JP4069383B2 - 表面発光型半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents

表面発光型半導体レーザおよびその製造方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報処理や光通信の光源、あるいは光を用いてなされるデータ記憶の光源として利用される、表面発光型半導体レーザおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信や光記録等の技術分野において、表面発光型半導体レーザ（垂直共振器型面発光レーザ；Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode 以下ＶＣＳＥＬという）への関心が高まっている。
【０００３】
ＶＣＳＥＬは、しきい値電流が低く消費電力が小さい、円形の光スポットが容易に得られる、ウエハ状態での評価や光源のニ次元アレイ化が可能であるなど、優れた特徴を持つ。反面、低しきい値電流の理由ともなっている「活性領域の体積が小さい」という原理から、素子抵抗が数十から数百オームと、端面発光型半導体レーザ（数オーム）に比べ高い、素子単体で高い光出力（１０ｍＷ以上）を得るのが難しい、などのトレードオフもある。
【０００４】
光ファイバを用いた光通信は、これまで比較的中長距離（数キロから数十キロメーター）のデータ伝送に用いられていた。ここではシングルモード型光ファイバと、１．３１μｍ帯あるいは１．５５μｍ帯といったファイバ中の分散が少ない、あるいは損失が少ない波長領域で発振する分布帰還型（Distributed FeedBack 以下、ＤＦＢという）レーザとの組合せが主に用いられている。これらは幹線系と呼ばれる主に通信事業者が利用者となる関係で、消費者向けの商品に比べ生産量が少なく、高価である。また、素子の温度制御が必要だったり、光ファイバとレーザの光軸合わせに手間がかかるなど、システム自体にも低価格化を阻害する課題が多い。
【０００５】
昨今、一般家庭でもＡＤＳＬやＣＡＴＶの普及によって、従来に比べ十から百倍にも達する大容量のデータ伝送が実現され、インターネットの利用は今後ますます増大するものと予想される。それに伴いさらに高速、大容量のデータ伝送に対する要求が高まり、いずれ多くの家庭に光ファイバが引き込まれる時代が到来することは間違いない。
【０００６】
しかし、中長距離の通信に用いられるシングルモード型光ファイバとＤＦＢレーザの組み合わせでは、例えば高々数から数十メーターの一般家庭−電柱間のデータ伝送に用いるのは不経済である。こういった短距離（数から数百メーター）通信にはマルチモード型シリカファイバ、あるいはプラスティック・オプティカル・ファイバ（ＰＯＦ）といった、コストの安い光ファイバを用いるのが経済的である。したがって、これらマルチモード型光ファイバに用いられる光源は、必然的に素子それ自体が安価であることの外、特別な光学系や駆動系を必要としないことなどが求められており、これらの要件を充たす面発光レーザは有力な選択肢のひとつとなっている。
【０００７】
現在市場に流通しているＶＣＳＥＬは、構造分類的にイオン注入型と選択酸化型の２つに分けられる。しかし、今後光通信用途に高速応答性が求められるようになれば、この点で優位性を持つ後者が主流になるものと考えられる。この型のＶＣＳＥＬは、活性領域近傍の半導体多層反射膜の一部を選択的に酸化することで屈折率導波路を構成するため、強い光閉じ込め効果を有し、高効率、低しきい値電流の良好な電気光学特性が得られる。しかも応答特性は、数ミリアンペア程度の低いバイアス電流でも変調帯域（３ｄＢダウン遮断周波数）が数ギガヘルツに達し、高速変調特性に優れている。
【０００８】
屋内のネットワークであるローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）の主役はイーサネット（登録商標）で、そのデータ伝送速度は十メガビット毎秒に始まり百メガビット毎秒へと進展した。最近では一ギガビット毎秒のものが登場し始めているものの、近い将来十ギガビット毎秒へと発展することは間違いない。一ギガビット毎秒まではツイストペアケーブルを使った電気配線でも対応できたが、これ以上はノイズ耐性の観点から限界と考えられており、その後は光配線にとって代わられるものと思われる。
【０００９】
十ギガビット毎秒のイーサネット(登録商標)に用いられる光配線の光源に、ＶＣＳＥＬを採用する動きが活発化しており、開発も進められている。上述のように数ギガヘルツ程度の変調は現状でも問題ないが、さらに応答特性を十ギガヘルツ超にまで引き上げようとした場合、なんらかの施策が必要である。
【００１０】
半導体レーザの変調帯域についてはその理論的な検討が、例えば非特許文献１に示されている。変調帯域を表す指標である３ｄＢダウン遮断周波数（ｆ３ｄＢ）は、誘導性リアクタンスが無視できるほど小さい場合、式（１）で表される。
【００１１】
Figure 0004069383
【００１２】
すなわち、応答特性はＣＲ時定数に依存する。また同書には、変調帯域向上の目安となる緩和振動周波数（ｆｒ）が、レート方程式より式（２）で導かれることが示されている。
【００１３】
Figure 0004069383
【００１４】
ここで、ξは光閉じ込め係数、Ｇ’は微分利得係数、Ｐoutは光出力、ηdは外部微分量子効率、Ｖｍは共振器のモード体積、ｈはプランク定数である。すなわち緩和振動周波数は光出力の平方根に比例して増大することがわかる。
【００１５】
以上述べたように、ＶＣＳＥＬに限らず半導体レーザ素子の応答特性を向上させるのに考慮すべきポイントとして、低容量化、低抵抗化、高出力化といった項目が挙げられることがわかる。
【００１６】
こういった観点からＶＣＳＥＬの応答特性改善に好ましい構造の一例が、特許文献１に示されている。これはイントラキャビティコンタクト構造として知られ、活性層を挟んで上下に導電型の異なる２つの電極が形成され、その電極のコンタクト位置が、共振器を構成する上下の多層反射膜よりも内側にあるために、イントラキャビティコンタクトという名称で呼ばれている。
