JP2007129165A - 面発光型半導体素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い光出力を出すために注入電流密度を上げた場合にも、活性層面内の発光領域の中央付近での光出力が高く横モードの安定な面発光型半導体素子を提供すること。
【解決手段】組成の均一な発光層４ｃ１，４ｃ２と、発光層４ｃ１，４ｃ２の上下から挟むように設けられるキャリア閉じ込め層４ｂ１〜４ｂ２と、を含む活性層４と、活性層４を挟持し、基板１の主面に対して垂直方向の共振器を形成する一対の半導体多層膜反射鏡層２，６と、活性層４の上下両面から電流を注入するための一対の電極１１，１３と、電極１１と活性層４との間に活性層４に近接して形成され、電極１１からの電流を活性層４の所定の領域に流す電流狭窄構造を有するＡｌＧａＡｓ層５と、を備える面発光型半導体素子であって、キャリア閉じ込め層４ｂ１〜４ｂ３は、その面内方向中央部分でバンドギャップが小さく、外周部分に向かってバンドギャップが大きくなる構造を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、面発光型半導体素子とその製造方法に関し、より詳細には電流狭窄構造を有する垂直共振器型の面発光型半導体素子とその製造方法に関するものである。

近年、III−Ｖ族化合物半導体を利用した光半導体素子を光源とした光データ伝送が幅広く利用されるようになってきている。この伝送路としては石英やポリマを利用したファイバのほかに、空間伝送も実施されている。光源にはファイバとの光結合や低コスト化の点で有利な面発光レーザや共振器型の発光ダイオードのような面発光型半導体素子が用いられている。

このような面発光型半導体素子では、その構造上発光層に電流を注入するように横方向にキャリアを閉じ込めるために、酸化によるものやイオン注入による電流狭窄構造を有している。たとえば、イオン注入型の面発光型半導体素子では、電流狭窄領域となる領域の外側に結晶の表面からプロトン注入して高抵抗領域を形成することで、高抵抗化した領域の内側に電流が狭窄されるように電流狭窄領域を形成している。また、酸化型面発光型半導体素子も、電流狭窄領域となる領域の外側を酸化させて高抵抗領域を形成し、高抵抗化した領域の内側に電流が狭窄されるようにしている。

なお、従来、基板上に直線状に形成した活性層の領域によってその組成や膜厚などの特性を変える方法として、活性層を選択成長させる方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この特許文献１では、活性領域と受動領域でマスク幅が異なるように、所定の幅の成長領域を挟んでパターン化した半導体基板上に、ＩｎＧａＡｓＰの光閉じ込め層を選択成長させ、ＩｎＧａＡｓＰウェル／ＩｎＧａＡｓＰバリアの７重多重量子井戸層を、成長時間または減量ガスを変調させて選択成長させ、さらに、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層、ｐ−ＩｎＰクラッド層を選択成長させる。このようにして、活性領域で１．５５μｍ、受動領域で１．４８μｍのフォトルミネッセンスピーク波長となる分布帰還型半導体レーザ／光変調器集積化光源が作製される。なお、特許文献１の実施の形態では、ＩｎＧａＡｓＰを選択成長させているが、このほかにＧａＩｎＮＡｓでも同様に選択成長可能なことが開示されている。

特開平９−３３１１０６号公報

しかし、従来の面発光型半導体素子では、電流狭窄構造のために光出力が低いことが問題であった。この問題は、伝送速度が増大すると光出力を高くする必要があるため、近年特に顕著になってきている。

たとえば、面発光型半導体素子では、径の大きな電極から注入された電流が径の小さな電流狭窄領域に集中するために、注入電流密度が高くなると、電流狭窄領域の外周部分でのゲインが大きくなり外周部分で光密度の高いモードでの発振が起こり易くなり、横モードが不安定になってしまう。そのため、面発光レーザでは光の横モードの安定を図るために電流狭窄径を小さくする必要がある。その結果、これが光出力を大きくする上での制約要因となっている。また、光出力を大きくするためには、注入電流密度を高くする必要があるが、この場合には狭い領域で熱が発生するので温度が上昇し易く、発熱により素子特性が低下してしまう。これらの問題を解決するためには、電流狭窄領域に均一に電流を流し、実効的な素子抵抗を下げる必要がある。

また、従来のイオン注入型の面発光型半導体素子では、プロトン注入した先端が活性層の光を発する層に届くと、光を発する層の結晶性が低下して発光効率が低下してしまう。このため、プロトン注入の深さをコントロールして、注入したプロトンの先端が活性層の光を発する層に届かないようにする必要があり、活性層の光を発する層の近傍には電流狭窄構造は形成されない。このため、注入電流密度を上げるために印加電圧を上げると、その部分で電流が横方向にも広がって、横モードの安定性を低下させる一因となっていた。その結果、光出力を上げるために注入電流密度を上げると横モードが不安定となり、単一横モードでの高光出力動作を実現することが難しいという問題点があった。

酸化狭窄型の面発光型半導体素子の場合にも、電流狭窄層は活性層の光を発する層から離れた場所に設けられており、イオン注入型の面発光型半導体素子同様に、注入電流密度を上げると、活性層の光を発する層近傍での電流広がりを抑制することは難しく、横モードの不安定化を防ぐことは難しかった。

一方、端面型のレーザでは横方向の閉じ込めを行うために量子井戸活性層を作製して、側面にイオン注入または不純物拡散により井戸層の拡散を起こして横方向の閉じ込めを行うことも行われている。しかし、この方法では側面部分での吸収係数が増大したり抵抗が低下したりして電流リークが大きくなる問題がある。また、拡散の制御が難しく実際には十分な素子特性が得られない。このため、素子サイズが小さく高電界のかかる面発光型半導体素子にこのような技術を適用することは困難である。また、特許文献１には、直線状の構造のＩｎＧａＡｓＰについての選択成長については開示されているが、面発光型半導体素子に適用する場合の詳細については開示されていない。

以上のように、面発光レーザを高い光出力で動作させる場合、大きな電流を狭い領域に注入する必要がある。また、変調をかける場合、ノイズの発生を防ぐためには横モードの動作が安定であることが不可欠である。特に、高周波で動作させる場合は、単一横モードで高い光出力を得る必要がある。

光出力を大きくするために、電流狭窄径を大きくすると、電流狭窄領域内に均一に電流を注入することは難しく、単一横モードで高い光出力を得ることは難しい。より詳細には注入電流密度が大きくなると電流狭窄の効果が低下して発光領域の外周部分でレーザ発振し易くなり光のモードが不安定になり、光出力を高くできないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高い光出力を出すために注入電流密度を上げた場合にも、活性層面内の発光領域の中央付近での光出力が高く単一横モードの安定な面発光型半導体素子とその製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、基板と、電子と正孔の結合によって発光する一層以上の発光層と、該発光層に電子または正孔を閉じ込め、前記発光層の前記基板側または前記基板と反対側に設けられるキャリア閉じ込め層と、を含む前記基板上に設けられる活性層と、前記活性層を挟持し、前記基板の主面に対して垂直方向の共振器を形成する、前記活性層と前記基板との間に形成される基板側反射鏡層および前記活性層に対して前記基板と反対側に形成される表面側反射鏡層と、前記活性層に電流を注入するための一対の電極と、前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極と前記活性層との間に前記活性層に近接して形成され、前記電極からの電流を前記活性層の所定の領域に流す電流狭窄構造を有する電流狭窄部と、を備える面発光型半導体素子であって、前記キャリア閉じ込め層は、その面内方向中央部分でバンドギャップが小さく、外周部分に向かってバンドギャップが大きくなる構造を有することを特徴とする。なお、該発光層に電子と正孔を閉じ込め、前記発光層の上下から挟むように設けられるキャリア閉じ込め層と、を含む前記基板上に設けられる活性層と、前記活性層を挟持し、前記基板の主面に対して垂直方向の共振器を形成する、前記活性層と前記基板との間に形成される基板側反射鏡層および前記活性層に対して前記基板と反対側に形成される表面側反射鏡層と、前記活性層に電流を注入するための一対の電極と、前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極と前記活性層との間に前記活性層に近接して形成され、前記電極からの電流を前記活性層の所定の領域に流す電流狭窄構造を有する電流狭窄部と、を備える面発光型半導体素子であって、前記キャリア閉じ込め層は、その面内方向中央部分でバンドギャップが小さく、外周部分に向かってバンドギャップが大きくなる構造を有してもよい。

また、本発明は、基板と、一層以上の井戸層と該井戸層に接して形成される障壁層とからなる量子井戸構造を有する前記基板上に設けられる活性層と、前記活性層を挟持し、前記基板の主面に対して垂直方向の共振器を形成する、前記活性層と前記基板との間に形成される基板側反射鏡層および前記活性層に対して前記基板と反対側に形成される表面側反射鏡層と、前記活性層に電流を注入するための一対の電極と、前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極と前記活性層との間に前記活性層に近接して形成され、前記電極からの電流を前記活性層の所定の領域に流す電流狭窄構造を有する電流狭窄部と、を備える面発光型半導体素子であって、少なくとも前記障壁層の一層は、その面内方向中央部分でバンドギャップが小さく、外周部分に向かってバンドギャップが大きくなる構造を有することを特徴とする。

さらに、本発明は、電子と正孔の結合によって発光する発光層、および該発光層に電子または正孔を閉じ込め、前記発光層の前記基板側または前記基板と反対側に設けられる、その面内方向中央部分でバンドギャップが小さく、外周部分に向かってバンドギャップが大きくなる構造を有するキャリア閉じ込め層を含む活性層を挟持し、基板の主面に対して垂直方向の共振器を形成するように前記活性層と前記基板との間および前記活性層に対して前記基板と反対側に形成される一対の反射鏡層を備える面発光型半導体素子の製造方法であって、前記一対の反射鏡層のうち一方の反射鏡層が形成された基板上の所定の位置が覆われない選択成長マスクを形成する第１の工程と、前記選択成長マスクを用いて、１／６ａｔｍよりも大きい第１の圧力下でＭＯＣＶＤ法で前記キャリア閉じ込め層を形成する第２の工程と、前記選択成長マスクを用いて、前記第１の圧力の１／３より小さい第２の圧力下でＭＯＣＶＤ法で前記発光層を形成する第３の工程と、を含み、前記第２と前記第３の工程を繰り返して、前記活性層を作製することを特徴とする。

本発明によれば、電流狭窄領域に対応する活性層内の中央部分への電流注入効率を高めることができるので、単一横モード発振の条件を広く取ることができ、閾値電流を従来に比べて低くすることができ、高出力の面発光型半導体素子を実現することができる。また、電流注入領域のサイズが大きくても電流狭窄領域の中央部分での注入電流密度を高くすることができ、ビーム径が大きく光ビームの広がり角の小さな面発光型半導体素子を実現することができる。その結果、素子の信頼性の向上、長寿命化を図ることが可能な面発光型半導体発光素子を提供することができるという効果を奏する。

