(57)【要約】【課題】レーザ特性の劣化を招かずに電気抵抗を低減できる面発光半導体レーザを提供する。【解決手段】この面発光半導体レーザによれば、ｐ型の分布ブラッグ反射層８を構成しているｐ型ＡｌＧａＡｓ層８Ｂのバンドギャップは、ｐ型ＧａＩｎＡｓ層８Ａのバンドギャップよりも大きい。また、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層８Ｂは、歪量が略零であり、ｐ型ＧａＩｎＡｓ層８Ａは予め定められた量の圧縮歪が加えられている。これにより、ホールをより高いエネルギーに分布させ、ホールがｐ型のＤＢＲ８を流れやすくすることができて、低い動作電流と低い電気抵抗を達成できる。【選択図】図１
2014022690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、
ｐ型の分布ブラッグ反射層と、
ｎ型の分布ブラッグ反射層と
を備え、
上記活性層を含む領域を上記ｐ型の分布ブラッグ反射層と上記ｎ型の分布ブラッグ反射層とで挟んだ構造であり、
上記ｐ型の分布ブラッグ反射層は、
第１のバンドギャップを有する第１の半導体結晶層と、
上記第１のバンドギャップよりも小さい第２のバンドギャップを有する第２の半導体結晶層と
を有し、
上記第２の半導体結晶層または上記第１の半導体結晶層に圧縮歪が加わっていることを特徴とする面発光半導体レーザ。
【請求項２】
請求項１に記載の面発光半導体レーザにおいて、
上記第２の半導体結晶層に圧縮歪が加わっており、
上記第１の半導体結晶層に引っ張り歪が加わっていることを特徴とする面発光半導体レーザ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の面発光半導体レーザにおいて、
上記第２の半導体結晶層に圧縮歪が加わっており、
上記第２の半導体結晶層は、
上記第１の半導体結晶層に隣接していると共に上記活性層に近い側の端から予め定められた厚さ寸法だけ離隔した位置までの部分だけに圧縮歪が加わっていることを特徴とする面発光半導体レーザ。
【請求項４】
請求項１に記載の面発光半導体レーザにおいて、
上記第１の半導体結晶層に圧縮歪が加わっており、
上記第１の半導体結晶層は、
上記第２の半導体結晶層に隣接していると共に上記活性層に近い側の端から予め定められた厚さ寸法だけ離隔した位置までの部分だけに圧縮歪が加わっていることを特徴とする面発光半導体レーザ。
【請求項５】
請求項３または４に記載の面発光半導体レーザにおいて、
上記第２の半導体結晶層または上記第１の半導体結晶層の上記圧縮歪が加わっている部分の厚さが、１０ｎｍ以上かつ２０ｎｍ以下であることを特徴とする面発光半導体レーザ。
【請求項６】
請求項１または３に記載の面発光半導体レーザにおいて、
上記第１の半導体結晶層がＡｌＧａＡｓ層であり、
上記第２の半導体結晶層がＧａＩｎＡｓ層であることを特徴とする面発光半導体レーザ。
【請求項７】
請求項４に記載の面発光半導体レーザにおいて、
上記第１の半導体結晶層がＡｌＧａＩｎＰ層であり、
上記第２の半導体結晶層がＡｌＧａＡｓ層であることを特徴とする面発光半導体レーザ。
【請求項８】
請求項１から５のいずれか１つに記載の面発光半導体レーザにおいて、
上記第１の半導体結晶層がＡｌＧａＩｎＰ層であり、
上記第２の半導体結晶層がＧａＩｎＡｓ層またはＧａＡｓ層であることを特徴とする面発光半導体レーザ。
【請求項９】
請求項１から５のいずれか１つに記載の面発光半導体レーザにおいて、
上記第１の半導体結晶層が(ＡｌｘＧａ１−ｘ)ＩｎＰ層であり、
上記第２の半導体結晶層が(ＡｌｙＧａ１−ｙ)ＩｎＰであると共に、
上記(ＡｌｘＧａ１−ｘ)のｘが、上記(ＡｌｙＧａ１−ｙ)のｙよりも小さいことを特徴とする面発光半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、通信用等の用途に用いられる面発光半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信用光源として、面発光半導体レーザが実用化されている。面発光半導体レーザは、活性層を含む領域を、多層膜のブラッグ反射層(ＤＢＲ：Ｄistributed Ｂragg Ｒeflector)で挟みこんだ構造になっている。
