(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層を挟んで上下のスペーサ層が形成され、該上下のスペーサー層を挟んで上下の反射膜が形成されてなる表面発光型半導体レーザにおいて、
前記上下のスペーサ層と前記上下の反射膜との間の一方または双方に、前記上下のスペーサ層の材料と前記上下の反射膜の材料とのいずれとも格子定数が近く、前記上下のスペーサ層の材料と前記上下の反射膜の材料の各々が実効的に有する屈折率よりも僅かに小さい屈折率を有する材料からなり、厚さが１００ｎｍ以下の半導体層よりなる光閉じ込め層が、光放出領域を除いて形成されると共に、
前記活性層に近接する層の一部がエッチングにより除去又は酸化されてなり、該エッチングにより除去又は酸化された領域の先端部が、基板水平面において少なくとも前記光放出領域の周縁部まで到達しないように側面からエッチングにより除去又は酸化され絶縁化されてなることを特徴とする表面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
前記活性層に沿った水平面内において、前記光閉じ込め層よりも内側の光放出領域と、前記光閉じ込め層を含む、光放出領域の周囲の領域との間の実効的な屈折率差が０．０１〜０．０２であることを特徴とする請求項１記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項３】
前記光閉じ込め層の厚さは、１０〜５０ｎｍであることを特徴とする請求項１または２記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項４】
前記活性層はアンドープのＡｌＧａＡｓ系の単一量子井戸層または積層体量子井戸層であり、前記上下のスペーサ層は前記活性層より禁制帯幅が大きくアンドープのＡｌＧａＡｓ系の半導体層であり、前記上下の反射膜は前記スペーサ層より禁制帯幅が大きく、上下のそれぞれが相互に異なる導電型であるＡｌＧａＡｓ系の半導体層であり、前記光閉じ込め層は前記スペーサ層より屈折率が僅かに小さいＧａＩｎＰ系の半導体層であることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項５】
前記光閉じ込め層よりも内側の光放出領域と、前記光閉じ込め層を含む、光放出領域の周囲の領域との間において、少なくとも２段階の実効的な屈折率差を設けたことを特徴とする請求項１から４までのいずれかに記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項６】
前記活性層に沿った水平面内において、前記光閉じ込め層よりも内側の光放出領域と、前記光閉じ込め層を含む、光放出領域の周囲の領域との間の実効的な屈折率差が０．０１３〜０．０１７であることを特徴とする請求項１から５までのいずれかに記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項７】
前記光閉じ込め層を構成する材料の屈折率が、前記活性層に近接する層の一部であってエッチングにより除去又は酸化された領域の材料の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項８】
前記活性層に近接し酸化される層が、前記反射膜の一部を構成し、アルミニウム組成比が９０％以上のアルミニウムガリウム砒素層からなることを特徴とする請求項１から７までのいずれかに記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項９】
前記活性層に近接しエッチングにより除去又は酸化される層が、前記活性層を挟んで、前記光閉じ込め層と対峙する側に配置されてなることを特徴とする請求項１から８までのいずれかに記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項１０】
前記上下の反射膜の一方は、前記光放出領域上にポスト状に形成されてなることを特徴とする請求項１から９までのいずれかに記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項１１】
前記反射膜の材料のエッチングレートが前記光閉じ込め層の材料のエッチングレートより大きいことを特徴とする請求項１０に記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項１２】
活性層を挟んで上下のスペーサ層が形成され、該上下のスペーサー層を挟んで上下の反射膜が形成されてなる表面発光型半導体レーザにおいて、
前記上下のスペーサ層と前記上下の反射膜との間の一方または双方に、前記上下のスペーサ層の材料と前記上下の反射膜の材料とのいずれとも格子定数が近く、前記上下のスペーサ層の材料と前記上下の反射膜の材料の各々が実効的に有する屈折率よりも僅かに小さい屈折率を有する材料からなり、厚さが１００ｎｍ以下の半導体層よりなる光閉じ込め層が、光放出領域を除いて形成されると共に、
前記光閉じ込め層の一部がエッチングにより除去又は酸化されてなり、該エッチングにより除去又は酸化された領域の先端部が基板水平面において少なくとも前記光放出領域の周縁部まで到達しないように側面または表面からエッチングにより除去又は酸化され絶縁化されてなることを特徴とする表面発光型半導体レーザ。
【請求項１３】
前記光閉じ込め層を構成する材料の屈折率が、前記光閉じ込め層の一部であってエッチングにより除去又は酸化された領域の材料の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１２に記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項１４】
前記光閉じ込め層を構成する材料が少なくともガリウムインジウム燐を含むアルミニウムガリウムインジウム燐系の化合物であることを特徴とする請求項１２または１３に記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項１５】
前記上下の反射膜の一方が、前記光放出領域上にポスト状に形成されてなることを特徴とする請求項１２から１４までのいずれかに記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項１６】
前記反射膜および前記光閉じ込め層の材料のエッチングレートが、前記光閉じ込め層に隣接するスペーサー層の材料のエッチングレートより大きいことを特徴とする請求項１５に記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項１７】
前記光閉じ込め層に形成される光放出領域、および前記活性層に近接する層の一部または前記光閉じ込め層の一部であってエッチングにより除去又は酸化された領域の形状の双方若しくはいずれか一方が、層面に対して２回対称の幾何学形状であることを特徴とする請求項１から１６までのいずれかに記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項１８】
前記光閉じ込め層よりも内側の光放出領域と、前記光閉じ込め層を含む、光放出領域の周囲の領域との間において、少なくとも２段階の実効的な屈折率差を設けたことを特徴とする請求項１２から１７までのいずれかに記載の表面発光型半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報処理や光通信に用いられる光源、光を使用してなされる画像処理装置の光源、または、電子写真方式の複写装置の光源等として使用される表面発光型半導体レーザ（以下「表面発光レーザ」ともいう。）に関する。特に、横モードが安定しており、しかも、しきい値電流性が低く、高出力である表面発光型半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信または光インターコネクション等の技術分野において、２次元アレイ化が容易な表面発光型半導体レーザが注目されている。なかでも基本構造を半導体一貫プロセスにより作製可能な垂直共振器型表面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ、以下「ＶＣＳＥＬ」ともいう。）は、ウエハスケールの大規模化に適しており、実用化に向け開発が進められている。このＶＣＳＥＬは、発光領域（光放出領域）の面積を狭くすることにより、しきい値電流を低くすることが比較的容易であり、多数個の同時並列駆動が要求される光スイッチング装置の分野においては、消費電力を低く抑えることができるという利点がある。
