本公開內(nèi)容在此通常涉及表面發(fā)射激光器元件和原子振蕩器。

背景技術(shù)：

豎直空腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)是半導體激光器，其在垂直于基板表面的方向上發(fā)射光。與端面發(fā)射型半導體激光器相比，VCSEL具有低成本、低功耗、尺寸小、高性能以及容易二維地集成的特征。

豎直空腔表面發(fā)射激光器具有一共振器結(jié)構(gòu)，該共振器結(jié)構(gòu)具有包括活性層的共振器區(qū)域，以及分別設(shè)置在該共振器區(qū)域的上方和下方的上部和下部布拉格反射鏡(參見日本公布專利申請?zhí)?008-53353)。共振器區(qū)域具有預定光學厚度以使得具有λ的波長的光在共振器區(qū)域中共振以便獲得具有λ的振蕩波長的光。上部和下部布拉格反射鏡由DBR(Distributed Bragg Reflector(分布布拉格反射器))形成，所述分布布拉格反射器通過交替層疊具有不同折射率的材料，即低折射率的材料和高折射率的材料，形成。在DBR中，低和高折射率的材料被形成為以使得考慮到相應(yīng)材料的折射率，光學厚度是λ/4，以便獲得其中波長是λ的高反射系數(shù)(reflectance)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的至少一個實施例的大體目的是要提供基本上避免由有關(guān)技術(shù)的一些限制和缺點引起的一個或更多個問題的一種表面發(fā)射激光器元件和原子振蕩器。

在一個實施例中，表面發(fā)射激光器元件包括下部布拉格反射鏡；上部布拉格反射鏡；和形成在下部布拉格反射鏡和上部布拉格反射鏡之間并包括活性層的共振器區(qū)域。波長調(diào)節(jié)區(qū)域形成在下部布拉格反射鏡或上部布拉格反射鏡中。波長調(diào)節(jié)區(qū)域包括第二相位調(diào)節(jié)層，波長調(diào)節(jié)層和第一相位調(diào)節(jié)層，其以該順序從其中形成共振器區(qū)域的側(cè)面進行布置。波長調(diào)節(jié)區(qū)域的光學厚度是近似(2N+1)×λ/4，波長調(diào)節(jié)層形成在一位置處，在該位置，在其中形成共振器區(qū)域的側(cè)面上距離波長調(diào)節(jié)區(qū)域的端部的光學距離是近似M×λ/2，其中λ是發(fā)射光的波長，M和N是正整數(shù)，以及M小于或等于N。

附圖說明

這些實施例的其他目的和進一步的特征將從以下當結(jié)合附圖閱讀時的詳細描述將變得顯而易見，在附圖中：

圖1是描述形成在晶片上的半導體層的膜厚度分布的例子的解釋性的示意圖；

圖2是描述根據(jù)第一實施例的表面發(fā)射激光器元件的例子的結(jié)構(gòu)圖；

圖3是描述根據(jù)第一實施例的表面發(fā)射激光器元件的主要部分的例子的結(jié)構(gòu)圖；

圖4是描述根據(jù)第一實施例的表面發(fā)射激光器元件的波長調(diào)節(jié)區(qū)域的例子的解釋性的示意圖；

圖5是描述根據(jù)第二實施例的表面發(fā)射激光器元件的主要部分的例子的結(jié)構(gòu)圖；

圖6是描述根據(jù)第二實施例的表面發(fā)射激光器元件的波長調(diào)節(jié)區(qū)域的例子的解釋性的示意圖；

圖7是描述根據(jù)第三實施例的原子振蕩器的例子的結(jié)構(gòu)圖；

圖8是描述用于解釋CPT型原子振蕩器的原子能級的例子的解釋性的示意圖；

圖9是描述在表面發(fā)射激光器的調(diào)制時的輸出波長的解釋性的示意圖；以及

圖10是描述調(diào)制頻率和透射光的量之間的關(guān)系的例子的示意圖。

具體實施方式

在下文中，將參照附圖描述本發(fā)明的實施例。另外，相同的附圖標記被分配給相同的構(gòu)件，并且重復的說明將被省略。

[第一實施例]

附帶地，是表面發(fā)射激光器元件的VCSEL是通過使半導體層外延地生長在晶體基板上而形成的。對于半導體層MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition(金屬有機化學氣相沉積))的外延生長，MBE(Molecular Beam Epitaxy(分子束外延))等被使用。在由外延生長這樣形成的半導體膜中，在MOCVD的情況下，例如，取決于在進行外延生長時晶片的溫度的分布或氣體的分布，在晶片的表面上的半導體膜的膜厚度會是非均勻的。當表面發(fā)射激光器元件的共振器或DBR由半導體膜形成時，其膜厚度這樣是不均勻的，變化發(fā)生在晶片內(nèi)的表面發(fā)射激光器元件的振蕩波長上。然后，具有從晶片獲得的希望的振蕩波長的許多表面發(fā)射激光器元件可變得較小。

