JP7351132B2 - 面発光レーザ、面発光レーザ装置、光源装置及び検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、面発光レーザ、面発光レーザ装置、光源装置及び検出装置に関する。

垂直共振器型の面発光レーザ（vertical cavity surface emitting laser：ＶＣＳＥＬ）は、基板に対して垂直な方向にレーザ光を発振する半導体レーザである。面発光レーザは、基板に対して平行な方向に光を照射する端面発光型の半導体レーザと比較して、低閾値電流発振、単一縦モード発振、２次元アレイ化が可能であるなどの優れた特性を有している。

面発光レーザには、基板の活性層が設けられた側にレーザ光を出射する表面出射型の面発光レーザと、基板の活性層が設けられた側とは反対側にレーザ光を出射する裏面出射型の面発光レーザとがある。裏面出射型の面発光レーザは、半導体基板上に活性層を含む積層体が形成され、基板側から光を出射する（特許文献１）。

これまでのところ、裏面出射型の面発光レーザにおいて出射側と反対側の共振器ミラー面から光を出射させるという技術思想は存在しなかった。

本発明は、出射側と反対側の共振器ミラー面から光を出射することができる裏面反射型の面発光レーザ、面発光レーザ装置、光源装置及び検出装置を提供することを目的とする。

開示の技術の一態様によれば、面発光レーザは、基板と、前記基板上に形成され、第１の波長の第１の光を出力する第１の面発光レーザ素子と、前記基板上に形成され、前記第１の波長の第２の光を出力する第２の面発光レーザ素子と、を有し、前記第１の面発光レーザ素子は、前記基板側から順に、第１の下部反射鏡、第１の活性層、第１の上部反射鏡を備え、前記第２の面発光レーザ素子は、前記基板側から順に、第２の下部反射鏡、第２の活性層、第２の上部反射鏡を備え、前記第１の波長における前記第１の下部反射鏡の反射率は、前記第１の波長における前記第１の上部反射鏡の反射率よりも小さく、前記第１の波長における前記第２の上部反射鏡の反射率は、前記第１の波長における前記第１の上部反射鏡の反射率よりも小さく、前記第１の光は少なくとも前記基板側から出力され、前記第２の光は少なくとも前記第２の上部反射鏡側から出力される。

開示の技術によれば、裏面反射型の面発光レーザにおいて、出射側と反対側の共振器ミラー面から光を出射する面発光レーザを提供することができる。

実施形態に係る面発光レーザのレイアウトを示す図である。 実施形態に係る面発光レーザの内部構造を示す断面図（その１）である。 実施形態に係る面発光レーザの内部構造を示す断面図（その２）である。 実施形態に係る面発光レーザの内部構造を示す断面図（その３）である。 実施形態に係る面発光レーザの使用例を示す模式図である。 実施形態に係る面発光レーザの製造方法を示す断面図（その１）である。 実施形態に係る面発光レーザの製造方法を示す断面図（その２）である。 実施形態に係る面発光レーザの製造方法を示す断面図（その３）である。 実施形態に係る面発光レーザの製造方法を示す断面図（その４）である。 実施形態に係る面発光レーザの製造方法を示す断面図（その５）である。 実施形態に係る面発光レーザの製造方法を示す断面図（その６）である。 実施形態に係る面発光レーザの製造方法を示す断面図（その７）である。 実施形態に係る面発光レーザの製造方法を示す断面図（その８）である。 実施形態に係る面発光レーザの製造方法を示す断面図（その９）である。 実施形態に係る面発光レーザの製造方法を示す断面図（その１０）である。 実施形態に係る面発光レーザの製造方法を示す断面図（その１１）である。 実施形態に係る面発光レーザの製造方法を示す断面図（その１２）である。 実施形態に係る面発光レーザの製造方法を示す断面図（その１３）である。 実施形態に係る面発光レーザの製造方法を示す断面図（その１４）である。 実施形態に係る面発光レーザの製造方法を示す断面図（その１５）である。 誘電体多層膜反射鏡の平面形状の例を示す図である。 検出装置の一例としての測距装置の概要を示す図である。

以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。以下の説明では、レーザ発振方向（レーザ光の出射方向）をＺ軸方向とし、右手系でＺ軸方向に垂直な面内における互いに直交する２つの方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とする。また、プラスのＺ軸方向を下方とする。本開示において、平面視とは、Ｚ軸方向、すなわち基板に垂直な方向から視ることをいう。但し、面発光レーザ素子等は天地逆の状態で用いることができ、任意の角度で配置することもできる。

（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態について説明する。第１の実施形態は、裏面出射型の面発光レーザ素子を備えた面発光レーザに関する。

