(57)【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、特定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半導体レーザ素子において、
前記下部半導体多層膜反射鏡が、第１の領域と、該第１の領域と前記活性層との間に配設される第２の領域とを備え、前記第１の領域中の前記低屈折率層がＡｌＡｓ層からなり、前記第２の領域中の前記低屈折率層がＡｌＧａＡｓ層からなることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記特定半導体層がＡｌyＧａ1-yＡｓ（０．９５≦ｙ≦１．０）層であり、前記第２の領域が、相互にＡｌ組成が異なるＡｌx1Ｇａ1-x1Ａｓ（０．５≦ｘ１≦０．９２）／Ａｌx2Ｇａ1-x2Ａｓ（０．１５≦ｘ２≦０．５、ｘ１＞ｘ２）ペア層からなることを特徴とする、請求項１に記載の面発光半導体レーザ素子。
【請求項３】
ｍ、ｎを整数とし、前記第１の領域のペア数をｍ、前記第２の領域のペア数をｎとするとき、ｎ／（ｍ＋ｎ）≦４／７の関係が成立することを特徴とする、請求項２に記載の面発光半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記基板がＧａＡｓ基板であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の面発光半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記基板がｎ型半導体であり、前記下部半導体多層膜反射鏡がｎ型半導体であり、前記上部半導体多層膜反射鏡がｐ型半導体である、請求項１〜４のいずれかに記載の面発光半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記基板がｎ型半導体であり、前記下部半導体多層膜反射鏡及び前記上部半導体多層膜反射鏡が真性半導体である、請求項１〜４のいずれかに記載の面発光半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記基板が半絶縁性基板であり、前記下部半導体多層膜反射鏡がｎ型半導体であり、前記上部半導体多層膜反射鏡がｐ型半導体である、請求項１〜４のいずれかに記載の面発光半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記基板が半絶縁性基板であり、前記下部半導体多層膜反射鏡及び前記上部半導体多層膜反射鏡が真性半導体である、請求項１〜４のいずれかに記載の面発光半導体レーザ素子。
【請求項９】
発振波長が６００〜１６００ｎｍにあることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の面発光半導体レーザ素子。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れかに記載の面発光半導体レーザ素子を同一基板上に複数備え、該面発光半導体レーザ素子を１次元又は２次元のアレイ状に集積したことを特徴とするレーザアレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光半導体レーザ素子及びレーザアレイに関し、更に詳細には、温度特性の良好な、つまりレーザ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半導体レーザ素子及びレーザアレイに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
面発光半導体レーザ素子は、基板面に対して直交方向にレーザ光を出射する半導体レーザ素子であって、同一基板上に２次元的に多数のレーザ素子を集積できる特長を備えていて、光インターコネクションや光コンピューティングなどの光の並列性を生かした並列光情報処理、或いは大容量並列光伝送などへの適用に適している。また、同一基板上に２次元的に多数の面発光半導体レーザ素子を集積したレーザアレイが最近になって注目されている。
面発光半導体レーザ素子として、近年、ＧａＡｓ基板上に形成された相互にＡｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ等のペアからなる一対の半導体多層膜反射鏡と、その一対の半導体多層膜反射鏡の間に設けられ、発光領域となるＧａＡｓ活性層とを有する、８５０ｎｍ帯面発光半導体レーザ素子が、データ通信分野で使用する光通信装置の光源として、特に注目されている。
【０００３】
上記面発光半導体レーザ素子は、例えばｎ型のＧａＡｓ基板の上面に形成されたｎ型の半導体多層膜反射鏡（Distributed Bragg Reflector、以下、ＤＢＲと言う）と、ｎ型のＤＢＲ上にメサポスト構造として形成された活性層及びｐ型のＤＢＲとを備えている。
