(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、電流注入によって発光する第１の発光層と、
前記基板上に形成された第２の発光層と、
前記第１の発光層及び前記第２の発光層を挟むように配置された一対の第１の半導体多層膜反射鏡と、
前記第１の発光層及び前記第２の発光層及び前記一対の第１の半導体多層膜反射鏡を挟むように配置された一対の第２の半導体多層膜反射鏡とを具備し、
前記一対の第１の半導体多層膜反射鏡は、前記第１の発光層で発光した光を前記第１の発光層に吸収させ第１のレーザ発振を起こし、
前記第２の発光層は、前記第１のレーザ発振によって発振された第１のレーザ光を吸収して発光し、
前記一対の第２の半導体多層膜反射鏡は、前記第２の発光層で発光した光を前記第２の発光層に吸収させ第２のレーザ発振を起こさせて、第２のレーザ光を発生させることを特徴とする面型光半導体装置。
【請求項２】
前記第１の発光層はＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｓ１−ｚＰｚ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１、０≦ｚ≦１）層を有し、前記第２の発光層はＧａ１−ｐＩｎｐＡｓ１−ｑＮｑ（０≦ｐ≦１、０＜ｑ＜１）層を有することを特徴とする請求項１記載の面型光半導体装置。
【請求項３】
前記第１のレーザ光の密度がその平均光密度よりも高い位置に前記第２の発光層を配置することを特徴とする請求項１または２に記載の面型光半導体装置。
【請求項４】
前記第２のレーザ光の密度がその平均光密度よりも高い位置に前記第２の発光層を配置することを特徴とする請求項１または２に記載の面型光半導体装置。
【請求項５】
前記第１のレーザ光の密度がその平均光密度よりも高い位置であり、かつ前記第２のレーザ光の密度がその平均光密度よりも高い位置に前記第２の発光層を配置することを特徴とする請求項１または２に記載の面型光半導体装置。
【請求項６】
前記第２の発光層が複数あることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の面型光半導体装置。
【請求項７】
前記第２の発光層のうち少なくとも一つが電流注入可能であることを特徴とする請求項６記載の面型光半導体装置。
【請求項８】
前記基板がＧａＡｓであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の面型光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面型光半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、長波長帯の面発光レーザを実現するために、波長が短いＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系レーザを電流注入で励起こして、これから発生するレーザ光を、波長の長いＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系レーザに入射して発振させるものがある。
【０００３】
この面発光レーザは、波長の短いレーザ光をＧａＩｎＡｓｐ／ＩｎＰ系レーザで吸収し発振させることで、波長の長いレーザ光を得ることができる。
【０００４】
しかしながら、この面発光レーザは、ＧａＡｓ基板を支持基板とするＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系レーザとＩｎＰ基板を支持基板とするＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系レーザを融着で接合するために、融着した界面に非発光センターが発生しこの部分でレーザ光が吸収されてしまうために発振効率が低いという問題がある。
【０００５】
また、それぞれの基板の熱膨張係数の差が大きいために、レーザ発振による温度上昇に伴い基板が反ってしまう問題がある。
【０００６】
また、作製の過程で基板を融着する工程が必要であり、工程が極めて複雑であるばかりでなく、格子定数の異なる基板を融着するために界面に大きなストレスが残り、信頼が低下する問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来の面発光レーザでは、異なる基板を融着して作製しなければならず、発光効率が低い、基板が反る、信頼性の低下という問題がある。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、発光効率が高く、基板が反ることがなく、信頼性の向上した面型光半導体装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、基板と、
前記基板上に形成され、電流注入によって発光する第１の発光層と、
前記基板上に形成された第２の発光層と、
前記第１の発光層及び前記第２の発光層を挟むように配置された一対の第１の半導体多層膜反射鏡と、
前記第１の発光層及び前記第２の発光層及び前記一対の第１の半導体多層膜反射鏡を挟むように配置された一対の第２の半導体多層膜反射鏡とを具備し、
前記一対の第１の半導体多層膜反射鏡は、前記第１の発光層で発光した光を前記第１の発光層に吸収させ第１のレーザ発振を起こし、
前記第２の発光層は、前記第１のレーザ発振によって発振された第１のレーザ光を吸収して発光し、
前記一対の第２の半導体多層膜反射鏡は、前記第２の発光層で発光した光を前記第２の発光層に吸収させ第２のレーザ発振を起こさせて、第２のレーザ光を発生させることを特徴とする面型光半導体装置を提供する。
