(57)【要約】【課題】長時間にわたり安定した光出力で動作する、信頼性の高い面発光型半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】面発光型半導体レーザ素子３０は、ｎ型ＧａＡｓ基板３１上に、順次に形成された、ｎ型の下部半導体多層膜反射鏡３２、下部クラッド層３３、活性層３４、上部クラッド層３５、ｐ型の上部半導体多層膜反射鏡３６、及びｐ型ＧａＡｓキャップ層３７を構成層として備える。構成層のうちの少なくとも一つの半導体層で、水素単体、水素と他の物質との化合物、及び水素と固有欠陥の複合体を含む水素濃度が、５×１０１８ｃｍ−３以下である。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）からなるｎ型及びｐ型半導体多層膜反射鏡、該半導体多層膜反射鏡のいずれかもしくは両方の少なくとも一部を構成する、一層以上のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（ｘ≦ｙ≦１）層の電流注入領域以外のＡｌを選択的に酸化させてなるＡｌ酸化層の電流狭窄層、下部及び上部クラッド層、及び活性層を少なくとも構成層として備え、前記半導体基板に直交する方向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、
前記構成層のうちの少なくとも一つの半導体層で、層中の水素単体、水素と他の物質との化合物、及び水素と固有欠陥の複合体を含む水素濃度の合計が、５×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記半導体基板がＧａＡｓ基板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レーザ素子。
【請求項３】
前記構成層のうちの少なくとも一つの半導体層が前記活性層であって、前記活性層中の水素単体、水素と他の物質との化合物、及び水素と固有欠陥の複合体を含む水素濃度の合計が、５×１０１８ｃｍ−３以下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レーザ素子。
【請求項４】
前記構成層のうちの少なくとも一つの半導体層が前記ｐ型半導体多層膜反射鏡であって、前記ｐ型半導体多層膜反射鏡中の水素単体、水素と他の物質との化合物、及び水素と固有欠陥の複合体を含む水素濃度の合計が、５×１０１８ｃｍ−３以下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レーザ素子。
【請求項５】
前記構成層のうちの少なくとも一つの半導体層が前記ｎ型半導体多層膜反射鏡であって、前記ｎ型半導体多層膜反射鏡中の水素単体、水素と他の物質との化合物、及び水素と固有欠陥の複合体を含む水素濃度の合計が、５×１０１８ｃｍ−３以下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、面発光型半導体レーザ素子に関し、特に、長時間にわたり安定した光出力で動作する、信頼性の高い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は、基板に対して直交方向に光を出射させる半導体レーザ素子であって、従来のファブリペロー共振器型半導体レーザ素子とは異なり、同一の基板上に２次元的アレイ状に多数の面発光型半導体レーザ素子を配列することが可能なこともあって、近年、データ通信分野で注目されている半導体レーザ素子である。
面発光型半導体レーザ素子は、ＧａＡｓやＩｎＰといった半導体基板上にＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ等を用いた一対の半導体多層膜反射鏡を形成し、その反射鏡の間に発光領域となる活性層を有する構造を備える。活性層で発生したレーザ光は反射鏡で増幅された後、外部へ出射される。また、活性層への電流注入効率を高め、閾値電流の値を下げるため、一般的に電流狭窄層を備える。近年では、電流を狭窄する手法として、酸化アルミニウムを用いる酸化狭窄型の面発光型半導体レーザ素子が工業化されている。
【０００３】
ここで、図５を参照して、従来の酸化狭窄型の面発光型半導体レーザ素子の構成を説明する。図５は従来の面発光型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
