JP2012019040A - 面発光レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性に優れた、Ａｌを含む化合物とその酸化絶縁物とを有する電流狭窄層を備える面発光レーザを提供する。
【解決手段】電極１２１と電極１３１との間に流れる電流の経路を制限する電流経路制限層であって電流注入部１１０ａと電流狭窄部１１０ｂとを有する電流狭窄層１１０の両側に擬似的組成傾斜層１０９、１１１を設ける。擬似的組成傾斜層１０９、１１１を複数の半導体層１７１〜１７５で形成し、半導体層１７１〜１７５の各層をＧａＡｓ層１７１ａ〜１７５ａとＡｌＧａＡｓ層１７１ｂ〜１７５ｂとでそれぞれ形成し、ＧａＡｓ層１７１ａ〜１７５ａとＡｌＧａＡｓ層１７１ｂ〜１７５ｂの膜厚比を変化させることによって、平均的Ａｌ組成が変化する擬似的組成傾斜層１０９、１１１を構成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、面発光レーザに関し、特に、電極から注入された電流経路を狭窄する電流狭窄層を備えた面発光レーザに関する。

当該電流狭窄層は、ＡｌＡｓ等のアルミニウムを含む化合物半導体等を酸化させた酸化絶縁物層と、当該酸化絶縁物層により電流（キャリア）が集中されるＡｌＡｓ等のアルミニウムを含む化合物半導体等からなる開口部とにより構成されている。

このような半導体レーザ素子では、電流注入効率の観点から、電流狭窄層の両側には、電流狭窄層に接している面から遠ざかるに従ってアルミニウムの組成比率が徐々に減少するＡｌＧａＡｓからなる組成傾斜層を設けることが提案されている。

例えば特許文献１には、ＡｌＡｓよりなる層の両側に、ＡｌＡｓ共振器スペーサ層の材料であるＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓに至るまでアルミニウムの組成を連続的に変化させた、ＡｌＧａＡｓ組成傾斜層を設けた面発光レーザ素子が記載されている。

特開２００２−３５９４３４号公報

本発明者達は、このような技術を用いて、電流狭窄層の両側にＡｌＧａＡｓ組成傾斜層を有する半導体レーザ素子を作成したが、そのような素子は電流狭窄層の酸化領域とＡｌＧａＡｓ組成傾斜層との界面近傍での酸化領域の制御性が悪く、デバイスの製造段階で酸化部近傍で層の剥離が生じて歩留まりが悪い、またさらに、電流狭窄層が活性層に近い場合に、酸化領域層と非酸化層との界面の酸化侵入深度の凹凸の影響が活性層に生じて均一な特性が得られない、さらには歪に起因する転位が活性層に生じて歩留まりが悪い、あるいは、製造時に問題がなくてもレーザを長期間にわたって駆動した際に信頼性に欠けるといった問題を見い出した。

本発明の主な目的は、歩留まりを改善し、信頼性に優れた、Ａｌを含む化合物とその酸化絶縁物とを有する電流狭窄層を備える面発光レーザを提供することにある。

本発明によれば、
ＩＩＩ−Ｖ化合物基板上に形成された、
活性層、およびＡｌ含有酸化狭窄層を含む共振器領域と、
前記共振器領域を挟むように対抗する一対のＤＢＲミラーとを備えた面発光レーザであって、
前記Ａｌ含有酸化狭窄層の両側に、Ａｌ含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物とＡｌ非含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物とからなるステップを複数有し、前記複数のステップは、その擬似的な組成が前記Ａｌ含有酸化狭窄層から離れるにつれて連続的に減少している、擬似組成傾斜層を形成し、かつ、前記Ａｌ含有酸化狭窄層と隣接する界面から一部が酸化されていること特徴とする面発光レーザが提供される。

好ましくは、前記Ａｌ含有酸化狭窄層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．９３≦ｘ＜１）である。

好ましくは、前記Ａｌ含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．７５≦ｘ≦０．９９）であり、Ａｌ非含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物はＧａＡｓであり、前記Ａｌ含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物とＡｌ非含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物の膜厚を変化させることによって擬似的な組成を構成したステップを組成が連続的に変化するように組み合わせて擬似的な組成傾斜層を形成する。

好ましくは、前記Ａｌ含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物は、ＡｌＡｓであり、Ａｌ非含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物はＧａＡｓであり、前記Ａｌ含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物とＡｌ非含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物の膜厚を変化させることによって擬似的な組成を構成したステップを組成が連続的に変化するように組み合わせて擬似的な組成傾斜層を形成する。

好ましくは、前記Ａｌ含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦０．９９）であり、Ａｌ非含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物はＧａＡｓであり、膜厚が一定で、Ａｌ組成の異なる前記Ａｌ含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物と、膜厚０．１〜０．５ｎｍのＡｌ非含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物とからなるステップを組成が連続的に変化するように組み合わせて擬似的な組成傾斜層を形成する。

好ましくは、前記ステップのＡｌ組成間隔が、前記活性層側で小さい。

好ましくは、前記ステップ間あるいは前記ステップと隣接する層のＡｌ組成のギャップが０．５以下である。

好ましくは、前記組成傾斜層の積層方向での界面の凹凸は４ｎｍ以下である。

好ましくは、前記組成傾斜層の積層方向での界面の凹凸は２ｎｍ以下である。

好ましくは、前記Ａｌ含有酸化狭窄層と前記活性層の距離が４０−４００ｎｍの範囲に入る。

好ましくは、前記Ａｌ含有酸化狭窄層と前記活性層との間にＩｎ含有層が挿入されている。

また、本発明によれば、
ＩＩＩ−Ｖ化合物基板上に形成された、
活性層、およびＡｌ含有酸化狭窄層を含む共振器領域と、
前記共振領域を挟むように対抗する一対のＤＢＲミラーとを備えた面発光レーザであって、
前記ＤＢＲミラーがＡｌＧａＡｓ/ＧａＡｓペアからなる半導体ミラーから構成され、
前記ＤＢＲミラーの一部にＡｌ含有酸化狭窄層が形成され、前記Ａｌ含有酸化狭窄層の両側に、Ａｌ含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物とＡｌ非含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物とからなるステップを複数有し、前記複数のステップは、その擬似的な組成がその擬似的な組成が前記Ａｌ含有酸化狭窄層から離れるにつれて連続的に減少している、擬似組成傾斜層を形成し、かつ、前記Ａｌ含有酸化狭窄層と隣接する界面から一部が酸化されていることを特徴とする面発光レーザが提供される。

また、本発明によれば、上記いずれかの面発光レーザを複数備える半導体レーザ素子アレイが提供される。

また、本発明によれば、上記いずれかの面発光レーザを備える光学機器が提供される。

また、本発明によれば、上記いずれかの面発光レーザを備える通信システムが提供される。

本発明によれば、歩留まりが改善され、かつ信頼性に優れた、Ａｌを含む化合物とその酸化絶縁物とを有する電流狭窄層を備える半導体レーザ素子（特に、面発光レーザ素子）およびその製造方法が提供される。

