JP4687064B2 - 面発光型半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明は、垂直方向に延在する共振器により垂直方向にレーザ光を発する面発光型半導体レーザ素子に関する。

一般に端面出射型の半導体レーザ素子は、光導波路においてエピタキシャル層に対する垂直方向と水平方向とで利得差が大きいため、安定した偏光特性を有する。これに対して、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）と呼ばれる面発光型半導体レーザ素子は、例えば図１７に示したように、基板９１に対して垂直方向をなす共振器９７を備えており、ｐ型電極９５およびｎ型電極９６から注入された電流により活性層９３から光を発し、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）ミラーと呼ばれる１００％近い反射率を有する半導体多層反射膜（下部ＤＢＲ層９２および上部ＤＢＲ層９３）によりその光を増幅し、光出射口９８からレーザ光Ｌ９を出射するようになっている。つまり、このような構成の面発光型半導体レーザ素子９は、レーザ光Ｌ９の出射方向に対する垂直面内において利得の異方性をもたないため、その偏光特性において、素子のばらつきによって偏光方向にもばらつきが生じてしまうという不均一性や、出力や環境温度により容易に偏光方向が変化してしまうという不安定性を有する。

したがって、このような面発光型半導体レーザ素子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、つまり例えば、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などには、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。

そこで、面発光型半導体レーザ素子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提案されている。

例えば、そのような技術の１つとして、（３１１）面を法線とし、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）からなる特殊な傾斜基板を用いるものがある。このように特殊な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、［−２ ３３］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を制御するために有効な技術である。

また、垂直方向をなす共振器の形状を面内異方性を有するように構成し、レーザ光の偏光方向を制御するものがある。例えば、特許文献１には、光が回折損失を受けるような領域まで共振器のポスト形状を小さく加工し、矩形状（短辺側が５μｍ以下、長辺側が６μｍ）とすることで、回折損失の少ない長手方向へ偏光方向を制御する技術が開示されている。このように共振器のポスト形状を構成した場合、短辺および長辺を任意の方位に形成することで、レーザ光の偏光方向も任意に設定することが可能となる。

また、特許文献２には、光出射口から出射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。

特許第２８９１１３３号公報 特表２００１−５２５９９５号公報

しかしながら、（３１１）面を法線とする傾斜基板は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、このように特殊な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、標準的な（００１）面基板の場合と全く異なるため、簡易に製造するのが困難である。

また、上記特許文献１の技術では、光が回折損失を受けるような領域までポスト形状を小さく加工する必要があるので、共振器の抵抗が高くなってしまう。また、レーザ光の出力も約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値ではない。また、基板側からレーザ光を出射させる構成の場合、ＧａＡｓ基板によるレーザ光の吸収を抑えるため、ＤＢＲ層の直近までＧａＡｓ基板をエッチオフする必要が生じ、製造工程が複雑化してしまう。さらに、ポスト形状の共振器が小さいため、製造工程において容易に破損してしまうなどの問題があり、安定した製造が困難である。

また、上記特許文献２の技術では、実施例として、光出射口の縁部から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、上記特許文献１に記載されているように、共振領域の短辺側の距離を回折損失効果が生じる程度まで小さくしなければ偏光制御の効果を得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（短辺側の距離が７μｍ）で形成された不連続部によっては、偏光を制御する境界効果は得られないと思われる。また、同文献に記載されているように、このような偏光制御が、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定方向に制御することが可能であると共に、共振器の低抵抗化、レーザ光の高出力化などを可能とする面発光型半導体レーザ素子を、簡易かつ安価に製造するのが困難であった。

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、レーザ光の偏光方向を一定方向に制御することが可能な面発光型半導体レーザ素子を提供することにある。

本発明の第１の面発光型半導体レーザ素子は、基板上に形成された第１の半導体多層反射膜と、この第１の半導体多層反射膜上に形成されると共に少なくとも活性層および電流狭窄層を含む中間層と、この中間層上に形成されると共に光出射口が設けられた第２の半導体多層反射膜とを備えたものである。ここで、第１の半導体多層反射膜の一部、中間層および第２の半導体多層反射膜は、円柱状の共振部をなしている。電流狭窄層は、面内異方性をなす矩形状の電流通過領域と、この電流通過領域の周辺部に形成された電流狭窄領域とを有している。また、光出射口を中心として対向すると共にその光出射口側の側面が電流通過領域における対角線方向のいずれかと平行な一対のトレンチが、電流狭窄領域を有する電流狭窄層とは別体として第２の半導体多層反射膜内に設けられている。この場合において、上記基板は、（１００）面基板または（ｎ１１）面基板（ｎ：整数）であるのが好ましく、また、上記電流通過領域がアルミニウムヒ素（ＡｌＡｓ）からなる電流狭窄層に対して酸化処理を施すことにより形成されたものであると共に、上記一対のトレンチの光出射口側の側面が、［０１ −１］方向または［０１１］方向をなすようにするのが好ましい。