しかし、その反面、表面発光型半導体レーザにおいては、活性領域の体積が小さいため、出力を大きくすることが難しい。また、光通信用には、現在のところコストの低いマルチモードの光ファイバが使用されているが、将来的には、回線数を飛躍的に増大させることができるシングルモードの光ファイバの使用が予定されている。そこで、シングルモードの光ファイバに付属して使用されるレーザもシングルモードであることが必要であるため、シングルモードのレーザが求められている。
【０００３】
ところが、表面発光レーザでは、横モードの安定性を要求すると、しきい値電流が増大して応答特性が悪くなるか、または、高出力にできない等の傾向があり、全ての要求を同時に満足する表面発光半導体レーザは得られていない。
【０００４】
例えば、安定横モード発振が得られやすい利得導波構造のプロトン注入方式の表面発光レーザは、サーマルレンズ効果のために、電流通過領域とその周囲の領域との間に僅かな実効的な屈折率差が生じ、弱い光閉じ込め状態が作られるので、非プロトン注入領域（電流通路）の径を１０μｍ程度に広げても安定な横モードが得られる。しかし、光閉じ込めが弱いため、発光効率の向上には限度があり、また、熱の発生も大きいから、しきい値電流は比較的高く、また、バイアスをかけない状態においては応答性が悪いことも知られている。
【０００５】
これに対し、最近、屈折率導波構造を有する選択酸化方式の表面発光レーザが開発された。この選択酸化方式の表面発光レーザは、活性層近傍の半導体多層反射膜の一部を選択的に酸化して屈折率導波路を形成したものであり、これにより電流狭窄効果と強い光閉じ込め効果が得られるため、サブミリアンペアオーダーのしきい値電流が容易に得られ、しかも、応答性が速い。ところが、光閉じ込め効果が大きいので、横モードを安定にするには発光領域の直径を５μｍ以下にする必要があり、このため出力の増大が難しい。
【０００６】
以上の事情に基づいて鋭意研究を重ねたところ、本願発明の発明者は、光放出領域の面積が大きく高出力が得られ、しかも、横モードが安定している表面発光レーザを実現するには、光放出領域とその周囲の領域との間に、約０．０１５の実効的な屈折率差を設けることが有効であろうという着想を得た。
【０００７】
ところで、上記した選択酸化方式の表面発光レーザにおいては、選択酸化層（例えばＡｌＡｓの酸化物の層）とスペーサ層（例えばＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓの層）との間には大きな屈折率の差がある。例えば、上記の材料の場合、前者のＡｌＡｓの酸化物の層の屈折率は約１．６であり、後者のＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓの層の屈折率は約３．３５であるから、両者の屈折率差は１．８である。そのため、選択酸化層とスペーサ層との間に大きな光閉じ込め効果が生ずる。
【０００８】
そこで、上記の着想を具体化するには、選択酸化層に代えて、これよりいくらか屈折率が大きい材料（選択酸化層に比べれば大きく、スペーサ層に比べれば小さい材料）を使用して形成する光閉じ込め層を、光放出領域の周囲に設ければよいということになる。
【０００９】
この発想にもとづく表面発光レーザの構造と類似する構造を有すると思われる表面発光レーザの一例として、特開平６−６９５８５号公報に開示されている表面発光型半導体レーザがある。図１９を参照して、この表面発光レーザについて説明する。ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上にｎ−ＡｌＡｓ層とｎ−ＧａＡｓ層との積層体からなる下部ＤＢＲミラー（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ  ｍｉｒｒｏｒ）１０４を形成した後、ｎ−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層よりなる下部スペーサ層１０５と、アンドープのＧａＡｓ層よりなる下部バリア層１０６と、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層よりなる単一量子井戸活性層１０７と、アンドープのＧａＡｓ層よりなる上部バリア層１０８と、ｐ−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層よりなる上部スペーサ層１０９とを順次積層し、さらに、ｎ−ＩｎＧａＰ層を２００ｎｍの厚さに形成する。ウエットエッチング法を使用してこのｎ−ＩｎＧａＰ層を光放出領域から除去して、電流通路となる開口１１２を有する電流狭窄層１１０を形成した後、開口１１２に露出している上部スペーサ層１０９と電流狭窄層１１０との上にｐ−Ａ１0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層１１３を表面が平坦になる程度に厚く形成する。このｐ−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層１１３の機能は、上下の共振器間の間隔（下部ＤＢＲミラー１０４の上面と後述する上部ＤＢＲミラー１１６の下面までの距離）を発振波長λの半波長の３倍にすることにある。また、単一量子井戸活性層１０７の中心（表面と裏面との中心の面）と下部ＤＢＲミラー１０４の上面との光学的距離は発振波長λの０．５倍とされており、定在波の振幅が単一量子井戸活性層１０７の中心において最も大きくなるようにしてある。次に、ｐ−ＡｌＡｓ層とｐ−ＧａＡｓ層との積層体からなる上部ＤＢＲミラー１１６を形成し、表面と裏面のそれぞれに電極（図示せず。）を形成して、完成する。
【００１０】
上記にも、一部触れたように、この表面発光レーザの設計思想は、次のように考えられる。
【００１１】
（１）電流狭窄層１１０があるので、電流は光放出領域に集中して、しきい値電流が低下する。
【００１２】
（２）電流狭窄層１１０の材料は、ｎ−ＩｎＧａＰであり、その禁制帯幅は上記スペーサ層１０９を構成するｐ−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓの禁制帯幅より大きいから、導電型が逆とされていることに加えて、エネルギー障壁の点からも電流を狭窄する機能がある。
【００１３】
（３）トンネリングを防止し、エネルギー障壁の効果を十分発揮させるため、電流狭窄層１１０の厚さは２８０ｎｍと厚くしてある。
【００１４】
（４）単一量子井戸活性層１０７の中心（表面と裏面との中心の面）と下部ＤＢＲミラー１０４の上面との光学的距離は発振波長λの０．５倍とされており、定在波のいわゆる「腹」が単一量子井戸活性層１０７の中心に発生することになる。
【００１５】
（５）電流狭窄層１１０の材料であるＩｎＧａＰの屈折率は、上部スペーサ層１０９の材料であるＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓの屈折率より小さいから、光閉じ込め効果はそれ程大きくならず、上記した着想に沿うものである。
【００１６】
しかしながら、本願発明の発明者が、この特開平６−６９５８５号公報に開示されている表面発光レーザを試作してみたところ、次のような欠点が明らかになり、必ずしも優れたものではないことが分かった。
【００１７】
（１）単一量子井戸層１０７に次いで光強度が強くなる位置（単一量子井戸層１０７から発振波長λだけ離れた位置）には電流狭窄層１１０が存在するから、電流狭窄層１１６の開口の周辺部で光が散乱され、基板垂直方向での光閉じ込め効果が十分ではない。
【００１８】
