JP2007258600A - 面発光レーザ素子および面発光レーザ素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】活性層の損傷を低減した信頼性の高い面発光レーザ素子および面発光レーザ素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明にかかる面発光レーザ素子１は、基板２上に積層された活性層６と、外部から注入された電流を狭窄して活性層６に供給する電流狭窄層３ａと、基板２と活性層６との間に積層される下部多層膜反射層３と、活性層６上に形成された上部多層膜反射鏡８とを備え、活性層６中の発光領域を囲む環状溝２１を設けて少なくとも上部多層膜反射鏡８を含むメサポストＭＰ１を形成する面発光レーザ素子において、環状溝２１の外側に少なくとも電流狭窄層３ａに対応する半導体層に達する深さの断面を有する環状溝２２が形成されることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、少なくとも上部反射鏡を含むメサポストを形成する面発光レーザ素子および面発光レーザ素子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、面発光レーザ素子と称す。）は、光の共振する方向が基板面に対して垂直であり、基板面に対して垂直方向にレーザ光が射出される構造を有する。このため、面発光レーザ素子は、従来の端面発光型レーザ素子と比較して、素子の２次元配列を容易に形成できる。また、面発光レーザ素子は、端面発光型レーザ素子と異なり、ミラーを設けるために劈開する必要がないことや、活性層の体積が格段に小さいため極低閾値でレーザ発振が可能であり、消費電力が小さいこと等の利点を有する。このような面発光レーザ素子は、通信用光源として使用されるほか、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としての使用に注目が集まっている。

面発光レーザ素子は、ＧａＡｓまたはＩｎＰである半導体基板上に、一対の半導体多層膜反射鏡間に活性層が設けられた構造を有する。特にＧａＡｓ系面発光レーザ素子は、熱伝導が良好で反射率の高いＡｌＧａＡｓ系多層膜反射鏡を構成できるため、０．８〜１．０μｍ帯のレーザ光を発光できる。また、活性層にＧａＩｎＮＡｓ系材料を用いた面発光レザ素子は、１．２〜１．６μｍｎの長波長帯のレーザ光を発光できる。このような面発光レーザ素子として、電流効率を高め、閾値電流値を下げるために、ＡｌＡｓ酸化層を形成し電流注入領域を狭窄する構造を構成する電流狭窄型の面発光レーザ素子が提案されている（特許文献１および特許文献２参照）。

図８は、従来の面発光レーザ素子の構成を例示する断面模式図である。図８に示すように、面発光レーザ素子１０１は、ｎ−ＧａＡｓである基板１０２上に、順に、それぞれの厚さがλ／４ｎ（λは発振は長であり、ｎは屈折率である。）のｎ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／ｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓを３５ペア積層した下部多層膜反射鏡１０３と、下部クラッド層１０５と、多重量子井戸構造の活性層１０６と、上部クラッド層１０７と、それぞれの厚さがλ／４ｎのｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／ｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓを２５ペア積層した上部多層膜反射鏡１０８とが積層された構造のメサポストＭＰ５を有する。また、上部多層膜反射鏡１０８のうち活性層１０６近傍側の一層には、メサポストＭＰ５の中軸上に位置する電流注入領域１０８ｃと、Ａｌ酸化層で形成された酸化領域１０８ｂを有する電流狭窄層１０８ａが設けられている。この電流狭窄層１０８ａは、レーザ光を閉じ込める光閉じ込め層としても機能する。

上部多層膜反射鏡１０８の上部には、電極パッド１１２と接続するリング状のｐ側電極１１０が形成され、基板１０２の裏面にはｎ側電極１１１が形成されている。また、メサポストＭＰ５の周囲にはポリイミド層１０９が配置されている。ｐ側電極１１０は、メサポストＭＰ５の上面部中央に開口部を有し、この開口部は、活性層１０６で発生したレーザ光Ｌを外部に出力するための射出窓として機能する、

かかる構成によって面発光レーザ素子１０１は、ｐ側電極１１０とｎ側電極１１１との間に適当な電圧が印加された場合、ｐ側電極１１０の中央開口部からメサポストＭＰ５の上方に向けて、たとえば波長８５０ｎｍのレーザ光Ｌを射出する。

