JP3876910B2 - 面発光半導体レーザの製造方法および電子素子の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、面発光半導体レーザの製造方法および電子素子の製造方法に関する。

近年、光通信用レーザとして、垂直共振器型面発光レーザ（Vertical Cavity Surface
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。

一般に、面発光レーザの構造としては、ポスト型メサ構造と呼ばれるものが用いられる（例えば、特許文献１）。このポスト型メサ構造の面発光レーザの一例を図１５に示す。図１５に示すように、この面発光レーザを製造するには、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上にｎ型ＤＢＲ層１０２、下部クラッド層１０３、活性層１０４、上部クラッド層１０５、ｐ型ＡｌＡｓ層１０６、ｐ型ＤＢＲ層１０７およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８を順次成長させた後、下部クラッド層１０３、活性層１０４、上部クラッド層１０５、ｐ型ＡｌＡｓ層１０６、ｐ型ＤＢＲ層１０７およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８をリソグラフィーおよびドライエッチングにより基板表面に対して垂直方向に異方性エッチングして直径３０μｍ程度の円柱状メサ形状に加工する。次に、ｐ型ＡｌＡｓ層１０６を外周から選択酸化することにより酸化層１０９をリング状に形成し、活性層１０４に電流を高効率に注入するための電流狭窄構造を形成する。次に、メサ上部にリング状のｐ側電極１１０を形成するとともに、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面にｎ側電極１１１を形成する。ｐ側電極１１０の開口の部分が光出射窓となる。この面発光レーザでは、ｐ側電極１１０とｎ側電極１１１との間に電圧を印加して活性層１０４に電流を注入することで、ｎ型ＤＢＲ層１０２とｐ型ＤＢＲ層１０７との間でレーザ共振が生じ、基板表面に垂直方向にレーザ光が取り出される。この面発光レーザでは、電流狭窄径（ｐ型ＡｌＡｓ層１０６の直径）が１５μｍφ程度であれば、その直下の活性層１０４には電流が均一に効率よく注入されるため、効率のよいレーザ発振が可能である。
特開２００１−２１０９０８号公報

さて、このような面発光レーザにおいて、発振する横モードの制御は、重要な課題である。通常、実用化されている面発光レーザのビーム遠視野像（Far Field Pattern ：ＦＦＰ) は、２個以上のピークを持つ多モードのパターンになりやすいことが知られている。一方、通信などへの応用でレーザビームをファイバーとレンズ結合させるためには、やはり単峰性のガウス（Gaussian）分布形状のビーム（一般的にいうところのシングル横モードのビーム）が光学設計の観点から必要とされる。

ところで、図１６に示すように、上記のポスト型メサ構造の面発光レーザにおいて、特に単峰性のシングル横モードを選択発振させる場合、一般に、ｐ型ＡｌＡｓ層１０６の電流狭窄径を小さくしていく方法が採られる。すなわち、狭窄径の大きさと励振されるモードの数とは概略比例しており、電流注入領域をある程度絞れば、自ずと狭い面積に励起される単一のモードを出力光として得ることが可能である。しかし、この方法を用いると、狭窄径は４μｍφ以下と極めて小さくすることが必要（非特許文献１等を参照）であるため、電流狭窄構造をウェハー上で制御性よく、均一に作製するには許容幅が狭く、面発光レーザの製造歩留まりが極めて悪化する。また、通常の面発光レーザと比べても一桁小さい面積のｐ型ＡｌＡｓ層１０６の領域に絞って電流を流すため、素子抵抗が高く（通常１００Ω以上）、出力、効率とも低い。そして、インピーダンス不整合の結果、本来通信に必要な高周波駆動も困難となる。また、シングルモード性が出力依存性を持っていることや、高周波駆動時の劣化傾向（モード競合など）が見られるなど、高周波駆動の光伝送に適用するのは困難と考えられる。
M. Grabherr et al. IEEE. Photon. Tech. Lett Vol.9 No.10 p.1304

