JP2003124570A

JP2003124570A - 面発光半導体レーザ装置、及びその製造方法

Info

Publication number: JP2003124570A
Application number: JP2001317522A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Fukutani; 和彦福谷
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-10-16
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2003-04-25

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な方法で作製でき、かつ、電極形状等のデ
バイス構造や素子抵抗などのデバイス特性を制限するこ
とのない、自由度の高い構造を有した高輝度・低電圧動
作可能な面発光半導体レーザ装置である。【解決手段】面発光半導体レーザ装置は、活性層領域14
と、活性層領域14と共に垂直共振器を構成する少なくと
も1つの多層膜半導体ミラー13、15を含む1対のミラーを
有する。多層膜ミラー15の光軸の周辺部20の一部にドー
パントが、その光軸中心部21より高濃度に導入されてい
る。これにより、多層膜ミラー15の反射率が光出射中心
部21で高く、光出射周辺部20で低く、かつ、多層膜ミラ
ー15のキャリア濃度が光出射中心部21で低く、光出射周
辺部20で高い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体光素子に関
するものである。特に、レーザビームプリンタ、光磁気
記録、光インターコネクション等に用いられる基板に垂
直な方向に光を発する面発光半導体レーザ装置、及びそ
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】大容量の光情報通信や光インターコネク
ション、超高速レーザプリンタ等を実現するために、複
数のレーザ素子をアレイ状に配置して、光情報を並列に
伝送したり、また、同時に複数の記録を行う研究が進め
られている。そのための光源として垂直共振器型面発光
半導体レーザ（Vertical Cavity Surface EmittingL
aser：VCSEL）が注目されている。

【０００３】面発光半導体レーザは、活性層を含むλ共
振器を上下２つの反射ミラーで挟んだ構成を有し、基板
に対して垂直方向に発光するため、アレイ化に適してい
る。また、近年では、wet酸化プロセスにより、反射ミ
ラー中に作製したAl_xGa_1-xAs（典型的に0.95≦x≦1）な
どのAlを高濃度に含む半導体層を酸化して、電流を狭窄
する構造の作製技術が確立されている。これにより、電
流を直径2〜5μm程度の非常に小さい活性層領域に注入
できるようになり、端面発光型半導体レーザに比べて、
より光/電気変換効率が高く、閾値電流値が低い動作が
可能となっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
VCSEL構造では、そのポスト径は大体数十μm程度であ
り、その結果、基板に対して水平方向の光の閉じ込めが
殆どない。従って、閾値程度付近の電流値では、横モー
ドは基本モードで発振するが、電流値を増加させると、
すぐに横モードはマルチモード化し、基本横モードでの
光出力はせいぜい３mW以下に制限される。

【０００５】また、近年、研究が進められている選択酸
化層を用いた電流狭窄構造型VCSELでは、選択酸化層の
屈折率が半導体層に比べて著しく低下するため、反射ミ
ラー層が見かけ上、屈折率導波構造となり、横方向の光
の閉じ込めをすることができる。その結果、酸化アパー
チャー幅を4μm以下にすると、基本モードのみ導波可能
な構造となり、単一横モードで発振する。しかしなが
ら、そこにできる選択酸化層と半導体層間の等価屈折率
差は僅かであるため、空間的ホールバーニング、自由キ
ャリアプラズマ効果、熱などの効果による屈折率の変化
の影響を受けて、安定な単一横モード動作は困難であ
る。さらに、酸化アパーチャー幅が狭い（したがって、
電流密度が高い）ため、熱による光出力の飽和が早く起
こり、レーザ光を高出力化することも難しい。そのた
め、選択酸化を用いた面発光半導体レーザ素子の基本横
モードでの光出力は、現在のところ３〜５mWにとどまっ
ている。

【０００６】しかしながら、レーザプリンターや光磁気
記録の光源として、VCSELを利用するためには、基本横
モードで5mW以上の光出力が必要とされている。

【０００７】そこで、特開平10-56233号公報の装置で
は、屈折、拡散、収束ずれ、反射損失などで光を損失さ
せる層を、光学軸（VCSELの中心）から外側に行くに従
って光損失が増大するように形成することにより、高電
流注入時に基本横モード以外に発生する高次横モードの
発振条件を抑制し、高電流注入時（高光出力時）での基
本横モードのみでの発振を実現している。つまり、ここ
では、VCSELにおける基本横モード動作は光学軸に近接
して生じ、一方、マルチモード動作は、光学軸から外側
に、より遠方の位置において生じる。したがって、光学
軸から外側の位置において光学的な損失が増すと、マル
チモード動作の開始に必要なキャリア密度の閾値が大幅
に増大する。その結果、高電流注入時（高光出力時）に
おいても、基本横モードのみでの発振を可能としてい
る。

