JP2014022523A - 面発光レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性が高い面発光レーザ素子を提供すること。
【解決手段】光共振器を構成する第１の反射鏡および第２の反射鏡と、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間に配置された活性層と、前記第２の反射鏡と前記活性層との間に配置され、電流注入部と選択酸化熱処理によって前記電流注入部の外周に形成された選択酸化層とを有する電流狭窄層と、前記活性層と前記電流狭窄層との間に配置され、前記活性層からオーバーフローした少数キャリアに対してエネルギー障壁となるキャリア障壁層と、を備える面発光レーザ素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光レーザ素子に関するものである。

選択酸化層を含む電流狭窄層を用いた面発光レーザ素子が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。選択酸化層は、アルミニウム（Ａｌ）を含むＡｌ含有半導体層をメサポスト構造の外周側から選択酸化熱処理することによって形成される。Ａｌ含有半導体層の選択酸化された領域では、Ａｌが酸化されて絶縁体であるＡｌ_２Ｏ_３が形成され、その内側にはＡｌ含有半導体層が残存して電流経路が形成される。これによって、電流狭窄構造が実現される。

特開２０１１−１４７９３号公報

面発光レーザ素子の実使用においては、信頼性が高いことが要求されている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、信頼性が高い面発光レーザ素子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、本発明に係る面発光レーザ素子は、光共振器を構成する第１の反射鏡および第２の反射鏡と、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間に配置された活性層と、前記第２の反射鏡と前記活性層との間に配置され、電流注入部と選択酸化熱処理によって前記電流注入部の外周に形成された選択酸化層とを有する電流狭窄層と、前記活性層と前記電流狭窄層との間に配置され、前記活性層からオーバーフローした少数キャリアに対してエネルギー障壁となるキャリア障壁層と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記キャリア障壁層と前記活性層側で隣接する半導体層よりもバンドギャップエネルギーが高い半導体材料からなることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記半導体層よりもＡｌ組成が高い半導体材料からなることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記キャリア障壁層は、選択酸化熱処理によって前記電流狭窄層を形成するためのＡｌ含有半導体層よりも酸化レートが低くなるように、前記Ａｌ組成および／または層厚が設定されていることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記キャリア障壁層のＡｌ組成は前記Ａｌ含有半導体層のＡｌ組成と同じまたはより高いことを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記キャリア障壁層の層厚は２０ｎｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記キャリア障壁層は、前記光共振器内でレーザ光が形成する光の定在波の節の位置に配置されることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記キャリア障壁層は、前記定在波の節のうち、前記活性層側から１番目の節の位置に配置されることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記電流狭窄層は、前記定在波の節のうち、前記活性層側から２番目の節の位置に配置されることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記電流狭窄層と前記キャリア障壁層とは層厚方向において１００ｎｍ以上離れていることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記少数キャリアは電子であり、前記キャリア障壁層はｐ型にドーピングされていることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記キャリア障壁層の少数キャリア濃度は、前記半導体層の少数キャリア濃度よりも１桁以上高いことを特徴とする。

本発明によれば、信頼性が高い面発光レーザ素子を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。 図２は、キャリア障壁層が無い面発光レーザ素子のエネルギーバンドおよびキャリアの流れを示す図である。 図３は、実施の形態１に係る面発光レーザ素子のエネルギーバンドおよびキャリアの流れを示す図である。 図４は、さまざまなＡｌ組成および層厚を持つＡｌＧａＡｓ層の酸化レートを示す図である。 図５は、実施の形態２に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。 図６は、実施の形態２に係る面発光レーザ素子のエネルギーバンドおよびキャリアの流れを示す図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る面発光レーザ素子の実施の形態を詳細に説明する。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。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。図１に示すように、面発光レーザ素子１００は、面方位（００１）のｎ型ＧａＡｓからなる基板１上に積層された、第１の反射鏡として機能するアンドープの下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）ミラー２、ｎ型コンタクト層３、ｎ側電極４、ｎ型クラッド層５、活性層６、ｐ型クラッド層７、キャリア障壁層８、ｐ型スペ−サ層９、電流狭窄層１０、ｐ型スペーサ層１１、ｐ型コンタクト層１２、ｐ側電極１３、位相調整層１４、および第２の反射鏡として機能する上部誘電体ＤＢＲミラー１５を備える。

