JP2007227860A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＦＰが安定した状態で光出力を大きくすることの可能な半導体発光素子を提供する。
【解決手段】ｐ型半導体基板１０上に、ｐ型ＤＢＲ層１１、キャビティ層１２およびｐ型ＤＢＲ層１３をこの順に積層して構成される。キャビティ層１２は、２つのＰＩＮ接合を有しており、ｐ型ＤＢＲ層１１側のＰＩＮ接合は、ｐ型クラッド層１６、活性層１７およびｎ型クラッド層１８をこの順に含んで構成され、ｐ型ＤＢＲ層１３側のＰＩＮ接合は、ｎ型クラッド層１９、活性層２０およびｐ型クラッド層２１をこの順に含んで構成される。これにより、各活性層１７，２０に別個独立に電流を注入することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層方向にレーザ光を射出する半導体発光素子に係り、特に、大きな光出力の要求される用途に好適に適用可能な半導体発光素子に関する。

面発光型半導体レーザは、端面発光型半導体レーザとは異なり、基板に対して直交する方向に光を出射するものであり、同じ基板上に２次元アレイ状に多数の素子を配列することが可能であることから、近年、データ通信分野などで注目されている。

一般的な面発光型半導体レーザは、特許文献１に記載されているように、基板上に、一対の多層膜反射鏡と、その一対の多層膜反射鏡の間に設けられたキャビティ層とを有する。キャビティ層は、ｎ型クラッド層、発光領域を含む活性層、ｐ型クラッド層および電流狭窄層をこの順に含んで構成されている。電流狭窄層は、電流注入領域を狭めたドーナツ状の電流狭窄領域を有しており、活性層への電流注入効率を高め、しきい値電流を下げる役割を有している。一対の多層膜反射鏡は、光学膜厚がそれぞれλ₀ ／４（λ₀ は発光波長）の低屈折率層および高屈折率層を１組として、それを複数組分含んで構成されたものである。また、下面側にはｎ側電極、上面側にはｐ側電極がそれぞれ設けられ、ｐ側電極には発光領域からの光を射出するための開口部が設けられている。この面発光型半導体レーザでは、電流狭窄層により狭窄された電流が活性層へ注入され、活性層で発光した光は一対の多層膜反射鏡により反射されると共に増幅され、その結果、ｐ側電極に設けられた開口部から射出される。

特開２００１−２１０９０８号公報

ところで、上記した面発光型半導体レーザでは、活性層の厚さがおよそ数十ｎｍ、活性層の発光領域の直径がおよそ十μｍであり、発光領域の体積は端面発光型半導体レーザのそれと比べると遥かに小さい。そのため、発光領域に注入する電流を増やすと、発光領域における局所的な発熱により光出力がすぐに飽和してしまうので、単に電流注入量を増やしても大きな光出力を得ることができない。そこで、光出力がすぐに飽和しないようにするために、電流狭窄層の電流狭窄領域の内径を大きくして、発光領域の面積（体積）を大きくすることが考えられる。しかし、発光領域の面積が大きくなると、光出力の横方向の分布を不安定にする多モード発振が生じてしまい、その結果、ＦＦＰ（Far Field Pattern ：遠視野像）が不安定になってしまうという問題がある。また、発光領域の面積はそのままで、活性層を厚くすることも考えられる。例えば、活性層を多重量子井戸で構成すると共に、その量子井戸の積層数を増やすことにより、活性層を厚くすることも考えられる。しかし、このようにして活性層を厚くすると、量子井戸ごとの電流注入効率が下がり、しきい値電流が上がるので、活性層の厚さを厚くしても光出力をあまり大きくすることができないという問題がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ＦＦＰが安定した状態で光出力を大きくすることの可能な半導体発光素子を提供することにある。

本発明の半導体発光素子は、一対の多層膜反射鏡の間に設けられると共に一対の多層膜反射鏡の各々に接するキャビティ層を備えたものである。キャビティ層は、互いに異なる導電型の半導体層の間に設けられたノンドープナローギャップ半導体層を複数有している。ここで、「ナローギャップ」とは、発光波長に相当するエネルギー以下のバンドギャップのことである。

本発明の半導体発光素子では、キャビティ層内に、互いに異なる導電型の半導体層の間に設けられたノンドープナローギャップ半導体層が複数設けられているので、各ノンドープナローギャップ半導体層に別個独立に電流を注入することが可能となる。

ここで、キャビティ層が、各ノンドープナローギャップ半導体層の両側に接する第１導電型半導体層および第２導電型半導体層を有する場合には、これら第１導電型半導体層および第２導電型半導体層が、各ノンドープナローギャップ半導体層の両側に設けられた互いに異なる導電型の半導体層（以下、単に「２種類の半導体層」と称する）に相当する。