ＤＢＲを備えた面発光半導体レーザ素子として、メサポスト内のＤＢＲの一部に他のいずれの化合物半導体層よりもＡｌ組成が高い一層または複数層のＡｌＧａＡｓ層を形成し、その高いＡｌ組成の層の一部領域のみを選択的に酸化して電気抵抗の高いＡｌ酸化層を形成し、電流経路を限定するようにした電流狭窄構造を設けることにより、発光効率を高め、しきい値電流を低くした、レーザ特性の良好な面発光半導体レーザ素子が実現している。
【０００４】
ここで、図５及び図６を参照して、ｎ型ＧａＡｓ基板上に形成されたｎ型ＤＢＲと、ｎ型ＤＢＲ上にメサポスト構造として形成された活性層及びｐ型ＤＢＲとを備え、かつＡｌ酸化層による電流狭窄構造を有する、発光波長８５０ｎｍの従来の面発光半導体レーザ素子の構成を説明する。図５は従来の面発光半導体レーザ素子の構成を示す斜視断面図で、図６は従来の面発光半導体レーザ素子の層構造を模式的に示す断面図である。
従来の発光波長８５０ｎｍの面発光半導体レーザ素子１０は、図５及び図６に示すように、基板厚さ約１００μｍのｎ−ＧａＡｓ基板１２上に、順次、形成されたｎ型半導体多層膜からなる下部反射鏡１４、ＡｌＡｓ層１７の所定領域に電流狭窄構造として形成されたＡｌ酸化層１６、ノンドープＡｌＧａＡｓ下部クラッド層１８、ＧａＡｓ量子井戸発光構造２０、ノンドープＡｌＧａＡｓ上部クラッド層２２、ｐ型多層膜からなる上部反射鏡２４、及びｐ−ＧａＡｓキャップ層２６からなる積層構造を備えている。
【０００５】
積層構造のうち、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２６、上部反射鏡２４、ノンドープＡｌＧａＡｓ上部クラッド層２２、ＧａＡｓ量子井戸発光構造２０、ノンドープＡｌＧａＡｓ下部クラッド層１８、及びＡｌ酸化層１６／ＡｌＡｓ層１７は、円筒状溝２８を設けることによって直径４０〜４５μｍのメサポスト構造３０として形成されている。
Ａｌ酸化層１６は、メサポスト構造３０の側壁に沿うＡｌＡｓ層１７中のＡｌを選択的に酸化することにより形成されている。ＡｌＡｓ層１７の中央領域は、酸化されることなくそのままＡｌＡｓ層として存在し、電流注入経路を構成している。
【０００６】
下部反射鏡１４は、図６に示すように、ｎ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０とｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ膜４６とが組成傾斜層を介して積層された３５．５ペアの多層膜によって構成されている。
上部反射鏡２４はｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５４とｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ膜５６とが組成傾斜層を介して積層された３０ペアの多層膜によって構成されている。
また、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ膜４６（５６）及びＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０（５４）の膜厚は、それぞれ、４０ｎｍ及び５０ｎｍである。
【０００７】
また、上部反射鏡２４の最上層は、図５に示すように、ｎ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５４に代えて、円筒状溝２８の溝壁に沿ってＡｌ酸化層１６を形成した膜厚５０ｎｍのｎ−ＡｌＡｓ膜１７が成膜されている。
つまり、Ａｌ酸化層１６は、ｐ−ＡｌＡｓ層１７の円筒状溝２８に面する外側領域のＡｌが選択的に酸化された層であって、電気抵抗の高い電流狭窄領域として機能する。一方、メサポスト構造３０内部にあって酸化され無かったｐ−ＡｌＡｓ層１７は、直径１５μｍから２０μｍの円形領域であって、電流注入経路を構成する。
【０００８】
円筒状溝２８の溝壁、メサポスト構造３０上を含めて、全面にシリコン窒化膜３２が成膜されている。
そして、メサポスト構造３０上面のシリコン窒化膜３２は、直径３０μｍの円形状に除去されて、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２６を露出させている。そこには、内径２０μｍ、外径３０μｍのリング状のＡｕＺｎ金属積層膜がｐ側電極３４として形成されている。更に、中央に円形開口を有するようにしてｐ側電極３４を覆って接続したＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層金属パッドが、ｐ側電極３４の引き出し用電極３６として形成されている。
また、ｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面には、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ膜がｎ側電極３８として形成されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の発光波長８５０ｎｍの面発光半導体レーザ素子は、光出力の熱飽和特性が良好でないという問題があった。