ｐ型コンタクト層１２およびｎ型コンタクト層３は、下部ＤＢＲミラー２と上部誘電体ＤＢＲミラー１５との間に配置されている。活性層６は、下部ＤＢＲミラー２と上部誘電体ＤＢＲミラー１５との間に配置されている。電流狭窄層１０は、ｐ型コンタクト層１２と活性層６との間に配置されている。キャリア障壁層８は、電流狭窄層１０と活性層６との間に配置されている。ｐ型スペーサ層９、１１は、それぞれキャリア障壁層８と電流狭窄層１０との間、および電流狭窄層１０とｐ型コンタクト層１２との間に介挿されている。ｐ側電極１３はｐ型コンタクト層１２上に形成され、ｎ側電極４はｎ型コンタクト層３上に形成されている。

ｎ型クラッド層５からｐ型コンタクト層１２までの積層構造は、エッチング処理等によって柱状に成形されたメサポストＭとして形成されている。メサポスト径はたとえば直径３０μｍである。また、ｎ型コンタクト層３はメサポストＭの外周側に延設している。また、下部ＤＢＲミラー２と上部誘電体ＤＢＲミラー１５とは光共振器を構成している。

下部ＤＢＲミラー２は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に積層されたアンドープＧａＡｓバッファ層（不図示）上に形成される。下部ＤＢＲミラー２は、低屈折率層として機能するＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層と、高屈折率層として機能するＧａＡｓ層とを１ペアとする複合半導体層がたとえば４０．５ペア積層された、周期構造を有する半導体多層膜ミラーとして形成されている。下部ＤＢＲミラー２の複合半導体層を構成する各層の層厚は、λ／４ｎ（λ：レーザ発振波長、ｎ：屈折率）である。たとえば、λが１．０６μｍの場合、Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層の層厚は約８８ｎｍであり、ＧａＡｓ層の層厚は約７６ｎｍである。

ｎ型コンタクト層３およびｎ型クラッド層５は、ｎ型ＧａＡｓを材料として形成される。

ｐ型クラッド層７は、ｐ型ＡｌＧａＡｓを材料として形成される（たとえば、Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓが望ましい）。ｐ型スペーサ層９、１１は、ｐ型ＡｌＧａＡｓを材料として形成される。ｐ型コンタクト層１２は、ｐ型ＧａＡｓを材料として形成される。

ｐ型クラッド層７、ｐ型スペーサ層９、１１のキャリア濃度は、ｐ型ドーパントによる吸収損失の増加を防ぐため、たとえば３×１０^１７ｃｍ^−３程度となっている。また、ｎ型クラッド層５、ｎ型コンタクト層３、ｐ型コンタクト層１２のキャリア濃度はたとえばそれぞれ１×１０^１８ｃｍ^−３、２×１０^１８ｃｍ^−３、３×１０^１９ｃｍ^−３程度である。

下部ＤＢＲミラー２と上部誘電体ＤＢＲミラー１５とに挟まれたｎ型コンタクト層３、ｎ型クラッド層５、ｐ型クラッド層７、およびｐ型スペ−サ層９、１１は、活性層６の位置に光共振器内でレーザ光が形成する光の定在波の腹が形成され、キャリア障壁層８および電流狭窄層１０の位置に定在波の節が形成されるように調整されている。

