JP4141172B2 - 面発光半導体レーザ素子の製造方法および面発光半導体レーザ素子および光伝送システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光半導体レーザ素子の製造方法および面発光半導体レーザ素子および光伝送システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネットの普及と情報量の増大に伴い、より大容量で高速の光伝送ネットワークが必要とされている。
【０００３】
面発光半導体レーザ素子は、出力光の広がり角が比較的狭い（１０度前後）ので、光ファイバとの結合が容易であり、また、しきい値電流を小さくでき電力変換効率が高いため消費電力が小さく、しかも２次元並列集積が容易であり、素子の検査が簡便であるという優れた特徴を有している。そのため，面発光半導体レーザ素子は、今後の大容量光伝送モジュールへの搭載が期待されている。
【０００４】
この面発光半導体レーザ素子は、基板面と垂直な方向に積層形成されたレーザ共振器を備え、光が基板面と垂直な方向に出射するように構成されている。より詳しくは、面発光半導体レーザ素子は、基板側と表面側とのそれぞれに、高反射率の半導体多層膜からなる半導体分布ブラッグ反射鏡（半導体ＤＢＲ）や誘電体多層膜からなる誘電体分布ブラッグ反射鏡（誘電体ＤＢＲ）や金属反射鏡などの反射鏡（ミラー層）が設けられ、２つの反射鏡の間に活性層が設けられている。また、活性層と２つの反射鏡との間には、それぞれスペーサ層が設けられている。
【０００５】
さらに、面発光半導体レーザ素子では、しきい値電流を小さくするため、また、単一モード発振をさせるために、活性層近傍で電流経路を狭める電流狭窄構造がとられている。
【０００６】
従来、この電流狭窄構造を形成する方法としては、プロトン注入型、埋め込み再成長型、選択配化層型、トンネル接合消滅型等が知られている。
【０００７】
プロトン注入型の形成方法では、例えば、文献［Ｂ．Ｔｅｌｌ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５７（１９９０）１８５５］に報告されているように、面発光半導体レーザ素子を構成する素子構成膜の表面からプロトンをイオン注入することで高抵抗部を形成し、電流狭窄構造を形成している。
【０００８】
また、埋め込み再成長型の形成方法では、特開平１１−１１２０８６号公報に示されているように、面発光半導体レーザ素子を構成する素子構成膜の上部をメサ状に加工した後、このメサと逆の導電性をもつ埋め込み層を再成長させてｐ−ｎ接合を形成し、電流狭窄構造を形成している。
【０００９】
また、選択酸化層型の形成方法では、例えば、文献［Ｋ．Ｄ．Ｃｈｏｑｕｅｔｔｅ ｅｔ ａｌ．ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ．７（１９９５）１２３７］に報告されているように、ＡｌＡｓ膜を含む素子構成膜の上部をメサ状に加工した後、ＡｌＡｓ膜を水蒸気によりメサ側壁から酸化することにより、高抵抗部を形成し、電流狭窄構造を形成している。
【００１０】
さらに、トンネル接合消滅型の形成方法では、特許３０２０１６７号公報に示されているように、面発光半導体レーザ素子を構成する素子構成膜の活性層の上部にトンネル接合層を形成し、その上部に、電流経路部に対応する領域を除いて上部電極膜を形成し、次に上部ミラーを形成し、その後、熱処理により上部電極膜の金属元素をトンネル接合層に拡散させることにより、トンネル接合を消滅させて高抵抗部を形成して、電流狭窄構造を形成している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の電流狭窄構造の形成方法には、それぞれ以下のような問題がある。
【００１２】
すなわち、プロトン注入型の形成方法では、上部ミラー表面から活性層近傍までの深さが５μｍ以上であるので、プロトン注入する場合、４００ｋｅＶ以上の高エネルギーで注入する必要があり、そのため、形成される高抵抗部の位置制御が困難となり、また、面発光半導体レーザ素子を構成する素子構成膜に欠陥が導入される恐れがある。
【００１３】
また、埋め込み再成長型の形成方法では、半導体膜の成長工程が２回以上必要となるので、製造工程が煩雑となり、製造コストの上昇を招くという問題がある。
【００１４】
また、選択酸化層型の形成方法においては、メサ部分の放熱を良くするため、および、メサ部分の機械的強度を持たせるために、メサ部分の膜面方向の寸法が３０μｍ程度以上必要となり、この場合には、酸化する距離が長くなるので、選択的酸化により形成する高抵抗部の位置制御性が十分でなくなるという問題がある。
【００１５】
また、トンネル接合消滅型の形成方法においても、半導体膜の成長工程が２回以上必要となるので、製造工程が煩雑となり製造コストの上昇を招くという問題がある。
【００１６】
本発明は、制御性良く電流狭窄構造を形成でき、放熱性に優れ、安定したレーザ特性が得られる面発光半導体レーザ素子を、低コストで作製することの可能な面発光半導体レーザ素子の製造方法および面発光半導体レーザ素子および光伝送システムを提供することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、面発光半導体レーザ素子の素子構成膜の共振器領域の周辺に高抵抗部形成用孔を形成し、前記素子構成膜はトンネル接合層を含み、
トンネル接合消滅種となる分子または元素を前記高抵抗部形成用孔を通して前記トンネル接合層に供給し、前記トンネル接合層の一部の接合を消滅させて電流狭窄構造を形成することを特徴としている。
【００２１】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の面発光半導体レーザ素子の製造方法において、前記高抵抗部形成用孔は、エッチングにより形成されることを特徴としている。
【００２２】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の面発光半導体レーザ素子の製造方法において、素子構成膜中にエツチングストップ層を形成し、高抵抗部形成用孔をエッチングにより形成する際に、高抵抗部形成用孔の底面をエッチングストップ層により位置制御することを特徴としている。
【００２３】
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子の製造方法により作製されたことを特徴としている。
【００２４】
また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の面発光半導体レーザ素子において、高抵抗部形成用孔の少なくとも内壁面が、前記素子構成膜を形成する材料よりも低い屈折率を有する材料で被覆又は充填されていることを特徴としている。
【００２５】
また、請求項６記載の発明は、請求項４記載の面発光半導体レーザ素子において、高抵抗部形成用孔の少なくとも内壁面は、金属材料で被覆されており、該金属材料は電極としての機能を有することを特徴としている。
【００２６】
また、請求項７記載の発明は、請求項４乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子において、前記素子構成膜中の活性層には、ＧａＩｎＮＡｓ系膜が含まれていることを特徴としている。
【００２７】
また、請求項８記載の発明は、請求項４乃至請求項７のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子が発光デバイスとして用いられることを特徴としている。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２９】
第１の実施形態
図１は本発明の面発光半導体レーザ素子の構成例を示す図である。図１を参照すると、この面発光半導体レーザ素子は、基板１０１上に、下部ミラー層１０２，下部スペーサ層１０３，活性層１０４，上部スペーサ層１０５，上部ミラー層１０６が順次積層されて構成されている。また、この面発光半導体レーザ素子は、光が出力される側の上部ミラー層１０６上に絶縁層１０７を介して上部電極１０８が形成され、また、基板１０１の裏面に下部電極１０９が形成されている。
【００３０】
なお、以下では、上記のように面発光半導体レーザ素子を構成するように順次に積層された膜を素子構成膜という。また、図１の構成例では、ミラー層１０２，１０６間の下部スペーサ層１０３，活性層１０４，上部スペーサ層１０５が共振器領域として機能するようになっている。
【００３１】
ここで、基板１０１には、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＧａＮＡｓ，Ｓｉ，Ｇｅなどの半導体基板が用いられる。
【００３２】
また、基板１０１側のミラー層（下部ミラー層）１０２は、基板１０１上にエピタキシャル成長でき、良質な膜が得られることから、半導体ＤＢＲ（分布ブラッグ反射鏡）であるのが好ましい。具体的には、下部ミラー層１０２は、半導体基板１０１上に、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ，ＡｌＧａＮ／ＧａＮ，ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰなどの多層膜を設けて形成される。
【００３３】
また、面発光半導体レーザ素子の表面側のミラー層（上部ミラー層）１０６は、半導体ＤＢＲや誘電体ＤＢＲや金属反射鏡で形成される。
【００３４】
ここで、半導体ＤＢＲとしては、例えば、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ，ＡｌＧａＮ／ＧａＮ，ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰなどが用いられる。
【００３５】
また、誘電体ＤＢＲとしては、例えば、ＺｒＯ2／ＳｉＯ2，ＭｇＯ／ＳｉＯ2， ＭｇＯ／Ｓｉ，Ａｌ2Ｏ3／ＭｇＦ2などが用いられる。
【００３６】
また、金属反射鏡としては、例えば、Ａｕ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉやそれらの合金などが用いられる。
【００３７】
また、活性層１０４は、例えば、基板１０１がＩｎＰで構成される場合には、ＧａＩｎＡｓＰにより形成され（１．３μｍ帯，１．５５μｍ帯）、また、基板１０１がＧａＡｓで構成される場合には、ＧａＩｎＮＡｓ（１．３μｍ帯，１．５５μｍ帯）や、ＧａＩｎＡｓ（０．９８μｍ帯）や、ＧａＡｌＡｓ（０．８５μｍ帯）や、ＡｌＧａＩｎＰ（０．６５μｍ帯）などにより形成される。
【００３８】
また、２つのスペーサ層１０３，１０５は、キャリアを活性層１０４まで輸送し共振器長を調節する働きをし、発光する光に透明である必要がある。そのため、スペーサ層１０３，１０５は、活性層１０４の材料によってＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＡｌＡｓ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＰなどから選択されて形成される。
【００３９】
図１の面発光半導体レーザ素子の素子構成膜の成長方法としては、例えば、ＭＯＣＶＤ法（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）や、ＭＯＭＢＥ法（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）や、ＣＢＥ法（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）などを用いることができる。
【００４０】
また、ミラー層１０２，１０６を誘電体膜からなる誘電体ＤＢＲや金属膜からなる金属反射鏡で形成する場合、誘電体膜や金属膜の形成方法としては、例えば、電子ビーム蒸着法，スパッタリング法，抵抗加熱法，ＣＶＤ法（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等を用いることができる。
【００４１】
また、上部ミラー層１０６上には、ＳｉＯ2などの絶縁膜１０７が形成されている。また、上部電極１０８及び下部電極１０９は、いわゆるオーミック電極であり、通常の半導体レーザの電極として用いられるＡｌ等の金属材料で形成されている。
【００４２】
ところで、この図１の面発光半導体レーザ素子では、基板１０１上の素子構成膜の共振器領域の周辺に、素子構成膜の表面と垂直な方向に少なくとも１つの（図１の例では、２つ）の高抵抗部形成用孔１１０が穿設され、この孔１１０の底部が上部ミラー層１０６の底面付近に達している。このような構成では、この孔１１０を通して活性層１０４近傍に高抵抗化する分子または元素を導入することにより、電流経路部１０４ａを狭めるための高抵抗部（電流狭窄構造）１１１を形成することができる。
【００４３】
ここで、高抵抗部形成用孔１１０は、例えば、次のようにして形成される。すなわち、高抵抗部形成用孔１１０は、例えば、面発光半導体レーザ素子の素子構成膜の発光領域以外の電流狭窄構造が形成される領域に対応する位置に、素子構成膜の表面から活性層１０４付近にまで達するように（例えば、素子構成膜の表面に垂直方向に）、エッチングによって形成される。
【００４４】
高抵抗部形成用孔１１０を形成するためのエッチングの方法としては、ドライエッチング又はウェットエッチングをとり得るが、サイドエッチの速度に対して垂直方向のエッチング速度が大きいドライエッチングが好ましい。さらに、ドライエッチングの方式としては、エッチング異方性をより大きくとれるＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング法やＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｒｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）エッチング法などの高密度プラズマ源を用いる方式が好ましい。なお、高抵抗部形成用孔１１０の個数，断面形状，寸法，配置については、所望のものにすることができ、特定のものに限定はされない。
【００４５】
図１の構成例では、電流狭窄構造１１１は、高抵抗部形成用孔１１０を介して活性層１０４近傍の半導体にＨ2Ｏ、Ｏ2、Ｈ元素、Ｏ元素あるいは金属元素を、例えば、イオン注入、熱拡散、酸化等により導入して形成される。
【００４６】
なお、特開平１１−１８６６５７号公報には、多層膜半導体層に垂直に複数の２次元ロッド列や２次元ホール列を設けることにより、発光波長に対して光学的伝播禁止帯（フォトニックバンドギャップ）を形成して、多層膜半導体層の面内方向への漏れ光を抑える構成をとる面発光型半導体レーザが示されている。
【００４７】
これに対し、本発明では、高抵抗部形成用孔１１０は、レーザ素子の素子構成膜中に高抵抗部を形成するための分子または元素を導入するための手段として機能するものであり、前述の２次元ロッド列や２次元ホール列と同様な機能を目的とするものではない。
【００４８】
また、本発明では、メサ構造中に高抵抗部形成用孔１１０を設けることも可能である。
【００４９】
次に、第１の実施形態の面発光半導体レーザ素子の具体的な作製工程例を図１を用いて説明する。先ず、ｎ型基板１０１上に、下部ｎ型半導体ＤＢＲ（下部ミラー層）１０２，下部アンドープスペーサ層（下部スペーサ層）１０３，活性層１０４，上部アンドープスペーサ層（上部スペーサ層）１０５，上部ｐ型半導体ＤＢＲ（上部ミラー層）１０６を順次エピタキシャル成長する。
【００５０】
次に、ＳｉＯ2膜（図示せず）をマスクとして例えばＥＣＲエッチング法により上部ミラー層１０６の共振器領域の周辺に少なくとも１つの（例えば多数の）高抵抗部形成用孔１１０を穿設する。このとき、孔１１０の底部は上部ミラー層１０６の底面付近とする。
【００５１】
次に、孔１１０を通して高抵抗化する分子または元素を導入して、電流狭窄構造１１１を形成する。
【００５２】
その後、ＳｉＯ2膜を除去し、上部ミラー層１０６上および高抵抗部形成用孔１１０の内壁面上に、絶縁膜１０７を選択的に形成し、最後に、上部ミラー層１０６上にｐ側オーミック電極（上部電極）１０８を形成し、また、基板１０１の裏面にｎ側オーミック電極（下部電極）１０９を形成して、図１に示す面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【００５３】
このように作製された面発光半導体レーザ素子は、各電極１０８，１０９に電流を流すことで、レーザ発振させることができる。
【００５４】
本発明の第１の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法によれば、面発光半導体レーザ素子の素子構成膜の共振器領域の周辺に少なくとも１つの高抵抗部形成用孔１１０を穿設し、高抵抗部形成用孔１１０を通して前記素子構成膜中に高抵抗化する分子または元素を導入して素子構成膜中に電流狭窄構造１１１を形成するので、位置制御性良く（位置精度良く）電流狭窄構造１１１を形成できる。すなわち、高抵抗化する分子や元素の素子構成膜への導入位置と高抵抗部との距離を短くできるので、制御性良く電流狭窄構造を形成することができる。よって、歩留まりが向上し製造コストを低減できる。また、放熱性の悪いメサ構造をとる必要がなく、素子の温度が上昇しにくくなるため、安定したレーザ特性が得られる。しかも、機械的強度の低いメサ構造ではないので、機械的強度も高いものとなる。
【００５５】
また、第１の実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法によれば、１回の成長工程により簡単にレーザ素子を構成する素子構成膜を形成できるので、製造工程の簡略化が図れ、製造コストを低減できる。
