JP4205208B2 - 面発光型半導体レーザ及びその作製方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、Al酸化膜による電流狭窄機能を有する半導体レーザ素子及びその製作方法に関し、更に詳細には、Al酸化膜の膜幅が良好に制御され、レーザ特性がそれぞれ一様な半導体レーザ素子及びその製作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、活性領域を上下に挟む反射鏡を有する垂直共振器を備え、半導体基板に対して垂直方向に光を出射する半導体レーザ素子であって、2次元並列集積化、即ち二次元アレー化が可能であり、並列光情報処理や光インターコネクションなどの新しい光エレクロトニクスの分野への適用を目指した半導体レーザ素子として注目されている。
【0003】
面発光型半導体レーザ素子の一つとして、Al酸化膜による電流狭窄構造を備えた面発光型半導体レーザ素子が開発されつつある。ここで、図9(a)及び(b)を参照して、Al酸化膜による電流狭窄構造を備えた従来の面発光型半導体レーザ素子の構成を説明する。図9(a)は従来の面発光型半導体レーザの層構造を示す断面図、図9(b)はエアポストの一部の構成を示す詳細図である。
Al酸化膜による電流狭窄構造を備えた従来の面発光型半導体レーザ素子70(以下、簡単に従来の面発光型半導体レーザ素子70と言う)は、約100μm程度の厚さのn−GaAs基板1と、n−GaAs基板1上に形成された、n−DBRミラー2、InGaAsからなる量子井戸活性層3、及びp−DBRミラー4とからなる積層体とを備えている。
n−DBRミラー2はn−GaAs層2aとn−AlAs層2bとの22.5ペアの多層膜構造として、p−DBRミラー4は、p−GaAs層4aとp−AlAs層4bの25ペアの多層膜構造として、それぞれ、形成されている。
【0004】
積層体のうちp−DBRミラー4、InGaAs量子井戸活性層3、n−DBRミラー2の2ペア分の中央部は、平面的に見て、周りが円筒状のポリイミド層5により外側から電気的に分離された、直径約30μm の円柱状エアポスト71として形成されている。
円柱状エアポスト71のポリイミド層5に面するAlAs 層の側面には、図9(b)に示すように、AlxOy膜10が形成されていて、これにより、電流注入領域として機能するエアポストの径は、エアポスト71自体の径である約30μm より小さい約20μmになっている。
エアポスト71の外側のp−DBRミラー4及びポリイミド層5上には、絶縁膜兼保護膜としてSiNx膜6が成膜されている。また、リング状のn側電極8がn−GaAs基板1の裏面に、SiNx膜6上及びエアポスト71上にp側電極7が形成され、光取り出し用のAR(無反射)膜9がn側電極8の内側に形成されている。
【0005】
次に、図10(a)及び(b)を参照して、従来の面発光型半導体レーザ素子70の製作方法を説明する。図10(a)及び(b)は従来の面発光型半導体レーザ素子を製作する際の各工程の層構造を示す断面図である。
先ず、図10(a)に示すように、n−GaAs基板1上に、MBE法により、n−DBRミラー2、InGaAsからなる量子井戸活性層3、及びp−DBRミラー4を、順次、積層する。
次に、図10(b)に示すように、RIBE法等を使ったドライエッチング法により、p−DBRミラー4、InGaAs量子井戸活性層3、及びn−DBRミラー2の2ペア分をリング状にエッチングして、リング状の溝72を形成すると共にリング状の溝72により直径30μmの円柱状エアポスト71を区画する。
【0006】
次いで、窒素をキャリアガスとして使って水分を熱処理炉に導入し、水蒸気雰囲気中にて約420℃の温度で約2分間の熱処理を施す。
これにより、露出しているAlAs層は酸化され、図9(b)に示すように、AlxOy膜10が形成される。通常の条件で、AlAsの酸化速度は約2μm/分なので、約2分間熱処理を行うことで、電流注入領域の径を元の30μmから約20μmに狭めることができる。
次に、リング状の溝72をポリイミドで埋め、p−DBRミラー4の上面を平坦化する。続いて、図9(a)に示すように、エアポスト71上部を除く領域に絶縁膜のSiNx膜6を成膜し、エアポスト71上部を電流注入領域として機能させる。
