JP5460412B2 - 半導体レーザ素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ素子およびその製造方法に関し、特に、垂直共振器型の面発光型半導体レーザ（VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting LASER）素子およびその製造方法に関する。

従来の面発光型半導体レーザ素子として、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ミラーである上部および下部多層膜反射鏡の間に活性層を含む複数の半導体層を積層した垂直共振器型の面発光型半導体レーザ素子が開示されている（特許文献１参照）。また、この米国特許に開示される面発光型半導体レーザ素子は、メサポスト構造を有するとともに、電流経路を制限して電流注入効率を上げるための電流狭窄層を備えている。この電流狭窄層は、外周に位置する電流狭窄部と、電流狭窄部の中心に位置する電流注入部とを有するものである。この電流注入部は、面発光型半導体レーザ素子に電流を注入した際の電流経路になる。

さらに、上記米国特許に開示される面発光型半導体レーザ素子は、ｐ側円環電極からの電流注入を効率よく行なうために、複数の半導体層の最上層の所定位置に、ｐ型ドーパント濃度を高めたｐ型高濃度半導体からなる低抵抗のコンタクト層を備えている。ｐ側円環電極から注入された電流は、コンタクト層を電流経路として、電流狭窄層を経由して効率よく活性層まで注入される。その結果、面発光型半導体レーザ素子の発振しきい値電流は低減される。

米国特許第５２４５６２２号公報

面発光型半導体レーザ素子においては、光吸収をより少なくして、さらに高効率なものとすることが求められている。

本発明は、光吸収が少なく、高効率な半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することを主な目的とする。

本発明によれば、
ｐ側電極と、ｎ側電極と、第１の反射鏡と、第２の反射鏡と、
前記第１の反射鏡および前記第２の反射鏡との間に設けられた共振器であって、活性層と、前記第ｐ側電極と前記ｎ側電極間に流れる電流の経路を制限する電流経路制限層であって、電流が流れる第１の領域と、電流の流れを制限する第２の領域と、を有する前記電流経路制限層と、を備える前記共振器と、
ｐ側電極と前記電流経路制限層との間のｐ側半導体領域と、
前記ｐ側半導体領域に設けられた少なくとも一つの高濃度ドーピング層と、を備え、
前記ｐ側電極は、前記電流経路制限層の前記第２の領域の少なくとも一部と対向して設けられており、
前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層には、１×１０^１９ｃｍ^−３以上の炭素原子がドーピングされ、
前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層は、前記電流経路制限層の前記第１の領域および前記第２の領域にそれぞれ対向する第１の領域および第２の領域を有し、
前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層の前記第１の領域の少なくとも一部の領域が、前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層の第２の領域の少なくとも一部の領域よりも高い水素原子濃度の領域である面発光型半導体レーザ素子が提供される。

好ましくは、前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層には、１×１０^２０ｃｍ^−３以上の炭素原子がドーピングされている。

また、好ましくは、前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層の前記第１の領域の前記少なくとも一部の領域では、水素原子の濃度と炭素原子の濃度の比が、０．１０以上である。

また、好ましくは、前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層の前記第１の領域の前記少なくとも一部の領域は、前記少なくとも一部の領域の中心部から前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層の前記第２の領域側の周辺部に向かうに従って水素原子濃度が減少するドーピング濃度分布を有し、前記中心部において、水素原子の濃度と炭素原子の濃度の比が、０．１０以上である。

また、好ましくは、前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層の半導体は、炭素原子をドーピングすることによってｐ型の導電性となる半導体から構成されている。

また、好ましくは、半導体レーザ素子は、基板と、前記基板上に形成された凸部と、をさらに備え、前記凸部は、少なくとも、前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層と、前記電流経路制限層と、を備え、前記電流経路制限層の前記第１の領域はＡｌ含有化合物半導体からなり、前記電流経路制限層の前記第２の領域は前記Ａｌ含有化合物半導体を酸化した酸化絶縁物からなる。

また、好ましくは、前記電流経路制限層の前記第２の領域は前記電流経路制限層の前記第１の領域の周囲に設けられている。

また、好ましくは、前記第１の反射鏡、前記ｐ側電極、前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層、前記電流経路制限層、前記活性層および前記第２の反射鏡はこの順に設けられ、
前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層の前記第２の領域は、前記ｐ側電極と接触して設けられている。

また、好ましくは、前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層には、２層以上の高濃度ドーピング層が含まれ、
前記第１の反射鏡、前記ｐ側電極、前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層、前記電流経路制限層、前記活性層および前記第２の反射鏡はこの順に設けられ、
前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層の一つの前記第２の領域は、前記ｐ側電極と接触して設けられ、前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層の前記一つと、前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層の他の一つとの間には、５×１０^１８ｃｍ^−３以下のｐ型不純物濃度の層が設けられている。

また、好ましくは、前記ｐ側電極、前記第１の反射鏡、前記電流経路制限層、前記活性層および前記第２の反射鏡はこの順に設けられ、
前記第１の反射鏡は、半導体ＤＢＲミラーであって、第１の半導体層、前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層、第２の半導体層を有し、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層は、互いに組成およびバンドギャップが異なる第１半導体および第２の半導体からなり、前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層は、前記第１の半導体の組成から前記第２の半導体の組成の間の組成を有し、前記第１の半導体から前記第２の半導体に向かうにつれて組成が連続的または階段的に変化する組成傾斜層である。

また、好ましくは、前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層の前記第１の領域の前記水素原子濃度の高い領域を、前記半導体レーザ素子から射出するレーザ光が特定の偏波状態のものとなる所定の形状に設ける。

また、本発明によれば、上記各半導体レーザ素子を複数備えるレーザアレイが提供される。

また、本発明によれば、上記各半導体レーザ素子を備える光学機器が提供される。

また、本発明によれば、上記各半導体レーザ素子を備える通信システムが提供される。

また、本発明によれば、１×１０^１９ｃｍ^−３以上の炭素原子がドーピングされたｐ型の半導体層であって、前記半導体層の一部の領域であって光の通過領域である前記一部の領域が、前記一部の領域以外の領域よりも高い水素原子濃度の領域であり、前記一部の領域では高濃度ドーパントが水素原子で失活されている光学素子が提供される。

好ましくは、前記半導体層の前記一部の領域では、水素原子の濃度と炭素原子の濃度の比が、０．１以上である。

また、本発明によれば、
１×１０^１９ｃｍ^−３以上の炭素原子がドーピングされた第１の半導体層の一部と、前記第１の半導体層に隣接し、５×１０^１８ｃｍ^−３以下の炭素原子がドーピングされた第２の半導体層の一部とに、水素原子を導入する工程と、
その後、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層を５００℃以上７００℃以下の温度でアニールして、前記第１の半導体層の前記一部の水素原子濃度を前記第２の半導体層の前記の一部の水素原子濃度よりも高くする工程と、を備える半導体レーザ素子の製造方法が提供される。

