JP6699341B2 - 面発光レーザ素子、及びその製造方法、並びに原子発振器 - Google Patents

Description

本発明は、面発光レーザ素子、及びその製造方法、並びに原子発振器に関する。

面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）は、基板面に対し垂直方向に光を出射する半導体レーザであり、端面発光型の半導体レーザと比較して、低価格、低消費電力、小型であって高性能であること、また２次元的に集積化しやすいといった特徴を有している。

特許文献１には、半導体基板上に下部ブラッグ反射鏡、活性層を含む共振器、上部ブラッグ反射鏡を積層させて得た面発光レーザ素子であって、ブラッグ反射鏡内に２種類の異なる材料を交互に積層させた波長調整層を備えたものが記載されている。波長調整層は領域を分けて選択エッチングされており、波長調整層の膜厚は領域によって変えられている。これにより、ウェハ面内の複数の面発光レーザの発振波長を一定間隔で変えることが可能となる。

特許文献１においては、選択エッチングによって除去された波長調整層の数は領域によって異なるので、ウェハ面内での波長調整層の膜厚（ひいては上部ブラッグ反射鏡の膜厚）は均一ではない。そのため、積層体をエッチングしてメサ形状に加工する工程でエッチングが終端する位置（深さ）も均一とはならず、領域によってはエッチング深さが適切な位置に比べて浅く又は深くなることがあり、レーザ素子の品質に影響が出ることがある。

例えば、エッチングの終端位置が浅く、活性層内にある場合には、隣接発光点と活性層が繋がったままになる。その場合、活性層内の光が隣接発光点に漏れ込み、閾値が上がり得る。また、エッチングの終端位置が深く、共振器の下部スペーサ層を越えてしまう場合、特に共振器下の層がＡｌＡｓを含む場合には、腐食等によって信頼性が低下し得る。よって、面発光レーザ素子の品質を向上させるためには、メサエッチング工程においてエッチングの終端が適切な位置となることが求められる。

このような点に鑑みて、本発明においては、領域によって厚さを相違させた波長調整層を備えた面発光レーザ素子においても、メサエッチング工程でのエッチング終端の位置を適切に制御し、面発光レーザ素子の品質向上を図ることを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の一形態は、半導体基板の上に形成された下部ブラッグ反射鏡と、前記下部ブラッグ反射鏡の上に形成された下部スペーサ層と、前記下部スペーサ層の上に形成された活性層と、前記活性層の上に形成された上部スペーサ層と、前記上部スペーサ層の上に形成された上部ブラッグ反射鏡とを有し、前記上部ブラッグ反射鏡内に、波長調整層を含む波長調整領域が形成されており、前記下部スペーサ層、前記活性層、及び前記上部スペーサ層により共振器が形成されており、前記波長調整層の膜厚が異なる複数の光出射領域を有し、前記光出射領域がそれぞれ、前記上部ブラッグ反射鏡と、前記上部スペーサ層と、前記活性層と、前記下部スペーサ層の一部とがエッチング除去されて形成されたメサ形状を有し、前記下部スペーサ層の膜厚をＴ１とし、前記下部スペーサ層のエッチングレートをαとし、前記波長調整層の膜厚をＴ２とし、前記波長調整層のエッチングレートをβとしたとき、Ｔ１／α＞Ｔ２／βであることを特徴とする。

本発明の一形態によれば、領域によって厚さを相違させた波長調整層を備えた面発光レーザ素子においても、メサエッチング工程でのエッチング終端の位置を適切に制御し、面発光レーザ素子の品質向上を図ることができる。

本発明の一形態における面発光レーザの基本的な構造を示す図である。 本発明の一形態におけるエッチング終端位置の制御の説明図である。 本発明の一形態における波長調整層の説明図である。 参考形態によるエッチング終端位置の制御の説明図である。 参考形態によるエッチング終端位置の制御の説明図である。 本発明の一形態における波長調整層の形成についての説明図である。 本発明の一形態における波長調整層の説明図である。 本発明の一形態における波長調整層の説明図である。 本発明の一形態における波長調整層の説明図である。 本発明の一形態における波長調整層の説明図である。 本発明の一形態による原子発信器の構造図である。 ＣＰＴ方式を説明する原子エネルギー準位の説明図である。 面発光レーザ変調時における出力波長の説明図である。 変調周波数と透過光量との相関図である。

［第１の実施形態］
（面発光レーザ素子の構造）
図１に、本発明の第１の形態による面発光レーザ素子の構造の例を示す。本実施の形態における面発光レーザは、半導体基板であるｎ−ＧａＡｓ基板上に形成されているｐ側のＡｌＡｓ層を選択酸化した電流狭窄構造を用いた発振波長８９４．６ｎｍの面発光レーザである。

図１に示される面発光レーザは、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、下部から見て（基板１０１側から見て）、下部ブラッグ反射鏡（ｎ−ＤＢＲ）１０２、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５、上部ブラッグ反射鏡（ｐ−ＤＢＲ）１０６、ｐ型の上部コンタクト層１１０が形成されている。下部スペーサ層１０３、活性層１０４、及び上部スペーサ層によって共振器１５０が形成されている。

上部ブラッグ反射鏡１０６の中には波長調整領域１２０が形成されている。この波長調整領域１２０は、発振波長を調整するための波長調整層を含み、波長調整層はさらに複数の調整層から構成されていてよい。調整層の層数を面発光レーザのチップ毎又は同一チップ内の発光点毎に異なるものとすることにより、波長調整層の厚さ、ひいては波長調整領域１２０の光学厚さの合計を、面発光レーザのチップ毎又は同一チップ内の発光点毎に変更することができる。これにより、その厚さに対応して発振波長を変更することができる。例えば、波長λ_１、λ_２、λ_３、λ_４の４つの異なる波長の面発光レーザを含む面発光レーザ素子を得ることができる。

