CN1614836A - 表面发光型半导体元件及其制造方法 - Google Patents

表面发光型半导体元件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明通过在晶面指数为(100)面等的普通衬底上制作的表面发光型半导体激光元件中，在台面内部的Al高浓度层部分形成非对称的选择氧化结构，对有源层中心部分施加各向异性的应力，从而提高偏振控制性。

Description

表面发光型半导体元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及表面发光型半导体元件及其制造方法，尤其涉及能够稳定偏振模进行控制的表面发光型半导体元件及其制造方法。
背景技术
半导体激光器、半导体发光二极管等半导体发光元件在光通信领域中作为CD(致密光盘)或DVD(数字通用光盘)等光盘系统或条形码阅读器等的光源而被广泛使用。在以这些光通信为首的各种应用领域中使用时，对于半导体激光中存在的“纵模”、“横模”、“偏振模”这三种模式来说，使工作模式单一化很重要。现在，在光通信领域主要使用的侧表面发光型半导体激光器，其偏振模稳定，没有变动。这是因为侧表面发光型激光器的谐振器由波导构成，TE(横电)波在波导侧面的反射率比TM(横磁)波大，故以电场矢量以方向平行于半导体衬底的TE波震荡。纵模也由于采用了分布反馈型结构等对策而实现了单一化，横模通过采用窄条结构也能够实现单一化。
另一方面，在表面发光型半导体激光器中，由于谐振器非常短，所以纵模进行单一模式的操作，对于横模来说，利用以通过铝(Al)高浓度层的选择氧化或质子注入而形成的电流狭窄结构而使活性区域微小化等为首的技术，也逐渐可以实现单一模式操作。
但是对于偏振模来说，很难控制偏振方向。这是因为基于通常的表面发光型半导体激光器制作中使用的(100)面的衬底的晶体结构和器件结构自身的对称性，虽然能够获得线偏振，但是有源层自身没有正交偏振之间的增益差，而且提高反射镜对于特定方位的偏振的反射率等对策也很难实施。因此，温度、驱动电流等外部条件的微小变化就能够轻易地使偏振方向转变，给直接利用激光偏振的光磁记录、相干通信等带来极大的影响。此外，在进行通常的数据通信时，偏振模的不稳定也会成为过量噪音或模竞争的原因，引起错误增加、传输频带受限等问题。因此，偏振模的控制(稳定化)成为表面发光型半导体激光照器的实际应用方面的重要课题之一。
下面将偏振控制的重要性被提出后为解决该问题而采取的现有方法介绍如下：
(1)将金属介质衍射光栅安装在由半导体多层膜构成的反射镜中的结构
(2)在器件的台面形状中引入非对称性的结构
(3)在倾斜衬底上制作的结构
这三种方法中的(1)的方法是按一定方向将金属细线排列在由半导体多层膜构成的反射镜上，以提高反射镜对特定方位的偏振光的反射率的方法。对于平行于金属布线的偏振光来说，镜子的反射率高，所以对于稳定偏振面具有一定效果，但是由于需要将金属布线形成得小于或等于光波长的宽度，所以难以制造。
此外，例如在特开平11-54838号公报(以下也称专利文献1)中公开了(2)的在器件的台面形状中引入非对称性的方法。如图21A、21B所示，通过在台面M的周边设置应力施加区域24，使作用于台面M中心的有源层的应力非等向(各向异性)施加，产生各向异性的畸变。该畸变的分布如图21C及21D所示。图21C和21D分别为与图21A和图21B所示结构对应的畸变的分布图。伴随这种畸变产生正交偏振之间的增益差，只有特定方向的偏振会处于优势，偏振控制性得以提高。
此外，同样在IEEE Photon.Technol.，Vol.14，no.8，1034(2002)(以下也称非专利文献1)中，也如图22所示，在圆柱形的台面M的两侧附加了T字型的凸起形状24。由此，由T字的细线部分的半导体多层膜构成的反射镜的Al高浓度层(Al0.9Ga0.1As层)通过选择氧化工序而全部氧化，伴随体积收缩而产生的强的应力使位于台面M的中心的有源层产生各向异性的畸变，从而提高偏振控制性。
此外，在IEEE Photon.Technol.，Vol.6，no.1，40(1994)(以下也称非专利文献2)中，通过形成图23中插图示出的哑铃型台面结构25，使电流向有源层的注入不对称，从而控制偏振。这些应力(畸变)区域24、非对称台面结构25与上述(1)一样，使器件加工复杂化，存在着器件的生产性、可重复性方面以及偏振控制性不够理想的问题。
另一方面，上述(3)的使用倾斜衬底的方法是为了使某一晶向的偏振的增益变大而在(311)A面或(311)B面等晶面指数高的晶面上形成有源层，利用增益依赖于晶体的晶向的这一事实。这种方法能够获得很强的正交偏振之间的消光比，因此偏振模的控制性很好。但是，与利用通常的(100)面的方法相比，难以生长优质的晶体，存在难以获得高输出等的问题。此外，在倾斜衬底的选择氧化方式的表面发光型半导体激光元件中，由于各晶面方位的氧化速率不同(各向异性氧化)，氧化(发光区域)形状产生畸变，难以进行线束形状的控制。
除了偏振模控制的课题以外，表面发光型半导体激光器与侧表面发光型半导体激光器相比有很多优点，如，阈值低、功耗低、发光效率高、可以高速进行调制、光束扩散小因而容易与光纤结合、不需要劈开侧面因而有批量生产性好等等。而且由于能够在衬底上以二维的方式集成多个激光元件，所以作为高速光LAN(局域网)和光互联等的光电子领域的关键器件而倍受关注。因此，人们强烈希望开发出解决上述现状的课题即提高了偏振控制性、而且批量生产性好的表面发光型半导体激光元件。
如上所述，在晶面指数为(100)面等通常的衬底上制作的表面发光型半导体激光元件，由于晶体结构的对称性使得有源层在正交偏振之间没有增益差，因此容易产生偏振方向的转变，存在难以控制偏振模的问题。
发明内容
本发明是基于对上述课题的认识而进行的，其目的在于提供一种高性能的表面发光型半导体元件及其制造方法。根据本发明的表面发光型半导体元件及其制造方法，即使在晶面指数为(100)面等普通的衬底上制作时，偏振模的控制性和批量生产性也很高。
本发明第一种形态的表面发光型半导体元件包括：衬底；形成在上述衬底的主表面上的、具有发光区域的半导体有源层；将上述半导体有源层夹在中间、形成垂直于上述衬底的谐振器的第一半导体多层膜反射镜和第二半导体多层膜反射镜，上述第一半导体多层膜反射镜相对上述半导体有源层形成在与上述衬底相反一侧，上述第二半导体多层膜反射镜相对上述半导体有源层形成在上述衬底一侧；用于向上述半导体有源层注入电流的一对电极；形成在上述半导体有源层附近、设置有包含Al的多层被氧化层、通过从其侧面氧化而形成的电流狭窄部分；沟深至少到达上述被氧化层的最上层的凹陷部分；以及，被上述凹陷部分围绕的台面部分，其中，上述电流狭窄部分包括：由上述多层被氧化层中的第一层数的上述被氧化层氧化而形成的第一电流狭窄部分、和由小于上述第一层数的第二层数的上述被氧化层氧化而形成的第二电流狭窄部分。