【０００３】
一般的に、上記ブラッグ反射層は、組成が異なる２つの半導体層を交互に積層した構造であるが、バンドギャップの異なる２つの半導体層が交互に接合している結果、バンド不連続が発生し、キャリアがこのバンド不連続の領域を通過するために、一様な結晶と比べて電気抵抗が高くなるという問題があった。特に、電子と比べて有効質量が大きいホールを流す必要があるｐ型のＤＢＲでは、この電気抵抗が高くなるという問題が大きい。
【０００４】
電気抵抗を下げる１つの方策としては、従来、ｐ型のＤＢＲのドーピング量を大きくすることが適用されている。例えば、ｐ型ＤＢＲへ高濃度ドープを行うためにカーボンドープなどの手法により、１０１８ｃｍ−３オーダーで高濃度ドープしたｐ型のＤＢＲ構造が用いられている。
【０００５】
しかしながら、一般に、レーザ共振器内に高濃度ドープした領域があると、自由キャリア吸収による光の損失が大きくなる。この自由キャリア吸収は、ｐ型のキャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３を超える場合に顕著になり、２×１０１８ｃｍ−３以上のキャリア濃度で急激に増加する。
【０００６】
したがって、電気抵抗を低減するために、上記ｐ型ＤＢＲのドーピング濃度を高くすると、自由キャリア吸収が増加し、上記ｐ型ＤＢＲの反射率が低下するという課題や、レーザ共振器内の光学損失が大きくなって、しきい値電流が増加するなどレーザ特性が悪化するという課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表平９−５１２１３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、この発明の課題は、レーザ特性の劣化を招かずに電気抵抗を低減できる面発光半導体レーザを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
バンド不連続の存在する多層膜にキャリアを流す場合に、電気抵抗を小さくするための１つの方策としては、バンドギャップの小さい結晶でもってキャリアがより高いエネルギーに分布するようにすることがある。例えば、ドーピング濃度を高くすると、キャリアがより高いエネルギーレベルに分布することになり、バンドギャップの高い層を乗り越えやすくなる。また、ホールが流れるｐ型ＤＢＲと比べて、電子が流れるｎ型ＤＢＲの方が電気抵抗は問題とならない。これは、ホールよりも電子の方が有効質量が小さく、電子の方がより高いエネルギーレベルに分布することによる。このことから、ホールを流すｐ型ＤＢＲでも、ホールの有効質量を小さくすれば、ホールがより高いエネルギーレベルに分布して、電気抵抗を低減するのに有効と考えられる。
【００１０】
図９Ａは、結晶に歪みのない場合の価電子帯構造を模式的に示す図であり、縦軸はエネルギーＥを示し、横軸が波数ｋ⊥,波数ｋ//を示している。図９Ｂは、結晶に歪みが加わっている場合の価電子帯構造を模式的に示す図であり、縦軸はエネルギーＥを示し、横軸が波数ｋ⊥,波数ｋ//を示している。
【００１１】
ホールは重いホールと軽いホールの２つに分類できる。図９Ａ,図９Ｂにおいて、実線の曲線は、重いホールのエネルギーＥ１を表し、破線の曲線は、軽いホールのエネルギーＥ２を表している。基板に格子整合していて歪の無い結晶では、図９Ａに示すように、静止状態(ｋ＝０)では、重いホールのエネルギーＥ１と軽いホールのエネルギーＥ２とは一致するが、重いホールの有効質量と軽いホールの有効質量とは異なっている。
【００１２】
一方、結晶に圧縮歪が加わっている場合、図９Ｂに示すように、重いホールの静止状態のエネルギーＥ１と軽いホールの静止状態のエネルギーＥ２とは分離し、重いホールよりも軽いホールの方が高いエネルギーを取る。また、重いホールの有効質量は、歪のない場合と比べて小さくなる。
【００１３】
図１０は、縦軸にホールのフェルミレベル(ｅＶ)を取り、横軸にキャリア濃度(ｃｍ−３)を取ったグラフである。なお、横軸の１Ｅ＋１８,２Ｅ＋１８,３Ｅ＋１８,… は、それぞれ、１×１０１８,２×１０１８,３×１０１８,…を表す。
【００１４】
