JP4124017B2 - 面発光型半導体レーザ素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光型半導体レーザ素子の製造方法に関し、更に詳細には、面内均一性に優れた構造の電流狭窄層を備えた面発光型半導体レーザ素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
面発光型半導体レーザ素子は、基板上に化合物半導体層の多層膜からなる一対の反射鏡と、反射鏡の間に設けられた活性層（発光層）とを備え、基板に対して直交する方向にレーザ光を出射する半導体レーザ素子であって、実装上の利点が大きいので、研究、開発が盛んに行われている。
面発光型半導体レーザ素子では、注入電流−光出力効率を高めるために、電極から注入された電流の流路を狭窄して活性層の発光領域に電流を強制的に集中して注入する電流狭窄構造が設けられている。なかでも、高Ａｌ含有層を酸化したＡｌ酸化層からなる酸化狭窄型の電流狭窄層が、形成の容易性から注目されている。
【０００３】
例えば、特開２００１−２８４７２７号公報は、単一横モードで、真円に近いビーム形状のレーザ光を効率良く出射する面発光型半導体レーザ素子の構成を提案している（図２）。
【０００４】
ここで、特開２００１−２８４７２７号公報を参照しつつ、図４により従来の一般的な酸化狭窄型の電流狭窄構造を有する面発光型半導体レーザ素子の構成を説明する。図４は従来の一般的な酸化狭窄型の電流狭窄構造を有する面発光型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
従来の面発光型半導体レーザ素子１０は、図４に示すように、ｎ型半導体基板１２上に、ｎ型化合物半導体層の多層膜からなる下部反射鏡１４、下部クラッド層１６、活性層１８、上部クラッド層２０、ｐ型化合物半導体層の多層膜からなる上部反射鏡２２、及びｐ型コンタクト層２４の積層構造を備えている。
【０００５】
積層構造のうち、コンタクト層２４、上部反射鏡２２、上部クラッド層２０、活性層１８、下部クラッド層１６、及び下部反射鏡１４の極く上部は、メサポスト２６として形成されている。
また、ｐ型コンタクト層２４上にはｐ側電極２８が、ｎ型半導体基板１２の裏面にはｎ側電極３０が設けてあり、メサポスト２６の側面及びメサポスト脇の下部反射鏡１４上には、絶縁膜３２が成膜されている。
【０００６】
上部反射鏡２２中の活性層１８に近い層には、上部反射鏡２２を構成する化合物半導体層に代えて、電流狭窄層３４が形成されている。電流狭窄層３４は、中央領域に存在する高Ａｌ含有層３４Ａと、高Ａｌ含有層３４Ａを取り囲むメサポスト２６の外周に沿って環状に形成されたＡｌ酸化層３４Ｂとから構成されている。
【０００７】
Ａｌ酸化層３４Ｂは、例えばＡｌＡｓ層、高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成＞０．９５）層などの高Ａｌ含有層を選択的に酸化してなるＡｌＯx 層であって、電気抵抗の高い電流狭窄領域を構成しており、高Ａｌ含有層３４Ａは、未酸化のＡｌＡｓ層または高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成＞０．９５）層であって、Ａｌ酸化層３４Ｂに比べて電気抵抗が低く、電流注入領域を構成している。
以上の構成により、ｐ側電極２８からｎ側電極３０に向けて注入された電流は電流狭窄領域３４Ｂで絞られて電流注入領域３４Ａを通り活性層１８の発光領域に局所的に集中して流入し、活性層１８中にキャリアの反転分布を生じさせ、レーザ発振を起こすことが出来る。
【０００８】
面発光型半導体レーザ素子１０を製造する際には、先ず、ｎ型半導体基板１２上に、下部反射鏡１４、下部クラッド層１６、活性層１８、上部クラッド層２０、高Ａｌ含有層を含む上部反射鏡２２、及びｐ型コンタクト層２４の積層構造を形成し、次いで積層構造をエッチングしてメサポスト２６を形成する。
次いで、メサポスト２６を形成した積層構造を水蒸気雰囲気の電気炉中に送入し、４００℃程度に加熱することによりメサポスト２６の外周から内方に高Ａｌ含有層を酸化して、環状のＡｌ酸化層３４Ｂを形成すると共に中央領域に未酸化の高Ａｌ含有層３４Ａを残して電流注入領域にする。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−２８４７２７号公報（第５頁、図１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＡｌＡｓ層等の高Ａｌ含有層は、酸化されてなくても、本来的に電気抵抗が大きいので、面発光型半導体レーザ素子のデバイス抵抗を決める上で、未酸化の高Ａｌ含有層（電流注入領域）の面積を所定の面積に制御する必要がある。
従って、電流注入領域の面積を所定の面積に制御するため、Ａｌ酸化層の酸化幅、つまりメサポストの外周に沿った環状酸化膜の酸化幅を制御することが必要になる。また、面発光型半導体レーザ素子の出射光の横モードを制御する上でも、Ａｌ酸化層の酸化幅の制御は必須である。
【００１１】
ＡｌＡｓ層等の高Ａｌ含有層を酸化する際には、上述のように、化合物半導体層の積層構造をエッチングしてエアポスト型のメサポストを形成し、メサポストの側面から内方に高Ａｌ含有層の水蒸気酸化反応を進行させている。
しかし、従来の方法では、反応時間の時間制御により酸化幅の制御を行っているので、酸化幅の繰り返し再現性や面内均一性は必ずしも満足できるものではなく、通常、酸化幅の繰り返し再現性が±１μｍ程度、また面内分布も±１μｍ程度であった。
デバイス抵抗値や横モード制御のためには、通常、数μｍ〜十数μｍの範囲の所定値に酸化幅を設定する必要があるものの、酸化幅の繰り返し再現性が±１μｍ程度であり、また面内分布が±１μｍ程度であるために、正確な酸化幅を有する電流狭窄領域、つまり所定の面積の電流注入領域を有する電流狭窄層を形成することは難しかった。
これでは、面発光型半導体レーザ素子のレーザ特性がばらついて、製品歩留りの向上が難しい。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、繰り返し再現性及び制御性の良好な構成の酸化狭窄型電流狭窄層を備えた面発光型半導体レーザ素子の製造方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、繰り返し再現性及び制御性の良好な構成の酸化狭窄型電流狭窄層を実現するための研究の過程で、ＡｌＡｓ層の水蒸気酸化反応の酸化速度とＡｌＡｓ層の膜厚との関係に注目した。
そして、ＡｌＡｓ層の水蒸気酸化反応の酸化速度は、図５に示すように、ＡｌＡｓ層の膜厚に依存し、ＡｌＡｓ層の膜厚が４０ｎｍより薄くなると急激に遅くなることに着目した。図５はＡｌＡｓ層の膜厚（ｎｍ）を横軸に、ＡｌＡｓ層の膜厚７０ｎｍとしたときのＡｌＡｓ層の酸化速度を１として規格化したＡｌＡｓ層の酸化速度を縦軸に示している。四角形に付した数字は規格化されたＡｌＡｓ層の酸化速度を示している。
そして、本発明者は、以下に説明するように、ＡｌＡｓ層の膜厚が４０ｎｍ程度であることと、及び図５から判るように、膜厚４０ｎｍを境にしてＡｌＡｓ層の酸化速度が急激に変化することにより、電流狭窄層の酸化幅のばらつきが生じることを見い出した。
【００１４】
通常、ＡｌＡｓ層の膜厚は、水蒸気酸化の際のＡｌ酸化層の体積膨張に起因するストレスの発生を抑制してメサ剥がれを防止するために、４０ｎｍ以下の膜厚にすることが必要である。しかし、良好な膜厚面内均一性で４０ｎｍ以下の薄膜のＡｌＡｓ層を成膜することが技術的に難しいために、ＡｌＡｓ層の膜厚の面内均一性が悪い。
そのために、ＡｌＡｓ層の膜厚に依存するＡｌＡｓ層の酸化速度の面内均一性が悪くなり、しかも、膜厚４０ｎｍを境にしてＡｌＡｓ層の酸化速度が急激に変化することにより、良好な酸化幅の面内均一性でＡｌＡｓ層を酸化することが難しい。その結果、面発光型半導体レーザ素子のデバイス特性がばらつき、製造歩留りの向上が難しい。
【００１５】
ところで、ＡｌＡｓ層やＡｌＧａＡｓ層等の高Ａｌ含有層の水蒸気酸化反応の酸化速度は、膜厚と共に高Ａｌ含有層の不純物濃度にも大きく影響を受ける。例えば、高Ａｌ含有層に注入されている不純物がｎ型のドーパントのＳｉやＳｅであると、不純物濃度が高いほど高Ａｌ含有層の酸化速度は遅くなり、逆に、高Ａｌ含有層に注入されている不純物がｐ型ドーパントのＺｎであると、不純物濃度が高いほど酸化速度は速くなる傾向を示す。
【００１６】