此外，本发明第二种形态的表面发光型半导体元件包括：衬底；形成在上述衬底的主表面上的、具有发光区域的半导体有源层；将上述半导体有源层夹在中间、形成垂直于上述衬底的谐振器的第一半导体多层膜反射镜和第二半导体多层膜反射镜，上述第一半导体多层膜反射镜相对上述半导体有源层形成在与上述衬底相反一侧，上述第二半导体多层膜反射镜相对上述半导体有源层形成在上述衬底一侧；用于向上述半导体有源层注入电流的一对电极；形成在上述半导体有源层附近、具有包含Al的被氧化层的电流狭窄部分；沟深到达上述被氧化层的第一凹陷部分；沟深到达上述第二半导体多层膜反射镜的最下层的第二凹陷部分；以及，被上述第一及第二凹陷部分围绕的台面部分，其中，在上述第一凹陷部分中，上述第一半导体多层膜反射镜的侧面被氧化；在上述第二凹陷部分中，上述第一及第二半导体多层膜反射镜的侧面被氧化。
此外，本发明第三种形态的表面发光型半导体元件包括：衬底；形成在上述衬底的主表面上的、具有发光区域的半导体有源层；将上述半导体有源层夹在中间、形成垂直于上述衬底的谐振器的第一半导体多层膜反射镜和第二半导体多层膜反射镜，上述第一半导体多层膜反射镜相对上述半导体有源层形成在与上述衬底相反一侧，上述第二半导体多层膜反射镜相对上述半导体有源层形成在上述衬底一侧；用于向上述半导体有源层注入电流的一对电极；形成在上述半导体有源层附近、具有包含Al的被氧化层的电流狭窄部分；沟深到达上述被氧化层的第一凹陷部分；沟深到达上述第二半导体多层膜反射镜的最下层的第二凹陷部分；以及，被上述第一及第二凹陷部分围绕的台面部分，其中，上述电流狭窄部分包括：由上述被氧化层的上述端部氧化而形成的第一区域；和由上述被氧化层的上述端部氧化而形成的第二区域，所述第二区域与上述第一区域相比，从上述端部算起的长度更长。
此外，本发明第四种形态的表面发光型半导体元件包括：衬底；形成在上述衬底的主表面上的、具有发光区域的半导体有源层；将上述半导体有源层夹在中间、形成垂直于上述衬底的谐振器的第一半导体多层膜反射镜和第二半导体多层膜反射镜，所述第一半导体多层膜反射镜相对上述半导体有源层形成在与上述衬底相反一侧，所述第二半导体多层膜反射镜相对上述半导体有源层形成在上述衬底一侧；用于向上述半导体有源层注入电流的一对电极；形成在上述半导体有源层附近、设置有包含Al的多层被氧化层、通过从其侧面氧化而形成的电流狭窄部分；沟深至少到达上述被氧化层的最上层的凹陷部分；以及，被上述凹陷部分围绕的台面部分，其中，上述第一及第二半导体多层膜反射镜中的至少一个具有通过从侧面氧化而形成的氧化区域，而且具有从上述侧面氧化的长度小的第一部分、和从上述侧面氧化的长度大的第二部分。
这里，在上述第一部分中，可以认为与氧化区域相邻的未氧化区域含有的质子浓度比上述氧化区域高。
此外，本发明第五种形态的表面发光型半导体元件的制造方法的特征在于，包括以下工序：在衬底的主表面上设置有源层和包含Al的多层被氧化层；在从上述主表面上看应作为发光区域的部分的周围，形成第一凹陷部分，使上述多层被氧化层中的第一层数的被氧化层的侧面露出，形成第二凹陷部分，使上述多层被氧化层中的少于上述第一层数的第二层数的被氧化层的侧面露出；以及，在上述第一及第二凹陷部分中，从露出的上述被氧化层的侧面开始进行氧化。
此外，本发明第六种形态的表面发光型半导体元件的制造方法的特征在于，包括以下工序：在衬底的主表面上叠层有源层和半导体多层膜反射镜；从上述主表面上看以围绕应作为发光区域的部分的方式，形成向上述半导体多层膜反射镜中轰击质子的第一部分、和没有向上述半导体多层膜反射镜中轰击质子的第二部分；以及，从上述第一及第二部分的侧面开始进行构成上述半导体多层膜反射镜的半导体层中的至少某一层的氧化。
此外，在本说明书中所谓的“被氧化层”是指被氧化的层，即包括氧化前的状态也包括氧化后的状态。
附图说明
图1是表示本发明第一实施例的表面发光型半导体元件结构的俯视图；
图2是沿图1所示的剖面线A-A切割后的剖面图，表示只有选择被氧化层上层32被选择氧化；
图3是用图1所示的剖面线B-B切割后的剖面图，表示选择被氧化层的上层32及下层30被氧化；
图4是用图1所示的剖面线C-C切割后的剖面图，表示台面部分100及布线通路部分18之下的结构；
图5A表示(100)面衬底上非氧化区域的形状的示意图，图5B表示偏离10度的衬底上的非氧化区域形状的示意图；
图6是表示第一实施例的第二具体例的表面发光型半导体元件结构的俯视图；
图7是用图6所示的剖面线A-A切割后的剖面图；
图8是用图6所示的剖面线B-B切割后的剖面图；
图9是表示第一实施例的第三具体例的表面发光型半导体元件结构的俯视图；
图10是用图9所示的剖面线A-A切割后的剖面图；
图11是用图9所示的剖面线B-B切割后的剖面图；
图12是表示本发明第二实施例的表面发光型半导体激光器的俯视图；
图13是用图12所示的剖面线A-A切割后的剖面图；
图14是用图12所示的剖面线B-B切割后的剖面图；
图15是图14所示的台面中心部分的剖面放大图；
图16是表示AlGaAs层的氧化速度对于质子的依赖性的曲线图；
图17是表示本发明第三实施例的表面发光型半导体激光器的俯视图；
图18是用图17所示的剖面线A-A切割后的剖面图；
图19是用图17所示的剖面线B-B切割后的剖面图；
图20是用图17所示的剖面线C-C切割后的剖面图；
图21A至21D是表示在台面的周边部分设置应力施加区域24的具体例的示意图；
图22是表示在圆柱台面形状上附加T字形的凸起形状24的具体例的示意图；
图23是表示哑铃型台面结构25的示意图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的实施例。
第一实施例
图1至图4是表示本发明第一实施例的表面发光型半导体元件结构的示意图，图1表示该俯视图、图2至图4分别为用图1所示的剖面线A-A、B-B、C-C切割后的剖面图。即，图2为只有选择被氧化层上层32被选择氧化的剖面图，图3为选择被氧化层上层32及下层30被选择氧化的剖面图，图4为台面部分100及布线通路部分18之下的剖面图。
在该表面发光型半导体激光中，在晶面指数为(100)面的一般晶向的衬底1的上面具有半导体有源层4、在半导体有源层4的上侧形成的第一半导体多层膜反射镜6、以及在半导体有源层4的下侧形成的第二半导体多层膜反射镜2。半导体多层膜反射镜2及6形成了垂直于衬底1的主表面的谐振器。此外，半导体有源层4与这些反射镜2、6之间分别设置有半导体包层3、5。
半导体多层膜反射镜6、2与包层5、3之间分别设置有含有高浓度铝(Al)的上层被氧化层32和下层被氧化层30。这些被氧化层32、30分别具有通过从台面部分100的侧壁向着发光区域13横向氧化而形成的氧化区域OX。由这些氧化区域OX形成电流狭窄部分。通过电极9和电极10注入的电流19由该电流狭窄部分聚集到发光区域13中。然后，如后所述，在本实施例中，通过使A-A线方向的氧化区域OX的层数与B-B线方向不同，对有源层施加各向异性的应力，从而实现高的偏振控制性。
在第一半导体多层膜反射镜6的上面形成有接触层7，隔着它形成有用于向发光区域13注入电流的接触电极9。接触电极9以使发光区域的上面具有开口的方式形成。
衬底1的背面形成有电极10，通过第二半导体多层膜反射镜2向发光区域13注入电流。
