JP2000332355A

JP2000332355A - 面発光型半導体レーザ

Info

Publication number: JP2000332355A
Application number: JP11142370A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Yoshikawa; 昌宏吉川; Hideo Nakayama; 秀生中山; Hiroki Otoma; 広己乙間
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1999-05-21
Filing date: 1999-05-21
Publication date: 2000-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】製造が容易で、高輝度基本横モード光出力を
有する面発光型半導体レーザを提供する。【解決手段】半導体基板５１と、該半導体基板５１上
に順次積層された下部多層膜反射鏡５３、活性層領域５
４、及び上部多層膜反射鏡５５と、該上部多層膜反射鏡
５５の上層であってレーザ光の出射中心の周辺部に開口
部６１を取り囲むように設けられた金属材料からなる上
部電極６０と、非酸化領域５８として形成された電流狭
窄部と、を備えた面発光型半導体レーザにおいて、前記
上部電極６０が設けられた出射中心の周辺部の多層膜反
射鏡５５の反射率が、出射中心の多層膜反射鏡５５の反
射率よりも低くなるようにし、該反射率の低下の程度に
応じ、前記開口部６１の径を非酸化領域５８の径より大
きくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、面発光型半導体レ
ーザに関し、詳しくは、高輝度基本横モード光出力を有
する面発光型半導体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】垂直共振器型面発光レーザ（Vertical C
avity Surface Emitting Laser、以下「ＶＣＳＥＬ」と
もいう。）は、端面発光型レーザに比べて、製造コスト
が低いこと、製造の歩留まりが高いこと、２次元アレイ
化が容易なこと、などの多くの利点を有していることか
ら、近年、多くの用途にこれを使用することが検討され
ている。

【０００３】例えば、Kenichi Iga, Fumio Koyama and
Susumu Kinoshita,”Surface Emitting Semiconductor
Lasers”,IEEE Journal of Quantum Elecronics, 19
88,24,pp.1845-1855には、ＶＣＳＥＬの構造、レーザ特
性、用途等が説明されている。現在においては、そのレ
ーザ特性は大きく改善され、光通信などの分野では、実
用化に至っている。

【０００４】しかし、従来のＶＣＳＥＬは、基本横モー
ド光出力がいまだ小さく、せいぜい２〜３ｍＷ程度であ
り、そのため用途が限定されている。ＶＣＳＥＬの基本
横モード光出力が増大して、例えば５ｍＷ以上となれ
ば、レーザビームプリンタ等の画像書き込み装置や、光
磁気ディスク装置等にも、ＶＣＳＥＬを使用することが
可能となる。

【０００５】特開平１０−５６２３３号公報には、高輝
度基本横モード光出力を有するＶＣＳＥＬが提案されて
いる。この提案では、基本横モード光出力の高出力化
を、基本横モード以外に副次的に発生する高次横モード
のレーザ発振条件を選択的に抑制することにより実現し
ている。すなわち、ＶＣＳＥＬにおける基本横モード発
振は光導波路の中心（光軸に近接して）に生じ、高次横
モード発振は光軸から離間した遠隔の位置において生じ
ることから、光軸からの離間距離が増大するに従って共
振器の光学損失を漸進的に増大させ、それによって注入
電流値を増やしながら多モード発振への移行を抑え、基
本横モード光出力の増加を可能にしている。

【０００６】具体的に説明すると、このＶＣＳＥＬは、
図８に示すように、導電型半導体基板１７１と、下部Ｄ
ＢＲ層１７２と、下部ＤＢＲ層１７２とは逆の伝導モー
ドを有する上部ＤＢＲ層１７４と、下部ＤＢＲ層１７２
と上部ＤＢＲ層１７４の間に挟まれた活性層領域１７３
と、イオン打ち込み等により形成した低反射率ゾーン１
７５と、損失決定素子１７６と、電極１７７及び１７８
とにより構成され、光軸１７９に沿ってレーザ光が出射
される。

【０００７】損失決定素子１７６は、光軸１７９と直交
する方向において光軸１７９からの距離が増大するのに
従って共振器の光学損失を漸進的に増大させるために、
凹状の形状に加工されている。この凹状の形状の損失決
定素子１７６は、共振器のレーザ光を屈折する作用と、
共振器のレーザ光を側方に拡散させるか、または焦点を
ずらす作用の両方を有する。したがって、この損失決定
素子１７６により、光軸１７９と直交する方向における
光軸１７９からの距離が増大するのに従って屈折損失が
増大し、共振器の光学損失が大きくなる。一方、このＶ
ＣＳＥＬにおける基本横モード発振は光軸１７９に近接
して生じ、高次横モード発振は光軸１７９から離間した
遠隔の位置において生じる。

