JP2005085876A - 面発光半導体レーザおよびその製造方法および光送信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 エアギャップ狭窄構造をもつ垂直共振器型面発光半導体レーザであって、多層膜反射鏡側面の凹凸を抑制する。
【解決手段】 基板１０１上に、積層構造として、活性層１０４を含む共振器領域と、共振器領域の上下に形成された多層膜反射鏡１０２，１０７とを有する垂直共振器型面発光半導体レーザであって、積層構造の少なくとも一部がメサ形状に形成されたメサ部となっており、メサ部に設けられているエッチング層１０６をメサ側面からサイドエッチングした電流狭窄構造を備えており、メサ部における多層膜反射鏡１０２，１０７はＡｌを含む層を有しており、前記Ａｌを含む層のメサ側面における構成元素の一部が置換されて保護層が形成されており、保護層の幅はサイドエッチングの幅よりも狭いことを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、面発光半導体レーザおよびその製造方法および光送信モジュールに関する。

従来、垂直共振器型面発光半導体レーザの電流狭窄構造として、ＡｌＡｓ選択酸化狭窄構造が用いられている。これは、メサ構造の側面からＡｌＡｓ層を選択的に酸化してＡｌＯ_ｘ絶縁領域を形成し、電流をＡｌＡｓ層の非酸化領域のみに狭窄する構造である。ＡｌＡｓ選択酸化狭窄構造を用いた垂直共振器型面発光半導体レーザは、低閾値電流，高効率等の優れた特性を有している。

しかしながら、例えば特許文献１には、ＡｌＡｓ層を酸化した領域では体積の収縮が発生し、素子にクラック等の欠陥が導入されたり、活性層に対して圧縮方向の応力を加えてしまうため、素子の信頼性を低下させることが報告されている。

ＡｌＡｓ選択酸化狭窄構造と同様に、低閾値電流で動作する垂直共振器型面発光半導体レーザの構造としては、エアギャップ狭窄構造がある。これは、メサ構造側面からエッチング層を選択的にエッチングしてエアギャップを形成し、電流を非エッチング領域のみに狭窄する構造である。エアギャップ狭窄構造の従来例としては、非特許文献１に報告されている。

エアギャップ狭窄構造では、ＡｌＡｓ酸化狭窄構造のように、素子に対して応力をかけることがないため、信頼性の低下を抑制することができるという特徴がある。

上述したエアギャップ狭窄構造では、ＧａＡｓやＡｌＡｓ等のエッチング層をウエットエッチングで選択的にエッチングする。一方、垂直共振器型面発光半導体レーザの多層膜反射鏡にはＧａＡｓ／Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ材料系が用いられている。従って、ＧａＡｓあるいはＡｌＡｓからなるエッチング層を選択的にエッチングするときに、多層膜反射鏡を構成する材料のどちらかがメサ構造側面からエッチングされてしまう。多層膜反射鏡側面に形成された凹凸は、反射鏡の散乱損失や回折損失を増加させてしまうという問題を生じる。

エッチング層に対して多層膜反射鏡のＡｌ組成を変えることにより、ウエットエッチングの選択比は増加する。しかしながら、多層膜反射鏡を構成する２層の屈折率差が小さくなるため、高反射率を得るのに積層数が増加してしまう。また、多層膜反射鏡側面の凹凸を完全になくすことはできない。

エッチング層以外のメサ構造側面がエッチングされないようにするために、特許文献２では、エッチングする層以外の側壁をレジストでカバーして、サイドエッチングを行っている。また、特許文献３には、メサ構造の上面及び側壁をＳｉＯ_２保護膜で覆うことが報告されている。

しかしながら、上記の方法は、側壁の保護膜としてレジストやＳｉＯ_２を形成し、さらにエッチング層を含むメサ側面は保護膜で覆われないようにパターニングする必要がある。従って、製造工程が複雑になるという問題があった。
特開２０００−２９４８７２号公報 Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．， １９９１，５９（１０），ｐｐ．１１４７−１１４９ 特開平１１−１５４７７４号公報 特開平１０−１２５９９９号公報

本発明は、エアギャップ狭窄構造をもつ垂直共振器型面発光半導体レーザであって、多層膜反射鏡側面の凹凸を簡易な工程で抑制して、低閾値電流，高信頼性の面発光半導体レーザおよびその製造方法および光送信モジュールを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、基板上に、積層構造として、活性層を含む共振器領域と、共振器領域の上下に形成された多層膜反射鏡とを有する垂直共振器型面発光半導体レーザであって、積層構造の少なくとも一部がメサ形状に形成されたメサ部となっており、メサ部に設けられているエッチング層をメサ側面からサイドエッチングした電流狭窄構造を備えており、メサ部における多層膜反射鏡はＡｌを含む層を有しており、前記Ａｌを含む層のメサ側面における構成元素の一部が置換されて保護層が形成されており、保護層の幅はサイドエッチングの幅よりも狭いことを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、基板上に、積層構造として、活性層を含む共振器領域と、共振器領域の上下に形成された多層膜反射鏡とを有する垂直共振器型面発光半導体レーザの製造方法において、積層構造の少なくとも一部をメサ形状にエッチングしてメサ部を形成する工程と、メサ部における多層膜反射鏡中のＡｌを含む層について、メサ側面から構成元素の一部を置換して保護層を形成する工程と、メサ部に設けられているエッチング層をメサ側面から選択的にエッチングしてアンダーカット形状を形成する工程とを含むことを特徴としている。

また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の面発光半導体レーザの製造方法において、メサ部における多層膜反射鏡中のＡｌを含む層を、メサ側面から選択的に酸化して保護層を形成することを特徴としている。

また、請求項４記載の発明は、請求項２記載の面発光半導体レーザの製造方法において、メサ部における多層膜反射鏡中のＡｌを含む層を、メサ側面から選択的に窒化することを特徴としている。

また、請求項５記載の発明は、請求項１記載の面発光半導体レーザにおいて、メサ部に設けられたエッチング層がＧａＩｎＰで構成されていることを特徴としている。

また、請求項６記載の発明は、請求項１記載の面発光半導体レーザにおいて、前記メサ部は、外径の異なる上部メサ部，下部メサ部の２つのメサ部で構成されており、上部メサ部の外径は下部メサ部の外径よりも狭くなっており、前記エッチング層は下部メサ部に形成されており、下部メサ部のメサ頂上部に上部電極が形成されていることを特徴としている。

また、請求項７記載の発明は、請求項６記載の面発光半導体レーザにおいて、上部メサ部の底面が上部多層膜反射鏡の間に設けられていることを特徴としている。

また、請求項８記載の面発光半導体レーザは、請求項１記載の面発光半導体レーザにおいて、メサ部に設けられたエッチング層をメサ側面からサイドエッチングした電流狭窄構造に加えて、メサ部に設けられたＡｌＡｓ層をメサ側面から選択的に酸化した酸化領域を備えており、ＡｌＡｓの非酸化領域の径がエッチング層における非エッチング領域の径よりも狭いことを特徴としている。

また、請求項９記載の発明は、請求項１記載の面発光半導体レーザにおいて、前記活性層には、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体が用いられていることを特徴としている。

また、請求項１０記載の発明は、請求項１，請求項５乃至請求項９のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザを用いたことを特徴とする光送信モジュールである。

請求項１の面発光半導体レーザは、エッチング層をサイドエッチングしたエアギャップ狭窄構造を用いており、電流はサイドエッチングされていない領域に狭窄されて活性層に注入されるため、閾電流を低減することができる。また、ＡｌＡｓ酸化狭窄構造のように電流狭窄部で体積変化が生じないため、活性層に応力がかかって信頼性を低下させることがない。さらに、メサ部における多層膜反射鏡においてＡｌを含む層はメサ側面で構成元素の一部が置換されて保護層が形成されており、これにより、エッチング層をメサ側面からサイドエッチングして電流狭窄構造を形成するときにメサ部のＡｌを含む層がサイドエッチングされることを防止できる。この結果、多層膜反射鏡の損失が低減され、閾電流を低減することができる。また、メサ側面で構成元素の一部が置換された保護層は体積変化を生じるが、保護層の幅をサイドエッチングの幅よりも狭く形成して、保護層の幅を十分薄くすることで、活性層にかかる応力を低減することができ、高信頼性が得られる。

