JP2018160649A - 垂直共振型面発光半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】微分抵抗を低減可能な構造を有する垂直共振型面発光半導体レーザを提供する。
【解決手段】垂直共振型面発光半導体レーザは、基板の主面上のポスト内に設けられた活性層と、ポスト内に設けられ狭窄層を含む第１積層を備え、活性層は、基板と第１積層との間に設けられ、狭窄層は、半導体の第１領域と第１領域を囲む第２領域とを含む。第１積層は、狭窄層に接触を成す遷移層と、第１アルミニウム組成を有し遷移層に接触を成す第１半導体層と、第１半導体層に接触を成す第１組成傾斜層と、第１アルミニウム組成より大きな第２アルミニウム組成を有し第１組成傾斜に接触を成す第２半導体層と、第２半導体層に接触を成す第２組成傾斜層とを含む。遷移層は、第１半導体層から狭窄層への方向に増加するアルミニウム組成の半導体領域を含む。第１組成傾斜層のアルミニウム組成は、第１半導体層から第２半導体層への方向に増加する。
【選択図】図１

Description

本発明は、垂直共振型面発光半導体レーザに関する。

非特許文献１は、垂直共振型面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ−ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）を開示する。

"30 Gb/s Over 100-m MMFs Using 1.1 μm Range VCSELs and Photodiodes" Kimiyoshi Fukatsu et al., IEEE Photonics Technology Letters, vol.20, no.11, pp.909-911, 2008.

垂直共振型の面発光半導体レーザは、上部ブラッグ反射器、下部ブラッグ反射器及び活性層を含み、活性層は、上部ブラッグ反射器と下部ブラッグ反射器との間に位置する。この面発光半導体レーザの変調速度は、光の応答速度（光子寿命）と電気（キャリア）の応答速度（キャリア寿命）の積で表される。キャリアの応答速度は素子の微分抵抗と寄生容量の積との逆数に依存する。微分抵抗を小さくすることは、高速変調に寄与する。以下の方法は、面発光半導体レーザの電気抵抗を低減できる。上部ブラッグ反射器の半導体に高い濃度のドーパントを添加すること；酸化狭窄構造に大きな開口径の電流アパ−チャーを用いること。高いドーパント濃度の半導体は、高い光吸収を示し、高い光吸収は、レーザ共振器の光損失を増大させるため、面発光半導体レーザのしきい値電流を増大させ、結果的に、光出力の低下になる。大きな開口径の酸化狭窄構造は、横方向の電流閉じ込めを弱めて、結果的に、しきい値電流の増大及び光の応答速度の低下になる。

非特許文献１では、酸化狭窄構造の開口径は、良好な電流閉じ込めを実現できる６．９μｍである一方で、微分抵抗は、１３５オームと高くなった。

本発明の一側面は、微分抵抗を低減可能な構造を有する垂直共振型面発光半導体レーザを提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る垂直共振型面発光半導体レーザは、基板の主面上のポスト内に設けられた活性層と、前記ポスト内に設けられ狭窄層を含む第１積層と、を備え、前記活性層は、前記基板と前記第１積層との間に設けられ、前記狭窄層は、半導体の第１領域と前記第１領域を囲む絶縁体の第２領域とを含み、前記第１積層は、前記狭窄層に接触を成す遷移層と、第１アルミニウム組成を有し前記遷移層に接触を成す第１半導体層と、前記第１半導体層に接触を成す第１組成傾斜層と、前記第１アルミニウム組成より大きな第２アルミニウム組成を有し前記第１組成傾斜に接触を成す第２半導体層と、前記第２半導体層に接触を成す第２組成傾斜層と、を含み、前記遷移層は、前記第１半導体層から前記狭窄層への方向に増加するアルミニウム組成の半導体領域を含み、前記第１組成傾斜層のアルミニウム組成は、前記第１半導体層から前記第２半導体層への方向に増加する。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明の一側面によれば、微分抵抗を低減可能な構造を有する垂直共振型面発光半導体レーザが提供される。

図１は、本実施形態に係る垂直共振型の面発光半導体レーザを模式的に示す図面である。 図２は、本実施形態に係る面発光半導体レーザのポスト内の活性層及び第１積層を含む主要領域におけるアルミニウム組成のプロファイルを示す図面である。 図３は、本実施形態に係る面発光半導体レーザのポスト内の活性層及び第１積層を含む主要領域におけるアルミニウム組成のプロファイルを示す図面である。 図４は、本実施形態に係る面発光半導体レーザのポスト内の活性層及び第１積層を含む主要領域におけるアルミニウム組成のプロファイルを示す図面である。 図５は、本実施形態に係る面発光半導体レーザのポスト内の活性層及び第１積層を含む主要領域におけるアルミニウム組成のプロファイルを示す図面である。 図６は、遷移層を含まない面発光半導体レーザのポスト内の活性層、及び活性層上の半導体積層を含む主要領域におけるアルミニウム組成のプロファイルを示す図面である。 図７は、実施例５〜８の素子構造及び実験例の素子構造における反射率を示す図面である。 図８は、図１〜図５に示された面発光半導体レーザの狭窄層における第１領域及び第２領域の厚さの変化（動径方向における厚さの変化）を示す図面である。 図９は、Ａ−Ａ線及びＡ−Ｂ線に沿ってとられた断面の価電子帯のレベルを示す図面である。 図１０は、実験例及び実施例の素子構造を示すモデルを用いたシミュレーションによって求められたキャリア密度の分布を示す図面である。

