JP3551718B2 - 面発光型半導体レーザ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光伝送や光情報処理、あるいは、感光体ドラムに静電潜像を書き込む光源として使われる面発光型半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、論理回路素子間の情報伝達の手段として、伝送速度の飛躍的な向上を目指した光インターコネクションの研究が進められている。その並列光源として、発光素子を高密度に２次元に配列可能な面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：以下、適宜、ＶＣＳＥＬと称する）が注目されている。ＶＣＳＥＬに関しては、伊賀らにより先駆的な研究がなされており、１９８８年発行のＩＥＥＥジャーナルオブカンタムエレクトロニクス（ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）第２４巻１８４５ページにまとめられている。また、半導体多層膜ミラーを有するＶＣＳＥＬアレイの報告が、１９９１年にＪｗｅｌｌらによりＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ第２７巻１３３２ページにまとめられている。
【０００３】
ＶＣＳＥＬ単体の構造は図５で示すように、半導体基板５０１の水平面に対して垂直方向に共振器５０２を有し、該共振器は、キャリアを閉じこめ光を発生させる活性層５０３と、半導体多層膜による上部反射ミラー（上部ＤＢＲミラー）５０４と下部反射ミラー（下部ＤＢＲミラー）５０５、活性層で発光した光の位相を各反射ミラーの端部で整合させるスペーサー層５０６からなる。共振器外の部分として、層間絶縁膜５１０、上部コンタクト層５０７、電流注入するとともにレーザの出射口５１１として機能する上部電極５０８、下部電極５０９が構成要素となる。
【０００４】
作製方法としては、ＧａＡｓ等ＩＩＩ −Ｖ族化合物半導体のバルク結晶を基板とし、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＯＶＰＥ）により、その上層のＩＩＩ −Ｖ族化合物半導体薄膜を順次エピタキシャル成長させ積層してゆく。レーザ発振させるためには、基板と水平方向で電流狭窄構造を作り、電流広がりを抑え活性層に効率よく電流を注入させる必要がある。電流狭窄の方法としては、図４で示したようにエッチングにより上部電極から活性層までを細い柱状（ポスト）構造とする方法や、プロトン注入により活性層の一部または活性層上部の一部を高抵抗化する方法、あるいは、ＡｌＡｓ層の酸化層を用いて電流経路を限定する方法などが上げられる。
【０００５】
ＶＣＳＥＬを実際の各システムの光源として用いる場合、レーザ光の偏光方向やレーザ出射光の出射面上での強度分布、すなわち、ニアフィールドパターン（ＮＦＰ）について以下に示すような特性が要求される。例えば、光インターコネクションの発光素子としてＶＣＳＥＬを使用する場合は、ＶＣＳＥＬと受光素子の間で、また、加入者系光通信システムの光源としてＶＣＳＥＬを使用する場合は、光ファイバーとの間で、それぞれ結合効率を高めるため、出射光の偏光方向を特定の方向に規定しておくことが必要である。また、ＶＣＳＥＬをレーザプリンタ等に搭載されているレーザスキャナーの光源として使用する場合にも、スキャナー内部のレンズやミラーの透過率や反射率に偏光依存性があるため、偏光方向を揃えておく必要がある。さらに、ＮＦＰを所望の形状に維持することも上記装置の光源の場合重要となる。
【０００６】
端面発光レーザでは、共振器断面内の直交する２つの軸は、一つが半導体基板の垂直方向であり、他方は、半導体基板面と平行な方向である。該半導体基板と垂直な方向のゲイン領域と光ガイド層は、薄膜の積層構造にて限定されるため、薄膜の厚み程度（１μｍ以下）と小さい。一方、該半導体基板面と平行な方向では、ゲイン領域と光ガイド層は、エッチング等の半導体プロセスで作製するため、５μｍ程度の大きさとなる。上記のように端面発光レーザでは、共振器断面の相直交するそれぞれの軸方向のゲイン領域またはガイド層の幅が極端に異なるため、共振する光の偏光方向は、基板面内方向（ＴＥモード）あるいは、基板に垂直な方向（ＴＭモード）のどちらかに固定される。
【０００７】
一方、ＶＣＳＥＬの場合、共振器断面内の直交する２軸は、両方とも同一基板面内の軸であるため、端面発光レーザのように共振器断面内の直交する２軸方向における、ゲイン領域またはガイド領域の大きさに極端な差異をつけることが難しい。つまり、ＶＣＳＥＬの場合は、積極的に偏光方向を何らかの手段により規定しない限り各素子での偏光方向がそろわないばかりか、一つの素子において偏光方向のスイッチング現象を起こしたり回転したり不安定に変動する。
【０００８】
ＶＣＳＥＬのレーザ光の偏光方向を一定の方向に規定する方法には、特開平４−１４４１８３で示すように、共振器の断面形状を矩形や楕円のように扁平な形状とすることで実現する方法がある。これは、共振器の形状に異方性を持たせることで共振するモードを選択し偏光方向を固定する方法である。また、特開平６−３２６４０９で示すように、活性層上部に活性層材料と熱膨張係数の大きく異なる材料によって、面上の直交する方向、例えば、＜１１０＞方向と＜−１１０＞方向に大きさの異なる膜を着膜する方法もある。この方法は、偏平な形状で着膜した膜が活性層に及ぼす非対称な応力により、活性層内でのゲインの大きさを方位により異ならしめ、偏光を固定させる方法である。
【０００９】
しかしながら、前者の断面形状を扁平な形状とする方法では、共振器断面のサイズを５μｍ程度の小さなサイズにしなければその効果が現われず、ドライエッチングでこのような小さなサイズの共振器を作製した場合に、逆に側壁での光吸収により光電変換効率が悪化してしまう。また、プラズマダメージにより側壁近傍でのリーク電流が増加したり、エッチングによって発生した欠陥がレーザの寿命を短くする弊害が起きる。一方、後者の大きさの異なる膜を着膜する方法は、歪みによる偏光制御の効果が小さいこと、また、応力の制御自体も難しく、実デバイスでの偏光制御方法としては適さない。
【００１０】
近年、出射口側の電極からの電流注入量を制御することで偏光方向を一定の方向とする方法が考案されている。例えば、特開平４−２４２９８９は、電極の形状に特徴を持たせ、注入する電流を制御することで偏光方向の制御を行っている。電極からの電流注入量を制御する方法において偏光方向を一定にする原理はＶＣＳＥＬ上部ＤＢＲ層内でのフリーキャリア吸収を利用したものである。このことをＶＣＳＥＬの断面図である図４（Ａ）で示す。電極開口部を有する電極４０２からＶＣＳＥＬに注入された電流は、活性層に近づくにつれて拡散し、４０３のような分布を上部ＤＢＲ層内に形成する。キャリアのない領域４０４では、フリーキャリアによる光の吸収が少なく、逆に、キャリアの多い領域４０３ではフリーキャリアによる光の吸収が多い。このフリーキャリア吸収の少ない領域は電極開口部の大きさ４０５によって制御される。例えば、楕円形状の開口部により、電極開口部の大きさを電極面内の直交するある１組の方向で異ならせると、上部ＤＢＲ層内でのフリーキャリア吸収の程度は、図４（Ａ）が、Ａ−Ａ線断面図となる平面図（図４（Ｂ））内の４０６と４０７で示すように、上部ＤＢＲ層内の直行する方位間で異ならせることができる。
【００１１】