第１の実施形態においては、波長調整領域１２０は、上部ブラッグ反射鏡１０６の高屈折率層が置き換えられた形で設けられている（図７）。

上部コンタクト層１１０の上には、上部電極１１１が形成されている。また、積層体の側面の一部はエッチングにより除去されており、光出射領域がメサ形状となっている。このメサの形成により露出した半導体層を保護するために、保護層１４０及び樹脂層１４１が形成されている。樹脂層１４１は、例えばポリイミドからなっていてよい。

なお、本明細書において、メサ形状とは、側面が急斜面で上面がなだらかな形状を指す。よって、エッチングにより除去されて露出した側面が、基板の延在方向に対して垂直な方向延びているか、又はその方向に対して斜めに傾いていてよい。また、積層体の厚み方向で切った面発光レーザの断面形状が、台形、長方形のような四角形となっていてよい。メサ形状が、台形を含む断面形状を有する場合、台形の上底より下底が長くてもよいし、その逆であってもよい。図１の例では、メサ形状は、側面が基板の面に対して垂直に延びている。

基板１０１の裏面には、下部電極１１２が形成されている。また、上部ブラッグ反射鏡１０６には、例えばＡｌＡｓ層からなる電流狭窄層が形成されてよい。電流狭窄層の周囲においては、選択酸化によって選択酸化領域が形成され、選択酸化されなかった領域が電流狭窄領域となる。

（メサエッチングの終端位置の制御）
次に、本発明の一形態によって得られるメサエッチングの終端位置の制御について説明する。図２に、面発光レーザ又は発光点を４つ備えた面発光レーザ素子における積層関係を模式的に示す。

図２には、図１の面発光レーザ素子の下部ブラッグ反射鏡（ｎ−ＤＢＲ）１０２より上の積層部分を示す。この模式図では、４つの面発光レーザ又は発光点が形成されている領域を、それぞれ領域Ａ〜Ｄとして示す。各領域においては、下部から見て（基板側から見て）、ｎ型の下部ブラッグ反射鏡１０２、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５、ｐ型の上部ブラッグ反射鏡１０６、第２の位相調整層１３１ａ、波長調整層１２２、第１の位相調整層１３１ｂ、ｐ型の上部ブラッグ反射鏡１０６が、この順で積層されている。これらの層は、同一ウェハ面上に共通に形成されたものであってよく、各層の厚さは、波長調整層１２２以外は同じものとなっている。図示の例では、領域Ｄには波長調整層１２２は設けられていない。

上部スペーサ層１０５及び下部スペーサ層１０３の組成はＡｌＧａＩｎＰであり、それぞれ１５０ｎｍの膜厚とすることができる。また、上部スペーサ層１０５及び下部スペーサ層１０３の膜厚は同じであっても互いに異なっていてもよい。

波長調整層１２２は、調整層のペア１２１ａ〜１２１ｃを有していてよい。図２の例では、調整層のペア１２１の数は、領域Ａで最大の３となっているが、調整層の数及び調整層のペアの数はこれに限定されるものではない。波長調整領域１２０は、第１の位相調整層１３１ｂ、波長調整層１２２、及び第２の位相調整層１３１ａを含めたものである。第１の位相調整層１３１ｂ及び第２の位相調整層１３１ａは、用途又は条件によっては設けられていない。

図３に、波長調整領域１２０の一部を拡大した模式図を示す。図３では、互いに異なる組成を有する調整層１２３ａ及び１２３ｂ、つまりｐ^＋＋−ＧａＩｎＰからなる調整層１２３ａとｐ^＋＋−ＧａＡｓＰからなる調整層１２３ｂとを調整層の１つのペア１２１としている。よって、波長調整層１２２は、互いに異なる組成を有する調整層１２３ａ及び１２３ｂが交互に積層された構成を有する。

調整層のペア１２１は、領域間の波長間隔が１ｎｍとなるように、それぞれ約１５ｎｍの膜厚で積層することができる。この場合、領域Ａは、調整層のペアを３つ有しているので、波長調整層１２２の厚さＴ２ａ＝４５ｎｍとなる。領域Ｂは、調整層のペアを２つ有しているので、波長調整層１２２の厚さＴ２ｂ＝３０ｎｍとなる。領域Ｃは、調整層のペアを１つ有し、波長調整層１２２の厚さＴ２ｃ＝１５ｎｍとなる。領域Ｄにおいては、調整層が全て除去されており、波長調整層１２２の厚さＴ２ｄ＝０ｎｍである。

なお、図３の例では、領域Ａの発振波長を基準にして、領域Ｂでの発振波長を基準より１ｎｍ小さく（−１ｎｍ）、領域Ｃでの発振波長を基準より２ｎｍ小さく（−２ｎｍ）、領域Ｄでの発振波長を３ｎｍ小さく（−３ｎｍ）調整することができる。つまり、図３の例によれば、調整層１２３の層数をウェハ面内で（同一チップ内で）発光点毎に相違させることによって、互いに異なる発振波長で発光する面発光レーザを複数含む面発光レーザ素子を得ることができる。しかし、後述のように、波長調整層１２２の厚さを相違させることによる発振波長の調整を、ウェハ面内で発振波長を揃えられた面発光レーザ素子を製造するために利用することもできる。