本発明によれば、光吸収が少なく、高効率な半導体レーザ素子およびその製造方法が提供される。

炭素原子ドーピング濃度と、残留水素原子濃度との関係を説明するための図である。 水素原子注入した状態を説明するための概略縦断面図である。 水素原子注入後にアニールした状態を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい実施の形態の原理を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい第１の実施の形態を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい第１の実施の形態の半導体レーザの特性を説明するための図である。 本発明の好ましい第２の実施の形態を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい第３の実施の形態を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい第４の実施の形態を説明するための概略平面図である。 本発明の好ましい第４の実施の形態を説明するための概略縦断面図であり、図９のＸ１−Ｘ１線概略縦断面図である。 本発明の好ましい第５の実施の形態を説明するための概略縦断面図である。 図１１のＡ部の部分拡大概略縦断面図である。 本発明の好ましい第１〜第５の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイを説明するための概略斜視図である。 本発明の好ましい第１〜第５の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイチップを説明するための概略平面図である。 本発明の好ましい第１〜第５の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を用いた面発光レーザパッケージを説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい第１〜第５の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を用いた光ディスク用ピックアップを説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい第１〜第５の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を用いた光送受信モジュールを説明するための概略平面図である。 本発明の好ましい第１〜第５の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子と光導波路との光結合構造、または本発明の好ましい第１〜第５の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイと光導波路との光結合構造を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい第１〜第５の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子と光導波路との光結合構造、または本発明の好ましい第１〜第５の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイと光導波路との光結合構造を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい第１〜第５の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子と光導波路との光結合構造、または本発明の好ましい第１〜第５の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイと光導波路との光結合構造を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい第１〜第５の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を用いた通信システム、または本発明の好ましい第１〜第５の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイを用いた通信システムを説明するための概略構成図である。

以下に、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子構造および製造方法を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

半導体レーザ素子を製造する際に、ｐ型ＧａＡｓに水素原子を注入して、水素原子注入領域を高抵抗化し、高抵抗化した部分を電流狭窄領域として使用する方法がある（米国特許第５０３１１８７号明細書参照）。本発明者達はこの水素原子注入方法を鋭意研究した結果、次の知見を得た。

従来の水素原子注入領域を利用して電流狭窄領域を作成する方法では、水素原子注入後、４００℃程度の温度でアニールしていた。これは、それ以上の高温でアニールすると、水素原子が離脱してしまうからと考えられていたからである。

しかしながら、本発明者達は、高濃度炭素（Ｃ）原子ドーピング層と低濃度炭素（Ｃ）原子ドーピング層に水素原子を導入し、５００℃以上７００℃以下の温度でアニールすると、低濃度炭素原子ドーピング層および高濃度炭素原子ドーピング層の両方で結晶性は回復し、低濃度炭素原子ドーピング層では水素原子は離脱するが、高濃度炭素原子ドーピング層では水素原子が残存し、炭素原子をドーピングすることによって生じた正孔を不活性化（パッシベーション）し、それによって、炭素原子を高濃度にドーピングすることによって増大した光吸収を減少させることができることを見出した。

このように、高濃度炭素原子ドーピング層に選択的に水素原子を導入し、５００℃以上７００℃以下の温度でアニールすることによって、高濃度炭素原子ドーピング層に選択的に水素原子を導入した部分のみの光吸収を減少させ、その部分のみの光の透過率を上げることができる。なお、炭素原子をドーピングすることによって生じた正孔を不活性化することになるので、その分電気抵抗は大きくなる。一方、水素原子が導入されていない高濃度炭素原子ドーピング層は、炭素原子をドーピングしたことによって、そのドーピング濃度に応じた本来の濃度の正孔を生じさせるため、電気抵抗を小さくすることができる。もっとも、生じる正孔の濃度が高いので、光吸収は大きくなる。また、低濃度炭素原子ドーピング層では５００℃以上７００℃以下の温度のアニールで水素原子は離脱するので、低濃度に炭素原子をドーピングした状態と同程度の状態となる。アニールする時間は、ドーパントの活性層への拡散による特性劣化、量子井戸活性層の混晶化による発光波長の短波長化等を防止を考慮しながら、１分から１２０分の間で適宜選択される。

次に、図１を参照して、このことをさらに詳細に説明する。図１は、炭素原子ドーピング濃度と、残留水素原子濃度との関係を説明するための図である。

ＧａＡｓ基板上に、炭素原子濃度が順次高くなるようにＧａＡｓ層を複数層積層して試験用試料を作成した。最下層の最も炭素原子濃度が低いＧａＡｓ層の炭素原子濃度を約１×１０^１８ｃｍ^−３とし、最も炭素原子濃度の高いＧａＡｓ層の炭素原子濃度は約２×１０^２０ｃｍ^−３とした。水素原子濃度は、全てのＧａＡｓ層において、約１．５×１０^２０ｃｍ^−３とした。次に、このようにして作成した試料を、５５０℃の温度で６０分間アニールした。その後、この試料を二次イオン分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectroscopy）により分析し、炭素原子濃度と水素原子濃度を求めた。図中、炭素原子濃度はＣ（ＳＩＭＳ）と表記し、水素原子濃度はＨ（ＳＩＭＳ）と表記している。また、ＥＣＶ（Electrochemical capacitance-voltage）法により、キャリア濃度を測定した。図中、キャリア濃度はCarrier Concと表記している。さらに、ドーピングした炭素原子のうち活性化された炭素原子の割合を示す活性化率も（ＥＣＶで測定したｐ型キャリア濃度）／（ＳＩＭＳで求めた炭素原子濃度）によって求めた。図中、活性化率はactivationと表記している。

この図によれば、アニール後においては、炭素原子濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３を境にして、それ以上の炭素原子濃度のＧａＡｓ層では、水素原子が有意の濃度で残存しており、１０％以上のキャリアが失活していることがわかる。さらに、炭素原子濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３以上の場合には、十分な量の水素原子（４ｘ１０^１９ｃｍ^−３以上）が残存しており、５０％以上のキャリアが失活していることがわかる。炭素原子濃度の好ましい上限は、４ｘ１０^２０ｃｍ^−３である。これ以上ドーピングすると、ｐ型として振舞う炭素原子が減少していく、あるいは結晶性に問題が生じるからである。炭素原子濃度５ｘ１０^１８ｃｍ^−３以下であれば、活性化率９５％以上となり、水素原子は抵抗上昇に寄与しない。この部分は、定在波の腹に近い部分なので、光吸収という観点で、キャリア濃度を抑制する必要が有る．従って、炭素原子濃度１ｘ１０^１８ｃｍ^−３以下が望ましい。炭素原子濃度は１ｘ１０^１７ｃｍ^−３が下限である。これ以下だと抵抗が急激に増加する。

また、この実験から、炭素原子濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３の場合には、水素原子と炭素原子の濃度の比が０．１０であり、炭素原子濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３の場合には、水素原子と炭素原子の濃度の比が０．４０であった。さらには、炭素原子濃度が５×１０^１８ｃｍ^−３の場合には、水素原子と炭素原子の濃度の比が０．０５であり、炭素原子濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３の場合には、水素原子と炭素原子の濃度の比が０．０３であった。なお、水素原子と炭素原子の濃度の比の好ましい上限は０．５０である。

