JP2004146515A - 半導体レーザ素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】高出力動作が可能で、温度特性が良好な面発光レーザ素子を提供すること。
【解決手段】面発光レーザ素子１は、ｐ型基板２を使用し、ｎ型反射層８側に電流狭窄層７を積層し、電流狭窄層７により狭窄された電流が流れるｎ型半導体層を、Ａｌ組成の設定により抵抗率を高め電子の移動度を低く制御した半導体により形成されている。このような面発光レーザ素子を構成することで、活性層５への加工損傷の防止、および、発生した熱の効率の良い放熱が可能となり、低い閾値電流で動作し、高い光出力を可能とする面発光レーザ素子の作製が可能となる。
【選択図】 図１
【解決手段】面発光レーザ素子１は、ｐ型基板２を使用し、ｎ型反射層８側に電流狭窄層７を積層し、電流狭窄層７により狭窄された電流が流れるｎ型半導体層を、Ａｌ組成の設定により抵抗率を高め電子の移動度を低く制御した半導体により形成されている。このような面発光レーザ素子を構成することで、活性層５への加工損傷の防止、および、発生した熱の効率の良い放熱が可能となり、低い閾値電流で動作し、高い光出力を可能とする面発光レーザ素子の作製が可能となる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電流狭窄層を備えた半導体レーザ素子に関し、特に、低閾値で、かつ、高い光出力を可能とする半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ ＥｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒ。以下、単に「面発光レーザ素子」と称する。）は、その名の示す通り、光の共振する方向が基板面に対して垂直であり、光インターコネクションを始め、通信用光源として、また、その他の様々なアプリケーション用デバイスとして注目されている。
【０００３】
その理由としては、面発光レーザ素子が、従来の端面発光型レーザ素子と比較して素子の２次元配列を容易に形成できること、ミラーを設けるために劈開する必要がないのでウェハレベルでテストできること、活性層のボリュームが格段に小さいので極低閾値で発振できるため消費電力が小さいこと等の利点を有していることが挙げられる。
【０００４】
さらに、面発光レーザ素子は、共振器長が極端に短いことから、発振スペクトルの縦モードはおのずと基本モード発振が得られることを特徴としている。これらの利点を有することから、面発光レーザ素子は、光通信ネットワークや、コンピュータ間を光接続して情報を伝送する光インターコネクション用のデバイスとして注目されている。
【０００５】
図８は、従来の面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。図８に示す面発光レーザ素子１０１は、基板１０２上に、順次、下部反射層１０３、電流狭窄層１０４、下部クラッド層１０５、活性層１０６、上部クラッド層１０７、上部反射層１０８が積層された構造を有する。電流狭窄層１０４は、非酸化領域１０４ａの周囲に選択酸化領域１０４ｂが積層された構成を有する。下部反射層１０３の上部領域よりも上に積層された半導体層はメサポスト状に形成されており、かかるメサポスト状領域周縁にはポリイミド層１０９が配置されている。上部反射層１０８上には、電極１１０が配置されており、電極１１０上には電極パッド１１１が配置されている。基板１０２下面には、裏面電極１１２が配置されている。
【０００６】
面発光レーザ素子１０１は、選択酸化領域１０４ｂおよび非酸化領域１０４ａを備えた電流狭窄層１０４を有する。選択酸化領域１０４ｂは絶縁層として機能することから、裏面電極１１２を介して注入された電流は、電流狭窄層１０４において非酸化領域１０４ｂのみを通過し、活性層１０６の中央部分の狭い領域にのみ集中して電流を流すことが可能となっている。活性層１０６の狭い領域にのみ電流を注入する構造とすることで活性層１０６におけるキャリア密度が向上し、レーザ発振の閾値電流の低減など、レーザ特性を大幅に向上させている。
【０００７】
活性層１０６におけるキャリア密度を向上させる観点からは、電流狭窄層１０４のみならず、電流狭窄層１０４と活性層１０６との間の半導体層、たとえば、下部クラッド層１０５の構造も重要となる。上記のように、電流狭窄層１０４により狭窄された電流は、電流狭窄層１０４と活性層１０６との間の半導体層内を流れ、活性層１０６に至る。ここで、電流が電流狭窄層１０４と活性層１０６との間の半導体層に流れる過程で電流経路の拡大を抑制できないとすると、活性層１０６の広い領域に電流が注入されることとなる。
【０００８】
したがって、活性層１０６におけるキャリア密度を向上させるためには、電流狭窄層１０４と活性層１０６との間の半導体層を通過する電流経路の拡大を抑制することを要する。ここで、半導体層を通過する電流経路は、半導体層におけるキャリア種類によって異なり、半導体層を通過する電流経路がｐ型半導体層であれば正孔に依存し、ｎ型半導体層であれば電子に依存する。したがって、半導体層を通過する電流経路の拡大の程度は、半導体層におけるキャリアの種類に依存する。
【０００９】
まず、ｐ型半導体層を通過する電流の経路について説明する。ｐ型半導体層を通過する電流の経路は、キャリアである正孔の移動度に依存する。図９（ａ）は、電流狭窄層と活性層との間にｐ型半導体層が積層された場合の正孔の移動経路を模式図として示したものである。図９（ａ）に示すように、電流狭窄層１１４と活性層１１６との間の半導体層は、ｐ型半導体層、たとえば、ｐ型クラッド層１１５となる。図９（ａ）において、破線で囲まれた領域は、正孔が移動する経路である。図９（ａ）に示すように、電流狭窄層１１４を通過した正孔の移動経路は、活性層に到達するまでにある程度拡大し、活性層１１６において正孔が注入される領域は、非酸化領域１１４ａの幅よりも広くなる。しかし、正孔は有効質量が大きいことから移動度は一般に低く、ｐ型半導体層の正孔移動経路の拡大は実質的に問題とはならない。したがって、活性層１１６の中央部分の狭い領域においてキャリアが結合し、その結果、閾値電流の低減した面発光レーザ素子を実現することができる。
【００１０】
つぎに、ｎ型半導体層を通過する電流の経路について説明する。ｎ型半導体層を通過する電流経路は、ｐ型半導体層を通過する電流経路と比較し異なるものとなる。かかる相違は、ｎ型半導体層を通過する電流の経路はキャリアである電子に依存し、電子は正孔と比較し有効質量が小さいため、同一条件の下では正孔よりも移動度が高いことに起因する。図９（ｂ）は、電流狭窄層と活性層との間にｎ型半導体層が積層された場合の電子の移動経路を模式図として示したものである。図９（ｂ）に示すように、電流狭窄層１１９と活性層１２１との間の半導体層は、ｎ型半導体層、たとえば、ｎ型クラッド層１２０が積層される構造を形成する。図９（ｂ）において、破線で囲まれた領域は、電流狭窄層１１９で狭窄された電子が移動する経路である。電子は正孔と比較し有効質量が小さいため、電子の移動度は、同一条件下における正孔の移動度よりも一般に高い。このため、電子がｎ型半導体層内を移動する経路は、図９（ａ）に示す正孔がｐ型半導体層内を移動する経路と比較し、拡大する幅が大きくなる。
【００１１】
したがって、電流狭窄層１１９と活性層１２１との間にｎ型半導体層、たとえばｎ型クラッド層１２０を積層した構造では、活性層１２１の広い領域に電流が注入されることとなる。この結果、電流狭窄層１１９を配置したにもかかわらず、活性層１２１に注入されるキャリアの密度を向上させることができず、閾値電流の低減等の効果を発揮することが困難であった。以上より、従来においては、ｐ型基板を用いて面発光レーザ素子を作製する場合には、電流狭窄層と活性層との間に積層される半導体層がｐ型半導体層となるように、ｐ型反射層側に電流狭窄層を積層する構造が一般に用いられていた。具体的には、図８の面発光レーザ素子の例において、基板１０２をｐ型の半導体基板によって形成し、下部反射層１０２、下部クラッド層１０５をｐ型の半導体材料によって形成すると共に、上部クラッド層１０７、上部反射層１０８をｎ型の半導体材料によって形成した構造を有する（例えば、特許文献１参照。）。
【００１２】
【特許文献１】
特開２０００−０６８６０４号公報（第３頁、第１図）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ｐ型の導電性を有する基板上に面発光レーザ素子を作製する場合、様々な問題が生じることが明らかになっている。図８に示す面発光レーザ素子において、電流狭窄層１０４を構成する選択酸化領域１０４ｂは、製造時における選択酸化によって形成される。そして、かかる選択酸化を効率的に行うためには電流狭窄層１０４はメサポスト状に形成された領域に積層されている必要がある。ここで、上記面発光レーザ素子は、上記したようにｐ型の基板１０２を使用し、活性層１０６に対してｐ型の導電性を有する下部反射層１０３の側に電流狭窄層１０４を積層する構造を有する。かかる構造によって面発光レーザ素子を実現する場合、選択酸化領域１０４ｂを形成するためには、下部反射層１０３までエッチングを行ってメサポスト領域を形成する必要が生じる。すなわち、エッチング工程により、上下クラッド層のみならず活性層１０６もエッチングされることとなり、活性層１０６への加工損傷が発生する。活性層への加工損傷は、結晶欠陥発生を招き、発光効率の低下や閾値電流の増加の原因となる。
