されるような構造が提案されている（以
下、これを第一の従来例と称する。）。図７は、その従
来の面発光レーザ素子の断面模式図である。

【０００７】図７に示す面発光レーザ素子５００を作製
するには、まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０上に、ＭＯＣ
ＶＤ（有機金属化学気相成長法）装置を用いて、下部反
射鏡として下部ＤＢＲ（Distributed Black Reflecto
r）ミラー１１２を形成する。ここで、下部ＤＢＲミラ
ー１１２は、それぞれの厚さがλ／４ｎであるｎ型Ａｌ
_0.9Ｇａ_0.1Ａｓとｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓの積層構造を
１ペアとして、それを３５ペア分積層した層である。

【０００８】そして、その下部ＤＢＲミラー１１２上
に、上下をクラッド層１２２および１２３で挟まれた活
性層１２１を形成し、これら３層からなる量子井戸活性
層１２０の上に、さらに上部反射鏡として上部ＤＢＲミ
ラー１１４を積層する。ここで、上部ＤＢＲミラー１１
４は、それぞれの厚さがλ／４ｎであるｐ型Ａｌ_0.9Ｇ
ａ_0.1Ａｓとｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓの積層構造を１ペ
アとして、それを２５ペア分積層した層である。また、
上部ＤＢＲミラー１１４には、後の工程において電流狭
窄領域を形成するためのＡｌＡｓ層１３０を含んでい
る。なお、上記した下部ＤＢＲミラー１１２および上部
ＤＢＲミラー１１４において、λはレーザ光の発振波
長、ｎは各層を構成する半導体の屈折率を示す。

【０００９】つぎに、フォトリソグラフィ工程およびエ
ッチング工程（ドライエッチングかケミカルエッチング
かは問わない）を経て、上記した上部ＤＢＲミラー１１
４（ＡｌＡｓ層１３０を含む。）と量子井戸活性層１２
０の外縁部を下部ＤＢＲミラー１１２の上面まで除去
し、これにより例えば直径３０μｍの円形のメサポスト
を形成する。

【００１０】つぎに、水蒸気雰囲気中にて、約４００℃
の温度で酸化処理を行い、ＡｌＡｓ層１３０をメサポス
トの外側から選択的に酸化させ、Ａｌ酸化層１３２を形
成する。例えばＡｌ酸化層１３２の幅が１０μｍとなる
帯状のリング形状とした場合、中心のＡｌＡｓ層１３１
の面積、すなわち電流注入される面積（アパーチャ）は
約８０μｍ²（直径１０μｍ）の円形になる。

【００１１】そして、ポリイミド１５０により、上記メ
サポストの周囲を埋め込んだ後、メサポスト上部の外周
に５μｍ程度の幅のリング状の電極１０９を形成する。
また、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０の裏面、すなわち上記し
たような半導体層が形成されていない側の面は、基板の
厚さを例えば２００μｍ厚に研磨して適宜調整し、その
後、電極１０８を形成する。

【００１２】最後に上記した電極１０９の内側に、リン
グ状の窪み１４２を形成する。特に、この窪み１４２
は、窪み１４２の内側のポスト領域１４１の径が、例え
ば５μｍとなるように、Ａｌ酸化層１３２の内側に形成
される。実際の窪み１４２の形成は、例えばＥＢ（Elec
tron Beam）露光装置によりパターンを形成して、ＲＩ
ＢＥ（Reactive Ion Beam Etching）によりエッチング
を施すことで形成することができる。なお、窪み１４２
の形成は、上部ＤＢＲミラー１１４の形成直後に行って
もよい。

【００１３】よって、通常であれば、上記したＡｌＡｓ
層１３１の面積に応じて横モード数が定まるが、図７に
示した構造によれば、リング状の窪み１４２の直下部分
に位置する上部ＤＢＲミラー１１４の厚みがその窪み１
４２の深さ分だけ薄くなり、その部分での反射率が低下
して損失が大きくなるので、結果的に、窪み１４２の内
側のエッチングされていない径５μｍのポスト領域１４
１において、高次モードのレーザ発振が抑えられた基本
モードのレーザ発振が得られる。また、そのポスト領域
１４１よりも、酸化により絞られたＡｌＡｓ層１３１の
面積の方が大きいため、抵抗の増加や動作電圧の上昇を
防ぐこともできる。

【００１４】面発光レーザ素子において基本横モード発
振を得るための手段としては、図７に示した従来の面発
光レーザの構造以外にも、例えば上部ＤＢＲミラー上
に、位相調整層として機能する誘電体膜を形成した構造
が提案されている（以下、これを第二の従来例と称す
る。）。この従来例では、上部ＤＢＲミラーの上面に誘
電体膜がリング状に形成される。特に、その誘電体膜
は、実効的に反射率を低下させるような膜厚であること
を特徴としており、その誘電体膜が形成されていない領
域の直下のみでレーザ発振が起こる。よって、結果的
に、電流狭窄幅の大小ではなく、上部ＤＢＲミラー上に
形成した誘電体膜の配置位置と厚みによって発振横モー
ドの制御が実現される。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た第一の従来例の構造では、窪み１４２を形成するのに
上部ＤＢＲミラー１１４をエッチングするため、上部Ｄ
ＢＲミラー１１４を構成するＡｌＧａＡｓ層が一旦大気
にさらされることになる。ＡｌＧａＡｓ層は非常に酸化
されやすいため、一度大気に露出されると酸化されてし
まい、自然酸化膜が形成される。特に、この自然酸化膜
は不安定であるため、特性の長期安定性が保たれなくな
り、信頼性にも影響を及ぼす可能性がある。