［面発光レーザの基本構造］
図１は、実施形態に係る面発光レーザのレイアウトを示す図である。図２～図４は、実施形態に係る面発光レーザの内部構造を示す断面図である。図２は、図１中のＩ－Ｉ線に沿った断面図に相当する。図３は、図１中のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図に相当する。図４は、図１中のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図に相当する。

図１に示すように、実施形態に係る面発光レーザ１００は、例えば９個の面発光レーザ素子１５１を有する。９個の面発光レーザ素子１５１はＸ軸方向及びＹ軸方向に３個ずつ配列し、レーザ素子アレイ１５３を構成する。面発光レーザ素子１５１は、例えば１個の面発光レーザ素子１５２を有する。例えば、面発光レーザ素子１５２は、レーザ素子アレイ１５３の外側に配置されている。図２に示すように、面発光レーザ素子１５１は基板１０１の裏面１０１Ａ側にレーザ光ＬＡを出射する。図３に示すように、面発光レーザ素子１５２は基板１０１の裏面１０１Ａ側にレーザ光ＬＡを出射し、基板１０１の表面１０１Ｂ側（－Ｚ側）に自然放出光又はレーザ光の光ＬＢを出力する。レーザ素子アレイ１５３に含まれる面発光レーザ素子１５１の数、面発光レーザ素子１５２の数は限定されない。面発光レーザ素子１５１は第１の面発光レーザ素子の一例である。面発光レーザ素子１５２は第２の面発光レーザ素子の一例である。

面発光レーザ素子１５２の近傍にｐ側電極１１２を実装基板の電極に接続するためのｐ側コンタクト領域１５５が設けられている。また、レーザ素子アレイ１５３の周囲の複数箇所、例えば４箇所にｎ側電極１１３を実装基板の電極に接続するためのｎ側コンタクト領域１５６が設けられている。ｎ側コンタクト領域１５６の数は限定されない。

面発光レーザ１００は発振波長が９４０ｎｍ帯の面発光レーザである。面発光レーザ１００は、図２～図４に示すように、基板１０１と、下部半導体多層膜反射鏡１０２と、下部スペーサ層１０３と、活性層１０４と、上部スペーサ層１０５と、上部半導体多層膜反射鏡１０６と、絶縁膜１１１と、ｐ側電極１１２と、ｎ側電極１１３と、誘電体多層膜反射鏡１１４と、反射防止膜１１５とを有する。

基板１０１は、一例として、表面の鏡面研磨面（主面）の法線方向が、結晶方位［１００］方向に対して、結晶方位［１１１］Ａ方向に向かって１５度（θ＝１５度）傾斜したｎ－ＧａＡｓ単結晶半導体基板である。すなわち、基板１０１は、いわゆる傾斜基板である。なお、基板は上記のものに限定されない。

下部半導体多層膜反射鏡１０２は、基板１０１の－Ｚ側（上側）にバッファ層（図示せず）を介して積層され、ｎ－Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層とｎ－Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓからなる高屈折率層とのペアを２６ペア程度有している。各屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた厚さが２０ｎｍの組成傾斜層（図示せず）が設けられている。各屈折率層はいずれも、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、発振波長をλとするλ／４の光学的厚さとなるように設定されている。なお、光学的厚さがλ／４のとき、その層の実際の厚さＤは、Ｄ＝λ／４ｎ（但し、ｎはその層の媒質の屈折率）である。例えば、下部半導体多層膜反射鏡１０２の反射率は９９．６％程度である。

下部スペーサ層１０３は、下部半導体多層膜反射鏡１０２の－Ｚ側（上側）に積層され、ノンドープのＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓからなる層である。下部スペーサ層１０３の材料はノンドープのＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓに限定されず、例えばノンドープのＡｌＧａＩｎＰでもよい。

活性層１０４は、下部スペーサ層１０３の－Ｚ側（上側）に積層され、複数の量子井戸層と複数の障壁層とを有する多重量子井戸構造の活性層である。量子井戸層はＩｎＧａＡｓからなり、各障壁層はＡｌＧａＡｓからなる。

上部スペーサ層１０５は、活性層１０４の－Ｚ側（上側）に積層され、ノンドープのＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓからなる層である。上部スペーサ層１０５の材料は、下部スペーサ層１０３と同様にノンドープのＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓに限定されず、例えばノンドープのＡｌＧａＩｎＰでもよい。

下部スペーサ層１０３と活性層１０４と上部スペーサ層１０５とからなる部分は、共振器構造体ともよばれており、その厚さが１波長分の光学的厚さとなるように設定されている。なお、活性層１０４は高い誘導放出確率が得られるように、電界の定在波分布における腹に対応する位置である共振器構造体の中央に設けられている。好ましくは、発振波長である９４０ｎｍにおいて単一縦モード発振が得られるように、下部スペーサ層１０３、活性層１０４及び上部スペーサ層１０５の各層の厚さが設定されている。また、好ましくは、面発光レーザ素子１５１の発振閾値電流が室温で最も小さくなるように、共振波長と活性層１０４の発光波長（組成）との相対関係（ディチューニング）が調整されている。