在图1的A-A线方向，如在图2中也示出的那样，在台面部分100的外侧形成有刻蚀区域(凹陷部分)12a。对刻蚀区域12a的深度进行了调整，使第一半导体多层膜反射镜6与上层被氧化层32的侧面露出，而不到达下层氧化层30和第二半导体多层膜反射镜2。另一方面，在图1的B-B线方向，如在图3中也示出的那样，在台面部分100的外侧形成有刻蚀区域(凹陷部分)12b。对刻蚀区域12b的深度进行了调整，不仅使上层被氧化层32与第一半导体多层膜反射镜6的侧面露出，而且使氧化层30与第二半导体多层膜反射镜2的侧面也露出。
此外，设置在这些刻蚀区域12a、12b的外侧的周边部分50也具有与台面部分100相同的结构。而且，把台面部分100的表面形成得与周边部分50的表面大致一样高。
在周边部分50的上面形成有周边电极9b。而且，接触电极9与周边电极9b通过布线通路18连接。此外，在接触层7的上面适当地设置了例如由氮化硅膜构成的保护膜8。
这种表面发光型半导体激光器可以通过像箭头19所示那样从接触电极9通过第一半导体多层膜反射镜6向有源层4中注入电流，使之发光。
这种表面发光型半导体激光器将接触电极9和周边电极9b以及将它们连接起来的布线通路18的高度形成得一样，成为不需要进行平坦化处理的结构。因此具有能够防止布线的“台阶”的优点。
此外，因为在连接接触电极9与周边电极9b的布线通路18的下层设置有通过使构成第一半导体多层膜反射镜6的Al高浓度层6b氧化而形成的氧化区域OX，所以横向的电流不能流动。因此在这种表面发光型半导体激光器中，只有通过由箭头19所示的电流通路才能够流过电流，从而能够以极高的效率使电流狭窄。其结果使低阈值化、高速响应性、批量生产性的提高成为可能。
此外，如前所述，在本实施例中，A-A线方向的氧化区域OX的层数与B-B线方向不同。即，在图1至图4所示的具体例子中，在A-A线方向上，只有在第一半导体多层膜反射镜6与上层被氧化层32上形成了氧化区域OX，而在B-B线方向上，第一及第二半导体多层膜反射镜6、2与上层被氧化层32以及下层被氧化层30分别形成了氧化区域OX。即，A-A线方向的氧化区域OX的层数与B-B线方向不同。
制作选择氧化方式的面发射激光器时，若对AlAs(铝砷)或含有高浓度的Al的被氧化层AlGaAs(铝镓砷)层(属于III族元素的Al的组分比优选大于等于95％)进行水蒸汽氧化，则在台面部分100的侧壁中被氧化层32、30或只有被氧化层32被氧化，形成电流狭窄部分。与此同时，因伴随被氧化层32、30的氧化而发生的体积收缩而产生的压缩应力，对台面100的中心部分的半导体有源层4在B-B方向的作用力大、在A-A方向的作用力小。即，对有源层4施加各向异性的畸变。因为形成氧化层AlX(Ga)Oy后与原来的Al(Ga)As层相比会产生体积收缩(10％-13％左右)，所以氧化后会有千兆帕(GP)级的巨大压缩应力作用在有源层4、台面结构的中心部分。被氧化层32、30的材料使用AlAs时伴随氧化的收缩为12-13％，所以每一层被氧化层会产生1-10GP的压缩应力F1，在A-A线方向(只有上层，作用力为F1)和B-B线方向(有上下两层，作用力为2×F1)对有源层4施加的压缩应力依方向而不同。
此外，为了有效地实现电流狭窄，成为电流阻挡层的氧化区域OX需要一定的厚度，而被氧化层越厚或层数越多，施加的畸变就越大。而且该畸变集中在氧化区域OX的前端，加之被氧化层32、30设置在距离有源层4为0.2μm左右的极近处，因此能够影响有源层4的电流最集中的区域。即，根据本发明，应力施加的各向异性变大，提高偏振控制性的效果大。
在专利文献1和非专利文献1及2所公开的方法中，形成了在台面的周边部分具有应力(畸变)施加区域24的结构。与此相对，在本实施例中将应力(畸变)施加区域设在台面中心部分，实现了最靠近发光区域的有源层4的结构。施加到发光区域的有源层4的应力与离开应力(畸变)施加区域的距离成反比例地减小。根据本实施例的将应力(畸变)施加区域设置得最靠近发光区域的有源层4的结构，可以对有源层4的发光区域施加非常大的畸变，从而大幅度地提高偏振控制性。
此外，在衬底上生长的各层中存在膜应力时，在用于形成台面的刻蚀区域12a、12b中，由于对应于A-A线、B-B线方向的凹陷部分12a、12b的刻蚀体积不同，平行于衬底表面的压缩应力或拉伸应力不对称地施加在半导体有源层4上，从而可以进一步提高偏振控制性。
此外，在使衬底的晶面指数相对于(100)倾斜时，进行选择氧化时，存在因各向异性氧化而使电流狭窄部分的形状不对称的问题。与此相对，对于在晶面指数为(100)的普通衬底上形成的表面发光型半导体激光器来说，在进行选择氧化时能够形成对称的电流狭窄部分。
如上所述，根据本发明，在选择氧化方式的表面发光型半导体激光器的制作中，可以提高偏振控制性，并且可以提高高性能的表面发光型半导体激光元件的批量生产性。
下面具体说明本实施例的表面发光型半导体激光器的制造方法。
首先，在经过清洗的400μm厚、3英寸、晶面指数为(100)面的n型GaAs衬底1上利用MOCVD(有机金属化学气相淀积)装置依次生长n型半导体多层膜反射镜2b、形成电流狭窄部分的被氧化层30、包层3、半导体有源层4、包层5、形成电流狭窄部分的被氧化层32、p型半导体多层膜反射镜6b、以及接触层7。
这里，将在由半导体有源层4、包层3和5构成的谐振器的上下设置半导体多层膜反射镜2和6的结构作为基本结构来考虑，进行设计制作，使其作为1.3μm波段的GaInAsN表面发光型半导体激光器能够获得最佳的性能。
半导体多层膜反射镜2采用了以波长为1.3μm、厚度为1/4光学波长的n型GaAs层(高折射率层)和n型AlyGa1-yAs(0＜y＜1)(低折射率层)的交替叠层结构。在本实施例中用Al组分为y＝0.94的Al0.94Ga0.04As层作为低折射率层。此外，作为半导体多层膜反射镜2的n型掺杂剂使用了Si(硅)，掺杂浓度为2×1018/cm3。下部包层3采用了n型GaInP。
半导体有源层4采用了将发光峰值波长调整为1.3μm的GaXIn1-XAsyN1-y(0≤x≤1、0≤y＜1)层和作为阻挡层的GaAs层交替叠层的量子阱结构。这里，采用了以GaxIn1-xAsyN1-y(0≤x≤1、0≤y＜1)层为中心、在其上下叠层GaAs层的三层结构。作为量子阱层的GaXIn1-XAsyN1-y(0≤x≤1、0≤y＜1)层的In组分为30％-35％、氮组分为0.5％-1.0％、厚度为7nm。
控制其中的组分，使该GaXIn1-XAsyN1-y(0≤x≤1、0≤y＜1)层的晶格常数比n型GaAs衬底1的大，做成具有约2.5％的压缩畸变量的组成Ga0.66In0.34As0.99N0.01。此时，微分增益系数增大，与无畸变时相比，阈值电流值进一步降低了。
上部包层5采用了p型GaInP。半导体多层膜反射镜6采用了以波长为1.3μm、厚度为1/4光学波长的p型GaAs层(高折射率层)和p型AlyGa1-yAs(0＜y＜1)(低折射率层)的交替叠层结构。与n型半导体多层膜反射镜2一样，在本实施例中用Al组分为y＝0.94的Al0.94Ga0.04As层作为低折射率层。此外，作为半导体多层膜反射镜6的p型掺杂剂采用了C(碳)，掺杂浓度为2×1018/cm3(量子阱层4附近)～1×1019/cm3(接触层7附近)。