本発明の第２の面発光型半導体レーザ素子は、基板上に形成された第１の半導体多層反射膜と、この第１の半導体多層反射膜上に形成されると共に少なくとも活性層および電流狭窄層を含む中間層と、この中間層上に形成されると共に光出射口が設けられた第２の半導体多層反射膜とを備えたものである。ここで、第１の半導体多層反射膜の一部、中間層および第２の半導体多層反射膜は、矩形柱状または楕円柱状の共振部をなしている。電流狭窄層は、共振部の形状に応じた矩形状または楕円形状の電流通過領域と、この電流通過領域の周辺部に形成された電流狭窄領域とを有している。また、光出射口を中心として対向すると共にその光出射口側の側面が電流通過領域の長手方向に平行な一対のトレンチが、電流狭窄領域を有する電流狭窄層とは別体として第２の半導体多層反射膜内に設けられている。

本発明の第１の面発光型半導体レーザ素子では、電流通過領域が面内異方性をなす矩形状をなすことで、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、一対のトレンチの光出射口側の側面が、電流通過領域における対角線方向のいずれかと平行であることから、二極化された偏光成分のうち、側面に対して平行な偏光成分は強められる一方、側面に対して直交する偏光成分は抑制される。したがって、最終的にレーザ光の偏光成分が一方向のみに特定される。

本発明の第２の面発光型半導体レーザ素子では、電流通過領域が共振部の形状に応じた矩形状または楕円形状をなすことで、電流通過領域における長手方向以外の方向では、レーザ光の偏光成分が抑制される。すなわち、レーザ光の偏光方向が、長手方向に制御される。さらに、一対のトレンチの光出射口側の側面が、電流通過領域の長手方向に平行であることから、この長手方向の偏光成分は強められる一方、長手方向に直交する偏光成分は抑制される。したがって、長手方向に制御されたレーザ光の偏光方向が、より精度良くこの方向に特定される。

本発明の面発光型半導体レーザ素子によれば、電流狭窄層における電流通過領域の形状を、面内異方性を有する形状としてレーザ光の偏光方向をある程度特定すると共に、この電流狭窄層とは別体としての一対のトレンチを、第２の半導体多層反射膜内の所定の位置に設けるようにしたので、出射されるレーザ光の偏光方向を精度良く一定方向に制御することが可能となる。また、特殊な基板を用いる必要はなく、複雑な形状および構成とする必要がないので、簡易かつ安価に製造することができる。さらに、共振器の形状を小さくする必要がないので、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り、実用的な面発光型半導体レーザ素子を得ることができる。

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。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子の構成を斜視図で表すものであり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図を表している。この面発光型半導体レーザ素子１は、基板１１の表面に、第１ＤＢＲ層１２、活性層１３、電流狭窄層１４、第２ＤＢＲ層１５およびコンタクト層１６が順次積層された積層構造を有している。また、コンタクト層１６の表面および基板１１の裏面にはそれぞれ、第１電極１７および第２電極１８が形成されている。これらのうち、第１ＤＢＲ層１２の上部、活性層１３、電流狭窄層１４、第２ＤＢＲ層１５、コンタクト層１６および第１電極１７は円柱状に形成され、垂直方向に延在する共振部２を構成している。また、図２に示したように、第１電極１７側において第２ＤＢＲ層１５の一部が露出することで光出射口３１を構成し、そこから垂直方向にレーザ光Ｌ１が出射されるようになっている。

ここで、第１ＤＢＲ層１２および第２ＤＢＲ層１５はそれぞれ、本発明における「第１の半導体多層反射膜」および「第２の半導体多層反射膜」の一具体例に対応するものである。

基板１１は、例えばｐ型またはｎ型の半導体材料により構成されている。この基板１１は、例えば（１００）面基板であることが好ましい。（１００）面基板は標準的な基板であるので、これを用いれば素子を安価に製造することができるからである。この場合、図１に示したように、面発光型半導体レーザ素子１の上方がｘ軸方向となる。以下、基板１１が（１００）面基板である場合として説明する。なお、基板１１は、例えばガリウムナイトライド（ＧａＮ）、またはサファイア（α−Ａｌ₂Ｏ₃）などの材料により構成してもよい。

活性層１３は、不純物が添加されていない半導体材料により構成され、供給された電流により光を発する発光領域として機能する。また、第１ＤＢＲ層１２および第２ＤＢＲ層１５は、ｐ型またはｎ型の半導体多層膜により構成され、活性層１３から発せられる光を反射するものである。これら活性層１３、第１ＤＢＲ層１２および第２ＤＢＲ層１５を構成する半導体材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）−ガリウム（Ｇａ）−ヒ素（Ａｓ）系、インジウム（Ｉｎ）−Ｇａ−Ａｓ−リン（Ｐ）系、Ｇａ−Ｉｎ−Ｐ系、Ｉｎ−Ｐ系、Ｇａ−窒素（Ｎ）系、Ｇａ−Ｉｎ−Ｎ系、またはＧａ−Ｉｎ−Ｎ−Ａｓ系などが挙げられる。