上部半導体多層膜反射鏡１０６は、上部スペーサ層１０５の－Ｚ側（上側）に積層され、ｐ－Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる低屈折率層とｐ－Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓからなる高屈折率層とのペアを３０ペア程度有している。各屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた組成傾斜層（図示せず）が設けられている。各屈折率層はいずれも、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、光学長がλ／４（λ：発振波長）になるように設定されている。上部半導体多層膜反射鏡１０６の上面にはオーミック導通をとるためのＧａＡｓコンタクト層（図示せず）が設けられている。上部半導体多層膜反射鏡１０６の反射率は下部半導体多層膜反射鏡１０２の反射率と同程度であり、例えば９９．６％程度である。

上部半導体多層膜反射鏡１０６における低屈折率層の１つには、ｐ－Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓからなる被選択酸化層１０８が厚さ約３０ｎｍで挿入されている。この被選択酸化層１０８の挿入位置は、例えば、電界の定在波分布において、活性層１０４から２番目となる節に対応する位置である。被選択酸化層１０８は、非酸化の領域１０８ｂとその周囲の酸化領域１０８ａとを備える。

反射防止膜１１５は、基板１０１の＋Ｚ側（下側）の面（裏面１０１Ａ）に形成されている。反射防止膜１１５は、発振波長である９４０ｎｍに対する無反射コーティング膜である。

［面発光レーザ素子１５１の構造］
面発光レーザ素子１５１において、図２に示すように、上部半導体多層膜反射鏡１０６がメサ構造体を有する。非酸化の領域１０８ｂは、平面視でメサ構造体の中央に位置する。誘電体多層膜反射鏡１１４は、平面視で非酸化の領域１０８ｂと重なるようにして、上部半導体多層膜反射鏡１０６の－Ｚ側（上側）に積層されている。平面視で、誘電体多層膜反射鏡１１４は上部半導体多層膜反射鏡１０６よりも小さい。誘電体多層膜反射鏡１１４は、酸化チタン（ＴｉＯｘ）膜と窒化シリコン（ＳｉＮ）膜とのペアを少なくとも１ペア有している。誘電体多層膜反射鏡１１４の反射率は下部半導体多層膜反射鏡１０２の反射率及び上部半導体多層膜反射鏡１０６の反射率より高い。平面視で誘電体多層膜反射鏡１１４と上部半導体多層膜反射鏡１０６とが重なり合った部分、すなわちメサ構造体の中央部の反射率は、例えば９９．９％程度である。つまり、平面視で誘電体多層膜反射鏡１１４と上部半導体多層膜反射鏡１０６とが重なり合った部分の、上部半導体多層膜反射鏡１０６および誘電体多層膜反射鏡１１４を合わせた反射率は下部半導体多層膜反射鏡１０２の反射率及び上部半導体多層膜反射鏡１０６の反射率より高い。面発光レーザ素子１５１に含まれる下部半導体多層膜反射鏡１０２は第１の下部反射鏡の一例である。面発光レーザ素子１５１に含まれる活性層１０４は第１の活性層の一例である。面発光レーザ素子１５１に含まれる上部半導体多層膜反射鏡１０６は第１の部分反射鏡の一例である。誘電体多層膜反射鏡１１４は第２の部分反射鏡の一例である。面発光レーザ素子１５１に含まれる上部半導体多層膜反射鏡１０６及び誘電体多層膜反射鏡１１４が第１の上部反射鏡の一例を構成する。

面発光レーザ素子１５１において、絶縁膜１１１は上部半導体多層膜反射鏡１０６及び上部スペーサ層１０５を覆う。絶縁膜１１１は、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）膜である。絶縁膜１１１に面発光レーザ素子１５１内の上部半導体多層膜反射鏡１０６の上面の一部を露出する開口部１１１Ａが形成されている。平面視で、非酸化の領域１０８ｂは開口部１１１Ａの内側に位置し、誘電体多層膜反射鏡１１４は開口部１１１Ａの内側で上部半導体多層膜反射鏡１０６の上面に接している。絶縁膜１１１上にｐ側電極１１２が形成されている。ｐ側電極１１２は開口部１１１Ａと誘電体多層膜反射鏡１１４との間で上部半導体多層膜反射鏡１０６の上面に接している。ｐ側電極１１２は、例えば－Ｚ側（上側）に順に積層されたチタン（Ｔｉ）膜と、白金（Ｐｔ）膜と、金（Ａｕ）膜とを有する。フリップチップ実装により、面発光レーザ素子１５１のｐ側電極１１２はドライバＩＣ又はサブマウント等のｐ側電極に接続される。

