JP2009170508A - 面発光半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents

面発光半導体レーザ及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】単一横モード発振が可能で、低いしきい値電流、低い素子抵抗を実現する面発光半導体レーザを歩留まり高く製造する。
【解決手段】面発光レーザは、下部多層膜反射鏡、ｎ型コンタクト層、活性層、ｐ型コンタクト層、及び、上部多層膜反射鏡を備える。上部多層膜反射鏡の多層膜中の最下層には、複数の空孔が２次元周期的に配列された２次元空孔配列が形成される。その上に上部多層膜反射鏡の多層膜が積層され、２次元空孔配列の形状が部分的に保持されて、周期的な屈折率の２次元分布が得られる。この屈折率の２次元分布は、中央の空孔が形成されない点欠陥に対しクラッドとして働き、光を点欠陥に閉じ込める。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光半導体レーザ及びその製造方法に関し、更に詳しくは、基本横モード発振が可能な面発光半導体レーザ及びその製造方法に関する。
垂直共振器型面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser、以下、単に面発光レーザと称する）は、その名の通り、光の共振する方向が基板面に対して垂直であり、光インターコネクションをはじめ、通信用光源として、また、センサー用途など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。その理由として、面発光レーザは、従来の端面発光型半導体レーザと比較して、レーザ素子の２次元配列を容易に形成できること、ミラー形成のための劈開が必要でないためウエハレベルでテストできること、活性層体積が格段に小さいので極低しきい値で発振できること、及び、消費電力が小さいことなどの種々の利点を有していることが挙げられる。
特に、面発光レーザでは、共振器長が極めて短いことから、発振スペクトルの縦モードに関して容易に基本モード発振が得られる利点がある。その一方で、横モードに関しては、モード制御機構を有していないため、複数の高次モードで発振してしまう問題がある。複数の高次横モードによって発振したレーザ光は、光伝送に際して、特に高速変調時には、伝送距離に比例して著しい信号劣化を引き起こす原因となる。そこで、面発光レーザでは、基本横モードでのレーザ発振を実現するためのさまざまな構造が提案されている。
基本横モードを得るための最も単純な方法は、発光領域の面積を、基本モードのみが発振できる程度に小さくした構造を採用することである。例えば、発振波長が８５０ｎｍ帯のＡｌＡｓ層選択酸化光閉込め型の面発光レーザの場合には、ＡｌＡｓ層と酸化層（Ａｌ２Ｏ３）との屈折率差が大きいため、基本横モードを得るためには、発光領域のサイズを約１０μｍ２以下に小さく抑える必要がある。酸化狭窄型構造の面発光レーザでは、発光領域の面積の大きさを制御する電流狭窄幅は、一般にＡｌＡｓ層の外縁部を選択的に酸化して形成した酸化層によって決定される。ところが、この酸化層の内径を、上記した約１０μｍ２以下となるサイズに形成するには、精密な酸化プロセス制御が要求されることになり、結果的に製品歩留まりが低下する。さらには、そのような狭い発光面積では、レーザ出力が極端に低くなると同時に、素子抵抗が増大し、面発光レーザに印加する電圧の増大を招いてしまう。
そこで、面発光レーザにおいて、発光面積を広くし、かつ基本横モード発振を得るための手段として、例えば、非特許文献１に示されるような構造が提案されている。図１１は、該文献に記載された面発光レーザの断面模式図である。面発光レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板１と、その基板上に順次に堆積された、下部多層膜反射鏡２，ｎ型クラッド層３、量子井戸活性層４、ｐ型クラッド層６、周囲が酸化されて電流阻止領域５ｂとなり、中央部に電流開口５ａが形成された酸化狭窄層５、円孔７が２次元周期的に配列された上部多層膜反射鏡９、ｐ型コンタクト層８、リング状のｐ側電極１０、及び、ｐ側引出電極１１から成る積層構造と、ＧａＡｓ基板１の裏面に形成されたｎ側電極１２とを有する。
上記面発光レーザでは、積層面内（基板面と平行な面内）で、円孔が２次元周期的に配列された２次元円孔（空孔）配列により、光が感じる屈折率が僅かに低下し、積層面内で周期的な屈折率の２次元分布が得られる。この構造により、円孔がない中央部の点欠陥領域がコアとなり、その周囲の２次元円孔配列を有する領域がクラッドとして働く。このような弱い屈折率閉じ込めによる横モード制御により、基本横モードのみを発振させる発光領域の面積を大きくすることができる。この構造の面発光レーザは、フォトニック結晶面発光レーザとも呼ばれており、面発光レーザの高出力化、及び、低抵抗化の可能性により、特に注目されている。