アニール温度は５００℃以上７００℃以下であることが好ましい。５００℃より低いと、５×１０^１８以下の低濃度炭素原子ドーピング層においても水素原子が多く残留してしまい、所望の水素原子プロファイルが得られず、電流がうまく流れなくなる。７００℃より高いとエピタキシャル成長した層全体の結晶性の劣化を招いてしまう。

なお、上記の結果は、ＧａＡｓについて効果がもっとも顕著であるが、ＧａＡｓに限られず、ＧａＡｓ以外にも、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ等の炭素原子をドーピングすることによってｐ型の導電性となる半導体材料にも当てはまる。

また、上記の結果は、高濃度の炭素原子ドーピングｐ型半導体層を有する面発光型半導体レーザ素子に適用するのがもっとも好ましいが、面発光型のレーザ素子のみならず、高濃度の炭素原子ドーピングｐ型半導体層を有する他の光学素子、例えば、端面発光型半導体レーザあるいはＬＥＤ等にも好適に適用できる。

次に、図２、図３を参照して、半導体レーザ素子を構成する半導体層への水素原子注入後の状態と、水素原子注入後にアニールした状態とを説明する。図２は、水素原子注入した状態を説明するための概略縦断面図であり、図３は、水素原子注入後にアニールした状態を説明するための概略縦断面図である。

図２に示すように、ｎ型コンタクト層１０４上に形成された活性層１０５、ｐ型クラッド層１０６、ｐ型高濃度半導体層１２０およびｐ型クラッド層１０９を備える基板１０１に、ホトレジスト等をマスク１３８としてｐ型クラッド層１０９側からイオン注入法により水素原子を選択的に約１×１０^２０〜１×１０^２１ｃｍ^−３の濃度になるように注入する。ｐ型クラッド層１０６およびｐ型クラッド層１０９は、例えば、炭素原子が１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングされたＧａＡｓであり、ｐ型高濃度半導体層１２０は、例えば、炭素原子が１×１０^２０ｃｍ^−３の濃度でドーピングされたＧａＡｓである。

その後、５００℃〜７００℃の温度でアニールした結果を図３に示した。５００℃〜７００℃の温度でアニールするので、活性層１０５、ｐ型クラッド層１０６、ｐ型高濃度半導体層１２０およびｐ型クラッド層１０９の結晶性はほぼ完全に回復しており、イオン注入によるダメージはほぼ完全に除去されている。また、ｐ型高濃度半導体層１２０の水素原子が選択的に注入された領域１２１にのみ水素原子が炭素原子濃度に対して数十％程度の割合で残留している。この水素原子残留領域１２１では、炭素原子をドーピングすることによって生じた正孔が不活性化（パッシベーション）されるので、この水素原子残留領域１２１ではドーパントに起因する光吸収が減少する。なお、炭素原子をドーピングすることによって生じた正孔を不活性化することになるので、その分電気抵抗は大きくなる。また、水素原子残留領域１２１以外のｐ型高濃度半導体層１２０では、高濃度に炭素原子がドーピングされており、不活性化されていないので、電気抵抗は小さく、光吸収は大きい。低炭素原子ドーピング濃度のｐ型クラッド層１０６およびｐ型クラッド層１０９の水素原子注入領域近傍では、水素原子は離脱し、拡散されるので有意な水素原子は残存していない。

なお本実施例では、この水素原子残留領域１２１は、この水素原子残留領域１２１の中心部から周辺部に向かうに従って水素原子濃度が減少するドーピング濃度分布を有している。このような濃度プロファイルは、マスクを使用して水素原子残留領域１２１のみに選択的に水素原子をイオン注入することによって導入すると形成される。いま、ｐ型高濃度半導体層１２０には炭素原子が１×１０^２０ｃｍ^−３の濃度でドーピングされているので、水素原子残留領域１２１には、水素原子が炭素原子濃度に対して数十％程度の割合で残留している。このときの水素原子の濃度プロファイルは、水素原子残留領域１２１の中心部において、炭素原子濃度に対して数十％程度の割合であり、外周部に向かうに従って水素原子濃度が減少している。また、ｐ型高濃度半導体層１２０に炭素原子が１×１０^１９ｃｍ^−３の濃度でドーピングされているとすると、水素原子残留領域１２１には、水素原子が炭素原子濃度に対して１０％程度の割合で残留することになり、このときの水素原子の濃度プロファイルは、水素原子残留領域１２１の中心部において、炭素原子濃度に対して１０％程度の割合であり、外周部に向かうに従って水素原子濃度が減少している。

次に、図４を参照して、本発明の好ましい実施の形態の半導体レーザ素子の原理を説明する。図４に示すように、ｎ型コンタクト層１０４上に形成された活性層１０５、ｐ型クラッド層１０６、中央の電流注入部１０７ｂとその周囲の電流狭窄部１０７ａとを有する電流狭窄層１０７、ｐ型クラッド層１０８、ｐ型高濃度半導体層１２０およびｐ型クラッド層１０９、ｐ側円環電極１１３を備える基板１０１に、ホトレジスト等をマスク（図示せず）としてｐ型クラッド層１０９側からイオン注入法により水素原子を選択的に約１×１０^２０〜１×１０^２１ｃｍ^−３の濃度になるように注入する。ｐ型クラッド層１０６、ｐ型クラッド層１０８およびｐ型クラッド層１０９は、例えば、炭素原子が１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングされたＧａＡｓであり、電流注入部１０７ｂは、例えば、炭素原子が１ｘ１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングされたＡｌＡｓであり、ｐ型高濃度半導体層１２０は、例えば、炭素原子が１×１０^２０ｃｍ^−３の濃度でドーピングされたＧａＡｓである。

その後、５００℃〜７００℃の温度でアニールする。５００℃〜７００℃の温度でアニールするので、活性層１０５、ｐ型クラッド層１０６、電流注入部１０７ｂ、ｐ型クラッド層１０８、ｐ型高濃度半導体層１２０およびｐ型クラッド層１０９の結晶性はほぼ完全に回復しており、イオン注入によるダメージはほぼ完全に除去されている。また、ｐ型高濃度半導体層１２０の水素原子が選択的に注入された領域１２１にのみ水素原子が炭素原子濃度に対して数十％程度の割合で残留している。この水素原子残留領域１２１では、炭素原子をドーピングすることによって生じた正孔が不活性化（パッシベーション）されるので、この水素原子残留領域１２１では、その分、ｐ型高濃度半導体層１２０の不活性化されていない領域に比べて光吸収が減少する。なお、炭素原子をドーピングすることによって生じた正孔を不活性化することになるので、その分、ｐ型高濃度半導体層１２０の不活性化されていない領域に比べて電気抵抗は大きくなる。低炭素原子ドーピング濃度のｐ型クラッド層１０６、ｐ型クラッド層１０８、ｐ型クラッド層１０９および電流注入部１０７ｂでは、水素原子は離脱し、拡散されるので有意な水素原子は残存していない。