［面発光レーザ素子１５２及びｐ側コンタクト領域１５５の構造］
面発光レーザ素子１５２において、図３に示すように、上部半導体多層膜反射鏡１０６がメサ構造体を有する。非酸化の領域１０８ｂは、平面視でメサ構造体の中央に位置する。面発光レーザ素子１５１とは異なり、誘電体多層膜反射鏡１１４は設けられていない。面発光レーザ素子１５２に含まれる下部半導体多層膜反射鏡１０２は第２の下部反射鏡の一例である。面発光レーザ素子１５２に含まれる活性層１０４は第２の活性層の一例である。面発光レーザ素子１５２に含まれる上部半導体多層膜反射鏡１０６は第２の上部反射鏡の一例である。

面発光レーザ素子１５２において、絶縁膜１１１は上部半導体多層膜反射鏡１０６及び上部スペーサ層１０５を覆う。絶縁膜１１１に面発光レーザ素子１５２内の上部半導体多層膜反射鏡１０６の上面の一部を露出する開口部１１１Ｂが形成されている。平面視で、非酸化の領域１０８ｂは開口部１１１Ｂの内側に位置する。絶縁膜１１１上にｐ側電極１１２が形成されている。ｐ側電極１１２は開口部１１１Ｂの内側で上部半導体多層膜反射鏡１０６の上面に接している。ｐ側電極１１２に、開口部１１１Ｂの内側で上部半導体多層膜反射鏡１０６の上面の一部を露出する開口部１１２Ｂが形成されている。面発光レーザ素子１５２では、上部半導体多層膜反射鏡１０６の上面の一部が開口部１１２Ｂを通じて外部に露出している。

面発光レーザ素子１５２の上部半導体多層膜反射鏡１０６に接するｐ側電極１１２はｐ側コンタクト領域１５５まで延在し、ｐ側コンタクト領域１５５内で上部半導体多層膜反射鏡１０６の－Ｚ側（上側）に位置する部分を有する。フリップチップ実装により、面発光レーザ素子１５２のｐ側電極１１２はｐ側コンタクト領域１５５内でドライバＩＣ又はサブマウント等のｐ側電極に接続される。

［ｎ側コンタクト領域１５６の構造］
ｎ側コンタクト領域１５６において、図４に示すように、上部半導体多層膜反射鏡１０６に溝１２１が形成されている。また、溝１２１の内側で、上部スペーサ層１０５と、活性層１０４と、下部スペーサ層１０３と、下部半導体多層膜反射鏡１０２と、基板１０１の表層部とに溝１２２が形成されている。

ｎ側コンタクト領域１５６において、絶縁膜１１１は上部半導体多層膜反射鏡１０６、上部スペーサ層１０５、活性層１０４、下部スペーサ層１０３、下部半導体多層膜反射鏡１０２及び基板１０１を覆う。絶縁膜１１１に溝１２２の底部で基板１０１の表面１０１Ｂの一部を露出する開口部１１１Ｃが形成されている。絶縁膜１１１上にｎ側電極１１３が形成されている。ｎ側電極１１３は開口部１１１Ｃの内側で基板１０１の表面１０１Ｂに接している。ｎ側電極１１３はｎ側コンタクト領域１５６内で上部半導体多層膜反射鏡１０６の－Ｚ側（上側）に位置する部分を有する。ｎ側電極１１３は、例えば－Ｚ側（上側）に順に積層された金ゲルマニウム合金（ＡｕＧｅ）膜と、ニッケル（Ｎｉ）膜と、金（Ａｕ）膜とを有する。フリップチップ実装により、ｎ側電極１１３はｎ側コンタクト領域１５６内でドライバＩＣ又はサブマウント等のｎ側電極に接続される。

［面発光レーザ１００の実装］
面発光レーザ１００は、例えばサブマウントに実装されて使用される。図５は、面発光レーザ１００の使用例を示す模式図である。サブマウントと、サブマウントに実装された面発光レーザ１００とは面発光レーザ装置に含まれる。