このように、領域Ａ〜Ｄの各領域では、調整層１２３の層数が異なり、それにより、波長調整層１２２の厚さ（波長調整領域１２０の厚さ）が異なっている。つまり、選択エッチングにより波長調整層１２２がエッチングされずに全て残った領域（領域Ａ）、波長調整層１２２が一部エッチングされた領域（領域Ｂ、領域Ｃ）、及び波長調整層１２２が全てエッチングされた領域（領域Ｄ）で、上部ブラッグ反射鏡１０６の上面から上部スペーサ層の上面までの膜厚が異なっている（図２）。

ここで、メサ形状を形成するためには、領域Ａ〜Ｄを含む一枚のウエハを同時にエッチングする。つまり、上部ブラッグ反射鏡１０６から下部ブラッグ反射鏡１０２の方向にエッチングを行う。上述のように、メサエッチングの終端位置が活性層１０４を越えない場合には隣接発光点への漏れ光による光出力特性が悪化することがある。また、下部スペーサ層１０３を越えてしまう場合、特に、下部スペーサ１０３の下にＡｌＡｓを主成分とする放熱層が設けられている場合等には、腐食による信頼性の低下を招き得る。よって、共振器１５０の下部スペーサ層１０３内でメサエッチングを止めることが重要となる。

図２で言えば、最も膜厚が大きい領域Ａのエッチングが下部スペーサ層１０３に到達する時に、最もエッチングが進む領域Ｄにおいてもエッチングが下部スペーサ層１０３に留まることが好ましい。図２では、波長調整領域１２０を含む上部ブラッグ反射鏡１０６と、上部スペーサ層１０５と、活性層１０４と、下部スペーサ層１０３の一部とが除去されている。つまり、領域Ａ〜Ｄのエッチング終点はいずれも下部スペーサ層１０３内となっている。

図４及び図５に参考形態を示す。図４では、領域Ａ及び領域Ｂのエッチング終点は下部スペーサ層１０３を越えて、領域Ｃ及び領域Ｄは、下部ブラッグ反射鏡（ｎ−ＤＢＲ）１０２内に侵入している。そのため、ｎ−ＤＢＲのＡｌＡｓ放熱層がエッチング終点となり得る。このような場合、ＡｌＡｓ層がエッチングされて腐食されるため、信頼性が低下し得る。

これに対し、図５では、領域Ｃ及び領域Ｄのエッチング終点は下部スペーサ層１０３内にあるが、領域Ａ及び領域Ｂでは活性層１０４内が終点となっている。活性層１０４内にエッチング終点があると、活性層１０４が隣接領域と繋がることで光が漏れ、所望の光出力特性から外れてしまうことがある。

よって、メサエッチング終点を下部スペーサ層１０３内に留めるには、下部スペーサ層１０３の膜厚Ｔ１と波長調整層１２２の膜厚Ｔ２との関係が、Ｔ１＞Ｔ２となるように、波長調整層１２２及び下部スペーサ層１０３の厚さを決めることが必要である。

なお、面発光レーザ素子が複数の面発光レーザを有する場合、複数の面発光レーザの一部が上記関係を満たしている場合でも、本発明の効果を得ることができるが、全ての複数の面発光レーザが上記関係を満たしていることが好ましい。

図２では、波長調整層１２２の膜厚が最も大きい領域Ａのエッチングが活性層１０４を越えたとき、波長調整層１２２の膜厚が最も小さい（波長調整層がない場合には、膜厚を「０」とする）領域Ｄのエッチングが下部スペーサ層１０３を越えていないことが好ましい。よって、膜厚が最も大きい領域Ａにおける波長調整層１２２の膜厚Ｔ２ａと、膜厚が最も小さい領域Ｄにおける波長調整層１２２の膜厚Ｔ２ｄ（＝０）との差が、下部スペーサ層の膜厚Ｔ１より小さくなっている、つまり、Ｔ１＞Ｔ２ａとなっていることが好ましい。

さらに、実際には、成膜の面内分布やメサエッチングの制御のばらつきといった、各プロセスの誤差（マージン）を考慮して、膜厚の関係を設定することが望ましい。例えば、膜厚の面内分布が５％の場合、Ｔ１≧（１．０５＊Ｔ２）となるよう膜厚を設定することができる。但し、下部スペーサ層１０３の膜厚を極端に厚くしてしまうと、活性層１０４から下部ブラッグ反射鏡１０２（ＡｌＡｓ放熱層）までの距離が過度に大きくなり、放熱効果が得られにくくなる。Ｔ１≦２００ｎｍであることが好ましい。

本発明の一形態では、メサ形成をドライエッチング法にて行っているが、ドライエッチングはウェットエッチングと比べると層材料の組成の影響を受けにくい。そのため、組成の違いを考慮しなくとも、複数の面発光レーザの波長調整層１２２の厚さと下部スペーサ層１０３の厚さとの関係を規定することで、メサエッチングの終端位置を制御することができ、これにより、面発光レーザ素子の品質を向上させることができる。

しかし、ドライエッチングでも材料によっては若干のエッチングレート（エッチング速度）の違いがある。特に、難エッチング材料と呼ばれるインジウムを含む材料などは他の材料と比べて、条件によっては２〜３割程度エッチング速度が変わり得る。

よって、エッチング終端位置をより正確に制御するには、材料によるエッチングレートの違いを考慮することが好ましい。下部スペーサ層１０３の膜厚をＴ１、下部スペーサ層のエッチングレートをαとし、波長調整層１２２の膜厚をＴ２、波長調整層１２２のエッチングレートをβとしたとき、（Ｔ１／α）＞（Ｔ２／β）となるようにＴ１、Ｔ２、α、βを選定することが好ましい。

この際、エッチングレートαとエッチングレートβとは、同条件におけるエッチングレートとすることができる。同条件とは、エッチングガス、温度、及び圧力の少なくとも１つの条件を同じにすることであり、エッチングガス、温度、及び圧力の全ての条件を同じにすることが好ましい。

