JP3799667B2

JP3799667B2 - Surface emitting semiconductor laser device and manufacturing method thereof

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Publication number: JP3799667B2
Application number: JP18093396A
Authority: JP
Inventors: 伸明植木; 秀生中山; 広己乙間; 将央山本
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1996-07-10
Filing date: 1996-07-10
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2016-07-10
Also published as: JPH1027938A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報処理、光通信あるいは光を用いた画像形成装置の光源として用いられる面発光型半導体レーザ装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板に対して垂直方向に、共振器が形成された面発光型半導体レーザにおいては、水平方向の構造的な対称性から偏波面の方向が一意的に決まらないという問題があった。また、プロセス上のむらのため構造的な非対称性が発生して素子間での偏波面の方向にばらつきを生じたり、あるいは同一の素子においても環境温度や注入電流量の変化により、偏波面の方向が時間的に変動するという問題があった。
【０００３】
これに対し、半導体層を矩形形状に加工して偏波面の制御を行うようにした面発光型半導体レーザも提案されている（アプライドフィジックスレターズ第６６巻、第８号、９０８頁から９１０頁（１９９５年））。この半導体レーザは、図１０に示すように、ＩｎＧａＡｓからなる３重量子井戸活性層を、ＧａＡｓ層とＡｌＡｓ層とを交互に積層してなる半導体多層反射膜（ＤＢＲミラー）でサンドイッチした典型的なＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌｃａｖｉｔｙｓｕｒｆａｃｅｅｍｉｔｔｉｎｇｌａｓｅｒ）構造である。この例では、ＩｎＧａＡｓからなる３重量子井戸活性層を、ＧａＡｓ層とＡｌＡｓ層とを交互に積層してなる半導体多層反射膜（ＤＢＲミラー）でサンドイッチした積層体に対し、短軸が＜１１０＞方向となるように配置された矩形のフォトレジストマスクを形成した後、塩素ガスを用いた反応性イオンビームエッチングにより上部半導体多層反射膜の一部を除去していわゆるポスト形状を形成する。さらに電流狭窄のため前述のポスト部の直下を除く活性層をプロトン注入により非活性化（高抵抗化）した後、所定の位置にアノード及びカソード電極を形成して完成する。このレーザはいわゆる横方向電流注入型の面発光レーザである。また光出射の方向はこの基板の裏面側である。
【０００４】
また、面発光型半導体レーザのしきい値電流の低下をはかるため、半導体多層反射膜中に自然酸化膜を介在せしめ、電流狭窄を行うようにした構造も提案されている（アプライドフィジックスレターズ第６５巻、第１号、９７頁から９９頁（１９９４年））。これは、偏波面の制御を目的としたものではないが、図１１に示すように、ＩｎＧａＡｓからなる３重量子井戸活性層を、ＧａＡｓ層とＡｌＡｓ層とを交互に積層してなる半導体多層反射膜（ＤＢＲミラー）でサンドイッチした典型的なＶＣＳＥＬ構造をなし、ＧａＡｓ層とＡｌＡｓ層との１ペアで、、ＧａＡｓ層が上側に位置するように構成している。そして、フォトリソグラフィ技術とウェットエッチング技術とによって、ｐ型ＧａＡｓ層を３０若しくは６０μｍ径の円形に加工し、ｐ型ＡｌＡｓ層を露呈させ、４７５℃に加熱した炉の中で約３分間熱処理を行う。このとき、炉の中には窒素をキャリアガスとし、９５℃に保たれた水蒸気が導入されている。露出したＡｌＡｓ層は横方向から徐々に酸化され、最終的には酸化されずに残った２〜８μｍ角の領域が形成される。酸化された領域は酸化アルミニウムとなり、殆ど電流を通さないから電流狭窄が可能となる。
【０００５】
しかしながらこのような構造の面発光型半導体レーザの特性は必ずしも満足できるものではなかった。前述した従来の方法の第１では、ＤＢＲミラー部での回折損失を利用して偏波面の制御を行うようにしたとしているが、発光に寄与しなかった電子・正孔再結合をはじめとする損失分は熱となって発生するため、ポスト部の体積が比較的小さい（６μｍ×４μｍ×２μｍ程度）この素子では放熱性が十分でなく、光出力特性が制限を受けるからである。実際この論文の筆者らは短軸方向の径をこれ以上小さくしてもしきい値電流は下がらないばかりか、かえって増加してしまったとしている。さらにこの構造ではプロトン注入時の制約から電流狭窄部のアパーチャー径をポスト部の径より小さくするのが難しいのに加えて、活性領域へのキャリアの注入効率が高くないため、しきい値電流の低減には限界がある。
また、前述した従来の第２の方法では、電流が通過し、光が放出される領域の垂直断面形状がほぼ対称形であるため、偏波面は定まらず、任意の方向をとることが予想される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来の方法では、安定な偏波面を維持し、光出力特性の良好な面発光型半導体レーザを得ることは出来なかった。
【０００７】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、光出力特性に特段の影響を与えることなく、横モードを安定させながら偏波面を安定に維持することのできる、面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
【０００８】
そこで、本発明の第１の特徴は、面発光型半導体レーザ装置において、半導体基板上で活性層が上部及び下部の半導体多層反射膜により挟まれ、少なくとも前記上部半導体多層反射膜が選択的に除去せしめられて半導体柱を構成し、基板と垂直方向に光を放出する面発光型半導体レーザ装置において、前記下部半導体多層反射膜と前記活性層との間に設けられた下部スペーサ層と、前記上部半導体多層反射膜と前記活性層との間に設けられた上部スペーサ層と、前記下部スペーサ層と前記下部半導体多層反射膜との間、及び前記上部スペーサ層と前記上部半導体多層反射膜との間の少なくとも一方に設けられた挿入層とを具備し、前記挿入層の周辺部は、酸化物を含む層若しくは空隙を有し、前記周辺部以外の前記挿入層の領域が電流通路と規定され、前記周辺部以外の前記挿入層の領域は、前記半導体基板に垂直な方向からみた断面形状が長軸と短軸とを有すると共に、断面径が前記半導体柱の断面径よりも小であることを特徴とする。
【０００９】
望ましくは、前記半導体柱の頂部に設けられた第１の電極と、前記上部半導体多層反射膜が除去された領域に設けられた第２の電極とをさらに具備することを特徴とする。
また、望ましくは、前記半導体基板の裏面に設けられた第１の電極と、前記上部半導体多層反射膜が除去された領域に設けられた第２の電極とをさらに具備することを特徴とする。
【００１０】
本発明の第２の特徴は、面発光型半導体レーザ装置の製造方法において、半導体基板上に下部半導体多層反射膜と、下部スペーサ層と、活性層と、上部スペーサ層と、上部多半導体多層反射膜とを順次積層すると共に、前記下部スペーサ層と前記下部半導体多層反射膜との間及び上部スペーサ層と前記上部半導体多層反射膜との間の一方に挿入層を介在させるように積層する積層工程と、前記挿入層を断面に露呈せしめるように、少なくとも前記上部半導体多層反射膜の一部を選択的に除去し長軸と短軸とを有する２回対称形状を有してなる半導体柱を形成する工程と、前記半導体柱の断面から露呈する挿入層を選択的にエッチング除去し、長軸と短軸とを有する２回対称形状を有してなる領域を残して、電流通路を規定する領域を形成するエッチング工程とを含むことを特徴とする。
望ましくは、前記挿入層がアルミニウム砒素層若しくはアルミニウムガリウム砒素層からなることを特徴とする。
【００１１】
本発明の第３の特徴は、面発光型半導体レーザ装置の製造方法において、半導体基板上に下部半導体多層反射膜と、下部スぺーサ層と、活性層と、上部スペーサ層と、上部多半導体多層反射膜とを順次積層すると共に、前記下部スペーサ層と前記下部半導体多層反射膜との間及び上部スペーサ層と前記上部半導体多層反射膜との間の一方に挿入層を介在させるように積層する積層工程と、前記挿入層を断面に露呈せしめるように、少なくとも前記上部半導体多層反射膜の一部を選択的に除去し長軸と短軸とを有する２回対称形状を有してなる半導体柱を形成する工程と、前記半導体柱の断面から露呈する挿入層を選択的に酸化し、長軸と短軸とを有する２回対称形状を有してなる領域を残して、電流通路を規定する領域を形成する酸化工程とを含むことを特徴とする。
望ましくは、前記挿入層がアルミニウム砒素層若しくはアルミニウムガリウム砒素層からなることを特徴とする。
【００１２】
本発明の第４の特徴は、面発光型半導体レーザ装置の製造方法において、半導体基板上に下部半導体多層反射膜と、下部スぺーサ層と、活性層と、上部スペーサ層と、上部多半導体多層反射膜とを順次積層すると共に、前記下部スペーサ層と前記下部半導体多層反射膜との間、および上部スペーサ層と前記上部半導体多層反射膜との間に挿入層を介在させるように積層する積層工程と、前記挿入層を共に断面に露呈せしめるように、少なくとも前記下部半導体多層反射膜表面まで前記各層を上方から順次選択的に除去し長軸と短軸とを有する２回対称形状を有してなる半導体柱を形成する工程と、前記半導体柱の断面から露呈する挿入層を選択的にエッチング除去し、長軸と短軸とを有する２回対称形状を有してなる領域を残して、電流通路を規定する領域を形成するエッチング工程とを含むことを特徴とする。
望ましくは、前記挿入層がアルミニウム砒素層若しくはアルミニウムガリウム砒素層からなることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第５の特徴は、面発光型半導体レーザ装置の製造方法において、半導体基板上に下部半導体多層反射膜と、下部スぺーサ層と、活性層と、上部スペーサ層と、上部多半導体多層反射膜とを順次積層すると共に、前記下部スペーサ層と前記下部半導体多層反射膜との間、および上部スペーサ層と前記上部半導体多層反射膜との間に挿入層を介在させるように積層する積層工程と、前記挿入層を共に断面に露呈せしめるように、少なくとも前記下部半導体多層反射膜表面まで前記各層を上方から順次選択的に除去し長軸と短軸とを有する２回対称形状を有してなる半導体柱を形成する工程と、前記半導体柱の断面から露呈する挿入層を選択的に酸化し、長軸と短軸とを有する２回対称形状を有してなる領域を残して、電流通路を規定する領域を形成する酸化工程とを含むことを特徴とする。
