JP2004281969A - 面発光型半導体レーザ素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】面発光型半導体レーザ素子において、活性層の基板と反対側の半導体層に生じる歪を補償して、信頼性を高くする。
【解決手段】ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に積層されたｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部半導体多層反射膜１３、アンドープＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ量子井戸層とアンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ障壁層とからなる量子井戸活性層１５、ｐ型ＡｌＡｓ層１９の電流注入領域以外の領域１９ａを酸化してなる電流狭窄層およびｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部半導体多層反射膜２１を備えてなる面発光型半導体レーザ素子において、活性層１５と電流狭窄層との間に、アンドープＩｎＧａＡｓＰ引張り歪スペーサ層１７を設ける。
【選択図】 図１
【解決手段】ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に積層されたｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部半導体多層反射膜１３、アンドープＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ量子井戸層とアンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ障壁層とからなる量子井戸活性層１５、ｐ型ＡｌＡｓ層１９の電流注入領域以外の領域１９ａを酸化してなる電流狭窄層およびｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部半導体多層反射膜２１を備えてなる面発光型半導体レーザ素子において、活性層１５と電流狭窄層との間に、アンドープＩｎＧａＡｓＰ引張り歪スペーサ層１７を設ける。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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。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。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、７８０ｎｍ帯の素子の方が、８５０ｎｍ帯の素子よりＰＭＭＡ−ＰＯＦの損失が低く、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として、活性領域にＡｌを含まないＧａＡｓ量子井戸とＧａＩｎＰ障壁層とを導入している。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、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。そこで、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。また、ＶＣＳＥＬはへき開端面を有しないため、端面起因の劣化もない。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や選択酸化型のＶＣＳＥＬが一般的となっている。前者は、活性領域上部までプロトン等をイオン注入して絶縁化して電流を中央の発振領域に狭窄する。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プロセスあるいは構造をとることも可能である。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−１０１７１５３号公報
【０００８】
【非特許文献１】
Ｄ．Ｂｏｔｅｚ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ＳＰＩＥ、１９９９、Ｖｏｌ．３６２８、ｐ．７
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなＶＣＳＥＬ構造においてもＡｌＧａＡｓを活性層に用いた場合、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。
【００１０】
また、現在主流になりつつある選択酸化型の電流狭窄構造を有する素子では、ＡｌＡｓや高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓを、側面エッチングで露出した部分から選択的に電流注入領域以外の領域を酸化させて電流狭窄層を形成するが、酸化された層はＡｌ２Ｏ３等を含み、周辺の結晶と結晶状態が異なるため周辺の結晶へ歪を生じさせる。また、電流狭窄層を半導体層の電流注入領域以外の領域にイオン注入して形成した場合においても、注入量やイオンの加速電圧等のプロセス条件によって結晶性が劣化し歪を有する。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みて、信頼性の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。
【００１２】
【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、選択酸化型あるい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端面から光を発する面発光型半導体レーザ素子において、活性層と上部半導体多層反射膜との間に、電流狭窄層の歪を補償する歪補償層を設けたことを特徴とするものである。
【００１３】
なお、歪補償層は、活性層と電流狭窄層のとの間に設けられていてもよいし、電流狭窄層と上部半導体多層反射膜との間に設けられていてもよいし、電流狭窄層の上下に設けられていてもよい。活性層と電流狭窄層との間に設けられている方が、活性層に近い領域で歪が補償された状態となるので好ましい。
【００１４】
あるいは、選択酸化型の電流狭窄層の場合、電流狭窄層が複数の選択酸化された層からなり、歪補償層が、該複数の選択酸化された層に挟まれた領域に設けられている構造であってもよい。すなわち選択酸化した後、複数の選択酸化された層の合計歪が選択酸化された層の間に設けられた歪補償層で補償されている構造である。この場合、電流狭窄層が単層の選択酸化された層からなる場合より、電流狭窄層全体の厚さを薄くすることができるので、歪補償を効果的に行うことができる。
【００１５】
歪補償層は、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＰおよびＡｌＧａＡｓＰの少なくとも１つからなることが望ましい。
【００１６】
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。
【００１７】
前記「電流狭窄層の歪を補償する」とは、電流狭窄層の歪と逆の歪を有し、電流狭窄層の歪を打ち消すことを示す。
【００１８】
【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、活性層と上部半導体多層反射膜との間に電流狭窄層の歪を補償する歪補償層を設けることにより、電流狭窄層の結晶性変化による歪を補償することができるので、歪が活性層へ影響を及ぼすのを防止することができ、高い信頼性を得ることができる。
【００１９】
