JP4948451B2 - 面発光レーザ素子および面発光レーザ素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板上に、ｐ型半導体層領域とｎ型半導体層領域とに挟まれるとともに、上部反射鏡と下部反射鏡との間に配置された活性層を有する面発光レーザ素子および面発光レーザ素子の製造方法に関する。

従来の面発光レーザ素子は、活性層を挟むｐ型半導体層領域とｎ型半導体層領域とを介して活性層に電流を注入し、これによって活性層から発生した光を上部反射鏡と下部反射鏡とが形成する光共振器によってレーザ発振させている。

面発光レーザ素子を製造する際には、円状に設計された発光領域に電流を集中させる構造、すなわち電流狭窄構造を形成する技術が不可欠である。電流狭窄構造を形成する技術には、メサポスト構造、酸化電流狭窄法、イオン注入や熱拡散による水素注入法、埋め込みヘテロ（ＢＨ）構造などがある。この中で、水素注入法は、もっとも大量生産に向き、安価に容易に製作できることが知られている（特許文献１参照）。

水素注入法による電流狭窄構造の形成について説明する。ｐ型半導体層領域に水素イオンを注入すると、通常は原子空孔である結晶欠陥が生じ、この結晶欠陥と水素イオンとが複合欠陥を形成する。その結果、水素イオンが注入された領域は高抵抗化するか、あるいはｎ型に変化する。一方、水素イオンが注入されない領域はｐ型のままであり、電流経路となる。したがって、たとえばフォトリソグラフィ法を用いて形成したフォトレジストによって注入マスクを形成し、所定の領域のみ水素イオンを注入する。すると、水素イオンの注入領域が高抵抗またはｎ型の電流狭窄領域となり、非注入領域が電流注入領域となって、電流狭窄構造が形成される。なお、水素イオン注入法を用いれば、水素イオンのドーズ量と加速エネルギーとの調整によって、それぞれ注入濃度と深さ方向の分布形状とを制御できるため、所望の電流注入領域を容易に形成できる。

ここで、電流狭窄構造は、通常は正孔電流の電流経路を限定することにより形成する。狭窄された正孔は、活性層に向かって移動する、すなわち電流として流れる際に、再び横方向に広がる傾向がある。これを防止するため、電流狭窄層は活性層の近くにあることが望ましい。

しかしながら、水素注入法によって製造された面発光レーザ素子は、水素の注入に起因して活性層に暗線欠陥（Ｄａｒｋ Ｌｉｎｅ Ｄｅｆｅｃｔ：ＤＬＤ)が生じ、信頼性が低下することがある（非特許文献１参照）。暗線欠陥が生じる原因のひとつは、水素イオンは数百ｋｅＶに加速されて注入されるため、半導体の原子によって散乱されて注入深さに分布が生じ、これによって意図せず活性層に水素が進入し、活性層にダメージを与えるためである。

一方、複合欠陥を形成した水素は、キャリア注入により簡単に中性化し、また、簡単に再イオン化することができるため、非常に不安定な状態である。このため、電流経路近傍に存在する不安定な状態のままの水素イオンは、面発光レーザ素子の動作時の電流注入により、素子内を動き回る。そして、やがて活性層に到達し、活性層内で複合欠陥を形成するため、長期動作において、素子の長期信頼性を損なう場合がある（非特許文献２参照）。

図８は、水素注入法を用いて製造した面発光レーザ素子の模式的な断面およびその一部を拡大した図である。図８に示すように、この面発光レーザ素子４００は、ｎ型半導体からなる基板４０１上に、ｎ型半導体多層膜からなる下部ＤＢＲミラー４０３と、活性層４０５と、ｐ型半導体多層膜からなる上部ＤＢＲミラー４０９とが順次積層し、上部ＤＢＲミラー４０９上には円環状のｐ側電極４１１が形成され、基板４０１の裏面にはｎ側電極４１４が形成されている。また、円環状の領域Ａ２には水素が注入されており、ｎ型の電流狭窄領域を形成している。また、正電極４１１からは、領域Ａ２に囲まれた水素が注入されていない領域を通る経路Ｐ３を電流経路として、正孔電流が活性層４０５に注入される。

ここで、領域Ａ２は活性層４０５を含んでいるため、活性層４０５に暗線欠陥Ｄが生じている。また、不安定な水素イオンＨが電流注入に伴って経路Ｐ３に沿って移動し、活性層４０５に達して暗線欠陥Ｄや複合欠陥を形成する。ここで、複合欠陥とは、水素やその他の点欠陥、空孔やなどが複合的に集合した結晶欠陥を示し、暗線欠陥とは欠陥が集合した結果、その領域が光らなくなるタイプの結晶欠陥であり、発光観察において欠陥部分のみが線状に暗く観察されることから暗線欠陥と呼ばれる。暗線欠陥はダメージや転位などを起点として、電子とホールの再結合によりエネルギーを得て拡大するため、ダメージなどを含んだ発光デバイス中の活性層に出現し、発光デバイスの信頼性を著しく悪化させるものである。

これらの信頼性上の問題を解決するために、たとえば非特許文献２に記載のように、通常熱アニールを用いる。たとえば、水素イオン注入後に、５００℃程度の熱アニールを行なうことによって、活性層のダメージを回復するとともに、不安定な水素イオンを脱離させ、水素イオンが素子内を動き回ることを防止することができる。

