JP2016046453A - 面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザの製造方法、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置 - Google Patents

面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザの製造方法、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置 Download PDF

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Abstract

【課題】電流狭窄層の酸化領域の端部の傾斜の制御を容易にすることができる面発光型半導体レーザを提供する。
【解決手段】面発光型半導体レーザは、基板上に、ｎ型の下部ＤＢＲ、活性領域１０４、ｐ型の上部ＤＢＲ１０６を有する。上部ＤＢＲ１０６の最下層には、活性領域１０４と隣接するように電流狭窄層１０８が形成される。電流狭窄層１０８は、ＡｌＡｓからなる高速酸化層１０８−１と、その直下に形成されるテーパ形成層１０８−２と、高速酸化層１０８−１上に形成される組成傾斜層１０８−３とを有する。組成傾斜層１０８−３のＡｌ含有率の最大値は、高速酸化層１０８−１のＡｌ含有率よりも小さい。
【選択図】図２

Description

本発明は、面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザの製造方法、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置に関する。
面発光型半導体レーザは、基板に垂直な方向にレーザ出力を取り出せ、さらに２次元集積によるアレイ化が容易であることから、電子機器等の光源に利用されている。例えば、プリンターに内蔵されている感光体への潜像書込み用光源、光通信用光源、光学マウス用光源などに利用可能である。
高速、高画質の高性能プリンターで使用する面発光型半導体レーザは、シングルモード（基本横モード）の動作が要求される。今後はさらなる画質性能の改善に向けてシングルモード光出力を向上させ、偏光が安定した長寿命の面発光型半導体レーザが望まれるが、同時に、プリンターを構成する光学系との関係でレーザの広がり角の制御も重要である。面発光型半導体レーザにおいて、電流狭窄層の酸化領域の端部を傾斜させることで広がり角を制御することが知られている。例えば、ＡｌＡｓ層の直下にＡｌＧａＡｓ層を形成することで、酸化領域の端部のテーパ角を調整し、広がり角を制御している（特許文献１）。
特開２００８−１９２７３３号公報
Ａｌの酸化速度は、Ａｌ組成が高いほど速くなる性質があるため、上記したようにＡｌＡｓ層とその直下に形成されたＡｌＧａＡｓ層の積層構造を酸化させた場合、ＡｌＡｓ層の酸化速度とＡｌＧａＡｓ層との酸化速度の差によって、酸化領域端部の酸化領域と非酸化領域の境界に傾斜を持たせることができる。しかしながら、製造工程上の誤差等によりＡｌＧａＡｓのＡｌ含有率にはバラツキが生じるため、ＡｌＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層とのＡｌ含有率の違いのみで境界の傾斜角を正確に制御することは難しい。特に、ＡｌＡｓ層上に、素子抵抗を低減する目的でＡｌ含有率が変化する組成傾斜層を設けた場合には、組成傾斜層による酸化の影響によっても傾斜角が変動し得る。傾斜角の変動は、酸化領域と非酸化領域との屈折率差の変動であり、結果として、傾斜した領域を通過するレーザ光の広がり角が変動してしまう。
本発明の目的は、面発光型半導体レーザの電流狭窄層の酸化領域の端部の傾斜の制御を容易にすることである。
請求項１は、第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、第２の半導体多層膜反射鏡、および選択的に酸化された酸化領域を含む電流狭窄層を備えた面発光型半導体レーザであって、前記電流狭窄層は、相対的にＡｌ含有率が最も高い第１の半導体層と、前記活性領域側で第１の半導体層に隣接し、第１の半導体層よりもＡｌ含有率の低いＡｌを含む第２の半導体層と、第２の半導体層と反対側で第１の半導体層に隣接する組成傾斜層とを有し、前記組成傾斜層の第１の半導体層側のＡｌ含有率は、第１の半導体層のＡｌ含有率よりも小さい、面発光型半導体レーザ。
請求項２は、前記組成傾斜層の第１の半導体層側のＡｌ含有率と第１の半導体層のＡｌ含有率の差は、酸化速度差が１桁異なる大きさである、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項３は、前記組成傾斜層の第１の半導体層側のＡｌ含有率は、０．９０以下である、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項４は、前記第２の半導体層は、前記活性領域に隣接する、請求項１ないし３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項５は、前記組成傾斜層は、第２の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層に隣接し、前記組成傾斜層は、前記高屈折率層のＡｌ含有率まで減少する、請求項１ないし４いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項６は、第１の半導体層は、ＡｌＡｓである、請求項１ないし５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項７は、第１の半導体層の膜厚は、１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下である