特許文献２には、ｎ型ＧａＡｓ基板上にｎ型ＧａＡｌＡｓ光ガイド層、活性層およびｐ型ＧａＡｌＡｓ光ガイド層を順次成長させ、ｐ型ＧａＡｌＡｓ光ガイド層上に円形の回折格子を形成し、その上にｎ型ＧａＡｌＡｓ電流ブロック層を成長させ、このｎ型ＧａＡｌＡｓ電流ブロック層に窓を形成し、さらにその上にｐ型ＧａＡｌＡｓ光ガイド層を成長させた面発光半導体レーザ装置が提案されている。しかし、この特許文献２では、リソグラフィーおよびエッチングにより回折格子を形成しており、酸化により出射窓部に屈折率分布を作り込むこの発明とは別異の技術である。
特開平９−２４６６６０号公報

この発明が解決しようとする課題は、シングル横モード様の単峰性ビームでのレーザ発振が可能な面発光半導体レーザを容易にしかも高い歩留まりで製造することができる面発光半導体レーザの製造方法を提供することにある。
この発明が解決しようとする他の課題は、トランジスタなどの電子素子の素子分離を容易に行うことができる電子素子の製造方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を行った。その概要を説明すると次のとおりである。
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。

本発明者らは上記の考察に基づいてさらに検討を重ねた結果、上記の効果のより一層の向上を図るために、光出射面そのものに凹レンズ様の屈折率分布を形成することで、発振光のモードそのものに効果を与え、高次モードを抑制し、シングルモード化を図ることを考えた。そして、光出射面に凹レンズ様の屈折率分布を形成するためには、光出射面を光照射を行いながら酸化性雰囲気、特に水蒸気雰囲気に晒して酸化することが有効であることを見出した。

すなわち、例えばＧａＡｓ系ＶＣＳＥＬ（波長８５０ｎｍ）やＧａＩｎＮＡｓ系ＶＣＳＥＬ（波長１３００ｎｍ）などでは光出射面にＡｌＧａＡｓが用いられるが、このＡｌＧａＡｓは空気などの雰囲気の酸素を取り込み、自然酸化することが知られている。特にＡｌ組成が高い場合はこの酸化が顕著で、ＶＣＳＥＬの電流狭窄に用いられている酸化も、その機構は同じである。また、雰囲気中水分を介して酸化しやすいことや、温度が高い場合に酸化反応が進行することも、よく知られている。一方、面発光レーザに限らず、半導体デバイスの出荷前には、高温下で通電状態にし、一定時間保持することでその後の特性が安定化する、いわゆるバーンインが有効であることは、よく知られた事実である。

面発光レーザにおいて、このバーンインを高湿雰囲気で実施することにより光出射面に、シングルモードの実現に最適な形で酸化層を形成することができる。つまり、面発光レーザに通電した場合、電流を調整して単峰性のビーム形状にすることは可能である。この単峰性のビーム形状で出力光を取り出しながら高湿雰囲気環境に面発光レーザを晒すと、光出射面のＡｌＧａＡｓが酸化することは容易に予想されるが、このとき、出射されている光によって酸化反応が促進され、光の強いところがより多くの酸素と結合し、酸化の深さも深くなることを実験的に見出した。これはＥＤＸ分析で容易に分析することができる。これは、光を触媒のように介して進んだ反応であり、再現性も良好である。この反応の結果、光出射面には、中心に行くほど屈折率の低い凹レンズ様の屈折率分布が形成され、発振している光の波面に直接影響を与える状態となる。この酸化の度合いや形状を決定する要因は、雰囲気温度、湿度（水蒸気）、光出射面の組成（Ａｌ組成）、基板温度、通電電流、光強度分布などである。実際にバーンイン実験を行った結果、ＡｌＧａＡｓ表面は光強度分布に沿う形で酸化することが確認された。

この発明は、以上の検討に基づいて案出されたものである。
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、所定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２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の製造方法において、
所定の強度分布を有する光を上記第２の反射層上の光出射面に照射しながらこの光出射面を酸化性雰囲気に晒して酸化を行うことによりこの光出射面に上記所定の強度分布にしたがった屈折率分布を有する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１および第２の発明において、酸化層は所定の屈折率分布を有するが、この所定の屈折率分布は、酸化層の厚さ（深さ）および／または組成（密度）の分布により得られる。この所定の屈折率分布は、典型的には、凹レンズ様の屈折率分布である。酸化層は、光を照射しながら酸化を行うことにより必要な屈折率分布が得られる限り、基本的にはどのようなものであってもよいが、典型的にはＡｌ酸化層である。また、この酸化層は、典型的には、Ａｌを含む化合物半導体層、特にＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層である。Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、具体的には例えばＡｌＧａＡｓ層やＡｌＧａＩｎＰ層などであり、特にＡｌ組成をｘとした場合、０＜ｘ＜１、好適には０．３＜ｘ＜０．９である。

