CN1323473C - 表面发光型半导体激光器及其制造方法 - Google Patents

表面发光型半导体激光器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种表面发光型半导体激光器，通过设置从包含被氧化层(6a)的台面(100)的侧面使被氧化层进行氧化而形成的氧化区域(600)，在被氧化层的未被氧化部分使电流狭窄，其特征在于：在氧化区域和未被氧化部分的边界附近设置有包含质子的质子含有区域(15、16)。被氧化层在包围未被氧化部分的位置上具有注入了质子的质子含有区域，质子含有区域设置在从台面的侧面离开的位置上，并且质子含有区域中包含氧化区域和未被氧化部分。通过提高所选择的氧化中的氧化长度和电流狭窄区域的尺寸和形状的控制性能，能提高衬底面内的均匀性和再现性，抑制激光特性元件之间的误差，提高产量及其再现性。

Description

表面发光型半导体激光器及其制造方法
技术领域
本发明涉及表面发光型半导体激光器及其制造方法，特别是涉及能精密地形成微小电流狭窄结构的表面发光型半导体激光器及其制造方法。
背景技术
半导体激光器和半导体发光二极管等半导体发光元件在以光通信领域为首，CD(Compact Disc)或DVD(Digital Versatile Disc)等光盘系统或条形码读出器中广泛应用。
在这种半导体发光元件中，“表面发光型半导体激光器”是通过设置在有源层上下的反射镜来构成共振器结构的，光在垂直于衬底的方向上射出。
该表面发光型半导体激光器能在衬底上二维地集成多个激光器元件，所以作为高速光LAN(Local Area Network)或光互连等光电子领域的主要器件而非常引人注目。
下面举例说明作为这种表面发光型半导体激光器的特征。
即与端面发光型半导体激光器相比具有多个优点：阈值低、耗电少、发光效率高、能高速调制、光束扩展小、与光纤的耦合容易，适合于大批量生产等。
在这种表面发光型半导体激光器中，需要用于使电流集中于发光区域的“电流狭窄部”。作为形成该电流狭窄部的方法，主要使用质子(氢离子)注入方式和选择氧化方式等两种方式(例如参照专利文献1-3)。
专利文献1-特开平9-266350号公报。
专利文献2-特开2000-332355号公报。
专利文献3-特开2001-93897号公报。
当为质子注入方式时，通过注入质子的区域高电阻化，能形成电流狭窄部。此时，通过所谓的“热透镜效应”，在电流流过区域和它的周围区域之间产生很小的折射率差，形成弱的光关闭状态。质子注入方式的特征在于：通过该弱的光关闭，即使非质子注入区域(电流狭窄区域)的直径扩展到10μm左右，也能取得稳定的横模式。
而当为选择氧化方式时，通过有选择地氧化有源层附近的半导体多层膜的一部分，取得光和电流同时困入狭窄的区域中的2重关闭效应。另外，因为形成折射率波导，所以在选择氧化方式下，发生强的光关闭现象。因此，为了使横模式稳定，发光区域的直径的典型值为5μm，与质子注入方式相比，有必要变窄。即当为选择氧化方式时，为了实现横模式控制，有必要使电流狭窄直径微细化。
但是，把发光区域直径形成5μm以下在工艺上是不可能的，发光区域的尺寸和形状的控制性、再现性中存在问题，存在很难提高批量生产性、成品率的问题。
下面，简单说明选择氧化方式的表面发光型半导体激光器的制作方法，说明成为问题的发光区域直径的尺寸和形状控制性、再现性。
首先，在本导体衬底上依次生长半导体多层膜反射镜、包层、半导体多层膜反射镜、接触层，制作激光晶片。此时，半导体多层膜反射镜例如具有AlxGa1-xAs膜/AlyGa1-yAs膜的反复层叠结构，另外，作为被氧化层，具有比构成半导体多层膜反射镜的膜的Al组成比大的AlxGa1-xAs(X＞0.95)膜。
接着，通过蚀刻形成台面部，在水蒸汽环境中，把衬底加热到400℃以上。通过这样，构成半导体多层膜反射镜的半导体膜中Al组成比高的AlGaAs膜从台面部的侧面的露出部分有选择地氧化，成为AlxGa1-xOy膜。其氧化速度根据Al的组成而显著变化。例如作为AlxGa1-xAs，通过使x＝0.95-1，对包层或GaAs层几乎无影响，能只有选择地氧化Al高浓度层。
通过该横向的选择氧化步骤，从台面的侧面开始，被氧化层的氧化进展，在台面外周区域氧化的电流狭窄部、台面中区域，形成未氧化区域即开口部。而且，通过适当调整热处理的温度和时间，能控制以高浓度包含Al的被氧化层中的未被氧化的开口部形状和大小。
如上所述，通过选择氧化方式形成表面发光型半导体激光器时，形成台面部，通过从台面部的侧壁有选择地氧化以高浓度包含Al的AlAs层或AlGaAs层，制作电流狭窄结构。
但是，在基于水蒸汽氧化的选择氧化步骤中，根据衬底温度、氧化层的膜厚、Al组成、水蒸汽的流量、氮气的流量等，决定氧化速度，对该工艺的条件变化，氧化速度大受影响。因此，当选择氧化以高浓度包含Al的AlAs层或AlGaAs层时，存在很难以良好的再现性控制非氧化区域(开口部)的尺寸或形状。
为了解决该问题，在以往的氧化工艺中以实时计测氧化工艺时被氧化区域的扩展，尝试着提高控制性。例如，在非专利文献1中描述了利用AlAs层和Al2O3氧化层的折射率差、反射率差，通过CCD相机观察实际的元件部分的像的方法。
[非专利文献1]
Wright State Univ.，IEEE Photon Technol.Lett.10，p.197(1998)