歪補償層として、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰおよびＡｌＧａＡｓＰの少なくとも１つからなるものとすることにより、良好に電流狭窄層の歪を補償することができる。上記組成においては、引張り歪を有するＧａＡｓＰおよびＡｌＧａＡｓＰを除き、元素の組成比を調整することにより圧縮歪または引張り歪のどちらにもすることができる。また、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓＰ等のＡｌを含まない組成とすれば、バンドギャップの大きいＡｌ元素を含まないので、キャリアを効率良く活性層に注入するために良好なバンドギャップを有するため、良好なレーザ特性を得ることができる。
【００２０】
【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。
【００２１】
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製造方法と共に説明する。その半導体レーザの断面図を図１に示す。
【００２２】
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２００ｎｍ、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３９．５周期積層したもの、Ｓｉ＝１×１０１８ｃｍ−３）、アンドープＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓスペーサ層１４、アンドープＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ量子井戸層（１０ｎｍを３層、発振波長７８０ｎｍ）とアンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ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Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓスペーサ層１６、アンドープＩｎＧａＡｓＰ引張り歪スペーサ層１７、ｐ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓスペーサ層１８（Ｃ＝８×１０１７ｃｍ−３）、ｐ型ＡｌＡｓ層１９（１／４波長相当の厚み、Ｃ＝２×１０１８ｃｍ−３）、ｐ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ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（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）、およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層２２（厚さ１０ｎｍ、Ｃ＝５×１０１９ｃｍ−３）を順次ＭＯＣＶＤ法により積層する。
【００２３】
次に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２２を発光領域の上部をエッチング除去する。発振領域を形成するために、直径５５μｍ（ｒ２）の円柱状の領域を残し、その周辺を下部半導体多層反射膜１３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１９の電流注入領域以外の領域１９ａを選択酸化して電流狭窄層を形成し、直径１５μｍ（ｒ１）の非酸化領域、すなわち電流注入領域を形成する。エッチングで円柱状に残した領域上にＳｉＯ２による保護膜２３を形成し、電流注入領域の保護膜２３を除去し、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕをこの順に積層してなるｐ側電極２４を形成する。次にｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕをこの順に積層してなるｎ側電極２５を形成する。
【００２４】
上記のようにして作製された本実施の形態の面発光型半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板上に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Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓスペーサ層１４、アンドープＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ量子井戸層とアンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ障壁層とからなる量子井戸活性層１５、アンドープＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓスペーサ層１６、アンドープＩｎＧａＡｓＰ引張り歪スペーサ層１７、ｐ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓスペーサ層１８、ｐ型ＡｌＡｓ層１９の電流注入領域以外の領域１９ａを酸化してなる電流狭窄層、ｐ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ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およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層２２をこの順に積層してなる半導体層と、一対の電極（ｎ側電極２５とｐ側電極２４）とを備えてなり、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部半導体多層反射膜２１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１３およびｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部半導体多層反射膜２１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。
【００２５】
本実施の形態においては、アンドープＩｎＧａＡｓＰ引張り歪スペーサ層１７により、ｐ型ＡｌＡｓ層１９の選択酸化により形成された電流狭窄層の圧縮歪を補償することができるので、歪が活性層に伝わるのを防止することができる。
【００２６】
活性層は、ＡｌＧａＡｓとしたが、ＧａＡｓに格子整合するＩｎＧａＡｓＰからなるものとしてもよい。
【００２７】
また、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。
【００２８】
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することにより、低しきい値化することができる。
【００２９】
ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層１８およびｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層２０の間にＡｌＡｓ層１９を配置して、このＡｌＡｓ層１９を酸化することにより、ＡｌＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層との界面での選択酸化特性が良好であるので、高精度な電流狭窄を行うことができる。
【００３０】
また、ＭＯＣＶＤ法による結晶成長を用いて説明したが、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。
【００３１】
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。またさらに、量子井戸の数をｎ個として、障壁層の数をｎ＋１個としてもよい。
