(57)【要約】【課題】高速動作が可能な面発光型半導体光デバイスを提供する。【解決手段】面発光型半導体光デバイス１０は、第１導電型のＧａＡｓ基板１２上に設けられた第１導電型の第１ＤＢＲ部１４と、第１ＤＢＲ部１４上に設けられた活性層１８と、活性層１８上に設けられた第２ＤＢＲ部２８と、第１ＤＢＲ部１４と第２ＤＢＲ部２８との間に設けられており、活性層１８に電流を注入する電流注入層２２と、第１ＤＢＲ部１４と第２ＤＢＲ部２８との間に設けられており、電流注入層２２の側面上に設けられたアンドープＧａＩｎＰ又はアンドープＡｌＧａＩｎＰからなる電流ブロック層２４とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型のＧａＡｓ基板上に設けられた第１導電型の第１ＤＢＲ部と、
前記第１ＤＢＲ部上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられた第２ＤＢＲ部と、
前記第１ＤＢＲ部と前記第２ＤＢＲ部との間に設けられており、前記活性層に電流を注入する電流注入層と、
前記第１ＤＢＲ部と前記第２ＤＢＲ部との間に設けられており、前記電流注入層の側面上に設けられたアンドープＧａＩｎＰ又はアンドープＡｌＧａＩｎＰからなる電流ブロック層と、
を備える、面発光型半導体光デバイス。
【請求項２】
前記アンドープＧａＩｎＰ又は前記アンドープＡｌＧａＩｎＰの抵抗率は１０５Ωｃｍ以上である、請求項１に記載の面発光型半導体光デバイス。
【請求項３】
前記電流注入層及び前記電流ブロック層は、前記活性層と前記第２ＤＢＲ部との間、又は前記活性層と前記第１ＤＢＲ部との間に配置されている、請求項１又は２に記載の面発光型半導体光デバイス。
【請求項４】
前記電流注入層と前記活性層との間に設けられた中間層を更に備える、請求項３に記載の面発光型半導体光デバイス。
【請求項５】
前記電流ブロック層は、前記活性層の側面上に設けられている、請求項１又は２に記載の面発光型半導体光デバイス。
【請求項６】
前記第１ＤＢＲ部と前記活性層との間に設けられた中間層を更に備える、請求項５に記載の面発光型半導体光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光型半導体光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光半導体レーザ（以下、ＶＣＳＥＬ：VerticalCavity Surface Emitting Laserともいう。）は、小型、低消費電力の低コストレーザとして、光通信や光記録、光情報処理等への広範な応用が期待されている。III−Ｖ族化合物半導体材料を用いたＶＣＳＥＬの電流狭窄構造の１つとして、半導体を電流ブロック層として用いる構造が知られており、この場合電流ブロック層としては、通常、Ｆｅがドープされた半導体層が用いられる（特許文献１及び２参照）。
【特許文献１】特開２００５−２４３７４３号公報
【特許文献２】特開平９−５１１４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
半導体中にＦｅをドープすると、禁制帯中に深い準位（DeepLevel）が形成される。この深い準位がキャリアの捕獲センター（キャリアトラップ）として働くので、半導体中の自由キャリアが捕獲（トラップ）される。その結果、Ｆｅドープ半導体層は高抵抗化する。
【０００４】
しかしながら、Ｆｅドープ半導体層は正孔に対するトラップ機能を有していないので、Ｆｅドープ半導体層をｐ側領域において、電流ブロック層として用いる場合は、Ｆｅドープ半導体層とｐ型クラッド層との間に正孔トラップ層が別途必要になる。そのため、素子容量の増加によりＶＣＳＥＬの高速動作が阻害されてしまう。
【０００５】
また、Ｆｅは拡散係数が大で、Ｆｅドープ半導体層上にＺｎ等のｐ型ドーパントを含むｐ型クラッド層が形成される場合、結晶成長や電極形成時の熱履歴により、ＦｅとＺｎ等のｐ型ドーパントとが相互拡散してしまう。これにより、Ｚｎ等のｐ型ドーパントが拡散したＦｅドープ半導体層の抵抗率が低下するので、リーク電流が増加する。一方、Ｆｅが拡散したｐ型クラッド層は高抵抗化する。その結果、ＶＣＳＥＬの素子特性が劣化してしまう。また、Ｆｅドープ半導体層中にｐ型ドーパントが拡散することによって、素子容量が増加するため、ＶＣＳＥＬの高速動作が阻害されてしまう。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、高速動作が可能な面発光型半導体光デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するため、本発明の面発光型半導体光デバイスは、第１導電型のＧａＡｓ基板上に設けられた第１導電型の第１ＤＢＲ部と、前記第１ＤＢＲ部上に設けられた活性層と、前記活性層上に設けられた第２ＤＢＲ部と、前記第１ＤＢＲ部と前記第２ＤＢＲ部との間に設けられており、前記活性層に電流を注入する電流注入層と、前記第１ＤＢＲ部と前記第２ＤＢＲ部との間に設けられており、前記電流注入層の側面上に設けられたアンドープＧａＩｎＰ又はアンドープＡｌＧａＩｎＰからなる電流ブロック層とを備える。
【０００８】
本発明の面発光型半導体光デバイスでは、電流ブロック層が、電子及び正孔の両方をトラップ可能なアンドープＧａＩｎＰ又はアンドープＡｌＧａＩｎＰからなるので、正孔トラップ層は不要になる。その結果、素子容量が低減されるので、面発光型半導体光デバイスの高速動作が可能になる。また同じく、アンドープのＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰは電子とホールの両方をトラップできるため、ｐ側、ｎ側の何れの領域においても、電流ブロック層として使用できる。そのため、電流注入層及び電流ブロック層から構成される電流狭窄構造の設計のフレキシビリティを増加させることができる。さらに、電流ブロック層がアンドープ材料からなるので、電流ブロック層とその隣接層との間で相互拡散に起因する素子特性の劣化が生じない。よって、面発光型半導体光デバイスの高速動作が可能になる。
【０００９】
また、前記アンドープＧａＩｎＰ又は前記アンドープＡｌＧａＩｎＰの抵抗率は１０５Ωｃｍ以上であることが好ましい。
【００１０】
この場合、電流ブロック層の抵抗率は電流注入層の抵抗率に比べて数桁高くなるので、これらの抵抗率の差により、電流は電流ブロック層に流れず、電流注入層に閉じ込められる。従って、電流ブロック層による電流閉じ込め性が高くなる。
【００１１】
また、前記電流注入層及び前記電流ブロック層は、前記活性層と前記第２ＤＢＲ部との間、又は前記活性層と前記第１ＤＢＲ部との間に配置されていることが好ましい。
【００１２】
この場合、第２ＤＢＲ部中に電流ブロック層が配置されていないので、第２ＤＢＲ部の反射率の制御性が悪化せず、第２ＤＢＲ部の結晶劣化が生じない。また、電流ブロック層と活性層との距離が近くなるので、電流注入層及び電流ブロック層によって狭窄された電流が活性層の延在方向に拡散して無効電流となることを効果的に抑制できる。
【００１３】
また、上記面発光型半導体光デバイスは、前記電流注入層と前記活性層との間に設けられた中間層を更に備えることが好ましい。
【００１４】
この場合、例えば電流注入層をエッチングにより形成する際に、中間層がエッチング停止層として機能する。このため、電流注入層の形状について、良好な面内均一性や再現性が得られる。よって、面発光型半導体光デバイスの特性についても、良好な面内均一性や再現性が得られる。また中間層が、電流注入層の下部のみに存在する構造の場合は、屈折率等の中間層の特性を適宜制御することにより、電流注入領域への光閉じ込めが強化されるといった改善が得られるため、素子特性改善が容易となる。
【００１５】
また、前記電流ブロック層は、前記活性層の側面上に設けられていることが好ましい。
【００１６】
この場合、電流ブロック層によって電流が活性層中に閉じ込められるので、電流が活性層の延在方向に拡散して無効電流となるとなることを効果的に抑制できる。また、ＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰからなる電流ブロック層の屈折率は、通常、活性層の屈折率よりも低い。このため、屈折率差により、光は活性層内に強く閉じ込められる。光及び電流の両方を活性層中に強く閉じ込めることができるので、例えば、誘導放出が効率よく生じ、閾値電流が低く、高効率の面発光半導体レーザを得ることができる。さらに、電流ブロック層を厚くできるので、素子容量が低減され更に高速動作が可能な面発光型半導体光デバイスが得られる。
【００１７】
また、上記面発光型半導体光デバイスは、前記第１ＤＢＲ部と前記活性層との間に設けられた中間層を更に備えることが好ましい。
【００１８】
