JP4050028B2 - 面発光型半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光型半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザや半導体発光ダイオード等の半導体発光素子は、光通信分野をはじめとして、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）やＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）等の光ディスクシステム或いはバーコード・リーダ等に代表される民生分野及び商業分野などにおいて広く使用されている。
【０００３】
このような半導体発光素子の中で、面発光型半導体レーザは、活性層の上下に設けられた反射鏡により共振器構造を構成するもので、基板と垂直方向にレーザが出射されるものである。
【０００４】
この面発光型半導体レーザは、基板上に二次元的に多数のレーザ素子を集積化できるために、高速光ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、光インターコネクト等における光エレクトロニクス分野のキーデバイスとして大きな注目を集めている。
【０００５】
このような面発光型半導体レーザの特徴として以下のものが挙げられる。
【０００６】
例えば、端面発光型半導体レーザに比べ、しきい値が低い、消費電力が低い、発光効率が高い、高速変調が可能である、ビーム広がりが小さく光ファイバとの結合が容易である、端面へき開が不要で量産性に優れる等々多数の利点を有している。
【０００７】
これらの特徴のほかに面発光型半導体レーザは、高速の光リンク用光源として好適であり、プラスチック光ファイバと組み合わせることにより、高速光リンク用光源を低価格で実現できることが期待され研究開発が盛んに行われている。
【０００８】
このような面発光型半導体レーザでは、発光領域に効率よく電流を注入するための電流注入部が必要である。この電流注入部を形成する方法として、プロトン注入方式及び選択酸化方式が一般的に用いられている。
【０００９】
ここでは、より簡単なプロセス工程で形成可能な選択酸化方式について、説明する。
【００１０】
先ず、半導体基板上に、半導体多層膜反射鏡、クラッド層、半導体活性層、クラッド層、半導体多層膜反射鏡、コンタクト層を順次成長し、レーザウェハを作製する。このとき半導体多層膜反射鏡は、例えばＡｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓ膜／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ膜の繰り返し積層構造、また被酸化層として半導体多層膜反射鏡を構成する膜よりＡｌ組成比の大きいＡｌxＧａ1-xＡｓ（x＞０．９）膜を有している。
【００１１】
次に、エッチングによりメサを形成し、水蒸気雰囲気中で基板温度を４００℃以上に加熱する。こうすることで、半導体多層膜反射鏡を構成する半導体膜のうちＡｌ組成比が高いＡｌＧａＡｓ膜が選択的に酸化されて、ＡｌｘＯｙ膜になる。その酸化速度はＡｌ組成により著しく変化する。例えばＡｌｘＧａ１−ｘＡｓとして、ｘ＝０．９〜１とすることで、クラッド層やＧａＡｓ層にはほとんど影響を与えずに、Ａｌ高濃度層のみを選択的に酸化することができる。
【００１２】
この横方向の酸化工程によって、メサの側面から酸化が進むことによって電流狭窄部が形成され、メサの中心部に、酸化されない領域すなわち開口部が形成される。このとき、熱処理の温度と時間を適宜調整することで、Ａｌを高濃度に含む被酸化層の一部である酸化されない開口部の形状及び大きさを制御することができる。
【００１３】
図５に、このようにして形成された面発光型半導体レーザの構造を示す。図５において（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）の断面１における断面図、（ｃ）は（ａ）の断面２における断面図である。
【００１４】
図５（ｂ）（ｃ）に示すように、この面発光型半導体レーザは、半導体基板１上に、組成の異なる半導体膜が交互に積層された半導体多層膜反射鏡２、クラッド層３、半導体活性層４、クラッド層５、組成の異なる半導体膜が交互に積層された半導体多層膜反射鏡６、コンタクト層７が順次積層されている。
【００１５】
図５（ｃ）に示すように、このとき半導体多層膜反射鏡２の一部、クラッド層３、半導体活性層４、クラッド層５、半導体多層膜反射鏡６、コンタクト層７によりメサ構造を形成している。
【００１６】
図５（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、メサ構造の周りには凹部１６が形成されている。素子全体には、シリコン酸化物等の絶縁膜９が形成されている。また、メサ構造上には、発光領域１７を開口するようにコンタクト電極１１が形成されている。
【００１７】
また、このメサ構造において、半導体多層膜反射鏡２の最上層２ａ及び半導体多層膜反射鏡６の最下層６ａは、Ａｌ組成比が高い被酸化層でありメサ構造の側面から半導体活性層４の発光領域１７に向けて横方向に酸化され、電流狭窄部分８を形成している。
【００１８】
また、コンタクト電極１１は、配線１１ａを介して、外部接続電極１２と接続されている。基板１の裏面には電極１５が形成されている。
【００１９】
このような構造の面発光型半導体レーザにおいて、コンタクト電極１１と外部電極１２とを繋ぐ配線１１ａ下は、メサ形成においてエッチングされずボンディングパッド１２下と同じ構造となっている。
【００２０】
コンタクト電極１１から注入された電流は、矢印１４に示すように半導体活性層３の発光領域に流れ光を発生させる。しかしながらこの電流のうち一部は、矢印１３に示すように、配線１１ａ下に存在する半導体多層膜反射鏡６を経由してボンディングパッド１２の下側の非酸化領域から活性層３に回り込む。この電流が、リーク電流となって素子の外側へと流れるという問題がある。このリーク電流は、例えば開口の径が小さいほど大きくなる傾向がある。これは、開口の径が小さいほど素子抵抗が大きくなり、相対的に矢印１３で示すようなメサ構造の外側へ流れる電流が多くなるためである。
【００２１】
このように従来の選択酸化方式により電流狭窄部８を形成した面発光型半導体レーザでは、配線１１ａ下を流れるリーク電流の発生が避けられず、しきい値電流、素子容量の増加、高速応答性の劣化するという問題がある。
【００２２】
また、選択酸化方式により電流狭窄部を形成する方法において、Ａｌを高濃度に含むＡｌＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層（ｘ＞０．９４）を酸化する場合、＜１００＞軸に沿った面の酸化は＜１１０＞軸に沿った面よりも酸化速度が速く、面方位に対して酸化速度が異なるため、素子を上面から見た場合の電流狭窄部の形状は円状にならない。
【００２３】
図６に、円形メサ構造の側面から酸化した場合のメサ構造を示す。
【００２４】
図６（ａ）に示すように、横（ｘ）方向に酸化した被酸化層の酸化速度が縦（ｙ）方向に比べ低いために、開口部が四角形状となっていることが分かる。この開口部の形状は、酸化時間により四角形の縦横比が変化し、出射ビーム形状の制御、横モードの制御が容易ではないという問題がある。
【００２５】
一般に選択酸化方式により電流狭窄部を形成する方法により形成された面発光型半導体レーザは、酸化層と非酸化層の屈折率差が大きく強い光閉じ込め効果を有する。このため、横モードを安定化するには発光領域すなわち開口部の直径を典型的には５μｍ以下と狭くする必要がある。
【００２６】
しかしながら従来の方法では開口部（素子を上面から見た場合の電流狭窄部の形状）が制御の困難な歪な四角形状となってしまうために、その大きさについては高精度に制御することが困難となっている。更に面発光半導体レーザにおいては、偏波モードを制御するために基板として通常の（１００）面等の基板ではなく傾斜基板が多く用いられるが、このとき結晶面方位に依存した異方性酸化は傾斜角に応じて、さらに歪化し通常の円形メサ構造では図６（ｂ）に示すような開口部は菱形形状となり、所望の形状、横モード特性を得ることが更に困難になるという問題を有している。
【００２７】
また、選択酸化方式により電流狭窄部を形成する方法により形成された面発光半導体レーザにおいて、ＡｌＡｓ層、高Ａｌ濃度のＡｌＧａＡｓ層を水蒸気酸化すると、酸化される層の体積が収縮し、上下の層に歪が入るという問題がある。これは酸化物であるＡｌｘＯｙは、もとのＡｌＡｓ層、高Ａｌ濃度のＡｌＧａＡｓ層に比べ体積が３０％〜４０％程度収縮するためである。
【００２８】
したがって、酸化後、半導体活性層の特に発光領域へ圧縮応力が印加されるという問題がある。電流狭搾を効果的に行うには、電流狭窄部となる被酸化層にはある程度の厚さが必要であるが、この層が厚いほど歪が大きくなる。そしてその歪は酸化層の先端に集中するが、被酸化層は発光領域から０．２μｍといった至近距離に設けられるため、この歪が発光領域の最も電流の集中する領域に影響を与え、素子の寿命を低下するという問題がある。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、素子外部へのリーク電流を抑制し、低しきい値化、高速応答性、量産性の向上を図り、異方性酸化により生じる非酸化領域、出射ビームパターンの形状、モード制御の改善を図り、Ａｌ高濃度層を酸化するときに伴う体積収縮により発光領域へ印加される圧縮応力を緩和し、界面での亀裂や破損を抑制し、選択酸化プロセス後の熱プロセスに対しての耐性性を高め、素子の信頼性の向上、長寿命化を図ることが可能な面発光型半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、第１および第２の主面を有する基板と、
前記基板の第１の主面に形成された第１の電極と、
前記第２の主面の表面部から延びた浅部および深部とを有する凹部、周辺部、および前記凹部により囲まれて柱状に形成されるとともに前記周辺部から前記凹部により隔てられた発光領域とを具備し、この発光領域には前記第１の主面上方に形成された第１の半導体多層反射鏡面層と、この第１の半導体多層反射鏡面層の上方に形成された半導体活性層と、この半導体活性層の上方に形成された第２の半導体多層反射鏡面層と、前記半導体活性層の近傍において前記発光領域の側面から中心に向かって酸化形成された被酸化層で構成される電流路狭窄部とが設けられ、前記周辺部は前記凹部を介して前記発光領域を囲むように形成された多層構造体により構成され、
