JP4346493B2

JP4346493B2 - 酸化狭窄型面発光レーザ素子及びその製造方法

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Publication number: JP4346493B2
Application number: JP2004134994A
Authority: JP
Inventors: 則之横内; 則広岩井
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2024-04-30
Also published as: JP2005317816A

Description

本発明は、半導体層の選択酸化により電流狭窄構造が形成される酸化狭窄型面発光レー
ザ素子及びその製造方法に関するものである。

メトロ・アクセス系と呼ばれる中距離やＬＡＮなどの短距離における高速光伝送の信号光源用途を中心に、面発光レーザ素子のニーズが高まっている。

面発光レーザ素子においては、注入された電流を効率的に活性層の一部領域に閉じ込める電流狭窄構造が必要である。電流狭窄構造の主なタイプとしては、イオン打込み型と酸化狭窄型がある。後者は、活性層の近くに選択的に酸化されやすい組成を持った層（選択酸化層）を設けておき、エッチング等でこの層を側面に露出させ、水蒸気雰囲気中に晒すことでこの層が一定領域を残して酸化されるものである。特に、ＧａＡｓ基板上の面発光レーザ素子の場合、多層膜反射鏡として用いられるＡｌＧａＡｓの一層についてＡｌ組成比を他よりも高くし、あるいはＡｌＡｓで置き換えることで、この層のみを選択的に酸化することが可能である。酸化狭窄型の面発光レーザ素子は、酸化層の屈折率が半導体よりも低くなることから、電流のみならず光の閉じ込めも可能となり、低しきい値、高効率動作が可能、横モードが安定しているといった好ましい特性が得られるため、近年主流になっている。

ところで、一般に半導体レーザ素子をはじめとする半導体素子の製造工程においては、素子の選別を行うことや、光出力などの素子特性の初期変動を意図的に発生させ安定化させることを目的として、高温において素子を一定時間動作させるバーンインと呼ばれる処理がよく行われている。

このバーンインは、米国Ｔｅｌｃｏｒｄｉａ社の光半導体デバイス信頼性保証仕様の記載に基づいて行われることが多い。このＴｅｌｃｏｒｄｉａ社の仕様では、非特許文献１中の4.2.3節に、半導体レーザ素子のスクリーニング（不良素子選別）を行うための具体的条件が記されている。

また、面発光レーザ素子に対してバーンインを行っている例が、非特許文献２に示されている。
Telcordia GR-468-CORE, "Generic reliability assurance requirements for optoelectronic devices used in telecommunications equipment", Issue 1, USA, Dec. 1998 Robert A.Hawthorne III, James K.Guenter, David N.Granville, Mary K.Hibbs-Brenner and Robert A.Morgan, ’’Reliability study of 850 nm VCSELs for data communications’’, Reliability Physics Symposium, 34th Annual Proceedings, IEEE International, 1996, p.203 -210

面発光レーザ素子について従来行われていたバーンインは、光出力等の安定化に関しては有効であった。しかしながら、一方で、本発明者らは、バーンイン処理中に素子抵抗の変動が起こるという現象を見出した。この現象は、活性層において電流が注入され発光する部分の面積（選択酸化層において酸化されずに残った部分の面積、すなわち酸化アパーチャ）が小さな素子において特に顕著であった。図４は、酸化アパーチャ面積が５０μｍ^２以下である面発光レーザ素子について、バーンイン前及びバーンイン後における素子抵抗値（微分抵抗値）を酸化アパーチャ面積に対してプロットしたものである。バーンインは、７０℃、１３ｍＡにおいて２４時間行った。バーンインの前後で素子抵抗値が数十Ω程度低下する方向に変動しており、特に酸化アパーチャが３０μｍ^２以下の素子において変動が著しいことがわかる。

従来の半導体レーザに比べて簡易な製造方法で作製できる面発光レーザ素子は、低価格であるという特徴があるが、全素子にバーンインを行う工程は低価格化にとって障害となる。そこで、バーンイン工程のない製造工程が望まれていた。しかし、バーンインの行われていない面発光レーザ素子が信号光源等として実際に用いられた場合、使用中に素子抵抗が変動することにより最適な駆動条件が変化してしまいドライバＩＣでの駆動に支障をきたすため、問題となっていた。

