JP2007150177A - 面発光型半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】面発光型半導体レーザにおいて、静電破壊を防止して、コスト低減を図ることにある。
【解決手段】本発明にかかる面発光型半導体レーザ１００は、基板１０１と、前記基板の上方に形成された第１ミラー１０２と、前記１ミラーの上方に形成された活性層１０３と、前記活性層の上方に形成された第２ミラー１０４と、を有する発光素子部１６０と、前記基板の上方に形成され、前記第１ミラー、前記活性層、および前記第２ミラーと共通の層からなる支持部１６３と、前記支持部の上方に形成された半導体層１１６、１１７、１１８と、を有する整流素子部１７０と、を含み、前記発光素子部が発光する光の設計波長をλ、当該光に対する前記半導体層の屈折率をｎとした場合に、前記半導体層の膜厚は、λ／４ｎの奇数倍である。
【選択図】図２

Description

本発明は、面発光型半導体レーザに関する。

面発光型半導体レーザは、従来の端面発光型半導体レーザに比べて素子の体積が小さいため、素子自体の静電破壊耐圧が低い。このため、実装プロセスにおいて、機械又は作業者から加えられた静電気によって素子がダメージを受けることがある。特に、面発光型半導体レーザなどの面発光型装置は、順バイアスの電圧にはある程度の耐性を有するが、逆バイアスの電圧には耐性が低く、逆バイアスの電圧が印加されることによって素子が破壊されることがある。通常、実装プロセスでは、静電気を除去するためにさまざまな対策が施されるが、それらの対策には限界がある。
特開２００４−６５４８号公報

本発明の目的は、面発光型半導体レーザにおいて、静電破壊を防止して、かつコスト低減を図ることにある。

本発明にかかる面発光型半導体レーザは、
基板と、
前記基板の上方に形成された第１ミラーと、前記１ミラーの上方に形成された活性層と、前記活性層の上方に形成された第２ミラーと、を有する発光素子部と、
前記基板の上方に形成され、前記第１ミラー、前記活性層、および前記第２ミラーと共通の層からなる支持部と、前記支持部の上方に形成された半導体層と、を有する整流素子部と、を含み、
前記発光素子部が発光する光の設計波長をλ、当該光に対する前記半導体層の屈折率をｎとした場合に、前記半導体層の膜厚は、λ／４ｎの奇数倍である。

本発明にかかる面発光型半導体レーザにおいて、
前記第１ミラーおよび第２ミラーは、半導体多層膜を含む分布ブラッグ反射型ミラーからなり、
前記半導体多層膜に含まれる各膜の膜厚は、λ／４ｎの奇数倍であってもよい。

このように半導体多層膜に含まれる各膜の膜厚を、λ／４ｎの奇数倍にすることによって、成膜後にフォトルミネッセンス検査を行い、整流素子部を構成するための半導体層が設計通りに成膜されているか否かを判断することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

１．光素子の構造
図１は、本発明を適用した実施の形態に係る面発光型半導体レーザ１００を模式的に示す断面図である。本実施の形態にかかる面発光型半導体レーザ１００は、図１に示すように、整流素子部１７０と、発光素子部１６０と、発光素子部１６０と整流素子部１７０とを並列接続するための第１接続電極１４１および第２接続電極１４２と、を含む。発光素子部１６０および整流素子部１７０は、同一基板（半導体基板１０１）上に形成されている。

以下、発光素子部１６０、整流素子部１７０、および全体の構成について説明する。

１．１．発光素子部
発光素子部１６０は、垂直共振器を有する。また、この発光素子部１６０は、柱状の半導体堆積体（以下「柱状部」とする）１６２を含むことができる。

発光素子部１６０は、第１ミラー１０２と、活性層１０３と、第２ミラー１０４と、コンタクト層１０６とを有する。第１ミラーとしては、例えば、ｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層とを交互に積層した４０ペアの分布ブラッグ反射型ミラー（ＤＢＲ）を用いることができる。活性層１０３としては、ＧａＡｓウエル層とＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓバリア層からなり、ウエル層が３層で構成される量子井戸構造を適用することができる。第２ミラー１０４としては、ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層とを交互に積層した２５ペアの分布反射型多層膜ミラーを用いることができる。コンタクト層１０６としては、たとえばｐ型ＧａＡｓ層を用いることができる。なお、上述した各層の組成および層数はこれに限定されるわけではない。