但是，即使用该方法也很难在半导体衬底的整个区域上控制元件的计测、尺寸或形状，特别是当电流狭窄部的尺寸形成在10μm以下时，氧化速度敏感地作用于工艺条件中，并且因为以下说明的“各向异性氧化”，而使高精度的控制极为困难。
即当使用以高浓度包含Al的AlAs层或AlGaAs层作为选择氧化层使用时，例如，在AlxGa1-xAs中(x＞0.94)层中，<100>轴方向的氧化比<110>轴方向的氧化速度快。这样，对面方位，氧化速度不同，所以在选择氧化工艺中，存在非氧化区域的形状对氧化时间变化的问题。有关此点，后面将举具体例进一步说明。P3-0022
另外，在选择氧化方式的表面发光型激光器中，如果以水蒸汽氧化以高浓度包含AlAs或Al的AlGaAs层，则被氧化层的体积收缩，在上下层中产生变形。氧化层Alx(Ga)Oy与原来的Al(Ga)As层相比，产生体积收缩率(7％-13％左右)，所以氧化后，对有源层或台面结构的中心部作用压缩应力。为了有效地进行电流狭窄，成为电流阻塞层的被氧化层有必要有某种程度的厚度，但是该层越厚，变形越大。而且，该变形集中在氧化层的顶端，被氧化层设置在离有源层0.2μm左右的非常近的距离，所以该变形影响有源层的电流最集中的区域，引起元件寿命的下降。
特别是对选择氧化工艺后的热工艺的耐性下降。因此，在以往的选择氧化方式的表面发光型激光器中，由于伴随着Al高浓度层(被氧化层)的氧化的体积收缩，对有源层、台面结构中心部作用压缩应力，导致元件的可靠性、寿命下降、耐热性恶化。
发明内容
鉴于上述问题的存在，本发明目的是提供一种通过提高所选择的氧化中的氧化长度和电流狭窄(非氧化)区域的尺寸及形状的控制性能，能提高衬底面内的均匀性和再现性，抑制激光特性元件之间的误差并便于批量生产的高性能的表面发光型半导体激光器。
本发明的表面发光型半导体激光器，通过设置从包含被氧化层的台面的侧面使所述被氧化层进行氧化而形成的氧化区域，在所述被氧化层的未被氧化部分使电流狭窄，其特征在于：
衬底；
设置在所述衬底上的具有发光区域的有源层；
夹持所述有源层，并构成相对于所述衬底的表面为垂直方向的共振器的第一和第二半导体多层膜反射镜；
用于向所述有源层注入电流的一对电极；和
设置在所述有源层的上方或下方的被氧化层；
形成包含所述被氧化层的台面；
所述被氧化层具有：从所述台面的侧面到所述发光区域附近的高电阻的氧化区域；由所述氧化区域包围的低电阻的未被氧化部分；和设置在包围所述未被氧化部分的位置上的、注入了质子的质子含有区域，所述质子含有区域设置在从所述台面的侧面离开的位置上
更好是，所述质子含有区域有选择地设置在所述氧化区域和所述未被氧化部分的边界附近，没有设置在所述未被氧化部分的中央附近。
更好是，所述表面发光型半导体激光器还包括：对所述有源层提供在沿着所述有源层的层面的方向上拉伸的应力的膜。
另外，本发明的表面发光型半导体激光器，通过设置从包含被氧化层的台面的侧面使所述被氧化层进行氧化而形成的氧化区域，在所述被氧化层的未被氧化部分使电流狭窄，其特征在于：
所述被氧化层在所述未被氧化部分具有质子浓度为1×1018/cm3以下的质子含有区域，所述质子含有区域设置在从所述台面的侧面离开的位置上，并且所述质子含有区域中包含所述氧化区域和所述未被氧化部分。
另外，本发明的表面发光型半导体激光器，包括：第一和第二反射镜；
设置在所述第一和第二反射镜之间的有源层；和
具有未被氧化部分和设置在所述未被氧化部分周围的被氧化了的氧化区域的被氧化层；
在所述未被氧化部分使电流狭窄，在所述第一和第二反射镜之间进行激光振荡，其特征在于：
所述被氧化层在实质上包围所述未被氧化部分的位置上具有注入了质子的质子含有区域，所述质子含有区域设置在从所述台面的侧面离开的位置上，并且所述质子含有区域中包含所述氧化区域和所述未被氧化部分。
更好是，所述质子含有区域有选择地设置在所述氧化区域和所述未被氧化部分的边界附近，没有设置在所述未被氧化部分的中央附近。
更好是，所述质子含有区域设置在整个所述未被氧化部分上。
更好是，所述质子含有区域的质子浓度为1×1018/cm3以下。
更好是，所述表面发光型半导体激光器还包括：对所述有源层提供在沿着膜面的方向上拉伸的应力的膜。
更好是，所述质子含有区域有选择地设置在所述氧化区域和所述未被氧化部分的边界附近，没有设置在所述未被氧化部分的中央附近；所述一对电极中的设置在所述活性层上的电极具有用于向外部发射由所述有源层发射的光的开口；所述开口比所述未被氧化部分中的比所述质子含有区域更靠内侧的部分还大。
更好是，所述质子含有区域有选择地设置在所述氧化区域和所述未被氧化部分的边界附近，没有设置在所述未被氧化部分的中央附近。
更好是，所述质子含有区域设置在整个所述未被氧化部分上。
更好是，所述质子含有区域的质子浓度为1×1018/cm3以下。
更好是，所述表面发光型半导体激光器还包括：对所述有源层提供在沿着膜面的方向上拉伸的应力的膜。
另外，本发明的表面发光型半导体激光器的制造方法，通过设置使被氧化层的一部分氧化而形成的氧化区域，在所述被氧化层的未被氧化部分使电流狭窄，其特征在于具有：
形成包含所述被氧化层的台面的步骤；
向所述被氧化层有选择地导入质子来形成质子含有区域的步骤；
通过从所述被氧化层的端部到所述质子含有区域进行氧化，来形成所述氧化区域的步骤，
把所述质子含有区域设置在从所述台面的侧面离开的位置上，并且使所述质子含有区域包含所述氧化区域和所述未被氧化部分。
更好是，所述质子含有区域的质子浓度为1×1018/cm3以下。
附图说明
下面简要说明附图。
图1是表示本发明实施例1的表面发光型半导体激光器结构的模式图，(a)是其平面图，(b)是(a)的A-A’线剖视图，(c)是放大(b)的电流狭窄部14附近的剖视图。