【０００８】その結果、高次横モードに関して共振器の
光学損失が増大し、高次横モードのレーザ発振の開始に
必要とされるしきい値電流密度が増大し、最大基本横モ
ード光出力が増大することになる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、特開平
１０−５６２３３号公報に開示された技術によれば、原
理的には基本横モードの高出力化が可能となる。しか
し、同時に、基本横モード特性にも悪影響を与えるこ
と、所定の形状の損失決定素子１７６を安定に形成する
ことが著しく困難であること、等の問題を有している。

【００１０】すなわち、特開平１０−５６２３３号公報
に開示された技術では、上述したように、ＶＣＳＥＬに
おける基本横モード発振は光導波路の中心（光軸に近接
して）に生じ、高次横モード発振は光軸から離間した遠
隔の位置において生じることを利用して、共振器の反射
率をその中央から周辺に向かうに従って漸進的に減少さ
せ、すなわち、光学損失を漸進的に増大させ、そのこと
によって高次横モードのレーザ発振を抑制している。

【００１１】一方、伊賀健一、小山二三夫著“面発光レ
ーザ”（オーム社、１９９０）にも説明されているよう
に、ＶＣＳＥＬは、一般に、活性領域が小さいため、共
振器には高い反射率が必要とされる。実際に、現在研究
されているＶＣＳＥＬの共振器は、９９％以上の反射率
を有している。逆に、共振器の反射率が低いと、しきい
値電流密度が上がり、レーザ発振が起こりにくくなる。

【００１２】ところが、特開平１０−５６２３３号公報
に開示された技術では、光軸１７９から少しでも離間し
た位置では、共振器の反射率が低下する構造となってお
り、高次横モードのレーザ発振を抑制するのみならず、
基本横モードのレーザ発振も同時に抑制され、結果的に
は、十分な高輝度基本横モード光出力を得ることができ
ない問題がある。

【００１３】また、損失決定素子１７６は、図８に示し
たように凹状の形状とするか、または凸状の形状とする
ことにより、湾曲した表面を有することを特徴としてい
る。したがって、損失決定素子１７６の形状を作製する
方法は重要であって、特開平１０−５６２３３号には詳
細に説明されている。

【００１４】その一例を簡単に説明すると、図９（ａ）
に示すように、湾曲表面を形成しようとする層１８１の
表面にフォトレジスト１８２を塗布する。次に、図９
（ｂ）に示すように、通常の露光、現像、ベーク工程を
用いて円筒形フォトレジスト柱１８３を形成する。この
フォトレジスト柱１８３を、約５〜２０分にわたって、
約２５０〜３００℃の温度で加熱すると、図９（ｃ）に
示すように、凸状の湾曲面を有する形状の層１８４に変
形する。この層１８４を室温に戻した後も、その凸状の
湾曲面の形状を安定に保持している。

【００１５】次に、上方から反応性イオンエッチング
（ＲＩＥ）を用いて、ドライエッチングを施すと、層１
８４がエッチングマスクとして作用して、その形状を反
映する結果、図９（ｄ）に示すように、凸状の湾曲面を
有する構造１８５が形成される。

【００１６】以上、凸状の湾曲面を有する構造を形成す
る方法について説明したが、層１８１上の中央部ではな
くて、その周辺部にフォトレジスト柱１８３を設けるよ
うにすれば、層１８１上の中央部に凹状の湾曲面を有す
る構造を形成することができる。

【００１７】しかし、エッチングマスクとして作用する
層１８４の形状は、所定の位置において所定の湾曲面を
有することが必要とされるが、この湾曲面がいつも同じ
になるように、再現性よく、また、位置依存性なく、形
成することは，現在のエッチング技術によっても相当に
困難である。特に、ＶＣＳＥＬ素子を多数設けて二次元
アレイ化するような場合には、この問題が顕著となる。

【００１８】さらに、所定の湾曲面を有する形状と所定
の膜厚を有する損失決定素子１７６を形成するために、
ＲＩＥ工程においてエッチングマスクとして作用する層
１８４の消失時点または消失後において、適切な位置で
エッチングを終了することは著しく困難である。

【００１９】また、ＶＣＳＥＬ素子を多数設けて二次元
アレイ化するような場合には、同一基板上、または異な
る基板上において、フォトレジスト柱１８３と損失決定
素子１７６を構成している材料間でエッチング選択比を
高精度に制御することは非常に困難であり、そのため、
各ＶＣＳＥＬ素子間で損失決定素子１７６の反射率特性
を揃えることはきわめて困難である。

【００２０】以上のように、損失決定素子１７６の形状
や膜厚を、同一基板上の各ＶＣＳＥＬ素子間で、または
異なる基板上の各ＶＣＳＥＬ素子間で、あるいはプロセ
スのロットが異なる各ＶＣＳＥＬ素子間で、バラツキを
なくすこと、あるいはバラツキを小さくすることは、き
わめて困難である。

