JP4168202B2 - 垂直空洞半導体面発光レーザ素子および該レーザ素子を用いた光学システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光記録および読み出し用光源、発光表示装置などに使用して好適な垂直空洞半導体面発光レーザ素子、および該垂直空洞半導体面発光レーザ素子を光源に用いたレーザプリンタ装置などの電子写真システム，光情報記録装置，あるいは光インターコネクションを含む光通信システムなどの光学システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板に対して垂直方向に発光、発振する垂直空洞面発光型半導体レーザ素子は効率が高く、ビーム特性、縦モード特性に優れている。さらに、２次元アレイ化に適していることから、光インターコネクションやプリンタ光源などへの応用が研究されている。例えば、波長６３０〜６５０ｎｍの赤色可視領域では高密度光ディスク、レーザプリンタ用光源として注目を浴びている。
【０００３】
面発光レーザ素子は、端面発光型レーザと比べて共振器長が短いことから高い共振器反射率が必要とされ、共振器ミラーとして１００％近い反射率が得られる分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）が用いられている。ＤＢＲは、屈折率の異なる２種の半導体層（または誘電体層）をそれぞれ発振波長の１／４の光学距離に交互に積層して作られている。
【０００４】
ＤＢＲでは２種の半導体層の屈折率差が大きい程少ない積層数で高反射率が得られる。また、共振器による吸収損失を低減し効率を向上させるためにＤＢＲを構成する半導体層は発振光に対し透明であることが必要である。
【０００５】
従来の６３０〜６５０ｎｍ波長帯の半導体レーザ材料であるＡｌＧａＩｎＰ系材料による面発光レーザ素子では、ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＰからなる活性層、ＡｌＧａＩｎＰからなる高屈折率層とＡｌＩｎＰからなる低屈折率層で構成されたＤＢＲが設けられている。
【０００６】
Ａｌを含む半導体材料ではＡｌ組成の増加に伴ってワイドギャップ化し屈折率が小さくなるので、屈折率差から考えるとＡｌＩｎＰとＧａＩｎＰによってＤＢＲを構成することが望ましい。しかし、前述の６３０〜６５０ｎｍ波長帯では反射器を構成するＧａＩｎＰは発振光に対して透明ではなく吸収損失が生じ、共振器効率が低下してしまうという問題がある。
【０００７】
図９はＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰの格子定数とバンドギャップエネルギーの関係を示した図であり、伝導帯Γ点および伝導帯Ｘ点と価電子帯頂上とのバンドギャップエネルギーをそれぞれ示している。同図に示されるように、これらの材料では格子定数の減少に伴ってバンドギャップエネルギーが増加している。
【０００８】
特開平９−１９９７９３号公報に記載された発明では、ＤＢＲによる吸収損失を低減するためにＧａＡｓ半導体基板上に基板より格子定数が小さい、格子不整を有したＡｌＩｎＰ／ＧａＩｎＰからなる積層構造と、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓからなる積層構造を組み合わせてＤＢＲを作製している。上記発明ではＧａＡｓ半導体基板上に、先ずＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓより構成されるＤＢＲを設け、これとの格子不整を解消するための組成傾斜層を挟んでＧａＩｎＰ／ＡｌＩｎＰからなるＤＢＲ、この上部に組成傾斜クラッド層、およびＧａＩｎＰ活性層、さらに、活性層に対称に同様の組成傾斜クラッド層、およびＤＢＲ層を設けている。
【０００９】
この特開平９−１９９７９３号公報に記載された発明は、可視領域の光吸収を低減し、共振器効率を向上させることを目的としており、２種の材料系を用いている理由は、ＡｌＧａＩｎＰ結晶が格子不整を有していることと、後述するように同材料を結晶性よく成長することが困難であることによる。つまり、光強度が大きい活性層近辺では吸収の少ないＡｌＧａＩｎＰ系材料でＤＢＲを形成し、活性層から離れた部分では、積層数の増加による結晶性の低下を防止するためにＡｌＧａＡｓ系材料によってＤＢＲを形成している。
【００１０】
また、別の従来技術として、特開平１０−２００２０２号公報に、ＧａＩｎＰ基板上に形成される垂直空洞面発光レーザが開示されている。この公報に開示されている垂直空洞面発光レーザでは、Ｇａ0.75Ｉｎ0.25Ｐ基板上に、これと格子整合するＡｌＩｎＰ／ＧａＩｎＰ ＤＢＲ、およびＧａＩｎＰからなる活性層を設けた例が示されており、格子不整による結晶性低下の問題を改善している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平９−１９９７９３号公報に記載された素子では、格子定数を変化させるために素子内に格子定数の異なるＤＢＲを複数有しており、さらに基板に対して格子不整となるＤＢＲは２０ペア（４０層）と厚さが厚いために、たとえ格子不整解消層を用いても良質の結晶を得ることは難しい。
【００１２】
また、上記特開平１０−２００２０２号公報に記載されたレーザ素子は、基板格子定数をＧａＡｓよりも小さく選ぶことにより、６３５〜６５０ｎｍ波長帯に対して吸収のないＧａＩｎＰ層を格子整合させているが、ＡｌＩｎＰまたはＧａＩｎＰなどの材料系はＡｌまたはＧａ組成の増加に伴って、つまり格子定数が小さくなるに従って、丘状欠陥などが発生しやすくなるという問題があり、この根本的解決には至っていない。丘状欠陥などの発生はＡｌ組成の増加に対して顕著であって、ＡｌＩｎＰ半導体材料においては特に問題となる現象である。このような丘状欠陥はヘテロ界面の均一性を著しく悪くし光散乱による損失を増大させるので、ＤＢＲの共振器効率を劣化させる原因となる。
【００１３】
また、上記特開平１０−２００２０２号公報に記載された発明では、活性層材料にＧａＩｎＰ半導体を用いているため、６３０〜６５０ｎｍの発振波長を得る際に基板として用いることのできる格子定数が制限されている。つまり、ＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＰの波長は６５０ｎｍ程度であり、これより格子定数の小さいＧａＩｎＰでは格子定数の減少に伴って短波となる。従って、上述の発振帯域を得るにはＧａ組成を小さくして長波化する必要がある。しかし、Ｇａ組成を小さくすることで圧縮歪みが導入される。従って、結晶性などを考慮すると基板に用いることのできる格子定数はＧａＡｓに近い値に制限されてしまい設計の自由度は小さい。
【００１４】
この他にも素子部の格子定数が従来のＧａＡｓの値から変化することで、素子を形成する各層の材料設計、選択が可能な混晶材料も変化する。これによって、従来、材料の格子定数に制限されていた素子特性は改善が可能となる。特開平１０−２００２０２号公報の素子は、主にＤＢＲによる吸収損失の改善のみについて考案されたものであって、他の特性の改善については何ら言及されていない。以上の問題を含め、ＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有する面発光レーザ素子の特性は改善の余地がある。
【００１５】
本発明の目的は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、請求項１〜８記載の発明の目的は、主に、６３０ｎｍ〜６６０ｎｍ波長帯で発振する特性を改善した垂直空洞半導体面発光レーザ素子を提供することであり、請求項９〜１２記載の発明は、これらの垂直空洞半導体面発光レーザ素子を光源に適用した各種光学システムを提供することである。
【００１６】
【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記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、発振波長が 630nm から 660nm であって、ＧａＡｓＰ基板またはＧａＩｎＰ基板上に、屈折率差を有する２種の半導体層から構成された分布ブラッグ反射器が積層された垂直空洞半導体面発光レーザ素子であって、前記分布ブラッグ反射器を構成している２種の半導体層はＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有し、かつ、前記基板に格子整合しており、前記分布ブラッグ反射器を構成している２種の半導体層の内、少なくとも１つが（Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１）ｙ１Ｉｎ１−ｙ１Ａｓｚ１Ｐ１−ｚ１（０＜ｘ１≦１，０.５≦ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１）層から構成されたことを特徴としている。
【００１８】
請求項２記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、活性層の両側にＧａｙ 3Ｉｎ１−ｙ 3Ｐ（０.５≦ｙ３≦１）半導体層が設けられていることを特徴としている。
【００１９】
請求項３記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、前記分布ブラッグ反射器の上面に電極が設けられ、該分布ブラッグ反射器の上面から発振光を取り出す垂直空洞半導体面発光レーザ素子であって、該電極と導通を取るための半導体層が発振光に対して透明であることを特徴としている。
【００２０】
請求項４記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、発振波長が 630nm から 660nm であって、ＧａＡｓＰ基板またはＧａＩｎＰ基板上に、屈折率差を有する２種の半導体層から構成された分布ブラッグ反射器が積層された垂直空洞半導体面発光レーザ素子であって、前記分布ブラッグ反射器を構成している２種の半導体層はＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有し、かつ、前記基板に格子整合しており、該分布ブラッグ反射器がＡｌＡｓｚ４Ｐ１−ｚ４（０＜ｚ４≦１）半導体層を含んでいることを特徴としている。
【００２１】
請求項５記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、前記ＡｌＡｓ ｚ４ Ｐ １−ｚ４ （０＜ｚ４≦１）半導体層が選択酸化工程によって電流狭窄構造を形成していることを特徴としている。
【００２３】
請求項６記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の垂直空洞半導体レーザ素子において、光出射面を基板側としたことを特徴としている。
【００２４】
請求項７記載の垂直空洞半導体レーザ素子は、請求項６に記載の垂直空洞半導体レーザ素子において、ＧａＡｓＰ半導体基板が用いられ、該半導体基板と分布ブラッグ反射器の間にＧａＩｎＡｓＰ層が設けられていることを特徴としている。
【００２５】
請求項８記載の垂直空洞半導体レーザ素子は、請求項６に記載の垂直空洞半導体レーザ素子において、ＧａＡｓＰ半導体基板が用いられ、該半導体基板と分布ブラッグ反射器の間にＧａＩｎＰ層が設けられていることを特徴としている。
請求項９記載の光学システムは、請求項１〜８のいずれか１項に記載の垂直空洞半導体レーザ素子を光源に用いたことを特徴としている。
【００２６】
請求項１０記載の発明は、前記光学システムが電子写真システムであり、請求項１１記載の発明は、前記光学システムが光情報記録装置であり、請求項１２記載の光学システムは光通信システムであることを特徴としている。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を各請求項に対応させて詳細に説明する。
（実施例１）
実施例１は、請求項１記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例である。
請求項１記載の発明は、分布ブラッグ反射器がＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有し、分布ブラッグ反射器を構成している２種の半導体層の内、少なくとも1つを、（Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１）ｙ１Ｉｎ１−ｙ１Ａｓｚ１Ｐ１−ｚ１（０＜ｘ１≦１，０.５≦ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１）層から構成したものである。
【００２８】
請求項１記載の発明は、分布ブラッグ反射器を構成している２種の半導体層の内、少なくとも１つを、（Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１）ｙ１Ｉｎ１−ｙ１Ａｓｚ１Ｐ１−ｚ１（０＜ｘ１≦１，０.５≦ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１）層で構成することにより、以下のような効果を奏する。
すなわち、図９に示したように、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ半導体材料は格子定数の減少に伴ってバンドギャップエネルギーが増大する。従って、この領域の格子定数を有するＤＢＲは６３０〜６５０ｎｍ波長帯の発振光に対して光吸収を生じない。よって導波損失は低減する。さらに組成にＡｓを含んでいることにより、ＤＢＲを構成する半導体層の丘状欠陥、界面のうねりを低減することができる。これによって高いＤＢＲの到達反射率を達成することが可能となる。
【００２９】
ＡｌＩｎＰやＡｌＧａＩｎＰなどの半導体混晶では、Ａｌ組成の増加に伴って丘状欠陥などの表面欠陥、または成長表面のうねりが顕著になる傾向がある。これは（１００）面から面方位が傾斜した基板を用いたり、成長温度を高温化するなどの手法によってある程度の低減はできるものの、完全な抑制は難しい。
【００３０】
しかし、本願の発明者らの実験によれば、ＡｌＧａＩｎＰ半導体混晶にＡｓ元素を添加することにより丘状欠陥の発生が抑制されることが分かった。この際に添加するＡｓ元素の量は、Ｖ族元素の組成比で１〜２％程度でも十分な効果を得ることができる。この方法では、成長条件や使用する基板の面方位に影響されず効果が得られる利点がある。従って、請求項１の如きＡｓを組成に含んだＡｌＧａＩｎＡｓＰ材料を用いることで、界面の平坦性に優れたＤＢＲを得ることができる。