【００１７】
従来のＶＣＳＥＬは、共振器の外側（基板表面と裏面）に電極を形成する構成が多く、注入電流が多層反射膜（多くは半導体）中を経路として通過するため、この多層反射膜中に生ずるエネルギー障壁が素子抵抗の増大を招き、動作電圧が高くなる。あるいは、上下の電極が基板に平行な面内において対向するため、平行平板コンデンサを形成することになり、寄生容量を生ずる。
【００１８】
一方、特許文献１に示すようなイントラキャビティコンタクト構造においては、電流は多層反射膜の一部を通るか、あるいは全く通らず活性層へ注入されるため、多層反射膜に起因する素子抵抗の増大が抑制され、かつ電極に起因する寄生容量を排除することができる。
【００１９】
また、ＶＣＳＥＬの応答特性を向上させることを目的に、レーザ素子の寄生容量を低減する構造が、特許文献２により開示されている。このレーザ素子は、基板上に共振器を構成する上下の反射鏡と、これに挟まれた活性領域と、活性領域から見て基板と反対側に設けられた高い導電性を有する上下のコンタクト層と、このコンタクト層上にそれぞれ設けられ、上側の反射鏡から面内方向に見て両側に設けられた上部及び下部電極と、活性領域の比較的狭いチャネルに電流を注入するための開口を有する電流ガイド構造とを備える。上部電極の下側に延在した下側コンタクト層の一部分が相対的に高い抵抗を有する構造となっており、望ましい実施の形態においては、高抵抗部分はＵ字状（上方から眺めたとき）の上側コンタクト層の内側端には延在しない。すなわち、Ｕ字状の電極の内側端に沿って高い導電性の帯状領域あるいは回廊部分が残存するように、抵抗部分がパターニングされる。このため寄生容量を大幅に低減でき、素子抵抗の顕著な増加も抑制することができる、としている。さらに、上側及び下側コンタクト層が形成されてなる構造が共振器軸に対して非対称であり、上側の反射鏡から見て上部電極が設けられた側がより広く、その反対側がより狭く形成されているから、寄生容量の低減に一層の効果があるとしている。
【００２０】
また、特許文献３は、電流狭窄層をＡｌＡｓ層あるいはＡｌＧａＡｓ層の選択酸化技術を用いた面発光半導体レーザにおいて、電流狭窄層の直上で精度よくエッチングを停止させるために、上部反射鏡１０と電流狭窄層７との間に、エッチング停止層１２としてリン系の化合物半導体材料あるいはそれを少なくとも１層は含む半導体多層膜を導入する技術を開示する。エッチング停止層１２を用いることで電流狭窄層の直上で精度よくエッチングを停止させ、歩留まりを向上させるものである。
【００２１】
【特許文献１】
米国特許第５３４３４８７号明細書
【特許文献２】
特開２００１−１３５８９０号公報
【特許文献３】
特開平１１−１４５５６０号
【非特許文献１】
伊賀健一編著、「半導体レーザ」、オーム出版、１９９０年
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１および特許文献２に示す２つの構造は、いずれも製造工程に高度な半導体技術を要求するため、再現性に乏しく、実用的な素子構造とは言えない。特に、特許文献２に開示された方法は、酸素、フッ素、あるいはヘリウムといったイオン注入を前提とする利得導波路を有する構造となっており、発光効率が低く、また、イオン注入の深さの制御の困難さから特性ばらつきを生じやすい。また、特許文献３に示す構造は、いわゆるイントラキャビティコンタクト構造ではないため、各電極から上部反射鏡および下部反射鏡に至るまでの抵抗を抑制することができない。このように、従来の面発光型半導体レーザでは、高効率、低しきい値電流という優れた特性を示す選択酸化型ＶＣＳＥＬの特徴を活かしながら、低容量、低抵抗、高出力を実現し、十ギガヘルツを超える変調特性を示す素子を、再現性良く、かつ容易に作製できる構造は実現されていない。
【００２３】
従って本発明の目的は、従来技術の課題を解決し、低容量、低抵抗、高出力の要件を同時に満足することが可能な選択酸化型ＶＣＳＥＬを提供することにある。
さらに本発明の目的は、改良されたイントラキャビティコンタクト構造を再現性良く、かつ高歩留まりで製造することが可能な表面発光型半導体レーザおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る表面発光型半導体レーザは、半導体基板の主面に、活性層を挟んで上部および下部反射膜が形成され、上部反射膜の一部に、その周縁部が酸化された層を備え、かつ、下部反射膜の活性層に近接する層がアルミニウム・ガリウム・インジウム・リン系材料からなることを特徴とする。
【００２５】
また、下部反射膜の活性層に近接する層がガリウム・インジウム・リンからなり、下部反射膜の活性層に近接する層上に第１の電極が形成され、上部反射膜上に第２の電極が形成されていることを特徴としている。第１の電極は、下部反射鏡の内側においてコンタクトを取るイントラキャビティ構造となり、低抵抗化が図られる。
【００２６】
アルミニウム・ガリウム・インジウム・リン系材料は特定の組成比を有する場合、ガリウム・ヒ素に格子整合するアルミニウム・ガリウム・ヒ素系材料と格子整合することが知られており、三者の間でエピタキシャル成長が可能である。また、アルミニウム・ガリウム・インジウム・リン系材料とアルミニウム・ガリウム・ヒ素系材料との間では、選択性エッチングが容易である、という製造工程上の利点を有する。さらに、アルミニウム・ガリウム・インジウム・リン系材料の中でも特に、アルミニウムを含まないガリウム・インジウム・リンは、熱的に安定で酸化しにくく、また、オーミックコンタクトが取りやすい、という電流注入型の素子として好ましい性質を有する。
【００２７】
本発明では、下部反射膜の最上層をガリウム・インジウム・リンとして、この上にｎ側電極を形成し、一方、上部反射膜の最下層をアルミニウム・ガリウム・ヒ素として、この層を酸化させて電流狭窄部とし、さらに、上部反射膜の上方にはガリウム・ヒ素が積層されており、この上にｐ側電極を形成することができる。
【００２８】
