JP4138629B2 - 面発光型半導体素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
(1) 金属誘電体回折格子を半導体多層膜反射鏡に組み込む構造
(2) デバイスのメサ形状に非対称性を取り入れた構造
(3) 傾斜基板上に作製する構造
これら3種類の手法のうち、(1)の手法は、半導体多層膜からなる反射鏡の上に金属細線を一定方向に配列させ、特定の方位の偏光に対して、鏡の反射率を高くする方法である。金属配線に対して平行な偏光に対して鏡の反射率が高くなるため、偏波面を安定させるのに一定の効果はあるが、金属配線を光波長以下の幅に形成する必要があるため、製造が難しい。
または、本発明の実施の形態の面発光型半導体素子は、基板と、前記基板の主面上に形成された発光領域を有する半導体活性層と、前記半導体活性層を狭持し、前記基板に対して垂直方向の共振器を形成する、前記半導体活性層に対して前記基板と反対側に形成された第1の半導体多層膜反射鏡及び前記半導体活性層に対して前記基板側に形成された第2の半導体多層膜反射鏡と、前記半導体活性層に電流を注入するための一対の電極と、前記半導体活性層の近傍に形成され、Alを含む被酸化層が複数層設けられ、その側面から酸化されることによって形成された電流狭窄部と、少なくとも前記被酸化層の最上層に到達する溝深さの凹部と、前記凹部に囲まれたメサ部と、を備え、前記第1及び第2の半導体多層膜反射鏡の少なくともいずれかは、端面から酸化されることにより形成された酸化領域を有し、前記主面に対して平行な第1の方向における前記端面から酸化された長さが小なる第1の部分と、前記主面に対して平行で前記第1の方向とは異なる第2の方向における前記端面から酸化された長さが大なる第2の部分と、を有し、前記側面からの前記電流狭窄部の長さは、前記第1の部分の前記酸化された長さと前記第2の部分の前記酸化された長さのいずれよりも大なることを特徴とする。
または、本発明の実施の形態の面発光型半導体素子は、基板と、前記基板の主面上に形成された発光領域を有する半導体活性層と、前記半導体活性層を狭持し、前記基板に対して垂直方向の共振器を形成する、前記半導体活性層に対して前記基板と反対側に形成された第1の半導体多層膜反射鏡及び前記半導体活性層に対して前記基板側に形成された第2の半導体多層膜反射鏡と、前記半導体活性層に電流を注入するための一対の電極と、前記半導体活性層の近傍に形成され、Alを含む被酸化層が複数層設けられ、その側面から酸化されることによって形成された電流狭窄部と、少なくとも前記被酸化層の最上層に到達する溝深さの凹部と、前記凹部に囲まれたメサ部と、を備え、前記第1及び第2の半導体多層膜反射鏡の少なくともいずれかは、端面から酸化されることにより形成された酸化領域を有し、前記端面から酸化された長さが小なる第1の部分と、前記端面から酸化された長さが大なる第2の部分と、を有し、前記第1の部分において、酸化領域に隣接する未酸化の領域は、前記酸化領域よりも高い濃度のプロトンを含有してなることを特徴とする。
図1乃至図4は、本発明の第1の実施の形態にかかる面発光型半導体素子の構造を表す模式図であり、図1はその上面図、図2乃至図4は、それぞれ、図1のA−A線、B―B線、C−C線における断面図である。すなわち、図2は、選択被酸化層上層32のみが選択酸化されている断面図、図3は、選択被酸化層上層32および下層30が選択酸化されている断面図、図4は、メサ部100および配線パス18下の断面図である。
下部クラッド層3は、n型GaInPとした。
半導体多層膜反射鏡6は、波長1.3μmの光学波長1/4の厚さでp型GaAs層(高屈折率層)とp型AlyGa1−yAs(0<y<1)(低屈折率層)が交互に積層された構造とした。n型半導体多層膜反射鏡2と同様に、本実施例では、Al組成、y=0.94のAl0.94Ga0.06As層を低屈折率層に用いた。また、半導体多層膜反射鏡6のp型ドーパントとして、C(炭素)を用い、ドーパント濃度は、2×1018/cm3(量子井戸層4付近)〜1×1019/cm3(コンタクト層7付近)とした。
ここでは、発光領域13の開口径を5μmφの形状とする面発光型半導体レーザの作製を行うため、メサ径45μmφの垂直形状エッチングを行った。