前記発光領域の上面に形成され、前記電流路狭窄部の上方に開口を有して、前記電流路狭窄部を通り前記第１の電極に至る電流路を構成する第２の電極と、
前記多層構造体の周辺部上に形成された第３の電極と、
前記凹部の浅部の上方で前記第２および第３の電極間を相互に接続する複数の導電体とを具備し前記基板の第１および第２の主面と垂直な方向に光を発することを特徴とする面発光型半導体発光素子を提供する。
【００３１】
表面電極配線パスの下層に空洞層が形成されるため、所望の電流狭窄領域内に電流は閉じ込められ、領域外へのリーク電流は抑制され、低しきい値化、高速応答性、量産性の向上が可能となる。
【００３２】
また、メサ部と周辺部の高さをほぼ等しくし、この上に形成される配線の高さをほぼ等しくしているために、配線段切れが抑制され、且つ量産性にも優れるプレーナ構造の選択酸化方式面発光レーザ素子の作製であるため、低価格で高信頼性の素子の提供が可能となる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお本発明は以下の実施の形態に限定されることなく、種々工夫して用いることが可能である。
【００４４】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１にかかる面発光型半導体発光素子の構造を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）の断面１における断面図、（ｃ）は（ａ）の断面２における断面図である。ここでは面発光型半導体レーザについて説明する。
【００４５】
この面発光型半導体レーザは、基板１上に、発光領域１７を有する半導体活性層３と、半導体活性層３を狭持し、基板１に対して垂直方向の共振器を形成する半導体活性層４に対して基板１と反対側に形成された第１の半導体多層膜反射鏡６及び半導体活性層３に対して基板１側に形成された第２の半導体多層膜反射鏡２が形成されている。半導体活性層３の両面には、半導体クラッド層３及び５が形成されている。
【００４６】
第１の半導体多層膜反射鏡６上には、コンタクト層７が形成されこれらを介して、発光領域１７に電流を注入するためのコンタクト電極１１が形成されている。コンタクト電極１１は、発光領域１７上を開口するように形成されている。
【００４７】
基板１の裏面には、電極１５が形成され、第２の半導体多層膜反射鏡２を介して、発光領域１７に電流を注入するようになっている。
【００４８】
第１の半導体多層膜反射鏡６、半導体活性層４、クラッド層３及び５は凸部形状のメサ部となっている。半導体多層膜反射鏡２の最上層２ａ及び半導体多層膜反射鏡６の最下層６ａは、その側面から発光領域１７に向かって横方向酸化されることによって電流狭窄部８を形成している。この電流狭窄部８は、発光領域１７へ電流を絞り込むためのものである。
【００４９】
第１の半導体多層膜反射鏡６及び半導体活性層３を含むメサ部の周辺には凹部１６が設けられている。この凹部によりメサ部と隔てて周辺部１８が形成されている。この周辺部もメサ構造と同じ積層構造となっている。そしてメサ部の表面とこの周辺部の表面とは、ほぼ同じ高さに形成されている。
【００５０】
周辺部１８上には、周辺電極１１ｂが形成されている。そしてコンタクト電極１１と周辺電極１１ｂとは、配線部１１ａによって繋がれている。配線部１１ａ下には、空洞２０が設けられている。符号９は、表面に形成された引張応力を有する膜で、例えばシリコン窒化膜からなる膜で、応力制御以外にもパターン形成用のエッチングマスク膜としても活用し、コンタクト電極１１と周辺電極１１ｂを繋ぐ配線部１１ａの下では、空洞２０のための橋ともなっている。
【００５１】
このような面発光型半導体レーザは、矢印１４に示すようにコンタクト電極１１から第１の半導体多層膜反射鏡６を介して発光領域１７に電流を注入することで、発光することができる。
【００５２】
このときに、コンタクト電極１１と周辺電極１１ｂを繋ぐ配線部１１ａの下層には空洞層２０が形成されるため、矢印１３で示すような電流パスは空同窓２０によって、流れることができない。したがってこの面発光型半導体レーザでは、矢印１４で示すパスによってのみ電流を流すことができ、極めて効率よく電流狭窄することができ、低しきい値化、高速応答性、量産性の向上が可能となる。
【００５３】
次に、このような面発光型半導体レーザの製造方法について、具体的に説明する。
【００５４】
先ず、洗浄された厚さ４００μｍの３インチｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＣＶＤ装置を用いてｎ型の半導体多層膜反射鏡２、被酸化層２ａ、クラッド層３、半導体活性層４、クラッド層５、被酸化層６ａ、半導体多層膜反射鏡６、コンタクト層７を形成する。
【００５５】
ここで半導体活性層４とクラッド層３及び５よりなる共振器の上下に半導体多層膜反射鏡２及び６を配置したものを基本構造としていて、６５０ｎｍ帯の赤色ＩｎＧａＡｌＰ面発光型半導体レーザとして設計及び製作を行った。
【００５６】
半導体多層膜反射鏡２はｎ型の不純物が１×１０１８／ｃｍ３導入されたＡｌＧａＡｓ系半導体多層膜反射鏡とした。クラッド層３はｎ型Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐとした。半導体活性層４は発光ピーク波長が６５０ｎｍとなるように調整されたＩｎｘＧａ１−ｘＰ／Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５）０．５Ｐからなる量子井戸構造を構成するＩｎＧａＡｌＰ層が５層形成された構造とした。クラッド層５はｐ型Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐとした。半導体多層膜反射鏡６は、ｐ型の不純物が１×１０１８／ｃｍ３導入されたＡｌＧａＡｓ系半導体多層膜反射鏡とした。
【００５７】
被酸化膜２ａは、クラッド層３直下に形成され半導体多層膜反射鏡２を構成するＡｌＧａＡｓよりＡｌ組成比の大きいＡｌxＧａ1-xＡｓ（x＞０．９８）を用いた。被酸化膜６ａは、クラッド層５直上に形成され半導体多層膜反射鏡６を構成するＡｌＧａＡｓよりＡｌ組成比の大きいＡｌxＧａ1-xＡｓ（x＞０．９８）を用いた。コンタクト層７はＧａＡｓとした。
【００５８】
ここでＡｌＧａＡｓ系の半導体多層膜反射鏡２及び６には、光学膜厚が共振波長の１／４の厚さとなるようにＡｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ層とＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層とを交互に積層した構造を用いた。
【００５９】
次に、引張応力を有する膜９を形成する。ここではＰＥＣＶＤ（ＰｌａｓｍａＥｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりＳｉ３Ｎ４膜を形成した。このとき原料ガスであるＳｉＨ４、ＮＨ３、Ｎ２の圧力、流量を調整することで膜応力を制御し、１５０ＭＰａの引張応力を有する膜として形成した。
【００６０】
この膜９の引張応力の値は、この膜１９とＧａＡｓ基板１の間で発生する熱応力σTを考慮し下記の式によって決定した。
σT = EF(αF-αS)ΔT
ただし、ここでαF, αS:薄膜、基板１の熱膨張係数、EF：薄膜のヤング率、ΔT：温度上昇
水蒸気酸化プロセス温度を４２０℃に設定した場合、ΔT ＝４００Ｋとなり、このとき、薄膜Ｓｉ３Ｎ４（EF ＝１６０ＧＰａ、αF＝２．７×１０−７／Ｋ）と基板ＧａＡｓ（αS ＝６．０×１０−６／Ｋ）では、σT ＝−１５８ＭＰａの圧縮応力が発生する。
【００６１】
従って、本実施形態では、この圧縮応力を緩和するために引張応力を有する膜９を形成し、半導体活性層４へ印加される圧縮応力を緩和し、熱耐性を高めている。一方、従来例で多く用いられているエッチングマスク膜の場合、薄膜ＳｉＯ２（EF ＝７４ＧＰａ, αF ＝０．４×１０−６／Ｋ）、基板ＧａＡｓ（αS ＝６．０×１０−６／Ｋ）では、αT ＝−１２４ＭＰａ (圧縮応力)に加え、成膜時の応力も−２００ＭＰａ程度の圧縮応力を有する膜になりやすい。従って、半導体活性層４へ印加される圧縮応力は更に大きくなり、熱耐性も弱い。
【００６２】
次に、スピンコータ装置により、市販のフォトレジストを回転塗布する。次に、ホットプレートを用いてベーク処理を行い、膜厚３５０ｎｍの感光膜を形成する。次に、ステッパーを用いてマスクパターンの露光・転写を行う。
【００６３】
この工程では、はじめに各種パターンの位置合わせ用のマークを露光・転写し、現像、ベークを行い、感光膜にパターン形成する。
【００６４】
次に、感光膜パターンをもとにエッチングを行い、応力制御されたエッチングマスク膜９に位置合わせ用のマークパターンを形成する。感光膜は酸素プラズマアッシングにより除去する。
【００６５】
その後、エッチングマスク膜９下のコンタクト層７のみマークパターンのエッチングをＮＨ３／Ｈ２Ｏ２混合液によるウェットエッチング処理にて行う。
【００６６】
その後、市販のフォトレジストを回転塗布し、ホットプレートを用いてベーク処理し、膜厚３５０ｎｍの感光膜を形成する。次に、ステッパーを用いてコンタクトホールパターンの露光・転写し、現像液により現像する。次に、ポストベークを行い、感光膜にコンタクトホールのパターンを形成する。次に、感光膜パターンをもとにエッチングを行い、エッチングマスク膜９にコンタクトパターンを形成する。次に、感光膜は酸素プラズマアッシングにより除去する。
【００６７】
同様に市販のフォトレジストを回転塗布し、ホットプレートを用いてベーク処理する。次に、膜厚３５０ｎｍの感光膜を形成し、ステッパーを用いて表面ｐ側コンタクト電極１１、ボンディングパッド１２、配線１１ａ、周辺電極１１ｂを一括してパターンを露光・転写する。次に、現像液により現像し、ポストベークを行う。こうして感光膜にｐ側コンタクト電極１１、ボンディングパッド１２、配線１１ａ、周辺電極１１ｂのパターンを形成する。
【００６８】
次に、メタル蒸着を電子銃蒸着装置により感光膜パターン上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜を形成し、リフトオフ、シンター処理によりコンタクト電極１１を形成する。
【００６９】
