(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に設けられた第１電極と、
該半導体基板の第１電極とは反対側の面に設けられた第１多層反射膜と、
活性層を挟んで該第１多層反射膜に対向するように設けられた第２多層反射膜と、
レーザ発振される光に対して光学的に透明で且つ第１電極と共に活性層に電流を注入するための第２電極と、
前記第２電極と前記第２多層反射膜との間で且つ光出射領域に対応する部分に設けられ、レーザ発振される光に対して光学的に透明なコンタクト層と、
前記第２電極と前記第２多層反射膜との間に設けられ、前記コンタクト層が形成された部分を介して活性層への電流注入を可能とし、該コンタクト層が形成されていない部分を介して活性層への電流注入を不能とするキャップ層と、
を備え、
前記第２電極の光学的厚さと前記コンタクト層の光学的厚さとを調整することにより、前記コンタクト層が形成された部分の周辺部分の反射率を、前記コンタクト層が形成された部分の反射率よりも低下させた面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
前記キャップ層は、レーザ発振される光に対して光学的に透明であり、前記第２多層反射膜と格子整合する材料から形成される請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項３】
前記コンタクト層は、前記キャップ層と格子整合し、前記キャップ層とヘテロ接合することが可能で、かつ、前記第２電極とオーム性接触することが可能な材料から形成される請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項４】
第１の導電型のＧａＡｓ基板に設けられた第１電極と、
該基板の第１電極とは反対側の面に設けられた第１の導電型のＡｌＧａＡｓ系第１多層反射膜と、
アンドープのＡｌＧａＡｓ系活性層を挟んで該第１多層反射膜に対向するように設けられた第２の導電型のＡｌＧａＡｓ系第２多層反射膜と、
レーザ発振される光に対して光学的に透明で且つ第１電極と共に前記活性層に電流を注入するための第２電極と、
前記第２電極と前記第２多層反射膜との間で且つ光出射領域に対応する部分に設けられ、レーザ発振される光に対して光学的に透明なコンタクト層と、
前記第２電極と前記第２多層反射膜との間に設けられ、前記コンタクト層が形成された部分を介して前記活性層への電流注入を可能とし、該コンタクト層が形成されていない部分を介して前記活性層への電流注入を不能とするキャップ層と、
を備え、
前記第２電極の光学的厚さと前記コンタクト層の光学的厚さとを調整することにより、前記コンタクト層が形成された部分の周辺部分の反射率を、前記コンタクト層が形成された部分の反射率よりも低下させた面発光型半導体レーザ。
【請求項５】
前記キャップ層は、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体またはＧａＩｎＰ系半導体から形成される請求項４に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項６】
前記コンタクト層は、ＡｌＧａＡｓ系半導体またはＧａＡｓ系半導体から形成される請求項４または５に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項７】
前記第２電極は、カドミウム・スズ酸化物またはインジウム・スズ酸化物から形成される請求項１から６までのいずれか１項に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか１項に記載の面発光型半導体レーザを製造する製造方法であって、
半導体基板上に、第１多層反射膜、活性層、第２多層反射膜、キャップ層、及びコンタクト層を順次積層する積層工程と、
前記コンタクト層を光出射領域に対応する部分を残してエッチングするエッチング工程と、
前記コンタクト層が形成された部分とその周辺部分とを覆うように第２電極を形成する電極積層工程と、
を有する面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項９】
前記エッチング工程において、コンタクト層をエッチングする際に、前記キャップ層をエッチストッパーとして使用する請求項８に記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項１０】
前記コンタクト層は、前記キャップ層を半導体の結晶成長により積層した後、半導体の結晶成長により連続して積層される請求項８または９に記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光型半導体レーザとその製造方法に関し、詳しくは、光情報処理や光通信の光源、画像処理装置や複写装置の光源等として使用され、横モードが安定しており、しかも、しきい値電流性が低く、高出力である面発光型半導体レーザと、その製造方法に関する。
【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であることから、面発光型半導体レーザが注目されている。面発光型半導体レーザは、しきい値電流を低下させることが比較的容易であり消費電力を低減することができる反面、高出力化を図ることが難しいとされている。
【０００３】
ところで、現在のところ光通信用にはコストの安いマルチモード光ファイバが使用されているが、回線数を飛躍的に増大させることが可能であることから、将来的にはシングルモード光ファイバが使用されることになると予想される。このシングルモード光ファイバに供されるレーザとしては、安定なシングルモード（０次基本横モード）で発振するレーザであることが前提となる。
【０００４】
一方、面発光型半導体レーザにおいて横モードの安定性を要求すると、しきい値電流が増すと共に応答特性が劣化したり、あるいは高出力化しにくい、といったトレードオフがあり、全ての要求を同時に満足する素子を得るのは困難である。
