JP2004281968A - 面発光型半導体レーザ素子 - Google Patents

面発光型半導体レーザ素子 Download PDF

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Abstract

【課題】７８０ｎｍ帯の面発光型半導体レーザ素子において、高い信頼性を得る。
【解決手段】ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部半導体多層反射膜１３、アンドープＩｎＧａＰスペーサ層１４、アンドープＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層とアンドープＩｎＧａＰ障壁層とからなる量子井戸活性層１５、アンドープＩｎＧａＰスペーサ層１６、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層１７、ｐ型ＡｌＡｓ層１８、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層１９、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部半導体多層反射膜２０、ｐ型コンタクト層２１を順次積層する。次に、ｐ型コンタクト層２１を発光領域の上部をエッチング除去し、さらに下部半導体多層反射膜１３の一部までエッチングして直径５０μｍの円柱状の領域を形成した後、ｐ型ＡｌＡｓ層１８の電流注入領域以外の領域１８ａを選択酸化する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に発光波長が７８０ｎｍ帯の面発光型半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、短距離高速通信用の光リンクの光源としては、ＧａＡｓ基板上に作製した発振波長８５０ｎｍのＡｌＧａＡｓ系の面発光型半導体レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ；ＶＣＳＥＬ）が用いられている。この波長帯の半導体レーザ素子が用いられている理由は、主に、ＡｌＧａＡｓ系の材料であって作製し易く、かつ現在主に用いられている石英ファイバの伝搬損失が低いためである。
【０００３】
一方、家庭や装置内、装置間、自動車等の短距離通信では、コア径が大きく安価で取り扱いが容易なＰＯＦ（Ｐｌａｓｔｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ）を用いることが可能になってきている。ＰＯＦは、コア直径が１００〜１０００μｍと大きいため、アライメントが容易で送受信モジュールやファイバコネクタを安価にすることができる。さらに先端加工や施工の容易さもＰＯＦの特徴である。
【０００４】
ＰＯＦの素材としてはＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）が一般的である。ＰＭＭＡ−ＰＯＦの低損失な波長域は限定され、特に高速な通信が可能な半導体レーザが実現されている波長として、６５０、７８０、８５０ｎｍの３波長に限定される。中でも、７８０ｎｍと８５０ｎｍでは、共振器形成から動作試験までをウェハレベルで実施でき、光ファイバとの結合が容易なＶＣＳＥＬを光源として用いることが可能である。また、ＶＣＳＥＬとしては、８５０ｎｍの素子の方が製造し易く、７８０ｎｍでは８５０ｎｍの素子と比較して信頼性が低下する傾向があると言われている。しかし、ＰＭＭＡ−ＰＯＦの損失は、８５０ｎｍ帯より７８０ｎｍ帯の方が低く、より長距離の伝送が可能である。
【０００５】
そこで、このような、７８０ｎｍ帯の信頼性低下を改善するため、Ａｌを活性領域に含まない短波長域のリッジ構造のＶＣＳＥＬが提案されている（例えば、特許文献１参照）。上記特許文献１には、短波長化を実現するために活性領域にＡｌを含むＡｌＧａＡｓを用いると、結晶成長や素子製造プロセスでのＡｌＧａＡｓへの酸素の混入による非発光再結合センターの増加により、レーザ発振効率の低下を招くため、これを防止すべく、活性領域にＡｌを含まないＧａＡｓ量子井戸とＧａＩｎＰ障壁層を導入している。ここで、ＧａＡｓＰはＧａＡｓ基板を格子整合しないため引張り歪となるが、ＧａＩｎＰを圧縮歪としてトータルの歪を低減している。
【０００６】
一方、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ共振器を有する端面発光型のストライプレーザは、ＣＤやＣＤ−Ｒの光源として、ＡｌＧａＡｓを活性領域に用いたものが広く用いられており、最近ではＣＤ−Ｒ等の記録速度の向上のために１５０ｍＷを超える高出力の素子も用いられるようになっている。端面発光型のストライプレーザの信頼性は活性層にＡｌを含まない素子が有利であることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。端面発光型レーザの信頼性は、主にへき開端面の安定性に依存しており、端面は酸化され易いことが最も大きな原因と考えられる。更に、短波長のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザでは、端面の光吸収を抑制したＮＡＭ（Ｎｏｎ−Ａｂｓｏｒｂｉｎｇ Ｍｉｒｒｏｒ）構造が高出力レーザでは一般的に用いられている。ところが、最近の結晶成長装置や原材料の純度向上により、ＡｌＧａＡｓ結晶の品位は極めて高く、結晶品位が劣化の第一原因とは考え難い。特に、ＶＣＳＥＬはへき開端面を有さず、活性層が露出しないため、端面起因の劣化もない。
【０００７】
