專利名稱：面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器。

背景技術(shù)：
近年來，隨著面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器的用途不斷擴(kuò)大，人們期待在減少面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器的振蕩模數(shù)的同時實(shí)現(xiàn)高輸出。例如，在具有氧化狹窄層(oxide aperture)的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器中，通過減小氧化狹窄層的開口直徑，可以減少模數(shù)。
另一方面，半導(dǎo)體激光器的輸出隨被注入的電流增大，并在某一電流值中達(dá)到最大值(下降點(diǎn))。這是因?yàn)樵诎雽?dǎo)體激光器中，由于電流注入，設(shè)備溫度上升的同時，增益頻譜偏移，并在某一溫度時增益達(dá)到最大值。例如，面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器的氧化狹窄層的開口直徑較小時，由于設(shè)備溫度易于上升，且在低電流值處到達(dá)下降點(diǎn)，所以存在無法獲得充分輸出的問題。因此，為了防止設(shè)備溫度的上升，例如，在下面的專利文獻(xiàn)1中公開了一種技術(shù)在發(fā)光部的周邊部挖出到達(dá)電流狹窄部的槽(groove)，并在該槽上形成直接電極，從而縮短從發(fā)熱部到電極的距離，并提高散熱性。
專利文獻(xiàn)1日本特開2003-86895號公報

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以減少激光的振蕩模數(shù)、并與單純地減小電流狹窄層的直徑的情況相比可實(shí)現(xiàn)高輸出的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器。
本發(fā)明涉及的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器包括下部反射鏡；活性層，形成在上述下部反射鏡的上面；以及上部反射鏡，形成在上述活性層的上面，其中，上述下部反射鏡及上述上部反射鏡是層疊了多個單位多層膜的多層膜反射鏡，上述單位多層膜包括在上下方向被層疊的一組低折射率層和高折射率層，上述單位多層膜滿足下式(1)，上述活性層滿足下式(2)， dD＜λ/2nD ...(1) dA＞mλ/2nA ...(2) 其中，λ是上述面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器100的設(shè)計(jì)波長，m是正整數(shù)，dD是上述單位多層膜的厚度，nD是上述單位多層膜的平均折射率，dA是上述活性層的厚度，nA是上述活性層的平均折射率。
對于本發(fā)明涉及的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器，滿足上述算式(1)及(2)。由此，不考慮電流狹窄層的厚度或直徑等，幾乎不使在上述活性層中共振的光(下面稱為“共振光”)中低階的共振模成分的能量增加率減少，就可以使高階的共振模成分的共振光的能量增加率減少。這就是，在后述數(shù)值計(jì)算例中也是可以確認(rèn)的。其結(jié)果是，與單純地減小電流狹窄層的開口直徑的情況相比，未使面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器的輸出減少，且可不使高階的共振模成分的共振光進(jìn)行激光振蕩。因此，根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種可以減少激光的振蕩模數(shù)、且與單純地減小電流狹窄層的直徑的情況相比可實(shí)現(xiàn)高輸出的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器。
此外，在本發(fā)明中，所謂設(shè)計(jì)波長是指在上述面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器中所產(chǎn)生的光中強(qiáng)度最大的光的波長。
而且，在本發(fā)明涉及的記載中，所謂“上面”一詞用于例如“在指定的物體(以下稱為‘A’)的‘上面’形成的其他指定的物體(以下稱為‘B’)”等。在本發(fā)明涉及的記載中，在該例的情況下，當(dāng)在A上直接形成B時、或者在A上通過其它物體形成B時，均可以使用“上面”一詞。
而且，在本發(fā)明中，當(dāng)描述“沿上下方向被層疊的一組低折射率層和高折射率層”時，也包括在低折射率層和高折射率層之間層疊其他層的情況。
而且，在本發(fā)明涉及的記載中，例如，λ/2nD表示λ/(2nD)。
在本發(fā)明涉及的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器中，上述多個單位多層膜中的至少一個滿足上述算式(1)。
在本發(fā)明涉及的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器中，上述多個單位多層膜中的全部單位多層膜滿足上述算式(1)。