また、キャビティ層が、各ノンドープナローギャップ半導体層の両側に接する一対のノンドープワイドギャップ半導体層と、互いに対向するノンドープワイドギャップ半導体層の各々に接するコンタクト層とを有する場合には、その一対のノンドープワイドギャップ半導体層の両側に設けられている一対の多層膜反射鏡の一方が、２種類の半導体層の一方に相当し、コンタクト層が２種類の半導体層の他方に相当する。ここで、「ワイドギャップ」とは、発光波長に相当するエネルギーよりも大きなバンドギャップのことである。

本発明の半導体発光素子によれば、キャビティ層内に、互いに異なる導電型の半導体層の間に設けられたノンドープナローギャップ半導体層を複数設けるようにしたので、各ノンドープナローギャップ半導体層に別個独立に電流を注入することが可能となる。これにより、電流の注入されたノンドープナローギャップ半導体層ごとに発光させることができるので、発光するノンドープナローギャップ半導体層の数を増やすだけで、半導体発光素子の光出力を大きくすることができる。その結果、各ノンドープナローギャップ半導体層への電流注入量を増やしたり、各ノンドープナローギャップ半導体層の発光領域の面積を大きくする必要がなくなるので、個々の発光領域の光出力がすぐに飽和したり、ＦＦＰが不安定になる虞がない。従って、ＦＦＰが安定した状態で光出力を大きくすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の断面構成（図２のＢ−Ｂ矢視方向の断面構成）を表すものである。図２は図１の半導体発光素子の上面図を、図３は図１のＡ−Ａ矢視方向の断面構成をそれぞれ表すものである。図４（Ａ），（Ｂ）は、図１の半導体発光素子のキャビティ層１２およびその近傍の断面構成を拡大して表すと共に、キャビティ層１２およびその近傍における定在波強度分布を表すものである。なお、図１〜図４（Ａ），（Ｂ）は、模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。

この半導体発光素子は、積層方向に光を射出する面発光型の半導体レーザであり、ｐ型半導体基板１０の一面側に、ｐ型ＤＢＲ層１１（多層膜反射鏡）、キャビティ層１２、ｐ型ＤＢＲ層１３（多層膜反射鏡）、ｐ型コンタクト層１４をｐ型半導体基板１０側からこの順に積層して構成されたものである。

ｐ型半導体基板１０は、例えば、ｐ型ＧａＡｓにより構成されている。キャビティ層１２は、２つのＰＩＮ接合を有している。ｐ型ＤＢＲ層１１側のＰＩＮ接合は、ｐ型電流狭窄層１５、ｐ型クラッド層１６（第１導電型半導体層）、活性層１７（ノンドープナローギャップ半導体層）、ｎ型クラッド層１８（第２導電型半導体層）により構成されている。すなわち、ｐ型電流狭窄層１５およびｐ型クラッド層１６がＰＩＮ接合におけるＰ層となり、活性層１７がＰＩＮ接合におけるＩ層となり、ｎ型クラッド層１８がＰＩＮ接合におけるＮ層となる。他方、ｐ型ＤＢＲ層１３側のＰＩＮ接合は、ｎ型クラッド層１９（第２導電型半導体層）、活性層２０（ノンドープナローギャップ半導体層）、ｐ型クラッド層２１（第１導電型半導体層）およびｐ型電流狭窄層２２により構成されている。すなわち、ｐ型クラッド層２１およびｐ型電流狭窄層２２がＰＩＮ接合におけるＰ層となり、活性層２０がＰＩＮ接合におけるＩ層となり、ｎ型クラッド層１９がＰＩＮ接合におけるＮ層となる。これら２つのＰＩＮ接合の間には、ｎ型コンタクト層２３が設けられており、このｎ型コンタクト層２３は、双方のＰＩＮ接合におけるＮ層の一部を構成している。

なお、ｐ型不純物としては、炭素（Ｃ）、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）などが挙げられる。ｎ型不純物としては、ケイ素（Ｓｉ）、セレン（Ｓｅ）などが挙げられる。

これらｐ型ＤＢＲ層１１、キャビティ層１２、ｐ型ＤＢＲ層１３およびｐ型コンタクト層１４には、ｐ型コンタクト層１４からｎ型クラッド層１９までを選択的にエッチングしてｎ型コンタクト層２３を露出させたのち、ｎ型コンタクト層２３からｐ型ＤＢＲ層１１の一部までを選択的にエッチングすることにより、中途に段差を有する円柱状のメサ部２４が形成されている。

ｐ型ＤＢＲ層１１，１３は、低屈折率層（図示せず）および高屈折率層（図示せず）を１組として、それを複数組分積層して構成されたものである。低屈折率層は、例えば、光学膜厚がλ／４（λは発振波長）のｐ型Ａｌ_x1Ｇａ_1-x1Ａｓ（０＜ｘ１≦１）、高屈折率層は、例えば、光学膜厚がλ／４のｐ型Ａｌ_x2Ｇａ_1-x2Ａｓ（０≦ｘ２＜ｘ１）によりそれぞれ形成されている。なお、ｐ型ＤＢＲ層１１，１３は互いに等しい組成や、厚さ、層構造を有している必要はない。

