JP4115125B2 - 面発光型半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として発振波長１．２から１．３μｍ帯の面発光型半導体レーザ素子に関し、更に詳細には、レーザ光出力の熱飽和特性が良好で、高温の動作環境でも高出力で安定し、かつしきい値電流密度が低くて動作する、面発光型半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
面発光型半導体レーザ素子は同一基板上に２次元的に多数のレーザ素子を集積できる特徴を備えていて、光インターコネクションや光コンピューティングなどの光の並列性を生かした並列光情報処理、又は大容量並列光伝送などへの応用に適している。
そして、近年、ＧａＡｓ基板上に形成された相互にＡｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ等からなる一対の半導体多層膜反射鏡と、その一対の半導体多層膜反射鏡の間に設けられ、発光領域となるＧａＩｎＡｓＮ井戸層により形成される活性層とを有する発振波長１．２から１．３μｍ帯の面発光型半導体レーザ素子がデータ通信分野で使用される光通信装置の光源として注目されている。
【０００３】
ｐ型導電型の半導体多層膜反射鏡（Distributed Bragg Reflector：以下、反射鏡と言う）の電気抵抗は、ｎ型導電型の反射鏡に比べて本質的に大きい。そのために、ｎ型ＧａＡｓ基板上に形成した面発光型半導体レーザ素子は、ｐ型反射鏡の面積が、面発光型半導体レーザ素子の構造上、必然的に小さくなるので、ｐ型反射鏡の電気抵抗が更にそれだけ大きくなる。このため、所要の電流を流す際に、電極間に印加する電圧が高くなって、好ましくない。
【０００４】
そこで、ｐ型ＧａＡｓ基板上ほぼ全面に形成されたｐ型反射鏡と、ｐ型反射鏡上にエアポスト構造として形成された活性層及び活性層上に設けられたｎ型反射鏡とを備えて、ｐ型反射鏡の電気抵抗を小さくした面発光型半導体レーザ素子が開発されている。
そして、反射鏡の一部に、Ａｌ組成が他のいずれの化合物半導体層よりも高い一層又は複数層のＡｌＧａＡｓ層を形成し、この高いＡｌ組成の層の一部領域のみを選択的に酸化して電気抵抗の高いＡｌ酸化層を形成し、電流経路を限定するようにした電流狭窄構造を設けることにより、発光効率を高め、しきい値電流を低くした、レーザ特性が良好な面発光型半導体レーザ素子が実現している。
【０００５】
ここで、図５及び図６を参照して、従来の発振波長が長波長、具体的には１．３μｍ帯の面発光型半導体レーザ素子の構成を説明する。
発振波長１．３μｍ帯の従来の面発光型半導体レーザ素子１０は、膜厚約１００μｍのｐ−ＧａＡｓ基板１２上に、順次、形成されたｐ型半導体多層膜からなる下部反射鏡１４、ノンドープＧａＡｓ下部クラッド層１８、活性層２０、ノンドープＧａＡｓ上部クラッド層２２、ｎ型多層膜からなる上部反射鏡２４、及びｎ−ＧａＡｓキャップ層２６からなる積層構造を備えている。
下部反射鏡１４の最上層は、図５に示すように、ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜に代えて、膜厚２０ｎｍのＡｌ酸化層１６／ｐ−ＡｌＡｓ層１７が成膜されている。
【０００６】
積層構造のうち、ｎ−ＧａＡｓキャップ層２６、上部反射鏡２４、ノンドープＧａＡｓ上部クラッド層２２、活性層２０、ノンドープＧａＡｓ下部クラッド層１８、及びＡｌ酸化層１６／ＡｌＡｓ層１７は、円筒状溝２８によって、直径４０から４５μｍのエアポスト構造３０として形成されている。
【０００７】
下部反射鏡１４は、図６に示すように、膜厚１１０ｎｍのｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０と膜厚９４ｎｍのｐ−ＧａＡｓ膜４６とが組成傾斜層を介して積層された３５．５ペアの多層膜によって構成されている。
Ａｌ酸化層１６はエアポスト構造３０の側壁に沿って形成され、電気抵抗の高い電流狭窄領域を構成し、ＡｌＡｓ層１７は中央部の直径１７μｍから２０μｍの円形領域として形成され、電流注入経路を構成している。
活性層２０は、ＧａＩｎＡｓＮを井戸層としている。
上部反射鏡２４は膜厚１１０ｎｍのｎ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５４と膜厚９４ｎｍのｎ−ＧａＡｓ膜５６とが組成傾斜層を介して積層された３０ペアの多層膜によって構成されている。
【０００８】
円筒状溝２８の溝壁、エアポスト構造３０上を含めて、全面にシリコン窒化膜３２が成膜されている。そして、エアポスト構造３０上面のシリコン窒化膜３２は、直径３０μｍの円形状に除去されて、ｎ−ＧａＡｓキャップ層２６を露出させている。
そこには、内径２０μｍ、外形３０μｍのリング状のＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ金属積層膜がｎ側電極３４として形成されている。更に、中央に円形開口を有するようにしてｎ側電極３４を覆って接続したＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層金属パッドが、ｎ側電極３４の引き出し用電極３６として形成されている。
また、ｐ−ＧａＡｓ基板１２の裏面には、ＡｕＺｎ膜がｐ側電極３８として形成されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した発振波長１．３μｍ帯の従来の面発光型半導体レーザ素子には、以下のような問題があった。
第一の問題は、レーザ光出力の熱飽和特性が良好でないということである。高温動作環境で動作すると、従来の面発光型半導体レーザ素子は比較的低い出力で最大光出力が飽和状態に達し、それ以上の光出力を出すことができなくなる。
例えば、従来の面発光型半導体レーザ素子と同じ構成を備え、発光面積が３００μｍ2のレーザ素子の場合、図４（ａ）に示すように、２０℃及び３０℃の動作環境での光出力−電流特性は良好な特性を保っているが、５０℃の動作環境で、光出力−電流特性は光出力０．５５ｍＷで飽和に近づき、７０℃の動作環境では、光出力−電流特性が光出力０．３ｍＷで飽和し、注入電流を増加しても、光出力が増大しない。図４（ａ）に従来の面発光型半導体レーザ素子の注入電流−光出力の特性を示す。
【００１０】
第二の問題は、しきい値電流密度が比較的高いということである。
例えば、図４（ａ）に示すように、従来の面発光型半導体レーザ素子のしきい値電流密度は、４ｍＡ／ｍｍ2から５ｍＡ／ｍｍ2であるが、データ通信分野で使用される光通信装置の光源として適用されるには、更に低くする必要がある。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、レーザ光出力の熱飽和特性が良好で、高温の動作環境でも高出力で安定し、かつしきい値電流密度が低くて動作する、発振波長１．１８μｍ以上の面発光型半導体レーザ素子を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
まず本発明者は、面発光型半導体レーザ素子のレーザ光出力の熱飽和特性を改善するために、以下のような考察を行った。
レーザ光出力の熱飽和特性を改善するためには、活性層部分の温度上昇を抑制することが重要である。そこで、活性層部分の温度上昇に大きく影響するレーザ素子の熱抵抗Ｒth（Ｋ／Ｗ）に着目した。ここで、熱抵抗Ｒthとは半導体レーザ素子が動作する際の活性層部分の温度上昇を活性層における消費電力で除したものである。
【００１３】
面発光型半導体レーザ素子の熱抵抗Ｒthは、簡単には、各材料の熱伝導率σth及び熱抵抗率ρthと、構造寸法である長さｌ及び面積Ｓにより、Ｒth＝ｌ／（σthＳ）＝ρthｌ／Ｓ、のように表され、更に、活性層における消費電力をＱとすれば、活性層の温度上昇ΔＴは、ΔＴ＝Ｒth・Ｑで表される。
即ち、熱抵抗Ｒthが大きいほど、活性層の温度上昇ΔＴは大きくなる。
そこで、面発光型半導体レーザ素子の熱抵抗Ｒthを低下させ、活性層の温度上昇ΔＴを抑制することを意図して、以下の実験例１を行った。
【００１４】
実験例１
本実験例は、面発光型半導体レーザ素子の熱抵抗Ｒthに着目し、レーザ素子の熱抵抗Ｒthに影響を与える要因と、レーザ光出力の熱飽和特性が改善される条件とを調べるために行った実験である。
図１１は、本実験例に係る面発光型半導体レーザ素子の層構造を示す模式図である。
【００１５】
本実験例の面発光型半導体レーザ素子は、発光波長１．３μｍ帯の面発光型半導体レーザ素子であって、下部反射鏡１５及び上部反射鏡２５の構成が前述の従来の面発光型半導体レーザ素子１０の構成と異なることを除いて、面発光型半導体レーザ素子１０と同じ構成を備えている。
下部反射鏡１５では、図１１に示すように、従来の面発光型半導体レーザ素子１０のｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０に代えて、Ａｌ組成１−αをパラメータとして、ｐ−Ａｌ1- αＧａαＡｓ膜５１とｐ−ＧａＡｓ膜４６とが組成傾斜層を介して積層された３５．５ペアの多層膜によって構成されている。
上部反射鏡２５では、従来の面発光型半導体レーザ素子１０のｎ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５４に代えて、Ａｌ組成１−αをパラメータとして、ｎ−Ａｌ1- αＧａαＡｓ膜５５とｎ−ＧａＡｓ膜５６とが組成傾斜層を介して積層された３０ペアの多層膜によって構成されている。
【００１６】
上記構成を備えた面発光型半導体レーザ素子を用いて、ｐ−Ａｌ1- αＧａαＡｓ膜５１のＡｌ組成1−αと、ｎ−Ａｌ1- αＧａαＡｓ膜５５のＡｌ組成１−αとを変化させ、熱抵抗及びレーザ光出力の熱飽和特性との関連を調べ、以下の結果を得た。
【００１７】
（１）実験によれば、Ａｌ1- αＧａαＡｓ混晶の熱伝導率は、図７に示すように、Ａｌ組成（１−α）に対して非線形性を示し、１−αが０近傍で比較的大きく、０．５近傍で極小値をとり、再び大きくなって、１．０で極大になる。
つまり、ＡｌＡｓが最も大きく、ＧａＡｓも比較的大きい。
（２）Ａｌ1- αＧａαＡｓ混晶のＡｌ組成１−αを変えて、下部反射鏡１５の熱伝導率を大きくすると、図８及び図９に示すように、熱抵抗Ｒthが低下し、活性層部分の温度上昇ΔＴを抑制する効果が大きい。
（３）上部反射鏡２５の熱伝導率を大きくしても、活性層部分の温度上昇を抑制する効果は小さい。
更に、以上の結果を整理すると、図１０に示すように、熱抵抗値が低下するにつれて、面発光型半導体レーザ素子の最大光出力が増加する。
【００１８】
以上の結果から、下部反射鏡の熱伝導率を大きくすることにより、面発光型半導体レーザ素子のレーザ光出力の熱飽和特性を改善できることが分かった。
即ち、下部反射鏡１５で、従来の面発光型半導体レーザ素子１０のｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０に代えて、熱伝導率の高いｐ−ＡｌＡｓ膜とｐ−ＧａＡｓ膜とが組成傾斜層を介して積層された多層膜によって構成されるようにすれば、面発光型半導体レーザ素子のレーザ光出力の熱飽和特性を改善することができる。
【００１９】
尚、ＡｌＡｓの熱伝導率は９１．０Ｗ／Ｋｍであって、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓの２５．８Ｗ／Ｋｍに比べて著しく高い。
また、ＧａＡｓ層又はＧａＡｓ基板の熱伝導率は５４．０Ｗ／Ｋｍであり、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓの２５．８Ｗ／Ｋｍに比べて十分に高い。
【００２０】
実験例２
以上の結論に基づいて、本発明者は、以下の構成の下部反射鏡を設定した。
即ち、図１２に示すように、ＡｌＡｓ層を低屈折率層とするペアからなる第１半導体多層膜４９と、第１半導体多層膜４９とＡｌＡｓ層１７との間に形成され、相互にＡｌ組成の異なる２層のＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓのペアからなる第２半導体多層膜５３として下部反射鏡４３を形成する。
第２半導体多層膜５３は、第１半導体多層膜４９の酸化防止層、及びエアポスト形成時のエッチング深さの制御性を良好にするエッチング制御層の機能を有する。
本実験例は、上述の下部反射鏡４３の構成に基づいて、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる第１半導体多層膜４９のペア数ｍと、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓからなる第２半導体多層膜５３のペア数ｎの比率を変化させ、レーザ光出力の熱飽和特性を改善できる範囲の条件を調べるために行った実験である。
図１２は本実験例の面発光型半導体レーザ素子の下部反射鏡４３の層構造を示す模式図である。
【００２１】
本実験例で使用した試料は、下部反射鏡４３の構成が従来の面発光型半導体レーザ素子１０の構成と異なることを除いて、面発光型半導体レーザ素子１０と同じ構成をしている。
