JP2004179293A - 面発光型半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】選択酸化における酸化長及び電流狭窄（非酸化）領域の寸法および形状の制御性が高めることにより、基板面内の均一性及び再現性を向上し、レーザ特性の素子間のバラツキを抑制した、量産性の高い、高性能な面発光型半導体素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】被酸化層（６ａ）を含むメサ（１００）の側面から前記被酸化層の酸化を進行させて形成した酸化領域（６００）を設けることにより前記被酸化層の酸化されていない未酸化領域に電流を狭窄させる面発光型半導体レーザであって、前記酸化領域と前記未酸化領域との境界付近に、プロトンを含有したプロトン含有領域（１５、１６）が設けられたことを特徴とする面発光型半導体レーザを提供する。
【選択図】 図１

Description

【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及びその製造方法に関し、特に、微小な電流狭窄構造を精密に形成できる面発光型半導体レーザ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザや半導体発光ダイオード等の半導体発光素子は、光通信分野をはじめとして、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）やＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）等の光ディスクシステム或いはバーコード・リーダ等において、広く使用されている。
【０００３】
このような半導体発光素子の中で、「面発光型半導体レーザ」は、活性層の上下に設けられた反射鏡により共振器構造を構成するものであり、基板に対して垂直方向にレーザ光が出射されるものである。
【０００４】
この面発光型半導体レーザは、基板上に二次元的に多数のレーザ素子を集積化できるため、高速光ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）や、光インターコネクトなどの光エレクトロニクス分野におけるキーデバイスとして大きな注目を集めている。
【０００５】
このような面発光型半導体レーザの特徴として、以下のものが挙げられる。
【０００６】
すなわち、端面発光型半導体レーザに比べて、しきい値が低い、消費電力が低い、発光効率が高い、高速変調が可能である、ビーム広がりが小さく光ファイバとの結合が容易である、端面へき開が不要であるため量産性に優れる、等々多数の利点を有している。
【０００７】
このような面発光型半導体レーザでは、発光領域に電流を集中させるための「電流狭窄部」が必要である。この電流狭窄部を形成する方法としては、主にプロトン（水素イオン）注入方式および選択酸化方式の２つの方式が用いられている（例えば、特許文献１乃至３参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−２６６３５０号公報
【特許文献２】
特開２０００−３３２３５５号公報
【特許文献３】
特開２００１−９３８９７号公報
【０００９】
プロトン注入方式の場合、プロトンを注入した領域が高抵抗化されることにより電流狭窄部を形成することができる。この際に、いわゆる「サーマルレンズ効果」により、電流通過領域とその周辺領域との間に僅かな屈折率差が生じ、弱い光閉じ込め状態が形成される。プロトン注入方式は、この弱い光閉じ込めにより、非プロトン注入領域（電流狭窄領域）の径を１０μｍ程度に広げても安定な横モードが得られるという特徴を有する。
【００１０】
一方、選択酸化方式の場合、活性層近傍の半導体多層膜の一部を選択的に酸化することによって、光と電流を同時に微小領域に狭窄するという２重の閉じ込め効果が得られる。また、屈折率導波路が形成されるため、選択酸化方式では強い光閉じ込め効果が生ずる。このため、横モードを安定化するには、発光領域の径を典型的には５μｍ以下と、プロトン注入方式に比べて狭くする必要がある。すなわち、選択酸化方式の場合は、横モード制御を図るために、電流狭窄径の微細化を必要とする。
【００１１】
しかしながら、発光領域径を５μｍ以下に形成することは、プロセス的には不可能ではないものの、発光領域径の寸法および形状の制御性、再現性に問題があり、量産性、歩留まりの向上が難しいという課題があった。
【００１２】
以下に、選択酸化方式の面発光型半導体レーザの製作方法を簡単に説明し、問題となる発光領域径の寸法および形状制御性、再現性について説明する。
【００１３】
まず、半導体基板上に、半導体多層膜反射鏡、クラッド層、半導体活性層、クラッド層、半導体多層膜反射鏡、コンタクト層を順次成長し、レーザウェーハを作製する。このとき半導体多層膜反射鏡は、例えばＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ膜／Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ膜の繰り返し積層構造、また被酸化層として半導体多層膜反射鏡を構成する膜よりＡｌ組成比の大きいＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＞０．９５）膜を有している。
【００１４】
次に、エッチングによりメサ部を形成し、水蒸気雰囲気中で基板を４００℃以上に加熱する。こうすることで、半導体多層膜反射鏡を構成する半導体膜のうちＡｌ組成比が高いＡｌＧａＡｓ膜がメサ部の側面の露出部分から選択的に酸化されて、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＯ_ｙ膜になる。その酸化速度は、Ａｌの組成により著しく変化する。例えばＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓとして、ｘ＝０．９５〜１とすることで、クラッド層やＧａＡｓ層にはほとんど影響を与えずに、Ａｌ高濃度層のみを選択的に酸化することができる。
【００１５】
この横方向の選択酸化工程によって、メサの側面から被酸化層の酸化が進み、メサ外周領域には酸化された電流狭窄部、メサ中心領域には、酸化されない領域すなわち開口部が形成される。そして、熱処理の温度と時間を適宜調整することにより、Ａｌを高濃度に含む被酸化層のうちの酸化されない開口部の形状及び大きさを制御することができる。
【００１６】
以上説明したように、選択酸化方式により面発光型半導体レーザを形成する場合は、メサ部を形成して、メサ部の側壁からＡｌを高濃度に含むＡｌＡｓ層或いはＡｌＧａＡｓ層を選択的に酸化することによって電流狭窄構造を作製する。
【００１７】
しかしながら、水蒸気酸化による選択酸化プロセスにおいては、基板温度、酸化層の膜厚、Ａｌ組成、水蒸気の流量、窒素ガスの流量などによって酸化速度が決定され、そのプロセスの条件変化に対して酸化速度は大きく影響を受ける。このため、Ａｌを高濃度に含むＡｌＡｓ層或いはＡｌＧａＡｓ層を選択酸化する場合に、非酸化領域（開口部）の寸法や形状を再現性良く制御することが難しいという問題がある。
【００１８】
この問題を解決するために、従来酸化プロセス時に被酸化領域の広がりをリアルタイムに計測し、制御性を高めようとする試みが図られている。例えば、非特許文献１には、ＡｌＡｓ層とＡｌ２Ｏ３酸化層の屈折率差、反射率差を利用して、実際の素子部分の像をＣＣＤカメラにより観察する方法が開示されている。
【００１９】
【非特許文献１】
Ｗｒｉｇｈｔ Ｓｔａｔｅ Ｕｎｉｖ．，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ． １０， ｐ．１９７（１９９８）
【００２０】
また、前述した特許文献３には、被酸化層の反射率の変化を計測しフィードバック制御する方法が開示されている。
【００２１】