【００３１】
図１は、請求項１記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
図１の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、ＧａＡｓ格子定数に対し−１.４％の格子不整となるｎ−ＧａＡｓＰ基板１０２上に、ｎ−ＧａＡｓＰバッファー層１０３、ｎ−ＡｌＩｎＡｓＰ／ｎ−ＧａＩｎＡｓＰの積層構造からなるＤＢＲ１０４、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓＰクラッド層１０５、アンドープＧａＩｎＰ活性層１０６、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓＰクラッド層１０７、ｐ−ＡｌＩｎＡｓＰ／ｐ−ＧａＩｎＡｓＰの積層構造よりなるＤＢＲ１０８、ＧａＩｎＰスパイク防止層１０９、およびＧａＡｓＰコンタクト層１１０を順次ＭＯＣＶＤ法（Metalorgnic Chemical Vapor Deposition；有機金属化学気相成長法）で成長した後、フォトリソグラフィーによってレジストパターンを形成し、ＧａＡｓＰコンタクト層からクラッド層１０７までのレジストが被覆されていない領域をエッチング除去してｐ型ＤＢＲをポスト状に加工する。ＤＢＲ、クラッド層、スパイク防止層およびコンタクト層は基板に格子整合している。
【００３２】
この後、ＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition法）によるＳｉＯ2絶縁層１１１を堆積し、フォトリソグラフィーによってｐ型ＤＢＲ１０８上にレジストマスクの開口を形成し、開口領域のＳｉＯ2絶縁層を除去した後、再びｐ型ＤＢＲ１０８上にレジストマスクの開口を形成して、開口領域のＧａＡｓＰコンタクト層１１０を除去し、さらに、ｐ型ＤＢＲ１０８上に円形のレジストマスクを形成し、ｐ側電極材料を蒸着した後、レジストマスク上の電極材料をリフトオフし、ドーナツ状のｐ側電極１１２を形成している。また、ｎ側電極１０１は基板研磨の後、蒸着によって形成した。この後、アニールによってオーミック導通をとった。
【００３３】
この構成において、レーザ発振光は、ドーナツ状のｐ側電極１１２の開口部分から出射される。この際、ＧａＡｓＰコンタクト層１１０は、発振光に対して透明でないので除去されている。ＤＢＲを形成する各層の厚さはそれぞれλ／４光学距離に作製されている。また、活性層１０６を含むクラッド領域の厚さはλ／２光学距離の整数倍に形成されている。クラッド層に接するＤＢＲ構成層屈折率がクラッド層屈折率より小さい場合は、λキャビティー、これと逆の場合はλ／２キャビティーとなるように構成する。
【００３４】
本実施例の素子の活性層１０６は、６３５ｎｍの発振光が得られる組成のＧａＩｎＰを用いており、基板１０２からは圧縮歪み応力を受けている。また、クラッド層，ＤＢＲの一部にはＡｓを組成に含むＡｌＧａＩｎＡｓＰ，ＡｌＩｎＡｓＰを用いている。Ｖ族元素に対するＡｓ組成は２％である。本構成で成長表面にヒロックの発生がなく、均一な界面が形成された。これによってＤＢＲの特性が向上し、発振閾値電流、および素子寿命などの素子特性が向上した。
【００３５】
（参考例１）
参考例１の発明は、分布ブラッグ反射器がＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有する垂直空洞半導体面発光レーザ素子において活性層をＧａＩｎＡｓＰ半導体材料で構成したものであり、さらに具体的には、分布ブラッグ反射器がＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有し、活性層をＧａｙ 2Ｉｎ１−ｙ 2Ａｓｚ 2Ｐ１−ｚ 2（０＜ｙ２≦１，０＜ｚ２≦１）半導体層から形成したものである。
【００３６】
参考例１の発明によれば、活性層がＧａＩｎＡｓＰで構成されているので、Ａｓの含有量によって発光波長、およびＤＢＲに対する歪み量を調整することができる。
【００３７】
ＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＰの波長は６５０ｎｍ程度であり、これより格子定数の小さいＧａＩｎＰでは格子定数の減少に伴って短波となる。従ってＧａＩｎＰ活性層で長波長化を行うためには、Ｇａ組成を小さくする必要があるが、この場合圧縮歪み応力が導入される。
【００３８】
ＧａＩｎＡｓＰ活性層では、Ａｓの増加によって、バンドギャップエネルギーを減少させるとことができる。この際、格子定数は大きくなるので、予めＤＢＲに対して格子定数の小さいＧａＩｎＰにＡｓ元素を添加する手法を取ればよい。Ａｓ元素によるバンドギャップエネルギーの変化は、これによって生じる歪みによるエネルギー変化、また、ＧａＩｎＰにおけるＧａ組成によるエネルギー変化に比べて大きいので、容易に長波長化でき、さらにＤＢＲとの格子不整度も小さくすることができる。
【００３９】
例えば、Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｐ基板上に設けたＧａＩｎＰ活性層によって発振波長６６０ｎｍを得るためには、活性層の組成はＧａ0.45Ｉｎ0.55Ｐ程度とする必要がある。この際、活性層の歪み量は約１.９％程度である。しかし、本実施例にように、Ｇａ0.8Ｉｎ0.2Ａｓ0.5Ｐ0.5活性層を用いれば、およそ半分程度の歪み量で波長６６０ｎｍの発振光を得ることができる。活性層にＧａＩｎＡｓＰを用いることにより歪みによる活性層の結晶性の劣化が低減する。これによって、同じ発振波長をＧａＩｎＰ活性層よりも少ない歪み量で得ることが可能になる。
【００４０】
さらに、ＤＢＲの格子定数をさらにＧａＰに近い値に設定できる。つまり、格子定数の減少によってＡｌＩｎＡｓＰの屈折率をさらに小さくすることができるので、ＡｌＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓＰ層の屈折率差は大きくなり、ＤＢＲの積層数を減少させることができる。
【００４１】
図２は、参考例１の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
同図において、ｎ側電極２０１、ｎ−ＧａＡｓＰ基板２０２、ｎ−ＧａＡｓＰバッファ２０３、ｎ−ＡｌＩｎＡｓＰ／ＧａＡｓＰからなるＤＢＲ２０４、ＡｌＧａＩｎＡｓＰクラッド層２０５，２０７、ｐ−ＧａＩｎＰスパイク防止層２０９、ｐ−ＧａＡｓＰコンタクト層２１０、ＳｉＯ２絶縁層２１１、ｐ側電極２１２が、実施例１（図１）の、ｎ側電極１０１、ｎ−ＧａＡｓＰ基板１０２、ｎ−ＧａＡｓＰバッファ１０３、ＡｌＧａＩｎＡｓＰクラッド層１０５，１０７、ｐ−ＧａＩｎＰスパイク防止層１０９、ｐ−ＧａＡｓＰコンタクト層１１０、ＳｉＯ２絶縁層１１１、ｐ側極１１２に、それぞれ対応している。
【００４２】
図２の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、活性層２０６の半導体材料をＧａＩｎＡｓＰとして、実施例１と同様の方法、手順によって作製される。ＧａＡｓＰ基板２０２はＧａＡｓに対して−２.０％の格子不整となるものを用いた。
【００４３】
また、クラッド層およびＤＢＲの一部にはＡｓを組成に含むＡｌＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓＰを用いている。これによって、実施例１と同様に丘状欠陥の発生が抑制された。本参考例では、ＤＢＲの高屈折材料としてＧａＡｓＰを用いている。実施例の基板格子定数を有するＧａＡｓＰは発振光に対して透明であるのでＤＢＲ材料として用いることができる。
【００４４】
また、本参考例の素子の活性層２０６は６５０ｎｍの発振光が得られる組成のＧａＩｎＡｓＰを用いた。Ａｓを添加したことでＧａＩｎＰを活性層材料に用いた実施例１の場合と比べ、活性層の歪み量が約１／２に低減されている。基板格子定数もＧａＰに近い値とすることが容易になっている。このため、ＤＢＲを構成する層の屈折率差を大きくすることができ、積層数は低減されている。活性層歪み量の低減により結晶性が向上し、ＤＢＲ積層数低減により素子抵抗は減少した。
【００４５】
（実施例２）
実施例２は、請求項２記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例である。
請求項２に記載された発明は、分布ブラッグ反射器がＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有する垂直空洞半導体面発光レーザ素子において、活性層の両側にＧａｙ 3Ｉｎ１−ｙ 3Ｐ（０.５＜ｙ３≦１）半導体層（キャリア閉じ込め層）を設けたものである。
【００４６】
前述したようにＧａＩｎＰ半導体材料は、格子定数の減少に伴ってバンドギャップエネルギーが増大する（図９参照）。従って、ＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有するＤＢＲに格子整合して作製されるＧａＩｎＰ層のバンドギャップエネルギーは６３０〜６５０ｎｍ帯に対して大きく、活性層へのキャリア閉じ込め層として機能する。
【００４７】
ＡｌＧａＩｎＰのようにＡｌを含む半導体発光素子には、Ａｌ元素による非発光再結合、素子寿命、信頼性の低下の問題がある。このために、発光領域である活性層近辺に設けられる半導体層のＡｌ含有量はより低いことが望まれる。しかし、レーザ発振の閾値電流密度を低減するためには、活性層よりもバンドギャップエネルギーの大きな半導体層、該材料系の場合はＡｌＧａＩｎＰをキャリア閉じ込め層とする必要がある。
【００４８】
このことは、従来の該材料系から構成される発光素子において共通の課題であるが、本発明のようにＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数ではＧａＩｎＰによって効率よくキャリア閉じ込めを行えるので、活性領域をＡｌ元素を含まないで形成することができる。よって上述の特性劣化を低減することが可能になる。
【００４９】
図３は、請求項２記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
同図において、ｎ側電極３０１、ｎ−ＧａＡｓＰ基板３０２、ｎ−ＧａＡｓＰ基板３０３、ｎ−ＡｌＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＰからなるＤＢＲ３０４、ＳｉＯ２絶縁層３１０、ｐ側電極３１１が、実施例１（図１）の、ｎ側電極１０１、ｎ−ＧａＡｓＰ基板１０２、ｎ−ＧａＡｓＰバッファ１０３、ｎ−ＡｌＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＰからなるＤＢＲ１０４、ＳｉＯ２絶縁層１１１、ｐ側極１１２に、それぞれ対応している。
【００５０】
図３の垂直空洞半導体面発光レーザ素子において、活性層３０６の半導体材料をＧａＩｎＡｓＰ、キャリア閉じ込め層３０５，３０７の半導体材料をアンドープＧａＩｎＰとして、実施例１と同様の方法、手順でｐ−ＤＢＲ３０８までを積層した後、ｐ−ＧａＩｎＰコンタクト層３０９を積層し、フォトリソグラフィーによってレジストパターンを形成し、ＧａＩｎＰコンタクト層からクラッド層３０６までのレジストが被覆されていない領域をエッチング除去してｐ型ＤＢＲをポスト状に加工している。
【００５１】
この後、ＣＶＤ法によるＳｉＯ2３１０を堆積し、フォトリソグラフィーによってｐ型ＤＢＲ上にレジストマスクの開口を形成し、開口領域のＳｉＯ2を除去し、さらに、ｐ型ＤＢＲ上に円形のレジストマスクを形成し、ｐ側電極材料を蒸着した後、レジストマスク上の電極材料をリフトオフし、ドーナツ状電極３１１を形成している。また、ｎ側電極３０１は基板研磨の後、蒸着によって形成した。この後、アニールによってオーミック導通をとった。
【００５２】
ＤＢＲの一部にはＡｓを組成に含むＡｌＩｎＡｓＰを用いた。これによって、実施例１と同様に丘状欠陥の発生を抑制することができた。
【００５３】
（実施例３）
実施例３は、請求項３記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例である。
請求項３に記載された発明は、分布ブラッグ反射器がＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有し、該分布ブラッグ反射器の上面に電極が設けられた垂直空洞半導体面発光レーザ素子において、電極と導通を取るための半導体層（コンタクト層）として、発振光に対して透明な半導体層を用いたものである。
【００５４】
請求項３記載の発明によれば、電極と導通をとるための半導体層（コンタクト層）が発振光に対して透明であるので、この半導体層による吸収損失を防止することができる。また、光取り出しのために前記半導体層を除去する工程が省略できる。
前記半導体層の材料として、例えばＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰなどが挙げられる。ＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数では、ＧａＩｎＰは、６３０〜６６０ｎｍ帯の光に対して透明であるので、基板に格子整合して得ることができる。
【００５５】
ＧａＡｓＰはＡｓ組成０.６３程度以上では前記波長帯に対して吸収があるがこれ以下では透明であるので、このような組成では基板に格子整合して用いることができる。また、高濃度ドーピングはＧａＡｓＰの方が容易に行えるので、ＤＢＲ、基板に格子整合して透明なＧａＡｓＰ層を得ることができない場合は、歪みを有する発振光に対して透明なＧａＡｓＰ層を用いてもよい。
【００５６】
また、本垂直空洞半導体面発光レーザ素子では、請求項３の実施例として、コンタクト層にｐ−ＧａＩｎＰを用いた（図３参照）。上記基板に格子整合するＧａＩｎＰは発振光に対し透明であるので除去する工程が省略できる。
【００５７】
本実施例の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の活性層には６３５ｎｍの発振光が得られる組成のＧａＩｎＡｓＰを用いている。また、キャリア閉じ込め層は基板およびＤＢＲに格子整合している。キャリア閉じ込め層は発振光に対して透明であって、さらにＡｌ元素を組成に含まない。このように活性領域をＡｌ元素を含まずに形成したことで、Ａｌ元素に起因する非発光再結合電流を低減することができた。また、Ａｌ元素に起因する結晶欠陥の活性層への移動、増殖も低減され、素子寿命、信頼性が向上した。