【０００８】図8に、その典型的なVCSELの構造例を示
す。図8では、従来のVCSEL構造の他に、光損失決定層11
7が上部反射ミラーの上部に形成されている。この光損
失決定層117は、光の損失を光学軸105から外側に行くに
従って増大させるために凹形状をしている。その結果、
光学軸105から外側の位置において、光学的な損失が増
し、マルチモード動作の開始に必要なキャリア密度の閾
値が大幅に増大し、高電流注入時（高光出力時）におい
ても、基本横モードのみでの発振が可能となる。なお、
図8において、101は垂直空洞発光レーザ（VCSEL）、103
は光学空洞、107は下方ミラー領域、109は面発光領域、
111は上方ミラー領域、113は低反射率ゾーン、115はコ
ア・ゾーン、119は輪郭形成損失制御層、121は損失制御
層の表面、123は凹状表面、125は活性領域、127は基
板、129は発光ポート、131と143は電極、133と135は上
方ミラー領域の層、137は下方クラッディング層、139は
上方クラッディング層、141はpタイプ表面層、145は基
板の背面、147は上方ミラー領域の表面、159は境界であ
る。

【０００９】一方、特開2000-22271号公報の装置では、
上部金属電極と上部反射ミラーをアロイ化することで、
上部電極から金属を半導体層に拡散させ、上部電極直下
の上部反射ミラーの反射率を低下させることにより、光
軸中心付近の反射率を電極直下の反射率より高くしてい
る。従って、その電極形状を調節することで、高次横モ
ードに損失を与え、高電流注入時に基本横モード以外に
発生する高次横モードの発振条件を抑制し、高電流注入
時（高光出力時）での基本横モードのみでの発振を実現
している。

【００１０】つまり、この方法では、上部電極窓（光出
射窓）の大きさを設計して、基本モード発振に悪影響を
与えることなく高輝度・基本横モード面発光型半導体レ
ーザを提供できるとしている。

【００１１】具体的に説明すると、この方法では、図9
に示すように、酸化あるいはイオン注入による電流狭窄
構造71を用いたVCSELを作製する。この時、上部電極60
（60aと60b）により規定された窓（開口部）61の幅を上
部p型DBR層56の非酸化領域の幅よりも僅かに大きくし、
また、この上部電極60と上部p型DBR層56をアロイするこ
とにより、その上部電極60直下の上部p型DBR層56の反射
率を、上部電極60により規定された窓（開口部）61の直
下の上部p型DBR層56のそれよりも低下させる。このよう
に、VCSEL構造において、出射中心の周辺部における多
層膜反射鏡56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
れて、高電流注入時に基本横モード以外に発生する高次
横モードの発振条件を抑制し、高電流注入時（高光出力
時）での基本横モードのみでの発振を実現している。な
お、図9において、51はｎ型GaAs基板、52はｎ型GaAsバ
ッファ層、53は下部ｎ型DBR層、54は活性層領域、72は
調整層である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
10-56233号公報に記載されている方法では、図8に示し
たように、損失決定層117を光軸105から外側に行くに従
って増大させるため、図8のように、その層117は凹形状
あるいは凸形状などの複雑な形状で作製しなければなら
ない。このような素子構造を作るためにはプロセスが複
雑になり、素子の作製コストを引き上げる原因となる。
また、このような複雑な形状を常に均一に作製すること
は困難であり、素子特性のばらつきを生み出す原因とも
なりうる。

【００１３】一方、特開2000-22271号公報に記載されて
いる方法では、金属電極60をアロイすることで金属を半
導体中に拡散させ、上部反射ミラー層56の反射率を低減
している。しかし、金属と半導体層のアロイ化によるコ
ンタクト抵抗低減のアロイ条件の最適値は、或る条件範
囲に限られている。したがって、反射率を下げるために
アロイ条件を変化させると、コンタクト抵抗や金属電極
60の表面形状を大きく変化させる原因になり、結果とし
て、デバイスの動作電圧などの特性を悪化させる要因に
なりうる。

【００１４】また、電極60の形状及び電流狭窄アパーチ
ャ径により単一横モードを規定するため、電極形状や電
極窓径、電流狭窄アパーチャ径などが制限され、光出力
などのデバイス特性に制限を与えてしまう可能性もあ
る。

【００１５】このように、特開2000-22271号公報に記載
されている方法では、単一横モードを達成する所望の構
造にするために、素子抵抗などの他のデバイス特性を犠
牲にする可能性がある。