【００２１】一方、損失決定素子１７６の凹状の湾曲面
の形状を利用して、光軸１７９から離間するに従って共
振器の光学損失を漸進的に増大させ、それによって注入
電流値を増大させて、高次横モードのレーザ発振への移
行を抑制し、基本横モードのレーザ発振を可能としてい
るので、損失決定素子１７６の凹状の湾曲面の形状が異
なれば、高次横モードのレーザ発振へ移行するＶＣＳＥ
Ｌの光出力値、すなわち、基本横モードの最大光出力値
が異なってくる。その結果、同一基板上の各ＶＣＳＥＬ
素子間で、または異なる基板上の各ＶＣＳＥＬ素子間
で、あるいはプロセスのロットが異なる各ＶＣＳＥＬ素
子間で、各ＶＣＳＥＬ素子の基本横モードの最大光出力
値が異なることとなり、高輝度基本横モード光出力が要
求される用途に対しては、特開平１０−５６２３３号公
報に開示された技術を工業的に利用することは困難であ
る。

【００２２】従って、本発明の目的は、製造が容易で、
高輝度基本横モード光出力を有する面発光型半導体レー
ザを提供することにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、鋭意検討
の結果、下記の手段により、基本横モード発振に悪影響
を与えることなく、面発光型半導体レーザを高輝度で発
振させることができることを見出し、本発明を完成する
に至った。

【００２４】すなわち、本発明の面発光型半導体レーザ
は、上部に、下部多層膜反射鏡、活性層領域、及び上部
多層膜反射鏡が順次積層され、下部に、下部電極が設け
らた半導体基板と、該上部多層膜反射鏡の上層であって
前記活性層領域で発生したレーザ光の出射中心の周辺部
に出射口部を取り囲むように設けられ、前記下部電極と
対をなし前記活性層領域に電流注入するための金属材料
からなる上部電極と、前記上部電極と前記下部電極との
間に設けられ、電流流路の周縁部を絶縁化して形成され
た電流狭窄部と、を備え、その上部に前記上部電極が設
けられた出射中心の周辺部の多層膜反射鏡の反射率が、
出射中心の多層膜反射鏡の反射率よりも低くなるように
し、該反射率の低下の程度に応じ、前記出射口部の径を
前記電流狭窄部の径より大きくする度合いを大きくした
ことを特徴とする。

【００２５】上部電極を設けることにより、出射中心の
周辺部の多層膜反射鏡の反射率が、出射中心の多層膜反
射鏡の反射率よりも低くなるようにする方法としては、
以下の方法がある。（１）前記上部電極を、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｚ
ｎ、Ｎｉ、Ｉｎ、及びＷから選択される金属材料を２種
以上積層して形成する方法。（２）前記上部電極を、金属材料を蒸着して蒸着膜を形
成した後、２５０〜５００℃の温度範囲でアニールを行
い、該蒸着膜とこれに隣接する層との間でアロイ化を進
行させることにより形成する方法。（３）前記上部電極を、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｚ
ｎ、Ｎｉ、Ｉｎ、及びＷから選択される少なくとも１種
の金属材料を蒸着して蒸着膜を形成した後、２５０〜５
００℃の温度範囲でアニールを行い、該蒸着膜とこれに
隣接する層との間でアロイ化を進行させることにより形
成する方法。

【００２６】アロイ化のためのアニールは、３００〜４
００℃の温度範囲で行うことがより好ましく、アニール
は、赤外線によるフラッシュアニール、レーザアニー
ル、高周波加熱、電子ビームによるアニール、及びラン
プ加熱によるアニールから選択されるいずれかの方法に
より行うことが好ましい。

【００２７】本発明の面発光型半導体レーザにおいて
は、上記の上部電極を設けることにより、前記出射中心
の周辺部の多層膜反射鏡の反射率が８０％以下となるよ
うにすることが好ましく、６０％以下とすることがより
好ましい。

【００２８】本発明は、上部電極に用いる金属材料の構
成やアニール条件等を変えることにより、電極が設けら
れる出射中心の周辺部において、多層膜反射鏡の反射率
を大きく低下させることができ、反射率がある程度低下
した場合には、出射口径（以下、「上部電極アパーチャ
径」とも称する）を、前記電流狭窄部の径（以下、「電
流狭窄アパーチャ径」とも称する）より大きくした方
が、少ない基本横モードの損失で、高次横モードを抑制
することができ、基本横モード光出力の高出力化を図る
ことができるという知見に基づきなされたものである。

【００２９】図１は、電流狭窄アパーチャ径を３．５μ
ｍと一定にしたＶＣＳＥＬにおいて、出射中心の周辺部
の多層膜反射鏡の反射率を９９％から７０％まで低下さ
せた場合の上部電極アパーチャ径、基本横モードの損
失、及び高次横モードの損失の関係を示すグラフであ
る。横軸は上部電極アパーチャ径である。一方、縦軸は
高次横モードの損失と基本横モードの損失との差を基本
横モードの損失で除算した値であり、この除算値が大き
い方が、少ない基本横モードの損失で高次横モードが抑
制されている。