【００５８】
（実施例４）
実施例４は、請求項４記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例である。
請求項４記載の発明は、分布ブラッグ反射器がＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有し、ＡｌＡｓｚ４Ｐ１−ｚ４（０＜ｚ４≦１）半導体層を含んた垂直空洞半導体面発光レーザ素子である。
【００５９】
請求項４記載の発明によれば、より少ない総数で高い反射率を有するＤＢＲを得ることができる。ＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数では、反射器の材料としてＡｌＩｎＰの他にＡｌＡｓＰ半導体材料を用いることができる。
【００６０】
ＡｌＡｓＰの屈折率は同じ格子定数のＡｌＩｎＰ半導体材料と比較して小さいと見積もられる。これは材料的な性質の他に、主としてＡｌＡｓＰの方が伝導体Γ点と価電子帯間のバンドギャップエネルギーが大きいことによる。従って、ＡｌＡｓＰ／ＧａＩｎＰの積層構造によって形成されるＤＢＲは、ＡｌＩｎＰ／ＧａＩｎＰの積層構造によるＤＢＲと比べ少ない層数で高い反射率を得ることができる。従って、ＤＢＲによる素子抵抗を低減することができる。また、Ｉｎ元素を含まないことからＡｓ組成が大きく、丘状欠陥の発生は完全に防止できる。
【００６１】
図４は、請求項４記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
同図において、ｎ側電極４０１、ｎ−ＧａＡｓＰ基板４０２、ｎ−ＧａＡｓＰ基板４０３、アンドープＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層４０５，４０７、ｐ−ＧａＩｎＰコンタクト層４０９、ＳｉＯ２絶縁層４１０、ｐ側電極４１１が、実施例３（図３）のｎ側電極３０１、ｎ−ＧａＡｓＰ基板３０２、ｎ−ＧａＡｓＰ基板３０３、アンドープＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層３０５，３０７、ｐ−ＧａＩｎＰコンタクト層３０９、ＳｉＯ２絶縁層３１０、ｐ側電極３１１に、それぞれ対応している。
【００６２】
図４の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、ＤＢＲを構成する層をＡｌＡｓＰ／ＧａＩｎＰとして実施例３と同様の方法、手順によって作製されている。しかし、本実施例の素子はＤＢＲ４０４，４０８として基板と格子整合する組成のＡｌＡｓＰ／ＧａＩｎＰを用いている点で実施例３の構成（図３のＤＢＲ３０４，３０８参照）と異なっている。同じ格子定数ではＡｌＡｓＰの方がＡｌＩｎＰと比べ屈折率が小さいので、ＧａＩｎＰ層との屈折率差を大きくすることができる。これによってＤＢＲの層数を減らすことができ、素子抵抗を低減できる。また、ＡｌＡｓＰ層と対にする他の半導体層はＧａＩｎＰ層以外であってもよい。例えば、ＡｌＧａＡｓＰを用いれば、Ｇａ原料の切り替えのみによってＤＢＲの積層を作製することができ、作製工程を大幅に簡略化できる。
【００６３】
（実施例５）
実施例５は、請求項５記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例である。
請求項５記載の発明は、分布ブラッグ反射器がＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有する垂直空洞半導体面発光レーザ素子において、ＡｌＡｓ ｚ４ Ｐ １−ｚ４ （０＜ｚ４≦１）半導体層を選択酸化工程によって酸化し、電流狭窄構造を形成している。
【００６４】
この際、ＡｌＡｓＰ層はＤＢＲを構成する低屈折率層の全てではなく、一部であってもよい。活性層付近のみＡｌＡｓＰ層とし、その他の低屈折率層をＡｌＩｎＡｓＰとして選択酸化を行えば、活性層近辺にのみＡｌＡｓＰによる酸化領域が形成され、素子抵抗を不必要に増加させることなく電流狭窄構造を設けることができる。
【００６５】
さらに、この際ＡｌＡｓＰ層は他のＤＢＲ構成層と必ずしも格子整合している必要はなく、歪みを有していてもよい。ＤＢＲの一部にのみ用いればよいので、ＡｌＡｓ層なども大きな結晶性の低下を生じずに用いることができる。
【００６６】
請求項５記載の発明によれば、閾値電流の小さな面発光半導体レーザ素子を得ることができる。請求項６記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子では、ＤＢＲを構成するＡｌＡｓＰのIII族元素はＡｌのみであることから酸化させることが容易である。Ａｌの酸化層は絶縁層として機能するので、電流通路を残して該半導体層を選択的に酸化させてＤＢＲ中に電流狭窄構造を作り込むことができる。これによってＤＢＲ中に電流狭窄構造を有する面発光レーザを容易に得ることができる。
【００６７】
図５は、請求項５記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
同図において、ｎ側電極５０１、ｎ−ＧａＡｓＰ基板５０２、ｎ−ＧａＡｓＰ基板５０３、ＡｌＡｓＰ／ＧａＩｎＰＤＢＲ５０４、アンドープＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層５０５，５０７、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０６、ｐ−ＧａＩｎＰコンタクト層５１０、ＳｉＯ２絶縁層５１１、ｐ側電極５１２が、実施例５（図４）のｎ側電極４０１、ｎ−ＧａＡｓＰ基板４０２、ｎ−ＧａＡｓＰ基板４０３、ＡｌＡｓＰ／ＧａＩｎＰＤＢＲ４０４、アンドープＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層４０５，４０７、ＧａＩｎＡｓＰ活性層４０６、ｐ−ＧａＩｎＰコンタクト層４０９、ＳｉＯ２絶縁層４１０、ｐ側電極４１１に、それぞれ対応している。
【００６８】
図５の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、活性層側のｐ−ＤＢＲ５０８を構成する層をｐ−ＡｌＡｓＰ／ＧａＩｎＰとして実施例５（図４）と同様の方法、手順によってｐ−ＤＢＲをポスト状に加工した後に、水蒸気雰囲気中において加熱し、エッチング端面からＡｌＡｓＰ層を酸化することで電流狭窄構造を設けている。この後、実施例５（図４）と同様の手順、方法により電極形成が行われる。
【００６９】
ＡｌＡｓＰ層はIII族元素がＡｌのみであることからＡｌＩｎＡｓＰなどに比べて酸化されやすく活性層近辺のＤＢＲのみ酸化が進む。ＤＢＲ全体をＡｌＡｓＰ／ＧａＩｎＰ層で構成してもよいが、不必要に素子抵抗を高くしないためにも、図５に示すように活性層に近い領域のみＡｌＡｓＰ／ＧａＩｎＰ層とすることが望ましい。
【００７０】
また、活性層近辺の一部を選択酸化する場合には、ＡｌＡｓＰ／ＧａＩｎＰ積層構造の代わりにＡｌＡｓ／ＧａＩｎＰ積層構造としても結晶性を低下させることなく用いることができる。
本実施例の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、電流狭窄構造によって閾値電流を低減させることができ、その結果、素子特性を向上することが可能になった。
【００７１】
（参考例２）
参考例２の発明では、分布ブラッグ反射器がＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有する垂直空洞半導体面発光レーザ素子において、分布ブラッグ反射器と活性層の間にＡｌＡｓｚ６Ｐ１−ｚ６（０≦ｚ６≦１）半導体層を含み、該ＡｌＡｓＰ層が選択酸化工程によって電流狭窄構造を形成していることを特徴としている。
【００７２】
この際、ＡｌＡｓＰ層は他のＤＢＲ構成層と必ずしも格子整合している必要はなく、歪みを有していてもよい。１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度で十分効果が得られるので、ＡｌＡｓ層なども大きな結晶性の低下を生じずに用いることができる。
【００７３】
請求項５の説明で述べたように、ＡｌＡｓＰ層は選択酸化によって絶縁層として機能する。請求項７記載の発明によれば閾値電流の小さな面発光半導体レーザ素子を得ることができる。
【００７４】
選択酸化層は活性層に近い程電流狭窄層通過後の拡散による電流広がりを小さくすることができる。よって、参考例２の発明によれば、高効率に電流狭窄を行うことができる。また、ＡｌＡｓＰ層の選択酸化された領域は屈折率が小さくなることから光の横モード制御を行うことができる。
【００７５】
図６は、参考例２の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
同図において、ｎ側電極６０１、ｎ−ＧａＡｓＰ基板６０２、ｎ−ＧａＡｓＰバッファ６０３、ＡｌＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＰＤＢＲ６０４，６１１、アンドープＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層６０５，６０７、ＧａＩｎＡｓＰ活性層６０６、ｐ−ＧａＩｎＰコンタクト層６１０、ＳｉＯ２絶縁層６１２、ｐ側電極６１３が、実施例２（図３）のｎ側電極３０１、ｎ−ＧａＡｓＰ基板３０２、ｎ−ＧａＡｓＰ基板３０３、ＡｌＡｓＰ／ＧａＩｎＰＤＢＲ３０４，３０８、アンドープＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層３０５，３０７、ＧａＩｎＡｓＰ活性層３０６、ｐ−ＧａＩｎＰコンタクト層３０９、ＳｉＯ２絶縁層３１０、ｐ側電極３１１に、それぞれ対応している。
【００７６】
図６の垂直空洞半導体面発光レーザ素子では、実施例２と同様の方法手順によってアンドープＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層６０７まで積層した後、ｐ−ＡｌＡｓＰ被選択酸化層６０８，アンドープＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層６０９、ｐ−ＧａＩｎＰコンタクト層６１０、アンドープＡｌＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＰの積層構造よりなるＤＢＲ６１１を積層し、フォトリソグラフィーによって円形のレジストマスクを形成し、ＤＢＲ上層からＧａＩｎＰコンタクト層６１０までの各層を順次エッチング除去し、ＤＢＲ６１１をポスト状に加工している。
【００７７】
次に、フォトリソグラフィーによってポスト状ＤＢＲ６１１の周囲に円形のレジストマスクを形成し、ＧａＩｎＰコンタクト層６１０からＧａＩｎＰクラッド層（キャリア閉じ込め層）６０７までの各層を順次エッチング除去した。次に水蒸気雰囲気中にて加熱し、ＡｌＡｓＰ被選択酸化層６０８を端面から酸化させ、選択酸化領域による電流狭窄構造を設けた。この後、上記の実施例と同様の手順方法によって電極を形成した。
【００７８】
本参考例の垂直空洞半導体面発光レーザ素子では、ＡｌＡｓＰの選択酸化構造により電流狭窄が行える。また、電流狭窄層が活性層６０６に近いことから、電流狭窄層通過後の電流広がりを抑制することができ、さらに選択酸化部分と非酸化部分の屈折率差によって横モード制御を行うことができる。これによって素子の閾値電流は低減され、単一横モードで安定に発振した。
【００７９】
また、ＡｌＡｓＰ被選択酸化層６０８の厚さは１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度と十分薄膜でよいので、ＡｌＡｓＰ層の代わりにＡｌＡｓ層を用いても結晶性を著しく低下させることはない。
【００８０】
また、以上の実施例，参考例は全て基板としてＧａＡｓＰ基板を用いたが、ＧａＩｎＰ基板を用いてもよく、ＧａＡｓ基板などの上に、ＶＰＥ法などによって組成傾斜層を積層して作製した後素子部を形成してもよい。
【００８１】
（実施例６）
実施例６は、請求項６記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例である。
請求項６記載の発明は、ＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有するＡｌＧａＩｎＡｓＰ半導体材料によるＤＢＲを有する垂直空洞半導体面発光レーザ素子において、光出力を基板側ＤＢＲより取り出すことを特徴としている。
【００８２】
請求項６記載の垂直空洞半導体レーザ素子は、基板側を上面としたジャンクションダウンによって実装することができる。従って素子の放熱性が向上する。
【００８３】
図７は、請求項６記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
同図において、ｎ側電極８０１、ｎ−ＧａＡｓＰバッファ８０３、ＡｌＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＰＤＢＲ８０４，８０８、アンドープＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層８０５，８０７、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０６、ＳｉＯ２絶縁層８１１、ｐ側電極８１２が、実施例７（図６）のｎ側電極６０１、ｎ−ＧａＡｓＰバッファ６０３、ＡｌＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＰＤＢＲ６０４，６１１、アンドープＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層６０５，６０７、ＧａＩｎＡｓＰ活性層６０６、ＳｉＯ２絶縁層６１２、ｐ側電極６１３に、それぞれ対応している。
【００８４】
図７の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、半導体基板として、ＶＰＥ法によってｎ−ＧａＰ母体基板８１３上にＧａＰからＧａＡｓＰへ徐々に組成を変化させたｎ−ＧａＡｓＰ組成傾斜層８１４、およびｎ−ＧａＡｓＰ厚膜を成長させたＧａＡｓＰ基板を用いて作製されている。活性層８０６は、発振波長６３５ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ半導体材料とし、ＧａＡｓＰ基板８１３は活性層８０６よりもバンドギャップエネルギーが大きい組成を用いた。