例如，假定情況是半導體膜是通過MOCVD外延地生長的。在該情況下，如在圖1中示出的，會發(fā)生膜厚度分布，其中晶片10的中心部分的區(qū)域10a的膜厚度是厚的以及，隨著距離中心部分的距離，所述厚度按照區(qū)域10b、區(qū)域10c和區(qū)域10d的順序變得越來越小。因此，當表面發(fā)射激光器元件以相同的條件準備時，在區(qū)域10a中的表面發(fā)射激光器元件的、在區(qū)域10b中的表面發(fā)射激光器元件的、在區(qū)域10c中的表面發(fā)射激光器元件的和在區(qū)域10d中的表面發(fā)射激光器元件的振蕩波長彼此不同。也就是說，當在晶片10的區(qū)域10a中準備的表面發(fā)射激光器元件的振蕩波長是希望的波長時，在區(qū)域10d中準備的表面發(fā)射激光器元件的振蕩波長遠非希望的波長。因此，在其中原子振蕩器等的振蕩波長需要是精確的使用中，可使用在晶片10的區(qū)域10a中的表面發(fā)射激光器元件，其振蕩波長正好是希望的波長。然而，在區(qū)域10b、區(qū)域10c和區(qū)域10d中的表面發(fā)射激光器元件不能被使用。這樣，從晶片10獲得的、能夠被用在其中原子振蕩器等的振蕩波長需要是精確的許多表面發(fā)射激光器元件是小的，其導致成本等的增加。因此，以高產(chǎn)率生產(chǎn)表面發(fā)射激光器元件是希望的，所述表面發(fā)射激光器元件能夠用在其中原子振蕩器等的振蕩波長需要是精確的。

(表面發(fā)射激光器元件)

根據(jù)第一實施例的表面發(fā)射激光器元件將參照圖2進行解釋。根據(jù)該實施例的表面發(fā)射激光器元件是其中振蕩波長是894.6nm的表面發(fā)射激光器元件，并且通過層疊半導體層在基板101上。具體地說，表面發(fā)射激光器元件是通過按照順序?qū)⑾虏坎祭穹瓷溏R102、下部隔離物(spacer)層103、活性層104、上部隔離物層105、第二上部布拉格反射鏡106、第一上部布拉格反射鏡107和接觸層109層疊在基板101上而形成的。在根據(jù)該實施例的表面發(fā)射激光器元件中，激光從被層疊在基板101的表面上的層的表面發(fā)射。

基板101由為半導體基板的n-GaAs基板形成。下部布拉格反射鏡102是下部DBR，并且是通過交替地層疊35.5對n-Al_0.1Ga_0.9As(鋁砷化鎵)的高折射率層和n-Al_0.9Ga_0.1As的低折射率層形成的，每個層具有λ/4的光學厚度。

下部隔離物層103是由Al_0.2Ga_0.8As形成的?；钚詫?04是由包括GaInAs(銦砷化鎵)的量子阱層/GaInPAs(銦磷化鎵)的阻擋層的量子阱結(jié)構(gòu)形成的。在該實施例中，具有波長(1λ)的膜厚度的共振器區(qū)域110是由下部隔離物層103、活性層104和上部隔離物層105形成的。第二上部布拉格反射鏡106和第一上部布拉格反射鏡107是通過交替層疊5對p-Al_0.1Ga_0.9As的高折射率層和p-Al_0.9Ga_0.1As的低折射率層形成的，每個層具有λ/4的光學厚度。

在該實施例中，波長調(diào)節(jié)區(qū)域120被形成在第二上部布拉格反射鏡106和第一上部布拉格反射鏡107之間。因此，在該實施例中，包括第二上部布拉格反射鏡106的區(qū)域，波長調(diào)節(jié)區(qū)域120和第一上部布拉格反射鏡107將被描述為上部布拉格反射鏡。上部布拉格反射鏡將用作上部DBR。

此外，在第二上部布拉格反射鏡106的中間，布置了由p-AlAs形成的電流變窄層108。電流變窄層108具有電流變窄結(jié)構(gòu)，其中選擇性地氧化的區(qū)域108a是通過氧化電流變窄層108的圍繞部分形成的，未氧化的中心部分用作電流變窄區(qū)域108b。

接觸層109由p-GaAs形成。在接觸層109的上方，形成上部電極111。此外，在基板101的后側(cè)上，形成下部電極112。在根據(jù)該實施例的表面發(fā)射激光器元件中，臺面(mesa)是通過移除半導體層的一部分形成的。為了保護通過形成臺面暴露的半導體層的側(cè)表面，由電介質(zhì)膜例如SiN(氮化硅)形成的保護層151被提供。此外，在其中半導體層在形成所述臺面時被移除的區(qū)域中，樹脂材料例如聚酰亞胺被放置，從而形成樹脂層152。

在該實施例中，波長調(diào)節(jié)區(qū)域120被布置在第二上部布拉格反射鏡106和第一上部布拉格反射鏡107之間。在向上布拉格反射層中的高的折射率層由波長調(diào)節(jié)區(qū)域120替代。