【０００５】
例えば、利得導波構造を有するプロトン注入方式の面発光型レーザは、サーマルレンズ効果によって電流通過領域とその周囲の領域との間に僅かな屈折率差が生じ、屈折率導波路が形成された結果、弱い光閉じ込め状態が作られる。このため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ことが知られている。しかし、光閉じ込め自体は弱いため、それほど大きな発光効率の向上は望めず、また、発熱も大きいので、しきい値電流は高く、バイアスをかけない状態においては応答性が悪い。
【０００６】
これに対し、屈折率導波構造を有する選択酸化方式の面発光型半導体レーザは、活性層近傍の多層反射膜の一部を選択的に酸化して電流狭窄を行うと共に屈折率導波路を形成したものであり、強い光閉じ込め効果を有するので、しきい値電流が低く、しかも、応答性は速い。ところが、光閉じ込め効果が強すぎて、横モードを安定化するには発光領域の直径を典型的には５μｍ以下と、上述のプロトン注入方式に比べかなり狭くする必要があり、このため発光領域の体積が減少して高出力化が望めないという欠点がある。
【０００７】
このように横モードの安定性の確保と高出力化という相対立する課題を解決することは難しい。横モードの安定性の確保と高出力化を両立する試みとしては、例えば、特開平６−１１２５８７号公報に開示される面発光型半導体レーザがある。この面発光型半導体レーザ１２５は、図１１に示すように、電極１４７が形成された基板１３０上に、パラレル・ミラー・スタック１３２、活性層及びスペーサ層１３５、及びパラレル・ミラー・スタック１３８を順次積層し、メサ１４０を形成したものであり、パラレル・ミラー・スタック１３８上にはコンタクト・ウィンドウ１４２が設けられ、コンタクト・ウィンドウ１４２上には、光放出領域に開口を有する誘電体層１４４が設けられている。この開口と誘電体層１４４とを覆うようにＩＴＯ等の光学的に透明な導電材料からなるコンタクト層１４６が設けられて部分的に電極とのコンタクトがとられ、電流分布１４９が制御される。そして、誘電体層１４４とコンタクト層１４６とは、所定のミラー反射率を与える光学的厚さを有してメサ１４０の表面上に配置され、メサ１４０のエッジに依存しない光学モード１４８を制御する。以上の通り、電流と光学モードを別々に制御することが可能になり、これによって電流及び光学モードの良好なオーバーラップと高出力化とが実現可能であるとしている。
【０００８】
この面発光型半導体レーザでは、誘電体層１４４の開口部分に、該開口に埋め込まれた形のコンタクト層１４６が設けられるが、両者の位置合わせを厳密に行うことは難しく、良好な特性を有する素子を再現性よく製造することができない。すなわち、ミラー反射率の制御は、誘電体層１４４とコンタクト層１４６の各々が有する光学的厚さによってなされており、両者の位置合わせが完璧になされなければ、ミラー反射率の分布に不均一が生じ、横モードが不安定になる。
【０００９】
また、本素子を製造するためには、各半導体層を順次積層する積層工程の他に、コンタクト・ウィンドウ１４２の積層工程と誘電体層１４４の積層工程という２度の誘電体膜積層工程と、誘電体層１４４の開口部分へのコンタクト層１４６の積層工程と誘電体層１４４上へのコンタクト層１４６の積層工程という２度のコンタクト層積層工程と、を経ることが必要であり、製造プロセスが煩雑である。
【００１０】
以上に述べた通り、特開平６−１１２５８７号公報に開示された面発光半導体レーザは、高度な半導体プロセスを要求するわりに、特性のばらつきが生じ易いという問題点を有している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、横モードが安定であり、光出力が大きく、かつ簡易なプロセスで再現性よく製造することができる面発光型半導体レーザを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の面発光型半導体レーザは、半導体基板に設けられた第１電極と、該半導体基板の第１電極とは反対側の面に設けられた第１多層反射膜と、活性層を挟んで該第１多層反射膜に対向するように設けられた第２多層反射膜と、レーザ発振される光に対して光学的に透明で且つ第１電極と共に活性層に電流を注入するための第２電極と、前記第２電極と前記第２多層反射膜との間で且つ光出射領域に対応する部分に設けられ、レーザ発振される光に対して光学的に透明なコンタクト層と、前記第２電極と前記第２多層反射膜との間に設けられ、前記コンタクト層が形成された部分を介して活性層への電流注入を可能とし、該コンタクト層が形成されていない部分を介して活性層への電流注入を不能とするキャップ層と、を備え、前記第２電極の光学的厚さと前記コンタクト層の光学的厚さとを調整することにより、前記コンタクト層が形成された部分の周辺部分の反射率を、前記コンタクト層が形成された部分の反射率よりも低下させたことを特徴とする。
【００１３】
前記キャップ層は、レーザ発振される光に対して光学的に透明であり、前記第２多層反射膜と格子整合する材料から形成されることが好ましい。前記コンタクト層は、前記キャップ層と格子整合し、前記キャップ層とヘテロ接合することが可能で、かつ、前記第２電極とオーム性接触することが可能な材料から形成されることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の面発光型半導体レーザは、活性層をＡｌＧａＡｓ系半導体により構成することが好ましく、活性層をＡｌＧａＡｓ系半導体により構成した場合には、前記キャップ層は、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体またはＧａＩｎＰ系半導体から形成されることが好ましく、前記コンタクト層は、ＡｌＧａＡｓ系半導体またはＧａＡｓ系半導体から形成されることが好ましい。
【００１５】