本発明の好ましい第１の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を説明するための概略縦断面図である。 図１のＡ部の部分拡大概略縦断面図である。 図２のＢ部およびＣ部を説明するための部分拡大概略縦断面図である。 本発明の好ましい第１の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子の製造方法を説明するための、図１のＡ部に相当する部分の部分拡大概略縦断面図である。 本発明の好ましい第１の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子の製造方法を説明するための、図２のＢ部およびＣ部に相当する部分の部分拡大概略縦断面図である。 本発明の好ましい第２の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を説明するための図１のＡ部に相当する部分の部分拡大概略縦断面図である。 図６のＢ部およびＣ部を説明するための部分拡大概略縦断面図である。 本発明の好ましい第３の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を説明するための、図２のＢ部に相当する部分の部分拡大概略縦断面図である。 本発明の好ましい第４の実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を説明するための、図２のＢ部に相当する部分の部分拡大概略縦断面図である。 比較例の面発光型半導体レーザ素子の製造方法を説明するための、図２のＢ部に相当する部分の部分拡大概略縦断面図である。 本発明の好ましい第１の実施の形態および比較例の面発光型半導体レーザ素子の熱衝撃試験温度とメサ破壊発生率との関係を示す図である。 ＡｌＧａＡｓのＡｌ組成とＡｌＧａＡｓの酸化率との関係を示す図である。 本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイを説明するための概略斜視図である。 本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイチップを説明するための概略平面図である。 本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を用いた面発光レーザパッケージを説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を用いた光ディスク用ピックアップを説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を用いた光送受信モジュールを説明するための概略平面図である。 本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子と光導波路との光結合構造、または本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイと光導波路との光結合構造を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子と光導波路との光結合構造、または本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイと光導波路との光結合構造を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子と光導波路との光結合構造、または本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイと光導波路との光結合構造を説明するための概略縦断面図である。 本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を用いた通信システム、または本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子を複数用いた面発光レーザアレイを用いた通信システムを説明するための概略構成図である。

次に、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態に係る垂直共振器型面発光型半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）およびその製造方法を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではない。

図１を参照すれば、本発明の好ましい実施の形態（第１の実施の形態）の面発光レーザ１００は、基板１０１と、基板１０１上に順次に形成された、下部ＤＢＲ１０２、バッファ層１０３、ｎ^＋型コンタクト層１０４、ｎ型スペーサ層１０５、活性層１０６、第１のｐ型スペーサ層１０８、下部擬似的組成傾斜層１０９、電流狭窄層１１０、上部擬似的組成傾斜層１１１、第２のｐ型スペーサ層１１２、及び、ｐ^＋型コンタクト層１１５を含む積層構造とを有する。本実施の形態においては、前述のバッファ層１０３からｐ^＋型コンタクト層１１５で、共振器スペーサ層、電流狭窄層１１０、および活性層１０６からなる共振器を構成している。

積層構造のうちで、少なくともｎ型スペーサ層１０５からｐ^＋型コンタクト層１１２までが、円柱状のメサポスト１３０を構成している。電流狭窄層１１０は、メサポスト１３０の外周側に位置する電流狭窄部１１０ｂと、電流狭窄部１１０ｂの内側に位置する円形の電流注入部１１０ａとを有する。電流注入部１１０ａの直径は例えば、６μｍである。電流狭窄部１１０ｂによって、ｐ側円環電極１２１とｎ側電極１３１との間に流れる電流の経路を制限して、電流注入部１１０ａに電流の流れを集中させており、電流狭窄層１１０は、電流経路制限層として機能している。

基板１０１は、アンドープのＧａＡｓからなる。下部ＤＢＲ１０２は、ＧａＡｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層の３４ペアからなる。バッファ層１０３は、ｎ型ＧａＡｓからなる。ｎ^＋型コンタクト層１０４は、セレン（Ｓｅ）、シリコン（Ｓｉ）などのｎ型ドーパントをドープした、ｎ^＋型のＧａＡｓからなる。ｎ型スペーサ層１０５はｎ型ドーパントをドープしたｎ型ＧａＡｓからなる。活性層１０６は、層数が３のＩｎＧａＡｓ井戸層と、層数が４のＧａＡｓ障壁層とをそれぞれ交互に積層した多重量子井戸構造を有する。最上層と最下層はＧａＡｓ障壁層となっている。最下層のＧａＡｓ障壁層はｎ型クラッド層としても機能する。

ｐ型スペーサ層１０８、１１２、ｐ^＋型コンタクト層１１５は、それぞれ炭素（Ｃ）、亜鉛（Ｚｎ）あるいはベリリウム（Ｂｅ）などのｐ型ドーパントをドープしたｐ型、ｐ^＋型のＧａＡｓからなる。各ｐ型又はｎ型層のアクセプタ又はドナー濃度は、例えば１×１０^１８ｃｍ^−３程度であり、各ｐ^＋型又はｎ^＋型層のアクセプタまたはドナー濃度は、例えば３×１０^１９ｃｍ^−３以上である。

ｐ^＋型コンタクト層１１５上には、ｐ側円環状電極１２１が形成されている。ｐ側円環状電極１２１は、Ｐｔ／Ｔｉ層（下側がＴｉ層１２２、上側がＰｔ層１２３）からなる。ｐ側円環状電極１２１は、中心にレーザー光を通過させるための開口１２５を有し、円筒状のメサポスト１３０の外周とほぼ一致する外周を有する。ｐ側円環状電極１２１の外径は、例えば３０μｍである。

ｐ側円環状電極１２１の開口１２５内には、ｐ側円環状電極１２１のＰｔと反応性が低い材料、ここでは窒化珪素（ＳｉＮ_ｘ）からなる円板状の誘電体層１４１が形成されている。

本実施の形態では、ｐ側円環状電極１２１の開口１２５内のｐ^＋型コンタクト層１１５上に、誘電体層１４１が形成されている。この誘電体層１４１は、共振器の光学長を調整し、かつ、ｐ側円環状電極１２１と開口の段差を緩和する機能を果たしている。この誘電体層１４１の上面からバッファ層１０３の底面までの部分が共振器１２０を構成している。

ｐ側円環状電極１２１及び誘電体層１４１の上から、メサポスト１３０の側面及びその周囲にわたって、高屈折率と低屈折率の層のペアの繰り返し構造を持つ誘電体多層膜からなる上部ＤＢＲ１５０が形成されている。上部ＤＢＲ１５０は、例えばＳｉＮ_ｘ／ＳｉＯ_２の１０〜１２ペアからなる。また、表面保護のためにＳｉＯ_２１４３とその上のＳｉＮ_ｘ１４４からなるパッシベーション膜１４５が全面に形成されている。このパッシベーション膜１４５のＳｉＯ_２１４３とＳｉＮ_ｘ１４４は、ＤＢＲミラー１５０の形成の前に積層することによって、ＤＢＲミラー１５０の最下層のＳｉＯ_２とＳｉＮ_ｘを兼ねることができる。この場合、ＳｉＮ_ｘ／ＳｉＯ_２からなる上部ＤＢＲミラー１５０は、その最下層は、パッシベーション膜１４５のＳｉＯ_２であり、その上に、パッシベーション膜１４５のＳｉＮ_ｘがあり、その上にＳｉＯ_２とＳｉＮ_ｘが交互に積層され、最上層がＳｉＮ_ｘである構造となっている。

ｎ^＋型コンタクト層１０４は、メサポスト１３０の下部から半径方向外側に延びており、そのメサポスト１３０の基部の周囲の表面上には、例えばＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ（下層がＡｕＧｅＮｉ、上層がＡｕ）からなる半円環状のｎ側電極１３１が形成されている。ｎ側電極１３１は、例えば外径が９０μｍ、内径が５０μｍである。

ｎ側電極１３１上には、パッシベーション膜１４５に形成された開口（図示せず）を介してｎ側電極１３１に接触する、Ａｕからなるｎ側引出し電極（図示せず）が形成されている。一方、ｐ側円環状電極１２１上にも、パッシベーション膜１４５に形成された開口（図示せず）を介してｐ側円環状電極１２１に接触する、Ａｕからなるｐ側引出し電極（図示せず）が形成されている。さらに、ｎ側引出し電極及びｐ側引出し電極は、ｎ側電極１３１およびｐ側円環状電極１２１を、外部に設けた電流供給回路（図示せず）にそれぞれ接続している。