面発光型半導体レーザ素子１０は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの３０．５ペアからなる下部半導体多層膜反射鏡１２、ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層１３、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸構造からなる活性層１４、ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層１５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの２５ペアからなる上部半導体多層膜反射鏡１６、及びｐ型ＧａＡｓキャップ層１７の積層構造を有する。
【０００４】
電流を効率良く閉じこめるため、上部半導体多層膜反射鏡１６内の活性層１４に近い層がＡｌＧａＡｓ層に代えてＡｌＡｓ層１８で形成され、更に、電流注入領域を除く領域のＡｌＡｓ層は、Ａｌが選択的に酸化された電気抵抗の高いＡｌ酸化層からなる電流狭窄層１９となっている。
また、下部クラッド層１３、活性層１４、上部クラッド層１５、電流狭窄層１９を含む上部半導体多層膜反射鏡１６、及びキャップ層１７は、メサ構造になっている。
メサ構造の上部のキャップ層１７を露出させる窓を除いて、全面に酸化シリコンまたは窒化シリコン膜からなる保護膜２０が成膜され、更に、寄生容量を減らすため、ポリイミド層２１がメサ構造脇の保護膜２０上に形成してある。
窓を介してキャップ層１７上にｐ側電極２２が、また、ＧａＡｓ基板１１の裏面にｎ側電極２３が形成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の面発光型半導体レーザ素子は、図４のグラフ（５）に示すように、動作経過時間と共に、同じ注入電流値であっても、光出力が低下するという問題があった。なお、図４の横軸は動作経過時間（時間）を、縦軸は初期光出力Ｐ０で規格化した各動作経過時間での光出力を示す。また、従来の面発光型半導体レーザ素子では、通電後数秒から数時間の間で、光出力が急に増加するという例が見られ、初期の光出力が安定しないという問題もあった。
上記の問題のため、面発光型半導体レーザ素子に対する信頼性を高めて、更なる用途拡大を図ることが困難であった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、長時間にわたり安定した光出力で動作する、信頼性の高い面発光型半導体レーザ素子を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するために、面発光型半導体レーザ素子の光出力の低下問題、つまり劣化問題を以下のように考察した。
一般に、端面発光型半導体レーザ素子は、反射端面でのいわゆる光学損傷（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｄａｍａｇｅ：ＣＯＤ）や、ダークライン欠陥（Ｄａｒｋ　Ｌｉｎｅ　Ｄｅｆｅｃｔ：ＤＬＤ）の発生により、劣化する。光学損傷とは、温度上昇による反射端面での局部的溶融に起因して生じる転位によって反射端面が劣化する現象である。また、ダークライン欠陥とは、転位が成長して転位網になったもので、発光領域で非発光の線が観察できることから、ダークラインと呼ばれている。
一方、面発光型半導体レーザ素子の初期の光出力不安定は、光出力が不安定となった面発光型半導体レーザ素子断面を透過電子線顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＴＥＭ）で観察すると、転位ループの発生が観察されていることから、点欠陥やその集合体である転位により起こると考えられている。
【０００８】
従来、酸化狭窄型の面発光型半導体レーザ素子では、電流注入領域以外のＡｌＡｓ層のＡｌを選択的に酸化させて、電気抵抗の高いＡｌ酸化層を形成し、それにより電流狭窄構造を形成しているが、Ａｌの選択的酸化に伴い、体積が３０〜４０％程度小さくなり、この結果、高い応力が発生して転位が発生する。これも、面発光型半導体レーザ素子の劣化の一因と考えられる。また電流狭窄層以外の部分の酸素も転位の形成に深く関与している。
しかし、酸化狭窄していない素子や、酸素濃度の低い素子でも、素子の劣化は起こり、正確な原因は判明していない。
【０００９】
本発明者は、面発光型半導体レーザ素子を構成する各構成層に含有されている水素が点欠陥やその集合体である転位を生じさせる原因になっているのではないかと考えた。
そして、劣化原因である点欠陥や転位の密度自体を低減させるには、各構成層の水素濃度を低下させることが必要ではないかと考え、多数回の実験の結果、以下のことを見い出した。
【００１０】
