(57)【要約】【課題】レーザ素子の信頼性に影響を与える歪や、レーザ光の散乱損失が抑制され、且つ寄生容量が小さい酸化狭窄型の面発光型半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】上部ＤＢＲを構成する多層膜のうち、多重量子井戸活性層に最も近い層は、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ膜に代えて、ｐ−Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ層の一部領域を選択的に酸化した、膜厚４０ｎｍの第１の電流狭窄層２５、ｐ−ＡｌＡｓ層の一部領域を選択的に酸化した、膜厚２０ｎｍの第２の電流狭窄層２６、及びｐ−Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ層の一部領域を選択的に酸化した、膜厚４０ｎｍの第３の電流狭窄層２７が、順次に積層されている。【選択図】　　　　図２
2004031863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に設けられ夫々が低屈折率層及び高屈折率層から成るペア層を複数形成した上部及び下部半導体多層膜反射鏡と、該半導体多層膜反射鏡の間に配設された活性層と、前記上部半導体多層膜反射鏡中に設けられた、Ａｌを含む半導体層の一部領域を選択的に酸化してなる電流狭窄層とを有し、電流注入により前記基板と垂直にレーザ光を放射する面発光型半導体レーザ素子において、
前記Ａｌを含む半導体層は、膜厚方向の中央部でＡｌ組成が最も高いことを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記Ａｌを含む半導体層は、上面及び下面から膜厚方向の中央部に向かって単調にＡｌ組成が増加する、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記Ａｌを含む半導体層が、相互に隣接する複数のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層から成り、活性層に近いＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層から順次に、Ａｌ組成をｘ１，ｘ２，ｘ３，・・・，ｘｍ，・・・，ｘｎ、膜厚をｄ１，ｄ２，ｄ３，・・・，ｄｍ，・・・，ｄｎとすると、
ｘ１＜ｘ２＜ｘ３＜・・・＜ｘｍ＞・・・＞ｘｎ、且つ、
ｄ１＞ｄ２＞ｄ３＞・・・＞ｄｍ＜・・・＜ｄｎ
が成立する、請求項２に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項４】
基板と、該基板上に設けられ夫々が低屈折率層及び高屈折率層から成るペア層を複数形成した上部及び下部半導体多層膜反射鏡と、該半導体多層膜反射鏡の間に配設された活性層と、前記上部半導体多層膜反射鏡中に設けられた、Ａｌを含む半導体層の一部領域を選択的に酸化してなる電流狭窄層とを有し、電流注入により前記基板と垂直にレーザ光を放射する面発光型半導体レーザ素子において、
前記Ａｌを含む半導体層は、上面のＡｌ組成が最も高いことを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記Ａｌを含む半導体層は、下面から上面に向かって単調にＡｌ組成が増加する、請求項４に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記Ａｌを含む半導体層が、相互に隣接する複数のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層から成り、活性層に近いＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層から順次に、Ａｌ組成をｘ１，ｘ２，ｘ３，・・・，ｘｍ，・・・，ｘｎ、膜厚をｄ１，ｄ２，ｄ３，・・・，ｄｍ，・・・，ｄｎとすると、
ｘ１＜ｘ２＜ｘ３＜・・・＜ｘｍ＜・・・＜ｘｎ、且つ、
ｄ１＞ｄ２＞ｄ３＞・・・＞ｄｍ＞・・・＞ｄｎ
が成立する、請求項５に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項７】
基板と、該基板上に設けられ夫々が低屈折率層及び高屈折率層から成るペア層を複数形成した上部及び下部半導体多層膜反射鏡と、該半導体多層膜反射鏡の間に配設された活性層と、前記上部半導体多層膜反射鏡中に設けられた、Ａｌを含む半導体層の一部領域を選択的に酸化してなる電流狭窄層とを有し、電流注入により前記基板と垂直にレーザ光を放射する面発光型半導体レーザ素子において、