【００１４】
また、面発光レーザ素子のレーザ発振は、活性層中における発熱を伴う。発生した熱は、活性層の反射層等の半導体層を通して外部に放出される。発生した熱が通過する半導体層の断面積が大きいほど熱抵抗は低下するため、活性層からの放熱は効率よく行われる。しかし、図８に示した面発光レーザ素子は、活性層の下部にあるｐ型のクラッド層１０５、電流狭窄層１０４等までメサポスト状に形成された構造を有する。従って、図８に示した面発光レーザ素子では、熱が通過する領域の断面積は狭いために効率的な熱放出が困難となり、利得の低下や閾値電流の上昇を招く。
【００１５】
この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、電流狭窄層から活性層に至る電流経路の拡大を抑制することによって、高出力動作が可能で、温度特性が良好な面発光レーザ素子を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１にかかる半導体レーザ素子は、半導体基板上に積層された活性層と、レーザ発振するための共振器構造と、外部から注入された電流を狭窄して前記活性層に供給する電流狭窄層とを有する半導体レーザ素子において、前記活性層と前記電流狭窄層との間に積層され、Ａｌ組成が０．４以上であり、かつ、電気抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以上であるｎ型半導体層を備えたことを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、電流狭窄層に狭窄された電流が流れる半導体層の抵抗率を高く設定することにより電流経路の拡大を抑制することができる。このため、ｐ型基板を用いた場合でもｎ型反射層側に電流狭窄層を設けることができ、活性層の加工損傷を防止し、効率的な放熱が可能となる。したがって、低閾値電流での動作を可能とした、高い光出力の面発光レーザ素子を実現することができる。
【００１８】
また、請求項２にかかる半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記ｎ型半導体層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４≦ｘ≦１）によって形成されることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項３にかかる半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記共振器構造は、前記活性層上部および前記活性層下部にそれぞれ積層された半導体多層膜反射層を備え、該半導体多層膜反射層によって前記半導体基板に直交する方向にレーザ光が出射されることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項４にかかる半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記ｎ型半導体層のＡｌ組成は、０．９５以下であることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項５にかかる半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記半導体基板はｐ型の導電性を有すると共に前記ｎ型半導体層はｎ型クラッド層として機能し、前記半導体基板上に順次積層されたｐ型半導体多層膜反射層、ｐ型クラッド層、前記活性層、前記ｎ型半導体層、前記電流狭窄層、ｎ型半導体多層膜反射層を備え、前記ｎ型クラッド層上部、前記電流狭窄層および前記ｎ型半導体多層膜反射層はメサポスト状に形成されていることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項６にかかる半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記電流狭窄層は、ＡｌＡｓによって形成された半導体層を選択酸化することによって形成されることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項７にかかる半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記電流狭窄層が、前記半導体多層膜反射層の中に、複数含まれていることを特徴とする。
【００２４】
また、請求項８にかかる半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記共振器構造は、前記活性層に対して垂直になるよう配置された第１の反射端面および第２の反射端面を備え、前記活性層に対して平行方向にレーザ発振することを特徴とする。
【００２５】
また、請求項９にかかる半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記電流狭窄層は、ｎ型の導電性を有する電流通過層と、該電流通過層の周囲に積層されたｐ型の導電性を有する電流遮蔽層とを備えたことを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明にかかる面発光レーザ素子の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２７】
（実施の形態１）
まず、実施の形態１にかかる半導体レーザ素子について面発光レーザ素子を例にして説明する。実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は、電流狭窄層により狭窄された電流が流れるｎ型半導体層のＡｌ組成を制御することにより抵抗率を高く設定した構造を有する。以下、図１を参照して具体的な構造について説明する。
【００２８】
図１は、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。面発光レーザ素子１は、ｐ型基板２上に、順次、ｐ型反射層３、ｐ型クラッド層４、活性層５、ｎ型クラッド層６、電流狭窄層７、ｎ型反射層８が積層された構造を有する。電流狭窄層７は、非酸化領域７ａの周囲に選択酸化領域７ｂが積層される構成を有する。ｎ型クラッド層６の上部領域よりも上に積層された半導体層はメサポスト状に形成されており、メサポスト状領域周縁にはポリイミド層９が配置されている。ｎ型反射層８上には、ｎ側電極１０が配置されており、ｎ側電極１０上には電極パッド１１が配置されている。ｐ型基板２下面には、裏面電極１２が配置されている。
【００２９】
図１に示す面発光レーザ素子１を作製するには、まず、ｐ型基板２上に、ＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、ｐ型反射層３を形成する。ｐ型反射層３は、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ミラー構造を有し、低屈折率層と高屈折率層の対を多数積層した構造からなる。具体的には、低屈折率層はたとえばｐ型のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓによって形成され、高屈折率層はたとえばｐ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓによって形成される。
【００３０】
ｐ型クラッド層４、ｎ型クラッド層６は、活性層５を挟み込むように積層され、活性層５と共に光共振器を形成する。ｐ型クラッド層４は、たとえば、ＧａＡｓによって形成される。これに対し、ｎ型クラッド層６は、抵抗率を上げるため、Ａｌ組成が０．４以上になるよう設定したｎ型半導体、たとえば、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓによって形成される。
【００３１】
ｎ型クラッド層６の上に後の工程で電流狭窄層７となる、たとえばＡｌＡｓを材料とする半導体層を形成し、かかる半導体層の上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型反射層８を形成する。ｎ型反射層８は、ＤＢＲミラー構造を有し、低屈折率層と高屈折率層の対を多数積層した構造からなる。具体的には、低屈折率層はたとえばｎ型のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓによって形成され、高屈折率層はたとえばｎ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓによって形成される。
【００３２】
次に、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程（ドライエッチングまたはウェットエッチング）を経て、ｎ型反射層８、ｎ型クラッド層６の一部等からなる積層構造の外縁部を除去し、たとえば直径３０μｍの円形のメサポストを形成する。
【００３３】