また、本発明によれば、発光層の面内方向の組成を均一に保ちながら、キャリア閉じ込め層について面内方向の組成に分布を持たせたので、活性層面内方向の中央付近の電流密度を高めた面発光型半導体素子の製造方法を提供することができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる面発光型半導体素子とその製造方法の最良な実施の形態と実施例を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態および実施例で用いられる面発光型半導体素子の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。また、以下の説明では、本発明にかかる面発光型半導体素子を面発光レーザに適用した場合を例示する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明にかかる面発光型半導体素子の第１の実施の形態の構造を模式的に示す断面図である。この面発光型半導体素子は、ＧａＡｓ基板（以下、単に基板ともいう）１上に半導体多層膜反射鏡層２が設けられ、この半導体多層膜反射鏡層２上に下部クラッド層３a、活性層４、上部クラッド層３ｂが順に設けられる。上部クラッド層３ｂ上には、ＡｌＧａＡｓ層５が設けられる。このＡｌＧａＡｓ層５は、その面内中央付近の領域に電流狭窄領域９が設けられ、この電流狭窄領域９の外周部分に酸化アルミニウム層５ｓが設けられた電流狭窄構造が形成される。このＡｌＧａＡｓ層５上には、半導体多層膜反射鏡層６が積層される。この電流狭窄領域９を有するＡｌＧａＡｓ層５は活性層４に近接して配置されることを特徴とする。ここで、半導体多層膜反射鏡層２，６によって基板面に対して垂直方向に光共振器を形成している。なお、半導体多層膜反射鏡層２は、特許請求の範囲の基板側反射鏡層に対応し、半導体多層膜反射鏡層６は、同じく表面側反射鏡層に対応し、ＡｌＧａＡｓ層５は、同じく電流狭窄部に対応している。

半導体多層膜反射鏡層６上には電流狭窄領域９に対応する領域に設けたコンタクト層開口部７ａを取り囲むようにコンタクト層７が設けられる。コンタクト層７およびコンタクト層開口部７ａはパッシベーション膜１０により覆われており、パッシベーション膜１０内の所定の位置にはコンタクト層７が露出するように開口１０ａが設けられ、この開口１０ａが埋め込まれるようにたとえば金属からなる表面側電極１１が設けられる。したがって、表面側電極１１の開口１０ａに埋め込まれた部分であるコンタクト領域１１ａを介して表面側電極１１とコンタクト層７が電気的に接続される。表面側電極１１には、コンタクト層７が電流狭窄領域９を取り囲んでいる領域に対応して電極開口部１１ｂが設けられている。また、基板１の半導体多層膜反射鏡層２が設けられた側と反対側には基板側電極１３が設けられている。

活性層４は、電子と正孔の結合によって発光する一層以上の発光層４ｃと、発光層４ｃに電子と正孔を閉じ込め、発光層４ｃの上下から挟むように設けられるキャリア閉じ込め層４ｂと、の積層体の上下両面を光ガイド層４ａで挟む構造を有する。たとえば、図１に示される例では、活性層４は、光ガイド層４ａ１、ＧａＩｎＮＡｓからなるキャリア閉じ込め層４ｂ１、発光層４ｃ１、ＧａＩｎＮＡｓからなるキャリア閉じ込め層４ｂ２、発光層４ｃ２、ＧａＩｎＮＡｓからなるキャリア閉じ込め層４ｂ３、光ガイド層４ａ２が順次積層されている。ここで、発光層４ｃ１，４ｃ２は厚さ数ｎｍ〜数十ｎｍの間にあることが望ましい。ＧａＩｎＮＡｓからなるキャリア閉じ込め層４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３は面内方向中央の領域で、Ｉｎ（インジウム）の組成が小さく、Ｎ（窒素）の濃度が高く、バンドギャップが小さい構造を有している。なお、一般的に、キャリア閉じ込め層４ｂは、障壁層に対応するものであり、発光層４ｃは井戸層に対応するものである。また、ここでは、発光層４ｃ１，４ｃ２が２層構造の場合を示したが、発光層４ｃが少なくとも１層あればよく、また少なくともキャリア閉じ込め層４ｂを発光層４ｃの片側に設けた活性層４であればよい。さらに、発光層４ｃの上下をキャリア閉じ込め層４ｂが挟む構造を有する活性層４であれば、キャリアの閉じ込め効果が電子と正孔の両者に対して働くのでなおよい。たとえば、活性層４が多重量子井戸構造を有するものでもよい。さらに、キャリア閉じ込め層４ｂ１，４ｂ２は、ＧａＩｎＮＡｓからなる場合を示しているが、一般的に、Ａｌ_1-x-yＧａ_xＩｎ_yＡｓ_1-r-sＳｂ_sＮ_r（０≦１−ｘ−ｙ＜１、０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜１−ｒ−ｓ＜１、０＜ｒ＜１、０≦ｓ＜１）で示される組成を有し、電流狭窄領域９に対応する領域内の中央付近でバンドギャップが小さく、その外周付近でバンドギャップが大きい構造を有するものならばよい。

このように構成された面発光型半導体素子において、表面側電極１１と基板側電極１３との間にキャリアを流すと、活性層４に近接して配置された電流狭窄領域９を介して、活性層４にキャリアが注入される。注入されたキャリアによって活性層４で発光された光は、半導体多層膜反射鏡層２，６からなる共振器によって共振され、コンタクト層開口部７ａと電極開口部１１ｂが重なる領域からレーザ光が外部に放射される。

さらに、本実施の形態の面発光型半導体素子におけるレーザ発振の状態を詳しく説明する。本実施の形態の面発光型半導体素子においては、活性層４に近接して電流狭窄領域９が設けられているため、表面側電極１１からのキャリアは、電流狭窄領域９を介して活性層４の発光層４ｃ１，４ｃ２に注入される。つまり、活性層４の中で光ガイド層４ａ２を通過したキャリアはキャリア閉じ込め層４ｂ３を介して発光層４ｃ２に一部注入され、一部はキャリア閉じ込め層４ｂ２に流れ込み、さらに、発光層４ｃ１に流れ込んで発光に寄与する。一方、基板１側からのキャリアも同様に、クラッド層３ａを介して活性層４に注入される。

ＧａＩｎＮＡｓからなるキャリア閉じ込め層４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３は、外周部分でＮ組成が低いのでバンドギャップが大きく、電流狭窄領域９の中央に相当する部分でＮ組成が高いのでバンドギャップが小さい。そのため、キャリアがキャリア閉じ込め層４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３の中央部分に集中され、結果的に発光層４ｃ１，４ｃ２の中央の部分に注入される。また、発光層４ｃ１，４ｃ２の厚さを数ｎｍの厚さまで薄くしてキャリア閉じ込め層４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３との間に量子化準位を形成すると、キャリア閉じ込め層４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３のバンドギャップが中央部分で小さいことから発光層４ｃ１，４ｃ２中に形成される準位も中央部分で遷移エネルギが小さくなり、キャリアが中央に集中される効果がある。

ここで、このような面発光型半導体素子の製造方法について説明する。図２−１〜図２−９は、本発明にかかる面発光型半導体素子の製造方法の一例を模式的に示す断面図である。まず、ＧａＡｓ基板１上にＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により半導体多層膜反射鏡層２と下部クラッド層３ａを順次形成する（図２−１）。ついで、通常の選択成長マスク層１４を堆積し、リソグラフィとエッチングを用いて活性層４を形成する領域に相当する領域に穴１４ａを開けた選択成長マスク１４ｂを形成する（図２−２）。この選択成長マスク層１４に開ける穴１４ａは、たとえば円形形状を有する。

引き続き、選択成長マスク１４ｂを使用して、活性層４を形成する。具体的には、活性層４の光ガイド層４ａ１を形成した後、キャリア閉じ込め層４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３を１／６ａｔｍ以上の第１の圧力下で常圧ＭＯＣＶＤ法により選択成長して形成し、一方の活性層４の発光層４ｃ１，４ｃ２を第１の圧力の１／３よりも低い第２の圧力下（第１の圧力よりも低くかつ１／１００〜１／３ａｔｍの範囲の第２の圧力下）で減圧ＭＯＣＶＤ法により形成する。この工程を、作製するキャリア閉じ込め層４ｂと発光層４ｃの層数だけ繰り返して行い、最後に光ガイド層４ａ２を形成する（図２−３）。たとえば、キャリア閉じ込め層４ｂ１は常圧環境下、発光層４ｃ１は０．１気圧の減圧環境下、キャリア閉じ込め層４ｂ２は常圧環境下、発光層４ｃ２は０．１気圧の減圧環境下、キャリア閉じ込め層４ｂ３は常圧環境下、というように、逐次成長圧力を変えながら結晶成長を実施する。

このようにキャリア閉じ込め層４ｂを第１の圧力（常圧を含む）で成長させることで選択成長部分に大きな組成分布を設けることができ、発光層４ｃを第２の圧力で成長させることで均一な組成にすることができる。ここで、第１の圧力（常圧）と第２の圧力（減圧）の圧力比を数倍以上、好ましくは１０倍以上取ることが望ましい。後述するように、キャリア閉じ込め層４ｂでは選択成長領域でＩｎの組成比を３倍以上取ることで、中央部分でバンドギャップが小さい構造の面発光型半導体素子の作製が容易に可能となる。一方成長圧力を下げて均一性のある成長ができるようにすると、拡散係数は圧力に反比例するので空間での組成分布が小さくなり、また、円形の選択成長における対向する両側から原料が供給され、選択成長領域の中央部分で原料が重なることにより、均一性が改善される。

たとえば第１の圧力（常圧）と第２の圧力（減圧）の圧力比を３倍にすると均一性が概略６倍改善される。その結果、第２の圧力下（減圧環境下）で形成された発光層４ｃの不均一性は１０％程度となる（選択成長で組成比が１／３に変わる場合、組成の変化量は２／３となり、この１／６は１１％で約１０％となる）。このため、ＧａＡｓ基板上に発光波長１．３μｍ帯を実現するために必要なＩｎ組成４０％程度のＧａＩｎＮＡｓの組成に関しては、発光層４ｃにおける組成の不均一性を４％程度にすることができる。Ｉｎ組成が４０％のＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸において４％程度のＩｎ組成の揺らぎ（すなわち、４％程度の不均一性）がある場合、発光エネルギの揺らぎは、
（1）Ｉｎの変化に伴うバンドギャプのエネルギ変化
Ｉｎ組成１％当たりのＧａＩｎＡｓのバンドギャップ変化が〜１２ｍｅＶ。
（２）Ｉｎ組成が４０％程度の時にＧａＡｓに対する臨界膜厚以下の厚さの量子井戸では発光エネルギが１．０８ｅＶ（波長１．１５μｍ）の程度であり、この値は、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギ１．４２７ｅＶから、ＧａＡｓとＧａＩｎＡｓのバンドギャップエネルギ１．４２７ｅＶ、０．８９ｅＶの差の約６５％下げた値となる。
の２点を考慮することで、
不均一性（１０％）×Ｉｎ組成（４０％）×１２ｍｅＶ（（1）より）×６５％（（２）より）〜３０ｍｅＶ
程度となる。

量子井戸のＧａＡｓ中の不純物はｎ型不純物の深さが〜５ｍｅＶであり、ｐ型不純物が２０〜３０ｍｅＶの程度であり、また、室温のエネルギは２６ｍｅＶであることから、上記量子井戸の遷移エネルギの揺らぎは、不純物の深さエネルギの和や室温のエネルギと同程度となる。このため、キャリアを高濃度に注入して動作させるレーザにおいては、この程度の組成揺らぎの影響は限定的なものとなる。

さらに、第１の圧力（常圧）と第２の圧力（減圧）の圧力比を１０倍にすると均一性は概略２０倍改善される。その結果、不均一性は３％程度となる。このため、ＧａＡｓ基板上に発光波長１．３μｍ帯を実現するために必要なＩｎ組成４０％程度のＧａＩｎＮＡｓの組成に関して、不均一性を組成で１％強にすることができる。この場合、ＧａＩｎＡｓのバンドギャップの揺らぎ量自体が温度エネルギの半分以下であり、発光特性にほとんど影響を与えなくなる。