在本發(fā)明涉及的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器中，不滿足上述算式(1)的上述單位多層膜可以滿足下式(3)， dD＝λ/2nD ...(3) 在本發(fā)明涉及的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器中，可以滿足下式(4)， dH+dL＜λ/4nL+λ/4nH...(4) 其中，dH是上述低折射率層的厚度，dL是上述高折射率層的厚度，nL是上述低折射率層的折射率，nH是上述高折射率層的折射率。
在本發(fā)明涉及的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器中，上述下部反射鏡及上述上部反射鏡可以是分布布拉格反射型(DBR)反射鏡。
在本發(fā)明涉及的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器中，在上述活性層中共振的光中低階的共振模成分達(dá)到激光振蕩，高階的共振模成分未達(dá)到激光振蕩。
在本發(fā)明涉及的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器中，在上述活性層中共振的光中低階的共振模成分的能量放大率為正，高階的共振模成分的能量放大率為負(fù)。
在本發(fā)明涉及的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器中，上述低階的共振模成分是0階的共振模成分，上述高階的共振模成分是大于等于一階的共振模成分。



圖1是概略地表示本實(shí)施例涉及的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器的剖面圖； 圖2是概略地表示本實(shí)施例涉及的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器的局部剖面圖； 圖3是概略地表示本實(shí)施的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器的一制造步驟的剖面圖； 圖4是概略地表示本實(shí)施的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器的一制造步驟的剖面圖； 圖5是數(shù)值計(jì)算例的各模的共振光的能量增加率的計(jì)算結(jié)果的示意圖； 圖6是數(shù)值計(jì)算例的各模的共振光的能量增加率的計(jì)算結(jié)果的示意圖； 圖7是實(shí)驗(yàn)例中的模數(shù)和抽樣的總數(shù)的關(guān)系示意圖； 圖8是實(shí)驗(yàn)例中的模數(shù)和抽樣的總數(shù)的關(guān)系的示意圖； 圖9是實(shí)驗(yàn)例中的模數(shù)和抽樣的總數(shù)的關(guān)系的示意圖； 圖10是實(shí)驗(yàn)例中的模數(shù)和抽樣的總數(shù)的關(guān)系示意圖； 圖11是實(shí)驗(yàn)例中的模數(shù)和抽樣的總數(shù)的關(guān)系示意圖； 圖12是實(shí)驗(yàn)例中的模數(shù)和抽樣的總數(shù)的關(guān)系示意圖； 圖13是實(shí)驗(yàn)例涉及的正交的兩個軸的放射角示意圖； 圖14是實(shí)驗(yàn)例涉及的正交的兩個軸的放射角的示意圖；以及 圖15是概略地表示本實(shí)施例的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器的變形例的剖面圖。

具體實(shí)施例方式 下面，參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明。
1.首先，對本實(shí)施例涉及的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器100進(jìn)行說明。
圖1是概略地表示面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器100的剖面圖，圖2是放大表示圖1的區(qū)域V的概略圖。
如圖1所示，面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器100可以包括基板101、下部反射鏡10、活性層103、上部反射鏡20、絕緣層110、第一電極107、第二電極109。
作為基板101，可以使用例如第一導(dǎo)電型(例如n型)GaAs基板等。
在基板101上，形成有例如第一導(dǎo)電型的下部反射鏡10。下部反射鏡10是層疊多個單位多層膜10p的多層膜反射鏡。如圖2所示，單位多層膜10p例如可以包括低折射率層10L、形成在低折射率層10L下的高折射率層10H。即，下部反射鏡10可以是例如交替層疊低折射率層10L和高折射率層10H的分布布拉格反射型(DBR)反射鏡。低折射率層10L可以包括例如n型Al0.9Ga0.1As層(折射率3.049)。高折射率層10H可以包括例如n型Al0.15Ga0.85As層(折射率3.525)。單位多層膜10p的層疊數(shù)(對數(shù))可以是例如35.5對～43.5對等。此外，作為下部反射鏡10的單位多層膜10p，只要是通過重復(fù)單位多層膜10p的層結(jié)構(gòu)而構(gòu)成下部反射鏡10即可。例如，單位多層膜10p可以包括低折射率層10L、以及形成在低折射率層10L上的高折射率層10H。
