(57)【要約】【課題】複数の波長のレーザ光を高精度に再現性よく発振することが可能な面発光型半導体素子を提供する。【解決手段】半導体基板１０と、半導体基板１０の表面上に設けられた第１反射鏡１２と、第１反射鏡１２上に設けられ、発光領域１９を有する活性層１８と、活性層１８上に設けられ、活性層１８を挟んで第１反射鏡１２の対向する面との間で発光領域１９の発光の利得スペクトル幅において単一の共振モードでレーザ発振可能な第１共振器を規定する面を有する第２反射鏡２４と、半導体基板１０の裏面上に設けられ、半導体基板１０を挟んで第１反射鏡１２の対向する面との間で利得スペクトル幅において複数の共振モードでレーザ発振可能な第２共振器を規定する面を有する第３反射鏡３８とを備える。【選択図】図２
2008071829.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１反射鏡と、
前記第１反射鏡上に設けられた発光領域と、
前記発光領域を挟んで前記第１反射鏡との間で前記発光領域からの発光の利得スペクトル幅において単一の共振モードで発振可能な第１共振器をなす第２反射鏡と、
前記第１反射鏡の下方に設けられ、前記第１反射鏡との間で前記利得スペクトル幅において複数の共振モードで発振可能な第２共振器をなす第３反射鏡
とを備えることを特徴とする面発光型半導体素子。
【請求項２】
前記第１反射鏡が、第１半導体層、及び前記第１半導体層と異なる屈折率を有する第２半導体層を交互に積層した半導体多層膜であることを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体素子。
【請求項３】
前記の第１反射鏡が、前記第１共振器で規定される発振波長において、９７％以上、９９．９％未満の反射率を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光型半導体素子。
【請求項４】
前記第３反射鏡が、金属膜であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の面発光型半導体素子。
【請求項５】
前記第３反射鏡が、金を主成分とする金属材料膜であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の面発光型半導体素子。
【請求項６】
前記第３反射鏡が、第1誘電体層、及び前記第１誘電体層と異なる屈折率を有する第２誘電体層を交互に積層した誘電体多層膜であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の面発光型半導体素子。
【請求項７】
前記第１反射鏡及び前記発光領域の間に設けられた第１クラッド層と、
前記発光領域及び前記第２反射鏡の間に設けられた第２クラッド層と、
前記第２反射鏡上に設けられたコンタクト層と、
前記第１クラッド層及び前記コンタクト層のそれぞれの表面に設けられ、前記発光領域に電流を注入する一対の電極
とを、更に備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の面発光型半導体素子。
【請求項８】
前記金属膜が、レーザ光を出射するための開口部を有することを特徴とする請求項４に記載の面発光型半導体素子。
【請求項９】
前記第３反射鏡が、前記第１反射鏡の下方に配置された高抵抗基板に設けられることを特徴とする請求項８に記載の面発光型半導体素子。
【請求項１０】
前記高抵抗基板が、ガリウム砒素からなることを特徴とする請求項９に記載の面発光型半導体素子。
【請求項１１】
前記発光領域が、ガリウム、インディウム、砒素、及び窒素の中の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の面発光型半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光型半導体素子に関し、特に、複合共振器を有する面発光型半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザや半導体発光ダイオード等の半導体発光素子は、光通信分野をはじめとして、コンパクトディスク（ＣＤ）やデジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）等の光ディスクシステム、或いはバーコード・リーダ等において、広く使用されている。こうした光通信、光記録等の技術分野において、光源の２次元アレイ化が容易である垂直共振器型表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の要求が高まっている。
【０００３】
歴史的には、初期の半導体レーザはいわゆる「端面発光型」と呼ばれ、半導体基板を切断した側面から発光するものである。一方、近年、半導体ウエハの表面から発光するＶＣＳＥＬが、２桁程度も低い電流で発振し、かつ低電圧や高速変調動作可能といった高性能な素子を低コストで実現できることから、革新的なレーザ光源として注目されている。ＶＣＳＥＬの研究開発は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を用いた近赤外域の波長０．８５μｍのレーザ光を発する素子が先行し、すでに実用化されている。近年、ギガビットイーサネット（登録商標）やファイバチャネル等の高速光データ通信用の光源としての強いニーズにより、国内外の多くの大手企業、ベンチャー企業から０．８５μｍ帯ＶＣＳＥＬの市販化が相次いでいる。
【０００４】
しかしながら、この波長帯の素子では、実用上の伝送距離が数百ｍ程度に限られるため、１ｋｍ以上の伝送を狙って、波長１μｍ以上の光通信波長、例えば１．３μｍ帯、又は１．５５μｍ帯のＶＣＳＥＬの研究開発が国内外で活発に行われている。このような光通信波長帯のＶＣＳＥＬでは、構成要素である発光領域（活性層）などを既存の半導体材料系で実現することが困難であるため、技術的ブレークスルーを求めていろいろな材料や構造が提案されてきている。光通信に用いる光源は、素子それ自体が安価であると同時に、特別な光学系や駆動系を必要としないこと、小型・軽量であること等を満足する必要がある。このような特徴を兼ね備えたＶＣＳＥＬは、短距離のみならず、長距離光通信用の光源としても、有力な選択肢のひとつとなっている。
【０００５】
また、ＶＣＳＥＬ以外にも表面発光型のレーザとして、複合共振器を有する表面発光型のレーザが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。提案された複合共振器型面発光レーザは、下部反射鏡と中間反射鏡で能動共振器、及び中間反射鏡と出力反射鏡で受動共振器を備える。複合共振器型面発光レーザはＶＣＳＥＬに比べて、素子作製は複雑で高価になるが、ビーム径を大きくでき、高出力の単一モードレーザを実現できるという利点を持つ。
【０００６】
近年、データを高速かつ大量に処理する、波長多重光通信（ＷＤＭ）方式等の通信方式が長距離光通信において開発されてきた。ＷＤＭ方式には異なる波長を有する複数のレーザ光が必要となる。このため、（イ）分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ素子群から、所望の波長のレーザ光を発振する素子を選択抽出する方法、（ロ）外付けの回折格子のピッチを連続的又は段階的に変化させて、連続的又は段階的に変化した波長を有するレーザ群を作製した後、レーザ群を分断して作製した個別の素子から所望の波長のレーザ光を発振する素子を選択抽出する方法、（ハ）波長掃引レーザによって所望の波長のレーザ光を発振させる方法、（ニ）波長変換によって所望の波長を有するレーザ光を発振させる方法等により、複数の波長のレーザ光を発振するレーザ列の発光源を得ている。
【０００７】