次に、水蒸気雰囲気中にて、たとえば４００℃の温度条件の下２０分間酸化処理を行ない、ＡｌＡｓ等によって形成された半導体層について、メサポストの側壁から選択的に約１０μｍ酸化させ、選択酸化領域７ｂを形成する。たとえば選択酸化領域７ｂが１０μｍの帯幅を有するリング形状である場合、中心の非酸化領域７ａの面積、すなわち電流注入されるアパーチャの面積は約８０μｍ（直径１０μｍ）になる。この工程で形成された選択酸化領域７ｂと、選択酸化領域７ｂ内部に位置する非酸化領域７ａによって電流狭窄層７が形成される。
【００３４】
そして、ポリイミド層９によって、メサポストの周囲を埋め込んだ後、ｎ型反射層８のメサポスト上部の外周５〜１０μｍ程度の幅で接触するｎ側電極１０を形成する。ポリイミド層９上にはワイヤをボンディングするための電極パッド１１を、上記したｎ側電極１０に接触するように形成する。また、ｐ型基板２の裏面には、裏面電極１２を形成する。
【００３５】
次に実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の動作について説明する。実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は、ｎ側電極１０および裏面電極１２を介して外部電源回路に接続され、面発光レーザ素子にキャリアが注入される。ｎ側電極１０から注入されたキャリアは、電流狭窄層７において非酸化領域７ａのみを通過することによって狭窄された後、活性層５に入射し、活性層５においてキャリアが結合することによって発光する。発生した光は、ｎ型反射層８およびｐ型反射層３によりフィードバックされ、所定強度に達した時点で、開口部から外部にレーザ光として出力される。
【００３６】
ｐ型基板２を使用しｎ型反射層８側に電流狭窄層７を設けた本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１は、Ａｌ組成の制御により抵抗率を高め通過する電流経路の拡大を抑制したｎ型半導体層を、電流狭窄層７と活性層５との間に備えている。かかるｎ型半導体層を備えることで、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１は、電流狭窄構造の効果を発揮し、低閾値電流での動作を可能とし、高い光出力を実現する。
【００３７】
上記したように、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１において、狭窄された電流が流れる半導体層はｎ型半導体層、たとえば、ｎ型クラッド層６となる。ｎ型半導体に電流が流れる場合、電流の経路はｎ型半導体のキャリアである電子に依存する。電子は、正孔に比べて有効質量が小さいために同一条件下では正孔よりも移動度が高くなり、ｎ型半導体層に流れる電流の経路は、ｐ型半導体内に流れる電流の経路と比較し、横方向に著しく拡大する。ｎ型半導体層に流れる電流の経路の顕著な拡大を抑制するためには、キャリアである電子の移動度を低く制御する必要がある。
【００３８】
ここで、電子の移動度は、電子が移動する半導体の抵抗率と反比例の関係にある。したがって、電子の移動度を低く制御するためには、電子をキャリアとするｎ型半導体層の抵抗率を高く設定する必要がある。本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１においては、狭窄された電流が流れるｎ型半導体層、たとえば、ｎ型クラッド層６の抵抗率を高く設定することを要する。かかるｎ型半導体の抵抗率を高く設定することにより、ｎ型半導体のキャリアである電子の移動度を低く抑制し、ｎ型半導体層における電流の経路の拡大を抑制することができる。
【００３９】
ｎ型半導体層の抵抗率を高く設定するためには、たとえば、ｎ型のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）のＡｌ組成を高く設定すればよい。図２は、ｎ型のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）のＡｌ組成と電気抵抗率との関係を示すグラフである。図２に示すように、Ａｌ組成を０．４以上と設定することにより、電気抵抗率を０．１Ω・ｃｍ以上の高い値に制御することができる。なお、Ａｌ組成は０．９５以下とすることが好ましい。これは、Ａｌ組成が０．９５を超えたＡｌｘＧａ１−ｘＡｓの場合、選択酸化層を形成する際に一緒に酸化されてしまうためである。
【００４０】
図３は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）における電子移動度および正孔移動度のＡｌ組成依存を示すグラフである。図３において、ｌ１はｎ型半導体における電子移動度のＡｌ組成依存を、ｌ２はｐ型半導体における正孔移動度のＡｌ組成依存を示す。図３より、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）のＡｌ組成の低い半導体において、電子の移動度は、正孔の移動度と比較し高い。しかし、図３に示すように、Ａｌ組成が０．４以上であるｎ型半導体において、電子の移動度は急激に低下し、正孔の移動度の大きさに近づく傾向を示す。したがって、Ａｌ組成が０．４以上のｎ型半導体層を使用した場合の電子の移動経路の拡大幅は、ｐ型半導体層中を移動する正孔と同程度となることが推測される。
【００４１】
さらに、図４は、ｎ型半導体であるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）の室温における電子移動度のＡｌ組成依存を示すグラフである。グラフ中、プロットした点は実験値であり、実線部は理論値である。また、実験値をフィッティングした結果を破線部として示す。図４に示すように、Ａｌ組成が０．４５であるｎ型半導体において電子移動度が極小値を示しており、Ａｌ組成が０．４以上であるｎ型半導体は、低い移動度を保っていることを示す。
【００４２】
したがって、Ａｌ組成を０．４以上と設定することにより抵抗値を高めたｎ型半導体を用いたｎ型半導体層を用いることで、電子の移動度を低く制御することが可能となる。図５は、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１の電流狭窄を行った場合の模式図である。なお、図５において、図１と共通する部分には同一の符号を付している。ｎ型反射層８側に電流狭窄層７を設けた場合、電流狭窄層７により狭窄された電流が流れる半導体層はｎ型半導体層、たとえば、ｎ型クラッド層６となる。かかるｎ型半導体層、たとえばｎ型クラッド層６に、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）のＡｌ組成の設定により抵抗率を高め電子の移動度を低く制御した半導体を用いることにより、電子の移動経路の横方向の拡大を抑制することが可能となる。すなわち、従来技術にかかる面発光レーザ素子と比較し、本実施にかかる面発光レーザ素子は、電子に依存する電流の経路の拡大を抑制することが可能となるため、活性層５の狭い範囲に電流が注入され、電流狭窄構造の効果を発揮する。したがって、低い閾値電流で動作し、高い光出力を可能とする面発光レーザ素子を実現することができる。
【００４３】
また、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１は、活性層５の上部に電流狭窄層７を形成する構造を有するため、製造時に活性層５までエッチングする必要がなく、活性層５への加工損傷を防止することが可能となる。したがって、活性層５において結晶欠陥が発生することを抑制でき、発光効率の低下や閾値電流の増加の防止を実現できる。
【００４４】
さらに、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１は、レーザ発振時に生じる熱を効率よく外部に放出できるという利点も有する。既に説明したように、面発光レーザ素子１の活性層５での発光は発熱を伴う。本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１は、活性層５までエッチングしないことから、活性層５の下部に断面積の大きな半導体層、たとえば、ｐ型反射層３が存在する。このため、活性層５で発生した熱は効率よく放出され、従来技術にかかる面発光レーザ素子と比較し、閾値電流の上昇を抑制する効果がある。
【００４５】
実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１を実際に作製してその特性を調べたところ、閾値電流が３ｍＡであり、７０℃における光出力と２０℃における光出力の比は８０％であった。これらの値は、通常のｎ型基板を用いた面発光レーザ素子と同程度のものである。したがって、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は、ｐ型基板を用いたにもかかわらず、ｎ型基板を用いた面発光レーザ素子と同程度の特性を得られることが実際に確認されている。
【００４６】