在下部反射鏡10上形成有活性層103。活性層103例如具有多重量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)，該多重量子阱結(jié)構(gòu)疊加了三層由GaAs阱層和Al0.3Ga0As阻擋層構(gòu)成的量子阱結(jié)構(gòu)。
在活性層103上形成有例如第二導(dǎo)電型(例如p型)的上部反射鏡20。上部反射鏡20是層疊多個單位多層膜20p的多層膜反射鏡。如圖2所示，多層膜20p可以包括低折射率層20L、形成在低折射率層20L下的高折射率層20H。即，上部反射鏡20可以是例如交替層疊低折射率層20L和高折射率層20H的DBR反射鏡。低折射率層20L可以包括例如p型Al0.9Ga0.1As層(折射率3.049)。低折射率層20H可以包括例如p型Al0.15Ga0.85As層(折射率3.525)。單位多層膜20p的層疊數(shù)(對數(shù))可以是例如19對～31對等。此外，作為上部反射鏡20的單位多層膜20p，只要通過重復(fù)單位多層膜20p的層結(jié)構(gòu)而構(gòu)成上部反射鏡20即可。例如，單位多層膜20p可以包括低折射率層20L、形成在低折射率層20L上的高折射率層20H。
在本實(shí)施例中，例如，對于上述多個單位多層膜10p、20p中的全部單位多層膜，可以滿足下式(1)。而且，在本實(shí)施例中，活性層103滿足下式(2)。
dD＜λ/2nD...(1) dA＞mλ/2nA ...(2) 其中， λ是面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器100的設(shè)計(jì)波長， m是正整數(shù)， dD是單位多層膜10p、20p的厚度， nD是單位多層膜10p、20p的平均折射率， dA是活性層103的厚度， nA是活性層103的平均折射率。
此外，dD的下限值及dA的上限值可以由λ是否在多層膜反射鏡(下部反射鏡10及上部反射鏡20)的反射頻帶內(nèi)來決定。在例如包括λ＝850nm的AlxGa1-xAs(x＝0.15、0.90)的多層膜反射鏡中，dD的下限值例如對于λ/2nD可以設(shè)為減小5％左右的值。而且，dA的上限值根據(jù)設(shè)計(jì)波長而適當(dāng)?shù)貨Q定，例如對于mλ/2nA可以設(shè)為增大20％左右的值。
而且，上述算式(1)及(2)可以改寫為下述的算式(A)。
2nD·dD＜λ＜(2nA·dA)/m...(A) 而且，根據(jù)上述算式(1)及(2)，活性層103的厚度dA和單位多層膜10p、20p的厚度dD之比(dA/dD)可以滿足下式(B)。
dA/dD＞mnD/nA ...(B) 設(shè)計(jì)波長λ例如是780nm、580nm、1300nm等，但是，也并不僅限于此。而且，當(dāng)m為例如2時，形成1λ共振器，但是m也并不僅限于此。
在本實(shí)施例中，例如如圖2所示，下部反射鏡10中的多個單位多層膜10p的各層厚度以及上部反射鏡20中的多個單位多層膜20p的各層厚度可以是相同的dD。而且，在本實(shí)施例中，例如，下部反射鏡10中的多個單位多層膜10p的各個平均折射率以及上部反射鏡20中的多個單位多層膜20p的各個平均折射率可以是相同的nD。
而且，例如，下部反射鏡10的多個單位多層膜10p中至少兩個單位多層膜10p的厚度可以各不相同。而且，例如，下部反射鏡10的多個單位多層膜10p中至少兩個單位多層膜10p的平均折射率可以各不相同。同樣地，例如，上部反射鏡20的多個單位多層膜20p中至少兩個單位多層膜20p的厚度及平均折射率可以各不相同。下部反射鏡10及上部反射鏡20中的多個單位多層膜10p、20p中的至少一個滿足上述算式(1)即可。例如，對于不滿足上述算式(1)的單位多層膜10p、20p，可以滿足下式(3)。
dD＝λ/2nD ...(3) 而且，例如如圖2所示，當(dāng)下部反射鏡10的單位多層膜10p包括低折射率層10L和高折射率層10H，上部反射鏡20的單位多層膜20p包括低折射率層20L和高折射率層20H時，上述的算式(1)可以改寫為下式(4)。
dH+dL＜λ/4nL+λ/4nH...(4) 其中， dH是上述低折射率層的厚度， dL是上述高折射率層的厚度， nL是上述低折射率層的折射率， nH是上述高折射率層的折射率。
而且，通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整上述下部反射鏡10中的單位多層膜10p的層疊數(shù)以及上部反射鏡20中的單位多層膜20p的層疊數(shù)，可以調(diào)整面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器100的閾值。
下部反射鏡10、活性層103、以及上部反射鏡20可以構(gòu)成垂直共振器。可以根據(jù)需要，適當(dāng)?shù)貙?gòu)成下部反射鏡10、活性層103、以及上部反射鏡20的各層的組成及層數(shù)進(jìn)行調(diào)整。通過P型的上部反射鏡20、未摻有雜質(zhì)的活性層103、以及n型的下部反射鏡10構(gòu)成pin二極管。上部反射鏡20、活性層103、以及下部反射鏡10的一部分可以構(gòu)成柱狀的半導(dǎo)體堆積體(下面稱為“柱狀部”)30。柱狀部30的平面形狀例如是圓形等。
而且，如圖1所示，例如，可以將構(gòu)成上部反射鏡20的層中的至少一層作為電流狹窄層105。電流狹窄層105形成在靠近活性層103的區(qū)域上。作為電流狹窄層105，可以使用例如將AlGsAs層氧化后的材料或者注入質(zhì)子的材料等。電流狹窄層105是具有開口部的絕緣層。電流狹窄層105形成為環(huán)狀。