（１）面発光型半導体レーザ素子の各構成層のうち、少なくとも一つの層中の、水素単体、水素と他の物質との化合物、及び水素と固有欠陥の複合体を含む水素濃度を５×１０１８ｃｍ−３以下にすることにより、面発光型半導体レーザ素子の光出力の低下を抑制することができる。ここで、水素と他の物質との化合物とは、結晶中に存在する不純物と水素が結びついたものを意味し、水素と固有欠陥の複合体とは、構成元素（Ａｌ、Ｇａ、Ａｓ）が形成する欠陥と水素とが結びついたものを意味する。また、固有欠陥とは、ＡｌＧａＡｓ結晶中に存在するＡｌ、Ｇａ、及びＡｓの構成元素が形成する欠陥のことであって、置換元素、原子空孔、格子間原子の３種類がある。
【００１１】
（２）通電の初期に光出力が増加する現象はすべてのレーザ素子に現われるわけではないが、水素濃度が５×１０１８ｃｍ−３以下の半導体レーザ素子については現われなかった。この原因は不明であるが、水素原子の結合や位置の形態が違うことで起こるのではないかと推測している。
【００１２】
（３）構成層中の水素単体、水素と他の物質との化合物、及び水素と固有欠陥の複合体を含む水素濃度を５×１０１８ｃｍ−３以下にするためには、以下の方法がある。
（ｉ）エピタキシャル成長法で形成した積層構造の表面にＧａＡｓ基板等を密着させ、窒素中で熱処理を行う。表面にＧａＡｓ基板等を密着させるのは、積層構造からＡｓが抜けるのを抑えるためである。
（ｉｉ）エピタキシャル成長法で積層構造を形成中又は形成後に、水素が混入しやすいアルシン（ＡｓＨ３）の供給を停止し、水素が混入しにくいトリメチル砒素（ＴＭＡｓ）などを供給しつつ積層構造の全て又は一部の熱処理を行う。
（ｉｉｉ）エピタキシャル成長法で積層構造を形成する際に、アルシン（ＡｓＨ３）に代えて、トリメチル砒素（ＴＭＡｓ）などを供給しつつ積層構造の全て又は一部を形成する。
【００１３】
上述の知見に基づいて、本発明に係る面発光型半導体レーザ素子は、半導体基板上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）からなるｎ型及びｐ型半導体多層膜反射鏡、該半導体多層膜反射鏡のいずれかもしくは両方の少なくとも一部を構成する、一層以上のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（ｘ≦ｙ≦１）層の電流注入領域以外のＡｌを選択的に酸化させてなるＡｌ酸化層の電流狭窄層、下部及び上部クラッド層、及び活性層を少なくとも構成層として備え、前記半導体基板に直交する方向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、
前記構成層のうちの少なくとも一つの半導体層で、層中の水素単体、水素と他の物質との化合物、及び水素と固有欠陥の複合体を含む水素濃度の合計が、５×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする。
【００１４】
構成層のうちの少なくとも一つの半導体層で、前述の水素濃度を５×１０１８ｃｍ−３以下、好ましくは２×１０１８ｃｍ−３以下にすることにより、面発光型半導体レーザ素子の劣化原因である点欠陥や転位の密度を低減させ、長時間にわたり安定した光出力で動作させることができる。
本発明では、全ての構成層で前述の水素濃度が５×１０１８（好ましくは２×１０１８）ｃｍ−３以下である必要はなく、構成層のうちの少なくとも一つの半導体層でも前述の水素濃度が５×１０１８（好ましくは２×１０１８）ｃｍ−３以下であれば、同様の効果が得られる。全ての構成層の前述の水素濃度を５×１０１８（好ましくは２×１０１８）ｃｍ−３以下とすることにより、更に顕著な効果が得られる。
本発明は、特にＧａＡｓ基板上に成長する面発光型半導体レーザ素子に適用することによって、良好な結果が得られている。
【００１５】
前記構成層のうちの少なくとも一つの半導体層とは、例えば前記活性層、前記ｐ型半導体多層膜反射鏡、前記ｎ型半導体多層膜反射鏡、或いはこれら全てである。
発光領域である活性層中の前述の水素濃度を５×１０１８（好ましくは２×１０１８）ｃｍ−３以下にすることにより、活性層中の点欠陥や転位の密度を低減させ、本発明の効果が顕著に得られる。
反射端面であるｐ型半導体多層膜反射鏡中の前述の水素濃度を５×１０１８（好ましくは２×１０１８）ｃｍ−３以下にすることにより、ｐ型半導体多層膜反射鏡中の点欠陥や転位の密度を低減させ、本発明の効果が顕著に得られる。
反射端面であるｎ型半導体多層膜反射鏡中の前述の水素濃度を５×１０１８（好ましくは２×１０１８）ｃｍ−３以下にすることにより、前述と同様の効果が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に際して、面発光型半導体レーザ素子の構成層中の水素濃度と光出力の経時変化との関係を調べる実験を行い、次に実験例として要約する事実を見出した。