上层被氧化层32和下层被氧化层30分别形成在包层5的上面和包层3的下面，使用Al组分比大于构成上下半导体多层膜反射镜6、2的AlGaAs大的AlxGa1-xAs(x≥0.98)。在本实施例中，作为被氧化层的上下层都使用了AlAs层。
接触层7采用了p型GaAs，p型掺杂剂采用了C(碳)，掺杂浓度为2×1019/cm3。
然后，作为兼用作形成图形时使用的刻蚀掩模的保护膜8，形成了Si3N4膜。通过调整原料气体、SiH4、NH3、N2的压力和流量来控制膜应力，形成了具有150MPa的拉伸应力的膜。膜的拉伸应力的值是考虑了在水蒸汽氧化工序中刻蚀掩模8与GaAs衬底1之间产生的热应力σT而决定的。将水蒸汽氧化工序的温度设为400℃时，Si3N4膜(EF＝160GPa，σF＝2.7×10-7/K)与衬底GaAs(σS＝6.0×10-6/K)之间产生σT＝-150MPa的压缩应力。为了缓解该压缩应力而形成具有拉伸应力的膜，以提高耐热性。
接着利用光刻和刻蚀工序进行刻蚀，制作了台面部分100。利用ICP(感应耦合等离子体)等离子干刻蚀装置、并利用三氯化硼/氮混合气体对台面图形进行了刻蚀处理。此时，如图1至图3所示，形成台面用的刻蚀区域12的开口部分的宽度在A-A线方向和B-B线方向不同，利用刻蚀速度随开口部分的面积而变的所谓的“微加载(microloading)效果”制作了开口面积不同的凹陷部分的刻蚀深度分别不同的台面结构。
此外，通过调整气体压力、天线输出、偏压输出、衬底温度，从而进行刻蚀，制作台面部分100，使得在台面部分100的侧壁中，在A-A线方向的刻蚀区域12a中被氧化层只露出上层32，在B-B线方向的刻蚀区域12b中露出被氧化层的上层和下层32、30。
在本实施例的台面形成用的刻蚀区域中，A-A线方向与B-B线方向的开口面积为之比为1∶3、刻蚀深度之比为1∶2、刻蚀体积之比为1∶6。若像本实施例那样进行相对于衬底畸变大的GaxIn1-xAsyN1-y量子阱等的晶体生长，则各层就会具有大的膜应力。因此，在台面形成中，通过使刻蚀区域12a与12b的刻蚀体积不同，使平行于衬底表面的压缩应力或拉伸应力非对称地施加在半导体有源层4上，有助于进一步提高偏振控制性。在此，由于制作的表面发光型半导体激光器的发光区域13的开口直径为5μm的形状，所以进行了台面直径为45μm的垂直形状的刻蚀。
接着，进行了选择氧化工序。即，在水蒸汽氛围中进行400℃的热处理，分别在上层被氧化层32及下层被氧化层30在横向上20μm长度上选择氧化，以形成氧化区域OX，从而形成直径约为5μm的发光区域13。
此时，从台面部分100的侧壁向着发光区域13沿横向对被氧化层32、30进行选择氧化，被氧化层AlAs层32、30随着成为Al2O3层而收缩体积，每一层被氧化层产生1GP-10GP的压缩应力F1，施加在台面中心部分的有源层4上。此时，由于A-A线方向的应力只有上层32具有，所以为F1，而B-B线方向的应力上层32和下层30具有，所以为2×F1。即，由于施加在有源层4上的压缩应力由于方向的不同而大不相同，所以在半导体有源层4中产生线偏振之间的增益差，因而偏振控制性得以提高。
此外，在该水蒸汽氧化工序中，与被氧化层32、30一样，构成第一半导体多层膜反射镜6的Al高浓度层从凹陷部分的侧壁开始沿横向被氧化。由此，在连接接触电极9和周边电极9b的布线通路18的下面形成构成第一半导体多层膜反射镜6的Al高浓度层的氧化层。可以通过将布线通路18的宽度设定为小于等于构成第一半导体多层膜反射镜6的Al高浓度层的从侧壁开始的氧化长度的2倍，使之露出凹陷部分的侧壁，将构成位于布线通路18下层的第一半导体多层膜反射镜6的Al高浓度层全部氧化，从而阻止流向台面区域外的漏电流22。
接着，去除应形成键合焊盘17与布线通路18的部分和成为出光口的p型半导体多层膜反射镜6上的刻蚀掩模8，在p型GaAs接触层7上形成p侧电极9。此时，同时形成连接键合焊盘17与p侧电极9的布线部分9a，之后，在衬底背面形成了n侧电极10。
如此制作的表面发光型半导体激光器，利用有源层4的压缩畸变导入的效果，在波长1.3μm中可以以低阈值电流密度(1kA/cm2)在室温下连续振荡，而且在高温下激光的各种特性也很好。而且可以进行偏振控制，不再发生偏振的变动和转换。由此，能够降低噪声，作为光盘磁头、通信用元件使用。
此外，因使用倾斜衬底时发生的各向异性氧化而产生的非氧化区域的畸变和出射光束图形的非对称的问题也得以改善，获得了所需要的光束图形。结果，横模也得到了稳定。为了进行比较，使用对提高偏振控制性有效的、从(100)晶面的衬底偏离倾斜10°的倾斜衬底1进行了制作，结果因各向异性氧化而产生的形状的畸变显著，在与本实施例相同的圆形的台面结构中，如图5B所示，开口部分(发光区域13)的形状成为向偏离的方向歪斜的形状，纵向与横向之间产生了1.1μm的尺寸差。与此相对，证实了使用晶面指数为(100)面的衬底时，如图5A所示，能够获得对称的发光区域13，纵向与横向之间的尺寸差能降低到0.1μm。此外，在晶片整个面上的再现性也很好，形成在同一晶片上的多个元件的尺寸和形状一致，单模振荡性、阈值、光输出等激光特性也一致，提高了高性能面发射半导体激光元件的批量生产性。
在本发明的元件中，接触电极和周边电极与将它们连接的布线大致形成在同一平面上，成为不需要进行平坦化处理的结构，所以具有防止布线的“台阶”的优点。此外，由于在连接接触电极和周边电极的布线通路18的下面形成构成半导体多层膜反射镜的Al高浓度层的氧化层、或如后所述的通过注入质子而形成的高电阻区域、或空洞，所以可以非常高效率地使电流狭窄，使低阈值化、高速响应性、批量生产性的提高成为可能。
为了阻止流向台面外的漏电流，在本实施例中利用了在连接接触电极9和周边电极9b的布线通路18的下面形成构成第一半导体多层膜反射镜6的Al高浓度层的氧化区域OX的方法，但是在p侧电极9的布线通路18的下层通过质子注入而形成高电阻区域或在布线通路18的下面形成空洞也能获得同样的效果，已经证实了利用这种方法也具有阻止漏电流的效果。此时，在水蒸汽氧化工序后，形成隔离用的抗蚀剂图形，通过SH溶液进行刻蚀处理，去除p侧电极的布线通路18下面的GaAs(接触)层7和上部半导体多层膜反射镜6，形成了空洞。通过在布线通路18的下面形成空洞，能够完全阻止流向台面区域100外部的漏电流。
另外，在本实施例中，电流狭窄部分形成用的被氧化层32、30使用了AlAs层，但是使用Al组分比高的AlxGa1-xAs(x≥0.95)也能获得同样的效果。若提高Al组分比，则在水蒸汽氧化工序中氧化速度会加快，能够缩短工序时间，而且伴随氧化的应力/畸变的发生量也变大，所以有利于提高元件的批量生产性和偏振控制性。
此外，虽然只说明了上下的被氧化层32、30分别为一层的情况，但是如果是多层，能获得更大的效果。例如，若被氧化层的上层为1层、下层为2层，则与上述具体的例子相比，施加在半导体有源层4上的压缩应力的非对称性会更显著，所以能够进一步提高偏振控制性。
图6至图8是表示本实施例的第二具体例的表面发光型半导体元件结构的示意图，图6是其俯视图、图7是用图6所示的剖面线A-A切割后的剖面图、图8是用图6所示的剖面线B-B切割后的剖面图。这些图中与在对图1至图5B的说明中提到的要素相同的要素使用相同的标号，并省略详细的说明。