【００１６】上記の課題に鑑み、本発明は、簡単な方法
で作製でき、かつ、電極形状等のデバイス構造や素子抵
抗などのデバイス特性を制限することのない、自由度の
高い構造を有した高輝度・低電圧動作可能な面発光半導
体レーザ装置、及びその製造方法を提供することを目的
とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段及び作用】上述の目的を達
成するための本発明に係る面発光半導体レーザ装置は、
活性層領域と、前記活性層領域と共に垂直共振器を構成
する少なくとも1つの多層膜半導体ミラーを含む1対のミ
ラーを有する面発光半導体レーザ装置であって、前記多
層膜半導体ミラーの光軸の周辺部の一部にドーパントが
該多層膜半導体ミラーの光軸中心部より高濃度に導入さ
れており、該多層膜ミラーの反射率が光出射中心部で高
く、光出射周辺部で低く、かつ、該多層膜ミラーのキャ
リア濃度が光出射中心部で低く、光出射周辺部で高い構
造としたことを特徴とする。

【００１８】上記基本構成に基づいて、より具体的には
以下の如き態様が可能である。典型的には、前記1対の
ミラーは前記活性層領域を挟む上下2つの多層膜半導体
ミラーである。この場合、典型的には、成長基板に対し
て上部多層膜ミラーの光軸の周辺部の一部にドーパント
が上部多層膜ミラーの光軸中心部より高濃度に導入され
ている。所望ならば、成長基板を除去して、基板側の下
部多層膜ミラーの光軸の周辺部の一部にドーパントを下
部多層膜ミラーの光軸中心部より高濃度に導入すること
もできる。

【００１９】前記ドーパント高濃度導入領域のキャリア
濃度は、典型的には、10¹⁸〜10²²cm ^-3程度に設定され
る。また、前記光軸の周辺部の一部にドーパントが高濃
度に導入された多層膜ミラー側の電極には、通常、光出
射用開口部が形成され、該開口部の光軸方向から見たパ
ターンは、前記ドーパント高濃度導入領域に囲まれた領
域の光軸方向から見たパターンより大きく設定される。
これは、出射ビームの断面形状を基本的に該ドーパント
高濃度導入領域に囲まれた領域のパターンで規定する為
である。

【００２０】更に、典型的には、前記活性層領域の上下
部あるいはどちらか一方に電流狭窄層を設けて、光/電
気変換効率を向上させる。

【００２１】また、前記半導体多層膜ミラーの内、活性
層上部に位置する多層膜ミラーはアンドープ領域が上部
に、ドープ領域が下部に重なって形成され、前記ドーパ
ント高濃度導入領域が主に該アンドープ領域に形成され
て該ドープ領域まで深さ方向に達している形態を採った
り、前記多層膜ミラーは全体的にドープされている形態
を採ったりする。後者の場合、全体的にドープされた多
層膜ミラーのキャリア濃度は、自由キャリアによる吸収
を抑えるために、10¹⁹程度以下に設定される。

【００２２】更に、上述の目的を達成するための本発明
に係る面発光半導体レーザ装置の製造方法は、前記ドー
パントを、イオン注入及び熱アニールにより、高濃度に
導入することを特徴としたり、前記ドーパントを、熱拡
散により、高濃度に導入することを特徴とする。

【００２３】一般に、基本横モードの光強度は、図1(b)
に示すように光学軸に近接して生じ、一方、高次横モー
ド（ここでは代表して１次横モードの光強度を示す）の
光強度は、図1(c)に示すように、光学軸から外側に、よ
り遠方の位置において生じる。よって、光学軸から外側
の位置において光学的な損失が増すと、マルチモード動
作の開始に必要なキャリア密度の閾値が大幅に増大す
る。従って、図1(a)に示すように、基本横モードの大き
さよりも外側に外れた所の領域の反射率を低減すれば、
基本横モードの発振キャリア濃度を変化させることな
く、副次的に発生する高次横モードの発振キャリア密度
の閾値を大幅に増大させられる。その結果、高電流注入
時、すなわち、高光出力時においても、基本横モードで
発振することが可能となる。これは、上記反射率の低下
の程度が大きくなれば、より顕著に現れる。

【００２４】従って、図2のように面発光レーザの光軸
周辺部20の反射率を、光軸中心部21の反射率より低下さ
せることにより、高次横モードの損失を上昇させ、高電
流注入時においても基本横モード動作をさせることが可
能となる。図2の本発明の面発光レーザにおいて、11はn
側電極（下部電極）、12は基板、13はn側DBRミラー（下
部反射ミラー）、14は活性層を含むλ共振器、15はp側D
BRミラー（上部反射ミラー）、16は反射ミラー15中に作
製したAl_xGa_1-xAs（典型的に0.95≦x≦1）などのAlを高
濃度に含む半導体層の電流狭窄構造を構成する選択酸化
領域、17はポリイミド、18はp側電極（上部電極）、19
は絶縁膜である。