引き続き、いくつかの具体例を説明する。

具体例に係る垂直共振型面発光半導体レーザは、（ａ）基板の主面上のポスト内に設けられた活性層と、（ｂ）前記ポスト内に設けられ狭窄層を含む第１積層と、を備え、前記活性層は、前記基板と前記第１積層との間に設けられ、前記狭窄層は、半導体の第１領域と前記第１領域を囲む絶縁体の第２領域とを含み、前記第１積層は、前記狭窄層に接触を成す遷移層と、第１アルミニウム組成を有し前記遷移層に接触を成す第１半導体層と、前記第１半導体層に接触を成す第１組成傾斜層と、前記第１アルミニウム組成より大きな第２アルミニウム組成を有し前記第１組成傾斜に接触を成す第２半導体層と、前記第２半導体層に接触を成す第２組成傾斜層と、を含み、前記遷移層は、前記第１半導体層から前記狭窄層への方向に増加するアルミニウム組成の半導体領域を含み、前記第１組成傾斜層のアルミニウム組成は、前記第１半導体層から前記第２半導体層への方向に増加する。

面発光半導体レーザによれば、第１積層の遷移層が、第１半導体層から狭窄層への方向に増加するアルミニウム組成の半導体領域を含む。遷移層は狭窄層に接触を成し、遷移層の半導体領域は第１半導体層に接触を成す。垂直共振型面発光半導体レーザにおいて、第１積層内のキャリア流は、狭窄層における電流アパーチャーの第１領域を通過して活性層に到達する。狭窄層における絶縁体の第２領域に沿って延在する遷移層によれば、狭窄層の電流アパーチャー領域と絶縁体領域との境界付近の半導体領域における高いキャリア密度の領域を小さくでき、高キャリア密度の領域の縮小により、面発光半導体レーザの微分抵抗が低減される。遷移層を第１積層に追加すると、狭窄層の電流アパーチャー領域におけるキャリア密度の均一性を高められる。

具体例に係る面発光半導体レーザでは、前記第１アルミニウム組成はゼロ以上である。

面発光半導体レーザによれば、分布反射のための第１半導体層は、例えばＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓといったＩＩＩ−Ｖ化合物半導体からなることができる。

具体例に係る面発光半導体レーザでは、前記第１積層は、第３アルミニウム組成を有し前記第２組成傾斜層に接触を成す第３半導体層と、前記第３半導体層に接触を成す第３組成傾斜層と、を含み、前記第１アルミニウム組成は前記第３アルミニウム組成より大きい。

面発光半導体レーザによれば、第３アルミニウム組成より大きい第１アルミニウム組成の第１半導体層は、狭窄層の電流アパーチャー領域と第１半導体層とのアルミニウム組成の差を小さくできる。

具体例に係る面発光半導体レーザは、分布ブラッグ反射のための第２半導体積層を更に備え、前記活性層は、前記第１積層と前記第２半導体積層との間に設けられる。

面発光半導体レーザによれば、第２半導体積層は下部分布ブラッグ構造のために設けられる。

具体例に係る面発光半導体レーザでは、前記狭窄層は、当該垂直共振型面発光レーザが発振すべき波長λの四分の一（λ／４）より薄い。

面発光半導体レーザによれば、発振波長の四分の一（λ／４）より薄い狭窄層は、該狭窄層の絶縁体に起因するポスト内の応力を低減できる。

具体例に係る面発光半導体レーザでは、前記第２領域は、アルミニウム酸化物を備える。

面発光半導体レーザによれば、アルミニウム酸化物の高比抵抗は、狭窄層が電流の案内を行うことを可能にする。

具体例に係る面発光半導体レーザでは、前記遷移層は、ＡｌＧａＡｓを備える。

面発光半導体レーザによれば、遷移層は、例えばＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓといったＩＩＩ−Ｖ化合物半導体からなることができる。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、垂直共振型面発光半導体レーザ、及びその製造方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、本実施形態に係る垂直共振型の面発光半導体レーザを模式的に示す図面である。面発光半導体レーザ１１は、基板１３と、活性層１５と、第１積層１７とを備える。活性層１５及び第１積層１７は、ポスト１９内に設けられる。活性層１５は、基板１３と第１積層１７との間に設けられる、第１積層１７は、狭窄層２１と、遷移層２３と、第１半導体層２５と、第１組成傾斜層２７と、第２半導体層２９と、第２組成傾斜層３１とを含む。狭窄層２１は、導電性の半導体からなる第１領域２１ａと、アルミニウム酸化物といった絶縁体を備える第２領域２１ｂとを含み、第２領域２１ｂは、第１領域２１ａを囲む。製造工程において、第１領域２１ａの高Ａｌ含有のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体が酸化されて、第２領域２１ｂの絶縁体が形成される。アルミニウム酸化物の高比抵抗は、狭窄層２１が電流の案内を行うことを可能にする。第１領域２１ａは電流アパーチャーとして働く。遷移層２３は、狭窄層２１に接触を成す。第１半導体層２５は、遷移層２３に接触を成す。第１組成傾斜層２７は、第１半導体層２５に接触を成す。第２半導体層２９は、第１組成傾斜層２７に接触を成す。第２組成傾斜層３１は、第２半導体層２９に接触を成す。

図２、図３、図４及び図５は、面発光半導体レーザ１１のポスト１９内の活性層１５及び第１積層１７を含む主要領域におけるアルミニウム組成のプロファイルを示す。例えば図２を参照すると、第１半導体層２５の第１アルミニウム組成ＡＬ１は、第２半導体層２９の第２アルミニウム組成ＡＬ２より小さく、第１アルミニウム組成ＡＬ１はゼロに等しい、又はゼロ以上である。遷移層２３は、第１半導体層２５から狭窄層２１への方向に増加するアルミニウム組成の半導体領域を含む。第１組成傾斜層２７のアルミニウム組成は、第１半導体層２５から第２半導体層２９への方向に増加しており、本実施例では、第１アルミニウム組成ＡＬ１から第２アルミニウム組成ＡＬ２まで変化する。第２組成傾斜層３１のアルミニウム組成は、第１半導体層２５から第２半導体層２９への方向に減少しており、本実施例では、第２アルミニウム組成ＡＬ２から第３アルミニウム組成ＡＬ３まで変化する。

