JP2007235030A - 面発光レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】酸化狭窄型面発光レーザ素子の信頼性を向上する
【解決手段】酸化狭窄型面発光レーザ素子１０のメサポスト３０の側面には、半導体再成長層３８及びＳｉＮｘ層４０が形成され、その上にポリイミド層２８が形成されている。半導体再成長層３８は、メサポスト３０の側面から酸素が侵入して、活性層１８を酸化させ劣化させることを防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光レーザ素子及びその製造方法に関し、更に詳しくは、メサポスト部分を有し、基板に対して垂直方向に共振器構造を有する面発光レーザの技術に関し、信頼性に優れた半導体レーザ素子及びその製造方法に関するものである。

垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser. 以下、単に面発光レーザ素子と称する。）は、基板に対して直交方向に光を出射させる半導体レーザ素子である。面発光レーザ素子は、同じ基板上に２次元アレイ状に多数の面発光レーザ素子を配列することが可能であり、通信用光源として、或いは、その他の様々なアプリケーション用デバイスとして注目されている。特に、ギガビットイーサーネットやファイバーチャネル等のデータコム通信における高速光伝送の信号光源用途を中心に、面発光レーザ素子のニーズが高まっている。

面発光レーザ素子は、ＧａＡｓやＩｎＰといった半導体基板上に１対の半導体多層膜ＤＢＲミラー（以下、単にＤＢＲミラーと呼ぶ）を形成し、その対のＤＢＲミラーの間に、発光領域となる活性層を有するレーザ構造部を備えている。例えばＧａＡｓ系面発光レーザ素子では、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ／ＡｌＧａＡｓなどのＡｌＧａＡｓ系材料がＤＢＲミラーに用いられる。

ＧａＡｓ系面発光レーザ素子は、特にＧａＡｓ基板上に形成でき、しかも、熱伝導率が良好で、反射率の高いＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲミラーを用いることができるので、０．８μｍ〜１．０μｍ帯のレーザ光を発光できるレーザ素子として有望視されている。また、活性層にＧａＩｎＮＡｓ系材料を用いた面発光レーザ素子は、１．２μｍ〜１．６μｍ帯の長波長域の光を発光できる面発光レーザ素子として有望視されている。これらの面発光レーザ素子では、電流注入効率を高め、閾値電流値を下げるために、ＡｌＡｓ酸化層で電流注入領域を狭窄する構造を構成する、酸化狭窄型の面発光半導体レーザ素子が提案されている（特許文献１）。

従来の８５０ｎｍ帯の酸化層狭窄型の面発光レーザ素子の構成を説明する。図３は、従来の８５０ｎｍ帯の酸化層狭窄型の面発光半導体レーザ素子の構成を示す断面模式図である。面発光レーザ素子５０は、ｎ−ＧａＡｓ基板１２上に、それぞれの層の厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｎ−Ａｌ0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／ｎ−Ａｌ0.2Ｇａ_0.8Ａｓの３５ペアからなる下部ＤＢＲミラー１４、下部クラッド層１６、量子井戸活性層１８、上部クラッド層２０、及び、それぞれの層の厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／ｐ−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8Ａｓの２５ペアからなる上部ＤＢＲミラー２２の積層構造を備えている。

上部ＤＢＲミラー２２では、量子井戸活性層１８に近い側の一層が、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層に代えて、ＡｌＡｓ層２４で形成され、かつ電流注入領域以外の領域のＡｌＡｓ層２４のＡｌが選択的に酸化されたＡｌ酸化層２５からなる電流狭窄層を構成している。

積層構造のうち、上部ＤＢＲミラー２２は、フォトリソグラフィー処理及びエッチング加工により、ＡｌＡｓ層２４よりも下方の量子井戸活性層１８に近い層までが、例えば直径３０μｍの円形のメサポストに加工されている。メサポストを形成する場合には、メサポスト領域以外の半導体層を全てエッチングしてしまう形態や、エッチングによって円筒状溝を設けて、円筒状溝内にメサポストを形成する形態が取られている。

メサポストに加工した積層構造を水蒸気雰囲気中にて、約４００℃の温度で酸化処理を行い、メサポストの外側からＡｌＡｓ層２４のＡｌを選択的に酸化させることにより、Ａｌ酸化層２５からなる電流狭窄層が形成されている。