米国特許第５４９３５７７号明細書 特開２００３−８１４２号公報

ところで、面発光レーザ素子１０１においては、上部多層膜反射鏡１０８を積層した後、フォトリソグラフィー工程およびエッチング工程を行うことによって、電流狭窄層１０８ａに対応する半導体層よりも下方の層に達する深さの切頭円錐状のメサポストＭＰ５が形成される。このメサポストＭＰ５を形成することによって、積層された各半導体層の端面が露出することとなる。そして、メサポストＭＰ５を形成した後、たとえば水蒸気雰囲気中における約４００℃の酸化処理を行うことによって、メサポストＭＰ５の外側から電流狭窄層１０８ａに対応する半導体層のＡｌを選択的に酸化して酸化領域１０８ｂを形成する。図８に示す面発光レーザ素子１０１においては、電流狭窄層１０８ａに対応する半導体層を他の上部多層膜反射鏡１０８を構成する膜よりもＡｌ組成比が高いＡｌ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓ層または３０ｎｍ程度のＡｌＡｓ薄膜層によって形成することによって、選択的に酸化させるとともに、Ａｌ酸化層への転化による体積収縮を低減している。

しかしながら、電流狭窄層１０８ａを形成する酸化処理に置いては、メサポストＭＰ５を形成する各半導体層の端面も露出するため、各半導体層端面も強い酸化条件にさらされる。このため、図９に示すように、上部多層膜反射鏡１０８のうち低屈折率側の層でありＡｌ組成の高いＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層がメサポストＭＰ５の周囲に沿って円環状に酸化されてしまい、数百ｎｍ程度の酸化領域１０８ｄが形成されてしまっていた。このＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ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ため、膜厚が厚く、さらにペア数が多く多層積層されている。このように、Ａｌ酸化層への転化による体積収縮を完全に防止することができず、この体積の収縮により発生する応力は、面発光レーザ素子の信頼性低下の原因となる可能性がある。

特に、図８に示すように、メサポストＭＰ５部分に活性層１０６がありメサポスト側面に活性層端面が露出している場合には、Ａｌ酸化層への転化による体積収縮により発生する応力によって、活性層端面に欠陥が生じやすくなり、活性層１０６自体が損傷するという問題があった。

具体的に図１０および図１１を用いて説明する。図１０および図１１は、図８に示した面発光レーザ素子１０１のメサポストＭＰ５内の活性層１０６に生じた転位を説明する模式図であって、活性層１０６をレーザ光Ｌの射出方向から見た断面図として示している。まず、図１０に示すように、上部多層膜反射鏡１０８の酸化による体積変化に起因する応力およびメサポストＭＰ５を形成するためのエッチング工程で与えられるダメージによって、活性層１０６の周縁部に複数の転位ＤＬが生じる。

面発光レーザに通電を続けた場合、この転位ＤＬは、活性層１０６内の発光領域から導波した自然放出光の吸収に基づいて生成されるキャリアに依存して拡大し、増殖する。そして、図１１に示すように、活性層１０６の周縁部から増殖した転位ＤＬが発光領域ＥＡに到達した場合に、面発光レーザ素子の故障を誘発する。

このように、酸化による上部多層膜反射鏡１０８の体積収縮に起因する応力によって、活性層１０６自体が損傷し面発光レーザ素子における故障の原因となるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、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、活性層の損傷を低減した信頼性の高い面発光レーザ素子および面発光レーザ素子の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる面発光レーザ素子は基板上に形成された活性層と、外部から注入された電流を狭窄して前記活性層に供給する電流狭窄層と、前記基板と前記活性層との間に形成された下部反射層と、前記活性層上に形成された上部反射鏡とを備え、前記活性層中の発光領域を囲む溝を設けて少なくとも前記上部反射鏡を含むメサポストが形成される面発光レーザ素子において、前記溝の外側に、前記電流狭窄層に対応する半導体層に達する深さの断面が形成されることを特徴とする。

また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記断面は、前記溝が設けられる前に形成されることを特徴とする。

また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記電流狭窄層は、前記断面形成後の酸化処理において、前記断面を介して前記電流狭窄層に対応する半導体層の一部領域が酸化されることによって形成されることを特徴とする。

また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記溝は、前記酸化処理が行われた後に形成されることを特徴とする。

また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記断面は、前記電流狭窄層に対応する半導体層に達する深さの孔を設けて形成されることを特徴とする。

また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記孔は、同心円上に複数設けられることを特徴とする。

また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記断面は、前記電流狭窄層に対応する半導体層に達する深さの他の溝を設けて形成されることを特徴とする。

また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記溝は、前記活性層を分断する深さを有することを特徴とする。

また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記電流狭窄層に対応する半導体層は、前記上部反射鏡内の所定の半導体層、前記上部反射鏡に隣接する所定の半導体層、前記下部反射鏡内の所定の半導体層、または、前記下部反射鏡に隣接する所定の半導体層であることを特徴とする。