このような構成を取ることで、イントラキャビティコンタクト構造でありながら製造工程の容易な、高速応答性に優れた選択酸化型ＶＣＳＥＬが得られる。
【００２９】
さらに本発明は、下部反射膜の最上層がアルミニウム・ガリウム・ヒ素系材料からなり、下部反射膜の最上層の下方にはガリウム・インジウム・リン層が積層され、上部反射膜の下方にはガリウム・ヒ素層が積層され、ガリウム・インジウム・リン層上に第１の電極が形成され、ガリウム・ヒ素層上に第２の電極が形成されるものでもよい。
【００３０】
アルミニウム・ガリウム・ヒ素系材料の中でも特に、アルミニウムを含まないガリウム・ヒ素は、熱的に安定で酸化しにくく、また、オーミックコンタクトが取りやすい、という電流注入型の素子として好ましい性質を有する。
【００３１】
本発明では、下部反射膜の最上層をアルミニウム・ガリウム・ヒ素として、この層を酸化させて電流狭窄部とし、この層の下方にはガリウム・インジウム・リンが積層されており、この上にｎ側電極を形成し、さらに、上部反射膜の下方にはガリウム・ヒ素が積層されており、この上に円環上のｐ側電極を形成するようにしてもよい。
【００３２】
このような構成を取ることで、製造工程の再現性が高く、さらに高速応答性に優れた、選択酸化型ＶＣＳＥＬが得られる。
【００３３】
以上説明してきたように本発明によれば、選択酸化型ＶＣＳＥＬの高効率、低しきい値電流の特性を維持しながら、イントラキャビティコンタクト構造の良好な高速応答性を兼ね備え、特性ばらつきが少なく、再現性の高い素子構造を実現することができる。
【００３４】
本発明に係る表面発光型半導体レーザは、基板と、前記基板上に形成される第１の半導体多層反射膜と、前記第１の半導体多層反射膜上に形成される、少なくともガリウム・インジウム・リンを含む半導体導電層と、前記半導体導電層上に形成される活性領域と、前記活性領域上に形成される第２の半導体多層反射膜と、前記活性領域と前記第２の半導体多層反射膜との間に形成され、周縁部に酸化領域を含む電流狭窄層と、前記第１の半導体多層反射膜側に形成される第１の電極と、前記第２の半導体多層反射膜側に形成される第２の電極とを有し、前記半導体導電層をエッチング停止層に利用して前記第２の半導体多層反射膜から前記半導体導電層まで延在するメサが形成され、前記電流狭窄層は前記メサ内に配置され、前記メサの底部において前記第１の電極は、絶縁膜の開口を介して前記半導体導電層に電気的に接続され、前記第２の電極は、前記第２の半導体反射膜上の絶縁膜の開口を介して前記第２の半導体多層反射膜に電気的に接続され、第２の電極にはレーザ光を出射するための開口が形成され、前記第１および第２の半導体多層反射膜は、アルミニウム・ガリウム・ヒ素を含むものである。
【００３５】
好ましくは、第２の半導体多層反射膜から第１の半導体多層反射膜の半導体導電層まで延在する円柱状若しくは角柱状のメサあるいはポスト構造が形成され、メサの底部において第１の電極と半導体導電層とが電気的に接続される。半導体導電層は、好ましくはメサ形成の際に、エッチング停止層として機能すると共に、第１の電極と接続され、イントラキャビティ構造を提供する。
【００３６】
好ましくは半導体導電層は、アルミニウムを含むものであっても良く、例えば、アルミニウム・ガリウム・インジウム・リン（ＡｌＧａＩｎＰ）である。第１および第２の半導体多層反射膜は、好ましくはアルミニウム・ガリウム・ヒ素（ＡｌＧａＡｓ）から形成される。このとき、半導体導電層と半導体多層反射膜とのエッチングの選択比が１０倍以上となり、この値は、メサエッチングの際のエッチング停止層として好ましい。
【００３７】
第２の半導体多層反射膜上に第２導電型のコンタクト層が形成され、第２の電極がコンタクト層と電気的に接続されるものであってもよい。また、活性領域は、量子井戸層およびスペーサ層を含むものであってもよい。電流狭窄層は、好ましくはＡｌＡｓあるいはＡｌＧａＡｓからなる。
【００３８】
また、本発明に係る表面発光型半導体レーザは、基板と、前記基板上に形成され、他の反射膜とのエッチング選択比が異なる半導体導電層を含む第１の半導体多層反射膜と、前記第１の半導体多層反射膜上に形成される活性領域と、前記活性領域上に形成される下部半導体多層反射膜と、前記第１の半導体多層反射膜と前記第２の半導体多層反射膜との間に形成され、周縁部に酸化領域を含む電流狭窄層と、前記第１の半導体多層反射膜側に形成される第１の電極と、前記第２の半導体多層反射膜側に形成される第２の電極とを有し、前記第１の電極は、前記第１の半導体多層反射膜の前記半導体導電層と電気的に接続されるものである。他の反射膜とのエッチング選択比が異なり、すなわち、他の反射膜とのエッチング選択比が大きな半導体導電層を含ませることで、その層をエッチング停止層として利用することで、選択酸化型のメサあるいはポスト構造を再現性よく形成することができる。
【００３９】
また、本発明に係る表面発光型半導体レーザは、基板と、前記基板上に形成され、少なくともガリウム・インジウム・リンを含む第１の半導体導電層を含む第１の反射鏡と、前記第１の反射鏡上に形成される活性領域と、前記活性領域上に形成される第２の反射鏡と、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間に形成され、その周縁部に酸化領域を含む電流狭窄層と、前記第１の反射鏡の前記第１の半導体導電層と電気的に接続される第１の電極と、前記活性領域と前記第２の反射鏡との間に配される第２の半導体導電層と電気的に接続される第２の電極とを有するものである。これにより、第１、第２の電極ともに、第１、第２の反射鏡の内部あるいは内側にコンタクトを有することとなり、双方の電極に対してイントラキャビティコンタクト構造を形成することができる。
【００４０】
好ましくは、第２の反射鏡は、誘電体多層反射膜であることができる。誘電体多層反射膜を用いることで、半導体多層反射膜よりも少ない層数で、所望の反射率（好ましくは９９％以上）を得ることができる。
【００４１】