この場合には、ｐ型高濃度半導体層１２０の水素原子残留領域１２１は、電流注入部１０７ｂの直上に形成されているので、レーザ光１３３の通路となるが、上述したように、光吸収は少ないので、不活性化されていない場合に比べて、発光のロスが低減される。ｐ型高濃度半導体層１２０の水素原子残留領域１２１以外の領域は、炭素原子が高濃度にドーピングされているので、電気抵抗は小さく、ｐ側円環電極１１３からの有効な電流経路となる。電流は、電流狭窄層１０７の中央の電流注入部１０７ｂに流入するが、その場合に、ｐ型高濃度半導体層１２０の水素原子残留領域１２１そのものを流れることは殆どなく、水素原子残留領域１２１の周囲のｐ型高濃度半導体層１２０から電流注入部１０７ｂに向かって大部分が流れることになる。従って、炭素原子をドーピングすることによって生じた正孔を不活性化することになって、その分水素原子残留領域１２１の電気抵抗は大きくなっても、半導体レーザ素子の素子抵抗には殆ど影響しない。

このように、ｐ型高濃度半導体層１２０に水素原子残留領域１２１を形成することによって、電極間の電気抵抗を上昇させないで、光吸収を低減させることができる。その結果、半導体レーザ素子の発光効率を上昇することができるので、低消費電力化できる。また、効率が良いので、バイアス電流を下げられ、信頼性も高くすることができる。

（第１の実施の形態）
次に、図５を参照して、本発明の好ましい第１の実施の形態の半導体レーザ素子１００を説明する。

図５は、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子１００の模式的な断面図である。本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子は、レーザ発振波長が１１００ｎｍ帯である。図１に示すように、この面発光型半導体レーザ素子１００は、基板１０１と、基板１０１上に形成された下部半導体多層膜反射鏡である下部ＤＢＲミラー１０２と、バッファ層１０３と、ｎ型コンタクト層１０４と、多重量子井戸構造を有する活性層１０５と、ｐ型クラッド層１０６と、外周に位置する電流狭窄部１０７ａと電流狭窄部１０７ａの中心に位置する円形の電流注入部１０７ｂとを有する電流狭窄層１０７と、ｐ型クラッド層１０８と、中央に円形の水素原子残留領域１２１を有するｐ型高濃度半導体層１２０と、ｐ型クラッド層１０９と、中央に円形の水素原子残留領域１１２を有するｐ型コンタクト層１１１とが順次積層した構造を有する。水素原子残留領域１２１および水素原子残留領域１１２は電流注入部１０７ｂの直上に設けられている。本実施の形態においては、出射される光のモードに影響を与えないように、水素原子残留領域１１２および１２１の直径は、その水素原子濃度が炭素原子濃度の１０％程度となる周縁部が後述する電流注入部の直径の１０％程度大きくなるように設定されている。水素原子残留領域１２１、水素原子残留領域１１２および電流注入部１０７ｂの中心は平面視で一致している。活性層１０５からｐ型コンタクト層１１１までが円柱状のメサポスト１３０を構成している。

基板１０１は、アンドープのＧａＡｓからなる。また、下部ＤＢＲミラー１０２は、ＧａＡｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層の４０ペアからなる。バッファ層１０３は、アンドープのＧａＡｓからなる。また、ｎ型コンタクト層１０４は、ｎ型ＧａＡｓからなる。また、活性層１０５は、層数が３のＩｎＧａＡｓ井戸層と層数が４のＧａＡｓ障壁層が交互に積層した構造を有しており、最下層のＧａＡｓ障壁層はｎ型クラッド層としても機能する。また、電流狭窄層１０７については、電流狭窄部１０７ａはＡｌ_２Ｏ_３からなり、電流注入部１０７ｂは、直径が６〜７μmであり、炭素原子が１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングされたＡｌＡｓからなる。電流狭窄部１０７ａによって、ｐ側円環電極１１３とｎ側電極１１７との間に流れる電流の経路を制限して、電流注入部１０７ｂに電流の流れを集中させており、電流狭窄層１０７は、電流経路制限層として機能している。

ｐ型クラッド層１０６と、ｐ型クラッド層１０８およびｐ型クラッド層１０９は、炭素原子が１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングされたＧａＡｓである。ｐ型クラッド層１０６と、ｐ型クラッド層１０８およびｐ型クラッド層１０９に存在する水素原子の濃度は３ｘ１０^１６ｃｍ^−３程度である。

ｐ型高濃度半導体層１２０は、炭素原子が１×１０^２０ｃｍ^−３の濃度でドーピングされたＧａＡｓである。ｐ型高濃度半導体層１２０の中央の水素原子残留領域１２１には水素原子が高濃度で存在している。水素原子残留領域１２１の水素原子の濃度プロファイルは、水素原子残留領域１２１の中心部において、炭素原子濃度に対して数十％程度の割合であり、外周部に向かうに従って水素原子濃度が減少している。水素原子濃度が炭素原子濃度に対して４０％の割合となる箇所の直径は５μm程度である。水素原子残留領域１２１以外のｐ型高濃度半導体層１２０の水素原子濃度は約１×１０^１６〜１×１０^１７ｃｍ^−３である。この水素原子濃度はアニール条件によって異なり、５５０℃でのアニールであれば、約４×１０^１６ｃｍ^−３である。

ｐ型コンタクト層１１１は、炭素原子が１×１０^２０ｃｍ^−３の濃度でドーピングされたＧａＡｓである。ｐ型コンタクト層１１１の中央の水素原子残留領域１１２には水素原子が高濃度で存在している。水素原子残留領域１１２の水素原子の濃度プロファイルは、水素原子残留領域１１２の中心部において、炭素原子濃度に対して数十％程度の割合であり、外周部に向かうに従って水素原子濃度が減少している。水素原子濃度が炭素原子濃度に対して１０％の割合となる箇所の直径は約６〜１０μmである。水素原子残留領域１１２以外のｐ型コンタクト層１１１の水素原子濃度は約１×１０^１６〜１×１０^１９ｃｍ^−３である。

ｎ型コンタクト層１０４のドナー濃度（ドーパント濃度）はたとえば１×１０^１８ｃｍ^−３程度であり、バッファ層１０３のドナー濃度はたとえば１×１０^１８ｃｍ^−３程度である。なお、ＧａＡｓからなる各半導体層の屈折率は約３．４５である。

ｐ型コンタクト層１１１上には、リング状（環状）のｐ側円環電極１１３が設けられている。ｐ側円環電極１１３の外径は、たとえば３０μｍであり、その開口部１１３ａの内径は、たとえば１１μｍ程度である。ｐ側円環電極１１３は、例えば、下層のＴｉ層と上層のＰｔ層からなっている。ｐ型コンタクト層１１１は、ｐ側円環電極１１３とオーミックコンタクトをとると共に、電流経路としても機能する。

ｐ側円環電極１１３の開口部１１３ａ内には、窒化珪素（ＳｉＮ_ｘ）からなる円板状の位相調整層１１４が形成され、この位相調整層１１４の上面からバッファ層１０３の底面までの部分が共振器１１０を構成している。位相調整層１１４は、共振器１１０の光学長を調整するために追加された層であり、また、ｐ型の高濃度層などの光吸収の大きい層は、その層による光の吸収が最小限となるように、共振器内に形成される定在波の節の位置近傍に配置されている。