本実験例の下部反射鏡４３は、図１２に示すように、ｐ−ＧａＡｓ基板１２上に形成された第１半導体多層膜４９と、第１半導体多層膜４９上に形成された第２半導体多層膜５３とから構成され、
第１半導体多層膜４９は、ｐ−ＡｌＡｓ／ｐ−ＧａＡｓのｍペア数のペアで構成され、第２半導体多層膜５３はｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／ｐ−ＧａＡｓのｎペア数のペアで構成される。
【００２２】
尚、ｐ−ＡｌＡｓ膜４４の膜厚は１１２ｎｍで、ｐ−ＧａＡｓ膜４６の膜厚は９４ｎｍで、ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０の膜厚は１１０ｎｍである。
また第２半導体多層膜５３の最上層は、膜厚１１０ｎｍのｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０に代えて膜厚９０ｎｍのｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜と２０ｎｍのｐ−ＡｌＡｓ膜１７／Ａｌ酸化層１６である。
Ａｌ酸化層１６はエアポスト構造３０の側壁に沿って形成され、電気抵抗の高い電流狭窄領域を構成し、ＡｌＡｓ層１７は中央部の直径１５μｍから２０μｍの円形領域として形成され、電流注入経路を構成している。
【００２３】
そして、下部反射鏡４３の総ペア数（ｍ＋ｎ）＝３５として、ｐ−ＡｌＡｓ／ｐ−ＧａＡｓのペア数ｍを０から３５に変えた種々の下部反射鏡を備えるレーザ素子試料を試作し、ｐ−ＧａＡｌ／ｐ−ＡｌＡｓのペア数の多寡と熱抵抗の大小及び活性層の温度上昇の大小の関係を調べ、以下の結果を得た。
【００２４】
【表１】
【００２５】
本実験例の結果から、ｐ−ＧａＡｓ／ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓのペア数ｎが、ｐ−ＧａＡｓ／ｐ−ＡｌＡｓのペア数ｍとｐ−ＧａＡｓ／ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓのペア数ｎとの和（ｍ＋ｎ）に比べて２０／３５以下であれば、活性層部分の温度上昇を、ほぼ２０℃以下に抑えることができると評価できる。
【００２６】
実験例３
次に、本発明者は従来の面発光型半導体レーザ素子のしきい値電流密度を低下させるために、種々の実験により、以下のような結論を導いた。
しきい値電流密度を低下させるためには、活性層の結晶性の改善が非常に重要である。従来の１．３μｍ帯の面発光型半導体レーザ素子では、活性層にＧａＩｎＡｓＮが用いられている。しかし、ＧａＩｎＡｓＮは３次元成長が起こりやすく結晶性が良好ではない。
そこで、何らかの手段で活性層の成長中に生じる３次元的な成長を抑制できれば、活性層の結晶性が向上でき、転位や欠陥により発生した非発光センターが減少し、その結果しきい値電流密度が低下する。
【００２７】
本発明者は、ＧａＩｎＡｓ又はＧａＩｎＡｓＮに微少のＳｂを添加して、ＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy又はＧａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2を形成することにより、３次元成長が抑制されることを見出し、それぞれ以下の実験例３及び実験例４で確認した。実験例３、４の面発光型半導体レーザ素子は、活性層２０を構成する材料の組成が従来の面発光型半導体レーザ素子１０と異なることを除いて、従来の面発光型半導体レーザ素子１０と同じ構成を備えている。
【００２８】
実験例３として、活性層２０に、ＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂyで組成ｙを様々な値に変化させて試料を作成し、しきい値電流密度との相関を調べた。
尚、Ｉｎの組成は、発光波長を１．１８μｍ以上とするために、３０％以上であること、即ち、上記組成式においてｘ≦０．７であることが必要である。
上記実験により、Ｓｂの組成ｙが、０．００３≦ｙ≦０．００８の範囲で、３次元成長が抑制され、しきい値電流密度が再現性よく大幅に減少した。
【００２９】
実験例４
実験例４として、活性層２０に、Ｇａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2で組成ｙ１及びｙ２を様々な値に変化させて試料を作成し、しきい値電流密度との相関を調べた。
尚、Ｉｎの組成は、Ｉｎと共に発光波長を長波長化させる作用を有するＮ組成を３％以上に増加させると、結晶性が悪化して光学特性が著しく悪化したという実験結果により、３０％以上であること、即ち、上記組成式においてｘ≦０．７であることが必要である。
上記実験により、まず、Ｎの組成ｙ１が、０＜ｙ１＜０．０３の範囲で、発光波長は１．２４μｍ以上が得られ、発振波長の長波長化の効果があった。
さらに、Ｓｂの組成ｙ２が、０．００２≦ｙ２≦０．０６の範囲で、しきい値電流密度が再現性よく大幅に減少した。
【００３０】
そこで、上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係わる面発光型半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板上に下部反射鏡、活性層、上部反射鏡からなる積層構造を備え、該上部反射鏡及び下部反射鏡は相互に屈折率の異なる２層の化合物半導体層を有し、かつ活性層近傍には一部領域を選択的に酸化して形成した電流狭窄構造を有する面発光型半導体レーザ素子において、
前記活性層はＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy（ｘ≦０．７、０．００３≦ｙ≦０．００８）井戸層を有する量子井戸構造からなり、
前記下部反射鏡の基板側の低屈折率層はＡｌＡｓで構成され、活性層側の低屈折率層はＡｌＡｓよりも酸化速度の遅い半導体材料で構成されていることを特徴としている。
好適には、発光波長が１．１８μｍ以上である。
【００３１】
また、本発明に係る別の面発光型半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板上に下部反射鏡、活性層、上部反射鏡からなる積層構造を備え、該上部反射鏡及び下部反射鏡は相互に屈折率の異なる２層の化合物半導体層を有し、かつ活性層近傍には一部領域を選択的に酸化して形成した電流狭窄構造を有する面発光型半導体レーザ素子において、
前記活性層はＧａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2（ｘ'≦０．７、０＜ｙ１＜０．０３、０．００２≦ｙ２≦０．０６）井戸層を有する量子井戸構造からなり、
前記下部反射鏡の基板側の低屈折率層はＡｌＡｓで構成され、活性層側の低屈折率層はＡｌＡｓよりも酸化速度の遅い半導体材料で構成されていることを特徴としている。
好適には、前記活性層はＧａＮzＡｓ1-z（０＜ｚ＜０．０５）障壁層を有する。
【００３２】
ＧａＡｓ基板上に下部反射鏡、活性層、上部反射鏡からなる積層構造を備え、該上部反射鏡及び下部反射鏡は相互に屈折率の異なる２層の化合物半導体層を有し、かつ活性層近傍には一部領域を選択的に酸化して形成した電流狭窄構造を有する面発光型半導体レーザ素子において、
前記活性層はＧａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2（ｘ'≦０．７、０＜ｙ１＜０．０３）からなる井戸層とＧａＮzＡｓ1-z（０＜ｚ＜０．０５）障壁層を有する量子井戸構造からなり、
前記下部反射鏡の基板側の低屈折率層はＡｌＡｓで構成され、活性層側の低屈折率層はＡｌＡｓよりも酸化速度の遅い半導体材料で構成されていることを特徴としている。
【００３３】
本発明では、好適には、発光波長が１．２４μｍ以上である。
また、本発明では、好適には、下部反射鏡のＡｌＡｓより酸化速度の遅い材料層がＡｌＧａＡｓ層である。
また、本発明の好適な実施態様では、下部反射鏡が、ＡｌＡｓ層を低屈折率層とするペアからなる第１半導体多層膜と、第１半導体多層膜と特定半導体層との間に形成され、相互にＡｌ組成の異なる２層のＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓのペアからなる第２半導体多層膜として形成され、特定半導体層がＡｌＡｓ層である。
更には、本発明では、好適には、第１半導体多層膜のペア数をｍ、第２半導体多層膜のペア数をｎとするとき、第１半導体多層膜のペア数ｍと第２半導体多層膜のペア数ｎとの間に、ｎ／（ｍ＋ｎ）≦４／７の関係がある。
更には、本発明では、好適には、基板の導電型は、電流を効果的に閉じ込めることができるｐ型が好ましく、特にアレイ化する際にはｐ型基板が好ましい。また素子抵抗を低くするためには、電流狭窄層をｐ型反射鏡内に形成することが好ましい。
【００３４】
また、本発明に係わる面発光型半導体レーザ素子の作製方法は、ＧａＡｓ基板上に、順次、形成された下部反射鏡、活性層、上部反射鏡からなる積層構造を備え、反射鏡は相互に屈折率の異なる２層の化合物半導体層のペアとして構成され、かつ下部反射鏡には一部領域を選択的に酸化して酸化層を形成することにより電流経路を限定して電流狭窄構造を構成する特定半導体層が設けられ、
下部反射鏡が、ＡｌＡｓ層を低屈折率層とするペアからなる部分と、ＡｌＡｓ層を低屈折率層とするペアからなる部分の上に形成され、ＡｌＡｓより酸化速度の遅い材料層を低屈折率層とするペアからなる部分とから構成された、面発光型半導体レーザ素子の作製方法であって、
ＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy（ｘ≦０．７、０．００３≦ｙ≦０．００８）井戸層を有する量子井戸構造からなる活性層を形成する際、
活性層を分子線エピタキシー法によりエピタキシャル成長させて、共振器構造を構成する化合物半導体層の積層構造を形成することを特徴としている。
【００３５】
また、本発明に係わる別の面発光型半導体レーザ素子の作製方法は、ＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy（ｘ≦０．７、０．００３≦ｙ≦０．００８）に代えて、Ｇａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2（ｘ'≦０．７、０＜ｙ１＜０．０３、０．００２≦ｙ２≦０．０６）井戸層を有する量子井戸構造からなる活性層を形成する。
【００３６】
また、本発明に係わる更に別の面発光型半導体レーザ素子の作製方法は、ＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy（ｘ≦０．７、０．００３≦ｙ≦０．００８）に代えて、Ｇａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層（ｘ'≦０．７、ｙ１＜０．０３、０．００２≦ｙ２≦０．０６）とＧａＡｓ障壁層を有する量子井戸構造からなる活性層を有する、共振器構造を構成する化合物半導体層の積層構造を形成した後、
Ｇａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層のｙ１が、０＜ｙ１＜０．００７のときには、積層構造に５７０℃以上６３０℃以下の温度で熱処理を施し、
０．００７≦ｙ１＜０．０３のときには、積層構造に６７０℃以上７３０℃以下の温度で熱処理を施す。
【００３７】
Ｇａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層のｙ１が、０＜ｙ１＜０．００７のときには、積層構造に５７０℃以上６３０℃以下の温度で熱処理を施すことにより、発光強度が改善されたという効果を得ることができる。
０．００７≦ｙ１＜０．０３のときには、積層構造に６７０℃以上７３０℃以下の温度で熱処理をすことにより、発光強度が改善されたという効果を得ることができる。
【００３８】
また、本発明に係わる更に別の面発光型半導体レーザ素子の作製方法は、ＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy（ｘ≦０．７、０．００３≦ｙ≦０．００８）に代えて、Ｇａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層（ｘ'≦０．７、ｙ１＜０．０３、０．００２≦ｙ２≦０．０６）とＧａＮzＡｓ1-z障壁層（０＜ｚ＜０．０５）を有する量子井戸構造からなる活性層を有する、共振器構造を構成する化合物半導体層の積層構造を形成した後、
積層構造に６７５℃以上７２５℃以下の温度で熱処理を施す。
【００３９】
積層構造に６７５℃以上７２５℃以下の温度で熱処理を施すことにより、発光強度が改善されたという効果が得ることができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
面発光型半導体レーザ素子の実施形態例１
