JP5367432B2

JP5367432B2 - 面発光レーザ素子

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Publication number: JP5367432B2
Application number: JP2009082782A
Authority: JP
Inventors: 健生影山; 宏辰石井; 均清水; 泰雅川北
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: JP2010238773A

Description

本発明は、面発光レーザ素子に関するものである。

垂直共振器型面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser、以下、面発光レーザ素子と称す。）は、光インターコネクションをはじめとする種々の光通信用光源、あるいは他の様々なアプリケーション用デバイスとして利用されている（例えば、特許文献１参照）。面発光レーザ素子は、基板に対して垂直方向にレーザ光を射出するため、従来の端面発光型レーザ素子に比べて同一基板上に複数の素子を容易に一次元配列させて一次元アレイ素子を形成することができる。また、活性層体積が非常に小さいため、極低閾値電流および低消費電力でレーザ発振が可能であるなど、多くの利点を有している。

一般に、面発光レーザ素子は、基板上に形成された、活性層を挟んで配置された下部多層膜反射鏡と上部多層膜反射鏡とによって構成される光共振器構造と、活性層を励起させる構造とにより構成され、通常は電流注入により活性層を励起させる。なお、多層膜反射鏡とは、高屈折率層と低屈折率層とを周期的に多層積層して形成され、たとえば９９％程度以上の高い反射率を実現するものである。

上述した電流注入構造は、たとえば特許文献１のように、活性層をｎ型半導体層とｐ型半導体層で挟むことによって実現される。ｐ型半導体層上には、電流注入のためのｐ側電極が形成されるが、ｐ側電極と接触するｐ型半導体層の最上層には、ｐ側電極との接触抵抗を低減するために、ｐ型のドーパントを高濃度に添加したｐ型コンタクト層が形成されている。このｐ型ドーパントとしては、たとえばＺｎやＢｅや炭素（Ｃ）が用いられる。

また、ｐ型半導体層が半導体多層膜反射鏡を含む場合に、半導体多層膜反射鏡を構成する高屈折率層と低屈折率層との間に、ヘテロ接合によって生じる価電子帯のスパイクによる電気抵抗の上昇を回避するために、２層間を滑らかに接合する目的で、層方向において組成が変化しているステップグレーデッド層やリニアグレーデッド層、放物線形状グレーデッド層などのグレーデッド層を挿入する技術が通常用いられる。また、このグレーデッド層にｐ型のドーパントを高濃度に添加し、さらに電気抵抗を低減する技術が用いられている（たとえば非特許文献１参照）。

特開２００８−１１７８９９号公報

Carl Wilmsen, Henryk Temkin, and Larry Coldren, "Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, Design, Fabrication, Characterization, and Applications," Cambridge University Press, 1999 pp.116-132.

しかしながら、本発明者らが、ＧａＡｓ系半導体材料を用いて、Ｃを添加したＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層を有する面発光レーザ素子を作製したところ、その発振閾値電流（以下、閾値電流と記載する）が設計から予測される値よりも高く、スロープ効率は低くなるという問題があることを見出した。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、閾値電流が低く、スロープ効率の高い面発光レーザ素子を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る面発光レーザ素子は、基板上に、活性層を挟んで配置された下部多層膜反射鏡と上部多層膜反射鏡とによって構成される光共振器構造を有する、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料からなる面発光レーザ素子であって、光が存在あるいは通過する領域に配置され、Ｃが添加されるとともに、前記Ｃの添加によって発生する前記基板に対する引っ張り歪を補償して該基板に対する圧縮歪を発生させる量の歪補償元素を結晶組成として含むｐ型半導体層を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記基板は、ＧａＡｓからなり、前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料は、ＧａＡｓ系半導体材料であることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記ｐ型半導体層に添加されるＣの濃度は、１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上であることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記歪補償元素は、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｂｉの少なくともいずれか一つであることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記活性層はＧａＩｎＮＡｓからなり、前記ｐ型半導体層は、前記歪補償元素としてのＩｎを、前記活性層のＩｎ組成比よりも低い組成比となるように含むＧａＩｎＡｓからなることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記ｐ型半導体層は、ｐ側電極と接触するコンタクト層であることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記ｐ型半導体層は、前記下部多層膜反射鏡または上部多層膜反射鏡が備える高屈折率層と低屈折率層との間に設けられたグレーデッド層であることを特徴とする。

