JP4752201B2 - 面発光型半導体レーザ装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
まず、GaAs等3−5族化合物半導体のバルク結晶を基板として、有機金属気層成長(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:MOVPE)法により、3−5族化合物(GaAs、AlGaAs)半導体薄膜を順次エピタキシャル成長させ積層してゆく。
次に、図7(b)および図7(c)に示すように、MOVPE装置で作製したVCSEL基板の最表面(p型GaAs層109)上に、レーザ出射用の開口部117を有するコンタクト電極110を作製する。コンタクト電極110の作製方法は、基板表面に通常のフォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成し、TiとAuを順次着膜してから、レジストを剥離して電極形成するリフトオフ法が好ましい。あるいは、あらかじめTiとAuを着膜しておいて、Auの上で通常のフォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成しTiとAuをエッチングしてパターンニングする方法でも良い。p電極材料は、TiとAuの他に、AuZn/Au、Ti/Pt/Auなどを用いても良い。
次に、メサ側壁の傾斜角が異なる柱状のメサ(ポスト)構造の作製方法を述べる。図8(a)に示すように、SiO2、SiON、SiNxなどの絶縁膜701をマスク材として、p側コンタクト電極110を含むp型GaAs層109の上から基板全面に着膜する。スピンコーターでレジストを絶縁膜701上に塗布し、図8(b)および図(c)の上面図に示すように、レジストパターン702をフォトリソグラフィー法で形成する。そして、レジストパターン702をマスクにて、先ずは、バッファードフッ酸にて絶縁膜701をウエットエッチングする。
上記工程でマスク端部の傾斜が、メサ構造の側壁の方位によって異なる絶縁膜マスク703を準備した。これは、VCSELウエハ上に、方位によって異なる傾斜の側壁を有するメサ(ポスト)構造を作製するためのマスクである。所望のメサ構造を作るには、絶縁膜マスクを用い、BCl3ガスやCl2ガスやArガス等のプラズマを用いた反応性イオンエッチング(RIE)にてVCSELウエハをドライエッチングすることが肝要である。この系のドライエッチングは、前記ガスの混合比や高周波のパワーなどを制御することにより絶縁膜マスクとVCSELウエハのエッチング速度比(選択比)を自由にコントロールすることができる。しかるに、ある選択比でVCSELウエハをドライエッチングすると、各マスク端部では、その端部の絶縁マスク703の傾斜に依存してVCSELウエハのメサの傾斜が形成される。絶縁膜マスク703の端部傾斜が方位によって異なる形状であるため、VCSELウエハのメサ構造の側壁の傾斜も方位によって異ならせることができる。
メサ構造を作製したら、直ちにアニール炉内に挿入し、水蒸気を導入してメサ側面からAlAs層の選択酸化を行う。その時のアニール温度は、300〜350℃程度である。また、水蒸気は、熱水タンク内の70〜100℃の熱水を窒素キャリアガスでバブリングして炉内に輸送する。水蒸気酸化を行うと、Al組成の高いAlGaAsとAlAs層がアルミ酸化物(AlxOy)に変化するが、AlAsの方がAlGaAsに比べて酸化速度が圧倒的に速いため、AlAsのみが選択的にポスト側壁端部からポスト中心部へ向っての酸化が進行し、図12(a)、(b)に示すように、AlAs層の酸化層106が形成される。
図13(a)に示すように、メサ全体をSiO2、SiON、SiNx等の層間絶縁膜111で被覆する。これは、AlAs層のほとんどがポーラス状のAlxOy膜に置換されて形成された酸化層であることによって生じるメサ自体の強度低下を絶縁膜111で覆うことで構造強度を補強するため、および、メサ側壁に露出した酸化層端部からの変質を防止するためである。
次に、図13(b)に示すように、メサ上部の層間絶縁膜111の下層にあるコンタクト電極109にp配線電極110を接地させるためのコンタクトホール707を開ける。コンタクトホール707は、フォトリソグラフィーでパターニングを行い、バッファードフッ酸(BHF)等の薬液によるエッチングやドライエッチングにて行う。
図3に示すように、最後にボンディング用パッド115とp配線電極116を通常のフォトリソグラフィーとTiとAuを順次着膜する蒸着法とレジストを剥離して電極パターンを形成するリフトオフ法により形成する。また、n電極112をVCSEL基板の裏面から蒸着により着膜する。電極材料としては、AuGe/Au、AuGe/Ni/Au等が挙げられる。最後に着膜した電極がオーミック電極として機能するよう400℃程度でアニールし、合金化する。
30:層間絶縁膜 101:GaAs基板
102:バッファー層 103:n型多層膜ブラッグ反射鏡、
104:スペーサ層 105:活性層
106:AlAs酸化層 107:p型AlAs層
108:p型多層膜ブラッグ反射鏡 109:コンタクト層