ｐ型クラッド層１６，２１は、例えば、ｐ型Ａｌ_x3Ｇａ_1-x3Ａｓ（０≦ｘ３≦１）により構成されている。ｎ型クラッド層１８，１９は、例えば、ｎ型Ａｌ_x4Ｇａ_1-x4Ａｓ（０≦ｘ４≦１）により構成されている。これらｐ型クラッド層１６，２１およびｎ型クラッド層１８，１９は、発光波長λに相当するエネルギーよりも大きなバンドギャップ（ワイドギャップ）を有している。なお、ｐ型クラッド層１６，２１や、ｎ型クラッド層１８，１９はそれぞれ、互いに等しい組成や厚さを有している必要はない。

活性層１７，２０は、例えば、アンドープのＡｌ_x5Ｇａ_1-x5Ａｓからなる井戸層（０＜ｘ５≦１）と、アンドープのＧａＡｓからなる障壁層とを１組としてこれを複数組分積層して構成された多重量子井戸構造を有している。これら活性層１７，２０は、発光波長λに相当するエネルギー以下のバンドギャップ（ナローギャップ）を有している。また、活性層１７，２０は、その中央領域に発光領域１７Ａ，２０Ａを有している。なお、活性層１７，２０は、互いに等しい組成や厚さを有している必要はない。

ここで、活性層１７，２０は、図４に示したように、上記したｐ型ＤＢＲ層１１，１３によってキャビティ層１２内に発生する単一波長の定在波の腹Ｐのところに配置されることが好ましい。活性層１７，２０を腹Ｐのところに配置することにより、活性層１７，２０からの発光光のゲインを大きくすることができ、レーザ発振に好都合だからである。このように、活性層１７，２０をそれぞれ定在波の腹Ｐのところに配置するためには、活性層１７，２０の数以上の腹Ｐがキャビティ層１２内に存在しないといけないので、キャビティ層１２の厚さ（キャビティ長）を少なくとも発振波長λの２倍にすることが必要となる。

ｐ型電流狭窄層１５，２２は、その外縁領域に電流狭窄領域１５ａ，２２ａを有し、その中央領域に円形状の電流注入領域１５ｂ，２２ｂを有している。流注入領域１５ｂ，２２ｂは、例えば、ｐ型ＡｌＡｓにより構成され、電流狭窄領域１５ａ，２２ａは、後述するように、メサ部２４の側面側からＡｌＡｓ層１５Ｄ，２２Ｄに含まれる高濃度のＡｌを酸化することにより得られたＡｌ₂ Ｏ₃ （酸化アルミニウム）を含んで構成されている。つまり、ｐ型電流狭窄層１５，２２は電流を狭窄する機能を有している。なお、ｐ型電流狭窄層１５，２２は互いに等しい組成や、厚さ、内部構造を有している必要はない。

ここで、ｐ型電流狭窄層１５，２２は、図４では、キャビティ層１２の両端に配置されているが、この位置は定在波の腹Ｐのところに極めて近い。このように、ｐ型電流狭窄層１５，２２を定在波の節Ｚ以外のところに配置すると、キャビティ層１２およびｐ型ＤＢＲ層１１，１３からなる共振器の内部を往復する光は酸化物を含むｐ型電流狭窄層１５，２２によって散乱(scattering)されるので、電流狭窄領域１５ａ，２２ａは基本的に、共振器内を往復する光に損失を与え、発振を抑制する性質を有している。しかし、電流狭窄領域１５ａ，２２ａは、上記したように、ｐ型電流狭窄層１５，２２の外縁領域にだけ形成されているので、共振器内を往復する光のうちｐ型電流狭窄層１５，２２の外縁領域に対応する領域（発光領域１７Ａ，２０Ａの外縁部分）に大きなゲインを有する高次横モードの発振を主として抑制するようになっている。つまり、共振器内を往復する光のうち電流注入領域１５ｂ，２２ｂに対応する領域（発光領域１７Ａ，２０Ａの中央部分）に大きなゲインを有する基本横モードの発振は電流狭窄領域１５ａによって抑制されることはほとんどなく、基本横モードの光にとって第１電流狭窄層１５はほとんど透明である。

このように、ｐ型電流狭窄層１５，２２は、定在波の節Ｚ以外のところに配置された場合には、電流を狭窄するだけでなく、高次横モードの光にだけ選択的に損失を与える機能も兼ね備えている。従って、ｐ型電流狭窄層１５，２２は、キャビティ層１２の両端以外の場所に配置されていたとしても、定在波の節Ｚ以外のところに配置されていれば２つの機能を兼ね備えることが可能である。なお、本実施の形態では、ｐ型電流狭窄層１５，２２は、キャビティ層１２内にあることになっているが、キャビティ層１２外（例えばｐ型ＤＢＲ層１１，１３内）にあってもよい。つまり、ｐ型電流狭窄層１５，２２がキャビティ層１２の必須の構成要素である、というわけではない。