【００１６】一方、上述した第二の従来例の構造では、
誘電体層のみで位相調整をおこなっているが、例えば上
部ＤＢＲミラーのペア数が実用的な２５ペアの場合で、
誘電体層が形成されていない領域の反射率が９９．９４
％であるのに対し、誘電体層が形成された領域の反射率
は９８．５％程度であり、反射率差、すなわちロスの差
が小さいため、高電流を注入した際に基本モードととも
に高次モードが発振する、いわゆるマルチモード発振し
てしまうという問題がある。

【００１７】本発明は上記に鑑みてなされたものであっ
て、抵抗や動作電圧等の増加を抑え、かつ信頼性が良好
で安定して基本横モード発振する面発光レーザ素子を提
供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１にかかる発明は、下部反射鏡（後述する下
部ＤＢＲミラー１２に相当する。）、活性層（後述する
量子井戸活性層２０に相当する。）、上部反射鏡（後述
する下部ＤＢＲミラー１４に相当する。）の順に積層さ
れた層構造を有するとともに、上記下部反射鏡内または
上記上部反射鏡内に電流狭窄層（後述するＡｌＡｓ層３
０に相当する。）が設けられた面発光レーザ素子におい
て、前記上部反射鏡上に設けられるとともに、少なくと
も前記電流狭窄層によって定まる電流狭窄領域（後述す
るＡｌＡｓ層３１に相当する。）の境界面よりも内側
に、発振レーザ光に対して第一の反射率を示す第一の領
域と発振レーザ光に対して第二の反射率を示す第二の領
域とを有した半導体層を備えたことを特徴としている。

【００１９】この発明によれば、例えば、上記した第二
の反射率が、第一の反射率よりも十分に小さく、かつ第
一および第二の領域のサイズが電流狭窄領域による制限
よりも小さく、かつ第一の領域のサイズが基本横モード
と同程度である場合に、第一の領域から基本横モードの
レーザ光を射出することができる。

【００２０】また、請求項２にかかる発明は、請求項１
に記載の面発光レーザ素子において、上記した第一の領
域（後述するポスト領域４１に相当する。）の厚さが、
発振レーザ光の波長の（２ｉ＋１）／４ｎ倍（但し、ｎ
は前記半導体層の屈折率を表し、ｉは整数を表す）であ
り、上記した第二の領域（後述する窪み４２に相当す
る。）の厚さが、発振レーザ光の発振波長の２ｊ／４ｎ
倍（但し、ｎは前記半導体層の屈折率を表し、ｊは自然
数を表す。）であることを特徴としている。

【００２１】この発明によれば、半導体層を、その厚さ
によって反射率が大きく異なる発振レーザ光の位相調整
層として機能させることで、第一の領域の反射率には影
響を与えず、第二の領域の反射率のみを低下させること
ができ、第一の領域にて選択的にレーザ発振することが
できる。

【００２２】また、請求項３にかかる発明は、請求項１
または２に記載の面発光レーザ素子において、前記半導
体層上に、誘電体膜が被覆されたことを特徴としてい
る。

【００２３】この発明によれば、半導体層上に誘電体膜
を被覆することにより、レーザ射出面となる半導体層表
面を保護することができる。

【００２４】また、請求項４にかかる発明は、請求項
１、２または３に記載の面発光レーザ素子において、上
記した誘電体膜（後述する誘電体膜１８に相当する。）
が、上記半導体層よりも小さい屈折率を有するととも
に、その厚さが、発振レーザ光の波長の２ｋ／４ｎ_s倍
（但し、ｎ_sはその誘電体膜の屈折率を表し、ｋは自然
数を表す。）であることを特徴としている。

【００２５】この発明によれば、半導体層上に保護膜と
して誘電体膜を被覆した場合にも、半導体層よりも小さ
い屈折率を有する誘電体膜を用い、さらにその厚さを発
振レーザ光の波長の２ｋ／４ｎ_s倍とすることで、発振
レーザ光の位相がずれてしまうのを防ぐことができる。

【００２６】また、請求項５にかかる発明は、請求項１
に記載の面発光レーザ素子において、上記した半導体層
上には誘電体膜が被覆され、上記した第一の領域（後述
する窪み４７に相当する。）の厚さが、発振レーザ光の
波長の２ｉ／４ｎ倍（但し、ｎは前記半導体層の屈折率
を表し、ｉは自然数を表す）であり、上記した第二の領
域の厚さは、発振レーザ光の波長の（２ｊ＋１）／４ｎ
倍（但し、ｎは前記半導体層の屈折率を表し、ｊは整数
を表す。）であり、上記した誘電体膜（後述する誘電体
膜１９に相当する。）が、上記した半導体層よりも小さ
い屈折率を有するとともに、その厚さが、発振レーザ光
の波長の（２ｋ＋１）／４ｎ_s倍（但し、ｎ_sは前記誘電
体膜の屈折率を表し、ｋは整数を表す。）であることを
特徴としている。