如在圖3和4中示出的，波長調(diào)節(jié)區(qū)域120形成在第二上部布拉格反射鏡106上，即從共振器區(qū)域110的側(cè)面，第二相位調(diào)節(jié)層132，波長調(diào)節(jié)層140和第一相位調(diào)節(jié)層131以該順序形成。另外，在圖3中，形成在第二上部布拉格反射鏡106中的電流變窄層108被省略。波長調(diào)節(jié)層140調(diào)節(jié)在表面發(fā)射激光器元件中的振蕩波長。在該實施例中，高達三層的波長調(diào)節(jié)層140被提供。波長調(diào)節(jié)層140是通過交替地層疊兩種半導體材料形成的，該兩種半導體材料的蝕刻條件彼此不同。在該實施例中，如在圖4中示出的，波長調(diào)節(jié)層140是通過交替地層疊p⁺⁺-GaInP和p⁺⁺-GaAsP形成的。具體地說，在波長調(diào)節(jié)層140中，由p⁺⁺-GaInP形成的第三調(diào)節(jié)層143，由p⁺⁺-GaAsP形成的第二調(diào)節(jié)層142以及由p⁺⁺-GaInP形成的第一調(diào)節(jié)層141以該順序被層疊。在該實施例中，在波長調(diào)節(jié)層140中，作為雜質(zhì)元素，鋅(Zn)以1×10¹⁸cm^-3或以上的密度摻雜。

在該實施例中，通過改變波長調(diào)節(jié)層140中的層數(shù)，波長調(diào)節(jié)區(qū)域120中的光學厚度對于每個表面發(fā)射激光器元件會被改變。因此，從晶片獲得的、其振蕩波長是希望的波長的表面發(fā)射激光器元件的比率可被增加，以及產(chǎn)量可得以改進。

在此，假定這樣的情況：其中波長調(diào)節(jié)層140是由第三調(diào)節(jié)層143、第二調(diào)節(jié)層142和第一調(diào)節(jié)層141的三個層形成的。在該情況下，如果膜厚度是均勻的，在其中波長調(diào)節(jié)層140是三個調(diào)節(jié)層的情況下的振蕩波長是波長λ1，在其中波長調(diào)節(jié)層140是兩個調(diào)節(jié)層的情況下的振蕩波長是波長λ2，以及在其中波長調(diào)節(jié)層140是一個調(diào)節(jié)層的情況下的振蕩波長是波長λ3。此外，在其中沒有形成波長調(diào)節(jié)層140的情況下，振蕩波長是波長λ4。這樣，通過改變在波長調(diào)節(jié)層140中的層數(shù)，獲得了表面發(fā)射激光器元件，其振蕩波長彼此不同，即四個不同的波長λ1，λ2，λ3和λ4。

在公開在日本公布專利申請?zhí)?013-138176中的表面發(fā)射激光器元件中，其中在波長調(diào)節(jié)層之上的上部布拉格反射鏡是由電介質(zhì)材料形成的，由電介質(zhì)材料形成的電介質(zhì)層的折射率顯著小于由半導體材料形成的波長調(diào)節(jié)層的折射率。因此，需要波長調(diào)節(jié)層和電介質(zhì)層之間的分界面在縱模下形成在波腹位置處。如果波長調(diào)節(jié)層和電介質(zhì)層之間的分界面在縱模下形成在節(jié)點位置處，光在波長調(diào)節(jié)層和由電介質(zhì)材料形成的上部布拉格反射鏡之間的分界面處以相反相位反射。

因此，本申請的發(fā)明人認真地調(diào)查了，包括與表面發(fā)射激光器元件有關(guān)的實驗等，其中所述表面發(fā)射激光器元件具有其中在波長調(diào)節(jié)層之上的上部布拉格反射鏡是由半導體材料形成的結(jié)構(gòu)。結(jié)果，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過形成為以使得波長調(diào)節(jié)區(qū)域120的上端位于縱模的波腹處以及下端位于縱模的節(jié)點處，以及在波長調(diào)節(jié)區(qū)域120中將波長調(diào)節(jié)層140形成在縱模的節(jié)點位置處，如圖3所示的，特性可被改進，例如減小了振蕩閾值電流，而沒有降低波長調(diào)節(jié)功能。該實施例基于由發(fā)明人這樣發(fā)現(xiàn)的知識。

具體地說，用于波長調(diào)節(jié)層140中的兩個半導體材料即GaInP和GaAsP的折射率彼此不同，即3.3和3.5。當波長調(diào)節(jié)層140在波腹的位置處時，散射損失的因素可發(fā)生。但是，當波長調(diào)節(jié)層140在節(jié)點位置處時，來自于散射損失的因素的影響被抑制。

