JP2007180279A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光検出機構を内蔵しているにも拘わらず、光からフォトカレントへの変換効率の高い半導体発光素子を提供する。
【解決手段】第２半導体積層構造２０は、ｎ型低屈折率層２１および光吸収層２２をこの順に積層してなる一組の半導体層と、ｐ型高屈折率層２３および光吸収層２２をこの順に積層してなる一組の半導体層とを交互に積層して構成される。互いに隣り合うｎ型低屈折率層２１、光吸収層２２およびｐ型高屈折率層２３がＰＩＮ接合、すなわち光検出機構（光検出器２４）を構成する。基板１０上に積層された第２半導体積層構造２０からｎ型ＤＢＲ層３８までの各半導体層がレーザ発振用の共振器５０を構成しており、光検出機構が共振器５０に内蔵されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光光を検出するための光検出機構を内蔵する半導体発光素子に関する。

従来より、光ファイバや、光ディスクなどの用途の半導体発光装置には、これに組み込まれた半導体発光素子の光出力レベルを一定にする目的の一環として、半導体発光素子の発光光を検出する光検出機構が設けられている。この光検出機構は、例えば、発光光の一部を分岐させる反射板と、この分岐した発光光を検出する光検出器とにより構成することも可能である。ところが、このような構成では、部品点数が多くなるだけでなく、反射板や、光検出器を半導体発光素子に対して高精度に配置しなければならない。そこで、そのような問題を解決する方策の１つとして、半導体発光素子に光検出機構を内蔵させることが考えられる。

例えば、図７に示したように、特許文献１に記載の面発光型半導体レーザは、基板１１０上に、ｎ型半導体層１１１、ノンドープのＤＢＲ層１１２、ｐ型半導体層１１３、発光領域１１４Ａを含む活性層１１４、ｎ型ＤＢＲ層１１５およびｎ型コンタクト層１１６をこの順に積層して構成される。この面発光型半導体レーザでは、ＤＢＲ層１１２、活性層１１４およびｎ型ＤＢＲ層１１５がレーザ発振する共振器１２０を構成するが、この共振器１２０内のＤＢＲ層１１２は、レーザ発振用のミラーとしての機能だけでなく、光吸収機能をも有する。また、ノンドープなＤＢＲ層１１２を間にしてｎ型半導体層１１１およびｐ型半導体層１１３が設けられていることから、この面発光型半導体レーザはｎ型半導体層１１１、ＤＢＲ層１１２およびｐ型半導体層１１３からなる光検出器１３０を、共振器１２０のミラー構造を乱すことなく共振器１２０と一体化したものであるといえる。

なお、この面発光型半導体レーザは、レーザ発振用の電極と、光検出器１３０用の電極を共用する構造となっており、その共用の電極１１７は、ｎ型コンタクト層１１６から活性層１１４まで選択的にエッチングすることにより形成されたｐ型半導体層１１３の露出部分に形成されている。レーザ発振用の他方の電極１１８はｎ型コンタクト層１１６のうち発光領域１１４Ａと対応する領域以外の領域に形成され、光検出器１３０用の他方の電極１１９はｐ型半導体層１１３およびＤＢＲ層１１２を選択的にエッチングすることにより形成されたｎ型半導体層１１１の露出部分に形成されている。

この面発光型半導体レーザでは、電極１１７，１１８から活性層１１４に電流が注入されると、活性層１１４の発光領域１１４Ａにおいて生じた発光光により誘導放出が繰り返される結果、レーザ発振が生じ、所定の波長の光がビームとして開口部Ｗ１００から射出される。このとき、アンドープのＤＢＲ層１１２で共振器１２０内の誘導放出光の一部が吸収され、キャリアが生成される。ＤＢＲ層１１２内で生成されたキャリアはｎ型半導体層１１１およびｐ型半導体層１１３を介して電気信号（フォトカレント）として出力される。

特表平９−５０７３３９

このように、特許文献１に記載の面発光型半導体レーザは光検出器１３０を内蔵したものであるが、ＤＢＲ層１１２は低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層して構成したものであるので、凹凸のあるバンド構造となる。そのため、ＤＢＲ層１１２内で光吸収によって生じたキャリアはｎ型半導体層１１１およびｐ型半導体層１１３に到達するまでにポテンシャルの凹凸を乗り越えなければならない。ところが、全てのキャリアがその凹凸を乗り越えることができる訳ではなく、一部のキャリアはｎ型半導体層１１１およびｐ型半導体層１１３に到達するまでに再結合してしまうので、その分だけ光からフォトカレントへの変換効率が低下してしまう。