高密度ＷＤＭ方式においては、使用するレーザ光の波長の絶対値を特定する必要がある。しかしながら、上述したような方法においては、技術的な問題及びコスト的な問題から、要求される複数の波長のレーザ光を高精度に再現性よく得ることができず、レーザ光の波長の絶対値を正確に特定することができないという問題がある。例えば、上述した（イ）の方法においては、多数の素子群から所望の素子を手作業によって選択しなければならない。（ロ）の方法においても、ストライプレーザを密に配列したマイクロチャンネルレーザが報告されているが、現状では、分断して得た複数の素子から所望の素子を選択する方法が採られている。（ハ）の方法においては、外部共振器などの大型かつ高価な装置が必要となるため、レーザ装置が大型化するとともにコスト高となってしまう。この点に関し、マイクロメカニクスを用いる波長掃引型ＶＣＳＥＬが報告されているが、構造が複雑であるとともに機械的強度も不十分であることから、実用的ではない。また、（ニ）の方法は未だ研究の段階であり、実用化にはさらにかなりの時間を要するのが現状である。
【特許文献１】米国特許第６７７８５８２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、複数の波長のレーザ光を高精度に再現性よく発振することが可能な面発光型半導体素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、（イ）第１反射鏡と、（ロ）第１反射鏡上に設けられた発光領域と、（ハ）発光領域を挟んで第１反射鏡との間で発光領域からの発光の利得スペクトル幅において単一の共振モードで発振可能な第１共振器をなす第２反射鏡と、（ニ）第１反射鏡の下方に設けられ、前記第１反射鏡との間で利得スペクトル幅において複数の共振モードで発振可能な第２共振器をなす第３反射鏡とを備える面発光型半導体素子が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、複数の波長のレーザ光を高精度に再現性よく発振することが可能な面発光型半導体素子を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１２】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施形態に係る面発光型半導体素子としての面発光型半導体レーザは、図１及び図２に示すように、半導体基板１０、第１反射鏡１２、活性層１８、第２反射鏡２４、第３反射鏡３８等を備える。第１反射鏡１２は、半導体基板１０の表面上に設けられる。活性層１８は、第１反射鏡１２上に設けられ、発光領域１９を有する。第２反射鏡２４は、活性層１８上に設けられる。活性層１８を挟んで対向する第１及び第２反射鏡１２、２４により、発光領域１９からの発光の利得スペクトル幅において単一の共振モードで発振可能な第１共振器が規定される。第３反射鏡３８は、第１反射鏡１２の下方の半導体基板１０の裏面上に設けられる。半導体基板１０を挟んで対向する第１及び第３反射鏡１２、３８により、発光領域１９からの発光の利得スペクトル幅において複数の共振モードで発振可能な第２共振器が規定される。
【００１３】
また、第１反射鏡１２及び活性層１８の間に第１クラッド層１６が設けられる。活性層１８及び第２反射鏡２４の間に第２クラッド層２０が設けられる。第２反射鏡２４上にコンタクト層２６が設けられる。コンタクト層２６表面上の保護膜２８から第１反射鏡１２に至る溝３２にフィラーが充填された環状の分離領域３４が設けられる。分離領域３４で囲まれた領域により、半導体レーザの素子領域３５が規定される。
【００１４】
第２クラッド層２０及び第２反射鏡２４の間に、半導体層２２を環状に囲む電流狭窄部２２ａが設けられる。半導体層２２に対応して、活性層１８に発光領域１９が規定される。素子領域３５では、保護膜２８上からコンタクト層２６表面に接する環状の電極３０が設けられる。電極３０は、分離領域３４及び保護膜２８上に設けられた引き出し配線３０ａにより、素子領域３５の外側に設けられたパッド３０ｂに接続される。また、コンタクト層２６の表面が露出するように電極３０で囲まれた開口部４０が、発光領域１９の上方に設けられる。第１反射鏡１２の一部及び第２反射鏡２４と分離領域３４との間に、酸化膜４２及び４４がそれぞれ設けられる。
【００１５】
例えば、半導体基板１０は、面方位が（１００）のｎ型砒化ガリウム（ＧａＡｓ）である。第１反射鏡１２は、図３に示すように、半導体基板１０上に第１半導体層６２ａ、６２ｂ、・・・、６２ｎ及び第１半導体層６２ａ〜６２ｎと異なる屈折率を有する第２半導体層６４ａ、６４ｂ、・・・、６４ｎを、それぞれの光学膜厚がレーザ波長の１／４となる厚さで交互に積層した半導体多層膜である。ここで、光学膜厚は、膜の屈折率と物理膜厚との積で定義される。例えば、第１半導体層６２ａ〜６２ｎは、屈折率が約３．６のｎ型ＧａＡｓである。第２半導体層６４ａ〜６４ｎは、ＧａＡｓより低屈折率のｎ型砒化アルミニウムガリウム（ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ）（０＜ｙ＜１）、例えば、アルミニウム組成比ｙが０．９のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓである。第１及び第２半導体層６２ａ〜６２ｎ、６４ａ〜６４ｎのｎ型不純物として、シリコン（Ｓｉ）を用い、不純物濃度は、約２×１０１８ｃｍ−３である。
【００１６】
第２反射鏡２４は、図４に示すように、半導体層２２上に第１半導体層６６ａ、６６ｂ、・・・、６６ｍ及び第１半導体層６６ａ〜６６ｍと異なる屈折率を有する第２半導体層６８ａ、６８ｂ、・・・、６８ｍを、それぞれの光学膜厚がレーザ波長の１／４となる厚さで交互に積層した半導体多層膜である。例えば、第１半導体層６６ａ〜６６ｍは、ｐ型ＧａＡｓである。第２半導体層６８ａ〜６８ｍは、ＧａＡｓより低屈折率のｐ型ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ＜１）、例えば、アルミニウム組成比ｙが０．９のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓである。第１及び第２半導体層６６ａ〜６６ｍ、６８ａ〜６８ｍのｐ型不純物として、炭素（Ｃ）を用い、不純物濃度は、半導体層２２側で約２×１０１８ｃｍ−３、コンタクト層２６側で約１×１０１９ｃｍ−３となるように傾斜させてある。
【００１７】
第１クラッド層１６は、ｎ型燐化ガリウムインディウム（ＧａＩｎＰ）である。第２クラッド層２０は、ｐ型ＧａＩｎＰである。発光領域１９をなす活性層１８は、図５に示すように、第１クラッド層１６上のバリア層７０、バリア層７０上の量子井戸層７２、及び量子井戸層７２上のバリア層７４を備える。量子井戸層７２は、発光ピーク波長が約１μｍとなるように調整された砒化ガリウムインディウム（ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓ）（０≦ｘ≦１）である。量子井戸層７２は、Ｉｎ組成比（１−ｘ）が約０．１８〜約０．２の範囲で、厚さが約７ｎｍである。
【００１８】
半導体層２２には、第２反射鏡２４の第２半導体層６８ａ〜６８ｍに用いられるＡｌｙＧａ１−ｙＡｓよりＡｌ組成比ｚの大きいＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（ｚ≧０．９８）が用いられる。例えば、第１の実施の形態では、半導体層２２として、ＡｌＡｓ層を用いる。電流狭窄部２２ａは、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分とする酸化膜である。また、酸化膜４２、４４も、Ａｌ２Ｏ３を主成分とする酸化膜である。
【００１９】
コンタクト層２６は、ｐ型不純物としてＣを用いたｐ型ＧａＡｓであり、不純物濃度は、約２×１０１９ｃｍ-３である。保護膜２８は、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）等の絶縁膜である。電極３０（ｐ側電極）、引き出し配線３０ａ、及びパッド３０ｂには、チタン（Ｔｉ）−白金（Ｐｔ）−金（Ａｕ）等の金属膜が用いられる。第３反射鏡３８には、Ａｕ等の金属膜が用いられる。第３反射鏡３８はｎ側電極としても用いられ、電極３０と共に電流狭窄部２２ａにより狭窄された駆動電流を発光領域１９に注入する。開口部４０は、電流狭窄部２２ａの開口部及び発光領域１９に比べて大きな直径を有する。発光領域１９で発振したレーザ光は、開口部４０から出力される。
【００２０】