、請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項８は、第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、第２の半導体多層膜反射鏡、および選択的に酸化された酸化領域を含む電流狭窄層を備えた面発光型半導体レーザの製造方法であって、前記電流狭窄層は、相対的にＡｌ含有率が最も高い第１の半導体層と、前記活性領域側で第１の半導体層に隣接し、第１の半導体層よりもＡｌ含有率の低いＡｌを含む第２の半導体層と、第２の半導体層と反対側で第１の半導体層に隣接する組成傾斜層とを有し、前記電流狭窄層の成膜工程において、第１の半導体層を成膜するために第１の原料を処理チャンバーに供給し、第１の半導体層の成膜後に、前記組成傾斜層を成膜するために第２の原料を処理チャンバーに供給し、第２の原料の供給は、前記組成傾斜層の第１の半導体層側のＡｌ含有率が、第１の半導体層のＡｌ含有率よりも小さくなるように調整される、製造方法。
請求項９は、前記第１の原料は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を含み、前記第２の原料は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）とトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を含み、前記組成傾斜層の成膜工程においてＴＭＡｌとＴＭＧａの供給比が制御される、請求項８に記載の製造方法。
請求項１０は、請求項１ないし７いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材と、を実装した面発光型半導体レーザ装置。
請求項１１は、請求項１０に記載された面発光型半導体レーザ装置と、前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段と、を備えた光伝送装置。
請求項１２は、請求項１ないし７いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構と、を有する情報処理装置。
請求項１によれば、組成傾斜層のＡｌ含有率を第１の半導体層のＡｌ含有率と等しくする場合と比較して、電流狭窄層の酸化領域の端部の傾斜の制御が容易になる。
請求項２によれば、酸化速度差が１桁異なる大きさでない場合と比較して、電流狭窄層の膜厚方向の酸化速度の制御が容易になる。
請求項３によれば、飽和された酸化速度を利用しない場合と比較して、電流狭窄層の膜厚方向の酸化速度の制御が容易になる。
請求項４によれば、活性領域に近接しない場合と比較して、広がり角を効果的に制御することができる。
請求項５によれば、第１の半導体層と高屈折率層間の素子抵抗を低減することができる。
請求項６によれば、ＡｌＧａＡｓと比較してＡｌ含有率の制御を容易にすることができる。
請求項７によれば、電流狭窄層の膜厚方向の酸化速度の制御が容易になる。
請求項８、９によれば、第２の原料の供給を調整しない工程と比較して、組成傾斜層の成膜が容易になる。
図１（Ａ）は、本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザの概略断面図、図１（Ｂ）は、酸化処理に晒されるときの面発光型半導体レーザの概略略断面図である。 図２は、本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザの電流狭窄層を含む部分の拡大断面図であり、図２（Ａ）は、酸化前の状態、図２（Ｂ）は、酸化後の状態を示す。 電流狭窄層の水平方向の酸化速度の膜厚依存性を説明する図である。 ＡｌＡｓの酸化速度と膜厚との関係を示すグラフである。 図５（Ａ）は、本実施例に係る電流狭窄層の例示であり、図５（Ｂ）は、本実施例の電流狭窄層のＡｌ含有率のプロファイル、図５（Ｃ）は、比較例の電流狭窄層のＡｌ含有率のプロファイルである。 Ａｌ含有率と酸化速度との関係を示すグラフである。 本発明の実施例に係る電流狭窄層の製造フローの概略を示す図である。 本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザと光学部品とを実装した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す概略断面図である。 本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザを用いた情報処理装置の光源装置の構成例を示す図である。 本発明の実施例に係る面発光型半導体レーザを用いた光伝送装置の構成例を示す概略断面図である。
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本発明の好ましい態様として、選択的に酸化された酸化領域を有する選択酸化型の面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）を例示し、面発光型半導体レーザをＶＣＳＥＬと称する。なお、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調しており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。
図１（Ａ）は、本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬの構成例を示す概略断面図である。同図に示すように、ＶＣＳＥＬ１０は、ｎ型のＧａＡｓ基板１００上に、低屈折率層と高屈折率層を交互に重ねたｎ型の分布ブラック型反射鏡（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲという）１０２、下部ＤＢＲ１０２上に形成された活性領域１０４と、活性領域１０４上に形成された低屈折率層と高屈折率層を交互に重ねたｐ型の上部ＤＢＲ１０６とを積層して構成される。また、基板１００上には、上部ＤＢＲ１０６から下部ＤＢＲ１０２に至る円筒状のメサ（柱状構造）Ｍが形成されている。