そして、通常のＭＯＣＶＤ法の成長条件下では、（１００）面に対して微傾斜している微傾斜基板上の高Ａｌ含有層に取り込まれる、ＳｉやＳｅ等のｎ型ドーパントの量、或いはＺｎ等のｐ型ドーパントの量は、（１００）面上の高Ａｌ含有層に取り込まれる量に比べて、少ない傾向がある。
一方、段差部を介して下段部上に（１００）面を上面とする上段部を有する段差基板上に高Ａｌ含有層をエピタキシャル成長させると、段差部は（１００）面に対して微傾斜しているので、段差部に成長する結晶の成長方向は（１００）面に対して微傾斜する。
従って、段差基板上に高Ａｌ含有層を成長させながら不純物を注入すると、段差部に成長する高Ａｌ含有層の結晶は、上段部上の平らな（１００）面に成長する高Ａｌ含有層の結晶に比べて不純物濃度が低くなる。
【００１７】
例えば、段差基板上に高Ａｌ含有層を成長させる際、成長中の高Ａｌ含有層に微量のｎ型不純物を注入すると、不純物濃度は
（上段部上の（１００）面に成長する高Ａｌ含有層のｎ型不純物濃度）
＞（段差部上に成長する高Ａｌ含有層のｎ型不純物濃度）
となる。
【００１８】
よって、高Ａｌ含有層を水蒸気酸化すると、上段部の（１００）面に成長した高Ａｌ含有層のｎ型不純物濃度が段差部の傾斜層上に成長した高Ａｌ含有層のｎ型不純物濃度より高いので、水蒸気酸化の酸化速度は、
（上段部上の（１００）面に成長する高Ａｌ含有層の酸化速度）
＜（段差部に成長する高Ａｌ含有層の酸化速度）
となる。つまり、段差部に成長する高Ａｌ含有層の酸化速度が、上段部の（１００）面に成長する高Ａｌ含有層の酸化速度に比べて速い。
【００１９】
そこで、高Ａｌ含有層の成膜に際してｎ型不純物を注入し、上段部の（１００）面上の高Ａｌ含有層を電流注入領域とし、段差部上の高Ａｌ含有層を酸化してＡｌ酸化層からなる電流狭窄領域とすれば、段差部上の高Ａｌ含有層が比較的速やかに酸化されて、上段部上の高Ａｌ含有層まで酸化が進行したとき、酸化速度が突如遅くなる。よって、高Ａｌ含有層の酸化の進行が自律的に抑制され、酸化反応の時間的制御に対するマージンが増大する。
これにより、ウエハ面内の高Ａｌ含有層の膜厚分布が多少悪くても、高Ａｌ含有層の酸化の時間制御が容易になるので、従来に比べて、Ａｌ酸化層の酸化幅を格段に良好な面内均一性で制御することができる。
【００２０】
そこで、本発明者は、以下のようにして、電流狭窄層の酸化幅を制御することを考えた。
先ず、図６に示すように、（１００）面を主面とするＧａＡｓ基板をエッチングして、電流狭窄層の電流狭窄径（電流注入領域の径）と同じ大きさで段差が数μｍ〜サブμｍ程度の上段部３６ａと、段差部３６ｂを介して上段部３６ａを環状に取り巻く下段部３６ｃとを有する段差基板３６を形成する。
次いで、段差基板３６上に高Ａｌ含有層を有する積層構造を形成する。高Ａｌ含有層の成膜に際し、成膜中の高Ａｌ含有層にｎ型不純物を注入して段差部３６ｂの高Ａｌ含有層と上段部３６ａの（１００）面上の高Ａｌ含有層との間にｎ型不純物の濃度差を設ける。
これにより、段差部の高Ａｌ含有層と上段部の高Ａｌ含有層の酸化速度の間に酸化反応の反応速度差を生じさせ、Ａｌ酸化層の酸化幅を制御する。
【００２１】
本発明者は、フォトリソグラフィ処理とエッチング加工により段差基板を形成することにより、段差部形成の繰り返し再現性が高くなること、従ってＡｌ酸化層の酸化幅の繰り返し再現性を±０．１μｍ程度に向上させることができることを実験で確認し、本発明を発明するに到った。
【００２２】
上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係る面発光型半導体レーザ素子の製造方法は、下部反射鏡、発光層、及び電流狭窄層を有する上部反射鏡を基板上に備える面発光型半導体レーザ素子の製造方法において、
（１００）面を主面とする基板をエッチングして、電流狭窄層の電流注入領域と同じ形状で同じ大きさの（１００）面を上面に有する上段部と、段差部と、（１００）面を有し、段差部を介して上段部を取り囲む環状の下段部とを有する段差基板を形成する工程と、
段差基板上に、順次、下部反射鏡、発光層、及び高Ａｌ含有層を有する上部反射鏡を構成する化合物半導体層をエピタキシャル成長させ、段差基板の上段部上及び下段部上では平坦層として、段差部上では平坦層に連続する傾斜層として成長した、各化合物半導体層の積層構造を形成する工程と
を備え、高Ａｌ含有層を成長させる際にはｎ型不純物を注入し、
更に、形成した積層構造のうち上部反射鏡、発光層、及び下部反射鏡の極く上部をエッチングしてメサポストを形成する工程と、
上部反射鏡の高Ａｌ含有層を水蒸気酸化して、メサポストの側面から内方に延在する環状のＡｌ酸化層を形成すると共に、段差基板の上段部上に対応する中央領域に未酸化の状態で高Ａｌ含有層を残留させる工程と
を有することを特徴としている。
【００２３】
積層構造の形成工程では、成長中の高Ａｌ含有層中にｎ型不純物を注入する際、上段部上に平坦層として成長する高Ａｌ含有層のｎ型不純物の不純物濃度が、段差部上に傾斜層として成長する高Ａｌ含有層のｎ型不純物の不純物濃度より高くなる。
【００２４】
本発明方法では、電流狭窄領域形成層である高Ａｌ含有層の成膜に際してｎ型不純物を注入し、高Ａｌ含有層の酸化反応速度がｎ型不純物濃度に依存していることを利用して、上段部上の高Ａｌ含有層の酸化の進行を自律的に制御している。
更に説明すると、高Ａｌ含有層の成膜に際してｎ型不純物を注入すると、段差部上の高Ａｌ含有層のｎ型不純物濃度は上段部上の高Ａｌ含有層のｎ型不純物濃度より低くなるので、段差部上の高Ａｌ含有層の酸化反応速度は上段部上の高Ａｌ含有層の酸化反応速度より速くなる。
従って、段差部上の高Ａｌ含有層が比較的速やかに酸化されて、上段部上の高Ａｌ含有層まで酸化が進行したとき、酸化速度が突如遅くなる。よって、高Ａｌ含有層の酸化の進行が自律的に抑制され、酸化反応の時間的制御に対するマージンが増大する。
結果的に、上段部上の高Ａｌ含有層の酸化の時間制御が容易になるので、ウエハ面内の高Ａｌ含有層の膜厚分布が多少悪くても、従来に比べて、上段部の外側のＡｌ酸化層の酸化幅を格段に良好な面内均一性で制御することができる。
よって、上段部（１００）面上の高Ａｌ含有層を電流注入領域とし、段差部上のＡｌ酸化層を電流狭窄領域とすることにより、制御された電流注入領域を有する電流狭窄層を形成することができる。
また、フォトリソグラフィ処理とエッチング加工により段差基板を形成することにより、段差部形成の繰り返し再現性が高くなり、従ってＡｌ酸化層の酸化幅の繰り返し再現性を±０．１μｍ程度に向上させることができる。
【００２５】
本発明により製造された面発光型半導体レーザ素子は、上段部と、段差部と、段差部を介して上段部の周りに上段部より低い下段部とを有する段差基板上に、下部反射鏡、発光層、及び電流狭窄層を有する上部反射鏡を備える面発光型半導体レーザ素子であって、電流狭窄層は、段差基板の上段部の平面形状と同じ形状で、かつ同じ大きさの未酸化の高Ａｌ含有層からなる電流注入領域を段差基板の上段部の上方に有し、かつ電流注入領域の周りに高Ａｌ含有層を酸化した環状のＡｌ酸化層を電流狭窄領域として有し、高Ａｌ含有層は、ｎ型不純物が１×１０ １７ ｃｍ −３ 以上１×１０ １８ ｃｍ −３ 以下の不純物濃度で注入されている。
【００２６】
この面発光型レーザ素子では、電流狭窄領域形成層である高Ａｌ含有層の成膜に際してｎ型不純物を注入し、高Ａｌ含有層の酸化反応速度がｎ型不純物濃度に依存していることを利用して、上段部上の高Ａｌ含有層の酸化の進行を自律的に制御している。
更に説明すると、高Ａｌ含有層の成膜に際してｎ型不純物を注入すると、上段部上の例えば（１００）面上の高Ａｌ含有層のｎ型不純物濃度は、段差部上の高Ａｌ含有層のｎ型不純物濃度より高くなる。従って、高Ａｌ含有層の水蒸気酸化に際し、上段部上の高Ａｌ含有層の酸化反応速度が段差部上の高Ａｌ含有層の酸化反応速度より遅くなるので、段差部上の高Ａｌ含有層が比較的速やかに酸化されて、上段部上の高Ａｌ含有層まで酸化が進行したとき、酸化速度が突如遅くなる。結果的に、上段部上の高Ａｌ含有層の酸化の進行が自律的に抑制され、反応時間の時間的制御のマージンが増大する。
これにより、上段部上の高Ａｌ含有層の酸化の時間制御が容易になるので、ウエハ面内の高Ａｌ含有層の膜厚分布が多少悪くても、従来に比べて、上段部の外側のＡｌ酸化層の酸化幅を格段に良好な面内均一性で制御することができる。
よって、上段部上の例えば（１００）面上の高Ａｌ含有層を電流注入領域とし、段差部上のＡｌ酸化層を電流狭窄領域とすることにより、制御された電流注入領域を有する電流狭窄層を形成することができる。
【００２７】