第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザは、第３反射鏡３８を適切に設けることにより、第１及び第２共振器を有する複合共振器型のレーザとして動作するようになる。図６に示すように、第１及び第２反射鏡１２、２４の対向する面で規定される第１共振器の共振器長をＬ１、第１及び第３反射鏡１２、３８の対向する面で規定される第２共振器の共振器長をＬ２とする。フォトルミネセンス等の測定で得られる活性層１８の発光の利得スペクトル、並びに第１及び第２共振器の共振特性は、図７に示すように、駆動電流により変化する。利得スペクトルのピークと第１及び第２共振器の共振モード（縦モード）の重なりが大きいときに半導体レーザは発振する。利得スペクトルは、縦モードに比べて、駆動電流の変動に対して大きく変化し、また、第１共振器の縦モードに比べ、第２共振器の縦モードの変化は小さい。その結果、図８に示すように、駆動電流の増加に対して、離散的に複数の縦モードでレーザ発振を繰り返す電流対光出力特性が得られる。複数の縦モードのそれぞれのピーク波長の間隔は、第２共振器の縦モードで規定され、ほぼ等間隔となる。
【００２１】
図８には、比較例として第１共振器のみを有する通常のＶＣＳＥＬの電流対光出力特性が示されている。比較例では、レーザ発振は駆動電流に対して離散的にはならない。一方、第１の実施の形態に係る半導体レーザでは、各駆動電流値で発振しているそれぞれの発振波長は、第１及び第２共振器のそれぞれによって生じる縦モードの重なりで決定される。第２共振器の縦モードは、駆動電流に対する依存性が小さいため、レーザ発振の波長間隔がほぼ一定になる。したがって、複数の波長のレーザ光を高精度に再現性よく発振することが可能となる。
【００２２】
ＶＣＳＥＬ等の共振器を有するレーザの発振条件は、レーザの活性層の利得ｇが共振器の損失を補償できるほど大きくなる以下の条件で記述される。
【００２３】
ｇ＞ｇｔｈ＝αａ＋αｄ＋αｍ          （１）
ここで、ｇｔｈは、レーザ発振の閾値である。αａは、活性層の構成材料の自由キャリア等による光吸収損失である。αｄは、反射鏡における等価的な回折損失であり、ＶＣＳＥＬでは導波機構がないと無視できなくなる。αｍは、反射鏡における等価的な反射損失である。
【００２４】
反射率がそれぞれＲ１及びＲ２の対向する反射鏡で規定される共振器の反射損失αｍは、以下のように表せる。
【００２５】
αｍ＝（１／Ｌ）ｌｎ（１／Ｒｍ）    （２）
ここで、Ｌは、共振器長である。Ｒｍは、第１及び第２反射鏡の平均反射率であり、通常のＶＣＳＥＬであれば、Ｒｍ＝（Ｒ１Ｒ２）１／２である。活性層を挟んで対向する反射鏡が設けられるＶＣＳＥＬでは、（１）式の関係を満たす構造にすることができる。即ち、活性層の利得ｇが閾値ｇｔｈより大きく、共振器の損失を補償できるほど大きい構造であり、レーザ発振が可能である。このとき、共振器の共振条件は、共振器長Ｌによって決定され、レーザ発振する可能性のある波長は離散的な値を取る。このようなレーザ発振を縦モードと呼ぶ。縦モードの波長間隔Δλは、次式で与えられる。
【００２６】
Δλ＝λ２／｛２Ｌ［ｎ−λ（ｄｎ／ｄλ）］｝             （３）
ここで、λは、発振レーザ光のピーク波長、ｎは、活性層の材料の屈折率である。
【００２７】
第１の実施の形態に係る半導体レーザでは、活性層１８、並びに第１及び第２反射鏡１２、２４は通常のＶＣＳＥＬと同様の構造であり、（１）式の関係を満たすことができる。即ち、活性媒質の利得ｇが閾値ｇｔｈより大きく、第１共振器の損失を補償できるほど大きい構造であり、第３反射鏡３８なしでレーザ発振が可能である。また、第１共振器の共振器長Ｌ１は、λ／ｎに設定されるから、波長間隔Δλは、(３)式より約λ／２となる。したがって、数十ｎｍの利得スペクトル幅の中には、第１共振器だけでは単一の縦モードしか立たないことになる。
【００２８】
第１の実施の形態に係る半導体レーザでは、基板を挟んで第３反射鏡３８が形成されているため、共振器長がＬ２の第２共振器による縦モードの発振が可能となる。半導体基板１０の厚さは、例えば、約１００μｍ〜約２５０μｍの範囲であり、共振器長Ｌ２は、半導体基板１０の厚さとなる。例えば、半導体基板１０の厚さを約１５０μｍとすると、縦モードのピーク波長λが約１μｍ、１．３μｍ、及び１．５５μｍのそれぞれでは、波長間隔Δλは、約０．９５ｎｍ、約１．６ｎｍ、及び約２．３ｎｍとなる。このように、半導体基板１０の厚さを約１００μｍ〜約２５０μｍの範囲にすることにより、利得スペクトル幅に比べて縦モードの波長間隔を小さくすることができる。したがって、第１の実施の形態に係る半導体レーザは、複合共振器構造を有するＶＣＳＥＬであり、図２に示すように、利得スペクトル幅の中で駆動電流に対して離散的にレーザ発振することが可能となる。
【００２９】
半導体基板上に二つの共振器を設けた構造の複合共振器型ＶＣＳＥＬが提案されている（例えば、エム．ブルナー、他、アイ・イー・イー・イー・フォトン・テクノロジー・レター（IEEE Photon. Technol. Lett.）、２０００年、第１１巻、１３１６頁、参照。）。提案された複合共振器型ＶＣＳＥＬでは、第３の反射鏡の設置位置が第１及び第２の反射鏡に近接しているため、二つの共振器の何れも縦モードの波長間隔は広くなる。したがって、２つの共振器長を持つ複合共振器と言っても、レーザ発振に寄与する縦モードは２本しかない。また、レーザ発振を離散的に繰り返す特性は得られず、対応する縦モードの各ピーク波長で独立に発振させることはできない素子構造である。
【００３０】
また、図９に示すように、特許文献１に開示された複合共振器型レーザは、半導体基板１１０上に積層された第１反射鏡１１２、活性層１１８、及び第２反射鏡１２４、並びに半導体基板１１０を挟んで第１反射鏡１１２と対向する第３反射鏡１３８等を備える。半導体基板１１０の表面及び裏面それぞれに設けられた電極１３０及び電極１３７により、電流狭窄部１２２を介して活性層１１８に電流が注入される。半導体基板１１０の裏面に、電極１３７に囲まれた反射防止膜１３９が設けられる。第１及び第２反射鏡１１２、１２４で能動共振器、第１及び第３反射鏡１１２、１３８で受動共振器を構成している。開示された複合共振器型レーザでは、第１反射鏡１１２は反射率が低く、（２）式で表される反射損失αｍは大きい。その結果、第１及び第２反射鏡１１２、１２４で構成される能動共振器は、（１）式の関係を満たすことはできず、レーザ発振は生じない。第３反射鏡１３８から反射されて能動共振器に入射する成分により、レーザ発振が可能となる。この場合、第１及び第２反射鏡１１２、１２４で構成された能動共振器の共振器長は略λ／ｎであることから、波長間隔Δλは、約λ／２となる。したがって、波長範囲が数十ｎｍの利得スペクトル幅の中には、単一の縦モードしか立たないことになる。したがって、複数の縦モードの共振特性は得られず、ピーク波長の異なる複数の縦モードを独立に発振させることはできない。
【００３１】
第１の実施の形態では、第１及び第２反射鏡１２、２４の反射率のそれぞれの範囲は、約９７％〜約９９．９％、及び約９７％以上である。第３反射鏡３８の反射率は、約９８〜約９９％である。また、半導体基板１０に用いるｎ型ＧａＡｓのレーザ光の吸収係数は、約３ｃｍ−１である。第１及び第２反射鏡１２、２４の反射率は（１）式の条件を満たし、第３反射鏡３８からの反射成分を介さず、第１及び第２反射鏡１２、２４で構成される第１共振器だけでレーザ発振が可能となる。第３反射鏡３８無しで半導体レーザの素子特性を検証し、レーザ発振することを実際に確認している。
【００３２】
ここで、第２反射鏡２４の反射率を約９９．７％に固定し、第１反射鏡１２の反射率を変えて、レーザ特性が評価されている。第１反射鏡１２は、図３に示したように、第１及び第２半導体層６２ａ〜６２ｎ、６４ａ〜６４ｎを、それぞれの光学膜厚がレーザのピーク波長の１／４となるように交互に積層した半導体多層膜である。第１反射鏡１２の積層数ｎを変えることにより反射率を制御することができる。積層数ｎが１４ペア以下では、第１反射鏡１２の反射率は約９７％未満となる。この場合、反射損失αｍが大きくなり、（１）式を満たす条件が得られない。その結果、第３反射鏡３８なしではレーザ発振に至らず、離散的な縦モードの室温連続発振は得られない。積層数ｎが１５ペア以上では、第１反射鏡１２の反射率は約９７％以上となり、所望の離散的な縦モードの室温連続発振が得られる。積層数ｎが３０ペアを超えると、第１反射鏡１２の反射率は約９９．９％を超える。この場合、駆動電流値に対して、光出力は変動するものの、離散的な縦モードのレーザ発振は得られず、常に発振しているレーザ特性となる。このように、第１反射鏡１２の積層数を１５ペア〜３０ペアとして、反射率を、約９７％以上、約９９．９％以下とすることが望ましい。