しかしながら、これらの手法を用いても、半導体基板の全域にわたって素子の計測や寸法、形状を制御することは難しく、特に電流狭窄部の寸法を１０μｍ以下に形成する場合、酸化速度がプロセス条件に敏感に反応することに加え、以下に説明する「異方性酸化」が生じることから高精度な制御は極めて困難であることが分かった。
【００２２】
すなわち、Ａｌを高濃度に含むＡｌＡｓ層やＡｌＧａＡｓ層を選択酸化層として用いるとき、例えばＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＞０．９４）層では、＜１００＞軸方向の酸化は＜１１０＞軸方向よりも酸化速度が速い。このように面方位に対して酸化速度が異なるため、選択酸化プロセスにおいて非酸化領域の形状が酸化時間に対して変化する問題がある。この点については、後に具体例を挙げてさらに詳細に説明する。
【００２３】
また一方、選択酸化方式の面発光レーザにおいて、ＡｌＡｓまたはＡｌを高濃度に含むＡｌＧａＡｓ層を水蒸気酸化すると、被酸化層の体積が収縮し、上下の層に歪が入るという問題がある。酸化層Ａｌ_ｘ（Ｇａ）Ｏ_ｙは、もとのＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層に比べ体積収縮（７％〜１３％程度）が生じるため、酸化後、活性層やメサ構造の中心部に対して圧縮応力が印加される。電流狭搾を効果的に行うには、電流ブロック層となる被酸化層には、ある程度の厚さが必要であるが、この層が厚いほど歪が大きくなる。そして、その歪は酸化層の先端に集中するが、被酸化層は、活性層から０．２μｍ程度の至近距離に設けられるため、この歪が活性層の最も電流の集中する領域に影響を与え、素子の寿命の低下をもたらす。
【００２４】
特に、選択酸化プロセス後の熱プロセスに対しての耐性は低下する。従って、従来の選択酸化方式の面発光レーザでは、Ａｌ高濃度層（被酸化層）の酸化に伴う体積収縮によって、活性層、メサ構造中心部へ圧縮応力が印加され、素子の信頼性、寿命の低下、熱耐性の劣化が生じるという問題があった。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
以上、説明したように、従来の選択酸化方式の面発光型半導体レーザは、発光領域となる非酸化領域の寸法および形状を高精度に制御することが難しく、発振しきい値、光出力などのレーザ特性のばらつきが生じ易いという問題がある。
【００２６】
さらに、選択酸化方式の面発光レーザにおいて、ＡｌＡｓまたはＡｌを高濃度に含むＡｌＧａＡｓ層を水蒸気酸化すると、被酸化層の体積が収縮し、上下の層に歪が入り、素子の信頼性、寿命の低下、熱耐性の劣化が生じるという問題がある。
【００２７】
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたものであり、選択酸化における酸化長及び電流狭窄（非酸化）領域の寸法および形状の制御性を高めることにより、基板面内の均一性及び再現性を向上し、レーザ特性の素子間のバラツキを抑制した、量産性の高い、高性能な面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
【００２８】
また、選択酸化プロセスなどの熱プロセスにおいて、活性層およびメサ構造中心部に印加される圧縮応力を緩和し、界面での亀裂や破損を抑制し、熱プロセスに対しての耐性を高め、素子の信頼性の向上、長寿命化を図ることを目的とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の面発光型半導体レーザは、被酸化層を含むメサの側面から前記被酸化層の酸化を進行させて形成した酸化領域を設けることにより前記被酸化層の酸化されていない部分に電流を狭窄させる面発光型半導体レーザであって、
前記被酸化層は、前記酸化されていない部分を実質的に取り囲む位置に、プロトンが注入されたプロトン含有領域を有することを特徴とする。
【００３０】
上記構成によれば、プロトン含有領域によって酸化されていない部分を精密に規定することができ、選択酸化における酸化長及び電流狭窄（非酸化）領域の寸法および形状の制御性を高めることにより、基板面内の均一性及び再現性を向上し、レーザ特性の素子間のバラツキを抑制した、量産性の高い、高性能な面発光型半導体レーザを提供することができる。
【００３１】
また、本発明の第２の面発光型半導体レーザは、第１及び第２の反射鏡と、前記第１及び第２の反射鏡の間に設けられた活性層と、酸化されていない部分と、前記酸化されていない部分の周りに設けられ酸化された酸化領域と、を有する被酸化層と、を備え、前記酸化されていない部分に電流を狭窄し、前記第１及び第２の反射鏡の間でレーザ発振する面発光型半導体レーザであって、
前記被酸化層は、前記酸化されていない部分を実質的に取り囲む位置に、プロトンが注入されたプロトン含有領域を有することを特徴とする。
【００３２】
上記構成によっても、プロトン含有領域によって酸化されていない部分を精密に規定することができ、選択酸化における酸化長及び電流狭窄（非酸化）領域の寸法および形状の制御性を高めることにより、基板面内の均一性及び再現性を向上し、レーザ特性の素子間のバラツキを抑制した、量産性の高い、高性能な面発光型半導体レーザを提供することができる。
【００３３】
また、本発明の第３の面発光型半導体レーザは、基板と、前記基板の上に設けられ発光領域を有する活性層と、前記活性層を挟持し、前記基板に対して垂直方向の共振器を構成する第１及び第２の半導体多層膜反射鏡と、前記活性層に電流を注入するための一対の電極と、前記活性層の上または下に設けられた被酸化層と、を備え、
前記被酸化層を含むメサが形成され、前記被酸化層は、前記メサの側面から前記発光領域の近傍に至る抵抗の高い酸化領域と、前記酸化領域に囲まれ抵抗の低い酸化されていない部分と、前記酸化されていない部分を実質的に取り囲む位置に設けられプロトンが注入されたプロトン含有領域と、を有することを特徴とする。
【００３４】
上記構成によっても、プロトン含有領域によって酸化されていない部分を精密に規定することができ、選択酸化における酸化長及び電流狭窄（非酸化）領域の寸法および形状の制御性を高めることにより、基板面内の均一性及び再現性を向上し、レーザ特性の素子間のバラツキを抑制した、量産性の高い、高性能な面発光型半導体レーザを提供することができる。
【００３５】
ここで、上記第３の面発光型半導体レーザにおいて、前記プロトン含有領域は、前記酸化領域と前記酸化されていない部分との境界付近に選択的に設けられ、前記酸化されていない部分の中央付近には設けられておらず、前記一対の電極のうちで前記活性層の上に設けられた電極は、前記活性層から放出される光を外部に放出するための開口を有し、前記開口は、前記酸化されていない部分のうちで前記プロトン含有領域よりも内側の部分よりも大なるものとすれば、開口を介した光の取り出しを向上できる。
【００３６】
また、上記第１乃至第３の面発光型半導体レーザにおいて、前記プロトン含有領域は、前記酸化領域と前記酸化されていない部分との境界付近に選択的に設けられ、前記酸化されていない部分の中央付近には設けられていないものとすることもできる。
【００３７】
また、前記プロトン含有領域は、前記酸化されていない部分の全体に亘って設けられたものとしてもよい。
【００３８】
また、前記プロトン含有領域におけるプロトンの濃度は、１×１０^１８／ｃｍ^３以下であるものとすれば、抵抗率の増大を抑制しつつ、酸化の進行を阻止することが容易である。
【００３９】
また、前記活性層に対して膜面に沿った方向に引っ張り応力を与える膜をさらに備えたものとしてもよい。
【００４０】
一方、本発明の面発光型半導体レーザの製造方法は、被酸化層の一部を酸化させて形成した酸化領域を設けることにより前記被酸化層の酸化されていない部分に電流を狭窄させる面発光型半導体レーザの製造方法であって、
前記被酸化層にプロトンを選択的に導入してプロトン含有部を形成する工程と、
前記被酸化層の端部から前記プロトン含有部に至るまで酸化を進行させることにより前記酸化領域を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする。
【００４１】