また、この発明にかかる面発光レーザ素子は、前記上部反射鏡および前記下部反射鏡は、ＡｌＧａＡｓ系半導体層を含むことを特徴とする。

また、この発明にかかる面発光レーザ素子の製造方法は、基板上に下部反射層と活性層と電流狭窄層に対応する半導体層と上部反射鏡とを積層して半導体積層体を形成する積層工程と、前記半導体積層体に対し、前記電流狭窄層に対応する半導体層に達する深さの断面を形成する断面形成工程と、前記断面を介して前記電流狭窄層に対応する半導体層の一部領域を酸化する酸化工程と、前記酸化工程後に前記断面の内側に前記活性層中の発光領域を囲む溝を設けて少なくとも前記上部反射鏡を含むメサポストを形成するメサポスト形成工程と、を含むことを特徴とする。

本発明にかかる面発光レーザ素子および面発光レーザ素子の製造方法によれば、メサポストを形成する溝の外側に電流狭窄層に対応する半導体層に達する深さの断面を形成し酸化処理を行うことによって、活性層の損傷を低減した信頼性の高い面発光レーザ素子を実現することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明にかかる面発光レーザ素子および面発光レーザ素子の製造方法について説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実と異なることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１にかかる面発光レーザ素子について説明する。図１は、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の構成を示す断面図である。図１に示すように、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１は、ｐ−ＧａＡｓである基板２上に、順に、下部多層膜反射鏡３と、下部クラッド層５と、多重量子井戸構造の活性層６と、上部クラッド層７と、上部多層膜反射鏡８とが積層された構造を有する。この面発光レーザ素子１は、活性層６中の発光領域を囲む環状溝２１を設けることによって、下部多層膜反射鏡３の上端部から上の積層部を含む切頭円錐状のメサポストＭＰ１が形成されている。また、面発光レーザ素子１には、環状溝２１の外側に環状溝２１とは別個の環状溝２２が形成されている。

下部多層膜反射鏡３は、分布反射型反射鏡（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）として形成され、たとえばｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓを１ペアとして３５ペア積層した構造を有する。また、上部多層膜反射鏡８は、分布反射型反射鏡として形成され、たとえばｎ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／ｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓを１ペアとして２５ペア積層した構造を有する。なお、下部多層膜反射鏡３および上部多層膜反射鏡８を形成する各半導体層の厚さは、λ／４ｎ（λ：発振波長、ｎ：屈折率）である。

下部多層膜反射鏡３の上端層には、メサポストＭＰ１の中軸上に電流注入領域３ｃを有する電流狭窄層３ａが形成されている。電流狭窄層３ａは、下部多層膜反射鏡３の上端にＡｌＡｓ層を積層し、環状溝２２形成後の酸化処理において環状溝２２を介してＡｌＡｓ層の一部領域が酸化されることによって形成される。このため、電流狭窄層３ａにおいて、酸化されていない中央の非酸化ＡｌＡｓ層は開口部として電流注入領域３ｃを構成し、電流注入領域３ｃの開口外周から外側は、酸化によって絶縁性を有する酸化領域３ｂを構成する。この電流狭窄層３ａは、ｐ側電極１１から注入される電流を狭窄して活性層６内の電流密度を高める。また、酸化領域３ｂは、開口外周から外側が酸化により開口内部と異なる屈折率を有するため、光閉じ込め層として発振横モードを制御する機能を有する。なお、図１においては、電流狭窄層３ａに対応するＡｌＡｓ層は、下部多層膜反射鏡３の上端のほか、下部多層膜反射鏡３内の活性層６近傍側、または、下部多層膜反射鏡３に隣接して形成されてもよい。

下部クラッド層５および上部クラッド層７は、活性層６を上下から挟み込むように積層され、活性層５とともに光共振器を形成する。下部クラッド層５は、たとえばｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓによって形成され、上部クラッド層７は、たとえばｎ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓによって形成される。なお、光共振器内に生成される定在波の腹が活性層６の層厚方向の中心部にくるように、下部クラッド層５および上部クラッド層７は、互いにほぼ等しい光学長を実現する膜厚を有することが好ましい。

活性層６は、たとえばＧａＡｓ／Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓからなる多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造を有する。活性層６は、ｐ側電極１１から注入され、電流狭窄層３ａによって狭窄された電流に応じて光を放出する。この活性層６の発光領域から放出された自然放出光は、下部クラッド層５および上部クラッド層７が形成する光共振器によって増幅され、上部多層膜反射鏡８の上面部からレーザ光Ｌとして射出される。