電流狭窄層１４は、活性層１３における発光領域を制限するためのものであり、導電性の電流通過領域１４１と、絶縁性の電流狭窄領域１４２とから構成されている。この電流狭窄層１４は、例えばＡｌ_1-xＧａ_XＡｓ（０＜ｘ＜０．０５）混晶により構成され、そのうち電流狭窄領域１４２は、電流狭窄層１４に対して酸化処理を施すことにより形成されたもの（Ａｌ₂Ｏ₃により構成される）である。詳細は後述するが、この酸化処理を施すことで電流通過領域１４１は面内異方性を有する矩形状をなし、これによりレーザ光Ｌ１の偏光状態を変化させ、面内異方性をなすようになっている。

コンタクト層１６は、第２ＤＢＲ層１５と第１電極１７とを電気的に接続するためのものであり、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）またはアルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）などにより構成され、第２ＤＢＲ層１５を構成する材料系によっては、ガリウムインジウムリン（ＧａＩｎＰ）、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）などにより構成されていてもよい。また、第１電極１７および第２電極１８は、活性層１３に対して電流を供給するためのものであり、例えば、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、金ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）、または白金（Ｐｔ）などにより構成される。なお、図２に示したように、コンタクト層１６および第１電極１７の一部は剥離され、前述の光出射口３１を構成するようになっている。

ここで、図１および図２に示したように、共振部２における第２ＤＢＲ層１５、コンタクト層１６および第１電極１７の一部、具体的には光出射口３１を中心とした対向位置には、一対のトレンチ３２Ａ，３２Ｂが形成されている。図３は共振器２の上視図であり、図中の矢印Ｐは、前述の矩形状からなる電流通過領域１４１の対角線方向のいずれか（［０１１］方向または［０１ −１］方向）を表している。このように、トレンチ３２Ａ，３２Ｂは、その光出射口３１側の側面が電流通過領域１４１の対角線方向のいずれかと平行であり、これにより後述するようにレーザ光Ｌ１の偏光状態をさらに変化させ、一方向（［０１１］方向または［０１ −１］方向）の偏光成分に特定することができるようになっている。

次に、図４〜図７を参照して、これらトレンチ３２Ａ，３２Ｂおよび電流通過領域１４１の構成について詳細に説明する。

図４は、電流狭窄層１４における電流通過領域１４１の構造を断面図で表すものである。

このように、円形状の電流狭窄層１４には、酸化処理により周辺部から酸化された電流狭窄領域１４２が形成され、その結果、中心部に矩形状の電流通過領域１４１が形成されている。また、この電流通過領域１４１は、前述のように［０１１］方向および［０１ −１］方向に対角線をなしている。これは、電流狭窄層１４における酸化速度が、［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［０１０］方向および［００１］方向とでは異なる、すなわち前者の酸化速度のほうが後者の酸化速度よりも遅いためである。したがって、図４に示したような面内異方性を有する電流通過領域１４１を形成することで、図５に示したようにレーザ光Ｌ１の偏光状態を変化させ、［０１１］方向と［０１ −１］方向とに偏光成分を二極化することができる。［０１１］方向および［０１ −１］方向と［０１０］方向および［００１］方向とでは、電流通過領域１４１の長さが異なる、すなわち前者の長さｄ１のほうが後者の長さｄ２よりも長く、光の利得効果に差が生じるためである。なお、図５において、横軸は［０ −１ −１］方向に対してなす発光強度がピークを示した角度（ｄｅｇ）を表しており、縦軸はその発光強度がピークをなす評価サンプル数を表している。

ただし、このようなレーザ光Ｌ１における偏光比は約２〜３割程度と、偏光状態としては弱いものであり、偏光方向も不安定になりやすくなっている。そこで本実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１では、前述のように光出射口３１を中心とした対向位置に、その光出射口３１側の側面が電流通過領域１４１の対角線方向のいずれかと平行なトレンチ３２Ａ，３２Ｂを設けている。

図６は、光出射口３１、トレンチ３２Ａ，３２Ｂおよび電流通過領域１４１の配置例を上視図で表すものであり、図６（Ａ）は［０１ −１］方向と平行な場合、図６（Ｂ）は［０１１］方向と平行な場合を表している。このようにトレンチ３２Ａ，３２Ｂを形成した場合、その光出射口３１側の側面がその側面と直交する方向の光に対して損失効果を及ぼすことにより、電流通過領域１４１の対角線方向に二極化された偏光成分のうち、側面に対して平行な偏光成分は強められる一方、側面に対して直交する偏光成分は抑制される。具体的には、図６（Ａ）の構成の場合、［０１ −１］方向の偏光成分が強められ、［０１１］方向の偏光成分が抑制される。また、図６（Ｂ）の構成の場合、［０１１］方向の偏光成分が強められ、［０１ −１］方向の偏光成分が抑制される。したがって、例えば図６（Ａ）の構成の場合、図７に示したようにレーザ光Ｌ１の偏光状態をさらに変化させ、一方向（［０１ −１］方向）の偏光成分に特定すると共に、偏光比を１０ｄＢ以上に向上させることができる。