本実施形態例は、本発明に係る面発光型半導体レーザ素子の実施形態例であって、図１は本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の構成を示す斜視断面図、及び図２は本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の層構造を示す模式図である。
本実施形態例の面発光型半導体レーザ４０は、活性層２１及び下部反射鏡４２の構成が従来の面発光型半導体レーザ素子１０の構成と異なることを除いて、上述の従来の面発光型半導体レーザ１０と同じ構成を備えている。
【００４１】
即ち、図１及び図２に示すように、膜厚約１００μｍのｐ−ＧａＡｓ基板１２上に、順次、形成されたｐ型半導体多層膜からなる下部反射鏡４２、ノンドープＧａＡｓ下部クラッド層１８、活性層２１、ノンドープＧａＡｓ上部クラッド層２２、ｎ型多層膜からなる上部反射鏡２４、及びｎ−ＧａＡｓキャップ層２６からなる積層構造を備えている。
また、積層構造のうち、ｎ−ＧａＡｓキャップ層２６、上部反射鏡２４、ノンドープＧａＡｓ上部クラッド層２２、活性層２１、ノンドープＧａＡｓ下部クラッド層１８、及び下部反射鏡４２の最上層であるＡｌ酸化層１６／ＡｌＡｓ層１７は、円筒状溝２８によって、直径４０から４５μｍのエアポスト構造３０として形成されている。
【００４２】
下部反射鏡４２は、図２に示すように、ｐ−ＧａＡｓ基板１２上に形成された第１半導体多層膜４８と、第１半導体多層膜４８上に形成された第２半導体多層膜５２とから構成されている。
第１半導体多層膜４８は、低屈折率膜として設けられたｐ−ＡｌＡｓ膜４４と、高屈折率膜として設けられたｐ−ＧａＡｓ膜４６の２５．５ペアで構成され、第２半導体多層膜５２は低屈折率膜として設けられたｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０と高屈折率膜として設けられたｐ−ＧａＡｓ膜４６との１０ペアから構成されている。
ｐ−ＡｌＡｓ膜４４の膜厚は１１２ｎｍで、ｐ−ＧａＡｓ膜４６の膜厚は９４ｎｍで、ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０の膜厚は１１０ｎｍである。
【００４３】
また第２半導体多層膜５２の最上層は、膜厚１１０ｎｍのｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０に代えて膜厚９０ｎｍのｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜と２０ｎｍのｐ−ＡｌＡｓ層１７／Ａｌ酸化層１６が積層されている。
Ａｌ酸化層１６はエアポスト構造３０の側壁に沿って形成され、電気抵抗の高い電流狭窄領域を構成し、ＡｌＡｓ層１７は中央部の直径１５μｍから２０μｍの円形領域として形成され、電流注入経路を構成している。
【００４４】
活性層２１は、Ｇａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層（ｘ'≦０．７、０＜ｙ１＜０．０３）とＧａＮzＡｓ1-z障壁層（０＜ｚ＜０．０５）とからなる単一又は多重量子井戸構造を有している。
【００４５】
上部反射鏡２４は膜厚１１０ｎｍのｎ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５４と膜厚９４ｎｍのｎ−ＧａＡｓ膜５６とが組成傾斜層を介して積層された３０ペアの多層膜によって構成されている。
【００４６】
次に、図１及び図２を参照して、本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子４０の作製方法を説明する。先ず、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）又は分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）により、図２に示すように、ｐ−ＧａＡｓ基板１２上に、２５．５ペアのｐ−ＡｌＡｓ膜４４／ｐ−ＧａＡｓ膜４６からなる第１半導体多層膜４８、続いて１０ペアのｐ−ＧａＡｓ膜４６／ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０からなる第２半導体多層膜５２を成長させ、下部反射鏡４２を形成する。
第２半導体多層膜５２の形成の際、第２半導体多層膜５２の最上層は、膜厚１１０ｎｍのｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０に代えて膜厚９０ｎｍのｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層と２０ｎｍのｐ−ＡｌＡｓ層１７を成膜する。
【００４７】
次いで、第２半導体多層膜５２上に、膜厚３３２ｎｍのノンドープＧａＡｓ下部クラッド層１８、活性層２１、及び膜厚３３２ｎｍのノンドープＧａＡｓ上部クラッド層２２を成長させる。
【００４８】
更に、上部クラッド層２２上に、ｎ型ドーピングしたｎ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５４とｎ−ＧａＡｓ膜５６の３０ペアからなる多層膜を成長させて上部反射鏡２４を形成する。続いて、膜厚２０ｎｍのｎ−ＧａＡｓキャップ層２６を成長させる。
尚、下部反射鏡４２及び上部反射鏡２４をそれぞれ構成するｐ型及びｎ型多層膜の成膜に際し、ｐ−（ｎ−）ＧａＡｓ膜４６（５６）とｐ−（ｎ−）Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０（５４）との界面には、組成傾斜層を形成するように成膜する。また、ＧａＡｓ膜４６（５６）及びＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０（５４）の膜厚は、それぞれ、９４ｎｍ及び１１０ｎｍとする。以上の工程により、図２に示す積層構造５８を形成することができる。
【００４９】
次に、積層構造５８のｎ−ＧａＡｓキャップ層２６上にプラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜薄膜（図示せず）を成膜し、更にその上にフォトレジスト膜（図示せず）を成膜する。次いで、直径約４０から４５μｍの円形パターンをフォトリソグラフィ技術でフォトレジスト膜に転写し、円形レジスト・エッチングマスク（図示せず）を形成する。
続いて、円形レジスト・エッチングマスクを用い、ＣＦ４ガスを得チングガスとする反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によりシリコン窒化膜薄膜をエッチングする。更に、塩素ガスを用いた反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）法を用いて下部反射鏡４２の多層膜に到達するまで、上部反射鏡、上部クラッド層２２、活性層２１、及び下部クラッド層１８、ｐ−ＡｌＡｓ層１７をエッチングして、円筒状溝２８を形成する。
【００５０】
これにより、柱状のエアポスト構造３０ができる。尚、エッチングの際には、選択酸化層であるｐ−ＡｌＡｓ層１７と、下部反射鏡４２のＡｌＡｓ／ＧａＡｓペアからなる第１半導体多層膜４８の間、つまり第２半導体多層膜５２で、エッチングの進行を停止させる。
すなわち、１０ペアのｐ−ＧａＡｓ膜４６／ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０からなる第２半導体多層膜５２をエッチング深さの制御層として機能させる。
【００５１】
次に、エアポスト構造３０を有する積層構造５８を水蒸気雰囲気中で４００℃に加熱し、約２５分放置する。これにより、下部反射鏡４２の最上層を構成するｐ−ＡｌＡｓ層１７を選択的に酸化して、図１に示すように、円筒状溝２８の溝壁に沿ってＡｌ酸化層１６を生成すると共に、エアポスト構造３０の中央領域を元のｐ−ＡｌＡｓ層１７のままとする。
この酸化工程で酸化されなかったエアポスト構造３０の中央領域のｐ−ＡｌＡｓ層１７は、直径約１５から２０μｍの円形領域であって、電流注入経路を構成する。尚、選択酸化の際、１０ペアのｐ−ＧａＡｓ膜４６／ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０からなる第２半導体多層膜５２は、酸化防止層として機能し、第１半導体多層膜４８中のｐ−ＡｌＡｓ膜４４が酸化してＡｌ酸化層に転化するのを防止する。
【００５２】
次いで、シリコン窒化膜薄膜（図示せず）をＲＩＥ法により完全に除去した後に、改めて、プラズマＣＶＤ法によってシリコン窒化膜薄膜３２を全面に成膜する。エアポスト構造３０の上面のシリコン窒化膜３２を直径３０μｍの円形に除去し、そこにｎ側電極として内径２０μｍ、外形３０μｍのリング状のＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ電極３４を形成する。
更にｎ側電極引き出し用電極としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕパッド３６を形成する。また、ｐ−ＧａＡｓ基板１２の裏面を研磨して基板厚さを１００μｍ程度に調整した後、裏面にＡｕＺｎ電極を蒸着してｐ側電極３８とする。
【００５３】
最終処理として、窒素雰囲気中で約４００℃で熱処理（アニール処理）を施すと、図１に示す発光波長が約１．３μｍの面発光型半導体レーザ素子４０を完成することができる。
【００５４】
本実施形態例では、ｐ−ＡｌＡｓ層１７とＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる第１半導体多層膜４８との間に１０ペアのＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／ＧａＡｓからなる第２半導体多層膜５２を介在させ、第１半導体多層膜４８の酸化防止層として、及びエッチング制御層として機能させている。
これにより、ｐ−ＡｌＡｓ層１７の下部で、ｐ−ＡｌＡｓ層１７により近い層でエッチングを停止させることができれば、更に、第２半導体多層膜５２のペア数を減らすことにより、下部反射鏡の熱抵抗を更に一層低減することができる。
【００５５】
具体例１
本具体例の面発光型半導体レーザ素子は、実施形態例１の面発光型半導体レーザ素子の具体例である。
本具体例の面発光型半導体レーザ素子は、実施形態例１の面発光型半導体レーザ素子４０の活性層２１のＧａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層として、ｘ'＝０．６３、ｙ１＝０．０１８、ｙ２＝０．０１６とし、ＧａＮzＡｓ1-z障壁層として、ｚ＝０．０１８とし、上下２層の膜厚７．３ｎｍのＧａ0.63Ｉｎ0.37Ａｓ0.975Ｎ0.009Ｓｂ0.016井戸層（図示無し）と、上下２層のＧａ0.63Ｉｎ0.37Ａｓ0.966Ｎ0.018Ｓｂ0.016井戸層（図示無し）の間に設けられた膜厚１６ｎｍのＧａＮ0.018Ａｓ0.982障壁層（図示無し）として構成されている。尚、このレーザ素子の発振波長は、１．３０５μｍであった。
【００５６】
試験例１
本試験例は具体例１の面発光型半導体レーザ素子の電流経路面積と熱抵抗との関係を調べた試験例であり、図３は電流経路面積と熱抵抗との関係を示すグラフである。
本試験例では、上述の具体例１の構成を備えた面発光型半導体レーザ素子４０で、エアポスト構造３０の外径を様々に変化させることにより、電流経路面積を様々に変化させたレーザ素子試料を同一ウエハ上に形成して、本試験例の具体例試料とした。
また、従来の面発光型半導体レーザ素子１０で、エアポスト構造３０の外径を様々に変化させることにより、電流経路面積を様々に変化させたレーザ素子試料を同一ウエハ上に形成して、本試験例の従来例試料とした。
これらの具体例試料と従来例試料の熱抵抗を測定し、約２００μｍ2から約４００μｍ2の電流経路面積で、電流経路面積と熱抵抗の関係を調べたところ、それぞれ、図３の○及び●に示すような結果を得た。
【００５７】
上記実施形態例試料及び従来例試料の試験結果の比較から、実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の熱抵抗は、従来例の面発光型半導体レーザ素子に比べて、電流経路面積約１５０μｍ2から約４００μｍ2にわたって、６割から７割程度の低い値を示した。
【００５８】
試験例２
本試験例は具体例１の面発光型半導体レーザ素子の光出力−電流特性を調べた試験例であり、図４（ｂ）は動作環境温度をパラメータとした実施形態例試料の注入電流と光出力との関係を示すグラフである。
本具体例の面発光型半導体レーザ素子を評価するために、本具体例の面発光型半導体レーザ素子４０と同じ構成を備え、発光面積が３００μｍ2の面発光型半導体レーザ素子を作製し、具体例試料とした。
また、従来の面発光型半導体レーザ素子を評価するために、従来の面発光型半導体レーザ素子１０と同じ構成を備え、発光面積が３００μｍ2の面発光型半導体レーザ素子を作製し、従来例試料とした。
続いて、動作温度、つまり環境温度を変化させて、具体例試料と従来例試料の電流−光出力特性を測定し、電流−光出力特性の温度依存性を調べたところ、それぞれ、図４（ａ）及び（ｂ）に示すような結果を得た。