この場合、活性層をエッチングにより形成する際に、中間層がエッチング停止層として機能する。このため、活性層の形状について、良好な再現性が得られる。よって、面発光型半導体光デバイスの特性についても、良好な再現性が得られる。また中間層が、電流注入層の下部のみに存在する構造の場合は、屈折率等の中間層の特性を適宜制御することにより、電流注入領域への光閉じ込めが強化されるといった改善が得られるため、素子特性改善が容易となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、高速動作が可能な面発光型半導体光デバイスが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
【００２１】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る面発光型半導体光デバイスを模式的に示す断面図である。図１に示される面発光型半導体光デバイス１０は、例えば面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）である。面発光型半導体光デバイス１０は、第１導電型（例えばｎ型）のＧａＡｓ基板１２上に設けられた第１導電型の第１ＤＢＲ部１４（Distributed Bragg Reflector：分布ブラッグ反射器）と、第１ＤＢＲ部１４上に設けられた活性層１８と、第１ＤＢＲ部１４上に設けられており、活性層１８に電流を注入する第２導電型（例えばｐ型）の電流注入層２２と、電流注入層２２上に設けられた第２ＤＢＲ部２８と、第１ＤＢＲ部１４と第２ＤＢＲ部２８との間に設けられた電流ブロック層２４とを備える。電流ブロック層２４は、電流注入層２２の側面上に設けられており、アンドープＧａＩｎＰ又はアンドープＡｌＧａＩｎＰからなる。電流注入層２２及び電流ブロック層２４によって、電流狭窄構造２３が構成される。
【００２２】
本実施形態では、電流注入層２２及び電流ブロック層２４は、活性層１８と第２ＤＢＲ部２８との間に配置されている。電流注入層２２は、活性層１８の表面における第１領域上に設けられている。電流ブロック層２４は、活性層１８の表面における第１領域を取り囲む第２領域上に設けられている。
【００２３】
第１ＤＢＲ部１４と活性層１８との間には、第１導電型のスペーサ層１６が設けられている。活性層１８と電流狭窄構造２３との間には、第２導電型のスペーサ層２０が設けられている。スペーサ層は活性層へキャリアを閉じ込める機能を有する。但し、面発光型半導体光デバイス１０は、スペーサ層１６，２０を有していなくてもよい。電流狭窄構造２３と第２ＤＢＲ部２８との間には、第２導電型のコンタクト層２６が設けられている。コンタクト層２６上には、コンタクト層２６と電気的に接続された電極３２が設けられている。第２ＤＢＲ部２８は、コンタクト層２６の表面における第１領域上に設けられている。電極３２は、コンタクト層２６の表面における第１領域を取り囲む第２領域上に設けられている。ＧａＡｓ基板１２の裏面上には、ＧａＡｓ基板１２と電気的に接続された電極３０が設けられている。
【００２４】
第１ＤＢＲ部１４は、ＧａＡｓ基板１２上に交互に積層される複数の半導体層１４ａ，１４ｂを有する。第１ＤＢＲ部１４としては、通常、屈折率が互いに有意に異なり且つ発振波長に対して透明な２種類の材料からなる薄膜を交互に積層してなる多層膜が用いられる。多層膜としては、例えば、ｎ型ＡｌＡｓ層又はｎ型ＡｌＧａＡｓ層（半導体層１４ａ）とｎ型ＧａＡｓ層（半導体層１４ｂ）とを交互に各３０〜４０層積層したものが挙げられる。このような多層膜は、発振波長に対して例えば９９．９％以上といった高反射率を有する。特に、発振波長をλ、各層（１４ａ，１４ｂ）の実効屈折率をｎとした場合、各層の厚さが、それぞれλ／（４ｎ）であることが好ましい。このような薄膜はλ／４膜といわれる。これにより、第１ＤＢＲ部１４の反射率を効果的に増大させることができる。
【００２５】
第１ＤＢＲ部１４及び第２ＤＢＲ部２８は、高反射率を有しており、共振器を構成する。活性層１８から出射される光は、第１ＤＢＲ部１４及び第２ＤＢＲ部２８において多重反射されて増幅され、発振する。ここで、スペーサ層１６、活性層１８、スペーサ層２０、電流注入層２２、及びコンタクト層２６の光学的な厚さの合計（各層について（物理的な厚さ）×（実効屈折率）を算出し、それらを全て足し合わせた値）は、発振波長λの整数倍となるように予め設定されることが好ましい。この場合、波長λを有する光が共振器内で選択的に増幅されるので、波長λを有する光が発振される。
【００２６】
活性層１８は、Ｇａ、Ａｓ、及びＮを含むIII−Ｖ族化合物半導体材料からなることが好ましい。この場合、光通信に適用可能な１．３〜１．６μｍの波長帯での発振が可能になる。Ｇａ、Ａｓ、及びＮを含むIII−Ｖ族化合物半導体材料としては、例えばＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮＡｓ等が挙げられる。但し活性層の構成材料はこれらには限定されず、ＧａＡｓ基板上に成長可能な任意の材料を使用できる。例えば、活性層１８は、アンドープＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層とアンドープＧａＡｓバリア層とを含む多重量子井戸構造を有する。但し、活性層１８の構造はこれに限定されず、単一量子井戸構造を有してもよいし、バルク構造を有してもよい。
【００２７】
活性層１８は、ＧａＮＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓに、Ｓｂ及びＰのうち少なくとも一方が添加された半導体材料からなってもよい。Ｓｂは、いわゆるサーファクタントとして機能し、ＧａＮＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓの３次元成長を抑制する。これにより、ＧａＮＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓの結晶性が改善される。Ｐは、ＧａＮＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓの局所的な結晶歪の低減による結晶性及び信頼性の改善や、結晶成長中におけるＮの結晶中への取り込み量の増大等に寄与する。
【００２８】
具体的には、活性層１８は、例えばＧａＮＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓＰ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＳｂＰ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂＰ等の半導体材料からなる。これらのＧａ、Ｎ、Ａｓを含むIII−Ｖ族化合物半導体材料の格子定数は、ＧａＡｓの格子定数と同じかそれに近い値に設定可能である。したがって、ＧａＡｓ基板１２上に良好な結晶成長が可能である。また、これらの半導体材料のバンドギャップエネルギーは１μｍ以上のフォトルミネッセンス波長に相当するので、これらの半導体材料からなる活性層１８を用いると、１μｍ以上の長波長域の発振波長を容易に実現できる。したがって、これらの半導体材料からなる活性層１８を用いると、例えば発振波長が１〜１．６μｍの長波長域である面発光型半導体光デバイス１０が得られる。
【００２９】
スペーサ層１６，２０は、活性層１８よりも高いバンドギャップエネルギーを有する材料からなることが好ましい。これにより、活性層１８にキャリア（電子及び正孔）を閉じ込めることができる。スペーサ層１６，２０の材料としては、例えば、ＧａＡｓに格子整合可能なＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＰ、及びＡｌＧａＩｎＰ等が挙げられる。但し、スペーサ層無しでも良好な特性が得られる場合は、スペーサ層は無くても良い。
【００３０】
電流注入層２２の材料としては、例えば、スペーサ層１６，２０の材料として使用可能なものが挙げられる。電流注入層２２は、スペーサ層２０よりも高いバンドギャップエネルギーを有する材料からなることが好ましい。これにより、電流注入層２２とスペーサ層２０との間に形成されるヘテロ障壁に遮られることなく、活性層１８にキャリアを効率良く注入することができる。電流注入層２２の厚み方向に直交する面における電流注入層２２の形状（例えば円形、方形等）及び寸法（通常、直径又は一辺が数μｍ程度）は、所望の特性が得られるように適宜決定される。
【００３１】
電流ブロック層２４は、電流注入層２２よりも高いバンドギャップエネルギーを有する材料からなることが好ましい。この場合、両者のバンドギャップエネルギー差に起因して、両者の界面にヘテロ障壁が形成される。このヘテロ障壁により、電流注入層２２へのキャリアの閉じ込めが強化される。またIII−Ｖ族化合物半導体においては、一般に高バンドギャップの半導体ほど、低屈折率となる。従って、電流ブロック層２４よりも電流注入層２２の方が高屈折率になるので、電流注入層２２が存在する発光領域への光の閉じ込めが強化される。よって、活性層１８での誘導放出が効率よく生じるので、発振特性の改善を図ることができる。このような条件を満たさない場合でも発振は可能である。