ただし、上記特許文献１に記載されているようなリッジ型のＶＣＳＥＬでは活性領域がエッチングで除去されるため、この表面での酸化の影響がある可能性がある。これに対して最近では、活性領域をエッチング除去しないイオン注入型か選択酸化型の電流狭窄構造を有するＶＣＳＥＬが一般的となっている。前者は、電流注入領域以外の領域に活性領域上部までプロトン等をイオン注入して、その領域を絶縁化して電流を中央の発振領域に狭窄するものである。後者は、積層したＡｌＡｓあるいは高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓを周囲から選択酸化することにより絶縁化して電流狭窄を行う。この際周囲をエッチング除去する必要があるが、エッチングで活性層が露出した部分から電流狭窄する選択酸化部が奥深くまで存在するため、活性層露出部での非発光再結合の影響はほとんど無い。また、選択酸化のためのエッチングを活性層上部で止めて、活性層を露出させないようにした構造をとることも可能である。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−１０１７１５３号公報
【０００９】
【非特許文献１】
Ｄ．Ｂｏｔｅｚ、「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ＳＰＩＥ」、１９９９、Ｖｏｌ．３６２８、ｐ．７
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記のことから、ＡｌＧａＡｓを活性層に用いたＶＣＳＥＬでも、Ａｌの酸化による結晶品質劣化を原因とする信頼性低下の可能性は非常に低いと考えられる。しかしながら、そのような選択酸化型あるいはイオン注入型の電流狭窄層を有し、ＡｌＧａＡｓを活性層に用いたＶＣＳＥＬにおいても、７８０ｎｍと８５０ｎｍとでは、Ａｌを多く含むＡｌＧａＡｓ活性層を有する７８０ｎｍの素子のほうが、素子劣化が早いという問題がある。
【００１１】
また、本発明者は、現在主流になりつつある選択酸化型やイオン注入型のＶＣＳＥＬにおいては、酸化した電流狭窄層は周囲の結晶とは全く異なるＡｌ２Ｏ３等になっているため、内部でストレスが生じることを見出した。内部ストレスによる結晶品質低下はレーザの信頼性を低下させるという問題がある。
【００１２】
本発明は上記事情に鑑みて、発振波長帯が７３０〜８２０ｎｍの範囲の面発光型半導体レーザ素子において、信頼性が高い面発光型半導体レーザ素子を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の面発光型半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板上に少なくとも下部半導体多層膜からなる光共振器ミラー、活性層、選択酸化型またはイオン注入型の電流狭窄層および上部半導体多層反射膜からなる光共振器ミラーをこの順に積層してなる半導体層と、活性層に電流を注入する一対の電極とを備えてなり、半導体層の積層面に平行な表面からレーザ光を発する面発光型半導体レーザ素子において、活性層がＩｎＧａＡｓＰからなる量子井戸を有し、量子井戸に隣接して量子井戸より禁制帯幅が大きいＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる層を有し、光共振器ミラーがいずれもＡｌＧａＡｓからなることを特徴とするものである。
【００１４】
量子井戸およびＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる層は、いずれもＧａＡｓに格子整合する組成であることが望ましい。
【００１５】
量子井戸がＧａＡｓに対して圧縮歪を有する組成であり、ＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる層がＧａＡｓに格子整合する組成であってもよい。
【００１６】
量子井戸がＧａＡｓに対して圧縮歪を有する組成であり、ＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる層がＧａＡｓに対し引張り歪を有する組成であってもよい。
【００１７】
量子井戸がＧａＡｓに対し引張り歪を有する組成であり、ＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる層がＧａＡｓに格子整合する組成であってもよい。
【００１８】
量子井戸がＧａＡｓに対し引張り歪を有する組成であり、前記ＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる層がＧａＡｓに対して圧縮歪を有する組成であってもよい。
【００１９】
ＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる層は、障壁層であってもよい。
【００２０】
ＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる層は、スペーサ層であってもよい。レーザ光の発振波長帯は７３０ｎｍから８２０ｎｍまでの範囲であることが望ましい。さらには、７７０ｎｍから８００ｎｍまでの範囲であることが望ましい。
【００２１】
前記「選択酸化型の電流狭窄層」とは、選択的に酸化しやすい例えばＡｌＡｓや高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓ半導体層の電流注入以外の領域の一部が酸化されて絶縁化あるいは半絶縁化されてなり、活性層に注入される電流を狭窄する層を示す。
【００２２】
また、「イオン注入型の電流狭窄層」とは、半導体層の電流注入以外の領域の一部にプロトン等のイオンが注入されて絶縁化あるいは半絶縁化されてなり、活性層に注入される電流を狭窄する層を示す。
【００２３】