下部ＤＢＲ１０２は、例えば、ｎ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層との複数層積層体で、各層の厚さはλ／４ｎｒ（但し、λは発振波長、ｎｒは媒質の屈折率）であり、これらを交互に４０．５周期で積層してある。ｎ型不純物であるシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は、３×１０18ｃｍ-3である。
活性領域１０４は、上部および下部スペーサ層に挟まれた量子井戸活性層を含み、下部スペーサ層は、例えば、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層であり、量子井戸活性層は、例えば、アンドープＡｌ0.１１Ｇａ0.８９Ａｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ0.３Ｇａ0.７Ａｓ障壁層であり、上部スペーサ層は、例えば、アンドープのＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層である。
上部ＤＢＲ１０６は、例えば、ｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層との積層体で、各層の厚さはλ／４ｎｒ（但し、λは発振波長、ｎｒは媒質の屈折率）であり、これらを交互に２０ないし３０周期程度積層してある。ｐ型不純物であるカーボンをドーピングした後のキャリア濃度は、３×１０18ｃｍ-3である。また、上部ＤＢＲ１０６の最上層には、ｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層が形成され、コンタクト層のキャリア濃度は、例えば、１×１０19ｃｍ-3である。
さらに上部ＤＢＲ１０６の最下層であって、活性領域１０４に隣接するように、電流狭窄層１０８が形成される。電流狭窄層１０８は、ｐ型のＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓを含んで構成され、酸化工程において選択的に酸化された酸化領域１０８Ａと、酸化領域１０８Ａによって囲まれた導電領域（酸化アパーチャ）１０８Ｂを有する電流狭窄構造を生成する。酸化領域１０８Ａの屈折率は、導電領域１０８Ｂの屈折率よりも低くなり、かつ酸化領域１０８Ａの電気的な抵抗が非常に高くなる。それ故、電流狭窄層１０８は、電流の閉じ込めと光の閉じ込めの双方を同時に行う。
上部ＤＢＲ１０６上には、例えば、Ｔｉ／Ａｕなどの積層金属から構成された環状のｐ側電極１１０が形成される。ｐ側電極１１０の中央には、円形状の光出射口が形成され、光出射口の中心は、導電領域１０８Ｂの中心（光軸）にほぼ一致する。ｐ側電極１１０は、上部ＤＢＲ１０６に電気的に接続され、上部ＤＢＲ１０６内にキャリアを注入する。
メサＭの底部、側面および頂部の外縁を覆うように層間絶縁膜１１２が形成される。層間絶縁膜１１２は、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ２などの誘電体膜から構成される。また、ｐ側電極１１０の光出射口を覆うように円形状の出射保護膜１１２Ａが形成される。出射保護膜１１２Ａは、層間絶縁膜１１２と同時に形成されてもよいし、別々の工程で形成されてもよい。
層間絶縁膜１１２と出射保護膜１１２Ａとの間には、ｐ側電極１１０を露出させるコンタクトホールが形成され、当該コンタクトホールを介して金属配線１１４がｐ側電極１１０に接続される。金属配線１１４は、メサＭの側面および底面を延在し、図示しない電極パッド等に接続される。また、基板１００の裏面には、ｎ側電極１１６が形成される。
次に、本実施例のＶＣＳＥＬの電流狭窄層の詳細について説明する。図２は、電流狭窄層を含むメサの片側半分の拡大断面図であり、図２（Ａ）は、酸化前の状態、図２（Ｂ）は、酸化後の状態を示す。
図２（Ａ）に示すように、電流狭窄層１０８は、上部ＤＢＲ１０６のＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓからなる高屈折率層１０６−１と活性領域１０４との間に配置される。電流狭窄層１０８は、相対的に酸化速度が最も早い高速酸化層１０８−１と、高速酸化層１０８−１の直下に形成されるテーパ形成層１０８−２と、高速酸化層１０８−１上に形成される組成傾斜層１０８−３とを含んで構成される。高速酸化層１０８−１、テーパ形成層１０８−２、および組成傾斜層１０８−３からなる電流狭窄層１０８の光学的膜厚は、好ましくはλ／４であり、それ故、電流狭窄層１０８は、上部ＤＢＲ１０６の低屈折率層として機能し得る。
高速酸化層１０８−１は、電流狭窄層１０８の中で最も酸化速度の速い層であり、言い換えれば、Ａｌ含有率が最も高い層である。好ましくは、高速酸化層１０８−１は、ｐ型のＡｌＡｓから構成される。勿論、高速酸化層１０８−１は、ＡｌＡｓ以外にも、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＡｓから構成されることも可能であり、例えば、Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓから構成される。高速酸化層１０８−１の膜厚Ｔｃは、好ましくはテーパ形成層１０８−２よりも薄く、より好ましくは、１０ｎｍ≦膜厚Ｔｃ≦５０ｎｍである。
テーパ形成層１０８−２は、高速酸化層１０８−１よりもＡｌ含有率が低い層であり、好ましくは、ｐ型のＡｌＧａＡｓから構成される。より好ましくは、シングルモード性、信頼性の観点から、ＡｌＡｓ直下のテーパ形成層のＡｌ含有率は、０．８０≦Ａｌ≦０．９０である。