【００３３】
また、第１反射鏡１２の反射率を約９８．５％に固定し、第２反射鏡２４の反射率を変えて、レーザ特性が評価されている。第２反射鏡２４は、図４に示したように、第１及び第２半導体層６６ａ〜６６ｍ、６８ａ〜６８ｍを、それぞれの光学膜厚がレーザのピーク波長の１／４となるように交互に積層した半導体多層膜である。第２反射鏡２４の積層数ｍを変えることにより反射率を制御することができる。積層数ｍが１４ペア以下では、第２反射鏡２４の反射率は約９７％未満となる。この場合、反射損失αｍが大きくなり、（１）式を満たす条件が得られない。その結果、第３反射鏡３８なしではレーザ発振に至らず、離散的な縦モードの室温連続発振は得られない。積層数ｍが１５ペア以上では、第２反射鏡２４の反射率は約９７％以上となり、所望の離散的な縦モードの室温連続発振が得られる。積層数ｍが３０ペア以上では、第２反射鏡２４の反射率は約９９．９％以上になる。この場合も、所望の離散的な縦モードの室温連続発振が得られる。このように、第２反射鏡２４の積層数を１５ペア以上として、反射率を、約９７％以上とすることが望ましい。
【００３４】
このように、第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザでは、半導体基板１０の表面側に活性層１８を挟んで対向する第１及び第２反射鏡１２、２４が設けられる。また、半導体基板１０の裏面に第３反射鏡３８が設けられる。第１反射鏡１２の反射率は、約９７％〜約９９．９％の範囲である。半導体基板１０の厚さは、約１００μｍ〜２５０μｍである。その結果、利得スペクトルに比べて小さな波長間隔で離散的にレーザ発振する面発光型半導体レーザを実現することが可能となる。
【００３５】
次に、第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザの製造方法を、図１０〜図１３に示す工程断面図を用いて説明する。
【００３６】
（イ）図１０に示すように、半導体基板１０上に、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）等により第１反射鏡１２、第１クラッド層１６、活性層１８、第２クラッド層２０、半導体層２２、第２反射鏡２４、及びコンタクト層２６を順次成長する。半導体基板１０は、厚さが約４００μｍ、直径が約３インチ、面方位が（１００）のｎ型ＧａＡｓである。第１反射鏡１２は、反射率が約９９％となるように、高屈折率層及び低屈折率層としてｎ型ＧａＡｓ及びｎ型Ａｌ０．９４Ｇａ０．０６Ａｓを、それぞれの光学膜厚がレーザ波長１．０μｍの１／４となる厚さで交互に成長して積層した半導体多層膜である。第１反射鏡１２には、ｎ型不純物のＳｉを不純物濃度が約２×１０１８ｃｍ−３で添加する。第１クラッド層１６は、ｎ型ＧａＩｎＰである。活性層１８は、発光ピーク波長が約１μｍとなるように調整されたＧａｘＩｎ１−ｘＡｓ等の量子井戸層と、ＧａＡｓ等のバリア層を量子井戸層の上下に積層した量子井戸構造である。量子井戸層であるＧａｘＩｎ１−ｘＡｓのＩｎ組成ｘは約０．１８〜約０．２で、厚さは約７ｎｍである。第２クラッド層２０は、ｐ型ＧａＩｎＰである。半導体層２２は、ＡｌＡｓである。第２反射鏡２４は、反射率が約９９．７％となるように、高屈折率層及び低屈折率層としてｎ型ＧａＡｓ及びｎ型Ａｌ０．９４Ｇａ０．０６Ａｓを、それぞれの光学膜厚がレーザ波長の１／４となる厚さで交互に成長して積層した半導体多層膜である。第２反射鏡２４には、ｐ型不純物のＣを不純物濃度が積層方向で約２×１０１８ｃｍ−３から約１×１０１９ｃｍ−３となるように傾斜させて添加する。コンタクト層２６は、ｐ型ＧａＡｓである。コンタクト層２６には、ｐ型不純物のＣを不純物濃度が約２×１０１９ｃｍ-３となるように添加する。
【００３７】
（ロ）図１１に示すように、ＣＶＤ、フォトリソグラフィ、及びエッチング等によりコンタクト層２６の表面に堆積したＳｉ３Ｎ４等の保護膜２８の一部を選択的に除去する。フォトリソグラフィ、及び電子線蒸着（ＥＢＥ）等により、保護膜２８の表面の一部、及び露出したコンタクト層２６の一部に開口部４０を有するＴｉ−Ｐｔ−Ａｕ等の電極３０（ｐ側電極）を形成する。なお、図１に示した引き出し配線３０ａ及びパッド３０ｂも、保護膜２８上に同時に形成される。その後、半導体基板１０をシンター等により熱処理する。
【００３８】
（ハ）図１２に示すように、フォトリソグラフィ、エッチング工程により、フォトリソグラフィ、及び三塩化ボロン（ＢＣｌ３）と窒素（Ｎ２）との混合ガスを用いる誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）ドライエッチング等により、保護膜２８から第１反射鏡１２に至る各層を選択的に除去して溝３２で囲まれた素子領域３５を形成する。素子領域３５は、直径が約４５μｍで、ほぼ垂直な側壁を有する。その後、水蒸気雰囲気中で約４００℃の熱処理により、半導体層２２を溝３２を介して素子領域３５の側壁から横方向に約２０μｍの幅で選択酸化し、Ａｌ２Ｏ３を主成分とする電流狭窄部２２ａを形成する。第１及び第２反射鏡１２、２４の一部も熱処理により選択酸化されてＡｌ２Ｏ３を主成分とする酸化膜４２、４４が形成される。電流狭窄部２２ａの間に残された半導体層２２は、直径が約５μｍである。
【００３９】
（ニ）図１３に示すように、スピンコート等により、溝３２を埋め込むように感光性ポリイミド樹脂等のフィラー材料を回転数約２０００ｒｐｍ、約３０秒の条件で回転塗布する。塗布後、ホットプレートを用いてベーク処理を行い、膜厚約６μｍの樹脂膜を形成する。フォトリソグラフィ等により、溝３２に樹脂膜が充填されるようにパターニングして分離領域３４を形成する。分離領域３４の表面を平坦化する。その後、鏡面研磨により、半導体基板１０の裏面を研磨して半導体基板１０の厚さを約１５０μｍとする。蒸着等により、半導体基板１０の裏面にＡｕ等の第３反射鏡３８を形成する。なお、第３反射鏡３８は、ｎ側電極を兼ねる。
【００４０】
このようにして製造された面発光型半導体レーザでは、約１μｍの波長における、第１及び第２反射鏡１２、２４の反射率はそれぞれ、約９９％、及び約９９．７％と設定されている。第３反射鏡３８の反射率は９８〜９９％である。また、ｎ型ＧａＡｓの半導体基板１０のレーザ光の吸収係数は、約３ｃｍ-１である。その結果、製造された面発光型半導体レーザは、約１．０1μｍ〜約１．０２μｍの波長で室温連続発振させることができる。
【００４１】
製造された面発光型半導体レーザの発振特性が評価されている。図１４に示すように、駆動電流が約４ｍＡから約１９ｍＡの範囲でピーク波長がλ１からλ９の９個の離散的なレーザ発振が実現されている。また、図１５に示すように、レーザ発振が得られる駆動電流Ｉ１〜Ｉ９のそれぞれでのピーク波長λ１〜λ９は、約１０１３ｎｍ〜１０２２ｎｍの間に約１ｎｍの規則的な波長間隔で得られている。駆動電流Ｉ１〜Ｉ９に対するピーク波長λ１〜λ９の関係は、図１６に示すように、ほぼ直線関係となる。このように、第１の実施の形態では、駆動電流を制御することにより、規則的な波長間隔で離散的なピーク波長のレーザ発振を得ることができる。したがって、単一の面発光型半導体レーザから、複数のピーク波長のレーザ光を高精度に再現性よく低コストで実現することが可能となる。
【００４２】
図１７及び図１８に示すように、第１の実施の形態に係る複数の面発光型半導体レーザ１００ａ、１００ｂ、・・・、１００ｉを用いて、例えば３×３の半導体レーザアレイを半導体基板１０上に形成することができる。なお、図１８に示すように、面発光型半導体レーザ１００ａ〜１００ｉのそれぞれを分離する分離領域のフィラー、第１及び第２反射鏡１２、２４に形成される酸化膜は省略している。面発光型半導体レーザ１００ａ〜１００ｉのそれぞれに異なる駆動電流Ｉ１〜Ｉ９を注入する。その結果、図１４〜図１６に示したように、面発光型半導体レーザ１００ａ〜１００ｉのそれぞれから、規則的な波長間隔で離散的な異なるピーク波長λ１〜λ９のレーザ発振が得られる。このように、第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザを複数個用いた半導体レーザアレイは、ＷＤＭ用の半導体レーザとして好適である。
