面発光型半導体レーザ装置およびその製造方法
【課題】十分に満足できる電流狭窄が得られ、低閾値電流で外部微分量子効率が高く、高効率かつ信頼性の高い面発光型半導体レーザ装置を提供することにある。
【解決手段】面発光型半導体装置は、分布反射型多層膜ミラー（１０４）と誘電体多層膜ミラー（１１）とからなる一対の反射鏡で構成される光共振器の導波路の一部が分離溝で分離され、分離溝を埋め込むシリコン系の絶縁層（１０７，１０８）と、量子井戸活性層（１０５）とを有する。
また、面発光型半導体装置は、前記光共振器を構成する半導体層と同じ半導体層を有する端面発光型半導体レーザ装置の発振波長をλＧとすると、この発振波長λＧが所期の発振波長λＥＭに対して所定波長差（ゲインオフセット量）△λＥＭだけ短波長側に設定される。
【解決手段】面発光型半導体装置は、分布反射型多層膜ミラー（１０４）と誘電体多層膜ミラー（１１）とからなる一対の反射鏡で構成される光共振器の導波路の一部が分離溝で分離され、分離溝を埋め込むシリコン系の絶縁層（１０７，１０８）と、量子井戸活性層（１０５）とを有する。
また、面発光型半導体装置は、前記光共振器を構成する半導体層と同じ半導体層を有する端面発光型半導体レーザ装置の発振波長をλＧとすると、この発振波長λＧが所期の発振波長λＥＭに対して所定波長差（ゲインオフセット量）△λＥＭだけ短波長側に設定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板に対して垂直方向に光を出射する面発光型半導体レーザ装置の構造および製造方法に関する。さらに、本発明は、画像形成装置や光通信システムなどの並列光情報処理装置に用いることができる面発光型半導体レーザ装置の構造および製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、面発光型半導体レーザ装置の構造として、第５０回応用物理学会学術講演会講演予稿集 第３分冊 ｐ．９０９ ２９ａ−ＺＧ−７（１９８９年９月２７日発行）が報告されている。図４５はその発光部を示す斜視図である。この半導体レーザ装置は、以下のプロセスで製造される。ｎ型ＧａＡｓ基板２２０２上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓ多層膜２２０３、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２２０４、ｐ型ＧａＡｓ活性層２２０５およびｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２２０６を成長させた後、円柱状の領域２２２０を残してエッチングし、ｐ型，ｎ型，ｐ型，ｐ型の順にＡｌＧａＡｓ層２２０７，２２０８，２２０９，２２１０で埋め込む。しかる後、ｐ型ＡｌＧａＡｓキャップ層２２１０の上部に誘電体多層膜２２１１を蒸着し、ｎ型オーミック電極２２０１、ｐ型オーミック電極２２１２を形成し、面発光型半導体レーザ装置を形成している。
【０００３】
しかし、図４５に示す従来の面発光型半導体レーザ装置では、活性層以外の部分に電流が流れるのを防ぐ手段として、埋込み層にｐ−ｎ接合２２０７，２２０８を設けている。しかし、このｐ−ｎ接合では十分な電流狭窄を得ることは難しく、完全には無効電流を抑制できない。このため、従来技術では素子の発熱に起因して、室温での連続発振駆動することが困難である。そして、このレーザ装置においては、光共振器全体を共振器よりも低屈折率の材料で埋め込んでいるため、共振器内に光が閉じ込められ、共振器の基板面に水平な方向の断面形状を変化させても、基本発振モードの発光スポットは直径２μｍ程度の点発光となってしまう。また、このレーザ装置では、面発光型半導体レーザ装置の特徴である２次元アレイ化を行なうとき、個々の共振器を基板面内で近づけて設置したとしても、各素子とも独立で発振しているため個々のレーザ光の位相がそろわず、各々のレーザ光が干渉しあい、１つの光束を持った安定したレーザ光が得られにくい。
【０００４】
図４６は、他の従来の面発光型半導体レーザ装置の構造を示す断面図である。このレーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓ単結晶基板２４０１の上に、ｎ型分布反射型（ＤＢＲ）ミラー２４０２、ｎ型クラッド層２４０８、量子井戸活性層２４０３、ｐ型クラッド層２４０９、ｐ型ＤＢＲミラー２４０４およびｐ型オーミック電極２４０５が形成されている。同図において斜線で示す領域２４０６は水素イオンを打ち込むことによって単結晶状態を破壊して高抵抗の領域とされ、注入電流が発振領域にだけ集中するようにした構造である。また、基板２４０１の下面には、ｎ型オーミック電極２４０７が形成されている。そして、基板２４０１に垂直な方向２４１０から、光が放射される。
【０００５】
また、図４６に示す従来の面発光型半導体レーザ装置では、注入電流はｐ型ＤＢＲミラー２４０４を通して流れることになる。ｐ型ＤＢＲミラー２４０４では、電流は正孔がキャリアとして流れる。正孔は電子に比べて有効質量が１０倍程度大きく、ミラー内部のヘテロバリアを越えにくい。そのためｐ型ＤＢＲミラー２４０４は大きな抵抗成分を持つことになる。この従来例では、ｐ型ＤＢＲミラー２４０４の反射率を大きくするためにミラーの層数を多くする必要があり、その結果ｐ型ＤＢＲミラー２４０４の抵抗がかなり大きくなるという問題点を有している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、十分に満足できる電流狭窄が得られ、低閾値電流で外部微分量子効率が高く、高効率かつ信頼性の高い面発光型半導体レーザ装置を提供することにある。本発明の他の目的は、このような半導体レーザ装置の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の面発光型半導体レーザ装置は、
第１導電型の化合物半導体からなる基板、
前記基板の下側に形成された下側電極、
前記基板の上側に形成された第１導電型の分布反射型多層膜ミラー、
前記分布反射型多層膜ミラー上に形成された第１導電型の第１クラッド層、
前記第１クラッド層上に形成された量子井戸活性層、
前記量子井戸活性層上に形成され、単数もしくは複数の柱状部を有する第２導電型の第２クラッド層、
前記第２クラッド層の柱状部上に形成された第２導電型のコンタクト層、
前記第２クラッド層の柱状部および前記コンタクト層の周囲に埋め込まれ、少なくとも前記第２クラッド層および前記コンタクト層との界面がシリコン化合物からなる第１絶縁層によって被覆された埋込み絶縁層、
前記コンタクト層の一部に面して開口部を有し、前記コンタクト層および前記埋込み絶縁層の双方にまたがって形成された上側電極、および、
前記上側電極の開口部を覆うように、少なくとも前記コンタクト層上に形成された誘電体多層膜ミラー、を含む。
【０００８】
この半導体レーザ装置においては、前記分布反射型多層膜ミラー、前記第１クラッド層、前記量子井戸活性層、前記第２クラッド層の柱状部、前記コンタクト層および前記誘電体多層膜ミラーから光共振器が構成される。
【０００９】
そして、この半導体レーザ装置においては、前記柱状部（共振器部）が複数形成されている場合には、各共振器部で発生する平行横モードが電磁波的に互いに結合されているため、各共振器部から位相が同期された光が発振される。
【００１０】
前記埋込み絶縁層は、少なくとも、前記クラッド層およびコンタクト層の表面に沿って連続的に形成された第１絶縁膜を有し、好ましくは、この第１絶縁層の周囲には前記第２クラッド層の柱状部および前記コンタクト層の周囲を平坦化するための第２絶縁層が形成されている。この第２絶縁層は前記第１絶縁層よりも低温で形成できる物質から構成されることが望ましい。この第１絶縁層によって、第２絶縁層の不純物、例えばナトリウム，塩素，重金属，水素等が第２クラッド層あるいは量子井戸活性層へ熱拡散等によって移動することが阻止される。この第１絶縁層は、熱ＣＶＤ（化学気相成長）によって形成されることが好ましい。したがって、第１絶縁層の膜厚を薄くすることにより、成膜時に光共振器が熱にさらされる時間を短縮して、熱による結晶へのダメージをより少なくすることが望ましい。
【００１１】
前記第１絶縁層は、前述したように、光共振器に悪影響を与えるような物質の移動を阻止できるのに十分な厚みを有すればよく、例えばその膜厚は５００〜２０００オングストロームに設定されることが好ましい。この第１絶縁層は、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜およびシリコン炭化膜から選択される少なくとも一種のシリコン化合物から構成されることが好ましい。また、前記第２絶縁層は、前記シリコン化合物よりも低温で形成されたシリコン化合物、ポリイミド等の耐熱性樹脂、および多結晶のII−ＶＩ属化合物半導体から選択される少なくとも一種であることが好ましい。
【００１２】
前記第２クラッド層はエッチングによって前記柱状部以外の領域が取り除かれるが、この柱状部以外の領域は所定範囲の膜厚を有し、好ましくは０μｍ（つまり完全に除去される）〜０．５８μｍ、より好ましくは０〜０．３５μｍの膜厚に設定される。このように、前記柱状部以外の領域の膜厚を極限定された薄い膜とするかあるいは完全に除去することにより、活性層内に有効に電流を注入でき、高い外部微分量子効率を得ることができる。
【００１３】
前記量子井戸活性層は、ｎ型ＧａＡｓウエル層とｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層からなり、前記ウエル層の膜厚は４０〜１２０オングストローム、前記バリア層の膜厚は４０〜１００オングストロームであり、かつウエル層の総数は３〜４０層であることが好ましい。このような構成の量子井戸活性層によれば、面発光型半導体レーザ装置の低閾値化、高出力化、温度特性の向上および発振波長の再現性の向上を達成することができる。
【００１４】
前記分布反射型多層膜ミラーは、発振波長λＥＭを含む少なくとも４０ｎｍの波長範囲で９９．２％以上の反射率を有し、前記波長範囲内に発振波長が設定される。そして、分布反射型多層膜ミラーの反射率は、ミラーを構成する半導体層の各層のドーピング量によっても変動する。例えば、分布反射型多層膜ミラーをＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層とＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層して構成する場合には、これらの各層にドーピングされるｎ型ドーパントは５×１０１６〜１×１０１９ｃｍ−３の平均ドーピング量であることが好ましい。更に、前記分布反射型多層膜ミラーは、アルミニウムの濃度が高いＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層と、この層よりもアルミニウムの濃度が低くバンドギャップが大きいＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層との界面近傍のキャリア濃度を、界面近傍以外の領域よりも高くすることが望ましい。具体的には、界面近傍のドーピング量の最大値は、界面近傍以外のドーピング量の最小値の１．１〜１００倍の値を取ることが好ましい。
【００１５】
また、前記誘電体多層膜ミラーは、その反射率が９８．５〜９９．５％であることが好ましい。反射率が９８．５％より低いと、発振閾電流が増大してしまい、一方反射率が９９．５％よりも大きいと光出力が外部に取り出しにくく、外部微分量子効率が低下してしまう。さらに、前記誘電体多層膜ミラーを構成する材料としては、レーザ発振波長に対して光の吸収損失が少ないものを使用することが好ましく、具体的には、発振波長に対して１００ｃｍ−１以下の吸収係数を有する誘電体材料から構成されることが好ましい。このような誘電体としては、ＳｉＯｘ、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯｘ、ＴｉＯｘ、ＺｒＴｉＯｘ、ＭｇＦｘ、ＣａＦｘ、ＢａＦｘおよびＡｌＦｘなどが例示される。
【００１６】
前記クラッド層の柱状部は光共振器を構成し、その径をＤａとし、前記上側電極の開口部の径をＤｗとすると、Ｄａは６〜１２μｍ、Ｄｗは４〜８μｍであり、かつＤｗはＤａより若干小さく形成されることが好ましい。前記柱状部の径（共振器径）と前記開口部の径（出射口径）はレーザの横モード特性に影響を与え、基本横モードの放射光を得るためには、共振器の径を所定の大きさ以上にすることは好ましくなく、また高い出力を得るためには共振器の径を小さくし過ぎることも好ましくない。このような観点から、基本横モード発振をするためには、ＤａおよびＤｗは前記の範囲に設定されることが好ましい。
【００１７】
前記第１クラッド層をおよび第２クラッド層は、ＡｌｘＧａ1−ｘＡｓで示される半導体層からなり、ここにおいてｘは、好ましくは０．４以上、より好ましくは０．６５以上、特に好ましくは０．７〜０．８である。ｘをこの範囲に設定することにより、クラッド層のバンドキャップが十分高く注入キャリアの活性層内への閉じこめが良好であり、高い外部微分部量子効率を得ることができる。
【００１８】
さらに、前記第２クラッド層は、その柱状部の膜厚が０．８〜３．５μｍであることが好ましい。前記膜厚が０．８μｍより小さいと、注入キャリアが不均一となって、特に前記柱状部の周囲付近にキャリアが多く分布し、レーザ発振に寄与しないキャリアの再結合が生じ、その結果、共振器中央付近のキャリア密度が十分大きくならないため、レーザ発振の閾値に達する前に光出力が熱飽和してしまうおそれがある。一方、前記膜厚が３．５μｍより大きいと、素子抵抗が高くなって消費電力の増大を招き、光出力の熱飽和が低い注入電流で起こってしまうおそれがある。
【００１９】
本発明の他の面発光型半導体レーザ装置は、
第１導電型の化合物半導体からなる基板、
前記基板の下側に形成された下側電極、
前記基板の上側に形成された第１導電型の分布反射型多層膜ミラー、
前記分布反射型多層膜ミラー上に形成された第１導電型の第１クラッド層、
前記第１クラッド層上に形成された量子井戸活性層、
前記量子井戸活性層上に形成され、単数もしくは複数の柱状部を有する第２導電型の第２クラッド層、
前記第２クラッド層の柱状部上に形成された第２導電型のコンタクト層、
前記第２クラッド層の柱状部および前記コンタクト層の周囲に埋め込まれた埋込み絶縁層、
前記コンタクト層の一部に面して開口部を有し、前記コンタクト層および前記埋込み絶縁層の双方にまたがって形成された上側電極、および、
前記上側電極の開口部を覆うように、少なくとも前記コンタクト層上に形成された誘電体多層膜ミラー、を含み、
前記量子井戸活性層の利得スペクトルのピーク波長λＧは所期の発振波長λＥＭに対して所定波長差（ゲインオフセット量）△λＢＳだけ短波長側に設定される。
【００２０】
この半導体装置において特に特徴的なことは、前記活性層における利得スペクトルのピーク波長λＧが面発光型半導体レーザ装置の発振波長λＥＭに対してゲインオフセット量△λＢＳだけ短波長側に位置するように形成されている点にある。前記利得スペクトルのピーク波長λＧは、例えば、本発明の面発光型半導体レーザ装置を構成する、基板上に形成された半導体層と同じ半導体層を有する端面発光型半導体レーザ装置を作成し、この端面発光型半導体レーザ装置の発振波長を求めることにより決定される。端面発光型半導体レーザ装置の発振波長は、ほぼピーク波長λＧに等しい。そして、前記ゲインオフセット量△λＢＳは、好ましくは５〜２０ｎｍ、より好ましくは５〜１５ｎｍであり、最も好ましくは１０〜１５ｎｍである。このようなゲインオフセット量を設定しておくことにより、温度上昇によって活性層の利得スペクトルのピーク波長が長波長側にシフトしたとしても、共振器長で規定される発振波長と利得スペクトルのピーク波長とをほぼ一致させることができ、高い効率で確実なレーザ発振を行うことができる。
【００２１】
より具体的には、前記端面発光型半導体レーザ装置の利得スペクトルのピークが面発光型半導体レーザ装置の発振波長より長波長側に存在すると、電流注入によって利得スペクトルのピーク波長が長波長側にシフトしてしまうため、レーザ発振に必要な利得が減少してしまい、高出力の発振が困難となる。但し、前記ゲインオフセット量が大きすぎると、電流注入によって利得スペクトルのピーク波長が長波長側にシフトしたとしても、発振波長λＥＭにおける利得が小さくなりすぎてレージングを起こさないおそれがある。例えば、ゲインオフセット量△λＢＳが２０ｎｍを越えると、実用的な閾電流での連続駆動が困難となり、一方ゲインオフセット量△λＢＳが５ｎｍより小さいと、電流注入によって利得スペクトルのピーク波長が発振波長λＥＭより長波長側にシフトして発振波長での利得が小さくなり、十分なレーザ発振が行われない。ピーク波長λＧは温度依存性があるので、λＧは面発光型半導体レーザ装置が使用される温度で測定される。
【００２２】
このようにゲインオフセット量が設定された半導体レーザ装置においては、その他の構成、具体的には前記埋込み絶縁層、前記第２クラッド層、前記量子井戸活性層、前記分布反射型多層膜ミラー、および前記誘電体多層膜ミラーなどの構成においては、上述した半導体レーザ装置と同様な構成を有することが好ましい。
【００２３】
さらに、本発明の各面発光型半導体レーザ装置において、光共振器を構成する前記柱状部の形状を特定することにより、レーザ光の偏波面の方向を制御することが好ましい。以下、この点について詳細に説明する。
【００２４】
すなわち、共振器を構成する前記柱状部は、半導体基板に平行な断面形状が、長辺と短辺からなる矩形を有することが好ましい。レーザ光の偏波面の方向は、断面矩形の柱状部の短辺の方向と平行な方向に揃うことが実験的に確かめられた。したがって、一素子内に一つの共振器を形成する場合にも、あるいは複数の共振器を形成する場合にも、その各共振器から出射されるレーザ光の偏波面の方向を、各共振器が有する断面矩形の柱状部の短辺の方向に揃えることができる。
【００２５】
そして、断面矩形の柱状部の長辺の長さをＡとし、短辺の長さをＢとした時、Ｂ＜Ａ＜２Ｂであることが好ましい。Ａを２Ｂ以上とすると、光出射口の形状も円または正多角形とはならずに長方形になるため、発光スポットが一つにならず、一つの出射口に複数の発光スポットが形成されてしまう。また、共振器の体積も大きくなるので、レーザ発振閾電流も増加してしまう。
【００２６】
また、前記第２クラッド層の柱状部を複数形成し、前記各柱状部の矩形横断面を形成する短辺の方向をそれぞれ平行に設定することが好ましい。この半導体レーザ装置においては、複数の柱状部より出射されるレーザ光の偏波面は、矩形断面を有する各柱状部の短辺の方向と一致しており、かつ各柱状部の短辺の方向がそれぞれ平行であるため、一つの開口部（光出射口）から出射されるレーザ光は、位相が同期しておりかつ偏波面の方向も一致していることになる。従って、例えばこの面発光型半導体レーザ装置をレーザ応用機器に用いる場合には、各素子の細かな位置調整を必要とせずにレーザ光の偏波面の方向をある特定方向に容易に設定することが可能となる。さらに、この半導体レーザ装置において、前記埋込み絶縁層を光透過性を有する物質によって構成することにより、埋込み絶縁層はレーザ発振波長に対してほぼ透明となり、この埋込み絶縁層にもれた光もレーザ発振に寄与することになるため、その分発光スポットが拡大し、位相および偏波面の方向が揃いかつ発光スポットが一つのレーザ光を出射することが可能となる。
【００２７】
また、矩形横断面を有する複数の前記柱状部は、前記半導体基板と平行な二次元面上に対称に配置され、かつ前記上側電極に形成される開口部の形状を円または正多角形とすることにより、断面がほぼ円形のレーザ光を出射することができる。そして、このような複数の柱状部によって構成される光共振器は、それぞれ前記上側電極を独立に有するように前記半導体基板上に複数形成されることにより、各光共振器から出射されるレーザ光の断面をほぼ円形とすることができ、しかもこのレーザビームを各光共振器毎に独立してＯＮ，ＯＦＦ，変調可能とすることができる。
【００２８】
複数の前記光共振器は、前記柱状部の矩形の横断面の短辺の方向を全て平行に設定することにより、各光共振器から出射されるレーザ光の偏波面の方向を一方向に揃えることもできる。また、少なくとも一部の前記光共振器を他の光共振器に対して前記柱状部の矩形の横断面の短辺の方向を非平行に設定することにより、少なくとも一部の前記光共振器から出射されるレーザ光の偏波面の方向を他の前記光共振器からのレーザ光の偏波面の方向と異ならせることも可能である。
【００２９】
さらに、矩形の横断面を有する複数の前記柱状部を、前記半導体基板と平行な二次元面上で横列および／または縦列で等間隔に配列することにより、出射されるレーザビームをラインビームとすることも可能である。
【００３０】
レーザ光の偏波面の方向は、光共振器の柱状部を矩形断面としなくても、光出射側の電極に形成される光出射口の開口形状を矩形とし、その矩辺の方向と平行な方向に設置することができる。この構造は、光共振器の柱状部の二次元面上での配置上の制約により柱状部を矩形とできない場合に有効である。また、柱状部の断面形状および光出射口の開口形状の双方を矩形としてもよい。この場合、柱状部および光出射口の各矩辺の方向を平行にすればよい。光出射口の長辺の長さをａとし、短辺の長さをｂとした時、好ましくはｂ＜ａ＜２ｂである。この理由は、ｂ／ａの比率を高くすると、それに応じて光共振器の柱状部の各辺の比率Ｂ／Ａも高くなり、上述した各辺の長さＡ，Ｂの好適範囲外となってしまうからである。
【００３１】
光共振器の配列方法は適用される機器によって各種の態様が選択され得るが、例えばレーザプリンタ，レーザビームを用いた測定機器，レーザピックアップおよびレーザ通信機器等のレーザ応用機器を設計する際には、レーザ光の偏波面の方向を制御できる技術は極めて有用である。
【００３２】
本発明の面発光型半導体レーザ装置は、例えば、以下の工程（ａ）〜（ｅ）を含む製造方法によって得られる。
【００３３】
（ａ） 第１導電型の化合物半導体からなる基板上に、少なくとも、第１導電型の分布反射型多層膜ミラー、第１導電型の第１クラッド層、量子井戸活性層、第２導電型の第２クラッド層および第２導電型のコンタクト層を含む半導体層をエピタキシャル成長によって形成する工程、
（ｂ） 前記コンタクト層および前記第２クラッド層をエッチングして、単数もしくは複数の柱状部を形成する工程、
（ｃ） 前記柱状部の周囲に埋込み絶縁層を形成する工程であって、この工程では、少なくとも、前記第２クラッド層および前記コンタクト層との界面を被覆するシリコン化合物からなる第１絶縁層を形成する工程を含む工程、
（ｄ） 前記コンタクト層の一部に面して開口部を有し、前記コンタクト層および前記埋込み絶縁層の双方にまたがって上側電極を形成する工程、および
（ｅ）前記上側電極の開口部を覆うように、少なくとも前記コンタクト層上に誘電体多層膜ミラーを形成する工程。
【００３４】
本発明の他の面発光型半導体レーザ装置は、例えば、以下の工程（ａ）〜（ｅ）を含む製造方法によって得られる。
【００３５】
（ａ） 第１導電型の化合物半導体からなる基板上に、少なくとも、第１導電型の分布反射型多層膜ミラー、第１導電型の第１クラッド層、量子井戸活性層、第２導電型の第２クラッド層および第２導電型のコンタクト層を含む半導体層をエピタキシャル成長によって形成する工程、
（ｂ） 前記コンタクト層および前記第２クラッド層をエッチングして、単数もしくは複数の柱状部を形成する工程、
（ｃ′） 前記柱状部の周囲に埋込み絶縁層を形成する工程、
（ｄ） 前記コンタクト層の一部に面して開口部を有し、前記コンタクト層および前記埋込み絶縁層の双方にまたがって上側電極を形成する工程、および
（ｅ） 前記上側電極の開口部を覆うように、少なくとも前記コンタクト層に誘電体多層膜ミラーを形成する工程、を含み、
前記量子井戸活性層の利得スペクトルのピーク波長λＧは、所期の発振波長λＥＭに対して所定波長差（ゲインオフセット量）△λＢＳだけ短波長となるように、前記半導体層が設定される。前記ゲインオフセット量△λＢＳは、５〜２０ｎｍに設定されることが望ましい。また、ピーク波長λＧは温度依存性があるので、λＧは面発光型半導体レーザ装置が使用される温度で測定される。
【００３６】
そして、前記工程（ｃ′）においては、少なくとも前記第２クラッド層および前記コンタクト層との界面を被覆するシリコン化合物からなる第１絶縁層が形成される工程を含むことが望ましい。
【００３７】
前記各製造方法において、前記埋込み絶縁層は、前記第１絶縁層を例えば熱ＣＶＤ法によって形成した後に、この第１絶縁層上に、前記第２クラッド層の柱状部および前記コンタクト層の周囲を平坦化するための第２絶縁層が形成されることが好ましい。
【００３８】
前記分布反射型多層膜ミラーは、成膜時に、所定波長の光例えば発振波長と同じ波長の光を基板上に照射してその反射スペクトルを検出することにより、基板上に形成された半導体層の反射率プロファイルを測定し、この反射率プロファイルの極大点又は極小点で屈折率の異なる一方の半導体層の堆積から他方の半導体層の堆積に切り替えることによって、低屈折率の半導体層と高屈折率の半導体層とを交互に積層して形成されることが望ましい。
【００３９】
前記反射率プロファイルは、結晶の成長速度や成長時間に依存せず、各層の膜厚および各層の屈折率に依存している。従って、反射率プロファイルの極大点あるいは極小点で積層する層のＡｌ組成を変更し、屈折率の違う層を交互にエピタキシャル成長させることにより、各層が理論通りの厚さを有する。また、反射率を測定するための入力光の光源として所定の発振波長を持つ半導体レーザを選ぶことにより、所定波長を厳密に設定できることから、各層の膜厚から屈折率も求めることもできる。そして、分布反射型多層膜ミラー自体の反射率を結晶成長中に測定できることから、層形成中にミラーのペア数を変更したり、構造の最適化がはかれる。
【００４０】
各前記工程（ｂ）において、エッチング時に、所定範囲の波長例えば、発振波長に対して±６０ｎｍの波長を有する光を前記半導体層を有する基板に照射してその反射スペクトルを検出し、この反射スペクトルに現れる、光共振器の定在波に起因するディップを測定することにより、エッチング厚を制御することが望ましい。前記エッチング厚は、前記第２クラッド層の柱状部以外の領域の膜厚が所定範囲の大きさ、例えば０〜０．５８μｍの範囲内にとなるように制御されることが望ましい。この膜厚の好ましい理由については、すでに述べた。
【００４１】
このように、外部から光を入射すると、分布反射型多層膜ミラー上に積層された半導体層内に定在波（縦モード）が存在する波長で活性層が光を吸収するため、その波長での反射率が低下し、反射スペクトルにくぼみ、つまりディップを形成する。そして、このディップは、分布反射型多層膜ミラーから上の結晶層の膜厚の減少に対応して長波長側から短波長側に移動し、さらにエッチングを続けると、再び長波長側に新たなディップが発生し、ディップの移動と発生が繰り返される。したがって、エッチング中に高反射率帯域に存在するディップの数および波長移動量を測定することにより、エッチング量およびエッチング速度を管理できる。したがって、前記柱状部以外の領域の残り膜厚が正確に制御された共振器を作製することができる。なお、前記エッチング工程においては、基板の温度は０〜４０℃から選択される所定の温度に設定されることが望ましい。
【００４２】
また、反射スペクトルの値や形状もエッチング中に同時にモニタできるので、エッチング時の表面の汚れ、ダメージなども評価でき、これらの評価結果をエッチング条件にフィードバックすることができる。
【００４３】
さらに、前記工程（ａ）の後に、前記半導体層の表面にＳｉＯｘからなる保護層が形成されることが望ましい。この保護層が積層された半導体の表面を覆うことにより、後のプロセスにおける表面汚染が防止される。そして、前記保護層は、前記工程（ｄ）の前に、例えば反応性イオンエッチングによって除去され、その際に、所定波長の光を前記保護層が形成された基板に照射してその反射スペクトルを検出し、その反射率プロファイルを測定することにより、この保護層のエッチング厚が制御されることが望ましい。
【００４４】
つまり、反射率は保護層の残り膜厚によって変化し、残り膜厚が（λ／４ｎ）の整数倍になるごとに極大または極小をとり、保護層が完全にエッチングされると反射率の変化がなくなる。ここで、λは測定光源の波長、ｎは保護層の屈折率である。したがって、エッチング中に反射率を測定し、反射率プロファイルの極大点および極小点をモニタすることにより、保護層のエッチングを正確かつ完全に行うことができる。
【００４５】
さらに、上述した保護層の除去に引き続き、前記工程（ａ）で形成された前記半導体層は、共振器長をコントロールするために必要に応じてエッチングされる。このエッチング時には、所定範囲の波長を有する光を前記半導体層を有する基板に照射してその反射スペクトルを検出し、この反射スペクトルに現れる、光共振器の定在波に起因するディップを測定することにより、エッチング厚を制御することが望ましい。そのメカニズムは工程（ｂ）の場合と同様である。さらに、上記共振器長をコントロールするためのエッチングは、前記工程（ａ）の直後に行っても良い。工程（ａ）の直後にエッチングを行うと、広範囲のエピタキシャル層を一括でエッチングできる利点がある。このエッチング時にも、エッチング厚を制御するため、工程（ｂ）のメカニズムを用いる。
【００４６】
前記工程（ａ）において、前記半導体層は有機金属気相成長法によって形成されることが望ましい。
【００４７】
本発明の面発光型半導体レーザ装置を製造する装置として、以下の成膜装置およびエッチング装置を用いることができる。
【００４８】
例えば、前記基板上に半導体層を形成する成膜装置は、
ガス供給部およびガス排出部を有する反応管と、
前記反応管の内部に設置された、温度制御可能な基板支持部と、
前記基板支持部に所定波長の光を照射するための光源と、
前記光源から前記基板支持部上の基板に照射された光の反射光を検出する光検出器と、を含み、
前記基板支持部上に設置された基板上にエピタキシャル成長によって半導体層の成膜を行いながら、同時に生成する半導体層の反射率を測定することができる。
【００４９】
この成膜装置によれば、前述したように、例えば分布反射型多層膜ミラーの膜厚および共振器長を極めて正確に設定することができる。このように層の反射率をモニタしながら膜厚を制御することができる成膜装置は、有機金属気相成長装置だけでなく、分子線エピタキシー装置にも適用することができる。
【００５０】
また、前記柱状部を形成する工程（ｂ）および前記保護層をエッチングする工程で用いられるエッチング装置は、
エッチング室と、
前記エッチング室内に配置された基板支持部と、
前記基板支持部上に所定波長の光を照射するための光源と、
この光源から前記基板支持部上の基板に照射された反射光を測定する光検出器とを含み、
基板上の堆積層をエッチングしながら同時に反射率を測定することができる。
【００５１】
このようなエッチング装置によれば、前述したように、反射率プロファイルを検出することによりエッチング量を正確に制御することができる。そして、このエッチング装置は反応性イオンエッチングあるいは反応性イオンビームエッチングなどに適用することができる。
【００５２】
また、前記成膜装置およびエッチング装置に用いられる前記窓は、前記所定波長の光およびその反射光に対して非反射的であることが望ましい。これらの成膜装置およびエッチング装置は種々の態様の光学系を採用しうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
（第１実施例）
図１は、本発明の一実施例における面発光型半導体レーザ装置の発光部の断面を模式的に示す斜視図である。
【００５４】
図１に示す半導体レーザ装置１００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０２上に、ｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５ＡＳ層を交互に積層し波長８００ｎｍ付近の光に対し９９．５％以上の反射率を持つ４０ペアの分布反射型多層膜ミラー（以下これを「ＤＢＲミラー」と表記する）１０３、ｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３ＡＳ層からなる第１クラッド層１０４、ｎ−型ＧａＡｓウエル層とｎ−型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層から成り該ウエル層が２１層で構成される量子井戸活性層１０５（本実施例の場合は、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層となっている）、ｐ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ層からなる第２クラッド層１０６およびｐ＋型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層からなるコンタクト層１０９が、順次積層して成る。そして、コンタクト層１０９および第２クラッド層１０６の途中まで、半導体の積層体の上面からみて円形形状にエッチングされて、その柱状部１１４（以後、この部分を「共振器部」と記す。共振器部は後述するように円柱状である必要はない。）の周囲が、熱ＣＶＤ法により形成されたＳｉＯ２等のシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ膜）からなる第１絶縁層１０７と、ポリイミド等の耐熱性樹脂等からなる第２絶縁層１０８で埋め込まれている。
【００５５】
第１絶縁層１０７は、第２クラッド層１０６およびコンタクト層１０９の表面に沿って連続して形成され、第２絶縁層１０８は、この第１絶縁層１０７の周囲を埋め込む状態で形成されている。
【００５６】
第２絶縁層１０８としては、前述のポリイミド等の耐熱性樹脂の他に、ＳｉＯ２等のシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ膜）、Ｓｉ３Ｎ４等のシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ膜）、ＳｉＣ等のシリコン炭化膜（ＳｉＣｘ膜）、ＳＯＧ（スピンオングラス法によるＳｉＯ２等のＳｉＯｘ）膜などの絶縁性シリコン化合物膜、あるいは多結晶のII−ＶＩ族化合物半導体膜（例えばＺｎＳｅなど）でもよい。これら、絶縁膜の中でも、低温で形成可能であるＳｉＯ２等のシリコン酸化膜、ポリイミドまたはＳＯＧ膜を用いるのが好ましい。さらには、形成が簡単であり、容易に表面が平坦となることからＳＯＧ膜を用いるのが好ましい。
【００５７】
また、例えばＣｒとＡｕ−Ｚｎ合金で構成されるコンタクト金属層（上側電極）１１２は、コンタクト層１０９とリング状に接触して形成され、電流注入のための電極となる。このコンタクト層１０９の上側電極１１２で覆われていない部分は、円形に露出している。そして、そのコンタクト層１０９の露出面（以後、この部分を「開口部」と記す）を充分に覆う面積で、ＳｉＯ２等のＳｉＯｘとＴａ２Ｏ５層を交互に積層し波長８００ｎｍ付近の光に対し９８．５〜９９．５％の反射率を持つ７ペアの誘電体多層膜ミラー１１１が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０２の下には、例えばＮｉとＡｕ−Ｇｅ合金から成る電極用金属層（下側電極）１０１が形成されている。
【００５８】
図３は、図１に示す半導体レーザ装置のレーザ光が放射される方向１１０からみたレーザ出射部を示した図である。図３のＡ−Ａ′線における断面が図１における正面に見える断面図と対応している。上側電極１１２は、コンタクト層１０９と接触しオーミックコンタクトがとれるようにアロイ化されている。そして、誘電体多層膜ミラー１１１は、共振器部１１４を表面全体を覆うように形成されている。ここで、以降図３に示すように、共振器部１１４の直径をＤａ、開口部１１３の直径をＤｗと、表記する。
