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JP2017034210A - 面発光レーザ素子及び原子発振器 - Google Patents

面発光レーザ素子及び原子発振器 Download PDF

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Abstract

【課題】ＤＢＲが半導体材料により形成されており、ＤＢＲの途中に波長調整層が設けられている面発光レーザ素子において、レーザの発振閾値電流を低くすることのできる面発光レーザ素子を提供する。
【解決手段】下部ブラッグ反射鏡と、上部ブラッグ反射鏡と、前記下部ブラッグ反射鏡と前記上部ブラッグ反射鏡との間に形成された、活性層を含む共振器領域と、を有し、前記下部ブラッグ反射鏡または前記上部ブラッグ反射鏡内には、波長調整領域が形成されており、前記波長調整領域は、前記共振器領域が形成されている側より、第２の位相調整層、波長調整層、第１の位相調整層の順で形成されており、前記波長調整領域の光学厚さが略（２Ｎ＋１）×λ／４（Ｎ＝１、２、、、）であり、前記波長調整層の位置は、前記波長調整領域の共振器領域側の端部より、略Ｍ×λ／２（Ｍ＝１、２、、、、）であること（Ｍ≦Ｎ）を特徴とする面発光レーザ素子を提供することにより上記課題を解決する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、面発光レーザ素子及び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る。面発光レーザは、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。
面発光レーザは、活性層を含む共振器領域と、共振器領域の上下に設けられた上部ブラッグ反射鏡及び下部ブラッグ反射鏡とからなる共振器構造を有している（特許文献１）。よって、共振器領域は、発振波長λの光を得るために、共振器領域において波長λの光が共振するように所定の光学厚さで形成されている。上部ブラッグ反射鏡及び下部ブラッグ反射鏡は、屈折率の異なる材料、即ち、低屈折率材料と高屈折率材料とを交互に積層することにより形成されたＤＢＲ(Distributed Bragg Reflector)により形成されている。ＤＢＲにおいては、波長λにおいて高い反射率が得られるように、低屈折率材料及び高屈折率材料は、各材料の屈折率を考慮した光学的な膜厚がλ／４となるように形成されている。
ところで、原子発振器等の用途においては、厳密に所望の波長で発振するＶＣＳＥＬが求められている。このような厳密に所望の波長で発振するＶＣＳＥＬを得る方法としては、１つのチップ内に発振波長が僅かに異なる複数の発光素子を設け、複数の発光素子から所望の発振波長となる発光素子を選択して用いる方法が開示されている（例えば、特許文献２）。この方法では、発振波長を僅かに異ならせるために、上部ＤＢＲの途中に膜厚の異なる波長調整層を形成している。
波長調整層は、２種類の異なる半導体材料を交互に積層することにより形成されている。上部ＤＢＲの全体が半導体多層膜により形成されている場合では、波長調整層を形成している２種類の半導体材料の界面において、２種類の半導体材料のバンドギャップが異なることに起因して、障壁等が生じ抵抗が高くなってしまう。この問題を解消する方法としては、波長調整層における不純物元素の濃度を増やし抵抗を低くすることが考えられるが、この場合、光の吸収が多くなり、ＤＢＲとしての特性の低下を招き、更には、ＶＣＳＥＬの発振閾値電流が高くなる等の問題が生じる。
従って、ＤＢＲが半導体材料により形成されており、ＤＢＲの途中に波長調整層が設けられている面発光レーザ素子において、レーザの発振閾値電流を低くすることのできる面発光レーザ素子が求められている。
本実施の形態の一観点によれば、下部ブラッグ反射鏡と、上部ブラッグ反射鏡と、前記下部ブラッグ反射鏡と前記上部ブラッグ反射鏡との間に形成された、活性層を含む共振器領域と、を有し、前記下部ブラッグ反射鏡または前記上部ブラッグ反射鏡内には、波長調整領域が形成されており、前記波長調整領域は、前記共振器領域が形成されている側より、第２の位相調整層、波長調整層、第１の位相調整層の順で形成されており、前記波長調整領域の光学厚さが略（２Ｎ＋１）×λ／４（Ｎ＝１、２、、、）であり、前記波長調整層の位置は、前記波長調整領域の共振器領域側の端部より、略Ｍ×λ／２（Ｍ＝１、２、、、、）であること（Ｍ≦Ｎ）を特徴とする。
開示の面発光レーザ素子によれば、ＤＢＲが半導体材料により形成されており、ＤＢＲの途中に波長調整層が設けられている面発光レーザ素子において、レーザの発振閾値電流を低くすることができる。
ウェハに成膜される半導体層の膜厚分布の説明図 第１の実施の形態における面発光レーザ素子の構造図 第１の実施の形態における面発光レーザ素子の要部の構造図 第１の実施の形態における面発光レーザ素子の波長調整領域の説明図 第２の実施の形態における面発光レーザ素子の要部の構造図 第２の実施の形態における面発光レーザ素子の波長調整領域の説明図 第３の実施の形態における原子発振器の構造図 ＣＰＴ方式を説明する原子エネルギー準位の説明図 面発光レーザ変調時における出力波長の説明図 変調周波数と透過光量との相関図