なお、これらトレンチ３２Ａ，３２Ｂの間隔ｄ３は、３μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。この範囲よりも間隔が小さくなると、出射されるレーザ光Ｌ１の出力が低下してしまい（約０．０１Ｗ以下）、この範囲よりも間隔が大きくなると、光の損失効果が及ばなくなり、レーザ光Ｌ１の偏光状態を制御することができなくなってしまうからである。

本実施の形態の発光装置１では、例えば図８に示したように、トレンチ３２Ａ，３２Ｂ内に、金属材料または絶縁性材料１９を充填するようにしてもよい。この場合、金属材料または絶縁性材料１９を、図８（Ａ）に示したようにトレンチ３２Ａ，３２Ｂ内の全部に充填してもよいし、図８（Ｂ）および図８（Ｃ）に示したようにトレンチ３２Ａ，３２Ｂ内の一部（それぞれ、垂直方向の一部および水平方向の一部）に充填するようにしてもよい。また、トレンチ３２Ａ，３２Ｂ内のいずれか一方のみに充填するようにしてもよい。金属材料としては、例えば金（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）、またはアルミニウム（Ａｌ）など、また絶縁性材料としては、ポリイミド、シリコン酸化物（ＳｉＯ_X）、またはシリコン窒化物（ＳｉＮ_X）などが挙げられ、これら金属材料および絶縁性材料とも、出射されるレーザ光Ｌ１を吸収する材料であることが好ましい。上記に例として挙げた材料以外でもレーザ光Ｌ１に対して吸収効果のある材料を用いても同様の効果を期待できる。トレンチの光出射口３１側の側面に対して直交する偏光成分が吸収されることで、この方向の偏光成分がより抑制され、レーザ光Ｌ１の偏光比をさらに向上させることができるからである。なお、トレンチ３２Ａ，３２Ｂ内の一部に金属材料または絶縁性材料１９を充填する場合、光の損失効果を考慮すると、図８（Ｂ）および図８（Ｃ）の構成のように、トレンチ３２Ａ，３２Ｂ内の底側または内側に充填することが好ましく、例えば底側に充填する場合、約０．５μｍ程度の厚み以上で充填すれば、偏光比を向上させる効果が得られる。

また、トレンチ３２Ａ，３２Ｂ内に、金属材料からなる第１電極１７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、図８（Ａ）のように第１電極１７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、第１電極１７から注入された電流が、第２ＤＢＲ層１５ではなく金属材料が充填されたトレンチを介して活性層１３へ注入されることとなり、共振器２における抵抗をより減少させることができる。

さらに、図８（Ａ）のようにトレンチ３２Ａ，３２Ｂ内の全部に金属材料または絶縁性材料１９を充填するようにした場合、トレンチの光出射口３１側の側面に対して直交する偏光成分の光の漏れを抑えることができ、これにより光の輻射を防止することができる。

次に、このような構成の面発光型半導体レーザ素子１の製造方法の一例について、図９および図１０を参照して説明する。

まず、図９（Ａ）に示したように、前述した材料および面方位よりなる基板１１の表面に、第１ＤＢＲ層１２、活性層１３、電流狭窄層１４、第２ＤＢＲ層１５およびコンタクト層１６を、例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、順次エピタキシャル成長させる。そして、これらの積層構造をコンタクト層１６側から、リアクティブイオン加工（ＲＩＥ；Reactive Ion Etching）または収束イオンビーム加工（ＦＩＢ；Focused Ion Beam etching）などにより加工し、円柱状の共振器２を形成する。

続いて、図９（Ｂ）に示したように、電流狭窄層１４に対して、例えば、３５０〜５００度、数〜数十分間の酸化処理を施し、電流狭窄層１４の周辺部を酸化させることで、前述した構造よりなる電流狭窄領域１４２を形成する。これにより、前述のように電流通過領域１４１は、面内異方性を有する矩形状をなす。なお、この酸化処理を施す際の条件（例えば、温度、時間など）や電流狭窄層１４の厚みを変化させることで、電流通過領域１４１の大きさを任意に設定することができる。

続いて、図９（Ｃ）に示したように、積層構造をコンタクト層１６側からＲＩＥまたはＦＩＢなどにより加工し、前述した形状よりなるトレンチ３２Ａ，３２Ｂを形成する。その際、これらトレンチ３２Ａ，３２Ｂが、電流狭窄層１４や活性層１３までは達しないようにする。トレンチ３２Ａ，３２Ｂがこれらの層まで達してしまうと、電流通過層１４１の面内異方性がなくなってしまったり、活性層１３にダメージを与え、素子の信頼性を低下させてしまうからである。なお、トレンチ３２Ａ，３２Ｂの形成は、図９（Ａ）における円柱状の共振器２を形成する前に行うようにしてもよい。