【００５９】
そして、上側電極１１２と下側電極１０１との間に順方向電圧が印加されて（本実施例の場合は、上側電極１１２から下側電極１０１への方向に電圧が印加される）電流注入が行なわれる。注入された電流は、量子井戸活性層１０５で光に変換され、ＤＢＲミラー１０３と誘電体多層膜ミラー１１１とで構成される反射鏡の間をその光が往復することにより増幅され、開口部１１３（コンタクト層１０９の露出面）から方向１１０すなわち基板１０２に対して垂直方向にレーザ光が放射される。
【００６０】
ここで、図１のシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ膜）からなる第１絶縁層１０７は、膜厚が５００〜２０００オングストロームで、常圧の熱ＣＶＤ法により形成されたものである。耐熱性樹脂等からなる第２絶縁層１０８は素子の表面を平坦化するために必要なものである。たとえば、耐熱性樹脂には高抵抗を有するものの、膜中に水分の残留が発生しやすく、直接、半導体層と接触させると、素子に長時間通電した場合に半導体との界面に於てボイドが発生し素子の特性を劣化させる。そこで、本実施例の様に、第１絶縁層１０７のような薄膜を半導体層との境界に挿入すると、第１絶縁層１０７が保護膜となり前述の劣化が生じない。第１絶縁層を構成するシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ膜）の形成方法には、プラズマＣＶＤ法、反応性蒸着法など種類があるが、ＳｉＨ４（モノシラン）ガスとＯ２（酸素）ガスを用い、Ｎ２（窒素）ガスをキャリアガスとする常圧熱ＣＶＤ法による成膜方法が最も適している。その理由は、反応を大気圧で行い、更にＯ２が過剰な条件下で成膜するのでＳｉＯｘ膜中の酸素欠損が少なく緻密な膜となること、および、ステップ・カバーレッジが良く、共振器部１１４の側面および段差部も平坦部と同じ膜厚が得られることである。
【００６１】
次に、図１に示す面発光型半導体レーザ１００の製造プロセスについて説明する。図２２Ａ〜図２２Ｃおよび図２３Ｄ〜図２３Ｆは、面発光型半導体レーザ装置の製造工程を示したものである。
【００６２】
前述したように、ｎ型ＧａＡｓ基板１０２に、ｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層とを交互に積層して波長８００ｎｍ付近の光に対し９９．５％以上の反射率を持つ４０ペアのＤＢＲミラー１０３を形成する。さらに、ｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ層（第１クラッド層）１０４を形成した後、ｎ−型ＧａＡｓウエル層とｎ−型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層とを交互に積層した量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１０５を形成する。その後、ｐ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ層（第２クラッド層）１０６、およびｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層（コンタクト層）１０９を順次積層する（図２２Ａ参照）。
【００６３】
上記の各層は、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法でエピタキシャル成長させた。この時、例えば、成長温度は７５０℃、成長圧力は１５０Ｔｏｒｒで、III族原料にＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）の有機金属を用い、Ｖ族原料にＡｓＨ３、ｎ型ドーパントにＨ２Ｓｅ、ｐ型ドーパントにＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）を用いた。
【００６４】
図２２Ａで示すように、各層の形成後、エピタキシャル層上に常圧熱ＣＶＤ法を用いて、２５０オングストローム程度のＳｉＯ２層からなる保護層Ｉを形成する。この保護層Ｉが積層された半導体層を覆うことにより、プロセス中の表面汚染を防いでいる。
【００６５】
なお、以上の工程で得られた、基板１０２上にＤＢＲミラー１０３、第１クラッド層１０４、量子井戸活性層１０５、第２クラッド層１０６、コンタクト層１０９および絶縁層Ｉが形成されたウエハの一部は、後述する端面発光型半導体レーザ装置のサンプルとして使用される。
【００６６】
次に、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）法により、レジストパターンＲ１で覆われた柱状の共振器部１１４を残して、保護層Ｉ、コンタクト層１０９および第２クラッド層１０６の途中までエッチングする。このエッチングプロセスの実施により、共振器部１１４を構成する柱状部は、その上のレジストパターンＲ１の輪郭形状と同じ断面を持つ（図２２Ｂ参照）。また、ＲＩＢＥ法を用いるため、前記柱状部の側面はほぼ垂直であり、またエピタキシャル層へのダメージもほとんどない。ＲＩＢＥの条件としては、例えば、圧力６０ｍＰａ、入力マイクロ波のパワー１５０Ｗ、引出し電圧３５０Ｖとし、エッチングガスには塩素およびアルゴンの混合ガスを使用した。
【００６７】
このＲＩＢＥ法による柱状部の形成においては、エッチング中、前記基板１０２の温度は、比較的低温、すなわち好ましくは０〜４０℃、より好ましくは１０〜２０℃に設定される。このように、基板の温度を比較的低温に保持することにより、エピタキシャル成長によって積層される半導体層のサイドエッチングを抑制することができる。ただし、基板の温度が０〜１０℃であると、サイドエッチングを抑制するという点からは好ましいが、エッチングレートが遅くなってしまうために実用的には不向きである。また、基板の温度が４０℃を超えると、エッチングレートが大きくなりすぎるため、エッチング面が荒れてしまうだけでなく、エッチングレートの制御がしにくいという不都合がある。
【００６８】
この後、レジストパターンＲ１を取り除き、常圧熱ＣＶＤ法で、表面に１０００オングストローム程度のＳｉＯ２層（第１絶縁膜）１０７を形成する。この際のプロセス条件としては、例えば、基板温度４５０℃、原料としてＳｉＨ４（モノシラン）と酸素を使用し、キャリアガスには窒素を用いた。さらにこの上にスピンコート法を用いてＳＯＧ（Ｓｐｉｎ ｏｎ Ｇｒａｓｓ）膜１０８Ｌを塗布し、その後例えば、８０℃で１分間、１５０℃で２分間、さらに３００℃で３０分間、窒素中でベーキングする（図２２Ｃ参照）。
【００６９】
次にＳＯＧ膜１０８Ｌ、ＳｉＯ２膜１０７および保護層Ｉをエッチバックして、露出したコンタクト層１０９の表面と面一になるように平坦化させた（図２３Ｄ参照）。エッチングには平行平板電極を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を採用し、反応ガスとして、ＳＦ６、ＣＨＦ３およびＡｒを組み合わせて使用した。
【００７０】
次に、コンタクト層１０９とリング状に接触する上側電極１１２を公知のリフトオフ法により形成した（図２３Ｅ参照）。コンタクト層１０９は上側電極１１２の円形開口を介して露出しており、この露出面を充分に覆うように誘電体多層膜ミラー（上部ミラー）１１１を公知のリフトオフ方法により形成する（図２３Ｆ参照）。上部ミラー１１１は、電子ビーム蒸着法を用いて、ＳｉＯ２層とＴａ２Ｏ５層を交互に例えば７ペア積層して形成され、波長８００ｎｍ付近の光に対して９８．５〜９９．５％の反射率を持つ。この時の蒸着スピードは、例えばＳｉＯ２が５オングストローム／分、Ｔａ２Ｏ５層が２オングストローム／分とした。
【００７１】
なお、前記上部ミラー１１１は、前記リフトオフ法以外に、ＲＩＥ法によって形成されてもよい。
【００７２】
しかる後、基板１０２の下面に、ＮｉとＡｕＧｅ合金とからなる下側電極１０１が形成されて、面発光型半導体レーザ装置が完成する。
【００７３】
以上、本実施例の構成要素および製造プロセスについて一通り説明したが、本実施例の主たる構造上の特徴は次の点にある。
【００７４】
（Ａ）量子井戸活性層
量子井戸活性層１０５は、ｎ−型ＧａＡｓウエル層とｎ−型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層から成る。本実施例の場合は、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層となっている。ウエル層の膜厚は、４０〜１２０オングストローム，好ましくは６１オングストローム、バリア層の膜厚は４０〜１００オングストローム，好ましくは８６オングストローム、ウエル層の総数は３〜４０層，好ましくは２１層である。これにより、面発光型半導体レーザ装置の低閾値化、高出力化、温度特性の向上、発振波長の再現性の向上が達成できる。
【００７５】
（Ｂ）埋込み絶縁層
埋込み絶縁層は、熱ＣＶＤ法により形成された膜厚の薄いシリコン酸化膜（第１絶縁層）１０７と、その上に埋め込まれた第２絶縁層（具体的な材料は上述の説明を参照）１０８との２層構造から構成されている。この構造において、薄い第１絶縁層１０７を形成する理由は、その後に形成する第２絶縁層１０８は不純物（例えばナトリウム、塩素、重金属、水等）を多く含有しているので、その不純物が第２クラッド層１０６中や量子井戸活性層１０５中へ熱等により拡散することを阻止するためである。したがって、第１絶縁層１０７は、不純物を阻止できるだけの膜厚であればよい。また、この薄い第１絶縁層１０７は、熱ＣＶＤにより形成するので、その膜質は、その後形成される第２絶縁層１０８と比較するとち密である。本実施例においては、第１絶縁層１０７は、熱ＣＶＤにより形成されるため、素子への熱の影響を考慮して、この第１絶縁層１０７を厚くして１層とするのではなく、薄い第１絶縁層１０７と、膜質がち密でなくても、より低温で形成できる第２絶縁層１０８との２層構造とした。
【００７６】
また、本実施例においては、埋込み絶縁層が量子井戸活性層１０５に至らない状態、つまり、共振器部１１４以外の領域において、第１絶縁層１０７と量子井戸活性層１０５との間に、第２クラッド層１０６を所定の厚さ（ｔ）だけ残すことも特徴である。この残す膜厚ｔは、後述する理由により、好ましくは０〜０．５８μｍ、さらに好ましくは０〜０．３５μｍに設定される。これにより、面発光型半導体レーザ装置において、活性層内に有効に電流が注入され、高効率化、高信頼性化が達成できる。
【００７７】
（Ｃ）誘電体多層膜ミラー
誘電体多層膜ミラー１１１は、ＳｉＯ２等のＳｉＯｘ層とＴａ２Ｏ５層とを交互に積層し波長８００ｎｍ付近の光に対し９８．５〜９９．５％の反射率を持つ７ペアの誘電体多層膜から形成されている。前記Ｔａ２Ｏ５層は、その代わりに、ＺｒＯｘ膜、ＺｒＴｉＯｘ膜およびＴｉＯｘ膜のいずれかで構成されていてもよい。また、前記ＳｉＯｘ層は、その代わりに、ＭｇＦ２膜、ＣａＦ２膜、ＢａＦ２膜およびＡｌＦ２膜のいずれかで構成されていてもよい。これにより、面発光型半導体レーザ装置の低閾値化、外部微分量子効率の向上が達成できる。
【００７８】
この点をさらに詳しく説明する。本実施例の面発光型半導体レーザ装置の特徴は、ｎ型ＤＢＲミラー１０３と誘電体多層膜ミラー１１１を用いてレーザ共振器を構成し、例えば図４６の従来技術に見られるｐ型ＤＢＲミラーを含んでいないことである。つまり、この従来例では、ｐ型ＤＢＲミラーの反射率を大きくするためにミラーの層数を多くする必要があり、ｐ型ＤＢＲミラーの抵抗が非常に大きくなるという問題点を有している。それに対して、本発明の実施例では、ｐ型ＤＢＲミラーを用いることなく誘電体多層膜ミラー１１１を用いることを特徴としている。これによって以下の効果が得られる。
【００７９】
（１）本実施例の装置においては、注入電流はコンタクト層１０９および第２クラッド層１０６を通して流れるので、大きな抵抗を持つことはない。
【００８０】
すなわち、デバイスのシリーズ抵抗を下げることができ、閾電流値（Ｉｔｈ）における電圧（以下、これを「閾値電圧」と言い「Ｖｔｈ」と表記する）を下げることができる。これにより注入電流によるデバイスの発熱を抑える事ができ、その結果外部微分量子効率を上げ、発振可能な光出力を向上させることが可能である。
【００８１】
（２）誘電体多層膜ミラーを、クラッド層，活性層等の結晶成長後に形成するので、共振器長を共鳴条件に正確に合わせ込んだ面発光型半導体レーザ装置の製造が可能である。共振器長の制御については、後に詳述する。
【００８２】
次に、図２に、本発明の図１に示した実施例の面発光型半導体レーザ装置と図４６に示した従来例の面発光型半導体レーザ装置のそれぞれの注入電流と光出力との関係を示す特性（以下これを「Ｉ−Ｌ特性」と記す）、および注入電流と順方向電圧の関係を示す特性（以下これを「Ｉ−Ｖ特性」と記す）をまとめて示してある。図２において、実線で示した曲線が本実施例のＩ−Ｌ特性２０１とＩ−Ｖ特性２０２を示し、破線で示した曲線が従来例のＩ−Ｌ特性２０３とＩ−Ｖ特性２０４を示している。両者のＩ−Ｖ特性を見れば明らかなように、デバイスの抵抗には大きな差がある。従来例のｐ型ＤＢＲミラーを用いた場合に比べて、本実施例のデバイス抵抗は一桁以上小さいことが判る。従来例ではデバイス抵抗は約６００Ωであるのに対し、本実施例のデバイス抵抗は約５０Ωである。また、閾値電圧Ｖｔｈ（Ｉ−Ｌ特性のＩｔｈの電流値に対するＩ−Ｖ特性の電圧値）は、従来例では約４．０Ｖであるのに対し、本実施例では約１．９Ｖと１／２以下の低い値である。これにより、本実施例の面発光型半導体レーザ装置は、デバイスの注入電流による発熱は抑えられ、高い電流領域まで熱飽和することなく光出力が得られることになる。
【００８３】
また、図２のＩ−Ｌ特性を見れば明らかなように、従来例のＩ−Ｌ特性２０３では、デバイス抵抗が高いために、それによる発熱のため６ｍＡ程度で光出力が飽和してしまい、０．４ｍＷ程度の光出力が得られる程度である。これに対して、本実施例のＩ−Ｌ特性２０１では、１０ｍＡ程度まで光出力が飽和することなく、１．２ｍＷの出力が得られている。
【００８４】
図４は、本実施例における面発光型半導体レーザ装置の注入電流と光出力の関係を示すＩ−Ｌ特性図である。このＩ−Ｌ特性を求めるために用いたサンプルは、図１および図３に示す構成の面発光型半導体レーザ装置において、Ｄｗ＝６μｍ（レーザ光が放射される部分、つまり開口部１１３の直径）、Ｄａ＝８μｍ（共振器部１１４の直径）、量子井戸活性層１０５中のＧａＡｓウェル層の膜厚が６１オングストローム、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層の膜厚が８６オングストローム、発振波長が８００ｎｍとしたものである。４０１の特性曲線は、上述の構成を有する面発光型半導体レーザ装置をパルス幅２００ｎｓｅｃ、繰り返し周波数１０ｋＨｚのパルス電流でパルス駆動した場合の結果であり、４０２の特性曲線は、上述の構成を有する面発光型半導体レーザ装置を直流電流で連続駆動した場合の結果を示している。両者ともに明瞭な閾値を持ってレーザ発振を開始し、連続駆動の場合の閾電流は２ｍＡと低い。そして、パルス駆動の場合の方が、連続駆動の場合より閾電流が低く発振した後の外部微分量子効率も高い。連続駆動の場合には、注入電流による素子の温度上昇の影響が大きく、注入電流を増していくとＩ−Ｌ特性の直線性が悪くなることが判る。実用的な面発光型レーザ装置を実現するためには、閾電流値が低く、かつ外部微分量子効率の高い特性が得られるようにして、その結果駆動電流値をできるだけ下げることが重要である。
【００８５】
以下に、本発明による実施例をさらに詳細に説明し、その駆動電流を下げることが如何に可能であったかを、図５Ａおよび図５Ｂを用いて説明する。図５Ａに示す面発光型半導体レーザ装置は比較用デバイスである。
【００８６】
図５Ａにおいて、図１の正面からみた断面図と異なる部分は、埋込み絶縁層が量子井戸活性層１０５まで到達していることである。つまりこの図は、塩素イオンを用いた反応性イオンビームエッチング法によって、コンタクト層１０９と第２クラッド層１０６と量子井戸活性層１０５と一部のｎ型クラッド層１０４をエッチングし、その周囲をシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ膜）からなる第１絶縁層１０７とポリイミドからなる第２絶縁層１０８とで埋め込んだ面発光型半導体レーザ装置の断面構造図を示す。
【００８７】
図５Ｂは、図１の正面からみた断面図と構造的には同様のものである。つまり、エッチングが図５Ａのように量子井戸活性層１０５まで到達せず、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層からなる第２クラッド層１０６の途中迄で止めて、その周囲を図５Ａと同様に埋め込んだ面発光型半導体レーザ装置の断面構造図を示す。そして、図５Ｂに示す様に第２クラッド層１０６のエッチング残り膜厚を「ｔ」と表記する。
【００８８】
図５Ａの構造にすると、どの様な問題が発生するか、図６の実験結果に基づいて以下に説明する。
【００８９】
図６の６０１で示した直線は、図５Ａに示した構成の面発光型半導体レーザ装置の閾電流密度（発振閾電流値Ｉｔｈを共振器部の面積（直径はＤａである）で割った値；「Ｊｔｈ」と記す）と１／πＤａとの関係を示したものである。この場合、開口部の直径Ｄｗは６μｍと一定にして、共振器部の直径Ｄａだけを変えたレーザ素子を複数作製し、そのＩｔｈを測定して、Ｊｔｈを求めたものである。図５Ａの様に量子井戸活性層１０５を切って、その側面が第１絶縁層１０７と接触している場合には、その接合面で界面再結合電流が流れ、その成分が洩れ電流としてＩｔｈを増加させる。Ｊｔｈは界面再結合電流がある場合、次の式（１）のように表される。
【００９０】
【数１】
【００９１】
ここでＪ０は洩れ電流が無いときの閾電流密度、ｅは電子の電荷量、Ｎｔｈは閾キャリア密度、ｄａは活性層の膜厚、ｖｓは界面再結合速度を表す。式（１）から明らかなように界面再結合電流が存在すると、Ｊｔｈは、共振器部の直径Ｄａの逆数に比例する成分を持ち、界面再結合電流が大きいほど（１／Ｄａ）に対する変化率は大きい。界面再結合電流は非発光の洩れ電流であり、これが大きいとＩｔｈを増大させ且つ電流を流した時に素子の発熱を生じせしめ、発光効率を減衰させるという悪影響を及ぼす。
【００９２】
それに対し、図６の６０２の直線は、図５Ｂで示された構造の本実施例の面発光型半導体レーザ装置に対する同様な測定の結果である。図６から明らかなように、図５Ｂの量子井戸活性層１０５までエッチングを進めない場合、つまり量子井戸活性層と埋込み絶縁層との界面が存在していない場合、Ｊｔｈは（１／Ｄａ）にほとんど依存しなくなり、閾電流値も減少する。従って、共振器部を形成するときに、第２クラッド層１０６に残り膜厚ｔを設け、界面再結合電流をなくすことが、面発光型半導体レーザ装置の構造上、特に重要なことであることが判る。
【００９３】
ただし、その第２クラッド層１０６の残り膜厚ｔは、厚くなりすぎると注入キャリアの拡がりが大きくなってＩｔｈの増大をまねく。従って、適当な厚さでエッチングをストップさせる必要があり、さらに量子井戸活性層１０５との境界でピタリとエッチングを終えること、つまり第２クラッド層の残り膜厚ｔ＝０となることが最も好ましい。これには製造技術上困難を伴う場合があるが、理論的には問題ない。つまり、その下の活性層を実質的にエッチングしなければよいのである。
【００９４】
図７には、本発明の実施例における第２クラッド層１０６のエッチングの残り膜厚ｔの異なる複数の面発光型半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性をまとめて示してある。このＩ−Ｌ特性を求めるにあたって、共振器部１１４の直径Ｄａは８μｍ、開口部１１３の直径Ｄｗは６μｍ、量子井戸活性層１０５の量子井戸（ウエル）は２１層から成り、残り膜厚ｔを変えて複数の素子（発振波長；８００ｎｍ）を作製し、連続駆動の条件で測定した。図７から明らかなように、ｔが０．６２μｍより大きくなるとＩｔｈは１０ｍＡ以上となり、また外部微分量子効率が低下して光出力がすぐに熱飽和を起こす。
【００９５】
さらに、このクラツド層の残り膜厚ｔの好ましい数値範囲について、図８を用いて説明する。
【００９６】
図８において、縦軸は外部微分量子効率を示す傾き（スロープ効率）の値を示し、横軸はクラッド層の残り膜厚ｔを示す。スロープ効率が０．１（つまり１０％）であるということは、１０ｍＡの電流でも１ｍＷの光出力しか得られないことになる。一般的に、この１０ｍＡという電流値は、レーザ素子が熱飽和する電流値に近い電流値であり、ほとんど限界に近いものである。従って、実用上要求される傾きは０．１以上であり、図８からスロープ効率が０．１の時の残り膜厚ｔは、約０．５８μｍとなり、このことから好ましい残り膜厚ｔは、０〜０．５８μｍとなる。さらに、面発光型半導体レーザ装置を、たとえばプリンターに用いる際に必要な光出力は好ましくは２ｍＷ、さらに好ましくは２．５ｍｗであることから、好ましい残り膜厚ｔは０〜０．４μｍ、さらに好ましくは０〜０．３μｍである。
【００９７】
本発明の特徴的な構成要件は、量子井戸活性層１０５の構造にあることは、前に簡単に説明した。これを次に詳細に、図９を用いて説明する。
【００９８】
図９は、本発明の一実施例におけるＭＯＶＰＥ法によって結晶成長した単一量子井戸構造からの光励起による発光スペクトルの測定結果を示す図である。サンプルは、ＧａＡｓ単結晶基板上に膜厚５００オングストロームのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層を介して膜厚の異なる単一量子井戸層をそれぞれ結晶成長させたものである。測定は、サンプルを液体窒素温度（７７Ｋ）に冷却し、３００ｍＷのアルゴンレーザ光を照射して、発光した光を分光器でスペクトル分解受光して行なった。量子井戸の膜厚が薄い程、エネルギー準位が高くなり、短波長に鋭い発光スペクトルが観測された。図９には、各量子井戸膜厚に対応する発光のピーク波長（図中の、左のピークから１７，３３，５５，１１５オングストローム）とその半値幅（同じく８．３，９．６，７．８，５．６ｍｅＶ）を記してある。
【００９９】
また、図１０の実線１００１は、量子井戸膜厚（横軸）と、それに対応するピーク波長（縦軸）の関係を理論計算より求めた結果であり、ドット（●）は図９の測定結果をプロットしたものである。この図から実測値と理論計算とは、ほぼ一致した結果となっており、量子井戸構造が理論に近い形で作製されていることが判る。
【０１００】
図１１に、前記量子井戸からの発光強度の半値幅と量子井戸幅の関係を、理論的に求めた結果および測定結果で表す。図１１の１１０１で示す破線は理論的に計算される半値幅であり、１１０２の破線は、量子井戸幅に１原子層の凹凸があった場合に、井戸幅に対して半値幅が、どの程度広がるかを理論的に計算した結果を示している。また、１１０３の実線およびドット（●）は実測値を示している。このように、図１１から明らかなように、本実施例では１原子層分のゆらぎがある場合よりも半値幅は充分狭く、理想的な量子井戸に近いものが出来ていることが判る。
【０１０１】
この様な、１原子層のゆらぎもない量子井戸構造を作る為には、ＭＯＶＰＥ法の結晶成長装置を工夫して用いることによって製造可能である。
【０１０２】
前述のように、単一量子井戸が作製可能であると、これを連続して積層して多重量子井戸を作製することが可能となる。面発光型半導体レーザ装置の量子井戸活性層としては、光の増幅が起こるためには、注入したキャリアが活性層内に閉じこもり、量子井戸層内に注入キャリアを分布させることが必要である。
【０１０３】
更に、面発光型半導体レーザ装置の構造において、低い閾電流を達成するには、共振器内部における定在波を考慮した活性層の膜厚を最適化する必要がある。図１２は活性層の全膜厚に対して面発光型半導体レーザ装置の閾電流密度（Ｊｔｈ）の変化の様子を理論的に計算したものである。図１２には、図１のＤＢＲミラー１０３の反射率をＲr、誘電体多層膜ミラー１１１の反射率をＲｆとし、ミラー１０３，１１１でつくられるファブリ・ペロ−共振器の平均反射率Ｒｍ（＝（Ｒｒ・Ｒｆ）１／２）を変化させた場合を示している。Ｊｔｈは下記の式（２）で表される。
【０１０４】
【数２】
【０１０５】
ここでｅは電子の電荷量、ｄは活性層の膜厚、Ｌは共振器の長さ、ξは光の閉じ込め係数、αａｃは活性層の光損失、αｉｎはキャリアが注入されていない状態での損失、αｅｘは活性層以外の共振器部の損失、およびＡ０は定数を表す。図１２は、上記理論式に基づいて、活性層の全膜厚と閾電流密度の関係を示したものであり、実線は共振器での定在波の分布を考慮しない場合、破線は定在波の分布を考慮した場合の計算結果である。図１２においては、平均反射率Ｒｍが０．９８，０．９９，０．９９５の場合の結果を示し、●は活性層の膜厚が０．１３μｍ、Ｒｍが０．９８の場合の面発光レーザの実測値、■は活性層の膜厚が０．２９μｍ、Ｒｍが０．９９の場合の実測値をそれぞれ示している。それぞれの実測値は理論値に良く合致している。この活性層を量子井戸構造にすることで、閾電流は更に低下し、実際にＤａ＝８μｍの時にＩｔｈ＝２ｍＡが得られた。
【０１０６】
この様に、面発光型半導体レーザ装置の低閾値化を達成する為に必要な活性層の条件としては、以下の２点が必要である。
【０１０７】
（１）活性層が量子井戸構造であり、それが単原子以下の平坦性（凹凸）のある、急峻な井戸であること。
【０１０８】
（２）量子井戸活性層の全膜厚が共振器内の定在波分布を考慮した閾値電流密度の最小値をとる値、例えば、０．２７〜０．３３μｍの範囲あるいは０．６５〜０．７５μｍの範囲に設定されること（図１２参照）。
【０１０９】
量子井戸の膜厚はレーザ発振の発振波長によって設定するので、全膜厚は量子井戸を繰り返し形成して、その井戸数を変えることで制御する。例えば８００ｎｍの発振波長で発振する面発光型半導体レーザ装置を製作する場合には、量子井戸層はＧａＡｓで膜厚６１オングストローム、バリア層はＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓで膜厚８６オングストロームとし、２１対の多重量子井戸構造を形成すればよい。
【０１１０】
次に、活性層におけるウエル層の数について、図４７を参照して説明する。
【０１１１】
図４７は、ウエル層の数がＩ−Ｌ特性に与える影響を示したものである。つまり、図４７中の曲線ａ〜ｈは、所定の膜厚（ｄａ）を有する活性層のウエル層の数をそれぞれ１，２，３，１２，２１，３０，４０および５０とした場合のＩ−Ｌ特性を示す。前記膜厚（ｄａ）は、図１２に示した条件を満たす。曲線ａ〜ｅで示す活性層の膜厚は０．３μｍであり、曲線ｆ〜ｈで示す活性層の膜厚は０．７μｍである。
【０１１２】
そして、活性層におけるウエル層の占める膜厚の総計はその数によって異なるが、バリア層の膜厚の総計をコントロールすることによって活性層の膜厚を所定の値に設定することができる。例えば、バリア層を所定の膜厚で等間隔で形成することができない場合には、図４８に示すように、もっとも外側に位置するバリア層Ｂ１，Ｂ２の膜厚をそれ以外のバリア層の膜厚より大きくすることによって活性層全体の膜厚を規定することができる。
【０１１３】
図４７より、閾値電流を低くするためにはウエル層の数を少なく、光出力を大きくするためにはウエル層の数を多くすることが有効であることがわかる。つまり、レーザ発振をするためには、ウエル層の数を１〜４０とし、１ｍＷ以上の光出力を得るためにはウエル層の数を３〜３０とする必要がある。したがって、本実施例において適切なウエル層の数は３〜３０である。
【０１１４】
次に、クラッド層のバンドギャップの大きさがレーザ発振特性に及ぼす影響について詳述する。図１３は、ＧａＡｓ単結晶基板上に結晶成長した面発光型半導体レーザ装置用ウエハの各成長層ＡｌｘＧａ1−ｘＡｓのＡｌ組成を示したものである。ＡｌＧａＡｓはＡｌの組成比が高いほどバンドギャップが大きいので、図１３はバンドギャップの変化の様子を表していることにもなる。クラッド層のバンドギャップによって活性層に注入されたキャリアは閉じ込められ、キャリアの閉じ込めがよいほどデバイスの温度特性は向上する。図１３中のｎ型クラッド層と第２クラッド層のＡｌ組成ｘを０．５にした面発光型半導体レーザ装置と、ｘを０．７にした面発光型半導体レーザ装置を作製し、両者の特性を比較してみた。サンプルは、クラッド層の組成以外は全く同じ条件で作製され、量子井戸活性層はＧａＡｓ膜厚６１オングストロームの量子井戸層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓで膜厚８６オングストロームのバリア層とを２１対重ねた多重量子井戸構造、誘電体多層膜ミラーはＳｉＯｘとＴａ２Ｏ５を８対積層して８００ｎｍの波長において９９．０％の反射率を有し、Ｄａは８μｍ、Ｄｗは６μｍである。
【０１１５】
図１４は２つのタイプの面発光型半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性を示す図である。図において曲線１４０１は第１および第２クラッド層がＡｌ組成０．５の面発光型半導体レーザ装置の特性を示し、曲線１４０２は第１および第２クラッド層がＡｌ組成０．７の面発光型半導体レーザ装置の特性を示している。両者共に室温連続駆動の条件で電流を流している。図１４から明らかなようにクラッド層のＡｌ組成の大きい方が外部微分量子効率が高く、２倍以上のレーザ光出力を取り出すことが可能である。これはクラッド層のポテンシャルバリアにより注入キャリアの活性層内への閉じ込めが有効に働いていることを示す。
【０１１６】
さらに、クラッド層のＡｌ組成について図１５を用いて説明する。図１５において、縦軸は外部微分量子効率（Ｉ−Ｌ特性の傾き）を表す値（スロープ効率）を示し、横軸はクラッド層中のＡｌ組成を示している。前述の図８においても説明したように、通常外部微分量子効率は０．１以上である必要がある。このことから、クラッド層のＡｌ組成は、０．４以上が好ましい。そして、面発光型半導体レーザ装置をプリンターに用いる際には、必要な光出力は２ｍＷ以上であることから、好ましいクラッド層のＡｌ組成は０．６５以上であり、さらに好ましくは０．７〜０．８程度である。
【０１１７】
次に、更なる低閾値化を達成するために必要な条件について詳述する。図１の誘電体多層膜ミラー１１１は、レーザ発振波長に対して９８．５〜９９．５％の反射率を有する必要がある。反射率が９８．５％より低いと、図１２の理論計算から明らかなように発振閾電流が大幅に増大してしまう。逆に９９．５％よりも大きいと光出力が外部に取り出しにくく、外部微分量子効率が低下してしまう。従って、前述の反射率になるように誘電体多層膜ミラー１１１の対数を決定して薄膜形成する。更に、誘電体の材料に、レーザ発振波長に対して光の吸収損失が少ない特性のものを使用することが、閾値を低くし外部微分量子効率を向上させるために重要な要件である。
【０１１８】
図１６は、実線１６０２で示す、誘電体多層膜ミラーとして非晶質ＳｉとＳｉＯｘの多層膜ミラーを形成した面発光型半導体レーザ装置と、実線１６０１で示す、誘電体多層膜ミラーとしてＺｒＴｉＯｘとＳｉＯｘの多層膜ミラーを形成した面発光型半導体レーザ装置とのＩ−Ｌ特性を各々示す。さらに具体的には、図中の実線１６０１は、誘電体ミラーとしてＳｉＯｘ／ＺｒＴｉＯｘ多層膜を８対形成し、その反射率が９９．０％の面発光型半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性を示し、実線１６０２は、誘電体ミラーとしてＳｉＯｘ／非晶質Ｓｉ多層膜を４対形成し、その反射率が９８．７％の面発光型半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性を示す。図１６から明らかなように、ほぼ同一の反射率を有する誘電体多層膜ミラーに対して、外部微分量子効率と発振可能な光出力は大きく異なる。これは非晶質Ｓｉの８００ｎｍの波長に対する光吸収係数が４０００ｃｍ−１であるのに対して、ＺｒＴｉＯｘの同波長に対する光吸収係数が５０ｃｍ−１と小さいことによる。
【０１１９】
表１に、電子線蒸着法（以下ＥＢ蒸着法と記す）により形成した誘電体薄膜の波長８００ｎｍに対する屈折率と光吸収係数を示す。
【０１２０】
【表１】
【０１２１】
この表１のうちＺｒＴｉＯｘは、ＺｒＯｘ中にＴｉがＺｒに対して約５％のモル比で薄膜中に含まれた誘電体材料である。反射ミラーを形成するためには、発振波長λに対してλ／４ｎ（ｎは誘電体材料の屈折率）の膜厚にして、低屈折率の誘電体と高屈折率の誘電体を交互に積層する。反射率を大きくするには積層する対数を増やせば反射率は増大していくが、光の吸収損失を持っていると反射率は上がらなくなる。
【０１２２】
次に、表２に各誘電体の組合せによるミラーの膜厚と対数およびλ＝８００ｎｍにおける反射率の計算値とＥＢ蒸着によって製作した各誘電体ミラーの反射率を示す。
【０１２３】
【表２】
【０１２４】
上記表２の反射率の計算値は、表１の光吸収係数を考慮した結果である。表２から判るようにａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）の様な大きな吸収係数を持った誘電体材料を用いると反射率を上げることが難しい。以上述べた様に、本発明の実施例の面発光型半導体レーザ装置に用いる誘電体多層膜ミラーは、閾電流値を下げ発光効率を上げるために、発振波長に対して１００ｃｍ−１以下の光吸収係数を有する誘電体材料を用いてミラーを形成することが好ましく、より好ましくは６０ｃｍ−１以下の光吸収係数であることがよい。
【０１２５】
次に、発振閾値が低く、効率の高い面発光型半導体レーザ装置を実現するために必要な更なる条件について説明する。
【０１２６】
図１７Ａは、図１に示した本発明の実施例を示す面発光型半導体レーザ装置の断面構造を模式的に示した図である。図１７Ａ中、図１と同じ符号は同一の構成をさし、１７０１はほぼ共振器長を示し、１７０２は注入電流の流れを模式的に示している。面発光型半導体レーザ装置は、誘電体多層膜ミラー１１１とＤＢＲミラー１０３との間でファブリ・ペロー共振器を形成し、この共振器内に立つ定在波の波長で発振する事が可能である。共振器長１７０１は、誘電体多層膜ミラー１１１とＤＢＲミラー１０３との間の膜厚でほぼ決定されるが、ＤＢＲミラー１０３への光の侵入があるので実効的な共振器長（以下これを「Ｌｅｆｆ」と記す）は１７０１で示す長さより長いものになる。この実効的な共振器長Ｌｅｆｆは、反射率を調べることで直接に測定することが可能である。
【０１２７】
図１７Ｂは、図１および図１７Ａに示す本実施例の面発光型半導体レーザ装置を形成するための半導体層を有するウェハ（以下、単に「半導体積層ウェハ」ともいう）を用いて形成されたストライプ型の端面発光型半導体レーザ装置の一例を示す。すなわち、この端面発光型半導体レーザ装置２００は、図２２Ａに示したように、基板１０２上に、ＤＢＲミラー１０３、第１クラッド層１０４、量子井戸活性層１０５、第２クラッド層１０６およびコンタクト層１０９が積層された半導体積層ウェハの一部を切り出し、さらにコンタクト層１０９上に絶縁層１２０および上側電極１２１を形成し、基板１０２の下に下側電極１０１を形成することにより、得られる。この端面発光型半導体レーザ装置は、後述する利得のピーク波長を求めるためのサンプルとなる。また、端面発光型半導体レーザ装置としては、ストライプ−埋め込み型端面発光レーザおよびメサ−ストライプ型端面発光レーザ等を用いることもできる。
【０１２８】
図１８は、ＤＢＲミラーの反射率スペクトル（曲線１８０１）と、ウエハ（半導体積層ウェハ）の反射率スペクトル（曲線１８０２）と、前記端面発光型半導体レーザ装置２００の発振スペクトル（曲線１８０３）を測定した結果を示したものである。図１８において、曲線１８０１および１８０２に対する縦軸は反射率を示し、曲線１８０３に対する縦軸は発光強度を示し、横軸は波長を示す。