本発明によれば、ｐ型半導体層においてＣの添加によって発生する引っ張り歪に起因する光吸収の増大が、歪補償元素によって抑制されるので、低閾値かつ高スロープ効率の面発光レーザ素子を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る面発光レーザ素子の模式的な平面図である。図２は、図１に示す面発光レーザ素子のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図３は、ｐ型コンタクト層（添加濃度：９×１０¹⁹ｃｍ^-3）におけるＩｎ組成またはＣ濃度と、ＧａＡｓ基板に対する歪量との関係を模式的に示す図である。図４は、Ｃを添加したＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓ半導体材料について、Ｉｎ組成比を変化させた場合のＧａＡｓ基板に対する歪量と光吸収係数との関係を示す図である。図５は、実施の形態２に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。図６は、図５に示す上部ＤＢＲミラーの積層構造の一部とそのＡｌ組成比とを説明する図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る面発光レーザ素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る面発光レーザ素子の模式的な平面図である。また、図２は、図１に示す面発光レーザ素子のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図１、２に示すように、面発光レーザ素子１００は、半絶縁性の基板１上に積層された下部ＤＢＲミラー２、ｎ型クラッド層３、活性層４、電流狭窄層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７、上部ＤＢＲミラー８、ｐ側電極９およびｎ側電極１０を備える。このうち、ｎ型クラッド層３上に積層された活性層４、電流狭窄層５、ｐ型クラッド層６、およびｐ型コンタクト層７は、エッチング処理等によって柱状形成されたメサポスト１１として形成されている。

下部ＤＢＲミラー２は、例えばＡｌＡｓ層／ＧａＡｓ層の周期的構造からなる複合半導体層が複数（たとえば３５ペア）積層された半導体多層膜鏡として形成されている。この複合半導体層を構成する各層の厚さは、λ／４ｎ（λ：発振波長、ｎ：屈折率）とされている。一方、上部ＤＢＲミラー８は、例えばＳｉＮ層／ＳｉＯ₂層の周期構造からなる複合誘電体層が複数（たとえば１０ペア）積層された誘電体多層膜鏡として形成されている。この複合誘電体層を構成する各層の厚さも、λ／４ｎ（λ：発振波長、ｎ：屈折率）とされている。また、上部ＤＢＲミラー８は、ｐ側電極９の上面部からメサポスト１１の側面を介してｎ型クラッド層３の上面部まで成膜されている。下部ＤＢＲミラー２、上部ＤＢＲミラー８は、それぞれ複合半導体層または複合誘電体層を所定の積層数だけ形成することによって、全体として所定反射率、たとえば９９％以上の反射率を実現している。なお、本実施の形態１では、発振波長λを１２７０ｎｍとしている。

電流狭窄層５は、開口部５ａと選択酸化層５ｂとから構成されている。電流狭窄層５は、メサポスト１１に加工した積層構造に含まれる、例えばＡｌＡｓからなるＡｌ含有層を、水蒸気雰囲気中にて、約４００℃の温度で酸化処理を行い形成したものである。選択酸化層５ｂは、この酸化処理によって、このＡｌ含有層を外周部から積層面に沿ってたとえば幅１０μｍだけ酸化して形成されたものであり、輪帯状の形状を有している。一方、開口部５ａは、酸化されずに残った領域である。選択酸化層５ｂは、絶縁性を有し、ｐ側電極９から注入される電流を狭窄して開口部５ａ内に集中させることで、開口部５ａ直下における活性層４内の電流密度を高めている。

活性層４は、例えばＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓからなる３層の量子井戸構造を有している。ＧａＩｎＮＡｓからなる井戸層のＩｎ組成比は、発光させるべき波長に応じて適宜選択されるが、本実施の形態１では、発振波長λを１２７０ｎｍとしているので、発光中心波長を１２７０ｎｍとするために、Ｉｎ組成比を０．３０（３０％）、窒素組成比を０．０１（１％）としている。また、発光中心波長を長くしたい場合はＩｎ組成または窒素組成を増大させる。

