JP7043802B2 - 垂直共振型面発光レーザ、垂直共振型面発光レーザを作製する方法 - Google Patents

垂直共振型面発光レーザ、垂直共振型面発光レーザを作製する方法 Download PDF

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Description

本発明は、垂直共振型面発光レーザ、及び垂直共振型面発光レーザを作製する方法に関する。
特許文献１は、発光ダイオードを開示する。
特開２００８－１０８９６４号公報
特許文献１の発光ダイオードは、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ下部クラッド層及び（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐ井戸層、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層を含む多重量子井戸構造の活性層又は（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなるバルク活性層、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ上部クラッド層、並びにＧａＰ電流拡散層を含む。
特許文献１の発光ダイオードは、垂直共振型面発光レーザと異なる。特許文献１は、活性層におけるＩｎ偏析、及び通電によるＩｎ偏析の進行を開示しない。
本発明の一側面は、向上された信頼性を示す垂直共振型面発光レーザを提供することを目的とする。本発明の別の側面は、向上された信頼性を垂直共振型面発光レーザに提供する、垂直共振型面発光レーザを作製する方法を提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る垂直共振型面発光レーザは、構成元素としてＧａ及びＡｓを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を備える主面を有する基板と、前記基板の前記主面上に設けられたポストと、を備え、前記ポストは、構成元素としてＧａ及びＡｓを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を備える下部スペーサ領域と、２×１０１６ｃｍ－３以上５×１０１６ｃｍ－３以下の範囲の炭素濃度を有し前記下部スペーサ領域上に設けられた量子井戸構造を有する活性層と、を備え、前記量子井戸構造は、ＩＩＩ族元素としてＩｎを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を備える井戸層と、ＩＩＩ族元素としてＡｌ及びＧａを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を備える障壁層とを含み、前記下部スペーサ領域は、前記基板と前記活性層との間に設けられる。
本発明の別の側面に係る垂直共振型面発光レーザを作製する方法は、構成元素としてＧａ及びＡｓを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を備える基板を準備する工程と、摂氏６７０度以上の基板温度で下部分布ブラッグ反射器のための半導体積層を前記基板の主面上に成長する工程と、有機金属を含む原料を成長炉に供給して、ＩＩＩ族元素としてＩｎを含まずＩＩＩ族元素としてＡｌを含む第１化合物半導体層を摂氏５９０度以下の基板温度で前記半導体積層上に成長する工程と、有機金属を含む原料を成長炉に供給して、ＩＩＩ族元素としてＩｎを含み活性層のための第２化合物半導体層を摂氏５９０度以下の基板温度で前記第１化合物半導体層上に成長する工程と、を備える。
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
以上説明したように、本発明の一側面によれば、向上された信頼性を示す垂直共振型面発光レーザを提供できる。本発明の別の側面によれば、向上された信頼性を垂直共振型面発光レーザに提供する垂直共振型面発光レーザを作製する方法を提供できる。
図１は、本実施形態に係る垂直共振型面発光レーザを示す一部破断図である。 図２は、エピタキシャル成長における温度プロファイル及びガス切り替えシーケンスを示す図面である。 図３は、本実施形態に係る垂直共振型面発光レーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図４は、本実施形態に係る垂直共振型面発光レーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図５は、本実施形態に係る垂直共振型面発光レーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図６は、本実施形態に係る垂直共振型面発光レーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図７は、実施例に係る垂直共振型面発光レーザの構造を模式的に示す図面である。 図８は、実施例に係る垂直共振型面発光レーザの作製において、下部スペーサ領域、活性層及び上部スペーサ領域の結晶成長における成長温度と、これらの半導体層における炭素濃度との関係を示す図面である。 図９は、実施例に係る垂直共振型面発光レーザの作製において、下部スペーサ領域の成長温度と、下部スペーサ領域の上面、つまり活性層の下地における表面粗さ（ＲＭＳ値）との関係を示す図面である。
いくつかの具体例を説明する。
具体例に係る垂直共振型面発光レーザは、（ａ）構成元素としてＧａ及びＡｓを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を備える主面を有する基板と、（ｂ）前記基板の前記主面上に設けられたポストと、を備え、前記ポストは、構成元素としてＧａ及びＡｓを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を備える下部スペーサ領域と、２×１０１６ｃｍ－３以上５×１０１６ｃｍ－３以下の範囲の炭素濃度を有し前記下部スペーサ領域上に設けられた量子井戸構造を有する活性層と、を備え、前記量子井戸構造は、ＩＩＩ族元素としてＩｎを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を備える井戸層と、ＩＩＩ族元素としてＡｌ及びＧａを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を備える障壁層とを含み、前記下部スペーサ領域は、前記基板と前記活性層との間に設けられる。