上記構成の面発光レーザ１００では、電流供給回路（図示せず）からそれぞれｎ側引出し電極（図示せず）及びｐ側引出し電極（図示せず）を介して、ｎ側電極１３１及びｐ側円環状電極１２１間に電圧を印加し、駆動電流が注入される。注入された駆動電流は、主に低抵抗のｐ^＋型コンタクト層１１５を流れ、さらに電流経路が電流狭窄層１１０によって電流注入部１１０ｂ内に狭窄されて、高い電流密度で活性層１０６に供給される。この電流注入により、活性層１０６は自然放出光を発光する。自然放出光のうち、レーザ発振波長である波長λの光は、下部ＤＢＲミラー１０２と上部ＤＢＲミラー１５０との間の共振器１２０内で定在波を形成し、活性層１０６によって増幅される。注入電流がしきい値を越えると、定在波を形成する光がレーザ発振し、ｐ側円環状電極１２１の開口１２５から上方に向って、１１００ｎｍ帯のレーザ光が出力する。

次に、上記実施形態の面発光レーザ１００の製造方法について説明する。

まず、ＭＢＥ法によって、基板１０１上に、下部ＤＢＲミラー１０２、バッファ層１０３、ｎ^＋型コンタクト層１０４、ｎ型スペーサ層１０５、活性層１０６、ｐ型スペーサ層１０８、下部擬似的組成傾斜層１０９、後述するＡｌ_０．９8Ｇａ_０．０2Ａｓ層１１０’、上部擬似的組成傾斜層１１１、ｐ型スペーサ層１１２、及びｐ^＋型コンタクト層１１５を順次に積層する。

次に、ＣＶＤ法及びフォトリソグラフィー法を用い、ｐ^＋型コンタクト層１１５の一部領域に、ＳｉＮ_ｘからなる円板状の誘電体層１４１を選択的に形成する。

次に、リフトオフ法を用いて、ｐ^＋型コンタクト層１１５上に、ｐ側円環状電極１２１を選択的に形成する。

次に、ｐ側円環状電極１２１を金属マスクとして、酸エッチング液等を用いてｎ型コンタクト層１０４に到る深さまでの半導体積層をエッチングして、円柱状のメサポスト１３０を形成する。次に、別のマスクを形成し、バッファ層１０３に到る深さまでｎ型コンタクト層１０４をエッチングする。その結果、図１に示す形状のメサポスト１３０が得られる。メサポスト１３０をｐ側円環状電極１２１と自己整合的に形成しているので、メサポスト１３０が寸法精度高く形成できる。

次に、水蒸気雰囲気中において約４５０℃で約１時間の熱処理を行うと、Ａｌ_０．９8Ｇａ_０．０2Ａｓ層１１０’がメサポスト１３０の側面１３２から選択的に酸化されてＡｌ_２Ｏ_３を主成分とする酸化物膜に変化し、電流狭窄部１１０ｂが形成される。化学反応は、Ａｌ_０．９8Ｇａ_０．０2Ａｓ層１１０’の外周側からほぼ均一に進行し、中心部にはＡｌ_０．９8Ｇａ_０．０2Ａｓからなる電流注入部１１０ａが残される。選択酸化における処理時間などを調整し、電流注入部１１０ａの直径を例えば、６μｍにする。この選択酸化により、メサポスト１３０の中心と、電流注入部１１０ｂの中心と、ｐ側円環状電極１２１の開口１２５の中心とを、精度高く一致させることが出来る。

その後、図１に示すように、メサポスト１３０の外周側のｎ型コンタクト層１０４の表面に、半円環状のｎ側電極１３１を形成する。次いで、ＣＶＤ法により全面にパッシベーション膜１４５を形成した後、ｎ側電極１３１及びｐ側円環状電極１２１上のパッシベーション膜１４５に開口（図示せず）を形成する。更に、これら開口（図示せず）を介して、ｎ側電極１３１に接触するｎ側引出し電極（図示せず）と、ｐ側円環状電極１２１に接触するｐ側引出し電極（図示せず）とを形成する。

つぎに、ＣＶＤ法を用いて誘電体から成る上部ＤＢＲ１５０を形成した後に、基板１０１の裏面を研磨し、基板１０１の厚さを例えば１５０μｍに調整する。その後、素子分離を行い、図１に示す面発光レーザ１００が完成する。

次に、図２〜図５を参照して、下部擬似的組成傾斜層１０９、電流狭窄層１１０、上部擬似的組成傾斜層１１１についてより詳細に説明する。

図２に示すように、電流狭窄層１１０は、中央の電流注入部１１０ａとその周囲の電流狭窄部１１０ｂとからなっている。電流注入部１１０ａは中央の領域１６１内にあり、電流狭窄部１１０ｂは周囲の領域１６２内にある。電流注入部１１０ａはＡｌ_０．９8Ｇａ_０．０2Ａｓからなり、電流狭窄部１１０ｂは主にＡｌ_０．９8Ｇａ_０．０2Ａｓが酸化されて形成されたアルミニウム酸化物からなる。

上部擬似的組成傾斜層１１１は、中央の領域１６１内にあり、電流注入部１１０ａと対向する位置にある半導体領域１１１ａと、周囲の領域１６２内にあり、電流狭窄部１１０ｂと対向する位置にある酸化物領域１１１ｂおよび半導体領域１１１ｃとを備えている。

半導体領域１１１ａは電流注入部１１０ａおよびｐ型スペーサ層１１２と接している。酸化物領域１１１ｂは電流狭窄部１１０ｂと接し、半導体領域１１１ｃは酸化物領域１１１ｂとｐ型スペーサ層１１２と接している。半導体領域１１１ｃはｐ型スペーサ層１１２との界面から電流狭窄層１１０に向かうにつれて、半導体領域１１１ａがｐ型スペーサ層１１２との界面から電流狭窄層１１０に向かうにつれて有する構造と同じ構造を有している。ｐ型スペーサ層１１２はｐ型ＧａＡｓからなる

下部擬似的組成傾斜層１０９は、中央の領域１６１内にあり、電流注入部１１０ａと対向する位置にある半導体領域１０９ａと、周囲の領域１６２内にあり、電流狭窄部１１０ｂと対向する位置にある酸化物領域１０９ｂおよび半導体領域１０９ｃとを備えている。

半導体領域１０９ａは電流注入部１１０ａおよびｐ型スペーサ層１０８と接している。酸化物領域１０９ｂは電流狭窄部１１０ｂと接し、半導体領域１０９ｃは酸化物領域１０９ｂとｐ型スペーサ層１０８と接している。半導体領域１０９ｃはｐ型スペーサ層１０８との界面から電流狭窄層１１０に向かうにつれて、半導体領域１０９ａがｐ型スペーサ層１０８との界面から電流狭窄層１１０に向かうにつれて有する構造と同じ構造を有している。ｐ型スペーサ層１０８の最上層はＧａＡｓからなる。

次に、上部擬似的組成傾斜層１１１について、さらに詳細に説明する。なお、下部擬似的組成傾斜層１０９は、下部擬似的組成傾斜層１０９が電流狭窄層１１０との界面からｐ型スペーサ層１０８に向かうにつれて、上部擬似的組成傾斜層１１１が電流狭窄層１１０と界面からｐ型スペーサ層１１２に向かうにつれて有する構造と同じ構造を有しているので、下部擬似的組成傾斜層１０９についての説明は省略する。

図３に示すように、上部擬似的組成傾斜層１１１の半導体領域１１１ａは、５層の擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７１〜１７５を有している。上部擬似的組成傾斜層１１１の膜厚は１０ｎｍであり、擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７１〜１７５の膜厚はそれぞれ２ｎｍである。なお、ＡｌＧａＡｓ層１１０（電流注入部１１０ａ）の膜厚は２０ｎｍである。

擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７１はＧａＡｓ層１７１ａとＡｌＧａＡｓ層１７１ｂとからなる。ＡｌＧａＡｓ層１７１ｂはＡｌ_０．９8Ｇａ_０．０2Ａｓからなり、電流注入部１１０ａと同じ組成である。ＧａＡｓ層１７１ａの膜厚は約０．２１ｎｍであり、ＡｌＧａＡｓ層１７１ｂの膜厚は約１．７９ｎｍであり、ＧａＡｓ層１７１ａとＡｌＧａＡｓ層１７１ｂとで平均的なＡｌ組成が０．９である擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７１を構成している。

擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７２はＧａＡｓ層１７２ａとＡｌＧａＡｓ層１７２ｂとからなる。ＡｌＧａＡｓ層１７２ｂはＡｌ_０．９8Ｇａ_０．０2Ａｓからなる。ＧａＡｓ層１７２ａの膜厚は約０．４２ｎｍであり、ＡｌＧａＡｓ層１７２ｂの膜厚は約１．５８ｎｍであり、ＧａＡｓ層１７２ａとＡｌＧａＡｓ層１７２ｂとで平均的なＡｌ組成が０．８である擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７２を構成している。

擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７３はＧａＡｓ層１７３ａとＡｌＧａＡｓ層１７３ｂとからなる。ＡｌＧａＡｓ層１７３ｂはＡｌ_０．９8Ｇａ_０．０2Ａｓからなる。ＧａＡｓ層１７３ａの膜厚は約０．８５ｎｍであり、ＡｌＧａＡｓ層１７３ｂの膜厚は約１．１５ｎｍであり、ＧａＡｓ層１７３ａとＡｌＧａＡｓ層１７３ｂとで平均的なＡｌ組成が０．６である擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７３を構成している。

擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７４はＧａＡｓ層１７４ａとＡｌＧａＡｓ層１７４ｂとからなる。ＡｌＧａＡｓ層１７４ｂはＡｌ_０．９8Ｇａ_０．０2Ａｓからなる。ＧａＡｓ層１７４ａの膜厚は約１．２８ｎｍであり、ＡｌＧａＡｓ層１７４ｂの膜厚は約０．７２ｎｍであり、ＧａＡｓ層１７４ａとＡｌＧａＡｓ層１７４ｂとで平均的なＡｌ組成が０．４である擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７４を構成している。

擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７５はＧａＡｓ層１７５ａとＡｌＧａＡｓ層１７５ｂとからなる。ＡｌＧａＡｓ層１７５ｂはＡｌ_０．９8Ｇａ_０．０2Ａｓからなる。ＧａＡｓ層１７５ａの膜厚は約１．７ｎｍであり、ＡｌＧａＡｓ層１７５ｂの膜厚は約０．３ｎｍであり、ＧａＡｓ層１７５ａとＡｌＧａＡｓ層１７５ｂとで平均的なＡｌ組成が０．２である擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７５を構成している。ここで最終的に得られる酸化層の凹凸は、各ステップの幅（ここでは例えば、１７１、１７２、１７３，１７４，１７５それぞれの幅）でほぼ決定される（後続の実施の形態にても同様に設定される）。

このように、上部擬似的組成傾斜層１１１の半導体領域１１１ａは、ＡｌＧａＡｓ層１７１ｂ、１７２ｂ、１７３ｂ、１７４ｂ、１７５ｂの膜厚ａと、ＧａＡｓ層１７１ａ、１７２ａ、１７３ａ、１７４ａ、１７５ａの膜厚ｂとの比（ａ／ｂ）をＡｌＧａＡｓ層１１０（電流注入部１１０ａ）からｐ型スペーサ層１１２向かって小さくすることにより、擬似的にＡｌ組成が小さくなるように変化する擬似的ＡｌＧａＡｓ組成傾斜層であるので、電流が流れやすくなり、電流注入効率をよくすることができる。

また、組成が同じＧａＡｓ層１７１ａ、１７２ａ、１７３ａ、１７４ａ、１７５ａと組成が同じＡｌＧａＡｓ層１７１ｂ、１７２ｂ、１７３ｂ、１７４ｂ、１７５ｂとを膜厚を変化させながら交互に積層する構造なので、ＭＢＥ法で結晶成長する場合に、原料源（セル）の温度は同じに保ったままでいいので、フラックスの制御性や組成プロファイルの再現性に優れる。

酸化物領域１１１ｂは、ＧａＡｓ層１７１ａ、ＡｌＧａＡｓ層１７１ｂ、ＧａＡｓ層１７２ａ、ＡｌＧａＡｓ層１７２ｂ、ＧａＡｓ層１７３ａおよびＡｌＧａＡｓ層１７３ｂが酸化された酸化物でアルミニウム酸化物を主成分とする。本案件の条件では、酸化物領域１１１ｂと半導体領域１１１ｃとの境界部は１７３ａと１７３ｂのステップに含まれ、境界部の凹凸は２ｎｍ以下であった。ただし、酸化条件によって境界部は擬似的なＡｌ組成が０．８の層１７２内や、その他の層に存在する場合もある。

半導体領域１１１ｃは、ｐ型スペーサ層１１２との界面から電流狭窄層１１０に向かうにつれて、半導体領域１１１ａがｐ型スペーサ層１１２との界面から電流狭窄層１１０に向かうにつれて有する構造と同じ構造を有している。すなわち、ｐ型スペーサ層１１２との界面から電流狭窄層１１０に向かうにつれて、ＡｌＧａＡｓ層１７５ｂ、ＧａＡｓ層１７５ａ、ＡｌＧａＡｓ層１７４ｂ、ＧａＡｓ層１７４ａを有している。

次に、酸化によって電流注入部１１０ｂを形成する方法と、その際に形成される酸化物領域１１１ｂ、１０９ｂについて説明する。

図４、５に示すように、Ａｌ_０．９8Ｇａ_０．０2Ａｓ層１１０’上に、ＧａＡｓ層１７１ａ、ＡｌＧａＡｓ層１７１ｂ、ＧａＡｓ層１７２ａ、ＡｌＧａＡｓ層１７２ｂ、ＧａＡｓ層１７３ａ、ＡｌＧａＡｓ層１７３ｂ、ＧａＡｓ層１７４ａ、ＡｌＧａＡｓ層１７４ｂ、ＧａＡｓ層１７５ａ、ＡｌＧａＡｓ層１７５ｂを有する上部擬似的組成傾斜層１１１を形成する。なお、Ａｌ_０．９8Ｇａ_０．０2Ａｓ層１１０’の下側にも同様の構造を有する上部擬似的組成傾斜層１０９が形成されている。なお、下側はホールに対して下り方向となるために、ステップの段差はそれほど重要ではない。したがって、上側のステップよりも下側のステップの数を少なく設計し、積層工程を簡略化しても良い。ステップ数は上側のステップは３〜１５、下側のステップは２〜１０であると積層工程の観点から都合がよい。電気抵抗の観点から、隣接するステップ（組成傾斜層に隣接する層を含む）との見かけ上の組成差は０．５以下であるように設計されると都合がよい。

次に、水蒸気雰囲気中において約４５０℃で約１時間の熱処理を行うと、図２に示すように、Ａｌ_０．９8Ｇａ_０．０2Ａｓ層１１０’がメサポスト１３０の側面１３２から酸化方向１６５に沿って酸化されてアルミニウム酸化物を主成分とする酸化物膜に変化し、電流狭窄部１１０ｂが形成される。化学反応は、Ａｌ_０．９8Ｇａ_０．０2Ａｓ層１１０’の外周側からほぼ均一に進行し、中心部にはＡｌ_０．９8Ｇａ_０．０2Ａｓからなる電流注入部１１０ａが残される。この際、酸化方向１６６にも酸化が進み、ＧａＡｓ層１７１ａ、ＡｌＧａＡｓ層１７１ｂ、ＧａＡｓ層１７２ａ、ＡｌＧａＡｓ層１７２ｂ、ＧａＡｓ層１７３ａおよびＡｌＧａＡｓ層１７３ｂが酸化されて酸化物領域１１１ｂが形成され、同様に、酸化物領域１０９ｂが形成される。

なお、本発明の好ましい第１の実施の形態では、電流注入部１１０ａはＡｌ_０．９8Ｇａ_０．０2Ａｓで構成したが、ＡｌＡｓで構成することもできる。この場合は、電流狭窄部１１０ｂは主にＡｌＡｓが酸化されたアルミニウム酸化物からなる。