面発光半導体レーザ１１によれば、第１積層１７の遷移層２３が、第１半導体層２５から狭窄層２１への方向に増加するアルミニウム組成の半導体領域を含む。遷移層２３は狭窄層２１に接触を成し、遷移層２３の半導体領域は第１半導体層２５に接触を成す。面発光半導体レーザ１１において、第１積層１７内を流れるキャリア（電子又は正孔）は、狭窄層２１の電流アパーチャーのための第１領域２１ａを通過して活性層１５に到達する。狭窄層２１の絶縁体からなる第２領域２１ｂに沿って延在する遷移層２３によれば、狭窄層２１の電流アパーチャー領域と絶縁体領域との境界付近の半導体領域における高いキャリア密度の領域を小さくでき、高キャリア密度の領域の縮小により、面発光半導体レーザ１１の微分抵抗が低減される。また、遷移層２３を第１積層１７に追加すると、狭窄層２１の電流アパーチャー領域におけるキャリア密度の均一性を高められる。

面発光半導体レーザ１１では、第１積層１７は、第３半導体層３３及び第３組成傾斜層３５を含むことができる。第３半導体層３３は、第３アルミニウム組成ＡＬ３を有し、第２組成傾斜層３１に接触を成す。第３組成傾斜層３５は、第３半導体層３３に接触を成す。第１アルミニウム組成ＡＬ１は第３アルミニウム組成ＡＬ３より大きい。第３組成傾斜層３５は、第２半導体層２９と実質的に同一の半導体層（引き続く説明では、これを「第２半導体層２９」として参照する）に接触を成す。本実施形態では、第３組成傾斜層３５のアルミニウム組成は、第１半導体層２５から第２半導体層２９への方向に増加しており、本実施例では、第１アルミニウム組成ＡＬ１から第２アルミニウム組成ＡＬ２まで変化する。第１上部ブラッグ反射器Ｐ１−ＤＢＲは、第２半導体層２９、第２組成傾斜層３１、第３半導体層３３、第３組成傾斜層３５からなる基本セルの配列を含む。第１上部ブラッグ反射器Ｐ１−ＤＢＲは、第１軸Ｎｘ上におけるアルミニウム組成０．５の点の間隔が当該面発光半導体レーザ１１の発振すべき波長λの四分の一（λ／４）になるように設計される。
第１上部分布ブラッグ反射器Ｐ１−ＤＢＲの例示。
第２半導体層２９：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成：０．９）。
第３半導体層３３：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成：０．１２）。
第１上部分布ブラッグ反射器Ｐ１−ＤＢＲは厚さ２０ｎｍの組成傾斜層を含む。
ペア数：２２。

分布反射のための第１半導体層２５は、例えばＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓといったＩＩＩ−Ｖ化合物半導体からなることができる。分布反射のための第２半導体層２９は、例えばＡｌＧａＡｓといったＩＩＩ−Ｖ化合物半導体からなることができる。分布反射のための第３半導体層３３は、例えばＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓといったＩＩＩ−Ｖ化合物半導体からなることができる。

ポスト１９は、基板１３の主面１３ａに交差する第１軸Ｎｘの方向に延在する第１部分１９ａと、第１部分１９ａを囲むように基板１３の主面１３ａに交差する方向に延在する第２部分１９ｂとを含む。ポスト１９の第１部分１９ａは電流アパーチャーのための第１領域２１ａを含み、ポスト１９の第２部分１９ｂは絶縁性の第２領域２１ｂを含む。

ポスト１９は、第４半導体層３７、第４組成傾斜層３９、第５半導体層４１、第５組成傾斜層４３、第６半導体層４５及び第６組成傾斜層４７を含み、第４半導体層３７、第４組成傾斜層３９、第５半導体層４１、第５組成傾斜層４３、第６半導体層４５及び第６組成傾斜層４７は、狭窄層２１と活性層１５との間に設けられる。狭窄層２１は第４半導体層３７に接触を成す。第４半導体層３７は第４組成傾斜層３９に接触を成し、第４組成傾斜層３９は第５半導体層４１に接触を成す。第５半導体層４１は第５組成傾斜層４３に接触を成し、第５組成傾斜層４３は第６半導体層４５に接触を成す。第６半導体層４５は第６組成傾斜層４７に接触を成す。第６組成傾斜層４７は活性層１５に接触を成す。第４半導体層３７は、第４アルミニウム組成ＡＬ４を有し、第５半導体層４１は、第４アルミニウム組成ＡＬ４より小さい第５アルミニウム組成ＡＬ５を有する。第６半導体層４５は第５アルミニウム組成ＡＬ５より大きい第６アルミニウム組成ＡＬ６を有する。第４組成傾斜層３９は、第４半導体層３７から第５半導体層４１への方向に減少するアルミニウム組成を有し、本実施例では、第４組成傾斜層３９のアルミニウム組成は、第４アルミニウム組成ＡＬ４から第５アルミニウム組成ＡＬ５まで変化する。第５組成傾斜層４３は、第５半導体層４１から第６半導体層４５への方向に増加するアルミニウム組成を有し、本実施例では、第５組成傾斜層４３のアルミニウム組成は、第５アルミニウム組成ＡＬ５から第６アルミニウム組成ＡＬ６まで変化する。第６組成傾斜層４７は、第６半導体層４５から活性層１５への方向に減少するアルミニウム組成を有し、本実施例では、第６組成傾斜層４７のアルミニウム組成は、活性層１５のスペーサ層１５ａのアルミニウム組成ＡＬＳＰから第６アルミニウム組成ＡＬ６まで変化する。
狭窄層２１の第１領域２１ａ：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成：０．９８）、厚さ３５ｎｍ。
第４半導体層３７：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成：０．９）。
第５半導体層４１：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成：０．１２）。
第６半導体層４５：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成：０．９）。
第４組成傾斜層３９：Ａｌ組成０．１２から０．９まで連続的に変化、厚さ２０ｎｍ。
第５組成傾斜層４３：Ａｌ組成０．９から０．１２まで連続的に変化、厚さ２０ｎｍ。
第６組成傾斜層４７：Ａｌ組成０．３から０．９まで連続的に変化、厚さ２０ｎｍ。