在本具体例中，获得了不对刻蚀区域12进行细分的结构的正方形的表面发光型半导体激光元件。已证实，这种结构也可以用与对图1至图5B的描述相同的方法制作，并能够获得同样的激光特性、偏振控制性、以及形状控制性。
即，在本结构中，用于形成发光区域13的氧化区域OX也以非对称的方式形成，在A-A线方向为上层和下层(32、30)，在B-B线方向只有上层(32)。由此，施加在有源层4上的压缩应力20随着方向的不同而大不相同，在半导体有源层4上产生线偏振之间的增益差，从而可以提高偏振控制性。此外，由于刻蚀体积不同而使得平行于衬底表面的压缩应力或拉伸应力21被非对称地施加在半导体有源层4上，从而能够进一步提高偏振控制性。此外，在本具体例的结构中，为了抑制布线的“台阶”，在台面形成用的刻蚀区域12的表面上形成了聚酰亚胺11，隔着它形成了键合焊盘17、布线部分9a、以及接触电极9。
图9至图11是表示本实施例的第三具体例的表面发光型半导体元件结构的示意图，图9是其俯视图、图10是用图9所示的剖面线A-A切割后的剖面图、图11是用图9所示的剖面线B-B切割后的剖面图。这些图中与在对图1至图8的说明中提到的要素相同的要素使用相同的标号，并省略详细的说明。
在本具体例中，只在上层被氧化层32上形成了氧化区域OX。已证实，这种情况也可以用与上述相同的方法制作，且能够获得很好的激光特性、偏振控制性、以及形状控制性。在此，被氧化层32使用Al0.98Ga0.02As，用水蒸汽选择氧化形成的氧化区域OX是用420℃的热处理进行的。在420℃中，用于半导体多层膜反射镜的Al高浓度层6b、2b的Al0.94Ga0.06As层的氧化速度约为用于被氧化层32的Al0.98Ga0.02As层的1/4。
这里，为了形成发光区域13，将被氧化层32的氧化长度设定为20μm，所以半导体多层反射镜的Al高浓度层6b、2b的横向长度为5μm。此时，因为用于形成台面的刻蚀深度不同，所以施加在台面部分100中心的有源层4上的压缩应力产生非对称性。半导体多层反射镜的Al高浓度层6b的Al0.94Ga0.06As层因氧化而产生的体积收缩为7.5-8.5％。在刻蚀深度不同的区域12a、12b的侧壁，半导体多层膜反射镜的被氧化的Al高浓度层的层数差若为10，则全体会产生数十GP级的应力，而且，施加在有源层4上的应力、畸变的大小随方向而大不相同。
在半导体多层反射镜6b、2b中每一层产生的应力小于含有更高浓度的Al的被氧化层32，而且离台面中心的发光区域的有源层的距离也远。但是，如图9至图11所示的结构那样，只要被氧化的Al高浓度层的层数之差大，总应力就变大，能够获得同等的偏振控制性和形状控制性。
第二实施例
图12至图15是本发明第二实施例的表面发光型半导体激光器的结构图，图12是俯视图、图13是用图12所示的剖面线A-A切割后的剖面图、图14是用图12所示的剖面线B-B切割后的剖面图。此外，图15是图14所示的台面中心部分的剖面放大图。在此也对表面发光型半导体激光器进行说明。
本实施例的表面发光型半导体激光器也在衬底1上形成有半导体有源层4、第一半导体多层膜反射镜6和第二半导体多层膜反射镜2。第一半导体多层膜反射镜6相对于半导体有源层4形成在与衬底1相反的一侧。而第二半导体多层膜反射镜2相对于半导体有源层4形成在与衬底1相同的一侧。这些半导体多层膜反射镜6、2将半导体有源层4夹在中间，形成垂直于衬底1的谐振器。此外，在半导体有源层4的上下形成有半导体包层3和半导体包层5。
在第一半导体多层膜反射镜6的上面形成有接触层7，隔着它们形成有用于向发光区域13注入电流的接触电极9。该接触电极9以使发光区域13的上面具有开口的方式形成。
在衬底1的背面形成有电极10，通过第二半导体多层膜反射镜2向发光区域13注入电流。
第一及第二半导体多层膜反射镜6、2、半导体有源层4，以及半导体包层3和半导体包层5构成了凸起形状的台面部分100。此外，在台面部分100的周边设置有用于形成台面的刻蚀区域12。
在第一半导体多层膜反射镜6的下面、第二半导体多层膜反射镜2上面，含有高浓度Al的上层被氧化层32及下层被氧化层30通过从台面部分100的侧壁向发光区域13横向氧化而形成了电流狭窄部分。电流狭窄部分用于将电流集中到发光区域13中。此外，在最表面层的被氧化层32形成有用于控制氧化速度的质子注入区域15。
此外，在用于形成台面的刻蚀区域12的表面形成有聚酰亚胺11，隔着它形成了键合焊盘17。键合焊盘17通过布线部分9a连接在接触电极9上。
如在后面进行详细说明的那样，因为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，所以从台面部分100的侧壁向着发光区域13对被氧化层32进行横向氧化时，在被氧化层32中的注入了质子的部分15中，可以与质子浓度成比例地大大减小氧化速度。利用这种质子注入效果，可以使用于形成电流狭窄部分的氧化区域OX在上层和下层(32、30)或只在下层各向异性地形成，从而使因伴随被氧化层的氧化的体积收缩而产生的压缩应力非对称地施加在作为台面100的中心的半导体有源层4的中心部分。由此，可以制作与第一实施例相同的偏振控制性高的表面发光型半导体激光器件。
下面具体说明该表面发光型半导体激光器的制作方法。
首先，在经过清洗的厚400μm、3英寸、晶面指数为(100)面的n型GaAs衬底1上，利用MOCVD装置依次生长n型半导体多层膜反射镜2、形成电流狭窄部分的被氧化层30、半导体包层3、半导体有源层4、半导体包层5、形成电流狭窄部分的被氧化层32、p型半导体多层膜反射镜6、以及接触层7。
这里，将在由半导体有源层4、半导体包层3和半导体包层5构成的谐振器的上下设置半导体多层膜反射镜2和6的结构作为基本结构，设计并制作成1.3μm波段的GaInAsN表面发光型半导体激光器。
半导体多层膜反射镜2采用了波长为1.3μm、厚度为1/4的光学波长交替叠层n型GaAs层(高折射率层)和n型AlyGa1-yAs(0＜y＜1)(低折射率层)的叠层结构。在本实施例中用Al组分为y＝0.94的Al0.94Ga0.04As层作为低折射率层。此外，作为半导体多层膜反射镜2的n型掺杂剂使用了Si(硅)，掺杂浓度为2×1018/cm3。
半导体包层3采用了n型GaInP。半导体有源层4采用了将发光峰值波长调整为1.3μm的GaXIn1-XAsyN1-y(0≤x≤1、0≤y＜1)层和作为阻挡层的GaAs层叠层的量子阱结构。这里，采用了在中心形成GaxIn1-xAsyN1-y(0≤x≤1、0≤y＜1)层、在其上下叠层作为阻挡层的GaAs层的三层结构。GaXIn1-XAsyN1-y(0≤x≤1、0≤y＜1)量子阱层4的In组分为30％-35％、氮组成为0.5％-1.0％、厚度为7nm。控制组成，使GaxIn1-xAsyN1-y(0≤x≤1、0≤y＜1)量子阱层4的晶格常数大于n型GaAs衬底1，做成具有约2.5％的压缩畸变量的组成Ga0.66In0.34As0.99N0.01。因此，微分增益系数增大，与无畸变时相比，阈值电流值进一步降低了。