上記構成によれば、プロトン含有部によって酸化されていない部分を精密に規定することができ、選択酸化における酸化長及び電流狭窄（非酸化）領域の寸法および形状の制御性を高めることにより、基板面内の均一性及び再現性を向上し、レーザ特性の素子間のバラツキを抑制した、量産性の高い、高性能な面発光型半導体レーザの製造方法を提供することができる。
【００４２】
ここで、前記プロトン含有領域におけるプロトンの濃度は、１×１０^１８／ｃｍ^３以下であるものとすれば、抵抗率の増大を抑制しつつ酸化の進行を効果的に阻止できる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００４４】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの構造を表す模式図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図であり、（ｃ）は、（ｂ）の電流狭窄部１４付近を拡大した断面図である。
【００４５】
この面発光型半導体レーザは、基板１の上に形成された、発光領域１３を有する半導体活性層４と、半導体活性層４を狭持し基板１に対して垂直方向の共振器を形成する半導体活性層４から見て基板１とは反対側に形成された第１の半導体多層膜反射鏡６と、半導体活性層４から見て基板１の側に形成された第２の半導体多層膜反射鏡２と、を有する。半導体活性層４の上下には、半導体クラッド層３と半導体クラッド層５が形成されている。
【００４６】
半導体多層膜反射鏡２、６は、屈折率が異なる複数種類の半導体層を交互に積層させた構造を有する。それぞれの半導体層は、レーザ光の波長に対して光学波長が１／４の厚みを有する。このような多層膜反射鏡は、例えば、ＤＢＲ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）と称される。
【００４７】
第１の半導体多層膜反射鏡６の上には、コンタクト層７が形成され、これらを介して発光領域１３に電流を注入するためのコンタクト電極９が形成されている。また、コンタクト電極９は、発光領域１３上を開口するように形成されている。
【００４８】
基板１の裏面側には、電極１０が形成され、第２の半導体多層膜反射鏡２を介して、発光領域１３に電流を注入するようにされている。
【００４９】
第１の半導体多層膜反射鏡６、半導体活性層４、半導体クラッド層３及び半導体クラッド層５は、凸状のメサ部１００を形成している。第１の半導体多層膜反射鏡６と半導体活性層４とを含むメサ部１００の周辺には、メサ形成用のエッチング領域１２が設けられている。
【００５０】
第１の半導体多層膜反射鏡６を構成する半導体層のいずれかは、アルミニウム（Ａｌ）を高濃度に含む被酸化層６ａとされている。被酸化層６ａは、メサ部１００の側壁から発光領域１３に向かって横方向に酸化されて形成された酸化領域６００を有し、この内側が電流狭窄部１４とされている。そして、酸化領域６００の先端部には、プロトン注入領域１５が形成されている。プロトン注入領域１５は、被酸化層６ａの酸化速度を低下させ、電流狭窄部１４の開口形状を制御する役割を有する。このようにして形成された電流狭窄部１４により、発光領域１３への電流を絞り込むことができる。
【００５１】
なお、図１においては、被酸化層６ａを３層設けた場合を例示したが、本発明はこれには限定されず、被酸化層６ａは１層のみでもよく、または２層あるいは４層以上設けてもよい。
【００５２】
メサ形成用のエッチング領域１２の表面にはポリイミド１１が形成され、この上にボンディングパッド１７が形成されている。ボンディングパッド１７は、配線９ａによってコンタクト電極９と接続されている。
【００５３】
本実施形態の面発光型半導体レーザは、プロトン注入領域１５を有するので、メサ部１００の側壁から発光領域１３に向かって被酸化層６ａを横方向に酸化する際に、被酸化層６ａのうちでプロトンが注入された部分１６において酸化速度をプロトン濃度に比例して大きく減速することができる。
【００５４】
図２は、本実施形態において被酸化層６ａを酸化する工程を表した工程断面図である。すなわち、同図（ａ）に表したように、被酸化層６ａの端面はメサの側面に露出し、またメサ内部においてはプロトンが打ち込まれたプロトン注入領域１５が形成され、被酸化層６ａにもプロトンが導入された部分１６が設けられている。
【００５５】
この状態で、図２（ｂ）に表したように、メサ側面に露出している被酸化層６ａの端面から酸化を進行させると、酸化領域６００が同図に矢印で表した方向に拡がる。
【００５６】
そして、図２（ｃ）に表したように、酸化領域６００がプロトン注入領域１５にさしかかると、酸化速度が低下し、酸化領域６００の先端をこの領域１５内に停止させることが容易にできる。後に詳述するように、本発明においては、１×１０^１８／ｃｍ^３程度の比較的低濃度のプロトンの存在によって、酸化速度を５分の１程度まで減速させることができる。このため、プロトン注入領域において酸化を停止させることが容易となる。
【００５７】
その結果として、メサ部１００の側壁から被酸化層６ａを酸化し電流狭窄部１４を形成する際に、発光領域１３の寸法および形状を精密に制御することができる。また、同一ウェーハ上に形成した複数の素子間で電流狭窄部１４の寸法の「バラツキ」を抑制することができ、かつ異方性酸化による電流狭窄部１４の形状の歪化を抑制することも可能となる。
【００５８】
これらのことから、選択酸化方式の面発光型半導体レーザの作製において、出射ビームパターンの寸法および形状の制御性、均一性、再現性が高まり、発振しきい値、光出力、横モード制御など、レーザ特性についても、素子間のばらつきが抑えられ、高性能な面発光型半導体レーザ素子を高い歩留まりで量産することができる。
【００５９】
図３は、Ａｌを高濃度に含むＡｌＧａＡｓ層を水蒸気酸化したときの酸化時間に対する酸化長の変化を表すグラフ図である。ここで、「酸化長」とは、水蒸気雰囲気に露出されたＡｌＧａＡｓの端面から測定した酸化部分の長さをいうものとする。同図から、酸化速度の再現性は、プラスマイナス１０％前後の誤差を含み、現状の酸化プロセスでは、再現性良く高精度に制御することは困難であることがわかる。
【００６０】
例えば、メサ１００を４５μｍ角、電流狭窄部１４の開口を５μｍ角の形状とする面発光型半導体レーザを作製する場合、側壁からの被酸化層６ａの酸化長は、２０μｍに設定される。被酸化層６ａの酸化速度の再現性には、通常は、およそプラスマイナス１０％程度の「バラツキ」が生ずる。このとき、プロトン注入領域１５を持たない選択酸化プロセス工程の場合、酸化長は２０μｍプラスマイナス２μｍ（すなわち、１８μｍ〜２２μｍ）となる。したがって、電流狭窄部１４（開口部）の寸法は、（メサ寸法４５）−２×（酸化長２０プラスマイナス２）＝５プラスマイナス４μｍとなり、電流狭窄部１４の寸法精度は、目標値に対してプラスマイナス８０％も変動することになる。このように、所望の電流狭窄部１４の寸法（ビーム寸法）が１０μｍ以下になると、目標値に対する実際の寸法の変動率は非常に大きくなってしまう。
【００６１】
これに対して、本実施形態の面発光型半導体レーザでは、プロトン注入領域１５を有するので、メサ部１００の側壁から発光領域１３に向かって横方向に被酸化層６ａが選択酸化される際、プロトンが注入された部分１６において、被酸化層６ａの酸化速度は含有プロトン濃度にほぼ比例して大きく減速される。
【００６２】
図４（ａ）は、Ａｌを高濃度に含むＡｌＧａＡｓ層を水蒸気酸化したときの含有プロトン濃度に対する酸化速度の依存性を表すグラフ図である。すなわち、同図の横軸は、ＡｌＧａＡｓ層に含有されるプロトン濃度を表し、縦軸は、プロトンを含有しない場合の酸化速度を「１」とした時の相対的な酸化速度を表す。
【００６３】
図４（ａ）から、Ａｌを高濃度に含むＡｌＧａＡｓ層の酸化速度は、プロトンを１×１０^１８／ｃｍ^３程度の濃度になるように導入することにより、約２０パーセント程度の速度まで大きく減速できることが分かる。
【００６４】
従来、プロトンを打ち込むことにより、半導体層を高抵抗化させる技術が用いられている。高抵抗化させるためには、典型的には、ドーズ量で１×１０^１５／ｃｍ^２程度のプロトンを打ち込む必要がある。これは、濃度に換算すると、１×１０^２０／ｃｍ^３に近い濃度となる。