その後、レーザ光の窓領域の開け工程として、ＧａＡｓコンタクト層７をパターンエッチングする。その後、市販のフォトレジストを回転塗布し、ホットプレートを用いてベーク処理する。次に、膜厚３５０ｎｍの感光膜を形成し、ステッパーを用いてメサ構造形成用のパターンを露光・転写する。次に、現像液により現像し、ポストベークを行う。次に、感光膜にメサ構造形成用パターンを形成し、感光膜パターンをもとにエッチングを行う。次に、エッチングマスク膜９にメサ構造形成用パターンを形成する。
【００７０】
次にエッチングマスク膜９に形成されたパターンをもとに塩素系ガスによるプラズマドライエッチングを行い、メサ部を形成する。次に、感光膜は酸素プラズマアッシングにより除去する。
【００７１】
このときのメサ構造を形成するためのプラズマエッチングでは、図１に示すように被酸化層６ａ及び２ａの端部をメサ構造の側面に露呈するまでエッチングする。このときメサエッチ領域（凹部）が複数に分割されるようにエッチングする。
【００７２】
次に、水蒸気雰囲気中で４００℃〜５００℃の熱処理を行い、被酸化層６ａ及び２ａを横方向に選択酸化する。
【００７３】
図２（ａ）に、このときのメサ構造内における酸化されず残った発光領域の形状（非酸化領域）とメサエッチ領域（凹部）を示す。
【００７４】
本実施形態では、空洞２０の下の被酸化層６ａ及び２ａ（図１（ｃ）参照）は、被酸化層６ａ及び２ａに対して酸化されやすい（すなわち酸化速度が速い）方向に形成されている。また、その他の側面は、これに比べると酸化されにくい（すなわち酸化速度が遅い）方向となっている。
【００７５】
また、空洞２０の下の被酸化層６ａ及び２ａの側面から発光領域までの距離は長く、その他の被酸化層６及び２ａの側面から発光領域までの距離は短くなっている。すなわち被酸化層６ａ及び２ａの酸化されやすい方向では、酸化される距離が長く、酸化されにくい方向では酸化される距離が短くなるので、最終的に発光領域近傍で揃いやすくなる。この結果、開口部がより円状に近い形状となっている（比較として図６（ａ））。
【００７６】
特に、複数に分割化され対称位置に配置されたメサエッチ（凹部）１６の境界部分では内部への酸化をメサエッチ１６の内部に比べ遅くできるためであり、細分化されたメサエッチ１６の配置を工夫することで、非酸化領域３０を任意の形状に制御できる。
【００７７】
図２（ｂ）は、メサエッチ１６部分をさらに細分化した場合である。このようにさらに細分化することによって、非酸化領域３０の形状をより円形に近いようにすることが可能である。
【００７８】
また、図２（ｃ）に示すように、さらに横酸化がされ難いところのメサ構造を削りこむことによって、その側面と発光領域との距離を短く制御することによって、非酸化領域３０の形状をさらに円形に近いようにすることが可能である。
【００７９】
また、本実施形態において、偏波モードを制御するために基板１として、傾斜基板を用いてもよい。
【００８０】
図３に、このときのメサ構造における酸化されず残った発光領域（非酸化領域）の形状を示す。
【００８１】
先ず、傾斜基板の傾斜角に対しての面方位の酸化速度を求め、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すメサエッチ領域を配置したとき、所望の正方形、長方形、円の形状が得られることが示された。この方法について以下に述べる。
【００８２】
先ず、本実形態では素子中心部への電極配線が対称性を有する細いパス配線として、パス線幅１〜５μｍのパターンで行った。非酸化領域の形状制御において、所望の形状が正方形、長方形であれば、その線幅はメサ領域との接合部分では細い幅の方が、非酸化領域の形状を多角化させないためには好適である。
【００８３】
ここでは、素子の内部方向へ配線パスの線幅が小さくなるようにしている。長さｌ、ｍの長方形または正方形の非酸化形状を形成する場合、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＞０．９４）の温度T℃における＜１００＞軸に沿った面の酸化速度をa(x, T)、＜１１０＞軸に沿った面の酸化速度をb(x, T)とし、酸化進行方向におけるメサ部分の長さをそれぞれR1, R2とするとき、
R2 = m + b(x, T)×(R1-l)/a(x, T)
の関係を満たす、径R1, R2の楕円または円状のメサ構造にしたとき、所望の長さｌ、ｍの長方形または正方形の非酸化形状が形成できる。
【００８４】
また傾斜基板においては、面方位の酸化速度に応じて、分割したメサエッチ領域１６を素子中心へ近づけたり、遠ざけたりするメサエッチのパターン形状及びパターン配置にすることで、所望の非酸化領域の形状、サイズが制御できる。
【００８５】
ここでは、a(x, T)に対してf1(x,T,θ), f2(x,T,θ)で酸化速度を補正し、b(x, T)に対してf3(x,T,θ), f4(x,T,θ)酸化速度を補正すれば、
R2 = m + b(x, T)×(R1-l)/a(x, T)×(f3(x,T,θ)＋f4(x,T,θ))/(f1(x,T,θ)＋f2(x,T,θ))
の関係を満たす、径R1, R2の楕円または円状の擬似メサ構造にしたとき、所望の長さｌ、ｍの長方形または正方形の非酸化形状が形成できる。
【００８６】
また、図３（ａ）に示すように、４分割されたメサエッチ領域の場合、メサ中心点からの各メサエッチ領域までの距離をr1, r2, r3, r4として、
r1 = l/2 + f1(x,T,θ)×(R1-l) /(f1(x,T,θ)＋f2(x,T,θ))
r2 = l/2 + f2(x,T,θ)×(R1-l) /(f1(x,T,θ)＋f2(x,T,θ))
r3 = m/2 + b(x, T)×f3(x,T,θ)×(R1-l) /(f1(x,T,θ)＋f2(x,T,θ))
r4 = m/2 + b(x, T)×f4(x,T,θ)×(R1-l) /(f1(x,T,θ)＋f2(x,T,θ))
R1= r1+r2, R2 = r3 + r4
の関係を満たす楕円または円状の擬似メサ構造を形成すれば、メサ中心に所望の長さｌ、ｍの長方形または正方形の非酸化形状を形成できる。
【００８７】
次に、水蒸気酸化により電流狭窄部を形成した後、市販のフォトレジストを回転塗布し、ホットプレートを用いてベーク処理する。次に、膜厚３５０ｎｍの感光膜を形成し、ステッパーを用いてアイソレーション用の露光・転写する。次に、現像液により現像し、ポストベークを行う。次に、感光膜にアイソレーション用のパターンを形成し、感光膜パターンをもとに配線１１ａの幅１μｍ〜５μｍに対して、硫酸／過酸化水素水の混合溶液によりエッチング時間を調整し、ウェットエッチング処理を行うことによって、配線１１ａ下のＧａＡｓ（コンタクト）層７及び半導体多層膜反射鏡６がエッチング除去され、空洞２０が形成される。
【００８８】
このとき、レジストに保護されたメサ領域、配線１１ａ下でも酸化層に保護された被酸化層６ａ以下の下層域ではほとんどエッチングされない。
【００８９】
このようにして、図１に示すように、配線１１ａ下に空洞２０が形成され、メサ領域外へのリーク電流が完全に阻止されることになる。ここで、配線１１ａの線幅は、配線１１ａの下層の一部を除去し空洞２０を形成できれば良いので、線幅は特に規定されない。特に、メサ領域（素子部分）の側面をレジストで保護している場合、線幅は全く問題にならない。
【００９０】
一方、メサ領域（素子部分）の側面がレジストで保護されていない場合、メサ領域の側面においても下層のコンタクト層、半導体多層膜反射鏡２がエッチング除去され空洞２０が形成されるので、配線パスの線幅を被酸化層の酸化幅以下にして、アイソレーション処理で素子内部の非酸化領域までエッチングが進まないようにする必要がある。
【００９１】
次に、アイソレーション処理後、感光膜を酸素プラズマアッシングにより除去し、裏面を基板厚さ１２０μｍまで研磨する。次に、基板１の裏面にｎ側コンタクト電極１５としてＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ膜を蒸着し、シンター処理し、素子を完成する。
【００９２】
このようにして作製された面型半導体レーザにおいて、波長６５０ｎｍで室温連続発振が得られ、空洞２０により素子外部へのリーク電流が完全に阻止されたため、低しきい値電流発振、高速応答性の改善が見られた。
【００９３】
また、コンタクト電極１１と周辺電極１１ｂとこれらを結ぶ配線１１ａがほぼ同一レベルで形成されているので、段切れがなく、且つ量産性にも優れる面発光半導体レーザを提供できる。このため低価格で高信頼性の素子の提供が可能となる。
【００９４】
また、異方性酸化により生じる非酸化領域、出射ビームパターンの形状が改善され、所望のビームパターン形状が得られ、モード制御が容易になる。
【００９５】
更に、エッチングマスク膜として、引張応力を有する膜を形成することで、Ａｌ高濃度層の酸化に伴う体積収縮により印加される活性層、メサ構造中心部への圧縮応力は緩和され、界面での亀裂や破損が抑えられ、選択酸化プロセス後の熱プロセスに対しても耐性が高まることで、素子の信頼性の向上、長寿命化が期待できる。
【００９６】
尚、本実施例においては引張応力を有する膜として、Ｓｉ３Ｎ４膜を用いたが、その組成比としては３：４の組成に限らず、他の組成比を持つ窒化珪素膜に対しても同様の引張応力を有していればよい。また、エッチング加工性、応力制御の観点よりＳｉＮ膜が好適であるが、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ、ダイヤモンド等他の化合物、窒化膜半導体、窒化膜半導体、窒素を含有する化合物材料に対しても同様の効果がある。
【００９７】
また、応力を有する膜として、埋め込み膜や放熱用膜として形成しても同様の効果は得られる。
【００９８】
また、引張応力膜の成膜においてＰＥＣＶＤ装置を用いて行ったが、ｒｆスパッタ装置等の成膜装置を用いて行うことも可能である。
【００９９】
さらに、量子井戸活性層は、ＩｎＧａＡｌＰ系に限られず、ＡｌＧａＡｓ系やＩｎＧａＡｓＰ系など、様々な材料を用いることもできる。
【０１００】
また、クラッド層はＩｎＧａＡｌＰ系に限らずＺｎＳＳｅ系やＺｎＭｇＳＳｅ系など、様々な材料を用いることもできる。
【０１０１】
また、被酸化層が２層である場合を説明したが、単層である場合も同様な効果を得ることができる。
【０１０２】
（実施形態２）
図４は、本発明の実施形態２にかかる面発光型半導体レーザの構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）の断面１における断面図、（ｃ）は（ａ）の断面２における断面図である。
【０１０３】
本実施形態では、空洞に代えてイオン注入により配線１１ａの下に高抵抗化領域３０を形成する点が、実施形態１と異なり、他の点は実質的に同一なので同一符号についてはその詳細な説明は省略する。