次いで、n−GaAs基板1を約100μm程度の厚さに研磨した後、n−GaAs基板1の研磨面にリング状のn側電極8を形成し、また、SiNx膜6上及びエアポスト71上にp側電極7を形成する。
最後に、光取り出し用のAR(無反射)膜9をn側電極8の内側に形成すると、従来の面発光型半導体レーザ素子70を得ることができる。
【0007】
従来の面発光型半導体レーザ素子70では、発光領域がエアポスト状に形成され、エアポストの側面に形成されたAl酸化膜が電気絶縁性であることから、エアポスト側面での非発光再結合を抑制することができるので、しきい値電流の低減及び量子効率の増大等のレーザ素子特性の改善が報告されている。
また、Al酸化膜の形成により、発光領域の電流注入領域を小さくすることができ、これにより、更に、しきい値電流を低減することができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、AlAsの酸化工程では、酸化速度がAl酸化膜の膜厚等に依存し、また、温度、酸化時間等のプロセス条件のパラメータも多いことから、AlAs の酸化速度の制御が難しく、エアポストの中心方向の厚さ(又は幅)が均質なAla Ob 膜を形成することが難しかった。
このために、レーザ素子特性がバラツキ勝ちで、一様なレーザ特性を有する面発光型半導体レーザ素子を大量に製作することが困難で、従って、製品歩留りの向上が課題となっていた。
【0009】
本発明の目的は、高Al組成半導体層の酸化制御性が良好で、レーザ特性に優れ、かつ素子同士のレーザ特性のバラツキがない構成を有する面発光型半導体レーザ及びその製作方法を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る面発光型半導体レーザ(以下、第1の発明と言う)は、高Al組成半導体層と、低Al組成半導体層とを交互に積層した多層膜を反射鏡とするエアポスト状の半導体積層構造を発光部に有し、エアポスト側面で反射鏡の高Al組成半導体層のAl元素が酸化されて酸化物(Ala Ob )に転化し、これにより電流狭窄されている面発光型半導体レーザ素子において、
反射鏡を構成する多層膜の高Al組成半導体層の少なくとも一層及びその高Al組成半導体層と対をなす低Al組成半導体層の双方の中央部が、混晶化され、かつ高Al組成半導体層の混晶領域の外側領域ではAl元素が酸化され、酸化物(Ala Ob )に転化していることを特徴としている。
【0011】
第1の発明に係る面発光型半導体レーザの製作方法は、
反射鏡の少なくとも一層の高Al組成半導体層、及びその高Al組成半導体層と対をなす低Al組成半導体層の双方の所望領域を混晶化する工程と、
混晶化した高Al組成半導体層を含む反射鏡の高Al組成半導体層のエアポスト側面を酸化する工程と
を備えていることを特徴としている。
【0012】
また、本発明に係る別の面発光型半導体レーザ(以下、第2の発明と言う)は、高Al組成半導体層と、低Al組成半導体層とを交互に積層した多層膜を反射鏡とするエアポスト状の半導体積層構造を発光部に有し、エアポスト側面で反射鏡の高Al組成半導体層のAl元素が酸化されて酸化物(Ala Ob )に転化している面発光型半導体レーザ素子において、
高Al組成半導体層と低Al組成半導体層とを積層してなる別の多層膜は、Al元素が酸化物(Ala Ob )に転化している反射鏡の高Al組成半導体層に接して積層され、
別の多層膜の中央部は、混晶化され、かつ、別の多層膜の高Al組成半導体層の混晶領域の外側領域ではAl元素が酸化され、酸化物(Ala Ob )に転化し、これにより電流狭窄されていることを特徴としている。
【0013】
第2の発明に係る面発光型半導体レーザの製作方法は、
エアポスト状の半導体積層構造を形成する際に、高Al組成半導体層と低Al組成半導体層とを交互に積層して、反射鏡とは別の多層膜を反射鏡に接して形成する工程と、別の多層膜の所望領域を混晶化する工程とを有し、
反射鏡の高Al組成半導体層を酸化する際に、反射鏡の高Al組成半導体層のエアポスト側面と共に、別の多層膜の高Al組成半導体層の混晶領域の外側領域を酸化し、これにより電流狭窄する工程を有することを特徴としている。
【0014】
本発明の高Al組成半導体層とは、半導体層を構成する元素の一つがAlであるようなIII −V族化合物半導体層であって、例えばAlGaInP、AlInGaAs、AlGaAs、AlInP、AlAs 、AlInAs 等の化合物半導体層を言う。また、本発明の低Al組成半導体層とは、上記高Al組成半導体層よりAl組成の小さいものを言う。更に、低Al組成半導体層はAl元素を含まないAl不含半導体層であっても良い。