ところが、図１１に示した従来のフォトニック結晶面発光レーザでは、２次元円孔配列形成の際に、横モード制御に必要な屈折率閉込めを得るためには、通常で３０ペア程度の多層膜を有する上部多層膜反射鏡の厚みの大部分に相当する３μｍ以上を深くエッチングする必要があった。このため、円孔の深さ制御が困難となり、結果として単一横モード歩留りが低下するという問題があった。また、このような深い２次元円孔配列によって光が散乱されるため、光損失が増大し、しきい値電流の上昇や、光出力の低下を招き易く、更には、円孔が電流注入経路に配置されているため、素子抵抗が上昇するという問題もあった。
IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.9, No.5, pp.1439-1445, September/October 2003
本発明は、上記フォトニック結晶面発光レーザの問題に鑑み、高い歩留りで作製が可能で、かつ光の散乱損失や素子抵抗の上昇を大幅に低減できる、基本横モード発振可能な面発光レーザを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は、第１の態様において、半導体基板上に積層される下部多層膜反射鏡、活性層、及び、上部多層膜反射鏡を少なくとも含む積層構造と、前記活性層に電源を供給する上部電極及び下部電極とを備える面発光半導体レーザにおいて、
前記上部多層膜反射鏡には、積層面内における所定の領域を除き、前記積層面内において周期的な屈折率の２次元分布が形成されており、
前記周期的な屈折率の２次元分布は、前記活性層上に形成される、前記所定の領域を囲む周囲領域に２次元周期的に円孔が配列された少なくとも１層の円孔形成層と、前記円孔の内部を含む円孔形成層上に一様に且つ順次に堆積され、前記上部多層膜反射鏡を構成する多層膜とによって形成されていることを特徴とする面発光半導体レーザを提供する。
本発明の面発光半導体レーザでは、前記円孔形成層が、前記上部多層膜反射鏡の下層部の１層、好ましくは最下層の１層から成る構成、又は、前記下層部の層、若しくは最下層を含む複数層から成る構成が採用可能である。この場合、円孔形成層を、発振レーザ光の定在波の光強度が最も強い光強度分布の腹(peak)に近い位置とすることができ、上部多層膜反射鏡内で周期的な屈折率の２次元分布が容易に得られる。
また、前記積層構造が、前記上部多層膜反射鏡と前記活性層との間に挟まれ前記上部電極に接触する第１のコンタクト層を更に含み、前記円孔形成層が該第１のコンタクト層を含む構成を採用できる。円孔形成層を、発振レーザ光の定在波の腹に近い位置とする共に、イントラキャビティ構造の採用により円孔形成層を電流注入経路とは異なる位置に形成できる。このため、素子抵抗の上昇を抑えることが出来る。
更に、前記上部多層膜反射鏡が、前記周囲領域の径方向外側の領域が除去されて柱状の第１のメサポストを形成する誘電体多層膜から構成され、前記上部電極が、前記第１のメサポストの径方向外側で前記第１のコンタクト層に接触している構成を採用できる。この場合、イントラキャビティ構造の採用が容易である。
上記の場合には、前記積層構造が、前記下部多層膜反射鏡と前記活性層との間に挟まれ前記下部電極に接触する第２のコンタクト層を更に含み、
前記第１のコンタクト層、活性層、及び、上部電極は、前記上部電極の径方向外側の領域が除去されて柱状の第２のメサポストを形成し、
前記下部電極が、前記第２のメサポストの径方向外側で前記第２のコンタクト層に接触している構成を採用できる。この場合、イントラキャビティ構造の採用が容易である。
更に、前記上部多層膜反射鏡が半導体多層膜である構成を採用できる。上部多層膜反射鏡の構成の自由度が高まる。
前記屈折率の２次元分布は、前記積層面内において基本横モードレーザ発振を発生させる構成が好ましい。
更に、前記円孔形成層が６層以下の層から成る構成や、前記上部多層膜反射鏡内の前記活性層に隣接する位置に、又は、前記上部多層膜反射鏡と前記活性層との間に、電流狭窄層が形成されている構成も採用可能である。電流狭窄層は、イオン注入法により形成することができ、或いは、酸化狭窄層として構成できる。
更に、前記円孔形成層内に、レーザ光の定在波の光強度分布のピークが形成される構成が好ましい。この場合、円孔形成による周期的な屈折率の２次元分布形成の効率が特に高くなる。
本発明は、第２の態様において、半導体基板の上部に、下部多層膜反射鏡、及び、活性層を順次に堆積するステップと、
前記活性層の上部に、積層面内で所定の領域を囲む周囲領域に２次元周期的に円孔を配列した少なくとも１層の円孔形成層を形成するステップと、
上部多層膜反射鏡を構成する多層膜を、前記円孔の内部を含む円孔形成層上に一様に且つ順次に堆積するステップとを有し、
前記上部多層膜反射鏡内に、前記所定の領域の上部を除き、前記積層面内において周期的な屈折率の２次元分布を形成することを特徴とする面発光半導体レーザの製造方法を提供する。
本発明の面発光レーザの製造方法では、前記円孔形成層が、前記上部多層膜反射鏡の最下層を含む構成、或いは、前記上部多層膜反射鏡が、誘電体多層膜であり、前記円孔形成層が、前記上部多層膜反射鏡と前記活性層との間に形成され上部電極に接触するコンタクト層を含む構成を採用できる。なお、本発明で使用する用語「多層膜」は、分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：多層膜反射鏡）を構成する、屈折率が相互に異なるペア層を複数含む層構成を意味し、分布ブラッグ反射鏡が形成できる限りペア数の大小を問わない。