上部多層膜反射鏡８の上部には電極パッド１２に接続されたｎ側電極１０が形成され、ｎ側電極１０に対向する基板２裏面にはｐ側電極１１が形成されている。ｎ側電極１０は、メサポストＭＰ１の上面部中央に、レーザ光Ｌを外部に射出する射出窓としての開口部を有する。また、メサポストＭＰ１の周囲にはＳｉＮ膜によって形成された絶縁層９が形成されている。

つぎに、図２を参照し、面発光レーザ素子１に形成される環状溝２１，２２について説明する。図２は、面発光レーザ素子１を上方から見た場合における環状溝２１，２２の位置を説明する図である。面発光レーザ素子１においては、環状溝２１を設けることによって切頭円錐状のメサポストＭＰ１を形成している。この環状溝２１の底部は下部クラッド層５に達しており、環状溝２１は、活性層６を分断する深さを有する。また、環状溝２１は、活性層６中の発光領域を囲んでおり、酸化領域３ｃを十分に囲むことができる内径を有する。たとえば、環状溝２１の深さは約５μｍ程度であり、環状溝２１の内径は約３０μｍである。なお、メサポストＭＰ１は、環状溝２１形成におけるエッチング工程の影響によって略円錐台形状を有する。

面発光レーザ素子１においては、図２に示すように、メサポストＭＰ１を形成する環状溝２１の外側に、さらに環状溝２２が形成される。この環状溝２２は、電流狭窄層３ａに対応するＡｌＡｓ層に達する深さを有する。たとえば、環状溝２２の内径は約５０μｍであり、環状溝２２の溝幅は約１０μｍである。また、環状溝２２は、環状溝２１が形成される前に形成される。そして、環状溝２２が形成された後に、電流狭窄層３ａに対応するＡｌＡｓ層を酸化する酸化処理が行われ、この酸化処理後に環状溝２１が形成される。なお、環状溝２１と環状溝２２とに挟まれた領域は、環状溝２１および環状溝２２形成のためのエッチング工程の影響によって上方ほど幅が狭くなる略台形の断面形状の円環状になっている。

つぎに、図１に示す面発光レーザ素子１の製造方法について説明する。図３−１〜図３−５は、図１に示す面発光レーザ素子１の製造方法を説明する図である。まず、図３−１に示すように、エピ成長によって、基板２上に、下部多層膜反射鏡３、下部クラッド層５、活性層６、上部クラッド層７、上部多層膜反射鏡８を積層して半導体積層体を形成する。なお、下部多層膜反射鏡３の最上層には、電流狭窄層３ａに対応するＡｌＡｓ層３ｄが積層される。

つぎに、図３−２に示すように、フォトリソグラフィー工程およびエッチング工程を行うことによって、環状溝２２が形成される。エッチング工程においては、この環状溝２２の深さが電流狭窄層３ａに対応するＡｌＡｓ層３ｄの少なくとも一部に達する深さとなるように処理条件が設定される。また、この環状溝２２は、電流狭窄層３ａに対応するＡｌＡｓ層３ｄが十分に露出するようにＡｌＡｓ層の下層に位置する層に達する深さを有することが望ましい。この環状溝２２を形成することによって、ＡｌＡｓ層３ｄに達する深さの断面であって、ＡｌＡｓ層３ｄの端面が露出する断面が形成される。

つぎに、水蒸気雰囲気中において、約４００℃の温度で酸化処理を行う。この結果、図３−３に示すように、ＡｌＡｓ層３ｄは、環状溝２２が形成されることによって露出した端面から徐々に酸化され、酸化領域３ｂと電流注入領域３ｃに対応する非酸化領域とに選択的に酸化される。

つぎに、図３−４に示すように、フォトリソグラフィー工程およびエッチング工程を行うことによって、環状溝２２の内側に、電流注入領域３ｃに対応する非酸化領域がほぼ中央に位置するように環状溝２１を設けてメサポストＭＰ１を形成する。つぎに、図３−５に示すように、ＳｉＮ膜を積層後、ｎ側電極１０に対応する領域のＳｉＮ膜を除去することによって絶縁層９を形成した後、リング形状のｎ側電極１０を形成する。そして、基板２の裏面を適宜研磨し、基板２の厚さをたとえば２００μｍに調整した後、基板２の裏面にｐ側電極１１を形成する。その後、外部端子とワイヤーで接続するための電極パッド１２をリング形状のｎ側電極１０と接触するように形成することによって面発光レーザ素子１が製造される。