【００３２】
電流ブロック層２４を構成するアンドープＧａＩｎＰ又はアンドープＡｌＧａＩｎＰは、例えばＧａＡｓよりも高いバンドギャップエネルギー（１．９ｅＶ以上）を有し、且つ例えばＧａＡｓよりも低屈折率の材料である。このため、電流注入層２２への光及びキャリアの閉じ込めが容易になるので、良好な発振が期待できる。アンドープＧａＩｎＰ又はアンドープＡｌＧａＩｎＰの抵抗率は１０５Ωｃｍ以上であることが好ましい。この場合、電流ブロック層２４の抵抗率は電流注入層２２の抵抗率に比べて数桁高くなるので、これらの抵抗率の差により、電流は電流ブロック層２４に流れず、電流注入層２２に閉じ込められる。従って、電流ブロック層２４の電流閉じ込め性が高くなる。
【００３３】
コンタクト層２６は、電極３２とオーミック接触しており、通常、高濃度にドープされたＧａＡｓからなる。
【００３４】
第２ＤＢＲ部２８は、コンタクト層２６上に交互に積層される複数の層２８ａ，２８ｂを有する。第２ＤＢＲ部２８としては、通常、屈折率が互いに有意に異なり且つ発振波長に対して透明な２種類の材料からなる薄膜を交互に積層してなる多層膜が用いられる。第２ＤＢＲ部２８は、例えば半導体材料又は誘電体材料からなる。第２ＤＢＲ部２８は、例えばＴｉＯ２／ＳｉＯ２、ａ−Ｓｉ／ＳｉＯ２といった誘電体膜の組み合わせからなってもよいし、例えばＡｌＡｓ／ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓといった半導体膜の組み合わせからなってもよい。第２ＤＢＲ部２８が例えばＴｉＯ２／ＳｉＯ２からなる場合、誘電体膜は例えば７ペア程度積層される。第２ＤＢＲ部２８に用いられる多層膜においても、高反射率を得るためにいわゆるλ／４膜を用いることが好ましい。
【００３５】
なお、下地となるコンタクト層の表面に凹凸があると、平坦性の高い第２ＤＢＲ部を成長させることが困難になる。その結果、第２ＤＢＲ部の反射率を制御することが困難になる。よって、本実施形態のように、電流注入層２２及び電流ブロック層２４の表面が平坦であることが好ましい。この場合、コンタクト層２６の表面も平坦になるので、第２ＤＢＲ部２８の反射率を制御することが容易になる。よって、反射率の均一性及び再現性に優れた第２ＤＢＲ部２８が得られる。
【００３６】
本実施形態の面発光型半導体光デバイス１０では、電流ブロック層２４が、電子及び正孔の両方をトラップ可能なアンドープＧａＩｎＰ又はアンドープＡｌＧａＩｎＰからなるので、正孔トラップ層は不要になる。正孔トラップ層は通常高濃度にドープされるので、素子容量の増大を招く。これに対して、面発光型半導体光デバイス１０では、正孔トラップ層が不要なので素子容量が増大しない。よって、面発光型半導体光デバイス１０の高速動作（例えば１０ＧＨｚ以上）が可能になる。
【００３７】
また上記のように、アンドープのGaInPまたはAlGaInPから成る半導体層は、電子とホールの両方をトラップできるため、p側、n側の何れの領域においても電流ブロック層として使用できる。従って、電流注入層２２及び電流ブロック層２４から構成される電流狭窄構造２３の設計のフレキシビリティを増加させることができる。
【００３８】
さらに、通常Ｆｅ等のドーパントがドープされた電流ブロック層では、電流ブロック層中のドーパントと隣接層(電流注入層、コンタクト層、スペーサ層等)中のドーパント(例えばZn)との間で相互拡散が生じやすい。この場合、隣接層中のドーパントが拡散した電流ブロック層は低抵抗化して寄生容量が増え、逆にFeが拡散した隣接層は高抵抗化して電流が流れにくくなる。これらは素子特性や高速性を悪化させる。これに対して、電流ブロック層２４はアンドープ材料からなるので、電流ブロック層２４とその隣接層（例えば電流注入層２２、スペーサ層２０、コンタクト層２６）との間でドーパントの相互拡散が生じない。よって、このような問題を回避できる。また同じく相互拡散が生じないため、電流注入層２２と電流ブロック層２４との界面が急峻になる。よって、電流注入層２２の形状制御が容易になる。その結果、面発光型半導体光デバイス１０の素子特性の均一性及び再現性を向上させることができる。
【００３９】
本実施形態では、電流注入層２２及び電流ブロック層２４が、活性層１８と第２ＤＢＲ部２８との間に配置されている。よって、第２ＤＢＲ部２８中に電流ブロック層２４が配置されていないので、第２ＤＢＲ部２８の反射率の制御性が悪化せず、第２ＤＢＲ部２８の結晶劣化が生じない。また、電流ブロック層２４と活性層１８との距離が近くなるので、電流注入層２２及び電流ブロック層２４によって狭窄された電流が活性層１８の延在方向（水平横方向）に拡散して無効電流となることを効果的に抑制できる。
【００４０】
高抵抗を示すＧａＩｎＰは、例えば６００℃以下といった低温で、アンドープＧａＩｎＰを成長することによって実現される。このような低温で成長を行うと、バンドギャップ中の深い準位（Deep Level）の欠陥がＧａＩｎＰ中に形成される。同様に、高抵抗を示すＡｌＧａＩｎＰは、例えば６５０℃以下といった低温で、アンドープＡｌＧａＩｎＰを成長することによって実現される。このような低温で成長を行うと、バンドギャップ中の深い準位（DeepLevel）の欠陥がＡｌＧａＩｎＰ中に形成される。
【００４１】
上記深い準位はキャリアの捕獲センターとしてキャリア（電子及び正孔）をトラップして、キャリアの移動を妨げる。その結果、このように成長されたアンドープＧａＩｎＰ及びアンドープＡｌＧａＩｎＰは高抵抗を有する。
【００４２】
低温成長によるＧａＩｎＰの高抵抗化を検証するために、次の実験を行った。この実験に用いた測定サンプルを図２に示す。図２は、低温成長によるＧａＩｎＰの高抵抗化を検証するための測定サンプルを模式的に示す断面図である。図２に示される測定サンプル１１０は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１２上に、電子キャリア供給層１１６、高抵抗層１２２、正孔キャリア供給層１２０、及びコンタクト層１２６がこの順に形成されたｐｉｎ構造を有する。各層の構成例を以下に示す。各層の成長には、例えば有機金属気相成長法を用いる。
電子キャリア供給層１１６：ｎ型ＧａＩｎＰ、０．５μｍ厚、ｎ型ドーパントとしてシリコンを１×１０１７ｃｍ−３ドープ
高抵抗層１２２：アンドープＧａＩｎＰ、１．５μｍ厚
正孔キャリア供給層１２０：ｐ型ＧａＩｎＰ、０．５μｍ厚、ｐ型ドーパントとして亜鉛を７×１０１７ｃｍ−３ドープ
コンタクト層１２６：ｐ型ＧａＡｓ、０．２μｍ厚、ｐ型ドーパントとして亜鉛を１×１０１９ｃｍ−３ドープ
【００４３】
上記各キャリア供給層１１６，１２０より電子と正孔が高抵抗層１２２に注入される。アンドープＧａＩｎＰの成長温度は、５００℃以上であることが好ましい。また、アンドープＧａＩｎＰの成長温度は、６００℃以下であることが好ましい。成長後、ｐｉｎ構造は、断面が直径２００μｍの円形であるメサ状に加工した。また、給電のため、コンタクト層１２６上にアノード電極１３２を形成すると共にＧａＡｓ基板１１２の裏面上にカソード電極１３０を形成した。この測定サンプル１１０に順方向バイアスを印加して、Ｉ−Ｖ特性を測定すると共にこの測定値から抵抗率（電気抵抗率、測定温度は室温）を算出した。
【００４４】
図３（ａ）は、５００℃で成長されたアンドープＧａＩｎＰを含むサンプルにおける印加電圧と抵抗率との関係を示すグラフである。図３（ｂ）は、５５０℃で成長されたアンドープＧａＩｎＰを含むサンプルにおける印加電圧と抵抗率との関係を示すグラフである。これらの結果より、半導体レーザに一般的に印加される順方向電圧の範囲（例えば、５Ｖ以下の電圧の範囲）では、１０５Ωｃｍ以上の高抵抗率が得られている事が判る。また成長温度が低いほど、より高抵抗なＧａＩｎＰが得られることが判る。図３（ａ）及び図３（ｂ）の特性は、低温成長によりアンドープＧａＩｎＰ層内に電子及び正孔に対する捕獲センターが大量に形成され、その結果、この層は電子及び正孔の両方とも充分にトラップして、何れのキャリアに対しても大きな抵抗率を有することを示している。何故なら、もしアンドープＧａＩｎＰ層がどちらかのキャリアをトラップ出来ない場合は、そのキャリアにより無視できないレベルの電流が流れるため、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すような高抵抗特性は得られないからである。
【００４５】
本実験結果から我々は、低温成長のアンドープＧａＩｎＰは電子、正孔の何れに対しても高抵抗層として機能することを確認した。電流注入層２２の抵抗率は、例えば０．２Ωｃｍ程度であるので、アンドープＧａＩｎＰ又はアンドープＡｌＧａＩｎＰの抵抗率（１０５Ωｃｍ以上）は、電流注入層２２の抵抗率に対して６桁以上大きい。したがって、アンドープＧａＩｎＰからなる電流ブロック層２４は、半導体レーザの電流ブロック層として使用可能である。