望ましくは、前記挿入層がアルミニウム砒素層若しくはアルミニウムガリウム砒素層からなることを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、偏波面を制御するために反射率を変化させる部位をメサ構造と一致させるのではなく、メサ部よりも内側に設け、高効率の電流狭窄のために供すると共に、派生する熱を比較的体積の大きいメサ構造部に放熱するようにしているため、横モードを安定させながら、偏波面を制御し、しきい値電流の低減をはかるとともに、熱による光出力特性の劣化を防ぐことができる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明について、図面を参照しつつ説明する。
【００１６】
図１（ａ）（ｂ）および（ｃ）は本発明の第１の実施例の面発光型半導体レーザ装置の上面図、そのＡ−Ａ’断面図およびそのＢ−Ｂ’断面図である。
【００１７】
この面発光型半導体レーザ装置は、ｎ型ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板１上に形成されたｎ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下部半導体多層反射膜２と、アンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓからなる下部スペーサ層３と、この下部スペーサ層３上に形成されたアンドープのＡｌ_0.11Ｇａ_0.89量子井戸層とアンドープのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ障壁層とからなる量子井戸活性層４と、アンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓからなる上部スペーサ層５と、ｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ上部半導体多層反射膜７と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層８が順次積層せしめられ、上部スペーサ層５が露呈する深さまで、上部半導体多層反射膜７とｐ型ＧａＡｓコンタクト層８のみが発光領域の上方を除いてエッチング除去され、長軸と短軸とを有する断面矩形の角柱状の光制御領域９が形成されている。そしてここで上部半導体多層反射膜７の最下層に挿入層としてのｐ型のＡｌＡｓ層６が介在せしめられている。そしてこのｐ型のＡｌＡｓ層６の露呈断面が選択酸化により角柱の内方に選択的に酸化せしめられ、酸化膜６ｓを形成している。そしてこの酸化膜６ｓで囲まれた角柱状の領域が電流通路１０を構成する。ここでまたこのエッチング除去された領域は酸化シリコン膜からなる表面保護膜（図示せず）によって被覆保護されている。そして表面にはＣｒ／Ａｕからなるｐ側電極１１が形成されるとともに、基板裏面にはＡｕ−Ｇｅ／Ａｕからなるｎ側電極１２が形成されている。
【００１８】
ここでｎ型下部半導体多層反射膜２は、ｎ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7ＡｓＧａＡｓ層とをそれぞれ膜厚λ／（４ｎ_r）（λ：発振波長，ｎ_r：屈折率）で約４０．５周期積層することによって形成されたもので、シリコン濃度は２×１０¹⁸ｃｍ^ー3である。下部スペーサ層３は、アンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層から構成され、また、量子井戸活性層４は、アンドープのＡｌ_0.11Ｇａ_0.89量子井戸層（膜厚８ｎｍ×３）とアンドープのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ障壁層（膜厚５ｎｍ×４）との組み合わせ、上部スペーサ層５はアンドープＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓから構成されており、膜厚は全体でλ／ｎrの整数倍とする。ｐ型のＡｌＡｓ層６は膜厚λ／（４ｎ_r）で、カーボン濃度は３×１０¹⁸ｃｍ^ー3である。また、上部半導体多層反射膜７は、ｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とｐ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3ＡｓＧａＡｓ層とをそれぞれ膜厚λ／（４ｎ_r）（λ：発振波長，ｎ_r：屈折率）で交互に３０周期積層することによって形成されたもので、カーボン濃度は３×１０¹⁸ｃｍ^ー3である。最後にｐ型コンタクト層８は膜厚５ｎｍで、カーボン濃度は１×１０²⁰ｃｍ^ー3である。上部半導体多層反射膜７の周期数を下部半導体多層反射膜２の周期数よりも少なくしているのは、反射率に差をつけて出射光を基板上面から取り出すためである。ドーパントの種類についてはここで用いたものに限定されることなく、ｎ型であればセレン、ｐ型であれば亜鉛やマグネシウムなどを用いることも可能である。周期については光の取り出し方向を基板表面側、裏面側のいずれかに取るかで決定され、周期が増えるにつれて反射率は高くなる。さらにまた、選択酸化により高抵抗化する領域に囲まれた電流注入領域は短軸と長軸との比が５：６から１：６の矩形あるいは楕円形状とするのが望ましい。一方、この比が５：６を越えると偏波面は安定せず、１：６に満たないと横モードが安定化しない。
【００１９】
また、ＡｌＡｓ層は選択酸化により電流通路１０を規定したが、選択エッチングにより空隙を形成し電流通路１０を規定するようにしてもよい。
【００２０】
ここでは、発振波長λ：７８０ｎｍのレーザ光を取り出すように設計した。
【００２１】
この構成によれば、角柱状の光制御領域９の内部におけるキャリアの通過経路が、矩形若しくは楕円の極めて狭い領域に限定されるから、キャリアが量子井戸活性層４に効率よく注入され発振しきい値電流が大幅に低下し、同時に放射光の内短軸方向に発散する光が効果的に回折損失を受け、横モードが安定化されると共に出射光の偏波面が長軸方向に規定される。さらに角柱状の光制御領域９の径は利得を生じる領域のそれに比べてはるかに大きいので、放熱特性も十分であり、光出力が増大しても偏波面を安定に維持することができる。
【００２２】
次に、この面発光型半導体レーザ装置の製造工程について説明する。
【００２３】
まず、図２に示すように、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）（１００）基板１上に、ｎ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下部半導体多層反射膜２と、アンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓからなる下部スペーサ層３と、アンドープのＡｌ_0.11Ｇａ_0.89量子井戸層とアンドープのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ障壁層とからなる量子井戸活性層４と、アンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓからなる上部スペーサ層５と、ｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ上部半導体多層反射膜７と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層８とを順次積層する。
そして基板を成長室から取出し、酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜などの絶縁膜２１を形成しフォトリソグラフィ技術により、図３に示すように、２０μｍ×３０μｍの矩形のレジストマスク２２を形成する。ここでこの矩形は短軸が＜０１１＞方向となるように合わせる。
【００２４】
そしてさらに、図４に示すように、このレジストマスク２２および絶縁膜２１をマスクとして、ＳｉＣｌ₄ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、ＡｌＡｓ層６が露出せしめられる深さまで半導体層をエッチング除去して、光制御領域９となる角柱状のメサ構造部を形成する。
【００２５】
続いてこの基板を、高温の水蒸気を充満させた石英管内で基板を４００℃に加熱し、約１０分間の熱処理を行うことにより露出したＡｌＡｓ層６が外側断面から徐々に酸化され、酸化膜６ｓが形成され、図５に示すように、最終的には酸化されずに残った領域が４μｍ×６μｍ程度の矩形形状となる。なお、ここで熱処理による酸化に代えて、硫酸過酸化水素溶液（Ｈ₂ＳＯ₄：Ｈ₂Ｏ₂：Ｈ₂Ｏ＝１：１：５）柱に約３０秒間浸すようにしても良く、これにより、ＡｌＡｓ層６はいわゆるサイドエッチングにより外側断面から選択的に除去される。
【００２６】
この後メサ構造上面の絶縁膜２１をバッファード弗酸により除去してから、フォトリソグラフィ技術により、図６に示すように、メサ構造上面には環状のｐ側電極１１を形成し、基板裏面には全面にｎ側電極１２を形成して、図１に示した本発明にかかる第１の実施例の面発光型半導体レーザ装置が完成する。
【００２７】
なお、前記実施例では、上部スペーサ層５と上部半導体多層反射膜７との間にＡｌＡｓ層６を介在させるようにしたが、下部スペーサ層３と下部半導体多層反射膜２との間にＡｌＡｓ層６を介在させるようにしてもよく、また両方に介在させる様にしても良い。このように両側に設ける様にすれば、活性層の上下両方向で電流狭窄を行う事ができるため、活性領域へのより効率的な電流注入が可能となり、いっそうしきい値電流を低減することができる。ただこの場合は、下部スペーサ層３の下に位置するＡｌＡｓ層６断面が露呈する深さまで半導体層をエッチング除去する必要がある。
【００２８】
なお、前記実施例では各半導体層は有機金属気相成長法で形成したが、これに限定されることなく分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などによっても良い。
【００２９】
また、半導体柱形成のためのマスクとして用いる絶縁膜についても、酸化シリコン膜に限定されることなく窒化シリコン膜など他の材料を用いても良い。
【００３０】
さらにまた、前記実施例ではＡｌＡｓ層６を選択的に除去するためのエッチングに硫酸過酸化水素溶液を用いたがＡｌ組成比に対するエッチングレートの選択性が高いものが望ましく、Ａｌ組成比が高くなるにつれてエッチングレートが急激に増大する硫酸過酸化水素水溶液は最適である。また他のエッチャントとしては水酸化アンモニウム過酸化水素水溶液などを用いても良い。
【００３１】