また、ｎ型クラッド層３、ｐ型クラッド層６は、活性層４および電流狭窄層５を挟むように形成されている。ｎ型クラッド層３は、たとえばｎ型ドーパントであるＳｉを１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度に添加したｎ−ＧａＡｓからなる。また、ｐ型クラッド層６は、たとえばｐ型ドーパントであるＣを５×１０¹⁷ｃｍ^-3程度に添加したｐ−ＧａＡｓからなる。

また、ｐ型コンタクト層７は、ｐ型クラッド層６上に形成されている。ｐ型コンタクト層７は、Ｃが高濃度（１×１０²⁰ｃｍ^-3）に添加された厚さ５０ｎｍのｐ⁺−Ｇａ_0.98Ｉｎ_0.02Ａｓからなる。

また、活性層４を挟んで配置された下部ＤＢＲミラー２と上部ＤＢＲミラー８とによって構成される光共振器構造が４λ共振器を構成するように、ｎ型クラッド層３からｐ型コンタクト層７までの積層構造の総層厚が調整されている。

ｐ側電極９は、ｐ型コンタクト層７上に形成され、開口部５ａの直上部における上部ＤＢＲミラー８の一部をその積層面に沿って取り囲むようにリング状に形成されている。一方、ｎ側電極１０は、ｎ型クラッド層３上に積層され、メサポスト１１の底面部をその積層面に沿って取り囲むようにＣ字状に形成されている。これらｐ側電極９およびｎ側電極１０は、それぞれｐ側引出電極１２およびｎ側引出電極１３によって、図示しない外部回路（電流供給回路等）に電気的に接続されている。

つぎに、この面発光レーザ素子１００の動作について説明する。ｐ側電極９とｎ側電極１０との間に電圧を印加し、ｐ側電極９から電流を注入すると、活性層４は、電流狭窄層５によって狭窄された注入電流をもとに自然放出光を発する。この自然放出光は、活性層４を含み下部ＤＢＲミラー２と上部ＤＢＲミラー８とを共振器ミラーとする光共振器構造によってレーザ発振し、上部ＤＢＲミラー８の上面部に設けられた射出窓（透過窓）としてのアパーチャ８ａからレーザ光が射出される。このアパーチャ８ａは、上部ＤＢＲミラー８の上面部における開口部５ａ直上の円形領域である。

ここで、ｐ型コンタクト層７は、上部ＤＢＲミラー８の直下であって、光共振器によって形成される光の定在波の腹の近傍の位置、すなわち光強度が高い位置に配置されている。仮にこのｐ型コンタクト層がレーザ光を大きく吸収するものであれば、光共振器内における光損失への寄与が大きいため、面発光レーザ素子の閾値電流が高くなる原因となる。

これに対して、この面発光レーザ素子１００では、ｐ型コンタクト層７が、歪補償元素としてのＩｎを含むｐ⁺−Ｇａ_0.98Ｉｎ_0.02Ａｓからなるので、Ｃが（１×１０²⁰ｃｍ^-3）と高濃度に添加されていても、光吸収損失が抑制されるため、閾値電流が低くなる。

以下、具体的に説明する。図３は、Ｃを添加したＧａＩｎＡｓ半導体材料について、Ｉｎ組成またはＣ濃度と、ＧａＡｓ基板に対する歪量との関係を模式的に示す図である。なお、歪量の符号については、圧縮歪が発生している場合を正とし、引っ張り歪が発生している場合を負としている。図４の線Ｌ１に示すように、ＧａＩｎＡｓ半導体材料においては、Ｃの濃度の増加に応じて、歪量が負の方向に増大する。これに対して、線Ｌ２に示すように、Ｉｎ組成の増加に応じて、歪量が正の方向に増大する。したがって、Ｃを添加したＧａＩｎＡｓ半導体材料において、Ｃの濃度に応じてＩｎ組成を選択すれば、線Ｌ３に示すように、歪量が正となり、すなわち圧縮歪が発生する。本実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００のｐ型コンタクト層７は、Ｃの濃度１×１０²⁰ｃｍ^-3に対してＩｎ組成比を２％にすることによって、ｐ型コンタクト層７に引っ張り歪を発生させ、光吸収損失を抑制している。