【００４６】
また、アンドープＡｌＧａＩｎＰも高抵抗層として使用できる。アンドープＡｌＧａＩｎＰの場合、Ａｌが添加されているので、深い準位の形成がより促進される。よって、アンドープＧａＩｎＰに比べて高い成長温度でも深い準位が形成される。したがって、アンドープＧａＩｎＰでは高抵抗化が困難である６００℃以上の成長温度でも十分な高抵抗特性が得られる。半導体の場合、一般に成長温度が高い方が熱平衡状態での成長に近づくため、良好な結晶が得やすい。また、同じく成長温度が高い方が、成長中に副次的な反応で形成されてウェハ上に堆積し、正常な結晶成長を困難化する多結晶ゴミの発生を抑制できるため有利である。したがって、アンドープＧａＩｎＰに比べてアンドープＡｌＧａＩｎＰを用いた方が、より良好な結晶成長が期待できる。さらに、アンドープＡｌＧａＩｎＰを用いれば、Ａｌ組成の変更によりバンドギャップエネルギーや屈折率を広範に変えられるので、電流ブロック層２４の設計フレキシビリティが増す利点もある。例えば、Ａｌ組成を増やすと、電流ブロック層２４のバンドギャップエネルギーは増加し、屈折率は低下する。したがって、Ａｌ組成を適宜制御することで、電流注入層２２に比べて高バンドギャップ、且つ低屈折率の電流ブロック層２４の形成が容易になる。この場合、電流注入層２２への光及びキャリアの閉じ込め強化が図れるので、素子特性が改善される。
【００４７】
面発光半導体レーザでは、電流閉じ込めのための高抵抗電流ブロック層として鉄（Ｆｅ）ドープの半導体が用いられる場合がある。Ｆｅをドープすることで、半導体中に電子の捕獲センターが形成され、電子に対する高抵抗層として機能する。しかしながら、Ｆｅドープ半導体は正孔に対するトラップ機能を有しないので、正孔キャリアが支配的なｐ型領域に対しては電流ブロック層として機能し得ない。一方、上記の説明から理解されるように、低温成長のアンドープＧａＩｎＰ又はアンドープＡｌＧａＩｎＰは、電子及び正孔の両方に対して高抵抗性を有するので、ｐ型、ｎ型の何れの領域においても、半導体レーザの電流ブロック層として機能する。したがって、Ｆｅドープ半導体を用いる場合に比べて、電流閉じ込め構造の設計に関してフレキシビリィが増す。また、本実施形態のように、アンドープの電流ブロック層を用いる場合は、Ｆｅ等の新規ドーパントを別途ドープする必要が無いので、成長がより容易となる。例えば、ドーパント原料の準備、ドーパントをドープするための設備、ドーピングの条件出し等が必要ないので、成長に関する負荷が軽減される。
【００４８】
また、Ｆｅドープ半導体のように高抵抗を得るためにドーパントをドープする場合は、成長中にこれらのドーパントが隣接層のドーパントと相互拡散しやすい。例えばｐ型クラッド層のドーパントであるＺｎと電流ブロック層に用いた半導体中のＦｅは非常に相互拡散しやすいことが知られている。このような相互拡散は電流ブロック層を低抵抗化し、その電流ブロック機能を低下させる元凶となる。さらに、隣接層からのドーパント拡散により、電流ブロック層の容量が増大し、高速動作が困難となる。また、Ｆｅがｐ型クラッド層中に拡散することによって、ｐ型クラッド層が高抵抗化する。これらの要因によって、高速動作が阻害されてしまう。一方、本実施形態では電流ブロック層にドーパントを添加しないので、このような問題は生じない。
【００４９】
図４（ａ）〜図４（ｆ）及び図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１実施形態に係る面発光型半導体光デバイスの第１製造方法の工程断面図である。
【００５０】
まず、図４（ａ）に示されるように、ＧａＡｓ基板１２上に、第１ＤＢＲ部１４、スペーサ層１６、活性層１８、スペーサ層２０、及び電流注入層２２を形成するための電流注入層２２ａをこの順に形成する。これらの成長には、例えば有機金属気相成長法が用いられる。
【００５１】
次に、図４（ｂ）に示されるように、電流注入層２２ａ上に、所定のパターン形状を有する誘電体マスク３４を形成する。誘電体マスク３４は、例えばＳｉＮ、ＳｉＯ２等からなる。誘電体マスク３４のパターン形状は、任意の形状（例えば円形、方形等）とすることができる。
【００５２】
次に、図４（ｃ）に示されるように、誘電体マスク３４を用いて電流注入層２２ａをエッチングする。これにより、所定のパターン形状を有するメサ状の電流注入層２２が形成される。エッチングとしては、例えばウェットエッチングが挙げられる。ここで、例えばスペーサ層２０にGaAs、AlGaAs、またはGaInAsPの何れかを、電流注入層２２ａにGaInPまたはAlGaInPを用いている場合、塩酸系エッチャントを用いて電流注入層２２ａをエッチングすると、スペーサ層２０のエッチングレートは電流注入層２２ａのエッチングレートよりも遅いので、スペーサ層２０はエッチング停止層として機能する。したがって、電流注入層２２ａのエッチングレートがロット間やウェハ面内でばらついたとしても、電流注入層２２のメサ形状（メサの高さ及びメサの幅）について、良好な再現性及び良好な面内均一性が得られる。その結果、面発光型半導体光デバイス１０の素子特性についても、良好な再現性及び良好な均一性が得られる。
【００５３】
また例えばスペーサ層２０にGaInPまたはAlGaInPを、電流注入層２２ａにGaAs、AlGaAs、またはGaInAsPの何れかを用いている場合、燐酸系エッチャントを用いて電流注入層２２ａをエッチングすると、スペーサ層２０のエッチングレートは電流注入層２２ａのエッチングレートよりも遅いので、スペーサ層２０はエッチング停止層として機能し、電流注入層２２のメサ形状に関し、上記と同様の良好な再現性及び良好な均一性が得られる。但し、スペーサ層２０がエッチング停止層である必然性は無く、エッチング停止層として機能しない場合でも、エッチングの手法やエッチング条件の最適化で、再現性、均一性の良いエッチングは可能である。
【００５４】
電流注入層２２のメサ形状は、用途に応じて、例えば順メサ、逆メサ等の種々の形状とすることができる。電流注入層２２のメサ形状は、例えば、電流注入層２２ａの面方位を基準とする誘電体マスク３４の配置、エッチャント等を適宜選択することにより決定される。
【００５５】
次に、図４（ｄ）に示されるように、誘電体マスク３４を用いて電流ブロック層２４をスペーサ層２０上に選択成長させる。このようにして、電流狭窄構造２３が形成される。電流ブロック層２４がアンドープＧａＩｎＰからなる場合、電流ブロック層２４の成長温度は６００℃以下と低温であることが好ましく、５００〜５５０℃であることがより好ましい。電流ブロック層２４がアンドープＡｌＧａＩｎＰからなる場合、電流ブロック層２４の成長温度は６５０℃以下と低温であることが好ましく、５００〜５５０℃であることがより好ましい。電流ブロック層２４を低温で成長させると、電流ブロック層２４の成長時の過大な熱ストレスによる活性層１８の劣化を防止することができる。例えばＧａＩｎＮＡｓといったＧａ、Ａｓ、及びＮを含むIII−Ｖ族化合物半導体材料は熱ストレスに弱いため、このような材料からなる活性層１８を用いる場合には、低温成長可能な電流ブロック層２４を形成することが好ましい。電流ブロック層の成長時には、通常、誘電体マスク近傍の異常成長に起因する表面凹凸が形成され易い。このため、平坦性の高い第２ＤＢＲ部を形成することが困難になる可能性がある。しかしながら、誘電体マスク３４のパターン形状や電流ブロック層２４の成長条件を調整することによって、上記異常成長を回避することができる。
【００５６】
次に、図４（ｅ）に示されるように、誘電体マスク３４を除去した後、電流注入層２２及び電流ブロック層２４上にコンタクト層２６を形成する。
【００５７】
次に、図４（ｆ）に示されるように、コンタクト層２６上に、給電のための電極３２を形成する。また、ＧａＡｓ基板１２の裏面上に、給電のための電極３０を形成する。電極３２は、活性層１８から出射される光を遮断しないように、当該光が通過する領域に開口部３２ａを有することが好ましい。
【００５８】
次に、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示されるように、例えばリフトオフ法を用いて第２ＤＢＲ部２８をコンタクト層２６上に形成する。第２ＤＢＲ部２８は例えば以下のように形成される。まず、図５（ａ）に示されるように、電極３２上に、電極３２の開口部３２ａに対応する開口部Ｒ１を有するレジスト膜Ｒを形成する。その後、レジスト膜Ｒの開口部Ｒ１を埋め込むように、第２ＤＢＲ部２８のためのＤＢＲ層２８ｄを形成する。続いて、レジスト膜Ｒを剥離除去すると、ＤＢＲ層２８ｄにおけるレジスト膜Ｒ上に位置する部分も除去される。これにより、図５（ｂ）に示されるように、電極３２の開口部３２ａ内に第２ＤＢＲ部２８が形成される。このようにして、面発光型半導体光デバイス１０は製造される。
