JP3837969B2

JP3837969B2 - Surface emitting semiconductor laser and manufacturing method thereof

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Publication number: JP3837969B2
Application number: JP19169999A
Authority: JP
Inventors: 伸明植木; 毅中村
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1999-07-06
Filing date: 1999-07-06
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2019-07-06
Also published as: JP2001024277A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光型半導体レーザとその製造方法に関し、詳しくは、光情報処理や光通信の光源、画像処理装置や複写装置の光源等として使用され、横モードが安定しており、しかも、しきい値電流性が低く、高出力である面発光型半導体レーザと、その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信または光インターコネクション等の技術分野において、２次元アレイ化が容易であることから、面発光型半導体レーザが注目されている。面発光型半導体レーザは、しきい値電流を低下させることが比較的容易であり消費電力を低減することができる反面、高出力化を図ることが難しいとされている。
【０００３】
ところで、現在のところ光通信用にはコストの安いマルチモード光ファイバが使用されているが、回線数を飛躍的に増大させることが可能であることから、将来的にはシングルモード光ファイバが使用されることになると予想される。このシングルモード光ファイバに供されるレーザとしては、安定なシングルモード（０次基本横モード）で発振するレーザであることが前提となる。
【０００４】
一方、面発光型半導体レーザにおいて横モードの安定性を要求すると、しきい値電流が増すと共に応答特性が劣化したり、あるいは高出力化しにくい、といったトレードオフがあり、全ての要求を同時に満足する素子を得るのは困難である。
【０００５】
例えば、利得導波構造を有するプロトン注入方式の面発光型レーザは、サーマルレンズ効果によって電流通過領域とその周囲の領域との間に僅かな屈折率差が生じ、屈折率導波路が形成された結果、弱い光閉じ込め状態が作られる。このため非プロトン注入領域（電流通路）の径を１０μｍ程度に広げても安定な横モードが得られることが知られている。しかし、光閉じ込め自体は弱いため、それほど大きな発光効率の向上は望めず、また、発熱も大きいので、しきい値電流は高く、バイアスをかけない状態においては応答性が悪い。
【０００６】
これに対し、屈折率導波構造を有する選択酸化方式の面発光型半導体レーザは、活性層近傍の多層反射膜の一部を選択的に酸化して電流狭窄を行うと共に屈折率導波路を形成したものであり、強い光閉じ込め効果を有するので、しきい値電流が低く、しかも、応答性は速い。ところが、光閉じ込め効果が強すぎて、横モードを安定化するには発光領域の直径を典型的には５μｍ以下と、上述のプロトン注入方式に比べかなり狭くする必要があり、このため発光領域の体積が減少して高出力化が望めないという欠点がある。
【０００７】
このように横モードの安定性の確保と高出力化という相対立する課題を解決することは難しい。横モードの安定性の確保と高出力化を両立する試みとしては、例えば、特開平６−１１２５８７号公報に開示される面発光型半導体レーザがある。この面発光型半導体レーザ１２５は、図１１に示すように、電極１４７が形成された基板１３０上に、パラレル・ミラー・スタック１３２、活性層及びスペーサ層１３５、及びパラレル・ミラー・スタック１３８を順次積層し、メサ１４０を形成したものであり、パラレル・ミラー・スタック１３８上にはコンタクト・ウィンドウ１４２が設けられ、コンタクト・ウィンドウ１４２上には、光放出領域に開口を有する誘電体層１４４が設けられている。この開口と誘電体層１４４とを覆うようにＩＴＯ等の光学的に透明な導電材料からなるコンタクト層１４６が設けられて部分的に電極とのコンタクトがとられ、電流分布１４９が制御される。そして、誘電体層１４４とコンタクト層１４６とは、所定のミラー反射率を与える光学的厚さを有してメサ１４０の表面上に配置され、メサ１４０のエッジに依存しない光学モード１４８を制御する。以上の通り、電流と光学モードを別々に制御することが可能になり、これによって電流及び光学モードの良好なオーバーラップと高出力化とが実現可能であるとしている。
【０００８】
この面発光型半導体レーザでは、誘電体層１４４の開口部分に、該開口に埋め込まれた形のコンタクト層１４６が設けられるが、両者の位置合わせを厳密に行うことは難しく、良好な特性を有する素子を再現性よく製造することができない。すなわち、ミラー反射率の制御は、誘電体層１４４とコンタクト層１４６の各々が有する光学的厚さによってなされており、両者の位置合わせが完璧になされなければ、ミラー反射率の分布に不均一が生じ、横モードが不安定になる。
【０００９】
また、本素子を製造するためには、各半導体層を順次積層する積層工程の他に、コンタクト・ウィンドウ１４２の積層工程と誘電体層１４４の積層工程という２度の誘電体膜積層工程と、誘電体層１４４の開口部分へのコンタクト層１４６の積層工程と誘電体層１４４上へのコンタクト層１４６の積層工程という２度のコンタクト層積層工程と、を経ることが必要であり、製造プロセスが煩雑である。
【００１０】
以上に述べた通り、特開平６−１１２５８７号公報に開示された面発光半導体レーザは、高度な半導体プロセスを要求するわりに、特性のばらつきが生じ易いという問題点を有している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、横モードが安定であり、光出力が大きく、かつ簡易なプロセスで再現性よく製造することができる面発光型半導体レーザを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の面発光型半導体レーザは、半導体基板に設けられた第１電極と、該半導体基板の第１電極とは反対側の面に設けられた第１多層反射膜と、活性層を挟んで該第１多層反射膜に対向するように設けられた第２多層反射膜と、レーザ発振される光に対して光学的に透明で且つ第１電極と共に活性層に電流を注入するための第２電極と、前記第２電極と前記第２多層反射膜との間で且つ光出射領域に対応する部分に設けられ、レーザ発振される光に対して光学的に透明なコンタクト層と、前記第２電極と前記第２多層反射膜との間に設けられ、前記コンタクト層が形成された部分を介して活性層への電流注入を可能とし、該コンタクト層が形成されていない部分を介して活性層への電流注入を不能とするキャップ層と、を備え、前記第２電極の光学的厚さと前記コンタクト層の光学的厚さとを調整することにより、前記コンタクト層が形成された部分の周辺部分の反射率を、前記コンタクト層が形成された部分の反射率よりも低下させたことを特徴とする。
【００１３】
前記キャップ層は、レーザ発振される光に対して光学的に透明であり、前記第２多層反射膜と格子整合する材料から形成されることが好ましい。前記コンタクト層は、前記キャップ層と格子整合し、前記キャップ層とヘテロ接合することが可能で、かつ、前記第２電極とオーム性接触することが可能な材料から形成されることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の面発光型半導体レーザは、活性層をＡｌＧａＡｓ系半導体により構成することが好ましく、活性層をＡｌＧａＡｓ系半導体により構成した場合には、前記キャップ層は、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体またはＧａＩｎＰ系半導体から形成されることが好ましく、前記コンタクト層は、ＡｌＧａＡｓ系半導体またはＧａＡｓ系半導体から形成されることが好ましい。
【００１５】
前記第２電極の材料としては、カドミウム・スズ酸化物またはインジウム・スズ酸化物を用いることができる。
【００１６】
また、本発明の面発光型半導体レーザを製造方法は、半導体基板上に、第１多層反射膜、活性層、第２多層反射膜、キャップ層、及びコンタクト層を順次積層する積層工程と、前記コンタクト層を光出射領域に対応する部分を残してエッチングするエッチング工程と、前記コンタクト層が形成された部分とその周辺部分とを覆うように第２電極を形成する電極積層工程と、を有することを特徴とする。
【００１７】
前記エッチング工程において、コンタクト層をエッチングする際に、前記キャップ層をエッチストッパーとして使用することが好ましく、コンタクト層のキャップ層に対するエッチング選択性が１０倍よりも大きくなるように、各層の材料及びエッチャントを選択することがより好ましい。また、前記コンタクト層は、前記キャップ層を半導体の結晶成長により積層した後、半導体の結晶成長により連続して積層することが好ましい。
【００１８】
本発明の面発光型半導体レーザは、プレーナ型のみならず、ポスト型にも適用することができ、ポスト型に適用する場合は、選択酸化方式の概念を導入して、第２多層反射膜の側面を周囲から酸化して一部を絶縁領域とすることもできる。
【００１９】
本発明の面発光型半導体レーザにおいては、光出射領域に対応する部分に形成されたコンタクト層の光学的厚さとコンタクト層とその周辺部分とを覆うように形成された第２電極の光学的厚さとが、光出射領域に対応する部分の周辺部分の反射率が、光出射領域に対応する部分の反射率に対し、相対的に低下するように調整されているため、光出射領域でのみ効率よくファブリぺローモードによるレーザ発振が生ずる。また、コンタクト層が形成された部分とその周辺部分とでは層構成が異なるために、実効的な屈折率差も生じており、光導波路が形成されることになる。この通り、本発明の面発光型半導体レーザは、光学モードの制御が可能であり、容易に基本横モード発振を得ることができる。
【００２０】
また、コンタクト層はキャップ層と第２電極とを電気的に接続するが、コンタクト層は光出射領域に対応する部分にのみ形成されているために、このコンタクト層が形成された部分を介して活性層への電流注入が可能となり、コンタクト層が形成されていない部分を介して活性層への電流注入が不能となる。従って、注入された電流は、光出射領域に対して垂直に活性層へ向けて流れ込み、半導体基板に水平な面内で素子の中央部に電流経路が形成されることになる。これにより利得領域（ゲイン領域）がこの付近に限定されることを意味し、ゲイン領域と基本横モードとのオーバーラップが最大となり、基本横モードの選択性が向上する。
【００２１】
この通り、本発明の面発光型半導体レーザでは、コンタクト層による電流狭窄効果と基本横モード選択性とにより、しきい値電流を低減することができ、光出射領域の面積を広げることが可能であることから、基本横モードでの高出力化を図ることができる。
【００２２】
さらに、本発明の面発光型半導体レーザは、半導体基板上に、第１多層反射膜、活性層、第２多層反射膜、キャップ層、及びコンタクト層を順次積層する積層工程の他は、複雑なプロセスを必要とせず、コンタクト層をエッチングする１度のエッチング工程と、第２電極を形成する１度の電極積層工程と、により製造することが可能である。特に、キャップ層をエッチストッパーとして使用すると、コンタクト層を形成する際、エッチング深さの制御が容易となり、光出射領域におけるミラー反射率の低下防止、素子の特性のばらつき防止、及び素子の歩留まりの改善に効果的である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の面発光型半導体レーザの具体的な実施の形態について詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
以下、図１（Ａ）に示す本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザの構成を、製造工程に従い説明する。
【００２４】