本発明の面発光半導体レーザ、及び、本発明方法で製造される面発光半導体レーザでは、２次元周期的な円孔配列を共振器内部の円孔形成層に形成し、上部多層膜反射鏡の積層面内で周期的な屈折率の２次元分布を、その円孔形成層を起点として形成する。この構成により、横モード制御に十分な屈折率の２次元分布を与える２次元周期配列の円孔を浅く形成することができるため、プロセスの制御が容易で、効率良くシングル横モードが実現でき、かつ、従来技術に比して光の散乱損失を低減することも可能である。
（第１の実施形態例）
以下、図面に基づいて本発明の第１の実施形態例について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態例に係る面発光レーザの断面模式図であり、図２はそのメサポスト部分の上面図である。本実施形態の面発光レーザ１００は、発振波長が１３００ｎｍとなるように設計されている。面発光レーザ１００は、例えば半絶縁性のＧａＡｓ基板１０１と、そのＧａＡｓ基板１０１上に順次に形成された下部反射鏡１０２、ｎ型コンタクト層１０３、量子井戸構造を有する活性層１０４、電流開口１０５ａ及び電流阻止領域１０５ｂを有する電流狭窄層１０５、ｐ型コンタクト層１０６、及び、２次元周期配列の起点となる最下層１０７を含む上部多層膜反射鏡１１０から成る積層部と、ｐ型コンタクト層１０６及びｎ型コンタクト層１０３の上にそれぞれ形成されたｐ側電極１１２、及び、ｎ側電極１１４を備える。上部多層膜反射鏡１１０は、屈折率の２次元分布が形成された周囲領域の外側の領域がエッチングにより除去されて、柱状の第１のメサポスト１１１を形成する。また、ｎ型コンタクト層１０３上に積層された活性層１０４、電流狭窄層１０５、及び、ｐ型コンタクト層１０６は、積層構造の外周部分のエッチング処理等により、柱状の第２のメサポスト１１３を形成する。
本実施形態例では、上部多層膜反射鏡１１０の最下層１０７に、図２に示すような複数の円孔１０８が積層面内において正三角形の三角格子状となるように、２次元的周期的な円孔配列を形成する。円孔１０８は、最下層１０７を貫通して形成してもよく、或いは、最下層１０７の下部に底部を有するように形成してもよい。上部多層膜反射鏡１１０の各積層膜は、最下層１０７に形成された２次元円孔配列の形状を少なくとも部分的に保持しながら、最上層まで続いている。２次元円孔配列には、その中央部分に円孔がない点欠陥１０９を有している。このような円孔配列により、円孔１０８が形成された部分の平均屈折率は、円孔がない点欠陥１０９の平均屈折率よりも僅かに小さくなる。このため、円孔１０８が形成された周囲部分は、中央部分の点欠陥１０９を伝搬する光に対してクラッドとして働く。つまり、点欠陥１０９の部分は、コアとして作用し、基本横モード発振を得るための光の出射部となる。図２の例では、点欠陥１０９は、円孔の１つが形成されない領域として形成されているが、２つ以上の円孔が形成されない領域として形成することも出来る。
上記実施形態の面発光レーザ１００は、例えば以下の製造プロセスにより製造される。まず半絶縁性ＧａＡｓ基板１０１上に、ＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法で、それぞれの層の厚みがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）である、例えばＧａＡｓ／ＡｌＡｓペア層からなる複合半導体層を複数ペア積層して、半導体多層膜反射鏡からなる下部ＤＢＲミラー１０２を形成する。次に、その下部ＤＢＲミラー１０２上に、例えばｎ−ＧａＡｓからなるｎ型コンタクト層１０３、例えばＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓからなる複合半導体層が３層積層された多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造を有する活性層１０４、及び、例えばｐ−ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１０６を順次に積層する（図３）。
次に、図３の積層構造上に、フォトレジストを用いたリソグラフィー技術により、所定の大きさを有する円板状のフォトレジストパターンを形成する。その後、イオン注入装置により、円板状のフォトレジストパターンを注入マスクとして、外周部に水素イオンを注入し、ｐ型コンタクト層１０６内に外周側の電流阻止領域１０５ｂと中央の電流開口１０５ａとからなる電流狭窄層１０５を形成する（図４）。なお、イオン注入マスクには、フォトレジストに代えて、Ａｕ（金）などを用いても構わない。また注入するイオン種は水素に限らず、高抵抗な絶縁層を形成可能なものであれば、例えば酸素などでも構わない。この電流狭窄層１０５により、ｐ側電極１１２から注入される電流を狭窄して、中央の電流開口１０５ａ内に集中させ、電流開口１０５ａ内の電流密度を高める。
