(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、高屈折率領域と低屈折率領域との対を１ペアとして複数のペアから構成される下部半導体多層膜反射鏡と、前記下部半導体多層膜反射鏡の上方に配置されるとともに上下をクラッド層で挟まれた活性層と、ＡｌzＧａ1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層と、高屈折率領域とＡｌyＧａ1-yＡｓ（０．７≦y≦０．９５、y≦z−０．１）からなる低屈折率領域との対を１ペアとして複数のペアから構成される上部半導体多層膜反射鏡と、を含む積層構造を形成し、前記積層構造を前記下部半導体多層膜反射鏡の一部に到るまでメサポスト状に形成し、前記メサポスト状の積層構造の側壁を酸化して、前記ＡｌzＧａ1-zＡｓ層を、周縁部に酸化領域を有したＡｌzＧａ1-zＡｓ電流狭窄層とする工程を含む面発光レーザ素子の製造方法において、
前記下部半導体多層膜反射鏡および／または前記上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率領域に、一層当たりの厚さが１０ｎｍ以下のＡｌＡｓ層を含ませることを特徴とする面発光レーザ素子の製造方法。
【請求項２】
前記下部半導体多層膜反射鏡を、基板側の第１の半導体多層膜部分と活性層側の第２の半導体多層膜部分とによって構成し、
前記第１の半導体多層膜部分の低屈折率領域に、任意の厚さのＡｌＡｓ層を含ませ、
前記第２の半導体多層膜部分の低屈折率領域に、一層当たりの厚さが１０ｎｍ以下のＡｌＡｓ層を含ませ、前記第２の半導体多層膜部分の少なくとも一部までをメサポスト状に形成することを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子の製造方法。
【請求項３】
前記ＡｌＡｓ層を、一つの低屈折率領域に複数層含ませることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ素子の製造方法。
【請求項４】
前記下部半導体多層膜反射鏡および／または前記上部半導体多層膜反射鏡の高屈折率領域に、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ＜１）層を含ませ、
前記下部半導体多層膜反射鏡および／または前記上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率領域に、ＡｌyＧａ1-yＡｓ（ｘ＜ｙ＜１）層を含ませることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子の製造方法。
【請求項５】
前記下部半導体多層膜反射鏡および／または前記上部半導体多層膜反射鏡に、前記ＡｌyＧａ1-yＡｓ（ｘ＜ｙ＜１）層と前記ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ＜１）層に挟まれ、Ａｌ組成ｉがｙからｘまで緩やかに傾斜するＡｌiＧａ1-iＡｓ傾斜組成層を含ませることを特徴とする請求項４に記載の面発光レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体多層膜反射鏡内にＡｌＡｓ層を含ませた面発光レーザ素子の製造方法に関し、特に、下部半導体多層膜反射鏡と上部半導体多層膜反射鏡の両方にＡｌＡｓ層が含まれている面発光レーザ素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser。以下、単に面発光レーザ素子と称する。）は、その名の示す通り、光の共振する方向が基板面に対して垂直であり、光インターコネクションを初め、通信用光源として、また、その他の様々なアプリケーション用デバイスとして注目されている。
【０００３】
その理由として面発光レーザ素子は、従来の端面発光型レーザ素子と比較して、素子の２次元配列を容易に形成できること、ミラーを設けるために劈開する必要がないのでウエハレベルでテストできること、活性層のボリュームが格段に小さいので極低閾値で発振できるため消費電力が小さいこと等の利点を有していること等が挙げられる。
【０００４】
図７は、従来の面発光レーザ素子の斜視断面図である。また、図８は、後述する下部半導体多層膜反射鏡と上部半導体多層膜反射鏡の構造を説明するための説明図である。なお、図８において、図７と共通する部分には同一の符号を付している。図７に示す面発光レーザ素子１００を作製するには、まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）により、下部半導体多層膜反射鏡（下部ＤＢＲミラー）１１２を形成する。ここで、下部半導体多層膜反射鏡１１２は、図８に示すように、それぞれの厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）であるｎ型高屈折率領域１４１とｎ型低屈折率領域１４２との積層構造を１ペアとして、それを例えば３５ペア分積層している。なお、ｎ型高屈折率領域１４１は、例えばｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓで形成し、ｎ型低屈折率領域１４２は、例えばｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓで形成する。
【０００５】