前記Ａｌを含む半導体層は、下面のＡｌ組成が最も高いことを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記Ａｌを含む半導体層が、上面から下面に向かって単調にＡｌ組成が増加する、請求項７に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記Ａｌを含む半導体層が、相互に隣接する複数のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層から成り、活性層に近いＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層から順次に、Ａｌ組成をｘ１，ｘ２，ｘ３，・・・，ｘｍ，・・・，ｘｎ、膜厚をｄ１，ｄ２，ｄ３，・・・，ｄｍ，・・・，ｄｎとすると、
ｘ１＞ｘ２＞ｘ３＞・・・＞ｘｍ＞・・・＞ｘｎ、且つ、
ｄ１＜ｄ２＜ｄ３＜・・・＜ｄｍ＜・・・＜ｄｎ
が成立する、請求項８に記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項１０】
ｘＬを前記半導体多層膜反射鏡中の低屈折率層のＡｌ組成比率とすると、
ｘ１＞ｘＬ、ｘｎ＞ｘＬ
が成立する、請求項３、６、９の何れかに記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項１１】
発振波長をλ、半導体層の屈折率をｎＶとすると、
ｄ１＋ｄ２＋ｄ３＋・・・＋ｄｍ＋・・・＋ｄｎ＝λ／４ｎＶ
が成立する、請求項３、６、９、１０の何れかに記載の面発光型半導体レーザ素子。
【請求項１２】
発振波長が、１．３μｍ〜１．６μｍの範囲である、請求項１〜１１の何れかに記載の面発光型半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化狭窄型の面発光型半導体レーザ素子に関し、特に、レーザ素子の信頼性に影響を与える歪や、レーザ光の散乱損失が抑制され、且つ寄生容量が小さい酸化狭窄型の面発光型半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
面発光型半導体レーザ素子では、電流効率を高め、しきい値電流を下げるために、活性層に注入される電流の領域を限定する電流狭窄構造が採用されている。電流狭窄構造には、イオン打込みによるものと、活性層の近傍に形成されたＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層のＡｌを選択的に酸化させた酸化狭窄型とがあるが、酸化狭窄型は、イオン打込みによるものに比べて高速なレーザ動作に適し、光通信分野において主流になりつつある。
【０００３】
ここで、従来の酸化狭窄型の面発光型半導体レーザ素子の一例を説明する。図４は本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の構成を示す斜視断面図である。面発光型半導体レーザ素子３０は、ｎ−ＧａＡｓ基板３１上に、順次に形成された、下部半導体多層膜反射鏡（下部ＤＢＲ）３２、ノンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部クラッド層３３、ＧａＡｓ量子井戸活性層３４、ノンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部クラッド層３５、上部半導体多層膜反射鏡（上部ＤＢＲ）３７、及びｐ−ＧａＡｓキャップ層３８の積層構造を備えている。
【０００４】
下部ＤＢＲ３２は、各層の膜厚がλ／４ｎ（λ：発振波長、ｎ：屈折率）のｎ−ＧａＡｓ膜とｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ膜の３５ペアが積層された多層膜によって構成され、上部ＤＢＲ３７は、各層の膜厚がλ／４ｎのｐ−ＧａＡｓ膜とｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ膜の２５ペアが積層された多層膜によって構成されている。
【０００５】
積層構造のうち、ｐ−ＧａＡｓキャップ層３８、上部ＤＢＲ３７、ノンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部クラッド層３５、ＧａＡｓ量子井戸活性層３４、ノンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部クラッド層３３、及び下部ＤＢＲ３２の上部は、円筒状溝３９により、直径４０〜４５μｍのメサポスト構造４０として形成されている。
【０００６】
上部ＤＢＲ３７を構成する多層膜のうち、量子井戸活性層３４に最も近い層は、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ膜に代えて、ｐ−ＡｌＡｓ層の一部領域が選択的に酸化された電流狭窄層３６が形成されている。電流狭窄層３６は、ｐ−ＡｌＡｓ層のＡｌが酸化された、円筒状溝３９に接する環状のＡｌ酸化領域３６Ｂが電流狭窄領域を成し、Ａｌが酸化されずに残った、内側の直径約１５〜２０μｍの円形の非酸化領域３６Ａが電流注入領域を成す。
【０００７】
円形状溝３９の溝壁、及びメサポスト構造４０上を含めて、全面にＳｉＮｘ膜４１が成膜されている。メサポスト構造４０上面のＳｉＮｘ膜４１は、直径３０μｍの円形部分が除去されて、ｐ−ＧａＡｓキャップ層３８を露出させている。そこには、内径が２０μｍで外径が３０μｍのリング状のＡｕＺｎ金属膜がｐ側電極４２として形成されている。