【００３０】図１から分かるように、出射中心の周辺部
の多層膜反射鏡の反射率が９９％と高い場合には、上部
電極アパーチャ径の大小に拘らず基本横モードの損失が
大きい。一方、出射中心の周辺部の多層膜反射鏡の反射
率が９５％、９０％、、、、７５％と低下するに従い、
基本横モードの損失は相対的に減少し、かつ、前記除算
値を示す曲線は上部電極アパーチャ径に対して上に凸の
放物線を描き、上部電極アパーチャ径が電流狭窄アパー
チャ径よりも数％から数十％大きくなる一定範囲の上部
電極アパーチャ径で最大値を有するようになる。即ち、
一定範囲の上部電極アパーチャ径で基本横モードの損失
が最小となるようになる。

【００３１】従って、出射中心の周辺部における多層膜
反射鏡の反射率低下の程度に応じ、電流狭窄アパーチャ
径に対して上部電極アパーチャ径を大きくすると、少な
い基本横モードの損失で高次横モードが抑制されるよう
になる。

【００３２】出射中心における多層膜反射鏡の反射率は
通常９９％以上である。これに対し、基本横モードの損
失を低減するためには、出射中心の周辺部における多層
膜反射鏡の反射率を８０％以下にまで低下させるのが好
ましく、６０％以下とするのがより好ましい。

【００３３】ＧａＡｓ基板上に、Ａｕを蒸着した後、ア
ニール温度を３７０℃としてアロイ化を行い、白色光を
ＧａＡｓ側からＡｕ／ＧａＡｓ界面へ入射させて反射強
度変化を調べた。結果を図２に示す。図２から分かるよ
うに、アロイ化を行うことによって反射率は大きく低下
する。このように、Ａｕを蒸着後に適当な温度でアニー
ル処理を行うことによって、Ａｕ／ＧａＡｓ界面のＧａ
Ａｓ側からの反射率を大きく変化させることができる。

【００３４】従って、前記コンタクト層に上部電極を形
成する際に、金属材料を蒸着した後、２５０〜５００℃
の温度範囲でアニールを行い、前記コンタクト層との間
でアロイ化を進行させて金属電極を形成することによ
り、出射口の中央領域に比べその周辺部の多層膜反射鏡
の反射率を大きく低下させることができる。この反射率
低下の度合いに応じて、上部電極アパーチャ径を電流狭
窄アパーチャ径よりも数％から数十％大きくすることに
よって、ＶＣＳＥＬの基本横モードの出力を大きくする
ことができる。

【００３５】次に、ＧａＡｓ基板上にＡｕを蒸着したサ
ンプルと、ＧａＡｓ基板上にＡｕ／Ｔｉを蒸着したサン
プルとを作製し、白色光をＧａＡｓ側からＡｕ／ＧａＡ
ｓ界面、Ａｕ／Ｔｉ／ＧａＡｓ界面へそれぞれ入射させ
て、所定の波長領域での反射強度のアニール温度依存性
を調べた。結果を図３に示す。図３から分かるように、
Ａｕ／ＧａＡｓ界面にＴｉの層を挿入することによっ
て、Ａｕ／Ｔｉ／ＧａＡｓ界面のＧａＡｓ側からの反射
率を大きく変化させることができる。このように、金属
膜を二つ以上の金属から構成することによって、金属／
ＧａＡｓ界面のＧａＡｓ側からの反射率を大きく変化さ
せることができる。

【００３６】従って、前記コンタクト層に上部電極を形
成する際に、二つ以上の金属材料を使用して金属電極を
形成することにより、出射口の中央領域に比べその周辺
部の多層膜反射鏡の反射率を大きく低下させることがで
きる。この反射率低下の度合いに応じて、上部電極アパ
ーチャ径を電流狭窄アパーチャ径よりも数％から数十％
大きくすることによって、ＶＣＳＥＬの基本横モードの
出力を大きくすることができる。

【００３７】次に、ＧａＡｓ基板上に、Ａｕ／Ｔｉを蒸
着した後、アニール温度を３７０℃としてアロイ化を行
い、白色光をＧａＡｓ側からＡｕ／ＧａＡｓ界面へ入射
させて、所定の波長領域での反射強度変化を調べた。結
果を図４に示す。図４から分かるように、アロイ化を行
うことによって、Ａｕ／Ｔｉ／ＧａＡｓ界面の反射率を
４割ほど低下させることができる。このように、二つ以
上の金属から構成される金属／ＧａＡｓ界面に、更に、
アニール処理を行うことにより、金属／ＧａＡｓ界面の
ＧａＡｓ側からの反射率を大きく変化させることができ
る。