すなわち、高温の動作環境では、面発光半導体レーザ素子の最大光出力が、飽和状態に達し、それ以上の光出力を出すことが出来なくなるために、最大光出力が低いということである。例えば、図４（ｂ）に示すように、５０℃の動作環境で、光出力−電流特性が飽和に近づき、７０℃の動作環境では、光出力−電流特性が約８．５ｍＷで飽和し、注入電流を増加しても、光出力が増大しないという問題である。
発光波長８５０ｎｍの面発光半導体レーザ素子を例に挙げて、光出力の熱飽和特性の問題を説明したが、この問題は発光波長のいかんを問わず、面発光半導体レーザ素子の普遍的な問題である。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、レーザ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半導体レーザ素子及びレーザアレイを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来の面発光半導体レーザ素子の光出力の熱飽和特性を改善するためには、活性層部分の温度上昇を抑制することが重要であると認識して、研究を重ね、種々の実験を行った結果、次に実験例１及び実験例２として要約する事実を見い出した。
実験例１
本実験では、面発光半導体レーザ素子の熱抵抗Ｒth（Ｋ／Ｗ）に注目した。
熱抵抗Ｒthは、簡単には、各材料の熱伝導率σthと構造寸法（長さｌ、面積Ｓ）により、次にように表される。
Ｒth＝ｌ／（σthＳ）＝ρthｌ／Ｓ
活性層における消費電力をＱとすれば、活性層の温度上昇ΔＴは、
ΔＴ＝Ｒth・Ｑ
で表され、熱抵抗Ｒthが大きいほど、活性層の温度上昇が大きくなる。
【００１２】
そこで、面発光半導体レーザ素子の熱抵抗Ｒth（Ｋ／Ｗ）を低下させ、活性層部分の温度上昇を抑制することを意図して、熱抵抗Ｒthを低下させる因子を研究し、次のことが判った。
（１）下部反射鏡の熱伝導率を大きくすると、図７及び図８にそれぞれ示すように、熱抵抗Ｒthが低下して、活性層部分の温度上昇ΔＴを抑制する効果が大きい。
（２）上部反射鏡の熱伝導率を大きくしても、活性層部分の温度上昇を抑制する効果は小さい。
（３）また、実験によれば、ＡｌXＧａ1-XＡｓ混晶の熱伝導率は、図９に示すように、Ａｌ組成（Ｘ）に対して非線形性を示し、Ｘが０近傍で比較的大きく、０．５近傍で極小値を取り、再び大きくなって、１．０で極大になる。
更に、以上の結果を整理すると、図１０に示すように、熱抵抗値が低下するにつれて、面発光半導体レーザ素子の最大光出力が増加する。
【００１３】
以上の結果から、下部反射鏡の熱伝導率を大きくすることにより、面発光半導体レーザ素子の光出力の熱飽和特性を改善できることが判った。
【００１４】
例えば、下部反射鏡の半導体多層膜を構成するＡｌＧａＡｓのペアは、従来、Ａｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓなどの組み合わせを用いている。そして、Ａｌ被酸化層の組成をＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓやそれ以上の高Ａｌ組成、例えばＡｌＡｓ層にすることにより、Ａｌを選択的に酸化してＡｌ酸化層を形成している。
しかし、Ａｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓやＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓは、熱伝導率がそれぞれ２５．８Ｗ／Ｋｍ及び１５Ｗ／Ｋｍであって、ＡｌＡｓの９１．０Ｗ／Ｋｍに比べて著しく低い。
【００１５】
そこで、低屈折率層として熱伝導率の高いＡｌＡｓとＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓとのペアからなる下部反射鏡を形成することにより、半導体レーザ素子の光出力の熱飽和特性を向上させることを着想し、実験により確認して、本発明を発明するに到った。尚、ＧａＡｓ基板の熱伝導率は５４．０Ｗ／Ｋｍであって、Ａｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓやＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓの熱伝導率に比べて十分に高い。
【００１６】
実験例２
本実験例では、下部反射鏡を構成するに当たり、熱抵抗を低下させるために、下部反射鏡の総ペア数と、ＡｌＡｓ／Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓのペアのペア数との関係を調べる実験を行った。