前記第２電極の材料としては、カドミウム・スズ酸化物またはインジウム・スズ酸化物を用いることができる。
【００１６】
また、本発明の面発光型半導体レーザを製造方法は、半導体基板上に、第１多層反射膜、活性層、第２多層反射膜、キャップ層、及びコンタクト層を順次積層する積層工程と、前記コンタクト層を光出射領域に対応する部分を残してエッチングするエッチング工程と、前記コンタクト層が形成された部分とその周辺部分とを覆うように第２電極を形成する電極積層工程と、を有することを特徴とする。
【００１７】
前記エッチング工程において、コンタクト層をエッチングする際に、前記キャップ層をエッチストッパーとして使用することが好ましく、コンタクト層のキャップ層に対するエッチング選択性が１０倍よりも大きくなるように、各層の材料及びエッチャントを選択することがより好ましい。また、前記コンタクト層は、前記キャップ層を半導体の結晶成長により積層した後、半導体の結晶成長により連続して積層することが好ましい。
【００１８】
本発明の面発光型半導体レーザは、プレーナ型のみならず、ポスト型にも適用することができ、ポスト型に適用する場合は、選択酸化方式の概念を導入して、第２多層反射膜の側面を周囲から酸化して一部を絶縁領域とすることもできる。
【００１９】
本発明の面発光型半導体レーザにおいては、光出射領域に対応する部分に形成されたコンタクト層の光学的厚さとコンタクト層とその周辺部分とを覆うように形成された第２電極の光学的厚さとが、光出射領域に対応する部分の周辺部分の反射率が、光出射領域に対応する部分の反射率に対し、相対的に低下するように調整されているため、光出射領域でのみ効率よくファブリぺローモードによるレーザ発振が生ずる。また、コンタクト層が形成された部分とその周辺部分とでは層構成が異なるために、実効的な屈折率差も生じており、光導波路が形成されることになる。この通り、本発明の面発光型半導体レーザは、光学モードの制御が可能であり、容易に基本横モード発振を得ることができる。
【００２０】
また、コンタクト層はキャップ層と第２電極とを電気的に接続するが、コンタクト層は光出射領域に対応する部分にのみ形成されているために、このコンタクト層が形成された部分を介して活性層への電流注入が可能となり、コンタクト層が形成されていない部分を介して活性層への電流注入が不能となる。従って、注入された電流は、光出射領域に対して垂直に活性層へ向けて流れ込み、半導体基板に水平な面内で素子の中央部に電流経路が形成されることになる。これにより利得領域（ゲイン領域）がこの付近に限定されることを意味し、ゲイン領域と基本横モードとのオーバーラップが最大となり、基本横モードの選択性が向上する。
【００２１】
この通り、本発明の面発光型半導体レーザでは、コンタクト層による電流狭窄効果と基本横モード選択性とにより、しきい値電流を低減することができ、光出射領域の面積を広げることが可能であることから、基本横モードでの高出力化を図ることができる。
【００２２】
さらに、本発明の面発光型半導体レーザは、半導体基板上に、第１多層反射膜、活性層、第２多層反射膜、キャップ層、及びコンタクト層を順次積層する積層工程の他は、複雑なプロセスを必要とせず、コンタクト層をエッチングする１度のエッチング工程と、第２電極を形成する１度の電極積層工程と、により製造することが可能である。特に、キャップ層をエッチストッパーとして使用すると、コンタクト層を形成する際、エッチング深さの制御が容易となり、光出射領域におけるミラー反射率の低下防止、素子の特性のばらつき防止、及び素子の歩留まりの改善に効果的である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の面発光型半導体レーザの具体的な実施の形態について詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
以下、図１（Ａ）に示す本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザの構成を、製造工程に従い説明する。
【００２４】
図２に示すように、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて、ｎ型のＧａＡｓ基板１の（１００）面上に、ｎ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とｎ型のＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層との複数層積層体よりなる第１多層反射膜２と、アンドープのＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓよりなる第１スペーサ層３と、アンドープのＡｌ0.11Ｇａ0.89Ａｓよりなる量子井戸層とアンドープのＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ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Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓよりなる第２スペーサ層５と、ｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とｐ型のＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層との複数層積層体よりなる第２多層反射膜６と、ｐ型のＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐよりなるキャップ層７と、ｐ型のＧａＡｓよりなるコンタクト層８とを、順次形成する。
【００２５】