続いて、図１０（Ａ）に示したように、コンタクト層１６をＲＩＥまたはＦＩＢなどにより加工し、光出射口３１を形成する。そして、コンタクト層１６の表面に、前述した材料よりなる第１電極１７を、例えば蒸着法により形成する。

最後に、図１０（Ｂ）に示したように、基板１１の裏面に、前述した材料よりなる第２電極１８を、例えば蒸着法により形成することで、図１に示した面発光型半導体レーザ素子１が製造される。

なお、前述のようにトレンチ３２Ａ，３２Ｂ内に金属材料または絶縁性材料１９を充填する場合には、図１０（Ｃ）に示したように、例えば蒸着法または鍍金法により充填するようにすればよく、充填速度を考慮すると、鍍金法を用いることが好ましい。

この面発光型半導体レーザ素子１では、第１電極１７と第２電極１８との間に所定の電圧が印加されると、それぞれ第２ＤＢＲ層１５および第１ＤＢＲ層１２を介して活性層１３へ電流が注入される。その際、第１電極１７側から注入された電流は、電流狭窄層１４において電流狭窄され、電流通過領域１４１のみを通過して活性層１３へ注入される。活性層１３では、注入された電流により電子−正孔再結合が起こり、発光する。この光は、第１ＤＢＲ層１２および第２ＤＢＲ層１７により反射され、その間を往復することでレーザ発振を生じ、レーザ光Ｌ１として第１電極１７側の光出射口３１から出射される。

ここで、電流通過領域１４１は面内異方性をなす矩形状であるので、レーザ光Ｌ１の偏光状態が変化し、偏光成分が電流通過領域１４１の対角線方向に二極化される。さらに、光出射口３１を中心とした対向位置に、その光出射口３１側の側面が電流通過領域１４１の対角線方向のいずれかと平行なトレンチ３２Ａ，３２Ｂがあることから、二極化された偏光成分のうち、側面に対して平行な偏光成分は強められる一方、側面に対して直交する偏光成分は抑制される。したがって、最終的にレーザ光Ｌ１の偏光成分が一方向のみに特定される。

以上のように、本実施の形態では、電流狭窄層１４に対して酸化処理を施すことで電流通過領域１４１を面内異方性をなす矩形状とすると共に、光出射口３１を中心とした対向位置に、その光出射口３１側の側面が電流通過領域１４１の対角線方向のいずれかと平行な一対のトレンチ３２Ａ，３２Ｂを設けるようにしたので、光出射口３１から出射されるレーザ光Ｌ１の偏光成分を一方向のみに特定し、偏光方向を精度良く一定方向に制御することができる。よって、レーザ光Ｌ１の偏光比を向上させることができる。

また、特殊な基板を用いる必要はなく、複雑な形状および構成とする必要がないので、簡易かつ安価に製造することができる。さらに、共振器２の形状を小さくする必要がないので、電流狭窄層１４における電流通過領域１４１の大面積を確保することが可能なので、共振器２の低抵抗化およびレーザ光Ｌ１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素子を得ることができる。

また、トレンチ３２Ａ，３２Ｂ内に金属材料または絶縁性材料１９を充填してもよく、特にこれらの材料をレーザ光Ｌ１を吸収する材料とした場合には、トレンチの光出射口３１側の側面に対して直交する偏光成分を吸収させることでこの方向の偏光成分をより抑制し、レーザ光Ｌ１の偏光比をさらに向上させることができる。また、トレンチ３２Ａ，３２Ｂ内に金属材料を充填し、金属材料よりなる第１電極１７と電気的に接続するようにした場合には、トレンチを介して活性層１３へ電流が注入させることができ、共振器２の抵抗をより低くすることができる。さらに、トレンチ３２Ａ，３２Ｂ内の全部に金属材料または絶縁性材料１９を充填するようにした場合には、トレンチの光出射口３１側の側面に対して直交する偏光成分の光の漏れを抑え、光の輻射を防止することができる。

なお、本実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１における光出射口３１およびトレンチ３２Ａ，３２Ｂの形状は、図３に示したものには限られず、トレンチの光出射口３１側の側面が電流通過領域１４１の対角線方向のいずれかと平行であれば、例えば図１１および図１２に示したように、任意の形状とすることができる。なお、図１２（Ａ）に示した形状は、第１電極１７およびコンタクト層１６において、光出射口３１とトレンチ３２Ａ，３２Ｂの一部とが重なっている場合を表している。

また、本実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１では、主に基板１１が（１００）面基板である場合の例について説明してきたが、例えば基板１１として、（１００）面に対して傾斜をなす（ｎ１１）面基板（ｎ：整数）を用いるようにしてもよく、この場合も同様の効果を得ることができる。さらに、この（ｎ１１）面基板を（１００）面基板と併せて用いるようにした場合、例えば図１３に示したように、トレンチ３２Ａ，３２Ｂを［−２ｎｎ］方向と平行となるように形成することで、［−２ｎｎ］方向の偏光成分をより強めることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。