【００５９】
本具体例試料の面発光型半導体レーザ素子は、図４（ｂ）に示すように、２０℃から３０℃の室温の動作環境では光出力特性に顕著な差はないものの、７０℃の動作環境では、本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子は、１０ｍＡの注入電流に対して、室温でのレーザ光出力の８０％程度のレーザ光出力を得ることができ、しかも注入電流を増加させることによってレーザ光出力を更に増加させることができる。
また、しきい値電流密度は、１ｍＡ／ｍｍ2から２ｍＡ／ｍｍ2である。
【００６０】
一方、従来例の面発光型半導体レーザ素子のレーザ光出力は、図４（ａ）に示すように、飽和し、１２ｍＡ以上の注入電流を増加してもそれ以上のレーザ光出力を出すことはできない。
また、しきい値電流密度は、４ｍＡ／ｍｍ2から５ｍＡ／ｍｍ2である。
【００６１】
以上の試験例１及び試験例２の結果から、本具体例の面発光型半導体レーザ素子４０は、従来の面発光型半導体レーザ素子１０と比べて、レーザ光出力の熱飽和特性が著しく良好であって、高温の動作環境でも高出力で安定し、かつしきい値電流密度が低くて動作することが実証された。
【００６２】
面発光型半導体レーザ素子の実施形態例２
本実施形態例は、本発明係る面発光型半導体レーザ素子の別の実施形態例である。
本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子は、活性層の構成が実施形態例１の面発光型半導体レーザ素子４０と異なることを除いて、実施形態例１の面発光型半導体レーザ素子４０と同じ構成を備え、熱処理の温度が実施形態例１の作製方法と異なることを除いて、実施形態例１の面発光型半導体レーザ素子４０と同じように作製することができる。
本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の活性層は、Ｇａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層（ｘ'≦０．７、０＜ｙ１＜０．０３、０．００２≦ｙ２≦０．０６）とＧａＮzＡｓ1-z障壁層（０＜ｚ＜０．０５）とからなる単一又は多重量子井戸構造を有している。
【００６３】
本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の最終処理としては、ＧａＮzＡｓ1-z障壁層のＮ組成ｚが０＜ｚ＜０．０３の場合、積層構造に６７５℃以上７２０℃以下の温度で熱処理を施す。
また、ＧａＮzＡｓ1-z障壁層のＮ組成ｚが０、即ちＧａＡｓ障壁層の場合、Ｇａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層のｙ１が、０＜ｙ１＜０．００７のときには、積層構造に５７０℃以上６３０℃以下の温度で熱処理を施し、０．００７≦ｙ１＜０．０３のときには、積層構造に６７０℃以上７３０℃以下の温度で熱処理を施す。
【００６４】
具体例２
本具体例の面発光型半導体レーザ素子は、実施形態例２の面発光型半導体レーザ素子の活性層のＧａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層として、ｘ'＝０．６３、ｙ１＝０．０１８、ｙ２＝０．０１６とし、ＧａＮzＡｓ1-z障壁層として、ｚ＝０．０１８とした。尚、このレーザ素子の発振波長は１．２９５μｍであった。
本具体例の試料について、実施形態例１と同じような試験を行ったところ、実施形態例１と同じように、従来の面発光型半導体レーザ素子１０と比べて、レーザ光出力の熱飽和特性が著しく良好であって、高温の動作環境でも高出力で安定し、かつしきい値電流密度が低くて動作するという効果があった。
【００６５】
面発光型半導体レーザ素子の実施形態例３
本実施形態例は、本発明に係る面発光型半導体レーザ素子の更に別の実施形態例である。
本実施形態例の面発光型半導体レーザは、活性層の構成が実施形態例１の面発光型半導体レーザ素子４０の構成と異なることを除いて、実施形態例１の面発光型半導体レーザと４０と同じ構成を備え、熱処理が不要であることを除いて、同じように作製することができる。
本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の活性層は、ＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy（ｘ≦０．７、０．００３≦ｙ≦０．００８）単一又は多重量子井戸層を有している。
【００６６】
具体例３
本具体例の面発光型半導体レーザ素子は、実施形態例３の面発光型半導体レーザ素子の活性層のＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy層として、ｘ＝０．６１、ｙ＝０．００３とした。尚、このレーザ素子の発振波長は１．１９０μｍであった。
本具体例の試料について、実施形態例１と同じような試験を行ったところ、実施形態例１と同じように、従来の面発光型半導体レーザ素子１０と比べて、レーザ光出力の熱飽和特性が著しく良好であって、高温の動作環境でも高出力で安定し、かつしきい値電流密度が低くて動作するという効果があった。
【００６７】
【発明の効果】
本発明によれば、ＡｌＡｓ層を低屈折率層とするペアからなる部分と、ＡｌＡｓ層を低屈折率層とするペアからなる部分の上に形成され、ＡｌＡｓより酸化速度の遅い材料層を低屈折率層とするペアからなる部分とから下部反射鏡を構成することにより、レーザ光出力の熱飽和特性が良好で、高温の動作環境でも高出力で安定し、かつしきい値電流密度が低くて動作する、面発光型半導体レーザ素子を実現している。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の面発光型半導体レーザ素子の構成を示す斜視断面図である。
【図２】実施形態例１の面発光型半導体レーザ素子の層構造を示す模式図である。
【図３】電流経路面積と熱抵抗との関係を示すグラフである。
【図４】図４（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、動作環境温度をパラメータとした実施形態例試料、及び従来例試料の注入電流と光出力との関係を示すグラフである。
【図５】従来の面発光型半導体レーザ素子の構造を示す斜視断面図である。
【図６】従来の面発光型半導体レーザ素子の層構造を示す模式図である。
【図７】下部反射鏡の熱伝導率と熱抵抗との関係を示すグラフである。
【図８】下部反射鏡の熱伝導率と活性層部分の温度上昇との関係を示すグラフである。
【図９】ＡｌＧａＡｓ混晶の混晶比と熱伝導率との関係を示すグラフである。
【図１０】熱抵抗値と面発光型半導体レーザ素子の最大光出力との関係を示すグラフである。
【図１１】実験例１の面発光型半導体レーザ素子の層構造を示す模式図である。
【図１２】実験例２の面発光型半導体レーザ素子の下部反射鏡の層構造を示す模式図である。
【符号の説明】
１２ ｐ−ＧａＡｓ基板
１４ ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／ｐ−ＧａＡｓの３５．５ペアからなる下部反射鏡
１５ ｐ−Ａｌ1- αＧａαＡｓ／ｐ−ＧａＡｓの３５．５ペアからなる下部反射鏡
１６ Ａｌ酸化層
１７ ｐ−ＡｌＡｓ層
１８ ノンドープＧａＡｓ下部クラッド層
２０ 従来例の活性層
２１ 実施形態例１の活性層
２２ ノンドープＧａＡｓ上部クラッド層
２４ ｎ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／ｎ−ＧａＡｓの３０ペアからなる上部反射鏡
２５ ｎ−Ａｌ1- αＧａαＡｓ／ｎ−ＧａＡｓの３０ペアからなる上部反射鏡
２６ ｎ−ＧａＡｓキャップ層
２８ 円筒状溝
３０ エアポスト構造
３２ シリコン窒化膜
３４ ｎ側電極
３６ ｎ側電極の引き出し用電極
３８ ｐ側電極
４０ 実施形態例１の面発光型半導体レーザ素子
４２ 第１半導体多層膜と第２半導体多層膜とからなる下部反射鏡
４３ 実験例２の下部反射鏡
４４ ｐ−ＡｌＡｓ膜
４６ ｐ−ＧａＡｓ膜
４８ ｐ−ＡｌＡｓ／ｐ−ＧａＡｓの２５．５ペアからなる第１半導体多層膜
４９ ｐ−ＡｌＡｓ／ｐ−ＧａＡｓのｍペアからなる第１半導体多層膜
５０ ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜
５１ ｐ−Ａｌ1- αＧａαＡｓ膜
５２ ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／ｐ−ＧａＡｓの１０ペアからなる第２半導体多層膜
５３ ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／ｐ−ＧａＡｓのｎペアからなる第２半導体多層膜
５４ ｎ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜
５５ ｎ−Ａｌ1- αＧａαＡｓ膜
５６ ｎ−ＧａＡｓ膜
５８ 実施形態例１の面発光型半導体レーザ素子の層構造
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として発振波長１．２から１．３μｍ帯の面発光型半導体レーザ素子に関し、更に詳細には、レーザ光出力の熱飽和特性が良好で、高温の動作環境でも高出力で安定し、かつしきい値電流密度が低くて動作する、面発光型半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
面発光型半導体レーザ素子は同一基板上に２次元的に多数のレーザ素子を集積できる特徴を備えていて、光インターコネクションや光コンピューティングなどの光の並列性を生かした並列光情報処理、又は大容量並列光伝送などへの応用に適している。
そして、近年、ＧａＡｓ基板上に形成された相互にＡｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ等からなる一対の半導体多層膜反射鏡と、その一対の半導体多層膜反射鏡の間に設けられ、発光領域となるＧａＩｎＡｓＮ井戸層により形成される活性層とを有する発振波長１．２から１．３μｍ帯の面発光型半導体レーザ素子がデータ通信分野で使用される光通信装置の光源として注目されている。
【０００３】
ｐ型導電型の半導体多層膜反射鏡（Distributed Bragg Reflector：以下、反射鏡と言う）の電気抵抗は、ｎ型導電型の反射鏡に比べて本質的に大きい。そのために、ｎ型ＧａＡｓ基板上に形成した面発光型半導体レーザ素子は、ｐ型反射鏡の面積が、面発光型半導体レーザ素子の構造上、必然的に小さくなるので、ｐ型反射鏡の電気抵抗が更にそれだけ大きくなる。このため、所要の電流を流す際に、電極間に印加する電圧が高くなって、好ましくない。
【０００４】
そこで、ｐ型ＧａＡｓ基板上ほぼ全面に形成されたｐ型反射鏡と、ｐ型反射鏡上にエアポスト構造として形成された活性層及び活性層上に設けられたｎ型反射鏡とを備えて、ｐ型反射鏡の電気抵抗を小さくした面発光型半導体レーザ素子が開発されている。
そして、反射鏡の一部に、Ａｌ組成が他のいずれの化合物半導体層よりも高い一層又は複数層のＡｌＧａＡｓ層を形成し、この高いＡｌ組成の層の一部領域のみを選択的に酸化して電気抵抗の高いＡｌ酸化層を形成し、電流経路を限定するようにした電流狭窄構造を設けることにより、発光効率を高め、しきい値電流を低くした、レーザ特性が良好な面発光型半導体レーザ素子が実現している。
【０００５】
ここで、図５及び図６を参照して、従来の発振波長が長波長、具体的には１．３μｍ帯の面発光型半導体レーザ素子の構成を説明する。
発振波長１．３μｍ帯の従来の面発光型半導体レーザ素子１０は、膜厚約１００μｍのｐ−ＧａＡｓ基板１２上に、順次、形成されたｐ型半導体多層膜からなる下部反射鏡１４、ノンドープＧａＡｓ下部クラッド層１８、活性層２０、ノンドープＧａＡｓ上部クラッド層２２、ｎ型多層膜からなる上部反射鏡２４、及びｎ−ＧａＡｓキャップ層２６からなる積層構造を備えている。
下部反射鏡１４の最上層は、図５に示すように、ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜に代えて、膜厚２０ｎｍのＡｌ酸化層１６／ｐ−ＡｌＡｓ層１７が成膜されている。
【０００６】
積層構造のうち、ｎ−ＧａＡｓキャップ層２６、上部反射鏡２４、ノンドープＧａＡｓ上部クラッド層２２、活性層２０、ノンドープＧａＡｓ下部クラッド層１８、及びＡｌ酸化層１６／ＡｌＡｓ層１７は、円筒状溝２８によって、直径４０から４５μｍのエアポスト構造３０として形成されている。
【０００７】
下部反射鏡１４は、図６に示すように、膜厚１１０ｎｍのｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０と膜厚９４ｎｍのｐ−ＧａＡｓ膜４６とが組成傾斜層を介して積層された３５．５ペアの多層膜によって構成されている。
Ａｌ酸化層１６はエアポスト構造３０の側壁に沿って形成され、電気抵抗の高い電流狭窄領域を構成し、ＡｌＡｓ層１７は中央部の直径１７μｍから２０μｍの円形領域として形成され、電流注入経路を構成している。