（２）発振波長λが９８０ｎｍのレーザに対するＧｎＩｎＰ（電流狭窄層１１０の材料）の屈折率は３．２であり、Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ（上記スペーサ層１０９の材料）の屈折率は３．４であり、その差はそれ程大きくないので、上記着想の要件は満しているが、ｐ−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層１１３の厚さ５７８ｎｍに比し、電流狭窄層１１０の厚さ２００ｎｍはそれ程小さいとはいえないから、基板水平方向での光閉じ込め効果が大きく、開口１１２（光放出領域）の直径を５μｍ以上にすると、横モードの安定性が失われて、複数モードになる。
【００１９】
（３）厚さが５７８ｎｍであるｐ−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層１１３は、開口１１２による２００ｎｍの段差のある領域に形成されるので、その表面は平坦にならず、実際には、その表面中央部に凹部が形成される。そのため、その上に形成される上部ＤＢＲミラー１１６に膜厚分布が生じ、ＤＢＲミラーの反射率が低下し、この表面発光レーザの特性は予期したほど良好なものではない。
【００２０】
以上のように、特開平６−６９５８５号公報に開示されている表面発光レーザは、屈折率が小さい材料の層が光放出領域を構成する開口１１２の周囲に設けられており、一見すると上記着想の要件を満しているようにも見えるが、横モードが安定しており、しきい値電流が低く、光放出領域の面積が大きくて光出力が大きいという本願発明の目的を達するものではない。
【００２１】
また、選択酸化型表面発光型半導体レーザとしては、米国特許５，５９４，７５１号に開示されたものがある。図２０（ａ）は、表面発光レーザの断面構造を表し、図２０（ｂ）は、その活性領域近傍の拡大図である。この表面発光レーザは、第１ミラースタック２１４上に第１電極２１２を、活性領域２２０および第２ミラースタック２２６の下方に位置する半導体基板２１８上に第２電極２１６をそれぞれ有し、通常のＩｎＧａＡｓ多重量子井戸からなる活性領域２２０は、電極２１２および２１６を介して両側にコンタクトしている。第１ミラースタック２１４は、電界を制限する導波共振器を構成し、横光学モード２３２を閉じ込める。電界の軸モードは、各々のミラースタックの反射面に挟まれた活性領域２２０、第１コンタクト層２２２、第２コンタクト層２２４の膜厚によって決まる。電流２３０は、絶縁層２２７により共振器の中央部へ流れ込む。絶縁層２２７の膜厚は十分薄いので、横光学モード２３２は制限されておらず、より大きな径の横光学モードの存在を許し、結果的に効率の良い単一横モード動作をもたらす。ここで、絶縁層２２７は、Ａｌ組成の高い半導体層を湿式エッチング若しくは湿式酸化のような選択性技術を用いて形成される、としている。
ここでは湿式酸化を用いた場合について述べるが、上述の選択酸化型表面発光型半導体レーザにおいては、第１コンタクト層２２２の上方に設けられる絶縁層（選択酸化層）２２７の屈折率は約１．６（酸化アルミニウム）であるのに対して、もとの半導体層の屈折率は３〜３．６にも及び、両者の屈折率差は非常に大きい。このため光放出領域を構成する開口の周縁部では、光の散乱が生じて光損失が発生し、しきい値電流の増加や発振効率の低下が懸念される。
このような問題を解消する手段として、ビー・ジェイ・タイビュールト等は、”Ｒｅｄｕｃｅｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｌｏｓｓ  ｉｎＶｅｒｔｉｃａｌ−Ｃａｖｉｔｙ  Ｌａｓｅｒｓ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｔｈｉｎ（３００Å）  Ｏｘｉｄｅ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ”（アイイーイーイー・フォトニクス・テクノロジー・レターズ、第８巻、第５号、５９３−５９５ページ、１９９６年）において、実効的な屈折率差を小さくするため、ＡｌＡｓ層を薄くする（〜３０ｎｍ）方法を提案し、イー・アール・ヘグブロム等は、”Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｌａｓｅｒｓ  ｗｉｔｈ  Ｔａｐｅｒｅｄ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ  ｆｏｒ  Ｌｏｗ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｌｏｓｓ”（エレクトロニクス・レターズ、第３３巻、第１０号、８６９−８７１ページ、１９９７年）において、選択酸化領域の先端部をテーパ状に形成し、レンズのような分布屈折率を持たせる方法を提案している。
しかるに、このような表面発光型半導体レーザにおいては、例えば絶縁層（選択酸化層）２２７を薄くする（＜３０ｎｍ）方法では、数ｎｍオーダーで絶縁層（選択酸化層）２２７の膜厚を制御することが求められため、現在広く用いられている選択酸化技術のレベルからすると、ウエハスケールで表面発光型半導体レーザを作製する場合に、基板水平面内での膜厚均一性が問題となり、製造の歩留りを上げることが難しい。また、本願発明の発明者の経験から、ＡｌＡｓ層の膜厚が薄くなると、酸化速度が著しく低下することが確認されており、膜厚の不均一性は、酸化することによって形成する開口の径の制御性にも重大な影響を及ぼす。
一方、選択酸化領域の先端部をテーパ状に形成する方法は、開口の周縁部における光散乱の防止のためには効果的であるが、挿入される層の組成比や膜厚を精密に制御する必要があり、製造に手間がかかる上、再現性に問題がある。特に、ウエハスケールで特性の揃った表面発光型半導体レーザを作製することは、実際には困難である。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、横モードが安定しており、しきい値電流が低く、光放出領域の面積が大きくて光出力が大きいという利益を有する表面発光型半導体レーザを提供することにある。
本発明の他の目的は、製造工程における再現性と制御性を良好に維持しながら、光放出領域の周縁部における光の散乱を有効に防止でき、しきい値電流が低く、発光効率の高いものが容易に得られる選択酸化型の表面発光型半導体レーザを提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る表面発光型半導体レーザは、活性層を挟んで上下のスペーサ層が形成され、この上下のスペーサ層を挟んで上下の反射膜が形成されている表面発光型半導体レーザにおいて、光放出領域に対応する領域を除いて、スペーサ層と反射膜との間に、厚さが１００ｎｍより小さく、望ましくは１０〜５０ｎｍであり、実効屈折率がスペーサ層を構成する材料と反射膜を構成する材料の各々が有する屈折率より僅かに小さい材料で構成される光閉じ込め層が介在している表面発光型半導体レーザである。
この場合、活性層に沿った水平面内において、光閉じ込め層よりも内側の光放出領域と、光閉じ込め層を含む、光放出領域の周囲の領域との間の実効的な屈折率差が０．０１〜０．０２であることが望ましく、０．０１３〜０．０１７であることがより望ましい。
【００２４】
光閉じ込め層の禁制帯幅は、スペーサ層を構成する材料のそれより大きく、電流障壁としても機能するので、光閉じ込め層の導電型を限定する必要はなく、光閉じ込め層の導電型をこれと隣接する反射膜の導電型と同一としても、電流狭窄層としての機能は確保される。すなわち、光閉じ込め層の導電型を上部多層反射膜の導電型と異なる導電型にすると、当然電流狭窄効果が得られるが、光閉じ込め層を同一の導電型またはアンドープの半導体としても、電流狭窄効果は得られる。
【００２５】
活性層は、アンドープのＡｌＧａＡｓ系の単一量子井戸層または積層体量子井戸層であることが望ましく、上下のスペーサ層は、活性層より禁制帯幅が大きく、アンドープのＡｌＧａＡｓ系の半導体層であることが望ましく、上下の反射膜は、前記スペーサ層より禁制帯幅が大きく、上下のそれぞれが相互に異なる導電型であるＡｌＧａＡｓ系の半導体層であることが望ましく、光閉じ込め層は、スペーサ層より屈折率が僅かに小さいＧａＩｎＰ系の半導体層であることが望ましい。
【００２６】