【００２７】この発明によれば、半導体層上に被覆する
誘電体膜の厚みを発振レーザ光の波長の（２ｋ＋１）／
４ｎ_s倍とすることで、その誘電体膜を位相反転層とし
て機能させることができ、結果的に下層の第一の領域の
反射率には影響を与えず、第二の領域の反射率のみを低
下させることができ、第一の領域にて選択的にレーザ発
振することができる。

【００２８】また、請求項６にかかる発明は、請求項１
〜５のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子におい
て、上記した半導体層上であってかつ上記電流狭窄層に
よって定まる電流狭窄領域の境界面よりも外側の位置に
電極が設けられたことを特徴としている。

【００２９】この発明によれば、上記半導体層の上に電
極を設けているので、その半導体層をコンタクト層とし
て機能する材料で形成すれば、電流注入を効率的に行う
ことができる。

【００３０】また、請求項７にかかる発明は、請求項１
〜６のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子におい
て、上記半導体層を、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧ
ａＰ、ＡｌＧａＩｎＰまたはＧａＩｎＡｓＰで形成する
ことができる。

【００３１】また、請求項８にかかる発明は、請求項１
〜７のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子におい
て、上記した誘電体膜を、ＳｉＮ、ＳｉＯ₂、Ａｌ
₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＡｌＮまたはａ−Ｓｉで形成すること
ができる。

【００３２】また、請求項９にかかる発明は、請求項１
〜８のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子は、下部
反射鏡、活性層、上部反射鏡の順に積層された層構造が
ＧａＡｓ基板上に形成されるとともに、活性層等が波長
７００ｎｍ〜１０００ｎｍのレーザ光が発振する半導体
材料およびサイズで形成される。

【００３３】また、請求項１０にかかる発明は、請求項
１〜８のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子は、下
部反射鏡、活性層、上部反射鏡の順に積層された層構造
がＧａＡｓ基板上に形成されるとともに、活性層等が波
長１２００ｎｍ〜１６００ｎｍのレーザ光が発振する半
導体材料およびサイズで形成される。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明にかかる面発光レ
ーザ素子の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明す
る。なお、この実施の形態により本発明が限定されるも
のではない。

【００３５】（実施の形態１）まず、実施の形態１にか
かる面発光レーザ素子について説明する。図１は、実施
の形態１にかかる面発光レーザ素子の断面模式図であ
る。以下においては特に、８５０ｎｍ帯の面発光レーザ
素子の構造について説明する。

【００３６】図１において、実施の形態１にかかる面発
光レーザ素子１００を作製するには、まず、ｎ型ＧａＡ
ｓ基板１０上に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、下部ＤＢＲ
ミラー１２を形成する。ここで、下部ＤＢＲミラー１２
は、第一の従来例と同様に、それぞれの厚さがλ／４ｎ
であるｎ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓとｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａ
ｓの積層構造を１ペアとして、それを３５ペア分積層し
た層である。

【００３７】つづいて、その下部ＤＢＲミラー１２上
に、クラッド層２２、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２１、クラ
ッド層２３を順次積層し、これら３層からなる量子井戸
活性層２０の上に、さらに上部ＤＢＲミラー１４を形成
する。ここで、上部ＤＢＲミラー１４は、それぞれの厚
さがλ／４ｎであるｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓとｐ型Ａｌ
_0.2Ｇａ_0.8Ａｓの積層構造を１ペアとして、それを２５
ペア分積層した層である。また、上部ＤＢＲミラー１４
には、後の工程において電流狭窄領域を形成するための
ＡｌＡｓ層３０を含んでいる。

【００３８】実施の形態１にかかる面発光レーザ素子で
は、この上部ＤＢＲミラー１４上に、厚さが３λ／４ｎ
（約１５０ｎｍ）のＧａＡｓ層１６を形成する。そして
さらに、ＧａＡｓ層１６に、深さ５０ｎｍ、幅５μｍの
リング形状の窪み４２を形成する。特に、この窪み４２
は、Ａｌ酸化層３２とＡｌＡｓ層３１の境界面上（換言
すれば、リング形状のＡｌ酸化層３２の内周面）をまた
いだ位置に形成する。これによって、直径が約４μｍの
ポスト領域４１が形成される。

【００３９】ここで、窪み４２の直下に位置する部分の
ＧａＡｓ層１６の厚みを２λ／４ｎとすると、入射され
る光の位相はＧａＡｓ層１６とその窪み４２との間でミ
スマッチとなり、窪み４２の直下に位置する部分で実効
的な反射率を下げることができる。すなわち、その部分
でのレーザ発振を抑制することができる。具体的には、
窪み４２の直下に位置する部分のＧａＡｓ層１６の厚み
を２ｉλ／４ｎとし、窪み４２が形成されていないポス
ト領域の直下に位置する部分のＧａＡｓ層１６の厚みを
（２ｉ＋１）λ／４ｎとする。なお、上記した下部ＤＢ
Ｒミラー１２、上部ＤＢＲミラー１４およびＧａＡｓ層
１６の各構成において、λは発振波長、ｎは各層の屈折
率、ｉは自然数を表す。

