JP3876895B2 - 面発光半導体レーザ - Google Patents
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Description
Emitting Laser:VCSEL)が注目されている。この面発光レーザは、活性層の上下をn型反射層とp型反射層とで挟んだ構造を有し、これらのn型反射層およびp型反射層としては通常、半導体多層膜からなる分布ブラッグ反射鏡(Distributed Bragg Reflector:DBR)が用いられる。
M. Grabherr et al. IEEE. Photon. Tech. Lett Vol.9 No.10 p.1304
本発明者らが種々実験を行って得た知見によれば、面発光レーザの発振横モードに関しては、電流狭窄径のみならず、発光最表面となるメサ上表面の光学的な状態、詳細には、その付近の屈折率分布が極めて大きな影響力を持っており、屈折率や形状のわずかな変化にも鋭敏にモードが反映する結果が得られた。そこで、さまざまな状態のメサ上面表面形状を作製し、それと発振モードとの関係を調べた結果、メサ上面の半導体表面の形状だけでなく、その直上の電極の構造にさえ大きく影響を受けていることを突き止めた。さらにその過程で、図1Aに示す半導体−電極の形状においてシングル横モード様の単峰性ビームでの発振が安定に得られることを見出した。図1Aにおいて、符号1はDBR層、2はコンタクト層、3は絶縁層、4は電極を示す。この仕組みは以下のように考えられる。まず、この構造は、コンタクト層2、絶縁層3および電極4の3要素で構成されている。この構造を光学要素的に分解すると、まず一つは、窓開けエッチングでリング状に残ったコンタクト層2、および絶縁層窓開けエッチングでメサ上に同じくリング状に残った絶縁層3が階段状の形状をなしており、屈折率分布としては、ちょうど図1Bに示す凹レンズ5の状態を形成している。もう一つは、メサ中心付近には、例えば金(Au)からなる電極4で構成した、上記のコンタクト層2の窓内径より小さいアパーチャ構造6が形成されていることであり、これは、金の複素屈折率(例えば、波長0.85μmの光に対して屈折率の実部は0.2、虚部(吸収係数)は5.6である)を介して、図1Bに示す凸レンズ7と吸収性開口、すなわちアパーチャ構造6とを合成した屈折率分布構造と等価となっている。とすると、上記の凹レンズ5構造と併せて、複合光学系をなしていることになる。しかも、面発光レーザの共振器に接してこれらの構造が配置された結果、この構造が共振器構造の一部として機能する。このとき、図1Bに示すように、酸化狭窄アパーチャ構造8によってある程度選択されたレーザ共振モードのうち、高次のモードは出射角が広いため、凹レンズ5構造で散乱、吸収性開口で吸収、凸レンズ7でさらに収束という過程を経て、共振器内の共振条件として取り込まれ、酸化狭窄アパーチャ構造8との組み合わせの作用で、ほぼ一つのモードが強制的に選択され、シングル横モードでの発振に至ると考えられる。
すなわち、上記課題を解決するために、第1の発明は、
第1の反射層と、
上記第1の反射層上の活性層と、
上記活性層上の第2の反射層とを有し、
上記第2の反射層から出力光を取り出す面発光半導体レーザにおいて、
上記第2の反射層上に、凹レンズ様の屈折率分布を有する酸化層を有する
ことを特徴とするものである。
第1の反射層と、
上記第1の反射層上の活性層と、
上記活性層上の第2の反射層とを有し、
上記第2の反射層から出力光を取り出す面発光半導体レーザの製造方法において、
所定の強度分布を有する光を照射しながら酸化を行うことにより上記第2の反射層上に酸化層を形成するようにした
ことを特徴とするものである。
Alを含む化合物半導体層を有する電子素子の製造方法において、
所定の強度分布を有する光を照射しながら酸化を行うことにより上記Alを含む化合物半導体層に酸化層を形成するようにした
ことを特徴とするものである。
第3の発明においては、その性質に反しない限り、第1および第2の発明に関連して説明したことが成立する。
図2はこの発明の一実施形態による面発光半導体レーザを示す断面図、図3はこの面発光半導体レーザのメサポスト部の平面図、図4はこの面発光半導体レーザの光出射部の近傍の拡大断面図である。
ここで、上記のp型コンタクト層18、絶縁膜19およびp側電極20からなる構造は図1を参照して説明した構造と実質的に同様な構造である。
一方、n型半導体基板11の裏面にはn側電極23がオーミックコンタクトして設けられている。このn側電極23は例えばAuGe/Ni/Au積層膜からなる。
図5に示すように、まず、n型半導体基板11上に、例えば有機金属化学気相成長(MOCVD)法により、n型DBR層12、下部クラッド層13、活性層14、上部クラッド層15、p型AlAs層24、p型DBR層17およびp型コンタクト層18を順次成長させる。
次に、p型コンタクト層18上に例えばプラズマCVD法により例えばSiNx 膜(図示せず)を形成し、さらにその上にリソグラフィーにより円形のレジストパターン(図示せず)を形成した後、このレジストパターンをマスクとして例えばCF4 をエッチングガスに用いた反応性イオンエッチング(RIE)法によりSiNx 膜をエッチングする。こうして円形のSiNx 膜が形成される。