图2是表示本发明实施例中氧化被氧化层6a的步骤的步骤剖视图。
图3是表示以水蒸汽氧化以高浓度包含Al的AlGaAs层时的氧化长度对氧化时间的变化的曲线图。
图4是表示以水蒸汽氧化以高浓度包含Al的AlGaAs层时的氧化速度对含有质子浓度的依存性的曲线图。
图5是表示向激光器的电流狭窄部14全体导入质子的具体例的模式图。
图6是表示设置质子注入区域的表面发光型半导体激光器的一例的模式图。
图7是表示不设置质子注入区域15，从其侧面氧化圆柱状的台面100时的氧化区域600和电流狭窄部14的形状对氧化时间的变化、各向异性氧化的样子的剖视图。
图8是表示配合各向异性氧化速度设置质子注入区域15的图案宽度的例子的模式图。
图9(a)是表示不设置质子注入区域时的电流狭窄部14的形状的平面图，图9(b)是表示使用倾斜衬底时的质子注入区域15的图案的平面图，图9(c)是表示所需正方形的形状和尺寸的电流狭窄部14的平面图。
图10是表示本发明的实施例1的变形例的表面发光型半导体激光器的模式图。
图11是本发明实施例2的表面发光型半导体激光器的模式图，同一图(a)是平面图，(b)是(a)的A’-A线剖视图，(c)是(a)的B’-B线剖视图。
图12是表示实施例2的变形例的表面发光型半导体激光器的模式图。
具体实施方式
下面，参照附图详细来说明本发明的实施例。
(实施例1)
图1是表示本发明实施例1的表面发光型半导体激光器结构的模式图，(a)是其平面图，(b)是(a)的A-A’线剖视图，(c)是放大(b)的电流狭窄部14附近的剖视图。
该表面发光型半导体激光器包括：形成在衬底1上的具有发光区域13的半导体有源层4；夹持半导体有源层4，从形成垂直于衬底1的方向的共振器的半导体有源层4观察，形成在相反一侧的第一半导体多层膜反射镜6；从半导体有源层4观察，形成在衬底1一侧的第二导体多层膜反射镜2。在半导体有源层4的上下形成半导体包层3和半导体包层5。
导体多层膜反射镜2、6具有交替层叠折射率不同的多种半导体层的结构。各半导体层对激光的波长，具有光学波长的1/4厚度。这种层膜反射镜例如称作DBR(distributed bragg reflector)。
在第一半导体多层膜反射镜6上形成接触层7，形成用于通过它们向发光区域13注入电流的接触电极9。另外，形成接触电极9，使发光区域13上开口。
在衬底1的背面一侧形成电极10，通过第二导体多层膜反射镜2，电流注入发光区域13中。
第一半导体多层膜反射镜6、半导体有源层4、半导体包层3和半导体包层5形成凸状的台面部100。在包含第一半导体多层膜反射镜6和半导体有源层4的台面部100的周边设置台面形成用的蚀刻区域12。
构成第一半导体多层膜反射镜6的半导体层的任意一个为以高浓度包含铝(Al)的被氧化层6a。被氧化层6a具有从台面部100的侧壁向发光区域13横向氧化形成的氧化区域600，其内侧为电流狭窄部14。而且，在氧化区域600的前端部形成质子注入区域15。质子注入区域15具有使被氧化层6a的氧化速度下降，控制电流狭窄部14的开口形状的功能。通过这样形成的电流狭窄部14，能减小到发光区域13的电流。
须指出的是，在图1中，表示了设置3层被氧化层6a的情形，但是本发明并不局限于此，被氧化层6a可以只有1层，或设置2层或4层以上。
在台面形成用的蚀刻区域12的表面形成聚酰亚胺11，在其上形成结合区17。结合区17通过布线9a与接触电极9连接。
本实施例的表面发光型半导体激光器具有质子注入区域15，所以当从台面部100的侧壁向发光区域13横向氧化被氧化层6a时，在被氧化层6a中，在注入质子的部分16，氧化速度能与质子浓度成比例大幅度减小。
图2是表示本实施例中氧化被氧化层6a的步骤的步骤剖视图。即如图2(a)所示，被氧化层6a的端面在台面的侧面露出，在台面内部形成注入质子的质子注入区域15，在被氧化层6a中也设置导入质子的部分16。
在该状态下，如图2(b)所示，如果从在台面侧面露出的被氧化层6a的端面使氧化进行，则氧化区域600向同一图中用箭头表示的方向扩展。
而且，如图2(c)所示，如果氧化区域600到达质子注入区域15，则氧化速度下降，能容易地使氧化区域600的顶端停止在该区域15内。如后所述，在本发明中，通过1×1018/cm3左右的较低浓度的质子的存在，能使氧化速度减小到五分之一。因此，在质子注入区域中，能容易地使氧化停止。
作为结果，当从台面部100的侧壁氧化被氧化层6a，形成电流狭窄部14时，能精密控制发光区域13的尺寸和形状。另外，能在同一晶片上形成的多个元件间抑制电流狭窄部14的尺寸的“偏移”，并且也能抑制各向异性氧化引起的电流狭窄部14的形状的变形。
因此，在选择氧化方式的表面发光型半导体激光器的制作中，出射光束图案的尺寸和形状的控制性、均匀性、再现性提高，有关振荡阈值、光输出、横模式控制等激光特性，也抑制了元件间的偏移，能以高成品率大量生产高性能的表面发光型半导体激光器元件。
图3是表示以水蒸汽氧化以高浓度包含Al的AlGaAs层时的氧化长度对氧化时间的变化的曲线图。在此，“氧化长度”是指从暴露在水蒸汽环境中的AlGaAs的端面测定的氧化部分的长度。从图3可知，氧化速度的再现性，包括正负10％的误差，在现有的氧化工艺中，很难以高精度来控制再现性。