図２に示すように、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて、ｎ型のＧａＡｓ基板１の（１００）面上に、ｎ型のＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とｎ型のＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層との複数層積層体よりなる第１多層反射膜２と、アンドープのＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓよりなる第１スペーサ層３と、アンドープのＡｌ_0.11Ｇａ_0.89Ａｓよりなる量子井戸層とアンドープのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓよりなる障壁層との積層体よりなる量子井戸活性層４と、アンドープのＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓよりなる第２スペーサ層５と、ｐ型のＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とｐ型のＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層との複数層積層体よりなる第２多層反射膜６と、ｐ型のＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐよりなるキャップ層７と、ｐ型のＧａＡｓよりなるコンタクト層８とを、順次形成する。
【００２５】
ここで、第１多層反射膜２は、ｎ型のＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とｎ型のＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層との複数層積層体よりなるが、各層の厚さはλ／４ｎ_r（但し、λはレーザの発振波長、ｎ_rは各層を構成する媒質の屈折率である）であり、混晶比の異なる層を交互に４０．５周期積層してある。ｎ型不純物であるシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は３×１０¹⁸ｃｍ^-3である。
【００２６】
また、第２多層反射膜６は、ｐ型のＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とｐ型のＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層との積層体であるが、各層の厚さは第１多層反射膜２と同様λ／４ｎ_rであり、混晶比の異なる層を交互に３０周期積層してある。ｐ型不純物である炭素をドーピングした後のキャリア濃度は５×１０¹⁸ｃｍ^-3である。
【００２７】
第２多層反射膜６の周期数（層数）を第１多層反射膜２の層数よりも少なくした理由は、反射率に差を設けて基板上面より出射光を取り出すためである。また、詳しくは述べないが、素子の直列抵抗を下げる目的で第２多層反射膜６中には、Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層との間に、これらの層の中間のアルミニウム混晶比を有する所謂中間層を複数層介在させている。
【００２８】
量子井戸活性層４は、厚さ８ｎｍのアンドープＡｌ_0.11Ｇａ_0.89Ａｓよりなる量子井戸層と、厚さ５ｎｍのアンドープＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓよりなる障壁層と、を交互に積層した積層体である。量子井戸層の数は所望の特性により適宜決められるが、典型的には３層として、量子井戸層の外層はいずれも障壁層とするから、障壁層の数は量子井戸層よりも１層多い４層となる。これにより波長７８０ｎｍ帯の光を発振する。
【００２９】
第１スペーサ層３の下面から第２スペーサ層５の上面までの膜厚は、全体でλ／ｎ_rの整数倍としてその間に定在波が立つようにし、光強度の最も強い所謂「腹」の部分が量子井戸活性層４の位置に来るように設計してある。
【００３０】
ｐ型のＧａＩｎＰよりなるキャップ層７は、厚さが０．１μｍの薄い層であり、ｐ型不純物である亜鉛をドーピングした後のキャリア濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3である。キャップ層７のキャリア濃度は、この層の上に直接後述の半導体材料からなる第２電極９を形成しても、ショットキー障壁により容易には電流注入が行われないレベルの濃度とする。
【００３１】
また、ＧａＩｎＰは光学的エネルギーバンドギャップがおよそ１．９ｅＶであり、レーザ発振される７８０ｎｍ帯の光に対しては透明であるから、不要な光吸収が生じない。
【００３２】
ｐ型のＧａＡｓよりなるコンタクト層８のｐ型不純物である亜鉛をドーピングした後のキャリア濃度は５×１０¹⁹ｃｍ^-3である。コンタクト層８のキャリア濃度は、コンタクト層８が第２電極９と接触する際に、オーム性接触を形成するのに十分な濃度とする。
【００３３】
また、このコンタクト層８の光学的厚さを、第２電極９の光学的厚さと共に調整することにより、活性層から出射される光に対してファブリペローモードにおける位相を調整することができる。なお、コンタクト層８及び第２電極９の光学的厚さに関しては、後述する。
【００３４】
上記の通り、キャップ層７と第２電極９とは、ショットキー障壁によりオーム性接触をすることができず、キャップ層７へは電流注入を行うことができない。これに対し、キャップ層７とコンタクト層８との間は、同じ導電型のヘテロ接合であり、コンタクト層８と第２電極９とは、オーム性接触しているため、コンタクト層８が形成された部分ではキャップ層７へ電流注入を行うことができる。なお、キャップ層７のキャリア濃度は、上記の通り、ショットキー障壁により容易には電流注入が行われないレベルとされているが、キャップ層７は非常に薄いため電流注入に支障はない。
【００３５】
次に、基板を成長室から取り出し、図３に示すように、光出射領域形成予定領域にフォトリソグラフィ技術を使って５〜１０μｍ径のエッチングマスク（フォトレジスト）２１を形成した後、硫酸、過酸化水素及び水の混合液をエッチャントとして使用して、コンタクト層８の光出射領域に対応する部分のみを残し、他の部分をエッチングにより除去する。
【００３６】
本実施形態では、コンタクト層８を構成するｐ型のＧａＡｓは、キャップ層７を構成するｐ型のＧａＩｎＰの１０倍以上のエッチング選択性を有するから、コンタクト層８とキャップ層７との界面で容易にエッチングを止めることができる。
【００３７】
ここで、エッチング後に残ったｐ型のＧａＡｓよりなるコンタクト層８の基板平面に水平な方向での形状（平面形状）は、円形や正方形の他に、長方形、楕円形、ひし形等自由な形状とすることができる。但し、コンタクト層８の平面形状は反射率分布に影響を与えるから、例えば、長方形、楕円形、ひし形等２回対称（１８０°回転すると原形に復帰する幾何学形状）にすれば、レーザ光の偏波面はその形状に応じて一定方向に揃う傾向を示す。この性質を利用し、コンタクト層８の平面形状を楕円形、長円形、ひし形等にしてレーザ光の偏波面を制御することも可能である。
【００３８】
図４に示すように、フォトレジストからなるエッチングマスク２１を除去した後、ＲＦスパッタリング法を使用して、キャップ層７の露出部分とコンタクト層８とを覆うように、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）からなる第２電極９を着膜する。コンタクト層８と第２電極９との間の接触をオーム性接触にするために、３００〜６００℃の温度範囲でアニールを行う。アニール温度は、他の工程との兼ね合いを考慮して、この温度範囲から適宜決定すればよい。
【００３９】
光出射領域１１に対応する部分の周辺部分の層構成は、下層から、第１多層反射膜２、第１スペーサ層３、量子井戸活性層４、第２スペーサ層５、第２多層反射膜６、キャップ層７、及び第２電極９を順次積層した層構成であるが、光出射領域１１に対応する部分の層構成は、キャップ層７と第２電極９との間にコンタクト層８を加えた層構成である。
【００４０】
そして、コンタクト層８の光学的厚さ及び第２電極９の光学的厚さを調整することにより、図１（Ｂ）に示すように、光出射領域に対応する部分の周辺部分の反射率が、光出射領域に対応する部分の反射率に対し、相対的に低下するように構成されている。
【００４１】
第１多層反射膜２と第２多層反射膜６とから形成される共振器に付加される層の光学的な厚さが、レーザ発振される光の発振波長λの半波長の整数倍に等しい場合は共振器のＱが増加し、４分の１波長の奇数倍に等しい場合は共振器のＱが減少する。
【００４２】
本実施形態においては、コンタクト層８の光学的な厚さと第２電極９の光学的な厚さとの和を、レーザ発振される光の発振波長λの半波長の整数倍に等しくすることで、光出射領域１１に対応する部分において共振器のＱを増加させ、第２電極９の光学的な厚さを、４分の１波長の奇数倍に等しくすることで、光出射領域１１に対応する部分の周辺部分において共振器のＱを減少させる。
【００４３】
光出射領域１１に対応する部分とその周辺部分とで反射率に差を設けることが目的であるから、光出射領域１１に対応する部分の周辺部分の反射率が、光出射領域１１に対応する部分の反射率に対し相対的に低下すれば、光学的厚さを正確に４分の１波長の奇数倍あるいは半波長の整数倍とする必要はない。
【００４４】
この通り、コンタクト層８の光学的な厚さ及び第２電極９の光学的な厚さはミラー損失に差をもたらすから、これらの層の光学的厚さを制御することによって、ミラー反射率を空間的に変化させ、光学モードの制御が可能となる。即ち、高反射率領域を規定し、この径を最低次数の動作モードのモードサイズに等しくすれば、容易に単峰性の基本横モード発振を得ることができる。
【００４５】
また、コンタクト層８から注入される電流量が多くなるゲイン領域は、光出射領域１１と一致しているから、図５に示すように、最も次数の低い基本モードとゲイン領域とのオーバーラップが最大となり、高次の光学モードとゲイン領域とのオーバーラップは反対に小さくなることから、高次モードでの発振が抑制され、基本モードで発振するようになる。このように光出射領域１１に対応する部分とその周辺部分とで反射率に差を設けることで、０次基本横モードの発振に有利な条件が整い、望ましいモードが選択されるという効果を得ることができる。
【００４６】
また、コンタクト層８は、注入された電流の広がりを妨げる働きを持つ。即ち、コンタクト層８によって電流狭窄を行うことになり、図６に示す通り、ｐ型のＧａＩｎＰからなるキャップ層７に注入されたキャリアは電流経路２２を通って素子内に広がることになる。このとき、電流密度は光出射領域１１に対応する部分で高く、そこから離れるにしたがって減衰する分布を有するから、レーザ発振自体を阻害するものではない。
【００４７】
この電流狭窄効果とモード選択効果との相乗効果により、しきい値電流を低減することができる。また、光閉じ込めの程度は従来の屈折率導波型に比べ小さいから、開口の直径を１０μｍ程度にまで広げても横モードは安定しており、基本横モードでの最大光出力を飛躍的に向上させることができる。
【００４８】
最後に、ｎ型のＧａＡｓ基板１の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ層よりなる第１電極１０を形成して、図１に示す構成を備え、λ〜７８０ｎｍの波長で発振する面発光型半導体レーザを得ることができる。
【００４９】
上記した第１の実施形態では、キャップ層７のキャリア濃度を、この層の上に直接後述の半導体材料からなる第２電極９を形成しても、ショットキー障壁により容易には電流注入が行われないレベルの濃度とすることにより、キャップ層７と第２電極９との間でオーム性接触が得られないようにして、電流注入部をコンタクト層８を形成した部分に限定したが、例えば、キャップ層７とコンタクト層８との間にシリコン絶縁膜を介在させることにより、さらにキャップ層７と第２電極９との間の絶縁性を高めて、無効な電流がキャップ層７に流れないよう工夫することも可能である。
【００５０】
但し、光出射領域１１に対応する部分の周辺部分の反射率が、光出射領域１１に対応する部分の反射率に対し相対的に低下するように、第２電極９の光学的厚さに加えて、シリコン絶縁膜の光学的な厚さを調整する必要がある。
【００５１】
上記した第１の実施形態では、キャップ層７とコンタクト層８の材料を選択することにより、キャップ層７と第２電極９とはオーム性接触させず、コンタクト層８と第２電極９とはオーム性接触をさせて電流狭窄を行ったが、より効率よく活性層への電流注入を行うために、別の電流閉じ込め（電流狭窄）手段を利用することもできる。