第２ミラー１０４は、たとえば炭素（Ｃ）がドーピングされることによりｐ型にされ、第１ミラー１０２は、たとえばケイ素（Ｓｉ）がドーピングされることによりｎ型にされている。したがって、ｐ型の第２ミラー１０４、不純物がドーピングされていない活性層１０３、およびｎ型の第１ミラー１０２により、ｐｉｎダイオードが形成される。

さらに、第２ミラー１０４を構成する層のうち活性層１０３に近い領域に、ＡｌＧａＡｓ層を側面から酸化することにより得られる電流狭窄層１０５が形成されている。この電流狭窄層１０５は、柱状部１６２の周縁に沿ったリング状の平面形状を有することができる。

また、発光素子部１６０は、さらにｐ型の第４電極１２１とｎ型の第５電極１２２とを有する。第４電極１２１は、コンタクト層１０６上に設けられている。第４電極１２１は、たとえばリング状に形成され、開口部は、レーザ光の出射面１０８として機能する。第５電極１２２は、第１ミラー１０２上、かつ第２接続電極１４２の下に柱状部１６２を取り囲むように設けられている。この第４電極１２１および第５電極１２２は、発光素子部１６０を駆動するために使用される。

１．２．整流素子部
整流素子部は、整流作用を有するｐｎ接合ダイオードやショットキー障壁ダイオードなどの接合ダイオードからなることができる。

整流素子部１７０は、半導体基板１０１側から順に配置された第１半導体層１１６と、第２半導体層１１７と、第３半導体層１１８と、第１電極１３１ａと、第２電極１３１ｂと、第３電極１３２とを有する。

ここで整流素子部１７０は、の支持部１６３上面に形成される。支持部１６３は、図２に示すように、第１ミラー１０２、第５半導体層１１３、および第４半導体層１１４、によって構成される。なお、支持部１６３は、酸化層１１５を含んでもよい。酸化層１１５は、上述した発光素子部１６０の電流狭窄層１０５を形成する際に同時に形成されたものである。

第１半導体層１１６と、第２半導体層１１７と、第３半導体層１１８とを合わせた膜厚ｔは、以下のように示される。
ｔ＝ｍλ／４ｎ
（λは発光素子部１６０が発光する光の設計波長、ｎは当該光に対する半導体層の屈折率、ｍは奇数とする。）この膜厚ｔについては、後で詳細に説明する。

第２半導体層１１７および第３半導体層１１８は、図２に示すように、第１半導体層１１６の一部の領域に形成される。第１電極１３１ａおよび第２電極１３１ｂは、第１半導体層１１６上における第２半導体層１１７および第３半導体層１１８が形成されていない領域に形成される。第１電極１３１ａは、第１半導体層１１６上の一方の端部に形成され、第２電極１３１ｂは、他方の端部に形成される。第３電極１３２は、第３半導体層１１８上に形成される。

第１半導体層１１６は、上述したコンタクト層１０６と同一組成からなる。第２半導体層１１７としては、たとえば不純物がドーピングされていないＧａＡｓ層を用いることができる。第３半導体層１１８としては、たとえばｎ型ＧａＡｓ層を用いることができる。

また、整流素子部１７０は、上述した第２ミラー１０４と同一組成からなる第４半導体層１１４を含んでもよい。即ち、第４半導体層１１４が接合ダイオードの一部として機能してもよい。

また整流素子部１７０は、活性層１０３と同一の組成を有する第５半導体層１１３、および第１ミラー１０２の上方に形成されている。このように、発光素子部１６０を形成するための層の上方に整流素子部１７０を形成することによって、整流素子部１７０と発光素子部１６０とをモノリシックに形成することが可能となる。

第１電極１３１ａと第２電極１３１ｂは、同一の機能を有する電極であり、互いに離れた位置に形成されている。また第１半導体層１１６は、平面視において、第１電極１３１ａと第２電極１３１ｂとを結ぶ仮想線上の領域の少なくとも一部を含まない領域に形成されている。即ち、第１半導体層１１６は屈曲しており、第１電極１３１ａと第２電極１３１ｂは、第１半導体層１１６上において反対側の端部に形成されている。

１．３．全体の構成
上述したように、発光素子部１６０と整流素子部１７０は並列接続されている。即ち、発光素子部１６０の第４電極１２１と、整流素子部１７０の第３電極１３２とが第１接続電極１４１によって電気的に接続され、発光素子部１６０の第５電極１２２と、整流素子部１７０の第１電極１３１ａおよび第２電極１３１ｂとが第２接続電極１４２によって電気的に接続されている。

