JPH0918084A

JPH0918084A - 面発光型半導体レーザ及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0918084A
Application number: JP18216395A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Mori; 克己森; Takayuki Kondo; 貴幸近藤; Takeo Kaneko; 丈夫金子
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1995-06-26
Filing date: 1995-06-26
Publication date: 1997-01-17

Abstract

(57)【要約】【目的】近視野像での２点の発光スポット間隔に対し
て、遠視野像でのエネルギーピーク間隔を任意に変更す
ることができる面発光型半導体レーザ及びその製造方法
を提供すること。【構成】半導体基板１０２上には、第１，第２の反射
ミラー１０３，１１１及びその間の多層の半導体層１０
４，１０５，１０６，１０９により構成される光共振器
が設けられる。多層の半導体層のうち第２クラッド層１
０６、コンタクト層１０９が複数本の柱状部分１１４
ａ，１１４ｂに形成される。第２の反射ミラー１１１の
表面には、一方の柱状部分１１４ｂと対向する一部領域
に、空気と屈折率が異なる材質にて形成された位相シフ
タ層１１５が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は複数の発光スポットを有
する面発光型半導体レーザに関し、特に、超解像を利用
して小さなビームスポットを結像するのに最適なレーザ
光を出射できる面発光型半導体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】光読み
取り装置、光計測装置などの半導体レーザ応用機器で
は、投射面上に小さなビームスポットのレーザ光を結像
することが望まれている。特開平２−１２６２２号公報
には、超解像を利用して投射面上に小さなビームスポッ
トのレーザ光を結像する技術が開示されている。この超
解像の原理について、図９及び図１０を参照して説明す
る。

【０００３】図９において、半導体レーザ１０からは、
単一の発光スポットから所定放射角のレーザ光が出射さ
れ、このレーザ光が、円形孔を有するアパーチャ１２を
通過することで、エネルギー強度の高い所定放射角の範
囲内のレーザ光のみが抜き出される。その後、このレー
ザ光は第１のレンズ１４を介して平行光１とされ、第２
のレンズ１８により投斜面２０上に結像されることにな
る。

【０００４】ここで、第１，第２のレンズ１４，１８の
間の光軸上には遮光体１６が配置されている。この遮光
体１６を通過する以前の平行光１は、図９の断面Ａ−Ａ
を示す図１０（Ａ）の通り、円形断面のレーザ光であ
る。平行光１が遮光体１６を通過すると、図９のＢ−Ｂ
断面図である図１０（Ｂ）に示す通り、この平行光１は
遮光体１６により２つに分割されることになる。

【０００５】上述した超解像とは、位相同期の取れたレ
ーザ光であって、相近接する２つのレーザ光同士の干渉
効果により、ビームスポットの小さなレーザ光が投斜面
２０上に結像されることをいう。

【０００６】ここで、遮光体１６を通過した以降の平行
光のエネルギー強度は、図９のＣ−Ｃ断面でのビーム強
度分布を示す図１０（Ｃ）の通り、２つのエネルギーピ
ークを有するレーザ光に分割されている。これに対し
て、投斜面２０に結像されるレーザ光は、図１０（Ｄ）
に示すように、中心にエネルギーピークを持ち、かつ、
ビームスポットの小さなレーザ光である。

【０００７】ところが、上述したように、単一の発光ス
ポットからのレーザ光を、遮光体１６を用いて２つに分
割した場合には、図１０（Ｃ）に示す通り、最もエネル
ギー強度の高い中央領域の光が遮られ、光利用率が低下
してしまうことがわかる。上述の特開平２−１２６２２
号公報に開示されているとおり、超解像の効果を高める
ためには、遮光体１６による遮光幅を広げなければなら
ず、それに応じて光利用率がさらに低下してしまう。

【０００８】特開平２−１２６２２号公報では光利用率
の低下を従来の課題として指摘した上で、図９に示す遮
光体１６に代えて、ビームスプリッタを配置し、エネル
ギー強度の高い中央領域の光を利用しながら、２つのレ
ーザ光に分割する発明を開示している。

【０００９】しかしながら、この技術はビームスプリッ
タが不可欠であることに加えて、超解像の効果を高める
ために分割された２つのレーザ光の間隔（好ましくは２
〜３ｃｍ）を確保するための光学系が不可欠であり、光
学系の構造が複雑化するという問題を内在していた。

【００１０】一方、本願出願人は、特開平４−３６３０
８１号に開示されているとおり、光共振器の少なくとも
クラッド層を複数本の柱状部分として形成し、各柱状部
分の端面から位相同期のとれた複数のレーザ光を出射す
る技術を開示している。

【００１１】図１１は、特開平４−３６３０８１号の半
導体レーザの複数の発光スポット２２、２４から出射さ
れたレーザ光の遠視野像（ファ・フィールド・パター
ン、以下ＦＦＰとも称する）におけるビーム強度分布を
示している。図１１の通り、２つの位相が一致したレー
ザビーム同士の干渉効果により、放射角０度にエネルギ
ーピークを有する比較的大口径のビーム２６が得られ、
このままでは小径ビームを必要とする光読み取り装置な
どに適用できない。なお、ＦＦＰでは所定放射角の範囲
にサブピーク２８が生じている。

【００１２】また、この技術によれば、１つの面発光型
半導体レーザの光出射面上の発光スポット２２、２４の
間隔（柱状部分の中心間距離）は、位相同期をとる必要
上２０μｍ以下に設定しなければならない。従って、こ
の面発光型半導体レーザを用いて、上述の超解像の効果
を利用したビームスポットの小さな光を結像する場合に
も、近視野像（ニア・フィールド・パターン、以下ＮＦ
Ｐとも称する）での２つのエネルギーピークの間隔を、
光学系を用いて広げなければならず、同様に光学系が複
雑化するという問題があった。

【００１３】そこで、本発明の目的とするところは、複
数の発光スポットから出射されたレーザ光の光利用率を
低下させずに、しかも、光学系を複雑化することなく、
近視野像での２点の発光スポット間隔に対して、遠視野
像でのエネルギーピーク間隔を任意に変更することがで
きる面発光型半導体レーザ及びその製造方法を提供する
ことにある。