【００８５】
本垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、実施例１と同様の手法、手順によりポスト部を形成し、ｐ側オーミック電極８１２を形成した。素子裏面の基板表面にメサ部にアライメントさせたレジストパターンを形成し、ｎ側電極８０１を蒸着した後レジスト上電極材料のリフトオフを行った後、リフトオフ部へ発振波長の１／４光学厚さのＳｉＯ2反射防止膜８１５を蒸着した。
【００８６】
ＧａＰ母体基板８１３および本実施例のＧａＡｓＰ組成傾斜層８１４での発振光の吸収は無視できるので、光出射部の基板を除去する必要がなく製造工程を簡略化できた。
また、本実施例では、半導体基板の例としてＶＰＥ法によるＧａＰ母体基板８１３上のＧａＡｓＰ基板（８１４，８０３）を用いているが、他の製造方法によって作製されたものであってもよい。また、吸収のない基板としてはこの他にもＧａＩｎＰ基板などを用いることもできる。
【００８７】
（実施例７）
実施例７は、請求項７および８記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例である。
請求項７記載の発明は、ＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有するＡｌＧａＩｎＡｓＰ半導体材料によるＤＢＲを有する垂直空洞半導体面発光レーザ素子において、半導体基板としてＧａＡｓＰ基板を用い基板側ＤＢＲと基板の間にＧａＩｎＡｓＰエッチングストップ層を設けたものである。
【００８８】
請求項７記載の垂直空洞半導体レーザ素子によれば、請求項６と同様に基板側から光出力を取り出す様式の垂直空洞半導体レーザ素子において、発振光の吸収を生ずるＧａＡｓＰを基板として用いた際の光出射部分の基板除去工程を簡略化することができる。
【００８９】
ＧａＡｓＰは、Ａｓ組成０.６３以上では６３０〜６６０ｎｍの光に対しては透明でない。従って用いる組成によっては発振光を吸収する場合がある。この場合、基板側から光出力を得るためには光出射部分の基板を除去する必要がある。ＧａＡｓＰ基板のエッチャントとしては硫酸系エッチャントなどが挙げられるが、これらのエッチャントはＡｌＧａＩｎＡｓＰに対してもエッチング作用がある。このため、ＤＢＲが前記材料によって構成されている場合には素子部を侵食する場合がある。
【００９０】
しかし、Ａｓ組成がＧａＡｓＰ基板のＡｓ組成よりも小さなＧａＩｎＡｓＰ半導体材料では、これらのエッチャントを用いた場合のＧａＡｓＰ基板との選択性が高い。従って、ＤＢＲ部と基板との間にＧａＩｎＡｓＰ半導体層をエッチングストップ層として設けることで素子部への侵食を防止することができる。
【００９１】
請求項８記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、ＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有するＡｌＧａＩｎＡｓＰ半導体材料によるＤＢＲを有する垂直空洞半導体面発光レーザ素子において、半導体基板としてＧａＡｓＰ基板を用い、基板側ＤＢＲと基板の間にＧａＩｎＰエッチングストップ層を設けたものである。
【００９２】
請求項８記載の垂直空洞半導体レーザ素子によれば、請求項８と同様に基板側から光出力を取り出す様式のレーザ素子において、発振光の吸収を生ずるＧａＡｓＰを基板として用いた際の光出射部分の基板除去工程を簡略化することができる。
【００９３】
ＧａＩｎＡｓＰエッチングストップ層は、Ａｓ組成が小さい程基板とのエッチング選択性が向上する。エッチングストップ層をＧａＩｎＰとすることでエッチングの制御性をより向上させることができる。
【００９４】
図８は、請求項７および８記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
同図において、ｎ側電極９０１、ｎ−ＧａＡｓＰ基板９０２、ｎ−ＧａＡｓＰバッファ９０３、アンドープＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層９０５，９０７、ＧａＩｎＡｓＰ活性層９０６、ＳｉＯ２絶縁層９１０、ｐ側電極９１１が、実施例７（図６）のｎ側電極６０１、ｎ−ＧａＡｓＰ基板６０２、ｎ−ＧａＡｓＰバッファ６０３、アンドープＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層６０５，６０７、ＧａＩｎＡｓＰ活性層６０６、ＳｉＯ２絶縁層６１２、ｐ側電極６１３に、それぞれ対応している。
【００９５】
図８に示された垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓＰ半導体基板９０２とｎ−ＤＢＲ９０４との間にｎ−ＧａＩｎＰエッチングストップ層９１２を設けて作製されている。ｎ−ＧａＡｓＰ半導体基板９０２は、格子定数がＧａＡｓに対して−１.４％歪みとなる組成を用いている。また、本実施例では、ＤＢＲ９０４の低屈折率層をＡｌＩｎＡｓＰ，高屈折率層をＡｌＧａＡｓＰとしている。また、活性層９０６として発振波長が６５０ｎｍとなる組成のＧａＩｎＡｓＰを用いた。
【００９６】
実施例１（図１参照）および実施例８（図７参照）と同様の手順によって、メサ部，電極を形成した後、硫酸系エッチャントによってＧａＩｎＰエッチングストップ層９１２まで基板をエッチング除去した。硫酸系エッチャントは、ＤＢＲ材料に対する選択性が低いために、エッチングストップ層を設けない場合は基板のみを除去することが難しかったが、本実施例ではエッチングストップ層９１２によって基板のエッチング残や，素子部への侵食がなくなり均一に制御性よく除去することができた。この結果、素子特性のばらつきがなくなり信頼性は向上した。
【００９７】
以上、垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例をいくつか説明したが、これらの垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、レーザプリンタ装置などの電子写真システムに応用することができる。次世代の高速、高精細電子写真技術では、赤色光源によるレーザアレイが重要な意味を持つと考えられる。この意味において、本発明の面発光レーザはアレイ集積化が容易であり、高性能な書き込みシステムを構築することができる。
【００９８】
また、本垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、光情報記録装置の光ヘッドとして応用することができる。本発明の垂直空洞半導体面発光レーザ素子を用いることで、特に低動作電流での光読み出しおよび書き込みが可能になる。
【００９９】
また、本垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、光インターコネクションなどへの光通信システムへの応用が可能である。特に石英ファイバーを用いたシステムより低コストなＰＯＦ（Ｐlastic Ｏptical Ｆiber）による近距離の光ネットワークでは、ファイバー材料であるＰＭＭＡ（アクリル樹脂）の低損失帯に対応した波長６５０ｎｍの低消費電力赤色面発光レーザが重要である。また、これの並列光伝送においては、赤色面発光レーザ素子が重要な意味を持っている。本素子を用いた光通信システムは高性能で高い信頼性を実現することが可能になる。
【０１００】
【発明の効果】
各請求項に記載された発明は、それぞれ、次のような効果を有している。
請求項１記載の発明によれば、ＤＢＲをＡｓを組成に含んだＡｌＩｎＡｓＰ層で構成したことにより、表面の丘状欠陥は完全に抑制された。Ａｓ組成は、１％程度から十分な改善効果が得られる。これによって、丘状欠陥による光散乱損失がなくなり、到達反射率などの反射器特性が著しく改善された。よって、発振閾値は低減し、素子特性、素子寿命などの信頼性が向上した。
【０１０２】
請求項２記載の発明によれば、活性層の両側にＧａＩｎＰ層を設けたことにより、Ａｌ元素に起因する非発光再結合中心を低減できるので発光効率が向上する。また、Ａｌ元素に起因した結晶欠陥の活性領域への移動、増殖なども低減されるため、素子寿命などの信頼性も向上した。
【０１０３】
請求項３記載の発明によれば、電極と導通を取るためのコンタクト層を発振光に対して透明としたことにより、光出射領域のコンタクト層を除去する工程を省略することができた。従って、作製工程が簡略化された。
【０１０４】
請求項４記載の発明によれば、同じ格子定数のＡｌＩｎＰ半導体材料と比べ屈折率が小さいＡｌＡｓＰ半導体材料を用いたことにより、ＤＢＲを構成する他の半導体材料との屈折率差を大きくすることができる。これによって少ない積層数で高い反射率を得ることができ、閾値電流密度や素子抵抗が減少した。
【０１０５】
請求項５記載の発明によれば、ＡｌＡｓなどのＡｌ元素を含んだ半導体原料を用いたことにより、酸化によって良質の絶縁体とすることができる。さらに、この際、被酸化層としては、Ａｌ組成が大きい程酸化が容易である。従って、III族原料としてＡｌのみしか含んでいないＡｌＡｓＰはこの点で酸化が容易である。また、選択酸化層を成長するための特別な工程も不要である。ＡｌＡｓＰ選択酸化構造による電流狭窄によって、レーザ発振の閾値は大幅に低減した。
【０１０８】
請求項６記載の発明によれば、素子の放熱性が向上し発振閾値電流を低減することができる。また、スロープ効率などの諸特性も改善することができる。また、Ｐ組成の大きなＧａＡｓＰ基板若しくはＧａＩｎＰ基板は発振光の吸収が無いので、これらを用いることによって基板除去工程を省略することが可能になった。
【０１０９】
請求項７記載の発明によれば、ＧａＡｓＰ基板とＤＢＲの間にＧａＩｎＰエッチストップ層を設けることによって、ＧａＩｎＡｓＰを除くＡｌＧａＩｎＡｓＰ材料によって構成されたＤＢＲの基板除去時の素子部侵食が防止できる。これによって、素子の歩留まり，信頼性を向上できる。
【０１１０】
請求項８記載の発明によれば、エッチングストップ層をＧａＩｎＰとすることにより、エッチングの制御性はより向上し、素子の歩留まり，信頼性が向上する。また、Ａｓを組成に含まないので、６３０〜６６０ｎｍ波長帯に対して吸収のないエッチングストップ層を容易に得ることが可能になった。
【０１１１】
請求項９〜１２記載の発明によれば、高性能で信頼性の高い光システム（電子写真システム，光情報記録装置，光通信システム）を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 請求項１記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
【図２】 垂直空洞半導体面発光レーザ素子の参考例を説明するための図である。
【図３】 請求項２記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
【図４】 請求項４記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
【図５】 請求項５記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
【図６】 垂直空洞半導体面発光レーザ素子の参考例を説明するための図である。
【図７】 請求項６記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
【図８】 請求項７および８記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
【図９】 ＧａＩｎＰ，ＡｌＩｎＰの格子定数とバンドギャップエネルギーの関係を示す図である。
【符号の説明】
１０１，２０１，３０１，４０１，５０１，６０１，８０１，９０１：ｎ側電極、
１０２，２０２，３０２，４０２，５０２，６０２，９０２：ｎ−ＧａＡｓＰ基板、
１０３，２０３，３０３，４０３，５０３，６０３，８０３，９０３：ｎ−ＧａＡｓＰバッファ（基板）、
１０４，１０８，２０４，２０８，３０４，３０８，４０４，４０８，５０４，５０９，６０４，６１１，８０４，８０８，９０４，９０８：ＤＢＲ（分布ブラッグ反射器）、
１０５，１０７，２０５，２０７：ＡｌＧａＩｎＡｓＰクラッド層、
１０６：ＧａＩｎＰ活性層、
２０６，３０６，４０６，５０６，６０６，８０６，９０６：ＧａＩｎＡｓＰ活性層、
１０９，２０９：ｐ−ＧａＩｎＰスパイク防止層、
１１０，２１０，８１０，９１０：ｐ−ＧａＡｓＰコンタクト層、
１１１，２１１，３１０，４１０，５１１，６１２，８１１，９１１：ＳｉＯ２絶縁層、
１１２，２１２，３１１，４１１，５１２，６１３，８１２，９１１：ｐ側電極、
３０５，３０７，４０５，４０７，５０５，５０７，６０５，６０７，８０５，８０７，９０５，９０７：ＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層、
６０８：ＡｌＡｓＰ被酸化層、
８０９：ｐ−ＧａＩｎＰスパイク緩衝層、
８１４：ｎ−ＧａＡｓＰ組成傾斜層、
８１５：ＳｉＯ２反射防止膜。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光記録および読み出し用光源、発光表示装置などに使用して好適な垂直空洞半導体面発光レーザ素子、および該垂直空洞半導体面発光レーザ素子を光源に用いたレーザプリンタ装置などの電子写真システム，光情報記録装置，あるいは光インターコネクションを含む光通信システムなどの光学システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板に対して垂直方向に発光、発振する垂直空洞面発光型半導体レーザ素子は効率が高く、ビーム特性、縦モード特性に優れている。さらに、２次元アレイ化に適していることから、光インターコネクションやプリンタ光源などへの応用が研究されている。例えば、波長６３０〜６５０ｎｍの赤色可視領域では高密度光ディスク、レーザプリンタ用光源として注目を浴びている。
【０００３】
面発光レーザ素子は、端面発光型レーザと比べて共振器長が短いことから高い共振器反射率が必要とされ、共振器ミラーとして１００％近い反射率が得られる分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）が用いられている。ＤＢＲは、屈折率の異なる２種の半導体層（または誘電体層）をそれぞれ発振波長の１／４の光学距離に交互に積層して作られている。
【０００４】
ＤＢＲでは２種の半導体層の屈折率差が大きい程少ない積層数で高反射率が得られる。また、共振器による吸収損失を低減し効率を向上させるためにＤＢＲを構成する半導体層は発振光に対し透明であることが必要である。