【００６５】
これに対して、本発明によれば、その１／１０乃至１／１００程度の量のプロトンにより、半導体層の酸化を十分に減速させることができる。すなわち、後に具体例として挙げるように、５×１０^１３／ｃｍ^２程度のドーズ量で、プロトンの濃度を１×１０^１８／ｃｍ^３とすることができ、半導体層の酸化を十分に減速させることができる。
【００６６】
つまり、本発明によれば、半導体層を高抵抗化させずに酸化速度を低下させることができる。従って、レーザの活性領域全体にプロトンを打ち込むことも可能である。
【００６７】
図５は、レーザの電流狭窄部１４の全体にプロトンを導入した具体例を表す模式図である。すなわち、同図（ａ）はその要部平面図、同図（ｂ）はその一部拡大図、同図（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ（ａ）及び（ｂ）のＡ−Ａ’線断面図である。
【００６８】
本具体例においては、プロトン注入領域１５が電流狭窄部１４の全体を覆うように設けられている。プロトンの注入量を適宜調節すれば、電流狭窄部１４の抵抗をあまり高くすることなく、酸化の進行を阻止して所定の電流狭窄構造を精密に形成することが可能である。
【００６９】
図４（ｂ）は、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層の酸化時間に対する酸化長の変化の再現性を本実施形態の場合と従来例（図３）と併せて表したグラフ図である。
【００７０】
本実施形態では、被酸化層６ａであるＡｌＧａＡｓ層のプロトン注入部分１６で酸化の進行が抑制されることにより、酸化長の目標値からの変動はプラスマイナス２μｍからプラスマイナス０．８μｍへと半分以下に抑制できることが分かる。
【００７１】
図６は、プロトン注入領域が設けられた面発光型半導体レーザの一例を表す模式図である。すなわち、同図（ａ）はその要部平面図、同図（ｂ）はその一部拡大図、同図（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれ（ａ）及び（ｂ）のＡ−Ａ’線断面図である。
【００７２】
図６に表したように、４μｍ角から６μｍ角までの間の２μｍ幅の領域にプロトン注入を行い、４μｍ角から６μｍ角内での被酸化層６ａ、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層に注入されるプロトン濃度を１×１０^１８／ｃｍ^３とする。また、酸化速度の再現性は、通常のプラスマイナス１０％内の精度であるとすると、電流狭窄部１４の所望寸法となる領域に形成されたプロトン注入領域１５（１６）により、酸化の進行が抑制され、結果として酸化長は、２０プラスマイナス０．８μｍ（すなわち、１９．２μｍ〜２０．８μｍ）の精度で再現する。すなわち、電流狭窄部１４の開口径は、（メサ径４５μｍ）−（酸化長２０プラスマイナス０．８μｍ）＝５プラスマイナス１．６μｍとなる。
【００７３】
このとき、目標値に対する変動率は、プラスマイナス３２％に収まることになり、従来の８０％に比べ、約５０％の改善が図れ、電流狭窄部の寸法の制御性が大きく改善されることがわかる。
【００７４】
また、本発明は、目標値に対する寸法の変動率が大きくなる１０μｍ以下の場合、電流狭窄部１４の開口径の制御性、再現性、均一性の向上を図る上で非常に効果的となる。電流狭窄径を１０μｍ以下に縮小することにより、２重の閉じ込め効果が得られ、極めて低いしきい値電流動作（サブｍＡ）など高性能化が可能となる。
【００７５】
一方、本実施形態によれば、異方性酸化による形状の歪みも補正できる。
【００７６】
図７は、プロトン注入領域１５を設けずに円柱状のメサ１００の被酸化層をその側面から酸化したときの酸化領域６００及び電流狭窄部１４の形状の酸化時間に対する変化、異方性酸化の様子を例示した断面図である。なお、図中符号１２はメサ周囲の基板部を表す。
【００７７】
酸化時間の増加にともない、酸化領域２１は広がっていくが、このときａ及びｂで表した方向においては酸化速度が遅く、非酸化領域１４は、ａ及びｂで表した方向を頂角とするひし形状になっていく様子が分かる。また、このひし形は、酸化時間が長くなると縦横の差が拡大していくことも分かる。
【００７８】
このように酸化領域の寸法や発光領域となる形状を制御することは、選択酸化方式では難しく、発光領域（非酸化領域あるいは電流狭窄部あるいは出射ビーム）寸法および形状、横モード制御が難しく、また発振しきい値、光出力などのレーザ特性の「ばらつき」が生じ易いという問題がある。
【００７９】
これに対して、本実施形態によれば、面方位の酸化速度に応じて、プロトン注入領域１５のパターン寸法や配置を工夫することにより補正できる。上記具体例と同様のメサ寸法４５μｍ角で、５μｍ角の電流狭窄部１４を選択酸化により形成する場合には、図８（ａ）乃至（ｄ）に表したように、プロトン注入領域１５の幅を、酸化速度の速い方位に対しては４μｍ〜６μｍの２μｍ幅とし、酸化速度の遅い方位に対しては５μｍ〜６μｍの１μｍ幅とすればよい。すなわち、プロトン注入領域１５のパターン幅を、異方性酸化速度に合わせて設定する。
【００８０】
このとき、被酸化層６ａすなわちＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層に注入されるプロトン濃度を１×１０^１８／ｃｍ^３となるようにイオン注入を行ったものに、選択酸化プロセスを施したとき、従来例よりも電流狭窄部１４の異方性は緩和され、所望の正方形の形状および寸法の電流狭窄部１４が得られる。より具体的には、プロトン注入領域１５のパターンを調節することにより、異方性酸化による電流狭窄部１４の形状の歪みは、従来法では縦と横で０．７μｍの寸法差を生じていたものが、本実施形態においては０．１μｍに低減された。
【００８１】
また、基板１として、通常の（１００）面などの面方位の基板から任意の角度傾斜させた傾斜基板１を用いた場合、異方性酸化による形状の歪みはさらに顕著になる。例えば、円形のメサ構造では、図９（ａ）に表したように開口部（電流狭窄部１４）の形状は、歪んだひし形になる（ここでの傾斜角は、例えば１０°程度である）。
【００８２】
これに対して、本実施形態においては、まず、傾斜基板における各面方位の酸化速度を求め、所望の寸法および形状が得られるようにプロトン注入領域１５のパターンを決定することができる。
【００８３】
図９（ｂ）は、傾斜基板を用いた場合のプロトン注入領域１５のパターンを例示する平面図である。このパターンを用いて、被酸化層６ａのプロトン注入部分１６に所望の濃度が得られる条件でイオン注入処理後、メサ側面から選択酸化プロセスを行う。その結果として、図９（ｃ）に表したように、所望の正方形の形状および寸法の電流狭窄部１４が得られる。例えば、従来例（図９（ａ））においては縦と横で約１．１μｍの寸法差を生じていたものが、本実施形態（図９（ｃ））においては縦と横の寸法差を０．１μｍにまで低減できる。
【００８４】
このとき酸化速度の制御性を高くするためには、被酸化層６ａのプロトン注入部分１６のプロトン濃度および寸法について、濃度１×１０^１７／ｃｍ^３以上の領域を幅１〜１０μｍに亘って設けることが好適であり、また酸化時間および素子抵抗を増大させないためにも好適な条件となることが分かった。
【００８５】
次に、図１に表した本実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法について、具体的に説明する。
【００８６】
はず、洗浄された厚さ４００μｍの直径３インチ、面方位（１００）のｎ型ＧａＡｓ基板１の上に、ＭＯＣＶＤ装置を用いてｎ型の半導体多層膜反射鏡２、クラッド層３、半導体活性層４、クラッド層５、電流狭窄部１４となる被酸化層６ａ、ｐ型の半導体多層膜反射鏡６、コンタクト層７を順次成長する。
【００８７】
一例として、半導体活性層４とクラッド層３及び５よりなる共振器の上下に半導体多層膜反射鏡２及び６を配置したものを基本構造とし、１．３μｍ帯のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザを形成する具体例について説明する。