具体的な圧力値について、第１の圧力に関しては１／６ａｔｍ以上であればよいが、実際には１／６ａｔｍ以上で大気圧＋０．３ａｔｍ以下の圧力であることが望ましい。これは、通常の真空装置の耐圧がプラス側に関しては０．３ａｔｍ程度で設計されているために、実質的にプロセス装置の設計が容易にできるからである。また、第２の圧力に関しては、ＭＯＣＶＤ法の原料ガスの分解が十分に進む１／１００ａｔｍ以上がよいが、高周波加熱などを用いてもプラズマの発生が起こりにくい１／２０ａｔｍ以上を用いることが望ましい。なお、第１の圧力の下限の１／６ａｔｍは、この３倍の値から求められる。

成長温度は６００〜６５０℃の間であることが望ましい。これは、ＭＯＣＶＤ法の成長で良質なＧａＡｓ系結晶を成長するためには６００℃以上の成長温度を用いることが望ましいからである。また、後述するように、Ｉｎ組成が１５％以下でＮ組成が１．５％以下のＧａＩｎＮＡｓの結晶成長が望ましいが、成長温度が６５０℃以下であれば、Ｉｎ組成が１５％以下のＧａＩｎＮＡｓに対して、比較的容易に１％程度のＮの添加が可能となるからである。

ついで、基板１上の選択成長マスク１４ｂを取り除く。また、図２−３に示されるように、活性層４の外周部分４ｅは膜厚が厚くなっているので、形成した活性層４の外周部分４ｅをリソグラフィとエッチングを用いて除去して、選択成長の端部を取り除いてもよい（図２−４）。なお、このとき行われるエッチングは、活性層４だけではなくその下のクラッド層３ａや半導体多層膜反射鏡層２に達するように行ってもよい。

ついで、活性層４を作製した基板１上に、上部クラッド層３ｂ、ＡｌＧａＡｓ層５、半導体多層膜反射鏡層６、コンタクト層７を順に成長させる（図２−５）。さらに、マスクとしてＳｉＯ₂を堆積して、リソグラフィとエッチングによりコンタクト層７の中央部分にコンタクト層開口部７ａを形成する（図２−６）。その後、再度マスクとしてのＳｉＯ₂を堆積し、リソグラフィとエッチングによってコンタクト層７から半導体多層膜反射鏡層２に至るまでメサ構造１５を形成する（図２−７）。ついで、ＡｌＧａＡｓ層５を外周から酸化して、ＡｌＧａＡｓ層５の外周部内のＡｌ（アルミニウム）を酸化させた酸化アルミニウム領域５ｓを形成する。このとき、ＡｌＧａＡｓ層５の中央部分ではＡｌは酸化されず、電流狭窄領域９が形成される（図２−８）。

ついで、パッシベーション膜１０を形成した後に、リソグラフィとエッチングを用いてコンタクト層７の一部を露出させ、レジストを用いたリフトオフ法を用いて、コンタクト領域１１ａでコンタクト層７と接触し、電極開口部１１ｂが開口した状態の表面側電極１１を形成する（図２−９）。以上により、面発光型半導体素子が製造される。

以上で説明したように、選択成長マスク１４ｂを形成してＧａＩｎＮＡｓの選択成長を行うと、選択成長マスク１４ｂ端部の近くではＩｎ組成が高くなるにつれてＧａ（ガリウム）組成が大きくなる。このため、Ｎの添加効率は、III族元素（すなわち、ＩｎとＧａ）の組成に応じて選択成長マスク１４ｂ端部では低くなり、選択成長マスク１４ｂ端部から離れると高くなる。

ところで、従来技術のＧａＩｎＡｓの場合には、マスク端部ではＩｎ組成が高くバンドギャップが小さく、マスク端部から離れるとＩｎ組成が低くバンドギャップが大きくなっていた。このため、閉じた領域内で選択成長を行うと、マスク端部の傍での領域の外周部分ではバンドギャップが小さくマスクから離れた領域の中心部分ではバンドギャップが大きくなる。その結果、このＧａＩｎＡｓをキャリア閉じ込め層３ｂとする面発光レーザに用いると、キャリアがバンドギャップの小さい活性層４の外周部分に流れてしまうために、横モードが不安定になる傾向があった。

これに対して、ＧａＩｎＮＡｓを選択成長する場合には、ある特殊な条件を考慮すると、キャリア閉じ込め層４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３の外周部分でＩｎ組成が高く、Ｎ組成が低くなるバンドギャップの大きな構造となり、電流狭窄領域９の中央に相当する部分でＩｎ組成が低く、Ｎ組成が高くなるバンドギャップの小さな構造とすることができる。そこで、以下に、このような構造を有するＧａＩｎＮＡｓからなるキャリア閉じ込め層４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３に必要な条件の詳細を示す。

ＧａＩｎＮＡｓからなるキャリア閉じ込め層４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３には、つぎの（ｐ−１）〜（ｐ−４）に示す条件が必要である。
（ｐ−１）Ｎ組成の高い領域ではＮ組成が十分高く、Ｎ組成の減少で十分なバンドギャップ変化が生じる。
（ｐ−２）Ｉｎ組成が十分に低く、Ｎの高濃度添加が可能である。
（ｐ−３）電流狭窄領域９に該当するキャリア閉じ込め層４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３内の位置でＮの組成分布によるバンドギャップの縮小量がＩｎの組成差によるバンドギャップの増大量よりも大きい。
（ｐ−４）選択成長によりＩｎの組成変化が実現できる。

さらに、実際に面発光型半導体素子に適用することを考えると、以下に示す（ｓ−１）〜（ｓ−３）の３つの付加的な条件を満たすことが望ましい。
（ｓ−１）キャリア閉じ込め層４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３の電流狭窄領域９の中央部分に相当する部分と電流狭窄領域９の外周部分に相当する領域とで、バンドギャップ差が６０ｍｅＶ以上あること。この構造により、キャリアの熱拡散を十分に抑制できる（概略１０％以下）。
（ｓ−２）発光層４ｃ１，４ｃ２からキャリア閉じ込め層４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３への電流オーバフローを抑制するために、両者の間に十分なバンドギャップ差があること。発光層４ｃ１，４ｃ２の遷移が１．３μｍである場合には、キャリア閉じ込め層４ｂ１，４ｂ２，４ｂ３のバンドギャップは２００ｍｅＶ以上大きな１．１５ｅＶ以上であること（より好ましくは、１．３μｍ帯といわれる１．２６〜１．３４μｍの波長域の最も波長の短い１．２６μｍに対応する０．９８ｅｖよりも２００ｍｅＶ以上大きな１．１８ｅＶ以上であること）。
（ｓ−３）Ｎの濃度は発光強度の低下の小さい１．５％以下、望むべくは１％以下であること。

これらの条件から具体的な構造とするために以下の考慮を行う。ＧａＩｎＮＡｓのバンドギャップは、Ｎ組成の変化に対して概略１８０（ｍｅＶ／％）×Ｇａ組成×Ｎ［組成変化］（％）減少し、Ｉｎ組成の変化に対して概略１４（ｍｅＶ／％）×Ｉｎ［組成変化］（％）減少することを組み合わせて求めることができる。これらから、条件（ｓ−１）を満たすためには、Ｉｎ組成の変化を無視して考えた場合に、上式よりＮ組成が１％変化するとバンドギャップは１８０ｍｅＶ変化するから、６０ｍｅＶのバンドギャップの変化を得るためには、最低でもＮ組成は、０．３３％（＝１％×６０ｍｅＶ／１８０ｍｅＶ）以上変化する必要がある。そのため、Ｎ組成は０．３３％以上であることが必要である。

つぎに、条件（ｐ−３）の下で条件（ｓ−１）を満たすための条件を検討する。図３は、成長温度が６２０℃でトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、アルシン（ＡｓＨ₃）、ディメチルヒドラジン（ＤＭＨ）を用いてＧａＩｎＮＡｓを成長したときのＧａＩｎＮＡｓ中のＩｎ組成に対するＮの添加効率の変化を示す図である。この図３において、横軸にはＧａＩｎＮＡｓのＩｎ組成（％）を示しており、縦軸はＮの添加効率を示している。図３に示されるように、たとえばＩｎ組成が５％の状態から３％増加させると、Ｎの添加効率は１／４になることが実験的に確認できる。そのため、マスク端部でのＩｎ組成がＩｎ［端部組成］（％）であり、マスク端部から中央部分にかけてＩｎの組成がＩｎ［組成変化］（％）だけ減少するとし、中央部分でのＮ組成をＮ［中央組成］（％）とすると、中央部分から端部にかけてＮ組成は、Ｎ［中央組成］（％）から、Ｎ［中央組成］％×（１／４）＾（Ｉｎ［組成変化］％／３％）へと変化（減少）する。このマスク端部でのＮ組成は、Ｉｎの組成を３％増加させたときにＮの添加効率は１／４になり、また、図３でＩｎ組成とＮの添加効率との間の関係は指数関数で表されることから、Ｉｎの組成がＩｎ［組成変化］（％）だけ変化した場合のＮの添加効率は（１／４）＾（Ｉｎ［組成変化］％／３％）と表されることにより求められる。また、Ｎ組成の変化に対するＧａＩｎＮＡｓのバンドギャップの変化が、−１８０（ｍｅＶ／％）×Ｇａ組成×Ｎ［組成変化］（％）であることを再度考慮すると、マスク端部でのＧａＩｎＮＡｓのバンドギャップは、Ｎ組成＝０の場合（：ＧａＩｎＡｓ）に対して、１８０（ｍｅＶ／％）×（１−Ｉｎ［端部組成］％／１００）×｛Ｎ［中央組成］％×（１／４）＾（Ｉｎ［組成変化］％／３％）｝だけ小さい。一方、マスク中央でのＧａＩｎＮＡｓのバンドギャップは、Ｎ組成＝０の場合（：ＧａＩｎＡｓ）に対して、１８０（ｍｅＶ／％）×（１−Ｉｎ［中央組成］％／１００）×Ｎ［中央組成］％だけ小さい。このため素子中央から端部にかけてＮ添加の効果によるバンドギャップの増大は、［−１８０（ｍｅＶ／％）×（１−Ｉｎ［中央組成］％／１００）×｛Ｎ［中央組成］％×（１／４）＾（Ｉｎ［組成変化］％／３％）｝］−｛−１８０（ｍｅＶ／％）×（１−Ｉｎ［中央組成］％／１００）×Ｎ［中央組成］％｝となる。なお、ここでは、Ｉｎの組成が低いことから、（１−Ｉｎ［端部組成］）〜（１−Ｉｎ［中央組成］）の関係を用いている。また、この式の第１項における（１／４）＾（Ｉｎ［組成変化］％／３％）が、バンドギャップの変化に対して大きく寄与している。さらに、キャリア閉じ込め層の素子中央から素子端部にかけてのＩｎの組成変化によって、バンドギャップは１４ｍｅＶ×Ｉｎ［組成変化］（％）だけ減少する。そして、キャリア閉じ込め層の素子中央から素子端部にかけてバンドギャップが６０ｍｅＶ以上増大することが必要であるので、次式（１）の関係を満たす必要がある。

１８０（ｍｅＶ／％）×（１−Ｉｎ［中央組成］％／１００）×［Ｎ［中央組成］％×｛１−（１／４）＾（Ｉｎ［組成変化］％／３％）｝］−１４ｍｅＶ×Ｉｎ［組成変化］％≧６０ｍｅＶ ・・・（１）