【００３２】
また、保護膜としては、ＳｉＯ２以外に、Ａｌ２Ｏ３、またはＳｉｘＮｙ等を用いることが可能である。
【００３３】
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。
【００３４】
また、電流狭窄構造として、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の注入することによる電流狭窄構造を有する素子においても、同様に本発明を適用することにより、電流狭窄層から活性層へかかる歪を補償することができる。
【００３５】
また、選択酸化により形成される電流狭窄層は１層としたが、複数のＡｌＡｓ層を設け、ＡｌＡｓ層の間にアンドープＩｎＧａＡｓＰ引張り歪スペーサ層が配置されるように設けて、複数のＡｌＡｓ層が選択酸化されてなる電流狭窄層の合計歪を、アンドープＩｎＧａＡｓＰ引張り歪スペーサ層によって補償するようにしてもよい。
【００３６】
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）５５μｍ、外径（ｒ３）８５μｍのドーナツの溝を形成して、溝外側の高さと発光領域を有する面の円柱状の領域高さが同じになるような素子としてもよい。これにより、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。
【００３７】
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、１素子内に複数の円柱状の発光領域を有する素子としてもよい。
【００３８】
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製造方法と共に説明する。その半導体レーザの断面図を図３に示す。
【００３９】
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１２０ｎｍ、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、アンドープ引張り歪ＩｎＧａＰスペーサ層３７、ｐ型ＡｌＡｓ層３８（１／４波長相当の厚み、Ｃ＝２×１０１８ｃｍ−３）、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層３９、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部半導体多層反射膜４０（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）、およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層４１（厚さ１０ｎｍ、Ｃ＝１×１０２０ｃｍ−３）を順次ＭＯＣＶＤ法により積層する。
【００４０】
次に、ｐ型コンタクト層４１を発光領域の上部をエッチング除去する。発振領域を形成するために、直径３０μｍの円柱状の領域を残し、その周辺をアンドープ引張り歪ＩｎＧａＰスペーサ層３７が露出するまで除去する。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３８の電流注入領域以外の領域３８ａを選択酸化して電流狭窄層を形成し、直径８μｍ（ｒ１）の非酸化領域、すなわち電流注入領域を形成する。エッチングで円柱状に形成した領域上にＳｉＯ２による保護膜４２を形成し、発光領域に対応する領域の保護膜４２を除去し、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕをこの順に積層してなるｐ側電極４３、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕをこの順に積層してなるｎ側電極４４を形成する。
【００４１】
上記のようにして作製された本実施の形態の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、アンドープ引張り歪ＩｎＧａＰスペーサ層３７、ｐ型ＡｌＡｓ層３８の電流注入領域以外の領域３８ａを酸化させてなる電流狭窄層、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層３９、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部半導体多層反射膜４０およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層４１をこの順に積層してなる半導体層と、一対の電極（ｎ側電極４４とｐ側電極４３）とを備えてなり、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部半導体多層反射膜４０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４０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。
【００４２】
本実施の形態における面発光型半導体レーザ素子においても、上記第１の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子と同様に、アンドープ引張り歪ＩｎＧａＰスペーサ層３７により選択酸化により形成された電流狭窄層の圧縮歪を補償することができるので、活性層は電流狭窄層の歪の影響を受けることがないため、高い信頼性を得ることができる。
【００４３】
上記２つの実施の形態において、歪補償層として、引張り歪ＩｎＧａＰを用いたが、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＰおよびＡｌＧａＡｓＰの少なくとも１つからなるものであってもよい。なお、電流狭窄層の歪に応じて、上記半導体から電流狭窄層の歪と逆の歪を有する組成のものとする。また、Ａｌを含有するものにおいては、電子障壁となるようなバンドギャップにならない程度のＡｌ含有量とすることが望ましい。
【００４４】
上記２つの実施の形態による面発光型半導体レーザ素子によれば、ＰＯＦの低伝搬損失波長域である７８０ｎｍ帯域において、高い信頼性を実現することができる。
【００４５】
また、活性層の組成をＡｌＧａＡｓあるいはＩｎＧａＡｓＰとし適当な元素組成比とすることにより、発振波長を７３０〜８２０ｎｍの範囲、さらには７７０〜８００ｎｍ帯の波長域で選択することが可能であり、これらの素子においても本発明を適用することにより高い信頼性を得ることができる。
【００４６】
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
【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Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ量子井戸層とアンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ障壁層とからなる量子井戸活性層
１６ アンドープＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓスペーサ層
１７ アンドープＩｎＧａＡｓＰ引張り歪スペーサ層
１８ ｐ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓスペーサ層
１９ ｐ型ＡｌＡｓ層
１９ａ 電流狭窄層
２０ ｐ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓスペーサ層
２１ ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部半導体多層反射膜
２２ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