メサポストは、周囲が例えばポリイミド層２８により埋め込まれている。ポリイミド層２８の上部には、その外周側に５μｍ〜１０μｍ程度の幅を有するリング状電極が、ｐ側電極３２として設けられている。また、ｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面には、基板裏面を適宜研磨して基板厚さを例えば２００μｍ厚に調整した後に、ｎ側電極３６が形成されている。更に、ポリイミド層２８には、外部端子とワイヤーで接続するための電極パッド４４が、ｐ側電極３２と接触するように形成されている。

上述した従来の酸化狭窄型の面発光レーザ素子では、ＡｌＡｓ層を酸化してＡｌ酸化層に転化させると、その体積が収縮してＡｌ酸化層に隣接する半導体層に応力が発生する。活性層はＡｌ酸化層近傍に位置するため、発生した応力によって、活性層に損傷が生じ、レーザとしての素子寿命が短くなるという問題があった。そこで、素子寿命の短縮化を防ぐために、ＡｌＡｓ層に代えて、ガリウム（Ｇａ）を微量に含んだＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層を用いることが提案されている。また、ＡｌＡｓ層の厚さを３０ｎｍ程度に薄くして、Ａｌ酸化層に転化した際の体積収縮により発生する応力を小さくすることも行われている。

以上のように、従来から、多層膜ＤＢＲミラーとして用いられるＡｌＧａＡｓ半導体層の一層についてＡｌ組成比を他よりも高くし、あるいはＡｌＡｓで置き換えることで、この層のみを選択的に酸化することが行われており、また、この選択的に酸化された層による応力を低減させる工夫もなされており、それぞれ一定の成果を上げている。

一方、酸化狭窄層を用いない光狭窄構造を有する面発光レーザ素子の開発も行われている。そのような面発光レーザ素子として、例えば、半導体基板上に半導体層を積層し、面積の小さなメサポストを形成した後に、メサポストの周囲に半導体層を再成長させてメサポストを半導体層によって埋め込み、さらに、メサポスト及び埋め込み半導体層の上部全体に上部ＤＢＲミラーを積層した面発光レーザ素子の構造が提案されている。（非特許文献１）。しかし、この非特許文献に記載の方法では、径の小さなメサポスト形状を再現することが製造技術的に難しい。また、径の小さなメサポストを埋め込む埋め込み半導体層の再成長に多大の時間が掛かり、製造工程が長くなり、かつ、製造コストも増大する。このため、現在のところ実用化が困難であり、現状では、酸化狭窄型構造の改良が、実用的な面発光レーザ素子の実現に近道であると考えられている。

米国特許公報５４９３５７７号 H.Uenohara他，"All MOCVD Grown 850-nm-Wavelength Refractive-index-Guided Semiconductor-Buried Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers with p/n-InGaP Current Blocking Layers" IEEE Photonics Technology Letters Vol.12 pp600-602. June 2000.

ところで、酸化狭窄型の面発光レーザ素子では、メサポストを形成し、酸化工程により、特定半導体層の一部を酸化させる際に、ＤＢＲミラーを構成する多層膜や活性層などのメサポスト側面に露出した半導体層の端面部についても、強い酸化条件に曝されるので、その露出した端面部が酸化されることがある。特に、メサポスト部分に活性層が有り、メサポスト側面に活性層の端面が露出している構造を採用する場合には、活性層がダメージを受けやすい。

また、ＤＢＲミラーを構成するＡｌ0.9 Ｇａ0.1Ａｓ層は、レーザ光の波長λに対してλ／４ｎとなるように設計されているので膜厚が厚く、更にペア数も多いため、酸化幅が小さいとはいえ、酸化による体積の収縮は無視できないほど大きい。このため、その収縮により発生する応力は、例えば、活性層端面に転移を発生させたり、既存の転移をさらに成長させたりする要因となる。

本発明者らは、上記問題について鋭意検討を重ねた結果、メサポスト側面部に発生した活性層の結晶転移は、面発光レーザ素子に通電を続けた際に、メサポスト側面部から転移が拡大及び増殖して、活性層内の発光領域（電流注入領域）に到達し、偶発故障の原因になる等、面発光レーザ素子の信頼性に大きな影響を及ぼす問題であることを見出した。

図４及び図５は、図３に示した従来の面発光レーザ素子のメサポスト内の活性層に生じた転移を説明する模式図である。図４は、面発光レーザ素子を製造した後にメサポスト内の活性層１８の外周部分の一部を拡大して示す平面図であり、図５はその面発光レーザ素子が動作した後におけるメサポスト内の活性層の全体を示す平面図である。図４に示すような、面発光レーザ素子の製造工程で発生した、メサポスト側面の活性層端面の転移（ＤＬ）は、面発光レーザ素子に通電を続けると、次第に成長して偶発故障に至る。偶発故障により発光しなくなった面発光レーザ素子では、図５に示すように、メサポスト側面からの転移が発光領域にまで到達している。