図４は、常圧ＭＯＣＶＤ法を用いて６２０℃でＧａＩｎＡｓを成長させた場合のマスク端部からの距離に対するＩｎ組成の関係を示す図である。この図４において、横軸はマスク端部からの距離を示しており、縦軸はＩｎ組成を示している。ＭＯＣＶＤ法で選択成長を行うと、図４に示されるようにＩｎ組成はマスク端部から２０μｍ程度の間に急激に変化し、マスク端部と中央部での濃度差は、３倍程度変化する。なお、マスク端部から最低２０μｍ離れていれば、Ｉｎ組成の濃度差として３倍程度の変化をもたせることができる。ただし、中央部付近でのＩｎ組成を均一化させないようにするために、マスク端部からの距離の上限は５０μｍ程度となる。条件（ｐ−４）に該当するこの関係を（１）式に組み込むと、Ｉｎ［組成変化］≒２／３×Ｉｎ［端部組成］、Ｉｎ［中央組成］＝Ｉｎ［端部組成］／３となることから、選択成長した端部のＧａＩｎＮＡｓと中央部分のＧａＩｎＮＡｓのバンドギャップ差は、次式（１）’の条件を満たすことが必要となる。

１８０（ｍｅＶ／％）×｛１−（Ｉｎ［端部組成］／３）％／１００｝×［Ｎ［中央組成］％×｛１−（１／４）＾（（Ｉｎ［端部組成］×２／３）％／３％）｝］−１４（ｍｅＶ／％）×｛Ｉｎ［端部組成］×２／３｝（％）≧６０ｍｅＶ ・・・（１）’

図５は、ＧａＩｎＮＡｓキャリア閉じ込め層の素子端部と素子中央部でのバンドギャップの差を６０ｍｅＶ以上とするための素子端部のＩｎ組成と素子中央のＮ組成の関係を示している。この図５は、（１）’式の関係をグラフに表したものであり、横軸は、キャリア閉じ込め層の素子端部でのＩｎ組成を表しており、縦軸は、素子中央でのＮ組成を表している。上述したように、キャリア閉じ込め層を構成するＧａＩｎＮＡｓ中のＩｎ組成は素子端部で最も高く、Ｎ組成は素子中央部で最も高いことから、図５は、ＧａＩｎＮＡｓキャリア閉じ込め層中の最大Ｉｎ組成と最大Ｎ組成の関係を示す図でもある（なお、以下では、端部のＩｎ組成および中央のＮ組成をそれぞれＩｎ組成、Ｎ組成と記述し、端部組成または中央組成を簡単のために組成と記述する）。

この（１）’式の範囲は、図５中の曲線の上側に相当する。図５に示されるように、Ｎ組成は極小点となる０．８％以上とすることが必要となる。また、条件（ｓ−２）に示すように、電流のオーバフローを抑制するためには、キャリア閉じ込め層のバンドギャップはバンドギャップの最も小さな素子中央においても発光エネルギに対して２００ｍｅＶ以上大きいことが必要である。特に、１．３μｍ帯の波長のシングルモード光通信用ファイバを利用するためには、ファイバの零分散エネルギの０．９５ｅＶ（１．３μｍの波長に相当）に対して素子中央でのキャリア閉じ込め層のバンドギャップを２００ｍｅＶ以上大きくする必要がある。このため、キャリア閉じ込め層の素子中央でのバンドギャップを１．１５ｅＶ以上にする必要がある。さらに、条件（ｓ−１）に示すように、キャリア閉じ込め層によって横方向のキャリア閉じ込めを実現するためには素子端部でのキャリア閉じ込め層のバンドギャップを素子中央に対して６０ｍｅＶ以上大きくする必要がある。以上の二点を考慮すると、キャリア閉じ込め層の素子端部でのバンドギャップを発光エネルギに対して２６０ｍｅＶ以上大きくする必要がある。つまり、発光エネルギが０．９５ｅＶの場合、ＧａＩｎＮＡｓキャリア閉じ込め層のバンドギャップを、Ｉｎ組成が高くＮ組成が低い素子端部領域において、１．２１ｅＶ以上にする必要がある。ところで、Ｇａ_1-xＩｎ_xＡｓのバンドギャップは、０．３２４＋０．７×（１−ｘ）＋０．４×（１−ｘ）×（１−ｘ）（ｅＶ）である（赤崎勇編著、「III−Ｖ族化合物半導体」、ｐ．１８７、培風館（１９９４）より）。この式より、バンドギャップが１．２１ｅＶ以上となるＩｎ組成ｘを求めると、Ｉｎ組成は０．１５以下となる。すなわち、ＧａＩｎＮＡｓキャリア閉じ込め層の素子端部（Ｎ組成の低い領域）で十分大きなバンドギャップを得るためには、Ｉｎ組成は１５％以下とする必要がある。ただし、ここでは、マスク端部では、Ｎ組成が低いので、Ｎのバンドギャップの変化に与える影響は軽微であるとして、Ｎ組成が０の場合に近似してバンドギャップを求めている。なお、１．３μｍ帯シングルモードファイバ用の標準的な波長域（１．２６〜１．３４μｍ）全域に本実施の形態を適用するために、キャリア閉じ込め層のバンドギャップがこの中で最大の発光エネルギ０．９８ｅＶ（１．２６μｍ）よりも２６０ｍｅＶ以上大きな１．２４ｅＶ以上であることがより望ましい。そして、ＧａＩｎＡｓの組成とバンドギャップの関係を考慮すると、この条件を満たすためには、Ｉｎ組成を０．１２以下とする必要がある。以上のような理由でＧａＩｎＮＡｓキャリア閉じ込め層の素子端部でのＩｎ組成を１２％以下とすることがより望ましい。

条件（ｓ−３）であるＮ組成が１．５％以下の制約の下で（１）’式を満たすためには、図５に示されるように、Ｉｎ組成は１％以上２０％以下の範囲で添加されている必要がある。さらに、Ｉｎ組成が２％以上１１％以下添加されているとＮ組成を１％以下にできるのでより望ましい。

条件（ｐ−１）を具体的に述べたものが条件（ｓ−１）であり、（１）式または（１）’式を満たすことで、条件（ｐ−１）は満たされる。ここで、固相中（膜中）のＮの比率を１％程度（Ｎの量は非常に少ないので、Ｎ／Ａｓ〜０．０１と近似できる）にしたい場合について考える。まず、図３からＩｎ組成が１％のときには、図３より、窒素の添加効率（Ｎ／Ａｓ）s／（ＤＭＨ／ＡｓＨ₃）ｖは、０．０１である。これらから、０．０１／（ＤＭＨ／ＡｓＨ₃）＝０．０１となり、ＤＭＨ／ＡｓＨ₃＝１となる。つまり、Ｉｎ組成が１％のとき、固相中のＮの比率を１％程度にする場合には、Ａｓ原料に対してＮ原料を１倍程度とすればよい。同様に、Ｉｎ組成が１５％のときには、図３より、窒素の添加効率は１／３０，０００である。これより、０．０１／（ＤＭＨ／ＡｓＨ₃）＝１／３０，０００となり、ＤＭＨ／ＡｓＨ₃＝３００となる。つまり、Ｉｎ組成が１５％のとき、固相中のＮの比率を１％程度にする場合には、Ａｓ原料に対してＮ原料を３００倍程度とすればよい。以上より、条件（ｐ−２）は、Ｉｎ組成が１〜１５％の間にあれば、Ａｓ（砒素）原料に対してＮ原料を１〜３００倍程度供給すれば膜中のＮ組成を１％程度まであげることが容易に可能であることが分かる。さらに、条件（ｐ−３）は（１）式または（１）’式を満たすことで満たされる。また、条件（ｐ−４）は（１）’式により考慮した。

これらの条件（ｐ−１）〜（ｐ−４）と条件（ｓ−１）〜（ｓ−３）を考慮することにより、Ｉｎ組成の大きな領域のＩｎの組成が１〜１５％の間にあり、Ｎ組成の大きな領域ではＮ組成が０．８〜１．５％の間にあることが必要であることになる。また、Ｉｎ組成の大きな領域のＩｎ組成が２〜１１％の間にあり、Ｎ組成の大きな領域ではＮ組成が０．８〜１％の間にあればより望ましい。

上述したように、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＩｎＮＡｓの選択成長を常圧で行った場合、選択成長マスク１４ｂの端部から２０μｍ程度の範囲に渡り組成に勾配を設けることができる。このため、直径Φ４０μｍ程度まで組成の分布を設けることができる。上述したようにこの方法で活性層４を形成した場合には、活性層４の形成後に電流狭窄領域９の外側にコンタクト領域１１ａを設けることが必要となる。また、選択成長領域９の端部はエッチングにより除去することまたはイオン注入により高抵抗化することが望ましい。端部の除去または高抵抗化する領域と電極生成領域を合わせると、プロセスマージンを考慮した場合、５μｍ以上の幅が必要になる。このため、電流狭窄領域９は直径の最大径をΦ３０μｍ以下とすることが望ましい。

図６は、キャリア閉じ込め層を均一な材料で形成した場合における電流狭窄領域の径に対する中央の電流密度／外周部の電流密度の関係の従来例を示す図である。この図６では、キャリア閉じ込め層としてＧａＡｓを用いた場合を示している。この図６に示されるように、電流狭窄領域９の直径が約４μｍよりも大きくなると、電流は活性層４の中で端部に集中的に流れるようになる。そのため、たとえばレーザ動作させた場合、基本横モードでの動作が難しくなる。そこで、電流狭窄領域９の直径を小さくして４μｍ以下とすると周りから電流が集中する効果により、電流狭窄領域９の中央に対応する活性層４での電流密度が最も高くなる。

図７は、本実施の形態で形成したキャリア閉じ込め層に組成の傾斜を持たせた場合における平均電流密度に対する中央の電流密度／外周部の電流密度の関係を示す図である。この図７に示されるように、本実施の形態では、電流狭窄領域９が小さい場合には中央部分に対応する活性層４での電流密度が周囲よりもずっと大きくなり、この状態は注入電流密度が高くなっても維持される。また、電流狭窄領域９の直径が大きくなっても電流密度は電流狭窄領域９の中央部分で大きくなり、基本横モードの安定な素子動作が可能となる。このため、本実施の形態による面発光型半導体素子は、特に電流狭窄領域９の直径が５μｍ以上の素子で有効であり、また高出力な単一横モードで動作する素子に対して有効である。さらに、変調をかけると電流密度分布に変化が生じるが、本実施の形態によれば、電流狭窄領域９の中央部部分と外周部分での電流密度差が注入電流密度の高い場合まで維持され、高速、高出力な動作が可能となる。

この第１の実施の形態によれば、活性層４中のキャリア閉じ込め層３ｂを、中央領域でＩｎ組成を小さくしＮ組成を高くし、外周領域でＩｎ組成を大きくしＮ組成を低くするように選択成長させて形成したので、中央領域でバンドギャップを小さく、外周領域でバンドギャップを大きくすることができ、中央部分での電流注入効率を高めることができる。その結果、単一横モード発振の条件を広く取ることができ、高出力の面発光型半導体素子を実現することができる。さらに、電流狭窄領域９を活性層４に近接して設けたので、電流注入領域のサイズを大きくしても、電流狭窄領域９の中央部分での注入電流密度を高くすることができ、ビーム径が大きく光ビームの広がり角の小さな面発光型半導体素子を実現することができる。

（第２の実施の形態）
図８は、本発明にかかる面発光型半導体素子の第２の実施の形態の構造を模式的に示す断面図である。この面発光型半導体素子は、第１の実施の形態の活性層４の上の半導体多層膜反射鏡層６に代えて、誘電体多層膜反射鏡層１７を形成した構造となっている。具体的には、活性層４上に第１の上部クラッド層３ｂ１、電流狭窄領域９を有するＡｌＧａＡｓ層５、第２の上部クラッド層３ｂ２が順に形成され、第２の上部クラッド層３ｂ２上の電極形成位置に対応する位置にコンタクト層１８を形成し、その上にＳｉＮ層１７ａを第１層とする誘電体多層膜反射鏡層１７、パッシベーション膜１０を形成する。パッシベーション膜１０、誘電体多層膜反射鏡層１７を貫通してコンタクト層１８に達する貫通孔に電極を構成する導電性材料を埋め込んだコンタクト領域１８ａが形成され、このコンタクト領域１８ａの上端部に表面側電極１１が形成される。なお、第１の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略している。また、誘電体多層膜反射鏡層１７は、特許請求の範囲の表面側反射鏡層に対応している。