共振器１１０の上には、誘電体からなる上部多層膜反射鏡である上部ＤＢＲミラー１１６が形成されている。上部ＤＢＲミラー１１６は、たとえばＳｉ/窒化珪素の４ペアからなる。

また、ｎ型コンタクト層１０４は、メサポスト１３０の下部から半径方向にメサポスト１３０の外側まで延びており、その表面にたとえばＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなる半円環状のｎ側電極１１７が形成されている。ｎ側電極１１７は、たとえば外径が８０μｍ、内径が４０μｍである。

また、ｎ側電極１１７に対して、Ａｕからなるｎ側引き出し電極(図示せず）が形成されている。一方、ｐ側円環電極１１３に対しても、Ａｕからなるｐ側引き出し電極(図示せず）が形成されている。そして、ｎ側電極１１７およびｐ側円環電極１１３は、それぞれｎ側引き出し電極(図示せず）およびｐ側引き出し電極(図示せず）によって、外部に設けた電流供給回路(図示せず）に電気的に接続されている。

つぎに、面発光型半導体レーザ素子１００の製造方法について説明する。

はじめに、エピタキシャル成長法によって、基板１０１上に下部ＤＢＲミラー１０２、バッファ層１０３、ｎ型コンタクト層１０４、活性層１０５、ｐ型クラッド層１０６、ＡｌＡｓからなる被酸化層、ｐ型クラッド層１０８、ｐ型高濃度半導体層１２０と、ｐ型クラッド層１０９と、ｐ型コンタクト層１１１を順次積層する．さらにプラズマＣＶＤ（化学気相成長：Chemical Vapor Deposition)法および適当なマスクを用いて、ＳｉＮ_ｘからなる円板状の位相調整層１１４をｐ型コンタクト層１１１上に選択的に形成する。位相調整層１１４の厚さは所望の共振器長に応じて適宜設計され、例えば、光学厚さλ／４程度に設定される。

つぎに、リフトオフ法を用いて、位相調整層１１４の周囲のｐ型コンタクト層１１１上に、Ｐｔ／Ｔｉ層からなるｐ側円環電極１１３を形成する。

つぎに、p側円環電極とその内側を覆うマスクを作成し，これを介してｎ型コンタクト層１０４に到る深さまで半導体層をエッチングして円柱状のメサポスト１３０を形成し、さらに別のマスクを形成し、バッファ層１０３に到る深さまでｎ型コンタクト層１０４をエッチングする。

つぎに、水蒸気雰囲気中において熱酸化処理を行って、電流狭窄層１０７に相当する層をメサポスト１３０の外周側から酸化処理する事により、外周側を選択的に酸化され、電流狭窄部１０７ａが形成される。上記選択酸化は電流狭窄層１０７に相当する層の外周側からほぼ均一に進行するので、中心にはＡｌＡｓからなる電流注入部１０７ｂが形成される。ここでは、熱処理時間等を調整して、電流注入部１０７ｂの直径が５〜７μｍ程度になるようにする。

つぎに、メサポスト130上に選択的に形成されたホトレジスト等をマスク（図示せず）としてｐ型コンタクト層１１１側からイオン注入法により水素原子を選択的に約１×１０^２０〜１×１０^２１ｃｍ^−３の濃度になるように注入する。

その後、５００℃〜７００℃の温度でアニールする。５００℃〜７００℃の温度でアニールするので、活性層１０５、ｐ型クラッド層１０６、電流注入部１０７ｂ、ｐ型クラッド層１０８、ｐ型高濃度半導体層１２０、ｐ型クラッド層１０９およびｐ型コンタクト層１１１の結晶性はほぼ完全に回復しており、イオン注入によるダメージはほぼ完全に除去されている。また、ｐ型高濃度半導体層１２０の水素原子が選択的に注入された領域１２１にのみ水素原子が炭素原子濃度に対して数十％程度の割合で残留している。この水素原子残留領域１１２、１２１では、炭素原子をドーピングすることによって生じた正孔が不活性化（パッシベーション）されるので、この水素原子残留領域１１２、１２１では、その分、ｐ型コンタクト層１１１およびｐ型高濃度半導体層１２０の不活性化されていない領域に比べて光吸収が減少する。なお、炭素原子をドーピングすることによって生じた正孔を不活性化することになるので、その分、ｐ型コンタクト層１１１およびｐ型高濃度半導体層１２０の不活性化されていない領域に比べて電気抵抗は大きくなる。低炭素原子ドーピング濃度のｐ型クラッド層１０６、ｐ型クラッド層１０８、ｐ型クラッド層１０９および電流注入部１０７ｂでは、水素原子は離脱し、拡散されるので有意な水素原子は残存していない。

つぎに、メサポスト１３０の外周側のｎ型コンタクト層１０４の表面に、半円環状のｎ側電極１１７を形成する。
つぎに、プラズマＣＶＤ法を用いて上部ＤＢＲミラー１１６を形成した後に、基板１０１の裏面を研磨し、基板１０１の厚さをたとえば１５０μｍに調整する。その後、素子分離を行い、図１に示す面発光型半導体レーザ素子１００が完成する。

この面発光型半導体レーザ素子１００は、外部に設けた電流供給回路(図示せず）からそれぞれｎ側引き出し電極(図示せず）およびｐ側引き出し電極(図示せず）を介してｎ側電極１１７およびｐ側円環電極１１３間に電圧を印加し、電流を注入すると、電流は主に低抵抗のｐ型高濃度半導体層１２０およびｐ型コンタクト層１１１を流れ、さらに電流経路が電流狭窄層１０７によって電流注入部１０７ｂ内に狭窄されて、高い電流密度で活性層１０５に供給される。その結果、活性層１０５はキャリア注入されて自然放出光を発光する。自然放出光のうち、レーザ発振波長である波長λの光は、下部ＤＢＲミラー１０２と上部ＤＢＲミラー１１６との間の共振器１１０で定在波を形成し、活性層１０５によって増幅される。そして、注入電流がしきい値以上になると、定在波を形成する光がレーザ発振し、ｐ側円環電極１１３の開口部１１３ａから１１００ｎｍ帯のレーザ光が出力する。

ｐ型高濃度半導体層１２０の水素原子残留領域１２１およびｐ型コンタクト層１１１の水素原子残留領域１１２は、電流注入部１０７ｂの直上に形成されているので、レーザ光１３３の通路となるが、上述したように、光吸収は少ない。ｐ型高濃度半導体層１２０の水素原子残留領域１２１以外の領域およびｐ型コンタクト層１１１の水素原子残留領域１１２以外の領域は、炭素原子が高濃度にドーピングされているので、電気抵抗は小さく、ｐ側円環電極１１３からの電流経路となる。電流は、電流狭窄層１０７の中央の電流注入部１０７ｂに流入するが、その場合に、ｐ型高濃度半導体層１２０の水素原子残留領域１２１やｐ型コンタクト層１１１の水素原子残留領域１１２そのものを流れることは殆どなく、水素原子残留領域１２１の周囲のｐ型高濃度半導体層１２０や水素原子残留領域１１２の周囲のｐ型コンタクト層１１１から電流注入部１０７ｂに向かって大部分が流れることになる。従って、炭素原子をドーピングすることによって生じた正孔を不活性化することになって、その分水素原子残留領域１２１や水素原子残留領域１１２の電気抵抗は大きくなっても、半導体レーザ素子の素子抵抗特性にはほとんど影響しない。