【００３８】従って、前記コンタクト層に上部電極を形
成する際に、二つ以上の金属材料を使用して、さらにこ
の金属材料を蒸着した後、２５０〜５００℃の温度範囲
でアニールを行い、前記コンタクト層との間でアロイ化
を進行させて金属電極を形成することにより、出射口の
中央領域に比べその周辺部の多層膜反射鏡の反射率を大
きく低下させることができる。この反射率低下の度合い
に応じて、上部電極アパーチャ径を電流狭窄アパーチャ
径よりも数％から数十％大きくすることによって、ＶＣ
ＳＥＬの基本横モードの出力を大きくすることができ
る。

【００３９】以上説明してきたように、本発明の面発光
型半導体レーザによれば、基本横モード発振の特性を損
なうことなく、副次的に発生する高次横モードのレーザ
発振条件を選択的に抑制することができ、基本横モード
出力を高めることができる。

【００４０】また、特殊形状の反射率低下構造を設ける
ことなく出射領域の周辺部における反射率を低下させる
ことができ、製造が容易である。

【００４１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施の形
態に基づき、詳細に説明する。（第１の実施形態）本発明の第１の実施形態に係る面発
光型半導体レーザの構造を図５（ｅ）に示す。本実施形
態では、上部ＤＢＲミラー上にアロイ化により膜厚２０
０ｎｍのＡｕからなる金属電極がｐ側電極として形成さ
れている。以下、本実施形態に係る面発光型半導体レー
ザの構造を製造方法に従って説明する。

【００４２】まず、図５（ａ）に示すように、有機金属
気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型ＧａＡｓ基板５
１上に、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3膜厚０．２μｍ
程度のｎ型ＧａＡｓバッファ層５２を積層し、その上
に、Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1ＡｓとＡｌ _0.3Ｇａ_0.7Ａｓとをそれ
ぞれの膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に４
０．５周期積層した１×１０¹⁸ｃｍ^-3で総膜厚が約４μ
ｍ、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3となる下部ｎ型ＤＢ
Ｒ層５３、アンドープ下部Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓスぺーサ
ー層とアンドープ量子井戸活性層（膜厚９０ｎｍＡｌ
_0.11Ｇａ_0.89Ａｓ量子井戸層３層と膜厚５０ｎｍＡｌ
_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ障壁層４層とで構成されている）とアン
ドープ上部Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓスぺーサー層とで構成さ
れた膜厚が媒質内波長となる活性層領域５４、その上
に、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3で膜厚が媒質内波長
の１／４となるｐ型ＡｌＡｓ層５５、その上にＡｌ_0.9
Ｇａ_0.1ＡｓとＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓとをそれぞれの膜厚
が媒質内波長の１／４となるように交互に２９．５周期
積層したキャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3で総膜厚が約２
μｍとなる上部ｐ型ＤＢＲ層５６を順次積層する。

【００４３】ここで、図示しないが、キャリア濃度１×
１０¹⁹ｃｍ^-3となる膜厚１０ｎｍ程のｐ型ＧａＡｓコン
タクト層を最上部に積層しても良い。また、詳しくは述
べないが、ＤＢＲ層の電気的抵抗を下げるためにＡｌ
_0.9Ｇａ_0.1ＡｓとＡｌ_0.3Ｇａ₀ _.1Ａｓの界面にＡｌ組成
を９０％から３０％に段階的に変化させた膜厚が９ｎｍ
程度の領域を設けることも可能である。

【００４４】ここで原料ガスとしては、トリメチルガリ
ウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウ
ム、アルシン、フォスフィン、ドーパント材料としては
ｐ型用にシクロペンタジニウムマグネシウム、ｎ型用に
セレン化水素またはシランを用い、成長時の基板温度は
７５０℃とし、真空を破ることなく、原料ガスを順次変
化し、連続して成膜をおこなった。

【００４５】続いて、図５（ｂ）に示すように、フォト
リソグラフィーにより結晶成長層上にレジストマスクＲ
を形成し、四塩化炭素をエッチングガスとしてもちいた
反応性イオンエッチングにより下部ｎ型ＤＢＲ層５３の
途中までエッチングし、径３０μｍ程度の円柱もしくは
角柱の半導体柱ｓ（ポスト）を形成する。

【００４６】その後、約４００℃の炉中で水蒸気により
ｐ型ＡｌＡｓ層５５だけを側方から酸化し、高抵抗化し
た酸化領域５７を形成し、電流狭窄構造を作製する。こ
の時、酸化されずに残された非酸化領域５８が電流注入
領域となり、電流狭窄アパーチャ径は約３．５μｍであ
る。なお、電流狭窄アパーチャ径を赤外線顕微鏡などを
用いて測定する。

【００４７】レジストＲを除去した後、図５（ｃ）に示
すように、プラズマＣＶＤ装置を用いてＳｉＮ膜５９を
蒸着した後、通常のフォトリソ工程とバッファーフッ酸
を用いたＳｉＮ膜のエッチングにより、ポスト上部のＳ
ｉＮ膜５９を除去する。