ここで、この面発光型半導体素子の製造方法について説明する。図９−１〜図９−３は、この第２の実施の形態の面発光型半導体素子の製造方法の手順の一例を示す断面図である。この第２の実施の形態の面発光型半導体素子でも、第１の実施の形態の図２−１〜図２−２と同様に、半導体多層膜反射鏡層２と下部クラッド層３ａを形成したＧａＡｓ基板１上に、選択成長マスク１４ｂを形成する。

ついで選択成長マスク１４ｂで覆われていない領域に、活性層４、第１の上部クラッド層３ｂ１、ＡｌＧａＡｓ層５、第２の上部クラッド層３ｂ２およびコンタクト層１８を選択成長させて、選択成長マスク１４ｂを取り除く（図９−１）。

ついで、コンタクト層１８の電流狭窄領域９に対応する部分を除去した後、必要に応じて選択成長した結晶の中央部分を残して、エッチングによりコンタクト層１８、第２の上部クラッド層３ｂ２、ＡｌＧａＡｓ層５、第１の上部クラッド層３ｂ１を除去する。このとき、活性層４、その下の下部クラッド層３ａや半導体多層膜反射鏡層２を除去してもよい。そして、水蒸気酸化法によりＡｌＧａＡｓ層５を端部より酸化して電流狭窄領域９を形成する（図９−２）。

ついで、パターン形成したコンタクト層１８を有する第２の上部クラッド層３ｂ２上に誘電体多層膜反射鏡層１７の第１層としてＳｉＮ層１７ａを形成し、誘電体多層膜反射鏡層１７を蒸着し、パターニングした後に、さらにパッシベーション膜１０を形成する（図９−３）。その後、コンタクト層１８の形成位置に合わせて、パッシベーション膜１０、誘電体多層膜反射鏡層１７を貫通するように貫通孔を開けてコンタクト層１８の一部を露出させ、この貫通孔に導電性材料膜を埋め込みコンタクト領域１８ａを形成する。そして、このコンタクト領域１８ａ上に導電性材料膜で電極１１を形成することによって、図８に示される面発光型半導体素子が形成される。

この第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加えて、高反射率層の形成が容易な誘電体膜を基板と反対側の多層膜反射鏡として選択成長領域の上部に形成しているので、選択成長領域に伴う凸凹の影響を受けても半導体多層膜反射鏡の場合と異なり結晶欠陥に伴う吸収の発生や電流のリーク、反射率の低下が起こりにくい。このため、面発光型半導体素子の信頼性が高くなるという効果を有する。また、誘電体膜を用いることで、反射鏡の厚さを薄くすることができ、選択成長領域に過大な歪を加えることがないという効果も有する。さらに、誘電体膜は低温の蒸着形成が可能であることから、高温での結晶成長が必要な半導体多層膜反射鏡のように、成長温度と室温との温度差による結晶の熱歪の影響を受けにくいという効果も有する。

（第３の実施の形態）
図１０は、本発明にかかる面発光型半導体素子の第３の実施の形態の構造を模式的に示す断面図である。この面発光型半導体素子は、第１の実施の形態において、半導体多層膜反射鏡層２と下部クラッド層３ａとの間に、外周部分が酸化されて、中央に電流狭窄領域９ｂが形成された基板側ＡｌＧａＡｓ層５ｂが形成される構造を有する。なお、その他の部分は第１の実施の形態と同一であるので、その説明を省略する。

この第３の実施の形態の面発光型半導体素子の製造方法は、半導体多層膜反射鏡層２と下部クラッド層３ａとの間に基板側ＡｌＧａＡｓ層５ｂを設け、その中に電流狭窄領域９ｂを設けたこと以外は第１の実施の形態と同様の方法で製造することができる。ただし、基板側ＡｌＧａＡｓ層５ｂの電流狭窄領域９ｂは、ＡｌＧａＡｓ層５の電流狭窄領域９と同時に形成される。すなわち、メサ構造を形成した後に、ＡｌＧａＡｓ層５，５ｂを外周から酸化し酸化アルミニウム層５ｓを形成して、中央部分にそれぞれ電流狭窄領域９，９ｂを形成する。なお、図１０では、活性層４の上下に電流狭窄領域９，９ｂを設けた場合を示しているが、活性層４の下側にのみ電流狭窄領域９，９ｂを設けてもよい。

この第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加えて、活性層４の下側の平坦部分に基板側ＡｌＧａＡｓ層５ｂを設け、酸化する直前に基板側ＡｌＧａＡｓ層５ｂをメサ構造状にすることによって、電流狭窄領域９ｂがプロセスの途中で端面から想定外の酸化を受けることがない。また、基板側ＡｌＧａＡｓ層５ｂを平坦部に形成できるので、酸化プロセスの再現性が高くなる。これらの理由により、信頼性の高い素子形成が可能になるという効果を有する。さらに、活性層４の上下に電流狭窄領域９，９ｂを設けた場合には、横方向への電流拡がりが小さくなり、より一層の低電流動作が可能になるという効果も有する。

（第４の実施の形態）
図１１は、本発明にかかる面発光型半導体素子の第４の実施の形態の構造を模式的に示す断面図である。この面発光型半導体素子は、第１の実施の形態の面発光型半導体素子において、上部クラッド層３ｂ上に、ＡｌＧａＡｓ層５を酸化した電流狭窄領域９を設けずに、半導体多層膜反射鏡層６とコンタクト層７を形成し、これらの半導体多層膜反射鏡層６とコンタクト層７の外周部分に対してイオン注入を行って高抵抗領域９１を形成して、電流狭窄領域９２を設けた構造を有している。なお、第１の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略している。また、半導体多層膜反射鏡層６とコンタクト層７の高抵抗領域９１および電流狭窄領域９２は、特許請求の範囲における電流狭窄部に対応している。

この第４の実施の形態の面発光型半導体素子の製造方法は、半導体多層膜反射鏡層２と下部クラッド層３ａを形成したＧａＡｓ基板１上に、選択成長マスク１４ｂを形成して活性層４を選択成長させ、さらに上部クラッド層３ｂと半導体多層膜反射鏡層６を形成し、所定の形状（メサ型）に加工する。そして、半導体多層膜反射鏡層６の電流狭窄領域９２とする部分にマスクを形成し、プロトンのイオン注入を行う。これによって、マスクされた部分ではイオン注入は行われず、マスクされない半導体多層膜反射鏡層６の外周部分にプロトンがイオン注入され、高抵抗化される。イオン注入の際には、半導体多層膜反射鏡層６の下面よりも下の層に、イオン注入した不純物原子（プロトン）がドープされないように、イオン注入時のエネルギを調整する。これによって、半導体多層膜反射鏡層６の外周部分に高抵抗領域９１が形成され、中央付近に電流狭窄領域９２が形成される。ついで、コンタクト層７の中央部を除去する。その後、パッシベーション膜１０を形成し、コンタクト層７が露出するようにパッシベーション膜１０の所定の部分を除去する。この除去した部分に導電性材料を埋込み、表面側電極１１を形成して、図１１に示される面発光型半導体素子が形成される。

なお、上述した説明では、イオン注入による電流狭窄構造を、第１の実施の形態の面発光型半導体素子に適用した場合を示したが、第３の実施の形態の面発光型半導体素子に適用してもよい。

この第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加えて、電流狭窄領域９２をイオン注入で半導体多層膜反射鏡層６に形成するようにしたので、イオン注入する領域を結晶表面に設けたイオン注入マスクのパターニングにより正確に定めることができる。特に、選択成長領域の側面からＡｌＧａＡｓ層を酸化する必要がないので、選択成長領域端部またはこの領域をエッチングしたメサ構造端部に半導体多層膜反射鏡層６を形成したときに生じる異常成長などによって電流狭窄領域９２が大きな影響を受けることがない。また、選択成長領域９２の端部またはエッチングしたメサ構造端部の上に成長した結晶に欠陥が発生しても、選択成長した結晶の電極側をイオン注入により高抵抗化するので、欠陥の電気的な特性に与える影響も低減することができる。

以下に、上述した各実施の形態に対応する実施例について説明する。

実施例１では、第１の実施の形態で説明した面発光型半導体素子を面発光レーザとして用いる場合を例に挙げて説明する。図１２は、本発明の面発光レーザの実施例１の構造を模式的に示す断面図である。この図１２の面発光レーザは、図１において、活性層４上に第１の上部クラッド層３ｂ１、ＡｌＧａＡｓ層５、第２の上部クラッド層３ｂ２が形成され、活性層４上の上部クラッド層３ｂが２層構造となっており、また、半導体多層膜反射鏡層６上に半導体電流拡散層７２を有する構造となっている。

この面発光レーザは、基板１としてｎ型のＧａＡｓ基板を用い、半導体多層膜反射鏡層２は、Ａｌ_qＧａ_1-qＡｓ（ｑ＝０．９５）からなる層とＡｌ_sＧａ_1-sＡｓ（ｓ＝０．５）からなる層を交互に６０層ずつ積層した積層体からなり、下部クラッド層３ａは、ｎ型の導電型のＧａＡｓからなる。また、活性層４は、図１２に示されるように、上下の光ガイド層４ａ，４ｂ間に、２層の発光層４ｃ１，４ｃ２が３層のキャリア閉じ込め層４ｂ１〜４ｂ３で挟まれる構造の三重量子井戸構造を有し、１，３００ｎｍの発光波長を有する。光ガイド層４ａ，４ｂは、ＧａＡｓからなり、キャリア閉じ込め層４ｂ１〜４ｂ３は、ＧａＩｎＮＡｓからなり、発光層４ｃ１，４ｃ２は、均一な組成のＧａＩｎＮＡｓからなる。

ここで、キャリア閉じ込め層４ｃ１〜４ｃ３は、電流狭窄領域９に対応する中心部分でＧａ_0.98Ｉｎ_0.02Ｎ_0.01Ａｓ_0.99の組成を有し、外周部分ではＧａ_0.93Ｉｎ_0.07Ｎ_0.001Ａｓ_0.999の組成を有するように形成される。

さらに、第１の上部クラッド層３ｂ１は、ｐ型の導電型のＧａＡｓからなり、ＡｌＧａＡｓ層５は、Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ（４５ｎｍ）とＡｌ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓ（１５ｎｍ）とＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ（４５ｎｍ）の３層構造からなり、第２の上部クラッド層３ｂ２は、ｐ型の導電型のＧａＡｓからなり、半導体多層膜反射鏡層６は、Ａｌ_sＧａ_1-sＡｓ（ｓ＝０．０５）層とＡｌ_qＧａ_1-qＡｓ（ｑ＝０．９５）層を交互に５０層積層した積層体からなる。ＡｌＧａＡｓ層５は、Ａｌ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓ（１５ｎｍ）で、電流狭窄領域９が中央から直径７．５μｍの範囲となるように外側から酸化される。

また、半導体多層膜反射鏡６上には、Ａｌ_aＧａ_1-aＡｓ（ａ＝０．６）からなる厚さ１．５μｍの半導体電流拡散層７２が形成される。その上の一部分に形成されるコンタクト層７は、ＧａＡｓからなる。ここで、半導体電流拡散層７２のキャリア濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、コンタクト層７のキャリア濃度は２×１０¹⁹ｃｍ^-3とする。

コンタクト層７の表面の一部分とコンタクト層７を除去した部分の半導体電流拡散層７２の表面には、ＳｉＯ₂からなるパッシベーション膜１０が形成されている。表面側電極１１は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる。本実施例１では、コンタクト領域１１ａの幅は２μｍとする。また、基板１の裏面の基板側電極１３は、ＡｕＧａＮｉ／Ａｕからなる。