【００４３】
なお、第１の実施の形態では、電流狭窄部２２ａを用いて駆動電流を発光領域１９に注入している。しかし、電流狭窄部は複数個あってもよい。例えば、図１９に示すように、第１反射鏡１２及び第１クラッド層１６の間に、ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（ｚ≧０．９８）等の半導体層１４及びＡｌ２Ｏ３を主成分とする酸化膜等の電流狭窄部１４ａを更に設けてもよい。発光領域１９に効率よく駆動電流を注入することができる。なお、電流狭窄部１４ａは、選択酸化により、電流狭窄部２２ａと同時に形成される。
【００４４】
また、第１の実施の形態では、活性層１８の量子井戸層７２として、ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓを用いて説明したが、量子井戸層は限定されない。例えば、砒化窒化ガリウムインディウム（ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＮ１−ｙ）（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）、ＩｎＧａＡｌＰ、ＡｌＧａＡｓ、及びＩｎＧａＡｓＰ等、ＧａＡｓ基板上に成長できる半導体材料を用いることができる。ＧａＡｓ基板の透明波長域である１〜３μｍが好適であることから、１．３〜１．５５μｍ帯の高利得の発光が得られるＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＮ１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）、ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＮ１−ｙ−ｚＳｂｚ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１）等の半導体材料が好適である。
【００４５】
また、電流狭窄部２２ａ及び開口部４０の形状として、円形を用いている。しかし、電流狭窄部及び開口部の形状は、限定されない。例えば、正方形、長方形、楕円等の形状であってもよい。
【００４６】
また、本実施例では、電流狭窄部２２ａ形成用の半導体層２２として、ＡｌＡｓ層を用いたが、Ａｌ組成比の高いＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ≧０．９５）を用いてもよい。Ａｌ組成比ｘが高い場合、水蒸気酸化において、酸化速度が速く、工程時間を短縮できる。また、酸化に伴う応力、歪の発生量も大きいので、半導体レーザ製造の量産性、あるいは偏波制御性を高める上で好適である。
【００４７】
また、第１の実施の形態では、フィラー材料として、ポリイミド樹脂を用いているが、半導体材料と熱膨張係数が大きく異なる他の高分子材料、例えばエポキシ樹脂等の材料を用いても同様の効果が得られることは明らかである。
【００４８】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る面発光型半導体素子（半導体レーザ）は、図２０及び図２１に示すように、半導体基板１０、第１反射鏡１２、活性層１８、第２反射鏡２４、第３反射鏡３８等を備える。第１反射鏡１２及び活性層１８の間に第１クラッド層１６が設けられる。電流狭窄部２２ａ及び半導体層２２は、発光領域１９を有する活性層１８上に設けられる。第２クラッド層２０が、電流狭窄部２２ａ及び半導体層２２上に設けられる。コンタクト層２６が、第２クラッド層２０及び第２反射鏡２４の間に設けられる。
【００４９】
第１クラッド層１６が表面に露出するように、メサ状の素子領域３５が形成される。素子領域３５において、第２反射鏡２４を囲むように、電極３０がコンタクト層２６に設けられる。素子領域３５を囲むように、電極３７が第１クラッド層１６に設けられる。半導体基板１０の表面側に設けられた一対の電極３０、３７により、電流狭窄部２２ａで規定される活性層１８の発光領域１９に駆動電流が注入される。
【００５０】
半導体基板１０として、ノンドープＧａＡｓ等の高抵抗基板が用いられる。第１及び第２反射鏡１２、２４は、高屈折率半導体層及び低屈折率半導体層を、それぞれの光学膜厚がレーザ波長の１／４となるように交互に積層した半導体多層膜である。例えば、高屈折率半導体層は、ＧａＡｓである。低屈折率半導体層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ＜１）で、例えば、アルミニウム組成比ｙが０．９４のＡｌ０．９４Ｇａ０．０６Ａｓである。
【００５１】
第１クラッド層１６は、ｎ型ＧａＩｎＰである。第２クラッド層２０は、ｐ型ＧａＩｎＰである。活性層１８は、バリア層及び量子井戸層を交互に積層した量子井戸構造である。量子井戸層は、発光ピーク波長が約１．３μｍとなるように調整されたＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＮ１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）である。量子井戸層の厚さは、約７ｎｍである。量子井戸層のＩｎ組成比（１−ｘ）及びＮ組成比（１−ｙ）は、量子井戸層の格子定数が半導体基板１０に用いられるＧａＡｓよりも大きくなり圧縮歪が導入されるように制御される。Ｉｎ組成比（１−ｘ）及びＮ組成比（１−ｙ）は、量子井戸層に圧縮歪を導入するため、例えば、それぞれ約０．３０〜約０．３５、及び約０．００５〜０．０１％の範囲が好適である。
【００５２】
半導体層２２には、第２反射鏡２４の第２半導体層６８ａ〜６８ｍに用いられるＡｌｙＧａ１−ｙＡｓよりＡｌ組成比ｚの大きいＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（ｚ≧０．９８）が用いられる。例えば、第２の実施の形態では、半導体層２２として、Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層を用いる。電流狭窄部２２ａは、Ａｌ２Ｏ３を主成分とする酸化膜である。コンタクト層２６は、ｐ型不純物としてＣを用いたｐ型ＧａＡｓであり、不純物濃度は、約２×１０１９ｃｍ-３である。
【００５３】
第２の実施の形態では、電極３０、３７のそれぞれが、第２クラッド層２０に接するコンタクト層２６、及び第１クラッド層１６に配置されたイントラキャビティ構造になる点が第１の実施の形態と異なる。他の構成は、第１の実施の形態と同様であるので、重複する記載は省略する。
【００５４】
第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザでは、第１及び第２反射鏡１２、２４の反射率のそれぞれの範囲は、約９７％〜約９９．９％、及び約９７％以上である。第３反射鏡３８の反射率は、約９８〜約９９％である。第１及び第２反射鏡１２、２４の反射率は（１）式の条件を満たし、第３反射鏡３８からの反射成分を介さず、第１及び第２反射鏡１２、２４で構成される第１共振器だけでレーザ発振が可能となる。また、半導体基板１０の厚さは、約１００μｍ〜約２５０μｍである。したがって、波長間隔が約１ｎｍの離散的な複数のレーザ発振を実現することが可能となる。
【００５５】
第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザでは、一対の電極３０、３７を半導体基板１０の表面側に配置しているため、半導体基板１０として、波長が約１μｍ以上のレーザ光に対して透過性の高いアンドープＧａＡｓ等の高抵抗基板を用いることができる。その結果、光吸収損失αａを低減することができる。また、活性層１８の量子井戸層に圧縮歪を導入した効果により、低閾値でのレーザ発振が可能となる。したがって、第２の実施の形態では、低駆動電流で、規則的な波長間隔で離散的なピーク波長のレーザ発振を効率よく得ることができる。
【００５６】
次に、第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザの製造方法を、図２２〜図２５に示す工程断面図を用いて説明する。