また、請求項２の面発光半導体レーザの製造方法においては、メサ部における多層膜反射鏡においてＡｌを含む層のメサ側面に、自己整合的に保護膜が形成されるため、製造工程が容易となる。

また、請求項３の面発光半導体レーザの製造方法においては、メサ部における多層膜反射鏡中のＡｌを含む層をメサ側面から選択的に酸化することで、塩酸，硫酸，フッ酸等のエッチング溶液に対して良好なエッチング保護層を形成することができる。また、メサ部エッチング側面の表面準位に起因してメサ側壁を流れる無効電流を抑制し、さらに閾電流を低減することができる。

また、請求項４の面発光半導体レーザの製造方法においては、メサ部における多層膜反射鏡中のＡｌを含む層をメサ側面から選択的に窒化することで、高い選択性を有するエッチング保護層が形成できる。

また、請求項５の面発光半導体レーザは、メサ部に設けられたエッチング層がＧａＩｎＰで構成され、メサ部における多層膜反射鏡においてＡｌを含む層はメサ側面で構成元素の一部が置換されて保護層が形成されているため、ＧａＩｎＰエッチング層をエッチングする工程で、ＧａＩｎＰエッチング層以外のＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＡｓ等からなる層は、全てサイドエッチングが抑制される。これにより、多層膜反射鏡の損失が低減され、閾電流を低減することができる。

また、請求項６の面発光半導体レーザは、上部メサ部の多層膜反射鏡における自由キャリア吸収が抑制されるため、反射鏡の吸収損失が低減され、閾電流を低減することができ、また、光取り出し効率が向上する。また、上部メサ部の多層膜反射鏡側面がサイドエッチングされることを防止しており、多層膜反射鏡の損失を抑制して、閾電流を低減することができる。また、基板上部からサイドエッチング幅の観察が容易であり、電流狭窄構造を制御性良く作製することができる。

また、請求項７の面発光半導体レーザは、下部メサ部の多層膜反射鏡側面がサイドエッチングされることを防止しており、多層膜反射鏡の損失を抑制して、閾電流を低減することができる。

また、請求項８の面発光半導体レーザは、エアギャップ狭窄構造で電流狭窄を行い、ＡｌＡｓ酸化狭窄構造で単一横モードに光を閉じ込めることにより、電気抵抗の増加を抑制して、横モードを単一横モードで安定化させることができる。また、体積収縮するＡｌＡｓ酸化層を活性層から離れた位置に設けることが可能であり、ＡｌＡｓ酸化層が活性層に及ぼす応力をより低減することができる。

また、請求項９の面発光半導体レーザは、活性層に、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体を用いたことにより、石英光ファイバの伝送に適した１．３μｍ帯の面発光半導体レーザを実現できる。また、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体を活性層に用いる場合に、高歪の層を複数積層した多重量子井戸構造を採用するが、活性層に外部から応力がかからないため、高信頼性が得られる。

また、請求項１０の光送信モジュールは、請求項１，請求項５乃至請求項９のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザを用いたことにより、光送信モジュールの消費電力低減，低コスト化，信頼性向上が可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

（第１の形態）
本発明の第１の形態は、基板上に、積層構造として、活性層を含む共振器領域と、共振器領域の上下に形成された多層膜反射鏡とを有する垂直共振器型面発光半導体レーザであって、積層構造の少なくとも一部がメサ形状に形成されたメサ部となっており、メサ部に設けられているエッチング層をメサ側面からサイドエッチングした電流狭窄構造を備えており、メサ部における多層膜反射鏡はＡｌを含む層を有しており、前記Ａｌを含む層のメサ側面における構成元素の一部が置換されて保護層が形成されており、保護層の幅はサイドエッチングの幅よりも狭いことを特徴としている。

本発明の面発光半導体レーザは、エッチング層をサイドエッチングしたエアギャップ狭窄構造を用いている。電流はサイドエッチングされていない領域に狭窄されて活性層に注入されるため、電流を微小な領域に集中させることができ、閾電流を低減することができる。また、サイドエッチングによって形成されたエアギャップは屈折率が著しく低下するため、横方向に光を閉じ込める働きをする。また、ＡｌＡｓ酸化狭窄構造のように電流狭窄部で体積変化が生じないため、活性層に応力がかかって信頼性を低下させることがない。また、ＡｌＡｓ酸化の場合は、一度酸化工程を行った後に追加で酸化工程を行なおうとしても、酸化速度のばらつきが大きく、酸化狭窄径の制御が困難であるという問題がある。しかし、サイドエッチングの場合には追加エッチングをしてもエッチング速度が安定であり、電流狭窄径の制御が容易であるという特徴を有している。

さらに本発明では、メサ部における多層膜反射鏡においてＡｌを含む層は、メサ側面で構成元素の一部が置換されて保護層が形成されている。保護層は、エッチング層をメサ側面からサイドエッチングして電流狭窄構造を形成するときに、メサ部のＡｌを含む層がサイドエッチングされることを防止する働きをする。

一方、メサ部においてＡｌを含まない層（またはＡｌの含有量が少量である層）がある場合には、側面に保護層が形成されない。そこで、エッチング層はメサ部においてＡｌを含まない層（またはＡｌの含有量が少量である層）と異なる材料で構成し、エッチング層をサイドエッチングする場合に、メサ部のＡｌを含まない層（またはＡｌの含有量が少量である層）とのエッチング選択比が大きいエッチング溶液でウエットエッチングを行う必要がある。

これにより、メサ部において多層膜反射鏡のサイドエッチングを抑制することができるため、多層膜反射鏡の散乱損失や回折損失を抑制し、閾電流を低減することができる。

メサ側面で構成元素の一部が置換された保護層は、電気的に絶縁性質を有する場合があるが、活性層に対する電流狭窄を行う必要はない。エッチング層をサイドエッチングして電流経路を非エッチング領域に限定することで電流狭窄を行っている。従って、保護層の幅はサイドエッチングの幅よりも狭く形成できる。保護層は、メサ部のサイドエッチングを停止できればよいため、メサ側面近傍で１〜１０ｎｍ程度の幅で十分機能する。

メサ側面で構成元素の一部が置換された保護層は体積変化を生じるが、保護層の幅をサイドエッチングの幅よりも狭く形成して、保護層の幅を十分薄くすることで、活性層にかかる応力を低減することができ、高信頼性が得られる。

（第２の形態）
また、本発明の第２の形態は、基板上に、積層構造として、活性層を含む共振器領域と、共振器領域の上下に形成された多層膜反射鏡とを有する垂直共振器型面発光半導体レーザの製造方法において、積層構造の少なくとも一部をメサ形状にエッチングしてメサ部を形成する工程と、メサ部における多層膜反射鏡中のＡｌを含む層について、メサ側面から構成元素の一部を置換して保護層を形成する工程と、メサ部に設けられているエッチング層をメサ側面から選択的にエッチングしてアンダーカット形状を形成する工程とを含むことを特徴としている。

メサ部における多層膜反射鏡において、Ａｌを含む層は、メサ側面で構成元素の一部が置換されて保護層が形成されている。この保護層は、メサ部に設けられているエッチング層をメサ側面から選択的にエッチングしてアンダーカット形状を形成する場合に、メサ部のＡｌを含む層がサイドエッチングされることを防止している。

一方、エッチング層はＡｌを含まない材料で構成されており、メサ側面に保護層は形成されない。従って、自己整合的にメサ側面に保護膜が形成されるため、従来例のように一度全面に保護膜を形成してから、エッチング層側面に保護膜が形成されないようにパターニングを行う必要がない。これにより、製造工程が容易となる。