【０１０４】
図４（ｂ）（ｃ）に示すように、メサ構造を除く周辺部１８及び配線部１１ａ下の層構造がイオン注入により高抵抗化して高抵抗か領域３０を形成している。こうすることで矢印１３に示すリーク電流が抑制され実施形態１と同様の効果を生じる。
【０１０５】
次に、この面発光型半導体レーザの作製方法について具体的に説明する。
【０１０６】
先ず、洗浄された厚さ４００μｍの３インチｎ型ＧａＡｓ基板上１に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて半導体多層膜反射鏡２、被酸化層２ａ、クラッド層３、半導体活性層４、クラッド層５、被酸化層６ａ、半導体多層膜反射鏡６、コンタクト層７を形成する。
【０１０７】
半導体活性層４とクラッド層３及び５よりなる共振器の上下に半導体多層膜反射鏡２及び６を配置したものを基本構造としている。また、６５０ｎｍ帯の赤色ＩｎＧａＡｌＰ系面発型半導体レーザとして設計・製作を行った。
【０１０８】
ここでは半導体多層膜反射鏡２はｎ型の不純物が１×１０１８／ｃｍ３導入されたＡｌＧａＡｓ系半導体多層膜反射鏡、クラッド層３はｎ型Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐで形成した。半導体活性層4は発光ピーク波長が６５０ｎｍとなるように調整されたＩｎｘＧａ１−ｘＰ／Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５）０．５Ｐからなる量子井戸構造とした。クラッド層５はｐ型Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐで形成した。また、半導体多層膜反射鏡６は、ｐ型の不純物が１×１０１８／ｃｍ３導入されたＡｌＧａＡｓ系半導体多層膜反射鏡を用いた。被酸化層２ａは、クラッド層３直下に形成されｎ型半導体多層膜反射鏡２を構成するＡｌＧａＡｓよりＡｌ組成比の大きいＡｌxＧａ1-xＡｓ（x＞０．９８）を用いた。比酸下層６ａは、クラッド層５直上に形成されｐ型半導体多層膜反射鏡６を構成するＡｌＧａＡｓよりＡｌ組成比の大きいＡｌxＧａ1-xＡｓ（x＞０．９８）を用いた。コンタクト層７はＧａＡｓ層を用いた。
【０１０９】
ここで、ＡｌＧａＡｓ系半導体多層膜反射鏡には、光学膜厚が共振波長の1／4の厚さとなるようにＡｌ０．９５Ｇａ０．０５ＡｓとＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓとを交互に積層した構造が用いられている。
【０１１０】
先ず、実施形態１と同様に引張応力１５０ＭＰａを有するエッチングマスク膜９を形成する。
【０１１１】
次に、スピンコータ装置により、市販のフォトレジストを回転塗布し、ホットプレートを用いてベーク処理を行うことにより、膜厚３５０ｎｍの感光膜を形成する。次に、ステッパーを用いてマスクパターンの露光・転写を行う。
【０１１２】
はじめに各種パターンの合わせ用のマークを露光・転写する。次に、現像液により現像し、ポストベークを行い、感光膜にパターン形成する。次に、感光膜パターンをもとにエッチングを行い、エッチングマスク膜９に位置合わせ用のマークパターンを形成する。次に、感光膜を酸素プラズマアッシングにより除去する。
【０１１３】
その後、エッチングマスク膜９下のコンタクト層のみマークパターンのエッチングをＮＨ３／Ｈ２Ｏ２混合液によるＰＡ処理にて行う。その後、市販のフォトレジストを回転塗布し、ホットプレートを用いてベーク処理して、膜厚５μｍの感光膜を形成する。
【０１１４】
次に、ステッパーを用いてプロトン注入によるアイソレーション用のパターンを形成するために、露光・転写、現像液により現像する。次に、ポストベークを行い、感光膜にプロトン注入によるアイソレーションのパターンを形成する。
【０１１５】
次に、感光膜パターンをもとにエッチングを行い、エッチングマスク膜９にプロトン注入によるアイソレーション用パターンを形成する。
【０１１６】
次にイオン注入装置により、素子の外周部に加速電圧１００、２００、３００ｋＶ、ドーズ量をそれぞれ１Ｅ１５／ｃｍ２を照射し、プロトンを注入する。こうして高抵抗領域３０を形成する。
【０１１７】
このとき、深さ０．５〜２．５μｍ域に均一且つピークとして分布し、深さ約３μｍ付近まで高抵抗化されている。このとき表面から半導体活性層４までは約３μｍとした。また、レジスト形成部分(素子内部位置)は、膜厚５μｍで形成されているためレジスト膜中にプロトンは全て注入される。
【０１１８】
その後、感光膜を酸素プラズマアッシング、エッチングマスク膜９をウェットエッチングにより除去する。
【０１１９】
次に、再度、引張応力１５０ＭＰａを有するエッチングマスク膜９を形成する。次に、その膜上に市販のフォトレジストを回転塗布し、ホットプレートを用いてベーク処理し、膜厚３５０ｎｍの感光膜を形成する。次に、ステッパーを用いてコンタクトホールパターンを露光・転写する。次に、現像液により現像し、ポストベークを行い、感光膜にコンタクトホールのパターンを形成する。
【０１２０】
次に、感光膜パターンをもとにエッチングを行い、エッチングマスク膜９にコンタクトパターンを形成する。次に、感光膜を酸素プラズマアッシングにより除去する。
【０１２１】
次に、市販のフォトレジストを回転塗布し、ホットプレートを用いてベーク処理し、膜厚３５０ｎｍの感光膜を形成する。次に、ステッパーを用いて電極用パターンを露光・転写し、現像液により現像し、ポストベークを行う。こうしてｐ側コンタクト電極１１、ボンディングパッド１２、配線１１ａ、周辺配線１１ｂのパターンを形成する。
【０１２２】
次に、ｐ側コンタクト電極１１等を電子銃蒸着装置により感光膜パターン上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜を形成する。次に、リフトオフ、シンター処理により電極及び配線パターンを形成する。
【０１２３】
その後、レーザ光の窓領域１７を開口して、ＧａＡｓコンタクト層７のパターンエッチングをする。次に、市販のフォトレジストを回転塗布し、ホットプレートを用いてベーク処理し、膜厚３５０ｎｍの感光膜を形成する。次に、ステッパーを用いてメサ構造形成用の露光・転写、現像液により現像し、ポストベークを行う。次に、感光膜にメサ構造形成用パターンを形成し、感光膜パターンをもとにエッチングを行うことによって、エッチングマスク膜９にメサ構造形成用パターンを形成する。
【０１２４】
次に、エッチングマスク膜９をもとに塩素系ガスによるプラズマドライエッチングを行い、メサ構造を形成する。次に、感光膜を酸素プラズマアッシングにより除去する。
【０１２５】
次に、水蒸気雰囲気中で４００℃〜５００℃の熱処理を行い、被酸化層６ａ及び２ａを横方向に選択酸化する。こうして実施形態１と同様に、メサ構造と引張応力膜の形成により非酸化領域形状を所望の形状に制御し、半導体活性層に印加される圧縮応力を緩和する。
【０１２６】
次に、水蒸気酸化処理後、基板１を厚さ１２０μｍになるように裏面から研磨する。次に、基板１の裏面にｎ側コンタクト電極１５として、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ膜を蒸着し、シンター処理し、素子作製を完成する。
【０１２７】
本実形態により作製した面発光型半導体レーザ、配線１１ａの下層にはプロトン注入により形成された高抵抗領域が形成されていることにより、矢印１３に示すようにメサ領域外へのリーク電流は完全に阻止される。
【０１２８】
【発明の効果】
素子外部へのリーク電流を抑制し、低しきい値化、高速応答性、量産性の向上を図り、異方性酸化により生じる非酸化領域、出射ビームパターンの形状、モード制御の改善を図り、Ａｌ高濃度層を酸化するときに伴う体積収縮により発光領域へ印加される圧縮応力を緩和し、界面での亀裂や破損を抑制し、選択酸化プロセス後の熱プロセスに対しての耐性性を高め、素子の信頼性の向上、長寿命化を図ることが可能な面発光型半導体発光素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１にかかる面発光型半導体素子の構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）（ｃ）は断面図。
【図２】 本発明のメサ構造内における酸化されず残った発光領域の形状（非酸化領域）とメサエッチ領域（凹部）の上面図。
【図３】 本発明のメサ構造内における酸化されず残った発光領域の形状（非酸化領域）とメサエッチ領域（凹部）の上面図。
【図４】 本発明の実施形態２にかかる面発光型半導体素子の構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）（ｃ）は断面図。
【図５】 従来の面発光型半導体素子の構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）（ｃ）は断面図。
【図６】 従来のメサ構造内における酸化されず残った発光領域の形状（非酸化領域）とメサエッチ領域（凹部）の上面図。
【符号の説明】
１・・・基板
２・・・半導体多層膜反射鏡
３・・・クラッド層
４・・・半導体活性層
５・・・クラッド層
６・・・半導体多層膜反射鏡
７・・・コンタクト層
８・・・電流狭窄部
９・・・絶縁膜
１１・・・コンタクト電極
１１ａ・・・配線部
１１ｂ・・・周辺電極
１２・・・ボンディング電極
１５・・・コンタクト電極
１６・・・メサエッチ領域（凹部）
１７・・・発光領域
１８・・・周辺部
１９・・・引張応力を有する膜
２０・・・空洞
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光型半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザや半導体発光ダイオード等の半導体発光素子は、光通信分野をはじめとして、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）やＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）等の光ディスクシステム或いはバーコード・リーダ等に代表される民生分野及び商業分野などにおいて広く使用されている。
【０００３】
このような半導体発光素子の中で、面発光型半導体レーザは、活性層の上下に設けられた反射鏡により共振器構造を構成するもので、基板と垂直方向にレーザが出射されるものである。
【０００４】