そして、その下部半導体多層膜反射鏡１１２上に、上下をクラッド層３１および３３で挟まれた量子井戸活性層３２を形成し、これらからなる活性領域１３の上に、後の工程において電流狭窄領域を形成するためのＡｌzＧａ1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５を形成する。通常、電流狭窄層としてはＡｌＡｓを用いることが多い。さらに、このＡｌzＧａ1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５の上に、上部半導体多層膜反射鏡１１６（上部ＤＢＲミラー）を形成する。ここで、上部半導体多層膜反射鏡１１６は、図８に示すように、それぞれの厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）であるｐ型高屈折率領域１４５とｐ型低屈折率領域１４６との積層構造を１ペアとして、それを例えば２５ペア分積層している。なお、ｐ型高屈折率領域１４５は、例えばｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓで形成し、ｐ型低屈折率領域１４６は、例えばｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓで形成する。また、上部半導体多層膜反射鏡１１６上に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１７を形成する。
【０００６】
次に、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程（ドライエッチングまたはウェットエッチング）を経て、上部半導体多層膜反射鏡１１６とＡｌＡｓ層１５とクラッド層３３と量子井戸活性層３２とクラッド層３１と下部半導体多層膜反射鏡１１２の一部とからなる積層構造の外縁部を除去し、これにより例えば直径３０μｍの円形のメサポストを形成する。
【０００７】
次に、水蒸気雰囲気中にて、約４００℃の温度で酸化処理を行ない、ＡｌzＧａ1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５をメサポストの側壁から選択的に酸化させ、Ａｌ酸化層１４を形成する。例えばメサポストの直径が３０μｍであって、Ａｌ酸化層１４が１０μｍの帯幅を有するリング形状である場合には、中心のＡｌzＧａ1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５の面積、すなわち電流注入されるアパーチャの面積は約８０μｍ2（直径１０μｍ）になる。
【０００８】
そして、上記したメサポストの上面および側面と露出した下部半導体多層膜反射鏡１１２の上面に、保護膜として機能するシリコン窒化膜１９を形成し、続いて、ポリイミド２２によって、シリコン窒化膜１９が形成されたメサポストの周囲を埋め込む。そして、メサポストの上面に形成されたシリコン窒化膜１９を、直径３０μｍの円形状に除去して露出したｐ型ＧａＡｓコンタクト層１７上に、内径２０μｍ、外径３０μmのリング状のｐ型電極１８を形成する。ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面には、基板の厚さを例えば２００μｍ厚に研磨した後、ｎ型電極２１を形成する。また、ポリイミド２２上にはワイヤをボンディングする電極パッド２０を、上記したｐ型電極１８に接触するように形成する。
【０００９】
以上に説明した面発光レーザ素子の構造において、特に、量子井戸活性層３２の中央部分上に、周囲のＡｌ酸化層１４よりも抵抗値の低いＡｌzＧａ1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５が配置されることで、活性領域１３の狭い部分にのみ集中して電流を流すことが可能となっている点が特徴的である。このような構造を酸化狭窄型面発光レーザと呼んでおり、これにより、レーザ発振閾値などのレーザ特性を大幅に向上させている。
【００１０】
また、面発光レーザ素子では、上記した電流狭窄構造も重要であるが、発振波長の選択や熱伝導率の向上などの観点から、活性領域１３を上下に挟む下部半導体多層膜反射鏡１１２と上部半導体多層膜反射鏡１１６の構造も非常に重要である。下部半導体多層膜反射鏡１１２および上部半導体多層膜反射鏡１１６において、高屈折率領域と低屈折率領域との間のＡｌ組成の差が大きくなるほど屈折率差が大きくなり、良好な反射率が得られることが知られている。また、熱伝導率もＡｌ組成差が大きいものほど大きくなることが知られている（Afromowitz M A等  Journal of Applied Physics 44,pp1292,(1973)）。反射率が大きいと、半導体多層膜反射鏡のペア数を少なくでき、エピタキシャル成長の時間が短縮できる。また、熱伝導は、図９に示すように、５０℃の動作環境で、電流−光出力特性が飽和に近づき、７０℃の動作環境では、電流−光出力特性が約８．５ｍＷで飽和し、注入電流を増加しても光出力は増大しない。逆にいえば、熱伝導が大きいと、光出力の熱飽和特性が良好で、高温の動作環境でも高出力で安定して動作する面発光レーザ素子を作製することができる。
【００１１】