【００２５】さらに、図2のように、反射率を低下させ
た領域のキャリア濃度を光軸中心付近の領域よりも増加
させることにより、電流は、キャリア濃度（これが高い
と抵抗値が小さく、低いと抵抗値が大きい）が高い光軸
より外側の領域を流れることになる。この結果、電流が
流れている光軸周辺部20の領域は、I²R（Iは電流、Rは
抵抗値）の関係により、光軸中心部21より強く発熱し、
図2に示したように屈折率が上昇する。この結果、反導
波構造となり、光の電界は、より外側に広がり放射損失
が増大する。

【００２６】この反導波作用による面発光レーザの単一
横モード化は、例えば、D.Zhou and L.J.Mawst、「Si
mplified-antiresonant reflecting optical wavegu
ide-type vertical-cavity surface-emitting laser
s」、APPLIED PHYSICS LETTERS、Vol.76、No.13,pp16
59〜1661（2000年）に記載されている。この論文による
と、反導波構造をVCSELに導入することで、反導波作用
により高次モードのみに多くの損失（散乱損失）を与
え、高電流注入時（高光出力時）においても基本横モー
ド動作可能であることが示されている。

【００２７】この様に、本発明の構成によれば、図2に
記したように、電流注入時には光軸周辺部20が光軸中心
部21より屈折率が増大されるため、反導波構造になり、
その結果、図3(c)に示すように、高次モードの光電界
は、より外側に広がり、反導波作用により高次モードの
損失（放射損失）をより大きくすることができる。

【００２８】また、上述の目的を達成するための本発明
に係る、より具体的な面発光半導体レーザ装置は、前記
活性層の一方（典型的には上部）の多層膜ミラーの一部
をアンドープ層とし、そのアンドープ多層膜ミラーの光
軸周辺部にドーパントを高濃度（例えば、10¹⁸〜10²²cm
^-3程度）に導入したことを特徴とする。

【００２９】通常、反射ミラー中のキャリア濃度は、素
子抵抗を低減するという点から見れば、高い方が望まし
い。しかし、自由キャリアによる光の吸収を低減するた
め、5×10¹⁸乃至10¹⁹cm^-3程度以下に設定されることが
多い。また、キャリア濃度の高いコンタクト層も、この
ような観点から膜厚は精々500Å以下に設定されること
が多い。

【００３０】しかし、本発明の上記より具体的な構成に
よれば、光電界の強い光軸中心部のキャリア濃度は比較
的低く保ち（一部がアンドープであるため）、光電界の
弱い光軸周辺部にのみドーパントを高濃度に導入するこ
とにより、その部分の領域だけキャリア濃度を高めるこ
とができる。つまり、フリーキャリア吸収を低減するた
め、光軸中心部のキャリア濃度は比較的低く保ちつつ、
光電界の弱い光軸周辺部のキャリア濃度を増加させて、
僅かであるが光吸収損失を低減させることができる。

【００３１】また、本構成では、電極コンタクト領域の
半導体層のキャリア濃度を自由に高めることができるの
で、電極とのコンタクト抵抗を低減して動作電圧を従来
構造の面発光レーザ素子よりも低減できる。

【００３２】また、上述の目的を達成するための、より
具体的な本発明に係る面発光半導体レーザ装置は、前記
ドーパントの材料がZn、C、Si、Se、Ga、Cd、S、Sn、Ge
のいずれか、あるいは、それらのいずれかの組み合わせ
であることを特徴としたり、前記ドーパントを、熱拡
散、あるいは、イオン注入と熱アニーリングにより、反
射ミラー層の光軸周辺部に高濃度に導入することを特徴
としたりする。

【００３３】このような作製方法を採用することで、簡
単に、反射ミラー層の光軸周辺部の反射率及び抵抗を低
減でき、高輝度・基本横モード動作可能な面発光レーザ
を作製できる。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
である実施例について、図面を参照しながら説明する。

【００３５】（実施例１）まず、図4と図5に、本発明の
第1の実施例である面発光半導体レーザ素子とその製造
方法を示す。

【００３６】図4(a)に示すように、n-GaAs基板400上
に、キャリア濃度１×10¹⁸cm^-3程度のバッファー層であ
るn型GaAs層（図示せず）を約5000Å成長させ、その
後、電流狭窄用半導体層であるAlAs406を含みn型でキャ
リア濃度１〜３×10¹⁸cm^-3程度の40ペアのAl_0.9Ga_0.3As
とAl_0.3Ga_0.7Asの多層膜から成る分布ブラック反射鏡
（DBRミラー）層401、アンドープであるAl_0.3Ga_0.7As/A
l_0.12Ga_0.88Asの３量子井戸から成る活性層とスペーサ
ー層であるアンドープAl_0.6Ga_0.4Asから成る１波長共振
器層402、電流狭窄用半導体層であるAlAs406を含みp型
でキャリア濃度２〜４×10¹⁸cm^-3程度の20ペアのAl_0.9G
a_0.3AsとAl_0.3Ga_0.7Asの多層膜から成る分布ブラック反
射鏡（DBRミラー）層403、さらに、アンドープである10
ペアのAl_0.9Ga₀ _.3AsとAl_0.3Ga_0.7Asの多層膜からなる分
布ブラック反射鏡（DBR）層404を形成し、最後に、キャ
リア濃度1×10¹⁹cm^-3以上に高ドープされたp型GaAsコン
タクト層405を50Å有機金属気相成長（MOCVD）法により
成長させる（図4(a)）。