【００１４】本発明の他の目的は、複数の発光スポット
の位置及びそれより出射されるレーザ光の位相を任意に
設定することで、レーザ光の干渉する位置を制御するこ
とができる面発光型半導体レーザ及びその製造方法を提
供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段及び作用】請求項１の発明
は、一対の第１、第２の反射ミラー及びその間の多層の
半導体層から成る光共振器を有し、半導体基板と垂直な
方向に向けて、光出射側の第２の反射ミラーを介して、
複数発光スポットよりレーザ光を発振させる面発光型半
導体レーザにおいて、前記第２の反射ミラー上の少なく
とも一つの発光スポットと対向する一部領域に、空気と
屈折率が異なる材質にて形成された位相シフタ層を設け
たことを特徴とする。

【００１６】この請求項１の発明において、複数の発光
スポットからのレーザ光の干渉する位置、換言すればレ
ーザ光の遠視野像における複数のビームスポット間隔を
任意に制御できる原理について、図５を参照して説明す
る。

【００１７】同図において、面発光型半導体レーザの発
光面上の例えば２つの発光スポット３０，３２からは、
それぞれ位相の異なるレーザビームが出射される。例え
ば、発光スポット３２と対向する位置にて、光出射側の
第２の電極上に位相シフト層を配置しておくと、発光ス
ポット３０からのレーザ光の位相に対して、発光スポッ
ト３２からのレーザ光の位相を例えば（−λ／２）だけ
位相シフトすることができる。

【００１８】発光スポット３０より図５中で見かけ上直
進するレーザビーム３０ａの位相に対して、発光スポッ
ト３２より図５中で見かけ上直進するレーザビーム３２
ａの位相は、（−λ／２）だけずれている。一方、発光
スポット３０より図５中で見かけ上斜め上方に向けて出
射されるレーザビーム３０ｂは、レーザビーム３０ａと
比べて光路長が異なるため、レーザビーム３２ａと同様
に位相差（−λ／２）が生じている。この同一の位相差
分だけずれた２つのレーザビーム３０ｂ，３２ａは互い
に干渉し、遠視野像において中心からの放射角＋θの位
置にてエネルギーピークを有することになる。

【００１９】また、発光スポット３２より図５中で見か
け上斜め上方に向かうレーザビーム３２ｂは、レーザビ
ーム３０ａに対して、位相差が−λ／２−λ／２＝０と
なり、２つのレーザビーム３０ａ，３２ｂには位相差が
生じず、互いに干渉する結果として、遠視野像において
放射角−θにエネルギーピークを有することになる。す
なわち、エネルギーピークを有する放射角を、レーザ光
の位相差により変更することが可能となる。

【００２０】発光スポット３０，３２から遠視野像まで
の距離をＬとし、遠視野像における放射角（±θ）にて
エネルギーピークとなる２つのビーム間の距離Ｗは、Ｗ＝２Ｌ×ｔａｎθ……（１）となる。

【００２１】さらに、発光スポット３０、３２間の距離
をＰとし、発光スポット３０からのレーザビーム３０ａ
の波長をλとし、各発光スポット３０，３２からのレー
ザビーム３０ａ，３２ａの位相差をαとしたとき、放射
角（±θ）にてエネルギーピークとなるためには、［（Ｌ・ｔａｎθ＋Ｐ／２）²＋Ｌ²］^1/2 ＝［（Ｌ・ｔａｎθ−Ｐ／２）²＋Ｌ²］^1/2＋α＋ｍ・λ……（２）の条件が成立する。

【００２２】ここで、係数ｍは、各発光スポット３０，
３２から遠視野像での放射角（±θ）の位置までの光路
長の差が、位相差αに加えて、波長λの整数倍となるこ
とを意味し、ｍ＝０，±１，±２などの値をとり得る
が、図５はｍ＝±１の場合を示している。ｍ＝±２、±
３などの絶対値の大きい値を採用すると、遠視野像での
エネルギーピークは小さくなる。

【００２３】式（１），（２）から明らかなように、発
光スポット間隔Ｐ及び位相差αを任意に設定すること
で、レーザ光の干渉する位置又は方向、換言すれば遠視
野像におけるビーム間隔Ｗを任意に変更することが可能
となる。

【００２４】ところで、遠視野像における２つのエネル
ギーピークは、図５に示す場合には、位相差（−λ／
２）だけずれたものとなるが、超解像により結像させる
場合には、いずれか一方のエネルギーピークを有するレ
ーザ光の位相を光路途中で調整することで、同一位相の
２つのレーザ光を得ることができ、２つのレーザ光の干
渉効果により、効果的な超解像による結像を実現するこ
とができる。

【００２５】ここで、面発光型半導体レーザ中の共振器
内において導波される２つのレーザ光間に所望の位相差
を設けてもよいが、このような光共振器を製造すること
は極めて困難である。これに対して、請求項１の発明に
よれば、光出射側の第２の反射ミラー上に局所的に位相
シフタ層を設けることで、共振器内を導波されるレーザ
光の位相は揃えた状態のまま、位相シフタ層を介するこ
とで任意の位相差を付けることが可能となる。また、半
導体レーザ上の同一平面に発光部があるため、光学系の
調整が容易となる。

【００２６】請求項２の発明は、第２の反射ミラー上に
局所的に位相シフタ層を有する点において、請求項１の
発明と共通している。請求項２の発明では、一対の第
１，第２の反射ミラー間に形成される多層の半導体層の
うち、少なくともクラッド層を複数本の柱状にエッチン
グすることで、複数本の柱状部分を形成している。さら
に、この複数本の柱状部分の周囲に絶縁性の埋込み層を
埋込み形成している。

【００２７】この半導体レーザによれば、複数本の柱状
部分の端面よりそれぞれレーザ光が出射されることで、
複数の発光スポットを有することができる。光共振器の
うちの複数本の柱状部分は、絶縁性の埋込み層により埋
込み形成されているため、光共振器中に注入される電流
及びそれにより生ずる光が外部に拡散することが防止さ
れ、高効率にてレーザ光を出射できると共に、しきい値
電流を低下させることができる。