【００５６】
このように、第１の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法によれば、制御性良く電流狭窄構造を形成でき、放熱性に優れ、安定したレーザ特性が得られる面発光半導体レーザ素子を、低コストで作製することができる。
【００５７】
第２の実施形態
図２は本発明の面発光半導体レーザ素子の他の構成例を示す図である。図２を参照すると、この面発光半導体レーザ素子においても、図１に示した面発光半導体レーザ素子と同様に、基板１０１上に、下部ミラー層１０２，下部スペーサ１０３，活性層１０４，上部スペーサ層１０５，上部ミラー層１０６が順次積層され（すなわち、素子構成膜が形成され）、また、高抵抗部形成用孔１１０が共振器領域（ミラー層１０２，１０６間の下部スペーサ層１０３，活性層１０４，上部スペーサ層１０５が共振器領域として機能するようになっている）の周辺に形成されている。なお、以下、図２において図１と同様な構成については、同じ符号を用いることとし、更にそれらの詳細な説明は省略するものとする。
【００５８】
ところで、図２の面発光半導体レーザ素子では、上部スペーサ層１０５と上部ミラー層１０６との間に、さらに、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１（すなわち、ＡｌＡｓ層又はＡｌＧａＡｓ層）が形成されている。すなわち、素子構成膜として、さらに、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１を含んでいる。
【００５９】
なお、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１は、下部ミラー層１０２，上部ミラー層１０６と活性層１０４との間に設けられていれば良い。但し、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１は、屈折率が小さいため、図２のように、上部ミラー層１０６の最下層の低屈折率層として設けられるのが好ましい。
【００６０】
また、高抵抗部形成用孔１１０は、共振器領域の周辺で、高抵抗部を形成する領域近傍に設けられ、この孔１１０の深さはＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１の深さよりも深く形成される。
【００６１】
本発明の第２の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法では、素子構成膜がさらにＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１を含み、高抵抗化する分子または元素として酸化種を高抵抗部形成用孔１１０を通してＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１に供給することで、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１の一部を酸化して電流狭窄構造２０２を形成することができるようになっている。すなわち、この高抵抗部形成用孔１１０を通してＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１中に水蒸気や酸素ガス等の酸化種を導入し、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１を酸化して、絶縁性のＡｌxＯy層２０２を電流狭窄構造として形成することができる。
【００６２】
次に、第２の実施形態の面発光半導体レーザ素子の具体的な作製工程例を図２を用いて説明する。先ず、ｐ型基板１０１上に、下部ｐ型半導体ＤＢＲ（下部ミラー層）１０２，下部アンドープスペーサ層（下部スペーサ層）１０３，活性層１０４，上部アンドープスペーサ層（上部スペーサ層）１０５，ＡｌＡｓ層２０１，上部ｎ型半導体ＤＢＲ（上部ミラー層）１０６を順次エピタキシャル成長する。
【００６３】
次に、ＳｉＯ2膜（図示せず）をマスクとしてＩＣＰエッチング法により上部ミラー層１０６の共振器領域の周辺に高抵抗部形成用孔１１０を多数あける。このとき、孔１１０の底部はＡｌＡｓ層２０１よりも深くなるようにする。
【００６４】
次に、４００℃付近の温度で、この高抵抗部形成用孔１１０を通して水蒸気や酸素ガスを導入し、電流経路部２０１ａを残してＡｌＡｓ層２０１を酸化し、絶縁性のＡｌxＯy層として電流狭窄構造２０２を形成する。
【００６５】
その後、ＳｉＯ2膜のマスクを除去し、上部ミラー層１０６上および高抵抗部形成用孔１１０の内壁面上に、絶縁膜１０７を選択的に形成し、最後に、上部ミラー層１０６上にｎ側オーミック電極（上部電極）１０８を形成し、基板１０１の裏面にｐ側オーミック電極（下部電極）１０９を形成し、図２に示す面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【００６６】
このように作製された図２の面発光半導体レーザ素子は、各電極１０８，１０９からキャリアを注入してレーザ発振させることができる。
【００６７】
第２の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法によれば、共振器領域の周辺に設けた高抵抗部形成用孔１１０から酸化種をＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１中へ導入し、このＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１の一部を酸化して電流狭窄構造２０２を形成するので、メサを形成しその側壁のＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層の端から酸化して電流狭窄構造を形成する従来の製造方法と比較して、酸化する距離を短かくすることができ、制御性良く電流狭窄構造を形成できる。よって、歩留まり良く面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【００６８】
また、第２の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法では、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１の膜内方向へ酸化が進むので、高抵抗部形成用孔１１０の個数が少なくても、効率良く電流狭窄構造２０２を形成できる。従って、より放熱性が良く、機械的強度が高い面発光半導体レーザ素子を作製できる。
【００６９】
第３の実施形態
図３は、本発明の面発光半導体レーザ素子の他の構成例を示す図である。図３を参照すると、この面発光半導体レーザ素子においても、図１，図２に示した面発光半導体レーザ素子と同様に、基板１０１上に、下部ミラー層１０２，下部スペーサ１０３，活性層１０４，上部スペーサ層１０５，上部ミラー層１０６が順次積層され（すなわち、素子構成膜が形成され）、また、高抵抗部形成用孔１１０が共振器領域（ミラー層１０２，１０６間の下部スペーサ層１０３，活性層１０４，上部スペーサ層１０５が共振器領域として機能するようになっている）の周辺に設けられている。なお、図３においても図１，図２と同様な構成については、同じ符号を用いることとし、更にそれらの詳細な説明は省略するものとする。
【００７０】
ところで、図３の面発光半導体レーザ素子では、上部スペーサ層１０５と上部ミラー層１０６との間に、トンネル接合層３０１が形成されている。すなわち、素子構成膜として、さらに、トンネル接合層３０１を含んでいる。
【００７１】
トンネル接合層３０１は、高濃度にキャリアをドーピングしたｐ+型半導体層とｎ+型半導体層とを接合した構成のものとなっている。ここで、キャリアに吸収される発振光を少なくするために、ｐ+型半導体層とｎ+型半導体層は、膜厚が各々数ｎｍ程度が適当であり、トンネル接合層３０１は、ｐ型半導体ＶＣＳＥＬ構成層／ｐ+型半導体層／ｎ+型半導体層／ｎ型半導体ＶＣＳＥＬ構成層の構成をとるのが好適である。
【００７２】
また、トンネル接合層３０１を設ける位置は、活性層１０４と上部ミラー層１０６との間が好ましく、且つ励起光モードの節の位置であることが好ましい。
【００７３】
なお、キャリアの流れをよくするために、トンネル接合層３０１と他の素子構成層との間に、バンドプロファイルをなだらかにするバッファ層を設けても良い。
【００７４】
この第３の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法では、次のようにして、電流狭窄構造３０２を形成できる。すなわち、トンネル接合層３０１に逆バイアスを印加し、ｎ型領域からｐ型領域に電流を通過させる。この際、文献「Ｋ．Ｉｇａ ｅｔ ａｌ．， ＩＰＲＭ２０００，４５１」等に記載されているように、トンネル接合層３０１は、この層３０１中に電極金属が拡散してくると接合が破壊され（トンネル接合が消滅し）、高抵抗化する。第３の実施形態では、これを利用して電流狭窄構造を形成するようにしている。
【００７５】
すなわち、本発明の第３の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法では、素子構成膜がさらにトンネル接合層３０１を含み、高抵抗化する分子または元素としてトンネル接合消滅種を高抵抗部形成用孔１１０を通してトンネル接合層３０１に供給することで、トンネル接合層３０１の一部の接合を消滅させて電流狭窄構造３０２を形成するようになっている。このとき、電流狭窄構造３０２は、トンネル接合の残った電流経路部３０１ａの周囲に形成される。
【００７６】
この第３の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法は、より具体的には、次のようにしてなされる。すなわち、トンネル接合層３０１を含む全ての素子構成膜を形成した後、高抵抗部を形成したい領域に高抵抗部形成用孔１１０を設ける。このとき、孔１１０の底面は、トンネル接合層３０１の近くで、上部ミラー層１０６内に位置するのが良い。但し、孔１１０の底面位置は、トンネル接合層３０１上であれば、任意の位置にすることができる。この後、蒸着やスパッタリング法で高抵抗部形成用孔１１０の底面に電極膜を形成する。
【００７７】
そして、４００℃程度の温度環境下で、トンネル接合の近傍に設けた電極膜の金属成分を熱拡散させ、トンネル接合を消滅させて、高抵抗部すなわち電流狭窄構造３０２を形成することができる。
【００７８】
次に、第３の実施形態の面発光半導体レーザ素子の具体的な作製工程例を図３を用いて説明する。先ず、ｎ型基板１０１上に、下部ｎ型半導体ＤＢＲ（下部ミラー層）１０２，下部ｎ型スペーサ層（下部スペーサ層）１０３，活性層１０４，上部ｐ型スペーサ層１０５ａ，トンネル接合層３０１，上部ｎ型スペーサ層１０５ｂ，上部ｎ型半導体ＤＢＲ（上部ミラー層）１０６を順次エピタキシャル成長する。
【００７９】
次に、ＳｉＯ2膜（図示せず）をマスクとして、ドライエッチング法により上部ミラー層１０６の共振器領域の周辺に高抵抗部形成用孔１１０を多数あける。この高抵抗部形成用孔１１０の底部は上部ミラー層１０６中とする。
【００８０】
次に、ＳｉＯ2膜を除去した後、蒸着法により高抵抗部形成用孔１１０の底面にＡｕ／Ｎｉ／Ａｕ−Ｇｅ膜を形成し、しかる後、４００℃付近で熱処理して、高抵抗部形成用孔１１０の底面付近のトンネル接合を消滅させ、電流狭窄構造３０２を形成する。
【００８１】
次いで、上部ミラー層１０６上および高抵抗部形成用孔１１０の内壁面上に、絶縁膜１０７を選択的に形成し、最後に、上部ミラー層１０６上に上部オーミック電極１０８を形成し、基板１０１の裏面に下部オーミック電極１０９を形成して、図３に示す面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【００８２】
このように作製された図３の面発光半導体レーザ素子は、上部オーミック電極１０８から下部オーミック電極１０９の方向に電流を流すことで、レーザ発振する。
【００８３】
第３の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法によれば、高抵抗部形成用孔１１０を通してトンネル接合消滅種を供給し、トンネル接合層３０１の一部の接合を消滅させて電流狭窄構造３０２を形成するので、従来のトンネル接合を消滅させて電流狭窄構造を形成する方法と比較して、１回の成長工程でレーザ素子の素子構成膜を形成することができ、且つ、エピタキシャル成長させた良質な上部ミラー層１０６を形成できる。従って、低いコストで高性能の面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【００８４】
また、第３の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法は、第１，第２の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法と異なり、トンネル接合層３０１の一部の接合を金属元素の拡散により消滅させるので、膜面内方向での金属元素の拡散が小さく、従って、より位置の制御性が良く、高抵抗な電流狭窄構造３０２を形成できる。これによって、より高性能な面発光半導体レーザ素子を歩留まり良く作製できる。
【００８５】
第４の実施形態
本発明の第４の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法は、図１の構成において、高抵抗部形成用孔１１０を通して水素又は酸素を素子構成膜中にイオン注入して電流狭窄構造１１１を形成するようになっている。
【００８６】
この第４の実施形態では、図１において、高抵抗部形成用孔１１０を通して水素又は酸素を素子構成膜中にイオン注入して、電流狭窄構造１１１を形成するので（すなわち、高抵抗部形成用孔１１０を設け、この孔１１０から素子構成膜中に高抵抗化元素をイオン注入するので）、従来のイオン注入法により高抵抗部すなわち電流狭窄構造を形成する方法と比較して、注入の飛程が小さくなり、電流狭窄構造が形成される領域に高抵抗化元素を低い加速エネルギーで注入できる。
【００８７】
これにより、位置精度良く、また、素子構成膜へのダメージを少なくして、電流狭窄構造１１１を形成できる。また、一般的なイオン注入装置を使用できるので、歩留まり良く、安価に高性能の面発光半導体レーザ素子を作製できる。
【００８８】
また、イオン注入法により導入する第４の実施形態の製造方法では、第３の実施形態の場合と同様に、高抵抗部の膜面内方向での金属元素の拡散が小さいので、高抵抗部形成用孔１１０の位置に対応させて制御性良く高抵抗部（すなわち、電流狭窄構造）１１１を形成することができる。
【００８９】
また、第４の実施形態では、第２，第３の実施形態の方法と異なり、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層やトンネル接合層等の特別な機能層を設けなくとも電流狭窄構造を形成できるので、より広い材料の素子に電流狭窄構造を形成することができる。これによって、歩留まり良く安価に高性能の面発光半導体レーザ素子を作製できる。
【００９０】
第５の実施形態
図４は、本発明の面発光半導体レーザ素子の他の構成例を示す図である。図４を参照すると、この面発光半導体レーザ素子においても、図１に示した面発光半導体レーザ素子と同様に、基板１０１上に、下部ミラー層１０２，下部スペーサ１０３，活性層１０４，上部スペーサ層１０５，上部ミラー層１０６が順次積層され（すなわち、素子構成膜が形成され）、また、高抵抗部形成用孔１１０が共振器領域（ミラー層１０２，１０６間の下部スペーサ層１０３，活性層１０４，上部スペーサ層１０５が共振器領域として機能するようになっている）の周辺に設けられている。なお、図４において、図１と同様な構成については、同じ符号を用いることとし、更にそれらの詳細な説明は省略するものとする。
【００９１】
ところで、図４の面発光半導体レーザ素子では、上部スペーサ層１０５と上部ミラー層１０６との間に、エッチングストップ層４０１が設けられており、高抵抗部形成用孔１１０の底部がこのエッチングストップ層４０１に達して位置制限されている。
【００９２】
ここで、エッチングストップ層４０１は、Ｉｎを含む半導体層からなっている。具体的には、エッチングストップ層４０１には、ＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓ，ＡｌＧａＩｎＡｓＰ，ＩｎＰなどの材料を用いることができる。
【００９３】
また、このエッチングストップ層４０１は、上部ミラー層１０６または下部ミラー層１０２の低屈折率層または高屈折率層として設けられるのが好ましい。
【００９４】
本発明において、レーザ素子の素子構成膜は、上述したように化合物半導体からなり、素子構成膜は、高抵抗部形成用孔１１０を形成する際に、多くの場合、Ｃｌ2ガスなどのハロゲンガスを導入してドライエッチングされる。Ｉｎのハロゲン化物の蒸気圧は、他の元素のハロゲン化物よりも蒸気圧が低く、エッチング速度が著しく小さくなる。このため、前述のＩｎを含む半導体層は、エッチングストップ層４０１として機能する。
【００９５】
従って、素子構成膜中に設けられたこのようなエッチングストップ層４０１によって、高抵抗部形成用孔１１０の底面の位置を精度良く制御することが可能となる。
【００９６】