組成傾斜層１０８−３は、上部ＤＢＲ１０６の高屈折率層１０６−１と高速酸化層１０８−１との間に形成された、ｐ型のＡｌxＧａ1-xＡｓから構成される。組成傾斜層１０８−３のＡｌ含有率（ｘ）は、高速酸化層１０８−１から高屈折率層１０６−１に向けて徐々に小さくなるように変化される。また、組成傾斜層１０８−３の膜厚は、高速酸化層１０８−１の膜厚とほぼ等しいか、それより幾分薄い。本実施例では、組成傾斜層１０８−３の高速酸化層１０８−１側のＡｌ含有率は、高速酸化層１０８−１のＡｌ含有率よりも小さく、すなわち、高速酸化層１０８−１のＡｌ含有率と、組成傾斜層１０８−３の最大のＡｌ含有率との間には一定の差があり、両者の境界にはＡｌ含有率の不連続が生じる。組成傾斜層１０８−３の高屈折率層１０６−１側のＡｌ含有率は、高屈折率層１０６−１のＡｌ含有率に等しい。
図２（Ａ）に示す電流狭窄層は、酸化によって、図２（Ｂ）に示すような状態に変遷される。電流狭窄層の酸化を行う前に、図１（Ｂ）に示すように、上部ＤＢＲ１０６上にエッチング用のマスクＭＫを形成し、当該マスクＭＫによって露出された半導体層を異方性エッチングし、円筒状のメサＭを得る。このエッチングは、少なくとも電流狭窄層１０８が露出される深さまで行われ、好ましくは下部ＤＢＲ１０２に到達する深さまで行われる。メサＭの形成後、ＶＣＳＥＬ１０は、酸化炉内において水蒸気を含む窒素雰囲気下で酸化される。好ましくは、マスクＭＫを除去した後に、酸化される。
酸化工程において、図２（Ｂ）に示すように、メサＭの側面Ｓで露出された電流狭窄層１０８が酸化される。このとき、高速酸化層１０８−１の酸化速度が最も速いため、この層の酸化が奥深くにまで進行する。テーパ形成層１０８−２は、高速酸化層１０８−１よりも酸化速度が遅いため、高速酸化層１０８−１よりも手前で酸化が終端する。その結果、テーパ形成層１０８−２内の酸化領域１０８Ａと非酸化領域との境界には、テーパ長Ｌ、テーパ角θのテーパ（傾斜）Ｋが形成される。
図３は、高速酸化層とテーパ形成層の積層構造が酸化されるときの、高速酸化層の膜厚とテーパ角との関係を説明する図である。電流狭窄層１０８の水平方向の酸化速度をＯＸ_Ｈ、垂直方向（積層方向）の酸化速度をＯＸ_Ｖとする。ここでは、説明を分かり易くするため、高速酸化層１０８−１をＡｌＡｓ層、テーパ形成層１０８−２をＡｌ0.85Ｇａ0.15Ａｓ層とする。
電流狭窄層１０８のテーパＫは、ＡｌＡｓ層１０８−１の水平方向の酸化速度ＯＸ_ＨとＡｌＡｓ層からＡｌ0.85Ｇａ0.15Ａｓ層にしみだす垂直方向の酸化速度ＯＸ_Ｖとの関係で決まる。図２（Ｂ）に示すようなテーパ角θが９０度未満のテーパＫを形成するには、水平方向の酸化速度ＯＸ_Ｈは、垂直方向の酸化速度ＯＸ_Ｖよりも速くなければならないが、水平方向の酸化速度ＯＸ_Ｈが速すぎると、広がり角に寄与する領域（光と重なる領域）においてはテーパの形成が困難になる。
垂直方向の酸化速度ＯＸ_Ｖは、ＡｌＧａＡｓのＡｌ含有率が支配的であるが、水平方向の酸化速度ＯＸ_Ｈは、ＡｌＡｓのＡｌ含有率だけでなく膜厚にも影響される。図３に示すように、ＡｌＡｓ層の膜厚Ｔｃ１が相対的に薄くなると、水平方向の酸化速度ＯＸ_Ｈが小さくなり、膜厚Ｔｃ２がＴｃ１よりも厚くなると、水平方向の酸化速度ＯＸ_Ｈが膜厚Ｔｃ１のときよりも大きくなる。さらに膜厚Ｔｃ３がＴｃ２よりも厚くなれば、その分、水平方向の酸化速度ＯＸ_Ｈが大きくなる。
従って、垂直方向の酸化速度ＯＸ_Ｖが一定であるとき、水平方向の酸化速度ＯＸ_Ｈが大きくなれば、テーパＫのテーパ角θが小さくなり、反対に、水平方向の酸化速度ＯＸ_Ｈが小さくなれば、テーパＫのテーパ角θが大きくなる。つまり、ＡｌＡｓ層の膜厚を変化させれば、水平方向の酸化速度ＯＸ_Ｈが変化し、テーパ角θを制御することができる。例えば、テーパ角θをより小さくしたいのであれば、ＡｌＡｓ層の膜厚を大きくすれば良く、逆に、テーパ角θをより大きくしたいのであれば、ＡｌＡｓ層の膜厚を小さくすればよい。
但し、ＡｌＡｓの膜厚を薄くしていくと、水平方向の酸化速度ＯＸ_Ｈは遅くなるが、水平方向の酸化速度ＯＸ_Ｈが、垂直方向の酸化速度ＯＸ_Ｖよりも小さくなると、テーパ角θが９０度を超えるか、あるいはテーパ形成が困難になるため、ＡｌＡｓの膜厚は、水平方向の酸化速度ＯＸ_Ｈが、垂直方向の酸化速度ＯＸ_Ｖよりも大きくなる膜厚でなければならない。
一方、ＡｌＡｓ層の膜厚が大きくなると、水平方向の酸化速度ＯＸ_Ｈが速くなり、垂直方向の酸化速度ＯＸ_Ｖとの差が大きくなり過ぎると、テーパＫの制御が困難になる。図４に、ＡｌＡｓと酸化速度との関係を示す（K．D．Choquette et al.,“Advances in selective oxidation of AlGaAs Alloys，”IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，vol．3，pp．916-926，(1997)）。同グラフに示されるように、ＡｌＡｓ層の膜厚が約５０ｎｍを超えると酸化速度が飽和する。酸化速度が飽和する膜厚では、テーパの制御をすることができないため、テーパ制御に利用されるＡｌＡｓ層の膜厚は、少なくとも５０ｎｍ以下である。また、ＡｌＡｓの膜厚が１０ｎｍより小さくなると、酸化速度が非常に小さくなりすぎ、テーパの制御をすることができなくなるため、ＡｌＡｓ層の膜厚は、少なくとも１０ｎｍ以上である。
次に、電流狭窄層１０８が、高速酸化層１０８−１、テーパ形成層１０８−２および組成傾斜層１０８−３の三層構造から構成されるときの酸化領域のテーパ制御について説明する。図５（Ａ）は、３層構造の電流狭窄層１０８の概略断面図であり、図５（Ｂ）は、本実施例の電流狭窄層１０８のＡｌ含有率の変化を示し、図５（Ｃ）は、比較例の電流狭窄層のＡｌ含有率の変化を示す。