本発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
〔第１の実施の形態〕
ところで、面発光レーザ素子であるＶＣＳＥＬは、結晶基板の上に、半導体層をエピタキシャル成長させることにより形成されている。半導体層のエピタキシャル成長には、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）等が用いられる。このようにエピタキシャル成長により形成された半導体膜は、例えば、ＭＯＣＶＤの場合では、エピタキシャル成長させる際のガスの分布やウェハの温度分布により、ウェハ表面における半導体膜の膜厚が不均一となる場合がある。このように膜厚が不均一となる半導体膜により、面発光レーザ素子の共振器やＤＢＲが形成されると、１枚のウェハ内における面発光レーザ素子の発振波長にバラツキが生じ、１枚のウェハから得られる所望の発振波長の面発光レーザ素子の数が少なくなってしまう。
例えば、ＭＯＣＶＤにより半導体膜をエピタキシャル成長させた場合について考える。この場合、図１に示すように、１枚のウェハ１０の中心部分となる領域１０ａの膜厚が厚くなり、中心部分から離れるに伴い、領域１０ｂ、領域１０ｃ、領域１０ｄの順に薄くなるような膜厚分布が生じる場合がある。このため、同じ条件で面発光レーザ素子を作製した場合には、領域１０ａにおける面発光レーザ素子、領域１０ｂにおける面発光レーザ素子、領域１０ｃにおける面発光レーザ素子、領域１０ｄにおける面発光レーザ素子の発振波長がすべて異なってしまう。即ち、ウェハ１０の領域１０ａにおいて作製される面発光レーザ素子の発振波長が所望の波長である場合には、領域１０ｄにおいて作製される面発光レーザ素子の発振波長は所望の波長から大きくずれてしまう。従って、原子発振器等の発振波長が厳密な用途においては、発振波長が厳密に所望の波長となるウェハ１０の領域１０ａにおける面発光レーザ素子は用いることができるが、領域１０ｂ、領域１０ｃ、領域１０ｄにおける面発光レーザ素子は用いることができない。このように、原子発振器等の発振波長が厳密な用途において用いることのできる面発光レーザ素子は、一枚のウェハ１０から得られる数が少なく、コストアップ等を招く。よって、原子発振器等の発振波長が厳密な用途に用いることが可能な面発光レーザ素子を高い歩留まりで製造することが求められている。
（面発光レーザ素子）
本実施の形態における面発光レーザ素子について図２に基づき説明する。本実施の形態における面発光レーザ素子は、発振波長が８９４．６ｎｍの面発光レーザ素子であり、基板１０１の上に、半導体層を積層することにより形成されている。具体的には、基板１０１の上に、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、第２の上部ブラッグ反射鏡１０６、第１の上部ブラッグ反射鏡１０７、コンタクト層１０９を順に積層することにより形成されている。尚、本実施の形態における面発光レーザ素子は、基板１０１の表面となる半導体層が積層されている面よりレーザ光が出射される。
基板１０１は、半導体基板であるｎ−ＧａＡｓ基板により形成されている。下部ブラッグ反射鏡１０２は、下部ＤＢＲであり、各層がλ／４の光学厚さで３５．５ペアのｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層とｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とを交互に積層することにより形成されている。
下部スペーサ層１０３は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓにより形成されている。活性層１０４は、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層／ＧａＩｎＰＡｓ障壁層による量子井戸構造により形成されている。上部スペーサ層１０５は、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓにより形成されている。本実施の形態においては、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５により膜厚が１波長（１λ）となる共振器領域１１０が形成される。第２の上部ブラッグ反射鏡１０６及び第１の上部ブラッグ反射鏡１０７は、各層λ／４の光学厚さで５ペアのｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ高屈折率層とｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ低屈折率層とを交互に積層することにより形成されている。
本実施の形態においては、第２の上部ブラッグ反射鏡１０６と第１の上部ブラッグ反射鏡１０７との間に、波長調整領域１２０が形成されている。このため、本願では、第２の上部ブラッグ反射鏡１０６、波長調整領域１２０、第１の上部ブラッグ反射鏡１０７を含めて上部ブラッグ反射鏡と記載する場合がある。この上部ブラッグ反射鏡が上部ＤＢＲとなる。