この第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法が、第１，第４の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法と異なる点は、上部スペーサ層１０５上にエッチングストップ層４０１を介して上部ミラー層１０６を結晶成長させることと、高抵抗部形成用孔１１０をエッチングにより形成する際に孔１１０の底面をこのエッチングストップ層４０１により位置制御することである。
【００９７】
このように、第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法によれば、素子構成膜中にＩｎを含むエツチングストップ層４０１を形成するようにしたので（すなわち、レーザ素子の素子構成膜中にエッチングストップ層４０１を設けているので）、高抵抗部形成用孔１１０をエッチングにより形成する際に孔１１０の底面の位置を再現性良く制御できるようになる。これによって、歩留まり良く安価に高性能の面発光半導体レーザ素子を作製できる。
【００９８】
上述した第１乃至第５のいずれかの実施形態の製造方法で作製された面発光半導体レーザ素子は、面発光半導体レーザ素子の素子構成膜の共振器領域の周辺に少なくとも１つの高抵抗部形成用孔１１０が形成され、高抵抗部形成用孔１１０を通して前記素子構成膜中に高抵抗化する分子または元素が導入されて、素子構成膜中に電流狭窄構造が形成されるので、機械的強度が高く放熱性が良い素子構造をもつ高性能な面発光半導体レーザ素子となる。すなわち、制御性良く電流狭窄構造を形成でき、放熱性に優れ、安定したレーザ特性をもつ面発光半導体レーザ素子を提供することができる。
【００９９】
なお、上述した第１乃至第５のいずれかの実施形態の製造方法により作製された面発光半導体レーザ素子（具体的には、例えば図４の面発光半導体レーザ素子）において、高抵抗部形成用孔１１０の少なくとも内壁面が素子構成膜よりも低い屈折率を有する材料（図４の例では、低屈折率層４０２）で被覆されていても良いし、あるいは、孔１１０の内部が上記の低屈折率材料により充填されていても良い。
【０１００】
このような孔１１０を被覆又は充填する低屈折率材料としては、例えば、ポリイミドなどの有機高分子、ＳｉＯ2，ＳｉＯＮ，Ａｌ2Ｏ3などの無機物などを用いることができる。そして、これら低屈折率層は、塗布法，蒸着法，スパッタリング法，ＣＶＤ法などで形成される。
【０１０１】
面発光半導体レーザ素子では、しきい値電流を下げ、出力効率を高めるため、および、共振モードを制限するため、共振器への光閉じ込めは重要な課題である。
【０１０２】
上述のように、高抵抗部形成用孔１１０の少なくとも内壁面が、素子構成膜よりも低い屈折率を有する材料で被覆又は充填されている場合には、高抵抗部形成用孔１１０の内壁面の欠陥が低減するので、キャリアの非発光再結合が低減する。これによって、低いしきい値電流の、高い発光効率の面発光半導体レーザ素子を得ることができる。
【０１０３】
また、高抵抗部形成用孔１１０の少なくとも内壁面が、素子構成膜よりも低い屈折率を有する材料で被覆又は充填されている場合には、光の閉じ込めが良好になり、しきい値電流が低く、発光効率が高く、出力光のモードが制限された面発光半導体レーザ素子を得ることができる。
【０１０４】
また、上述した第１乃至第５のいずれかの実施形態の製造方法により作製された面発光半導体レーザ素子において、高抵抗部形成用孔１１０の少なくとも内壁面が、金属材料で被覆され、この金属材料が電極としての機能を有するものとなっていても良い。
【０１０５】
図５は、本発明の面発光半導体レーザ素子の他の構成例を示す図である。図５の面発光型半導体レーザ素子では、高抵抗部形成用孔１１０の少なくとも内壁面が金属膜５０１で被覆されていて、この金属膜５０１が電極として機能するようになっている。
【０１０６】
ここで、金属膜５０１としては、高抵抗部形成用孔１１０の内壁面がｐ型材料である場合は、Ａｕ／Ａｕ−Ｚｎ／Ｃｒ等のｐ型オーミック電極用の金属が用いられ、また、高抵抗部形成用孔１１０の内壁面がｎ型材料である場合は、Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ−Ｇｅ等のｎ型オーミック電極用の金属が用いられる。そして、このような金属膜５０１は、蒸着法，スパッタリング法，ＣＶＤ法などで形成される。
【０１０７】
図５の面発光半導体レーザ素子では、高抵抗部形成用孔１１０の内面を電極とすることができるので、活性層１０４と電極との距離を小さくでき、これによって、漏れ電流が少なくなり、活性層１０４への効率のよい電流注入が可能となる。また、低いしきい値電流で高い発光効率の面発光半導体レーザ素子を得ることができる。
【０１０８】
また、上述した第１乃至第５のいずれかの実施形態の製造方法によって作製された面発光半導体レーザ素子において、活性層１０４にはＧａＩｎＮＡｓ系膜が含まれることが好ましい。これは、次のような理由に基づく。
【０１０９】
すなわち、将来の大容量光伝送ネットワークの主要な伝送媒体は、現在と変わらず石英系ファイバであると考えられている。この石英系ファイバは、波長１．３μｍ帯又は１．５μｍ帯で伝送損失が最も小さい。現在、これらの波長帯用の半導体レーザには、ＩｎＰ基板上に形成されるＧａＩｎＡｓＰを活性層とする端面発光型半導体レーザが用いられているが、このような端面発光型半導体レーザでは、活性層におけるキャリアの閉じ込めが弱く、温度特性が悪い。さらに、このＩｎＰ基板上にＧａＩｎＡｓＰを活性層とする面発光型半導体レーザを形成しようとする場合、ＩｎＰ基板上では、最良の半導体多層膜反射鏡（半導体ＤＢＲ）をＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰの構成にする必要があるが、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰの構成では屈折率差が小さく、高い反射率を得るには多くの層数を必要とする。従って、ＩｎＰ基板上に形成するＧａＩｎＡｓＰを活性層とする半導体レーザは、今後の光伝送ネットワークへ適用するには課題が多い。
【０１１０】
これに対して、近年、急速に着目され始めたＧａＩｎＮＡｓ系の材料を活性層に用いた半導体レーザは、発振波長が長波長帯なので、石英系ファイバとの整合性が高い。
【０１１１】
さらに、このＧａＩｎＮＡｓ系材料を用いた活性層は、ＧａＡｓ基板上に形成できるので、スペーサ層等の活性層周りの層にワイドバンドギャップ材料を選択できて、キャリアの閉じ込めが良好になり、温度特性が良好となる。このため、ＩｎＰ基板上に形成されるＧａＩｎＡｓＰを活性層とする半導体レーザの場合と異なり、冷却装置を必要としない。
【０１１２】
このように、ＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層に用いた面発光半導体レーザ素子は、優れた特性をもつので、光通信システムや、コンピューター間，チップ間，チップ内の光インターコネクションや、光コンピューティングにおいて、キーデバイスになると考えられる。
【０１１３】
具体的に、このＧａＩｎＮＡｓ系材料としては、例えば、ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓ，ＡｌＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＮＡｓＰ，ＡｌＧａＮＡｓ，ＡｌＧａＮＡｓＰ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂなどが挙げられる。
【０１１４】
なお、このＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層に用いた面発光半導体レーザ素子では、ＧａＡｓ基板上に素子構成膜を形成できるので、半導体ＤＢＲとしては、ＧａＡｓ基板上に形成できる屈折率差の大きいＡｌ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｓ、より広義にはＡｌxＧａ(1-x)Ａｓ／ＡｌyＧａ(1-y)Ａｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）を用いることができる。この場合には、少ない層数の半導体ＤＢＲをもつ面発光半導体レーザ素子を得ることが可能となる。
【０１１５】
上述したように、活性層１０４にＧａＩｎＮＡｓ系材料を用いることにより、より高性能なレーザ特性をもち、より製造コストが小さい、光伝送に適用性の高い面発光半導体レーザ素子を提供できる。
【０１１６】
また、上述した第１乃至第５のいずれかの実施形態の製造方法によって作製された面発光半導体発光素子を用いて、光伝送システム（光通信システム）を構成することができる。
【０１１７】
図６は、上述のように作製された本発明の面発光半導体レーザ素子を用いた並列伝送方式光通信システムの構成例を示す図である。この並列伝送方式光通信システムにおいては、上述のように作製された本発明の面発光半導体レーザ素子を複数用い、これら複数の面発光半導体レーザ素子からの信号をそれぞれ複数の光ファイバを介して同時に複数の受光素子に伝送し、複数の受光素子で受光するように構成されている。
【０１１８】
また、図７は、上述のように作製された本発明の面発光半導体レーザ素子を用いた多波長伝送方式光通信システムの構成例を示す図である。この多波長伝送方式光通信システムにおいては、上述のように作製された本発明の面発光半導体レーザ素子を複数用い、これら複数の面発光半導体レーザ素子からの発振波長の異なる光信号を、それぞれ複数の光ファイバを介して光合波器に導入し、光合波器において、波長の異なる複数の光信号を合波し、そして、合波された光信号を１本の光ファイバ中を介して伝送先の機器に接続される光分波器に伝送し、光分波器で元の波長の異なる複数の光信号に分離し、複数の光ファイバを介して複数の受光素子に伝送して、複数の受光素子で受光させるように構成されている。
【０１１９】
このように、第１乃至第５のいずれかの実施形態の製造方法により作製された本発明の面発光半導体レーザ素子（低コストで製造でき、放熱性が良く、しきい値電流が低く、発光効率の高い、光伝送システムへの適用性に優れた面発光半導体レーザ素子）を光源として用いて光伝送システムを構築する場合には、光源部に冷却装置を必要としない簡便な構成をとることができ、高性能な光伝送システムを低コストで提供することができる。特に、活性層にＧａＩｎＮＡｓ系材料を用いた面発光半導体レーザ素子を用いることによって、より高性能な光伝送システムをより低コストで提供することができる。
【０１２０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【０１２１】
実施例１
図８は、本発明の実施例１の面発光半導体レーザ素子を示す図である。また、図９は、本発明の実施例１の面発光半導体レーザ素子のＡｌＡｓ層２０１の膜面に沿った断面図である。
【０１２２】
以下、実施例１の面発光半導体レーザ素子の作製方法を図８及び図９を用いて説明する。先ず、ＭＯＣＶＤ装置を使用し、ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＡｓＨ3，ＳｅＨ2を反応室に供給し、ＨＣｌ水溶液により表面を清浄化したｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／ｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓの３８ペアからなる下部ｎ型ＤＢＲ１０２を成長させる。
【０１２３】
次いで、ＴＭＡ，ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＳｅＨ2を導入して、ｎ型ＡｌＧａＡｓ下部スペーサ層（厚さλ／２ｎ）１０３を形成し、また、ＴＭＧ，ＴＭＡ、ＡｓＨ3を導入して、Ａｌ0.11Ｇａ0.89Ａｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓからなる４重量子井戸活性層１０４を形成し、また、ＴＭＡ，ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入して、ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部スペーサ層（厚さλ／２ｎ）１０５を形成する。次いで、ＴＭＡ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入して、ｐ型ＡｌＡｓ選択酸化層（厚さλ／４ｎ）２０１を、次に積層する上部ｐ型ＤＢＲ１０６の最下層の低屈折率層に相当するように形成する。
【０１２４】
次いで、ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入して、ｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／ｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓの３０ペアからなる上部ｐ型ＤＢＲ１０６を形成し、また、ＴＭＡ，ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入して、ｐ+型ＡｌＧａＡｓコンタクト層（厚さλ／４ｎ）１０６ａを形成する。このようにして、素子構成多層膜（素子構成膜）を形成する。
【０１２５】
次に、このように形成された素子構成多層膜の表面にレジストを塗布する。そしてこのレジスト塗布膜から、辺の長さが５μｍの正方形の４つの頂点で直径が２．５μｍの円形にレジストを除去した単位形を周期的に繰り返した基本パターンにおいて、共振器を設ける位置に対応する場所では１個分の円形のレジスト除去がされていないレジストパターンを形成する（図９を参照）。
【０１２６】
次に、Ｃｌ2ガスを導入するＩＣＰエッチング法により、高抵抗部形成用孔１１０を形成する。このとき、孔１１０の底面が（孔１１０の深さが）下部ＤＢＲ１０２に達するようにする。
【０１２７】
次いで、レジストを除去し、しかる後、高抵抗部形成用孔１１０の内壁面に露出したＡｌＡｓ選択酸化層２０１の端面から水蒸気を導入して、ＡｌＡｓ層２０１を面内方向に酸化し、高抵抗部としてＡｌｘＯｙ層を形成する。そして、近接する孔１１０から成長したＡｌｘＯｙ層（高抵抗部）がつながり、電流狭窄構造２０２が形成される。このとき、共振器を設ける領域には対応する位置に断面積が約１６μｍ2のＡｌＡｓ層（電流経路部）２０１が酸化されないで残るように、酸化時間を制御して電流狭窄構造２０２を形成する。
【０１２８】
次に、プラズマＣＶＤ法で高抵抗部形成用孔１１０の内壁面を含む素子構成膜の表面にＳｉＯ2膜１０７を形成する。
【０１２９】
そして、素子構成膜上に形成されたＳｉＯ2膜１０７の一部を除去し、しかる後、素子構成膜上にｐ側電極膜１０８を形成し、次いで、リフトオフ法により光出射部２０３上のｐ側電極膜を除去する。
【０１３０】
最後に、基板１０１の裏面にｎ側電極１０９を形成して、０．７８μｍ帯の面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【０１３１】
このように、実施例１では、高抵抗部形成用孔１１０から酸化種をＡｌＡｓ層２０１中に導入しＡｌＡｓ層２０１の一部を酸化して電流狭窄構造２０２を形成するので、制御性良く電流狭窄構造２０２を形成できる。また、高抵抗部形成用孔１１０の個数が少なくても、効率良く電流狭窄構造２０２を形成できる。従って、より放熱性が良く、レーザ特性の安定した面発光半導体レーザ素子を作製できる。
【０１３２】
また、高抵抗部形成用孔１１０の内壁面が、素子構成膜よりも低い屈折率を有する材料（ＳｉＯ2膜１０７）で被覆されているので、光の閉じ込めが良好になり、また、電流の漏れが少なくなり、しきい値電流が低く、発光効率の高い、単一モード出力光の面発光半導体レーザ素子が得られる。
【０１３３】
実施例２
図１０は、本発明の実施例２の面発光半導体レーザ素子を示す図である。
【０１３４】
以下、実施例２の面発光半導体レーザ素子の作製方法を図１０を用いて説明する。先ず、ＭＯＣＶＤ装置を使用し、ＨＣｌ水溶液により表面を清浄化したｎ型ＧａＡｓ基板１０１をサセプタ上にセットし、次いで、ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＡｓＨ3，ＳｅＨ2を反応室に導入し、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ／ｎ型ＧａＡｓの３６ペアからなる下部ｎ型ＤＢＲ１０２を成長させる。
【０１３５】
次いで、ＴＭＧ，ＴＭＩ，ＰＨ3，ＳｅＨ2を導入し、ｎ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層（厚さλ／４ｎ）４０１を、下部ｎ型ＤＢＲ１０２の最上部低屈折率層になるように形成する。
【０１３６】
さらに、ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＳｅＨ2を導入し、ｎ型ＧａＡｓ下部スペーサ層（厚さλ／２ｎ）１０３を形成し、また、ＴＭＧ，ＴＭＡ、ＴＭＩ，ＡｓＨ3，ＤＭＨｙを導入し、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓからなる２重量子井戸活性層１０４を形成し、また、ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入し、ｐ型ＧａＡｓ上部スペーサ層（厚さλ／２ｎ）１０５を形成する。
【０１３７】