第1の発明では、具体的には、反射鏡を形成する高Al組成半導体層及び低Al組成半導体層が、それぞれ、AlX Ga1-XAs (X=0.8〜1.0)層及びAlY Ga1-YAs (X>Y=0.0〜0.7)層であって、混晶化された中央部が、AlZ Ga1-Z As (X>Z)混晶層である。
第2の発明では、具体的には、別の多層膜を形成する高Al組成半導体層及び低Al組成半導体層が、それぞれ、AlX Ga1-XAs 層及びAlY Ga1-YAs (X>Y)層であって、混晶化された中央部が、AlZ Ga1-Z As (X>Z)層であり、反射鏡を形成する高Al組成半導体層がAlW Ga1-WAs (X>W)層である。
第1及び第2の発明で、電流狭窄を行う高Al組成半導体層の中央部のAl組成を混晶化によって小さくすることにより、高Al組成半導体層が酸化され難いので、混晶領域によりAl酸化膜の制御が更に一層良好になる。
【0015】
AlZ Ga1-Z As (X>Z)混晶層の形成方法は、様々な方法があり、例えばSiをイオン注入し、熱処理を施すことにより容易に高Al組成半導体層、例えばAlX Ga1-XAs (X=0.8〜1.0)層と低Al組成半導体層、例えばAlY Ga1-YAs (X>Y=0.0〜0.7)層との混晶化を行うことができる。また、Siに代えて、Znを拡散して熱処理を行っても、混晶化できる。
本発明では、反射鏡の一部半導体層又は反射鏡に接した半導体層の中央の所望域に混晶領域を形成し、その混晶領域の断面径、即ち外縁によりAl酸化膜のエアポスト中心方向厚さを規制して、電流注入領域の径を確実に制御できるので、面発光型半導体レーザ素子間でばらつかない一様なレーザ特性を実現できる。
混晶領域を形成する半導体層の厚さは、通常、500nm以内である。
本発明で、エアポストの断面形状に制約はないが、通常は、円形である。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例1
本実施形態例は、第1の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(a)は本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の層構造を示す断面図、図1(b)は発光領域の層構造の詳細図である。
本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子30(以下、半導体レーザ素子30と言う)は、Al酸化膜による電流狭窄構造を備えた面発光型半導体レーザ素子であって、図1(a)に示すように、約100μm程度の厚さのn−GaAs基板11と、n−GaAs基板11上に形成された、n−DBRミラー12、InGaAsからなる量子井戸活性層13、及びp−DBRミラー14とからなる積層体とを備えている。
図1(b)に示すように、n−DBRミラー12はn−GaAs層12aとn−AlAs層12bの24ペアからなる多層膜構造として、p−DBRミラー14はp−GaAs層14aとp−Al0.8 Ga0.2 As層14bの25ペアからなる多層膜構造として、それぞれ、形成されている。
【0017】
積層体のうちp−DBRミラー14、InGaAs量子井戸活性層13、n−DBRミラー12の2ペア分の積層構造の中央部は、周りが円筒状のポリイミド層15で区画されて、直径約30μm の円柱状エアポスト23として形成されている。
n−DBRミラー12の2ペア分に相当する、円柱状エアポスト23の下部では、図1(b)に示すように、ほぼAl0.5 Ga0.5 Asの組成からなるAlGaAs混晶領域21がその中央に形成され、混晶領域21の外側のAlAs 層12bは、酸化されてAla Ob 層20となっている。また、混晶領域21の外側のGa As 層12aはそのままGa As 層として存在している。
円柱状エアポスト23のp−DBRミラー14部分のp−Al0.8 Ga0.2 As層14bのポリイミド層15に面する領域は、酸化されてAla Ob 層20となっている。Ala Ob 層20の組成は、例えばAl2 O3 である。
