JP5169564B2

JP5169564B2 - 面発光半導体レーザ

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Publication number: JP5169564B2
Application number: JP2008184254A
Authority: JP
Inventors: 裕大西; 秀之土井
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2008-07-15
Filing date: 2008-07-15
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2028-07-15
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Description

本発明は、面発光半導体レーザに関する。

非特許文献１には、面発光半導体レーザが記載されている。この面発光半導体レーザは、ＧａＡｓ基板上に設けられた分布ブラッグリフレクタを含む。この分布ブラッグリフレクタは、交互に配列されたｎ型ＡｌＧａＡｓ半導体層及びｎ型ＧａＡｓ半導体層からなる。これらの半導体層には、Ｓｉがドープされている。この分布ブラッグリフレクタは、共振器の一部を構成すると共に、活性層に供給されるキャリアの経路となる。
Y. C. Chang et al., Electronics Letters, vol.42, no.22, pp.1281-1283, 2006.

面発光半導体レーザでは、分布ブラッグリフレクタを少ない層数で得るために、屈折率差の大きい２種類の半導体層を交互に配列して、十分な反射率の分布ブラッグリフレクタを形成する。非特許文献１では、大きな屈折率差を有するｎ型ＡｌＧａＡｓ半導体及びｎ型ＧａＡｓ半導体が分布ブラッグリフレクタに用いられている。これらの半導体は、Ｓｉ元素をドーパントとして含む。Ａｌ元素の組成が０．３以上のｎ型ＡｌＧａＡｓにはＤＸセンターが形成されるので、ｎ型ＡｌＧａＡｓ内のドーパントの活性化率は低い。従って、十分なキャリア濃度を得るためには、Ｓｉ元素を高濃度にドープする必要がある。一般に、このＳｉドーパントなどのｎ型不純物が過剰にドープされた場合、電気的に不活性なｎ型ドーパントは、活性層からの光を受けたとき、その光エネルギーによって格子のサイト間を移動する。このｎ型ドーパントの移動により、ＡｌＧａＡｓ半導体層中のＡｌ元素及びＧａＡｓ半導体層中のＧａ元素が相互に拡散する。この拡散により分布ブラッグリフレクタの反射率が劣化するので、面発光半導体レーザの光出力が低下する。

一方、ｐ型ＡｌＧａＡｓではドーパントの活性化率はほぼ１００％であり過剰ドープすることなく所望のドーピングレベルを得ることができる。ｐ型ドーパントは格子に安定して存在するため、ＤＢＲの元素は相互拡散せず、ＤＢＲの反射率は低下しない。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、分布ブラッグリフレクタの反射率の変動に起因する光出力の低下を抑制可能な面発光半導体レーザを提供することを目的とする。

本発明に係る面発光半導体レーザは、第１の部分と該第１の部分上に設けられた第２の部分とを含む第１の半導体分布ブラッグリフレクタと、第１の半導体分布ブラッグリフレクタ上に設けられ、活性層を含む半導体メサと、半導体メサ上に設けられた第２の分布ブラッグリフレクタとを備え、第１の半導体分布ブラッグリフレクタの第２の部分は、第１の領域と該第１の領域を囲む第２の領域とを有し、半導体メサは、第１の領域上に設けられており、第１の半導体分布ブラッグリフレクタの第１の部分は、交互に配置された第１のIII−Ｖ族化合物半導体層及び第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を含み、第１の半導体分布ブラッグリフレクタの第２の部分は、交互に配置された第３のIII−Ｖ族化合物半導体層及び第４のIII−Ｖ族化合物半導体層を含み、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層は、III族構成元素としてＡｌ元素及びＧａ元素並びにＶ族構成元素としてＡｓ元素を含むアンドープの半導体材料からなり、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層は、III族構成元素としてＧａ元素及びＶ族構成元素としてＡｓ元素を含むアンドープの半導体材料からなり、第３のIII−Ｖ族化合物半導体層は、III族構成元素としてＩｎ元素及びＧａ元素並びにＶ族構成元素としてＰ元素を含み、アンドープまたはｎ型不純物がドープされた半導体材料からなり、第４のIII−Ｖ族化合物半導体層は、III族構成元素としてＧａ元素及びＶ族構成元素としてＡｓ元素を含み、ｎ型不純物がドープされた半導体材料からなることを特徴とする。