なお、ｎ型反射層の一部に電流狭窄層を形成した場合にも、電流狭窄層７と活性層５との間の半導体層の抵抗を高く設定することにより、同様に高い光出力が可能となり、低い閾値電流での動作が可能となる。また、電流狭窄層を複数層とした場合でも、電流狭窄層と活性層との間の半導体層にＡｌ組成設定により電子移動度を低く制御したｎ型半導体を用いることにより、Ａｌ組成設定による電子の移動度の制御を行っていない面発光レーザ素子と比較し、閾値電流の増加を抑制する面発光レーザ素子の作製が可能となる。
【００４７】
また、本実施の形態１では、ＭＯＣＶＤ法で各層を作成するとしたが、ＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：分子線成長法）等によって作製してもかまわない。さらに、ｐ型基板２上に各層を積層して面発光レーザ素子を作製するとしたが、ｐ型基板２に換えてｎ型ＧａＡｓ基板を用いることもできる。この場合、下部半導体多層膜反射層はｎ型、上部半導体多層反射層はｐ型の半導体材料によって形成され、電極材料もそれに対応することとなる。また、本実施の形態１では、基板としてＧａＡｓ基板を使用するとして説明したが、ＧａＡｓ基板に限定するものではなく、たとえば、ＩｎＰ基板を使用することも可能である。なお、上述した面発光レーザ素子は、発振波長を限定するものではなく、たとえば７５０ｎｍ〜１６００ｎｍ帯、具体的には、７８０ｎｍ、８５０ｎｍ、９８０ｎｍ、１３００ｎｍ、１５５０ｎｍなどの波長で発振する構造に適用することができる。
【００４８】
（実施の形態２）
つぎに、実施の形態２にかかる半導体レーザ素子について説明する。実施の形態２にかかる半導体レーザ素子は、劈開によって形成された端面をミラーとする共振器構造を備えた、いわゆる端面発光レーザに本発明を適用したものである。具体的には、本実施の形態２にかかる半導体レーザ素子は、端面発光レーザにおいて、活性層と電流狭窄層との間にＡｌの組成比が０．４以上となるよう形成したｎ型半導体層を備えた構造を有する。
【００４９】
図６は、実施の形態２にかかる半導体レーザ素子の構造を示す正面図であり、図７は、図６のＡ−Ａ線における断面図である。図６に示すように、本実施の形態２にかかる半導体レーザ素子は、ｐ型基板１５上に、順次ｐ型の導電性を有する下部クラッド層１６、活性層１７、ｎ型の導電性を有する第１上部クラッド層１８が積層された構造を有する。第１上部クラッド層１８上には電流狭窄層１９が積層され、電流狭窄層１９は、第１上部クラッド層１８の一部領域上に積層され、レーザ光出射方向に長手方向を有するストライプ形状の電流通過層１９ａと、第１上部クラッド層１８の他の領域上に積層された電流遮蔽層１９ｂとを備える。電流狭窄層１９上には順次第２上部クラッド層２０、コンタクト層２１、ｎ側電極２２が積層され、ｐ型基板１５の裏面には裏面電極２３が配置されている。
【００５０】
また、図７に示すように、実施の形態２にかかる半導体レーザ素子は、出射側端面２４上に出射側反射膜２５が積層され、反射側端面２６上には反射側反射膜２７が積層された構造を有する。出射側反射膜２５と反射側反射膜２７とによって共振器構造のミラーを構成することで、活性層１７で発生した光はｐ型基板１５に対して平行方向にレーザ発振する。
【００５１】
電流狭窄層１９は、実施の形態１の場合と同様に、ｎ側電極２２を介して外部から注入される電子の通過経路を狭窄するためのものである。具体的には、電流通過層１９ａは、第１上部クラッド層１８および第２上部クラッド層２０と同様にｎ型の半導体材料によって形成されることで注入された電子を通過させる。一方、電流遮蔽層１９ｂは、ｐ型の半導体材料によって形成され、第１上部クラッド層１８との間にｐｎ接合を形成することから電子の通過を遮蔽する。かかる構造を備えることによって、外部から注入された電子は電流狭窄層１９によって一旦狭窄された後に活性層１７に流入する。
【００５２】
ここで、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子と同様に、電流狭窄層１９を通過した電子は活性層１７に至るまでにその経路を水平方向に拡大する。したがって、活性層１７に対して高密度の電子を注入させるためには、電流狭窄層１９と活性層１７との間に積層されるｎ型半導体層（本実施の形態２における第１上部クラッド層１８）における電子の移動度の制御が重要となる。
【００５３】
このため、本実施の形態２にかかる半導体レーザ素子は、第１上部クラッド層１８のＡｌ組成が０．４以上となるよう形成し、電子の移動度を正孔の移動度と同程度にまで抑制している。第１上部クラッド層１８のＡｌ組成に対してかかる調整を行うことによって、抵抗率を１．０Ω・ｃｍ以上の値とし、電子の通過経路の拡大を抑制している。したがって、ｎ側電極２２を介して注入された電子は通過経路を拡大することなく活性層１７の中央近辺に集中して注入されることとなり、閾値電流の低下、高出力化等の利点を享受することが可能となる。
【００５４】
なお、本実施の形態２にかかる半導体レーザ素子において、活性層１７は、単層構造としても良いが、好ましくは、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ（Ｇｒａｄｅｄ Ｉｎｄｅｘ−Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ：分布屈折率分離閉じこめ多重量子井戸）構造によって形成される。ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ構造を有することで、キャリアおよび発生する光波について効率的に閉じこめることができる。また、実施の形態１および実施の形態２において、活性層の上下にクラッド層を積層した、いわゆるダブルへテロ構造を有する半導体レーザ素子について説明したが、かかる構造に限定されるのではないことはもちろんである。
【００５５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明にかかる半導体レーザ素子によれば、ｐ型基板を使用しｎ型反射層側に電流狭窄層を作成した場合でも、低い閾値電流での動作が可能であり、高い光出力を達成する面発光レーザを実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図２】ｎ型半導体であるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）のＡｌ組成と電気抵抗率との関係を示すグラフである。
【図３】ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）における電子移動度および正孔移動度のＡｌ組成依存を示すグラフである。
【図４】ｎ型半導体であるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）の室温における電子移動度のＡｌ組成依存を示すグラフである。
【図５】本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１の電流狭窄を行った場合の模式図である。
【図６】実施の形態２にかかる半導体レーザ素子の構造を示す正面図である。
【図７】図６のＡ−Ａ線における断面図である。
【図８】従来技術にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図９】従来技術にかかる面発光レーザ素子の電流狭窄を行った場合の模式図である。
【符号の説明】
１ 面発光レーザ素子
２ ｐ型基板
３ ｐ型反射層
４ ｐ型クラッド層
５ 活性層
６ ｎ型クラッド層
７ 電流狭窄層
７ａ 非酸化領域
７ｂ 選択酸化領域
８ ｎ型反射層
９ ポリイミド層
１０ ｎ側電極
１１ 電極パッド
１２ 裏面電極
１５ ｐ型基板
１６ 下部クラッド層
１７ 活性層
１８ 第１上部クラッド層
１９ 電流狭窄層
１９ａ 電流通過層
１９ｂ 電流遮蔽層
２０ 第２上部クラッド層
２１ コンタクト層
２２ ｎ側電極
２３ 裏面電極
２４ 出射側端面
２５ 出射側反射層
２６ 反射側端面
２７ 反射側反射層
１０１ 面発光レーザ素子
１０２ 基板
１０３ 下部反射層
１０４ 電流狭窄層
１０４ａ 非酸化領域
１０４ｂ 選択酸化領域
１０５ 下部クラッド層
１０６ 活性層
１０７ 上部クラッド層
１０８ 上部反射層
１０９ ポリイミド層
１１０ 電極
１１１ 電極パッド
１１２ 裏面電極
１１３ ｐ型反射層
１１４ 電流狭窄層
１１４ａ 非酸化領域
１１４ｂ 選択酸化領域
１１５ ｐ型クラッド層
１１６ 活性層
１１７ ｎ型クラッド層
１１８ ｎ型反射層
１１９ 電流狭窄層
１１９ａ 非酸化領域
１１９ｂ 選択酸化領域
１２０ ｎ型クラッド層
１２１ 活性層
１２２ ｐ型クラッド層
【発明の属する技術分野】
この発明は、電流狭窄層を備えた半導体レーザ素子に関し、特に、低閾値で、かつ、高い光出力を可能とする半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ ＥｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒ。以下、単に「面発光レーザ素子」と称する。）は、その名の示す通り、光の共振する方向が基板面に対して垂直であり、光インターコネクションを始め、通信用光源として、また、その他の様々なアプリケーション用デバイスとして注目されている。
【０００３】