【００２８】請求項３の発明では、第２の反射ミラー
が、第１層と第２層とを交互に複数層成形してなる誘電
体ミラーで構成されている。この場合に、位相シフタ層
を、第１層または第２層と同一の材質からなる単一膜層
にて成形することで、同一チャンバ内にて第２の反射ミ
ラー及び位相シフタ層を連続して形成することができ
る。

【００２９】請求項４の発明は、位相シフタ層のレーザ
光の波長に対する吸収係数が、１００ｃｍ^-1以下に設定
されている。こうすると、位相シフタ層を介して出射さ
れる側のレーザ光のエネルギーピークのみが低下するこ
とを低減できる。

【００３０】請求項５及び請求項６はそれぞれ、請求項
１及び請求項２の各発明に係るレーザの製造方法を定義
している。

【００３１】これら各発明によれば、一対の第１，第２
の反射ミラー及びその間に形成される多層の半導体層を
形成した後に、第２の反射ミラー上に局所的に位相シフ
タ層を形成している。これにより、光共振器の製造プロ
セスに何ら変更を伴うことなく、位相シフタ層の材質及
び膜厚を変更することで、複数の発光スポットから出射
されるレーザビームに任意の位相差を設定することが可
能となる。

【００３２】請求項７の発明は、請求項３にて定義され
た構造に適した製造プロセスを定義している。この発明
によれば、第２の反射ミラーとしての誘電体ミラーを構
成する第１層，第２層の内のいずれか一層の材質と同一
の材質からなる単一膜層を成膜させ、その後局所的にこ
の単一膜層をエッチングすることで、第２の反射ミラー
上に局所的に位相シフタ層を成形することができる。

【００３３】請求項８の発明では、前記成膜工程では、
所定の位相シフタ量を得るための設計値上の膜厚以上に
前記単一膜層を成膜し、その後の前記除去工程で、前記
局所エッチングの前に、前記単一膜層を全面エッチング
することで、前記設計値上の膜厚に設定することができ
る。

【００３４】請求項９の発明では、請求項７又は８の除
去工程を行うにあたり、エッチング時に所定波長の光を
前記単一膜層に照射してその反射スペクトルを検出して
いる。そして、その反射率プロファイルを測定すること
により、前記単一膜層のエッチング量を正確に制御する
ことができる。

【００３５】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。

【００３６】（レーザ構造）図１は、本発明の一実施例
における面発光型半導体レーザ装置の発光部の断面を模
式的に示す斜視図である。

【００３７】図１に示す半導体レーザ装置１００は、ｎ
型ＧａＡｓ基板１０２上に、ｎ型Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ層
とｎ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層を交互に積層し、波長８
００ｎｍ付近の光に対し９９．５％以上の反射率を持つ
４０ペアの分布反射型多層膜ミラー（以下これを「ＤＢ
Ｒミラー」とも表記する）１０３、ｎ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3
Ａｓ層からなる第１クラッド層１０４、ｎ^ー型ＧａＡｓ
ウエル層とｎ^ー型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓバリア層から成り
該ウエル層が２１層で構成される量子井戸活性層１０５
（本実施例の場合は、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活
性層となっている）、ｐ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ層からな
る第２クラッド層１０６およびｐ⁺型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85
Ａｓ層からなるコンタクト層１０９が、順次積層して成
る。そして、第２クラッド層１０６の途中まで、半導体
の積層体の上面からみて円形形状にエッチングされて、
複数本例えば２本の第１、第２の柱状部分１１４ａ、１
１４ｂが形成される。この第１、第２の柱状部分１１４
ａ、１１４ｂの基板１０２と平行な横断面を共に、長辺
及び短辺から成る矩形とすると、各柱状部分の発振領域
より出射されるレーザ光の偏波面の方向を、短辺方向に
揃えることができる。

【００３８】この第１，第２の柱状部分１１４ａ，１１
４ｂの間には、上述のエッチングにより分離溝１１０が
形成される。この分離溝１１０を含む領域であって、第
１、第２の柱状部分１１４ａ、１１４ｂの周囲領域が、
熱ＣＶＤ法により形成されたＳｉＯ₂等のシリコン酸化
膜（ＳｉＯ_x膜）からなる第１絶縁層１０７と、ポリイ
ミド等の耐熱性樹脂等からなる第２絶縁層１０８で埋め
込まれている。

【００３９】第１絶縁層１０７は、第２クラッド層１０
６およびコンタクト層１０９の表面に沿って連続して形
成され、第２絶縁層１０８は、この第１絶縁層１０７の
周囲を埋め込む状態で形成されている。

【００４０】第２絶縁層１０８としては、前述のポリイ
ミド等の耐熱性樹脂の他に、ＳｉＯ₂等のシリコン酸化
膜（ＳｉＯ_X膜）、Ｓｉ₃Ｎ₄等のシリコン窒化膜（Ｓｉ
Ｎ_X膜）、ＳｉＣ等のシリコン炭化膜（ＳｉＣ_X膜）、Ｓ
ＯＧ（スピンオングラス法によるＳｉＯ₂等のＳｉＯ_X）
膜などの絶縁性シリコン化合物膜、あるいは多結晶のＩ
Ｉ−ＶＩ族化合物半導体膜（例えばＺｎＳｅなど）でも
よい。これら、絶縁膜の中でも、低温で形成可能である
ＳｉＯ₂等のシリコン酸化膜、ポリイミドまたはＳＯＧ
膜を用いるのが好ましい。さらには、形成が簡単であ
り、容易に表面が平坦となることからＳＯＧ膜を用いる
のが好ましい。