此外，在其中波長調(diào)節(jié)層140之上的上部布拉格反射鏡是由半導體材料形成的表面發(fā)射激光器元件中，在形成波長調(diào)節(jié)層140的兩種層之間的分界面等處，由于發(fā)生在帶結(jié)構(gòu)中的雜尖峰(hetero spike)等，電阻增加。因此，為了減小電阻并增加導電性，所述方法可包括增加摻雜在波長調(diào)節(jié)層140中的雜質(zhì)元素的濃度。

然而，在波長調(diào)節(jié)區(qū)域120中，當其中雜質(zhì)元素以高濃度摻雜的區(qū)域被形成在縱模中的波腹位置處時，存在光吸收在該區(qū)域中變得較大的問題，振蕩閾值電流變得較高且斜率效率降低等。另一方面，在該實施例中，波長調(diào)節(jié)層140被形成在縱模中的節(jié)點位置處。因此，即使摻雜在波長調(diào)節(jié)層140中的雜質(zhì)元素的濃度增加，電流能夠減小，而沒有增加振蕩閾值電流，降低斜率效率等。這樣，在表面發(fā)射激光器元件中，通過減小電阻，來自于表面發(fā)射激光器元件的發(fā)熱性被抑制，從表面發(fā)射激光器元件發(fā)射的激光的最大光學輸出量可增加。

如上所述的，在該實施例中，波長調(diào)節(jié)區(qū)域120以第二相位調(diào)節(jié)層132、波長調(diào)節(jié)層140和第一相位調(diào)節(jié)層131的順序形成。具體地說，第二相位調(diào)節(jié)層132和第一相位調(diào)節(jié)層131由p-Al_0.16Ga_0.84As形成。波長調(diào)節(jié)層140由p⁺⁺-GaInP/p⁺⁺-GaAsP/p⁺⁺-GaInP的三個層形成。如上所述的，波長調(diào)節(jié)區(qū)域120被形成在第二上部布拉格反射鏡106和第一上部布拉格反射鏡107之間。在上部布拉格反射層中的高的折射率層被波長調(diào)節(jié)區(qū)域120替代。

如在圖2中示出的，在該實施例中，波長調(diào)節(jié)區(qū)域120被形成為以使得整個波長調(diào)節(jié)區(qū)域120的光學厚度t₁是近似3λ/4。此外，在波長調(diào)節(jié)區(qū)域120中，從波長調(diào)節(jié)區(qū)域120的下端到波長調(diào)節(jié)層140的中心的光學距離p₁是近似λ/2。也就是說，當波長調(diào)節(jié)層140由p⁺⁺-GaInP/p⁺⁺-GaAsP/p⁺⁺-GaInP的三個層形成時，到該中間層p⁺⁺-GaAsP的中心的光學距離p₁是λ/2。

另外，在形成為以使得整個波長調(diào)節(jié)區(qū)域120的光學厚度t₁是近似5λ/4的情況下，波長調(diào)節(jié)層140只需要形成在其中距離波長調(diào)節(jié)區(qū)域120的下端的光學距離p₁是λ/2或λ的位置處。此外，在形成為以使得整個波長調(diào)節(jié)區(qū)域120的光學厚度t₁是近似7λ/4的情況下，波長調(diào)節(jié)層140只需要形成在其中距離波長調(diào)節(jié)區(qū)域120的下端的光學距離p₁是λ/2，λ和3λ/2中的任一個的位置處。

也就是說，波長調(diào)節(jié)區(qū)域120的光學厚度是近似(2N+1)×λ/4(N＝1，2，…)，以及波長調(diào)節(jié)層140的位置在共振器區(qū)域110的側(cè)面上距離波長調(diào)節(jié)區(qū)域120的端部是近似M×λ/2(M＝1，2，…)，其中M小于或等于N。

此外，在該實施例中，波長調(diào)節(jié)層140被形成為以使得形成波長調(diào)節(jié)層140的p⁺⁺-GaInP/p⁺⁺-GaAsP/p⁺⁺-GaInP的三個層中的每個的光學厚度是0.05λ。因此，當在波長調(diào)節(jié)層140中的調(diào)節(jié)層的層數(shù)改變時，在表面發(fā)射激光器元件中的振蕩波長的間隔是1nm。在該實施例中，在上部布拉格反射層中的高折射率層由波長調(diào)節(jié)區(qū)域120替代。在該結(jié)構(gòu)中，與第二實施例中描述的結(jié)構(gòu)由低折射率層替代相比，其將在后面進行描述，包括Al的混合晶體可被防止用作用于波長調(diào)節(jié)層的材料。因此，在為波長調(diào)節(jié)層的相應(yīng)層進行選擇性蝕刻時，波長調(diào)節(jié)層的相應(yīng)層的表面的氧化或腐蝕可被防止，從而可靠性得以改進。

(表面發(fā)射激光器元件的制造方法)