このフリーキャリア吸収の方向による違いによって、レーザ光はフリーキャリア吸収の少ない方向に偏光方向が固定される。電極開口部の形状は、楕円以外に矩形としても良い。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記電流注入量を制御するような方法では電極開口部を楕円や矩形といった偏平形状とするためビームプロファイルも開口部形状を反映した偏平形状となってしまい、ビームプロファイルのみを偏光制御と独立に制御することができない。
【００１３】
実際にそのような要請が以下のような場合にあり得る。ＶＣＳＥＬをレーザプリンタ等に搭載されているレーザスキャナーの光源として使用する場合、スキャナー内部の光学部品の偏光依存性を顧慮して偏光方向を固定し揃えておくことが必要であり、且つ、ビームプロファイルは、感光材料上のドット形状、強いては画質に深く関係するため、円形であることが望ましい。また、偏光方向を固定する電極開口の形状は、ＶＣＳＥＬの上部ＤＢＲ層の仕様により最適な形状が一義的に決まってしまう。このような場合に、電極アパーチャでビームプロファイルを独立に決定することが不可能である。
【００１４】
このように、従来の方法では、偏光方向を安定させつつビームプロファイルを円形とすること、または、偏光方向を安定させつつビームプロファイルのみを独立に制御することができない。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、偏光方向を安定させつつビームプロファイルを円形とすること、または、ビームプロファイルを偏光制御と独立に制御可能な面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の面発光型半導体レーザは、第一の導電型（例えば、ｎ型）の半導体基板上に下部分布ブラッグ反射鏡、第一の導電型のバッファー層、活性層、第二の導電型（例えば、ｐ型）の半導体多層膜による反射鏡及び第二の導電型のコンタクト層が備えられ、電極を有する垂直共振器型の面発光型半導体レーザにおいて、該第二の導電型のコンタクト層上に、レーザーの発光領域に対応する長径とそれに直交する径との長さが互いに相違する形状の開口部を形成したオーミック電極領域が形成され、さらに、その上部に該オーミック電極の開口部内の発光領域に位置し、オーミック電極の開口部より面積が小さく、且つ、異なる形状の開口部を形成したショットキー電極領域が形成されることを特徴とする。ここで、第一の導電型とは、ｎ型あるいはｐ型を指し、第二の導電型とは、第一の導電型と反対の型、第一の導電型がｎ型である場合、ｐ型を、第一の導電型がｐ型である場合、ｎ型を指すものであり、いずれを第一の導電型としても、本発明の効果を発現するものである。
【００１７】
ここで、前記オーミック電極領域とショットキー電極領域とは、異なる電極材料により形成することができる。
【００１８】
また、前記オーミック電極領域とショットキー電極領域とを同じ電極材料により形成し、該電極材料直下層にある半導体コンタクト層の所定部分に予め不純物拡散を行ってキャリア濃度を高濃度とする領域と、不純物拡散を行なわない領域とを形成し、その上部に該電極材料を積層することにより不純物拡散領域に対応する領域にオーミック電極領域を、不純物拡散を行なわない領域に対応する領域にショットキー電極領域を形成することも可能であり、前記オーミック電極領域とショットキー電極領域を同じ電極材料により形成し、該電極材料直下層にある半導体層に、バンドギャップの異なる領域を形成し、該電極材料を積層することにより、オーミック電極領域とショットキー電極領域とを形成することも可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
上記のような構造の電極を有する垂直共振器型の面発光半導体レーザでは、面発光半導体レーザ内の電流分布をコンタクト層とオーミック電極の開口形状で制御し、一方、光のＮＦＰは、ショットキー電極の開口形状で整形することが可能である。図１は、本発明の実施例１の面発光半導体レーザの電極部分を示す。これを用いて本発明の原理を説明する。
【００２０】
図１は面発光半導体レーザの電極部分の一部断面を有する斜視図である。図２（Ａ）は面発光半導体レーザの電極部分の平面図を示し、図２（Ｂ）はそのＢ−Ｂ線断面図、図２（Ｃ）はそのＣ−Ｃ線断面図を示す。
【００２１】
図２（Ｂ）、（Ｃ）にあるように、コンタクト層１０１上には、オーミック電極１０２及びショットキー電極１０３が形成されている。オーミック電極１０２の開口部１０４は、図２（Ａ）に隠れ線で示されるように楕円形状をなしており、ショットキー電極１０３の開口部は、前記オーミック電極１０２の開口部１０４よりも内部に位置するように、開口部１０４よりも小さな面積で開口部１０５が形成されている。
【００２２】
本態様においては、オーミック電極１０２の開口部１０４は楕円形状としたが、この開口部１０４は、矩形、菱形でもよい。即ち、開口部の平面形状は、角となる部分を有し、直線で構成されるものでも、曲線で構成されるものでもよいが、電流分布を制御するために、偏平形状、即ち長径とそれに直交する径との長さが互いに相違するものであることを要する。偏平形状の目安として、一例を挙げれば、オーミック電極１０２の開口部１０４において、長径が１５μｍ、短径が７μｍの偏平形状の開口部は、偏光の安定化が確認できている。
【００２３】
また、ショットキー電極１０３の開口部１０５を円形としたが、円形には限らず、オーミック電極１０２の開口部１０４の内部の発光領域に位置し、該開口部１０４よりも面積が小さく、且つ、該開口部１０４と異なった形状であったり、システム側で要請される形状であったりする。このショットキー電極の開口部は、オーミック電極領域開口部の中心線上に位置することが好ましい。
【００２４】
このような構成によれば、オーミック電極がコンタクト層と接している領域１０６から殆どの電流が注入され、ショットキー電極がコンタクト層と接している領域１０７からの電流注入量は、電流注入量が前者に比べ相当少ない。したがって、上部ＤＢＲ層内での電流分布は、ほぼオーミック電極形状で制御されることとなる。しかるに、図３で説明したように、面内方向における長径とそれに直交する径との長さが互いに相違する形状の電流分布が、レーザ光の偏光方向を安定化固定化する。さらに、ショットキー電極１０３で形成された開口部１０５が円形であることから、レーザ光のＮＦＰは円形となる。したがって、本発明の態様によれば、偏光方向を安定させつつビームプロファイルが円形であるＶＣＳＥＬ、又は、ビームプロファイルを、偏光方向の安定化とは独立に制御可能なＶＣＳＥＬを提供可能となる。
【００２５】
また、ショットキー電極を光の遮光材として利用すると、斜光材が金属であるためにミラーの反射率が高められるという作用が付与される。さらに、絶縁膜によって電流流入不可能な領域をオーミック電極作製する場合に比べ、電流注入可能な領域との反射波の位相のズレが無く、ＶＣＳＥＬ内で共振する光の波面を乱すことがない。図８は、本発明のＶＣＳＥＬを用いたデバイスの電流光出力特性を示すグラフである。また、比較対象のため、層間絶縁膜をコンタクト層と電極材の間に入れるタイプのレーザＡ、及び、反射しない遮光板を用いてレーザ出射口を規定した場合のレーザＢの電流光出力特性を示すグラフを併記した。これらの電流光出力特性のグラフより明らかなように、上記２つの作用により、高効率であり、且つ、低しきい値のＶＣＳＥＬが作製できる効果もあることがわかる。
【００２６】
【実施例】
（実施例１）