米国特許第５０３１１８７号明細書 W.Jiang、 C.Gaw、 P.Kiely、 B.Lawrence、 M.Lebby and P.R.Claisse、 "Effect of proton implantation on the degradation of GaAs/AlGaAs vertical cavity surface emitting lasers"、 Electron. Lett. Vol.33、 p137、 1997 Carl Wilmsen、 Henryk Temkin、 and Larry A.Coldren、 "Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers、 Design、 Fabrication、 Characterization and Applications"、New Edition、 米国、 Cambridge University Press、２００１年１１月１５日、 p200-207

ところが、上記熱アニールを行なうと、活性層のダメージ回復と不安定な水素の離脱とが実現されると同時に、電流狭窄領域とすべき領域の結晶のダメージも回復してしまうため、結晶欠陥が消失し、この結晶欠陥と複合欠陥を形成していた水素が拡散してしまう。その結果、高抵抗化あるいはｎ型化した水素注入領域がｐ型に戻ってしまう現象がおこるため、電流狭窄の機能が低下し、電流注入効率が低下する。一方、熱アニールが不十分であると、信頼性上の問題が残ることとなる。したがって、素子の信頼性と電流注入効率との両立が非常に難しいという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高信頼性と高電流注入効率とを同時に実現する面発光レーザ素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る面発光レーザ素子は、基板上に、ｐ型半導体層領域とｎ型半導体層領域とに挟まれるとともに、上部反射鏡と下部反射鏡との間に配置された活性層を有する面発光レーザ素子であって、前記ｐ型半導体層領域内に配置され、砒素およびリンの少なくとも一方と５％以下の組成比の窒素とを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体からなり、ｐ型の電流注入部と、該電流注入部および前記ｐ型半導体層領域よりも高濃度の水素を含む電流狭窄部とを有する電流狭窄層を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記電流狭窄部は１×１０^１９ｃｍ^−３以上の濃度の水素を含み、前記電流注入部および前記ｐ型半導体領域は５×１０^１８ｃｍ^−３以下の濃度の水素を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記電流狭窄部はｎ型であることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記電流狭窄層のバンドギャップ波長は、レーザ発振波長よりも短いことを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記電流狭窄層は、前記基板に対する臨界膜厚以下の厚さを有することを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記上部反射鏡または前記下部反射鏡は、半導体多層膜反射鏡を含み、前記電流狭窄層は前記半導体多層膜反射鏡の一部を構成していることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、前記電流狭窄層は、トンネル接合層の一部を構成していることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記の発明において、レーザ発振波長が６５０〜２４００ｎｍであることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子の製造方法は、基板上に、ｐ型半導体層領域とｎ型半導体層領域とに挟まれるとともに、上部反射鏡と下部反射鏡との間に配置された活性層を有する面発光レーザ素子の製造方法であって、前記基板上に、前記ｎ型半導体層領域と、前記活性層と、砒素およびリンの少なくとも一方と５％以下の組成比の窒素とを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体からなるｐ型の窒素含有層を含む前記ｐ型半導体層領域とを形成する半導体層形成工程と、前記窒素含有層の電流狭窄部を形成すべき領域に水素を注入する水素注入工程と、５００℃より高く７００℃より低い温度で前記注入した水素を安定化させる熱アニールを行なう熱アニール工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、高信頼性と高電流注入効率とを同時に実現する面発光レーザ素子が実現されるという効果を奏する。

以下に、図面を参照して本発明に係る面発光レーザ素子および面発光レーザ素子の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
はじめに本発明の実施の形態１に係る面発光レーザ素子について説明する。本実施の形態１に係る面発光レーザ素子は、ＧａＡｓ系の半導体からなり、レーザ発振波長が８５０ｎｍ帯のものである。

図１は、本実施の形態１に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。図１に示すように、この面発光レーザ素子１００は、ｎ型ＧａＡｓからなる基板１０１上に、ｎ型半導体層１０２と、分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）である下部ＤＢＲミラー１０３と、下部クラッド層１０４と、活性層１０５と、上部クラッド層１０６と、ｐ型半導体層１０７と、電流狭窄層１０８と、上部ＤＢＲミラー１０９と、ｐ側コンタクト層１１０と、が順次積層している。なお、下部ＤＢＲミラー１０３の一部からｐ側コンタクト層１１０までは円柱状のメサポスト構造を有している。また、ｐ側コンタクト層１１０上には円環状のｐ側電極１１１が形成されている。また、ｐ側電極１１１の表面以外の表面には、絶縁膜１１２が形成されている。また、p側電極１１１に接するとともに、絶縁膜１１２上に延設したパッド電極１１３が形成されている。また、基板１０１の裏面にはｎ側電極１１４が形成されている。

ｎ型半導体層１０２は、ｎ型キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３程度のＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓからなる。また、下部ＤＢＲミラー１０３は、ｎ型キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３程度であって、層厚がそれぞれ光学長に換算してλ／４（ただし、λはレーザ発振波長）のＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層１０３ａとＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層１０３ｂとが交互に３５．５ペアだけ積層した構造を有する。なお、光学長とは、層厚に屈折率を掛けたものである。また、下部クラッド層１０４は、ｎ型のキャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３程度のＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる。また、活性層１０５は、ノンドープＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ／ＧａＡｓからなる３層量子井戸構造を有する。

また、上部クラッド層１０６は、ｐ型キャリア濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３程度のＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓからなる。なお、下部クラッド層１０４から上部クラッド層１０６までの厚さは、光学長に換算してλになるように形成され、いわゆるλ共振器Ｒを形成している。また、ｐ型半導体層１０７は、ｐ型のキャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３程度のＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる。また、上部ＤＢＲミラー１０９は、ｐ型キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３程度であって、膜厚がそれぞれλ／４ｎのＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層１０９ａとＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層１０９ｂとが交互に２４．５ペアだけ積層した構造を有する。また、ｐ側コンタクト層１１０は、ｐ型キャリア濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３程度の高濃度であるｐ^＋−ＧａＡｓからなる。