【００３７】その後、エッチングマスク膜としてSiN_x膜
（図示せず）をプラズマCVD法で形成し、さらに、フォ
トレジスト（図示せず）によりエアポストを形成するた
めのマスクを形成し、SiN_x膜をそのマスク形状（典型的
には円形）に合わせてエッチングする。次に、n側DBRミ
ラー層401中の電流狭窄用半導体層であるAlAs406が側面
に露出するまでCl₂を用いた反応性エッチングを行な
い、円筒形状のエアポストを形成する。その後、p及びn
型DBRミラー層403、401内にあるAlAsからなる電流狭窄
用半導体層406の一部を選択的に水蒸気酸化し、酸化領
域407よりなる電流狭窄用酸化層を形成する。このとき
の酸化条件は、酸化温度を380℃、酸化時間を5分とした
（図4(b)）。

【００３８】次に、アンドープ上部DBRミラー層404の光
軸周辺部409（408は光軸中心部）に不純物（ここではZ
n）を導入するためのマスク（典型的には、上記エアポ
ストの円形頂面より小さい円形とする）であるSiN_x（図
示せず）及びフォトレジスト（図示せず）を形成する。
その後、150keVのZnイオンを1×10¹⁵cm^-2のドーズ量で
もって室温でイオン注入し、ドーパント高濃度導入層41
5を形成する（典型的には、断面が円形であるビームを
形成するために円環状に形成する）。なお、Znを導入す
る深さは、電流路を確保するためにアンドープ多層膜ミ
ラー404が形成されている深さよりも大きくなければな
らない。その次に、フォトレジスト（図示せず）をO₂に
よるプラズマアッシングにより除去した後、アニール保
護のためのSiN_x膜をプラズマCVD法で形成し（これは、
不純物であるZnが蒸発しない様にする為にエアポスト頂
面全体を覆うようにする）、その後、不純物であるZnが
適切なサイトに入って、ドナーとなるように650℃で２
分間アニールする。そして、アニール保護のためのSiN_x
膜を除去した（図5(a)）。

【００３９】次に、素子分離のために、絶縁膜であるSi
N_x膜410をプラズマCVD法で2000Å形成し、電極コンタク
トのためのSiN_x膜410の窓開けをした後、ポリイミド413
で平坦化を行う。

【００４０】その後、p側電極411をリフトオフプロセス
により形成する。これの開口部径は、レーザビーム径が
ドーパント高濃度導入層415の内径により基本的に規定
される様にする為に、図5（b）に示す如く該光軸中心部
408より大きくする。その後、基板400を100μmまで研磨
したのち、裏面にn側電極412を成膜する（図5（b））。
p側電極411としては例えばTi/Auを用いることができ、
また、n側電極412としてはAuGe/Auを用いることができ
る。p側電極411をITOなどの透明電極とする場合は、上
記開口部は形成しなくてよい。

【００４１】このような製造工程を経て、高輝度・低電
圧駆動可能なVCSELが完成する（図5（b））。

【００４２】ところで、良く知られているように、超格
子を形成した領域にドーパントなどの不純物を拡散させ
ると、拡散した領域では、超格子を構成している原子同
士が交じり合い、組成が均一化する現象がある（超格子
の無秩序化現象）。本実施例では、この現象を用いるべ
く、p型のドーパントであるZnを上部多層膜ミラーの光
軸周辺部にイオン注入と熱アニーリングにより導入し、
上部DBRミラー（Al_0.9Ga_0.3AsとAl_0.3Ga_0.7As）の一部
の超格子（ここでは多層膜）を無秩序化して、光軸周辺
部409の反射率を低減させている。

【００４３】本実施例では、上部反射ミラーの光軸中心
部408の反射率を99.5％とし、光軸周辺部409の反射率を
75%とした。さらに、ドーパント導入層415のキャリア濃
度を10¹⁹cm^-3以上とした。この結果、高次横モードのレ
ーザ発振を抑制し、高電流注入時においても基本横モー
ド動作で駆動することを確認した。さらに、従来の面発
光レーザ素子よりも素子抵抗が低減し、より低い電圧で
の動作が可能となった。