【００８８】
この場合には、半導体多層膜反射鏡２は、波長１．３μｍの光学波長１／４の厚さでｎ型ＧａＡｓ層（高屈折率層）とｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（０＜ｙ＜１）（低屈折率層）が交互に積層された構造とする。本具体例では、Ａｌ組成ｙ＝０．９４のＡｌ_０．９４Ｇａ_０．０６Ａｓ層を低屈折率層として用いることができる。
【００８９】
また、半導体多層膜反射鏡２のｎ型ドーパントとして、シリコン（Ｓｉ）を用い、ドーパント濃度は、２×１０^１８／ｃｍ^３とすることができる。クラッド層３はｎ型ＧａＩｎＰとする。
【００９０】
半導体活性層４は、発光ピーク波長が１．３μｍとなるように調整したＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）層と、バリヤ層としてＧａＡｓ層を交互に積層した量子井戸構造とする。ここでは、Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）層を中心とし、その上下にＧａＡｓ層を積層した３層構造とする。量子井戸層であるＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）層のＩｎ組成は３０％〜３５％、窒素（Ｎ）組成は０．５％〜１．０％とし、厚さは７ｎｍとする。
【００９１】
このＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）層の格子定数は、ｎ型ＧａＡｓ基板１よりも大きくなるようように組成を制御し、約２．５％の圧縮歪を内在する組成Ｇａ_０．６６Ｉｎ_０．３４Ａｓ_０．９９Ｎ_０．０１とする。このように歪を導入すると、レーザの微分利得係数が増大し、無歪の場合に比較して、しきい電流値を一層低減することができる。
【００９２】
クラッド層５は、ｐ型ＧａＩｎＰとする。また、半導体多層膜反射鏡６は、波長１．３μｍの光学波長１／４の厚さでｐ型ＧａＡｓ層（高屈折率層）とｐ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（０＜ｙ＜１）（低屈折率層）が交互に積層された構造とすることができる。ｎ型半導体多層膜反射鏡２と同様に、Ａｌ組成ｙ＝０．９４のＡｌ_０．９４Ｇａ_０．０６Ａｓ層を低屈折率層に用いることができる。
【００９３】
また、半導体多層膜反射鏡６のｐ型ドーパントとしては、炭素（Ｃ）を用い、そのドーパント濃度は、２×１０^１８／ｃｍ^３（量子井戸層３付近）〜１×１０^１９／ｃｍ^３（コンタクト層７付近）というように、深さ方向に変化させる。
【００９４】
被酸化層６ａは、半導体多層膜反射鏡６を構成するＡｌＧａＡｓ層のうちのいずれか１層または複数の層のＡｌ組成比ｘをより大きくすることにより形成する。具体的には、被酸化層６ａとしては、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＞０．９８）を用いることができる。本具体例においては、ＡｌＡｓ層を用いる。コンタクト層７はｐ型ＧａＡｓとし、ｐ型ドーパントとして、Ｃ（炭素）を用い、ドーパント濃度は、２×１０^１９／ｃｍ^３とした。
【００９５】
次に、フォトリソグラフィとエッチング工程によりｎ型半導体多層膜反射鏡２の上部までエッチングを行い、メサ１００を形成する。具体的には、例えば、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）プラズマドライエッチング装置により、三塩化ボロン・窒素混合ガスによるエッチング処理を行う。このとき、アンテナ出力、バイアス出力、基板温度を調整することで、異方性エッチングが生じる条件によりメサ１００を形成する。ここでは、電流狭窄部１４を５μｍ角の形状とする面発光型半導体レーザの作製を行うため、４５μｍ角のメサ１００が得られるように、垂直にエッチングを行う。
【００９６】
次に、プロトン注入領域１５を形成する。ここでは、ＳｉＯ_２膜８およびレジストパターンをインプラマスクに使用し、プロトンのインプラ注入を行う。次の工程の選択酸化において、この工程で形成した被酸化層６ａのプロトン注入部分１６において、酸化速度はプロトン濃度に比例して大きく減速する。図４（ａ）に関して前述したように、基板温度４００℃におけるＡｌＧａＡｓ層６ａの酸化速度のプロトン濃度依存性を見ると、プロトン濃度が１×１０^１７／ｃｍ^３以上では、酸化速度は１／３以下に低下する。
【００９７】
１×１０^１７／ｃｍ^３〜１×１０^１８／ｃｍ^３程度のプロトン濃度では、半導体多層膜反射鏡６の炭素（Ｃ）のドープ濃度に比べて低く、注入領域は殆ど高抵抗化しない。つまり、プロトンが注入された部分においてプロトンの濃度を所定の範囲に制御すれば、被酸化層６ａの酸化速度を制御でき、かつ素子抵抗は高くはならない。また、プロトン注入工程では、加速電圧により、プロトンの侵入深さ、分布の制御、またドーズ量により、電流狭窄部１４に重複するプロトン濃度の制御が可能である。
【００９８】
具体的には、被酸化層６ａ、ＡｌＡｓ層（ここでは、表面から深さ２．６μｍに位置する）のイオン注入領域１６のプロトン濃度が１×１０^１８／ｃｍ^３になるように、加速電圧を３２０ｋｅＶ、ドーズ量を５×１０^１３／ｃｍ^２としてイオン注入を行う。また、ここで、寸法および異方性酸化を制御するためのプロトン注入領域パターンを適宜用いることができる。
【００９９】
次に、水蒸気雰囲気中で４００℃〜４５０℃の熱処理を行い、被酸化層６ａをメサ１００の側面から横方向に選択酸化して酸化領域６００を形成する。このとき、プロトン注入領域１５を有するので、メサ１００の側壁から発光領域１３に向かって横方向に酸化される際に、被酸化層６ａのプロトン注入部分１６において酸化速度はプロトン濃度に比例して大きく減速し、酸化時間を調整することで、酸化はプロトン注入領域内において停止し、所望の電流狭窄寸法および形状が得られる。
【０１００】
従来型の選択酸化プロセスでは、酸化速度の再現性の問題に加え、基板面内においても寸法バラツキが生じるために酸化長の寸法の均一性は悪い。これに対して、本具体例の素子について、電流狭窄寸法の面内バラツキ（３インチウェハ面内）を評価した結果、３σ値は、従来型に比べ、約４０％の改善が見られ、面内寸法バラツキに対しても、大きな効果があることが示された。また異方性酸化による形状の歪みも、縦と横の寸法差が約０．７μｍから約０．１μｍに低減された。
【０１０１】
次に、ポリイミド１１を用いてメサエッチング部１２を埋め込み、その上に、ボンディングパッド１７を形成する。次に、配線部１８が形成されるべき部分と光取り出し口となるｐ型半導体多層膜反射鏡６上の絶縁膜８を除去し、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層７上にｐ側電極９を形成する。このときボンディングパッド１７とｐ側電極９とをつなぐ配線１８を同時に形成し、その後、基板裏面にはｎ側電極１０を形成する。
【０１０２】
このようにして作製した面発光型半導体レーザにおいて、波長１．３μｍで活性層の圧縮歪導入の効果により低しきい電流密度（１ｋＡ／ｃｍ^２）での室温連続発振が得られ、高温での特性も良好であった。また異方性酸化により生じる非酸化領域、出射ビームパターンの形状が改善され、所望のビームパターン形状が得られた。この結果、横モードの安定化が図れた。また面内全域にわたり再現性良く、寸法および形状は均一化され、単一モード発振、しきい値、光出力等のレーザ特性も、均一化され、高性能な面発光半導体レーザ素子の量産性が向上した。特に電流狭窄部１４が囲むビーム径の寸法が、目標値に対する寸法の変動率が大きくなる１０μｍ以下の場合、寸法の制御性、再現性、均一性の向上を図る上で本発明は有効となることがわかった。
【０１０３】
図１０は、本実施形態の変形例の面発光型半導体レーザを表す模式図である。すなわち、同図は、図１（ｂ）に対応する断面図である。
【０１０４】