上記したように、活性層１０５は、ｎ型半導体層１０２から下部クラッド層１０４までのｎ型半導体層領域と、上部クラッド層１０６からｐ側コンタクト層１１０までのｐ型半導体層領域に挟まれているとともに、下部ＤＢＲミラー１０３と上部ＤＢＲミラー１０９との間に配置されている。

また、ｐ側電極１１１はＴｉ／Ａｕ構造を有する。また、絶縁膜１１２はＳｉＯ_２からなる。また、パッド電極１１３はＣｕ／Ａｕ構造を有する。また、ｎ側電極１１４はＣｒ／Ａｕ構造を有する。

また、電流狭窄層１０８は、電流狭窄部１０８ａと、メサポスト構造Ｍ１の中心に位置する円板形状の電流注入部１０８ｂとを有し、炭素を１×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングしたＡｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎ_０．０１Ａｓ_０．９９からなる。すなわち、電流狭窄層１０８は、１％の組成比の窒素を含んでいる。また、この電流狭窄層１０８は、層厚が１７８ｎｍであり、光学長は３λ／４となっている。

電流狭窄層１０８において、電流注入部１０８ｂはｐ型ドーパントである炭素がドーピングされているため低抵抗のｐ型となっている。一方、電流狭窄部１０８ａは、炭素がドーピングされているとともに、１×１０^１９ｃｍ^−３以上の濃度の水素を含んでいる。その結果、水素がｐ型を補償し、電流狭窄部１０８ａはｎ型となっている。

したがって、図２に示すように、上部ＤＢＲミラー１０９を介して注入された電流は、その電流経路が経路Ｐ１のように狭窄されて、活性層１０５に到達する。電流狭窄部１０８ａは窒素を含んでいるため、水素は窒素に強くひきつけられて、電流狭窄部１０８ａに安定して存在しているため、素子内を動き回ることもないので、長期にわたって信頼性が高く、安定した特性を有するものとなる。また、電流狭窄層１０８は、活性層１０５の近くに形成されているので、電流狭窄層１０８によって経路が狭窄された電流は、ｐ型半導体層１０７および上部クラッド層１０６において横方向に広がることなく活性層１０５に注入されるため、電流注入効率が高くなる。

また、電流狭窄層１０８のバンドギャップ波長λｇは、８０６ｎｍであり、この面発光レーザ素子１００のレーザ発振波長である８５０ｎｍ帯よりも短い。したがって、電流狭窄層１０８はレーザ発振波長に対して透明であるので、電流狭窄層１０８において光吸収損失は生じない。なお、バンドギャップ波長λｇとは、半導体のバンドギャップＥｇ（ｅＶ）に対してλｇ＝１２４０／Ｅｇの関係を満たす波長である。

なお、バンドギャップ波長λｇは、適宜Ａｌやリンを添加してバンドギャップを高くすれば、短波長側に移動する。また、バンドギャップについては、ＧａＩｎＮＡｓ系の半導体の場合は、組成物のバンドギャップに対する寄与をベクトル的に足し算することによって求められる。たとえば、Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ（Ｅｇ＝１．７８ｅＶ、λｇ＝６９７ｎｍ）に１％の窒素を含有させたＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ_０．０１Ａｓ_０．９９のバンドギャップＥｇは１．６０ｅＶであり、バンドギャップ波長λｇは７７５ｎｍである。

つぎに、本実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００の製造方法について説明する。はじめに、たとえば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて、基板１０１上に、ｎ型半導体層１０２と、下部ＤＢＲミラー１０３と、下部クラッド層１０４と、活性層１０５と、上部クラッド層１０６と、ｐ型半導体層１０７と、窒素含有層１１５と、上部ＤＢＲミラー１０９と、ｐ側コンタクト層１１０とを順次積層する。なお、窒素含有層１１５とは、濃度１×１０^１８ｃｍ^−３で炭素をドーピングしたＡｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎ_０．０１Ａｓ_０．９９からなるものである。以降、基板に各半導体層を積層したものを積層基板と呼ぶ。

つぎに、フォトリソグラフィ法を用いて、積層基板のｐ側コンタクト層１１０上にリング状の電極パターンを形成し、Ｔｉ／Ａｕ構造の金属層を真空蒸着し、リフトオフしてｐ側電極１１１を形成する。つぎに、フォトリソグラフィ法を用いて、フォトレジストで積層基板上に注入マスクを形成する。つぎに、プロトンインプラント法を用いて、電流狭窄部を形成すべき領域に、加速電圧３００ｋｅＶ、ドーズ量１×１０^１４ｃｍ^−２でプロトン（水素イオン）を注入する。その後、注入マスクを除去する。

図３は、注入マスクを除去した後の積層基板の断面を模式的に示す図であり、図４は、図３の一部を拡大して示した図である。図３に示すように、水素イオンは、領域Ａ１に注入されている。その結果、領域Ａ１はｎ型となっているので、この状態における電流経路は、図４に示す経路Ｐ２のように、領域Ａ１に沿ったものとなる。ここで、領域Ａ１の半導体は、水素イオンの注入によってダメージを受け、複合欠陥が生じている。特に、領域Ａ１の深さ方向の分布は活性層１０５に到達しているため、活性層１０５にもダメージが含まれ、通電後に暗線欠陥Ｄが生じる。