在基板101的背面(與下部反射鏡10側(cè)相反的面)上形成有第一電極107。第一電極107通過基板101與下部反射鏡10進(jìn)行電連接。第一電極107例如可以形成在下部反射鏡10的表面上。
在上部反射鏡20及絕緣層110上形成有第二電極109。第二電極109與上部反射鏡20進(jìn)行電連接。第二電極109在柱狀部30上具有開口部。通過該開口部，在上部反射鏡20的表面上形成有未設(shè)置有第二電極109的區(qū)域。該區(qū)域是激光的射出面108。射出面108的平面形狀例如是圓形等。
絕緣層110形成在下部反射鏡10上。絕緣層110形成為包圍柱狀部30。絕緣層110可以使第二電極109和下部反射鏡10電分離。
2.下面，參照附圖對本實(shí)施例涉及的表面發(fā)光型半導(dǎo)體激光100的制造方法的一例進(jìn)行說明。
圖3及圖4是示意地表示圖1所示的本實(shí)施例的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器100的一制造步驟的剖面圖。
(1)首先，如圖3所示，可以準(zhǔn)備例如n型GaAs基板作為基板101。然后，在基板101上，使組成調(diào)制的同時使外延生長，從而形成半導(dǎo)體多層膜150。半導(dǎo)體多層膜150是依次層疊構(gòu)成下部反射鏡10、活性層103、以及上部反射鏡20的半導(dǎo)體層的膜。此外，當(dāng)使上部反射鏡20生長時，可以將活性層103附近的至少一層作為隨后將其氧化并變?yōu)殡娏鳘M窄層105的層。作為變?yōu)殡娏鳘M窄層105的層，可以使用例如Al的組成為大于等于0.95的AlGaAs層等。
(2)下面，如圖4所示，對半導(dǎo)體多層膜150制作圖案，并形成想要的形狀的下部反射鏡10、活性層103、以及上部反射鏡20。由此，形成柱狀部30。半導(dǎo)體多層膜150的圖案可以使用例如光刻技術(shù)及蝕刻技術(shù)來進(jìn)行。
然后，在例如400℃左右的水蒸氣環(huán)境中，投入通過上述步驟而形成有柱狀部30的基板101，從而從側(cè)面氧化變?yōu)樯鲜鲭娏鳘M窄層105的層，形成電流狹窄層105。
(3)接下來，如圖1所示，在下部反射鏡10上，形成絕緣層110，以便包圍柱狀部30。首先，使用例如旋涂法等，在整面形成由聚酰亞胺樹脂等構(gòu)成的絕緣層。然后，使用例如CMP法等使柱狀部30的表面露出。如此，可以形成想要的形狀的絕緣層110。
然后，形成第一電極107及第二電極109。這些電極可以通過例如真空蒸鍍法及提離法(lift-off)的組合等來形成想要的形狀。此外，形成各電極的順序并沒有特別的限定。
(4)通過以上的步驟，如圖1所示，可以獲得本實(shí)施例的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器100。
3.下面，對數(shù)值計(jì)算例進(jìn)行說明。
在本數(shù)值計(jì)算例中，使用時域差分法(FDTD法)，對本實(shí)施例涉及的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器100進(jìn)行光學(xué)模擬。模擬是針對六個抽樣(No.1～6)進(jìn)行的。適用數(shù)值計(jì)算的抽樣構(gòu)成如下所示。
基板101n型GaAs基板(折射率3.62) 下部反射鏡10的單位多層膜10p由n型Al0.9Ga0.1As層(折射率3.049)和n型Al0.15Ga0.85As層(折射率3.525)構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu) 下部反射鏡10的單位多層膜10p的平均折射率nD 2nHnL/(nH+nL)＝3.2697 活性層103疊加三層由GaAs層(折射率3.6201)和Al0.3Ga0.7As層(折射率3.4297)構(gòu)成的量子阱結(jié)構(gòu)的3QW結(jié)構(gòu) 活性層103的平均折射率nA3.3838 上部反射鏡20的單位多層膜20p由p型Al0.9Ga0.1As層(折射率3.049)和p型Al0.15Ga0.85As層(折射率3.525)構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu) 上部反射鏡20的單位多層膜20p的平均折射率nD 2nHnL/(nH+nL)＝3.2697 絕緣層110聚酰亞胺樹脂(折射率1.78) 面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器100的外部空間40空氣(折射率1.00) 柱狀部30的傾斜角(柱形傾斜角)θ80度 俯視時的柱狀部30的外直徑(柱形直徑)約50μm 柱狀部30的下部反射鏡10的對數(shù)4對 電流狹窄層105氧化活性層103上的第一層AlGaAs層后的層(折射率1.6) 電流狹窄層105的開口部直徑13μm 電流狹窄層105的厚度12nm、30nm 設(shè)計(jì)波長λ850nm 上述算式(2)中的m2 此外，在本數(shù)值計(jì)算例的各抽樣中，構(gòu)成下部反射鏡10中多個單位10p的各層的厚度、以及構(gòu)成上部反射鏡20中的多個單位多層膜20p的各層的厚度確定為具有相同比。具體而言，在nH及nL中確定為反比例。而且，將下部反射鏡10中的多個單位多層膜10p的各個平均折射率、以及上部反射鏡20中的多個單位多層膜20p的各個折射率設(shè)定為相同的nD。