この使用例では、図５に示すように、面発光レーザ１００は、フリップチップ実装によりドライバＩＣ３００上に実装されている。面発光レーザ素子１５１のｐ側電極１１２は、導電材３０１を介してドライバＩＣ３００に設けられたｐ側電極に電気的に接続されている。面発光レーザ素子１５２のｐ側電極１１２は、ｐ側コンタクト領域１５５にて導電材３０２を介してドライバＩＣ３００に設けられたｐ側電極に電気的に接続されている。面発光レーザ素子１５２のｎ側電極１１３は、導電材を介してドライバＩＣ３００に設けられたｎ側電極に電気的に接続されている。面発光レーザ１００はドライバＩＣ３００により駆動される。ドライバＩＣには、面発光レーザ素子１５２と対向するようにしてフォトダイオード等の光検出素子３１０がモノリシックに形成されている。光検出素子３１０は、面発光レーザ素子１５２が基板１０１の表面１０１Ｂ側から出力した光ＬＢの光量を検知する。ドライバＩＣ３００は、光ＬＢの光量に基づいて、温度環境の変化等に起因する面発光レーザ素子１５１の出力変化が生じた場合に、出力変化を補正するための情報を得ることができる。光検出素子３１０は受光素子の一例であり、ドライバＩＣ３００は面発光レーザの制御装置の一例である。

面発光レーザ１００が実装される対象はドライバＩＣ３００に限定されない。例えば、面発光レーザ１００がサブマウント上に実装されてもよい。

［面発光レーザ１００の作用効果］
面発光レーザ素子１５１においては、基本横モードは面発光レーザ素子１５１の中心部にモード分布を有しており、これに直交する高次横モードは面発光レーザ素子１５１の周辺部に主なモード分布を有している。また、誘電体多層膜反射鏡１１４の反射率は９９．６％程度であり、誘電体多層膜反射鏡１１４と下部半導体多層膜反射鏡１０２とが重なり合った、平面視でメサ構造体の中央部の反射率は、例えば９９．９％程度である。つまり、誘電体多層膜反射鏡１１４が設けられている中央部の反射率は、その周辺の周辺部の反射率よりも高い。このため、面発光レーザ素子１５１の中心部にモード分布を有する基本横モード素子の反射損失は、周辺部に主なモード分布を有する高次横モードの反射損失よりも小さくなる。この結果、高次横モードの発振が抑制され、基本横モードが選択的に発振し、基板１０１の裏面１０１Ａ側からレーザ光ＬＡが出力される。また、高次横モードの発振は電流－光出力特性におけるキンクや発散角を広げる原因となるが、面発光レーザ素子１５１では高次横モードの発振が抑制されているため、電流－光出力特性の線形性に優れ、また発散角も非常に狭く抑制される。例えば、３ｍＷ出力時に個々の面発光レーザ素子１５１から放射されるレーザ光は半値全幅で５°以内の非常に狭い発散角を実現することができる。従って、高い注入レベルまで基本横モード発振が維持され、レーザ光ＬＡに単峰性の狭いビーム放射角を実現することができる。

また、面発光レーザ素子１５２においては、誘電体多層膜反射鏡１１４が設けられておらず、上部半導体多層膜反射鏡１０６の反射率が下部半導体多層膜反射鏡１０２の反射率と同等である。つまり、すべてのモードに対する反射率が、面発光レーザ素子１５１の中央部の反射率よりも低い。このため、光ＬＢの取り出し効率が高くなり、検知に十分な光量の光ＬＢを基板１０１の表面１０１Ｂ側から出力することができる。

一般にレーザの出力は環境温度の変化や経時劣化等により変化する。特に環境温度による出力変化は大きく、６０℃程度の温度上昇により出力は２０％～３０％程度低下する。このため、安定に光出力を得るために、環境温度又はレーザ出力をモニタして、駆動電流量を増減することで光出力の変化を補償することが好ましい。端面レーザではレーザ共振の方向がサブマウントに対して平行であるため、出力端とは反対側の劈開面からの光を受光し光量をモニタして、フィードバックが行われている。一方、従来の裏面出射型の面発光レーザでは、出射側と反対側の共振器ミラー面は高反射であり、かつサブマウント等に実装されるため、光量をモニタすることが困難である。

本実施形態では、面発光レーザ素子１５２にて、レーザ光ＬＡの出射側とは反対側に光ＬＢが出力されるため、光検出素子３１０により光量を容易に検知することができる。面発光レーザ素子１５２は面発光レーザ素子１５１の近傍に配置され、面発光レーザ素子１５２の温度は面発光レーザ素子１５１の温度と同程度であるため、面発光レーザ素子１５２の光量変化をモニタすることにより、面発光レーザ素子１５１の温度変化によるレーザ出力の変動を駆動電流の調整により補正して、一定光量での動作を行うことができる。

本実施形態では、面発光レーザ素子１５１および面発光レーザ素子１５２のいずれも、ｐ側電極１１２は上部半導体多層膜反射鏡１０６の最上部に接続するよう形成され、ｎ側電極１１３は基板に接続するよう形成されている。これにより、面発光レーザ素子１５１のｐ側電極１１２とｎ側電極１１３の間の電気抵抗と面発光レーザ素子１５２のｐ側電極１１２とｎ側電極１１３の間の電気抵抗とを略同一とすることができ、発光素子とモニタ素子との同時駆動を容易とすることができる。