図１（ｂ）に表した構造の場合、上部電極９の開口径が、電流狭窄部１４と同等または大きく、上部電極９の先端は、プロトン注入領域１５の上に設けられている。
【０１０５】
これに対して、本変形例においては、上部電極９開口径が、電流狭窄径１４よりも小さく、上部電極９の先端は、プロトン注入領域１５よりも内側の発光領域の上まで延在している。このようにしても、注入したプロトン濃度は、コンタクト抵抗や電流狭窄経路の変化を与えるほど大きくないため、図１の構造の素子と同様に本発明の効果は得られる。
【０１０６】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【０１０７】
図１１は、本発明の第２の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの模式図であり、同図（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ’−Ａ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ’−Ｂ線断面図である。図１１については、図１乃至図１０に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１０８】
本実施形態においては、第１の半導体多層膜反射鏡６及び半導体活性層４を含むメサ１００の周辺に、凹部１２０が設けられている。この凹部１２０により、メサ１００と隔てられて周辺部５０が形成されている。また、周辺部５０もメサ１００と同じ積層構造を有しており、メサ１００の表面とこの周辺部５０の表面とは、ほぼ同じ高さに形成されている。
【０１０９】
周辺部５０の上には、周辺電極９ｂが形成されている。そしてコンタクト電極９と周辺電極９ｂとは、配線部１８によって繋がれている。また、周辺電極９ｂとボンディングパッド１７とは、配線部９ａにより繋がれている。
【０１１０】
一方、コンタクト層７の上には、例えばシリコン窒化膜からなる表面保護膜８が設けられている。
【０１１１】
このような面発光型半導体レーザは、矢印１９により表したように、コンタクト電極９から第１の半導体多層膜反射鏡６を介して発光領域１３に電流を注入することで発光する。
【０１１２】
この面発光型半導体レーザは、コンタクト電極９とボンディングパッド１７とこれらを結ぶ配線部９ａとが、ほぼ同一レベルで形成されていて、平坦化処理を必要としない構造となっている。このため、配線の「段切れ」を防ぐことができるという利点を有する。
【０１１３】
また、図１１（ｃ）に表したように、コンタクト電極９と周辺電極９ｂとを繋ぐ配線部１８の下層に、プロトン注入により形成された高抵抗領域１５０を設けることにより、矢印２２で表したような電流パスによる電流成分を遮断できる。したがって、この面発光型半導体レーザでは、矢印１９で表した電流パスによってのみ電流を流すことができ、極めて効率よく電流狭窄することができ、低しきい値化、高速応答性、量産性の向上が可能となる。
【０１１４】
また、この面発光型半導体レーザは、引張応力を有する膜８を設けることで、選択酸化プロセス等の熱プロセスに伴い発生する圧縮応力が、活性層やメサ構造中心部へ印加されることを緩和できる。またさらに、被酸化層６ａへのプロトン注入により、酸化領域の異方性酸化形状を補正できるため、界面での亀裂や破損が抑制され、選択酸化プロセス後の熱プロセスに対しての耐性も高まり、素子の信頼性の向上、長寿命化が可能となる。
【０１１５】
また、出射ビームパターンの寸法および形状の制御性、均一性、再現性が高まり、発振しきい値、光出力、横モード制御など、レーザ特性についても、素子間のばらつきが抑えられ、高性能な面発光型半導体レーザ素子の量産性が向上する。
【０１１６】
次に、この面発光型半導体レーザの作製方法について具体的に説明する。
【０１１７】
先ず、ＧａＡｓ基板１の上に、半導体積層構造を成長させる。その詳細は、第１実施形態に関して前述したものと同様にすることができる。
【０１１８】
次に、パターン形成用のエッチングマスク膜８として、Ｓｉ_３Ｎ_４膜を形成する。この際に、原料ガス、ＳｉＨ_４、ＮＨ_３、Ｎ_２の圧力、流量を調整することによって膜応力を制御し、１５０ＭＰａの引張応力を有する膜として形成した。膜８の引張応力の値は、水蒸気酸化プロセスにおいてエッチングマスク膜８とＧａＡｓ基板１との間で発生する熱応力（ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ）σ_Ｔを考慮して決定する。
【０１１９】
例えば、水蒸気酸化プロセス温度を４２０℃に設定した場合、Ｓｉ_３Ｎ_４膜（Ｅ_Ｆ＝１６０ＧＰａ， α_Ｆ＝２．７×１０^−７／Ｋ）と基板のＧａＡｓ（α_Ｓ＝６．０×１０^−６／Ｋ）との間では、σ_Ｔ＝−１５８ＭＰａの圧縮応力が発生する。つまり、基板１に対して圧縮応力が印加される。そこで、この圧縮応力を緩和するために、引張応力を有する膜８を形成し、活性層４に印加される圧縮応力を緩和し、熱耐性を高める。またさらに、エッチングマスク膜８として、引張応力を有する膜を形成することで、Ａｌを高濃度に含む被酸化層６ａの酸化に伴う体積収縮により印加される活性層４、メサ構造１００中心部への圧縮応力も緩和され、界面での亀裂や破損が抑えられ、選択酸化プロセス後の熱プロセスに対しても耐性が高まることで、素子の信頼性の向上、長寿命化が図れる。
【０１２０】
一方、従来例で多く用いられているエッチングマスク膜の材料であるＳｉＯ_２薄膜（Ｅ_Ｆ＝７４ＧＰａ， α_Ｆ＝０．４×１０^−６／Ｋ）を用いる場合、水蒸気酸化プロセスにおいて、エッチングマスク膜８とＧａＡｓ基板１との間で発生する熱応力σ_Ｔ＝−１２４ＭＰａ の圧縮応力に加え、成膜時の応力も−２００ＭＰａ程度の圧縮応力を有する膜になりやすい。従って、水蒸気酸化プロセスおよびプロセス後において、活性層へ印加される圧縮応力は更に増大し、熱耐性も弱くなってしまう。
【０１２１】
次に、プロトン注入領域１５を形成する。ここでは、Ｓｉ_３Ｎ_４膜８およびレジストをインプラマスクに使用し、アイソレーション用パターン１５０および選択酸化制御用のプロトン注入領域１５を形成する。
【０１２２】
次に、イオン注入装置により、アイソレーション用パターン部１５０には、加速電圧１００、２００、３００ｋｅＶ、ドーズ量それぞれ１×１０^１５／ｃｍ^２を照射して、プロトンを注入し、高抵抗領域１５０を形成する。このとき、深さ０．５〜２．５μｍ域に均一にプロトンは分布し、深さ約４μｍ付近まで高抵抗されている（本実施例では、表面から活性層までの深さは約３μｍである）。
【０１２３】
また、選択酸化制御用のプロトン注入領域１５については、被酸化層６ａ、ＡｌＡｓ層（表面から深さ２．６μｍ）のイオン注入領域のプロトン濃度が１×１０^１８／ｃｍ^３になるように、加速電圧を３２０ｋｅＶ、ドーズ量を５×１０^１３／ｃｍ^２とした条件でイオン注入を行った。選択酸化制御用のプロトン注入領域１５のプロトンインプラ条件では、注入領域は高抵抗されない濃度である。しかし、図４（ａ）に表したＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層の酸化速度のプロトン濃度依存性からわかるように、酸化速度は１／３以下に低下する。
【０１２４】
したがって、選択酸化層６ａの酸化速度を制御でき、かつ素子抵抗も高くはならない。また、ここで、異方性酸化を抑制するためにプロトン注入領域パターンを適宜設定してもよい。
【０１２５】
次に、ｐ側電極９と光取り出し口２３の部分のエッチングマスク膜８を除去し、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層上にｐ側電極９、また保護膜８の上に、配線部９ａ、周辺電極９ｂ、配線部１８、ボンディングパッド１７をパターニング形成する。
【０１２６】
次に、同様のフォトリソグラフィ工程によりエッチングマスク膜８にメサパターンを形成し、ｎ型半導体多層膜反射鏡２の上部までエッチングを行い、凹部１２０とそれに囲まれたメサ１００を形成する。メサパターンは、前述の如くＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）プラズマドライエッチング装置により、三塩化ボロン・窒素混合ガスによるエッチング処理を行うことができる。