【０１２９】
曲線１８０１においては、反射率が９９．２％以上の領域は波長７９２ｎｍから８３３ｎｍまである。この半導体積層ウエハの場合、面発光型半導体レーザ装置の発振波長を８００ｎｍに設計してある。
【０１３０】
面発光型半導体レーザ装置の低閾値化と高効率化を達成するためには、この３つのスペクトルが特定の条件を満足する必要がある。
【０１３１】
［第１の条件］
まず第１の条件は、発振波長に対してＤＢＲミラーの反射率が充分に高い必要がある。ＤＢＲミラーの反射率のピークはＤＢＲミラーを構成する半導体層（Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ／Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ）の膜厚を正確に制御する事によって得られ、ピーク反射率の値はＤＢＲミラーの対数を多くする事によって上げることが出来る。ところで、通常ウエハ面内で結晶層の膜厚は完全に均一ではないので、ＤＢＲミラーの反射率スペクトルはウエハ面内で短波長側と長波長側に分布を持っている。従って、Ａｌ０．８Ｇａ０．２ＡＳ／Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５ＡＳのＤＢＲミラーの反射率は、発振波長に対して±２０ｎｍの領域で少なくとも９９．２％以上の反射率を持っていないと、ウエハ面内でレーザ発振を起こさない領域が生じてしまう事になる。本実施例においてはＤＢＲミラーとして４０ペアの半導体層を積層してあるので、図１８の曲線１８０１から明らかなように、ウエハ面内で例えば±２．５％の膜厚の分布があっても、狙った発振波長でレーザ発振を起こさせることが可能である。
【０１３２】
また、ＤＢＲミラーの反射率は、ミラーを構成する半導体層（Ａｌ０．８Ｇａ０．２ＡＳ／Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５ＡＳ）の各層のドーピング量によっても変動する。これは、各層のドーピング量が増加すると、発生する自由キャリアによる光の吸収損失が無視できなくなるためである。
【０１３３】
特に、本実施例におけるＡｌ０．８Ｇａ０．２ＡＳ／Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５ＡＳのＤＢＲミラーでは、ｎ型ドーパントであるＳｅのドーピング量が１×１０１９ｃｍ−３より多くなると、ペア数を４０ペアにしても上記の設定波長±２０ｎｍで９９．２％以上の反射率を得ることは難しくなる。従って、各層のドーピング量は１×１０１９ｃｍ−３以下にすることが好ましい。表３にＤＢＲミラーへの平均ドーピング量と反射率の関係を示す。
【０１３４】
【表３】
【０１３５】
しかし、ＤＢＲミラーのドーピング量を下げることは、ＤＢＲミラーの電気抵抗を高くすることになり、ＤＢＲミラー内に電流を流す面発光型レーザにおいては、素子抵抗を増加させる要因となる。本実施例の面発光型レーザは、ＤＢＲミラーを柱状にエッチングをしない構造であるため、駆動電流はＤＢＲミラー全体に広がり、ＤＢＲミラーの抵抗増加によるレーザ素子の抵抗増加への影響は少ない。しかし、ＤＢＲミラー各層へのドーピング量が５×１０１６ｃｍ−３より少なくなると、本実施例の構造においてもＤＢＲミラーの抵抗が、上部コンタクト層と電極のコンタクト抵抗とほぼ同程度の大きさとなるため、素子抵抗への影響を無視できなくなる。従って、ＤＢＲミラーを構成する各層へのドーピング量には好適な範囲が存在し、その範囲は、５×１０１６ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下となる。また、１つの基板から発振波長の異なる面発光型レーザを作製するといった発振波長の自由度などから、より好適には５×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下にすることが望ましい。
【０１３６】
更に、本実施例におけるＤＢＲミラーについては、ドーピング量に関し以下の構成を有することが望ましい。すなわち、ＤＢＲミラーを構成する第１の層（アルミニウムの濃度が高い層）と、この第１の層よりもバンドギャップが小さく屈折率の異なる第２の層（アルミニウムの濃度が低い層）との界面近傍のキャリア濃度を界面近傍以外の領域よりも高くすることが望ましい。ここで「キャリア濃度」とは、不純物のドーピングによって発生した電子または正孔等のキャリア濃度をいう。キャリア濃度は、ドーピング量を変えることにより変化させることができる。具体的には、界面近傍のキャリア濃度の最大値は、界面近傍以外のキャリア濃度の最小値の１．１倍以上、１００倍以内の値を取ることが好ましい。また、界面近傍のキャリア濃度の最大値は、５×１０２０ｃｍ−３以下の値を取ることが好ましい。
【０１３７】
このようにＤＢＲミラーを構成する第１の層と第２の層とのヘテロ界面に、キャリア濃度の高い部分を形成することにより、電子および正孔のトンネル伝導を増進させることができ、従って不連続なバント構造が改善され、低抵抗のＤＢＲミラーを構成することができる。また、このようなヘテロ界面でのキャリア濃度を高くすることによってミラーの屈折率分布は大きく影響されないので、ミラーの反射率が低下することはない。
【０１３８】
次にこのようなＤＢＲミラーを製造するにあたっては、ドーパント原料を経時的に変化させる方法、所定のタイミングで成長表面に紫外線を照射する方法、経時的にＶ族原料とIII族原料との比率を変化させる方法、などを採用することにより、キャリア濃度を所定の界面近傍においてのみ高くすることができる。
【０１３９】
以下に、実験データによりこのようなＤＢＲミラーについてさらに詳細に説明する。
【０１４０】
まず、ＤＢＲミラーの成長プロセスについて述べる。図３５は、ＤＢＲミラーの原料であるＴＭＧａとＴＭＡｌの流量変化およびｎ型ドーパントの原料であるＨ２Ｓｅの流量変化を示したタイミングチャート図である。この例においては、ＴＭＧａを一定に供給していることから、ＴＭＡｌ流量の高い成長部分がｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層を、ＴＭＡｌ流量の低い成長部分がｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層を構成することになる。ここで、各層の厚みは、層中を伝搬する波長８００ｎｍの光の１／４波長分になるように制御されている。また、ドーパントとしてのＨ２Ｓｅ流量の高い部分はｎ型キャリアを高濃度にドープさせたい成長部分を、またＨ２Ｓｅ流量の低い部分はｎ型キャリアを低濃度にドープさせたい成長部分を示している。流量の変化は、ＭＯＶＰＥ装置において、Ｈ２Ｓｅ流量の高いラインと低いラインとをコンピュータ制御のバルブを切り替えることによって、所定の界面へのドーパント量を制御している。また、この実施例では、ドーパントＳｅ量の高い部分はＴＭＡｌ流量の高い成長部分、すなわちｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層中のｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層との界面近傍において形成され、そしてＳｅの濃度は、ＴＭＡｌ流量の低い成長部分、すなわちｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層との界面で急峻に低下するように制御されている。
【０１４１】
このようにして得られたＤＢＲミラーの一部をＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）法で評価した結果を図３６に示す。図３６において、縦軸はＡｌおよびＳｅの二次イオン数を示しており、層中に含まれる原子の量およびキャリアの数に対応している。横軸はＤＢＲミラーの一部における膜厚方向の深さを示す。
【０１４２】
図３５と図３６とを対比すると、ｎ型ドーパントであるＳｅの濃度が、第１の層（ｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層）中の第２の層（ｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層）との界面近傍において急峻に増加しており、所定通りのドーピングが行われていることが確認された。
【０１４３】
次に、図３７に示すＤＢＲミラーのエネルギーバンドの模式図を用いて、本実施例の作用について説明する。図３７Ａは、本実施例において、Ｓｅの濃度を第１の層の第２の層との界面近傍で急峻に高めた場合を示し、図３７ＢはＨ２Ｓｅの流量を低濃度に一定に供給した以外は本実施例と同様にして作成した場合を示している。両者を比較すると、本実施例においては、界面近傍のキャリア濃度が高まった結果、伝導帯の障壁が薄くなり、その結果電子がトンネル伝導しやすくなるため多層膜に垂直な方向の電気抵抗が減少することが理解される。なお、ここでドーピングによってキャリア濃度を高めているは層の界面近傍に限定されていることから、高濃度のドーピングによる膜質の実質的な悪化はない。
【０１４４】
界面近傍のキャリア濃度を高める方法としては、上述したドーピング量を制御する方法の他に、紫外線などの光を照射する方法を用いることもできる。
【０１４５】
具体的には、キャリア濃度を高めたい部分の成長時に紫外光を照射する。図３８は、ＤＢＲミラーの成長時におけるＴＭＡｌの流量変化および光照射のタイミングチャート図である。ＴＭＡｌ流量の高い成長部分が第１の層（ｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層）を、ＴＭＡｌ流量の低い成長部分が第２の層（ｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層）を構成する。ここで、各層の厚みは、層中を伝搬する波長８００ｎｍの光の１／４波長分になるように制御されている。また、この実施例においては、紫外光の照射は、ＴＭＡｌ流量の高い成長部分、すなわち第１の層中の第２の層との界面近傍で行われている。そして、ｎ型ドーパントとしてはＨ２Ｓｅのかわりにテトラメチルシラン（ＴＭＳｉ）を用いる。
【０１４６】
このようにして得られたＤＢＲミラーの一部をＳＩＭＳ法で評価した結果を図３９に示す。図３９において、縦軸はＡｌおよびＳｉの二次イオン数を示しており、膜中に含まれる原子の量およびキャリア数に対応している。横軸はＤＢＲミラーの一部における膜厚方向の深さを示している。
【０１４７】
図３８と図３９とを対比すると、紫外光を照射した層で、ｎ型ドーパントであるＳｉの濃度が急激に増加しており、キャリア濃度の高い層となっていることがわかる。これは、以下の理由による。すなわち、ドーピング原料であるＴＭＳｉは、熱的に極めて安定で熱分解しにくいが紫外領域に吸収帯を有するため、紫外光の照射により容易に光分解が行われる。従って、紫外光を照射した場合は紫外光を照射しない場合に比べ、成長層のＳｉ濃度が急激に上昇し、実質的にｎ型ドーピング物質の供給量が増加したことになる。そして、上述したＳｅドーパントの場合と同様に、ＤＢＲミラーを構成する層の界面近傍のキャリア濃度が高まった結果、伝導帯の障壁が薄くなって電子がトンネル伝導しやすくなり、従って多層膜に垂直な方向の電気抵抗が減少することになる。また、ここでドーピングによってキャリア濃度を高めているのは層の界面近傍のみであること、更に光照射が膜質の改善に寄与することから、高濃度のドーピングによる膜質の実質的な悪化はない。
【０１４８】
上述した界面ドープにおいては、ドーパント材料としてＳｅ，Ｓｉの他にも、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ，Ｚｎ，Ｃ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａなどを用いることができる。また、ＴｅやＭｇなどのＧａＡｓ系でドーピング効率の低い材料を用いるときは、高濃度のドーピングを行いたい箇所でＶ族原料であるＡｓＨ3の流量をコントロールしてIII族原料との割合（Ｖ／III）を変えることにより、ドーピング効率を制御することができる。
【０１４９】
更に、ヘテロ界面のキャリア濃度を制御する方法としては、上述のようにバンドギャップの大きい層において界面近傍のキャリア濃度を高めることに限定されず、バンドギャップの小さい層において界面近傍のキャリア濃度を高めても良く、更にバンドギャップの大きい層と小さい層との両者における界面近傍のキャリア濃度を高めても良い。更に、キャリア濃度の分布と、多層膜の反射率，多層膜の垂直方向の電気抵抗および多層膜の結晶性との関係について詳細に検討したところ、キャリア濃度を高くする界面近傍の領域の厚さは、一対を成す、バンドギャップの大きい第１の層とハンドギャップの小さい第２の層とを合わせた厚さの１／３以内にすることが好ましい。キャリア濃度の高い領域をこれ以上の厚さにすると、結晶性が悪くなることが確認された。また、ＤＢＲミラーの抵抗を小さくするためには、高濃度のドーピングと低濃度のドーピングのタイミングを瞬時に切り替えることが望ましいが、ドーピング材料によってはこの操作によって結晶性が若干悪くなることが確認された。この場合、ドーピング量を急峻に切り替えるのではなく、界面近傍以外にドーピングするときの原料の供給量から界面近傍にドーピングするときの原料の供給量に至るまで原料の供給量を連続的に変化させることが望ましい。すなわち、界面近傍に所定のドーピング濃度でドープする前に、界面近傍のドープ時間の１／２以内の時間をかけて、ドーピング量を直線的、２次関数的もしくは３次関数的にドーピング量を変化させることにより、結晶性の低下を抑制することができる。
【０１５０】
［第２の条件］
次に、第２の条件は、前述した共振器長の中の定在波の波長が、面発光型半導体レーザ装置の発振波長になるので、実効的な共振器長は共振器内の発振波長の１／２の整数倍である（これを「モードの共鳴条件」と呼ぶ）。図１８に示す曲線１８０２を見ると、図中に示したλＥＭの波長でスペクトルに明瞭なディップが観測されることが判る。このディップは、ＤＢＲミラー上に形成された半導体層で、波長λＥＭにおいて定在波が立ち、その波長の光が共振器内で共鳴的に吸収されたことを示す。従って面発光型半導体レーザ装置用の半導体積層ウエハの反射率スペクトルを測定すれば、前述の実効共振器長Ｌｅｆｆを直接に測定できる。前述のモードの共鳴条件とは、この波長λＥＭが曲線１８０１で示すＤＢＲミラーの反射率スペクトルの高反射率帯（ピーク）の中に含まれていることを意味している。
【０１５１】
［第３の条件］
そして、第３の条件は、活性層の利得のピーク波長が、前述のモード共鳴条件における定在波の波長λＥＭに対して短波長側に位置している必要があるということである。図１８の曲線１８０３は、曲線１８０２のスペクトルが得られたのと同じ半導体積層ウェハを用いて作製された端面発光型半導体レーザ装置２００（図１７（Ｂ）参照）のレーザ発振スペクトルを測定したものである。ここで、曲線１８０２が得られる面発光型半導体レーザ装置と端面発光型半導体レーザ装置２００は、ｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層が同じ半導体層から形成されているので、曲線１８０３は、端面発光型半導体レーザ装置の活性層の利得スペクトルを表すとともに、面発光型半導体レーザの活性層の利得スペクトルも表していることになる。利得スペクトルのピーク波長を図中でλＧと表記している。λＥＭとλＧの波長の差を△λＢＳと表記する。本実施例の第３の条件は、λＧがλＥＭより必ず短波長側にあり、且つ、その差△λＢＳが２０ｎｍ以内にあることである。
【０１５２】
この第３の条件は、本願出願人が初めて明らかにする重要な特徴である。以下に、この第３の条件が、なぜ本発明の面発光型半導体レーザ装置に必要不可欠な条件であるかを詳述する。
【０１５３】
図１９Ａは、前記端面発光型半導体レーザ装置２００の発振波長とケース温度との関係を示した図である。図１９Ｂは、図１９Ａの元になった測定結果であり、各ケース温度における発振スペクトルを示したものである。ここにおいて、ケース温度とはレーザ装置が実装されているパッケージの温度であり、ケース温度とレーザ装置の温度とは実質的に同じであると考えて良い。
【０１５４】
図１９Ａから明らかなように、温度上昇に対して、発振波長がほぼ直線的に長波長側にシフトする。その変化率△λ／△Ｔは２．７８オングストローム／°Ｃである。これは温度上昇により利得スペクトルのピーク波長が長波長側にシフトする為である。
【０１５５】
一方、面発光型半導体レーザ装置の場合の発振波長とケース温度の関係を図２０Ａに示す。端面発光型半導体レーザ装置と同様に、温度上昇に対して、ほぼ直線的に発振波長が長波長側にシフトする。これは、前述した通り、面発光型半導体レーザ装置の発振波長は、実効共振器長によって決ってしまう為に、温度上昇によって共振器を構成する半導体の屈折率が変化することで発振波長が長波長側にシフトすることによるものである。ただし、その変化率△λ／△Ｔは０．４１オングストローム／°Ｃであり、前記端面発光型半導体レーザ装置に比べると約１／７と小さい。従って、面発光型半導体レーザ装置の場合には、温度上昇によって、利得スペクトルのピーク波長が、屈折率の変化による発振波長の変化よりも大きく長波長側に動くことになる。
【０１５６】
図２０Ｂは面発光型半導体レーザ装置の接合温度（ジャンクション温度）および発振波長が直流電流の注入によって、どの様に上昇するかを測定したものである。図２０Ｂから明らかなように、注入電流密度の２乗に比例して、接合温度が上昇しており、前述のケース温度の上昇と同じように、電流注入によって利得スペクトルのピークおよび発振波長が長波長側にシフトすることになる。この場合も利得スペクトルのピーク方が発振波長より大きく長波長側にシフトする。従って、電流注入によってレーザ発振を起こし、かつその閾電流を小さくして高い効率を得るためには、予め利得スペクトルのピークを、実効共振器長によって決まるレーザの発振波長より短波長側に設定する必要がある。この予め設定される波長差（△λＢＳ）を、以下「ゲインオフセット量」と表す。何故なら、利得スペクトルのピークが発振波長より長波長側にあると、電流注入によって利得スペクトルのピークが長波長側にシフトしてしまい、レーザ発振に必要な利得が減少してしまうからである。但し、利得スペクトルのピークを余りに大きく短波長側に設定すると、電流注入によって利得スペクトルのピークが長波長側にシフトしたとしても、発振波長での利得が小さくなりすぎて最初からレージングを起こさなくなってしまう。
【０１５７】
本出願人の実験によれば、ゲインオフセット量△λＢＳが２０ｎｍより大きいとレーザ発振せず、５ｎｍより小さいと光出力がすぐに飽和してしまい、したがって△λＢＳは５ｎｍから２０ｎｍの間にあることが望ましい。
【０１５８】
そして、このゲインオフセット量△λＢＳの数値範囲の根拠について、図２１を用いて説明する。図２１において、縦軸は閾値電流Ｉｔｈを示し、横軸はゲインオフセット量△λＢＳを示す。本実施例において、例えば共振器部の直径Ｄａが８μｍの場合に、電流密度を例えば最大レベルの１０ｋＡ／ｃｍ２とする閾電流は、５ｍＡである。この閾電流を考慮すると、図２１から面発光型半導体レーザ装置が連続駆動を行う限界のゲインオフセット量△λＢＳは約２０ｎｍである。一方、図２１から、ゲインオフセット量△λＢＳが約５ｎｍより小さいと閾電流が上昇し、光出力がすぐ飽和する。このことから、ゲインオフセット量△λＢＳは、好ましくは５〜２０ｎｍであり、さらに好ましくは５〜１５ｎｍであり、最も好ましくは１０〜１５ｎｍである。図２１は、共振器部の直径Ｄａおよび開口部の径Ｄｗの値を特定して得られたデータを示すが、ＤａおよびＤｗが異なったとしても本実施例のＤａおよびＤｗの範囲では発振閾電流密度はほぼ同じであるため、第３の条件はＤａおよびＤｗにほとんど依存せずに成立する。
【０１５９】
また、面発光型半導体レーザ装置の温度が変化すると、前述のように、面発光型半導体レーザの利得スペクトルのピーク波長も変化する。したがって、前述のλＧの測定は、面発光型半導体レーザ装置を使用する温度付近で測定される。
【０１６０】
以上スペクトルに関する条件について述べたが、更に、面発光型半導体レーザ装置に必要な特性として、基本横モードでレーザ発振し、それが注入電流を増加させても変化しないことが要求される。高次横モードでレーザ発振すると、放射ビームが単峰性にならずに複雑な構造を持ち、これを光学的に集光したり、結像したりすると、分布のある結像となり実用に供さない。図２４Ａ，Ｂに、本発明の構造の面発光型半導体レーザ装置の発振光の横モード特性に関する測定の結果を示す。図２４ＡはＤａ＝８μｍ、Ｄｗ＝６μｍの面発光型半導体レーザ装置の発振光の遠視野像を等高線表示した測定結果である。この場合、等高線は面発光型半導体レーザ装置からの放射角度による分布を示している。図２４Ｂは同様の測定によって得られた、Ｄａ＝１３μｍ、Ｄｗ＝１０μｍの面発光型半導体レーザ装置の場合の遠視野像の結果である。図２４Ａに示す遠視野像においては、半値放射角８度の真円状のレーザビーム形状となり、基本横モードで発振していることを示している。これに対して、図２４Ｂに示す遠視野像は、双峰状の形状となり、高次横モードで発振していることを示している。
【０１６１】
従って、図２４Ａ，Ｂから明かな様に、レーザの横モード特性は共振器径（Ｄａ）と開口部径（Ｄｗ）の大きさによって大きく異なる。前述した通り、放射光は基本横モードである必要があり、そのためには、共振器部の径をある大きさ以上にする事は好ましくない。また、発振する光の出力は、共振器の大きさが大きい程、出射面での光強度密度が小さくなるので、高い光出力を得るのに有利である。従って、共振器の大きさを小さくしすぎることも好ましくない。表４にＤａ、Ｄｗの大きさと横モードおよび発振可能な光出力の関係を示す。
【０１６２】
【表４】
【０１６３】
表４から明かな様に共振器部１１４の径Ｄａが１２μｍを越え、開口部１１３の径Ｄｗが１０μｍを越えると横モードは高次となり、放射光は単一峰とならずに複数のピークのある構造を持つ。また、Ｄａが６μｍ以下、Ｄｗが４μｍ以下であると最大光出力は０．５ｍＷ程度しか得られない。更に、Ｄａが１２μｍ、Ｄｗが８μｍであると、注入電流を増加させていくと、比較的低い電流値で横モードが高次モードに移ってしまい、光出力に不安定な領域ができる（以下、これを「キンクの発生」と記述する）。従って、本発明の実施例に於いては、Ｄａは６μｍ〜１２μｍであり、Ｄｗは４μｍ〜８μｍであることが基本横モード発振の条件であり、更に好適には、Ｄａは７μｍ〜１０μｍであり、Ｄｗは５μｍ〜７μｍである。
【０１６４】
次に、図１の第２クラッド層１０６の共振器を形成している部分の膜厚が、レーザ装置の低閾値化にどの様に影響するか、実験例に基づき説明する。図１７に示す通り、本発明の面発光型半導体レーザ装置の構造に於いては、リング状の上側電極１１２から活性層１０５に電流を注入する。レーザ発振は最も大きな利得を得る共振器中央付近で起こる。これは共振器中を往復する光は、共振器周辺部では上側電極および共振器界面における光損失が大きいため、中央付近で最大利得を得るためである。しかし注入電流は上側電極から第２クラッド層を介して活性層に流れるため、共振器内部では不均一な電流密度分布を生ずる。従って、共振器中央部でレーザ発振に充分な注入電流によるキャリア密度を得るためには、第２クラッド層の膜厚は適正に選択される必要がある。そして、前記注入キャリア密度が不十分であると、閾電流が増大する。
【０１６５】
図２５Ａは本実施例のレーザ装置で第２クラッド層１０６の膜厚が１．０μｍの場合の発光近視野像、図２５Ｂは第２クラッド層１０６の膜厚が０．３μｍの場合の発光近視野像を計測したものである。また、下段の各図は、図中のラインａ−ａおよびｂ−ｂにおける光強度を示している。図２５Ａは、レーザ発光の近視野像である。図２５Ｂは、レーザ発振に至らない、自然放出光の近視野像を示す。図２５Ｂから明かなように、第２クラッド層の膜厚が薄いと注入キャリアの不均一は大きく、上側電極１１２（コンタクト金属）に対応する位置に多く分布し、つまり、上側電極付近で注入キャリアが再結合して発光してしまい、共振器中央付近の注入キャリア密度は大きくならない。そのためにレーザ発振の閾値に達する前に、光出力は熱飽和してしまう。これに対し図２５Ａのように第２クラッド層１０６が充分な膜厚を持っていると共振器内部に均一な注入キャリア密度が得られるため、共振器中央付近において最大利得を得ることができ、レーザ発振に至っている。
【０１６６】
従って、クラッド層は、本発明の面発光型半導体レーザ装置の構造の場合、その厚さが薄くなりすぎては、注入キャリアの不均一を生じ、その結果レーザ発振の閾電流の増大を招き、レーザ発振そのものに至らない場合がある。図２６に、第２クラッド層１０６の膜厚が０．３μｍの場合と２．０μｍの場合のＩ−Ｌ特性の測定結果を示す。曲線（ａ）は膜厚が０．３μｍの場合を示し、この場合、注入電流を上げてもレーザ発振には至らず自然放出光のみで光出力は飽和してしまっている。これに対して曲線（ｂ）で示す膜厚が２．０μｍの場合、３ｍＡの閾電流値でレーザ発振を開始し、０．３５Ｗ／Ａのスロープ効率で最大光出力１．５ｍＷまで発振可能である。
【０１６７】
しかし、第２クラッド層の膜厚が厚くなりすぎると、デバイスの素子抵抗が高くなって消費電力の増大を招き、光出力の熱飽和が低い注入電流で起ってしまうという問題や、デバイス全体の膜厚が増すことによって結晶成長に長い時間を要し、ウェハの製造効率を下げるといった問題が発生する。本実施例においては、第２クラッド層の膜厚は３．５μｍ以上にすると素子抵抗が１００Ωを越え、光出力の最大値が低下する。図２７に、第２クラッド層の膜厚が２．０μｍの場合と４．０μｍの場合のＩ−Ｌ特性を示す。曲線（ａ）は膜厚が２．０μｍの場合であり、曲線（ｂ）は膜厚が４．０μｍの場合である。図２７から明かなように、第２クラッド層の膜厚が厚くなりすぎると第２クラッド層の抵抗が増し、注入電流を大きくしていくと素子の温度上昇により光出力の熱飽和が低い電流値で起るようになる。
【０１６８】
このように第２クラッド層の膜厚には最適な厚さがあり、本発明においては好ましくは０．８μｍ〜３．５μｍであり、更に好ましくは１．０μｍ〜２．５μｍである。
【０１６９】
さらに第２クラッド層内での注入キャリアを均一にし、活性層で均一な注入キャリア密度を得るためには、第２クラッド層の比抵抗を下げることも効果がある。クラッド層の膜厚が薄い場合においても、比抵抗を下げ、注入キャリアの拡散を良くすることにより、第２クラッド層の膜厚を増加したことと同様な効果が得られる。表５に第２クラッド層を構成するＡｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ層の厚さが１μｍのときの比抵抗との注入キャリアの拡散長を示す。
【０１７０】
【表５】
【０１７１】
面発光型レーザの開口部の直径Ｄｗが８μｍ程度の場合、注入キャリアの拡散長も同程度がよく、この関係を考慮すると、表５より、比抵抗は２×１０−１Ω・ｃｍ以下にすることが好ましいことがわかる。しかし、前記ＤＢＲミラー中のドーピング量の時と同様に、第２クラッド層も、ドーピング量を多くしてその比抵抗を７×１０−３Ω・ｃｍより小さくすると、ドーピングにより発生した自由キャリアによる光吸収が無視できなくなり、発光効率が低下してしまう。従って、第２クラッド層の比抵抗は、７×１０−３Ω・ｃｍ〜１×１０−１Ω・ｃｍにすることが好ましい。
【０１７２】
また、前記第２クラッド層の好ましい厚さの範囲と前記第２クラッド層の好ましい比抵抗範囲の両方を満たしていることがより好ましい。
【０１７３】
次に、前述の様な低閾電流を持ち、外部微分量子効率の高い面発光型半導体レーザ装置を実現するための製造方法について詳述する。これまで述べてきたように、結晶成長によってＤＢＲミラー層、多重量子井戸構造を形成するので、結晶成長技術が本発明の面発光型半導体レーザ装置において最も重要な要素のひとつである。結晶成長技術には、
（１）ヘテロ界面が原子層オーダーで急峻であること
（２）広い面積にわたって膜厚の均一性が高いこと
（３）膜厚、組成およびドーピング効率の再現性が高いこと
等が必要な要件である。特に（１）の界面の急峻性が、面発光型半導体レーザ装置の特性の向上の為には重要である。化合物半導体の結晶成長技術において界面の急峻性を確保する方法には、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、有機金属気相エピタキシー法（ＭＯＶＰＥ法）がある。液相エピタキシー法（ＬＰＥ法）は高純度の結晶成長が可能であるが、液相から固相への成長方法であるのでヘテロ界面の急峻性を実現する事は困難で、面発光型半導体レーザ装置の製造方法には適さない。これに対しＭＢＥ法とＭＯＶＰＥ法はそれぞれ分子線、気相から固相への成長方法であるので原理的には原子層オーダーの界面急峻性が得られる。
【０１７４】
しかしＭＢＥ法は分子線からの結晶形成であり成長速度を高めることはできず、０．１〜１オングストローム／秒といった比較的遅い成長速度しか得られず、面発光型レーザの様に数μｍ程度のエピタキシャル層を必要とする結晶成長には不向きである。またＭＢＥ法は、その製造装置の構造上、大面積において均一かつ高品質に結晶成長させることは非常に難しく、また原料の充填量の制約から、連続した結晶成長の回数にも制限がある。このことは、結晶成長のスループットを制限する点であり、基板の量産を難しくする要因となっている。
【０１７５】
これに対し、本実施例で用いているＭＯＶＰＥ法は、前述した、量子井戸構造の膜厚とピーク波長の関係（図１０参照）で示したように、ＭＢＥ法と同等の原子層オーダのヘテロ界面の急峻性が得られており、また、気相成長であるため原料の供給量を変化させることにより、０．１〜数１０オングストローム／秒の成長速度を得ることができる。
【０１７６】
また、（２）の膜厚の均一性については、成長装置の反応管形状を最適化することにより、図２８に示すように、例えば直径が３インチ円形基板のほぼ７５％の面積で、±２％の膜厚分布が得られることが確認された。
【０１７７】
（３）の再現性の点では、ＭＢＥ法やＭＯＶＰＥ法は成長の制御性が原理上よいので、膜厚、組成およびドーピング効率の再現性が高い。
【０１７８】
従って、本発明の面発光型半導体レーザ装置を実現する結晶成長方法はＭＯＶＰＥ法が好ましい。
【０１７９】
（３）の点については、ＭＯＶＰＥ法で、以下に示す製造方法を組み合わせることにより、さらに再現性かつ制御性よくエピタキシャル層を作製することができる。
【０１８０】
図２９は、ＭＯＶＰＥ法が適用され、かつ結晶成長中にエピタキシャル層の反射率を常時測定することが可能な成膜装置の一例を示したものである。この成膜装置は、横型水冷反応管を用いたＭＯＶＰＥ装置において、成長基板上部の水冷管部分を無くし、反応管外部から成長基板上に光を入れることが可能な窓をもつ構造を特徴としている。
【０１８１】
つまり、このＭＯＶＰＥ装置は、原料ガスが供給されるガス供給部１０ａおよびガス排出部１０ｂを有する反応管１０の周囲に、内部に水を通すことによって反応管を冷却する冷却部１２が設けられている。反応管１０の内部には基板Ｓを載置するためのサセプタ１４が設けられ、このサセプタ１４の基板載置面に面する部分の反応管１０壁面に窓１６が設けられている。窓１６の上方には光源１８および光検出器２０が設置され、光源１８から出射された光は窓１６を介してサセプタ１４上の基板Ｓに到達し、その反射光は再び窓１６を介して光検出器２０に到達するように構成されている。
【０１８２】
そして、光源１８からの光は基板Ｓ上にほぼ垂直（最大５°）に入射するように設定され、その反射光を光検出器２０によって測定することにより、基板Ｓ上にエピタキシャル成長を行いながら、同時に生成するエピタキシャル層の反射率の変化を測定することができる。
【０１８３】
本実施例では、ＤＢＲミラーの中心波長を発振波長とするため、光源１８としては前記中心波長８００ｎｍと同じ８００ｎｍの発振波長の半導体レーザを用いた。なお、この光源１８として８００ｎｍの波長と異なる半導体レーザや分光器等を用いた波長可変光源を用いることにより、任意の波長の反射率を測定することも可能である。
【０１８４】
前述した、ＤＢＲミラーの反射率と面発光型半導体レーザ装置の発光特性との関係（図１８参照）から、ＤＢＲミラーは所定の波長で９９．５％以上の反射率を持つことが望まれている。これを満たすためには、ＤＢＲミラーを構成する各層の厚さがλ／４ｎでなければならない。ここで、λは所定波長、ｎは所定波長での屈折率を示す。
【０１８５】
従来の結晶成長方法では、各層の膜厚は結晶成長速度と成長時間で制御している。しかし、この方法では幾つかの問題を有する。第１の問題は、この方法では結晶の成長速度を常に一定にしなければならなく、成長速度が揺らぐとＤＢＲミラーのペア数を増やしても９９．５％以上の反射率を得ることは難しいことである。また、第２の問題は、膜厚を決定する要因として、屈折率ｎの値があるが、半導体層は波長によって屈折率も変化するため、所定の波長での各層の屈折率も厳密に測定しなければならず、そしてこの測定は非常に困難であることである。さらに、第３の問題は、反射率は結晶成長終了後のウェハを反応管外に取り出して測定するので、ＤＢＲミラーより上部の構造を含んだ反射率しか測定できず、ＤＢＲミラー単体の反射率が測定できないことである。
【０１８６】
これらの問題点は、先の反射率を測定しながらＭＯＶＰＥ法でエピタキシャル成長を行なうことで解決できる。以下に、そのメカニズムを説明する。
【０１８７】
図３０は、本実施例の面発光型半導体レーザ装置を構成するＤＢＲミラー１０３を図２９に示す成膜装置を用いてＭＯＶＰＥ成長させる工程において、エピタキシャル層の反射率の経時的変化を示したものである。
【０１８８】
図３０から明らかなように、ＧａＡｓ基板上に初め低屈折率ｎ1のＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓを積層すると膜厚が増加するにつれ反射率が減少する。膜厚が（λ／４ｎ１）になると極小点（１）を向かえるので、この極小点をモニタして、高屈折率ｎ２のＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓの堆積に切り替える。そして、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層の膜厚が増加すると反射率は増加していくが、膜厚が（λ／４ｎ２）になると極大点（２）に到達するので、再び低屈折率ｎ１のＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓの推積に切り替える。この操作を繰り返すことにより、ＤＢＲミラーは、その反射率が低反射率および高反射率をくり返しながら変動し、反射率が増加していく。
【０１８９】
この反射率プロファイルは、結晶の成長速度や成長時間に依存せず、各層の膜厚および屈折率に依存している。従って、反射率プロファイルの極大点および極小点（１次微分値０）で積層する層のＡｌ組成を変更し、屈折率の違う層を交互にエピタキシャル成長させることにより、各層が理論通りの厚さ（λ／４ｎ）を持ったＤＢＲミラーが得られる。また、反射率を測定するための入力光の光源として所定の発振波長を持つ半導体レーザを選ぶことにより、λを厳密に設定できることから、各層の膜厚から屈折率ｎも求めることもできる。
【０１９０】
さらに、ＤＢＲミラー自体の反射率を結晶成長中に測定できることから、層形成中にＤＢＲミラーのペア数を変更したり、構造の最適化がはかれる。
【０１９１】
また、ＤＢＲミラーの成膜中に行われる反射率測定から得られるＤＢＲミラーの各層の成長速度を元にして、ＤＢＲミラーより上部の各層の膜厚も制御できることから、結晶成長速度を測定できない従来の成膜方法に比べ、再現性がよく、かつスループットが高い方法で、結晶成長基板を作製できる。実際に、本実施例の成長方法により、面発光型レーザ素子に必要な９９．５％以上の反射率を持つＤＢＲミラーが制御性よく得られた。