なお、面発光レーザ素子が複数の面発光レーザを有する場合、複数の面発光レーザの一部が上記関係を満たしている場合でも、本発明の効果を得ることができるが、全ての複数の面発光レーザが上記関係を満たしていることが好ましい。

図２で言えば、膜厚が最も大きい領域Ａにおける波長調整層１２２の膜厚Ｔ２ａと、膜厚が最も小さい領域Ｄにおける波長調整層１２２の膜厚Ｔ２ｄ（＝０）との差を波長調整層１２２のエッチングレートβで除した値が、下部スペーサ層１０３の膜厚Ｔ１をそのエッチングレートαで除した値より小さくなっている、つまり、（Ｔ１／α）＞（Ｔ２ａ／β）となっていればよい。

なお、この場合も、成膜の面内分布やメサエッチングの制御ばらつきといった、各プロセスの誤差を考慮した関係を設定することが望ましい。例えば、膜厚の面内分布が５％の場合、（Ｔ１／α）≧（１．０５＊Ｔ２／β）となるよう膜厚を設定することができる。

このように、エッチングレートを考慮して、波長調整層１２２がエッチングされる時間と、下部スペーサ層がエッチングされる時間との関係を上記のように規定することで、メサエッチング終端位置の制御をより高い精度で行うことができる。

なお、波長調整層１２２を過度に薄くした場合、光学厚さが変わることで目的とする発振波長が得られないことから、波長調整層一層あたりの実際の膜厚の値は５ｎｍ程度より薄くすることは難しい。下部スペーサ層１０３は一層からなっていてもよいが、同種の又は異なる２種類以上の層を積層して用いてもよい。

図２及び図３では、面発光レーザを４つ有する面発光レーザ素子について説明したが、面発光レーザ素子に含まれる面発光レーザの数はこれに限られない。また、面発光レーザ素子に複数の面発光レーザが含まれている場合、その複数の面発光レーザの発振波長がそれぞれ互いに異なっていてもよいし、全ての面発光レーザの発振波長が揃えられていてもよいし、また発振波長が揃えられた複数の面発光レーザのグループが複数あって、１つのグループの面発光レーザの発振波長と、別のグループの面発光レーザの発振波長とが異なるように構成されていてもよい。

このように、厚さを相違させた波長調整層を備えることで発振波長を制御する面発光レーザ素子において、波長調整層の厚さと下部スペーサ層の厚さとの関係を規定することによって、ウエハ面内での波長を均一にしつつ、メサエッチングの深さを制御することができる。これにより、レーザ品質を安定化しながら、信頼性も確保することができる。

（波長調整領域の形成）
本発明の一態様による面発光レーザ素子における、領域によって異なる厚さを有する波長調整領域（波長調整層）の製造例を、図６を参照しながら以下に説明する。

本発明の一形態では、半導体各層は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、またはＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法等を用いたエピタキシャル結晶成長により形成することができる。このようなエピタキシャル結晶成長においては、成長の条件によって、ウェハの膜厚が不均一になり得る。例えば、ＭＯＣＶＤであれば、ガス分布やウェハの加熱分布等によって、ＤＢＲや共振器の光学的膜厚が不均一になり、発振波長がウェハ面内で不均一となり得る。

図６では、上記のような結晶成長の条件によって膜厚のばらつきが生じた場合でも、ウェハ面内での波長をより均一にすることを可能にした面発光レーザ素子における波長調整層１２２の形成を示す。

まず、下部ブラッグ反射鏡１０２から波長調整領域１２０内の波長調整層１２２に至る層を含む構造を、結晶成長により形成する。図６（ａ）の積層体は、後に複数の別々の面発光レーザとして機能する領域Ａ〜領域Ｃを含む。この際、領域Ａ〜領域Ｃのそれぞれにおいて共振波長を計測する。図示の例では、領域Ａの発振波長を基準とした場合、領域Ｂの発振波長は領域Ａより１ｎｍ大きく、領域Ｃの発振波長は領域Ｃより２ｎｍ大きくなっている。

次に、レジストパターニング及び選択エッチングを繰り返して、ウェハ上の面発光レーザ素子全体において共振波長が所望の波長（狙いの波長）となるように、波長調整領域の厚み（波長調整層の層数）を変更する。

具体的には、領域Ａの発振波長を狙いとして、狙いの波長より１ｎｍだけ長い波長（＋１ｎｍ）で発光する領域Ｂと、狙いの波長２ｎｍだけ長い波長（＋２ｎｍ）で発光する領域Ｃとにおいてレジストが形成されないようにレジストをパターニングする（領域Ａ上にレジストを形成する）。さらに、調整層（ＧａＡｓＰ層）１２２ｂの選択エッチング１を行い、その後、レジスト除去する。選択エッチング１では、調整層（ＧａＡｓＰ層）１２２ｂをエッチングすることができるが、調整層（ＧａＩｎＰ層）１２３ａをエッチングすることができないエッチング液を用いる。

続いて、領域Ｂ及び領域Ｃにレジストが形成されないようにレジストをパターニングする（領域Ａ上にレジストを形成する）（図６（ｂ））。さらに、調整層（ＧａＩｎＰ層）１２３ａに対して選択エッチング２を行うことにより、図６（ｃ）に示す構造が得られる。選択エッチング１では、調整層（ＧａＩｎＰ層）１２２ａをエッチングすることができるが、調整層（ＧａＡｓＰ層）１２３ｂをエッチングすることができないエッチング液を用いる。続いて、レジスト除去することによって、図６（ｄ）に示す構造が得られる。