垂直共振型面発光レーザによれば、２×１０１６ｃｍ－３以上５×１０１６ｃｍ－３以下の範囲の炭素濃度を有する活性層では、ＩＩＩ族元素としてＩｎを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を備えると共にＶ族元素として窒素を含まない井戸層のインジウム含有半導体は、電気特性において長期通電中に生じる変動を小さくできる。
具体例に係る垂直共振型面発光レーザは、前記基板上に設けられた下部分布ブラッグ反射器のための半導体層を含む下部積層体を更に備え、前記基板の前記主面は、ＧａＡｓを備え、前記下部積層体は、前記下部スペーサ領域と前記基板との間に設けられ、前記下部スペーサ領域は、前記下部積層体に接触を成し、前記下部スペーサ領域の前記ＩＩＩ－Ｖ化合物半導体は、前記活性層に接触を成すＡｌＧａＡｓ層を備える。
垂直共振型面発光レーザによれば、活性層は、下部スペーサ領域のＡｌＧａＡｓ層上に成長される。
具体例に係る垂直共振型面発光レーザでは、前記量子井戸構造は、ＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層及びＡｌＧａＡｓ障壁層を含む。
垂直共振型面発光レーザによれば、ＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層は、低いＩｎ偏析を示す。
具体例に係る垂直共振型面発光レーザを作製する方法は、（ａ）構成元素としてＧａ及びＡｓを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を備える基板を準備する工程と、（ｂ）摂氏６７０度以上の基板温度で下部分布ブラッグ反射器のための半導体積層を前記基板の主面上に成長する工程と、（ｃ）有機金属を含む原料を成長炉に供給して、ＩＩＩ族元素としてＩｎを含まずＩＩＩ族元素としてＡｌを含む第１化合物半導体層を摂氏５９０度以下の基板温度で前記半導体積層上に成長する工程と、（ｄ）有機金属を含む原料を成長炉に供給して、ＩＩＩ族元素としてＩｎを含み活性層のための第２化合物半導体層を摂氏５９０度以下の基板温度で前記第１化合物半導体層上に成長する工程と、を備える。
垂直共振型面発光レーザを作製する方法によれば、基板主面の微傾斜に由来する表面ステップを鈍した低い表面粗さを活性層の成長のための下地結晶体に提供できる。具体的には、摂氏５９０度以下の基板温度は、基板主面の表面ステップより低い表面粗さを成長される結晶体が有することを可能にする。低い表面粗さは、それ自体によりＩｎ分布差を小さくできる。また、井戸層のインジウム含有半導体は、摂氏５９０度以下の基板温度で下地結晶体上に成長される。摂氏５９０度以下の基板温度は、成長中にインジウムのマイグレーションを抑制でき、インジウム含有半導体におけるＩｎの偏りを低減できる。下地の低い表面粗さ及び成長中の低いマイグレーションによれば、井戸層のインジウム含有半導体が、低いＩｎ偏析を示す。このような活性層では、井戸層のインジウム含有半導体は、長期通電の後において低いＩｎ偏析を示す。
具体例に係る垂直共振型面発光レーザを作製する方法では、前記活性層は、２×１０１６ｃｍ－３以上５×１０１６ｃｍ－３以下の範囲の炭素濃度を有する。
垂直共振型面発光レーザを作製する方法によれば、インジウム含有半導体における５×１０１６ｃｍ－３を越える炭素濃度は、下地ステップの鈍りの効果を上回る結晶品質の低下を引き起こす。また、インジウム含有半導体における２×１０１６ｃｍ－３未満の炭素濃度は、成長中の炭素取り込みが小さいことを示す。この低い取り込み能は、成長中の基板温度における十分な原料の分解に関連しており、また基板主面の微傾斜に由来する表面ステップが下地結晶体に残されやすい成長の証になる。インジウム含有半導体における２×１０１６ｃｍ－３以上の炭素濃度によれば、該インジウム含有半導体において通電により引き起こされるインジウムの移動がレーザ動作特性の変化に現れにくい態様で半導体中にインジウムを取り込む構造をインジウム含有半導体に提供できる。
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、垂直共振型面発光レーザ、及び垂直共振型面発光レーザを作製する方法本に係る本発明の実施形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
図１は、本実施形態に係る垂直共振型面発光レーザを示す一部破断図である。垂直共振型面発光レーザ１１は、基板１３及びポスト１５を含む。基板１３は主面１３ａを有し、主面１３ａは、構成元素としてＧａ及びＡｓを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を備える。基板１３及びポスト１５は、第１軸Ａｘ１の方向に配列される。ポスト１５は、基板１３の主面１３ａ上に設けられ、上面１５ａ及び側面１５ｂを含む。図１を参照すると、ポスト１５は、円柱形状を有するように描かれているが、ポスト１５の形状は、これに限定されない。ポスト１５は、下部スペーサ領域１７及び活性層１９を含む。活性層１９は、下部スペーサ領域１７上に設けられ、量子井戸構造ＭＱＷを有する。量子井戸構造ＭＱＷは、第１軸Ａｘ１の方向に交互に配列された井戸層１９ａ及び障壁層１９ｂを含む。井戸層１９ａは、ＩＩＩ族元素としてインジウム（Ｉｎ）を含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を備え、このＩＩＩ－Ｖ化合物半導体は、ＩＩＩ族元素としてアルミニウム（Ａｌ）及びガリウム（Ｇａ）を含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を備えることができる。障壁層１９ｂは、ＩＩＩ族元素としてアルミニウム（Ａｌ）及びガリウム（Ｇａ）を含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を備える。井戸層１９ａ及び障壁層１９ｂのＩＩＩ－Ｖ化合物半導体は、Ｖ族元素として窒素（Ｎ）を含まず、またＶ族元素としてヒ素（Ａｓ）を含むことができる。下部スペーサ領域１７は、構成元素としてＧａ及びヒ素（Ａｓ）を含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を備え、下部スペーサ領域１７は、ＡｌＧａＡｓといったＩＩＩ族元素としてＧａ及びＡｌ並びにＶ族元素としてＡｓを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を備えることができる。下部スペーサ領域１７のバンドギャップは、井戸層１９ａのバンドギャップより大きい。活性層１９は、２×１０１６ｃｍ－３以上の炭素濃度を有し、また５×１０１６ｃｍ－３以下の炭素濃度を有する。活性層１９において、２×１０１６ｃｍ－３以上の炭素濃度は、該インジウム含有半導体において通電により引き起こされるインジウムの移動がレーザ動作特性の変化に現れにくい態様で半導体中にインジウムを取り込む構造をインジウム含有半導体に提供できる濃度であり、５×１０１６ｃｍ－３以下の炭素濃度は、活性層の品質を維持するために必要な炭素濃度の上限である。この炭素濃度は、例えば二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法により測定され、活性層１９の全体にわたる平均値であることができる。
