(57)【要約】【課題】ＧａＡｓ基板上に作製される面発光型半導体レーザに適用可能であり、酸化速度が遅く、かつ熱抵抗が低い半導体ＤＢＲの提供。【解決手段】ＧａＡｓ基板上に形成された半導体ＤＢＲであり、少なくとも低屈折率層の一部にＡｌ、Ｉｎ、Ａｓを含むIII−Ｖ族化合物半導体を用い、III族元素中のＩｎ組成：ｘInを０．０４７以下とする。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ基板上に形成されている、III−Ｖ族化合物半導体からなる低屈折率層と高屈折率層の対が複数積層され、真空中における波長λ0の光に対して、ブラッグ反射条件を満たす積層構造を有する半導体分布ブラッグ反射鏡であって、
前記複数組の低屈折率層と高屈折率層の対のうち、少なくとも一部の対において、
その低屈折率層は、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓを含むIII−Ｖ族化合物半導体を用いて形成され、
該Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓを含むIII−Ｖ族化合物半導体における、III族元素中のＩｎ組成：ｘInは、０．０４７以下である
ことを特徴とする半導体分布ブラッグ反射鏡。
【請求項２】
ＧａＡｓ基板上に形成されている、III−Ｖ族化合物半導体からなる低屈折率層と高屈折率層の対が複数積層され、真空中における波長λ0の光に対して、ブラッグ反射条件を満たす積層構造を有する半導体分布ブラッグ反射鏡であって、
前記複数組の低屈折率層と高屈折率層の対のうち、少なくとも一部の対において、
その低屈折率層は、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐを含むIII−Ｖ族化合物半導体を用いて形成され、
該Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐを含むIII−Ｖ族化合物半導体における、III族元素中のＩｎ組成：ｘInは、０．０２５以下である
ことを特徴とする半導体分布ブラッグ反射鏡。
【請求項３】
ＧａＡｓ基板上に形成されている、III−Ｖ族化合物半導体からなる低屈折率層と高屈折率層の対が複数積層され、真空中における波長λ0の光に対して、ブラッグ反射条件を満たす積層構造を有する半導体分布ブラッグ反射鏡であって、
前記複数組の低屈折率層と高屈折率層の対のうち、少なくとも一部の対において、
その低屈折率層は、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐを含むIII−Ｖ族化合物半導体を用いて形成され、
該Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐを含むIII−Ｖ族化合物半導体における、III族元素中のＩｎ組成：ｘInは、０．０１８以下であり、かつ、Ｖ族元素中のＰ組成：ｙPは、前記Ｉｎ組成：ｘInに対して、０．０４＋１．９５ｘIn≦ｙP＜０．１２８の範囲に選択されている
ことを特徴とする半導体分布ブラッグ反射鏡。
【請求項４】
ＧａＡｓ基板上に形成されている、III−Ｖ族化合物半導体からなる低屈折率層と高屈折率層の対が複数積層され、真空中における波長λ0の光に対して、ブラッグ反射条件を満たす積層構造を有する半導体分布ブラッグ反射鏡であって、
前記複数組の低屈折率層と高屈折率層の対のうち、少なくとも一部の対において、
その低屈折率層は、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｎを含むIII−Ｖ族化合物半導体を用いて形成されている
ことを特徴とする半導体分布ブラッグ反射鏡。
【請求項５】
ＧａＡｓ基板上に形成されている、III−Ｖ族化合物半導体からなる低屈折率層と高屈折率層の対が複数積層され、真空中における波長λ0の光に対して、ブラッグ反射条件を満たす積層構造を有する半導体分布ブラッグ反射鏡であって、
前記複数組の低屈折率層と高屈折率層の対のうち、少なくとも一部の対において、
その低屈折率層は、Ａｌ、Ｔｌ、Ａｓを含むIII−Ｖ族化合物半導体を用いて形成されている
ことを特徴とする半導体分布ブラッグ反射鏡。
【請求項６】
ＧａＡｓ基板上に形成されている、一対の分布ブラッグ反射鏡を利用して構成される垂直型共振器を具えている面発光型半導体レーザであって、
前記垂直型共振器の構成に利用される一対の分布ブラッグ反射鏡の少なくとも一つとして、上記請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体分布ブラッグ反射鏡を有する
ことを特徴とする面発光型半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体分布ブラッグ反射鏡、ならびに該半導体分布ブラッグ反射鏡を利用する面発光型半導体レーザに関する。特には、短距離光通信や光インターコネクションの分野における光源として利用可能な面発光型半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信は、長距離、大容量伝送が可能であるという利点を有しており、低損失の石英製光ファイバーに適する、長波長半導体レーザを用いた長距離光通信は、幹線系などにおいて、早くから広く実用に供されてきた。一般に、光ファイバーを伝送路として使用する光通信の送信装置においては、光源として半導体レーザが用いられている。その際、短距離光通信の分野では、利用される光源は比較的に小さな光出力でよいため、小型、低消費電力などの利点を有する、面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）が光源として利用されている。小型、低消費電力の利点は、面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）が、垂直型共振器を利用ことによっている。その反面、ストライプ型共振器を採用する端面発光型レーザに比較すると、垂直型共振器を使用することに伴って、面発光型レーザでは、電気抵抗および熱抵抗が高くなる。特に、光インターコネクションなどへの利用を目的とし、高速化を図る場合、プラスチックコアファイバーに代え、石英コアファイバーを利用するため、このコアサイズに対応させて、面発光型レーザの発光径を小さくする。例えば、面発光型レーザの電流狭窄部の直径を、数μｍ〜１０μｍ程度まで小さくする。電流狭窄部が小さくなるにつれて素子の電気抵抗および熱抵抗が増大することなどから、通電による発熱に起因する、半導体レーザの動作時における活性層温度上昇が顕著となる。この温度上昇は、特性の飽和、信頼性の低下の原因となる。そのため、面発光型レーザの発光径を小さくする際には、素子温度の上昇を極力抑制することが望ましい。素子温度の上昇を抑制する上では、熱抵抗を低減することが有効である。半導体レーザにおける主な発熱は、活性層周辺で生じるが、面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）では、主な放熱方向は、光の共振方向と同じになり、活性層上下に形成された分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）を通して、排熱が行われることになる。従って、ＤＢＲの熱抵抗を下げることが重要となる。ＧａＡｓ基板上に形成されるＶＣＳＥＬでは、一般に、ＡｌＧａＡｓ系の材料でＤＢＲが形成される。これは、ＡｌＧａＡｓは、全Ａｌ組成域に亘ってＧａＡｓと格子定数が近いこと、また比較的大きな屈折率差を実現できるためである。ＤＢＲは、高屈折率層と低屈折率層を１ペアとして、このペアを数十周期繰り返し積層した構造となる。ＡｌＧａＡｓを用いた半導体ＤＢＲでは、ＡｌxＧａ1-xＡｓとＡｌyＧａ1-yＡｓ（ｘ＜ｙ）が１ペアとなる。ＡｌＧａＡｓでは、Ａｌ組成が高いほど屈折率が低くなるため、Ａｌ組成の低い前者が高屈折率層、Ａｌ組成の高い後者が低屈折率層となる。
【０００３】
一方、ＶＣＳＥＬの電流狭窄構造として、酸化狭窄構造が広く使用されている。酸化狭窄構造は、活性層の近傍にＡｌＡｓもしくはＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ（例えば、Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ）を酸化狭窄層として積層しておき、メサ構造を形成した後、側面から酸化狭窄層を酸化することにより形成される。酸化層は、誘電体となっており、電流阻止層として機能する。従って、酸化時間を制御してメサ中央部に所定の非酸化領域を残すことにより、電流狭窄構造を形成することが可能となる。
【０００４】
なお、III−Ｖ族化合物半導体混晶の熱抵抗率を推定する手法は、いくつか報告されている（非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４）。
【０００５】
また、面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）の構造に関して、酸化狭窄構造（非特許文献１）、光出力の熱飽和特性の向上を目的するＶＣＳＥＬ（特許文献１）、６３０ｎｍ〜６６０ｎｍ波長帯での発振を目的するＶＣＳＥＬ（特許文献２）の報告がなされている。
【非特許文献１】R. Weigl et al., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.3, No.2, p.409 (1997)
【非特許文献２】S. Adachi et al., Journal of Applied Physics, Vol.54, No.4, p.1844 (1983)
【非特許文献３】H. Yang et al., IEEE Transaction on Electron Devices, Vol.51, No.8, p.1221 (2004)
【非特許文献４】永井他、III−V族半導体混晶（コロナ社） p.52-57
【特許文献１】特開２００２−１６４６２１号公報
【特許文献２】特開２００１−２２３４３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
メサ構造を形成した後、ＡｌＡｓもしくはＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ（例えば、Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ）層を側面から酸化する工程では、メサ構造の加工を受けていえるＤＢＲも酸化を受ける。ＡｌＧａＡｓの酸化速度はＡｌ組成が高いほど速いため、Ａｌ組成の低いＡｌＧａＡｓで構成される高屈折率層の酸化速度は、十分に遅く、その酸化量は実質的にはほとんど問題のない範囲である。一方、低屈折率層に用いるＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓは、酸化狭窄層に利用するＡｌＡｓもしくはＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ（例えば、Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ）と比較すると、Ａｌ組成は若干低いが、低屈折率層の酸化速度は相当に高くなっている。従って、電流狭窄構造形成のための酸化工程の際、ＤＢＲの低屈折率層も同時に酸化され、Ａｌ組成によってはその程度は無視できないものになる。例えば、ＤＢＲの低屈折率層として、酸化狭窄層と同程度までＡｌ組成が高いＡｌＧａＡｓを用いる場合、この低屈折率層の外周部は酸化され、非酸化領域の面積は狭くなる。また、層状のＡｌＧａＡｓを側面から酸化する際、その酸化速度は、一般に、層厚が厚い方が速くなる。ＤＢＲの低屈折率層の層厚ｄLは、このＤＢＲで反射すべき光の真空中の波長λ0と、その波長における低屈折率層の屈折率ｎL（λ0）を用いて、ｄL＝（1/4）・｛λ0/ｎL（λ0）｝で表されるように設定されている。しばしば、ＤＢＲの低屈折率層の層厚ｄLは、酸化狭窄層の層厚ｄBよりも厚くなり、場合によっては、酸化工程後、低屈折率層に残される円形状の非酸化領域の直径ＤL1は、酸化狭窄層に残される円形状の非酸化領域の直径ＤB1と同程度となる。そのような場合、メサ加工を受けている、ＤＢＲの低屈折率層中にも、電流流路を狭窄するポテンシャル障壁が形成されている状態となり、このＤＢＲ部分に由来するシリーズ抵抗が大幅に増大する。
【０００７】
更に、III−Ｖ族化合物半導体が酸化され、III族元素の酸化物へと変換されると、一般に、体積縮小が生じる。そのため、メサ加工された、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ層を側面から酸化すると、酸化層が、Ａｌ組成の低いＡｌＧａＡｓ層またはＧａＡｓ層とヘテロ界面を形成する領域には、その界面に歪み応力が導入される。ＤＢＲは、高屈折率層と低屈折率層の対が、多数段積層された構造を有するため、メサ構造中の上側ＤＢＲで利用される低屈折率層において、酸化層の領域が大きくなると、この界面に導入された歪み応力も蓄積され、上側ＤＢＲ構造全体として、大きな歪みを内在している状態となる。一般に、内部に大きな歪みを内在する場合、動作時に前記の内部歪みに起因する故障発生の頻度が増し、長期の信頼性を低下させる原因となる。