この面発光型半導体レーザは、基板上に二次元的に多数のレーザ素子を集積化できるために、高速光ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、光インターコネクト等における光エレクトロニクス分野のキーデバイスとして大きな注目を集めている。
【０００５】
このような面発光型半導体レーザの特徴として以下のものが挙げられる。
【０００６】
例えば、端面発光型半導体レーザに比べ、しきい値が低い、消費電力が低い、発光効率が高い、高速変調が可能である、ビーム広がりが小さく光ファイバとの結合が容易である、端面へき開が不要で量産性に優れる等々多数の利点を有している。
【０００７】
これらの特徴のほかに面発光型半導体レーザは、高速の光リンク用光源として好適であり、プラスチック光ファイバと組み合わせることにより、高速光リンク用光源を低価格で実現できることが期待され研究開発が盛んに行われている。
【０００８】
このような面発光型半導体レーザでは、発光領域に効率よく電流を注入するための電流注入部が必要である。この電流注入部を形成する方法として、プロトン注入方式及び選択酸化方式が一般的に用いられている。
【０００９】
ここでは、より簡単なプロセス工程で形成可能な選択酸化方式について、説明する。
【００１０】
先ず、半導体基板上に、半導体多層膜反射鏡、クラッド層、半導体活性層、クラッド層、半導体多層膜反射鏡、コンタクト層を順次成長し、レーザウェハを作製する。このとき半導体多層膜反射鏡は、例えばＡｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓ膜／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ膜の繰り返し積層構造、また被酸化層として半導体多層膜反射鏡を構成する膜よりＡｌ組成比の大きいＡｌxＧａ1-xＡｓ（x＞０．９）膜を有している。
【００１１】
次に、エッチングによりメサを形成し、水蒸気雰囲気中で基板温度を４００℃以上に加熱する。こうすることで、半導体多層膜反射鏡を構成する半導体膜のうちＡｌ組成比が高いＡｌＧａＡｓ膜が選択的に酸化されて、ＡｌｘＯｙ膜になる。その酸化速度はＡｌ組成により著しく変化する。例えばＡｌｘＧａ１−ｘＡｓとして、ｘ＝０．９〜１とすることで、クラッド層やＧａＡｓ層にはほとんど影響を与えずに、Ａｌ高濃度層のみを選択的に酸化することができる。
【００１２】
この横方向の酸化工程によって、メサの側面から酸化が進むことによって電流狭窄部が形成され、メサの中心部に、酸化されない領域すなわち開口部が形成される。このとき、熱処理の温度と時間を適宜調整することで、Ａｌを高濃度に含む被酸化層の一部である酸化されない開口部の形状及び大きさを制御することができる。
【００１３】
図５に、このようにして形成された面発光型半導体レーザの構造を示す。図５において（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）の断面１における断面図、（ｃ）は（ａ）の断面２における断面図である。
【００１４】
図５（ｂ）（ｃ）に示すように、この面発光型半導体レーザは、半導体基板１上に、組成の異なる半導体膜が交互に積層された半導体多層膜反射鏡２、クラッド層３、半導体活性層４、クラッド層５、組成の異なる半導体膜が交互に積層された半導体多層膜反射鏡６、コンタクト層７が順次積層されている。
【００１５】
図５（ｃ）に示すように、このとき半導体多層膜反射鏡２の一部、クラッド層３、半導体活性層４、クラッド層５、半導体多層膜反射鏡６、コンタクト層７によりメサ構造を形成している。
【００１６】
図５（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、メサ構造の周りには凹部１６が形成されている。素子全体には、シリコン酸化物等の絶縁膜９が形成されている。また、メサ構造上には、発光領域１７を開口するようにコンタクト電極１１が形成されている。
【００１７】
また、このメサ構造において、半導体多層膜反射鏡２の最上層２ａ及び半導体多層膜反射鏡６の最下層６ａは、Ａｌ組成比が高い被酸化層でありメサ構造の側面から半導体活性層４の発光領域１７に向けて横方向に酸化され、電流狭窄部分８を形成している。
【００１８】
また、コンタクト電極１１は、配線１１ａを介して、外部接続電極１２と接続されている。基板１の裏面には電極１５が形成されている。
【００１９】
このような構造の面発光型半導体レーザにおいて、コンタクト電極１１と外部電極１２とを繋ぐ配線１１ａ下は、メサ形成においてエッチングされずボンディングパッド１２下と同じ構造となっている。
【００２０】
コンタクト電極１１から注入された電流は、矢印１４に示すように半導体活性層３の発光領域に流れ光を発生させる。しかしながらこの電流のうち一部は、矢印１３に示すように、配線１１ａ下に存在する半導体多層膜反射鏡６を経由してボンディングパッド１２の下側の非酸化領域から活性層３に回り込む。この電流が、リーク電流となって素子の外側へと流れるという問題がある。このリーク電流は、例えば開口の径が小さいほど大きくなる傾向がある。これは、開口の径が小さいほど素子抵抗が大きくなり、相対的に矢印１３で示すようなメサ構造の外側へ流れる電流が多くなるためである。
【００２１】
このように従来の選択酸化方式により電流狭窄部８を形成した面発光型半導体レーザでは、配線１１ａ下を流れるリーク電流の発生が避けられず、しきい値電流、素子容量の増加、高速応答性の劣化するという問題がある。
【００２２】
また、選択酸化方式により電流狭窄部を形成する方法において、Ａｌを高濃度に含むＡｌＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層（ｘ＞０．９４）を酸化する場合、＜１００＞軸に沿った面の酸化は＜１１０＞軸に沿った面よりも酸化速度が速く、面方位に対して酸化速度が異なるため、素子を上面から見た場合の電流狭窄部の形状は円状にならない。
【００２３】
図６に、円形メサ構造の側面から酸化した場合のメサ構造を示す。
【００２４】
図６（ａ）に示すように、横（ｘ）方向に酸化した被酸化層の酸化速度が縦（ｙ）方向に比べ低いために、開口部が四角形状となっていることが分かる。この開口部の形状は、酸化時間により四角形の縦横比が変化し、出射ビーム形状の制御、横モードの制御が容易ではないという問題がある。
【００２５】
一般に選択酸化方式により電流狭窄部を形成する方法により形成された面発光型半導体レーザは、酸化層と非酸化層の屈折率差が大きく強い光閉じ込め効果を有する。このため、横モードを安定化するには発光領域すなわち開口部の直径を典型的には５μｍ以下と狭くする必要がある。
【００２６】
しかしながら従来の方法では開口部（素子を上面から見た場合の電流狭窄部の形状）が制御の困難な歪な四角形状となってしまうために、その大きさについては高精度に制御することが困難となっている。更に面発光半導体レーザにおいては、偏波モードを制御するために基板として通常の（１００）面等の基板ではなく傾斜基板が多く用いられるが、このとき結晶面方位に依存した異方性酸化は傾斜角に応じて、さらに歪化し通常の円形メサ構造では図６（ｂ）に示すような開口部は菱形形状となり、所望の形状、横モード特性を得ることが更に困難になるという問題を有している。
【００２７】
また、選択酸化方式により電流狭窄部を形成する方法により形成された面発光半導体レーザにおいて、ＡｌＡｓ層、高Ａｌ濃度のＡｌＧａＡｓ層を水蒸気酸化すると、酸化される層の体積が収縮し、上下の層に歪が入るという問題がある。これは酸化物であるＡｌｘＯｙは、もとのＡｌＡｓ層、高Ａｌ濃度のＡｌＧａＡｓ層に比べ体積が３０％〜４０％程度収縮するためである。
【００２８】
したがって、酸化後、半導体活性層の特に発光領域へ圧縮応力が印加されるという問題がある。電流狭搾を効果的に行うには、電流狭窄部となる被酸化層にはある程度の厚さが必要であるが、この層が厚いほど歪が大きくなる。そしてその歪は酸化層の先端に集中するが、被酸化層は発光領域から０．２μｍといった至近距離に設けられるため、この歪が発光領域の最も電流の集中する領域に影響を与え、素子の寿命を低下するという問題がある。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、素子外部へのリーク電流を抑制し、低しきい値化、高速応答性、量産性の向上を図り、異方性酸化により生じる非酸化領域、出射ビームパターンの形状、モード制御の改善を図り、Ａｌ高濃度層を酸化するときに伴う体積収縮により発光領域へ印加される圧縮応力を緩和し、界面での亀裂や破損を抑制し、選択酸化プロセス後の熱プロセスに対しての耐性性を高め、素子の信頼性の向上、長寿命化を図ることが可能な面発光型半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、第１および第２の主面を有する基板と、
前記基板の第１の主面に形成された第１の電極と、
前記第２の主面の表面部から延びた浅部および深部とを有する凹部、周辺部、および前記凹部により囲まれて柱状に形成されるとともに前記周辺部から前記凹部により隔てられた発光領域とを具備し、この発光領域には前記第１の主面上方に形成された第１の半導体多層反射鏡面層と、この第１の半導体多層反射鏡面層の上方に形成された半導体活性層と、この半導体活性層の上方に形成された第２の半導体多層反射鏡面層と、前記半導体活性層の近傍において前記発光領域の側面から中心に向かって酸化形成された被酸化層で構成される電流路狭窄部とが設けられ、前記周辺部は前記凹部を介して前記発光領域を囲むように形成された多層構造体により構成され、
前記発光領域の上面に形成され、前記電流路狭窄部の上方に開口を有して、前記電流路狭窄部を通り前記第１の電極に至る電流路を構成する第２の電極と、
前記多層構造体の周辺部上に形成された第３の電極と、
前記凹部の浅部の上方で前記第２および第３の電極間を相互に接続する複数の導電体とを具備し前記基板の第１および第２の主面と垂直な方向に光を発することを特徴とする面発光型半導体発光素子を提供する。
【００３１】
表面電極配線パスの下層に空洞層が形成されるため、所望の電流狭窄領域内に電流は閉じ込められ、領域外へのリーク電流は抑制され、低しきい値化、高速応答性、量産性の向上が可能となる。
【００３２】
また、メサ部と周辺部の高さをほぼ等しくし、この上に形成される配線の高さをほぼ等しくしているために、配線段切れが抑制され、且つ量産性にも優れるプレーナ構造の選択酸化方式面発光レーザ素子の作製であるため、低価格で高信頼性の素子の提供が可能となる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお本発明は以下の実施の形態に限定されることなく、種々工夫して用いることが可能である。