垂直共振型面発光レーザ１１によれば、２×１０１６ｃｍ－３以上５×１０１６ｃｍ－３以下の範囲の炭素濃度を有する活性層１９では、ＩＩＩ族元素としてインジウムを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を備えると共にＶ族元素として窒素を含まない井戸層のインジウム含有半導体は、電気特性において長期通電中に生じる変動を小さくできる。
垂直共振型面発光レーザ１１、例えばＧａＡｓ系半導体の垂直共振型面発光レーザでは、発明者の知見によれば、長期通電中に生じる電気特性の変動は、活性層のＩｎ偏析に関連している。発明者の実験によれば、２×１０１６ｃｍ－３以上５×１０１６ｃｍ－３以下の範囲の炭素濃度を有する活性層１９は、垂直共振型面発光レーザ１１に、小さい変動の電気的特性を提供できる。２×１０１６ｃｍ－３以上５×１０１６ｃｍ－３以下の範囲の炭素を取り込む結晶体によれば、インジウムを構成元素として含む活性層に、動作中において低いＩｎ偏析を提供できる。
量子井戸構造ＭＱＷは、例えばＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層及びＡｌＧａＡｓ障壁層を含むことができる。垂直共振型面発光レーザ１１によれば、ＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層は、低いＩｎ偏析を示す。
垂直共振型面発光レーザ１１では、ポスト１５は、上部スペーサ領域２１を更に含むことができ、上部スペーサ領域２１は、構成元素としてＧａ及びＡｓを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を備える。上部スペーサ領域２１は、ＡｌＧａＡｓといったＩＩＩ族元素としてＧａ及びＡｌ並びにＶ族元素としてＡｓを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を備えることができる。
ポスト１５は、上部積層体２３を更に含み、上部積層体２３は、活性層１９上に設けられた上部分布ブラッグ反射器のための半導体層を含む。上部積層体２３は、電流狭窄構造２５を含むことができ、電流狭窄構造２５は、Ａｌ含有のＩＩＩ－Ｖ族半導体の導電領域２５ａと、ＩＩＩ－Ｖ族半導体の構成元素を含む酸化物の絶縁領域２５ｂとを含む。具体的には、上部積層体２３は、上部分布ブラッグ反射器のための第１上部積層体２７及び第２上部積層体２９、並びに電流狭窄構造２５を含み、必要な場合には、上部積層体２３の上面を提供する上部コンタクト層３１を含むことができる。
垂直共振型面発光レーザ１１は、基板１３の主面１３ａ上に設けられる下部分布ブラッグ反射器のための半導体層を含む下部積層体３３を更に備える。本実施例では、ポスト１５は、下部スペーサ領域１７と基板１３との間に設けられた下部積層体３３の一部、具体的には、下部分布ブラッグ反射器の一部を構成する第１下部積層体３５を含む。下部積層体３３は、第１下部積層体３５に加えて、第２下部積層体３７を更に含むことができ、必要な場合には、下部コンタクト層３９を含むことができる。下部コンタクト層３９は、第１下部積層体３５と第２下部積層体３７との間に位置する。
本実施例では、垂直共振型面発光レーザ１１は、溝４３及びテラス４５を含み、溝４３は、ポスト１５をテラス４５から隔置して、ポスト１５を規定する。テラス４５は、ポスト１５と実質的に同じ半導体積層構造を有する。ポスト１５は、下部コンタクト層３９の上部分を含み、下部分は、ポスト１５外において基板１３の主面上に設けられる。下部コンタクト層３９の下部分は、溝４３の底面を規定する。
垂直共振型面発光レーザ１１は、ポスト１５、溝４３及びテラス４５の表面を覆う保護膜４７を更に備え、保護膜４７は、例えばＳｉＯＮ、ＳｉＮといったシリコン系無機絶縁膜を含む。垂直共振型面発光レーザ１１は、上部電極４９ａ及び下部電極４９ｂを含み、保護膜４７は、第１開口４７ａ及び第２開口４７ｂを含む。本実施例では、第１開口４７ａは、例えばポスト１５の上面に位置し、第２開口４７ｂは、例えば溝４３の底面に位置する。上部電極４９ａ及び下部電極４９ｂは、それぞれ、第１開口４７ａ及び第２開口４７ｂを介して上部コンタクト層３１及び下部コンタクト層３９に接触を成す。
活性層１９は、下部スペーサ領域１７と上部スペーサ領域２１との間に設けられる。下部スペーサ領域１７、活性層１９及び上部スペーサ領域２１は、上部積層体２３と下部積層体３３との間に設けられる。本実施例では、基板１３、下部積層体３３、下部スペーサ領域１７、活性層１９、上部スペーサ領域２１、及び上部積層体２３は、第１軸Ａｘ１の方向に配列される。
本実施例では、下部スペーサ領域１７は、活性層１９の井戸層１９ａに接触を成して、第１界面４１ａを形成する。下部積層体３３は、下部スペーサ領域１７に接触を成して、第２界面４１ｂを形成する。第１界面４１ａのラフネス（例えば、下部スペーサ領域１７の表面粗さ（ＲＭＳ値）として測定される）は、第２界面４１ｂのラフネス（例えば、下部積層体３３の表面粗さ（ＲＭＳ値）として測定される）より小さい。