而且，各數(shù)值計(jì)算抽樣的活性層103的厚度dA和單位多層膜10p、20p的厚度dD的比dA/dD，如果是No.1和No.4，則為2nD/nA(＝1.9325)的1.15倍，如果是No.2和No.5，則為1.10倍，如果是No.3和No.6，則為1.05倍。而且，作為比較例，對于dA/dD等于2nD/nA的抽樣，即，dD＝λ/4nH+λ/4nL＝λ/2nD(＝0.12998μm)、以及dA＝mλ/2nA(＝0.25119μm)的抽樣，也可以進(jìn)行模擬。
各數(shù)值計(jì)算抽樣(No.1～6)以及比較例中的單位多層膜10p、20p的厚度dD、活性層103的厚度dA、它們之比dA/dD、下部反射鏡10的對數(shù)、以及上部反射鏡20的對數(shù)如表1及表2所示。表1是電流狹窄層105的厚度為12nm的情況，表2是為30nm的情況。此外，雖然為超過AlGaAs的晶格周期的有效位，但是僅為計(jì)算上所使用的值，只要使用結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況的數(shù)值的位數(shù)，則沒有特別問題。調(diào)整各厚度dD及dA，以便設(shè)計(jì)波長λ為850nm。各數(shù)值計(jì)算抽樣(No.1～6)中的厚度dD及dA滿足上述的下式(1)及(2)。
dD＜λ/2nD...(1) dA＞mλ/2nA ...(2) 其中，在本數(shù)值計(jì)算例中，m＝2。
而且，對于各對數(shù)，為了使改變了單位多層膜10p、20p的厚度dD時的反射鏡損失在各抽樣中相等，通過利用一維FDTD法來計(jì)算光子壽命，來計(jì)算出各對數(shù)。這就是為了比較，僅為了同等程度地維持后述0階的共振模成分的光子壽命而進(jìn)行，對數(shù)與本申請不同的情況也不脫離本發(fā)明的范圍。
表1 表2 對于各數(shù)值計(jì)算抽樣(No.1～6)及比較例，在如圖5及圖6中示出使用二維FDTD法計(jì)算0階共振模成分(下面稱為“0階模成分”)和一階共振模成分(下面稱為“一階模成分”)的共振光活性層能量的增加率的結(jié)果。此外，對于活性層103，提供相當(dāng)于電流注入時的增益并進(jìn)行計(jì)算。圖5是電流狹窄層105的厚度為12nm的情況，圖6是為30nm的情況。橫軸是單位多層膜10p、20p的厚度dD，縱軸是活性層能量的增加率。如圖5及圖6所示，如果使dD減小(使dA/dD增大時)，可知，0階模成分的共振光的能量增加率幾乎不發(fā)生變化，相對于此，一階模成分的共振光的能量增加率減少。如果使dD減小時(使dA/dD變大時)，可知一階模成分的共振光的能量增加率轉(zhuǎn)為負(fù)，且變?yōu)槲催_(dá)到激光振蕩的狀態(tài)。即，在共振光中，大于等于一階的共振模成分不進(jìn)行激光振蕩(因此，不從面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器中射出)，僅0階模成分的共振光進(jìn)行激光振蕩(因此，從面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器中射出)。因此，從面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器100中射出的激光的單?；强赡艿?。此外，如圖5及圖6所示可知共振光中的高階共振模成分(例如一階模成分)的減少是可以的，而不考慮電流狹窄層105的厚度。
此外，在上述的數(shù)值計(jì)算例中，作為共振光中低階的共振模成分(下面稱為“低階模成分”)，使用0階模成分，作為高階的共振模成分(下面稱為“高階模成分”)，使用一階模成分，進(jìn)行了模擬，但是本實(shí)施例并不僅限于此。相對于高階模成分，低階模成分只要是階數(shù)較低即可。因此，作為低階模成分，可以使用小于等于三階的共振模成分，作為高階模成分，使用大于等于四階的共振模成分。
4.下面，對實(shí)驗(yàn)例進(jìn)行說明。
在本實(shí)驗(yàn)例中，首先，使用一維的時域差分法(FDTD法)，對本實(shí)施例涉及的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器100進(jìn)行光學(xué)模擬，并進(jìn)行設(shè)計(jì)，以使Q值(由于是一維的計(jì)算，所以相當(dāng)于縱方向的光限制的效果)為相同程度。通過使Q值相同程度地一致，可以使閾值電流、即最低階的模達(dá)到振蕩的電流值相同程度地一致。在本模擬中，是對三個條件A～C的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器而進(jìn)行本模擬。適用了數(shù)字計(jì)算的抽樣的結(jié)構(gòu)如下所述。此外，只要沒有特別記載，都與上述數(shù)值計(jì)算例的抽樣的結(jié)構(gòu)相同。