次いで、ＴＭＡ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入し、ｐ型ＡｌＡｓ選択酸化層（厚さλ／４ｎ）２０１を、次に積層する上部ｐ型ＤＢＲ１０６の最下層低屈折率層に相当するように形成する。さらに、ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入して、ｐ型ＡｌＧａＡｓ／ｐ型ＧａＡｓの２８ペアからなる上部ｐ型ＤＢＲ１０６を形成し、また、ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入して、ｐ+型ＧａＡｓコンタクト層（厚さλ／４ｎ）１０６ａを形成する。このようにして、素子構成多層膜（素子構成膜）を形成する。
【０１３８】
次に、このように作製された素子構成膜表面にレジストを塗布し、図９に示すような実施例１と同じレジストパターンを形成する。
【０１３９】
次に、Ｃｌ2ガスを導入するＩＣＰエッチング法により高抵抗部形成用孔１１０を形成する。このとき、高抵抗部形成用孔１０を形成するための深さ方向のエッチングは、ｎ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層４０１中でとまる。
【０１４０】
その後の工程は、実施例１と同様のプロセスで行ない、１．３μｍ帯の面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【０１４１】
このように実施例２では、高抵抗部形成用孔１１０から酸化種をＡｌＡｓ層２０１中に導入しＡｌＡｓ層２０１の一部を酸化して電流狭窄構造２０２を形成するので、制御性良く、且つ、高抵抗部形成用孔１１０の個数が少なくても効率良く電流狭窄構造２０２を形成できる。従って、より放熱性が良くレーザ特性の安定した面発光半導体レーザ素子を作製できる。
【０１４２】
また、高抵抗部形成用孔１１０の内壁面が、素子構成膜よりも低い屈折率を有する材料（ＳｉＯ2膜１０７）で被覆されているので、光の閉じ込めが良好になり、また、電流の漏れが少なくなり、しきい値電流が低く、発光効率の高い、単一モード出力光の面発光半導体レーザ素子が得られる。
【０１４３】
また、実施例２では、エッチングストップ層４０１を設けているので、高抵抗部形成用孔１１０を位置精度良く形成でき、歩留まり良く安価に高性能の面発光半導体レーザ素子を形成できる。
【０１４４】
また、活性層１０４にＧａＩｎＮＡｓ系材料を用いることによって、より高性能なレーザ特性をもち、より製造コストが小さい、光伝送に適用性の高い面発光半導体レーザ素子が得られる。
【０１４５】
実施例３
図１１は、本発明の実施例３の面発光半導体レーザ素子を示す図である。また、図１２は、本発明の実施例３の面発光半導体レーザ素子の上部ＤＢＲ１０６の膜面に沿った断面図である。
【０１４６】
以下、実施例３の面発光半導体レーザ素子の作製方法を図１１及び図１２を用いて説明する。先ず、ＭＯＣＶＤ装置を使用し、ＨＣｌ水溶液により表面を清浄化したｎ型ＧａＡｓ基板１０１をサセプタ上にセットし、ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＡｓＨ3，ＳｅＨ2を反応室に導入して、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ／ｎ型ＧａＡｓの３６ペアからなる下部ｎ型ＤＢＲ１０２を成長させる。
【０１４７】
次いで、ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＳｅＨ2を導入して、ｎ型ＧａＡｓ下部スペーサ層（厚さλ／２ｎ）１０３を形成し、ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＴＭＩ，ＡｓＨ3，ＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）を導入して、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓからなる２重量子井戸活性層１０４を形成し、また、ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入して、ｐ型ＧａＡｓ上部スペーサ層（厚さλ／４ｎ）１０５ａを形成する。
【０１４８】
また、ＴＭＡ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入して、ｐ+型ＡｌＡｓトンネリング層（厚さ５ｎｍ）を形成し、また、ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＳｅＨ2を導入して、ｎ+型ＧａＡｓトンネリング層（厚さ５ｎｍ）を形成する。ここで、ｐ+型トンネリング層とｎ+型トンネリング層とが接合していることによって、トンネル接合層３０１が形成される。
【０１４９】
次いで、ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＳｅＨ2を導入して、ｎ型ＧａＡｓ上部スペーサ層（厚さλ／４ｎ）１０５ｂを形成する。
【０１５０】
次いで、ＴＭＧ，ＴＭＩ，ＰＨ3，ＳｅＨ2を導入して、ｎ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層（厚さλ／４ｎ）４０１を、次に積層するｎ型ＤＢＲ１０６の最下層の低屈折率層となるように形成する。さらに、ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＡｓＨ3，ＳｅＨ2を導入して、ｎ型ＡｌＧａＡｓ／ｎ型ＧａＡｓの２８ペアからなる上部ｎ型ＤＢＲ１０６を形成し、また、ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＳｅＨ2を導入して、ｎ+型ＧａＡｓコンタクト層（厚さλ／４ｎ）１０６ａを形成して、素子構成多層膜（素子構成膜）を形成する。
【０１５１】
次に、このようにして形成した素子構成膜の表面に、レジストを塗布する。そして、このレジスト塗布膜から、辺の長さが５μｍの正三方形の３つの頂点で直径が２．５μｍの円形にレジストを除去した単位形を周期的に繰り返したパターンで、共振器を設ける位置に対応する場所では１個分の円形のレジスト除去がされていないレジストパターンを形成する（図１２を参照）。
【０１５２】
次に、Ｃｌ2ガスを導入するＥＣＲエッチング法により高抵抗部形成用孔１１０を形成する。このとき、高抵抗部形成用孔１１０の底面は、エッチングストップ層４０１中になる。
【０１５３】
次に、ＥＢ蒸着法により、高抵抗部形成用孔１１０の内壁面と素子構成膜上面の共振器周辺とを除いた部分に、絶縁膜（ＳｉＯ2膜）を形成する。
【０１５４】
そして、光出射部３１１以外の表面及び孔１１０の内壁面にＡｕ／Ｎｉ／Ａｕ−Ｇｅ上部ｐ側電極膜１０８を試料を回転させながら斜め蒸着法により形成する。
【０１５５】
次に、この材料を４１０℃で熱処理し、孔１１０の内壁面に形成された電極膜１０８の金属成分をトンネル接合層３０１の方向に拡散させてトンネル接合層３０１の所定部分のトンネル接合を破壊し高抵抗部を形成する。そして、電極膜１０８の金属成分はトンネル接合層３０１の面内方向にも拡散し、各孔１１０から生成されるトンネル接合破壊部分（高抵抗部）が連結して、電流狭窄構造３０２が形成される。このとき、共振器を設ける位置に対応する領域には、断面積が約２５μｍ2の低抵抗のトンネル接合層３０１が破壊されないで残り、トンネル接合電流経路部３０１ａが形成される。
【０１５６】
最後に、基板１０１の裏面に下部ｎ側電極１０９を形成して、１．３μｍ帯の面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【０１５７】
このように実施例３では、高抵抗部形成用孔１１０を通してトンネル接合層３０１中にトンネル接合消滅種を供給し、電流狭窄構造３０２を形成するので、１回の成長工程で半導体レーザの素子構成膜を形成でき、且つ、エピタキシャル成長させた良質な上部ミラー１０６層を形成できる。
【０１５８】
また、高抵抗部形成用孔１１０の内壁面を電極とすることができるので、活性層１０４への効率のよい電流注入が可能となり、低いしきい値電流で、高い発光効率の面発光半導体レーザ素子が得られる。
【０１５９】
また、エッチングストップ層４０１を設けているので、高抵抗部形成用孔１１０を位置精度良く形成でき、歩留まり良く安価に高性能の面発光半導体レーザ素子を作製できる。
【０１６０】
また、活性層１０４にＧａＩｎＮＡｓ系材料を用いることによって、より高性能なレーザ特性をもち、より製造コストが小さい、光伝送に適用性の高い面発光半導体レーザ素子が得られる。
【０１６１】
実施例４
図１３は、本発明の実施例４の面発光半導体レーザ素子を示す図である。
【０１６２】
以下、実施例４の面発光半導体レーザ素子の作製方法を図１３を用いて説明する。まず、ＭＯＣＶＤ装置を使用し、ＨＣｌ水溶液により表面を清浄化したｎ型ＧａＡｓ基板１０１をサセプタ上にセットし、ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＡｓＨ3，ＳｅＨ2を反応室に導入して、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ／ｎ型ＧａＡｓの３６ペアからなる下部半導体ｎ型ＤＢＲ１０２を成長させる。
【０１６３】
次いで、ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＳｅＨ2を導入して、ｎ型ＧａＡｓ下部スペーサ層（厚さλ／２ｎ）１０３を形成し、また、ＴＭＧ，ＴＭＡ、ＴＭＩ，ＡｓＨ3，ＤＭＨｙを導入して、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓからなる２重量子井戸活性層１０４を形成し、また、ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入してｐ型ＧａＡｓ上部スペーサ層（厚さλ／２ｎ）１０５を形成し、また、ＴＭＧ，ＴＭＩ，ＰＨ3，ＤＭＺｎを導入して、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層（厚さλ／４ｎ）４０１を形成し、また、ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入して、ｐ型ＡｌＧａＡｓ／ｐ型ＧａＡｓの２８ペアからなる上部半導体ｐ型ＤＢＲ１０６を形成し、また、ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入して、ｐ+型ＧａＡｓコンタクト層（厚さλ／４ｎ）１０６ａを形成し、これによって、素子構成膜を形成する。
【０１６４】
次に、ＥＢ蒸着法により、素子構成膜上面に絶縁膜（ＳｉＯ2膜）を形成し、このＳｉＯ2膜上に、レジスト塗布を行い、図１２に示すような実施例３と同じレジストパターンを形成する。このとき、このレジストパターンでＢＨＦ液によって、露出しているＳｉＯ2膜をエッチングし、レジスト／ＳｉＯ2マスクパターンを形成する。
【０１６５】
次に、Ｃｌ2ガスを導入するＥＣＲエッチング法で、このマスクパターンにもとづいて、高抵抗部形成用孔１１０を形成する。このとき、孔１１０の底面はエッチングストップ層４０１中になる。
【０１６６】
次に、イオン注入法により、高抵抗部形成用孔１１０を通して４０ｋｅＶのエネルギーでドーズ量２．５×１０14ｃｍ-2のプロトンを打ち込む。
【０１６７】
しかる後、レジストを除去し、その後に３５０℃で素子構成膜を熱処理する。このとき、Ｈ元素（プロトン）が膜面方向にも拡散し、各孔１１０から注入されたＨ元素（プロトン）により形成された高抵抗部が連結し、電流狭窄構造１１１が形成される。また、孔１１０のない共振器を設ける位置に対応する領域には、Ｈ元素（プロトン）は拡散されず、断面積が約２５μｍ2の低抵抗の素子構成膜が残り、これが電流経路部１０４ａとなる。
【０１６８】
次に、ＣＶＤ法で、高抵抗部形成用孔１１０の内壁面を含む素子構成膜上面にＳｉＯ2膜１０７を形成する。しかる後、素子構成膜上面の共振器周辺に形成されたＳｉＯ2膜１０７をＢＨＦ液により除去する。そして、Ａｕ／Ａｕ−Ｚｎ／Ｃｒ上部ｐ側電極膜１０８をＳｉＯ2膜１０７上及びコンタクト層１０６ａ上に蒸着法により形成して、光出射部２０３上のｐ側電極膜をリフトオフ法により除去する。最後に、基板１０１の裏面にｎ側電極１０９を形成して、１．３μｍ帯の面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【０１６９】
このように実施例４では、高抵抗部形成用孔１１０を設け、この孔１１０から素子構成膜中に高抵抗化元素をイオン注入するので、高抵抗部が形成される領域に高抵抗化元素を低い加速エネルギーで注入できる。これにより、位置精度良く、また素子構成膜へのダメージが少なく、電流狭窄構造１１１を形成できる。また、一般的なイオン注入装置を使用できるようになる。さらに、実施例１乃至３の面発光半導体レーザ素子と異なり、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層やトンネル接合層等の機能層を設けなくとも電流狭窄構造１１１を形成できる。
【０１７０】
また、高抵抗部形成用孔１１０の内壁面が、素子構成膜よりも低い屈折率を有する材料（ＳｉＯ2膜１０７）で被覆されているので、光の閉じ込めが良好になり、また、電流の漏れが少なくなり、しきい値電流が低く、発光効率の高い、単一モード出力光の面発光半導体レーザ素子が得られる。
【０１７１】
また、活性層１０４にＧａＩｎＮＡｓ系材料を用いることによって、より高性能なレーザ特性をもち、より製造コストが小さい、光伝送に適用性の高い面発光半導体レーザ素子が得られる。
【０１７２】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１乃至請求項３記載の発明によれば、面発光半導体レーザ素子の素子構成膜の共振器領域の周辺に高抵抗部形成用孔を形成し、前記素子構成膜はトンネル接合層を含み、
トンネル接合消滅種となる分子または元素を前記高抵抗部形成用孔を通して前記トンネル接合層に供給し、前記トンネル接合層の一部の接合を消滅させて電流狭窄構造を形成するので、制御性良く電流狭窄構造を形成でき、放熱性に優れ、安定したレーザ特性が得られる面発光半導体レーザ素子を、低コストで作製することができる。
【０１７３】
また，請求項４乃至請求項７記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザの製造方法により作製された面発光半導体レーザ素子であるので、制御性良く電流狭窄構造を形成でき、放熱性に優れ、安定したレーザ特性をもつ面発光半導体レーザ素子を提供することができる。
【０１７４】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項４乃至請求項７のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザが発光デバイスとして用いられるので、より高性能な光伝送システムをより低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の面発光半導体レーザ素子の構成例を示す図である。
【図２】本発明の面発光半導体レーザ素子の他の構成例を示す図である。
【図３】本発明の面発光半導体レーザ素子の他の構成例を示す図である
【図４】本発明の面発光半導体レーザ素子の他の構成例を示す図である
【図５】本発明の面発光半導体レーザ素子の他の構成例を示す図である
【図６】本発明の面発光半導体レーザ素子を用いた並列伝送方式光通信システムの構成例を示す図である。
【図７】本発明に係る面発光半導体レーザ素子を用いた多波長伝送方式光通信システムの構成例を示す図である。
【図８】本発明の実施例１の面発光半導体レーザ素子を示す図である。
【図９】本発明の実施例１の面発光半導体レーザ素子の製造工程における一工程を示す図である。
【図１０】本発明の実施例２の面発光半導体レーザ素子を示す図である。
【図１１】本発明の実施例３の面発光半導体レーザ素子を示す図である。
【図１２】本発明の実施例３の面発光半導体レーザ素子の製造工程における一工程を示す図である。
【図１３】本発明の実施例４の面発光半導体レーザ素子を示す図である。
【符号の説明】
１０１ 基板
１０２ 下部ミラー層
１０３ 下部スペーサ層
１０４ 活性層
１０５ 上部スペーサ層
１０６ 上部ミラー層
１０７ 絶縁膜
１０８ 上部電極
１０９ 下部電極
１１０ 高抵抗部形成用孔
１１１ 電流狭窄構造
２０１ Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層
２０２ 電流狭窄構造
３０１ トンネル接合層
３０２ 電流狭窄構造
４０１ エッチングストップ層
４０２ 低屈折率層
５０１ 金属膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光半導体レーザ素子の製造方法および面発光半導体レーザ素子および光伝送システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネットの普及と情報量の増大に伴い、より大容量で高速の光伝送ネットワークが必要とされている。
【０００３】
面発光半導体レーザ素子は、出力光の広がり角が比較的狭い（１０度前後）ので、光ファイバとの結合が容易であり、また、しきい値電流を小さくでき電力変換効率が高いため消費電力が小さく、しかも２次元並列集積が容易であり、素子の検査が簡便であるという優れた特徴を有している。そのため，面発光半導体レーザ素子は、今後の大容量光伝送モジュールへの搭載が期待されている。
【０００４】
この面発光半導体レーザ素子は、基板面と垂直な方向に積層形成されたレーザ共振器を備え、光が基板面と垂直な方向に出射するように構成されている。より詳しくは、面発光半導体レーザ素子は、基板側と表面側とのそれぞれに、高反射率の半導体多層膜からなる半導体分布ブラッグ反射鏡（半導体ＤＢＲ）や誘電体多層膜からなる誘電体分布ブラッグ反射鏡（誘電体ＤＢＲ）や金属反射鏡などの反射鏡（ミラー層）が設けられ、２つの反射鏡の間に活性層が設けられている。また、活性層と２つの反射鏡との間には、それぞれスペーサ層が設けられている。