また、本発明に係る表面発光型半導体レーザの製造方法は、基板上に、少なくともガリウム・インジウム・リンを含む半導体層を有する第１の半導体多層反射膜と、第２の半導体多層反射膜と、前記第１、第２の半導体多層反射膜の間の活性領域および電流狭窄層とを含む複数の半導体層を積層するステップと、前記第１の半導体多層反射膜の前記少なくともガリウム・インジウム・リンを含む半導体層が露出するまで前記複数の半導体層をエッチングして、前記基板上にメサを形成するステップと、前記メサに含まれる電流狭窄層の周縁部を、前記メサの側面から酸化させるステップと、前記メサを含む基板上に絶縁膜を形成するステップと、前記メサの底部において前記絶縁膜に開口を形成し、該開口を介して前記少なくともガリウム・インジウム・リンを含む半導体層と電気的に接続される電極を形成するステップを含む。ガリウム・インジウム・リンを含む半導体層をメサ形成の際のエッチング停止層として利用することで、メサを再現性よく形成することができるとともに、当該半導体層をイントラキャビティのコンタクトとして利用することができる。
【００４２】
また、本発明に係る表面発光型半導体レーザの製造方法は、基板上に、少なくともガリウム・インジウム・リンを含む半導体層を有する第１のミラーと、コンタクト層と、前記第１のミラーと前記コンタクト層の間の活性領域および電流狭窄層とを含む複数の半導体層を積層するステップと、前記第１のミラーの前記少なくともガリウム・インジウム・リンを含む半導体層が露出するまで前記複数の半導体層をエッチングして、前記基板上にメサを形成するステップと、前記メサに含まれる電流狭窄層の周縁部を、前記メサの側面から酸化させるステップと、前記メサの頂部に第２のミラーを形成する、ステップを含む。
【００４３】
好ましくは製造方法はさらに、前記メサの底部において、前記少なくともガリウム・インジウム・リンを含む半導体層と電気的に接続される第１の電極を形成するステップと、前記メサの頂部において前記コンタクト層と電気的に接続される第２の電極を形成するステップとを含む。好ましくは、第２のミラーは、誘電体多層反射膜を含む。これにより、第１、第２の電極において、第１のミラーおよび第２のミラーの内部あるいは内側にイントラキャビティコンタクト構造を形成することができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施形態を図面を参照して説明する。図１は第１の実施の形態に係るＶＣＳＥＬの構成を示し、同図（ａ）はその断面図、同図（ｂ）は模式的な斜視図である。但し、同図（ｂ）は、ｎ側電極１０およびｐ側電極９の一部を省略している。また、以下の説明では、材料名の表記を化学記号（元素記号、若しくは化学式）を用いる。
【００４５】
図１に示すように、表面発光型半導体レーザ１００は、ＧａＡｓ基板１上に、下部多層反射膜２、ＧａＩｎＰコンタクト層３、スペーサ層４、活性層５、ＡｌＡｓ層６、上部多層反射膜７を積層する。ＡｌＡｓ層６は、その周縁部において酸化された酸化領域６ａを含み、電流狭窄層として機能する。上部多層反射膜７は、その最上層にｐ型のコンタクト層７ａを含み、コンタクト層７ａからスペーサ層４に至るまで円柱状のメサ（あるいはポスト構造）１０１が形成される。メサ１０１の側壁および周縁部は絶縁膜８によって覆われ、その頂部において上部（p側）電極９がコンタクトホール(開口)８ｂを介してコンタクト層７ａに電気的に接続される。上部電極９は、中央に開口が形成されたドーナツ形状を有し、その開口がレーザの出射領域１１を形成する。ｎ側電極１０は、メサ１０１の底部において、絶縁膜８に形成されたコンタクトホール（開口）８ａを介してＧａＩｎＰコンタクト層３に電気的に接続され、ＧａＩｎＰ層３の直上にスペーサ層４が位置される。
【００４６】
下部多層反射膜２および上部多層反射膜７は、それぞれ反射率の異なる反射膜を複数の周期で積層する。本例では、それらの反射膜は、ＡｌＧａＡｓ系材料によって形成される。ＧａＩｎＰ層３は、図１に示すように、下部多層反射膜２の最上層に形成されているが、これ以外にも、下部多層反射膜２の一部としてその内部に形成されるものであっても良い。また、上部多層反射膜７は、コンタクト層７ａを含んでいるが、必ずしもコンタクト層７ａを用いなくともよい。
【００４７】
図１に示すレーザ素子の構造は、基板に垂直な方向においてｎ側電極１０が共振器（下部多層反射膜２）構造の中ほどに位置するため、イントラキャビティコンタクト構造となっている。これにより、下部多層反射膜２が実質的に電流経路として利用されないため、低抵抗、低容量の素子特性を実現することができる。
【００４８】
ｎ側電極１０とコンタクトする半導体層がいかなる材料であるかは、レーザ素子の再現性、あるいは特性の向上を図る上で重要である。なぜなら、電極と半導体層との接触はオーミックコンタクトであることが望ましいが、半導体材料は熱的に変成を受けやすく、場合によっては室温大気中でも酸化が進行し、オーミックコンタクトを取ることが難しくなるからである。
【００４９】
本実施の態様に係るレーザ素子構造では、ｎ側電極１０とコンタクトする半導体層をＧａＩｎＰ層３としている。ＧａＩｎＰは、基板１に用いられるＧａＡｓに格子整合するためエピタキシャル成長が可能な材料だが、酸化しやすいアルミニウムを全く含まないため熱的に安定で、オーミックコンタクトが取り易いという特質を有する。
【００５０】
本構造では、エピタキシャル成長を上部多層反射膜７まで1回の成長で行う。ｎ側電極１０を形成するには、少なくともＧａＩｎＰ層３が露出するまでその上層（上部多層反射膜７、ＡｌＡｓ層６、活性層５およびスペーサ層４）を、発光領域となるメサ部分を残してエッチング除去しなければならないが、ＧａＩｎＰ層３と上層を構成するＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料系との間では、エッチング選択比が優に１：１０を超えるため、選択的なエッチングが可能となる。このため、メサ１０１の形成時に、ＧａＩｎＰ層３が露出するまでエッチングすることにより、精度よく、再現性のあるメサ構造を容易形成することができる。
【００５１】