２３ ＳｉＯ２保護膜
２４ Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ側電極
２５ ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、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。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。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、７８０ｎｍ帯の素子の方が、８５０ｎｍ帯の素子よりＰＭＭＡ−ＰＯＦの損失が低く、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として、活性領域にＡｌを含まないＧａＡｓ量子井戸とＧａＩｎＰ障壁層とを導入している。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、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。そこで、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。また、ＶＣＳＥＬはへき開端面を有しないため、端面起因の劣化もない。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や選択酸化型のＶＣＳＥＬが一般的となっている。前者は、活性領域上部までプロトン等をイオン注入して絶縁化して電流を中央の発振領域に狭窄する。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プロセスあるいは構造をとることも可能である。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−１０１７１５３号公報
【０００８】
【非特許文献１】
Ｄ．Ｂｏｔｅｚ、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ＳＰＩＥ、１９９９、Ｖｏｌ．３６２８、ｐ．７
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなＶＣＳＥＬ構造においてもＡｌＧａＡｓを活性層に用いた場合、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。
【００１０】
また、現在主流になりつつある選択酸化型の電流狭窄構造を有する素子では、ＡｌＡｓや高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓを、側面エッチングで露出した部分から選択的に電流注入領域以外の領域を酸化させて電流狭窄層を形成するが、酸化された層はＡｌ２Ｏ３等を含み、周辺の結晶と結晶状態が異なるため周辺の結晶へ歪を生じさせる。また、電流狭窄層を半導体層の電流注入領域以外の領域にイオン注入して形成した場合においても、注入量やイオンの加速電圧等のプロセス条件によって結晶性が劣化し歪を有する。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みて、信頼性の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。
【００１２】
【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、選択酸化型あるい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端面から光を発する面発光型半導体レーザ素子において、活性層と上部半導体多層反射膜との間に、電流狭窄層の歪を補償する歪補償層を設けたことを特徴とするものである。
【００１３】
なお、歪補償層は、活性層と電流狭窄層のとの間に設けられていてもよいし、電流狭窄層と上部半導体多層反射膜との間に設けられていてもよいし、電流狭窄層の上下に設けられていてもよい。活性層と電流狭窄層との間に設けられている方が、活性層に近い領域で歪が補償された状態となるので好ましい。
【００１４】
あるいは、選択酸化型の電流狭窄層の場合、電流狭窄層が複数の選択酸化された層からなり、歪補償層が、該複数の選択酸化された層に挟まれた領域に設けられている構造であってもよい。すなわち選択酸化した後、複数の選択酸化された層の合計歪が選択酸化された層の間に設けられた歪補償層で補償されている構造である。この場合、電流狭窄層が単層の選択酸化された層からなる場合より、電流狭窄層全体の厚さを薄くすることができるので、歪補償を効果的に行うことができる。
【００１５】
歪補償層は、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＰおよびＡｌＧａＡｓＰの少なくとも１つからなることが望ましい。
【００１６】
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。
【００１７】
前記「電流狭窄層の歪を補償する」とは、電流狭窄層の歪と逆の歪を有し、電流狭窄層の歪を打ち消すことを示す。
【００１８】
【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、活性層と上部半導体多層反射膜との間に電流狭窄層の歪を補償する歪補償層を設けることにより、電流狭窄層の結晶性変化による歪を補償することができるので、歪が活性層へ影響を及ぼすのを防止することができ、高い信頼性を得ることができる。
【００１９】
歪補償層として、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰおよびＡｌＧａＡｓＰの少なくとも１つからなるものとすることにより、良好に電流狭窄層の歪を補償することができる。上記組成においては、引張り歪を有するＧａＡｓＰおよびＡｌＧａＡｓＰを除き、元素の組成比を調整することにより圧縮歪または引張り歪のどちらにもすることができる。また、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓＰ等のＡｌを含まない組成とすれば、バンドギャップの大きいＡｌ元素を含まないので、キャリアを効率良く活性層に注入するために良好なバンドギャップを有するため、良好なレーザ特性を得ることができる。
【００２０】
【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。
【００２１】
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製造方法と共に説明する。その半導体レーザの断面図を図１に示す。
【００２２】
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２００ｎｍ、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３９．５周期積層したもの、Ｓｉ＝１×１０１８ｃｍ−３）、アンドープＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓスペーサ層１４、アンドープＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ量子井戸層（１０ｎｍを３層、発振波長７８０ｎｍ）とアンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ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Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓスペーサ層１６、アンドープＩｎＧａＡｓＰ引張り歪スペーサ層１７、ｐ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓスペーサ層１８（Ｃ＝８×１０１７ｃｍ−３）、ｐ型ＡｌＡｓ層１９（１／４波長相当の厚み、Ｃ＝２×１０１８ｃｍ−３）、ｐ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ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（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）、およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層２２（厚さ１０ｎｍ、Ｃ＝５×１０１９ｃｍ−３）を順次ＭＯＣＶＤ法により積層する。