ところが、Ａｌ酸化層１４を形成するためにＡｌzＧａ1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）が用いられていることからもわかるように、大きな屈折率差と高熱伝導性を得るために、下部半導体多層膜反射鏡および／または上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率領域であるＡｌyＧａ1-yＡｓ層（ｘ＜ｙ＜１）の組成ｙを１に近づけると、当該低屈折率領域が容易に酸化される状態を作り出すことにもなる。特に、上部半導体多層膜反射鏡１１６中において組成ｙをあまり大きくしてしまうと、Ａｌ酸化層１４を得るために水蒸気雰囲気中で酸化処理を行なうと、ＡｌzＧａ1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５と一緒に上部半導体多層膜反射鏡１１６の低屈折率領域であるＡｌyＧａ1-yＡｓ層（ｘ＜ｙ＜１）が酸化してしまうことがある。下部半導体多層膜反射鏡１１２または上部半導体多層膜反射鏡１１６内に必要以上に酸化膜が形成されると、発振閾値が上がったり、転位が多く発生するなど、特性が悪化してしまう。すなわち、反射率や温度特性の向上と、閾値の低下や転位不良の低減とはトレードオフの関係になってしまい、双方を満足させることは難しい。そのため、下部半導体多層膜反射鏡１１２または上部半導体多層膜反射鏡１１６を構成する各ペアのうち、低屈折率側層には、通常、ＡｌyＧａ1-yＡｓ（０．７≦ｙ≦０．９５）が用いられる。また、電流狭窄層であるＡｌzＧａ1-ZＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５は、通常ＡｌＡｓが用いられる。そして、ｙの値はｚの値より０．１以上小さくすることが多い。
【００１２】
その一方で、上記した酸化の問題を回避しつつ、ＡｌＡｓ層を下部半導体多層膜反射鏡に含めた面発光レーザ素子が提案されている。例えば、特願２０００−３６１３１７に開示の「面発光半導体レーザ素子」は、下部半導体多層膜反射鏡のうち、メサポスト形成のためにエッチングされていない部分、すなわち側壁が酸化されない部分をＡｌＡｓミラー層としたことを特徴としている。また、他の例としては、米国特許５４０８１０５号に開示の「Optoelectronics Semiconductor Device with Mesa」は、下部半導体多層膜反射鏡全体をＡｌＡｓミラー層とし、かつ下部半導体多層膜をエッチングしないことを特徴としている。さらに、他の例として、特開平１０−１２５９９９号公報に開示の「面発光半導体レーザ素子およびその製造方法」は、少なくともいずれかの半導体多層膜反射鏡をＡｌＡｓミラーとし、該ＡｌＡｓミラーの周囲に保護膜を作成した後に、酸化したい場所のみをエッチングによって露出させ酸化させることを特徴としている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特願２０００−３６１３１７に開示の「面発光半導体レーザ素子」は、温度特性が不十分であったり、ＡｌＡｓミラー層までエッチングしてしまわないように精度よくエッチングしなければならないなどの問題を有している。また、前記米国特許５４０８１０５号に開示の「Optoelectronics Semiconductor Device with Mesa」でも、エッチング精度を極めて厳しくしなければならないという問題を有している。
【００１４】
加えて、前記特開平１０−１２５９９９号公報に開示の「面発光半導体レーザ素子およびその製造方法」では、エッチングを２回行なわなければならず、保護膜の作成や除去等、非常に工程が複雑になるという問題を有している。また、エッチングの精度も極めて厳しく、工業化する上では非常に困難であるという問題も有している。
【００１５】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、従来のようにＡｌの組成の差で酸化速度を制御するのではなく、半導体多層膜反射鏡内のＡｌＡｓ層の膜厚制御によって、容易に酸化しないＡｌＡｓ層を半導体多層膜反射鏡の内部に存在させることによって、従来よりも反射率や温度特性を向上させた面発光レーザ素子の製造方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明にかかる面発光レーザ素子は、半導体基板上に、高屈折率領域と低屈折率領域との対を１ペアとして複数のペアから構成される下部半導体多層膜反射鏡と、前記下部半導体多層膜反射鏡の上方に配置されるとともに上下をクラッド層で挟まれた活性層と、周縁部に酸化領域を有したＡｌzＧａ1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）電流狭窄層と、高屈折率領域と低屈折率領域との対を１ペアとして複数のペアから構成される上部半導体多層膜反射鏡と、を備えた面発光レーザ素子において、前記下部半導体多層膜反射鏡および／または前記上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率領域が、前記電流狭窄層よりも厚みの小さいＡｌＡｓ層を含んでいることを特徴としている。
【００１７】
この発明によれば、容易に酸化されない薄い厚みのＡｌＡｓ層を、下部半導体多層膜反射鏡および／または上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率領域に含ませているので、ＡｌＡｓ層が有する低屈折率と高熱伝導性という特性を半導体多層膜反射鏡に取り入れることができる。
【００１８】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記下部半導体多層膜反射鏡が、基板側の第１の半導体多層膜部分と活性層側の第２の半導体多層膜部分とによって構成され、前記第１の半導体多層膜部分の低屈折率領域は、任意の厚さのＡｌＡｓ層を含み、前記第２の半導体多層膜部分の低屈折率領域は、前記電流狭窄層よりも厚みの小さいＡｌＡｓ層を含んでいることを特徴としている。
【００１９】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記ＡｌＡｓ層が一つの低屈折率領域に複数層含まれていることを特徴としている。
【００２０】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記上部半導体多層膜反射鏡内または前記第２の半導体多層膜部分に含まれるＡｌＡｓ層の一層当たりの厚さが１０ｎｍ以下であることを特徴としている。