ｐ型コンタクト層１４は、例えば、ｐ型ＧａＡｓにより構成され、上記の電流注入領域２２ｂと対向する領域に、例えば円形状の開口部を有している。ｎ型コンタクト層２３は、例えば、ｎ型ＧａＡｓにより構成され、キャビティ層１２内の２つのＰＩＮ接合の間であって、かつ、互いに対向する２つの半導体層（ｎ型クラッド層１８，１９）の各々に接して配置されている。

この半導体発光素子はまた、ｐ型コンタクト層１４上にｐ側電極２５を、ｎ型コンタクト層２３の露出面上にｎ側電極２６を、ｐ型半導体基板１０の裏面にｐ側電極２７をそれぞれ有している。ここで、ｐ側電極２５は、例えばチタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）をこの順に積層して構成されたものであり、ｐ型コンタクト層１４と電気的に接続されている。このｐ側電極２５は、中央領域に開口部を有しており、この開口部とｐ型コンタクト層１４の開口部とにより開口部Ｗが形成されている。ｐ側電極２７は、例えばＴｉ，ＰｔおよびＡｕをこの順に積層して構成されたものであり、ｐ型半導体基板１０と電気的に接続されている。ｎ側電極２６は、例えば、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金層，ニッケル（Ｎｉ）層および金（Ａｕ）層とをこの順に積層した構造を有しており、ｎ型コンタクト層２３と電気的に接続されている。

このような構成を有する半導体発光素子は、例えば、次のようにして製造することができる。

図５（Ａ），（Ｂ）はその製造方法を工程順に表したものである。半導体発光素子を製造するためには、ｐ型ＧａＡｓからなるｐ型半導体基板１０上にＧａＡｓ系化合物半導体を、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ：有機金属気相成長）法により形成する。この際、ＧａＡｓ系化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン (ＡｓＨ₃)を用い、ドナー不純物の原料としては、例えばセレン化水素（Ｈ₂ Ｓｅ）を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えばジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を用いる。

具体的には、まず、ｐ型半導体基板１０上に、ｐ型ＤＢＲ層１１、ｐ型ＡｌＡｓ層１５Ｄ、ｐ型クラッド層１６、活性層１７、ｎ型クラッド層１８、ｎ型コンタクト層２３、ｎ型クラッド層１９、活性層２０、ｐ型クラッド層２１、ｐ型ＡｌＡｓ層２２Ｄ、ｐ型ＤＢＲ層１３およびｐ型コンタクト層１４をこの順に積層する（図５（Ａ））。なお、ｐ型ＡｌＡｓ層１５Ｄ，２２Ｄは、ｐ型電流狭窄層１５，２２の酸化処理前の層である。

次に、ｐ型コンタクト層１４の表面のうちメサ部２４を形成する領域にマスク（図示せず）を形成したのち、例えばドライエッチング法によりｐ型コンタクト層１４からｎ型クラッド層１９までを選択的にエッチングしてｎ型コンタクト層２３を露出させたのち、ｎ型コンタクト層２３からｐ型ＤＢＲ層１１の一部までを選択的にエッチングする。これにより、２段形状のメサ部２４が形成される（図５（Ｂ））。

次に、水蒸気雰囲気中において、高温で酸化処理を行い、メサ部２４の側面側からｐ型ＡｌＡｓ層１５Ｄ，２２Ｄ中のＡｌを選択的に酸化する。これによりｐ型ＡｌＡｓ層１５Ｄ，２２Ｄの外縁領域が絶縁層（酸化アルミニウム）となる。これにより、外縁領域に電流狭窄領域１５ａ，２２ａが形成され、その中央領域が電流注入領域１５ｂ，２２ｂとなる。このようにして、電流狭窄層１５，２２が形成される（図５（Ｂ））。

次に、ｐ型コンタクト層１４の表面のうち開口部を形成する領域以外の領域にマスク（図示せず）を形成したのち、例えばウエットエッチング法によりｐ型コンタクト層１４に開口部を形成する。続いて、例えば蒸着法によりｐ型コンタクト層１４上にｐ側電極２５を、ｎ型コンタクト層２３の露出面上にｎ側電極２６を、ｐ型半導体基板１０の裏面にｐ側電極２７をそれぞれ形成する。これにより、ｐ型コンタクト層１４の開口部と、ｐ側電極２５の開口部とから開口部Ｗが形成される（図１）。このようにして、本実施の形態の半導体発光素子が製造される。

以下、本実施の形態の半導体発光素子の作用および効果について説明する。

本実施の形態の半導体発光素子では、ｐ側電極２５およびｎ側電極２６の間に、そして、ｎ側電極２６およびｐ側電極２７の間にそれぞれ所定の電位差の電圧を印加すると、電流狭窄層１５，２２により狭窄された電流が活性層１７，２０の利得領域である発光領域１７Ａ，２０Ａに注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光がそれぞれの発光領域１７Ａ，２０Ａで生じる。それぞれの発光領域１７Ａ，２０Ａで生じた発光光により、共振器内で誘導放出が繰り返される結果、所定の波長でレーザ発振が生じ、その所定の波長の光がビームとして開口部Ｗから射出される。