半导体包层5采用了p型GaInP。半导体多层膜反射镜6采用了波长为1.3μm、厚度为1/4的光学波长交替叠层p型GaAs层(高折射率层)和p型AlyGa1-yAs(0＜y＜1)(低折射率层)的叠层结构。与n型半导体多层膜反射镜2一样，在本实施例中用Al组分为y＝0.94的Al0.94Ga0.06As层作为低折射率层。此外，采用C(碳)作为半导体多层膜反射镜6的p型掺杂剂，掺杂浓度为2×1018/cm3(量子阱层4附近)～1×1019/cm3(接触层7附近)。
上层被氧化层32和下层被氧化层30分别形成在包层5的上面和包层3的下面，使用Al组分比大于构成上下半导体多层膜反射镜6、2的AlGaAs的AlxGa1-xAs(x≥0.98)。在本实施例中，使用AlAs作为这些被氧化层32、30的材料。
接触层7采用了p型GaAs，p型掺杂剂采用了C(碳)，掺杂浓度为2×1019/cm3。
接着，作为用于形成图形的刻蚀掩膜8，形成Si3N4膜、并形成了质子注入区域15的图形。在此，把Si3N4膜8和抗蚀剂用作掺杂掩模进行用于控制选择氧化的质子注入区域15的图形。为了形成质子注入区域15，在加速电压为280keV、剂量为4×1013/cm2的条件下进行离子注入，使构成被氧化层32的AlAs层(离表面深2.6μm)的离子注入区域的质子浓度成为1×1017/cm3。该条件是离表面深2.3μm(与被氧化层32相比，位于表面一侧)处能获得最大浓度即1×1018/cm3的条件，构成有源层4的下面的被氧化层30的AlAs层(离表面深3.0μm)几乎没有质子注入。
在该质子的注入条件中，导入质子注入区域15中的质子浓度是不会使半导体层电阻变高、却能够有效地阻止氧化的浓度。导入质子注入区域15中的质子浓度优选例如小于等于1×1018/cm3。
图16是表示AlGaAs层的氧化速度对于质子浓度的依赖性的曲线图。由该图可知，质子浓度为1×1017/cm3时，氧化速度大约下降至1/3。因此，可以大大减小上层被氧化层32的氧化速度，使氧化长度成为约1/3，而且元件电阻不会变高。
接着，利用通过同样的光刻工序形成的刻蚀膜8上的台面图形进行刻蚀，直至n型半导体多层膜反射镜2，制作台面部分。利用ICP(感应耦合等离子体)等离子干刻蚀装置进行了由三氯化硼/氮混合气体对台面图形的刻蚀处理。此时，通过调整天线输出、偏压输出和衬底温度，获得产生各向异性刻蚀的条件。在此，由于制作开口部分14为直径5μm的圆形的表面发光型半导体激光器，所以将台面刻蚀成直径45μm的圆柱形状。
接着，在水蒸汽氛围中进行400℃的热处理，对被氧化层32进行横向的选择氧化，形成了电流狭窄部分。此时，制作了从侧面的氧化长度为20μm、直径为5μm的非氧化(发光)区域14。此时，在倾斜衬底中沿偏离的角度方向产生的形状畸变(纵向与横向的尺寸差为0.75μm)降至0.1μm。
接着，利用聚酰亚胺11掩埋台面刻蚀部分12，然后形成了键合焊盘17。然后，去除应形成布线的部分和成为出光口的p型半导体多层膜反射镜6上的绝缘模8，在p型GaAs接触层7上形成了p侧电极9。此时，同时形成连接键合焊盘17与p侧电极9的布线部分9a，之后，在衬底背面形成了n侧电极10。
如此制作的表面发光型半导体激光器，波长为1.3μm，除了有源层4压缩畸变导入的效果之外，通过在布线下面的质子注入而产生的高电阻，阻止了漏电流，从而获得了低的阈值电流密度、单一模的室温连续振荡，而且在高温下特性也很好。而且可以进行偏振控制，不再发生偏振的变动和转换。由此，能够降低噪声，以作为光盘磁头、通信用元件使用。
此外，与前述实施例一样，通过各向异性氧化而产生的非氧化区域14和出射光束图形的尺寸及形状也得到了改善，获得了所需要的光束图形尺寸及形状。
对于注入被氧化层32中的质子浓度，在此使用的是1×1017/cm3，但是很显然，用高于该浓度或低于该浓度的质子也能够获得同样的效果。注入高浓度的质子时，可以极大地降低含有高浓度Al的被氧化层32的氧化速度，在所需的位置控制氧化进行，从而可以提高氧化长度和氧化形状的控制性。但是，当注入的质子浓度高于半导体多层膜反射镜2、6的掺杂浓度时，注入区域的电阻就会变高，电流难以流动。因此需要考虑质子注入区域和上部电极的位置，使得在通过选择氧化而形成的电流集中部分，电流容易流动、集中。
另外，在本实施例中，形成电流狭窄部分用的被氧化层32、30使用了AlAs层，但是很明显，使用Al组分比高的AlxGa1-xAs(x≥0.95)也能获得同样的效果。若提高Al组分比，则在水蒸汽氧化工序中氧化速度会加快，能够缩短工序时间，而且伴随氧化的应力和畸变的发生量也变大，所以有利于提高元件的批量生产性和偏振控制性。
第三实施例
下面说明本发明的第三实施例。
图17至图20是表示本发明第三实施例的表面发光型半导体激光器的示意图，图17是其平面图、图18是用图17所示的剖面线A-A切割后的剖面图、图19是用图17所示的剖面线B-B切割后的剖面图、图20是用图17所示的剖面线C-C切割后的剖面图。这些图中与图1至图16中相同的要素，使用相同的标号，并省略详细的说明。
在第一半导体多层膜反射镜6的下面，含有高浓度Al的被氧化层32通过从台面部分100的侧壁向着发光区域13横向氧化，形成了电流狭窄部分。电流狭窄部分用于将电流集中到发光区域13。
此外，在第一半导体多层膜反射镜6中形成了用于控制氧化速度的质子注入区域15。由此，在质子注入区域15中，构成第一半导体多层膜反射镜6的Al高浓度层6b在水蒸汽氧化时，其氧化速度与质子浓度成比例地大大减小。在质子注入区域15中，从凹陷部分侧面的氧化长度短，与氧化长度长(没有注入质子)的半导体多层膜反射镜的Al高浓度层6b相比，应力小，对于台面中心的半导体有源层的畸变为各向异性(非对称)。利用了这一特性的本发明的元件与第一及第二实施例一样以偏振控制性高为特长，其制作也容易，从而使高性能表面发光型半导体激光元件的批量生产性也得以提高。
下面具体说明该表面发光型半导体激光器的制作方法。
首先，在经过清洗的厚400μm、直径3英寸、晶面指数为(100)的n型GaAs衬底1上利用MOCVD装置依次生长n型半导体多层膜反射镜2、半导体包层3、半导体有源层4、半导体包层5、形成电流狭窄部分的被氧化层32、p型半导体多层膜反射镜6、以及接触层7。
这里，将在由半导体有源层4、半导体包层3和半导体包层5构成的谐振器的上下设置半导体多层膜反射镜2和6的结构作为基本结构，进行设计制作，使其作为1.3μm波段的GaInAsN表面发光型半导体激光器能够获得最佳的性能。
半导体多层膜反射镜2采用了波长为1.3μm、厚度为1/4的光学波长交替叠层n型GaAs层(高折射率层)和n型AlyGa1-yAs(0＜y＜1)(低折射率层)的叠层结构。在本实施例中用Al组分为y＝0.94的Al0.94Ga0.06As层作为低折射率层。此外，作为半导体多层膜反射镜2的n型掺杂剂使用了Si，掺杂浓度为2×1018/cm3。
半导体包层3采用了n型GaInP。