電流狭窄層１０は、電流注入部としての開口部１０ａと電流狭窄部としての選択酸化層１０ｂとから構成されている。開口部１０ａはＡｌ_１−ｘＧａ_ｘＡｓ（０≦ｘ＜０．１）からなり、選択酸化層１０ｂは（Ａｌ_１−ｘＧａ_ｘ）_２Ｏ_３からなる。なお、ｘはたとえば０．０２である。

電流狭窄層１０は、Ａｌ_１−ｘＧａ_ｘＡｓからなるＡｌ含有半導体層を選択酸化熱処理することによって形成される。すなわち、選択酸化層１０ｂは、このＡｌ含有半導体層がメサポストＭの外周部から積層面に沿って所定範囲だけ酸化されることで、開口部１０ａの外周にリング状に形成されている。選択酸化層１０ｂは、絶縁性を有し、ｐ側電極１３から注入される電流を狭窄して開口部１０ａ内に集中させることで、開口部１０ａの直下における活性層６に注入される電流密度を高める機能を有する。開口部１０ａの開口径はたとえば６μｍであるが、高速動作と信頼性の観点では、たとえば４μｍ〜１５μｍが好ましい。さらに、高次の横モード発振を抑制するためには、たとえば４μｍ〜８μｍがさらに好ましい。

キャリア障壁層８は、キャリア障壁層８を挟むｐ型クラッド層７およびｐ型スペーサ層９よりもＡｌ組成が高いｐ型ＡｌＧａＡｓを材料として形成される。たとえば、ｐ型クラッド層７およびｐ型スペーサ層９がＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる場合、キャリア障壁層８はＡｌ組成ｙが０．３（３０％）より高いＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓからなる。

活性層６は、井戸層と障壁層とが交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）層の両側を分離閉じ込め（Separate Confinement Heterostructure）層で挟んだＭＱＷ−ＳＣＨ構造を有する。なお、井戸層は所望の波長の光を放出するように選択される材料からなり、たとえばＧａＩｎＡｓ系の半導体材料からなる。障壁層はたとえばＧａＡｓからなる。この活性層６は、ｐ側電極１３から注入されて電流狭窄層１０によって狭窄された電流により、たとえば１．０μｍ〜１．１μｍ（１．０μｍ帯とする）の波長の光を含む自然放出光を発するようにその半導体材料の組成および層厚が設定されている。

上部誘電体ＤＢＲミラー１５は、低屈折率層として機能するＳｉＯ₂層と、高屈折率層として機能するＳｉＮｘ層とを１ペアとする複合誘電体層がたとえば９ペア積層された、周期構造を有する誘電体多層膜ミラーとして形成されており、下部ＤＢＲミラー２と同様に各層の層厚がλ／４ｎとされている。

ｐ側電極１３は、ｐ型コンタクト層１２の外延に沿ってリング状に形成されている。一方、ｎ側電極４は、メサポストＭの外周側に延設したｎ型コンタクト層３の延設部分の表面に形成され、メサポストＭの周囲を取り囲むようにＣ字状に形成されている。

位相調整層１４は、ＳｉＮｘなどの誘電体からなり、上部誘電体ＤＢＲミラー１５の直下に形成されている。この位相調整層１４は、その層厚の調整によって、ｐ型コンタクト層１２が光の定在波の節に位置し、上部誘電体ＤＢＲミラー１５の最下面が定在波の腹に位置するように調整する機能を有する。

つぎに、この面発光レーザ素子１００の動作について説明する。はじめに、不図示のレーザ制御器が、ｐ側電極１３とｎ側電極４との間にバイアス電圧および変調電圧を印加し電流を注入する。ｐ側のキャリア（ホール）は、ｐ型コンタクト層１２では層内を紙面横方向に流れ、その後ｐ型スペーサ層１１を通過し、電流狭窄層１０の開口部１０ａ内に集中して密度が高められた状態で、活性層６に注入される。一方、ｎ側のキャリア（電子）については、ｎ側電極４からｎ型コンタクト層３、ｎ型クラッド層５を通過して、活性層６に注入される。