また、第２の上部ブラッグ反射鏡１０６の途中には、ｐ−ＡｌＡｓにより電流狭窄層１０８が形成されている。電流狭窄層１０８は、電流狭窄層１０８の周辺部分より酸化することにより選択酸化領域１０８ａが形成されており、酸化されていない中央部分が電流狭窄領域１０８ｂとなり、電流狭窄構造となっている。
コンタクト層１０９は、ｐ−ＧａＡｓにより形成されており、コンタクト層１０９の上には、上部電極１１１が形成されている。また、基板１０１の裏面には、下部電極１１２が形成されている。本実施の形態における面発光レーザ素子では、半導体層の一部を除去することによりメサが形成されており、メサを形成することにより露出した半導体層の側面を保護するために、ＳｉＮ等の誘電体膜により保護層１５１が形成されている。更に、メサを形成する際に半導体層が除去された領域には、ポリイミド等の樹脂材料を埋め込むことにより、樹脂層１５２が形成されている。
本実施の形態においては、波長調整領域１２０は、第２の上部ブラッグ反射鏡１０６と第１の上部ブラッグ反射鏡１０７との間に設けられており、上部ブラッグ反射鏡における高屈折率層と置き換えられている。
図３及び図４に示されるように、波長調整領域１２０は、第２の上部ブラッグ反射鏡１０６の上に、共振器領域１１０の側より、第２の位相調整層１３２、波長調整層１４０、第１の位相調整層１３１の順に形成されている。尚、図３においては、第２の上部ブラッグ反射鏡１０６内に形成されている電流狭窄層１０８は省略されている。波長調整層１４０は、面発光レーザ素子における発振波長を調整するものであり、本実施の形態においては、最大で３層設けられている。波長調整層１４０は、２種類のエッチング条件の異なる半導体材料を交互に積層することにより形成されており、本実施の形態においては、図４に示されるように、ｐ＋＋−ＧａＩｎＰ、ｐ＋＋−ＧａＡｓＰを交互に積層することにより形成されている。具体的には、波長調整層１４０は、ｐ＋＋−ＧａＩｎＰにより形成される第３の調整層１４３、ｐ＋＋−ＧａＡｓＰにより形成される第２の調整層１４２、ｐ＋＋−ＧａＩｎＰにより形成される第１の調整層１４１が順に積層されている。本実施の形態においては、波長調整層１４０には、不純物元素として、Ｚｎが１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度でドープされている。
本実施の形態においては、波長調整層１４０における層数を変えることにより、波長調整領域１２０における光学的な厚さを面発光レーザ素子ごとに変えることができる。これにより、１枚のウェハから得られる発振波長が所望の波長となる面発光レーザ素子の割合を増やすことができ、歩留まりを向上させることができる。
ここで、波長調整層１４０が、第３の調整層１４３、第２の調整層１４２、第１の調整層１４１の３層により形成されている場合について考える。この場合において、膜厚が均一であれば、波長調整層１４０が３層の調整層の場合の発振波長は波長λ１、波長調整層１４０が２層の調整層の場合の発振波長は波長λ２、波長調整層１４０が１層の調整層の場合の発振波長は波長λ３となる。また、波長調整層１４０が形成されていない場合には発振波長が波長λ４となる。このように、波長調整層１４０における層数を変えることにより、発振波長が、波長λ１、λ２、λ３、λ４の４つの異なる波長の面発光レーザ素子を得ることができる。
特許文献２に記載されている波長調整層より上の上部ブラッグ反射鏡が誘電体材料により形成されている面発光レーザ素子では、半導体材料により形成されている波長調整層より誘電体材料により形成されている誘電体層の方が大幅に屈折率が低くなる。このため、波長調整層と誘電体層との界面が縦モードの腹位置となるように形成する必要がある。もし、波長調整層と誘電体層との界面が縦モードの節位置となるように形成した場合には、波長調整層と誘電体材料により形成された上部ブラッグ反射鏡の界面においては、逆相で光が反射することとなる。
このため、発明者は、波長調整層より上の上部ブラッグ反射鏡が半導体材料により形成されている構造の面発光レーザ素子について、鋭意実験等を含む検討を行った。この結果、図３に示されるように、波長調整領域１２０の上端が縦モードの腹に、下端が縦モードの節に位置するよう形成し、波長調整領域１２０内の縦モードの節位置に波長調整層１４０を形成することにより、波長調整機能が損なわれることなく、発振閾値電流の低減等の特性改善を図ることができることを見出した。本実施の形態は、このように発明者により見出された知見に基づくものである。
具体的には、波長調整層１４０に用いている２つの半導体材料であるＧａＩｎＰとＧａＡｓＰの屈折率が各々３．３、３．５と異なっている。この波長調整層１４０が縦モードの腹の位置にある場合には、散乱損失の要因になるが、波長調整層１４０が節の位置にある場合には、散乱損失の要因の影響が抑制される。