上記第１の実施の形態においては、共振器２が円柱状をなすと共に、電流通過領域１４１が面内異方性を有する矩形状をなしている面発光型半導体レーザ素子について説明したが、本実施の形態では、共振器が矩形柱状または楕円柱状をなすと共に、電流通過領域が共振器の形状に応じた矩形状または楕円形状をなしている面発光型半導体レーザ素子について説明する。なお、説明の簡潔化を図るため、以下、第１の実施の形態と同様の部位については、同じ符号を付して説明する。

図１４および図１５は、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子の構成を斜視図を表すものである。図１４に示した面発光型半導体レーザ素子４は、基板１１の表面に、第１ＤＢＲ層１２、活性層１３、電流狭窄層４４、第２ＤＢＲ層１５およびコンタクト層１６が順次積層された積層構造を有している。一方、図１５に示した面発光型半導体レーザ素子６は、面発光型半導体レーザ素子４における電流狭窄層４４の代わりに電流狭窄層６４が積層された積層構造を有している。また、面発光型半導体レーザ素子４，６とも、コンタクト層１６の表面および基板１１の裏面にはそれぞれ、第１電極１７および第２電極１８が形成されている。これらのうち、第１ＤＢＲ層１２の上部、活性層１３、電流狭窄層１４、第２ＤＢＲ層１５、コンタクト層１６および第１電極１７は矩形柱状または楕円柱状に形成され、垂直方向に延在する共振部５または共振器７を構成している。また、第１の実施の形態の場合と同様、第１電極１７側において第２ＤＢＲ層１５の一部が露出することで光出射口３１を構成し、そこから垂直方向にレーザ光Ｌ２，３が出射されるようになっている。

共振器５，７はそれぞれ、前述のように矩形柱状および楕円柱状をなしている。つまり、これら共振器５，７は、第１の実施の形態における円柱状の共振器２とは異なり、面内異方性を有する（長手方向を有する）形状となっている。

電流狭窄層４４，６４は、図１６（Ａ）および図１６（Ｂ）にそれぞれ示したように、共振器５，７の形状に応じた矩形状および楕円形状をなす電流通過領域４４１，６４１を有する。これら電流通過領域４４１，６４１は、電流狭窄層４４，６４に対して酸化処理またはイオン注入処理を施すことにより形成されたものである。ただし、第１の実施の形態における電流通過領域１４１とは異なり、その形状は上記のように面内異方性を有する共振器５，７の形状に応じたものとなっている。したがって、光の損失効果により、電流通過領域４４１，６４１における長手方向以外の方向では、レーザ光Ｌ２，３の偏光成分が抑制される。すなわち、レーザ光Ｌ２，３の偏光方向を、長手方向に制御することができる。

ここで、共振部５，７における第２ＤＢＲ層１５、コンタクト層１６および第１電極１７の一部、具体的には光出射口３１を中心とした対向位置には、第１の実施の形態と同様に、一対のトレンチ３２Ａ，３２Ｂが形成されている。ただし、第１の実施の形態とは異なり、これらトレンチ３２Ａ，３２Ｂは、図１６に示したように、その光出射口３１側の側面が、電流通過領域４４１，６４１の長手方向と平行をなすようになっている。したがって、この長手方向の偏光成分は強められる一方、長手方向に直交する偏光成分は抑制される。よって、電流通過領域４４１，６４１の形状により長手方向に制御されたレーザ光Ｌ２，３の偏光方向を、よりこの方向に特定することができる。

なお、本実施の形態の面発光型半導体レーザ素子４，６の製造方法は、基本的に第１の実施の形態で説明した製造方法と同様であるので、その説明を省略する。なお、電流通過領域４４１，６４１をイオン注入処理により形成する場合には、例えば、ボロンイオン（Ｂ⁺）を１００ｋｅＶ程度のエネルギーで注入するようにすればよい。

この面発光型半導体レーザ素子４，６では、電流通過領域４４１，６４１が共振部５，７の形状に応じた矩形状または楕円形状であるので、電流通過領域４４１，６４１における長手方向以外の方向では、レーザ光Ｌ２，３の偏光成分が抑制される。すなわち、レーザ光Ｌ２，３の偏光方向が、長手方向に制御される。さらに、トレンチ３２Ａ，３２Ｂの光出射口３１側の側面が、電流通過領域４４１，６４１の長手方向に平行であるので、この長手方向の偏光成分は強められる一方、長手方向に直交する偏光成分は抑制される。したがって、長手方向に制御されたレーザ光Ｌ２，Ｌ３の偏光方向が、より精度良くこの方向に特定される。