【００５２】
例えば、キャップ層７をアンドープ若しくはｎ型のＧａＩｎＰから形成した以外は第１の実施形態と同様にして、基板１上に、第１多層反射膜２、第１スペーサ層３、量子井戸活性層４、第２スペーサ層５、第２多層反射膜６、及びキャップ層７を順次積層し、図３に示すように、マスク２１を用いたエッチングにより、アンドープ若しくはｐ型のＧａＡｓよりなるコンタクト層８を光出射領域に対応する部分にのみ形成した後、図７（Ａ）に示すように、コンタクト層８が形成された領域を除いて、シリコン系絶縁膜からなる不純物拡散用マスク２３を形成する。図７（Ｂ）に示すように、このマスク２３を用いて亜鉛の気相拡散を行うことにより、コンタクト層８及びその下方にあるキャップ層７に亜鉛を拡散させてコンタクト層８及びキャップ層７ａからなる亜鉛拡散領域２４を形成する。キャップ層７及びコンタクト層８はいずれも薄いので、キャップ層７まで到達する拡散は比較的容易である。図には特に示さないが、マスク２３を除去した後、第２電極９を形成して、光出射領域１１に対応する部分とその周辺部分との間で異なる反射率を有するよう位相調整を行う。
【００５３】
亜鉛はｐ型のドーパントとして働くから、ｎ型のＧａＩｎＰよりなるキャップ層７と亜鉛が拡散されたキャップ層７ａとの界面にはｐｎ接合部２５が形成される。キャップ層７ａに注入されたキャリアは、この接合部２５を避けて第２多層反射膜６に向かって流れ、電流狭窄の効果を得ることができる。また、キャップ層７がアンドープの場合においても、キャップ層７ａに注入されたキャリアは、キャップ層７のように抵抗率の高いアンドープのＧａＩｎＰ層は通過することができず、第２多層反射膜６の方に向かって流れることになる。
【００５４】
なお、積層膜の導電型を逆転して、第２多層反射膜６の導電型をｎ型とした場合は亜鉛の代わりにｎ型のドーパントとして働くシリコンやゲルマニウムを拡散源として用いることもできる。
【００５５】
また、例えば、第１の実施形態と同様にして、第１多層反射膜２、第１スペーサ層３、量子井戸活性層４、第２スペーサ層５、第２多層反射膜６、及びキャップ層７を順次積層した基板を成長室から取り出し、図３に示すように、エッチングによりｐ型のＧａＡｓよりなるコンタクト層８を光出射領域１１に対応する部分にのみ形成した後、図８（Ａ）に示すように、コンタクト層８上にシリコン系絶縁膜あるいはフォトレジストよりなるマスク２６を形成して、キャップ層７の内、光出射領域１１に対応する部分の周辺にある部分にプロトン注入を行い、図８（Ｂ）に示す高抵抗化されたプロトン注入領域２７を形成する。図には特に示さないが、マスク２６を除去した後、第２電極９を形成して、光出射領域１１に対応する部分とその周辺部分との間で異なる反射率を有するよう位相調整を行う。
【００５６】
プロトン注入領域２７は、キャリアがキャップ層７中を横方向へ広がろうするのを阻止するため、電流狭窄の効果を得ることができる。
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザは、図９に示す通り、柱（ポスト）状に形成された点以外は、第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザと同様の構成である。柱（ポスト）状に形成することによって、一層の電流狭窄効果を得ることができる。
【００５７】
この面発光型半導体レーザの製造方法を簡単に説明する。
【００５８】
第１の実施形態と同様にして、第１多層反射膜２、第１スペーサ層３、量子井戸活性層４、第２スペーサ層５、第２多層反射膜６、及びキャップ層７を順次積層した基板を成長室から取り出し、図３に示すように、エッチングによりｐ型のＧａＡｓよりなるコンタクト層８を光出射領域１１に対応する部分にのみ形成する。
【００５９】
その後、光出射領域１１の外周部を環状に残しながら、ドライエッチング技術を用いてキャップ層７及び第２多層反射膜６を除去し、いわゆるポスト３１を形成する。
【００６０】
エッチングマスクを除去した後、ＲＦスパッタリング法を使用して、キャップ層７の露出部分とコンタクト層８とを覆うように、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）からなる第２電極９を着膜する。コンタクト層８と第２電極９との間の接触をオーム性接触にするために、３００〜６００℃の温度範囲でアニールを行う。アニール温度は、他の工程との兼ね合いを考慮して、この温度範囲から適宜決定すればよい。
【００６１】
露出したポスト３１の側面をシリコン系絶縁膜２８で覆った後、第２電極９とコンタクトを取ることができるようにＣｒ／Ａｕよりなる上部電極２９を形成する。最後に、基板１の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕよりなる第１電極１０を形成して、図９に示す構成を備え、λ〜７８０ｎｍの波長で発振する面発光型半導体レーザを得ることができる。
【００６２】
本実施形態の面発光型半導体レーザは、電流が通過することができる領域が、コンタクト層８よりもわずかに広い領域に限られるので、コンタクト層下方での電流の広がりが少なく、発光に寄与しない無効な注入キャリアが減るので、一層の低しきい値化あるいは高効率化を達成できる。
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係る面発光型半導体レーザは、第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザの変形例であり、図１０に示す通り、第２多層反射膜６の最下層をＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓに代えてＡｌＡｓとし、その周縁部を酸化して絶縁領域とした以外は、第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザと同様の構成である。この通り、ＡｌＡｓ層の一部を選択的に酸化することによって、より強力な電流狭窄効果を得ることができる。
【００６３】
この面発光型半導体レーザの製造方法を簡単に説明する。
【００６４】
第２の実施形態と同様にして、第１多層反射膜２、第１スペーサ層３、量子井戸活性層４、第２スペーサ層５、第２多層反射膜６、及びキャップ層７を順次積層した基板を成長室から取り出し、図３に示すように、エッチングによりｐ型のＧａＡｓよりなるコンタクト層８を光出射領域１１に対応する部分にのみ形成し、光出射領域１１の外周部を環状に残しながら、ドライエッチング技術を用いてキャップ層７及び第２多層反射膜６を除去し、いわゆるポスト３１を形成する。
【００６５】
この後、４００℃の水蒸気に約１０分間接触させて、いわゆるウェット酸化を実行することで、第２多層反射膜６中のＡｌＡｓ層は周縁部から酸化されてＡｌ₂Ｏ₃となり、ポスト３１の一部に絶縁領域３０（選択酸化層）が形成される。
【００６６】
エッチングマスクを除去した後、ＲＦスパッタリング法を使用して、キャップ層７の露出部分とコンタクト層８とを覆うように、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）からなる第２電極９を着膜する。コンタクト層８と第２電極９との間の接触をオーム性接触にするために、３００〜６００℃の温度範囲でアニールを行う。アニール温度は、他の工程との兼ね合いを考慮して、この温度範囲から適宜決定すればよい。
【００６７】
露出したポスト３１の側面をシリコン系絶縁膜２８で覆った後、第２電極９とコンタクトを取ることができるようにＣｒ／Ａｕよりなる上部電極２９を形成する。最後に、基板１の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕよりなる第１電極１０を形成して、図１０に示す構成を備え、λ〜７８０ｎｍの波長で発振する面発光型半導体レーザを得ることができる。
【００６８】
本実施形態の面発光型半導体レーザでは、電流狭窄層として設けられた選択酸化層３０が光閉じ込めの機能をも果たし、一方、電流狭窄機能はコンタクト層８によって分担されることになる。従って、しきい値電流は更に低下すると共に、より一層の横モードの安定性の向上と高出力化が図られる。
【００６９】
なお、第３の実施形態では、第２多層反射膜６の最下層をＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓに代えてＡｌＡｓとしたが、選択酸化を受ける層の位置及び材料はこれに限られず、第２多層反射膜６の一部をアルミニウム組成比が９０％以上望ましくは９８％以上のＡｌＧａＡｓ層とし、残りをそれよりも低いアルミニウム組成比を有するＡｌＧａＡｓ層としておくことにより、半導体層の一部を選択酸化することが可能になる。
【００７０】
また、第３の実施の形態においては、ＡｌＡｓ層の選択酸化の際、加熱する温度を４００℃としたが、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温度とすればよい。加熱温度を上げると酸化速度が増加し、短時間で所望の酸化領域を形成することができるが、４００℃程度が酸化距離を最も制御し易いため好ましい。
【００７１】
第１から第３の実施の形態においては、第２電極９の材料には、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）を使用したが、この材料に限るものではない。
【００７２】
第２電極９の材料は、レーザ発振される波長の光に対して光学的に透明で、かつ導電性の高い材料であればよい。具体的には、１００乃至３００ｎｍの厚さで積層した場合にも、電極とのコンタクトを取るのに十分な１×１０³乃至１×１０⁵Ω^-1ｃｍ^-1の範囲の導電率を示し、かつ、５００〜９００ｎｍの波長範囲の光に対して８０％以上の透過率と１０％以下の吸収率とを示す半導体材料から選択することができる。
【００７３】
このような材料としては、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）の他には、カドミウム・スズ酸化物（ＣＴＯ）など、Ｃｄ_2-xＳｎ_xＯ₄でｘが０．２乃至０．４の範囲、Ｉｎ_2-yＳｎＯ₄でｙが０．０１乃至０．２の範囲にある化合物が、上記の条件を満たしている。なお、これらの材料は、通常、屈折率が２程度であり、位相調整の際には屈折率も考慮して光学的厚さを制御する必要がある。
【００７４】
第１から第３の実施の形態においては、キャップ層７の材料にはＧａＩｎＰが使用されているが、この材料に限るものではない。格子定数が半導体基板と近接しており、典型的には格子不整合率が０．１％以下のいわゆる格子整合系材料であって、レーザ発振される光を透過するという要件を満たす材料であればよい。例えば、活性層を構成する材料としてＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系半導体を用いた場合には、（Ａｌ_XＧａ_1-X）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ系材料またはＺｎＳ_XＳｅ_1-X系材料がキャップ層７の材料としての上記要件を満たす。材料の酸化による劣化が少ない点でＡｌ含有量が多すぎないものが好ましい。
【００７５】
なお、キャップ層７をエッチストッパーとして用いる場合には、コンタクト層８を構成する材料は、キャップ層７を構成する材料の１０倍以上のエッチング選択性を有するように、キャップ層７の材料を選択することがより好ましい。
【００７６】
第１から第３の実施の形態においては、いずれも第２多層反射膜７をｐ型とし、第１多層反射膜４をｎ型としたが、これに限定されることなく、導電型を反転することも可能である。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ればよい。
【００７７】
一般に、ｐ型層はｎ型層に比べ禁制帯幅不連続に起因する素子抵抗の増大が懸念されるから、ｐ型層の層数が増えることはレーザ特性を悪くする要因となり好ましくない。また、上記実施の形態においては、出射光を基板上面から取り出す関係上、第２多層反射膜の方が第１多層反射膜に比べ少ない層数で構成されている。このため、第２多層反射膜の導電型をｐ型とした。従って、逆に出射光を基板裏面から取り出す場合には、第２多層反射膜の層数を第１多層反射膜の層数よりも多くして、かつ、第２多層反射膜の導電型をｎ型とすることが考えられる。
【００７８】