當根據(jù)該實施例的表面發(fā)射激光器元件被制造時，半導體層根據(jù)MOCVD方法，MBE方法等由外延生長形成。具體地說，在基板101上，下部布拉格反射鏡102，下部隔離物層103，活性層104，上部隔離物層105，第二上部布拉格反射鏡106，第二相位調(diào)節(jié)層132以及波長調(diào)節(jié)層140的三個層按照順序由晶體生長形成。在這場合，共振波長在用作基板101的晶片上被測量。另外，電流變窄層108被形成為形成第二上部布拉格反射鏡106的高折射率層的層。

接下來，通過重復地執(zhí)行抗蝕圖形和選擇性蝕刻，在整個晶片的盡可能大的區(qū)域中，波長調(diào)節(jié)層140被形成為以使得波長調(diào)節(jié)層140的層數(shù)對于每個區(qū)域是不同的以使共振波長對應(yīng)于希望的波長。

例如，如圖1中示出的，在根據(jù)MOCVD的成膜中，為晶片10的中心部分的區(qū)域10a中的膜是厚的，以及隨著距離該中心部分的距離，所述膜按照區(qū)域10b、區(qū)域10c和區(qū)域10d的順序變得更薄。在該情況下，為了簡化起見，假定參照形成在晶片10的區(qū)域10d中的表面發(fā)射激光器元件，振蕩波長在區(qū)域10c中變得長出1nm，以及在區(qū)域10b中振蕩波長變得長出2nm，以及在區(qū)域10a中振蕩波長變得長出3nm。

在該情況下，最初，光致抗蝕劑被涂布在晶片10的表面上，并通過曝光裝置的曝光以及顯影被執(zhí)行，從而在晶片10的區(qū)域10a，10b，和10c中具有開口的抗蝕圖形得以形成。后來，在其中抗蝕圖形沒有被形成的晶片10的區(qū)域10a，10b和10c中的波長調(diào)節(jié)層140的第一調(diào)節(jié)層141通過濕蝕刻被移除。此外，后來，抗蝕圖形還通過有機溶劑等被移除。

接下來，光致抗蝕劑被涂布在晶片10的表面上，通過曝光裝置的曝光以及顯影被執(zhí)行，從而在晶片10中的區(qū)域10a和10b中具有開口的抗蝕圖形得以形成。后來，在其中抗蝕圖形沒有被形成的晶片10的區(qū)域10a和10b中的波長調(diào)節(jié)層140的第二調(diào)節(jié)層142通過濕蝕刻被移除。此外后來，該抗蝕圖形還通過有機溶劑等被移除。

接下來，光致抗蝕劑被涂布在晶片10的表面上，通過曝光裝置的曝光以及顯影被執(zhí)行，從而在晶片10中的區(qū)域10a中具有開口的抗蝕圖形得以形成。后來，在其中抗蝕圖形沒有被形成的晶片10的區(qū)域10a中的波長調(diào)節(jié)層140的第三調(diào)節(jié)層143通過濕蝕刻被移除。此外，后來，抗蝕圖形還通過有機溶劑等被移除。

在以上所述的濕蝕刻中，例如，對于用于GaAsP(至于GaAs同樣如此)的蝕刻劑，硫酸、過氧化氫和水的混合液體可被使用。此外，對于用于GaInP的蝕刻劑，鹽酸和水的混合液體可被使用。

因此，在晶片10中的區(qū)域10a中，波長調(diào)節(jié)層140的所有三個層被移除。此外，在晶片10中的區(qū)域10b中，波長調(diào)節(jié)層140的一層保留，在晶片10中的區(qū)域10c中，波長調(diào)節(jié)層140的兩個層保留，以及在晶片10中的區(qū)域10d中，波長調(diào)節(jié)層140的三個層保留。

在該實施例中，即使形成在晶片10上的半導體層具有一膜厚度分布，波長調(diào)節(jié)層140可形成為以使得波長調(diào)節(jié)層140的層數(shù)彼此不同。因此，形成在晶片10中的區(qū)域10a、區(qū)域10b、區(qū)域10c和區(qū)域10d中的表面發(fā)射激光器元件的振蕩波長可被弄成是近似均一，產(chǎn)量可被改進。

接下來，在波長調(diào)節(jié)層140之上的半導體層得以形成。具體地說，在波長調(diào)節(jié)層140或第二相位調(diào)節(jié)層132上，第一相位調(diào)節(jié)層131，第一上部布拉格反射鏡107和接觸層109是通過根據(jù)MOCVD方法或MBE方法的重結(jié)晶生長形成的。

接下來，半導體層通過蝕刻被移除直到形成在第二上部布拉格反射鏡106中的電流變窄層108的側(cè)表面被暴露，從而形成臺面。后來，從該臺面的側(cè)表面，通過選擇性地氧化電流變窄層108的周圍區(qū)域，選擇的氧化區(qū)域108a得以形成。還沒有被選擇性地氧化的區(qū)域是電流變窄區(qū)域108b。為了蝕刻形成所述臺面，干蝕刻法可是使用。從臺面上方看，該臺面可具有任意形狀，除了圓形之外，例如橢圓形，正方形或矩形。