ここで、第１多層反射膜２は、ｎ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とｎ型のＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層との複数層積層体よりなるが、各層の厚さはλ／４ｎr（但し、λはレーザの発振波長、ｎrは各層を構成する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。ｎ型不純物であるシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は３×１０18ｃｍ-3である。
【００２６】
また、第２多層反射膜６は、ｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とｐ型のＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層との積層体であるが、各層の厚さは第１多層反射膜２と同様λ／４ｎrであり、混晶比の異なる層を交互に３０周期積層してある。ｐ型不純物である炭素をドーピングした後のキャリア濃度は５×１０18ｃｍ-3である。
【００２７】
第２多層反射膜６の周期数（層数）を第１多層反射膜２の層数よりも少なくした理由は、反射率に差を設けて基板上面より出射光を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目的で第２多層反射膜６中には、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層との間に、これらの層の中間のアルミニウム混晶比を有する所謂中間層を複数層介在させている。
【００２８】
量子井戸活性層４は、厚さ８ｎｍのアンドープＡｌ0.11Ｇａ0.89Ａｓよりなる量子井戸層と、厚さ５ｎｍのアンドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓよりなる障壁層と、を交互に積層した積層体である。量子井戸層の数は所望の特性により適宜決められるが、典型的には３層として、量子井戸層の外層はいずれも障壁層とするから、障壁層の数は量子井戸層よりも１層多い４層となる。これにより波長７８０ｎｍ帯の光を発振する。
【００２９】
第１スペーサ層３の下面から第２スペーサ層５の上面までの膜厚は、全体でλ／ｎrの整数倍としてその間に定在波が立つようにし、光強度の最も強い所謂「腹」の部分が量子井戸活性層４の位置に来るように設計してある。
【００３０】
ｐ型のＧａＩｎＰよりなるキャップ層７は、厚さが０．１μｍの薄い層であり、ｐ型不純物である亜鉛をドーピングした後のキャリア濃度は１×１０18ｃｍ-3である。キャップ層７のキャリア濃度は、この層の上に直接後述の半導体材料からなる第２電極９を形成しても、ショットキー障壁により容易には電流注入が行われないレベルの濃度とする。
【００３１】
また、ＧａＩｎＰは光学的エネルギーバンドギャップがおよそ１．９ｅＶであり、レーザ発振される７８０ｎｍ帯の光に対しては透明であるから、不要な光吸収が生じない。
【００３２】
ｐ型のＧａＡｓよりなるコンタクト層８のｐ型不純物である亜鉛をドーピングした後のキャリア濃度は５×１０19ｃｍ-3である。コンタクト層８のキャリア濃度は、コンタクト層８が第２電極９と接触する際に、オーム性接触を形成するのに十分な濃度とする。
【００３３】
また、このコンタクト層８の光学的厚さを、第２電極９の光学的厚さと共に調整することにより、活性層から出射される光に対してファブリペローモードにおける位相を調整することができる。なお、コンタクト層８及び第２電極９の光学的厚さに関しては、後述する。
【００３４】
上記の通り、キャップ層７と第２電極９とは、ショットキー障壁によりオーム性接触をすることができず、キャップ層７へは電流注入を行うことができない。これに対し、キャップ層７とコンタクト層８との間は、同じ導電型のヘテロ接合であり、コンタクト層８と第２電極９とは、オーム性接触しているため、コンタクト層８が形成された部分ではキャップ層７へ電流注入を行うことができる。なお、キャップ層７のキャリア濃度は、上記の通り、ショットキー障壁により容易には電流注入が行われないレベルとされているが、キャップ層７は非常に薄いため電流注入に支障はない。
【００３５】
次に、基板を成長室から取り出し、図３に示すように、光出射領域形成予定領域にフォトリソグラフィ技術を使って５〜１０μｍ径のエッチングマスク（フォトレジスト）２１を形成した後、硫酸、過酸化水素及び水の混合液をエッチャントとして使用して、コンタクト層８の光出射領域に対応する部分のみを残し、他の部分をエッチングにより除去する。
【００３６】
本実施形態では、コンタクト層８を構成するｐ型のＧａＡｓは、キャップ層７を構成するｐ型のＧａＩｎＰの１０倍以上のエッチング選択性を有するから、コンタクト層８とキャップ層７との界面で容易にエッチングを止めることができる。
【００３７】
ここで、エッチング後に残ったｐ型のＧａＡｓよりなるコンタクト層８の基板平面に水平な方向での形状（平面形状）は、円形や正方形の他に、長方形、楕円形、ひし形等自由な形状とすることができる。但し、コンタクト層８の平面形状は反射率分布に影響を与えるから、例えば、長方形、楕円形、ひし形等２回対称（１８０°回転すると原形に復帰する幾何学形状）にすれば、レーザ光の偏波面はその形状に応じて一定方向に揃う傾向を示す。この性質を利用し、コンタクト層８の平面形状を楕円形、長円形、ひし形等にしてレーザ光の偏波面を制御することも可能である。
【００３８】
図４に示すように、フォトレジストからなるエッチングマスク２１を除去した後、ＲＦスパッタリング法を使用して、キャップ層７の露出部分とコンタクト層８とを覆うように、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）からなる第２電極９を着膜する。コンタクト層８と第２電極９との間の接触をオーム性接触にするために、３００〜６００℃の温度範囲でアニールを行う。アニール温度は、他の工程との兼ね合いを考慮して、この温度範囲から適宜決定すればよい。
【００３９】