この面発光半導体レーザによれば、第１の半導体分布ブラッグリフレクタにおける第２の部分の第３のIII−Ｖ族化合物半導体層は、Ｉｎ元素及びＧａ元素並びにＰ元素を含む半導体からなるので、第３のIII−Ｖ族化合物半導体層には、ＤＸセンターが形成されない。このため、第１の半導体分布ブラッグリフレクタの第２の部分におけるドーパントの活性化率はほとんど低下しない。故に、十分なキャリア濃度を実現するために必要なドーパント濃度を低くできる。ドーパント濃度が低い場合には、ドーパントは格子のサイトに安定するので、活性層からの光を受けても、ドーパントの格子間の移動は発生し難い。従って、第３のIII−Ｖ族化合物半導体層と第４のIII−Ｖ族化合物半導体層との間における構成元素の相互拡散の発生も低減される。このため、分布ブラッグリフレクタの反射率の劣化が抑制される。

また、第１の半導体分布ブラッグリフレクタの第２の部分では、ｎ型の半導体からなる第４のIII−Ｖ族化合物半導体層を介して、第１の半導体分布ブラッグリフレクタの第２の部分における第１の領域と第２の領域とに電流が流れる。故に、第２の部分から活性層へのキャリアの供給経路は提供される。さらに、第１の半導体分布ブラッグリフレクタの第１の部分は、アンドープの半導体材料からなるので、第１の部分は、レーザ光を受けて格子のサイト間を移動するドーパントは含まない。故に、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層と第２のIII−Ｖ族化合物半導体層との間における構成元素の相互拡散も発生しない。従って、分布ブラッグリフレクタの反射率の劣化が抑制される。

一方、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層と第２のIII−Ｖ族化合物半導体層との屈折率差は、第３のIII−Ｖ族化合物半導体層と第４のIII−Ｖ族化合物半導体層との屈折率差より大きいので、第１の半導体分布ブラッグリフレクタの第１の部分の反射率は、第２の部分に比べて大きい。従って、第１の半導体分布ブラッグリフレクタは、全体として十分な反射率を有する。

本発明に係る面発光半導体レーザでは、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層は、ＡｌＧａＡｓ半導体からなり、第２のIII−Ｖ族化合物半導体層は、ＧａＡｓ半導体またはＡｌＧａＡｓ半導体からなることができる。

本発明に係る面発光レーザでは、第３のIII−Ｖ族化合物半導体層は、ＩｎＧａＰ半導体、ＡｌＧａＩｎＰ半導体またはＧａＩｎＡｓＰ半導体からなることができる。

本発明に係る面発光半導体レーザでは、第３のIII−Ｖ族化合物半導体層は、ｎ型不純物がドープされた半導体材料からなることが好適である。

また、本発明に係る面発光半導体レーザでは、第３のIII−Ｖ族化合物半導体層は、アンドープの半導体材料からなることが好適である。

本発明に係る面発光半導体レーザでは、第３のIII−Ｖ族化合物半導体層のIII族構成元素におけるＩｎ元素の組成は０．４〜０．５であり、第４のIII−Ｖ族化合物半導体層は、ＧａＡｓ半導体からなることが好適である。

Ｉｎ元素の組成が上記数値範囲であるとき、第３のIII−Ｖ族化合物半導体層は、ＧａＡｓ半導体に対して格子整合するかまたは伸張歪を有するので、第１の半導体分布ブラッグリフレクタの第２の部分は、第１の部分の圧縮歪を補償できる。この補償により、活性層への応力が低減されるので、レーザ素子の信頼性が向上される。また、Ｉｎ元素の組成が上記数値範囲であるので、第１の半導体分布ブラッグリフレクタの第２の部分は、良好な表面モフォロジを有する。

本発明に係る面発光半導体レーザでは、第３のIII−Ｖ族化合物半導体層のIII族構成元素におけるＩｎ元素の組成は０．４〜０．６であり、第４のIII−Ｖ族化合物半導体層は、ＧａＡｓＰ半導体からなることが好適である。

ＧａＡｓＰ半導体は伸張歪を有するので、第１の半導体分布ブラッグリフレクタの第２の部分は、第１の部分の圧縮歪を補償できる。この補償により、活性層への応力が低減され、これによるレーザ素子の信頼性の低下が抑制される。また、Ｉｎ元素の組成が上記数値範囲であるので、第１の半導体分布ブラッグリフレクタの第２の部分は、良好な表面モフォロジを有する。