【００２１】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記下部半導体多層膜反射鏡および／または前記上部半導体多層膜反射鏡の高屈折率領域が、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ＜１）層を含んでおり、前記下部半導体多層膜反射鏡および／または前記上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率領域は、ＡｌyＧａ1-yＡｓ（ｘ＜ｙ＜１）層を含んでいることを特徴としている。
【００２２】
また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、上記発明において、前記下部半導体多層膜反射鏡および／または前記上部半導体多層膜反射鏡が、前記ＡｌyＧａ1-yＡｓ（ｘ＜ｙ＜１）層と前記ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ＜１）層に挟まれ、Ａｌ組成ｉがｙからｘまで緩やかに傾斜するＡｌiＧａ1-iＡｓ傾斜組成層を含んでいることを特徴としている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる面発光レーザ素子の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２４】
（実施の形態１）
まず、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子について説明する。実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は、上部半導体多層膜反射鏡および下部半導体多層膜反射鏡内に、酸化されにくい薄い膜厚のＡｌＡｓ層を含ませることで、従来よりも反射率や温度特性を向上させたことを特徴としている。
【００２５】
まず、ＡｌＡｓ層の厚みと酸化レートとの関係について説明する。ＡｌＡｓの酸化の容易さは、文献IEEE Journal of Selected topics in Quantum Electronics Vol3,3,June 1997 p916のＦｉｇ８（ｂ）に示すように、膜厚が増加するに従って急激に増加することが知られている。発明者らは、このＡｌＡｓの膜厚と酸化レートとの関係についてさらに詳しく実験した結果、エピタキシャル成長の条件や酸化条件によって酸化レートは様々に変わるが、膜厚１０ｎｍ以下であるとほぼ安定してほとんど酸化されないことを見出した。すなわち、半導体多層膜反射鏡内に、膜厚１０ｎｍ以下のＡｌＡｓ層を含ませることで、高反射率と良好な温度特性を有し、かつ従来と同じ簡便な工程での作製が可能な面発光レーザ素子を提供することができるという知見を得るに至った。
【００２６】
図１は、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の斜視断面図である。また、図２は、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の下部半導体多層膜反射鏡と上部半導体多層膜反射鏡の構造を説明するための説明図である。なお、図１において、図７と共通する部分には同一の符号を付し、図２において、図１と共通する部分には同一の符号を付している。
【００２７】
図１に示す面発光レーザ素子１０において、図７に示した従来の面発光レーザ素子と異なるのは、下部半導体多層膜反射鏡１２と上部半導体多層膜反射鏡１６の各層構造である。よって、その大きな違いは、図２において説明される。図１に示す面発光レーザ素子１０を作製するには、まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法により、下部半導体多層膜反射鏡（下部ＤＢＲミラー）１２を形成する。ここで、下部半導体多層膜反射鏡１２は、図２に示すように、それぞれの厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）であるｎ型高屈折率領域４１とｎ型低屈折率領域４２との積層構造を１ペアとして、それを３５ペア分積層した層である。
【００２８】
なお、ｎ型高屈折率領域４１は、従来通りにｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓで形成するが、ｎ型低屈折率領域４２は、第１のｎ型ＡｌＡｓ層５１、ｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層５２、第２のｎ型ＡｌＡｓ層５３の３つの層で構成される。特に、第１のｎ型ＡｌＡｓ層５１および第２のｎ型ＡｌＡｓ層５３の厚みは、それぞれ５ｎｍ程度であり、ｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層５２の厚みは、λ／４ｎから第１のｎ型ＡｌＡｓ層５１および第２のｎ型ＡｌＡｓ層５３の厚みの総計を減算した値である。
【００２９】
そして、その下部半導体多層膜反射鏡１２上に、上下をクラッド層３１および３３で挟まれた量子井戸活性層３２を形成し、これらの層からなる活性領域１３の上に、後の工程において電流狭窄領域を形成するためのＡｌzＧａ1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５を形成する。また、さらに、このＡｌzＧａ1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５の上に、上部半導体多層膜反射鏡１６（上部ＤＢＲミラー）を形成する。ここで、上部半導体多層膜反射鏡１６は、図２に示すように、それぞれの厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）であるｐ型高屈折率領域４５とｐ型低屈折率領域４６との積層構造を１ペアとして、それを２５ペア分積層した層である。