さらにまた、前記実施例では電流通路をなす矩形若しくは楕円形状について、短軸が＜０１１＞方向となるようにしたが、これに限定されることなく、最終的な電流通路の形状が所望の形になればよく、例えば短軸が＜０１ー１＞方向となるようにしても、あるいは＜０１１＞方向に対して任意の角度をなすように設定しても何等問題はない。ただし通常用いられる円形の活性領域を有する面発光レーザにおいては，ＴＥモードの方向により規定される偏波面の方向が＜０１ー１＞方向、あるいは＜０１１＞方向となる確率が高い事が知られているから、短軸方向を＜０１ー１＞方向、あるいは＜０１１＞方向としておけばより効果的に偏波面を安定化させることができる。
【００３２】
また、前記実施例ではＡｌＡｓ層の選択酸化の際、加熱する温度を４００℃とした場合について説明したが、これに限定されることなく、最終的な電流通路の大きさが所望の値となるよう制御できる条件であればよい。温度をあげると酸化速度が上昇し、短時間で所望の酸化領域を形成する事ができるが、４００℃程度がもっとも制御しやすい温度であった。
【００３３】
また、半導体柱形成のためのエッチングに際しては、ウエットエッチングの場合、上層と下層でエッチング液にさらされる時間が異なることから、半導体柱の底部に向かうにつれて面積が広がるいわゆるテーパ形状が形成され、直径の小さな半導体柱が作りにくいという問題があるが、ドライエッチングの場合、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）法や反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いれば、半導体柱の側壁が、垂直あるいはアンダーカット形状をとるようにすることもでき、直径の小さな半導体柱も容易に形成することができる。このときのエッチングガスとしては、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃、ＳｉＣｌ₄あるいはＡｒとＣｌ₂の混合ガス等が用いられる。
【００３４】
このようにして作製された面発光型半導体レーザ装置の動作は、以下に示すごとくである。
ここで、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層８およびｐ型上部半導体多層反射膜７は発光領域の上方を除いてエッチング除去され、かつ、挿入層６が外側から選択的に酸化されて酸化膜６Ｓとなり、ｐ側電極から注入されたキャリアの通路はこの半導体柱である光制御領域９内において酸化膜６ｓで規定されている。そして、量子井戸層に注入されたキャリアは電子−正孔再結合により光を放出し、この光は上部と下部の半導体多層反射膜によって反射され、利得が損失を上回ったところでレーザ発振を生ずる。レーザ光は基板表面に設けられた電極の窓部から出射される。
【００３５】
次に本発明の第２の実施例の面発光型半導体レーザ装置およびその製造方法について、図面を参照しつつ説明する。
【００３６】
前記第１の実施例では、ｐ側電極１１とｎ側電極１２とは反対側の面に形成したが、同一面側に形成してもよく、これにより、駆動回路などと集積化するに適した構造であるといえる。この場合は、図７に示すように、下部半導体多層反射膜３２が露呈せしめられる深さまで選択的に除去せしめられ角柱状の光制御領域３９が形成されている。そしてその外側に所定の間隔を隔てて、環状をなすようにｎ側電極４２が形成されている。
【００３７】
すなわち、半絶縁性のガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板３１上に形成されたｎ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下部半導体多層反射膜３２と、アンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓからなる下部スペーサ層３３と、この下部スペーサ層３３上に形成されたアンドープのＡｌ_0.11Ｇａ_0.89量子井戸層とアンドープのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ障壁層とからなる量子井戸活性層３４と、アンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓからなる上部スペーサ層３５と、ｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ上部半導体多層反射膜３７と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層３８が順次積層せしめられ、上部スペーサ層３５が露呈する深さまで、上部半導体多層反射膜３７とｐ型ＧａＡｓコンタクト層３８のみが発光領域の上方を除いてエッチング除去され、長軸と短軸とを有する断面矩形の角柱状の光制御領域３９が形成されている。そしてここで上部半導体多層反射膜３７の最下層に挿入層としてのｐ型のＡｌＡｓ層３６が介在せしめられている。そしてこのｐ型のＡｌＡｓ層３６の露呈断面が選択酸化により角柱の内方に選択的に酸化せしめられ、酸化膜３６ｓを形成している。そしてこの酸化膜６ｓで囲まれた角柱状の領域が電流通路４０を構成する。ここでまたこのエッチング除去された領域は酸化シリコン膜からなる表面保護膜（図示せず）によって被覆保護されている。そして角柱状の光制御領域３９表面にはＣｒ／Ａｕからなるｐ側電極４１が形成されるとともに、その外側表面には環状をなすようにＡｕ−Ｇｅ／Ａｕからなるｎ側電極４２が形成されている。
【００３８】
次に本発明の第３の実施例として、横方向電流注入型の半導体レーザに適用した例について説明する。
【００３９】
図８に示すように、上部半導体多層反射膜５７から上部スペーサ層５５の一部の深さに到達するまで除去され角柱状の光制御領域５９が形成されている。そして、上部半導体多層反射膜５７と上部スペーサ層５５との間にはＡｌＡｓ層５６が介在せしめられ、断面から選択的に酸化されて電流通路６０を規定している。そして角柱状の光制御領域５９の外側に所定の間隔を隔てて、環状をなすように上部スペーサ層５５上にｐ側電極６１が形成され、またｎ型ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板５１の裏面側にｎ側電極６２が形成されている。
【００４０】
すなわち、ｎ型のガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板５１上に形成されたｎ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下部半導体多層反射膜５２と、アンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓからなる下部スペーサ層５３と、この下部スペーサ層５３上に形成されたアンドープのＡｌ_0.11Ｇａ_0.89量子井戸層とアンドープのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ障壁層とからなる量子井戸活性層５４と、アンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓからなる上部スペーサ層５５と、ｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ上部半導体多層反射膜５７とが順次積層せしめられ、上部スペーサ層５５の一部の深さまで、上部半導体多層反射膜５７と共に発光領域の上方を除いてエッチング除去され、長軸と短軸とを有する断面矩形の角柱状の光制御領域５９が形成されている。そしてここで上部半導体多層反射膜５７の最下層に挿入層としてのｐ型のＡｌＡｓ層５６が介在せしめられている。そしてこのｐ型のＡｌＡｓ層５６の露呈断面が選択酸化により角柱の内方に選択的に酸化せしめられ、酸化膜５６ｓを形成している。そしてこの酸化膜５６ｓで囲まれた角柱状の領域が電流通路６０を構成する。そして角柱状の光制御領域５９の外側表面には環状をなすようにＣｒ／Ａｕからなるｐ側電極６１が形成されるとともに、基板の裏面側にはＡｕ−Ｇｅ／Ａｕからなるｎ側電極６２が形成されている。
【００４１】
この構造ではメサ構造部が電流通路となっていないため、素子抵抗を大幅に低減する事ができる。
【００４２】
なお、前記実施例では上部半導体多層反射膜をｐ型とし、下部半導体多層反射膜をｎ型としたが、これに限定されることなく導電型を反対にすることも可能である。一般にｐ型層はｎ型層に比べバンド不連続に起因する素子抵抗の増大が懸念されるため、層数が増えることはレーザ特性を劣化させる要因となり好ましくない。前記実施例では出射光を基板上面から取り出す関係から、上部半導体多層反射膜の方が下部半導体多層反射膜に比べ層数が少ない。このため上部半導体多層反射膜の導電型をｐ型としたが、逆に出射光を基板裏面から取り出す場合には、層数の多い上部半導体多層反射膜の導電型をｎ型とするのが望ましい。別の観点からみれば、素子抵抗は面積に反比例するので、柱状に加工する上部半導体多層反射膜は素子抵抗を増大させる要因となる。従って同じ面積ならｐ型層よりも素子抵抗を小さくすることのできるｎ型層を上部半導体多層反射膜とすることは好ましいとも考えられる。光の取り出し方向や導電型による素子抵抗の違いを勘案しながら、総合的な見地から導電型を決める必要がある。
【００４３】
なお、前記実施例では、量子井戸活性層を構成する材料としてＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系半導体を用いたが、これに限定されることなく、例えば量子井戸活性層にＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系あるいは、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系半導体を用いることも可能である。これらの量子井戸層からの発光波長はＧａＡｓ基板に対して透過であるから、この場合基板裏面から出射光を取り出すのが容易であリ、プロセス上の手間を省く事ができる。
さらに、前記実施例では矩形のものについて説明したが図９に示すように楕円形の光制御領域９及び電流通路１０を形成してもよい。また、矩形が若しくは楕円形状の短軸対長軸の比率を２：３とする場合について述べたが、これに限定されることなく、５：６から１：６程度の範囲で選択可能である。ただし偏波面の制御のためには横モードの安定化が必須の条件であることから、最終的に形成冴える電流通路の大きさが所定の大きさになるように設定する必要がある。一般に面発光レーザの横モードは出射口での径が１０μｍ以下の場合、０次基本モードで安定化するとされているから、長軸の長さは少なくとも１０μｍ以下、望ましくは、６μｍ程度に設定する。比率をあげると偏波面の安定化には寄与するものの取り出せる光出力は減少するため、適切な値に設定する必要がある。
【００４４】
また、矩形や楕円形に限らず、長軸と短軸を有する２回対称形状、例えば長円形などでも適用可能である。
【００４５】