本実施例では、第４半導体層３７、第４組成傾斜層３９、第５半導体層４１、第５組成傾斜層４３、第６半導体層４５及び第６組成傾斜層４７の配列は、第２上部分布ブラッグ反射器Ｐ２−ＤＢＲとして働く。第２上部ブラッグ反射器Ｐ２−ＤＢＲは、第１軸Ｎｘ上におけるアルミニウム組成０．５の点の間隔が面発光半導体レーザ１１が発振すべき波長λの四分の一（λ／４）になるように設計される。
第２上部ブラッグ反射器Ｐ２−ＤＢＲの例示。
第６半導体層４５：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成：０．９）。
第５半導体層４１：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成：０．１２）。
第２上部分布ブラッグ反射器Ｐ１−ＤＢＲは厚さ２０ｎｍの組成傾斜層を含む。
ペア数：１５。
第１上部ブラッグ反射器Ｐ１−ＤＢＲ及び第２上部ブラッグ反射器Ｐ２−ＤＢＲは、上部ブラッグ反射器Ｐ−ＤＢＲを構成する。

面発光半導体レーザ１１は、下部分布ブラッグ反射器Ｎ−ＤＢＲを含み、下部分布ブラッグ反射器Ｎ−ＤＢＲは、第１ＤＢＲ半導体層４９ａ及び第２ＤＢＲ半導体層４９ｂを含む。第１ＤＢＲ半導体層４９ａは、例えばＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓといったＩＩＩ−Ｖ化合物半導体からなることができる。第２ＤＢＲ半導体層４９ｂは、例えばＡｌＧａＡｓといったＩＩＩ−Ｖ化合物半導体からなることができる。必要な場合には、下部分布ブラッグ反射器Ｎ−ＤＢＲは、上部分布ブラッグ反射器Ｐ−ＤＢＲに用いられる組成傾斜層に同一又は類似の組成傾斜層を含むことができる。
下部分布ブラッグ反射器Ｎ−ＤＢＲの例示。
第１ＤＢＲ半導体層４９ａ：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成：０．１２）。
第２ＤＢＲ半導体層４９ｂ：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成：０．９）。
ペア数：３５。

面発光半導体レーザ１１の分布ブラッグ反射器は、レーザ共振器内における狭窄層２１の位置が、発振されるべきレーザ光ビームの電界強度の最小値近傍になるように設けられる。この電界分布の配置は、下部分布ブラッグ反射器Ｎ−ＤＢＲと上部分布ブラッグ反射器Ｐ−ＤＢＲとの間隔を調整することにより行われる。この配置により、第１上部ブラッグ反射器Ｐ１−ＤＢＲと第２上部ブラッグ反射器Ｐ２−ＤＢＲとの間に遷移層２３の追加による分布ブラッグ反射器の反射率低下を低減できる。

活性層１５が下部分布ブラッグ反射器Ｎ−ＤＢＲと上部分布ブラッグ反射器Ｐ−ＤＢＲとの間に設けられる。活性層１５は、井戸層１５ｂ及び障壁層１５ｃを含む量子井戸構造ＭＱＷを備え、量子井戸構造ＭＱＷは、スペーサ層１５ａによって挟まれている。
活性層の例示。
スペーサ層１５ａ：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成：０．３）
井戸層１５ｂ：ＧａＡｓ。
障壁層１５ｃ：ＡｌＧａＡｓ。

面発光半導体レーザ１１は、ポスト１９及び下部分布ブラッグ反射器Ｎ−ＤＢＲの表面を覆うパッシベーション膜５１を備え、パッシベーション膜５１はシリコン系無機絶縁体（例えば、シリコン酸化膜）を備える。ポスト１９の上面１９ｃ上には、ポスト１９のコンタクト層５３に接触を成す第１電極５５ａが設けられ、基板１３の裏面１３ｂ上には、裏面１３ｂに接触を成す第２電極５５ｂが設けられる。
第１電極５５ａ：Ｔｉ／Ａｕ。
第２電極５５ｂ：ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ。
基板１３：ｎ型ＧａＡｓ。

ポスト１９の第１部分１９ａにおいて、狭窄層２１の電流アパーチャーの第１領域２１ａの厚さと第４半導体層３７の厚さとの和は、当該面発光半導体レーザ１１の発振すべき波長λの四分の一（λ／４）に対応する。この面発光半導体レーザ１１によれば、第４半導体層３７は、狭窄層２１の電流アパーチャー領域の厚さが分布反射からの要求に制約されることを避けることができる。

（実施例１）
図２は、実施例１に係る電流狭窄構造の第１軸Ｎｘ上において近傍領域のＡｌ組成プロファイルを示す図面である。第１部分１９ａにおいては、遷移層２３のアルミニウム組成は、第１半導体層２５の第１アルミニウム組成ＡＬ１から第４半導体層３７の第４アルミニウム組成ＡＬ４まで変化する。また、面発光半導体レーザ１１によれば、図２に示されるように、第１アルミニウム組成ＡＬ１はゼロより大きい。第３アルミニウム組成ＡＬ３より大きい第１アルミニウム組成ＡＬ１の第１半導体層２５は、狭窄層２１の電流アパーチャーの第１領域２１ａと第１半導体層２５とのアルミニウム組成の差を小さくでき、この小さい組成差は内部応力を低減できる。

実施例１の素子構造。
遷移層２３（ポスト１９の第１部分１９ａ）：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．５から０．９まで連続的に変化して第１領域２１ａに到達する半導体領域）、厚さ１０ｎｍ。
遷移層２３（ポスト１９の第２部分１９ｂ）： ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．５から連続的に変化して第２領域２１ｂの酸化物に到達する半導体領域）。Ａｌ組成の上限は、第２領域２１ｂの酸化物の厚さに依存する。遷移層２３の半導体は、酸化されずに残った半導体残余。
第１組成傾斜層２７：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．５から０．９まで連続的に変化する）、厚さ１０ｎｍ。
素子性能（２５℃）。
微分抵抗：９５オーム。
変調帯域：１９ＧＨｚ。