【００１３】
このとき、前記第１の発光層はＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｓ１−ｚＰｚ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１、０≦ｚ≦１）層を有し、前記第２の発光層はＧａ１−ｐＩｎｐＡｓ１−ｑＮｑ（０≦ｐ≦１、０＜ｑ＜１）層を有することが好ましい。
【００１４】
また、前記第１のレーザ光の密度がその平均光密度よりも高い位置に前記第２の発光層を配置することが好ましい。
【００１５】
また、前記第２のレーザ光の密度がその平均光密度よりも高い位置に前記第２の発光層を配置することが好ましい。
【００１６】
また、前記第１のレーザ光の密度がその平均光密度よりも高い位置であり、かつ前記第２のレーザ光の密度がその平均光密度よりも高い位置に前記第２の発光層を配置することが好ましい。
【００１７】
また、前記第２の発光層が複数あることが好ましい。
【００１８】
また、前記第２の発光層のうち少なくとも一つが電流注入可能であることが好ましい。
【００１９】
また、前記基板がＧａＡｓであることが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。なお、本発明は以下にあげる実施形態に限定されることはなく、種々工夫して用いることができる。
【００２１】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１にかかる面型光半導体素子の断面図である。
【００２２】
図１に示すように、この面型光半導体素子は、ＧａＡｓ基板１上にＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｓ１−ｚＰｚ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１、０≦ｚ≦１）からなる第１の発光層４が形成されている。この第１の発光層４を挟むように一対の第１の半導体多層膜反射鏡２及び３が形成されている。基板１としては、ＧａＡｓ基板の他にＧａＡｓ／Ｓｉ積層構造、ＩｎＰ基板、ＧａＰ基板等があげられる。以下の実施形態においても同じである。
【００２３】
第１の発光層４上には、Ｇａ１−ｐＩｎｐＡｓ１−ｑＮｑ（０≦ｐ≦１、０＜ｑ＜１）からなる第２の発光層６が形成されている。この第２の発光層６を挟むように一対の第２の半導体多層膜反射鏡７及び９が形成されている。
【００２４】
第１の発光層４上には、スペーサー層１７が形成されている。このスペーサー層１７上には、酸化物からなる電流狭窄層１０が形成されており、酸化されていない半導体層１１に電流が狭窄されるようになっている。
【００２５】
電流狭窄層１０上には、ｐ型導電層５が形成されている。このｐ型導電層５上には、コンタクト層１３が形成されている。コンタクト層１３上には、表面電極１４が形成されている。ＧａＡｓ基板１の裏面には、裏面電極１５が形成されている。
【００２６】
第２の発光層６は、位相調整用半導体層８ａ及び８ｂによって挟まれている。
コンタクト層１３と第１の半導体多層膜反射鏡３との間にはｐ型不純物の拡散防止層１６が形成されている。第１の半導体多層膜反射鏡３と第２の半導体多層膜反射鏡７との間にはフェイズ調整層１８が形成されている。
【００２７】
一対の第１の半導体多層膜反射鏡２及び３は、第１の発光層４で発光した光を反射させることによって第１の発光層４に帰還吸収させ第１のレーザ発振を起こさせるようになっている。
【００２８】
第２の発光層６は、前記第１のレーザ発振によって発振された第１のレーザ光を吸収して発光させる。一対の第２の半導体多層膜反射鏡７及び９は、第２の発光層６で発光した光を反射させることによって第２の発光層６に帰還吸収させ第２のレーザ発振を起こさせる。こうして波長の長いレーザ光を発生させることが可能となる。
【００２９】
第１の発光層４は、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｓ１−ｚＰｚ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で形成され、例えば発光波長は０．９８μｍとする。
【００３０】
第１の半導体多層膜反射鏡２及び３は、低屈折率のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．７≦ｘ＜０．９）層と高屈折率のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０．０５≦ｙ≦０．３５）層が交互に積層された積層構造である。低屈折率のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．７≦ｘ＜０．９）層と高屈折率のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０．０５≦ｙ≦０．３５）層のそれぞれの厚さは、屈折率×厚さが第１の発光層４における発光波長（ここでは０．９８μｍ）の１／４になるように設計されている。
【００３１】
電流狭窄層１０は、Ａｌ組成の高いＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０．９＜ｚ＜１）層をその側面から横方向に酸化させるようにして形成した酸化アルミニウムガリウム層である。なお、酸化されていないＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０．９＜ｚ＜１）層１１は、直径２μｍ〜５μｍの通電領域となっている。