また、本発明に係る表面発光型半導体レーザは、活性層を挟んで上下のスペーサ層が形成され、この上下のスペーサー層を挟んで上下の反射膜が形成され、この上下のスペーサ層と上下の反射膜との間の一方または双方に、上下のスペーサ層の材料と上下の反射膜の材料とのいずれとも格子定数が近く、上下のスペーサ層の材料と上下の反射膜の材料の各々が実効的に有する屈折率よりも僅かに小さい屈折率を有する材料からなり、厚さが１００ｎｍ以下の半導体層よりなる光閉じ込め層が、光放出領域を除いて形成されており、この活性層に沿った水平面内において、光閉じ込め層よりも内側の光放出領域と、光閉じ込め層を含む、光放出領域の周囲の領域との間の実効的な屈折率差が０．０１〜０．０２であり、かつ、光閉じ込め層よりも内側の光放出領域と、光閉じ込め層を含む、光放出領域の周囲の領域との間において、少なくとも２段階の実効的な屈折率差を設けたものである。
【００２７】
このような少なくとも２段階の実効的な屈折率差を設けた表面発光型半導体レーザは、活性層に近接する層の一部が酸化されてなり、この酸化された領域の先端部が、基板水平面において少なくとも光放出領域の周縁部まで到達しないように側面から酸化され絶縁化することによって実現することができる。
この場合、光閉じ込め層を構成する材料の屈折率が、活性層に近接する層の一部であって酸化された領域の材料の屈折率よりも大きいことが望ましく、活性層に近接し酸化される層が、反射膜の一部を構成し、アルミニウム組成比が９０％以上のアルミニウムガリウム砒素層からなることが望ましい。
また、活性層に近接していれば、活性層を挟んで光閉じ込め層と対峙する側にある層を酸化してもよい。
【００２８】
本発明に係る表面発光型半導体レーザは、プレーナー型のみならず、ポスト型、すなわち、上下の反射膜の一方は、光放出領域上にポスト状に形成されている構造の表面発光型半導体レーザにも構成することができる。
【００２９】
その場合、反射膜をＡｌＧａＡｓ系とし、光閉じ込め層をＧａＩｎＰ系とし、それらの間のエッチングレートが大きく相違するエッチャントを使用することにより、光閉じ込め層がストッパ層として機能することができ、製造工程が容易である。
【００３０】
また、活性層を挟んで上下のスペーサ層が形成され、この上下のスペーサー層を挟んで上下の反射膜が形成され、この上下のスペーサ層と上下の反射膜との間の一方または双方に、上下のスペーサ層の材料と上下の反射膜の材料とのいずれとも格子定数が近く、上下のスペーサ層の材料と上下の反射膜の材料の各々が実効的に有する屈折率よりも僅かに小さい屈折率を有する材料からなり、厚さが１００ｎｍ以下の半導体層よりなる光閉じ込め層が、光放出領域を除いて形成された構造において、光閉じ込め層の一部が酸化されてなり、この酸化された領域の先端部が基板水平面において少なくとも光放出領域の周縁部まで到達しないように側面から酸化され絶縁化することによっても、少なくとも２段階の実効的な屈折率差を設けた表面発光型半導体レーザを実現することができる。
この場合、光閉じ込め層を構成する材料の屈折率が、光閉じ込め層の一部であって酸化された領域の材料の屈折率よりも大きいことが望ましい。
【００３１】
光閉じ込め層を構成する材料が、少なくともガリウムインジウム燐を含むアルミニウムガリウムインジウム燐系の化合物であることが望ましい。
【００３２】
本発明に係る表面発光型半導体レーザは、プレーナー型のみならず、ポスト型、すなわち、上下の反射膜の一方は、光放出領域上にポスト状に形成され、このポスト状の反射膜および前記光閉じ込め層の側面と光閉じこめ層に隣接するスペーサー層の上面とが絶縁膜でカバーされている構造の表面発光型半導体レーザにも構成することができる。
【００３３】
その場合、反射膜および光閉じ込め層の材料とのエッチングレートと光閉じ込め層に隣接するスペーサー層の材料とのエッチングレートとが大きく相違するエッチャントを使用することにより、光閉じ込め層がストッパ層として機能することができ、製造工程が容易である。
【００３４】
本発明に係るいずれの表面発光型半導体レーザにおいても、光閉じ込め層に形成される光放出領域および酸化された領域の双方若しくはいずれか一方の形状は、円、正方形、長円形、長方形、ひし形等、層面に対して２回対称の幾何学形状であることが望ましい。
【００３５】
活性層に近接する層または光閉じ込め層の一部を酸化する代わりにエッチングによりその部分を除去し空隙を設けるようにしてもよい。
【００３６】
光閉じ込め層のレーザ発振波長λに対する屈折率は、スペーサ層を構成する材料の屈折率と多層反射膜が等価的に有する屈折率のいずれよりも小さいから、活性層の近傍においては、光閉じ込め層のある部分とない部分との間で実効的な屈折率差が生ずる。これにより基板水平方向には屈折率導波路が形成され、活性層から放射された光は基板水平方向で効果的に閉じ込められる。しかるに、その屈折率差は、主に選択酸化層の効果により実効的な屈折率差が生じる選択酸化型レーザの場合ほど大きくないから、光放出領域の周縁部での光の散乱損失が減少する。
【００３７】
また、活性層に近接する層の一部を、酸化された領域の先端部が、基板水平面において少なくとも光放出領域の周縁部まで到達しないように側面から酸化して絶縁化することによって、活性層の近傍においては、光閉じ込め層のある部分とない部分、光閉じ込め層の上に選択酸化層のある部分とない部分との間で２段階にわたり実効的な屈折率差が生ずる。このように実効的な屈折率差を段階的に変化させたことにより、光放出領域の周縁部での実効的な屈折率差が小さくなって光の回折がより防止され、光の散乱損失がさらに減少する。従って、このような手段により、しきい値電流が低く、発光効率の高い表面発光型半導体レーザを容易に得ることができる。
【００３８】
また、従来の選択酸化型表面発光型半導体レーザでは、選択酸化層が、光閉じ込めと電流狭窄の２つの機能を兼ねていたため、光閉じ込めが強すぎ、光放出領域を形成する開口の径を５μｍ程度までしか広げることができなかったが、光閉じ込め層の他に電流狭窄層である選択酸化層を別途設け、光閉じ込めの機能を担うのは光閉じ込め層、電流狭窄の機能を担うのは電流狭窄層というように光閉じ込めと電流狭窄の２つの機能を分離することにより、光閉じ込め層中の開口の径を１０μｍ程度まで広げた場合にも、横モードの安定性は維持され、基本横モード特性を保ちながら、光出力を増加させることができる。
【００３９】
光閉じ込め層の導電型を上部多層反射膜の導電型と異なる導電型にすると、当然電流狭窄効果が得られるが、上部反射膜と光閉じ込め層との間には禁制帯幅の相違にもとづく電流障壁があるから、光閉じ込め層をアンドープの半導体としても、電流狭窄効果は得られる。
【００４０】
光閉じ込め層に用いる材料として、上部半導体多層反射膜を構成する材料との間でエッチング選択比の高いものを用いれば、例えば電流狭窄のための柱状の光制御領域を形成する際、エッチング深さの制御が容易となって、特性のばらつきを抑えることができ、製品の歩留まりも向上する。
【００４１】
光閉じ込め層に形成される光放出領域および酸化された領域の双方若しくはいずれか一方の形状を、基板水平面に対して２回対称な幾何学形状とすれば、レーザ光の偏波面はその長軸方向に揃う傾向を示す。そこで、この性質を利用し、開口の形状を、楕円形、長円形、ひし形等にして、レーザ光の偏波面を一定方向に制御することも可能である。
【００４２】
さらに、光閉じ込め層に用いる材料として酸化可能な材料を選択することにより、光閉じ込め層の一部に絶縁領域（選択酸化層）を形成することができ、光閉じ込めと電流狭窄の２つの機能を分離しながら、簡略な構造により両機能を実現させることができる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザについて説明する。
第１の実施の形態（プレーナ型）
図１は、第１の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの断面図である。この形態においては、図２に示すように、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を使用して、ｎ型のＧａＡｓ基板１の（１００）面上に、ｎ型のＡｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ層とｎ型のＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層との複数層積層体よりなる下部多層反射膜２と、アンドープのＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ層よりなる下部スペーサ層３と、アンドープのＡｌ0.11Ｇａ0.89Ａｓ層よりなる量子井戸層とアンドープのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層よりなる障壁層との積層体よりなる量子井戸活性層４と、アンドープのＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ層よりなる上部スペーサ層５と、ｎ型のＧａ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ層よりなる光閉じ込め層６とを、順次形成する。