【００４１】ここで、図１のシリコン酸化膜（ＳｉＯ_x
膜）からなる第１絶縁層１０７は、膜厚が500〜2000オ
ングストロームで、常圧の熱ＣＶＤ法により形成された
ものである。耐熱性樹脂等からなる第２絶縁層１０８は
素子の表面を平坦化するために必要なものである。たと
えば、耐熱性樹脂には高抵抗を有するものの、膜中に水
分の残留が発生しやすく、直接、半導体層と接触させる
と、素子に長時間通電した場合に半導体との界面に於て
ボイドが発生し素子の特性を劣化させる。そこで、本実
施例の様に、第１絶縁層１０７のような薄膜を半導体層
との境界に挿入すると、第１絶縁層１０７が保護膜とな
り前述の劣化が生じない。第１絶縁層を構成するシリコ
ン酸化膜（ＳｉＯ_x膜）の形成方法には、プラズマＣＶ
Ｄ法、反応性蒸着法など種類があるが、ＳｉＨ₄（モノ
シラン）ガスとＯ₂（酸素）ガスを用い、Ｎ₂（窒素）ガ
スをキャリアガスとする常圧熱ＣＶＤ法による成膜方法
が最も適している。その理由は、反応を大気圧で行い、
更にＯ₂が過剰な条件下で成膜するのでＳｉＯ_x膜中の酸
素欠損が少なく緻密な膜となること、および、ステップ
・カバーレッジが良く、柱状部分１１４ａ，１１４ｂの
側面および段差部も平坦部と同じ膜厚が得られることで
ある。

【００４２】なお、第１，第２絶縁層１０７，１０８で
埋込層を形成するものに限らず、例えばII−VI族化合物
半導体エピタキシャル層にて形成することもできる。

【００４３】また、例えばＣｒとＡｕ−Ｚｎ合金で構成
されるコンタクト金属層（上側電極）１１２が、コンタ
クト層１０９とリング状に接触して形成され、電流注入
のための電極となる。このコンタクト層１０９の上側電
極１１２で覆われていない部分は、円形に露出してい
る。そして、そのコンタクト層１０９の露出面（以後、
この部分を「開口部１１３」と記す）を充分に覆う面積
で、第１層例えばＳｉＯ ₂等のＳｉＯ_x層と、第２層例え
ばＴａ₂Ｏ₅層とを交互に積層し、波長８００ｎｍ付近の
光に対し９８．５〜９９．５％の反射率を持つ７ペアの
誘電体多層膜ミラー１１１が形成されている。これら第
１層及び２層のそれぞれの厚さは、光共振器内部を導波
されるレーザ光の波長をλとし、各層での波長λの屈折
率をｎとしたとき、λ／４ｎに設定されている。また、
ｎ型ＧａＡｓ基板１０２の下には、例えばＮｉとＡｕ−
Ｇｅ合金から成る電極用金属層（下側電極）１０１が形
成されている。

【００４４】本実施例の半導体レーザの特徴的な構成
は、上側の誘電体多層膜ミラー１１１の上面に、局所的
に位相シフタ層１１５を形成している点である。本実施
例では、この位相シフタ層１１５が、第２の柱状部分１
１４ｂの端面と対向する位置にのみ設けられている。こ
の位相シフタ層１１５は、下層に形成されている誘電体
多層膜ミラー１１１を構成する第１層または第２層のい
ずれかの層と同一材料にて形成すると、後述の通り誘電
体多層膜ミラー１１１と位相シフタ層１１５とを同一チ
ャンバー内にて形成できる。

【００４５】ここで、発振波長をλとし、空気の屈折率
をｎ₁とし、位相シフタ層１１５の屈折率をｎ₂としたと
き、位相シフタ層１１５にて位相差αだけシフトするた
めに必要な位相シフタ層１１５の厚さｄは、下記の式を
満足する。

【００４６】ｎ₁×ｄ−ｎ₂×ｄ＝α 従って、本実施例のように、この位相シフタ層１１５に
て（−λ／２）の位相差を設定する場合には、２ｎ₁×ｄ＋λ＝２ｎ₂×ｄの条件を満足すればよい。

【００４７】空気の屈折率ｎ₁＝１であるから、ｎ₂＝１
の位相シフタ層１１５としたとき、その厚さｄ＝λ／２
とすれば良く、ｎ₂＝３の場合には、ｄ＝λ／４とな
る。

【００４８】また、位相シフタ層１１５は、レーザ光の
波長に対する吸収係数が、１００ｃｍ^-1以下であること
が好ましく、こうすると位相シフタ層１１５にて吸収さ
れるエネルギーをほとんど無視することができる。

【００４９】（光共振器でのレーザ発振動作）上側電極
１１２と下側電極１０１との間に順方向電圧が印加され
て（本実施例の場合は、上側電極１１２から下側電極１
０１への方向に電圧が印加される）電流注入が行なわれ
る。注入された電流は、量子井戸活性層１０５で光に変
換され、ＤＢＲミラー１０３と誘電体多層膜ミラー１１
１とで構成される反射鏡の間をその光が往復することに
より増幅される。しかも、光共振器中に注入された電流
及び生成されかつ増幅された光は、第１，第２の柱状部
分１１４ａ，１１４ｂの周囲に埋め込まれた第１，第２
の絶縁層１０７，１０８により閉じこめられ、効率よく
レーザ発振動作を行うことができる。

【００５０】そして、開口部１１３（コンタクト層１０
９の露出面）及び誘電体多層膜ミラー１１１を介して、
基板１０２に対して垂直方向にレーザ光が放射される。

【００５１】ここで、第１，第２の柱状部分１１４ａ，
１１４ｂより、誘電体多層膜ミラー１１１を介して出射
される２本のレーザビームは、共にその位相が一致して
いる。この理由は、第１に、活性層１０５が第１，第２
の柱状部分１１４ａ，１１４ｂの下方にて横方向に連続
し、各発振領域にて互いに光の影響を受けるからであ
る。第２に、各柱状部分１１４ａ，１１４ｂの中心間距
離Ｐ（図１参照）が、例えば３〜２０μｍと近接配置し
ており、この各柱状部分１１４ａ，１１４ｂにて生ずる
光が互いに影響してその位相が同期するのである。