【００３２】
ｐ型導電層５は、ｐ型ＡｌｗＧａ１−ｗＡｓ（０．０５＜ｗ＜０．３５）層で形成されている。また、コンタクト層１３は、ｐ型ＧａＡｓ層で形成されている。
【００３３】
第２の発光層６は、バンドギャップが０．９９ｅＶ〜０．８６ｅＶの２層のＧａ１−ｓＩｎｓＡｓ１−ｐＮｐ（０＜ｓ＜１、０＜ｐ＜１、例えばｐ＝０．００５）量子井戸層の間に、バンドギャップが１．１３ｅＶ〜１．３８ｅＶのＧａ１−ｕＩｎｕＡｓ１−ｖＮｖ（０＜ｕ＜１、０＜ｖ＜１、例えばｖ＝０．００３）バリア層が挟まれ、さらに２層の量子井戸層の両外側に、バンドギャップが１．１３ｅＶ〜１．３８ｅＶのＧａ１−ｕＩｎｕＡｓ１−ｖＮｖ（０＜ｕ＜１、０＜ｖ＜１、例えばｖ＝０．００３）光ガイド層が２層形成された構造である。この第２の発光層６は１．３μｍに発光波長を有する。また、ここでは量子井戸層を２層としているが、バリア層を挟んで３層以上形成してもよい。
【００３４】
このように、第２の発光層６の内部に活性層が複数有り全体として一つの発光層としてもよい。こうすることで一つ発光層中の光密度が下がる。このため、最大光出力が大きくなると共に、温度依存性が小さくなり、高温特性の優れた半導体素子が得られるようになる。
【００３５】
第２の半導体多層膜反射鏡７及び９は、低屈折率のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．７≦ｘ＜０．９）層と高屈折率のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０．０５≦ｙ≦０．３５）層が交互に積層された積層構造である。低屈折率のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．７≦ｘ＜０．９）層と高屈折率のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０．０５≦ｙ≦０．３５）層のそれぞれの厚さは、屈折率×厚さが第２の発光層６における発光波長（ここでは１．３μｍ）の１／４になるように設計されている。
【００３６】
位相調整用半導体層８ａ及び８ｂは、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０．０５≦ｙ≦０．３５）層で形成されている。この位相調整用半導体層８ａ及び８ｂは、第１の発光層４或いは第２の発光層６で発生したレーザ光の振幅に関する定常波成分について、その定常波成分の振幅のピーク位置に、第２の発光層６が位置するようにその厚さを調整する。
【００３７】
例えば、第２の半導体多層膜反射鏡７及び９のうち、第２の発光層６側に面している層を、それぞれ低屈折率のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．７≦ｘ＜０．９）層とする。位相調整用半導体層８ａと第２の発光層６の厚さの和を０．７５μｍの整数倍とし、位相調整用半導体層８ｂの厚さを０．７５μｍの整数倍とする。
こうすることによって第２の発光層６を第１のレーザ光と第２のレーザ光のそれぞれの光密度が共振器内の平均値よりも高い位置に設けることができる。
【００３８】
このように、第１の発光層４から放出される光はレーザ動作を起こすので共振器内で定在波成分を有する。このため第１の発光層４から放出された光は共振器内で粗密を有する。そこで第１の発光層４及び第２の発光層６がともにこのレーザ光の光密度の高い部分に位置するように設けられていることが好ましい。
【００３９】
また第２の発光層６から放出されたレーザ光に関しても光密度に粗密が発生する。この場合、第２の発光層６はこのレーザ光も密度が高い部分に位置するように設けられていることが好ましい。
【００４０】
こうすることで光の吸収係数が上がり、効率よく第２の発光層６の中のキャリアが励起こされる。また、第２の発光層６をレーザ光の光密度の高い位置に設ければ、光吸収係数が上がり、光ロスが少なくなるので、閾値を下げられると共に、光出力も大きくなる。
【００４１】
ｐ型不純物の拡散防止層１６はｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０．０５≦ｙ≦０．３５）層で形成されている。このようにｐ型不純物の拡散防止層１６をｎ型半導体層で形成しているので、ｐ型不純物が下層から第２の発光層６への拡散を防止することができ、発光効率の低下が起こらない。
【００４２】
また、スペーサー層１７及びフェイズ調整層１８はそれぞれＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０．０５≦ｙ≦０．３５）層で形成されている。
【００４３】
このような面型半導体光装置において、電流が流れる高Ａｌ濃度のＡｌＧａＡｓ層１１の直径を５μｍとした場合に、閾電流値が０．１ｍＡで、第２の発光層６からは発振波長１．３μｍの光を得ることができる。最大光出力は０．３ｍＷ以上となる。
【００４４】
第１の発光層４としてＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｓ１−ｚＰｚ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１、０≦ｚ≦１）を用いているので、動作温度を上げても第１の発光層６から照射されるレーザ光が受ける影響は小さい。第１の発光層４は第２の発光層６よりも大きなエネルギーで発光するので、発光強度の温度依存性が小さい。また第２のレーザは第１のレーザ光による光励起レーザなので、電流励起レーザよりも温度依存性が小さい。このため第２のレーザは単独で電流励起動作する場合よりも温度依存性を小さくできる。