組成傾斜層１０８−３は、ＡｌＡｓ層１０８−１と、上部ＤＢＲ１０６の高屈折率層であるＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層１０６−１との間の電気的抵抗を低減するため、Ａｌ含有率を徐々に変化させる。本実施例では、図５（Ｂ）に示すように、組成傾斜層（ＡｌＸＧａ１−ｘＡｓ）１０８−３のＡｌＡｓ側のＡｌ含有率、すなわち、Ａｌ含有率の最大値Max_xは、ＡｌＡｓ層１０８−１のＡｌ含有率よりも小さく、言い換えれば、ＡｌＡｓ層１０８−１のＡｌ含有率と、組成傾斜層１０８−３のＡｌ含有率の最大値Max_xとの間には、一定の差分または不連続が生じる。また、組成傾斜層１０８−３のＡｌ含有率の最小値Min_xは、高屈折率層１０６−１のＡｌ含有率に等しい。図５（Ｂ）の例では、高速酸化層１０８−１がＡｌＡｓから構成されるため、組成傾斜層１０８−３の最大値Max_xは、１．０よりも小さく、例えば、０．９６程度であり、最小値Min_xは、０．３である。
一方、比較例の電流狭窄層は、図５（Ｃ）に示すように、組成傾斜層（ＡｌＸＧａ１−ｘＡｓ）のＡｌＡｓ側のＡｌ含有率、すなわちＡｌ含有率の最大値Max_xは、高速酸化層１０８−１のＡｌ含有率と等しく、その最小値Min_xは、高屈折率層１０６−１のＡｌ組成に等しい。図５（Ｃ）の例では、高速酸化層１０８−１がＡｌＡｓから構成されるため、組成傾斜層の最大値Max_xは１．０であり、最小値Min_xは、０．３である。
組成傾斜層１０８−３が積層された電流狭窄層１０８を酸化すると、酸化時に、高速酸化層１０８−１から組成傾斜層１０８−３にも酸化がしみ出す。この際、比較例のように組成傾斜層のＡｌＡｓ層側Ａｌ含有率をＡｌＡｓと同じ含有率にすると、高速酸化層の膜厚が幾分だけ増加し、それに伴い組成傾斜層への垂直（積層）方向の酸化速度ＯＸ_Ｖが大きくなるため、事実上、高速酸化層の膜厚管理が十分でなくなり、テーパＫの制御が困難になる。これに対し、本実施例では、組成傾斜層１０８−３の高速酸化層層側のＡｌ含有率（Max_x）を、高速酸化層１０８−１よりも低いＡｌ含有率とすることで、高速酸化層１０８−１の膜厚を成膜条件通りに管理することができ、それ故、組成傾斜層１０８−３への垂直（積層）方向の酸化速度ＯＸ_Ｖが組成傾斜層１０８−３によって増加することがなくなり、テーパＫの制御性が改善される。
図６は、Ａｌ含有率と酸化速度との関係を示すグラフである。Ａｌ含有率が１であるときの酸化速度を１で表している。ＡｌＡｓとＡｌ0.96Ｇａ0.04Ａｓとを比較すると、Ａｌ含有率の差が僅か４％程度でも、酸化速度は１桁変動する。また、高速酸化層１０８−１をＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓで形成した場合でも、組成傾斜層１０８−３のＡｌＡｓ層側のＡｌ含有率が９１〜９２％程度で、酸化速度が１桁変動する。好ましくは、組成傾斜層１０８−３のＡｌ含有率の最大値Max_xと高速酸化層１０８−１のＡｌ含有率の差は１〜３％であり、より好ましくは、酸化速度が１桁程度小さくなるぐらいの大きさである。例えば、高速酸化層１０８−１がＡｌＡｓ層である場合には、組成傾斜層１０８−３のMax_xは、約０．９６程度であり、高速酸化層１０８−１がＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓである場合には、組成傾斜層１０８−３のMax_xは、約０．９１程度である。高速酸化層に対する組成傾斜層の酸化速度が１桁程度異なれば、組成傾斜層による垂直方向の酸化速度ＯＸ_Ｖの影響はほぼ無視することができる。
比較例のように、組成傾斜層のＡｌ含有率の最大値Max_xを高速酸化層のＡｌ含有率と等しくした場合には、高速酸化層の膜厚が事実上増加するため、垂直方向（膜厚方向）の酸化速度ＯＸ_Ｖが増加する。つまり、高速酸化層の膜厚を正確に制御しても、組成傾斜層によって膜厚が変動するため、垂直方向の酸化速度ＯＸ_Ｖが大きくなってしまい、テーパＫの制御性が悪化する。本実施例のように、高速酸化層１０８−１よりもＡｌ含有率が数％程度の差がある組成傾斜層１０８−３を形成することで、高速酸化層１０８−１の垂直方向（膜厚方向）の酸化速度ＯＸ_Ｖを、高速酸化層１０８−１の膜厚のみによって正確に制御することができ、テーパ制御に有効である。
また、図６に示すように、Ａｌ含有率が約０．９よりも小さくなると、酸化速度がほぼ０．０１程度に飽和する。このため、組成傾斜層１０８−３のＡｌ含有率の最大値Max_xを０．９０以下とすれば、垂直方向の酸化速度ＯＸ_Ｖをより定常的に安定化することができる。他方、組成傾斜層１０８−３と高速酸化層１０８−１間のＡｌ含有率の差が大きくなると、素子抵抗が上昇し、発熱による出力低下等の影響が懸念されるが、Ａｌ含有率の差が数％程度であれば、抵抗上昇を極力抑えつつテーパ制御性を改善することができる。
また、高速酸化層１０８−１の膜厚がテーパ形成層１０８−２の膜厚よりも厚くなると、テーパ形成層１０８−２の膜厚によってテーパが制限されてしまい、制御性が悪くなる。そのため、高速酸化層１０８−１の膜厚をテーパ形成層１０８−２よりも小さくすることでテーパの制御性が改善される。
次に、本実施例の電流狭窄層の好ましい製造方法について説明する。ＶＣＳＥＬの製造は、有機金属気相成長(ＭＯＣＶＤ)法を用いて行われ、ｎ型のＧａＡｓ基板１００上に、ｎ型の下部ＤＢＲ１０２、活性領域１０４、ｐ型の上部ＤＢＲ１０６が順次積層される。ＤＢＲの各層の膜厚は、媒質内波長の１／４となるように調整される。