上述したように、本実施の形態１にかかる面発光レーザ素子１においては、メサポストＭＰ１を形成する環状溝２１を形成する前に、環状溝２１の外側に少なくとも電流狭窄層３ａに対応するＡｌＡｓ層３ｄに達する深さの断面を有する環状溝２２を形成後、酸化処理を行って電流狭窄層３ａを形成している。言い換えると、面発光レーザ素子１は、環状溝２２を形成し、酸化処理を行って電流狭窄層３ａを形成した後に、メサポストＭＰ１を形成する工程を設けている。このように、面発光レーザ素子１は、酸化処理による体積変化に起因する応力によって活性層６に対応する層の端面領域が損傷した場合であっても、この酸化処理後に環状溝２１を形成し、損傷を受けた領域とメサポストＭＰ１中の活性層６との連続性を断ったメサポストＭＰ１を形成する。この結果、面発光レーザ素子１は、損傷領域から受ける影響を低減することができ、酸化処理に起因する活性層６の損傷を低減することができる。同様に、酸化処理による体積変化に起因する応力によって下部多層膜反射鏡３に対応する各層の上層、下部クラッド層５に対応する層、上部クラッド層７に対応する層および上部多層膜反射鏡８に対応する各層の端面領域が損傷した場合であっても、酸化処理後に環状溝２１を形成することによって、損傷領域との連続性を断ったメサポストＭＰ１を形成することができる。この結果、本実施の形態１によれば、酸化処理に起因する各層の損傷を低減した信頼性の高い面発光レーザ素子を実現することができる。

なお、下部多層膜半導体層３および上部多層膜半導体層８の酸化処理における酸化幅は、環状溝２２の断面における露出面から数百ｎｍから数μｍの範囲である。この下部多層膜半導体層３および上部多層膜半導体層８における酸化領域をメサポストＭＰ１から隔てるため、環状溝２２の内周に対して５μｍ以上内側にメサポストＭＰ１が形成されるように、環状溝２１を形成することが好ましい。

また、環状溝２１は、イオンプラズマエッチング法、ウェットエッチング法などを用いて形成される。ここで、電流狭窄層３ａ形成のための酸化処理において酸化された領域のエッチングレートと非酸化領域のエッチングレートとには差が生じる場合がある。このため、エッチングレートの差に起因する形状異常を避けるため、酸化工程時に露出していた断面近傍領域を避けてエッチングすることが好ましい。言い換えると、環状溝２１は、環状溝２２に対して十分内側に配置することが好ましい。この結果、正常な形状の環状溝２１を安定して形成でき、メサポストＭＰ１の形状を略円錐台形状とすることができるため、メサポストＭＰ１の形状異常による絶縁層９の積層不良に起因する絶縁不良およびｎ側電極１０の形状不良による接触不良を防止した高い信頼性を示す面発光レーザ素子を製造することができる。

また、実施の形態１においては、図２に示す円環状の環状溝２１を形成した場合について説明したが、メサポストＭＰ１形成のための環状溝２１は、酸化による損傷領域とメサポストＭＰ１領域とを隔絶する形状であればよく、たとえば図４に示すような矩形環状の環状溝２１ａであってもよい。この場合、電流狭窄層３ａ形成のための環状溝２２は、環状溝２１ａと十分な距離を隔てることができれば足り、たとえば図４に示す環状溝２２ａとしてもよい。また、メサポストＭＰ１形成のための環状溝２１は、必ずしも環状である必要はなく、酸化された領域とメサポストＭＰ１領域とを隔絶する形状であれば足りる。

また、環状溝２１は、少なくとも活性層６を分断する深さを有すれば足りる。環状溝２１を少なくとも活性層６を分断する深さとすることによって、酸化処理時に損傷を受けた活性層端面を起点とした転移が発光領域まで到達することを防止することができる。また、環状溝２１を活性層６に達する深さとすることによって、上部多層膜反射鏡８に対応する各層の酸化処理時に損傷を受けた端面と上部多層膜反射鏡８とを隔絶し、上部多層膜反射鏡８に対応する各層の酸化領域が活性層６に与える影響を低減することができる。

（実施の形態２）
つぎに、実施の形態２にかかる面発光レーザ素子について説明する。図５は、実施の形態２にかかる面発光レーザ素子を上方から見た平面図である。実施の形態２にかかる面発光レーザ素子は、図５に示すように、図２に示す環状溝２２に代えて、環状溝２１の外側に位置し、発光領域のほぼ中央を中心とする同心円上に複数の孔２２ｂを備える。孔２２ｂは、電流狭窄層３ａに対応するＡｌＡｓ層の少なくとも一部に達する深さを有し、電流狭窄層３ａに対応するＡｌＡｓ層に達する深さの断面を形成する。実施の形態２にかかる面発光レーザ素子は、図５のｘ−ｘ線で切断した場合、図１に示す面発光レーザ素子１とほぼ同様の断面構造を有する。