また、上記「ＧａＡｓに格子整合する」とは、ＧａＡｓ基板の格子定数をｃｓとし、各層の格子定数をｃとすると（ｃ−ｃｓ）／ｃｓで表される値が±０．００３以下であることを示す。
【００２４】
また、「ＧａＡｓに対して圧縮歪を有する」とは、その格子定数がＧａＡｓの格子定数より大きく、上記値が、０．００３より大きいことを示し、「ＧａＡｓに対して引張り歪を有する」とは、その格子定数がＧａＡｓの格子定数より小さく、上記値が−０．００３より小さいことを示す。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の面発光型半導体レーザ素子によれば、活性層がＩｎＧａＡｓＰからなる量子井戸を有し、量子井戸に隣接してＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる層を有することにより、選択酸化型またはイオン注入型の電流狭窄層による歪の影響を回避することができるので、歪による結晶品質低下を防止でき、高い信頼性を得ることができる。
【００２６】
これは、本願発明者らによって、端面発光型の半導体レーザ素子において、活性層外部から印加される歪に対して、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＰ活性層が信頼性の点から耐性を有することを見出したことによるものである。以下に詳細を示す。
【００２７】
ｎ−ＧａＡｓ基板（Ｓｉ＝１×１０１８ｃｍ− ３）上に設けられた、ｎ−ＧａＡｓバッファ層（厚さ０．２μｍ、Ｓｉ＝１×１０１８ｃｍ− ３）、ｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓクラッド層（厚さ１．５μｍ、Ｓｉ＝８×１０１７ｃｍ− ３）、アンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ光ガイド層（厚さ０．２μｍ）、アンドープＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ａｓ単一量子井戸活性層（厚さ１０ｎｍ、波長８１０ｎｍ、ＧａＡｓ基板に格子整合する）、アンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ光ガイド層（厚さ０．２μｍ）、ｐ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓクラッド層（厚さ１．５μｍ、Ｚｎ＝１×１０１８ｃｍ− ３）、ｐ−ＧａＡｓキャップ層（厚さ０．２μｍ、Ｚｎ＝５×１０１８ｃｍ− ３）、幅５０μｍのストライプ状の電流注入領域に開口を有するＳｉＯ２膜およびＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ側電極と、基板の裏面に設けられたＡｕＧｅ／Ａｕからなるｎ側電極とからなる半導体レーザ素子（Ａ）と、半導体レーザ素子（Ａ）の構成において、光ガイド層をＩｎＧａＰとし、量子井戸活性層をＩｎＧａＡｓＰとし、その他は同じ構成とした半導体レーザ素子（Ｂ）とを、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により作製した。２つの半導体レーザ素子は、いずれも７５０μｍの共振器長を有し、前端面には反射率３０％、後端面には反射率９５％のコーティングが施されており、接合面をＣｕＷヒートシンク上にＡｕＳｎはんだにてボンディングされている。
【００２８】
これら２つの半導体レーザ素子を、環境温度５０℃において５００ｍＷ一定出力にてエージング試験した際の駆動電流の経時変化を測定したところ、図４に示すように、ＡｌＧａＡｓ活性層の半導体レーザ素子（Ａ）は、１０００時間以内に全て発振停止したが、ＩｎＧａＡｓＰ活性層の半導体レーザ素子（Ｂ）は、長期で安定して動作した。はんだ材料として柔らかく組成変形するＩｎを用いた場合は、チップにかかるストレスが小さいためこのような差が見られず、この差はＡｕＳｎはんだによる外部ストレスに起因するものである。この結果、ＩｎＧａＡｓＰ活性層とＩｎＧａＰあるいはＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層の組合せは、ＡｌＧａＡｓ活性層の素子と比べて外部ストレスに対して強いことが明らかとなった。
【００２９】
また、本発明によれば、量子井戸に隣接してＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる層を設けることにより、良好な結晶を得ることが難しい光共振器ミラーのＡｌＧａＡｓと量子井戸のＩｎＧａＡｓＰとが接触した領域が形成されるのを防止でき、活性層界面で良好な結晶品質を得ることができるので、高い信頼性を得ることができる。
【００３０】
量子井戸およびＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる層がいずれもＧａＡｓに格子整合する組成である場合は、良好な結晶品質を得ることができるので、高い信頼性を得ることができる。
【００３１】
量子井戸がＧａＡｓに対して圧縮歪を有する組成であり、ＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる層がＧａＡｓに対し引張り歪を有する組成である場合は、量子井戸の圧縮歪を障壁層の引張り歪で補償することができ、結晶性を向上させることができ、良好なレーザ特性を得ることができる。
【００３２】
量子井戸がＧａＡｓに対し引張り歪を有する組成であり、ＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる層がＧａＡｓに対して圧縮歪を有する組成である場合も、量子井戸の引張り歪を障壁層の圧縮歪で補償することでき、結晶性を向上させることができ、良好なレーザ特性を得ることができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００３４】