このように、本実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００は、ｐ側のキャリアおよびｎ側のキャリアのいずれもが、ＤＢＲミラーを経由しないで活性層に注入される、いわゆるダブルイントラキャビティ構造を有する。

キャリアが注入された活性層６は、自然放出光を発生する。発生した自然放出光は、活性層６の光増幅作用と光共振器の作用とによって、１．０μｍ波長帯のいずれかの波長においてレーザ発振する。その結果、この面発光レーザ素子１００は、上部誘電体ＤＢＲミラー１５上から変調信号を含むレーザ信号光を出力する。レーザ発振時には光共振器内にはレーザ光の定在波が形成されている。

ここで、本発明者らが、信頼性が高い面発光レーザ素子を実現すべく鋭意検討を行ったところ、従来構成の面発光レーザ素子においては、活性層に注入された電子がオーバーフローして選択酸化層に到達し、面発光レーザ素子の信頼性を低下させる場合が有ることを発見した。

図２は、キャリア障壁層が無い以外は実施の形態１に係る面発光レーザ素子と同様の構成を有する面発光レーザ素子のエネルギーバンドおよびキャリアの流れを示す図である。符号ＶＢは価電子帯、符号ＣＢは伝導帯を示している。また、活性層６は、井戸層と障壁層とが交互に積層したＭＱＷ層６ｂと、ＭＱＷ層６ｂを挟むｎ側ＳＣＨ層６ａ、ｐ側ＳＣＨ層６ｃとで構成されている。

ｐ側から注入されたホールＨとｎ側から注入された電子Ｅ１とはそれぞれ活性層６に注入されるが、電子Ｅ１の一部である電子Ｅ２は、活性層６からオーバーフローし、少数キャリアとしてｐ型半導体層に流れ、選択酸化層１０ｂに到達する。電子Ｅ２は選択酸化層１０ｂ近傍においてホールＨの一部と非発光再結合する場合がある。

ここで、選択酸化層１０ｂは、Ａｌが酸化して酸化物が形成される際の体積収縮に起因して、内部に応力歪が発生し、歪応力が周辺に及んでいる。このため、選択酸化層１０ｂ近傍でキャリアの非発光再結合が生じると、その周辺の半導体結晶の欠陥の増殖が誘発される。このような結晶欠陥の増殖は素子の信頼性を低下させ、さらには、結晶欠陥が活性層６まで到達すると素子が故障する場合がある。

これに対して、図３は、実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００のエネルギーバンドおよびキャリアの流れを示す図である。図３に示すように、面発光レーザ素子１００では、活性層６と選択酸化層１０ｂとの間にキャリア障壁層８が配置されている。キャリア障壁層８は、電子Ｅ２が選択酸化層１０ｂに到達するのを抑制または防止するエネルギー障壁として機能する。これによって、電子Ｅ２の選択酸化層１０ｂ近傍における非発光再結合、および非発光再結合に起因する結晶欠陥の増殖が抑制または防止される。その結果、面発光レーザ素子１００の信頼性は大幅に向上する。

特に、面発光レーザ素子１００の高出力化のために駆動電流密度として５ｋＡ／ｃｍ^２程度以上の比較的大きな電流を注入する場合は、オーバーフローする電子Ｅ２の量も多くなる。そのため、電子Ｅ２が選択酸化層１０ｂに到達するのをキャリア障壁層８によって抑制または防止することによる、素子の信頼性を向上させる効果はよりいっそう顕著になる。