フェルミレベルは、結晶で許される状態密度の半分がキャリアで占められるエネルギーレベルを表しており、フェルミレベルが高いほど、より高いエネルギーにキャリアが分布することを意味する。
【００１５】
図１０に破線で示す曲線Ｑ１は、無歪なＧａＡｓ結晶についての計算結果である。一方、図１０に実線で示す曲線Ｑ２は、圧縮歪が加わったＧａＡｓ結晶についての計算結果である。圧縮歪が加わったＧａＡｓ結晶では、無歪なＧａＡｓ結晶に比べて、重いホールの有効質量が３分の１になり、重いホールと軽いホールの静止エネルギーが０.０５ｅＶだけ分離すると仮定して圧縮状態を計算した。
【００１６】
図９Ｂに示すように、圧縮歪を加えた結晶では、重いホールの有効質量が小さくなり、軽いホールの存在できるエネルギー帯が高い方向に分離する。この結果、ホールは、歪が無い場合と比べてより高いエネルギーに分布し、図１０の曲線Ｑ２のように、フェルミレベルは大きくなる。
【００１７】
この発明は、上記圧縮歪を、ｐ型ＤＢＲを構成する結晶に加えることで、ホールをより高いエネルギーに分布させ、ホールがｐ型ＤＢＲを流れ易くすることができ、面発光半導体レーザに適用した場合、低い電気抵抗が得られ、ドーピングによるフリーキャリアロスが小さく、低動作電流の面発光半導体レーザが得られるという着想に基づいて創出された。
【００１８】
すなわち、この発明の面発光半導体レーザは、活性層と、
ｐ型の分布ブラッグ反射層と、
ｎ型の分布ブラッグ反射層と
を備え、
上記活性層を含む領域を上記ｐ型の分布ブラッグ反射層と上記ｎ型の分布ブラッグ反射層とで挟んだ構造であり、
上記ｐ型の分布ブラッグ反射層は、
第１のバンドギャップを有する第１の半導体結晶層と、
上記第１のバンドギャップよりも小さい第２のバンドギャップを有する第２の半導体結晶層と
を有し、
上記第２の半導体結晶層または上記第１の半導体結晶層に圧縮歪が加わっていることを特徴としている。
【００１９】
この発明の面発光半導体レーザによれば、上記ｐ型の分布ブラッグ反射層を構成している第１または第２の半導体結晶層に圧縮歪が加わっていることで、ホールをより高いエネルギーに分布させ、ホールが上記ｐ型の分布ブラッグ反射層を流れやすくすることができる。したがって、この発明の面発光半導体レーザによれば、フリーキャリアロスの増大を招く高濃度ドーピングを不要として、低い動作電流と低い電気抵抗を達成できる。
【００２０】
また、一実施形態の面発光半導体レーザでは、上記第２の半導体結晶層に圧縮歪が加わっており、上記第１の半導体結晶層に引っ張り歪が加わっている。
【００２１】
この実施形態の面発光半導体レーザによれば、上記引っ張り歪が加わっている第１の半導体結晶層により、上記第２の半導体結晶層の圧縮歪を上記ｐ型の分布ブラッグ反射層全体として補償できる。したがって、上記第２の半導体結晶層に大きな圧縮歪を加えることができ、電気抵抗をより低減できる。
【００２２】
また、一実施形態の面発光半導体レーザでは、上記第２の半導体結晶層に圧縮歪が加わっており、
上記第２の半導体結晶層は、
上記第１の半導体結晶層に隣接していると共に上記活性層に近い側の端から予め定められた厚さ寸法だけ離隔した位置までの部分だけに圧縮歪が加わっている。
【００２３】
この実施形態の面発光半導体レーザによれば、上記第１の半導体結晶層と第２の半導体結晶層とのヘテロ接合の境界付近で、上記第２の半導体結晶層の上記予め定められた厚さ寸法の部分だけに圧縮歪みが加わっている。これにより、圧縮歪みが加わっている部分の厚さを薄くして歪応力による弾性破壊を抑えながら、電気抵抗の低減を図れる。
【００２４】
図１１に示すように、バンドギャップの大きい第１の半導体結晶層とバンドギャップの小さい第２の半導体結晶層とのヘテロ接合の境界付近で形成されるスパイク状のバンド構造Ｓができ、このスパイク状のバンド構造Ｓがキャリアを流すときの抵抗となる。また、歪結晶を用いる場合には、歪の応力による結晶の弾性破壊を起こさないように、応力に対する臨界膜厚以内で歪層の厚みを抑える必要がある。歪応力による弾性破壊を起こさないためには、歪層の厚さは極力薄くすることが望ましく、スパイク状のバンド構造ができる近傍の厚み領域だけを歪層で構成することが望ましい。
【００２５】
また、一実施形態の面発光半導体レーザでは、上記第１の半導体結晶層に圧縮歪が加わっており、