メサ部において、エッチング層以外にＡｌを含まない層（またはＡｌの含有量が少量である層）がある場合、Ａｌを含まない層（またはＡｌの含有量が少量である層）の側面には保護層が形成されない。そのため、エッチング層と、メサ部においてＡｌを含まない層（またはＡｌの含有量が少量である層）とを異なる材料で構成し、エッチング層をサイドエッチングする場合に、メサ部のＡｌを含まない層（またはＡｌの含有量が少量である層）とのエッチング選択比が大きいエッチング溶液でウエットエッチングを行う必要がある。

（第３の形態）
また、本発明の第３の形態は、上述した第２の形態の面発光半導体レーザの製造方法において、メサ部における多層膜反射鏡中のＡｌを含む層を、メサ側面から選択的に酸化することを特徴としている。

選択的に酸化する方法としては、例えば、素子を４００℃程度の高温で水蒸気雰囲気中におくことで実現される。Ａｌを含む層、例えばＡｌＡｓやＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓが選択的に酸化されると、側面にＡｌＯ_ｘ膜が形成される。ＡｌＯ_ｘ膜は、塩酸，硫酸，フッ酸等のエッチング溶液に対するエッチングレートが低いため、エッチング保護層として機能する。これにより、メサ部において多層膜反射鏡のサイドエッチングを抑制することができるため、多層膜反射鏡の散乱損失や回折損失を抑制し、閾電流を低減することができる。

また、水蒸気酸化で安定に形成されたＡｌＯ_ｘ膜は、非発光再結合準位が非常に少ない。従って、ＡｌＯ_ｘ膜は、メサ部エッチング側面の表面準位に起因してメサ側壁を流れる無効電流を抑制できるため、さらに閾電流を低減することができる。

（第４の形態）
本発明第４の形態は、上述した第２の形態の面発光半導体レーザの製造方法において、メサ部における多層膜反射鏡中のＡｌを含む層を、メサ側面から選択的に窒化することを特徴としている。

Ａｌを含む層を窒化する方法としては、素子を水素または窒素雰囲気中で４００℃以上の高温に加熱し、ＮＨ_３ガスや有機窒素原料を供給することで実現される。ＡｌはＮとの結合が強く非常に窒化されやすいため、側面にＡｌＮ_ｘ膜が形成される。ＡｌＮ_ｘ膜は、塩酸，硫酸，フッ酸，燐酸等の酸や、アルカリに対してエッチングされにくい性質を有しており、非常に高い選択性を有するエッチング保護層が形成できる。これにより、メサ部において多層膜反射鏡のサイドエッチングを抑制することができて、多層膜反射鏡の散乱損失や回折損失を抑制し、閾電流を低減することができる。

（第５の形態）
本発明の第５の形態は、上述した第１の形態の面発光半導体レーザにおいて、メサ部に設けられたエッチング層がＧａＩｎＰで構成されていることを特徴としている。

ＧａＩｎＰは、塩酸系エッチング溶液でエッチングすることが可能である。一方、多層膜反射鏡の高屈折率層や共振器のスペーサ層の材料として用いられるＧａＡｓ、Ａｌ組成の低いＡｌＧａＡｓは、塩酸でほとんどエッチングされない。従って、大きなエッチング選択比が得られ、ＧａＩｎＰエッチング層をアンダーカットエッチングすることが可能である。

しかしながら、多層膜反射鏡の低屈折率層に用いられるＡｌＡｓ、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ等は塩酸でエッチングされる性質がある。そのため、メサ部の多層膜反射鏡に、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ，ＡｌＡｓ等の材料を用いている場合には、ＧａＩｎＰエッチング層と同時にサイドエッチングされてしまう。特にＡｌＡｓはＧａＩｎＰよりもエッチング速度が大きいため、ＧａＩｎＰエッチング層で電流狭窄構造を形成することができなくなってしまう。

本発明では、ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＡｓ等のＡｌを含む層のメサ側面に、構成元素の一部が置換された保護層が形成されている。より具体的には、保護層としてＡｌＯ_ｘ膜やＡｌＮ_ｘ膜が形成される。これらの保護層は、塩酸でエッチングされないため、ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＡｓ等のＡｌを含む層がサイドエッチングされることを抑制している。

従って、本発明によれば、ＧａＩｎＰエッチング層以外のＧａＡｓ、Ａｌ組成の低いＡｌＧａＡｓ、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ、ＡｌＡｓ等からなる層は、全てサイドエッチングが抑制される。これにより、メサ部において多層膜反射鏡のサイドエッチングを抑制することができるため、多層膜反射鏡の散乱損失や回折損失を抑制し、閾電流を低減することができる。また、自己整合的にＡｌを含む層のメサ側面に保護膜が形成されるため、製造工程が容易となる。

ＧａＩｎＰエッチング層は、メサ部において共振器内や多層膜反射鏡の途中に設けることができる。また、ＧａＩｎＰエッチング層には、微量のＢ，Ｎ，Ａｌ，Ａｓ，Ｓｂ等を含んでいてもよい。

（第６の形態）
本発明の第６の形態は、上述した第１の形態の面発光半導体レーザにおいて、前記メサ部は、外径の異なる２つのメサ部（上部メサ部，下部メサ部）で構成されており、上部メサ部の外径は下部メサ部の外径よりも狭くなっており、前記エッチング層は下部メサ部に形成されており、下部メサ部のメサ頂上部に上部電極が形成されていることを特徴としている。

このような構造では、上部電極は下部メサ部のメサ頂上部に形成されており、上部メサ部の多層膜反射鏡は電流が流れない構造となっている。そのため、上部メサ部の多層膜反射鏡にはドーピングする必要がない。これにより、上部メサ部の多層膜反射鏡における自由キャリア吸収が抑制されるため、反射鏡の吸収損失が低減され、閾電流の低減や光取り出し効率の向上が可能となる。また、低抵抗化するために高屈折率層と低屈折率層のバンドギャップ差を小さくしたり、高屈折率層と低屈折率層の界面に組成傾斜層を設ける必要がない。従って、上部メサ部の多層膜反射鏡を、例えばＧａＡｓ／ＡｌＡｓを急峻に積層した分布ブラッグ反射鏡で構成することが可能である。そのため、より少ない積層数で高反射率を得ることができる。

また、下部メサ部に設けられたエッチング層をサイドエッチングするときに、下部メサ部をエッチングで形成したエッチングマスクを、上部メサ側面のサイドエッチング保護層として用いることが可能である。しかしながら、エッチングマスクは上部メサ部頂上、上部メサ部側面、下部メサ部頂上に積層されているため、基板上部から観察したときに、サイドエッチング幅が観察しにくくなってしまう。

本発明では、上部メサ部の多層膜反射鏡においてＡｌを含む層は、メサ側面で構成元素の一部が置換されて保護層が形成されており、メサ部のＡｌを含む層がサイドエッチングされることを防止している。そのため、下部メサ部のエッチングに用いたエッチングマスクを除去した状態で、上部メサ側面に凹凸を形成することなくエッチング層をサイドエッチングすることができる。従って、基板上部から観察したときに、サイドエッチング幅を明瞭に観察することが可能であり、サイドエッチング幅を上部から観察しながらエッチングを行い、電流狭窄構造を制御性良く作製することができる。

下部電極は、基板の裏面側に形成することができる。あるいは、下部メサ部のエッチング底面に形成することも可能である。下部メサ部のエッチング底面が共振器内の下側スペーサ層内であれば、下部電極は共振器内の下側スペーサ層に設けられる。また、下部メサ部のエッチング底面が下部多層膜反射鏡の途中であれば、下部電極は下部多層膜反射鏡の途中に設けられる。

下部電極を下部メサ部のエッチング底面に形成した場合、エッチング面より下側の下部多層膜反射鏡には電流を流す必要がない。従って、エッチング面より下側の下部多層膜反射鏡をノンドープ層として反射鏡の吸収損失を低減し、より一層、閾電流の低減や光取り出し効率の向上を図ることができる。また、高屈折率層と低屈折率層との界面を急峻に形成することができ、より少ない積層数で高反射率を得ることができる。また、熱伝導率の高いＧａＡｓとＡｌＡｓとを積層して下部多層膜反射鏡を形成することで、素子の放熱性も向上する。