本発明によれば、分布ブラッグリフレクタの反射率の低下に起因する光出力の低下を抑制可能な面発行半導体レーザが提供される。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の面発光半導体レーザに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、本実施の形態に係る面発光半導体レーザの断面構造を概略的に示す図面である。図１を参照しながら、面発光半導体レーザ１１の構造を説明する。面発光半導体レーザ１１は、第１の分布ブラッグリフレクタ（以下、「第１のＤＢＲ」と記す）１５と、半導体メサ２０と、第２の分布ブラッグリフレクタ（以下、「第２のＤＢＲ」と記す）３３とを備える。半導体メサ２０は、活性層２３を含む。

第１のＤＢＲ１５は、基板１３上に設けられている。基板１３は、例えば半絶縁ＧａＡｓ基板である。第１のＤＢＲ１５は、第１の部分１７及び第２の部分１９を含む。第２の部分１９は、第１の部分１７上に設けられている。

第１のＤＢＲ１５の第１の部分１７は、交互に配置された第１のIII−Ｖ族化合物半導体層１７ａ及び第２のIII−Ｖ族化合物半導体層１７ｂを含む。第１のＤＢＲ１５の第１の部分１７には、例えば３２対の半導体層が交互に配列されている。第１のIII−Ｖ族化合物半導体層１７ａは、アンドープの半導体材料からなり、この半導体材料は、III族構成元素としてＡｌ元素及びＧａ元素並びにＶ族構成元素としてＡｓ元素を含む。この第１のIII−Ｖ族化合物半導体層１７ａは、例えば、アンドープのＡｌＧａＡｓ半導体等であることができる。第２のIII−Ｖ族化合物半導体層１７ｂは、アンドープの半導体材料からなり、この半導体材料は、III族構成元素としてＧａ元素及びＶ族構成元素としてＡｓ元素を含む。この第２のIII−Ｖ族化合物半導体層１７ｂは、例えばアンドープのＧａＡｓ半導体、ＡｌＧａＡｓ半導体等であることができる。第１のＤＢＲ１５の第１の部分１７がアンドープの半導体材料からなるので、第１の部分１７には、ドーパントが添加されていない。従って、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層１７ａと第２のIII−Ｖ族化合物半導体層１７ｂとの間では、格子のサイト間におけるドーパントの移動に起因する構成元素の相互拡散は発生しない。故に、分布ブラッグリフレクタの反射率の低下が抑制される。

第１のＤＢＲ１５の第２の部分１９は、交互に配置された第３のIII−Ｖ族化合物半導体層１９ａ及び第４のIII−Ｖ族化合物半導体層１９ｂを含む。例えば３対の半導体層が交互に配列されている。

第１のＤＢＲ１５の第２の部分１９の第３のIII−Ｖ族化合物半導体層１９ａは、III族構成元素としてＩｎ元素及びＧａ元素並びにＶ族構成元素としてＰ元素を含む材料からなるので、ＤＸセンターが形成されない。このため、第１のＤＢＲ１５の第２の部分１９におけるドーパントの活性化率は低下しない。故に、十分なキャリア濃度を実現するためのドーパント濃度は低い。ドーパント濃度が低い場合には、ドーパントは格子のサイトに安定するので、活性層からの光を受けても、ドーパントの格子間の移動は発生し難い。従って、第３のIII−Ｖ族化合物半導体層１９ａと第４のIII−Ｖ族化合物半導体層１９ｂとの間における構成元素の相互拡散も発生しないので、第１のＤＢＲ１５の第２の部分１９の反射率の低下が抑制される。この第３のIII−Ｖ族化合物半導体層１９ａは、例えば、ｎ型不純物がドープされた、またはアンドープのＩｎＧａＰ半導体、ＡｌＧａＩｎＰ半導体及びＧａＩｎＡｓＰ半導体であることができる。このｎ型ドーパント濃度の上限は、例えば５×１０^１８ｃｍ^−３程度であることができる。これ以上のドーパント濃度にした場合、ドーパントが隣接する層に拡散する現象が顕著となり、元素の相互拡散が起こって反射率が低下してしまう。

第４のIII−Ｖ族化合物半導体層１９ｂは、ｎ型不純物がドープされた半導体材料からなり、この半導体材料は、III族構成元素としてＧａ元素及びＶ族構成元素としてＡｓ元素を含む。この第４のIII−Ｖ族化合物半導体層１９ｂは、例えばｎ型のＧａＡｓ半導体、ＧａＡｓＰ半導体等であることができる。