以上に鑑み、本発明は、面発光レーザ素子の通電中における素子抵抗の変動を抑制し、動作の安定した面発光レーザ素子を提供することを目的としてなされたものである。

上記の目的を達成するため、本発明は、半導体基板上に、下部多層膜反射鏡を含み第一の導電型を有する下部積層体、活性層、及び上部多層膜反射鏡を含み前記第一の導電型とは反対である第二の導電型を有する上部積層体を有し、前記下部積層体又は前記上部積層体中に周縁部が酸化された半導体層によって形成された電流狭窄層構造を有する酸化狭窄型面発光レーザ素子の製造方法において、前記半導体基板上に前記下部積層体、活性層及び上部積層体が形成されてなるウエハを水蒸気雰囲気中で一定温度において一定時間保持する酸化工程と、前記酸化工程に連続して前記ウエハを４５０℃以上の温度で一定時間保持するアニール工程とを含むことを特徴とする酸化狭窄型面発光レーザ素子の製造方法を提供するものである。

前記酸化工程においては、多くの場合、水蒸気ガス（Ｈ_２Ｏ）を用い、Ａｌ含有量が多い半導体層をＡｌＯ_ｘに転化させる。このとき、Ｈ_２Ｏが分解されて生じた水素については、大部分がＡｓと結合して半導体中から脱離していくが、一部の水素が酸化層近傍に残留しアクセプタを不活性化するので、素子の高抵抗化の原因となっていると推測される。このような面発光レーザ素子に通電を行うと、残留水素が徐々に抜けていくために素子抵抗の変動が起こっていたものと考えられる。そこで、上記のように酸化工程の後に高温でアニール処理を行うことで、残留水素を素子製造段階で除去することができ、通電に伴う素子抵抗の変動が抑制される。

上述のように水素が半導体中に取り込まれる現象は、特にＡｌを含んだ半導体において起こり易い。よって、選択酸化層としてＡｌＧａＡｓやＡｌＡｓが用いられるＧａＡｓ基板上の面発光レーザ素子において、上記の高温アニール処理の効果が大きい。

また、Ａｌを含んだ半導体でも特に、ｐ型の場合に水素の取り込みの影響が大きい。よって、選択酸化層がｐ側に設けられた構造の面発光レーザ素子において、上記の高温アニール処理の効果が大きい。

さらに、ｐ型基板上の面発光レーザ素子のように、ｐｎ接合と半導体基板の間に選択酸化層が形成される構造では、酸化工程によって選択酸化層付近に取り込まれた水素が、ｐｎ接合による電位障壁のために表面に移動しにくい状態になっていると考えられる。したがって、上記のように酸化工程の後に高温でアニール処理を行うことは、特にｐｎ接合と半導体基板の間に選択酸化層が設けられた構造の面発光レーザ素子に対して効果的である。

前記アニール処理は、酸化処理後、不活性ガス中あるいは真空に近い状態で行うことが望ましい。また、酸化工程に連続した工程にて、すなわち、温度を下げることなく好ましくは同じ装置内で水蒸気を遮断し、温度を所望の温度まで上げ、アニール処理を行うこととしてもよい。このように、ウエハの温度をいったん室温近くまで下げることなく、アニール処理を酸化工程に連続して行うことによって、ウエハの急激な温度変化を避けることができ、酸化領域近傍の歪みによる割れ（素子の物理的な破壊）の発生を防止することができる。

ところで、面発光レーザ素子の製造においては、前記積層体に金属を成膜して電極を形成する電極形成工程を含むのが普通であるが、本発明において、前記アニール処理は、この電極形成工程よりも前の工程で行われるものとする。その理由は、アニール処理は残留水素を除去するべく高温で行われるため、電極形成よりも後に行うと、電極金属の損傷を招くからである。

本発明によれば、通電中に素子抵抗値が変動することなく安定した駆動条件で使用できる面発光レーザ素子を得ることができる。特に、酸化アパーチャが１０〜４０μｍ ^２の面発光レーザ素子において大きな効果を奏する。

図１は、本発明の製造方法により製造される面発光レーザ素子の構造を示す縦断面図である。面発光レーザ素子は、ｐ型ＧａＡｓ基板１上にｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる下部多層膜反射鏡２、ＧａＡｓ/ＡｌＧａＡｓ量子井戸活性層を含む共振器３、ｎ型のＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる上部多層膜反射鏡４が積層され、これらの層は、波長０．８５μｍでレーザ発振するように膜厚・組成が設計されている。

この積層構造において、少なくとも後述のｐ型ＡｌＡｓ層を含むメサポスト５が形成されている。下部多層膜反射鏡２における活性層に近い一層は、ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓに代えてｐ型ＡｌＡｓで構成され、このＡｌＡｓ層は、酸化工程によってメサポスト５の中心付近の一部を囲むＡｌＯ_ｘ層６に転化されている。未酸化のＡｌＡｓ領域を酸化アパーチャと呼び、図１中ではＯ_ａで表されており、その面積をＳ_ｏｘとする。本実施形態においてはＳ_ｏｘ＝１０〜４０μｍ^２とした。