【０１９２】
上述した、層の反射率をモニタして結晶層の膜厚を制御する方法は、ＭＯＶＰＥ法だけでなく、他の成膜プロセス、例えばＭＢＥ法などにも使用できる。
【０１９３】
次に、柱状共振器部をＲＩＢＥ法で形成する工程に、上述した反射率をモニタする手段を使用した実施例について述べる。
【０１９４】
前述したように、共振器部１１４の作製には、垂直側面が得られ、かつ表面ダメージの少ない点から、ＲＩＢＥ法によるエッチングを行っている。この柱状共振器部の形成において重要なポイントは、エッチング深さ、つまり第２クラッド層１０６の残り膜厚ｔを制御することである。この残り膜厚を管理して、所定の厚さにしなければならない理由は先に記した。
【０１９５】
ＲＩＢＥ法によるドライエッチングを行いながら、残り膜厚を測定する方法を、以下に具体的に示す。
【０１９６】
図３１に、エッチングしなからエピタキシャル層の反射率を測定できるＲＩＢＥ装置の一例の概略図を示す。
【０１９７】
このＲＩＢＥ装置は、エッチング室３０に、プラズマ室４０および排気手段を構成する真空ポンプ３２が接続されている。エッチング室３０は、前記プラズマ室４０に対向する位置に基板Ｓを載置するためのホルダ３４を有する。このホルダ３４は、ロードロック室５０を介して進退自由に設けられている。エッチング室３０のプラズマ室４０側の側壁には、窓３６および３８が対向する位置に設けられている。そして、エッチング室３０内には、前記窓３６および３８を結ぶライン上に一対の反射ミラーＭ１およびＭ２が設けられている。一方の窓３６の外方には任意の波長を有する光源２６が設置され、他方の窓３８の外方には光検出器２８が設置されている。また、プラズマ室４０は、マイクロ波導入部４４および反応ガスをプラズマ室４０に供給するためのガス供給部４６および４８が連結されている。そして、プラズマ室４０の周囲にはマグネット４２が設けられている。光源２６としては、分光器を通した光等、任意の波長を有する光を用いることができる。
【０１９８】
このＲＩＢＥ装置においては、通常の方法によって基板Ｓ上に形成された結晶層をエッチングするとともに、光源２６から照射される光を窓３６および反射ミラーＭ１を介して基板Ｓ上に照射し、その反射光を反射ミラーＭ１および窓３８を介して光検出器２８によって測定することにより、基板Ｓ上の結晶層の反射率または反射スペクトルをモニタすることができる。
【０１９９】
次に、図３２Ａ〜Ｃに基づいて、エッチング中の第２クラッド層の残り膜厚ｔの測定方法を具体的に説明する。
【０２００】
エッチング前状態（図２２Ａで示す状態）での共振器を構成するエピタキシャル結晶層は、図３２Ａに示す様な反射スペクトルを示す。このスペクトルは、図１８に示されるスペクトル１８０２と同様である。そして、このスペクトルの特徴は、ある波長λｏにおいて反射率が低下すること、つまりディップ（Ｄｏ）が存在することである。
【０２０１】
このディップ（Ｄｏ）の波長λｏは、ＤＢＲミラーから上の結晶層の膜厚に対応することから、エッチングにより膜厚が薄くなると、ディップ（Ｄｏ）も短波長側に移動して波長λ′となる（図３２Ｂ参照）。
【０２０２】
さらに、長波長側に次のディップ（Ｄ１）（波長：λ″）が発生し、これが短波長側の波長λ１へと移動する（図３２Ｃ参照）。さらにエッチングを続けると、再び長波長側に新たなディップが発生し、ディップの移動と発生が繰り返えされる。エッチング前の状態から、ａ個めのディップの波長をλａとすると、この時のエッチング量△ａは下記式（３）で表される。
【０２０３】
【数３】
【０２０４】
式（３）において、Θは構造から決まる定数で、本実施例では１／２または１／４、ｎはエピタキシャル層の平均屈折率、である。
【０２０５】
このようにエッチングによりディップが短波長側にシフトして高反射率帯からはずれても、長波長側に次の縦モードに対応するディップが発生し、これがさらに短波長側にシフトするので、エッチング中に高反射率帯域に存在するディップの数および波長移動量を測定することにより、エッチング量およびエッチング速度を管理できる。したがって、第２クラッド層において所定の残り膜厚ｔを有する共振器部１１４を正確に作製することができる。
【０２０６】
また、反射スペクトルの値や形状もエッチング中に同時にモニタできるので、エッチング時の表面の汚れ、ダメージなども評価でき、これらの評価結果をエッチング条件にフィードバックすることができる。
【０２０７】
さらに、反射率のモニタ手段を使ったプロセスとして、ＲＩＥ法によるＳｉＯ２層のエッチングについて説明する。
【０２０８】
図１に示す面発光型半導体レーザ装置の作製工程においては、前述したように、レーザ光出射側のリング状の上側電極１１２を形成する前まで、共振器表面のｐ型コンタクト層１０９は表面保護用のＳｉＯ２層Ｉ（図２２Ｂ参照）で覆われているが、上側電極を形成するためには、このＳｉＯ２層を完全にエッチングしなければならない。ただし、必要以上にエッチングを行うと、コンタクト層もエッチングすることになり、コンタクト層へダメージを与えたり、発振波長に関係する共振器長が変化してしまう問題が起こる。
【０２０９】
従って、ＳｉＯ２層のエッチング量の管理が重要である。そこで、本実施例ではＳｉＯ２層のエッチングに使用するＲＩＥ装置に、エッチング中にエピタキシャル結晶層の反射率を測定できる方法を導入し、エッチング量を測定することとした。
【０２１０】
図３３に反射率測定手段を導入した平行平板型ＲＩＥ装置の概略図を示す。このＲＩＥ装置においては、エッチング室６０内に、ＲＦ発振器６１に接続された載置電極６２とメッシュ状の対向電極６４とが対向して設けられている。エッチング室６０には、ガス供給部７０と排気用の真空ポンプ６６とが接続されている。そして、エッチング室６０の、前記載置台電極と対向する壁面には、窓６８が設けられており、この窓６８の外方には光源７２と光検出器７４とが設置されている。そして、光源７２から照射された任意の波長の光は窓６８を介して基板Ｓに到達し、その反射光は窓６８を介して光検出器７４に至る。このＲＩＥ装置においては、通常のメカニズムによってＳｉＯ２層がエッチングされるとともに、光源７２からの光を検出することによってエッチング面の反射率または反射スペクトルをモニタすることができる。
【０２１１】
図３４は、ｐ型コンタクト層１０９上にＳｉＯ２層があるときの、８００ｎｍの光に対する反射率の変化を示したものである。横軸がＳｉＯ２層の膜厚、縦軸が反射率である。図に示したように、反射率はＳｉＯ２層の残り膜厚によって変化し、残り膜厚が（λ／４ｎ）の整数倍になるごとに極大または極小をとる。ここでλは測定光源の波長、ｎはＳｉＯ２層の屈折率である。従って、ＲＩＥによるエッチング中に反射率を測定し、反射率曲線をモニタすることにより、ＳｉＯ２層のエッチングを完全に行うことができる。
【０２１２】
また、ＳｉＯ２層の完全なエッチング終了後、前記ＲＩＢＥプロセスと同様に、ＲＩＥ中の反射率測定の光源として分光器を通した光若しくは波長可変のレーザ光を用いて例えば７００〜９００ｎｍの波長の光を照射することにより、反射率のディップが測定でき、共振器長が測定できる。つまり、この反射率のディップを測定しながらＲＩＥによるエッチングを進めると、エッチング量は前記式（３）で求められ、共振器長を正確に制御することができる。ここで、ＲＩＥを用いているのは、ｐ型コンタクト層１０９を保護するためのＳｉＯ２層を完全にエッチングした後、同一装置内でエッチングが可能なこと、またＲＩＢＥによるエッチングよりもエッチング速度が遅いので共振器長を制御しやすいことが挙げられる。このときのエッチング条件としては、例えば、エッチング圧力２Ｐａ、ＲＦパワー７０ＷおよびエッチングガスＣＨＦ３を用いた。また、エピタキシャル成長膜の共振器長を広範囲に変えるときには、前述の工程（ａ）の後にＲＩＥを行ってもよい。
【０２１３】
前述した様に本発明の面発光型半導体レーザ装置の実現には、ＤＢＲミラーの高反射帯域と共振器長によって定まる発振波長とゲインオフセット量とを所定の関係にしなければならないが、エピタキシャル成長後に仮にその関係が成立していなくとも、反射率をモニタしたＲＩＥを用いてコンタクト層をエッチングすることにより、共振器長を所定長さに精度良く調整できるので、高い精度のデバイスを歩留まりよく製造することが可能である。これは、コンタクト層は、活性層の利得スペクトル、つまり端面発光型半導体レーザの発振スペクトルの測定においては必須の構成となるが、活性層の利得スペクトルは、ｐおよびｎ型クラッド層と活性層とによって決まるものなので、面発光型半導体レーザ装置のコンタクト層をエッチングしても、活性層の利得スペクトルは変化しないためである。つまり、コンタクト層をエッチングすることによって、λＧを変化させずにλＥＭを調整することができる。
【０２１４】
また、反射率をモニタしたエッチングを用いることにより、基板面内で共振器長の異なる部分を精度良く作ることもでき、１枚の基板で発振波長の異なる面発光型半導体レーザ装置を作製することもできる。
【０２１５】
（第２実施例）
図４０Ａは、本発明の第２実施例にかかる面発光型半導体レーザ装置の発光部の断面を模式的に示す斜視図であり、図４０Ｂは図４０Ａに示すレーザ装置の平面図である。
【０２１６】
本実施例の面発光型半導体レーザ装置３００は、光共振器が複数の柱状共振器部から構成されている点に特徴を有する。光共振器以外の構成および作用は前記第１実施例と基本的に同様であるため、詳細な説明を省略する。
【０２１７】
すなわち、半導体レーザ装置３００は、ｎ型ＧａＡｓ基板３０２上に、ｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層を交互に積層し波長８００ｎｍ付近の光に対し９９．５％以上の反射率を持つ４０ペアのＤＢＲミラー３０３、ｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓクラッド層３０４、ｎ−型ＧａＡｓウエル層とｎ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層から成り該ウエル層が２１層で構成される量子井戸活性層３０５、ｐ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓクラッド層３０６およびｐ＋型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓコンタクト層３０９が、順次積層して成る。そして、ｐ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓクラッド層３０６の途中までエッチングされて、積層体の上面からみて矩形形状を有する複数の柱状共振器部３１４が形成され、その周囲は、ＳｉＯ２等のシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ膜）からなる第１絶縁層３０７と、この第１絶縁層３０７上に形成された第２絶縁層３０８で埋め込まれている。
【０２１８】
このタイプのレーザ装置においては、分離された複数の共振器部でたつ横モードが電磁波的に互いに結合されているため、各共振器部から位相同期された光が発振される。
【０２１９】
光共振器を構成する柱状共振器部３１４（３１４ａ〜３１４ｄ）は、図４０Ｂに示すように、半導体基板３０２に平行な各断面が長辺および短辺を有する矩形をなし、各共振器部３１４ａ〜３１４ｄの短辺の方向がそれぞれ平行となるように配置されている。この面発光型半導体レーザ装置においては、複数本の柱状共振器部３１４より出射されるレーザ光の偏波面は、矩形断面を有する各柱状共振器部３１４の短辺の方向と一致している。そして、これらの各柱状共振器部３１４の短辺の方向がそれぞれ平行であるため、各共振器部から出射されるレーザ光の偏波面の方向を揃えることができる。
【０２２０】
さらに、第１絶縁層３０７および第２絶縁層３０８を構成する材料として、例えばＳｉＯｘまたはＳｉＮｘなどの光透過性を有する物質によって構成することにより、埋込み絶縁層はレーザ発光波長に対してほぼ透明となる。したがって、複数の共振器部３１４からの光だけでなく、埋込み絶縁層にもれた光も有効にレーザ発進に寄与させ、発光スポットを広げることができる。
【０２２１】
次に、共振器部３１４の長辺および短辺の関係について更に詳しく説明する。
【０２２２】
各柱状共振器部３１４の長辺の長さをＡとし、短辺の長さをＢとした時、Ｂ＜Ａ＜２Ｂであることが好ましい。長さＡを長さ２Ｂ以上とすると、出射光の形状が円または正多角形とはならずに長方形になるため、発光スポットが一つにならず、１つの出射口に複数の発光スポットが形成されてしまう。また、共振器の体積も大きくなるので、レーザ発振しきい電流も増加してしまう。
【０２２３】
さらにこの矩形断面の各辺は、１．１×Ｂ≦Ａ≦１．５×Ｂに設定すると良い。長辺の長さＡが１．１×Ｂ未満であると、偏波面制御の効果が十分に発揮されない。また、レーザ発振しきい電流が大きく増加しない点を考慮すると、Ａ≦１．５×Ｂに設定するものが良い。
【０２２４】
本実施例の半導体レーザ装置３００は、柱状共振器部３１４の形成時に用いるマスクを変える以外は、前記第１実施例と同様のプロセスおよび装置によって製造することができる。つまり、柱状共振器部３１４を形成する際のマスクとして、柱状共振器部３１４の平面形状に対応したマスクを用いる以外は、図２２Ａ〜Ｃおよび図２３Ｄ〜Ｆと同様のプロセスを用いることができる。
【０２２５】
図４１Ａ〜Ｄは、従来の面発光型半導体レーザおよび本実施例の面発光型半導体レーザの、光が出射される側の形状とレーザ発振時のＮＦＰの強度分布を示したものである。図４１Ａは、図４５に示す従来の面発光型半導体レーザの共振器を、ｎ−ｐ接合のＧａＡｌＡｓエピタキシャル層２２０７，２２０８で埋め込むことが可能な距離である５μｍ程度まで接近させた場合を示している。レーザの出射面には、誘電体多層膜ミラーとｐ型オーミック電極（上側電極）があるが、共振器の形状を比較するために図では削除している。図４１Ｂは図４１Ａのａ−ｂ間のＮＦＰ強度分布を示している。従来の面発光型半導体レーザの発光部２２２０を複数個、埋め込み可能な距離まで接近させても発光スポットが複数個現れるだけで、横方向の光の漏れが無いため、多峰性のＮＦＰとなり、１つの発光スポットにならない。
【０２２６】
図４１Ｃは本実施例の面発光型半導体レーザの形状であり、分離溝を埋込み絶縁層で埋め込んでおり、このように埋込み層が気相成長法で形成される場合には、分離溝の最小幅は約１μｍに制御できる。図４１Ｄは、図４１Ｃのｃ−ｄ間のＮＦＰである。柱状共振器のみならず分離溝の上からも光が出射されるので、発光点が広がることがＮＦＰからわかる。さらに接近した各共振器部３１４ａ〜３１４ｄのレーザ光の位相が同期するので、光出力が増加し、放射角が５°以下のビームが得られる。
【０２２７】
図４２Ａ〜Ｄは、第２実施例にて形成された例えば４本の共振器部３１４を有する光共振器を、半導体基板３０２上の４か所に配置した例を示している。図４２Ａにおいては、４本の共振器部３１４と対向する位置に一つの光出射口３１３を有する電極３１２を、各光共振器毎に形成している。そして、各光共振器を構成する４本の共振器部３１４の矩形断面における短辺（Ｂ）は、それぞれ平行な方向に設定されている。したがって、４つの光出射口３１３より出射される各レーザ光の偏波面は、矩形断面の柱状部分の短辺と平行な方向に揃っていることになる。
【０２２８】
この４つの光共振器を有する半導体レーザからの４本のレーザ光を、偏光フィルター３４０を通過させる状態が図４２Ｂに示されている。４本のレーザ光はそれぞれ偏波面が揃っているので、偏光フィルター３４０を全て通過させることができる。
【０２２９】
図４２Ｃは、矩形断面を有する柱状共振器部３１４の短辺の方向が、２つの光共振器でそれぞれ異なっていて、例えば相直交する方向に設定する場合を示している。この場合、図４２Ｄに示すように、１本のレーザ光は偏光フィルター３４０を通過させることができるが、他の１本のレーザ光は偏光フィルター３４０を通過させることがない。この技術を利用すれば、ある特定方向のみの偏波面をもつレーザ光のみを選択的に通過させることができ、光通信の分野に好適に応用することができる。
【０２３０】
上述した第２実施例では、共振器部が４個配列されたものであるが、共振器部の配列は任意に設定することができる。例えば、図４３Ａ〜Ｃに示すように、共振器部は基板と平行な二次元面上で横列および／または縦列で等間隔に配列することができる。このようにｎ個の共振器部をライン状に配列することでラインビームを得ることができる。
【０２３１】
また、上述した第２実施例では、出射されるレーザ光の偏波面の方向を制御するために、光共振器を構成する柱状共振器部の断面形状を矩形としていたが、出射側の電極３１２に形成される光出射口３１３の開口形状を、矩形に形成することによっても、その短辺の方向に揃った偏波面を有するレーザ光を出射することができる。図４４Ａに示す実施例においては、柱状共振器部３１４の断面形状は円形であるが、電極に形成された光出射口３１３の開口形状が、長辺ａと短辺ｂとを有する矩形形状となっている。この場合、出射されるレーザ光の偏波面の方向は、矩形の光出射口３１３の短辺ｂの方向に一致することになる。
【０２３２】
この光出射口の開口形状を矩形にすることは、光共振器の柱状共振器部の断面を矩形するよりもプロセス上簡便である。また、複数本の柱状共振器部を有する光共振器を成形する場合、その柱状共振器部の配置の関係で各柱状共振器部の断面を矩形にできない場合もあり、このような場合に光出射口を矩形にすることで偏波面の方向を設定することが有効である。図４４Ｂおよび図４４Ｃはそれぞれ、４本の柱状共振器部３１４の断面を円または正多角形とし、柱状共振器部と対向する領域に矩形の光出射口３１３を形成した例を示している。図４４Ｄは、４本の柱状共振器部３１４の各断面もそれぞれ矩形とし、この４本の柱状共振器部と対向する領域に形成される光出射口３１５の開口形状をも矩形としている。そして、矩形断面の柱状共振器部の短辺（Ｂ）と光出射口の短辺（ｂ）の方向がそれぞれ平行な方向に設定されている。
【０２３３】
このように光出射口の開口形状を矩形にする場合には、光出射口の長辺の長さをａとし、短辺の長さをｂとしたとき、好ましくはｂ＜ａ＜２×ｂ、さらに好ましくは１．１×ｂ≦ａ≦１．５×ｂとする。この理由はｂ／ａの比率を高くすると、それに応じて光共振器の柱状共振器部の各辺の比率Ｂ／Ａも高くしなければならず、上述した各辺の長さＡおよびＢが好適範囲外となってしまうからである。
【０２３４】
さらに、図４４Ｅで示すように、共振器部３１４の断面形状を長辺（Ａ）および短辺（Ｂ）からなる矩形とし、光出射口３１３の形状を円形とする構成であってもよい。
【０２３５】
以上述べた第２実施例およびその変形例においては、レーザ光の偏波面をある特定方向に揃えることができるため、レーザ装置をレーザプリンタや通信機器などの機器に設置する場合に、そのレーザ装置の細かな位置調整を必ずしも要せずに、レーザ光の偏波面の方向をある特定方向に容易に設定することが可能となる。
【０２３６】
前述した実施例においては、ＡｌＧａＡｓ型半導体を用いた面発光型半導体レーザ装置について述べたが、本発明はこれに限定されず、ＡｌＧａＩｎＰ型あるいはＩｎＧａＡｓＰ型半導体を用いた面発光型レーザ装置には適用できる。また、本発明は前述した実施例の半導体層と逆の極性を有する半導体層からなる面発光型半導体レーザにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０２３７】
【図１】本発明の第１実施例における面発光型半導体レーザ装置の断面を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１に示す面発光型半導体レーザ装置と、図４６に示す従来例の面発光型半導体レーザ装置との、Ｉ−Ｌ特性およびＩ−Ｖ特性を表す図である。
【図３】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の発光部の上面図である。
【図４】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の注入電流と光出力との関係を示す図である。
【図５】図５Ａは、比較用の面発光型半導体レーザ装置であって、活性層までエッチングした素子を模式的に示す断面図である。図５Ｂは、図１に示す面発光型半導体レーザ装置を模式的に示す断面図である。
【図６】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の共振器径の逆数と発振閾電流密度との関係を示す図である。
【図７】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の注入電流と光出力の関係を示し、この関係がクラッド層の残り膜厚ｔに依存することを示す図である。
【図８】図１に示す面発光型半導体レーザ装置のクラッド層の残り膜厚ｔと外部微分量子効率（スロープ効率）の値との関係を示す図である。
【図９】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の活性層の構造において、単一の量子井戸（ウエル）の膜厚を種々変化させた時の、波長と発光する発光スペクトルとの関係を示す図である。
【図１０】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の活性層の構造において、単一量子井戸（ウエル）の膜厚と発光ピーク波長との関係を示し、その理論値（実線）と実測値（ドット）を示す図である。
【図１１】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の活性層の構造において、単一量子井戸（ウエル）の膜厚と発光強度半値幅との関係を示し、その理論値と実測値を示す図である。
【図１２】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の活性層の膜厚と閾電流密度との関係を示し、その理論値と実測値を示す図である。
【図１３】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の結晶成長において、各結晶層のＡｌ組成を示す図である。
【図１４】図１に示す面発光型半導体レーザ装置において、クラッド層のＡｌ組成の異なる素子の注入電流と光出力との関係を示す図である。
【図１５】図１に示す面発光型半導体レーザ装置において、クラッド層のＡｌ組成を種々変化させた時の、Ａｌ組成と外部微分量子効率（スロープ効率）の値との関係を示す図である。
【図１６】図１に示す面発光型半導体レーザ装置において、誘電体多層膜ミラーに光吸収係数の異なる誘電体材料を用いた場合の注入電流と光出力との関係を示す図である。
【図１７】図１７Ａは、図１に示す面発光型半導体レーザ装置の断面、共振器長および注入電流の流れを模式的に示した図である。図１７Ｂは、図１に示す面発光型半導体レーザ装置を形成するための半導体積層ウエハの一部を用いて形成した端面発光型半導体レーザ装置の断面を模式的に示す斜視図である。
【図１８】図１に示す面発光型半導体レーザ装置のＤＢＲミラーおよび積層された半導体層の反射率スペクトルと、端面発光型半導体レーザ装置の発振スペクトルを示す図である。
【図１９】図１９Ａは、図１に示す面発光型半導体レーザ装置を形成するための半導体積層ウエハを用いて製作した端面発光型半導体レーザ装置の発振波長とケース温度との関係を示す図である。図１９Ｂは、同じく図１に示す面発光型半導体レーザ装置を形成するための半導体積層を用いて製作した端面発光型半導体レーザ装置の発振スペクトルとケース温度との関係を示す図である。
【図２０】図２０Ａは図１に示す面発光型半導体レーザ装置の発振波長とケース温度との関係を示す図である。図２０Ｂは、図１に示す面発光型半導体レーザ装置の注入電流密度と発振波長および接合温度上昇との関係を示す図であるである。
【図２１】図１に示す面発光型半導体レーザ装置のゲインオフセット量△λＢＳと発振閾値電流との関係を示す図である。
【図２２】図２２Ａ〜図２２Ｃは、図１に示す面発光型半導体レーザ装置の製造プロセスを模式的に示す断面図である。
【図２３】図２３Ｄ〜図２３Ｆは、図２２に引き続きいて行われる、図１に示す面発光型半導体レーザ装置の製造プロセスを模式的に示す断面図である。
【図２４】図２４Ａは、図１に示す面発光型半導体レーザ装置において、共振器部の径Ｄａが８μｍ、光発射口の径が６μｍのときの出射光の遠視野像強度を示した図であり、図２４Ｂは、Ｄａが１３μｍ、Ｄｗ１０μｍのときの遠視野像強度を示した図である。
【図２５】図２５Ａは、図１に示す面発光型半導体レーザ装置においてｐ型クラッド層の膜厚が１．０μｍの場合の発光近視野像、およびラインａ−ａにおける光強度分布を示す図である。図２５Ｂは、同様にｐ型クラッド層の膜厚が０．３μｍの場合の発光近視野像、およびラインｂ−ｂにおける光強度分布を示す図である。
【図２６】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の注入電流と光出力との関係に及ぼすｐ型クラッド層の膜厚の影響を示す図である。
【図２７】図１に示す面発光型半導体レーザ装置における注入電流と光出力との関係に及ぼすｐ型クラッド層の膜厚の影響を示す図である。
【図２８】本発明の第１実施例にかかる面発光型半導体レーザ装置を製造するプロセスにおいて得られた半導体積層ウエハの膜厚分布を示す図である。
【図２９】図１に示す面発光型半導体レーザ装置のＤＢＲミラーを形成する際に用いられるＭＯＶＰＥ装置を模式的に示す断面図である。
【図３０】図１に示す面発光型半導体レーザ装置のＤＢＲミラーを形成するプロセスにおいて、エピタキシャル層の成長時間と反射率との関係を示す図である。
【図３１】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の製造プロセスにおいて用いられるＲＩＢＥ装置を模式的に示す断面図ある。
【図３２】図３２Ａ〜図３２Ｃは、ＲＩＢＥプロセスにおける反射スペクトルの変化を示す図である。
【図３３】図１に示す面発光型半導体レーザ装置のエッチングプロセスにおいて用いられるＲＩＥ装置を模式的に示す断面図である。
【図３４】図３３に示す装置を用いてＲＩＥを行ったときのＳｉＯ２層の膜厚と反射率の関係を示す図である。
【図３５】図３５は、図１に示す面発光型半導体レーザ装置を構成するＤＢＲミラーを成膜する際の、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌおよびＨ２Ｓｅの流量変化を示すタイミングチャート図である。
【図３６】図１に示す面発光型半導体レーザ装置のＤＢＲミラーの一部をＳＩＭＳ法で評価した結果を示す図である。
【図３７】図３７Ａは、ＤＢＲミラーにおいて、Ｓｅの濃度をｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ層中のｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層との界面近傍で急峻に高めた場合のバンド図である。図３７Ｂは、Ｓｅを一定供給量で作成した場合のバンドを示す図である。
【図３８】図１に示す面発光型半導体レーザ装置を構成するＤＢＲミラーの製造工程において、ＴＭＡｌの流量変化および紫外光の照射を示すタイミングチャート図である。
【図３９】図１のプロセスによって得られたＤＢＲミラーの一部をＳＩＭＳ法で評価した結果を示す図である。
【図４０】図４０Ａは、本発明の第２実施例にかかる面発光型半導体レーザ装置の断面を模式的に示す斜視図である。図４０Ｂは、図４０Ａに示す装置の光出射側から見た平面図である。
【図４１】図４１Ａは従来の面発光型半導体レーザ装置の光が出射される側の共振器部の形状を示し、図４１Ｂは、図４１Ａに示したレーザ装置の発光近視野像の強度分布を示す。図４１Ｃは第２実施例における光が出射される側の共振器の形状を示し、図４１Ｄは図４１Ｃに示すレーザ装置の発光近視野像の強度分布を示す。
【図４２】図４２Ａは、第２実施例にかかる面発光型半導体レーザ装置の光共振器を複数箇所に配置した例を示し、図４２Ｂはこの光共振器から出射されたレーザ光を偏光フィルタを通過させた状態を示す。図４２Ｃは、第２実施例にかかる面発光型半導体レーザ装置の光共振器を異なった方向に配列した状態を示し、図４２Ｄは図４２Ｃに示す光共振器から出射されたレーザ光を偏光フィルタに通過させた状態を示す。
【図４３】図４３Ａ〜図４３Ｃは、断面形状が短辺と長辺を有する矩形を成す共振器部を基板と平行な二次元面上で横列および／または縦列で配列した状態を示す図である。
【図４４】図４４Ａ〜図４４Ｄは、光出射口の形状を矩形に形成することによってレーザ光の偏波面の方向を制御する共振器を示す図である。図４４Ｅは共振器部の断面形状を矩形とし、光出射口の形状を円形とした共振器を示す図である。
【図４５】従来の面発光型半導体レーザ装置の一例を示す斜視図である。
【図４６】他の面発光型半導体レーザ装置の従来例を示す断面図である。
【図４７】活性層の層数を変化させたときの注入電流と光出力との関係を示す図である。
【図４８】活性層におけるウエル層およびバリア層の膜厚とＡｌ組成との関係を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【０２３８】
１００ 面発光素型半導体レーザ、１０１ 電極用金属層（下側電極）、１０２ ｎ型ＧａＡｓ基板、１０３ ＤＢＲミラー、１０４ 第１クラッド層、１０５ 量子井戸活性層、１０６ 第２クラッド層、１０７ 第１絶縁層、１０８ 第２絶縁層、１０９ コンタクト層、１１０ 第１の方向、１１１ 誘電体多層膜ミラー、１１２ コンタクト金属層（上側電極）、１１３ 開口部、１１４ 共振器部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板に対して垂直方向に光を出射する面発光型半導体レーザ装置の構造および製造方法に関する。さらに、本発明は、画像形成装置や光通信システムなどの並列光情報処理装置に用いることができる面発光型半導体レーザ装置の構造および製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、面発光型半導体レーザ装置の構造として、第５０回応用物理学会学術講演会講演予稿集 第３分冊 ｐ．９０９ ２９ａ−ＺＧ−７（１９８９年９月２７日発行）が報告されている。図４５はその発光部を示す斜視図である。この半導体レーザ装置は、以下のプロセスで製造される。ｎ型ＧａＡｓ基板２２０２上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓ多層膜２２０３、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２２０４、ｐ型ＧａＡｓ活性層２２０５およびｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２２０６を成長させた後、円柱状の領域２２２０を残してエッチングし、ｐ型，ｎ型，ｐ型，ｐ型の順にＡｌＧａＡｓ層２２０７，２２０８，２２０９，２２１０で埋め込む。しかる後、ｐ型ＡｌＧａＡｓキャップ層２２１０の上部に誘電体多層膜２２１１を蒸着し、ｎ型オーミック電極２２０１、ｐ型オーミック電極２２１２を形成し、面発光型半導体レーザ装置を形成している。
【０００３】
しかし、図４５に示す従来の面発光型半導体レーザ装置では、活性層以外の部分に電流が流れるのを防ぐ手段として、埋込み層にｐ−ｎ接合２２０７，２２０８を設けている。しかし、このｐ−ｎ接合では十分な電流狭窄を得ることは難しく、完全には無効電流を抑制できない。このため、従来技術では素子の発熱に起因して、室温での連続発振駆動することが困難である。そして、このレーザ装置においては、光共振器全体を共振器よりも低屈折率の材料で埋め込んでいるため、共振器内に光が閉じ込められ、共振器の基板面に水平な方向の断面形状を変化させても、基本発振モードの発光スポットは直径２μｍ程度の点発光となってしまう。また、このレーザ装置では、面発光型半導体レーザ装置の特徴である２次元アレイ化を行なうとき、個々の共振器を基板面内で近づけて設置したとしても、各素子とも独立で発振しているため個々のレーザ光の位相がそろわず、各々のレーザ光が干渉しあい、１つの光束を持った安定したレーザ光が得られにくい。
【０００４】
図４６は、他の従来の面発光型半導体レーザ装置の構造を示す断面図である。このレーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓ単結晶基板２４０１の上に、ｎ型分布反射型（ＤＢＲ）ミラー２４０２、ｎ型クラッド層２４０８、量子井戸活性層２４０３、ｐ型クラッド層２４０９、ｐ型ＤＢＲミラー２４０４およびｐ型オーミック電極２４０５が形成されている。同図において斜線で示す領域２４０６は水素イオンを打ち込むことによって単結晶状態を破壊して高抵抗の領域とされ、注入電流が発振領域にだけ集中するようにした構造である。また、基板２４０１の下面には、ｎ型オーミック電極２４０７が形成されている。そして、基板２４０１に垂直な方向２４１０から、光が放射される。
【０００５】
また、図４６に示す従来の面発光型半導体レーザ装置では、注入電流はｐ型ＤＢＲミラー２４０４を通して流れることになる。ｐ型ＤＢＲミラー２４０４では、電流は正孔がキャリアとして流れる。正孔は電子に比べて有効質量が１０倍程度大きく、ミラー内部のヘテロバリアを越えにくい。そのためｐ型ＤＢＲミラー２４０４は大きな抵抗成分を持つことになる。この従来例では、ｐ型ＤＢＲミラー２４０４の反射率を大きくするためにミラーの層数を多くする必要があり、その結果ｐ型ＤＢＲミラー２４０４の抵抗がかなり大きくなるという問題点を有している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、十分に満足できる電流狭窄が得られ、低閾値電流で外部微分量子効率が高く、高効率かつ信頼性の高い面発光型半導体レーザ装置を提供することにある。本発明の他の目的は、このような半導体レーザ装置の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の面発光型半導体レーザ装置は、
第１導電型の化合物半導体からなる基板、
前記基板の下側に形成された下側電極、
前記基板の上側に形成された第１導電型の分布反射型多層膜ミラー、
前記分布反射型多層膜ミラー上に形成された第１導電型の第１クラッド層、
前記第１クラッド層上に形成された量子井戸活性層、
前記量子井戸活性層上に形成され、単数もしくは複数の柱状部を有する第２導電型の第２クラッド層、
前記第２クラッド層の柱状部上に形成された第２導電型のコンタクト層、
前記第２クラッド層の柱状部および前記コンタクト層の周囲に埋め込まれ、少なくとも前記第２クラッド層および前記コンタクト層との界面がシリコン化合物からなる第１絶縁層によって被覆された埋込み絶縁層、
前記コンタクト層の一部に面して開口部を有し、前記コンタクト層および前記埋込み絶縁層の双方にまたがって形成された上側電極、および、
前記上側電極の開口部を覆うように、少なくとも前記コンタクト層上に形成された誘電体多層膜ミラー、を含む。
【０００８】
この半導体レーザ装置においては、前記分布反射型多層膜ミラー、前記第１クラッド層、前記量子井戸活性層、前記第２クラッド層の柱状部、前記コンタクト層および前記誘電体多層膜ミラーから光共振器が構成される。
【０００９】
そして、この半導体レーザ装置においては、前記柱状部（共振器部）が複数形成されている場合には、各共振器部で発生する平行横モードが電磁波的に互いに結合されているため、各共振器部から位相が同期された光が発振される。
【００１０】