本実施形態例では、Ala Ob 層20のエアポスト中心方向厚さが混晶領域21の外縁により規制されるので、Ala Ob 層20の厚さは、確実に制御され、半導体レーザ素子間でレーザ特性が一様になる。
【0018】
エアポスト23を除くp−DBRミラー14上、及びポリイミド層15上には、絶縁膜兼保護膜としてSiNx膜16が成膜されている。また、リング状のn側電極18がn−GaAs基板11の裏面に、SiNx膜16上及びエアポスト23上にp側電極17が形成され、光取り出し用のAR(無反射)膜19がn側電極18の内側に形成されている。
【0019】
実施形態例1の面発光型半導体レーザの製作方法
以下に、図2及び図3を参照して、本実施形態例の半導体レーザ素子の製作方法30を説明する。図2(a)から(c)及び図3(d)と(e)は本実施形態例の半導体レーザ素子を製作する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
先ず、図2(a)に示すように、n−GaAs基板11上に、例えばMBE法を用いて、n−GaAsとn−AlAsの24ペアからなるn−DBRミラー12を積層する。
続いて、図2(b)に示すように、直径が20μm程度で深さがGaAsとAlAsの2ペア分のAlGaAs混晶領域21をn−DBRミラー12の上部中央に形成する。AlGaAs混晶領域21は、ほぼAl0.5 Ga0.5 Asの組成になっている。
GaAsとAlAsの混晶領域の形成方法は、様々な方法があり、例えばSiをイオン注入し、熱処理を施すことにより容易にGaAsとAlAsとの混晶化を行うことができる。また、また、p型のDBRに混晶領域を形成する場合には、Siに代えて、Znを拡散して熱処理を行っても、混晶化が可能である。本実施形態例では、n側半導体層に混晶領域を形成しているので、Siを用いている。
【0020】
次いで、n−DBRミラー12上に、例えばMBE法により、InGaAs量子井戸活性層13、及びp−GaAsとp−Al0.8 Ga0.2 Asの25ペアからなるp−DBRミラー14を順次積層する。
続いて、RIBE法等を使ったドライエッチング法により、図2(c)に示すように、p−DBRミラー14、InGaAs量子井戸活性層13、及びn−DBRミラー12の2ペア分をリング状にエッチングして、基板平面で見てリング状の溝22を形成すると共に、リング状の溝22により直径30μmの円柱状エアポスト23を先に形成した混晶領域21上に区画する。
【0021】
次いで、窒素をキャリアガスに使って水分を導入して水蒸気雰囲気にした熱処理炉に基板を送入して、約420℃の温度で約3分間の熱処理を基板に施す。エアポスト23の露出しているn−DBRミラー12のAlAs 層及びp−DBRミラー14のAlGa As 層は、水蒸気雰囲気下での熱処理により酸化され、図3(d)に示すように、Ala Ob 膜20が形成される。
通常、AlAsの酸化速度は約2μm/分なので、約3分間熱処理を行うことで、電流注入領域の径を元のエアポストの30μmから約20μmに確実に狭めることができる。
一方、混晶化領域21では、ほぼAl0.5 Ga0.5 Asの組成からなるAlGaAs混晶が形成され、Al組成が小さくなっているために、酸化がほとんど進まず、この領域にて酸化を自動的に停止させることができる。即ち、酸化層の幅(エアポスト中心方向への厚さ)は混晶領域の大きさにより制御できる。従って、電流注入領域の径が混晶領域の大きさ、即ち混晶領域の外縁によって確実に制御可能となる。
また、p−DBRミラー14のp−Al0.8 Ga0.2 As層では、Al(Ga)Asの酸化速度が、Alの組成に大きく依存することを利用しているので、AlAsに比べて酸化速度が約2桁程度遅いことから、酸化はほとんど進まないので、Ala Ob 膜20の幅は小さい。
従って、Ala Ob 膜20のエアポスト中心方向厚さ(電流注入の開口幅)は、混晶領域21の外縁により確実に規制される。
【0022】
次に、図3(e)に示すように、ポリイミド15によりリング状の溝22を埋め、表面を平坦化する。続いて、エアポスト23上部を除く部分にSiNx膜16を成膜し、エアポスト23上部を電流注入領域として機能させる。更に、n−GaAs基板11を約100μm程度の厚さに研磨した後、n−GaAs基板11の研磨面にリング状のn側電極18を形成し、また、SiNx膜16上及びエアポスト23上にp側電極17を形成する。