【００４８】その後、図５（ｄ）に示すように、フォト
リソ工程を用いてポスト上部中央に、４．３μｍ（電流
狭窄アパーチャ径３．５μｍ）径のレジストパターンＴ
を形成し、その上方からＥＢ蒸着機を用いて、Ａｕを２
００ｎｍの厚さで蒸着し、その後、アニール温度３７０
℃で１０分間アニールを行うことにより、ｐ側電極６０
を形成する。ｐ側電極６０の下の上部多層膜反射鏡の反
射率は８５％であった。

【００４９】最後に、アセトンを用いて、レジストパタ
ーンＴを除去する。この時、レジストパターンＴ上のＡ
ｕは取り除かれ、レジストパターンによって調整された
上部電極アパーチャ径を持ったレーザの出射領域である
開口部６１が形成され、図５（ｅ）に示すＶＣＳＥＬが
完成する。上部電極下の上部多層膜反射鏡の反射率は、
最後のアニール条件に依存して変化し、その径は電流狭
窄アパーチャ径よりも数％から数十％大きいものであ
る。また、図示していないが、基板裏面には、ｎ側電極
としてＡｕ／Ｇｅが蒸着されている。

【００５０】本実施形態に係るＶＣＳＥＬにおいては、
ポスト中央部出射口下の上部多層膜反射鏡の反射率は高
いが、ｐ型電極下はアロイ化によって反射率が低くな
る。その反射率差に応じて、電流狭窄アパーチャ径と上
部電極アパーチャ径とを調整することによって、高次横
モード発振が抑制される。

【００５１】従って、従来のＶＣＳＥＬでは、反射率が
周辺に行くに従い漸進的に減少する方式であるため、基
本横モードを得るために電流狭窄アパーチャ径を３μｍ
以下とする必要があったが、本発明によれば、電流狭窄
アパーチャ径がそれ以上となっても基本横モードによる
レーザ発振が可能で、高輝度基本横モード光出力を得る
ことができる。

【００５２】第１の実施形態で説明したＶＣＳＥＬの基
本横モードのレーザ発振および高次モードのレーザ発振
と、図８に示す従来のＶＣＳＥＬとについて、基本横モ
ードのレーザ発振および高次モードのレーザ発振を調べ
たところ、図６に示す結果が得られた。図６から、活性
層への電流注入量を増加させた場合に、両ＶＣＳＥＬと
もに高次モードのレーザ発振が抑制され、基本横モード
だけが発振するが、第１の実施形態に係るＶＣＳＥＬで
は、従来のＶＣＳＥＬに比べて基本横モードのレーザ発
振を開始する電流のしきい値が低くなり、光電変換効率
が向上していることがわかる。

【００５３】本実施形態では、半導体柱ｓを形成するの
に下部ｎ型ＤＢＲ層までエッチングした場合を説明した
が、上部Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓスぺーサー層まででエッチ
ングをストップする構造、もしくは、基板までをエッチ
ングする構造も可能である。

【００５４】また、本実施形態では、活性層にＡｌＧａ
Ａｓを用いた例を説明したが、ＧａＡｓもしくはＩｎＧ
ａＡｓを用いた近赤外用、ＩｎＧａＰもしくはＡｌＧａ
ＩｎＰを用いた赤色用のＶＣＳＥＬにも適用できる。更
には、ＧａＮ系やＺｎＳｅ系等の青色もしくは紫外線用
のＶＣＳＥＬ、ＩｎＧａＡｓＰ系等の１．３〜１．５μ
ｍ帯用のＶＣＳＥＬにも利用できることはもちろんであ
る。（第２の実施形態）本発明の第２の実施形態に係る面発
光型半導体レーザの構造を図７に示す。本実施形態で
は、ｐ型コンタクト層上にアロイ化により膜厚１０ｎｍ
のＴｉと膜厚２００ｎｍのＡｕ薄膜からなる金属電極が
ｐ側電極として形成されている。また、積層体をポスト
型にエッチングはせずに、上部ＤＢＲ層の一部にプロト
ンを打ち込み高抵抗化させ電流狭窄構造をとっている。
以下、本実施形態に係る面発光型半導体レーザの構造を
製造方法に従って説明する。

【００５５】第１の実施形態と同様にして、ｎ型ＧａＡ
ｓ基板５１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層５２、下部ｎ
型ＤＢＲ層５３、活性層領域５４、上部ｐ型ＤＢＲ層５
６を順次積層する。上部電極６０とのコンタクト性を改
善するために、コンタクト層としてｐ型ＧａＡｓ層７２
を積層してもよい。

【００５６】次に、得られた積層体をポスト型にエッチ
ングはせずに、マスクパターンを形成し、その後、基板
上部からプロトンを打ち込むことにより、ｐ型ＤＢＲ層
５６の一部を高抵抗化させることによって高抵抗化領域
７１を形成し、マスクパターンによって電流狭窄アパー
チャ径３．５μｍの電流狭窄構造を作製する。