下部反射鏡10的單位多層膜10p由n型Al0.9Ga0.1As層(折射率3.049)和n型Al0.12Ga0.88As層(折射率3.544)構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu) 下部反射鏡10的單位多層膜10p的平均折射率nD 2nHnL/(nH+nL)＝3.278 活性層103將疊加了三層由GaAs層(折射率3.6201)和Al0.3Ga0.7As層(折射率3.4297)構(gòu)成的量子阱結(jié)構(gòu)的3QW結(jié)構(gòu)通過上下的AlGaAs構(gòu)成的漸變折射率(Graded-index)層進(jìn)行夾持的GRIN-SCH(graded-index separate-confinement heterostructure)結(jié)構(gòu) 活性層103的平均折射率nA3.3838 上部反射鏡20的單位多層膜20p由p型Al0.9Ga0.1As層(折射率3.049)和p型Al0.12Ga0.88As層(折射率3.544)構(gòu)成的兩層結(jié)構(gòu) 上部反射鏡20的單位多層膜20p的平均折射率nD 2nHnL/(nH+nL)＝3.274 電流狹窄層105的開口部直徑(開口部直徑)4.5μm、6.0μm 電流狹窄層105的厚度12nm 而且，各抽樣的活性層103的厚度dA和單位多層膜10p、20p的厚度dD的比dA/dD，如果是條件A，則為2nD/nA(＝r0＝1.96)的1.05倍，如果是條件B，則為1.10倍，如果是條件C，則為1.15倍。而且，作為比較例，對于dA/dD等于2nD/nA的即、dD＝λ/4nH+λ/4nL＝λ/2nD(＝129.66nm)以及dA＝mλ/2nA(＝253.77nm)的也可以進(jìn)行模擬。
各抽樣(條件A～C)以及比較例中的單位多層膜10p、20p的整體厚度dD、該dD的明細(xì)(即，高折射率層10H、20H的厚度及低折射率層10L、20L的厚度)、活性層103的厚度dA、以及dA對dD的比dA/dD如表3所示。此外，雖然成為超過AlGaAs的晶格周期的有效位，但是僅為計(jì)算上所使用的值，若使用結(jié)合現(xiàn)實(shí)的值沒有特別的問題。而且，各抽樣(條件A～C)及比較例中的設(shè)計(jì)波長、下部反射鏡10的對數(shù)、上部反射鏡20的對數(shù)、以及Q值如表4所示。各抽樣(條件A～C)中的厚度dD及dA滿足上述的下式(1)及(2)。
dD＜λ/2nD ...(1) dA＞mλ/2nA ...(2) 其中，在本數(shù)值計(jì)算例中，m＝2。
表3 表4 從表3及表4可知在所有的條件中，都可以設(shè)計(jì)成Q值為相同程度。
下面，通過上述的設(shè)計(jì)實(shí)際地制作各抽樣(條件A～C)。制作的個數(shù)是144個。制作后的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器的振蕩波長(峰值波長)的平均值如表5所示。
表5 如表5所示，可知在任一個條件中，制作后的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器都是以形同程度的波長進(jìn)行振蕩的。
下面的表6表示面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器的閾值電流的平均值。
表6 如表6所示，可知無論是電流狹窄層105的開口部直徑為4.5μm的情況還是為6.0μm的情況，閾值電流都相同程度地一致。由此，可知可以使最低階的共振模成分達(dá)到振蕩的電流相同程度地一致。
下面，對各抽樣(條件A～C)注入電流(3.0mA、4.0mA、5.0mA)，并測定了振蕩后的共振模成分的數(shù)(下面稱為“模數(shù)”)。圖7～圖12表示模數(shù)為1、2、3、4及大于等于5的抽樣的各個總數(shù)。此外，圖7～圖9是電流狹窄層105的開口部直徑為4.5μm的情況，圖10～圖12是6.0μm的情況。而且，圖7及圖10是條件A情況，圖8及圖11是條件B的情況，圖9及圖12是條件C的情況。
如圖7～圖12所示，可知無論在電流狹窄層105的開口部直徑為4.5μm的情況、還是6.0μm的情況下，在相同的電流值中，如果使dD減小(dA/dD增大時)，模數(shù)為大于等于3的抽樣總數(shù)減少。因此，可知通過使dA/dD增大，在相同程度地維持閾值電流的同時，抑制高階的共振模成分(例如二階以上的共振模成分)的振蕩。即，可知相同程度地維持最低階的共振模成分的振蕩容易程度的同時，可以抑制高階的共振模成分的振蕩。
而且，如圖7～圖12、表4及表6所示，可知模數(shù)為大于等于3的抽樣總數(shù)的最少構(gòu)造不是Q值小(即、閾值電流大)的條件B(dA/dD＝1.10r0)的構(gòu)造，而是Q值大(即、閾值電流小)的條件C(dA/dD＝1.15r0)的構(gòu)造。據(jù)此，可知抑制本實(shí)驗(yàn)結(jié)果的高階的共振模成分的振蕩不是依賴于全部的共振模成分由于閾值電流的增加而難以振蕩，而是依賴于根據(jù)本發(fā)明的效果而抑制高階的共振模成分的振蕩。
下面，使各抽樣(條件A～C)進(jìn)行激光振蕩，并測定激光的FFP(Far Field Pattern，遠(yuǎn)場圖形)中的放射角。在此，作為放射角的定義，在強(qiáng)度為最大的角度的兩側(cè)，使用成為最大強(qiáng)度1/e2(e是自然對數(shù)的底，奈培爾數(shù)e是2.71828...)的強(qiáng)度的角度之差(全角)。例如，當(dāng)在+14度和-13度，強(qiáng)度為1/e2時，放射角是14-(-13)＝27度。在圖13及圖14中，示出正交的x軸及y軸上的放射角(分別為FFPx和FFPy)。此外，圖13是電流狹窄層105的開口部直徑為4.5μm的情況，圖14是6.0μm的情況。