【００４５】
室温で０．１ｍＷの光出力が出る駆動条件のもとで８５℃まで上げたときに光出力の低下は１０％以下と極めて小さな値が実現できる。
【００４６】
次に、本実施形態の面型光半導体装置の製造方法について説明する。
【００４７】
先ず、ＧａＡｓ基板１上に、素子を形成する半導体積層構造をＭＯＣＶＤ法で形成する。
【００４８】
具体的には、ｎ型ＧａＡｓ基板１をＡｓＨ３及びＨ２雰囲気中で７２０℃まで昇温することによって１０分間クリーニングを行う。その後基板温度を６８０℃まで下げてＡｓＨ３とＴＭＧａ（トリ・メチル・ガリウム）とＳｉＨ４を原料として用い、Ｓｉを添加したｎ型ＧａＡｓバッファー層を形成する。このｎ型ＧａＡｓバッファー層は、ＧａＡｓ基板１上の表面層であり図中には記載していない。
【００４９】
次に、ＴＭＡｌ（トリ・メチル・アルミニウム）、ＴＭＧａ、ＡｓＨ３及びＳｉＨ４を原料として用いてｎ側の第１の半導体多層膜反射鏡２を形成する。このときＡｌ組成の異なる二つの層それぞれに対して、異なる流量のＴＭＡｌ及びＴＭＧａソースを用いる。
【００５０】
次に、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ（トリ・メチル・インヂウム）及びＡｓＨ３を原料として用いて第１の発光層４を形成する。次にＴＭＧａ、ＡｓＨ３及びＣＢｒ４を用いてカーボンが添加されたＧａＡｓスペーサー層１７を形成する。次に、このスペーサー層１７上にＺｎが添加されたＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層を形成する。このＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層は、高Ａｌ濃度層であり、この後の工程において酸化されて電流狭窄層１０となる。
【００５１】
次に、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ、ＡｓＨ３及びＤＭＺｎ（ジ・メチル・ジンク）を用いてｐ型ＡｌＧａＡｓ導電層５を形成する。次にＴＭＧａ、ＡｓＨ３及びＤＭＺｎを用いてキャリア濃度１×１０１９ｃｍ−３のｐ型ＧａＡｓコンタクト層１３を形成する。
【００５２】
次に、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ、ＡｓＨ４及びＳｉＨ４を用いて、ｎ型ＡｌＧａＡｓ拡散防止層１６を形成する。この拡散防止層１６はＧａＡｓコンタクト層１３の不純物と反対の導電型を有することから、コンタクト層１３から半導体多層膜反射鏡３へ不純物が拡散するのを抑制する効果が大きくなる。ここで拡散防止層１６の不純物濃度は５×１０１８ｃｍ−３から２×１０１９ｃｍ−３が好ましい。
【００５３】
ＺｎがＧａＡｓからＡｌＧａＡｓに拡散する場合、ＡｌＧａＡｓ中でのＺｎ濃度は界面付近で１／２から１／３程度まで下がる。このため拡散防止層１６のｎ型不純物濃度を５×１０１８ｃｍ−３以上とすることでＧａＡｓコンタクト層１３からのｐ型不純物濃度よりも拡散防止層１６中の反対導電型不純物濃度が高くなり拡散防止の効果が大きくなるからである。
【００５４】
次に、半導体多層膜反射鏡２と同様にして、ただしＳｉを添加せずに、第１の半導体多層膜反射鏡３を形成する。次に、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ及びＡｓＨ３を用いてＡｌＧａＡｓ位相調整層１８を形成する。
【００５５】
次に、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ及びＡｓＨ３を用いて第２の半導体多層膜反射鏡７を形成する。次に、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ及びＡｓＨ３を用いて位相調整用クラッド層８ａを途中まで形成する。この後、成長温度を５５０℃まで下げて位相調整用クラッド層８ａの残りを形成する。
【００５６】
次に、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ及びＡｓＨ３とＤＭＨｙ（ジ・メチル・ヒドラジン）とＮＨ３を同時に流してＧａＩｎＡｓＮ第２発光層６を形成する。ここで、ＮＨ３を流すと、ＤＭＨｙやＴＭＡｌ或いはＴＭＧａからＧａＩｎＡｓＮ中にＣが取りこまれることを大幅に低減できて、レーザの発光効率を上げることができる。
【００５７】
次に、活性層６上に、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ及びＡｓＨ３を用いて位相調整用クラッド層８ｂを途中まで形成する。ここで、成長温度を６８０℃まで上げて位相調整用クラッド層８ｂの残りを形成する。次に、第２の半導体多層膜反射鏡９を形成する。
【００５８】
各半導体層を堆積後、円形にパターニングしたＳｉＯ２をマスクとして、塩素系のドライエッチングにより円柱状のメサ構造を形成する。エッチングの下端はＧａＡｓ基板１まで行う。この後水蒸気酸化を行い、高Ａｌ濃度層を周囲から酸化して中央部分を残すように電流狭窄層１０を形成する。
【００５９】
次に、上記円柱状のメサ構造よりも小さな円形にパターニングしたＳｉＯ２をマスクとして、メサ構造の外側部分をｐ型コンタクト層１３までドライエッチングする。ここでｐ型コンタクト層１３に他の層では用いていない不純物を添加しておけば終点検出が容易になる。例えばＣｐ２Ｍｇを用いてＭｇを添加しておけばよい。或いはコンタクト層１３以外のｐ型不純物としてＣを用い、Ｚｎを検出するようにしてもよい。
【００６０】