光出射領域１１に対応する部分の周辺部分の層構成は、下層から、第１多層反射膜２、第１スペーサ層３、量子井戸活性層４、第２スペーサ層５、第２多層反射膜６、キャップ層７、及び第２電極９を順次積層した層構成であるが、光出射領域１１に対応する部分の層構成は、キャップ層７と第２電極９との間にコンタクト層８を加えた層構成である。
【００４０】
そして、コンタクト層８の光学的厚さ及び第２電極９の光学的厚さを調整することにより、図１（Ｂ）に示すように、光出射領域に対応する部分の周辺部分の反射率が、光出射領域に対応する部分の反射率に対し、相対的に低下するように構成されている。
【００４１】
第１多層反射膜２と第２多層反射膜６とから形成される共振器に付加される層の光学的な厚さが、レーザ発振される光の発振波長λの半波長の整数倍に等しい場合は共振器のＱが増加し、４分の１波長の奇数倍に等しい場合は共振器のＱが減少する。
【００４２】
本実施形態においては、コンタクト層８の光学的な厚さと第２電極９の光学的な厚さとの和を、レーザ発振される光の発振波長λの半波長の整数倍に等しくすることで、光出射領域１１に対応する部分において共振器のＱを増加させ、第２電極９の光学的な厚さを、４分の１波長の奇数倍に等しくすることで、光出射領域１１に対応する部分の周辺部分において共振器のＱを減少させる。
【００４３】
光出射領域１１に対応する部分とその周辺部分とで反射率に差を設けることが目的であるから、光出射領域１１に対応する部分の周辺部分の反射率が、光出射領域１１に対応する部分の反射率に対し相対的に低下すれば、光学的厚さを正確に４分の１波長の奇数倍あるいは半波長の整数倍とする必要はない。
【００４４】
この通り、コンタクト層８の光学的な厚さ及び第２電極９の光学的な厚さはミラー損失に差をもたらすから、これらの層の光学的厚さを制御することによって、ミラー反射率を空間的に変化させ、光学モードの制御が可能となる。即ち、高反射率領域を規定し、この径を最低次数の動作モードのモードサイズに等しくすれば、容易に単峰性の基本横モード発振を得ることができる。
【００４５】
また、コンタクト層８から注入される電流量が多くなるゲイン領域は、光出射領域１１と一致しているから、図５に示すように、最も次数の低い基本モードとゲイン領域とのオーバーラップが最大となり、高次の光学モードとゲイン領域とのオーバーラップは反対に小さくなることから、高次モードでの発振が抑制され、基本モードで発振するようになる。このように光出射領域１１に対応する部分とその周辺部分とで反射率に差を設けることで、０次基本横モードの発振に有利な条件が整い、望ましいモードが選択されるという効果を得ることができる。
【００４６】
また、コンタクト層８は、注入された電流の広がりを妨げる働きを持つ。即ち、コンタクト層８によって電流狭窄を行うことになり、図６に示す通り、ｐ型のＧａＩｎＰからなるキャップ層７に注入されたキャリアは電流経路２２を通って素子内に広がることになる。このとき、電流密度は光出射領域１１に対応する部分で高く、そこから離れるにしたがって減衰する分布を有するから、レーザ発振自体を阻害するものではない。
【００４７】
この電流狭窄効果とモード選択効果との相乗効果により、しきい値電流を低減することができる。また、光閉じ込めの程度は従来の屈折率導波型に比べ小さいから、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。
【００４８】
最後に、ｎ型のＧａＡｓ基板１の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ層よりなる第１電極１０を形成して、図１に示す構成を備え、λ〜７８０ｎｍの波長で発振する面発光型半導体レーザを得ることができる。
【００４９】
上記した第１の実施形態では、キャップ層７のキャリア濃度を、この層の上に直接後述の半導体材料からなる第２電極９を形成しても、ショットキー障壁により容易には電流注入が行われないレベルの濃度とすることにより、キャップ層７と第２電極９との間でオーム性接触が得られないようにして、電流注入部をコンタクト層８を形成した部分に限定したが、例えば、キャップ層７とコンタクト層８との間にシリコン絶縁膜を介在させることにより、さらにキャップ層７と第２電極９との間の絶縁性を高めて、無効な電流がキャップ層７に流れないよう工夫することも可能である。
【００５０】
但し、光出射領域１１に対応する部分の周辺部分の反射率が、光出射領域１１に対応する部分の反射率に対し相対的に低下するように、第２電極９の光学的厚さに加えて、シリコン絶縁膜の光学的な厚さを調整する必要がある。
【００５１】
上記した第１の実施形態では、キャップ層７とコンタクト層８の材料を選択することにより、キャップ層７と第２電極９とはオーム性接触させず、コンタクト層８と第２電極９とはオーム性接触をさせて電流狭窄を行ったが、より効率よく活性層への電流注入を行うために、別の電流閉じ込め（電流狭窄）手段を利用することもできる。
【００５２】
例えば、キャップ層７をアンドープ若しくはｎ型のＧａＩｎＰから形成した以外は第１の実施形態と同様にして、基板１上に、第１多層反射膜２、第１スペーサ層３、量子井戸活性層４、第２スペーサ層５、第２多層反射膜６、及びキャップ層７を順次積層し、図３に示すように、マスク２１を用いたエッチングにより、アンドープ若しくはｐ型のＧａＡｓよりなるコンタクト層８を光出射領域に対応する部分にのみ形成した後、図７（Ａ）に示すように、コンタクト層８が形成された領域を除いて、シリコン系絶縁膜からなる不純物拡散用マスク２３を形成する。図７（Ｂ）に示すように、このマスク２３を用いて亜鉛の気相拡散を行うことにより、コンタクト層８及びその下方にあるキャップ層７に亜鉛を拡散させてコンタクト層８及びキャップ層７ａからなる亜鉛拡散領域２４を形成する。キャップ層７及びコンタクト層８はいずれも薄いので、キャップ層７まで到達する拡散は比較的容易である。図には特に示さないが、マスク２３を除去した後、第２電極９を形成して、光出射領域１１に対応する部分とその周辺部分との間で異なる反射率を有するよう位相調整を行う。