また、波長調整層１４０より上の上部ブラッグ反射鏡が半導体材料により形成されている面発光レーザ素子では、波長調整層１４０を形成している２種類の層の界面等において、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。このため、電気抵抗を低減し、電気伝導性を高めるため、波長調整層１４０にドープされる不純物元素の濃度を高める方法が考えられる。
しかしながら、波長調整領域１２０内において、縦モードの腹位置に不純物元素が高濃度にドープされた領域を形成すると、この領域における光吸収が大きくなり、発振閾値電流が高くなったり、スロープ効率の低下等の問題が生じてしまう。これに対し、本実施の形態においては、縦モードの節位置に波長調整層１４０が形成されている。このため、波長調整層１４０にドープされる不純物元素の濃度を高くしても、発振閾値電流が高くなることや、スロープ効率の低下等させることなく、電気抵抗を低くすることができる。このように、面発光レーザ素子において、電気抵抗を低減させることにより、面発光レーザ素子の発熱が抑制され、面発光レーザ素子より出射されるレーザ光の最高光出力を増加させることができる。
上述したように、本実施の形態においては、波長調整領域１２０は、第２の位相調整層１３２、波長調整層１４０、第１の位相調整層１３１の順に形成されている。具体的には、第２の位相調整層１３２及び第１の位相調整層１３１は、ｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓにより形成されている。波長調整層１４０は、ｐ＋＋−ＧａＩｎＰ／ｐ＋＋−ＧａＡｓＰ／ｐ＋＋−ＧａＩｎＰの計３層で形成されている。波長調整領域１２０は、上述したように、第２の上部ブラッグ反射鏡１０６と第１の上部ブラッグ反射鏡１０７との間に形成されており、上部ブラッグ反射鏡における高屈折率層と置き換えた構造となっている。
図２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の全体における光学厚さｔ１は略３λ／４となるように形成されている。また、波長調整領域１２０において、波長調整領域１２０の下端から、波長調整層１４０の中心までの光学距離ｐ１は、略λ／２となっている。即ち、波長調整層１４０が、ｐ＋＋−ＧａＩｎＰ／ｐ＋＋−ＧａＡｓＰ／ｐ＋＋−ＧａＩｎＰの計３層で形成されている場合には、真ん中の層となるｐ＋＋−ＧａＡｓＰの中心までの光学距離ｐ１は、λ／２となっている。
尚、波長調整領域１２０の全体における光学厚さｔ１が略５λ／４となるように形成した場合には、波長調整層１４０は、波長調整領域１２０の下端からの光学距離ｐ１がλ／２またはλとなる位置に形成されていればよい。また、波長調整領域１２０の全体における光学厚さｔ１が略７λ／４となるように形成した場合には、波長調整層１４０は、波長調整領域１２０の下端からの光学距離ｐ１がλ／２、λ、３λ／２のいずれかとなる位置に形成されていればよい。
即ち、波長調整領域１２０の光学厚さが略（２Ｎ＋１）×λ／４（Ｎ＝１、２、、、）であり、波長調整層１４０の位置は、波長調整領域１２０の共振器領域１１０側の端部より、略Ｍ×λ／２（Ｍ＝１、２、、、、）となっている（Ｍ≦Ｎ）。
また、本実施の形態においては、波長調整層１４０を形成しているｐ＋＋−ＧａＩｎＰ／ｐ＋＋−ＧａＡｓＰ／ｐ＋＋−ＧａＩｎＰの３層の各々の光学厚さは０．０５λとなるように形成されている。これにより、波長調整層１４０における調整層の層数を変化させた場合には、面発光レーザ素子における発振波長の間隔が１ｎｍ間隔となる。尚、本実施の形態においては、上部ブラッグ反射鏡の高屈折率層を波長調整領域１２０に置き換えた構造のものである。この構造の場合、後述する低屈折率層と置き換えた第２の実施の形態における構造と比較して、Ａｌを含む混晶を波長調整層の材料として使うことを避けることができる。これにより、波長調整層の各々の層を選択エッチングする際に、波長調整層における各々の層の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。
（面発光レーザ素子の製造方法）
本実施の形態における面発光レーザ素子を製造する際、半導体層は、ＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法等によるエピタキシャル成長により形成する。具体的には、基板１０１の上に、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、第２の上部ブラッグ反射鏡１０６、第２の位相調整層１３２、３層の波長調整層１４０を順に結晶成長により形成する。この際、基板１０１となるウェハ上において、共振波長を計測する。尚、電流狭窄層１０８は、第２の上部ブラッグ反射鏡１０６を形成している高屈折率層の１層として形成される。
次に、レジストパターニングと選択エッチングを繰り返して行うことにより、ウェハ全体のできるだけ広い領域において、共振波長が所望の波長となるように、波長調整層１４０における層数を領域ごとに異なるように形成する。