このように、ｐ型高濃度半導体層１２０に水素原子残留領域１２１を形成し、ｐ型コンタクト層１１１の水素原子残留領域１１２を形成することによって、電極間の電気抵抗を上昇させないで、光吸収を低減させることができる。その結果、半導体レーザ素子の発光効率を上昇することができるので、低消費電力化でき、効率が良いので、バイアス電流を下げられ、信頼性も高くできる。

本発明の実施例として、上記の製造方法によって、図５に示す構造を有する面発光レーザ素子１００を製造した。また、比較例として、上記の面発光レーザ素子１００とほぼ同様であるが、ｐ型高濃度半導体層１２０には水素原子残留領域１２１を形成せず、ｐ型コンタクト層１１１には水素原子残留領域１１２を形成しない構造の面発光型半導体レーザ素子を製造した。

これらの面発光型半導体レーザ素子の特性は、図６に示すように、比較例：Ｉｔｈ（閾値）＝０．５ｍＡ，Ｓｅ（スロープ効率）＝０．３Ｗ/Ａ、本発明の実施例：Ｉｔｈ（閾値）＝０．４３ｍＡ，Ｓｅ（スロープ効率）＝０．６Ｗ／Ａ）であった。図６によれば、本実施の形態の面発光レーザ素子１００は、閾値が減少し（比較例の０．８５倍）、効率が上昇（スロープ効率が比較例の２倍）していることがわかる。

（第２の実施の形態）
次に、図７を参照して、本発明の好ましい第２の実施の形態の半導体レーザ素子１００を説明する。上述の第１の実施の形態では、中央に水素原子残留領域１１２を有するｐ型コンタクト層１１１を設けていたが、本実施の形態では、ｐ型コンタクト層１１１を設けていない点が第１の実施の形態と異なるが、他の点は同様であり、製造方法も同様である。

（第３の実施の形態）
次に、図８を参照して、本発明の好ましい第３の実施の形態の半導体レーザ素子１００を説明する。上述の第２の実施の形態の半導体レーザ素子のｐ型高濃度半導体層１２０には水素原子残留領域１２１の領域を光束よりも狭くし、高次モードの光１３６は射出させず、主モードの光１３５のみを射出させるようにした点が第２の実施の形態と異なるが、他の点は同様であり、製造方法も同様である。なお、水素原子残留領域１２１の形状を適宜変更すれば、特定の高次モードの光のみを選択的に射出させるようにすることもできる。

（第４の実施の形態）
次に、図９、図１０を参照して、本発明の好ましい第４の実施の形態の半導体レーザ素子１００を説明する。上述の第２の実施の形態の半導体レーザ素子のｐ型高濃度半導体層１２０には水素原子残留領域１２１の領域の平面視での形状を、円形から、一方向は大きく、それと直交する方向では小さい形状として、射出するレーザ光の偏波を制御できるようにした点が第２の実施の形態と異なるが、他の点は同様であり、製造方法も同様である。

（第５の実施の形態）
次に、図１１、図１２を参照して、本発明の好ましい第５の実施の形態の半導体レーザ素子１００を説明する。上述の第１の実施の形態の半導体レーザ素子では、上部多層膜反射鏡として、誘電体多層膜からなる上部ＤＢＲミラー１１６を使用したが、本実施の形態では、上部多層膜反射鏡として、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ層の３５．５ペアからなる上部ＤＢＲミラー１２２を使用している。

基板１０１上に、下部ＤＢＲミラー１０２、バッファ層１０３、活性層１０５、ｐ型クラッド層１０６、外周に位置する電流狭窄部１０７ａと電流狭窄部１０７ａの中心に位置する円形の電流注入部１０７ｂとを有する電流狭窄層１０７、ｐ型クラッド層１０８、上部ＤＢＲミラー１２２、中央に円形の水素原子残留領域１２９を有するｐ型コンタクト層１２８が順次積層されている。ｐ型コンタクト層１２８上にはｐ側円環電極１１９が設けられている。基板１０１下にはｎ側電極１１８が設けられている。

図１２に示すように、上部ＤＢＲミラー１２２は、ＧａＡｓ層１２３とＡｌＧａＡｓ層１２４とを交互に複数層積層したものであるが、ＧａＡｓ層１２３とＡｌＧａＡｓ層１２４とではバンドギャプが異なるので、ＧａＡｓ層１２３からＡｌＧａＡｓ層１２４に向かうにつれて組成が連続的または段階的に変化する組成傾斜層１２５を設けている。また、バンドの不連続部に生じるスパイクノイズを減少させるために、組成傾斜層１２５には炭素原子を１×１０^１９ｃｍ^−３の濃度で導入している。

本実施の形態では、この組成傾斜層１２５の中央部（電流注入部１０７ｂの直上）に水素原子をｐ型コンタクト層１２８側からイオン注入法により選択的に約１ｘ１０^２０〜１ｘ１０^２１ｃｍ^−３の濃度になるように注入する。その後、５００℃〜７００℃の温度でアニールして、中央の円形の水素原子残留領域１２６を形成している。このとき、ｐ型コンタクト層１２８にも中央に円形の水素原子残留領域１２９が形成される。

上部ＤＢＲミラー１２２の中央の円形の水素原子残留領域１２６およびｐ型コンタクト層１２８にも中央に円形の水素原子残留領域１２９は、電流注入部１０７ｂの直上に形成されているので、レーザ光の通路となるが、光吸収は少なく、半導体レーザ素子の効率を高めることができる。

なお、上記各実施の形態では、電流をより流れやすくするために、中央に円形の水素原子残留領域を有するｐ型高濃度半導体層であって、ｐ型クラッド層中にｐ型高濃度半導体層をさら１層または２層以上追加することもできる。この場合も、追加したｐ型高濃度半導体層は共振の節の位置近傍に設けることが好ましい。

上記実施の形態では、被酸化層はＡｌＡｓからなるものであったが、Ａｌ_１−ｘＧａ_ｘＡｓ（０．８＜ｘ＜１）からなるものでもよい。

また、上記した本発明の好ましい実施の形態は、酸化物によって電流経路を狭窄する酸化物電流狭窄構造のみならず、水素原子注入によって水素原子注入領域を高抵抗化し、高抵抗化した部分を電流狭窄領域として使用する構造や、埋め込みヘテロ（ＢＨ）構造の半導体レーザ素子にも、好適に適用できる。