なお、必ずしも、面発光レーザ素子１５１の中心部の反射率が面発光レーザ素子１５１の周辺部の反射率よりも高い必要はない。例えば、面発光レーザ素子１５１の中心部の反射率と面発光レーザ素子１５１の周辺部の反射率とが同程度であっても、面発光レーザ素子１５２の光量変化のモニタを通じて一定光量の動作を行うことができる。従って、例えば誘電体多層膜反射鏡１１４が中央部および周辺部の両方に配置されていてもよい。

［面発光レーザ１００の製造方法］
次に、面発光レーザ１００の製造方法について説明する。なお、上記のように、基板１０１上に複数の半導体層が積層されたものを、以下では、便宜上「積層体」ともいう。図６～図２０は、実施形態に係る面発光レーザ１００の製造方法を示す断面図である。図７～図１１には、面発光レーザ素子１５１に相当する部分を示す。図１２～図１５には、面発光レーザ素子１５２及びｐ側コンタクト領域１５５に相当する部分を示す。図１６～図２０には、ｎ側コンタクト領域１５６に相当する部分を示す。

まず、図６に示すように、上記積層体を有機金属気相成長（metal organic chemical vapor deposition：ＭＯＣＶＤ）法又は分子線エピタキシャル成長（molecular beam epitaxy：ＭＢＥ）法による結晶成長によって形成する。

ここでは、ＭＯＣＶＤ法の場合には、ＩＩＩ族の原料には、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（ＴＭＩ）を用い、Ｖ族の原料にはフォスフィン（ＰＨ_３）、アルシン（ＡｓＨ_３）を用いている。ｐ型ドーパントの原料には四臭化窒素（ＣＢｒ_４）、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用い、ｎ型ドーパントの原料にはセレン化水素（Ｈ_２Ｓｅ）を用いている。

次いで、図７及び図１２に示すように、被選択酸化層１０８を含む上部半導体多層膜反射鏡１０６をエッチングすることにより、面発光レーザ素子１５１に相当する領域及び面発光レーザ素子１５２に相当する領域において、上部半導体多層膜反射鏡１０６にメサ構造体を形成する。エッチングとしては、例えば、誘導結合プラズマ（inductively coupled plasma：ＩＣＰ）ドライエッチング、電子サイクロトロン共鳴（electron cyclotron resonance：ＥＣＲ）ドライエッチング等を行うことができる。この時、図１６に示すように、ｎ側コンタクト領域１５６に相当する領域において、上部半導体多層膜反射鏡１０６に溝１２１を形成する。

その後、図８、図１３及び図１７に示すように、積層体を水蒸気中で熱処理する。これにより、被選択酸化層１０８中のＡｌ（アルミニウム）がメサ構造体の外周部から選択的に酸化され、メサ構造体の中央部にＡｌの酸化領域１０８ａによって囲まれた非酸化の領域１０８ｂが残留する。すなわち、発光部の駆動電流の経路をメサ構造体の中央部だけに制限する、いわゆる酸化狭窄構造体が形成される。上記酸化されていない領域１０８ｂが電流通過領域である。

続いて、図１８に示すように、上部スペーサ層１０５と、活性層１０４と、下部スペーサ層１０３と、下部半導体多層膜反射鏡１０２と、基板１０１の表層部とをエッチングすることにより、ｎ側コンタクト領域１５６に相当する領域において、上部スペーサ層１０５と、活性層１０４と、下部スペーサ層１０３と、下部半導体多層膜反射鏡１０２と、基板１０１の表層部とに溝１２２を形成する。溝１２２を形成するためのエッチングを、被選択酸化層１０８の選択酸化の後に行うことで、選択酸化前の被選択酸化層１０８にダメージが生じることを防ぐことができる。なお、面発光レーザ素子１５１に相当する領域及び面発光レーザ素子１５２に相当する領域においては、上部スペーサ層１０５と、活性層１０４と、下部スペーサ層１０３と、下部半導体多層膜反射鏡１０２と、基板１０１の表層部とをそのまま維持する（図８、図１３）。

次いで、図９、図１４及び図１９に示すように、基板１０１の表面１０１Ｂ側の全面に絶縁膜１１１を形成する。絶縁膜１１１は、例えば気相化学堆積（chemical vapor deposition：ＣＶＤ）法により形成することができる。その後、絶縁膜１１１に、開口部１１１Ａ、１１１Ｂ及び１１１Ｃを形成する。開口部１１１Ａ、１１１Ｂ及び１１１Ｃは、例えばバッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用いたウェットエッチングにより形成することができる。