如圖13及圖14所示，可知無論電流狹窄層105的開口部直徑為4.5μm的情況、還是為6.0μm的情況，如果使dD變小時(dA/dD變大時)，放射角都將減小。這是因?yàn)楦鶕?jù)本實(shí)施例的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器100，可不將具有較大值的k//(后述)作為解。
5.下面，對本實(shí)施例的變形例進(jìn)行說明。此外，對與上述實(shí)施例不同的部分進(jìn)行說明，省略對相同部分的說明。
圖15是概略地表示本變形例涉及的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器的一部分的剖面圖。下部反射鏡10的單位多層膜10p例如可以包括低折射率層10L、形成在低折射率層10L下的第一折光指數(shù)漸變(Graded index)層(下面稱為“第一GI層”)12、形成在第一GI層12下的高折射率層10H、形成在高折射率層10H下的第二折光指數(shù)漸變層(下面稱為“第二GI層”)14。作為第一GI層12例如可以使用使AlGaAs層的Al組成從0.12至0.9向下方向連續(xù)增加的材料等。而且，作為第二GI層14，例如可以使用使AlGaAs層的Al組成從0.9到0.12向下方向連續(xù)減少的材料等。此外，同樣地，上部反射鏡20的單位多層膜20p例如可以包括低折射率層20L、形成在低折射率層20L下的第一GI層22、形成在第一GI層下的高折射率層20H、形成在高折射率層20H下的第二GI層24。
此外，上述變形例只是一個例子，并不僅限于此。
6.對于本實(shí)施例涉及的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器100，滿足上述的下式(1)及(2)。
dD＜λ/2nD ...(1) dA＞mλ/2nA ...(2) 由此，不考慮電流狹窄層105的厚度、開口部直徑、柱形(柱狀部30)的傾斜角θ、外直徑等，可以幾乎不使低階模成分的共振光的能量增加率減少，而使高階模成分的共振光的能量增加率減少。這在上述數(shù)值計(jì)算例中也是可以確認(rèn)的。其結(jié)果是，未使面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器100的輸出減少，高階模的共振光也不進(jìn)行激光振蕩。而且，即使輸出增加，高階模的共振光也可不進(jìn)行激光振蕩。因此，根據(jù)本實(shí)施例，可以提供一種可以減少激光的振蕩模數(shù)、且與單純地減小電流狹窄層的直徑的情況相比可實(shí)現(xiàn)高輸出的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器。此外，通過滿足上式(1)及(2)，可以發(fā)揮本實(shí)施例涉及的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器100的作用效果的理由如下所述。
共振器內(nèi)的波數(shù)矢量的大小|K|是真空中的波數(shù)矢量的大小k0的有效折射率neff倍。若將其用算式來表達(dá)，則如下所示。
算式1 其中，kz是共振器內(nèi)的波數(shù)矢量的垂直方向的成分，k//是面方向的成分。
kz及k//被確定為滿足在包括電流狹窄層105的包層區(qū)域(cladregion)和不包括電流狹窄層105的中心區(qū)域(core region)的邊界處的全反射條件的范圍內(nèi)，滿足電磁場的連續(xù)性。在面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器中，由于kz和neff是接近的值，則從上述算式可知k//是較小值。因此，滿足上述電磁場的連續(xù)性的這樣的k//的解，即上面算式所允許的橫模數(shù)受到限制。在面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器中，其中，只有滿足全反射條件的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器才振蕩。在本發(fā)明中，通過使kz進(jìn)一步增大，與全反射條件相比進(jìn)一步限制k//的解。通過將上部反射鏡10和上部反射鏡20的單位多層膜10p、20p的厚度dD變薄，可以使kz變大。由此，通過限制k//的解，可以減少激光的振蕩模數(shù)。而且，通過加厚活性層103的厚度dA，可以防止短波長化。
因此，通過減小dD、增大dA，即加大厚度比dA/dD(具體而言，大于m nD/nA)，從而可以不考慮電流狹窄層105的厚度等，減少激光的振蕩模數(shù)的同時，以想要的設(shè)計(jì)波長來進(jìn)行激光振蕩。
7.如上所述，雖然對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白只要不實(shí)質(zhì)脫離本發(fā)明的主旨和效果，可以有多種變形。因此，這些變形例也全部包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
例如，上述本發(fā)明的實(shí)施例涉及的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器可以適用于例如具有散熱結(jié)構(gòu)的元件、具有倒裝片結(jié)構(gòu)的元件、具有抗靜電損壞(ESD)結(jié)構(gòu)的元件、具有監(jiān)視光電二極管(MPD)元件、具有噴墨微型透鏡(ink jet microlen)的元件、具有電介質(zhì)反射鏡的元件、使用CAN或者陶瓷封裝的OSA(optical sub-assembly，光組件)等光學(xué)模塊、以及裝有這些元件的光學(xué)傳送裝置等。