【０００８】
更に、ｐ側電極４２及びその周辺のＳｉＮｘ膜４１を覆って接続したＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層金属パッドが、ｐ側電極４２の引出し用電極４３として形成されている。ｐ側電極４２の引き出し用電極４３は、中央に円形開口を有する。また、ｎ−ＧａＡｓ基板３１の裏面には、ＡｕＧｅＮｉ金属膜がｎ側電極４４として形成されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、酸化狭窄型の面発光型半導体レーザ素子では、Ａｌ酸化領域で半導体結晶が酸化する際にその膜厚に応じた体積で収縮するため、Ａｌ酸化領域の近傍に歪が生じる。上記歪のうち電流が流れる経路の近傍のものは、レーザ素子の通電中に、電流が流れる経路に結晶欠陥を増殖させ、レーザ素子の信頼性に影響を与えるという問題がある。
【００１０】
また、酸化狭窄型の面発光型半導体レーザ素子では、レーザ光を通過させる非酸化領域とレーザ光を遮断するＡｌ酸化領域との境界部が、λ／４ｎの厚みを有するレーザ光との接触面となり、上記境界面でレーザ光の散乱損失が発生するという問題もある。このため、上記歪やレーザ光の散乱損失を抑制するためには、電流狭窄層の膜厚を小さくすることが望ましい。
【００１１】
しかし、Ａｌ酸化領域は上下を誘電体に挟まれた絶縁体であるため、Ａｌ酸化領域は、同領域の面積と厚さに応じた静電容量、即ち寄生容量を持つ。Ａｌ酸化領域の寄生容量は、εを同領域の誘電率、Ｓを同領域の面積、ｄを同領域の厚さとすると、式Ｃ＝εＳ／ｄで表されるため、単純に電流狭窄層の厚さｄを小さくしようとすると、寄生容量の増大をもたらし、レーザ素子の動的特性が低下する。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、レーザ素子の信頼性に影響を与える歪や、レーザ光の散乱損失が抑制され、且つ寄生容量が小さい酸化狭窄型の面発光型半導体レーザ素子を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述の問題を解決するために、電流狭窄層のＡｌ酸化領域が、メサポスト構造の内側に行くほど厚さが小さくなる形状として形成することにより、上記目的を達成するレーザ素子を実現することを着想し、種々の実験の末、本発明を完成するに至った。
【００１４】
即ち、上記目的を達成する本発明の第１発明に係る面発光型半導体レーザ素子は、基板と、該基板上に設けられ夫々が低屈折率層及び高屈折率層から成るペア層を複数形成した上部及び下部半導体多層膜反射鏡と、該半導体多層膜反射鏡の間に配設された活性層と、前記上部半導体多層膜反射鏡中に設けられた、Ａｌを含む半導体層の一部領域（Ａｌ酸化領域）を選択的に酸化してなる電流狭窄層とを有し、電流注入により前記基板と垂直にレーザ光を放射する面発光型半導体レーザ素子において、
前記Ａｌを含む半導体層は、膜厚方向の中央部でＡｌ組成が最も高いことを特徴としている。
【００１５】
Ａｌを含む半導体層が、膜厚方向の中央部でＡｌ組成が最も高いことにより、Ａｌを含む半導体層は一般的にＡｌ組成が大きいほど酸化速度が速いため、メサポスト構造の内側に行くほどＡｌ酸化領域の厚さが小さくなり、膜厚方向の中央部で突出した形状として形成することができる。
【００１６】
上記形状では、メサポスト構造の内側でＡｌ酸化領域の厚さが小さくなるため、この領域の酸化による収縮を低減し、レーザ素子の信頼性に影響を与える、電流が流れる経路の近傍における歪を抑制できる。また、非酸化領域とＡｌ酸化領域との境界部におけるレーザ光の接触面積を小さくし、レーザ光の散乱損失を抑制することができる。更に、上記構成により、Ａｌ酸化領域の膜厚が小さくなる領域をメサポスト構造の内側の狭い領域に限定し、寄生容量を小さくすることができる。
【００１７】
第１発明は好適には、前記Ａｌを含む半導体層は、上面及び下面から膜厚方向の中央部に向かって単調にＡｌ組成が増加する。上記構成により、Ａｌ酸化領域を、メサポスト構造の内側向きのテーパ形状に形成し、より良好な上述の効果を得ることができる。
【００１８】
第１発明の好ましい例では、前記Ａｌを含む半導体層が、相互に隣接する複数のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層から成り、活性層に近いＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層から順次に、Ａｌ組成をｘ１，ｘ２，ｘ３，・・・，ｘｍ，・・・，ｘｎ、膜厚をｄ１，ｄ２，ｄ３，・・・，ｄｍ，・・・，ｄｎとすると、
ｘ１＜ｘ２＜ｘ３＜・・・＜ｘｍ＞・・・＞ｘｎ、且つ、
ｄ１＞ｄ２＞ｄ３＞・・・＞ｄｍ＜・・・＜ｄｎ
が成立する。
【００１９】
ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層は、作製の際に、Ａｌ組成ｘを小さくすると酸化速度が急激に小さくなり、実用的な酸化速度が得られない。一方、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層の膜厚ｄｍは、大きいほど酸化速度が大きくなる。このため、上記の式のようにＡｌ組成ｘｍの小さい膜ほど、膜厚ｄｍを大きくすることにより、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層を酸化して電流狭窄層を形成する工程の際に、実用的な酸化速度を得ることができる。
【００２０】
また、本発明の第２発明に係る面発光型半導体レーザ素子は、基板と、該基板上に設けられ夫々が低屈折率層及び高屈折率層から成るペア層を複数形成した上部及び下部半導体多層膜反射鏡と、該半導体多層膜反射鏡の間に配設された活性層と、前記上部半導体多層膜反射鏡中に設けられた、Ａｌを含む半導体層の一部領域を選択的に酸化してなる電流狭窄層とを有し、電流注入により前記基板と垂直にレーザ光を放射する面発光型半導体レーザ素子において、
前記Ａｌを含む半導体層は、上面のＡｌ組成が最も高いことを特徴としている。
【００２１】
第２発明では、Ａｌを含む半導体層が、上面のＡｌ組成が最も高いことにより、メサポスト構造の内側に行くほどＡｌ酸化領域の厚さが小さくなり、上面で突出した形状として形成することができ、第１発明と同様の効果を得ることができる。
【００２２】
第２発明は好適には、前記Ａｌを含む半導体層は、下面から上面に向かって単調にＡｌ組成が増加する。第２発明の好ましい例では、前記Ａｌを含む半導体層が、相互に隣接する複数のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層から成り、活性層に近いＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層から順次に、Ａｌ組成をｘ１，ｘ２，ｘ３，・・・，ｘｍ，・・・，ｘｎ、膜厚をｄ１，ｄ２，ｄ３，・・・，ｄｍ，・・・，ｄｎとすると、
ｘ１＜ｘ２＜ｘ３＜・・・＜ｘｍ＜・・・＜ｘｎ、且つ、
ｄ１＞ｄ２＞ｄ３＞・・・＞ｄｍ＞・・・＞ｄｎ
が成立する。第１発明と同様の効果が得られる。
【００２３】
更に、本発明の第３発明に係る面発光型半導体レーザ素子は、基板と、該基板上に設けられ夫々が低屈折率層及び高屈折率層から成るペア層を複数形成した上部及び下部半導体多層膜反射鏡と、該半導体多層膜反射鏡の間に配設された活性層と、前記上部半導体多層膜反射鏡中に設けられた、Ａｌを含む半導体層の一部領域を選択的に酸化してなる電流狭窄層とを有し、電流注入により前記基板と垂直にレーザ光を放射する面発光型半導体レーザ素子において、
前記Ａｌを含む半導体層は、下面のＡｌ組成が最も高いことを特徴としている。
【００２４】
第３発明では、Ａｌを含む半導体層が、下面のＡｌ組成が最も高いことにより、メサポスト構造の内側に行くほどＡｌ酸化領域の厚さが小さくなり、下面で突出した形状として形成することができ、第１発明と同様の効果を得ることができる。
【００２５】
第３発明は好適には、前記Ａｌを含む半導体層が、上面から下面に向かって単調にＡｌ組成が増加する。第３発明の好ましい例では、前記Ａｌを含む半導体層が、相互に隣接する複数のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層から成り、活性層に近いＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層から順次に、Ａｌ組成をｘ１，ｘ２，ｘ３，・・・，ｘｍ，・・・，ｘｎ、膜厚をｄ１，ｄ２，ｄ３，・・・，ｄｍ，・・・，ｄｎとすると、
ｘ１＞ｘ２＞ｘ３＞・・・＞ｘｍ＞・・・＞ｘｎ、且つ、
ｄ１＜ｄ２＜ｄ３＜・・・＜ｄｍ＜・・・＜ｄｎ
が成立する。第１発明と同様の効果が得られる。
【００２６】
第１〜第３発明では、ｘＬを前記半導体多層膜反射鏡中の低屈折率層のＡｌ組成比率とすると、
ｘ１＞ｘＬ、ｘｎ＞ｘＬ
が成立する。また、第１〜第３発明では、発振波長をλ、半導体層の屈折率をｎｖとすると、
ｄ１＋ｄ２＋ｄ３＋・・・＋ｄｍ＋・・・＋ｄｎ＝λ／４ｎＶ
が成立する。
【００２７】
第１〜第３発明は、レーザ光の散乱損失が比較的大きい、発振波長が１．３μｍ〜１．６μｍの範囲にある面発光型半導体レーザ素子に適用することにより、レーザ光の散乱損失を効果的に抑制し、良好な効果を得ることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例
図１は、第１発明に係わる実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の構成を示す斜視断面図で、図２は図１の電流狭窄構造を更に詳細に示す断面図である。
【００２９】
面発光型半導体レーザ素子１０は、発振波長が１３００ｎｍの酸化狭窄型の面発光型半導体レーザ素子であって、図１に示すように、膜厚２００μｍ程度のｎ−ＧａＡｓ基板１１上に、順次に形成された、下部ＤＢＲ１２、ノンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部クラッド層１３、多重量子井戸活性層１４、ノンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部クラッド層１５、上部ＤＢＲ１７、及びｐ−ＧａＡｓキャップ層１８の積層構造を備えている。