続いて、図１０に示すように、面発光レーザ素子１５１に相当する領域において、開口部１１１Ａとの間に隙間をあけつつ、平面視で非酸化の領域１０８ｂと重なるようにして上部半導体多層膜反射鏡１０６上に誘電体多層膜反射鏡１１４を形成する。

次いで、図１１及び図１５に示すように、面発光レーザ素子１５１に相当する領域、面発光レーザ素子１５２に相当する領域及びｐ側コンタクト領域１５５に相当する領域において、ｐ側電極１１２を形成する。また、図２０に示すように、ｎ側コンタクト領域１５６に相当する領域において、ｎ側電極１１３を形成する。ｐ側電極１１２及びｎ側電極１１３は、例えばリフトオフ法により形成することができる。ｐ側電極１１２、ｎ側電極１１３のどちらを先に形成してもよい。ｐ側電極１１２の形成、ｎ側電極１１３の形成では、成膜後に、還元雰囲気又は不活性雰囲気中で加熱処理を行い、半導体材料と電極材料との共晶化によりオーミック導通をとる。

その後、基板１０１の裏面１０１Ａの研磨及び鏡面化処理を行い、裏面１０１Ａに反射防止膜１１５を形成する（図２～図４参照）。

このようにして、面発光レーザ１００を製造することができる。

誘電体多層膜反射鏡１１４の平面形状は特に限定されない。図２１は、誘電体多層膜反射鏡１１４の平面形状の例を示す図である。

例えば、図２１（ａ）に示すように、誘電体多層膜反射鏡１１４の平面形状が円形であってもよい。図２１（ｂ）に示すように、誘電体多層膜反射鏡１１４の平面形状が正方形であってもよい。

誘電体多層膜反射鏡１１４の平面形状が異方性形状であってもよい。本開示において、異方性形状とは、９０度回転させたときに元の形に重ならない形状のことをいう。つまり、互いに直交する２つの方向において誘電体多層膜反射鏡１１４の平面形状が異なっていればよく、互いに直交する２つの方向において誘電体多層膜反射鏡１１４の幅が異なることが好ましい。例えば、図２１（ｃ）に示すように、誘電体多層膜反射鏡１１４の平面形状が、円形の部分と、円形の部分から＋Ｙ側に延出する部分と、円形の部分から－Ｙ側に延出する部分とを有してもよい。図２１（ｄ）に示すように、誘電体多層膜反射鏡１１４の平面形状が、正方形の部分と、正方形の部分から＋Ｙ側に延出する部分と、正方形の部分から－Ｙ側に延出する部分とを有してもよい。図２１（ｅ）に示すように、誘電体多層膜反射鏡１１４の平面形状がＹ軸方向を長軸方向とする楕円形であってもよい。図２１（ｆ）に示すように、誘電体多層膜反射鏡１１４の平面形状がＹ軸方向を長手方向とする長方形であってもよい。

誘電体多層膜反射鏡１１４の平面形状が異方性形状の場合、面発光レーザ素子１５１の光学損失に異方性が導入され、特定の偏光成分を持つモードの損失が大きくなり、発振が抑制される。この結果、偏光方向が揃ったレーザ出力を得ることが可能になる。

更に、偏向制御を行う場合は、基板１０１は傾斜基板であることが好ましい。この場合、誘電体多層膜反射鏡１１４における異方性を有する方向のいずれかが傾斜基板の傾斜方向に平行であることが好ましい。

なお、本実施形態では、第２の部分反射鏡として誘電体多層膜反射鏡１１４が用いられているが、第２の部分反射鏡として半導体多層膜反射鏡が用いられてもよい。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態に係る面発光レーザ１００を備えた光源装置および検出装置に関する。図２２は、検出装置の一例としての測距装置１０の概要を示したものである。

測距装置１０は、光源装置の一例としての光源装置１１を含む。測距装置１０は、光源装置１１から検出対象物１２に対してパルス光を投光（照射）し、検出対象物１２からの反射光を受光素子１３で受光して、反射光の受光までに要した時間に基づいて検出対象物１２との距離を測定する、ＴＯＦ（time of flight）方式の距離検出装置である。

図２２に示すように、光源装置１１は、光源１４と光学系１５を有している。光源１４は、第１の実施形態に係る面発光レーザ１００を備え、光源駆動回路１６により電流が送られて発光が制御される。光源駆動回路１６は、光源１４を発光させたときに信号制御回路１７に信号を送信する。光学系１５は、光源１４から出射した光の発散角や方向を調整する光学素子（例えばレンズやＤＯＥ、プリズム等）を有し、検出対象物１２に光を照射する。