また、素子抵抗は面積に反比例するため、例えば、第２及び第３の実施の形態に見られるポスト状に形成された面発光型半導体レーザの場合、面積の小さい第２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できるｎ型層を、第２多層反射膜とすることがより好ましい。
【００７９】
第１から第３の実施の形態においては、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、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ系半導体を用いることも可能である。ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系半導体の場合、量子井戸層からの発光波長はＧａＡｓ基板に対して透明であるから、基板裏面から出射光を取り出すのが容易であり、工程的利点もある。
【００８０】
第１から第３の実施の形態においては、キャップ層を第２多層反射膜とは別に設けたが、第２多層反射膜の最外層をアンドープの層とし、これをキャップ層として用いてもよい。
【００８１】
第１から第３の実施の形態においては、結晶成長方法としてＭＯＣＶＤ法を用いる場合について述べたが、これに限定されることなく、例えば分子線ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法を用いても同様な半導体膜を得ることができる。
【００８２】
なお、いずれの実施の形態も限定的に解釈されるべきものではなく、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。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の面発光型半導体レーザは、積層する層の光学的厚さを調整することにより、光学モードの制御が可能であり、容易に基本横モード発振を得ることができるという効果を奏する。
【００８４】
また、本発明の面発光型半導体レーザは、光出射領域に対応する部分のみで電極とのコンタクトを取ることが可能で、電流狭窄と基本横モードの選択性の向上とを同時に行うことができ、しきい値電流を低減し光出射領域の面積を広げることが可能であることから、基本横モードでの高出力化を図ることができるという効果を奏する。
【００８５】
さらに、本発明の面発光型半導体レーザは、簡易なプロセスで再現性良く製造することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係るプレーナ型面発光型半導体レーザの断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す面発光型半導体レーザの反射率分布を示すグラフである。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るプレーナ型面発光型半導体レーザの製造工程における断面図である（積層工程）。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るプレーナ型面発光型半導体レーザの製造工程における断面図である（エッチング工程）。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るプレーナ型面発光型半導体レーザの製造工程における断面図である（第２電極形成工程）。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るプレーナ型面発光型半導体レーザのゲイン領域と光学モードのオーバーラップを示す概念図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係るプレーナ型面発光型半導体レーザの電流経路を示す概念図である。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係るプレーナ型面発光型半導体レーザの電流注入方法を改善した第１の変形例の断面図である（Ｚｎ拡散方式）。
【図８】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係るプレーナ型面発光型半導体レーザの電流注入方法を改善した第２の変形例の断面図である（プロトン注入方式）。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザの断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係る面発光型半導体レーザの断面図である。
【図１１】従来技術に係る面発光型半導体レーザの断面図である。
【符号の説明】
１ＧａＡｓ基板
２第１多層反射膜
３第１スペーサ層
４量子井戸活性層
５第２スペーサ層
６第２多層反射膜
７キャップ層
８コンタクト層
９第２電極
１０第１電極
１１開口部（光出射領域）
２１レジストマスク
２２電流経路
２３絶縁膜マスク
２４亜鉛拡散領域
２５ｐｎ接合部
２６対プロトン注入用マスク
２７プロトン注入領域
２８シリコン系絶縁保護膜
２９上部電極
３０選択酸化層（絶縁領域）
１２５ＶＣＳＥＬ
１３０基板
１３２，１３８パラレル・ミラー・スタック
１３５スペーサ層
１３９トレンチ
１４０メサ
１４２コンタクト・ウィンドウ
１４４誘電体層
１４６コンタクト層
１４７電極
１４８光学モード
１４９電流分布[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface emitting semiconductor laser and a method for manufacturing the same, and more specifically, is used as a light source for optical information processing and optical communication, a light source for an image processing apparatus and a copying apparatus, and the transverse mode is stable, The present invention relates to a surface emitting semiconductor laser having low threshold current characteristics and high output, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, surface emitting semiconductor lasers have attracted attention in the technical fields such as optical communication and optical interconnection because they can be easily two-dimensionally arrayed. A surface emitting semiconductor laser is relatively easy to lower the threshold current and can reduce power consumption, but it is difficult to achieve high output.
[0003]
By the way, low-cost multimode optical fibers are currently used for optical communications, but it is possible to dramatically increase the number of lines, so single-mode optical fibers will be used in the future. It is expected to be done. The laser used for the single mode optical fiber is premised on a laser that oscillates in a stable single mode (0th-order fundamental transverse mode).
[0004]
On the other hand, when the stability of the transverse mode is required in a surface emitting semiconductor laser, there is a trade-off that the threshold current increases and the response characteristics deteriorate or it is difficult to increase the output, and all the requirements are satisfied simultaneously. It is difficult to obtain an element.
[0005]
For example, a proton-injected surface emitting laser having a gain waveguide structure has a slight refractive index difference between the current passing region and the surrounding region due to the thermal lens effect, and a refractive index waveguide is formed. As a result, a weak light confinement state is created. For this reason, it is known that a stable transverse mode can be obtained even if the diameter of the non-proton injection region (current path) is expanded to about 10 μm. However, since the light confinement itself is weak, it is not possible to expect a great improvement in light emission efficiency, and since the heat generation is large, the threshold current is high and the response is poor in a state where no bias is applied.
[0006]
On the other hand, a selective oxidation surface emitting semiconductor laser having a refractive index waveguide structure selectively oxidizes a part of the multilayer reflective film near the active layer to confine the current and form a refractive index waveguide. Since it has a strong light confinement effect, the threshold current is low and the response is fast. However, the light confinement effect is too strong, and in order to stabilize the transverse mode, it is necessary to make the diameter of the light emitting region typically 5 μm or less, which is considerably narrower than the proton injection method described above. There is a disadvantage that the volume is reduced and high output cannot be expected.