ＡｌＡｓ／Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓのペア数ｍのペアと、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓのペア数ｎのペアとを有する半導体多層膜（ｍ＋ｎ＝３５）からなり、ｍを０から３５に変えた種々の下部反射鏡を備える半導体レーザ素子試料を試作し、ＡｌＡｓ／Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓとのペア数ｍの多寡と熱抵抗の大小及び活性層の温度上昇の大小の関係を調べた。そして、以下の結果を得た。
【００１７】
0004087152.tif 000002
【００１８】
実験例２の結果から、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓのペア数ｎが、ＡｌＡｓ／Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓのペア数ｍとＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓのペア数ｎとの和（ｍ＋ｎ）に対して２０／３５以下であれば、活性層部分の温度上昇をほぼ２０℃以下に抑えることができることが判った。
【００１９】
上記目的を達成するために、上述の実験例１で得た知見に基づいて、本発明に係る面発光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、特定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半導体レーザ素子において、
前記下部半導体多層膜反射鏡が、第１の領域と、該第１の領域と前記活性層との間に配設される第２の領域とを備え、前記第１の領域中の前記低屈折率層がＡｌＡｓ層からなり、前記第２の領域中の前記低屈折率層がＡｌＧａＡｓ層からなることを特徴としている。
【００２０】
低屈折率層にＡｌＡｓ層を採用することにより、下部半導体多層膜反射鏡の熱伝導率が向上し、活性層部分の温度上昇を抑制し、レーザ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半導体レーザ素子を実現することができる。
ＡｌＡｓ層よりも酸化速度の遅い材料からなる低屈折率層を有する第２の領域が、前述のように介在することにより、特定半導体層の酸化工程の際に、前述のＡｌＡｓ層の酸化が防止され、製造工程でのレーザ素子の劣化を効果的に防止することができる。
本発明で、特定半導体層とはＡｌを含む被酸化層であって、例えばＡｌyＧａ1-yＡｓ（０．９５≦ｙ≦１．０）層を使用する。
【００２１】
前述の第２の領域の構成には制約はないが、好適には、相互にＡｌ組成が異なるＡｌx1Ｇａ1-x1Ａｓ（０．５≦ｘ１≦０．９２）／Ａｌx2Ｇａ1-x2Ａｓ（０．１５≦ｘ２≦０．５、ｘ１＞ｘ２）ペア層として設けられ、下部半導体多層膜反射鏡の一部を構成するようにする。
つまり、前記特定半導体層がＡｌyＧａ1-yＡｓ（０．９５≦ｙ≦１．０）層であり、前記下部半導体多層膜反射鏡を、ＡｌＡｓ層を低屈折率層として有するペアからなる第１の領域と、前記第１の領域と前記活性層との間に形成され、相互にＡｌ組成が異なるＡｌx1Ｇａ1-x1Ａｓ（０．５≦ｘ１≦０．９２）／Ａｌx2Ｇａ1-x2Ａｓ（０．１５≦ｘ２≦０．５、ｘ１＞ｘ２）ペア層からなる第２の領域とで構成する。
第２の領域を設けることにより、第１の領域のＡｌＡｓ層が前記エッチングの際に露出して前記ＡｌＡｓ層が酸化してしまうことを防止する酸化防止層として機能する。第２の領域を構成するＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓのペアは、下部半導体多層膜反射鏡、活性層、クラッド層等をエッチングしてメサポスト構造を形成する際のエッチング深さのマージン層として機能する。
【００２２】
更には、上述の実験例２で得た知見に基づいて、ｍ、ｎを整数とし、前記第１の領域のペア数をｍ、前記第２の領域のペア数をｎとするとき、ｎ／（ｍ＋ｎ）≦４／７の関係が成立するようにする。
前述の関係を有することにより、一層確実に、活性層部分の温度上昇を抑制して、レーザ光出力の熱飽和特性を改善することができる。
本発明は特にＧａＡｓ基板上に成長する面発光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。
【００２３】
本発明は特に前記基板がｎ型半導体であり、前記下部半導体多層膜反射鏡がｎ型半導体であり、前記上部半導体多層膜反射鏡がｐ型半導体である面発光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。
