JP3536835B2 - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば面発光型構
成の半導体レーザダイオード（ＬＤ）、発光ダイオード
（ＬＥＤ）等の発光素子とその製造方法に係わる。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザダイオードや発光ダイオー
ドは、光ディスク、光ファイバー通信用光源等として広
く実用化されており、更に高コヒーレンス化や高出力化
等の特性の向上と共に、光変調器などの機能デバイスと
のモノリシック集積化が進められている。特に近年、光
コンピュータ等における並列光情報処理、或いは大容量
並列光伝送などへの応用を考えて、大規模な２次元集積
化の実現が望まれている。

【０００３】しかしながら、従来構成の半導体レーザは
劈開により共振器端面を形成しているためモノリシック
な集積が不可能であり、またエッチングにより共振器端
面を形成する場合もその垂直な共振器端面からの光を外
部に取り出すためには劈開が必要となり、同様に集積化
を行えない。これに対して２次元集積化が可能な半導体
レーザとして、基体面に垂直な方向にレーザ光を出射す
る面発光型のレーザが注目されている。

【０００４】このような面発光レーザとしては、例えば
通常の半導体レーザの発光端面に対向して、基体に対し
４５°の角度をなすミラー面を設け、このミラー面に反
射させてレーザ光を基体面に対し垂直な方向に取り出す
構成が採られる。そしてこのような面発光レーザをモノ
リシック構成として形成するには、一般にＲＩＥ（反応
性イオンエッチング）、ＲＩＢＥ（反応性イオンビーム
エッチング）、イオンミリング等の異方性のドライエッ
チングを利用することにより、例えば基体上に形成した
半導体層に対して基体に垂直な方向からと、４５°程度
の斜め方向からとの２回の異方性エッチングを行うこと
によってレーザ光出射端面とミラー面とを形成すること
ができ、これによりモノリシックに集積された面発光レ
ーザを得ることができる。

【０００５】しかしながらこの方法による場合、光出射
端面をエッチング形成した後、選択マスクを形成して２
回目の結晶成長、選択エッチングが必要であることから
工数が大となって生産性に劣り、また歩留りの低下をも
招来して光集積化を阻む原因となっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、半導体レー
ザダイオードや発光ダイオード等の発光素子において、
その集積化が可能な構成とその製造方法を提供する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、基体上に少な
くとも第１のクラッド層、活性層及び第２のクラッド層
を設け、エッチング端面より共振器を構成して、この共
振器の光出射端面に対向してマイクロトレンチを形成し
て、マイクロトレンチの側面を外部反射ミラーとし、こ
の外部反射ミラーを、共振器の共振器軸に沿い且つ第１
のクラッド層、活性層及び第２のクラッド層の積層方向
とほぼ平行な断面において凸状曲線が形成される構成と
する。

【０００８】また本発明は、上述の構成において、マイ
クロトレンチ内に透明材料を埋め込む構成とする。

【０００９】また更に本発明は、上述の構成において、
透明材料の表面に、共振器の共振器軸に沿い且つ第１の
クラッド層、活性層及び第２のクラッド層の積層方向と
ほぼ平行な断面において凹状曲線が形成される構成とす
る。

【００１０】更に本発明は、基体上に少なくとも第１の
クラッド層、活性層及び第２のクラッド層を形成する工
程と、少なくとも第１のクラッド層、活性層及び第２の
クラッド層を、マスク層を用いて所定のパターンにエッ
チングを行ってエッチング端面を形成して共振器を構成
する工程と、エッチング端面に対向してマイクロトレン
チを形成する工程とを少なくとも有し、マイクロトレン
チの側面を外部反射ミラーとし、外部反射ミラーを、共
振器の共振器軸に沿い且つ第１のクラッド層、活性層及
び第２のクラッド層の積層方向とほぼ平行な断面におい
て凸状曲線を有する構成とする。

【００１１】上述したように本発明においては、図１に
示す如くエッチング端面を形成する際のエッチングによ
って同時にマイクロトレンチ７を形成し、その側面７Ｓ
を外部反射ミラーとして構成することから、劈開等の素
子分離を行うことなく基体１に対しほぼ垂直な方向に光
出射される発光素子を得ることができて、このような面
発光型の発光素子を集積化することが可能となり、また
その製造に当たって１回のエッチングにより形成し得る
ことから、製造工程数の低減化をはかって生産性の向上
をはかり、また歩留りの向上をはかることができる。

【００１２】またこのような構成において、外部反射ミ
ラーとする側面７Ｓを、少なくともその一部を曲面とし
て構成することによって、指向性の少ない発光素子を得
ることができる。