【００４０】つぎに、フォトリソグラフィ工程およびエ
ッチング工程（ドライエッチングかケミカルエッチング
かは問わない）を経て、上記したＧａＡｓ層１６と上部
ＤＢＲミラー１４（ＡｌＡｓ層３０を含む。）の外縁部
を、量子井戸活性層２０の上面まで除去する。特に、上
記したポスト領域４１が中心に位置する円形のメサポス
ト（例えば直径４０μｍ）が形成されるようにエッチン
グする。

【００４１】つぎに、水蒸気雰囲気中にて、約４００℃
の温度で酸化処理を行い、ＡｌＡｓ層３０をメサポスト
の外側から選択的に酸化させ、Ａｌ酸化層３２を形成す
る。例えば、Ａｌ酸化層３２が１６．５μｍの帯幅で形
成されたリング形状である場合、中心のＡｌＡｓ層３１
の面積、すなわち電流注入される面積（アパーチャ）は
約４０μｍ²（直径７μｍ）の円形になる。

【００４２】そして、メサポスト上部に位置するＧａＡ
ｓ層１６の上面であってかつ外周部の位置に、５μｍ程
度の幅のリング形状の電極９を形成する。また、裏面
（ｎ型ＧａＡｓ基板１０）側において、基板の厚さを例
えば２００μｍ厚に研磨して適宜調整し、その後、電極
８を形成する。つづいて、上記メサポストの外縁部と露
出した量子井戸活性層２０の表面とを誘電体膜１７（Ｓ
ｉＮ等）で被覆する。なお、上記した誘電体膜１７上
に、図７に示したようにメサポストの周囲にポリイミド
を埋め込んでもよい。

【００４３】図２は、実施の形態１にかかる面発光レー
ザ素子の特性を説明するための反射率−ＧａＡｓ層の厚
みの関係図である。図２に示すように、レーザ光が感じ
る上部ＤＢＲミラー１４の実効的な反射率は、ＧａＡｓ
層１６の厚さが（２ｊ＋１）λ／４ｎの時にピークとな
り、ＧａＡｓ層１６の厚さが２ｊλ／４ｎの時（バレー
位置）に反射率が最も低下することがわかる。このよう
に、ＧａＡｓ層１６は、λ／４ｎ単位で厚みを制御する
ことで、レーザ発振光に対して位相調整層として機能さ
せることができ、これにより実効的な反射率をある範囲
において制御することができる。なお、図２に示す反射
率の試算では、上部ＤＢＲミラー１４のペア数を２５ペ
アとした。なお、ｊは整数を表す。

【００４４】具体的には、ピーク位置の反射率が約９
９．９４％、バレー位置の反射率が９５％となり、これ
らの値から共振器損失（ミラーロス）を見積もると、ピ
ーク位置の場合約３０ｃｍ^-1、バレー位置では約２５０
ｃｍ^-1となる。このことから、リング形状の窪み４２領
域でのミラーロスが約８倍にもなり、この領域での発振
が完全に抑えられることがわかる。すなわち、レーザ発
振は窪み４２に囲まれたポスト領域４１（４μｍの領
域）にてのみ起こり、これにより、基本モードでの発振
が得られる。この反射率のピークとバレーの位置はＧａ
Ａｓ層１６の厚さに対して、周期的に繰り返して発生す
るため、各周期において同様な効果は得られるが、発振
波長が８６０ｎｍ以下の場合、ＧａＡｓ層１６の吸収を
受けるため、あまり厚くすることは好ましくない。

【００４５】なお、ＧａＡｓ層１６において、ポスト領
域４１の厚みと窪み４２が位置する直下の厚みの差は、
上記例のように必ずしもλ／４ｎである必要はなく、ポ
スト領域４１の厚みがλ／４ｎの奇数倍で、かつ窪み４
２が位置する直下の厚みがλ／４ｎの偶数倍となる関係
が成り立てばよい。例えば、ポスト領域４１の厚みを５
λ／４ｎとし、窪み４２が位置する直下の厚みを２λ／
４ｎ（窪み４２の深さが３λ／４ｎ）とすることもでき
る。

【００４６】また、図１に示した構造図では、窪み４２
の中心がＡｌ酸化層３２とＡｌＡｓ層３１の境界の延長
線上に位置した状態を示しているが、図３に示すよう
に、リング形状の窪み４６の外縁が上記境界線の延長上
かそれよりも外周側であればよい。また、上記したＧａ
Ａｓ層１６に替えて、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、Ａｌ
ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ等のその他の半導体層を用
いることもできる。