本発明は前記基板がｎ型半導体であり、前記下部半導体多層膜反射鏡及び前記上部半導体多層膜反射鏡が真性半導体である面発光半導体レーザ素子に適用することによって、特に１３００ｎｍ帯で高出力な面発光半導体レーザ素子を実現することができる。
【００２４】
本発明は前記基板が半絶縁性基板であり、前記下部半導体多層膜反射鏡がｎ型半導体であり、前記上部半導体多層膜反射鏡がｐ型半導体である面発光半導体レーザ素子に適用することによって、電極を同一面上に形成し、フリップチップボンディング等に対応する装置として製造することができる。
本発明は前記基板が半絶縁性基板であり、前記下部半導体多層膜反射鏡及び前記上部半導体多層膜反射鏡が真性半導体である面発光半導体レーザ素子に適用することによって、特に１３００ｎｍ帯で高出力な面発光半導体レーザ素子で、且つ、電極を同一面上に形成し、フリップチップボンディング等に対応する装置として製造することができる。
【００２５】
また、本発明は、発振波長の長短にかかわらず、半導体多層膜反射鏡の材料にＡｌを含む材料系の面発光半導体レーザ素子に適用できるが、特に発振波長が６００〜１６００ｎｍの面発光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。
【００２６】
また、本発明に係るレーザアレイは、本発明に係る面発光半導体レーザ素子を同一基板上に複数備え、該面発光半導体レーザ素子を１次元又は２次元のアレイ状に集積したことを特徴としている。前述と同様の効果が得られ、これにより用途が拡大する。
【００２７】
【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
本実施形態例は、本発明に係る面発光半導体レーザ素子の実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の面発光半導体レーザ素子の構成を示す斜視断面図で、図２は本実施形態例の面発光半導体レーザ素子の層構造を模式的に示す断面図である。図１及び図２に示すもののうち、図５及び図６に示したものと同じものには、同じ符号を付して説明を省略する。
面発光半導体レーザ素子４０は、発光波長８５０ｎｍの面発光型の半導体レーザ素子であって、図１及び図２に示すように、下部反射鏡４２の構成が従来の面発光半導体レーザ素子１０の下部反射鏡１４の構成と異なることを除いて、面発光半導体レーザ素子１０と同じ構成を備えている。
【００２８】
本実施形態例の下部反射鏡４２は、図２に示すように、低屈折率膜として設けられたｎ−ＡｌＡｓ膜４４と、高屈折率膜として設けられたｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ膜４６の２５．５ペアからなる下部多層膜４８と、下部多層膜４８上に形成され、ｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ膜４６とｎ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０の１０ペアからなる上部多層膜５２とから構成されている。
ｎ−ＡｌＡｓ膜４４の膜厚は、約５０ｎｍであり、ｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ膜４６及びｎ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０の膜厚は、それぞれ、約４０ｎｍ及び約５０ｎｍである。
また、上部反射鏡２４の最下層は、ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５４に代えて膜厚５０ｎｍのｐ−ＡｌＡｓ膜１７が成膜され、かつＡｌＡｓ層１７中のＡｌを選択的に酸化することにより、円筒状溝２８の側壁に沿ってＡｌ酸化層１６が形成されている。Ａｌ酸化層１６は電流ブロッキング層となり、ＡｌＡｓ層１７の中央領域は、酸化されることなくそのままＡｌＡｓ層として存在し、電流注入経路を構成している。
【００２９】
次に、図１及び図２を参照して、本実施形態例の面発光半導体レーザ素子４０の作製方法を説明する。
先ず、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、図２に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１２上に、２５．５ペアのｎ−ＡｌＡｓ膜４４／ｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ膜４６からなる下部多層膜４８、続いて１０ペアのｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ膜４６／ｎ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０からなる上部多層膜５２を成長させ、下部反射鏡４２を形成する。
【００３０】