このように、従来は、半導体発光素子に光検出機構を内蔵させると変換効率が低下してしまうという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、光検出機構を内蔵しているにも拘わらず、光からフォトカレントへの変換効率の高い半導体発光素子を提供することにある。

本発明の半導体発光素子は、一体的に形成された第１半導体積層構造および第２半導体積層構造を備えたものである。第１半導体積層構造は、発光領域を有する活性層と、第１ｐ型半導体層と、第１ｎ型半導体層とを有しており、活性層は第１ｐ型半導体層および第１ｎ型半導体層の間に設けられている。第２半導体積層構造は、第２ｐ型半導体層および第２ｎ型半導体層を一組としてそれを複数組積層して構成されたものである。

本発明の半導体発光素子では、活性層に注入された電子と正孔が再結合することにより発光領域から光子が発生し、その結果、発光光が積層方向に射出される。このとき、積層方向に射出された光の一部は第２半導体積層構造に入射するので、その一部は各第２ｐ型半導体層および各第２ｎ型半導体層が互いに接する界面およびその近傍に形成される光吸収領域で吸収され、キャリアが生成される。このキャリアは各光吸収領域内に存在するポテンシャルの単調な勾配に従って移動し、各第２ｐ型半導体層および各第２ｎ型半導体層を介してフォトカレントとして出力される。つまり、本発明の半導体発光素子は光検出機構を内蔵している。

本発明の半導体発光素子によれば、第２ｐ型半導体層および第２ｎ型半導体層を一組としてそれを複数組積層して構成された第２半導体積層構造を第１半導体積層構造に一体的に形成するようにしたので、各第２ｐ型半導体層および各第２ｎ型半導体層が互いに接する界面およびその近傍に形成される光吸収領域にはポテンシャルの凹凸はなく、ポテンシャルの単調な勾配が形成される。これにより、光検出機構を内蔵しているにも拘わらず、光からフォトカレントへの変換効率を高くすることができる。

ここで、各光吸収領域における光吸収効率は、各光吸収領域の合計厚さが極端に薄くなると低下する虞があるので、各光吸収領域の合計厚さが十分厚くなるように、第２ｐ型半導体層および第２ｎ型半導体層との間に大きな逆バイアスを印加することが好ましい。ただし、第２ｐ型半導体層および第２ｎ型半導体層との間にノンドープ半導体層を設けた場合には、ノンドープ半導体層が光吸収領域の一部を構成し、これにより各光吸収領域の合計厚さが十分厚くなるので、第２ｐ型半導体層および第２ｎ型半導体層との間に大きな逆バイアスを印加しなくても、光吸収効率が低下する虞はない。このように、第２ｐ型半導体層および第２ｎ型半導体層との間に大きな逆バイアスを印加したり、第２ｐ型半導体層および第２ｎ型半導体層との間にノンドープ半導体層を設けた場合には、光吸収効率が低下する虞がないので、光からフォトカレントへの変換効率を極めて高くすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る面発光型半導体レーザ１（半導体発光素子）の断面構成を表すものである。図２は、図１の面発光型半導体レーザ１の第２半導体積層構造２０およびその近傍を拡大して表すものである。図３は、図１の面発光型半導体レーザ１の上面図である。なお、図１ないし図３は、模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。

この面発光型半導体レーザ１は、基板１０上に、第２半導体積層構造２０および第１半導体積層構造３０をこの順に積層すると共に、これら第２半導体積層構造２０および第１半導体積層構造３０を一体に形成して構成したものである。この面発光型半導体レーザ１は、発光光を開口部Ｗ（後述）から外部に射出すると共に、開口部Ｗから射出された光の出力レベルに応じた電気信号（フォトカレント）をｐ側電極２７，ｎ側電極２８（後述）から出力するようになっている。すなわち、この面発光型半導体レーザ１は、上記電気信号を利用することにより発光光の出力レベルを制御することを可能とするものである。ここで、ｐ側電極２７は本発明の「第１金属部」の一例に、ｎ側電極２８は本発明の「第２金属部」の一例にそれぞれ相当する。