在形成該臺面之后，通過在蒸汽中的熱處理，變?yōu)殡娏髯冋瓕?08的AlAs，其側(cè)表面被暴露，從該側(cè)表面被氧化并且改變?yōu)橛葾l_xO_y等形成的絕緣體。然后，選擇的氧化區(qū)域108a圍繞該電流變窄層108形成。這樣，通過在該電流變窄層108中形成選擇的氧化區(qū)域108a，在電流變窄層108中沒有被氧化的中心部分變?yōu)殡娏髯冋瓍^(qū)域108b，以及從而驅(qū)動電流的路徑可被限制到為該中心部分的電流變窄區(qū)域108b。這樣的結(jié)構(gòu)稱為電流變窄結(jié)構(gòu)。

接下來，SiN(氮化硅)的保護層151被設(shè)置在包括該側(cè)表面和該臺面的頂部表面的整個表面上。此外，其中在形成所述臺面時蝕刻半導體層的區(qū)域用聚酰亞胺填充并且被平面化，從而形成樹脂層152。后來，在接觸層109之上的保護層151和樹脂層152被移除，以及要為p側(cè)單獨的電極的上部電極111被形成為圍繞其中發(fā)射激光的接觸層109之上的區(qū)域。在基板101的后側(cè)上，要被n側(cè)公共電極的下部電極112得以形成。

在該實施例中，通過形成所述臺面暴露的半導體層的側(cè)表面或者圍繞該臺面的底部表面是通過形成SiN的保護層151被保護的，SiN是電介質(zhì)材料，并且表面發(fā)射激光器元件的可靠性得以改進。尤其地，當半導體層包括易腐蝕的Al時，產(chǎn)生作用。

在該實施例中，波長調(diào)節(jié)區(qū)域120被布置在上部布拉格反射鏡中。然而，波長調(diào)節(jié)區(qū)域120可布置在下部布拉格反射鏡中。

在原子振蕩器的使用中，正好以希望的波長振蕩的VCSEL是需要的。作為獲得這樣的正好以希望的波長振蕩的VCSEL的方法，這樣的方法被公開：將其振蕩波長彼此稍微不同的多個光發(fā)射元件提供在一個芯片中，以及選擇從多個光發(fā)射元件發(fā)射希望的振蕩波長的光發(fā)射元件(例如，參見日本公布專利申請?zhí)?013-138176)。在該方法中，波長調(diào)節(jié)層，其膜厚度彼此稍微不同，被形成在上部DBR的中間中以便使振蕩波長彼此不同。

波長調(diào)節(jié)層是通過交替地層疊兩種不同的半導體材料形成的。當整個上部DBR是由多層的半導體膜形成時，在形成波長調(diào)節(jié)層的兩種半導體材料的分界面處，由于該兩種半導體材料的帶間隙之間的差異，阻擋等發(fā)生并且電阻變大。為了解決該問題，例如所述方法可包括增加在波長調(diào)節(jié)層中的雜質(zhì)元素的濃度以減小該電阻。然而，在該情況下，存在的問題是光吸收變大，其導致作為DBR的特性的降級以及此外該VCSEL等的振蕩閾值電流的增加。

因此，在表面發(fā)射激光器元件中，其中DBR由半導體材料形成，該波長調(diào)節(jié)層被設(shè)置在DBR的中間，振蕩閾值電流希望是小的。

根據(jù)該實施例的表面發(fā)射激光器元件，在表面發(fā)射激光器元件中，其中DBR由半導體材料形成，以及波長調(diào)節(jié)層被設(shè)置在DBR的中間，可使振蕩閾值電流為小的。

[第二實施例]

接下來，將描述第二實施例。根據(jù)該實施例的表面發(fā)射激光器元件是使用電流變窄結(jié)構(gòu)的894.6nm的表面發(fā)射激光器元件，如在第一實施例中的。在根據(jù)第一實施例的表面發(fā)射激光器元件中，波長調(diào)節(jié)區(qū)域120由在上部布拉格反射鏡中的高折射率層替代，但是根據(jù)第二實施例的表面發(fā)射激光器元件，波長調(diào)節(jié)區(qū)域120由低折射率層替代。

根據(jù)第二實施例的表面發(fā)射激光器元件的整個結(jié)構(gòu)與圖1中示出的結(jié)構(gòu)是相同的。在該實施例中，第二上部布拉格反射鏡106和第一上部布拉格反射鏡107被形成為以使得波長調(diào)節(jié)區(qū)域由上部布拉格反射鏡中的低折射率層替代。

在該實施例中，如圖5和圖6中示出的，波長調(diào)節(jié)區(qū)域220形成在第二上部布拉格反射鏡106和第一上部布拉格反射鏡107之間。波長調(diào)節(jié)區(qū)域220從共振器區(qū)域110的那側(cè)以第二相位調(diào)節(jié)層232、波長調(diào)節(jié)層240和第一相位調(diào)節(jié)層231的順序被形成在第二上部布拉格反射鏡106上。如圖5中示出的，波長調(diào)節(jié)區(qū)域220被形成為以使得波長調(diào)節(jié)區(qū)域220的上端位于縱模中的節(jié)點處，下端位于該縱模中的波腹處，以及波長調(diào)節(jié)層240位于該縱模中的節(jié)點處。在圖5中，形成在第二上部布拉格反射鏡106中的電流變窄層108被省略。