（第７の形態）
本発明の第７の形態は、上述した第６の形態の面発光半導体レーザにおいて、上部メサ部の底面は上部多層膜反射鏡の間に設けられていることを特徴としている。

第７の形態では、上部メサ部の底面を上部多層膜反射鏡の間に設けることにより、上部電極とエッチング層の距離を離すことができるため、素子の電気抵抗を低減することができる。

また、上記構造では下部メサ部に多層膜反射鏡が設けられている。下部メサ部の側面は、下部メサ部をエッチングで形成したエッチングマスクによっては覆われない。そのため、下部メサ部側面においてエッチング層以外の層がサイドエッチングされないように保護する必要がある。

本発明では、下部メサ部の多層膜反射鏡においてＡｌを含む層は、メサ側面で構成元素の一部が置換されて保護層が形成されており、メサ部のＡｌを含む層がサイドエッチングされることを防止している。これにより、下部メサ部に形成された多層膜反射鏡の散乱損失や回折損失を抑制し、閾電流を低減することができる。

なお、上部メサ部についても、多層膜反射鏡のＡｌを含む層においてメサ側面で構成元素の一部を置換し保護層を形成することが可能であり、上部メサ部に形成された多層膜反射鏡側面に凹凸が形成されることを抑制できる。

（第８の形態）
本発明の第８の形態は、上述した第１の形態の面発光半導体レーザにおいて、メサ部に設けられたエッチング層をメサ側面からサイドエッチングした電流狭窄構造に加えて、メサ部に設けられたＡｌＡｓ層をメサ側面から選択的に酸化した酸化領域を備えており、ＡｌＡｓの非酸化領域の径がエッチング層における非エッチング領域の径よりも狭いことを特徴としている。

本構造では、活性層に注入する電流を、エッチング層をメサ側面からサイドエッチングしたエアギャップ狭窄構造により狭窄している。エアギャップ狭窄構造は、エッチング層と空気で屈折率が異なるため、横方向の光閉じ込めが行われる。しかしながら、エッチング層と空気との屈折率差が大きすぎるため、単一横モードのみで発振させるためには、エアギャップ狭窄構造の狭窄径を非常に狭くしなければならなくなってしまう。その場合、構造的に脆弱になったり、電気抵抗が増加する等の問題が生じてしまう。

そこで、本素子では、メサ部に設けられたＡｌＡｓ層をメサ側面から選択的に酸化した酸化領域が別に設けられている。ＡｌＡｓ層が酸化された領域はＡｌＯ_ｘとなるため、屈折率がＡｌＡｓよりも低下する。そのため、横方向に屈折率差が生じて、横方向に光を閉じ込める作用をする。ＡｌＡｓとＡｌＯ_ｘとの屈折率差は、エッチング層と空気との屈折率差よりも小さいため、より大きな狭窄径で単一横モードを実現できる。また、ＡｌＯ_ｘ領域は構造的に接続されているため、酸化狭窄径が小さくなってもエアギャップ狭窄構造のように構造が脆弱化することはない。

すなわち、ＡｌＡｓの非酸化領域の径をエッチング層における非エッチング領域の径よりも狭く形成することで、ＡｌＡｓ酸化狭窄構造では単一横モードに光を閉じ込め、エアギャップ狭窄構造では電気抵抗が増加しないようなサイズで電流を狭窄している。

なお、狭窄径の狭いＡｌＡｓ酸化狭窄構造において、電気抵抗が増加してしまわないようにするために、ＡｌＡｓ酸化層はｎ型半導体層側に設けるか、または活性層に注入する電流経路の外側に設ける必要がある。これにより、電気抵抗の増加を抑制して、横モードを単一横モードで安定化させることができる。

従来例として、電流狭窄を行うＡｌＡｓ酸化層と、単一横モードに光を安定化させるＡｌＡｓ酸化層との２つのＡｌＡｓ酸化層を設ける構造が提案されている（特開平１１−４０４０、特開２００３−６９１５１）。しかし、体積収縮が発生するＡｌＡ酸化層を複数設けると、活性層にかかる応力がさらに増加してしまい、素子の劣化が加速される懸念がある。本構造では、一方をエアギャップ狭窄構造にすることで、活性層にかかる応力を減少させている。

また、電流狭窄構造は、活性層からの距離が離れすぎると、電流広がりが生じて閾電流が増加してしまう。そのため、電流狭窄構造は活性層に近接して設ける必要がある。一方、横モードを制御するＡｌＡｓ酸化層は活性層からの距離を離して設けても機能する。よって、ＡｌＡｓ酸化層と活性層との距離を、エッチング層と活性層との距離よりも離れた距離に設けることで、ＡｌＡｓ酸化層が活性層に及ぼす応力の影響をさらに低減することができる。これにより、さらに素子の信頼性を向上させることができる。

また、メサ部における多層膜反射鏡において、Ａｌを含む層は、メサ側面で構成元素の一部が置換されて保護層が形成されている。この保護層を選択酸化工程で形成すると、ＡｌＡｓ酸化層の選択酸化とメサ側面の保護層形成とを１回の工程で行うことができるため、製造工程が容易となる。

なお、保護層はメサ側面近傍に形成されていれば十分機能するため、保護層の酸化幅はＡｌＡｓ酸化狭窄構造の酸化幅よりも小さくする必要がある。従って、メサ部における多層膜反射鏡においてＡｌを含む層の酸化速度がＡｌＡｓ層の酸化速度よりも十分遅くなるように組成を制御する必要がある。

（第９の形態）
本発明の第９の形態は、上述した第１の形態の面発光半導体レーザにおいて、前記活性層には、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体が用いられていることを特徴としている。

窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体としては、ＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ等がある。これらの半導体を活性層に用いることで、ＧａＡｓ基板上に１．３μｍ帯の発光波長を有する素子を形成することができる。従って、石英光ファイバの伝送に適した１．３μｍ帯の面発光半導体レーザが実現できる。

窒素は他のＶ族元素との非混和性が大きいため、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体において窒素組成を増加させていくと結晶品質の低下が起こることが知られている。そのため、窒素組成をできるだけ小さくして１．３μｍ帯の発光を得るために、混晶半導体の圧縮歪量が例えば２〜２．５％と非常に高くなっている。

さらに、面発光半導体レーザでは端面型半導体レーザに比べて共振器長が極端に短いため、レーザ発振させるために高い利得が必要であり、上記の高歪層を複数積層した多重量子井戸構造を用いる必要がある。従って、活性層は高歪を内在しており、できるだけ外部から応力をかけないようにすることが望ましい。

本発明では、ＡｌＡｓ酸化層のように体積収縮が発生しないエアギャップ狭窄構造を電流狭窄として用いており、活性層に外部から応力がかからないようにしている。これにより、高歪多重量子井戸活性層を有する面発光半導体レーザにおいて高い信頼性が得られる。

（第１０の形態）
本発明の第１０の形態は、上述した第１，第５〜第９のいずれかの形態の面発光半導体レーザを用いた光送信モジュールである。

第１，第５〜第９の形態の面発光半導体レーザは、メサ側面の凹凸を抑制することで、反射鏡の損失を低減し、閾電流を低減している。そして、自己整合的にメサ側面に保護膜を形成できるため、製造工程が容易であり、製造コストを低減することができ、また、活性層にかかる応力を低減することで、高い信頼性を有している。