その理由としては、面発光レーザ素子が、従来の端面発光型レーザ素子と比較して素子の２次元配列を容易に形成できること、ミラーを設けるために劈開する必要がないのでウェハレベルでテストできること、活性層のボリュームが格段に小さいので極低閾値で発振できるため消費電力が小さいこと等の利点を有していることが挙げられる。
【０００４】
さらに、面発光レーザ素子は、共振器長が極端に短いことから、発振スペクトルの縦モードはおのずと基本モード発振が得られることを特徴としている。これらの利点を有することから、面発光レーザ素子は、光通信ネットワークや、コンピュータ間を光接続して情報を伝送する光インターコネクション用のデバイスとして注目されている。
【０００５】
図８は、従来の面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。図８に示す面発光レーザ素子１０１は、基板１０２上に、順次、下部反射層１０３、電流狭窄層１０４、下部クラッド層１０５、活性層１０６、上部クラッド層１０７、上部反射層１０８が積層された構造を有する。電流狭窄層１０４は、非酸化領域１０４ａの周囲に選択酸化領域１０４ｂが積層された構成を有する。下部反射層１０３の上部領域よりも上に積層された半導体層はメサポスト状に形成されており、かかるメサポスト状領域周縁にはポリイミド層１０９が配置されている。上部反射層１０８上には、電極１１０が配置されており、電極１１０上には電極パッド１１１が配置されている。基板１０２下面には、裏面電極１１２が配置されている。
【０００６】
面発光レーザ素子１０１は、選択酸化領域１０４ｂおよび非酸化領域１０４ａを備えた電流狭窄層１０４を有する。選択酸化領域１０４ｂは絶縁層として機能することから、裏面電極１１２を介して注入された電流は、電流狭窄層１０４において非酸化領域１０４ｂのみを通過し、活性層１０６の中央部分の狭い領域にのみ集中して電流を流すことが可能となっている。活性層１０６の狭い領域にのみ電流を注入する構造とすることで活性層１０６におけるキャリア密度が向上し、レーザ発振の閾値電流の低減など、レーザ特性を大幅に向上させている。
【０００７】
活性層１０６におけるキャリア密度を向上させる観点からは、電流狭窄層１０４のみならず、電流狭窄層１０４と活性層１０６との間の半導体層、たとえば、下部クラッド層１０５の構造も重要となる。上記のように、電流狭窄層１０４により狭窄された電流は、電流狭窄層１０４と活性層１０６との間の半導体層内を流れ、活性層１０６に至る。ここで、電流が電流狭窄層１０４と活性層１０６との間の半導体層に流れる過程で電流経路の拡大を抑制できないとすると、活性層１０６の広い領域に電流が注入されることとなる。
【０００８】
したがって、活性層１０６におけるキャリア密度を向上させるためには、電流狭窄層１０４と活性層１０６との間の半導体層を通過する電流経路の拡大を抑制することを要する。ここで、半導体層を通過する電流経路は、半導体層におけるキャリア種類によって異なり、半導体層を通過する電流経路がｐ型半導体層であれば正孔に依存し、ｎ型半導体層であれば電子に依存する。したがって、半導体層を通過する電流経路の拡大の程度は、半導体層におけるキャリアの種類に依存する。
【０００９】
まず、ｐ型半導体層を通過する電流の経路について説明する。ｐ型半導体層を通過する電流の経路は、キャリアである正孔の移動度に依存する。図９（ａ）は、電流狭窄層と活性層との間にｐ型半導体層が積層された場合の正孔の移動経路を模式図として示したものである。図９（ａ）に示すように、電流狭窄層１１４と活性層１１６との間の半導体層は、ｐ型半導体層、たとえば、ｐ型クラッド層１１５となる。図９（ａ）において、破線で囲まれた領域は、正孔が移動する経路である。図９（ａ）に示すように、電流狭窄層１１４を通過した正孔の移動経路は、活性層に到達するまでにある程度拡大し、活性層１１６において正孔が注入される領域は、非酸化領域１１４ａの幅よりも広くなる。しかし、正孔は有効質量が大きいことから移動度は一般に低く、ｐ型半導体層の正孔移動経路の拡大は実質的に問題とはならない。したがって、活性層１１６の中央部分の狭い領域においてキャリアが結合し、その結果、閾値電流の低減した面発光レーザ素子を実現することができる。
【００１０】
つぎに、ｎ型半導体層を通過する電流の経路について説明する。ｎ型半導体層を通過する電流経路は、ｐ型半導体層を通過する電流経路と比較し異なるものとなる。かかる相違は、ｎ型半導体層を通過する電流の経路はキャリアである電子に依存し、電子は正孔と比較し有効質量が小さいため、同一条件の下では正孔よりも移動度が高いことに起因する。図９（ｂ）は、電流狭窄層と活性層との間にｎ型半導体層が積層された場合の電子の移動経路を模式図として示したものである。図９（ｂ）に示すように、電流狭窄層１１９と活性層１２１との間の半導体層は、ｎ型半導体層、たとえば、ｎ型クラッド層１２０が積層される構造を形成する。図９（ｂ）において、破線で囲まれた領域は、電流狭窄層１１９で狭窄された電子が移動する経路である。電子は正孔と比較し有効質量が小さいため、電子の移動度は、同一条件下における正孔の移動度よりも一般に高い。このため、電子がｎ型半導体層内を移動する経路は、図９（ａ）に示す正孔がｐ型半導体層内を移動する経路と比較し、拡大する幅が大きくなる。
【００１１】
したがって、電流狭窄層１１９と活性層１２１との間にｎ型半導体層、たとえばｎ型クラッド層１２０を積層した構造では、活性層１２１の広い領域に電流が注入されることとなる。この結果、電流狭窄層１１９を配置したにもかかわらず、活性層１２１に注入されるキャリアの密度を向上させることができず、閾値電流の低減等の効果を発揮することが困難であった。以上より、従来においては、ｐ型基板を用いて面発光レーザ素子を作製する場合には、電流狭窄層と活性層との間に積層される半導体層がｐ型半導体層となるように、ｐ型反射層側に電流狭窄層を積層する構造が一般に用いられていた。具体的には、図８の面発光レーザ素子の例において、基板１０２をｐ型の半導体基板によって形成し、下部反射層１０２、下部クラッド層１０５をｐ型の半導体材料によって形成すると共に、上部クラッド層１０７、上部反射層１０８をｎ型の半導体材料によって形成した構造を有する（例えば、特許文献１参照。）。
【００１２】
【特許文献１】
特開２０００−０６８６０４号公報（第３頁、第１図）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ｐ型の導電性を有する基板上に面発光レーザ素子を作製する場合、様々な問題が生じることが明らかになっている。図８に示す面発光レーザ素子において、電流狭窄層１０４を構成する選択酸化領域１０４ｂは、製造時における選択酸化によって形成される。そして、かかる選択酸化を効率的に行うためには電流狭窄層１０４はメサポスト状に形成された領域に積層されている必要がある。ここで、上記面発光レーザ素子は、上記したようにｐ型の基板１０２を使用し、活性層１０６に対してｐ型の導電性を有する下部反射層１０３の側に電流狭窄層１０４を積層する構造を有する。かかる構造によって面発光レーザ素子を実現する場合、選択酸化領域１０４ｂを形成するためには、下部反射層１０３までエッチングを行ってメサポスト領域を形成する必要が生じる。すなわち、エッチング工程により、上下クラッド層のみならず活性層１０６もエッチングされることとなり、活性層１０６への加工損傷が発生する。活性層への加工損傷は、結晶欠陥発生を招き、発光効率の低下や閾値電流の増加の原因となる。
【００１４】
また、面発光レーザ素子のレーザ発振は、活性層中における発熱を伴う。発生した熱は、活性層の反射層等の半導体層を通して外部に放出される。発生した熱が通過する半導体層の断面積が大きいほど熱抵抗は低下するため、活性層からの放熱は効率よく行われる。しかし、図８に示した面発光レーザ素子は、活性層の下部にあるｐ型のクラッド層１０５、電流狭窄層１０４等までメサポスト状に形成された構造を有する。従って、図８に示した面発光レーザ素子では、熱が通過する領域の断面積は狭いために効率的な熱放出が困難となり、利得の低下や閾値電流の上昇を招く。
【００１５】
この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、電流狭窄層から活性層に至る電流経路の拡大を抑制することによって、高出力動作が可能で、温度特性が良好な面発光レーザ素子を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１にかかる半導体レーザ素子は、半導体基板上に積層された活性層と、レーザ発振するための共振器構造と、外部から注入された電流を狭窄して前記活性層に供給する電流狭窄層とを有する半導体レーザ素子において、前記活性層と前記電流狭窄層との間に積層され、Ａｌ組成が０．４以上であり、かつ、電気抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以上であるｎ型半導体層を備えたことを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、電流狭窄層に狭窄された電流が流れる半導体層の抵抗率を高く設定することにより電流経路の拡大を抑制することができる。このため、ｐ型基板を用いた場合でもｎ型反射層側に電流狭窄層を設けることができ、活性層の加工損傷を防止し、効率的な放熱が可能となる。したがって、低閾値電流での動作を可能とした、高い光出力の面発光レーザ素子を実現することができる。