[0007]
Thus, it is difficult to solve the relative problems of ensuring the stability of the transverse mode and increasing the output. As an attempt to achieve both the stability of the transverse mode and the high output, for example, there is a surface emitting semiconductor laser disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-112487. As shown in FIG. 11, the surface-emitting type semiconductor laser 125 includes a parallel mirror stack 132, an active layer and spacer layer 135, and a parallel mirror stack 138 sequentially on a substrate 130 on which an electrode 147 is formed. The mesa 140 is laminated and a contact window 142 is provided on the parallel mirror stack 138, and a dielectric layer 144 having an opening in the light emission region is provided on the contact window 142. It has been. A contact layer 146 made of an optically transparent conductive material such as ITO is provided so as to cover the opening and the dielectric layer 144, and a contact with the electrode is partially taken to control the current distribution 149. The dielectric layer 144 and the contact layer 146 are disposed on the surface of the mesa 140 with an optical thickness that gives a predetermined mirror reflectivity, and control the optical mode 148 independent of the edge of the mesa 140. . As described above, it is possible to control the current and the optical mode separately, and thereby, it is possible to realize a good overlap between the current and the optical mode and a high output.
[0008]
In this surface-emitting type semiconductor laser, a contact layer 146 embedded in the opening is provided in the opening of the dielectric layer 144, but it is difficult to precisely align the two, and it has good characteristics. The element cannot be manufactured with good reproducibility. In other words, the mirror reflectivity is controlled by the optical thickness of each of the dielectric layer 144 and the contact layer 146, and if the alignment between the two is not perfect, the mirror reflectivity distribution is not uniform. Occurs and the transverse mode becomes unstable.
[0009]
In addition, in order to manufacture this element, in addition to the laminating process of sequentially laminating each semiconductor layer, two dielectric film laminating processes, that is, a laminating process of the contact window 142 and a laminating process of the dielectric layer 144, It is necessary to go through two contact layer laminating steps, a laminating step of the contact layer 146 on the opening portion of the dielectric layer 144 and a laminating step of the contact layer 146 on the dielectric layer 144, and the manufacturing process It is complicated.
[0010]
As described above, the surface emitting semiconductor laser disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 6-112287 has a problem that characteristic variations are likely to occur in spite of requiring an advanced semiconductor process.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a surface emitting semiconductor laser that has a stable transverse mode, a large light output, and can be manufactured with high reproducibility by a simple process.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a surface emitting semiconductor laser of the present invention includes a first electrode provided on a semiconductor substrate and a first multilayer reflection provided on a surface of the semiconductor substrate opposite to the first electrode. A film, a second multilayer reflective film provided so as to face the first multilayer reflective film across the active layer, and optically transparent to the laser-oscillated light and A second electrode for injecting current into the active layer together with the first electrode; and between the second electrode and the second multilayer reflective film And provided at a portion corresponding to the light emission region. , Optically transparent to laser light Provided between the contact layer, the second electrode, and the second multilayer reflective film; A cap layer that enables current injection into the active layer through the portion where the contact layer is formed, and disables current injection into the active layer through the portion where the contact layer is not formed, By adjusting the optical thickness of the second electrode and the optical thickness of the contact layer, the reflectance of the peripheral portion of the portion where the contact layer is formed is changed to the reflectance of the portion where the contact layer is formed. It is characterized by being lowered.
[0013]
The cap layer is preferably made of a material that is optically transparent to laser-oscillated light and lattice-matched with the second multilayer reflective film. The contact layer is preferably formed of a material that is lattice-matched with the cap layer, can be heterojunction with the cap layer, and can make ohmic contact with the second electrode.
[0014]
In the surface emitting semiconductor laser of the present invention, the active layer is preferably composed of an AlGaAs semiconductor, and when the active layer is composed of an AlGaAs semiconductor, the cap layer is an AlGaInP semiconductor or a GaInP semiconductor. The contact layer is preferably formed of an AlGaAs semiconductor or a GaAs semiconductor.
[0015]
As the material of the second electrode, cadmium tin oxide or indium tin oxide can be used.
[0016]
The method of manufacturing the surface-emitting type semiconductor laser of the present invention includes a stacking step of sequentially stacking a first multilayer reflective film, an active layer, a second multilayer reflective film, a cap layer, and a contact layer on a semiconductor substrate, An etching step of etching the contact layer leaving a portion corresponding to the light emitting region, and an electrode stacking step of forming a second electrode so as to cover the portion where the contact layer is formed and its peripheral portion It is characterized by.
[0017]
In the etching step, when the contact layer is etched, it is preferable to use the cap layer as an etch stopper, and the material and etchant of each layer so that the etching selectivity of the contact layer to the cap layer is more than 10 times. It is more preferable to select. The contact layer is preferably stacked continuously by crystal growth of the semiconductor after the cap layer is stacked by crystal growth of the semiconductor.
[0018]
The surface-emitting type semiconductor laser of the present invention can be applied not only to the planar type but also to the post type. When applied to the post type, the concept of the selective oxidation method is introduced and the second multilayer reflective film is formed. It is also possible to oxidize the side surfaces from the surroundings to make a part of the insulating region.
[0019]
In the surface emitting semiconductor laser of the present invention, the optical thickness of the contact layer formed in the portion corresponding to the light emitting region and the optical thickness of the second electrode formed so as to cover the contact layer and its peripheral portion. However, since the reflectance of the peripheral portion of the portion corresponding to the light emitting area is adjusted to be relatively lowered with respect to the reflectance of the portion corresponding to the light emitting region, efficiency is improved only in the light emitting region. Often laser oscillation occurs in the Fabry-Perot mode. Further, since the layer configuration is different between the portion where the contact layer is formed and the peripheral portion thereof, an effective refractive index difference is also generated, and an optical waveguide is formed. As described above, the surface emitting semiconductor laser of the present invention can control the optical mode and can easily obtain the fundamental transverse mode oscillation.
[0020]
The contact layer electrically connects the cap layer and the second electrode. Since the contact layer is formed only in the portion corresponding to the light emitting region, the contact layer is interposed through the portion where the contact layer is formed. Current injection into the active layer becomes possible, and current injection into the active layer becomes impossible through a portion where the contact layer is not formed. Therefore, the injected current flows toward the active layer perpendicular to the light emitting region, and a current path is formed in the central portion of the element in a plane horizontal to the semiconductor substrate. This means that the gain region (gain region) is limited to this vicinity, and the overlap between the gain region and the fundamental transverse mode is maximized, and the selectivity of the fundamental transverse mode is improved.
[0021]
As described above, in the surface emitting semiconductor laser of the present invention, the threshold current can be reduced and the area of the light emitting region can be increased by the current confinement effect and the fundamental transverse mode selectivity by the contact layer. For this reason, it is possible to increase the output in the basic transverse mode.
[0022]
Further, the surface emitting semiconductor laser of the present invention is complicated except for a laminating process of sequentially laminating a first multilayer reflective film, an active layer, a second multilayer reflective film, a cap layer, and a contact layer on a semiconductor substrate. A process is not required, and it is possible to manufacture by one etching process for etching the contact layer and one electrode lamination process for forming the second electrode. In particular, when the cap layer is used as an etch stopper, it is easy to control the etching depth when forming the contact layer, preventing a decrease in mirror reflectance in the light emitting region, preventing variation in device characteristics, and improving device yield. It is effective for improvement.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, specific embodiments of the surface emitting semiconductor laser of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
Hereinafter, the structure of the surface emitting semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1A will be described according to the manufacturing process.
[0024]
As shown in FIG. 2, an n-type Al is formed on the (100) plane of an n-type GaAs substrate 1 by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). _0.9 Ga _0.1 As layer and n-type Al _0.3 Ga _0.7 A first multilayer reflective film 2 comprising a multi-layer laminate with an As layer, undoped Al _0.5 Ga _0.5 First spacer layer 3 made of As and undoped Al _0.11 Ga _0.89 Quantum well layer made of As and undoped Al _0.3 Ga _0.7 Quantum well active layer 4 made of a laminate with a barrier layer made of As, undoped Al _0.5 Ga _0.5 Second spacer layer 5 made of As and p-type Al _0.9 Ga _0.1 As layer and p-type Al _0.3 Ga _0.7 A second multilayer reflective film 6 comprising a multi-layer laminate with an As layer, and p-type Ga. _0.5 In _0.5 A cap layer 7 made of P and a contact layer 8 made of p-type GaAs are sequentially formed.
[0025]
Here, the first 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 It consists of a multi-layered laminate with As layers, but the thickness of each layer is λ / 4n _r (Where λ is the laser oscillation wavelength, n _r Is the refractive index of the medium constituting each layer), and layers having different mixed crystal ratios are alternately laminated for 40.5 periods. The carrier concentration after doping silicon which is an n-type impurity is 3 × 10 ¹⁸ cm ^-3 It is.
[0026]
The second multilayer reflective film 6 is made of p-type Al. _0.9 Ga _0.1 As layer and p-type Al _0.3 Ga _0.7 Although it is a laminated body with an As layer, the thickness of each layer is λ / 4n like the first multilayer reflective film 2 _r 30 layers having different mixed crystal ratios are alternately stacked. The carrier concentration after doping with p-type impurity carbon is 5 × 10 ¹⁸ cm ^-3 It is.