本発明で製造される面発光型レーザ素子の好適な実施態様では、段差基板の上段部は、段差部を介して下段部上０．１μｍ以上５μｍ以下の高さにある。また、上段部及び下段部が、それぞれ、上面として（１００）面を有する。これにより、積層構造を構成する各化合物半導体層は、段差基板の上段部上及び下段部上では平坦層として、段差部上では平坦層に連続する傾斜層として成長する。本発明では、具体的には、段差基板がＧａＡｓ基板であって、高Ａｌ含有層がＡｌ ｘ Ｇａ （１−ｘ） Ａｓ層（１≧ｘ＞０．９５）である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照して、実施形態例に基づいて本発明をより詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示した導電型、膜種、膜厚、成膜方法、その他寸法等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、本発明はこれら例示に限定されるものではない。
面発光型半導体レーザ素子の実施形態例
本実施形態例は本発明に係る面発光型半導体レーザ素子の実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子４０は、ｎ型ＧａＡｓ段差基板４２上に、下部反射鏡４４、膜厚１００ｎｍのノンドープＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ下部クラッド層４６、活性層４８、膜厚１００ｎｍのノンドープＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ上部クラッド層５０、上部反射鏡５２、及び不純物濃度が１×１０19／ｃｍ3 以上のｐ型ＧａＡｓコンタクト層５４の積層構造を備えている。
【００２９】
ｎ型ＧａＡｓ段差基板４２は、直径が１０μｍの円形（１００）面上段部４２ａと、高さ１μｍの段差部４２ｂと、段差部４２ｂを介して上段部４２ａを取り囲む環状の（１００）面下段部４２ｃとから構成されている。
このため、段差基板４２上にエピタキシャル成長させた各化合物半導体層は、それぞれ、図１に示すように、上段部４２ａ上及び下段部４２ｃ上に成長した平坦層と、平坦層に連続して段差部４２ｂ上に成長した傾斜層とになる。
【００３０】
活性層４８は、膜厚１０ｎｍのノンドープＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ光ガイド層と、膜厚７ｎｍのノンドープＧａＡｓ層及び膜厚５ｎｍのノンドープＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層からなる３重の多重量子井戸構造と、膜厚１０ｎｍのノンドープＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ光ガイド層とから構成されている。
【００３１】
下部反射鏡４４は、ｎ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層とｎ型Ａｌ0.92Ｇａ0.08Ａｓ層のペアであって、かつＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層とＡｌ0.92Ｇａ0.08Ａｓ層の間にはＡｌ組成が０．２から０．９２に増大する膜厚１００Åの中間層を有する構成の複数ペアの多層膜として形成され、各層のｎ型不純物濃度は約２×１０18／ｃｍ3 である。
上部反射鏡５２は、ｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層とｐ型Ａｌ0.92Ｇａ0.08Ａｓ層のペアであって、かつＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層とＡｌ0.92Ｇａ0.08Ａｓ層の間にはＡｌ組成が０．２から０．９２に増大する膜厚１００Åの中間層を有する構成の複数ペアの多層膜として形成され、各層のｐ型不純物濃度は約２×１０18／ｃｍ3 である。
【００３２】
積層構造のうち、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５４、上部反射鏡５２、上部クラッド層５０、活性層４８、下部クラッド層４６、及び下部反射鏡４４の極く上部は、メサポスト５６として形成されている。
また、ｐ型コンタクト層５４上にはｐ側電極５８、ｎ型ＧａＡｓ段差基板４２の裏面にはｎ側電極６０が設けてあり、メサポスト５６の側面及びメサポスト脇の下部反射鏡４４上には、絶縁膜６２が成膜されている。
【００３３】
また、上部反射鏡５２では、上部クラッド層５０から上方に２ペアを介した位置に、上部反射鏡５２を構成するＡｌＧａＡｓ層に代えて電流狭窄層６４が設けられている。
電流狭窄層６４は、上部反射鏡５２を構成するＡｌＧａＡｓ層に代えて成膜された膜厚３０ｎｍのＡｌＡｓ層を水蒸気酸化した際に中央に残留させた未酸化のＡｌＡｓ層６４Ａと、ＡｌＡｓ層６４の外側にあってメサポスト５６の側面から内方にＡｌＡｓ層を水蒸気酸化してなる環状のＡｌ酸化層６４Ｂとから構成されている。また、ＡｌＡｓ層の成膜の際には、ｎ型不純物として例えばＳｉが不純物濃度１×１０18ｃｍ-3で注入されている。
未酸化のＡｌＡｓ層６４Ａは、直径がＧａＡｓ段差基板４２の上段部４２ａの直径に等しい円形領域であって、電流注入領域として機能する。また、Ａｌ酸化層６４Ｂは電気抵抗の高い電流狭窄領域として機能する。
【００３４】
本実施形態例では、ＧａＡｓ段差基板４２上に電流狭窄層６４としてＡｌＡｓ層を成長させ、成長中にｎ型不純物としてＳｉを注入している。これにより、段差部４２ｂ上のＡｌＡｓ層と上段部４２ａ上のＡｌＡｓ層との間でｎ型の不純物濃度が異なり、上段部４２ａ上のＡｌＡｓ層の不純物濃度が段差部４２ｂ上のＡｌＡｓ層の不純物濃度より大きい。
従って、上段部４２ａ上のＡｌＡｓ層の酸化速度が段差部４２ｂ上のＡｌＡｓ層の酸化速度に比べて遅くなるので、酸化反応が上段部４２ａ上のＡｌＡｓ層に到達したとき、酸化反応があたかも停止したようになり、上段部４２ａ上のＡｌＡｓ層の酸化の進行が自律的に抑制される。従って、酸化反応の時間的制御が容易になる。
よって、ＡｌＡｓ層の酸化反応を時間制御することにより、上段部４２ａ上の円形のＡｌＡｓ層を正確な形状、面積で未酸化の状態に維持することができる。これにより、酸化幅の面内均一性を高めることができる。
そこで、上段部４２ａのＡｌＡｓ層６４Ａを電流注入領域とし、段差部４２ｂ上のＡｌ酸化層６４Ｂを電流狭窄領域とすることにより、制御された電流注入領域を有する電流狭窄層が形成される。
【００３５】
面発光型半導体レーザ素子の製造方法の実施形態例
本実施形態例は本発明に係る面発光型半導体レーザ素子の製造方法を実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の製造に適用した実施形態の一例である。図２（ａ）から（ｃ）及び図３（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、本実施形態例の方法に従って面発光型半導体レーザ素子を製造する際の各工程を説明する基板断面図である。
本実施形態例では、先ず、図２（ａ）に示すように、（１００）面を主面とすｎ型ＧａＡｓ基板６６上に直径１０μｍの円形パターンを有するエッチングマスク６８を形成する。
次いで、エッチングマスク６８を使ったドライエッチング法によりｎ型ＧａＡｓ基板６６をエッチングして、図２（ｂ）に示すように、直径が１０μｍの円形（１００）面上段部４２ａと、高さ１μｍの段差部４２ｂと、段差部４２ｂを介して上段部４２ａを取り囲む環状の（１００）面下段部４２ｃとを有するｎ型ＧａＡｓ段差基板４２を形成する。
【００３６】
次に、ｎ型ＧａＡｓ段差基板４２上に、ＭＯＣＶＤ法により、順次、下部反射鏡４４、膜厚１００ｎｍのノンドープＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ下部クラッド層４６、活性層４８、膜厚１００ｎｍのノンドープＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ上部クラッド層５０、上部反射鏡５２、及び不純物濃度が１×１０19／ｃｍ3 以上のｐ型ＧａＡｓコンタクト層５４を成長させて、図２（ｃ）に示すように、積層構造７０を形成する。
本実施形態例では、段差基板４２上に各化合物半導体層をエピタキシャル成長させているので、図２（ｃ）に示すように、上段部４２ａ上及び下段部４２ｃ上では平坦層として成長し、段差部４２ｂ上では平坦層に連続する傾斜層として成長する。
【００３７】