活性層２０は、ＧａＩｎＡｓＮを井戸層としている。
上部反射鏡２４は膜厚１１０ｎｍのｎ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５４と膜厚９４ｎｍのｎ−ＧａＡｓ膜５６とが組成傾斜層を介して積層された３０ペアの多層膜によって構成されている。
【０００８】
円筒状溝２８の溝壁、エアポスト構造３０上を含めて、全面にシリコン窒化膜３２が成膜されている。そして、エアポスト構造３０上面のシリコン窒化膜３２は、直径３０μｍの円形状に除去されて、ｎ−ＧａＡｓキャップ層２６を露出させている。
そこには、内径２０μｍ、外形３０μｍのリング状のＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ金属積層膜がｎ側電極３４として形成されている。更に、中央に円形開口を有するようにしてｎ側電極３４を覆って接続したＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層金属パッドが、ｎ側電極３４の引き出し用電極３６として形成されている。
また、ｐ−ＧａＡｓ基板１２の裏面には、ＡｕＺｎ膜がｐ側電極３８として形成されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した発振波長１．３μｍ帯の従来の面発光型半導体レーザ素子には、以下のような問題があった。
第一の問題は、レーザ光出力の熱飽和特性が良好でないということである。高温動作環境で動作すると、従来の面発光型半導体レーザ素子は比較的低い出力で最大光出力が飽和状態に達し、それ以上の光出力を出すことができなくなる。
例えば、従来の面発光型半導体レーザ素子と同じ構成を備え、発光面積が３００μｍ2のレーザ素子の場合、図４（ａ）に示すように、２０℃及び３０℃の動作環境での光出力−電流特性は良好な特性を保っているが、５０℃の動作環境で、光出力−電流特性は光出力０．５５ｍＷで飽和に近づき、７０℃の動作環境では、光出力−電流特性が光出力０．３ｍＷで飽和し、注入電流を増加しても、光出力が増大しない。図４（ａ）に従来の面発光型半導体レーザ素子の注入電流−光出力の特性を示す。
【００１０】
第二の問題は、しきい値電流密度が比較的高いということである。
例えば、図４（ａ）に示すように、従来の面発光型半導体レーザ素子のしきい値電流密度は、４ｍＡ／ｍｍ2から５ｍＡ／ｍｍ2であるが、データ通信分野で使用される光通信装置の光源として適用されるには、更に低くする必要がある。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、レーザ光出力の熱飽和特性が良好で、高温の動作環境でも高出力で安定し、かつしきい値電流密度が低くて動作する、発振波長１．１８μｍ以上の面発光型半導体レーザ素子を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
まず本発明者は、面発光型半導体レーザ素子のレーザ光出力の熱飽和特性を改善するために、以下のような考察を行った。
レーザ光出力の熱飽和特性を改善するためには、活性層部分の温度上昇を抑制することが重要である。そこで、活性層部分の温度上昇に大きく影響するレーザ素子の熱抵抗Ｒth（Ｋ／Ｗ）に着目した。ここで、熱抵抗Ｒthとは半導体レーザ素子が動作する際の活性層部分の温度上昇を活性層における消費電力で除したものである。
【００１３】
面発光型半導体レーザ素子の熱抵抗Ｒthは、簡単には、各材料の熱伝導率σth及び熱抵抗率ρthと、構造寸法である長さｌ及び面積Ｓにより、Ｒth＝ｌ／（σthＳ）＝ρthｌ／Ｓ、のように表され、更に、活性層における消費電力をＱとすれば、活性層の温度上昇ΔＴは、ΔＴ＝Ｒth・Ｑで表される。
即ち、熱抵抗Ｒthが大きいほど、活性層の温度上昇ΔＴは大きくなる。
そこで、面発光型半導体レーザ素子の熱抵抗Ｒthを低下させ、活性層の温度上昇ΔＴを抑制することを意図して、以下の実験例１を行った。
【００１４】
実験例１
本実験例は、面発光型半導体レーザ素子の熱抵抗Ｒthに着目し、レーザ素子の熱抵抗Ｒthに影響を与える要因と、レーザ光出力の熱飽和特性が改善される条件とを調べるために行った実験である。
図１１は、本実験例に係る面発光型半導体レーザ素子の層構造を示す模式図である。
【００１５】
本実験例の面発光型半導体レーザ素子は、発光波長１．３μｍ帯の面発光型半導体レーザ素子であって、下部反射鏡１５及び上部反射鏡２５の構成が前述の従来の面発光型半導体レーザ素子１０の構成と異なることを除いて、面発光型半導体レーザ素子１０と同じ構成を備えている。
下部反射鏡１５では、図１１に示すように、従来の面発光型半導体レーザ素子１０のｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０に代えて、Ａｌ組成１−αをパラメータとして、ｐ−Ａｌ1- αＧａαＡｓ膜５１とｐ−ＧａＡｓ膜４６とが組成傾斜層を介して積層された３５．５ペアの多層膜によって構成されている。
上部反射鏡２５では、従来の面発光型半導体レーザ素子１０のｎ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５４に代えて、Ａｌ組成１−αをパラメータとして、ｎ−Ａｌ1- αＧａαＡｓ膜５５とｎ−ＧａＡｓ膜５６とが組成傾斜層を介して積層された３０ペアの多層膜によって構成されている。
【００１６】
上記構成を備えた面発光型半導体レーザ素子を用いて、ｐ−Ａｌ1- αＧａαＡｓ膜５１のＡｌ組成1−αと、ｎ−Ａｌ1- αＧａαＡｓ膜５５のＡｌ組成１−αとを変化させ、熱抵抗及びレーザ光出力の熱飽和特性との関連を調べ、以下の結果を得た。
【００１７】
（１）実験によれば、Ａｌ1- αＧａαＡｓ混晶の熱伝導率は、図７に示すように、Ａｌ組成（１−α）に対して非線形性を示し、１−αが０近傍で比較的大きく、０．５近傍で極小値をとり、再び大きくなって、１．０で極大になる。
つまり、ＡｌＡｓが最も大きく、ＧａＡｓも比較的大きい。
（２）Ａｌ1- αＧａαＡｓ混晶のＡｌ組成１−αを変えて、下部反射鏡１５の熱伝導率を大きくすると、図８及び図９に示すように、熱抵抗Ｒthが低下し、活性層部分の温度上昇ΔＴを抑制する効果が大きい。
（３）上部反射鏡２５の熱伝導率を大きくしても、活性層部分の温度上昇を抑制する効果は小さい。
更に、以上の結果を整理すると、図１０に示すように、熱抵抗値が低下するにつれて、面発光型半導体レーザ素子の最大光出力が増加する。
【００１８】
以上の結果から、下部反射鏡の熱伝導率を大きくすることにより、面発光型半導体レーザ素子のレーザ光出力の熱飽和特性を改善できることが分かった。
即ち、下部反射鏡１５で、従来の面発光型半導体レーザ素子１０のｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０に代えて、熱伝導率の高いｐ−ＡｌＡｓ膜とｐ−ＧａＡｓ膜とが組成傾斜層を介して積層された多層膜によって構成されるようにすれば、面発光型半導体レーザ素子のレーザ光出力の熱飽和特性を改善することができる。
【００１９】
尚、ＡｌＡｓの熱伝導率は９１．０Ｗ／Ｋｍであって、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓの２５．８Ｗ／Ｋｍに比べて著しく高い。
また、ＧａＡｓ層又はＧａＡｓ基板の熱伝導率は５４．０Ｗ／Ｋｍであり、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓの２５．８Ｗ／Ｋｍに比べて十分に高い。
【００２０】
実験例２
以上の結論に基づいて、本発明者は、以下の構成の下部反射鏡を設定した。
即ち、図１２に示すように、ＡｌＡｓ層を低屈折率層とするペアからなる第１半導体多層膜４９と、第１半導体多層膜４９とＡｌＡｓ層１７との間に形成され、相互にＡｌ組成の異なる２層のＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓのペアからなる第２半導体多層膜５３として下部反射鏡４３を形成する。
第２半導体多層膜５３は、第１半導体多層膜４９の酸化防止層、及びエアポスト形成時のエッチング深さの制御性を良好にするエッチング制御層の機能を有する。
本実験例は、上述の下部反射鏡４３の構成に基づいて、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる第１半導体多層膜４９のペア数ｍと、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓからなる第２半導体多層膜５３のペア数ｎの比率を変化させ、レーザ光出力の熱飽和特性を改善できる範囲の条件を調べるために行った実験である。
図１２は本実験例の面発光型半導体レーザ素子の下部反射鏡４３の層構造を示す模式図である。
【００２１】
本実験例で使用した試料は、下部反射鏡４３の構成が従来の面発光型半導体レーザ素子１０の構成と異なることを除いて、面発光型半導体レーザ素子１０と同じ構成をしている。
本実験例の下部反射鏡４３は、図１２に示すように、ｐ−ＧａＡｓ基板１２上に形成された第１半導体多層膜４９と、第１半導体多層膜４９上に形成された第２半導体多層膜５３とから構成され、
第１半導体多層膜４９は、ｐ−ＡｌＡｓ／ｐ−ＧａＡｓのｍペア数のペアで構成され、第２半導体多層膜５３はｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／ｐ−ＧａＡｓのｎペア数のペアで構成される。
【００２２】
尚、ｐ−ＡｌＡｓ膜４４の膜厚は１１２ｎｍで、ｐ−ＧａＡｓ膜４６の膜厚は９４ｎｍで、ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０の膜厚は１１０ｎｍである。
また第２半導体多層膜５３の最上層は、膜厚１１０ｎｍのｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０に代えて膜厚９０ｎｍのｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜と２０ｎｍのｐ−ＡｌＡｓ膜１７／Ａｌ酸化層１６である。
Ａｌ酸化層１６はエアポスト構造３０の側壁に沿って形成され、電気抵抗の高い電流狭窄領域を構成し、ＡｌＡｓ層１７は中央部の直径１５μｍから２０μｍの円形領域として形成され、電流注入経路を構成している。
【００２３】
そして、下部反射鏡４３の総ペア数（ｍ＋ｎ）＝３５として、ｐ−ＡｌＡｓ／ｐ−ＧａＡｓのペア数ｍを０から３５に変えた種々の下部反射鏡を備えるレーザ素子試料を試作し、ｐ−ＧａＡｌ／ｐ−ＡｌＡｓのペア数の多寡と熱抵抗の大小及び活性層の温度上昇の大小の関係を調べ、以下の結果を得た。
【００２４】
【表１】
本実験例の結果から、ｐ−ＧａＡｓ／ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓのペア数ｎが、ｐ−ＧａＡｓ／ｐ−ＡｌＡｓのペア数ｍとｐ−ＧａＡｓ／ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓのペア数ｎとの和（ｍ＋ｎ）に比べて２０／３５以下であれば、活性層部分の温度上昇を、ほぼ２０℃以下に抑えることができると評価できる。
【００２６】
実験例３
次に、本発明者は従来の面発光型半導体レーザ素子のしきい値電流密度を低下させるために、種々の実験により、以下のような結論を導いた。
しきい値電流密度を低下させるためには、活性層の結晶性の改善が非常に重要である。従来の１．３μｍ帯の面発光型半導体レーザ素子では、活性層にＧａＩｎＡｓＮが用いられている。しかし、ＧａＩｎＡｓＮは３次元成長が起こりやすく結晶性が良好ではない。
そこで、何らかの手段で活性層の成長中に生じる３次元的な成長を抑制できれば、活性層の結晶性が向上でき、転位や欠陥により発生した非発光センターが減少し、その結果しきい値電流密度が低下する。
【００２７】
本発明者は、ＧａＩｎＡｓ又はＧａＩｎＡｓＮに微少のＳｂを添加して、ＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy又はＧａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2を形成することにより、３次元成長が抑制されることを見出し、それぞれ以下の実験例３及び実験例４で確認した。実験例３、４の面発光型半導体レーザ素子は、活性層２０を構成する材料の組成が従来の面発光型半導体レーザ素子１０と異なることを除いて、従来の面発光型半導体レーザ素子１０と同じ構成を備えている。
【００２８】
実験例３として、活性層２０に、ＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂyで組成ｙを様々な値に変化させて試料を作成し、しきい値電流密度との相関を調べた。
尚、Ｉｎの組成は、発光波長を１．１８μｍ以上とするために、３０％以上であること、即ち、上記組成式においてｘ≦０．７であることが必要である。