つぎに、キャリア障壁層８の好ましい特性について説明する。まず、キャリア障壁層８の伝導帯の下端（Conduction Band Minimum：ＣＢＭ）のエネルギーレベルがキャリア障壁層８と活性層６側で隣接する半導体層（面発光レーザ素子１００ではｐ型クラッド層７）のＣＢＭのエネルギーレベルよりも高いことが、電子に対するエネルギー障壁となるために好ましい。たとえば、キャリア障壁層８のバンドギャップエネルギーをｐ型クラッド層７のバンドギャップエネルギーよりも大きくすれば、キャリア障壁層８のＣＢＭのエネルギーレベルをｐ型クラッド層７のＣＢＭのエネルギーレベルよりも高くすることが容易にできる。なお、上述したように、キャリア障壁層８がｐ型クラッド層７よりもＡｌ組成が高いｐ型ＡｌＧａＡｓを材料として形成されることによって、キャリア障壁層８のバンドギャップエネルギーがｐ型クラッド層７のバンドギャップエネルギーよりも大きくなる。さらに、ｐ型ＡｌＧａＡｓのＡｌ組成が高い方が、バンドギャップエネルギーを大きくできるので、電子に対する障壁効果を高くすることができる。電子に対する障壁効果を高める観点では、ｐ型クラッド層７とキャリア障壁層８との伝導帯でのヘテロ障壁の高さΔＥｃは大きいほど良いが、目安として室温の熱エネルギー（約２６ｍｅＶ）よりも十分大きい１００ｍｅＶ程度以上にするとよい。たとえば、ｐ型クラッド層７およびｐ型スペーサ層９がＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓの場合、キャリア障壁層８のＡｌ組成ｙが０．４１より高いＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓとすると、ΔＥｃが１００ｍｅＶ以上となるので電子に対する障壁効果を得ることができる。更にキャリア障壁層８のＡｌ組成ｙを０．７程度にすると、ΔＥｃが約４００ｍｅＶ程度と大きいため、電子に対する非常に大きな障壁効果を得ることが可能である。ここで、伝導帯と価電子帯のバンドオフセット比はΔＥｃ：ΔＥｖ＝０．６５：０．３５を用いた。

また、キャリア障壁層８がｐ型になるようにドーピングを行うことによって、フェルミ面が移動するため、キャリア障壁層８のＣＢＭのエネルギーレベルがよりいっそう高くなって電子Ｅ２に対する障壁効果を高めることができる。また、ＣＢＭのエネルギーレベルが高くなるのに伴って、価電子帯の上端（Valence Band Maximum：ＶＢＭ）のエネルギーレベルも高くなるので、多数キャリアとしてのホールＨに対する障壁効果を小さくすることができる。その結果、ホールＨを活性層６に注入する際の電気抵抗が小さくなる。ｐ型のドーピングとしては、たとえば亜鉛（Ｚｎ）やカーボン（Ｃ）やマグネシウム（Ｍｇ）等のｐ型ドーパントを、約１×１０^１８ｃｍ^−３またはそれ以上のキャリア濃度となるようにドーピングすればよい。

ただし、キャリア障壁層８のＡｌ組成が高い場合は、電流狭窄層１０を形成するためのＡｌ含有半導体層を選択酸化熱処理して選択酸化層１０ｂを形成する際に、キャリア障壁層８もメサポストＭの外周側から選択酸化される場合がある。キャリア障壁層８が電流狭窄層１０の開口部１０ａよりも内側まで酸化されてしまうと、電流狭窄層１０の開口部１０ａにより形成される電流経路の障害となるおそれ、および信頼性低下を引き起こすおそれがある。このような問題を避けるために、キャリア障壁層８の酸化レートはＡｌ含有層の酸化レートよりも低いことが好ましい。

キャリア障壁層８の酸化レートをＡｌ含有層の酸化レートよりも低くするためには、キャリア障壁層８のＡｌ組成をＡｌ含有層のＡｌ組成よりも低くする、および／または、キャリア障壁層８の層厚をＡｌ含有層の層厚よりも薄くするのが好ましい。