例如，当设制作台面部100为45μm的正方形，电流狭窄部14的开口为5μm正方形时，从侧壁开始的被氧化层6a的氧化长度设定为20μm。在被氧化层6a的氧化速度的再现性中通常产生大约正负10％左右的误差。此时，当不具有质子注入区域15的选择氧化工艺步骤时，氧化长度为20μm加减2μm(即18μm-22μm)。因此，电流狭窄部14(开口部)的尺寸变为(台面尺寸45)-2×(氧化长度20加减2)＝5加减4μm，电流狭窄部14的尺寸精度对目标值也变动正负80％。这样，如果所需电流狭窄部14的尺寸(光束尺寸)变为10μm以下，则对目标值的实际尺寸的变动率变得非常大。
而在本实施例的表面发光型半导体激光器中，具有质子注入区域15，所以当从台面部100的侧壁向发光区域13横向选择氧化被氧化层6a时，在注入质子的部分16中，被氧化层6a的氧化速度与含有质子浓度几乎成比例减小。
图4(a)是表示以水蒸汽氧化以高浓度包含Al的AlGaAs层时的氧化速度对含有质子浓度的依存性的曲线图。即同一图的横轴表示AlGaAs层中包含的质子浓度，纵轴表示以不含质子时的氧化速度为“1”时的相对氧化速度。
从图4(a)可知，在以高浓度包含Al的AlGaAs层的氧化速度中，通过导入质子变为1×1018/cm3左右的浓度，能大幅度减小到约20％左右的速度。
以往，使用通过注入质子，使半导体层高电阻化的技术。为了实现高电阻化，最典型的是有必要注入1×1015/cm2左右的质子。如果把它换算为浓度，为接近1×1020/cm3左右的浓度。
而根据本发明，通过它的1/10乃至1/100左右的量的质子，能充分使半导体层的氧化减速。即如后面作为具体例列举的那样，用5×1013/cm2左右的掺杂量，能使质子的浓度为1×1018/cm3，能充分使半导体层的氧化减速。
即根据本发明，不使半导体层高电阻化，能降低氧化速度。因此，也能对激光器的有源区域全体注入质子。
图5是表示向激光器的电流狭窄部14全体导入质子的具体例的模式图。即图5(a)是它的主要部分平面图，图5(b)是它的局部放大图，图5(c)和(d)分别是(a)以及(b)的A-A’线剖视图。
在本具体例中，覆盖电流狭窄部14全体设置有质子注入区域15。如果适当调节质子的注入量，则不会过分提高电流狭窄部14的电阻，阻止氧化的进行，精密地形成给定的电流狭窄结构。
图4(b)是把本实施例与以往例(图3)一起表示氧化长度对Al(Ga)As层氧化时间的变化的再现性的曲线图。
在本实施例中，通过在被氧化层6a即AlGaAs层的质子注入部分16抑制氧化的进行，能把从氧化长度的目标值的变动从正负2μm抑制到正负0.8μm即一半以下。
图6是表示设置质子注入区域的表面发光型半导体激光器的一例的模式图。图6(a)是它的主要部分平面图，图6(b)是它的局部放大图，图6(c)和(d)分别是(a)以及(b)的A-A’线剖视图。
如图6所示，在从4μm的正方形到6μm正方形之间的2μm宽度的区域中进行质子注入，注入从4μm的正方形到6μm正方形内的被氧化层6a、Al(Ga)As层中的质子浓度为1×1018/cm3。另外，氧化速度的再现性如果为通常的正负10％内的精度，则通过在电流狭窄部14变为所需尺寸的区域中形成质子注入区域15(16)，抑制氧化的进行，作为结果，氧化长度以20加减0.8μm(即19.2μm-20.8μm)的精度再现。即电流狭窄部14的开口直径为(台面直径45μm)-(氧化长度20加减0.8μm)＝5加减1.6μm。
此时，对目标值的变动率收敛在正负32％，与以往的80％相比，实现了约50％的改善，大幅度抑制电流狭窄部的尺寸的控制性。
另外，本发明当对目标值的尺寸变动率增大为10μm以下时，在实现电流狭窄部14的开口直径的控制性、再现性、均匀性的提高上，非常有效。通过把电流狭窄直径缩小到10μm以下，取得2重关闭效应，能实现极低的阈值电流动作(亚mA)等高性能化。
而根据本实施例，也能修正各向异性氧化引起的形状的变形。
图7是表示不设置质子注入区域15，从其侧面氧化圆柱状的台面100的被氧化层时的氧化区域600和电流狭窄部14的形状对氧化时间的变化、各向异性氧化的样子的剖视图。须指出的是，图中符号12表示台面周围的衬底部。
伴随着氧化时间的增加，氧化区域21扩展，但是此时在用a和b表示的方向，氧化速度慢，非氧化区域14变为以用a和b表示的方向为顶角的菱形形状。另外，如果氧化时间变长，则该菱形的纵横差扩大。
这样，在选择氧化方式下很难控制氧化区域的尺寸和成为发光区域的形状，发光区域(非氧化区域或电流狭窄部或出射光束)尺寸和形状、横模式控制很难，存在容易产生振荡阈值、光输出等激光特性的“偏移”的问题。
而根据本实施例，通过按照面方位的氧化速度，调整质子注入区域15的图案尺寸或配置，能修正。在以所述具体例同样的台面尺寸45μm的正方形，选择氧化5μm的正方形的电流狭窄部14，形成时，如图8(a)-(d)所示，对氧化速度快的方位，质子注入区域15的宽度为4μm-6μm的2μm宽度，对氧化速度慢的方位，为5μm-6μm的1μm宽度。即配合各向异性氧化速度设定质子注入区域15的图案宽度。
此时，进行离子注入，使注入被氧化层6a即Al(Ga)As层中的质子浓度为1×1018/cm3，进行选择氧化步骤时，与以往例相比，能缓和电流狭窄部14的各向异性，取得所需的正方形形状和尺寸的电流狭窄部14。更具体地说，通过调节质子注入区域15的图案，各向异性氧化引起的电流狭窄部14的形状变形在以往例中，在纵和横产生0.7μm的尺寸差，但是在本实施例中减小到0.1μm。
另外，作为衬底1，当使用从通常的(100)面等面方位的衬底倾斜任意角度的倾斜衬底1时，各向异性氧化引起的形状变形变得更显著。例如，在圆形的台面结构中，如图9(a)所示，开口部(电流狭窄部14)的形状变为变形的菱形(在此的倾斜角例如为10°左右)。