[0027]
The reason why the number of cycles (number of layers) of the second multilayer reflective film 6 is made smaller than the number of layers of the first multilayer reflective film 2 is to extract outgoing light from the upper surface of the substrate with a difference in reflectance. Although not described in detail, the second multilayer reflective film 6 contains Al in order to reduce the series resistance of the element. _0.9 Ga _0.1 As layer and Al _0.3 Ga _0.7 A plurality of so-called intermediate layers having an aluminum mixed crystal ratio between these layers are interposed between the As layer and the As layer.
[0028]
The quantum well active layer 4 has an undoped Al thickness of 8 nm. _0.11 Ga _0.89 Quantum well layer made of As and undoped Al with a thickness of 5 nm _0.3 Ga _0.7 It is a laminated body in which barrier layers made of As are alternately laminated. The number of quantum well layers is appropriately determined according to desired characteristics. Typically, the number of quantum well layers is three, and the outer layers of the quantum well layers are all barrier layers. Therefore, the number of barrier layers is one more than the quantum well layers. There are 4 layers. As a result, light having a wavelength of 780 nm is oscillated.
[0029]
The film thickness from the lower surface of the first spacer layer 3 to the upper surface of the second spacer layer 5 is λ / n as a whole. _r The so-called “antinode” having the strongest light intensity is designed so as to come to the position of the quantum well active layer 4 so that a standing wave stands between them.
[0030]
The cap layer 7 made of p-type GaInP is a thin layer having a thickness of 0.1 μm, and the carrier concentration after doping with zinc as a p-type impurity is 1 × 10. ¹⁸ cm ^-3 It is. The carrier concentration of the cap layer 7 is set to a concentration at which current injection is not easily performed due to the Schottky barrier even when the second electrode 9 made of a semiconductor material described later is directly formed on this layer.
[0031]
GaInP has an optical energy band gap of about 1.9 eV, and is transparent to laser-oscillated 780 nm band light, so that unnecessary light absorption does not occur.
[0032]
The carrier concentration after doping the p-type impurity zinc of the contact layer 8 made of p-type GaAs is 5 × 10 5. ¹⁹ cm ^-3 It is. The carrier concentration of the contact layer 8 is set to a concentration sufficient to form an ohmic contact when the contact layer 8 is in contact with the second electrode 9.
[0033]
Further, by adjusting the optical thickness of the contact layer 8 together with the optical thickness of the second electrode 9, the phase in the Fabry-Perot mode can be adjusted with respect to the light emitted from the active layer. The optical thickness of the contact layer 8 and the second electrode 9 will be described later.
[0034]
As described above, the cap layer 7 and the second electrode 9 cannot make ohmic contact due to the Schottky barrier, and current cannot be injected into the cap layer 7. On the other hand, the cap layer 7 and the contact layer 8 are heterojunctions of the same conductivity type, and the contact layer 8 and the second electrode 9 are in ohmic contact, so that the contact layer 8 is formed. Current can be injected into the cap layer 7 at the portion. As described above, the carrier concentration of the cap layer 7 is set to a level at which current injection is not easily performed due to the Schottky barrier. However, since the cap layer 7 is very thin, there is no problem in current injection.
[0035]
Next, the substrate is taken out of the growth chamber, and as shown in FIG. 3, an etching mask (photoresist) 21 having a diameter of 5 to 10 μm is formed in the light emission region formation planned region using a photolithography technique. Using a mixed solution of hydrogen oxide and water as an etchant, only the part corresponding to the light emission region of the contact layer 8 is left, and the other part is removed by etching.
[0036]
In the present embodiment, the p-type GaAs constituting the contact layer 8 has an etching selectivity 10 times or more that of the p-type GaInP constituting the cap layer 7, so that at the interface between the contact layer 8 and the cap layer 7. Etching can be easily stopped.
[0037]
Here, the shape (planar shape) in the direction horizontal to the substrate plane of the contact layer 8 made of p-type GaAs remaining after etching is not limited to a circle or a square, but can be a free shape such as a rectangle, an ellipse, or a rhombus. can do. However, since the planar shape of the contact layer 8 affects the reflectance distribution, for example, if the symmetrical shape such as a rectangle, an ellipse, a rhombus, etc. (a geometric shape that returns to the original shape when rotated 180 °) is used, The polarization plane tends to align in a certain direction according to its shape. Using this property, it is possible to control the polarization plane of the laser light by making the planar shape of the contact layer 8 oval, oval, rhombus or the like.
[0038]
As shown in FIG. 4, after removing the etching mask 21 made of a photoresist, an indium tin oxide (ITO) is used to cover the exposed portion of the cap layer 7 and the contact layer 8 by using an RF sputtering method. The second electrode 9 made of) is deposited. In order to make the contact between the contact layer 8 and the second electrode 9 ohmic contact, annealing is performed in a temperature range of 300 to 600 ° C. The annealing temperature may be appropriately determined from this temperature range in consideration of the balance with other processes.
[0039]
The layer configuration of the peripheral portion of the portion corresponding to the light emitting region 11 is the first multilayer reflective film 2, the first spacer layer 3, the quantum well active layer 4, the second spacer layer 5, and the second multilayer reflective film 6 from the lower layer. , The cap layer 7 and the second electrode 9 are sequentially laminated. The layer structure corresponding to the light emitting region 11 is obtained by adding a contact layer 8 between the cap layer 7 and the second electrode 9. Layer structure.
[0040]
Then, by adjusting the optical thickness of the contact layer 8 and the optical thickness of the second electrode 9, as shown in FIG. The reflectance of the portion corresponding to the light emitting area is relatively lowered.
[0041]
The optical thickness of the layer added to the resonator formed by the first multilayer reflective film 2 and the second multilayer reflective film 6 is equal to an integral multiple of the half wavelength of the oscillation wavelength λ of the laser-oscillated light. The Q of the resonator increases, and the Q of the resonator decreases when equal to an odd multiple of a quarter wavelength.
[0042]
In this embodiment, by making the sum of the optical thickness of the contact layer 8 and the optical thickness of the second electrode 9 equal to an integral multiple of a half wavelength of the oscillation wavelength λ of the laser-oscillated light, Corresponding to the light output region 11 by increasing the Q of the resonator in the portion corresponding to the light output region 11 and making the optical thickness of the second electrode 9 equal to an odd multiple of the quarter wavelength. The Q of the resonator is decreased in the peripheral part of the part.
[0043]
Since the purpose is to provide a difference in reflectance between the portion corresponding to the light emitting region 11 and its peripheral portion, the reflectance of the peripheral portion of the portion corresponding to the light emitting region 11 corresponds to the light emitting region 11. The optical thickness need not be exactly an odd multiple of a quarter wavelength or an integral multiple of a half wavelength, provided that it decreases relative to the reflectance of the portion.
[0044]
As described above, since the optical thickness of the contact layer 8 and the optical thickness of the second electrode 9 cause a difference in the mirror loss, the mirror reflectivity can be controlled by controlling the optical thickness of these layers. It is possible to control the optical mode by changing spatially. That is, if a high reflectivity region is defined and this diameter is made equal to the mode size of the lowest order operation mode, unimodal fundamental transverse mode oscillation can be easily obtained.
[0045]
In addition, since the gain region where the amount of current injected from the contact layer 8 increases coincides with the light emitting region 11, there is no overlap between the lowest order fundamental mode and the gain region as shown in FIG. Since the maximum and the overlap between the higher-order optical mode and the gain region become smaller, oscillation in the higher-order mode is suppressed and oscillation in the fundamental mode starts. Thus, by providing a difference in reflectance between the portion corresponding to the light emitting region 11 and its peripheral portion, the advantageous condition for the oscillation of the zeroth-order fundamental transverse mode is set, and a desirable mode is selected. be able to.
[0046]
Further, the contact layer 8 has a function of preventing the spread of the injected current. That is, current confinement is performed by the contact layer 8, and as shown in FIG. 6, carriers injected into the cap layer 7 made of p-type GaInP spread through the current path 22 into the device. At this time, the current density is high in the portion corresponding to the light emitting region 11 and has a distribution that attenuates as the distance from the region increases. Therefore, the laser oscillation itself is not inhibited.
[0047]
The threshold current can be reduced by a synergistic effect of the current confinement effect and the mode selection effect. In addition, since the degree of optical confinement is smaller than that of the conventional refractive index waveguide type, the transverse mode is stable even if the aperture diameter is expanded to about 10 μm, and the maximum light output in the fundamental transverse mode is dramatically increased. Can be improved.
[0048]
Finally, a first electrode 10 made of an AuGe / Ni / Au layer is formed on the back surface of the n-type GaAs substrate 1 and has the configuration shown in FIG. 1 and oscillates at a wavelength of λ to 780 nm. Can be obtained.
[0049]
In the above-described first embodiment, even if the carrier concentration of the cap layer 7 is set such that the second electrode 9 made of a semiconductor material described later is formed directly on this layer, current injection is easily performed by the Schottky barrier. The current injection portion is limited to the portion where the contact layer 8 is formed so that no ohmic contact can be obtained between the cap layer 7 and the second electrode 9 by setting the concentration to a level that does not change. In addition, by interposing a silicon insulating film between the cap layer 7 and the contact layer 8, the insulation between the cap layer 7 and the second electrode 9 is further enhanced, so that no invalid current flows through the cap layer 7. It is also possible to devise such.
[0050]
However, in addition to the optical thickness of the second electrode 9, the reflectance of the peripheral portion of the portion corresponding to the light emitting region 11 is relatively decreased with respect to the reflectance of the portion corresponding to the light emitting region 11. Therefore, it is necessary to adjust the optical thickness of the silicon insulating film.
[0051]
In the first embodiment described above, by selecting the material of the cap layer 7 and the contact layer 8, the cap layer 7 and the second electrode 9 are not brought into ohmic contact, and the contact layer 8 and the second electrode 9 are not in contact with each other. Although current confinement is performed by making ohmic contact, other current confinement (current confinement) means can be used in order to more efficiently inject current into the active layer.