ここで、この半導体発光素子では、キャビティ層１２内にＰＩＮ接合が２つ設けられているので、各活性層１７，２０に別個独立に電流を注入することができる。これにより、キャビティ層１２内に活性層が１つ、すなわち、ＰＩＮ接合が１つしか設けられていない従来例の場合（実線）の出力と比べておよそ２倍の出力の光を射出することができる（図６の一点鎖線参照）。つまり、この半導体発光素子は、キャビティ層内に活性層が１つしか設けられていない半導体発光素子を２つ備えたものとほぼ等価の出力の光を１つの素子から射出することが可能である。

このように、キャビティ層１２内にＰＩＮ接合を２つ設けると共に、各活性層１７，２０に別個独立に電流を注入することにより、半導体発光素子の光出力を従来構造の素子と比べて２倍とすることができる。これにより、各活性層１７，２０への電流注入量を増やしたり、各活性層１７，２０の発光領域１７Ａ，２０Ａの面積を大きくするなど、従来構造の素子において光出力を大きくするために通常行われていたことをする必要がないので、個々の発光領域１７Ａ，２０Ａからの光出力がすぐに飽和したり、ＦＦＰが不安定になる虞がない。従って、ＦＦＰが安定した状態で光出力を大きくすることができる。

［第２の実施の形態］
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子の断面構成を表すものである。なお、図７は模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。

この半導体発光素子は、キャビティ層３２内にＰＩＮ接合を３つ有している点で、キャビティ層１２内にＰＩＮ接合を２つ有している上記実施の形態と相違する。そこで、以下、上記実施の形態と相違する点について主に説明し、共通する点については適宜省略する。なお、以下の説明において、上記実施の形態と同一の符号が用いられている場合は、その同一符号の要素と同様の構成・機能を有することを意味している。

この半導体発光素子は、ｎ型半導体基板３０上に、ｎ型ＤＢＲ層３１、キャビティ層３２、ｐ型ＤＢＲ層１３およびｐ型コンタクト層１４をｐ型半導体基板１０側からこの順に積層して構成されたものである。

ｎ型半導体基板３０は、例えば、ｎ型ＧａＡｓにより構成されている。キャビティ層３２は、上記したように、３つのＰＩＮ接合を有している。ｎ型ＤＢＲ層３１に最も近いＰＩＮ接合は、ｎ型電流狭窄層３３、ｎ型クラッド層３４（第２導電型半導体層）、活性層３５（ノンドープナローギャップ半導体層）、ｐ型クラッド層３６（第１導電型半導体層）により構成されている。すなわち、ｎ型電流狭窄層３３およびｎ型クラッド層３４がＰＩＮ接合におけるＮ層となり、活性層３５がＰＩＮ接合におけるＩ層となり、ｐ型クラッド層３６がＰＩＮ接合におけるＰ層となる。中央のＰＩＮ接合は、ｐ型電流狭窄層１５、ｐ型クラッド層１６、活性層１７、ｎ型クラッド層１８により構成されている。これら２つのＰＩＮ接合の間には、ｐ型コンタクト層３７が設けられており、このｐ型コンタクト層３７は、双方のＰＩＮ接合におけるＰ層の一部を構成している。他方、ｐ型ＤＢＲ層１３側のＰＩＮ接合は、ｎ型クラッド層１９、活性層２０、ｐ型クラッド層２１およびｐ型電流狭窄層２２により構成されている。

これらｎ型ＤＢＲ層３１、キャビティ層３２、ｐ型ＤＢＲ層１３およびｐ型コンタクト層１４には、ｐ型コンタクト層１４からｎ型クラッド層１９までを選択的にエッチングしてｎ型コンタクト層２３を露出させたのち、ｎ型コンタクト層２３からｐ型電流狭窄層１５までを選択的にエッチングしてｐ型コンタクト層３７を露出させることにより、中途に段差を有する円柱状のメサ部３８が形成されている。

ｎ型ＤＢＲ層３１は、低屈折率層（図示せず）および高屈折率層（図示せず）を１組として、それを複数組分積層して構成されたものである。低屈折率層は、例えば、光学膜厚がλ／４（λは発振波長）のｎ型Ａｌ_x6Ｇａ_1-x6Ａｓ（０＜ｘ６≦１）、高屈折率層は、例えば、光学膜厚がλ／４のｐ型Ａｌ_x7Ｇａ_1-x7Ａｓ（０≦ｘ７＜ｘ６）によりそれぞれ形成されている。

ｎ型クラッド層３４は、例えば、ｎ型Ａｌ_x8Ｇａ_1-x8Ａｓ（０≦ｘ８≦１）により構成されている。ｐ型クラッド層３６は、例えば、ｐ型Ａｌ_x9Ｇａ_1-x9Ａｓ（０≦ｘ９≦１）により構成されている。これらｎ型クラッド層３４およびｐ型クラッド層３５は、発光波長λに相当するエネルギーよりも大きなバンドギャップ（ワイドギャップ）を有している。