以下、本発明についてさらに具体的に説明する。本発明者らが、Ｃを添加したＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層を有するＧａＡｓ系材料からなる面発光レーザ素子における閾値電流の上昇の原因について検討したところ、Ｃを添加して得られたｐ型ＧａＡｓ系半導体材料は、ｐ型ドーパントであるＺｎを添加したＧａＡｓ系半導体材料と比較して、９００〜１７００ｎｍの波長帯域における光吸収係数が２倍程度大きいことを発見した。

そこで、本発明者らがＧａＡｓ結晶のエネルギーバンドにおける価電子帯構造に関する理論検討を行ったところ、Ｃを添加したＧａＡｓ結晶において光吸収係数が大きくなる原因は、Ｃの添加によってＧａＡｓの格子定数が小さくなり、基板のＧａＡｓに対して引っ張り歪になっており、その引っ張り歪により価電子帯構造が変形したことによることを見出した。

具体的には、Ｃの添加によってＧａＡｓ結晶の価電子帯構造が変化したことにより、ライトホールおよびヘビーホールとスプリットオフとの間のｋ空間における形状が、無歪状態よりも近寄ってきて、これによってライトホールおよびヘビーホールとスプリットオフとの間の振動子強度が大きくなることが分かった。ここで、バンドギャップ波長よりも長波長側の波長域においては、光吸収は主に価電子帯間吸収によって生じるが、価電子帯間吸収はライトホールおよびヘビーホールとスプリットオフとの間の振動子強度に比例する。したがって、引っ張り歪材料のほうが無歪材料よりも価電子帯間吸収の吸収係数が大きくなるということが分かった。

本発明者らは、上述した発見をもとに、Ｃの添加によって発生する引っ張り歪を補償して圧縮歪を発生させる歪補償元素をＧａＡｓ系半導体材料に含めて、このＧａＡｓ系半導体材料に圧縮歪を与えることにより、価電子帯間吸収係数を小さくでき、光吸収損失を低減することができるという着想に至り、本発明を完成したのである。

つぎに、本発明らが本発明の効果を確認するために行なった、Ｃを添加したＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓ半導体材料の光吸収係数の測定結果について説明する。図４は、Ｃを添加したＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓ半導体材料について、Ｉｎ組成比を変化させた場合のＧａＡｓに対する歪量と光吸収係数との関係を示す図である。なお、Ｃの濃度は９×１０¹⁹ｃｍ^-3としている。また、光吸収係数は波長１．３０μｍにおける値である。図４に示すように、Ｉｎを含まないＧａＡｓ半導体材料では、光吸収係数は３８００ｃｍ^-1であり、Ｚｎを添加したＧａＡｓ半導体材料について報告されている光吸収係数の約２倍の値であった。これに対して、Ｉｎ組成比を０．１５％とし、ＧａＡｓにほぼ格子整合させて歪量を０％としたＧａＩｎＡｓ半導体材料では、光吸収係数は急激に減少して１９００ｃｍ^-1となり、Ｚｎ添加ＧａＡｓ半導体材料についての報告値と非常によく一致した。さらにＩｎ組成比を増加させた場合は、その減少率は低下するものの光吸収係数はさらに減少し、Ｉｎ組成比が０．８９％で歪量が約０．３％の場合では、光吸収係数が約１０００ｃｍ^-1となり、Ｉｎを含まない場合の１／４程度の値となった。なお、Ｉｎ組成比をさらに１．４８％に増加させると、光吸収係数はさらに減少するが、その減少率はさらに低下する。したがって、Ｃの濃度を９×１０¹⁹ｃｍ^-3とした場合のＩｎ組成としては、光吸収係数の減少効率の点からは、０．１５％〜１％が特に好ましい。