【００１７】
実験例
本実験例では、面発光型半導体レーザ素子の上部半導体多層膜反射鏡中の水素濃度を変化させた試料を作製し、光出力の経時変化を調べた。
【００１８】
実験に供した面発光型半導体レーザ素子は、上部半導体多層膜反射鏡１６の水素濃度が、試料１で１×１０１８ｃｍ−３、試料２で２×１０１８ｃｍ−３、試料３で５×１０１８ｃｍ−３、試料４で６×１０１８ｃｍ−３であることを除いて、図５を参照して説明した、従来の面発光型半導体レーザ素子１０と同様な構成を備える。
【００１９】
本実験例の面発光型半導体レーザ素子の作製方法は、図５を参照して説明すると、先ず、第１の工程で、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）により、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に、下部半導体多層膜反射鏡１２となるｎ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ多層膜を３０．５ペア成長させる。
【００２０】
続いて、第２の工程で、ノンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる下部クラッド層１３、膜厚７ｎｍの３層のＧａＡｓ量子井戸からなる発光層を含む、ＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸構造からなる活性層１４、及びｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる上部クラッド層１５を成長させる。
次いで、第３の工程で、上部半導体多層膜反射鏡１６として、ｐ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ多層膜を２５ペア成長させ、最上部のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層上にはｐ型ＧａＡｓキャップ層１７を成長させる。但し、上部半導体多層膜反射鏡１６の活性層１４に近い１層は、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層に代えて、ＡｌＡｓ層１８とする。
第１から第３の工程では、アルシン（ＡｓＨ３）を供給しつつ、積層構造を成長させる。
【００２１】
第４の工程で、エピタキシャル成長法で形成した積層構造の表面にＧａＡｓ基板を密着させ、窒素中で６００℃の熱処理を行う。この際、試料１で１０分間、試料２で８分間、試料３で６分間、試料４で５分間の熱処理を行う。
第５の工程で、既知の方法によりＡｌＡｓ層１８のＡｌを選択的に酸化することにより、Ａｌ酸化層からなる電流狭窄層１９を形成する。
【００２２】
次に、本実験例の作製方法で作製した面発光型半導体レーザ素子を夫々、温度１００℃、動作電流２０ｍＡで一定の動作条件下で通電を行い、光出力の経時変化を調べ、図４に示す結果を得た。同図中、グラフ（１）は試料１、グラフ（２）は試料２、グラフ（３）は試料３、グラフ（４）は試料４の面発光型半導体レーザ素子の出力を夫々示し、グラフ（５）は従来の面発光型半導体レーザ素子１０の出力を示す。なお、従来の面発光型半導体レーザ素子１０の上部半導体多層膜反射鏡中の水素濃度は１０×１０１８ｃｍ−３であった。
【００２３】
同図から判るように、従来の面発光型半導体レーザ素子１０の光出力は、経過時間と共に著しく低下しているのに対して、本実験例の試料１〜４の面発光型半導体レーザ素子の光出力は、上部半導体多層膜反射鏡中の水素濃度が小さくなるほど、経過時間に伴う低下が少なくなっている。
【００２４】
面発光型半導体レーザ素子の実用上の目安として、経過時間が１００００時間で、初期の光出力に対して５０％程度の光出力を維持したい場合、上部半導体多層膜反射鏡中の水素濃度を５×１０１８ｃｍ−３以上にすればよいことが判かる。更に、上部半導体多層膜反射鏡中の水素濃度を２×１０１８ｃｍ−３以上にすれば、経過時間１００００時間で、初期の光出力に対して８０％程度の光出力を維持できるため、より好ましいと言える。
【００２５】
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。
面発光型半導体レーザ素子の実施形態例