【００３０】
下部ＤＢＲ１２は、各層の膜厚がλ／４ｎＶのｎ−ＧａＡｓ膜とｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ膜の３５ペアが積層された多層膜によって構成され、上部ＤＢＲ１７は、各層の膜厚がλ／４ｎＶ（λ：発振波長、ｎＶ：屈折率）のｐ−ＧａＡｓ膜とｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ膜の２５ペアが積層された多層膜によって構成されている。また、多重量子井戸活性層１４は、３層の膜厚７ｎｍのＧａＡｓ井戸層と、ＧａＡｓ井戸層の間に形成された膜厚２０ｎｍのＧａ０．６７Ｉｎ０．３３Ｎ０．００７Ａｓ０．９９３障壁層とから構成されている。
【００３１】
積層構造のうち、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８、上部ＤＢＲ１７、ノンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部クラッド層１５、多重量子井戸活性層１４、ノンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部クラッド層１３、及び下部ＤＢＲ１２の上部は、円筒状溝１９により、直径４５μｍのメサポスト構造２０として形成されている。
【００３２】
上部ＤＢＲ１７を構成する多層膜のうち、多重量子井戸活性層１４に最も近い層は、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ膜に代えて、図２に示すように、ｐ−Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ層の一部領域を選択的に酸化した、膜厚４０ｎｍの第１の電流狭窄層２５、ｐ−ＡｌＡｓ層の一部領域を選択的に酸化した、膜厚２０ｎｍの第２の電流狭窄層２６、及びｐ−Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ層の一部領域を選択的に酸化した、膜厚４０ｎｍの第３の電流狭窄層２７が、順次に積層されている。
【００３３】
第１〜第３の電流狭窄層２５、２６、２７は、夫々、円筒状溝１９に接する環状のＡｌ酸化領域２５Ｂ、２６Ｂ、２７Ｂが電流狭窄領域を成し、電流狭窄構造１６のＡｌ酸化領域１６Ｂを構成する。一方、内側の円形の非酸化領域２５Ａ、２６Ａ、２７Ａが電流注入領域を成し、電流狭窄構造１６の非酸化領域１６Ａを構成する。
【００３４】
また、Ａｌ酸化領域１６Ｂは、Ａｌ酸化領域２６Ｂが内側に突出したテーパ状で、非酸化領域２６Ａの直径が１０μｍになるように形成されている。非酸化領域２５Ａ、２７Ａは、直径１３μｍで、非酸化領域２６Ａより僅かに広く形成されている。電流狭窄構造１６は、上記構成により、多重量子井戸活性層１４に注入される電流の領域を限定する。
【００３５】
電流狭窄構造１６は、Ａｌ酸化領域１６Ｂの断面が上記テーパ状に形成されることにより、テーパ状の先端部のＡｌ酸化領域１６Ｂ（２６Ｂ）の酸化による収縮を低減し、電流が流れる経路の近傍における歪を抑制することができる。また、レーザ光との接触面積が、非酸化領域２６ＡとＡｌ酸化領域２６Ｂとの狭い境界部に限られるため、レーザ光の散乱損失を抑制することができる。更に、Ａｌ酸化領域１６Ｂの膜厚が小さくなるのは、メサポスト構造２０の内側の狭い領域に限られ、これ以外の領域ではＡｌ酸化領域１６Ｂは十分大きな膜厚を有するため、寄生容量を小さくすることができる。
【００３６】
円形状溝１９の溝壁、及びメサポスト構造２０上を含めて、全面にＳｉＮｘ膜２１が成膜されている。メサポスト構造２０上面のＳｉＮｘ膜２１は、直径２５μｍの円形部分が除去されて、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８を露出させている。そこには、内径が２０μｍで外径が２５μｍのリング状のＡｕＺｎ金属膜がｐ側電極２２として形成されている。
【００３７】
更に、ｐ側電極２２及びその周辺のＳｉＮｘ膜２１を覆って接続したＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層金属パッドが、ｐ側電極２２の引出し用電極２３として形成されている。ｐ側電極２２の引出し用電極２３は、中央に円形開口を有する。また、ｎ−ＧａＡｓ基板１１の裏面には、ＡｕＧｅＮｉ金属膜がｎ側電極２４として形成されている。
【００３８】
面発光型半導体レーザ素子１０は、上記構成により、電流狭窄構造１６による歪やレーザ光の散乱損失が抑制され、且つ寄生容量が小さい面発光型半導体レーザ素子を実現している。
【００３９】