図３に本発明の実施例１の垂直共振器型面発光半導体レーザの断面図を示す。ｎ型ＧａＡｓ半導体基板３０１の上面に、ｎ型ＧａＡｓバッファー層３０２が配置され、その上にｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層３０４と５０ｎｍ厚のｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３０５のペア層を３６組積層した下部分布ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｒｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）３０３が備えられている。これらの上部に１００ｎｍのアンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓスぺーサー層３０６と、１０ｎｍ厚ＧａＡｓ量子井戸活性層３０７とを介して、ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層３０８と５０ｎｍ厚のｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３０９のペア層を３６組積層したｐ型ＤＢＲ層３１０が配置されている。３１１は３０ｎｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層であり、該ｐ型コンタクト層３１１の上部に矩形形状の開口部を有するクロム（Ｃｒ）の１０ｎｍ薄膜層３１２と前記矩形開口部の内側に位置するような円形の開口形状を有するアルミ（Ａｌ）の１００ｎｍ薄膜層３１３が備えられ、Ｃｒ層３１２とＡｌ層３１３の間には、Ａｌ層３１３の円形開口部をふさがぬ形状で３００ｎｍ厚の金（Ａｕ）薄膜層３１４が形成されている。３１５は層間絶縁膜である。
【００２７】
ＧａＡｓ上に形成された電極は、電極金属の種類により電極特性が大きく変わることが知られている。例えば、ＡｕとＣｒの積層電極は、特にＣｒがＧａＡｓとの反応性が高いため、密着度が高く、かつ、金属半導体界面での電荷ポテンシャル障壁が小さいことにより、金属を着膜しただけでアニールせずともオーミック特性を示す。したがって、ここでは、Ｃｒ層３１２とＡｕ薄膜層３１４の積層電極で一つのオーミック電極を形成している。
【００２８】
一方、Ａｌは、ＧａＡｓと反応性が低く、常にショットキー電極となる金属である。したがって、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層上のＣｒの接する領域は、オーミック電極部となり面発光半導体レーザに電流を注入することが可能な領域となるが、反対にｐ型ＧａＡｓコンタクト層上のＡｌの接する領域はショットキー電極となるため、面発光半導体レーザに電流注入がされにくい領域となる。
【００２９】
また、重要なことは、本実施例の電極の面内方向の構造が、図１、２で示したように、面内２軸方向でショットキー電極の領域とオーミック電極の領域を異ならしめるていることである。
【００３０】
製造方法は、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）にて、Ｓｉドープ１×１０１８ｃｍ−３のｎ型ＧａＡｓ基板上にＳｅドープｎ型ＧａＡｓバッファー層を１μｍ、Ｓｉドープ１×１０１８ｃｍ−３のｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層３０４と５０ｎｍ厚のｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３０５のペア層を３６組積層した下部分布ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｒｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）、１００ｎｍのアンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓスぺーサー層、１０ｎｍ厚ＧａＡｓ量子井戸活性層、１００ｎｍのアンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓスぺーサー層、ＺｎドープのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層と５０ｎｍ厚のｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層のペア層を３６組積層したｐ型ＤＢＲ層、３０ｎｍのＺｎドープｐ型ＧａＡｓコンタクト層を順次積層する。次に、フォトレジストでオーミック電極の開口部形状を決めるリフトオフマスクを次のような工程により作製する。
【００３１】
ＭＯＣＶＤ装置にて作製したＶＣＳＥＬ基板の上に、スピンコーターによりフォトレジストを２μｍ厚に伸延させ、８０℃１０分ベイキングし、マスクアライナーにて所望のパターンを露光する。次に、モノクロロベンゼンに数十秒浸してレジスト表面を固化させたあと、レジスト現増液にて現像する。このような工程を経たレジストは上部に庇を有する形状となり、リフトオフしやすくなる。前記レジストパターンを形成したＶＣＳＥＬ基板上にＣｒを１０ｎｍ程度、Ａｕを３００ｎｍ程度、順次、抵抗加熱蒸着器にて蒸着した後、アセトンにて超音波洗浄を行うと、偏平形状の開口部を有するオーミック電極が形成される。
【００３２】
次に、上記オーミック電極形成時に用いた同じ方法にて、上記オーミック電極の偏平形状開口部内にリフトオフ用レジストを形成し、抵抗加熱蒸着器にてＡｌを１００ｎｍ程度蒸着する。続いて、アセトンにて超音波洗浄を行うと、オーミック電極偏平開口部よりも小さな円形開口部を有するショットキー電極が、オーミック電極偏平開口部の内側に位置するように形成される。
【００３３】
次に、ＶＣＳＥＬのポスト構造を硫酸系のＷｅｔエッチングあるいは塩素系ガスを用いたドライエッチングにて形成する。エッチングマスクには、一般的なフォトレジストマスクを用いる。ポスト径は、１０〜２０μｍ程度とする。
【００３４】
最後にＶＣＳＥＬ基板の裏面にＡｕとＧｅを主成分とするｎ側電極を抵抗加熱蒸着器にて形成し、４００℃５分アニールすることでｎ側電極が形成され、デバイスが完成する。
【００３５】
オーミック電極金属材料として、この実施例１では、Ａｕ／Ｃｒを採用したが、Ａｕと亜鉛（Ｚｎ）との合金（ＡｕＺｎ）、または、Ｃｒの代わりにチタン（Ｔｉ）を使用しＡｕ／Ｔｉ電極としても、さらにプラチナ（Ｐｔ）を加えたＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ電極としてもオーミック電極が形成できる。この場合、アニールによる合金化、即ちアロイ工程が必要となる。
【００３６】
また、ここではショットキー電極としてアルミニウム（Ａｌ）を用いているが、アロイ工程をいれないＡｕ／Ｔｉなど使用することができる。
【００３７】
このように、オーミック電極とショットキー電極とをまったく異なる電極材料を用いて形成することができる。
【００３８】
さらに、この実施例では、ショットキー電極の開口部の形状を円形としたが、必ずしも円形ではなく、レーザ光の受け手側のシステムで要求するビーム形状に対応してショットキー電極の開口部の形状を決定することが可能である。
（実施例２）