上記実験により、Ｓｂの組成ｙが、０．００３≦ｙ≦０．００８の範囲で、３次元成長が抑制され、しきい値電流密度が再現性よく大幅に減少した。
【００２９】
実験例４
実験例４として、活性層２０に、Ｇａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2で組成ｙ１及びｙ２を様々な値に変化させて試料を作成し、しきい値電流密度との相関を調べた。
尚、Ｉｎの組成は、Ｉｎと共に発光波長を長波長化させる作用を有するＮ組成を３％以上に増加させると、結晶性が悪化して光学特性が著しく悪化したという実験結果により、３０％以上であること、即ち、上記組成式においてｘ≦０．７であることが必要である。
上記実験により、まず、Ｎの組成ｙ１が、０＜ｙ１＜０．０３の範囲で、発光波長は１．２４μｍ以上が得られ、発振波長の長波長化の効果があった。
さらに、Ｓｂの組成ｙ２が、０．００２≦ｙ２≦０．０６の範囲で、しきい値電流密度が再現性よく大幅に減少した。
【００３０】
そこで、上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係わる面発光型半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板上に下部反射鏡、活性層、上部反射鏡からなる積層構造を備え、該上部反射鏡及び下部反射鏡は相互に屈折率の異なる２層の化合物半導体層を有し、かつ活性層近傍には一部領域を選択的に酸化して形成した電流狭窄構造を有する面発光型半導体レーザ素子において、
前記活性層はＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy（ｘ≦０．７、０．００３≦ｙ≦０．００８）井戸層を有する量子井戸構造からなり、
前記下部反射鏡の基板側の低屈折率層はＡｌＡｓで構成され、活性層側の低屈折率層はＡｌＡｓよりも酸化速度の遅い半導体材料で構成されていることを特徴としている。
好適には、発光波長が１．１８μｍ以上である。
【００３１】
また、本発明に係る別の面発光型半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板上に下部反射鏡、活性層、上部反射鏡からなる積層構造を備え、該上部反射鏡及び下部反射鏡は相互に屈折率の異なる２層の化合物半導体層を有し、かつ活性層近傍には一部領域を選択的に酸化して形成した電流狭窄構造を有する面発光型半導体レーザ素子において、
前記活性層はＧａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2（ｘ'≦０．７、０＜ｙ１＜０．０３、０．００２≦ｙ２≦０．０６）井戸層を有する量子井戸構造からなり、
前記下部反射鏡の基板側の低屈折率層はＡｌＡｓで構成され、活性層側の低屈折率層はＡｌＡｓよりも酸化速度の遅い半導体材料で構成されていることを特徴としている。
好適には、前記活性層はＧａＮzＡｓ1-z（０＜ｚ＜０．０５）障壁層を有する。
【００３２】
ＧａＡｓ基板上に下部反射鏡、活性層、上部反射鏡からなる積層構造を備え、該上部反射鏡及び下部反射鏡は相互に屈折率の異なる２層の化合物半導体層を有し、かつ活性層近傍には一部領域を選択的に酸化して形成した電流狭窄構造を有する面発光型半導体レーザ素子において、
前記活性層はＧａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2（ｘ'≦０．７、０＜ｙ１＜０．０３）からなる井戸層とＧａＮzＡｓ1-z（０＜ｚ＜０．０５）障壁層を有する量子井戸構造からなり、
前記下部反射鏡の基板側の低屈折率層はＡｌＡｓで構成され、活性層側の低屈折率層はＡｌＡｓよりも酸化速度の遅い半導体材料で構成されていることを特徴としている。
【００３３】
本発明では、好適には、発光波長が１．２４μｍ以上である。
また、本発明では、好適には、下部反射鏡のＡｌＡｓより酸化速度の遅い材料層がＡｌＧａＡｓ層である。
また、本発明の好適な実施態様では、下部反射鏡が、ＡｌＡｓ層を低屈折率層とするペアからなる第１半導体多層膜と、第１半導体多層膜と特定半導体層との間に形成され、相互にＡｌ組成の異なる２層のＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓのペアからなる第２半導体多層膜として形成され、特定半導体層がＡｌＡｓ層である。
更には、本発明では、好適には、第１半導体多層膜のペア数をｍ、第２半導体多層膜のペア数をｎとするとき、第１半導体多層膜のペア数ｍと第２半導体多層膜のペア数ｎとの間に、ｎ／（ｍ＋ｎ）≦４／７の関係がある。
更には、本発明では、好適には、基板の導電型は、電流を効果的に閉じ込めることができるｐ型が好ましく、特にアレイ化する際にはｐ型基板が好ましい。また素子抵抗を低くするためには、電流狭窄層をｐ型反射鏡内に形成することが好ましい。
【００３４】
また、本発明に係わる面発光型半導体レーザ素子の作製方法は、ＧａＡｓ基板上に、順次、形成された下部反射鏡、活性層、上部反射鏡からなる積層構造を備え、反射鏡は相互に屈折率の異なる２層の化合物半導体層のペアとして構成され、かつ下部反射鏡には一部領域を選択的に酸化して酸化層を形成することにより電流経路を限定して電流狭窄構造を構成する特定半導体層が設けられ、
下部反射鏡が、ＡｌＡｓ層を低屈折率層とするペアからなる部分と、ＡｌＡｓ層を低屈折率層とするペアからなる部分の上に形成され、ＡｌＡｓより酸化速度の遅い材料層を低屈折率層とするペアからなる部分とから構成された、面発光型半導体レーザ素子の作製方法であって、
ＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy（ｘ≦０．７、０．００３≦ｙ≦０．００８）井戸層を有する量子井戸構造からなる活性層を形成する際、
活性層を分子線エピタキシー法によりエピタキシャル成長させて、共振器構造を構成する化合物半導体層の積層構造を形成することを特徴としている。
【００３５】
また、本発明に係わる別の面発光型半導体レーザ素子の作製方法は、ＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy（ｘ≦０．７、０．００３≦ｙ≦０．００８）に代えて、Ｇａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2（ｘ'≦０．７、０＜ｙ１＜０．０３、０．００２≦ｙ２≦０．０６）井戸層を有する量子井戸構造からなる活性層を形成する。
【００３６】
また、本発明に係わる更に別の面発光型半導体レーザ素子の作製方法は、ＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy（ｘ≦０．７、０．００３≦ｙ≦０．００８）に代えて、Ｇａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層（ｘ'≦０．７、ｙ１＜０．０３、０．００２≦ｙ２≦０．０６）とＧａＡｓ障壁層を有する量子井戸構造からなる活性層を有する、共振器構造を構成する化合物半導体層の積層構造を形成した後、
Ｇａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層のｙ１が、０＜ｙ１＜０．００７のときには、積層構造に５７０℃以上６３０℃以下の温度で熱処理を施し、
０．００７≦ｙ１＜０．０３のときには、積層構造に６７０℃以上７３０℃以下の温度で熱処理を施す。
【００３７】
Ｇａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層のｙ１が、０＜ｙ１＜０．００７のときには、積層構造に５７０℃以上６３０℃以下の温度で熱処理を施すことにより、発光強度が改善されたという効果を得ることができる。
０．００７≦ｙ１＜０．０３のときには、積層構造に６７０℃以上７３０℃以下の温度で熱処理をすことにより、発光強度が改善されたという効果を得ることができる。
【００３８】
また、本発明に係わる更に別の面発光型半導体レーザ素子の作製方法は、ＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy（ｘ≦０．７、０．００３≦ｙ≦０．００８）に代えて、Ｇａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層（ｘ'≦０．７、ｙ１＜０．０３、０．００２≦ｙ２≦０．０６）とＧａＮzＡｓ1-z障壁層（０＜ｚ＜０．０５）を有する量子井戸構造からなる活性層を有する、共振器構造を構成する化合物半導体層の積層構造を形成した後、
積層構造に６７５℃以上７２５℃以下の温度で熱処理を施す。
【００３９】
積層構造に６７５℃以上７２５℃以下の温度で熱処理を施すことにより、発光強度が改善されたという効果が得ることができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
面発光型半導体レーザ素子の実施形態例１
本実施形態例は、本発明に係る面発光型半導体レーザ素子の実施形態例であって、図１は本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の構成を示す斜視断面図、及び図２は本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の層構造を示す模式図である。
本実施形態例の面発光型半導体レーザ４０は、活性層２１及び下部反射鏡４２の構成が従来の面発光型半導体レーザ素子１０の構成と異なることを除いて、上述の従来の面発光型半導体レーザ１０と同じ構成を備えている。
【００４１】
即ち、図１及び図２に示すように、膜厚約１００μｍのｐ−ＧａＡｓ基板１２上に、順次、形成されたｐ型半導体多層膜からなる下部反射鏡４２、ノンドープＧａＡｓ下部クラッド層１８、活性層２１、ノンドープＧａＡｓ上部クラッド層２２、ｎ型多層膜からなる上部反射鏡２４、及びｎ−ＧａＡｓキャップ層２６からなる積層構造を備えている。
また、積層構造のうち、ｎ−ＧａＡｓキャップ層２６、上部反射鏡２４、ノンドープＧａＡｓ上部クラッド層２２、活性層２１、ノンドープＧａＡｓ下部クラッド層１８、及び下部反射鏡４２の最上層であるＡｌ酸化層１６／ＡｌＡｓ層１７は、円筒状溝２８によって、直径４０から４５μｍのエアポスト構造３０として形成されている。
【００４２】
下部反射鏡４２は、図２に示すように、ｐ−ＧａＡｓ基板１２上に形成された第１半導体多層膜４８と、第１半導体多層膜４８上に形成された第２半導体多層膜５２とから構成されている。
第１半導体多層膜４８は、低屈折率膜として設けられたｐ−ＡｌＡｓ膜４４と、高屈折率膜として設けられたｐ−ＧａＡｓ膜４６の２５．５ペアで構成され、第２半導体多層膜５２は低屈折率膜として設けられたｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０と高屈折率膜として設けられたｐ−ＧａＡｓ膜４６との１０ペアから構成されている。
ｐ−ＡｌＡｓ膜４４の膜厚は１１２ｎｍで、ｐ−ＧａＡｓ膜４６の膜厚は９４ｎｍで、ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０の膜厚は１１０ｎｍである。
【００４３】
また第２半導体多層膜５２の最上層は、膜厚１１０ｎｍのｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０に代えて膜厚９０ｎｍのｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜と２０ｎｍのｐ−ＡｌＡｓ層１７／Ａｌ酸化層１６が積層されている。
Ａｌ酸化層１６はエアポスト構造３０の側壁に沿って形成され、電気抵抗の高い電流狭窄領域を構成し、ＡｌＡｓ層１７は中央部の直径１５μｍから２０μｍの円形領域として形成され、電流注入経路を構成している。
【００４４】
活性層２１は、Ｇａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層（ｘ'≦０．７、０＜ｙ１＜０．０３）とＧａＮzＡｓ1-z障壁層（０＜ｚ＜０．０５）とからなる単一又は多重量子井戸構造を有している。
【００４５】
上部反射鏡２４は膜厚１１０ｎｍのｎ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５４と膜厚９４ｎｍのｎ−ＧａＡｓ膜５６とが組成傾斜層を介して積層された３０ペアの多層膜によって構成されている。
【００４６】
次に、図１及び図２を参照して、本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子４０の作製方法を説明する。先ず、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）又は分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）により、図２に示すように、ｐ−ＧａＡｓ基板１２上に、２５．５ペアのｐ−ＡｌＡｓ膜４４／ｐ−ＧａＡｓ膜４６からなる第１半導体多層膜４８、続いて１０ペアのｐ−ＧａＡｓ膜４６／ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０からなる第２半導体多層膜５２を成長させ、下部反射鏡４２を形成する。