【００２３】
次に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２２を発光領域の上部をエッチング除去する。発振領域を形成するために、直径５５μｍ（ｒ２）の円柱状の領域を残し、その周辺を下部半導体多層反射膜１３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１９の電流注入領域以外の領域１９ａを選択酸化して電流狭窄層を形成し、直径１５μｍ（ｒ１）の非酸化領域、すなわち電流注入領域を形成する。エッチングで円柱状に残した領域上にＳｉＯ２による保護膜２３を形成し、電流注入領域の保護膜２３を除去し、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕをこの順に積層してなるｐ側電極２４を形成する。次にｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕをこの順に積層してなるｎ側電極２５を形成する。
【００２４】
上記のようにして作製された本実施の形態の面発光型半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板上に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Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓスペーサ層１４、アンドープＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ量子井戸層とアンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ障壁層とからなる量子井戸活性層１５、アンドープＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓスペーサ層１６、アンドープＩｎＧａＡｓＰ引張り歪スペーサ層１７、ｐ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓスペーサ層１８、ｐ型ＡｌＡｓ層１９の電流注入領域以外の領域１９ａを酸化してなる電流狭窄層、ｐ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ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およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層２２をこの順に積層してなる半導体層と、一対の電極（ｎ側電極２５とｐ側電極２４）とを備えてなり、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部半導体多層反射膜２１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１３およびｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部半導体多層反射膜２１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。
【００２５】
本実施の形態においては、アンドープＩｎＧａＡｓＰ引張り歪スペーサ層１７により、ｐ型ＡｌＡｓ層１９の選択酸化により形成された電流狭窄層の圧縮歪を補償することができるので、歪が活性層に伝わるのを防止することができる。
【００２６】
活性層は、ＡｌＧａＡｓとしたが、ＧａＡｓに格子整合するＩｎＧａＡｓＰからなるものとしてもよい。
【００２７】
また、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。
【００２８】
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することにより、低しきい値化することができる。
【００２９】
ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層１８およびｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層２０の間にＡｌＡｓ層１９を配置して、このＡｌＡｓ層１９を酸化することにより、ＡｌＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層との界面での選択酸化特性が良好であるので、高精度な電流狭窄を行うことができる。
【００３０】
また、ＭＯＣＶＤ法による結晶成長を用いて説明したが、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。
【００３１】
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。またさらに、量子井戸の数をｎ個として、障壁層の数をｎ＋１個としてもよい。
【００３２】
また、保護膜としては、ＳｉＯ２以外に、Ａｌ２Ｏ３、またはＳｉｘＮｙ等を用いることが可能である。
【００３３】
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。
【００３４】
また、電流狭窄構造として、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の注入することによる電流狭窄構造を有する素子においても、同様に本発明を適用することにより、電流狭窄層から活性層へかかる歪を補償することができる。
【００３５】
また、選択酸化により形成される電流狭窄層は１層としたが、複数のＡｌＡｓ層を設け、ＡｌＡｓ層の間にアンドープＩｎＧａＡｓＰ引張り歪スペーサ層が配置されるように設けて、複数のＡｌＡｓ層が選択酸化されてなる電流狭窄層の合計歪を、アンドープＩｎＧａＡｓＰ引張り歪スペーサ層によって補償するようにしてもよい。
【００３６】
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）５５μｍ、外径（ｒ３）８５μｍのドーナツの溝を形成して、溝外側の高さと発光領域を有する面の円柱状の領域高さが同じになるような素子としてもよい。これにより、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。
【００３７】
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、１素子内に複数の円柱状の発光領域を有する素子としてもよい。
【００３８】
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製造方法と共に説明する。その半導体レーザの断面図を図３に示す。
【００３９】