【０００５】
従来の６３０〜６５０ｎｍ波長帯の半導体レーザ材料であるＡｌＧａＩｎＰ系材料による面発光レーザ素子では、ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＰからなる活性層、ＡｌＧａＩｎＰからなる高屈折率層とＡｌＩｎＰからなる低屈折率層で構成されたＤＢＲが設けられている。
【０００６】
Ａｌを含む半導体材料ではＡｌ組成の増加に伴ってワイドギャップ化し屈折率が小さくなるので、屈折率差から考えるとＡｌＩｎＰとＧａＩｎＰによってＤＢＲを構成することが望ましい。しかし、前述の６３０〜６５０ｎｍ波長帯では反射器を構成するＧａＩｎＰは発振光に対して透明ではなく吸収損失が生じ、共振器効率が低下してしまうという問題がある。
【０００７】
図９はＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰの格子定数とバンドギャップエネルギーの関係を示した図であり、伝導帯Γ点および伝導帯Ｘ点と価電子帯頂上とのバンドギャップエネルギーをそれぞれ示している。同図に示されるように、これらの材料では格子定数の減少に伴ってバンドギャップエネルギーが増加している。
【０００８】
特開平９−１９９７９３号公報に記載された発明では、ＤＢＲによる吸収損失を低減するためにＧａＡｓ半導体基板上に基板より格子定数が小さい、格子不整を有したＡｌＩｎＰ／ＧａＩｎＰからなる積層構造と、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓからなる積層構造を組み合わせてＤＢＲを作製している。上記発明ではＧａＡｓ半導体基板上に、先ずＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓより構成されるＤＢＲを設け、これとの格子不整を解消するための組成傾斜層を挟んでＧａＩｎＰ／ＡｌＩｎＰからなるＤＢＲ、この上部に組成傾斜クラッド層、およびＧａＩｎＰ活性層、さらに、活性層に対称に同様の組成傾斜クラッド層、およびＤＢＲ層を設けている。
【０００９】
この特開平９−１９９７９３号公報に記載された発明は、可視領域の光吸収を低減し、共振器効率を向上させることを目的としており、２種の材料系を用いている理由は、ＡｌＧａＩｎＰ結晶が格子不整を有していることと、後述するように同材料を結晶性よく成長することが困難であることによる。つまり、光強度が大きい活性層近辺では吸収の少ないＡｌＧａＩｎＰ系材料でＤＢＲを形成し、活性層から離れた部分では、積層数の増加による結晶性の低下を防止するためにＡｌＧａＡｓ系材料によってＤＢＲを形成している。
【００１０】
また、別の従来技術として、特開平１０−２００２０２号公報に、ＧａＩｎＰ基板上に形成される垂直空洞面発光レーザが開示されている。この公報に開示されている垂直空洞面発光レーザでは、Ｇａ0.75Ｉｎ0.25Ｐ基板上に、これと格子整合するＡｌＩｎＰ／ＧａＩｎＰ ＤＢＲ、およびＧａＩｎＰからなる活性層を設けた例が示されており、格子不整による結晶性低下の問題を改善している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平９−１９９７９３号公報に記載された素子では、格子定数を変化させるために素子内に格子定数の異なるＤＢＲを複数有しており、さらに基板に対して格子不整となるＤＢＲは２０ペア（４０層）と厚さが厚いために、たとえ格子不整解消層を用いても良質の結晶を得ることは難しい。
【００１２】
また、上記特開平１０−２００２０２号公報に記載されたレーザ素子は、基板格子定数をＧａＡｓよりも小さく選ぶことにより、６３５〜６５０ｎｍ波長帯に対して吸収のないＧａＩｎＰ層を格子整合させているが、ＡｌＩｎＰまたはＧａＩｎＰなどの材料系はＡｌまたはＧａ組成の増加に伴って、つまり格子定数が小さくなるに従って、丘状欠陥などが発生しやすくなるという問題があり、この根本的解決には至っていない。丘状欠陥などの発生はＡｌ組成の増加に対して顕著であって、ＡｌＩｎＰ半導体材料においては特に問題となる現象である。このような丘状欠陥はヘテロ界面の均一性を著しく悪くし光散乱による損失を増大させるので、ＤＢＲの共振器効率を劣化させる原因となる。
【００１３】
また、上記特開平１０−２００２０２号公報に記載された発明では、活性層材料にＧａＩｎＰ半導体を用いているため、６３０〜６５０ｎｍの発振波長を得る際に基板として用いることのできる格子定数が制限されている。つまり、ＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＰの波長は６５０ｎｍ程度であり、これより格子定数の小さいＧａＩｎＰでは格子定数の減少に伴って短波となる。従って、上述の発振帯域を得るにはＧａ組成を小さくして長波化する必要がある。しかし、Ｇａ組成を小さくすることで圧縮歪みが導入される。従って、結晶性などを考慮すると基板に用いることのできる格子定数はＧａＡｓに近い値に制限されてしまい設計の自由度は小さい。
【００１４】
この他にも素子部の格子定数が従来のＧａＡｓの値から変化することで、素子を形成する各層の材料設計、選択が可能な混晶材料も変化する。これによって、従来、材料の格子定数に制限されていた素子特性は改善が可能となる。特開平１０−２００２０２号公報の素子は、主にＤＢＲによる吸収損失の改善のみについて考案されたものであって、他の特性の改善については何ら言及されていない。以上の問題を含め、ＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有する面発光レーザ素子の特性は改善の余地がある。
【００１５】
本発明の目的は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、請求項１〜８記載の発明の目的は、主に、６３０ｎｍ〜６６０ｎｍ波長帯で発振する特性を改善した垂直空洞半導体面発光レーザ素子を提供することであり、請求項９〜１２記載の発明は、これらの垂直空洞半導体面発光レーザ素子を光源に適用した各種光学システムを提供することである。
【００１６】
【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記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、発振波長が 630nm から 660nm であって、ＧａＡｓＰ基板またはＧａＩｎＰ基板上に、屈折率差を有する２種の半導体層から構成された分布ブラッグ反射器が積層された垂直空洞半導体面発光レーザ素子であって、前記分布ブラッグ反射器を構成している２種の半導体層はＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有し、かつ、前記基板に格子整合しており、前記分布ブラッグ反射器を構成している２種の半導体層の内、少なくとも１つが（Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１）ｙ１Ｉｎ１−ｙ１Ａｓｚ１Ｐ１−ｚ１（０＜ｘ１≦１，０.５≦ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１）層から構成されたことを特徴としている。
【００１８】
請求項２記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、活性層の両側にＧａｙ 3Ｉｎ１−ｙ 3Ｐ（０.５≦ｙ３≦１）半導体層が設けられていることを特徴としている。
【００１９】
請求項３記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、前記分布ブラッグ反射器の上面に電極が設けられ、該分布ブラッグ反射器の上面から発振光を取り出す垂直空洞半導体面発光レーザ素子であって、該電極と導通を取るための半導体層が発振光に対して透明であることを特徴としている。
【００２０】
請求項４記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、発振波長が 630nm から 660nm であって、ＧａＡｓＰ基板またはＧａＩｎＰ基板上に、屈折率差を有する２種の半導体層から構成された分布ブラッグ反射器が積層された垂直空洞半導体面発光レーザ素子であって、前記分布ブラッグ反射器を構成している２種の半導体層はＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有し、かつ、前記基板に格子整合しており、該分布ブラッグ反射器がＡｌＡｓｚ４Ｐ１−ｚ４（０＜ｚ４≦１）半導体層を含んでいることを特徴としている。
【００２１】
請求項５記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、前記ＡｌＡｓ ｚ４ Ｐ １−ｚ４ （０＜ｚ４≦１）半導体層が選択酸化工程によって電流狭窄構造を形成していることを特徴としている。
【００２３】
請求項６記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の垂直空洞半導体レーザ素子において、光出射面を基板側としたことを特徴としている。
【００２４】
請求項７記載の垂直空洞半導体レーザ素子は、請求項６に記載の垂直空洞半導体レーザ素子において、ＧａＡｓＰ半導体基板が用いられ、該半導体基板と分布ブラッグ反射器の間にＧａＩｎＡｓＰ層が設けられていることを特徴としている。
【００２５】
請求項８記載の垂直空洞半導体レーザ素子は、請求項６に記載の垂直空洞半導体レーザ素子において、ＧａＡｓＰ半導体基板が用いられ、該半導体基板と分布ブラッグ反射器の間にＧａＩｎＰ層が設けられていることを特徴としている。
請求項９記載の光学システムは、請求項１〜８のいずれか１項に記載の垂直空洞半導体レーザ素子を光源に用いたことを特徴としている。
【００２６】
請求項１０記載の発明は、前記光学システムが電子写真システムであり、請求項１１記載の発明は、前記光学システムが光情報記録装置であり、請求項１２記載の光学システムは光通信システムであることを特徴としている。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を各請求項に対応させて詳細に説明する。
（実施例１）
実施例１は、請求項１記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例である。
請求項１記載の発明は、分布ブラッグ反射器がＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有し、分布ブラッグ反射器を構成している２種の半導体層の内、少なくとも1つを、（Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１）ｙ１Ｉｎ１−ｙ１Ａｓｚ１Ｐ１−ｚ１（０＜ｘ１≦１，０.５≦ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１）層から構成したものである。
【００２８】
請求項１記載の発明は、分布ブラッグ反射器を構成している２種の半導体層の内、少なくとも１つを、（Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１）ｙ１Ｉｎ１−ｙ１Ａｓｚ１Ｐ１−ｚ１（０＜ｘ１≦１，０.５≦ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１）層で構成することにより、以下のような効果を奏する。
すなわち、図９に示したように、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ半導体材料は格子定数の減少に伴ってバンドギャップエネルギーが増大する。従って、この領域の格子定数を有するＤＢＲは６３０〜６５０ｎｍ波長帯の発振光に対して光吸収を生じない。よって導波損失は低減する。さらに組成にＡｓを含んでいることにより、ＤＢＲを構成する半導体層の丘状欠陥、界面のうねりを低減することができる。これによって高いＤＢＲの到達反射率を達成することが可能となる。
【００２９】
ＡｌＩｎＰやＡｌＧａＩｎＰなどの半導体混晶では、Ａｌ組成の増加に伴って丘状欠陥などの表面欠陥、または成長表面のうねりが顕著になる傾向がある。これは（１００）面から面方位が傾斜した基板を用いたり、成長温度を高温化するなどの手法によってある程度の低減はできるものの、完全な抑制は難しい。
【００３０】
しかし、本願の発明者らの実験によれば、ＡｌＧａＩｎＰ半導体混晶にＡｓ元素を添加することにより丘状欠陥の発生が抑制されることが分かった。この際に添加するＡｓ元素の量は、Ｖ族元素の組成比で１〜２％程度でも十分な効果を得ることができる。この方法では、成長条件や使用する基板の面方位に影響されず効果が得られる利点がある。従って、請求項１の如きＡｓを組成に含んだＡｌＧａＩｎＡｓＰ材料を用いることで、界面の平坦性に優れたＤＢＲを得ることができる。
【００３１】
図１は、請求項１記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
図１の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、ＧａＡｓ格子定数に対し−１.４％の格子不整となるｎ−ＧａＡｓＰ基板１０２上に、ｎ−ＧａＡｓＰバッファー層１０３、ｎ−ＡｌＩｎＡｓＰ／ｎ−ＧａＩｎＡｓＰの積層構造からなるＤＢＲ１０４、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓＰクラッド層１０５、アンドープＧａＩｎＰ活性層１０６、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓＰクラッド層１０７、ｐ−ＡｌＩｎＡｓＰ／ｐ−ＧａＩｎＡｓＰの積層構造よりなるＤＢＲ１０８、ＧａＩｎＰスパイク防止層１０９、およびＧａＡｓＰコンタクト層１１０を順次ＭＯＣＶＤ法（Metalorgnic Chemical Vapor Deposition；有機金属化学気相成長法）で成長した後、フォトリソグラフィーによってレジストパターンを形成し、ＧａＡｓＰコンタクト層からクラッド層１０７までのレジストが被覆されていない領域をエッチング除去してｐ型ＤＢＲをポスト状に加工する。ＤＢＲ、クラッド層、スパイク防止層およびコンタクト層は基板に格子整合している。
【００３２】