上記第１の半導体結晶層は、
上記第２の半導体結晶層に隣接していると共に上記活性層に近い側の端から予め定められた厚さ寸法だけ離隔した位置までの部分だけに圧縮歪が加わっている。
【００２６】
この実施形態の面発光半導体レーザによれば、上記第１の半導体結晶層と第２の半導体結晶層とのヘテロ接合の境界付近で、上記第１の半導体結晶層の上記予め定められた厚さ寸法の部分だけに圧縮歪みが加わっている。これにより、圧縮歪みが加わっている部分の厚さを薄くして歪応力による弾性破壊を抑えながら、電気抵抗の低減を図れる。
【００２７】
また、一実施形態の面発光半導体レーザでは、上記第２の半導体結晶層または上記第１の半導体結晶層の上記圧縮歪が加わっている部分の厚さが、１０ｎｍ以上かつ２０ｎｍ以下である。
【００２８】
この実施形態の面発光半導体レーザによれば、上記圧縮歪が加わっている部分の厚さを、１０ｎｍ〜２０ｎｍとしたことで、歪応力による弾性破壊を抑えながら、電気抵抗の低減を図れる。
【００２９】
また、一実施形態の面発光半導体レーザでは、上記第１の半導体結晶層がＡｌＧａＡｓ層であり、
上記第２の半導体結晶層がＧａＩｎＡｓ層である。
【００３０】
この実施形態の面発光半導体レーザによれば、発振波長が９５０ｎｍ帯の面発光レーザに対して光吸収のない結晶層でＤＢＲを構成できる。
【００３１】
また、一実施形態の面発光半導体レーザでは、上記第１の半導体結晶層がＡｌＧａＩｎＰ層であり、
上記第２の半導体結晶層がＡｌＧａＡｓ層である。
【００３２】
この実施形態の面発光半導体レーザによれば、発振波長が６００ｎｍ帯の面発光レーザに対して光吸収のない結晶層でＤＢＲを構成できる。
【００３３】
また、一実施形態の面発光半導体レーザでは、上記第１の半導体結晶層がＡｌＧａＩｎＰ層であり、
上記第２の半導体結晶層がＧａＩｎＡｓ層またはＧａＡｓ層である。
【００３４】
この実施形態の面発光半導体レーザによれば、発振波長が９５０ｎｍ帯の面発光レーザに対して光吸収のない結晶層でＤＢＲを構成できる。また、ＤＢＲのペアとなるＧａＩｎＡｓとの屈折率差が、ＡｌＧａＡｓより大きいＡｌＧａＩｎＰでＤＢＲを構成できるため、ＤＢＲの反射率を高くできる。
【００３５】
また、一実施形態の面発光半導体レーザでは、上記第１の半導体結晶層が(ＡｌｘＧａ１−ｘ)ＩｎＰ層であり、
上記第２の半導体結晶層が(ＡｌｙＧａ１−ｙ)ＩｎＰであると共に、上記(ＡｌｘＧａ１−ｘ)のｘが、上記(ＡｌｙＧａ１−ｙ)のｙよりも小さい。
【００３６】
この実施形態の面発光半導体レーザによれば、発振波長が６００ｎｍ帯の面発光レーザに対して光吸収のない結晶層でＤＢＲを構成できる。ＤＢＲを構成する結晶材料が同じであるため、結晶成長が簡便となり、制御性、生産性で優れている。
【発明の効果】
【００３７】
この発明の面発光半導体レーザによれば、ｐ型の分布ブラッグ反射層を構成している第１または第２の半導体結晶層に圧縮歪が加わっていることで、ホールをより高いエネルギーに分布させ、ホールが上記ｐ型の分布ブラッグ反射層を流れやすくすることができる。したがって、この発明の面発光半導体レーザによれば、フリーキャリアロスの増大を招く高濃度ドーピングを不要として、低い動作電流と低い電気抵抗を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の面発光半導体レーザの第１実施形態の断面図である。
【図２】上記第１実施形態が備えるｐ型ＤＢＲ８の厚さ方向のバンドギャップ分布および歪量分布を表すグラフである。
【図３】この発明の面発光半導体レーザの第２実施形態の断面図である。
【図４】上記第２実施形態が備えるｐ型ＤＢＲ２８の厚さ方向のバンドギャップ分布および歪量分布を表すグラフである。
【図５】この発明の面発光半導体レーザの第３実施形態の断面図である。
【図６】上記第３実施形態が備えるｐ型ＤＢＲ５８の厚さ方向のバンドギャップ分布および歪量分布を表すグラフである。
【図７】この発明の面発光半導体レーザの第４実施形態の断面図である。
【図８】上記第４実施形態が備えるｐ型ＤＢＲ５８の厚さ方向のバンドギャップ分布および歪量分布を表すグラフである。
【図９Ａ】結晶に歪みのない場合の価電子帯構造を模式的に示す図である。