本実施例では、上部積層体２３は、上部分布ブラッグ反射器のための第１上部積層体２７及び第２上部積層体２９を含む。具体的には、第１上部積層体２７は、分布ブラッグ反射を可能にするように交互に配列された第１上部層２７ａ及び第２上部層２７ｂを含む。第１上部層２７ａ及び第２上部層２７ｂの屈折率は、互いに異なり、屈折率の違いは、例えば第１上部層２７ａと第２上部層２７ｂとの間のアルミニウム組成に因る。第１上部積層体２７の第１上部層２７ａの各々は、ＩＩＩ族元素としてＡｌ及びＧａを含む第１半導体領域と、この第１半導体領域を囲む第１絶縁体領域とを含み、この第１絶縁体領域は、第１半導体領域の構成元素の酸化物からなる。この酸化物は、ポスト１５の側面１５ｂからポスト１５の内側に向けて延在して、第１半導体領域に到達する。第１上部積層体２７の第２上部層２７ｂは、ＩＩＩ族元素としてＡｌ及びＧａを含む第２半導体領域と、この第２半導体領域を囲む第２絶縁体領域とを含み、この第２絶縁体領域は、第２半導体領域の構成元素の酸化物からなる。この酸化物は、ポスト１５の側面１５ｂからポスト１５の内側に向けて延在して、第２半導体領域に到達する。第１半導体領域に到達する酸化物の奥行き及び第２半導体領域に到達する酸化物の奥行きは、第１半導体領域及び第２半導体領域のＡｌ組成に関連しており、本実施例では、第１半導体領域のＡｌ組成は、第２半導体領域のＡｌ組成より大きい。
第２上部積層体２９は、分布ブラッグ反射を可能にするように交互に配列された第１上部層２９ａ及び第２上部層２９ｂを含む。第１上部層２９ａ及び第２上部層２９ｂの屈折率は、互いに異なり、屈折率の違いは、例えば第１上部層２９ａと第２上部層２９ｂとの間のアルミニウム組成に因る。第２上部積層体２９の第１上部層２９ａの各々は、ＩＩＩ族元素としてＡｌ及びＧａを含む第１半導体領域と、この第１半導体領域を囲む第１絶縁体領域とを含み、この第１絶縁体領域は、第１半導体領域の構成元素の酸化物からなる。この酸化物は、ポスト１５の側面１５ｂからポスト１５の内側に向けて延在して、第１半導体領域に到達する。第２上部積層体２９の第２上部層２９ｂは、ＩＩＩ族元素としてＡｌ及びＧａを含む第２半導体領域と、この第２半導体領域を囲む第２絶縁体領域とを含み、この第２絶縁体領域は、第２半導体領域の構成元素の酸化物からなる。この酸化物は、ポスト１５の側面１５ｂからポスト１５の内側に向けて延在して、第２半導体領域に到達する。第１半導体領域に到達する酸化物の奥行き及び第２半導体領域に到達する酸化物の奥行きは、第１半導体領域及び第２半導体領域のＡｌ組成に関連しており、本実施例では、第１半導体領域のＡｌ組成は、第２半導体領域のＡｌ組成より大きい。
電流狭窄構造２５の導電領域２５ａは、第１上部積層体２７の第１上部層２７ａの第１半導体領域のＡｌ組成より大きなＡｌ組成を有し、第２上部積層体２９の第１上部層２９ａの第１半導体領域のＡｌ組成より大きなＡｌ組成を有する。垂直共振型面発光レーザ１１によれば、導電領域２５ａ及び絶縁領域２５ｂを含む電流狭窄構造２５は、ポスト１５に歪みを残す。
本実施例では、下部積層体３３は、下部分布ブラッグ反射器のための第１下部積層体３５及び第２下部積層体３７を含む。具体的には、第１下部積層体３５は、分布ブラッグ反射を可能にするように交互に配列された第１下部層３５ａ及び第２下部層３５ｂを含む。第１下部層３５ａ及び第２下部層３５ｂの屈折率は、互いに異なり、屈折率の違いは、例えば第１下部層３５ａと第２下部層３５ｂとの間のアルミニウム組成に因る。第１下部積層体３５の第１下部層３５ａの各々は、ＩＩＩ族元素としてＡｌ及びＧａを含む第１半導体領域を含み、可能な場合には、この第１半導体領域を囲む第１絶縁体領域を更に含み、この第１絶縁体領域は、第１半導体領域の構成元素の酸化物からなる。この酸化物は、ポスト１５の側面１５ｂからポスト１５の内側に向けて延在して、第１半導体領域に到達する。第１下部積層体３５の第２下部層３５ｂは、ＩＩＩ族元素としてＡｌ及びＧａを含む第２半導体領域を含み、可能な場合には、この第２半導体領域を囲む第２絶縁体領域を更に含み、この第２絶縁体領域は、第２半導体領域の構成元素の酸化物からなる。この酸化物は、ポスト１５の側面１５ｂからポスト１５の内側に向けて延在して、第２半導体領域に到達する。第１半導体領域に到達する酸化物の奥行き及び第２半導体領域に到達する酸化物の奥行きは、第１半導体領域及び第２半導体領域のＡｌ組成に関連しており、本実施例では、第１半導体領域のＡｌ組成は、第２半導体領域のＡｌ組成より大きい。
第２下部積層体３７は、分布ブラッグ反射を可能にするように交互に配列された第１下部層３７ａ及び第２下部層３７ｂを含む。第１下部層３７ａ及び第２下部層３７ｂの屈折率は、互いに異なり、屈折率の違いは、第１下部層３７ａと第２下部層３７ｂとの間のアルミニウム組成に因る。第２下部積層体３７の第１下部層３７ａの各々は、ＩＩＩ族元素としてＡｌ及びＧａを含む第１半導体領域を含む。第２下部積層体３７の第２下部層３７ｂは、ＩＩＩ族元素としてＡｌ及びＧａを含む第２半導体領域を含む。本実施例では、第１半導体領域のＡｌ組成は、第２半導体領域のＡｌ組成より大きい。
垂直共振型面発光レーザ１１の具体例。
基板１３：微傾斜のオフＧａＡｓ基板。
基板１３の主面１３ａは、ＧａＡｓの（００１）面を基準にして＜１１０＞方向に傾斜する。
下部積層体３３の第１下部積層体３５及び第２下部積層体３７。
第１下部層３７ａ／第２下部層３７ｂ：アンドープのＡｌ（ｘ）Ｇａ（１－ｘ）Ａｓ／Ａｌ（ｙ）Ｇａ（１－ｙ）Ａｓの交互積層、（組成：０．８＜ｘ≦１、０．１≦ｙ＜０．３）
下部コンタクト層３９：Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＡｓ。
第１下部層３５ａ／第２下部層３５ｂ：ＳｉドープのＡｌ（ｘ）Ｇａ（１－ｘ）Ａｓ／Ａｌ（ｙ）Ｇａ（１－ｙ）Ａｓの交互積層、（組成：０．８＜ｘ≦１、０．１≦ｙ＜０．３）
第１下部積層体３５及び第２下部積層体３７の積層数は、合計で２５周期である。
下部スペーサ領域１７：アンドープとして成長されるＡｌ（ｚ）Ｇａ（１－ｚ）Ａｓ層（０．１＜ｚ＜０．４）、厚さ５～２５ｎｍ。
下部スペーサ領域１７の上面における表面粗さの二乗平均平方根（ＲＭＳ）値は、０．２５ｎｍ以下である。この表面粗さは、製造工程において、下部スペーサ領域１７を成長した後に活性層の成長は行わずに成長炉から取り出されたエピタキシャル基板の表面を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いた測定により得られる。
活性層１９の量子井戸構造ＭＱＷ。
井戸層１９ａ／障壁層１９ｂ：アンドープのＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層／ＡｌＧａＡｓバリア層。
井戸層１９ａ：Ａｌ組成０．０１～０．０８、Ｉｎ組成０．０８～０．１８、膜厚２～７ｎｍ。
障壁層１９ｂ：Ａｌ組成０．１～０．４、膜厚５～９ｎｍ。
活性層１９は、井戸層１９ａ及び障壁層１９ｂにわたる平均で２～５×１０１６ｃｍ－３の炭素濃度を含む。炭素濃度は、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法による深さ方向の分析により測定される。