【０００８】
以上に説明する、メサ構造中の上側ＤＢＲの低屈折率層を、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ層で構成する際、その酸化に起因する、不必要な電流流路の狭窄、シリーズ抵抗の増加、あるいは、酸化層に由来する歪み応力の蓄積などの不具合を軽減することが必要である。そのため、従来から、酸化狭窄層に用いるＡｌＧａＡｓのＡｌ組成と比較し、メサ構造中の上側ＤＢＲの低屈折率層に用いるＡｌＧａＡｓのＡｌ組成を有意に低くしている。例えば、酸化狭窄層には、ＡｌＡｓまたはＡｌ組成が０．９８〜１のＡｌＧａＡｓを用い、一方、メサ構造中の上側ＤＢＲの低屈折率層には、Ａｌ組成が０．９程度のＡｌＧａＡｓが利用されている。
【０００９】
なお、ＡｌxＧａ1-xＡｓの屈折率、熱抵抗率のＡｌ組成依存性は、図４に示すようになっている。ＡｌxＧａ1-xＡｓの熱抵抗率は、Ａｌ組成ｘ＝０．５付近で極大を示す。例えば、ＧａＡｓの熱抵抗率：1/κ（ｘ＝０）＝２．２７Ｋ・ｃｍ／Ｗ、ＡｌＡｓの熱抵抗率：1/κ（ｘ＝１）＝１．１０Ｋ・ｃｍ／Ｗに対して、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓの熱抵抗率は、1/κ（ｘ＝０．９）≒３．９２Ｋ・ｃｍ／Ｗとなり、ＡｌＡｓに比べて約３．５倍もの熱抵抗率を有する。この熱抵抗率の差はＤＢＲの熱抵抗にも大きく影響する。
【００１０】
例えば、ＡｌＡｓ/ＧａＡｓの積層構造で構成されるＤＢＲでは、ＧａＡｓの屈折率：ｎ（ｘ＝０）≒３．４、ＡｌＡｓの屈折率：ｎ（ｘ＝１）≒２．９とすると、ＧａＡｓ層の層厚は、（1/4）・｛λ0/ｎ（ｘ＝０）｝、ＡｌａＡｓ層の層厚は、（1/4）・｛λ0/ｎ（ｘ＝１）｝に選択される。その際、このＡｌＡｓ/ＧａＡｓの積層構造で構成されるＤＢＲの平均熱抵抗率に関して、垂直方向の熱抵抗率：１/κ⊥（AlAs/GaAs）は、約１．６４Ｋ・ｃｍ／Ｗとなる。水平方向の熱抵抗率：１/κ//（AlAs/GaAs）は、約１．４４Ｋ・ｃｍ／Ｗとなる。
【００１１】
一方、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ/ＧａＡｓの積層構造で構成されるＤＢＲでは、ＧａＡｓの屈折率：ｎ（ｘ＝０）≒３．４、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓの屈折率：ｎ（ｘ＝０．９）≒２．９２とすると、ＧａＡｓ層の層厚は、（1/4）・｛λ0/ｎ（ｘ＝０）｝、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層の層厚は、（1/4）・｛λ0/ｎ（ｘ＝０．９）｝に選択される。その際、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ/ＧａＡｓの積層構造で構成されるＤＢＲの平均熱抵抗率に関して、垂直方向の熱抵抗率：１/κ⊥（Al0.9Ga0.1As/GaAs）は、約３．１７Ｋ・ｃｍ／Ｗとなる。水平方向の熱抵抗率：１/κ//（Al0.9Ga0.1As/GaAs）は、約２．９３Ｋ・ｃｍ／Ｗとなる。
【００１２】
従って、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ/ＧａＡｓの積層構造で構成されるＤＢＲの熱抵抗率は、ＡｌＡｓ/ＧａＡｓの積層構造で構成されるＤＢＲの熱抵抗率よりも、全体として、約２倍と大きくなっている。
【００１３】
このように酸化速度を遅くするために、低屈折率層を構成するＡｌＧａＡｓのＡｌ組成を０．９程度にまで低減すると、ＤＢＲの熱抵抗が大きく増加するという問題がある。
【００１４】
ただし、メサエッチングにより側面が露出しない部分、すなわち基板側ＤＢＲのうち、メサエッチングされない部分の低屈折率層には酸化層と同じか、よりＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ層もしくはＡｌＡｓ層を用いることが可能である。
【００１５】
例えば、ｎ型ＧａＡｓ基板上に形成し、光の射出方向を、上側ＤＢＲの上面とする、所謂、表面出射型の構成とし、基板側をヒートシンクに融着し、半導体レーザ内で発生する熱を、基板側ＤＢＲを介して、基板側へ放散する構成とした場合を考える。電極を基板裏側に形成し、メサエッチングを酸化層直下で止めることとすれば、メサ構造は活性層領域の上部のみに形成され、活性層領域の下層に形成される基板側ＤＢＲが露呈されないため、酸化を受けることはない。その際には、基板側ＤＢＲに利用される低屈折率層として、酸化狭窄層と同様に、ＡｌＡｓまたはＡｌ組成が０．９８〜１のＡｌＧａＡｓを用いることができ、ＤＢＲの熱抵抗を下げることが可能である。
【００１６】
この場合、酸化狭窄層と基板側ＤＢＲとの界面で、メサエッチングを停止させることが必要となる。しかし実際には、基板側ＤＢＲと酸化狭窄層との界面で、エッチングを停止させる際、酸化狭窄層の側面を確実に露出させるため、僅かに、オーバーエッチングが生じる条件を選択すると、基板側ＤＢＲの一部にエッチングが進行する。理想的には、基板側ＤＢＲを構成する積層構造において、その最上層の高屈折率層、例えば、ＧａＡｓまたはＡｌ組成の低いＡｌＧａＡｓ層の表面のみが、部分的にエッチングを受ける条件が選択される。しかし、現実的には、エッチング速度のバラツキ、エッチング停止時間のバラツキに起因して、エッチング深さが、基板側ＤＢＲの一部を除去するまで達する場合が少なくない。すなわち、基板側ＤＢＲを構成する低屈折率層が１または２層程度エッチングを受け、メサ構造の端面に、基板側ＤＢＲを構成する低屈折率層が１または２層が側面を露呈する場合が少なくない。
【００１７】
さらにメサ下端部の形状は完全に直角とはならず、ある程度の裾を引いた形状となること、またメサ下端部は応力がかかりやすいことなどを考慮すると、メサエッチングを酸化層直下で止めることは望ましくなく、ある程度酸化層より深くまでエッチングを行うことが好ましい。この点からもメサエッチングは通常基板側ＤＢＲを構成する低屈折率層の数層が側面を露呈するまで行われることも多い。
【００１８】
これらの点を考慮すると、基板側ＤＢＲの上面側の一部に関しては、低屈折率層として、ＡｌＡｓまたはＡｌ組成が０．９８〜１のＡｌＧａＡｓではなく、少なくとも、Ａｌ組成が０．９程度のＡｌＧａＡｓ、あるいは、それと同じ程度またはより遅い酸化速度を示すIII-Ｖ族化合物半導体材料を利用することが必要である。
【００１９】
また表面出射型の構成を採用する場合であっても、ｐ型ＧａＡｓ上に面発光型半導体レーザを作製する際には、基板側ＤＢＲと活性層領域との間に酸化狭窄層を配置する構造が選択される。メサ構造を作製する工程では、酸化狭窄層の側面を露呈するまでエッチングが施されるが、本構造でも基板側ＤＢＲを露呈させないようにするには、酸化狭窄層と基板側ＤＢＲとの界面で、エッチングを停止させる必要がある。しかし、この場合、ｎ型ＧａＡｓ上に作製された素子に比べて酸化狭窄層と基板側ＤＢＲの距離は短くなるため、エッチング深さの余裕度が小さくなる。したがってｎ型ＧａＡｓ上に作製された素子に比べ、基板側ＤＢＲの上面側の一部を少なくとも、Ａｌ組成が０．９程度のＡｌＧａＡｓ、あるいは、それと同じ程度またはより遅い酸化速度を示すIII−Ｖ族化合物半導体材料を利用する必要性はさらに高くなる。
【００２０】
そこで、下側（基板側）ＤＢＲを、２つの部分領域で構成する構造、例えば、低屈折率層がＡｌ組成０．６７もしくは０．９のＡｌＧａＡｓからなる上部多層膜と、低屈折率層がＡｌＡｓからなる下部多層膜とを組み合わせ、全体として、一体のＤＢＲ構造を構成する事例が、非特許文献１や特許文献１に報告されている。本構造ではメサエッチングが及ぶ可能性のある部分の低屈折率層として酸化速度の遅いＡｌＧａＡｓとすることにより、オーバーエッチングなどが生じても酸化がＤＢＲ内部まで及ぶことを防いでいる。しかし、先に述べたように低屈折率層にＡｌＧａＡｓを用いた場合には、ＡｌＡｓを用いた場合に比べ、熱抵抗が大きく増加する。本構造では低屈折率層にＡｌＧａＡｓを用いるのは活性層に近い一部分のみではある。しかし、素子の熱抵抗を下げる上で重要なのは発熱源近傍の層の熱抵抗率を下げることであり、発熱源から遠ざかるほど低熱抵抗層を用いる効果は小さくなる。またVCSELの発熱源は活性層およびその上の電流狭窄構造周辺である。したがって上記のＡｌ組成０．６７もしくは０．９のＡｌＧａＡｓに代えて、この部分に酸化速度が同程度またはより遅く、かつ熱抵抗率がより低い層を用いることが素子の熱抵抗を下げる上で必要となる。
【００２１】
また、面発光型半導体レーザにおいて、光の射出方向を、基板の裏面側に選択する、所謂、裏面出射型の構成とし、メサ構造の上面にｐ側電極を設け、メサエッチングによって露呈する基板側ＤＢＲの上面にｎ側電極を設けてそれをウエハ表面に引き出し、このｐ側電極ならびにｎ側電極に対する駆動電流供給用の電気的接続を、フリップチップ実装により行う形態も想定される。この場合には上側ＤＢＲを通して放熱されこととなる。一方、上側ＤＢＲはメサ形成により全面的に側面が露出するので、先に説明したように、酸化抑制のため、全ての低屈折率層として熱抵抗の高いＡｌ組成０．９程度のＡｌＧａＡｓを用いる必要がある。
【００２２】
以上に説明したように、従来は、ＧａＡｓ基板上に作製される、面発光型半導体レーザにおいて、垂直型の共振器の形成に利用される半導体ＤＢＲのうち、メサエッチングによってメサ構造を形成し、酸化狭窄層の側面に酸化を施し、酸化狭窄構造を作製する際、酸化を受ける可能性を有する低屈折率層には、酸化の影響を軽減するため、Ａｌ組成が０．９のＡｌＧａＡｓ、あるいは、さらにＡｌ組成が低いＡｌＧａＡｓが利用されていた。一方、半導体ＤＢＲの低屈折率層に、Ａｌ組成が０．９程度のＡｌＧａＡｓあるいはさらにＡｌ組成が低いＡｌＧａＡｓを利用すると、低屈折率層に、ＡｌＡｓまたはＡｌ組成が０．９８〜１のＡｌＧａＡｓを利用する場合と比較して、半導体ＤＢＲの平均熱抵抗率が大幅に上昇するという課題を有していた。
【００２３】
本発明は、前記の課題を解決するものである。本発明の目的は、酸化狭窄構造を作製する際、酸化を受ける可能性を有する半導体ＤＢＲの部分においては、利用する低屈折率層の酸化速度は、Ａｌ組成が０．９のＡｌＧａＡｓの酸化速度と同程度、あるいは、さらに遅くでき、同時に、得られる半導体ＤＢＲの平均熱抵抗率は、低屈折率層に、Ａｌ組成が０．９のＡｌＧａＡｓを利用する場合と比較した際、熱抵抗率の低減を図ることが可能な、新たな構成を有する半導体ＤＢＲを提供することにある。また、本発明の目的は、前記の新たな構成を有する半導体ＤＢＲを利用して、垂直型の共振器を構成することで、素子全体の熱放散性の向上が図られている面発光型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】
【００２４】
本発明者らは、上記の目標を達成できる、半導体ＤＢＲの低屈折率層に利用可能なIII-Ｖ族化合物半導体混晶を探索した。すなわち、Ａｌ組成が０．９のＡｌＧａＡｓの示す熱抵抗率：1/κ（ｘ＝０．９）≒３．９２Ｋ・ｃｍ／Ｗよりも低い熱抵抗率を有し、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長する際、ＧａＡｓの格子定数：ａ0との格子不整合：｜Δa｜／ａ0が、少なくとも、０．５％以下、好ましくは、０．１５％を超えない範囲にあり、ＧａＡｓ基板上において良好なエピタキシャル成長が可能である、種々のIII-Ｖ族化合物半導体混晶中から、酸化速度が、Ａｌ組成が０．９のＡｌＧａＡｓの酸化速度を超えないものをまず探索した。さらに、半導体ＤＢＲの低屈折率層に利用する上で必要とされる要件、屈折率ｎが、Ａｌ組成が０．９のＡｌＧａＡｓと同程度か、より小さいという条件をも満足するものを選別した。その結果、例えば、高屈折率層として、ＧａＡｓを用いる際、低屈折率層として利用可能であり、上記の三要件全てを満たすIII-Ｖ族化合物半導体混晶材料として、下記のものが利用可能であることを見出した。さらに、これらのIII-Ｖ族化合物半導体混晶材料は、ＧａＡｓとの積層構造を形成する際、同一のエキタキシャル成長手段を用いて、良好な結晶性を有するエピタキシャル膜として、成長可能であることを確認した。本発明者らは、上記の知見に基づき、本発明を完成するに至った。
【００２５】
すなわち、本発明の第一の形態にかかる半導体分布ブラッグ反射鏡は、
ＧａＡｓ基板上に形成されている、III−Ｖ族化合物半導体からなる低屈折率層と高屈折率層の対が複数積層され、真空中における波長λ0の光に対して、ブラッグ反射条件を満たす積層構造を有する半導体分布ブラッグ反射鏡であって、
前記複数組の低屈折率層と高屈折率層の対のうち、少なくとも一部の対において、
その低屈折率層は、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓを含むIII−Ｖ族化合物半導体を用いて形成され、
該Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓを含むIII−Ｖ族化合物半導体における、III族元素中のＩｎ組成：ｘInは、０．０４７以下である
ことを特徴とする半導体分布ブラッグ反射鏡である。
【００２６】
本発明の第二の形態にかかる半導体分布ブラッグ反射鏡は、
ＧａＡｓ基板上に形成されている、III−Ｖ族化合物半導体からなる低屈折率層と高屈折率層の対が複数積層され、真空中における波長λ0の光に対して、ブラッグ反射条件を満たす積層構造を有する半導体分布ブラッグ反射鏡であって、
前記複数組の低屈折率層と高屈折率層の対のうち、少なくとも一部の対において、
その低屈折率層は、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐを含むIII−Ｖ族化合物半導体を用いて形成され、
該Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐを含むIII−Ｖ族化合物半導体における、III族元素中のＩｎ組成：ｘInは、０．０２５以下である
ことを特徴とする半導体分布ブラッグ反射鏡である。
【００２７】
本発明の第三の形態にかかる半導体分布ブラッグ反射鏡は、
ＧａＡｓ基板上に形成されている、III−Ｖ族化合物半導体からなる低屈折率層と高屈折率層の対が複数積層され、真空中における波長λ0の光に対して、ブラッグ反射条件を満たす積層構造を有する半導体分布ブラッグ反射鏡であって、
前記複数組の低屈折率層と高屈折率層の対のうち、少なくとも一部の対において、
その低屈折率層は、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐを含むIII−Ｖ族化合物半導体を用いて形成され、
該Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐを含むIII−Ｖ族化合物半導体における、III族元素中のＩｎ組成：ｘInは、０．０１８以下であり、かつ、Ｖ族元素中のＰ組成：ｙPは、前記Ｉｎ組成：ｘInに対して、０．０４＋１．９５ｘIn≦ｙP＜０．１２８の範囲に選択されている
ことを特徴とする半導体分布ブラッグ反射鏡である。
【００２８】
本発明の第四の形態にかかる半導体分布ブラッグ反射鏡は、
ＧａＡｓ基板上に形成されている、III−Ｖ族化合物半導体からなる低屈折率層と高屈折率層の対が複数積層され、真空中における波長λ0の光に対して、ブラッグ反射条件を満たす積層構造を有する半導体分布ブラッグ反射鏡であって、
前記複数組の低屈折率層と高屈折率層の対のうち、少なくとも一部の対において、
その低屈折率層は、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｎを含むIII−Ｖ族化合物半導体を用いて形成されている
ことを特徴とする半導体分布ブラッグ反射鏡である。
【００２９】
本発明の第五の形態にかかる半導体分布ブラッグ反射鏡は、
ＧａＡｓ基板上に形成されている、III−Ｖ族化合物半導体からなる低屈折率層と高屈折率層の対が複数積層され、真空中における波長λ0の光に対して、ブラッグ反射条件を満たす積層構造を有する半導体分布ブラッグ反射鏡であって、
前記複数組の低屈折率層と高屈折率層の対のうち、少なくとも一部の対において、
その低屈折率層は、Ａｌ、Ｔｌ、Ａｓを含むIII−Ｖ族化合物半導体を用いて形成されている
ことを特徴とする半導体分布ブラッグ反射鏡である。
【００３０】
さらに、本発明にかかる面発光型半導体レーザは、
ＧａＡｓ基板上に形成されている、一対の分布ブラッグ反射鏡を利用して構成される垂直型共振器を具えている面発光型半導体レーザであって、
前記垂直型共振器の構成に利用される一対の分布ブラッグ反射鏡の少なくとも一つとして、上記の第一の形態〜第５の形態のいずれかの構成を具える半導体分布ブラッグ反射鏡を有する
ことを特徴とする面発光型半導体レーザである。
【００３１】
一方、上記の半導体分布ブラッグ反射鏡のブラッグ反射条件を規定する、真空中における波長λ0は、一般に、０．８５μｍ以上、１．６μｍ以下の範囲に選択することが好ましい。
【発明の効果】
【００３２】
本発明にかかる半導体ＤＢＲでは、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長によって作製する際、高屈折率層として、例えば、ＧａＡｓを用い、低屈折率層として、ＧａＡｓとの格子不整合：｜Δa｜／ａ0が、少なくとも、０．５％以下、好ましくは、０．１５％以下に選択される、Ｉｎ組成ｘが０．０４７以下のＡｌ1-xＩｎxＡｓ、Ｉｎ組成ｘが０．０２６以下のＡｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰy、Ｉｎ組成ｘが０．０１８以下、Ｐ組成ｙは、ｙ≧２ｘの範囲のＡｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyなどを採用している。その結果、採用されている低屈折率層用材料の示す熱抵抗率は、Ａｌ組成ｘが０．９〜０．６のＡｌxＧａ1-xＡｓの熱抵抗率より小さく、一方、これらのＩｎ含有混晶材料を用いる低屈折率層の酸化速度は、Ａｌ組成ｘが０．９のＡｌxＧａ1-xＡｓの酸化速度と同程度、またはより遅くなっている。従って、例えば、ＡｌＡｓまたはＡｌ組成が０．９８〜１のＡｌＧａＡｓからなる酸化狭窄層に対する酸化を行う際、これらのＩｎ含有混晶材料を用いる低屈折率層の酸化は軽減される。また、Ａｌ組成ｘが０．９〜０．６のＡｌxＧａ1-xＡｓを低屈折率層に用いる場合と比較し、これらのＩｎ含有混晶材料を低屈折率層に用いることで、半導体ＤＢＲ全体の平均熱抵抗率の低減が可能となる。さらには、垂直キャビティ型の共振器の構成に利用される一対の分布ブラッグ反射鏡の少なくとも一つとして、本発明にかかる半導体ＤＢＲを利用する面発光型半導体レーザでは、ＡｌＡｓまたはＡｌ組成が０．９８〜１のＡｌＧａＡｓからなる酸化狭窄層に対する酸化を施す際、半導体ＤＢＲの低屈折率層への酸化は抑制され、また、半導体ＤＢＲを介する熱放散効率も向上される効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下に、本発明をより詳しく説明する。
【００３４】
本発明にかかる半導体ＤＢＲは、ＧａＡｓ基板上に形成されるため、高屈折率層に用いるIII−Ｖ族化合物半導体材料、低屈折率層に用いるIII−Ｖ族化合物半導体材料ともに、ＧａＡｓに対する格子不整合：｜Δa｜／ａ0は、少なくとも、０．５％以下、好ましくは、０．１５％以下、より好ましくは、０．１０％以下とされる。反射すべき光の真空中における波長λ0に対して、ブラッグ反射条件を満たすように、高屈折率層の層厚：ｄH、低屈折率層の層厚：ｄLを選択し、この高屈折率層と低屈折率層の対を、多数段積層して、目的とする反射率を達成する。すなわち、真空中における波長λ0に対する、高屈折率層に用いるIII−Ｖ族化合物半導体材料の屈折率ｎH（λ0）、低屈折率層に用いるIII−Ｖ族化合物半導体材料の屈折率ｎL（λ0）を用いて、高屈折率層の層厚：ｄHは、ｄH＝（1/4）・｛λ0/ｎH（λ0）｝、低屈折率層の層厚：ｄLは、ｄL＝（1/4）・｛λ0/ｎL（λ0）｝とそれぞれ選択される。一方、半導体ＤＢＲを構成する高屈折率層と低屈折率層の対の段数は、目的とする半導体ＤＢＲ全体の反射率と、高屈折率層と低屈折率層の対の各段による透過効率Ｔpair、反射効率Ｒpairに基づき、設計される。
【００３５】
一方、高屈折率層と低屈折率層の対を、多数段積層して構成される半導体ＤＢＲ全体の平均熱抵抗率は、この半導体ＤＢＲの積層方向、すなわち、垂直方向の熱抵抗率：１/κ⊥と、面内方向、すなわち、水平方向の熱抵抗率：１/κ//は、一般に、異なる値を示す。すなわち、高屈折率層に用いるIII−Ｖ族化合物半導体材料の熱抵抗率：１/κH、低屈折率層に用いるIII−Ｖ族化合物半導体材料の熱抵抗率：１/κLを用いて、垂直方向の熱抵抗率：１/κ⊥は、近似的に、１/κ⊥≒｛（１/κH）・ｄH＋（１/κL）・ｄL｝／（ｄH＋ｄL）と表記できる。また、水平方向の熱抵抗率：１/κ//は、近似的に、１/κ//≒（ｄH＋ｄL）／｛ｄH/（1/κH）＋ｄL/（1/κL）｝と表記できる。その際、低屈折率層の層厚：ｄLは、高屈折率層の層厚：ｄHよりも厚い（ｄL＞ｄH）ため、低屈折率層に用いるIII−Ｖ族化合物半導体材料の熱抵抗率：１/κLを低減すると、半導体ＤＢＲ全体の平均熱抵抗率を低減する際、より顕著な効果を発揮できる。
【００３６】
本発明の第一の形態かかる半導体ＤＢＲでは、低屈折率層に用いるIII−Ｖ族化合物半導体材料として、Ａｌ組成ｘが０．９〜０．６７の範囲のＡｌxＧａ1-xＡｓに代えて、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓを含むIII−Ｖ族化合物半導体における、III族元素中のＩｎ組成：ｘInが、０．０４７以下であるものを利用している。例えば、Ｉｎ組成：ｘInが０．０４７以下のＡｌ1-xＩｎxＡｓを利用している。
【００３７】
図４に示すＡｌxＧａ1-xＡｓの熱抵抗率：1/κAlGaAsのＡｌ組成依存性を参照すると、Ａｌ組成ｘ＝０．９のＡｌxＧａ1-xＡｓの熱抵抗率：1/κ（ｘ＝０．９）は、３．９２Ｋ・ｃｍ/Ｗである。また、非特許文献１に記載する半導体ＤＢＲの低屈折率層で利用される、Ａｌ組成ｘ＝０．６７のＡｌxＧａ1-xＡｓの熱抵抗率：1/κ（ｘ＝０．６７）は、８．１２Ｋ・ｃｍ/Ｗである。
【００３８】
図７にＡｌＧａＡｓおよびＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓＰの熱抵抗率のＡｌ組成依存性を示す。図７に示される値は、非特許文献２〜非特許文献４に記載される推定計算方法を適用して、各混晶について、計算された値である。この図７に示す、Ａｌ1-xＩｎxＡｓの熱抵抗率：1/κAlInAsのＡｌ組成（１−ｘ）依存性を参照すると、Ａｌ組成（１−ｘ）が、０．９５３を超えると、Ａｌ1-xＩｎxＡｓの熱抵抗率：1/κAlInAs（ｘ）は、３．９２Ｋ・ｃｍ/Ｗを下回ることが判る。
【００３９】
一方、Ａｌ組成（１−ｘ）が、０．９５３を超える、Ａｌ1-xＩｎxＡｓの酸化速度は、勿論、ＡｌＡｓの酸化速度よりも遅い。また、Ｉｎ組成：ｘInが０．０４７以下の範囲では、Ｉｎ組成：ｘInが増加するとともに、Ａｌ1-xＩｎxＡｓの酸化速度は大きく低下する。
【００４０】
ＳｉＯ2／ＧａＡｓ／Ａｌ1-xＩｎxＡｓ／ＧａＡｓの層状構造を形成し、表面を保護した状態で、層状のＡｌ1-xＩｎxＡｓに対して、その側面から酸化処理を施した際、酸化領域が形成される速度（酸化速度）を評価した。図５に同じ直径のＡｌＡｓ、Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ、Ａｌ0.98Ｉｎ0.02Ａｓを同一条件、同一時間、酸化し、外周部から酸化が進行する程度を顕微鏡観察した結果を示す。白い部分が、酸化が進行した領域である。ＡｌＡｓでは、全体が酸化しているが、Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓでは、酸化は途中までしか進行していない。すなわち、Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓは、ＡｌＡｓに比べて酸化速度が遅いことが分かる。さらに、Ａｌ0.98Ｉｎ0.02Ａｓでは、酸化がほとんど進んでいない。従って、Ａｌ0.98Ｉｎ0.02Ａｓは、Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓと比較しても、酸化速度が格段に遅いことが分かる。
【００４１】
ＳｉＯ2／ＧａＡｓ／Ａｌ1-xＩｎxＡｓ／ＧａＡｓの層状構造を利用して、Ａｌ組成（１−ｘ）が、０．９５を超える、Ａｌ1-xＩｎxＡｓについて、その酸化速度を評価したところ、この組成範囲では、Ｉｎ組成ｘの増加とともに、酸化速度が急激に低下することを確認できる。その際、Ａｌ組成が等しい、ＡｌＧａＡｓの酸化速度と、ＡｌＩｎＡｓの酸化速度とを比較すると、Ａｌ組成が０．９５を超える範囲では、ＡｌＩｎＡｓの酸化速度は、ＡｌＧａＡｓの酸化速度と比較して、格段に遅くなっている。
【００４２】
ＡｌＧａＡｓの酸化速度、ＡｌＩｎＡｓの酸化速度について、Ａｌ組成依存性を考えると、ＡｌＡｓの酸化速度を基準として、Ａｌ組成の減少とともに、酸化速度が低下する。さらに、Ａｌ組成は等しい、ＡｌＧａＡｓとＡｌＩｎＡｓの間で、酸化速度を比較すると、少なくとも、Ａｌ組成が０．９５を超える範囲では、ＡｌＩｎＡｓの酸化速度は、ＡｌＧａＡｓの酸化速度と比較して、格段に遅くなっている。この結果に基づき推断される、ＡｌＧａＡｓの酸化速度、ＡｌＩｎＡｓの酸化速度について、Ａｌ組成依存性を模式的に示すと、例えば、ＡｌＧａＡｓの酸化速度のＡｌ組成依存性が、図６中に破線で示される場合、ＡｌＩｎＡｓの酸化速度のＡｌ組成依存性は、図中に、“Ａ”あるいは“Ｂ”で表記されるものではなく、“Ｃ”で示されるような形状を示すと推断される。