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１２０ｎｍ、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、アンドープ引張り歪ＩｎＧａＰスペーサ層３７、ｐ型ＡｌＡｓ層３８（１／４波長相当の厚み、Ｃ＝２×１０１８ｃｍ−３）、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層３９、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部半導体多層反射膜４０（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）、およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層４１（厚さ１０ｎｍ、Ｃ＝１×１０２０ｃｍ−３）を順次ＭＯＣＶＤ法により積層する。
【００４０】
次に、ｐ型コンタクト層４１を発光領域の上部をエッチング除去する。発振領域を形成するために、直径３０μｍの円柱状の領域を残し、その周辺をアンドープ引張り歪ＩｎＧａＰスペーサ層３７が露出するまで除去する。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３８の電流注入領域以外の領域３８ａを選択酸化して電流狭窄層を形成し、直径８μｍ（ｒ１）の非酸化領域、すなわち電流注入領域を形成する。エッチングで円柱状に形成した領域上にＳｉＯ２による保護膜４２を形成し、発光領域に対応する領域の保護膜４２を除去し、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕをこの順に積層してなるｐ側電極４３、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕをこの順に積層してなるｎ側電極４４を形成する。
【００４１】
上記のようにして作製された本実施の形態の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、アンドープ引張り歪ＩｎＧａＰスペーサ層３７、ｐ型ＡｌＡｓ層３８の電流注入領域以外の領域３８ａを酸化させてなる電流狭窄層、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓスペーサ層３９、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部半導体多層反射膜４０およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層４１をこの順に積層してなる半導体層と、一対の電極（ｎ側電極４４とｐ側電極４３）とを備えてなり、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部半導体多層反射膜４０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４０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。
【００４２】
本実施の形態における面発光型半導体レーザ素子においても、上記第１の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子と同様に、アンドープ引張り歪ＩｎＧａＰスペーサ層３７により選択酸化により形成された電流狭窄層の圧縮歪を補償することができるので、活性層は電流狭窄層の歪の影響を受けることがないため、高い信頼性を得ることができる。
【００４３】
上記２つの実施の形態において、歪補償層として、引張り歪ＩｎＧａＰを用いたが、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＰおよびＡｌＧａＡｓＰの少なくとも１つからなるものであってもよい。なお、電流狭窄層の歪に応じて、上記半導体から電流狭窄層の歪と逆の歪を有する組成のものとする。また、Ａｌを含有するものにおいては、電子障壁となるようなバンドギャップにならない程度のＡｌ含有量とすることが望ましい。
【００４４】
上記２つの実施の形態による面発光型半導体レーザ素子によれば、ＰＯＦの低伝搬損失波長域である７８０ｎｍ帯域において、高い信頼性を実現することができる。
【００４５】
また、活性層の組成をＡｌＧａＡｓあるいはＩｎＧａＡｓＰとし適当な元素組成比とすることにより、発振波長を７３０〜８２０ｎｍの範囲、さらには７７０〜８００ｎｍ帯の波長域で選択することが可能であり、これらの素子においても本発明を適用することにより高い信頼性を得ることができる。
【００４６】
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
【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Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ量子井戸層とアンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ障壁層とからなる量子井戸活性層
１６ アンドープＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓスペーサ層
１７ アンドープＩｎＧａＡｓＰ引張り歪スペーサ層
１８ ｐ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓスペーサ層
１９ ｐ型ＡｌＡｓ層
１９ａ 電流狭窄層
２０ ｐ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓスペーサ層
２１ ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部半導体多層反射膜
２２ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
２３ ＳｉＯ２保護膜
２４ Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ側電極
２５ ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側電極
Claims (5)
- ＧａＡｓ基板上に下部半導体多層膜からなる光共振器ミラー、活性層、選択酸化型あるい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端面から光を発する面発光型半導体レーザ素子において、
前記活性層と前記上部半導体多層反射膜との間に、前記電流狭窄層の歪を補償する歪補償層を設けたことを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。 - 前記歪補償層が、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＰおよびＡｌＧａＡｓＰの少なくとも１つからな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。
- 前記電流狭窄層が複数の選択酸化された層からなり、
前記歪補償層が、該複数の選択酸化された層に挟まれた領域に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の面発光型半導体レーザ素子。 - 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、２または３記載の面発光型半導体レーザ素子。
- 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、２または３記載の面発光型半導体レーザ素子。
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Cited By (9)
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