次に、領域Ｃのみにおいてレジストが形成されないようにパターニングし（領域Ａ及び領域Ｂ上にレジストを形成し）、同様の工程を繰り返し行う。つまり、選択エッチング１、選択エッチング２を行い、続いて、領域Ａ及び領域Ｂに設けられていたレジストを除去する。これにより、図６（ｅ）に示す構造が得られる。

上記の選択エッチング１及び選択エッチング２は、ウェットエッチングであることが好ましい。ウェットエッチングでは、例えば、ＧａＡｓＰ（ＧａＡｓの場合も同様）のエッチング液には、硫酸、過酸化水素、水の混合液を用い、ＧａＩｎＰのエッチング液には、塩酸、水の混合液を用いることができる。

図６の構成においては、波長調整層のペア１つあたり１ｎｍの波長の変化が生じるように設計されている。図示のように、選択エッチング前は、領域Ａを基準として領域Ｂが１ｎｍだけ大きく（＋１ｎｍ）、領域Ｃが２ｎｍだけ大きい（＋２ｎｍ）波長を有しているような場合でも（図６（ａ））、波長調整層の厚さを領域毎に相違させることによって、領域Ａ〜Ｃにおいて均一な波長が得られる（図６（ｅ））。

このように、上記構成では、ウェハ面内で均一な発振波長で発光する面発光レーザを複数含む面発光レーザ素子であって、ブラッグ反射鏡内に波長調整層を含む波長調整領域を備えた面発光レーザを含み、波長調整層が、異なる２種の材料を含む層を積層したものであり、上記のウェハ面内で均一な発振波長を発光することを、波長調整層の厚さを変更することによって実現している。

このような発振波長を揃えた面発光レーザを複数備えている構成では、不良や故障等によって１つの面発光レーザが発光しなくなったとしても、それ以外のレーザを用いることができるという利点がある。これにより、面発光レーザ素子の耐用年数を長くすることができる。

なお、ウェハ面内の領域によって異なる厚さを有する波長調整層１２２の構成は、図３にも示したが、図３の例は、調整層１２３の層数をウェハ面内で（同一チップ内で）発光点毎に相違させることによって、領域毎に１ｎｍずつ発振波長の異なるものである。つまり、図３の例で得られる面発光レーザ素子は、異なる波長のレーザビームを出射する複数の面発光レーザを含むものである点で、図６の構成によって得られる面発光レーザ素子とは異なる。しかし、図３の構成を形成する場合も、上述の例と同様にレジストパターニングと選択エッチングとを繰り返すことによって形成することができる。

（面発光レーザの製造）
上記のように図６（ｅ）に示す構造が得られた後は、調整層のペア１２１より上部の層、すなわち第１の位相調整層１３１ｂ、残りの上部ブラッグ反射鏡１０６、コンタクト層１１０（図１及び図２）を、ＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法による再結晶成長により形成する。

その後、下部スペーサ層１０３の深さまで半導体層をエッチングすることによりメサを形成する（図１及び図２）。エッチングの終端は、下部スペーサ層１０３に留まっていることが好ましい。さらに、上述のように、電流狭窄層を選択的に酸化して選択酸化領域と電流狭窄領域とを形成することができる。

メサを形成する際のエッチングは、ドライエッチング法を用いたが、他の方法を用いてもよい。例えば、Ｃｌ_２ガスを用いたＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）プラズマエッチング法、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）反応性イオンエッチングなどがある。本発明の一形態では、メサは、素子の上から見て円形の形状を有しているが、楕円形、正方形、長方形の矩形等の任意の形状とすることができる。

上記のメサエッチング工程によって電流狭窄層（ＡｌＡｓ層）の側面が露出するが、水蒸気中で熱処理し周辺を酸化することによって選択酸化領域を形成することにより、その周辺の領域をＡｌ_ｘＯ_ｙからなる絶縁物に変化させる。これにより、電流狭窄構造が得られる。つまり、駆動電流の経路を、酸化されていないＡｌＡｓからなる電流狭窄領域に制限することができる。

次に、ＳｉＮからなる保護層１４０を設け、さらに、半導体層がエッチングされている部分を樹脂層（ポリイミド層）１４１により埋め込むことにより平坦化する。この後、コンタクト層１１０の上の保護層１４０及び樹脂層１４１を除去し、コンタクト層１１０上の所定領域にｐ側の個別電極となる上部電極１１１を形成する。なお、基板（ｎ−ＧａＡｓ層）１０１の裏面には、ｎ側共通電極となる下部電極１１２を形成する（図１）。

保護層１４０は、メサを形成する際のエッチングにより露出した腐食されやすいＡｌを含む層の側面や底面を誘電体で保護しているため、面発光レーザ素子の信頼性を向上させることができる。なお、本実施の形態においては、面発光レーザは、基板１０１と反対側にレーザ光を出射するよう構成されている。

本発明の一形態によれば、面発光レーザ素子の製造方法は、半導体基板の上に、下部ブラッグ反射鏡、下部スペーサ層、活性層、上部スペーサ層、及び上部ブラッグ反射鏡を順に形成する工程と、前記上部ブラッグ反射鏡と、前記上部スペーサ層と、前記活性層と、前記下部スペーサ層の一部とを除去してメサ形状を形成する工程とを含み、前記上部ブラッグ反射鏡内に、波長調整層を含む波長調整領域が形成されており、前記波長調整層の厚さをＴ２とし、前記下部スペーサ層の厚さをＴ１としたとき、Ｔ１＞Ｔ２であることを特徴とする。