次いで、上部多層膜５２上に、膜厚９３ｎｍのノンドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ下部クラッド層１８、ＧａＡｓ／Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ多重量子井戸構造２０、及び膜厚９３ｎｍのノンドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ上部クラッド層２２を成長させる。
ＧａＡｓ量子井戸発光層３層を含む、ＧａＡｓ／Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ多重量子井戸構造２０は、３層の膜厚７ｎｍのＧａＡｓ量子井戸層と、膜厚１０ｎｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ障壁層とから構成されている。
【００３１】
更に、上部クラッド層２２上に、ｐ型ドーピングしたｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５４とｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ膜５６の３０ペアからなる多層膜を成長させて上部反射鏡２４を形成する。上部反射鏡２４の形成の際、上部反射鏡２４の最下層は、ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５４に代えて、膜厚５０ｎｍのｐ−ＡｌＡｓ層１７を成膜する。
続いて、上部反射鏡２４の最上層のｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ膜５６上に膜厚１０ｎｍのｐ−ＧａＡｓキャップ層２６を成長させる。
【００３２】
尚、下部反射鏡４２及び上部反射鏡２４をそれぞれ構成するｎ型及びｐ型多層膜の成膜に際し、各層の界面には、厚さ２０ｎｍの組成傾斜層を形成するように成膜する。
また、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ膜４６（５６）及びＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０（５４）の膜厚は、それぞれ、４０ｎｍ及び５０ｎｍとする。
以上の工程により、図２に示す化合物半導体積層構造体５８を形成することができる。
【００３３】
次に、化合物半導体積層構造体５８のｐ−ＧａＡｓキャップ層２６上にプラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜薄膜（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４０〜４５μｍ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。
【００３４】
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）法によりシリコン窒化膜薄膜をエッチングする。
更に、塩素ガスを用いた反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）法を用いて下部反射鏡４２の多層膜に到達するまで、上部反射鏡２４、上部クラッド層２２、ＧａＡｓ／Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ多重量子井戸構造２０、及び下部クラッド層１８、ｐ−ＡｌＡｓ層１７をエッチングして、円筒状溝２８を形成する。これにより、柱状のメサポスト構造３０ができる。
尚、エッチングの際には、選択酸化層であるｐ−ＡｌＡｓ膜１７と、下部反射鏡４２のＡｌＡｓ／Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓペアからなる下部多層膜４８の間、つまり上部多層膜５２で、エッチングの進行を停止させる。つまり、１０ペアのｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ膜４６／ｎ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０からなる上部多層膜５２をエッチング深さの制御層として機能させる。
【００３５】
次に、メサポスト構造３０を有する化合物半導体積層構造体５８を水蒸気雰囲気中で４００℃に加熱し、約２５分放置する。
これにより、ｐ−ＡｌＡｓ膜１７を選択的に酸化して、図１に示すように、円筒状溝２８の溝壁からＡｌ酸化層１６を生成すると共にメサポスト構造３０の中央領域を元のｐ−ＡｌＡｓ層１７のままとする。
この酸化工程で酸化されなかったメサポスト構造３０の中央領域のｐ−ＡｌＡｓ層１７は、直径約１５〜２０μｍの円形領域であって、電流注入経路を構成する。