図４は、さまざまなＡｌ組成および層厚を持つＡｌＧａＡｓ層を水蒸気雰囲気中において約４５０℃で熱処理を行って酸化反応させた場合の酸化レートを示す図である。図４に示すように、ＡｌＧａＡｓ層において、Ａｌ組成を低くする、および／または、層厚を薄くすることによって、酸化レートを低くすることができる。
図４に示すようにＡｌ組成を９４％以下にすると酸化レートが非常に低くなるため、Ａｌ含有半導体層との間で酸化レートに差がつけやすい。

また、図４に示すように、酸化レートは層厚が２０ｎｍ以下では急激に低くなるので、キャリア障壁層８の層厚を２０ｎｍ以下として、Ａｌ含有半導体層の層厚をキャリア障壁層８の層厚よりも厚くすれば、キャリア障壁層８とＡｌ含有半導体層との間で酸化レートに差をつけやすいので好ましい。なお、酸化レートに必要な差をつけることができるのであれば、キャリア障壁層８のＡｌ組成をＡｌ含有層のＡｌ組成と同じまたはそれ以上としてもよい。また、キャリア障壁層８の層厚は、１０ｎｍ以上であれば、障壁機能を十分に発揮できるので好ましい。一方、Ａｌ含有半導体層の層厚としては、たとえば２０ｎｍ〜６０ｎｍとすることができる。

なお、開口部１０ａと、キャリア障壁層８において選択酸化された領域との面方向における距離が、５μｍ程度以上離れていれば、選択酸化された領域が開口部１０ａを流れる電流に悪影響をおよぼすことがより確実に防止され好ましい。たとえば、キャリア障壁層８の酸化レートがＡｌ含有半導体層の酸化レートの１／２以下であれば、開口部１０ａと、キャリア障壁層８において選択酸化された領域との面方向における距離を容易に離すことができるので好ましい。

つぎに、キャリア障壁層８および電流狭窄層１０の好ましい配置について説明する。上述したように、キャリア障壁層８および電流狭窄層１０は、下部ＤＢＲミラー２と上部誘電体ＤＢＲミラー１５とで構成される光共振器内でレーザ光が形成する光の定在波の節の位置に配置されている。光強度が弱い節の位置にキャリア障壁層８を配置することによって、キャリア障壁層８が高濃度にｐ型にドーピングされたとしても、光吸収のあるｐ型ドーパントによる光吸収損失に起因する閾値電流上昇や発光効率低下が抑制される。

また、電流狭窄層１０についても、多数キャリアとしてのホールＨの障壁となることを抑制するためにｐ型にドーピングする場合が多いが、定在波の節の位置に配置されることによって、上記と同様に、閾値電流上昇や発光効率低下が抑制される。また、電流狭窄層１０が定在波の節の位置に配置されることによって、電流狭窄層１０による横方向の光閉じ込め効果が過度に強くなることが防止され、高次の横モードの発振が抑制される。

さらに、活性層６側から定在波の１番目の節の位置（活性層６の中心からλ／４ｎ離れた位置）にキャリア障壁層８を配置し、２番目の節の位置（活性層６の中心から３λ／４ｎ離れた位置）に電流狭窄層１０を配置することが好ましい。これによって、活性層６と電流狭窄層１０とが近接して電流狭窄の効果がより効果的に発揮されるとともに、面発光レーザ素子１００の共振器長を短くすることができるので、光子寿命が小さくなり、より高速な応答特性を実現することができる。

また、このようにキャリア障壁層８と電流狭窄層１０が離隔していれば、電流狭窄層１０の応力歪のキャリア障壁層８への影響が小さいので、キャリア障壁層８近傍での非発光再結合による結晶欠陥の増殖が抑制されるので好ましい。なお、電流狭窄層１０の層厚が３０ｎｍの場合、応力歪のおよぶ範囲は層厚方向の中心から１００ｎｍ程度の距離の範囲内である。波長λを１０６０ｎｍ、屈折率ｎを３．５とした場合に、上記のように活性層６の中心からλ／４ｎ（約７０ｎｍ）離れた位置にキャリア障壁層８を配置し、活性層６の中心から３λ／４ｎ（約２１０ｎｍ）離れた位置に電流狭窄層１０を配置した場合、キャリア障壁層８と電流狭窄層１０との層厚方向の距離は約１４０ｎｍである。この場合、キャリア障壁層８（更に厳密にいうとキャリア障壁層８の活性層６側の境界面）は電流狭窄層１０の応力歪のおよぶ距離（たとえば１００ｎｍ）以上に電流狭窄層１０から離れているので好ましい。