【００５７】続いて、フォトリソ工程を用いてポスト上
部中央にレジストパターンを形成し、その上方からＥＢ
蒸着機を用いて、Ｔｉを１０ｎｍ、Ａｕを２００ｎｍの
厚さで蒸着し、ｐ側電極６０を形成する。その後、さら
にアニール温度３７０℃で１０分間のアニールを行って
もよい。ｐ側電極６０の下の上部多層膜反射鏡の反射率
は７５％であった。

【００５８】最後に、アセトンを用いて、レジストパタ
ーンを除去する。この時、レジストパターン上のＴｉと
Ａｕは取り除かれ、レジストパターンによって４．８μ
ｍの上部電極アパーチャ径を持ったレーザの出射領域で
ある開口部６１が形成され、図７に示すＶＣＳＥＬが完
成する。上部電極下の上部多層膜反射鏡の反射率は、最
後のアニール条件に依存して変化し、その径は電流狭窄
アパーチャ径よりも数％から数十％大きいものである。
また、図示していないが、基板裏面には、ｎ側電極とし
てＡｕ／Ｇｅが蒸着されている。

【００５９】また、出射口中央とプロトンを打ち込みで
形成した電流狭窄部中央は光学軸にできるだけ一致する
ことが望ましい。

【００６０】第１及び第２の実施形態では、電流狭窄ア
パーチャ径を３．５μｍとしたが、電流狭窄アパーチャ
径は、３．５μｍに限定されるわけではなく、３〜２０
μｍの範囲であればよい。

【００６１】第１及び第２の実施形態では、上部電極ア
パーチャ径を４．８μｍとしたが、上部電極アパーチャ
径は、高次横モードの損失と基本横モードの損失との差
を基本横モードの損失で除算した値が最大となるよう
に、即ち、基本横モードの損失が最小となるように選択
することが好ましい。

【００６２】第１及び第２の実施形態では、Ｔｉの膜厚
を１０ｎｍ、Ａｕの膜厚を２００ｎｍとしたが、Ｔｉの
膜厚は１０ｎｍに限定されるわけではなく、２〜１００
ｎｍの間であればよく、同様にＡｕの膜厚も１００〜１
０００ｎｍの間であればよい。

【００６３】第１及び第２の実施形態では、アロイ化は
３７０℃１０分の条件で行ったが、アニール温度は２５
０℃〜５００℃、望ましくは３００℃〜４００℃の範囲
で材料に応じて適宜選択され、アニール時間は１０分に
限定されるわけではなく、０〜３０分の間でアニール温
度を勘案して適宜選択される。

【００６４】第１及び第２の実施形態では、蒸着はＥＢ
蒸着としたが、これに限定されるものではなく、抵抗加
熱法、スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング
法、ＣＶＤ法を用いてもよい。また、アニール方法とし
て通常の電気炉を用いた熱アニールに限定されるもので
はなく、赤外線によるフラッシュアニールやレーザアニ
ール、高周波加熱、電子ビームによるアニール、ランプ
加熱によるアニールにより、同等の効果を得ることも可
能である。

【００６５】第１及び第２の実施形態では、電極材料と
してＴｉとＡｕ用いたが、この他に、Ｐｔ、Ｇｅ、Ｚ
ｎ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｗ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ａｇ、Ａｌ、
Ｔｅ、Ｓｉを用いることが可能であり、同時に三種以上
の金属を用いて電極を形成してもよい。

【００６６】第１及び第２の実施形態では、下部電極を
ｎ型とし、上部電極をｐ型としたが、下部電極をｐ型と
し、上部電極をｎ型とすることもできる。いずれをｎ型
あるいはｐ型としても、本発明の効果を発現するもので
ある。

【００６７】尚、第１の実施形態として、アニール温度
３７０℃でアロイ化されたＡｕ電極と選択酸化型ＶＣＳ
ＥＬを組み合わせた例を、第２の実施形態として、Ａｕ
／Ｔｉ電極とプロトンインプラ型ＶＣＳＥＬを組み合わ
せた例を、それぞれ説明したが、電極形成方法とＶＣＳ
ＥＬ構造はどの組み合わせを用いても、同様の効果を得
ることができる。

【００６８】

【発明の効果】本発明によれば、製造が容易で、高輝度
基本横モード光出力を有する面発光型半導体レーザが提
供される。これにより、高輝度基本横モード光出力を有
するＶＣＳＥＬを安価に製造することができ、プリンタ
装置、光磁気ディスク装置等、高輝度の基本横モード光
出力を要求する用途にも、ＶＣＳＥＬを利用することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電流狭窄アパーチャ径一定条件で、出射中心
の周辺部の多層膜反射鏡の反射率を変化させた場合の上
部電極アパーチャ径、基本横モードの損失、及び高次横
モードの損失の関係を示すグラフである。