（第２半導体積層構造２０）
第２半導体積層構造２０は、ｎ型低屈折率層２１および光吸収層２２をこの順に積層してなる一組の半導体層と、ｐ型高屈折率層２３および光吸収層２２をこの順に積層してなる一組の半導体層とを交互に積層すると共に、ｎ型低屈折率層２１およびｐ型高屈折率層２３のいずれか一方であって最上組に含まれる導電型と反対の導電型層をその上に積層して構成したものを、基板１０上に配置したものである。図１および図２では、最上層にｐ型高屈折率層２３を配置した場合を例示しているが、後述する絶縁層３１の絶縁性があまり高くない場合は、最上層にｎ型低屈折率層２１を配置することが好ましい。この第２半導体積層構造２０は、一方の側面に傾斜面Ｓ１を有し、他方の側面に傾斜面Ｓ２を有する。ここで、ｎ型低屈折率層２１は本発明の「第２ｎ型半導体層」の一例に、ｐ型高屈折率層２３は本発明の「第２ｐ型半導体層」の一例に、光吸収層２２は本発明の「ノンドープ半導体層」の一例にそれぞれ相当する。

なお、符号の先頭が「ｎ型」となっているものはｎ型不純物を含有し、符号の先頭が「ｐ型」となっているものはｐ型不純物を含有していることをそれぞれ意味する。ｎ型不純物としては、例えばケイ素（Ｓｉ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）またはスズ（Ｓｎ）などが挙げられる。ｐ型不純物としては、亜鉛（Ｚｎ）、カーボン（Ｃ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）またはカドミウム（Ｃｄ）などが挙げられる。

基板１０は、例えばｎ型ＧａＡｓ基板からなる。各ｎ型低屈折率層２１は、例えば厚さが１００ｎｍのｎ型Ａｌ_x1Ｇａ_1-x1Ａｓ（０＜ｘ１＜１）からなる。Ａｌ組成比ｘ１は、発光波長λに相当するエネルギー以上のバンドギャップとなる範囲内の値となっている。各ｎ型低屈折率層２１は、積層方向に垂直な面内の一の方向に突き出た突出部２１Ａを有すると共に、その突出部２１Ａを介してｎ側電極２８に電気的に共通接続されている。この突出部２１Ａは第２半導体積層構造２０の傾斜面Ｓ２に形成されている。各ｐ型高屈折率層２３は、例えば厚さが１００ｎｍのｎ型Ａｌ_x2Ｇａ_1-x2Ａｓ（０＜ｘ２＜ｘ１）からなる。Ａｌ組成比ｘ２は、Ａｌ組成比ｘ１と同様、発光波長λに相当するエネルギー以上のバンドギャップとなる範囲内の値となっている。各ｐ型高屈折率層２３は、積層方向に垂直な面内の他の方向に突き出た突出部２３Ａを有すると共に、その突出部２３Ａを介してｐ側電極２７に電気的に共通接続されている。この突出部２３Ａは第２半導体積層構造２０の傾斜面Ｓ１に形成されている。

ｐ側電極２７は、例えば厚さが１μｍの金（Ａｕ）からなり、各突出部２３Ａを介して各ｐ型高屈折率層２３に電気的に接続されている。ｎ側電極２８は、例えば厚さが１μｍの金（Ａｕ）からなり、各突出部２１Ａを介して各ｎ型低折率層２１に電気的に接続されている。互いに隣り合う突出部２１Ａの間には例えば幅が１４０ｎｍの溝２５が形成されており、他方、互いに隣り合う突出部２３Ａの間には溝２６が形成されている。

各光吸収層２２は、例えば厚さが２０ｎｍのノンドープのＧａＡｓからなり、発光波長λに相当するエネルギーより小さなバンドギャップを有している。各光吸収層２２は、隣接するｎ型低屈折率層２１およびｐ型高屈折率層２３の間に形成されており、隣接するｎ型低屈折率層２１およびｐ型高屈折率層２３と共にＰＩＮ接合を構成している。なお、各光吸収層２２は、ｐ側電極２７およびｎ側電極２８のいずれか一方または両方の電極に接していてもよいし、ｐ側電極２７およびｎ側電極２８のいずれにも接しないようになっていてもよい。

各光吸収層２２は、上記したように、隣接するｎ型低屈折率層２１およびｐ型高屈折率層２３と共にＰＩＮ接合を構成しているので、第２半導体積層構造２０は、そのＰＩＮ接合を、ＮＩＰ，ＰＩＮ，ＮＩＰ，………，ＮＩＰと積層方向に重ね合わせて構成されていることとなる。従って、光が各ＰＩＮ接合を構成する光吸収層２２に入射すると、入射した光は各光吸収層２２に吸収され、キャリアに変換されたのち、各光吸収層２２に隣接するｐ型高屈折率層２３およびｎ型低屈折率層２１を介して電気信号（フォトカレント）として出力されるようになっている。つまり、第２半導体積層構造２０中の各ＰＩＮ接合が一の光検出機構を構成している。そこで、この光検出機構を光検出部２４と称する。