【００４３】
なお、図６中、Ａｌ組成０．５における、ＡｌＧａＡｓの酸化速度、ＡｌＩｎＡｓの酸化速度は、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ／ＧａＡｓの層状構造における酸化速度と、Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓ／ＩｎＰの層状構造における酸化速度との大小関係を示している。また、酸化速度のＡｌ組成依存性は、縦軸の酸化速度は、Ａｌ組成１．０と、Ａｌ組成０．５における酸化速度の大小関係を反映するように決定される任意スケールを示し、その間において、酸化速度は、Ａｌ組成の減少に伴い単調に低下する傾向を図示している。
【００４４】
Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓの酸化速度と同程度の酸化速度を示す、Ａｌ1-xＩｎxＡｓのＡｌ組成：（１−ｘ）を探索したところ、Ａｌ1-xＩｎxＡｓではＡｌ組成：（１−ｘ）を０．９８〜０．９９５程度まで高くすることが可能であることが見出される。すなわち、Ａｌ組成：（１−ｘ）が０．９９５以下のＡｌ1-xＩｎxＡｓの酸化速度は、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓの酸化速度と同程度、あるいは、それより遅くなることが見出される。
【００４５】
従って、本発明の第一の形態にかかる半導体ＤＢＲでは、高屈折率層にＧａＡｓを用い、低屈折率層には、Ｉｎ組成ｘが０．０４７以下、０．００５以上のＡｌ1-xＩｎxＡｓを利用することが好ましい。
【００４６】
なお、高屈折率層として、ＧａＡｓに代えて、Ａｌ組成が０．１程度のＡｌＧａＡｓを利用して、半導体ＤＢＲを作製することも可能である。その場合、高屈折率層にＡｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓを用いると、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓの熱抵抗率：1/κ（ｘ＝０．１）は、約４．５Ｋ・ｃｍ/Ｗであり、ＧａＡｓの熱抵抗率：1/κ（ｘ＝０）＝２．２７Ｋ・ｃｍ／Ｗよりも高くなる。その場合であっても、低屈折率層に、Ｉｎ組成ｘが０．０４７以下、０．００５以上のＡｌ1-xＩｎxＡｓを利用することで、Ａｌ1-xＩｎxＡｓの熱抵抗率：1/κAlInAs（ｘ）は、３．９２Ｋ・ｃｍ/Ｗを下回り、半導体ＤＢＲ全体の平均熱抵抗率を低減する効果が得られる。勿論、高屈折率層に、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓを用いると、ＧａＡｓを使用する場合と比較し、半導体ＤＢＲ全体の平均熱抵抗率自体は相当に高くなる。
【００４７】
Ｉｎ組成ｘが０．０４７以下のＡｌ1-xＩｎxＡｓ混晶の格子定数は以下のようになる。Ａｌ組成（１−ｘ）が、０．９５３を超える、Ａｌ1-xＩｎxＡｓの格子定数：ａAlInAs（ｘ）は、近似的に、ａAlInAs（ｘ）≒ａAlAs＋ｘ・（ａInAs−ａAlAs）と表される。ＡｌＡｓの格子定数：ａAlAsは、ａAlAs＝５．６６１８２Å、ＩｎＡｓの格子定数：ａInAsは、ａInAs＝６．０５９０３Åであり、ａAlInAs（ｘ）≒５．６６１８２＋（０．３９７２１）・ｘ  Åとなる。ＧａＡｓの格子定数：ａ0＝ａGaAs＝５．６５３６８Åとの格子不整合：｜Δａ｜／ａ0＝｜ａAlInAs（ｘ）−ａ0｜／ａ0は、Ｉｎ組成：ｘInが０．０４７以下のＡｌ1-xＩｎxＡｓでは、｜Δａ｜／ａ0は、０．４７２％以下、０．１４４％以上となる。Ａｌ1-xＩｎxＡｓ／ＧａＡｓの積層構造からなる半導体ＤＢＲを作製する際、該半導体ＤＢＲを構成するＡｌ1-xＩｎxＡｓ／ＧａＡｓの対の段数ＮBが多くなるほど、低屈折率層Ａｌ1-xＩｎxＡｓのＧａＡｓとの格子不整合｜Δａ｜／ａ0を低く抑えることが望ましい。
【００４８】
上記のようにＡｌ1-xＩｎxＡｓではＧａＡｓよりも格子定数が大きくなる。したがって格子不整合を低減するには、格子定数を小さくする元素を添加することが必要となる。そのような元素としてはＰが挙げられる。従って、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰy混晶のＶ族元素中におけるＰ組成：ｙPを、Ｉｎ組成：ｘInに対して、適正に選択すると、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰy混晶では、｜Δａ｜／ａ0を０．１４４％未満とすることが可能である、一方、Ｐ原子を添加することに伴って、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ混晶と比較し、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰy混晶では、熱抵抗率が上昇する。したがって、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓよりも熱抵抗を小さくするためのＩｎ組成の上限は、Ｐが無い場合に比べて小さくなる。Ｐを添加することにより｜Δａ｜／ａ0を０．１４４％未満としつ、かつ熱抵抗率をＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓよりも低くしたＡｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰy混晶を低屈折率層に利用する半導体ＤＢＲを採用する形態に関して以下に説明する。
【００４９】
本発明の第二の形態にかかる半導体ＤＢＲでは、低屈折率層に用いるIII−Ｖ族化合物半導体材料として、Ａｌ組成ｘが０．９〜０．６７の範囲のＡｌxＧａ1-xＡｓに代えて、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐを含むIII−Ｖ族化合物半導体における、III族元素中のＩｎ組成：ｘInが、０．０２５以下であるものを利用している。例えば、Ｉｎ組成：ｘInが０．０２５以下のＡｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyのうち、ＧａＡｓの格子定数：ａ0との格子不整合：｜Δa｜／ａ0が、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓの格子不整合、約０．１３％と同程度、または、より小さいものを利用している。
【００５０】
図７中、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyの熱抵抗率に関して、その格子定数ａAlInAsPが、同じＡｌ組成を有するＡｌxＧａ1-xＡｓの格子定数：ａAlGaAs≒ａAlAs＋（１−ｘ）・（ａGaAs−ａAlAs）と一致するように、Ｐ組成ｙを選択する場合について、非特許文献２〜非特許文献４に基づいて、推定計算した結果を、（１）の曲線で示している。この図７中の（１）の曲線を参照すると、前記のようにＡｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyのＰ組成：ｙPを選択する場合、Ａｌ組成（１−ｘ）が、０．９７５を超えると、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyの熱抵抗率：1/κAlInAsP（ｘ）は、３．９２Ｋ・ｃｍ/Ｗを下回ることが判る。
【００５１】
一方、ＧａＡｓの格子定数：ａ0との格子不整合：Δa／ａ0が、約０．１３％以下となるように、Ｐ組成ｙを選択する場合、Ａｌ組成（１−ｘ）が、０．９５３を超える、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyの酸化速度は、同じＡｌ組成（１−ｘ）のＡｌ1-xＩｎxＡｓの酸化速度とほぼ等しくなることが見出される。すなわち、Ａｌ組成（１−ｘ）が、０．９５３を超える、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyの酸化速度は、勿論、ＡｌＡｓの酸化速度よりも遅い。また、Ｉｎ組成ｘが０．０４７以下の範囲では、Ｉｎ組成ｘが増加するとともに、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyの酸化速度は大きく低下する。
【００５２】
ＧａＡｓの格子定数：ａ0との格子不整合：Δa／ａ0が、約０．１３％以下となるように、Ｐ組成ｙを選択する場合について、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓの酸化速度と同程度の酸化速度を示す、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyのＡｌ組成：（１−ｘ）を探索した。その際、前記のようにＰ組成ｙを選択する場合、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyではＡｌ組成：（１−ｘ）を０．９８〜０．９９５程度まで高くすることが可能であることが見出される。すなわち、Ａｌ組成：（１−ｘ）が０．９９５以下のＡｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyの酸化速度は、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓの酸化速度と同程度、あるいは、それより遅くなることが見出される。
【００５３】
従って、本発明の第二の形態にかかる半導体ＤＢＲでは、高屈折率層にＧａＡｓを用い、低屈折率層には、ＧａＡｓの格子定数：ａ0との格子不整合：Δa／ａ0が、約０．１３％以下となるように、Ｐ組成：ｙPを選択した上で、Ｉｎ組成：ｘInが０．０２５以下、０．００５以上のＡｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyを利用することが好ましい。
【００５４】
本発明の第三の形態にかかる半導体ＤＢＲでは、低屈折率層に用いるIII−Ｖ族化合物半導体材料として、Ａｌ組成ｘが０．９〜０．６７の範囲のＡｌxＧａ1-xＡｓに代えて、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐを含むIII−Ｖ族化合物半導体における、III族元素中のＩｎ組成：ｘInが、０．０１８以下、０．００５以上であり、かつ、Ｖ族元素中のＰ組成：ｙPは、前記Ｉｎ組成：ｘInの２倍以上であるものを利用している。例えば、Ｉｎ組成ｘが０．０１８以下、０．００５以上のＡｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyのうち、Ｖ族元素中のＰ組成：ｙPは、前記Ｉｎ組成：ｘInに対して、yP≒０．０４＋１．９５ｘInに選択することで、ＧａＡｓの格子定数：ａ0との格子不整合：｜Δa｜／ａ0が、０．０５％以下、好ましくは、０．０１％と同程度まで減少しているものを利用している。
【００５５】
図７中、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyの熱抵抗率に関して、その格子定数ａAlInAsPが、ＧａＡｓの格子定数：ａ0と一致するように、Ｐ組成ｙを選択する場合について、非特許文献２〜非特許文献４に基づいて、推定計算した結果を、（２）の曲線で示している。この図７中の（２）の曲線を参照すると、前記のようにＡｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyのＰ組成：ｙPを選択する場合、Ａｌ組成（１−ｘ）が、０．９８２を超えると、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyの熱抵抗率：1/κAlInAsP（ｘ，ｙ）は、３．９２Ｋ・ｃｍ/Ｗを下回ることが判る。
【００５６】
一方、ＧａＡｓの格子定数：ａ0との格子不整合：｜Δa｜／ａ0が、０．０５％以下となるように、Ｐ組成：ｙPを選択する場合、Ａｌ組成（１−ｘ）が、０．９５３を超える、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyの酸化速度は、同じＡｌ組成（１−ｘ）のＡｌ1-xＩｎxＡｓの酸化速度とほぼ等しくなることが見出される。すなわち、Ａｌ組成（１−ｘ）が、０．９５３を超える、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyの酸化速度は、勿論、ＡｌＡｓの酸化速度よりも遅い。また、Ｉｎ組成：ｘInが０．０４７以下の範囲では、Ｉｎ組成：ｘInが増加するとともに、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyの酸化速度は大きく低下する。
【００５７】