【００３０】
なお、ｐ型高屈折率領域４５は、従来通りにｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓで形成するが、ｐ型低屈折率領域４６は、上記したｎ型低屈折率領域４２と同様に、第１のｐ型ＡｌＡｓ層５６、ｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層５７、第２のｐ型ＡｌＡｓ層５８の３つの層で構成される。特に、第１のｐ型ＡｌＡｓ層５６および第２のｐ型ＡｌＡｓ層５８の厚みは、それぞれ５ｎｍ程度であり、ｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層５７の厚みは、λ／４ｎから第１のｐ型ＡｌＡｓ層５６および第２のｐ型ＡｌＡｓ層５８の厚みの総計を減算した値である。また、上部半導体多層膜反射鏡１６上に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１７を形成する。
【００３１】
次に、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程（ドライエッチングまたはウェットエッチング）を経て、上部半導体多層膜反射鏡１６とＡｌzＧａ1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５とクラッド層３３と量子井戸活性層３２とクラッド層３１と下部半導体多層膜反射鏡１２の一部とからなる積層構造の外縁部を除去し、これにより例えば直径３０μｍの円形のメサポストを形成する。
【００３２】
次に、水蒸気雰囲気中にて、例えば４１０℃で２０分間の酸化処理を行ない、ＡｌzＧａ1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５をメサポストの側壁から選択的に約１０μｍ酸化させ、Ａｌ酸化層１４を形成する。例えばＡｌ酸化層１４が１０μｍの帯幅を有するリング形状である場合、中心のＡｌzＧａ1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５の面積、すなわち電流注入されるアパーチャの面積は約８０μｍ2（直径１０μｍ）になる。ここで特に、下部半導体多層膜反射鏡１２の中の第１のｎ型ＡｌＡｓ層５１および第２のｎ型ＡｌＡｓ層５３と上部半導体多層膜反射鏡１６の中の、第１のｐ型ＡｌＡｓ層５６、ｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層５７、第２のｐ型ＡｌＡｓ層５８の酸化量は、周辺からわずか０．２μｍであった。
【００３３】
そして、上記したメサポストの上面および側面と露出した下部半導体多層膜反射鏡１１２の上面に、保護膜として機能するシリコン窒化膜１９を形成し、続いて、ポリイミド２２によって、シリコン窒化膜１９が形成されたメサポストの周囲を埋め込む。そして、メサポストの上面に形成されたシリコン窒化膜１９を、直径３０μｍの円形状に除去し、これによって露出したｐ型ＧａＡｓコンタクト層１７上に、さらに内径２０μｍ、外径３０μmのリング状のｐ型電極１８を形成する。ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面には、基板の厚さを例えば２００μｍ厚に研磨した後、ｎ型電極２１を形成する。また、ポリイミド２１上にはワイヤをボンディングする電極パッド１０を、上記したｐ型電極１８に接触するように形成する。
【００３４】
図３は、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の電流−光出力特性を示す図であり、特に図７に示した従来の面発光レーザ素子と比較可能な条件の下で測定された実験結果である。図３に示すように、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子は、従来の面発光レーザ素子と比較して、熱伝導が大きくなり光出力の熱飽和特性が良好で、高温の動作環境でも高出力で安定して動作することがわかる。なお、発明者らの他の実験によれば、発振閾値も良好で、転位欠陥も見られなかった。
【００３５】
また、上述した説明では、ｎ型低屈折率領域４２およびｐ型低屈折率領域４６内にそれぞれ、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層を挟み込むように２つのＡｌＡｓ層を配置するとしたが、このＡｌＡｓ層は、１０ｎｍ以下の厚みであれば、低屈折率領域内に一つだけ配置するようにしてもよい。図４は、その場合の半導体多層膜反射鏡の１ペアの構造を示す図である。すなわち、ｐ型低屈折率領域４６を、図４（ａ）に示すように、１０ｎｍの厚みのｐ型ＡｌＡｓ層５９とｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層５７で構成し、ｎ型低屈折率領域４２を、図４（ｂ）に示すように、１０ｎｍの厚みのｐ型ＡｌＡｓ層５４とｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層５２で構成することもできる。なお、この場合のＡｌＡｓ層は、製造工程の簡略化の観点から、高屈折率領域に隣接する位置に形成されることが好ましいが、低屈折率領域の中央部付近に配置してもよい。さらに、これらに限らず、ＡｌＡｓ層が１０ｎｍ以下の厚みを有するという条件を満たせば、同一の低屈折率領域内に３つ以上のＡｌＡｓ層を配置してもよい。また、下部半導体多層膜反射鏡１２と上部半導体多層膜反射鏡１６を構成するすべてのペアにＡｌＡｓ層を含ませるのが好ましいが、一部であってもよい。