而在本实施例中，首先求出倾斜衬底的各面方位的氧化速度，决定质子注入区域15的图案，以便取得所需的尺寸和形状。
图9(b)是表示使用倾斜衬底时的质子注入区域15的图案的平面图。使用该图案，以在被氧化层6a的质子注入部分16取得所需浓度的条件进行离子注入处理后，从台面侧面进行选择氧化工艺。作为结果，如图9(c)所示，取得所需的正方形形状和尺寸的电流狭窄部14。例如，在以往例(图9(a))中，纵和横约产生1.1μm的尺寸差，但是在本实施例(图9(c))中，能把纵和横的尺寸差减小到0.1μm。
此时，为了提高氧化速度的控制性，有关被氧化层6a的质子注入部分16的质子浓度和尺寸，适合跨宽度1-10μm设置浓度为1×1017/cm3以上的区域，成为适合于不使氧化时间和元件电阻增大的条件。
下面，具体说明图1所示的本实施例的表面发光型半导体激光器的制造方法。
首先，在洗净的厚度400μm的直径3英寸、面方位(100)的n型GaAs衬底1之上，使用MOCVD装置依次形成n型的导体多层膜反射镜2、包层3、半导体有源层4、包层5、成为电流狭窄部14的被氧化层6a、p型的导体多层膜反射镜6、接触层7。
作为一个例子，说明以在由半导体有源层4和包层3以及5构成的共振器上下配置半导体多层膜反射镜2和6的结构作为基本结构，形成1.3μm频带的GaInNAs表面发光型半导体激光器的具体例。
此时，半导体多层膜反射镜2以波长1.3μm的光学波长1/4的厚度交替层叠n型GaAs层(高折射率层)和n型AlyGa1-yAs(0＜y＜1)(低折射率层)的结构。在本具体例中，能使用Al组成比y＝0.94的Al0.94Ga0.06As层作为低折射率层。
另外，作为半导体多层膜反射镜2的n型掺杂物，使用硅(Si)，掺杂浓度为2×1018/cm3，包层3为n型GaInP。
半导体有源层4为交替层叠发光峰值波长调整为1.3μm的GaxIn1-xAsyN1-y(0≤x≤1，0≤y＜1)层、作为势垒层的GaAs层的量子井结构。在此，以GaxIn1-xAsyN1-y(0≤x≤1，0≤y＜1)层为中心，在其上下层GaAs层的3层结构。量子井层GaxIn1-xAsyN1-y(0≤x≤1，0≤y＜1)层的In组成比为30％-35％，氮(N)组成为0.5-1.0％，厚度为7nm。
控制组成，使该GaxIn1-xAsyN1-y(0≤x≤1，0≤y＜1)层的晶格常数比n型GaAs衬底1大，设为存在约2.5％的压缩变形的组成Ga0.66In0.34As0.99N0.01。通过这样导入变形，激光器的微分增益系数增大，与无边形时比较，能进一步减小阈值电流值。
包层5为p型GaInp。另外，半导体多层膜反射镜6能采用以波长1.3μm的光学波长1/4的厚度交替层叠p型GaAs层(高折射率层)和p型AlyGa1-yAs(0＜y＜1)(低折射率层)的结构。与n型导体多层膜反射镜2相同，能把Al组成y＝0.94的Al0.94Ga0.06As层作为低折射率层使用。
另外，作为导体多层膜反射镜6的p型掺杂层，使用碳(C)，它的掺杂浓度为2×1018/cm3(量子井层3附近)-1×1019/cm3(接触层7)附近，在深度方向变化。
被氧化层6a通过进一步增大构成半导体多层膜反射镜6的AlGaAs层中的任意1层或多层的Al组成比x，形成被氧化层6a。具体地说，作为被氧化层6a，能使用AlxGa1-xAs(x＞0.98)。在本具体例中，使用AlAs层。接触层7为p型GaAs层，作为p型掺杂物，使用C(碳)，掺杂浓度为2×1019/cm3。
接着，通过光刻和蚀刻步骤，进行蚀刻直到n型导体多层膜反射镜2的上部，形成台面100。具体地说，例如通过ICP(Inductively Coupled Plasma)等离子体蚀刻装置，进行基于三氯化硼和氮混合气体的蚀刻处理。此时，通过调整天线输出、偏压输出、衬底温度，根据各向异性蚀刻产生的条件，形成台面100。在此，为了进行电流狭窄部14为5μm正方形的表面发光型半导体激光器，垂直进行蚀刻，以便取得45μm的正方形台面部100。
接着，形成质子注入区域15。在此，把SiO2膜8和抗蚀剂图用于底层掩膜，进行质子的底层注入。在以下的步骤的选择氧化中，在本步骤中形成的被氧化层6a的质子注入部分16中，氧化速度与质子浓度成比例大幅度降低。如同有关图4(a)所述，如果观察衬底温度400℃的AlGaAs层6a的氧化速度的质子浓度依存性，则质子浓度为1×1017/cm3以上时，氧化浓度下降到1/3以下。
在1×1017/cm3-1×1018/cm3左右的质子浓度下，比半导体多层膜反射镜6的碳(C)的掺杂浓度低，注入区域几乎不进行高电阻化。即在注入质子的部分，如果把质子的浓度控制在给定的范围，就能抑制被氧化层6a的氧化速度，并且元件电阻不会提高。另外，在质子注入步骤中，通过加速电压，能控制质子的侵入深度、分布，另外通过掺杂量，能控制在电流狭窄部14重复的质子浓度。
具体地说，使加速电压为320keV，掺杂量为5×1013/cm2，来进行离子注入，以便使被氧化层6a、AlAs(在此，位于离表面深度2.6μm)的离子注入区域16的质子浓度变为1×1018/cm3。另外，在此，能适当使用用于控制尺寸和各向异性氧化的质子注入区域图案。