【０１２７】
またこのとき、アンテナ出力、バイアス出力、基板温度を調整することで、異方性エッチングが生じる条件とする。ここでは、電流狭窄部１４をφ５μｍの円形とする面発光型半導体レーザの作製を行うため、メサ１００をφ４５μｍの円柱形状とするエッチングを行う。
【０１２８】
次に、水蒸気雰囲気中で４００℃〜４５０℃の熱処理を行い、被酸化層６ａをメサ側面の露出部から横方向に選択酸化し酸化領域６００を形成する。このとき、側面からの酸化長を２０μｍとし、５μｍ径の電流狭窄部（非酸化領域）１４を形成することができる。本具体例によれば、プロトン注入部分１６を設けることにより、従来方式に比べて、電流狭窄部１４の面内寸法バラツキ（３インチウェーハ面内）の３σ値で、約４０パーセントの改善が見られた。
【０１２９】
また、異方性酸化による形状の歪みも、縦方向と横方向とで従来は０．７５μｍの寸法差が生じていたものが、本具体例においては０．１μｍに低減された。また、本具体例においては対称性の高い酸化領域６００が形成されるため、被酸化層６ａの体積収縮により活性層とメサ構造中心部に印加される圧縮応力は、より等方的に印加されることになる。
【０１３０】
次に、基板裏面にｎ側電極１０を形成し、レーザの要部が完成する。
【０１３１】
このようにして作製された面発光型半導体レーザは、波長１．３μｍで活性層４の圧縮歪導入の効果に加え、配線パス下にプロトン注入による高抵抗領域１５０を形成することにより、リーク電流２２が阻止され、低しきい電流密度、単一モードの室温連続発振が得られ、高温での特性も良好であった。
【０１３２】
また本実施形態における構造は、コンタクト電極９、配線部１８、周辺電極９ｂ、配線部９ａ、ボンディング・パッド１７がほぼ同一レベルで形成されているので、段切れがなく、且つ量産性にも優れる面発光半導体レーザを提供できるという利点も有する。
【０１３３】
また、第１実施形態に関して前述したものと同様に異方性酸化により生じる電流狭窄部１４、出射ビームパターンの寸法および形状が改善され、所望のビームパターン寸法および形状が得られる。さらに、対称性の高い酸化領域が形成されるため、選択酸化プロセスにおける活性層、メサ構造中心部への圧縮応力の印加は等方的になる。また、引張応力を有する膜（８）の形成により、圧縮応力は等方的に緩和されるので、界面での亀裂や破損が抑制され、選択酸化プロセス後の熱プロセスに対しての耐性も高まり、素子の信頼性の向上、長寿命化が可能となる。特に、歪の大きい量子井戸層Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、≦ｙ＜１）を活性層に用いた面発光型レーザに対して、本発明の効果は大きい。
【０１３４】
また、出射ビームパターンの寸法および形状の制御性、均一性、再現性が高まり、発振しきい値、光出力、横モード制御など、レーザ特性についても、素子間のばらつきが抑えられ、高性能な面発光型半導体レーザ素子の量産性が向上した。特に、ビーム径を１０μｍ以下とする場合、目標値に対する寸法の変動率が大きくなるが、本実施形態によれば、寸法の制御性、再現性、均一性の向上を図ることができる。
【０１３５】
図１２は、本実施形態に変形例の面発光型半導体レーザを表す模式図である。すなわち、同図（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ’−Ａ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ’−Ｂ線断面図である。図１２については、図１乃至図１１に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１３６】
本変形例においては、配線部１８の下に空洞２００が設けられている。すなわち、図１１に表したレーザの場合、メサ領域外へのリーク電流２２を阻止するために、ｐ側電極の配線部１８の下にプロトン注入により高抵抗領域１５０を設けた。これに対して、本変形例においては、この代わりに空洞２００を設ける。このようにしても、横方向のリーク電流２２を阻止できる。
【０１３７】
この場合、水蒸気酸化プロセス後、アイソレーション用のレジストパターンを形成し、ＳＨ（硫酸と過酸化水素水の混合液）溶液処理によりｐ側電極の配線部１８の下のＧａＡｓコンタクト層７と上部半導体多層膜反射鏡６をエッチングにより除去し、空洞２００を形成することができる。配線部１８の下には空洞２００を形成することにより、擬似メサ領域１００の外側へのリーク電流２２を完全に遮断することができる。
【０１３８】
以上、図１乃至図１２を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これら具体例に限定されるものではない。
【０１３９】
例えば、上記具体例においては、活性層４として、Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）を用いて説明したが、それに限らず、ＩｎＧａＡｌＰ系、ＡｌＧａＡｓ系やＩｎＧａＡｓＰ系など、様々な材料を用いることもできる。
【０１４０】
クラッド層３及び５、半導体多層膜反射鏡２及び６も、様々な材料を用いることもできる。例えば、半導体多層膜反射鏡２及び６としては、ＡｌＧａＡｓ層とＧａＡｓ層の積層構造に限らず、Ａｌを含まない屈折率の大きい材料と小さい材料の積層構造も可能である。また、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＧａＰＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ、ＧａＰ／ＧａＩｎＮＡｓ等の組合せを用いることができる。
【０１４１】
また、半導体層の成長方法についても、ＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）法等を用いることもできる。また、上述の具体例では、積層構造として３重量子井戸構造の例を示したが、その他の量子井戸を用いた構造等を用いることもできる。
【０１４２】
また、被酸化層６ａが１層である場合を説明したが、複数層である場合も同様な効果を得ることができる。
【０１４３】
また、電流狭窄部１４の平面形状として、本具体例では、主に正方形とした場合を挙げたが、円や長方形、楕円などの形状においても寸法や形状制御を行えることは明らかである。
【０１４４】
また、プロトン注入領域のパターンとして、上述の具体例では１〜２μｍ幅のパターンを形成する場合を挙げたが、所望の寸法精度やプロトン濃度に応じて、パターン幅を変えても、同様の効果が得られることは明らかである。またプロトン注入領域のパターン形状についても、所望の形状や用途に合わせて、好適なパターン形状にすることにより、大きな効果が得られる。またプロトン注入領域の表面からの深さについても、被酸化層６ａの位置や構造や所望のプロトン濃度に合わせて、イオン注入における加速電圧やドーズ量を調整することにより、大きな効果が得られることは明らかである。
【０１４５】
また、被酸化領域に注入するプロトン濃度についても、ここでは１×１０^１７／ｃｍ^３から１×１０^１８／ｃｍ^３の濃度を用いて説明したが、これよりも高濃度あるいは低濃度のプロトンを用いても、同様の効果が得られる。高濃度のプロトンを注入する場合、被酸化層６ａの酸化速度は大きく低下し、所望の位置で酸化の進行を抑制でき、電流狭窄部１４の寸法および形状の制御性はさらに高くなるため好適である。
【０１４６】
但し、半導体多層膜反射鏡２、６のドーパント濃度よりも、プロトンを高濃度に注入する場合、注入領域は、高抵抗化し、電流が流れにくくなるため、選択酸化による電流狭窄部１４に電流が流れやすく、絞り込まれるように、注入領域１５および上部電極９や光取り出し部２３の位置や大きさを工夫する必要がある。
【０１４７】