例えば、図１に示すように、ＭＯＣＶＤにおける成膜では、ウェハ１０の中心部分となる領域１０ａの膜厚が厚く、領域１０ｂ、領域１０ｃ、領域１０ｄと周辺になるに伴い、膜厚が薄くなる。この場合において、便宜上、ウェハ１０の領域１０ｄにおいて形成される面発光レーザ素子を基準とすると、領域ｃにおいて発振波長が１ｎｍ長くなり、領域ｂにおいて発振波長が２ｎｍ長くなり、領域ａにおいて発振波長が３ｎｍ長くなるものとする。
この場合、最初に、ウェハ１０の表面にフォトレジストの塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、ウェハ１０の領域１０ａ、１０ｂ、１０ｃに開口部を有するレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンが形成されていないウェハ１０の領域１０ａ、１０ｂ、１０ｃにおける波長調整層１４０の第１の調整層１４１をウェットエッチングにより除去する。更に、この後、レジストパターンも有機溶剤等により除去する。
次に、ウェハ１０の表面にフォトレジストの塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、ウェハ１０の領域１０ａ、１０ｂに開口部を有するレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンが形成されていないウェハ１０の領域１０ａ、１０ｂにおける波長調整層１４０の第２の調整層１４２をウェットエッチングにより除去する。更に、この後、レジストパターンも有機溶剤等により除去する。
次に、ウェハ１０の表面にフォトレジストの塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、ウェハ１０の領域１０ａに開口部を有するレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンが形成されていないウェハ１０の領域１０ａにおける波長調整層１４０の第３の調整層１４３をウェットエッチングにより除去する。更に、この後、レジストパターンも有機溶剤等により除去する。
尚、上記ウェットエッチングにおいては、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、水の混合液を用いることができ、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。
これにより、ウェハ１０における領域１０ａでは、波長調整層１４０の３層はすべて除去される。また、ウェハ１０における領域１０ｂでは、波長調整層１４０のうちの１層が残り、ウェハ１０における領域１０ｃでは、波長調整層１４０のうちの２層が残り、ウェハ１０における領域１０ｄでは、波長調整層１４０のうちの３層が残る。
本実施の形態においては、ウェハ１０に成膜される半導体層が膜厚分布を有する場合であっても、この膜厚分布に対応して、波長調整層１４０における層数を異なるように形成することができる。これにより、ウェハ１０における領域１０ａ、領域１０ｂ、領域１０ｃ、領域１０ｄにおいて形成される面発光レーザ素子の発振波長を略均一にすることができ、歩留まりを向上させることができる。
次に、波長調整層１４０より上の半導体層を形成する。具体的には、波長調整層１４０または第２の位相調整層１３２の上に、第１の位相調整層１３１、第１の上部ブラッグ反射鏡１０７、コンタクト層１０９をＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法による再結晶成長により形成する。
次に、第２の上部ブラッグ反射鏡１０６に形成されている電流狭窄層１０８の側面が露出するまで、半導体層をエッチングにより除去することにより、メサを形成する。この後、メサの側面より、電流狭窄層１０８の周囲を選択酸化することにより選択酸化領域１０８ａを形成し、選択酸化されなかった領域が電流狭窄領域１０８ｂとなる。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ることができる。メサの上面から見た形状は、円形の他に、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。
メサを形成した後、水蒸気中で熱処理することにより、側面の露出している電流狭窄層１０８となるＡｌＡｓが側面より酸化されＡｌｘＯｙ等の絶縁物となり、電流狭窄層１０８の周辺部分に選択酸化領域１０８ａが形成される。このように電流狭窄層１０８に選択酸化領域１０８ａを形成することにより、電流狭窄層１０８において酸化されていない中心部分が電流狭窄領域１０８ｂとなり、駆動電流の経路を中心部分の電流狭窄領域１０８ｂに制限することができる。このような構造は、電流狭窄構造と呼ばれている。
次に、メサの側面及び上面を含む全面に、ＳｉＮにより保護層１５１を形成し、更に、メサを形成する際に、半導体層がエッチングされた領域にポリイミドを埋め込むことにより平坦化し樹脂層１５２を形成する。この後、コンタクト層１０９の上の保護層１５１及び樹脂層１５２を除去し、コンタクト層１０９上のレーザ光が出射される領域の周囲に、ｐ側個別電極となる上部電極１１１を形成する。尚、基板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。