第４のIII−Ｖ族化合物半導体層１９ｂが、ｎ型不純物がドープされたｎ型のＧａＡｓ半導体である場合には、第３のIII−Ｖ族化合物半導体層１９ａのIII族構成元素におけるＩｎ元素の組成は０．４以上であることが好ましく、また０．５以下であることが好ましい。Ｉｎ元素の組成が上記数値範囲である第３のIII−Ｖ族化合物半導体層１９ａは、ＧａＡｓ半導体に対して格子整合するかまたは伸張歪を有するので、第１のＤＢＲ１５の第２の部分１９は、第１の部分１７の圧縮歪を補償できる。従って、第１の部分１７から活性層２３への応力が低減されるので、レーザ素子の信頼性が向上される。また、Ｉｎ元素の組成が上記数値範囲であるので、第１のＤＢＲ１５の第２の部分１９は、良好な表面モフォロジを有する。

また、第４のIII−Ｖ族化合物半導体層１９ｂが、ｎ型不純物がドープされたｎ型のＧａＡｓＰ半導体である場合には、第３のIII−Ｖ族化合物半導体層１９ａのIII族構成元素におけるＩｎ元素の組成は０．４以上であることが好ましく０．６以下であることが好ましい。第４のIII−Ｖ族化合物半導体層１９ｂのＧａＡｓＰ半導体は伸張歪を有するので、第１のＤＢＲ１５の第２の部分１９は、第１の部分１７の圧縮歪を補償できる。従って、第１の部分１７から活性層２３への応力が低減されるので、レーザ素子の信頼性が向上される。また、Ｉｎ元素の組成が上記数値範囲であるので、第１のＤＢＲ１５の第２の部分１９は、良好な表面モフォロジを有する。

一方、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層１７ａと第２のIII−Ｖ族化合物半導体層１７ｂとの屈折率差は、第３のIII−Ｖ族化合物半導体層１９ａと第４のIII−Ｖ族化合物半導体層１９ｂとの屈折率差より大きいので、第１のＤＢＲ１５の第１の部分１７の反射率は第２の部分１９に比べて大きい。従って、第１のＤＢＲ１５は、全体として十分な反射率を有する。

また、第１のＤＢＲ１５の第２の部分１９は、第１の領域１９ｃと当該第１の領域を囲む第２の領域１９ｄとを有する。第１のＤＢＲ１５の第２の部分１９は、ｎ型の半導体からなる半導体層を含むので、第１の領域１９ｃと第２の領域１９ｄとの間ではキャリヤの移動が可能である。

なお、第１のＤＢＲ１５の第１の部分１７と第２の部分との間に、導電性のスペーサ層を設けることが可能である。このスペーサ層の厚さは、例えばλ／４ｎ（λ：発振波長、ｎ：整数とする）の整数倍である。

半導体メサ２０は、第１のＤＢＲ１５の第２の部分１９における第１の領域１９ｃ上に設けられている。半導体メサ２０は、第１のスペーサ層２１、活性層２３、第２のスペーサ層２５、電流狭窄層２８及び第３のスペーサ層３１を含む。また、第２のＤＢＲ３３は、半導体メサ２０上に設けられている。

第１のスペーサ層２１は、第１のＤＢＲ１５の第２の部分１９における第１の領域１９ｃ上に設けられている。第１のスペーサ層２１は、例えばｎ型不純物がドープされたｎ型のＧａＡｓ半導体等であることができる。第１のスペーサ層２１の厚さは、例えば４０ｎｍであることができる。

活性層２３は、第１のスペーサ層２１上に設けられている。活性層２３は、井戸層及び障壁層を含む量子井戸構造を有することができる。活性層２３は、例えば３層のＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ井戸層を含む。

第２のスペーサ層２５は、活性層２３上に設けられている。第２のスペーサ層２５は、例えばｐ型のＧａＡｓ半導体であることができる。第２のスペーサ層２５の厚さは、例えば４０ｎｍであることができる。

電流狭窄層２８は、第２のスペーサ層２５上に設けられている。電流狭窄層２８は、第１の部分２７と、この第１の部分２７を環状に取り囲む第２の部分２９とを含む。電流狭窄層２８は、例えばｐ型のＡｌＧａＡｓ半導体であることができる。電流狭窄層２８の第２の部分２９には、Ａｌ酸化物が含まれており、この第２の部分２９は、第１の部分２７よりも高抵抗である。この第１の部分２７は、キャリアの経路となる。電流狭窄層２８の厚さは、例えば１５ｎｍであることができる。

第３のスペーサ層３１は、電流狭窄層２８上に設けられている。第３のスペーサ層３１は、例えばｐ型のＧａＡｓ半導体であることができる。第３のスペーサ層３１の厚さは、例えば２０ｎｍであることができる。