この後、ＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition法）によるＳｉＯ2絶縁層１１１を堆積し、フォトリソグラフィーによってｐ型ＤＢＲ１０８上にレジストマスクの開口を形成し、開口領域のＳｉＯ2絶縁層を除去した後、再びｐ型ＤＢＲ１０８上にレジストマスクの開口を形成して、開口領域のＧａＡｓＰコンタクト層１１０を除去し、さらに、ｐ型ＤＢＲ１０８上に円形のレジストマスクを形成し、ｐ側電極材料を蒸着した後、レジストマスク上の電極材料をリフトオフし、ドーナツ状のｐ側電極１１２を形成している。また、ｎ側電極１０１は基板研磨の後、蒸着によって形成した。この後、アニールによってオーミック導通をとった。
【００３３】
この構成において、レーザ発振光は、ドーナツ状のｐ側電極１１２の開口部分から出射される。この際、ＧａＡｓＰコンタクト層１１０は、発振光に対して透明でないので除去されている。ＤＢＲを形成する各層の厚さはそれぞれλ／４光学距離に作製されている。また、活性層１０６を含むクラッド領域の厚さはλ／２光学距離の整数倍に形成されている。クラッド層に接するＤＢＲ構成層屈折率がクラッド層屈折率より小さい場合は、λキャビティー、これと逆の場合はλ／２キャビティーとなるように構成する。
【００３４】
本実施例の素子の活性層１０６は、６３５ｎｍの発振光が得られる組成のＧａＩｎＰを用いており、基板１０２からは圧縮歪み応力を受けている。また、クラッド層，ＤＢＲの一部にはＡｓを組成に含むＡｌＧａＩｎＡｓＰ，ＡｌＩｎＡｓＰを用いている。Ｖ族元素に対するＡｓ組成は２％である。本構成で成長表面にヒロックの発生がなく、均一な界面が形成された。これによってＤＢＲの特性が向上し、発振閾値電流、および素子寿命などの素子特性が向上した。
【００３５】
（参考例１）
参考例１の発明は、分布ブラッグ反射器がＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有する垂直空洞半導体面発光レーザ素子において活性層をＧａＩｎＡｓＰ半導体材料で構成したものであり、さらに具体的には、分布ブラッグ反射器がＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有し、活性層をＧａｙ 2Ｉｎ１−ｙ 2Ａｓｚ 2Ｐ１−ｚ 2（０＜ｙ２≦１，０＜ｚ２≦１）半導体層から形成したものである。
【００３６】
参考例１の発明によれば、活性層がＧａＩｎＡｓＰで構成されているので、Ａｓの含有量によって発光波長、およびＤＢＲに対する歪み量を調整することができる。
【００３７】
ＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＰの波長は６５０ｎｍ程度であり、これより格子定数の小さいＧａＩｎＰでは格子定数の減少に伴って短波となる。従ってＧａＩｎＰ活性層で長波長化を行うためには、Ｇａ組成を小さくする必要があるが、この場合圧縮歪み応力が導入される。
【００３８】
ＧａＩｎＡｓＰ活性層では、Ａｓの増加によって、バンドギャップエネルギーを減少させるとことができる。この際、格子定数は大きくなるので、予めＤＢＲに対して格子定数の小さいＧａＩｎＰにＡｓ元素を添加する手法を取ればよい。Ａｓ元素によるバンドギャップエネルギーの変化は、これによって生じる歪みによるエネルギー変化、また、ＧａＩｎＰにおけるＧａ組成によるエネルギー変化に比べて大きいので、容易に長波長化でき、さらにＤＢＲとの格子不整度も小さくすることができる。
【００３９】
例えば、Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｐ基板上に設けたＧａＩｎＰ活性層によって発振波長６６０ｎｍを得るためには、活性層の組成はＧａ0.45Ｉｎ0.55Ｐ程度とする必要がある。この際、活性層の歪み量は約１.９％程度である。しかし、本実施例にように、Ｇａ0.8Ｉｎ0.2Ａｓ0.5Ｐ0.5活性層を用いれば、およそ半分程度の歪み量で波長６６０ｎｍの発振光を得ることができる。活性層にＧａＩｎＡｓＰを用いることにより歪みによる活性層の結晶性の劣化が低減する。これによって、同じ発振波長をＧａＩｎＰ活性層よりも少ない歪み量で得ることが可能になる。
【００４０】
さらに、ＤＢＲの格子定数をさらにＧａＰに近い値に設定できる。つまり、格子定数の減少によってＡｌＩｎＡｓＰの屈折率をさらに小さくすることができるので、ＡｌＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓＰ層の屈折率差は大きくなり、ＤＢＲの積層数を減少させることができる。
【００４１】
図２は、参考例１の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
同図において、ｎ側電極２０１、ｎ−ＧａＡｓＰ基板２０２、ｎ−ＧａＡｓＰバッファ２０３、ｎ−ＡｌＩｎＡｓＰ／ＧａＡｓＰからなるＤＢＲ２０４、ＡｌＧａＩｎＡｓＰクラッド層２０５，２０７、ｐ−ＧａＩｎＰスパイク防止層２０９、ｐ−ＧａＡｓＰコンタクト層２１０、ＳｉＯ２絶縁層２１１、ｐ側電極２１２が、実施例１（図１）の、ｎ側電極１０１、ｎ−ＧａＡｓＰ基板１０２、ｎ−ＧａＡｓＰバッファ１０３、ＡｌＧａＩｎＡｓＰクラッド層１０５，１０７、ｐ−ＧａＩｎＰスパイク防止層１０９、ｐ−ＧａＡｓＰコンタクト層１１０、ＳｉＯ２絶縁層１１１、ｐ側極１１２に、それぞれ対応している。
【００４２】
図２の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、活性層２０６の半導体材料をＧａＩｎＡｓＰとして、実施例１と同様の方法、手順によって作製される。ＧａＡｓＰ基板２０２はＧａＡｓに対して−２.０％の格子不整となるものを用いた。
【００４３】
また、クラッド層およびＤＢＲの一部にはＡｓを組成に含むＡｌＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓＰを用いている。これによって、実施例１と同様に丘状欠陥の発生が抑制された。本参考例では、ＤＢＲの高屈折材料としてＧａＡｓＰを用いている。実施例の基板格子定数を有するＧａＡｓＰは発振光に対して透明であるのでＤＢＲ材料として用いることができる。
【００４４】
また、本参考例の素子の活性層２０６は６５０ｎｍの発振光が得られる組成のＧａＩｎＡｓＰを用いた。Ａｓを添加したことでＧａＩｎＰを活性層材料に用いた実施例１の場合と比べ、活性層の歪み量が約１／２に低減されている。基板格子定数もＧａＰに近い値とすることが容易になっている。このため、ＤＢＲを構成する層の屈折率差を大きくすることができ、積層数は低減されている。活性層歪み量の低減により結晶性が向上し、ＤＢＲ積層数低減により素子抵抗は減少した。
【００４５】
（実施例２）
実施例２は、請求項２記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例である。
請求項２に記載された発明は、分布ブラッグ反射器がＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有する垂直空洞半導体面発光レーザ素子において、活性層の両側にＧａｙ 3Ｉｎ１−ｙ 3Ｐ（０.５＜ｙ３≦１）半導体層（キャリア閉じ込め層）を設けたものである。
【００４６】
前述したようにＧａＩｎＰ半導体材料は、格子定数の減少に伴ってバンドギャップエネルギーが増大する（図９参照）。従って、ＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有するＤＢＲに格子整合して作製されるＧａＩｎＰ層のバンドギャップエネルギーは６３０〜６５０ｎｍ帯に対して大きく、活性層へのキャリア閉じ込め層として機能する。
【００４７】
ＡｌＧａＩｎＰのようにＡｌを含む半導体発光素子には、Ａｌ元素による非発光再結合、素子寿命、信頼性の低下の問題がある。このために、発光領域である活性層近辺に設けられる半導体層のＡｌ含有量はより低いことが望まれる。しかし、レーザ発振の閾値電流密度を低減するためには、活性層よりもバンドギャップエネルギーの大きな半導体層、該材料系の場合はＡｌＧａＩｎＰをキャリア閉じ込め層とする必要がある。
【００４８】
このことは、従来の該材料系から構成される発光素子において共通の課題であるが、本発明のようにＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数ではＧａＩｎＰによって効率よくキャリア閉じ込めを行えるので、活性領域をＡｌ元素を含まないで形成することができる。よって上述の特性劣化を低減することが可能になる。
【００４９】
図３は、請求項２記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
同図において、ｎ側電極３０１、ｎ−ＧａＡｓＰ基板３０２、ｎ−ＧａＡｓＰ基板３０３、ｎ−ＡｌＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＰからなるＤＢＲ３０４、ＳｉＯ２絶縁層３１０、ｐ側電極３１１が、実施例１（図１）の、ｎ側電極１０１、ｎ−ＧａＡｓＰ基板１０２、ｎ−ＧａＡｓＰバッファ１０３、ｎ−ＡｌＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＰからなるＤＢＲ１０４、ＳｉＯ２絶縁層１１１、ｐ側極１１２に、それぞれ対応している。
【００５０】
図３の垂直空洞半導体面発光レーザ素子において、活性層３０６の半導体材料をＧａＩｎＡｓＰ、キャリア閉じ込め層３０５，３０７の半導体材料をアンドープＧａＩｎＰとして、実施例１と同様の方法、手順でｐ−ＤＢＲ３０８までを積層した後、ｐ−ＧａＩｎＰコンタクト層３０９を積層し、フォトリソグラフィーによってレジストパターンを形成し、ＧａＩｎＰコンタクト層からクラッド層３０６までのレジストが被覆されていない領域をエッチング除去してｐ型ＤＢＲをポスト状に加工している。
【００５１】
この後、ＣＶＤ法によるＳｉＯ2３１０を堆積し、フォトリソグラフィーによってｐ型ＤＢＲ上にレジストマスクの開口を形成し、開口領域のＳｉＯ2を除去し、さらに、ｐ型ＤＢＲ上に円形のレジストマスクを形成し、ｐ側電極材料を蒸着した後、レジストマスク上の電極材料をリフトオフし、ドーナツ状電極３１１を形成している。また、ｎ側電極３０１は基板研磨の後、蒸着によって形成した。この後、アニールによってオーミック導通をとった。
【００５２】
ＤＢＲの一部にはＡｓを組成に含むＡｌＩｎＡｓＰを用いた。これによって、実施例１と同様に丘状欠陥の発生を抑制することができた。
【００５３】
（実施例３）
実施例３は、請求項３記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例である。
請求項３に記載された発明は、分布ブラッグ反射器がＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有し、該分布ブラッグ反射器の上面に電極が設けられた垂直空洞半導体面発光レーザ素子において、電極と導通を取るための半導体層（コンタクト層）として、発振光に対して透明な半導体層を用いたものである。
【００５４】
請求項３記載の発明によれば、電極と導通をとるための半導体層（コンタクト層）が発振光に対して透明であるので、この半導体層による吸収損失を防止することができる。また、光取り出しのために前記半導体層を除去する工程が省略できる。
前記半導体層の材料として、例えばＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰなどが挙げられる。ＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数では、ＧａＩｎＰは、６３０〜６６０ｎｍ帯の光に対して透明であるので、基板に格子整合して得ることができる。
【００５５】
ＧａＡｓＰはＡｓ組成０.６３程度以上では前記波長帯に対して吸収があるがこれ以下では透明であるので、このような組成では基板に格子整合して用いることができる。また、高濃度ドーピングはＧａＡｓＰの方が容易に行えるので、ＤＢＲ、基板に格子整合して透明なＧａＡｓＰ層を得ることができない場合は、歪みを有する発振光に対して透明なＧａＡｓＰ層を用いてもよい。
【００５６】
また、本垂直空洞半導体面発光レーザ素子では、請求項３の実施例として、コンタクト層にｐ−ＧａＩｎＰを用いた（図３参照）。上記基板に格子整合するＧａＩｎＰは発振光に対し透明であるので除去する工程が省略できる。
【００５７】
本実施例の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の活性層には６３５ｎｍの発振光が得られる組成のＧａＩｎＡｓＰを用いている。また、キャリア閉じ込め層は基板およびＤＢＲに格子整合している。キャリア閉じ込め層は発振光に対して透明であって、さらにＡｌ元素を組成に含まない。このように活性領域をＡｌ元素を含まずに形成したことで、Ａｌ元素に起因する非発光再結合電流を低減することができた。また、Ａｌ元素に起因する結晶欠陥の活性層への移動、増殖も低減され、素子寿命、信頼性が向上した。
【００５８】
（実施例４）
実施例４は、請求項４記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例である。
請求項４記載の発明は、分布ブラッグ反射器がＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有し、ＡｌＡｓｚ４Ｐ１−ｚ４（０＜ｚ４≦１）半導体層を含んた垂直空洞半導体面発光レーザ素子である。
【００５９】
請求項４記載の発明によれば、より少ない総数で高い反射率を有するＤＢＲを得ることができる。ＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数では、反射器の材料としてＡｌＩｎＰの他にＡｌＡｓＰ半導体材料を用いることができる。
【００６０】
ＡｌＡｓＰの屈折率は同じ格子定数のＡｌＩｎＰ半導体材料と比較して小さいと見積もられる。これは材料的な性質の他に、主としてＡｌＡｓＰの方が伝導体Γ点と価電子帯間のバンドギャップエネルギーが大きいことによる。従って、ＡｌＡｓＰ／ＧａＩｎＰの積層構造によって形成されるＤＢＲは、ＡｌＩｎＰ／ＧａＩｎＰの積層構造によるＤＢＲと比べ少ない層数で高い反射率を得ることができる。従って、ＤＢＲによる素子抵抗を低減することができる。また、Ｉｎ元素を含まないことからＡｓ組成が大きく、丘状欠陥の発生は完全に防止できる。
【００６１】
図４は、請求項４記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