以上のように、本実施の形態では、電流狭窄層４４，６４に対して酸化処理またはイオン注入処理を施すことで電流通過領域４４１，６４１を共振器５，７の形状に応じた矩形状および楕円形状とすると共に、光出射口３１を中心とした対向位置に、その光出射口３１側の側面が電流通過領域４４１，６４１の長手方向と平行な一対のトレンチ３２Ａ，３２Ｂを設けるようにしたので、第１の実施の形態の場合と同様、光出射口３１から出射されるレーザ光Ｌ２，３の偏光成分を一方向のみに特定し、偏光方向を精度良く一定方向に制御することができる。よって、レーザ光Ｌ２，３の偏光比を向上させることができる。

なお、本実施の形態の面発光型半導体レーザ素子４，６は、第１の実施の形態の場合と同様、トレンチ３２Ａ，３２Ｂ内に金属材料または絶縁性材料１９を充填するようにしてもよく、この場合も第１の実施の形態の場合と同様の効果を得ることができる。

また、本実施の形態の面発光型半導体レーザ素子４，６における光出射口３１およびトレンチ３２Ａ，３２Ｂの形状は、図１６に示したものには限られず、トレンチの光出射口３１側の側面が電流通過領域４４１，６４１の長手方向と平行であれば、第１の実施の形態の場合と同様に、任意の形状とすることができる。

以上、第１および第２の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、電流狭窄層１４，４４，６４が活性層１３の上層に形成されている場合の例について説明してきたが、逆に、電流狭窄層を活性層１３の下層に形成するようにしてもよい。このように構成した場合においても、上記実施の形態の場合と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態等において説明した各層の材料および厚み、または成膜方法および成膜条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、また他の成膜方法および成膜条件としてもよい。さらに、上記実施の形態では、面発光型半導体レーザ素子の構成を具体的に挙げて説明したが、全ての層を備える必要はなく、また、他の層を備えていてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子の構成を表す斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 光出射口およびトレンチの配置例を表す上視図である。 電流狭窄層における電流通過領域の構造を表す断面図である。 図４に示した電流狭窄層によるレーザ光の偏光状態を表す特性図である。 光出射口、トレンチおよび電流通過領域の配置例を表す上視図である。 図６に示したトレンチを設けた場合のレーザ光の偏光状態を表す特性図である。 面発光型半導体レーザ素子の他の構成例を表す断面図である。 面発光型半導体レーザ素子の製造方法を説明するための工程図である。 図９に続く工程図である。 光出射口およびトレンチの他の配置例を表す上視図である。 光出射口およびトレンチの他の配置例を表す上視図である。 光出射口、トレンチおよび電流通過領域の他の配置例を表す上視図である。 本発明の第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子の構成を表す斜視図である。 面発光型半導体レーザ素子の他の構成例を表す斜視図である。 光出射口、トレンチおよび電流通過領域の配置例を表す上視図である。 従来の面発光型半導体レーザ素子の構成を表す斜視図である。

符号の説明

１，４，６…面発光型半導体レーザ素子、１１…基板、１２…第１ＤＢＲ層、１３…活性層、１４，４４，６４…電流狭窄層、１４１，４４１，６４１…電流通過領域、１４２…電流狭窄領域、１５…第２ＤＢＲ層、１６…コンタクト層、１７…第１電極、１８…第２電極、１９…金属材料または絶縁性材料、２，５，７…共振器、３１…光出射口、３２…トレンチ、Ｌ１〜Ｌ３…レーザ光、Ｐ…［０１１］方向または［０１ −１］方向。

Claims (23)