次に、さらに小さな円形にパターニングしたＳｉＯ２をマスクとして、メサ構造の外側部分を、半導体多層膜反射鏡９、位相調整層８ａ及び８ｂ、活性層６、多層膜反射鏡７をドライエッチングして直径５μｍの円柱状にする。これは横方向の光閉じ込めの効果を上げるためである。
【００６１】
なお半導体多層膜反射鏡９、７及び３、位相調整層８ａ及び８ｂ、スペーサー層１８のいずれかの層中或いは複数の層中に高Ａｌ濃度層１１を設け、酸化を行うことによって電流狭窄層１０を形成することも可能である。この層は屈折率が小さいので、光閉じ込め層として働く。
【００６２】
次に、ｐ側電極１４としてＰｔ／Ａｕ（白金層の上に金層を積層したもの）をリング上に形成し４２０℃でＡｓＨ３及びＮ２中でアニールする。次に、ｎ側電極１５としてＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ（金、ゲルマニウム及びニッケルの合金）を蒸着し、３８０℃でアニールする。
【００６３】
本実施形態では、各半導体層を積層するにあたり、Ｇａ原料としてＴＭＧａを用いているが、ＴＥＧａ（トリ・エチル・ガリウム）を用いてもよい。また、ｐ型不純物としてＺｎを、ＤＭＺｎを原料として添加しているが、ＤＥＺｎ（ジ・エチル・ジンク）を用いてもよい。また、ｐ型不純物としてＺｎではなくＣを用いることも可能である。この場合、Ｃの原料としてはＴＭＡｓ或いはＣＢｒ４を用いることが可能である。
【００６４】
また、Ｓｉの原料としてＳｉＨ４を用いているがＳｉ２Ｈ６を用いることが可能である。
【００６５】
また、ＭＯＣＶＤ法を用いて成膜を行っているが、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、ＡｓメタルとＢｅ或いはＣのｐ型不純物、ｎ型不純物のＳｉメタル、プラズマ化Ｎを用いたＭＢＥ法で作成してもよい。窒素源はＮＨ３でもよい。また、この他にＭＯ−ＭＢＥ法、ガスソースＭＢＥ法或いはＣＢＥ法等でもよい。
【００６６】
本発明では、ＧａＡｓ基板上にＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｓ１−ｚＰｚ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１、０≦ｚ≦１）を発光層とする面発光レーザが形成されている。
【００６７】
また、その上にＧａ１−ｐＩｎｐＡｓ１−ｑＮｑ（０≦ｐ≦１、０＜ｑ＜１）を発光層とする面型光レーザが形成されている。すなわちＧａＡｓ基板上にこれらの面発光レーザを連続してエピタキシャル成長することができる。
【００６８】
したがって、それぞれの面発光レーザを異なる基板に作製して、これらを融着して作製する必要がない。このため、発光効率が低い、基板が反る、信頼性の低下という問題を解決することが可能である。
【００６９】
このように二つの発光層が同じＧａＡｓ基板上にエピタキシャル形成されているので、接合基板を用いた場合と異なり、二つの発光層の間で基板接合面における非発光センターの発生がなく、また、界面の影響による光の散乱ロスの発生もない。
【００７０】
また、異種基板を接合した場合と異なり、厚い基板はＧａＡｓ基板だけであるので、動作温度の変動に伴う基板の反りの問題が発生しない。
【００７１】
また、第１の発光層４がＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｓ１−ｚＰｚ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で形成され、第２の発光層６がＧａ１−ｐＩｎｐＡｓ１−ｑＮｑ（０≦ｐ≦１、０＜ｑ＜１）で形成されているので、それぞれＧａＡｓ基板と格子整合させることができ或いは格子不整がある場合でも実効的臨界膜厚以内で形成できるので転位の発生を防ぐことができる。
【００７２】
発明者らの実験の結果、第１の発光層４の発光波長が０．６３μｍ〜１．２μｍの時には良質な結晶が成長できることが分かった。
【００７３】
また、第１の発光層４をＧａ１−ｙＩｎｙＡｓ（０＜ｙ≦１）として発光波長が０．８７μｍ〜１μｍとしたときには、第１の発光層４のバンドギャップがＧａＡｓのバンドギャップよりも小さいので、第１の半導体多層膜反射鏡２及び５の一部にＧａＡｓを用いることができる。したがって第１の半導体多層膜反射鏡２及び５の一部に基板１と同じＧａＡｓを用いることができるので、ＧａＡｓ基板と格子不整が発生せず良質な結晶が成長できることが分かった。
【００７４】
（実施形態２）
図２は、本発明の実施形態２にかかる面型光半導体装置の概略断面図である。
【００７５】
この実施形態では、一対の第１の半導体多層膜反射鏡が一対の第２の半導体多層膜反射鏡の間に設けられており、第１の発光層及び第２の発光層のいずれも第１の半導体多層膜反射鏡の間に設けられているものである。
【００７６】
図２に示すように、この面型光半導体装置は、ＧａＡｓ基板１と、ＧａＡｓ基板１上に形成され、電流注入によって発光する第１の発光層４と、ＧａＡｓ基板１上に形成された第２の発光層６と、第１の発光層４及び第２の発光層６を挟むように配置された一対の第１の半導体多層膜反射鏡２及び３と、一対の第１の半導体多層膜反射鏡２及び３を挟むように配置された一対の第２の半導体多層膜反射鏡７及び９とを具備している。
【００７７】
一対の第１の半導体多層膜反射鏡２及び３は、第１の発光層４で発光した光を第１の発光層４に帰還吸収させ第１のレーザ発振を起こすようになっている。また、第２の発光層６は、第１のレーザ発振によって発振された第１のレーザ光を吸収して発光する。一対の第２の半導体多層膜反射鏡７及び９は、第２の発光層６で発光した光を前記第２の発光層に帰還吸収させ第２のレーザ発振を起こさせて、第２のレーザ光を発生させるようになっている。