本実施例の面発光型半導体レーザ素子は、各構成層中の水素単体、水素と他の物質との化合物、及び水素と固有欠陥の複合体を含む水素濃度が、５×１０１８ｃｍ−３以下であることを除いて、図５を参照して説明した、従来の面発光型半導体レーザ素子１０と同様な構成を備える。
【００２６】
実施例１
本実施例の面発光型半導体レーザ素子は、上記実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の具体例であって、図１は本実施例の面発光型半導体レーザ素子を構成するエピタキシャル結晶層の概略構成を示す断面図である。
面発光型半導体レーザ素子３０は、ｎ型ＧａＡｓ基板３１上に、順次に形成された、ｎ型の下部半導体多層膜反射鏡３２、下部クラッド層３３、活性層３４、上部クラッド層３５、ｐ型の上部半導体多層膜反射鏡３６、及びｐ型ＧａＡｓキャップ層３７を構成層として備える。
各構成層のうち、上部半導体多層反射鏡３６の水素単体、水素と他の物質との化合物、及び水素と固有欠陥の複合体を含む水素濃度が、１×１０１８ｃｍ−３である。
【００２７】
下部半導体多層膜反射鏡３２は、３０．５ペアのｎ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ多層膜で構成されている。下部クラッド層３３は、ノンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる。活性層３４は、膜厚７ｎｍの３層のＧａＡｓ量子井戸からなる発光層を含む、ＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸構造として構成されている。上部クラッド層３５は、ノンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる。
上部半導体多層反射鏡３６は２５ペアのｐ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ多層膜で構成され、かつ活性層に近い層は、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層に代えてＡｌＡｓ層３８であって、しかも電流注入領域を除くＡｌＡｓ層のＡｌを選択的に酸化することにより、Ａｌ酸化層からなる電流狭窄層３９が形成されている。
上述の構成により、面発光型半導体レーザ素子３０を長時間にわたり安定した光出力で動作させることができる。
【００２８】
以下に、図１を参照して、本実施例の面発光型半導体レーザ素子３０の作製方法を説明する。本実施例の面発光型半導体レーザ素子３０は、以下に示すように、実験例の試料１の面発光型半導体レーザ素子と同様の方法で作製することができる。
先ず、第１の工程で、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）により、ｎ型ＧａＡｓ基板３１上に、下部半導体多層膜反射鏡３２となるｎ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ多層膜を３０．５ペア成長させる。
【００２９】
続いて、第２の工程で、ノンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる下部クラッド層３３、膜厚７ｎｍの３層のＧａＡｓ量子井戸からなる発光層を含む、ＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸構造からなる活性層３４、及びｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる上部クラッド層３５を成長させる。
次いで、第３の工程で、上部半導体多層膜反射鏡３６として、ｐ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ多層膜を２５ペア成長させ、最上部のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層上にはｐ型ＧａＡｓキャップ層３７を成長させる。但し、上部半導体多層膜反射鏡３６の活性層３４に近い１層は、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層に代えて、ＡｌＡｓ層３８とする。
第１から第３の工程では、アルシン（ＡｓＨ３）を供給しつつ、積層構造を成長させる。
【００３０】
第４の工程で、エピタキシャル成長法で形成した積層構造の表面にＧａＡｓ基板を密着させ、窒素中で６００℃、１０分間の熱処理を行う。
第５の工程で、既知の方法によりＡｌＡｓ層３８のＡｌを選択的に酸化することにより、Ａｌ酸化層からなる電流狭窄層３９を形成する。