下部反射鏡４４の形成では、ｎ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層とｎ型Ａｌ0.92Ｇａ0.08Ａｓ層のペアであって、かつＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層とＡｌ0.92Ｇａ0.08Ａｓ層の間にはＡｌ組成が０．２から０．９２に増大する膜厚１００Åの中間層を有する構成の複数ペアの多層膜をエピタキシャル成長させる。また、各層のｎ型不純物濃度は約２×１０18／ｃｍ3 とする。
活性層４８の形成では、下部クラッド層４６上に、順次、膜厚１０ｎｍのノンドープＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ光ガイド層、膜厚７ｎｍのノンドープＧａＡｓ層及び膜厚５ｎｍのノンドープＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層とからなる３重の多重量子井戸構造、及び膜厚１０ｎｍのノンドープＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ光ガイド層をエピタキシャル成長させる。
【００３８】
上部反射鏡５２の形成では、ｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層とｐ型Ａｌ0.92Ｇａ0.08Ａｓ層のペアであって、かつＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層とＡｌ0.92Ｇａ0.08Ａｓ層の間にはＡｌ組成が０．２から０．９２に増大する膜厚１００Åの中間層を有する構成の複数ペアの多層膜をエピタキシャル成長させる。また、各層のｐ型不純物濃度は約２×１０18／ｃｍ3 とする。
また、上部反射鏡５２の形成では、上部クラッド層５０から上方に２ペアを介した位置に、上部反射鏡５２を構成するＡｌＧａＡｓ層に代えてＡｌＡｓ層７２をエピタキシャル成長させる。そして、ＡｌＡｓ層７２の成膜の際には、ｎ型不純物としてＳｉを不純物濃度１×１０18ｃｍ-3で注入する。
【００３９】
次いで、積層構造７０のうち、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５４、ＡｌＡｓ層７２を含む上部反射鏡５２、上部クラッド層５０、活性層４８、下部クラッド層４６、及び下部反射鏡４４の極く上部をエッチングして、図３（ｄ）に示すように、メサポスト５６を形成する。
【００４０】
次いで、酸化温度４００℃〜４５０℃、水蒸気流量０．５ｇ／ｍｉｎ、Ｎ2 キャリアガス流量１０〜２０リットル／ｍｉｎの条件で水蒸気酸化をメサポスト５６を形成した積層構造７０に施す。
これにより、図３（ｅ）に示すように、ＡｌＡｓ７２層は、メサポスト５６の側面から内方に水蒸気酸化されて、ＧａＡｓ段差基板４２の下段部４２ｃ及び段差部４２ｂ上のＡｌＡｓ層７２は環状のＡｌ酸化層６４Ｂとなり、上段部４２ａ上のＡｌＡｓ層７２は未酸化の状態で中央に残留するＡｌＡｓ層６４Ａとなる。未酸化のＡｌＡｓ層６４Ａは、直径がＧａＡｓ段差基板４２の上段部４２ａの直径に等しい円形領域であって、電流注入領域として機能する。また、Ａｌ酸化層５８Ｂは電気抵抗の高い電流狭窄領域として機能する。
【００４１】
次いで、基板全面に絶縁膜６２を成膜し、続いてメサポスト５６上の絶縁膜６２を除去してｐ型ＧａＡｓコンタクト層５４を露出させ、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５４上にｐ側電極５８を、ｎ型ＧａＡｓ段差基板４２の裏面を研磨して所定の基板厚さに調整した後、ｎ側電極６０を形成する。
【００４２】
本実施形態例では、ＧａＡｓ段差基板４２上に電流狭窄層６４としてＡｌＡｓ層を成長させ、成長中にｎ型不純物としてＳｉを注入している。これにより、段差部４２ｂ上のＡｌＡｓ層と上段部４２ａ上のＡｌＡｓ層との間でｎ型の不純物濃度が異なり、上段部４２ａ上のＡｌＡｓ層の不純物濃度が段差部４２ｂ上のＡｌＡｓ層の不純物濃度より大きい。
従って、上段部４２ａ上のＡｌＡｓ層の酸化速度が段差部４２ｂ上のＡｌＡｓ層の酸化速度に比べて遅くなるので、酸化反応が上段部４２ａ上のＡｌＡｓ層に到達したとき、酸化反応があたかも停止したようになり、上段部４２ａ上のＡｌＡｓ層の酸化の進行が自律的に抑制される。よって、酸化反応の時間的制御が容易になる。
従って、ＡｌＡｓ層の酸化反応を時間制御することにより、上段部４２ａ上の円形のＡｌＡｓ層６４Ａを正確な形状、面積で未酸化の状態に維持することができる。
そこで、上段部４２ａのＡｌＡｓ層６４Ａを電流注入領域とし、段差部４２ｂ上のＡｌ酸化層６４Ｂを電流狭窄領域とすることにより、制御された電流注入領域を有する電流狭窄層を形成することができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明では、電流狭窄領域形成層である高Ａｌ含有層の成膜に際してｎ型不純物を注入し、高Ａｌ含有層の酸化反応速度がｎ型不純物濃度に依存していることを利用して、上段部上の高Ａｌ含有層の酸化の進行を自律的に制御している。
これにより、上段部上の高Ａｌ含有層の酸化反応の時間的制御が容易になるので、ウエハ面内の高Ａｌ含有層の膜厚分布が多少悪くても、従来に比べて、上段部の外側のＡｌ酸化層の酸化幅を格段に良好な面内均一性で制御することができる。
よって、上段部上の高Ａｌ含有層を電流注入領域とし、段差部上のＡｌ酸化層を電流狭窄領域とすることにより、制御された電流注入領域を有する電流狭窄層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例の方法に従って面発光型半導体レーザ素子を製造する際の各工程を説明する基板断面図である。
【図３】図３（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、図２（ｃ）に続いて、実施形態例の方法に従って面発光型半導体レーザ素子を製造する際の各工程を説明する基板断面図である。
【図４】従来の面発光型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図５】ＡｌＡｓ層の膜厚とＡｌＡｓ層の酸化速度との関係を示すグラフである。
【図６】段差基板の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０……従来の面発光型半導体レーザ素子、１２……ｎ型半導体基板、１４……下部反射鏡、１６……下部クラッド層、１８……活性層、２０……上部クラッド層、２２……上部反射鏡、２４……ｐ型コンタクト層、２６……メサポスト、２８……ｐ側電極、３０……ｎ側電極、３２……絶縁膜、３４……電流狭窄層、３４Ａ……高Ａｌ含有層（電流注入領域）、３４Ｂ……Ａｌ酸化層（電流狭窄領域）、３６……段差基板、４０……実施形態例の面発光型半導体レーザ素子、４０ａ……上段部、４０ｂ……段差部、４０ｃ……下段部、４２……ｎ型ＧａＡｓ段差基板、４４……ｎ型下部反射鏡、４６……ノンドープＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ下部クラッド層、４８……活性層、５０……ノンドープＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ上部クラッド層、５２……ｐ型上部反射鏡、５４……ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、５６……メサポスト、５８……ｐ側電極、６０……ｎ側電極、６２……絶縁膜、６４……電流狭窄層、６４Ａ……ＡｌＡｓ層（電流注入領域）、６４Ｂ……Ａｌ酸化層（電流狭窄領域）、６８……エッチングマスク、７０……積層構造、７２……ＡｌＡｓ層。
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光型半導体レーザ素子の製造方法に関し、更に詳細には、面内均一性に優れた構造の電流狭窄層を備えた面発光型半導体レーザ素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
面発光型半導体レーザ素子は、基板上に化合物半導体層の多層膜からなる一対の反射鏡と、反射鏡の間に設けられた活性層（発光層）とを備え、基板に対して直交する方向にレーザ光を出射する半導体レーザ素子であって、実装上の利点が大きいので、研究、開発が盛んに行われている。
面発光型半導体レーザ素子では、注入電流−光出力効率を高めるために、電極から注入された電流の流路を狭窄して活性層の発光領域に電流を強制的に集中して注入する電流狭窄構造が設けられている。なかでも、高Ａｌ含有層を酸化したＡｌ酸化層からなる酸化狭窄型の電流狭窄層が、形成の容易性から注目されている。