【００７８】
第１の発光層４と第１の半導体多層膜反射鏡２との間には、フェイズ調整層１９が形成されており、第１の発光層４のフェイズを調整している。
【００７９】
第１の半導体多層膜反射鏡２と第２の半導体多層膜反射鏡７との間には、フェイズ調整層２０が形成されており、第１の半導体多層膜反射鏡２と第２の半導体多層膜反射鏡７間のフェイズを調整している。また、第１の半導体多層膜反射鏡３と第２の半導体多層膜反射鏡９との間には、フェイズ調整層２１が形成されており、第１の半導体多層膜反射鏡３と第２の半導体多層膜反射鏡９間のフェイズを調整している。これらフェイズ調整層１９、２０及び２１はＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０．０５≦ｙ≦０．３５）層で形成されている。
【００８０】
第１の発光層４は、例えば発光波長０．８７μｍのＧａＡｓ層で形成されている。
【００８１】
一対の第１の半導体多層膜反射鏡２及び３は、低屈折率のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．７≦ｘ＜０．９）層と高屈折率のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０．０５≦ｙ≦０．３５）層が交互に積層された積層構造である。低屈折率のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．７≦ｘ＜０．９）層と高屈折率のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０．０５≦ｙ≦０．３５）層、それぞれの厚さは、屈折率×厚さが第１の発光層の発光波長（ここでは０．８７μｍ）の３／４になるように設計されている。
【００８２】
電流狭窄層１０は、Ａｌ組成の高いＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０．９＜ｚ＜１）層をその側面から横方向に酸化させるようにして形成した酸化アルミニウムガリウム層である。なお、酸化されていないＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０．９＜ｚ＜１）層１１は、直径２μｍ〜５μｍの通電領域となっている。
【００８３】
ｐ型導電層５は、ｐ型ＡｌｗＧａ１−ｗＡｓ（０．０５＜ｗ＜０．３５）層で形成されている。また、コンタクト層１３は、ｐ型ＧａＡｓ層で形成されている。
【００８４】
第２の発光層６は、バンドギャップが０．９９ｅＶ〜０．８９ｅＶの２層のＧａ１−ｓＩｎｓＡｓ１−ｐＮｐ（０＜ｓ＜１、０＜ｐ＜１、例えばｐ＝０．００５）量子井戸層の間に、バンドギャップが１．１３ｅＶ〜１．３８ｅＶのＧａ１−ｕＩｎｕＡｓ１−ｖＮｖ（０＜ｕ＜１、０＜ｖ＜１、例えばｖ＝０．００３）バリア層が挟まれ、さらに２層の量子井戸層の両外側に、バンドギャップが１．１３ｅＶ〜１．３８ｅＶのＧａ１−ｕＩｎｕＡｓ１−ｖＮｖ（０＜ｕ＜１、０＜ｖ＜１、例えばｖ＝０．００３）光ガイド層が２層形成された構造である。この第２の発光層６は１．３μｍに発光波長を有する。また、ここでは量子井戸層を２層としているが、バリア層を挟んで３層以上形成してもよい。
【００８５】
このように、第２の発光層６の内部に活性層が複数有り全体として一つの発光層としてもよい。こうすることで一つ発光層中の光密度が下がる。このため、最大光出力が大きくなると共に、温度依存性が小さくなり、高温特性の優れた半導体素子が得られるようになる。
【００８６】
第２の半導体多層膜反射鏡７及び９は、低屈折率のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．７≦ｘ＜０．９）層と高屈折率のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０．０５≦ｙ≦０．３５）層が交互に積層された積層構造である。低屈折率のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．７≦ｘ＜０．９）層と高屈折率のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０．０５≦ｙ≦０．３５）層のそれぞれの厚さは、屈折率×厚さが第２の発光層６における発光波長（ここでは１．３μｍ）の１／４になるように設計されている。
【００８７】
また、スペーサー層１７はＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０．０５≦ｙ≦０．３５）層で形成されている。
【００８８】
位相調整用半導体層８ａ及び８ｂは、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０．０５≦ｙ≦０．３５）層で形成されている。この位相調整用半導体層８ａ及び８ｂは、第１の発光層４或いは第２の発光層６で発生したレーザ光の定常波について、そのピーク位置に、第２の発光層６が位置するようにその厚さを調整できる。
【００８９】
例えば、第２の半導体多層膜反射鏡３と第１の半導体多層膜反射鏡２のうち、それぞれ第１の発光層４側に面する層を低屈折率のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．７≦ｘ＜０．９）層とする。第１の面型光素子の下側反射鏡２と第２の面型光素子の下側反射鏡７との間の位相調整層２０の厚さの和を０．７７μｍの整数倍とする。第１の活性層のフェイズ調整層を０．７７μｍとする。第１の活性層４とスペーサー層１７と高Ａｌ濃度層１１の厚さの和を０．８μｍとする。ｐ型導電層５とコンタクト層１３とｐ型不純物の拡散防止層１６と位相調整用半導体層８ａの和を０．７７μｍの整数倍とする。