以上説明したように、本実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００は、信頼性が高いものである。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。図５に示すように、面発光レーザ素子２００は、図１に示す面発光レーザ素子１００において、キャリア障壁層８をキャリア障壁層２８に置き換えた構成を有する。

キャリア障壁層２８は、キャリア障壁層２８を挟むｐ型クラッド層７およびｐ型スペーサ層９と同じｐ型ＡｌＧａＡｓを材料として形成されるが、ｐ型クラッド層７およびｐ型スペーサ層９よりも高濃度にｐ型にドーピングされている。キャリア障壁層２８のキャリア濃度は、ｐ型クラッド層７およびｐ型スペーサ層９のキャリア濃度より大きければ少数キャリアとしての電子に対するエネルギー障壁作用があるが、十分な効果を得るには１桁程度以上高い値にするとよい。例えばキャリア濃度が３×１０^１８ｃｍ^−３程度となるようにｐ型にドーピングしてよい。キャリア障壁層２８のキャリア濃度が高いほど障壁効果は高まるが、一方で光の吸収損失は増加する。高いキャリア濃度でも吸収損失を抑えるためには、キャリア障壁層２８をレーザ光が形成する光の定在波の節に配置したり、ドーピングプロファイルをできるだけ急峻にしたりするとよい。吸収損失が許容されるのであれば、キャリア障壁層２８のキャリア濃度は１×１０^２０ｃｍ^−３程度まで増加させてもよい。

キャリア障壁層２８のバンドギャップエネルギーは、ｐ型クラッド層７およびｐ型スペーサ層９と同じである。しかしながら、キャリア障壁層２８が高濃度にｐ型にドーピングされていることによって、フェルミ面が移動するため、キャリア障壁層２８のＣＢＭのエネルギーレベルがｐ型クラッド層７およびｐ型スペーサ層９のＣＢＭのエネルギーレベルよりも高くなる。これによって、キャリア障壁層２８は少数キャリアとしての電子に対するエネルギー障壁効果を発揮する。

図６は、実施の形態２に係る面発光レーザ素子のエネルギーバンドおよびキャリアの流れを示す図である。図６に示すように、キャリア障壁層２８は、電子Ｅ２に対しては選択酸化層１０ｂに到達するのを抑制または防止するエネルギー障壁として機能するが、多数キャリアとしてのホールＨが活性層６に注入される際の障壁とはならない。したがって、ホールＨを活性層６に注入する際の電気抵抗が高くならないので好ましい。

なお、本発明は、イントラキャビティ構造でない面発光レーザ素子にも適用できる。すなわち、活性層に注入されるキャリアが、下部ＤＢＲミラーおよび／または上下部ＤＢＲミラーのそれぞれを経由して活性層に注入される構造の面発光レーザ素子にも本発明は適用できる。

また、上記実施の形態では、活性層の下部にｎ型半導体層が配置され、活性層の上部にｐ型半導体層が配置されているが、活性層の上部にｎ型半導体層が配置され、活性層の下部にｐ型半導体層が配置されていてもよい。

また、上記実施の形態では、キャリア障壁層は活性層に対してｐ型半導体層側に配置され、少数キャリアとしての電子に対するエネルギー障壁となっているが、キャリア障壁層を活性層に対してｎ型半導体層側に配置し、少数キャリアとしてのホールに対するエネルギー障壁として機能させてもよい。この場合、たとえばキャリア障壁層をｎ型にドーピングすることによって、ホールに対する障壁効果を高くできる。