【０００５】
さらに、面発光半導体レーザ素子では、しきい値電流を小さくするため、また、単一モード発振をさせるために、活性層近傍で電流経路を狭める電流狭窄構造がとられている。
【０００６】
従来、この電流狭窄構造を形成する方法としては、プロトン注入型、埋め込み再成長型、選択配化層型、トンネル接合消滅型等が知られている。
【０００７】
プロトン注入型の形成方法では、例えば、文献［Ｂ．Ｔｅｌｌ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５７（１９９０）１８５５］に報告されているように、面発光半導体レーザ素子を構成する素子構成膜の表面からプロトンをイオン注入することで高抵抗部を形成し、電流狭窄構造を形成している。
【０００８】
また、埋め込み再成長型の形成方法では、特開平１１−１１２０８６号公報に示されているように、面発光半導体レーザ素子を構成する素子構成膜の上部をメサ状に加工した後、このメサと逆の導電性をもつ埋め込み層を再成長させてｐ−ｎ接合を形成し、電流狭窄構造を形成している。
【０００９】
また、選択酸化層型の形成方法では、例えば、文献［Ｋ．Ｄ．Ｃｈｏｑｕｅｔｔｅ ｅｔ ａｌ．ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ．７（１９９５）１２３７］に報告されているように、ＡｌＡｓ膜を含む素子構成膜の上部をメサ状に加工した後、ＡｌＡｓ膜を水蒸気によりメサ側壁から酸化することにより、高抵抗部を形成し、電流狭窄構造を形成している。
【００１０】
さらに、トンネル接合消滅型の形成方法では、特許３０２０１６７号公報に示されているように、面発光半導体レーザ素子を構成する素子構成膜の活性層の上部にトンネル接合層を形成し、その上部に、電流経路部に対応する領域を除いて上部電極膜を形成し、次に上部ミラーを形成し、その後、熱処理により上部電極膜の金属元素をトンネル接合層に拡散させることにより、トンネル接合を消滅させて高抵抗部を形成して、電流狭窄構造を形成している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の電流狭窄構造の形成方法には、それぞれ以下のような問題がある。
【００１２】
すなわち、プロトン注入型の形成方法では、上部ミラー表面から活性層近傍までの深さが５μｍ以上であるので、プロトン注入する場合、４００ｋｅＶ以上の高エネルギーで注入する必要があり、そのため、形成される高抵抗部の位置制御が困難となり、また、面発光半導体レーザ素子を構成する素子構成膜に欠陥が導入される恐れがある。
【００１３】
また、埋め込み再成長型の形成方法では、半導体膜の成長工程が２回以上必要となるので、製造工程が煩雑となり、製造コストの上昇を招くという問題がある。
【００１４】
また、選択酸化層型の形成方法においては、メサ部分の放熱を良くするため、および、メサ部分の機械的強度を持たせるために、メサ部分の膜面方向の寸法が３０μｍ程度以上必要となり、この場合には、酸化する距離が長くなるので、選択的酸化により形成する高抵抗部の位置制御性が十分でなくなるという問題がある。
【００１５】
また、トンネル接合消滅型の形成方法においても、半導体膜の成長工程が２回以上必要となるので、製造工程が煩雑となり製造コストの上昇を招くという問題がある。
【００１６】
本発明は、制御性良く電流狭窄構造を形成でき、放熱性に優れ、安定したレーザ特性が得られる面発光半導体レーザ素子を、低コストで作製することの可能な面発光半導体レーザ素子の製造方法および面発光半導体レーザ素子および光伝送システムを提供することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、面発光半導体レーザ素子の素子構成膜の共振器領域の周辺に高抵抗部形成用孔を形成し、前記素子構成膜はトンネル接合層を含み、
トンネル接合消滅種となる分子または元素を前記高抵抗部形成用孔を通して前記トンネル接合層に供給し、前記トンネル接合層の一部の接合を消滅させて電流狭窄構造を形成することを特徴としている。
【００２１】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の面発光半導体レーザ素子の製造方法において、前記高抵抗部形成用孔は、エッチングにより形成されることを特徴としている。
【００２２】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の面発光半導体レーザ素子の製造方法において、素子構成膜中にエツチングストップ層を形成し、高抵抗部形成用孔をエッチングにより形成する際に、高抵抗部形成用孔の底面をエッチングストップ層により位置制御することを特徴としている。
【００２３】
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子の製造方法により作製されたことを特徴としている。
【００２４】
また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の面発光半導体レーザ素子において、高抵抗部形成用孔の少なくとも内壁面が、前記素子構成膜を形成する材料よりも低い屈折率を有する材料で被覆又は充填されていることを特徴としている。
【００２５】
また、請求項６記載の発明は、請求項４記載の面発光半導体レーザ素子において、高抵抗部形成用孔の少なくとも内壁面は、金属材料で被覆されており、該金属材料は電極としての機能を有することを特徴としている。
【００２６】
また、請求項７記載の発明は、請求項４乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子において、前記素子構成膜中の活性層には、ＧａＩｎＮＡｓ系膜が含まれていることを特徴としている。
【００２７】
また、請求項８記載の発明は、請求項４乃至請求項７のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子が発光デバイスとして用いられることを特徴としている。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２９】
第１の実施形態
図１は本発明の面発光半導体レーザ素子の構成例を示す図である。図１を参照すると、この面発光半導体レーザ素子は、基板１０１上に、下部ミラー層１０２，下部スペーサ層１０３，活性層１０４，上部スペーサ層１０５，上部ミラー層１０６が順次積層されて構成されている。また、この面発光半導体レーザ素子は、光が出力される側の上部ミラー層１０６上に絶縁層１０７を介して上部電極１０８が形成され、また、基板１０１の裏面に下部電極１０９が形成されている。
【００３０】
なお、以下では、上記のように面発光半導体レーザ素子を構成するように順次に積層された膜を素子構成膜という。また、図１の構成例では、ミラー層１０２，１０６間の下部スペーサ層１０３，活性層１０４，上部スペーサ層１０５が共振器領域として機能するようになっている。
【００３１】
ここで、基板１０１には、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＧａＮＡｓ，Ｓｉ，Ｇｅなどの半導体基板が用いられる。
【００３２】
また、基板１０１側のミラー層（下部ミラー層）１０２は、基板１０１上にエピタキシャル成長でき、良質な膜が得られることから、半導体ＤＢＲ（分布ブラッグ反射鏡）であるのが好ましい。具体的には、下部ミラー層１０２は、半導体基板１０１上に、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ，ＡｌＧａＮ／ＧａＮ，ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰなどの多層膜を設けて形成される。
【００３３】
また、面発光半導体レーザ素子の表面側のミラー層（上部ミラー層）１０６は、半導体ＤＢＲや誘電体ＤＢＲや金属反射鏡で形成される。
【００３４】
ここで、半導体ＤＢＲとしては、例えば、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ，ＡｌＧａＮ／ＧａＮ，ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰなどが用いられる。
【００３５】
また、誘電体ＤＢＲとしては、例えば、ＺｒＯ2／ＳｉＯ2，ＭｇＯ／ＳｉＯ2， ＭｇＯ／Ｓｉ，Ａｌ2Ｏ3／ＭｇＦ2などが用いられる。
【００３６】
また、金属反射鏡としては、例えば、Ａｕ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉやそれらの合金などが用いられる。
【００３７】
また、活性層１０４は、例えば、基板１０１がＩｎＰで構成される場合には、ＧａＩｎＡｓＰにより形成され（１．３μｍ帯，１．５５μｍ帯）、また、基板１０１がＧａＡｓで構成される場合には、ＧａＩｎＮＡｓ（１．３μｍ帯，１．５５μｍ帯）や、ＧａＩｎＡｓ（０．９８μｍ帯）や、ＧａＡｌＡｓ（０．８５μｍ帯）や、ＡｌＧａＩｎＰ（０．６５μｍ帯）などにより形成される。
【００３８】
また、２つのスペーサ層１０３，１０５は、キャリアを活性層１０４まで輸送し共振器長を調節する働きをし、発光する光に透明である必要がある。そのため、スペーサ層１０３，１０５は、活性層１０４の材料によってＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＡｌＡｓ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＰなどから選択されて形成される。
【００３９】
図１の面発光半導体レーザ素子の素子構成膜の成長方法としては、例えば、ＭＯＣＶＤ法（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）や、ＭＯＭＢＥ法（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）や、ＣＢＥ法（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）などを用いることができる。
【００４０】
また、ミラー層１０２，１０６を誘電体膜からなる誘電体ＤＢＲや金属膜からなる金属反射鏡で形成する場合、誘電体膜や金属膜の形成方法としては、例えば、電子ビーム蒸着法，スパッタリング法，抵抗加熱法，ＣＶＤ法（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等を用いることができる。
【００４１】
また、上部ミラー層１０６上には、ＳｉＯ2などの絶縁膜１０７が形成されている。また、上部電極１０８及び下部電極１０９は、いわゆるオーミック電極であり、通常の半導体レーザの電極として用いられるＡｌ等の金属材料で形成されている。
【００４２】
ところで、この図１の面発光半導体レーザ素子では、基板１０１上の素子構成膜の共振器領域の周辺に、素子構成膜の表面と垂直な方向に少なくとも１つの（図１の例では、２つ）の高抵抗部形成用孔１１０が穿設され、この孔１１０の底部が上部ミラー層１０６の底面付近に達している。このような構成では、この孔１１０を通して活性層１０４近傍に高抵抗化する分子または元素を導入することにより、電流経路部１０４ａを狭めるための高抵抗部（電流狭窄構造）１１１を形成することができる。
【００４３】
ここで、高抵抗部形成用孔１１０は、例えば、次のようにして形成される。すなわち、高抵抗部形成用孔１１０は、例えば、面発光半導体レーザ素子の素子構成膜の発光領域以外の電流狭窄構造が形成される領域に対応する位置に、素子構成膜の表面から活性層１０４付近にまで達するように（例えば、素子構成膜の表面に垂直方向に）、エッチングによって形成される。
【００４４】
高抵抗部形成用孔１１０を形成するためのエッチングの方法としては、ドライエッチング又はウェットエッチングをとり得るが、サイドエッチの速度に対して垂直方向のエッチング速度が大きいドライエッチングが好ましい。さらに、ドライエッチングの方式としては、エッチング異方性をより大きくとれるＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング法やＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｒｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）エッチング法などの高密度プラズマ源を用いる方式が好ましい。なお、高抵抗部形成用孔１１０の個数，断面形状，寸法，配置については、所望のものにすることができ、特定のものに限定はされない。
【００４５】
図１の構成例では、電流狭窄構造１１１は、高抵抗部形成用孔１１０を介して活性層１０４近傍の半導体にＨ2Ｏ、Ｏ2、Ｈ元素、Ｏ元素あるいは金属元素を、例えば、イオン注入、熱拡散、酸化等により導入して形成される。
【００４６】
なお、特開平１１−１８６６５７号公報には、多層膜半導体層に垂直に複数の２次元ロッド列や２次元ホール列を設けることにより、発光波長に対して光学的伝播禁止帯（フォトニックバンドギャップ）を形成して、多層膜半導体層の面内方向への漏れ光を抑える構成をとる面発光型半導体レーザが示されている。
【００４７】
これに対し、本発明では、高抵抗部形成用孔１１０は、レーザ素子の素子構成膜中に高抵抗部を形成するための分子または元素を導入するための手段として機能するものであり、前述の２次元ロッド列や２次元ホール列と同様な機能を目的とするものではない。
【００４８】
また、本発明では、メサ構造中に高抵抗部形成用孔１１０を設けることも可能である。
【００４９】
次に、第１の実施形態の面発光半導体レーザ素子の具体的な作製工程例を図１を用いて説明する。先ず、ｎ型基板１０１上に、下部ｎ型半導体ＤＢＲ（下部ミラー層）１０２，下部アンドープスペーサ層（下部スペーサ層）１０３，活性層１０４，上部アンドープスペーサ層（上部スペーサ層）１０５，上部ｐ型半導体ＤＢＲ（上部ミラー層）１０６を順次エピタキシャル成長する。
【００５０】
次に、ＳｉＯ2膜（図示せず）をマスクとして例えばＥＣＲエッチング法により上部ミラー層１０６の共振器領域の周辺に少なくとも１つの（例えば多数の）高抵抗部形成用孔１１０を穿設する。このとき、孔１１０の底部は上部ミラー層１０６の底面付近とする。
【００５１】
次に、孔１１０を通して高抵抗化する分子または元素を導入して、電流狭窄構造１１１を形成する。
【００５２】
その後、ＳｉＯ2膜を除去し、上部ミラー層１０６上および高抵抗部形成用孔１１０の内壁面上に、絶縁膜１０７を選択的に形成し、最後に、上部ミラー層１０６上にｐ側オーミック電極（上部電極）１０８を形成し、また、基板１０１の裏面にｎ側オーミック電極（下部電極）１０９を形成して、図１に示す面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【００５３】
このように作製された面発光半導体レーザ素子は、各電極１０８，１０９に電流を流すことで、レーザ発振させることができる。
【００５４】
本発明の第１の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法によれば、面発光半導体レーザ素子の素子構成膜の共振器領域の周辺に少なくとも１つの高抵抗部形成用孔１１０を穿設し、高抵抗部形成用孔１１０を通して前記素子構成膜中に高抵抗化する分子または元素を導入して素子構成膜中に電流狭窄構造１１１を形成するので、位置制御性良く（位置精度良く）電流狭窄構造１１１を形成できる。すなわち、高抵抗化する分子や元素の素子構成膜への導入位置と高抵抗部との距離を短くできるので、制御性良く電流狭窄構造を形成することができる。よって、歩留まりが向上し製造コストを低減できる。また、放熱性の悪いメサ構造をとる必要がなく、素子の温度が上昇しにくくなるため、安定したレーザ特性が得られる。しかも、機械的強度の低いメサ構造ではないので、機械的強度も高いものとなる。
【００５５】
また、第１の実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法によれば、１回の成長工程により簡単にレーザ素子を構成する素子構成膜を形成できるので、製造工程の簡略化が図れ、製造コストを低減できる。
【００５６】
このように、第１の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法によれば、制御性良く電流狭窄構造を形成でき、放熱性に優れ、安定したレーザ特性が得られる面発光半導体レーザ素子を、低コストで作製することができる。
【００５７】
第２の実施形態
図２は本発明の面発光半導体レーザ素子の他の構成例を示す図である。図２を参照すると、この面発光半導体レーザ素子においても、図１に示した面発光半導体レーザ素子と同様に、基板１０１上に、下部ミラー層１０２，下部スペーサ１０３，活性層１０４，上部スペーサ層１０５，上部ミラー層１０６が順次積層され（すなわち、素子構成膜が形成され）、また、高抵抗部形成用孔１１０が共振器領域（ミラー層１０２，１０６間の下部スペーサ層１０３，活性層１０４，上部スペーサ層１０５が共振器領域として機能するようになっている）の周辺に形成されている。なお、以下、図２において図１と同様な構成については、同じ符号を用いることとし、更にそれらの詳細な説明は省略するものとする。
【００５８】