この孔２２ｂは、実施の形態１における環状溝２２と同様に、メサポストＭＰ１を形成する環状溝２１を形成する前に形成され、環状溝２１の外側に少なくとも電流狭窄層３ａに対応するＡｌＡｓ層３ｄに達する深さの断面を有する。実施の形態２においては、実施の形態１と同様に、孔２２ｂを形成した後に酸化処理を行って電流狭窄層３ａを形成している。言い換えると、実施の形態２においては、実施の形態１と同様に、孔２２ｂを形成し、酸化処理を行って電流狭窄層３ａを形成した後に、環状溝２１を形成してメサポストを形成する。

電流狭窄層３ａに対応するＡｌＡｓ層３ｄは、結晶構造によって酸化処理における酸化速度に違いを有する場合がある。この場合、酸化速度が遅い結晶面方位に対応させて孔２２ｂを設けた後、水蒸気を拡散させて酸化を進行させることによって、中央部にほぼ円形の非酸化領域である電流注入領域３ｃ形成することができる。孔２２ｂの形状、孔２２ｂの個数、孔２２ｂの配置は、酸化条件に応じて設定すればよい。

このように、実施の形態２によれば、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子と同様に、酸化処理に起因する各層の損傷を低減した信頼性の高い面発光レーザ素子を実現することができる。

なお、図３−１に示す積層処理と同様の処理を行った後、フォトリソグラフィー工程およびエッチング工程を行うことによって孔２２ｂを形成し、図３−３〜図３−５に示す各処理と同様の処理を行い、実施の形態２にかかる面発光レーザ素子を製造する。

（実施の形態３）
つぎに、実施の形態３について説明する。図６は、本実施の形態３にかかる面発光レーザ素子の構成を示す断面図である。図６に示すように、実施の形態３にかかる面発光レーザ素子３１は、実施の形態１と異なり、ｎ―ＧａＡｓである基板３２上にｎ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／ｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓを１ペアとして複数ペア積層した下部多層膜反射鏡３３、ｎ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓによって形成された下部クラッド層３５、ｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓによって形成された上部クラッド層３７、ｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓを１ペアとして複数ペア積層した上部多層膜反射鏡３８を有する。そして、上部多層膜反射鏡３８の上部には電極パッド１２に接続されたｐ側電極４０が形成され、ｐ側電極４０に対向する基板３２裏面にはｎ側電極４１が形成されている。

電流狭窄層３８ａは、たとえば上部多層膜反射鏡３８の下端層に設けられている。この電流狭窄層３８ａは、実施の形態１における電流狭窄層３ａと同様に、メサポストＭＰ３の中軸上に非酸化領域である電流注入領域３８ｃと、酸化領域３８ｂとを有する。なお、電流狭窄層３８ａに対応するＡｌＡｓ層は、上部多層膜反射鏡３８内に形成されるほか、上部多層膜反射鏡３８に隣接して形成されてもよい。

環状溝２１ｃは、実施の形態における環状溝２１と同様に、メサポストＭＰ３形成のために設けられ、たとえば、図６に示すように、下部クラッド層３５に達する深さにまでエッチングされている。

この環状溝２１ｃの外側には、環状溝２２ｃが形成されている。この環状溝２２ｃは、実施の形態１における環状溝２２と同様に、メサポストＭＰ４を形成する環状溝２１ｃを形成する前に形成され、少なくとも電流狭窄層３８ａに対応するＡｌＡｓ層に達する深さの断面を有する。そして、実施の形態１と同様に、環状溝２２ｃを形成した後に、酸化処理を行って電流狭窄層３８ａを形成している。そして、電流狭窄層３８ａ形成後に、環状溝２１ｃが形成され、メサポストＭＰ３が形成される。なお、メサポストＭＰ３は、エッチング工程の影響により略円錐台形状となる。また、環状溝２１ｃおよび環状溝２２ｃは、たとえば図２に示す場合と同様に、電流注入領域３８ｃのほぼ中央を中心とした環形状を有する。

このように、実施の形態３によれば、ｎ−ＧａＡｓである基板３２を使用する場合も環状溝２２ｃを形成した後に酸化処理を行い、メサポストＭＰ３を形成するため、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子と同様に、酸化処理に起因する各層の損傷を低減した信頼性の高い面発光レーザ素子を実現することができる。