上部スペーサ領域２１：アンドープとして成長されるＡｌ（ｚ）Ｇａ（１－ｚ）Ａｓ層（組成：０．１＜ｚ＜０．４）、厚さ５～２５ｎｍ。
電流狭窄構造２５。
導電領域２５ａ：ＡｌＡｓ又はＡｌＧａＡｓ（０．９８のＡｌ組成）。
絶縁領域２５ｂ：アルミニウム酸化物、ガリウム酸化物。
上部積層体２３の第１上部積層体２７及び第２上部積層体２９。
第１上部層２７ａ／第２上部層２７ｂ：ＣドープのＡｌ（ｕ）Ｇａ（１－ｕ）Ａｓ／Ａｌ（ｖ）Ｇａ（１－ｖ）Ａｓの交互積層、（組成：０．８＜ｕ≦１、０．１≦ｖ＜０．３）
第１上部層２９ａ／第２上部層２９ｂ：ＣドープのＡｌ（ｕ）Ｇａ（１－ｕ）Ａｓ／Ａｌ（ｖ）Ｇａ（１－ｖ）Ａｓの交互積層、（組成：０．８＜ｕ≦１、０．１≦ｖ＜０．３）
第１上部積層体２７及び第２上部積層体２９の積層数は、合計で２３周期である。
上部コンタクト層３１：Ｃドープｐ型ＡｌＧａＡｓ。
ｐ－電極（４９ａ）：Ｔｉ／Ｐｔ。
ｎ－電極（４９ｂ）：例えばＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉ。
図２～図６を参照しながら、垂直共振型面発光レーザを作製する方法を説明する。図２は、エピタキシャル成長における温度プロファイル及びガス切り替えシーケンスを示す図面である。図３～図６は、本実施形態に係る垂直共振型面発光レーザを作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
図２を参照すると、エピタキシャル成長は、昇温Ｐ１ＲＤ、下部積層の成長Ｐ２ＲＤ、成長中断Ｐ３ＲＤ、中間積層（スペーサ領域及び活性層）の成長Ｐ４ＲＤ、成長中断Ｐ５ＲＤ、上部積層の成長Ｐ６ＲＤ、及び降温Ｐ７ＲＤの期間を含む。結晶成長では、例えば以下の原料を用いることができる。Ａｌ原料は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を含み、Ｇａ原料は、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を含み、ヒ素原料は、アルシン（ＡｓＨ３）を含む。ｎ導電性を付与するドーパントガスは、シラン（ＳｉＨ４）を含む。ｐ導電性を付与するドーパントガスは、四臭化炭素（ＣＢｒ４）を含む。
図３の（ａ）部に示されるように、成長のための基板５１、具体的には、構成元素としてＧａ及びＡｓを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を備える基板５１を準備する。本実施例では、成長のための基板５１（例えばＧａＡｓウエハ）を準備すると共に、基板５１を成長炉１０ａに配置する。成長炉１０ａにおいては、有機金属気相成長を行う。
図３の（ａ）部に示されるように、昇温Ｐ１ＲＤの期間において、下部積層５３の成長のための基板温度（Ｔ２）に到達するように、成長炉１０ａのステージ温度（以下、「基板温度」として参照される）を上昇させる。本実施例では、下部積層５３は、下部積層体３３のための半導体層、具体的には、第１下部積層体３５、下部コンタクト層３９及び第２下部積層体３７のための半導体層（５３ａ、５３ｂ、５３ｃ）を含む。基板温度がターゲット温度に到達した後に、下部積層の成長Ｐ２ＲＤの期間では、有機金属材料を含む原料を備える成膜ガスを成長炉１０ａに供給することを時刻ｔ１に開始すると共に、下部積層５３を完成できる時刻ｔ２において成長炉１０ａにおいて成膜を停止するようにガスを切り替える。
下部積層５３は、例えばＧａＡｓ層及び／又はＡｌＧａＡｓの半導体層を含む。
成長条件の例示。
半導体結晶成長のための基板温度：摂氏６７０～７５０度。
Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の供給量比：Ｖ／ＩＩＩ比＝１００～１６０。
成長速度：０．４～０．７ｎｍ／秒。
これに従って、摂氏６７０度以上の基板温度で下部分布ブラッグ反射器のための半導体層を含む下部積層５３を基板５１の主面５１ａ上に成長する。
図３の（ｂ）部に示されるように、成長中断Ｐ３ＲＤの期間において、下部積層５３上に中間積層５７を成長するための準備を行う。本実施例では、摂氏６７０度以上の成長温度（Ｔ２）から基板温度を下げて、摂氏５９０度以下の基板温度（Ｔ４）を成長炉１０ａに提供する。成長中断において、ＩＩＩ族有機金属原料を成長炉１０ａに供給することなく、成長炉１０ａにヒ素原料（Ｖ族原料）を供給して、ヒ素雰囲気を形成する。
雰囲気ガス：Ｖ族原料のアルシン。
温度変更率：１０～３０度／分。
成長中断の時間：３～２０分。
この成長中断Ｐ３ＲＤの期間では、成長温度より低い温度のヒ素雰囲気に下部積層５３の表面（例えばＡｌ（ｙ）Ｇａ（１－ｙ）Ａｓ（組成：０．１≦ｙ＜０．３）を曝して、高温成長により形成された下部積層５３の表面ステップを保つ。
中間積層（スペーサ領域及び活性層）の成長Ｐ４ＲＤの期間では、基板温度の降下により到達したターゲット温度において、有機金属原料を含む成膜ガスを成長炉１０ａに供給することを時刻ｔ３に開始して中間積層５７を成長すると共に、成膜ガスを成長炉１０ａに供給することを時刻ｔ４に停止して中間積層５７の成長を完了する。中間積層５７は、上部スペーサ領域２１、活性層１９（井戸層１９ａ及び障壁層１９ｂ）及び下部スペーサ領域１７のための半導体層（５７ａ、５７ｂ、５７ｃ）を含む。成長中断Ｐ３ＲＤの期間における温度の降下により、低い基板温度における結晶成長が可能になっている。
図４の（ａ）部に示されるように、この基板温度において、下部スペーサ領域１７のための半導体層（５７ｃ）を成長するための有機金属原料を含む原料ガスを成長炉１０ａに供給して、下部積層５３の表面上にアンドープのＡｌＧａＡｓ層を成長する。低い基板温度は、下部積層５３の成長に比べて原子のマイグレーションを制限する。半導体層（５７ｃ）は、例えば厚さ５～２５ｎｍのアンドープのＡｌ（ｚ）Ｇａ（１－ｚ）Ａｓ層（組成：０．１＜ｚ＜０．４）層であって、このアンドープＡｌＧａＡｓ層は、その上面において、下部積層５３の表面ステップと異なる表面粗さの二乗平均平方根（ＲＭＳ）値（例えば、０．２５ｎｍ以下のＲＭＳ値）を有する。
半導体層（５７ｃ）の成長条件の例示。
成長に用いる原料：ＴＭＡｌ、ＴＭＧａ、ＡｓＨ３。
成長のための基板温度：摂氏５７０～５９０度。
Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の供給量比：Ｖ／ＩＩＩ比＝１００～１６０。
成長速度：０．４～０．７ｎｍ／秒。