このような低閾電流，低コスト，高信頼性の光源を用いることで、光送信モジュールの消費電力低減，低コスト化，信頼性向上が可能となる。

また、上記光送信モジュールを、光送受信ユニットや光伝送システム，光交換装置等に用いることもできる。

図１，図２は、本発明の実施例１の面発光半導体レーザを示す図である。なお、図２は図１の分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）の詳細を示す図である。図１，図２を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上には、ｎ型分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）１０２が形成されている。ここで、ｎ型ＤＢＲ １０２は、ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ高屈折率層１０２ａとｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層１０２ｂとが交互に積層されて構成されている。ｎ型ＤＢＲ １０２上には、Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ下部スペーサ層１０３、ＧａＡｓ／Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ ＭＱＷ活性層１０４、Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ上部スペーサ層１０５、ＧａＩｎＰエッチング層１０６、ｐ型ＤＢＲ １０７が順に積層されている。ここで、ｐ型ＤＢＲ １０７は、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ高屈折率層１０７ａとｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層１０７ｂとが交互に積層されて構成されている。また、ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ高屈折率層１０２ａとｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層１０２ｂの界面や、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ高屈折率層１０７ａとｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層１０７ｂの界面には組成傾斜層が設けられている。

なお、図１において、１０８はＧａＩｎＰエッチング層がサイドエッチングされて形成されたエアギャップであり、１０９はｐ型ＤＢＲ １０７上に形成されたｐ側電極であり、１１０は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１裏面に形成されたｎ側電極である。

次に、図１の面発光半導体レーザの製造工程を説明する。最初に、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＤＢＲ １０２、Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ下部スペーサ層１０３、ＧａＡｓ／Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ ＭＱＷ活性層１０４、Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ上部スペーサ層１０５、ＧａＩｎＰエッチング層１０６、ｐ型ＤＢＲ １０７を順に積層する。結晶成長は有機金属気相成長法で行った。

次に、ｐ型ＤＢＲ １０７表面にフォトリソグラフィーで円形のマスクを形成し、マスクで覆われていない領域をドライエッチングでエッチングし、メサ構造を形成した。エッチングは、ｎ型ＤＢＲ １０２に達する深さまで行った。

次に、基板を４００℃程度の高温に加熱して水蒸気雰囲気中におくことにより、メサ部のｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層１０２ｂとｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層１０７ｂとを、メサ側面から選択的に酸化してＡｌＯ_ｘ膜２０１を形成した。図２には、メサ側面の構造の詳細が示されている。このとき、ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ高屈折率層１０２ａ、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ高屈折率層１０７ａ、Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ下部スペーサ層１０３、Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ上部スペーサ層１０５はＡｌ含有量が少ないため、酸化速度が非常に遅く、ほとんど酸化されない。また、ＧａＩｎＰエッチング層１０６は、Ａｌを含んでいないため、酸化層が形成されない。

次に、ＧａＩｎＰエッチング層１０６をメサ側面から塩酸エッチング溶液で選択的にエッチングしてエアギャップ１０８を形成する。

次に、ｐ型ＤＢＲ １０７のメサ頂上部に、リング状のｐ側電極１０９を形成する。そして、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１裏面にｎ側電極１１０を形成する。

以上の工程で積層した面発光半導体レーザにおいては、ｐ側電極１０９から注入された電流はｐ型ＤＢＲ １０７を通り、ＧａＩｎＰエッチング層１０６の非エッチング領域に電流が狭窄されて、活性層１０４に注入される。そして、０．８５μｍ帯の波長でレーザ発振し、メサ頂上部のｐ側電極１０９で覆われていない窓部から垂直上方に光が出射される。

本発明の面発光半導体レーザは、ＧａＩｎＰエッチング層１０６をサイドエッチングして形成したエアギャップ１０８により電流を狭窄している（エアギャップ狭窄構造）。電流はサイドエッチングされていない領域に狭窄されて活性層１０４に注入されるため、電流を微小な領域に集中させることができ、閾電流を低減することができる。また、サイドエッチングによって形成されたエアギャップ１０８は屈折率が著しく低下するため、横方向に光を閉じ込める働きをし、回折損失を低減している。また、ＡｌＡｓ酸化狭窄構造のように電流狭窄部で体積変化が生じないため、活性層１０４に応力がかかって信頼性を低下させることがない。

ＧａＩｎＰエッチング層１０６のサイドエッチングは、塩酸エッチング溶液を用いて行っている。塩酸は、ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ高屈折率層１０２ａ、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ高屈折率層１０７ａ、Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ下部スペーサ層１０３、Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ上部スペーサ層１０５といったＡｌ組成の少ないＡｌＧａＡｓ材料のエッチングレートが非常に小さいため、上記層のサイドエッチングは抑制される。

一方、ｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層１０２ｂ、ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層１０７ｂはＡｌ組成が高いため、塩酸でエッチングされてしまう。そこで、本発明では、メサ部のｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層１０２ｂ、ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層１０７ｂの側面に、選択酸化によりＡｌＯ_ｘ膜２０１を形成している。ＡｌＯ_ｘ膜は、塩酸に対してエッチング保護層となるため、メサ部におけるｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層１０２ｂ、ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層１０７ｂのサイドエッチングが抑制される。

従って、ＧａＩｎＰエッチング層１０６のみが選択的にエッチングされて、アンダーカット形状が形成される。そして、メサ部の側面がサイドエッチングされないため凹凸が形成されず、多層膜反射鏡の散乱損失や回折損失を抑制することができる。これにより、エアギャップ狭窄構造を有する面発光半導体レーザの閾電流を低減することができる。

また、ＧａＩｎＰエッチング層１０６をサイドエッチングする場合、一度エッチングを停止しても、追加エッチングのエッチング速度が比較的安定である。従って、所望の電流狭窄径を得るのにサイドエッチングを繰り返して調整できるため、電流狭窄径の制御が容易となっている。

また、メサ側面に形成されたＡｌＯ_ｘエッチング保護層２０１は、塩酸エッチング溶液のエッチング速度が速いｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層１０２ｂ、ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層１０７ｂの側面に、自己整合的に形成されている。従って、従来例のように一度全面に保護膜を形成してから、エッチング層側面に保護膜が形成されないようにパターニングを行う必要がない。そのため、製造工程が容易となっている。

また、水蒸気酸化で安定に形成したＡｌＯ_ｘ膜２０１は、非発光再結合準位が非常に少ないため、ＡｌＯ_ｘ膜はメサ部エッチング側面の表面準位に起因してメサ側壁を流れる無効電流を抑制できる。これにより、閾電流がさらに低減する効果を有している。

なお、メサ側面に形成されたＡｌＯ_ｘ膜２０１は絶縁層であるが、活性層に対する電流狭窄を行うために設けているのではない。電流の狭窄はＧａＩｎＰエッチング層１０６をサイドエッチングすることで行っている。ＡｌＯ_ｘ膜２０１は、ｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層１０２ｂ、ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層１０７ｂのサイドエッチングを抑制できればよく、ＡｌＯ_ｘ膜２０１の酸化幅はサイドエッチング幅よりも狭くてよい。好ましくは、１０ｎｍ以下として、できるだけ薄く形成すべきである。ＡｌＯ_ｘ膜２０１の酸化幅を薄く形成することで、ＡｌＯ_ｘ膜２０１が活性層に与える応力を低減することができるため、高い信頼性が得られる。

図３，図４は、本発明の実施例２の面発光半導体レーザを示す図である。なお、図４は図３の分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）の詳細を示す図である。図３，図４を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上には、ｎ型分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）３０１が形成されている。ここで、ｎ型ＤＢＲ ３０１は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層３０１ａとｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層３０１ｂとが交互に積層されて構成されている。ｎ型ＤＢＲ ３０１上には、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ下部スペーサ層３０２、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ活性層３０３、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ上部スペーサ層３０４、ＧａＩｎＰエッチング層１０６、ｐ型ＤＢＲ ３０５が順に積層されている。ここで、ｐ型ＤＢＲ ３０５は、ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層３０５ａとｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層３０５ｂとが交互に積層されて構成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層３０１ａとｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層３０１ｂの界面や、ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層３０５ａとｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層３０５ｂの界面には組成傾斜層が設けられている。

なお、図３において、１０８はＧａＩｎＰエッチング層１０６がサイドエッチングされて形成されたエアギャップであり、１０９はｐ型ＤＢＲ ３０５上に形成されたｐ側電極であり、１１０は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１裏面に形成されたｎ側電極である。