図１２は、ＡｌＡｓの酸化速度を１としたときの、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓのＡｌ組成ｘ（％）と酸化速度の関係を示した図であり、この図からＡｌ組成ｘ（％）が９３％において変曲点が存在することがわかる。従って、電流注入部１１０ａはＡｌＡｓまたはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．９３≦ｘ＜１）で構成することが好ましく、電流狭窄部１１０ｂはＡｌＡｓまたはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．９３≦ｘ＜１）を酸化したアルミニウム酸化物を主成分とする酸化物で構成することが好ましい。

上記本発明の好ましい実施の形態では、ＡｌＧａＡｓ層１７１ｂ、１７２ｂ、１７３ｂ、１７４ｂ、１７５ｂの組成を電流狭窄層１１０の電流注入部１１０ａと同じＡｌ_０．９8Ｇａ_０．０2Ａｓとしたが、電流注入部１１０ａよりもＡｌ含有量の少ないＡｌＧａＡｓとしてもよい。

ＡｌＧａＡｓ層１７１ｂ、１７２ｂ、１７３ｂ、１７４ｂ、１７５ｂの組成は好ましくは、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．７５≦ｘ≦０．９９）であり、より好ましくは、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．８５≦ｘ≦０．９８）である。これは、電流狭窄層の水平方向の酸化速度と擬似的組成傾斜層の垂直方向の酸化速度が同程度になるからである。

また、上記本発明の第１の実施の形態では、擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７１、１７２、１７３、１７４、１７５を ＡｌＧａＡｓ層１７１ｂ、１７２ｂ、１７３ｂ、１７４ｂ、１７５ｂおよびＧａＡｓ層１７１ａ、１７２ａ、１７３ａ、１７４ａ、１７５ａで構成したが、擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７１、１７２、１７３、１７４、１７５の各層を第１のＡｌＧａＡｓと、それよりもＡｌ含量が少ない第２のＡｌＧａＡｓであって、第１のＡｌＧａＡｓよりも電流狭窄層側の第２のＡｌＧａＡｓとで構成してもよい。

酸化物領域１１１ｂと酸化されていない半導体領域１１１ｃとの境界のばらつきｔ１、および酸化物領域１０９ｂと酸化されていない半導体領域１０９ｃとの境界のばらつきｔ１、すなわち、酸化物領域１１１ｂと酸化されていない半導体領域１１１ｃとの境界の凹凸ｔ１、および酸化物領域１０９ｂと酸化されていない半導体領域１０９ｃとの境界の凹凸ｔ１は４ｎｍ以下であると剥離を生じる局所歪みを生じにくいために都合がよい。さらに好ましくは、２ｎｍ以下であるとほぼ界面の剥離が生じないので都合がよい。

また、好ましくは、電流注入部１１０ａの膜厚は、半導体の屈折率をｎとした場合、半導体レーザ素子１００の発振波長λとすると、λ／４ｎ以下であり、より好ましくは、λ／８ｎ以下であり、この膜厚に設定することによって電流狭窄層による光損失を抑制することができる．

次に、第２の実施の形態の半導体レーザ素子の構造について説明する。上記第１の実施の形態では、上部擬似的組成傾斜層１１１の半導体領域１１１ａを、組成が同じＧａＡｓ層１７１ａ、１７２ａ、１７３ａ、１７４ａ、１７５ａと組成が同じＡｌＧａＡｓ層１７１ｂ、１７２ｂ、１７３ｂ、１７４ｂ、１７５ｂとを膜厚を変化させながら交互に積層して構成したが、図６、図７に示すように、第２の実施の形態では、上部擬似的組成傾斜層１１１の半導体領域１１１ａを、組成が同じＧａＡｓ層１８１ａ、１８２ａ、１８３ａ、１８４ａ、１８５ａと組成が同じＡｌＡｓ層１８１ｂ、１８２ｂ、１８３ｂ、１８４ｂ、１８５ｂとを膜厚を変化させながら交互に積層して構成し、その際には、膜厚０．２５ｎｍのＧａＡｓ層１８１ａと膜厚２．２５ｎｍのＡｌＡｓ層１８１ｂとで平均的なＡｌ組成が０．９である擬似的ＡｌＧａＡｓ層１８１を構成し、膜厚０．５ｎｍのＧａＡｓ層１８２ａと膜厚２ｎｍのＡｌＡｓ層１８２ｂとで平均的なＡｌ組成が０．８である擬似的ＡｌＧａＡｓ層１８２を構成し、膜厚１ｎｍのＧａＡｓ層１８３ａと膜厚１．５ｎｍのＡｌＡｓ層１８３ｂとで平均的なＡｌ組成が０．６である擬似的ＡｌＧａＡｓ層１８３を構成し、膜厚１．５ｎｍのＧａＡｓ層１８４ａと膜厚１ｎｍのＡｌＡｓ層１８４ｂとで平均的なＡｌ組成が０．４である擬似的ＡｌＧａＡｓ層１８４を構成し、膜厚２ｎｍのＧａＡｓ層１８５ａと膜厚０．５ｎｍのＡｌＡｓ層１８５ｂとで平均的なＡｌ組成が０．２である擬似的ＡｌＧａＡｓ層１８５を構成し、下部擬似的組成傾斜層１０９の半導体領域１０９ａも、上部擬似的組成傾斜層１１１の半導体領域１１１ａと同じように構成した点が、上記第１の実施の形態と異なるが、製造方法などを含め他の点は同様である。この場合も酸化条件を変更したいくつかの場合を試したが、平均的な凹凸は隣接するＡｌＡｓステップの合計幅（ここでは３．５ｎｍ程度）となっていた。

次に、第３の実施の形態の半導体レーザ素子の構造について説明する。第１の実施の形態では、上部擬似的組成傾斜層１１１の半導体領域１１１ａを、組成が同じＧａＡｓ層１７１ａ、１７２ａ、１７３ａ、１７４ａ、１７５ａと組成が同じＡｌＧａＡｓ層１７１ｂ、１７２ｂ、１７３ｂ、１７４ｂ、１７５ｂとを膜厚を変化させながら交互に積層して構成したが、図８に示すように、第３の実施の形態では、上部擬似的組成傾斜層１１１を、膜厚２ｎｍのＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層１９１と、膜厚２ｎｍのＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層１９２と、膜厚２ｎｍのＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓ層１９３と、膜厚２ｎｍのＡｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ層１９４と、膜厚２ｎｍのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層１９５とをそれぞれの層の間に膜厚０．５ｎｍのＧａＡｓ層１９６を介在するように構成し、下部擬似的組成傾斜層１０９も、上部擬似的組成傾斜層１１１と同じように構成した点が、上記第１の実施の形態と異なるが、他の点は同様である。挿入されるＧａＡｓ層の層厚は酸化に対する障壁の効果から０．１、特に０．２ｎｍ以上で、組成に対する効果から１．０、特に０．５ｎｍ以下だと都合が良い。この場合は、凹凸はステップの幅程度になっていた。

次に第４の実施の形態を、図９に示した。上部擬似的組成傾斜層１１１の半導体領域１１１ａは、５層の擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７１〜１７５を有している。上部擬似的組成傾斜層１１１の膜厚は１０ｎｍであり、擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７１〜１７５の膜厚はそれぞれ２ｎｍである。擬似的ＡｌＧａＡｓ層のそれぞれのＡｌＧａＡｓ層はＡｌ０．９8Ｇａ０．０2Ａｓからなり、電流注入部１１０ａと同じ組成である。擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７１のＧａＡｓ層１７１ａの膜厚は約０．２１ｎｍであり、ＡｌＧａＡｓ層１７１ｂの膜厚は約１．７９ｎｍであり、ＧａＡｓ層１７１ａとＡｌＧａＡｓ層１７１ｂとで平均的なＡｌ組成が０．９である擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７１を構成している。

擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７２はＧａＡｓ層１７２ａとＡｌＧａＡｓ層１７２ｂとからなる。ＧａＡｓ層１７２ａの膜厚は約０．４２ｎｍであり、ＡｌＧａＡｓ層１７２ｂの膜厚は約１．５８ｎｍであり、ＧａＡｓ層１７２ａとＡｌＧａＡｓ層１７２ｂとで平均的なＡｌ組成が０．８である擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７２を構成している。

擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７３はＧａＡｓ層１７３ａとＡｌＧａＡｓ層１７３ｂとからなる。ＧａＡｓ層１７３ａの膜厚は約０．６３ｎｍであり、ＡｌＧａＡｓ層１７３ｂの膜厚は約１．３７ｎｍであり、ＧａＡｓ層１７３ａとＡｌＧａＡｓ層１７３ｂとで平均的なＡｌ組成が０．７である擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７３を構成している。

擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７４はＧａＡｓ層１７４ａとＡｌＧａＡｓ層１７４ｂとからなる。ＧａＡｓ層１７４ａの膜厚は約０．８４ｎｍであり、ＡｌＧａＡｓ層１７４ｂの膜厚は約１．１６ｎｍであり、ＧａＡｓ層１７４ａとＡｌＧａＡｓ層１７４ｂとで平均的なＡｌ組成が０．６である擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７４を構成している。

擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７５はＧａＡｓ層１７５ａとＡｌＧａＡｓ層１７５ｂとからなる。ＧａＡｓ層１７５ａの膜厚は約１．５ｎｍであり、ＡｌＧａＡｓ層１７５ｂの膜厚は約０．５ｎｍであり、ＧａＡｓ層１７５ａとＡｌＧａＡｓ層１７５ｂとで平均的なＡｌ組成が０．３である擬似的ＡｌＧａＡｓ層１７５を構成している。凹凸はステップの幅程度になっていた。

この実施の形態においては、活性層側の組成変化を緩やかに、活性層と反対側で急峻とすることによって電気抵抗を低減している。

第１〜第４の実施の形態を比較すると、第２の実施の形態では、薄いＧａＡｓ層１８１ａ、１８２ａ等が他の実施の形態と同様に酸化障壁として機能している。しかしながら、薄いＧａＡｓ層１８１ａが酸化されると、ＡｌＡｓ層１８１ｂは酸化速度が大きいので、すぐに酸化され、次のＧａＡｓ層１８２ａに達する。次に、次の薄いＧａＡｓ層１８２ａが酸化されると、ＡｌＡｓ層１８２ｂは酸化速度が大きいので、すぐに酸化され、次のＧａＡｓ層１８３ａに達する。その結果、他の実施の形態に比べると、薄いＧａＡｓ層１８１ａ、１８２ａ等の膜厚のバラツキによって、膜厚方向の酸化速度が影響され、図６に示すように、酸化物領域１１１ｂと酸化されていない半導体領域１１１ｃとの境界のばらつきｔ２が大きくなり、この境界が大きく蛇行し、局所歪が発生しやすくなっている。また、ＡｌＡｓは材料的に脆弱で，酸化された場合には体積変化も大きく応力歪が発生する。これは、素子の長期通電中に結晶中に転位を導入し増殖させるため、素子の信頼性を著しく低下させるものとなる。このように、脆弱なＡｌＡｓに歪が発生しやすくなり、電流狭窄部１１０ｂ等が剥がれて、メサポスト１３０が破壊されやすくなる。膜厚のばらつきは、第１〜第４の実施形態を比較すると、第２の実施形態＞第４の実施形態＞第３の実施形態＞第１の実施形態の順で大きかった。

これに対して、第１、第３、第４の実施形態で使用しているＡｌＧａＡｓはＡｌＡｓに比べ結晶強度が強く、ＡｌＡｓにＧａが少し入るだけでも劇的に強度が上がる。また、ＡｌＧａＡｓはＡｌ組成が１％変わるだけで、酸化レートが約３割下がる材料である。従って、第１、第３、第４の実施形態のように、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓとの組み合わせにより、上部擬似的組成傾斜層１１１および下部擬似的組成傾斜層１０９を構成することにより、ＡｌＧａＡｓ層１７１ｂ、１７２ｂ等は酸化速度が小さいので、すぐには酸化されず、薄いＧａＡｓ層１８１ａ、１８２ａ等の膜厚のバラツキによる膜厚方向の酸化速度の影響が緩和され、図２に示すように、酸化物領域１１１ｂと酸化されていない半導体領域１１１ｃとの境界のばらつきｔ１が小さく、この境界の蛇行も小さくなり、局所歪が発生しにくくなる。また、ＡｌＧａＡｓはＡｌＡｓに比べ結晶強度が強いので、機械的強度にも優れた構造となり、優れた信頼性の素子が得られる。

次に、比較例の構造について説明する。第１の実施の形態では、上部擬似的組成傾斜層１１１の半導体領域１１１ａを、組成が同じＧａＡｓ層１７１ａ、１７２ａ、１７３ａ、１７４ａ、１７５ａと組成が同じＡｌＧａＡｓ層１７１ｂ、１７２ｂ、１７３ｂ、１７４ｂ、１７５ｂとを膜厚を変化させながら交互に積層して構成したが、図１０に示すように、比較例では、上部擬似的組成傾斜層１１１を、膜厚２ｎｍのＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層１９１と、膜厚２ｎｍのＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層１９２と、膜厚２ｎｍのＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓ層１９３と、膜厚２ｎｍのＡｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ層１９４と、膜厚２ｎｍのＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層１９５とで構成し、下部擬似的組成傾斜層１０９も、上部擬似的組成傾斜層１１１と同じように構成した点が、第１の実施の形態と異なるが、他の点は同様である。

図１１は、本発明の第１の実施の形態のレーザ素子、および比較例のレーザ素子に熱衝撃試験を行った結果の、熱衝撃試験温度とメサポスト破壊の発生率との関係を示した図である。比較例のレーザ素子では、３７０℃付近でメサポスト破壊が生じる試料が出始め、４００℃付近で殆どの試料にメサポスト破壊が生じた。これに対して、本発明の好ましい第１の実施の形態のレーザ素子では、４２０℃においても、メサポスト破壊が生じる試料はなかった。４２０℃においても、メサポスト破壊が生じなければ、パッシベーション膜１４５や上部ＤＢＲミラー１５０形成のＣＶＤ工程や、素子の長期通電中においても、メサポスト破壊が生じないと考えられ、本発明の好ましい第１の実施の形態のレーザ素子は、非常に信頼性の高いものであることがわかる。また、第２〜第４の実施の形態のレーザ素子も第１の実施の形態のレーザ素子ほどではないが比較例のレーザ素子に比べてメサポスト破壊は少なかった。

さらに、発明者らは第１の実施の形態に基づく組成傾斜層を両側に含む酸化狭窄層を、活性層から種々の距離に設けたサンプルを作成して、発振波長の設計値からのズレと、４００時間の通電試験を行ってデバイス特性を検査した。膜厚の凹凸を４ｎｍ以下にしたサンプルにおいては活性層から酸化狭窄層の中心までの距離を４０〜６００ｎｍに設定したサンプルにおいて活性層の転位の発生を効果的に抑制していることを確認した。さらに、２ｎｍ以下にしたサンプルにおいては４０〜２００ｎｍに設定したサンプルにおいても波長シフトおよび転位はほぼ解消され、４０〜１００ｎｍにおいても効果的に抑制されていることを確認した。

ここで第１のｐ型スペーサ層として、Ｉｎを含む圧縮歪を有する層として構成しても良い。例えば、第１のｐ型スペーサ層として、ｐ−ＧａＩｎＰと置き換える、あるいは５〜１０ｎｍの層を第１のｐ型スペーサ層に挿入してもよい。酸化狭窄層を形成する際に酸化狭窄層の酸化領域と非酸化の境界に大きな歪が生じるが、この歪と、酸化狭窄層と隣接層との界面にできる凹凸に起因する歪が相互に影響し、転位を発生させるが、このＩｎを含む圧縮歪を有する層を挿入することによって、さらに不良率を低減することができた。