【０００３】
例えば、特開２００１−２８４７２７号公報は、単一横モードで、真円に近いビーム形状のレーザ光を効率良く出射する面発光型半導体レーザ素子の構成を提案している（図２）。
【０００４】
ここで、特開２００１−２８４７２７号公報を参照しつつ、図４により従来の一般的な酸化狭窄型の電流狭窄構造を有する面発光型半導体レーザ素子の構成を説明する。図４は従来の一般的な酸化狭窄型の電流狭窄構造を有する面発光型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
従来の面発光型半導体レーザ素子１０は、図４に示すように、ｎ型半導体基板１２上に、ｎ型化合物半導体層の多層膜からなる下部反射鏡１４、下部クラッド層１６、活性層１８、上部クラッド層２０、ｐ型化合物半導体層の多層膜からなる上部反射鏡２２、及びｐ型コンタクト層２４の積層構造を備えている。
【０００５】
積層構造のうち、コンタクト層２４、上部反射鏡２２、上部クラッド層２０、活性層１８、下部クラッド層１６、及び下部反射鏡１４の極く上部は、メサポスト２６として形成されている。
また、ｐ型コンタクト層２４上にはｐ側電極２８が、ｎ型半導体基板１２の裏面にはｎ側電極３０が設けてあり、メサポスト２６の側面及びメサポスト脇の下部反射鏡１４上には、絶縁膜３２が成膜されている。
【０００６】
上部反射鏡２２中の活性層１８に近い層には、上部反射鏡２２を構成する化合物半導体層に代えて、電流狭窄層３４が形成されている。電流狭窄層３４は、中央領域に存在する高Ａｌ含有層３４Ａと、高Ａｌ含有層３４Ａを取り囲むメサポスト２６の外周に沿って環状に形成されたＡｌ酸化層３４Ｂとから構成されている。
【０００７】
Ａｌ酸化層３４Ｂは、例えばＡｌＡｓ層、高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成＞０．９５）層などの高Ａｌ含有層を選択的に酸化してなるＡｌＯx 層であって、電気抵抗の高い電流狭窄領域を構成しており、高Ａｌ含有層３４Ａは、未酸化のＡｌＡｓ層または高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成＞０．９５）層であって、Ａｌ酸化層３４Ｂに比べて電気抵抗が低く、電流注入領域を構成している。
以上の構成により、ｐ側電極２８からｎ側電極３０に向けて注入された電流は電流狭窄領域３４Ｂで絞られて電流注入領域３４Ａを通り活性層１８の発光領域に局所的に集中して流入し、活性層１８中にキャリアの反転分布を生じさせ、レーザ発振を起こすことが出来る。
【０００８】
面発光型半導体レーザ素子１０を製造する際には、先ず、ｎ型半導体基板１２上に、下部反射鏡１４、下部クラッド層１６、活性層１８、上部クラッド層２０、高Ａｌ含有層を含む上部反射鏡２２、及びｐ型コンタクト層２４の積層構造を形成し、次いで積層構造をエッチングしてメサポスト２６を形成する。
次いで、メサポスト２６を形成した積層構造を水蒸気雰囲気の電気炉中に送入し、４００℃程度に加熱することによりメサポスト２６の外周から内方に高Ａｌ含有層を酸化して、環状のＡｌ酸化層３４Ｂを形成すると共に中央領域に未酸化の高Ａｌ含有層３４Ａを残して電流注入領域にする。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−２８４７２７号公報（第５頁、図１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＡｌＡｓ層等の高Ａｌ含有層は、酸化されてなくても、本来的に電気抵抗が大きいので、面発光型半導体レーザ素子のデバイス抵抗を決める上で、未酸化の高Ａｌ含有層（電流注入領域）の面積を所定の面積に制御する必要がある。
従って、電流注入領域の面積を所定の面積に制御するため、Ａｌ酸化層の酸化幅、つまりメサポストの外周に沿った環状酸化膜の酸化幅を制御することが必要になる。また、面発光型半導体レーザ素子の出射光の横モードを制御する上でも、Ａｌ酸化層の酸化幅の制御は必須である。
【００１１】
ＡｌＡｓ層等の高Ａｌ含有層を酸化する際には、上述のように、化合物半導体層の積層構造をエッチングしてエアポスト型のメサポストを形成し、メサポストの側面から内方に高Ａｌ含有層の水蒸気酸化反応を進行させている。
しかし、従来の方法では、反応時間の時間制御により酸化幅の制御を行っているので、酸化幅の繰り返し再現性や面内均一性は必ずしも満足できるものではなく、通常、酸化幅の繰り返し再現性が±１μｍ程度、また面内分布も±１μｍ程度であった。
デバイス抵抗値や横モード制御のためには、通常、数μｍ〜十数μｍの範囲の所定値に酸化幅を設定する必要があるものの、酸化幅の繰り返し再現性が±１μｍ程度であり、また面内分布が±１μｍ程度であるために、正確な酸化幅を有する電流狭窄領域、つまり所定の面積の電流注入領域を有する電流狭窄層を形成することは難しかった。
これでは、面発光型半導体レーザ素子のレーザ特性がばらついて、製品歩留りの向上が難しい。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、繰り返し再現性及び制御性の良好な構成の酸化狭窄型電流狭窄層を備えた面発光型半導体レーザ素子の製造方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、繰り返し再現性及び制御性の良好な構成の酸化狭窄型電流狭窄層を実現するための研究の過程で、ＡｌＡｓ層の水蒸気酸化反応の酸化速度とＡｌＡｓ層の膜厚との関係に注目した。
そして、ＡｌＡｓ層の水蒸気酸化反応の酸化速度は、図５に示すように、ＡｌＡｓ層の膜厚に依存し、ＡｌＡｓ層の膜厚が４０ｎｍより薄くなると急激に遅くなることに着目した。図５はＡｌＡｓ層の膜厚（ｎｍ）を横軸に、ＡｌＡｓ層の膜厚７０ｎｍとしたときのＡｌＡｓ層の酸化速度を１として規格化したＡｌＡｓ層の酸化速度を縦軸に示している。四角形に付した数字は規格化されたＡｌＡｓ層の酸化速度を示している。
そして、本発明者は、以下に説明するように、ＡｌＡｓ層の膜厚が４０ｎｍ程度であることと、及び図５から判るように、膜厚４０ｎｍを境にしてＡｌＡｓ層の酸化速度が急激に変化することにより、電流狭窄層の酸化幅のばらつきが生じることを見い出した。
【００１４】
通常、ＡｌＡｓ層の膜厚は、水蒸気酸化の際のＡｌ酸化層の体積膨張に起因するストレスの発生を抑制してメサ剥がれを防止するために、４０ｎｍ以下の膜厚にすることが必要である。しかし、良好な膜厚面内均一性で４０ｎｍ以下の薄膜のＡｌＡｓ層を成膜することが技術的に難しいために、ＡｌＡｓ層の膜厚の面内均一性が悪い。
そのために、ＡｌＡｓ層の膜厚に依存するＡｌＡｓ層の酸化速度の面内均一性が悪くなり、しかも、膜厚４０ｎｍを境にしてＡｌＡｓ層の酸化速度が急激に変化することにより、良好な酸化幅の面内均一性でＡｌＡｓ層を酸化することが難しい。その結果、面発光型半導体レーザ素子のデバイス特性がばらつき、製造歩留りの向上が難しい。
【００１５】
ところで、ＡｌＡｓ層やＡｌＧａＡｓ層等の高Ａｌ含有層の水蒸気酸化反応の酸化速度は、膜厚と共に高Ａｌ含有層の不純物濃度にも大きく影響を受ける。例えば、高Ａｌ含有層に注入されている不純物がｎ型のドーパントのＳｉやＳｅであると、不純物濃度が高いほど高Ａｌ含有層の酸化速度は遅くなり、逆に、高Ａｌ含有層に注入されている不純物がｐ型ドーパントのＺｎであると、不純物濃度が高いほど酸化速度は速くなる傾向を示す。
【００１６】
そして、通常のＭＯＣＶＤ法の成長条件下では、（１００）面に対して微傾斜している微傾斜基板上の高Ａｌ含有層に取り込まれる、ＳｉやＳｅ等のｎ型ドーパントの量、或いはＺｎ等のｐ型ドーパントの量は、（１００）面上の高Ａｌ含有層に取り込まれる量に比べて、少ない傾向がある。
一方、段差部を介して下段部上に（１００）面を上面とする上段部を有する段差基板上に高Ａｌ含有層をエピタキシャル成長させると、段差部は（１００）面に対して微傾斜しているので、段差部に成長する結晶の成長方向は（１００）面に対して微傾斜する。
従って、段差基板上に高Ａｌ含有層を成長させながら不純物を注入すると、段差部に成長する高Ａｌ含有層の結晶は、上段部上の平らな（１００）面に成長する高Ａｌ含有層の結晶に比べて不純物濃度が低くなる。
【００１７】
例えば、段差基板上に高Ａｌ含有層を成長させる際、成長中の高Ａｌ含有層に微量のｎ型不純物を注入すると、不純物濃度は
（上段部上の（１００）面に成長する高Ａｌ含有層のｎ型不純物濃度）