【００３６】
以上に説明したとおり、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子によれば、容易に酸化されない１０ｎｍ以下の厚みのＡｌＡｓ層を、活性領域１３を挟んだ下部半導体多層膜反射鏡１２と上部半導体多層膜反射鏡１６の両方に含ませているので、ＡｌＡｓ層が有する低屈折率と高熱伝導性という特性を半導体多層膜反射鏡に取り入れることができ、結果的に、反射率や温度特性が向上して安定した高出力のレーザ発振が可能となる。
【００３７】
なお、効果は薄まるが、下部半導体多層膜反射鏡１２と上部半導体多層膜反射鏡１６のいずれか一方のみが、ＡｌＡｓ層を含んだペアで構成されるように設計することもできる。
【００３８】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２にかかる面発光レーザ素子について説明する。実施の形態２にかかる面発光レーザ素子は、上部半導体多層膜反射鏡および上部半導体多層膜反射鏡内に、酸化されにくい薄い膜厚のＡｌＡｓ層を含ませるとともに、ＡｌＡｓ層に隣接する層として傾斜組成層を配置したことを特徴としている。
【００３９】
図５は、実施の形態２にかかる面発光レーザ素子の斜視断面図である。また、図６は、実施の形態２にかかる面発光レーザ素子の下部半導体多層膜反射鏡と上部半導体多層膜反射鏡の構造を説明するための説明図である。なお、図５において、図１と共通する部分には同一の符号を付し、図６において、図５と共通する部分には同一の符号を付している。
【００４０】
図５に示す面発光レーザ素子において、図１に示した実施の形態１にかかる面発光レーザ素子と異なるのは、下部半導体多層膜反射鏡が第１の下部半導体多層膜反射鏡６１と第２の下部半導体多層膜反射鏡６２の２つの領域に分かれた点と、上部半導体多層膜反射鏡６３の層構造である。よって、その大きな違いは、図６において説明される。図５に示す面発光レーザ素子６０を作製するには、まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法により、第１の下部半導体多層膜反射鏡（下部ＤＢＲミラー）６１を形成する。
【００４１】
第１の下部半導体多層膜反射鏡６１は、図６に示すように、ｎ型低屈折率領域とｎ型高屈折率領域との積層からなる半導体層７０を１ペアとして２０ペア分積層している。第１の傾斜組成層７１は、Ａｌ組成が２０％から１００％へと緩やかに増加するｎ型ＡｌiＧａ1-iＡｓ（ｉ＝０．２→１．０）で形成される。その膜厚は通常１０〜３０ｎｍであり、本実施の形態２では２０ｎｍである。また、ｎ型低屈折率領域７２はｎ型ＡｌＡｓで形成される。
【００４２】
また、第２の傾斜組成層７３は、Ａｌ組成が１００％から２０％へと緩やかに減少するｎ型ＡｌjＧａ1-jＡｓ（ｊ＝１．０→０．２）で形成される。なお、第２の傾斜組成層７３の厚さは、上記した第１の傾斜組成層７１と同じである。また、ｎ型高屈折率領域７４はｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓで形成される。ｎ型低屈折率領域（ｎ型ＡｌＡｓ）７２の厚さはλ／４ｎから第１の傾斜組成層７１の半分の厚みを減算し、さらに第２の傾斜組成層７３の半分の厚みを減算した値になる。よって例えば第１の傾斜組成層７１の厚みが２０ｎｍ、第２の傾斜組成層７３の厚みが２０ｎｍの場合、ｎ型低屈折率領域（ｎ型ＡｌＡｓ）７２の厚さは、（λ／４ｎ−１０−１０）ｎｍとなる。また高屈折率領域７４の厚みも同様に計算し、この場合は、（λ／４ｎ−１０−１０）ｎｍとなる。なお、本実施の形態におけるｎ型低屈折率領域（ｎ型ＡｌＡｓ）７２は後の工程でもエッチングによって露出することはないため、厚さは１０ｎｍ以上になってもかまわない。ここで上記した第１の傾斜組成層７１や第２の傾斜組成層７３のような傾斜組成層は、電気抵抗を下げる効果が得られる構造として公知である。
【００４３】
一方、第２の下部半導体多層膜反射鏡６２は、図６に示すように、ｎ型低屈折率領域とｎ型高屈折率領域との積層からなる半導体層８０を１ペアとして１５ペア分積層した層である。第１の傾斜組成層８１は、Ａｌ組成が２０％から１００％へと緩やかに増加するｎ型ＡｌiＧａ1-iＡｓ（ｉ＝０．２→１．０）で形成される。また、上記ｎ型低屈性率領域は、第１のｎ型ＡｌＡｓ層８２とｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層８３と第２のｎ型ＡｌＡｓ層８４の３層で構成される。なお、第１のｎ型ＡｌＡｓ層８２および第２のｎ型ＡｌＡｓ層８４の厚さは実施の形態１で説明したように１０ｎｍ以下とする必要があり、ここでは、それぞれ５ｎｍとする。
【００４４】
第２の傾斜組成層８５は、Ａｌ組成が１００％から２０％へと緩やかに減少するｎ型ＡｌjＧａ1-jＡｓ（ｊ＝１．０→０．２）で形成される。なお、第２の傾斜組成層８５の厚さは、上記した第１の傾斜組成層８１と同じである。またｎ型低屈折率領域８６はｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層で形成される。ｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ８３の厚さは、λ/４ｎから第１の傾斜組成層８１の半分の厚みを減算し、さらに第１のＡｌＡｓ層８２の厚みを減算し、さらに第２のＡｌＡｓ層８４の厚みを減算し、さらに第２の傾斜組成層８５の厚みを減算した値となる。この場合は、（λ／４ｎ−１０−５−５−１０）ｎｍとなる。また、ｎ型低屈折率領域（ＡｌＡｓ）８６の厚さはλ／４ｎから第１の傾斜組成層８１の半分の厚みを減算し、さらに第２の傾斜組成層８５の半分の厚みを減算した値になる。