1. 基板上に形成された第１の半導体多層反射膜と、
   前記第１の半導体多層反射膜上に形成されると共に、少なくとも活性層および電流狭窄層を含む中間層と、
   前記中間層上に形成されると共に、光出射口が設けられた第２の半導体多層反射膜と
   を備え、
   前記第１の半導体多層反射膜の一部、前記中間層および前記第２の半導体多層反射膜が、円柱状の共振部をなしており、
   前記電流狭窄層は、面内異方性をなす矩形状の電流通過領域と、この電流通過領域の周辺部に形成された電流狭窄領域とを有し、
   前記光出射口を中心として対向すると共にその光出射口側の側面が前記電流通過領域における対角線方向のいずれかと平行な一対のトレンチが、前記電流狭窄領域を有する前記電流狭窄層とは別体として、前記第２の半導体多層反射膜内に設けられている
   面発光型半導体レーザ素子。
2. 前記一対のトレンチの少なくとも一方には、金属材料または絶縁性材料が充填されている
   請求項１に記載の面発光型半導体レーザ素子。
3. 前記金属材料は、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）またはアルミニウム（Ａｌ）である
   請求項２に記載の面発光型半導体レーザ素子。
4. 前記金属材料は、蒸着または鍍金により充填されたものである
   請求項３に記載の面発光型半導体レーザ素子。
5. 前記金属材料または前記絶縁性材料は、前記光出射口より出射されるレーザ光を吸収する材料である
   請求項２に記載の面発光型半導体レーザ素子。
6. 前記第２の半導体多層反射膜上に形成された金属電極を備え、
   前記トレンチは前記金属材料を充填すると共に前記金属電極と電気的に接続している
   請求項２に記載の面発光型半導体レーザ素子。
7. 前記金属電極に注入された電流は、前記トレンチを介して前記活性層へ注入される
   請求項６に記載の面発光型半導体レーザ素子。
8. 前記絶縁性材料は、ポリイミド、シリコン酸化物（ＳｉＯ_x）、またはシリコン窒化物（ＳｉＮ_x）である
   請求項２に記載の面発光型半導体レーザ素子。
9. 前記一対のトレンチの間隔は、３μｍ以上１０μｍ以下である
   請求項１に記載の面発光型半導体レーザ素子。
10. 前記基板は、（１００）面基板または（ｎ１１）面基板（ｎ：整数）である
    請求項１に記載の面発光型半導体レーザ素子。
11. 前記電流通過領域がアルミニウム（Ａｌ）とヒ素（Ａｓ）との混晶からなる電流狭窄層に対して酸化処理を施すことにより形成されたものであると共に、
    前記一対のトレンチの光出射口側の側面が、［０１ −１］方向または［０１１］方向をなす
    請求項１に記載の面発光型半導体レーザ素子。
12. 前記第１の半導体多層反射膜、前記活性層および前記第２の半導体多層反射膜は、アルミニウム（Ａｌ）−ガリウム（Ｇａ）−ヒ素（Ａｓ）系、インジウム（Ｉｎ）−Ｇａ−Ａｓ−リン（Ｐ）系、Ｇａ−Ｉｎ−Ｐ系、Ｉｎ−Ｐ系、Ｇａ−窒素（Ｎ）系、Ｇａ−Ｉｎ−Ｎ系、またはＧａ−Ｉｎ−Ｎ−Ａｓ系の材料を含んで構成される
    請求項１に記載の面発光型半導体レーザ素子。
13. 基板上に形成された第１の半導体多層反射膜と、
    前記第１の半導体多層反射膜上に形成されると共に、少なくとも活性層および電流狭窄層を含む中間層と、
    前記中間層上に形成されると共に、光出射口が設けられた第２の半導体多層反射膜と
    を備え、
    前記第１の半導体多層反射膜の一部、前記中間層および前記第２の半導体多層反射膜が、矩形柱状または楕円柱状の共振部をなしており、
    前記電流狭窄層は、前記共振部の形状に応じた矩形状または楕円形状の電流通過領域と、この電流通過領域の周辺部に形成された電流狭窄領域とを有し、
    前記光出射口を中心として対向すると共にその光出射口側の側面が前記電流通過領域の長手方向に平行な一対のトレンチが、前記電流狭窄領域を有する前記電流狭窄層とは別体として、前記第２の半導体多層反射膜内に設けられている
    面発光型半導体レーザ素子。
14. 前記一対のトレンチの少なくとも一方には、金属材料または絶縁性材料が充填されている
    請求項１３に記載の面発光型半導体レーザ素子。
15. 前記金属材料は、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）またはアルミニウム（Ａｌ）である
    請求項１４に記載の面発光型半導体レーザ素子。
16. 前記金属材料は、蒸着または鍍金により充填されたものである
    請求項１５に記載の面発光型半導体レーザ素子。
17. 前記金属材料または前記絶縁性材料は、前記光出射口より出射されるレーザ光を吸収する材料である
    請求項１４に記載の面発光型半導体レーザ素子。
18. 前記第２の半導体多層反射膜上に形成された金属電極を備え、
    前記トレンチは前記金属材料を充填すると共に前記金属電極と電気的に接続している
    請求項１４に記載の面発光型半導体レーザ素子。
19. 前記金属電極に注入された電流は、前記トレンチを介して前記活性層へ注入される
    請求項１８に記載の面発光型半導体レーザ素子。
20. 前記絶縁性材料は、ポリイミド、シリコン酸化物（ＳｉＯ_X）、またはシリコン窒化物（ＳｉＮ_X）である
    請求項１４に記載の面発光型半導体レーザ素子。
21. 前記一対のトレンチの間隔は、３μｍ以上１０μｍ以下である
    請求項１３に記載の面発光型半導体レーザ素子。
22. 前記電流通過領域は、前記電流狭窄層に対して酸化処理またはイオン注入処理を施すことにより形成されたものである
    請求項１３に記載の面発光型半導体レーザ素子。
23. 前記第１の半導体多層反射膜、前記活性層および前記第２の半導体多層反射膜は、アルミニウム（Ａｌ）−ガリウム（Ｇａ）−ヒ素（Ａｓ）系、インジウム（Ｉｎ）−Ｇａ−Ａｓ−リン（Ｐ）系、Ｇａ−Ｉｎ−Ｐ系、Ｉｎ−Ｐ系、Ｇａ−窒素（Ｎ）系、Ｇａ−Ｉｎ−Ｎ系、またはＧａ−Ｉｎ−Ｎ−Ａｓ系の材料を含んで構成される
    請求項１３に記載の面発光型半導体レーザ素子。

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