半导体有源层4采用了将发光峰值波长调整为1.3μm的GaxIn1-xAsyN1-y(0≤x≤1、0≤y＜1)层和作为阻挡层的GaAs层叠层的量子阱结构。这里，采用了在中心形成GaxIn1-xAsyN1-y(0≤x≤1、0≤y＜1)层、在其上下形成作为阻挡层的GaAs层的三层结构。GaxIn1-xAsyN1-y(0≤x≤1、0≤y＜1)量子阱层4的In组分为30％-35％、氮组成为0.5％-1.0％、厚度为7nm。控制组成，使GaxIn1-xAsyN1-y(0≤x≤1、0≤y＜1)量子阱层4的晶格常数大于n型GaAs衬底1，做成具有约2.5％的压缩畸变量的组成Ga0.66In0.34As0.99N0.01。因此，微分增益系数增大，与无畸变时相比，阈值电流值进一步降低了。
半导体包层5采用了p型GaInP。半导体多层膜反射镜6采用了波长为1.3μm、厚度为1/4光学波长的p型GaAs层(高折射率层)和p型AlyGa1-yAs(0＜y＜1)(低折射率层)交替叠层的叠层结构。与n型半导体多层膜反射镜2一样，在本实施例中用Al组分为y＝0.94的Al0.94Ga0.06As层作为低折射率层。此外，作为半导体多层膜反射镜6的p型掺杂剂采用了C(碳)，掺杂浓度为2×1018/cm3(量子阱层4附近)～1×1019/cm3(接触层7附近)。
上层被氧化层32和下层被氧化层30分别形成在包层5的上面和包层3的下面，使用Al组分比大于构成上下半导体多层膜反射镜6、2的AlGaAs的AlxGa1-xAs(x≥0.98)。在本实施例中，使用了AlxGa1-xAs(x＝0.98)层。
接触层7采用了p型GaAs，p型掺杂剂采用了C(碳)，掺杂浓度为2×1019/cm3。
接着，作为用于形成图形的刻蚀掩膜8，形成了Si3N4膜。在此，将Si3N4膜8和抗蚀剂用作内部掩模，形成了隔离用图形15a和选择氧化控制用图形15c。接着，利用离子注入装置对隔离用图形部分15a照射加速电压为100、200、300keV、剂量分别为1×1015/cm2的质子，进行质子注入，形成了高电阻区域15a。通过该质子注入，使得在深度为0.5-2.5μm的区域内质子均匀地分布，直至深度约为4μm附近电阻提高(在本实施例中从表面至有源层的深度为2.8μm)。
此外，对于用于半导体多层膜的Al高浓度层的质子注入区域15c，用加速电压为200keV、剂量为3×1013/cm2的条件进行了质子注入。这是使离表面深1.5μm处成为最大浓度(即1×1018/cm3)的条件，这会使离表面深1-2μm部分成为质子浓度大于等于1×1016/cm3的区域。此外，质子不会注入到被氧化层32的Al0.98Ga0.02As层(离表面深2.6μm)。此外，用该条件获得的浓度不会使注入区域的电阻变高。从图16所示的AlGaAs层的氧化速度的质子浓度依赖性可知，质子浓度为1×1017/cm3时，氧化速度大约降至1/3。因此，注入了离子的半导体多层膜反射镜的Al高浓度层6b在水蒸汽氧化工序中的氧化速度会大大减小，可以使氧化长度大约成为1/3，而且元件电阻不会变高。
接着，通过用同样的光刻工序形成的刻蚀膜8上的台面图形，刻蚀至n型半导体多层膜反射镜2的上部，制作台面部分。利用ICP(感应耦合等离子体)等离子干刻蚀装置、并利用三氯化硼/氮混合气体对台面图形进行了刻蚀处理。此时，通过调整天线输出、偏压输出、和衬底温度，获得产生各向异性刻蚀的条件。在此，由于制作开口部分为直径5μm的圆形的表面发光型半导体激光器，所以将台面刻蚀成直径45μm的圆柱形状。
接着，在水蒸汽氛围中进行420℃的热处理，沿横向对被氧化层32进行选择氧化，形成了电流狭窄部分。衬底温度为420℃时，(没有质子注入)半导体多层膜反射镜的Al高浓度层6b的Al0.94Ga0.06As层的氧化速度约为被氧化层Al0.98Ga0.02As层的1/4，在此，由于为了形成电流狭窄部分而将被氧化层32的氧化长度设定为20μm，所以没有注入质子部分的、半导体多层膜反射镜的Al高浓度层6b的横向氧化长度为5μm。这在质子注入区域中变短，成为约1/3，即1.7μm，从而使施加在台面部分100中心的有源层上的压缩应力产生非对称性。
半导体多层膜反射镜的Al高浓度层6b的Al0.94Ga0.06As层因氧化而产生的体积收缩为7.5-8.5％，注入质子的半导体多层膜反射镜的层数若为10，则全体会产生数十GPa级的应力，而且施加在有源层上的应力和畸变的大小会随有源层中心与被氧化层的距离反比例地减小。所以施加在活性层上的压缩应力随方向而大不相同。制作从侧面的氧化长度为20μm、直径为5μm的非氧化(发光)区域14时，表示出在倾斜衬底(偏离10°)中沿偏离角度方向产生的形状畸变(纵向与横向的尺寸差为0.75μm)在普通衬底(100)中降至0.1μm。
接着，在键合焊盘17和p型GaAs接触层7的上面形成了p侧电极9。此时，同时形成了连接键合焊盘17和p侧电极9的布线部分9a。接着，在衬底背面形成n侧电极，从而完成了元件的主要部分。
如此制作的表面发光型半导体激光器，除了在波长1.3μm中导入有源层4的压缩畸变的效果之外，通过因布线下面的质子注入而产生的高电阻，阻止了漏电流，从而获得了低的阈值电流密度、单一模的室温连续振荡，而且在高温下特性也很好。而且可以进行偏振控制，不再发生偏振的变动和转换。由此，可以降低噪声，作为光盘磁头、通信用元件使用。
此外，在本发明的元件中，由于接触电极、周边电极和将它们连接起来的布线以大致相同的高度形成，成为不需要平坦化处理的结构，所以具有防止台阶的优点。
作为被氧化层32、虽然只说明了1层时的情况，但是多层时也能获得同样的效果。此外，被氧化层也可以形成在包层3的下面，可以利用Al组分比大于构成半导体多层膜反射镜2的AlGaAs的AlxGa1-xAs(x≥0.98)。此时，因为被氧化层位于离表面深的位置，所以具有不易受质子注入的影响的优点。
此外，对于注入的质子浓度，在此虽然用了1×1017/cm3，但是很显然，即使利用高于该浓度或低于该浓度的质子也能够获得同样的效果。注入高浓度的质子时，可以极大地降低含有高浓度Al的半导体多层膜反射镜的Al高浓度层6b的氧化速度，在所需的位置抑制氧化进行，从而可以提高氧化长度和氧化形状的控制性。然而，当注入的质子浓度高于半导体多层膜反射镜2、6的掺杂浓度时，注入区域的电阻就会变高，电流难以流动，因此需要考虑质子注入区域和上部电极的位置，使得在通过选择氧化而形成的电流集中部分，电流容易流动、集中。
另外，在本实施例中，电流狭窄部分形成用的被氧化层32使用了Al0.98Ga0.02As层，但是很明显，使用Al组分比高的AlAs层或AlxGa1-xAs(x≥0.95)也能获得与本发明同样的效果。
以上参照具体例子说明了本发明的实施例。但是本发明不限于这些具体例子。例如，在上述具体例中，说明了用GaxIn1-xAsyN1-y(0≤x≤1、0≤y＜1)作为有源层4的情况，但不限于此，也可以利用InGaAlP系、AlGaAs系或InGaAsP系等各种材料。
包层4和5、半导体多层膜反射镜2和6也可以利用各种各样的材料。例如，半导体多层膜反射镜2和6不限于AlGaAs层和GaAs层的叠层结构，也可以采用不含Al的、折射率大的材料和折射率小的材料的叠层结构。此外，可以使用GaInP/GaAs、GaInPAs/GaAs、GaInP/GaInAs、GaInP/GaPAs、GaInP/GaInAs、GaP/GaInAsN等的组合。
此外，上下被氧化层32、30可以各为1层，也可以是其中至少一个为多层。例如，如果被氧化层的上层为2层、下层为1层，则施加在半导体有源层4上的压缩应力的非对称性会更加显著，因此能够进一步提高偏振控制性。