ところで、図２の面発光半導体レーザ素子では、上部スペーサ層１０５と上部ミラー層１０６との間に、さらに、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１（すなわち、ＡｌＡｓ層又はＡｌＧａＡｓ層）が形成されている。すなわち、素子構成膜として、さらに、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１を含んでいる。
【００５９】
なお、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１は、下部ミラー層１０２，上部ミラー層１０６と活性層１０４との間に設けられていれば良い。但し、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１は、屈折率が小さいため、図２のように、上部ミラー層１０６の最下層の低屈折率層として設けられるのが好ましい。
【００６０】
また、高抵抗部形成用孔１１０は、共振器領域の周辺で、高抵抗部を形成する領域近傍に設けられ、この孔１１０の深さはＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１の深さよりも深く形成される。
【００６１】
本発明の第２の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法では、素子構成膜がさらにＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１を含み、高抵抗化する分子または元素として酸化種を高抵抗部形成用孔１１０を通してＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１に供給することで、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１の一部を酸化して電流狭窄構造２０２を形成することができるようになっている。すなわち、この高抵抗部形成用孔１１０を通してＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１中に水蒸気や酸素ガス等の酸化種を導入し、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１を酸化して、絶縁性のＡｌxＯy層２０２を電流狭窄構造として形成することができる。
【００６２】
次に、第２の実施形態の面発光半導体レーザ素子の具体的な作製工程例を図２を用いて説明する。先ず、ｐ型基板１０１上に、下部ｐ型半導体ＤＢＲ（下部ミラー層）１０２，下部アンドープスペーサ層（下部スペーサ層）１０３，活性層１０４，上部アンドープスペーサ層（上部スペーサ層）１０５，ＡｌＡｓ層２０１，上部ｎ型半導体ＤＢＲ（上部ミラー層）１０６を順次エピタキシャル成長する。
【００６３】
次に、ＳｉＯ2膜（図示せず）をマスクとしてＩＣＰエッチング法により上部ミラー層１０６の共振器領域の周辺に高抵抗部形成用孔１１０を多数あける。このとき、孔１１０の底部はＡｌＡｓ層２０１よりも深くなるようにする。
【００６４】
次に、４００℃付近の温度で、この高抵抗部形成用孔１１０を通して水蒸気や酸素ガスを導入し、電流経路部２０１ａを残してＡｌＡｓ層２０１を酸化し、絶縁性のＡｌxＯy層として電流狭窄構造２０２を形成する。
【００６５】
その後、ＳｉＯ2膜のマスクを除去し、上部ミラー層１０６上および高抵抗部形成用孔１１０の内壁面上に、絶縁膜１０７を選択的に形成し、最後に、上部ミラー層１０６上にｎ側オーミック電極（上部電極）１０８を形成し、基板１０１の裏面にｐ側オーミック電極（下部電極）１０９を形成し、図２に示す面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【００６６】
このように作製された図２の面発光半導体レーザ素子は、各電極１０８，１０９からキャリアを注入してレーザ発振させることができる。
【００６７】
第２の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法によれば、共振器領域の周辺に設けた高抵抗部形成用孔１１０から酸化種をＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１中へ導入し、このＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１の一部を酸化して電流狭窄構造２０２を形成するので、メサを形成しその側壁のＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層の端から酸化して電流狭窄構造を形成する従来の製造方法と比較して、酸化する距離を短かくすることができ、制御性良く電流狭窄構造を形成できる。よって、歩留まり良く面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【００６８】
また、第２の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法では、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層２０１の膜内方向へ酸化が進むので、高抵抗部形成用孔１１０の個数が少なくても、効率良く電流狭窄構造２０２を形成できる。従って、より放熱性が良く、機械的強度が高い面発光半導体レーザ素子を作製できる。
【００６９】
第３の実施形態
図３は、本発明の面発光半導体レーザ素子の他の構成例を示す図である。図３を参照すると、この面発光半導体レーザ素子においても、図１，図２に示した面発光半導体レーザ素子と同様に、基板１０１上に、下部ミラー層１０２，下部スペーサ１０３，活性層１０４，上部スペーサ層１０５，上部ミラー層１０６が順次積層され（すなわち、素子構成膜が形成され）、また、高抵抗部形成用孔１１０が共振器領域（ミラー層１０２，１０６間の下部スペーサ層１０３，活性層１０４，上部スペーサ層１０５が共振器領域として機能するようになっている）の周辺に設けられている。なお、図３においても図１，図２と同様な構成については、同じ符号を用いることとし、更にそれらの詳細な説明は省略するものとする。
【００７０】
ところで、図３の面発光半導体レーザ素子では、上部スペーサ層１０５と上部ミラー層１０６との間に、トンネル接合層３０１が形成されている。すなわち、素子構成膜として、さらに、トンネル接合層３０１を含んでいる。
【００７１】
トンネル接合層３０１は、高濃度にキャリアをドーピングしたｐ+型半導体層とｎ+型半導体層とを接合した構成のものとなっている。ここで、キャリアに吸収される発振光を少なくするために、ｐ+型半導体層とｎ+型半導体層は、膜厚が各々数ｎｍ程度が適当であり、トンネル接合層３０１は、ｐ型半導体ＶＣＳＥＬ構成層／ｐ+型半導体層／ｎ+型半導体層／ｎ型半導体ＶＣＳＥＬ構成層の構成をとるのが好適である。
【００７２】
また、トンネル接合層３０１を設ける位置は、活性層１０４と上部ミラー層１０６との間が好ましく、且つ励起光モードの節の位置であることが好ましい。
【００７３】
なお、キャリアの流れをよくするために、トンネル接合層３０１と他の素子構成層との間に、バンドプロファイルをなだらかにするバッファ層を設けても良い。
【００７４】
この第３の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法では、次のようにして、電流狭窄構造３０２を形成できる。すなわち、トンネル接合層３０１に逆バイアスを印加し、ｎ型領域からｐ型領域に電流を通過させる。この際、文献「Ｋ．Ｉｇａ ｅｔ ａｌ．， ＩＰＲＭ２０００，４５１」等に記載されているように、トンネル接合層３０１は、この層３０１中に電極金属が拡散してくると接合が破壊され（トンネル接合が消滅し）、高抵抗化する。第３の実施形態では、これを利用して電流狭窄構造を形成するようにしている。
【００７５】
すなわち、本発明の第３の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法では、素子構成膜がさらにトンネル接合層３０１を含み、高抵抗化する分子または元素としてトンネル接合消滅種を高抵抗部形成用孔１１０を通してトンネル接合層３０１に供給することで、トンネル接合層３０１の一部の接合を消滅させて電流狭窄構造３０２を形成するようになっている。このとき、電流狭窄構造３０２は、トンネル接合の残った電流経路部３０１ａの周囲に形成される。
【００７６】
この第３の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法は、より具体的には、次のようにしてなされる。すなわち、トンネル接合層３０１を含む全ての素子構成膜を形成した後、高抵抗部を形成したい領域に高抵抗部形成用孔１１０を設ける。このとき、孔１１０の底面は、トンネル接合層３０１の近くで、上部ミラー層１０６内に位置するのが良い。但し、孔１１０の底面位置は、トンネル接合層３０１上であれば、任意の位置にすることができる。この後、蒸着やスパッタリング法で高抵抗部形成用孔１１０の底面に電極膜を形成する。
【００７７】
そして、４００℃程度の温度環境下で、トンネル接合の近傍に設けた電極膜の金属成分を熱拡散させ、トンネル接合を消滅させて、高抵抗部すなわち電流狭窄構造３０２を形成することができる。
【００７８】
次に、第３の実施形態の面発光半導体レーザ素子の具体的な作製工程例を図３を用いて説明する。先ず、ｎ型基板１０１上に、下部ｎ型半導体ＤＢＲ（下部ミラー層）１０２，下部ｎ型スペーサ層（下部スペーサ層）１０３，活性層１０４，上部ｐ型スペーサ層１０５ａ，トンネル接合層３０１，上部ｎ型スペーサ層１０５ｂ，上部ｎ型半導体ＤＢＲ（上部ミラー層）１０６を順次エピタキシャル成長する。
【００７９】
次に、ＳｉＯ2膜（図示せず）をマスクとして、ドライエッチング法により上部ミラー層１０６の共振器領域の周辺に高抵抗部形成用孔１１０を多数あける。この高抵抗部形成用孔１１０の底部は上部ミラー層１０６中とする。
【００８０】
次に、ＳｉＯ2膜を除去した後、蒸着法により高抵抗部形成用孔１１０の底面にＡｕ／Ｎｉ／Ａｕ−Ｇｅ膜を形成し、しかる後、４００℃付近で熱処理して、高抵抗部形成用孔１１０の底面付近のトンネル接合を消滅させ、電流狭窄構造３０２を形成する。
【００８１】
次いで、上部ミラー層１０６上および高抵抗部形成用孔１１０の内壁面上に、絶縁膜１０７を選択的に形成し、最後に、上部ミラー層１０６上に上部オーミック電極１０８を形成し、基板１０１の裏面に下部オーミック電極１０９を形成して、図３に示す面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【００８２】
このように作製された図３の面発光半導体レーザ素子は、上部オーミック電極１０８から下部オーミック電極１０９の方向に電流を流すことで、レーザ発振する。
【００８３】
第３の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法によれば、高抵抗部形成用孔１１０を通してトンネル接合消滅種を供給し、トンネル接合層３０１の一部の接合を消滅させて電流狭窄構造３０２を形成するので、従来のトンネル接合を消滅させて電流狭窄構造を形成する方法と比較して、１回の成長工程でレーザ素子の素子構成膜を形成することができ、且つ、エピタキシャル成長させた良質な上部ミラー層１０６を形成できる。従って、低いコストで高性能の面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【００８４】
また、第３の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法は、第１，第２の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法と異なり、トンネル接合層３０１の一部の接合を金属元素の拡散により消滅させるので、膜面内方向での金属元素の拡散が小さく、従って、より位置の制御性が良く、高抵抗な電流狭窄構造３０２を形成できる。これによって、より高性能な面発光半導体レーザ素子を歩留まり良く作製できる。
【００８５】
第４の実施形態
本発明の第４の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法は、図１の構成において、高抵抗部形成用孔１１０を通して水素又は酸素を素子構成膜中にイオン注入して電流狭窄構造１１１を形成するようになっている。
【００８６】
この第４の実施形態では、図１において、高抵抗部形成用孔１１０を通して水素又は酸素を素子構成膜中にイオン注入して、電流狭窄構造１１１を形成するので（すなわち、高抵抗部形成用孔１１０を設け、この孔１１０から素子構成膜中に高抵抗化元素をイオン注入するので）、従来のイオン注入法により高抵抗部すなわち電流狭窄構造を形成する方法と比較して、注入の飛程が小さくなり、電流狭窄構造が形成される領域に高抵抗化元素を低い加速エネルギーで注入できる。
【００８７】
これにより、位置精度良く、また、素子構成膜へのダメージを少なくして、電流狭窄構造１１１を形成できる。また、一般的なイオン注入装置を使用できるので、歩留まり良く、安価に高性能の面発光半導体レーザ素子を作製できる。
【００８８】
また、イオン注入法により導入する第４の実施形態の製造方法では、第３の実施形態の場合と同様に、高抵抗部の膜面内方向での金属元素の拡散が小さいので、高抵抗部形成用孔１１０の位置に対応させて制御性良く高抵抗部（すなわち、電流狭窄構造）１１１を形成することができる。
【００８９】
また、第４の実施形態では、第２，第３の実施形態の方法と異なり、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層やトンネル接合層等の特別な機能層を設けなくとも電流狭窄構造を形成できるので、より広い材料の素子に電流狭窄構造を形成することができる。これによって、歩留まり良く安価に高性能の面発光半導体レーザ素子を作製できる。
【００９０】
第５の実施形態
図４は、本発明の面発光半導体レーザ素子の他の構成例を示す図である。図４を参照すると、この面発光半導体レーザ素子においても、図１に示した面発光半導体レーザ素子と同様に、基板１０１上に、下部ミラー層１０２，下部スペーサ１０３，活性層１０４，上部スペーサ層１０５，上部ミラー層１０６が順次積層され（すなわち、素子構成膜が形成され）、また、高抵抗部形成用孔１１０が共振器領域（ミラー層１０２，１０６間の下部スペーサ層１０３，活性層１０４，上部スペーサ層１０５が共振器領域として機能するようになっている）の周辺に設けられている。なお、図４において、図１と同様な構成については、同じ符号を用いることとし、更にそれらの詳細な説明は省略するものとする。
【００９１】
ところで、図４の面発光半導体レーザ素子では、上部スペーサ層１０５と上部ミラー層１０６との間に、エッチングストップ層４０１が設けられており、高抵抗部形成用孔１１０の底部がこのエッチングストップ層４０１に達して位置制限されている。
【００９２】
ここで、エッチングストップ層４０１は、Ｉｎを含む半導体層からなっている。具体的には、エッチングストップ層４０１には、ＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓ，ＡｌＧａＩｎＡｓＰ，ＩｎＰなどの材料を用いることができる。
【００９３】
また、このエッチングストップ層４０１は、上部ミラー層１０６または下部ミラー層１０２の低屈折率層または高屈折率層として設けられるのが好ましい。
【００９４】
本発明において、レーザ素子の素子構成膜は、上述したように化合物半導体からなり、素子構成膜は、高抵抗部形成用孔１１０を形成する際に、多くの場合、Ｃｌ2ガスなどのハロゲンガスを導入してドライエッチングされる。Ｉｎのハロゲン化物の蒸気圧は、他の元素のハロゲン化物よりも蒸気圧が低く、エッチング速度が著しく小さくなる。このため、前述のＩｎを含む半導体層は、エッチングストップ層４０１として機能する。
【００９５】
従って、素子構成膜中に設けられたこのようなエッチングストップ層４０１によって、高抵抗部形成用孔１１０の底面の位置を精度良く制御することが可能となる。
【００９６】
この第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法が、第１，第４の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法と異なる点は、上部スペーサ層１０５上にエッチングストップ層４０１を介して上部ミラー層１０６を結晶成長させることと、高抵抗部形成用孔１１０をエッチングにより形成する際に孔１１０の底面をこのエッチングストップ層４０１により位置制御することである。
【００９７】
このように、第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子の製造方法によれば、素子構成膜中にＩｎを含むエツチングストップ層４０１を形成するようにしたので（すなわち、レーザ素子の素子構成膜中にエッチングストップ層４０１を設けているので）、高抵抗部形成用孔１１０をエッチングにより形成する際に孔１１０の底面の位置を再現性良く制御できるようになる。これによって、歩留まり良く安価に高性能の面発光半導体レーザ素子を作製できる。
【００９８】
上述した第１乃至第５のいずれかの実施形態の製造方法で作製された面発光半導体レーザ素子は、面発光半導体レーザ素子の素子構成膜の共振器領域の周辺に少なくとも１つの高抵抗部形成用孔１１０が形成され、高抵抗部形成用孔１１０を通して前記素子構成膜中に高抵抗化する分子または元素が導入されて、素子構成膜中に電流狭窄構造が形成されるので、機械的強度が高く放熱性が良い素子構造をもつ高性能な面発光半導体レーザ素子となる。すなわち、制御性良く電流狭窄構造を形成でき、放熱性に優れ、安定したレーザ特性をもつ面発光半導体レーザ素子を提供することができる。