【００５２】従って、この半導体レーザ１００の二つの
発光スポットより出射されるレーザ光の近視野像（ＮＦ
Ｐ）での発光スポット間隔は、上述した中心間距離Ｐと
ほぼ一致しており、３〜２０μｍと近接した距離となっ
ている。また、２つの発光スポットより出射されるレー
ザ光の偏波面の方向も、柱状部分１１４ａ，１１４ｂの
矩形横断面の短辺の方向に揃っている。なお、レーザ光
の偏波面の方向は、柱状部分の横断面を矩形以外の例え
ば円形としても、上側電極１１２の開口１１３を矩形と
すれば、その短辺の方向に揃えることができる。

【００５３】本実施例では、効果的な超解像を利用して
ビームスポット径の小さなレーザ光を投斜面に結像させ
るために、複雑な光学系を用いることなく、遠視野像
（ＦＦＰ）のビームスポット間隔を任意に設定するため
に、誘電体多層膜ミラー１１１の上面に、局所的に位相
シフタ層１１５を設けている。以下、ＦＦＰでのビーム
スポット間隔を拡大できる原理について、図５を参照し
て説明する。

【００５４】（ＦＦＰでの発光スポット間隔について）
図５に示す二つの発光スポット３０，３２はそれぞれ、
図１に示す位相シフタ層１１５の表面と同一の仮想発光
面上の二つの発光スポットを示している。従って、この
二つの発光スポット３０，３２の間隔は、第１，第２の
柱状部分１１４ａ，１１４ｂの中心間距離Ｐ＝３〜２０
μｍに一致している。

【００５５】既に説明したとおり、第１の発光スポット
３０からのレーザ光３０ａと、第２の発光スポット３２
からのレーザ光３２ｂとは、共に位相が一致しており、
これらの干渉効果により、仮想発光面上より距離Ｌだけ
離れた位置でのＦＦＰとして、放射角（−θ）にエネル
ギーピークを有するビームスポットを得ることができ
る。

【００５６】同様に、第２の発光スポット３２からのレ
ーザ光３２ａと、第１の発光スポット３０からのレーザ
光３０ｂとは、上述のレーザ光３０ａ，３２ｂに対し
て、位相差（−λ／２）が生じており、この同一位相差
を有するレーザ光３０ｂ，３２ａの干渉効果により、Ｆ
ＦＰとして放射角（＋θ）にエネルギーピークを有する
レーザ光を得ることができる。

【００５７】この図５において、ＮＦＰでの横軸は発光
スポット間の距離を示しているのに対し、ＦＦＰでの横
軸は放射角を示している。このＦＦＰにおける２つのエ
ネルギーピーク間の距離Ｗは、上述した通り、半導体レ
ーザ１００より出射されるレーザ光の位相差及び発光ス
ポット間距離Ｐに依存することになり、この二つのパラ
メータを任意に設定することで、ＦＦＰ上でのビームス
ポット間隔Ｗを任意に変更することができる。

【００５８】超解像を実現するには、上記距離Ｗは大き
いほど効果があるが、この半導体レーザ１００を用いて
超解像を利用した光読み取り装置などを構成する場合、
光学系の実用上の大きさを考慮すると、距離Ｗを例えば
２〜３ｃｍに設定するとよい。（超解像を利用した結
像動作）次に、この半導体レーザ１００を例えば光読み
取り装置に応用し、光学系を用いて、超解像を利用して
ビームスポット径の小さなレーザ光を放射面上に結像す
るための動作について、図６及び図７を参照して説明す
る。

【００５９】図６は、本実施例の半導体レーザ１００と
投斜面１２０との間に配置される光学系を模式的に示し
ている。半導体レーザ１００と投斜面１２０を結ぶ光軸
上には、第１，第２のレンズ１２２，１２４が配置され
ている。さらに、この二つのレンズ１２２，１２４の間
には、位相調整板１２６が配置されている。

【００６０】第１のレンズ１２２は、半導体レーザ１０
０より距離Ｌだけ離れた位置に配置され、半導体レーザ
１００より出射されるレーザ光を平行光に変換するため
のレンズである。なお、図６に示す上側の破線は、第１
のレンズ１２２が配置された位置でのＦＦＰ上の放射角
（−θ）にエネルギーピークを有するレーザ光の光路を
示している。同様に、図６中の下側の破線は、放射角
（＋θ）にエネルギーピークを有するレーザ光の光路を
示している。

【００６１】図６の第１のレンズ１２２の位置でのＡ−
Ａ断面におけるレーザ光の強度分布が、図７（Ａ）に示
されている。同図に示すとおり、放射角（±θ）にそれ
ぞれエネルギーピークを有する光強度分布となってい
る。但し、放射角（＋θ）でのレーザ光は、放射角（−
θ）でのレーザ光に対し、位相差（−λ／２）が生じて
いる。

【００６２】位相調整板１２６は、放射角（＋θ）にエ
ネルギーピークを有するレーザ光の位相と、放射角（−
θ）にエネルギーピークを有するレーザ光の位相とを一
致させるためのものであり、本実施例では（−λ／２）
だけ位相シフトさせている。これにより、図６のＢ−Ｂ
断面である図７（Ｂ）に示すとおり、放射角（±θ）に
それぞれエネルギーピークを有するレーザ光の位相が一
致される。

【００６３】このように、位相が一致し、かつ、エネル
ギーピーク間隔が例えば２〜３ｃｍに設定された二つの
レーザ光は、互いに干渉し合い、第２のレンズ１２４を
通過した後に投斜面１２０上に結像されるビームスポッ
トは、超解像の原理によりそのスポット径を小さくする
ことができる。

【００６４】このように本実施例によれば、従来のよう
に単一のレーザビームを遮光体を用いて分割したり、あ
るいはビームスプリッタを用いて分割する必要がないの
で、半導体レーザ１００より出射されたレーザ光の光利
用率を低下することなく、しかも光学系を複雑化するこ
となく、投斜面１２０上に超解像を得ることが可能とな
る。