つぎに、積層基板に、５００℃より高く７００℃より低い温度で熱アニールを６０分行う。すると、領域Ａ１における半導体のダメージが回復し、複合欠陥が消失するので、領域Ａ１の窒素含有層１１５以外の領域において水素が離脱する。そして、活性層１０５におけるダメージも消失する。一方、窒素含有層１１５の領域Ａ１に含まれる部分では、窒素にひきつけられて水素が残留する。その結果、水素が離脱した領域では半導体がｐ型に戻り、水素が残留した領域ではｎ型のままとなる。なお、上記のように、５００℃より高く７００℃より低い温度で熱アニールを行なうことによって、領域Ａ１の窒素含有層１１５以外の領域における水素の離脱と、窒素含有層１１５の領域Ａ１に含まれる部分における水素の残留とを実現することができる。なお、窒素含有層１１５の領域Ａ１に含まれる部分には電流が流れないために、電子とホールの再結合は起きない。したがって、窒素含有層１１５の領域Ａ１に含まれる部分にダメージが残っていても、ダメージが暗線欠陥に成長することは無い。

図５は、図４に示した部分の熱アニール後の様子を示した図である。図５に示すように、熱アニール後には、窒素含有層１１５は、電流狭窄部１０８ａと電流注入部１０８ｂとを有する電流狭窄層１０８となり、電流経路は、経路Ｐ１に示すようなものとなる。

なお、上記のように、熱アニールによって活性層１０５の暗線欠陥Ｄが消失するので、電流狭窄層１０８を活性層１０５の近くに配置しても問題はない。また、上記のように、水素イオン注入法を用いれば、安価で容易に電流狭窄層１０８を形成することができる。

つぎに、ｐ側電極１１１の外側を、活性層１０５より下方の下部ＤＢＲミラー１０３内に達する深さまでエッチングを行ない、メサポスト構造Ｍ１を形成する。このようなメサポスト構造にすることによって、素子の高速変調動作に悪影響を及ぼす寄生容量を減らすことができる。つぎに、プラズマＣＶＤ法を用いて積層基板の全面に絶縁膜１１２を形成する。つぎに、リソグラフィ法を用いてｐ側電極１１１部分の絶縁膜１１２をエッチング除去し、Ｃｕ／Ａｕ構造の金属膜を形成し、リフトオフ法にてパターンを形成することによってパッド電極１１３を形成する。なお、パッド電極１１３は、不図示の外部配線と電気的に接続するようにする。つぎに、基板１０１の裏面を基板厚さが２５０μｍ程度になるように研磨した後、研磨した裏面にＣｒ／Ａｕを蒸着してｎ側電極１１４を形成する。その後素子分離して面発光レーザ素子１００が完成する。

以上説明したように、本実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００は、高信頼性と高電流注入効率とを同時に実現するものとなる。

（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２に係る面発光レーザ素子について説明する。本実施の形態２に係る面発光レーザ素子は、ＧａＡｓ系の半導体からなり、イントラキャビティコンタクト構造を有し、発振波長が１１００ｎｍ帯のものである。

図６は、本実施の形態２に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。図６に示すように、この面発光レーザ素子２００は、半絶縁性ＧａＡｓからなる基板２０１上に、半導体層２０２と、下部ＤＢＲミラー２０３と、下部クラッド層２０４と、活性層２０５と、ｐ型スペーサ層２０６と、電流狭窄層２０８と、ｐ型スペーサ層２１６と、ｐ側コンタクト層２１０と、が順次積層している。ｐ型スペーサ層２０６は、上部クラッド層としても機能している。なお、下部クラッド層２０４の一部からｐ側コンタクト層２１０までは円柱状のメサポスト構造Ｍ２を有している。また、ｐ側コンタクト層２１０上には円環状のｐ側電極２１１が形成されている。また、ｐ側電極２１１の中心孔内のｐ側コンタクト層２１０上には、上部ＤＢＲミラー２０９が形成されている。また、メサポスト構造Ｍ２の外周の下部クラッド層２０４上には、半円環状のｎ側電極２１４が形成されている。下部クラッド層２０４は、ｎ側電極２１４に対して、ｎ側コンタクト層としても機能している。また、ｐ側電極２１１、ｎ側電極２１４の表面以外の表面には、絶縁膜２１２が形成されている。また、p側電極２１１に接するとともに、絶縁膜２１２上に延設したパッド電極２１３が形成されている。また、ｎ側電極２１４に接するとともに、絶縁膜２１２上に延設したパッド電極２１７が形成されている。

すなわち、この面発光レーザ素子２００は、ｐ側電極２１１とｎ側電極２１４とが、下部ＤＢＲミラー２０３と上部ＤＢＲミラー２０９とが形成する光共振器の内側に位置するイントラキャビティコンタクト構造を有している。

半導体層２０２は、アンドープＧａＡｓからなる。また、下部ＤＢＲミラー２０３は、層厚がそれぞれ光学長に換算してλ／４の、アンドープＡｌＡｓ層２０３ａとＧａＡｓ層２０３ｂとが交互に３５．５ペアだけ積層した構造を有する。なお、ＧａＡｓの屈折率は３．４８３であり、ＡｌＡｓの屈折率は２．９５１であるから、たとえばレーザ発振波長が１１００ｎｍとして、光学長がλのＧａＡｓとは、厚さが１１００ｎｍ／３．４８３＝３１５ｎｍのＧａＡｓを意味する。また、下部クラッド層２０４は、ｎ型ドーパントとしてのシリコンを１×１０^１８ｃｍ^−３程度の濃度でドーピングしたＧａＡｓからなり、その厚さは光学長で（９λ）/４である。また、活性層２０５は、その中心部にノンドープＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓからなる３層量子井戸構造を有する厚さλ／２の層である。