前記埋込み絶縁層は、少なくとも、前記クラッド層およびコンタクト層の表面に沿って連続的に形成された第１絶縁膜を有し、好ましくは、この第１絶縁層の周囲には前記第２クラッド層の柱状部および前記コンタクト層の周囲を平坦化するための第２絶縁層が形成されている。この第２絶縁層は前記第１絶縁層よりも低温で形成できる物質から構成されることが望ましい。この第１絶縁層によって、第２絶縁層の不純物、例えばナトリウム，塩素，重金属，水素等が第２クラッド層あるいは量子井戸活性層へ熱拡散等によって移動することが阻止される。この第１絶縁層は、熱ＣＶＤ（化学気相成長）によって形成されることが好ましい。したがって、第１絶縁層の膜厚を薄くすることにより、成膜時に光共振器が熱にさらされる時間を短縮して、熱による結晶へのダメージをより少なくすることが望ましい。
【００１１】
前記第１絶縁層は、前述したように、光共振器に悪影響を与えるような物質の移動を阻止できるのに十分な厚みを有すればよく、例えばその膜厚は５００〜２０００オングストロームに設定されることが好ましい。この第１絶縁層は、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜およびシリコン炭化膜から選択される少なくとも一種のシリコン化合物から構成されることが好ましい。また、前記第２絶縁層は、前記シリコン化合物よりも低温で形成されたシリコン化合物、ポリイミド等の耐熱性樹脂、および多結晶のII−ＶＩ属化合物半導体から選択される少なくとも一種であることが好ましい。
【００１２】
前記第２クラッド層はエッチングによって前記柱状部以外の領域が取り除かれるが、この柱状部以外の領域は所定範囲の膜厚を有し、好ましくは０μｍ（つまり完全に除去される）〜０．５８μｍ、より好ましくは０〜０．３５μｍの膜厚に設定される。このように、前記柱状部以外の領域の膜厚を極限定された薄い膜とするかあるいは完全に除去することにより、活性層内に有効に電流を注入でき、高い外部微分量子効率を得ることができる。
【００１３】
前記量子井戸活性層は、ｎ型ＧａＡｓウエル層とｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層からなり、前記ウエル層の膜厚は４０〜１２０オングストローム、前記バリア層の膜厚は４０〜１００オングストロームであり、かつウエル層の総数は３〜４０層であることが好ましい。このような構成の量子井戸活性層によれば、面発光型半導体レーザ装置の低閾値化、高出力化、温度特性の向上および発振波長の再現性の向上を達成することができる。
【００１４】
前記分布反射型多層膜ミラーは、発振波長λＥＭを含む少なくとも４０ｎｍの波長範囲で９９．２％以上の反射率を有し、前記波長範囲内に発振波長が設定される。そして、分布反射型多層膜ミラーの反射率は、ミラーを構成する半導体層の各層のドーピング量によっても変動する。例えば、分布反射型多層膜ミラーをＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層とＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層して構成する場合には、これらの各層にドーピングされるｎ型ドーパントは５×１０１６〜１×１０１９ｃｍ−３の平均ドーピング量であることが好ましい。更に、前記分布反射型多層膜ミラーは、アルミニウムの濃度が高いＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層と、この層よりもアルミニウムの濃度が低くバンドギャップが大きいＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層との界面近傍のキャリア濃度を、界面近傍以外の領域よりも高くすることが望ましい。具体的には、界面近傍のドーピング量の最大値は、界面近傍以外のドーピング量の最小値の１．１〜１００倍の値を取ることが好ましい。
【００１５】
また、前記誘電体多層膜ミラーは、その反射率が９８．５〜９９．５％であることが好ましい。反射率が９８．５％より低いと、発振閾電流が増大してしまい、一方反射率が９９．５％よりも大きいと光出力が外部に取り出しにくく、外部微分量子効率が低下してしまう。さらに、前記誘電体多層膜ミラーを構成する材料としては、レーザ発振波長に対して光の吸収損失が少ないものを使用することが好ましく、具体的には、発振波長に対して１００ｃｍ−１以下の吸収係数を有する誘電体材料から構成されることが好ましい。このような誘電体としては、ＳｉＯｘ、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯｘ、ＴｉＯｘ、ＺｒＴｉＯｘ、ＭｇＦｘ、ＣａＦｘ、ＢａＦｘおよびＡｌＦｘなどが例示される。
【００１６】
前記クラッド層の柱状部は光共振器を構成し、その径をＤａとし、前記上側電極の開口部の径をＤｗとすると、Ｄａは６〜１２μｍ、Ｄｗは４〜８μｍであり、かつＤｗはＤａより若干小さく形成されることが好ましい。前記柱状部の径（共振器径）と前記開口部の径（出射口径）はレーザの横モード特性に影響を与え、基本横モードの放射光を得るためには、共振器の径を所定の大きさ以上にすることは好ましくなく、また高い出力を得るためには共振器の径を小さくし過ぎることも好ましくない。このような観点から、基本横モード発振をするためには、ＤａおよびＤｗは前記の範囲に設定されることが好ましい。
【００１７】
前記第１クラッド層をおよび第２クラッド層は、ＡｌｘＧａ1−ｘＡｓで示される半導体層からなり、ここにおいてｘは、好ましくは０．４以上、より好ましくは０．６５以上、特に好ましくは０．７〜０．８である。ｘをこの範囲に設定することにより、クラッド層のバンドキャップが十分高く注入キャリアの活性層内への閉じこめが良好であり、高い外部微分部量子効率を得ることができる。
【００１８】
さらに、前記第２クラッド層は、その柱状部の膜厚が０．８〜３．５μｍであることが好ましい。前記膜厚が０．８μｍより小さいと、注入キャリアが不均一となって、特に前記柱状部の周囲付近にキャリアが多く分布し、レーザ発振に寄与しないキャリアの再結合が生じ、その結果、共振器中央付近のキャリア密度が十分大きくならないため、レーザ発振の閾値に達する前に光出力が熱飽和してしまうおそれがある。一方、前記膜厚が３．５μｍより大きいと、素子抵抗が高くなって消費電力の増大を招き、光出力の熱飽和が低い注入電流で起こってしまうおそれがある。
【００１９】
本発明の他の面発光型半導体レーザ装置は、
第１導電型の化合物半導体からなる基板、
前記基板の下側に形成された下側電極、
前記基板の上側に形成された第１導電型の分布反射型多層膜ミラー、
前記分布反射型多層膜ミラー上に形成された第１導電型の第１クラッド層、
前記第１クラッド層上に形成された量子井戸活性層、
前記量子井戸活性層上に形成され、単数もしくは複数の柱状部を有する第２導電型の第２クラッド層、
前記第２クラッド層の柱状部上に形成された第２導電型のコンタクト層、
前記第２クラッド層の柱状部および前記コンタクト層の周囲に埋め込まれた埋込み絶縁層、
前記コンタクト層の一部に面して開口部を有し、前記コンタクト層および前記埋込み絶縁層の双方にまたがって形成された上側電極、および、
前記上側電極の開口部を覆うように、少なくとも前記コンタクト層上に形成された誘電体多層膜ミラー、を含み、
前記量子井戸活性層の利得スペクトルのピーク波長λＧは所期の発振波長λＥＭに対して所定波長差（ゲインオフセット量）△λＢＳだけ短波長側に設定される。
【００２０】
この半導体装置において特に特徴的なことは、前記活性層における利得スペクトルのピーク波長λＧが面発光型半導体レーザ装置の発振波長λＥＭに対してゲインオフセット量△λＢＳだけ短波長側に位置するように形成されている点にある。前記利得スペクトルのピーク波長λＧは、例えば、本発明の面発光型半導体レーザ装置を構成する、基板上に形成された半導体層と同じ半導体層を有する端面発光型半導体レーザ装置を作成し、この端面発光型半導体レーザ装置の発振波長を求めることにより決定される。端面発光型半導体レーザ装置の発振波長は、ほぼピーク波長λＧに等しい。そして、前記ゲインオフセット量△λＢＳは、好ましくは５〜２０ｎｍ、より好ましくは５〜１５ｎｍであり、最も好ましくは１０〜１５ｎｍである。このようなゲインオフセット量を設定しておくことにより、温度上昇によって活性層の利得スペクトルのピーク波長が長波長側にシフトしたとしても、共振器長で規定される発振波長と利得スペクトルのピーク波長とをほぼ一致させることができ、高い効率で確実なレーザ発振を行うことができる。
【００２１】
より具体的には、前記端面発光型半導体レーザ装置の利得スペクトルのピークが面発光型半導体レーザ装置の発振波長より長波長側に存在すると、電流注入によって利得スペクトルのピーク波長が長波長側にシフトしてしまうため、レーザ発振に必要な利得が減少してしまい、高出力の発振が困難となる。但し、前記ゲインオフセット量が大きすぎると、電流注入によって利得スペクトルのピーク波長が長波長側にシフトしたとしても、発振波長λＥＭにおける利得が小さくなりすぎてレージングを起こさないおそれがある。例えば、ゲインオフセット量△λＢＳが２０ｎｍを越えると、実用的な閾電流での連続駆動が困難となり、一方ゲインオフセット量△λＢＳが５ｎｍより小さいと、電流注入によって利得スペクトルのピーク波長が発振波長λＥＭより長波長側にシフトして発振波長での利得が小さくなり、十分なレーザ発振が行われない。ピーク波長λＧは温度依存性があるので、λＧは面発光型半導体レーザ装置が使用される温度で測定される。
【００２２】
このようにゲインオフセット量が設定された半導体レーザ装置においては、その他の構成、具体的には前記埋込み絶縁層、前記第２クラッド層、前記量子井戸活性層、前記分布反射型多層膜ミラー、および前記誘電体多層膜ミラーなどの構成においては、上述した半導体レーザ装置と同様な構成を有することが好ましい。
【００２３】
さらに、本発明の各面発光型半導体レーザ装置において、光共振器を構成する前記柱状部の形状を特定することにより、レーザ光の偏波面の方向を制御することが好ましい。以下、この点について詳細に説明する。
【００２４】
すなわち、共振器を構成する前記柱状部は、半導体基板に平行な断面形状が、長辺と短辺からなる矩形を有することが好ましい。レーザ光の偏波面の方向は、断面矩形の柱状部の短辺の方向と平行な方向に揃うことが実験的に確かめられた。したがって、一素子内に一つの共振器を形成する場合にも、あるいは複数の共振器を形成する場合にも、その各共振器から出射されるレーザ光の偏波面の方向を、各共振器が有する断面矩形の柱状部の短辺の方向に揃えることができる。
【００２５】
そして、断面矩形の柱状部の長辺の長さをＡとし、短辺の長さをＢとした時、Ｂ＜Ａ＜２Ｂであることが好ましい。Ａを２Ｂ以上とすると、光出射口の形状も円または正多角形とはならずに長方形になるため、発光スポットが一つにならず、一つの出射口に複数の発光スポットが形成されてしまう。また、共振器の体積も大きくなるので、レーザ発振閾電流も増加してしまう。
【００２６】
また、前記第２クラッド層の柱状部を複数形成し、前記各柱状部の矩形横断面を形成する短辺の方向をそれぞれ平行に設定することが好ましい。この半導体レーザ装置においては、複数の柱状部より出射されるレーザ光の偏波面は、矩形断面を有する各柱状部の短辺の方向と一致しており、かつ各柱状部の短辺の方向がそれぞれ平行であるため、一つの開口部（光出射口）から出射されるレーザ光は、位相が同期しておりかつ偏波面の方向も一致していることになる。従って、例えばこの面発光型半導体レーザ装置をレーザ応用機器に用いる場合には、各素子の細かな位置調整を必要とせずにレーザ光の偏波面の方向をある特定方向に容易に設定することが可能となる。さらに、この半導体レーザ装置において、前記埋込み絶縁層を光透過性を有する物質によって構成することにより、埋込み絶縁層はレーザ発振波長に対してほぼ透明となり、この埋込み絶縁層にもれた光もレーザ発振に寄与することになるため、その分発光スポットが拡大し、位相および偏波面の方向が揃いかつ発光スポットが一つのレーザ光を出射することが可能となる。
【００２７】
また、矩形横断面を有する複数の前記柱状部は、前記半導体基板と平行な二次元面上に対称に配置され、かつ前記上側電極に形成される開口部の形状を円または正多角形とすることにより、断面がほぼ円形のレーザ光を出射することができる。そして、このような複数の柱状部によって構成される光共振器は、それぞれ前記上側電極を独立に有するように前記半導体基板上に複数形成されることにより、各光共振器から出射されるレーザ光の断面をほぼ円形とすることができ、しかもこのレーザビームを各光共振器毎に独立してＯＮ，ＯＦＦ，変調可能とすることができる。
【００２８】
複数の前記光共振器は、前記柱状部の矩形の横断面の短辺の方向を全て平行に設定することにより、各光共振器から出射されるレーザ光の偏波面の方向を一方向に揃えることもできる。また、少なくとも一部の前記光共振器を他の光共振器に対して前記柱状部の矩形の横断面の短辺の方向を非平行に設定することにより、少なくとも一部の前記光共振器から出射されるレーザ光の偏波面の方向を他の前記光共振器からのレーザ光の偏波面の方向と異ならせることも可能である。
【００２９】
さらに、矩形の横断面を有する複数の前記柱状部を、前記半導体基板と平行な二次元面上で横列および／または縦列で等間隔に配列することにより、出射されるレーザビームをラインビームとすることも可能である。
【００３０】
レーザ光の偏波面の方向は、光共振器の柱状部を矩形断面としなくても、光出射側の電極に形成される光出射口の開口形状を矩形とし、その矩辺の方向と平行な方向に設置することができる。この構造は、光共振器の柱状部の二次元面上での配置上の制約により柱状部を矩形とできない場合に有効である。また、柱状部の断面形状および光出射口の開口形状の双方を矩形としてもよい。この場合、柱状部および光出射口の各矩辺の方向を平行にすればよい。光出射口の長辺の長さをａとし、短辺の長さをｂとした時、好ましくはｂ＜ａ＜２ｂである。この理由は、ｂ／ａの比率を高くすると、それに応じて光共振器の柱状部の各辺の比率Ｂ／Ａも高くなり、上述した各辺の長さＡ，Ｂの好適範囲外となってしまうからである。
【００３１】
光共振器の配列方法は適用される機器によって各種の態様が選択され得るが、例えばレーザプリンタ，レーザビームを用いた測定機器，レーザピックアップおよびレーザ通信機器等のレーザ応用機器を設計する際には、レーザ光の偏波面の方向を制御できる技術は極めて有用である。
【００３２】
本発明の面発光型半導体レーザ装置は、例えば、以下の工程（ａ）〜（ｅ）を含む製造方法によって得られる。
【００３３】
（ａ） 第１導電型の化合物半導体からなる基板上に、少なくとも、第１導電型の分布反射型多層膜ミラー、第１導電型の第１クラッド層、量子井戸活性層、第２導電型の第２クラッド層および第２導電型のコンタクト層を含む半導体層をエピタキシャル成長によって形成する工程、
（ｂ） 前記コンタクト層および前記第２クラッド層をエッチングして、単数もしくは複数の柱状部を形成する工程、
（ｃ） 前記柱状部の周囲に埋込み絶縁層を形成する工程であって、この工程では、少なくとも、前記第２クラッド層および前記コンタクト層との界面を被覆するシリコン化合物からなる第１絶縁層を形成する工程を含む工程、
（ｄ） 前記コンタクト層の一部に面して開口部を有し、前記コンタクト層および前記埋込み絶縁層の双方にまたがって上側電極を形成する工程、および
（ｅ）前記上側電極の開口部を覆うように、少なくとも前記コンタクト層上に誘電体多層膜ミラーを形成する工程。
【００３４】
本発明の他の面発光型半導体レーザ装置は、例えば、以下の工程（ａ）〜（ｅ）を含む製造方法によって得られる。
【００３５】
（ａ） 第１導電型の化合物半導体からなる基板上に、少なくとも、第１導電型の分布反射型多層膜ミラー、第１導電型の第１クラッド層、量子井戸活性層、第２導電型の第２クラッド層および第２導電型のコンタクト層を含む半導体層をエピタキシャル成長によって形成する工程、
（ｂ） 前記コンタクト層および前記第２クラッド層をエッチングして、単数もしくは複数の柱状部を形成する工程、
（ｃ′） 前記柱状部の周囲に埋込み絶縁層を形成する工程、
（ｄ） 前記コンタクト層の一部に面して開口部を有し、前記コンタクト層および前記埋込み絶縁層の双方にまたがって上側電極を形成する工程、および
（ｅ） 前記上側電極の開口部を覆うように、少なくとも前記コンタクト層に誘電体多層膜ミラーを形成する工程、を含み、
前記量子井戸活性層の利得スペクトルのピーク波長λＧは、所期の発振波長λＥＭに対して所定波長差（ゲインオフセット量）△λＢＳだけ短波長となるように、前記半導体層が設定される。前記ゲインオフセット量△λＢＳは、５〜２０ｎｍに設定されることが望ましい。また、ピーク波長λＧは温度依存性があるので、λＧは面発光型半導体レーザ装置が使用される温度で測定される。
【００３６】
そして、前記工程（ｃ′）においては、少なくとも前記第２クラッド層および前記コンタクト層との界面を被覆するシリコン化合物からなる第１絶縁層が形成される工程を含むことが望ましい。
【００３７】
前記各製造方法において、前記埋込み絶縁層は、前記第１絶縁層を例えば熱ＣＶＤ法によって形成した後に、この第１絶縁層上に、前記第２クラッド層の柱状部および前記コンタクト層の周囲を平坦化するための第２絶縁層が形成されることが好ましい。
【００３８】
前記分布反射型多層膜ミラーは、成膜時に、所定波長の光例えば発振波長と同じ波長の光を基板上に照射してその反射スペクトルを検出することにより、基板上に形成された半導体層の反射率プロファイルを測定し、この反射率プロファイルの極大点又は極小点で屈折率の異なる一方の半導体層の堆積から他方の半導体層の堆積に切り替えることによって、低屈折率の半導体層と高屈折率の半導体層とを交互に積層して形成されることが望ましい。
【００３９】
前記反射率プロファイルは、結晶の成長速度や成長時間に依存せず、各層の膜厚および各層の屈折率に依存している。従って、反射率プロファイルの極大点あるいは極小点で積層する層のＡｌ組成を変更し、屈折率の違う層を交互にエピタキシャル成長させることにより、各層が理論通りの厚さを有する。また、反射率を測定するための入力光の光源として所定の発振波長を持つ半導体レーザを選ぶことにより、所定波長を厳密に設定できることから、各層の膜厚から屈折率も求めることもできる。そして、分布反射型多層膜ミラー自体の反射率を結晶成長中に測定できることから、層形成中にミラーのペア数を変更したり、構造の最適化がはかれる。
【００４０】
各前記工程（ｂ）において、エッチング時に、所定範囲の波長例えば、発振波長に対して±６０ｎｍの波長を有する光を前記半導体層を有する基板に照射してその反射スペクトルを検出し、この反射スペクトルに現れる、光共振器の定在波に起因するディップを測定することにより、エッチング厚を制御することが望ましい。前記エッチング厚は、前記第２クラッド層の柱状部以外の領域の膜厚が所定範囲の大きさ、例えば０〜０．５８μｍの範囲内にとなるように制御されることが望ましい。この膜厚の好ましい理由については、すでに述べた。
【００４１】
このように、外部から光を入射すると、分布反射型多層膜ミラー上に積層された半導体層内に定在波（縦モード）が存在する波長で活性層が光を吸収するため、その波長での反射率が低下し、反射スペクトルにくぼみ、つまりディップを形成する。そして、このディップは、分布反射型多層膜ミラーから上の結晶層の膜厚の減少に対応して長波長側から短波長側に移動し、さらにエッチングを続けると、再び長波長側に新たなディップが発生し、ディップの移動と発生が繰り返される。したがって、エッチング中に高反射率帯域に存在するディップの数および波長移動量を測定することにより、エッチング量およびエッチング速度を管理できる。したがって、前記柱状部以外の領域の残り膜厚が正確に制御された共振器を作製することができる。なお、前記エッチング工程においては、基板の温度は０〜４０℃から選択される所定の温度に設定されることが望ましい。
【００４２】
また、反射スペクトルの値や形状もエッチング中に同時にモニタできるので、エッチング時の表面の汚れ、ダメージなども評価でき、これらの評価結果をエッチング条件にフィードバックすることができる。
【００４３】
さらに、前記工程（ａ）の後に、前記半導体層の表面にＳｉＯｘからなる保護層が形成されることが望ましい。この保護層が積層された半導体の表面を覆うことにより、後のプロセスにおける表面汚染が防止される。そして、前記保護層は、前記工程（ｄ）の前に、例えば反応性イオンエッチングによって除去され、その際に、所定波長の光を前記保護層が形成された基板に照射してその反射スペクトルを検出し、その反射率プロファイルを測定することにより、この保護層のエッチング厚が制御されることが望ましい。
【００４４】
つまり、反射率は保護層の残り膜厚によって変化し、残り膜厚が（λ／４ｎ）の整数倍になるごとに極大または極小をとり、保護層が完全にエッチングされると反射率の変化がなくなる。ここで、λは測定光源の波長、ｎは保護層の屈折率である。したがって、エッチング中に反射率を測定し、反射率プロファイルの極大点および極小点をモニタすることにより、保護層のエッチングを正確かつ完全に行うことができる。
【００４５】
さらに、上述した保護層の除去に引き続き、前記工程（ａ）で形成された前記半導体層は、共振器長をコントロールするために必要に応じてエッチングされる。このエッチング時には、所定範囲の波長を有する光を前記半導体層を有する基板に照射してその反射スペクトルを検出し、この反射スペクトルに現れる、光共振器の定在波に起因するディップを測定することにより、エッチング厚を制御することが望ましい。そのメカニズムは工程（ｂ）の場合と同様である。さらに、上記共振器長をコントロールするためのエッチングは、前記工程（ａ）の直後に行っても良い。工程（ａ）の直後にエッチングを行うと、広範囲のエピタキシャル層を一括でエッチングできる利点がある。このエッチング時にも、エッチング厚を制御するため、工程（ｂ）のメカニズムを用いる。
【００４６】
前記工程（ａ）において、前記半導体層は有機金属気相成長法によって形成されることが望ましい。
【００４７】
本発明の面発光型半導体レーザ装置を製造する装置として、以下の成膜装置およびエッチング装置を用いることができる。
【００４８】
例えば、前記基板上に半導体層を形成する成膜装置は、
ガス供給部およびガス排出部を有する反応管と、
前記反応管の内部に設置された、温度制御可能な基板支持部と、
前記基板支持部に所定波長の光を照射するための光源と、
前記光源から前記基板支持部上の基板に照射された光の反射光を検出する光検出器と、を含み、
前記基板支持部上に設置された基板上にエピタキシャル成長によって半導体層の成膜を行いながら、同時に生成する半導体層の反射率を測定することができる。
【００４９】
この成膜装置によれば、前述したように、例えば分布反射型多層膜ミラーの膜厚および共振器長を極めて正確に設定することができる。このように層の反射率をモニタしながら膜厚を制御することができる成膜装置は、有機金属気相成長装置だけでなく、分子線エピタキシー装置にも適用することができる。
【００５０】
また、前記柱状部を形成する工程（ｂ）および前記保護層をエッチングする工程で用いられるエッチング装置は、
エッチング室と、
前記エッチング室内に配置された基板支持部と、
前記基板支持部上に所定波長の光を照射するための光源と、
この光源から前記基板支持部上の基板に照射された反射光を測定する光検出器とを含み、
基板上の堆積層をエッチングしながら同時に反射率を測定することができる。
【００５１】
このようなエッチング装置によれば、前述したように、反射率プロファイルを検出することによりエッチング量を正確に制御することができる。そして、このエッチング装置は反応性イオンエッチングあるいは反応性イオンビームエッチングなどに適用することができる。
【００５２】
また、前記成膜装置およびエッチング装置に用いられる前記窓は、前記所定波長の光およびその反射光に対して非反射的であることが望ましい。これらの成膜装置およびエッチング装置は種々の態様の光学系を採用しうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
（第１実施例）
図１は、本発明の一実施例における面発光型半導体レーザ装置の発光部の断面を模式的に示す斜視図である。
【００５４】
図１に示す半導体レーザ装置１００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０２上に、ｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５ＡＳ層を交互に積層し波長８００ｎｍ付近の光に対し９９．５％以上の反射率を持つ４０ペアの分布反射型多層膜ミラー（以下これを「ＤＢＲミラー」と表記する）１０３、ｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３ＡＳ層からなる第１クラッド層１０４、ｎ−型ＧａＡｓウエル層とｎ−型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層から成り該ウエル層が２１層で構成される量子井戸活性層１０５（本実施例の場合は、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層となっている）、ｐ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ層からなる第２クラッド層１０６およびｐ＋型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層からなるコンタクト層１０９が、順次積層して成る。そして、コンタクト層１０９および第２クラッド層１０６の途中まで、半導体の積層体の上面からみて円形形状にエッチングされて、その柱状部１１４（以後、この部分を「共振器部」と記す。共振器部は後述するように円柱状である必要はない。）の周囲が、熱ＣＶＤ法により形成されたＳｉＯ２等のシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ膜）からなる第１絶縁層１０７と、ポリイミド等の耐熱性樹脂等からなる第２絶縁層１０８で埋め込まれている。
【００５５】
第１絶縁層１０７は、第２クラッド層１０６およびコンタクト層１０９の表面に沿って連続して形成され、第２絶縁層１０８は、この第１絶縁層１０７の周囲を埋め込む状態で形成されている。
【００５６】
第２絶縁層１０８としては、前述のポリイミド等の耐熱性樹脂の他に、ＳｉＯ２等のシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ膜）、Ｓｉ３Ｎ４等のシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ膜）、ＳｉＣ等のシリコン炭化膜（ＳｉＣｘ膜）、ＳＯＧ（スピンオングラス法によるＳｉＯ２等のＳｉＯｘ）膜などの絶縁性シリコン化合物膜、あるいは多結晶のII−ＶＩ族化合物半導体膜（例えばＺｎＳｅなど）でもよい。これら、絶縁膜の中でも、低温で形成可能であるＳｉＯ２等のシリコン酸化膜、ポリイミドまたはＳＯＧ膜を用いるのが好ましい。さらには、形成が簡単であり、容易に表面が平坦となることからＳＯＧ膜を用いるのが好ましい。
【００５７】
また、例えばＣｒとＡｕ−Ｚｎ合金で構成されるコンタクト金属層（上側電極）１１２は、コンタクト層１０９とリング状に接触して形成され、電流注入のための電極となる。このコンタクト層１０９の上側電極１１２で覆われていない部分は、円形に露出している。そして、そのコンタクト層１０９の露出面（以後、この部分を「開口部」と記す）を充分に覆う面積で、ＳｉＯ２等のＳｉＯｘとＴａ２Ｏ５層を交互に積層し波長８００ｎｍ付近の光に対し９８．５〜９９．５％の反射率を持つ７ペアの誘電体多層膜ミラー１１１が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０２の下には、例えばＮｉとＡｕ−Ｇｅ合金から成る電極用金属層（下側電極）１０１が形成されている。
【００５８】
図３は、図１に示す半導体レーザ装置のレーザ光が放射される方向１１０からみたレーザ出射部を示した図である。図３のＡ−Ａ′線における断面が図１における正面に見える断面図と対応している。上側電極１１２は、コンタクト層１０９と接触しオーミックコンタクトがとれるようにアロイ化されている。そして、誘電体多層膜ミラー１１１は、共振器部１１４を表面全体を覆うように形成されている。ここで、以降図３に示すように、共振器部１１４の直径をＤａ、開口部１１３の直径をＤｗと、表記する。
【００５９】
そして、上側電極１１２と下側電極１０１との間に順方向電圧が印加されて（本実施例の場合は、上側電極１１２から下側電極１０１への方向に電圧が印加される）電流注入が行なわれる。注入された電流は、量子井戸活性層１０５で光に変換され、ＤＢＲミラー１０３と誘電体多層膜ミラー１１１とで構成される反射鏡の間をその光が往復することにより増幅され、開口部１１３（コンタクト層１０９の露出面）から方向１１０すなわち基板１０２に対して垂直方向にレーザ光が放射される。
【００６０】
ここで、図１のシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ膜）からなる第１絶縁層１０７は、膜厚が５００〜２０００オングストロームで、常圧の熱ＣＶＤ法により形成されたものである。耐熱性樹脂等からなる第２絶縁層１０８は素子の表面を平坦化するために必要なものである。たとえば、耐熱性樹脂には高抵抗を有するものの、膜中に水分の残留が発生しやすく、直接、半導体層と接触させると、素子に長時間通電した場合に半導体との界面に於てボイドが発生し素子の特性を劣化させる。そこで、本実施例の様に、第１絶縁層１０７のような薄膜を半導体層との境界に挿入すると、第１絶縁層１０７が保護膜となり前述の劣化が生じない。第１絶縁層を構成するシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ膜）の形成方法には、プラズマＣＶＤ法、反応性蒸着法など種類があるが、ＳｉＨ４（モノシラン）ガスとＯ２（酸素）ガスを用い、Ｎ２（窒素）ガスをキャリアガスとする常圧熱ＣＶＤ法による成膜方法が最も適している。その理由は、反応を大気圧で行い、更にＯ２が過剰な条件下で成膜するのでＳｉＯｘ膜中の酸素欠損が少なく緻密な膜となること、および、ステップ・カバーレッジが良く、共振器部１１４の側面および段差部も平坦部と同じ膜厚が得られることである。
【００６１】
次に、図１に示す面発光型半導体レーザ１００の製造プロセスについて説明する。図２２Ａ〜図２２Ｃおよび図２３Ｄ〜図２３Ｆは、面発光型半導体レーザ装置の製造工程を示したものである。
【００６２】
前述したように、ｎ型ＧａＡｓ基板１０２に、ｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層とを交互に積層して波長８００ｎｍ付近の光に対し９９．５％以上の反射率を持つ４０ペアのＤＢＲミラー１０３を形成する。さらに、ｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ層（第１クラッド層）１０４を形成した後、ｎ−型ＧａＡｓウエル層とｎ−型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層とを交互に積層した量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１０５を形成する。その後、ｐ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ層（第２クラッド層）１０６、およびｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層（コンタクト層）１０９を順次積層する（図２２Ａ参照）。
【００６３】
上記の各層は、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法でエピタキシャル成長させた。この時、例えば、成長温度は７５０℃、成長圧力は１５０Ｔｏｒｒで、III族原料にＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）の有機金属を用い、Ｖ族原料にＡｓＨ３、ｎ型ドーパントにＨ２Ｓｅ、ｐ型ドーパントにＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）を用いた。
【００６４】
図２２Ａで示すように、各層の形成後、エピタキシャル層上に常圧熱ＣＶＤ法を用いて、２５０オングストローム程度のＳｉＯ２層からなる保護層Ｉを形成する。この保護層Ｉが積層された半導体層を覆うことにより、プロセス中の表面汚染を防いでいる。
【００６５】
なお、以上の工程で得られた、基板１０２上にＤＢＲミラー１０３、第１クラッド層１０４、量子井戸活性層１０５、第２クラッド層１０６、コンタクト層１０９および絶縁層Ｉが形成されたウエハの一部は、後述する端面発光型半導体レーザ装置のサンプルとして使用される。
【００６６】
次に、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）法により、レジストパターンＲ１で覆われた柱状の共振器部１１４を残して、保護層Ｉ、コンタクト層１０９および第２クラッド層１０６の途中までエッチングする。このエッチングプロセスの実施により、共振器部１１４を構成する柱状部は、その上のレジストパターンＲ１の輪郭形状と同じ断面を持つ（図２２Ｂ参照）。また、ＲＩＢＥ法を用いるため、前記柱状部の側面はほぼ垂直であり、またエピタキシャル層へのダメージもほとんどない。ＲＩＢＥの条件としては、例えば、圧力６０ｍＰａ、入力マイクロ波のパワー１５０Ｗ、引出し電圧３５０Ｖとし、エッチングガスには塩素およびアルゴンの混合ガスを使用した。
【００６７】
このＲＩＢＥ法による柱状部の形成においては、エッチング中、前記基板１０２の温度は、比較的低温、すなわち好ましくは０〜４０℃、より好ましくは１０〜２０℃に設定される。このように、基板の温度を比較的低温に保持することにより、エピタキシャル成長によって積層される半導体層のサイドエッチングを抑制することができる。ただし、基板の温度が０〜１０℃であると、サイドエッチングを抑制するという点からは好ましいが、エッチングレートが遅くなってしまうために実用的には不向きである。また、基板の温度が４０℃を超えると、エッチングレートが大きくなりすぎるため、エッチング面が荒れてしまうだけでなく、エッチングレートの制御がしにくいという不都合がある。
【００６８】
この後、レジストパターンＲ１を取り除き、常圧熱ＣＶＤ法で、表面に１０００オングストローム程度のＳｉＯ２層（第１絶縁膜）１０７を形成する。この際のプロセス条件としては、例えば、基板温度４５０℃、原料としてＳｉＨ４（モノシラン）と酸素を使用し、キャリアガスには窒素を用いた。さらにこの上にスピンコート法を用いてＳＯＧ（Ｓｐｉｎ ｏｎ Ｇｒａｓｓ）膜１０８Ｌを塗布し、その後例えば、８０℃で１分間、１５０℃で２分間、さらに３００℃で３０分間、窒素中でベーキングする（図２２Ｃ参照）。
【００６９】
次にＳＯＧ膜１０８Ｌ、ＳｉＯ２膜１０７および保護層Ｉをエッチバックして、露出したコンタクト層１０９の表面と面一になるように平坦化させた（図２３Ｄ参照）。エッチングには平行平板電極を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を採用し、反応ガスとして、ＳＦ６、ＣＨＦ３およびＡｒを組み合わせて使用した。
【００７０】