本実施の形態においては、メサを形成することにより露出した半導体層の側面や、メサの周囲の底面を誘電体であるＳｉＮにより保護層１５１を形成することにより、保護されるため、面発光レーザ素子の信頼性を向上させることができる。特に、半導体層が腐食されやすいＡｌを含む半導体層である場合には、効果を発揮する。
尚、本実施の形態においては、波長調整領域１２０が上部ブラッグ反射鏡内に設けられた場合について説明したが、波長調整領域１２０は下部ブラッグ反射鏡内に設けられたものであってもよい。
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態における面発光レーザ素子は、第１の実施の形態と同様に、電流狭窄構造を有する８９４．６ｎｍの面発光レーザ素子である。第１の実施の形態における面発光レーザ素子は、波長調整領域１２０が上部ブラッグ反射鏡における高屈折率層と置き換えられているのに対し、本実施の形態における面発光レーザ素子は、波長調整領域が低屈折率層と置き換えられている。
本実施の形態における面発光レーザ素子の全体の構造は図１に示されるものと同じである。本実施の形態においては、波長調整領域が上部ブラッグ反射鏡における低屈折率層と置き換えられるように、第２の上部ブラッグ反射鏡１０６及び第１の上部ブラッグ反射鏡１０７が形成されている。
本実施の形態においては、図５及び図６に示されるように、波長調整領域２２０は、第２の上部ブラッグ反射鏡１０６と第１の上部ブラッグ反射鏡１０７との間に形成されている。波長調整領域２２０は、第２の上部ブラッグ反射鏡１０６の上に、共振器領域１１０の側より、第２の位相調整層２３２、波長調整層２４０、第１の位相調整層２３１の順に形成されている。図５に示されるように、波長調整領域２２０の上端は縦モードの節に、下端は縦モードの腹となり、波長調整層２４０は、縦モードの節に位置するように形成されている。尚、図５においては、第２の上部ブラッグ反射鏡１０６内に形成されている電流狭窄層１０８は省略されている。
波長調整層２４０は、面発光レーザ素子における発振波長を調整するものであり、本実施の形態においては、最大で３層設けられている。波長調整層２４０は、２種類のエッチング条件の異なる材料を交互に積層することにより形成されており、具体的には、ｐ＋＋−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３) ０．５Ｉｎ０．５Ｐとｐ＋＋−Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓとを交互に積層することにより形成されている。即ち、波長調整層２４０は、第３の調整層２４３のｐ＋＋−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３) ０．５Ｉｎ０．５Ｐ、第２の調整層２４２のｐ＋＋−Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ、第１の調整層２４１のｐ＋＋−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３) ０．５Ｉｎ０．５Ｐが順に積層されている。本実施の形態においては、波長調整層２４０には、不純物元素として、Ｚｎが１×１０１８ｃｍ−３以上の濃度でドープされている。
本実施の形態においては、波長調整層２４０における層数を変えることにより、波長調整領域２２０における光学的な厚さを面発光レーザ素子ごとに変えることができる。これにより、１枚のウェハから得られる発振波長が所望の波長となる面発光レーザ素子の割合を増やすことができ、歩留まりを向上させることができる。
図５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２２０の全体における光学厚さｔ２は略３λ／４となるように形成されている。また、波長調整領域２２０において、波長調整領域２２０の下端から、波長調整層２４０の中心までの光学距離ｐ２は、略λ／４となっている。波長調整層２４０が、ｐ＋＋−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３) ０．５Ｉｎ０．５Ｐ／ｐ＋＋−Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ／ｐ＋＋−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３) ０．５Ｉｎ０．５Ｐの計３層である場合、中央の層の中心までの光学距離ｐ２が、λ／４となっている。即ち、波長調整層２４０における中央の層となるｐ＋＋−Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓの中心までの光学距離ｐ２が、λ／４となっている。
尚、波長調整領域２２０の全体における光学厚さｔ２が略５λ／４となるように形成した場合には、波長調整層２４０は、波長調整領域２２０の下端からの光学距離ｐ２がλ／４または３λ／４となる位置に形成されていればよい。また、波長調整領域２２０の全体における光学厚さｔ１が略７λ／４となるように形成した場合には、波長調整層２４０は、波長調整領域２２０の下端からの光学距離ｐ２がλ／４、３λ／４、５λ／４のいずれかとなる位置に形成されていればよい。