本発明の第１の実施の形態の面発光型半導体レーザについて説明する。その半導体レーザの断面図を図１に示す。
【００３５】
本実施の形態の面発光型半導体レーザは、図１に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２（厚さ１００ｎｍ、Ｓｉ＝１×１０１８ｃｍ−３）、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部半導体多層反射膜１３（１／４波長相当の厚みの高反射膜と低反射膜を１周期として３８．５周期積層したもの、Ｓｉ＝１×１０１８ｃｍ−３）、アンドープＩｎＧａＰスペーサ層１４、アンドープＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層（１０ｎｍを３層、発振波長７８０ｎｍ）とアンドープＩｎＧａＰ障壁層（厚さ５ｎｍの層を２層）とからなる量子井戸活性層１５、アンドープＩｎＧａＰスペーサ層１６、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層１７（Ｃ＝８×１０１７ｃｍ−３）、ｐ型ＡｌＡｓ層１８（１／４波長相当の厚み、Ｃ＝２×１０１８ｃｍ−３）、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層１９、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部半導体多層反射膜２０（１／４波長相当の厚みの高反射膜と低反射膜を１周期として２８周期積層したもの、Ｃ＝２×１０１８ｃｍ−３）、およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層２１（１０ｎｍ、Ｃ＝５×１０１９ｃｍ−３）を順次ＭＯＣＶＤ法により積層する。
【００３６】
本実施の形態では、ＩｎＧａＰ層およびＩｎＧａＡｓＰ層は全てＧａＡｓ基板と格子整合する組成である。
【００３７】
次に、ｐ型コンタクト層２１の発光領域に対応する領域をエッチング除去する。発振領域を形成するために、直径（ｒ２）５０μｍの円柱状の領域を残すように、その周辺の領域を下部半導体多層反射膜の一部まで除去する。加熱水蒸気を導入した炉中にて熱処理（３９０℃、１０分間）することにより、ｐ型ＡｌＡｓ層１８の電流注入領域以外の領域１８ａを選択酸化し、直径１２μｍ（ｒ１）の円形の非酸化の電流注入領域を形成する。
【００３８】
次に、円柱状にエッチングで除去した領域にＳｉＯ２による保護膜２２を形成した後、電流注入領域に対応する領域をのＳｉＯ２膜を除去し、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕをこの順に積層してなるｐ側電極２３、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕをこの順に積層してなるｎ側電極２４を形成する。
【００３９】
スペーサ層は、下部半導体多層反射膜と上部半導体多層反射膜とで挟まれた層の光学的な厚みを調整して、定在波の腹の部分が活性層と重なるように設定して低しきい値化する効果を有する。
【００４０】
本実施の形態では、スペーサ層として、活性層１５の基板側には、アンドープＩｎＧａＰスペーサ層１４を用い、活性層１５の基板と反対側には、アンドープＩｎＧａＰスペーサ層１６、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層１７およびｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層１９からなるものを用いている。活性層１５のアンドープＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層と接してＡｌＧａＡｓからなる層（ここではｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部半導体多層反射膜１３とｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層１７）が存在すると良好な結晶界面を得ることが困難であるが、アンドープＩｎＧａＰスペーサ層１４および１６を設けることにより、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層の界面を良好なものとすることができ、信頼性を向上させることができる。
【００４１】
また、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層１７およびｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層１９の間に電流狭窄層となるＡｌＡｓ層１８を配置することにより、ＡｌＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層との界面での選択酸化特性が良好となり、高精度な電流狭窄を行うことができる。
【００４２】
また、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層１７およびｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層１９の組成は、いずれもＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰ、あるいはＩｎＧａＡｓＰとＩｎＧａＰとの組合せであってもよい。
【００４３】