このような構造の面発光レーザにおいて、表面側電極１１から注入されたキャリアはコンタクト層７、半導体電流拡散層７２、半導体多層膜反射鏡層６、第２の上部クラッド層３ｂ２を介して、電流狭窄領域９で狭窄されて活性層４に注入される。表面側電極１１には電流狭窄領域９に対応する部分を含む電極開口部１１ｂが設けられており、電極開口部１１ｂの電流狭窄領域９に対応する部分からレーザ光が取り出される。また、基板側電極１３からのキャリアは、半導体多層膜反射鏡２を介して、活性層４に注入される。

ここで、この実施例１の面発光レーザの製造方法について説明する。なお、面発光型半導体素子の製造手順は、第１の実施の形態の図２−１〜図２−９に示したので、ここでは、詳細な説明は省略し、概略のみ述べる。ＧａＡｓ基板１上にトリエチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アルシンを原料として、減圧ＭＯＣＶＤ法により半導体多層膜反射鏡層２と下部クラッド層３ａを６５０℃で順次形成する。また、選択成長マスク１４ｂとしてＳｉＯ₂を用いる。選択成長において、キャリア閉じ込め層４ｂ１は常圧環境下、発光層４ｃ１は０．１気圧の減圧環境下、キャリア閉じ込め層４ｂ２は常圧環境下、発光層４ｃ２は０．１気圧の減圧環境下、キャリア閉じ込め層４ｂ３は常圧環境下というように、逐次成長圧力を変えながら結晶成長を実施する。なお、このときの成長温度は６００℃から６５０℃の間とする。選択成長マスク１４ｂを弗酸とアンモニアの混液で取り除く。この活性層４の外周部分４ｅに対して通常のリソグラフィ法で選択エッチングマスクを形成し、塩素系のドライエッチングにより除去して、選択成長の端部を取り除いてもよい。その後、第１の実施の形態で説明した手順によって面発光レーザが製造される。

上述したように、ＧａＩｎＮＡｓの選択成長を行うと、選択成長マスク１４ｂの端部近くではＩｎ組成が高くなるにつれてＧａ組成が大きくなる。このため、Ｎの添加効率はIII族元素の組成に応じてマスク端部では低くなり、離れると高くなる。実際に、本実施例１では、ＧａＩｎＮＡｓからなるキャリア閉じ込め層４ｂ１〜４ｂ３は電流狭窄領域９に対応する中心部分でＧａ_0.98Ｉｎ_0.02Ｎ_0.01Ａｓ_0.99の組成であり、外周部分ではＧａ_0.93Ｉｎ_0.07Ｎ_0.001Ａｓ_0.999の組成となっている。このため、本実施例１の面発光レーザでは、電流狭窄領域９の中央に対応する部分から周辺に対応する部分に向かい活性層４のバンドギャップが大きくなっている。

図１３は、本実施例１の面発光レーザにおける電流狭窄領域の中央に対応する領域から選択成長マスクの端部に向かう動径方向のバンドギャップ、Ｎ組成分布およびＩｎとＧａの相対取り込み効率の変化の様子を示す図である。なお、この図で、ＩｎとＧａの相対取り込み効率は、選択成長マスク内の各位置での中央に対する組成の比を示している。また、各位置におけるＧａとＩｎの比は、その位置における組成比を示しているが、縦軸は任意単位であって組成そのものを示すものではない。この図に示されるように、ＩｎとＮの組成の変化に応じてＧａＩｎＮＡｓのバンドギャップは１．１９ｅＶから１．３ｅＶまで増大する。このため、電流はバンドギャップの小さい素子の中央部分に狭窄される。面発光レーザでは注入電流密度が高くなると素子中央だけではなく外周部分でも電流密度が閾値電流に達してレーザ発振が可能となり横モードが不安定になるが、本実施例１の素子構造を用いることでこの効果を抑制できる。

図１４は、本発明のＧａＩｎＮＡｓキャリア閉じ込め層を用いた場合と従来のＧａＡｓの均一なキャリア閉じ込め層を用いた場合の素子中央部分での電流密度と外周部分での電流密度の比の注入電流依存性を示す図である。この図１４において、横軸は、注入電流（ｍＡ）を示し、縦軸は、素子中央部分と外周部分の電流密度の比を示している。従来のＧａＡｓキャリア閉じ込め層を用いた場合には、注入電流が低い場合でも素子中央と外周での注入電流密度の比がほとんど１であり、注入電流を２０ｍＡ以上に上げると素子外周部分での注入電流密度が中央部分よりも高くなる。これに対して本実施例１のようにキャリア閉じ込め層の組成を面内で変化させた場合、注入電流が小さい場合には素子中央での注入電流密度が素子外周部分での値と比べて大きくなる。このため、閾値電流が下がる。従来のＧａＡｓキャリア閉じ込め層を用いた面発光レーザでしきい電流が４ｍＡである場合、本発明の面発光レーザでは以下のような理由でしきい電流が約３．５ｍＡとなる。本実施例の場合、図１３に示すように素子中央の組成がほぼ均一な領域の直径が〜４μｍであり波長の数倍あることから素子中央でのレーザ動作が可能である。レーザ発振が起こるためには一定の注入電流密度が必要であるが、図１４から読み取れるように、本発明の面発光型半導体素子では注入電流が３．５ｍＡの時に電流密度の比は素子中央と素子外周部分で１．２２５：１となる。これに対して従来技術の面発光レーザの場合、４ｍＡの電流を注入した時、注入電流密度の素子中央部分と素子外周部分の電流密度の比は１．０３：１である。電流密度の高い領域の面積をｓ１、電流狭窄領域全体の面積をｓ２、本発明の面発光レーザの外周部分での注入電流密度をＩ１、従来技術の面発光レーザの外周部分での注入電流密度をＩ２、本発明でのしきい電流をＰｍＡとすると、本発明の場合ＰｍＡ＝｛ｓ１×１．２２５＋（ｓ２−ｓ１）×１｝×Ｉ１、従来技術の場合４ｍＡ＝｛ｓ１×１．０３＋（ｓ２−ｓ１）×１｝×Ｉ２となり、しきい電流密度が一致することから、１．２２５×Ｉ１＝１．０３×Ｉ２となる。このため、
ＰｍＡ／（ｓ２＋０．２２５ｓ１）＝（１．０３／１．２２５）×｛４ｍＡ／（ｓ２＋０．０３ｓ１）｝・・・（２）
となる。さらに、本実施例の素子の場合電流狭窄領域の直径が７．５μｍで素子中央部分の均一な領域の直径〜４μｍに対して十分大きいので、ＰｍＡ≒１．０３／１．２２５×４ｍＡの関係が成り立つ。また（２）式から明らかなように、本実施例に限らず、素子中央部分の電流密度が周辺部分よりも高ければしきい電流密度が低減できる。

また、注入電流を大きくした時にも、素子の中央での注入電流密度が外周部分よりも大きな状態が維持されるため、注入電流を大きくしても単一横モード動作が維持される。従来のＧａＡｓキャリア閉じ込め層を用いた場合、単一横モード動作の可能な光出力は１．５ｍＷであると、本実施例の場合には、図１４から明らかなように、従来の２倍の電流値である２０ｍＡでも単一横モード動作が可能となり、この時の光出力として３ｍＷが得られる。

本実施例１によれば、中央部付近でバンドギャップが小さくなるようにＧａＩｎＮＡｓの組成を面内方向で選択成長により変化させたキャリア閉じ込め層を面発光レーザに用いるので、注入電流密度を上げても単一横モード動作を安定して維持させることができ、出力の高い面発光レーザを作製することができる。

実施例２では、第２の実施の形態で説明した面発光型半導体素子を面発光レーザに適用した場合の具体例について図８を参照して説明する。本実施例２の面発光型半導体素子は、第２の実施の形態の図８の面発光型半導体素子において、活性層４が、ＧａＡｓからなる光ガイド層４ａ１、ＧａＩｎＮＡｓからなる５層のキャリア閉じ込め層４ｂ、およびＧａＩｎＡｓで埋め込んだＩｎＡｓ量子ドット層よりなる４層の発光層４ｃと、ＧａＡｓよりなる光ガイド層４ａ２によって形成されている。なお、キャリア閉じ込め層４ｂは中央部分の直径５μｍの範囲ではバンドギャップが均一であり、その外側で直径Φ３０μｍの範囲までバンドギャップが１．２ｅＶから１．２７ｅＶに増大するように形成している。

また、第１の上部クラッド層３ｂ１は、１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＣ（炭素）をドープしたＧａＡｓからなり、ＡｌＧａＡｓ層５は、１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上のＣをドープしたＡｌ_0.95Ｇａ_0.05Ａｓ（４５ｎｍ）層、Ａｌ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓ（２０ｎｍ）層、およびＡｌ_0.95Ｇａ_0.05Ａｓ（４５ｎｍ）層の三層で構成され、第２の上部クラッド層３ｂ２は、１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＣをドープしたＧａＡｓからなり、コンタクト層１８は、Ｃを１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上添加したＧａＡｓからなる。ここで、ＡｌＧａＡｓ層５は、電流狭窄領域９が中央から直径６μｍとなるように外側から酸化される。

誘電体多層膜反射鏡層１７は、第１層が５０ｎｍのＳｉＮ層１７ａからなり、その上に１２ペアのＴａ₂Ｏ₅／ＳｉＯ₂からなる。誘電体多層膜反射鏡層１７の第１層としてＳｉＮ層１７ａを設けることによって、Ｔａ₂Ｏ₅の第２の上部クラッド層３ｂ２に与える影響を低減している。また、コンタクト領域１８ａと表面側電極１１は、ｐ型のＰｔ／Ａｕからなり、基板１の裏面の基板側電極１３は、ｎ型のＡｕＧｅＮｉとＡｕの積層体からなる。

ここで、本実施例２の面発光型半導体素子の製造方法について説明する。まず、実施例１と同様にＧａＡｓ基板１上にＭＯＣＶＤ法により半導体多層膜反射鏡層２と下部クラッド層３ａを順次形成する。ついで、通常の選択成長マスク層１４を堆積しリソグラフィとエッチングを用いて直径３０μｍの穴１４ａをあけて選択成長マスク１４ｂを形成する。引き続いて、この選択成長マスク１４ｂを利用して、活性層４、第１の上部クラッド層３ｂ１、ＡｌＧａＡｓ層５、第２の上部クラッド層３ｂ２、コンタクト層１８をＭＯＣＶＤ法により選択成長して形成する。

ついで、選択成長した領域の外周部分３μｍの幅でリソグラフィとエッチングを用いて除去して、選択成長の端部を取り除く。このエッチングでは選択成長した層だけではなくその下の下部クラッド層３ａや半導体多層膜反射鏡層２に達してもよい。ついで、リソグラフィとエッチング法を用いて、コンタクト層１８の電流狭窄領域９に対応する部分を直径８μｍの円形に除去する。この後、電流狭窄領域９に対応する領域の中央から直径２０μｍの外側をエッチングして誘電体多層膜反射鏡層１７、コンタクト層１８、第２の上部クラッド層３ｂ２、ＡｌＧａＡｓ層５、第１の上部クラッド層３ｂ１を除去する。このとき、活性層４、その下の下部クラッド層３ａや半導体多層膜反射鏡層２の一部も除去してもよい。ここで水蒸気酸化法によりＡｌＧａＡｓ層５を端部より４５０℃で所定の時間、酸化して電流狭窄領域９を形成する。