また、前記下部スペーサ層の膜厚をＴ１とし、前記下部スペーサ層のエッチングレートをαとし、前記波長調整層の膜厚をＴ２とし、前記波長調整層のエッチングレートをβとしたとき、Ｔ１／α＞Ｔ２／βであることを特徴とする。

上記方法においては、メサエッチングの際には、エッチングの終端位置を下部スペーサ層内に留めるようにエッチングを行う。複数の面発光レーザを有する面発光レーザ素子においては、少なくとも１つの面発光レーザの周囲のエッチング終端位置を下部スペーサ層内に留めるようにエッチングを行う。

また、面発光レーザ素子が複数の面発光レーザを含む場合、複数の面発光レーザのうち最も波長調整層の厚さが大きい面発光レーザが、上記の関係式を満たしていることによって、メサエッチング工程において、全てのメサエッチングを共振器の下部スペーサ層で止めることが可能になる。

（面発光レーザの積層構造）
特許文献１に記載のように、波長調整層より上部に位置するブラッグ反射鏡が誘電体の場合、半導体の波長調整層より誘電体層の方が大幅に低屈折率となるため、波長調整層と誘電体との界面を縦モードの腹位置に配置する必要がある。節位置となるように設計すると、波長調整層と誘電体ブラッグ反射鏡との界面において、逆相で光が反射することとなる。しかしながら、波長調整層より上部に位置するブラッグ反射鏡が半導体の場合、図７のように、波長調整領域１２０内において縦モードの節位置に波長調整層１２２を配置する（波長調整層１２２の中央が縦モードの節位置に来る）ことで、波長調整機能は損なわれずに、閾値電流の低減等、さらなる特性改善ができることが実験から分かった。これは、波長調整層１２２に用いられる２つの材料、ＧａＩｎＰおよびＧａＡｓＰの屈折率がそれぞれ３．３および３．５と異なっていることに起因する。この材料の組合せは、波長調整層１２２を縦モードの腹位置に配置した場合には散乱損失の要因になるが、波長調整層１２２を節位置に配置した場合には、この影響は低減する。

さらに、波長調整層１２２より上部のブラッグ反射鏡１０６が半導体の場合、波長調整領域１２０に電気伝導性を持たせるためにドーピングが必要だが、波長調整層１２２のバンド構造に生じるヘテロスパイク等のため、電気抵抗が大きくなってしまう。そこで、電気抵抗を低減するため、波長調整層１２２のみ高濃度ドーピングする必要がある。しかしながら、波長調整領域１２０内の縦モードの腹位置に高濃度ドーピングすると光吸収が大きくなり、発振閾値電流の増加やスロープ効率の低下などの弊害がある。そこで、波長調整層を節位置に配置することで、波長調整層に高濃度ドープしても、発振閾値の増加やスロープ効率の低下が起きずに、電気抵抗を低減させることができる。電気抵抗が低減することにより、最高光出力も増加する。

本実施の形態における面発光レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板上に、各層λ／４の光学厚さで３５．５ペアのｎ−Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ高屈折率層／ｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層からなる下部ブラッグ反射鏡（ｎ−ＤＢＲ）１０２が形成されている。下部ブラッグ１０２反射鏡の上には、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層／ＧａＩｎＰＡｓ障壁層からなる活性層の上下に、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓにより下部スペーサ層及び上部スペーサ層が形成されている。上部スペーサ層の上には各層λ／４の光学厚さで５ペアのｐ−Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ高屈折率層／ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層からなる上部ブラッグ反射鏡１０６が形成されている。この上部ブラッグ反射鏡１０６の中に波長調整領域が形成されている。

図８に示されるように、本実施の形態においては、波長調整領域１２０は、下部から見て、第２の位相調整層１３１ａ、波長調整層１２２、第１の位相調整層１３１ｂにより形成されている。なお、第２の位相調整層１３１ａ及び第１の位相調整層１３１ｂは、ｐ−Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓにより形成されている。波長調整層１２２は、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＰ／ｐ^＋＋−ＧａＡｓＰ／ｐ^＋＋−ＧａＩｎＰの計３層で構成されている。

上部ブラッグ反射鏡１０６中の波長調整領域１２０全体の光学厚さは略３λ／４となっている。その中で、波長調整領域１２０の下端から、波長調整層１２２ｐ^＋＋−ＧａＩｎＰ／ｐ^＋＋−ＧａＡｓＰ／ｐ^＋＋−ＧａＩｎＰの中央のｐ^＋＋−ＧａＡｓＰの中心までがλ／２となっている。なお、波長調整領域１２０の全体の光学長が５λ／４である場合、波長調整層の位置は波長調整領域下部からλ／２又はλの位置とすることができる。また、波長調整領域１２０の全体の光学長が７λ／４である場合、波長調整層の位置は波長調整領域下部からλ／２、λ、又は３λ／２のいずれかを取ることができる。

なお、ｐ^＋＋−ＧａＩｎＰ／ｐ^＋＋−ＧａＡｓＰ／ｐ^＋＋−ＧａＩｎＰの計３層で構成される波長調整層１２２の各調整層の光学厚さは０．０５λとなっており、これにより、波長調整層を１層変更することで変化させることのできる面発光レーザの発振波長の間隔が１ｎｍとなる。