最後に、光取り出し用のAR(無反射)膜19をn側電極18の内側に形成すると、図1に示す本実施形態例の半導体レーザ素子30を得ることができる。
【0023】
なお、Ga As /AlAs の多層膜構造のn−DBRミラー12の混晶化に際し、GaAs層の厚さが約70nm、AlAs層の厚さが約85nmと、膜厚がかなり厚いので、全層を混晶化すると、熱処理の時間が長くなってしまう。
酸化速度は、膜厚が薄くなると酸化速度が遅くなるという膜厚依存性があって、Al(Ga)Asの膜厚にも依存する。そこで、図3(a)に示したように層全体にわたって混晶化しなくとも、AlAs層の膜厚を薄くし、GaAs層12aとAlAs層12bの界面近傍を混晶化させて、AlAs 層の酸化速度を低下させることにより、Al酸化膜幅を一層厳密に制御することもできる。
【0024】
このように製作された半導体レーザ素子では、混晶領域の外縁により電流注入領域の経を確実に制御できることから、ウエハ内及びロット間でレーザ特性のバラツキを低減することができる。
【0025】
尚、本実施形態例では、n型基板上に形成する半導体レーザ素子について説明を行ったが、p型基板を用いても同様の効果が得られる。
また、p及びn−DBRミラーのペア数、組成等は、使用用途に応じて適宜最適化できることは言うまでもない。
【0026】
実施形態例2
本実施形態例は、第2の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4(a)は本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の層構造を示す断面図、図4(b)は発光領域の層構造の詳細図である。
本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子60は、Al酸化膜による電流狭窄構造を備えた面発光型半導体レーザ素子であって、図4(a)に示すように、約100μm程度の厚さのn−GaAs基板31と、n−GaAs基板31上に形成された、n−DBRミラー32、n−InPクラッド層33、量子井戸活性層34、p−InPクラッド層35、4層膜37、及びp−DBRミラー36からなる積層体とを備えている。
図4(b)に示すように、p−DBRミラー36は、p−GaAs層36aとp−Al0.8 Ga0.2 As層36bの28ペアからなる多層膜として構成され、4層膜37は、p−GaAs層37aとp−AlAs層37bの2ペアからなる4層膜である。
また、n−DBRミラー32は、n−GaAs層とn−AlAs層の28ペアからなる多層膜構造として形成されている。
【0027】
積層体のうちp−DBRミラー36、及び4層膜37の積層構造の中央部は、周りが円筒状のポリイミド層51で区画されて、直径約30μm の円柱状エアポスト52として形成されている。
円柱状エアポスト52の下部、4層膜37は、図4(b)に示すように、ほぼAl0.5 Ga0.5 Asの組成からなるAlGaAs混晶領域42がその中央に形成され、混晶領域42とポリイミド層51との間のAlAs 層37bは、酸化されてAla Ob 層43となっている。また、混晶領域42の外側のGa As 層37aはそのままGa As 層として存在している。
円柱状エアポスト52のp−DBRミラー36部分のp−Al0.8 Ga0.2 As層36bのポリイミド層51に面する領域は、酸化されてAla Ob 層43となっている。Ala Ob 層43の組成は、例えばAl2 O3 である。
本実施形態例では、Ala Ob 層43のエアポスト中心方向厚さが混晶領域42の外縁により規制されるので、Ala Ob 層43の厚さが、確実に制御され、半導体レーザ素子間でレーザ特性が一様になる。
【0028】
エアポスト52を除くp−DBRミラー36上、及びポリイミド層51上には、絶縁膜兼保護膜としてSiNx膜53が成膜されている。
また、リング状のn側電極55がn−GaAs基板31の裏面に、SiNx膜53上及びエアポスト52上にp側電極54が形成され、光取り出し用のAR(無反射)膜56がn側電極55の内側に形成されている。
【0029】
実施形態例2の面発光型半導体レーザの製作方法
図5から図8を参照して、実施形態例2の長波長帯面発光型半導体レーザ素子60の製作方法を説明する。図5(a)から(c)、図6(d)から(f)、図7(g)から(i)及び図8(j)から(k)は、それぞれ、実施形態例2の面発光型半導体レーザを製作する際の各工程での層構造を示す断面図である。