なお、本発明の構成要件を満足する範囲内で他の方法によっても実現可能であることはいうまでもない。例えば実施例では電流経路を光出射側に設けたが、その反対側に設けても、反射率に変化を与える事ができるので同様の効果を得る事が可能である。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、活性層近傍に、局所的に楕円または矩形所の光の反射率の異なる領域を設けるようにしているため、出射光の偏波面をその長軸方向に安定化させることが出来、これらの素子を同一基板上に集積化した際、すべての素子の偏波面をばらつきなく一方向に揃える事ができる。また注入電流を増加しても、光透過領域の形に比べてメサ構造部の径を十分に大きくする事ができるため発熱を抑制し、広い出力範囲にわたって光出力特性を劣化させることなく偏波面を安定化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の面発光型半導体レーザ装置を示す図
【図２】同半導体レーザ装置の製造工程図
【図３】同半導体レーザ装置の製造工程図
【図４】同半導体レーザ装置の製造工程図
【図５】同半導体レーザ装置の製造工程図
【図６】同半導体レーザ装置の製造工程図
【図７】本発明の第２の実施例の面発光型半導体レーザ装置を示す図
【図８】本発明の第３の実施例の面発光型半導体レーザ装置を示す図
【図９】本発明の第１の実施例の変形例を示す上面説明図
【図１０】従来例の半導体レーザ装置を示す図
【図１１】従来例の半導体レーザ装置を示す図
【符号の説明】
１ｎ型ガリウムひ素（ＧａＡｓ）基板
２ｎ型下部半導体多層反射膜
３ｎ型下部スペーサ層
４量子井戸活性層
５ｐ型上部スぺーサ層
６Ｐ型ＡｌＡｓ層
７ｐ型上部半導体多層反射膜
８ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
９光制御領域
１０電流通路
１１ｐ側電極
１２ｎ側電極
１３ａ長軸側電流通路断面
１３ｂ短軸側電流通路断面
２１絶縁膜
２２フォトレジスト
３１半絶縁性ガリウムひ素（ＧａＡｓ）基板
３２ｎ型下部半導体多層反射膜
３３ｎ型下部スペーサ層
３４量子井戸活性層
３５ｐ型上部スぺーサ層
３６Ｐ型ＡｌＡｓ層
３７ｐ型上部半導体多層反射膜
３８ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
３９光制御領域
４０電流通路
４１ｐ側電極
４２ｎ側電極
４３ａ長軸側電流通路断面
４３ｂ短軸側電流通路断面
５１ｎ型ガリウムひ素（ＧａＡｓ）基板
５２ｎ型下部半導体多層反射膜
５３ｎ型下部スペーサ層
５４量子井戸活性層
５５ｐ型上部スぺーサ層
５６Ｐ型ＡｌＡｓ層
５７ｐ型上部半導体多層反射膜
５８ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
５９光制御領域
６０電流通路
６１ｐ側電極
６２ｎ側電極
６３ａ長軸側電流通路断面
６３ｂ短軸側電流通路断面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface emitting semiconductor laser device used as a light source of an optical information processing, optical communication, or an image forming apparatus using light, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In a surface emitting semiconductor laser in which a resonator is formed in a direction perpendicular to the substrate, there has been a problem that the direction of the polarization plane cannot be uniquely determined due to the structural symmetry in the horizontal direction. In addition, structural asymmetry may occur due to process unevenness, resulting in variations in the direction of polarization between elements, or even in the same element due to changes in ambient temperature and the amount of injected current. There was a problem that time fluctuated.
[0003]
On the other hand, a surface emitting semiconductor laser in which a semiconductor layer is processed into a rectangular shape to control the plane of polarization has also been proposed (Applied Physics Letters Vol. 66, No. 8, pages 908 to 910 ( 1995)). As shown in FIG. 10, this semiconductor laser has a typical structure in which a triple quantum well active layer made of InGaAs is sandwiched between semiconductor multilayer reflective films (DBR mirrors) in which GaAs layers and AlAs layers are alternately stacked. It is a VCSEL (Vertical cavity surface emitting laser) structure. In this example, a triple axis well active layer made of InGaAs has a short axis of <110> relative to a stacked body sandwiched between semiconductor multilayer reflective films (DBR mirrors) in which GaAs layers and AlAs layers are alternately stacked. After forming a rectangular photoresist mask arranged in the direction, a part of the upper semiconductor multilayer reflective film is removed by reactive ion beam etching using chlorine gas to form a so-called post shape. Further, after the active layer except for the portion immediately below the post portion is deactivated (high resistance) by proton injection for current confinement, an anode and a cathode electrode are formed at predetermined positions to complete. This laser is a so-called lateral current injection type surface emitting laser. The direction of light emission is the back side of the substrate.
[0004]
In order to reduce the threshold current of the surface emitting semiconductor laser, a structure in which a natural oxide film is interposed in the semiconductor multilayer reflective film to confine the current is proposed (Applied Physics Letters 65th). Volume 1, No. 1, pages 97 to 99 (1994)). This is not intended to control the plane of polarization, but as shown in FIG. 11, a semiconductor multilayer reflection comprising a triple quantum well active layer made of InGaAs and alternately laminated GaAs layers and AlAs layers. A typical VCSEL structure sandwiched by films (DBR mirrors) is formed, and a pair of GaAs layer and AlAs layer is formed so that the GaAs layer is located on the upper side. Then, the p-type GaAs layer is processed into a 30 or 60 μm diameter circle by photolithography technique and wet etching technique, the p-type AlAs layer is exposed, and heat treatment is performed in a furnace heated to 475 ° C. for about 3 minutes. . At this time, water vapor introduced at 95 ° C. using nitrogen as a carrier gas is introduced into the furnace. The exposed AlAs layer is gradually oxidized from the lateral direction, and finally a region of 2 to 8 μm square remaining without being oxidized is formed. The oxidized region becomes aluminum oxide, and current can be confined since almost no current flows.