次に、コンタクト層１０９とリング状に接触する上側電極１１２を公知のリフトオフ法により形成した（図２３Ｅ参照）。コンタクト層１０９は上側電極１１２の円形開口を介して露出しており、この露出面を充分に覆うように誘電体多層膜ミラー（上部ミラー）１１１を公知のリフトオフ方法により形成する（図２３Ｆ参照）。上部ミラー１１１は、電子ビーム蒸着法を用いて、ＳｉＯ２層とＴａ２Ｏ５層を交互に例えば７ペア積層して形成され、波長８００ｎｍ付近の光に対して９８．５〜９９．５％の反射率を持つ。この時の蒸着スピードは、例えばＳｉＯ２が５オングストローム／分、Ｔａ２Ｏ５層が２オングストローム／分とした。
【００７１】
なお、前記上部ミラー１１１は、前記リフトオフ法以外に、ＲＩＥ法によって形成されてもよい。
【００７２】
しかる後、基板１０２の下面に、ＮｉとＡｕＧｅ合金とからなる下側電極１０１が形成されて、面発光型半導体レーザ装置が完成する。
【００７３】
以上、本実施例の構成要素および製造プロセスについて一通り説明したが、本実施例の主たる構造上の特徴は次の点にある。
【００７４】
（Ａ）量子井戸活性層
量子井戸活性層１０５は、ｎ−型ＧａＡｓウエル層とｎ−型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層から成る。本実施例の場合は、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層となっている。ウエル層の膜厚は、４０〜１２０オングストローム，好ましくは６１オングストローム、バリア層の膜厚は４０〜１００オングストローム，好ましくは８６オングストローム、ウエル層の総数は３〜４０層，好ましくは２１層である。これにより、面発光型半導体レーザ装置の低閾値化、高出力化、温度特性の向上、発振波長の再現性の向上が達成できる。
【００７５】
（Ｂ）埋込み絶縁層
埋込み絶縁層は、熱ＣＶＤ法により形成された膜厚の薄いシリコン酸化膜（第１絶縁層）１０７と、その上に埋め込まれた第２絶縁層（具体的な材料は上述の説明を参照）１０８との２層構造から構成されている。この構造において、薄い第１絶縁層１０７を形成する理由は、その後に形成する第２絶縁層１０８は不純物（例えばナトリウム、塩素、重金属、水等）を多く含有しているので、その不純物が第２クラッド層１０６中や量子井戸活性層１０５中へ熱等により拡散することを阻止するためである。したがって、第１絶縁層１０７は、不純物を阻止できるだけの膜厚であればよい。また、この薄い第１絶縁層１０７は、熱ＣＶＤにより形成するので、その膜質は、その後形成される第２絶縁層１０８と比較するとち密である。本実施例においては、第１絶縁層１０７は、熱ＣＶＤにより形成されるため、素子への熱の影響を考慮して、この第１絶縁層１０７を厚くして１層とするのではなく、薄い第１絶縁層１０７と、膜質がち密でなくても、より低温で形成できる第２絶縁層１０８との２層構造とした。
【００７６】
また、本実施例においては、埋込み絶縁層が量子井戸活性層１０５に至らない状態、つまり、共振器部１１４以外の領域において、第１絶縁層１０７と量子井戸活性層１０５との間に、第２クラッド層１０６を所定の厚さ（ｔ）だけ残すことも特徴である。この残す膜厚ｔは、後述する理由により、好ましくは０〜０．５８μｍ、さらに好ましくは０〜０．３５μｍに設定される。これにより、面発光型半導体レーザ装置において、活性層内に有効に電流が注入され、高効率化、高信頼性化が達成できる。
【００７７】
（Ｃ）誘電体多層膜ミラー
誘電体多層膜ミラー１１１は、ＳｉＯ２等のＳｉＯｘ層とＴａ２Ｏ５層とを交互に積層し波長８００ｎｍ付近の光に対し９８．５〜９９．５％の反射率を持つ７ペアの誘電体多層膜から形成されている。前記Ｔａ２Ｏ５層は、その代わりに、ＺｒＯｘ膜、ＺｒＴｉＯｘ膜およびＴｉＯｘ膜のいずれかで構成されていてもよい。また、前記ＳｉＯｘ層は、その代わりに、ＭｇＦ２膜、ＣａＦ２膜、ＢａＦ２膜およびＡｌＦ２膜のいずれかで構成されていてもよい。これにより、面発光型半導体レーザ装置の低閾値化、外部微分量子効率の向上が達成できる。
【００７８】
この点をさらに詳しく説明する。本実施例の面発光型半導体レーザ装置の特徴は、ｎ型ＤＢＲミラー１０３と誘電体多層膜ミラー１１１を用いてレーザ共振器を構成し、例えば図４６の従来技術に見られるｐ型ＤＢＲミラーを含んでいないことである。つまり、この従来例では、ｐ型ＤＢＲミラーの反射率を大きくするためにミラーの層数を多くする必要があり、ｐ型ＤＢＲミラーの抵抗が非常に大きくなるという問題点を有している。それに対して、本発明の実施例では、ｐ型ＤＢＲミラーを用いることなく誘電体多層膜ミラー１１１を用いることを特徴としている。これによって以下の効果が得られる。
【００７９】
（１）本実施例の装置においては、注入電流はコンタクト層１０９および第２クラッド層１０６を通して流れるので、大きな抵抗を持つことはない。
【００８０】
すなわち、デバイスのシリーズ抵抗を下げることができ、閾電流値（Ｉｔｈ）における電圧（以下、これを「閾値電圧」と言い「Ｖｔｈ」と表記する）を下げることができる。これにより注入電流によるデバイスの発熱を抑える事ができ、その結果外部微分量子効率を上げ、発振可能な光出力を向上させることが可能である。
【００８１】
（２）誘電体多層膜ミラーを、クラッド層，活性層等の結晶成長後に形成するので、共振器長を共鳴条件に正確に合わせ込んだ面発光型半導体レーザ装置の製造が可能である。共振器長の制御については、後に詳述する。
【００８２】
次に、図２に、本発明の図１に示した実施例の面発光型半導体レーザ装置と図４６に示した従来例の面発光型半導体レーザ装置のそれぞれの注入電流と光出力との関係を示す特性（以下これを「Ｉ−Ｌ特性」と記す）、および注入電流と順方向電圧の関係を示す特性（以下これを「Ｉ−Ｖ特性」と記す）をまとめて示してある。図２において、実線で示した曲線が本実施例のＩ−Ｌ特性２０１とＩ−Ｖ特性２０２を示し、破線で示した曲線が従来例のＩ−Ｌ特性２０３とＩ−Ｖ特性２０４を示している。両者のＩ−Ｖ特性を見れば明らかなように、デバイスの抵抗には大きな差がある。従来例のｐ型ＤＢＲミラーを用いた場合に比べて、本実施例のデバイス抵抗は一桁以上小さいことが判る。従来例ではデバイス抵抗は約６００Ωであるのに対し、本実施例のデバイス抵抗は約５０Ωである。また、閾値電圧Ｖｔｈ（Ｉ−Ｌ特性のＩｔｈの電流値に対するＩ−Ｖ特性の電圧値）は、従来例では約４．０Ｖであるのに対し、本実施例では約１．９Ｖと１／２以下の低い値である。これにより、本実施例の面発光型半導体レーザ装置は、デバイスの注入電流による発熱は抑えられ、高い電流領域まで熱飽和することなく光出力が得られることになる。
【００８３】
また、図２のＩ−Ｌ特性を見れば明らかなように、従来例のＩ−Ｌ特性２０３では、デバイス抵抗が高いために、それによる発熱のため６ｍＡ程度で光出力が飽和してしまい、０．４ｍＷ程度の光出力が得られる程度である。これに対して、本実施例のＩ−Ｌ特性２０１では、１０ｍＡ程度まで光出力が飽和することなく、１．２ｍＷの出力が得られている。
【００８４】
図４は、本実施例における面発光型半導体レーザ装置の注入電流と光出力の関係を示すＩ−Ｌ特性図である。このＩ−Ｌ特性を求めるために用いたサンプルは、図１および図３に示す構成の面発光型半導体レーザ装置において、Ｄｗ＝６μｍ（レーザ光が放射される部分、つまり開口部１１３の直径）、Ｄａ＝８μｍ（共振器部１１４の直径）、量子井戸活性層１０５中のＧａＡｓウェル層の膜厚が６１オングストローム、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層の膜厚が８６オングストローム、発振波長が８００ｎｍとしたものである。４０１の特性曲線は、上述の構成を有する面発光型半導体レーザ装置をパルス幅２００ｎｓｅｃ、繰り返し周波数１０ｋＨｚのパルス電流でパルス駆動した場合の結果であり、４０２の特性曲線は、上述の構成を有する面発光型半導体レーザ装置を直流電流で連続駆動した場合の結果を示している。両者ともに明瞭な閾値を持ってレーザ発振を開始し、連続駆動の場合の閾電流は２ｍＡと低い。そして、パルス駆動の場合の方が、連続駆動の場合より閾電流が低く発振した後の外部微分量子効率も高い。連続駆動の場合には、注入電流による素子の温度上昇の影響が大きく、注入電流を増していくとＩ−Ｌ特性の直線性が悪くなることが判る。実用的な面発光型レーザ装置を実現するためには、閾電流値が低く、かつ外部微分量子効率の高い特性が得られるようにして、その結果駆動電流値をできるだけ下げることが重要である。
【００８５】
以下に、本発明による実施例をさらに詳細に説明し、その駆動電流を下げることが如何に可能であったかを、図５Ａおよび図５Ｂを用いて説明する。図５Ａに示す面発光型半導体レーザ装置は比較用デバイスである。
【００８６】
図５Ａにおいて、図１の正面からみた断面図と異なる部分は、埋込み絶縁層が量子井戸活性層１０５まで到達していることである。つまりこの図は、塩素イオンを用いた反応性イオンビームエッチング法によって、コンタクト層１０９と第２クラッド層１０６と量子井戸活性層１０５と一部のｎ型クラッド層１０４をエッチングし、その周囲をシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ膜）からなる第１絶縁層１０７とポリイミドからなる第２絶縁層１０８とで埋め込んだ面発光型半導体レーザ装置の断面構造図を示す。
【００８７】
図５Ｂは、図１の正面からみた断面図と構造的には同様のものである。つまり、エッチングが図５Ａのように量子井戸活性層１０５まで到達せず、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層からなる第２クラッド層１０６の途中迄で止めて、その周囲を図５Ａと同様に埋め込んだ面発光型半導体レーザ装置の断面構造図を示す。そして、図５Ｂに示す様に第２クラッド層１０６のエッチング残り膜厚を「ｔ」と表記する。
【００８８】
図５Ａの構造にすると、どの様な問題が発生するか、図６の実験結果に基づいて以下に説明する。
【００８９】
図６の６０１で示した直線は、図５Ａに示した構成の面発光型半導体レーザ装置の閾電流密度（発振閾電流値Ｉｔｈを共振器部の面積（直径はＤａである）で割った値；「Ｊｔｈ」と記す）と１／πＤａとの関係を示したものである。この場合、開口部の直径Ｄｗは６μｍと一定にして、共振器部の直径Ｄａだけを変えたレーザ素子を複数作製し、そのＩｔｈを測定して、Ｊｔｈを求めたものである。図５Ａの様に量子井戸活性層１０５を切って、その側面が第１絶縁層１０７と接触している場合には、その接合面で界面再結合電流が流れ、その成分が洩れ電流としてＩｔｈを増加させる。Ｊｔｈは界面再結合電流がある場合、次の式（１）のように表される。
【００９０】
【数１】
【００９１】
ここでＪ０は洩れ電流が無いときの閾電流密度、ｅは電子の電荷量、Ｎｔｈは閾キャリア密度、ｄａは活性層の膜厚、ｖｓは界面再結合速度を表す。式（１）から明らかなように界面再結合電流が存在すると、Ｊｔｈは、共振器部の直径Ｄａの逆数に比例する成分を持ち、界面再結合電流が大きいほど（１／Ｄａ）に対する変化率は大きい。界面再結合電流は非発光の洩れ電流であり、これが大きいとＩｔｈを増大させ且つ電流を流した時に素子の発熱を生じせしめ、発光効率を減衰させるという悪影響を及ぼす。
【００９２】
それに対し、図６の６０２の直線は、図５Ｂで示された構造の本実施例の面発光型半導体レーザ装置に対する同様な測定の結果である。図６から明らかなように、図５Ｂの量子井戸活性層１０５までエッチングを進めない場合、つまり量子井戸活性層と埋込み絶縁層との界面が存在していない場合、Ｊｔｈは（１／Ｄａ）にほとんど依存しなくなり、閾電流値も減少する。従って、共振器部を形成するときに、第２クラッド層１０６に残り膜厚ｔを設け、界面再結合電流をなくすことが、面発光型半導体レーザ装置の構造上、特に重要なことであることが判る。
【００９３】
ただし、その第２クラッド層１０６の残り膜厚ｔは、厚くなりすぎると注入キャリアの拡がりが大きくなってＩｔｈの増大をまねく。従って、適当な厚さでエッチングをストップさせる必要があり、さらに量子井戸活性層１０５との境界でピタリとエッチングを終えること、つまり第２クラッド層の残り膜厚ｔ＝０となることが最も好ましい。これには製造技術上困難を伴う場合があるが、理論的には問題ない。つまり、その下の活性層を実質的にエッチングしなければよいのである。
【００９４】
図７には、本発明の実施例における第２クラッド層１０６のエッチングの残り膜厚ｔの異なる複数の面発光型半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性をまとめて示してある。このＩ−Ｌ特性を求めるにあたって、共振器部１１４の直径Ｄａは８μｍ、開口部１１３の直径Ｄｗは６μｍ、量子井戸活性層１０５の量子井戸（ウエル）は２１層から成り、残り膜厚ｔを変えて複数の素子（発振波長；８００ｎｍ）を作製し、連続駆動の条件で測定した。図７から明らかなように、ｔが０．６２μｍより大きくなるとＩｔｈは１０ｍＡ以上となり、また外部微分量子効率が低下して光出力がすぐに熱飽和を起こす。
【００９５】
さらに、このクラツド層の残り膜厚ｔの好ましい数値範囲について、図８を用いて説明する。
【００９６】
図８において、縦軸は外部微分量子効率を示す傾き（スロープ効率）の値を示し、横軸はクラッド層の残り膜厚ｔを示す。スロープ効率が０．１（つまり１０％）であるということは、１０ｍＡの電流でも１ｍＷの光出力しか得られないことになる。一般的に、この１０ｍＡという電流値は、レーザ素子が熱飽和する電流値に近い電流値であり、ほとんど限界に近いものである。従って、実用上要求される傾きは０．１以上であり、図８からスロープ効率が０．１の時の残り膜厚ｔは、約０．５８μｍとなり、このことから好ましい残り膜厚ｔは、０〜０．５８μｍとなる。さらに、面発光型半導体レーザ装置を、たとえばプリンターに用いる際に必要な光出力は好ましくは２ｍＷ、さらに好ましくは２．５ｍｗであることから、好ましい残り膜厚ｔは０〜０．４μｍ、さらに好ましくは０〜０．３μｍである。
【００９７】
本発明の特徴的な構成要件は、量子井戸活性層１０５の構造にあることは、前に簡単に説明した。これを次に詳細に、図９を用いて説明する。
【００９８】
図９は、本発明の一実施例におけるＭＯＶＰＥ法によって結晶成長した単一量子井戸構造からの光励起による発光スペクトルの測定結果を示す図である。サンプルは、ＧａＡｓ単結晶基板上に膜厚５００オングストロームのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層を介して膜厚の異なる単一量子井戸層をそれぞれ結晶成長させたものである。測定は、サンプルを液体窒素温度（７７Ｋ）に冷却し、３００ｍＷのアルゴンレーザ光を照射して、発光した光を分光器でスペクトル分解受光して行なった。量子井戸の膜厚が薄い程、エネルギー準位が高くなり、短波長に鋭い発光スペクトルが観測された。図９には、各量子井戸膜厚に対応する発光のピーク波長（図中の、左のピークから１７，３３，５５，１１５オングストローム）とその半値幅（同じく８．３，９．６，７．８，５．６ｍｅＶ）を記してある。
【００９９】
また、図１０の実線１００１は、量子井戸膜厚（横軸）と、それに対応するピーク波長（縦軸）の関係を理論計算より求めた結果であり、ドット（●）は図９の測定結果をプロットしたものである。この図から実測値と理論計算とは、ほぼ一致した結果となっており、量子井戸構造が理論に近い形で作製されていることが判る。
【０１００】
図１１に、前記量子井戸からの発光強度の半値幅と量子井戸幅の関係を、理論的に求めた結果および測定結果で表す。図１１の１１０１で示す破線は理論的に計算される半値幅であり、１１０２の破線は、量子井戸幅に１原子層の凹凸があった場合に、井戸幅に対して半値幅が、どの程度広がるかを理論的に計算した結果を示している。また、１１０３の実線およびドット（●）は実測値を示している。このように、図１１から明らかなように、本実施例では１原子層分のゆらぎがある場合よりも半値幅は充分狭く、理想的な量子井戸に近いものが出来ていることが判る。
【０１０１】
この様な、１原子層のゆらぎもない量子井戸構造を作る為には、ＭＯＶＰＥ法の結晶成長装置を工夫して用いることによって製造可能である。
【０１０２】
前述のように、単一量子井戸が作製可能であると、これを連続して積層して多重量子井戸を作製することが可能となる。面発光型半導体レーザ装置の量子井戸活性層としては、光の増幅が起こるためには、注入したキャリアが活性層内に閉じこもり、量子井戸層内に注入キャリアを分布させることが必要である。
【０１０３】
更に、面発光型半導体レーザ装置の構造において、低い閾電流を達成するには、共振器内部における定在波を考慮した活性層の膜厚を最適化する必要がある。図１２は活性層の全膜厚に対して面発光型半導体レーザ装置の閾電流密度（Ｊｔｈ）の変化の様子を理論的に計算したものである。図１２には、図１のＤＢＲミラー１０３の反射率をＲr、誘電体多層膜ミラー１１１の反射率をＲｆとし、ミラー１０３，１１１でつくられるファブリ・ペロ−共振器の平均反射率Ｒｍ（＝（Ｒｒ・Ｒｆ）１／２）を変化させた場合を示している。Ｊｔｈは下記の式（２）で表される。
【０１０４】
【数２】
【０１０５】
ここでｅは電子の電荷量、ｄは活性層の膜厚、Ｌは共振器の長さ、ξは光の閉じ込め係数、αａｃは活性層の光損失、αｉｎはキャリアが注入されていない状態での損失、αｅｘは活性層以外の共振器部の損失、およびＡ０は定数を表す。図１２は、上記理論式に基づいて、活性層の全膜厚と閾電流密度の関係を示したものであり、実線は共振器での定在波の分布を考慮しない場合、破線は定在波の分布を考慮した場合の計算結果である。図１２においては、平均反射率Ｒｍが０．９８，０．９９，０．９９５の場合の結果を示し、●は活性層の膜厚が０．１３μｍ、Ｒｍが０．９８の場合の面発光レーザの実測値、■は活性層の膜厚が０．２９μｍ、Ｒｍが０．９９の場合の実測値をそれぞれ示している。それぞれの実測値は理論値に良く合致している。この活性層を量子井戸構造にすることで、閾電流は更に低下し、実際にＤａ＝８μｍの時にＩｔｈ＝２ｍＡが得られた。
【０１０６】
この様に、面発光型半導体レーザ装置の低閾値化を達成する為に必要な活性層の条件としては、以下の２点が必要である。
【０１０７】
（１）活性層が量子井戸構造であり、それが単原子以下の平坦性（凹凸）のある、急峻な井戸であること。
【０１０８】
（２）量子井戸活性層の全膜厚が共振器内の定在波分布を考慮した閾値電流密度の最小値をとる値、例えば、０．２７〜０．３３μｍの範囲あるいは０．６５〜０．７５μｍの範囲に設定されること（図１２参照）。
【０１０９】
量子井戸の膜厚はレーザ発振の発振波長によって設定するので、全膜厚は量子井戸を繰り返し形成して、その井戸数を変えることで制御する。例えば８００ｎｍの発振波長で発振する面発光型半導体レーザ装置を製作する場合には、量子井戸層はＧａＡｓで膜厚６１オングストローム、バリア層はＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓで膜厚８６オングストロームとし、２１対の多重量子井戸構造を形成すればよい。
【０１１０】
次に、活性層におけるウエル層の数について、図４７を参照して説明する。
【０１１１】
図４７は、ウエル層の数がＩ−Ｌ特性に与える影響を示したものである。つまり、図４７中の曲線ａ〜ｈは、所定の膜厚（ｄａ）を有する活性層のウエル層の数をそれぞれ１，２，３，１２，２１，３０，４０および５０とした場合のＩ−Ｌ特性を示す。前記膜厚（ｄａ）は、図１２に示した条件を満たす。曲線ａ〜ｅで示す活性層の膜厚は０．３μｍであり、曲線ｆ〜ｈで示す活性層の膜厚は０．７μｍである。
【０１１２】
そして、活性層におけるウエル層の占める膜厚の総計はその数によって異なるが、バリア層の膜厚の総計をコントロールすることによって活性層の膜厚を所定の値に設定することができる。例えば、バリア層を所定の膜厚で等間隔で形成することができない場合には、図４８に示すように、もっとも外側に位置するバリア層Ｂ１，Ｂ２の膜厚をそれ以外のバリア層の膜厚より大きくすることによって活性層全体の膜厚を規定することができる。
【０１１３】
図４７より、閾値電流を低くするためにはウエル層の数を少なく、光出力を大きくするためにはウエル層の数を多くすることが有効であることがわかる。つまり、レーザ発振をするためには、ウエル層の数を１〜４０とし、１ｍＷ以上の光出力を得るためにはウエル層の数を３〜３０とする必要がある。したがって、本実施例において適切なウエル層の数は３〜３０である。
【０１１４】
次に、クラッド層のバンドギャップの大きさがレーザ発振特性に及ぼす影響について詳述する。図１３は、ＧａＡｓ単結晶基板上に結晶成長した面発光型半導体レーザ装置用ウエハの各成長層ＡｌｘＧａ1−ｘＡｓのＡｌ組成を示したものである。ＡｌＧａＡｓはＡｌの組成比が高いほどバンドギャップが大きいので、図１３はバンドギャップの変化の様子を表していることにもなる。クラッド層のバンドギャップによって活性層に注入されたキャリアは閉じ込められ、キャリアの閉じ込めがよいほどデバイスの温度特性は向上する。図１３中のｎ型クラッド層と第２クラッド層のＡｌ組成ｘを０．５にした面発光型半導体レーザ装置と、ｘを０．７にした面発光型半導体レーザ装置を作製し、両者の特性を比較してみた。サンプルは、クラッド層の組成以外は全く同じ条件で作製され、量子井戸活性層はＧａＡｓ膜厚６１オングストロームの量子井戸層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓで膜厚８６オングストロームのバリア層とを２１対重ねた多重量子井戸構造、誘電体多層膜ミラーはＳｉＯｘとＴａ２Ｏ５を８対積層して８００ｎｍの波長において９９．０％の反射率を有し、Ｄａは８μｍ、Ｄｗは６μｍである。
【０１１５】
図１４は２つのタイプの面発光型半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性を示す図である。図において曲線１４０１は第１および第２クラッド層がＡｌ組成０．５の面発光型半導体レーザ装置の特性を示し、曲線１４０２は第１および第２クラッド層がＡｌ組成０．７の面発光型半導体レーザ装置の特性を示している。両者共に室温連続駆動の条件で電流を流している。図１４から明らかなようにクラッド層のＡｌ組成の大きい方が外部微分量子効率が高く、２倍以上のレーザ光出力を取り出すことが可能である。これはクラッド層のポテンシャルバリアにより注入キャリアの活性層内への閉じ込めが有効に働いていることを示す。
【０１１６】
さらに、クラッド層のＡｌ組成について図１５を用いて説明する。図１５において、縦軸は外部微分量子効率（Ｉ−Ｌ特性の傾き）を表す値（スロープ効率）を示し、横軸はクラッド層中のＡｌ組成を示している。前述の図８においても説明したように、通常外部微分量子効率は０．１以上である必要がある。このことから、クラッド層のＡｌ組成は、０．４以上が好ましい。そして、面発光型半導体レーザ装置をプリンターに用いる際には、必要な光出力は２ｍＷ以上であることから、好ましいクラッド層のＡｌ組成は０．６５以上であり、さらに好ましくは０．７〜０．８程度である。
【０１１７】
次に、更なる低閾値化を達成するために必要な条件について詳述する。図１の誘電体多層膜ミラー１１１は、レーザ発振波長に対して９８．５〜９９．５％の反射率を有する必要がある。反射率が９８．５％より低いと、図１２の理論計算から明らかなように発振閾電流が大幅に増大してしまう。逆に９９．５％よりも大きいと光出力が外部に取り出しにくく、外部微分量子効率が低下してしまう。従って、前述の反射率になるように誘電体多層膜ミラー１１１の対数を決定して薄膜形成する。更に、誘電体の材料に、レーザ発振波長に対して光の吸収損失が少ない特性のものを使用することが、閾値を低くし外部微分量子効率を向上させるために重要な要件である。
【０１１８】
図１６は、実線１６０２で示す、誘電体多層膜ミラーとして非晶質ＳｉとＳｉＯｘの多層膜ミラーを形成した面発光型半導体レーザ装置と、実線１６０１で示す、誘電体多層膜ミラーとしてＺｒＴｉＯｘとＳｉＯｘの多層膜ミラーを形成した面発光型半導体レーザ装置とのＩ−Ｌ特性を各々示す。さらに具体的には、図中の実線１６０１は、誘電体ミラーとしてＳｉＯｘ／ＺｒＴｉＯｘ多層膜を８対形成し、その反射率が９９．０％の面発光型半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性を示し、実線１６０２は、誘電体ミラーとしてＳｉＯｘ／非晶質Ｓｉ多層膜を４対形成し、その反射率が９８．７％の面発光型半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性を示す。図１６から明らかなように、ほぼ同一の反射率を有する誘電体多層膜ミラーに対して、外部微分量子効率と発振可能な光出力は大きく異なる。これは非晶質Ｓｉの８００ｎｍの波長に対する光吸収係数が４０００ｃｍ−１であるのに対して、ＺｒＴｉＯｘの同波長に対する光吸収係数が５０ｃｍ−１と小さいことによる。
【０１１９】
表１に、電子線蒸着法（以下ＥＢ蒸着法と記す）により形成した誘電体薄膜の波長８００ｎｍに対する屈折率と光吸収係数を示す。
【０１２０】
【表１】
【０１２１】
この表１のうちＺｒＴｉＯｘは、ＺｒＯｘ中にＴｉがＺｒに対して約５％のモル比で薄膜中に含まれた誘電体材料である。反射ミラーを形成するためには、発振波長λに対してλ／４ｎ（ｎは誘電体材料の屈折率）の膜厚にして、低屈折率の誘電体と高屈折率の誘電体を交互に積層する。反射率を大きくするには積層する対数を増やせば反射率は増大していくが、光の吸収損失を持っていると反射率は上がらなくなる。
【０１２２】
次に、表２に各誘電体の組合せによるミラーの膜厚と対数およびλ＝８００ｎｍにおける反射率の計算値とＥＢ蒸着によって製作した各誘電体ミラーの反射率を示す。
【０１２３】
【表２】
【０１２４】
上記表２の反射率の計算値は、表１の光吸収係数を考慮した結果である。表２から判るようにａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）の様な大きな吸収係数を持った誘電体材料を用いると反射率を上げることが難しい。以上述べた様に、本発明の実施例の面発光型半導体レーザ装置に用いる誘電体多層膜ミラーは、閾電流値を下げ発光効率を上げるために、発振波長に対して１００ｃｍ−１以下の光吸収係数を有する誘電体材料を用いてミラーを形成することが好ましく、より好ましくは６０ｃｍ−１以下の光吸収係数であることがよい。
【０１２５】
次に、発振閾値が低く、効率の高い面発光型半導体レーザ装置を実現するために必要な更なる条件について説明する。
【０１２６】
図１７Ａは、図１に示した本発明の実施例を示す面発光型半導体レーザ装置の断面構造を模式的に示した図である。図１７Ａ中、図１と同じ符号は同一の構成をさし、１７０１はほぼ共振器長を示し、１７０２は注入電流の流れを模式的に示している。面発光型半導体レーザ装置は、誘電体多層膜ミラー１１１とＤＢＲミラー１０３との間でファブリ・ペロー共振器を形成し、この共振器内に立つ定在波の波長で発振する事が可能である。共振器長１７０１は、誘電体多層膜ミラー１１１とＤＢＲミラー１０３との間の膜厚でほぼ決定されるが、ＤＢＲミラー１０３への光の侵入があるので実効的な共振器長（以下これを「Ｌｅｆｆ」と記す）は１７０１で示す長さより長いものになる。この実効的な共振器長Ｌｅｆｆは、反射率を調べることで直接に測定することが可能である。
【０１２７】
図１７Ｂは、図１および図１７Ａに示す本実施例の面発光型半導体レーザ装置を形成するための半導体層を有するウェハ（以下、単に「半導体積層ウェハ」ともいう）を用いて形成されたストライプ型の端面発光型半導体レーザ装置の一例を示す。すなわち、この端面発光型半導体レーザ装置２００は、図２２Ａに示したように、基板１０２上に、ＤＢＲミラー１０３、第１クラッド層１０４、量子井戸活性層１０５、第２クラッド層１０６およびコンタクト層１０９が積層された半導体積層ウェハの一部を切り出し、さらにコンタクト層１０９上に絶縁層１２０および上側電極１２１を形成し、基板１０２の下に下側電極１０１を形成することにより、得られる。この端面発光型半導体レーザ装置は、後述する利得のピーク波長を求めるためのサンプルとなる。また、端面発光型半導体レーザ装置としては、ストライプ−埋め込み型端面発光レーザおよびメサ−ストライプ型端面発光レーザ等を用いることもできる。
【０１２８】
図１８は、ＤＢＲミラーの反射率スペクトル（曲線１８０１）と、ウエハ（半導体積層ウェハ）の反射率スペクトル（曲線１８０２）と、前記端面発光型半導体レーザ装置２００の発振スペクトル（曲線１８０３）を測定した結果を示したものである。図１８において、曲線１８０１および１８０２に対する縦軸は反射率を示し、曲線１８０３に対する縦軸は発光強度を示し、横軸は波長を示す。
【０１２９】
曲線１８０１においては、反射率が９９．２％以上の領域は波長７９２ｎｍから８３３ｎｍまである。この半導体積層ウエハの場合、面発光型半導体レーザ装置の発振波長を８００ｎｍに設計してある。
【０１３０】
面発光型半導体レーザ装置の低閾値化と高効率化を達成するためには、この３つのスペクトルが特定の条件を満足する必要がある。
【０１３１】
［第１の条件］
まず第１の条件は、発振波長に対してＤＢＲミラーの反射率が充分に高い必要がある。ＤＢＲミラーの反射率のピークはＤＢＲミラーを構成する半導体層（Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ／Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ）の膜厚を正確に制御する事によって得られ、ピーク反射率の値はＤＢＲミラーの対数を多くする事によって上げることが出来る。ところで、通常ウエハ面内で結晶層の膜厚は完全に均一ではないので、ＤＢＲミラーの反射率スペクトルはウエハ面内で短波長側と長波長側に分布を持っている。従って、Ａｌ０．８Ｇａ０．２ＡＳ／Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５ＡＳのＤＢＲミラーの反射率は、発振波長に対して±２０ｎｍの領域で少なくとも９９．２％以上の反射率を持っていないと、ウエハ面内でレーザ発振を起こさない領域が生じてしまう事になる。本実施例においてはＤＢＲミラーとして４０ペアの半導体層を積層してあるので、図１８の曲線１８０１から明らかなように、ウエハ面内で例えば±２．５％の膜厚の分布があっても、狙った発振波長でレーザ発振を起こさせることが可能である。
【０１３２】
また、ＤＢＲミラーの反射率は、ミラーを構成する半導体層（Ａｌ０．８Ｇａ０．２ＡＳ／Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５ＡＳ）の各層のドーピング量によっても変動する。これは、各層のドーピング量が増加すると、発生する自由キャリアによる光の吸収損失が無視できなくなるためである。
【０１３３】
特に、本実施例におけるＡｌ０．８Ｇａ０．２ＡＳ／Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５ＡＳのＤＢＲミラーでは、ｎ型ドーパントであるＳｅのドーピング量が１×１０１９ｃｍ−３より多くなると、ペア数を４０ペアにしても上記の設定波長±２０ｎｍで９９．２％以上の反射率を得ることは難しくなる。従って、各層のドーピング量は１×１０１９ｃｍ−３以下にすることが好ましい。表３にＤＢＲミラーへの平均ドーピング量と反射率の関係を示す。
【０１３４】
【表３】
【０１３５】
しかし、ＤＢＲミラーのドーピング量を下げることは、ＤＢＲミラーの電気抵抗を高くすることになり、ＤＢＲミラー内に電流を流す面発光型レーザにおいては、素子抵抗を増加させる要因となる。本実施例の面発光型レーザは、ＤＢＲミラーを柱状にエッチングをしない構造であるため、駆動電流はＤＢＲミラー全体に広がり、ＤＢＲミラーの抵抗増加によるレーザ素子の抵抗増加への影響は少ない。しかし、ＤＢＲミラー各層へのドーピング量が５×１０１６ｃｍ−３より少なくなると、本実施例の構造においてもＤＢＲミラーの抵抗が、上部コンタクト層と電極のコンタクト抵抗とほぼ同程度の大きさとなるため、素子抵抗への影響を無視できなくなる。従って、ＤＢＲミラーを構成する各層へのドーピング量には好適な範囲が存在し、その範囲は、５×１０１６ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下となる。また、１つの基板から発振波長の異なる面発光型レーザを作製するといった発振波長の自由度などから、より好適には５×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１８ｃｍ−３以下にすることが望ましい。
【０１３６】
更に、本実施例におけるＤＢＲミラーについては、ドーピング量に関し以下の構成を有することが望ましい。すなわち、ＤＢＲミラーを構成する第１の層（アルミニウムの濃度が高い層）と、この第１の層よりもバンドギャップが小さく屈折率の異なる第２の層（アルミニウムの濃度が低い層）との界面近傍のキャリア濃度を界面近傍以外の領域よりも高くすることが望ましい。ここで「キャリア濃度」とは、不純物のドーピングによって発生した電子または正孔等のキャリア濃度をいう。キャリア濃度は、ドーピング量を変えることにより変化させることができる。具体的には、界面近傍のキャリア濃度の最大値は、界面近傍以外のキャリア濃度の最小値の１．１倍以上、１００倍以内の値を取ることが好ましい。また、界面近傍のキャリア濃度の最大値は、５×１０２０ｃｍ−３以下の値を取ることが好ましい。
【０１３７】
このようにＤＢＲミラーを構成する第１の層と第２の層とのヘテロ界面に、キャリア濃度の高い部分を形成することにより、電子および正孔のトンネル伝導を増進させることができ、従って不連続なバント構造が改善され、低抵抗のＤＢＲミラーを構成することができる。また、このようなヘテロ界面でのキャリア濃度を高くすることによってミラーの屈折率分布は大きく影響されないので、ミラーの反射率が低下することはない。
【０１３８】
次にこのようなＤＢＲミラーを製造するにあたっては、ドーパント原料を経時的に変化させる方法、所定のタイミングで成長表面に紫外線を照射する方法、経時的にＶ族原料とIII族原料との比率を変化させる方法、などを採用することにより、キャリア濃度を所定の界面近傍においてのみ高くすることができる。
【０１３９】
以下に、実験データによりこのようなＤＢＲミラーについてさらに詳細に説明する。
【０１４０】
まず、ＤＢＲミラーの成長プロセスについて述べる。図３５は、ＤＢＲミラーの原料であるＴＭＧａとＴＭＡｌの流量変化およびｎ型ドーパントの原料であるＨ２Ｓｅの流量変化を示したタイミングチャート図である。この例においては、ＴＭＧａを一定に供給していることから、ＴＭＡｌ流量の高い成長部分がｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層を、ＴＭＡｌ流量の低い成長部分がｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層を構成することになる。ここで、各層の厚みは、層中を伝搬する波長８００ｎｍの光の１／４波長分になるように制御されている。また、ドーパントとしてのＨ２Ｓｅ流量の高い部分はｎ型キャリアを高濃度にドープさせたい成長部分を、またＨ２Ｓｅ流量の低い部分はｎ型キャリアを低濃度にドープさせたい成長部分を示している。流量の変化は、ＭＯＶＰＥ装置において、Ｈ２Ｓｅ流量の高いラインと低いラインとをコンピュータ制御のバルブを切り替えることによって、所定の界面へのドーパント量を制御している。また、この実施例では、ドーパントＳｅ量の高い部分はＴＭＡｌ流量の高い成長部分、すなわちｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層中のｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層との界面近傍において形成され、そしてＳｅの濃度は、ＴＭＡｌ流量の低い成長部分、すなわちｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層との界面で急峻に低下するように制御されている。