【図２】Ａｕ／ＧａＡｓ界面におけるアニールによる白
色光の反射強度変化を示すグラフである。

【図３】Ａｕ／ｕ−ＧａＡｓ界面とＡｕ／Ｔｉ／ｕ−Ｇ
ａＡｓ界面における白色光の反射強度変化を示すグラフ
である。

【図４】Ａｕ／Ｔｉ／ｕ−ＧａＡｓ界面のにおけるアニ
ールによる白色光の反射強度変化を示すグラフである。

【図５】（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施形態に
係るＶＣＳＥＬの製造工程を順に示す断面図である。

【図６】本発明の第１の実施形態に係るＶＣＳＥＬおよ
び従来例のＶＣＳＥＬにおける光出力と注入電流の関係
を示すグラフである。

【図７】本発明の第２の実施形態に係るＶＣＳＥＬの断
面図である。

【図８】従来のＶＣＳＥＬの断面図である。

【図９】（ａ）〜（ｄ）は、従来のＶＣＳＥＬの凹状の
損失決定素子の製造工程を順に示す断面図である。

【符号の説明】

５１ｎ型ＧａＡｓ基板５２ｎ型ＧａＡｓバッファ層５２下部ｎ型ＤＢＲ層５３５４活性層領域５５ｐ型ＡｌＡｓ層５６上部ｐ型ＤＢＲ層５７酸化領域５８非酸化領域Ｒレジストマスクｓ半導体柱（ポスト）５６ＳｉＮ膜５７ｐ側電極Ｔレジストパターン６１開口部７１高抵抗化領域７２ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１７１導電型半導体基板１７２下部ＤＢＲ層１７３活性層領域１７４上部ＤＢＲ層１７５低反射率ゾーン１７６損失決定素子１７７、１７８電極１７９光軸１８１湾曲表面を形成しようとする層１８２フォトレジスト１８３フォトレジスト柱１８４凸状の湾曲面を有する形状の層１８５凸状の湾曲面を有する構造

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者乙間広己神奈川県足柄上郡中井町境430 グリーンテクなかい富士ゼロックス株式会社内Ｆターム(参考） 5F073 AA74 AB17 CA02 CA04 CA05 CA06 CA07 CA12 CA14 CA22 DA05 DA14 DA16 DA27 EA23 EA24

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上部に、下部多層膜反射鏡、活性層領
域、及び上部多層膜反射鏡が順次積層され、下部に、下
部電極が設けらた半導体基板と、該上部多層膜反射鏡の上層であって前記活性層領域で発
生したレーザ光の出射中心の周辺部に出射口部を取り囲
むように設けられ、前記下部電極と対をなし前記活性層
領域に電流注入するための金属材料からなる上部電極
と、前記上部電極と前記下部電極との間に設けられ、電流流
路の周縁部を絶縁化して形成された電流狭窄部と、を備
え、その上部に前記上部電極が設けられた出射中心の周辺部
の多層膜反射鏡の反射率が、出射中心の多層膜反射鏡の
反射率よりも低くなるようにし、該反射率の低下の程度
に応じ、前記出射口部の径を前記電流狭窄部の径より大
きくする度合いを大きくしたことを特徴とする面発光型
半導体レーザ。
【請求項２】前記上部電極を、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｇ
ｅ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｉｎ、及びＷから選択される金属材料
を２種以上積層して形成したことを特徴とする請求項１
に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項３】前記上部電極を、金属材料を蒸着して蒸
着膜を形成した後、２５０〜５００℃の温度範囲でアニ
ールを行い、該蒸着膜とこれに隣接する層との間でアロ
イ化を進行させることにより形成したことを特徴とする
請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項４】前記上部電極を、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｇ
ｅ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｉｎ、及びＷから選択される少なくと
も１種の金属材料を蒸着して蒸着膜を形成した後、２５
０〜５００℃の温度範囲でアニールを行い、該蒸着膜と
これに隣接する層との間でアロイ化を進行させることに
より形成したことを特徴とする請求項１に記載の面発光
型半導体レーザ。
【請求項５】前記アニールを、３００〜４００℃の温
度範囲で行うことを特徴とする請求項３または４に記載
の面発光型半導体レーザ。
【請求項６】前記アニールを、赤外線によるフラッシ
ュアニール、レーザアニール、高周波加熱、電子ビーム
によるアニール、及びランプ加熱によるアニールから選
択されるいずれかの方法により行うことを特徴とする請
求項３から５までのいずれか１項に記載の面発光型半導
体レーザ。
【請求項７】前記出射中心の周辺部の多層膜反射鏡の
反射率が、８０％以下であることを特徴とする請求項１
から６までのいずれか１項に記載の面発光型半導体レー
ザ。