[0005]
However, the characteristics of the surface emitting semiconductor laser having such a structure are not always satisfactory. In the first conventional method described above, the polarization plane is controlled by using the diffraction loss in the DBR mirror, but the electron-hole recombination that did not contribute to the light emission is included. Because the loss is generated as heat, the volume of the post portion is relatively small (about 6 μm × 4 μm × 2 μm). This element has insufficient heat dissipation and is limited in light output characteristics. In fact, the authors of this paper say that even if the diameter in the minor axis direction is further reduced, the threshold current does not decrease, but rather increases. Furthermore, in this structure, it is difficult to make the aperture diameter of the current confinement portion smaller than the diameter of the post portion due to restrictions at the time of proton injection, and in addition, the efficiency of carrier injection into the active region is not high. There are limits to reduction.
Further, in the above-described second conventional method, since the vertical cross-sectional shape of the region through which the current passes and the light is emitted is substantially symmetrical, the plane of polarization is not fixed and it is expected to take an arbitrary direction. The
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional method cannot obtain a surface emitting semiconductor laser having a stable polarization plane and good light output characteristics.
[0007]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a surface-emitting type semiconductor laser that can stably maintain the plane of polarization while stabilizing the transverse mode without particularly affecting the light output characteristics. The purpose is to do.
[0008]
Accordingly, a first feature of the present invention is that, in a surface emitting semiconductor laser device, an active layer is sandwiched between upper and lower semiconductor multilayer reflective films on a semiconductor substrate, and at least the upper semiconductor multilayer reflective film is selectively removed. In a surface-emitting type semiconductor laser device that forms a semiconductor pillar and emits light in a direction perpendicular to the substrate, a lower spacer layer provided between the lower semiconductor multilayer reflective film and the active layer, and the upper part An upper spacer layer provided between the semiconductor multilayer reflective film and the active layer; between the lower spacer layer and the lower semiconductor multilayer reflective film; and between the upper spacer layer and the upper semiconductor multilayer reflective film. An insertion layer provided on at least one of the above, a peripheral portion of the insertion layer has an oxide-containing layer or void, and a region of the insertion layer other than the peripheral portion is a current path. The insertion layer region other than the peripheral portion has a cross-sectional shape viewed from a direction perpendicular to the semiconductor substrate having a major axis and a minor axis, and a sectional diameter is smaller than the sectional diameter of the semiconductor pillar. It is characterized by being.
[0009]
Preferably, the semiconductor device further includes a first electrode provided on a top portion of the semiconductor pillar and a second electrode provided in a region where the upper semiconductor multilayer reflective film is removed.
Preferably, the semiconductor device further includes a first electrode provided on a back surface of the semiconductor substrate and a second electrode provided in a region where the upper semiconductor multilayer reflective film is removed.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a surface emitting semiconductor laser device, wherein a lower semiconductor multilayer reflective film, a lower spacer layer, an active layer, an upper spacer layer, and an upper multi-semiconductor multilayer reflective are formed on a semiconductor substrate. Laminating step of sequentially laminating a film and laminating an insertion layer between one of the lower spacer layer and the lower semiconductor multilayer reflective film and between the upper spacer layer and the upper semiconductor multilayer reflective film And at least a part of the upper semiconductor multilayer reflective film is selectively removed so as to expose the insertion layer in a cross section, thereby forming a semiconductor pillar having a two-fold symmetry shape having a major axis and a minor axis And a step of selectively etching away the insertion layer exposed from the cross section of the semiconductor pillar, leaving a region having a two-fold symmetry shape having a major axis and a minor axis, and defining a current path Form Characterized in that it comprises a etching step.
Preferably, the insertion layer is made of an aluminum arsenic layer or an aluminum gallium arsenide layer.
[0011]
According to a third aspect of the present invention, in the method of manufacturing the surface emitting semiconductor laser device, the lower semiconductor multilayer reflective film, the lower spacer layer, the active layer, the upper spacer layer, and the upper multi-semiconductor are formed on the semiconductor substrate. A multilayer reflective film is sequentially stacked, and a multilayer reflective film is stacked so that an insertion layer is interposed between the lower spacer layer and the lower semiconductor multilayer reflective film and between the upper spacer layer and the upper semiconductor multilayer reflective film. A semiconductor pillar having a two-fold symmetrical shape having a major axis and a minor axis by selectively removing at least a part of the upper semiconductor multilayer reflective film so as to expose the insertion layer in a cross section; And the step of selectively oxidizing the insertion layer exposed from the cross section of the semiconductor pillar to define a current path, leaving a region having a two-fold symmetry shape having a major axis and a minor axis Oxidation process to form the region and Characterized in that it contains.
Preferably, the insertion layer is made of an aluminum arsenic layer or an aluminum gallium arsenide layer.
[0012]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a surface emitting semiconductor laser device, wherein a lower semiconductor multilayer reflective film, a lower spacer layer, an active layer, an upper spacer layer, and an upper multi-semiconductor are formed on a semiconductor substrate. Multilayer reflective films are sequentially laminated, and are laminated so that an insertion layer is interposed between the lower spacer layer and the lower semiconductor multilayer reflective film and between the upper spacer layer and the upper semiconductor multilayer reflective film. And having a two-fold symmetrical shape having a major axis and a minor axis by selectively removing each layer from the upper side to at least the surface of the lower semiconductor multilayer reflective film so that the insertion layer is exposed in the cross section. A step of forming a semiconductor pillar, and an insertion layer exposed from a cross section of the semiconductor pillar is selectively etched away, leaving a region having a two-fold symmetry shape having a major axis and a minor axis, Current path Characterized in that it comprises a and an etching step of forming a specified region.
Preferably, the insertion layer is made of an aluminum arsenic layer or an aluminum gallium arsenide layer.
[0013]
According to a fifth aspect of the present invention, in the method of manufacturing the surface emitting semiconductor laser device, the lower semiconductor multilayer reflective film, the lower spacer layer, the active layer, the upper spacer layer, and the upper multi-semiconductor are formed on the semiconductor substrate. Multilayer reflective films are sequentially laminated, and are laminated so that an insertion layer is interposed between the lower spacer layer and the lower semiconductor multilayer reflective film and between the upper spacer layer and the upper semiconductor multilayer reflective film. And having a two-fold symmetrical shape having a major axis and a minor axis by selectively removing each layer from the upper side to at least the surface of the lower semiconductor multilayer reflective film so that the insertion layer is exposed in the cross section. A step of forming a semiconductor pillar and a selective oxidation of an insertion layer exposed from a cross section of the semiconductor pillar, leaving a region having a two-fold symmetry shape having a major axis and a minor axis, Define the passage Characterized in that it comprises an oxidation step to form a band.
Preferably, the insertion layer is made of an aluminum arsenic layer or an aluminum gallium arsenide layer.
[0014]
According to the present invention, the portion where the reflectivity is changed to control the polarization plane is not made to coincide with the mesa structure, but is provided inside the mesa portion, which is used for high-efficiency current confinement and derived. Since heat is dissipated to the mesa structure with a relatively large volume, the polarization mode is controlled while stabilizing the transverse mode, the threshold current is reduced, and the light output characteristics are degraded by heat. Can be prevented.
[0015]
【Example】
The present invention will be described below with reference to the drawings.
[0016]
1A, 1B, and 1C are a top view, a sectional view taken along line AA ′, and a sectional view taken along line BB ′, respectively, of a surface emitting semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention.
