면발광 레이저 및 레이저 투사 장치 document_id A220623030803

면발광 레이저는 저 임계값에서 레이저 발진을 행하는, 우수한 빔 품질을 갖는 반도체 레이저이며, 출력광을 고속으로 변조 가능하다는 변조 특성을 이용한 광 통신 분야로의 응용이 실현되어 있다. 그러나, 면발광 레이저의 과제로서 고출력화가 어렵다고 하는 문제가 있었다. 면발광 레이저는 박막에 의해 구성되어 있기 때문에, 그 구조상, 공진기 길이가 매우 짧다. 이 때문에, 공진기 길이를 증대하여 충분한 이득을 얻는 것은 어렵다. 한편, 면발광 레이저의 구동 전류를 증대하여 고출력화를 도모하는 것도 생각되지만, 면발광 레이저에서는, 활성층 내의 캐리어 밀도가 지나치게 높은 경우, 공간적 홀 버닝(hole burning)에 의한 이득 포화에 의해 광 출력이 포화하여, 높은 광 출력 동작이 저해된다. 이러한 것으로부터, 공진기 길이를 증대하거나 구동 전류를 증대하거나 하지 않고 면발광 레이저의 고출력화를 도모하기 위해서는, 면발광 레이저에 있어서의 빔 단면적을 증대시키는 것이 유효하다고 생각된다. 그런데, 이러한 공진기 길이가 짧은 구조의 면발광 레이저에서는, 레이저의 고출력화를 도모하기 위해 빔 단면적을 증대시키면, 공진기 내에서의 횡 모드가 멀티모드화되어 버려, 빔 품질이나 발진 효율을 현저히 저하시킨다고 하는 문제가 발생하고 있었다. 이것에 비하여, 이러한 빔 품질이나 발진 효율의 저하를 없애도록 한 면발광 레이저는 이미 개발되어 있고, 예컨대, 특허문헌 1에는, 면발광 레이저에 있어서, 횡 모드의 멀티화를 억제하면서, 빔 단면적을 증대시킨 것이 개시되어 있다. 도 14는 특허문헌 1에 개시된 면발광 레이저를 설명하는 도면이며, 도 14(a)는 그 단면 구조, 도 14(b)는 그 하부 전극의 형상을 나타내고 있고, 또한, 도 14(c)는, 이 면발광 레이저의 활성층의, 하부 전극에 대향하는 영역에서의 광의 강도 분포를 나타내고 있다. 도 14(a)에 나타내는 면발광 레이저(200)는, 반도체 기판(2)과, 해당 반도체 기판(2)의 한쪽의 면에 형성된 활성층(3)과, 해당 활성층(3) 상에 형성된 반사층(4)을 갖고 있다. 여기서, 해당 반사층(4)은, 굴절률이 다른 재료(4a, 4b)를 교대로 적층하여 이루어지는 분산형 브랙반사층이며, 이하, DBR(Distributed Bragg Reflector)층이라고도 한다. 또한, 상기 면발광 레이저(200)는, 상기 DBR층(4)의 표면 상에 형성된 원형의 하부 전극(600)과, 상기 기판(2)의 또 한 쪽의 면상에 해당 하부 전극(600)에 대향하는 영역을 둘러싸도록 형성된, 링형상의 상부 전극(5)을 갖고 있다. 또한, 이 면발광 레이저(200)는, 상기 표면 전극(5)의 윗쪽에, 그 내측의 기판 표면에 대향하도록 배치된 외부 미러(1)를 갖고 있고, 이 면발광 레이저(200)에서는, DBR층(4)과 외부 미러(1)에 의해, 활성층(3)에서 발생한 광을 레이저 발진이 생기도록 증폭하는 공진기가 구성되어 있다. 여기서, DBR층(4)은 전반사층(全反射層)이며, 외부 미러(1)는 일부 투과 미러이다. 다음에 동작에 대하여 설명한다. 이 면발광 레이저(200)에서는, 상부 전극(5) 및 하부 전극(600)의 사이에 구동 전압이 인가되어, 활성층(3) 내에 전류가 주입되면, 활성층(3) 내에서는 광이 발생하고, 발생한 광은 공진기에 의해 증폭된다. 