【００４７】以上に説明したとおり、実施の形態１にか
かる面発光レーザ素子によれば、上部ＤＢＲミラー１４
上に、発振レーザ光と位相がマッチングした、反射率に
影響を及ぼさない厚みのＧａＡｓ層１６を形成するとと
もに、そのＧａＡｓ層１６上であってＡｌ酸化層３２と
ＡｌＡｓ層３１の境界の延長線上をまたいだ位置に、直
下のＧａＡｓ層１６が発振レーザ光に対して位相がミス
マッチとなり、低い反射率を示す厚みとなるような深さ
の窪み４２を形成するので、窪み４２で囲まれたポスト
領域４１内でのみレーザ発振を行わせることができる。
すなわち、発光領域を、ポスト領域４１のサイズで制御
することができ、従来において電流狭窄幅の制御のみで
は他の特性を劣化させていたのに対し、本発明では他の
特性を犠牲にすることなく基本横モードの発振を容易に
実現することができる。

【００４８】また、第一の従来例のように上部ＤＢＲミ
ラーのＡｌＧａＡｓ層が露出することはないので、信頼
性の良好な素子を作製することができる。また、ＧａＡ
ｓ層１６による位相調整は、第二の従来例のように上部
ＤＢＲミラー上に誘電体膜を形成して反射率を低下させ
るよりも、大きく反射率を低下させることができるた
め、高電流注入時にマルチモード発振してしまうという
問題も解決される。

【００４９】さらに、ＧａＡｓ層１６は、電極９との電
気的接続をより良好にするコンタクト層として活用する
ことができ、特に、窪み４２の直下に位置する残りのＧ
ａＡｓ層部分は、電極９から供給される電流を十分に拡
散できるので、素子抵抗の低下を可能にして、電流の不
均一注入も防ぐことができる。

【００５０】なお、上記説明では、窪み４２を形成する
ことで、発光領域となるポスト領域４１を形成するとし
たが、少なくとも電流狭窄部分となるＡｌ酸化層３２よ
りも内側に、上記した厚みの関係を満たす凸形状のポス
トが形成されていれば良い。

【００５１】また、上記例では、ＡｌＡｓ層３１の径、
すなわち電流狭窄層によるアパーチャを直径７μｍの円
形としたが、好適には直径５〜１０μｍの範囲であれば
よい。これは、直径が５μｍより小さいと、素子抵抗が
著しく上昇し、１０μｍより大きいと、高次モードが発
振するとともに素子特性が劣化するからである。なお、
より好ましくは６〜７μｍとすることが望ましい。

【００５２】また、上記例では、ポスト領域４１の直径
を約４μｍとしたが、好適には上記アパーチャの直径よ
り小さく、かつ直径３．０〜５．５μｍの範囲であれば
よい。これは、直径が３．０μｍよりも小さいと基本モ
ードに損失が生じ、素子特性が劣化し、５．５μｍより
大きいと、高次モードが発振してしまうからである。な
お、より好ましくは３．５〜４．０μｍとすることが望
ましい。

【００５３】（実施の形態２）つぎに、実施の形態２に
かかる面発光レーザ素子について説明する。実施の形態
２にかかる面発光レーザ素子は、実施の形態１において
説明した面発光レーザ素子のＧａＡｓ層１６上に、保護
膜として機能する誘電体膜を形成したことを特徴として
いる。

【００５４】面発光レーザ素子の作製時または取り扱い
時において、外部からの機械的または化学的な汚染から
レーザ光出射面を保護する必要がある。例えば、面発光
レーザ素子は、半導体ウエハ上に２次元アレイ状に複数
個形成することができるため、その複数個の面発光レー
ザ素子をアプリケーションに応じた個数分だけまとめて
半導体ウエハから切り出すことが可能である。その切り
出しの際に、半導体チップの後工程で一般におこなわれ
ているダイシングを行うわけであるが、ダイシングで生
じたパーティクルやその他の不純物が面発光レーザ素子
の射出面に付着する可能性がある。そこで、その対策と
して、射出面上に保護膜を形成することが好ましい。

【００５５】図４は、実施の形態２にかかる面発光レー
ザ素子の断面模式図である。なお、図４において、図１
と共通する部分には同一の符号を付してその説明を省略
する。図４に示す面発光レーザ素子３００では、レーザ
射出面であるＧａＡｓ層１６上に、誘電体膜１８が形成
される点が図１と異なる。但し、この誘電体膜１８は、
ＧａＡｓよりも屈折率が小さい材料であり、その厚みは
２ｉλ／４ｎ_sとする。なお、λは発振波長、ｎ_sは誘電
体膜１８の屈折率、ｉは自然数を表す。誘電体膜１８の
材料としては、ＳｉＮ、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、
ＡｌＮ、ａ−Ｓｉなどを用いることができる。

【００５６】これにより、ＧａＡｓ層１６上に保護膜と
して誘電体膜１８を形成したとしても、その誘電体膜１
８の存在によって発振レーザ光は位相ずれを生じずに、
ポスト領域４１のみが発光領域となる。

【００５７】以上に説明したとおり、実施の形態２にか
かる面発光レーザ素子によれば、実施の形態１に示した
面発光レーザ素子において、レーザ射出面であるＧａＡ
ｓ層１６上に保護膜として誘電体膜１８を形成するの
で、ＧａＡｓ層１６のポスト領域４１での基本横モード
の発振を実現することができるとともに、ＧａＡｓ層１
６の表面が直接汚染されるのを防止でき、歩留まりの向
上を図ることができる。また大気雰囲気中への露出によ
って生じる劣化を低減させることもできるため、結果的
に、長期信頼性を確保することができる。