【００５３】
亜鉛はｐ型のドーパントとして働くから、ｎ型のＧａＩｎＰよりなるキャップ層７と亜鉛が拡散されたキャップ層７ａとの界面にはｐｎ接合部２５が形成される。キャップ層７ａに注入されたキャリアは、この接合部２５を避けて第２多層反射膜６に向かって流れ、電流狭窄の効果を得ることができる。また、キャップ層７がアンドープの場合においても、キャップ層７ａに注入されたキャリアは、キャップ層７のように抵抗率の高いアンドープのＧａＩｎＰ層は通過することができず、第２多層反射膜６の方に向かって流れることになる。
【００５４】
なお、積層膜の導電型を逆転して、第２多層反射膜６の導電型をｎ型とした場合は亜鉛の代わりにｎ型のドーパントとして働くシリコンやゲルマニウムを拡散源として用いることもできる。
【００５５】
また、例えば、第１の実施形態と同様にして、第１多層反射膜２、第１スペーサ層３、量子井戸活性層４、第２スペーサ層５、第２多層反射膜６、及びキャップ層７を順次積層した基板を成長室から取り出し、図３に示すように、エッチングによりｐ型のＧａＡｓよりなるコンタクト層８を光出射領域１１に対応する部分にのみ形成した後、図８（Ａ）に示すように、コンタクト層８上にシリコン系絶縁膜あるいはフォトレジストよりなるマスク２６を形成して、キャップ層７の内、光出射領域１１に対応する部分の周辺にある部分にプロトン注入を行い、図８（Ｂ）に示す高抵抗化されたプロトン注入領域２７を形成する。図には特に示さないが、マスク２６を除去した後、第２電極９を形成して、光出射領域１１に対応する部分とその周辺部分との間で異なる反射率を有するよう位相調整を行う。
【００５６】
プロトン注入領域２７は、キャリアがキャップ層７中を横方向へ広がろうするのを阻止するため、電流狭窄の効果を得ることができる。
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザは、図９に示す通り、柱（ポスト）状に形成された点以外は、第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザと同様の構成である。柱（ポスト）状に形成することによって、一層の電流狭窄効果を得ることができる。
【００５７】
この面発光型半導体レーザの製造方法を簡単に説明する。
【００５８】
第１の実施形態と同様にして、第１多層反射膜２、第１スペーサ層３、量子井戸活性層４、第２スペーサ層５、第２多層反射膜６、及びキャップ層７を順次積層した基板を成長室から取り出し、図３に示すように、エッチングによりｐ型のＧａＡｓよりなるコンタクト層８を光出射領域１１に対応する部分にのみ形成する。
【００５９】
その後、光出射領域１１の外周部を環状に残しながら、ドライエッチング技術を用いてキャップ層７及び第２多層反射膜６を除去し、いわゆるポスト３１を形成する。
【００６０】
エッチングマスクを除去した後、ＲＦスパッタリング法を使用して、キャップ層７の露出部分とコンタクト層８とを覆うように、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）からなる第２電極９を着膜する。コンタクト層８と第２電極９との間の接触をオーム性接触にするために、３００〜６００℃の温度範囲でアニールを行う。アニール温度は、他の工程との兼ね合いを考慮して、この温度範囲から適宜決定すればよい。
【００６１】
露出したポスト３１の側面をシリコン系絶縁膜２８で覆った後、第２電極９とコンタクトを取ることができるようにＣｒ／Ａｕよりなる上部電極２９を形成する。最後に、基板１の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕよりなる第１電極１０を形成して、図９に示す構成を備え、λ〜７８０ｎｍの波長で発振する面発光型半導体レーザを得ることができる。
【００６２】
本実施形態の面発光型半導体レーザは、電流が通過することができる領域が、コンタクト層８よりもわずかに広い領域に限られるので、コンタクト層下方での電流の広がりが少なく、発光に寄与しない無効な注入キャリアが減るので、一層の低しきい値化あるいは高効率化を達成できる。
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係る面発光型半導体レーザは、第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザの変形例であり、図１０に示す通り、第２多層反射膜６の最下層をＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓに代えてＡｌＡｓとし、その周縁部を酸化して絶縁領域とした以外は、第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザと同様の構成である。この通り、ＡｌＡｓ層の一部を選択的に酸化することによって、より強力な電流狭窄効果を得ることができる。
【００６３】
この面発光型半導体レーザの製造方法を簡単に説明する。
【００６４】
第２の実施形態と同様にして、第１多層反射膜２、第１スペーサ層３、量子井戸活性層４、第２スペーサ層５、第２多層反射膜６、及びキャップ層７を順次積層した基板を成長室から取り出し、図３に示すように、エッチングによりｐ型のＧａＡｓよりなるコンタクト層８を光出射領域１１に対応する部分にのみ形成し、光出射領域１１の外周部を環状に残しながら、ドライエッチング技術を用いてキャップ層７及び第２多層反射膜６を除去し、いわゆるポスト３１を形成する。
【００６５】
この後、４００℃の水蒸気に約１０分間接触させて、いわゆるウェット酸化を実行することで、第２多層反射膜６中のＡｌＡｓ層は周縁部から酸化されてＡｌ2Ｏ3となり、ポスト３１の一部に絶縁領域３０（選択酸化層）が形成される。
【００６６】