次に、本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子１０の製造方法を説明する。図３は、本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の製造方法に係わる一製造工程段階を示す断面図である。先ず、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、図１に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１１上に、各層の膜厚がλ／４ｎＶのｎ−ＧａＡｓ膜とｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ膜の３５ペアからなる多層膜を成長させて下部ＤＢＲ１２を形成する。
【００４０】
次いで、下部ＤＢＲ１２上に、ノンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部クラッド層１３、多重量子井戸活性層１４、及びノンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部クラッド層１５を成長させる。多重量子井戸活性層１４は、３層の膜厚７ｎｍのＧａＡｓ井戸層と、ＧａＡｓ井戸層の間に形成された膜厚２０ｎｍのＧａ０．６７Ｉｎ０．３３Ｎ０．００７Ａｓ０．９９３障壁層により形成する。
【００４１】
更に、ノンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部クラッド層１５上に、各層の厚さがλ／４ｎＶのｐ−ＧａＡｓ膜とｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ膜の２５ペアからなる多層膜を成長させて上部ＤＢＲ１７を形成する。
【００４２】
上部ＤＢＲ１７のうち多重量子井戸活性層１４に最も近い層は、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ膜に代えて、図３に示すように、膜厚４０ｎｍのｐ−Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ膜２５ａ、膜厚２０ｎｍのｐ−ＡｌＡｓ膜２６ａ、及び膜厚４０ｎｍのｐ−Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ膜２７ａを順次に成長させる。続いて、上部ＤＢＲ１７上に膜厚１０ｎｍのｐ−ＧａＡｓキャップ層１８を成長させる。
【００４３】
次に、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８上にプラズマＣＶＤ法によりＳｉＮｘ膜（図示せず）を成膜し、更にその上にフォトレジスト膜（図示せず）を成膜する。次いで、直径約４５μｍの円形パターンをフォトリソグラフィ技術でフォトレジスト膜に転写し、円形レジスト・エッチングマスク（図示せず）を形成する。
【００４４】
続いて、円形レジスト・エッチングマスクを用い、ＣＦ４ガスをエッチングガスとする反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によりＳｉＮｘ膜をエッチングする。更に、リン酸、過酸化水素水、水の混合液をエッチング液として、パターンニングされたＳｉＮｘ膜をエッチングマスクとして、上部ＤＢＲ１７、ノンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部クラッド層１５、多重量子井戸活性層１４、及びノンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部クラッド層１３の上部をエッチングして、円筒状溝１９を形成する。これにより、柱状のメサポスト構造２０ができる。
【００４５】
次に、４００℃の水蒸気雰囲気中で約２５分間の酸化処理を行い、ｐ−Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ層２５ａ、ｐ−ＡｌＡｓ膜２６ａ、及びｐ−Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ層２７ａをメサポスト構造２０の側壁から中心に向かって選択的に酸化する。上記酸化処理により、図２に示すように、メサポスト構造２０の溝壁に沿ってＡｌ酸化領域２５Ｂ、２６Ｂ、２７Ｂを生成すると共に、メサポスト構造２０の中央領域を元のｐ−ＡｌＡｓ、又はｐ−Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓのままに残し、夫々非酸化領域２５Ａ、２６Ａ、２７Ａとして形成する。
【００４６】
この際、ｐ−ＡｌＡｓ層２６ａは、ｐ−Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ層２５ａ、２７ａよりＡｌ組成が大きいため酸化速度が速く、ｐ−Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ層２５ａ、２７ａよりメサポスト構造２０の内側まで酸化され、中央の直径約１０μｍの円形領域を非酸化領域２６Ａとして残す。
【００４７】