この点に関しては、例えば、図１０に表したように、上部電極９の開口径が、電流狭窄部径１４よりも小さく、プロトン打ち込み領域１５よりも内側に延在させると、１×１０^１８／ｃｍ^３より高濃度のプロトンを導入することができる。
【０１４８】
また、上述の具体例では、被酸化層６ａとして、ＡｌＡｓ層を用いたが、Ａｌ組成比の大きいＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＞０．９５）を用いても同様に、プロトン濃度に応じ、水蒸気酸化プロセスにおいて酸化速度は同程度に低下し、本発明と同様の効果が得られる。
【０１４９】
その他、当業者が適宜設計変更したすべての面発光型半導体レーザも、本発明の要旨を備える限り、本発明の範囲に包含される。
【０１５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、選択酸化における酸化長及び電流狭窄（非酸化）領域の寸法および形状の制御性を高めることによって、基板面内の均一性及び再現性が向上し、レーザ特性の素子間のバラツキを抑制した、量産性の高い、高性能な面発光型半導体レーザを提供することができる。
【０１５１】
また、選択酸化における異方性酸化形状およびメサ部に発生する応力を補正することにより、素子の耐熱性も高まり、素子の信頼性の向上、長寿命化が可能となる。
【０１５２】
すなわち、本発明によれば、高性能で高信頼性を有する面発光型半導体レーザを量産することができ、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの構造を表す模式図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図であり、（ｃ）は、（ｂ）の電流狭窄部１４付近を拡大した断面図である。
【図２】本発明の実施形態において被酸化層６ａを酸化する工程を表した工程断面図である
【図３】Ａｌを高濃度に含むＡｌＧａＡｓ層を水蒸気酸化したときの酸化時間に対する酸化長の変化を表すグラフ図である。
【図４】Ａｌを高濃度に含むＡｌＧａＡｓ層を水蒸気酸化したときの含有プロトン濃度に対する酸化速度の依存性を表すグラフ図である。
【図５】レーザの電流狭窄部１４の全体にプロトンを導入した具体例を表す模式図である。
【図６】プロトン注入領域が設けられた面発光型半導体レーザの一例を表す模式図である。
【図７】プロトン注入領域１５を設けずに円柱状のメサ１００をその側面から酸化したときの酸化領域６００及び電流狭窄部１４の形状の酸化時間に対する変化、異方性酸化の様子を例示した断面図である。
【図８】プロトン注入領域１５のパターン幅を、異方性酸化速度に合わせて設定した例を表す模式図である。
【図９】（ａ）は、プロトン注入領域を設けない場合の電流狭窄部１４の形状を例示する平面図であり、（ｂ）は、傾斜基板を用いた場合のプロトン注入領域１５のパターンを例示する平面図であり、（ｃ）は、所望の正方形の形状および寸法の電流狭窄部１４を表す平面図である。
【図１０】本発明の第１実施形態の変形例の面発光型半導体レーザを表す模式図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの模式図であり、同図（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ’−Ａ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ’−Ｂ線断面図である。
【図１２】第２実施形態に変形例の面発光型半導体レーザを表す模式図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 半導体多層膜反射鏡
３ クラッド層
４ クラッド層
４ 活性層
５ クラッド層
６ 半導体多層膜反射鏡
６ａ 被酸化層
７ コンタクト層
８ エッチングマスク膜（保護膜）
９ ｐ側電極
９ａ 配線部
９ｂ 周辺電極
１０ ｎ側電極
１１ ポリイミド
１２ エッチング領域
１３ 発光領域
１４ 電流狭窄部
１５ プロトン注入領域
１６ プロトン注入部分
１７ ボンディングパッド
１８ 配線部
２１ 酸化領域
２２ リーク電流
５０ 周辺部
１００ メサ
１２０ 凹部
１５０ 高抵抗領域
２００ 空洞
６００ 酸化領域

Claims (10)

1. 被酸化層を含むメサの側面から前記被酸化層の酸化を進行させて形成した酸化領域を設けることにより前記被酸化層の酸化されていない部分に電流を狭窄させる面発光型半導体レーザであって、
   前記被酸化層は、前記酸化されていない部分を実質的に取り囲む位置に、プロトンが注入されたプロトン含有領域を有することを特徴とする面発光型半導体レーザ。
2. 第１及び第２の反射鏡と、
   前記第１及び第２の反射鏡の間に設けられた活性層と、
   酸化されていない部分と、前記酸化されていない部分の周りに設けられ酸化された酸化領域と、を有する被酸化層と、
   を備え、前記酸化されていない部分に電流を狭窄し、前記第１及び第２の反射鏡の間でレーザ発振する面発光型半導体レーザであって、
   前記被酸化層は、前記酸化されていない部分を実質的に取り囲む位置に、プロトンが注入されたプロトン含有領域を有することを特徴とする面発光型半導体レーザ。
3. 基板と、
   前記基板の上に設けられ発光領域を有する活性層と、
   前記活性層を挟持し、前記基板に対して垂直方向の共振器を構成する第１及び第２の半導体多層膜反射鏡と、
   前記活性層に電流を注入するための一対の電極と、
   前記活性層の上または下に設けられた被酸化層と、
   を備え、
   前記被酸化層を含むメサが形成され、
   前記被酸化層は、前記メサの側面から前記発光領域の近傍に至る抵抗の高い酸化領域と、前記酸化領域に囲まれ抵抗の低い酸化されていない部分と、前記酸化されていない部分を実質的に取り囲む位置に設けられプロトンが注入されたプロトン含有領域と、を有することを特徴とする面発光型半導体レーザ。
4. 前記プロトン含有領域は、前記酸化領域と前記酸化されていない部分との境界付近に選択的に設けられ、前記酸化されていない部分の中央付近には設けられておらず、
   前記一対の電極のうちで前記活性層の上に設けられた電極は、前記活性層から放出される光を外部に放出するための開口を有し、
   前記開口は、前記酸化されていない部分のうちで前記プロトン含有領域よりも内側の部分よりも大なることを特徴とする請求項３記載の面発光型半導体レーザ。
5. 前記プロトン含有領域は、前記酸化領域と前記酸化されていない部分との境界付近に選択的に設けられ、前記酸化されていない部分の中央付近には設けられていないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
6. 前記プロトン含有領域は、前記酸化されていない部分の全体に亘って設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
7. 前記プロトン含有領域におけるプロトンの濃度は、１×１０^１８／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
8. 前記活性層に対して膜面に沿った方向に引っ張り応力を与える膜をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
9. 被酸化層の一部を酸化させて形成した酸化領域を設けることにより前記被酸化層の酸化されていない部分に電流を狭窄させる面発光型半導体レーザの製造方法であって、
   前記被酸化層にプロトンを選択的に導入してプロトン含有部を形成する工程と、
   前記被酸化層の端部から前記プロトン含有部に至るまで酸化を進行させることにより前記酸化領域を形成する工程と、
   を備えたことを特徴とする面発光型半導体レーザの製造方法。
10. 前記プロトン含有領域におけるプロトンの濃度は、１×１０^１８／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項９記載の面発光型半導体レーザの製造方法。

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