また、各光検出部２４は、ｐ側電極２７およびｎ側電極２８に並列に共通接続されているので、全ての光検出部２４と、ｐ側電極２７およびｎ側電極２８とが一の光検出機構を構成しているともいえる。そこで、この光検出機構を光検出器２９と称する。

各光吸収層２２は単一の半導体材料で構成されており、その内部に互いに組成比の異なる材料などを意図的に配列していないことから、その内部に屈折率分布を有しない。そのため、各光吸収層２２には、キャリアが移動する際に障害となり得るポテンシャルの凹凸が存在せず、ポテンシャルの単調な勾配だけが存在することとなるので、光吸収層２２において発生したキャリアは各光吸収層２２に存在するポテンシャルの単調な勾配に従って移動して、そのほとんど全てが隣接するｐ型高屈折率層２３およびｎ型低屈折率層２１に到達することが可能となっている。そのため、各光検出部２４（または光検出器２９）の、光からフォトカレントへの変換効率は極めて高い。

ところで、第２半導体積層構造２０は、低屈折率層（ｎ型低屈折率層２１）と高屈折率層（ｐ型高屈折率層２３）とを交互に配置して構成されていることから、多層膜反射鏡としての機能も有する。ここで、ｎ型低屈折率層２１および光吸収層２２をこの順に積層してなる一組の半導体層、およびｐ型高屈折率層２３および光吸収層２２をこの順に積層してなる一組の半導体層の光学厚さはそれぞれ、例えばλ／４となっているので、第２半導体積層構造２０は、発光波長λの光を開口部Ｗ側に高反射率で反射することができる。従って、第２半導体積層構造２０は、光をフォトカレントに変換する機能だけでなく、多層膜反射鏡としての機能も有する。

（第１半導体積層構造３０）
第１半導体積層構造３０は、第２半導体積層構造２０上に、絶縁層３１、ｐ型コンタクト層３２、ｐ型ＤＢＲ層３３、電流狭窄層３４、ｐ型クラッド層３５、中央部分に発光領域３６Ａを有する活性層３６、ｎ型クラッド層３７、ｎ型ＤＢＲ層３８およびｎ型コンタクト層３９をこの順に積層したのち、ｎ型コンタクト層３９からｐ型ＤＢＲ層３３までを選択的にエッチングすることにより形成されたものであり、例えば円柱状のメサ部４０を構成している。ｎ型コンタクト層３９上にはｎ型電極４１が、ｐ型コンタクト層３２のうちメサ部４０の周辺部分に露出している表面にはｐ側電極４２がそれぞれ形成されている。ここで、ｐ型コンタクト層３２、ｐ型ＤＢＲ層３３、電流狭窄層３４およびｐ型クラッド層３５は本発明の「第１ｐ型半導体層」の一例に相当し、ｎ型クラッド層３７、ｎ型ＤＢＲ層３８およびｎ型コンタクト層３９は本発明の「第１ｎ型半導体層」の一例に相当する。

絶縁層３１は、例えば、光学厚さがλ／４のノンドープのＡｌ_x3Ｇａ_1-x3Ａｓ（０＜ｘ３＜１）と、光学厚さがλ／４のノンドープのＡｌ_x4Ｇａ_1-x4Ａｓ（０＜ｘ４＜ｘ３）とを１組として、それを複数組積層して構成されたものである。この絶縁層３１は、第２半導体積層構造２０と同様、低屈折率層（Ａｌ_x3Ｇａ_1-x3Ａｓ）と高屈折率層（Ａｌ_x4Ｇａ_1-x4Ａｓ）とを交互に配置していることから、第１半導体積層構造３０と第３半導体積層構造２０とを電気的に分離するだけでなく、発光波長λの光を開口部Ｗ側に高反射率で反射する多層膜反射鏡の一部としても機能する。

ｐ型コンタクト層３２は、例えば、光学厚さがλ／４のｐ型ＧａＡｓにより構成される。このように、絶縁層３１は、λ／４の光学厚さを有することから、ｐ側電極４２とオーミック接触する機能を有するだけでなく、発光波長λの光を開口部Ｗ側に高反射率で反射する多層膜反射鏡の一部としても機能する。