【００５７】
（イ）図２２に示すように、半導体基板１０上に、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）等により第１反射鏡１２、第１クラッド層１６、活性層１８、半導体層２２、第２クラッド層２０、コンタクト層２６、及び第２反射鏡２４を順次成長する。半導体基板１０は、厚さが約４００μｍ、直径が約３インチ、面方位が（１００）のアンドープＧａＡｓである。第１反射鏡１２は、反射率が約９９％となるように、高屈折率層及び低屈折率層としてＧａＡｓ及びＡｌ０．９４Ｇａ０．０６Ａｓを、それぞれの光学膜厚がレーザ波長約１．３μｍの１／４となる厚さで交互に成長して積層した半導体多層膜である。第１クラッド層１６は、ｎ型ＧａＩｎＰである。活性層１８は、発光ピーク波長が約１．３μｍとなるように調整されたＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＮ１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）等の量子井戸層と、ＧａＡｓ等のバリア層を量子井戸層の上下に積層した量子井戸構造である。量子井戸層は、厚さが約７ｎｍで、約２．５％の圧縮歪量を内在するＧａ０．６６Ｉｎ０．３４Ａｓ０．９９Ｎ０．０１である。量子井戸層を歪層とすることにより、活性層１８の微分利得係数が増大し、無歪の場合に比べてレーザ発振の閾値を低減することができる。半導体層２２は、Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓである。第２クラッド層２０は、ｐ型ＧａＩｎＰである。コンタクト層２６には、ｐ型不純物のＣを不純物濃度が約２×１０１９ｃｍ-３となるように添加する。第２反射鏡２４は、反射率が約９９．７％となるように、高屈折率層及び低屈折率層としてＧａＡｓ及びＡｌ０．９４Ｇａ０．０６Ａｓを、それぞれの光学膜厚がレーザ波長の１／４となる厚さで交互に成長して積層した半導体多層膜である。
【００５８】
（ロ）図２３に示すように、ＣＶＤ、フォトリソグラフィ、及びＢＣｌ３及びＮ２の混合ガスを用いるＩＣＰドライエッチング等によりコンタクト層２６の表面に形成したＳｉ３Ｎ４等の絶縁膜をマスクとして、第２反射鏡２４、コンタクト層２６、第２クラッド層２０、半導体層２２、活性層１８、及び第１クラッド層１６の一部を選択的に除去してメサ状の素子領域を形成する。素子領域は、直径が約４５μｍである。その後、水蒸気雰囲気中で約４２０℃の熱処理により、半導体層２２を素子領域の側壁から横方向に約２０μｍの幅で選択酸化し、Ａｌ２Ｏ３を主成分とする電流狭窄部２２ａを形成する。電流狭窄部２２ａの間に残された半導体層２２は、直径が約５μｍである。更に、フォトリソグラフィ、及びＢＣｌ３及びＮ２の混合ガスを用いるＩＣＰドライエッチング等により、第２反射鏡２４を選択的に除去して素子領域の周辺部にコンタクト層２６を露出させる。
【００５９】
（ハ）図２４に示すように、フォトリソグラフィ、及び電子線蒸着（ＥＢＥ）等により、コンタクト層２６及び第１クラッド層１６にＴｉ−Ｐｔ−Ａｕ等の電極３０（ｐ側電極）及び電極３７（ｎ側電極）を形成する。その後、半導体基板１０をシンター等により熱処理する。
【００６０】
（ニ）図２５に示すように、鏡面研磨により、半導体基板１０の裏面を研磨して半導体基板１０の厚さを約２００μｍとする。蒸着等により、半導体基板１０の裏面にＡｕ等の第３反射鏡３８を形成する。
【００６１】
このようにして製造された面発光型半導体レーザでは、約１．３μｍの波長における、第１及び第２反射鏡１２、２４の反射率はそれぞれ、約９９％、及び約９９．７％と設定されている。第３反射鏡３８の反射率は９８〜９９％である。その結果、製造された面発光型半導体レーザは、約１．３μｍの波長で室温連続発振させることができる。
【００６２】
また、アンドープＧａＡｓの半導体基板１０のレーザ光の吸収係数は、約０．６ｃｍ-１である。その結果、半導体基板１０による光吸収損失αａを低減することができる。また、活性層１８の量子井戸層に圧縮歪を導入した効果により、低閾値でのレーザ発振が可能となる。したがって、第２の実施の形態では、低駆動電流で、規則的な波長間隔で離散的なピーク波長のレーザ発振を効率よく得ることができる。
【００６３】
また、半導体基板１０の厚さを約２００μｍとすることにより、第１及び第３反射鏡１２、３８で構成される共振器による縦モードの波長間隔は、約１ｎｍとなる。したがって、離散的なレーザ発振の波長間隔を約１ｎｍと制御することができる。
【００６４】
また、第２の実施の形態では、第２反射鏡２４として半導体多層膜を用いている。しかし、第２反射鏡として、半導体多層膜の代わりに誘電体多層膜を用いてもよい。例えば、図２６に示すように、第２反射鏡２４ａは、コンタクト層２６上に第１誘電体層７６ａ、７６ｂ、・・・、７６ｋ及び第１誘電体層７６ａ〜７６ｋと異なる屈折率を有する第２誘電体層７８ａ、７８ｂ、・・・、７８ｋを、それぞれの光学膜厚がレーザ波長の１／４となる厚さで交互に積層した誘電体多層膜である。第１及び第２誘電体層７６ａ〜７６ｋ、７８ａ〜７８ｋとして、例えば、屈折率が約１．４の酸化シリコン（ＳｉＯ２）及び屈折率が約２．２の五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）等の組み合わせが用いられる。ＳｉＯ２及びＴａ２Ｏ５の組み合わせの誘電体多層膜では、反射率を約９９．５％と高くすることが可能である。また、屈折率が約２．７の二酸化チタン（ＴｉＯ２）等の誘電体を、屈折率が異なる誘電体と適宜組み合わせて用いてもよい。更に、屈折率が約３．４のアモルファスＳｉ等の半導体材料を、屈折率が異なる誘電体と適宜組み合わせて用いてもよい。
【００６５】
また、上記説明では、素子領域３５、第２反射鏡２４、及び電極３０、３７の形状は、円形あるいは環形状を用いている。しかし、形状は、円形あるいは環形状に限定されず、正方形、長方形、楕円等の任意の形状であってもよい。例えば、図２７及び図２８に示すように、半導体基板１０の表面側に矩形状の第２反射鏡２４、電極３０、及び電極３７を配置してもよい。第２反射鏡２４と並んで電極３０が、矩形状の素子領域３５の表面に露出したコンタクト層２６上に配置される。電極３７は、素子領域３５の周辺に露出した第１クラッド層１６上に配置される。なお、第２反射鏡２４に代えて、図２６に示した誘電体多層膜からなる第２反射鏡２４ａを用いてもよい。
【００６６】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る面発光型半導体素子（半導体レーザ）は、図２９及び図３０に示すように、半導体基板１０の裏面に設けた第３反射鏡３８の開口部４０ａからレーザ光を出射する、アップサイドダウン型構造を有する。半導体基板１０の上に、第１反射鏡１２、第１クラッド層１６、活性層１８、第２クラッド層２０、第２反射鏡２４、コンタクト層２６が順に設けられている。電流狭窄部２２ｂが、第２反射鏡２４の中に設けられる。電極３０は、コンタクト層２６の表面に設けられる。
【００６７】
第３の実施の形態では、半導体基板１０の裏面に設けた第３反射鏡３８の開口部４０ａからレーザ光を出力する構造を有する点が第１及び第２の実施の形態と異なる。他の構成は、第１及び第２の実施の形態と同様であるので、重複する記載は省略する。
【００６８】
半導体基板１０として、ｎ型ＧａＡｓ等が用いられる。第１及び第２反射鏡１２、２４は、高屈折率半導体層及び低屈折率半導体層を、それぞれの光学膜厚がレーザ波長の１／４となるように交互に積層した半導体多層膜である。例えば、高屈折率半導体層は、ＧａＡｓである。低屈折率半導体層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ＜１）で、例えば、アルミニウム組成比ｙが０．９４のＡｌ０．９４Ｇａ０．０６Ａｓである。
【００６９】