【００１８】
また、請求項２にかかる半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記ｎ型半導体層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４≦ｘ≦１）によって形成されることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項３にかかる半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記共振器構造は、前記活性層上部および前記活性層下部にそれぞれ積層された半導体多層膜反射層を備え、該半導体多層膜反射層によって前記半導体基板に直交する方向にレーザ光が出射されることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項４にかかる半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記ｎ型半導体層のＡｌ組成は、０．９５以下であることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項５にかかる半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記半導体基板はｐ型の導電性を有すると共に前記ｎ型半導体層はｎ型クラッド層として機能し、前記半導体基板上に順次積層されたｐ型半導体多層膜反射層、ｐ型クラッド層、前記活性層、前記ｎ型半導体層、前記電流狭窄層、ｎ型半導体多層膜反射層を備え、前記ｎ型クラッド層上部、前記電流狭窄層および前記ｎ型半導体多層膜反射層はメサポスト状に形成されていることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項６にかかる半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記電流狭窄層は、ＡｌＡｓによって形成された半導体層を選択酸化することによって形成されることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項７にかかる半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記電流狭窄層が、前記半導体多層膜反射層の中に、複数含まれていることを特徴とする。
【００２４】
また、請求項８にかかる半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記共振器構造は、前記活性層に対して垂直になるよう配置された第１の反射端面および第２の反射端面を備え、前記活性層に対して平行方向にレーザ発振することを特徴とする。
【００２５】
また、請求項９にかかる半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記電流狭窄層は、ｎ型の導電性を有する電流通過層と、該電流通過層の周囲に積層されたｐ型の導電性を有する電流遮蔽層とを備えたことを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明にかかる面発光レーザ素子の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２７】
（実施の形態１）
まず、実施の形態１にかかる半導体レーザ素子について面発光レーザ素子を例にして説明する。実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は、電流狭窄層により狭窄された電流が流れるｎ型半導体層のＡｌ組成を制御することにより抵抗率を高く設定した構造を有する。以下、図１を参照して具体的な構造について説明する。
【００２８】
図１は、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。面発光レーザ素子１は、ｐ型基板２上に、順次、ｐ型反射層３、ｐ型クラッド層４、活性層５、ｎ型クラッド層６、電流狭窄層７、ｎ型反射層８が積層された構造を有する。電流狭窄層７は、非酸化領域７ａの周囲に選択酸化領域７ｂが積層される構成を有する。ｎ型クラッド層６の上部領域よりも上に積層された半導体層はメサポスト状に形成されており、メサポスト状領域周縁にはポリイミド層９が配置されている。ｎ型反射層８上には、ｎ側電極１０が配置されており、ｎ側電極１０上には電極パッド１１が配置されている。ｐ型基板２下面には、裏面電極１２が配置されている。
【００２９】
図１に示す面発光レーザ素子１を作製するには、まず、ｐ型基板２上に、ＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、ｐ型反射層３を形成する。ｐ型反射層３は、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ミラー構造を有し、低屈折率層と高屈折率層の対を多数積層した構造からなる。具体的には、低屈折率層はたとえばｐ型のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓによって形成され、高屈折率層はたとえばｐ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓによって形成される。
【００３０】
ｐ型クラッド層４、ｎ型クラッド層６は、活性層５を挟み込むように積層され、活性層５と共に光共振器を形成する。ｐ型クラッド層４は、たとえば、ＧａＡｓによって形成される。これに対し、ｎ型クラッド層６は、抵抗率を上げるため、Ａｌ組成が０．４以上になるよう設定したｎ型半導体、たとえば、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓによって形成される。
【００３１】
ｎ型クラッド層６の上に後の工程で電流狭窄層７となる、たとえばＡｌＡｓを材料とする半導体層を形成し、かかる半導体層の上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型反射層８を形成する。ｎ型反射層８は、ＤＢＲミラー構造を有し、低屈折率層と高屈折率層の対を多数積層した構造からなる。具体的には、低屈折率層はたとえばｎ型のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓによって形成され、高屈折率層はたとえばｎ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓによって形成される。
【００３２】
次に、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程（ドライエッチングまたはウェットエッチング）を経て、ｎ型反射層８、ｎ型クラッド層６の一部等からなる積層構造の外縁部を除去し、たとえば直径３０μｍの円形のメサポストを形成する。
【００３３】
次に、水蒸気雰囲気中にて、たとえば４００℃の温度条件の下２０分間酸化処理を行ない、ＡｌＡｓ等によって形成された半導体層について、メサポストの側壁から選択的に約１０μｍ酸化させ、選択酸化領域７ｂを形成する。たとえば選択酸化領域７ｂが１０μｍの帯幅を有するリング形状である場合、中心の非酸化領域７ａの面積、すなわち電流注入されるアパーチャの面積は約８０μｍ（直径１０μｍ）になる。この工程で形成された選択酸化領域７ｂと、選択酸化領域７ｂ内部に位置する非酸化領域７ａによって電流狭窄層７が形成される。
【００３４】
そして、ポリイミド層９によって、メサポストの周囲を埋め込んだ後、ｎ型反射層８のメサポスト上部の外周５〜１０μｍ程度の幅で接触するｎ側電極１０を形成する。ポリイミド層９上にはワイヤをボンディングするための電極パッド１１を、上記したｎ側電極１０に接触するように形成する。また、ｐ型基板２の裏面には、裏面電極１２を形成する。
【００３５】
次に実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の動作について説明する。実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は、ｎ側電極１０および裏面電極１２を介して外部電源回路に接続され、面発光レーザ素子にキャリアが注入される。ｎ側電極１０から注入されたキャリアは、電流狭窄層７において非酸化領域７ａのみを通過することによって狭窄された後、活性層５に入射し、活性層５においてキャリアが結合することによって発光する。発生した光は、ｎ型反射層８およびｐ型反射層３によりフィードバックされ、所定強度に達した時点で、開口部から外部にレーザ光として出力される。
【００３６】
ｐ型基板２を使用しｎ型反射層８側に電流狭窄層７を設けた本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１は、Ａｌ組成の制御により抵抗率を高め通過する電流経路の拡大を抑制したｎ型半導体層を、電流狭窄層７と活性層５との間に備えている。かかるｎ型半導体層を備えることで、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１は、電流狭窄構造の効果を発揮し、低閾値電流での動作を可能とし、高い光出力を実現する。