本願の実施の形態においては、酸化狭窄層を、発振光の回折を最小にするように、共振器内の光の定在波の節の位置（電流の広がりを考慮して、活性層から見て１番目、あるいは２番目が都合がよい）に設定したが、閾値を下げるために、さらに活性層に接近させて形成してもよい。さらに、電流狭窄層を活性層の上下に形成して電流狭窄効果を高めることもできる。

上述の実施の形態は共振器内に酸化狭窄層を設けた場合について説明してきたが、ＡｌＧａＡｓ/ＧａＡｓのペアからなる半導体ＤＢＲミラーに酸化狭窄層を含む面発光レーザに適用し、ミラーの剥離を抑制することもできる。

上述の実施の形態においては、ＧａＡｓ基板上に形成したＡｌからなる酸化狭窄層とその周囲に設けられた組成傾斜層について説明してきたが、ＩｎＧａＡｓからなる基板上にＩｎＧａＡｓ歪み量子井戸構造からなる活性層、活性層上にＩｎＡｌＡｓからなる酸化狭窄層を設け、さらにその酸化狭窄層の両側に組成傾斜層を設けるなど、基板やその他の層について他のＩＩＩ−Ｖ族化合物を用いても良い。

なお、上述の実施の形態では、活性層がＩｎＧａＡｓ系材料で形成された発振波長が１．１μｍ帯である面発光レーザ素子を例にとって説明したが、面発光レーザ素子の発振波長帯や活性層等を構成する材料は、適宜選択可能である。例えば、発振波長が８５０ｎｍであればＡｌＧａＡｓ系材料、また発振波長が１．３〜１．６μｍ帯である面発光レーザ素子は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系材料及びＧａＩｎＮＡｓ系材料及びＧａＩｎＮＡｓＳｂ系材料を選択することが可能である。

上記本発明の好ましい実施の形態の半導体レーザ素子は、面発光レーザ素子であったが、上記本発明の好ましい実施の形態の半導体レーザ素子の構造や製造方法は、端面発光型半導体レーザ素子にも適用でき、その場合には、電流狭窄層１１０は、中央の電流注入部１１０ａとその両側の電流狭窄部１１０ｂとから構成される。

本願において、凹凸はＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で測定された。また、メサポストに形成される酸化狭窄層の場合、メサポストの外周側、つまり、酸化部分の基部と、メサポストの中心側、つまり、酸化部分の面内での先端部の積層方向において凹凸が大きくなるため、本願では、基部や先端部での大きな凹凸を避けるために、酸化部分の酸化方向の中央部付近の凹凸の比較的均一な部分で測定を行った。

次に、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１００を複数用いた面発光レーザアレイの例を図１３、１４を参照して説明する。一例として、図１３に示したように、面発光レーザアレイチップ７００がＣＬＣＣ（Ｃｅｒａｍｉｃ Ｌｅａｄｅｄ ｃｈｉｐ ｃａｒｒｉｅｒ）と呼ばれる周知のフラットパッケージ７１０に実装されたものを用いている。図では煩雑さを避けるために、金属キャスター（電極）７１４と面発光レーザアレイチップ７００との接続は省略してある。面発光レーザアレイチップ７００は図１４に示したように、中央部に設けられた複数の面発光型半導体レーザ素子１００からなる素子部７０２、及び周囲に設けられ、素子部７０２の複数の発光部と接続（図示せず）された複数の電極パッド７０６を有している。さらに、各電極パッド７０６はフラットパッケージ７１２の金属キャスター７１４と接続（図示せず）されている。各発光部は、フラットパッケージ７１２と接続された（図示しない）外部制御回路によって発光制御され、所定の波長のレーザ光を射出する。

次に、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１００を光学機器に適用した例について図面を参照して説明する。図１５は、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１００を発光素子のパッケージに適応したときの構成を示す概略縦断面図である。面発光レーザパッケージ３００は、面発光型半導体レーザ素子１００、基板３０４および電極３０６からなる面発光レーザモジュール、レンズ３１６、ハウジング３１０、光ファイバマウント３１２、光ファイバ３１４とからなる。電極３０６は、外部の制御回路（図示せず）に電気的に接続され、面発光レーザパッケージの発光が制御されている。面発光型半導体レーザ素子１００から出射したレーザ光はレンズ３１６で集光され光ファイバ３１４に結合される。

図１６は、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１００を光記憶媒体への書き込み／読み出し装置のピックアップに適応したときの構成を示す概略縦断面図である。ピックアップ３５０は、面発光型半導体レーザ素子１００、基板３５４、電極３５６、駆動ＩＣ３５８、およびこれらの要素を封止する樹脂３６０からなる面発光レーザモジュールと、レンズ３７６、ハーフミラー３７０、回折格子３７４、光センサー３８０、光記憶媒体３７２とからなる。樹脂３６０の出射面は凸状に加工されレンズ３６２を構成している。電極３５４６は、外部の制御回路（図示せず）に電気的に接続され、レーザピックアップの発光が制御されている。面発光型半導体レーザ素子１００から出射したレーザ光は、レンズ３６２で平行光とされ、ハーフミラー３７０で反射された後、レンズ３７６によって集光され光記憶媒体３７２の所定の箇所に集光される。また、光媒体で反射された光は光センサー３８０に入射される。ここでは、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光型半導体レーザ素子１００を複数有する面発光レーザ素子アレイを通信用の発光素子パッケージ、あるいは光ディスク用ピックアップに適用した例を示したがこれに限られず、測量機器、レーザーポインター、光学マウス、あるいは、プリンタ、フォトレジストの走査露光用光源、レーザポンピング用光源や、加工用ファイバレーザの光源等の光学機器として用いることもできる。

図１７は、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１００を適用した光送受信モジュールの概略構成図である。図１７に示すように、光送受信モジュール４００は、保持部材４０２、光導波路（光ファイバ）４１２と、保持部材４０２上で光導波路（光ファイバ）４１２の位置決め用のスペーサ４１０、光導波路（光ファイバ）４１２を介して光信号を送信する面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光型半導体レーザ素子１００を複数有する面発光レーザ素子アレイ及び光信号を受信する受光素子４０４、面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイの発光状態を制御する駆動回路４０６、受光素子４０４で受信された信号を増幅する増幅回路４０８とで構成されている。面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイは外部の制御部（図示せず）からの制御信号によって駆動回路４０６を介して発光制御され、受光素子４０４で受信された信号が増幅回路４０８を介して制御部へ送信される。煩雑さを避けるために、駆動回路４０６と面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイおよび増幅回路４０８と受光素子４０４のワイヤボンディングは省略している。

図１８〜図２０は図１７における面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイと、光導波路４１２との光結合部分の概略構成図であり、基板５００、面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイ、光導波路４１２は図１８〜図２０で共通している。図１８では、導波路４１２の端面が光軸に対してほぼ４５度に傾斜するように加工されており、さらにこの傾斜面が反射面５０４として、反射膜のコーティング等による鏡面加工が施され、面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイから出射した光は、導波路４１２の下面から導波路に入射され、傾斜面５０４で反射されて光導波路４１２内を伝播する。図１９では、面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイ上、光導波路４１２の端面側方に内部に反射面５０４の設けられたミラーアセンブリ５０６が設置されて、面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイから出射した光は、ミラーアセンブリ５０６の下面から入射され、反射面５０４で反射され、ミラーアセンブリ５０６から出射された光が光導波路４１２に結合されて光導波路４１２内を伝播する。ミラーアセンブリ５０６の入射面あるいは／および出射面にはマイクロレンズ（アレイ）が設けられてもよい。図２０は、コネクタハウジング５１２内に光ファイバ４１２が配置され、さらに光ファイバ心線の曲部５１４の端部が面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイに対向するように配置され、面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイから出射した光が光ファイバ４１２に結合される。