なお、図６に示す面発光レーザ素子３１においては、環状溝２２ｃは下部多層膜反射鏡３３の上部層に達する深さを有するが、電流狭窄層３８ａを形成するため、少なくとも上部多層膜反射鏡３８内の電流狭窄層３８ａに対応するＡｌＡｓ層に達する深さであれば足りる。たとえば、環状溝２２ｃの深さを、活性層６の上部に位置する上部クラッド層３７に達する程度に浅くしてもよい。この場合、メサポストＭＰ３を形成するために設けられる環状溝２１ｃは、必ずしも活性層５を分断する深さにまでエッチングされていなくてもよい。環状溝２２ｃを上部クラッド層３７に達する深さとした場合には、活性層６の端面が酸化処理中に露出することがなく酸化処理による活性層６層の損傷の発生が少ない。したがって、環状溝２１ｃを活性層６上の上部クラッド層３７に達する程度に浅くした場合であっても、上部多層膜反射鏡３８に対応する各層端面の損傷領域とメサポストＭＰ３中の上部多層膜反射鏡３８とを隔絶することができ、酸化処理における体積変化による活性層６への影響を低減することができる。

また、図３−１に示す積層処理と同様の処理を行った後、フォトリソグラフィー工程およびエッチング工程を行うことによって環状溝２２ｃを形成し、図３−３〜図３−５に示す各処理と同様の処理を行い、面発光レーザ素子３１を製造する。

（実施の形態４）
つぎに、実施の形態４にかかる面発光レーザ素子について説明する。図７は、本実施の形態４にかかる面発光レーザ素子の構成を示す断面図である。図７に示すように、本実施の形態４にかかる面発光レーザ素子５１は、半絶縁性のＧａＡｓ基板である基板５２を使用している。

基板５２上に形成された下部多層膜反射鏡５３の上端層には、電流狭窄層３ａが形成されている。下部多層膜反射鏡５３のうち、ｐ側電極６１の下面に接する層と、この層よりも活性層６近傍側の層とを有する層５３ｅは、ｐ型半導体によって形成される。これに対し、下部多層膜反射鏡５３のうち、ｐ側電極６１の下面に接する層よりも基板５２側に位置する層５３ｆは、不純物がドーピングされていない半導体によって形成される。

メサポストＭＰ４を形成する環状溝２１ｄの底部には、ｐ型電極６１が形成されており、基板５２の同一面側にｎ側電極１０とｐ側電極６１とが設けられた構成を有する。環状溝２１ｄは、ｐ側電極６１とｐ型半導体によって形成された層５３ｅとを電気的に接続するために、下部多層膜反射鏡５３のうちｐ型半導体によって形成された層５３ｅが露出する程度の深さである必要がある。

また、実施の形態１における環状溝２２と同様に環状溝２１ｄの外側に位置し電流狭窄層３ａ形成のために設けられる環状溝２２ｄは、下部多層膜反射鏡５３における不純物がドーピングされていない半導体によって形成された層５３ｆに達する深さを有する。メサポストＭＰ４部分と環状溝２２ｄよりも外側の領域との電気的接続を断つ必要があるためである。なお、メサポストＭＰ４は、エッチング工程の影響により略円錐台形状となる。

このように、実施の形態４によれば、環状溝２２ｄを形成した後に酸化処理を行い、メサポストＭＰ４を形成するため、実施の形態１にかかる面発光レーザ素子と同様に、酸化処理に起因する各層の損傷を低減した信頼性の高い面発光レーザ素子を実現することができる。

また、実施の形態４にかかる面発光レーザ素子５１においては、下部多層膜反射鏡５３全体に導電性を必要とせず、下部多層膜反射鏡５３のうちｐ側電極６１との接触層よりも基板５２側に位置する層として不純物がドーピングされていない半導体を用いることができるため、光損失を低減することが可能になる。

なお、図３−１に示す積層処理と同様の処理を行った後、フォトリソグラフィー工程およびエッチング工程を行うことによって溝２２ｄを形成し、図３−３〜図３−５に示す各処理と同様の処理およびｎ側電極１０、ｐ側電極６１および図示しない電極パッドの形成処理を行って面発光レーザ素子５１を製造する。

また、実施の形態４においては、上部多層膜反射鏡８についても不純物がドーピングされていない半導体、あるいはＳｉＯｘ、ＳｉＮなどの誘電体を多層積層して構成し、ｎ側電極１０を上部クラッド層７上に配置する構造としてもよい。