ＧａＡｓの格子定数：ａ0との格子不整合：｜Δa｜／ａ0が、０．０５％以下となるように、Ｐ組成ｙを選択する場合について、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓの酸化速度と同程度の酸化速度を示す、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyのＡｌ組成：（１−ｘ）を探索した。その際、III族元素中のＩｎ組成：ｘInが、０．０１８以下であり、かつ、Ｖ族元素中のＰ組成：ｙPは、yP≒０．０４＋１．９５ｘInに選択して、ＧａＡｓの格子定数：ａ0との格子不整合：｜Δa｜／ａ0が、０．０５％以下とする場合、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyではＡｌ組成：（１−ｘ）を０．９９程度まで高くすることが可能であることが見出される。すなわち、Ａｌ組成：（１−ｘ）が０．９９以下のＡｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyの酸化速度は、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓの酸化速度と同程度、あるいは、それより遅くなることが見出される。
【００５８】
従って、本発明の第三の形態にかかる半導体ＤＢＲでは、高屈折率層にＧａＡｓを用い、低屈折率層には、III族元素中のＩｎ組成：ｘInが、０．０１８以下であり、かつ、Ｖ族元素中のＰ組成：ｙPは、yP≒０．０４＋１．９５ｘInに選択して、ＧａＡｓの格子定数：ａ0との格子不整合：Δa／ａ0が、０．０５％以下となるように、Ｐ組成：ｙPを選択した上で、Ｉｎ組成：ｘInが０．０１８以下、０．００５以上のＡｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyを利用することが好ましい。
【００５９】
Ａｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyにおいて、Ｐ組成：ｙPを、前記Ｉｎ組成：ｘInに対して、ｙP≒０．０４＋１．９５ｘInとすると、格子定数がＧａＡｓとほぼ等しくなり、それより大きくするとＧａＡｓよりも格子定数が小さくなる。ＧａＡｓとほぼ格子整合させることにより、ＤＢＲ内で生ずる歪をほぼ無くすことが可能になる。
【００６０】
本発明の第四の形態にかかる半導体ＤＢＲでは、低屈折率層に用いるIII−Ｖ族化合物半導体材料として、Ａｌ組成ｘが０．９〜０．６７の範囲のＡｌxＧａ1-xＡｓに代えて、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｎを含むIII−Ｖ族化合物半導体を利用する。例えば、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｎを含むIII−Ｖ族化合物半導体における、III族元素中のＩｎ組成：ｘInが、０．０４７以下、０．００５以上であり、ＧａＡｓの格子定数：ａ0との格子不整合：｜Δa｜／ａ0が、０．１４４％以下であるものを利用している。具体的には、Ｉｎ組成：ｘInが０．０４７以下のＡｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＮyのうち、ＧａＡｓの格子定数：ａ0との格子不整合：｜Δa｜／ａ0が、０．１４４％以下となるように、Ｉｎ組成：ｘInに応じて、Ｎ組成：ｙNを選択したものを利用している。
【００６１】
好ましくは、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｎを含むIII−Ｖ族化合物半導体における、III族元素中のＩｎ組成：ｘInが、０．０４７以下、好ましくは、０．０１８以下、０．００５以上であり、ＧａＡｓの格子定数：ａ0との格子不整合：｜Δa｜／ａ0が、０．０５％以下となるものを利用する。具体的には、Ｉｎ組成：ｘInが０．０４７以下、好ましくは、０．０１８以下、０．００５以上のＡｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＮyのうち、ＧａＡｓの格子定数：ａ0との格子不整合：｜Δa｜／ａ0が、０．０５％以下となるように、Ｉｎ組成：ｘInに応じて、Ｎ組成：ｙNを選択したものを利用することがより好ましい。
【００６２】
上記第二の形態、第三の形態では、Ａｌ1-xＩｎxＡｓにおける、III族元素中のＩｎ組成：ｘInに起因する格子不整合｜Δa｜／ａ0を低減するため、Ｖ族元素中にＰを僅かに添加したＡｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyを利用している。すなわち、Ａｌ組成（１−ｘ）が０．９５３以上のＡｌ1-xＩｎxＡｓの格子定数は、ＧａＡｓの格子定数ａ0より大きいが、Ａｌ組成（１−ｘ）が０．９５３以上のＡｌ1-xＩｎxＰの格子定数は、ＧａＡｓの格子定数ａ0より小さいことを利用して、｛Ａｌ1-xＩｎxＡｓ｝に僅かに｛Ａｌ1-xＩｎxＰ｝を加え、｛Ａｌ1-xＩｎxＡｓ｝1-y｛Ａｌ1-xＩｎxＰ｝yと表記可能な混晶とすることで、｜Δa｜／ａ0を低減している。
【００６３】
ＧａＡｓと格子整合させることによりＤＢＲで生ずる歪を無くすことが可能である。また、第一の形態において用いたＩｎ組成：ｘInが０．０４７以下のＡｌ1-xＩｎxＡｓでは、ＧａＡｓよりも格子定数が大きくなる。これに対して、ｘInが０．０１８以下のＩｎ組成：ｘInに対し、Ｐ組成：ｙPを、ｙP＞０．０４＋１．９５ｘInを満たすようにしたＡｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyでは、ＧａＡｓよりも格子定数が小さくなる。したがって、これらを組み合わせ、高屈折率層として、ＤＢＲの一部には、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ、一部には、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyを使用した構成とすれば、ＤＢＲ全体で、一種の歪補償構造となり、平均的な格子定数をＧａＡｓと同じにすることも可能である。同じ酸化速度であれば、Ｐを含まないＡｌ1-xＩｎxＡｓ層の方が熱抵抗率が小さいため、こちらを活性層に近くし、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰ層を活性層から遠い側に配置すれば、全体としての格子定数をＧａＡｓと同程度にしつつ、素子の熱抵抗を低減することが可能になる。このように、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyのＰ組成：ｙPを調整することにより、ＤＢＲ層構造設計の自由度が拡大する。
【００６４】
なお、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyのＰ組成：ｙPの上限について考えると、ＡｌＡｓ1-yＰyの熱抵抗は、Ｐ組成：ｙP＝０．１２８において、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓと同じになる。したがって、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyのＰ組成：ｙPは、この値を超えないことが必要となる。また、Ｉｎ組成：ｘIn＝０．００５のＡｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyに対しては、ｙP＝０．１１３において熱抵抗がＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓと同じになる。
【００６５】
第四の形態では、Ａｌ組成（１−ｘ）が０．９５３以上のＡｌ1-xＩｎxＡｓ中のＡｓ原子をＮ原子で一部を置換すると、原子間距離Ａｌ−Ａｓと、Ａｌ−Ｎとを比較すると、僅かに短縮される現象を利用して、全体の格子定数を減少させることで、格子不整合｜Δa｜／ａ0の低減を図っている。その際、Ｖ族元素中のＮ組成：ｙNは、上記の第二の形態、第三の形態で利用するＡｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyにおける、Ｖ族元素中のＰ組成：ｙPよりも、さらに僅かな比率となる。例えば、Ｉｎ組成：ｘIn＝０．０1の場合について考えると、Ｐ添加によって格子定数をＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓと同じにするためには、Ｐ組成：ｙP＝０．０２３が必要である。これに対し、Ｐ添加の代わりに、Ｎ添加を行う場合には、格子定数をＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓと同じにするためには、Ｎ組成：ｙN＝０．００４となり、Ｐ添加の場合の５分の１以下で良い。その際、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＮy混晶の熱抵抗に対して、このＮ組成が与える影響も極めて少なくなる。
【００６６】
一方、Ｖ族元素中にＮを僅かに添加したＡｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＮyに関しても、Ａｌ組成（１−ｘ）が０．９５３以上の範囲では、その酸化速度のＡｌ組成依存性は、III族元素中にＰを僅かに添加したＡｌ1-xＩｎxＡｓ1-yＰyと、本質的な差異は見出されない。また、熱抵抗率のＡｌ組成依存性も、両者間で本質的な差異は見出されない。従って、上記の第二の形態、第三の形態で達成される効果と、同等の効果が、第四の形態においても達成される。
【００６７】
一方、本発明の第五の形態にかかる半導体ＤＢＲでは、低屈折率層に用いるIII−Ｖ族化合物半導体材料として、Ａｌ組成ｘが０．９〜０．６７の範囲のＡｌxＧａ1-xＡｓに代えて、Ａｌ、Ｔｌ、Ａｓを含むIII−Ｖ族化合物半導体を利用する。例えば、Ｔｌ組成：ｘTlが０．０１８以下、０．００５以上のＡｌ1-xＴｌxＡｓを利用する。
【００６８】
Ｔｌは、周期律表では、IIIＢ族の元素に分類される。その原子サイズは大きく、ＡｌＡｓ中に添加すると、Ａｌ1-xＴｌxＡｓの格子定数は、添加量の増大とともに増大する。まず、酸化速度に関して、ＡｌＡｓに対して、III族原子格子点上のＡｌをＧａで置換している、ＡｌxＧａ1-xＡｓ、ＡｌをＩｎで置換している：Ａｌ1-xＩｎxＡｓでは、何れも酸化速度が低下している。すなわち、添加されているIII族元素とＡｓの間の結合が、共有結合性を増すとともに、酸化速度を遅くする機能が増大している。Ａｌ1-xＴｌxＡｓにおいても、Ｔｌ−Ａｓ結合は、共有結合性を示すため、酸化速度の遅くする役割を果たすと考えられる。少なくとも、Ａｌ1-xＴｌxＡｓにおける、III族元素中のＴｌ組成：ｘTlが、０．０１８以下、０．００５以上の範囲では、同程度のＩｎ組成：ｘInのＡｌ1-xＩｎxＡｓにおける酸化速度の低減がなされると考えられる。一方、III族元素中のＴｌ組成：ｘTlが、０．０１８以下、０．００５以上の範囲では、Ａｌ1-xＴｌxＡｓの熱抵抗率は、Ａｌ組成ｘが０．９のＡｌxＧａ1-xＡｓの熱抵抗率を下回ると推定される。
【００６９】
一方、本発明にかかる半導体ＤＢＲを基板側ＤＢＲとして利用する場合、メサエッチングにより側面が露出しない部分、すなわち、基板側ＤＢＲのうち、メサエッチングされない部分は、酸化を受けることはないので、その部分は、低屈折率層として、ＡｌＡｓまたはＡｌ組成が０．９８〜１のＡｌＧａＡｓを採用することができる。換言するならば、本発明にかかる半導体ＤＢＲを基板側ＤＢＲとして利用する場合、上記の第一の形態〜第五の形態に記載する高屈折率層と低屈折率層の対で構成される領域を、全体のＤＢＲの一部として具える構成とすることができる。その際、メサエッチングにより側面が露出する可能性を有する領域は、数ペア乃至１０ペア程度であり、この領域のみを、上記の第一の形態〜第五の形態に記載する高屈折率層と低屈折率層の対で構成する。
【００７０】
なお、下側（基板側）ＤＢＲを、２つの部分領域で構成する構造、例えば、低屈折率層がＡｌＧａＡｓからなる上部多層膜と、低屈折率層がＡｌＡｓからなる下部多層膜とを組み合わせ、全体として、一体のＤＢＲ構造を構成する事例が、非特許文献１や特許文献１に報告されている。
【００７１】
これらの事例と比較して、本発明にかかる半導体ＤＢＲでは、少なくとも、その上部構造部分は、平均熱抵抗率を、より低減可能な構造となっている。従って、光出射方向をメサ構造の上側ＤＢＲの上面とする、所謂、表面出射型の構成とし、基板側をヒートシンクに融着し、半導体レーザ内で発生する熱を、基板側ＤＢＲを介して、基板側へ放散する構成を選択する際、本発明にかかる半導体ＤＢＲを利用することで、熱放散効率の向上がなされる。
【００７２】
一方、基板側から光を取り出す裏面出射型の面発光型半導体レーザでは、上側ＤＢＲ側をヒートシンクに融着し、熱放散を行う。その際、酸化狭窄構造を利用して、活性層への電流注入範囲を狭くする構成では、メサ構造の上部ＤＢＲは、酸化狭窄構造を形成する酸化処理に曝される。従って、上記表面出射型の面発光型半導体レーザにおける、基板側ＤＢＲのように、酸化処理に曝されない部分に低屈折率層としてＡｌＡｓを用いることによって熱抵抗を低減することはできない。すなわち、上側ＤＢＲ全体を熱抵抗が低く、かつ酸化速度の遅い材料で構成する必要がある。本発明のＤＢＲを適用することにより、この条件を満たすことが可能となる。