図３の面発光半導体レーザにおいては、ｐ側電極１０９から注入された電流はｐ型ＤＢＲ３０５を通り、ＧａＩｎＰエッチング層１０６の非エッチング領域に電流が狭窄されて、活性層３０３に注入される。そして、０．９８μｍ帯の波長でレーザ発振し、メサ頂上部のｐ側電極１０９で覆われていない窓部から垂直上方に光が出射される。

また、図４を参照すると、図３の面発光半導体レーザのメサ部側面にはＡｌＮ_ｘ保護層４０１が形成されている。ＡｌＮ_ｘ保護層４０１は、次のように形成される。すなわち、基板を水素雰囲気中で５００〜７００℃に加熱し、有機窒素原料であるジメチルヒドラジンを供給することにより、メサ側面のＡｓをＮに置換してＡｌＮ_ｘ保護層４０１を形成することができる。ＡｌはＮとの結合が強く非常に窒化されやすいため、メサ部のｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層３０１ｂとｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層３０５ｂが選択的に窒化されてＡｌＮ_ｘ保護層４０１が形成される。

ＡｌＮ_ｘ膜は、塩酸に対するエッチング速度が非常に低く、高い選択性を有するエッチング保護層が形成できる。これにより、メサ部のｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層３０１ｂとｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層３０５ｂのサイドエッチングが抑制される。また、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層３０１ａ、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ下部スペーサ層３０２、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ活性層３０３、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ上部スペーサ層３０４、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層３０５ａは、塩酸に対してほとんどエッチングされない。従って、ＧａＩｎＰエッチング層１０６のみが選択的にエッチングされて、アンダーカット形状が形成される。そして、メサ部の側面がサイドエッチングされないため凹凸が形成されず、多層膜反射鏡の散乱損失や回折損失を抑制することができる。これにより、エアギャップ狭窄構造を有する面発光半導体レーザの閾電流を低減することができる。

図５は、本発明の実施例３の面発光半導体レーザを示す図である。図５を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上には、下部分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）５０１が形成されている。ここで、下部ＤＢＲ ５０１は、ノンドープＧａＡｓ高屈折率層とノンドープＡｌＡｓ低屈折率層とが交互に積層されて構成されている。下部ＤＢＲ ５０１上には、ＧａＡｓ下部スペーサ層５０２、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ活性層５０３、ＧａＡｓ上部スペーサ層５０４、ＧａＩｎＰエッチング層１０６、ｐ型ＤＢＲ ５０５が順に積層されている。ここで、ｐ型ＤＢＲ ５０５は、ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層とｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層とが交互に積層されて構成されている。さらに、ｐ型ＤＢＲ ５０５上にはノンドープＧａＡｓ高屈折率層とノンドープＡｌＡｓ低屈折率層とが交互に積層された上部ＤＢＲ ５０６が積層されている。ｐ型ＤＢＲ ５０５の高屈折率層と低屈折率層の界面には組成傾斜層が設けられているが、下部ＤＢＲ ５０１と上部ＤＢＲ ５０６には組成傾斜層は設けられていない。

また、積層構造表面からｐ型ＤＢＲ ５０５の上面までエッチングして、上部メサ部が形成されている。さらに、上部メサ部の外径よりも大きいサイズで下部ＤＢＲ ５０１の上面までエッチングして、下部メサ部が形成されている。

そして、ｐ側電極１０９は下部メサ部の頂上部（上部メサ部の底面）に形成されており、ｎ側電極１１０は下部メサ部の底面に形成されている。

また、ＧａＩｎＰエッチング層１０６が塩酸エッチング溶液でサイドエッチングされて、エアギャップ１０８が形成されている。

図５の構造では、電流は下部ＤＢＲ ５０１と上部ＤＢＲ ５０６を通らずに活性層５０３に注入される構造となっている。そのため、下部ＤＢＲ ５０１と上部ＤＢＲ ５０６はノンドープ層で構成されている。これにより、下部ＤＢＲ ５０１と上部ＤＢＲ ５０６における自由キャリア吸収が抑制されるため、反射鏡の吸収損失が低減され、閾電流が低減し、光取り出し効率も向上する。

また、低抵抗化するために高屈折率層と低屈折率層との界面に組成傾斜層を設ける必要がないため、下部ＤＢＲ ５０１と上部ＤＢＲ ５０６は屈折率差の大きいＧａＡｓとＡｌＡｓを急峻に積層して構成している。従って、より少ない積層数で高反射率を得ることができる。

また、ＧａＡｓとＡｌＡｓはＡｌＧａＡｓと比較して熱伝導率が高いため、下部ＤＢＲ ５０１の熱伝導性が高くなり、素子の放熱性が向上する。

図５には図示されていないが、ｐ型ＤＢＲ ５０５のＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層のメサ部側面には、ＡｌＯ_ｘ保護層２０１が形成されている。これにより、ｐ型ＤＢＲ ５０５のＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層が塩酸でサイドエッチングされることを抑制している。また、ｐ型ＤＢＲ ５０５のｐ型ＧａＡｓ高屈折率層、ＧａＡｓ下部スペーサ層５０２、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ活性層５０３、ＧａＡｓ上部スペーサ層５０４は、塩酸に対してエッチングされない。従って、ＧａＩｎＰエッチング層１０６のみが選択的にエッチングされて、アンダーカット形状が形成される。また、下部メサ部側面に凹凸が形成されないため、多層膜反射鏡の散乱損失や回折損失を抑制することができ、閾電流が低減される。

一方、上部メサ部においては、下部メサ部を形成するときのドライエッチングマスク（例えばＳｉＯ_２マスク）が上部メサ側面を覆った状態で、選択酸化工程、サイドエッチング工程を行っている。そのため、サイドエッチング工程で上部メサ部側面に凹凸が発生することがない。

また、本実施例においては、活性層５０３の量子井戸層に、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体であるＧａＩｎＮＡｓを用いている。ＧａＩｎＮＡｓは、ＧａＡｓ基板上に１．３μｍ帯のバンドギャップ波長を有してエピタキシャル成長することが可能である。従って、石英光ファイバの伝送に適した１．３μｍ帯で発振する面発光半導体レーザを形成できる。

活性層５０３のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層は２．３％程度の高い圧縮歪を有しており、これをＧａＡｓ障壁層ではさんで３重量子井戸構造を形成している。また、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層の層厚は臨界膜厚に近い値となっている。そのため、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層にさらに外部から応力が加わると、結晶欠陥が発生してしまう。本実施例では、体積変化が発生しないエアギャップ狭窄構造を電流狭窄として用いており、活性層に外部から応力がかからないようにしている。また、ＡｌＯ_ｘ保護層は下部メサ側面近傍のみに形成している。これにより、高歪のＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ ３重量子井戸活性層を有する面発光半導体レーザにおいて、高い信頼性を得ることができる。

なお、本実施例では、上部ＤＢＲをノンドープのＧａＡｓ／ＡｌＡｓで形成した例を示しているが、誘電体で構成することも可能である。

図６は、本発明の実施例４の面発光半導体レーザを示す図である。図６を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上には、ｎ型分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）３０１が形成されている。ここで、ｎ型ＤＢＲ ３０１は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層とｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層とが交互に積層されて構成されている。ｎ型ＤＢＲ ３０１上には、ＡｌＡｓ層６０１、ＧａＡｓ下部スペーサ層５０２、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ活性層５０３、ＧａＡｓ上部スペーサ層５０４、ＧａＩｎＰエッチング層１０６、ｐ型ＤＢＲ ３０５が順に積層されている。ここで、ｐ型ＤＢＲ ３０５は、ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層とｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層とが交互に積層されて構成されている。

また、積層構造表面からｎ型ＤＢＲ ３０１に達するまでエッチングして、メサ部が形成されている。そして、ｐ側電極１０９はメサ部の頂上部リング状に形成されており、ｎ側電極１１０はｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面に形成されている。