【００４４】また、本実施例においては、ドーパントの
イオン注入のエネルギーを変化させることにより、簡単
にミラーの反射率を変化できる。従って、電極のアニー
ル条件などに左右されない。さらに、イオン注入では、
熱拡散に比べてドーパントの侵入深さを制御しやすい
為、反射率を低減する領域を正確に規定できる。また、
ドーパントを導入した領域のキャリア濃度も、イオン注
入のドーズ量を変化させれば、簡単に調整できるので、
電極とコンタクトする領域のキャリア濃度を増加するこ
とにより、ミラーと電極のコンタクト抵抗など素子の抵
抗を低減でき、より低い動作電圧で駆動することが可能
となる。

【００４５】従って、このような構成をした面発光レー
ザを作製することで、特にデバイス構造や作製プロセス
に限定されることなく、簡単な方法でミラーの反射率の
低減及びその領域の幅、さらにはDBRミラーのキャリア
濃度を変化させることができる。これにより、簡単に高
輝度・低電圧駆動可能な面発光レーザを実現できる。

【００４６】本実施例では、低反射率領域のミラーをア
ンドープ型としたが、これに限ったものではなく、n型
あるいはp型（例えば、10¹⁸cm^-3乃至10^1９cm^-3程度のキ
ャリア濃度）でもよい。また、本実施例では、n基板上
に成長させた為、基板側をn型、上部をp型としたが、こ
れに限ったものではなく、p基板上に成長させ、基板側
をp型、上部をn型としてもよい。さらに、基板には半絶
縁性基板を用いてもよい。低反射率領域を形成するミラ
ーも、本実施例では上部ミラーであったが、必要なら、
基板を除去して下部ミラーに低反射率領域を形成するこ
ともできる。

【００４７】さらに、本実施例では、AlGaAs系の0.78μ
m帯面発光レーザを例にとって説明したが、これに限っ
たものではなく、もちろん他の材料系（波長が異なる）
でもよい。例えば、青色発光のGaN系、GaAs基板上の長
波長材料であるGaInNAs、GaAs基板上の近赤外材料であ
るInGaAsなどでも、同様のことが実現できる。

【００４８】さらに、導入される不純物もZnばかりでは
なく、CやGaなどでも可能であるし、上記実施例とp型と
n型を反転させて、n型の不純物であるSiやS、Seをドー
パントとして導入することも可能である。また、基板を
除去し、別の基板に面発光レーザを貼り付けてもよい。

【００４９】（実施例２）本発明の第２の実施例に係る
面発光レーザ素子の製造工程を図6を用いて説明する。
本実施例では、第１の実施例とは異なり、ドーパントを
熱拡散により光軸周辺部の反射ミラーに導入する。作製
方法は、途中の工程までは第1の実施例と同様であるた
め、一部図4を用いて説明する。同一の材料には同一の
番号を付加して説明する。

【００５０】まず、図4(a)に記したように、n-GaAs基板
400上に、キャリア濃度１×10¹⁸cm^- ³程度のバッファー
層であるn型GaAs層（図示せず）を約5000Å成長させ、
その後、電流狭窄用半導体層であるAlAs406を含みn型で
キャリア濃度１〜３×10¹⁸cm^-3程度の40ペアのAl_0.9Ga
_0.3AsとAl_0.3Ga_0.7Asの多層膜からなる分布ブラック反
射鏡（DBRミラー）層401、アンドープであるAl_0.3Ga_0.7
As/Al_0.12Ga_0.88Asの３量子井戸から成る活性層及びス
ペーサー層であるアンドープAl_0.6Ga_0.4Asから成る１波
長共振器層402、電流狭窄用半導体層であるAlAs406を含
みp型でキャリア濃度２〜４×10¹⁸cm^-3程度の20ペアのA
l_0.9Ga_0.3AsとAl_0.3Ga_0.7Asの多層膜からなる分布ブラ
ック反射鏡（DBRミラー）層403、さらに、アンドープで
ある10ペアのAl_0.9Ga_0.3AsとAl_0.3Ga_0.7Asの多層膜から
なる分布ブラック反射鏡（DBR）層404を形成し、最後
に、キャリア濃度1×10¹⁹cm^-3以上に高ドープされたp型
GaAsコンタクト層405を100Å有機金属気相成長法により
成長させる（図4(a)）。

【００５１】その後、エッチングマスク膜としてSiN_x膜
（図示せず）をプラズマCVD法で形成し、さらに、フォ
トレジスト（図示せず）によりエアポストを形成するた
めのマスクを形成し、SiN_x膜をそのマスク形状に合わせ
てエッチングする。次に、λ共振器402、p及びn側DBRミ
ラー層のエアポストをCl₂を用いた反応性エッチングに
より形成する。