なお、誘電体多層膜反射鏡層１７の蒸着においては、誘電体多層膜反射鏡層１７は第１層としてＳｉＮ層１７ａをプラズマＣＶＤ法により蒸着し、引き続いて、Ｔａ₂Ｏ₅とＳｉＯ₂の多層膜を電子線蒸着で形成する。ついで、誘電体多層膜反射鏡層１７に内径１２μｍ、外径１８μｍのドーナッツ状の貫通孔を開けてコンタクト層１８の一部を露出させて、その上からＰｔ、Ａｕの順に蒸着してコンタクト領域１８ａと表面側電極１１を形成する。この際、電流狭窄領域９に対応する部分に関してはリフトオフ法などの通常の方法でメタルを除去して、光の通過する電極開口部１１ｂを形成する。そして、基板１の裏面にｎ型の基板側電極１３をＡｕＧｅＮｉとＡｕを積層して形成する。

この実施例２においてもＧａＩｎＮＡｓからなるキャリア閉じ込め層４ｂのバンドギャップが外側で大きく内側で小さいために、電流が素子の中央に狭窄されて、実施例１と同様に低閾値で高出力の単一横モード動作が可能となる。また、本実施例２においては、誘電体多層膜反射鏡層１７の厚さは４μｍ以下であるにもかかわらず、９９．７％以上の反射率を有する反射鏡を設計可能である。このような反射率は半導体多層膜反射鏡を用いた場合には、６μｍ以上の結晶成長が必要であり、スループットが低いために本実施例２と比べた場合の製造コストは数倍に上る。

また本実施例２では、ｐ側の電流が半導体のヘテロ接合を積層した半導体多層膜反射鏡２を通過しない構造を用いているので、素子全体の抵抗が小さく、コンタクト層を用いて電極抵抗を下げると素子全体に対する抵抗低減の効果が大きい。また、本実施例２のような面発光型半導体素子では、電極を電流狭窄領域９の周辺に対応する表面に設けているため、半導体多層膜反射鏡を用いる場合と比べて、電流狭窄領域９の直径に対して電流を横方向に広げる役割を果たす第２の上部クラッド層３ｂ２の厚さが薄く、電流が電流狭窄領域９の周辺に集中し易くなってしまうが、本実施例２では、従来の技術と比べて素子の中央への電流集中の効果が大きいので、素子の中で均一に電流を注入することができる。

さらに、本実施例２の面発光型半導体素子では本発明による素子中央への電流狭窄効果が大きいために、誘電体ミラーによる反射鏡の反射率が高い利点を生かすことができ、従来技術であるＧａＡｓキャリア閉じ込め層を用いたときに閾値電流は５ｍＡとなるが、本実施例２では略１／２に下げることができる。また、注入電流を大きくした時にも、素子の中央での注入電流密度が外周部分よりも大きな状態が維持されるため、注入電流を大きくしても単一横モード動作が維持される。そのため、従来のＧａＡｓキャリア閉じ込め層を用いた場合、単一横モード動作の可能な光出力は１ｍＷであるが、本実施例２の構造を用いることで、注入電流密度を高くしても素子中央での電流密度が外周よりも高い状態が保たれ、従来の２倍の電流値である１５ｍＡでも単一横モード動作が可能であり、この時、光出力として２ｍＷが得られる。

実施例３では、第３の実施の形態で説明した面発光型半導体素子を面発光レーザとして用いる場合を例に挙げて、第３の実施の形態で用いた図１０を参照して説明する。

この面発光レーザは、光ガイド層４ａ１，４ａ２は、ＧａＡｓからなり、キャリア閉じ込め層４ｂ１〜４ｂ３は、ＧａＩｎＮＡｓからなり、発光層４ｃ１，４ｃ２は、Ｇａ_0.54Ｉｎ_0.46Ａｓからなる活性層４を有する。ここで、キャリア閉じ込め層４ｂ１〜４ｂ３は、中央の領域では、Ｉｎ組成が０．０２で、Ｎ組成が０．０１４でバンドギャップが１．１４ｅＶであり、外側の領域では、Ｉｎ組成が０．０６で、Ｎ組成が０．００２２でバンドギャップが１．３ｅＶである。

ＡｌＧａＡｓ層５，５ｂの外周部分は酸化されて、中央部分に直径が６μｍの電流狭窄領域９，９ｂが設けられている。表面側電極１１は、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕからなり、基板側電極１３にはｎ型の電極が設けられている。

このような面発光レーザは、第１と第３の実施の形態で説明した手順によって製造されるので、ここでは、具体的な製造方法の説明については省略する。

本実施例３では電流狭窄領域９，９ｂの直径を６μｍとしたが、電流狭窄領域９，９ｂの半径が上側の半導体多層膜反射鏡層６と基板側の半導体多層膜反射鏡層２の薄い方よりも大きいと、電流が電流狭窄領域９，９ｂの外周部分から外側に集中するようになり結果的に光が電流狭窄領域９，９ｂの外周部分から外側に集中するようになり、横モードが不安定な原因となる。しかし、本実施例３によれば、内周部分に電流を集中させることができるので、横モードを安定にすることが可能である。

この実施例３によれば、面発光レーザの活性層４の上下に電流狭窄領域９，９ｂを設けたことにより、低閾値電流動作が可能となる。しかし、上下に電流狭窄領域９，９ｂを設けることで、電流が発光層３ｃ１，３ｃ２の中では広がりにくくなり電流狭窄領域９，９ｂの外縁部分に対応する領域での電流密度が高くなりやすい。このため、従来技術の場合、電流狭窄領域９，９ｂの直径を５μｍ以上とすると素子中央より外側での電流密度が高くなる。しかし、本実施例３を用いると素子中央を流れる電流が大幅に増大し、直径７．５μｍでも中央の電流密度を外側よりも高くすることができる。この結果、本実施例３の面発光レーザでは、１ｍＡの閾値電流で動作し、光出力が２ｍＷ以上の単一横モード動作が可能となる。

実施例４では、第４の実施の形態で説明した面発光型半導体素子を面発光レーザに適用した場合の具体例について図１１を参照して説明する。実施例４の面発光型半導体素子は、実施例１の素子と同様の構造であるが、活性層４は、光ガイド層４ａ１，４ａ２は、Ｇａ_0.98Ｉｎ_0.02Ａｓからなり、キャリア閉じ込め層４ｂ１〜４ｂ３は、ＧａＩｎＮＡｓからなり、発光層４ｃ１，４ｃ２は、Ｇａ_0.6Ｉｎ_0.4Ｎ_0.006Ａｓ_0.994からなる量子井戸構造を有する。キャリア閉じ込め層４ｂ１〜４ｂ３は、中央部分の直径５μｍの範囲では組成がＧａ_0.99Ｉｎ_0.01Ｎ_0.014Ａｓ_0.986でバンドギャップは１．１５ｅＶで均一であり、その外側では直径Φ５０μｍの範囲までＩｎ組成が増大し、Ｎ組成が減少し、組成がＧａ_0.92Ｉｎ_0.08Ｎ_0.0009Ａｓ_0.9991となり、バンドギャップは１．１５ｅＶから１．３ｅＶまで増大する構造を有する。

また、半導体多層膜反射鏡層２，６として、Ａｌ_sＧａ_1-sＡｓ（ｓ＝０．１）とＡｌ_qＧａ_1-qＡｓ（ｑ＝０．９５）を交互に３０層ずつ積層した積層膜を用いた。半導体多層膜反射鏡層６は、発光波長を１．３μｍとすると全体の厚さが５．８μｍであり、イオン注入によりこのうち２μｍ以上を高抵抗化する。この実施例４の面発光型半導体素子では、イオン注入する領域を結晶表面に設けたイオン注入マスクのパターニングにより正確に定めることができる。特に選択成長領域の側面からＡｌＧａＡｓ層を酸化する必要がないので、選択成長領域端部またはこの領域をエッチングしたメサ構造端部に半導体多層膜反射鏡層６を形成した時に生じる異常成長などにより電流狭窄領域９２のサイズが影響を受けることがない。また、選択成長領域の端部またはエッチングしたメサ構造端部の上に成長した結晶に欠陥が発生しても、イオン注入により電極側を高抵抗化するので欠陥の影響が低減できる。

ここで、実施例４の面発光型半導体素子の製造方法について説明する。まず、ＧａＡｓ基板１上に、たとえばＭＯＣＶＤ法によって、半導体多層膜反射鏡層２、ｎ型の導電型の下部クラッド層３ａを成長する。ついで、直径５０μｍの穴のあいたＳｉＯ₂の選択成長マスク１４ｂを形成し、この穴の部分に、活性層４、ｐ型の導電型の上部クラッド層３ｂ、半導体多層膜反射鏡層６、厚さ１０ｎｍでキャリア濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3のＧａＡｓコンタクト層７を順次形成する。ＭＯＣＶＤ法による成長では、Ｉｎ原料としてトリメチルインジウム、Ｇａ原料としてトリメチルガリウムまたはトリエチルガリウム、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム、砒素原料としてアルシンまたはターシャリーブチルアルシン、燐原料としてフォスフィンまたはターシャリーブチルフォスフィンを使用する。また、ｎ型ドーパント原料にはシラン、ｐ型ドーパント原料にはジメチル亜鉛または四臭化炭素を用いることが可能である。特に、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０．１）とＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ（ｙ＝０．９５）を交互に３０層ずつ積層してなる半導体多層膜反射鏡６に関してはドーパントとしてカーボンを用いることが望ましい。これは、ｐ型不純物としてカーボンを用いると高濃度にドープできかつ活性層４へのｐ型不純物の拡散はほとんど起こらないからである。

ここで、半導体多層膜反射鏡層２，６の厚さはレーザ発振させる波長１，３００ｎｍの光に対して光学距離が波長／４となるようにＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．１）層とＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．９５）層の厚さを８９ｎｍと１０４ｎｍにそれぞれ設定する。また、ｎ型の導電型の下部クラッド層３ａ、活性層４、ｐ型の導電型の上部クラッド層３ｂのトータルの光学距離はレーザの発振波長に対してｍ×波長（ｍは整数）となるように設定する。

ついで、ＳｉＯ₂を堆積して通常のリソグラフィ法によりイオン注入のマスクを形成する。プロトン注入により高抵抗領域９１を形成し、イオン注入を行わない部分に電流狭窄領域９２を形成する。ここで、電流狭窄領域９２の径は、横モードの設計事項ではあるが一般的には４〜１０μｍが適正な値となる。プロトンの注入は、注入によるダメージが活性層４に与える影響を低減する上で半導体多層膜反射鏡層６の中だけにとどめることが望ましいが、上部クラッド層３ｂの中まで達してもよい。本実施例４ではプロトンを濃度ピークの位置が表面から４．８μｍの位置となる条件で打ち込んだ。この場合、注入の先端は５．８μｍとなるが、プロトンの注入はプロセス誤差が３％程度あることから、実際のプロトン打ち込みの先端は半導体多層膜反射鏡層６の最も活性層４に近い低屈折率Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ（ｙ＝０．９５）層の中に形成されているかまたは表面側クラッド層３ｂの中に達している可能性がある。ここで、イオン注入のピークの先端との距離とは、ピークと比べ平均濃度が一桁以上小さくなり、イオン注入の効果が小さくなる距離を意味するものとする。このように、イオン注入の先端をＡｌ組成が高いＡｌＧａＡｓ層の内部に設けることで、低抵抗でバンドギャップが小さいＡｌＧａＡｓからの電流の漏洩をより効率よく抑制できる。

なお、イオン注入の前に、電流狭窄領域９１の中央部分を残してコンタクト層７を除去してもよい。コンタクト層７を除去した領域ではコンタクト層７での光吸収の影響を取り除くことができる。このようにコンタクト層７を形成した後に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの表面側電極１１を、レーザ光に対する電極開口部１１ｂを残して蒸着して、コンタクト領域１１ａにオーミック接合を持つｐ側電極を形成する。ここで、電極開口部１１ｂを形成する際のプロセスマージンを０．７５μｍとした。さらに、その後、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕの基板側電極１３を蒸着してｎ型電極を形成する。