図１に示すようなイントラキャビティコンタクト構造は、ＧａＩｎＰ層３を用いる以外にも、ＧａＡｓ層あるいはＡｌＧａＡｓ層を用いて電極とのコンタクトを取ることは可能である。しかし、ＧａＡｓあるいはＡｌＧａＡｓを用いた場合、両者の半導体材料としての性質は類似しているため、メサ形成の際に、エッチングされる各半導体層間のエッチング選択比を十分にとることができない。このため、通常は、エッチングの時間を制御してメサを形成しているが、この方法の場合には、エッチングによるバラツキが生じ、所望の層を一様に表出させることは困難である。また、下部多層反射膜に、Ａｌの含有率が異なる２種類のＡｌＧａＡｓを積層した場合、エッチングむらのため、部分的にＡｌの含有率が高いＡｌＧａＡｓ層が露出することは避けられず、この層は酸化し易いことから、安定的にオーミックコンタクトを得るのが難しくなる。これに対して、ｎ側電極１０とコンタクトする半導体層をＧａＩｎＰ層３とすることでこれらの問題は解消され、レーザ素子の歩留りが飛躍的に改善される。
【００５２】
イントラキャビティコンタクト構造においては、基板の垂直方向に対して、活性領域の近傍に電極とコンタクトする半導体層（本実施の態様ではＧａＩｎＰ層３）を配置することになる。ＧａＩｎＰは、発振波長が７００ｎｍよりも長いレーザ光に対しては透明であることから、これらの波長域では不要な吸収がなく、この点でも最適な材料選択となる。
【００５３】
図２は、本発明の第２の実施の形態に係るＶＣＳＥＬの構成を示す図であり、同図（ａ）はその断面図、同図（ｂ）は模式的な斜視図である。但し、同図（ｂ）は、ｎ側電極１０およびｐ側電極９の一部を省略している。また、図１と同一構成については、同一参照番号を付してある。
【００５４】
第２の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザ１１０は、ＧａＡｓ基板１上に、下部多層反射膜２、その下部多層反射膜２の最上層に形成されるＧａＩｎＰ層３、電流狭窄層６、活性層５を含むスペーサ層４、ＧａＡｓコンタクト層２１、上部多層反射膜２２とを含む。ＧａＡｓコンタクト層２１から電流狭窄層６に至るまで角柱状のメサまたはポスト１１１が形成され、メサ１１１の側壁および底部は層間絶縁膜８によって覆われている。p側電極９は、層間絶縁膜８のコンタクトホール８ｂを介してＧａＡｓコンタクト層２１に電気的に接続され、ｎ側電極１０は、メサ１１１の底部において、電流狭窄層（ＡｌＡｓ）層６と下部多層反射膜２の間に積層されたＧａＩｎＰ層３とコンタクトホール８ａを介して電気的に接続されている。
【００５５】
第１の実施形態では、上部多層反射膜７を電流経路の一部として利用していたが、第２の実施形態では、下部多層反射膜２に加えて、上部多層反射膜２２をも電流経路としない。このため、スペーサ層４の上方にはｐ側電極９とコンタクトするＧａＡｓ層２１が積層され、さらにその上方に上部多層反射膜２２が形成されている。
【００５６】
第２の実施の形態によるレーザ素子構造では、上部多層反射膜２２が電流経路とならないため、この部位は特に半導体層である必要はなく、少ない層数でも容易に高い反射率が得られる誘電体多層反射膜を使用することができる。
【００５７】
また、ＧａＡｓ基板１からＧａＡｓコンタクト層２１までを1回のエピタキシャル成長で行い、しかる後に、少なくともＧａＩｎＰ層３が露出するまでその上層（スペーサ層４、活性層５、ＡｌＡｓ層６）を、発光領域となる部分を残してエッチング除去し、メサ構造を形成する。
【００５８】
ｎ側電極１０とコンタクトする半導体層をＧａＩｎＰ層３とすることで、両者の安定的なオーミックコンタクトを得ることができ、素子特性のばらつきが改善されることは第１の実施形態の例と同じである。一方、第２の実施形態では、ｐ側電極９が、スペーサ層４の上方に配置されたＧａＡｓ層２１にコンタクトすることにより、多層膜界面に生ずるヘテロ障壁のため素子抵抗の増大要因となっている上部多層反射膜２２が電流経路からはずされ、スペーサ層４を挟む上下の領域間で電流注入が行われるようにイントラキャビティコンタクト構造が形成される。
【００５９】
スペーサ層４の上方のｐ側電極９とコンタクトする半導体層を、ＧａＩｎＰ層とすることも可能だが、ＧａＩｎＰ層をエッチングする際に用いられる反応性ガスあるいはエッチャントは、下方に位置するスペーサ層を構成するＡｌＧａＡｓ層をも触刻する材料が多く、後者のエッチング速度を大幅に低下させるようなエッチング選択比を持たせることは容易ではない。したがってp側電極９とコンタクトする半導体層をＧａＡｓ層２１、ｎ側電極１０とコンタクトする半導体層をＧａＩｎＰ層３とすることは、製造工程上の容易さから好ましい選択である。
【００６０】
次に、図面を参照しながら上記第１、第２の実施の形態に係るＶＣＳＥＬについてさらに詳しく説明する。図３（ａ）ないし（ｃ）は、図１に示すＶＣＳＥＬの製造工程を詳しく説明するための工程断面図である。図３（ａ）に示すように、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、半絶縁性ＧａＡｓ基板１の（１００）面上に、アンドープのＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層とアンドープのＡｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層との複数層積層体よりなる下部多層反射膜２と、ｎ型のＧａＩｎＰ層３と、アンドープのＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層よりなるスペーサ層４と、アンドープのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層よりなる障壁層とアンドープのＧａＡｓ層よりなる量子井戸層との積層体よりなる活性層５と、ｐ型のＡｌＡｓ層６と、p型のＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層とｐ型のＡｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層との複数層積層体よりなる上部多層反射膜７とを、順次積層する。
【００６１】