活性層３５は、例えば、アンドープのＡｌ_x10 Ｇａ_1-x10 Ａｓからなる井戸層（０＜ｘ１０≦１）と、アンドープのＧａＡｓからなる障壁層とを１組としてこれを複数組分積層して構成された多重量子井戸構造を有している。この活性層３５は、発光波長λに相当するエネルギー以下のバンドギャップ（ナローギャップ）を有している。また、活性層３５は、その中央領域に発光領域３５Ａを有している。

ここで、活性層３５は、上記実施の形態の活性層１７，２０と同様、ｎ型ＤＢＲ層３１およびｐ型ＤＢＲ層１３によってキャビティ層３２内に発生する単一波長の定在波の腹Ｐのところに配置されることが好ましい。活性層３５を腹Ｐのところに配置することにより、活性層３５からの発光光のゲインを大きくすることができ、レーザ発振に好都合だからである。このように、活性層１７，２０，３５をそれぞれ定在波の腹Ｐのところに配置するためには、活性層１７，２０，３５の数以上の腹Ｐがキャビティ層３２内に存在しないといけないので、キャビティ層３２の厚さ（キャビティ長）を少なくとも発振波長λの３倍にすることが必要となる。

ｎ型電流狭窄層３３は、その外縁領域に電流狭窄領域３３ａを有し、その中央領域に円形状の電流注入領域３３ｂを有している。電流注入領域３３ｂは、例えば、ｎ型ＡｌＡｓにより構成され、電流狭窄領域３３ａは、後述するように、メサ部３８の側面側からｎ型ＡｌＡｓに含まれる高濃度のＡｌを酸化することにより得られたＡｌ₂ Ｏ₃ （酸化アルミニウム）を含んで構成されている。つまり、ｎ型電流狭窄層３３は電流を狭窄する機能を有している。

ここで、ｎ型電流狭窄層３３は、図７では、キャビティ層３２の端に配置されているが、この位置は上記の実施の形態と同様、定在波の腹Ｐのところに極めて近い。このように、ｎ型電流狭窄層３３を定在波の節Ｚ以外のところに配置すると、キャビティ層３２、ｎ型ＤＢＲ層３１およびｐ型ＤＢＲ層１３からなる共振器の内部を往復する光は酸化物を含むｎ型電流狭窄層３３によって散乱されるので、電流狭窄領域３３ａは基本的に、共振器内を往復する光に損失を与え、発振を抑制する性質を有している。しかし、電流狭窄領域３３ａは、上記したように、ｎ型電流狭窄層３３の外縁領域にだけ形成されているので、共振器内を往復する光のうちｎ型電流狭窄層３３の外縁領域に対応する領域（発光領域１７Ａ，２０Ａ，３５Ａの外縁部分）に大きなゲインを有する高次横モードの発振を主として抑制するようになっている。つまり、共振器内を往復する光のうち電流注入領域３３ｂに対応する領域（発光領域１７Ａ，２０Ａ，３５Ａの中央部分）に大きなゲインを有する基本横モードの発振は電流狭窄領域３３ａによって抑制されることはほとんどなく、基本横モードの光にとってｎ型電流狭窄層３３はほとんど透明である。

このように、ｎ型電流狭窄層３３は、定在波の節Ｚ以外のところに配置された場合には、電流を狭窄するだけでなく、高次横モードの光にだけ選択的に損失を与える機能も兼ね備えている。従って、ｎ型電流狭窄層３３は、キャビティ層３２の端以外の場所に配置されていたとしても、定在波の節Ｚ以外のところに配置されていれば２つの機能を兼ね備えることが可能である。なお、本実施の形態では、ｎ型電流狭窄層３３は、キャビティ層３２内にあることになっているが、キャビティ層３２外（例えばｎ型ＤＢＲ層３１内）にあってもよい。つまり、ｎ型電流狭窄層３３がキャビティ層３２の必須の構成要素である、というわけではない。

ｐ型コンタクト層３７は、例えば、ｐ型ＧａＡｓにより構成され、キャビティ層３２内のｎ型ＤＢＲ層３１側の２つのＰＩＮ接合の間であって、かつ、互いに対向する２つの半導体層（ｐ型クラッド層３６およびｐ型電流狭窄層１５）の各々に接して配置されている。

この半導体発光素子はまた、ｐ型コンタクト層１４上にｐ側電極２５を、ｎ型コンタクト層２３の露出面上にｎ側電極２６を、ｐ型コンタクト層３７の露出面上にｐ側電極３９を、ｎ型半導体基板３０の裏面にｎ側電極４０をそれぞれ有している。ここで、ｐ側電極３９は、例えばＴｉ，ＰｔおよびＡｕをこの順に積層して構成されたものであり、ｐ型コンタクト層３７と電気的に接続されている。また、ｎ側電極４０は、例えば、ＡｕＧｅの合金，ＮｉおよびＡｕとをこの順に積層した構造を有しており、ｎ型半導体基板３０と電気的に接続されている。