【００５２】その後、p及びn型DBRミラー層内にあるAlA
sからなる電流狭窄用半導体層406の一部を選択的に水蒸
気酸化し、酸化領域407よりなる電流狭窄用酸化層を形
成する。このときの酸化条件は、酸化温度を380℃、酸
化時間を5分とした（図4(b)）。

【００５３】次に、p側DBRミラー層の光軸周辺部409に
不純物Znを導入するためのマスクであるSiN_x（図示せ
ず）及びフォトレジスト（図示せず）を形成する。その
後、フォトレジスト（図示せず）をO₂によるプラズマア
ッシングにより除去し、通常の熱拡散方法によりZnをp
型DBRミラー403に達する深さまで拡散させる。ここで
は、拡散源としてZnAs₂を用い、620℃で約30分間熱拡散
を行った。

【００５４】次に、SiN_x膜を除去する（図6(a)）。な
お、Znを拡散する深さは、アンドープ多層膜ミラー404
が形成されている深さよりも大きくなければならない。
Znを拡散させた領域415のキャリア濃度をここでは10¹⁹c
m^-3以上とした。

【００５５】その後、素子分離のために、絶縁膜である
SiN_x膜410をプラズマCVD法で2000Å形成し、電極コンタ
クトのためのSiN_x膜410の窓開けをした後、ポリイミド4
13で平坦化を行う。

【００５６】その後、p側電極411をリフトオフプロセス
により形成し、その後、基板400を100μmまで研磨した
のち、裏面にn側電極412を成膜する（図6（b））。p側
電極411としては例えばTi/Auを用いることができ、ま
た、n側電極412としてはAuGe/Auを用いることができ
る。

【００５７】この様にして形成された面発光レーザ素子
を駆動させたところ、第１の実施例と同様に、高光出力
時においても基本横モードで動作することが確認され
た。また、素子の抵抗も低く、従来構造より、より低い
動作電圧で動作させることができた。

【００５８】本実施例において、不純物の拡散条件は上
記した場合に限ったものではなく、所望の深さまで拡散
できる条件であればよい。その他の点は第１の実施例と
同じである。

【００５９】（実施例３）本発明に係る第3の実施例に
係る面発光レーザ素子の断面図を図7に示す。本実施例
では、第１及び第2の実施例とは異なり、酸化により電
流狭窄構造を形成せず、水素をイオン注入することで素
子の電流狭窄構造を形成した。従って、製造工程は、ほ
ぼ第1及び第2の実施例と同じであるので省略する。

【００６０】第3の実施例に係る面発光レーザを作る場
合は、第1及び第2の実施例で記した様な酸化を行わない
で、その工程の替わりに水素をイオン注入した。これに
より、水素を打ち込まれた領域420は高抵抗化し、電流
狭窄が行われる。

【００６１】このようにして形成された面発光レーザ素
子を駆動させたところ、第１及び第２の実施例と同様
に、高光出力時においても基本横モードで動作すること
が確認された。また、素子の抵抗も低く、従来構造よ
り、より低い動作電圧で動作させることができた。

【００６２】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、ドーパントを用いたイオン注入や熱拡散などの簡単
な方法だけで、面発光レーザの光軸周辺部の反射率の低
下及び低抵抗化を行なうことができ、それにより、高輝
度・低電圧駆動動作可能な面発光レーザを実現できる。
つまり、本発明により、電極形状等のデバイス構造や素
子抵抗などのデバイスパラメータを制限することのない
自由度の高い構造を有した高輝度・低電圧動作可能な面
発光半導体レーザ装置を簡単な方法で作製することが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図1】(a)は、本発明に係る面発光レーザのミラー屈折
率分布、(b)は、基本横モードでレーザ発振するときの
光強度分布を表すグラフ、(c)は、１次横モードでレー
ザ発振するときの光強度分布を表すグラフである。

【図2】本発明の面発光レーザの断面、そのミラーの反
射率・抵抗値・屈折率分布を模式的に表した図である。

【図3】(a)は、本発明に係る面発光レーザのミラー反射
率、(b)は、基本横モードでレーザ発振するときの光強
度分布を表すグラフ、(c)は、１次横モードでレーザ発
振するときの光強度分布を表すグラフである。