【００５８】また、図１に示したように、メサポストの
外縁部と量子井戸活性層２０の表面とを誘電体膜１７で
被覆する構造を採用した場合には、その誘電体膜１７の
形成と、ＧａＡｓ層１６上に形成する誘電体膜１８の形
成とを同工程で同時におこなうこともでき、新たな工程
が生じてしまうのを避けることができる。

【００５９】（実施の形態３）つぎに、実施の形態３に
かかる面発光レーザ素子について説明する。実施の形態
３にかかる面発光レーザ素子は、実施の形態１で説明し
た面発光レーザ素子のＧａＡｓ層１６において、窪み４
２とポスト領域４１との凹凸関係を逆転し、さらにそれ
らの上に、発振レーザの位相が反転するような厚みの誘
電体膜を形成したことを特徴としている。

【００６０】図５は、実施の形態３にかかる面発光レー
ザ素子の断面模式図である。以下においても実施の形態
１と同様に、８５０ｎｍ帯の面発光レーザの構造につい
て説明する。なお、図５において、図１と共通する部分
には同一の符号を付してその説明を省略する。図５に示
す面発光レーザ素子４００では、上部ＤＢＲミラー１４
上に形成されるＧａＡｓ層５０に対して形成する窪みの
位置とそのＧａＡｓ層５０の上面に誘電体膜１９が形成
される点とが図１と異なる。

【００６１】具体的には、実施の形態１で説明した方法
に従って上部ＤＢＲミラー１４を形成した後、厚さが３
λ／４ｎ（約１５０ｎｍ）のＧａＡｓ層５０を形成し、
その後、ＧａＡｓ層５０の中央部に、直径４μｍ、深さ
５０ｎｍの円形の窪み４７を形成する。特に、この窪み
４７は、ＡｌＡｓ層３１の円内に位置するように形成す
る。

【００６２】これらＧａＡｓ層５０およびその窪み４７
の関係は、窪み４７が形成されていない領域の直下に位
置する部分のＧａＡｓ層５０の厚みを（２ｉ＋１）λ／
４ｎとし、窪み４７の直下に位置する部分のＧａＡｓ層
５０の厚みを２ｉλ／４ｎとする。なお、λは発振波
長、ｎはＧａＡｓ層５０の屈折率、ｉは自然数を表す。

【００６３】そして、窪み４７を含め、ＧａＡｓ層５０
の上面に誘電体膜１９を被覆する。この誘電体膜１９
は、ＧａＡｓよりも屈折率が小さい材料であり、その厚
みは（２ｋ＋１）λ／４ｎ_sとする。これにより、誘電
体膜１９は、位相反転層として機能する。なお、λは発
振波長、ｎ_sは誘電体膜１９の屈折率、ｋは整数を表
す。誘電体膜１９の材料としては、ＳｉＮ、ＳｉＯ₂、
Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＡｌＮ、ａ−Ｓｉなどを用いるこ
とができる。

【００６４】なお、誘電体膜１７は、酸化防止等の保護
膜として機能するが、上記誘電体膜１９と同一の材料を
用いて同工程で同時に形成してもよい。

【００６５】図６は、実施の形態３にかかる面発光レー
ザ素子の特性を説明するための反射率−ＧａＡｓ層の厚
みの関係図である。図６に示すように、レーザ光が感じ
る上部ＤＢＲミラー１４の実効的な反射率は、ＧａＡｓ
層５０の厚さが２ｉλ／４ｎの時にピークとなり、Ｇａ
Ａｓ層５０の厚さが（２ｊ＋１）λ／４ｎの時（バレー
位置）に反射率が低下することがわかる。すなわち、Ｇ
ａＡｓ層５０の上面に（２ｋ＋１）λ／４ｎ_s厚の誘電
体膜１９を形成したことにより、位相の反転がおこり、
図２と比較してピーク位置とバレー位置の関係が反転
する。結局、レーザ発振は窪み４７の領域にてのみ起こ
り、これにより、基本モードでの発振が得られる。ここ
で、ｉは自然数であり、ｊは整数を表す。

【００６６】なお、実施の形態１で説明したように、反
射率のピークとバレーの位置はＧａＡｓ層５０の厚さに
対して、周期的に繰り返して発生するため、各周期にお
いて同様な効果が得られる。

【００６７】また、ＧａＡｓ層５０において、窪み４７
が形成されていない部分直下のＧａＡｓ層５０の厚みと
窪み４７が形成された部分直下のＧａＡｓ層５０の厚み
との差は、上記例のように必ずしもλ／４ｎである必要
はなく、窪み４７が形成されていない部分直下のＧａＡ
ｓ層５０の厚みがλ／４ｎの奇数倍で、かつ窪み４７が
形成された部分直下のＧａＡｓ層５０の厚みがλ／４ｎ
の偶数倍となる関係が成り立てばよい。例えば、窪み４
７が形成されていない部分直下のＧａＡｓ層５０の厚み
を５λ／４ｎとし、窪み４７が形成された部分直下のＧ
ａＡｓ層５０の厚みを２λ／４ｎ（窪み４７の深さが３
λ／４ｎ）とすることもできる。