エッチングマスクを除去した後、ＲＦスパッタリング法を使用して、キャップ層７の露出部分とコンタクト層８とを覆うように、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）からなる第２電極９を着膜する。コンタクト層８と第２電極９との間の接触をオーム性接触にするために、３００〜６００℃の温度範囲でアニールを行う。アニール温度は、他の工程との兼ね合いを考慮して、この温度範囲から適宜決定すればよい。
【００６７】
露出したポスト３１の側面をシリコン系絶縁膜２８で覆った後、第２電極９とコンタクトを取ることができるようにＣｒ／Ａｕよりなる上部電極２９を形成する。最後に、基板１の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕよりなる第１電極１０を形成して、図１０に示す構成を備え、λ〜７８０ｎｍの波長で発振する面発光型半導体レーザを得ることができる。
【００６８】
本実施形態の面発光型半導体レーザでは、電流狭窄層として設けられた選択酸化層３０が光閉じ込めの機能をも果たし、一方、電流狭窄機能はコンタクト層８によって分担されることになる。従って、しきい値電流は更に低下すると共に、より一層の横モードの安定性の向上と高出力化が図られる。
【００６９】
なお、第３の実施形態では、第２多層反射膜６の最下層をＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓに代えてＡｌＡｓとしたが、選択酸化を受ける層の位置及び材料はこれに限られず、第２多層反射膜６の一部をアルミニウム組成比が９０％以上望ましくは９８％以上のＡｌＧａＡｓ層とし、残りをそれよりも低いアルミニウム組成比を有するＡｌＧａＡｓ層としておくことにより、半導体層の一部を選択酸化することが可能になる。
【００７０】
また、第３の実施の形態においては、ＡｌＡｓ層の選択酸化の際、加熱する温度を４００℃としたが、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温度とすればよい。加熱温度を上げると酸化速度が増加し、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易いため好ましい。
【００７１】
第１から第３の実施の形態においては、第２電極９の材料には、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）を使用したが、この材料に限るものではない。
【００７２】
第２電極９の材料は、レーザ発振される波長の光に対して光学的に透明で、かつ導電性の高い材料であればよい。具体的には、１００乃至３００ｎｍの厚さで積層した場合にも、電極とのコンタクトを取るのに十分な１×１０3乃至１×１０5Ω-1ｃｍ-1の範囲の導電率を示し、かつ、５００〜９００ｎｍの波長範囲の光に対して８０％以上の透過率と１０％以下の吸収率とを示す半導体材料から選択することができる。
【００７３】
このような材料としては、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）の他には、カドミウム・スズ酸化物（ＣＴＯ）など、Ｃｄ2-xＳｎxＯ4でｘが０．２乃至０．４の範囲、Ｉｎ2-yＳｎＯ4でｙが０．０１乃至０．２の範囲にある化合物が、上記の条件を満たしている。なお、これらの材料は、通常、屈折率が２程度であり、位相調整の際には屈折率も考慮して光学的厚さを制御する必要がある。
【００７４】
第１から第３の実施の形態においては、キャップ層７の材料にはＧａＩｎＰが使用されているが、この材料に限るものではない。格子定数が半導体基板と近接しており、典型的には格子不整合率が０．１％以下のいわゆる格子整合系材料であって、レーザ発振される光を透過するという要件を満たす材料であればよい。例えば、活性層を構成する材料としてＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系半導体を用いた場合には、（ＡｌXＧａ1-X）0.5Ｉｎ0.5Ｐ系材料またはＺｎＳXＳｅ1-X系材料がキャップ層７の材料としての上記要件を満たす。材料の酸化による劣化が少ない点でＡｌ含有量が多すぎないものが好ましい。
【００７５】
なお、キャップ層７をエッチストッパーとして用いる場合には、コンタクト層８を構成する材料は、キャップ層７を構成する材料の１０倍以上のエッチング選択性を有するように、キャップ層７の材料を選択することがより好ましい。
【００７６】
第１から第３の実施の形態においては、いずれも第２多層反射膜７をｐ型とし、第１多層反射膜４をｎ型としたが、これに限定されることなく、導電型を反転することも可能である。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ればよい。
【００７７】
一般に、ｐ型層はｎ型層に比べ禁制帯幅不連続に起因する素子抵抗の増大が懸念されるから、ｐ型層の層数が増えることはレーザ特性を悪くする要因となり好ましくない。また、上記実施の形態においては、出射光を基板上面から取り出す関係上、第２多層反射膜の方が第１多層反射膜に比べ少ない層数で構成されている。このため、第２多層反射膜の導電型をｐ型とした。従って、逆に出射光を基板裏面から取り出す場合には、第２多層反射膜の層数を第１多層反射膜の層数よりも多くして、かつ、第２多層反射膜の導電型をｎ型とすることが考えられる。
【００７８】
また、素子抵抗は面積に反比例するため、例えば、第２及び第３の実施の形態に見られるポスト状に形成された面発光型半導体レーザの場合、面積の小さい第２多層反射膜は素子抵抗を増大させる要因となる。従って、同じ面積ならｐ型層よりも素子抵抗を小さくできるｎ型層を、第２多層反射膜とすることがより好ましい。
【００７９】