以上のように、酸化狭窄層を形成する酸化工程によって生ずる活性層へのダメージの問題以外にも、メサポストを有する面発光レーザ素子では、周囲の環境条件等に応じて活性層端面を含むメサポスト側面が徐々に酸化され、活性層にダメージが発生しやすいという問題がある。

一般に、面発光レーザ素子の表面は、絶縁の目的でＳｉＮｘ又はＳｉＯｘといった保護膜で被覆されている。しかしながら、これらの保護膜は、面発光レーザ素子を構成する化合物半導体材料とは全く異なる材料であり、酸素や水蒸気などの透過を十分に防止できる品質を有する保護膜を半導体層上に作製することが困難である。従って、一般的には、これらの保護膜はある程度酸素や水蒸気を透過する性質があり、これらの保護膜を通して、メサポスト側面の半導体は徐々に酸化される可能性がある。

上記に鑑み、本発明は、活性層を含むメサポストを有する酸化狭窄型の面発光レーザ素子において、メサポスト側面の酸化を抑えることによって、活性層へのダメージを低減し、信頼性に優れた面発光レーザ素子、及び、その製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の面発光レーザ素子は、半導体基板上に少なくとも、下部ＤＢＲミラーと、活性層と、上部ＤＢＲミラーとがこの順に積層され、少なくとも前記上部ＤＢＲミラー及び活性層を含むメサポストが形成された面発光レーザ素子において、
メサポスト側面の活性層端面が、半導体再成長層によって覆われていることを特徴とする。

また、本発明の面発光レーザ素子の製造方法は、半導体基板上に、下部ＤＢＲミラーを構成する半導体層と、活性層と、上部ＤＢＲミラーを構成する半導体層とを順次に積層して積層構造を形成する積層工程と、
前記積層構造を加工して、少なくとも前記上部ＤＢＲミラー及び活性層を含むメサポストを形成する工程と、
前記上部ＤＢＲミラー又は下部ＤＢＲミラー内に形成された特定半導体層の一部領域を酸化して酸化狭窄層を形成する酸化工程と、
半導体再成長層を少なくともメサポスト側面に形成する再成長工程とを順次に有することを特徴とする。

本発明の面発光レーザ素子及び本発明方法によって製造された面発光レーザ素子では、活性層に影響を及ぼす、ＤＢＲミラーを構成する多層膜や活性層のメサポスト側面の端面での酸化を抑制することによって、面発光レーザ素子の信頼性を向上させることができる。

以下に、実施形態を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。

［実施形態１］
図１に示す本実施形態は、本発明に係る面発光レーザ素子の半導体層の積層の様子を例示する断面図である。本実施形態の面発光型半導体レーザ素子１０は、ｎ−ＧａＡｓ基板１２上に、それぞれの層の厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｎ−Ａｌ0.9Ｇａ０．１Ａｓ／ｎ−Ａｌ0.2 Ｇａ０．８Ａｓの３５ペアからなる下部ＤＢＲミラー１４、下部クラッド層１６、ＧａＡｓの井戸層とＡｌ0.2 Ｇａ０．８Ａｓのバリア層からなる量子井戸活性層１８、上部クラッド層２０、及び、それぞれの層の厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓの２５ペアからなる上部ＤＢＲミラー２２の積層構造を備えている。

半導体積層構造には、エッチングによって深さが下部クラッド層１６の一部に達する環状溝５２を設けてあり、環状溝５２内にメサポスト３０を形成している。メサポスト３の直径は約３０μｍである。エッチングの影響により、メサポスト３０は略円錐台形状を有する。

上部ＤＢＲミラー２２では、量子井戸活性層１８に近い側の一層が、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層に代えて、ＡｌＡｓ層２４で形成され、かつ電流注入領域以外の領域のＡｌＡｓ層２４のＡｌが、選択的に酸化され、Ａｌ酸化層２５からなる電流狭窄層を構成している。中央の非酸化ＡｌＡｓ層２４は、電流注入領域を構成する。