半導体層（５７ｃ）は、下地の下部積層５３と界面（４１ｂ）を形成する。下部積層５３は、成長中断中に、成長温度より低い温度のヒ素雰囲気に曝されている。半導体積層（５７ｃ）は、全体にわたる平均で２～５×１０１６ｃｍ－３の炭素濃度を含む。この炭素濃度（２～５×１０１６ｃｍ－３）を半導体積層（５７）に提供できる成長条件は、０．２５ｎｍ以下のＲＭＳ値を半導体積層（５７）内の界面に提供できる。
基板温度を変更することなく、半導体層（５７ｃ）上に井戸層のための半導体を成長すること、井戸層のための半導体層上に障壁層のための半導体を成長すること、及び障壁層のための半導体層上に井戸層のための半導体を成長することを繰り返して、活性層１９の量子井戸構造ＭＱＷのための半導体積層（５７ｂ）を成長する。
半導体積層（５７ｂ）の成長条件の例示。
成長に用いる原料：ＴＭＡｌ、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、ＡｓＨ３。
成長のための基板温度：摂氏５７０～５９０度。
Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の供給量比：Ｖ／ＩＩＩ比＝１００～１６０。
成長速度：０．４～０．７ｎｍ／秒。
井戸層１９ａのための半導体層：Ａｌ組成０．０１～０．０８、Ｉｎ組成０．０８～０．１８、膜厚２～７ｎｍ。
障壁層１９ｂのための半導体層：Ａｌ組成０．１～０．４、膜厚５～９ｎｍ。
半導体積層（５７ｂ）は、下地の半導体層（５７ｃ）と界面を形成する。半導体層（５７ｃ）は、例えば０．２５ｎｍ以下のＲＭＳ値）を有する。中間積層５７のための低い成長温度は、井戸層１９ａのための半導体層を成長する下地が０．２５ｎｍ以下のＲＭＳ値を引き継ぐことを可能にする。半導体積層（５７）は、全体にわたる平均で２～５×１０１６ｃｍ－３の炭素濃度を含む。この炭素濃度を成長される半導体に提供できる成膜条件は、ＲＭＳ値の引き継ぎを容易にする。
基板温度を変更することなく、上部スペーサ領域２１のための半導体層（５７ａ）を成長するための有機金属原料を含む原料ガスを成長炉１０ａに供給して、半導体積層（５７ｂ）上にアンドープＡｌＧａＡｓ層を成長する。低い基板温度は、半導体層（５７ｃ）の成長と同様に原子のマイグレーションを制限する。半導体層（５７ａ）は、例えば５～２５ｎｍ厚のアンドープのＡｌ（ｚ）Ｇａ（１－ｚ）Ａｓ層（０．１＜ｚ＜０．４）層である。
半導体層（５７ａ）の成長条件の例示。
成長に用いる原料：ＴＭＡｌ、ＴＭＧａ、ＡｓＨ３。
成長のための基板温度：摂氏５７０～５９０度。
Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の供給量比：Ｖ／ＩＩＩ比＝１００～１６０。
成長速度：０．４～０．７ｎｍ／秒。
半導体積層（５７ａ）は、全体にわたる平均で２～５×１０１６ｃｍ－３の炭素濃度を含む。
上記の説明から理解されるように、中間積層（スペーサ領域及び活性層）の成長は、有機金属原料を含む成膜ガスを成長炉１０ａに供給して、ＩＩＩ族元素としてＩｎを含まずＩＩＩ族元素としてＡｌを含む第１化合物半導体層を摂氏５９０度以下の基板温度で成長すること、及び有機金属原料を含む成膜ガスを成長炉１０ａに供給して、ＩＩＩ族元素としてＩｎを含む第２化合物半導体層を摂氏５９０度以下の基板温度で成長することを行うことによって提供される。
時刻ｔ４において中間積層５７の成長を完了した後に、図４の（ｂ）部に示されるように、成長中断Ｐ５ＲＤの期間において、中間積層５７上に上部積層５９を成長するための準備を行う。本実施例では、摂氏５９０度以下の成長温度から基板温度を上げて、摂氏６７０度以上の基板温度（Ｔ６）を成長炉１０ａにおいて提供する。成長中断において、ＩＩＩ族有機金属原料を成長炉１０ａに供給することなく、成長炉１０ａにヒ素原料を供給して、ヒ素雰囲気を形成する。
雰囲気ガス：Ｖ族原料のアルシン。
温度変更率：１０～３０度／分。
成長中断の時間：３～２０分。
基板温度の上昇によりターゲット温度に到達した後に、図５の（ａ）部に示されるように、上部積層（第１上部積層体２７、電流狭窄構造２５、第２上部積層体２９及び上部コンタクト層３１）の成長Ｐ６ＲＤの期間では、有機金属原料を含む成膜ガスを成長炉１０ａに供給することを時刻ｔ５に開始して、上部積層５９を成長すると共に、上部積層５９を完成できる時刻ｔ６において成長炉１０ａにおいて成膜を停止するようにガスを切り替える。上部積層５９は、上部コンタクト層３１、第１上部積層体２７、電流狭窄構造２５、及び第２上部積層体２９のための半導体層（５９ａ、５９ｂ、５９ｃ、５９ｄ）を含む。本実施例では、上部積層５９は、例えばＧａＡｓ層及び／又はＡｌＧａＡｓの半導体層を含む。半導体層５９ｂは、高アルミニウム含有のＩＩＩ－Ｖ化合物半導体からなる。
成長条件の例示。
半導体結晶成長のための基板温度：摂氏６７０～７５０度。
Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の供給量比：Ｖ／ＩＩＩ比＝１００～１６０。
成長速度：０．４～０．７ｎｍ／秒。
これに従って、摂氏６７０度以上の基板温度で上部分布ブラッグ反射器のための半導体層を含む上部積層５９を中間積層５７上に成長する。
これらの工程により、エピタキシャル基板ＥＰを完成させる。
垂直共振型面発光レーザを作製する方法によれば、基板主面の微傾斜に由来する表面ステップを鈍した低い表面粗さを活性層の成長のための下地結晶体に提供できる。具体的には、摂氏５９０度以下の基板温度は、成長する結晶体が基板主面の表面ステップより低い表面粗さを有することを可能にする。低い表面粗さは、それ自体によりＩｎ分布差を小さくできる。また、井戸層のインジウム含有半導体は、摂氏５９０度以下の基板温度で下地結晶体上に成長される。摂氏５９０度以下の基板温度は、成長中にインジウムのマイグレーションを抑制でき、インジウム含有半導体におけるＩｎの偏りを低減でき、また次の成長のための低い表面粗さを再生成する。活性層の成長中に低いマイグレーションを提供する成長温度及び下地の低い表面粗さによれば、井戸層のインジウム含有半導体が、低いＩｎ偏析を示す。低いＩｎ偏析は、低い表面粗さに起因する小さいラフネスの表面への連続的な成長として形成される。低いＩｎ偏析を有する井戸層のインジウム含有半導体は、長期通電によるＩｎ偏析の進行も小さい。