すなわち、比較のため、偏波制御性を高めるのに有効とされる(100)面方位基板から10°オフ傾斜させた傾斜基板1を用いて作製した場合、異方性酸化による形状の歪みは顕著であり、本実施例と同じ円形のメサ構造では、図5(b)に表したように開口部(発光領域13)の形状はオフしている方向に歪んだ形になり、縦と横で1.1μmの寸法差を生じた。これに対して、面方位(100)面の基板を用いた場合は、図5(a)に表したように、対称な発光領域13が得られ、縦と横の寸法差は、0.1μmに低減されることが確認できた。また、ウェーハ全面にわたる再現性も良好であり、同一ウエーハ上に形成した多数の素子の寸法および形状は均一化され、単一モード発振性、しきい値、光出力等のレーザ特性も均一化され、高性能な面発光半導体レーザ素子の量産性が向上した。
図12乃至図15は、本発明の第2の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの構成図であり、図12は上面図、図13は図12のA−A線における断面図、図14は図12のB−B線における断面図である。また、図15は、図14に表したメサ中心部分の断面拡大図である。ここでも面発光型半導体レーザについて説明する。
半導体活性層4は、発光ピーク波長が1.3μmとなるように調整されたGaxIn1−xAsyN1−y(0≦x≦1、0≦y<1)層及びバリヤ層としてGaAs層が積層された量子井戸構造とした。ここでは中心にGaxIn1−xAsyN1−y(0≦x≦1、0≦y<1)層を形成し、この上下にバリヤ層としてGaAs層が形成された3層構造とした。GaxIn1−xAsyN1−y(0≦x≦1、0≦y<1)量子井戸層4のIn組成は30〜35%、窒素組成は0.5〜1.0%とし、厚さは7nmとした。GaxIn1−xAsyN1−y(0≦x≦1、0≦y<1)量子井戸層4の格子定数は、n型GaAs基板1よりも大きくなるように組成を制御して、約2.5%の圧縮歪量を内在する組成Ga0.66In0.34As0.99N0.01とした。このため、微分利得係数は増大し、無歪の場合に比較して、しきい電流値が一層低減された。
半導体多層膜反射鏡6は、波長1.3μmの光学波長1/4の厚さでp型GaAs層(高屈折率層)とp型AlyGa1−yAs(0<y<1)(低屈折率層)とが交互に積層された積層構造とした。n型半導体多層膜反射鏡2と同様に、本実施例では、Al組成y=0.94としたAl0.94Ga0.06As層を低屈折率層に用いた。また、半導体多層膜反射鏡6のp型ドーパントとしては、C(炭素)を用い、ドーパント濃度は、2×1018/cm3(量子井戸層4付近)〜1×1019/cm3(コンタクト層7付近)とした。
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。
半導体活性層4は、発光ピーク波長が1.3μmとなるように調整されたGaxIn1−xAsyN1−y(0≦x≦1、0≦y<1)層及びバリヤ層としてGaAs層が積層された量子井戸構造とした。ここでは中心にGaxIn1−xAsyN1−y(0≦x≦1、0≦y<1)層を形成し、この上下にバリヤ層としてGaAs層が形成された3層構造とした。GaxIn1−xAsyN1−y(0≦x≦1、0≦y<1)量子井戸層4のIn組成は30〜35%、窒素組成は0.5〜1.0%とし、厚さは7nmした。GaxIn1−xAsyN1−y(0≦x≦1、0≦y<1)量子井戸層4の格子定数は、n型GaAs基板1よりも大きくなるように組成を制御して、圧縮歪量、約2.5%を内在する組成Ga0.66In0.34As0.99N0.01とした。このため、微分利得係数は増大し、無歪の場合に比較して、しきい電流値が一層低減された。
半導体クラッド層5は、p型GaInPとした。半導体多層膜反射鏡6は、波長1.3μmの光学波長1/4の厚さでp型GaAs層(高屈折率層)とp型AlyGa1−yAs(0<y<1)(低屈折率層)が交互に積層された積層構造とした。n型半導体多層膜反射鏡2と同様に、本実施例では、Al組成y=0.94のAl0.94Ga0.06As層を低屈折率層に用いた。また、半導体多層膜反射鏡6のp型ドーパントとして、C(炭素)を用い、ドーパント濃度は、2×1018/cm3(量子井戸層4付近)〜1×1019/cm3(コンタクト層7付近)とした。