그리고, 이 주입 전류의 크기가 일정값, 즉 레이저 발진 임계값보다 커지면, 공진기 내에서 레이저 발진이 발생하여, 레이저광(8)이 외부 미러(1)를 거쳐서 외부에 출사된다. 이 때, 레이저광(8)은 면발광되고, 레이저광의 출사 방향은 기판(2)의 표면에 대하여 수직인 방향으로 되어 있다. 이와 같이 상기 특허문헌 1에 개시된 면발광 레이저에서는, 공진기를 구성하는 한쪽의 미러를 외부 미러(1)로서 기판으로부터 이격하여 배치해서, 공진기 길이의 증대를 도모하고 있다. 즉, 이러한 외부 미러(1)를 이용하는 것에 의해, 빔 단면적이 큰 값의 것으로 되더라도, 공진 모드를 단일화하는 것이 가능해져, 고출력 특성을 실현하고 있다. 또한, 특허문헌 2에는, 면발광 레이저에 있어서 활성층 내의 캐리어 밀도를 균일화하는 전극 구조가 개시되어 있다. 이 특허문헌 2에 개시되어 있는 면발광 레이저에서는, 이면 전극을 복수로 분할함으로써, 활성층 내로 주입하는 전류의 분포를 제어 가능하게 하고, 이에 따라 대구경의 면발광 레이저를 실현하고 있다. [특허문헌 1] 미국특허 제 6404797호 명세서 [특허문헌 2] 일본특허공개평성 제 11-233889호 공보 그러나, 특허문헌 1에 개시된 면발광 레이저(200)에서는, 고출력 특성을 실현하는 데에 있어서, 활성층 내에서의 캐리어 밀도 분포가 문제로 된다. 즉, 이 문헌에 기재된 면발광 레이저(200)에서는, 활성층(3)의, 하부 전극(600)에 대응하는 영역에서의 광의 강도 분포는, 도 14(c)에 도시하는 바와 같이, 가우스 분포에 가까운 분포로 되어, 활성층의 발광 중심 부분에서 광 강도 Lp가 피크로 되어 있다. 한편, 면발광 레이저(200)의 활성층(3)의, 하부 전극(600)에 대응하는 영역에서는, 그 중심부와 그 주변부에서는 광 강도 분포에 큰 치우침이 있음에도 불구하고, 활성층(3) 내에 주입되는 캐리어 밀도 Cd는 똑같다. 이 때문에, 활성층(3)의 하부 전극(600)에 대응하는 영역의 중심부의 주변 부분에서는, 활성층 내에 존재하는 캐리어의 밀도가 커서, 캐리어가 과잉 상태로 되고 있고, 한편, 상기 영역의 중심 부분에서는, 캐리어 부족의 상태가 발생하고 있다. 이러한 캐리어의 불균일한 분포에 의해, 활성층(3)에서는 굴절률 분포가 발생하여, 공진 모드가 멀티화하는 것으로 된다. 또한, 이득 포화의 발생도 걱정된다. 이 현상은, AlGaAs계 반도체 재료(AlxGa1-xAs(0≤x≤1))로 이루어지는 적외 반도체 레이저나, AlGaInP계 반도체 재료(AlxGayIn1-x-yP(0≤x≤1, 0≤y≤1))로 이루어지는 적색 반도체 레이저와 비교해서, 이득 포화가 생기는 임계 캐리어 밀도가 지극히 높고, 게다가 미분 이득이 높은 질화물계 반도체 레이저에서 특히 현저해진다. 또한, 특허문헌 2에 개시된 면발광 레이저에서는, 복수의 전극을 분할하는 부분의 저항 분리층에 의해, 활성층에 주입되는 전류에 손실이 발생하여 효율이 저하한다고 하는 문제가 있다. 본 발명은, 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결한 것이며, 안정한 횡 모드로 레이저 발진을 할 수 있고, 또한 활성층으로의 전류 주입을 효율적으로 실행할 수 있는 고출력의 면발광 레이저, 및 이러한 고출력의 면발광 레이저를 광원으로서 이용한 레이저 투사 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.