一方、ｐ−Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ層２５ａ、２７ａは夫々膜厚４０ｎｍで成膜され、ｐ−ＡｌＡｓ層２６ａの膜厚２０ｎｍと比べて十分大きい膜厚を有する。このため、ｐ−Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ層２５ａ、２７ａは、ｐ−ＡｌＡｓ層２６ａと比べて酸化速度は遅いものの十分大きな酸化速度を有し、メサポスト構造２０の内側に向かって、ｐ−ＡｌＡｓ層２６ａが酸化される位置に近い位置まで酸化される。
【００４８】
次いで、ＳｉＮｘ膜をＲＩＥ法により完全に除去した後に、改めて、プラズマＣＶＤ法によってＳｉＮｘ膜２１を全面に成膜する。メサポスト構造２０の上面のＳｉＮｘ膜２１を直径２５μｍの円形に除去し、そこにｐ側電極２２として内径が２０μｍで外径が２５μｍのリング状のＡｕＺｎ電極を形成する。
【００４９】
更に、ｐ側電極の引き出し用電極２３としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕパッドを、ｐ側電極２２上及びその周辺のＳｉＮｘ膜２１上に形成する。また、ｎ−ＧａＡｓ基板１１の裏面を研磨して基板厚さを２００μｍ程度に調整した後、裏面にＡｕＧｅＮｉ電極を蒸着してｎ側電極２４とする。最後に、窒素雰囲気中で約４００℃でアニール処理を施すことにより面発光型半導体レーザ素子１０を完成することができる。
【００５０】
本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子１０の性能を評価するために、面発光型半導体レーザ素子１０を試作し、種々の測定を行った。レーザ素子の容量値は１．３５ｐＦであり、信号強度が半分に低下する周波数ｆ−３ｄＢは、図５に示すように、２２ＧＨｚであった。また、レーザ素子の信頼性を調べるために、素子を長時間通電した際の規格化光出力を調べたところ、図６に示すように、８５℃で１５ｍＡの動作条件下における１００００時間の通電で、規格化光出力はほぼ一定の値を保った。よって、本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子１０は、レーザ素子の容量値、周波数ｆ−３ｄＢ及び素子の信頼性について、良好な結果が得られたものと評価できる。
【００５１】
比較例
実施形態例の面発光型半導体レーザ素子１０との比較を行うために、従来の面発光型半導体レーザ素子の一例を比較例のレーザ素子として試作した。比較例の面発光型半導体レーザ素子（図示なし）は、発振波長が１３００ｎｍの酸化狭窄型の面発光型半導体レーザ素子であって、実施形態例の面発光型半導体レーザ素子１０とは、以下の点を除いて同様の構成をしている。
【００５２】
即ち、上部ＤＢＲ１７を構成する多層膜のうち、多重量子井戸活性層１４に最も近い層は、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ膜に代えて、膜厚４０ｎｍのｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層、膜厚２０ｎｍの電流狭窄層、及び膜厚４０ｎｍのｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ膜が順次に積層された構成を有する。電流狭窄層は、ｐ−ＡｌＡｓ層の一部領域が選択的に酸化されることにより形成され、円筒状溝に接する環状のＡｌ酸化領域と、内側の直径１０μｍの円形の非酸化領域からなる。
【００５３】
従って、比較例の面発光型半導体レーザ素子の製造に当たっては、実施形態例の上部ＤＢＲ１７を形成する工程において、上部ＤＢＲ１７のうち多重量子井戸活性層１４に最も近い層は、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ膜に代えて、膜厚４０ｎｍのｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層、膜厚２０ｎｍのｐ−ＡｌＡｓ層、及び膜厚４０ｎｍのｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層を順次に成長させることを除いては、実施形態例の面発光型半導体レーザ素子１０と同様の製造方法により製造することができる。
【００５４】
このような、比較例の面発光型半導体レーザ素子を試作し、実施形態例と同様の測定を行ったところ、まず、素子の容量値は２．２ｐＦであり、信号強度が半分に低下する周波数ｆ−３ｄＢは、図５に示すように、１０ＧＨｚであった。また、素子を長時間通電した際の規格化光出力を調べたところ、図６に示すように、８５℃で１５ｍＡの動作条件下における１００００時間の通電で、規格化光出力はほぼ一定の値を保った。
【００５５】
上述の実施形態例及び比較例の試験結果より、実施形態例の面発光型半導体レーザ素子１０は、比較例の面発光型半導体レーザ素子と比較して、レーザ素子の容量値、及び周波数ｆ−３ｄＢの値について良好な値が得られ、これにより、レーザ素子の寄生容量が小さくなっているものと評価できる。また、レーザ素子の信頼性について、比較例の面発光型半導体レーザ素子と同様の良好な結果が得られ、これにより、本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子１０は、レーザ素子の歪及びレーザ光の散乱損失が抑制されているものと評価できる。