下部多層反射膜２は、アンドープのＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層とアンドープのＡｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層との複数層積層体よりなるが、各層の厚さはλ／４ｎｒ（但し、λは発振波長、ｎｒは媒質中の光学屈折率）に相当し、混晶比の異なる層を交互に３６．５周期積層してある。
【００６２】
ｎ型のＧａＩｎＰ層３は、後述する第２の電極とコンタクトを取るため挿入されており、ｎ型不純物として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。
【００６３】
活性層５は、アンドープのＧａＡｓ層よりなる厚さ８ｎｍの量子井戸活性層とアンドープのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層よりなる厚さ５ｎｍの障壁層とを交互に積層した積層体（但し、外層は障壁層）が、アンドープのＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層よりなるスペーサ層４の中央部に配置され、量子井戸活性層と障壁層とを含むスペーサ層の膜厚がλ／ｎｒの整数倍となるよう設計されている。このような構成の活性層５から波長８５０ｎｍの放射光を得る。
【００６４】
上部多層反射膜７はp型のＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層とp型のＡｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層との複数層積層体よりなる複数積層体である。各層の厚さは下部多層反射膜２と同様にλ／４ｎｒであり、混晶比の異なる層を交互に２２周期積層してあるが、この周期数は下方に設けたＡｌＡｓ層６、および後述する最上層に設けたＧａＡｓ層を加えた数である。ただし、ＡｌＡｓ層６に関しては膜厚λ／４ｎｒを構成する材料がすべてＡｌＡｓからなる必然性はなく、反対にＡｌＡｓ層が必要以上に厚いと光学的散乱損失が増えるといった問題を生じる場合もあるので、ここではＡｌＡｓ層６は厚さ３０ｎｍとして、残りの部分はＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓとした。p型不純物として炭素をドーピングした後のキャリア濃度は４×１０18ｃｍ-3である。
【００６５】
上部多層反射膜７の周期数（層数）を下部多層反射膜２のそれよりも少なくしてある理由は、反射率に差を設けて発振光を基板上面より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ため、上部多層反射膜７中には、Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓの層とＡｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓの層との間に、その中間のアルミニウム組成比を有する中間層を介在させることができる。
【００６６】
上部多層反射膜７の最上層は、厚さ２０ｎｍのp型ＧａＡｓ層として、後述するp側電極９とコンタクト性の向上を図った。p型不純物として亜鉛をドーピングした後のキャリア濃度は１×１０19ｃｍ-3である。
【００６７】
次に、レーザ基板を成長室から取り出し、基板上にフォトレジスト工程によりＳｉＯ２のマスクパターンを形成する。ＳｉＯ２をマスクにして、図３（ｂ）に示すように、円柱状のポストまたはメサ１０１を形成するためのエッチング加工をする。上部多層反射膜７、ＡｌＡｓ層６、活性層を含むスペーサ層４の異方性エッチングが行われるが、エッチャントは、例えば、硫酸過酸化水素水溶液を用いて行われる。このとき、ＡｌＧａＡｓとＧａＩｎＰとのエッチングの選択比は１０倍以上となる。このエッチングの選択比を利用して、ＧａＩｎＰ層３に到達すると一意的にエッチングを止めることができる。つまり、急激にエッチングレートが低下するためである。これによりメサ（ポスト）側面にスペーサ層４の上方に位置するＡｌＡｓ層６が露出される。ＡｌＡｓ層６は、後段の酸化工程において変成し、その周縁部に酸化領域６ａが形成され、電流狭窄部兼光閉じ込め領域となる。
【００６８】
ここでレーザ基板を、窒素をキャリアガス（流量：２リットル／分）とする３５０℃の水蒸気雰囲気に３０分間晒す。上部多層反射膜７の一部を構成するＡｌＡｓ層６は、同じくその一部を構成するＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層やＡｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層に比べ著しく酸化速度が速い。図３（ｃ）に示すように、ポスト１０１内の一部である活性層５の直上部分のＡｌＡｓ層６が、ポストの側面から酸化を開始され、最終的にポスト形状を反映した酸化領域６ａが形成される。酸化領域６ａは、導電性が低下し電流狭窄部となるが、同時に周囲の半導体層に比べ光学屈折率が半分程度（〜１．６）である関係から、光閉じ込め領域としても機能する。酸化されずに残った非酸化領域は電流注入部となる。
【００６９】
その後、露出したポスト側面を含む基板上面に絶縁膜を着膜し、ポスト底部および頂部にコンタクトホール８ａ、８ｂを形成して層間絶縁膜８とする。
【００７０】
つづいて、図１(ａ)に示すように、コンタクトホール８ａを介してＧａＩｎＰ層３と電気的な接触を得るようポスト底部にｎ側電極１０がパターン形成され、またポスト頂部にp側電極９がパターン形成される。ｐ側電極９については、中央部に光出射のための開口１１が形成される。以上の工程を経て、図１に示す第１の実施の形態に係るＶＣＳＥＬを得る。なお、ｎ側電極１０とコンタクトする半導体層であるＧａＩｎＰ層３は基板全面に広がり、ほぼｎ側電極１０と同電位である。したがってこれと対になるp側電極９との間で容量性リアクタンスを生じやすい。これを最小限にとどめるため、ＧａＩｎＰ層３は活性層５への電流注入に必要な領域を除いて、その周囲との間で電気的に分離されていることが望ましい。活性層５への電流注入のため必要な領域とは、ポスト下方とｎ側電極１０とを繋ぐ部分に他ならないから、この領域を除いて半絶縁性ＧａＡｓ基板１、若しくは下部多層反射膜２に達するエッチング溝の形成、あるいはプロトン注入を行って、ＧａＩｎＰ層３を孤立させる方法が考えられる。