【００４４】
ここで、下部多層反射膜２は、ｎ型のＡｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ層とｎ型のＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層との複数層積層体よりなるが、各層の厚さはλ／４ｎr （ただし、λは発振波長であり、ｎr は媒質の屈折率である。）であり、混晶比の異なる層を交互に４０．５周期積層してある。キャリア濃度は２×１０18ｃｍ-3である（ドーパント：シリコン）。
【００４５】
量子井戸活性層４は、厚さが８ｎｍであるアンドープのＡｌ0.11Ｇａ0.89Ａｓ層よりなる量子井戸層と厚さが５ｎｍであるアンドープのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層よりなる障壁層とを交互に積層した積層体の３組（ただし、外層はいずれもアンドープのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層よりなる障壁層とするから、アンドープのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層よりなる障壁層の数は４枚である。）よりなり、波長７８０ｎｍのレーザ発振を得る。
【００４６】
下部スペーサ層３の下面から上部スペーサ層５の上面までの膜厚は、全体でλ／ｎr （ただし、λは発振波長であり、ｎr は媒質の屈折率である。）の整数倍とし、その間に定在波が立つようにし、光強度の最も強いいわゆる「腹」の部分が量子井戸活性層４の位置にくるようにしてある。
【００４７】
ｎ型のＧａＩｎＰ層よるなる光閉じ込め層６は、厚さが１００ｎｍ以下の薄い層であるが、後述する開口１０の周縁で発生する光の散乱損失を減少するためには、なるべく薄くする必要がある。ただし、薄過ぎると、キャリアのトンネリングが生じて、電流閉じ込めの効果が薄れるので、望ましくは１０〜５０ｎｍである。
【００４８】
図３に示すように、基板を成長室から取り出し、基板全面にフォトレジスト膜を形成し、光放出領域を形成する予定領域に直径１０μｍの開口を有するフォトマスク（図示せず。）を使用して、上記のフォトレジスト膜を露光し、これを現像して、エッチングマスク２１を形成する。
【００４９】
このエッチングマスク２１を使用して、リン酸と塩酸との混合液よりなるエッチャントを使用して、ｎ型のＧａＩｎＰ層よりなる光閉じ込め層６を、光放出領域から除去して、開口１０を形成する。
【００５０】
図５に示すように、開口１０の形状は、円形以外に、正方形、長方形、楕円、ひし形にしてもよい。長方形、楕円、長円形等２回対称（１８０°回転すると原形に復帰する形状）の平面形状にすると、出射光の偏光面が制御できるという効果があるので、開口１０の形状は、表面発光型半導体レーザの用途に応じて選択すればよい。
【００５１】
図４に示すように、使用済みのフォトレジスト膜を除去した後、基板を成長室に戻し、再び、ＭＯＣＶＤ法を使用して、ｐ型のＡｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ層とｐ型のＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層との積層体よりなる上部多層反射膜７と、ｐ型のＧａＡｓ層よりなるコンタクト層８とを形成する。
【００５２】
ここで、上部多層反射膜７は、ｐ型のＡｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ層とｐ型のＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層との積層体であるが、各層の厚さはλ／４ｎr （ただし、λは発振波長であり、ｎr は媒質の屈折率である。）であり、混晶比の異なる層を交互に３０周期積層してある。キャリア濃度は３×１０18ｃｍ-3である（ドーパント：カーボン）。上部多層反射膜７の周期数（層数）を下部多層反射膜２のそれよりも少なくしてある理由は、反射率に差をつけて出射光を基板上面より取り出すためである。また、詳しくは述べないが、素子の直列抵抗を下げるために、多層反射膜中には、Ａｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ層とＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層との間に、その中間のアルミニウム混晶比を有するいわゆる中間層が介在している。
【００５３】
ｐ型ＧａＡｓ層よりなるコンタクト層８の膜厚は５０Åであり、キャリア濃度は１×１０20ｃｍ-3である（ドーパント：カーボン）。
【００５４】
図１に示すように、基板を成長室から取り出した後、スパッタ法を使用して、コンタクト層８上に、Ｃｒ／Ａｕ層を形成し、開口１０（光放出領域）から除去して、上方に光を放出しうる窓を有するｐ側電極１１を形成し、再びスパッタ法を使用して、ｎ型のＧａＡｓ基板１の裏面に、Ａｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ層よりなるｎ側電極１２を形成する。
【００５５】
図６に示すように、開口１０（光放出領域）に対応する領域における層構成は、下層から、下部多層反射膜２と、下部スペーサ層３と、量子井戸活性層４と、上部スペーサ層５と、上部多層反射膜７との積層構成であるが、開口１０（光放出領域）の周囲の領域における層構成は、下層から、下部多層反射膜２と、下部スペーサ層３と、量子井戸活性層４と、上部スペーサ層５と、光閉じ込め層６と、上部多層反射膜７との積層構成であり、光閉じ込め層６は、ＧａＩｎＰ層である。開口１０（光放出領域）に対応する領域と開口１０（光放出領域）の周囲の領域とにおいて、実効的な屈折率差が約０．０１５になるように設計してある。具体的には、ＧａＩｎＰよりなる光閉じ込め層の膜厚を５０ｎｍ程度としてある。
【００５６】
この実効的な屈折率差は、上記したとおり、望ましい屈折率差であるので、望ましい光閉じ込め効果が得られる。
【００５７】
図７に示すように、上記のようにして製造された表面発光型半導体レーザにおいては、ｐ型の多層反射膜７とｎ型の光閉じ込め層６との界面に順方向ｐｎ接合が形成されるが、光閉じ込め層６を構成するＧａＩｎＰの禁制帯幅が、上部スペーサ層５を構成するＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓの禁制帯幅より大きく、光閉じ込め層６が電流障壁として機能するので、電子は、主として開口１０に対応する領域に流れ込み、量子井戸活性層４に効率良く流れ込む。その結果、光閉じ込めの効果との相乗作用により、しきい値電流は大幅に低減する。また、光閉じ込めの程度は従来の屈折率導波型表面発光レーザに比べて小さいから、図７に示すように、開口の直径を１０μｍ程度にまで広げても横モードは安定しており、基本横モードでの最大光出力を飛躍的に向上させることができる。
【００５８】
なお、上記の実施の形態においては、光閉じ込め層６に電流狭窄効果を求めるため、光閉じ込め層をｎ型としたが、アンドープとしても、禁制帯幅の差にもとづく電流障壁が存在するので、電流狭窄の効果は十分である。
【００５９】
また、不純物の種類については、ここに挙げたものに限らず、ｎ型ならば、セレン、ｐ型ならば、亜鉛やマグネシウム等を用いることも可能である。
【００６０】
第２の実施の形態（ポスト型）