第２のＤＢＲ３３は、第３のスペーサ層３１上に設けられている。第２のＤＢＲ３３は、交互に配置された第５のIII−Ｖ族化合物半導体層３３ａ及び第６のIII−Ｖ族化合物半導体層３３ｂを含む。第２のＤＢＲ３３には、例えば２２対の半導体層が交互に配列されている。この第５のIII−Ｖ族化合物半導体層３３ａは、例えばｐ型のＡｌＧａＡｓ半導体等であることができる。第６のIII−Ｖ族化合物半導体層３３ｂは、例えばｐ型のＧａＡｓ半導体等であることができる。

絶縁体層３５は、半導体メサ２０の側面を囲むように、第１のＤＢＲ１５の第２の部分１９における第２の領域１９ｄ上に設けられている。この絶縁体層３５は、例えばポリイミドからなる。

第１の電極３７は、第１のＤＢＲ１５の第２の部分１９における第２の領域１９ｄ上に設けられている。第１の電極３７は、第２の部分１９における第２の領域１９ｄと電気的に接続されている。

第２の電極３９は、半導体メサ２０上及び絶縁体層３５上に設けられている。第２の電極３９は、開口３９ａを有する。開口３９ａは、第１のＤＢＲ１５の第２の部分１９における第１の領域１９ｃから電流狭窄層２８の第１の部分２７へ向かう所定の軸Ａｘ上に設けられている。開口３９ａには、第２のＤＢＲ３３の一部が露出されている。

以上の説明において、ｎ型の半導体におけるドーパントは、例えばＳｉである。また、このドーパントには、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｓ、Ｓｎを用いることが可能である。

なお、本実施形態において、第２のＤＢＲ３３は、交互に配置された第５のIII−Ｖ族化合物半導体層３３ａ及び第６のIII−Ｖ族化合物半導体層３３ｂからなる場合について説明したが、交互に配置された誘電体膜からなる多層誘電体ＤＢＲ膜からなることもできる。例えばＳｉＯ_２とＴｉＯ_２を組み合わせて多層誘電体ＤＢＲ膜として用いることができる。

次いで、図２及び図３を参照しながら、本実施の形態に係る面発光半導体レーザを作製する方法の工程の一例を説明する。

図２（ａ）に示されるように、半絶縁ＧａＡｓ基板４３上に、第１のＤＢＲ４５を形成する。第１のＤＢＲ４５は、第１の部分４７と第２の部分４９とから形成される。第１の部分４７には、第１のIII−Ｖ族化合物半導体層４７ａと第２のIII−Ｖ族化合物半導体層４７ｂとが、交互に成長される。第１の部分４７は、例えば３２対の半導体層により形成される。第１のIII−Ｖ族化合物半導体層４７ａは、例えばアンドープのＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ半導体である。第２のIII−Ｖ族化合物半導体層４７ｂは、例えばアンドープのＧａＡｓ半導体である。第２の部分４９には、第３のIII−Ｖ族化合物半導体層４９ａと第４のIII−Ｖ族化合物半導体層４９ｂとが、交互に成長される。この第２の部分４９は、例えば３対の半導体層により形成される。第３のIII−Ｖ族化合物半導体層４９ａは、例えばＳｉドープのＩｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐ半導体である。第４のIII−Ｖ族化合物半導体層４９ｂは、例えばＳｉドープのＧａＡｓ半導体である。

図２（ｂ）に示されるように、半導体メサのための複数の半導体層が成長される。これらの半導体層は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により成長される。第１のスペーサ層５１は、第１のＤＢＲ４５上に成長される。第１のスペーサ層５１は、例えばＳｉドープのＧａＡｓ半導体からなり、第１のスペーサ層５１の厚さは、例えば４０ｎｍである。

活性層５３は、第１のスペーサ層５１上に成長される。活性層５３は、例えば３層のＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ井戸層を含む。

第２のスペーサ層５５は、活性層５３上に成長される。第２のスペーサ層は、例えばＣドープのＧａＡｓ半導体からなり、第２のスペーサ層の厚さは、例えば４０ｎｍである。

電流狭窄層５７は、第２のスペーサ層５５上に成長される。電流狭窄層５７は、例えばＣドープのＡｌ_０．９６Ｇａ_０．０４Ａｓ半導体からなり、電流狭窄層５７の厚さは、例えば１５ｎｍである。

第３のスペーサ層６１は、電流狭窄層５７上に成長される。第３のスペーサ層６１は、例えば、ＣドープのＧａＡｓ半導体からなり、第３のスペーサ層６１の厚さは、例えば２０ｎｍである。