【００６５】なお、位相調整板１２６は、必ずしも放射
角（＋θ）にエネルギーピークを有するレーザ光の光路
途中に設けるものに限らず、放射角（−θ）にエネルギ
ーピークを有するレーザ光の光路途中に設けることもで
きる。換言すれば、位相シフタ層１１５を通過しない側
のレーザ光の光路途中に位相調整板１２６を設けること
ができる。こうすると、位相シフタ層１１５，位相調整
板１２６にて吸収される光エネルギーをほぼ同一に設定
すれば、放射角（±θ）でのエネルギー強度をほぼ同一
に維持することができる。なお、位相シフタ層１１５及
び位相調整板１２６は、レーザ光の波長に対する吸収係
数が共に１００ｃｍ^-1以下であれば、それらにて吸収さ
れるエネルギーを無視することができる。

【００６６】（製造プロセス）次に、図１に示す面発光
型半導体レーザ１００の製造プロセスについて説明す
る。図２（Ａ）〜（Ｃ）、図３（Ａ）〜（Ｃ）及び図４
（Ａ）、（Ｂ）は、面発光型半導体レ−ザ装置の製造工
程を示したものである。

【００６７】ｎ型ＧａＡｓ基板１０２に、ｎ型Ａｌ_0.15
Ｇａ_0.85Ａｓ層とｎ型Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ層とを交互に
積層して波長８００ｎｍ付近の光に対し９９．５％以上
の反射率を持つ４０ペアのＤＢＲミラー１０３を下部ミ
ラーとして形成する。さらに、ｎ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ
層（第１クラッド層）１０４を形成した後、ｎ^-型Ｇａ
Ａｓウエル層とｎ^-型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓバリア層とを
交互に積層した量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１０５
を形成する。その後、ｐ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ層（第２
クラッド層）１０６、およびｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ
層（コンタクト層）１０９を順次積層する（図２（Ａ）
参照）。

【００６８】上記の各層は、有機金属気相成長（ＭＯＶ
ＰＥ：Ｍｅｔａｌ−ＯｒｇａｎｉｃＶａｐｏｒＰｈａ
ｓｅＥｐｉｔａｘｙ）法でエピタキシャル成長させ
た。この時、例えば、成長温度は７５０℃、成長圧力は
１５０Ｔｏｒｒで、ＩＩＩ族原料にＴＭＧａ（トリメチ
ル亜鉛）、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）の有機
金属を用い、Ｖ族原料にＡｓＨ₃、ｎ型ドーパントにＨ
₂Ｓｅ、ｐ型ドーパントにＤＥＺｎ（ジエチルジンク）
を用いた。

【００６９】各層の形成後、エピタキシャル層上に常圧
熱ＣＶＤ法を用いて、２５０オングストローム程度のＳ
ｉＯ₂層からなる保護層Ｉを形成する。この保護層Ｉが
積層された半導体層を覆うことにより、プロセス中の表
面汚染を防いでいる。

【００７０】次に、反応性イオンビームエッチング（Ｒ
ＩＢＥ）法により、レジストパターンＲ１で覆われた柱
状の部分１１４ａ，１１４ｂを残し、その間に分離溝１
１０を形成しながら、第２クラッド層１０６の途中まで
エッチングする。このエッチングプロセスの実施によ
り、柱状部分１１４ａ，１１４ｂは、その上のレジスト
パターンＲ１の輪郭形状と同じ断面を持つ（図２（Ｂ）
参照）。また、ＲＩＢＥ法を用いるため、前記柱状部分
１１４ａ，１１４ｂの側面はほぼ垂直であり、またエピ
タキシャル層へのダメージもほとんどない。ＲＩＢＥの
条件としては、例えば、圧力６０ｍＰａ、入力マイクロ
波のパワー１５０Ｗ、引出し電圧３５０Ｖとし、エッチ
ングガスには塩素およびアルゴンの混合ガスを使用し
た。

【００７１】この後、レジストパターンＲ１を取り除
き、常圧熱ＣＶＤ法で、表面に１０００オングストロー
ム程度のＳｉＯ₂層（第１絶縁膜）１０７を形成する。
この際のプロセス条件としては、例えば、基板温度４５
０℃、原料としてＳｉＨ₄（モノシラン）と酸素を使用
し、キャリアガスには窒素を用いた。さらにこの上にス
ピンコート法を用いてＳＯＧ（ＳｐｉｎｏｎＧｒａ
ｓｓ）膜１０８Ｌを塗布し、その後例えば、８０℃で１
分間、１５０℃で２分間、さらに３００℃で３０分間、
窒素中でベーキングする（図２（Ｃ）参照）。

【００７２】次にＳＯＧ膜１０８ＬとＳｉＯ₂ 膜１０
７をエッチバックして、露出したコンタクト層１０９の
表面と面一になるように平坦化させた（図３（Ａ）参
照）。エッチングには平行平板電極を用いた反応性イオ
ンエッチング（ＲＩＥ）法を採用し、反応ガスとして、
ＳＦ₆、ＣＨＦ₃およびＡｒを組み合わせて使用した。

【００７３】次に、コンタクト層１０９とリング状に接
触する上側電極１１２を公知のリフトオフ法により形成
した（図３（Ｂ）参照）。コンタクト層１０９は上側電
極１１２の円形開口を介して露出しており、この露出面
を充分に覆うように誘電体多層膜ミラー（上部ミラー）
１１１を公知のリフトオフ方法により形成する（図３
（Ｃ）参照）。上部ミラー１１１は、電子ビーム蒸着法
を用いて、ＳｉＯ₂層とＴａ₂Ｏ₅層を交互に例えば７ペ
ア積層して形成され、波長８００ｎｍ付近の光に対して
９８．５〜９９．５％の反射率を持つ。この時の蒸着ス
ピードは、例えばＳｉＯ₂が５オングストローム／分、
Ｔａ₂Ｏ₅層が２オングストローム／分とした。

【００７４】この上部ミラー１１１の上に、図１に示す
位相シフタ層１１５が局所的に形成される。この位相シ
フタ層１１５を形成するために、図４（Ａ）に示すよう
に、空気と屈折率が異なる材質の単一膜層１１６が所定
の厚さにて上部ミラー１１１の全面に形成される。