波長調(diào)節(jié)層240調(diào)節(jié)在表面發(fā)射激光器元件中的振蕩波長。在該實施例中，高達三個層被設(shè)置。波長調(diào)節(jié)層240是通過交替地層疊兩種半導體材料形成的，所述兩種半導體材料的蝕刻條件彼此不同。具體地說，波長調(diào)節(jié)層240是通過交替地層疊p⁺⁺-(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P和p⁺⁺-Al_0.7Ga_0.3As形成的。也就是說，在波長調(diào)節(jié)層240中，由p⁺⁺-(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P形成的第三調(diào)節(jié)層243，由p⁺⁺-Al_0.7Ga_0.3As形成的第二調(diào)節(jié)層242以及由p⁺⁺-(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P形成的第一調(diào)節(jié)層241被按順序?qū)盈B。在該實施例中，在波長調(diào)節(jié)層240中，作為雜質(zhì)元素，鋅(Zn)以1×10¹⁸cm^-3或以上的濃度摻雜。

在該實施例中，通過改變在波長調(diào)節(jié)層240中的層數(shù)，在波長調(diào)節(jié)區(qū)域220中的光學厚度對于每個表面發(fā)射激光器元件可被改變。因此，從晶片獲得的、其振蕩波長是希望的波長的表面發(fā)射激光器元件的比率可增加，以及產(chǎn)量可得以改進。

如在圖5中示出的，在該實施例中，波長調(diào)節(jié)區(qū)域220被形成為以使得整個波長調(diào)節(jié)區(qū)域220的光學厚度t₂是近似3λ/4。此外，在波長調(diào)節(jié)區(qū)域220中，從波長調(diào)節(jié)區(qū)域220的下端到波長調(diào)節(jié)層240的中心的光學距離p2是近似λ/4。當波長調(diào)節(jié)層240由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的三個層形成時，到中間層的中心的光學距離p₂是λ/4。也就是說，到波長調(diào)節(jié)層240中的中間層p⁺⁺-Al_0.7Ga_0.3As的中心的光學距離p₂是λ/4。

另外，在形成為以使得整個波長調(diào)節(jié)區(qū)域220的光學厚度t₂是近似5λ/4的情況下，波長調(diào)節(jié)層240只需要形成在其中距離波長調(diào)節(jié)區(qū)域220的下端的光學距離p₂是λ/4或3λ/4的位置處。此外，在形成為以使得整個波長調(diào)節(jié)區(qū)域220的光學厚度t₂是近似7λ/4的情況下，波長調(diào)節(jié)層240只需要形成在其中距離波長調(diào)節(jié)區(qū)域220的下端的光學距離p₂是λ/4，3λ/4和5λ/4中的任一個的位置處。

也就是說，波長調(diào)節(jié)區(qū)域220的光學厚度是近似(2N+1)×λ/4(N＝1,2,…)，以及波長調(diào)節(jié)層240的位置在共振器區(qū)域110的側(cè)面上距離波長調(diào)節(jié)區(qū)域220的端部是近似(2M+1)×λ/4(M＝1,2,…)，其中M小于或等于N-1。

在該實施例中，形成波長調(diào)節(jié)層240的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的三個層中的每個的光學厚度是0.05λ。因此，當在波長調(diào)節(jié)層240中的調(diào)節(jié)層的層數(shù)改變時，在表面發(fā)射激光器元件中的振蕩波長的間隔是1nm。

另外，形成波長調(diào)節(jié)層240的p⁺⁺-(Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P和p⁺⁺-Al_0.7Ga_0.3As的折射率中的任一個是3.1。因此，與根據(jù)第一實施例的表面發(fā)射激光器元件相比，折射率差是小的。這樣，當形成波長調(diào)節(jié)層240的兩種材料之間的折射率差是小的時，在波長調(diào)節(jié)層240中的散射損失可弄成是小的。

在第二實施例中的不同于以上所述的那些的特征與第一實施例是相同的。

[第三實施例]

接下來，將描述第三實施例。該實施例涉及使用根據(jù)第一實施例或第二實施例的表面發(fā)射激光器元件的原子振蕩器。參照圖7，根據(jù)該實施例的原子振蕩器將被描述。根據(jù)該實施例的原子振蕩器是CPT型的小型的原子振蕩器，包括光源410，準直透鏡420，1/4波片430，堿金屬隔室440，光檢測器450和調(diào)制器460(例如，參見Comprehensive Microsystems，Vol.3，pp.571-612以及日本公布專利申請?zhí)?009-188598)。