第１クラッド層１６は、ｎ型ＧａＩｎＰである。第２クラッド層２０は、ｐ型ＧａＩｎＰである。活性層１８は、バリア層及び量子井戸層を交互に積層した量子井戸構造である。量子井戸層は、発光ピーク波長が約１．３μｍとなるように調整されたＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＮ１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）である。量子井戸層の厚さは、約７ｎｍである。量子井戸層のＩｎ組成比（１−ｘ）及びＮ組成比（１−ｙ）は、量子井戸層の格子定数が半導体基板１０に用いられるＧａＡｓよりも大きくなり圧縮歪が導入されるように制御される。
【００７０】
電流狭窄部２２ｂは、高抵抗層である。電極３０及び第３反射鏡３８からの駆動電流は、電流狭窄部２２ｂで囲まれた第２反射鏡２４の領域を通って活性層１８に注入される。
【００７１】
第３の実施の形態に係る面発光型半導体レーザでは、第１及び第２反射鏡１２、２４の反射率のそれぞれの範囲は、約９７％〜約９９．９％、及び約９７％以上である。第３反射鏡３８の反射率は、約９８〜約９９％である。第１及び第２反射鏡１２、２４の反射率は（１）式の条件を満たし、第３反射鏡３８からの反射成分を介さず、第１及び第２反射鏡１２、２４で構成される第１共振器だけでレーザ発振が可能となる。また、半導体基板１０の厚さは、約１００μｍ〜約２５０μｍである。したがって、波長間隔が約１ｎｍの離散的な複数のレーザ発振を実現することが可能となる。
【００７２】
また、第３の実施の形態では、レーザ光が半導体基板１０の裏面から出射されるため、面発光型半導体レーザをアップサイドダウンでヒートシンク等にマウントすることができる。発熱を伴う活性層１８は半導体基板１０の表面側に設けられるため、アップサイドダウンでマウントされた半導体レーザは効率よく冷却される。したがって、規則的な波長間隔で離散的なピーク波長のレーザ発振を安定して効率よく得ることができる。
【００７３】
次に、第３の実施の形態に係る面発光型半導体レーザの製造方法を、図３１〜図３４に示す工程断面図を用いて説明する。
【００７４】
（イ）図３１に示すように、半導体基板１０上に、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）等により第１反射鏡１２、第１クラッド層１６、活性層１８、第２クラッド層２０、第２反射鏡２４、及びコンタクト層２６を順次成長する。半導体基板１０は、厚さが約４００μｍ、直径が約３インチ、面方位が（１００）のｎ型ＧａＡｓである。第１反射鏡１２は、反射率が約９９％となるように、高屈折率層及び低屈折率層としてｎ型ＧａＡｓ及びｎ型Ａｌ０．９４Ｇａ０．０６Ａｓを、それぞれの光学膜厚がレーザ波長約１．３μｍの１／４となる厚さで交互に成長して積層した半導体多層膜である。第１クラッド層１６は、ｎ型ＧａＩｎＰである。活性層１８は、発光ピーク波長が約１．３μｍとなるように調整されたＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＮ１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）等の量子井戸層と、ＧａＡｓ等のバリア層を量子井戸層の上下に積層した量子井戸構造である。量子井戸層は、厚さが約７ｎｍで、約２．５％の圧縮歪量を内在するＧａ０．６６Ｉｎ０．３４Ａｓ０．９９Ｎ０．０１である。第２クラッド層２０は、ｐ型ＧａＩｎＰである。第２反射鏡２４は、反射率が約９９．７％となるように、高屈折率層及び低屈折率層としてｐ型ＧａＡｓ及びｐ型Ａｌ０．９４Ｇａ０．０６Ａｓを、それぞれの光学膜厚がレーザ波長の１／４となる厚さで交互に成長して積層した半導体多層膜である。コンタクト層２６には、ｐ型不純物のＣを不純物濃度が約２×１０１９ｃｍ-３となるように添加する。
【００７５】
（ロ）図３２に示すように、フォトリソグラフィ、及びイオン注入等により、コンタクト層２６の表面からプロトンを選択的に注入する。プロトン注入条件は、加速電圧が約２５０ｋｅＶ、ドーズ量が１×１０１５ｃｍ−２である。プロトンの注入深さは、第２反射鏡２４の中になる。その結果、第２反射鏡２４の中に高抵抗の電流狭窄部２２ｂが形成される。
【００７６】
（ハ）図３３に示すように、ＥＢＥ等により、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ等の金属膜をコンタクト層２６上に堆積してｐ側電極３０を形成する。その後、半導体基板１０をシンター処理する。
【００７７】
（ニ）図３４に示すように、鏡面研磨により、半導体基板１０の裏面を研磨して半導体基板１０の厚さを約２００μｍとする。フォトリソグラフィ、及び蒸着等により、半導体基板１０の裏面に開口部４０ａを有するＡｕ等の第３反射鏡３８を形成する。
【００７８】
このようにして製造された面発光型半導体レーザでは、約１．３μｍの波長における、第１及び第２反射鏡１２、２４の反射率はそれぞれ、約９９％、及び約９９．７％と設定されている。第３反射鏡３８の反射率は９８〜９９％である。その結果、製造された面発光型半導体レーザは、約１．３μｍの波長で室温連続発振させることができる。
【００７９】
また、活性層１８の量子井戸層に圧縮歪を導入した効果により、低閾値でのレーザ発振が可能となる。したがって、第３の実施の形態では、低駆動電流で、規則的な波長間隔で離散的なピーク波長のレーザ発振を効率よく得ることができる。
【００８０】
また、半導体基板１０の厚さを約２００μｍとすることにより、第１及び第３反射鏡１２、３８で構成される共振器による縦モードの波長間隔は、約１ｎｍとなる。したがって、離散的なレーザ発振の波長間隔を約１ｎｍと制御することができる。
【００８１】
また、上記説明では、第３反射鏡３８としてＡｕ等の金属膜を用いている。しかし、第３反射鏡として、金属膜の代わりに誘電体多層膜を用いてもよい。例えば、図３５及び図３６に示すように、半導体基板１０の裏面において、電極３７で囲まれた領域に第３反射鏡３８ａを設ける。第３反射鏡３８ａは、図３７に示すように、半導体基板１０の裏面に第１誘電体層８６ａ、８６ｂ、・・・、８６ｈ及び第１誘電体層８６ａ〜８６ｈと異なる屈折率を有する第２誘電体層８８ａ、８８ｂ、・・・、８８ｈを、それぞれの光学膜厚がレーザ波長の１／４となる厚さで交互に積層した誘電体多層膜である。第１及び第２誘電体層８６ａ〜８６ｈ、８８ａ〜８８ｈとして、例えば、屈折率が約１．４の酸化シリコン（ＳｉＯ２）及び屈折率が約２．２の五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）等の組み合わせが用いられる。ＳｉＯ２及びＴａ２Ｏ５の組み合わせの誘電体多層膜では、反射率を約９９．５％と高くすることが可能である。また、屈折率が約２．７の二酸化チタン（ＴｉＯ２）等の誘電体を、屈折率が異なる誘電体と適宜組み合わせて用いてもよい。更に、屈折率が約３．４のアモルファスＳｉ等の半導体材料を、屈折率が異なる誘電体と適宜組み合わせて用いてもよい。
【００８２】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の第１〜第３の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００８３】
第１〜第３の実施の形態においては、第１及び第２反射鏡１２、２４として、ＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓの半導体多層膜を用いている。しかし、半導体多層膜は限定されない。例えば、Ａｌを含まない半導体を用いてもよい。高屈折率膜及び低屈折率膜の組み合わせとして、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＧａＰＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ、ＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮ等の組み合せを用いることができる。
【００８４】
また、第３反射鏡３８として、Ａｕを用いているが、Ａｕを主成分とする材料、銀（Ａｇ）、Ａｌ、銅（Ｃｕ）等の他の金属材料を用いても同様の効果が得られることは明らかである。例えば、Ａｇ、Ａｌ、及びＣｕの反射率は、それぞれ約９９％、約９４％、及び約９８〜９９％である。
【００８５】