【００５９】
電流ブロック層２４がアンドープＡｌＧａＩｎＰからなると、アンドープＧａＩｎＰに比べてより高い成長温度においても十分な高抵抗特性が得られるので、より良好な結晶成長が期待できる。また、電流ブロック層２４がアンドープＡｌＧａＩｎＰからなり、且つ、電流注入層２２がＧａＩｎＰからなる場合、ＡｌＧａＩｎＰはＧａＩｎＰよりもバンドギャップエネルギーが高いので、両者のバンドギャップエネルギー差に起因して、両者の界面にヘテロ障壁が形成される。これにより、電流注入層２２へのキャリア閉じ込めが強化されるので、発振特性が改善される。また、ＡｌＧａＩｎＰはＧａＩｎＰよりも低屈折率であるので、両者の屈折率差に起因して、電流注入層２２への光閉じ込めが強化される。その結果、誘導放出が効率よく生じるので、発振特性が更に改善する。
【００６０】
なお、第２ＤＢＲ部が半導体多層膜からなる場合、電流ブロック層を第２ＤＢＲ部中に形成することも考えられる。この場合、電流ブロック層は以下のように形成される。まず、第２ＤＢＲ部を途中まで成長して成長を中断する。次に、第２ＤＢＲ部をエッチングして凹部を形成した後、その凹部内に電流ブロック層を埋め込む。その後、第２ＤＢＲ部を更に成長させる。しかしながら、第２ＤＢＲ部の成長を中断すると、例えば自然酸化膜といった想定外の構造が形成され易いので、第２ＤＢＲ部の反射率を設計通りに制御することが困難となる傾向にある。その結果、第２ＤＢＲ部の反射率をVCSEL発振に必要な９９％以上と高反射率にすることが困難になる。また、第２ＤＢＲ部をエッチングする際に、エッチングにより形成される凹部の表面に非発光センター等の欠陥が生じやすい。このような欠陥は第２ＤＢＲ部を劣化させ、素子の信頼性を損なう原因となる。特に、第２ＤＢＲ部は、通常Ａｌ組成比の高い半導体材料からなるので酸化されやすい。このため、上記欠陥が多数生じやすい。また、エッチングの際にドライエッチングを用いると、第２ＤＢＲ部が受ける加工ダメージが大きいので、更に欠陥が生じやすくなる。
【００６１】
一方、本実施形態では、第２ＤＢＲ部２８と電流ブロック層２４とが分離されているので、上記問題を回避できる。また、電流ブロック層２４は第２ＤＢＲ部２８と活性層１８との間に形成されているので、電流ブロック層２４と活性層１８との距離が近い。そのため、第２ＤＢＲ部上に電流ブロック層が形成されている場合に比べて、電流ブロック層２４によって狭窄された電流が活性層１８の延在方向に拡散して無効電流となることを効果的に抑制できる。
【００６２】
図６（ａ）〜図６（ｃ）は、第１実施形態に係る面発光型半導体光デバイスの第２製造方法の工程断面図である。
【００６３】
まず、図６（ａ）に示されるように、ＧａＡｓ基板１２上に、第１ＤＢＲ部１４、スペーサ層１６、活性層１８、スペーサ層２０、及び電流ブロック層２４のための高抵抗、アンドープの半導体層２４ａをこの順に形成する。これらの成長には、例えば有機金属気相成長法が用いられる。
【００６４】
次に、図６（ｂ）に示されるように、半導体層２４ａ上に、所定のパターン形状を有する開口部３６ａを備えた誘電体マスク３６を形成する。誘電体マスク３６は、例えばＳｉＮ、ＳｉＯ２等からなる。誘電体マスク３６の開口部３６ａのパターン形状は、任意の形状（例えば円形、方形等）とすることができる。
【００６５】
次に、図６（ｃ）に示されるように、誘電体マスク３６を用いて、開口部３６ａにおいて露出している半導体層２４ａに第２導電型のドーパントを添加する。第２導電型がｐ型の場合、ｐ型ドーパントとしては、例えばＺｎ等が挙げられる。ドーパントの添加方法としては、例えば熱拡散法、イオン注入法等が挙げられる。イオン注入には、通常、数十〜数百ｋＶの高加速電圧が使用されるので、イオンが半導体層に高速で衝突することによって半導体層に結晶欠陥が生じやすい。よって、半導体層２４ａへのダメージを低減させる観点から、ドーパントの添加方法として熱拡散法を用いることが好ましい。このようにして、ドーパントが拡散された領域に、低抵抗の電流注入層２２が形成され、更に電流注入層２２と、それを囲む高抵抗の電流ブロック層２４から成る、電流狭窄構造２３が形成される。
【００６６】
誘電体マスク３６を剥離除去した後は、図４（ｅ）、図４（ｆ）、図５（ａ）、及び図５（ｂ）に示される各工程を経ることによって、面発光型半導体光デバイス１０を製造する。
【００６７】
第１製造方法において、誘電体マスクを用いて電流ブロック層を成長する時には、誘電体マスク近傍の異常成長に起因する表面凹凸が形成される可能性がある。この場合、当該電流ブロック層上に形成される第２ＤＢＲ部の平坦性を確保することが難しい。第２ＤＢＲ部の平坦性が悪いと、高反射率が得られないと同時に、反射率の面内均一性及び再現性を悪化する。
【００６８】
しかしながら、第２製造方法では、誘電体マスク３６を用いて結晶成長を行うことがないので、上記異常成長に起因する表面凹凸が形成されない。よって、平坦な表面を有する電流狭窄構造２３上に第２ＤＢＲ部２８を形成することができる。また、電流ブロック層２４を別途成長させる必要がないので、結晶成長の回数が少なくて済む。その結果、結晶成長に関する負荷が軽減されるので、生産性が向上しコストを削減することができる。
【００６９】
なお、熱拡散やイオン注入により、第２導電型ドーパントを半導体層中に添加した場合は、添加した第２導電型ドーパントが相互拡散により添加した領域外にまで拡散し易く、従って第２導電型ドーパントが添加された領域の形状制御が難しい。これに対し、本構造では、電流ブロック層２４ａはアンドープであるため、第２導電型ドーパントとの相互拡散が生じにくい。従って、Ｆｅ等の不純物がドーピングされた電流ブロック層を用いる場合に比べて、第２導電型ドーパントを添加した際の、相互拡散による電流ブロック層側への不必要な第２導電型ドーパントの拡散を抑制できる。従って、電流注入部は第２導電型ドーパントを添加した領域の形状でほぼ決定され、電流注入部の形状制御が容易となる。これは素子特性の均一性や再現性向上に有効に寄与する。
【００７０】
（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に係る面発光型半導体光デバイスを模式的に示す断面図である。図７に示される面発光型半導体光デバイス１０ａは、面発光型半導体光デバイス１０の構成に加えて、電流狭窄構造２３とスペーサ層２０との間に設けられた第２導電型の中間層４０を更に備える。中間層４０は、例えばＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰからなる。面発光型半導体光デバイス１０ａでは、上記実施形態に係る面発光型半導体光デバイスと同様の作用効果が得られる。
【００７１】
以下、面発光型半導体光デバイス１０ａの製造方法について説明する。
【００７２】
まず、図４（ａ）に示される工程と同様に、ＧａＡｓ基板１２上に、第１ＤＢＲ部１４、スペーサ層１６、活性層１８、スペーサ層２０、中間層４０、及び電流注入層２２ａをこの順に形成する。これらの成長には、例えば有機金属気相成長法が用いられる。
【００７３】
次に、図４（ｂ）に示される工程と同様に、電流注入層２２ａ上に誘電体マスク３４を形成する。
【００７４】
次に、図４（ｃ）に示される工程と同様に、誘電体マスク３４を用いて電流注入層２２ａをエッチングする。スペーサ層２０及び電流注入層２２ａがＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰからなり、且つ、中間層４０がＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ又はＧａＩｎＡｓＰからなる場合、エッチャントとしては、例えば塩酸系エッチャントを用いることが好ましい。この場合、中間層４０のエッチングレートは電流注入層２２ａのエッチングレートよりも遅いので、中間層４０はエッチング停止層として機能する。したがって、電流注入層２２ａのエッチングレートがロット間やウェハ面内でばらついたとしても、電流注入層２２のメサ形状（メサの高さ及びメサの幅）について、良好な再現性及び良好な面内均一性が得られる。その結果、面発光型半導体光デバイス１０ａの素子特性についても、良好な再現性及び良好な均一性が得られる。
【００７５】
その後、図４（ｄ）〜図４（ｆ）、図５（ａ）、及び図５（ｂ）に示される各工程と同様の工程を経ることにより、面発光型半導体光デバイス１０ａを製造することができる。
【００７６】
なお、スペーサ層２０及び電流注入層２２ａがＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、又はＧａＩｎＡｓＰからなる場合、中間層４０はＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰからなることが好ましい。この場合、電流注入層２２ａをエッチングする際のエッチャントとしては、例えばリン酸系エッチャントを用いれば、中間層４０のエッチングレートは電流注入層２２ａのエッチングレートよりも遅いので、中間層４０はエッチング停止層として機能し、上記と同様の改善が得られる。