【００３１】
以上の工程を経て形成した積層構造の各構成層の結晶中の水素濃度を二次イオン質量分析法（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｉｏｎ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＩＭＳ）により評価すると、従来の面発光型半導体レーザ素子の各構成層の結晶中の水素濃度に比べて、本実施例の積層構造の各構成層の結晶中の水素濃度が低減し、５×１０１８ｃｍ−３以下となった。
図２及び図３は、夫々、本実施例及び従来の面発光型半導体レーザ素子の上部半導体多層膜反射鏡の水素濃度プロファイルを示すグラフである。これらに示すように、本実施例の上部半導体多層膜反射鏡中の水素濃度は１×１０１８ｃｍ−３であり、従来の上部半導体多層膜反射鏡中の水素濃度は１０×１０１８ｃｍ−３であった。
【００３２】
次に、本実施例の面発光型半導体レーザ素子を作製し、温度１００℃、動作電流２０ｍＡで一定の動作条件下で通電を行い、光出力の経時変化を調べたところ、図４のグラフ（１）と同様な傾向の光出力が得られた。また、動作実験により、本実施例の面発光半導体レーザ素子は、室温で１０万時間以上の安定的動作が可能なことが確認された。更に、通電の初期に光出力が増加する現象も起きないことが確認された。
従って、本実施例の面発光型半導体レーザ素子は、従来の面発光型半導体レーザ素子と比べて、光出力の安定性が大幅に改善されたといえる。
【００３３】
実施例２
本実施例の面発光型半導体レーザ素子は、図１に示した実施例１の面発光型半導体レーザ素子３０と同様の構成を有する。
本実施例の面発光型半導体レーザ素子の作製方法は、第４の工程が実施例１と異なることを除いて、面発光型半導体レーザ素子３０の作製方法と同様である。即ち、実施例１の第４の工程に代えて、エピタキシャル成長法で積層構造を成長させた後、アルシン（ＡｓＨ３）の供給を停止し、トリメチル砒素（ＴＭＡｓ）を供給しつつ、６００℃で３０分間の熱処理を行う。
【００３４】
以上の工程を経て形成した積層構造の各構成層の結晶中の水素濃度をＳＩＭＳにより評価すると、実施例１と同様に、積層構造の各構成層の結晶中の水素濃度が低減し、５×１０１８ｃｍ−３以下となり、上部半導体多層膜反射鏡中の水素濃度は１×１０１８ｃｍ−３であった。
【００３５】
次に、本実施例の面発光型半導体レーザ素子を作製し、温度１００℃、動作電流２０ｍＡで一定の動作条件下で通電を行い、光出力の経時変化を調べたところ、図４のグラフ（１）と同様な傾向の光出力が得られた。また、動作実験により、本実施例の面発光半導体レーザ素子は、室温で１０万時間以上の安定的動作が可能なことが確認された。更に、通電の初期に光出力が増加する現象も起きないことが確認された。
従って、本実施例の面発光型半導体レーザ素子は、従来の面発光型半導体レーザ素子と比べて、光出力の安定性が大幅に改善されたといえる。
【００３６】
尚、本実施例の作製方法で、エピタキシャル成長法で積層構造の一部分を成長させた後、アルシン（ＡｓＨ３）の供給を停止し、トリメチル砒素（ＴＭＡｓ）を供給しつつ熱処理を行った後、再び積層構造を成長させても、同様な効果が得られる。
また、エピタキシャル成長法で積層構造を成長させたＧａＡｓ基板を別の炉に移し、トリメチル砒素（ＴＭＡｓ）を供給して熱処理を行っても、同様な効果が得られる。
【００３７】
実施例３
本実施例の面発光型半導体レーザ素子は、図１に示した実施例１の面発光型半導体レーザ素子３０と同様の構成を有する。
【００３８】
第１から第３の工程は、エピタキシャル成長法の際に、アルシン（ＡｓＨ３）に代えて、トリメチル砒素（ＴＭＡｓ）を供給しつつ積層構造を成長させることを除いて、実施例１の第１から第３の工程と同様の方法で行う。
第４の工程で、既知の方法によりＡｌＡｓ層３８のＡｌを選択的に酸化することにより、Ａｌ酸化層からなる電流狭窄層３９を形成する。
【００３９】
以上の工程を経て形成した積層構造の各構成層の結晶中の水素濃度をＳＩＭＳにより評価すると、実施例１及び実施例２と同様に、積層構造の各構成層の結晶中の水素濃度が低減し、５×１０１８ｃｍ−３以下となり、上部半導体多層膜反射鏡中の水素濃度は１×１０１８ｃｍ−３であった。
【００４０】
次に、本実施例の面発光型半導体レーザ素子を作製し、温度１００℃、動作電流２０ｍＡで一定の動作条件下で通電を行い、光出力の経時変化を調べたところ、図４のグラフ（１）と同様な傾向の光出力が得られた。また、動作実験により、本実施例の面発光半導体レーザ素子は、室温で１０万時間以上の安定的動作が可能なことが確認された。更に、通電の初期に光出力が増加する現象も起きないことが確認された。