【００７３】
なお、本発明にかかる半導体ＤＢＲは、活性層に、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓもしくはＧａＩｎＮＡｓ井戸層を利用し、発振波長を、０．８５μｍ以上、１．６μｍ以下の範囲に選択する面発光型半導体レーザへの適用するため、該半導体分布ブラッグ反射鏡のブラッグ反射条件を規定する、真空中における波長λ0は、一般に、０．８５μｍ以上、１．６μｍ以下の範囲に選択している。
【００７４】
一方、半導体ＤＢＲを構成する低屈折率層に、ＡｌＩｎＡｓＰ混晶を採用している、可視光領域の面発光型半導体レーザ用に設計された半導体ＤＢＲが、特許文献２に開示されている。この可視光領域の面発光型半導体レーザ用に設計された半導体ＤＢＲは、ブラッグ反射条件を規定する、真空中における波長λ0は、６３０ｎｍ〜６６０ｎｍであり、この波長領域において、光透過性を有するＡｌＩｎＡｓＰ混晶が選択されている。ここでは、ＡｌＩｎＡｓＰは上記波長域に使用するＤＢＲにおいて高い屈折率差と良好な結晶性を実現することが目的とされている。勿論、高屈折率層を構成する材料も、前記の波長領域において、光透過性を有するIII−Ｖ族化合物半導体混晶が用いられている。従って、本発明にかかる半導体ＤＢＲとは、その目的および適用波長域の差異に由来して、その構成は全く相違するものである。
【００７５】
特許文献２には、上側ＤＢＲのうち、活性層領域に近接する部分（下部多層膜）では、低屈折率層として、ＡｌＡｓＰを採用し、残る部分（上部多層膜）では、低屈折率層として、ＡｌＩｎＡｓＰを採用する構成とした上で、メサ構造形成後、その側面から選択酸化を行って、ＡｌＡｓＰ層の外周部を酸化領域に変換し、電流狭窄構造を形成する手法が開示されている。従って、ＡｌＡｓＰと、ＡｌＩｎＡｓＰとの間で、酸化速度に顕著な差異が存在することが開示されている。さらに、特許文献２には、上側ＤＢＲと、活性層領域との間に、ＡｌＡｓＰ被選択酸化層を設ける構成とした上で、このＡｌＡｓＰ層と上側ＤＢＲをメサエッチングした後、その側面から選択酸化を行って、ＡｌＡｓＰ被選択酸化層の外周部を酸化領域に変換し、電流狭窄構造を形成する手法が開示されている。
【００７６】
先述のように特許文献２の目的は、６３０ｎｍ〜６６０ｎｍの波長域に使用する半導体ＤＢＲにおいて、高い屈折率差と良好な結晶性を実現することにある。この波長域に使用する半導体ＤＢＲとして、高屈折率層にＧａＩｎＰ、低屈折率層にＡｌＩｎＰを用いる構成が挙げられる。その際、基板としてＧａＡｓを用いる場合、Ｉｎ組成は基板であるＧａＡｓとの格子整合条件から、ＧａＩｎＰで約０．４９、ＡｌＩｎＰで約０．４８であり、III族元素の約半分がＩｎとなる。この両者の組み合わせよりも屈折率差を大きくしたい場合には、ＡｌＩｎＰのＡｌ組成を高くする必要があるが、その場合、基板ＧａＡｓとの格子定数差が問題となる。そこで、基板を、ＧａＡｓに代えてＧａＡｓＰという、特殊かつ一般には入手不可能なものの採用を前提とし、ＤＢＲを構成する低屈折率層に、ＧａＡｓと格子定数が一致するＡｌＩｎＰではなく、ＧａＡｓＰと格子定数が一致するＡｌＡｓＰ、またはＡｌＩｎＡｓＰを利用するという点を特徴としている。ＡｌＩｎＰにＡｓを添加すると、屈折率は高くなるため、上記目的に反するが、特許文献２ではＡｌＩｎＰの結晶成長において良好な表面状態を得るためにＡｓを添加している。したがって、Ａｓ組成は結晶表面状態を改善する範囲で最も少なくなるように選択されるものであり、その添加量は１〜２％程度で十分と明記されている。また、特許文献２には、（ＡｌxＧａ1-x）zＩｎ1-zＡｓyＰ1-y半導体材料は、格子定数の減少に伴ってバンドギャップエネルギーが増大するとの記述もあるが、このような５元混晶（もしくは４元混晶）ではバンドギャップエネルギーと格子定数は独立になるため、必ずしもこのような関係にはならない。これは特許文献２においては、ＡｌＩｎＰ（もしくはＧａＩｎＰ）を主体に考えており、ＡｓやＧａ（もしくはＡｌ）はそれに僅かに添加されるものと考えているためである。したがって、特許文献２において想定されている、ＡｌzＩｎ1-zＡｓyＰ1-yにおけるＡｓ組成は僅かなものであり、主体はＡｌzＩｎ1-zＰといって差し支えない。
【００７７】
少なくとも特許文献２には本願発明に述べられたような、僅かなＩｎおよび僅かなＰを有するＡｌＩｎＡｓＰについての記載はないといえる。また、特許文献２では熱抵抗に関する記載は全くない。また、先に述べたように、特許文献２にはＡｌＡｓyＰ1-yと、ＡｌzＩｎ1-zＡｓyＰ1-yとの間で、酸化速度に顕著な差異が存在することが記されている。しかし、例えば、ＩｎＰに格子整合するＡｌ0.48Ｉｎ0.82ＡｓのようにＩｎ組成の高いＡｌＩｎＰではＡｌＡｓに比べて酸化速度が大幅に低下するのは広く知られた事項である。しかし、本願発明にように、ＡｌＡｓとＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓＰの間で、極く僅かなＩｎ組成によって、酸化速度が大幅に低減することを記した文献はこれまでにない。本願発明の効果が発揮されるために必要な事項は、ＡｌＩｎＡｓやＡｌＩｎＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓＮにおいては、「Ｉｎの組成が小さい場合でも」、「極端に」酸化速度が遅くなることであり、Ｉｎ組成が多いところで遅くなっても、組成が小さいところでＡｌＡｓに対して大幅に酸化速度が低下しなければ、本願発明のように熱抵抗低減を実現することはできない。さらに、同じＡｌ組成では、ＡｌＩｎＡｓの方がＡｌＧａＡｓに比べて熱抵抗が大きくなることから、ＡｌＡｓと比べた場合は勿論、同じＡｌ組成のＡｌＧａＡｓに比べても大幅に酸化速度が低い必要がある。すなわち、ＡｌＩｎＡｓの酸化速度は、図６における、”Ａ”や”Ｂ”ではなく、”Ｃ”のようなＡｌ組成依存性を有する必要がある。ＡｌＩｎＡｓの酸化速度に関して、この条件が満たされることは、前記の我々の実験により初めて明らかになったものである
以下に、具体例を挙げて、本発明をより詳しく説明する。
【００７８】
（第一の実施形態）
図１を参照して、本発明の第一の実施形態にかかる半導体ＤＢＲと、該半導体ＤＢＲを利用する面発光型半導体レーザの構成について説明する。この第一の実施形態は、ＧａＡｓ基板上に形成した発振波長λ＝１．３μｍの表面出射型面発光型レーザにおいて、その垂直型共振器を構成する際、基板側のＤＢＲに本発明の半導体ＤＢＲを利用する例である。
【００７９】
まず、図１（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、３０ペアのｎ型ＧａＡｓ層とｎ型ＡｌＡｓ層からなる第１のＤＢＲ層１０２、３ペアのｎ型ＧａＡｓ層とｎ型Ａｌ0.99Ｉｎ0.01Ａｓ層からなる第２のＤＢＲ層１０３、ｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層１０４、ノンドープＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層からなる多重量子井戸活性層１０５、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層１０６、ｐ型ＡｌＡｓの酸化電流狭窄部形成層１０７、２０ペアのｐ型ＧａＡｓ層とｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層からなる第３のＤＢＲ層１０８およびｐ+−ＧａＡｓコンタクト層１０９を形成する（工程１）。各々のＤＢＲ層では、高屈折率層と低屈折率層のそれぞれの膜厚は、これら媒質内の各々の光路長が、発振波長λのほぼ１／４になるように設定してある。
【００８０】
次に、コンタクト層１０９上に円形のエッチングマスクを形成する。次いで、ドライエッチングにより、図１（ｂ）に示すように、第２のＤＢＲ層１０３の表面が露出するまでエッチングを行い、直径約２０μｍの円柱状構造１１０を形成する（工程２）。この工程により、電流狭窄部形成層１０７の側面が露出する。その後、エッチングマスクを除去する。
【００８１】
次に、水蒸気雰囲気中の炉内において、温度約４５０℃で約１０分間加熱を行う（工程３）。これにより、図１（ｃ）に示すように、ｐ型ＡｌＡｓの電流狭窄部形成層１０７は、その外周から同時に酸化が進行し、円環状に酸化領域が形成される。この酸化により、電流狭窄部形成層１０７の中心部には、直径が約６μｍの非酸化領域が残される。電流狭窄部形成層１０７に形成された、円環状の酸化領域と、中心部の非酸化領域からなる構成を電流狭窄部と称する。電流は、電流狭窄部では、中心部の非酸化領域を通過し、その後、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層１０６では横方向拡散をほとんど示さず、多重量子井戸活性層１０５へと注入される。従って、多重量子井戸活性層１０５に注入される電流密度分布は、非酸化領域とほぼ同じ直径の領域のみが高い電流密度を示す。
【００８２】
次に、上記メサエッチングにより露出した第２のＤＢＲ層１０３上に、ｎ側電極を形成する。まず、全面にフォトレジストを塗布した後、リソグラフィにより、ｎ側電極を形成する部分のみ除去する。Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着した後、上記フォトレジストを除去して、リフトオフすることにより、第２のＤＢＲ層１０３上の一部にｎ側電極１１１が形成される（工程４）。
【００８３】
次に、ポリイミド１１２により第２のＤＢＲの上面を被覆し、メサを埋め込む。その後、フォトリソグラフィにより、工程４で形成したｎ側電極１１１上のポリイミドを除去する（工程５）。続いて、ｐ側電極１１３を形成する。まず、フォトレジストを塗布、マスク露光によりパターニングする。Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着し、上記フォトレジストを除去してリフトオフする。メサ上部のコンタクト層１０９上に設けた、円形開口部を有するｐ側電極１１３、およびそれと接続されたパッド電極１１４が形成される。一方、ポリイミド上に電極パッド１１５が形成され、ｎ側電極１１１上のポリイミドを除去して作製されたホールを介して、ｎ側電極１１１と接続している（図１（ｄ））（工程６）。
【００８４】
上記の工程１〜工程６に従ってＧａＡｓ基板上に作製せれるＶＣＳＥＬは、１個ごともしくは所望のアレイ状（例えば１個×１０個、１００個×１００個など）に切り出して使用可能である。
【００８５】
本第一の実施形態のＶＣＳＥＬでは、非特許文献１および特許文献１と同様に、基板側ＤＢＲは、２種のＤＢＲからなっている。本第一の実施形態のＶＣＳＥＬの構造では、基本的には、基板側をヒートシンクに融着する。光出射方向は、表面側、すなわち、ｐコンタクト層１０９側から光を取り出す表面出射型とされている。第２のＤＢＲ層１０３部分は、ｐ型ＡｌＡｓの酸化電流狭窄部形成層１０７と比べて、酸化速度が遅い層（ｎ型Ａｌ0.99Ｉｎ0.01Ａｓ層）で構成されている。従って、工程２で、第２のＤＢＲ層１０３表面でエッチングが停止せず、第２のＤＢＲ層１０３の一部もエッチングされた場合でも、工程３において、ｎ型Ａｌ0.99Ｉｎ0.01Ａｓ層に対する酸化があまり進まないようになっている。一方、第１のＤＢＲ層１０２は、２元化合物半導体であるＧａＡｓとＡｌＡｓからなっており、ＡｌＡｓを低屈折率層に用いている点は、上記の二文献（非特許文献１、特許文献１）と同じである。一方、第２のＤＢＲ層１０３は、上記の二文献（非特許文献１、特許文献１）では、Ａｌ0.67Ｇａ0.33ＡｓあるいはＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓを低屈折率層に用いているのに対し、本第一の実施形態のＶＣＳＥＬでは、Ａｌ0.99Ｉｎ0.01Ａｓを低屈折率層に用いている。
【００８６】
図７に示す熱抵抗率のＡｌ組成依存性を参照すると、ＡｌxＩｎ1-xＡｓ（ｘ＞０．９５）の熱抵抗率は、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０．６≧ｘ≧０．９）の熱抵抗率よりも低い。また、図６に示す酸化速度のＡｌ組成依存性を参照すると、同じＡｌ組成では、ＡｌxＩｎ1-xＡｓ（ｘ＞０．５）の酸化速度は、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＞０．５）の酸化速度より小さくなっている。
【００８７】