メサポスト５の上部には、電流を注入するための上部電極７がリング状に設けられており、そのリングの内側が光出射部８を形成している。また、上部電極７に接続されたパッド電極９が、絶縁膜１０を介して面発光レーザ素子上面に形成されている。ｐ型ＧａＡｓ基板１の裏面には下部電極１１が形成されている。

次に、本発明の実施形態に係る面発光レーザ素子の製造方法を、面発光レーザ素子の構造を示した図１を参照して説明する。

まず、ｐ型ＧａＡｓ基板１上に、有機金属気相成長（Metalorganic Chemical Vapor Deposition；ＭＯＣＶＤ）法を用いて下部多層膜反射鏡２、共振器３、上部多層膜反射鏡４を成長してエピタキシャルウエハを作製する。ここで、下部多層膜反射鏡２における共振器３に近い一部の層は、ｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層に替えてｐ型ＡｌＡｓ層とする。あるいは、一層のｐ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層の一部分をｐ型ＡｌＡｓとしてもよい。

次に、ウエハ表面にフォトリソグラフィ及びエッチングを用いてＳｉＮ_ｘ（図示せず）を円形にパターニングし、これをマスクとして例えば塩素系ドライエッチングにより、少なくともＡｌＡｓ層がメサ側面に露出するように、メサポスト５を形成する。

次に、酸化工程について説明する。酸化装置は、例えば水蒸気を含む窒素ガスを導入するラインが接続されたチャンバー中に、ウエハを加熱するウエハステージが設けられている。ウエハステージの温度は、温度制御装置によって制御される。このウエハステージにウエハをセットし、ステージ温度を昇温させ、例えば４１０℃において水蒸気雰囲気中で２０分間保持することにより、酸化処理を行う。この酸化処理により、ＡｌＡｓ層がメサポスト５端から所定量酸化されてＡｌＯ_ｘ層６となり、Ｓ_ｏｘ＝１０〜４０μｍ^２の酸化アパーチャＯ_ａが形成される。なお、直径の異なるメサポスト５を複数種類用意することで、上記のようにＳ_ｏｘ値に幅を持たせた。

この酸化工程に続いてアニール処理を行うが、その処理条件については後述する実施例１、２で説明する。

次に、ＣＦ_４ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いてＳｉＮ_ｘマスクを除去したのち、ウエハ全面に再度ＳｉＮ_ｘ絶縁膜１０を成膜する。ＳｉＮ_ｘ絶縁膜１０中のリング形状領域を反応性イオンエッチングにより除去し、蒸着・リフトオフ法を用いてＡｕＧｅＮｉからなるリング状の上部電極７を形成する。その後、ＴｉＡｕからなるパッド電極９
の形成、ＡｕＺｎからなる下部電極１１の形成を行って、面発光レーザ素子が完成する。

本発明の実施例として、酸化後のアニール処理を以下のような条件で行って面発光レーザ素子を製造した。
［実施例１］酸化処理後にウエハを酸化装置から取り出し、酸化装置とは別のアニール装置を使用して、窒素雰囲気中において５５０℃、１０分間のアニール処理を行った。
［実施例２］酸化処理後、連続工程にて水蒸気ガスを遮断してチャンバー内を窒素ガスで置換し、ウエハステージの温度を酸化温度の４１０℃から昇温させ、窒素雰囲気中で５５０℃、１０分間のアニール処理を行った。

［比較例］また、比較例として、酸化処理後、水蒸気ガスを遮断してチャンバー内を窒素ガスで置換し、ウエハステージの温度を酸化温度の４１０℃に保ったまま、窒素雰囲気中で１０分間のアニール処理を行った。

上記の各実施例及び比較例に示した酸化・アニール処理中の温度変化を図２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。

上述のようにして製造された面発光レーザ素子について、７０℃、１３ｍＡ、２４時間のバーンインを行い、その前後における素子抵抗（微分抵抗）値を測定した。図３（ａ）（ｂ）に、バーンイン前後の素子抵抗値変化ΔＲｄを縦軸にとり、バーンイン前の素子抵抗初期値Ｒｄ_ｉｎｔを横軸にとってプロットした散布図を示す。図３（ａ）は、実施例１及び実施例２の面発光レーザ素子についての結果であり、バーンイン前後における素子抵抗値の変化はほとんどゼロ、あるいは数％以下の変化にとどまっており、アニール処理による素子抵抗安定化の効果が現れている。一方、図３（ｂ）は、比較例についての結果であり、バーンイン後に素子抵抗値が５〜２０％程度低下する方向に変動しており、従来の面発光レーザ素子と同様の結果しか得られていない。