次に、積層構造の表面に、プラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＮｘ膜を成膜したのち、通常のフォトレジストを用いたリソグラフィー技術とフッ素系のガスを用いたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）とにより、ＳｉＮｘ膜をエッチングし、図２に示した２次元円孔配列を有する円孔形成層１０７を形成する（図５）。２次元円孔配列は、中央部に円孔が存在しない点欠陥１０９を有し、円孔の２次元周期が５μｍ、各円孔の直径が３μｍの三角格子状の２次元円孔配列とする。またエッチングする深さは、最下層の膜厚よりも小さな深さ、例えば５０ｎｍとする。なお、円孔１０８の配列周期、孔径、深さなどは、円孔１０８が形成された部分の平均屈折率と円孔がない点欠陥１０９の平均屈折率との差により、積層面方向において基本横モード発振が得られるように、適宜調整される。
本実施形態例では、２次元円孔配列のエッチング深さが５０ｎｍと浅く、さらに誘電体多層膜の内の１層のエッチングであり、半導体多層膜反射鏡の大部分に円孔を深く形成する従来例と比べて深さ制御性に優れ、かつ光の散乱損失を生じにくい。
次いで、円孔を形成した上部多層膜反射鏡１１０の最下層１０７の上に、プラズマＣＶＤ法を用いて、例えばＳｉＯ２／ＳｉＮｘペア層からなる誘電体層を１２ペア積層して、誘電体多層膜からなる上部ＤＢＲミラー１１０を堆積形成する（図６）。この工程により、ＳｉＮｘ膜から成る最下層１０７に形成された２次元円孔配列は、その最下層１０７を起点として、円孔配列の形状を少なくとも部分的に保持しながら、上部積層に伝達される。このようにして、上部ＤＢＲミラー１１０は、積層内の全体に屈折率の２次元配列構造が形成される。
ＳｉＯ２／ＳｉＮｘペア層からなる誘電体多層膜の上部ＤＢＲミラー１１０は、全体として所定透過率の光透過性を有している。面発光レーザ１００では、このように上部多層膜反射鏡として誘電体多層膜を用いることで、半導体多層膜を用いる場合に比べて、上部ＤＢＲミラー１１０における光の吸収損失を大幅に低減させている。
また、本実施形態例では、ｐ型コンタクト層１０６の厚さや、円孔を形成する上部多層膜反射鏡１１０の最下層の厚さを適切に設計することで、キャリア濃度が高く、吸収損失の高いｐ型コンタクト層１０６内に、光強度の定在波の節が来るようにする。その場合、上部多層膜反射鏡１１０の最下層１０７内に、光強度の定在波の腹が来るため、２次元屈折率分布と光の結合効率を高くすることができ、２次元屈折率分布による横モード制御を効率よく行うことが可能である。なお、２次元屈折率分布の起点となる円孔形成層は、必ずしも上部多層膜反射鏡１１０の最下層１０７に限定されない。また、１層には限定されず、例えば６ペア程度の層を円孔形成層としてもよい。
次に、上記上部ＤＢＲミラー１１０の周縁部を、ｐ型コンタクト層１０６に到達するまでエッチングし、その内側の積層部分をメサポスト１１１に加工する。次いで、フォトレジストを用いたリソグラフィーにより、エッチングされたメサポストの周縁部に、リング形状の開口を有するフォトレジストパターンを形成する。その後、例えばＡｕＺｎをそのフォトレジストパターンの開口内に蒸着して、リング形状をしたｐ側電極１１２を形成する（図７）。また、そのｐ側電極１１２を覆って、Ｔｉ／Ａｕから成るｐ側引出電極１１５を形成する。図７に示すように、ｐ側電極１１２及びｐ側引出電極１１５は、ｐ型コンタクト層１０６上に、電流注入領域１０４ａの直上部における上部多層膜反射鏡１１０の一部を、その積層面に沿って取り囲むようにリング状に形成される。
次いで、メサポスト１１１及びｐ側電極１１２の更に外周側で、上記積層構造の一部をｎ型コンタクト層１０３に到達するまでエッチングし、メサポスト１１３に加工する。その後、フォトレジストを用いたリソグラフィーにより、フォトレジストに所定の開口を形成し、その開口内に例えばＡｕＧｅＮｉを蒸着して、所定の形状をしたｎ側電極１１４を形成する（図８）。また、Ｔｉ／Ａｕでｎ側引出電極１１６を形成する。このようにｎ側電極１１４及びｎ側引出電極１１６は、ｎ型コンタクト層１０３上に、メサポスト１１３の底面部を積層面に沿って取り囲むようにして形成される。
その後、基板厚さが２００μｍ程度になるように、半絶縁性ＧａＡｓ基板１０１を裏面から研磨する。以上により本実施形態の面発光レーザが得られる。
上記のように、本実施形態例の面発光レーザ１００では、ｐ側電極１１２およびｎ側電極１１４は、それぞれ引出電極１１５、１１６を含んで、コンタクト層１０６、１０３上に形成されて、イントラキャビティ電極構造を有する。この構造により、ｐ型コンタクト層１０６から電流狭窄層の電流開口１０５ａに至る電流注入経路には２次元円孔配列が存在しないため、従来の面発光レーザに比べて、過剰な素子抵抗の上昇を防ぐことが可能である。
（第２の実施形態例）