【００７７】
上述のように、中間層４０は、電流注入層２２をエッチングにより形成する際に、エッチング停止層として機能する。このため、電流注入層２２のメサ形状について、良好な面内均一性や再現性が得られる。よって、面発光型半導体光デバイス１０ａの特性についても、良好な面内均一性や再現性が得られる。特に、スペーサ層２０がエッチング停止層として機能しない場合に、中間層４０を用いることが好ましい。
【００７８】
（第３実施形態）
図８は、第３実施形態に係る面発光型半導体光デバイスを模式的に示す断面図である。図８に示される面発光型半導体光デバイス１０ｂは、面発光型半導体光デバイス１０の構成に加えて、電流注入層２２とスペーサ層２０との間にのみ設けられた第２導電型の中間層４２を更に備える。中間層４２は、例えば中間層４０と同様の材料からなる。本実施形態では、中間層４２が電流ブロック層２４とスペーサ層２０との間に設けられていない。面発光型半導体光デバイス１０ｂでは、上記各実施形態に係る面発光型半導体光デバイスと同様の作用効果が得られる。
【００７９】
中間層４２が電流注入層２２とスペーサ層２０との間にのみ設けられているので、中間層４２の特性を制御することにより、面発光型半導体光デバイス１０ｂの特性を改善することができる。例えば、中間層４２の材料を電流ブロック層２４の材料よりも高屈折率にすることが好ましい。具体例としては、GaInPまたはAlGaInPから成る電流ブロック層２４よりも高屈折率のGaAsを中間層４２に適用した構造を例示できる。この場合、電流注入層２２及び中間層４２が存在する中央の発光領域の実効屈折率を、その両側の電流ブロック層２４が存在する領域の実効屈折率よりも高くできるので、光を発光領域により強く閉じ込めることができる。その結果、面発光型半導体光デバイス１０ｂの発振特性を改善することができる。
【００８０】
以下、面発光型半導体光デバイス１０ｂの製造方法について説明する。
【００８１】
まず、面発光型半導体光デバイス１０ａの製造方法と同様に、電流注入層２２ａ上に誘電体マスク３４を形成する（図４（ａ）〜図４（ｃ）参照）。
【００８２】
その後、誘電体マスク３４を用いて、電流注入層２２ａ及び中間層４０をエッチングすることにより、電流注入層２２及び中間層４２を形成する。スペーサ層２０及び電流注入層２２ａがＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰからなり、且つ、中間層４０がＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ又はＧａＩｎＡｓＰからなる場合、電流注入層２２ａをエッチングする際のエッチャントとしては、例えば塩酸系エッチャントを用いることが好ましい。中間層４０をエッチングする際のエッチャントとしては、例えばリン酸系エッチャントを用いることが好ましい。この場合、電流注入層２２aのエッチングレートは中間層４０のエッチングレートよりも速いので、電流注入層２２aのエッチング時に、中間層４０はエッチング停止層として機能する。また中間層４０のエッチングレートはスペーサ層２０のエッチングレートよりも速いので、中間層４０のエッチング時に、スペーサ層２０はエッチング停止層として機能する。従って、電流注入層２２と中間層４２から成るメサの形状に関し、良好な面内均一性と再現性が得られる。
【００８３】
その後、図４（ｄ）〜図４（ｆ）、図５（ａ）、及び図５（ｂ）に示される各工程を経ることによって、面発光型半導体光デバイス１０ｂを製造することができる。
【００８４】
なお、スペーサ層２０及び電流注入層２２ａがＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、又はＧａＩｎＡｓＰからなる場合、中間層４０はＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰからなることが好ましい。この場合、電流注入層２２ａをエッチングする際のエッチャントとしては、例えばリン酸系エッチャントを用いることが好ましい。また、中間層４０をエッチングする際のエッチャントとしては、例えば塩酸系エッチャントを用いることが好ましい。この場合も中間層４０やスペーサ層２０がエッチング停止層として機能するため、メサの形状に関し、良好な面内均一性と再現性が得られる。
【００８５】
（第４実施形態）
図９は、第４実施形態に係る面発光型半導体光デバイスを模式的に示す断面図である。図９に示される面発光型半導体光デバイス５０は、面発光型半導体光デバイス１０の構成において、スペーサ層１６、活性層１８、スペーサ層２０、及び電流ブロック層２４に代えて、メサ状のスペーサ層５６、メサ状の活性層５８、メサ状のスペーサ層６０、及び電流ブロック層５４を備える。スペーサ層５６、活性層５８、スペーサ層６０、及び電流ブロック層５４は、それぞれスペーサ層１６、活性層１８、スペーサ層２０、及び電流ブロック層２４と同様の材料からなる。電流注入層２２及び電流ブロック層５４は、電流狭窄構造５３を構成する。電流ブロック層５４は、スペーサ層５６の側面上、活性層５８の側面上、スペーサ層６０の側面上、及び電流注入層２２の側面上に設けられている。
【００８６】
面発光型半導体光デバイス５０では、上記各実施形態に係る面発光型半導体光デバイスと同様の作用効果が得られる。さらに、電流ブロック層５４が活性層５８の側面上に設けられているので、電流ブロック層５４によって電流が活性層５８中に閉じ込められる。よって、電流が活性層５８の延在方向に拡散して無効電流となるとなることを効果的に抑制できる。また、ＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰからなる電流ブロック層５４の屈折率は、通常、活性層５８の屈折率よりも低い。このため、屈折率差により、光は活性層５８内に強く閉じ込められる。光及び電流の両方を活性層５８中に強く閉じ込めることができるので、例えば、誘導放出が効率よく生じ、閾値電流が低く、高効率の面発光半導体レーザを得ることができる。さらに、電流ブロック層５４を厚くできるので、素子容量が低減され更に高速動作が可能な面発光型半導体光デバイス５０が得られる。
【００８７】
第１〜第３実施形態に係る面発光型半導体光デバイス１０，１０ａ，１０ｂでは、電極３０，３２から注入されるキャリアの一部は、スペーサ層１６，２０及び活性層１８において活性層１８の延在方向に拡散して無効電流となる傾向にある。このような無効電流は発振に寄与しない。一方、本実施形態に係る面発光型半導体光デバイス５０では、電極３０，３２から注入されるキャリアが電流ブロック層５４に挟まれた活性層５８中に閉じ込められる。このため、上記無効電流が低減される。
【００８８】
また、第１〜第３実施形態に係る面発光型半導体光デバイス１０，１０ａ，１０ｂでは、スペーサ層１６，２０及び活性層１８において活性層１８の延在方向に屈折率差が存在しない。一方、本実施形態に係る面発光型半導体光デバイス５０では、ＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰからなる電流ブロック層５４は、通常、活性層５８よりも低屈折率である。よって、両者の屈折率差によって、面発光型半導体光デバイス１０，１０ａ，１０ｂに比べて光をより強く活性層５８中に閉じ込めることができる。
【００８９】
したがって、本実施形態に係る面発光型半導体光デバイス５０では、電流及び光を活性層５８中に強く閉じ込めることができる。その結果、誘導放出が効率よく生じるので、低閾値電流、高効率のＶＣＳＥＬを容易に実現できる。
【００９０】
さらに、本実施形態に係る面発光型半導体光デバイス５０では、第１〜第３実施形態に係る面発光型半導体光デバイス１０，１０ａ，１０ｂに比べて電流ブロック層５４を厚くすることができるので、素子容量をより低減することができる。その結果、面発光型半導体光デバイス５０の更なる高速動作が可能になる。
【００９１】
図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、第４実施形態に係る面発光型半導体光デバイスの第１製造方法の工程断面図である。
【００９２】
まず、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示される各工程を経ることによって、電流注入層２２ａ上に誘電体マスク３４を形成する。
【００９３】
次に、図１０（ａ）に示されるように、誘電体マスク３４を用いて電流注入層２２ａ、スペーサ層２０、活性層１８、及びスペーサ層１６をエッチングする。これにより、メサ状の電流注入層２２、メサ状のスペーサ層６０、メサ状の活性層５８、及びメサ状のスペーサ層５６が形成される。
【００９４】