また、ｐ型スペーサ層２０６は、炭素を１×１０^１８ｃｍ^−３程度の濃度でドーピングしたＧａＡｓからなり、その厚さは光学長でλである。また、ｐ型スペーサ層２１６は、炭素を１×１０^１８ｃｍ^−３程度の濃度でドーピングしたＧａＡｓからなり、その厚さは光学長でλである。また、ｐ側コンタクト層２１０は、炭素を１×１０^１９ｃｍ^−３程度の高濃度でドーピングしたｐ^＋−ＧａＡｓからなり、その厚さは光学長でλ／４である。また、上部ＤＢＲミラー２０９は、誘電体多層膜反射ミラーであって、層厚がそれぞれ光学長でλ／４のＴｉＯ_２層２０９ａとＳｉＯ_２層２０９ｂとが交互に６ペアだけ積層した構造を有する。

また、ｐ側電極２１１はＴｉ／Ａｕ構造を有する。また、絶縁膜２１２はＳｉＯ_２からなる。また、パッド電極２１３、２１７はＣｕ／Ａｕ構造を有する。また、ｎ側電極２１４はＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ構造を有する。

また、電流狭窄層２０８は、電流狭窄部２０８ａと、メサポスト構造Ｍ２の中心に位置する円板形状の電流注入部２０８ｂとを有し、炭素を５×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングしたＧａＮ_０．０１Ａｓ_０．９９からなり、その厚さは光学長でλ／２である。すなわち、電流狭窄層２０８は、１％の組成比の窒素を含んでいる。

この電流狭窄層２０８は、実施の形態１と同様に、電流注入部２０８ｂが低抵抗のｐ型となっている。一方、電流狭窄部２０８ａは、１×１０^１９ｃｍ^−３以上の濃度かつ安定して存在する水素を含んでおり、ｎ型となっている。したがって、電流は経路が適切に狭窄され、高い注入効率で活性層２０５に到達する。そして、水素がデバイス内を動き回ることもないので、長期にわたって信頼性が高く、安定した特性を有するものとなる。

また、電流狭窄層２０８のバンドギャップ波長λｇは、９９０ｎｍであり、この面発光レーザ素子２００のレーザ発振波長である１１００ｎｍ帯よりも短いので、電流狭窄層２０８において光吸収損失は生じない。

つぎに、本実施の形態２に係る面発光レーザ素子２００の製造方法について説明する。はじめに、基板２０１上に、半導体層２０２と、下部ＤＢＲミラー２０３と、下部クラッド層２０４と、活性層２０５と、ｐ型スペーサ層２０６と、電流狭窄層２０８を形成すべき窒素含有層と、ｐ型スペーサ層２１６と、ｐ側コンタクト層２１０とを順次積層する。なお、この窒素含有層は、炭素を５×１０^１８ｃｍ^−３の濃度でドーピングしたＧａＮ_０．０１Ａｓ_０．９９からなり、その厚さは光学長でλ／２である。

つぎに、実施の形態１の場合と同様にしてｐ側電極１１１を形成する。つぎに、フォトリソグラフィ法を用いて、フォトレジストで積層基板上に注入マスクを形成する。つぎに、プロトンインプラント法を用いて、電流狭窄部を形成すべき領域に、加速電圧１００ｋｅＶ、ドーズ量１×１０^１４ｃｍ^−２で水素イオンを注入する。その後、注入マスクを除去する。

つぎに、積層基板に、６５０℃付近の温度で熱アニールを６０分行う。これによって、窒素含有層は電流狭窄部２０８ａと電流注入部２０８ｂとを有する電流狭窄層２０８となるとともに、半導体のダメージ回復と不要な水素の離脱が実現される。

つぎに、光学長モニタ付き電子ビーム蒸着装置をもちいて、積層基板の全面に上部ＤＢＲミラー２０９を形成した後、ｐ側電極１１１の中心孔以外の部分をリフトオフにより除去する。

つぎに、ｐ側電極２１１の外側を、塩素系ドライエッチングによって、活性層２０５より下方の下部クラッド層２０４内に達する深さまでエッチングを行ない、メサポスト構造Ｍ２を形成するとともに、メサポスト構造Ｍ２の外周に下部クラッド層２０４が露出するようにする。そして、下部クラッド層２０４の露出した表面に、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ構造の金属膜を形成し、リフトオフによって、半円環状のｎ側電極２１４を形成する。

つぎに、プラズマＣＶＤ法を用いて積層基板の全面に絶縁膜２１２を形成する。つぎに、リソグラフィ法を用いてｐ側電極２１１、ｎ側電極２１４部分の絶縁膜２１２をエッチング除去し、Ｃｕ／Ａｕ構造の金属膜を形成し、リフトオフ法にてパターンを形成することによってパッド電極２１３、２１７を形成する。その後素子分離して面発光レーザ素子２００が完成する。

以上説明したように、本実施の形態２に係る面発光レーザ素子２００は、高信頼性と高電流注入効率とを同時に実現するものとなる。

（実施の形態３）
つぎに、本発明の実施の形態３に係る面発光レーザ素子について説明する。本実施の形態３に係る面発光レーザ素子は、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系の半導体からなり、イントラキャビティコンタクト構造およびトンネル接合構造を有し、発振波長が１５５０ｎｍ帯のものである。