第２半導体多層膜５２の形成の際、第２半導体多層膜５２の最上層は、膜厚１１０ｎｍのｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０に代えて膜厚９０ｎｍのｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層と２０ｎｍのｐ−ＡｌＡｓ層１７を成膜する。
【００４７】
次いで、第２半導体多層膜５２上に、膜厚３３２ｎｍのノンドープＧａＡｓ下部クラッド層１８、活性層２１、及び膜厚３３２ｎｍのノンドープＧａＡｓ上部クラッド層２２を成長させる。
【００４８】
更に、上部クラッド層２２上に、ｎ型ドーピングしたｎ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５４とｎ−ＧａＡｓ膜５６の３０ペアからなる多層膜を成長させて上部反射鏡２４を形成する。続いて、膜厚２０ｎｍのｎ−ＧａＡｓキャップ層２６を成長させる。
尚、下部反射鏡４２及び上部反射鏡２４をそれぞれ構成するｐ型及びｎ型多層膜の成膜に際し、ｐ−（ｎ−）ＧａＡｓ膜４６（５６）とｐ−（ｎ−）Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０（５４）との界面には、組成傾斜層を形成するように成膜する。また、ＧａＡｓ膜４６（５６）及びＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０（５４）の膜厚は、それぞれ、９４ｎｍ及び１１０ｎｍとする。以上の工程により、図２に示す積層構造５８を形成することができる。
【００４９】
次に、積層構造５８のｎ−ＧａＡｓキャップ層２６上にプラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜薄膜（図示せず）を成膜し、更にその上にフォトレジスト膜（図示せず）を成膜する。次いで、直径約４０から４５μｍの円形パターンをフォトリソグラフィ技術でフォトレジスト膜に転写し、円形レジスト・エッチングマスク（図示せず）を形成する。
続いて、円形レジスト・エッチングマスクを用い、ＣＦ４ガスを得チングガスとする反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によりシリコン窒化膜薄膜をエッチングする。更に、塩素ガスを用いた反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）法を用いて下部反射鏡４２の多層膜に到達するまで、上部反射鏡、上部クラッド層２２、活性層２１、及び下部クラッド層１８、ｐ−ＡｌＡｓ層１７をエッチングして、円筒状溝２８を形成する。
【００５０】
これにより、柱状のエアポスト構造３０ができる。尚、エッチングの際には、選択酸化層であるｐ−ＡｌＡｓ層１７と、下部反射鏡４２のＡｌＡｓ／ＧａＡｓペアからなる第１半導体多層膜４８の間、つまり第２半導体多層膜５２で、エッチングの進行を停止させる。
すなわち、１０ペアのｐ−ＧａＡｓ膜４６／ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０からなる第２半導体多層膜５２をエッチング深さの制御層として機能させる。
【００５１】
次に、エアポスト構造３０を有する積層構造５８を水蒸気雰囲気中で４００℃に加熱し、約２５分放置する。これにより、下部反射鏡４２の最上層を構成するｐ−ＡｌＡｓ層１７を選択的に酸化して、図１に示すように、円筒状溝２８の溝壁に沿ってＡｌ酸化層１６を生成すると共に、エアポスト構造３０の中央領域を元のｐ−ＡｌＡｓ層１７のままとする。
この酸化工程で酸化されなかったエアポスト構造３０の中央領域のｐ−ＡｌＡｓ層１７は、直径約１５から２０μｍの円形領域であって、電流注入経路を構成する。尚、選択酸化の際、１０ペアのｐ−ＧａＡｓ膜４６／ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０からなる第２半導体多層膜５２は、酸化防止層として機能し、第１半導体多層膜４８中のｐ−ＡｌＡｓ膜４４が酸化してＡｌ酸化層に転化するのを防止する。
【００５２】
次いで、シリコン窒化膜薄膜（図示せず）をＲＩＥ法により完全に除去した後に、改めて、プラズマＣＶＤ法によってシリコン窒化膜薄膜３２を全面に成膜する。エアポスト構造３０の上面のシリコン窒化膜３２を直径３０μｍの円形に除去し、そこにｎ側電極として内径２０μｍ、外形３０μｍのリング状のＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ電極３４を形成する。
更にｎ側電極引き出し用電極としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕパッド３６を形成する。また、ｐ−ＧａＡｓ基板１２の裏面を研磨して基板厚さを１００μｍ程度に調整した後、裏面にＡｕＺｎ電極を蒸着してｐ側電極３８とする。
【００５３】
最終処理として、窒素雰囲気中で約４００℃で熱処理（アニール処理）を施すと、図１に示す発光波長が約１．３μｍの面発光型半導体レーザ素子４０を完成することができる。
【００５４】
本実施形態例では、ｐ−ＡｌＡｓ層１７とＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる第１半導体多層膜４８との間に１０ペアのＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／ＧａＡｓからなる第２半導体多層膜５２を介在させ、第１半導体多層膜４８の酸化防止層として、及びエッチング制御層として機能させている。
これにより、ｐ−ＡｌＡｓ層１７の下部で、ｐ−ＡｌＡｓ層１７により近い層でエッチングを停止させることができれば、更に、第２半導体多層膜５２のペア数を減らすことにより、下部反射鏡の熱抵抗を更に一層低減することができる。
【００５５】
具体例１
本具体例の面発光型半導体レーザ素子は、実施形態例１の面発光型半導体レーザ素子の具体例である。
本具体例の面発光型半導体レーザ素子は、実施形態例１の面発光型半導体レーザ素子４０の活性層２１のＧａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層として、ｘ'＝０．６３、ｙ１＝０．０１８、ｙ２＝０．０１６とし、ＧａＮzＡｓ1-z障壁層として、ｚ＝０．０１８とし、上下２層の膜厚７．３ｎｍのＧａ0.63Ｉｎ0.37Ａｓ0.975Ｎ0.009Ｓｂ0.016井戸層（図示無し）と、上下２層のＧａ0.63Ｉｎ0.37Ａｓ0.966Ｎ0.018Ｓｂ0.016井戸層（図示無し）の間に設けられた膜厚１６ｎｍのＧａＮ0.018Ａｓ0.982障壁層（図示無し）として構成されている。尚、このレーザ素子の発振波長は、１．３０５μｍであった。
【００５６】
試験例１
本試験例は具体例１の面発光型半導体レーザ素子の電流経路面積と熱抵抗との関係を調べた試験例であり、図３は電流経路面積と熱抵抗との関係を示すグラフである。
本試験例では、上述の具体例１の構成を備えた面発光型半導体レーザ素子４０で、エアポスト構造３０の外径を様々に変化させることにより、電流経路面積を様々に変化させたレーザ素子試料を同一ウエハ上に形成して、本試験例の具体例試料とした。
また、従来の面発光型半導体レーザ素子１０で、エアポスト構造３０の外径を様々に変化させることにより、電流経路面積を様々に変化させたレーザ素子試料を同一ウエハ上に形成して、本試験例の従来例試料とした。
これらの具体例試料と従来例試料の熱抵抗を測定し、約２００μｍ2から約４００μｍ2の電流経路面積で、電流経路面積と熱抵抗の関係を調べたところ、それぞれ、図３の○及び●に示すような結果を得た。
【００５７】
上記実施形態例試料及び従来例試料の試験結果の比較から、実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の熱抵抗は、従来例の面発光型半導体レーザ素子に比べて、電流経路面積約１５０μｍ2から約４００μｍ2にわたって、６割から７割程度の低い値を示した。
【００５８】
試験例２
本試験例は具体例１の面発光型半導体レーザ素子の光出力−電流特性を調べた試験例であり、図４（ｂ）は動作環境温度をパラメータとした実施形態例試料の注入電流と光出力との関係を示すグラフである。
本具体例の面発光型半導体レーザ素子を評価するために、本具体例の面発光型半導体レーザ素子４０と同じ構成を備え、発光面積が３００μｍ2の面発光型半導体レーザ素子を作製し、具体例試料とした。
また、従来の面発光型半導体レーザ素子を評価するために、従来の面発光型半導体レーザ素子１０と同じ構成を備え、発光面積が３００μｍ2の面発光型半導体レーザ素子を作製し、従来例試料とした。
続いて、動作温度、つまり環境温度を変化させて、具体例試料と従来例試料の電流−光出力特性を測定し、電流−光出力特性の温度依存性を調べたところ、それぞれ、図４（ａ）及び（ｂ）に示すような結果を得た。
【００５９】
本具体例試料の面発光型半導体レーザ素子は、図４（ｂ）に示すように、２０℃から３０℃の室温の動作環境では光出力特性に顕著な差はないものの、７０℃の動作環境では、本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子は、１０ｍＡの注入電流に対して、室温でのレーザ光出力の８０％程度のレーザ光出力を得ることができ、しかも注入電流を増加させることによってレーザ光出力を更に増加させることができる。
また、しきい値電流密度は、１ｍＡ／ｍｍ2から２ｍＡ／ｍｍ2である。
【００６０】
一方、従来例の面発光型半導体レーザ素子のレーザ光出力は、図４（ａ）に示すように、飽和し、１２ｍＡ以上の注入電流を増加してもそれ以上のレーザ光出力を出すことはできない。
また、しきい値電流密度は、４ｍＡ／ｍｍ2から５ｍＡ／ｍｍ2である。
【００６１】
以上の試験例１及び試験例２の結果から、本具体例の面発光型半導体レーザ素子４０は、従来の面発光型半導体レーザ素子１０と比べて、レーザ光出力の熱飽和特性が著しく良好であって、高温の動作環境でも高出力で安定し、かつしきい値電流密度が低くて動作することが実証された。
【００６２】
面発光型半導体レーザ素子の実施形態例２
本実施形態例は、本発明係る面発光型半導体レーザ素子の別の実施形態例である。
本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子は、活性層の構成が実施形態例１の面発光型半導体レーザ素子４０と異なることを除いて、実施形態例１の面発光型半導体レーザ素子４０と同じ構成を備え、熱処理の温度が実施形態例１の作製方法と異なることを除いて、実施形態例１の面発光型半導体レーザ素子４０と同じように作製することができる。
本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の活性層は、Ｇａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層（ｘ'≦０．７、０＜ｙ１＜０．０３、０．００２≦ｙ２≦０．０６）とＧａＮzＡｓ1-z障壁層（０＜ｚ＜０．０５）とからなる単一又は多重量子井戸構造を有している。
【００６３】
本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の最終処理としては、ＧａＮzＡｓ1-z障壁層のＮ組成ｚが０＜ｚ＜０．０３の場合、積層構造に６７５℃以上７２０℃以下の温度で熱処理を施す。
また、ＧａＮzＡｓ1-z障壁層のＮ組成ｚが０、即ちＧａＡｓ障壁層の場合、Ｇａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層のｙ１が、０＜ｙ１＜０．００７のときには、積層構造に５７０℃以上６３０℃以下の温度で熱処理を施し、０．００７≦ｙ１＜０．０３のときには、積層構造に６７０℃以上７３０℃以下の温度で熱処理を施す。
【００６４】
具体例２
本具体例の面発光型半導体レーザ素子は、実施形態例２の面発光型半導体レーザ素子の活性層のＧａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層として、ｘ'＝０．６３、ｙ１＝０．０１８、ｙ２＝０．０１６とし、ＧａＮzＡｓ1-z障壁層として、ｚ＝０．０１８とした。尚、このレーザ素子の発振波長は１．２９５μｍであった。
本具体例の試料について、実施形態例１と同じような試験を行ったところ、実施形態例１と同じように、従来の面発光型半導体レーザ素子１０と比べて、レーザ光出力の熱飽和特性が著しく良好であって、高温の動作環境でも高出力で安定し、かつしきい値電流密度が低くて動作するという効果があった。
【００６５】
面発光型半導体レーザ素子の実施形態例３
本実施形態例は、本発明に係る面発光型半導体レーザ素子の更に別の実施形態例である。
本実施形態例の面発光型半導体レーザは、活性層の構成が実施形態例１の面発光型半導体レーザ素子４０の構成と異なることを除いて、実施形態例１の面発光型半導体レーザと４０と同じ構成を備え、熱処理が不要であることを除いて、同じように作製することができる。