活性領域１０４の成膜後、その上に電流狭窄層１０８が成膜される。電流狭窄層に含まれる組成傾斜層１０８−３のＡｌＡｓ側で急峻な組成変化を形成する場合、III属原料としてはＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）やＴＭＧａ（トリメチルガリウム）が用いられる。ＡｌＧａＡｓのようなＡｌＡｓとＧａＡｓの混晶の場合、III属原料の流量比を調整することで、ＡｌとＧａの組成比を調整することができる。ＡｌＡｓの場合は、III属原料としてＴＭＡｌを使用し、ＧａＡｓの場合は、III属原料としてＴＭＧａを用いる。ＡｌＧａＡｓの場合はＴＭＡｌとＴＭＧａの両方を用いる。原料ガスの流量制御は、マスフローコントローラで行うが、急峻な組成変化を形成するためには、層が切り替わる境界において、次の層の組成比になるような流量に設定を瞬時に切り替える必要がある。
図７は、電流狭窄層を成膜するときのフローである。活性領域１０４上にテーパ形成層１０８−２が成膜されると（Ｓ１００）、次に、処理チャンバー内に、ＡｌＡｓを成膜するためのIII属原料としてＴＭＡｌのみが供給され、ＡｌＡｓ層の成膜が開始される（Ｓ１０２）。ＡｌＡｓの膜厚は、原料ガスの供給時間によって制御される。それ故、ＡｌＡｓの成膜時間が決められた値に到達したとき、ＡｌＡｓの成膜が終了する（Ｓ１０４）。次に、組成傾斜層１０８−３の成膜が行われる。ここでは、組成傾斜層のＡｌ含有率の最大値Max_xが０．９５に設定されるものとする。処理チャンバーには、III属原料としてＴＭＡｌとＴＭＧａが供給され、Ａｌ含有率が０．９５から徐々に０．３０に変化するようにIII属原料の原料ガスの流量比が制御される（Ｓ１０６）。組成傾斜層の成膜時間が決められた値に到達したとき、組成傾斜層の成膜が終了し（Ｓ１０８）、次に、上部ＤＢＲ１０６の高屈折率層１０６−１の成膜が行われる（Ｓ１１０）。
上記実施例では、電流狭窄層を上部ＤＢＲの最下層に形成したが、電流狭窄層は、下部ＤＢＲ内に形成されるものであってもよい。さらに電流狭窄層は、広がり角を制御することが可能であれば、電流狭窄層と活性領域との間に１ないし数層のＡｌＧａＡｓ層が挿入されてもよい。
さらに上記実施例では、基板上にメサを形成し、当該メサ側面から電流狭窄層を選択的に酸化するようにしたが、メサの形成は必須ではない。例えば、上部ＤＢＲから下部ＤＢＲに向けう複数の円形状の孔を形成し、複数の孔によって露出された電流狭窄層を選択的に酸化するようにしてもよい。複数の孔は、光軸を中心に円周方向に形成され、複数の孔の各々から酸化された領域が連結されることで、１つの酸化アパーチャが形成される。
さらに上記実施例では、ＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体層を用いた面発光型半導体レーザを例示したが、本発明は、他の化合物半導体層を用いた発光素子にも適用することができる。さらに上記実施例では、シングルスポットの面発光型半導体レーザを例示したが、本発明は、基板上に複数の発光部（メサ）が形成されたマルチスポットの面発光型半導体レーザアレイにも適用することができる。
次に、本実施例のＶＣＳＥＬを利用した面発光型半導体レーザ装置、光情報処理装置および光伝送装置について図面を参照して説明する。図８（Ａ）は、ＶＣＳＥＬと光学部材を実装（パッケージ）した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。面発光型半導体レーザ装置３００は、ＶＣＳＥＬが形成されたチップ３１０を、導電性接着剤３２０を介して円盤状の金属ステム３３０上に固定する。導電性のリード３４０、３４２は、ステム３３０に形成された貫通孔（図示省略）内に挿入され、一方のリード３４０は、ＶＣＳＥＬのｎ側電極に電気的に接続され、他方のリード３４２は、ｐ側電極に電気的に接続される。
チップ３１０を含むステム３３０上に矩形状の中空のキャップ３５０が固定され、キャップ３５０の中央の開口３５２内にボールレンズ３６０等の光学部材が固定されている。ボールレンズ３６０の光軸は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。リード３４０、３４２間に順方向の電圧が印加されると、チップ３１０から垂直方向にレーザ光が出射される。チップ３１０とボールレンズ３６０との距離は、チップ３１０からのレーザ光の広がり角θ内にボールレンズ３６０が含まれるように調整される。また、キャップ内に、ＶＣＳＥＬの発光状態をモニターするための受光素子や温度センサを含ませるようにしてもよい。
図８（Ｂ）は、他の面発光型半導体レーザ装置の構成を示す図であり、同図に示す面発光型半導体レーザ装置３０２は、ボールレンズ３６０を用いる代わりに、キャップ３５０の中央の開口３５２内に平板ガラス３６２を固定している。平板ガラス３６２の中心は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。チップ３１０と平板ガラス３６２との距離は、平板ガラス３６２の開口径がチップ３１０からのレーザ光の広がり角度θ以上になるように調整される。
図９は、ＶＣＳＥＬを光情報処理装置の光源に適用した例を示す図である。光情報処理装置３７０は、図８（Ａ）または図８（Ｂ）のようにＶＣＳＥＬを実装した面発光型半導体レーザ装置３００または３０２からのレーザ光を入射するコリメータレンズ３７２、一定の速度で回転し、コリメータレンズ３７２からの光線束を一定の広がり角で反射するポリゴンミラー３７４、ポリゴンミラー３７４からのレーザ光を入射し反射ミラー３７８を照射するｆθレンズ３７６、ライン状の反射ミラー３７８、反射ミラー３７８からの反射光に基づき潜像を形成する感光体ドラム(記録媒体)３８０を備えている。このように、ＶＣＳＥＬからのレーザ光を感光体ドラム上に集光する光学系と、集光されたレーザ光を光体ドラム上で走査する機構とを備えた複写機やプリンターなど、光情報処理装置の光源として利用することができる。