従って、第２のＤＢＲ層１０３の低屈折率層にＡｌ0.99Ｉｎ0.01Ａｓを採用することで、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０．６≧ｘ≧０．９）を用いる場合と同様に、ＡｌＡｓより酸化速度を低くできる。一方、熱抵抗は、Ａｌ0.99Ｉｎ0.01Ａｓを採用することで、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０．６≧ｘ≧０．９）を用いる場合よりも低くすることが可能である。そのため、本第一の実施形態のＶＣＳＥＬでは、活性層部分の直下に位置する、第２のＤＢＲ層１０３の熱抵抗は、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０．６≧ｘ≧０．９）を低屈折率層、ＧａＡｓを高屈折率層に採用する場合よりも小さくできる。それに伴って、メサ形状に加工されている活性層部分で発生する熱を、基板側のヒートシンクを介して放散する際、活性層部分の直下に位置する、第２のＤＢＲ層１０３における横方向への熱拡散の寄与が増す。従って、本第一の実施形態のＶＣＳＥＬでは、素子自体の熱抵抗を下げることが可能となる。
【００８８】
なお、Ａｌ0.99Ｉｎ0.01Ａｓの格子定数：ａ（Al0.99In0.01As）と、ＧａＡｓの格子定数：ａ0との格子不整合：｜Δa｜／ａ0＝｜ａ（Al0.99In0.01As）−ａ0｜／ａ0は、約０．２５％であり、ＡｌＡｓとＧａＡｓとの間の格子不整合の約０．１４４％に比べて大きい。従って、ｎ型ＧａＡｓ層とｎ型Ａｌ0.99Ｉｎ0.01Ａｓ層からなる第２のＤＢＲ層１０３全体の厚さを増すと、歪みが蓄積するため、必要以上に厚くするのは好ましくない。本第一の実施形態では、第２のＤＢＲ層１０３は、３ペアのＡｌ0.99Ｉｎ0.01Ａｓ層とＧａＡｓ層で構成しており、この厚さでは、格子不整合に起因する歪み応力によって、ミスフィット転位などの結晶欠陥を生じることはない。
【００８９】
（第二の実施形態）
図２を参照して、本発明の第二の実施形態にかかる半導体ＤＢＲと、該半導体ＤＢＲを利用する面発光型半導体レーザの構成について説明する。この第二の実施形態は、ＧａＡｓ基板上に形成した発振波長λ＝０．８５μｍの面発光型レーザにおいて、その垂直型共振器を構成する際、基板側のＤＢＲ、ならびに上側のＤＢＲに本発明の半導体ＤＢＲを利用する例である。
【００９０】
まず、図２に示すように、ｐ型ＧａＡｓ基板２０１上に、２５ペアのｐ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ層とｐ型ＡｌＡｓ層からなる第１のＤＢＲ層２０２、１０ペアのｐ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ層とｐ型Ａｌ0.98Ｉｎ0.02Ａｓ0.96Ｐ0.04層からなる第２のＤＢＲ層２０３、ｐ型Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓの酸化電流狭窄部形成層２０４、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層２０５、ノンドープＧａＡｓ井戸層とＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ障壁層からなる多重量子井戸活性層２０６、ｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層２０７、２０ペアのｎ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ層とｎ型Ａｌ0.98Ｉｎ0.02Ａｓ0.96Ｐ0.04層からなる第３のＤＢＲ層２０８およびｎ+−ＧａＡｓコンタクト層２０９を形成する（工程１）。各々のＤＢＲ層では、高屈折率層と低屈折率層のそれぞれの膜厚は、これら媒質内の各々の光路長が、発振波長λのほぼ１／４になるように設定してある。
【００９１】
次に、コンタクト層２０９上に円形のエッチングマスクを形成する。次いで、ドライエッチングにより、ｐ型Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓの酸化電流狭窄部形成層２０４の下にある、第２のＤＢＲ層２０３の表面が露出するまでエッチングを行う。このエッチングによって、直径約２０μｍの円柱状構造が形成される（工程２）。この工程により、ｐ型Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓの電流狭窄部形成層２０７の側面が露出する。その後、エッチングマスクを除去する。
【００９２】
次に、水蒸気雰囲気中の炉内において、温度約４５０℃で約１５分間加熱を行う（工程３）。これにより、ｐ型Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓの電流狭窄部形成層２０７は、その外周から同時に酸化が進行し、円環状に酸化領域が形成される。この酸化により、電流狭窄部形成層２０７の中心部には、直径が約８μｍの非酸化領域が残される。
【００９３】
以後、上記の第一の実施形態に記載する、工程４〜工程６の手順に従って、第２のＤＢＲ層２０３上のｐ側電極の形成、ポリイミドによるメサの埋め込み、ｎ+−ＧａＡｓコンタクト層２０９上のｎ側電極の形成を行う。
【００９４】
上記の工程によって、ｐ型ＧａＡｓ基板上に作製せれるＶＣＳＥＬは、１個ごともしくは所望のアレイ状（例えば１個×１０個、１００個×１００個など）に切り出して使用可能である。
【００９５】
本第二の実施形態のＶＣＳＥＬでも、第一の実施形態と同様に、基板側ＤＢＲが２種のＤＢＲからなっている。本第二の実施形態のＶＣＳＥＬの構造でも、基本的には、基板側をヒートシンクに融着する。光出射方向は、表面側、すなわち、ｎ+−コンタクト層２０９側から光を取り出す表面出射型とされている。第２のＤＢＲ層２０３部分は、ｐ型Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓの酸化電流狭窄部形成層２０７と比べて、酸化速度が遅い層（ｐ型Ａｌ0.98Ｉｎ0.02Ａｓ0.96Ｐ0.04層）で構成されている。同じく、第３のＤＢＲ層２０８部分も、ｐ型Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓの酸化電流狭窄部形成層２０７と比べて、酸化速度が遅い層（ｎ型Ａｌ0.98Ｉｎ0.02Ａｓ0.96Ｐ0.04層）で構成されている。
【００９６】
工程２で、ｐ型Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓの酸化電流狭窄部形成層２０４の下にある、第２のＤＢＲ層２０３の表面が露出するまでエッチングを行う際、第２のＤＢＲ層２０３の一部もエッチングされた場合でも、工程３において、ｐ型Ａｌ0.98Ｉｎ0.02Ａｓ0.96Ｐ0.04層に対する酸化があまり進まないようになっている。
【００９７】
本第二の実施形態のＶＣＳＥＬでは、ｐ型Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓの酸化電流狭窄部形成層２０４を確実にエッチング加工する条件を選択するため、第２のＤＢＲ層２０３の一部もエッチングされる頻度が高くなっている。その際、エッチングが、第１のＤＢＲ層２０２に達することを回避するため、第２のＤＢＲ層２０３全体の厚さを、上記の第一の実施形態の第２のＤＢＲ層１０３よりも、有意に厚くしている。
【００９８】
なお、Ａｌ0.98Ｉｎ0.02Ａｓ0.96Ｐ0.04と、ＧａＡｓとの格子不整合：｜Δa｜／ａ0＝｜ａ（Al0.98In0.02As0.96P0.04）−ａ0｜／ａ0は、約０．１４％があり、Ａｌ0.98Ｇａ0.02ＡｓとＧａＡｓとの間の格子不整合の約０．１３％と同程度である。従って、１０ペアのｐ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ層とｐ型Ａｌ0.98Ｉｎ0.02Ａｓ0.96Ｐ0.04層からなる第２のＤＢＲ層２０３を作製した際、格子不整合に起因する歪みの蓄積は、結晶欠陥を誘起する水準に達していない。また、２０ペアのｎ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ層とｎ型Ａｌ0.98Ｉｎ0.02Ａｓ0.96Ｐ0.04層からなる第３のＤＢＲ層２０８を作製した際、格子不整合に起因する歪みの蓄積は、結晶欠陥を誘起する水準に達していない。
【００９９】
図７に示す熱抵抗率のＡｌ組成依存性を参照すると、ＡｌxＩｎ1-xＡｓ1-yＰy（ｘ＞０．９７）の熱抵抗率は、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０．６≧ｘ≧０．９）の熱抵抗率よりも低い。従って、メサ形状に加工されている活性層部分で発生する熱を、基板側のヒートシンクを介して放散する際、活性層部分から、酸化電流狭窄部形成層２０４を介して伝播される熱流に対して、第２のＤＢＲ層２０３における熱拡散の寄与が増す。なお、第２のＤＢＲ層２０３の一部がエッチングを受けた場合も、残された第２のＤＢＲ層２０３における、横方向への熱拡散の寄与が増す。従って、本第二の実施形態のＶＣＳＥＬでは、基板側をヒートシンクに融着する態様において、素子自体の熱抵抗を下げることが可能となる。
【０１００】
また、上側ＤＢＲの第３のＤＢＲ層２０８も、２０ペアのｎ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ層とｎ型Ａｌ0.98Ｉｎ0.02Ａｓ0.96Ｐ0.04層で構成されており、２０ペアのｎ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ層とｎ型Ａｌ0.98Ｉｎ0.02Ａｓ層で構成する場合よりも、その熱抵抗は低下している。
【０１０１】
例えば、ｐ型ＧａＡｓ基板側の光出射方向とする、裏面出射型の構成とし、上側ＤＢＲの第３のＤＢＲ層２０８側をヒートシンクに融着して、放熱を行う態様とする際、上側ＤＢＲをｎ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ層とｎ型Ａｌ0.9Ｉｎ0.1Ａｓ層で構成する場合と比較すると、その熱抵抗は低下する。
【０１０２】
（第三の実施形態）
図３を参照して、本発明の第三の実施形態にかかる半導体ＤＢＲと、該半導体ＤＢＲを利用する面発光型半導体レーザの構成について説明する。この第三の実施形態は、ＧａＡｓ基板上に形成した発振波長λ＝１．１μｍの面発光型レーザにおいて、その垂直型共振器を構成する際、基板側のＤＢＲ、ならびに上側のＤＢＲに本発明の半導体ＤＢＲを利用する例である。
【０１０３】
まず、図３に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板３０１上に、４０ペアのｎ型ＧａＡｓ層とｎ型Ａｌ0.985Ｉｎ0.015Ａｓ0.93Ｐ0.07層からなる第１のＤＢＲ層３０２、ｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層３０３、ノンドープＩｎ0.35Ｇａ0.65Ａｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層からなる多重量子井戸活性層３０４、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層３０５、ｐ型Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓの酸化電流狭窄部形成層３０６、２７ペアのｐ型ＧａＡｓ層とｐ型Ａｌ0.985Ｉｎ0.015Ａｓ0.93Ｐ0.07層からなる第３のＤＢＲ層３０７およびｐ+−ＧａＡｓコンタクト層３０８を形成する（工程１）。各々のＤＢＲ層では、高屈折率層と低屈折率層のそれぞれの膜厚は、これら媒質内の各々の光路長が、発振波長λのほぼ１／４になるように設定してある。
【０１０４】
次に、コンタクト層３０８上に円形のエッチングマスクを形成する。次いで、ドライエッチングにより、第１のＤＢＲ層３０２の表面が露出するまでエッチングを行う。このエッチングによって、直径約２０μｍの円柱状構造が形成される（工程２）。この工程により、ｐ型Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓの電流狭窄部形成層３０６の側面が露出する。その後、エッチングマスクを除去する。
【０１０５】
次に、水蒸気雰囲気中の炉内において、温度約４５０℃で約１７分間加熱を行う（工程３）。これにより、ｐ型Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓの電流狭窄部形成層３０６は、その外周から同時に酸化が進行し、円環状に酸化領域が形成される。この酸化により、電流狭窄部形成層３０６の中心部には、直径が約５μｍの非酸化領域が残される。
【０１０６】
以後、上記の第一の実施形態に記載する、工程４〜工程６の手順に従って、第１のＤＢＲ層３０２上のｎ側電極の形成、ポリイミドによるメサの埋め込み、ｐ+−ＧａＡｓコンタクト層３０８上のｐ側電極の形成を行う。
【０１０７】
上記の工程によって、ｎ型ＧａＡｓ基板上に作製せれるＶＣＳＥＬは、１個ごともしくは所望のアレイ状（例えば１個×１０個、１００個×１００個など）に切り出して使用可能である。
【０１０８】