【図4】(a)、(b)は、第1の実施例の面発光レーザ装置の
製造工程の一部を示す概略断面図である。

【図5】(a)、(b)は、第1の実施例の面発光レーザ装置の
製造工程の他の一部を示す概略断面図である。

【図6】(a)、(b)は、第2の実施例の面発光レーザ装置の
製造工程の一部を示す概略断面図である。

【図7】第3の実施例の面発光レーザ装置の断面図であ
る。

【図8】特開2000-22271号公報で記された凸状の形状の
損失決定素子を有する面発光レーザの断面図である。

【図9】特開平10-56233号公報で記された電極とアロイ
化することで反射率を低下させた面発光レーザの断面図
である。

【符号の説明】

11、412：n側電極 12、400：基板 13、401：n側DBRミラー（下部反射ミラー） 14、402：λ共振器（1波長共振器） 15、403：p側DBRミラー（上部反射ミラー） 16、407：選択酸化層（酸化領域） 17、413：ポリイミド 18、411：p側電極（上部電極） 19、410：絶縁膜 20、409：光軸周辺部 21、408：光軸中心部 51：n型GaAs基板 52：n型GaAsバッファ層 53：下部ｎ型DBR層 54：活性層領域 56：上部p型DBR層 60（60a，60b）：電極 61：開口部 71：電流狭窄構造 72：コンタクト層 101：垂直空洞発光レーザ（VCSEL） 103：光学空洞 105：光学軸 109：面発光領域 111：上方ミラー領域 113：低反射率ゾーン 115：コア・ゾーン 117：損失決定素子 119：輪郭形成損失制御層 121：損失制御層の表面 123：凹状表面 125：活性領域 127：基板 129：発光ポート 131：電極 133：層 137：下方クラッディング層 139：上方クラッディング層 141：pタイプ表面層 145：基板の背面 147：上方ミラー領域の表面 159：境界 404：アンドープDBRミラー層 405：コンタクト層 406：AlAs層 415：ドーパント高濃度導入層 420：イオン注入層（高抵抗層）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】活性層領域と、前記活性層領域と共に垂直
共振器を構成する少なくとも1つの多層膜半導体ミラー
を含む1対のミラーを有する面発光半導体レーザ装置で
あって、前記多層膜ミラーの光軸の周辺部の一部にドー
パントが該多層膜ミラーの光軸中心部より高濃度に導入
されており、該多層膜ミラーの反射率が光出射中心部で
高く、光出射周辺部で低く、かつ、該多層膜ミラーのキ
ャリア濃度が光出射中心部で低く、光出射周辺部で高い
構造としたことを特徴とする面発光半導体レーザ装置。
【請求項２】前記1対のミラーは前記活性層領域を挟む
上下2つの多層膜半導体ミラーであることを特徴とする
請求項1記載の面発光半導体レーザ装置。
【請求項３】成長基板に対して上部の前記多層膜ミラー
の光軸の周辺部の一部にドーパントが該上部多層膜ミラ
ーの光軸中心部より高濃度に導入されていることを特徴
とする請求項２記載の面発光半導体レーザ装置。
【請求項４】前記ドーパント高濃度導入領域のキャリア
濃度が10¹⁸〜10²²cm^-3程度に設定されていることを特徴
とする請求項１乃至３の何れかに記載の面発光半導体レ
ーザ装置。
【請求項５】前記光軸の周辺部の一部にドーパントが高
濃度に導入された多層膜ミラー側の電極に光出射用開口
部が形成され、該開口部の光軸方向から見たパターン
が、前記ドーパント高濃度導入領域に囲まれた領域の光
軸方向から見たパターンより大きく設定されていること
を特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の面発光半
導体レーザ装置。
【請求項６】前記活性層領域の上下部あるいはどちらか
一方に設けられた電流狭窄層を更に含むことを特徴とす
る請求項１乃至５の何れかに記載の面発光半導体レーザ
装置。
【請求項７】前記ドーパントの材料が、Zn、C、Si、S
e、Ga、S、Sn、Geのいずれか、あるいは、これらのいず
れか２つ以上の組み合わせであることを特徴とする請求
項１乃至６の何れかに記載の面発光半導体レーザ装置。
【請求項８】前記多層膜ミラーの内、活性層上部に位置
する多層膜ミラーはアンドープ領域が上部に、ドープ領
域が下部に重なって形成され、前記ドーパント高濃度導
入領域は主に該アンドープ領域に形成されて該ドープ領
域まで深さ方向に達していることを特徴とする請求項１
乃至７の何れかに記載の面発光半導体レーザ装置。
【請求項９】前記多層膜ミラーは全体的にドープされて
いることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の
面発光半導体レーザ装置。
【請求項１０】前記全体的にドープされた多層膜ミラー
のキャリア濃度が10¹⁹程度以下に設定されていることを
特徴とする請求項９記載の面発光半導体レーザ装置。
【請求項１１】請求項１乃至１０の何れかに記載の面発
光半導体レーザ装置の製造方法において、前記ドーパン
トを、イオン注入及び熱アニールにより、高濃度に導入
することを特徴とする面発光半導体レーザ装置の製造方
法。
【請求項１２】請求項１乃至１０の何れかに記載の面発
光半導体レーザ装置の製造方法において、前記ドーパン
トを、熱拡散により、高濃度に導入することを特徴とす
る面発光半導体レーザ装置の製造方法。