図１０は、図８（Ａ）に示す面発光型半導体レーザ装置を光伝送装置に適用したときの構成を示す断面図である。光伝送装置４００は、ステム３３０に固定された円筒状の筐体４１０、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０、およびフェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０を含んで構成される。ステム３３０の円周方向に形成されたフランジ３３２には、筐体４１０の端部が固定される。フェルール４３０は、スリーブ４２０の開口４２２に正確に位置決めされ、光ファイバ４４０の光軸がボールレンズ３６０の光軸に整合される。フェルール４３０の貫通孔４３２内に光ファイバ４４０の芯線が保持されている。
チップ３１０の表面から出射されたレーザ光は、ボールレンズ３６０によって集光され、集光された光は、光ファイバ４４０の芯線に入射され、送信される。上記例ではボールレンズ３６０を用いているが、これ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。さらに、光伝送装置４００は、リード３４０、３４２に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよい。さらに、光伝送装置４００は、光ファイバ４４０を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０：ＶＣＳＥＬ
１００：基板
１０２：下部ＤＢＲ
１０４：活性領域
１０６：上部ＤＢＲ
１０６−１：高屈折率層
１０８：電流狭窄層
１０８−１：高速酸化層
１０８−２：テーパ形成層
１０８−３：組成傾斜層
１０８Ａ：酸化領域
１０８Ｂ：導電領域（酸化アパーチャ）
１１０：ｐ側電極
１１２：層間絶縁膜
１１４：金属配線
１１６：ｎ側電極
請求項１は、第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、第２の半導体多層膜反射鏡、および選択的に酸化された酸化領域を含む電流狭窄層を備えた面発光型半導体レーザであって、前記電流狭窄層は、相対的にＡｌ含有率が最も高い第１の半導体層と、前記活性領域側で第１の半導体層に隣接し、第１の半導体層よりもＡｌ含有率の低いＡｌを含む第２の半導体層と、第２の半導体層と反対側で第１の半導体層に隣接しかつ前記第２の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層に隣接する組成傾斜層とを有し、前記組成傾斜層のＡｌ含有率は、第１の半導体層から前記高屈折率層に向けて徐々に小さくなるように変化し、前記組成傾斜層のＡｌ含有率の最大値は、第１の半導体層のＡｌ含有率よりも小さく、前記組成傾斜層と前記第１の半導体層との境界でＡｌ含有率が不連続に変化する、面発光型半導体レーザ。
請求項２は、前記組成傾斜層のＡｌ含有率の最大値と第１の半導体層のＡｌ含有率の差は、酸化速度差が１桁異なる大きさである、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項３は、前記組成傾斜層の第１の半導体層側のＡｌ含有率は、０．９０以下である、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項４は、前記第２の半導体層は、前記活性領域に隣接する、請求項１ないし３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項５は、第１の半導体層は、ＡｌＡｓである、請求項１ないし４いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項６は、第１の半導体層の膜厚は、１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下である、請求項１ないし５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項７は、第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、第２の半導体多層膜反射鏡、および選択的に酸化された酸化領域を含む電流狭窄層を備えた面発光型半導体レーザの製造方法であって、前記電流狭窄層は、相対的にＡｌ含有率が最も高い第１の半導体層と、前記活性領域側で第１の半導体層に隣接し、第１の半導体層よりもＡｌ含有率の低いＡｌを含む第２の半導体層と、第２の半導体層と反対側で第１の半導体層に隣接しかつ前記第２の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層に隣接する組成傾斜層とを有し、前記電流狭窄層の成膜工程において、第１の半導体層を成膜するために第１の原料を処理チャンバーに供給し、第１の半導体層の成膜後に、前記組成傾斜層を成膜するために第２の原料を処理チャンバーに供給し、第２の原料の供給は、前記組成傾斜層のＡｌ含有率が第１の半導体層から前記高屈折率層に向けて徐々に小さくなるように変化し、かつ前記組成傾斜層のＡｌ含有率の最大値が、第１の半導体層のＡｌ含有率よりも小さくなるように調整され、前記組成傾斜層と前記第１の半導体層との境界でＡｌ含有率が不連続に変化する、製造方法。
請求項８は、前記第１の原料は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を含み、前記第２の原料は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）とトリメチルガリウム(ＴＭＧａ)を含み、前記組成傾斜層の成膜工程においてＴＭＡｌとＴＭＧａの供給比が制御される、請求項７に記載の製造方法。
請求項９は、請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材と、を実装した面発光型半導体レーザ装置。
請求項１０は、請求項９に記載された面発光型半導体レーザ装置と、前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段と、を備えた光伝送装置。