（実施例２）
実施例２に係る電流狭窄構造の第１軸Ｎｘ上において近傍領域は、図２に示されるＡｌ組成プロファイルを有する。第１部分１９ａにおいては、遷移層２３のアルミニウム組成は、第１半導体層２５の第１アルミニウム組成ＡＬ１から第４半導体層３７の第４アルミニウム組成ＡＬ４まで変化する。また、面発光半導体レーザ１１によれば、図２に示されるように、第１アルミニウム組成はゼロより大きい。第３アルミニウム組成ＡＬ３より大きい第１アルミニウム組成ＡＬ１の第１半導体層２５は、狭窄層２１の電流アパーチャーの第１領域２１ａと第１半導体層２５とのアルミニウム組成の差を小さくでき、この小さい組成差は内部応力を低減できる。

実施例２の素子構造。
遷移層２３（ポスト１９の第１部分１９ａ）：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．５から０．９まで連続的に変化して第１領域２１ａに到達する半導体領域）、厚さ３０ｎｍ（実施例１の素子には、厚さ１０ｎｍが適用された）。
遷移層２３（ポスト１９の第２部分１９ｂ）： ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．５から連続的に変化して第２領域２１ｂの酸化物に到達する半導体領域）。Ａｌ組成の上限は、第２領域２１ｂの酸化物の厚さに依存する。遷移層２３の半導体は、酸化されずに残った半導体残余。
第１組成傾斜層２７：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．５から０．９まで連続的に変化する）、厚さ３０ｎｍ。
素子性能（２５℃）。
微分抵抗：８５オーム。
変調帯域：２０．５ＧＨｚ。

（実施例３）
図３は、実施例３に係る電流狭窄構造の第１軸Ｎｘ上において近傍領域のＡｌ組成プロファイルを示す図面である。第１部分１９ａにおいては、遷移層２３のアルミニウム組成は、第１半導体層２５の第１アルミニウム組成ＡＬ１から狭窄層２１の第１領域２１ａの高アルミニウム組成ＡＬ０まで変化する。また、面発光半導体レーザ１１によれば、図３に示されるように、第１アルミニウム組成はゼロより大きい。第３アルミニウム組成ＡＬ３より大きい第１アルミニウム組成ＡＬ１の第１半導体層２５は、狭窄層２１の電流アパーチャーの第１領域２１ａと第１半導体層とのアルミニウム組成の差を小さくでき、この小さい組成差は内部応力を低減できる。

実施例３の素子構造。
遷移層２３（ポスト１９の第１部分１９ａ）：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．５から０．９まで連続的に変化する部分）、厚さ１０ｎｍ。ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．９から０．９８まで連続的に変化して第１領域２１ａに到達する半導体領域）、厚さ５ｎｍ。
遷移層２３（ポスト１９の第２部分１９ｂ）： ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．５から連続的に変化して第２領域２１ｂの酸化物に到達する半導体領域）。Ａｌ組成の上限は、第２領域２１ｂの酸化物の厚さに依存する。遷移層２３の半導体は、酸化されずに残った半導体残余。
第１組成傾斜層２７：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．５から０．９まで連続的に変化する）、厚さ１０ｎｍ。
素子性能（２５℃）。
微分抵抗：９０オーム。
変調帯域：１９．５ＧＨｚ。

（実施例４）
実施例４に係る電流狭窄構造の第１軸Ｎｘ上において近傍領域は、図３に示されるＡｌ組成プロファイルを有する。第１部分１９ａにおいては、遷移層２３のアルミニウム組成は、第１半導体層２５の第１アルミニウム組成ＡＬ１から狭窄層２１の第１領域２１ａにおける高アルミニウム組成ＡＬ０まで変化する。また、面発光半導体レーザ１１によれば、図３に示されるように、第１アルミニウム組成ＡＬ１はゼロより大きい。第３アルミニウム組成ＡＬ３より大きい第１アルミニウム組成ＡＬ１の第１半導体層２５は、狭窄層２１の電流アパーチャーの第１領域２１ａと第１半導体層とのアルミニウム組成の差を小さくでき、この小さい組成差は内部応力を低減できる。

実施例４の素子構造。
遷移層２３（ポスト１９の第１部分１９ａ）：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．５から０．９まで連続的に変化する部分）、厚さ３０ｎｍ（実施例３では、厚さ１０ｎｍ）。ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．９から０．９８まで連続的に変化して第１領域２１ａに到達する）、厚さ５ｎｍ。
遷移層２３（ポスト１９の第２部分１９ｂ）： ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．５から連続的に変化して第２領域２１ｂの酸化物に到達する半導体領域）。Ａｌ組成の上限は、第２領域２１ｂの酸化物の厚さに依存する。遷移層２３の半導体は、酸化されずに残った半導体残余。
第１組成傾斜層２７：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．５から０．９まで連続的に変化する）、厚さ３０ｎｍ（実施例３では厚さ１０ｎｍ）。
素子性能（２５℃）。
微分抵抗：８２オーム。
変調帯域：２０．１ＧＨｚ。

（実施例５）
図４は、実施例５に係る電流狭窄構造の第１軸Ｎｘ上において近傍領域のＡｌ組成プロファイルを示す図面である。第１部分１９ａにおいては、遷移層２３のアルミニウム組成は、第１半導体層２５の第１アルミニウム組成ＡＬ１から第４半導体層３７の第４アルミニウム組成ＡＬ４まで変化する。また、面発光半導体レーザ１１によれば、図４に示されるように、第１アルミニウム組成ＡＬ１はゼロより大きい。第３アルミニウム組成ＡＬ３に実質的に等しい第１アルミニウム組成ＡＬ１の第１半導体層２５は、第２アルミニウム組成ＡＬ２との屈折率差を大きく保てるため、分布ブラッグ反射器の反射率低下を防ぐことができる。