また面発光型半導体レーザ１００において、発光素子部１６０の柱状部１６２と整流素子部１７０の柱状部１７４との間に絶縁層の一例としての樹脂層１４３が形成されている。かかる樹脂層１４３は、図２に示すように、第３電極１３２側から第４電極１２１側にかけて下方に傾斜した面を有する。

これにより、第１接続電極１４１が第４電極１２１と第３電極１３２との間に形成された段差を樹脂層１４３が被覆するため、第１接続電極１４１が直接的に複数の段差を乗り越えることによって断線することを防止することができる。

また面発光型半導体レーザ１００において、第１電極１３１ａおよび第２電極１３１ｂと第５電極１２２との間に絶縁層の一例としての樹脂層１４４が形成されている。かかる樹脂層１４４は、図２に示すように、第１電極１３１ａおよび第２電極１３１ｂ側から第５電極１２２側にかけて下方に傾斜した面を有する。

これにより、第２接続電極１４２が第５電極１２２と第１電極１３１ａおよび第２電極１３１ｂとの間に形成された段差を樹脂層１４４が被覆するため、第２接続電極１４２が直接的に複数の段差を乗り越えることによって断線することを防止することができる。

２．光素子の製造方法
本発明を適用した実施の形態の面発光型半導体レーザ１００の製造方法の一例について、図３〜図１０を用いて説明する。図３〜図１０は、面発光型半導体レーザ１００の製造工程を示す図であり、図２に対応している。

（１）まず、ｎ型ＧａＡｓ層からなる半導体基板１０１の表面に、組成を変調させながらエピタキシャル成長させることにより、図３に示すように、半導体多層膜が形成される。ここで、半導体多層膜は、例えば、ｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層とを交互に積層した４０ペアの第１ミラー１０２ａ、ＧａＡｓウエル層とＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓバリア層からなり、ウエル層が３層で構成される量子井戸構造を含む活性層１０３ａ、ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層とを交互に積層した２５ペアの第２ミラー１０４ａ、ｐ型ＧａＡｓ層からなる第１半導体層１０６ａ、不純物がドーピングされていないＧａＡｓ層からなる第２半導体層１０７ａ、およびｎ型ＧａＡｓ層からなる第３半導体層１０８ａからなる。これらの層を順に半導体基板１０１上に積層させることにより、図３に示すように半導体多層膜が形成される。

エピタキシャル成長を行う際の温度は、成長方法や原料、半導体基板１０１の種類、あるいは形成する半導体多層膜の種類、厚さ、およびキャリア密度によって適宜決定されるが、一般に、４５０℃〜８００℃であるのが好ましい。また、エピタキシャル成長を行う際の所要時間も、温度と同様に適宜決定される。また、エピタキシャル成長させる方法としては、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法や、ＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、あるいはＬＰＥ法（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いることができる。

なお、第２ミラー１０４ａを成長させる際に、活性層１０３ａ近傍の少なくとも１層は、後に酸化され、絶縁層（電流狭窄層１０５および酸化層１１５）となる層に形成される（図８参照）。

ここで第１ミラー１０２ａおよび第２ミラー１０４ａを構成するｎ型またはｐ型のＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層またはＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層の膜厚は、ｍλ／４ｎであることが好ましい（λは発光素子部１６０が発光する光の設計波長、ｎは当該光に対する各層の屈折率、ｍは奇数とする）。

第１半導体層１０６ａ、第２半導体層１０７ａ、および第３半導体層１０８ａの膜厚についても同様に、ｍλ／４ｎであることが好ましい（λは発光素子部１６０が発光する光の設計波長、ｎは当該光に対する各層の屈折率、ｍは奇数とする）。本実施の形態において、第１半導体層１０６ａ、第２半導体層１０７ａ、および第３半導体層１０８ａは、いずれもＧａＡｓ層であるため、それぞれの屈折率はほぼ同一であり、第１半導体層１０６ａと、第２半導体層１０７ａと、第３半導体層１０８ａとを合わせた膜厚がｍλ／４ｎであればよい。第１半導体層１０６ａと、第２半導体層１０７ａと、第３半導体層１０８ａの屈折率が異なる場合には、各層の膜厚がｍλ／４ｎであることが好ましい。