実施例２では、オーミック電極領域とショットキー電極領域の作製方法が実施例１と異なる。図６は実施例２の面発光半導体レーザの電極部分を示す断面図である。ここでは電極材料としてＡｕ／Ｃｒのみを用いており、オーミック領域はＧａＡｓコンタクト層６０３上にＣｒ６０２とＡｕ６０１を着膜して形成し、ショットキー領域は、あらかじめＧａＡｓコンタクト層６０３をエッチングにより除去してＡｌＧａＡｓ半導体層６０４を露出させた面上にＡｕ／Ｃｒを着膜して形成した。ＧａＡｓコンタクト層６０３をエッチングする領域は、基板面内の直行する２軸方向で開口長さを異ならしめることにより、所定の偏平形状の開口部を形成しうる。Ａｕ／Ｃｒ層は、キャリア濃度が１０１９ｃｍ−３と高いＧａＡｓ層６０３上に接する場合にはオーミック特性を示す電極となり、バンドギャップの大きなＡｌＧａＡｓ半導体層６０４であって、且つ、キャリア濃度が１０１８ｃｍ−３台と低い本実施例の如き半導体層６０４に対しては、ショットキー特性を示す電極となる。このように、Ａｕ／Ｃｒ層という、同一の電極材料を用いて、該Ａｕ／Ｃｒ層が隣接する層の構成を変化させることにより、オーミック特性を示す電極領域とショットキー特性を示す電極領域とを形成することができる。以上によりオーミック特性を示す電極領域と、ショットキー特性を示す電極領域とを異なる材料で形成した実施例１の面発光半導体レーザと同様の効果が現れる。
（実施例３）
実施例３においても、オーミック電極領域とショットキー電極領域の作製方法が実施例１と異なる。図７は実施例３の面発光半導体レーザの電極部分を示す断面図である。本実施例においては、電極材料としてＡｕ層７０１とＣｒ層７０２の積層構造体を用いる。前記Ａｕ層７０１とＣｒ層７０２の積層構造体からなる電極と接する半導体コンタクト層７０３としては、あらかじめアンドープの半導体層を形成し、該半導体層のうちオーミック電極としたい領域にのみ、Ｚｎ拡散でキャリア濃度を高めておく。ここで、Ｚｎ拡散する半導体コンタクト層の領域７０４を扁平形状の開口部を除いた周辺部に限定することで、オーミック電極を扁平形状の開口部を有するものとすることができる。しかも、Ｚｎ拡散していない領域、即ち、ショットキー電極の開口部７０５と、オーミック電極開口部７０４とに囲まれた領域におけるＡｕ層７０１とＣｒ層７０２の積層構造体部分７０６が、ショットキー電極領域となる。前記したように、Ａｕ層７０１とＣｒ層７０２の積層構造体という同一の電極材料を用いて、該電極と接する半導体コンタクト層７０３の所定の部分にＺｎ拡散を行うことによってオーミック特性を示す電極領域を形成し、Ｚｎ拡散を行なわない部分がショットキー特性を示す電極領域となる。以上によりオーミック特性を示す電極領域と、ショットキー特性を示す電極領域とを異なる材料で形成した実施例１の面発光半導体レーザと同様の効果が現れる。本実施例は前記実施例１で用いた層間絶縁膜（図２（Ｂ）、（Ｃ）における２１５）の無いタイプである。実施例１で示したように層間絶縁膜を入れるタイプがより好ましい。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、ＶＣＳＥＬ内の電流分布を制御して偏光方向を安定化固定化する機能を有しつつ、レーザ光のＮＦＰも自由に選択可能であり、さらに、高効率低しきい値であるＶＣＳＥＬが作製可能となる。これによれば、光伝送や光情報処理、あるいは、感光体ドラムに静電潜像を書き込む光源としての様々な仕様に耐えうる面発光型半導体レーザが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の面発光型半導体レーザの電極部位の一態様を示す斜視図である。
【図２】（Ａ）は本発明のＶＣＳＥＬの電極部位の一態様を示す平面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）はその断面図である。
【図３】本発明の実施例１のＶＣＳＥＬの断面図である。
【図４】（Ａ）は扁平電極によって偏光方向を制御するＶＣＳＥｌの従来例を示す断面図であり、（Ｂ）はその平面図である。
【図５】ＶＣＳＥＬ単体の構造を示す断面図である。
【図６】本発明の実施例２のＶＣＳＥＬの電極部位を示す断面図である。
【図７】本発明の実施例３のＶＣＳＥＬの電極部位を示す断面図である。
【図８】本発明のＶＣＳＥＬの電流光出力特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０１ コンタクト層
１０２ オーミック電極
１０３ ショットキー電極
１０４ オーミック電極開口部
１０５ ショットキー電極開口部
１０６ オーミック電極
１０７ ショットキー電極
３０１ ｎ型ＧａＡｓ半導体基板
３０２ ｎ型ＧａＡｓバッファー層
３０３ 下部分布ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｒｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）
３０４ ｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層
３０５ ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層
３０６ アンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓスぺーサー層
３０７ ＧａＡｓ量子井戸活性層
３０８ ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層
３０９ ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層
３１０ ｐ型ＤＢＲ層
３１１ ｐ型コンタクト層
３１２ クロム（Ｃｒ）の１０ｎｍ薄膜層
３１３ アルミ（Ａｌ）の１００ｎｍ薄膜層
３１４ 金（Ａｕ）薄膜層
３１５ 層間絶縁膜
４０２ 電極開口部を有するオーミック電極
４０３ 上部ＤＢＲ層内での電流分布
４０４ キャリアのない領域
４０５ オーミック電極開口部の大きさ
４０６ ＡＢ方向での電流密度が疎な領域
４０７ ＡＢ方向と垂直な面内の方向で電流密度が疎な領域
５０１ 半導体基板
５０２ 共振器
５０３ 活性層
５０４ 半導体多層膜による上部反射ミラー（上部ＤＢＲミラー）
５０５ 下部反射ミラー（下部ＤＢＲミラー）
５０６ スペーサー層
５０７ 上部コンタクト層
５０８ 上部電極
５０９ 下部電極
５１０ 層間絶縁膜
５１１ レーザの出射口
６０１ Ａｕ薄膜層
６０２ Ｃｒ薄膜層
６０３ コンタクト層
６０４ ＡｌＧａＡｓ半導体層
７０１ Ａｕ薄膜層
７０２ Ｃｒ薄膜層
７０３ コンタクト層
７０４ Ｚｎ拡散する半導体コンタクト層の領域
７０５ Ｚｎ拡散していない領域
７０６ ショットキー電極領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、光伝送や光情報処理、あるいは、感光体ドラムに静電潜像を書き込む光源として使われる面発光型半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、論理回路素子間の情報伝達の手段として、伝送速度の飛躍的な向上を目指した光インターコネクションの研究が進められている。その並列光源として、発光素子を高密度に２次元に配列可能な面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：以下、適宜、ＶＣＳＥＬと称する）が注目されている。ＶＣＳＥＬに関しては、伊賀らにより先駆的な研究がなされており、１９８８年発行のＩＥＥＥジャーナルオブカンタムエレクトロニクス（ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）第２４巻１８４５ページにまとめられている。また、半導体多層膜ミラーを有するＶＣＳＥＬアレイの報告が、１９９１年にＪｗｅｌｌらによりＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ第２７巻１３３２ページにまとめられている。