【図９Ｂ】結晶に歪みが加わっている場合の価電子帯構造を模式的に示す図である。
【図１０】ホールのフェルミレベルとキャリア濃度との関係を示すグラフである。
【図１１】ヘテロ接合境界でバンドが不連続となる様子を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００４０】
(第１の実施の形態)
図１は、この発明の面発光半導体レーザの第１実施形態の断面図である。
【００４１】
この第１実施形態では、図１に示すように、有機金属気相エピタキシ法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＡｌＡｓ層２Ａ/ｎ型ＧａＡｓ層２Ｂを３０ペア有するｎ型の多層膜ブラッグ反射層２(以下、ｎ型ＤＢＲ２と言う)と、層厚０.５μｍのｎ型ＡｌＧａＡｓ(Ａｌ組成０.５)クラッド層３と、Ｇａ０.９Ｉｎ０.１Ａｓ/Ａｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓを６ペア有する多重量子井戸活性層５とを順次成長させた。
【００４２】
さらに、上記多重量子井戸活性層５上に、層厚０.５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ(Ａｌ組成０.５)クラッド層６と、このｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層６の途中に設けられる層厚３０ｎｍのｐ型ＡｌＡｓ選択酸化層７と、ｐ型Ｇａ０.９５Ｉｎ０.０５Ａｓ層８Ａ/ｐ型Ａｌ０.８Ｇａ０.２Ａｓ層８Ｂを２０ペア有するｐ型の多層膜ブラッグ反射層８(以下、ｐ型ＤＢＲ８と言う)と、層厚０.１μｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０を順次成長させた。
【００４３】
上記ｎ型ＤＢＲ２を構成するｎ型ＡｌＡｓ層２Ａ,ｎ型ＧａＡｓ層２Ｂの各層の層厚は、λ/(４ｎ)に設定した。このλ/(４ｎ)のｎは各層の結晶の屈折率であり、λは発振波長である。また、上記ｐ型ＤＢＲ８を構成する第２の半導体結晶層としてのｐ型ＧａＩｎＡｓ層８Ａ,第１の半導体結晶層としてのｐ型ＡｌＧａＡｓ層８Ｂの各層の層厚を、λ/(４ｎ)に設定した。このλ/(４ｎ)のｎは各層の結晶の屈折率であり、λは発振波長である。
【００４４】
そして、上記ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０の表面に直径２０μｍのＳｉＯ２パターンを形成し、このＳｉＯ２パターンをマスクとして反応性イオンエッチングにより、ｐ型ＡｌＡｓ選択酸化層７が露出するまでの深さまでエッチングして円柱形の構造を形成した。
【００４５】
次に、水蒸気中で加熱処理することで、ｐ型ＡｌＡｓ選択酸化層７を円柱外周から中へ向かって酸化させ、直径５μｍから外の領域をＡｌＡｓ酸化層７Ａとした。電流は、上記ＡｌＡｓ酸化層７Ａでは流れず、このｐ型ＡｌＡｓ選択酸化層７の直径５μｍの内側へ選択的に流れる。
【００４６】
中心から直径１０μｍの範囲で、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０を選択除去した後、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０の表面にＴｉＡｕ電極であるｐ側電極１１を形成し、基板裏面にＡｕＧｅＮｉ電極であるｎ側電極１２を形成した。
【００４７】
図２は、縦軸に、上記ｐ型ＤＢＲ８の厚さ方向の位置を取り、第１の横軸にｐ型ＧａＩｎＡｓ層８Ａ,ｐ型ＡｌＧａＡｓ層８Ｂの各層のバンドギャップの相対値を取り、第２の横軸として上記各層の歪量を取ったグラフである。
【００４８】
図２に示すように、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層８Ｂのバンドギャップは、ｐ型ＧａＩｎＡｓ層８Ａのバンドギャップよりも大きい。また、上記ｐ型ＡｌＧａＡｓ層８Ｂは、歪量が略零であり、上記ｐ型ＧａＩｎＡｓ層８Ａは、予め定められた量の圧縮歪が加えられている。このことで、ホールをより高いエネルギーに分布させ、ホールが上記ｐ型のＤＢＲ８を流れやすくすることができる。したがって、この実施形態の面発光半導体レーザによれば、フリーキャリアロスの増大を招く高濃度ドーピングを不要として、低い動作電流と低い電気抵抗を達成できる。