【００４５】
次に、上記した第２の下部半導体多層膜反射鏡６２上に、上下をクラッド層３１および３３で挟まれた量子井戸活性層３２を形成し、これらの層からなる活性層１３の上に、後の工程において電流狭窄領域を形成するためのＡｌzＧａ1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５を形成する。また、さらに、このＡｌzＧａ1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５の上に、上部半導体多層膜反射鏡６３（上部ＤＢＲミラー）を形成する。
【００４６】
上部半導体多層膜反射鏡６３は、図６に示すように、ｐ型低屈折率領域とｐ型高屈折率領域との積層からなる半導体層９０を１ペアとして１５ペア分積層した層である。第１の傾斜組成層９１は、Ａｌ組成が２０％から１００％へと緩やかに増加するｐ型ＡｌiＧａ1-iＡｓ（ｉ＝０．２→１．０）で形成される。また、上記ｐ型低屈性率領域は、第１のｐ型ＡｌＡｓ層９２とｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層９３と第２のｐ型ＡｌＡｓ層９４の３層で構成される。なお、第１のｐ型ＡｌＡｓ層９２および第２のｐ型ＡｌＡｓ層９４の厚さは実施の形態１で説明したように１０ｎｍ以下とする必要があり、ここでは、それぞれ５ｎｍとする。
【００４７】
第２の傾斜組成層９５は、Ａｌ組成が１００％から２０％へと緩やかに減少するｐ型ＡｌjＧａ1-jＡｓ（ｊ＝１．０→０．２）で形成される。なお、第２の傾斜組成層９５の厚さは、上記した第１の傾斜組成層９１と同じである。また低屈折率領域９６はｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層で形成される。ｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ９３の厚さは、λ/４ｎから傾斜組成層９１の半分の厚みを減算し、さらにＡｌＡｓ層９２の厚みを減算し、さらに第２のｐ型ＡｌＡｓ層９４の厚みを減算し、さらに傾斜組成層９５の厚みを減算した値となる。この場合は、（λ／４ｎ−１０−５−５−１０）ｎｍとなる。また、ｐ型ＡｌＡｓ９６の厚さはλ／４ｎから傾斜組成層９１の半分の厚みを減算し、さらに傾斜組成層９５の半分の厚みを減算した値になる。上部半導体多層膜反射鏡６３は、図６に示すように、それぞれの厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）であるｐ型低屈折率領域とｐ型高屈折率領域との積層からなる半導体層９０を１ペアとして２５ペア分積層した層である。半導体層９０のうち、上記ｐ型低屈性率層は、第１の傾斜組成層９１と第１のｐ型ＡｌＡｓ層９２とｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層９３と第２のｐ型ＡｌＡｓ層９４の４層で構成される。ここで特に、第１の傾斜組成層９１は、Ａｌ組成が２０％から１００％へと緩やかに増加するｐ型ＡｌiＧａ1-iＡｓ（ｉ＝０．２→１．０）で形成される。なお、第１のｐ型ＡｌＡｓ層９２および第２のｐ型ＡｌＡｓ層９４の厚さは実施の形態１で説明したように１０ｎｍ以下とする必要があり、ここでは、それぞれ５ｎｍとする。よって、例えば第１の傾斜組成層９１の厚さを２０ｎｍとした場合、ｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層９３の厚さは、λ／４ｎから３０ｎｍを減算した値となる。
【００４８】
そして、この上部半導体多層膜反射鏡６３上に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１７を形成する。次に、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程（ドライエッチングまたはウェットエッチング）を経て、上部半導体多層膜反射鏡６３とＡｌzＧａ1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５とクラッド層３３と量子井戸活性層３２とクラッド層３１と下部半導体多層膜反射鏡６２の一部とからなる積層構造の外縁部を除去し、これにより例えば直径３０ｎｍの円形のメサポストを形成する。
【００４９】
次に、水蒸気雰囲気中にて、例えば４１０℃で２０分間の酸化処理を行ない、ＡｌzＧａ1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５をメサポストの側壁から選択的に約１０μｍ酸化させ、Ａｌ酸化層１４を形成する。例えばＡｌ酸化層１４が１０μｍの帯幅を有するリング形状である場合、中心のＡｌzＧａ1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層１５の面積、すなわち電流注入されるアパーチャの面積は約８０μｍ2（直径１０μｍ）になる。
【００５０】
そして、上記したメサポストの上面および側面と露出した下部半導体多層膜反射鏡１１２の上面に、保護膜として機能するシリコン窒化膜１９を形成し、続いて、ポリイミド２２によって、シリコン窒化膜１９が形成されたメサポストの周囲を埋め込む。そして、メサポストの上面に形成されたシリコン窒化膜１９を、直径３０μｍの円形状に除去し、これによって露出したｐ型ＧａＡｓコンタクト層１７上に、さらに内径２０μｍ、外径３０μmのリング状のｐ型電極１８を形成する。ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面には、基板の厚さを例えば２００μｍ厚に研磨した後、ｎ型電極２１を形成する。また、ポリイミド２１上にはワイヤをボンディングする電極パッド１０を、上記したｐ型電極１８に接触するように形成する。