ｐ型ＤＢＲ層３３は、低屈折率層（図示せず）および高屈折率層（図示せず）を１組として、それを複数組積層して構成されたものである。この低屈折率層は、例えば、光学厚さがλ／４のｐ型Ａｌ_x5Ｇａ_1-x5Ａｓ（０＜ｘ５＜１）、高屈折率層は、例えば、光学厚さががλ／４のｐ型Ａｌ_x6Ｇａ_1-x6Ａｓ（０＜ｘ６＜ｘ５）によりそれぞれ形成されている。このｐ型ＤＢＲ層３３は、ｐ型コンタクト層３２、絶縁層３１および第２半導体積層構造２０と共に、発光波長λの光を開口部Ｗ側に高反射率で反射する多層膜反射鏡としての機能を有する。

電流狭窄層３４は、外縁領域に電流狭窄領域３４ｂを有しており、中央領域に円形状の電流注入領域３４ａを有する。電流注入領域３４ａは、例えば、ＡｌＡｓにより構成され、積層方向から見て例えば円形状となっている。電流狭窄領域３４ｂは、例えば、メサ部４０の側面側からＡｌＡｓ中のＡｌを酸化することにより得られたＡｌ₂ Ｏ₃ （酸化アルミニウム）を含んで構成され、積層方向から見て例えばドーナツ形状となっている。これにより、電流狭窄層３４はｐ側電極４２およびｎ側電極４１から注入された電流を狭窄する機能を有する。

ｐ型クラッド層３５は、例えば、ｐ型Ａｌ_x7Ｇａ_1-x7Ａｓ（０＜ｘ７＜１）により構成される。活性層３６は、例えば、量子井戸層（図示せず）と障壁層（図示せず）とを交互に積層してなる多重量子井戸構造を有しており、アンドープのＧａＡｓからなる量子井戸層と、アンドープのＡｌ_x8Ｇａ_1-x8Ａｓ（０＜ｘ８＜１）からなる障壁層とを一組として、それを複数組積層して構成される。この活性層３６は、電流注入領域３４ａと対向する領域に発光領域３６Ａを有する。なお、活性層３６は、多重量子井戸構造以外の構造、例えば単一量子井戸構造やバルク構造を有するものであってもよい。ｎ型クラッド層３７は、例えば、ｎ型Ａｌ_x9Ｇａ_1-x9Ａｓ（０＜ｘ９＜１）により構成される。

ｎ型ＤＢＲ層３８は、低屈折率層（図示せず）および高屈折率層（図示せず）を１組として、それを複数組積層して構成されたものである。低屈折率層は、例えば光学厚さがλ／４のｎ型Ａｌ_x10 Ｇａ_1-x10 Ａｓ（０＜ｘ１０＜１）、高屈折率層は、例えば光学厚さがλ／４のｎ型Ａｌ_x11 Ｇａ_1-x11 Ａｓ（０＜ｘ１１＜ｘ１０）によりそれぞれ形成されている。

ここで、ｎ型ＤＢＲ層３８は、ｐ型ＤＢＲ層３３、ｐ型コンタクト層３２、絶縁層３１および第２半導体積層構造２０からなる多層膜反射鏡と共に、一対の多層膜反射鏡を構成しているので、ｐ型ＤＢＲ層３３等からなる多層膜反射鏡、ｐ型クラッド層３５、活性層３６、ｎ型クラッド層３７ならびにｎ型ＤＢＲ層３８によって、波長λでレーザ発振する共振器５０が構成されていることとなる。従って、光検出器２９は共振器５０のミラー構造を乱すことなく、共振器５０に内蔵されていることがわかる。

ｎ型コンタクト層３９は、例えば、ｎ型ＧａＡｓにより構成される。ｎ側電極４１は、例えば、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金層，ニッケル（Ｎｉ）層および金（Ａｕ）層とをこの順に積層して構成されたものであり、ｎ型コンタクト層３９と電気的に接続されている。このｎ側電極４１は、発光領域３６Ａに対応する領域に開口部Ｗが設けられており、例えばドーナツ形状となっている。ｐ側電極４２は、例えばチタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）をこの順に積層した構造を有しており、ｐ型コンタクト層３２と電気的に接続されている。