【００６８】以上に説明したとおり、実施の形態３にか
かる面発光レーザ素子によれば、上部ＤＢＲミラー１４
上に、発振レーザ光と位相がマッチングし、反射率に影
響を及ぼさない厚みのＧａＡｓ層５０を形成するととも
に、そのＧａＡｓ層５０上であってＡｌＡｓ層３１の円
内に相当する位置に、直下のＧａＡｓ層５０が発振レー
ザ光に対して位相がジャスト反転した厚みとなるような
深さの窪み４７を形成するとともに、さらに発振レーザ
光の位相を反転させる誘電体膜を被覆するので、窪み４
７内でのみレーザ発振を行わせることができる。すなわ
ち、発光領域を、窪み４７のサイズで制御することがで
き、従来において電流狭窄幅の制御のみでは他の特性を
劣化させていたのに対し、本発明では他の特性を犠牲に
することなく基本横モードの発振を容易に実現すること
ができる。

【００６９】特に、この実施の形態３による構造では、
実施の形態１がポスト領域４１を発光領域としたのに対
し、窪み４７の領域を発光領域としたので、必然とその
発光領域となるＧａＡｓ層５０の厚さは実施の形態１の
場合よりも薄くすることができ、発振波長が８６０ｎｍ
以下の場合であっても、レーザ光の吸収を小さく抑える
ことができる。

【００７０】なお、上述した実施の形態３において、図
５に示した構造では、誘電体膜１９を設けずとも、窪み
４７が形成されていない部分直下のＧａＡｓ層５０の厚
みがλ／４ｎの偶数倍で、かつ窪み４７が形成された部
分直下のＧａＡｓ層５０の厚みがλ／４ｎの奇数倍とな
る関係が成り立てば、実施の形態１と同様な効果を享受
することができる。例えば、窪み４７が形成されていな
い部分直下のＧａＡｓ層５０の厚みを４λ／４ｎとし、
窪み４７が形成された部分直下のＧａＡｓ層５０の厚み
を３λ／４ｎ（窪み４７の深さがλ／４ｎ）とすること
ができる。

【００７１】また、上記例では、窪み４７の直径を約４
μｍとしたが、好適には直径３．０〜５．５μｍの範囲
であればよい。

【００７２】以上に説明した実施の形態１〜３において
は、８５０ｎｍ帯のレーザを例に挙げたが、本発明にか
かる面発光レーザ素子の構造は、他の波長帯の面発光レ
ーザ素子にも適用することができる。例えば活性層にＧ
ａＩｎＮＡｓ系材料を用いた１．３μｍ帯の面発光レー
ザ素子に対しても適用することができる。

【００７３】また、図１、図４および図５においては、
ｎ型のＧａＡｓ基板上に、ｎ型の下部ＤＢＲミラー、量
子井戸活性層、ｐ型の上部ＤＢＲミラーを順次積層する
構造としたが、各半導体層の導電型を逆にした構造に対
しても、本発明を適用することができるのはいうまでも
ない。但し、その場合、電流狭窄層（ＡｌＡｓ層３１お
よびＡｌ酸化層３２）は、ｐ型の下部ＤＢＲミラー内に
形成され、その上方に量子井戸活性層が形成される。

【００７４】

【発明の効果】以上に説明したように本発明にかかる面
発光レーザ素子によれば、電流狭窄幅で制御されていた
発光領域を、さらに狭幅である半導体層（ＧａＡｓ層
等）のポスト領域または窪みで定まるサイズで制御する
ことができ、従来において電流狭窄幅の制御のみでは他
の特性を劣化させていたのに対し、本発明では他の特性
を犠牲にすることなく基本横モードの発振を容易に実現
することができるという効果を奏する。

【００７５】また、本発明にかかる面発光レーザ素子に
よれば、従来のように上部ＤＢＲミラーに直接窪みを形
成することでその一部が大気中に露出することがなくな
るので、信頼性の良好な素子を作製することができると
ともに、半導体層（例えばＧａＡｓ層）による位相調整
は、誘電体膜による位相調整を用いた場合よりも、上部
ＤＢＲミラーよりも、大きく反射率を低下させることが
できるため、高電流注入時のマルチモード発振を防止す
ることができるという効果を奏する。

【００７６】また、本発明にかかる面発光レーザ素子に
よれば、半導体層（例えばＧａＡｓ層）上に電極を形成
することで、半導体層を、電極との電気的接続をより良
好にするコンタクト層として活用することができ、特
に、半導体層に形成した窪みの直下に位置する残りの半
導体層部分によって、電極から供給される電流を十分に
拡散できるので、素子抵抗の低下が可能となり、電流の
不均一注入も防ぐことができるという効果を奏する。

【００７７】また、本発明にかかる面発光レーザ素子に
よれば、レーザ射出面である半導体層（ＧａＡｓ層等）
上に保護膜として誘電体膜を形成することができるの
で、半導体層の表面が直接汚染されてしまうのを防止で
き、歩留まりの向上を図ることができるという効果を奏
する。