即ち、波長調整領域２２０の光学厚さは、略（２Ｎ＋１）×λ／４（Ｎ＝１、２、、、）であり、波長調整層２４０の位置は、波長調整領域２２０の共振器領域１１０側の端部より、略（２Ｍ＋１）×λ／４（Ｍ＝１、２、、、、）となっている（Ｍ≦Ｎ−１）。
本実施の形態では、波長調整層２４０を形成しているｐ＋＋−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３) ０．５Ｉｎ０．５Ｐ／ｐ＋＋−Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ／ｐ＋＋−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３) ０．５Ｉｎ０．５Ｐの３層における各々の光学厚さは０．０５λとなっている。よって、波長調整層２４０における調整層の層数を変化させた場合には、面発光レーザ素子における発振波長の間隔が１ｎｍ間隔となるように形成されている。
尚、本実施の形態においては、波長調整層２４０を形成しているｐ＋＋−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３) ０．５Ｉｎ０．５Ｐ及びｐ＋＋−Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓの屈折率は、いずれも３．１である。よって、第１の実施の形態における面発光レーザ素子と比べて屈折率差が小さい。このように、波長調整層２４０を形成している２種類の材料の屈折率差が小さいと、波長調整層２４０における散乱損失を少なくすることができる。
上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。
〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１または第２の実施の形態における面発光レーザ素子を用いた原子発振器である。図７に基づき本実施の形態における原子発振器について説明する。本実施の形態における原子発振器は、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（非特許文献１、特許文献３）。
尚、本実施の形態は、面発光レーザ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り発振周波数を制御する原子発振器である。
光源４１０は、第１または第２の実施の形態における面発光レーザ素子が用いられている。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は、フォトダイオードが用いられている。
本実施の形態のおける原子発振器では、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８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、もしくは出力を変化させてチューニングすることができる。図９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１０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、光検出器の出力が最大値を保持するように変調器においてフィードバックする。これにより、光源４１０とな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。尚、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（非特許文献２）。
本実施の形態における原子発振器は、第１または第２の実施の形態における面発光レーザ素子を用いている。一般的には、面発光レーザでは、結晶成長での膜厚のバラツキにより上記±１ｎｍの範囲の均一な発振波長を得ることが困難であるが、第１または第２の実施の形態における面発光レーザ素子は、高い歩留まりでウェハ内における発振波長を揃えることができる。これにより、８９４．６ｎｍに近い発振波長の面発光レーザ素子を多くを得ることができ、厳格な発振波長が求められる面発光レーザ素子の歩留まりを向上させることができるため、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。尚、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および第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。
１０ ウェハ
１０ａ 領域
１０ｂ 領域
１０ｃ 領域
１０ｄ 領域
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 第２の上部ブラッグ反射鏡
１０７ 第１の上部ブラッグ反射鏡
１０８ 電流狭窄層
１０８ａ 選択酸化領域