以下、本発明の第２の実施形態例に係る面発光レーザについて、図９を参照して説明する。本実施形態例の面発光レーザ２００は、発振波長が１１００ｎｍとなるように設計されている。面発光レーザ２００は、半絶縁性ＧａＡｓ基板２０１と、ＧａＡｓ基板２０１上に順次に積層された、下部反射鏡２０２、ｎ型コンタクト層２０３、活性層２０４、電流狭窄層２０５、及び、上部領域２０７に円孔が形成されて２次元屈折率分布の起点となるｐ型コンタクト層２０６、及び、上部多層膜反射鏡２１０を含む積層構造とを備える。ｎ型コンタクト層２０３上にはｎ側電極２１４が、また、ｐ型コンタクト層２０６上にはｐ側電極２１２が形成されている。上部多層膜反射鏡２１０は、その外周側が除去されて柱状の第１のメサポスト２１１を形成する。また、ｎ型コンタクト層２０３上に積層された活性層２０４、電流狭窄層２０５、及び、ｐ型コンタクト層２０６は、ｐ側電極２１２の外周側で除去されて、柱状の第２のメサポスト２１３を形成している。
本実施形態例では、ｐ型コンタクト層２０６の内周側に、周期的な円孔の２次元分布として形成された上部領域２０７を起点として、その上の上部多層膜反射鏡２１０に周期的な屈折率の２次元が形成されている。上部領域２０７に形成された円孔は、図２に示すような分布に形成される。つまり、複数の円孔１０８が積層面内において正三角形の三角格子状に２次元的に配列形成されている。上部多層膜反射鏡２１０は、ｐ型コンタクト層２０６内に形成された２次元円孔配列形状を少なくとも部分的に保持しながら、ｐ型コンタクト層上に積層されている。
図２に示すように、円孔配列は、その中央に円孔がない点欠陥１０９を有している。この円孔配列により、円孔１０８が形成されたｐ型コンタクト層２０６の上部領域２０７、及び、その上側の上部多層膜反射鏡の部分の平均屈折率は、円孔がない点欠陥１０９及びその上側の上部多層膜反射鏡の部分の平均屈折率よりも僅かに小さくなる。このため、円孔１０８が形成された部分及びその上部は、点欠陥１０９を伝搬する光に対してクラッドとして働く。つまり、点欠陥１０９は、基本横モード発振を得るための光の出射部を構成する。なお、この点欠陥１０９は、図２に示すように、１つの円孔が形成されない点欠陥に限らず、複数の円孔が形成されない点欠陥とすることも出来る。
本実施形態例の面発光レーザは、例えば以下の製造プロセスにより得られる。まず半絶縁性ＧａＡｓ基板２０１上に、ＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法で、例えばＧａＡｓ／ＡｌＡｓペア層からなる複合半導体層を交互に複数積層して、半導体多層膜反射鏡からなる下部多層膜反射鏡（下部ＤＢＲミラー）２０２を形成する。半導体多層膜反射鏡２０２の各層は、λ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）の厚みを有する。次に、その積層上に、例えばｎ−ＧａＡｓからなるｎ型コンタクト層２０３、例えばＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓからなる複合半導体層が３層積層された多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造からなる活性層２０４、及び、例えばｐ−ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層２０６を順次積層する。
次に、フォトレジストを用いたリソグラフィーにより、フォトレジストを所定の大きさを有する円板状に加工する。その後、イオン注入装置により、このフォトレジストを注入マスクとして、水素イオンを注入する。これにより、ｐ型コンタクト層２０６内に、電流阻止領域２０５ｂと所定の大きさを有する電流開口２０５ａとからなる電流狭窄層２０５を形成する。なお、イオン注入マスクには、フォトレジストに代えて、Ａｕ（金）などを用いても構わない。また注入するイオンは水素に限らず、高抵抗な絶縁層を形成可能なものであれば、例えば酸素などでも構わない。この電流狭窄層により、ｐ側電極２１２から注入される電流を狭窄して、電流開口２０５ａ内に集中させ、電流開口２０５ａ内の電流密度を高める。
次に、プラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＮｘ膜を成膜する。次いで、通常のフォトレジストを用いたリソグラフィーとフッ素系のガスを用いたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）とにより、ＳｉＮｘをエッチングし、２次元円孔配列を形成する。２次元円孔配列は、中央部に円孔が存在しない点欠陥を有し配列の周期が５μｍ、各円孔の直径が３μｍの三角格子状配列の円孔から成る。２次元円孔配列のＳｉＮｘをマスクとして、塩素ガスを用いたＩＣＰ（誘導結合プラズマ型）−ＲＩＥにより、ｐ型コンタクト層２０６の上部をエッチングする。エッチングする深さは、例えば５０ｎｍとする。なお、円孔１０８の配列周期、孔径、深さなどは、円孔１０８が形成された部分の平均屈折率と円孔がない点欠陥１０９の平均屈折率との差により、積層面方向において基本横モード発振が得られるように、適宜調整される。