【００７１】
ところで、ｎ型のＧａＩｎＰ層３を下部多層反射膜２の一部としてその内部に形成する場合、ＧａＩｎＰ層３よりも上層にある下部多層反射膜２の一部は電流経路となる関係上、ｎ型にドーピングされている必要がある。また、下部多層反射膜２は実質的に電流経路として利用されないため、実施例ではアンドープとしたが、たとえドーピングしてあったとしても特性の良否はともかく、素子の動作になんら影響を与えないから、本発明は下部多層反射膜２が導電性のないアンドープの積層膜であることに限定されるものではない。
【００７２】
図４（ａ）ないし（ｃ）は、図２に示す第２の実施形態に係るＶＣＳＥＬの製造工程を詳しく説明するための工程断面図である。図４（ａ）に示すように、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、半絶縁性ＧａＡｓ基板１の（１００）面上に、アンドープのＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層とアンドープのＡｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層との複数層積層体よりなる下部多層反射膜２と、n型のＧａＩｎＰ層３と、ｎ型のＡｌＡｓ層６と、アンドープのＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層よりなるスペーサ層４と、アンドープのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層よりなる障壁層とアンドープのＧａＡｓ層よりなる量子井戸層との積層体よりなる活性層５と、p型のＧａＡｓ層よりなるコンタクト層２１とを、順次積層する。以下各半導体層の構成で、前述の第1の形態と同一の部分は詳細説明を省略する。
【００７３】
ｎ型のＡｌＡｓ層６は厚さ３０ｎｍ、p型不純物として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。
【００７４】
ｐ型のＧａＡｓ層よるなるコンタクト層２１は厚さ２０ｎｍ、ｐ型不純物として亜鉛をドーピングした後のキャリア濃度は、１×１０19ｃｍ-3である。
【００７５】
レーザ基板を成長室から取り出し、図４(ｂ)に示すように、積層体を角柱状のポストまたはメサ１１１に加工する。ここでは三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）および塩素をエッチングガスとする反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を利用することができる。この時、エッチングの深さは、第1の実施例と同様に選択性エッチングであり、エッチングがＧａＩｎＰ層３に到達すると一意的にエッチングが停止される。本例では、ＧａＩｎＰ層３の層上にＡｌＡｓ層６が積層されており、このメサ形成のエッチングによりその側面が露出される。
【００７６】
ここでレーザ基板に対して、第1の実施例と同様の酸化工程が施され、ポスト側面に露出したＡｌＡｓ層６を酸化して、電流狭窄部兼光閉じ込め領域６ａを形成する。
【００７７】
引き続き、図４(ｃ)に示すように、ポスト１１１の頂部に上部多層反射膜２２を形成する。但し、この工程は後段で述べる電極形成工程と前後しても構わない。p型のＧａＡｓよりなるコンタクト層２１上に、ＴｉＯ２層とＳｉＯ２ 層との複数層積層体よりなる誘電体多層膜を堆積させ、リフトオフ法を用いてポスト頂部の基板平面中央付近に上部多層反射膜１２を形成する。各層の厚さは、下部多層反射膜２と同様にλ／４ｎｒであり、組成の異なる２層を交互に１０周期積層してある。上部多層反射膜２２は、少なくとも光が出射する基板平面中央付近を覆っていれば良く、また、電極形成工程をこの着膜工程よりも後に行う場合は、ｐ側およびｎ側の各電極とコンタクトする半導体層が露出されるように開口を設ける必要がある。
【００７８】
次に、ＧａＡｓ層２１と電気的な接触を得るようポスト頂部に円環状若しくは半円環状のp側電極９を、ＧａＩｎＰ層３と電気的な接触を得るようポスト底部にｎ側電極１０を、各々形成し、図２に示す第２の実施の形態に係るＶＣＳＥＬを得る。
【００７９】
第１の実施例においては上部、下部いずれの多層反射膜２、７も半導体、第２の実施例においては下部が半導体、上部が誘電体からなる場合について述べたが、これに限定されることなく、これと異なる組み合わせでも動作原理を逸脱しない範囲で同様の効果を得ることができる。
【００８０】
第１および第２の実施例においては、いずれも活性層５を挟んで基板から遠い側をp型とし、近い側をn型としたが、これに限定されることなく、導電型を反対にすることも可能である。
【００８１】
第１および第２の実施例においては、出射光を基板上面側から取り出す構造についてを述べたが、これに限定されることなく、基板で吸収のない波長域のレーザ光を得る場合は、基板裏面側から取り出す構造とすることも可能である。その場合、基板裏面に凹部を形成するようにしても良い。
【００８２】
第1および第２の実施例においては、量子井戸層を構成する材料として、ＧａＡｓを用いたが、本発明はこの材料に限定されるものではなく、例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、あるいはＧａＩｎＮＡｓ等の他の材料を用いることも可能である。
【００８３】
第1および第２の実施例においては、下部多層反射膜２の上層をＧａＩｎＰ層としたが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、例えば、アルミニウムを少量含むＡｌＧａＩｎＰ層とすることも可能である。