【００４４】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１にかかる面発光型半導体発光素子の構造を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）の断面１における断面図、（ｃ）は（ａ）の断面２における断面図である。ここでは面発光型半導体レーザについて説明する。
【００４５】
この面発光型半導体レーザは、基板１上に、発光領域１７を有する半導体活性層３と、半導体活性層３を狭持し、基板１に対して垂直方向の共振器を形成する半導体活性層４に対して基板１と反対側に形成された第１の半導体多層膜反射鏡６及び半導体活性層３に対して基板１側に形成された第２の半導体多層膜反射鏡２が形成されている。半導体活性層３の両面には、半導体クラッド層３及び５が形成されている。
【００４６】
第１の半導体多層膜反射鏡６上には、コンタクト層７が形成されこれらを介して、発光領域１７に電流を注入するためのコンタクト電極１１が形成されている。コンタクト電極１１は、発光領域１７上を開口するように形成されている。
【００４７】
基板１の裏面には、電極１５が形成され、第２の半導体多層膜反射鏡２を介して、発光領域１７に電流を注入するようになっている。
【００４８】
第１の半導体多層膜反射鏡６、半導体活性層４、クラッド層３及び５は凸部形状のメサ部となっている。半導体多層膜反射鏡２の最上層２ａ及び半導体多層膜反射鏡６の最下層６ａは、その側面から発光領域１７に向かって横方向酸化されることによって電流狭窄部８を形成している。この電流狭窄部８は、発光領域１７へ電流を絞り込むためのものである。
【００４９】
第１の半導体多層膜反射鏡６及び半導体活性層３を含むメサ部の周辺には凹部１６が設けられている。この凹部によりメサ部と隔てて周辺部１８が形成されている。この周辺部もメサ構造と同じ積層構造となっている。そしてメサ部の表面とこの周辺部の表面とは、ほぼ同じ高さに形成されている。
【００５０】
周辺部１８上には、周辺電極１１ｂが形成されている。そしてコンタクト電極１１と周辺電極１１ｂとは、配線部１１ａによって繋がれている。配線部１１ａ下には、空洞２０が設けられている。符号９は、表面に形成された引張応力を有する膜で、例えばシリコン窒化膜からなる膜で、応力制御以外にもパターン形成用のエッチングマスク膜としても活用し、コンタクト電極１１と周辺電極１１ｂを繋ぐ配線部１１ａの下では、空洞２０のための橋ともなっている。
【００５１】
このような面発光型半導体レーザは、矢印１４に示すようにコンタクト電極１１から第１の半導体多層膜反射鏡６を介して発光領域１７に電流を注入することで、発光することができる。
【００５２】
このときに、コンタクト電極１１と周辺電極１１ｂを繋ぐ配線部１１ａの下層には空洞層２０が形成されるため、矢印１３で示すような電流パスは空同窓２０によって、流れることができない。したがってこの面発光型半導体レーザでは、矢印１４で示すパスによってのみ電流を流すことができ、極めて効率よく電流狭窄することができ、低しきい値化、高速応答性、量産性の向上が可能となる。
【００５３】
次に、このような面発光型半導体レーザの製造方法について、具体的に説明する。
【００５４】
先ず、洗浄された厚さ４００μｍの３インチｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＣＶＤ装置を用いてｎ型の半導体多層膜反射鏡２、被酸化層２ａ、クラッド層３、半導体活性層４、クラッド層５、被酸化層６ａ、半導体多層膜反射鏡６、コンタクト層７を形成する。
【００５５】
ここで半導体活性層４とクラッド層３及び５よりなる共振器の上下に半導体多層膜反射鏡２及び６を配置したものを基本構造としていて、６５０ｎｍ帯の赤色ＩｎＧａＡｌＰ面発光型半導体レーザとして設計及び製作を行った。
【００５６】
半導体多層膜反射鏡２はｎ型の不純物が１×１０１８／ｃｍ３導入されたＡｌＧａＡｓ系半導体多層膜反射鏡とした。クラッド層３はｎ型Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐとした。半導体活性層４は発光ピーク波長が６５０ｎｍとなるように調整されたＩｎｘＧａ１−ｘＰ／Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５）０．５Ｐからなる量子井戸構造を構成するＩｎＧａＡｌＰ層が５層形成された構造とした。クラッド層５はｐ型Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐとした。半導体多層膜反射鏡６は、ｐ型の不純物が１×１０１８／ｃｍ３導入されたＡｌＧａＡｓ系半導体多層膜反射鏡とした。
【００５７】
被酸化膜２ａは、クラッド層３直下に形成され半導体多層膜反射鏡２を構成するＡｌＧａＡｓよりＡｌ組成比の大きいＡｌxＧａ1-xＡｓ（x＞０．９８）を用いた。被酸化膜６ａは、クラッド層５直上に形成され半導体多層膜反射鏡６を構成するＡｌＧａＡｓよりＡｌ組成比の大きいＡｌxＧａ1-xＡｓ（x＞０．９８）を用いた。コンタクト層７はＧａＡｓとした。
【００５８】
ここでＡｌＧａＡｓ系の半導体多層膜反射鏡２及び６には、光学膜厚が共振波長の１／４の厚さとなるようにＡｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ層とＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層とを交互に積層した構造を用いた。
【００５９】
次に、引張応力を有する膜９を形成する。ここではＰＥＣＶＤ（ＰｌａｓｍａＥｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりＳｉ３Ｎ４膜を形成した。このとき原料ガスであるＳｉＨ４、ＮＨ３、Ｎ２の圧力、流量を調整することで膜応力を制御し、１５０ＭＰａの引張応力を有する膜として形成した。
【００６０】
この膜９の引張応力の値は、この膜１９とＧａＡｓ基板１の間で発生する熱応力σTを考慮し下記の式によって決定した。
σT = EF(αF-αS)ΔT
ただし、ここでαF, αS:薄膜、基板１の熱膨張係数、EF：薄膜のヤング率、ΔT：温度上昇
水蒸気酸化プロセス温度を４２０℃に設定した場合、ΔT ＝４００Ｋとなり、このとき、薄膜Ｓｉ３Ｎ４（EF ＝１６０ＧＰａ、αF＝２．７×１０−７／Ｋ）と基板ＧａＡｓ（αS ＝６．０×１０−６／Ｋ）では、σT ＝−１５８ＭＰａの圧縮応力が発生する。
【００６１】
従って、本実施形態では、この圧縮応力を緩和するために引張応力を有する膜９を形成し、半導体活性層４へ印加される圧縮応力を緩和し、熱耐性を高めている。一方、従来例で多く用いられているエッチングマスク膜の場合、薄膜ＳｉＯ２（EF ＝７４ＧＰａ, αF ＝０．４×１０−６／Ｋ）、基板ＧａＡｓ（αS ＝６．０×１０−６／Ｋ）では、αT ＝−１２４ＭＰａ (圧縮応力)に加え、成膜時の応力も−２００ＭＰａ程度の圧縮応力を有する膜になりやすい。従って、半導体活性層４へ印加される圧縮応力は更に大きくなり、熱耐性も弱い。
【００６２】
次に、スピンコータ装置により、市販のフォトレジストを回転塗布する。次に、ホットプレートを用いてベーク処理を行い、膜厚３５０ｎｍの感光膜を形成する。次に、ステッパーを用いてマスクパターンの露光・転写を行う。
【００６３】
この工程では、はじめに各種パターンの位置合わせ用のマークを露光・転写し、現像、ベークを行い、感光膜にパターン形成する。
【００６４】
次に、感光膜パターンをもとにエッチングを行い、応力制御されたエッチングマスク膜９に位置合わせ用のマークパターンを形成する。感光膜は酸素プラズマアッシングにより除去する。
【００６５】
その後、エッチングマスク膜９下のコンタクト層７のみマークパターンのエッチングをＮＨ３／Ｈ２Ｏ２混合液によるウェットエッチング処理にて行う。
【００６６】
その後、市販のフォトレジストを回転塗布し、ホットプレートを用いてベーク処理し、膜厚３５０ｎｍの感光膜を形成する。次に、ステッパーを用いてコンタクトホールパターンの露光・転写し、現像液により現像する。次に、ポストベークを行い、感光膜にコンタクトホールのパターンを形成する。次に、感光膜パターンをもとにエッチングを行い、エッチングマスク膜９にコンタクトパターンを形成する。次に、感光膜は酸素プラズマアッシングにより除去する。
【００６７】
同様に市販のフォトレジストを回転塗布し、ホットプレートを用いてベーク処理する。次に、膜厚３５０ｎｍの感光膜を形成し、ステッパーを用いて表面ｐ側コンタクト電極１１、ボンディングパッド１２、配線１１ａ、周辺電極１１ｂを一括してパターンを露光・転写する。次に、現像液により現像し、ポストベークを行う。こうして感光膜にｐ側コンタクト電極１１、ボンディングパッド１２、配線１１ａ、周辺電極１１ｂのパターンを形成する。
【００６８】
次に、メタル蒸着を電子銃蒸着装置により感光膜パターン上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜を形成し、リフトオフ、シンター処理によりコンタクト電極１１を形成する。
【００６９】
その後、レーザ光の窓領域の開け工程として、ＧａＡｓコンタクト層７をパターンエッチングする。その後、市販のフォトレジストを回転塗布し、ホットプレートを用いてベーク処理する。次に、膜厚３５０ｎｍの感光膜を形成し、ステッパーを用いてメサ構造形成用のパターンを露光・転写する。次に、現像液により現像し、ポストベークを行う。次に、感光膜にメサ構造形成用パターンを形成し、感光膜パターンをもとにエッチングを行う。次に、エッチングマスク膜９にメサ構造形成用パターンを形成する。
【００７０】
次にエッチングマスク膜９に形成されたパターンをもとに塩素系ガスによるプラズマドライエッチングを行い、メサ部を形成する。次に、感光膜は酸素プラズマアッシングにより除去する。
【００７１】
このときのメサ構造を形成するためのプラズマエッチングでは、図１に示すように被酸化層６ａ及び２ａの端部をメサ構造の側面に露呈するまでエッチングする。このときメサエッチ領域（凹部）が複数に分割されるようにエッチングする。
【００７２】
次に、水蒸気雰囲気中で４００℃〜５００℃の熱処理を行い、被酸化層６ａ及び２ａを横方向に選択酸化する。
【００７３】