以下、本実施の形態の半導体発光素子の作用および効果について説明する。

本実施の形態の半導体発光素子では、ｐ側電極２５およびｎ側電極２６の間に、そして、ｎ側電極２６およびｐ側電極３９の間に、さらに、ｐ側電極３９およびｎ側電極４０の間にそれぞれ所定の電位差の電圧を印加すると、電流狭窄層１５，２２，３３により狭窄された電流が活性層１７，２０，３５の利得領域である発光領域１７Ａ，２０Ａ，３５Ａに注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光がそれぞれの発光領域１７Ａ，２０Ａ，３５Ａで生じる。それぞれの発光領域１７Ａ，２０Ａ，３５Ａで生じた発光光により、共振器内で誘導放出が繰り返される結果、所定の波長でレーザ発振が生じ、その所定の波長の光がビームとして開口部Ｗから射出される。

ここで、この半導体発光素子では、キャビティ層３２内にＰＩＮ接合が３つ設けられているので、各活性層１７，２０，３５に別個独立に電流を注入することができる。これにより、キャビティ層３２内に活性層が１つ、すなわち、ＰＩＮ接合が１つしか設けられていない従来例の場合（実線）の出力と比べておよそ３倍の出力の光を射出することができる（図６の二点鎖線参照）。つまり、この半導体発光素子は、キャビティ層内に活性層が１つしか設けられていない半導体発光素子を３つ備えたものとほぼ等価の出力の光を１つの素子から射出することが可能である。

このように、キャビティ層３２内にＰＩＮ接合を３つ設けると共に、各活性層１７，２０，３５に別個独立に電流を注入することにより、半導体発光素子の光出力を従来構造の素子と比べて３倍とすることができる。これにより、各活性層１７，２０への電流注入量を増やしたり、各活性層１７，２０の発光領域１７Ａ，２０Ａの面積を大きくするなど、従来構造の素子において光出力を大きくするために通常行われていたことをする必要がないので、個々の発光領域１７Ａ，２０Ａからの光出力がすぐに飽和したり、ＦＦＰが不安定になる虞がない。従って、ＦＦＰが安定した状態で光出力を極めて大きくすることができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。

例えば、上記実施の形態では、キャビティ層３２内にＰＩＮ接合を２つまたは３つ設けた場合について説明していたが、本発明はこれらに限定されるものではなく、上記実施の形態における説明から明らかなように、キャビティ層３２内のＰＩＮ接合をそれ以上増やすことが可能である。これにより、キャビティ層３２内のＰＩＮ接合の数を増やせば増やした分だけ、光出力を大きくすることができる。

また、上記実施の形態では、ｐ型クラッド層１６，２１，３５およびｎ型クラッド層１８，１９，３４は、ｐ型不純物や、ｎ型不純物を含んで構成されていたが、これらの不純物を含んでいなくてもよい。ただし、この場合には、ｐ型クラッド層１６、活性層１７およびｎ型クラッド層１８、ｐ型クラッド層２１、活性層２０およびｎ型クラッド層１９、ならびにｐ型クラッド層３６、活性層３５およびｎ型クラッド層３４がＰＩＮ接合におけるＩ層となるので、ｐ型電流狭窄層１５，２２およびｎ型電流狭窄層３３がキャビティ層１２，３２内に設けられている場合には、ｐ型電流狭窄層１５，２２がＰＩＮ接合におけるＰ層となると共にｎ型電流狭窄層３３がＰＩＮ接合におけるＮ層となり、ｐ型電流狭窄層１５，２２およびｎ型電流狭窄層３３がｐ型ＤＢＲ層１１，１３およびｎ型ＤＢＲ層１２Ｄ内に設けられている場合には、キャビティ層１２，３２の外に設けられているｐ型ＤＢＲ層１１，１３がＰＩＮ接合におけるＰ層となると共にｎ型ＤＢＲ層１２ＤがＰＩＮ接合におけるＮ層となる。

また、上記実施の形態では、２つのＰＩＮ接合の間にｎ型コンタクト層２３が設けられていたが、ｎ側電極２６がｎ型クラッド層１８と直接オーミック接触することが可能な場合には、ｎ型コンタクト層２３が設けられていなくてもよい。なお、この場合には、ｎ型クラッド層１８，１９を区別する必要はなく、ｎ型クラッド層１８，１９が１つのｎ型クラッド層により構成されていてもよい。

また、上記実施の形態では、ｐ型電流狭窄層１５，２２およびｎ型電流狭窄層３３が活性層１７，２０，３５にそれぞれ対向して設けられていたが、本発明はこれに限られるものではなく、１つの電流狭窄層が複数の活性層の少なくとも１つに対向して設けられていればよい。このような場合には、電流狭窄層と対向する活性層が主に電流励起の役割を果たし、他方、電流狭窄層と対向していない活性層が主に光励起の役割を果たすようになる。