また、活性層１８として、バリア層７０、７４、及びバリア層７０、７４に挟まれた量子井戸層７２からなる３重量子井戸構造を用いている。しかし、量子井戸構造は限定されない。例えば、複数の量子井戸層を用いた量子井戸構造等を用いてもよい。
【００８６】
また、各種の半導体層をＭＯＣＶＤにより成長している。しかし、半導体層の成長方法はＭＯＣＶＤに限定されない。例えば、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）等を用いることもできる。
【００８７】
このように、本発明はここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体素子の一例を示す平面図である。
【図２】図１に示した面発光型半導体素子のＡ−Ａ断面を示す概略図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体素子に用いられる第１反射鏡の一例を示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体素子に用いられる第２反射鏡の一例を示す断面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体素子に用いられる活性層の一例を示す断面図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体素子の第１及び第２共振器の説明に用いる断面図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体素子の駆動電流に対する利得スペクトル、第１及び第２共振器の共振モードの一例を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体素子の駆動電流に対する光出力特性の一例を示す図である。
【図９】比較例による面発光型半導体素子の一例を示す断面図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体素子の製造方法の一例を示す工程断面図（その１）である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体素子の製造方法の一例を示す工程断面図（その２）である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体素子の製造方法の一例を示す工程断面図（その３）である。
【図１３】本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体素子の製造方法の一例を示す工程断面図（その４）である。
【図１４】本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体素子の駆動電流に対する光出力特性の一例を示す図である。
【図１５】本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体素子の発振スペクトルの一例を示す図である。
【図１６】本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体素子の発振波長の駆動電流依存性の一例を示す図である。
【図１７】本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体素子を用いた半導体レーザアレイの一例を示す平面概略図である。
【図１８】図１７に示した面発光型半導体素子のＢ−Ｂ断面を示す概略図である。
【図１９】本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体素子の他の例を示す断面図である。
【図２０】本発明の第２の実施の形態に係る面発光型半導体素子の一例を示す平面図である。
【図２１】図２０に示した面発光型半導体素子のＣ−Ｃ断面を示す概略図である。
【図２２】本発明の第２の実施の形態に係る面発光型半導体素子の製造方法の一例を示す工程断面図（その１）である。
【図２３】本発明の第２の実施の形態に係る面発光型半導体素子の製造方法の一例を示す工程断面図（その２）である。
【図２４】本発明の第２の実施の形態に係る面発光型半導体素子の製造方法の一例を示す工程断面図（その３）である。
【図２５】本発明の第２の実施の形態に係る面発光型半導体素子の製造方法の一例を示す工程断面図（その４）である。
【図２６】本発明の第２の実施の形態に係る面発光型半導体素子に用いられる第２反射鏡の他の例を示す断面図である。
【図２７】本発明の第２の実施の形態に係る面発光型半導体素子の他の例を示す平面図である。
【図２８】図２７に示した面発光型半導体素子のＤ−Ｄ断面を示す概略図である。
【図２９】本発明の第３の実施の形態に係る面発光型半導体素子の一例を示す平面図である。
【図３０】図２９に示した面発光型半導体素子のＥ−Ｅ断面を示す概略図である。
【図３１】本発明の第３の実施の形態に係る面発光型半導体素子の製造方法の一例を示す工程断面図（その１）である。
【図３２】本発明の第３の実施の形態に係る面発光型半導体素子の製造方法の一例を示す工程断面図（その２）である。
【図３３】本発明の第３の実施の形態に係る面発光型半導体素子の製造方法の一例を示す工程断面図（その３）である。
【図３４】本発明の第３の実施の形態に係る面発光型半導体素子の製造方法の一例を示す工程断面図（その４）である。
【図３５】本発明の第３の実施の形態に係る面発光型半導体素子の他の例を示す平面図である。
【図３６】図３５に示した面発光型半導体素子のＦ−Ｆ断面を示す概略図である。
【図３７】本発明の第３の実施の形態に係る面発光型半導体素子に用いられる第３反射鏡の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８９】
１０…半導体基板
１２…第１反射鏡
１６…第１クラッド層
１８…活性層
１９…発光領域
２０…第２クラッド層
２４…第２反射鏡
２６…コンタクト層
３０…電極
３８…第３反射鏡
【図１】
2008071829.tif 000003
【図２】
2008071829.tif 000004
【図３】
2008071829.tif 000005
【図４】
2008071829.tif 000006
【図５】
2008071829.tif 000007
【図６】
2008071829.tif 000008
【図７】
2008071829.tif 000009
【図８】
2008071829.tif 000010
【図９】
2008071829.tif 000011
【図１０】
2008071829.tif 000012
【図１１】
2008071829.tif 000013
【図１２】
2008071829.tif 000014
【図１３】
2008071829.tif 000015
【図１４】
2008071829.tif 000016
【図１５】
2008071829.tif 000017
【図１６】
2008071829.tif 000018
【図１７】
2008071829.tif 000019
【図１８】
2008071829.tif 000020
【図１９】
2008071829.tif 000021
【図２０】
2008071829.tif 000022
【図２１】
2008071829.tif 000023
【図２２】
2008071829.tif 000024
【図２３】
2008071829.tif 000025
【図２４】
2008071829.tif 000026
【図２５】
2008071829.tif 000027
【図２６】
2008071829.tif 000028
【図２７】
2008071829.tif 000029
【図２８】
2008071829.tif 000030
【図２９】
2008071829.tif 000031
【図３０】
2008071829.tif 000032
【図３１】
2008071829.tif 000033
【図３２】
2008071829.tif 000034
【図３３】
2008071829.tif 000035
【図３４】
2008071829.tif 000036
【図３５】
2008071829.tif 000037
【図３６】
2008071829.tif 000038
【図３７】
2008071829.tif 000039