接着，在水蒸汽环境中，进行400℃-450℃的热处理，从台面部100的侧面横向选择氧化被氧化层6a，形成氧化区域600。此时，具有质子注入区域15，所以从台面部100的侧壁向着发光区域13横向氧化时，在被氧化层6a的质子注入部分16中，氧化速度与质子浓度成比例大幅度减小，通过调整氧化时间，氧化在质子注入区域内停止，取得所需的电流狭窄尺寸和形状。
在以往的选择氧化工艺中，在衬底面内产生尺寸偏移，所以氧化长度的尺寸的均匀性差。而有关本实施例的元件，评价电流狭窄尺寸的面内偏移(3英寸晶片面内)的结果为3σ值，与以往相比，改善了约40％，对面内尺寸偏移，也有大的效果。另外，各向异性氧化引起的形状变形也从纵横尺寸差约0.7μm降低到约0.1μm。
接着，使用聚酰亚胺11掩埋台面蚀刻部12，在其上形成结合区17。除去应该形成布线部18和成为光取出口的p型半导体多层膜反射镜6上的绝缘膜8，在p型GaAs接触层7上形成p一侧电极9。此时，同时形成连接结合区17和p一侧电极9的布线18，然后，在衬底背面形成n一侧电极10。
在这样制作的表面发光型半导体激光器中，在波长1.3μm下，由于有源层的压缩变形导入效果，取得电流密度(1kA/cm2)下的室温连续振荡，高温下的特性也良好。另外，改善通过各向异性氧化而产生的非氧化区域、出射光束图案的形状，取得所需的光束图案形状。结果，实现横模式的稳定化。另外，跨面内区域，再现性好，尺寸和形状均匀化，单一模式振荡、阈值、光输出等激光特性也均匀化，提高了高性能的表面发光型半导体激光器元件的批量生产性。特别是电流狭窄部14包围的光束直径的尺寸在尺寸对目标值的变动率增大为10μm以下时，在实现尺寸的控制性、再现性、均匀性的提高上，本发明是有效的。
图10是表示本实施例的变形例的表面发光型半导体激光器的模式图。即图10是与图1(b)对应的剖视图。
当图1(b)所示的结构时，上部电极9的开口直径与电流狭窄部14同等或比它大，上部电极9的顶端设置在质子注入区域15之上。
而在本变形例中，上部电极9的开口直径比电流狭窄部14还小，上部电极9的顶端延伸到比质子注入区域15还靠内侧的发光区域之上。这样，因为注入的质子浓度没有大到提供接触电阻或电流狭窄路线的变化的程度，所以与图1的结构的元件同样取得本发明的效果。
(实施例2)
下面，说明本发明的实施例2。
图11是本发明实施例2的表面发光型半导体激光器的模式图，图11(a)是平面图，图11(b)是图11(a)的A’-A线剖视图，图11(c)是图11(a)的B’-B线剖视图。有关图11，对与图1-图10中所述同样的要素，采用同一符号，并省略了说明。
本实施例中，在包含第一半导体多层膜反射镜6和半导体有源层4的台面100的周围设置凹部120。通过该凹部120，与台面部100隔开形成周边部50。另外，周边部50也具有与台面100相同的层叠结构，台面100的表面和该周边部50的表面几乎形成相同的高度。
在周边部50上形成周边电极9b。而且，通过布线部18连接接触电极9和周边电极9b。另外，周边电极9b和结合区17通过布线部9a连接。
而在接触层7上设置例如由氮化硅膜构成的表面保护膜8。
这种表面发光型半导体激光器如箭头19所示，从接触电极9通过第一半导体多层膜反射镜6向发光区域13注入电流而发光。
这种表面发光型半导体激光器在以几乎同一水平形成接触电极9、结合区17和布线部9a。因此，具有能防止布线的“断开”的优点。
另外，如图11(c)所示，在连接接触电极9和周边电极9b的布线部18的下层，通过设置由质子注入形成的高电阻区域150，能遮断基于由箭头22表示的电流路径的电流成分。因此，在该表面发光型半导体激光器中，能只通过由箭头19表示的电流路径流过电流，能极高效地使电流狭窄，实现低阈值化、高速响应性、批量生产性的提高。
另外，该表面发光型半导体激光器通过设置具有拉伸应力的膜8，能缓和伴随着选择氧化工艺的热工艺而产生的压缩应力作用于有源层或台面结构中心部。另外，通过对被氧化层6a的质子注入，能修正氧化区域的各向异性氧化形状，抑制在界面的裂纹和破损，提高对选择氧化步骤后的热工艺的耐性，使元件的可靠性的提高、延长使用寿命成为可能。
另外，出射光束图案的尺寸和形状的控制性、均匀性、再现性提高，有关振荡阈值、光输出、横模式控制等激光特性，抑制了元件间的偏移，高性能的表面发光型半导体激光器元件的批量生产性提高。
下面，具体说明本表面发光型半导体激光器的制作方法。
首先，在GaAs衬底1之上使半导体层叠结构生长。其细节能与有关实施例1描述的相同。
接着，作为图案形成用的蚀刻掩膜8，形成Si3N4膜，此时，通过调整原料气体、SiH4、NH3、N2的压力、流量，控制膜应力，形成具有150MPa的拉伸应力的膜。考虑水蒸汽氧化工艺中蚀刻掩膜8和GaAs衬底1之间产生的热应力(thermal stress)σT，决定膜8的拉伸应力的值。
例如，当把水蒸汽氧化工艺温度设定为420℃时，在Si3N4膜(EF＝160Gpa，αF＝2.7×10-7/K)和衬底GaAs(αS＝6.0×10-6/K)之间，产生σT＝-158Mpa的压缩应力。即对衬底1外加压缩应力。因此，为了缓和压缩应力，形成具有拉伸应力的膜8，缓和作用于有源层4的压缩应力，提高耐热性。另外，作为蚀刻掩膜8，通过形成具有拉伸应力的膜，也缓和由于伴随着以高浓度包含Al的被氧化层6a的氧化的体积收缩而作用于有源层4、台面部100的中心部的压缩应力，抑制在界面的裂纹和破损，提高对选择氧化工艺后的热工艺的耐性，实现元件的可靠性提高、延长使用寿命。