また、本実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００の場合、ｐ型コンタクト層７のＩｎ組成比を増加させていくと、そのエネルギーバンド構造が活性層４の井戸層に近づいていき、活性層４からのレーザ光を吸収するようになる。したがって、ｐ型コンタクト層７のＩｎ組成比としては、少なくともレーザ発振波長に対してほとんど透明となるような組成比であることが好ましく、たとえば３０％より小さい値であればよい。ところがＧａ_0.7Ｉｎ_0.3Ａｓの膜は、臨界膜厚が８ｎｍ程度と、非常に薄いことが考えられるため、本実施の形態１のような場合は、実際にはコンタクト層厚である５０ｎｍ以上の臨界膜厚となるようにＩｎ組成を選ぶ必要があり、それは７％程度以下である。また、ＮやＰなどを含めることにより半導体材料の選択範囲が広がるが、いずれの半導体材料の場合でも、レーザ発振波長に対して殆ど透明であることや臨界膜厚以内の組成と膜厚であることを満たすように設計できる。

以上説明したように、本実施の形態１に係る面発光レーザ１００素子は、光の定在波の腹近傍に位置するｐ型コンタクト層７による光吸収損失が抑制されているので、閾値電流が低いものとなる。

（実施例１、比較例１）
本発明の実施例１として、上記実施の形態１に従う面発光レーザ素子を作製し、その特性を測定したところ、閾値電流が０．６ｍＡ、スロープ効率が０．８Ｗ／Ａであり、素子の電気抵抗が８９オームでシングルモード動作した。一方、比較例１として、上記実施の形態１に係る面発光レーザ素子において、ｐ型コンタクト層を、Ｉｎを含まないＧａＡｓからなるものとした面発光レーザ素子を作製し、その特性を測定したところ、閾値電流が１．５ｍＡに増加し、スロープ効率が０．３５Ｗ／Ａに低下し、素子の電気抵抗が９３オームでシングルモード動作した。すなわち、実施例１の面発光レーザ素子では、ｐ型コンタクト層にＩｎを含めて光吸収係数を低減するという本発明の効果が、閾値電流及びスロープ効率に大きく現れた。

（実施の形態２）
本発明は、実施の形態１のようなｐ型コンタクト層だけでなく、光が存在あるいは通過する領域に配置された様々なｐ型半導体層に対して適用できる。以下に説明する本発明の実施の形態２では、本発明をｐ型半導体多層膜鏡におけるグレーデッド層に適用している。

図５は、本発明の実施の形態２に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。図５に示すように、この面発光レーザ素子２００は、裏面にｎ側電極３０を形成したｎ−ＧａＡｓからなるｎ型の基板２１上に、下部ＤＢＲミラー２２、ｎ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓからなる下部クラッド層２３、ＧａＡｓ／Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ構造の多重量子井戸からなる活性層２４、ｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓからなる上部クラッド層２６、ｐ型コンタクト層２７、及び、上部ＤＢＲミラー２８を含む積層構造を備えている。

下部ＤＢＲミラー２２は、それぞれの層の厚さがλ／（４ｎ）であるｎ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層／ｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層の３５ペアからなる。なお、λは８５０ｎｍである。

また、上部ＤＢＲミラー２８は、Ｃを１×１０¹⁷ｃｍ^-3程度に添加した、それぞれの層の厚さがλ／（４ｎ）であるｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層／ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層の２５ペアと、ｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層との間に介挿されたグレーデッド層を備えている。上部ＤＢＲミラー２８の構造については後に詳述する。

また、上部ＤＢＲミラー２８では、活性層２４に近い側の一層のｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層に代え、開口部２５ａと選択酸化層２５ｂとから構成される電流狭窄層２５が形成されている。なお、電流狭窄層２５を形成するＡｌ含有層については、その組成式をＡｌＧａＡｓで表すと、Ａｌ組成比が０．９であるものを用いることができるが、上部ＤＢＲミラー２８内のＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層との選択酸化比の観点からは、Ａｌ組成比は０．９５以上であることが好ましい。