図８は、第２の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの断面図である。この例は、第１の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの上部多層反射膜７をエッチングして、これを光放出領域１０を囲む領域にポスト状に残留するものである。この工程において、上部多層反射膜７を構成するＡｌＧａＡｓと光閉じ込め層６を構成するＧａＩｎＰとは、例えば硫酸と過酸化水素水との混合水溶液よりなるエッチャントに対して１０：１以上のエッチング選択比を有するので、上部多層反射膜７がストッパとして機能する。その上にポリイミド樹脂等を塗布して絶縁膜２２を形成し、この絶縁膜２２を光放出領域から除去し、その上にＣｒ／Ａｕ等を堆積した後、これを光放出領域から除去してｐ側電極１１を形成し、基板１の裏面はＡｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ層等を形成して、ｎ側電極を形成するものである。
【００６１】
以上のようにして製造した表面発光型半導体レーザにおいては、電流通過可能領域が光放出領域に限られるので、当然、大きな電流狭窄効果がある。そのため、しきい値電流は低い。
【００６２】
第３の実施の形態
図９（ａ）は、第３の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの断面図である。この例は、ｎ型の半導体基板３１上に、同じくｎ型の下部多層反射膜３２と、アンドープの下部スペーサ層３３と、いずれもアンドープの量子井戸層と障壁層からなる量子井戸活性層３４と、アンドープの上部スペーサ層３５と、中央部に開口４４を有するｎ型またはアンドープの半導体よりなる光閉じ込め層３６と、酸化技術により形成された、光閉じ込め層３６の開口４４よりもわずかに大きい非絶縁性の開口４５（後述の図１４参照）を有するＡｌＡｓ層３７と、ｐ型の上部多層反射膜３８と、同じくｐ型のコンタクト層３９とが順次積層された構造となっている。
【００６３】
この例においては、図９（ｂ）に示すように、基板水平面において２つの開口４４と４５の内側領域と外側領域との間で２段階の実効的な屈折率差Δｎ1 、Δｎ2 が生ずる構造となっており、Δｎ2 の値を典型的には０．０１〜０．０２、好ましくは０．０１５とすることにより、理想的な光閉じ込め状態を得るようにしている。
【００６４】
ここで、下部多層反射膜３２は、ｎ型のＡｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ層とｎ型のＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層とを各々厚さλ／４ｎr （λ：発振波長、ｎr ：媒質の屈折率）づつ交互に４０．５周期積層して形成されたものであり、キャリア濃度は２×１０1 8 ｃｍ-3（ドーパント：シリコン）である。
【００６５】
量子井戸活性層３４は、アンドープのＡｌ0.11Ｇａ0.89Ａｓ（膜厚８ｎｍ×３）と、同じくアンドープのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ障壁層（膜厚５ｎｍ×４）とが交互に組合わされた積層構造を有し、下部スペーサ層３３の下面から上部スペーサ層３５の上面までの膜厚は、全体でλ／ｎr の整数倍として定在波が閉じ込められるようにし、光強度の最も強いいわゆる「腹」の部分が量子井戸活性層３４の位置にくるようにした。
【００６６】
ｎ型またはアンドープの半導体よりなる光閉じ込め層３６は、厚さ１００ｎｍ以下の薄い層であるが、開口４４の周縁部における光の散乱による損失を有効に減少させるためには、できるだけ薄い方が好ましく、この例では、１０〜５０ｎｍとした。
【００６７】
上部多層反射膜３８は、ｐ型のＡｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ層と、ｐ型のＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層とを、各々厚さλ／４ｎr づつ交互に３０周期積層して形成されたものであり、キャリア濃度は、３×１０18ｃｍ-3（ドーパント：カーボン）である。ただし、最下層は、後に選択酸化を行うため、Ａｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ層の代わりに、Ａｌ組成が１００％のＡｌＡｓ層３９とした。
ｐ型のコンタクト層３８は、膜厚５０Åで、キャリア濃度は１×１０20ｃｍ-3（ドーパント：カーボン）である。
【００６８】
上部多層反射膜３８の周期数（層数）を下部多層反射膜３２のそれよりも少なくしているのは、反射率に差をつけて出射光を基板上面より取り出すためである。また、詳しくは述べないが、素子の直列抵抗を下げるため、上部半導体多層膜３８中にはＡｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ層とＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層の間に、段階的にアルミニウム組成比を変化させたいわゆるグレーデッド層を挿入している。
【００６９】
以上のように構成された第３の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザは、発振波長λが７８０ｎｍのレーザ光を基板表面から取り出すようにしたものである。
【００７０】
次に、この第３の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの製造方法について説明する。
図１０から図１７は、第３の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの製造工程を示す断面図である。まず、ｎ型のＧａＡｓ（１００）基板３１上に、同じくｎ型のＡｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ層とＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層とからなる下部多層反射膜３２と、アンドープのＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓからなる下部スペーサ層３３と、アンドープのＡｌ0.11Ｇａ0.89Ａｓ量子井戸層とアンドープのＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ障壁層とからなる量子井戸活性層３４と、アンドープのＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓからなる上部スペーサ層３５と、ｎ型またはアンドープのＧａＩｎＰからなる光閉じ込め層３６とを順次積層する。
ここまでの工程は、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などを用いた半導体結晶成長技術により行うことができる。
【００７１】
次いで、基板を成長室から取り出し、フォトリソグラフィ技術により３〜１０μｍφの円形の窓を有するレジストマスク５１を形成する。このマスクを使用して、りん酸と塩酸系のエッチャントにより、ｎ型またはアンドープのＧａＩｎＰからなる光閉じ込め層３６を、上部スペーサ層３５が露出するまでエッチング除去して開口４４を形成する。
【００７２】
開口４４および開口４５の形状としては、図２１（ａ）〜（ｅ）に示すように、円形、四角形、矩形、楕円形、あるいはひし形でもよく、同様の効果を得ることができる。特に、矩形以下、基板水平面に対して２回対称の平面形状とすることにより、出射光の偏波面を制御できるという効果も奏され、用途に応じて形状を選択することができる。
【００７３】
レジストマスク５１を除去した後、再び基板を成長室に戻し、ｐ型のＡｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓ層とＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層からなる上部多層反射膜３８と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層３９とを積層する。
【００７４】