＞（段差部上に成長する高Ａｌ含有層のｎ型不純物濃度）
となる。
【００１８】
よって、高Ａｌ含有層を水蒸気酸化すると、上段部の（１００）面に成長した高Ａｌ含有層のｎ型不純物濃度が段差部の傾斜層上に成長した高Ａｌ含有層のｎ型不純物濃度より高いので、水蒸気酸化の酸化速度は、
（上段部上の（１００）面に成長する高Ａｌ含有層の酸化速度）
＜（段差部に成長する高Ａｌ含有層の酸化速度）
となる。つまり、段差部に成長する高Ａｌ含有層の酸化速度が、上段部の（１００）面に成長する高Ａｌ含有層の酸化速度に比べて速い。
【００１９】
そこで、高Ａｌ含有層の成膜に際してｎ型不純物を注入し、上段部の（１００）面上の高Ａｌ含有層を電流注入領域とし、段差部上の高Ａｌ含有層を酸化してＡｌ酸化層からなる電流狭窄領域とすれば、段差部上の高Ａｌ含有層が比較的速やかに酸化されて、上段部上の高Ａｌ含有層まで酸化が進行したとき、酸化速度が突如遅くなる。よって、高Ａｌ含有層の酸化の進行が自律的に抑制され、酸化反応の時間的制御に対するマージンが増大する。
これにより、ウエハ面内の高Ａｌ含有層の膜厚分布が多少悪くても、高Ａｌ含有層の酸化の時間制御が容易になるので、従来に比べて、Ａｌ酸化層の酸化幅を格段に良好な面内均一性で制御することができる。
【００２０】
そこで、本発明者は、以下のようにして、電流狭窄層の酸化幅を制御することを考えた。
先ず、図６に示すように、（１００）面を主面とするＧａＡｓ基板をエッチングして、電流狭窄層の電流狭窄径（電流注入領域の径）と同じ大きさで段差が数μｍ〜サブμｍ程度の上段部３６ａと、段差部３６ｂを介して上段部３６ａを環状に取り巻く下段部３６ｃとを有する段差基板３６を形成する。
次いで、段差基板３６上に高Ａｌ含有層を有する積層構造を形成する。高Ａｌ含有層の成膜に際し、成膜中の高Ａｌ含有層にｎ型不純物を注入して段差部３６ｂの高Ａｌ含有層と上段部３６ａの（１００）面上の高Ａｌ含有層との間にｎ型不純物の濃度差を設ける。
これにより、段差部の高Ａｌ含有層と上段部の高Ａｌ含有層の酸化速度の間に酸化反応の反応速度差を生じさせ、Ａｌ酸化層の酸化幅を制御する。
【００２１】
本発明者は、フォトリソグラフィ処理とエッチング加工により段差基板を形成することにより、段差部形成の繰り返し再現性が高くなること、従ってＡｌ酸化層の酸化幅の繰り返し再現性を±０．１μｍ程度に向上させることができることを実験で確認し、本発明を発明するに到った。
【００２２】
上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係る面発光型半導体レーザ素子の製造方法は、下部反射鏡、発光層、及び電流狭窄層を有する上部反射鏡を基板上に備える面発光型半導体レーザ素子の製造方法において、
（１００）面を主面とする基板をエッチングして、電流狭窄層の電流注入領域と同じ形状で同じ大きさの（１００）面を上面に有する上段部と、段差部と、（１００）面を有し、段差部を介して上段部を取り囲む環状の下段部とを有する段差基板を形成する工程と、
段差基板上に、順次、下部反射鏡、発光層、及び高Ａｌ含有層を有する上部反射鏡を構成する化合物半導体層をエピタキシャル成長させ、段差基板の上段部上及び下段部上では平坦層として、段差部上では平坦層に連続する傾斜層として成長した、各化合物半導体層の積層構造を形成する工程と
を備え、高Ａｌ含有層を成長させる際にはｎ型不純物を注入し、
更に、形成した積層構造のうち上部反射鏡、発光層、及び下部反射鏡の極く上部をエッチングしてメサポストを形成する工程と、
上部反射鏡の高Ａｌ含有層を水蒸気酸化して、メサポストの側面から内方に延在する環状のＡｌ酸化層を形成すると共に、段差基板の上段部上に対応する中央領域に未酸化の状態で高Ａｌ含有層を残留させる工程と
を有することを特徴としている。
【００２３】
積層構造の形成工程では、成長中の高Ａｌ含有層中にｎ型不純物を注入する際、上段部上に平坦層として成長する高Ａｌ含有層のｎ型不純物の不純物濃度が、段差部上に傾斜層として成長する高Ａｌ含有層のｎ型不純物の不純物濃度より高くなる。
【００２４】
本発明方法では、電流狭窄領域形成層である高Ａｌ含有層の成膜に際してｎ型不純物を注入し、高Ａｌ含有層の酸化反応速度がｎ型不純物濃度に依存していることを利用して、上段部上の高Ａｌ含有層の酸化の進行を自律的に制御している。
更に説明すると、高Ａｌ含有層の成膜に際してｎ型不純物を注入すると、段差部上の高Ａｌ含有層のｎ型不純物濃度は上段部上の高Ａｌ含有層のｎ型不純物濃度より低くなるので、段差部上の高Ａｌ含有層の酸化反応速度は上段部上の高Ａｌ含有層の酸化反応速度より速くなる。
従って、段差部上の高Ａｌ含有層が比較的速やかに酸化されて、上段部上の高Ａｌ含有層まで酸化が進行したとき、酸化速度が突如遅くなる。よって、高Ａｌ含有層の酸化の進行が自律的に抑制され、酸化反応の時間的制御に対するマージンが増大する。
結果的に、上段部上の高Ａｌ含有層の酸化の時間制御が容易になるので、ウエハ面内の高Ａｌ含有層の膜厚分布が多少悪くても、従来に比べて、上段部の外側のＡｌ酸化層の酸化幅を格段に良好な面内均一性で制御することができる。
よって、上段部（１００）面上の高Ａｌ含有層を電流注入領域とし、段差部上のＡｌ酸化層を電流狭窄領域とすることにより、制御された電流注入領域を有する電流狭窄層を形成することができる。
また、フォトリソグラフィ処理とエッチング加工により段差基板を形成することにより、段差部形成の繰り返し再現性が高くなり、従ってＡｌ酸化層の酸化幅の繰り返し再現性を±０．１μｍ程度に向上させることができる。
【００２５】
本発明により製造された面発光型半導体レーザ素子は、上段部と、段差部と、段差部を介して上段部の周りに上段部より低い下段部とを有する段差基板上に、下部反射鏡、発光層、及び電流狭窄層を有する上部反射鏡を備える面発光型半導体レーザ素子であって、電流狭窄層は、段差基板の上段部の平面形状と同じ形状で、かつ同じ大きさの未酸化の高Ａｌ含有層からなる電流注入領域を段差基板の上段部の上方に有し、かつ電流注入領域の周りに高Ａｌ含有層を酸化した環状のＡｌ酸化層を電流狭窄領域として有し、高Ａｌ含有層は、ｎ型不純物が１×１０ １７ ｃｍ −３ 以上１×１０ １８ ｃｍ −３ 以下の不純物濃度で注入されている。
【００２６】
この面発光型レーザ素子では、電流狭窄領域形成層である高Ａｌ含有層の成膜に際してｎ型不純物を注入し、高Ａｌ含有層の酸化反応速度がｎ型不純物濃度に依存していることを利用して、上段部上の高Ａｌ含有層の酸化の進行を自律的に制御している。
更に説明すると、高Ａｌ含有層の成膜に際してｎ型不純物を注入すると、上段部上の例えば（１００）面上の高Ａｌ含有層のｎ型不純物濃度は、段差部上の高Ａｌ含有層のｎ型不純物濃度より高くなる。従って、高Ａｌ含有層の水蒸気酸化に際し、上段部上の高Ａｌ含有層の酸化反応速度が段差部上の高Ａｌ含有層の酸化反応速度より遅くなるので、段差部上の高Ａｌ含有層が比較的速やかに酸化されて、上段部上の高Ａｌ含有層まで酸化が進行したとき、酸化速度が突如遅くなる。結果的に、上段部上の高Ａｌ含有層の酸化の進行が自律的に抑制され、反応時間の時間的制御のマージンが増大する。
これにより、上段部上の高Ａｌ含有層の酸化の時間制御が容易になるので、ウエハ面内の高Ａｌ含有層の膜厚分布が多少悪くても、従来に比べて、上段部の外側のＡｌ酸化層の酸化幅を格段に良好な面内均一性で制御することができる。
よって、上段部上の例えば（１００）面上の高Ａｌ含有層を電流注入領域とし、段差部上のＡｌ酸化層を電流狭窄領域とすることにより、制御された電流注入領域を有する電流狭窄層を形成することができる。
【００２７】
本発明で製造される面発光型レーザ素子の好適な実施態様では、段差基板の上段部は、段差部を介して下段部上０．１μｍ以上５μｍ以下の高さにある。また、上段部及び下段部が、それぞれ、上面として（１００）面を有する。これにより、積層構造を構成する各化合物半導体層は、段差基板の上段部上及び下段部上では平坦層として、段差部上では平坦層に連続する傾斜層として成長する。本発明では、具体的には、段差基板がＧａＡｓ基板であって、高Ａｌ含有層がＡｌ ｘ Ｇａ （１−ｘ） Ａｓ層（１≧ｘ＞０．９５）である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照して、実施形態例に基づいて本発明をより詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示した導電型、膜種、膜厚、成膜方法、その他寸法等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、本発明はこれら例示に限定されるものではない。