本第三の実施形態のＶＣＳＥＬの構造でも、基本的には、基板側をヒートシンクに融着する。光出射方向は、表面側、すなわち、ｐ+−コンタクト層３０８側から光を取り出す表面出射型とされている。第１のＤＢＲ層３０２部分は、ｐ型Ａｌ0.985Ｇａ0.015Ａｓの酸化電流狭窄部形成層３０６と比べて、酸化速度が遅い層（ｐ型Ａｌ0.98Ｉｎ0.02Ａｓ0.93Ｐ0.07層）で構成されている。同じく、第３のＤＢＲ層３０７部分も、ｐ型Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓの酸化電流狭窄部形成層３０６と比べて、酸化速度が遅い層（ｎ型Ａｌ0.985Ｉｎ0.015Ａｓ0.93Ｐ0.07層）で構成されている。
【０１０９】
工程２で、第１のＤＢＲ層３０２の表面が露出するまでエッチングを行う際、第１のＤＢＲ層３０２の一部もエッチングされた場合でも、工程３において、ｐ型Ａｌ0.985Ｉｎ0.015Ａｓ0.93Ｐ0.07層に対する酸化があまり進まないようになっている。
【０１１０】
なお、Ａｌ0.985Ｉｎ0.015Ａｓ0.93Ｐ0.07と、ＧａＡｓとの格子不整合：｜Δa｜／ａ0＝｜ａ（Al0.985In0.015As0.93P0.07）−ａ0｜／ａ0は、０．０１％以下があり、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ、ＡｌＡｓとＧａＡｓとの間の格子不整合、約０．１３％、０．１４４％よりも遥かに小さい。従って、ＧａＡｓ層とＡｌ0.985Ｉｎ0.015Ａｓ0.93Ｐ0.07層からなる第１のＤＢＲ層３０２および第３のＤＢＲ層３０７における、格子不整合に起因する歪みの蓄積は、無視できる程度となる。
【０１１１】
図７に示す熱抵抗率のＡｌ組成依存性を参照すると、ＧａＡｓと格子定数が等しいＡｌxＩｎ1-xＡｓ1-yＰy（ｘ＞０．９８）の熱抵抗率は、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０．６≧ｘ≧０．９）の熱抵抗率よりも低い。従って、メサ形状に加工されている活性層部分で発生する熱を、基板側のヒートシンクを介して放散する際、活性層部分から、酸化電流狭窄部形成層３０３を介して伝播される熱流に対して、第１のＤＢＲ層３０２における横方向への熱拡散の寄与が増す。なお、第１のＤＢＲ層３０２の一部がエッチングを受けた場合も、残された第１のＤＢＲ層３０２における、横方向への熱拡散の寄与が増す。従って、本第三の実施形態のＶＣＳＥＬでは、基板側をヒートシンクに融着する態様において、素子自体の熱抵抗を下げることが可能となる。
【０１１２】
また、本第三の実施形態のＶＣＳＥＬでは、第１のＤＢＲ層３０２ならびに第３のＤＢＲ層３０７の領域は、ともに、その格子定数はＧａＡｓの格子定数と実質的に一致している。その結果、両者の間に形成する発光領域；ｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層３０３、ノンドープＩｎ0.35Ｇａ0.65Ａｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層からなる多重量子井戸活性層３０４、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層３０５に対して、第１のＤＢＲ層３０２と第３のＤＢＲ層３０７との実効的な格子定数の差違に起因する歪み応力が印加されない。一方、活性層には、ノンドープＩｎ0.35Ｇａ0.65Ａｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層からなる多重量子井戸を採用し、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層、ＧａＡｓ障壁層に対して、格子定数が約２．５％大きなＩｎ0.35Ｇａ0.65Ａｓ井戸層に目標とする圧縮歪みを導入することで、重い正孔と軽い正孔の準位を分離している。活性層に強い歪を有する層を用いる場合、その他の層には極力歪が生じないようにすることが好ましいが、本実施例では第１のＤＢＲ層３０２と第３のＤＢＲ層３０７との実効的な格子定数の差違に起因する歪み応力の影響を排除し、ＤＢＲ部に歪が生じるのを抑制している。
【０１１３】
以上、本発明を３つの実施形態を例に挙げて、その構成上の要点を説明したが、本発明は上に例示する実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形が可能である。例えば、本発明にかかる半導体ＤＢＲを利用する面発光型半導体レーザの発振波長λ、ならびに、その発光に利用される発光層の材料に関しては、上記の実施形態に例示するもの以外を選択することが可能である。
【０１１４】
上記の３つの実施形態においては、低屈折率層にＡｌＩｎＡｓもしくはＡｌＩｎＡｓＰを用いた事例を挙げているが、酸化速度、ならびに熱抵抗率に実質的な影響を及ぼさない範囲で、他の元素をさらに添加することも可能である。
【０１１５】
上記の第２の実施形態、第３の実施形態では、低屈折率層を構成するIII-Ｖ族化合物半導体混晶材料の格子定数と、ＧａＡｓの格子定数との差異、所謂、格子不整合を低減するため、ＡｌxＩｎ1-xＡｓ1-yＰy混晶を利用している。すなわち、Ａｌ組成（１−ｘ）が０．９５３以上のＡｌ1-xＩｎxＡｓの格子定数は、ＧａＡｓの格子定数ａ0より大きいが、Ａｌ組成（１−ｘ）が０．９５３以上のＡｌ1-xＩｎxＰの格子定数は、ＧａＡｓの格子定数ａ0より小さいことを利用して、（Ａｌ1-xＩｎxＡｓ）に僅かに（Ａｌ1-xＩｎxＰ）を加え、（Ａｌ1-xＩｎxＡｓ）1-y（Ａｌ1-xＩｎxＰ）yと表記可能な混晶とすることで、｜Δa｜／ａ0を低減している。
【０１１６】
このＡｌxＩｎ1-xＡｓ1-yＰy混晶の利用に代えて、ＡｌxＩｎ1-xＡｓ1-yＮy混晶を利用して、所謂、格子不整合を低減することもできる。すなわち、Ａｌ組成（１−ｘ）が０．９５３以上のＡｌ1-xＩｎxＡｓ中のＡｓ原子をＮ原子で一部を置換すると、原子間距離Ａｌ−Ａｓと、Ａｌ−Ｎとを比較すると、僅かに短縮される現象を利用して、全体の格子定数を減少させることで、格子不整合｜Δa｜／ａ0の低減を図ることもできる。その際、ＡｌxＩｎ1-xＡｓ1-yＮy混晶では、Ｖ族元素中のＮ組成：ｙNを、ＡｌxＩｎ1-xＡｓ1-yＰy混晶における、Ｖ族元素中のＰ組成：ｙPと比較して、はるかに小さくしても、格子不整合｜Δa｜／ａ0の低減が達成できる。従って、Ｖ族元素の添加に起因する熱抵抗率の上昇の程度を軽減することも可能である。
【０１１７】
その他、ＡｌxＩｎ1-xＡｓ1-yＰy混晶の屈折率は、Ｖ族元素中のＰ組成：ｙPが増すと、僅かに減少するが、ＡｌxＩｎ1-xＡｓ1-yＮy混晶では、Ｖ族元素中のＮ組成：ｙNが十分に低い範囲では、僅かに屈折率が高くなる。Ａｌ組成（１−ｘ）が０．９５３以上のＡｌ1-xＩｎxＡｓの屈折率は、ＡｌＡｓの屈折率よりも若干低下しているが、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓの屈折率と遜色のない値を示す。また、高屈折率層として、ＧａＡｓを使用する際には、低屈折率層との屈折率比は、十分であるので、通常、僅かに添加されるＰ、あるいは、Ｎに起因する屈折率の僅かな変化は、特に問題とならない。
【０１１８】
なお、上記の実施形態は、低屈折率層にＡｌＩｎＡｓもしくはＡｌＩｎＡｓＰを用いることで、酸化速度を低減する事例である。例えば、ＡｌＩｎＡｓに代えて、Ｉｎの代わりにＴｌを用いた、ＡｌＴｌＡｓを利用する場合も、相当する酸化速度の低減が推定される。周期律表では、IIIＢ族の元素として軽い側からＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌの順に並んでいるが、酸化速度は、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓの順に遅くなっている。従って、ＡｌＴｌＡｓでは、ＡｌＩｎＡｓよりもさらに少ない添加量で酸化速度の低減が可能であると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【０１１９】
本発明にかかる半導体分布ブラッグ反射鏡は、垂直型共振器を具える面発光型半導体レーザに利用される。特に、本発明にかかる半導体分布ブラッグ反射鏡を利用して作製される面発光型半導体レーザは、例えば、短距離光通信や光インターコネクションの分野における光源として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】本発明の第一の実施形態にかかる面発光型半導体レーザの製造工程の概要を模式的に示す図である。図１（ａ）は、第一の実施形態にかかる面発光型レーザで利用される垂直型共振器を構成する層構造を示す断面図であり；図１（ｂ）は、面発光型半導体レーザを構成する円柱状構造の作製工程を示し；図１（ｃ）は、面発光型レーザを構成する円柱状構造と、酸化電流狭窄部形成層の構成を示し；図１（ｄ）は、面発光型半導体レーザを構成する円柱状構造を、ポリイミド樹脂により埋め込み、電極形成を行う工程を示す。
【図２】本発明の第二の実施形態にかかる面発光型半導体レーザで利用される垂直型共振器を構成する層構造を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の第三の実施形態にかかる面発光型半導体レーザで利用される垂直型共振器を構成する層構造を模式的に示す断面図である。
【図４】ＡｌxＧａ1-xＡｓ混晶の熱抵抗率：１／κおよび屈折率：ｎ（ＡｌxＧａ1-xＡｓ）のＡｌ組成ｘに対する依存性を示すグラフである。なお、屈折率は、波長１．３μｍにおける値である。
【図５】円形、薄膜状のＡｌＡｓ、Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ、Ａｌ0.98Ｉｎ0.02Ａｓに対して、その側面から酸化処理した際、酸化の進行状態を、顕微鏡観察結果を示すイメージを対比して示す図である。
【図６】ＡｌxＧａ1-xＡｓ混晶の酸化速度のＡｌ組成ｘに対する依存性と、本発明の目的である酸化速度の低減と、熱抵抗率の増加抑制の効果の達成に利用可能は、Ｉｎ1-xＡｌxＡｓ混晶の酸化速度のＡｌ組成ｘに対する依存性の特徴を模式的に示す図である。
【図７】ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓＰの熱抵抗のＡｌ組成依存性を示す図である。
【符号の説明】
【０１２１】
１０１  ｎ−ＧａＡｓ基板
１０２  第１のＤＢＲ層
１０３  第２のＤＢＲ層
１０３  ｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層
１０４  ノンドープＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層からなる多重量子井戸活性層
１０５  ｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層
１０６  ｐ−ＧａＡｓ層
１０７  酸化電流狭窄部形成層
１０８  第３のＤＢＲ層
１０９  コンタクト層
１１０  円柱状構造
１１１  ｎ側電極
１１２  ポリイミド
１１３  ｐ側電極
１１４  パッド電極
１１５  パッド電極
２０１  ｐ−ＧａＡｓ基板
２０２  第１のＤＢＲ層
２０３  第２のＤＢＲ層
２０４  酸化電流狭窄部形成層
２０５  ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層
２０６  ノンドープＧａＡｓ井戸層とＡｌ0.2ＧａＡｓ障壁層からなる多重量子井戸活性層
２０７  ｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層
２０８  第３のＤＢＲ層
２０９  ｐ−ＧａＡｓ層
２０８  ｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（但し、０．９＜ｘ＜１）の酸化層形成層
２０９  コンタクト層
３０１  ｎ−ＧａＡｓ基板
３０２  第１のＤＢＲ層
３０３  ｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層
３０４  ノンドープＩｎ0.35Ｇａ0.65Ａｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層からなる多重量子井戸活性層
３０５  ｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層
３０６  酸化電流狭窄部形成層
３０７  第２のＤＢＲ層
３０８  コンタクト層
【図１】
2008226996.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2008226996.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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