光源装置１１から投光されて検出対象物１２で反射された反射光は、集光作用を持つ受光光学系１８を通して受光素子１３に導光される。受光素子１３は光電変換素子を含み、受光素子１３で受光した光が光電変換され、電気信号として信号制御回路１７に送られる。信号制御回路１７は、投光（光源駆動回路１６からの発光信号入力）と受光（受光素子１３からの受光信号入力）の時間差に基づいて、検出対象物１２までの距離を計算する。従って、測距装置１０では、受光光学系１８および受光素子１３が、光源装置１１から発せられて検出対象物１２で反射された光が入射する検出系として機能する。また、信号制御回路１７が、受光素子１３からの信号に基づき、検出対象物１２の有無や、検出対象物１２との相対速度等に関する情報を取得するよう構成してもよい。受光素子１３は第２の受光素子の一例である。

本実施形態では、横モードが単一で高出力な光を出射する面発光レーザ１００を用いているため、より高精度な検出や測定を行うことが可能となる。

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

１０ 測距装置
１１ 光源装置
１３ 受光素子
１５ 光学系
１８ 受光光学系
１００ 面発光レーザ
１０２ 下部半導体多層膜反射鏡
１０４ 活性層
１０６ 上部半導体多層膜反射鏡
１０８ 被選択酸化層
１０８ａ 酸化領域
１０８ｂ 非酸化の領域
１１４ 誘電体多層膜反射鏡
１５１、１５２ 面発光レーザ素子
１５３ レーザ素子アレイ

特開２０１４－００７２９３号公報

Claims (11)

1. 基板と、
   前記基板上に形成され、第１の波長の第１の光を出力する第１の面発光レーザ素子と、
   前記基板上に形成され、前記第１の波長の第２の光を出力する第２の面発光レーザ素子と、
   を有し、
   前記第１の面発光レーザ素子は、前記基板側から順に、第１の下部反射鏡、第１の活性層、第１の上部反射鏡を備え、
   前記第２の面発光レーザ素子は、前記基板側から順に、第２の下部反射鏡、第２の活性層、第２の上部反射鏡を備え、
   前記第１の波長における前記第１の下部反射鏡の反射率は、前記第１の波長における前記第１の上部反射鏡の反射率よりも小さく、
   前記第１の波長における前記第２の上部反射鏡の反射率は、前記第１の波長における前記第１の上部反射鏡の反射率よりも小さく、
   前記第１の光は少なくとも前記基板側から出力され、前記第２の光は少なくとも前記第２の上部反射鏡側から出力される、面発光レーザ。
2. 前記第１の上部反射鏡は、
   第１の部分反射鏡と、
   前記第１の部分反射鏡の前記基板とは反対側に設けられ、前記第１の波長における反射率が前記第１の部分反射鏡よりも高い第２の部分反射鏡と、
   を有する、請求項１に記載の面発光レーザ。
3. 前記第２の部分反射鏡は、前記基板に垂直な方向からの平面視で、前記第１の上部反射鏡の中央部に設けられ、前記中央部における前記第１の波長における反射率を前記第１の上部反射鏡の前記第２の部分反射鏡が設けられない周辺部の前記第１の波長における反射率よりも高くする、請求項２に記載の面発光レーザ。
4. 前記基板に垂直な方向からの平面視で、前記第２の部分反射鏡は前記第１の部分反射鏡よりも小さい、請求項２又は３に記載の面発光レーザ。
5. 前記第２の部分反射鏡は、前記基板に平行かつ互いに直交する２つの方向に関して異方性形状を有している、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
6. 前記第１の部分反射鏡の材料及び厚さは前記第２の上部反射鏡の材料及び厚さと同一である、請求項２乃至５のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
7. 前記第１の部分反射鏡は半導体の多層膜反射鏡を有し、前記第２の部分反射鏡は誘電体の多層膜反射鏡を有する、請求項２乃至６のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
8. 前記第２の面発光レーザ素子は、前記第２の上部反射鏡に電流を注入可能な電極をさらに備え、前記電極は前記第２の光を出力するための開口部を備える、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の面発光レーザと、
   前記第２の面発光レーザ素子が出力する前記第２の光を受光する受光素子と、
   を有し、
   前記受光素子の出力が前記面発光レーザの制御装置に入力される、面発光レーザ装置。
10. 請求項９に記載の面発光レーザ装置と、
    前記面発光レーザ装置を駆動する駆動装置と、
    を備え、
    前記面発光レーザから外部へ光を射出する、光源装置。
11. 請求項１０に記載の光源装置と、
    前記面発光レーザから外部へ出射され、対象物で反射された光を検出可能な第２の受光素子と、
    を備える、検出装置。

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