面発光型半導体レーザ素子の実施形態例
本実施形態例は本発明に係る面発光型半導体レーザ素子の実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子４０は、ｎ型ＧａＡｓ段差基板４２上に、下部反射鏡４４、膜厚１００ｎｍのノンドープＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ下部クラッド層４６、活性層４８、膜厚１００ｎｍのノンドープＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ上部クラッド層５０、上部反射鏡５２、及び不純物濃度が１×１０19／ｃｍ3 以上のｐ型ＧａＡｓコンタクト層５４の積層構造を備えている。
【００２９】
ｎ型ＧａＡｓ段差基板４２は、直径が１０μｍの円形（１００）面上段部４２ａと、高さ１μｍの段差部４２ｂと、段差部４２ｂを介して上段部４２ａを取り囲む環状の（１００）面下段部４２ｃとから構成されている。
このため、段差基板４２上にエピタキシャル成長させた各化合物半導体層は、それぞれ、図１に示すように、上段部４２ａ上及び下段部４２ｃ上に成長した平坦層と、平坦層に連続して段差部４２ｂ上に成長した傾斜層とになる。
【００３０】
活性層４８は、膜厚１０ｎｍのノンドープＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ光ガイド層と、膜厚７ｎｍのノンドープＧａＡｓ層及び膜厚５ｎｍのノンドープＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層からなる３重の多重量子井戸構造と、膜厚１０ｎｍのノンドープＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ光ガイド層とから構成されている。
【００３１】
下部反射鏡４４は、ｎ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層とｎ型Ａｌ0.92Ｇａ0.08Ａｓ層のペアであって、かつＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層とＡｌ0.92Ｇａ0.08Ａｓ層の間にはＡｌ組成が０．２から０．９２に増大する膜厚１００Åの中間層を有する構成の複数ペアの多層膜として形成され、各層のｎ型不純物濃度は約２×１０18／ｃｍ3 である。
上部反射鏡５２は、ｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層とｐ型Ａｌ0.92Ｇａ0.08Ａｓ層のペアであって、かつＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層とＡｌ0.92Ｇａ0.08Ａｓ層の間にはＡｌ組成が０．２から０．９２に増大する膜厚１００Åの中間層を有する構成の複数ペアの多層膜として形成され、各層のｐ型不純物濃度は約２×１０18／ｃｍ3 である。
【００３２】
積層構造のうち、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５４、上部反射鏡５２、上部クラッド層５０、活性層４８、下部クラッド層４６、及び下部反射鏡４４の極く上部は、メサポスト５６として形成されている。
また、ｐ型コンタクト層５４上にはｐ側電極５８、ｎ型ＧａＡｓ段差基板４２の裏面にはｎ側電極６０が設けてあり、メサポスト５６の側面及びメサポスト脇の下部反射鏡４４上には、絶縁膜６２が成膜されている。
【００３３】
また、上部反射鏡５２では、上部クラッド層５０から上方に２ペアを介した位置に、上部反射鏡５２を構成するＡｌＧａＡｓ層に代えて電流狭窄層６４が設けられている。
電流狭窄層６４は、上部反射鏡５２を構成するＡｌＧａＡｓ層に代えて成膜された膜厚３０ｎｍのＡｌＡｓ層を水蒸気酸化した際に中央に残留させた未酸化のＡｌＡｓ層６４Ａと、ＡｌＡｓ層６４の外側にあってメサポスト５６の側面から内方にＡｌＡｓ層を水蒸気酸化してなる環状のＡｌ酸化層６４Ｂとから構成されている。また、ＡｌＡｓ層の成膜の際には、ｎ型不純物として例えばＳｉが不純物濃度１×１０18ｃｍ-3で注入されている。
未酸化のＡｌＡｓ層６４Ａは、直径がＧａＡｓ段差基板４２の上段部４２ａの直径に等しい円形領域であって、電流注入領域として機能する。また、Ａｌ酸化層６４Ｂは電気抵抗の高い電流狭窄領域として機能する。
【００３４】
本実施形態例では、ＧａＡｓ段差基板４２上に電流狭窄層６４としてＡｌＡｓ層を成長させ、成長中にｎ型不純物としてＳｉを注入している。これにより、段差部４２ｂ上のＡｌＡｓ層と上段部４２ａ上のＡｌＡｓ層との間でｎ型の不純物濃度が異なり、上段部４２ａ上のＡｌＡｓ層の不純物濃度が段差部４２ｂ上のＡｌＡｓ層の不純物濃度より大きい。
従って、上段部４２ａ上のＡｌＡｓ層の酸化速度が段差部４２ｂ上のＡｌＡｓ層の酸化速度に比べて遅くなるので、酸化反応が上段部４２ａ上のＡｌＡｓ層に到達したとき、酸化反応があたかも停止したようになり、上段部４２ａ上のＡｌＡｓ層の酸化の進行が自律的に抑制される。従って、酸化反応の時間的制御が容易になる。
よって、ＡｌＡｓ層の酸化反応を時間制御することにより、上段部４２ａ上の円形のＡｌＡｓ層を正確な形状、面積で未酸化の状態に維持することができる。これにより、酸化幅の面内均一性を高めることができる。
そこで、上段部４２ａのＡｌＡｓ層６４Ａを電流注入領域とし、段差部４２ｂ上のＡｌ酸化層６４Ｂを電流狭窄領域とすることにより、制御された電流注入領域を有する電流狭窄層が形成される。
【００３５】
面発光型半導体レーザ素子の製造方法の実施形態例
本実施形態例は本発明に係る面発光型半導体レーザ素子の製造方法を実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の製造に適用した実施形態の一例である。図２（ａ）から（ｃ）及び図３（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、本実施形態例の方法に従って面発光型半導体レーザ素子を製造する際の各工程を説明する基板断面図である。
本実施形態例では、先ず、図２（ａ）に示すように、（１００）面を主面とすｎ型ＧａＡｓ基板６６上に直径１０μｍの円形パターンを有するエッチングマスク６８を形成する。
次いで、エッチングマスク６８を使ったドライエッチング法によりｎ型ＧａＡｓ基板６６をエッチングして、図２（ｂ）に示すように、直径が１０μｍの円形（１００）面上段部４２ａと、高さ１μｍの段差部４２ｂと、段差部４２ｂを介して上段部４２ａを取り囲む環状の（１００）面下段部４２ｃとを有するｎ型ＧａＡｓ段差基板４２を形成する。
【００３６】
次に、ｎ型ＧａＡｓ段差基板４２上に、ＭＯＣＶＤ法により、順次、下部反射鏡４４、膜厚１００ｎｍのノンドープＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ下部クラッド層４６、活性層４８、膜厚１００ｎｍのノンドープＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ上部クラッド層５０、上部反射鏡５２、及び不純物濃度が１×１０19／ｃｍ3 以上のｐ型ＧａＡｓコンタクト層５４を成長させて、図２（ｃ）に示すように、積層構造７０を形成する。
本実施形態例では、段差基板４２上に各化合物半導体層をエピタキシャル成長させているので、図２（ｃ）に示すように、上段部４２ａ上及び下段部４２ｃ上では平坦層として成長し、段差部４２ｂ上では平坦層に連続する傾斜層として成長する。
【００３７】
下部反射鏡４４の形成では、ｎ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層とｎ型Ａｌ0.92Ｇａ0.08Ａｓ層のペアであって、かつＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層とＡｌ0.92Ｇａ0.08Ａｓ層の間にはＡｌ組成が０．２から０．９２に増大する膜厚１００Åの中間層を有する構成の複数ペアの多層膜をエピタキシャル成長させる。また、各層のｎ型不純物濃度は約２×１０18／ｃｍ3 とする。
活性層４８の形成では、下部クラッド層４６上に、順次、膜厚１０ｎｍのノンドープＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ光ガイド層、膜厚７ｎｍのノンドープＧａＡｓ層及び膜厚５ｎｍのノンドープＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層とからなる３重の多重量子井戸構造、及び膜厚１０ｎｍのノンドープＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ光ガイド層をエピタキシャル成長させる。