[0017]
This surface-emitting type semiconductor laser device includes an n-type Al formed on an n-type gallium arsenide (GaAs) substrate 1. _0.9 Ga _0.1 As / Al _0.3 Ga _0.7 As lower semiconductor multilayer reflective film 2 and undoped Al _0.6 Ga _0.4 Lower spacer layer 3 made of As and undoped Al formed on the lower spacer layer 3 _0.11 Ga _0.89 Quantum well layer and undoped Al _0.3 Ga _0.7 Quantum well active layer 4 composed of an As barrier layer and undoped Al _0.6 Ga _0.4 Upper spacer layer 5 made of As and p-type Al _0.9 Ga _0.1 As / Al _0.3 Ga _0.7 The As upper semiconductor multilayer reflective film 7 and the p-type GaAs contact layer 8 are sequentially stacked, and only the upper semiconductor multilayer reflective film 7 and the p-type GaAs contact layer 8 are located above the light emitting region to the depth at which the upper spacer layer 5 is exposed. Etching is removed to form a rectangular columnar light control region 9 having a major axis and a minor axis. Here, a p-type AlAs layer 6 as an insertion layer is interposed in the lowermost layer of the upper semiconductor multilayer reflective film 7. The exposed cross section of the p-type AlAs layer 6 is selectively oxidized inward of the prism by selective oxidation to form an oxide film 6s. The prismatic region surrounded by the oxide film 6s constitutes the current path 10. Here, the region removed by etching is covered and protected by a surface protective film (not shown) made of a silicon oxide film. A p-side electrode 11 made of Cr / Au is formed on the front surface, and an n-side electrode 12 made of Au—Ge / Au is formed on the back surface of the substrate.
[0018]
Here, the n-type lower semiconductor multilayer reflective film 2 is made of n-type Al. _0.9 Ga _0.1 As layer and n-type Al _0.3 Ga _0.7 Each of the AsGaAs layers has a film thickness λ / (4n _r ) (Λ: oscillation wavelength, n _r : Refractive index) and formed by stacking about 40.5 periods, and the silicon concentration is 2 × 10 ¹⁸ cm ^-3 It is. The lower spacer layer 3 is made of undoped Al _0.6 Ga _0.4 The quantum well active layer 4 is composed of an undoped Al layer. _0.11 Ga _0.89 Quantum well layer (film thickness 8nm × 3) and undoped Al _0.3 Ga _0.7 Combination with As barrier layer (film thickness 5 nm × 4), upper spacer layer 5 is undoped Al _0.6 Ga _0.4 As a whole, the film thickness is an integral multiple of λ / nr. The p-type AlAs layer 6 has a film thickness λ / (4n _r ), The carbon concentration is 3 × 10 ¹⁸ cm ^-3 It is. The upper semiconductor multilayer reflective film 7 is made of p-type Al. _0.9 Ga _0.1 As layer and p-type Al _0.7 Ga _0.3 The AsGaAs layer and the film thickness λ / (4n _r ) (Λ: oscillation wavelength, n _r : Refractive index), and the carbon concentration is 3 × 10. ¹⁸ cm ^-3 It is. Finally, the p-type contact layer 8 has a thickness of 5 nm and the carbon concentration is 1 × 10. ²⁰ cm ^-3 It is. The reason why the number of periods of the upper semiconductor multilayer reflective film 7 is made smaller than the number of periods of the lower semiconductor multilayer reflective film 2 is to extract outgoing light from the upper surface of the substrate with a difference in reflectance. The type of dopant is not limited to that used here, but selenium can be used for n-type, and zinc or magnesium can be used for p-type. The period is determined depending on whether the light extraction direction is the front side or the back side of the substrate, and the reflectance increases as the period increases. Furthermore, it is desirable that the current injection region surrounded by the region whose resistance is increased by selective oxidation be rectangular or elliptical with a ratio of the short axis to the long axis of 5: 6 to 1: 6. On the other hand, when this ratio exceeds 5: 6, the plane of polarization is not stable, and when it is less than 1: 6, the transverse mode is not stabilized.
[0019]
In addition, although the AlAs layer defines the current path 10 by selective oxidation, a gap may be formed by selective etching to define the current path 10.
[0020]
Here, the laser light having an oscillation wavelength λ of 780 nm is designed to be extracted.
[0021]
According to this configuration, the carrier passage path inside the prismatic light control region 9 is limited to an extremely narrow region of a rectangle or an ellipse, so that carriers are efficiently injected into the quantum well active layer 4 and oscillate. The value current is greatly reduced, and at the same time, light that diverges in the short axis direction of the radiated light is effectively subjected to diffraction loss, the transverse mode is stabilized, and the polarization plane of the emitted light is defined in the long axis direction. . Further, since the diameter of the prismatic light control region 9 is much larger than that of the region where the gain is generated, the heat dissipation characteristics are sufficient, and the polarization plane can be stably maintained even if the light output increases.
[0022]
Next, the manufacturing process of this surface emitting semiconductor laser device will be described.
[0023]
First, as shown in FIG. 2, n-type Al is deposited on an n-type gallium arsenide (GaAs) (100) substrate 1 by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). _0.9 Ga _0.1 As / Al _0.3 Ga _0.7 As lower semiconductor multilayer reflective film 2 and undoped Al _0.6 Ga _0.4 Lower spacer layer 3 made of As and undoped Al _0.11 Ga _0.89 Quantum well layer and undoped Al _0.3 Ga _0.7 Quantum well active layer 4 composed of an As barrier layer and undoped Al _0.6 Ga _0.4 Upper spacer layer 5 made of As and p-type Al _0.9 Ga _0.1 As / Al _0.3 Ga _0.7 An As upper semiconductor multilayer reflective film 7 and a p-type GaAs contact layer 8 are sequentially stacked.
Then, the substrate is taken out from the growth chamber, an insulating film 21 such as a silicon oxide film or a silicon nitride film is formed, and a rectangular resist mask 22 of 20 μm × 30 μm is formed by photolithography technique as shown in FIG. Here, this rectangle is aligned so that the minor axis is in the <011> direction.
[0024]
Further, as shown in FIG. 4, using this resist mask 22 and insulating film 21 as a mask, SiCl _Four By reactive ion etching using gas, the semiconductor layer is etched away to a depth at which the AlAs layer 6 is exposed to form a prismatic mesa structure portion that becomes the light control region 9.
[0025]
Subsequently, the AlAs layer 6 exposed by heating the substrate to 400 ° C. in a quartz tube filled with high-temperature water vapor and performing a heat treatment for about 10 minutes is gradually oxidized from the outer cross section to form an oxide film 6s. As shown in FIG. 5, the region that remains without being oxidized finally becomes a rectangular shape of about 4 μm × 6 μm. Here, instead of oxidation by heat treatment, a sulfuric acid hydrogen peroxide solution (H ₂ SO _Four : H ₂ O ₂ : H ₂ O = 1: 1: 5) The column may be immersed for about 30 seconds, whereby the AlAs layer 6 is selectively removed from the outer cross section by so-called side etching.
[0026]
Thereafter, the insulating film 21 on the upper surface of the mesa structure is removed with buffered hydrofluoric acid, and then, by photolithography, an annular p-side electrode 11 is formed on the upper surface of the mesa structure as shown in FIG. 1 forms the n-side electrode 12 on the entire surface, and the surface-emitting type semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 is completed.
[0027]
In the above embodiment, the AlAs layer 6 is interposed between the upper spacer layer 5 and the upper semiconductor multilayer reflective film 7, but the AlAs layer is interposed between the lower spacer layer 3 and the lower semiconductor multilayer reflective film 2. 6 may be interposed, or may be interposed in both. In this way, current confinement can be performed in both the upper and lower directions of the active layer, so that more efficient current injection into the active region is possible and the threshold current can be further reduced. it can. However, in this case, it is necessary to etch away the semiconductor layer to a depth at which the cross section of the AlAs layer 6 located under the lower spacer layer 3 is exposed.
[0028]
In the above embodiment, each semiconductor layer is formed by metal organic vapor phase epitaxy, but the present invention is not limited to this, and molecular beam epitaxy (MBE) may be used.
[0029]
Further, the insulating film used as a mask for forming the semiconductor pillar is not limited to the silicon oxide film, and other materials such as a silicon nitride film may be used.
[0030]
Furthermore, in the above embodiment, a hydrogen peroxide solution is used for etching for selectively removing the AlAs layer 6, but it is preferable that the etching rate is highly selective with respect to the Al composition ratio, and the Al composition ratio is increased. Aqueous sulfuric acid / hydrogen peroxide aqueous solution, whose etching rate increases rapidly with time, is optimal. Further, as another etchant, an ammonium hydroxide hydrogen peroxide aqueous solution or the like may be used.
[0031]
Furthermore, in the above embodiment, the rectangular or elliptical shape forming the current path is set so that the minor axis is the <011> direction. However, the present invention is not limited to this, and the final shape of the current path is the desired shape. For example, there is no problem even if the minor axis is in the <01-1> direction or is set at an arbitrary angle with respect to the <011> direction. However, in a surface emitting laser having a circular active region that is usually used, it is known that there is a high probability that the direction of the polarization plane defined by the TE mode direction is the <01-1> direction or the <011> direction. Therefore, if the minor axis direction is the <01-1> direction or the <011> direction, the polarization plane can be more effectively stabilized.