【０１４１】
このようにして得られたＤＢＲミラーの一部をＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）法で評価した結果を図３６に示す。図３６において、縦軸はＡｌおよびＳｅの二次イオン数を示しており、層中に含まれる原子の量およびキャリアの数に対応している。横軸はＤＢＲミラーの一部における膜厚方向の深さを示す。
【０１４２】
図３５と図３６とを対比すると、ｎ型ドーパントであるＳｅの濃度が、第１の層（ｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層）中の第２の層（ｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層）との界面近傍において急峻に増加しており、所定通りのドーピングが行われていることが確認された。
【０１４３】
次に、図３７に示すＤＢＲミラーのエネルギーバンドの模式図を用いて、本実施例の作用について説明する。図３７Ａは、本実施例において、Ｓｅの濃度を第１の層の第２の層との界面近傍で急峻に高めた場合を示し、図３７ＢはＨ２Ｓｅの流量を低濃度に一定に供給した以外は本実施例と同様にして作成した場合を示している。両者を比較すると、本実施例においては、界面近傍のキャリア濃度が高まった結果、伝導帯の障壁が薄くなり、その結果電子がトンネル伝導しやすくなるため多層膜に垂直な方向の電気抵抗が減少することが理解される。なお、ここでドーピングによってキャリア濃度を高めているは層の界面近傍に限定されていることから、高濃度のドーピングによる膜質の実質的な悪化はない。
【０１４４】
界面近傍のキャリア濃度を高める方法としては、上述したドーピング量を制御する方法の他に、紫外線などの光を照射する方法を用いることもできる。
【０１４５】
具体的には、キャリア濃度を高めたい部分の成長時に紫外光を照射する。図３８は、ＤＢＲミラーの成長時におけるＴＭＡｌの流量変化および光照射のタイミングチャート図である。ＴＭＡｌ流量の高い成長部分が第１の層（ｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層）を、ＴＭＡｌ流量の低い成長部分が第２の層（ｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層）を構成する。ここで、各層の厚みは、層中を伝搬する波長８００ｎｍの光の１／４波長分になるように制御されている。また、この実施例においては、紫外光の照射は、ＴＭＡｌ流量の高い成長部分、すなわち第１の層中の第２の層との界面近傍で行われている。そして、ｎ型ドーパントとしてはＨ２Ｓｅのかわりにテトラメチルシラン（ＴＭＳｉ）を用いる。
【０１４６】
このようにして得られたＤＢＲミラーの一部をＳＩＭＳ法で評価した結果を図３９に示す。図３９において、縦軸はＡｌおよびＳｉの二次イオン数を示しており、膜中に含まれる原子の量およびキャリア数に対応している。横軸はＤＢＲミラーの一部における膜厚方向の深さを示している。
【０１４７】
図３８と図３９とを対比すると、紫外光を照射した層で、ｎ型ドーパントであるＳｉの濃度が急激に増加しており、キャリア濃度の高い層となっていることがわかる。これは、以下の理由による。すなわち、ドーピング原料であるＴＭＳｉは、熱的に極めて安定で熱分解しにくいが紫外領域に吸収帯を有するため、紫外光の照射により容易に光分解が行われる。従って、紫外光を照射した場合は紫外光を照射しない場合に比べ、成長層のＳｉ濃度が急激に上昇し、実質的にｎ型ドーピング物質の供給量が増加したことになる。そして、上述したＳｅドーパントの場合と同様に、ＤＢＲミラーを構成する層の界面近傍のキャリア濃度が高まった結果、伝導帯の障壁が薄くなって電子がトンネル伝導しやすくなり、従って多層膜に垂直な方向の電気抵抗が減少することになる。また、ここでドーピングによってキャリア濃度を高めているのは層の界面近傍のみであること、更に光照射が膜質の改善に寄与することから、高濃度のドーピングによる膜質の実質的な悪化はない。
【０１４８】
上述した界面ドープにおいては、ドーパント材料としてＳｅ，Ｓｉの他にも、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ，Ｚｎ，Ｃ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａなどを用いることができる。また、ＴｅやＭｇなどのＧａＡｓ系でドーピング効率の低い材料を用いるときは、高濃度のドーピングを行いたい箇所でＶ族原料であるＡｓＨ3の流量をコントロールしてIII族原料との割合（Ｖ／III）を変えることにより、ドーピング効率を制御することができる。
【０１４９】
更に、ヘテロ界面のキャリア濃度を制御する方法としては、上述のようにバンドギャップの大きい層において界面近傍のキャリア濃度を高めることに限定されず、バンドギャップの小さい層において界面近傍のキャリア濃度を高めても良く、更にバンドギャップの大きい層と小さい層との両者における界面近傍のキャリア濃度を高めても良い。更に、キャリア濃度の分布と、多層膜の反射率，多層膜の垂直方向の電気抵抗および多層膜の結晶性との関係について詳細に検討したところ、キャリア濃度を高くする界面近傍の領域の厚さは、一対を成す、バンドギャップの大きい第１の層とハンドギャップの小さい第２の層とを合わせた厚さの１／３以内にすることが好ましい。キャリア濃度の高い領域をこれ以上の厚さにすると、結晶性が悪くなることが確認された。また、ＤＢＲミラーの抵抗を小さくするためには、高濃度のドーピングと低濃度のドーピングのタイミングを瞬時に切り替えることが望ましいが、ドーピング材料によってはこの操作によって結晶性が若干悪くなることが確認された。この場合、ドーピング量を急峻に切り替えるのではなく、界面近傍以外にドーピングするときの原料の供給量から界面近傍にドーピングするときの原料の供給量に至るまで原料の供給量を連続的に変化させることが望ましい。すなわち、界面近傍に所定のドーピング濃度でドープする前に、界面近傍のドープ時間の１／２以内の時間をかけて、ドーピング量を直線的、２次関数的もしくは３次関数的にドーピング量を変化させることにより、結晶性の低下を抑制することができる。
【０１５０】
［第２の条件］
次に、第２の条件は、前述した共振器長の中の定在波の波長が、面発光型半導体レーザ装置の発振波長になるので、実効的な共振器長は共振器内の発振波長の１／２の整数倍である（これを「モードの共鳴条件」と呼ぶ）。図１８に示す曲線１８０２を見ると、図中に示したλＥＭの波長でスペクトルに明瞭なディップが観測されることが判る。このディップは、ＤＢＲミラー上に形成された半導体層で、波長λＥＭにおいて定在波が立ち、その波長の光が共振器内で共鳴的に吸収されたことを示す。従って面発光型半導体レーザ装置用の半導体積層ウエハの反射率スペクトルを測定すれば、前述の実効共振器長Ｌｅｆｆを直接に測定できる。前述のモードの共鳴条件とは、この波長λＥＭが曲線１８０１で示すＤＢＲミラーの反射率スペクトルの高反射率帯（ピーク）の中に含まれていることを意味している。
【０１５１】
［第３の条件］
そして、第３の条件は、活性層の利得のピーク波長が、前述のモード共鳴条件における定在波の波長λＥＭに対して短波長側に位置している必要があるということである。図１８の曲線１８０３は、曲線１８０２のスペクトルが得られたのと同じ半導体積層ウェハを用いて作製された端面発光型半導体レーザ装置２００（図１７（Ｂ）参照）のレーザ発振スペクトルを測定したものである。ここで、曲線１８０２が得られる面発光型半導体レーザ装置と端面発光型半導体レーザ装置２００は、ｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層が同じ半導体層から形成されているので、曲線１８０３は、端面発光型半導体レーザ装置の活性層の利得スペクトルを表すとともに、面発光型半導体レーザの活性層の利得スペクトルも表していることになる。利得スペクトルのピーク波長を図中でλＧと表記している。λＥＭとλＧの波長の差を△λＢＳと表記する。本実施例の第３の条件は、λＧがλＥＭより必ず短波長側にあり、且つ、その差△λＢＳが２０ｎｍ以内にあることである。
【０１５２】
この第３の条件は、本願出願人が初めて明らかにする重要な特徴である。以下に、この第３の条件が、なぜ本発明の面発光型半導体レーザ装置に必要不可欠な条件であるかを詳述する。
【０１５３】
図１９Ａは、前記端面発光型半導体レーザ装置２００の発振波長とケース温度との関係を示した図である。図１９Ｂは、図１９Ａの元になった測定結果であり、各ケース温度における発振スペクトルを示したものである。ここにおいて、ケース温度とはレーザ装置が実装されているパッケージの温度であり、ケース温度とレーザ装置の温度とは実質的に同じであると考えて良い。
【０１５４】
図１９Ａから明らかなように、温度上昇に対して、発振波長がほぼ直線的に長波長側にシフトする。その変化率△λ／△Ｔは２．７８オングストローム／°Ｃである。これは温度上昇により利得スペクトルのピーク波長が長波長側にシフトする為である。
【０１５５】
一方、面発光型半導体レーザ装置の場合の発振波長とケース温度の関係を図２０Ａに示す。端面発光型半導体レーザ装置と同様に、温度上昇に対して、ほぼ直線的に発振波長が長波長側にシフトする。これは、前述した通り、面発光型半導体レーザ装置の発振波長は、実効共振器長によって決ってしまう為に、温度上昇によって共振器を構成する半導体の屈折率が変化することで発振波長が長波長側にシフトすることによるものである。ただし、その変化率△λ／△Ｔは０．４１オングストローム／°Ｃであり、前記端面発光型半導体レーザ装置に比べると約１／７と小さい。従って、面発光型半導体レーザ装置の場合には、温度上昇によって、利得スペクトルのピーク波長が、屈折率の変化による発振波長の変化よりも大きく長波長側に動くことになる。
【０１５６】
図２０Ｂは面発光型半導体レーザ装置の接合温度（ジャンクション温度）および発振波長が直流電流の注入によって、どの様に上昇するかを測定したものである。図２０Ｂから明らかなように、注入電流密度の２乗に比例して、接合温度が上昇しており、前述のケース温度の上昇と同じように、電流注入によって利得スペクトルのピークおよび発振波長が長波長側にシフトすることになる。この場合も利得スペクトルのピーク方が発振波長より大きく長波長側にシフトする。従って、電流注入によってレーザ発振を起こし、かつその閾電流を小さくして高い効率を得るためには、予め利得スペクトルのピークを、実効共振器長によって決まるレーザの発振波長より短波長側に設定する必要がある。この予め設定される波長差（△λＢＳ）を、以下「ゲインオフセット量」と表す。何故なら、利得スペクトルのピークが発振波長より長波長側にあると、電流注入によって利得スペクトルのピークが長波長側にシフトしてしまい、レーザ発振に必要な利得が減少してしまうからである。但し、利得スペクトルのピークを余りに大きく短波長側に設定すると、電流注入によって利得スペクトルのピークが長波長側にシフトしたとしても、発振波長での利得が小さくなりすぎて最初からレージングを起こさなくなってしまう。
【０１５７】
本出願人の実験によれば、ゲインオフセット量△λＢＳが２０ｎｍより大きいとレーザ発振せず、５ｎｍより小さいと光出力がすぐに飽和してしまい、したがって△λＢＳは５ｎｍから２０ｎｍの間にあることが望ましい。
【０１５８】
そして、このゲインオフセット量△λＢＳの数値範囲の根拠について、図２１を用いて説明する。図２１において、縦軸は閾値電流Ｉｔｈを示し、横軸はゲインオフセット量△λＢＳを示す。本実施例において、例えば共振器部の直径Ｄａが８μｍの場合に、電流密度を例えば最大レベルの１０ｋＡ／ｃｍ２とする閾電流は、５ｍＡである。この閾電流を考慮すると、図２１から面発光型半導体レーザ装置が連続駆動を行う限界のゲインオフセット量△λＢＳは約２０ｎｍである。一方、図２１から、ゲインオフセット量△λＢＳが約５ｎｍより小さいと閾電流が上昇し、光出力がすぐ飽和する。このことから、ゲインオフセット量△λＢＳは、好ましくは５〜２０ｎｍであり、さらに好ましくは５〜１５ｎｍであり、最も好ましくは１０〜１５ｎｍである。図２１は、共振器部の直径Ｄａおよび開口部の径Ｄｗの値を特定して得られたデータを示すが、ＤａおよびＤｗが異なったとしても本実施例のＤａおよびＤｗの範囲では発振閾電流密度はほぼ同じであるため、第３の条件はＤａおよびＤｗにほとんど依存せずに成立する。
【０１５９】
また、面発光型半導体レーザ装置の温度が変化すると、前述のように、面発光型半導体レーザの利得スペクトルのピーク波長も変化する。したがって、前述のλＧの測定は、面発光型半導体レーザ装置を使用する温度付近で測定される。
【０１６０】
以上スペクトルに関する条件について述べたが、更に、面発光型半導体レーザ装置に必要な特性として、基本横モードでレーザ発振し、それが注入電流を増加させても変化しないことが要求される。高次横モードでレーザ発振すると、放射ビームが単峰性にならずに複雑な構造を持ち、これを光学的に集光したり、結像したりすると、分布のある結像となり実用に供さない。図２４Ａ，Ｂに、本発明の構造の面発光型半導体レーザ装置の発振光の横モード特性に関する測定の結果を示す。図２４ＡはＤａ＝８μｍ、Ｄｗ＝６μｍの面発光型半導体レーザ装置の発振光の遠視野像を等高線表示した測定結果である。この場合、等高線は面発光型半導体レーザ装置からの放射角度による分布を示している。図２４Ｂは同様の測定によって得られた、Ｄａ＝１３μｍ、Ｄｗ＝１０μｍの面発光型半導体レーザ装置の場合の遠視野像の結果である。図２４Ａに示す遠視野像においては、半値放射角８度の真円状のレーザビーム形状となり、基本横モードで発振していることを示している。これに対して、図２４Ｂに示す遠視野像は、双峰状の形状となり、高次横モードで発振していることを示している。
【０１６１】
従って、図２４Ａ，Ｂから明かな様に、レーザの横モード特性は共振器径（Ｄａ）と開口部径（Ｄｗ）の大きさによって大きく異なる。前述した通り、放射光は基本横モードである必要があり、そのためには、共振器部の径をある大きさ以上にする事は好ましくない。また、発振する光の出力は、共振器の大きさが大きい程、出射面での光強度密度が小さくなるので、高い光出力を得るのに有利である。従って、共振器の大きさを小さくしすぎることも好ましくない。表４にＤａ、Ｄｗの大きさと横モードおよび発振可能な光出力の関係を示す。
【０１６２】
【表４】
【０１６３】
表４から明かな様に共振器部１１４の径Ｄａが１２μｍを越え、開口部１１３の径Ｄｗが１０μｍを越えると横モードは高次となり、放射光は単一峰とならずに複数のピークのある構造を持つ。また、Ｄａが６μｍ以下、Ｄｗが４μｍ以下であると最大光出力は０．５ｍＷ程度しか得られない。更に、Ｄａが１２μｍ、Ｄｗが８μｍであると、注入電流を増加させていくと、比較的低い電流値で横モードが高次モードに移ってしまい、光出力に不安定な領域ができる（以下、これを「キンクの発生」と記述する）。従って、本発明の実施例に於いては、Ｄａは６μｍ〜１２μｍであり、Ｄｗは４μｍ〜８μｍであることが基本横モード発振の条件であり、更に好適には、Ｄａは７μｍ〜１０μｍであり、Ｄｗは５μｍ〜７μｍである。
【０１６４】
次に、図１の第２クラッド層１０６の共振器を形成している部分の膜厚が、レーザ装置の低閾値化にどの様に影響するか、実験例に基づき説明する。図１７に示す通り、本発明の面発光型半導体レーザ装置の構造に於いては、リング状の上側電極１１２から活性層１０５に電流を注入する。レーザ発振は最も大きな利得を得る共振器中央付近で起こる。これは共振器中を往復する光は、共振器周辺部では上側電極および共振器界面における光損失が大きいため、中央付近で最大利得を得るためである。しかし注入電流は上側電極から第２クラッド層を介して活性層に流れるため、共振器内部では不均一な電流密度分布を生ずる。従って、共振器中央部でレーザ発振に充分な注入電流によるキャリア密度を得るためには、第２クラッド層の膜厚は適正に選択される必要がある。そして、前記注入キャリア密度が不十分であると、閾電流が増大する。
【０１６５】
図２５Ａは本実施例のレーザ装置で第２クラッド層１０６の膜厚が１．０μｍの場合の発光近視野像、図２５Ｂは第２クラッド層１０６の膜厚が０．３μｍの場合の発光近視野像を計測したものである。また、下段の各図は、図中のラインａ−ａおよびｂ−ｂにおける光強度を示している。図２５Ａは、レーザ発光の近視野像である。図２５Ｂは、レーザ発振に至らない、自然放出光の近視野像を示す。図２５Ｂから明かなように、第２クラッド層の膜厚が薄いと注入キャリアの不均一は大きく、上側電極１１２（コンタクト金属）に対応する位置に多く分布し、つまり、上側電極付近で注入キャリアが再結合して発光してしまい、共振器中央付近の注入キャリア密度は大きくならない。そのためにレーザ発振の閾値に達する前に、光出力は熱飽和してしまう。これに対し図２５Ａのように第２クラッド層１０６が充分な膜厚を持っていると共振器内部に均一な注入キャリア密度が得られるため、共振器中央付近において最大利得を得ることができ、レーザ発振に至っている。
【０１６６】
従って、クラッド層は、本発明の面発光型半導体レーザ装置の構造の場合、その厚さが薄くなりすぎては、注入キャリアの不均一を生じ、その結果レーザ発振の閾電流の増大を招き、レーザ発振そのものに至らない場合がある。図２６に、第２クラッド層１０６の膜厚が０．３μｍの場合と２．０μｍの場合のＩ−Ｌ特性の測定結果を示す。曲線（ａ）は膜厚が０．３μｍの場合を示し、この場合、注入電流を上げてもレーザ発振には至らず自然放出光のみで光出力は飽和してしまっている。これに対して曲線（ｂ）で示す膜厚が２．０μｍの場合、３ｍＡの閾電流値でレーザ発振を開始し、０．３５Ｗ／Ａのスロープ効率で最大光出力１．５ｍＷまで発振可能である。
【０１６７】
しかし、第２クラッド層の膜厚が厚くなりすぎると、デバイスの素子抵抗が高くなって消費電力の増大を招き、光出力の熱飽和が低い注入電流で起ってしまうという問題や、デバイス全体の膜厚が増すことによって結晶成長に長い時間を要し、ウェハの製造効率を下げるといった問題が発生する。本実施例においては、第２クラッド層の膜厚は３．５μｍ以上にすると素子抵抗が１００Ωを越え、光出力の最大値が低下する。図２７に、第２クラッド層の膜厚が２．０μｍの場合と４．０μｍの場合のＩ−Ｌ特性を示す。曲線（ａ）は膜厚が２．０μｍの場合であり、曲線（ｂ）は膜厚が４．０μｍの場合である。図２７から明かなように、第２クラッド層の膜厚が厚くなりすぎると第２クラッド層の抵抗が増し、注入電流を大きくしていくと素子の温度上昇により光出力の熱飽和が低い電流値で起るようになる。
【０１６８】
このように第２クラッド層の膜厚には最適な厚さがあり、本発明においては好ましくは０．８μｍ〜３．５μｍであり、更に好ましくは１．０μｍ〜２．５μｍである。
【０１６９】
さらに第２クラッド層内での注入キャリアを均一にし、活性層で均一な注入キャリア密度を得るためには、第２クラッド層の比抵抗を下げることも効果がある。クラッド層の膜厚が薄い場合においても、比抵抗を下げ、注入キャリアの拡散を良くすることにより、第２クラッド層の膜厚を増加したことと同様な効果が得られる。表５に第２クラッド層を構成するＡｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ層の厚さが１μｍのときの比抵抗との注入キャリアの拡散長を示す。
【０１７０】
【表５】
【０１７１】
面発光型レーザの開口部の直径Ｄｗが８μｍ程度の場合、注入キャリアの拡散長も同程度がよく、この関係を考慮すると、表５より、比抵抗は２×１０−１Ω・ｃｍ以下にすることが好ましいことがわかる。しかし、前記ＤＢＲミラー中のドーピング量の時と同様に、第２クラッド層も、ドーピング量を多くしてその比抵抗を７×１０−３Ω・ｃｍより小さくすると、ドーピングにより発生した自由キャリアによる光吸収が無視できなくなり、発光効率が低下してしまう。従って、第２クラッド層の比抵抗は、７×１０−３Ω・ｃｍ〜１×１０−１Ω・ｃｍにすることが好ましい。
【０１７２】
また、前記第２クラッド層の好ましい厚さの範囲と前記第２クラッド層の好ましい比抵抗範囲の両方を満たしていることがより好ましい。
【０１７３】
次に、前述の様な低閾電流を持ち、外部微分量子効率の高い面発光型半導体レーザ装置を実現するための製造方法について詳述する。これまで述べてきたように、結晶成長によってＤＢＲミラー層、多重量子井戸構造を形成するので、結晶成長技術が本発明の面発光型半導体レーザ装置において最も重要な要素のひとつである。結晶成長技術には、
（１）ヘテロ界面が原子層オーダーで急峻であること
（２）広い面積にわたって膜厚の均一性が高いこと
（３）膜厚、組成およびドーピング効率の再現性が高いこと
等が必要な要件である。特に（１）の界面の急峻性が、面発光型半導体レーザ装置の特性の向上の為には重要である。化合物半導体の結晶成長技術において界面の急峻性を確保する方法には、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、有機金属気相エピタキシー法（ＭＯＶＰＥ法）がある。液相エピタキシー法（ＬＰＥ法）は高純度の結晶成長が可能であるが、液相から固相への成長方法であるのでヘテロ界面の急峻性を実現する事は困難で、面発光型半導体レーザ装置の製造方法には適さない。これに対しＭＢＥ法とＭＯＶＰＥ法はそれぞれ分子線、気相から固相への成長方法であるので原理的には原子層オーダーの界面急峻性が得られる。
【０１７４】
しかしＭＢＥ法は分子線からの結晶形成であり成長速度を高めることはできず、０．１〜１オングストローム／秒といった比較的遅い成長速度しか得られず、面発光型レーザの様に数μｍ程度のエピタキシャル層を必要とする結晶成長には不向きである。またＭＢＥ法は、その製造装置の構造上、大面積において均一かつ高品質に結晶成長させることは非常に難しく、また原料の充填量の制約から、連続した結晶成長の回数にも制限がある。このことは、結晶成長のスループットを制限する点であり、基板の量産を難しくする要因となっている。
【０１７５】
これに対し、本実施例で用いているＭＯＶＰＥ法は、前述した、量子井戸構造の膜厚とピーク波長の関係（図１０参照）で示したように、ＭＢＥ法と同等の原子層オーダのヘテロ界面の急峻性が得られており、また、気相成長であるため原料の供給量を変化させることにより、０．１〜数１０オングストローム／秒の成長速度を得ることができる。
【０１７６】
また、（２）の膜厚の均一性については、成長装置の反応管形状を最適化することにより、図２８に示すように、例えば直径が３インチ円形基板のほぼ７５％の面積で、±２％の膜厚分布が得られることが確認された。
【０１７７】
（３）の再現性の点では、ＭＢＥ法やＭＯＶＰＥ法は成長の制御性が原理上よいので、膜厚、組成およびドーピング効率の再現性が高い。
【０１７８】
従って、本発明の面発光型半導体レーザ装置を実現する結晶成長方法はＭＯＶＰＥ法が好ましい。
【０１７９】
（３）の点については、ＭＯＶＰＥ法で、以下に示す製造方法を組み合わせることにより、さらに再現性かつ制御性よくエピタキシャル層を作製することができる。
【０１８０】
図２９は、ＭＯＶＰＥ法が適用され、かつ結晶成長中にエピタキシャル層の反射率を常時測定することが可能な成膜装置の一例を示したものである。この成膜装置は、横型水冷反応管を用いたＭＯＶＰＥ装置において、成長基板上部の水冷管部分を無くし、反応管外部から成長基板上に光を入れることが可能な窓をもつ構造を特徴としている。
【０１８１】
つまり、このＭＯＶＰＥ装置は、原料ガスが供給されるガス供給部１０ａおよびガス排出部１０ｂを有する反応管１０の周囲に、内部に水を通すことによって反応管を冷却する冷却部１２が設けられている。反応管１０の内部には基板Ｓを載置するためのサセプタ１４が設けられ、このサセプタ１４の基板載置面に面する部分の反応管１０壁面に窓１６が設けられている。窓１６の上方には光源１８および光検出器２０が設置され、光源１８から出射された光は窓１６を介してサセプタ１４上の基板Ｓに到達し、その反射光は再び窓１６を介して光検出器２０に到達するように構成されている。
【０１８２】
そして、光源１８からの光は基板Ｓ上にほぼ垂直（最大５°）に入射するように設定され、その反射光を光検出器２０によって測定することにより、基板Ｓ上にエピタキシャル成長を行いながら、同時に生成するエピタキシャル層の反射率の変化を測定することができる。
【０１８３】
本実施例では、ＤＢＲミラーの中心波長を発振波長とするため、光源１８としては前記中心波長８００ｎｍと同じ８００ｎｍの発振波長の半導体レーザを用いた。なお、この光源１８として８００ｎｍの波長と異なる半導体レーザや分光器等を用いた波長可変光源を用いることにより、任意の波長の反射率を測定することも可能である。
【０１８４】
前述した、ＤＢＲミラーの反射率と面発光型半導体レーザ装置の発光特性との関係（図１８参照）から、ＤＢＲミラーは所定の波長で９９．５％以上の反射率を持つことが望まれている。これを満たすためには、ＤＢＲミラーを構成する各層の厚さがλ／４ｎでなければならない。ここで、λは所定波長、ｎは所定波長での屈折率を示す。
【０１８５】
従来の結晶成長方法では、各層の膜厚は結晶成長速度と成長時間で制御している。しかし、この方法では幾つかの問題を有する。第１の問題は、この方法では結晶の成長速度を常に一定にしなければならなく、成長速度が揺らぐとＤＢＲミラーのペア数を増やしても９９．５％以上の反射率を得ることは難しいことである。また、第２の問題は、膜厚を決定する要因として、屈折率ｎの値があるが、半導体層は波長によって屈折率も変化するため、所定の波長での各層の屈折率も厳密に測定しなければならず、そしてこの測定は非常に困難であることである。さらに、第３の問題は、反射率は結晶成長終了後のウェハを反応管外に取り出して測定するので、ＤＢＲミラーより上部の構造を含んだ反射率しか測定できず、ＤＢＲミラー単体の反射率が測定できないことである。
【０１８６】
これらの問題点は、先の反射率を測定しながらＭＯＶＰＥ法でエピタキシャル成長を行なうことで解決できる。以下に、そのメカニズムを説明する。
【０１８７】
図３０は、本実施例の面発光型半導体レーザ装置を構成するＤＢＲミラー１０３を図２９に示す成膜装置を用いてＭＯＶＰＥ成長させる工程において、エピタキシャル層の反射率の経時的変化を示したものである。
【０１８８】
図３０から明らかなように、ＧａＡｓ基板上に初め低屈折率ｎ1のＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓを積層すると膜厚が増加するにつれ反射率が減少する。膜厚が（λ／４ｎ１）になると極小点（１）を向かえるので、この極小点をモニタして、高屈折率ｎ２のＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓの堆積に切り替える。そして、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層の膜厚が増加すると反射率は増加していくが、膜厚が（λ／４ｎ２）になると極大点（２）に到達するので、再び低屈折率ｎ１のＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓの推積に切り替える。この操作を繰り返すことにより、ＤＢＲミラーは、その反射率が低反射率および高反射率をくり返しながら変動し、反射率が増加していく。
【０１８９】
この反射率プロファイルは、結晶の成長速度や成長時間に依存せず、各層の膜厚および屈折率に依存している。従って、反射率プロファイルの極大点および極小点（１次微分値０）で積層する層のＡｌ組成を変更し、屈折率の違う層を交互にエピタキシャル成長させることにより、各層が理論通りの厚さ（λ／４ｎ）を持ったＤＢＲミラーが得られる。また、反射率を測定するための入力光の光源として所定の発振波長を持つ半導体レーザを選ぶことにより、λを厳密に設定できることから、各層の膜厚から屈折率ｎも求めることもできる。
【０１９０】
さらに、ＤＢＲミラー自体の反射率を結晶成長中に測定できることから、層形成中にＤＢＲミラーのペア数を変更したり、構造の最適化がはかれる。
【０１９１】
また、ＤＢＲミラーの成膜中に行われる反射率測定から得られるＤＢＲミラーの各層の成長速度を元にして、ＤＢＲミラーより上部の各層の膜厚も制御できることから、結晶成長速度を測定できない従来の成膜方法に比べ、再現性がよく、かつスループットが高い方法で、結晶成長基板を作製できる。実際に、本実施例の成長方法により、面発光型レーザ素子に必要な９９．５％以上の反射率を持つＤＢＲミラーが制御性よく得られた。
【０１９２】
上述した、層の反射率をモニタして結晶層の膜厚を制御する方法は、ＭＯＶＰＥ法だけでなく、他の成膜プロセス、例えばＭＢＥ法などにも使用できる。
【０１９３】
次に、柱状共振器部をＲＩＢＥ法で形成する工程に、上述した反射率をモニタする手段を使用した実施例について述べる。
【０１９４】
前述したように、共振器部１１４の作製には、垂直側面が得られ、かつ表面ダメージの少ない点から、ＲＩＢＥ法によるエッチングを行っている。この柱状共振器部の形成において重要なポイントは、エッチング深さ、つまり第２クラッド層１０６の残り膜厚ｔを制御することである。この残り膜厚を管理して、所定の厚さにしなければならない理由は先に記した。
【０１９５】
ＲＩＢＥ法によるドライエッチングを行いながら、残り膜厚を測定する方法を、以下に具体的に示す。
【０１９６】
図３１に、エッチングしなからエピタキシャル層の反射率を測定できるＲＩＢＥ装置の一例の概略図を示す。
【０１９７】
このＲＩＢＥ装置は、エッチング室３０に、プラズマ室４０および排気手段を構成する真空ポンプ３２が接続されている。エッチング室３０は、前記プラズマ室４０に対向する位置に基板Ｓを載置するためのホルダ３４を有する。このホルダ３４は、ロードロック室５０を介して進退自由に設けられている。エッチング室３０のプラズマ室４０側の側壁には、窓３６および３８が対向する位置に設けられている。そして、エッチング室３０内には、前記窓３６および３８を結ぶライン上に一対の反射ミラーＭ１およびＭ２が設けられている。一方の窓３６の外方には任意の波長を有する光源２６が設置され、他方の窓３８の外方には光検出器２８が設置されている。また、プラズマ室４０は、マイクロ波導入部４４および反応ガスをプラズマ室４０に供給するためのガス供給部４６および４８が連結されている。そして、プラズマ室４０の周囲にはマグネット４２が設けられている。光源２６としては、分光器を通した光等、任意の波長を有する光を用いることができる。
【０１９８】
このＲＩＢＥ装置においては、通常の方法によって基板Ｓ上に形成された結晶層をエッチングするとともに、光源２６から照射される光を窓３６および反射ミラーＭ１を介して基板Ｓ上に照射し、その反射光を反射ミラーＭ１および窓３８を介して光検出器２８によって測定することにより、基板Ｓ上の結晶層の反射率または反射スペクトルをモニタすることができる。
【０１９９】
次に、図３２Ａ〜Ｃに基づいて、エッチング中の第２クラッド層の残り膜厚ｔの測定方法を具体的に説明する。
【０２００】
エッチング前状態（図２２Ａで示す状態）での共振器を構成するエピタキシャル結晶層は、図３２Ａに示す様な反射スペクトルを示す。このスペクトルは、図１８に示されるスペクトル１８０２と同様である。そして、このスペクトルの特徴は、ある波長λｏにおいて反射率が低下すること、つまりディップ（Ｄｏ）が存在することである。
【０２０１】
このディップ（Ｄｏ）の波長λｏは、ＤＢＲミラーから上の結晶層の膜厚に対応することから、エッチングにより膜厚が薄くなると、ディップ（Ｄｏ）も短波長側に移動して波長λ′となる（図３２Ｂ参照）。
【０２０２】
さらに、長波長側に次のディップ（Ｄ１）（波長：λ″）が発生し、これが短波長側の波長λ１へと移動する（図３２Ｃ参照）。さらにエッチングを続けると、再び長波長側に新たなディップが発生し、ディップの移動と発生が繰り返えされる。エッチング前の状態から、ａ個めのディップの波長をλａとすると、この時のエッチング量△ａは下記式（３）で表される。
【０２０３】
【数３】
【０２０４】
式（３）において、Θは構造から決まる定数で、本実施例では１／２または１／４、ｎはエピタキシャル層の平均屈折率、である。
【０２０５】
このようにエッチングによりディップが短波長側にシフトして高反射率帯からはずれても、長波長側に次の縦モードに対応するディップが発生し、これがさらに短波長側にシフトするので、エッチング中に高反射率帯域に存在するディップの数および波長移動量を測定することにより、エッチング量およびエッチング速度を管理できる。したがって、第２クラッド層において所定の残り膜厚ｔを有する共振器部１１４を正確に作製することができる。
【０２０６】
また、反射スペクトルの値や形状もエッチング中に同時にモニタできるので、エッチング時の表面の汚れ、ダメージなども評価でき、これらの評価結果をエッチング条件にフィードバックすることができる。
【０２０７】
さらに、反射率のモニタ手段を使ったプロセスとして、ＲＩＥ法によるＳｉＯ２層のエッチングについて説明する。
【０２０８】
図１に示す面発光型半導体レーザ装置の作製工程においては、前述したように、レーザ光出射側のリング状の上側電極１１２を形成する前まで、共振器表面のｐ型コンタクト層１０９は表面保護用のＳｉＯ２層Ｉ（図２２Ｂ参照）で覆われているが、上側電極を形成するためには、このＳｉＯ２層を完全にエッチングしなければならない。ただし、必要以上にエッチングを行うと、コンタクト層もエッチングすることになり、コンタクト層へダメージを与えたり、発振波長に関係する共振器長が変化してしまう問題が起こる。
【０２０９】
従って、ＳｉＯ２層のエッチング量の管理が重要である。そこで、本実施例ではＳｉＯ２層のエッチングに使用するＲＩＥ装置に、エッチング中にエピタキシャル結晶層の反射率を測定できる方法を導入し、エッチング量を測定することとした。
【０２１０】
図３３に反射率測定手段を導入した平行平板型ＲＩＥ装置の概略図を示す。このＲＩＥ装置においては、エッチング室６０内に、ＲＦ発振器６１に接続された載置電極６２とメッシュ状の対向電極６４とが対向して設けられている。エッチング室６０には、ガス供給部７０と排気用の真空ポンプ６６とが接続されている。そして、エッチング室６０の、前記載置台電極と対向する壁面には、窓６８が設けられており、この窓６８の外方には光源７２と光検出器７４とが設置されている。そして、光源７２から照射された任意の波長の光は窓６８を介して基板Ｓに到達し、その反射光は窓６８を介して光検出器７４に至る。このＲＩＥ装置においては、通常のメカニズムによってＳｉＯ２層がエッチングされるとともに、光源７２からの光を検出することによってエッチング面の反射率または反射スペクトルをモニタすることができる。
【０２１１】
図３４は、ｐ型コンタクト層１０９上にＳｉＯ２層があるときの、８００ｎｍの光に対する反射率の変化を示したものである。横軸がＳｉＯ２層の膜厚、縦軸が反射率である。図に示したように、反射率はＳｉＯ２層の残り膜厚によって変化し、残り膜厚が（λ／４ｎ）の整数倍になるごとに極大または極小をとる。ここでλは測定光源の波長、ｎはＳｉＯ２層の屈折率である。従って、ＲＩＥによるエッチング中に反射率を測定し、反射率曲線をモニタすることにより、ＳｉＯ２層のエッチングを完全に行うことができる。
【０２１２】