実施例５の素子構造。
遷移層２３（ポスト１９の第１部分１９ａ）：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．１２から０．９まで連続的に変化して第１領域２１ａに到達する）、厚さ２０ｎｍ。
遷移層２３（ポスト１９の第２部分１９ｂ）：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．１２から連続的に変化して第２領域２１ｂの酸化物に到達する半導体領域）。Ａｌ組成の上限は、第２領域２１ｂの酸化物の厚さに依存する。遷移層２３の半導体は、酸化されずに残った半導体残余。
第１組成傾斜層２７：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．１２から０．９まで連続的に変化する）、厚さ２０ｎｍ。
素子性能（２５℃）。
微分抵抗：９２オーム。
変調帯域：１８．９ＧＨｚ。

（実施例６）
実施例６に係る電流狭窄構造の第１軸Ｎｘ上において近傍領域は、図４に示されるＡｌ組成プロファイルを有する。第１部分１９ａにおいては、遷移層２３のアルミニウム組成は、第１半導体層２５の第１アルミニウム組成ＡＬ１から第４半導体層３７の第４アルミニウム組成ＡＬ４まで変化する。また、面発光半導体レーザ１１によれば、図４に示されるように、第１アルミニウム組成ＡＬ１はゼロより大きい。第３アルミニウム組成ＡＬ３に実施的に等しい第１アルミニウム組成ＡＬ１の第１半導体層２５は、第２アルミニウム組成ＡＬ２との屈折率差を大きく保てるため、分布ブラッグ反射器の反射率低下を防ぐことができる。

実施例６の素子構造。
遷移層２３（ポスト１９の第１部分１９ａ）：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．１２から０．９まで連続的に変化して第１領域２１ａに到達する半導体領域）、厚さ３０ｎｍ（実施例５では厚さ１０ｎｍ）。
遷移層２３（ポスト１９の第２部分１９ｂ）： ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．５から連続的に変化して第２領域２１ｂの酸化物に到達する半導体領域）。Ａｌ組成の上限は、第２領域２１ｂの酸化物の厚さに依存する。遷移層２３の半導体は、酸化されずに残った半導体残余。
第１組成傾斜層２７：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．１２から０．９まで連続的に変化する）、厚さ１０ｎｍ。
素子性能（２５℃）。
微分抵抗：８６オーム。
変調帯域：２０．０ＧＨｚ。

（実施例７）
図５は、実施例７に係る電流狭窄構造の第１軸Ｎｘ上において近傍領域のＡｌ組成プロファイルを示す図面である。第１部分１９ａにおいては、遷移層２３のアルミニウム組成は、第１半導体層２５の第１アルミニウム組成ＡＬ１から第４半導体層３７の第４アルミニウム組成ＡＬ４まで変化する。また、面発光半導体レーザ１１によれば、図５に示されるように、第１アルミニウム組成はゼロより大きい。第３アルミニウム組成ＡＬ３に実質的に等しい第１アルミニウム組成ＡＬ１の第１半導体層２５は、第２アルミニウム組成ＡＬ２との屈折率差を大きく保てるため、分布ブラッグ反射器の反射率低下を防ぐことができる。

実施例７の素子構造。
遷移層２３（ポスト１９の第１部分１９ａ）：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．１２から０．９まで連続的に変化する部分）、厚さ２０ｎｍ。ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．９から０．９８まで連続的に変化して第１領域２１ａに到達する半導体領域）、厚さ５ｎｍ。
遷移層２３（ポスト１９の第２部分１９ｂ）： ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．５から連続的に変化して第２領域２１ｂの酸化物に到達する半導体領域）。Ａｌ組成の上限は、第２領域２１ｂの酸化物の厚さに依存する。遷移層２３の半導体は、酸化されずに残った半導体残余。
第１組成傾斜層２７：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．１２から０．９まで連続的に変化する）、厚さ２０ｎｍ。
素子性能（２５℃）。
微分抵抗：９０オーム。
変調帯域：１９．８ＧＨｚ。

（実施例８）
実施例８に係る電流狭窄構造の第１軸Ｎｘ上において近傍領域は、図５に示されるＡｌ組成プロファイルを有する。第１部分１９ａにおいては、遷移層２３のアルミニウム組成は、第１半導体層２５の第１アルミニウム組成ＡＬ１から第４半導体層３７の第４アルミニウム組成ＡＬ４まで変化する。また、面発光半導体レーザ１１によれば、図５に示されるように、第１アルミニウム組成ＡＬ１はゼロより大きい。第３アルミニウム組成ＡＬ３に実質的に等しい第１アルミニウム組成ＡＬ１の第１半導体層２５は、第２アルミニウム組成ＡＬ２との屈折率差を大きく保てるため、分布ブラッグ反射器の反射率低下を防ぐことができる。

実施例８の素子構造。
遷移層２３（ポスト１９の第１部分１９ａ）：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．１２から０．９まで連続的に変化する部分）、厚さ３０ｎｍ。ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．９から０．９８まで連続的に変化して第１領域２１ａに到達する半導体領域）、厚さ５ｎｍ。
遷移層２３（ポスト１９の第２部分１９ｂ）： ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．５から連続的に変化して第２領域２１ｂの酸化物に到達する半導体領域）。Ａｌ組成の上限は、第２領域２１ｂの酸化物の厚さに依存する。遷移層２３の半導体は、酸化されずに残った半導体残余。
第１組成傾斜層２７：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．１２から０．９まで連続的に変化する）、厚さ２０ｎｍ。
素子性能（２５℃）。
微分抵抗：８３オーム。
変調帯域：２０．２ＧＨｚ。