次に、エッチングマスクとして用いた上記のSiNx 膜を例えばRIE法によりエッチング除去した後、図8に示すように、メサ部およびこのメサ部以外の部分のn型DBR層12の表面に例えばプラズマCVD法により例えばSiO2 膜やSiNx 膜などからなる絶縁膜19を形成する。次に、この絶縁膜19のうちのメサポスト部上の中央部をエッチング除去して円形の開口19aを形成した後、この絶縁膜19をエッチングマスクとしてp型コンタクト層18をエッチングすることにより開口18aを形成する。この後、絶縁膜19のうちのこの開口18aの外側の部分をリング状にエッチング除去して開口19bを形成する。
次に、必要に応じて、n型半導体基板11を裏面側から所定の厚さに研磨した後、このn型半導体基板11の裏面にAuGe/Ni/Au積層膜を真空蒸着法などにより形成してn側電極23を形成する。
次に、Al酸化層21上にCVD法や塗布法などにより保護膜22を形成する。
この後、上記のようにして得られたレーザウェハをチップ化する。
以上のようにして、目的とする面発光半導体レーザが製造される。
この一実施形態においては、図13Aに示すように、まず、半絶縁性GaAs基板51上に、例えばMOCVD法などにより、電子走行層としてのアンドープGaAs層52および電子供給層としてのn型AlGaAs層53を順次成長させた後、n型AlGaAs層53上にゲート電極54、ソース電極55およびドレイン電極56を形成する。アンドープGaAs層52とn型AlGaAs層53とのヘテロ接合界面の近傍のアンドープGaAs層52には2次元電子ガス(2DEG)57が存在する。
この第2の実施形態によれば、酸化性雰囲気中でレーザ光を選択的に照射することによりHEMTの素子分離を容易に行うことができる。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、材料、構造、形状、基板、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、構造、形状、基板、プロセスなどを用いてもよい。
すなわち、p型AlAs層24の選択酸化によるAl酸化層16bの形成は、一般に、エッチングによりポスト型メサ構造を形成した後、ウェハを水蒸気中で300〜500℃程度の温度で加熱することにより行っている。しかしながら、この選択酸化工程以降の工程でウェハが選択酸化工程と同程度の温度(300〜500℃)に加熱されると、Al組成の高いp型AlAs層24の未酸化部の酸化が進むことがある。この酸化狭窄形状、面積は面発光半導体レーザの特性に大きく影響するため、この酸化の進行は抑制する必要がある。この選択酸化後の熱工程での酸化の進行を抑制するためには、選択酸化工程の条件パラメータを反応律速となるように規定すればよい。このように反応律速の条件で上記の選択酸化を行うことによりAl酸化層16bの形成による酸化狭窄のウェハ面内均一性の向上を図ることができる。この方法をより具体的に説明すると、次のとおりである。
(1)(反応に必要な水蒸気量)>(水蒸気供給量)
(2)(反応に必要な水蒸気量)≦(水蒸気供給量)
の2つの状態が存在する。酸化反応のパラメータは水蒸気量と熱(酸化温度)であるとすると、(1)の場合、酸化速度の限界は水蒸気量によって制限されており、(2)の場合は熱により制限されていると考えることができる。そこで、(1)の場合を水蒸気の供給律速とし、(2)の場合を反応律速と呼ぶ。
面発光半導体レーザ以外にも、Alを含む層を水蒸気を使って酸化させる工程を含むデバイスでは同様の効果を得ることができる。
Claims (13)
- 第1の反射層と、
上記第1の反射層上の活性層と、
上記活性層上の第2の反射層とを有し、
上記第2の反射層から出力光を取り出す面発光半導体レーザにおいて、
上記第2の反射層上に、凹レンズ様の屈折率分布を有する酸化層を有する
ことを特徴とする面発光半導体レーザ。 - 上記凹レンズ様の屈折率分布は上記酸化層の厚さおよび/または組成の分布により得られていることを特徴とする請求項1記載の面発光半導体レーザ。
- 上記凹レンズ様の屈折率分布は光出射面に形成されていることを特徴とする請求項1記載の面発光半導体レーザ。
- 上記酸化層はAl酸化層であることを特徴とする請求項1記載の面発光半導体レーザ。
- 上記酸化層はAlを含む化合物半導体層の酸化によって形成されたものであることを特徴とする請求項1記載の面発光半導体レーザ。
- 上記Alを含む化合物半導体層はAlを含むIII−V族化合物半導体層であることを特徴とする請求項5記載の面発光半導体レーザ。
- 上記Alを含むIII−V族化合物半導体層はAlGaAs層またはAlGaInP層であることを特徴とする請求項6記載の面発光半導体レーザ。
- 上記第1の反射層および上記第2の反射層は半導体多層膜からなることを特徴とする請求項1記載の面発光半導体レーザ。
- 上記活性層および上記第2の反射層が円柱形状を有することを特徴とする請求項1記載の面発光半導体レーザ。
- 上記第2の反射層上に円形の開口を有するコンタクト層を有し、このコンタクト層の上記開口の内部の上記第2の反射層上に上記酸化層を有することを特徴とする請求項1記載の面発光半導体レーザ。
- 上記コンタクト層および上記第2の反射層にまたがって、上記コンタクト層の上記開口の直径よりも小さい直径の円形の開口を有する電極を有し、この電極の上記開口の内部の上記第2の反射層上に上記酸化層を有することを特徴とする請求項10記載の面発光半導体レーザ。
- 上記コンタクト層と上記電極との間に絶縁層を有することを特徴とする請求項11記載の面発光半導体レーザ。
- 上記酸化層を覆うように保護膜が設けられていることを特徴とする請求項1記載の面発光半導体レーザ。
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