【０００３】
ＶＣＳＥＬ単体の構造は図５で示すように、半導体基板５０１の水平面に対して垂直方向に共振器５０２を有し、該共振器は、キャリアを閉じこめ光を発生させる活性層５０３と、半導体多層膜による上部反射ミラー（上部ＤＢＲミラー）５０４と下部反射ミラー（下部ＤＢＲミラー）５０５、活性層で発光した光の位相を各反射ミラーの端部で整合させるスペーサー層５０６からなる。共振器外の部分として、層間絶縁膜５１０、上部コンタクト層５０７、電流注入するとともにレーザの出射口５１１として機能する上部電極５０８、下部電極５０９が構成要素となる。
【０００４】
作製方法としては、ＧａＡｓ等ＩＩＩ −Ｖ族化合物半導体のバルク結晶を基板とし、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＯＶＰＥ）により、その上層のＩＩＩ −Ｖ族化合物半導体薄膜を順次エピタキシャル成長させ積層してゆく。レーザ発振させるためには、基板と水平方向で電流狭窄構造を作り、電流広がりを抑え活性層に効率よく電流を注入させる必要がある。電流狭窄の方法としては、図４で示したようにエッチングにより上部電極から活性層までを細い柱状（ポスト）構造とする方法や、プロトン注入により活性層の一部または活性層上部の一部を高抵抗化する方法、あるいは、ＡｌＡｓ層の酸化層を用いて電流経路を限定する方法などが上げられる。
【０００５】
ＶＣＳＥＬを実際の各システムの光源として用いる場合、レーザ光の偏光方向やレーザ出射光の出射面上での強度分布、すなわち、ニアフィールドパターン（ＮＦＰ）について以下に示すような特性が要求される。例えば、光インターコネクションの発光素子としてＶＣＳＥＬを使用する場合は、ＶＣＳＥＬと受光素子の間で、また、加入者系光通信システムの光源としてＶＣＳＥＬを使用する場合は、光ファイバーとの間で、それぞれ結合効率を高めるため、出射光の偏光方向を特定の方向に規定しておくことが必要である。また、ＶＣＳＥＬをレーザプリンタ等に搭載されているレーザスキャナーの光源として使用する場合にも、スキャナー内部のレンズやミラーの透過率や反射率に偏光依存性があるため、偏光方向を揃えておく必要がある。さらに、ＮＦＰを所望の形状に維持することも上記装置の光源の場合重要となる。
【０００６】
端面発光レーザでは、共振器断面内の直交する２つの軸は、一つが半導体基板の垂直方向であり、他方は、半導体基板面と平行な方向である。該半導体基板と垂直な方向のゲイン領域と光ガイド層は、薄膜の積層構造にて限定されるため、薄膜の厚み程度（１μｍ以下）と小さい。一方、該半導体基板面と平行な方向では、ゲイン領域と光ガイド層は、エッチング等の半導体プロセスで作製するため、５μｍ程度の大きさとなる。上記のように端面発光レーザでは、共振器断面の相直交するそれぞれの軸方向のゲイン領域またはガイド層の幅が極端に異なるため、共振する光の偏光方向は、基板面内方向（ＴＥモード）あるいは、基板に垂直な方向（ＴＭモード）のどちらかに固定される。
【０００７】
一方、ＶＣＳＥＬの場合、共振器断面内の直交する２軸は、両方とも同一基板面内の軸であるため、端面発光レーザのように共振器断面内の直交する２軸方向における、ゲイン領域またはガイド領域の大きさに極端な差異をつけることが難しい。つまり、ＶＣＳＥＬの場合は、積極的に偏光方向を何らかの手段により規定しない限り各素子での偏光方向がそろわないばかりか、一つの素子において偏光方向のスイッチング現象を起こしたり回転したり不安定に変動する。
【０００８】
ＶＣＳＥＬのレーザ光の偏光方向を一定の方向に規定する方法には、特開平４−１４４１８３で示すように、共振器の断面形状を矩形や楕円のように扁平な形状とすることで実現する方法がある。これは、共振器の形状に異方性を持たせることで共振するモードを選択し偏光方向を固定する方法である。また、特開平６−３２６４０９で示すように、活性層上部に活性層材料と熱膨張係数の大きく異なる材料によって、面上の直交する方向、例えば、＜１１０＞方向と＜−１１０＞方向に大きさの異なる膜を着膜する方法もある。この方法は、偏平な形状で着膜した膜が活性層に及ぼす非対称な応力により、活性層内でのゲインの大きさを方位により異ならしめ、偏光を固定させる方法である。
【０００９】
しかしながら、前者の断面形状を扁平な形状とする方法では、共振器断面のサイズを５μｍ程度の小さなサイズにしなければその効果が現われず、ドライエッチングでこのような小さなサイズの共振器を作製した場合に、逆に側壁での光吸収により光電変換効率が悪化してしまう。また、プラズマダメージにより側壁近傍でのリーク電流が増加したり、エッチングによって発生した欠陥がレーザの寿命を短くする弊害が起きる。一方、後者の大きさの異なる膜を着膜する方法は、歪みによる偏光制御の効果が小さいこと、また、応力の制御自体も難しく、実デバイスでの偏光制御方法としては適さない。
【００１０】
近年、出射口側の電極からの電流注入量を制御することで偏光方向を一定の方向とする方法が考案されている。例えば、特開平４−２４２９８９は、電極の形状に特徴を持たせ、注入する電流を制御することで偏光方向の制御を行っている。電極からの電流注入量を制御する方法において偏光方向を一定にする原理はＶＣＳＥＬ上部ＤＢＲ層内でのフリーキャリア吸収を利用したものである。このことをＶＣＳＥＬの断面図である図４（Ａ）で示す。電極開口部を有する電極４０２からＶＣＳＥＬに注入された電流は、活性層に近づくにつれて拡散し、４０３のような分布を上部ＤＢＲ層内に形成する。キャリアのない領域４０４では、フリーキャリアによる光の吸収が少なく、逆に、キャリアの多い領域４０３ではフリーキャリアによる光の吸収が多い。このフリーキャリア吸収の少ない領域は電極開口部の大きさ４０５によって制御される。例えば、楕円形状の開口部により、電極開口部の大きさを電極面内の直交するある１組の方向で異ならせると、上部ＤＢＲ層内でのフリーキャリア吸収の程度は、図４（Ａ）が、Ａ−Ａ線断面図となる平面図（図４（Ｂ））内の４０６と４０７で示すように、上部ＤＢＲ層内の直行する方位間で異ならせることができる。
【００１１】
このフリーキャリア吸収の方向による違いによって、レーザ光はフリーキャリア吸収の少ない方向に偏光方向が固定される。電極開口部の形状は、楕円以外に矩形としても良い。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記電流注入量を制御するような方法では電極開口部を楕円や矩形といった偏平形状とするためビームプロファイルも開口部形状を反映した偏平形状となってしまい、ビームプロファイルのみを偏光制御と独立に制御することができない。
【００１３】
実際にそのような要請が以下のような場合にあり得る。ＶＣＳＥＬをレーザプリンタ等に搭載されているレーザスキャナーの光源として使用する場合、スキャナー内部の光学部品の偏光依存性を顧慮して偏光方向を固定し揃えておくことが必要であり、且つ、ビームプロファイルは、感光材料上のドット形状、強いては画質に深く関係するため、円形であることが望ましい。また、偏光方向を固定する電極開口の形状は、ＶＣＳＥＬの上部ＤＢＲ層の仕様により最適な形状が一義的に決まってしまう。このような場合に、電極アパーチャでビームプロファイルを独立に決定することが不可能である。
【００１４】