第２のＤＢＲ半導体層６３は、第３のスペーサ層６１上に成長される。第２のＤＢＲ半導体層６３には、第５のIII−Ｖ族化合物半導体層６３ａと第６のIII−Ｖ族化合物半導体層６３ｂとが、交互に成長される。第２のＤＢＲ半導体層６３は、例えば２２対の半導体層により形成される。第５のIII−Ｖ族化合物半導体層６３ａは、例えばＣドープのＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ半導体である。第６のIII−Ｖ族化合物半導体層６３ｂは、例えばＣドープのＧａＡｓ半導体である。

次いで、図３（ａ）に示されるように、半導体層上に形成されたレジストマスクを用いたドライエッチングにより、第１のＤＢＲ４５の第２の部分４９における第１の領域４９ｃ上に、半導体メサ５０及び第２のＤＢＲ６３ｃが形成される。レジストマスクは、例えば円形であり、レジストマスクの直径は、例えば３０μｍである。

図３（ｂ）に示されるように、４８０℃の温度の水蒸気雰囲気中で電流狭窄層５８の一部が酸化されることにより、電流狭窄層５８の第１の部分５７ｂ及び第２の部分５９が形成される。電流狭窄層５８に含まれ、半導体メサ５０の側面に露出されているＡｌが酸化される。この酸化は、半導体メサ５０の側面から中心に向かって進む。電流狭窄層５８中における、酸化されたＡｌを含む部分が第２の部分５９になる。第２の部分５９は、第１の部分５７ｂを環状に取り囲むように形成される。

続いて、絶縁体層を半導体メサ５０の側面を埋め込むように形成する。この絶縁体層は、例えばポリイミドからなる。次いで、この絶縁体層の一部のエッチングにより、第１のＤＢＲ４５の第２の部分４９における第２の領域４９ｄの一部が露出される。この露出された第２の領域４９ｄ上に第１の電極が形成される。この第１の電極は、第２の領域４９ｄと電気的に接続される。さらに、第２の電極が、半導体メサ５０上及び絶縁体層上に形成される。これらの電極の形成は、例えば蒸着により行われる。以上の工程により、本実施の形態に係る面発光半導体レーザが作製される。

本実施の形態に係る面発光半導体レーザ（以下、「半導体レーザＡ」と記す）との比較のために、図４に示される構造の面発光半導体レーザ（以下、「比較例Ｂ」と記す）を作製した。半導体レーザＡの構造は、図１に示されており、以下の構造を有する。
基板１３：半絶縁ＧａＡｓ半導体
第１のＤＢＲ１５の第１の部分１７：アンドープ、Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／ＧａＡｓ、３２対
第１のＤＢＲ１５の第２の部分１９：Ｓｉドープ、Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐ／ＧａＡｓ、３対、電子濃度１×１０^１８ｃｍ^−３
第１のスペーサ層２１：Ｓｉドープ、ＧａＡｓ、厚さ４０ｎｍ
活性層２３：Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ井戸層、３層
第２のスペーサ層２５：Ｃドープ、ＧａＡｓ、厚さ４０ｎｍ
電流狭窄層２８：Ｃドープ、Ａｌ_０．９６Ｇａ_０．０４Ａｓ、厚さ１５ｎｍ
第３のスペーサ層３１：Ｃドープ、ＧａＡｓ、厚さ２０ｎｍ
第２のＤＢＲ３３：Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／ＧａＡｓ、２２対

図４に示される比較例Ｂでは、第１のＤＢＲ７５は一様に形成されている。この第１のＤＢＲ７５の構造を除いた他の部分は、半導体レーザＡと同様の構造を有する。比較例Ｂの構造は、以下に示される。
基板７３：半絶縁ＧａＡｓ半導体
第１のＤＢＲ７５：Ｓｉドープ、Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／ＧａＡｓ、３５対、電子濃度６×１０^１８ｃｍ^−３
第１のスペーサ層８１：Ｓｉドープ、ＧａＡｓ、厚さ４０ｎｍ
活性層８３：Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ井戸層、３層
第２のスペーサ層８５：Ｃドープ、ＧａＡｓ、厚さ４０ｎｍ
電流狭窄層８８：Ｃドープ、Ａｌ_０．９６Ｇａ_０．０４Ａｓ、厚さ１５ｎｍ
第３のスペーサ層９１：Ｃドープ、ＧａＡｓ、厚さ２０ｎｍ
第２のＤＢＲ９３：Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／ＧａＡｓ、２２対