次に、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１００を複数用いた面発光レーザアレイの例を図１３、１４を参照して説明する。一例として、図１３に示したように、面発光レーザアレイチップ７００がＣＬＣＣ（Ｃｅｒａｍｉｃ Ｌｅａｄｅｄ ｃｈｉｐ ｃａｒｒｉｅｒ）と呼ばれる周知のフラットパッケージ７１０に実装されたものを用いている。図では煩雑さを避けるために、金属キャスター（電極）７１４と面発光レーザアレイチップ７００との接続は省略してある。面発光レーザアレイチップ７００は図９に示したように、中央部に設けられた複数の面発光型半導体レーザ素子１００からなる素子部７０２、及び周囲に設けられ、素子部７０２の複数の発光部と接続（図示せず）された複数の電極パッド７０６を有している。さらに、各電極パッド７０６はフラットパッケージ７１２の金属キャスター７１４と接続（図示せず）されている。各発光部は、フラットパッケージ７１２と接続された（図示しない）外部制御回路によって発光制御され、所定の波長のレーザ光を射出する。

次に、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１００を光学機器に適用した例について図面を参照して説明する。図１５は、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１００を発光素子のパッケージに適応したときの構成を示す概略縦断面図である。面発光レーザパッケージ３００は、面発光型半導体レーザ素子１００、基板３０４および電極３０６からなる面発光レーザモジュール、レンズ３１６、ハウジング３１０、光ファイバマウント３１２、光ファイバ３１４とからなる。電極３０６は、外部の制御回路（図示せず）に電気的に接続され、面発光レーザパッケージの発光が制御されている。面発光型半導体レーザ素子１００から出射したレーザ光はレンズ３１６で集光され光ファイバ３１４に結合される。

図１６は、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１００を光記憶媒体への書き込み／読み出し装置のピックアップに適応したときの構成を示す概略縦断面図である。ピックアップ３５０は、面発光型半導体レーザ素子１００、基板３５４、電極３５６、駆動ＩＣ３５８、およびこれらの要素を封止する樹脂３６０からなる面発光レーザモジュールと、レンズ３７６、ハーフミラー３７０、回折格子３７４、光センサー３８０、光記憶媒体３７２とからなる。樹脂３６０の出射面は凸状に加工されレンズ３６２を構成している。電極３５４は、外部の制御回路（図示せず）に電気的に接続され、レーザピックアップの発光が制御されている。面発光型半導体レーザ素子１００から出射したレーザ光は、レンズ３６２で平行光とされ、ハーフミラー３７０で反射された後、レンズ３７６によって集光され光記憶媒体３７２の所定の箇所に集光される。また、光媒体で反射された光は光センサー３８０に入射される。ここでは、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光型半導体レーザ素子１００を複数有する面発光レーザ素子アレイを通信用の発光素子パッケージ、あるいは光ディスク用ピックアップに適用した例を示したがこれに限られず、測量機器、レーザーポインター、光学マウス、あるいは、プリンタ、フォトレジストの走査露光用光源、レーザポンピング用光源や、加工用ファイバレーザの光源等の光学機器として用いることもできる。

図１７は、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１００を適用した光送受信モジュールの概略構成図である。図１７に示すように、光送受信モジュール４００は、保持部材４０２、光導波路（光ファイバ）４１２と、保持部材４０２上で光導波路（光ファイバ）４１２の位置決め用のスペーサ４１０、光導波路（光ファイバ）４１２を介して光信号を送信する面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光型半導体レーザ素子１００を複数有する面発光レーザ素子アレイ及び光信号を受信する受光素子４０４、面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイの発光状態を制御する駆動回路４０６、受光素子４０４で受信された信号を増幅する増幅回路４０８とで構成されている。面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイは外部の制御部（図示せず）からの制御信号によって駆動回路４０６を介して発光制御され、受光素子４０４で受信された信号が増幅回路４０８を介して制御部へ送信される。煩雑さを避けるために、駆動回路４０６と面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイおよび増幅回路４０８と受光素子４０４のワイヤボンディングは省略している。

図１８〜図２０は図１７における面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイと、光導波路４１２との光結合部分の概略構成図であり、基板５００、面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイ、光導波路４１２は図１８〜図２０で共通している。図１８では、導波路４１２の端面が光軸に対してほぼ４５度に傾斜するように加工されており、さらにこの傾斜面が反射面５０４として、反射膜のコーティング等による鏡面加工が施され、面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイから出射した光は、導波路４１２の下面から導波路に入射され、傾斜面５０４で反射されて光導波路４１２内を伝播する。図１９では、面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイ上、光導波路４１２の端面側方に内部に反射面５０４の設けられたミラーアセンブリ５０６が設置されて、面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイから出射した光は、ミラーアセンブリ５０６の下面から入射され、反射面５０４で反射され、ミラーアセンブリ５０６から出射された光が光導波路４１２に結合されて光導波路４１２内を伝播する。ミラーアセンブリ５０６の入射面あるいは／および出射面にはマイクロレンズ（アレイ）が設けられてもよい。図２０は、コネクタハウジング５１２内に光ファイバ４１２が配置され、さらに光ファイバ心線の曲部５１４の端部が面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイに対向するように配置され、面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイから出射した光が光ファイバ４１２に結合される。

次に、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光型半導体レーザ素子１００を複数有する面発光レーザ素子アレイを通信システムに適用した例を示す。図２１には、面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイを用いた波長多重伝送システムの構成例が示されている。図２１の波長多重伝送システムはコンピュータ、ボードあるいはチップ６０２、通信制御回路（ＣＰＵ，ＭＰＵ、光―電気変換回路、電気―光変換回路、波長制御回路）６０４、面発光型半導体レーザ素子１００を複数有する面発光レーザ素子アレイ６０６、受光素子集積部６０８、合波器６１０、分波器６１２、電気配線６１６、光ファイバ６１７、６１８、通信対象のネットワーク、ＰＣ、ボード、チップなど６１４からなる。図２１の波長多重伝送システムでは、発振波長の異なる複数の面発光レーザ素子を配列して面発光レーザアレイ６０６を構成し、面発光レーザアレイ６０６の各面発光レーザ素子からの各発振光を合波器を通して１本の光ファイバに結合させるように構成されている。このような構成では、１本のファイバで、高スループットに大容量の信号伝送ができる。このように、本発明の好ましい実施の形態の面発光レーザアレイは、モードが安定しており、且つ、各発振波長が安定しているので、高い信頼性で高密度大容量の波長多重伝送が可能になる。なお、本実施形態では各面発光レーザアレイ６０６あるいは受光素子集積部６０８からの出力用光ファイバあるいは入力用光ファイバは合波器６１０あるいは分波器６１２を用いて1本の光ファイバに結合されているが、用途に応じては出力用光ファイバあるいは入力用光ファイバをそのまま通信対象のネットワーク、ＰＣ、ボード、チップなど６１４に接続して並列伝送システムとすることもできる。この場合、本発明の好ましい実施の形態の面発光レーザアレイは、発光効率が良く、且つ、低消費電力での駆動ができるので、複数の光源をもつ信頼性の高い並列伝送システムの構築が容易になる。

以上、本発明の種々の典型的な実施の形態を説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されない。従って、本発明の範囲は、次の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