活性層のための半導体層を含む中間積層５７は、２×１０１６ｃｍ－３以上５×１０１６ｃｍ－３以下の範囲の炭素濃度を有する。インジウム含有半導体における５×１０１６ｃｍ－３を越える炭素濃度は、下地ステップの鈍りの効果を上回る結晶品質の低下を引き起こす。また、インジウム含有半導体における２×１０１６ｃｍ－３未満の炭素濃度は、成長中の炭素取り込みの低下を示す。低い取り込み能は、高い基板温度による十分な原料の分解と関連しており、また基板主面の微傾斜に由来する表面ステップが下地結晶体に残されやすい成長の証になる。インジウム含有半導体における２×１０１６ｃｍ－３以上の炭素濃度によれば、該インジウム含有半導体において通電により引き起こされるインジウムの移動がレーザ動作特性の変化に現れにくい態様で半導体中にインジウムを取り込む構造をインジウム含有半導体に提供できる。
図５の（ｂ）部に示されるように、エピタキシャル基板ＥＰの主面上に、ポストの形状を規定するマスクＭ１を形成すると共に、マスクＭ１を用いてエピタキシャル基板ＥＰをエッチングする。エッチングは、例えばドライエッチングを含む。第１基板生産物ＳＰ１は、半導体ポスト６１、半導体テラス６３、及び半導体ポスト６１を半導体テラス６３から隔置する溝６５を含む。半導体ポスト６１は、下部コンタクト層３９のための半導体層（５３ｂ）内に位置する底を有する。エッチングの後にマスクＭ１を削除して、第１基板生産物ＳＰ１を得る。
図６の（ａ）部に示されるように、第１基板生産物ＳＰ１を酸化炉１０ｂに配置すると共に、酸化雰囲気（例えば摂氏３５０度の水蒸気）に第１基板生産物ＳＰ１を曝して、第１基板生産物ＳＰ１内の高アルミニウム含有のＩＩＩ－Ｖ化合物半導体の半導体層５９ｃから電流狭窄構造２５を形成する。酸化炉１０ｂにおける処理により、第１基板生産物ＳＰ１から第２基板生産物ＳＰ２を得る。
図６の（ｂ）部に示されるように、第２基板生産物ＳＰ２上に、第１開口６７ａ及び第２開口６７ｂを有する保護膜６７を形成すると共に、第１電極６９ａ及び第２電極６９ｂを保護膜上に形成する。
これらの工程により、垂直共振型面発光レーザ１１が提供される。
図７は、実施例に係る垂直共振型面発光レーザの構造を模式的に示す図面である。実施例では、図７の（ａ）部に示される垂直共振型面発光レーザＤは、図７の（ｂ）部に示されるエピタキシャル基板の半導体基板の主面（例えば、＜１１０＞方向に（００１）面を基準に１～３度のオフ角を有する主面）を有するＧａＡｓウエハを用いて作製される。
図８は、垂直共振型面発光レーザＤの作製において、下部スペーサ領域、活性層及び上部スペーサ領域の結晶成長における成長温度と、これらの半導体層における炭素濃度との関係を示す図面である。例えば、炭素濃度の「２．Ｅ＋１６」は、２×１０１６を表す。図９は、垂直共振型面発光レーザＤの作製において、下部スペーサ領域の成長温度と、下部スペーサ領域の上面、つまり活性層の下地における表面粗さ（ＲＭＳ値）との関係を示す図面である。下部スペーサ領域の表面粗さを測定するデバイス作製では、下部スペーサ領域の成長の後に活性層の成長が行われない。具体的には、下部スペーサ領域の成長終了後に結晶成長を中断して、所望のエピタキシャルウエハを取り出し、残りのエピタキシャルウエハに引き続く結晶成長を行う。成長炉から取り出されたエピタキシャルウエハの下部スペーサ領域の表面粗さを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定する。炭素濃度を測定するデバイス作製では、エピタキシャルウエハ（ＥＰ）の中間積層の炭素濃度を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）で測定して、活性層のための半導体積層（５７ｂ）炭素濃度を見積もる。このような成長手順により、下部積層の成長条件に変わりはない。
このようなデバイス作製により以下のデバイスＤ１Ｖ、Ｄ２Ｖ、Ｄ３Ｖ、Ｄ４Ｖ、Ｄ５Ｖが準備される。
デバイスＤ１Ｖ：スペーサ領域及び活性層の成長温度は摂氏６５０度、ＲＭＳ値は０．３１ｎｍ、活性層の炭素濃度は１×１０１６ｃｍ－３。
デバイスＤ２Ｖ：スペーサ領域及び活性層の成長温度は摂氏６２０度、ＲＭＳ値は０．３４ｎｍ、活性層の炭素濃度は１×１０１６ｃｍ－３。
デバイスＤ３Ｖ：スペーサ領域及び活性層の成長温度は摂氏５９０度、ＲＭＳ値０．２２ｎｍ、活性層の炭素濃度は２×１０１６ｃｍ－３。
デバイスＤ４Ｖ：スペーサ領域及び活性層の成長温度は摂氏５７０度、ＲＭＳ値は０．２０ｎｍ、活性層の炭素濃度は５×１０１６ｃｍ－３。
デバイスＤ５Ｖ：スペーサ領域及び活性層の成長温度は摂氏５６０度、ＲＭＳ値は０．１９ｎｍ、活性層の炭素濃度は１×１０１７ｃｍ－３。
デバイスＤ１Ｖ～Ｄ４Ｖを信頼性試験で寿命を評価する。信頼性試験における「寿命」は、例えば摂氏９０度において電流９ｍＡをデバイスに通電した際に、レーザ発光特性におけるスロープ効率（発光強度の電流依存性）が所望の値よりも低くなるまでの時間を示す。デバイスＤ３Ｖ、Ｄ４Ｖの寿命は、デバイスＤ１Ｖ、Ｄ２Ｖに比べて１．５倍の長さである。信頼性試験後に透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて観察したデバイスＤ２Ｖの断面によれば、数十ｎｍ程度の幅を持つ数個のＩｎ偏析（Ｉｎ濃度が周囲よりもわずかに高い領域）領域が活性層に存在している。信頼性試験後に透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて観察したデバイスＤ３Ｖの断面によれば、Ｉｎ偏析は活性層に見えない。また、信頼性試験前に透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて観察したデバイスＤ２Ｖ及びＤ３Ｖの断面によれば、Ｉｎ偏析は活性層に見えない。デバイスＤ５Ｖは、信頼性試験の前における初期のレーザ光の発光強度において、デバイスＤ１Ｖ～Ｄ４Ｖに比べて、１／２～１／３の低いレーザ光強度を示す。
高い炭素濃度は、初期のレーザ光の発光強度を低くする。炭素濃度の増大は、初期のレーザ光の発光強度の点でデバイス特性に好ましくない。高い成長温度により作製された活性層は、低い炭素濃度を示す点で、良好な結晶品質を示すことが予想される。しかし、低い炭素濃度の活性層（これは高い成長温度により作製される）は、スロープ効率の大きな変化を示す。
上記の実験、及び他の実験に基づく発明者の検討によれば、インジウムを構成元素として含む活性層では、通電中にインジウム偏析が進行している。通電中のインジウム偏析は、低い成長温度により成長された下部スペーサ領域により抑制される。発明者の実験によれば、低い成長温度により成長された下部スペーサ領域は、高い成長温度により成長された下部スペーサ領域に比べて小さい表面粗さ（ＲＭＳ値）を有する。この小さい表面粗さは、高い成長温度により期待される結晶品質と異なる別の機構による。