【００９９】
なお、上述した第１乃至第５のいずれかの実施形態の製造方法により作製された面発光半導体レーザ素子（具体的には、例えば図４の面発光半導体レーザ素子）において、高抵抗部形成用孔１１０の少なくとも内壁面が素子構成膜よりも低い屈折率を有する材料（図４の例では、低屈折率層４０２）で被覆されていても良いし、あるいは、孔１１０の内部が上記の低屈折率材料により充填されていても良い。
【０１００】
このような孔１１０を被覆又は充填する低屈折率材料としては、例えば、ポリイミドなどの有機高分子、ＳｉＯ2，ＳｉＯＮ，Ａｌ2Ｏ3などの無機物などを用いることができる。そして、これら低屈折率層は、塗布法，蒸着法，スパッタリング法，ＣＶＤ法などで形成される。
【０１０１】
面発光半導体レーザ素子では、しきい値電流を下げ、出力効率を高めるため、および、共振モードを制限するため、共振器への光閉じ込めは重要な課題である。
【０１０２】
上述のように、高抵抗部形成用孔１１０の少なくとも内壁面が、素子構成膜よりも低い屈折率を有する材料で被覆又は充填されている場合には、高抵抗部形成用孔１１０の内壁面の欠陥が低減するので、キャリアの非発光再結合が低減する。これによって、低いしきい値電流の、高い発光効率の面発光半導体レーザ素子を得ることができる。
【０１０３】
また、高抵抗部形成用孔１１０の少なくとも内壁面が、素子構成膜よりも低い屈折率を有する材料で被覆又は充填されている場合には、光の閉じ込めが良好になり、しきい値電流が低く、発光効率が高く、出力光のモードが制限された面発光半導体レーザ素子を得ることができる。
【０１０４】
また、上述した第１乃至第５のいずれかの実施形態の製造方法により作製された面発光半導体レーザ素子において、高抵抗部形成用孔１１０の少なくとも内壁面が、金属材料で被覆され、この金属材料が電極としての機能を有するものとなっていても良い。
【０１０５】
図５は、本発明の面発光半導体レーザ素子の他の構成例を示す図である。図５の面発光型半導体レーザ素子では、高抵抗部形成用孔１１０の少なくとも内壁面が金属膜５０１で被覆されていて、この金属膜５０１が電極として機能するようになっている。
【０１０６】
ここで、金属膜５０１としては、高抵抗部形成用孔１１０の内壁面がｐ型材料である場合は、Ａｕ／Ａｕ−Ｚｎ／Ｃｒ等のｐ型オーミック電極用の金属が用いられ、また、高抵抗部形成用孔１１０の内壁面がｎ型材料である場合は、Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ−Ｇｅ等のｎ型オーミック電極用の金属が用いられる。そして、このような金属膜５０１は、蒸着法，スパッタリング法，ＣＶＤ法などで形成される。
【０１０７】
図５の面発光半導体レーザ素子では、高抵抗部形成用孔１１０の内面を電極とすることができるので、活性層１０４と電極との距離を小さくでき、これによって、漏れ電流が少なくなり、活性層１０４への効率のよい電流注入が可能となる。また、低いしきい値電流で高い発光効率の面発光半導体レーザ素子を得ることができる。
【０１０８】
また、上述した第１乃至第５のいずれかの実施形態の製造方法によって作製された面発光半導体レーザ素子において、活性層１０４にはＧａＩｎＮＡｓ系膜が含まれることが好ましい。これは、次のような理由に基づく。
【０１０９】
すなわち、将来の大容量光伝送ネットワークの主要な伝送媒体は、現在と変わらず石英系ファイバであると考えられている。この石英系ファイバは、波長１．３μｍ帯又は１．５μｍ帯で伝送損失が最も小さい。現在、これらの波長帯用の半導体レーザには、ＩｎＰ基板上に形成されるＧａＩｎＡｓＰを活性層とする端面発光型半導体レーザが用いられているが、このような端面発光型半導体レーザでは、活性層におけるキャリアの閉じ込めが弱く、温度特性が悪い。さらに、このＩｎＰ基板上にＧａＩｎＡｓＰを活性層とする面発光型半導体レーザを形成しようとする場合、ＩｎＰ基板上では、最良の半導体多層膜反射鏡（半導体ＤＢＲ）をＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰの構成にする必要があるが、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰの構成では屈折率差が小さく、高い反射率を得るには多くの層数を必要とする。従って、ＩｎＰ基板上に形成するＧａＩｎＡｓＰを活性層とする半導体レーザは、今後の光伝送ネットワークへ適用するには課題が多い。
【０１１０】
これに対して、近年、急速に着目され始めたＧａＩｎＮＡｓ系の材料を活性層に用いた半導体レーザは、発振波長が長波長帯なので、石英系ファイバとの整合性が高い。
【０１１１】
さらに、このＧａＩｎＮＡｓ系材料を用いた活性層は、ＧａＡｓ基板上に形成できるので、スペーサ層等の活性層周りの層にワイドバンドギャップ材料を選択できて、キャリアの閉じ込めが良好になり、温度特性が良好となる。このため、ＩｎＰ基板上に形成されるＧａＩｎＡｓＰを活性層とする半導体レーザの場合と異なり、冷却装置を必要としない。
【０１１２】
このように、ＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層に用いた面発光半導体レーザ素子は、優れた特性をもつので、光通信システムや、コンピューター間，チップ間，チップ内の光インターコネクションや、光コンピューティングにおいて、キーデバイスになると考えられる。
【０１１３】
具体的に、このＧａＩｎＮＡｓ系材料としては、例えば、ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓ，ＡｌＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＮＡｓＰ，ＡｌＧａＮＡｓ，ＡｌＧａＮＡｓＰ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂなどが挙げられる。
【０１１４】
なお、このＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層に用いた面発光半導体レーザ素子では、ＧａＡｓ基板上に素子構成膜を形成できるので、半導体ＤＢＲとしては、ＧａＡｓ基板上に形成できる屈折率差の大きいＡｌ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｓ、より広義にはＡｌxＧａ(1-x)Ａｓ／ＡｌyＧａ(1-y)Ａｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）を用いることができる。この場合には、少ない層数の半導体ＤＢＲをもつ面発光半導体レーザ素子を得ることが可能となる。
【０１１５】
上述したように、活性層１０４にＧａＩｎＮＡｓ系材料を用いることにより、より高性能なレーザ特性をもち、より製造コストが小さい、光伝送に適用性の高い面発光半導体レーザ素子を提供できる。
【０１１６】
また、上述した第１乃至第５のいずれかの実施形態の製造方法によって作製された面発光半導体発光素子を用いて、光伝送システム（光通信システム）を構成することができる。
【０１１７】
図６は、上述のように作製された本発明の面発光半導体レーザ素子を用いた並列伝送方式光通信システムの構成例を示す図である。この並列伝送方式光通信システムにおいては、上述のように作製された本発明の面発光半導体レーザ素子を複数用い、これら複数の面発光半導体レーザ素子からの信号をそれぞれ複数の光ファイバを介して同時に複数の受光素子に伝送し、複数の受光素子で受光するように構成されている。
【０１１８】
また、図７は、上述のように作製された本発明の面発光半導体レーザ素子を用いた多波長伝送方式光通信システムの構成例を示す図である。この多波長伝送方式光通信システムにおいては、上述のように作製された本発明の面発光半導体レーザ素子を複数用い、これら複数の面発光半導体レーザ素子からの発振波長の異なる光信号を、それぞれ複数の光ファイバを介して光合波器に導入し、光合波器において、波長の異なる複数の光信号を合波し、そして、合波された光信号を１本の光ファイバ中を介して伝送先の機器に接続される光分波器に伝送し、光分波器で元の波長の異なる複数の光信号に分離し、複数の光ファイバを介して複数の受光素子に伝送して、複数の受光素子で受光させるように構成されている。
【０１１９】
このように、第１乃至第５のいずれかの実施形態の製造方法により作製された本発明の面発光半導体レーザ素子（低コストで製造でき、放熱性が良く、しきい値電流が低く、発光効率の高い、光伝送システムへの適用性に優れた面発光半導体レーザ素子）を光源として用いて光伝送システムを構築する場合には、光源部に冷却装置を必要としない簡便な構成をとることができ、高性能な光伝送システムを低コストで提供することができる。特に、活性層にＧａＩｎＮＡｓ系材料を用いた面発光半導体レーザ素子を用いることによって、より高性能な光伝送システムをより低コストで提供することができる。
【０１２０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【０１２１】
実施例１
図８は、本発明の実施例１の面発光半導体レーザ素子を示す図である。また、図９は、本発明の実施例１の面発光半導体レーザ素子のＡｌＡｓ層２０１の膜面に沿った断面図である。
【０１２２】
以下、実施例１の面発光半導体レーザ素子の作製方法を図８及び図９を用いて説明する。先ず、ＭＯＣＶＤ装置を使用し、ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＡｓＨ3，ＳｅＨ2を反応室に供給し、ＨＣｌ水溶液により表面を清浄化したｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／ｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓの３８ペアからなる下部ｎ型ＤＢＲ１０２を成長させる。
【０１２３】
次いで、ＴＭＡ，ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＳｅＨ2を導入して、ｎ型ＡｌＧａＡｓ下部スペーサ層（厚さλ／２ｎ）１０３を形成し、また、ＴＭＧ，ＴＭＡ、ＡｓＨ3を導入して、Ａｌ0.11Ｇａ0.89Ａｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓからなる４重量子井戸活性層１０４を形成し、また、ＴＭＡ，ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入して、ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部スペーサ層（厚さλ／２ｎ）１０５を形成する。次いで、ＴＭＡ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入して、ｐ型ＡｌＡｓ選択酸化層（厚さλ／４ｎ）２０１を、次に積層する上部ｐ型ＤＢＲ１０６の最下層の低屈折率層に相当するように形成する。
【０１２４】
次いで、ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入して、ｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／ｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓの３０ペアからなる上部ｐ型ＤＢＲ１０６を形成し、また、ＴＭＡ，ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入して、ｐ+型ＡｌＧａＡｓコンタクト層（厚さλ／４ｎ）１０６ａを形成する。このようにして、素子構成多層膜（素子構成膜）を形成する。
【０１２５】
次に、このように形成された素子構成多層膜の表面にレジストを塗布する。そしてこのレジスト塗布膜から、辺の長さが５μｍの正方形の４つの頂点で直径が２．５μｍの円形にレジストを除去した単位形を周期的に繰り返した基本パターンにおいて、共振器を設ける位置に対応する場所では１個分の円形のレジスト除去がされていないレジストパターンを形成する（図９を参照）。
【０１２６】
次に、Ｃｌ2ガスを導入するＩＣＰエッチング法により、高抵抗部形成用孔１１０を形成する。このとき、孔１１０の底面が（孔１１０の深さが）下部ＤＢＲ１０２に達するようにする。
【０１２７】
次いで、レジストを除去し、しかる後、高抵抗部形成用孔１１０の内壁面に露出したＡｌＡｓ選択酸化層２０１の端面から水蒸気を導入して、ＡｌＡｓ層２０１を面内方向に酸化し、高抵抗部としてＡｌｘＯｙ層を形成する。そして、近接する孔１１０から成長したＡｌｘＯｙ層（高抵抗部）がつながり、電流狭窄構造２０２が形成される。このとき、共振器を設ける領域には対応する位置に断面積が約１６μｍ2のＡｌＡｓ層（電流経路部）２０１が酸化されないで残るように、酸化時間を制御して電流狭窄構造２０２を形成する。
【０１２８】
次に、プラズマＣＶＤ法で高抵抗部形成用孔１１０の内壁面を含む素子構成膜の表面にＳｉＯ2膜１０７を形成する。
【０１２９】
そして、素子構成膜上に形成されたＳｉＯ2膜１０７の一部を除去し、しかる後、素子構成膜上にｐ側電極膜１０８を形成し、次いで、リフトオフ法により光出射部２０３上のｐ側電極膜を除去する。
【０１３０】
最後に、基板１０１の裏面にｎ側電極１０９を形成して、０．７８μｍ帯の面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【０１３１】
このように、実施例１では、高抵抗部形成用孔１１０から酸化種をＡｌＡｓ層２０１中に導入しＡｌＡｓ層２０１の一部を酸化して電流狭窄構造２０２を形成するので、制御性良く電流狭窄構造２０２を形成できる。また、高抵抗部形成用孔１１０の個数が少なくても、効率良く電流狭窄構造２０２を形成できる。従って、より放熱性が良く、レーザ特性の安定した面発光半導体レーザ素子を作製できる。
【０１３２】
また、高抵抗部形成用孔１１０の内壁面が、素子構成膜よりも低い屈折率を有する材料（ＳｉＯ2膜１０７）で被覆されているので、光の閉じ込めが良好になり、また、電流の漏れが少なくなり、しきい値電流が低く、発光効率の高い、単一モード出力光の面発光半導体レーザ素子が得られる。
【０１３３】
実施例２
図１０は、本発明の実施例２の面発光半導体レーザ素子を示す図である。
【０１３４】
以下、実施例２の面発光半導体レーザ素子の作製方法を図１０を用いて説明する。先ず、ＭＯＣＶＤ装置を使用し、ＨＣｌ水溶液により表面を清浄化したｎ型ＧａＡｓ基板１０１をサセプタ上にセットし、次いで、ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＡｓＨ3，ＳｅＨ2を反応室に導入し、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ／ｎ型ＧａＡｓの３６ペアからなる下部ｎ型ＤＢＲ１０２を成長させる。
【０１３５】
次いで、ＴＭＧ，ＴＭＩ，ＰＨ3，ＳｅＨ2を導入し、ｎ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層（厚さλ／４ｎ）４０１を、下部ｎ型ＤＢＲ１０２の最上部低屈折率層になるように形成する。
【０１３６】
さらに、ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＳｅＨ2を導入し、ｎ型ＧａＡｓ下部スペーサ層（厚さλ／２ｎ）１０３を形成し、また、ＴＭＧ，ＴＭＡ、ＴＭＩ，ＡｓＨ3，ＤＭＨｙを導入し、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓからなる２重量子井戸活性層１０４を形成し、また、ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入し、ｐ型ＧａＡｓ上部スペーサ層（厚さλ／２ｎ）１０５を形成する。
【０１３７】
次いで、ＴＭＡ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入し、ｐ型ＡｌＡｓ選択酸化層（厚さλ／４ｎ）２０１を、次に積層する上部ｐ型ＤＢＲ１０６の最下層低屈折率層に相当するように形成する。さらに、ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入して、ｐ型ＡｌＧａＡｓ／ｐ型ＧａＡｓの２８ペアからなる上部ｐ型ＤＢＲ１０６を形成し、また、ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入して、ｐ+型ＧａＡｓコンタクト層（厚さλ／４ｎ）１０６ａを形成する。このようにして、素子構成多層膜（素子構成膜）を形成する。
【０１３８】
次に、このように作製された素子構成膜表面にレジストを塗布し、図９に示すような実施例１と同じレジストパターンを形成する。
【０１３９】
次に、Ｃｌ2ガスを導入するＩＣＰエッチング法により高抵抗部形成用孔１１０を形成する。このとき、高抵抗部形成用孔１０を形成するための深さ方向のエッチングは、ｎ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層４０１中でとまる。
【０１４０】
その後の工程は、実施例１と同様のプロセスで行ない、１．３μｍ帯の面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【０１４１】