先ず、図5(a)に示すように、n−GaAs基板31上に、例えばMBE法を用いて、n−GaAs層とn−AlAs層の28ペアの多層膜からなるn−DBRミラー32を積層する。
また、図5(b)に示すように、InP基板45上に、例えばMOCVD法により、InGaAs(P)エッチング停止層46、p−InPクラッド層35、量子井戸活性層34、及びn−InPクラッド層33を、順次、積層する。
更に、図5(c)に示すように、GaAs基板47上に、例えばMBE法により、AlAsエッチング停止層48、p−GaAs層36aとp−Al0.8 Ga0.2 As層36bの28ペアの多層膜からなるp−DBRミラー36、及びp−GaAs層37aとp−AlAs層37bの2ペアからなる4層膜37を、順次、積層する。
【0030】
次いで、n−GaAs基板31上のn−DBRミラー32の表面、及び、InP基板45上のn−InPクラッド層33の表面をそれぞれ洗浄した後、劈開面を合わせて、大気中、室温で密着させ、続いて、水素雰囲気中にて約500〜650℃の温度で30分間程度の熱処理を施す。
これにより、n−DBRミラー32と、n−InPクラッド層33は、図6(d)に示すように、相互の間で強固に接着して貼り合わせ体49を形成する。
次に、貼り合わせ体49のInP基板45を塩酸にて、InGaAs(P)エッチング停止層46を硫酸系のエッチング液にて、それぞれ、エッチング除去して、図6(e)に示すように、p−InPクラッド層35を露出させる。
【0031】
一方、GaAs基板47上に積層したp−GaAs層37aとp−AlAs層37bの2ペアの4層膜37の中央に、図6(f)に示すように、ほぼAl0.5 Ga0.5 Asの組成からなる直径10μm程度のAlGaAs混晶領域42を形成する。
尚、GaAsとAlAsの混晶には様々な方法があり、例えばZnを拡散し熱処理を施すことにより容易に混晶化できる。
【0032】
次に、露出させたp−InPクラッド層35の表面、及び、GaAs基板47上の4層膜37の表面を洗浄した後、劈開面を合わせて、大気中、室温で密着させた後、再び約500〜650℃の温度で30分間程度の熱処理を施す。
これにより、p−InPクラッド層35と4層膜37とは、図7(g)に示すように、相互の間で強固に接着して貼り合わせ体50を形成する。
次に、貼り合わせ体50のGaAs基板47をアンモニア系のエッチング液で、AlAsエッチング停止層48をフッ酸にて、それぞれ、エッチング除去して、図7(h)に示すように、p−DBRミラー36を露出させる。
次に、RIBE等のドライエッチング法により、p−DBRミラー36、4層膜37をエッチングして、リング状の溝51を形成しつつ、先に形成した混晶領域42にエアポスト52の位置を合わせて、直径20μmの円柱状エアポスト52を形成する。
【0033】
次いで、窒素をキャリアガスとして水分を導入し、水蒸気雰囲気にした熱処理炉内に基板を送入し、約420℃の温度で約3分間熱処理を施す。
これにより、図8(j)に示すように、溝51に露出しているAlAs 層37b及びAl0.8 Ga0.2 As層36bは、酸化され、Ala Ob 膜43が形成される。一方、混晶化領域42では、ほぼAl0.5 Ga0.5 Asの組成からなるAlGaAs混晶が形成され、Al組成が小さくなっているために、酸化がほとんど進まず、この領域の外縁で酸化反応を自動的に停止させることができる。
通常条件で、AlAsの酸化速度は約2μm/分なので、約3分間熱処理を行うことで、電流注入領域の経を確実に10μm(20μmから)に狭めることができる。
また、p−DBRミラー36のp−Al0.8 Ga0.2 As層36bは、Al(Ga)Asの酸化速度が、Alの組成に大きく依存することを利用しており、AlAsに比べて酸化速度が約2桁程度遅いことから、酸化はほとんど進まないので、Ala Ob 膜43の幅は小さい。
従って、Ala Ob 膜43の幅(エアポスト中心方向厚さ)、電流注入領域の径が、混晶領域の大きさ、即ち外縁によって確実に制御可能となる。
【0034】
その後、SiNx膜53によりエアポスト上部を除く上面を保護した後、n−GaAs基板31を約100μm程度の厚さに研磨する。更に、p側電極54、及びリング状のn側電極55を形成し、最後に光取り出し用のAR(無反射)膜56を形成すると、図4に示す半導体レーザ素子60を得ることができる。