【００３８】
上部反射鏡５２の形成では、ｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層とｐ型Ａｌ0.92Ｇａ0.08Ａｓ層のペアであって、かつＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層とＡｌ0.92Ｇａ0.08Ａｓ層の間にはＡｌ組成が０．２から０．９２に増大する膜厚１００Åの中間層を有する構成の複数ペアの多層膜をエピタキシャル成長させる。また、各層のｐ型不純物濃度は約２×１０18／ｃｍ3 とする。
また、上部反射鏡５２の形成では、上部クラッド層５０から上方に２ペアを介した位置に、上部反射鏡５２を構成するＡｌＧａＡｓ層に代えてＡｌＡｓ層７２をエピタキシャル成長させる。そして、ＡｌＡｓ層７２の成膜の際には、ｎ型不純物としてＳｉを不純物濃度１×１０18ｃｍ-3で注入する。
【００３９】
次いで、積層構造７０のうち、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５４、ＡｌＡｓ層７２を含む上部反射鏡５２、上部クラッド層５０、活性層４８、下部クラッド層４６、及び下部反射鏡４４の極く上部をエッチングして、図３（ｄ）に示すように、メサポスト５６を形成する。
【００４０】
次いで、酸化温度４００℃〜４５０℃、水蒸気流量０．５ｇ／ｍｉｎ、Ｎ2 キャリアガス流量１０〜２０リットル／ｍｉｎの条件で水蒸気酸化をメサポスト５６を形成した積層構造７０に施す。
これにより、図３（ｅ）に示すように、ＡｌＡｓ７２層は、メサポスト５６の側面から内方に水蒸気酸化されて、ＧａＡｓ段差基板４２の下段部４２ｃ及び段差部４２ｂ上のＡｌＡｓ層７２は環状のＡｌ酸化層６４Ｂとなり、上段部４２ａ上のＡｌＡｓ層７２は未酸化の状態で中央に残留するＡｌＡｓ層６４Ａとなる。未酸化のＡｌＡｓ層６４Ａは、直径がＧａＡｓ段差基板４２の上段部４２ａの直径に等しい円形領域であって、電流注入領域として機能する。また、Ａｌ酸化層５８Ｂは電気抵抗の高い電流狭窄領域として機能する。
【００４１】
次いで、基板全面に絶縁膜６２を成膜し、続いてメサポスト５６上の絶縁膜６２を除去してｐ型ＧａＡｓコンタクト層５４を露出させ、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５４上にｐ側電極５８を、ｎ型ＧａＡｓ段差基板４２の裏面を研磨して所定の基板厚さに調整した後、ｎ側電極６０を形成する。
【００４２】
本実施形態例では、ＧａＡｓ段差基板４２上に電流狭窄層６４としてＡｌＡｓ層を成長させ、成長中にｎ型不純物としてＳｉを注入している。これにより、段差部４２ｂ上のＡｌＡｓ層と上段部４２ａ上のＡｌＡｓ層との間でｎ型の不純物濃度が異なり、上段部４２ａ上のＡｌＡｓ層の不純物濃度が段差部４２ｂ上のＡｌＡｓ層の不純物濃度より大きい。
従って、上段部４２ａ上のＡｌＡｓ層の酸化速度が段差部４２ｂ上のＡｌＡｓ層の酸化速度に比べて遅くなるので、酸化反応が上段部４２ａ上のＡｌＡｓ層に到達したとき、酸化反応があたかも停止したようになり、上段部４２ａ上のＡｌＡｓ層の酸化の進行が自律的に抑制される。よって、酸化反応の時間的制御が容易になる。
従って、ＡｌＡｓ層の酸化反応を時間制御することにより、上段部４２ａ上の円形のＡｌＡｓ層６４Ａを正確な形状、面積で未酸化の状態に維持することができる。
そこで、上段部４２ａのＡｌＡｓ層６４Ａを電流注入領域とし、段差部４２ｂ上のＡｌ酸化層６４Ｂを電流狭窄領域とすることにより、制御された電流注入領域を有する電流狭窄層を形成することができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明では、電流狭窄領域形成層である高Ａｌ含有層の成膜に際してｎ型不純物を注入し、高Ａｌ含有層の酸化反応速度がｎ型不純物濃度に依存していることを利用して、上段部上の高Ａｌ含有層の酸化の進行を自律的に制御している。
これにより、上段部上の高Ａｌ含有層の酸化反応の時間的制御が容易になるので、ウエハ面内の高Ａｌ含有層の膜厚分布が多少悪くても、従来に比べて、上段部の外側のＡｌ酸化層の酸化幅を格段に良好な面内均一性で制御することができる。
よって、上段部上の高Ａｌ含有層を電流注入領域とし、段差部上のＡｌ酸化層を電流狭窄領域とすることにより、制御された電流注入領域を有する電流狭窄層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例の方法に従って面発光型半導体レーザ素子を製造する際の各工程を説明する基板断面図である。
【図３】図３（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、図２（ｃ）に続いて、実施形態例の方法に従って面発光型半導体レーザ素子を製造する際の各工程を説明する基板断面図である。
【図４】従来の面発光型半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図５】ＡｌＡｓ層の膜厚とＡｌＡｓ層の酸化速度との関係を示すグラフである。
【図６】段差基板の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０……従来の面発光型半導体レーザ素子、１２……ｎ型半導体基板、１４……下部反射鏡、１６……下部クラッド層、１８……活性層、２０……上部クラッド層、２２……上部反射鏡、２４……ｐ型コンタクト層、２６……メサポスト、２８……ｐ側電極、３０……ｎ側電極、３２……絶縁膜、３４……電流狭窄層、３４Ａ……高Ａｌ含有層（電流注入領域）、３４Ｂ……Ａｌ酸化層（電流狭窄領域）、３６……段差基板、４０……実施形態例の面発光型半導体レーザ素子、４０ａ……上段部、４０ｂ……段差部、４０ｃ……下段部、４２……ｎ型ＧａＡｓ段差基板、４４……ｎ型下部反射鏡、４６……ノンドープＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ下部クラッド層、４８……活性層、５０……ノンドープＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ上部クラッド層、５２……ｐ型上部反射鏡、５４……ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、５６……メサポスト、５８……ｐ側電極、６０……ｎ側電極、６２……絶縁膜、６４……電流狭窄層、６４Ａ……ＡｌＡｓ層（電流注入領域）、６４Ｂ……Ａｌ酸化層（電流狭窄領域）、６８……エッチングマスク、７０……積層構造、７２……ＡｌＡｓ層。
Claims (2)
- 下部反射鏡、発光層、及び電流狭窄層を有する上部反射鏡を基板上に備える面発光型半導体レーザ素子の製造方法において、
（１００）面を主面とする基板をエッチングして、電流狭窄層の電流注入領域と同じ形状で同じ大きさの（１００）面を上面に有する上段部と、段差部と、（１００）面を有し、段差部を介して上段部を取り囲む環状の下段部とを有する段差基板を形成する工程と、
段差基板上に、順次、下部反射鏡、発光層、及び高Ａｌ含有層を有する上部反射鏡をそれぞれ構成する化合物半導体層をエピタキシャル成長させ、段差基板の上段部上及び下段部上では平坦層として、段差部上では平坦層に連続する傾斜層として成長した、各化合物半導体層の積層構造を形成する工程とを備え、高Ａｌ含有層を成長させる際にはｎ型不純物を注入し、更に、形成した積層構造のうち上部反射鏡、発光層、及び下部反射鏡の極く上部をエッチングしてメサポストを形成する工程と、
上部反射鏡の高Ａｌ含有層を水蒸気酸化して、メサポストの側面から内方に延在する環状のＡｌ酸化層を形成すると共に、段差基板の上段部に対応する中央領域に未酸化の状態で高Ａｌ含有層を残留させる工程と
を有することを特徴とする面発光型半導体レーザ素子の製造方法。 - 積層構造の形成工程では、成長中の高Ａｌ含有層中にｎ型不純物を注入する際、上段部上に平坦層として成長する高Ａｌ含有層のｎ型不純物の不純物濃度が、段差部上に傾斜層として成長する高Ａｌ含有層のｎ型不純物の不純物濃度より高くなることを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法。
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