このような構成を有する面発光型半導体レーザ１は、例えば、次のようにして製造することができる。

図４（Ａ），（Ｂ）ないし図６（Ａ），（Ｂ）はその製造方法を工程順に表したものである。面発光型半導体レーザ１を製造するためには、例えばｎ型ＧａＡｓからなる基板１０上にＡｌＧａＡｓ系化合物半導体を、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ：有機金属気相成長）法により形成する。この際、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン (ＡｓＨ₃)を用いる。

具体的には、まず、基板１０上に、ｎ型低屈折率層２１および光吸収層２２をこの順に積層してなる一組の半導体層と、ｐ型高屈折率層２３および光吸収層２２をこの順に積層してなる一組の半導体層とを交互に積層すると共に、ｎ型低屈折率層２１およびｐ型高屈折率層２３のいずれか一方であって最上組に含まれる導電型と反対の導電型層（ｐ型高屈折率層２３）をその上に積層する（図４（Ａ））。これにより、第２半導体積層構造２０が形成される。続いて、ｐ型高屈折率層２３上に、絶縁層３１、ｐ型コンタクト層３２、ｐ型ＤＢＲ層３３、ＡｌＡｓ層３４Ｄ、ｐ型クラッド層３５、中央部分に発光領域３６Ａを有する活性層３６、ｎ型クラッド層３７、ｎ型ＤＢＲ層３８およびｎ型コンタクト層３９をこの順に積層する。なお、ＡｌＡｓ層３４Ｄは、酸化処理されることにより電流狭窄層３４となる層であり、電流注入領域３４ａと同様の組成を有する。

次に、ｎ型コンタクト層３９からｐ型ＤＢＲ層３３までを選択的にエッチングすると共に、ｐ型コンタクト層３２の一部を露出させる（図４（Ｂ））。これにより、例えば円柱状のメサ部４０が形成されると共に、ｐ側電極４２を形成するための領域が形成される。続いて、メサ部４０、ｐ型コンタクト層３２および絶縁層３１上にマスク（図示せず）を形成したのち、第２半導体積層構造２０のうちマスク以外の領域を選択的にエッチングする。これにより、第２半導体積層構造２０の側面が傾斜面Ｓ１，Ｓ２となる。その後、マスクを除去する。

次に、水蒸気雰囲気中において、高温で酸化処理を行い、ＡｌＡｓ層３４Ｄに高濃度に含まれるＡｌを選択的に酸化する（図５（Ａ））。これによりＡｌＡｓ層３４Ｄのうち中央領域以外の領域（外縁領域）がＡｌ₂ Ｏ₃ を含む絶縁層となる。すなわち、外縁領域に電流狭窄領域３４ｂが形成され、中央領域が電流注入領域３４ａとなる。これにより、電流狭窄層３４が形成される。

次に、第２半導体積層構造２０の側面のうち一の方向以外の領域にマスク（図示せず）を形成したのち、例えばフッ酸系溶液を用いてｎ型低屈折率層２１および光吸収層２２を選択的にエッチングする（図５（Ｂ））。これにより、ｐ型高屈折率層２３がエッチングされずに残り、第２半導体積層構造２０の側面のうち一の方向に突出部２３Ａが複数形成されると共に、互いに隣り合う突出部２３Ａの間に溝２５が形成される。その後、マスクを除去する。

次に、第２半導体積層構造２０の側面のうち他の方向以外の領域にマスクＭ１を形成したのち、例えばアンモニア系溶液を用いてｐ型高屈折率層２３および光吸収層２２を選択的にエッチングする（図６（Ａ））。これにより、ｎ型低屈折率層２１がエッチングされずに残り、第２半導体積層構造２０の側面のうち他の方向に突出部２１Ａが複数形成されると共に、互いに隣り合う突出部２１Ａの間に溝２６が形成される。その後、マスクを除去する。

次に、第２半導体積層構造２０の傾斜面Ｓ１，Ｓ２以外の領域にマスクＭ２を形成したのち、例えば蒸着法を用いて、第２半導体積層構造２０の傾斜面Ｓ１，Ｓ２にＡｕを積層する（図６（Ｂ））。これにより、各ｐ型高屈折率層２３に電気的に接続されたｐ側電極２７と、各ｎ型高屈折率層２１に電気的に接続されたｎ側電極２８とがそれぞれ形成される。このとき、Ａｕの厚さを溝２５，２６の幅よりも厚く形成することにより、溝２５，２６で段切れが生じることがなく、また、溝２５，２６がＡｕで埋まることもない。その後、マスクを除去する。