続いて、硫酸と過酸化水素系のエッチャントを使用して、コンタクト層３９および上部多層反射膜３８をエッチング除去して形状をポスト状とする。この時、上部多層反射膜３８を構成するＡｌＧａＡｓ系材料と、光閉じ込め層３６を構成するＧａＩｎＰとの間では、例えばＨ2 ＳＯ4 ：Ｈ2 Ｏ2 ：Ｈ2 Ｏ＝１：１０：１００を用いた場合、エッチング選択比は１０：１以上になることが知られているから、形状をポスト状とするためのエッチングを光閉じ込め層３６において容易に止めることができる。形状をポスト状とするためには、ドライエッチングを用いることもできるが、ＢＣｌ3 あるいはＳｉＣｌ4 による反応性イオンエッチングでは、硫酸と過酸化水素系のエッチャントほどのエッチング選択性は得られないものの、形状をポスト状にすることは可能である。
【００７５】
エッチングにより形状をポスト状とする際、いわゆるオーバーエッチングが生じて活性層が側面に露出する深さまで半導体層を除去してしまった場合、電流注入時にこの側面を伝わるリーク電流が発生して、非発光再結合が増えるなど、発光効率を低下させる要因となる可能性がある。このような観点からは、エッチングを光閉じ込め層３６の位置で確実に止められることは、製品の特性のばらつきを防止したり、歩留まりの低下を防止するためには有用である。
【００７６】
さらに、コンタクト層３９および上部多層反射膜３８の形状がポスト状にエッチングされた基板を、水蒸気を充満させた石英管内で４００℃に加熱し、約１０分間の熱処理を行う。そうすると、露出したＡｌＡｓ層３７が外側から徐々に酸化され、ポスト状の形状の一部に絶縁領域（選択酸化層）が形成される。酸化の距離は、基板と水平方向において、光閉じ込め層３６中の開口４４の周縁部まで到達しないよう制御する。なぜなら、酸化された領域の屈折率は、前にも述べたとおり、ＡｌＧａＡｓ系材料に比べ半分以下であるから、酸化されずに残った領域の径が光閉じ込め層３６中に形成した開口４４より狭いと、実効的な屈折率差が大きくなって、光閉じ込めが強くなってしまい、モードの不安定性が増し、光散乱損失が増大する原因となるからである。
【００７７】
酸化されずに残った領域の径としては、表面発光レーザの特性が良好となることから、光閉じ込め層３６中の開口４４の径に比べて１〜１０μｍ程度大きい方が望ましい。両者の径の差がこれ以下である場合には、光閉じ込めの効果が強くなり、光散乱損失が増大する傾向にあり、両者の径の差がこれ以上である場合には、電流狭窄が弱くなり、しきい値電流が増加する傾向にある。実際には、光閉じ込め層３６の膜厚にもよるが、これらの範囲内で最適値を選択することが肝要である。
【００７８】
次に、フォトリソグラフィ技術を使用して、上面には開口４４の上方に光が出射するための窓を設けたｐ側電極４１を、基板裏面には全面にｎ側電極４２を形成して、図９に示した第３の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザが完成する。
【００７９】
なお、以上の例は、光閉じ込め層としてＧａＩｎＰを用いた場合であるが、本発明の実施の形態は、これに限定されることなく、レーザ発振波長λに対する屈折率がスペーサ層を構成する材料、および多層反射膜が等価的に有する屈折率よりもわずかに小さく、かつ、下地の半導体基板に格子整合する材料であればいずれの材料をも用いることができる。例えばＧａＩｎＰにアルミニウムを添加したＡｌＧａＩｎＰ、あるいはセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）系材料なども用いることができる。
【００８０】
第４の実施の形態
図１８は、第４の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの断面図である。この例は、光閉じ込め層の材料としてＡｌＧａＩｎＰを用い、かつ、この層を選択酸化層としても用いた簡略化された構造のものである。
この表面発光レーザの積層構造は、上部多層反射膜３８の最下層がＡｌＡｓに置き換えられていない点、光閉じ込め層３６を構成する材料がＧａＩｎＰにアルミニウムを添加したＡｌＧａＩｎＰ（Ｇａの組成比が零のＡｌＩｎＰを含む）である点において、第３の実施の形態と異なる。
【００８１】
この実施の形態においては、所望の開口形状を得るため加工された光閉じ込め層３６を外周部から酸化させ、絶縁領域（選択酸化層）４３を形成する。酸化の距離は、基板と水平方向において、光閉じ込め層３６中の開口４４の周縁部まで到達しないよう制御することは、第３の実施の形態の場合と同様である。
このような実施の形態によれば、上部多層反射膜３８の積層構造としては、２種類のＡｌ組成比を有する材料のみで構成でき、光閉じ込め層３６は、電流狭窄層をも兼ねるため、表面発光レーザの構造を簡略化することができる。
【００８２】
また、この例では、上部多層反射膜３８をｐ型とし、下部多層反射膜３２をｎ型としたが、これに限定されることなく、導電型を反対にすることも可能である。一般に、ｐ型層は、ｎ型層に比べ、バンド不連続に起因する素子抵抗の増大が懸念されるから、層数が増えることは、レーザ特性を劣化させる要因となり好ましくない。この例では、出射光を基板上面から取り出す関係上、上部多層反射膜の方が下部多層反射膜に比べ層数が少ない。このため、上部多層反射膜の導電型をｐ型としたが、逆に、出射光を基板裏面から取り出す場合には、層数の多い上部多層反射膜の導電型をｎ型とするのが望ましい。
【００８３】
別の視点から見れば、素子抵抗は、面積に反比例するので、例えばポスト状の形状に加工した場合、上部多層反射膜は素子抵抗を増大させる要因となる。したがって、同じ面積ならばｐ型層よりも素子抵抗を小さくできるｎ型層を上部多層反射膜することが好ましいとも考えられる。結局、光の取り出し方向や導電型による素子抵抗の違いを勘案しながら、総合的な見地から導電型を決めることが必要である。
【００８４】
以上の実施の形態では、量子井戸活性層を構成する材料としてＧａＡｓ／Ａｌ半導体を用いたが、これに限定されることなく、例えば量子井戸活性層にＧａＡｎＧａＡｓ系、あるいはＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系半導体を用いることも可能である。これらの量子井戸層からの発光波長λは、ＧａＡｓ基板に対して透明であるから、この場合、基板裏面から出射光を取り出すのが容易であり、製造プロセスが簡単となる。
【００８５】
また、結晶成長方法としてＭＯＣＶＤ法を用いる場合について説明したが、これに限定されることなく、例えば分子線ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法を用いても、同様な半導体膜が得られることはいうまでもない。
【００８６】
また、ＡｌＡｓ層の選択酸化の際、加熱する温度が４００℃の場合について説明したが、これに限定されることなく、最終的な電流通路の大きさが所望の値となるよう制御できる条件であればよい。選択酸化の際に、温度を高くしていくと酸化速度が増し、短時間で所望の酸化領域を形成することができるが、４００℃程度が酸化距離を最も制御しやすい温度であることが、実験により確認されている。
【００８７】
また、開口の形成に選択的な酸化技術を用いる場合について説明したが、これに限定されることなく、例えば選択的なエッチング技術を用いてもよい。エッチングにより形成された空隙は、屈折率が１であるから、酸化した場合よりもさらに屈折率が低く、この部分での光閉じ込めの効果が強くなるとともに、絶縁性も高くなる。
【００８８】
また、例えば半導体結晶の選択成長技術を用いて開口部を有する光閉じ込め層を積層してもよい。この場合、一つの方法としては上部多層反射膜を積層したところで基板を成長室から取り出し、上部多層反射膜の上部にシリコン系絶縁膜を着膜する。そして、これを所望の形状にパターニングしてから再びこの基板を成長室内に戻し、これをマスクとして光閉じ込め層を選択的に成長する。マスク上に形成された膜はマスクと共に容易に除去できるから、これにより光閉じ込め層中に開口部が形成されることになる。
【００８９】