【００７５】位相シフタ層１１５となる単一膜層１１６
としては、上部ミラー１１１を構成する第１層（例えば
ＳｉＯ₂）または第２層（Ｔａ₂Ｏ₅）の何れかと同一の
層にて形成することが好ましい。こうすると、上部ミラ
ー１１１に引き続いて、同一チャンバー内にて単一膜層
１１６を電子ビーム蒸着法により形成できるからであ
る。この単一膜層１１６の膜厚として、レーザ光の位相
を例えば（−λ／２）だけシフトさせることができる設
計値通りの膜厚を得るために、成膜工程時に膜厚測定し
ながら形成することもできる。その他、単一膜層１１６
を設計値の膜厚以上の厚さに形成し、全面エッチング時
にエッチング量をコントロールして、設計値に設定する
こともできる。

【００７６】次に、図４（Ｂ）に示すとおり、フォトリ
ソグラフィ工程により形成されたレジスト膜１１７を用
いて、一方の柱状部分１１４ｂと対向する領域の単一膜
層１１６のみを残して、他の領域を局所的にエッチング
する。この前に、上述の設計値の膜厚に設定するための
全面エッチングを行うこともできる。この単一膜層１１
６のエッチング方法としては、ＲＩＥ法またはＲＩＢＥ
法を用いることができる。

【００７７】しかる後、基板１０２の下面に、ＮｉとＡ
ｕＧｅ合金とからなる下側電極１０１が形成されて、面
発光型半導体レ−ザ装置が完成する。

【００７８】ここで、単一膜層１１６を上部ミラー１１
１を構成する第１層例えばＳｉＯ₂で形成した場合に
は、上述の局所エッチング及び全面エッチングの双方に
おいて、ＳｉＯ₂層のエッチング量の管理が重要であ
る。そこで、本実施例ではＳｉＯ₂層のエッチングに使
用するＲＩＥ装置に、エッチング中にＳｉＯ₂層の反射
率を測定できる方法を導入し、エッチング量を測定する
こととした。

【００７９】図８に反射率測定手段を導入した平行平板
型ＲＩＥ装置の概略図を示す。このＲＩＥ装置において
は、エッチング室１６０内に、ＲＦ発振器１６１に接続
された電極１６２とメッシュ状の対向電極１６４とが対
向して設けられている。エッチング室１６０には、ガス
供給部１７０と排気用の真空ポンプ１６６とが接続され
ている。そして、エッチング室１６０の、前記電極１６
２と対向する壁面には、観測窓１６８が設けられてお
り、この観測窓１６８の外方には光源１７２と光検出器
１７４とが設置されている。そして、光源１７２から照
射された光は観測窓１６８を介して基板Ｓに到達し、そ
の反射光は観測窓１６８を介して光検出器１７４に至
る。このＲＩＥ装置においては、通常のメカニズムによ
ってＳｉＯ₂層がエッチングされるとともに、光源１７
２からの光を検出することによってエッチング面の反射
率をモニタすることができる。

【００８０】反射率はＳｉＯ₂層の残り膜厚によって変
化し、測定光源１７２の波長λに対して、残り膜厚が
（λ／４ｎ）になるごとに極大値と極小値をとり、Ｓｉ
Ｏ₂層が完全にエッチングされると反射率変化はなくな
る。ここで、ｎはＳｉＯ₂層の屈折率である。従って、
ＲＩＥによるエッチング中に反射率を測定し、反射率曲
線の極値をモニタすることにより、ＳｉＯ₂層のエッチ
ング量をコントロールすることができる。

【００８１】このように、反射率をモニタしたエッチン
グを用いることにより、位相シフタ層１１５を精度良く
作ることができる。

【００８２】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が
可能である。

【００８３】上記実施例は、光共振器に２本の柱状部分
を形成したが、この本数は２本に限らず、３本、４本な
ど複数本であればよい。この場合、１本以上の柱状部分
と対向する位置に位相シフタ層を設けても良い。また、
光共振器に１本の柱状部分を形成した場合には、光出射
側の第２の電極に、１本の柱状部分の端面と対向する領
域に臨んで複数の開口部を形成してもよい。これにより
複数の発光スポットを得る面発光型半導体レーザにも、
本発明を適用することができる。さらに、光共振器は必
ずしも柱状部分を有するものに限らず、光出射側の第２
の電極の複数の開口部を光共振器と対向する領域に形成
して複数の発光スポットを得る面発光型半導体レーザに
も、本発明を適用することができる。

【００８４】

【発明の効果】請求項１〜５に記載の面発光型半導体レ
ーザによれば、光共振器内部を導波されるレーザ光の位
相を一致させながらも、光出射側に局所的に設けた位相
シフタ層により、位相差をつけることができ、複数のレ
ーザ光が干渉する位置又は方向を制御して、遠視野像で
のエネルギーピーク間隔を、レーザ光の位相差及び発光
スポット間隔に基づいて任意に変更することができる。
従って、遠視野像でのエネルギーピーク間隔を任意に設
定することが可能となり、光読み取り装置、光計測装置
等のレーザ応用機器に適した面発光型半導体レーザを提
供できる。

【００８５】請求項４〜９に記載の面発光型半導体レー
ザの製造方法によれば、複数の発振領域でのレーザ光の
位相が一致する位相同期型の光共振器の製造プロセスに
変更を必ずしも伴うことなく、しかも、この光共振器の
製造後に形成される位相シフタ層の材質及び膜厚を任意
に設定することで、遠視野像でのエネルギーピーク間隔
を任意に変更することが可能となる。

【００８６】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザの
断面を示す概略断面図である。

【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ図１に示す面発光
型半導体レーザの製造プロセスを示す断面図である。

【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ図２に示すプロセ
スに引き続き行われる製造プロセスを示す概略断面図で
ある。

【図４】（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ図３のプロセスに
引き続き行われる製造プロセスを示す概略断面図であ
る。