また、本実施形態のようにブラッグ反射鏡の高屈折率層を波長調整領域に置き換えた場合、第２の実施の形態に記載されているように低屈折率層を波長調整領域に置き換えた場合と比較して、Ａｌを含む混晶を波長調整層の材料として使わずに済むという利点がある。このことで、後述の波長調整層の選択エッチング時に、波長調整層表面の酸化や腐食を防ぐことができ、信頼性を向上させることができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態による面発光レーザ素子の構造は、第１の形態と同様に図１で表される。本実施の形態における面発光レーザは、第１の形態と同様、半導体基板であるｎ−ＧａＡｓ基板上に形成されているｐ側のＡｌＡｓ層を選択酸化した電流狭窄構造を用いた発振波長８９４．６ｎｍの面発光レーザである。第１の形態では、波長調整領域が、上部ブラッグ反射鏡の高屈折率層が置き換えられた形で設けられていたが（図７）、第２の形態では、図９に示すように、波長調整領域１２０が上部ブラッグ反射鏡１０６の低屈折率層に置き換えられた形で設けられている。それ以外の点では、第２の実施態様は、第１の実施態様と同様である。

図１０に示されるように、本実施の形態においては、波長調整領域１２０は、下部から見て、第２の位相調整層１３１ａ、波長調整層１２２、第１の位相調整層１３１ｂにより形成されている。第２の位相調整層１３１ａ及び第１の位相調整層１３１ｂは、ｐ−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓにより形成されている。波長調整層１２２は、ｐ^＋＋−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３)_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ／ｐ^＋＋−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓ／ｐ^＋＋−(Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３)_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの計３層で構成されている。上部ブラッグ反射鏡１０６中の波長調整領域１２０全体の光学厚さは略３λ／４となっている。その中で、波長調整領域１２０の下端から、波長調整層１２２ｐ^＋＋−(Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３)_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ／ｐ^＋＋−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓ／ｐ^＋＋−(Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３)_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの中央のｐ^＋＋−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓの中心までがλ／４となっている。なお、波長調整領域１２０の全体の光学厚さが５λ／４である場合、波長調整層１２２の位置は波長調整領域１２０下部から見てλ／４または３λ／４を取ることが出来る。また、波長調整領域の全体の光学長が７λ／４である場合、波長調整層の位置は波長調整領域下部から見てλ／４、λ、３λ／４、５λ／４のいずれかを取ることができる。

なお、ｐ^＋＋−(Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３)_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ／ｐ^＋＋−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓ／ｐ^＋＋−(Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３)_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの計３層で構成される波長調整層１２２の各調整層の光学厚さは０．０５λとなっており、これにより、波長調整層を１層変更することで変化させることのできる面発光レーザの発振波長の間隔が１ｎｍとなる。

第１の形態のようにブラッグ反射鏡の高屈折率層を波長調整領域に置き換えた場合、選択可能な材料の組み合わせとしては、例えばＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰがある。これらの材料の屈折率はそれぞれ３．３と３．５であるため、屈折率差が大きく、波長調整領域において散乱損失を引き起こしやすい。一方で、本形態のように、低屈折率層と置き換えた場合には、上述のようにＡｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓ／(Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３)_０．５Ｉｎ_０．５Ｐを使用することができる。これらの屈折率はいずれも３．１と同程度であるため、波長調整領域における散乱損失を少なくすることができる。

［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態について説明する。本実施の形態は、原子発振器に上記の第１及び第２の実施形態における面発光レーザ素子を用いたものである。図１１に示すように、原子発振器は、ＣＰＴ方式の小型原子発振器であり、光源４１０、コリメートレンズ４２０、λ／４波長板４３０、アルカリ金属セル４４０、光検出器４５０、変調器４６０を有している。

本実施の形態は、面発光レーザ素子より出射したサイドバンドを含む光のうち、２つの異なる波長の光をアルカリ金属セル４４０に入射させることにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性によって発振周波数を制御する原子発振器である。

光源４１０としては、第１及び第２の実施形態による面発光レーザ素子を用いることができる。アルカリ金属セル４４０には、アルカリ金属としてＣｓ（セシウム）原子ガスが封入されており、Ｄ１ラインの遷移を用いるものである。光検出器４５０には、フォトダイオードが用いられている。

原子発振器では、光源４１０より出射された光をセシウム原子ガスが封入されたアルカリ金属セル４４０に照射し、セシウム原子における電子を励起する。アルカリ金属セル４４０を透過した光は光検出器４５０において検出され、光検出器４５０において検出された信号は変調器４６０にフィードバックされ、変調器４６０により光源４１０における面発光レーザ素子を変調する。

図１２に、ＣＰＴに関連する原子エネルギー準位の構造を示す。二つの基底準位から励起準位に電子が同時に励起されると光の吸収率が低下することを利用する。面発光レーザは搬送波波長が８９４．６ｎｍに近い素子を用いている。搬送波の波長は面発光レーザの温度、又は出力を変化させてチューニングすることができる。図１３に示すように、変調をかけることで搬送波の両側にサイドバンドが発生し、その周波数差がＣｓ原子の固有振動数である９．２ＧＨｚに一致するように４．６ＧＨｚで変調させている。図１４に示すように、励起されたＣｓガスを通過するレーザ光はサイドバンド周波数差がＣｓ原子の固有周波数差に一致した時に最大となるので、光検出器４５０の出力が最大値を保持するように変調器４６０においてフィードバックする。これにより、光源４１０における面発光レーザ素子の変調周波数を調整する。原子の固有振動数が極めて安定なので変調周波数は安定した値となり、この情報がアウトプットとして取り出される。なお、波長が８９４．６ｎｍの場合では、±１ｎｍの範囲、より望ましくは±０．３ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。

本実施の形態では、原子発振器において、第１及び第２の実施形態による面発光レーザ素子を用いる。メサエッチングの終端位置が制御されており、面発光レーザ素子の品質が安定しているので、信頼性の高い原子発信器を得ることができる。