本実施形態例では、２次元円孔配列のエッチング深さが５０ｎｍと浅く、さらにＧａＡｓから成るｐ型コンタクト層２０６の上部のみのエッチングである。このため、半導体多層膜反射鏡の大部分に空円孔を深く形成する従来例と比べてプロセス制御性に優れ、かつ光の散乱損失を生じにくい。
次いで、プラズマＣＶＤ法を用いて、例えばＳｉＯ２／ＳｉＮｘペア層からなる複合誘電体層を１２ペア積層して、誘電体多層膜ミラーからなる上部ＤＢＲミラー２１０を形成する。この工程により、２次元円孔配列は、ｐ型コンタクト層の上部領域２０７を起点として、その形状を少なくとも部分的に保持しながら、上部ＤＢＲミラー２１０内に周期的な屈折率の２次元分布を形成する。
ＳｉＯ２／ＳｉＮｘからなる誘電体多層膜反射鏡２１０は、全体として所定透過率の光透過性を有している。面発光レーザ２００では、このように上部多層膜反射鏡２１０として誘電体多層膜ミラーを用いることで、半導体多層膜反射鏡を用いる場合に比べて光の吸収損失を大幅に低減させている。
屈折率の２次元分布の起点となるｐ型コンタクト層２０６の上部領域２０７は、光強度の定在波の腹の位置となる。この構成により、２次元円孔配列と光の結合を高くすることができ、２次元円孔配列による横モード制御を効率良く行うことが可能である。
次に、上記上部ＤＢＲミラー２１０の周縁部の積層を、ｐ型コンタクト層２０６に到達するまでエッチングし、メサポスト（第１のメサポスト）２１１に加工する。次いで、フォトレジストを用いたリソグラフィーにより、フォトレジストにリング形状の開口を形成する。その後、例えばＡｕＺｎを蒸着して、リング形状をしたｐ側電極２１２をメサポスト２１１の外周側に形成する。また、Ｔｉ／Ａｕによりｐ側引出電極２１５を形成する。このようにｐ側電極２１２は、ｐ型コンタクト層２０６上に、電流注入領域２０４ａの直上部における上部多層膜反射鏡２１０の一部をその積層面に沿って取り囲むようにリング状に形成される。
本実施形態例では、ｐ型コンタクト層２０６から電流狭窄層の電流開口２０５ａに至る電流注入経路において、２次元円孔配列は、ｐ型コンタクト層２０６の上部にのみ浅く存在するため、従来のフォトニック結晶面発光レーザに比べて、過剰な素子抵抗の上昇を防ぐことが可能である。
さらに、メサポスト及びｐ側電極２１２の外周側の積層構を、ｎ型コンタクト層２０３に到達するまでエッチングし、メサポスト（第２のメサポスト）２１３に加工する。次いで、フォトレジストを用いたリソグラフィーにより、フォトレジストに所定の開口を形成する。その後、例えばＡｕＧｅＮｉを蒸着して、所定の形状をしたｎ側電極２１４を開口内に形成する。また、Ｔｉ／Ａｕにより引出電極２１６を形成する。このようにｎ側電極は、ｎ型コンタクト層２０３上に、第２のメサポスト２１３の底面部を、積層面に沿って取り囲むようにして形成される。これらｐ側電極２１２およびｎ側電極２１４は、それぞれｐ側引出電極２１５およびｎ側引出電極２１６に接続される。その後、基板厚さが２００μｍ程度になるように、半絶縁性ＧａＡｓ基板２０１を裏面から研磨する。以上により本実施形態の面発光レーザが得られる。
（第３の実施形態例）
以下、本発明の第３の実施形態例の面発光レーザについて、図１０を参照して説明する。面発光レーザ３００は、発振波長８５０ｎｍとなるように設計されている。面発光レーザ３００は、例えばｎ型ＧａＡｓ基板３０１と、このＧａＡｓ基板３０１上に順次に積層された、下部多層膜反射鏡３０２、ｎ型クラッド層３０３、活性層３０４、電流狭窄層３０５、ｐ型クラッド層３０６、及び、２次元周期配列の起点となる最下層３０７を含む上部多層膜反射鏡３１０から成る積層構造とを有する。ＧａＡｓ基板３０１の裏面にはｎ側電極３１４が、上部多層膜反射鏡３１０の上には、ｐ側電極３１２が形成されている。
本実施形態例では、上部多層膜反射鏡３１０の最下層３０７に、図２に示すような複数の円孔１０８が積層面内において正三角形の三角格子状に２次元的に配列形成されている。この２次元円孔配列は、その形状を少なくとも部分的に保持しながら、上部多層膜反射鏡３１０内に屈折率の２次元配列を形成している。最下層３０７内の円孔配列は、図２に示すように、その中央部に円孔がない点欠陥１０９を有している。このような円孔配列により、円孔１０８が形成された最下層３０７の部分及びその上に形成された上部ＤＢＲミラー３１０の部分の平均屈折率は、円孔がない点欠陥１０９及びその上の上部ＤＢＲミラー３１０の部分の平均屈折率よりも僅かに小さくなる。このため、円孔１０８が形成された部分を含む領域は、点欠陥１０９を伝搬する光に対してクラッドとして働く。点欠陥１０９は、基本横モード発振を得るための光の出射部を構成する。なお、点欠陥１０９の大きさは、円孔１つ分に限らず、複数の円孔を含むように、適宜選定可能である。