同図において、ｎ側電極４０１、ｎ−ＧａＡｓＰ基板４０２、ｎ−ＧａＡｓＰ基板４０３、アンドープＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層４０５，４０７、ｐ−ＧａＩｎＰコンタクト層４０９、ＳｉＯ２絶縁層４１０、ｐ側電極４１１が、実施例３（図３）のｎ側電極３０１、ｎ−ＧａＡｓＰ基板３０２、ｎ−ＧａＡｓＰ基板３０３、アンドープＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層３０５，３０７、ｐ−ＧａＩｎＰコンタクト層３０９、ＳｉＯ２絶縁層３１０、ｐ側電極３１１に、それぞれ対応している。
【００６２】
図４の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、ＤＢＲを構成する層をＡｌＡｓＰ／ＧａＩｎＰとして実施例３と同様の方法、手順によって作製されている。しかし、本実施例の素子はＤＢＲ４０４，４０８として基板と格子整合する組成のＡｌＡｓＰ／ＧａＩｎＰを用いている点で実施例３の構成（図３のＤＢＲ３０４，３０８参照）と異なっている。同じ格子定数ではＡｌＡｓＰの方がＡｌＩｎＰと比べ屈折率が小さいので、ＧａＩｎＰ層との屈折率差を大きくすることができる。これによってＤＢＲの層数を減らすことができ、素子抵抗を低減できる。また、ＡｌＡｓＰ層と対にする他の半導体層はＧａＩｎＰ層以外であってもよい。例えば、ＡｌＧａＡｓＰを用いれば、Ｇａ原料の切り替えのみによってＤＢＲの積層を作製することができ、作製工程を大幅に簡略化できる。
【００６３】
（実施例５）
実施例５は、請求項５記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例である。
請求項５記載の発明は、分布ブラッグ反射器がＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有する垂直空洞半導体面発光レーザ素子において、ＡｌＡｓ ｚ４ Ｐ １−ｚ４ （０＜ｚ４≦１）半導体層を選択酸化工程によって酸化し、電流狭窄構造を形成している。
【００６４】
この際、ＡｌＡｓＰ層はＤＢＲを構成する低屈折率層の全てではなく、一部であってもよい。活性層付近のみＡｌＡｓＰ層とし、その他の低屈折率層をＡｌＩｎＡｓＰとして選択酸化を行えば、活性層近辺にのみＡｌＡｓＰによる酸化領域が形成され、素子抵抗を不必要に増加させることなく電流狭窄構造を設けることができる。
【００６５】
さらに、この際ＡｌＡｓＰ層は他のＤＢＲ構成層と必ずしも格子整合している必要はなく、歪みを有していてもよい。ＤＢＲの一部にのみ用いればよいので、ＡｌＡｓ層なども大きな結晶性の低下を生じずに用いることができる。
【００６６】
請求項５記載の発明によれば、閾値電流の小さな面発光半導体レーザ素子を得ることができる。請求項６記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子では、ＤＢＲを構成するＡｌＡｓＰのIII族元素はＡｌのみであることから酸化させることが容易である。Ａｌの酸化層は絶縁層として機能するので、電流通路を残して該半導体層を選択的に酸化させてＤＢＲ中に電流狭窄構造を作り込むことができる。これによってＤＢＲ中に電流狭窄構造を有する面発光レーザを容易に得ることができる。
【００６７】
図５は、請求項５記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
同図において、ｎ側電極５０１、ｎ−ＧａＡｓＰ基板５０２、ｎ−ＧａＡｓＰ基板５０３、ＡｌＡｓＰ／ＧａＩｎＰＤＢＲ５０４、アンドープＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層５０５，５０７、ＧａＩｎＡｓＰ活性層５０６、ｐ−ＧａＩｎＰコンタクト層５１０、ＳｉＯ２絶縁層５１１、ｐ側電極５１２が、実施例５（図４）のｎ側電極４０１、ｎ−ＧａＡｓＰ基板４０２、ｎ−ＧａＡｓＰ基板４０３、ＡｌＡｓＰ／ＧａＩｎＰＤＢＲ４０４、アンドープＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層４０５，４０７、ＧａＩｎＡｓＰ活性層４０６、ｐ−ＧａＩｎＰコンタクト層４０９、ＳｉＯ２絶縁層４１０、ｐ側電極４１１に、それぞれ対応している。
【００６８】
図５の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、活性層側のｐ−ＤＢＲ５０８を構成する層をｐ−ＡｌＡｓＰ／ＧａＩｎＰとして実施例５（図４）と同様の方法、手順によってｐ−ＤＢＲをポスト状に加工した後に、水蒸気雰囲気中において加熱し、エッチング端面からＡｌＡｓＰ層を酸化することで電流狭窄構造を設けている。この後、実施例５（図４）と同様の手順、方法により電極形成が行われる。
【００６９】
ＡｌＡｓＰ層はIII族元素がＡｌのみであることからＡｌＩｎＡｓＰなどに比べて酸化されやすく活性層近辺のＤＢＲのみ酸化が進む。ＤＢＲ全体をＡｌＡｓＰ／ＧａＩｎＰ層で構成してもよいが、不必要に素子抵抗を高くしないためにも、図５に示すように活性層に近い領域のみＡｌＡｓＰ／ＧａＩｎＰ層とすることが望ましい。
【００７０】
また、活性層近辺の一部を選択酸化する場合には、ＡｌＡｓＰ／ＧａＩｎＰ積層構造の代わりにＡｌＡｓ／ＧａＩｎＰ積層構造としても結晶性を低下させることなく用いることができる。
本実施例の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、電流狭窄構造によって閾値電流を低減させることができ、その結果、素子特性を向上することが可能になった。
【００７１】
（参考例２）
参考例２の発明では、分布ブラッグ反射器がＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有する垂直空洞半導体面発光レーザ素子において、分布ブラッグ反射器と活性層の間にＡｌＡｓｚ６Ｐ１−ｚ６（０≦ｚ６≦１）半導体層を含み、該ＡｌＡｓＰ層が選択酸化工程によって電流狭窄構造を形成していることを特徴としている。
【００７２】
この際、ＡｌＡｓＰ層は他のＤＢＲ構成層と必ずしも格子整合している必要はなく、歪みを有していてもよい。１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度で十分効果が得られるので、ＡｌＡｓ層なども大きな結晶性の低下を生じずに用いることができる。
【００７３】
請求項５の説明で述べたように、ＡｌＡｓＰ層は選択酸化によって絶縁層として機能する。請求項７記載の発明によれば閾値電流の小さな面発光半導体レーザ素子を得ることができる。
【００７４】
選択酸化層は活性層に近い程電流狭窄層通過後の拡散による電流広がりを小さくすることができる。よって、参考例２の発明によれば、高効率に電流狭窄を行うことができる。また、ＡｌＡｓＰ層の選択酸化された領域は屈折率が小さくなることから光の横モード制御を行うことができる。
【００７５】
図６は、参考例２の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
同図において、ｎ側電極６０１、ｎ−ＧａＡｓＰ基板６０２、ｎ−ＧａＡｓＰバッファ６０３、ＡｌＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＰＤＢＲ６０４，６１１、アンドープＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層６０５，６０７、ＧａＩｎＡｓＰ活性層６０６、ｐ−ＧａＩｎＰコンタクト層６１０、ＳｉＯ２絶縁層６１２、ｐ側電極６１３が、実施例２（図３）のｎ側電極３０１、ｎ−ＧａＡｓＰ基板３０２、ｎ−ＧａＡｓＰ基板３０３、ＡｌＡｓＰ／ＧａＩｎＰＤＢＲ３０４，３０８、アンドープＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層３０５，３０７、ＧａＩｎＡｓＰ活性層３０６、ｐ−ＧａＩｎＰコンタクト層３０９、ＳｉＯ２絶縁層３１０、ｐ側電極３１１に、それぞれ対応している。
【００７６】
図６の垂直空洞半導体面発光レーザ素子では、実施例２と同様の方法手順によってアンドープＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層６０７まで積層した後、ｐ−ＡｌＡｓＰ被選択酸化層６０８，アンドープＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層６０９、ｐ−ＧａＩｎＰコンタクト層６１０、アンドープＡｌＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＰの積層構造よりなるＤＢＲ６１１を積層し、フォトリソグラフィーによって円形のレジストマスクを形成し、ＤＢＲ上層からＧａＩｎＰコンタクト層６１０までの各層を順次エッチング除去し、ＤＢＲ６１１をポスト状に加工している。
【００７７】
次に、フォトリソグラフィーによってポスト状ＤＢＲ６１１の周囲に円形のレジストマスクを形成し、ＧａＩｎＰコンタクト層６１０からＧａＩｎＰクラッド層（キャリア閉じ込め層）６０７までの各層を順次エッチング除去した。次に水蒸気雰囲気中にて加熱し、ＡｌＡｓＰ被選択酸化層６０８を端面から酸化させ、選択酸化領域による電流狭窄構造を設けた。この後、上記の実施例と同様の手順方法によって電極を形成した。
【００７８】
本参考例の垂直空洞半導体面発光レーザ素子では、ＡｌＡｓＰの選択酸化構造により電流狭窄が行える。また、電流狭窄層が活性層６０６に近いことから、電流狭窄層通過後の電流広がりを抑制することができ、さらに選択酸化部分と非酸化部分の屈折率差によって横モード制御を行うことができる。これによって素子の閾値電流は低減され、単一横モードで安定に発振した。
【００７９】
また、ＡｌＡｓＰ被選択酸化層６０８の厚さは１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度と十分薄膜でよいので、ＡｌＡｓＰ層の代わりにＡｌＡｓ層を用いても結晶性を著しく低下させることはない。
【００８０】
また、以上の実施例，参考例は全て基板としてＧａＡｓＰ基板を用いたが、ＧａＩｎＰ基板を用いてもよく、ＧａＡｓ基板などの上に、ＶＰＥ法などによって組成傾斜層を積層して作製した後素子部を形成してもよい。
【００８１】
（実施例６）
実施例６は、請求項６記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例である。
請求項６記載の発明は、ＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有するＡｌＧａＩｎＡｓＰ半導体材料によるＤＢＲを有する垂直空洞半導体面発光レーザ素子において、光出力を基板側ＤＢＲより取り出すことを特徴としている。
【００８２】
請求項６記載の垂直空洞半導体レーザ素子は、基板側を上面としたジャンクションダウンによって実装することができる。従って素子の放熱性が向上する。
【００８３】
図７は、請求項６記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
同図において、ｎ側電極８０１、ｎ−ＧａＡｓＰバッファ８０３、ＡｌＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＰＤＢＲ８０４，８０８、アンドープＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層８０５，８０７、ＧａＩｎＡｓＰ活性層８０６、ＳｉＯ２絶縁層８１１、ｐ側電極８１２が、実施例７（図６）のｎ側電極６０１、ｎ−ＧａＡｓＰバッファ６０３、ＡｌＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＰＤＢＲ６０４，６１１、アンドープＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層６０５，６０７、ＧａＩｎＡｓＰ活性層６０６、ＳｉＯ２絶縁層６１２、ｐ側電極６１３に、それぞれ対応している。
【００８４】
図７の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、半導体基板として、ＶＰＥ法によってｎ−ＧａＰ母体基板８１３上にＧａＰからＧａＡｓＰへ徐々に組成を変化させたｎ−ＧａＡｓＰ組成傾斜層８１４、およびｎ−ＧａＡｓＰ厚膜を成長させたＧａＡｓＰ基板を用いて作製されている。活性層８０６は、発振波長６３５ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ半導体材料とし、ＧａＡｓＰ基板８１３は活性層８０６よりもバンドギャップエネルギーが大きい組成を用いた。
【００８５】
本垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、実施例１と同様の手法、手順によりポスト部を形成し、ｐ側オーミック電極８１２を形成した。素子裏面の基板表面にメサ部にアライメントさせたレジストパターンを形成し、ｎ側電極８０１を蒸着した後レジスト上電極材料のリフトオフを行った後、リフトオフ部へ発振波長の１／４光学厚さのＳｉＯ2反射防止膜８１５を蒸着した。
【００８６】
ＧａＰ母体基板８１３および本実施例のＧａＡｓＰ組成傾斜層８１４での発振光の吸収は無視できるので、光出射部の基板を除去する必要がなく製造工程を簡略化できた。
また、本実施例では、半導体基板の例としてＶＰＥ法によるＧａＰ母体基板８１３上のＧａＡｓＰ基板（８１４，８０３）を用いているが、他の製造方法によって作製されたものであってもよい。また、吸収のない基板としてはこの他にもＧａＩｎＰ基板などを用いることもできる。
【００８７】
（実施例７）
実施例７は、請求項７および８記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例である。
請求項７記載の発明は、ＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有するＡｌＧａＩｎＡｓＰ半導体材料によるＤＢＲを有する垂直空洞半導体面発光レーザ素子において、半導体基板としてＧａＡｓＰ基板を用い基板側ＤＢＲと基板の間にＧａＩｎＡｓＰエッチングストップ層を設けたものである。
【００８８】
請求項７記載の垂直空洞半導体レーザ素子によれば、請求項６と同様に基板側から光出力を取り出す様式の垂直空洞半導体レーザ素子において、発振光の吸収を生ずるＧａＡｓＰを基板として用いた際の光出射部分の基板除去工程を簡略化することができる。
【００８９】