【0035】
本実施形態例においても、実施形態例1と同様に、混晶領域の外縁により電流注入領域の経を確実に制御できることから、ウエハ内及びロット間でレーザ特性のバラツキを低減することができる。
【0036】
【発明の効果】
本発明によれば、エアポスト側面に面するAl元素酸化膜の内側に混晶領域を設け、Al元素酸化膜の幅(エアポスト中心方向厚さ)を混晶領域の外縁、即ち混晶領域の大きさで規制することにより、電流注入領域の経を確実に制御できる。
従って、本発明に係る面発光型半導体レーザ及びその製作方法によれば、従来のように、ウエハ内及びロット間でレーザ特性がバラツクことがなく、一様なレーザ特性を有する面発光型半導体レーザを歩留り良く製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)は実施形態例1の面発光型半導体レーザ素子の層構造を示す断面図、図1(b)は発光領域の層構造の詳細図である。
【図2】図2(a)から(c)は、それぞれ、実施形態例1の面発光型半導体レーザ素子を製作する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
【図3】図3(d)と(e)は、それぞれ、図2(c)に続く、実施形態例1の面発光型半導体レーザ素子を製作する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
【図4】図4(a)は実施形態例2の面発光型半導体レーザ素子の層構造を示す断面図、図4(b)は発光領域の層構造の詳細図である。
【図5】図5(a)から(c)は、それぞれ、実施形態例2の面発光型半導体レーザ素子を製作する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
【図6】図6(d)から(f)は、それぞれ、図5(c)に続く、実施形態例2の面発光型半導体レーザ素子を製作する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
【図7】図7(g)から(i)は、それぞれ、図6(f)に続く、実施形態例2の面発光型半導体レーザ素子を製作する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
【図8】図8(j)と(k)は、それぞれ、図7(i)に続く、実施形態例2の面発光型半導体レーザ素子を製作する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
【図9】図9(a)は従来の面発光型半導体レーザ素子の層構造を示す断面図、図9(b)は発光領域の層構造の詳細図である。
【図10】図10(a)と(b)は、それぞれ、従来の面発光型半導体レーザ素子を製作する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
【符号の説明】
1 n−GaAs基板
2 n−GaAs層2aとn−AlAs層2bとの22.5ペアのn−DBRミラー
3 InGaAsからなる量子井戸活性層
4 p−GaAs層4aとp−AlAs層4bとの25ペアのp−DBRミラー
5 ポリイミド層
6 SiNx膜
7 p側電極
8 n側電極
9 AR(無反射)膜
10 Ala Ob 膜
11 n−GaAs基板
12 n−GaAs層12aとn−AlAs層12bとの24ペアのn−DBRミラー
13 InGaAs量子井戸活性層
14 p−GaAs層14aとp−Al0.8 Ga0.2 As層14bの25ペアからなるp−DBRミラー
15 ポリイミド層
16 SiNx膜
17 p側電極
18 n側電極
19 反射膜
20 Ala Ob 層
21 AlGaAs混晶領域
23 エアポスト
30 実施形態例1の面発光型半導体レーザ
31 n−GaAs基板
32 n−GaAs層とn−AlAs層との28ペアのn−DBRミラー
、33 n−InPクラッド層
34 量子井戸活性層
35 p−InPクラッド層35
36 p−GaAs層36aとp−Al0.8 Ga0.2 As層36bとの28ペアのp−DBRミラー
37 p−GaAs層37aとp−AlAs層37bとの2ペアの4層膜
42 混晶領域
43 Ala Ob 層