而当使用在以往例中使用的蚀刻掩膜的材料即SiO2薄膜(EF＝74Gpa，αF＝0.4×10-6/K)时，容易变为除了在水蒸汽氧化工艺中在蚀刻掩膜8和GaAs衬底1之间产生的热应力σT＝-124Mpa的压缩应力，成膜时的应力也具有-200Mpa左右的压缩应力的膜。因此，在水蒸汽氧化工艺和工艺后，作用于有源层的压缩应力进一步增大，耐热性也减弱。
接着，形成质子注入区域15。在此，把Si3N4膜8和抗蚀剂作为掩膜使用，形成隔离用图案150和选择氧化控制用的质子注入区域15。
接着，通过离子注入装置，向隔离用图案部150分别以加速电压100、200、300keV、掺杂量1×1015/cm2照射，注入质子，形成高电阻区域150。此时，在深度0.5μm-2.5μm区域中均匀分布质子，高电阻化达到深度约4μm附近(在本实施例中，从表面到有源层的深度约为3μm)。
另外，有关选择氧化控制用的质子注入区域15，已加速电压为320keV、掺杂量为5×1013/cm2的条件进行离子注入，以便使被氧化层6a、AlAs层(离表面的深度2.6μm)的离子注入区域的质子浓度变为1×1018/cm3。在氧化控制用的质子注入区域15的质子注入条件下，是注入区域不被高电阻化的浓度。但是，从图4(a)所示的Al(Ga)As层的氧化速度的质子注入浓度依存性可知，氧化速度下降到1/3以下。
因此，能控制被氧化层6a的氧化速度，并且元件电阻不会升高。另外，在此为了抑制各向异性氧化，适当设置质子注入区域图案。
接着，除去p一侧电极9和光取出口23的部分的蚀刻掩膜8，在p型GaAs接触层上构图形成p一侧电极9，在保护膜8上形成布线部9a、周边电极9b、布线部18和结合区17。
接着，通过同样的光刻步骤，在蚀刻掩膜8上形成台面图案，进行蚀刻直到n型半导体多层膜反射镜2的上部，形成凹部120和由它包围的台面100。台面图案如上所述，能通过所述的ICP(Inductively Coupled Plasma)等离子体干蚀刻装置，进行基于三氯化硼和氮混合气体的蚀刻处理。
另外，此时，通过调整天线输出、偏压输出、衬底温度，作为各向异性蚀刻产生的条件。在此，为了制作将电流狭窄部14作为Φ5μm的圆形的表面发光型半导体激光器，而进行将台面100作为Φ45μm的圆柱形的蚀刻。
接着，在水蒸汽环境中，进行400℃-500℃的热处理，从台面侧面的露出部横向选择氧化被氧化层6a，形成氧化区域600。此时，从侧面开始的氧化长度为20μm，能形成5μm直径的电流狭窄部(非氧化区域)14。根据本具体例，通过设置质子注入部分16，与以往方式相比，在电流狭窄部14的面内尺寸偏移(3英寸晶片面内)的3σ值方面，观察到约40％的改善。
另外，各向异性氧化引起的形状变形，在纵向和横向在以往产生0.75μm的尺寸差，但是在本具体例中，减少到0.1μm。另外，在本具体例中，形成对称性高的氧化区域600，所以由于被氧化层6a的体积收缩，作用于有源层和台面结构中心部的压缩压力更各向同性地作用。
接着，在衬底背面形成n一侧电极10，激光器的主要部分完成。
这样制作的表面发光型半导体激光器除了在波长1.3μm，有源层4的压缩变形导入的效果，通过在布线路径下形成基于质子注入的高电阻区域150，阻止泄漏电流22，取得低阈值电流密度、单一模式的室温连续振荡，高温下的特性也良好。
另外，本实施例的结构以几乎同一水平形成接触电极9、布线部18、周边电极9b、布线部9a、结合区17，所以能提供不会断开，并且批量生产性优异的表面发光型半导体激光器。
另外，有关实施例1，与所述同样，改善了通过各向异性氧化而产生的电流狭窄部14、出射光束图案的尺寸和形状，取得所需图案光束尺寸和形状。因为形成对称性高的氧化区域，所以选择氧化工艺中的对有源层、台面结构中心部的应力的作用变为各向同性。另外，通过形成具有拉伸应力的膜(8)，各向同性地缓和压缩应力，所以能抑制在界面的裂纹和破损，提高对选择氧化工艺后的热工艺的耐性，提高元件的可靠性、延长使用寿命。对使用变形大的量子井层GaxIn1-xAsyN1-y(0≤x≤1，0≤y＜1)作为有源层的表面发光型激光器，本发明具有显著效果。
另外，出射光束图案的尺寸和形状的控制性、均匀性、再现性提高，有关振荡阈值、光输出、横模式控制等激光特性，也抑制了元件间的偏移，高性能的表面发光型半导体激光器元件的批量生产性提高。当光束直径为10μm以下时，尺寸对目标值的变动率增大，但是根据本实施例，能实现尺寸的控制性、再现性、均匀性的提高。
图12是表示本实施例的变形例表面发光型半导体激光器的模式图。图12(a)是平面图，(b)是(a)的A’-A线剖视图，(c)是(a)的B-B’线剖视图。有关图12，对有关图1-图11而描述的同样的要素，采用同一符号，省略详细的说明。
在本变形例中，在布线部18之下设置空洞200。即当为图11所示的激光器时，为了阻止向台面区域外的泄漏电流22，在p一侧电极的布线部18之下，通过质子注入设置高电阻区域150。而在本变形例中，代替它设置空洞200。这样也能阻止横向的泄漏电流22。
此时，在水蒸汽氧化工艺后，形成隔离用的抗蚀图，通过SH(硫酸和过氧化氢水的混合液体)溶液处理，通过蚀刻除去p一侧电极的布线部18之下的GaAs接触层7和上部半导体多层膜反射镜6，能形成空洞200。通过在布线部18之下形成空洞200，能完全遮断向虚拟台面区域100的外侧的泄漏电流22。
以上，参照图1-图12说明了本发明实施例。但本发明并不局限于这些具体例。
例如，在所述具体例中，作为有源层4，使用GaxIn1-xAsyN1-y(0≤x≤1，0≤y＜1)进行了说明，但本发明并不局限于此，也可以使用InGaAIP系、AlGaAs或InGaAsP系等各种各样的材料。