在根據(jù)該實施例的原子振蕩器中，通過將來自于包括從表面發(fā)射激光器發(fā)射的邊帶的光的、具有兩種不同波長的光注射到堿金屬隔室440中，由于由兩種共振光引起的量子干涉作用，振蕩頻率根據(jù)光吸收特性被控制。

對于光源410，表面發(fā)射激光器元件是根據(jù)第一實施例或第二實施例制作的。在堿金屬隔室440中，銫(Cs)的堿原子被包封，以及D1行的躍遷被使用。對于光檢測器450，光二極管被使用。

在根據(jù)該實施例的原子振蕩器中，從光源410發(fā)射的光被照射到包封銫原子氣體的堿金屬隔室440，從而在銫原子中的電子被激勵。已經(jīng)穿過堿金屬隔室440的光是由光檢測器450檢測的。由光檢測器450檢測的信號被反饋到調(diào)制器460。調(diào)制器調(diào)制在光源410處的表面發(fā)射激光器元件。

圖8示出與CPT方法有關(guān)的原子能級的結(jié)構(gòu)，其采用當電子同時分別從兩個基底狀態(tài)激勵到勵磁狀態(tài)時的特性，光吸收率降低。在表面發(fā)射激光器中，存在一元件，其載波的波長接近894.6nm。載波的波長可通過改變表面發(fā)射激光器的溫度或輸出功率被調(diào)節(jié)。如圖9中所示的，通過調(diào)制，邊帶出現(xiàn)在載波的兩邊。在該第三實施例中，表面發(fā)射激光器以4.6GHz的頻率被調(diào)制，以使得邊帶之間的頻率差對應(yīng)于銫原子的固有頻率，即，9.2GHz。如圖10中所示的，透射穿過激勵的銫原子氣體的激光量在當邊帶之間的頻率差對應(yīng)于銫原子的固有頻率差時變?yōu)樽畲笾?。在光檢測器450處檢測到的信號在調(diào)制器460處被反饋以使得來自于光檢測器450的輸出功率被維持在最大值。因此，在光源410處的表面發(fā)射激光器的調(diào)制頻率被調(diào)節(jié)。因為原子的固有頻率是穩(wěn)定的，調(diào)制頻率的值是穩(wěn)定的。該信息被提取為輸出量。在其中波長是894.6nm的情況下，光的波長范圍在±1nm內(nèi)的光源是需要的。更優(yōu)選地，光的波長范圍在±0.3nm內(nèi)的光源是需要的(例如，參見Proc.of SPIE，Vol.6132 613208-1(2006))。

根據(jù)第三實施例的原子振蕩器使用根據(jù)第一實施例或第二實施例的表面發(fā)射激光器元件。對于表面發(fā)射激光器，由于在晶體成長中的層厚度的變化，難以獲得在±1nm內(nèi)的均一的振蕩波長，如以上所述的。然而，根據(jù)第一實施例或第二實施例的表面發(fā)射激光器元件的振蕩波長可被弄成是均一的，在晶片中的產(chǎn)量高。因此，可獲得靠近894.6nm的振蕩波長的大量表面發(fā)射激光器元件，即，表面發(fā)射激光器元件的產(chǎn)量，其中精確的振蕩波長是需要的，得以改進，以及原子振蕩器可以以低成本生產(chǎn)和提供。

此外，在第三實施例中，銫(Cs)被用作堿金屬，表面發(fā)射激光器，其波長是894.6nm，被使用以便使用D1行的躍遷。然而，表面發(fā)射激光器，其波長是852.3nm，可被使用以便使用D2行的躍遷。此外，銣(Rd)可被用作堿金屬。在該情況下，表面發(fā)射激光器，其波長是795.0nm，以及表面發(fā)射激光器，其波長是780.2nm，可被使用以便分別使用D1和D2行的躍遷?；钚詫拥鹊牟牧蠘?gòu)成可根據(jù)波長進行設(shè)計。此外，在使用銣的情況下的調(diào)制頻率分別對于銣87(⁸⁷Rb)和銣85(⁸⁵Rb)是3.4GHz和1.5GHz。還對于以上的波長，光的波長范圍在±nm內(nèi)的光源是需要的。

進一步地，本發(fā)明不限于這些實施例，而是可在不背離本發(fā)明的范圍的情況下進行各種變化和修改。此外，在本發(fā)明的各個實施例中，其中表面發(fā)射激光器元件被應(yīng)用到原子振蕩器的情況被解釋，但是根據(jù)第一實施例或第二實施例的表面發(fā)射激光器可被應(yīng)用到需要具有預定波長的光的另一個設(shè)備等，例如氣體傳感器。在這樣的情況下，在這些設(shè)備等中，通過根據(jù)使用采用具有預定波長的表面發(fā)射激光，獲得了相同的作用。

本申請基于2015年8月6日提交的日本優(yōu)先權(quán)申請?zhí)?015-155956并要求其優(yōu)先權(quán)的權(quán)益，其整個內(nèi)容以參照方式被并入與此。