（実験例）
図６は、遷移層を含まない面発光半導体レーザＣのポスト内の活性層、及び活性層上の半導体積層を含む主要領域におけるアルミニウム組成のプロファイルを示す。狭窄層の界面において、アルミニウム組成のプロファイルは急峻に（ステップ状に）変化している。Ａｌ組成プロファイルの急峻な変化は、狭窄層の界面に急峻な屈折率変化を提供でき、この変化によって分布ブラッグ反射器の反射率が高められる。
素子性能（２５℃）。
微分抵抗：１２０オーム。
変調帯域：１８ＧＨｚ。

いずれの実施例においても、狭窄層２１の第１領域２１ａの厚さは、面発光半導体レーザ１１の発振すべき波長λの四分の一（λ／４）の値より薄い。薄い第１領域２１ａは、狭窄層２１の第２領域２１ｂの絶縁体を薄くすることに役立つ。薄い第２領域２１ｂは、半導体領域内の絶縁物に起因する応力を低減できる。

図７は、上部分布ブラッグ反射器の反射率が、実験例の素子構造にそのまま追加されるＡｌ組成傾斜層の厚さに応じて変化する反射特性と、実施例５〜８の素子構造に含まれる組成傾斜層の厚さに応じて変化する反射特性とを示す図面である。実施例５〜８の素子構造及び実験例を示す図面では、Ａｌ組成傾斜層の厚さを「ｄ１」として参照し、Ａｌ組成傾斜層に接する定アルミニウム組成層の厚さを「ｄ２」として参照する。実験例の素子構造における反射率は、組成傾斜層の厚さを増加させる（定アルミニウム組成層の厚さｄ２を変えずに、組成傾斜層の厚さｄ１を増加させる）と、実施例５〜８の素子構造（Ａｌ組成傾斜層の厚さと定アルミニウム組成層の厚さとの和を一定に保つ素子構造）における反射率に比べて大きく低下する。「ｄ１＝０」は、アルミニウム組成のプロファイルが狭窄層の界面において急峻に（ステップ状に）変化することを示す。

面発光半導体レーザ１１の作製方法の概要を説明する。ｎ型ＧａＡｓウエハ上に面発光半導体レーザ１１のための半導体積層をエピタキシャル成長方法を用いて成長する。この成長においては、狭窄層のための半導体層の直上に遷移層のための半導体層を形成する。半導体積層上に、ポスト１９を規定するパターンを有するマスクを形成する。このマスクを用いて、半導体積層をエッチングして、ポストの配列をウエハ上に形成する。エッチングの後に、マスクを除去して半導体生産物を形成する。酸化雰囲気中において半導体生産物を熱処理して、個々のポストにおいて、狭窄層２１及び遷移層２３を形成する。狭窄層２１は、高Ａｌ組成半導体の第１領域２１ａとアルミニウム酸化物の第２領域２１ｂを含む。遷移層２３のための半導体において、高Ａｌ組成の半導体は、酸化雰囲気中において、狭窄層２１のための半導体と同様に酸化されて、残余の半導体が遷移層２３を構成する。
狭窄層２１のための半導体：厚さ１０〜４０ｎｍ。
遷移層２３のための半導体：厚さ５〜３５ｎｍ。

図８は、図１〜図５に示された狭窄層２１における第１領域及び第２領域の厚さの変化（ポスト１９の中心軸から側面への動径方向における厚さの変化）を模式的に示す図面である。絶縁体の第２領域２１ｂは、ポスト１９の第２部分１９ｂにおいて第１軸Ｎｘ上の点からポスト１９の側面への方向に徐々に厚くなるアルミニウム酸化物層を含むことができる。第２領域２１ｂの絶縁体は、半導体の構成元素アルミニウムを含むＡｌ化合物である。面発光半導体レーザ１１によれば、ポスト１９の側面からの酸化により、エピタキシャル成長された際の遷移層のための半導体の一部も酸化されて、アルミニウム酸化物層の厚さは、動径方向に変化する。第２領域２１ｂの絶縁体の厚さの変化は、絶縁体の先端部の応力を抑制したまま、メサの寄生容量を低減できる。

遷移層２３は、第１部分１９ａにおいて第１軸Ｎｘ上の点からポスト１９の側面への方向に徐々に薄くなる。ポスト１９の側面からの酸化により、エピタキシャル成長された際の遷移層の一部も酸化されると、遷移層２３の厚さは、動径方向に変化する。

面発光半導体レーザ１１の作製方法の概要の説明に戻る。狭窄層を形成した後に、ウエハ全体にパッシベーション膜５１のための絶縁膜を形成する。フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて絶縁膜にコンタクト開口を形成すると共に、ポスト１９の上部面上に第１電極５５ａを形成する。基板１３の裏面（必要な場合には、研磨した面）上に第２電極５５ｂを形成して基板生産物を作製する。これらの工程により、面発光半導体レーザ１１のための基板生産物を分離して、面発光半導体レーザ１１のチップを形成する。

実施例３、４、７、及び８では、狭窄層２１と第１半導体層２５と繋ぐ組成傾斜層に、第１半導体層２５の第１アルミニウム組成ＡＬ１から狭窄層２１のアルミニウム組成まで連続的に変化するＡｌプロファイルを適用している。連続的なＡｌプロファイルは、バンド構造においてノッチ及びスパイクによる電位障壁の生成を回避できる。Ａｌプロファイルは、結晶成長炉における原料ラインの流量コントローラを連続的に変化させることによって提供される。

組成傾斜層の成長に際して、Ａｌ組成プロファイルが、図２〜図５においては連続的な単一線形関数で表される組成傾斜を表す。Ａｌ組成プロファイルが、階段状の関数を用いて複数の定組成の段階的なＡｌ組成の減少で表される組成傾斜を表すことができ、ほぼ直線で表される組成傾斜を含むことができ、複数の線形関数で表される組成傾斜を含むことができる。