１０８ｂ 電流狭窄領域
１０９ コンタクト層
１１０ 共振器領域
１１１ 上部電極
１１２ 下部電極
１２０ 波長調整領域
１３１ 第１の位相調整層
１３２ 第２の位相調整層
１４０ 波長調整層
１４１ 第１の調整層
１４２ 第２の調整層
１４３ 第３の調整層
１５１ 保護層
１５２ 樹脂層
特開２００８−５３３５３号公報 特開２０１３‐１３８１７６公報 特開２００９−１８８５９８号公報
Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ， ｖｏｌ．３，ｐｐ．５７１−６１２ Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．６１３２ ６１３２０８−１（２００６）

Claims (12)

  1. 下部ブラッグ反射鏡と、
    上部ブラッグ反射鏡と、
    前記下部ブラッグ反射鏡と前記上部ブラッグ反射鏡との間に形成された、活性層を含む共振器領域と、
    を有し、
    前記下部ブラッグ反射鏡または前記上部ブラッグ反射鏡内には、波長調整領域が形成されており、
    前記波長調整領域は、前記共振器領域が形成されている側より、第２の位相調整層、波長調整層、第１の位相調整層の順で形成されており、
    前記波長調整領域の光学厚さが略（２Ｎ＋１）×λ／４（Ｎ＝１、２、、、）であり、
    前記波長調整層の位置は、前記波長調整領域の共振器領域側の端部より、略Ｍ×λ／２（Ｍ＝１、２、、、、）であること（Ｍ≦Ｎ）を特徴とする面発光レーザ素子。
  2. 下部ブラッグ反射鏡と、
    上部ブラッグ反射鏡と、
    前記下部ブラッグ反射鏡と前記上部ブラッグ反射鏡との間に形成された、活性層を含む共振器領域と、
    を有し、
    前記下部ブラッグ反射鏡または前記上部ブラッグ反射鏡内には、波長調整領域が形成されており、
    前記波長調整領域は、前記共振器領域が形成されている側より、第２の位相調整層、波長調整層、第１の位相調整層の順で形成されており、
    前記波長調整領域の光学厚さが略（２Ｎ＋１）×λ／４（Ｎ＝１、２、、、）であり、
    前記波長調整層の位置は、前記波長調整領域の共振器領域側の端部より、略（２Ｍ＋１）×λ／４（Ｍ＝１、２、、、、）であること（Ｍ≦Ｎ−１）を特徴とする面発光レーザ素子。
  3. 下部ブラッグ反射鏡と、
    上部ブラッグ反射鏡と、
    前記下部ブラッグ反射鏡と前記上部ブラッグ反射鏡との間に形成された、活性層を含む共振器領域と、
    を有し、
    前記下部ブラッグ反射鏡または前記上部ブラッグ反射鏡内には、波長調整領域が形成されており、
    前記波長調整領域は、前記共振器領域が形成されている側より、第２の位相調整層、波長調整層、第１の位相調整層の順で形成されており、
    前記波長調整領域の一端は縦モードの腹に、他端は縦モードの節にそれぞれ位置し、
    前記波長調整層は、縦モードの節に位置することを特徴とする面発光レーザ素子。
  4. 前記波長調整層は、２種類の異なる材料を積層することにより形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
  5. 前記波長調整層は、２種類の異なる材料を積層することにより形成されており、
    前記２種類の異なる材料のうちの一方がＧａＩｎＰであり、他方がＧａＡｓＰまたはＧａＡｓであることを特徴とする請求項１または３に記載の面発光レーザ素子。
  6. 前記波長調整層は、２種類の異なる材料を積層することにより形成されており、
    前記２種類の異なる材料のうちの一方がA ｌＧａＩｎＰであり、他方がA ｌＧａＡｓであることを特徴とする請求項２または３に記載の面発光レーザ素子。
  7. 前記下部ブラッグ反射鏡及び前記上部ブラッグ反射鏡は、半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
  8. 前記波長調整層１４０における不純物元素の濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
  9. 波長が、７８０．２ｎｍ、７９５．０ｎｍ、８５２．３ｎｍ、８９４．６ｎｍであることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の面発光レーザ素子。
  10. 請求項１から９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における面発光レーザ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ことを特徴とする原子発振器。
  11. 前記２つの異なる波長の光は、ともに前記面発光レーザより出射したサイドバンドの光であることを特徴とする請求項１０に記載の原子発振器。
  12. 前記アルカリ金属は、ルビジウム、または、セシウムであることを特徴とする請求項１０または１１に記載の原子発振器。
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