従って、本実施例の面発光型半導体レーザ素子は、従来の面発光型半導体レーザ素子と比べて、光出力の安定性が大幅に改善されたといえる。
【００４１】
尚、本実施例の方法で、エピタキシャル成長法で積層構造を成長させる際に、積層構造の一部分の成長のみにトリメチル砒素（ＴＭＡｓ）を供給し、面発光型半導体レーザ素子を作製しても、同様の結果が得られる。
【００４２】
実施例１〜３では、各構成層中の水素単体、水素と他の物質との化合物、及び水素と固有欠陥の複合体を含む水素濃度を５×１０１８ｃｍ−３以下としたが、構成層のうちの少なくとも一つの半導体層で、層中の前述の水素濃度を５×１０１８ｃｍ−３以下にすれば、同様の効果が得られる。
【００４３】
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。
例えば、実施例１〜３では、ｎ型ＧａＡｓ基板を採用しているが、ｐ型ＧａＡｓ基板を採用して、積層構造を成長させても同様の効果が得られる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、構成層のうちの少なくとも一つの半導体層で、層中の水素単体、水素と他の物質との化合物、及び水素と固有欠陥の複合体を含む水素濃度を５×１０１８ｃｍ−３以下にすることにより、長時間にわたり安定した光出力で動作する、信頼性の高い面発光型半導体レーザ素子を実現している。
本発明により、光データ伝送、光通信等の分野で、面発光型半導体レーザ素子の更なる用途拡大が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の面発光型半導体レーザ素子のエピタキシャル結晶層の概略構成を示す断面図である。
【図２】実施例１の方法で成長させた上部半導体多層膜反射鏡中の水素濃度を示すチャートである。
【図３】従来の方法で成長させた上部半導体多層膜反射鏡中の水素濃度を示すチャートである。
【図４】実験例の試料１〜４の面発光型半導体レーザ素子、及び従来の面発光型半導体レーザ素子１０の通電試験の光出力の変化を示すグラフである。
【図５】従来の面発光型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１０　従来の酸化狭窄型の面発光型半導体レーザ素子
１１　ｎ型ＧａＡｓ基板
１２　ｎ型ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの３０．５ペアからなる下部半導体多層反射鏡
１３　ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層
１４　ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸構造からなる活性層
１５　ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層
１６　ｐ型ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの２５ペアからなる上部半導体多層反射鏡
１７　ｐ型ＧａＡｓキャップ層
１８　ＡｌＡｓ層
１９　Ａｌ酸化層からなる電流狭窄層
２０　保護膜
２１　ポリイミド層
２２　ｐ側電極
２３　ｎ側電極
３０　実施例１の面発光型半導体レーザ素子
３１　ｎ型ＧａＡｓ基板
３２　３０．５ペアのｎ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ多層膜からなる下部半導体多層反射鏡
３３　ノンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ下部クラッド層
３４　３層のＧａＡｓ量子井戸からなる発光層を含む、ＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸構造として構成されている活性層
３５　ノンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ上部クラッド層
３６　２５ペアのｐ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ多層膜からなる上部半導体多層反射鏡
３７　ｐ型ＧａＡｓキャップ層
３８　ＡｌＡｓ層
３９　Ａｌ酸化層からなる電流狭窄層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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