このように、従来の方法では、偏光方向を安定させつつビームプロファイルを円形とすること、または、偏光方向を安定させつつビームプロファイルのみを独立に制御することができない。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、偏光方向を安定させつつビームプロファイルを円形とすること、または、ビームプロファイルを偏光制御と独立に制御可能な面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の面発光型半導体レーザは、第一の導電型（例えば、ｎ型）の半導体基板上に下部分布ブラッグ反射鏡、第一の導電型のバッファー層、活性層、第二の導電型（例えば、ｐ型）の半導体多層膜による反射鏡及び第二の導電型のコンタクト層が備えられ、電極を有する垂直共振器型の面発光型半導体レーザにおいて、該第二の導電型のコンタクト層上に、レーザーの発光領域に対応する長径とそれに直交する径との長さが互いに相違する形状の開口部を形成したオーミック電極領域が形成され、さらに、その上部に該オーミック電極の開口部内の発光領域に位置し、オーミック電極の開口部より面積が小さく、且つ、異なる形状の開口部を形成したショットキー電極領域が形成されることを特徴とする。ここで、第一の導電型とは、ｎ型あるいはｐ型を指し、第二の導電型とは、第一の導電型と反対の型、第一の導電型がｎ型である場合、ｐ型を、第一の導電型がｐ型である場合、ｎ型を指すものであり、いずれを第一の導電型としても、本発明の効果を発現するものである。
【００１７】
ここで、前記オーミック電極領域とショットキー電極領域とは、異なる電極材料により形成することができる。
【００１８】
また、前記オーミック電極領域とショットキー電極領域とを同じ電極材料により形成し、該電極材料直下層にある半導体コンタクト層の所定部分に予め不純物拡散を行ってキャリア濃度を高濃度とする領域と、不純物拡散を行なわない領域とを形成し、その上部に該電極材料を積層することにより不純物拡散領域に対応する領域にオーミック電極領域を、不純物拡散を行なわない領域に対応する領域にショットキー電極領域を形成することも可能であり、前記オーミック電極領域とショットキー電極領域を同じ電極材料により形成し、該電極材料直下層にある半導体層に、バンドギャップの異なる領域を形成し、該電極材料を積層することにより、オーミック電極領域とショットキー電極領域とを形成することも可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
上記のような構造の電極を有する垂直共振器型の面発光半導体レーザでは、面発光半導体レーザ内の電流分布をコンタクト層とオーミック電極の開口形状で制御し、一方、光のＮＦＰは、ショットキー電極の開口形状で整形することが可能である。図１は、本発明の実施例１の面発光半導体レーザの電極部分を示す。これを用いて本発明の原理を説明する。
【００２０】
図１は面発光半導体レーザの電極部分の一部断面を有する斜視図である。図２（Ａ）は面発光半導体レーザの電極部分の平面図を示し、図２（Ｂ）はそのＢ−Ｂ線断面図、図２（Ｃ）はそのＣ−Ｃ線断面図を示す。
【００２１】
図２（Ｂ）、（Ｃ）にあるように、コンタクト層１０１上には、オーミック電極１０２及びショットキー電極１０３が形成されている。オーミック電極１０２の開口部１０４は、図２（Ａ）に隠れ線で示されるように楕円形状をなしており、ショットキー電極１０３の開口部は、前記オーミック電極１０２の開口部１０４よりも内部に位置するように、開口部１０４よりも小さな面積で開口部１０５が形成されている。
【００２２】
本態様においては、オーミック電極１０２の開口部１０４は楕円形状としたが、この開口部１０４は、矩形、菱形でもよい。即ち、開口部の平面形状は、角となる部分を有し、直線で構成されるものでも、曲線で構成されるものでもよいが、電流分布を制御するために、偏平形状、即ち長径とそれに直交する径との長さが互いに相違するものであることを要する。偏平形状の目安として、一例を挙げれば、オーミック電極１０２の開口部１０４において、長径が１５μｍ、短径が７μｍの偏平形状の開口部は、偏光の安定化が確認できている。
【００２３】
また、ショットキー電極１０３の開口部１０５を円形としたが、円形には限らず、オーミック電極１０２の開口部１０４の内部の発光領域に位置し、該開口部１０４よりも面積が小さく、且つ、該開口部１０４と異なった形状であったり、システム側で要請される形状であったりする。このショットキー電極の開口部は、オーミック電極領域開口部の中心線上に位置することが好ましい。
【００２４】
このような構成によれば、オーミック電極がコンタクト層と接している領域１０６から殆どの電流が注入され、ショットキー電極がコンタクト層と接している領域１０７からの電流注入量は、電流注入量が前者に比べ相当少ない。したがって、上部ＤＢＲ層内での電流分布は、ほぼオーミック電極形状で制御されることとなる。しかるに、図３で説明したように、面内方向における長径とそれに直交する径との長さが互いに相違する形状の電流分布が、レーザ光の偏光方向を安定化固定化する。さらに、ショットキー電極１０３で形成された開口部１０５が円形であることから、レーザ光のＮＦＰは円形となる。したがって、本発明の態様によれば、偏光方向を安定させつつビームプロファイルが円形であるＶＣＳＥＬ、又は、ビームプロファイルを、偏光方向の安定化とは独立に制御可能なＶＣＳＥＬを提供可能となる。
【００２５】
また、ショットキー電極を光の遮光材として利用すると、斜光材が金属であるためにミラーの反射率が高められるという作用が付与される。さらに、絶縁膜によって電流流入不可能な領域をオーミック電極作製する場合に比べ、電流注入可能な領域との反射波の位相のズレが無く、ＶＣＳＥＬ内で共振する光の波面を乱すことがない。図８は、本発明のＶＣＳＥＬを用いたデバイスの電流光出力特性を示すグラフである。また、比較対象のため、層間絶縁膜をコンタクト層と電極材の間に入れるタイプのレーザＡ、及び、反射しない遮光板を用いてレーザ出射口を規定した場合のレーザＢの電流光出力特性を示すグラフを併記した。これらの電流光出力特性のグラフより明らかなように、上記２つの作用により、高効率であり、且つ、低しきい値のＶＣＳＥＬが作製できる効果もあることがわかる。
【００２６】
【実施例】
（実施例１）
図３に本発明の実施例１の垂直共振器型面発光半導体レーザの断面図を示す。ｎ型ＧａＡｓ半導体基板３０１の上面に、ｎ型ＧａＡｓバッファー層３０２が配置され、その上にｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層３０４と５０ｎｍ厚のｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３０５のペア層を３６組積層した下部分布ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｒｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）３０３が備えられている。これらの上部に１００ｎｍのアンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓスぺーサー層３０６と、１０ｎｍ厚ＧａＡｓ量子井戸活性層３０７とを介して、ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層３０８と５０ｎｍ厚のｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３０９のペア層を３６組積層したｐ型ＤＢＲ層３１０が配置されている。３１１は３０ｎｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層であり、該ｐ型コンタクト層３１１の上部に矩形形状の開口部を有するクロム（Ｃｒ）の１０ｎｍ薄膜層３１２と前記矩形開口部の内側に位置するような円形の開口形状を有するアルミ（Ａｌ）の１００ｎｍ薄膜層３１３が備えられ、Ｃｒ層３１２とＡｌ層３１３の間には、Ａｌ層３１３の円形開口部をふさがぬ形状で３００ｎｍ厚の金（Ａｕ）薄膜層３１４が形成されている。３１５は層間絶縁膜である。