【００９０】
また、第２の発光層６と位相調整用半導体層８ａの厚さの和を０．７７μｍの整数倍とする。さらに位相調整用半導体層８ｂの厚さを０．７７μｍの整数倍とする。
【００９１】
こうすることで、第１の発光層４及び第２の発光層６の両方を、第１のレーザ光と第２のレーザ光それぞれの光密度が共振器内の平均値よりも高い場所に設けることができる。
【００９２】
このような面型半導体光装置において、電流が流れる高Ａｌ濃度のＡｌＧａＡｓ層１１の直径を５μｍとした場合に、閾電流値が７ｍＡで、第２の発光層６からは発振波長１．３μｍの光を得ることができる。最大光出力３ｍＷ以上となる。
【００９３】
このように大きな出力が得られるのは、一対の第１の半導体多層膜反射鏡２及び３間に第２の発光層６が設けられているために、第１の半導体多層膜反射鏡２及び３のロス成分がほとんど第２の発光層の吸収によるものであるためである。
【００９４】
また、本実施形態では、第２の発光層６が複数設けられているために活性層の体積が大きく出力の飽和が起こりにくいために大きな出力を得ることができる。
【００９５】
また、第１の発光層４としてＧａＡｓを用いているので、動作温度を上げても第１の発光層４から照射されるレーザ光が受ける影響は小さい。このため、第２の発光層６から照射されるレーザ光強度も動作温度の上昇に対する変化は小さい。
【００９６】
室温で１ｍＷの光出力が出る駆動条件のもとで８５℃まで上げたときに光出力の低下は１５％以下と極めて小さな値が実現できる。
【００９７】
また、第２の発光層６の発光波長は、第１の発光層４の発光波長の１．５倍なので、第２の発光層６の発光は、一対の第１の半導体多層膜反射鏡２及び３ではほとんど反射されない。このため、一対の第１の半導体多層膜反射鏡２、３がどのような構成（例えばどのような層数）であっても、第２の発光層６の光が、一対の第１の半導体多層膜反射鏡２、３で反射されて、その強度を低下することは、ほとんど無い。そこで、一対の第１の半導体多層膜反射鏡２、３の設計にあたっては、第１の発光層４からの光を効率良く閉じ込めることのみを考えれば良く、第２の発光層６に対する影響を考慮することなく自由に設計できる。
【００９８】
次に、この面型半導体発光素子の製造方法について、説明する。
【００９９】
先ず、実施形態１と同様の方法を用いて、半導体積層構造を形成する。ただし、位相調整層８ａ、活性層６は複数の層よりなっている。また、位相調整層８ａ及び８ｂ、活性層６の形成は６２５℃、成長速度１０ｎｍ／秒で行う。これは以下の理由による。
【０１００】
本発明者の研究の結果、ＧａＩｎＡｓＮの成長においては成長温度が６００℃と６２５℃の間で結晶の鏡面モフォロジーの平坦化を進むことを見出した。更にウェハー面内でも均一性等を考慮すると、６２０℃を越えることが望ましかった。一方窒素は、成長温度が高いほど取り込まれにくくなることを見出した。このため、成長温度は６０５℃以上６２５℃以下で行うことが望ましい。
【０１０１】
また、ＧａＩｎＡｓＮの成長においては、５２０℃において１．７ｎｍ／秒、５７０℃において５ｎｍ／秒、６２０℃において１６ｎｍ／秒を越えると成長速度が温度に依存することを見出した。一方ＧａＩｎＡｓＮの薄膜成長においては成長速度が速いほど均質な結晶が成長できることを見出した。一方ＧａＩｎＡｓＮの量子井戸を形成する場合、歪量が大きくなるので、実質的に２０ｎｍ以上の膜を成長することはありえない。また、ＭＯＣＶＤ法においては装置内のガスの置換時間を１秒以下にすることは難しい。このため、量子井戸の成長速度を２０ｎｍ／秒以上とすることは実用的でない。このため、成長温度を６００℃以上６２５℃以下で、成長速度を９ｎｍ／秒以上２０ｎｍ／秒以下とすることが望ましい、特に誤差の範囲内で成長温度を６２５℃で、成長速度を１０ｎｍ／秒以上２０ｎｍ／秒以下とすることが望ましい。なお、本願発明者が行った実験では温度の誤差は±３℃、速度の誤差は±２％である。
【０１０２】
従来、ＧａＩｎＡｓＮに関してはＮ濃度が高くなると発光効率が下がるといわれているが、本成長条件で形成したＧａＩｎＡｓＮの場合は基本的に高品質な結晶が得られるので、窒素濃度が０．７％のＧａＩｎＡｓＮでも、５２０℃で成長し、６８０℃でアニールした、窒素濃度０．３％の結晶よりも明るい発光が得られた。
【０１０３】
本実施形態では、コンタクト層１３の上の構造を全て円柱状構造とした。この時円柱の直径は３μｍ〜１０μｍとした。単一モードの安定性という点では５μｍ以下が望ましく、大きな光出力を得るという点では４μｍ以上が望ましい。
【０１０４】
この後、全体にＳｉＯ２パッシベーションを行い、その後エッチング及び高Ａｌ濃度層１１の酸化により電流狭窄層１０を形成する。最後に、電極形成工程を行い、素子を完成する。
【０１０５】
このように二つの発光層が同じＧａＡｓ基板上にエピタキシャル形成されているので、接合基板を用いた場合と異なり、二つの発光層の間で基板接合面における非発光センターの発生がなく、また、界面の影響による光の散乱ロスの発生もない。
【０１０６】
また、異種基板を接合した場合と異なり、厚い基板はＧａＡｓ基板だけであるので、動作温度の変動に伴う基板の反りの問題が発生しない。
【０１０７】