なお、アンドープＩｎＧａＰスペーサ層１４および１６の組成は、アンドープＩｎＧａＰの代わりにアンドープＩｎＧａＡｓＰであってもよい。
【００４４】
また、アンドープＩｎＧａＰスペーサ層１４および１６を配置する代わりに、障壁層の数を４として活性層の両端が障壁層となるようにアンドープＩｎＧａＰまたはアンドープＩｎＧａＡｓＰからなる障壁層を配置してもよい。
【００４５】
本実施の形態では、ＧａＡｓ基板裏面にｎ側電極を形成したが、円柱状の領域を形成するためにエッチングする際にｎ型層の一部までエッチングして、エッチングにより露出されたｎ型層上にｎ側電極を形成してもよい。例えば、本実施の形態では、露出したｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部半導体多層反射膜１３上にｎ側電極を形成してもよい。
【００４６】
本実施の形態においては、ＭＯＣＶＤ法による結晶成長を用いたが、固体あるいはガスソースを使ったＭＢＥ法を用いることもできる。
【００４７】
また、量子井戸の層数は３個としたが、１個の単一量子井戸でも２個以上の多重量子井戸でもよい。
【００４８】
保護膜２２としては、ＳｉＯ２以外に、Ａｌ２Ｏ３、またはＳｉｘＮｙ等を用いることが可能である。
【００４９】
また、ｐ側電極としてはＣｒ／Ａｕをこの順に積層してなるもの、ＡｕＺｎ／Ａｕをこの順に積層してなるもの等、ｎ側電極としてはＡｕＧｅ／Ａｕをこの順に積層してなるもの等を用いることもできる。
【００５０】
また、電流狭窄方式として、ｐ型ＡｌＡｓ層１９の電流注入領域以外の領域を酸化させる選択酸化型を示したが、電流注入領域以外の領域にプロトンイオン等を注入して絶縁化あるいはその他のイオンを注入して半絶縁化した電流狭窄構造を用いることも可能である。
【００５１】
上記のようにして作製された本実施の形態の半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板１１上にｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部半導体多層反射膜１３、アンドープＩｎＧａＰスペーサ層１４、アンドープＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層とアンドープＩｎＧａＰ障壁層とからなる量子井戸活性層１５、アンドープＩｎＧａＰスペーサ層１６、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層１７、ｐ型ＡｌＡｓ層１８の電流注入領域以外の領域１８ａが酸化されてなる電流狭窄層、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層１９、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部半導体多層反射膜２０およびｐ型コンタクト層２１をこの順に積層してなる半導体層と、活性層１５に電流を注入する一対の電極（ｐ側電極２３とｎ側電極２４）とを備えてなるものであり、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部半導体多層反射膜２０の表面からレーザ光を発するものである。本実施の形態の面発光型半導体レーザ素子は、電流狭窄層のＡｌＡｓが酸化されてできたＡｌ２Ｏ３による歪の影響をＩｎＧａＡｓＰ量子井戸とＩｎＧａＰ障壁層により回避することができるので、高い信頼性を得ることができる。ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部半導体多層反射膜１３およびｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部半導体多層反射膜２０はそれぞれ光共振器ミラーであり、２つのミラーで光共振器を構成している。
【００５２】
本実施の形態では、発光領域が円柱状に突出した形状としたが、図２に示すように、例えば内径（ｒ２）５０μｍ、外径（ｒ３）８０μｍのドーナツの溝を形成して、溝外側の半導体層の高さと円柱状の領域の高さが同じになるような素子としてもよい。同じ高さとすることにより、その後の製造工程での取扱い、素子を実装する際のワイヤボンディング等に有利となる。
【００５３】
なお、本実施の形態では、発光領域が１つの場合について説明したが、ドーナツ状の溝が複数形成して、１素子内に複数の発光領域を有する素子としてもよい。
【００５４】
次に、本発明の第２の実施の形態の半導体レーザについて説明する。その半導体レーザの断面図を図３に示す。
【００５５】
本実施の形態による半導体レーザは、図３に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板３１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層３２（厚さ１００ｎｍ、Ｓｉ＝１×１０１８ｃｍ−３）、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部半導体多層反射膜３３（１／４波長相当の厚みの高反射膜と低反射膜を１周期として４０．５周期積層したもの、Ｓｉ＝１×１０１８ｃｍ−３）、アンドープＩｎＧａＰスペーサ層３４、アンドープＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層（８ｎｍを４層、発振波長７８０ｎｍ）とアンドープＩｎＧａＰ障壁層（厚さ５ｎｍの層を３層）とからなる量子井戸活性層３５、アンドープＩｎＧａＰスペーサ層３６、ｐ型ＡｌＡｓ層３７（１／４波長相当の厚み、Ｃ＝２×１０１８ｃｍ−３）、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層３８、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部半導体多層反射膜３９（１／４波長相当の厚みの高反射膜と低反射膜を１周期として２９周期積層したもの、Ｃ＝２×１０１８ｃｍ−３）、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層４０（１０ｎｍ、Ｃ＝１×１０２０ｃｍ−３）を順次ＭＯＣＶＤ法により積層する。