半導体レーザＡ及び比較例Ｂの発振波長、発振閾値、最大光出力及び微分抵抗を以下に示す。
半導体レーザＡ
発振波長：９８０ｎｍ
発振閾値：０．５ｍＡ
最大光出力：６ｍＷ
微分抵抗：１１０オーム
比較例Ｂ
発振波長：９８０ｎｍ
発振閾値：０．５ｍＡ
最大光出力：５．１ｍＷ
微分抵抗：２４０オーム

半導体レーザＡの微分抵抗は、比較例Ｂの微分抵抗より小さい。半導体レーザＡの第１のＤＢＲ１５におけるＩｎＧａＰとＧａＡｓとの間の伝導帯障壁が、比較例Ｂの第１のＤＢＲ７５におけるＡｌＧａＡｓとＧａＡｓとの間の伝導帯障壁より小さいので、半導体レーザＡは、比較例Ｂよりも小さい微分抵抗を有する。

半導体レーザＡの最大光出力は、比較例Ｂの最大光出力より大きい。半導体レーザＡの微分抵抗は比較例Ｂの微分抵抗より小さいので、半導体レーザＡの素子の発熱量は、比較例Ｂの素子の発熱量と比較して抑制される。この発熱量の抑制により、半導体レーザＡの最大光出力は向上される。

半導体レーザＡ及び比較例Ｂの長期通電試験結果は、図５（ａ）に示される。試験条件は、温度８５℃及び５ｍＡのＡＣＣ駆動である。符号Ｐ_Ａ１に示されるように、半導体レーザＡの光出力は、３０００時間にわたってほとんど変化しなかった。一方、符号Ｐ_Ｂ１に示されるように、比較例Ｂの光出力は、時間の経過に伴い低下した。

比較例Ｂでは、第１のＤＢＲ７５のＡｌＧａＡｓ半導体におけるＡｌ組成が０．３以上であるので、ＤＸセンターが形成される。故に、ドーパントの活性化率が低いので、十分な電子濃度を得るためのドーパント濃度は高い。ドープされたＳｉは、通電中のレーザ光のエネルギーにより、拡散する。このＳｉの拡散は、ＡｌＧａＡｓ半導体中のＡｌとＧａＡｓ半導体中のＧａとの間の相互拡散を起こさせる。この相互拡散により、第１のＤＢＲ７５の反射率が劣化され、光出力が低下する。

一方、半導体レーザＡでは、第１のＤＢＲ１５の第２の部分１９はＩｎＧａＰを含むので、ＤＸセンターが形成されない。このため、第１のＤＢＲ１５の第２の部分１９におけるドーパントの活性化率は高い。故に、十分なキャリア濃度を実現するためのドーパント濃度は低い。従って、ドーパントの格子のサイト間の移動は発生し難い。また、第１のＤＢＲ１５の第１の部分１７はアンドープであるので、ドーパントの格子間の移動は発生しない。従って、半導体レーザＡの第１のＤＢＲ１５では、半導体層間における構成元素の相互拡散が発生し難いので、反射率の劣化は抑制される。

さらに、半導体レーザＡの第１のＤＢＲ１５の第２の部分１９の半導体の組成を変えて半導体レーザＣを作製した。半導体レーザＣでは、第１のＤＢＲ１５の第２の部分１９は、ＳｉドープのＩｎ_０．４５Ｇａ_０．５５Ｐ／ＧａＡｓからなる。

半導体レーザＡ及び半導体レーザＣの長期通電試験結果は、図５（ｂ）に示される。試験条件は、温度９５℃及び８ｍＡのＡＣＣ駆動である。符号Ｐ_Ｃ２に示されるように、半導体レーザＣの光出力は、３０００時間にわたってほとんど変化しなかった。一方、符号Ｐ_Ａ２に示されるように、半導体レーザＡの光出力は、時間の経過に伴い低下した。

半導体レーザＡの第１のＤＢＲ１５の第１の部分１７は圧縮歪を有するので、第１の部分１７から活性層２３への応力が発生する。この応力により、活性層２３における非発光再結合が増加される。故に、時間の経過と共に光出力が低下する。一方、半導体レーザＣでは、第１のＤＢＲ１５の第２の部分１９がＳｉドープのＩｎ_０．４５Ｇａ_０．５５Ｐ／ＧａＡｓからなるので、第１の部分１７の圧縮歪は、第２の部分１９の伸張歪により補償される。故に、活性層２３への応力の集中は発生しない。

図１は、本実施の形態に係る面発光半導体レーザの断面構造を概略的に示す図面である。図２（ａ）及び図２（ｂ）は、面発光半導体レーザの作製工程を示す図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、面発光半導体レーザの作製工程を示す図である。図４は、比較例に係る面発光半導体レーザの断面構造を概略的に示す図面である。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本実施の形態及び比較例に係る面発光半導体レーザの長期通電試験の結果を示す図である。