さらに、ＡｌＡｓ層６０１はメサ側面から選択的に酸化されて酸化領域６０２が形成されている。また、ＧａＩｎＰエッチング層１０６が塩酸エッチング溶液でサイドエッチングされて、エアギャップ１０８が形成されている。

本実施例では、活性層５０３に注入する電流を、ＧａＩｎＰエッチング層１０６をメサ側面からサイドエッチングしたエアギャップ狭窄構造により狭窄している。エアギャップ狭窄構造においては、ＧａＩｎＰエッチング層１０６と空気で屈折率が異なるため、横方向の光閉じ込めが行われる。しかしながら、ＧａＩｎＰエッチング層１０６と空気との屈折率差が大きすぎるため、単一横モードで発振させるためには、エアギャップ狭窄構造の狭窄径を非常に狭くしなければならなくなってしまう。この場合、構造的に脆弱になったり、電気抵抗が増加する等の問題が生じてしまう。

そこで、本実施例では、メサ部に設けられたＡｌＡｓ層６０１をメサ側面から選択的に酸化した酸化領域６０２が別に設けられている。ＡｌＡｓ層６０１が酸化された領域はＡｌＯ_ｘとなるため、屈折率がＡｌＡｓよりも低下する。そのため、横方向に屈折率差が生じて、横方向に光を閉じ込める作用をする。ＡｌＡｓとＡｌＯ_ｘとの屈折率差は、ＧａＩｎＰエッチング層１０６と空気との屈折率差よりも小さいため、より大きな狭窄径で単一横モードを実現できる。また、ＡｌＡｓ酸化領域６０２は構造的に上下の層と接続されているため、酸化狭窄径が小さくなってもエアギャップ狭窄構造のように構造が脆弱化することはない。

そして、ＡｌＡｓ層６０１の非酸化領域の径をＧａＩｎＰエッチング層１０６における非エッチング領域の径よりも狭く形成することで、ＡｌＡｓ酸化狭窄構造では単一横モードに光を閉じ込め、エアギャップ狭窄構造では電気抵抗が増加しないようなサイズで電流を狭窄している。

ＡｌＡｓ層６０１はｎ型半導体層側に設けられており、ＧａＩｎＰエッチング層はｐ型半導体層側に設けられている。正孔は電子に比べて移動度が小さいため、横方向のキャリア広がりが小さい。従って、ＧａＩｎＰエッチング層をサイドエッチングしたエアギャップ狭窄構造をｐ型半導体層側に設けて、電流を狭窄している。

一方、ｎ型半導体層はｐ型半導体層に比べて同じキャリア濃度であれば抵抗が低くなる。従って、ＡｌＡｓ選択酸化構造で電流が微小面積に絞られるが、ＡｌＡｓ層６０１がｎ型半導体層側に設けられているため、抵抗の増加を抑制することができる。これにより、電気抵抗の増加を抑制して、横モードを単一横モードで安定化させることができる。

また、本構造では、電流狭窄を行うＡｌＡｓ酸化層と単一横モードに光を安定化させるＡｌＡｓ酸化層との２つのＡｌＡｓ酸化層を設けるのではなく、一方をエアギャップ狭窄構造にすることで、活性層にかかる応力を減少させて、高信頼性を得ている。

ＡｌＡｓ層６０１を選択酸化する工程において、メサ部におけるｎ型ＤＢＲ ３０１のＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層と、ｐ型ＤＢＲ ３０５のＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層のメサ側面に、ＡｌＯ_ｘ保護層が形成される。ＡｌＯ_ｘ保護層は、ＧａＩｎＰエッチング層１０６をサイドエッチングするときに、ｎ型ＤＢＲ ３０１のＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層とｐ型ＤＢＲ ３０５のＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層の側面がサイドエッチングされることを抑制する。そのため、メサ部側面に凹凸が形成されず、多層膜反射鏡の散乱損失や回折損失が抑制され、閾電流が低減される。

また、ＡｌＡｓ層６０１の選択酸化とメサ側面の保護層形成とを１回の酸化工程で行うことができるため、製造工程が容易となる。

図７は、本発明の実施例５の面発光半導体レーザを示す図である。図７を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上には、下部分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）５０１が形成されている。ここで、下部ＤＢＲ ５０１は、ノンドープＧａＡｓ高屈折率層とノンドープＡｌＡｓ低屈折率層とが交互に積層されて構成されている。下部ＤＢＲ ５０１上には、ＧａＡｓ下部スペーサ層５０２、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ活性層５０３、第１のＧａＡｓ上部スペーサ層７０１、ＧａＩｎＰエッチング層１０６、第２のＧａＡｓ上部スペーサ層７０２、上部ＤＢＲ ７０５が順に積層されている。ここで、上部ＤＢＲ ７０５は、ノンドープＧａＡｓ高屈折率層とノンドープＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層とが交互に積層されて構成されている。また、上部ＤＢＲ ７０５の途中には、ＡｌＡｓ層７０３が設けられている。

そして、積層構造表面から第２のＧａＡｓ上部スペーサ層７０２の上面までエッチングして、上部メサ部が形成されている。さらに、上部メサ部の外径よりも大きいサイズで下部ＤＢＲ ５０１の上面までエッチングして、下部メサ部が形成されている。ｐ側電極１０９は、下部メサ部の頂上部（上部メサ部の底面）に形成されており、ｎ側電極１１０は下部メサ部の底面に形成されている。

さらに、ＡｌＡｓ層７０３はメサ側面から選択的に酸化されて酸化領域７０４が形成されている。また、ＧａＩｎＰエッチング層１０６が塩酸エッチング溶液でサイドエッチングされて、エアギャップ１０８が形成されている。

本実施例では、実施例４と同様に、エアギャップ狭窄構造とＡｌＡｓ酸化狭窄構造との両方を備えている。そして、ＡｌＡｓ層７０３の非酸化領域の径をＧａＩｎＰエッチング層１０６における非エッチング領域の径よりも狭く形成することで、ＡｌＡｓ酸化狭窄構造では単一横モードに光を閉じ込め、エアギャップ狭窄構造では電気抵抗が増加しないようなサイズで電流を狭窄している。

実施例４と異なっているのは、ＡｌＡｓ層７０３が上部ＤＢＲ ７０５の途中に設けられている点である。図７においては、電流は下部ＤＢＲ ５０１と上部ＤＢＲ ７０５を通らずに活性層５０３に注入される構造となっている。そのため、ＡｌＡｓ選択酸化構造で狭い酸化狭窄径が形成されても、素子の電気抵抗は増加しない。従って、電気抵抗の増加を抑制して、横モードを単一横モードで安定化させることができる。

また、横モードを単一モードに制御するＡｌＡｓ酸化層７０４は、活性層５０３とＧａＩｎＰエッチング層１０６との距離よりも離れた位置に設けられている。電流狭窄を行うＧａＩｎＰエッチング層１０６は、活性層５０３からの距離が離れすぎると、電流広がりが生じて閾電流が増加してしまう。そのため、ＧａＩｎＰエッチング層１０６は活性層５０３に近接して設ける必要がある。本実施例においては、ＧａＩｎＰエッチング層１０６を上部スペーサ層の途中に設けている。

一方、横モードを制御するＡｌＡｓ酸化層７０４は活性層５０３からの距離を離して設けても機能する。従って、活性層５０３に近い電流狭窄は体積変化のないエアギャップ狭窄構造を用い、活性層５０３から遠い位置には体積収縮するＡｌＡｓ酸化層７０４を設けて横モードを制御している。これにより、ＡｌＡｓ酸化層７０４が活性層５０３に及ぼす応力を低減し、高信頼性が得られる。

ＡｌＡｓ層７０３を選択酸化する工程において、上部ＤＢＲ ７０５のＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層のメサ側面に、ＡｌＯ_ｘ保護層が形成される。ＡｌＯ_ｘ保護層は、ＧａＩｎＰエッチング層１０６をサイドエッチングするときに、上部ＤＢＲ ７０５のＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層側面がサイドエッチングされることを抑制する。これにより、メサ部側面に凹凸が形成されず、多層膜反射鏡の散乱損失や回折損失が抑制され、閾電流が低減される。