【００３７】
上記したように、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１において、狭窄された電流が流れる半導体層はｎ型半導体層、たとえば、ｎ型クラッド層６となる。ｎ型半導体に電流が流れる場合、電流の経路はｎ型半導体のキャリアである電子に依存する。電子は、正孔に比べて有効質量が小さいために同一条件下では正孔よりも移動度が高くなり、ｎ型半導体層に流れる電流の経路は、ｐ型半導体内に流れる電流の経路と比較し、横方向に著しく拡大する。ｎ型半導体層に流れる電流の経路の顕著な拡大を抑制するためには、キャリアである電子の移動度を低く制御する必要がある。
【００３８】
ここで、電子の移動度は、電子が移動する半導体の抵抗率と反比例の関係にある。したがって、電子の移動度を低く制御するためには、電子をキャリアとするｎ型半導体層の抵抗率を高く設定する必要がある。本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１においては、狭窄された電流が流れるｎ型半導体層、たとえば、ｎ型クラッド層６の抵抗率を高く設定することを要する。かかるｎ型半導体の抵抗率を高く設定することにより、ｎ型半導体のキャリアである電子の移動度を低く抑制し、ｎ型半導体層における電流の経路の拡大を抑制することができる。
【００３９】
ｎ型半導体層の抵抗率を高く設定するためには、たとえば、ｎ型のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）のＡｌ組成を高く設定すればよい。図２は、ｎ型のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）のＡｌ組成と電気抵抗率との関係を示すグラフである。図２に示すように、Ａｌ組成を０．４以上と設定することにより、電気抵抗率を０．１Ω・ｃｍ以上の高い値に制御することができる。なお、Ａｌ組成は０．９５以下とすることが好ましい。これは、Ａｌ組成が０．９５を超えたＡｌｘＧａ１−ｘＡｓの場合、選択酸化層を形成する際に一緒に酸化されてしまうためである。
【００４０】
図３は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）における電子移動度および正孔移動度のＡｌ組成依存を示すグラフである。図３において、ｌ１はｎ型半導体における電子移動度のＡｌ組成依存を、ｌ２はｐ型半導体における正孔移動度のＡｌ組成依存を示す。図３より、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）のＡｌ組成の低い半導体において、電子の移動度は、正孔の移動度と比較し高い。しかし、図３に示すように、Ａｌ組成が０．４以上であるｎ型半導体において、電子の移動度は急激に低下し、正孔の移動度の大きさに近づく傾向を示す。したがって、Ａｌ組成が０．４以上のｎ型半導体層を使用した場合の電子の移動経路の拡大幅は、ｐ型半導体層中を移動する正孔と同程度となることが推測される。
【００４１】
さらに、図４は、ｎ型半導体であるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）の室温における電子移動度のＡｌ組成依存を示すグラフである。グラフ中、プロットした点は実験値であり、実線部は理論値である。また、実験値をフィッティングした結果を破線部として示す。図４に示すように、Ａｌ組成が０．４５であるｎ型半導体において電子移動度が極小値を示しており、Ａｌ組成が０．４以上であるｎ型半導体は、低い移動度を保っていることを示す。
【００４２】
したがって、Ａｌ組成を０．４以上と設定することにより抵抗値を高めたｎ型半導体を用いたｎ型半導体層を用いることで、電子の移動度を低く制御することが可能となる。図５は、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１の電流狭窄を行った場合の模式図である。なお、図５において、図１と共通する部分には同一の符号を付している。ｎ型反射層８側に電流狭窄層７を設けた場合、電流狭窄層７により狭窄された電流が流れる半導体層はｎ型半導体層、たとえば、ｎ型クラッド層６となる。かかるｎ型半導体層、たとえばｎ型クラッド層６に、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）のＡｌ組成の設定により抵抗率を高め電子の移動度を低く制御した半導体を用いることにより、電子の移動経路の横方向の拡大を抑制することが可能となる。すなわち、従来技術にかかる面発光レーザ素子と比較し、本実施にかかる面発光レーザ素子は、電子に依存する電流の経路の拡大を抑制することが可能となるため、活性層５の狭い範囲に電流が注入され、電流狭窄構造の効果を発揮する。したがって、低い閾値電流で動作し、高い光出力を可能とする面発光レーザ素子を実現することができる。
【００４３】
また、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１は、活性層５の上部に電流狭窄層７を形成する構造を有するため、製造時に活性層５までエッチングする必要がなく、活性層５への加工損傷を防止することが可能となる。したがって、活性層５において結晶欠陥が発生することを抑制でき、発光効率の低下や閾値電流の増加の防止を実現できる。
【００４４】
さらに、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１は、レーザ発振時に生じる熱を効率よく外部に放出できるという利点も有する。既に説明したように、面発光レーザ素子１の活性層５での発光は発熱を伴う。本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１は、活性層５までエッチングしないことから、活性層５の下部に断面積の大きな半導体層、たとえば、ｐ型反射層３が存在する。このため、活性層５で発生した熱は効率よく放出され、従来技術にかかる面発光レーザ素子と比較し、閾値電流の上昇を抑制する効果がある。
【００４５】
実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１を実際に作製してその特性を調べたところ、閾値電流が３ｍＡであり、７０℃における光出力と２０℃における光出力の比は８０％であった。これらの値は、通常のｎ型基板を用いた面発光レーザ素子と同程度のものである。したがって、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は、ｐ型基板を用いたにもかかわらず、ｎ型基板を用いた面発光レーザ素子と同程度の特性を得られることが実際に確認されている。
【００４６】
なお、ｎ型反射層の一部に電流狭窄層を形成した場合にも、電流狭窄層７と活性層５との間の半導体層の抵抗を高く設定することにより、同様に高い光出力が可能となり、低い閾値電流での動作が可能となる。また、電流狭窄層を複数層とした場合でも、電流狭窄層と活性層との間の半導体層にＡｌ組成設定により電子移動度を低く制御したｎ型半導体を用いることにより、Ａｌ組成設定による電子の移動度の制御を行っていない面発光レーザ素子と比較し、閾値電流の増加を抑制する面発光レーザ素子の作製が可能となる。
【００４７】
また、本実施の形態１では、ＭＯＣＶＤ法で各層を作成するとしたが、ＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：分子線成長法）等によって作製してもかまわない。さらに、ｐ型基板２上に各層を積層して面発光レーザ素子を作製するとしたが、ｐ型基板２に換えてｎ型ＧａＡｓ基板を用いることもできる。この場合、下部半導体多層膜反射層はｎ型、上部半導体多層反射層はｐ型の半導体材料によって形成され、電極材料もそれに対応することとなる。また、本実施の形態１では、基板としてＧａＡｓ基板を使用するとして説明したが、ＧａＡｓ基板に限定するものではなく、たとえば、ＩｎＰ基板を使用することも可能である。なお、上述した面発光レーザ素子は、発振波長を限定するものではなく、たとえば７５０ｎｍ〜１６００ｎｍ帯、具体的には、７８０ｎｍ、８５０ｎｍ、９８０ｎｍ、１３００ｎｍ、１５５０ｎｍなどの波長で発振する構造に適用することができる。
【００４８】
（実施の形態２）
つぎに、実施の形態２にかかる半導体レーザ素子について説明する。実施の形態２にかかる半導体レーザ素子は、劈開によって形成された端面をミラーとする共振器構造を備えた、いわゆる端面発光レーザに本発明を適用したものである。具体的には、本実施の形態２にかかる半導体レーザ素子は、端面発光レーザにおいて、活性層と電流狭窄層との間にＡｌの組成比が０．４以上となるよう形成したｎ型半導体層を備えた構造を有する。
【００４９】