また、上述した実施の形態１〜４にかかる面発光レーザ素子は、面発光レーザ素子を同一基板上に１次元または２次元に配列して集積したレーザアレイにも、適用可能である。かかるレーザアレイでは、レーザアレイの信頼性として、集積された複数の面発光レーザ素子の全てにおいて信頼性が要求されるため、本発明にかかる面発光レーザ素子の適用が効果的である。

実施の形態１にかかる面発光レーザ素子の構成を示す断面図である。 図１に示す環状溝を説明する図である。 図１に示す面発光レーザ素子の製造方法を説明する図である。 図１に示す面発光レーザ素子の製造方法を説明する図である。 図１に示す面発光レーザ素子の製造方法を説明する図である。 図１に示す面発光レーザ素子の製造方法を説明する図である。 図１に示す面発光レーザ素子の製造方法を説明する図である。 図１に示す環状溝の他の例を説明する図である。 実施の形態２における環状溝を説明する図である。 実施の形態３にかかる面発光レーザ素子の構成を示す断面図である 実施の形態４にかかる面発光レーザ素子の構成を示す断面図である。 従来の面発光レーザ素子の構成を示す断面図である。 多層膜反射鏡における酸化の進行を説明する図である。 従来の面発光レーザ素子における活性領域に生じた転位を説明する図である。 従来の面発光レーザ素子における活性領域に増殖した転位領域を説明する図である。

符号の説明

１，３１，５１，１０１ 面発光レーザ素子
２，３２，５２，１０２ 基板
３，３３，５３，１０３ 下部多層膜反射鏡
３ａ，３８ａ，１０８ａ 電流狭窄層
３ｂ，３８ｂ，１０８ｂ 酸化領域
３ｃ，３８ｃ，１０８ｃ 電流注入領域
３ｄ ＡｌＡｓ層
５，３５，１０５ 下部クラッド層
６，１０６ 活性層
７，３７，１０７ 上部クラッド層
８，３８，１０８ 上部多層膜反射鏡
９ 絶縁層
１０，４１，１１１ ｎ側電極
１１，４０，６１，１１０ ｐ側電極
１２，１１２ 電極パッド
２１，２１ａ，２１ｃ，２１ｄ 環状溝
２２，２２ａ，２２ｃ，２２ｄ 環状溝
２２ｂ 孔
１０９ ポリイミド層
ＤＬ 転位
ＥＡ 発光領域
Ｌ レーザ光
ＭＰ１，ＭＰ３，ＭＰ４，ＭＰ５ メサポスト

Claims (11)

1. 基板上に形成された活性層と、外部から注入された電流を狭窄して前記活性層に供給する電流狭窄層と、前記基板と前記活性層との間に形成された下部反射層と、前記活性層上に形成された上部反射鏡とを備え、前記活性層中の発光領域を囲む溝を設けて少なくとも前記上部反射鏡を含むメサポストが形成される面発光レーザ素子において、
   前記溝の外側に、前記電流狭窄層に対応する半導体層に達する深さの断面が形成されることを特徴とする面発光レーザ素子。
2. 前記断面は、前記溝が設けられる前に形成され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. 前記電流狭窄層は、前記断面形成後の酸化処理において、前記断面を介して前記電流狭窄層に対応する半導体層の一部領域が酸化されることによって形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ素子。
4. 前記溝は、前記酸化処理が行われた後に形成されることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ素子。
5. 前記断面は、前記電流狭窄層に対応する半導体層に達する深さの孔を設けて形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
6. 前記孔は、同心円上に複数設けられることを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ素子。
7. 前記断面は、前記電流狭窄層に対応する半導体層に達する深さの他の溝を設けて形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
8. 前記溝は、前記活性層を分断する深さを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
9. 前記電流狭窄層に対応する半導体層は、前記上部反射鏡内の所定の半導体層、前記上部反射鏡に隣接する所定の半導体層、前記下部反射鏡内の所定の半導体層、または、前記下部反射鏡に隣接する所定の半導体層であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
10. 前記上部反射鏡および前記下部反射鏡は、ＡｌＧａＡｓ系半導体層を含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
11. 基板上に下部反射層と活性層と電流狭窄層に対応する半導体層と上部反射鏡とを積層して半導体積層体を形成する積層工程と、
    前記半導体積層体に対し、前記電流狭窄層に対応する半導体層に達する深さの断面を形成する断面形成工程と、
    前記断面を介して前記電流狭窄層に対応する半導体層の一部領域を酸化する酸化工程と、
    前記酸化工程後に前記断面の内側に前記活性層中の発光領域を囲む溝を設けて少なくとも前記上部反射鏡を含むメサポストを形成するメサポスト形成工程と、
    を含むことを特徴とする面発光レーザ素子の製造方法。

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