【００５６】
本実施の形態では、ＩｎＧａＰおよびＩｎＧａＡｓＰ層は全てＧａＡｓ基板と格子整合している。
【００５７】
次に、ｐ型コンタクト層４０の発光領域に対応する領域をエッチング除去する。発振領域を形成するために、直径（ｒ２）３０μｍの円柱状の領域を残してその周辺の領域３７ａをｐ型ＡｌＡｓ層３７まで除去する。加熱水蒸気を導入した炉中にて熱処理（３９０℃、８分間）することにより、ｐ型ＡｌＡｓ層３７を選択酸化し、直径８μｍ（ｒ１）の非酸化領域を形成する。
【００５８】
次に、円柱状に成形された領域上にＳｉＯ２による保護膜４１を形成し、電流注入領域に対応する領域の保護膜４１を除去し、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕをこの順に積層してなるｐ側電極４２を形成する。ｎ型ＧａＡｓ基板３１の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕをこの順に積層してなるｎ側電極４３を形成する。
【００５９】
ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層３８は、下部半導体多層反射膜３３と上部半導体多層反射膜３９とで挟まれた層の光学的な厚みを調整して、定在波の腹の部分が活性層と重なるように設定する。
【００６０】
上記のようにして作製された面発光型半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板３１上にｎ型ＧａＡｓバッファ層３２、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部半導体多層反射膜３３、アンドープＩｎＧａＰスペーサ層３４、アンドープＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層とアンドープＩｎＧａＰ障壁層とからなる量子井戸活性層３５、アンドープＩｎＧａＰスペーサ層３６、ｐ型ＡｌＡｓ層３７の電流注入領域以外の領域３７ａが酸化されてなる電流狭窄層、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層３８、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部半導体多層反射膜３９およびｐ型コンタクト層４０をこの順に積層してなる半導体層と、量子井戸活性層３５に電流を注入する一対の電極（ｐ側電極４２とｎ側電極４３）とからなるものであり、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部半導体多層反射膜３９の表面からレーザ光を発するものである。ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部半導体多層反射膜３３およびｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部半導体多層反射膜３９はそれぞれ光共振器ミラーであり、２つのミラーで光共振器ミラーを構成している。本実施の形態においても、上記第１の実施の形態同様に、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸とＩｎＧａＰ障壁層とからなる活性層により、電流狭窄層の歪による劣化の加速を防止することができるので、高い信頼性を得ることができる。
【００６１】
上記２つの実施の形態では、障壁層にＩｎＧａＰの三元混晶を用いたが、障壁層の一部または全部にＩｎＧａＡｓＰの四元混晶を用いてもよい。四元混晶を用いて、成長温度あるいは基板の結晶方位等の結晶成長条件を調整することにより、Ａｓを若干（約５％以下）含むＩｎＧａＡｓＰ層の方がＩｎＧａＰより表面の平坦性が向上する場合があり、平坦性の改善効果により発光効率の向上や劣化速度の低下の効果を得ることができる。
【００６２】
また、上記２つの実施の形態では、量子井戸層および障壁層は、ＧａＡｓに格子整合するＩｎＧａＡｓＰあるいはＩｎＧａＰとしたが、量子井戸はＧａＡｓに対して圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓＰとし、障壁層はＧａＡｓに格子整合するＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＰとしてもよい。
【００６３】
また、量子井戸はＧａＡｓに対して圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓＰとし、障壁層はＧａＡｓに対し引張り歪を有するＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＰとしてもよい。
【００６４】
量子井戸はＧａＡｓに対し引張り歪を有するＩｎＧａＡｓＰとし、障壁層はＧａＡｓに格子整合するＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＰとしてもよい。
【００６５】