上述の実験結果からわかるように、面発光レーザ素子の素子抵抗を安定化させるには、少なくとも４１０℃より高い温度でアニール処理することが必要である。また、アニール処理温度を変えて実験を行ったところ、４５０℃以上であれば効果が得られ、特に、５００℃以上であれば効果が大きいことがわかった。

本発明の製造方法により製造された面発光レーザ素子を定電流駆動にて長期信頼性試験を行ったところ、従来の面発光レーザ素子と同等またはそれ以上の長期信頼性が得られることが確認された。

なお、本実施形態では、酸化後のアニール処理を窒素雰囲気中で行なった場合について説明したが、たとえば、他の不活性ガス（アルゴン、水素、クリプトンなど、あるいはこれらの混合ガス）中で行った場合や、アニール処理装置内を減圧にして真空に近い状態（１０^−２Ｐａ以下が望ましい）として行った場合でも、同様の効果が得られる。

また、アニール工程は、上に説明したように、電極を形成する工程よりも前に行うことが必要であるが、他にも、４５０℃以上の高温で変質するような材料を使用する工程がある場合は、その工程よりも前に行うようにする。このような工程としては、たとえば素子を平坦化するためにメサポストの間をポリイミドなどを用いて埋め込むことなどが挙げら
れる。

また、ＧａＡｓ基板上の面発光レーザ素子として、８５０ｎｍ帯のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸活性層を用いたものを例に挙げたが、その他、ＧａＩｎＡｓ系、ＧａＩｎＮＡｓ系（ＧａＩｎＮＡｓＳｂを含む）活性層や、量子ドットを用いたものについても、同様の効果が得られる。

さらに、ｐ型基板を用いた素子について説明を行ったが、ｎ型基板、または半絶縁性（Ｓｅｍｉ−Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ、ＳＩ）基板を用いた場合でも、同様の効果が得られる。特に、ｐｎ接合と基板の間に酸化層を配した構造で、ｐ型半導体層がｐｎ接合よりも下側である場合に効果が大きい。

は、本発明の製造方法により製造される酸化狭窄型面発光レーザ素子の縦断面図である。（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の実施例１、２及び比較例に係る酸化・アニール処理中の温度変化を示すグラフである。（ａ）（ｂ）は、本発明の製造方法により作製された酸化狭窄型面発光レーザ素子と比較例に係る素子のバーンイン前後の素子抵抗値変化ΔＲｄを示すグラフである。は、従来の面発光レーザ素子の素子抵抗値と酸化アパーチャの関係を示すグラフである。

符号の説明

１ｐ型ＧａＡｓ基板
２下部多層膜反射鏡
３共振器
４上部多層膜反射鏡
５メサポスト
６ＡｌＯ_ｘ層
７上部電極
８光出射部
９パッド電極
１０絶縁膜
１１下部電極

Claims

半導体基板上に、下部多層膜反射鏡を含み第一の導電型を有する下部積層体、活性層、及び上部多層膜反射鏡を含み前記第一の導電型とは反対である第二の導電型を有する上部積層体を有し、前記下部積層体又は前記上部積層体中に周縁部が酸化された半導体層によって形成された電流狭窄層構造を有する酸化狭窄型面発光レーザ素子の製造方法において、
前記半導体基板上に前記下部積層体、活性層及び上部積層体が形成されてなるウエハを水蒸気雰囲気中で一定温度において一定時間保持する酸化工程と、
前記酸化工程に連続して前記ウエハを４５０℃以上の温度で一定時間保持するアニール工程と、
を含むことを特徴とする酸化狭窄型面発光レーザ素子の製造方法。
前記酸化狭窄型面発光レーザ素子の製造方法は、さらに、前記ウエハに金属膜を成膜して電極を形成する電極形成工程を含み、
前記アニール工程は前記電極形成工程よりも前に行われることを特徴とする請求項１に記載の酸化狭窄型面発光レーザ素子の製造方法。
前記アニール工程は不活性ガス中で行われることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の酸化狭窄型面発光レーザ素子の製造方法。
前記周縁部が酸化された半導体層の酸化部分は酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）であり、かつ前記周縁部が酸化された半導体層の酸化されていない部分の面積は１０〜４０μｍ^２であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の酸化狭窄型面発光レーザ素子の製造方法。
前記半導体基板はＧａＡｓからなることを特徴とする請求項４に記載の酸化狭窄型面発光レーザ素子の製造方法。
前記活性層または前記活性層近傍にｐｎ接合を有し、かつ前記周縁部が酸化された半導体層が前記ｐｎ接合と前記半導体基板の間にあることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の酸化狭窄型面発光レーザ素子の製造方法。
前記半導体基板の導電型はｐ型であることを特徴とする請求項６に記載の酸化狭窄型面発光レーザ素子の製造方法。