本実施形態の面発光レーザ素子１０は、図３に示した従来の面発光レーザ素子５０と同様のプロセスによって作製することができる。本実施形態では、従来の面発光レーザ素子５０の作製プロセスに加え、メサポスト３０を形成する工程を行った後に、メサポスト３０の外側からＡｌＡｓ層のＡｌを選択的に酸化させて、Ａｌ酸化層（電流狭窄層）２５を形成する酸化工程を行い、次いで、メサポスト３０側面の電流狭窄層２５以外の領域に生じた酸化層等のダメージ層を除去する処理（トリートメント）を行う。この処理には、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）を利用したウエットエッチングが用いられる。さらに、硫酸、燐酸、フッ酸、クエン酸等を用いてウエットエッチングを行っても良い。

その後、更に、メサポスト３０を形成した半導体積層構造の表面全体に、ＧａＩｎＰからなる０．２μｍ厚の半導体層を再成長層３８として成長する。さらに、再成長層３８の上に絶縁層として、厚さ０．５μｍのＳｉＮｘ膜４０を積層する。次いで、メサポスト３０の周囲をポリイミド樹脂２８によって埋め込み、メサポスト３０上にはリング電極３２を形成する。次いで、再成長層３８の表面の適当な位置に、リング電極３２と接続され外部端子とワイヤーで接続するための電極パッド３４を形成する。

上記実施形態の面発光レーザでは、メサポスト３０の側面に設けられた再成長層３８を、エピタキシャル成長した緻密な膜で構成している。このため、メサポスト３０の表面が、酸素又は水蒸気雰囲気に直接に曝されたとしても、メサポスト３０内部への酸素等の侵入を十分に防ぐことができる。再成長層３８の厚みは、０．０５μｍ〜０．５μｍ程度でよい。これ以上の厚さの再成長層３８を積層してもよいが、厚さに応じて、成長時間が長くなるため、製造コストが増大する。

上記実施形態では、再成長層３８として、ＧａＩｎＰからなる材料を用いたが、他に、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等を使用することができる。特に発光波長が８５０ｎｍ帯の面発光レーザ素子では、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰが好ましい。また、上記のような材料を組み合わせて多層膜とし、活性層の材料との格子定数の差を補償するような構成としてもよい。
このような材料を用いた再成長層は、単結晶膜であっても多結晶膜であってもよく、さらにはアモルファスでもよい。上記実施形態において、再成長層を厚く積層しメサポストを埋め込むような形状としてもよいが、そのように再成長層を厚く積層する場合には、多結晶膜又はアモルファスとした方が積層が容易である。

特に、活性層１８の量子井戸層にＧａＡｓを使用した面発光レーザ素子の場合には、ＧａＡｓよりもバンドギャップが大きなＧａＩｎＰのような半導体材料をメサポスト３０側面に設けることが好ましい。これにより、量子井戸層１８の端面にバンドギャップが大きな再成長半導体層３８が設けられ、一般にバンドギャップの曲がりと言われる現象が半導体表面に生じるのを防ぐ。また、大きなバンドギャップにより、活性層１８での励起光の吸収も生じにくくなり、転移等の欠陥の発生や成長を抑制することができる。また、このような観点から、波長１２００〜１６００ｎｍの面発光レーザ素子では、ＩｎＰを再成長層として用いることも好ましい。

一般に、面発光レーザ素子は、その製造プロセスや使用時において、環境温度の変化や面発光レーザ素子への通電による素子内部の発熱により、温度変化にさらされる。その際、メサポストを形成する半導体積層と、従来の面発光レーザ素子においてその表面に直接設けられていたＳｉＮｘ、ＳｉＯｘ、あるいはＡｌｘＯｙなどの絶縁膜とでは、熱膨張係数に差があるため、その界面で応力が発生し、活性層に生じるダメージの一因ともなっていた。本実施形態においては、メサポスト側面には、熱膨張係数が等しいか又は近い値である半導体層が設けられるため、活性層端面に、熱に起因する応力を抑制することができる。

［実施形態２］
図２は、本実施形態に係る面発光レーザ素子を示している。本実施形態の面発光レーザ素子１０Ａは、図１に示した実施形態１の面発光レーザ素子１０とほぼ同様の構造を有している。異なるところは、基板１２Ａが、ｐ−ＧａＡｓ基板であり、下部ＤＢＲミラー１４Ａ及び下部クラッド層１６Ａがｐ型半導体層で構成され、上部ＤＢＲミラー２２Ａ及び上部クラッド層２０Ａがｎ型半導体層で構成されていることである。ＡｌＡｓ２４層及び酸化狭窄層２５は、下部ＤＢＲミラー１４Ａ内に設けられており、メサポスト３０Ａを形成するための環状溝５２Ａは、下部ＤＢＲミラー１４Ａの一部に達する深さにまでエッチングされる。更に、メサポスト上部の電極３２Ａがｎ側電極であり、基板裏面の電極３６Ａがｐ側電極である。その他の構成は実施形態１の面発光レーザ素子と同様である。