而且，例如，當(dāng)使用外延提離(ELO)法等時，可以將面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器100的基板101割開。即，面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器100可以沒有基板101。
附圖標(biāo)記 10下部反射鏡10p單位多層膜 10L低折射率層 10H高折射率層 12第一GI層 14第二GI層 20上部反射鏡20p單位多層膜 20L低折射率層 20H高折射率層 22第一GI層 24第二GI層 30柱狀部40外部空間 100面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器 101基板 103活性層 105電流狹窄層 107第一電極 108出射面 109第二電極 110色緣層 150半導(dǎo)體多層膜
權(quán)利要求
1.一種面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器，包括
下部反射鏡；
活性層，形成在所述下部反射鏡的上面；以及
上部反射鏡，形成在所述活性層的上面，
其中，所述下部反射鏡及所述上部反射鏡是層疊了多個單位多層膜的多層膜反射鏡，
所述單位多層膜包括沿上下方向被層疊的一組低折射率層和高折射率層，
所述單位多層膜滿足下式(1)，
所述活性層滿足下式(2)，
dD＜λ/2nD...(1)
dA＞mλ/2nA ...(2)
其中，
λ是所述面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器的設(shè)計(jì)波長，
m是正整數(shù)，
dD是所述單位多層膜的厚度，
nD是所述單位多層膜的平均折射率，
dA是所述活性層的厚度，
nA是所述活性層的平均折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器，其中，
所述多個單位多層膜中的至少一個滿足所述式(1)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器，其中，
所述多個單位多層膜中的全部單位多層膜滿足所述式(1)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器，其中，不滿足所述式(1)的所述單位多層膜滿足下式(3)，
dD＝λ/2nD...(3)
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器，滿足下式(4)，
dH+dL＜λ/4nL+λ/4nH...(4)
其中，
dH是所述低折射率層的厚度，
dL是所述高折射率層的厚度，
nL是所述低折射率層的折射率，
nH是所述高折射率層的折射率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器，其中，
所述下部反射鏡及所述上部反射鏡是分布布拉格反射型(DBR)反射鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器，其中，
在所述活性層中共振的光中，
低階的共振模成分達(dá)到激光振蕩，
高階的共振模成分未到達(dá)激光振蕩。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器，其中，
在所述活性層中共振的光中，
低階的共振模成分的能量放大率為正，
高階的共振模成分的能量放大率為負(fù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器，其中，
所述低階的共振模成分是0階的共振模成分，
所述高階的共振模成分是大于等于一階的共振模成分。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種可以減少激光的振蕩模數(shù)、且與單純地減小電流狹窄層的直徑的情況相比可實(shí)現(xiàn)高輸出的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器。本發(fā)明涉及的面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器(100)包括下部反射鏡(10)；活性層(103)，形成在下部反射鏡的上面；以及上部反射鏡(20)，形成在活性層的上面，下部反射鏡及上部反射鏡是層疊了多個單位多層膜的多層膜反射鏡，單位多層膜包括在沿上下方向被層疊的一組低折射率層和高折射率層，單位多層膜滿足下式(1)，活性層滿足下式(2)，dD＜λ/2nD(1)；dA＞mλ/2nA(2)；其中，λ是面發(fā)光型半導(dǎo)體激光器(100)的設(shè)計(jì)波長，m是正整數(shù)，dD是單位多層膜的厚度，nD是單位多層膜的平均折射率，dA是活性層的厚度，nA是活性層的平均折射率。
文檔編號H01S5/187GK101098067SQ20071011149
公開日2008年1月2日 申請日期2007年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月27日
發(fā)明者望月理光 申請人:精工愛普生株式會社