また、ｐ型コンタクト層２７は、実施の形態１のｐ型コンタクト層７と同様に、Ｃが高濃度（１×１０²⁰ｃｍ^-3）に添加された厚さ５０ｎｍのｐ⁺−Ｇａ_0.98Ｉｎ_0.02Ａｓからなる。したがって、光吸収損失が低減されたものとなっている。

また、ｐ型コンタクト層２７から下部クラッド層２３の下面に到るまで、例えば直径３０μｍの円筒形状のメサポスト３１に加工されている。

メサポスト３１の上端には、外周５μｍ〜１０μｍ程度の幅のリング状（環状）のｐ側電極２９が設けられている。また、メサポスト３１は、周囲が例えばポリイミド等の誘電体層（ポリイミド層）３３により埋め込まれている。さらに、ポリイミド層３３の上には、外部端子とワイヤーで接続するためのｐ側電極パッド３２が形成され、ｐ側電極２９と電気的に接続されている。

この面発光レーザ素子２００は以下のように動作する。まず、ｐ側電極２９とｎ側電極３０との間に電圧を印加し、ｐ側電極２９から電流を注入すると、活性層２４は、電流狭窄層２５によって狭窄された注入電流をもとに自然放出光を発する。この自然放出光は、下部ＤＢＲミラー２２と上部ＤＢＲミラー２８とを共振器ミラーとする活性層２４を含む光共振器によってレーザ発振し、上部ＤＢＲミラー２８の上面部にｐ側電極２９の内周領域として設けられたアパーチャ２９ａからレーザ光が射出される。

つぎに、上部ＤＢＲミラー２８の構造について説明する。図６は、図５に示す上部ＤＢＲミラー２８の積層構造の一部とそのＡｌ組成比とを説明する図である。図６に示すように、この上部ＤＢＲミラー２８は、ｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層２８ｂとｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層２８ｃとの間に、ヘテロ接合による電気抵抗の上昇を回避するために、グレーデッド層２８ｄ、２８ｅが介挿されている。

このグレーデッド層２８ｄ、２８ｅは、いずれも層厚が２０ｎｍであり、Ｃが添加されたＡｌＧａＩｎＡｓからなるものである。以下、グレーデッド層２８ｄ、２８ｅのＡｌ組成比、Ｃ濃度、Ｉｎ組成比について説明する。

はじめに、Ａｌ組成比について説明する。グレーデッド層２８ｄは、図６においてＬ４が示すように、そのＡｌ組成比が、厚さ方向において連続的にＡｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓからＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓにつながるように０．９から０．２へと線形に変化しているリニアグレーデッド層である。一方、グレーデッド層２８ｅも、線Ｌ４が示すように、そのＡｌ組成比が、層方向において連続的にＡｌ_0.2Ｇａ_0.8ＡｓからＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓにつながるように０．２から０．９へと線形に変化しているリニアグレーデッド層である。

さらに、このグレーデッド層２８ｄ、２８ｅには、更なる電気抵抗低減のために、２×１０¹⁹ｃｍ^-3という高濃度でＣが添加されている。このＣの濃度は、Ｖ族であるＡｓに対する組成としては０．１０％程度である。なお、ＡｌＧａＡｓ系半導体材料を用いたＤＢＲミラーに対しては、ｐ型ドーパントしては通常Ｃが用いられる。その理由は、Ｃは、ＺｎやＢｅなどと比較して熱拡散が非常に小さく、さらにキャリア活性化率が高いためである。

一方、このグレーデッド層２８ｄ、２８ｅにおいては、Ｉｎ組成比を１％としている。その結果、このグレーデッド層２８ｄ、２８ｅは、実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００のｐ型コンタクト層７の場合と同様に、Ｃが高濃度に添加されていても、光吸収損失が抑制される。その結果、この面発光レーザ素子２００の閾値電流は低くなる。

なお、このグレーデッド層２８ｄ、２８ｅは、上部ＤＢＲミラー２８を構成するｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層２８ｂとｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層２８ｃとの間の全てに介挿されている。したがって、ｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層／ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層の２５ペアからなる上部ＤＢＲミラー２８においては、グレーデッド層２８ｄ、２８ｅの合計の層数は４９層にもなる。したがって、本発明による光吸収損失の抑制効果は極めて高いものとなる。