第１から第３の実施の形態においては、量子井戸活性層を構成する材料として、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系半導体を用いたが、これに限定されることなく、例えば量子井戸活性層にＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系、あるいは、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ系半導体を用いることも可能である。ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系半導体の場合、量子井戸層からの発光波長はＧａＡｓ基板に対して透明であるから、基板裏面から出射光を取り出すのが容易であり、工程的利点もある。
【００８０】
第１から第３の実施の形態においては、キャップ層を第２多層反射膜とは別に設けたが、第２多層反射膜の最外層をアンドープの層とし、これをキャップ層として用いてもよい。
【００８１】
第１から第３の実施の形態においては、結晶成長方法としてＭＯＣＶＤ法を用いる場合について述べたが、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を得ることができる。
【００８２】
なお、いずれの実施の形態も限定的に解釈されるべきものではなく、本発明の構成要件を満足する範囲内で他の方法によっても実現可能である。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の面発光型半導体レーザは、積層する層の光学的厚さを調整することにより、光学モードの制御が可能であり、容易に基本横モード発振を得ることができるという効果を奏する。
【００８４】
また、本発明の面発光型半導体レーザは、光出射領域に対応する部分のみで電極とのコンタクトを取ることが可能で、電流狭窄と基本横モードの選択性の向上とを同時に行うことができ、しきい値電流を低減し光出射領域の面積を広げることが可能であることから、基本横モードでの高出力化を図ることができるという効果を奏する。
【００８５】
さらに、本発明の面発光型半導体レーザは、簡易なプロセスで再現性良く製造することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係るプレーナ型面発光型半導体レーザの断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す面発光型半導体レーザの反射率分布を示すグラフである。
【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（積層工程）。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るプレーナ型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（エッチング工程）。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るプレーナ型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（第２電極形成工程）。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るプレーナ型面発光型半導体レーザのゲイン領域と光学モードのオーバーラップを示す概念図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係るプレーナ型面発光型半導体レーザの電流経路を示す概念図である。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係るプレーナ型面発光型半導体レーザの電流注入方法を改善した第１の変形例の断面図である（Ｚｎ拡散方式）。
【図８】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係るプレーナ型面発光型半導体レーザの電流注入方法を改善した第２の変形例の断面図である（プロトン注入方式）。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る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面発光型半導体レーザの断面図である。
【図１１】従来技術に係る面発光型半導体レーザの断面図である。
【符号の説明】
１        ＧａＡｓ基板
２        第１多層反射膜
３        第１スペーサ層
４        量子井戸活性層
５        第２スペーサ層
６        第２多層反射膜
７        キャップ層
８        コンタクト層
９        第２電極
１０      第１電極
１１      開口部（光出射領域）
２１      レジストマスク
２２      電流経路
２３      絶縁膜マスク
２４      亜鉛拡散領域
２５      ｐｎ接合部
２６      対プロトン注入用マスク
２７      プロトン注入領域
２８      シリコン系絶縁保護膜
２９      上部電極
３０      選択酸化層（絶縁領域）
１２５    ＶＣＳＥＬ
１３０    基板
１３２，１３８    パラレル・ミラー・スタック
１３５    スペーサ層
１３９    トレンチ
１４０    メサ
１４２    コンタクト・ウィンドウ
１４４    誘電体層
１４６    コンタクト層
１４７    電極
１４８    光学モード
１４９    電流分布
【図１】
0003837969.tif 000002
【図２】
0003837969.tif 000003
【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】
0003837969.tif 000009
【図９】
0003837969.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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