小さい表面粗さが通電中のＩｎ偏析を低減できる理由は、以下の機構によると推測される。微傾斜のオフ付きＧａＡｓ基板の表面は、テラスとステップを有する。発明者の見積もりによれば、オフ付き基板の表面の粗さのＲＭＳ値は０．３ｎｍ程度である。このＲＭＳ値は、オフ付き基板の表面の結晶面に由来するステップ構造に、偶発的に生じる表面ラフネスを加えたものである。高い成長温度を用いる下部積層５３の結晶成長では、ステップフロー成長が生じ、ステップフロー成長では、下地のステップ（わずかな表面段差）が引き継がれて、結晶が成長していく。高い成長温度を用いる結晶成長は、下部積層５３の表面に、オフ付き基板の表面形状に由来するテラス及びステップを生成する。
具体的な見積もりを示せば、高温で成長された下部積層５３上に、下部スペーサ領域を摂氏６００度以上の基板温度で成長すると、下部スペーサ領域の成長においても下地（下部積層５３）のステップ構造を引き継がれる。この引き継ぎは、下部スペーサ領域のＲＭＳ値を大きくする。このステップ構造を有する下部スペーサ領域の表面に、活性層の成長を摂氏６００度以上の温度で成長する。この成長では、表面における活性化エネルギーの比較的小さいＩｎ原子はＧａ原子などに比べてテラス上を表面拡散で移動しやすく、インジウム原子はステップの下端にわずかに多く分布する。成長完了の時点で、Ｉｎ組成に揺らぎがある。
このようなデバイスでは、ステップの端に分布したＩｎ原子或いはＩｎイオンが、通電により印加された電界又は電流によって、徐々に活性層の結晶内を移動する。長期間にわたる通電は、Ｉｎ原子の偏りを活性層に増長する。動作中に進行するＩｎ偏析は、初期特性に対してスロープ効率を低下させる。このようなメカニズムにより、デバイスＤ２Ｖの信頼性試験の結果を説明できる。
低い成長温度で成長された下部スペーサ領域によれば、低い温度に起因して結晶成長時に表面において原子の移動が起こりにくい。成長中における原子のマイグレーションの減少は、元々の下地からのステップの引き継ぎを困難にする。マイグレーションの減少によれば、下部スペーサ領域のＲＭＳ値が少し低減される。低温で成長された下部スペーサ領域は、下部積層５３の表面に比べて少ないステップ密度を有する。元々の下地からのステップ密度（第１下部積層体３５と下部スペーサ領域１７との界面のラフネスとして測定可能）より小さいステップ密度（下部スペーサ領域１７と活性層１９との界面のラフネスとして測定可能）の結晶上に井戸層を成長すると、活性層の成長においてもＩｎの分布の偏りは起こりにくいと考える。
オフ無し基板を用いることは、成長中の偶発的な要因からの影響を受けるステップ構造の制御を難しくする。オフ付き基板の利用と、活性層の下地の形成に際してステップ密度の低減及び小さいＲＭＳ値を提供する結晶成長との組み合わせによれば、長期通電により生じるＩｎ偏析を低減できる。このように作製された垂直共振型面発光レーザは、活性層のＩｎ分布における小さい偏りを有しており、Ｉｎ分布の小さい偏りは、ある範囲の炭素濃度に関連している。
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
以上説明したように、本実施形態によれば、向上された信頼性を示す垂直共振型面発光レーザを提供でき、また向上された信頼性を垂直共振型面発光レーザに提供できる、垂直共振型面発光レーザを作製する方法を提供できる。
１３…基板、１５…ポスト、１７…下部スペーサ領域、１９…活性層、１９ａ…井戸層、１９ｂ…障壁層、２１…上部スペーサ領域、２３…上部積層体、２５…電流狭窄構造、２７…第１上部積層体、２９…第２上部積層体、３１…上部コンタクト層、３３…下部積層体、３５…第１下部積層体、３７…第２下部積層体、３９…下部コンタクト層。

Claims (3)

  1. 垂直共振型面発光レーザであって、
    構成元素としてＧａ及びＡｓを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を備える主面を有する基板と、
    前記基板の前記主面上に設けられたポストと、
    を備え、
    前記ポストは、構成元素としてＧａ及びＡｓを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を備える下部スペーサ領域と、２×１０１６ｃｍ－３以上５×１０１６ｃｍ－３以下の範囲の炭素濃度を有し前記下部スペーサ領域上に設けられた量子井戸構造を有する活性層と、
    を備え、
    前記量子井戸構造は、ＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層と、ＡｌＧａＡｓ障壁層とを含み、
    前記下部スペーサ領域は、前記基板と前記活性層との間に設けられ、
    前記下部スペーサ領域の上面における表面粗さの二乗平均平方根値が０．２５ｎｍ以下である、垂直共振型面発光レーザ。
  2. 前記基板上に設けられた下部分布ブラッグ反射器のための半導体層を含む下部積層体を更に備え、
    前記基板の前記主面は、ＧａＡｓを備え、
    前記下部積層体は、前記下部スペーサ領域と前記基板との間に設けられ、
    前記下部スペーサ領域は、前記下部積層体に接触を成し、
    前記下部スペーサ領域の前記ＩＩＩ－Ｖ化合物半導体は、前記活性層に接触を成すＡｌＧａＡｓ層を備える、請求項１に記載された垂直共振型面発光レーザ。
  3. 垂直共振型面発光レーザを作製する方法であって、
    構成元素としてＧａ及びＡｓを含むＩＩＩ－Ｖ化合物半導体を備える基板を準備する工程と、
    摂氏６７０度以上の基板温度で下部分布ブラッグ反射器のための半導体積層を前記基板の主面上に成長する工程と、
    有機金属を含む原料を成長炉に供給して、ＩＩＩ族元素としてＩｎを含まずＩＩＩ族元素としてＡｌを含む第１化合物半導体層を摂氏５９０度以下の基板温度で前記半導体積層上に成長する工程と、
    有機金属を含む原料を成長炉に供給して、ＩＩＩ族元素としてＩｎを含み活性層のための第２化合物半導体層を摂氏５９０度以下の基板温度で前記第１化合物半導体層上に成長する工程と、
    を備え、
    前記活性層は、２×１０１６ｃｍ－３以上５×１０１６ｃｍ－３以下の範囲の炭素濃度を有し、ＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層及びＡｌＧａＡｓ障壁層を含む量子井戸構造を有し、
    前記第１化合物半導体層の上面における表面粗さの二乗平均平方根値が０．２５ｎｍ以下である、垂直共振型面発光レーザを作製する方法。
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