酸化層を形成するためには、典型的には、第２の反射層から所定の強度分布を有する出力光を取り出しながら酸化を行うが、外部から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っても同様な効果が得られる。この酸化は、好適には、水蒸気雰囲気中で所定の強度分布を有する光を照射することにより行い、その水蒸気雰囲気としては、好適には、６０℃以上の温度でかつ６０％以上の湿度の水蒸気雰囲気が用いられる。典型的には、第２の反射層の最上部にＡｌを含む化合物半導体層を形成し、所定の強度分布を有する光を照射しながらこのＡｌを含む化合物半導体層の酸化を行うことにより酸化層を形成する。酸化層を形成した後には、その後の酸化の進行を抑制し、この状態の安定化を図るために、好適には、ＣＶＤ法などにより成膜されるＳｉＮ_x 膜や塗布法などにより成膜される有機膜などの保護膜を形成して酸化層を覆うようにする。この酸化層の形成は、好適にはウェハの状態で行われる。

第１の反射層および第２の反射層は、典型的には半導体多層膜（ＤＢＲ）からなり、一方はｎ型、他方はｐ型である。また、活性層および第２の反射層は、典型的には円柱形状、すなわちメサ型ポスト構造を有する。さらに、典型的には、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開口の内部の第２の反射層上に上記の酸化層を有し、また、これらのコンタクト層および第２の反射層にまたがって、コンタクト層の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、この電極の開口の内部の第２の反射層上に酸化層を有し、また、コンタクト層とその電極との間に絶縁層を有する。これらは、図１を参照して説明した構造である。

第３の発明は、
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、
外部から所定の強度分布を有する光を上記Ａｌを含む化合物半導体層の素子分離領域となる部分の表面に照射しながらこの表面を酸化性雰囲気に晒して酸化を行うことにより上記Ａｌを含む化合物半導体層に上記所定の強度分布にしたがった形状を有する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。

ここで、Ａｌを含む化合物半導体層に酸化層を所望の深さに形成することにより、素子分離を行うことができる。このＡｌを含む化合物半導体層は、典型的には、Ａｌを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層である。電子素子は、典型的には、トランジスタなどの半導体素子である。
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。

上述のように構成されたこの発明においては、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、その強度分布に応じて光を触媒とした酸化が進行する結果、第２の反射層上に、所定の屈折率分布を有する酸化層を形成することができる。

この発明によれば、酸化層の屈折率分布を凹レンズ様の屈折率分布にすることにより、レーザ発振の際に高次モードを抑制することができ、シングルモードでの発振が可能になる。このため、シングル横モード様の単峰性ビームでのレーザ発振が可能な面発光半導体レーザを得ることができる。また、光を照射しながら酸化性雰囲気に晒すだけで目的とする屈折率分布を有する酸化層を形成することができ、シングル横モードでの発振のために電流狭窄径を極端に小さくする必要がないため、そのような面発光半導体レーザを容易にしかも高い歩留まりで製造することができる。さらに、電子素子においては、この酸化層により電子素子の素子分離を容易に行うことができる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
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。

図２〜図４に示すように、この面発光半導体レーザにおいては、例えば、ｎ型ＧａＡｓ基板のようなｎ型半導体基板１１上にｎ型ＤＢＲ層１２、下部クラッド層１３、発光層である活性層１４、上部クラッド層１５、電流狭窄層１６、ｐ型ＤＢＲ層１７およびｐ型コンタクト層１８が順次積層されている。