【００５１】
以上に説明したとおり、実施の形態２にかかる面発光レーザ素子によれば、容易に酸化されない１０ｎｍ以下の厚みのＡｌＡｓ層を、第２の下部半導体多層膜反射鏡６２と上部半導体多層膜反射鏡６３のそれぞれに含ませているので、実施の形態１と同様な効果を享受することができるとともに、傾斜組成層の導入によって、半導体多層膜反射鏡の電気抵抗をより低下させ、一層の高出力化が可能となる。
【００５２】
なお、以上に説明した実施の形態１および２では、ＭＯＣＶＤ法で各層を作成するとしたが、ＭＢＥ法などで作成してもかまわない。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に各層を形成して面発光レーザ素子を得るとしたが、ｎ型ＧａＡｓ基板１１に換えてｐ型ＧａＡｓ基板を用いることもできる。この場合、下部半導体多層膜反射鏡はｐ型、上部半導体多層膜反射鏡はｎ型のものを用い、電極材料もそれに対応することになる。さらに、上述した面発光レーザ素子は、発振波長を限定するものではなく、例えば７００ｎｍ〜１６００ｎｍ帯、具体的には７８０ｎｍ、８５０ｎｍ、９８０ｎｍ、１３００ｎｍ、１５５０ｎｍなどの波長を発振する構造に適用することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明にかかる面発光レーザ素子によれば、下部半導体多層膜反射鏡および／または上部半導体多層膜反射鏡の低屈折率領域に含ませているので、ＡｌＡｓ層が有する低屈折率と高熱伝導性という特性を半導体多層膜反射鏡に取り入れることができ、結果的に、反射率や温度特性が向上して安定した高出力のレーザ発振が可能となるという効果を奏する。
【００５４】
また、本発明にかかる面発光レーザ素子によれば、低屈折領域のＡｌyＧａ1-yＡｓ（ｘ＜ｙ＜１）層と高屈折領域のＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ＜１）層との間に傾斜組成層が配置されるので、半導体多層膜反射鏡の電気抵抗をより低下させ、一層の高出力化が可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の斜視断面図である。
【図２】実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の下部半導体多層膜反射鏡と上部半導体多層膜反射鏡の構造を説明するための説明図である。
【図３】実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の電流−光出力特性を示す図である。
【図４】実施の形態１にかかる面発光レーザ素子において、ＡｌＡｓ層の他の配置例での半導体多層膜反射鏡の１ペアの構造を示す図である。
【図５】実施の形態２にかかる面発光レーザ素子の斜視断面図である。
【図６】実施の形態２にかかる面発光レーザ素子の下部半導体多層膜反射鏡と上部半導体多層膜反射鏡の構造を説明するための説明図である。
【図７】従来の面発光レーザ素子の斜視断面図である。
【図８】従来の面発光レーザ素子の下部半導体多層膜反射鏡と上部半導体多層膜反射鏡の構造を説明するための説明図である。
【図９】従来の面発光レーザ素子の電流−光出力特性を示す図である。
【符号の説明】
１０，１００  面発光レーザ素子
１１  ｎ型ＧａＡｓ基板
１２  下部半導体多層膜反射鏡
１３  活性領域
１４  Ａｌ酸化層
１５  ＡｌzＧａ1-zＡｓ（０．９５≦ｚ≦１）層
１６  上部半導体多層膜反射鏡
１７  ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１８  ｐ型電極
１９  シリコン窒化膜
２０  電極パッド
２１  ｎ型電極
２２  ポリイミド
３１，３３  クラッド層
３２  量子井戸活性層
１２，１１２  下部半導体多層膜反射鏡
１６，６３，１１６  上部半導体多層膜反射鏡
４１，１４１  ｎ型高屈折率領域
４２，１４２  ｎ型低屈折率領域
４５，１４５  ｐ型高屈折率領域
４６，１４６  ｐ型低屈折率領域
５１，８２  第１のｎ型ＡｌＡｓ層
５２，８３  ｎ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層
５３，８４  第２のｎ型ＡｌＡｓ層
５４  ｎ型ＡｌＡｓ層
５６，９２  第１のｐ型ＡｌＡｓ層
５７，９３  ｐ型Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層
５８，９４  第２のｐ型ＡｌＡｓ層
５９  ｐ型ＡｌＡｓ層
６１  第１の下部半導体多層膜反射鏡
６２  第２の下部半導体多層膜反射鏡
７０，８０，９０  半導体層
７１，８１，９１  第１の傾斜組成層
７２，７４，７８  ｎ型低屈折率領域
７３，８５，９５  第２の傾斜組成層
９６  ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ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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【図６】
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【図７】
0004494704.tif 000008
【図８】
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【図９】
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