【００５６】
長距離光ファイバ通信系に使用される１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯の長波長のレーザ素子では、発振波長λの増加に伴いλ／４ｎＶが大きくなるが、本発明を適用することにより、上記境界部におけるレーザ光の接触面積を効果的に低減し、レーザ光の散乱損失を抑制することができる。また、シングルモード伝送に対応した、狭い非酸化領域を備えた面発光型半導体レーザ素子では、レーザ光の散乱損失の光学特性への影響度が大きいが、本発明を適用することにより、光学特性への影響を抑制することができる。
【００５７】
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明の面発光型半導体レーザ素子は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施した面発光型半導体レーザ素子も、本発明の範囲に含まれる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、電流狭窄層について、膜厚方向の中央部でＡｌ組成を最も高く形成し、或いは、上面のＡｌ組成を最も高く形成し、或いは、下面のＡｌ組成を最も高く形成したことにより、メサポスト構造の内側でＡｌ酸化領域の厚さが小さくなるため、この領域における酸化収縮を低減し、電流が流れる経路の近傍における歪を抑制でき、且つ、非酸化領域とＡｌ酸化領域との境界部におけるレーザ光の接触面積を小さくし、レーザ光の散乱損失を抑制することができる。
【００５９】
また、これらの構成により、Ａｌ酸化領域の膜厚が小さくなる領域をメサポスト構造の内側の狭い領域に限定したことにより、寄生容量を小さくすることができる。このため、信頼性が高く、且つ動作特性に優れた酸化狭窄型の面発光型半導体レーザ素子を実現している。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の構成を示す斜視断面図である。
【図２】図２は、実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の電流狭窄構造の層構造を示す断面図である。
【図３】図３は、実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の製造方法に係わる一製造工程段階を示す断面図である。
【図４】図４は、従来の面発光型半導体レーザ素子の断面図である。
【図５】図５は、実施形態例及び比較例の面発光型半導体レーザ素子の周波数特性を示すグラフである。
【図６】図６は、実施形態例及び比較例の面発光型半導体レーザ素子の信頼性試験の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１０　実施形態例の面発光型半導体レーザ素子
１１　ｎ−ＧａＡｓ基板
１２　ｎ型多層膜からなる下部ＤＢＲ
１３　ノンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部クラッド層
１４　多重量子井戸活性層
１５　ノンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部クラッド層
１６　電流狭窄構造
１６Ａ　非酸化領域
１６Ｂ　Ａｌ酸化領域
１７　ｐ型多層膜からなる上部ＤＢＲ
１８　ｐ−ＧａＡｓキャップ層
１９　円筒状溝
２０　メサポスト構造
２１　ＳｉＮｘ膜
２２　ｐ側電極
２３　ｐ側電極の引き出し用電極
２４　ｎ側電極
２５　第１の電流狭窄層
２５Ａ　非酸化領域
２５Ｂ　Ａｌ酸化領域
２５ａ　ｐ−Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ層
２６　第２の電流狭窄層
２６Ａ　非酸化領域
２６Ｂ　Ａｌ酸化領域
２６ａ　ｐ−ＡｌＡｓ層
２７　第３の電流狭窄層
２７Ａ　非酸化領域
２７Ｂ　Ａｌ酸化領域
２７ａ　ｐ−Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ層
３０　従来の面発光型半導体レーザ素子
３１　ｎ−ＧａＡｓ基板
３２　ｎ型多層膜からなる下部ＤＢＲ
３３　ノンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部クラッド層
３４　ＧａＡｓ量子井戸活性層
３５　ノンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部クラッド層
３６　電流狭窄層
３７　ｐ型多層膜からなる上部ＤＢＲ
３８　ｐ−ＧａＡｓキャップ層
３９　円筒状溝
４０　メサポスト構造
４１　ＳｉＮｘ膜
４２　ｐ側電極
４３　ｐ側電極の引き出し用電極
４４　ｎ側電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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