ｎ型ＤＢＲ層１２は、ｎ型ＡｌＡｓ層１２ａとｎ型ＧａＡｓ層１２ｂとを交互に積層した半導体多層膜からなり、例えばこれらの層を３５周期積層した総厚４μｍ程度のものである。下部クラッド層１３は例えばＡｌ_x Ｇａ_1-x Ａｓからなり、例えばｘ＝０．３である。活性層１４は例えばＧａＡｓからなる。上部クラッド層１５は例えばＡｌ_y Ｇａ_1-y Ａｓからなり、例えばｙ＝０．３である。電流狭窄層１６は、円形のｐ型ＡｌＡｓ層１６ａの周囲がリング状のＡｌ酸化層１６ｂに囲まれた構造を有し、ｐ型ＡｌＡｓ層１６ａが電流が流れる部分となる。ｐ型ＡｌＡｓ層１６ａの直径は例えば１２μｍ程度である。ｐ型ＡｌＡｓ層１６ａおよびＡｌ酸化層１６ｂの厚さは例えば３０ｎｍ程度である。ｐ型ＤＢＲ層１７は、ｐ型Ａｌ_z Ｇａ_1-z Ａｓ層１７ａとｐ型Ａｌ_w Ｇａ_1-w Ａｓ層１７ｂ（ただし、ｚ＞ｗ、０＜ｚ，ｗ＜１）とを交互に積層した半導体多層膜からなり、例えばこれらの層を２５周期積層した総厚３μｍ程度のものであり、例えばｚ＝０．９、ｗ＝０．１である。電流狭窄層１６は、このｐ型ＤＢＲ層１７の最下層のｐ型Ａｌ_z Ｇａ_1-z Ａｓ層１７ａに代えて設けられたものである。ｐ型コンタクト層１８は、例えば、厚さが１５０ｎｍ程度で不純物濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ型ＧａＡｓからなる。

ｎ型ＤＢＲ層１２の最上層のｎ型ＡｌＡｓ層１２ｂ、下部クラッド層１３、活性層１４、上部クラッド層１５、電流狭窄層１６、ｐ型ＤＢＲ層１７およびｐ型コンタクト層１８は全体として円柱状の形状を有し、ポスト型メサ構造を有する。このメサ部の直径は例えば３０〜４０μｍ程度である。ｐ型コンタクト層１８はその中央部に円形の開口１８ａを有し、リング状の形状を有する。この開口１８ａの直径は例えば２０μｍ程度である。

上記のメサ部およびこのメサ部以外の部分のｎ型ＤＢＲ層１２の表面を覆うように例えばＳｉＯ₂ 膜やＳｉＮ_x 膜のような絶縁膜１９が設けられている。この絶縁膜１９の厚さは例えば３００ｎｍ程度である。この絶縁膜１９にはｐ型コンタクト層１８の開口１８ａと一致した位置にこれと同じ径の開口１９ａが設けられているとともに、この開口１９ａの外側にリング状の開口１９ｂが設けられている。そして、この開口１９ｂを介してｐ型コンタクト層１８とオーミックコンタクトしてｐ側電極２０が設けられている。このｐ側電極２０は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層膜からなり、総厚は５００ｎｍ程度である。このｐ側電極２０はその中央部に円形の開口２０ａを有し、リング状の形状を有する。このｐ側電極２０の開口２０ａの径はｐ型コンタクト層１８の開口１８ａの径より小さく、例えば１４μｍ程度である。
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。

ｐ側電極２０の開口２０ａの内部のｐ型ＤＢＲ層１７の最上層のｐ型Ａｌ_w Ｇａ_1-w Ａｓ層１７ｂにはＡｌ酸化層２１が円形の形状に形成されている（図３参照）。ここで、この最上層のｐ型Ａｌ_w Ｇａ_1-w Ａｓ層１７ｂは例えば厚さが６０ｎｍ程度に選ばれ、ｗは０．３≦ｗ≦０．９に選ばれている。このＡｌ酸化層２１はその外周部から中心部にかけて厚さが増加して中心部で最大の厚さとなっており、平凸レンズ形状を有する。このＡｌ酸化層２１の中心部の厚さは例えば１０ｎｍ程度である。また、このＡｌ酸化層２１は、その厚さの増加に加えて、その外周部から中心部にかけてＡｌ−Ｏ結合の密度が増加しており、中心部で最大の密度になっている。Ａｌ酸化層２１の密度はｐ型Ａｌ_w Ｇａ_1-w Ａｓ層１７ｂの密度より小さいため、このＡｌ酸化層２１の厚さの分布あるいはＡｌ−Ｏ結合の密度の分布に対応して、このＡｌ酸化層２１の屈折率はその外周部から中心部に向かって減少し、中心部で最小の屈折率となっており、凹レンズ様の屈折率分布を有する。このＡｌ酸化層２１上には、このＡｌ酸化層２１を覆うように例えばＳｉＮ_x 膜や有機膜などからなる保護膜２２が形成されている。
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。