図９の（ａ）部及び（ｂ）部は、それぞれ、図９の（ｃ）部に示されたＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線に沿ってとられた断面における価電子帯のエネルギーレベルを示す。これらのエネルギーレベルは、実施例６及び実験例の組成構造を示すモデルを用いてシミュレーションによって求められた。

図９の（ａ）部を参照すると、活性層から狭窄層への方向に横軸が規定される。縦軸は、ある基準レベルに対してエレクトロンボルト単位で表された価電子バンドのエネルギーレベルを示す。破線は、実験例のＡｌ組成プロファイルを有する構造を示すモデルのシミュレーション結果を表し、実線は、実施例６のＡｌ組成プロファイルを有する構造を示すモデルのシミュレーション結果を表す。実験例における素子構造では、一定のＡｌ組成層が直接に酸化アルミニウム層に接しているので、半導体層と酸化アルミニウム層との界面における電位が固定されている。この固定により、組成傾斜層の一部において、価電子帯のレベルが大きく歪んでいる。実施例６における素子構造では、遷移層のバンドギャップ変化（酸化アルミニウム層から離れるにつれて、グラフ上において上側に向けて働く変化）が酸化アルミニウム層によるポテンシャル変形（酸化アルミニウム層から離れるにつれて、グラフ上において下側に働く変化）を補償するので、補償された伝導帯レベルは、実験例に比べて平坦なエネルギーレベルを示す。

また、キャリアの流れの観点からは、実験例の構造では、アノード電極からの正孔は、酸化アルミニウム層と半導体層との界面に生成されたスパイクに蓄積されて、この界面のスパイク内を電流アパ−チャーに向かって流れる。このキャリアの流れは、電流アパーチャー近傍において電流集中を引き起こす。実施例６の構造では、半導体領域のポテンシャルは、酸化アルミニウム層近傍において正孔に対しやや障壁として作用する。この障壁によれば、アノード電極からの正孔は、酸化アルミニウム層に到達する前に、ポスト１９の第２部分１９ｂから第１部分１９ａへの方向に流れる。酸化アルミニウム層近傍の障壁ポテンシャルは、酸化アルミニウム層から離れた領域においてキャリアを電流アパーチャーに向かうように案内する。この案内により、電流アパーチャー近傍における電流集中を回避できる。

図１０の（ａ）部及び（ｂ）部は、それぞれ、実験例及び実施例の組成構造を示すモデルを用いたシミュレーションによってキャリア密度求められた。これらの図面において、参照符合「Ｒ」は、非常に大きなキャリア密度の領域を示し、参照符合「Ｙ」は、やや大きなキャリア密度の領域を示す。図１０の（ａ）部を参照すると、酸化アルミニウム層と電流アパーチャーとの境界付近において、非常に大きなキャリア密度の領域（Ｒ）と、この回りに大きなキャリア密度の領域（Ｙ）とが生じており、この分布は、全体的に広いエリアにキャリア集中が発生したことを示している。一方、図１０の（ｂ）部を参照すると、電流アパーチャーの全体にわたって高Ａｌ組成の半導体層に沿って大きなキャリア密度の領域（Ｙ）が生じており、この領域（Ｙ）の中心に僅かに領域（Ｒ）が生じている。

このキャリア分布は、図９の（ａ）部及び（ｂ）部に示された価電子帯のバンド構造の形状から導かれるキャリア分布に整合する。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

以上説明したように、本実施形態によれば、微分抵抗を低減可能な構造を有する垂直共振型面発光半導体レーザが提供される。

１１…面発光半導体レーザ、１３…基板、１５…活性層、１７…第１積層、１９…ポスト、２１…狭窄層、２１ａ…第１領域、２１ｂ…第２領域、２３…遷移層、２５…第１半導体層、２７…第１組成傾斜層、２９…第２半導体層、３１…第２組成傾斜層。

Claims (7)

1. 垂直共振型面発光半導体レーザであって、
   基板の主面上のポスト内に設けられた活性層と、
   前記ポスト内に設けられ狭窄層を含む第１積層と、
   を備え、
   前記活性層は、前記基板と前記第１積層との間に設けられ、
   前記狭窄層は、半導体の第１領域と前記第１領域を囲む絶縁体の第２領域とを含み、
   前記第１積層は、前記狭窄層に接触を成す遷移層と、第１アルミニウム組成を有し前記遷移層に接触を成す第１半導体層と、前記第１半導体層に接触を成す第１組成傾斜層と、前記第１アルミニウム組成より大きな第２アルミニウム組成を有し前記第１組成傾斜に接触を成す第２半導体層と、前記第２半導体層に接触を成す第２組成傾斜層と、
   を含み、
   前記遷移層は、前記第１半導体層から前記狭窄層への方向に増加するアルミニウム組成の半導体領域を含み、
   前記第１組成傾斜層のアルミニウム組成は、前記第１半導体層から前記第２半導体層への方向に増加する、垂直共振型面発光半導体レーザ。
2. 前記第１アルミニウム組成はゼロ以上である、請求項１に記載された垂直共振型面発光半導体レーザ。
3. 前記第１積層は、第３アルミニウム組成を有し前記第２組成傾斜層に接触を成す第３半導体層と、前記第３半導体層に接触を成す第３組成傾斜層と、を含み、
   前記第１アルミニウム組成は前記第３アルミニウム組成より大きい、請求項１又は請求項２に記載された垂直共振型面発光半導体レーザ。
4. 分布ブラッグ反射のための第２半導体積層を更に備え、
   前記活性層は、前記第１積層と前記第２半導体積層との間に設けられる、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された垂直共振型面発光半導体レーザ。
5. 前記狭窄層は、当該垂直共振型面発光半導体レーザが発振すべき波長λの四分の一（λ／４）より薄い、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された垂直共振型面発光半導体レーザ。
6. 前記第２領域は、アルミニウム酸化物を備える、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された垂直共振型面発光半導体レーザ。
7. 前記遷移層は、ＡｌＧａＡｓを備える、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された垂直共振型面発光半導体レーザ。

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