また、第１の発光層４がＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｓ１−ｚＰｚ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で形成され、第２の発光層６がＧａ１−ｐＩｎｐＡｓ１−ｑＮｑ（０≦ｐ≦１、０＜ｑ＜１）で形成されているので、それぞれＧａＡｓ基板と格子整合させることができ或いは格子不整がある場合でも実効的臨界膜厚以内で形成できるので転位の発生を防ぐことができる。
【０１０８】
発明者らの実験の結果、第１の発光層４の発光波長が０．６３μｍ〜１．２μｍの時には良質な結晶が成長できることが分かった。
【０１０９】
また、第１の発光層４をＧａ１−ｙＩｎｙＡｓ（０＜ｙ≦１）として発光波長が０．８７μｍ〜１μｍとしたときには、第１の発光層４のバンドギャップがＧａＡｓのバンドギャップよりも小さいので、第１の半導体多層膜反射鏡２及び５の一部にＧａＡｓを用いることができる。したがって第１の半導体多層膜反射鏡２及び５の一部に基板１と同じＧａＡｓを用いることができるので、ＧａＡｓ基板と格子不整が発生せず良質な結晶が成長できることが分かった。
【０１１０】
（実施形態３）
図３は、本発明の実施形態３にかかる面型光半導体装置の概略断面図である。
【０１１１】
この実施形態は、実施形態２で示す面型光半導体装置において、第１の発光層と第２の発光層との間に、変調用活性層を設けた点に特徴がある。図２と同一箇所は同一符号を付して詳しい説明は省略する。
【０１１２】
図３に示すように、ｐ型不純物の拡散防止層１６上に、ｐ型ＡｌＧａＡｓ位相調整層２４が形成されている。このp型ＡｌＧａＡｓ位相調整層２４上には、変調用活性層２５が形成されている。変調用活性層２５は第２の発光層６と同じ構造である。この変調用活性層２５上には、ｎ型ＧａＡｓ導電層２２が形成されている。ｎ型ＧａＡｓ導電層２２上には、ｎ型電極２３が形成されている。
【０１１３】
この面型光半導体装置の主な光出力は、実施形態２で説明した面型光半導体装置とほぼ同様の優れた電気特性及び温度特性が得られた。
【０１１４】
実施形態２で説明した面型光半導体装置では、第１の発光層４に注入する電流に変調をかけると第１のレーザから第２の発光層６へのエネルギー伝達効率は１０％以下であるので、第２の発光層６に供給するエネルギー変調量に対して十倍以上の入力変調を行わなければならない。
【０１１５】
これに対して本実施形態で説明する面型光半導体装置では、変調用活性層２５に注入する電流を変調することによって直接変調することができるので、変調する入力エネルギー量が１／１０以下ですむ。
【０１１６】
第１の発光層４に注入する電流に対して変調を行う場合には、数ｍＡ×（第１のレーザの波長のエネルギー）で１０ｍＷ程度のエネルギー変調が必要であったが、変調用活性層２５に電力を供給する場合には０．数ｍＡ×０．９５ｅＶと１ｍＷ以下のエネルギー変調ですむ。このため、前者の場合には変調用電源に冷却機構を設けることが必要となるが、後者の場合には自然放熱で十分である。
【０１１７】
本実施形態においては、実施形態１と同様に、半導体積層構造を形成する。ｐ型不純物の拡散防止層１６に関してはｎ型ではなくｐ型不純物を１×１０１８ｃｍ−３の低濃度に添加する。これはこの層に電流を流す必要があるからである。
【０１１８】
ＧａＡｓ基板１の途中まで円柱状にエッチングして、電流狭窄層１０を形成した。ｎ型導電層２２、変調用活性層２５、位相調整層２４、ｐ型不純物の拡散防止層１６を円柱状にエッチングした。活性層６、位相調整層８ａ及び８ｂ、反射鏡３、ミラー間位相調整層２１、半導体多層膜反射鏡９を円柱状にエッチングした。ｐ型電極１４の蒸着及びアニールをおこなった。その後ｎ型電極２３をリング状に蒸着した。この後ｎ型電極１５を蒸着し、ｎ型電極２３とｎ型電極１５のアニールを３８０℃で同時に行い素子を完成させた。
【０１１９】
以上実施形態１、２、３では第２の発光層の発振波長が１．３μｍのものをあげて説明したが、１．５５μｍ帯のものでもよい。この場合には、第１の発光層４としてＡｌＧａＡｓを用いることで、第１の発光層４の波長を第２の発光層６の波長の半分にすることができるので、第２の発光層６の発光に対しては反射率が高く、第１の発光層４の発光に対しては透過率の高いミラーの設計が容易になる利点がある。
【０１２０】
なお、第１のレーザ光と第２の発光波長の関係を適当な整数比に取ることで、一方の光の透過率が上がり一方の光の透過率が下がる或いは両者の透過率が下がるミラーの設計ができるが、この比も上記実施形態に限るものでない。
【０１２１】
【発明の効果】
発光効率が高く、基板が反ることがなく、信頼性の向上した面型光半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態１に係わる面型光半導体装置の断面図。
【図２】  本発明の実施形態２に係わる面型光半導体装置の断面図。
【図３】  本発明の実施形態３に係わる面型光半導体装置の断面図。
【符号の説明】
１・・・ＧａＡｓ基板
２・・・第１の半導体多層膜反射鏡
３・・・第１の半導体多層膜反射鏡
４・・・第１の発光層
５・・・ｐ型導電層
６・・・第２の発光層
７・・・第２の半導体多層膜反射鏡
８ａ、８ｂ・・・位相調整用半導体層
９・・・第２の半導体多層膜反射鏡
１０・・・電流狭窄層
１１・・・高Ａｌ濃度の半導体層
１３・・・コンタクト層
１４・・・表面電極
１５・・・裏面電極
１６・・ｐ型不純物の拡散防止層
１７・・・スペーサー層
１８・・・フェイズ調整層
１９・・・フェイズ調整層
２０・・・フェイズ調整層
２１・・・フェイズ調整層
２２・・・ｎ型導電層
２３・・・ｎ型電極
２４・・・位相調整層
２５・・・変調用活性層
【図１】
0003712686.tif 000002
【図２】
0003712686.tif 000003
【図３】
0003712686.tif 000004