を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての面発光型半導体素子及びその製造方法も同様に本発明の範囲に属する。
2・・・半導体多層反射膜
3・・・クラッド層
4・・・活性層
5・・・クラッド層
6・・・半導体多層反射膜
6b・・半導体多層膜反射鏡のAl高濃度層
7・・・コンタクト層
8・・・パターン形成用エッチングマスク膜(絶縁膜)
9・・・p側電極
9a・・配線部
9b・・周辺電極
10・・・n側電極
11・・・ポリイミド
12a・・・メサエッチング領域、凹部
12b・・メサエッチング領域、凹部(溝深さ:大)
13・・・発光領域
14・・・非酸化領域、開口
15・・・プロトン注入領域
15a・・アイソレーション用プロトン注入領域
15b・・選択酸化制御用プロトン注入領域
15c・・半導体多層膜のAl高濃度層用プロトン注入領域
17・・・ボンディングパッド
18・・・配線パス
19・・・注入電流
21・・・被酸化領域
22・・・リーク電流
23・・・光取り出し口
24・・・応力付加領域
25・・・非対称メサ構造
30、32・・被酸化層
50・・・周辺部
100・・メサ部(凸部)
Claims (7)
- 基板と、
前記基板の主面上に形成された発光領域を有する半導体活性層と、
前記半導体活性層を狭持し、前記基板に対して垂直方向の共振器を形成する、前記半導体活性層に対して前記基板と反対側に形成された第1の半導体多層膜反射鏡及び前記半導体活性層に対して前記基板側に形成された第2の半導体多層膜反射鏡と、
前記半導体活性層に電流を注入するための一対の電極と、
前記半導体活性層の近傍に形成され、Alを含む被酸化層が複数層設けられ、その側面から酸化されることによって形成された電流狭窄部と、
少なくとも前記被酸化層の最上層に到達する溝深さの凹部と、
前記凹部に囲まれたメサ部と、
を備え、
前記電流狭窄部は、前記主面に対して平行な第1の方向において前記半導体活性層の近傍に形成され前記複数層の被酸化層のうちの第1の層数の前記被酸化層が酸化されてなる第1の電流狭窄部と、前記主面に対して平行で前記第1の方向とは異なる第2の方向において前記半導体活性層の近傍に形成され前記第1の層数よりも小なる第2の層数の前記被酸化層が酸化されてなる第2の電流狭窄部と、を有することを特徴とする面発光型半導体素子。 - 基板と、
前記基板の主面上に形成された発光領域を有する半導体活性層と、
前記半導体活性層を狭持し、前記基板に対して垂直方向の共振器を形成する、前記半導体活性層に対して前記基板と反対側に形成された第1の半導体多層膜反射鏡及び前記半導体活性層に対して前記基板側に形成された第2の半導体多層膜反射鏡と、
前記半導体活性層に電流を注入するための一対の電極と、
前記半導体活性層の近傍に形成され、Alを含む被酸化層が複数層設けられ、その側面から酸化されることによって形成された電流狭窄部と、
少なくとも前記被酸化層の最上層に到達する溝深さの凹部と、
前記凹部に囲まれたメサ部と、
を備え、
前記電流狭窄部は、前記複数層の被酸化層のうちの第1の層数の前記被酸化層が酸化されてなる第1の電流狭窄部と、前記第1の層数よりも小なる第2の層数の前記被酸化層が酸化されてなる第2の電流狭窄部と、を有し、
前記凹部のうちで前記第1の電流狭窄部に隣接した第1の部分は、前記第1の層数の前記被酸化層の前記酸化されてなる部分に至る第1の溝深さを有し、
前記凹部のうちで前記第2の電流狭窄部に隣接した第2の部分は、前記第1の溝深さよりも浅く、前記第2の層数の前記被酸化層の前記酸化されてなる部分に至る第2の溝深さを有することを特徴とする面発光型半導体素子。 - 基板と、
前記基板の主面上に形成された発光領域を有する半導体活性層と、
前記半導体活性層を狭持し、前記基板に対して垂直方向の共振器を形成する、前記半導体活性層に対して前記基板と反対側に形成された第1の半導体多層膜反射鏡及び前記半導体活性層に対して前記基板側に形成された第2の半導体多層膜反射鏡と、