エピタキシャル成長により半導体多層膜を形成した後、フォトルミネッセンス検査を行ってフォトルミネッセンススペクトルを得ることにより、半導体多層膜が所望の膜厚で形成されているか否かを判断することができる。フォトルミネッセンス検査は、図３に示すような装置を用いて行われる。光源部１０から光１１を半導体多層膜の表面に照射し、前記半導体多層膜の表面から放出されたフォトン（光エネルギー）１３を受光部１２で受け取り、受け取ったフォトン１３の強度と波長からフォトルミネッセンススペクトルを得る。フォトルミネッセンスとは、光の吸収によってキャリアが励起され、励起されたキャリアの再結合による光放射をいう。

フォトルミネッセンス検査を行う際には、半導体多層膜を構成するそれぞれの膜の膜厚がｍλ／４ｎであることが好ましい（λは発光素子部１６０が発光する光の設計波長、ｎは当該光に対する各層の屈折率、ｍは奇数とする）。

半導体多層膜を構成するそれぞれの膜の膜厚がｍλ／４ｎである場合には、特有のフォトルミネッセンススペクトルを得ることができる。よって、それぞれの膜の膜厚がｍλ／４ｎである半導体多層膜を形成し、特有のフォトルミネッセンススペクトルの基準値を予め得ておき、この基準値と、実際に得たフォトルミネッセンススペクトルとを比較することによって、半導体多層膜を構成するそれぞれの膜の膜厚がｍλ／４ｎであるか否かを判断することができる。具体的には、実際に得たフォトルミネッセンススペクトルと基準値の差が所定値以内である場合や、スペクトル形状が類似する場合には、半導体多層膜を構成するそれぞれの膜の膜厚がｍλ／４ｎであると判断する。

（２）次に、第３半導体層１０８ａおよび第２半導体層１０７ａを所定の形状にパターニングして、第３半導体層１１８及び第２半導体層１１７を形成する（図４および図５参照）。

まず、半導体多層膜上にレジスト（図示せず）を塗布した後、リソグラフィ法により該レジストをパターニングすることにより、図４に示すように所定のパターンのレジスト層Ｒ１が形成される。

ついで、レジスト層Ｒ１をマスクとして、例えばドライエッチング法により、第３半導体層１０８ａおよび第２半導体層１０７ａの一部をエッチングする。その後、レジスト層Ｒ１が除去される。

（３）次に、第３半導体層１１８、第２半導体層１１７、第１半導体層１０６ａ、第２ミラー１０４ａ、活性層１０３ａ、および第１ミラー１０２ａの一部を所定の形状にパターニングする（図６および図７参照）。具体的には、まず、第１半導体層１０５の上方にレジスト（図示せず）を塗布した後、リソグラフィ法により該レジストをパターニングすることにより、第２の形状を有するレジスト層Ｒ２が形成される。次いで、レジスト層Ｒ２をマスクとして、例えばドライエッチング法によりエッチングする。その後、レジスト層Ｒ２を除去する。

これにより、整流素子部１７０の柱状部１７２と、発光素子部１６０の柱状部１６２とを同時に形成することができる。

（４）次に、例えば４００℃程度の水蒸気雰囲気中に、上記工程によって発光素子部１６０の柱状部１６２および整流素子部１７０の柱状部１７２が形成された半導体基板１０１を投入することにより、前述の第２ミラー１０４中のＡｌ組成が高い層を側面から酸化して、発光素子部１６０の電流狭窄層１０５（図８参照）が形成される。

（５）次に、半導体基板１０１上の所定の領域に、樹脂層１４３、１４４を形成する（図９参照）。樹脂層１４３、１４４は、窒化シリコンや酸化シリコンなどの無機物質からなってもよいし、ポリイミド樹脂、フッ素系樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂などの樹脂からなってもよい。なお、樹脂層は、複数層であってもよいし、単層であってもよい。

（６）次に、第１電極１３１ａ、第２電極１３１ｂ、第３電極１３２、第４電極１２１、および第５電極１２２が形成される（図１０参照）。

まず、電極形成工程前に、必要に応じて、プラズマ処理等を用いて、それぞれの電極形成位置を洗浄してもよい。

第１電極１３１ａと第２電極１３１ｂは、同一の材料を用いて形成される。第４電極１２１と第１電極１３１ａおよび第２電極１３１ｂは、ｐ型の電極材料からなり、たとえば白金（Ｐｔ）と金（Ａｕ）の積層膜からなることができる。第５電極１２２および第３電極１３２は、ｎ型の電極材料からなり、たとえば金とゲルマニウムの合金（ＡｕＧｅ）とニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）との積層膜からなることができる。また、電極の形成方法は、例えば、スパッタ法または真空蒸着法によって少なくとも１層の導電層を形成し、その後、リフトオフ法によって導電層の一部を除去してもよい。なお、リフトオフ法のかわりに、ドライエッチング法を適用してもよい。第４電極１２１の開口部は、発光素子部１６０の出射面１０８を形成する。さらに、電極形成と同時にアライメントマーク２２０を形成してもよい（図１参照）。