尚、選択酸化の際、１０ペアのｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ膜４６／ｎ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜５０からなる上部多層膜５２の途中でエッチングが停止するため、下部多層膜４８中のｎ−ＡｌＡｓ膜４４が酸化してＡｌ酸化層に転化するのを防止することができる。また、これにより製造上の歩留まりを向上させることができる。
【００３６】
次いで、シリコン窒化膜薄膜（図示せず）をＲＩＥ法により完全に除去した後に、改めて、プラズマＣＶＤ法によってシリコン窒化膜薄膜３２を全面に成膜する。
メサポスト構造３０の上面のシリコン窒化膜３２を直径３０μｍの円形に除去し、そこにｐ側電極３４として内径２０μｍ、外径３０μｍのリング状のＡｕＺｎ電極を形成する。更に、ｐ側電極引き出し用電極３６としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕパッドを形成する。
また、ｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面を研磨して基板厚さを１００μｍ程度に調整した後、裏面にＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ電極を蒸着してｎ側電極３８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と、図１に示す発振波長が約８５０ｎｍの面発光半導体レーザ素子４０を完成することができる。
【００３７】
試験例１
本実施形態例の構成を備え、電流経路面積が様々に異なる面発光半導体レーザ素子試料を同一ウェハ上に形成して、実施形態例試料の面発光半導体レーザ素子とした。
次いで、実施形態例試料の電流経路面積と熱抵抗との関係を調べたところ、図３の○に示すような結果を得た。熱抵抗は、発光面積（電流経路面積）が広くなるにつれて小さくなっている。
下部反射鏡にＡｌＡｓ層を低屈折率膜とする下部多層膜を備えていないことを除いて実施形態例試料と同じ構成を備えた面発光半導体レーザ素子、つまり前述した従来の面発光半導体レーザ素子１０と同じ構成の従来例試料を実施形態例試料と同様に作製し、本実施形態例の面発光半導体レーザ素子に対する比較試料とした。
上述の実施形態例試料と同様にして、比較例試料の電流経路面積と熱抵抗との関係を調べたところ、図３の●に示すような結果を得た。
【００３８】
実施形態例試料及び従来例試料の面発光半導体レーザ素子の試験結果の比較から、本実施形態例の面発光半導体レーザ素子の熱抵抗（Ｋ／Ｗ）は、従来例の面発光半導体レーザ素子に比べて、電流経路面積約２００μｍ2 から約４００μｍ2 にわたって３００Ｋ／Ｗ程度低い値を示した。
【００３９】
試験例２
本実施形態例の面発光半導体レーザ素子を評価するために、本実施形態例の面発光半導体レーザ素子と同じ構成を備え、発光面積が３００μｍ2 の面発光半導体レーザ素子を上述の実施形態例の方法に従って作製し、実施形態例試料とした。
続いて、動作温度、つまり環境温度をパラメータにして実施形態例試料の電流−光出力特性を測定し、電流−光出力特性の温度依存性を調べたところ、図４（ａ）に示すような結果を得た。
【００４０】
また、下部反射鏡にＡｌＡｓ層を低屈折率膜とする下部多層膜を備えていないことを除いて実施形態例試料と同じ構成を備えた面発光半導体レーザ素子、つまり前述した従来の面発光半導体レーザ素子１０と同じ構成の従来例試料を実施形態例試料と同様に作製し、本実施形態例の面発光半導体レーザ素子に対する比較試料とした。
続いて、実施形態例試料と同様にして、動作温度、つまり環境温度をパラメータにして従来例試料の電流−光出力特性を測定し、電流−光出力特性の温度依存性を調べたところ、図４（ｂ）に示すような結果を得た。
【００４１】
図４（ａ）と図４（ｂ）との比較から判る通り、本実施形態例の面発光半導体レーザ素子は、従来例試料に対して、２０℃から３０℃の室温では光出力特性に顕著な差はないものの、７０℃の温度では、本実施形態例の面発光半導体レーザ素子は、室温での光出力の９０％程度の光出力を得ることができ、しかも注入電流を増加させることによって光出力を更に増大させることができる。
一方、従来例の面発光半導体レーザ素子の光出力は、約８．５ｍＷで飽和し、注入電流を増加してもそれ以上の光出力を出すことはできない。
【００４２】
以上の試験例１及び２の結果から、本実施形態例の面発光半導体レーザ素子４０は、従来の面発光半導体レーザ素子１０に比べて、光出力の熱飽和特性が著しく良好であって、高温の動作環境でも高出力で安定して動作することが実証された。
【００４３】
本実施形態例では、活性層２０とＡｌＡｓ／Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓからなる下部多層膜４８との間に１０ペアのＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓからなる上部多層膜５２を介在させている。