【００７８】また、本発明にかかる面発光レーザ素子に
よれば、半導体層（例えばＧａＡｓ層）上に形成した誘
電体膜を位相反転層として機能させることにより、窪み
の領域を発光領域とすることができるので、必然とその
発光領域となる半導体層の厚さが、ポスト領域を発光領
域とした場合よりも薄くなり、発振波長が８６０ｎｍ以
下の場合であっても、レーザ光の吸収を小さく抑えるこ
とができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の断面
模式図である。

【図２】実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の特性
を説明するための反射率−ＧａＡｓ層の厚みの関係図で
ある。

【図３】実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の他の
例の断面模式図である。

【図４】実施の形態２にかかる面発光レーザ素子の断面
模式図である。

【図５】実施の形態３にかかる面発光レーザ素子の断面
模式図である。

【図６】実施の形態３にかかる面発光レーザ素子の特性
を説明するための反射率−ＧａＡｓ層の厚みの関係図で
ある。

【図７】従来の面発光レーザ素子の断面模式図である。

【符号の説明】

８，９，１０８，１０９電極１０，１１０ｎ型ＧａＡｓ基板１２，１１２下部ＤＢＲミラー１４，１１４上部ＤＢＲミラー１６，５０ＧａＡｓ層１７，１８，１９誘電体膜２０，１２０量子井戸活性層２１，１２１活性層２２，２３，１２２，１２３クラッド層３０，３１，１３０，１３１ＡｌＡｓ層３２，１３２Ａｌ酸化層４１，１４１ポスト領域４２，４６，４７，１４２窪み１００，３００，４００，５００面発光レーザ素子１５０ポリイミド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下部反射鏡、活性層、上部反射鏡の順に
積層された層構造を有するとともに、前記下部反射鏡内
または前記上部反射鏡内に電流狭窄層が設けられた面発
光レーザ素子において、前記上部反射鏡上に設けられるとともに、少なくとも前
記電流狭窄層によって定まる電流狭窄領域の境界面より
も内側に、発振レーザ光に対して第一の反射率を示す第
一の領域と発振レーザ光に対して第二の反射率を示す第
二の領域とを有した半導体層を備えたことを特徴とする
面発光レーザ素子。
【請求項２】前記第一の領域の厚さは、発振レーザ光
の波長の（２ｉ＋１）／４ｎ倍（但し、ｎは前記半導体
層の屈折率を表し、ｉは整数を表す）であり、前記第二
の領域の厚さは、発振レーザ光の波長の２ｊ／４ｎ倍
（但し、ｎは前記半導体層の屈折率を表し、ｊは自然数
を表す。）であることを特徴とする請求項１に記載の面
発光レーザ素子。
【請求項３】前記半導体層上に、誘電体膜が被覆され
たことを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レ
ーザ素子。
【請求項４】前記誘電体膜は、前記半導体層よりも小
さい屈折率を有するとともに、厚さが、発振レーザ光の
波長の２ｋ／４ｎ_s倍（但し、ｎ_sは前記誘電体膜の屈折
率を表し、ｋは自然数を表す。）であることを特徴とす
る請求項１、２または３に記載の面発光レーザ素子。
【請求項５】前記半導体層上に誘電体膜が被覆され、前記第一の領域の厚さは、発振レーザ光の波長の２ｉ／
４ｎ倍（但し、ｎは前記半導体層の屈折率を表し、ｉは
自然数を表す）であり、前記第二の領域の厚さは、発振
レーザ光の波長の（２ｊ＋１）／４ｎ倍（但し、ｎは前
記半導体層の屈折率を表し、ｊは整数を表す。）であ
り、前記誘電体膜は、前記半導体層よりも小さい屈折率を有
するとともに、厚さが、発振レーザ光の波長の（２ｋ＋
１）／４ｎ_s倍（但し、ｎ_sは前記誘電体膜の屈折率を表
し、ｋは整数を表す。）であることを特徴とする請求項
１に記載の面発光レーザ素子。
【請求項６】前記半導体層上であってかつ前記電流狭
窄層によって定まる電流狭窄領域の境界面よりも外側に
電極が設けられたことを特徴とする請求項１〜５のいず
れか一つに記載の面発光レーザ素子。
【請求項７】前記半導体層は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡ
ｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＰまたはＧａＩｎＡｓＰ
によって形成されることを特徴とする請求項１〜６のい
ずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
【請求項８】前記誘電体膜は、ＳｉＮ、ＳｉＯ₂、Ａ
ｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＡｌＮまたはａ−Ｓｉで形成される
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の
面発光レーザ素子。
【請求項９】前記層構造はＧａＡｓ基板上に形成さ
れ、前記発振レーザ光の波長は、７００ｎｍ〜１０００
ｎｍであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一
つに記載の面発光レーザ素子。
【請求項１０】前記層構造はＧａＡｓ基板上に形成さ
れ、前記発振レーザ光の波長は、１２００ｎｍ〜１６０
０ｎｍであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか
一つに記載の面発光レーザ素子。