[0052]
For example, the first multilayer reflective film 2, the first spacer layer 3, and the quantum well active layer 4 are formed on the substrate 1 in the same manner as in the first embodiment except that the cap layer 7 is formed of undoped or n-type GaInP. Then, the second spacer layer 5, the second multilayer reflective film 6, and the cap layer 7 are sequentially stacked, and as shown in FIG. 3, the contact layer 8 made of undoped or p-type GaAs is formed by etching using the mask 21. After forming only in the portion corresponding to the light emission region, as shown in FIG. 7A, an impurity diffusion mask 23 made of a silicon-based insulating film is formed except for the region where the contact layer 8 is formed. As shown in FIG. 7B, by performing vapor phase diffusion of zinc using the mask 23, zinc is diffused into the contact layer 8 and the cap layer 7 below the contact layer 8 to thereby form the contact layer 8 and the cap layer 7a. A zinc diffusion region 24 is formed. Since both the cap layer 7 and the contact layer 8 are thin, diffusion reaching the cap layer 7 is relatively easy. Although not particularly shown in the drawing, after removing the mask 23, the second electrode 9 is formed, and phase adjustment is performed so as to have different reflectivities between the portion corresponding to the light emitting region 11 and its peripheral portion. .
[0053]
Since zinc serves as a p-type dopant, a pn junction 25 is formed at the interface between the cap layer 7 made of n-type GaInP and the cap layer 7a in which zinc is diffused. Carriers injected into the cap layer 7a flow toward the second multilayer reflective film 6 avoiding the junction 25, and the effect of current confinement can be obtained. Even when the cap layer 7 is undoped, carriers injected into the cap layer 7a cannot pass through the undoped GaInP layer having a high resistivity like the cap layer 7, and the second multilayer reflective film 6 It will flow toward.
[0054]
If the conductivity type of the laminated film is reversed and the conductivity type of the second multilayer reflective film 6 is n-type, silicon or germanium acting as an n-type dopant can be used as the diffusion source instead of zinc.
[0055]
Further, for example, as in the first embodiment, the first multilayer reflective film 2, the first spacer layer 3, the quantum well active layer 4, the second spacer layer 5, the second multilayer reflective film 6, and the cap layer 7 are used. The substrate laminated in sequence is taken out from the growth chamber, and as shown in FIG. 3, a contact layer 8 made of p-type GaAs is formed only in a portion corresponding to the light emitting region 11 by etching, and then, as shown in FIG. As shown in the figure, a mask 26 made of a silicon-based insulating film or a photoresist is formed on the contact layer 8, and protons are implanted into a portion of the cap layer 7 around the portion corresponding to the light emitting region 11, A high-resistance proton injection region 27 shown in FIG. 8B is formed. Although not particularly shown in the drawing, after the mask 26 is removed, the second electrode 9 is formed, and phase adjustment is performed so as to have different reflectivities between the portion corresponding to the light emitting region 11 and its peripheral portion. .
[0056]
Since the proton injection region 27 prevents carriers from spreading laterally in the cap layer 7, an effect of current confinement can be obtained.
(Second Embodiment)
The surface-emitting type semiconductor laser according to the second embodiment is the same as the surface-emitting type semiconductor laser according to the first embodiment except that the surface-emitting type semiconductor laser is formed in a column (post) shape as shown in FIG. It is a configuration. By forming the column (post) shape, a further current confinement effect can be obtained.
[0057]
A method for manufacturing the surface emitting semiconductor laser will be briefly described.
[0058]
As in the first embodiment, the first multilayer reflective film 2, the first spacer layer 3, the quantum well active layer 4, the second spacer layer 5, the second multilayer reflective film 6, and the cap layer 7 were sequentially stacked. The substrate is taken out of the growth chamber, and as shown in FIG. 3, a contact layer 8 made of p-type GaAs is formed only in a portion corresponding to the light emitting region 11 by etching.
[0059]
Thereafter, the cap layer 7 and the second multilayer reflective film 6 are removed using a dry etching technique while leaving the outer periphery of the light emitting region 11 in a ring shape, so that a so-called post 31 is formed.
[0060]
After removing the etching mask, a second electrode 9 made of indium tin oxide (ITO) is deposited using RF sputtering so as to cover the exposed portion of the cap layer 7 and the contact layer 8. In order to make the contact between the contact layer 8 and the second electrode 9 ohmic contact, annealing is performed in a temperature range of 300 to 600 ° C. The annealing temperature may be appropriately determined from this temperature range in consideration of the balance with other processes.
[0061]
After the exposed side surface of the post 31 is covered with the silicon-based insulating film 28, an upper electrode 29 made of Cr / Au is formed so that the second electrode 9 can be contacted. Finally, a first electrode 10 made of AuGe / Ni / Au is formed on the back surface of the substrate 1 to obtain a surface emitting semiconductor laser having the configuration shown in FIG. 9 and oscillating at a wavelength of λ to 780 nm. .
[0062]
In the surface-emitting type semiconductor laser of this embodiment, the region through which current can pass is limited to a region slightly wider than the contact layer 8, so that the current spread below the contact layer is small and does not contribute to light emission. Since the number of invalid injected carriers is reduced, a further lower threshold or higher efficiency can be achieved.
(Third embodiment)
The surface-emitting type semiconductor laser according to the third embodiment is a modification of the surface-emitting type semiconductor laser according to the second embodiment, and the lowermost layer of the second multilayer reflective film 6 is formed as shown in FIG. Al _0.9 Ga _0.1 The structure is the same as that of the surface emitting semiconductor laser according to the second embodiment except that AlAs is used instead of As and the peripheral portion thereof is oxidized to form an insulating region. As described above, a stronger current confinement effect can be obtained by selectively oxidizing a part of the AlAs layer.
[0063]
A method for manufacturing the surface emitting semiconductor laser will be briefly described.
[0064]
Similarly to the second embodiment, the first multilayer reflective film 2, the first spacer layer 3, the quantum well active layer 4, the second spacer layer 5, the second multilayer reflective film 6, and the cap layer 7 were sequentially laminated. The substrate is taken out from the growth chamber, and as shown in FIG. 3, a contact layer 8 made of p-type GaAs is formed only in a portion corresponding to the light emitting region 11 by etching, leaving the outer peripheral portion of the light emitting region 11 in an annular shape. However, the cap layer 7 and the second multilayer reflective film 6 are removed using a dry etching technique to form a so-called post 31.
[0065]
Thereafter, the AlAs layer in the second multilayer reflective film 6 is oxidized from the peripheral portion by contacting with water vapor at 400 ° C. for about 10 minutes and performing so-called wet oxidation. ₂ O _Three Thus, the insulating region 30 (selective oxide layer) is formed in a part of the post 31.
[0066]
After removing the etching mask, the second electrode 9 made of indium tin oxide (ITO) is deposited so as to cover the exposed portion of the cap layer 7 and the contact layer 8 by using an RF sputtering method. In order to make the contact between the contact layer 8 and the second electrode 9 ohmic contact, annealing is performed in a temperature range of 300 to 600 ° C. The annealing temperature may be appropriately determined from this temperature range in consideration of the balance with other processes.
[0067]
After the exposed side surface of the post 31 is covered with the silicon-based insulating film 28, an upper electrode 29 made of Cr / Au is formed so that the second electrode 9 can be contacted. Finally, a first electrode 10 made of AuGe / Ni / Au is formed on the back surface of the substrate 1 to obtain a surface emitting semiconductor laser having the configuration shown in FIG. 10 and oscillating at a wavelength of λ to 780 nm. .
[0068]
In the surface emitting semiconductor laser of this embodiment, the selective oxidation layer 30 provided as a current confinement layer also functions as a light confinement, while the current confinement function is shared by the contact layer 8. Therefore, the threshold current is further reduced, and the stability of the transverse mode is further improved and the output is increased.
[0069]
In the third embodiment, the lowermost layer of the second multilayer reflective film 6 is made of Al. _0.9 Ga _0.1 Although AlAs is used instead of As, the position and material of the layer subjected to selective oxidation are not limited to this, and a part of the second multilayer reflective film 6 is an AlGaAs layer having an aluminum composition ratio of 90% or more, preferably 98% or more. By making the remainder an AlGaAs layer having a lower aluminum composition ratio, a part of the semiconductor layer can be selectively oxidized.
[0070]
In the third embodiment, the heating temperature is set to 400 ° C. during the selective oxidation of the AlAs layer. However, the present invention is not limited to this, and the final current path size is set to a desired value. The temperature may be controlled so that Increasing the heating temperature increases the oxidation rate, and a desired oxidized region can be formed in a short time. However, about 400 ° C. is preferable because the oxidation distance is most easily controlled.
[0071]
In the first to third embodiments, indium tin oxide (ITO) is used as the material of the second electrode 9, but the material is not limited to this material.
[0072]
The material of the second electrode 9 may be any material that is optically transparent with respect to light having a wavelength that is oscillated by laser and has high conductivity. Specifically, even when laminated with a thickness of 100 to 300 nm, 1 × 10 4 is sufficient to make contact with the electrode. ^Three To 1 × 10 ^Five Ω ^-1 cm ^-1 And a semiconductor material exhibiting a transmittance of 80% or more and an absorptivity of 10% or less with respect to light having a wavelength range of 500 to 900 nm.
[0073]
Examples of such materials include cadmium tin oxide (CTO), Cd, in addition to indium tin oxide (ITO). _2-x Sn _x O _Four And x is in the range of 0.2 to 0.4, In _2-y SnO _Four And y in the range of 0.01 to 0.2 satisfies the above conditions. These materials usually have a refractive index of about 2, and it is necessary to control the optical thickness in consideration of the refractive index when adjusting the phase.