また、本実施の形態２では、グレーデッド層２８ｄ、２８ｅはリニアグレーデッド層であるが、その組成の変化がステップ形状であるステップグレーデッド層や、放物線形状である放物線形状グレーデッド層としてもよい。

また、本実施の形態２では、上部ＤＢＲミラー２８の方がｐ型であるが、下部ＤＢＲミラーの方がｐ型である面発光レーザ素子の場合は、下部ＤＢＲミラーに上述したようなグレーデッド層を形成する。

（実施例２、比較例２）
本発明の実施例２として、上記実施の形態２に従う面発光レーザ素子を作製し、その特性を測定したところ、閾値電流が０．６ｍＡ、スロープ効率が１．０Ｗ／Ａであり、素子の電気抵抗が３５オームと、非常に優れた特性を示した。一方、比較例２として、上記実施の形態２に係る面発光レーザ素子において、グレーデッド層を、Ｉｎを含まないＡｌＧａＡｓからなるものとした面発光レーザ素子を作製し、その特性を測定したところ、素子の電気抵抗が３５オームであったものの、閾値電流が０．７６ｍＡに増加し、スロープ効率が０．７Ｗ／Ａに低下した。すなわち、実施例２の面発光レーザ素子では、グレーデッド層にＩｎを含めて光吸収係数を低減するという本発明の効果が、閾値電流及びスロープ効率に大きく現れた。

なお、上記実施の形態では、歪補償元素としてＩｎを用いたが、歪補償元素としては、Ｉｎに限らず、ＳｂやＢｉなども利用できる。たとえば１×１０¹⁹ｃｍ^-3の高濃度でＣを添加したＡｌＧａＡｓ半導体材料やＧａＡｓ半導体材料に、歪補償元素としてのＩｎ、Ｓｂ、Ｂｉなどを、ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪になるような組成比で含ませれば、上記半導体材料に圧縮歪を発生させ、光吸収損失を低減することができる。

また、本発明は、基板に対して実質的に引っ張り歪が発生する濃度以上にＣが添加されたｐ型半導体層において好ましく適用できる。たとえば基板をＧａＡｓ基板とした場合に、ＧａＡｓ半導体層にＣを添加する場合は、実質的に引っ張り歪が発生する濃度は１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度以上である。

また、上記実施の形態では、Ｃが添加され、Ｉｎを含ませるｐ型半導体層が、ｐ型コンタクト層またはグレーデッド層であったが、本発明はこれに限定されない。たとえは、上記実施の形態のようないわゆる選択酸化型の電流狭窄層を有する面発光レーザ素子の場合、環状のｐ型電極と電流狭窄層との間に、電流注入を効率よく行うための電流経路層として、Ｃを高濃度に添加したデルタドープ層を設ける場合がある。このようなデルタドープ層に対しても、Ｉｎ等の歪補償元素を含めて、その光吸収損失を低減することもできる。このように光吸収損失を低減したデルタドープ層であれば、光共振器内での光の強度分布にかかわらず、その配置する位置を一層自由に設定できる。

また、上記実施の形態は、面発光レーザ素子であり、Ｃを高濃度に添加したｐ型半導体層に関するものであるが、本発明の適用範囲はこれに限定されない。たとえば、ファブリーペロー（ＦＰ）型や分布帰還（ＤＦＢ）型等の、端面発光型半導体レーザ素子において、ＤＣＨ（Decoupled Confinement Hetero-structure）構造を採用したものがある。このＤＣＨ構造においては、活性層の近傍にＡｌ組成比をたとえば４０％ときわめて高くしたＡｌＧａＡｓ層を配置して、キャリアを閉じ込めるようにしている。このようなキャリア閉じ込め層においても、きわめて高いＡｌ組成比によって引っ張り歪が生じて、価電子帯間吸収による光吸収損失が大きくなっていると考えられる。したがって、本発明の歪補償元素を含めるようにして、キャリア閉じ込め層における光吸収損失を低減し、その閾値電流等の特性を高めることができる。