本実施形態の面発光レーザ３００は、例えば以下の製造プロセスにより得られる。まずｎ型ＧａＡｓ基板３０１上に、ＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法で、例えばＧａＡｓ／ＡｌＡｓペア層からなる複合半導体層を複数積層して、半導体多層膜反射鏡からなる下部ＤＢＲミラー３０２を形成する。下部ＤＢＲミラー３０２の各層の厚みは、λ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）である。次に、その積層上に、例えばｎ−ＡｌＧａＡｓからなるｎ型クラッド層３０３、例えばＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓからなる複合半導体層が３層積層された多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造からなる活性層３０４、例えばｐ−ＡｌＧａＡｓからなるｐ型クラッド層３０６、及び、上部ＤＢＲミラーの最下層のペア層であるＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ層３０７を順次に積層する。
次に、例えばイオン注入法などを用いて、ｐ型クラッド層３０６内に外周部の電流阻止領域３０５ｂと所定の大きさを有する中央の電流開口３０５ａとからなる電流狭窄層３０５を形成する。なお、電流狭窄構造の形成には、イオン注入法に限らず、例えばＡｌＡｓの選択酸化法などを用いても構わない。この電流狭窄層により、ｐ側電極３１２から注入される電流を狭窄して、電流開口３０５ａ内に集中させ、電流開口３０５ａ内の電流密度を高める。
次に、プラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＮｘ膜を成膜したのち、通常のフォトレジストを用いたリソグラフィーとフッ素系のガスを用いたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）とにより、ＳｉＮｘをエッチングし、２次元円孔配列を形成する。２次元円孔配列は、中央部に円孔が存在しない点欠陥を有し、配列の周期が４μｍ、各円孔の直径が２．５μｍの三角格子状の２次元円孔配列とする。２次元円孔配列のＳｉＮｘをマスクとして、塩素ガスを用いたＩＣＰ（誘導結合プラズマ型）−ＲＩＥにより、上部ＤＢＲミラーの最下層３０７のＧａＡｓ層の一部をエッチングする。エッチングする深さは、例えば４０ｎｍとする。なお、円孔１０８の配列周期、孔径、深さなどは、円孔１０８が形成された部分の平均屈折率と円孔がない点欠陥１０９の平均屈折率との差により、積層面方向において基本横モード発振が得られるように、適宜調整される。
本実施形態例では、２次元円孔配列のエッチング深さが４０ｎｍと浅く、さらにＧａＡｓ層のみのエッチングであり、半導体多層膜反射鏡の大部分に空円孔を深く形成する従来例と比べてプロセス制御性に優れ、かつ光の散乱損失を生じにくい。
次いで、上記積層構造の上に、ＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法を用いて、例えばＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓペア層からなる複合半導体層を２５ペア積層して、半導体多層膜反射鏡からなる上部ＤＢＲミラー３１０を形成する。この工程により、上記２次元円孔配列は、上部ＤＢＲミラーの最下層３０７を起点として、その形状を少なくとも部分的に保持しながら、上部ＤＢＲミラー３１０内に周期的な屈折率の２次元分布を形成する。
本実施形態例では２次元円孔配列は上部ＤＢＲミラー３１０の最下層３０７に形成したが、最下層３０７に限定されない。但し、好ましくは発振レーザ光の光強度が十分高い層内に、例えば、下から３ペア以内に形成することが望ましい。
次に、フォトレジストを用いたリソグラフィーにより、フォトレジストにリング形状の開口を形成する。その後、例えばＡｕＺｎを蒸着して、リング形状をしたｐ側電極３１２を開口内に形成する。また、Ｔｉ／Ａｕにより引出電極３１５を形成する。本実施形態例の面発光レーザでは、ｐ側電極３１２から電流狭窄の電流開口３０５ａに至る電流注入経路に円孔が存在しないため、従来例に比べて、過剰な素子抵抗の上昇を防ぐことが可能である。
その後、基板厚さが２００μｍ程度になるように、ｎ型ＧａＡｓ基板３０１を裏面から研磨し、その研磨した裏面上にＴｉ／Ａｕを蒸着して、ｎ側電極３１４を形成する。以上により本実施形態例の面発光レーザが得られる。
本実施形態例では、基板にｎ型ＧａＡｓ基板を用い、また、上部多層膜反射鏡に半導体多層膜を用いたので、上部電極及び下部電極は、レーザキャビティの外部に形成できる。
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。
本発明の第１の実施形態例に係る面発光レーザの断面模式図。 図１の面発光レーザのメサポストの上面図。 図１の面発光レーザの作製工程の断面模式図。 図１の面発光レーザの作製工程の断面模式図。 図１の面発光レーザの作製工程の断面模式図。 図１の面発光レーザの作製工程の断面模式図。 図１の面発光レーザの作製工程の断面模式図。 図１の面発光レーザの作製工程の断面模式図。 本発明の第２の実施形態例に係る面発光レーザの断面模式図。 本発明の第３の実施形態に係る面発光レーザの断面模式図。 従来の面発光レーザを示す断面模式図。
符号の説明
１００：面発光レーザ
１０１：ＧａＡｓ基板
１０２：下部反射鏡
１０３：ｎ型コンタクト層
１０４：活性層
１０５：電流狭窄層
１０５ａ：電流開口
１０５ｂ：電流阻止領域
１０６：ｐ型コンタクト層