図６は、実施の形態２にかかる半導体レーザ素子の構造を示す正面図であり、図７は、図６のＡ−Ａ線における断面図である。図６に示すように、本実施の形態２にかかる半導体レーザ素子は、ｐ型基板１５上に、順次ｐ型の導電性を有する下部クラッド層１６、活性層１７、ｎ型の導電性を有する第１上部クラッド層１８が積層された構造を有する。第１上部クラッド層１８上には電流狭窄層１９が積層され、電流狭窄層１９は、第１上部クラッド層１８の一部領域上に積層され、レーザ光出射方向に長手方向を有するストライプ形状の電流通過層１９ａと、第１上部クラッド層１８の他の領域上に積層された電流遮蔽層１９ｂとを備える。電流狭窄層１９上には順次第２上部クラッド層２０、コンタクト層２１、ｎ側電極２２が積層され、ｐ型基板１５の裏面には裏面電極２３が配置されている。
【００５０】
また、図７に示すように、実施の形態２にかかる半導体レーザ素子は、出射側端面２４上に出射側反射膜２５が積層され、反射側端面２６上には反射側反射膜２７が積層された構造を有する。出射側反射膜２５と反射側反射膜２７とによって共振器構造のミラーを構成することで、活性層１７で発生した光はｐ型基板１５に対して平行方向にレーザ発振する。
【００５１】
電流狭窄層１９は、実施の形態１の場合と同様に、ｎ側電極２２を介して外部から注入される電子の通過経路を狭窄するためのものである。具体的には、電流通過層１９ａは、第１上部クラッド層１８および第２上部クラッド層２０と同様にｎ型の半導体材料によって形成されることで注入された電子を通過させる。一方、電流遮蔽層１９ｂは、ｐ型の半導体材料によって形成され、第１上部クラッド層１８との間にｐｎ接合を形成することから電子の通過を遮蔽する。かかる構造を備えることによって、外部から注入された電子は電流狭窄層１９によって一旦狭窄された後に活性層１７に流入する。
【００５２】
ここで、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子と同様に、電流狭窄層１９を通過した電子は活性層１７に至るまでにその経路を水平方向に拡大する。したがって、活性層１７に対して高密度の電子を注入させるためには、電流狭窄層１９と活性層１７との間に積層されるｎ型半導体層（本実施の形態２における第１上部クラッド層１８）における電子の移動度の制御が重要となる。
【００５３】
このため、本実施の形態２にかかる半導体レーザ素子は、第１上部クラッド層１８のＡｌ組成が０．４以上となるよう形成し、電子の移動度を正孔の移動度と同程度にまで抑制している。第１上部クラッド層１８のＡｌ組成に対してかかる調整を行うことによって、抵抗率を１．０Ω・ｃｍ以上の値とし、電子の通過経路の拡大を抑制している。したがって、ｎ側電極２２を介して注入された電子は通過経路を拡大することなく活性層１７の中央近辺に集中して注入されることとなり、閾値電流の低下、高出力化等の利点を享受することが可能となる。
【００５４】
なお、本実施の形態２にかかる半導体レーザ素子において、活性層１７は、単層構造としても良いが、好ましくは、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ（Ｇｒａｄｅｄ Ｉｎｄｅｘ−Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ：分布屈折率分離閉じこめ多重量子井戸）構造によって形成される。ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ構造を有することで、キャリアおよび発生する光波について効率的に閉じこめることができる。また、実施の形態１および実施の形態２において、活性層の上下にクラッド層を積層した、いわゆるダブルへテロ構造を有する半導体レーザ素子について説明したが、かかる構造に限定されるのではないことはもちろんである。
【００５５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明にかかる半導体レーザ素子によれば、ｐ型基板を使用しｎ型反射層側に電流狭窄層を作成した場合でも、低い閾値電流での動作が可能であり、高い光出力を達成する面発光レーザを実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図２】ｎ型半導体であるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）のＡｌ組成と電気抵抗率との関係を示すグラフである。
【図３】ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）における電子移動度および正孔移動度のＡｌ組成依存を示すグラフである。
【図４】ｎ型半導体であるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）の室温における電子移動度のＡｌ組成依存を示すグラフである。
【図５】本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１の電流狭窄を行った場合の模式図である。
【図６】実施の形態２にかかる半導体レーザ素子の構造を示す正面図である。
【図７】図６のＡ−Ａ線における断面図である。
【図８】従来技術にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図９】従来技術にかかる面発光レーザ素子の電流狭窄を行った場合の模式図である。
【符号の説明】
１ 面発光レーザ素子
２ ｐ型基板
３ ｐ型反射層
４ ｐ型クラッド層
５ 活性層
６ ｎ型クラッド層
７ 電流狭窄層
７ａ 非酸化領域
７ｂ 選択酸化領域
８ ｎ型反射層
９ ポリイミド層
１０ ｎ側電極
１１ 電極パッド
１２ 裏面電極
１５ ｐ型基板
１６ 下部クラッド層
１７ 活性層
１８ 第１上部クラッド層
１９ 電流狭窄層
１９ａ 電流通過層
１９ｂ 電流遮蔽層
２０ 第２上部クラッド層
２１ コンタクト層
２２ ｎ側電極
２３ 裏面電極
２４ 出射側端面
２５ 出射側反射層
２６ 反射側端面
２７ 反射側反射層
１０１ 面発光レーザ素子
１０２ 基板
１０３ 下部反射層
１０４ 電流狭窄層
１０４ａ 非酸化領域
１０４ｂ 選択酸化領域
１０５ 下部クラッド層
１０６ 活性層
１０７ 上部クラッド層
１０８ 上部反射層
１０９ ポリイミド層
１１０ 電極
１１１ 電極パッド
１１２ 裏面電極
１１３ ｐ型反射層
１１４ 電流狭窄層
１１４ａ 非酸化領域
１１４ｂ 選択酸化領域
１１５ ｐ型クラッド層
１１６ 活性層
１１７ ｎ型クラッド層
１１８ ｎ型反射層
１１９ 電流狭窄層
１１９ａ 非酸化領域
１１９ｂ 選択酸化領域
１２０ ｎ型クラッド層
１２１ 活性層
１２２ ｐ型クラッド層
Claims (9)
- 半導体基板上に積層された活性層と、レーザ発振するための共振器構造と、外部から注入された電流を狭窄して前記活性層に供給する電流狭窄層とを有する半導体レーザ素子において、
前記活性層と前記電流狭窄層との間に積層され、Ａｌ組成が０．４以上であり、かつ、電気抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以上であるｎ型半導体層を備えたことを特徴とする半導体レーザ素子。 - 前記ｎ型半導体層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．４≦ｘ≦１）によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
- 前記共振器構造は、前記活性層上部および前記活性層下部にそれぞれ積層された半導体多層膜反射層を備え、該半導体多層膜反射層によって前記半導体基板に直交する方向にレーザ光が出射されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
- 前記ｎ型半導体層のＡｌ組成は、０．９５以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
- 前記半導体基板はｐ型の導電性を有すると共に前記ｎ型半導体層はｎ型クラッド層として機能し、前記半導体基板上に順次積層されたｐ型半導体多層膜反射層、ｐ型クラッド層、前記活性層、前記ｎ型半導体層、前記電流狭窄層、ｎ型半導体多層膜反射層を備え、
前記ｎ型クラッド層上部、前記電流狭窄層および前記ｎ型半導体多層膜反射層はメサポスト状に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。 - 前記電流狭窄層は、ＡｌＡｓによって形成された半導体層を選択酸化することによって形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
- 前記電流狭窄層が、前記半導体多層膜反射層の中に、複数含まれていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
- 前記共振器構造は、前記活性層に対して垂直になるよう配置された第１の反射端面および第２の反射端面を備え、
前記活性層に対して平行方向にレーザ発振することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。 - 前記電流狭窄層は、ｎ型の導電性を有する電流通過層と、該電流通過層の周囲に積層されたｐ型の導電性を有する電流遮蔽層とを備えたことを特徴とする請求項１、２または８に記載の半導体レーザ素子。
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