また、ＳｉＯ２層の完全なエッチング終了後、前記ＲＩＢＥプロセスと同様に、ＲＩＥ中の反射率測定の光源として分光器を通した光若しくは波長可変のレーザ光を用いて例えば７００〜９００ｎｍの波長の光を照射することにより、反射率のディップが測定でき、共振器長が測定できる。つまり、この反射率のディップを測定しながらＲＩＥによるエッチングを進めると、エッチング量は前記式（３）で求められ、共振器長を正確に制御することができる。ここで、ＲＩＥを用いているのは、ｐ型コンタクト層１０９を保護するためのＳｉＯ２層を完全にエッチングした後、同一装置内でエッチングが可能なこと、またＲＩＢＥによるエッチングよりもエッチング速度が遅いので共振器長を制御しやすいことが挙げられる。このときのエッチング条件としては、例えば、エッチング圧力２Ｐａ、ＲＦパワー７０ＷおよびエッチングガスＣＨＦ３を用いた。また、エピタキシャル成長膜の共振器長を広範囲に変えるときには、前述の工程（ａ）の後にＲＩＥを行ってもよい。
【０２１３】
前述した様に本発明の面発光型半導体レーザ装置の実現には、ＤＢＲミラーの高反射帯域と共振器長によって定まる発振波長とゲインオフセット量とを所定の関係にしなければならないが、エピタキシャル成長後に仮にその関係が成立していなくとも、反射率をモニタしたＲＩＥを用いてコンタクト層をエッチングすることにより、共振器長を所定長さに精度良く調整できるので、高い精度のデバイスを歩留まりよく製造することが可能である。これは、コンタクト層は、活性層の利得スペクトル、つまり端面発光型半導体レーザの発振スペクトルの測定においては必須の構成となるが、活性層の利得スペクトルは、ｐおよびｎ型クラッド層と活性層とによって決まるものなので、面発光型半導体レーザ装置のコンタクト層をエッチングしても、活性層の利得スペクトルは変化しないためである。つまり、コンタクト層をエッチングすることによって、λＧを変化させずにλＥＭを調整することができる。
【０２１４】
また、反射率をモニタしたエッチングを用いることにより、基板面内で共振器長の異なる部分を精度良く作ることもでき、１枚の基板で発振波長の異なる面発光型半導体レーザ装置を作製することもできる。
【０２１５】
（第２実施例）
図４０Ａは、本発明の第２実施例にかかる面発光型半導体レーザ装置の発光部の断面を模式的に示す斜視図であり、図４０Ｂは図４０Ａに示すレーザ装置の平面図である。
【０２１６】
本実施例の面発光型半導体レーザ装置３００は、光共振器が複数の柱状共振器部から構成されている点に特徴を有する。光共振器以外の構成および作用は前記第１実施例と基本的に同様であるため、詳細な説明を省略する。
【０２１７】
すなわち、半導体レーザ装置３００は、ｎ型ＧａＡｓ基板３０２上に、ｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層を交互に積層し波長８００ｎｍ付近の光に対し９９．５％以上の反射率を持つ４０ペアのＤＢＲミラー３０３、ｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓクラッド層３０４、ｎ−型ＧａＡｓウエル層とｎ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層から成り該ウエル層が２１層で構成される量子井戸活性層３０５、ｐ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓクラッド層３０６およびｐ＋型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓコンタクト層３０９が、順次積層して成る。そして、ｐ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓクラッド層３０６の途中までエッチングされて、積層体の上面からみて矩形形状を有する複数の柱状共振器部３１４が形成され、その周囲は、ＳｉＯ２等のシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ膜）からなる第１絶縁層３０７と、この第１絶縁層３０７上に形成された第２絶縁層３０８で埋め込まれている。
【０２１８】
このタイプのレーザ装置においては、分離された複数の共振器部でたつ横モードが電磁波的に互いに結合されているため、各共振器部から位相同期された光が発振される。
【０２１９】
光共振器を構成する柱状共振器部３１４（３１４ａ〜３１４ｄ）は、図４０Ｂに示すように、半導体基板３０２に平行な各断面が長辺および短辺を有する矩形をなし、各共振器部３１４ａ〜３１４ｄの短辺の方向がそれぞれ平行となるように配置されている。この面発光型半導体レーザ装置においては、複数本の柱状共振器部３１４より出射されるレーザ光の偏波面は、矩形断面を有する各柱状共振器部３１４の短辺の方向と一致している。そして、これらの各柱状共振器部３１４の短辺の方向がそれぞれ平行であるため、各共振器部から出射されるレーザ光の偏波面の方向を揃えることができる。
【０２２０】
さらに、第１絶縁層３０７および第２絶縁層３０８を構成する材料として、例えばＳｉＯｘまたはＳｉＮｘなどの光透過性を有する物質によって構成することにより、埋込み絶縁層はレーザ発光波長に対してほぼ透明となる。したがって、複数の共振器部３１４からの光だけでなく、埋込み絶縁層にもれた光も有効にレーザ発進に寄与させ、発光スポットを広げることができる。
【０２２１】
次に、共振器部３１４の長辺および短辺の関係について更に詳しく説明する。
【０２２２】
各柱状共振器部３１４の長辺の長さをＡとし、短辺の長さをＢとした時、Ｂ＜Ａ＜２Ｂであることが好ましい。長さＡを長さ２Ｂ以上とすると、出射光の形状が円または正多角形とはならずに長方形になるため、発光スポットが一つにならず、１つの出射口に複数の発光スポットが形成されてしまう。また、共振器の体積も大きくなるので、レーザ発振しきい電流も増加してしまう。
【０２２３】
さらにこの矩形断面の各辺は、１．１×Ｂ≦Ａ≦１．５×Ｂに設定すると良い。長辺の長さＡが１．１×Ｂ未満であると、偏波面制御の効果が十分に発揮されない。また、レーザ発振しきい電流が大きく増加しない点を考慮すると、Ａ≦１．５×Ｂに設定するものが良い。
【０２２４】
本実施例の半導体レーザ装置３００は、柱状共振器部３１４の形成時に用いるマスクを変える以外は、前記第１実施例と同様のプロセスおよび装置によって製造することができる。つまり、柱状共振器部３１４を形成する際のマスクとして、柱状共振器部３１４の平面形状に対応したマスクを用いる以外は、図２２Ａ〜Ｃおよび図２３Ｄ〜Ｆと同様のプロセスを用いることができる。
【０２２５】
図４１Ａ〜Ｄは、従来の面発光型半導体レーザおよび本実施例の面発光型半導体レーザの、光が出射される側の形状とレーザ発振時のＮＦＰの強度分布を示したものである。図４１Ａは、図４５に示す従来の面発光型半導体レーザの共振器を、ｎ−ｐ接合のＧａＡｌＡｓエピタキシャル層２２０７，２２０８で埋め込むことが可能な距離である５μｍ程度まで接近させた場合を示している。レーザの出射面には、誘電体多層膜ミラーとｐ型オーミック電極（上側電極）があるが、共振器の形状を比較するために図では削除している。図４１Ｂは図４１Ａのａ−ｂ間のＮＦＰ強度分布を示している。従来の面発光型半導体レーザの発光部２２２０を複数個、埋め込み可能な距離まで接近させても発光スポットが複数個現れるだけで、横方向の光の漏れが無いため、多峰性のＮＦＰとなり、１つの発光スポットにならない。
【０２２６】
図４１Ｃは本実施例の面発光型半導体レーザの形状であり、分離溝を埋込み絶縁層で埋め込んでおり、このように埋込み層が気相成長法で形成される場合には、分離溝の最小幅は約１μｍに制御できる。図４１Ｄは、図４１Ｃのｃ−ｄ間のＮＦＰである。柱状共振器のみならず分離溝の上からも光が出射されるので、発光点が広がることがＮＦＰからわかる。さらに接近した各共振器部３１４ａ〜３１４ｄのレーザ光の位相が同期するので、光出力が増加し、放射角が５°以下のビームが得られる。
【０２２７】
図４２Ａ〜Ｄは、第２実施例にて形成された例えば４本の共振器部３１４を有する光共振器を、半導体基板３０２上の４か所に配置した例を示している。図４２Ａにおいては、４本の共振器部３１４と対向する位置に一つの光出射口３１３を有する電極３１２を、各光共振器毎に形成している。そして、各光共振器を構成する４本の共振器部３１４の矩形断面における短辺（Ｂ）は、それぞれ平行な方向に設定されている。したがって、４つの光出射口３１３より出射される各レーザ光の偏波面は、矩形断面の柱状部分の短辺と平行な方向に揃っていることになる。
【０２２８】
この４つの光共振器を有する半導体レーザからの４本のレーザ光を、偏光フィルター３４０を通過させる状態が図４２Ｂに示されている。４本のレーザ光はそれぞれ偏波面が揃っているので、偏光フィルター３４０を全て通過させることができる。
【０２２９】
図４２Ｃは、矩形断面を有する柱状共振器部３１４の短辺の方向が、２つの光共振器でそれぞれ異なっていて、例えば相直交する方向に設定する場合を示している。この場合、図４２Ｄに示すように、１本のレーザ光は偏光フィルター３４０を通過させることができるが、他の１本のレーザ光は偏光フィルター３４０を通過させることがない。この技術を利用すれば、ある特定方向のみの偏波面をもつレーザ光のみを選択的に通過させることができ、光通信の分野に好適に応用することができる。
【０２３０】
上述した第２実施例では、共振器部が４個配列されたものであるが、共振器部の配列は任意に設定することができる。例えば、図４３Ａ〜Ｃに示すように、共振器部は基板と平行な二次元面上で横列および／または縦列で等間隔に配列することができる。このようにｎ個の共振器部をライン状に配列することでラインビームを得ることができる。
【０２３１】
また、上述した第２実施例では、出射されるレーザ光の偏波面の方向を制御するために、光共振器を構成する柱状共振器部の断面形状を矩形としていたが、出射側の電極３１２に形成される光出射口３１３の開口形状を、矩形に形成することによっても、その短辺の方向に揃った偏波面を有するレーザ光を出射することができる。図４４Ａに示す実施例においては、柱状共振器部３１４の断面形状は円形であるが、電極に形成された光出射口３１３の開口形状が、長辺ａと短辺ｂとを有する矩形形状となっている。この場合、出射されるレーザ光の偏波面の方向は、矩形の光出射口３１３の短辺ｂの方向に一致することになる。
【０２３２】
この光出射口の開口形状を矩形にすることは、光共振器の柱状共振器部の断面を矩形するよりもプロセス上簡便である。また、複数本の柱状共振器部を有する光共振器を成形する場合、その柱状共振器部の配置の関係で各柱状共振器部の断面を矩形にできない場合もあり、このような場合に光出射口を矩形にすることで偏波面の方向を設定することが有効である。図４４Ｂおよび図４４Ｃはそれぞれ、４本の柱状共振器部３１４の断面を円または正多角形とし、柱状共振器部と対向する領域に矩形の光出射口３１３を形成した例を示している。図４４Ｄは、４本の柱状共振器部３１４の各断面もそれぞれ矩形とし、この４本の柱状共振器部と対向する領域に形成される光出射口３１５の開口形状をも矩形としている。そして、矩形断面の柱状共振器部の短辺（Ｂ）と光出射口の短辺（ｂ）の方向がそれぞれ平行な方向に設定されている。
【０２３３】
このように光出射口の開口形状を矩形にする場合には、光出射口の長辺の長さをａとし、短辺の長さをｂとしたとき、好ましくはｂ＜ａ＜２×ｂ、さらに好ましくは１．１×ｂ≦ａ≦１．５×ｂとする。この理由はｂ／ａの比率を高くすると、それに応じて光共振器の柱状共振器部の各辺の比率Ｂ／Ａも高くしなければならず、上述した各辺の長さＡおよびＢが好適範囲外となってしまうからである。
【０２３４】
さらに、図４４Ｅで示すように、共振器部３１４の断面形状を長辺（Ａ）および短辺（Ｂ）からなる矩形とし、光出射口３１３の形状を円形とする構成であってもよい。
【０２３５】
以上述べた第２実施例およびその変形例においては、レーザ光の偏波面をある特定方向に揃えることができるため、レーザ装置をレーザプリンタや通信機器などの機器に設置する場合に、そのレーザ装置の細かな位置調整を必ずしも要せずに、レーザ光の偏波面の方向をある特定方向に容易に設定することが可能となる。
【０２３６】
前述した実施例においては、ＡｌＧａＡｓ型半導体を用いた面発光型半導体レーザ装置について述べたが、本発明はこれに限定されず、ＡｌＧａＩｎＰ型あるいはＩｎＧａＡｓＰ型半導体を用いた面発光型レーザ装置には適用できる。また、本発明は前述した実施例の半導体層と逆の極性を有する半導体層からなる面発光型半導体レーザにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０２３７】
【図１】本発明の第１実施例における面発光型半導体レーザ装置の断面を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１に示す面発光型半導体レーザ装置と、図４６に示す従来例の面発光型半導体レーザ装置との、Ｉ−Ｌ特性およびＩ−Ｖ特性を表す図である。
【図３】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の発光部の上面図である。
【図４】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の注入電流と光出力との関係を示す図である。
【図５】図５Ａは、比較用の面発光型半導体レーザ装置であって、活性層までエッチングした素子を模式的に示す断面図である。図５Ｂは、図１に示す面発光型半導体レーザ装置を模式的に示す断面図である。
【図６】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の共振器径の逆数と発振閾電流密度との関係を示す図である。
【図７】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の注入電流と光出力の関係を示し、この関係がクラッド層の残り膜厚ｔに依存することを示す図である。
【図８】図１に示す面発光型半導体レーザ装置のクラッド層の残り膜厚ｔと外部微分量子効率（スロープ効率）の値との関係を示す図である。
【図９】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の活性層の構造において、単一の量子井戸（ウエル）の膜厚を種々変化させた時の、波長と発光する発光スペクトルとの関係を示す図である。
【図１０】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の活性層の構造において、単一量子井戸（ウエル）の膜厚と発光ピーク波長との関係を示し、その理論値（実線）と実測値（ドット）を示す図である。
【図１１】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の活性層の構造において、単一量子井戸（ウエル）の膜厚と発光強度半値幅との関係を示し、その理論値と実測値を示す図である。
【図１２】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の活性層の膜厚と閾電流密度との関係を示し、その理論値と実測値を示す図である。
【図１３】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の結晶成長において、各結晶層のＡｌ組成を示す図である。
【図１４】図１に示す面発光型半導体レーザ装置において、クラッド層のＡｌ組成の異なる素子の注入電流と光出力との関係を示す図である。
【図１５】図１に示す面発光型半導体レーザ装置において、クラッド層のＡｌ組成を種々変化させた時の、Ａｌ組成と外部微分量子効率（スロープ効率）の値との関係を示す図である。
【図１６】図１に示す面発光型半導体レーザ装置において、誘電体多層膜ミラーに光吸収係数の異なる誘電体材料を用いた場合の注入電流と光出力との関係を示す図である。
【図１７】図１７Ａは、図１に示す面発光型半導体レーザ装置の断面、共振器長および注入電流の流れを模式的に示した図である。図１７Ｂは、図１に示す面発光型半導体レーザ装置を形成するための半導体積層ウエハの一部を用いて形成した端面発光型半導体レーザ装置の断面を模式的に示す斜視図である。
【図１８】図１に示す面発光型半導体レーザ装置のＤＢＲミラーおよび積層された半導体層の反射率スペクトルと、端面発光型半導体レーザ装置の発振スペクトルを示す図である。
【図１９】図１９Ａは、図１に示す面発光型半導体レーザ装置を形成するための半導体積層ウエハを用いて製作した端面発光型半導体レーザ装置の発振波長とケース温度との関係を示す図である。図１９Ｂは、同じく図１に示す面発光型半導体レーザ装置を形成するための半導体積層を用いて製作した端面発光型半導体レーザ装置の発振スペクトルとケース温度との関係を示す図である。
【図２０】図２０Ａは図１に示す面発光型半導体レーザ装置の発振波長とケース温度との関係を示す図である。図２０Ｂは、図１に示す面発光型半導体レーザ装置の注入電流密度と発振波長および接合温度上昇との関係を示す図であるである。
【図２１】図１に示す面発光型半導体レーザ装置のゲインオフセット量△λＢＳと発振閾値電流との関係を示す図である。
【図２２】図２２Ａ〜図２２Ｃは、図１に示す面発光型半導体レーザ装置の製造プロセスを模式的に示す断面図である。
【図２３】図２３Ｄ〜図２３Ｆは、図２２に引き続きいて行われる、図１に示す面発光型半導体レーザ装置の製造プロセスを模式的に示す断面図である。
【図２４】図２４Ａは、図１に示す面発光型半導体レーザ装置において、共振器部の径Ｄａが８μｍ、光発射口の径が６μｍのときの出射光の遠視野像強度を示した図であり、図２４Ｂは、Ｄａが１３μｍ、Ｄｗ１０μｍのときの遠視野像強度を示した図である。
【図２５】図２５Ａは、図１に示す面発光型半導体レーザ装置においてｐ型クラッド層の膜厚が１．０μｍの場合の発光近視野像、およびラインａ−ａにおける光強度分布を示す図である。図２５Ｂは、同様にｐ型クラッド層の膜厚が０．３μｍの場合の発光近視野像、およびラインｂ−ｂにおける光強度分布を示す図である。
【図２６】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の注入電流と光出力との関係に及ぼすｐ型クラッド層の膜厚の影響を示す図である。
【図２７】図１に示す面発光型半導体レーザ装置における注入電流と光出力との関係に及ぼすｐ型クラッド層の膜厚の影響を示す図である。
【図２８】本発明の第１実施例にかかる面発光型半導体レーザ装置を製造するプロセスにおいて得られた半導体積層ウエハの膜厚分布を示す図である。
【図２９】図１に示す面発光型半導体レーザ装置のＤＢＲミラーを形成する際に用いられるＭＯＶＰＥ装置を模式的に示す断面図である。
【図３０】図１に示す面発光型半導体レーザ装置のＤＢＲミラーを形成するプロセスにおいて、エピタキシャル層の成長時間と反射率との関係を示す図である。
【図３１】図１に示す面発光型半導体レーザ装置の製造プロセスにおいて用いられるＲＩＢＥ装置を模式的に示す断面図ある。
【図３２】図３２Ａ〜図３２Ｃは、ＲＩＢＥプロセスにおける反射スペクトルの変化を示す図である。
【図３３】図１に示す面発光型半導体レーザ装置のエッチングプロセスにおいて用いられるＲＩＥ装置を模式的に示す断面図である。
【図３４】図３３に示す装置を用いてＲＩＥを行ったときのＳｉＯ２層の膜厚と反射率の関係を示す図である。
【図３５】図３５は、図１に示す面発光型半導体レーザ装置を構成するＤＢＲミラーを成膜する際の、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌおよびＨ２Ｓｅの流量変化を示すタイミングチャート図である。
【図３６】図１に示す面発光型半導体レーザ装置のＤＢＲミラーの一部をＳＩＭＳ法で評価した結果を示す図である。
【図３７】図３７Ａは、ＤＢＲミラーにおいて、Ｓｅの濃度をｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ層中のｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層との界面近傍で急峻に高めた場合のバンド図である。図３７Ｂは、Ｓｅを一定供給量で作成した場合のバンドを示す図である。
【図３８】図１に示す面発光型半導体レーザ装置を構成するＤＢＲミラーの製造工程において、ＴＭＡｌの流量変化および紫外光の照射を示すタイミングチャート図である。
【図３９】図１のプロセスによって得られたＤＢＲミラーの一部をＳＩＭＳ法で評価した結果を示す図である。
【図４０】図４０Ａは、本発明の第２実施例にかかる面発光型半導体レーザ装置の断面を模式的に示す斜視図である。図４０Ｂは、図４０Ａに示す装置の光出射側から見た平面図である。
【図４１】図４１Ａは従来の面発光型半導体レーザ装置の光が出射される側の共振器部の形状を示し、図４１Ｂは、図４１Ａに示したレーザ装置の発光近視野像の強度分布を示す。図４１Ｃは第２実施例における光が出射される側の共振器の形状を示し、図４１Ｄは図４１Ｃに示すレーザ装置の発光近視野像の強度分布を示す。
【図４２】図４２Ａは、第２実施例にかかる面発光型半導体レーザ装置の光共振器を複数箇所に配置した例を示し、図４２Ｂはこの光共振器から出射されたレーザ光を偏光フィルタを通過させた状態を示す。図４２Ｃは、第２実施例にかかる面発光型半導体レーザ装置の光共振器を異なった方向に配列した状態を示し、図４２Ｄは図４２Ｃに示す光共振器から出射されたレーザ光を偏光フィルタに通過させた状態を示す。
【図４３】図４３Ａ〜図４３Ｃは、断面形状が短辺と長辺を有する矩形を成す共振器部を基板と平行な二次元面上で横列および／または縦列で配列した状態を示す図である。
【図４４】図４４Ａ〜図４４Ｄは、光出射口の形状を矩形に形成することによってレーザ光の偏波面の方向を制御する共振器を示す図である。図４４Ｅは共振器部の断面形状を矩形とし、光出射口の形状を円形とした共振器を示す図である。
【図４５】従来の面発光型半導体レーザ装置の一例を示す斜視図である。
【図４６】他の面発光型半導体レーザ装置の従来例を示す断面図である。
【図４７】活性層の層数を変化させたときの注入電流と光出力との関係を示す図である。
【図４８】活性層におけるウエル層およびバリア層の膜厚とＡｌ組成との関係を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【０２３８】
１００ 面発光素型半導体レーザ、１０１ 電極用金属層（下側電極）、１０２ ｎ型ＧａＡｓ基板、１０３ ＤＢＲミラー、１０４ 第１クラッド層、１０５ 量子井戸活性層、１０６ 第２クラッド層、１０７ 第１絶縁層、１０８ 第２絶縁層、１０９ コンタクト層、１１０ 第１の方向、１１１ 誘電体多層膜ミラー、１１２ コンタクト金属層（上側電極）、１１３ 開口部、１１４ 共振器部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の化合物半導体からなる基板、
前記基板の下側に形成された下側電極、
前記基板の上側に形成されたミラー、
前記ミラー上に形成された第１導電型の第１クラッド層、
前記第１クラッド層上に形成された量子井戸活性層、
前記量子井戸活性層上に形成され、単数もしくは複数の柱状部を有する第２導電型の第２クラッド層、
前記第２クラッド層の柱状部上に形成された第２導電型のコンタクト層、
前記第２クラッド層の柱状部および前記コンタクト層の周囲に埋め込まれた埋込み絶縁層、および
前記コンタクト層の一部に面して開口部を有し、前記コンタクト層および前記埋込み絶縁層の双方にまたがって形成された上側電極、
を含み、
前記量子井戸活性層の利得スペクトルのピーク波長λＧは所期の発振波長λＥＭに対して所定波長差（ゲインオフセット量）△λＢＳだけ短波長側に設定され、該ゲインオフセット量△λＢＳは、面発光型半導体レーザ装置を使用する温度付近で測定されたときに５〜２０ｎｍである、面発光型半導体レーザ装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記埋込み絶縁層は、少なくとも前記第２クラッド層および前記コンタクト層との界面が被覆されるシリコン化合物からなる第１絶縁層を含む、面発光型半導体レーザ装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記埋込み絶縁層は、前記第１絶縁層と、この第１絶縁層上に形成され、前記第２クラッド層の柱状部および前記コンタクト層の周囲を平坦化するための第２絶縁層とを含む、面発光型半導体レーザ装置。
【請求項４】
以下の工程（ａ）〜（ｄ）を含む面発光型半導体レーザ装置の製造方法。
（ａ） 第１導電型の化合物半導体からなる基板上に、少なくとも、ミラー、第１導電型の第１クラッド層、量子井戸活性層、第２導電型の第２クラッド層および第２導電型のコンタクト層を含む半導体層をエピタキシャル成長によって形成する工程、
（ｂ） 前記コンタクト層および前記第２クラッド層をエッチングして、単数もしくは複数の柱状部を形成する工程、
（ｃ） 前記柱状部の周囲に埋込み絶縁層を形成する工程、および
（ｄ） 前記コンタクト層の一部に面して開口部を有し、前記コンタクト層および前記埋込み絶縁層の双方にまたがって上側電極を形成する工程、
を含み、
前記量子井戸活性層の利得スペクトルのピーク波長λＧが所期の発振波長λＥＭに対して所定波長差（ゲインオフセット量）△λＢＳだけ短波長となるように、前記半導体層が設定され、該ゲインオフセット量△λＢＳは、面発光型半導体レーザ装置を使用する温度付近で測定されたときに５〜２０ｎｍである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の化合物半導体からなる基板、
前記基板の下側に形成された下側電極、
前記基板の上側に形成されたミラー、
前記ミラー上に形成された第１導電型の第１クラッド層、
前記第１クラッド層上に形成された量子井戸活性層、
前記量子井戸活性層上に形成され、単数もしくは複数の柱状部を有する第２導電型の第２クラッド層、
前記第２クラッド層の柱状部上に形成された第２導電型のコンタクト層、
前記第２クラッド層の柱状部および前記コンタクト層の周囲に埋め込まれた埋込み絶縁層、および
前記コンタクト層の一部に面して開口部を有し、前記コンタクト層および前記埋込み絶縁層の双方にまたがって形成された上側電極、
を含み、
前記量子井戸活性層の利得スペクトルのピーク波長λＧは所期の発振波長λＥＭに対して所定波長差（ゲインオフセット量）△λＢＳだけ短波長側に設定され、該ゲインオフセット量△λＢＳは、２５℃のケース温度で測定されたときに５〜２０ｎｍであり、
前記量子井戸活性層の全膜厚は、０．２７〜０．３３μｍの範囲あるいは０．６５〜０．７５μｍの範囲に設定される、面発光型半導体レーザ装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記埋込み絶縁層は、少なくとも前記第２クラッド層および前記コンタクト層との界面が被覆されるシリコン化合物からなる第１絶縁層を含む、面発光型半導体レーザ装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記埋込み絶縁層は、前記第１絶縁層と、この第１絶縁層上に形成され、前記第２クラッド層の柱状部および前記コンタクト層の周囲を平坦化するための第２絶縁層とを含む、面発光型半導体レーザ装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、
前記柱状部の径は、６〜１２μｍである、面発光型半導体レーザ装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、
前記開口部の径は、４〜８μｍである、面発光型半導体レーザ装置。
【請求項６】
以下の工程（ａ）〜（ｄ）を含む面発光型半導体レーザ装置の製造方法。
（ａ） 第１導電型の化合物半導体からなる基板上に、少なくとも、ミラー、第１導電型の第１クラッド層、量子井戸活性層、第２導電型の第２クラッド層および第２導電型のコンタクト層を含む半導体層をエピタキシャル成長によって形成する工程、
（ｂ） 前記コンタクト層および前記第２クラッド層をエッチングして、単数もしくは複数の柱状部を形成する工程、
（ｃ） 前記柱状部の周囲に埋込み絶縁層を形成する工程、および
（ｄ） 前記コンタクト層の一部に面して開口部を有し、前記コンタクト層および前記埋込み絶縁層の双方にまたがって上側電極を形成する工程、
を含み、
前記量子井戸活性層の利得スペクトルのピーク波長λＧが所期の発振波長λＥＭに対して所定波長差（ゲインオフセット量）△λＢＳだけ短波長となるように、前記半導体層が設定され、該ゲインオフセット量△λＢＳは、２５℃のケース温度で測定されたときに５〜２０ｎｍであり、
前記量子井戸活性層の全膜厚は、０．２７〜０．３３μｍの範囲あるいは０．６５〜０．７５μｍの範囲に設定される。
【請求項１】
第１導電型の化合物半導体からなる基板、
前記基板の下側に形成された下側電極、
前記基板の上側に形成されたミラー、
前記ミラー上に形成された第１導電型の第１クラッド層、
前記第１クラッド層上に形成された量子井戸活性層、
前記量子井戸活性層上に形成され、単数もしくは複数の柱状部を有する第２導電型の第２クラッド層、
前記第２クラッド層の柱状部上に形成された第２導電型のコンタクト層、
前記第２クラッド層の柱状部および前記コンタクト層の周囲に埋め込まれた埋込み絶縁層、および
前記コンタクト層の一部に面して開口部を有し、前記コンタクト層および前記埋込み絶縁層の双方にまたがって形成された上側電極、
を含み、
前記量子井戸活性層の利得スペクトルのピーク波長λＧは所期の発振波長λＥＭに対して所定波長差（ゲインオフセット量）△λＢＳだけ短波長側に設定され、該ゲインオフセット量△λＢＳは、面発光型半導体レーザ装置を使用する温度付近で測定されたときに５〜２０ｎｍである、面発光型半導体レーザ装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記埋込み絶縁層は、少なくとも前記第２クラッド層および前記コンタクト層との界面が被覆されるシリコン化合物からなる第１絶縁層を含む、面発光型半導体レーザ装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記埋込み絶縁層は、前記第１絶縁層と、この第１絶縁層上に形成され、前記第２クラッド層の柱状部および前記コンタクト層の周囲を平坦化するための第２絶縁層とを含む、面発光型半導体レーザ装置。
【請求項４】
以下の工程（ａ）〜（ｄ）を含む面発光型半導体レーザ装置の製造方法。
（ａ） 第１導電型の化合物半導体からなる基板上に、少なくとも、ミラー、第１導電型の第１クラッド層、量子井戸活性層、第２導電型の第２クラッド層および第２導電型のコンタクト層を含む半導体層をエピタキシャル成長によって形成する工程、
（ｂ） 前記コンタクト層および前記第２クラッド層をエッチングして、単数もしくは複数の柱状部を形成する工程、
（ｃ） 前記柱状部の周囲に埋込み絶縁層を形成する工程、および
（ｄ） 前記コンタクト層の一部に面して開口部を有し、前記コンタクト層および前記埋込み絶縁層の双方にまたがって上側電極を形成する工程、
を含み、
前記量子井戸活性層の利得スペクトルのピーク波長λＧが所期の発振波長λＥＭに対して所定波長差（ゲインオフセット量）△λＢＳだけ短波長となるように、前記半導体層が設定され、該ゲインオフセット量△λＢＳは、面発光型半導体レーザ装置を使用する温度付近で測定されたときに５〜２０ｎｍである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の化合物半導体からなる基板、
前記基板の下側に形成された下側電極、
前記基板の上側に形成されたミラー、
前記ミラー上に形成された第１導電型の第１クラッド層、
前記第１クラッド層上に形成された量子井戸活性層、
前記量子井戸活性層上に形成され、単数もしくは複数の柱状部を有する第２導電型の第２クラッド層、
前記第２クラッド層の柱状部上に形成された第２導電型のコンタクト層、
前記第２クラッド層の柱状部および前記コンタクト層の周囲に埋め込まれた埋込み絶縁層、および
前記コンタクト層の一部に面して開口部を有し、前記コンタクト層および前記埋込み絶縁層の双方にまたがって形成された上側電極、
を含み、
前記量子井戸活性層の利得スペクトルのピーク波長λＧは所期の発振波長λＥＭに対して所定波長差（ゲインオフセット量）△λＢＳだけ短波長側に設定され、該ゲインオフセット量△λＢＳは、２５℃のケース温度で測定されたときに５〜２０ｎｍであり、
前記量子井戸活性層の全膜厚は、０．２７〜０．３３μｍの範囲あるいは０．６５〜０．７５μｍの範囲に設定される、面発光型半導体レーザ装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記埋込み絶縁層は、少なくとも前記第２クラッド層および前記コンタクト層との界面が被覆されるシリコン化合物からなる第１絶縁層を含む、面発光型半導体レーザ装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記埋込み絶縁層は、前記第１絶縁層と、この第１絶縁層上に形成され、前記第２クラッド層の柱状部および前記コンタクト層の周囲を平坦化するための第２絶縁層とを含む、面発光型半導体レーザ装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、
前記柱状部の径は、６〜１２μｍである、面発光型半導体レーザ装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、
前記開口部の径は、４〜８μｍである、面発光型半導体レーザ装置。
【請求項６】
以下の工程（ａ）〜（ｄ）を含む面発光型半導体レーザ装置の製造方法。
（ａ） 第１導電型の化合物半導体からなる基板上に、少なくとも、ミラー、第１導電型の第１クラッド層、量子井戸活性層、第２導電型の第２クラッド層および第２導電型のコンタクト層を含む半導体層をエピタキシャル成長によって形成する工程、
（ｂ） 前記コンタクト層および前記第２クラッド層をエッチングして、単数もしくは複数の柱状部を形成する工程、
（ｃ） 前記柱状部の周囲に埋込み絶縁層を形成する工程、および
（ｄ） 前記コンタクト層の一部に面して開口部を有し、前記コンタクト層および前記埋込み絶縁層の双方にまたがって上側電極を形成する工程、
を含み、
前記量子井戸活性層の利得スペクトルのピーク波長λＧが所期の発振波長λＥＭに対して所定波長差（ゲインオフセット量）△λＢＳだけ短波長となるように、前記半導体層が設定され、該ゲインオフセット量△λＢＳは、２５℃のケース温度で測定されたときに５〜２０ｎｍであり、
前記量子井戸活性層の全膜厚は、０．２７〜０．３３μｍの範囲あるいは０．６５〜０．７５μｍの範囲に設定される。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【公開番号】特開２００６−２５３６３５（Ｐ２００６−２５３６３５Ａ）
【公開日】平成１８年９月２１日（２００６．９．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２９０３１５（Ｐ２００５−２９０３１５）
【出願日】平成１７年１０月３日（２００５．１０．３）
【分割の表示】特願平７−５１９４６６の分割
【原出願日】平成７年１月２０日（１９９５．１．２０）
【特許番号】特許第３８１８３８８号（Ｐ３８１８３８８）
【特許公報発行日】平成１８年９月６日（２００６．９．６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月２１日（２００６．９．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月３日（２００５．１０．３）
【分割の表示】特願平７−５１９４６６の分割
【原出願日】平成７年１月２０日（１９９５．１．２０）
【特許番号】特許第３８１８３８８号（Ｐ３８１８３８８）
【特許公報発行日】平成１８年９月６日（２００６．９．６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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