１０７：２次元周期配列の起点となる最下層
１０８：円孔
１０９：点欠陥
１１０：上部多層膜反射鏡
１１１：メサポスト
１１２：ｐ側電極
１１３：メサポスト
１１４：ｎ側電極
１１５：ｐ側引出電極
１１６：ｎ側引出電極
２００：面発光レーザ
２０１：ＧａＡｓ基板
２０２：下部反射鏡
２０３：ｎ型コンタクト層
２０４：活性層
２０５：電流狭窄層
２０５ａ：電流開口
２０５ｂ：電流阻止領域
２０６：ｐ型コンタクト層
２０７：ｐ型コンタクト層の上部領域
２１０：上部多層膜反射鏡
２１１：メサポスト
２１２：ｐ側電極
２１３：メサポスト
２１４：ｎ側電極
２１５：ｐ側引出電極
２１６：ｎ側引出電極
３００：面発光レーザ
３０１：ＧａＡｓ基板
３０２：下部反射鏡
３０３：ｎ型クラッド層
３０４：活性層
３０５：電流狭窄層
３０５ａ：電流開口
３０５ｂ：電流阻止領域
３０６：ｐ型クラッド層
３０７：最下層
３１０：上部多層膜反射鏡
３１２：ｐ側電極
３１５：ｐ側引出電極
３１４：ｎ側電極
１：ＧａＡｓ基板
２：下部多層膜反射鏡
３：ｎ型クラッド層
４：活性層
５：電流狭窄層（酸化狭窄層）
５ａ：電流開口
５ｂ：電流阻止領域
６：ｐ型クラッド層
７：２次元円孔配列
８：ｐ型コンタクト層
９：上部多層膜反射鏡
１０：ｐ側電極
１１：ｐ側引出電極
１２：ｎ側電極

Claims (13)

  1. 半導体基板上に積層される下部多層膜反射鏡、活性層、及び、上部多層膜反射鏡を少なくとも含む積層構造と、前記活性層に電源を供給する上部電極及び下部電極とを備える面発光半導体レーザにおいて、
    前記上部多層膜反射鏡には、積層面内における所定の領域を除き、前記積層面内において周期的な屈折率の２次元分布が形成されており、
    前記周期的な屈折率の２次元分布は、前記活性層の上部に形成される、前記所定の領域を囲む周囲領域に２次元周期的に円孔が配列された少なくとも１層の円孔形成層と、前記円孔の内部を含む円孔形成層上に一様に且つ順次に堆積され、前記上部多層膜反射鏡を構成する多層膜とによって形成されていることを特徴とする面発光半導体レーザ。
  2. 前記円孔形成層が、前記上部多層膜反射鏡を構成する多層膜のうち最下層の１層を含むことを特徴とする、請求項１に記載の面発光半導体レーザ。
  3. 前記積層構造が、前記上部多層膜反射鏡と前記活性層との間に挟まれ前記上部電極に接触する第１のコンタクト層を更に含み、前記円孔形成層が該第１のコンタクト層を含む、請求項１に記載の面発光半導体レーザ。
  4. 前記上部多層膜反射鏡が、前記周囲領域の径方向外側の領域が除去されて柱状の第１のメサポストを形成する誘電体多層膜から構成され、
    前記上部電極が、前記第１のメサポストの径方向外側で前記第１のコンタクト層に接触している、請求項１乃至３の何れか一に記載の面発光半導体レーザ。
  5. 前記積層構造が、前記下部多層膜反射鏡と前記活性層との間に挟まれ前記下部電極に接触する第２のコンタクト層を更に含み、
    前記第１のコンタクト層、活性層、及び、上部電極は、前記上部電極の径方向外側の領域が除去されて柱状の第２のメサポストを形成し、
    前記下部電極が、前記第２のメサポストの径方向外側で前記第２のコンタクト層に接触している、請求項４に記載の面発光半導体レーザ。
  6. 前記上部多層膜反射鏡が半導体多層膜である、請求項１又は２に記載の面発光レーザ。
  7. 前記屈折率の２次元分布は、前記積層面内において基本横モードレーザ発振を発生させる、請求項１乃至６の何れか一に記載の面発光半導体レーザ。
  8. 前記円孔形成層が６層以下の積層から成る、請求項１乃至７の何れか一に記載の面発光半導体レーザ。
  9. 前記積層構造が、前記上部多層膜反射鏡内の前記活性層に隣接する位置に、又は、前記上部多層膜反射鏡と前記活性層との間に挟まれた位置に、更に電流狭窄層を含む、請求項１乃至８の何れか一に記載の面発光半導体レーザ。
  10. 前記円孔形成層内に、発振したレーザ光の定在波の光強度ピークが形成される、請求項１乃至９の何れか一に記載の面発光半導体レーザ。
  11. 半導体基板の上部に、下部多層膜反射鏡、及び、活性層を順次に堆積するステップと、
    前記活性層の上部に、積層面内で所定の領域を囲む周囲領域に２次元周期的に円孔を配列した少なくとも１層の円孔形成層を形成するステップと、
    上部多層膜反射鏡を構成する多層膜を、前記円孔の内部を含む円孔形成層上に一様に且つ順次に堆積するステップとを有し、
    前記上部多層膜反射鏡内に、前記所定の領域の上部を除き、前記積層面内において周期的な屈折率の２次元分布を形成することを特徴とする面発光半導体レーザの製造方法。
  12. 前記円孔形成層が、前記上部多層膜反射鏡の最下層を含む、請求項１１に記載の面発光半導体レーザの製造方法。
  13. 前記上部多層膜反射鏡が、誘電体多層膜であり、前記円孔形成層が、前記上部多層膜反射鏡と前記活性層との間に形成され上部電極に接触するコンタクト層を含む、請求項１１に記載の面発光半導体レーザの製造方法。
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