本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の活性層は、ＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy（ｘ≦０．７、０．００３≦ｙ≦０．００８）単一又は多重量子井戸層を有している。
【００６６】
具体例３
本具体例の面発光型半導体レーザ素子は、実施形態例３の面発光型半導体レーザ素子の活性層のＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy層として、ｘ＝０．６１、ｙ＝０．００３とした。尚、このレーザ素子の発振波長は１．１９０μｍであった。
本具体例の試料について、実施形態例１と同じような試験を行ったところ、実施形態例１と同じように、従来の面発光型半導体レーザ素子１０と比べて、レーザ光出力の熱飽和特性が著しく良好であって、高温の動作環境でも高出力で安定し、かつしきい値電流密度が低くて動作するという効果があった。
【００６７】
【発明の効果】
本発明によれば、ＡｌＡｓ層を低屈折率層とするペアからなる部分と、ＡｌＡｓ層を低屈折率層とするペアからなる部分の上に形成され、ＡｌＡｓより酸化速度の遅い材料層を低屈折率層とするペアからなる部分とから下部反射鏡を構成することにより、レーザ光出力の熱飽和特性が良好で、高温の動作環境でも高出力で安定し、かつしきい値電流密度が低くて動作する、面発光型半導体レーザ素子を実現している。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の面発光型半導体レーザ素子の構成を示す斜視断面図である。
【図２】実施形態例１の面発光型半導体レーザ素子の層構造を示す模式図である。
【図３】電流経路面積と熱抵抗との関係を示すグラフである。
【図４】図４（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、動作環境温度をパラメータとした実施形態例試料、及び従来例試料の注入電流と光出力との関係を示すグラフである。
【図５】従来の面発光型半導体レーザ素子の構造を示す斜視断面図である。
【図６】従来の面発光型半導体レーザ素子の層構造を示す模式図である。
【図７】下部反射鏡の熱伝導率と熱抵抗との関係を示すグラフである。
【図８】下部反射鏡の熱伝導率と活性層部分の温度上昇との関係を示すグラフである。
【図９】ＡｌＧａＡｓ混晶の混晶比と熱伝導率との関係を示すグラフである。
【図１０】熱抵抗値と面発光型半導体レーザ素子の最大光出力との関係を示すグラフである。
【図１１】実験例１の面発光型半導体レーザ素子の層構造を示す模式図である。
【図１２】実験例２の面発光型半導体レーザ素子の下部反射鏡の層構造を示す模式図である。
【符号の説明】
１２ ｐ−ＧａＡｓ基板
１４ ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／ｐ−ＧａＡｓの３５．５ペアからなる下部反射鏡
１５ ｐ−Ａｌ1- αＧａαＡｓ／ｐ−ＧａＡｓの３５．５ペアからなる下部反射鏡
１６ Ａｌ酸化層
１７ ｐ−ＡｌＡｓ層
１８ ノンドープＧａＡｓ下部クラッド層
２０ 従来例の活性層
２１ 実施形態例１の活性層
２２ ノンドープＧａＡｓ上部クラッド層
２４ ｎ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／ｎ−ＧａＡｓの３０ペアからなる上部反射鏡
２５ ｎ−Ａｌ1- αＧａαＡｓ／ｎ−ＧａＡｓの３０ペアからなる上部反射鏡
２６ ｎ−ＧａＡｓキャップ層
２８ 円筒状溝
３０ エアポスト構造
３２ シリコン窒化膜
３４ ｎ側電極
３６ ｎ側電極の引き出し用電極
３８ ｐ側電極
４０ 実施形態例１の面発光型半導体レーザ素子
４２ 第１半導体多層膜と第２半導体多層膜とからなる下部反射鏡
４３ 実験例２の下部反射鏡
４４ ｐ−ＡｌＡｓ膜
４６ ｐ−ＧａＡｓ膜
４８ ｐ−ＡｌＡｓ／ｐ−ＧａＡｓの２５．５ペアからなる第１半導体多層膜
４９ ｐ−ＡｌＡｓ／ｐ−ＧａＡｓのｍペアからなる第１半導体多層膜
５０ ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜
５１ ｐ−Ａｌ1- αＧａαＡｓ膜
５２ ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／ｐ−ＧａＡｓの１０ペアからなる第２半導体多層膜
５３ ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／ｐ−ＧａＡｓのｎペアからなる第２半導体多層膜
５４ ｎ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜
５５ ｎ−Ａｌ1- αＧａαＡｓ膜
５６ ｎ−ＧａＡｓ膜
５８ 実施形態例１の面発光型半導体レーザ素子の層構造
Claims (14)
- ＧａＡｓ基板上に下部反射鏡、活性層、上部反射鏡からなる積層構造を備え、該上部反射鏡及び下部反射鏡は、相互に屈折率の異なる複数のペアを含む化合物半導体多層膜を有し、かつ一部領域を選択的に酸化して形成した電流狭窄構造を有する面発光型半導体レーザ素子において、
前記活性層はＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy（ｘ≦０．７、０．００３≦ｙ≦０．００８）井戸層を有する量子井戸構造からなり、
前記下部反射鏡の基板側のペアの低屈折率層はＡｌＡｓ層で構成され、活性層側のペアの低屈折率層はＡｌＡｓよりも酸化速度の遅い半導体材料層で構成され、前記活性層側のペアは前記基板側のペアの酸化防止層として機能することを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。 - 発光波長が１．１８μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体レーザ素子。
- ＧａＡｓ基板上に下部反射鏡、活性層、上部反射鏡からなる積層構造を備え、該上部反射鏡及び下部反射鏡は、相互に屈折率の異なる複数のペアを含む化合物半導体多層膜を有し、かつ一部領域を選択的に酸化して形成した電流狭窄構造を有する面発光型半導体レーザ素子において、
前記活性層はＧａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2（ｘ'≦０．７、０＜ｙ１＜０．０３、０．００２≦ｙ２≦０．０６）井戸層を有する量子井戸構造からなり、
前記下部反射鏡の基板側のペアの低屈折率層はＡｌＡｓ層で構成され、活性層側のペアの低屈折率層はＡｌＡｓよりも酸化速度の遅い半導体材料層で構成され、前記活性層側のペアは前記基板側のペアの酸化防止層として機能することを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。 - 前記活性層はＧａＮzＡｓ1-z（０＜ｚ＜０．０５）障壁層を有することを特徴とする請求項３に記載の面発光型半導体レーザ素子。
- ＧａＡｓ基板上に下部反射鏡、活性層、上部反射鏡からなる積層構造を備え、該上部反射鏡及び下部反射鏡は、相互に屈折率の異なる複数のペアを含む化合物半導体多層膜を有し、かつ一部領域を選択的に酸化して形成した電流狭窄構造を有する面発光型半導体レーザ素子において、
前記活性層はＧａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2（ｘ'≦０．７、０＜ｙ１＜０．０３）からなる井戸層とＧａＮzＡｓ1-z（０＜ｚ＜０．０５）障壁層を有する量子井戸構造からなり、
前記下部反射鏡の基板側のペアの低屈折率層はＡｌＡｓ層で構成され、活性層側のペアの低屈折率層はＡｌＡｓよりも酸化速度の遅い半導体材料層で構成され、前記活性層側のペアは前記基板側のペアの酸化防止層として機能することを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。 - 発光波長が１．２４μｍ以上であることを特徴とする請求項３から５のうちのいずれか１項に記載の面発光型半導体レーザ素子。
- 下部反射鏡のＡｌＡｓより酸化速度の遅い半導体材料層がＡｌＧａＡｓ層であることを特徴とする請求項１から６のうちのいずれか１項に記載の面発光型半導体レーザ素子。
- 下部反射鏡は、前記基板側のペアから成る第１半導体多層膜と、前記活性層側のペアを構成し相互にＡｌ組成が異なるＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓから成る第２半導体多層膜と、該第２半導体多層膜と活性層との間に形成される別のＡｌＡｓ層とを含み、前記別のＡｌＡｓ層は前記電流狭窄構造を構成することを特徴とする請求項７に記載の面発光型半導体レーザ素子。
- 第１半導体多層膜のペア数をｍ、第２半導体多層膜のペア数をｎとするとき、第１半導体多層膜のペア数ｍと第２半導体多層膜のペア数ｎとの間に、ｎ／（ｍ＋ｎ）≦４／７の関係があることを特徴とする請求項８に記載の面発光型半導体レーザ素子。
- 基板の導電型がｐ型であることを特徴とする請求項１から９のうちのいずれか１項に記載の面発光型半導体レーザ素子。
- ＧａＡｓ基板上に、順次、形成された下部反射鏡、活性層、上部反射鏡からなる積層構造を備え、反射鏡は相互に屈折率の異なる複数のペアを含む化合物半導体多層膜として構成され、かつ下部反射鏡には、活性層近傍であって、下部反射鏡と活性層との間、又は、下部反射鏡内に、一部領域を選択的に酸化して酸化層を形成することにより電流経路を限定して電流狭窄構造を構成する特定半導体層が設けられ、
下部反射鏡が、ＡｌＡｓ層を低屈折率層とするペアからなる部分と、ＡｌＡｓ層を低屈折率層とするペアからなる部分の上に形成され、ＡｌＡｓより酸化速度の遅い材料層を低屈折率層とするペアからなる部分とから構成され、
前記ＡｌＡｓ層より酸化速度が遅い材料層を低屈折率層とするペアからなる部分は前記ＡｌＡｓ層を低屈折率層とするペアからなる部分の酸化防止層として機能する面発光型半導体レーザ素子の作製方法であって、
ＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy（ｘ≦０．７、０．００３≦ｙ≦０．００８）井戸層を有する量子井戸構造からなる活性層を形成する際、
活性層を分子線エピタキシー法によりエピタキシャル成長させて、共振器構造を構成する化合物半導体層の積層構造を形成することを特徴とする面発光型半導体レーザ素子の作製方法。 - ＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy（ｘ≦０．７、０．００３≦ｙ≦０．００８）に代えて、Ｇａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2（ｘ'≦０．７、０＜ｙ１＜０．０３、０．００２≦ｙ２≦０．０６）井戸層を有する量子井戸構造からなる活性層を形成することを特徴とする請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ素子の作製方法。
- ＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy（ｘ≦０．７、０．００３≦ｙ≦０．００８）に代えて、Ｇａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層（ｘ'≦０．７、ｙ１＜０．０３、０．００２≦ｙ２≦０．０６）とＧａＡｓ障壁層を有する量子井戸構造からなる活性層を有する、共振器構造を構成する化合物半導体層の積層構造を形成した後、
Ｇａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層のｙ１が、０＜ｙ１＜０．００７のときには、積層構造に５７０℃以上６３０℃以下の温度で熱処理を施し、
０．００７≦ｙ１＜０．０３のときには、積層構造に６７０℃以上７３０℃以下の温度で熱処理を施すことを特徴とする請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ素子の作製方法。 - ＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy（ｘ≦０．７、０．００３≦ｙ≦０．００８）に代えて、Ｇａx'Ｉｎ1-x'Ａｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層（ｘ'≦０．７、ｙ１＜０．０３、０．００２≦ｙ２≦０．０６）とＧａＮzＡｓ1-z障壁層（０＜ｚ＜０．０５）を有する量子井戸構造からなる活性層を有する、共振器構造を構成する化合物半導体層の積層構造を形成した後、
積層構造に６７５℃以上７２５℃以下の温度で熱処理を施すことを特徴とする請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ素子の作製方法。
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