次に、上述のように構成された面発光半導体レーザの製造方法について説明する。
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ＳｉＮ_x 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ＳｉＮ_x 膜をエッチングする。こうして円形のＳｉＮ_x 膜が形成される。

次に、こうして形成された円形のＳｉＮ_x 膜をエッチングマスクとして用いて例えば塩素系のガスをエッチングガスに用いたＲＩＥ法により、ｎ型ＤＢＲ層１２の最上層のｎ型ＡｌＡｓ層１２ｂまで、基板表面に対して垂直方向に異方性エッチングする。これによって、図６に示すように、ｎ型ＤＢＲ層１２の最上層のｎ型ＡｌＡｓ層１２ｂ、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がポスト型メサ状に加工される。

次に、こうして形成されたメサ部を水蒸気雰囲気中において例えば４００℃の温度で約２５分間加熱して、ｐ型ＡｌＡｓ層２４の外周部のみをリング状に選択的に酸化する。これによって、図７に示すように、リング状のＡｌ酸化層１６ｂに円形のｐ型ＡｌＡｓ層１６ａが囲まれた電流狭窄層１６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ＳｉＮ_x 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ＳｉＮ_x 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、図９に示すように、全面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層膜を真空蒸着法などにより形成してｐ側電極２０を形成した後、このｐ側電極２０をエッチングにより所定形状にパターニングして開口２０ａ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、図１０に示すように、上記のようにして製造された面発光半導体レーザのｐ側電極２０とｎ側電極２３との間にしきい値電流以上の電流を注入することによりレーザ発振を行わせ、その際単峰性のビーム形状が得られるように注入電流を調整してｐ側電極２０の開口２０ａからレーザ光を取り出す。そして、こうして単峰性のビーム形状のレーザ光を取り出した状態で面発光半導体レーザを高温高湿雰囲気に晒す。具体的には、例えば、温度を６０℃以上、湿度を６０％以上とする。すると、出射窓の表面に露出しているｐ型Ａｌ_w Ｇａ_1-w Ａｓ層１７ｂが酸化されるが、この酸化はレーザ光の強度分布に応じて進行し、強度が強い所ほど速く酸化が進行することになり、酸化の程度はレーザ光の強度分布にしたがった分布となる。こうして、図４に示すように、平凸レンズ形状のＡｌ酸化層２１が形成され、それによってこのＡｌ酸化層２１の部分に凹レンズ様の屈折率分布が得られる。光出力は、通常は数ｍＷあれば酸化が進行するのに十分である。
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。

図１１Ａに上記の方法により出射窓にＡｌ酸化層２１を形成した面発光半導体レーザのメサ部の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を、図１１Ｂにこの面発光半導体レーザの出射窓近傍のＳＥＭ写真を、図１１Ｃにこの出射窓部の酸素分布を示す。ただし、Ａｌ酸化層２１の形成は、温度８５℃、湿度８５％の高温高湿雰囲気において面発光半導体レーザに３ｍＡの電流で１０時間通電処理することにより行った。また、出射窓の表面に露出しているｐ型Ａｌ_w Ｇａ_1-w Ａｓ層１７ｂのｗは０．５である。図１１Ｃに示すように、ｐ側電極２０の開口２０ａの中心ほど白くなっており、これはＡｌ酸化層２１中の酸素の濃度が中心ほど高くなっていることに対応している。