また、ＡｌＡｓ層７０３の選択酸化とメサ側面の保護層形成とを１回の酸化工程で行うことができるため、製造工程が容易となる。

また、下部メサ部のエッチングに用いたエッチングマスクを除去した状態で、ＧａＩｎＰエッチング層１０６のサイドエッチングを行っている。そのため、基板上部から観察したときに、サイドエッチング幅を明瞭に観察することが可能であり、サイドエッチング幅を上部から観察しながらエッチングを行い、電流狭窄構造を制御性よく作製することができる。

以上の実施例においては、活性層としてＧａＡｓ， ＩｎＧａＡｓ， ＧａＩｎＮＡｓを用いた例を示してきたが、他の材料で構成することもできる。ＧａＩｎＰ， ＡｌＧａＩｎＰ， ＧａＩｎＡｓＰ， ＡｌＧａＩｎＡｓＰ等を活性層に用いることで、可視の面発光半導体レーザを作製することが可能である。

図８は、本発明の面発光半導体レーザ素子を用いた光伝送モジュールの構成例を示す図である。図８を参照すると、１対の光送受信モジュール８０６が石英光ファイバケーブル８０５で接続された構成となっている。

一方の光送受信モジュール８０６に入力された電気信号に応じて駆動用ＩＣ ８０２が動作し、面発光半導体レーザ８０１の光強度が変調される。これにより、電気信号が光信号に変換される。面発光半導体レーザ８０１から出力された光信号は、石英光ファイバケーブル８０５を伝送して、他方の光送受信モジュール８０６中の受光素子８０３に入力される。受光素子８０３で光信号が電気信号に変換された後に、信号処理ＩＣ ８０４で信号の増幅，波形整形が行われ、外部に出力される。

光送受信モジュール８０６は、光の送信部と受信部の両方を備えており、双方向に情報伝送することが可能である。

図８の光伝送モジュールにおいては、上記実施例に示した面発光半導体レーザを光源として備えている。本発明の面発光半導体レーザは、メサ側面の凹凸を抑制することで反射鏡の損失を低減し、閾電流を低減している。また、自己整合的にメサ側面に保護膜を形成できるため、製造工程が容易であり、製造コストを低減することができる。また、活性層にかかる応力を低減することで高い信頼性を有している。従って、光伝送モジュールの消費電力低減、低コスト化、信頼性向上を実現できる。

実施例１の面発光半導体レーザを示す図である。 図１の面発光半導体レーザのメサ側面を示す図である。 実施例２の面発光半導体レーザを示す図である。 図３の面発光半導体レーザのメサ側面を示す図である。 実施例３の面発光半導体レーザを示す図である。 実施例４の面発光半導体レーザを示す図である。 実施例５の面発光半導体レーザを示す図である。 実施例６の光伝送モジュールの構成例を示す図である。

符号の説明

１０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２ ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ／Ａ_ｌ０．９Ｇａ_０．１Ａｓ ＤＢＲ
１０３ Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ下部スペーサ層
１０４ ＧａＡｓ／Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ ＭＱＷ活性層
１０５ Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ上部スペーサ層
１０６ ＧａＩｎＰエッチング層
１０７ ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ／Ａ_ｌ０．９Ｇａ_０．１Ａｓ ＤＢＲ
１０８ エアギャップ
１０９ ｐ側電極
１１０ ｎ側電極
１０２ａ ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ高屈折率層
１０２ｂ ｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層
１０７ａ ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ高屈折率層
１０７ｂ ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層
２０１ ＡｌＯ_ｘ保護層
３０１ ｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ ＤＢＲ
３０２ Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ下部スペーサ層
３０３ ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ活性層
３０４ Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ上部スペーサ層
３０５ ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ ＤＢＲ
３０１ａ ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層
３０１ｂ ｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層
３０５ａ ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層
３０５ｂ ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層
４０１ ＡｌＮ_ｘ保護層
５０１ 下部ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ
５０２ ＧａＡｓ下部スペーサ層
５０３ ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷ活性層
５０４ ＧａＡｓ上部スペーサ層
５０５ ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ ＤＢＲ
５０６ 上部ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ
６０１ ＡｌＡｓ層
６０２ ＡｌＡｓ酸化領域
７０１ 第１の上部ＧａＡｓスペーサ層
７０２ 第２の上部ＧａＡｓスペーサ層
７０３ ＡｌＡｓ層
７０４ ＡｌＡｓ酸化領域
７０５ 上部ＧａＡｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ ＤＢＲ
８０１ 面発光半導体レーザ
８０２ 駆動用ＩＣ
８０３ 受光素子
８０４ 信号処理ＩＣ
８０５ 石英光ファイバ
８０６ 光送受信モジュール

Claims (10)

1. 基板上に、積層構造として、活性層を含む共振器領域と、共振器領域の上下に形成された多層膜反射鏡とを有する垂直共振器型面発光半導体レーザであって、積層構造の少なくとも一部がメサ形状に形成されたメサ部となっており、メサ部に設けられているエッチング層をメサ側面からサイドエッチングした電流狭窄構造を備えており、メサ部における多層膜反射鏡はＡｌを含む層を有しており、前記Ａｌを含む層のメサ側面における構成元素の一部が置換されて保護層が形成されており、保護層の幅はサイドエッチングの幅よりも狭いことを特徴とする面発光半導体レーザ。
2. 基板上に、積層構造として、活性層を含む共振器領域と、共振器領域の上下に形成された多層膜反射鏡とを有する垂直共振器型面発光半導体レーザの製造方法において、積層構造の少なくとも一部をメサ形状にエッチングしてメサ部を形成する工程と、メサ部における多層膜反射鏡中のＡｌを含む層について、メサ側面から構成元素の一部を置換して保護層を形成する工程と、メサ部に設けられているエッチング層をメサ側面から選択的にエッチングしてアンダーカット形状を形成する工程とを含むことを特徴とする面発光半導体レーザの製造方法。
3. 請求項２記載の面発光半導体レーザの製造方法において、メサ部における多層膜反射鏡中のＡｌを含む層を、メサ側面から選択的に酸化して保護層を形成することを特徴とする面発光半導体レーザの製造方法。
4. 請求項２記載の面発光半導体レーザの製造方法において、メサ部における多層膜反射鏡中のＡｌを含む層を、メサ側面から選択的に窒化することを特徴とする面発光半導体レーザの製造方法。
5. 請求項１記載の面発光半導体レーザにおいて、メサ部に設けられたエッチング層がＧａＩｎＰで構成されていることを特徴とする面発光半導体レーザ。
6. 請求項１記載の面発光半導体レーザにおいて、前記メサ部は、外径の異なる上部メサ部，下部メサ部の２つのメサ部で構成されており、上部メサ部の外径は下部メサ部の外径よりも狭くなっており、前記エッチング層は下部メサ部に形成されており、下部メサ部のメサ頂上部に上部電極が形成されていることを特徴とする面発光半導体レーザ。
7. 請求項６記載の面発光半導体レーザにおいて、上部メサ部の底面が上部多層膜反射鏡の間に設けられていることを特徴とする面発光半導体レーザ。
8. 請求項１記載の面発光半導体レーザにおいて、メサ部に設けられたエッチング層をメサ側面からサイドエッチングした電流狭窄構造に加えて、メサ部に設けられたＡｌＡｓ層をメサ側面から選択的に酸化した酸化領域を備えており、ＡｌＡｓの非酸化領域の径がエッチング層における非エッチング領域の径よりも狭いことを特徴とする面発光半導体レーザ。
9. 請求項１記載の面発光半導体レーザにおいて、前記活性層には、窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体が用いられていることを特徴とする面発光半導体レーザ。
10. 請求項１，請求項５乃至請求項９のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザを用いたことを特徴とする光送信モジュール。

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