１００ 面発光型半導体レーザ素子
１０１ 基板
１０２ 下部ＤＢＲミラー
１０３ バッファ層
１０４ ｎ型コンタクト層
１０５ 活性層
１０６ ｐ型クラッド層
１０７ 電流狭窄層
１０７ａ 電流狭窄部
１０７ｂ 電流注入部
１０８ ｐ型クラッド層
１０９ ｐ型クラッド層
１１０ 共振器
１１１ ｐ型コンタクト層
１１２ 水素原子残留領域
１１３ ｐ側円環電極
１１３ａ 開口部
１１４ 位相調整層
１１６ 上部ＤＢＲミラー
１１７ ｎ側電極
１１８ ｎ側電極
１１９ ｐ側円環電極
１２０ ｐ型高濃度半導体層
１２１ 水素原子残留領域
１２２ 上部ＤＢＲミラー
１２３ ＧａＡｓ層
１２４ ＡｌＧａＡｓ層
１２５ 組成傾斜層
１２６ 水素原子残留領域
１２８ ｐ型コンタクト層
１２９ 水素原子残留領域
１３０ メサポスト
１３１ 電流経路
１３３ レーザ光
１３５ 主モード
１３６ 高次モード
１３８ マスク

Claims (17)

1. ｐ側電極と、ｎ側電極と、第１の反射鏡と、第２の反射鏡と、
   前記第１の反射鏡および前記第２の反射鏡との間に設けられた共振器であって、活性層と、前記第ｐ側電極と前記ｎ側電極間に流れる電流の経路を制限する電流経路制限層であって、電流が流れる第１の領域と、電流の流れを制限する第２の領域と、を有する前記電流経路制限層と、を備える前記共振器と、
   ｐ側電極と前記電流経路制限層との間のｐ側半導体領域と、
   前記ｐ側半導体領域に設けられた少なくとも一つの高濃度ドーピング層と、を備え、
   前記ｐ側電極は、前記電流経路制限層の前記第２の領域の少なくとも一部と対向して設けられており、
   前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層には、１×１０^１９ｃｍ^−３以上の炭素原子がドーピングされ、
   前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層は、前記電流経路制限層の前記第１の領域および前記第２の領域にそれぞれ対向する第１の領域および第２の領域を有し、
   前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層の前記第１の領域の少なくとも一部の領域が、前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層の第２の領域の少なくとも一部の領域よりも高い水素原子濃度の領域である面発光型半導体レーザ素子。
2. 前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層には、１×１０^２０ｃｍ^−３以上の炭素原子がドーピングされている請求項１記載の面発光型半導体レーザ素子。
3. 前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層の前記第１の領域の前記少なくとも一部の領域では、水素原子の濃度と炭素原子の濃度の比が、０．１０以上である請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ素子。
4. 前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層の前記第１の領域の前記少なくとも一部の領域は、前記少なくとも一部の領域の中心部から前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層の前記第２の領域側の周辺部に向かうに従って水素原子濃度が減少するドーピング濃度分布を有し、前記中心部において、水素原子の濃度と炭素原子の濃度の比が、０．１０以上である請求項１乃至３のいずれかに記載の面発光型半導体レーザ素子。
5. 前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層の半導体は、炭素原子をドーピングすることによってｐ型の導電性となる半導体から構成されている請求項１乃至４のいずれかに記載の面発光型半導体レーザ素子。
6. 基板と、前記基板上に形成された凸部と、をさらに備え、
   前記凸部は、少なくとも、前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層と、前記電流経路制限層と、を備え、
   前記電流経路制限層の前記第１の領域はＡｌ含有化合物半導体からなり、前記電流経路制限層の前記第２の領域は前記Ａｌ含有化合物半導体を酸化した酸化絶縁物からなる請求項１ないし５のいずれかに記載の面発光型半導体レーザ素子。
7. 前記電流経路制限層の前記第２の領域は前記電流経路制限層の前記第１の領域の周囲に設けられている請求項１乃至６のいずれかに記載の面発光型半導体レーザ素子。
8. 前記第１の反射鏡、前記ｐ側電極、前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層、前記電流経路制限層、前記活性層および前記第２の反射鏡はこの順に設けられ、
   前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層の前記第２の領域は、前記ｐ側電極と接触して設けられている請求項１乃至７のいずれかに記載の面発光型半導体レーザ素子。
9. 前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層には、２層以上の高濃度ドーピング層が含まれ、
   前記第１の反射鏡、前記ｐ側電極、前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層、前記電流経路制限層、前記活性層および前記第２の反射鏡はこの順に設けられ、
   前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層の一つの前記第２の領域は、前記ｐ側電極と接触して設けられ、前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層の前記一つと、前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層の他の一つとの間には、５×１０^１８ｃｍ^−３以下のｐ型不純物濃度の層が設けられている請求項１乃至７のいずれかに記載の面発光型半導体レーザ素子。
10. 前記ｐ側電極、前記第１の反射鏡、前記電流経路制限層、前記活性層および前記第２の反射鏡はこの順に設けられ、
    前記第１の反射鏡は、半導体ＤＢＲミラーであって、第１の半導体層、前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層、第２の半導体層を有し、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層は、互いに組成およびバンドギャップが異なる第１半導体および第２の半導体からなり、前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層は、前記第１の半導体の組成から前記第２の半導体の組成の間の組成を有し、前記第１の半導体から前記第２の半導体に向かうにつれて組成が連続的または階段的に変化する組成傾斜層である請求項１乃至７のいずれかに記載の面発光型半導体レーザ素子。
11. 前記少なくとも一つの高濃度ドーピング層の前記第１の領域の前記水素原子濃度の高い領域を、前記半導体レーザ素子から射出するレーザ光が特定の偏波状態のものとなる所定の形状に設けた請求項１乃至１０のいずれかに記載の面発光型半導体レーザ素子。
12. １×１０^１９ｃｍ^−３以上の炭素原子がドーピングされたｐ型の半導体層であって、前記半導体層の一部の領域であって光の通過領域である前記一部の領域が、前記一部の領域以外の領域よりも高い水素原子濃度の領域であり、前記一部の領域では高濃度ドーパントが水素原子で失活されている光学素子。
13. 前記半導体層の前記一部の領域では、水素原子の濃度と炭素原子の濃度の比が、０．１以上である請求項１２記載の光学素子。
14. 請求項１乃至１３のいずれかに記載の半導体レーザ素子を複数備えるレーザアレイ。
15. 請求項１乃至１４のいずれかに記載の半導体レーザ素子を備える光学機器。
16. 請求項１乃至１４のいずれかに記載の半導体レーザ素子を備える通信システム。
17. １×１０^１９ｃｍ^−３以上の炭素原子がドーピングされた第１の半導体層の一部と、前記第１の半導体層に隣接し、５×１０^１８ｃｍ^−３以下の炭素原子がドーピングされた第２の半導体層の一部とに、水素原子を導入する工程と、
    その後、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層を５００℃以上７００℃以下の温度でアニールして、前記第１の半導体層の前記一部の水素原子濃度を前記第２の半導体層の前記の一部の水素原子濃度よりも高くする工程と、を備える半導体レーザ素子の製造方法。

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