イオン注入型の電流狭窄領域９１ではイオン注入の先端が発光層４ｃ１，４ｃ２に達して発光効率を低下させる影響を低減するためにイオン注入先端の深さを発光層４ｃ１，４ｃ２との間にイオン注入深さの数％以上のマージンを設定する必要がある。このため、この領域での電流広がりをふせぐことができない。本実施例４の面発光型半導体素子では本発明による素子中央への電流狭窄効果が大きいために、高抵抗領域９２と発光層４ｃ１，４ｃ２との間で電流が広がる効果を抑制することができ、閾値電流を１０〜２５％低減することができる。イオン注入型の場合、電流狭窄領域９１とその外側で屈折率差が小さく、電流径を一定の大きさに広げることが望ましい。本実施例４では選択成長領域のサイズを３０〜２００μｍの範囲で変えることでキャリア閉じ込め層４ｂ１〜４ｂ３のバンドギャップ傾斜を制御することができ、素子の適正な設計が可能となる。

また、本実施例４では、小口径の、しきい値が低く、光モードの安定性が高い面発光レーザを、酸化型の面発光レーザと比べて信頼性の高いイオン注入型の面発光レーザで再現性および均一性良く得られる点で優れている。

上述した第１〜第４の実施の形態と実施例１〜４では、面発光型半導体素子を面発光レーザに適用した場合を示したが、本発明は面発光レーザに限られるものではない。半導体多層膜構造を有する共鳴型光発光素子にも適用可能である。また、活性層４の中に２〜５層のキャリア閉じ込め層４ｂを設けた場合を示したが、この数は一つ以上あれば、適当な数を選ぶことができる。さらに、活性層４の中に２〜４層の発光層４ｃを設けたが、これも適当な数を選ぶことができる。また、発光波長として１．３μｍの素子を挙げたが、様々な組成を選択することができる。たとえば、１．４〜１．７μｍ帯の（Ｇａ）ＩｎＡｓ量子ドットやＧａＩｎＮＡｓの量子井戸または量子ドットの発光層を選ぶことができる。また、０．９８〜１．２μｍ帯の量子井戸や量子ドットを発光層に選ぶこともできる。この場合発光波長は１．０６μｍよりも長波長であれば、第１の実施の形態で説明した条件（ｓ−２）を満たすのでなお望ましい。この他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の半導体多層膜反射鏡を有する面発光型半導体素子に適用可能である。

また、材料系としてもＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の半導体多層膜に限られるものではなく、ＧａＡｌＩｎＰ／ＧａＩｎ（Ａｌ）Ｐ系材料、Ｉｎ（Ａｌ）ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ系材料、ＩｎＰ／ＡｌＩｎＡｓ系材料、ＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ系材料、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系材料を用いた半導体多層膜を用いた面発光型半導体素子、またはこれらの材料に、ＮやＳｂなどを添加した半導体の組み合わせ、ＧａＳｂとＩｎＡｓまたはＧａＳｂとＧａＡｌＳｂの組み合わせまたはこれらの材料をベースとして、各種III族元素またはＶ族元素を加えた半導体多層膜反射鏡を用いる面発光型半導体素子に対して本発明の適用が可能である。また、ＭＯＣＶＤ法の原料は各実施例中に記載の原料に限られるものではなく、各種原料及びその組み合わせが可能である。例えば各実施例の中で示した各原料については組み合わせを変えて用いることができる。また、窒素の原料としてはアンモニア、モノメチルヒドラジンを用いることも可能である。

さらに、上述した第１〜第４の実施の形態と実施例１〜４では、発行層の上下にキャリア閉じ込め層を設ける場合を示しているが、発光層のいずれか一方の側にキャリア閉じ込め層を設けるようにした構造であってもよい。

以上のように、本発明にかかる面発光型半導体素子は、面発光レーザに有用である。

本発明による面発光型半導体素子の第１の実施の形態の構造を模式的に示す断面図である。 面発光型半導体素子の製造方法の一例を模式的に示す断面図である（その１）。 面発光型半導体素子の製造方法の一例を模式的に示す断面図である（その２）。 面発光型半導体素子の製造方法の一例を模式的に示す断面図である（その３）。 面発光型半導体素子の製造方法の一例を模式的に示す断面図である（その４）。 面発光型半導体素子の製造方法の一例を模式的に示す断面図である（その５）。 面発光型半導体素子の製造方法の一例を模式的に示す断面図である（その６）。 面発光型半導体素子の製造方法の一例を模式的に示す断面図である（その７）。 面発光型半導体素子の製造方法の一例を模式的に示す断面図である（その８）。 面発光型半導体素子の製造方法の一例を模式的に示す断面図である（その９）。 成長温度が６２０℃のときのＧａＩｎＮＡｓ中のＩｎ組成に対するＮの添加効率の変化を示す図である。 常圧ＭＯＣＶＤ法を用いて６２０℃でＧａＩｎＡｓを成長させた場合のマスク端部からの距離に対するＩｎ組成の関係を示す図である。 ＧａＩｎＮＡｓのＩｎ組成に対する６０ｍｅＶのエネルギギャップを生じるＮ組成の関係を示す図である。 キャリア閉じ込め層を均一な材料で形成した場合における電流狭窄領域の径に対する中央の電流密度／外周部の電流密度の関係の従来例を示す図である。 第１の実施の形態で形成したキャリア閉じ込め層に組成の傾斜を持たせた場合における平均電流密度に対する中央の電流密度／外周部の電流密度の関係を示す図である。 本発明による面発光型半導体素子の第２の実施の形態の構造を模式的に示す断面図である。 この第２の実施の形態の面発光型半導体素子の製造方法の手順の一例を示す断面図である（その１）。 この第２の実施の形態の面発光型半導体素子の製造方法の手順の一例を示す断面図である（その２）。 この第２の実施の形態の面発光型半導体素子の製造方法の手順の一例を示す断面図である（その３）。 本発明による面発光型半導体素子の第３の実施の形態の構造を模式的に示す断面図である。 本発明による面発光型半導体素子の第４の実施の形態の構造を模式的に示す断面図である。 本発明の面発光レーザの実施例１の構造を模式的に示す断面図である。 実施例１の面発光レーザにおける電流狭窄領域の中央に対応する領域から選択成長マスクの端部に向かう動径方向のＩｎ組成分布、Ｎ組成分布およびバンドギャップの変化の様子を示す図である。 本実施例１のキャリア閉じ込め層を用いた場合と従来のＧａＡｓの均一なキャリア閉じ込め層を用いた場合の素子中央部分での電流密度と外周部分での電流密度の比の注入電流依存性を示す図である。

符号の説明

１ 基板
２，６ 半導体多層膜反射鏡層
３a 下部クラッド層
３ｂ，３ｂ１，３ｂ２ 上部クラッド層
４ 活性層
４ａ１，４ａ２ 光ガイド層
４ｂ，４ｂ１〜４ｂ３ キャリア閉じ込め層
４ｃ，４ｃ１，４ｃ２ 発光層
４ｅ 外周部分
５，５ｂ ＡｌＧａＡｓ層
５ｓ 酸化アルミニウム領域
７，１８ コンタクト層
７ａ コンタクト層開口部
９，９ｂ 電流狭窄領域
１０ パッシベーション膜
１１ 表面側電極
１１ａ，１８ａ コンタクト領域
１１ｂ 電極開口部
１３ 基板側電極
１４ 選択成長マスク
１４ａ 穴
１４ｂ 選択成長マスク
１７ 誘電体多層膜反射鏡層
１７ａ ＳｉＮ層
９１ 高抵抗領域
９２ 電流狭窄領域

Claims (6)

1. 基板と、
   電子と正孔の結合によって発光する一層以上の発光層と、該発光層に電子または正孔を閉じ込め、前記発光層の前記基板側または前記基板と反対側に設けられるキャリア閉じ込め層と、を含む前記基板上に設けられる活性層と、
   前記活性層を挟持し、前記基板の主面に対して垂直方向の共振器を形成する、前記活性層と前記基板との間に形成される基板側反射鏡層および前記活性層に対して前記基板と反対側に形成される表面側反射鏡層と、
   前記活性層に電流を注入するための一対の電極と、
   前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極と前記活性層との間に前記活性層に近接して形成され、前記電極からの電流を前記活性層の所定の領域に流す電流狭窄構造を有する電流狭窄部と、
   を備える面発光型半導体素子であって、
   前記キャリア閉じ込め層は、その面内方向中央部分でバンドギャップが小さく、外周部分に向かってバンドギャップが大きくなる構造を有することを特徴とする面発光型半導体素子。
2. 基板と、
   一層以上の井戸層と該井戸層に接して形成される障壁層とからなる量子井戸構造を有する前記基板上に設けられる活性層と、
   前記活性層を挟持し、前記基板の主面に対して垂直方向の共振器を形成する、前記活性層と前記基板との間に形成される基板側反射鏡層および前記活性層に対して前記基板と反対側に形成される表面側反射鏡層と、
   前記活性層に電流を注入するための一対の電極と、
   前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極と前記活性層との間に前記活性層に近接して形成され、前記電極からの電流を前記活性層の所定の領域に流す電流狭窄構造を有する電流狭窄部と、
   を備える面発光型半導体素子であって、
   少なくとも前記障壁層の一層は、その面内方向中央部分でバンドギャップが小さく、外周部分に向かってバンドギャップが大きくなる構造を有することを特徴とする面発光型半導体素子。
3. 前記キャリア閉じ込め層または前記障壁層は、Ａｌ_1-x-yＧａ_xＩｎ_yＡｓ_1-r-sＳｂ_sＮ_r（０≦１−ｘ−ｙ＜１、０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜１−ｒ−ｓ＜１、０＜ｒ＜１、０≦ｓ＜１）であり、その中央部分でＮの組成がその外周部分よりも高く、その外周部分でＩｎの組成がその中央部分よりも高い組成分布を層内に有することを特徴とする請求項１または２に記載の面発光型半導体素子。
4. 前記Ｉｎ組成ｙは、前記外周部分で０．０１〜０．１５であり、前記Ｎ組成ｒは、前記中央部分で０．００８〜０．０１５であることを特徴とする請求項３に記載の面発光型半導体素子。
5. 前記表面側反射鏡層は、誘電体多層膜反射鏡層で構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の面発光型半導体素子。
6. 電子と正孔の結合によって発光する発光層、および該発光層に電子または正孔を閉じ込め、前記発光層の前記基板側または前記基板と反対側に設けられる、その面内方向中央部分でバンドギャップが小さく、外周部分に向かってバンドギャップが大きくなる構造を有するキャリア閉じ込め層を含む活性層を挟持し、基板の主面に対して垂直方向の共振器を形成するように前記活性層と前記基板との間および前記活性層に対して前記基板と反対側に形成される一対の反射鏡層を備える面発光型半導体素子の製造方法であって、
   前記一対の反射鏡層のうち一方の反射鏡層が形成された基板上の所定の位置が覆われない選択成長マスクを形成する第１の工程と、
   前記選択成長マスクを用いて、１／６ａｔｍよりも大きい第１の圧力下でＭＯＣＶＤ法で前記キャリア閉じ込め層を形成する第２の工程と、
   前記選択成長マスクを用いて、前記第１の圧力の１／３より小さい第２の圧力下でＭＯＣＶＤ法で前記発光層を形成する第３の工程と、
   を含み、前記第２と前記第３の工程を繰り返して、前記活性層を作製することを特徴とする面発光型半導体素子の製造方法。

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