【００４９】
この第１実施形態の面発光半導体レーザは、波長９５０ｎｍ帯で発振する。ｐ型ＤＢＲ８のドーピング濃度は１×１０１８ｃｍ−３に設定した。このｐ型ＤＢＲ８のドーピング濃度は、自由キャリア吸収によるロスが増加しないレベルであるが、素子の抵抗は ８０Ω程度と問題のないレベルが得られた。
【００５０】
(第２の実施の形態)
図３は、この発明の面発光半導体レーザの第２実施形態の断面図である。
【００５１】
この第２実施形態では、図３に示すように、有機金属気相エピタキシ法により、ｎ型ＧａＡｓ基板２１上に、ｎ型ＡｌＡｓ層２２Ａ/ｎ型ＧａＡｓ層２２Ｂを３０ペア有するｎ型の多層膜ブラッグ反射層２２(以下、ｎ型ＤＢＲ２２と言う)と、層厚０.５μｍのｎ型ＡｌＧａＡｓ(Ａｌ組成比０.５)クラッド層２３と、Ｇａ０.８Ｉｎ０.２Ａｓ/Ａｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓを３ペア有する多重量子井戸活性層２５とを順次成長させた。
【００５２】
さらに、上記有機金属気相エピタキシ法により、上記多重量子井戸活性層２５上に、層厚０.５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ(Ａｌ組成比０.５)クラッド層２６と、このｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２６の途中に設けられる層厚３０ｎｍのｐ型ＡｌＡｓ選択酸化層２７と、ｐ型Ｇａ０.９０Ｉｎ０.１０Ａｓ層２８Ａ/ｐ型(Ａｌ０.６Ｇａ０.４)０.５５Ｉｎ０.４５Ｐ層２８Ｂを２０ペア有するｐ型の多層膜ブラッグ反射層２８(以下、ｐ型ＤＢＲ２８と言う)と、層厚０.１μｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層３０を順次成長させた。
【００５３】
上記ｎ型ＤＢＲ２２を構成するｎ型ＡｌＡｓ層２２Ａ,ｎ型ＧａＡｓ層２２Ｂの各層の層厚は、λ/(４ｎ)に設定した。このλ/(４ｎ)のｎは各層の結晶の屈折率であり、λは発振波長である。また、上記ｐ型ＤＢＲ２８を構成する第２の半導体結晶層としてのｐ型ＧａＩｎＡｓ層２８Ａ,第１の半導体結晶層としてのｐ型(ＡｌＧａ)ＩｎＰ層２８Ｂの各層の層厚は、λ/(４ｎ)に設定した。このλ/(４ｎ)のｎは各層の結晶の屈折率であり、λは発振波長である。
【００５４】
以下、前述の第１実施形態と同様のプロセスで、図３に断面を示す第２実施形態の面発光半導体レーザを作製した。なお、図３において、符号３１はｐ側電極、符号３２はｎ側電極である。また、符号２７Ａは、前述のＡｌＡｓ酸化層７Ａと同様のＡｌＡｓ酸化層である。
【００５５】
この第２実施形態の面発光半導体レーザは、波長１０００ｎｍ帯で発振する。上記ｐ型ＤＢＲ２８のドーピング濃度は１×１０１８ｃｍ−３に設定した。
【００５６】
図４は、縦軸に、上記ｐ型ＤＢＲ２８の厚さ方向の位置を取り、第１の横軸にｐ型ＧａＩｎＡｓ層２８Ａ,ｐ型(ＡｌＧａ)ＩｎＰ層２８Ｂの各層のバンドギャップの相対値を取り、第２の横軸として上記各層の歪量を取ったグラフである。
【００５７】
この第２実施形態では、図４に示すように、前述の第１実施形態のｐ型ＤＢＲ８のｐ型ＧａＩｎＡｓ層８Ａよりも大きな圧縮歪の結晶で、ｐ型ＤＢＲ２８のバンドギャップが小さいほうの結晶であるｐ型ＧａＩｎＡｓ層２８Ａを構成している。
【００５８】
また、この第２実施形態では、図４に示すように、上記ｐ型ＤＢＲ２８のバンドギャップが大きい方の結晶であるｐ型(ＡｌＧａ)ＩｎＰ層２８Ｂを引っ張り歪の結晶で構成している。これにより、先のｐ型ＧａＩｎＡｓ層２８Ａの圧縮歪を補償し、より大きな圧縮歪の効果を得ることができる。すなわち、ホールをより高いエネルギーに分布させ、ホールが上記ｐ型のＤＢＲ２８を流れやすくすることができる。したがって、この実施形態の面発光半導体レーザによれば、フリーキャリアロスの増大を招く高濃度ドーピングを不要として、低い動作電流と低い電気抵抗を達成できる。
【００５９】
(第３の実施の形態)