図７は、本実施の形態３に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。図７に示すように、この面発光レーザ素子３００は、半絶縁性ＩｎＰからなる基板３０１上に、半導体層３０２と、下部ＤＢＲミラー３０３と、下部クラッド層３０４と、活性層３０５と、ｐ型スペーサ層３０６と、トンネル接合層３１８と、ｎ型スペーサ層３１６と、ｐ側コンタクト層３１０と、が順次積層している。なお、下部クラッド層３０４の一部からｐ側コンタクト層３１０までは円柱状のメサポスト構造Ｍ３を有している。また、ｐ側コンタクト層３１０上には円環状のｐ側電極３１１が形成されている。また、ｐ側電極３１１の中心孔内のｐ側コンタクト層３１０上には、交互に積層したＴｉＯ_２層３０９ａとＳｉＯ_２層３０９ｂとを備えた上部ＤＢＲミラー３０９が形成されている。また、メサポスト構造Ｍ３の外周の下部クラッド層３０４上には、半円環状のｎ側電極３１４が形成されている。下部クラッド層３０４は、ｎ側電極３１４に対して、ｎ側コンタクト層としても機能している。また、ｐ側電極３１１、ｎ側電極３１４の表面以外の表面には、絶縁膜３１２が形成されている。また、p側電極３１１に接するとともに、絶縁膜３１２上に延設したパッド電極３１３が形成されている。また、ｎ側電極３１４に接するとともに、絶縁膜３１２上に延設したパッド電極３１７が形成されている。

半導体層３０２は、半絶縁性ＩｎＰからなる。また、下部ＤＢＲミラー３０３は、層厚がそれぞれ光学長でλ／４の意図的にドーピングしないＡｌＧａＩｎＡｓ層３０３ａとＩｎＰ層３０３ｂとが交互に５０ペアだけ積層した構造を有する。また、下部クラッド層３０４は、ｎ型ドーパントとしてのシリコンを１×１０^１８ｃｍ^−３程度の濃度でドーピングしたＩｎＰからなり、その厚さは光学長で（９λ）／４である。また、活性層３０５は、その中心部にノンドープ（Ａｌ_０．２５Ｇａ_０．７５）_０．３５Ｉｎ_０．６５Ａｓ／(Ａｌ_０．２５Ｇａ_０．７５）_０．５５Ｉｎ_０．４５Ａｓからなる６層量子井戸構造を有する厚さλ／２の層である。また、ｐ型スペーサ層３０６は、炭素を１×１０^１８ｃｍ^−３程度の濃度でドーピングした（Ａｌ_０．３８Ｇａ_０．６２)_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓからなり、その層厚は光学長でλである。

トンネル接合層３１８は、ｐ型ドーパントである炭素を１×１０^２０ｃｍ^−３程度の高濃度でドーピングした（Ａｌ_０．３８Ｇａ_０．６２）_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ_０．９９Ｎ_０．０１からなる層厚が１０ｎｍの電流狭窄層３１８ａと、シリコンを２×１０^１９ｃｍ^−３程度の高濃度でドーピングしたｎ^＋型であり層厚が４０ｎｍの下部（Ａｌ_０．３８Ｇａ_０．６２)_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ層３１８ｂと、シリコンを１×１０^１8ｃｍ^−３程度の濃度でドーピングしたｎ型であり層厚が６０ｎｍの上部（Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５)_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ層３１８ｃとが積層した構造を有している。さらに、電流狭窄層３１８ａは、電流狭窄部３１８ａａと、メサポスト構造Ｍ３の中心に位置する円板形状の電流注入部３１８ａｂとを有する。電流注入部３１８ａｂは、上記のように炭素がドーピングされていることによってｐ^＋型の層となっているが、電流狭窄部３１８ａａは、炭素がドーピングされていることに加え、１×１０^１９ｃｍ^−３以上の濃度かつ安定して存在する水素を含んでいるため、ｎ型の層となっている。

したがって、電流注入部３１８ａｂは、ｐ^＋型の（Ａｌ_０．３８Ｇａ_０．６２）_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ_０．９９Ｎ_０．０１層からなり、その直上に位置しｎ^＋型となっている下部（Ａｌ_０．３８Ｇａ_０．６２）_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ_０．９９Ｎ_０．０１層３１８ｂとトンネル接合を形成するので、トンネル確率が高くなり、電流注入部３１８ａｂにおいては低抵抗で電流が流れる。一方、電流狭窄部３１８ａａは、ｎ型の（Ａｌ_０．３８Ｇａ_０．６２）_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ_０．９９Ｎ_０．０１層からなり、その直下に位置するｐ型スペーサ層３０６とｐｎ接合を形成するので、電流狭窄部３１８ａａにおいては電流の流れが阻止される。その結果、電流は経路が適切に狭窄されて、高い注入効率で活性層３０５に到達する。そして、水素がデバイス内を動き回ることもないので、長期にわたって信頼性が高く、安定した特性を有するものとなる。

また、埋め込み成長などの複雑なプロセスを必要とせずに結晶成長を一括で行うことができるため、安価に製造することが可能であり、また水素注入後に高温で熱アニールを行うことにより活性層への残留水素濃度を低下することが可能であるため、高い信頼性を実現することができる。

また、電流狭窄層３１８ａのバンドギャップ波長λｇは、１４５０ｎｍであり、この面発光レーザ素子３００のレーザ発振波長である１５５０ｎｍ帯よりも短いので、電流狭窄層３１８ａにおいて光吸収損失は生じない。

なお、トンネル接合層３１８上のｎ型スペーサ層３１６は、シリコンを１×１０^１８ｃｍ^−３程度の濃度でドーピングしたＩｎＰからなり、その厚さは光学長でλである。また、ｐ側コンタクト層２１０は、シリコンを２×１０^１8ｃｍ^−３程度の高濃度でドーピングしたｎ^＋−ＩｎＰからなり、その厚さはλ／４である。また、上部ＤＢＲミラー３０９、絶縁膜３１２、ｎ側電極３１４、パッド電極３１３、３１７は、それぞれ実施の形態２に係る面発光レーザ素子２００の絶縁膜２１２、ｎ側電極２１４、パッド電極２１３、２１７と同様の構造を有する。また、ｐ側電極３１１はＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ構造を有する。