さらに、他の方法としては、上述のＭＢＥ法を用いて上部多層反射膜を積層した後、成長室内に直径１０μｍ程度の円形の金属性マスクを基板上に配置し、これにより蒸着材料を格納したセルから蒸発し、基板面上に照射される分子線を遮り、マスクのない部分にのみ選択的に半導体層の成長を行う方法がある。これはマスクＭＢＥ法と呼ばれ、光半導体装置の製造工程への応用が期待される結晶成長技術である。
【００９０】
本発明は、以上の実施の形態に制限されるものではなく、本発明の構成要件を満足する範囲内で、他の構成によっても実現可能であることはいうまでもない。例えば、以上の実施の形態では、光閉じ込め層を光出射側に設けたが、その反対側に設けても、屈折率に少なからず変化を与えることができるので、同様な効果を得ることは可能である。
また、光閉じ込め層とは異なる層に電流狭窄のための選択酸化層を設ける場合、以上の実施の形態では、光閉じ込め層に隣接する反射膜の一部に、選択酸化層を設けたが、選択酸化層は必ずしも光閉じ込め層の反射膜側に隣接している必要はなく、図２２に示すように活性層側に隣接していてもよく、また、図２３に示すように光閉じ込め層と離間して設けられていてもよい。さらには図２４に示すように活性層を挟んで、光閉じ込め層と対峙するように設けても、同様な効果を得ることができる。
【００９１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る表面発光型半導体レーザにおいては、活性層を挟んで上下のスペーサ層が形成され、上下のスペーサーの上に上下の反射膜が形成される表面発光型半導体レーザにおいて、上下のスペーサ層と上下の反射膜との間の一方または双方に、上下のスペーサ層の材料と上下の反射膜の材料とのいずれとも格子定数が近く、上下のスペーサ層の材料と上下の反射膜の材料の各々が実効的に有する屈折率よりも僅かに小さい屈折率を有する材料からなり、厚さが１００ｎｍ以下の半導体層よりなる光閉じ込め層が、光放出領域を除いて形成されているので、横モードが安定しており、しかも、しきい値電流が低く、高出力である表面発光型半導体レーザを提供することができる。
また、光閉じ込めは、適度な屈折率を有し、かつ、半導体基板に格子整合した半導体材料を用いた光閉じ込め層に、電流狭窄は、半導体層を絶縁化した選択酸化あるいはエッチング層にそれぞれ機能を分離することにより、光の散乱損失を抑制するようにしたため、表面発光型半導体レーザの横モードを安定化させながら、しきい値電流をより一層低くすることができ、しかも、高い効率でレーザを発振させることができる。
また、光閉じ込め層を外周部から酸化させて選択酸化層を形成する構造とすることにより、光閉じ込め層が電流狭窄層をも兼ねるようになるため、構造を簡略化することができる。
また、光閉じ込め層中に設けられた開口からなる光放出領域および酸化された領域の形状の双方若しくはいずれか一方の形状を基板水平面に対して２回対称の幾何学形状とすることにより、レーザ光の偏波面を一定方向に制御することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るプレーナ型表面発光型半導体レーザの断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るプレーナ型表面発光型半導体レーザの製造工程における断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るプレーナ型表面発光型半導体レーザの製造工程における断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るプレーナ型表面発光型半導体レーザの製造工程における断面図である。
【図５】本発明の第１または第２の実施の形態に係るプレーナ型表面発光型半導体レーザの光閉じ込め層に設けられる開口（光放出領域）の形状を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係るプレーナ型表面発光型半導体レーザの光閉じ込め層のある面の屈折率を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係るプレーナ型表面発光型半導体レーザの効果確認試験の結果を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの断面図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図１５】本発明の第３の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図１６】本発明の第３の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図１７】本発明の第３の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図１８】本発明の第４の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの断面図である。
【図１９】従来技術に係る表面発光型半導体レーザの断面図である。
【図２０】従来技術に係る表面発光型半導体レーザの断面図である。
【図２１】本発明の第３または第４の実施の形態に係るプレーナ型表面発光型半導体レーザの光閉じ込め層に設けられる開口（光放出領域）の形状を示す図である。
【図２２】本発明の他の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの断面図である。
【図２３】本発明の他の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの断面図である。
【図２４】本発明の他の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの断面図である。
【符号の説明】
１        ｎ型ＧａＡｓ基板
２        ｎ型下部多層反射膜
３        アンドープの下部スペーサ層
４        量子井戸活性層
５        アンドープの上部スペーサ層
６        ｎ型またはアンドープの半導体よりなる光閉じ込め層
７        ｐ型上部多層反射膜
８        ｐ型コンタクト層
９        ｐ型ＡｌＡｓ層
１０      開口部（光放出領域）
１１      ｐ側電極
１２      ｎ側電極
１３      選択酸化層（絶縁領域）
２１      フォトレジスト
２２      絶縁膜（ポリイミド膜）
３１      ｎ型ＧａＡｓ基板
３２      ｎ型下部多層反射膜
３３      ｎ型下部スペーサ層
３４      量子井戸活性層
３５      ｐ型上部スペーサ層
３６      ｎ型またはアンドープの半導体からなる光閉じ込め層
３７      ｐ型上部多層反射膜中のｐ型ＡｌＡｓ層
３８      ｐ型上部多層反射膜
３９      ｐ型コンタクト層
４０      絶縁膜（ポリイミド膜）
４１      ｐ側電極
４２      ｎ側電極
４３      選択酸化層
４４      光閉じ込め層開口
４５      酸化層開口
４６      電流注入領域（発光領域）
５１      フォトレジスト
５２      フォトレジスト
５３      フォトレジスト
５４      フォトレジスト
１０１    ｎ−ＧａＡｓ基板
１０４    ＤＢＲミラー
１０５    スペーサ層
１０６    ＧａＡｓバリア層
１０７    単一量子井戸活性層
１０８    ＧａＡｓバリア層
１０９    スペーサ層
１１０    電流狭窄層
１１２    開口
１１３    ｐ−Ａ１0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層
１１６    ＤＢＲミラー
２００    ＶＣＳＥＬ
２１２    第一電極
２１４    第一ミラースタック
２１６    第二電極
２１８    半導体基板
２２０    活性領域
２２２    第一コンタクト層
２２４    第二コンタクト層
２２６    第二ミラースタック
２２７    絶縁領域
２３０    電流
２３２    横光学モード
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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