【図５】遠視野像でのエネルギーピーク間隔が広がるこ
とを説明する原理説明図である。

【図６】図１に示す面発光型半導体レーザを利用した光
読み取り装置の光学系を示す概略説明図である。

【図７】（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ図６の断面Ａ−
Ａ，Ｂ−Ｂにおけるレーザ光の強度分布を示す特性図で
ある。

【図８】図１に示す面発光型半導体レーザの位相シフタ
層形成のためのエッチングプロセスにおいて用いられる
ＲＩＥ装置を模式的に示す断面図である。

【図９】超解像を利用した結像の原理を説明するための
概略説明図である。

【図１０】（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ図９中のＡ−
Ａ，Ｂ−Ｂ断面におけるビーム形状を示し、（Ｃ）は図
９のＣ−Ｃ断面でのビーム強度分布を示し、（Ｄ）は放
射面上でのビーム強度分布を示す図である。

【図１１】複数発光スポットからのレーザ光の遠視野像
におけるビーム強度の分布図である。

【符号の説明】

１００半導体レーザ１０１第１の電極１０２半導体基板１０３第１の反射ミラー１０４，１０５，１０６，１０９多層の半導体層１０７，１０８埋込層１１１第２の反射ミラー１１２第２の電極１１３開口部１１４ａ，１１４ｂ第１，第２の柱状部分１１５位相シフタ層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の第１、第２の反射ミラー及びその
間の多層の半導体層から成る光共振器を有し、半導体基
板と垂直な方向に向けて、光出射側の第２の反射ミラー
を介して、複数発光スポットよりレーザ光を発振させる
面発光型半導体レーザにおいて、前記第２の反射ミラー上の少なくとも一つの発光スポッ
トと対向する一部領域に、空気と屈折率が異なる材質に
て形成された位相シフタ層を設けたことを特徴とする面
発光型半導体レーザ。
【請求項２】半導体基板と垂直な方向にレーザ光を発
振する面発光型半導体レーザにおいて、前記半導体基板の下側に形成された第１の電極と、前記半導体基板上に形成された第１の反射ミラーと、前記前記第１の反射ミラー上に形成され、少なくとも活
性層及びクラッド層を含む多層の半導体層と、前記多層の半導体層のうち、少なくとも前記クラッド層
が複数本の柱状にエッチングされた複数本の柱状部分
と、前記複数本の柱状部分の周囲に埋め込まれた絶縁性の埋
込層と、複数本の柱状部分と対向する位置に光出射孔が形成され
た第２の電極と、前記光出射孔を覆って形成された第２の反射ミラーと、前記第２の反射ミラーの上であって、かつ、少なくとも
１本の前記柱状部分と対向する一部領域に、空気と屈折
率が異なる材質にて形成された位相シフタ層と、を有することを特徴とする面発光型半導体レーザ。
【請求項３】請求項１又は２において、前記第２の反射ミラーは、第１層と第２層とを交互に複
数層形成して成る誘電体ミラーであり、前記位相シフタ層は、前記第１層又は第２層と同一の材
質から成る単一膜層が所定の厚さで形成されていること
を特徴とする面発光型半導体レーザ。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記位相シフタ層は、レーザ光の波長に対する吸収係数
が、１００ｃｍ^-1以下であることを特徴とする面発光型
半導体レーザ。
【請求項５】一対の第１、第２の反射ミラー及びその
間の多層の半導体層から成る光共振器を有し、半導体基
板と垂直な方向に向けて、光出射側の第２の反射ミラー
を介して、複数発光スポットよりレーザ光を発振させる
面発光型半導体レーザを製造する方法において、前記第２の反射ミラーを形成した後に、前記第２の反射
ミラー上の少なくとも一つの発光スポットと対向する一
部領域に、空気と屈折率が異なる材質にて形成された位
相シフタ層を形成する工程を設けたことを特徴とする面
発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項６】半導体基板と垂直な方向にレーザ光を発
振する面発光型半導体レーザの製造方法において、前記半導体基板の下側に第１の電極を形成する工程と、前記半導体基板上に第１の反射ミラーを形成する工程
と、前記前記第１の反射ミラー上に、少なくとも活性層及び
クラッド層を含む多層の半導体層を形成する工程と、前記多層の半導体層のうち、少なくとも前記クラッド層
を複数本の柱状にエッチングして、複数本の柱状部分を
形成する工程と、前記複数本の柱状部分の周囲に絶縁性の埋込層を形成す
る工程と、複数本の柱状部分と対向する位置に光出射孔を有する第
２の電極を形成する工程と、前記光出射孔を覆って第２の反射ミラーを形成する工程
と、前記第２の反射ミラーの上であって、かつ、少なくとも
１本の前記柱状部分と対向する一部領域に、空気と屈折
率が異なる材質の位相シフタ層を形成する工程と、を有することを特徴とする面発光型半導体レーザの製造
方法。
【請求項７】請求項５又は６において、前記第２の反射ミラーを形成する工程は、第１層と第２
層とを交互に複数層形成して、誘電体ミラーを形成する
ものであり、前記位相シフタ層を形成する工程は、前記第１層又は第２層と同一の材質から成る単一膜層
を、前記第２の反射ミラー上に所定の厚さ成膜する成膜
工程と、前記第２の反射ミラー上の前記一部領域にのみに前記単
一膜層を残して、他の領域の前記単一膜層を局所エッチ
ングして除去する除去工程と、を含むことを特徴とする面発光型半導体レーザの製造方
法。
【請求項８】請求項７において、前記成膜工程では、所定の位相シフタ量を得るための設
計値上の膜厚以上に前記単一膜層を成膜し、前記除去工程では、前記局所エッチングの前に、前記単
一膜層を全面エッチングして、前記設計値上の膜厚に設
定する工程を含むことを特徴とする面発光型半導体レー
ザの製造方法。
【請求項９】請求項７又は８において、前記除去工程は、エッチング時に所定波長の光を前記単
一膜層に照射してその反射スペクトルを検出し、その反
射率プロファイルを測定することにより、前記単一膜層
のエッチング量を制御する工程を含むことを特徴とする
面発光型半導体レーザの製造方法。