【００１３】更にまた、マイクロトレンチ７を埋込むよ
うに透明材料９を被着形成することによって、この透明
材料９を例えば凹レンズとして出射光を拡大させ、指向
性の少ない発光素子を得ることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明は、基体上に少なくとも第
１のクラッド層、活性層及び第２のクラッド層を設け、
エッチング端面より成る光出射端面に対向してマイクロ
トレンチを形成し、マイクロトレンチの側面を外部反射
ミラーとして構成する。また、本発明においては、外部
反射ミラーを、少なくともその一部を曲面により構成す
る。そして更に本発明においては、マイクロトレンチ内
に透明材料を埋め込む構成とする。また本発明において
は、基体上に少なくとも第１のクラッド層、活性層及び
第２のクラッド層を形成した後、マスク層を用いて所定
のパターンにエッチングを行い、そのエッチング端面に
対向してマイクロトレンチを形成し、エッチング端面に
対向するマイクロトレンチの側面を外部反射ミラーとし
て形成する。

【００１５】以下本発明実施例を図面を参照して詳細に
説明する。先ず図１に示す本発明の一実施例を図３Ａ〜
Ｃの工程図を参照してその製造方法と共に説明する。こ
の場合、図３Ａに示すように、ｎ型のＩｎＰ等より成る
基体１上に、順次例えばｎ型のＧａＩｎＰ等より成る第
１のクラッド層２、ＡｌＧａＩｎＰ等より成る活性層
３、ｐ型のＧａＩｎＰ等より成る第２のクラッド層４を
順次ＭＯＣＶＤ（有機金属による化学的気相成長法）等
によりエピタキシャル成長し、更にこの場合Ａｕ等より
成るｐ型の電極５Ａをスパッタリング等により例えば全
面的に被着し、この上にフォトレジスト等のマスク層６
を塗布して全面的に被着する。

【００１６】そして図３Ｂに示すように、共振器を構成
する部分を覆う所定のパターンにマスク層６を露光、現
像等によりパターニングし、更にこのマスク層６をマス
クとしてＲＩＥ等の異方性エッチングにより電極５Ａを
パターニングする。

【００１７】そして更に図３Ｃに示すように、電極５Ａ
をマスクとしてセルフアラインで第２のクラッド層４、
活性層３及び第１のクラッド層２のエッチングを行い、
エッチング端面より成る光出射端面１０を形成すると共
に、これと同時にマイクロトレンチ７を形成する。そし
てこの後基体１の裏面に電極５Ｂをスパッタリング等に
より被着形成してレーザダイオード又は発光ダイオード
等の発光素子を得ることができる。

【００１８】このマイクロトレンチ７は例えばＲＩＢ
Ｅ、又は高電圧下のＲＩＥ等により形成することができ
る。マイクロトレンチ７を生じやすい条件としては、例
えば比較的高いエネルギービームを用いることが上げら
れる。即ち高電圧下のエッチングを行い、エッチングビ
ームの縦方向即ち基体１の表面に垂直な方向の指向性を
大とすることにより実現できる。また、比較的高い真空
度とすることも要求され、導入ガス量を小としてエッチ
ングを行うことによってイオン間の散乱をなくし、ビー
ム指向性を大とすることができて、マイクロトレンチ７
を形成することができる。

【００１９】このマイクロトレンチ７が発生する原因と
しては、ＲＩＥやＲＩＢＥ等のエッチングの際に、真空
装置内において基体１が他部とはほぼ電気的に独立して
載置されることから、プラズマ発生中に基体１の表面に
空間電荷層が発生して電位が生じ、真空装置内に導入さ
れる反応ガスがこれに作用することによって生じるもの
と思われる。尚、通常の半導体装置の製造工程において
はこのようなマイクロトレンチが不必要に生じないよう
にしているものであるが、本発明はこの現象を積極的に
利用するものである。

【００２０】また、マイクロトレンチ７の大きさとして
は、例えばこのレーザダイオードの出射光のビームスポ
ットが１〜２μｍφ程度であることから、その深さｄを
２〜３μｍ程度以上とし、幅も２〜３μｍ程度以上とす
ることが望ましい。

【００２１】この例においては、ＲＦ（高周波）パワー
密度を２ｋＷ／１３０ｃｍ2 、導入ガスとしてＡｒを２
８ｃｃ、ＣＨ4 を２ｃｃのガス量とし、真空度を２．５
ｍＴｏｒｒと比較的低圧下としてＲＩＥを行い、図１に
示すように深さｄが２〜３μｍ程度のマイクロトレンチ
７を光出射端面１０と同時に形成することができた。

【００２２】このとき、マイクロトレンチ７の側面７Ｓ
が基体１の主面に対して成す角度θを４５°程度となる
ようにそのエッチング時間を制御することにより、光出
射端面１０から出射されるレーザ光又はＬＥＤ光等の出
射光をこの側面７Ｓを外部反射ミラーとして反射させた
反射光Ｌ₀ が、基体１の主面に対しほぼ垂直な上方向に
出射されることとなる。この場合少なくともマイクロト
レンチ７の最深部が活性層３より下部の第１のクラッド
層２に達するようにその深さを制御することが必要であ
る。また上述の角度θは４５°程度が好ましいが、これ
に限るものではない。