包层3和5、半导体多层膜反射镜2和6也能使用各种材料。例如，作为半导体多层膜反射镜2和6，并不局限于AlGaAs层和GaAs层的层叠结构，能是不包含Al的折射率大的材料和小的材料的层叠结构。另外，能使用GaInP/GaAs、GaInPAs/GaAs、GaInP/GaInAs、GaInP/GaPAs、GaInP/GaInAs、GaP/GaInNAs等组合。
另外，有关半导体层的生长方法，也能使用MBE(molecularbeam epitaxy)法等。另外，在上述的具体例中，作为层叠结构，表示了3重量子井结构的例子，但是也能使用采用了其他量子井的结构等。
另外，说明了被氧化层6a为1层时的情形，但是为多层时，也能取得同样的效果。
另外，作为电流狭窄部14，在本具体例中，主要列举了为正方形时的情形，但是在圆形或长方形、椭圆等形状下，也能进行尺寸和形状的控制。
另外，作为质子注入区域的图案，在上述的具体例中，列举了形成1-2μm宽度的图案的情形，但是按照所需尺寸精度或质子浓度改变图案宽度，也能取得同样的效果。另外，有关质子注入区域的图案形状，通过配合所需的形状和用途，采用合适的图案形状，能取得大的效果。另外，有关从质子注入区域表面开始的深度，通过配合被氧化层6a的位置或结构或所需的质子浓度，调整离子注入的加速电压或掺杂量，取得了大的效果。
另外，有关像被氧化区域注入的质子浓度，在此，使用1×1017/cm3-1×1018/cm3的浓度进行了说明，但是据此，即使使用高浓度或低浓度的质子，也取得同样的效果。当注入高浓度的质子时，被氧化层6a的氧化速度大幅度下降，能在所需的位置抑制氧化的进行，适合于进一步提高电流狭窄部14的尺寸和形状的控制性。
但是，当与半导体多层膜反射镜2、6的掺杂浓度相比，以更高浓度注入质子时，注入区域高电阻化，电流很难流过，所以电流容易流过基于选择氧化的电流狭窄部14，有必要调整注入区域15、上部电极9和光取出部23的位置或大小，以便缩小。
有关此点，例如如图10所示，如果上部电极9的开口直径比电流狭窄部14还小，延伸到比质子注入区域15更靠内侧，则能导入比1×1018/cm3还高浓度的质子。
另外，在上述的具体例中，作为被氧化层6a使用了AlAs层，但也可以使用AI组成比大的AlxGa1-xAs(X＞0.95)，按照质子浓度，在水蒸汽氧化工艺中，氧化速度下降到相同程度，能取得与本发明同样的效果。
另外，对经过本领域技术人员适当变更设计而获得的所有的表面发光型半导体激光器，只要它不脱离本发明的主旨，就都应视为包含在本发明之中。

Claims (9)

1.一种表面发光型半导体激光器，通过设置从包含被氧化层的台面的侧面使所述被氧化层进行氧化而形成的氧化区域，在所述被氧化层的未被氧化部分使电流狭窄，其特征在于，包括：
衬底；
设置在所述衬底上的具有发光区域的有源层；
夹持所述有源层，并构成相对于所述衬底的表面为垂直方向的共振器的第一和第二半导体多层膜反射镜；
用于向所述有源层注入电流的一对电极；和
设置在所述有源层的上方或下方的被氧化层；
形成包含所述被氧化层的台面；
所述被氧化层具有：从所述台面的侧面到所述发光区域附近的高电阻的氧化区域；由所述氧化区域包围的低电阻的未被氧化部分；和设置在包围所述未被氧化部分的位置上的、注入了质子的质子含有区域，所述质子含有区域设置在从所述台面的侧面离开的位置上，并且所述质子含有区域中包含所述氧化区域和所述未被氧化部分。
2.根据权利要求1所述的表面发光型半导体激光器，其特征在于：
所述质子含有区域有选择地设置在所述氧化区域和所述未被氧化部分的边界附近，没有设置在所述未被氧化部分的中央附近。
3.根据权利要求1所述的表面发光型半导体激光器，其特征在于：还包括：
在沿着所述有源层的层面的方向上对所述有源层提供拉伸的应力的膜。
4.根据权利要求1所述的表面发光型半导体激光器，其特征在于：
所述被氧化层在所述未被氧化部分具有质子浓度为1×1018/cm3以下的质子含有区域，所述质子含有区域设置在从所述台面的侧面离开的位置上，并且所述质子含有区域中包含所述氧化区域和所述未被氧化部分。
5.根据权利要求1所述的表面发光型半导体激光器，其特征在于：
所述质子含有区域设置在整个所述未被氧化部分上。
6.根据权利要求1所述的表面发光型半导体激光器，其特征在于：
所述质子含有区域的质子浓度为1×1018/cm3以下。
7.根据权利要求1所述的表面发光型半导体激光器，其特征在于：
所述质子含有区域有选择地设置在所述氧化区域和所述未被氧化部分的边界附近，没有设置在所述未被氧化部分的中央附近；
所述一对电极中的设置在所述有源层上的电极具有用于向外部发射由所述有源层发射的光的开口；
所述开口比所述未被氧化部分中的比所述质子含有区域更靠内侧的部分还大。
8.一种表面发光型半导体激光器的制造方法，通过设置使被氧化层的一部分氧化而形成的氧化区域，在所述被氧化层的未被氧化部分使电流狭窄，其特征在于具有：
形成包含所述被氧化层的台面的步骤；
向所述被氧化层有选择地导入质子来形成质子含有区域的步骤；
通过从所述被氧化层的端部到所述质子含有区域进行氧化，来形成所述氧化区域的步骤，
把所述质子含有区域设置在从所述台面的侧面离开的位置上，并且使所述质子含有区域包含所述氧化区域和所述未被氧化部分。
9.根据权利要求8所述的表面发光型半导体激光器的制造方法，其特征在于：
所述质子含有区域的质子浓度为1×1018/cm3以下。
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