なお、面発光レーザ素子３００は、実施の形態２に係る面発光レーザ素子２００とほぼ同様の方法で製造できる。

以上説明したように、本実施の形態３に係る面発光レーザ素子３００は、高信頼性と高電流注入効率とを同時に実現するものとなる。

なお、上記実施の形態では、エッチングによってメサポスト構造を形成して、寄生容量を低減しているが、ｐ側電極の外側に活性層の下方に到る深さまで水素イオンを注入して高抵抗化し、寄生容量を低減してもよい。この場合、上述した製造工程において、電流狭窄層を形成するための水素イオン注入と熱アニールとを行なった後、改めて寄生容量低減のための水素イオン注入を行なう。

また、上記実施の形態では、水素を注入する方法としてプロトンインプラント法を用いているが、熱拡散法を用いてもよい。

また、上記実施の形態において、電流狭窄部が高抵抗化またはｎ型化されていれば、電流注入部およびｐ型半導体層領域に水素が含まれていてもよい。たとえば、電流狭窄部が１×１０^１９ｃｍ^−３以上の濃度の水素を含んでいる場合、電流注入部およびｐ型半導体層領域が含む水素の濃度が５×１０^１８ｃｍ^−３以下であれば、電流狭窄部はｐ型半導体層領域において周囲に比べて十分に高抵抗であり、電流経路が狭窄される。

また、上記実施の形態では、面発光レーザ素子の発振波長は８５０ｎｍ帯、１１００ｎｍ帯、または１５５０ｎｍ帯であったが、半導体材料や誘電体材料を適宜選択することによって、発振波長が６５０〜２４００ｎｍの面発光レーザを実現できる。

また、上記実施の形態では、活性層に対して、ｐ型半導体層領域が上層になり、ｎ型半導体層領域が下層になるように配置されているが、ｐ型半導体層領域が下層になるように配置してもよい。

また、上記実施の形態のいずれにおいても、上部ＤＢＲミラーについては、半導体多層膜または誘電体多層膜で形成したもの、あるいは半導体多層膜と誘電体多層膜とを組み合わせて形成したものを用いることができる。また、電流狭窄層は、ｐ型半導体層領域内のいずれの位置に配置してもよいので、たとえば半導体多層膜で形成した上部または下部ＤＢＲミラーの一部を構成するようにしてもよい。このように電流狭窄層が上部または下部ＤＢＲミラーの一部を構成するようにするには、上部または下部ＤＢＲミラーの一部を、組成比が５％以下のＮを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層に置き換えたものを積層し、水素を注入すればよい。なお、電流狭窄層の厚さは、光学長でλ／４程度、あるいはＭを自然数としてλ／４＋（λ／２）Ｍ程度とする。また、電流狭窄層のＡｌ組成を高くすれば、ＤＢＲミラーの低屈折率層として利用できる。

また、電流狭窄層の厚さについては、５０ｎｍ以上であれば、電流狭窄部において電流をブロックする効果が高くなるので好ましく、基板に対して臨界膜厚以下の厚さであれば、転位などの発生が抑制されるので好ましい。

また、上記のように窒素が水素を引きつける特性は、一般のｐ型ＧａＩｎＮＡｓに対して起こると考えられ、添加するドーパント種に依存しないと考えられる。つまり、炭素、亜鉛(Ｚｎ)、マグネシウム(Ｍｇ)などをｐ型ドーパントとしてドーピングした場合にも同様な現象が起こる。

また、上記実施の形態では、電流狭窄層が窒素と砒素とを含んでいたが、窒素とリンとを含んでいてもよい。すなわち、上記のように窒素が水素を引きつける特性は、窒素と砒素との電気陰性度の差が大きいことによって生じているため、同様に電気陰性度の差が大きい窒素とリンとを含む電流狭窄層としても、窒素が水素を引きつけるようにすることができる。

また、アンドープのＧａＩｎＮＡｓの場合、水素濃度が低い場合はｐ型になり、水素濃度が増加するとｎ型に転じ、アニールを行って水素を脱離させると再びｐ型になる。水素濃度が低い場合はｐ型になる理由は、以下の通りである。すなわち、アンドープのＧａＩｎＮＡｓの場合は、一部の窒素原子が[Ｎ−Ａｓ]結合としてＶ族原子のサイトに混入している（インタースティシャル欠陥）。また、ＧａＮＡｓ結晶はＧａ空孔を含みやすく、さらにＧａ空孔と窒素が複合欠陥を生成しやすい。これらの欠陥準位は価電子帯に近いために、アクセプターライクに振舞うのである（Ｓ．Ｂ． Ｚｈａｎｇ ｅｔ．ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒ，ｖｏｌ８６，ｐ１７８９，２００１参照）。