符号の説明

１１…面発光半導体レーザ、１３…基板、１５…第１のＤＢＲ、１７…第１のＤＢＲの第１の部分、１７ａ…第１のIII−Ｖ族化合物半導体層、１７ｂ…第２のIII−Ｖ族化合物半導体層、１９…第１のＤＢＲの第２の部分、１９ａ…第３のIII−Ｖ族化合物半導体層、１９ｂ…第４のIII−Ｖ族化合物半導体層、１９ｃ…第１のＤＢＲの第２の部分の第１の領域、１９ｄ…第１のＤＢＲの第２の部分の第２の領域、２０…半導体メサ、２１…第１のスペーサ層、２３…活性層、２５…第２のスペーサ層、２８…電流狭窄層、３１…第３のスペーサ層、３７…第１の電極、３９…第２の電極。

Claims

第１の部分と該第１の部分上に設けられた第２の部分とを含む第１の半導体分布ブラッグリフレクタと、
前記第１の半導体分布ブラッグリフレクタ上に設けられ、活性層を含む半導体メサと、
前記半導体メサ上に設けられた第２の分布ブラッグリフレクタとを備え、
前記第１の半導体分布ブラッグリフレクタの前記第２の部分は、第１の領域と該第１の領域を囲む第２の領域とを有し、
前記半導体メサは、前記第１の領域上に設けられており、
前記第１の半導体分布ブラッグリフレクタの前記第１の部分は、交互に配置された第１のIII−Ｖ族化合物半導体層及び第２のIII−Ｖ族化合物半導体層を含み、
前記第１の半導体分布ブラッグリフレクタの前記第２の部分は、交互に配置された第３のIII−Ｖ族化合物半導体層及び第４のIII−Ｖ族化合物半導体層を含み、
前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層は、III族構成元素としてＡｌ元素及びＧａ元素並びにＶ族構成元素としてＡｓ元素を含むアンドープの半導体材料からなり、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層は、III族構成元素としてＧａ元素及びＶ族構成元素としてＡｓ元素を含むアンドープの半導体材料からなり、
前記第３のIII−Ｖ族化合物半導体層は、III族構成元素としてＩｎ元素及びＧａ元素並びにＶ族構成元素としてＰ元素を含む半導体材料からなり、
前記第３のIII−Ｖ族化合物半導体層の半導体材料は、ｎ型不純物がドープされた半導体材料であり、
前記第４のIII−Ｖ族化合物半導体層は、III族構成元素としてＧａ元素及びＶ族構成元素としてＡｓ元素を含む半導体材料からなり、
前記第４のIII−Ｖ族化合物半導体層の半導体材料は、ｎ型不純物がドープされた半導体材料である
ことを特徴とする面発光半導体レーザ。
前記第１のIII−Ｖ族化合物半導体層は、ＡｌＧａＡｓ半導体からなり、
前記第２のIII−Ｖ族化合物半導体層は、ＧａＡｓ半導体またはＡｌＧａＡｓ半導体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。
前記第３のIII−Ｖ族化合物半導体層は、ＩｎＧａＰ半導体、ＡｌＧａＩｎＰ半導体またはＧａＩｎＡｓＰ半導体からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の面発光半導体レーザ。
前記第３のIII−Ｖ族化合物半導体層のIII族構成元素におけるＩｎ元素の組成は０．４以上０．５以下であり、
前記第４のIII−Ｖ族化合物半導体層は、ＧａＡｓ半導体からなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の面発光半導体レーザ。
前記第３のIII−Ｖ族化合物半導体層のIII族構成元素におけるＩｎ元素の組成は０．４以上０．６以下であり、
前記第４のIII−Ｖ族化合物半導体層は、ＧａＡｓＰ半導体からなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の面発光半導体レーザ。
前記第１の半導体分布ブラッグリフレクタの前記第２の部分における前記第２の領域上に設けられた第１の電極を更に備える、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の面発光半導体レーザ。
前記第１の半導体分布ブラッグリフレクタの前記第２の部分における前記第２の領域上及び前記半導体メサの側面上に、該第２の領域の一部を露出するように設けられた絶縁体層と、
前記半導体メサ上及び前記絶縁体層上に設けられた第２の電極と、を更に備え、
前記第１の電極は、前記第２の領域の露出された部分上に設けられる、
請求項６に記載の面発光半導体レーザ。