ＧａＡｓＰは、Ａｓ組成０.６３以上では６３０〜６６０ｎｍの光に対しては透明でない。従って用いる組成によっては発振光を吸収する場合がある。この場合、基板側から光出力を得るためには光出射部分の基板を除去する必要がある。ＧａＡｓＰ基板のエッチャントとしては硫酸系エッチャントなどが挙げられるが、これらのエッチャントはＡｌＧａＩｎＡｓＰに対してもエッチング作用がある。このため、ＤＢＲが前記材料によって構成されている場合には素子部を侵食する場合がある。
【００９０】
しかし、Ａｓ組成がＧａＡｓＰ基板のＡｓ組成よりも小さなＧａＩｎＡｓＰ半導体材料では、これらのエッチャントを用いた場合のＧａＡｓＰ基板との選択性が高い。従って、ＤＢＲ部と基板との間にＧａＩｎＡｓＰ半導体層をエッチングストップ層として設けることで素子部への侵食を防止することができる。
【００９１】
請求項８記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、ＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有するＡｌＧａＩｎＡｓＰ半導体材料によるＤＢＲを有する垂直空洞半導体面発光レーザ素子において、半導体基板としてＧａＡｓＰ基板を用い、基板側ＤＢＲと基板の間にＧａＩｎＰエッチングストップ層を設けたものである。
【００９２】
請求項８記載の垂直空洞半導体レーザ素子によれば、請求項８と同様に基板側から光出力を取り出す様式のレーザ素子において、発振光の吸収を生ずるＧａＡｓＰを基板として用いた際の光出射部分の基板除去工程を簡略化することができる。
【００９３】
ＧａＩｎＡｓＰエッチングストップ層は、Ａｓ組成が小さい程基板とのエッチング選択性が向上する。エッチングストップ層をＧａＩｎＰとすることでエッチングの制御性をより向上させることができる。
【００９４】
図８は、請求項７および８記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
同図において、ｎ側電極９０１、ｎ−ＧａＡｓＰ基板９０２、ｎ−ＧａＡｓＰバッファ９０３、アンドープＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層９０５，９０７、ＧａＩｎＡｓＰ活性層９０６、ＳｉＯ２絶縁層９１０、ｐ側電極９１１が、実施例７（図６）のｎ側電極６０１、ｎ−ＧａＡｓＰ基板６０２、ｎ−ＧａＡｓＰバッファ６０３、アンドープＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層６０５，６０７、ＧａＩｎＡｓＰ活性層６０６、ＳｉＯ２絶縁層６１２、ｐ側電極６１３に、それぞれ対応している。
【００９５】
図８に示された垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓＰ半導体基板９０２とｎ−ＤＢＲ９０４との間にｎ−ＧａＩｎＰエッチングストップ層９１２を設けて作製されている。ｎ−ＧａＡｓＰ半導体基板９０２は、格子定数がＧａＡｓに対して−１.４％歪みとなる組成を用いている。また、本実施例では、ＤＢＲ９０４の低屈折率層をＡｌＩｎＡｓＰ，高屈折率層をＡｌＧａＡｓＰとしている。また、活性層９０６として発振波長が６５０ｎｍとなる組成のＧａＩｎＡｓＰを用いた。
【００９６】
実施例１（図１参照）および実施例８（図７参照）と同様の手順によって、メサ部，電極を形成した後、硫酸系エッチャントによってＧａＩｎＰエッチングストップ層９１２まで基板をエッチング除去した。硫酸系エッチャントは、ＤＢＲ材料に対する選択性が低いために、エッチングストップ層を設けない場合は基板のみを除去することが難しかったが、本実施例ではエッチングストップ層９１２によって基板のエッチング残や，素子部への侵食がなくなり均一に制御性よく除去することができた。この結果、素子特性のばらつきがなくなり信頼性は向上した。
【００９７】
以上、垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例をいくつか説明したが、これらの垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、レーザプリンタ装置などの電子写真システムに応用することができる。次世代の高速、高精細電子写真技術では、赤色光源によるレーザアレイが重要な意味を持つと考えられる。この意味において、本発明の面発光レーザはアレイ集積化が容易であり、高性能な書き込みシステムを構築することができる。
【００９８】
また、本垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、光情報記録装置の光ヘッドとして応用することができる。本発明の垂直空洞半導体面発光レーザ素子を用いることで、特に低動作電流での光読み出しおよび書き込みが可能になる。
【００９９】
また、本垂直空洞半導体面発光レーザ素子は、光インターコネクションなどへの光通信システムへの応用が可能である。特に石英ファイバーを用いたシステムより低コストなＰＯＦ（Ｐlastic Ｏptical Ｆiber）による近距離の光ネットワークでは、ファイバー材料であるＰＭＭＡ（アクリル樹脂）の低損失帯に対応した波長６５０ｎｍの低消費電力赤色面発光レーザが重要である。また、これの並列光伝送においては、赤色面発光レーザ素子が重要な意味を持っている。本素子を用いた光通信システムは高性能で高い信頼性を実現することが可能になる。
【０１００】
【発明の効果】
各請求項に記載された発明は、それぞれ、次のような効果を有している。
請求項１記載の発明によれば、ＤＢＲをＡｓを組成に含んだＡｌＩｎＡｓＰ層で構成したことにより、表面の丘状欠陥は完全に抑制された。Ａｓ組成は、１％程度から十分な改善効果が得られる。これによって、丘状欠陥による光散乱損失がなくなり、到達反射率などの反射器特性が著しく改善された。よって、発振閾値は低減し、素子特性、素子寿命などの信頼性が向上した。
【０１０２】
請求項２記載の発明によれば、活性層の両側にＧａＩｎＰ層を設けたことにより、Ａｌ元素に起因する非発光再結合中心を低減できるので発光効率が向上する。また、Ａｌ元素に起因した結晶欠陥の活性領域への移動、増殖なども低減されるため、素子寿命などの信頼性も向上した。
【０１０３】
請求項３記載の発明によれば、電極と導通を取るためのコンタクト層を発振光に対して透明としたことにより、光出射領域のコンタクト層を除去する工程を省略することができた。従って、作製工程が簡略化された。
【０１０４】
請求項４記載の発明によれば、同じ格子定数のＡｌＩｎＰ半導体材料と比べ屈折率が小さいＡｌＡｓＰ半導体材料を用いたことにより、ＤＢＲを構成する他の半導体材料との屈折率差を大きくすることができる。これによって少ない積層数で高い反射率を得ることができ、閾値電流密度や素子抵抗が減少した。
【０１０５】
請求項５記載の発明によれば、ＡｌＡｓなどのＡｌ元素を含んだ半導体原料を用いたことにより、酸化によって良質の絶縁体とすることができる。さらに、この際、被酸化層としては、Ａｌ組成が大きい程酸化が容易である。従って、III族原料としてＡｌのみしか含んでいないＡｌＡｓＰはこの点で酸化が容易である。また、選択酸化層を成長するための特別な工程も不要である。ＡｌＡｓＰ選択酸化構造による電流狭窄によって、レーザ発振の閾値は大幅に低減した。
【０１０８】
請求項６記載の発明によれば、素子の放熱性が向上し発振閾値電流を低減することができる。また、スロープ効率などの諸特性も改善することができる。また、Ｐ組成の大きなＧａＡｓＰ基板若しくはＧａＩｎＰ基板は発振光の吸収が無いので、これらを用いることによって基板除去工程を省略することが可能になった。
【０１０９】
請求項７記載の発明によれば、ＧａＡｓＰ基板とＤＢＲの間にＧａＩｎＰエッチストップ層を設けることによって、ＧａＩｎＡｓＰを除くＡｌＧａＩｎＡｓＰ材料によって構成されたＤＢＲの基板除去時の素子部侵食が防止できる。これによって、素子の歩留まり，信頼性を向上できる。
【０１１０】
請求項８記載の発明によれば、エッチングストップ層をＧａＩｎＰとすることにより、エッチングの制御性はより向上し、素子の歩留まり，信頼性が向上する。また、Ａｓを組成に含まないので、６３０〜６６０ｎｍ波長帯に対して吸収のないエッチングストップ層を容易に得ることが可能になった。
【０１１１】
請求項９〜１２記載の発明によれば、高性能で信頼性の高い光システム（電子写真システム，光情報記録装置，光通信システム）を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 請求項１記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
【図２】 垂直空洞半導体面発光レーザ素子の参考例を説明するための図である。
【図３】 請求項２記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
【図４】 請求項４記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
【図５】 請求項５記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
【図６】 垂直空洞半導体面発光レーザ素子の参考例を説明するための図である。
【図７】 請求項６記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
【図８】 請求項７および８記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子の実施例を説明するための図である。
【図９】 ＧａＩｎＰ，ＡｌＩｎＰの格子定数とバンドギャップエネルギーの関係を示す図である。
【符号の説明】
１０１，２０１，３０１，４０１，５０１，６０１，８０１，９０１：ｎ側電極、
１０２，２０２，３０２，４０２，５０２，６０２，９０２：ｎ−ＧａＡｓＰ基板、
１０３，２０３，３０３，４０３，５０３，６０３，８０３，９０３：ｎ−ＧａＡｓＰバッファ（基板）、
１０４，１０８，２０４，２０８，３０４，３０８，４０４，４０８，５０４，５０９，６０４，６１１，８０４，８０８，９０４，９０８：ＤＢＲ（分布ブラッグ反射器）、
１０５，１０７，２０５，２０７：ＡｌＧａＩｎＡｓＰクラッド層、
１０６：ＧａＩｎＰ活性層、
２０６，３０６，４０６，５０６，６０６，８０６，９０６：ＧａＩｎＡｓＰ活性層、
１０９，２０９：ｐ−ＧａＩｎＰスパイク防止層、
１１０，２１０，８１０，９１０：ｐ−ＧａＡｓＰコンタクト層、
１１１，２１１，３１０，４１０，５１１，６１２，８１１，９１１：ＳｉＯ２絶縁層、
１１２，２１２，３１１，４１１，５１２，６１３，８１２，９１１：ｐ側電極、
３０５，３０７，４０５，４０７，５０５，５０７，６０５，６０７，８０５，８０７，９０５，９０７：ＧａＩｎＰキャリア閉じ込め層、
６０８：ＡｌＡｓＰ被酸化層、
８０９：ｐ−ＧａＩｎＰスパイク緩衝層、
８１４：ｎ−ＧａＡｓＰ組成傾斜層、
８１５：ＳｉＯ２反射防止膜。
Claims (12)
- 発振波長が 630nm から 660nm であって、ＧａＡｓＰ基板またはＧａＩｎＰ基板上に、屈折率差を有する２種の半導体層から構成された分布ブラッグ反射器が積層された垂直空洞半導体面発光レーザ素子であって、
前記分布ブラッグ反射器を構成している２種の半導体層はＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有し、かつ、前記基板に格子整合しており、
前記分布ブラッグ反射器を構成している２種の半導体層の内、少なくとも１つが（Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１）ｙ１Ｉｎ１−ｙ１Ａｓｚ１Ｐ１−ｚ１（０＜ｘ１≦１，０.５≦ｙ１≦１，０＜ｚ１＜１）層から構成されたことを特徴とする垂直空洞半導体面発光レーザ素子。 - 請求項 1 記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子において、
活性層の両側にＧａｙ 3Ｉｎ１−ｙ 3Ｐ（０.５≦ｙ３≦１）半導体層が設けられていることを特徴とする垂直空洞半導体面発光レーザ素子。 - 請求項 1 または２記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子において、
前記分布ブラッグ反射器の上面に電極が設けられ、該分布ブラッグ反射器の上面から発振光を取り出す垂直空洞半導体面発光レーザ素子であって、該電極と導通を取るための半導体層が発振光に対して透明であることを特徴とする垂直空洞半導体面発光レーザ素子。 - 発振波長が 630nm から 660nm であって、ＧａＡｓＰ基板またはＧａＩｎＰ基板上に、屈折率差を有する２種の半導体層から構成された分布ブラッグ反射器が積層された垂直空洞半導体面発光レーザ素子であって、
前記分布ブラッグ反射器を構成している２種の半導体層はＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有し、かつ、前記基板に格子整合しており、
該分布ブラッグ反射器がＡｌＡｓｚ４Ｐ１−ｚ４（０＜ｚ４≦１）半導体層を含んでいることを特徴とする垂直空洞半導体面発光レーザ素子。 - 請求項４記載の垂直空洞半導体面発光レーザ素子において、
前記ＡｌＡｓｚ４Ｐ１−ｚ４（０＜ｚ４≦１）半導体層が選択酸化工程によって電流狭窄構造を形成していることを特徴とする垂直空洞半導体面発光レーザ素子。 - 請求項１〜５のいずれか１項に記載の垂直空洞半導体レーザ素子において、光出射面を基板側としたことを特徴とする垂直空洞半導体レーザ素子。
- 請求項６に記載の垂直空洞半導体レーザ素子において、該半導体基板と分布ブラッグ反射器の間にＧａＩｎＡｓＰ層が設けられていることを特徴とする垂直空洞半導体レーザ素子。
- 請求項６記載の垂直空洞半導体レーザ素子において、該半導体基板と分布ブラッグ反射器の間にＧａＩｎＰ層が設けられていることを特徴とする垂直空洞半導体レーザ素子。
- 請求項１〜８のいずれか１項に記載の垂直空洞半導体レーザ素子を光源に用いたことを特徴とする光学システム。
- 前記光学システムが、電子写真システムであることを特徴とする請求項９記載の光学システム。
- 前記光学システムが、光情報記録装置であることを特徴とする請求項９記載の光学システム。
- 前記光学システムが、光通信システムであることを特徴とする請求項９記載の光学システム。
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