図１２に上記の方法により出射窓にＡｌ酸化層２１を形成した面発光半導体レーザの高温高湿雰囲気での通電処理、すなわちバーンインを行う前後のＦＦＰＨ（ＦＦＰのＨ波）（光出力は１ｍＷ）の測定結果を示す。ただし、Ａｌ酸化層２１の形成は、温度８５℃、湿度８５％の高温高湿雰囲気において面発光半導体レーザに５ｍＡの電流で５時間通電処理することにより行った。また、出射窓の表面に露出しているｐ型Ａｌ_w Ｇａ_1-w Ａｓ層１７ｂのｗは０．５である。図１２において、横軸は出射窓の中心に立てた法線方向を基準（０°）とし、この法線方向から測った角度、縦軸は光の強度を示す。図１２より、バーンイン後のＦＦＰの半値幅はバーンイン前に比べて約３０％以上狭小化していることが分かる。

以上のように、この一実施形態によれば、図１を参照して説明した構造と同様な構造の採用に加えて、光出射面（光出射窓）にＡｌ酸化層２１を形成して凹レンズ様の屈折率分布を形成していることにより、レーザ発振に際し、高次モードを極めて有効に抑制することができ、シングル横モードでの発振を安定に実現することができる。この面発光半導体レーザは、電流狭窄径、すなわちｐ型ＡｌＡｓ層１６ａの直径をあまり小さくしないで済むため、電流狭窄構造をウェハー上で制御性よく、均一に作製することができ、面発光半導体レーザの製造歩留まりの向上を図ることができるとともに、素子抵抗を低くすることができ、出力、効率の向上を図ることができる。このため、インピーダンス整合がとりやすくなる結果、通信に必要な高周波駆動も容易となる。

次に、この発明の他の一実施形態によるＨＥＭＴの製造方法について説明する。
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。

次に、図１３Ｂに示すように、外部からｎ型ＡｌＧａＡｓ層５３の素子分離領域となる部分の表面にレーザ光５８を照射しながらこのｎ型ＡｌＧａＡｓ層５３の表面を例えば水蒸気雰囲気のような酸化性雰囲気に晒すことにより酸化を行い、酸化層５９を形成する。この酸化層５９はアンドープＧａＡｓ層５２に達する深さに形成し、このアンドープ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に存在する２次元電子ガス５７が酸化層５９により完全に分離されるようにする。こうして、この酸化層５９により素子分離が行われる。
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。

以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
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。

例えば、上記のｐ型ＡｌＡｓ層２４の選択酸化によるＡｌ酸化層１６ｂの形成は例えば次のような方法により行ってもよい。
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。

上記の選択酸化工程での条件パラメータには、水蒸気の供給量と酸化温度（基板温度）とがある。酸化温度を固定すると、図１４に示すように、水蒸気の供給量に比例して酸化速度は増加し、ある供給量を超えると飽和する関係になる。比例する領域では酸化反応は水蒸気の供給律速であり、飽和する領域では反応律速になる。ここで、反応律速とは、水蒸気を酸化反応に必要な量以上供給することで、酸化速度が反応の速度に依存する状態を意味する。水蒸気量が少ない場合は、酸化速度が水蒸気量に依存するため、供給律速と呼ぶ。

反応律速と供給律速とは次のように説明することもできる。図１４に示すように、酸化速度は水蒸気供給量に対して比例増加する領域と飽和する領域とに分かれる。ある酸化温度において、酸化層が限界速度で酸化反応をするのに必要な水蒸気量と実際に供給される水蒸気量とを比較すると、
（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。

具体例を挙げると、基板温度を４５０℃、キャリアガス（Ｎ₂ ）流量が１１ｓｌｍのとき、水蒸気供給量が０．３８ｇ／ｍｉｎからその３倍の１．１４ｇ／ｍｉｎになっても酸化速度はほとんど変わらなかった。このように水蒸気供給量が変化しても酸化速度が変化しない領域が存在する。この領域を反応律速と呼び、上記条件の場合には少なくとも水蒸気供給量が０．３８ｇ／ｍｉｎ以上の場合、反応律速にすることができる。