次に、ｎ型コンタクト層３９上にｎ側電極４１を形成すると共に、ｐ型コンタクト層３２上にｐ側電極４２を形成する（図１）。このようにして、本実施の形態の面発光型半導体レーザ１が製造される。

この面発光型半導体レーザ１では、ｐ側電極４２とｎ側電極４１との間にそれぞれ所定の電位差の電圧が印加されると、電流狭窄層３４により電流狭窄された電流が活性層３６の利得領域である発光領域３６Ａに注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この発光光により共振器５０内で誘導放出が繰り返される結果、所定の波長でレーザ発振が生じ、その光がビームとして開口部Ｗから射出される。

また、共振器５０には複数の光検出部２４を有する光検出器２９が内蔵されているので、共振器５０内の誘導放出光の一部は、各光検出部２４の光吸収層２２で吸収され、キャリアが生成されたのち、各光検出部２４のｐ型高屈折率層２３およびｎ型低屈折率層２１を介してフォトカレントとして出力される。ここで、各光検出部２４は、ｐ側電極２７およびｎ側電極２８に並列に共通接続されているので、各光検出部２４から出力されたフォトカレントの総和がｐ側電極２７およびｎ側電極２８から出力される。

このとき、各光吸収層２２には、上記したように、キャリアの移動の障害となり得るポテンシャルの凹凸が存在せず、ポテンシャルの単調な勾配だけが存在するので、各光吸収層２２において発生したキャリアは各光吸収層２２に存在するポテンシャルの単調な勾配に従って移動して、そのほとんど全てが隣接するｐ型高屈折率層２３およびｎ型低屈折率層２１に到達することができる。そのため、光検出器２９を内蔵しているにも拘わらず、光検出器２９の光からフォトカレントへの変換効率は極めて高い。

また、ｐ型高屈折率層２３およびｎ型低屈折率層２１との間に大きな逆バイアスを印加して、各光吸収層２２のポテンシャルの勾配を大きくすることにより、バンドギャップを狭くして、光吸収層２２での光吸収効率を高くすることもできる。これにより、光からフォトカレントへの変換効率を極めて高くすることができる。なお、逆バイアスの大きさに応じてポテンシャルの勾配が変化する性質を利用して、各光吸収層２２での光吸収をオン、オフしたり、光吸収量を制御することも可能である。

ここで、各光吸収層２２の厚さが極めて薄い場合には、各光が光吸収層２２を透過する割合が大きくなり、各光吸収層２２での光吸収効率が低下する。しかし、各光吸収層２２の薄さに応じて光検出部２４の数を調整すことにより、光が光検出器２９のうち発光領域３６Ａに近い側の光吸収層２２を透過した場合であっても、いずれは、どこかの光吸収層２２でその光を吸収させることが可能となる。これにより、光検出器２９全体としての光吸収効率の低下を防止することができるので、光からフォトカレントへの変換効率を極めて高くすることができる。

また、従来のようにレーザ発振用の共振器とは別個独立に光検出器が設けられている場合には、光検出器専用に半導体層を積層しなければならないので、面発光型半導体レーザが全体として厚くなり、光検出器の分だけ製造工程のスループットが悪化する。また、共振器から漏れ出てきた極めて微弱な光を検出しなければならないので、微弱な光を検出するための様々な工夫も必要であった。ところが、本実施の形態では、光検出器２９はレーザ発振用の共振器５０に内蔵されているので、光検出器２９専用に半導体層を積層する必要がなく、面発光型半導体レーザを薄型化することができ、光検出器の分だけ製造工程のスループットが向上する。また、容易に光を検出することができるので、先の例のような微弱な光を検出するための様々な工夫をする必要はない。

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

例えば、上記実施の形態では、絶縁層３１およびｐ型コンタクト層３２は多層膜反射鏡の一部を構成していたが、これらの層の厚さを極めて厚くするなどして、絶縁層３１およびｐ型コンタクト層３２が多層膜反射鏡として機能しないようにしてもよい。このようにした場合には、ｐ型ＤＢＲ層３３から見て絶縁層３１およびｐ型コンタクト層３２の外側に配置されている光検出器２９は多層膜反射鏡としての機能が低下したり、失われるので、光検出器２９は共振器５０に内蔵されたものとはいえなくなる場合もあり得る。しかし、上記実施の形態と同様、各光吸収層２２にはキャリアの移動の障害となり得るポテンシャルの凹凸が存在せず、ポテンシャルの単調な勾配だけが存在する。従って、絶縁層３１およびｐ型コンタクト層３２が多層膜反射鏡として機能しないようにした場合であっても、光検出器２９を内蔵しているにも拘わらず、光検出器２９の光からフォトカレントへの変換効率は依然として高い。