また、上記実施の形態では、全てのノンドープナローギャップ半導体層に対して電流を注入するようにしていたので、全てのノンドープナローギャップ半導体層が活性層として機能していた。ところが、一部のノンドープナローギャップ半導体層を含むＰＩＮ接合の部分に対してだけ逆バイアスを掛けるようにした場合には、そのノンドープナローギャップ半導体層は光吸収層として機能するようになる。このように、ノンドープナローギャップ半導体層を光吸収層として機能させた場合には、そのノンドープナローギャップ半導体層を含むＰＩＮ接合の部分を光検出器として利用することが可能である。さらに、逆バイアスをパルス状に駆動させることにより、そのノンドープナローギャップ半導体層を含むＰＩＮ接合の部分を光変調器として利用することも可能である。

また、上記実施の形態では、各活性層１７，２０，３５を単一波長の定在波の腹Ｐのところに配置するようにしていたが、図８に示したように、キャビティ層１２を、互いに異なる波長の定在波がキャビティ層１２内に生じるようなキャビティ長に設定すると共に、各活性層１７，２０，３５をそれぞれの定在波の腹Ｐのところに配置するようにしてもよい。例えば、キャビティ長を光学長で３４００ｎｍにした場合には、このキャビティ長は、波長６８０ｎｍの５倍に等しく、さらに、波長８５０ｎｍの４倍にも等しくなる。そこで、活性層１７を波長６８０ｎｍの定在波の腹のところに配置すると共に、活性層２０を波長８５０ｎｍの定在波の腹のところに配置した場合には、波長６８０ｎｍおよび波長８５０ｎｍにおいてレーザ発振するようになり、複数波長の光を半導体発光素子から射出することができる。

また、上記実施の形態では、半導体材料としてＧａＡｓ系化合物半導体を用いた場合について説明したが、他の材料系、例えば、ＧａＩｎＰ系（赤系）材料またはＡｌＧａＡｓ系（赤外系）や、ＧａＮ系（青緑色系）などを用いることももちろん可能である。

また、本発明は、上記実施の形態で具体的に説明した製造方法に限定されるものではなく、他の製造方法であってもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の断面構成図である。 図１の半導体発光素子の上面図である。 図１のＡ−Ａ矢視方向の断面構成図である。 キャビティ層およびその近傍の断面構成の拡大図である。 半導体発光素子の製造工程を説明するための断面図である。 ＰＩＮ接合の数と光出力との関係を説明するための関係図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子の断面構成図である。 一変形例に係る半導体発光素子の断面構成図である。

符号の説明

１０…ｐ型半導体基板、１１，１３…ｐ型ＤＢＲ層、１２，３２…キャビティ層、１４，３７…ｐ型コンタクト層、１５，２２…ｐ型電流狭窄層、１５ａ，２２ａ，３３ａ…電流狭窄領域、１５ｂ，２２ｂ，３３ｂ…電流注入領域、１５Ｄ，２２Ｄ…ＡｌＡｓ層、１６，２１，３６…ｐ型クラッド層、１７，２０，３５…活性層、１７Ａ，２０Ａ，３５Ａ…発光領域、１８，１９，３４…ｎ型クラッド層、２３…ｎ型コンタクト層、２４，３８…メサ部，２５，２７，３９…ｐ側電極、２６，４０…ｎ側電極、３０…ｎ型半導体基板、３１…ｎ型ＤＢＲ層、３３…ｎ型電流狭窄層、Ｗ…開口部。

Claims (10)

1. 互いに異なる導電型の半導体層の間に設けられたノンドープナローギャップ半導体層を複数有するキャビティ層と、
   前記キャビティ層を間にして設けられると共に前記キャビティ層にそれぞれ接する一対の多層膜反射鏡と
   を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記キャビティ層は、各ノンドープナローギャップ半導体層の両側に接して設けられた第１導電型半導体層および第２導電型半導体層を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記キャビティ層は、各ノンドープナローギャップ半導体層の両側に接して設けられた一対のノンドープワイドギャップ半導体層と、互いに対向するノンドープワイドギャップ半導体層の各々に接するコンタクト層を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
4. 各ノンドープナローギャップ半導体層は、前記一対の多層膜反射鏡によって発生する定在波の腹の位置に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
5. 各ノンドープナローギャップ半導体層は、前記一対の多層膜反射鏡によって発生する、互いに波長の異なる複数の定在波のうちの一の定在波の腹の位置に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
6. 前記キャビティ層は、前記ノンドープナローギャップ半導体層に対向して設けられた電流狭窄層を少なくとも１つ有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
7. 前記キャビティ層は、各ノンドープナローギャップ半導体層に対向して設けられた複数の電流狭窄層を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
8. 各ノンドープナローギャップ半導体層は、活性層として機能する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
9. 前記複数のノンドープナローギャップ半導体層のうち少なくとも１つは、活性層として機能し、
   前記複数のノンドープナローギャップ半導体層のうち前記活性層として機能するもの以外のものは、光吸収層として機能する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
10. 前記複数のノンドープナローギャップ半導体層のうち少なくとも１つは、活性層として機能し、
    前記複数のノンドープナローギャップ半導体層のうち前記活性層として機能するもの以外のものは、光変調層として機能する
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
    

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