【００８４】
さらに、第1および第２の実施例においては、酸化工程を経て電流狭窄兼光閉じ込め領域となる層６にＡｌＡｓを用いたが、本発明はこの方法に限定されることなく、ガリウムを少量含むＡｌＧａＡｓ層とすることも可能である。この層の挿入位置についても、第1の実施例ではスペーサ層の上方、第２の実施例ではスペーサ層の下方としたが、作製の容易さから適宜選択すれば良く、少なくともいずれか一方に挿入されていることが望ましい。
【００８５】
以上本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００８６】
【発明の効果】
本発明によれば、少なくともガリウム・インジウム・リンを含む半導体導電層を、第１の半導体多層反射膜の一部に、あるいは、その層上に形成し、この半導体導電層と第１の電極とを電気的に接続させることにより、高効率、低しきい値電流という優れた特性を示す選択酸化型ＶＣＳＥＬの特徴を活かしながら、低容量、低抵抗、高出力を実現し、十ギガヘルツを超える変調特性を示す素子を、高い再現性で安定的に得られる。さらに、素子の再現性を良くすることで、表面発光型半導体レーザの歩留まりも向上させ、低コストの表面発光型半導体レーザを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの断面図、図１（ｂ）はその模式的な斜視図である。
【図２】 図２（ａ）は、第２の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの断面図、図２（ｂ）はその模式的な斜視図である。
【図３】 図３(ａ)ないし（ｃ）は、第１の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの製造工程を説明するための工程断面図である。
【図４】 図４(ａ)ないし（ｃ）は、第２の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの製造工程を説明するための工程断面図である。
【符号の説明】
１ ＧａＡｓ基板
２ 下部多層反射膜
３ ＧａＩｎＰコンタクト層（下部多層反射膜の一部）
４ スペーサ層
５ 量子井戸層を含む活性層
６ ＡｌＡｓ層（上部多層反射膜の一部）
６ａ 酸化領域
７ 上部多層反射膜
８ 層間絶縁膜
８ａ、８ｂ コンタクトホール
９ 上部（ｐ側）電極
１０ 下部（ｎ側）電極
２１ ＧａＡｓコンタクト層
２２ 誘電体からなる上部多層反射膜
１０１、１１１ メサ（ポスト）

Claims (8)

  1. 基板と、
    前記基板上に形成される第１の半導体多層反射膜と、
    前記第１の半導体多層反射膜上に形成される、少なくともガリウム・インジウム・リンを含む半導体導電層と、
    前記半導体導電層上に形成される活性領域と、
    前記活性領域上に形成される第２の半導体多層反射膜と、
    前記活性領域と前記第２の半導体多層反射膜との間に形成され、周縁部に酸化領域を含む電流狭窄層と、
    前記第１の半導体多層反射膜側に形成される第１の電極と、
    前記第２の半導体多層反射膜側に形成される第２の電極とを有し、
    前記半導体導電層をエッチング停止層に利用して前記第２の半導体多層反射膜から前記半導体導電層まで延在するメサが形成され、
    前記電流狭窄層は前記メサ内に配置され、
    前記メサの底部において前記第１の電極は、絶縁膜の開口を介して前記半導体導電層に電気的に接続され、
    前記第２の電極は、前記第２の半導体反射膜上の絶縁膜の開口を介して前記第２の半導体多層反射膜に電気的に接続され、第２の電極にはレーザ光を出射するための開口が形成され、
    前記第１および第２の半導体多層反射膜は、アルミニウム・ガリウム・ヒ素を含む、
    表面発光型半導体レーザ。
  2. 前記半導体導電層は、アルミニウムを含む、請求項１に記載の表面発光型半導体レーザ。
  3. 前記第１の半導体多層反射膜は、第１の導電型を有し、前記第２の半導体多層反射膜は第２の導電型を有する、請求項１または２に記載の表面発光型半導体レーザ。
  4. 前記第２の半導体多層反射膜上に第２導電型のコンタクト層が形成され、前記第２の電極が前記コンタクト層と電気的に接続される、請求項３に記載の表面発光型半導体レーザ。
  5. 前記第２の電極の開口から出射されるレーザ光の波長は、約８５０ｎｍである、請求項１ないし５いずれか１つに記載の表面発光型半導体レーザ。
  6. 基板上に、少なくともガリウム・インジウム・リンを含む半導体導電層を有しかつアルミニウム・ガリウム・ヒ素を含む第１の半導体多層反射膜、第１の半導体多層膜上に形成される活性領域、活性領域上に形成される電流狭窄層、および電流狭窄層上に形成されかつアルミニウム・ガリウム・ヒ素を含む第２の半導体多層反射膜を有する複数の半導体層を積層し、
    前記第１の半導体多層反射膜の前記少なくともガリウム・インジウム・リンを含む半導体導電層をエッチング停止層として前記半導体導電層が露出するまで前記複数の半導体層をエッチングして、前記基板上にメサを形成し、
    前記メサに含まれる電流狭窄層の周縁部を、前記メサの側面から酸化させ、
    前記メサを含む基板上に絶縁膜を形成し、
    前記メサの底部において前記絶縁膜に開口を形成し、該開口を介して前記少なくともガリウム・インジウム・リンを含む半導体導電層と電気的に接続される第１の電極を形成し、かつ前記メサの頂部において前記絶縁膜に開口を形成し、該開口を介して前記第２の半導体多層反射膜に電気的に接続される第２の電極を形成するステップを含む、表面発光型半導体レーザの製造方法。
  7. 前記製造方法はさらに、前記第２の半導体多層反射膜上にコンタクト層を形成するステップを含む、請求項６に記載の表面発光型半導体レーザの製造方法。
  8. 前記少なくともガリウム・インジウム・リンを含む半導体導電層は、ＡｌＧａＩｎＰ層である、請求項６に記載の表面発光型半導体レーザの製造方法。
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