この場合、図３で説明したような、領域毎に異なる発振波長で発光する面発光レーザ素子を用いてもよいし、図６で説明したような、各領域からの発振波長が揃えられた面発光レーザ素子を用いてもよい。前者の場合には、所望の波長に最も近い波長の光を出射するものを選択することにより、所望の発振波長を得ることができる。一方、後者の場合には、結晶成長での膜厚のバラツキ（発振波長のバラツキ）があっても、上記のような±１ｎｍの範囲の均一な発振波長を得るようウェハ面内で発振波長を揃えることができ、８９４．６ｎｍに近い発振波長を得ることができる。これにより、発振波長に関する歩留まりを向上させることができ、また原子発振器を低コストで作製し提供することができる。

また、本実施の形態においては、アルカリ金属としてＣｓを用い、そのＤ１ラインの遷移を用いるために波長が８９４．６ｎｍの面発光レーザを用いたが、ＣｓのＤ２ラインを利用する場合８５２．３ｎｍを用いることもできる。また、アルカリ金属としてＲｂ（ルビジウム）を用いることもでき、Ｄ１ラインを利用する場合は７９５．０ｎｍ、Ｄ２ラインを利用する場合は７８０．２ｎｍを用いることができる。活性層の材料組成などは波長に応じて設計することができる。また、Ｒｂを用いる場合の変調周波数は、^８７Ｒｂでは３．４ＧＨｚ、^８５Ｒｂでは１．５ＧＨｚで変調させる。なお、これらの波長においても、±１ｎｍの範囲の波長が必要となる。

以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。また、本発明の実施に係る形態では、面発光レーザ素子を原子発振器に用いた場合について説明したが、第１及び第２の実施の形態における面発光レーザ素子は、ガスセンサー等の所定の波長の光が必要な他の装置等に用いることができる。この場合、これらの装置等においても、用途に応じた所定の波長の面発光レーザ光を用いることにより、同様の効果を得ることができる。

１０１ 基板
１０２ 下部ブラッグ反射鏡
１０３ 下部スペーサ層
１０４ 活性層
１０５ 上部スペーサ層
１０６ 上部ブラッグ反射鏡
１１０ 上部コンタクト層
１１１ 上部電極
１１２ 下部電極
１２０ 波長調整領域
１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ 調整層のペア
１２２ 波長調整層
１２３ａ、１２３ｂ 調整層
１３１ａ 第２の位相調整層
１３１ｂ 第１の位相調整層
１４０ 保護膜
１４１ 樹脂層
１５０ 共振器
１８０ レジスト

特開２０１３‐１３８１７６号公報

Claims (9)

1. 半導体基板の上に形成された下部ブラッグ反射鏡と、
   前記下部ブラッグ反射鏡の上に形成された下部スペーサ層と、
   前記下部スペーサ層の上に形成された活性層と、
   前記活性層の上に形成された上部スペーサ層と、
   前記上部スペーサ層の上に形成された上部ブラッグ反射鏡とを有し、
   前記上部ブラッグ反射鏡内に、波長調整層を含む波長調整領域が形成されており、
   前記下部スペーサ層、前記活性層、及び前記上部スペーサ層により共振器が形成されており、
   前記波長調整層の膜厚が異なる複数の光出射領域を有し、前記光出射領域がそれぞれ、前記上部ブラッグ反射鏡と、前記上部スペーサ層と、前記活性層と、前記下部スペーサ層の一部とがエッチング除去されて形成されたメサ形状を有し、
   前記下部スペーサ層の膜厚をＴ１とし、前記下部スペーサ層のエッチングレートをαとし、
   前記波長調整層の膜厚をＴ２とし、前記波長調整層のエッチングレートをβとしたとき、
   Ｔ１／α＞Ｔ２／βであることを特徴とする面発光レーザ素子。
2. 前記下部スペーサ層のエッチングレートαと、前記波長調整層のエッチングレートβとは、同条件におけるエッチングレート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。
3. 前記共振器の下に、ＡｌＡｓを主成分とする放熱層が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光レーザ素子。
4. 前記波長調整層は、異なる２種の材料を含む層を積層したものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の面発光レーザ素子。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の面発光レーザ素子と、
   アルカリ金属を封入したアルカリ金属セルと、
   前記面発光レーザ素子より前記アルカリ金属セルに照射した光のうち、前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と
   を有し、
   前記面発光レーザ素子より出射したサイドバンドを含む光のうち、２つの異なる波長の光を前記アルカリ金属セルに入射させることにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により発振周波数を制御する、原子発振器。
6. 前記２つの異なる波長の光は、ともに前記面発光レーザ素子より出射したサイドバンドの光である、請求項５に記載の原子発振器。
7. 前記アルカリ金属は、ルビジウム又はセシウムである、請求項５又は６に記載の原子発振器。
8. 半導体基板の上に、下部ブラッグ反射鏡、下部スペーサ層、活性層、上部スペーサ層、及び上部ブラッグ反射鏡を順に形成する工程であって、前記上部ブラッグ反射鏡内に、波長調整層を含む波長調整領域を形成し、前記波長調整層の膜厚が異なる複数の光出射領域を形成する工程と、
   前記光出射領域のそれぞれにおいて、前記上部ブラッグ反射鏡と、前記上部スペーサ層と、前記活性層と、前記下部スペーサ層の一部とをエッチング除去してメサ形状を形成する工程とを含み、
   前記下部スペーサ層の膜厚をＴ１とし、前記下部スペーサ層のエッチングレートをαとし、前記波長調整層の膜厚をＴ２とし、前記波長調整層のエッチングレートをβとしたとき、Ｔ１／α＞Ｔ２／βであることを特徴とする面発光レーザ素子の製造方法。
9. 前記メサ形状を、ドライエッチングにより形成することを特徴とする請求項８に記載の面発光レーザ素子の製造方法。

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