図２（ａ）に、このときのメサ構造内における酸化されず残った発光領域の形状（非酸化領域）とメサエッチ領域（凹部）を示す。
【００７４】
本実施形態では、空洞２０の下の被酸化層６ａ及び２ａ（図１（ｃ）参照）は、被酸化層６ａ及び２ａに対して酸化されやすい（すなわち酸化速度が速い）方向に形成されている。また、その他の側面は、これに比べると酸化されにくい（すなわち酸化速度が遅い）方向となっている。
【００７５】
また、空洞２０の下の被酸化層６ａ及び２ａの側面から発光領域までの距離は長く、その他の被酸化層６及び２ａの側面から発光領域までの距離は短くなっている。すなわち被酸化層６ａ及び２ａの酸化されやすい方向では、酸化される距離が長く、酸化されにくい方向では酸化される距離が短くなるので、最終的に発光領域近傍で揃いやすくなる。この結果、開口部がより円状に近い形状となっている（比較として図６（ａ））。
【００７６】
特に、複数に分割化され対称位置に配置されたメサエッチ（凹部）１６の境界部分では内部への酸化をメサエッチ１６の内部に比べ遅くできるためであり、細分化されたメサエッチ１６の配置を工夫することで、非酸化領域３０を任意の形状に制御できる。
【００７７】
図２（ｂ）は、メサエッチ１６部分をさらに細分化した場合である。このようにさらに細分化することによって、非酸化領域３０の形状をより円形に近いようにすることが可能である。
【００７８】
また、図２（ｃ）に示すように、さらに横酸化がされ難いところのメサ構造を削りこむことによって、その側面と発光領域との距離を短く制御することによって、非酸化領域３０の形状をさらに円形に近いようにすることが可能である。
【００７９】
また、本実施形態において、偏波モードを制御するために基板１として、傾斜基板を用いてもよい。
【００８０】
図３に、このときのメサ構造における酸化されず残った発光領域（非酸化領域）の形状を示す。
【００８１】
先ず、傾斜基板の傾斜角に対しての面方位の酸化速度を求め、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すメサエッチ領域を配置したとき、所望の正方形、長方形、円の形状が得られることが示された。この方法について以下に述べる。
【００８２】
先ず、本実形態では素子中心部への電極配線が対称性を有する細いパス配線として、パス線幅１〜５μｍのパターンで行った。非酸化領域の形状制御において、所望の形状が正方形、長方形であれば、その線幅はメサ領域との接合部分では細い幅の方が、非酸化領域の形状を多角化させないためには好適である。
【００８３】
ここでは、素子の内部方向へ配線パスの線幅が小さくなるようにしている。長さｌ、ｍの長方形または正方形の非酸化形状を形成する場合、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＞０．９４）の温度T℃における＜１００＞軸に沿った面の酸化速度をa(x, T)、＜１１０＞軸に沿った面の酸化速度をb(x, T)とし、酸化進行方向におけるメサ部分の長さをそれぞれR1, R2とするとき、
R2 = m + b(x, T)×(R1-l)/a(x, T)
の関係を満たす、径R1, R2の楕円または円状のメサ構造にしたとき、所望の長さｌ、ｍの長方形または正方形の非酸化形状が形成できる。
【００８４】
また傾斜基板においては、面方位の酸化速度に応じて、分割したメサエッチ領域１６を素子中心へ近づけたり、遠ざけたりするメサエッチのパターン形状及びパターン配置にすることで、所望の非酸化領域の形状、サイズが制御できる。
【００８５】
ここでは、a(x, T)に対してf1(x,T,θ), f2(x,T,θ)で酸化速度を補正し、b(x, T)に対してf3(x,T,θ), f4(x,T,θ)酸化速度を補正すれば、
R2 = m + b(x, T)×(R1-l)/a(x, T)×(f3(x,T,θ)＋f4(x,T,θ))/(f1(x,T,θ)＋f2(x,T,θ))
の関係を満たす、径R1, R2の楕円または円状の擬似メサ構造にしたとき、所望の長さｌ、ｍの長方形または正方形の非酸化形状が形成できる。
【００８６】
また、図３（ａ）に示すように、４分割されたメサエッチ領域の場合、メサ中心点からの各メサエッチ領域までの距離をr1, r2, r3, r4として、
r1 = l/2 + f1(x,T,θ)×(R1-l) /(f1(x,T,θ)＋f2(x,T,θ))
r2 = l/2 + f2(x,T,θ)×(R1-l) /(f1(x,T,θ)＋f2(x,T,θ))
r3 = m/2 + b(x, T)×f3(x,T,θ)×(R1-l) /(f1(x,T,θ)＋f2(x,T,θ))
r4 = m/2 + b(x, T)×f4(x,T,θ)×(R1-l) /(f1(x,T,θ)＋f2(x,T,θ))
R1= r1+r2, R2 = r3 + r4
の関係を満たす楕円または円状の擬似メサ構造を形成すれば、メサ中心に所望の長さｌ、ｍの長方形または正方形の非酸化形状を形成できる。
【００８７】
次に、水蒸気酸化により電流狭窄部を形成した後、市販のフォトレジストを回転塗布し、ホットプレートを用いてベーク処理する。次に、膜厚３５０ｎｍの感光膜を形成し、ステッパーを用いてアイソレーション用の露光・転写する。次に、現像液により現像し、ポストベークを行う。次に、感光膜にアイソレーション用のパターンを形成し、感光膜パターンをもとに配線１１ａの幅１μｍ〜５μｍに対して、硫酸／過酸化水素水の混合溶液によりエッチング時間を調整し、ウェットエッチング処理を行うことによって、配線１１ａ下のＧａＡｓ（コンタクト）層７及び半導体多層膜反射鏡６がエッチング除去され、空洞２０が形成される。
【００８８】
このとき、レジストに保護されたメサ領域、配線１１ａ下でも酸化層に保護された被酸化層６ａ以下の下層域ではほとんどエッチングされない。
【００８９】
このようにして、図１に示すように、配線１１ａ下に空洞２０が形成され、メサ領域外へのリーク電流が完全に阻止されることになる。ここで、配線１１ａの線幅は、配線１１ａの下層の一部を除去し空洞２０を形成できれば良いので、線幅は特に規定されない。特に、メサ領域（素子部分）の側面をレジストで保護している場合、線幅は全く問題にならない。
【００９０】
一方、メサ領域（素子部分）の側面がレジストで保護されていない場合、メサ領域の側面においても下層のコンタクト層、半導体多層膜反射鏡２がエッチング除去され空洞２０が形成されるので、配線パスの線幅を被酸化層の酸化幅以下にして、アイソレーション処理で素子内部の非酸化領域までエッチングが進まないようにする必要がある。
【００９１】
次に、アイソレーション処理後、感光膜を酸素プラズマアッシングにより除去し、裏面を基板厚さ１２０μｍまで研磨する。次に、基板１の裏面にｎ側コンタクト電極１５としてＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ膜を蒸着し、シンター処理し、素子を完成する。
【００９２】
このようにして作製された面型半導体レーザにおいて、波長６５０ｎｍで室温連続発振が得られ、空洞２０により素子外部へのリーク電流が完全に阻止されたため、低しきい値電流発振、高速応答性の改善が見られた。
【００９３】
また、コンタクト電極１１と周辺電極１１ｂとこれらを結ぶ配線１１ａがほぼ同一レベルで形成されているので、段切れがなく、且つ量産性にも優れる面発光半導体レーザを提供できる。このため低価格で高信頼性の素子の提供が可能となる。
【００９４】
また、異方性酸化により生じる非酸化領域、出射ビームパターンの形状が改善され、所望のビームパターン形状が得られ、モード制御が容易になる。
【００９５】
更に、エッチングマスク膜として、引張応力を有する膜を形成することで、Ａｌ高濃度層の酸化に伴う体積収縮により印加される活性層、メサ構造中心部への圧縮応力は緩和され、界面での亀裂や破損が抑えられ、選択酸化プロセス後の熱プロセスに対しても耐性が高まることで、素子の信頼性の向上、長寿命化が期待できる。
【００９６】
尚、本実施例においては引張応力を有する膜として、Ｓｉ３Ｎ４膜を用いたが、その組成比としては３：４の組成に限らず、他の組成比を持つ窒化珪素膜に対しても同様の引張応力を有していればよい。また、エッチング加工性、応力制御の観点よりＳｉＮ膜が好適であるが、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ、ダイヤモンド等他の化合物、窒化膜半導体、窒化膜半導体、窒素を含有する化合物材料に対しても同様の効果がある。
【００９７】
また、応力を有する膜として、埋め込み膜や放熱用膜として形成しても同様の効果は得られる。
【００９８】
また、引張応力膜の成膜においてＰＥＣＶＤ装置を用いて行ったが、ｒｆスパッタ装置等の成膜装置を用いて行うことも可能である。
【００９９】
さらに、量子井戸活性層は、ＩｎＧａＡｌＰ系に限られず、ＡｌＧａＡｓ系やＩｎＧａＡｓＰ系など、様々な材料を用いることもできる。
【０１００】
また、クラッド層はＩｎＧａＡｌＰ系に限らずＺｎＳＳｅ系やＺｎＭｇＳＳｅ系など、様々な材料を用いることもできる。
【０１０１】
また、被酸化層が２層である場合を説明したが、単層である場合も同様な効果を得ることができる。
【０１０２】
（実施形態２）
図４は、本発明の実施形態２にかかる面発光型半導体レーザの構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）の断面１における断面図、（ｃ）は（ａ）の断面２における断面図である。
【０１０３】
本実施形態では、空洞に代えてイオン注入により配線１１ａの下に高抵抗化領域３０を形成する点が、実施形態１と異なり、他の点は実質的に同一なので同一符号についてはその詳細な説明は省略する。
【０１０４】
図４（ｂ）（ｃ）に示すように、メサ構造を除く周辺部１８及び配線部１１ａ下の層構造がイオン注入により高抵抗化して高抵抗か領域３０を形成している。こうすることで矢印１３に示すリーク電流が抑制され実施形態１と同様の効果を生じる。
【０１０５】
次に、この面発光型半導体レーザの作製方法について具体的に説明する。
【０１０６】
先ず、洗浄された厚さ４００μｍの３インチｎ型ＧａＡｓ基板上１に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて半導体多層膜反射鏡２、被酸化層２ａ、クラッド層３、半導体活性層４、クラッド層５、被酸化層６ａ、半導体多層膜反射鏡６、コンタクト層７を形成する。
【０１０７】
半導体活性層４とクラッド層３及び５よりなる共振器の上下に半導体多層膜反射鏡２及び６を配置したものを基本構造としている。また、６５０ｎｍ帯の赤色ＩｎＧａＡｌＰ系面発型半導体レーザとして設計・製作を行った。