[0032]
In the above embodiment, the case where the heating temperature is set to 400 ° C. during the selective oxidation of the AlAs layer has been described. However, the present invention is not limited to this, and the final current path has a desired value. Any controllable conditions may be used. When the temperature is raised, the oxidation rate increases, and a desired oxidation region can be formed in a short time. However, a temperature of about 400 ° C. is the easiest to control.
[0033]
In addition, in the etching for forming the semiconductor pillar, in the case of wet etching, since the time of exposure to the etching solution is different between the upper layer and the lower layer, a so-called tapered shape whose area increases toward the bottom of the semiconductor pillar is formed. However, in the case of dry etching, if the reactive ion beam etching (RIBE) method or the reactive ion etching (RIE) method is used, the side wall of the semiconductor column is vertical or undercut. A shape can be taken, and a semiconductor pillar with a small diameter can also be formed easily. The etching gas at this time is Cl ₂ , BCl _Three , SiCl _Four Or Ar and Cl ₂ A mixed gas or the like is used.
[0034]
The operation of the surface-emitting type semiconductor laser device thus manufactured is as follows.
Here, the p-type GaAs contact layer 8 and the p-type upper semiconductor multilayer reflective film 7 are etched away except above the light emitting region, and the insertion layer 6 is selectively oxidized from the outside to become an oxide film 6S. The path of carriers injected from the side electrode is defined by the oxide film 6s in the light control region 9 which is the semiconductor pillar. The carriers injected into the quantum well layer emit light by electron-hole recombination, and this light is reflected by the upper and lower semiconductor multilayer reflection films, and laser oscillation occurs when the gain exceeds the loss. Laser light is emitted from the window portion of the electrode provided on the substrate surface.
[0035]
Next, a surface-emitting type semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention and a method for manufacturing the same will be described with reference to the drawings.
[0036]
In the first embodiment, the p-side electrode 11 and the n-side electrode 12 are formed on the opposite side, but they may be formed on the same side, which is suitable for integration with a drive circuit or the like. It can be said that it is a structure. In this case, as shown in FIG. 7, a prismatic light control region 39 is formed by selectively removing the lower semiconductor multilayer reflective film 32 to a depth at which the lower semiconductor multilayer reflective film 32 is exposed. Further, an n-side electrode 42 is formed on the outer side so as to form an annular shape with a predetermined interval.
[0037]
That is, n-type Al formed on a semi-insulating gallium arsenide (GaAs) substrate 31 _0.9 Ga _0.1 As / Al _0.3 Ga _0.7 As lower semiconductor multilayer reflective film 32 and undoped Al _0.6 Ga _0.4 Lower spacer layer 33 made of As and undoped Al formed on the lower spacer layer 33 _0.11 Ga _0.89 Quantum well layer and undoped Al _0.3 Ga _0.7 Quantum well active layer 34 composed of an As barrier layer and undoped Al _0.6 Ga _0.4 Upper spacer layer 35 made of As and p-type Al _0.9 Ga _0.1 As / Al _0.3 Ga _0.7 The As upper semiconductor multilayer reflective film 37 and the p-type GaAs contact layer 38 are sequentially stacked, and only the upper semiconductor multilayer reflective film 37 and the p-type GaAs contact layer 38 are located above the light emitting region to the depth at which the upper spacer layer 35 is exposed. A light control region 39 having a rectangular cross section having a major axis and a minor axis is formed by etching except for. Here, a p-type AlAs layer 36 as an insertion layer is interposed in the lowermost layer of the upper semiconductor multilayer reflective film 37. The exposed cross section of the p-type AlAs layer 36 is selectively oxidized inward of the prism by selective oxidation to form an oxide film 36s. The prismatic region surrounded by the oxide film 6s constitutes the current path 40. Here, the region removed by etching is covered and protected by a surface protective film (not shown) made of a silicon oxide film. A p-side electrode 41 made of Cr / Au is formed on the surface of the prismatic light control region 39, and an n-side electrode 42 made of Au—Ge / Au is formed on the outer surface so as to form a ring. ing.
[0038]
Next, as a third embodiment of the present invention, an example applied to a lateral current injection type semiconductor laser will be described.
[0039]
As shown in FIG. 8, a prismatic light control region 59 is formed by removing from the upper semiconductor multilayer reflective film 57 until reaching a part of the depth of the upper spacer layer 55. An AlAs layer 56 is interposed between the upper semiconductor multilayer reflective film 57 and the upper spacer layer 55, and is selectively oxidized from the cross section to define the current path 60. A p-side electrode 61 is formed on the upper spacer layer 55 so as to form an annular shape with a predetermined interval outside the prismatic light control region 59, and the back side of the n-type gallium arsenide (GaAs) substrate 51. An n-side electrode 62 is formed on the surface.
[0040]
That is, n-type Al formed on an n-type gallium arsenide (GaAs) substrate 51 _0.9 Ga _0.1 As / Al _0.3 Ga _0.7 As lower semiconductor multilayer reflective film 52 and undoped Al _0.6 Ga _0.4 Lower spacer layer 53 made of As and undoped Al formed on the lower spacer layer 53 _0.11 Ga _0.89 Quantum well layer and undoped Al _0.3 Ga _0.7 Quantum well active layer 54 composed of an As barrier layer and undoped Al _0.6 Ga _0.4 Upper spacer layer 55 made of As and p-type Al _0.9 Ga _0.1 As / Al _0.3 Ga _0.7 The As upper semiconductor multilayer reflective film 57 is sequentially stacked, and is etched away to the depth of a part of the upper spacer layer 55 together with the upper semiconductor multilayer reflective film 57 except for the upper side of the light emitting region. A rectangular columnar light control region 59 having a rectangular cross section is formed. Here, a p-type AlAs layer 56 as an insertion layer is interposed in the lowermost layer of the upper semiconductor multilayer reflective film 57. The exposed cross section of the p-type AlAs layer 56 is selectively oxidized inward of the prism by selective oxidation to form an oxide film 56s. The prismatic region surrounded by the oxide film 56s constitutes the current path 60. A p-side electrode 61 made of Cr / Au is formed on the outer surface of the prismatic light control region 59 so as to form an annular shape, and an n-side electrode 62 made of Au—Ge / Au is formed on the back side of the substrate. Is formed.
[0041]
In this structure, since the mesa structure portion is not a current path, the element resistance can be greatly reduced.
[0042]
In the above embodiment, the upper semiconductor multilayer reflective film is p-type and the lower semiconductor multilayer reflective film is n-type. However, the present invention is not limited to this, and the conductivity type may be reversed. In general, since the p-type layer is concerned about an increase in element resistance due to band discontinuity as compared with the n-type layer, an increase in the number of layers is not preferable because it causes a deterioration in laser characteristics. In the above embodiment, the upper semiconductor multilayer reflective film has a smaller number of layers than the lower semiconductor multilayer reflective film because the outgoing light is extracted from the upper surface of the substrate. For this reason, although the conductivity type of the upper semiconductor multilayer reflective film is p-type, conversely, when the emitted light is extracted from the back surface of the substrate, it is desirable that the conductivity type of the upper semiconductor multilayer reflective film having a large number of layers be n-type. . From another viewpoint, since the element resistance is inversely proportional to the area, the upper semiconductor multilayer reflective film processed into a columnar shape increases the element resistance. Accordingly, it may be preferable to use an upper semiconductor multilayer reflective film as an n-type layer that can reduce the element resistance compared to the p-type layer if the area is the same. It is necessary to determine the conductivity type from a comprehensive point of view, taking into account the difference in element resistance depending on the light extraction direction and the conductivity type.
[0043]
In the above-described embodiment, a GaAs / AlGaAs semiconductor is used as a material constituting the quantum well active layer. However, the present invention is not limited to this. It is also possible to use a semiconductor. Since the light emission wavelength from these quantum well layers is transmitted to the GaAs substrate, in this case, it is easy to take out the emitted light from the back surface of the substrate, and the process time can be saved.