また、上記実施の形態では、１．０μｍ波長帯用にその化合物半導体の材料、サイズ等が設定されている。しかしながら、各材料やサイズ等は、所望のレーザ光の発振波長に応じて適宜設定されるものであり、特に限定はされない。たとえば、各半導体層を構成する半導体材料としてＩｎＰ系の材料を用いてもよい。この場合、Ａｌ含有層やキャリア障壁層はＩｎＡｌＡｓ層で構成することができる。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１ 基板
２ 下部ＤＢＲミラー
３ ｎ型コンタクト層
４ ｎ側電極
５ ｎ型クラッド層
６ 活性層
７ ｐ型クラッド層
８、２８ キャリア障壁層
９、１１ ｐ型スペーサ層
１０ 電流狭窄層
１０ａ 開口部
１０ｂ 選択酸化層
１２ ｐ型コンタクト層
１３ ｐ側電極
１４ 位相調整層
１５ 上部誘電体ＤＢＲミラー
１００、２００ 面発光レーザ素子
ＣＢ 伝導帯
Ｅ１、Ｅ２ 電子
Ｈ ホール
Ｍ メサポスト
ＶＢ 価電子帯

Claims (13)

1. 光共振器を構成する第１の反射鏡および第２の反射鏡と、
   前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間に配置された活性層と、
   前記第２の反射鏡と前記活性層との間に配置され、電流注入部と選択酸化熱処理によって前記電流注入部の外周に形成された選択酸化層とを有する電流狭窄層と、
   前記活性層と前記電流狭窄層との間に配置され、前記活性層からオーバーフローした少数キャリアに対してエネルギー障壁となるキャリア障壁層と、
   を備えることを特徴とする面発光レーザ素子。
2. 前記キャリア障壁層は、前記キャリア障壁層と前記活性層側で隣接する半導体層よりもバンドギャップエネルギーが高い半導体材料からなることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
3. 前記キャリア障壁層と、前記半導体層との伝導帯のエネルギー障壁差が１００ｍｅＶ以上であることを特徴とする請求項２に記載の面発光レーザ素子。
4. 前記キャリア障壁層は、前記半導体層よりもＡｌ組成が高い半導体材料からなることを特徴とする請求項２または３に記載の面発光レーザ素子。
5. 前記キャリア障壁層は、選択酸化熱処理によって前記電流狭窄層を形成するためのＡｌ含有半導体層よりも酸化レートが低くなるように、前記Ａｌ組成および／または層厚が設定されていることを特徴とする請求項４に記載の面発光レーザ素子。
6. 前記キャリア障壁層のＡｌ組成は前記Ａｌ含有半導体層のＡｌ組成と同じまたはより高いことを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ素子。
7. 前記キャリア障壁層の層厚は２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５または６に記載の面発光レーザ素子。
8. 前記キャリア障壁層は、前記光共振器内でレーザ光が形成する光の定在波の節の位置に配置されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
9. 前記キャリア障壁層は、前記定在波の節のうち、前記活性層側から１番目の節の位置に配置されることを特徴とする請求項８に記載の面発光レーザ素子。
10. 前記電流狭窄層は、前記定在波の節のうち、前記活性層側から２番目の節の位置に配置されることを特徴とする請求項９に記載の面発光レーザ素子。
11. 前記電流狭窄層と前記キャリア障壁層とは層厚方向において１００ｎｍ以上離れていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
12. 前記少数キャリアは電子であり、前記キャリア障壁層はｐ型にドーピングされていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
13. 前記キャリア障壁層のキャリア濃度は、前記半導体層のキャリア濃度よりも１桁以上高いことを特徴とする請求項２を引用する請求項１２に記載の面発光レーザ素子。

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