次に、上記本発明の好ましい実施の形態の面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光型半導体レーザ素子１００を複数有する面発光レーザ素子アレイを通信システムに適用した例を示す。図２１には、面発光型半導体レーザ素子１００あるいは面発光レーザ素子アレイを用いた波長多重伝送システムの構成例が示されている。図２１の波長多重伝送システムはコンピュータ、ボードあるいはチップ６０２、通信制御回路（ＣＰＵ，ＭＰＵ、光―電気変換回路、電気―光変換回路、波長制御回路）６０４、面発光型半導体レーザ素子１００を複数有する面発光レーザ素子アレイ６０６、受光素子集積部６０８、合波器６１０、分波器６１２、電気配線６１６、光ファイバ６１７、６１８、通信対象のネットワーク、ＰＣ、ボード、チップなど６１４からなる。図２１の波長多重伝送システムでは、発振波長の異なる複数の面発光レーザ素子を配列して面発光レーザアレイ６０６を構成し、面発光レーザアレイ６０６の各面発光レーザ素子からの各発振光を合波器を通して１本の光ファイバに結合させるように構成されている。このような構成では、１本のファイバで、高スループットに大容量の信号伝送ができる。このように、本発明の好ましい実施の形態の面発光レーザアレイは、モードが安定しており、且つ、各発振波長が安定しているので、高い信頼性で高密度大容量の波長多重伝送が可能になる。なお、本実施形態では各面発光レーザアレイ６０６あるいは受光素子集積部６０８からの出力用光ファイバあるいは入力用光ファイバは合波器６１０あるいは分波器６１２を用いて1本の光ファイバに結合されているが、用途に応じては出力用光ファイバあるいは入力用光ファイバをそのまま通信対象のネットワーク、ＰＣ、ボード、チップなど６１４に接続して並列伝送システムとすることもできる。この場合、本発明の好ましい実施の形態の面発光レーザアレイは、モードが安定しており、且つ、各波長が安定しているので、複数の光源をもつ信頼性の高い並列伝送システムの構築が容易になる。

以上、本発明の種々の典型的な実施の形態を説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されない。従って、本発明の範囲は、次の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

１００ 面発光型半導体レーザ素子
１０１ 基板
１０２ 下部ＤＢＲミラー
１０３ バッファ層
１０４ ｎ^＋型コンタクト層
１０５ ｎ型スペーサ層
１０６ 活性層
１０８ 第１のｐ型スペーサ層
１０９ 下部擬似的組成傾斜層
１０９ａ 半導体領域
１０９ｂ 酸化物領域
１０９ｃ 半導体領域
１１０ 電流狭窄層
１１０ａ 電流注入部
１１０ｂ 電流狭窄部
１１０’ Ａｌ_０．９8Ｇａ_０．０2Ａｓ層
１１１ 上部擬似的組成傾斜層
１１１ａ 半導体領域
１１１ｂ 酸化物領域
１１１ｃ 半導体領域
１１２ 第２のｐ型スペーサ層
１１３ ｐ^＋型電流経路層
１１５ ｐ^＋型コンタクト層
１２０ 共振器
１２１ ｐ側円環状電極
１２５ 開口
１３０ メサポスト
１３１ ｎ側電極
１３２ 側面
１４１ 誘電体層
１４３ ＳｉＯ_２膜
１４４ ＳｉＮ_ｘ膜
１４５ パッシベーション膜
１５０ 上部ＤＢＲミラー
１６１、１６２ 領域
１６５、１６６ 酸化方向
１７１〜１７５ 擬似的ＡｌＧａＡｓ層
１７１ａ〜１７５ａ ＧａＡｓ層
１７１ｂ〜１７５ｂ ＡｌＧａＡｓ層
１８１〜１８５ 擬似的ＡｌＧａＡｓ層
１８１ａ〜１８５ａ ＧａＡｓ層
１８１ｂ〜１８５ｂ ＡｌＡｓ層
１９１〜１９５ ＡｌＧａＡｓ層

Claims (15)

1. ＩＩＩ−Ｖ化合物基板上に形成された、
   活性層、およびＡｌ含有酸化狭窄層を含む共振器領域と、
   前記共振器領域を挟むように対抗する一対のＤＢＲミラーとを備えた面発光レーザであって、
   前記Ａｌ含有酸化狭窄層の両側に、Ａｌ含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物とＡｌ非含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物とからなるステップを複数有し、前記複数のステップは、その擬似的な組成が前記Ａｌ含有酸化狭窄層から離れるにつれて連続的に減少している、擬似組成傾斜層を形成し、かつ、前記Ａｌ含有酸化狭窄層と隣接する界面から一部が酸化されていること特徴とする面発光レーザ。
2. 前記Ａｌ含有酸化狭窄層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．９３≦ｘ＜１）である請求項１記載の面発光レーザ。
3. 前記Ａｌ含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．７５≦ｘ≦０．９９）であり、Ａｌ非含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物はＧａＡｓであり、前記Ａｌ含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物とＡｌ非含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物の膜厚を変化させることによって擬似的な組成を構成したステップを組成が連続的に変化するように組み合わせて擬似的な組成傾斜層を形成することを特徴とする、請求項１または２記載の面発光レーザ。
4. 前記Ａｌ含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物は、ＡｌＡｓであり、Ａｌ非含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物はＧａＡｓであり、前記Ａｌ含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物とＡｌ非含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物の膜厚を変化させることによって擬似的な組成を構成したステップを組成が連続的に変化するように組み合わせて擬似的な組成傾斜層を形成することを特徴とする、請求項１または２記載の面発光レーザ。
5. 前記Ａｌ含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦０．９９）であり、Ａｌ非含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物はＧａＡｓであり、膜厚が一定で、Ａｌ組成の異なる前記Ａｌ含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物と、膜厚０．１〜０．５ｎｍのＡｌ非含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物とからなるステップを組成が連続的に変化するように組み合わせて擬似的な組成傾斜層を形成することを特徴とする、請求項１または２記載の面発光レーザ。
6. 前記ステップのＡｌ組成間隔が、前記活性層側で小さいことを特徴とする請求項２ないし５のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
7. 前記ステップ間あるいは前記ステップと隣接する層のＡｌ組成のギャップが０．５以下であることを特徴とする請求項２ないし６のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
8. 前記組成傾斜層の積層方向での界面の凹凸は４ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２ないし７のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
9. 前記組成傾斜層の積層方向での界面の凹凸は２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２ないし７のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
10. 前記Ａｌ含有酸化狭窄層と前記活性層の距離が４０−４００ｎｍの範囲に入ることを特徴とする請求項２ないし９のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
11. 前記Ａｌ含有酸化狭窄層と前記活性層との間にＩｎ含有層が挿入されていることを特徴とする請求項２ないし１０のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
12. ＩＩＩ−Ｖ化合物基板上に形成された、
    活性層、およびＡｌ含有酸化狭窄層を含む共振器領域と、
    前記共振領域を挟むように対抗する一対のＤＢＲミラーとを備えた面発光レーザであって、
    前記ＤＢＲミラーがＡｌＧａＡｓ/ＧａＡｓペアからなる半導体ミラーから構成され、
    前記ＤＢＲミラーの一部にＡｌ含有酸化狭窄層が形成され、前記Ａｌ含有酸化狭窄層の両側に、Ａｌ含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物とＡｌ非含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物とからなるステップを複数有し、前記複数のステップは、その擬似的な組成がその擬似的な組成が前記Ａｌ含有酸化狭窄層から離れるにつれて連続的に減少している、擬似組成傾斜層を形成し、かつ、前記Ａｌ含有酸化狭窄層と隣接する界面から一部が酸化されていることを特徴とする面発光レーザ。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の面発光レーザを複数備える半導体レーザ素子アレイ。
14. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の面発光レーザを備える光学機器。
15. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の面発光レーザを備える通信システム。

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