【００２７】
ＧａＡｓ上に形成された電極は、電極金属の種類により電極特性が大きく変わることが知られている。例えば、ＡｕとＣｒの積層電極は、特にＣｒがＧａＡｓとの反応性が高いため、密着度が高く、かつ、金属半導体界面での電荷ポテンシャル障壁が小さいことにより、金属を着膜しただけでアニールせずともオーミック特性を示す。したがって、ここでは、Ｃｒ層３１２とＡｕ薄膜層３１４の積層電極で一つのオーミック電極を形成している。
【００２８】
一方、Ａｌは、ＧａＡｓと反応性が低く、常にショットキー電極となる金属である。したがって、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層上のＣｒの接する領域は、オーミック電極部となり面発光半導体レーザに電流を注入することが可能な領域となるが、反対にｐ型ＧａＡｓコンタクト層上のＡｌの接する領域はショットキー電極となるため、面発光半導体レーザに電流注入がされにくい領域となる。
【００２９】
また、重要なことは、本実施例の電極の面内方向の構造が、図１、２で示したように、面内２軸方向でショットキー電極の領域とオーミック電極の領域を異ならしめるていることである。
【００３０】
製造方法は、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）にて、Ｓｉドープ１×１０１８ｃｍ−３のｎ型ＧａＡｓ基板上にＳｅドープｎ型ＧａＡｓバッファー層を１μｍ、Ｓｉドープ１×１０１８ｃｍ−３のｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層３０４と５０ｎｍ厚のｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層３０５のペア層を３６組積層した下部分布ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｒｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）、１００ｎｍのアンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓスぺーサー層、１０ｎｍ厚ＧａＡｓ量子井戸活性層、１００ｎｍのアンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓスぺーサー層、ＺｎドープのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層と５０ｎｍ厚のｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層のペア層を３６組積層したｐ型ＤＢＲ層、３０ｎｍのＺｎドープｐ型ＧａＡｓコンタクト層を順次積層する。次に、フォトレジストでオーミック電極の開口部形状を決めるリフトオフマスクを次のような工程により作製する。
【００３１】
ＭＯＣＶＤ装置にて作製したＶＣＳＥＬ基板の上に、スピンコーターによりフォトレジストを２μｍ厚に伸延させ、８０℃１０分ベイキングし、マスクアライナーにて所望のパターンを露光する。次に、モノクロロベンゼンに数十秒浸してレジスト表面を固化させたあと、レジスト現増液にて現像する。このような工程を経たレジストは上部に庇を有する形状となり、リフトオフしやすくなる。前記レジストパターンを形成したＶＣＳＥＬ基板上にＣｒを１０ｎｍ程度、Ａｕを３００ｎｍ程度、順次、抵抗加熱蒸着器にて蒸着した後、アセトンにて超音波洗浄を行うと、偏平形状の開口部を有するオーミック電極が形成される。
【００３２】
次に、上記オーミック電極形成時に用いた同じ方法にて、上記オーミック電極の偏平形状開口部内にリフトオフ用レジストを形成し、抵抗加熱蒸着器にてＡｌを１００ｎｍ程度蒸着する。続いて、アセトンにて超音波洗浄を行うと、オーミック電極偏平開口部よりも小さな円形開口部を有するショットキー電極が、オーミック電極偏平開口部の内側に位置するように形成される。
【００３３】
次に、ＶＣＳＥＬのポスト構造を硫酸系のＷｅｔエッチングあるいは塩素系ガスを用いたドライエッチングにて形成する。エッチングマスクには、一般的なフォトレジストマスクを用いる。ポスト径は、１０〜２０μｍ程度とする。
【００３４】
最後にＶＣＳＥＬ基板の裏面にＡｕとＧｅを主成分とするｎ側電極を抵抗加熱蒸着器にて形成し、４００℃５分アニールすることでｎ側電極が形成され、デバイスが完成する。
【００３５】
オーミック電極金属材料として、この実施例１では、Ａｕ／Ｃｒを採用したが、Ａｕと亜鉛（Ｚｎ）との合金（ＡｕＺｎ）、または、Ｃｒの代わりにチタン（Ｔｉ）を使用しＡｕ／Ｔｉ電極としても、さらにプラチナ（Ｐｔ）を加えたＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ電極としてもオーミック電極が形成できる。この場合、アニールによる合金化、即ちアロイ工程が必要となる。
【００３６】
また、ここではショットキー電極としてアルミニウム（Ａｌ）を用いているが、アロイ工程をいれないＡｕ／Ｔｉなど使用することができる。
【００３７】
このように、オーミック電極とショットキー電極とをまったく異なる電極材料を用いて形成することができる。
【００３８】
さらに、この実施例では、ショットキー電極の開口部の形状を円形としたが、必ずしも円形ではなく、レーザ光の受け手側のシステムで要求するビーム形状に対応してショットキー電極の開口部の形状を決定することが可能である。
（実施例２）
実施例２では、オーミック電極領域とショットキー電極領域の作製方法が実施例１と異なる。図６は実施例２の面発光半導体レーザの電極部分を示す断面図である。ここでは電極材料としてＡｕ／Ｃｒのみを用いており、オーミック領域はＧａＡｓコンタクト層６０３上にＣｒ６０２とＡｕ６０１を着膜して形成し、ショットキー領域は、あらかじめＧａＡｓコンタクト層６０３をエッチングにより除去してＡｌＧａＡｓ半導体層６０４を露出させた面上にＡｕ／Ｃｒを着膜して形成した。ＧａＡｓコンタクト層６０３をエッチングする領域は、基板面内の直行する２軸方向で開口長さを異ならしめることにより、所定の偏平形状の開口部を形成しうる。Ａｕ／Ｃｒ層は、キャリア濃度が１０１９ｃｍ−３と高いＧａＡｓ層６０３上に接する場合にはオーミック特性を示す電極となり、バンドギャップの大きなＡｌＧａＡｓ半導体層６０４であって、且つ、キャリア濃度が１０１８ｃｍ−３台と低い本実施例の如き半導体層６０４に対しては、ショットキー特性を示す電極となる。このように、Ａｕ／Ｃｒ層という、同一の電極材料を用いて、該Ａｕ／Ｃｒ層が隣接する層の構成を変化させることにより、オーミック特性を示す電極領域とショットキー特性を示す電極領域とを形成することができる。以上によりオーミック特性を示す電極領域と、ショットキー特性を示す電極領域とを異なる材料で形成した実施例１の面発光半導体レーザと同様の効果が現れる。
（実施例３）