上記の供給律速領域で酸化するとその後の加熱工程での酸化の進行が起こるのに対し、反応律速の領域で酸化を行うと、ほとんど進行しないことが分かった。これより、反応律速条件での酸化により、意図しない酸化の進行を抑制することが可能である。酸化の進行抑制により、特性の経時変化を抑制することができる。また、反応律速での酸化反応では基板温度が均一であれば、水蒸気の供給量に多少の変動があっても反応速度は変わらないため、ウェハ面内での酸化速度の均一性の向上を図ることができる。
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。

面発光半導体レーザをシングルモードで発振させるための構造を説明するための略線図である。 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である。 この発明の一実施形態による面発光半導体レーザのメサ部の平面図である。 この発明の一実施形態による面発光半導体レーザの光出射部の近傍を拡大して示す断面図である。 この発明の一実施形態による面発光半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の一実施形態による面発光半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の一実施形態による面発光半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の一実施形態による面発光半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の一実施形態による面発光半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の一実施形態による面発光半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。 この発明の一実施形態による面発光半導体レーザの製造方法により製造された面発光半導体レーザの光出射部の近傍のＳＥＭ像および酸素分布を示す図面代用写真である。 この発明の一実施形態による面発光半導体レーザの製造方法により製造された面発光半導体レーザのＦＦＰの測定結果を示す図面代用写真である。 この発明の他の一実施形態によるＨＥＭＴの製造方法を説明するための断面図である。 電流狭窄層の形成方法を説明するための略線図である。 従来のメサ型ポスト構造の面発光レーザを示す断面図である。 従来のメサ型ポスト構造の面発光レーザを示す断面図である。

符号の説明

１１…ｎ型半導体基板、１２…ｎ型ＤＢＲ層、１３…下部クラッド層、１４…活性層、１５…上部クラッド層、１６…電流狭窄層、１７…ｐ型ＤＢＲ層、１８…ｐ型コンタクト層、１８ａ…開口、１９…絶縁膜、１９ａ、１９ｂ…開口、２０…ｐ側電極、２０ａ…開口、２１…Ａｌ酸化層、２２…保護膜、２３…ｎ側電極

Claims (14)

1. 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上記第２の反射層上の光出射面に照射しながらこの光出射面を酸化性雰囲気に晒して酸化を行うことによりこの光出射面に上記所定の強度分布にしたがった屈折率分布を有する酸化層を形成するようにした
   ことを特徴とする面発光半導体レーザの製造方法。
2. 上記所定の強度分布を有する光は上記出力光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の製造方法。
3. 外部から上記所定の強度分布を有する光を上記第２の反射層上の上記光出射面に照射しながら上記酸化を行うことを特徴とする請求項１記載の面発光半導体レーザの製造方法。
4. 水蒸気雰囲気中で上記所定の強度分布を有する光を上記第２の反射層上の上記光出射面に照射しながら上記酸化を行うことを特徴とする請求項１記載の面発光半導体レーザの製造方法。
5. ６０℃以上の温度でかつ６０％以上の湿度の水蒸気雰囲気中で上記所定の強度分布を有する光を上記第２の反射層上の上記光出射面に照射しながら上記酸化を行うことを特徴とする請求項１記載の面発光半導体レーザの製造方法。
6. 上記所定の強度分布を有する光は単峰性のビーム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の製造方法。
7. 上記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の製造方法。
8. 上記屈折率分布は凹レンズ様の屈折率分布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の製造方法。
9. 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の製造方法。
10. 上記第２の反射層の最上部にＡｌを含む化合物半導体層を形成し、上記所定の強度分布を有する光を照射しながらこのＡｌを含む化合物半導体層の酸化を行うことにより上記酸化層を形成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の製造方法。
11. 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１０記載の面発光半導体レーザの製造方法。
12. 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１１記載の面発光半導体レーザの製造方法。
13. 上記酸化層を形成した後、上記酸化層を覆うように保護膜を形成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の製造方法。
14. 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、
    外部から所定の強度分布を有する光を上記Ａｌを含む化合物半導体層の素子分離領域となる部分の表面に照射しながらこの表面を酸化性雰囲気に晒して酸化を行うことにより上記Ａｌを含む化合物半導体層に上記所定の強度分布にしたがった形状を有する酸化層を形成するようにした
    ことを特徴とする電子素子の製造方法。

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