エッチングとしては、例えばウェットエッチングが挙げられる。スペーサ層１６，２０及び電流注入層２２ａがＧａＩｎＰまたはAlGaInPからなる場合、これらは塩酸系エッチャントを用いてエッチングされる。活性層１８がＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓからなる場合、活性層１８はリン酸系エッチャントを用いてエッチングされる。ここで、第１ＤＢＲ部１４の最上層（本実施形態では半導体層１４ｂであるが半導体層１４ａとしてもよい。）は、容易に酸化されるAlを含むＡｌＡｓ層からなるよりもＧａＡｓ層からなる方が好ましい。何故なら、最上層がＡｌＡｓからなる場合、スペーサ層１６をエッチングした後にAlAs層が露出し、すぐに酸化されて多数の欠陥が生じ、結晶性が悪化すると同時に、酸化されたAlAs表面上に半導体埋め込み層５４を良好に再成長するのが困難となる可能性があるためである。また、最上層がＧａＡｓからなる場合、塩酸系エッチャントに対する最上層のエッチングレートが十分に遅いので、最上層がエッチング停止層として機能する。その結果、電流注入層２２、スペーサ層６０、活性層５８、及びスペーサ層５６からなるメサの形状について、良好な再現性及び面内均一性が得られる。その結果、面発光型半導体光デバイス５０の素子特性についても、良好な再現性及び面内均一性が得られる。
【００９５】
次に、図１０（ｂ）に示されるように、誘電体マスク３４を用いて電流ブロック層５４を第１ＤＢＲ部１４上に選択成長させる。このようにして、電流狭窄構造５３が形成される。電流ブロック層５４がアンドープＧａＩｎＰからなる場合、電流ブロック層５４の成長温度は６００℃以下と低温であることが好ましく、５００〜５５０℃であることがより好ましい。電流ブロック層５４がアンドープＡｌＧａＩｎＰからなる場合、電流ブロック層５４の成長温度は６５０℃以下と低温であることが好ましく、５００〜５５０℃であることがより好ましい。電流ブロック層５４を低温で成長させると、電流ブロック層５４の成長時の過大な熱ストレスによる活性層５８の劣化を防止することができる。例えばＧａＩｎＮＡｓといったＧａ、Ａｓ、及びＮを含むIII−Ｖ族化合物半導体材料は熱ストレスに弱いため、このような材料からなる活性層５８を用いる場合には、低温成長可能な電流ブロック層５４を形成することが好ましい。電流ブロック層５４の成長時には、誘電体マスク３４近傍の異常成長に起因する表面凹凸が形成される可能性がある。この場合、平坦な第２ＤＢＲ部を形成することが困難になる場合がある。しかしながら、上記異常成長を生じさせないように、誘電体マスクのパターン形状や電流ブロック層の成長条件を調整することができる。
【００９６】
誘電体マスク３４を剥離除去した後は、図４（ｅ）、図４（ｆ）、図５（ａ）、及び図５（ｂ）に示される各工程と同様の工程を経ることによって、図１０（ｃ）に示される面発光型半導体光デバイス５０を製造する。
【００９７】
上記第１製造方法では、誘電体マスク３４を用いて活性層１８等をエッチングする際に、第１ＤＢＲ部１４をエッチングすることが考えられる。この場合、第１ＤＢＲ部１４がＡｌを含む半導体層を有していると、エッチングにより露出する面が酸化されやすくなる。そのため、電流ブロック層と第１ＤＢＲ部との界面にＡｌの酸化に起因する欠陥が生じる。この欠陥は、信頼性等の素子特性を損なう原因となりやすい。よって、第１ＤＢＲ部１４をエッチングしない方が好ましい。
【００９８】
図１１（ａ）〜図１１（ｆ）は、第４実施形態に係る面発光型半導体光デバイスの第２製造方法の工程断面図である。
【００９９】
まず、図１１（ａ）に示されるように、ＧａＡｓ基板１２上に、第１ＤＢＲ部１４、スペーサ層１６、活性層１８、及びスペーサ層２０をこの順に形成する。これらの成長には、例えば有機金属気相成長法が用いられる。
【０１００】
次に、図１１（ｂ）に示されるように、スペーサ層２０上に誘電体マスク３４を形成する。
【０１０１】
次に、図１１（ｃ）に示されるように、誘電体マスク３４を用いて、スペーサ層２０、活性層１８、及びスペーサ層１６をエッチングする。これにより、メサ状のスペーサ層６０、メサ状の活性層５８、及びメサ状のスペーサ層５６が形成される。
【０１０２】
次に、図１１（ｄ）に示されるように、スペーサ層６０、活性層５８、及びスペーサ層５６からなるメサを覆うように、第１ＤＢＲ部１４上に電流ブロック層５４のための高抵抗、アンドープの電流ブロック層５４ａを形成する。
【０１０３】
次に、電流ブロック層５４ａ上に誘電体マスク３６を形成する。誘電体マスク３６の開口部３６ａには、メサの頂面が露出している。その後、図１１（ｅ）に示されるように、誘電体マスク３６を用いて、開口部３６ａに露出している電流ブロック層５４ａの一部に第２導電型のドーパントを添加する。第２導電型がｐ型の場合、ｐ型ドーパントとしては、例えばＺｎ等が挙げられる。ドーパントの添加方法としては、例えばイオン注入法や熱拡散法等が用いられる。このようにして、ドーパントが拡散された領域に、低抵抗の電流注入層２２が形成され、更に電流注入層２２と、それを囲む高抵抗の電流ブロック層５４から成る、電流狭窄構造５３が形成される。
【０１０４】
誘電体マスク３６を剥離除去した後は、図４（ｅ）、図４（ｆ）、図５（ａ）、及び図５（ｂ）に示される各工程と同様の工程を経ることによって、図１１（ｆ）に示される面発光型半導体光デバイス５０を製造する。
【０１０５】
第１製造方法において、誘電体マスク３４を用いて電流ブロック層５４を成長する時には、誘電体マスク３４近傍の異常成長に起因する表面凹凸が形成される可能性がある。この場合、当該電流ブロック層上に形成される第２ＤＢＲ部２８の平坦性を確保することが難しい。第２ＤＢＲ部２８の平坦性が悪いと、高反射率が得られないと同時に、反射率の面内均一性及び再現性が悪化する。
【０１０６】
しかしながら、第２製造方法では、誘電体マスク３６を用いて結晶成長を行うことがないので、上記異常成長に起因する表面凹凸が形成されない。よって、平坦な表面を有する電流狭窄構造５３上に第２ＤＢＲ部２８を形成することができる。
【０１０７】
なお、熱拡散やイオン注入により、第２導電型ドーパントを半導体層中に添加した場合は、添加した第２導電型ドーパントが相互拡散により添加した領域外にまで拡散し易く、従って第２導電型ドーパントが添加された領域の形状制御が難しい。これに対し、本構造では、電流ブロック層５４aはアンドープであるため、第２導電型ドーパントとの相互拡散が生じにくい。従って、Fe等の不純物がドーピングされた電流ブロック層を用いる場合に比べて、第２導電型ドーパントを添加した際の、相互拡散による電流ブロック層側への不必要な第２導電型ドーパントの拡散を抑制できる。従って、電流注入部は第２導電型ドーパントを添加した領域の形状でほぼ決定され、電流注入部の形状制御が容易となる。これは素子特性の均一性や再現性向上に有効に寄与する。
【０１０８】
（第５実施形態）
図１２は、第５実施形態に係る面発光型半導体光デバイスを模式的に示す断面図である。図１２に示される面発光型半導体光デバイス５０ａは、面発光型半導体光デバイス５０の構成に加えて、電流狭窄構造５３及びスペーサ層５６と第１ＤＢＲ部１４との間に設けられた第１導電型の中間層４０を更に備える。面発光型半導体光デバイス５０ａでは、上記各実施形態に係る面発光型半導体光デバイスと同様の作用効果が得られる。
【０１０９】
以下、面発光型半導体光デバイス５０ａの製造方法について説明する。
【０１１０】
まず、図４（ａ）に示される工程と同様に、ＧａＡｓ基板１２上に、第１ＤＢＲ部１４、中間層４０、スペーサ層１６、活性層１８、スペーサ層２０、及び電流注入層２２ａをこの順に形成する。これらの成長には、例えば有機金属気相成長法が用いられる。
【０１１１】
次に、図４（ｂ）に示される工程と同様に、電流注入層２２ａ上に誘電体マスク３４を形成する。
【０１１２】
次に、図１０（ａ）に示される工程と同様に、誘電体マスク３４を用いて電流注入層２２ａ、スペーサ層２０、活性層１８、及びスペーサ層１６をエッチングする。これにより、メサ状の電流注入層２２、メサ状のスペーサ層６０、メサ状の活性層５８、及びメサ状のスペーサ層５６が形成される。
【０１１３】
エッチングとしては、例えばウェットエッチングが挙げられる。電流注入層２２aがAlGaInP、またはＧａＩｎＰからなる場合、電流注入層２２aは塩酸系エッチャントを用いてエッチングされる。スペーサ層１６，２０がＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、又はＧａＩｎＡｓＰからなり、活性層１８がＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓからなる場合、活性層１８及びスペーサ層１６，２０はリン酸系エッチャントを用いてエッチングされる。ここで、中間層４０がＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰからなる場合、リン酸系エッチャントに対する中間層４０のエッチングレートは十分に遅いので、スペーサ層１６のエッチングに際して、中間層４０はエッチング停止層として機能する。その結果、電流注入層２２、スペーサ層６０、活性層５８、及びスペーサ層５６からなるメサの形状について、良好な再現性及び面内均一性が得られる。その結果、面発光型半導体光デバイス５０aの素子特性についても、良好な再現性及び面内均一性が得られる。