Further, in the above embodiment, the rectangular shape has been described, but an elliptical light control region 9 and a current path 10 may be formed as shown in FIG. In addition, although the case where the ratio of the short axis to the long axis of the rectangle or the ellipse is set to 2: 3 is not limited to this, the range can be selected from about 5: 6 to 1: 6. . However, since stabilization of the transverse mode is an indispensable condition for controlling the polarization plane, it is necessary to set the current path that can be finally formed to a predetermined size. In general, the transverse mode of a surface emitting laser is stabilized in the 0th-order fundamental mode when the diameter at the exit is 10 μm or less. Therefore, the length of the major axis is set to at least 10 μm or less, preferably about 6 μm. . Increasing the ratio contributes to the stabilization of the polarization plane, but the light output that can be extracted decreases, so it must be set to an appropriate value.
[0044]
Further, the present invention is not limited to a rectangle or an ellipse, and can be applied to a two-fold symmetrical shape having a major axis and a minor axis, for example, an ellipse.
[0045]
Needless to say, the present invention can be realized by other methods as long as the constituent requirements of the present invention are satisfied. For example, in the embodiment, the current path is provided on the light emitting side, but even if the current path is provided on the opposite side, the reflectance can be changed, so that the same effect can be obtained.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, regions having different reflectivity of light in an elliptical or rectangular area are locally provided in the vicinity of the active layer. When these elements are integrated on the same substrate, the polarization planes of all the elements can be aligned in one direction without variation. Even if the injection current is increased, the diameter of the mesa structure can be made sufficiently large compared to the shape of the light transmission region, so heat generation is suppressed, and the polarization plane is maintained without degrading the light output characteristics over a wide output range. Can be stabilized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing a surface emitting semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a manufacturing process diagram of the semiconductor laser device.
FIG. 3 is a manufacturing process diagram of the semiconductor laser device.
FIG. 4 is a manufacturing process diagram of the semiconductor laser device.
FIG. 5 is a manufacturing process diagram of the semiconductor laser device.
FIG. 6 is a manufacturing process diagram of the semiconductor laser device.
FIG. 7 is a diagram showing a surface emitting semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a surface emitting semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory top view showing a modification of the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a conventional semiconductor laser device.
FIG. 11 shows a conventional semiconductor laser device.
[Explanation of symbols]
1 n-type gallium arsenide (GaAs) substrate
2 n-type lower semiconductor multilayer reflective film
3 n-type lower spacer layer
4 Quantum well active layer
5 p-type upper spacer layer
6 P-type AlAs layer
7 p-type upper semiconductor multilayer reflective film
8 p-type GaAs contact layer
9 Light control area
10 Current path
11 p-side electrode
12 n-side electrode
13a Long axis side current path cross section
13b Short axis side current path cross section
21 Insulating film
22 photoresist
31 Semi-insulating gallium arsenide (GaAs) substrate
32 n-type lower semiconductor multilayer reflective film
33 n-type lower spacer layer
34 Quantum well active layer
35 p-type upper spacer layer
36 P-type AlAs layer
37 p-type upper semiconductor multilayer reflective film
38 p-type GaAs contact layer
39 Light control area
40 Current path
41 p-side electrode
42 n-side electrode
43a Long axis side current path cross section
43b Short axis side current path cross section
51 n-type gallium arsenide (GaAs) substrate
52 n-type lower semiconductor multilayer reflective film
53 n-type lower spacer layer
54 Quantum well active layer
55 p-type upper spacer layer
56 P-type AlAs layer
57 p-type upper semiconductor multilayer reflective film
58 p-type GaAs contact layer
59 Light control area
60 Current path
61 p-side electrode
62 n-side electrode
63a Long axis side current path cross section
63b Short axis side current path cross section

Claims

A surface on which an active layer is sandwiched between upper and lower semiconductor multilayer reflective films on a semiconductor substrate, and at least the upper semiconductor multilayer reflective film is selectively removed to form a semiconductor pillar and emit light in a direction perpendicular to the substrate In a light emitting semiconductor laser device,
A lower spacer layer provided between the lower semiconductor multilayer reflective film and the active layer;
An upper spacer layer provided between the upper semiconductor multilayer reflective film and the active layer;
An insertion layer provided between at least one of the lower spacer layer and the lower semiconductor multilayer reflective film and between the upper spacer layer and the upper semiconductor multilayer reflective film;
The peripheral portion of the insertion layer has a layer or void containing an oxide,
A region of the insertion layer other than the peripheral portion is defined as a current path,
The region of the insertion layer other than the peripheral portion has a cross-sectional shape viewed from a direction perpendicular to the semiconductor substrate having a major axis and a minor axis, and a sectional diameter is smaller than a sectional diameter of the semiconductor pillar. A surface-emitting type semiconductor laser device.

A first electrode provided on top of the semiconductor pillar;
2. The surface emitting semiconductor laser device according to claim 1, further comprising a second electrode provided in a region where the upper semiconductor multilayer reflective film is removed.

A first electrode provided on the back surface of the semiconductor substrate;
2. The surface emitting semiconductor laser device according to claim 1, further comprising a second electrode provided in a region where the upper semiconductor multilayer reflective film is removed.

A lower semiconductor multilayer reflective film, a lower spacer layer, an active layer, an upper spacer layer, and an upper multi-semiconductor multilayer reflective film are sequentially stacked on a semiconductor substrate,
A lamination step of laminating an insertion layer between the lower spacer layer and the lower semiconductor multilayer reflective film and between the upper spacer layer and the upper semiconductor multilayer reflective film;
A step of selectively removing at least a part of the upper semiconductor multilayer reflective film to form a semiconductor pillar having a two-fold symmetry shape having a major axis and a minor axis so that the insertion layer is exposed in a cross section; When,
Etching that selectively removes the insertion layer exposed from the cross section of the semiconductor pillar and forms a region defining a current path, leaving a region having a two-fold symmetry shape having a major axis and a minor axis. A method of manufacturing a surface-emitting type semiconductor laser device.

A lower semiconductor multilayer reflective film, a lower spacer layer, an active layer, an upper spacer layer, and an upper multi-semiconductor multilayer reflective film are sequentially stacked on a semiconductor substrate,
A lamination step of laminating an insertion layer between the lower spacer layer and the lower semiconductor multilayer reflective film and between the upper spacer layer and the upper semiconductor multilayer reflective film;
A step of selectively removing at least a part of the upper semiconductor multilayer reflective film to form a semiconductor pillar having a two-fold symmetry shape having a major axis and a minor axis so that the insertion layer is exposed in a cross section; When,
An oxidation step of selectively oxidizing the insertion layer exposed from the cross section of the semiconductor pillar to form a region defining a current path, leaving a region having a two-fold symmetry shape having a major axis and a minor axis A method of manufacturing a surface-emitting type semiconductor laser device comprising:

A lower semiconductor multilayer reflective film, a lower spacer layer, an active layer, an upper spacer layer, and an upper multi-semiconductor multilayer reflective film are sequentially stacked on a semiconductor substrate,
A lamination step of laminating so as to interpose an insertion layer between the lower spacer layer and the lower semiconductor multilayer reflective film and between the upper spacer layer and the upper semiconductor multilayer reflective film;
A semiconductor having a two-fold symmetric shape having a major axis and a minor axis by selectively removing each layer sequentially from the upper side to at least the surface of the lower semiconductor multilayer reflective film so as to expose the insertion layer in the cross section. Forming a pillar;
Etching that selectively removes the insertion layer exposed from the cross section of the semiconductor pillar and forms a region defining a current path, leaving a region having a two-fold symmetry shape having a major axis and a minor axis. A method of manufacturing a surface-emitting type semiconductor laser device.

A lower semiconductor multilayer reflective film, a lower spacer layer, an active layer, an upper spacer layer, and an upper multi-semiconductor multilayer reflective film are sequentially stacked on a semiconductor substrate,
A lamination step of laminating so as to interpose an insertion layer between the lower spacer layer and the lower semiconductor multilayer reflective film and between the upper spacer layer and the upper semiconductor multilayer reflective film;
A semiconductor having a two-fold symmetric shape having a major axis and a minor axis by selectively removing each layer sequentially from the upper side to at least the surface of the lower semiconductor multilayer reflective film so as to expose the insertion layer in the cross section. Forming a pillar;
An oxidation step of selectively oxidizing the insertion layer exposed from the cross section of the semiconductor pillar to form a region defining a current path, leaving a region having a two-fold symmetry shape having a major axis and a minor axis A method of manufacturing a surface-emitting type semiconductor laser device comprising:

8. The method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser device according to claim 4, wherein the insertion layer is made of an aluminum arsenic layer or an aluminum gallium arsenide layer.