このように実施例２では、高抵抗部形成用孔１１０から酸化種をＡｌＡｓ層２０１中に導入しＡｌＡｓ層２０１の一部を酸化して電流狭窄構造２０２を形成するので、制御性良く、且つ、高抵抗部形成用孔１１０の個数が少なくても効率良く電流狭窄構造２０２を形成できる。従って、より放熱性が良くレーザ特性の安定した面発光半導体レーザ素子を作製できる。
【０１４２】
また、高抵抗部形成用孔１１０の内壁面が、素子構成膜よりも低い屈折率を有する材料（ＳｉＯ2膜１０７）で被覆されているので、光の閉じ込めが良好になり、また、電流の漏れが少なくなり、しきい値電流が低く、発光効率の高い、単一モード出力光の面発光半導体レーザ素子が得られる。
【０１４３】
また、実施例２では、エッチングストップ層４０１を設けているので、高抵抗部形成用孔１１０を位置精度良く形成でき、歩留まり良く安価に高性能の面発光半導体レーザ素子を形成できる。
【０１４４】
また、活性層１０４にＧａＩｎＮＡｓ系材料を用いることによって、より高性能なレーザ特性をもち、より製造コストが小さい、光伝送に適用性の高い面発光半導体レーザ素子が得られる。
【０１４５】
実施例３
図１１は、本発明の実施例３の面発光半導体レーザ素子を示す図である。また、図１２は、本発明の実施例３の面発光半導体レーザ素子の上部ＤＢＲ１０６の膜面に沿った断面図である。
【０１４６】
以下、実施例３の面発光半導体レーザ素子の作製方法を図１１及び図１２を用いて説明する。先ず、ＭＯＣＶＤ装置を使用し、ＨＣｌ水溶液により表面を清浄化したｎ型ＧａＡｓ基板１０１をサセプタ上にセットし、ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＡｓＨ3，ＳｅＨ2を反応室に導入して、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ／ｎ型ＧａＡｓの３６ペアからなる下部ｎ型ＤＢＲ１０２を成長させる。
【０１４７】
次いで、ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＳｅＨ2を導入して、ｎ型ＧａＡｓ下部スペーサ層（厚さλ／２ｎ）１０３を形成し、ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＴＭＩ，ＡｓＨ3，ＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）を導入して、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓからなる２重量子井戸活性層１０４を形成し、また、ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入して、ｐ型ＧａＡｓ上部スペーサ層（厚さλ／４ｎ）１０５ａを形成する。
【０１４８】
また、ＴＭＡ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入して、ｐ+型ＡｌＡｓトンネリング層（厚さ５ｎｍ）を形成し、また、ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＳｅＨ2を導入して、ｎ+型ＧａＡｓトンネリング層（厚さ５ｎｍ）を形成する。ここで、ｐ+型トンネリング層とｎ+型トンネリング層とが接合していることによって、トンネル接合層３０１が形成される。
【０１４９】
次いで、ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＳｅＨ2を導入して、ｎ型ＧａＡｓ上部スペーサ層（厚さλ／４ｎ）１０５ｂを形成する。
【０１５０】
次いで、ＴＭＧ，ＴＭＩ，ＰＨ3，ＳｅＨ2を導入して、ｎ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層（厚さλ／４ｎ）４０１を、次に積層するｎ型ＤＢＲ１０６の最下層の低屈折率層となるように形成する。さらに、ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＡｓＨ3，ＳｅＨ2を導入して、ｎ型ＡｌＧａＡｓ／ｎ型ＧａＡｓの２８ペアからなる上部ｎ型ＤＢＲ１０６を形成し、また、ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＳｅＨ2を導入して、ｎ+型ＧａＡｓコンタクト層（厚さλ／４ｎ）１０６ａを形成して、素子構成多層膜（素子構成膜）を形成する。
【０１５１】
次に、このようにして形成した素子構成膜の表面に、レジストを塗布する。そして、このレジスト塗布膜から、辺の長さが５μｍの正三方形の３つの頂点で直径が２．５μｍの円形にレジストを除去した単位形を周期的に繰り返したパターンで、共振器を設ける位置に対応する場所では１個分の円形のレジスト除去がされていないレジストパターンを形成する（図１２を参照）。
【０１５２】
次に、Ｃｌ2ガスを導入するＥＣＲエッチング法により高抵抗部形成用孔１１０を形成する。このとき、高抵抗部形成用孔１１０の底面は、エッチングストップ層４０１中になる。
【０１５３】
次に、ＥＢ蒸着法により、高抵抗部形成用孔１１０の内壁面と素子構成膜上面の共振器周辺とを除いた部分に、絶縁膜（ＳｉＯ2膜）を形成する。
【０１５４】
そして、光出射部３１１以外の表面及び孔１１０の内壁面にＡｕ／Ｎｉ／Ａｕ−Ｇｅ上部ｐ側電極膜１０８を試料を回転させながら斜め蒸着法により形成する。
【０１５５】
次に、この材料を４１０℃で熱処理し、孔１１０の内壁面に形成された電極膜１０８の金属成分をトンネル接合層３０１の方向に拡散させてトンネル接合層３０１の所定部分のトンネル接合を破壊し高抵抗部を形成する。そして、電極膜１０８の金属成分はトンネル接合層３０１の面内方向にも拡散し、各孔１１０から生成されるトンネル接合破壊部分（高抵抗部）が連結して、電流狭窄構造３０２が形成される。このとき、共振器を設ける位置に対応する領域には、断面積が約２５μｍ2の低抵抗のトンネル接合層３０１が破壊されないで残り、トンネル接合電流経路部３０１ａが形成される。
【０１５６】
最後に、基板１０１の裏面に下部ｎ側電極１０９を形成して、１．３μｍ帯の面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【０１５７】
このように実施例３では、高抵抗部形成用孔１１０を通してトンネル接合層３０１中にトンネル接合消滅種を供給し、電流狭窄構造３０２を形成するので、１回の成長工程で半導体レーザの素子構成膜を形成でき、且つ、エピタキシャル成長させた良質な上部ミラー１０６層を形成できる。
【０１５８】
また、高抵抗部形成用孔１１０の内壁面を電極とすることができるので、活性層１０４への効率のよい電流注入が可能となり、低いしきい値電流で、高い発光効率の面発光半導体レーザ素子が得られる。
【０１５９】
また、エッチングストップ層４０１を設けているので、高抵抗部形成用孔１１０を位置精度良く形成でき、歩留まり良く安価に高性能の面発光半導体レーザ素子を作製できる。
【０１６０】
また、活性層１０４にＧａＩｎＮＡｓ系材料を用いることによって、より高性能なレーザ特性をもち、より製造コストが小さい、光伝送に適用性の高い面発光半導体レーザ素子が得られる。
【０１６１】
実施例４
図１３は、本発明の実施例４の面発光半導体レーザ素子を示す図である。
【０１６２】
以下、実施例４の面発光半導体レーザ素子の作製方法を図１３を用いて説明する。まず、ＭＯＣＶＤ装置を使用し、ＨＣｌ水溶液により表面を清浄化したｎ型ＧａＡｓ基板１０１をサセプタ上にセットし、ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＡｓＨ3，ＳｅＨ2を反応室に導入して、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ／ｎ型ＧａＡｓの３６ペアからなる下部半導体ｎ型ＤＢＲ１０２を成長させる。
【０１６３】
次いで、ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＳｅＨ2を導入して、ｎ型ＧａＡｓ下部スペーサ層（厚さλ／２ｎ）１０３を形成し、また、ＴＭＧ，ＴＭＡ、ＴＭＩ，ＡｓＨ3，ＤＭＨｙを導入して、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓからなる２重量子井戸活性層１０４を形成し、また、ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入してｐ型ＧａＡｓ上部スペーサ層（厚さλ／２ｎ）１０５を形成し、また、ＴＭＧ，ＴＭＩ，ＰＨ3，ＤＭＺｎを導入して、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層（厚さλ／４ｎ）４０１を形成し、また、ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入して、ｐ型ＡｌＧａＡｓ／ｐ型ＧａＡｓの２８ペアからなる上部半導体ｐ型ＤＢＲ１０６を形成し、また、ＴＭＧ，ＡｓＨ3，ＤＭＺｎを導入して、ｐ+型ＧａＡｓコンタクト層（厚さλ／４ｎ）１０６ａを形成し、これによって、素子構成膜を形成する。
【０１６４】
次に、ＥＢ蒸着法により、素子構成膜上面に絶縁膜（ＳｉＯ2膜）を形成し、このＳｉＯ2膜上に、レジスト塗布を行い、図１２に示すような実施例３と同じレジストパターンを形成する。このとき、このレジストパターンでＢＨＦ液によって、露出しているＳｉＯ2膜をエッチングし、レジスト／ＳｉＯ2マスクパターンを形成する。
【０１６５】
次に、Ｃｌ2ガスを導入するＥＣＲエッチング法で、このマスクパターンにもとづいて、高抵抗部形成用孔１１０を形成する。このとき、孔１１０の底面はエッチングストップ層４０１中になる。
【０１６６】
次に、イオン注入法により、高抵抗部形成用孔１１０を通して４０ｋｅＶのエネルギーでドーズ量２．５×１０14ｃｍ-2のプロトンを打ち込む。
【０１６７】
しかる後、レジストを除去し、その後に３５０℃で素子構成膜を熱処理する。このとき、Ｈ元素（プロトン）が膜面方向にも拡散し、各孔１１０から注入されたＨ元素（プロトン）により形成された高抵抗部が連結し、電流狭窄構造１１１が形成される。また、孔１１０のない共振器を設ける位置に対応する領域には、Ｈ元素（プロトン）は拡散されず、断面積が約２５μｍ2の低抵抗の素子構成膜が残り、これが電流経路部１０４ａとなる。
【０１６８】
次に、ＣＶＤ法で、高抵抗部形成用孔１１０の内壁面を含む素子構成膜上面にＳｉＯ2膜１０７を形成する。しかる後、素子構成膜上面の共振器周辺に形成されたＳｉＯ2膜１０７をＢＨＦ液により除去する。そして、Ａｕ／Ａｕ−Ｚｎ／Ｃｒ上部ｐ側電極膜１０８をＳｉＯ2膜１０７上及びコンタクト層１０６ａ上に蒸着法により形成して、光出射部２０３上のｐ側電極膜をリフトオフ法により除去する。最後に、基板１０１の裏面にｎ側電極１０９を形成して、１．３μｍ帯の面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【０１６９】
このように実施例４では、高抵抗部形成用孔１１０を設け、この孔１１０から素子構成膜中に高抵抗化元素をイオン注入するので、高抵抗部が形成される領域に高抵抗化元素を低い加速エネルギーで注入できる。これにより、位置精度良く、また素子構成膜へのダメージが少なく、電流狭窄構造１１１を形成できる。また、一般的なイオン注入装置を使用できるようになる。さらに、実施例１乃至３の面発光半導体レーザ素子と異なり、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層やトンネル接合層等の機能層を設けなくとも電流狭窄構造１１１を形成できる。
【０１７０】
また、高抵抗部形成用孔１１０の内壁面が、素子構成膜よりも低い屈折率を有する材料（ＳｉＯ2膜１０７）で被覆されているので、光の閉じ込めが良好になり、また、電流の漏れが少なくなり、しきい値電流が低く、発光効率の高い、単一モード出力光の面発光半導体レーザ素子が得られる。
【０１７１】
また、活性層１０４にＧａＩｎＮＡｓ系材料を用いることによって、より高性能なレーザ特性をもち、より製造コストが小さい、光伝送に適用性の高い面発光半導体レーザ素子が得られる。
【０１７２】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１乃至請求項３記載の発明によれば、面発光半導体レーザ素子の素子構成膜の共振器領域の周辺に高抵抗部形成用孔を形成し、前記素子構成膜はトンネル接合層を含み、
トンネル接合消滅種となる分子または元素を前記高抵抗部形成用孔を通して前記トンネル接合層に供給し、前記トンネル接合層の一部の接合を消滅させて電流狭窄構造を形成するので、制御性良く電流狭窄構造を形成でき、放熱性に優れ、安定したレーザ特性が得られる面発光半導体レーザ素子を、低コストで作製することができる。
【０１７３】
また，請求項４乃至請求項７記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザの製造方法により作製された面発光半導体レーザ素子であるので、制御性良く電流狭窄構造を形成でき、放熱性に優れ、安定したレーザ特性をもつ面発光半導体レーザ素子を提供することができる。
【０１７４】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項４乃至請求項７のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザが発光デバイスとして用いられるので、より高性能な光伝送システムをより低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の面発光半導体レーザ素子の構成例を示す図である。
【図２】本発明の面発光半導体レーザ素子の他の構成例を示す図である。
【図３】本発明の面発光半導体レーザ素子の他の構成例を示す図である
【図４】本発明の面発光半導体レーザ素子の他の構成例を示す図である
【図５】本発明の面発光半導体レーザ素子の他の構成例を示す図である
【図６】本発明の面発光半導体レーザ素子を用いた並列伝送方式光通信システムの構成例を示す図である。
【図７】本発明に係る面発光半導体レーザ素子を用いた多波長伝送方式光通信システムの構成例を示す図である。
【図８】本発明の実施例１の面発光半導体レーザ素子を示す図である。
【図９】本発明の実施例１の面発光半導体レーザ素子の製造工程における一工程を示す図である。
【図１０】本発明の実施例２の面発光半導体レーザ素子を示す図である。
【図１１】本発明の実施例３の面発光半導体レーザ素子を示す図である。
【図１２】本発明の実施例３の面発光半導体レーザ素子の製造工程における一工程を示す図である。
【図１３】本発明の実施例４の面発光半導体レーザ素子を示す図である。
【符号の説明】
１０１ 基板
１０２ 下部ミラー層
１０３ 下部スペーサ層
１０４ 活性層
１０５ 上部スペーサ層
１０６ 上部ミラー層
１０７ 絶縁膜
１０８ 上部電極
１０９ 下部電極
１１０ 高抵抗部形成用孔
１１１ 電流狭窄構造
２０１ Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層
２０２ 電流狭窄構造
３０１ トンネル接合層
３０２ 電流狭窄構造
４０１ エッチングストップ層
４０２ 低屈折率層
５０１ 金属膜
Claims (8)
- 面発光半導体レーザ素子の素子構成膜の共振器領域の周辺に高抵抗部形成用孔を形成し、前記素子構成膜はトンネル接合層を含み、
トンネル接合消滅種となる分子または元素を前記高抵抗部形成用孔を通して前記トンネル接合層に供給し、前記トンネル接合層の一部の接合を消滅させて電流狭窄構造を形成することを特徴とする面発光半導体レーザ素子の製造方法。 - 請求項１記載の面発光半導体レーザ素子の製造方法において、前記高抵抗部形成用孔は、エッチングにより形成されることを特徴とする面発光半導体レーザ素子の製造方法。
- 請求項１または請求項２記載の面発光半導体レーザ素子の製造方法において、素子構成膜中にエツチングストップ層を形成し、高抵抗部形成用孔をエッチングにより形成する際に、高抵抗部形成用孔の底面をエッチングストップ層により位置制御することを特徴とする面発光型半導体レーザの製造方法。
- 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子の製造方法により作製されたことを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
- 請求項４記載の面発光半導体レーザ素子において、高抵抗部形成用孔の少なくとも内壁面が、前記素子構成膜を形成する材料よりも低い屈折率を有する材料で被覆又は充填されていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
- 請求項４記載の面発光半導体レーザ素子において、高抵抗部形成用孔の少なくとも内壁面は、金属材料で被覆されており、該金属材料は電極としての機能を有することを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
- 請求項４乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子において、前記素子構成膜中の活性層には、ＧａＩｎＮＡｓ系膜が含まれていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
- 請求項４乃至請求項７のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子が発光デバイスとして用いられることを特徴とする光伝送システム。
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