上記のように、メサポスト３０Ａの側面に半導体の再成長層３８を設けた面発光レーザ素子１０Ａでは、活性層１８端面からの欠陥の発生や増殖を抑制できるため、信頼性に優れた面発光レーザ素子を得ることができる。

以上、本発明をその好適な実施態様に基づいて説明したが、本発明の面発光レーザ素子及びその製造方法は、上記実施態様の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施態様の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。また、本発明の好適な態様として記載した各構成や実施形態で記載した各構成については、本発明の必須の構成と共に用いることが好ましいが、単独であっても有益な効果を奏する構成については、必ずしも本発明の必須の構成として説明した全ての構成と共に用いる必要はない。

本発明の実施形態１に係る面発光レーザ素子の断面図である。 本発明の実施形態２に係る面発光レーザ素子の断面図である。 従来の面発光レーザ素子の形態を示す断面図である。 活性層端面に生じた転移を説明する図である。 転移が活性層内に増殖した様子を説明する図である。

符号の説明

１０、１０Ａ：面発光レーザ素子
１２、１２Ａ：ＧａＡｓ基板
１４、１４Ａ：下部ＤＢＲミラー
１６、１６Ａ：下部クラッド層
１８：活性層
２０、２０Ａ：上部クラッド層
２２，２２Ａ：上部ＤＢＲミラー
２４：ＡｌＡｓ層（非酸化領域）
２５：Ａｌ酸化層（酸化狭窄層）
２８：ポリイミド層
３０、３０Ａ：メサポスト
３２、３６Ａ：ｐ側電極
３２Ａ、３６：ｎ側電極
３８：再成長層
４０：ＳｉＮ膜
４４：電極パッド
５０：面発光レーザ素子

Claims (10)

1. 半導体基板上に少なくとも、下部ＤＢＲミラーと、活性層と、上部ＤＢＲミラーとがこの順に積層され、少なくとも前記上部ＤＢＲミラー及び活性層を含むメサポストが形成された面発光レーザ素子において、
   メサポスト側面の活性層端面が、半導体再成長層によって覆われていることを特徴とする面発光レーザ素子。
2. 前記活性層の近傍であって前記上部ＤＢＲミラー又は下部ＤＢＲミラー内に、特定半導体層の一部領域を酸化してなる酸化狭窄層を有することを特徴とする、請求項１に記載の面発光レーザ素子。
3. 前記半導体再成長層は、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＰから選ばれる材料からなることを特徴とする、請求項１又は２のいずれか１に記載の面発光レーザ素子。
4. 前記半導体再成長層の厚さは、０．０５μｍ〜０．５μｍの範囲であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１に記載の面発光レーザ素子。
5. 前記半導体再成長層によって覆われたメサポストの側面は、さらに絶縁体層で覆われていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１に記載の面発光レーザ素子。
6. 前記絶縁体層が、ＳｉＮ_ｘ、ＳｉＯ_ｘ又はＡｌ_ｘＯ_ｙであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１に記載の面発光レーザ素子。
7. 前記上部ＤＢＲミラー及び下部ＤＢＲミラーは、ＡｌＧａＡｓ系半導体材料が積層されて構成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１に記載の面発光レーザ素子。
8. 請求項１〜７のいずれか１に記載の面発光レーザ素子を同一基板上に複数備え、該面発光レーザ素子を１次元又は２次元に集積したことを特徴とするレーザアレイ。
9. 半導体基板上に、下部ＤＢＲミラーを構成する半導体層と、活性層と、上部ＤＢＲミラーを構成する半導体層とを順次に積層して積層構造を形成する積層工程と、
   前記積層構造を加工して、少なくとも前記上部ＤＢＲミラー及び活性層を含むメサポストを形成する工程と、
   前記上部ＤＢＲミラー又は下部ＤＢＲミラー内に形成された特定半導体層の一部領域を酸化して酸化狭窄層を形成する酸化工程と、
   半導体再成長層を少なくともメサポスト側面に形成する再成長工程とを順次に有することを特徴とする面発光レーザ素子の製造方法。
10. 前記酸化工程の後であって、前記再成長工程の前に、前記メサポスト側面の一部を除去するトリートメント工程を更に有することを特徴とする、請求項９に記載の面発光レーザ素子の製造方法。

Images