51 ポリイミド層
52 円柱状エアポスト
53 SiNx膜
54 p側電極
55 n側電極
56 AR(無反射)膜
60 実施形態例2の面発光型半導体レーザ素子
70 従来の面発光型半導体レーザ素子
71 円柱状エアポスト
72 溝
Claims (6)
- 高Al組成半導体層と、低Al組成半導体層とを交互に積層した多層膜を反射鏡とするエアポスト状の半導体積層構造を発光部に有し、エアポスト側面で反射鏡の高Al組成半導体層のAl元素が酸化されて酸化物(Ala Ob )に転化し、これにより電流狭窄されている面発光型半導体レーザ素子において、
反射鏡を構成する多層膜の高Al組成半導体層の少なくとも一層及びその高Al組成半導体層と対をなす低Al組成半導体層の双方の中央部が、混晶化され、かつ高Al組成半導体層の混晶領域の外側領域ではAl元素が酸化され、酸化物(Ala Ob )に転化していることを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。 - 反射鏡を構成する多層膜の高Al組成半導体層及び低Al組成半導体層が、それぞれ、AlX Ga1-XAs (X=0.8〜1.0)層及びAlY Ga1-YAs (X>Y=0.0〜0.7)層であって、
混晶化された中央部が、AlZ Ga1-Z As (X>Z)混晶層であ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。 - 高Al組成半導体層と、低Al組成半導体層とを交互に積層した多層膜を反射鏡とするエアポスト状の半導体積層構造を発光部に有し、エアポスト側面で反射鏡の高Al組成半導体層のAl元素が酸化されて酸化物(Ala Ob )に転化している面発光型半導体レーザ素子において、
高Al組成半導体層と低Al組成半導体層とを積層してなる別の多層膜は、Al元素が酸化物(Ala Ob )に転化している反射鏡の高Al組成半導体層に接して積層され、
別の多層膜の中央部は、混晶化され、かつ、別の多層膜の高Al組成半導体層の混晶領域の外側領域ではAl元素が酸化され、酸化物(Ala Ob )に転化し、これにより電流狭窄されていることを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。 - 別の多層膜を形成する高Al組成半導体層及び低Al組成半導体層が、それぞれ、AlX Ga1-XAs 層及びAlY Ga1-YAs (X>Y)層であって、混晶化された中央部が、AlZ Ga1-Z As (X>Z)層であり、
反射鏡を形成する高Al組成半導体層がAlW Ga1-WAs (X>W)層であることを特徴とする請求項3に記載の面発光型半導体レーザ素子。 - 高Al組成半導体層と、低Al組成半導体層とを交互に積層した多層膜を反射鏡とするエアポスト状の半導体積層構造を発光部に有し、エアポスト側面で反射鏡の高Al組成半導体層のAl元素が酸化されて酸化物(Ala Ob )に転化し、これにより電流狭窄されている面発光型半導体レーザ素子の製作方法であって、
反射鏡の少なくとも一層の高Al組成半導体層、及びその高Al組成半導体層と対をなす低Al組成半導体層の双方の所望領域を混晶化する工程と、
混晶化した高Al組成半導体層を含む反射鏡の高Al組成半導体層のエアポスト側面を酸化する工程と
を備えていることを特徴とする面発光型半導体レーザ素子の作製方法。 - 高Al組成半導体層と、低Al組成半導体層とを交互に積層した多層膜を反射鏡とするエアポスト状の半導体積層構造を発光部に有し、エアポスト側面で反射鏡の高Al組成半導体層のAl元素が酸化されて酸化物(Ala Ob )に転化している半導体レーザ素子の製作方法であって、
エアポスト状の半導体積層構造を形成する際に、高Al組成半導体層と低Al組成半導体層とを交互に積層して、反射鏡とは別の多層膜を反射鏡に接して形成する工程と、別の多層膜の所望領域を混晶化する工程とを有し、
反射鏡の高Al組成半導体層を酸化する際に、反射鏡の高Al組成半導体層のエアポスト側面と共に、別の多層膜の高Al組成半導体層の混晶領域の外側領域を酸化し、これにより電流狭窄する工程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作方法。
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