量子井戸はＧａＡｓに対し引張り歪を有するＩｎＧａＡｓＰとし、障壁層はＧａＡｓに対して圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＰとしてもよい。また、本発明の面発光型半導体レーザ素子によれば、性能および量産性に優れた選択酸化型あるいはイオン注入型の電流狭窄構造を有するＶＣＳＥＬにおいて高信頼性化することができることから、自動車、家庭、ＨＤＴＶ等における１Ｇｂｐｓを超える高速光ファイバー通信の実用化を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による面発光型半導体レーザ素子の断面図
【図２】第１の実施の形態による面発光型半導体レーザ素子の変形例を示す断面図
【図３】本発明の第２の実施の形態による面発光型半導体レーザ素子の断面図
【図４】端面発光型の、ＡｌＧａＡｓ活性層を有する半導体レーザ素子（Ａ）およびＩｎＧａＡｓＰ活性層を有する半導体レーザ素子（Ｂ）の経時信頼性試験結果を示すグラフ
【符号の説明】
１１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１３ ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部半導体多層反射膜
１４ アンドープＩｎＧａＰスペーサ層
１５ アンドープＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層とアンドープＩｎＧａＰ障壁層とからなる量子井戸活性層
１６ アンドープＩｎＧａＰスペーサ層
１７ ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層
１８ ｐ型ＡｌＡｓ層
１９ ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層
２０ ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部半導体多層反射膜
２１ ｐ型コンタクト層
２２ ＳｉＯ２保護膜
２３ Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ側電極
２４ ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側電極

Claims (10)

  1. ＧａＡｓ基板上に少なくとも下部半導体多層膜からなる光共振器ミラー、活性層、選択酸化型またはイオン注入型の電流狭窄層および上部半導体多層反射膜からなる光共振器ミラーをこの順に積層してなる半導体層と、前記活性層に電流を注入する一対の電極とを備えてなり、前記半導体層の積層面に平行な表面からレーザ光を発する面発光型半導体レーザ素子において、
    前記活性層がＩｎＧａＡｓＰからなる量子井戸を有し、
    該量子井戸に隣接して量子井戸より禁制帯幅が大きいＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる層を有し、
    前記光共振器ミラーがいずれもＡｌＧａＡｓからなることを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。
  2. 前記量子井戸およびＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる層が、いずれもＧａＡｓに格子整合する組成であることを特徴とする請求項１記載の面発光型半導体レーザ素子。
  3. 前記量子井戸がＧａＡｓに対して圧縮歪を有する組成であり、前記ＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる層がＧａＡｓに格子整合する組成であることを特徴とする請求項１記載の面発光型半導体レーザ素子。
  4. 前記量子井戸がＧａＡｓに対して圧縮歪を有する組成であり、前記ＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる層がＧａＡｓに対し引張り歪を有する組成であることを特徴とする請求項１記載の面発光型半導体レーザ素子。
  5. 前記量子井戸がＧａＡｓに対し引張り歪を有する組成であり、前記ＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる層がＧａＡｓに格子整合する組成であることを特徴とする請求項１記載の面発光型半導体レーザ素子。
  6. 前記量子井戸がＧａＡｓに対し引張り歪を有する組成であり、前記ＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる層がＧａＡｓに対して圧縮歪を有する組成であることを特徴とする請求項１記載の面発光型半導体レーザ素子。
  7. 前記ＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる層が、障壁層であることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の面発光型半導体レーザ素子。
  8. 前記ＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰからなる層が、スペーサ層であることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の面発光型半導体レーザ素子。
  9. 前記レーザ光の発振波長帯が７３０ｎｍから８２０ｎｍまでの範囲であることを特徴とする請求項１から８いずれか１項記載の面発光型半導体レーザ素子。
  10. 前記レーザ光の発振波長帯が７７０ｎｍから８００ｎｍまでの範囲であることを特徴とする請求項１から８いずれか１項記載の面発光型半導体レーザ素子。
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