前記半導体活性層に電流を注入するための一対の電極と、
前記半導体活性層の近傍に形成され、Alを含む被酸化層が複数層設けられ、その側面から酸化されることによって形成された電流狭窄部と、
少なくとも前記被酸化層の最上層に到達する溝深さの凹部と、
前記凹部に囲まれたメサ部と、
を備え、
前記電流狭窄部は、前記複数層の被酸化層のうちの第1の層数の前記被酸化層が酸化されてなる第1の電流狭窄部と、前記第1の層数よりも小なる第2の層数の前記被酸化層が酸化されてなる第2の電流狭窄部と、を有し、
前記被酸化層のうちの酸化された部分に隣接する未酸化の部分は、前記酸化された部分よりも高い濃度のプロトンを含有してなることを特徴とする面発光型半導体素子。 - 基板と、
前記基板の主面上に形成された発光領域を有する半導体活性層と、
前記半導体活性層を狭持し、前記基板に対して垂直方向の共振器を形成する、前記半導体活性層に対して前記基板と反対側に形成された第1の半導体多層膜反射鏡及び前記半導体活性層に対して前記基板側に形成された第2の半導体多層膜反射鏡と、
前記半導体活性層に電流を注入するための一対の電極と、
前記半導体活性層の近傍に形成され、Alを含む被酸化層が複数層設けられ、その側面から酸化されることによって形成された電流狭窄部と、
少なくとも前記被酸化層の最上層に到達する溝深さの凹部と、
前記凹部に囲まれたメサ部と、
を備え、
前記第1及び第2の半導体多層膜反射鏡の少なくともいずれかは、端面から酸化されることにより形成された酸化領域を有し、前記主面に対して平行な第1の方向における前記端面から酸化された長さが小なる第1の部分と、前記主面に対して平行で前記第1の方向とは異なる第2の方向における前記端面から酸化された長さが大なる第2の部分と、を有し、
前記側面からの前記電流狭窄部の長さは、前記第1の部分の前記酸化された長さと前記第2の部分の前記酸化された長さのいずれよりも大なることを特徴とする面発光型半導体素子。 - 基板と、
前記基板の主面上に形成された発光領域を有する半導体活性層と、
前記半導体活性層を狭持し、前記基板に対して垂直方向の共振器を形成する、前記半導体活性層に対して前記基板と反対側に形成された第1の半導体多層膜反射鏡及び前記半導体活性層に対して前記基板側に形成された第2の半導体多層膜反射鏡と、
前記半導体活性層に電流を注入するための一対の電極と、
前記半導体活性層の近傍に形成され、Alを含む被酸化層が複数層設けられ、その側面から酸化されることによって形成された電流狭窄部と、
少なくとも前記被酸化層の最上層に到達する溝深さの凹部と、
前記凹部に囲まれたメサ部と、
を備え、
前記第1及び第2の半導体多層膜反射鏡の少なくともいずれかは、端面から酸化されることにより形成された酸化領域を有し、前記端面から酸化された長さが小なる第1の部分と、前記端面から酸化された長さが大なる第2の部分と、を有し、
前記第1の部分において、酸化領域に隣接する未酸化の領域は、前記酸化領域よりも高い濃度のプロトンを含有してなることを特徴とする面発光型半導体素子。 - 基板の主面上に、活性層と、Alを含む複数の被酸化層と、を設ける工程と、
前記主面上からみて発光領域とすべき部分の周囲に、前記複数の被酸化層のうちの第1の層数の被酸化層の端面が露出するように第1の凹部と、前記複数の被酸化層のうちの前記第1の層数よりも小なる第2の層数の被酸化層の端面が露出するように第2の凹部と、を形成する工程と、
前記第1及び第2の凹部において露出している前記被酸化層の端面から酸化を進行させる工程と、
を備えたことを特徴とする面発光型半導体素子の製造方法。 - 基板の主面上に、活性層と、半導体多層膜反射鏡と、を積層する工程と、
前記主面上からみて発光領域とすべき部分を取り囲むように、前記半導体多層膜反射鏡にプロトンが打ちまれた第1の部分と、前記半導体多層膜反射鏡にプロトンが打ち込まれていない第2の部分と、を形成する工程と、
前記第1及び第2の部分の端面から、前記半導体多層膜反射鏡を構成する半導体層の少なくともいずれかの酸化を進行させる工程と、
を備えたことを特徴とする面発光型半導体素子の製造方法。
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