【００２３】そして更にこの場合、マイクロトレンチ７
の側面７Ｓの少なくとも一部を曲面とすることによっ
て、指向性の低い発光素子を得ることができて、例えば
空間伝送等に利用することによってこの発光素子から得
られる光の受光範囲を大とすることができる。

【００２４】また更に図２に示すように、マイクロトレ
ンチ７内に透明材料９を埋め込む構成とし、この透明材
料９の表面を例えば凹状に形成することにより、凹レン
ズを構成し、指向性の低い発光素子を形成することがで
き、同様に受光範囲を広範囲にできる発光素子を形成す
ることができる。

【００２５】このような透明材料９の形成方法として
は、例えば図４Ａに示すように、フォトレジスト等より
成る透明材料９を全面的に被着した後、比較的弱い露光
用光を用いて図４Ｂにおいて斜線を付して示すようにそ
の表面部分のみを露光し、現像を施して、図４Ｃに示す
ようにマイクロトレンチ７内のみにこの透明材料９を埋
込むことができる。この場合その表面は自然発生的に凹
部状に形成され、凹レンズを構成することができる。図
４Ａ〜図４Ｃにおいて図１と対応する部分には同一符号
を付して重複説明を省略する。

【００２６】透明材料９としては、その他樹脂等の光透
過性の材料であれば良く、またその表面が自然に凹部状
となるような材料であれば同様に受光範囲の広い発光素
子を構成することができる。

【００２７】尚、上述の例においては電極５Ａを光出射
端面１０を形成するパターンと同一のパターンとして形
成したが、その他例えば端面１０を形成した後、通常の
フォトリソグラフィ等の適用によって形成することもで
きる。

【００２８】また本発明は上述の実施例に限定されるこ
となく、その材料構成等において各種の変形変更が可能
であることはいうまでもない。

【００２９】

【発明の効果】上述したように本発明によれば光出射端
面と外部反射ミラーとを同時にエッチング形成すること
ができるため、製造工程数の低減化をはかって生産性の
向上をはかり、歩留りの向上をはかることができる。

【００３０】また、この外部反射ミラーを構成するマイ
クロトレンチの側面の少なくとも一部を曲面とすること
によって、指向性の少ない発光素子を得ることができ
る。

【００３１】更にまた、マイクロトレンチを透明材料に
よって埋込むことによってこの部分を保護することがで
き、また凹レンズ状とすることによって指向性の少ない
発光素子を得ることができ、例えば空間伝送等に利用す
ることによって受光範囲を広くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の略線的拡大断面図である。

【図２】本発明実施例の略線的拡大断面図である。

【図３】本発明実施例の製造工程図である。

【図４】本発明実施例の製造工程図である。

【符号の説明】

１ 基体 ２ 第１のクラッド層 ３ 活性層 ４ 第２のクラッド層 ５ Ａ電極 ５ Ｂ電極 ６ マスク層 ７ マイクロトレンチ ７Ｓ 側面

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体上に少なくとも第１のクラッド層、
   活性層及び第２のクラッド層が設けられ、エッチング端
   面より共振器が構成され、 上記共振器の光出射端面に対向してマイクロトレンチが
   形成され、上記マイクロトレンチの側面が外部反射ミラ
   ーとされ、 上記外部反射ミラーを、上記共振器の共振器軸に沿い且
   つ上記第１のクラッド層、活性層及び第２のクラッド層
   の積層方向とほぼ平行な断面において凸状曲線が形成さ
   れて成ることを特徴とする発光素子。
2. 【請求項２】 上記マイクロトレンチ内に透明材料が埋
   め込まれて成ることを特徴とする上記請求項１に記載の
   発光素子。
3. 【請求項３】 上記透明材料の表面に、上記共振器の共
   振器軸に沿い且つ上記第１のクラッド層、活性層及び第
   ２のクラッド層の積層方向とほぼ平行な断面において凹
   状曲線が形成されて成ることを特徴とする上記請求項２
   に記載の発光素子。
4. 【請求項４】基体上に少なくとも第１のクラッド層、活
   性層及び第２のクラッド層を形成する工程と、 少なくとも上記第１のクラッド層、上記活性層及び上記
   第２のクラッド層を、マスク層を用いて所定のパターン
   にエッチングを行ってエッチング端面を形成して共振器
   を構成する工程と、 上記エッチング端面に対向してマイクロトレンチを形成
   する工程とを少なくとも有し、 上記マイクロトレンチの側面を外部反射ミラーとし、上
   記外部反射ミラーは、上記共振器の共振器軸に沿い且つ
   上記第１のクラッド層、活性層及び第２のクラッド層の
   積層方向とほぼ平行な断面において凸状曲線を有する構
   成とすることを特徴とする発光素子の製造方法。