実施例３においても、オーミック電極領域とショットキー電極領域の作製方法が実施例１と異なる。図７は実施例３の面発光半導体レーザの電極部分を示す断面図である。本実施例においては、電極材料としてＡｕ層７０１とＣｒ層７０２の積層構造体を用いる。前記Ａｕ層７０１とＣｒ層７０２の積層構造体からなる電極と接する半導体コンタクト層７０３としては、あらかじめアンドープの半導体層を形成し、該半導体層のうちオーミック電極としたい領域にのみ、Ｚｎ拡散でキャリア濃度を高めておく。ここで、Ｚｎ拡散する半導体コンタクト層の領域７０４を扁平形状の開口部を除いた周辺部に限定することで、オーミック電極を扁平形状の開口部を有するものとすることができる。しかも、Ｚｎ拡散していない領域、即ち、ショットキー電極の開口部７０５と、オーミック電極開口部７０４とに囲まれた領域におけるＡｕ層７０１とＣｒ層７０２の積層構造体部分７０６が、ショットキー電極領域となる。前記したように、Ａｕ層７０１とＣｒ層７０２の積層構造体という同一の電極材料を用いて、該電極と接する半導体コンタクト層７０３の所定の部分にＺｎ拡散を行うことによってオーミック特性を示す電極領域を形成し、Ｚｎ拡散を行なわない部分がショットキー特性を示す電極領域となる。以上によりオーミック特性を示す電極領域と、ショットキー特性を示す電極領域とを異なる材料で形成した実施例１の面発光半導体レーザと同様の効果が現れる。本実施例は前記実施例１で用いた層間絶縁膜（図２（Ｂ）、（Ｃ）における２１５）の無いタイプである。実施例１で示したように層間絶縁膜を入れるタイプがより好ましい。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、ＶＣＳＥＬ内の電流分布を制御して偏光方向を安定化固定化する機能を有しつつ、レーザ光のＮＦＰも自由に選択可能であり、さらに、高効率低しきい値であるＶＣＳＥＬが作製可能となる。これによれば、光伝送や光情報処理、あるいは、感光体ドラムに静電潜像を書き込む光源としての様々な仕様に耐えうる面発光型半導体レーザが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の面発光型半導体レーザの電極部位の一態様を示す斜視図である。
【図２】（Ａ）は本発明のＶＣＳＥＬの電極部位の一態様を示す平面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）はその断面図である。
【図３】本発明の実施例１のＶＣＳＥＬの断面図である。
【図４】（Ａ）は扁平電極によって偏光方向を制御するＶＣＳＥｌの従来例を示す断面図であり、（Ｂ）はその平面図である。
【図５】ＶＣＳＥＬ単体の構造を示す断面図である。
【図６】本発明の実施例２のＶＣＳＥＬの電極部位を示す断面図である。
【図７】本発明の実施例３のＶＣＳＥＬの電極部位を示す断面図である。
【図８】本発明のＶＣＳＥＬの電流光出力特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０１ コンタクト層
１０２ オーミック電極
１０３ ショットキー電極
１０４ オーミック電極開口部
１０５ ショットキー電極開口部
１０６ オーミック電極
１０７ ショットキー電極
３０１ ｎ型ＧａＡｓ半導体基板
３０２ ｎ型ＧａＡｓバッファー層
３０３ 下部分布ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｒｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）
３０４ ｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層
３０５ ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層
３０６ アンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓスぺーサー層
３０７ ＧａＡｓ量子井戸活性層
３０８ ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層
３０９ ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層
３１０ ｐ型ＤＢＲ層
３１１ ｐ型コンタクト層
３１２ クロム（Ｃｒ）の１０ｎｍ薄膜層
３１３ アルミ（Ａｌ）の１００ｎｍ薄膜層
３１４ 金（Ａｕ）薄膜層
３１５ 層間絶縁膜
４０２ 電極開口部を有するオーミック電極
４０３ 上部ＤＢＲ層内での電流分布
４０４ キャリアのない領域
４０５ オーミック電極開口部の大きさ
４０６ ＡＢ方向での電流密度が疎な領域
４０７ ＡＢ方向と垂直な面内の方向で電流密度が疎な領域
５０１ 半導体基板
５０２ 共振器
５０３ 活性層
５０４ 半導体多層膜による上部反射ミラー（上部ＤＢＲミラー）
５０５ 下部反射ミラー（下部ＤＢＲミラー）
５０６ スペーサー層
５０７ 上部コンタクト層
５０８ 上部電極
５０９ 下部電極
５１０ 層間絶縁膜
５１１ レーザの出射口
６０１ Ａｕ薄膜層
６０２ Ｃｒ薄膜層
６０３ コンタクト層
６０４ ＡｌＧａＡｓ半導体層
７０１ Ａｕ薄膜層
７０２ Ｃｒ薄膜層
７０３ コンタクト層
７０４ Ｚｎ拡散する半導体コンタクト層の領域
７０５ Ｚｎ拡散していない領域
７０６ ショットキー電極領域
Claims (5)
- 第一の導電型の半導体基板上に下部分布ブラッグ反射鏡、第一の導電型のバッファー層、活性層、第二の導電型の半導体多層膜による反射鏡及び第二の導電型のコンタクト層が備えられ、電極を有する垂直共振器型の面発光型半導体レーザにおいて、
該第二の導電型のコンタクト層上に、レーザーの発光領域に対応する長径とそれに直交する径との長さが互いに相違する形状の開口部を形成したオーミック電極領域が形成され、さらに、その上部に該オーミック電極領域の開口部内の発光領域に位置し、オーミック電極領域の開口部より面積が小さく、且つ、異なる形状の開口部を形成したショットキー電極領域が形成されることを特徴とする垂直共振器型の面発光型半導体レーザ。 - 前記長径とそれに直交する径との長さが互いに相違する形状が、楕円、矩形、又は、菱形であることを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
- 前記オーミック電極領域とショットキー電極領域を、異なる電極材料により形成することを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
- 前記オーミック電極領域とショットキー電極領域とを同じ電極材料により形成し、該電極材料直下層にある半導体コンタクト層の所定部分に予め不純物拡散を行ってキャリア濃度を高濃度とする領域と、不純物拡散を行なわない領域とを形成し、その上部に該電極材料を積層することにより不純物拡散領域に対応する領域にオーミック電極領域を、不純物拡散を行なわない領域に対応する領域にショットキー電極領域を形成することを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
- 前記オーミック電極領域とショットキー電極領域とを同じ電極材料により形成し、該電極材料直下層にある半導体層に、バンドギャップの異なる領域を形成し、該電極材料を積層することにより、オーミック電極領域とショットキー電極領域とを形成することを特徴とする請求項１に記載の面発型光半導体レーザ。
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