請求項１１は、請求項１ないし６いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構と、を有する情報処理装置。
請求項１によれば、組成傾斜層のＡｌ含有率を第１の半導体層のＡｌ含有率と等しくする場合と比較して、電流狭窄層の酸化領域の端部の傾斜の制御が容易になる。
請求項２によれば、酸化速度差が１桁異なる大きさでない場合と比較して、電流狭窄層の膜厚方向の酸化速度の制御が容易になる。
請求項３によれば、飽和された酸化速度を利用しない場合と比較して、電流狭窄層の膜厚方向の酸化速度の制御が容易になる。
請求項４によれば、活性領域に近接しない場合と比較して、広がり角を効果的に制御することができる。
請求項１によれば、第１の半導体層と高屈折率層間の素子抵抗を低減することができる。
請求項５によれば、ＡｌＧａＡｓと比較してＡｌ含有率の制御を容易にすることができる。
請求項６によれば、電流狭窄層の膜厚方向の酸化速度の制御が容易になる。
請求項７、８によれば、第２の原料の供給を調整しない工程と比較して、組成傾斜層の成膜が容易になる。

Claims (12)

  1. 第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、第２の半導体多層膜反射鏡、および選択的に酸化された酸化領域を含む電流狭窄層を備えた面発光型半導体レーザであって、
    前記電流狭窄層は、相対的にＡｌ含有率が最も高い第１の半導体層と、前記活性領域側で第１の半導体層に隣接し、第１の半導体層よりもＡｌ含有率の低いＡｌを含む第２の半導体層と、第２の半導体層と反対側で第１の半導体層に隣接する組成傾斜層とを有し、
    前記組成傾斜層の第１の半導体層側のＡｌ含有率は、第１の半導体層のＡｌ含有率よりも小さい、面発光型半導体レーザ。
  2. 前記組成傾斜層の第１の半導体層側のＡｌ含有率と第１の半導体層のＡｌ含有率の差は、酸化速度差が１桁異なる大きさである、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
  3. 前記組成傾斜層の第１の半導体層側のＡｌ含有率は、０．９０以下である、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
  4. 前記第２の半導体層は、前記活性領域に隣接する、請求項１ないし３いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
  5. 前記組成傾斜層は、第２の半導体多層膜反射鏡の高屈折率層に隣接し、前記組成傾斜層は、前記高屈折率層のＡｌ含有率まで減少する、請求項１ないし４いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
  6. 第１の半導体層は、ＡｌＡｓである、請求項１ないし５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
  7. 第１の半導体層の膜厚は、１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下である、請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
  8. 第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、第２の半導体多層膜反射鏡、および選択的に酸化された酸化領域を含む電流狭窄層を備えた面発光型半導体レーザの製造方法であって、
    前記電流狭窄層は、相対的にＡｌ含有率が最も高い第１の半導体層と、前記活性領域側で第１の半導体層に隣接し、第１の半導体層よりもＡｌ含有率の低いＡｌを含む第２の半導体層と、第２の半導体層と反対側で第１の半導体層に隣接する組成傾斜層とを有し、
    前記電流狭窄層の成膜工程において、第１の半導体層を成膜するために第１の原料を処理チャンバーに供給し、
    第１の半導体層の成膜後に、前記組成傾斜層を成膜するために第２の原料を処理チャンバーに供給し、
    第２の原料の供給は、前記組成傾斜層の第１の半導体層側のＡｌ含有率が、第１の半導体層のＡｌ含有率よりも小さくなるように調整される、製造方法。
  9. 前記第１の原料は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を含み、前記第２の原料は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）とトリメチルガリウム(ＴＭＧａ)を含み、前記組成傾斜層の成膜工程においてＴＭＡｌとＴＭＧａの供給比が制御される、請求項８に記載の製造方法。
  10. 請求項１ないし７いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、
    前記面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材と、
    を実装した面発光型半導体レーザ装置。
  11. 請求項１０に記載された面発光型半導体レーザ装置と、
    前記面発光型半導体レーザ装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段と、
    を備えた光伝送装置。
  12. 請求項１ないし７いずれか1つに記載の面発光型半導体レーザと、
    前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、
    前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構と、
    を有する情報処理装置。
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