また、上記実施の形態では、第２半導体積層構造２０は光吸収層２２を有していたが、光吸収層２２を有していなくてもよい。ただし、この場合には、ｐ型高屈折率層２３およびｎ型低屈折率層２１との間に逆バイアスを印加して、ｐ型高屈折率層２３およびｎ型低屈折率層２１との間に光吸収機能を有する空乏層を形成することが必要となる。

また、上記実施の形態では、各光検出器２４はｐ側電極２７およびｎ側電極２８に電気的に並列に共通接続されていたが、互いに電気的に分離された別個の電極に接続されていてもよい。この場合には、各光検出器２４の出力を独立に取り出すことができるので、これらの出力に基づく様々な解析や測定が可能となる。

また、上記実施の形態では、半導体材料をＡｌＧａＡｓ系化合物半導体により構成した場合について説明したが、ＧａＩｎＰ系（赤系）半導体や、ＧａＮ系（青緑色系）半導体などにより構成されていてもよい。

また、上記実施の形態では、本発明を面発光型半導体レーザに適用した場合について説明したが、他の半導体発光素子、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）に対してももちろん適用可能である。

また、本発明は、上記実施の形態で例示した製造方法に限定されるものではなく、他の製造方法であってもよい。

本発明の一実施の形態に係る面発光型半導体レーザの断面構成図である。 図１の面発光型半導体レーザの要部を拡大して表す断面構成図である。 図１の面発光型半導体レーザの上面図である。 面発光型半導体レーザの製造工程を説明するための断面図である。 図４に続く工程を表す断面図である。 図５に続く工程を表す断面図である。 従来の面発光型半導体レーザの断面構成図である。

符号の説明

１…面発光型半導体レーザ、１０…基板、２０…第２半導体積層構造、２１…ｎ型低屈折率層、２１Ａ，２３Ａ…突出部、２２…光吸収層、２３…ｐ型高屈折率層、２４…光検出部、２５，２６…溝、２７，４２…ｐ側電極、２８，４１…ｎ側電極、２９…光検出器、３０…第１半導体積層構造、３１…絶縁層、３２…ｐ型コンタクト層、３３…ｐ型ＤＢＲ層、３４…電流狭窄層、３４ａ…電流狭窄領域、３４ｂ…電流注入領域、３４Ｄ…ＡｌＡｓ層、３５…ｐ型クラッド層、３６…活性層、３６Ａ…発光領域、３７…ｎ型クラッド層、３８…ｎ型ＤＢＲ層、３９…ｎ型コンタクト層、４０…メサ部、５０…共振器、Ｓ１，Ｓ２…傾斜面、Ｗ…開口部。

Claims (6)

1. 発光領域を有する活性層と、前記活性層を間にして設けられた第１ｐ型半導体層および第１ｎ型半導体層とを有する第１半導体積層構造と、
   第２ｐ型半導体層および第２ｎ型半導体層を一組としてそれを複数組積層してなり、前記第１半導体積層構造に一体的に形成された第２半導体積層構造と
   を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記第２半導体積層構造は、前記第２ｐ型半導体層と前記第２ｎ型半導体層との間にノンドープ半導体層を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記第２ｐ型半導体層および前記第２ｎ型半導体層は、互いに異なる屈折率を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
4. 前記第１ｐ型半導体層および前記第１ｎ型半導体層はいずれも、屈折率が互いに異なる２つの層を１組として、それを複数組積層して構成され、
   前記第１半導体積層構造および前記第２半導体積層構造は、全体として所定の波長で共振する共振器として機能する
   ことを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
5. 各第２ｐ型半導体層は、第１金属部に電気的に共通接続され、
   各第２ｎ型半導体層は、第２金属部に電気的に共通接続されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
6. 各第２ｐ型半導体層は積層方向に垂直な面内の所定の方向に突き出た突出部を有し、前記第１金属部は各第２ｐ型半導体層の突出部と電気的に接続され、
   各第２ｎ型半導体層は積層方向に垂直な面内の、各第２ｐ型半導体層の突出部とは異なる方向に突き出た突出部を有し、前記第２金属部は各第２ｎ型半導体層の突出部と電気的に接続されている
   ことを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
   

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