図５は、この発明の面発光半導体レーザの第３実施形態の断面図である。
【００６０】
この第３実施形態では、図５に示すように、有機金属気相エピタキシ法により、ｎ型ＧａＡｓ基板５１上に、ｎ型ＡｌＡｓ層５２Ａ/ｎ型ＧａＡｓ層５２Ｂを３０ペア有するｎ型の多層膜ブラッグ反射層５２(以下、ｎ型ＤＢＲ５２と言う)と、層厚０.５μｍのｎ型ＡｌＧａＡｓ(Ａｌ組成比０.５)クラッド層５３と、Ｇａ０.８Ｉｎ０.２Ａｓ/Ａｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓを３ペア有する多重量子井戸活性層５５とを順次成長させた。
【００６１】
さらに、上記有機金属気相エピタキシ法により、上記多重量子井戸活性層５５上に、層厚０.５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ(Ａｌ組成比０.５)クラッド層５６と、このｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５６の途中に設けられる層厚３０ｎｍのｐ型ＡｌＡｓ選択酸化層５７と、ｐ型ＧａＩｎＡｓ層５８Ａ/ｐ型Ａｌ０.８Ｇａ０.２Ａｓ層５８Ｂを２０ペア有するｐ型の多層膜ブラッグ反射層５８(以下、ｐ型ＤＢＲ５８と言う)と、層厚０.１μｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層６０を順次成長させた。
【００６２】
以下、前述の第１実施形態と同様のプロセスで、図５に断面を示す第３実施形態の面発光半導体レーザを作製した。なお、図５において、符号６１はｐ側電極、符号６２はｎ側電極である。また、符号５７Ａは、前述のＡｌＡｓ酸化層７Ａと同様のＡｌＡｓ酸化層である。
【００６３】
上記ｎ型ＤＢＲ５２を構成するｎ型ＡｌＡｓ層５２Ａ,ｎ型ＧａＡｓ層５２Ｂの各層の層厚は、λ/(４ｎ)に設定した。このλ/(４ｎ)のｎは各層の結晶の屈折率であり、λは発振波長である。
【００６４】
図６は、縦軸に、上記ｐ型ＤＢＲ５８の厚さ方向の位置を取り、第１の横軸に第２の半導体結晶層としてのｐ型ＧａＩｎＡｓ層５８Ａ,第１の半導体結晶層としてのｐ型ＡｌＧａＡｓ層５８Ｂの各層のバンドギャップの相対値を取り、第２の横軸として上記各層の歪量を取ったグラフである。なお、矢印Ｆは、活性層５５に向かう方向を示している。
【００６５】
図６に示すように、上記ｐ型ＤＢＲ５８を構成する各ｐ型ＧａＩｎＡｓ層５８Ａは、活性層５５に近い側から２０ｎｍの厚みの部分だけを、圧縮歪が加わっている結晶であるｐ型Ｇａ０.９０Ｉｎ０.１０Ａｓ層５８Ａ‐１とし、この部分以外は無歪結晶であるＧａＡｓ層５８Ａ‐２とした。上記ｐ型ＧａＩｎＡｓ層５８Ａ‐１でのホールがヘテロ界面近傍で高いエネルギーに分布する結果、ヘテロ接合のバリアによる抵抗を軽減できる。したがって、この実施形態の面発光半導体レーザによれば、フリーキャリアロスの増大を招く高濃度ドーピングを不要として、低い動作電流と低い電気抵抗を達成できる。
【００６６】
(第４の実施の形態)
図７は、この発明の面発光半導体レーザの第４実施形態の断面図である。
【００６７】
この第４実施形態では、図７に示すように、有機金属気相エピタキシ法により、ｎ型ＧａＡｓ基板７１上に、ｎ型ＡｌＡｓ層７２Ａ/ｎ型ＧａＡｓ層７２Ｂを３０ペア有するｎ型の多層膜ブラッグ反射層７２(以下、ｎ型ＤＢＲ７２と言う)と、膜厚０.５μｍのｎ型ＡｌＧａＡｓ(Ａｌ組成比０.５)クラッド層７３と、ＧａＡｓ/Ａｌ０.３Ｇａ０.７Ａｓを６ペア有する多重量子井戸活性層７５とを順次成長させた。
【００６８】
さらに、上記有機金属気相エピタキシ法により、上記多重量子井戸活性層７５上に、層厚０.５μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ(Ａｌ組成比０.５)クラッド層７６と、このｐ型ＡｌＧａＡｓ層７６の途中に設けられる層厚３０ｎｍのｐ型ＡｌＡｓ 選択酸化層７７と、ｐ型Ｇａ０.８Ａｌ０.２Ａｓ層７８Ａ/ｐ型(Ａｌ０.６Ｇａ０.４)ＩｎＰ層７８Ｂを２０ペア有するｐ型の多層膜ブラッグ反射層７８(以下、ｐ型ＤＢＲ７８と言う)と、層厚０.１μｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層８０を順次成長させた。