【０１０８】
ここでは半導体多層膜反射鏡２はｎ型の不純物が１×１０１８／ｃｍ３導入されたＡｌＧａＡｓ系半導体多層膜反射鏡、クラッド層３はｎ型Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐで形成した。半導体活性層4は発光ピーク波長が６５０ｎｍとなるように調整されたＩｎｘＧａ１−ｘＰ／Ｉｎ０．５（Ｇａ０．５Ａｌ０．５）０．５Ｐからなる量子井戸構造とした。クラッド層５はｐ型Ｉｎ０．５（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５Ｐで形成した。また、半導体多層膜反射鏡６は、ｐ型の不純物が１×１０１８／ｃｍ３導入されたＡｌＧａＡｓ系半導体多層膜反射鏡を用いた。被酸化層２ａは、クラッド層３直下に形成されｎ型半導体多層膜反射鏡２を構成するＡｌＧａＡｓよりＡｌ組成比の大きいＡｌxＧａ1-xＡｓ（x＞０．９８）を用いた。比酸下層６ａは、クラッド層５直上に形成されｐ型半導体多層膜反射鏡６を構成するＡｌＧａＡｓよりＡｌ組成比の大きいＡｌxＧａ1-xＡｓ（x＞０．９８）を用いた。コンタクト層７はＧａＡｓ層を用いた。
【０１０９】
ここで、ＡｌＧａＡｓ系半導体多層膜反射鏡には、光学膜厚が共振波長の1／4の厚さとなるようにＡｌ０．９５Ｇａ０．０５ＡｓとＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓとを交互に積層した構造が用いられている。
【０１１０】
先ず、実施形態１と同様に引張応力１５０ＭＰａを有するエッチングマスク膜９を形成する。
【０１１１】
次に、スピンコータ装置により、市販のフォトレジストを回転塗布し、ホットプレートを用いてベーク処理を行うことにより、膜厚３５０ｎｍの感光膜を形成する。次に、ステッパーを用いてマスクパターンの露光・転写を行う。
【０１１２】
はじめに各種パターンの合わせ用のマークを露光・転写する。次に、現像液により現像し、ポストベークを行い、感光膜にパターン形成する。次に、感光膜パターンをもとにエッチングを行い、エッチングマスク膜９に位置合わせ用のマークパターンを形成する。次に、感光膜を酸素プラズマアッシングにより除去する。
【０１１３】
その後、エッチングマスク膜９下のコンタクト層のみマークパターンのエッチングをＮＨ３／Ｈ２Ｏ２混合液によるＰＡ処理にて行う。その後、市販のフォトレジストを回転塗布し、ホットプレートを用いてベーク処理して、膜厚５μｍの感光膜を形成する。
【０１１４】
次に、ステッパーを用いてプロトン注入によるアイソレーション用のパターンを形成するために、露光・転写、現像液により現像する。次に、ポストベークを行い、感光膜にプロトン注入によるアイソレーションのパターンを形成する。
【０１１５】
次に、感光膜パターンをもとにエッチングを行い、エッチングマスク膜９にプロトン注入によるアイソレーション用パターンを形成する。
【０１１６】
次にイオン注入装置により、素子の外周部に加速電圧１００、２００、３００ｋＶ、ドーズ量をそれぞれ１Ｅ１５／ｃｍ２を照射し、プロトンを注入する。こうして高抵抗領域３０を形成する。
【０１１７】
このとき、深さ０．５〜２．５μｍ域に均一且つピークとして分布し、深さ約３μｍ付近まで高抵抗化されている。このとき表面から半導体活性層４までは約３μｍとした。また、レジスト形成部分(素子内部位置)は、膜厚５μｍで形成されているためレジスト膜中にプロトンは全て注入される。
【０１１８】
その後、感光膜を酸素プラズマアッシング、エッチングマスク膜９をウェットエッチングにより除去する。
【０１１９】
次に、再度、引張応力１５０ＭＰａを有するエッチングマスク膜９を形成する。次に、その膜上に市販のフォトレジストを回転塗布し、ホットプレートを用いてベーク処理し、膜厚３５０ｎｍの感光膜を形成する。次に、ステッパーを用いてコンタクトホールパターンを露光・転写する。次に、現像液により現像し、ポストベークを行い、感光膜にコンタクトホールのパターンを形成する。
【０１２０】
次に、感光膜パターンをもとにエッチングを行い、エッチングマスク膜９にコンタクトパターンを形成する。次に、感光膜を酸素プラズマアッシングにより除去する。
【０１２１】
次に、市販のフォトレジストを回転塗布し、ホットプレートを用いてベーク処理し、膜厚３５０ｎｍの感光膜を形成する。次に、ステッパーを用いて電極用パターンを露光・転写し、現像液により現像し、ポストベークを行う。こうしてｐ側コンタクト電極１１、ボンディングパッド１２、配線１１ａ、周辺配線１１ｂのパターンを形成する。
【０１２２】
次に、ｐ側コンタクト電極１１等を電子銃蒸着装置により感光膜パターン上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜を形成する。次に、リフトオフ、シンター処理により電極及び配線パターンを形成する。
【０１２３】
その後、レーザ光の窓領域１７を開口して、ＧａＡｓコンタクト層７のパターンエッチングをする。次に、市販のフォトレジストを回転塗布し、ホットプレートを用いてベーク処理し、膜厚３５０ｎｍの感光膜を形成する。次に、ステッパーを用いてメサ構造形成用の露光・転写、現像液により現像し、ポストベークを行う。次に、感光膜にメサ構造形成用パターンを形成し、感光膜パターンをもとにエッチングを行うことによって、エッチングマスク膜９にメサ構造形成用パターンを形成する。
【０１２４】
次に、エッチングマスク膜９をもとに塩素系ガスによるプラズマドライエッチングを行い、メサ構造を形成する。次に、感光膜を酸素プラズマアッシングにより除去する。
【０１２５】
次に、水蒸気雰囲気中で４００℃〜５００℃の熱処理を行い、被酸化層６ａ及び２ａを横方向に選択酸化する。こうして実施形態１と同様に、メサ構造と引張応力膜の形成により非酸化領域形状を所望の形状に制御し、半導体活性層に印加される圧縮応力を緩和する。
【０１２６】
次に、水蒸気酸化処理後、基板１を厚さ１２０μｍになるように裏面から研磨する。次に、基板１の裏面にｎ側コンタクト電極１５として、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ膜を蒸着し、シンター処理し、素子作製を完成する。
【０１２７】
本実形態により作製した面発光型半導体レーザ、配線１１ａの下層にはプロトン注入により形成された高抵抗領域が形成されていることにより、矢印１３に示すようにメサ領域外へのリーク電流は完全に阻止される。
【０１２８】
【発明の効果】
素子外部へのリーク電流を抑制し、低しきい値化、高速応答性、量産性の向上を図り、異方性酸化により生じる非酸化領域、出射ビームパターンの形状、モード制御の改善を図り、Ａｌ高濃度層を酸化するときに伴う体積収縮により発光領域へ印加される圧縮応力を緩和し、界面での亀裂や破損を抑制し、選択酸化プロセス後の熱プロセスに対しての耐性性を高め、素子の信頼性の向上、長寿命化を図ることが可能な面発光型半導体発光素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１にかかる面発光型半導体素子の構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）（ｃ）は断面図。
【図２】 本発明のメサ構造内における酸化されず残った発光領域の形状（非酸化領域）とメサエッチ領域（凹部）の上面図。
【図３】 本発明のメサ構造内における酸化されず残った発光領域の形状（非酸化領域）とメサエッチ領域（凹部）の上面図。
【図４】 本発明の実施形態２にかかる面発光型半導体素子の構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）（ｃ）は断面図。
【図５】 従来の面発光型半導体素子の構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）（ｃ）は断面図。
【図６】 従来のメサ構造内における酸化されず残った発光領域の形状（非酸化領域）とメサエッチ領域（凹部）の上面図。
【符号の説明】
１・・・基板
２・・・半導体多層膜反射鏡
３・・・クラッド層
４・・・半導体活性層
５・・・クラッド層
６・・・半導体多層膜反射鏡
７・・・コンタクト層
８・・・電流狭窄部
９・・・絶縁膜
１１・・・コンタクト電極
１１ａ・・・配線部
１１ｂ・・・周辺電極
１２・・・ボンディング電極
１５・・・コンタクト電極
１６・・・メサエッチ領域（凹部）
１７・・・発光領域
１８・・・周辺部
１９・・・引張応力を有する膜
２０・・・空洞
Claims (5)
- 第１および第２の主面を有する基板と、
前記基板の第１の主面に形成された第１の電極と、
前記第２の主面の表面部から延びた浅部および深部とを有する凹部、周辺部、および前記凹部により囲まれて柱状に形成されるとともに前記周辺部から前記凹部により隔てられた発光領域とを具備し、この発光領域には前記第１の主面上方に形成された第１の半導体多層反射鏡面層と、この第１の半導体多層反射鏡面層の上方に形成された半導体活性層と、この半導体活性層の上方に形成された第２の半導体多層反射鏡面層と、前記半導体活性層の近傍において前記発光領域の側面から中心に向かって酸化形成された被酸化層で構成される電流路狭窄部と、が設けられ、前記周辺部は前記凹部を介して前記発光領域を囲むように形成された多層構造体により構成され、
前記発光領域の上面に形成され、前記電流路狭窄部の上方に開口を有して、前記電流路狭窄部を通り前記第１の電極に至る電流路を構成する第２の電極と、
前記多層構造体の周辺部上に形成された第３の電極と、
前記凹部の浅部の上方で前記第２および第３の電極間を相互に接続する複数の導電体と、を具備し前記基板の第１および第２の主面と垂直な方向に光を発することを特徴とする面発光型半導体発光素子。 - 前記多層構造体の表面部に引張応力を有する膜を更に具備することを特徴とする請求項１記載の面発光型半導体発光素子。
- 前記第１および第２の半導体多層反射鏡面層とで垂直空洞共振器を構成することを特徴とする請求項１記載の面発光型半導体発光素子。
- 前記第２の電極が前記発光領域の上面周辺部において環状に形成され、前記第３の電極が前記凹部を囲む環状領域と前記周辺部において外部接続に供するパッド領域とを有することを特徴とする請求項１記載の面発光型半導体発光素子。
- 前記凹部が前記発光領域の中心に対して対称に配置されることを特徴とする請求項１記載の面発光型半導体発光素子。
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