さらに、電流狭窄層における窒素の組成比については、水素添加により導電型の反転が起こり得る濃度で決定される。すなわち、窒素の組成比については、窒素によって電流狭窄層の導電型がｐ型になるような値以上の値であればよい。たとえば、窒素濃度が２×１０^１８ｃｍ^−３程度、すなわち組成比が０．０１％程度でも本発明の効果が得られる。また、Ｐ． Ｋｒｉｓｐｉｎ ｅｔ．ａｌ．，Ｊ．Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ｖｏｌ９３、ｐ６０９５、２００３によると、ＧａＮＡｓ結晶においては、窒素の組成比がその熱溶解限度濃度である０．１％程度であってもインタースティシャル欠陥[Ｎ−Ａｓ]_Ａｓが形成され、５×１０^１５ｃｍ^−３程度のインタースティシャル欠陥[Ｎ−Ａｓ]_Ａｓを持つことが示されている。つまり、この場合は、５×１０^１５ｃｍ^−３程度以上のｐ型キャリア濃度がインタースティシャル欠陥[Ｎ−Ａｓ]_Ａｓにより供給されることとなる。また、ＧａＮＡｓ結晶は、窒素組成比が０．５％、すなわち濃度が２．５×１０^１９ｃｍ^−３であると、１×１０^１７ｃｍ^−３程度のキャリア濃度をもつｐ型になることが同時に示されており、実際の半導体デバイス内においてｐ型領域として十分に使用可能なキャリア濃度になる。

一方、窒素組成比を高くしすぎると窒素と砒素との電気陰性度の差が大きいことによって、ミシビリティギャップの影響を受けて相分離を引き起こすので、結晶品質の観点からは、５％程度以下にすることが好ましい。また、より効果的に水素原子を結合させるためには、０．５〜３％程度であることが好ましい。

本発明の実施の形態１に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。 図１に示した面発光レーザ素子の電流経路を示す図である。 図１に示す面発光レーザ素子の製造工程において、注入マスクを除去した後の積層基板の断面を模式的に示す図である。 図３の一部を拡大して示した図である。 図４に示した部分の熱アニール後の様子を示した図である。 本発明の実施の形態２に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。 本発明の実施の形態３に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。 従来の水素注入法を用いて製造した面発光レーザ素子の模式的な断面およびその一部を拡大した図である。

符号の説明

１００〜３００ 面発光レーザ素子
１０１〜３０１ 基板
１０２ ｎ型半導体層
１０３〜３０３ 下部ＤＢＲミラー
１０３ａ Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層
１０３ｂ Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層
１０４〜３０４ 下部クラッド層
１０５〜３０５ 活性層
１０６ 上部クラッド層
１０７ ｐ型半導体層
１０８、２０８、３１８ａ 電流狭窄層
１０８ａ、２０８ａ、３１８ａａ 電流狭窄部
１０８ｂ、２０８ｂ、３１８ａｂ 電流注入部
１０９〜３０９ 上部ＤＢＲミラー
１０９ａ Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層
１０９ｂ Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層
１１０〜３１０ ｐ側コンタクト層
１１１〜３１１ ｐ側電極
１１２〜３１２ 絶縁膜
１１３〜３１３、２１７、３１７ パッド電極
１１４〜３１４ ｎ側電極
１１５ 窒素含有層
２０２、３０２ 半導体層
２０３ａ ＡｌＡｓ層
２０３ｂ ＧａＡｓ層
２０６、２１６、３０６ ｐ型スペーサ層
２０９ａ、３０９ａ ＴｉＯ_２層
２０９ｂ、３０９ｂ ＳｉＯ_２層
３０３ａ ＡｌＧａＩｎＡｓ
３０３ｂ ＩｎＰ層
３１６ ｎ型スペーサ層
３１８ トンネル接合層
３１８ｂ 下部（Ａｌ_０．３８Ｇａ_０．６２)_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ層
３１８ｃ 上部（Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５)_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ層
Ｍ１〜Ｍ３ メサポスト構造

Claims (9)

1. 基板上に、ｐ型半導体層領域とｎ型半導体層領域とに挟まれるとともに、上部反射鏡と下部反射鏡との間に配置された活性層を有する面発光レーザ素子であって、
   前記ｐ型半導体層領域内に配置され、砒素およびリンの少なくとも一方と５％以下の組成比の窒素とを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体からなり、ｐ型の電流注入部と、該電流注入部および前記ｐ型半導体層領域よりも高濃度の水素を含む電流狭窄部とを有する電流狭窄層を備えたことを特徴とする面発光レーザ素子。
2. 前記電流狭窄部は１×１０^１９ｃｍ^−３以上の濃度の水素を含み、前記電流注入部および前記ｐ型半導体領域は５×１０^１８ｃｍ^−３以下の濃度の水素を含むことを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
3. 前記電流狭窄部はｎ型であることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ素子。
4. 前記電流狭窄層のバンドギャップ波長は、レーザ発振波長よりも短いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
5. 前記電流狭窄層は、前記基板に対する臨界膜厚以下の厚さを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
6. 前記上部反射鏡または前記下部反射鏡は、半導体多層膜反射鏡を含み、前記電流狭窄層は前記半導体多層膜反射鏡の一部を構成していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
7. 前記電流狭窄層は、トンネル接合層の一部を構成していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
8. レーザ発振波長が６５０〜２４００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
9. 基板上に、ｐ型半導体層領域とｎ型半導体層領域とに挟まれるとともに、上部反射鏡と下部反射鏡との間に配置された活性層を有する面発光レーザ素子の製造方法であって、
   前記基板上に、前記ｎ型半導体層領域と、前記活性層と、砒素およびリンの少なくとも一方と５％以下の組成比の窒素とを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体からなるｐ型の窒素含有層を含む前記ｐ型半導体層領域とを形成する半導体層形成工程と、
   前記窒素含有層の電流狭窄部を形成すべき領域に水素を注入する水素注入工程と、
   ５００℃より高く７００℃より低い温度で前記注入した水素を安定化させる熱アニールを行なう熱アニール工程と、
   を含むことを特徴とする面発光レーザ素子の製造方法。

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