また、本発明は、ＧａＡｓ基板上の半導体材料のみならず、ＩｎＰ基板やＧａＰ基板、Ｇｅ基板、ＩｎＳｂ基板、ＧａＮ基板上にエピタキシャル成長されたＩＩＩ−Ｖ族等の半導体材料に対しても同様の効果があることは言うまでもない。

また、歪補償元素としては、ｐ型半導体層のもともとの結晶組成に含まれている元素と同一の元素でもよい。たとえば、ＩｎＰと、Ａｌ_0.48Ｉｎ_0.52Ａｓとが格子整合する場合に、ＩｎＰ基板上にＣを１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度の高濃度に添加したＡｌＩｎＡｓ層を形成する場合を考える。この場合、ＡｌＩｎＡｓ層の組成において、Ｉｎ組成比を、格子整合する組成比である５２％から、歪補償のために５５％に増加し、Ａｌ_0.45Ｉｎ_0.55Ａｓとなるようにすれば、Ｃの添加によって発生するＩｎＰ基板に対する引っ張り歪を補償して、ＩｎＰ基板に対する圧縮歪を発生させる量の歪補償元素Ｉｎを結晶組成として含むようにすることができる。

また、本発明は、サファイア基板上のＧａＮ材料や、ＩｎＰ基板上にメタボルフィック（Ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ）成長されたＡｌＧａＡｓ系材半導体材料にも適用できる。これらの成長方法では，バッファー層を介して半導体基板とは異なる格子定数に変換されて成長され、実質的に格子定数が変換された後の膜中の歪はゼロである。基板の格子定数と異なる格子定数をもつ半導体構造に対しての歪量は、格子定数が変換された層より上部の部分に対して周辺の平均格子定数に対しての歪量により定義できる。

１、２１基板
２、２２下部ＤＢＲミラー
３ｎ型クラッド層
４、２４活性層
５、２５電流狭窄層
５ａ、２５ａ開口部
５ｂ、２５ｂ選択酸化層
６ｐ型クラッド層
７、２７ｐ型コンタクト層
８、２８上部ＤＢＲミラー
８ａ、２９ａアパーチャ
９、２９ｐ側電極
１０、３０ｎ側電極
１１、３１メサポスト
１２ｐ側引出電極
１３ｎ側引出電極
２３下部クラッド層
２６上部クラッド層
２８ｂｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層
２８ｃｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層
２８ｄ、２８ｅグレーデッド層
３２ｐ側電極パッド
３３ポリイミド層
１００面発光レーザ
１００、２００面発光レーザ素子
Ｌ１〜Ｌ４線

Claims

基板上に、活性層を挟んで配置された下部多層膜反射鏡と上部多層膜反射鏡とによって構成される光共振器構造を有する、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料からなる面発光レーザ素子であって、
光が存在あるいは通過する領域に配置され、Ｃが添加されるとともに、前記Ｃの添加によって発生する前記基板に対する引っ張り歪を補償して該基板に対する圧縮歪を発生させる量の歪補償元素を結晶組成として含むｐ型半導体層を備え、
前記基板は、ＧａＡｓからなり、前記ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料は、ＧａＡｓ系半導体材料であり、
前記活性層はＧａＩｎＮＡｓを含み、前記ｐ型半導体層は、前記歪補償元素としてのＩｎを、０．１５％〜７％、かつ前記活性層のＩｎ組成比よりも低い組成比となるように含むＧａＩｎＡｓからなることを特徴とする面発光レーザ素子。
前記ｐ型半導体層は、前記歪補償元素としてのＩｎを、０．１５％〜１％の組成比となるように含むことを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
前記ｐ型半導体層に添加されるＣの濃度は、１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ素子。
前記ｐ型半導体層は、ｐ側電極と接触するコンタクト層であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
前記ｐ型半導体層は、前記下部多層膜反射鏡または上部多層膜反射鏡が備える高屈折率層と低屈折率層との間に設けられたグレーデッド層であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。