此外，生长方法也可以利用MBE(分子束外延生长)法等。此外，在上述例中，作为叠层结构虽然示出了三重量子阱结构的例子，但是也可以使用采用了其它量子阱的结构。
在本实施例中，所需的开口部分的形状主要使用圆形、正方形进行了说明，但是很明显，长方形、椭圆等形状同样可以获得本发明的效果。
如上所述，根据本发明的各种实施例，能够提供在选择氧化方式的表面发光型半导体元件中，即使在晶面指数为(100)等普通衬底上制作，其偏振模控制性和批量生产性也很高的高性能的表面发光型半导体元件及其制造方法。
此外，根据作为本发明的实施例的、上述表面发光型半导体元件及其制造方法，本领域的技术人员进行适当变更后能够实施的所有表面发光型半导体元件及其制造方法也同样属于本发明的范围。

Claims (16)

1.一种表面发光型半导体元件，其特征在于包括：
衬底；
形成在上述衬底的主表面上的、具有发光区域的半导体有源层；
将上述半导体有源层夹在中间、形成垂直于上述衬底的谐振器的、第一半导体多层膜反射镜和第二半导体多层膜反射镜，所述第一半导体多层膜反射镜相对于上述半导体有源层形成在与上述衬底相反一侧，所述第二半导体多层膜反射镜相对于上述半导体有源层形成在上述衬底一侧；
用于向上述半导体有源层注入电流的一对电极；形成在上述半导体有源层附近、具有多层包含Al的被氧化层的电流狭窄部分；
沟深至少到达上述被氧化层的最上层的凹陷部分；以及，
被上述凹陷部分围绕的台面部分，
其中，上述电流狭窄部分包括：由上述多层被氧化层中的第一层数的上述被氧化层的侧部氧化而形成的第一电流狭窄部分、和由小于上述第一层数的第二层数的上述被氧化层的侧部氧化而形成的第二电流狭窄部分。
2.如权利要求1所述的表面发光型半导体元件，其特征在于：
上述凹陷部分具有与上述第一电流狭窄部分相邻的第一凹陷部分和与上述第二电流狭窄部分相邻的第二凹陷部分；
上述第一凹陷部分具有到达上述第一电流狭窄部分的上述被氧化层的上述被氧化的部分的第一沟深，以及
上述第二凹陷部分具有比上述第一沟深浅的、到达上述第二电流狭窄部分的上述被氧化层的上述被氧化的部分的第二沟深。
3.如权利要求1所述的表面发光型半导体元件，其特征在于：上述被氧化层中的与被氧化的部分相邻的未氧化的部分，含有的质子浓度高于上述被氧化的部分。
4.如权利要求1所述的表面发光型半导体元件，其特征在于：上述第一及第二电流狭窄部分设置在上述第一及第二半导体多层膜反射镜之间。
5.如权利要求1所述的表面发光型半导体元件，其特征在于：上述第一半导体多层膜反射镜的侧部是被氧化的。
6.如权利要求2所述的表面发光型半导体元件，其特征在于：将上述第一及第二凹陷部分设置成实质上在平行于上述衬底的平面上正交。
7.一种表面发光型半导体元件，其特征在于包括：
衬底；
形成在上述衬底的主表面上的、具有发光区域的半导体有源层；
将上述半导体有源层夹在中间、形成垂直于上述衬底的谐振器的第一半导体多层膜反射镜和第二半导体多层膜反射镜、所述第一半导体多层膜反射镜相对于上述半导体有源层形成在与上述衬底相反一侧，所述第二半导体多层膜反射镜相对于上述半导体有源层形成在上述衬底一侧；
用于向上述半导体有源层注入电流的一对电极；
形成在上述半导体有源层附近、具有包含Al的被氧化层的电流狭窄部分；
沟深到达上述被氧化层的第一凹陷部分；
沟深到达上述第二半导体多层膜反射镜的最下层的第二凹陷部分；以及，被上述第一及第二凹陷部分围绕的台面部分，
其中，在上述第一凹陷部分中，上述第一半导体多层膜反射镜的侧部被氧化；在上述第二凹陷部分中，上述第一及第二半导体多层膜反射镜的侧部被氧化。
8.如权利要求7所述的表面发光型半导体元件，其特征在于：将上述第一及第二凹陷部分设置成实质上在平行于上述衬底的平面上正交。
9.一种表面发光型半导体元件，其特征在于包括：
衬底；
形成在上述衬底的主表面上的、具有发光区域的半导体有源层；
将上述半导体有源层夹在中间、形成垂直于上述衬底的谐振器的第一半导体多层膜反射镜和第二半导体多层膜反射镜、所述第一半导体多层膜反射镜相对于上述半导体有源层形成在与上述衬底相反一侧，所述第二半导体多层膜反射镜相对于上述半导体有源层形成在上述衬底一侧；
用于向上述半导体有源层注入电流的一对电极；
形成在上述半导体有源层附近、具有包含Al的被氧化层的电流狭窄部分；
沟深至少到达上述被氧化层的最上层的凹陷部分；以及，
被上述部分围绕的台面部分，
其中上述电流狭窄部分具有：由上述被氧化层的上述端部氧化而形成的第一区域；和由上述被氧化层的上述端部氧化而形成的第二区域，所述第二区域与上述第一区域相比，从上述端部算起的长度更长。
10.如权利要求9所述的表面发光型半导体元件，其特征在于：上述第一区域含有的质子浓度高于上述第二区域。
11.如权利要求9所述的表面发光型半导体元件，其特征在于：上述电流狭窄部分具有多层上述被氧化层，且以将上述半导体有源层夹在中间的方式形成。
12.如权利要求11所述的表面发光型半导体元件，其特征在于：在上述电流狭窄部分与上述半导体有源层之间设置有包层。
13.一种表面发光型半导体元件，其特征在于包括：
衬底；
形成在上述衬底的主表面上的、具有发光区域的半导体有源层；
将上述半导体有源层夹在中间、形成垂直于上述衬底的谐振器的第一半导体多层膜反射镜和第二半导体多层膜反射镜，所述第一半导体多层膜反射镜相对于上述半导体有源层形成在与上述衬底相反一侧，所述第二半导体多层膜反射镜相对于上述半导体有源层形成在上述衬底一侧；
用于向上述半导体有源层注入电流的一对电极；
形成在上述半导体有源层附近、具有多层包含Al的被氧化层的电流狭窄部分；
沟深至少到达上述被氧化层的最上层的凹陷部分；以及，
被上述凹陷部分围绕的台面部分，
其中：上述第一及第二半导体多层膜反射镜中的至少一个具有通过从端面氧化而形成的氧化区域，而且具有从上述端面氧化的长度小的第一部分和从上述端面氧化的长度大的第二部分。
14.如权利要求13所述的表面发光型半导体元件，其特征在于：在上述第一部分中，与氧化区域相邻的未氧化的区域含有的质子浓度高于上述氧化区域。
15.一种表面发光型半导体元件的制造方法，其特征在于，包括以下工序：
在衬底的主表面上设置有源层和包含Al的多层被氧化层；
在从上述主表面上看应作为发光区域的部分的周围，形成第一凹陷部分和第二凹陷部分，所述第一凹陷部分使上述多层被氧化层中的第一层数的被氧化层的端面露出，而所述第二凹陷部分使上述多层被氧化层中的少于上述第一层数的第二层数的被氧化层的端面露出；以及，
从上述第一及第二凹陷部分中露出的上述被氧化层的端面开始进行氧化。
16.一种表面发光型半导体元件的制造方法，其特征在于，包括以下工序：
在衬底的主表面上叠层有源层和半导体多层膜反射镜；
从上述主表面上看围绕应作为发光区域的部分，形成向上述半导体多层膜反射镜中轰击质子的第一部分和不向上述半导体多层膜反射镜中轰击质子的第二部分；以及，
从上述第一及第二部分的端面开始进行构成上述半导体多层膜反射镜的半导体层中的至少某一层的氧化。
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