【０１１４】
その後、図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）に示される工程と同様の工程を経ることによって、面発光型半導体光デバイス５０ａを製造することができる。
【０１１５】
なお、スペーサ層１６，２０及び電流注入層２２ａがＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰからなる場合、中間層４０はＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、又はＧａＩｎＡｓＰからなることが好ましい。この場合、スペーサ層１６，２０及び電流注入層２２ａをエッチングする際のエッチャントとしては、例えば塩酸系エッチャントを用いることが好ましい。また、活性層１８がＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓからなる場合、活性層１８をエッチングする際のエッチャントとしては、例えばリン酸系エッチャントを用いることが好ましい。この場合、塩酸系エッチャントを用いてスペーサ層１６をエッチングする際に、中間層４０がエッチング停止層として機能し、上記と同様の改善が得られる。
【０１１６】
上述のように、中間層４０は、スペーサ層１６をエッチングする際に、エッチング停止層として機能する。このため、電流注入層２２、スペーサ層６０、活性層５８、及びスペーサ層５６からなるメサの形状について、良好な再現性が得られる。よって、面発光型半導体光デバイス５０ａの特性についても、良好な再現性が得られる。特に、第１ＤＢＲ部１４がエッチング停止層として機能しない場合に、中間層４０を用いることが好ましい。
【０１１７】
（第６実施形態）
図１３は、第６実施形態に係る面発光型半導体光デバイスを模式的に示す断面図である。図１３に示される面発光型半導体光デバイス５０ｂは、面発光型半導体光デバイス５０の構成に加えて、第１ＤＢＲ部１４とスペーサ層５６との間にのみ設けられた第１導電型の中間層４２を更に備える。本実施形態では、中間層４２が電流ブロック層５４と第１ＤＢＲ部１４との間に設けられていない。面発光型半導体光デバイス５０ｂでは、上記各実施形態に係る面発光型半導体光デバイスと同様の作用効果が得られる。
【０１１８】
以下、面発光型半導体光デバイス５０ｂの製造方法について説明する。
【０１１９】
まず、面発光型半導体光デバイス５０ａの製造方法と同様に、電流注入層２２ａ上に誘電体マスク３４を形成する（図４（ａ）〜図４（ｂ）参照）。その後、図１０（ａ）に示されるように、誘電体マスク３４を用いて電流注入層２２a、スペーサ層１６、２０、及び活性層１８をエッチングする。
【０１２０】
続いて、誘電体マスク３４を用いて中間層４０をエッチングする。中間層４０がGaInPまたはAlGaInPからなる場合、中間層４０をエッチングする際のエッチャントとしては、例えば塩酸系エッチャントを用いることが好ましい。この場合、中間層４０のエッチングレートは第１ＤＢＲ部１４の最上層（例えばＧａＡｓ層）のエッチングレートよりも速いので、第１ＤＢＲ部１４はエッチング停止層として機能する。その結果、電流注入層２２、スペーサ層６０、活性層５８、スペーサ層５６、及び中間層４２からなるメサの形状について、良好な再現性及び面内均一性が得られる。その結果、面発光型半導体光デバイス５０bの素子特性についても、良好な再現性及び面内均一性が得られる。
【０１２１】
本素子構造においては、中間層４２が第１ＤＢＲ部１４とスペーサ層５６との間にのみ設けられているので、面発光型半導体光デバイス１０ｂの場合と同様に、中間層４２の特性を制御することにより、面発光型半導体光デバイス１０ｂの特性を改善することができる。例えば中間層４２に、電流ブロック層５４よりも高屈折率の材料を用いれば、光を発光領域により強く閉じ込めることができ、より良好な発振特性が得られる。
【０１２２】
その後、図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）に示される工程と同様の工程を経ることによって、面発光型半導体光デバイス５０ｂを製造することができる。
【０１２３】
なお、以上の各実施例において、第２ＤＢＲ部２８に第２導電型の導電性を有する半導体多層膜を用いる場合は、上部電極３２は第２ＤＢＲ部２８上に形成しても良い。この場合、第２ＤＢＲ部２８は第２導電型を有するため、第２ＤＢＲ部２８を経由して電流注入を行うことが可能となる。但しこの場合は、第２ＤＢＲ部２８からの光の取り出しを妨げない形状に、上部電極３２を加工する必要がある。
【０１２４】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。
【０１２５】
例えば、上記各実施形態において、面発光型半導体光デバイスとしては、ＶＣＳＥＬの他に、光変調器、光増幅器、光スイッチ等が挙げられる。また、上記各実施形態において、電極３２は、半導体材料からなる第２ＤＢＲ部２８上に設けられてもよい。また、第１〜第３実施形態において、電流狭窄構造２３は、活性層１８と第１ＤＢＲ部１４との間に配置されてもよい。第４〜第６実施形態において、電流注入層２２は、活性層５８と第１ＤＢＲ部１４との間に配置されてもよい。また、上記各実施形態において、スペーサ層を設けなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】第１実施形態に係る面発光型半導体光デバイスを模式的に示す断面図である。
【図２】低温成長によるＧａＩｎＰの高抵抗化を検証するための測定サンプルを模式的に示す断面図である。
【図３】（ａ）は、５００℃で成長されたアンドープＧａＩｎＰを含むサンプルにおける印加電圧と抵抗率との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、５５０℃で成長されたアンドープＧａＩｎＰを含むサンプルにおける印加電圧と抵抗率との関係を示すグラフである。
【図４】（ａ）〜（ｆ）は、第１実施形態に係る面発光型半導体光デバイスの第１製造方法の工程断面図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、第１実施形態に係る面発光型半導体光デバイスの第１製造方法の工程断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、第１実施形態に係る面発光型半導体光デバイスの第２製造方法の工程断面図である。
【図７】第２実施形態に係る面発光型半導体光デバイスを模式的に示す断面図である。
【図８】第３実施形態に係る面発光型半導体光デバイスを模式的に示す断面図である。
【図９】第４実施形態に係る面発光型半導体光デバイスを模式的に示す断面図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、第４実施形態に係る面発光型半導体光デバイスの第１製造方法の工程断面図である。
【図１１】（ａ）〜（ｆ）は、第４実施形態に係る面発光型半導体光デバイスの第２製造方法の工程断面図である。
【図１２】第５実施形態に係る面発光型半導体光デバイスを模式的に示す断面図である。
【図１３】第６実施形態に係る面発光型半導体光デバイスを模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【０１２７】
１０，１０ａ，１０ｂ，５０，５０ａ，５０ｂ…面発光型半導体光デバイス、１２…ＧａＡｓ基板、１４…第１ＤＢＲ部、１８，５８…活性層、２２，２２ａ…電流注入層、２４，５４，５４ａ…電流ブロック層、２８…第２ＤＢＲ部、４０，４２…中間層。
【図１】
2008243954.tif 000003
【図２】
2008243954.tif 000004
【図３】
2008243954.tif 000005
【図４】
2008243954.tif 000006
【図５】
2008243954.tif 000007
【図６】
2008243954.tif 000008
【図７】
2008243954.tif 000009
【図８】
2008243954.tif 000010
【図９】
2008243954.tif 000011
【図１０】
2008243954.tif 000012
【図１１】
2008243954.tif 000013
【図１２】
2008243954.tif 000014
【図１３】
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