【００６９】
以下、前述の第１実施形態と同様のプロセスで、図７に断面を示す第４実施形態の面発光半導体レーザを作製した。なお、図７において、符号８１はｐ側電極、符号８２はｎ側電極である。また、符号７７Ａは、前述のＡｌＡｓ酸化層７Ａと同様のＡｌＡｓ酸化層である。
【００７０】
上記ｎ型ＤＢＲ７２を構成するｎ型ＡｌＡｓ層７２Ａ,ｎ型ＧａＡｓ層７２Ｂの各層の層厚は、λ/(４ｎ)に設定した。このλ/(４ｎ)のｎは各層の結晶の屈折率であり、λは発振波長である。
【００７１】
図８は、縦軸に、上記ｐ型ＤＢＲ７８の厚さ方向の位置を取り、第１の横軸に第２の半導体結晶層としてのｐ型ＧａＡｌＡｓ層７８Ａ,第１の半導体結晶層としてのｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層７８Ｂの各層のバンドギャップの相対値を取り、第２の横軸として上記各層の歪量を取ったグラフである。なお、図８において、矢印Ｆは、活性層７５に向かう方向を示している。
【００７２】
図８に示すように、上記ｐ型ＤＢＲ７８を構成する各ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層７８Ｂは、活性層７５に近い側から２０ｎｍの厚みの部分だけを、圧縮歪が加わっている結晶であるｐ型(ＡｌＧａ)０.４Ｉｎ０.６Ｐ層７８Ｂ‐１とし、この部分以外は無歪結晶であるｐ型(ＡｌＧａ)０.５Ｉｎ０.５Ｐ層７８Ｂ‐２とした。ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層７８Ｂとｐ型ＧａＡｌＡｓ層７８Ａとのへテロ界面に、ホールの流れに対するスパイク状のバリアが生じるが、上記ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ７８Ｂでのホールが高いエネルギーに分布する結果、上記スパイク状バリアによる抵抗を軽減できる。したがって、この実施形態の面発光半導体レーザによれば、フリーキャリアロスの増大を招く高濃度ドーピングを不要として、低い動作電流と低い電気抵抗を達成できる。
【００７３】
尚、上記第１〜第４実施形態では、第１の半導体結晶層をＡｌＧａＡｓ層またはＡｌＧａＩｎＰ層とし、第２の半導体結晶層をＧａＩｎＡｓ層またはＡｌＧａＡｓ層としたが、第１の半導体結晶層を(ＡｌｘＧａ１−ｘ)ＩｎＰ層、第２の半導体結晶層を(ＡｌｙＧａ１−ｙ)ＩｎＰとすると共に、上記(ＡｌｘＧａ１−ｘ)のＡｌ組成比ｘを上記(ＡｌｙＧａ１−ｙ)のＡｌ組成比ｙよりも小さく(ｘ＜ｙ)してもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１,２１,５１,７１  ｎ型ＧａＡｓ基板
２,２２,５２,７２  ｎ型の多層膜ブラッグ反射層
２Ａ,２２Ａ,５２Ａ,７２Ａ  ｎ型ＡｌＡｓ層
２Ｂ,２２Ｂ,５２Ｂ,７２Ｂ  ｎ型ＧａＡｓ層
３,２３,５３,７３  ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
５,２５,５５,７５  多重量子井戸活性層
６,２６,５６,７６  ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
７,２７,５７,７７  ｐ型ＡｌＡｓ選択酸化層
８,２８,５８,７８  ｐ型の多層膜ブラッグ反射層
８Ａ,２８Ａ,５８Ａ  ｐ型ＧａＩｎＡｓ層
８Ｂ,５８Ｂ  ｐ型ＡｌＧａＡｓ層
１０,３０,６０  ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１１,３１,６１,８１  ｐ側電極
１２,３２,６２,８２  ｎ側電極
２８Ｂ,７８Ｂ  ｐ型(ＡｌＧａ)ＩｎＰ層
５８Ａ‐１  ｐ型Ｇａ０.９０Ｉｎ０.１０Ａｓ層
５８Ａ‐２  ＧａＡｓ層
７８Ａ  ｐ型ＧａＡｌＡｓ層
７８Ｂ‐１  ｐ型(ＡｌＧａ)０.４Ｉｎ０.６Ｐ層
７８Ｂ‐２  ｐ型(ＡｌＧａ)０.５Ｉｎ０.５Ｐ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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