[0074]
In the first to third embodiments, GaInP is used as the material of the cap layer 7, but the material is not limited to this material. What is a so-called lattice-matched material whose lattice constant is close to that of the semiconductor substrate and typically has a lattice mismatch rate of 0.1% or less, and satisfies the requirement of transmitting laser-oscillated light. That's fine. For example, when a GaAs / AlGaAs semiconductor is used as the material constituting the active layer, (Al _X Ga _1-X ) _0.5 In _0.5 P-based material or ZnS _X Se _1-X The system material satisfies the above requirements as the material of the cap layer 7. Those in which the Al content is not too high are preferred in that the deterioration due to oxidation of the material is small.
[0075]
When the cap layer 7 is used as an etch stopper, the material of the cap layer 7 is selected so that the material constituting the contact layer 8 has an etching selectivity 10 times or more that of the material constituting the cap layer 7. More preferably.
[0076]
In each of the first to third embodiments, the second multilayer reflective film 7 is a p-type and the first multilayer reflective film 4 is an n-type. It is also possible to do. The conductivity type may be determined from a comprehensive viewpoint while taking into consideration the difference in element resistance depending on the light extraction direction and the conductivity type.
[0077]
In general, since the p-type layer is concerned about an increase in element resistance due to the forbidden band discontinuity as compared with the n-type layer, an increase in the number of p-type layers is not preferable because it causes a deterioration in laser characteristics. In the above-described embodiment, the second multilayer reflective film is configured with a smaller number of layers than the first multilayer reflective film because the emitted light is extracted from the upper surface of the substrate. For this reason, the conductivity type of the second multilayer reflective film is p-type. Therefore, conversely, when the emitted light is extracted from the back surface of the substrate, the number of layers of the second multilayer reflective film is made larger than the number of layers of the first multilayer reflective film, and the conductivity type of the second multilayer reflective film is n. It can be considered as a type.
[0078]
In addition, since the element resistance is inversely proportional to the area, for example, in the case of a surface emitting semiconductor laser formed in a post shape as seen in the second and third embodiments, the second multilayer reflective film having a small area has an element resistance. It becomes a factor to increase. Therefore, it is more preferable to use an n-type layer that can reduce the element resistance as compared with the p-type layer for the same area as the second multilayer reflective film.
[0079]
In the first to third embodiments, a GaAs / AlGaAs-based semiconductor is used as a material constituting the quantum well active layer. However, the present invention is not limited to this. Alternatively, it is possible to use a GaInP / AlGaInP-based semiconductor. In the case of a GaAs / InGaAs-based semiconductor, the emission wavelength from the quantum well layer is transparent to the GaAs substrate, so that it is easy to extract the emitted light from the back surface of the substrate, and there is a process advantage.
[0080]
In the first to third embodiments, the cap layer is provided separately from the second multilayer reflective film. However, the outermost layer of the second multilayer reflective film may be an undoped layer, and this may be used as the cap layer. .
[0081]
In the first to third embodiments, the case where the MOCVD method is used as the crystal growth method has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, a similar semiconductor can be used even if the molecular beam epitaxy (MBE) method is used. A membrane can be obtained.
[0082]
It should be noted that any of the embodiments should not be construed in a limited manner, and can be realized by other methods as long as the constituent requirements of the present invention are satisfied.
[0083]
【The invention's effect】
As described above, the surface emitting semiconductor laser of the present invention can control the optical mode by adjusting the optical thickness of the layer to be stacked, and can easily obtain the fundamental transverse mode oscillation. There is an effect.
[0084]
In addition, the surface emitting semiconductor laser of the present invention can make contact with the electrode only at the portion corresponding to the light emitting region, and can simultaneously perform current confinement and improvement of the selectivity of the fundamental transverse mode. Since the threshold current can be reduced and the area of the light emitting region can be increased, the effect of increasing the output in the basic transverse mode can be achieved.
[0085]
Furthermore, the surface-emitting type semiconductor laser of the present invention has an effect that it can be manufactured with high reproducibility by a simple process.
[Brief description of the drawings]
1A is a cross-sectional view of a planar surface emitting semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a reflectance distribution of the surface emitting semiconductor laser shown in FIG. It is a graph which shows.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the planar surface emitting semiconductor laser manufacturing process according to the first embodiment of the present invention (lamination process).
FIG. 3 is a cross-sectional view in the manufacturing process of the planar surface emitting semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention (etching process);
FIG. 4 is a cross-sectional view of a planar surface emitting semiconductor laser manufacturing process according to the first embodiment of the present invention (second electrode forming process);
FIG. 5 is a conceptual diagram showing an overlap between a gain region and an optical mode of the planar surface emitting semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a conceptual diagram showing a current path of the planar surface emitting semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
FIGS. 7A and 7B are cross-sectional views of a first modification obtained by improving the current injection method of the planar surface emitting semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention (Zn); Diffusion method).
FIGS. 8A and 8B are cross-sectional views of a second modification obtained by improving the current injection method of the planar surface emitting semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention. Injection method).
FIG. 9 is a cross-sectional view of a surface emitting semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a sectional view of a surface emitting semiconductor laser according to a third embodiment of the invention.
FIG. 11 is a sectional view of a surface emitting semiconductor laser according to the prior art.
[Explanation of symbols]
1 GaAs substrate
2 First multilayer reflective film
3 First spacer layer
4 Quantum well active layer
5 Second spacer layer
6 Second multilayer reflective film
7 Cap layer
8 Contact layer
9 Second electrode
10 First electrode
11 Opening (light exit area)
21 resist mask
22 Current path
23 Insulating film mask
24 Zinc diffusion region
25 pn junction
26 Mask for proton implantation
27 Proton injection region
28 Silicon insulation protective film
29 Upper electrode
30 Selective oxidation layer (insulating region)
125 VCSEL
130 substrates
132,138 Parallel mirror stack
135 Spacer layer
139 trench
140 Mesa
142 Contact window
144 Dielectric layer
146 contact layer
147 electrode
148 Optical mode
149 Current distribution

Claims

A first electrode provided on a semiconductor substrate;
A first multilayer reflective film provided on a surface opposite to the first electrode of the semiconductor substrate;
A second multilayer reflective film provided so as to face the first multilayer reflective film across the active layer;
A second electrode that is optically transparent to the laser-oscillated light and that injects current into the active layer along with the first electrode;
A contact layer which is provided between the second electrode and the second multilayer reflective film and corresponding to the light emitting region, and is optically transparent to the laser-oscillated light ;
Provided between the second electrode and the second multilayer reflective film , allows current injection into the active layer through the portion where the contact layer is formed, and through the portion where the contact layer is not formed. A cap layer that disables current injection into the active layer,
With
By adjusting the optical thickness of the second electrode and the optical thickness of the contact layer, the reflectance of the peripheral portion of the portion where the contact layer is formed is changed to the reflectance of the portion where the contact layer is formed. A surface emitting semiconductor laser with a lower level.

2. The surface-emitting type semiconductor laser according to claim 1, wherein the cap layer is made of a material that is optically transparent to laser-oscillated light and lattice-matched with the second multilayer reflective film.

The contact layer is formed of a material that lattice-matches with the cap layer, can be heterojunction with the cap layer, and can make ohmic contact with the second electrode. A surface-emitting type semiconductor laser described in 1.

A first electrode provided on a first conductivity type GaAs substrate;
An AlGaAs-based first multilayer reflective film of a first conductivity type provided on a surface opposite to the first electrode of the substrate;
A second conductivity type AlGaAs second multilayer reflective film provided so as to face the first multilayer reflective film across an undoped AlGaAs active layer;
A second electrode that is optically transparent to the laser-oscillated light and that injects current into the active layer along with the first electrode;
A contact layer which is provided between the second electrode and the second multilayer reflective film and corresponding to the light emitting region, and is optically transparent to the laser-oscillated light ;
A portion provided between the second electrode and the second multilayer reflective film , allowing current injection into the active layer through the portion where the contact layer is formed; and a portion where the contact layer is not formed A cap layer that disables current injection into the active layer via,
With
By adjusting the optical thickness of the second electrode and the optical thickness of the contact layer, the reflectance of the peripheral portion of the portion where the contact layer is formed is changed to the reflectance of the portion where the contact layer is formed. A surface emitting semiconductor laser with a lower level.

The surface emitting semiconductor laser according to claim 4, wherein the cap layer is formed of an AlGaInP-based semiconductor or a GaInP-based semiconductor.

6. The surface emitting semiconductor laser according to claim 4, wherein the contact layer is formed of an AlGaAs semiconductor or a GaAs semiconductor.

The surface emitting semiconductor laser according to any one of claims 1 to 6, wherein the second electrode is formed of cadmium tin oxide or indium tin oxide.

A manufacturing method for manufacturing the surface emitting semiconductor laser according to any one of claims 1 to 7,
A laminating step of sequentially laminating a first multilayer reflective film, an active layer, a second multilayer reflective film, a cap layer, and a contact layer on a semiconductor substrate;
An etching step of etching the contact layer leaving a portion corresponding to the light emitting region;
An electrode stacking step of forming a second electrode so as to cover a portion where the contact layer is formed and a peripheral portion thereof;
Manufacturing method of surface emitting semiconductor laser having

The method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser according to claim 8, wherein the cap layer is used as an etch stopper when the contact layer is etched in the etching step.

10. The method of manufacturing a surface emitting semiconductor laser according to claim 8, wherein the contact layer is continuously stacked by crystal growth of a semiconductor after the cap layer is stacked by crystal growth of the semiconductor.