上部多層膜５２は、下部多層膜４８の酸化防止層として、またメサポスト形成時のエッチング深さの制御性を良好にするためのエッチング制御層として設けたものであり、ＡｌＡｓ被酸化層１７の直下の層でエッチングを停止させることができれば、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓのペア数を減らす、もしくはなくすことにより、下部反射鏡の熱抵抗を更に一層低減することができる。
【００４４】
本実施形態例では、発振波長８５０ｎｍの面発光半導体レーザ素子を例にして説明したが、本発明は、発振波長の長短にかかわらず、半導体多層膜反射鏡の材料としてＡｌを含む材料系であれば適用可能である。
例えば、ＧａＡｓ基板上に形成した波長９００ｎｍ以上で発振するＧａＩｎＡｓ歪量子井戸活性層を有する面発光半導体レーザ素子や、更にはＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層を有する面発光半導体レーザ素子、量子ドット活性層を有する面発光半導体レーザ素子やＧａＡｓ（Ｓｂ）系量子井戸活性層を有する面発光半導体レーザ素子などにも適用可能である。
また、本発明は、本実施形態例のような面発光半導体レーザ素子を同一基板上に１次元的又は２次元的に集積したレーザアレイにも適用可能である。
その他、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半導体レーザ素子も、本発明の範囲に含まれる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、下部半導体多層膜反射鏡を構成する低屈折率ＡｌＡｓ層と活性層との間に酸化防止層を設けることにより、レーザ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半導体レーザ素子及びレーザアレイを歩留まり良く実現している。
本発明により、ペルチェフリー動作が可能な面発光半導体レーザ素子及びレーザアレイが実現でき、データ通信分野で使用する光通信装置の光源などへの応用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例の面発光半導体レーザ素子の構成を示す斜視断面図である。
【図２】実施形態例の面発光半導体レーザ素子の層構造を模式的に示す断面図である。
【図３】電流経路面積と熱抵抗との関係を示すグラフである。
【図４】図４（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、動作環境温度をパラメータとした実施形態例試料及び従来例試料の注入電流と光出力との関係を示すグラフである。
【図５】従来の面発光半導体レーザ素子の構成を示す斜視断面図である。
【図６】従来の面発光半導体レーザ素子の層構造を模式的に示す断面図である。
【図７】下部反射鏡の熱伝導率と熱抵抗との関係を示すグラフである。
【図８】下部反射鏡の熱伝導率と活性層部分の温度上昇との関係を示すグラフである。
【図９】ＡｌＧａＡｓ混晶の混晶比と熱伝導率との関係を示すグラフである。
【図１０】熱抵抗値と面発光半導体レーザ素子の最大光出力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０  従来の発光波長８５０ｎｍの面発光半導体レーザ素子
１２  ｎ−ＧａＡｓ基板
１４  ｎ型多層膜からなる下部反射鏡
１６  Ａｌ酸化層
１７  ｐ−ＡｌＡｓ層
１８  ノンドープＡｌＧａＡｓ下部クラッド層
２０  ＧａＡｓ量子井戸発光構造
２２  ノンドープＡｌＧａＡｓ上部クラッド層
２４  ｐ型多層膜からなる上部反射鏡
２６  ｐ−ＧａＡｓキャップ層
２８  円筒状溝
３０  メサポスト構造
３２  シリコン窒化膜
３４  ｐ側電極
３６  ｐ側電極の引き出し用電極
３８  ｎ側電極
４０  実施形態例の発光波長８５０ｎｍの面発光半導体レーザ素子
４２  ｎ型多層膜からなる下部反射鏡
４４  ｎ−ＡｌＡｓ膜
４６  ｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ膜
４８  下部多層膜
５０  ｎ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜
５２  上部多層膜
５４  ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ膜
５６  ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ膜
５８  化合物半導体積層構造体
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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