（７）次に、第１接続電極１４１および第２接続電極１４２が形成される（図１および図２参照）。

第１接続電極１４１および第２接続電極１４２は、たとえば金（Ａｕ）を用いて形成することができる。電極の形成方法としては、上述した形成方法と同様のものを用いることができる。

こうして、整流素子部１７０と、発光素子部１６０とを含む面発光型半導体レーザ１００を形成することができる。これによれば、発光素子部１６０に逆バイアスの電圧が印加されても、整流素子部１７０に電流が流れるので、逆バイアスの電圧に対する静電破壊耐圧が著しく向上する。したがって、実装プロセス等における静電破壊を防止して、信頼性の向上を図ることができる。

また、上述したように、第１ミラー１０２ａや第２ミラー１０４ａだけでなく、第１半導体層１０６ａ、第２半導体層１０７ａ、および第３半導体層１０８ａについても膜厚をｍλ／４ｎにすることにより、特有のフォトルミネッセンススペクトルを得ることができる。これにより、第１半導体層１０６ａ、第２半導体層１０７ａ、および第３半導体層１０８ａが所望の膜厚（ｍλ／４ｎ）に形成されているか否かを判断することができる。したがって、第１半導体層１０６ａ、第２半導体層１０７ａ、および第３半導体層１０８ａが所望の膜厚（ｍλ／４ｎ）に形成されているか否かに基づいて、整流素子部１７０が設計通りに作製されているか否かを判断することができる。このように、製造プロセスの初期段階で整流素子部１７０が設計通りに作製されているか否かを判断することによって、実装後の静電破壊耐圧試験を省略する等によって製造コストおよび時間を削減することができる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び結果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

本実施の形態にかかる光素子を模式的に示す平面図。 本実施の形態にかかる光素子を模式的に示す断面図。 本実施の形態にかかる光素子の製造工程を示す図。 本実施の形態にかかる光素子の製造工程を示す図。 本実施の形態にかかる光素子の製造工程を示す図。 本実施の形態にかかる光素子の製造工程を示す図。 本実施の形態にかかる光素子の製造工程を示す図。 本実施の形態にかかる光素子の製造工程を示す図。 本実施の形態にかかる光素子の製造工程を示す図。 本実施の形態にかかる光素子の製造工程を示す図。

符号の説明

１００ 面発光型半導体レーザ、１０１ 半導体基板、１０２ 第１ミラー、１０３ 活性層、１０４ 第２ミラー、１０５ 電流狭窄層、１０６ コンタクト層、１０８ 出射面、１１６ 第１半導体層、１１７ 第２半導体層、１１８ 第３半導体層、１２１ 第４電極、１２２ 第５電極、１３１ａ 第１電極、１３１ｂ 第２電極、１３２ 第３電極、１４１ 第１接続電極、１４２ 第２接続電極、１４３、１４４ 樹脂層、１６０ 発光素子部、１６２ 柱状部、１７０ 整流素子部、１７２ 柱状部

Claims (2)

1. 基板と、
   前記基板の上方に形成された第１ミラーと、前記１ミラーの上方に形成された活性層と、前記活性層の上方に形成された第２ミラーと、を有する発光素子部と、
   前記基板の上方に形成され、前記第１ミラー、前記活性層、および前記第２ミラーと共通の層からなる支持部と、前記支持部の上方に形成された半導体層と、を有する整流素子部と、を含み、
   前記発光素子部が発光する光の設計波長をλ、当該光に対する前記半導体層の屈折率をｎとした場合に、前記半導体層の膜厚は、λ／４ｎの奇数倍である、面発光型半導体レーザ。
2. 請求項１において、
   前記第１ミラーおよび第２ミラーは、半導体多層膜を含む分布ブラッグ反射型ミラーからなり、
   前記半導体多層膜に含まれる各膜の膜厚は、λ／４ｎの奇数倍である、面発光型半導体レーザ。

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