110:p側電極 111:層間絶縁膜
112:n側電極 113:側壁
114:側壁 115:ボンディングパッド
116:p側配線 117:出射口
118:側壁 119:側壁
Lx1、Lx2、Ly1、Ly2:メサ側壁との交線
Ax1、Ax2、Ay1、Ay2:交線と基板水平面とのなす角度
Claims (12)
- 基板上に少なくとも第一導電型の第1の半導体多層膜反射鏡、第二導電型の第2の半導体多層膜反射鏡、第1および第2の半導体多層膜反射鏡の間に挟まれる活性層とを含み、かつ、基板上に形成されたメサ構造は、その内部に少なくとも活性層を含み、メサ構造の頂部から基板と垂直方向にレーザ光を出射する垂直共振器型の面発光型半導体レーザ装置であって、
基板水平面内に対して垂直であり、かつ、メサ構造のおおよそ中心を原点とする2つの直交する直交面(X面、Y面)が、メサ構造の側面と交わる交線をそれぞれLx1線、Lx2線、Ly1線、Ly2線とし、Lx1線、Lx2線、Ly1線、Ly2線が基板水平面とのなす角度をそれぞれ、Ax1、Ax2、Ay1、Ay2としたとき、Ax1とAx2が略等しく、Ay1とAy2が略等しく、Ax1とAy1が異なる値であり、前記メサ構造の側壁は絶縁膜によって覆われることを特徴とする垂直共振器型の面発光半導体レーザ装置。 - 基板上に少なくとも第一導電型の第1の半導体多層膜反射鏡、第二導電型の第2の半導体多層膜反射鏡、第1および第2の半導体多層膜反射鏡の間に挟まれる活性層とを含み、かつ、基板上に形成されたメサ構造は、その内部に少なくとも活性層を含み、メサ構造の頂部から基板と垂直方向にレーザ光を出射する垂直共振器型の面発光型半導体レーザ装置であって、
基板水平面内に対して垂直であり、かつ、メサ構造のおおよそ中心を原点とする2つの直交する直交面(X面、Y面)が、メサ構造の側面と交わる交線をそれぞれLx1線、Lx2線、Ly1線、Ly2線としたとき、Lx1線とLx2線の曲率が略等しく、Ly1線とLy2線の曲率が略等しく、Lx1とLy1の曲率が異なり、前記メサ構造の側壁は絶縁膜によって覆われることを特徴とする垂直共振器型の面発光半導体レーザ装置。 - メサ構造が、Y面に対して面対称な形状であり、かつ、略楕円錐台か、略三角錐台か、略四角錐台か、略多角錘台かのいずれかの形状のメサ構造である、請求項1または2に記載の垂直共振器型の面発光半導体レーザ装置。
- メサ構造の最上面の平面形状と、メサ構造の最下面での断面の平面形状とが非相似形である、請求項1に記載の垂直共振器型の面発光半導体レーザ装置。
- メサ構造は、少なくとも一層の高Al組成半導体層の一部を酸化して形成した酸化アパーチャを含む、請求項1、2、3、または4に記載の垂直共振器型の面発光半導体レーザ装置。
- 酸化アパーチャの平面形状は、長径と短径を有し、長径と短径は略直交しており、前記X面はその面内に短径を含み、前記Y面はその面内に長径を含む、請求項5に記載の垂直共振器型の面発光半導体レーザ装置。
- 前記絶縁膜は、SiNx、SiON、SiO2、またはポリイミドのいずれかを含む、請求項1ないし6いずれか1つに記載の垂直共振器型の面発光半導体レーザ装置。
- Ax1とAy1との角度差、または、Ax1とAy2との角度差が、5°以上ある、請求項1ないし7いずれか1つに記載の垂直共振器型の面発光半導体レーザ装置。
- Lx1線の上の絶縁膜の厚みをtx1、Lx2線の上の絶縁膜の厚みをtx2、Ly1線の上の絶縁膜の厚みをty1、Ly2線の上の絶縁膜の厚みをty2としたとき、角度Ax1、Ax2、Ay1、Ay2の大きさに応じて、絶縁膜の厚みtx1、tx2、ty1、ty2の値が異なる、請求項1ないし8いずれか1つに記載の垂直共振器型の面発光半導体レーザ装置。
- 半導体基板上に、少なくとも第一の導電型の半導体多層膜反射鏡と、活性層と、第二の導電型の半導体多層膜反射鏡とを順次積層して形成した半導体積層膜を形成する工程と、
前記半導体積層膜上に、方位によって端部の傾斜を異にするマスクを形成する工程と、
前記マスクにより前記半導体多層膜をエッチングしてメサ構造を形成する工程と、
前記メサ構造を覆う絶縁膜を形成する工程とを含み、
前記半導体基板水平面内に対して垂直であり、かつ、メサ構造のおおよそ中心を原点とする2つの直交する直交面(X面、Y面)が、メサ構造の側面と交わる交線をそれぞれLx1線、Lx2線、Ly1線、Ly2線とし、Lx1線、Lx2線、Ly1線、Ly2線が基板水平面とのなす角度をそれぞれ、Ax1、Ax2、Ay1、Ay2としたとき、Ax1とAx2が略等しく、Ay1とAy2が略等しく、Ax1とAy1が異なる値であることを特徴とする垂直共振器型の面発光半導体レーザ装置の製造方法。 - 前記メサ構造の側壁が前記半導体基板水平面と成す角は、マスクの端部の傾斜に応じて異なる、請求項10に記載の面発光型半導体レーザ装置の製造方法。
- 前記製造方法はさらに、メサ構造に含まれる少なくとも一層の高Al組成半導体層の一部を酸化させる工程を含む、請求項10に記載の面発光型半導体レーザ装置の製造方法。
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