JP5074786B2

JP5074786B2 - 面発光レーザ素子の製造方法および面発光レーザ素子

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Publication number: JP5074786B2
Application number: JP2007046254A
Authority: JP
Inventors: 啓史高木; 則広岩井; 均清水; 健生影山
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2027-02-26
Also published as: JP2008210991A; US20080205463A1; US7888145B2

Description

本発明は、垂直共振器型の面発光レーザ素子の製造方法および面発光レーザ素子に関するものである。

従来の面発光レーザ素子として、半導体からなる上部および下部多層膜ミラーの間に活性層を積層してＤＢＲ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザを構成し、さらに電流注入効率を上げるために、電流経路を制限する電流狭窄層を形成した垂直共振器型の面発光レーザ素子が開示されている（特許文献１参照）。この電流狭窄層は、ＡｌＡｓからなるＡｌＡｓ層を選択酸化して形成したものであり、中心に位置するＡｌＡｓからなる円形の電流狭窄部と、電流狭窄部の周囲に位置する酸化アルミニウムからなる選択酸化部とを備えるものである。この電流狭窄部は、面発光レーザ素子に電流を注入した際の電流経路になるとともに、レーザ光が出射する開口部になる。

ここで、ＡｌＡｓ層を選択酸化して形成した電流狭窄層においては、酸化速度に異方性が生じて電流狭窄部の形状がひし形となり、ひし形のエッジの部分に電流密度が集中して転位の起点になる場合がある。そこで、被選択酸化層としてＡｌＡｓ層の代わりにＡｌＧａＡｓ層を用いて酸化速度の異方性を解消し、電流狭窄部を円形に形成する技術が開示されている（非特許文献１参照）。

ところが、上記のＡｌＧａＡｓ層はＧａの組成比が小さいので、所望の組成比に制御することが難しい。そこで、ＡｌＡｓ層とＧａＡｓ層とを交互に積層して形成したＡｌＡｓ／ＧａＡｓデジタルアロイを被選択酸化層として、制御性高く酸化速度の異方性を抑制する技術が開示されている（非特許文献２参照）。

特開２００４−３１９６４３号公報 K.D. Choquette et al., "Advances in selective wet oxidation of AlGaAs alloys", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol.3 No.3 pp.916-926(1997) G.W. Pickrell et al., "Improvement of wet-oxidized AlxGa1-xAs (x〜1) through the use of AlAs/GaAs digital alloys", Appl. Phys. Lett., vol.76, No.18, pp.2544-2546(2000)

ところで、被選択酸化層であるＡｌＡｓ層の厚さが厚いと、これを選択酸化して電流狭窄層を形成する際に、選択酸化部において発生する応力が大きくなる。その結果、面発光レーザ素子の信頼性が低下する恐れがあるので、ＡｌＡｓ層の厚さはなるべく薄くしたいという要求がある。ここで、非特許文献１には、ＡｌＡｓ層を選択酸化して電流狭窄層を形成する場合について、ＡｌＡｓ層の厚さとＡｌＡｓ層の酸化速度との関係が報告されている。なお、この酸化速度とは、ＡｌＡｓ層の主表面と平行な方向における酸化速度である。

図１１は、ＡｌＡｓ層の厚さと酸化速度との関係を示す図である。図１１に示すように、ＡｌＡｓ層の厚さが薄い場合には、層の厚さの変化によって酸化速度が急激に変化する。すなわち、酸化速度の層厚依存性が大きい。その結果、たとえば１枚の基板上に多数の面発光レーザ素子を作製する場合、ＡｌＡｓ層の基板面内でのわずかな厚さの違いによっても、素子間の酸化速度の相違が顕著になる。その結果、作製した面発光レーザ素子の電流狭窄部の直径にばらつきが生じる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、所望の形状の電流狭窄部を有する面発光レーザ素子を安定して製造できる面発光レーザ素子の製造方法および面発光レーザ素子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の製造方法は、選択酸化型の電流狭窄層を有する面発光レーザ素子の製造方法であって、活性層を含む複数の半導体層上に、ＡｌＡｓ層と、ＩＩＩ族元素であるＸを含むＸＡｓ層とを所定の厚さ比率で交互に積層して被選択酸化層を形成する積層工程と、前記被選択酸化層を選択酸化する選択酸化工程と、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の製造方法は、上記発明において、前記積層工程は、前記厚さ比率を９７：３〜９９：１に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の製造方法は、上記発明において、前記積層工程は、前記被選択酸化層を１００ｎｍ以下に形成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の製造方法は、上記発明において、前記積層工程は、前記被選択酸化層を５０ｎｍ以下に形成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の製造方法は、上記発明において、前記積層工程は、前記各ＡｌＡｓ層を１６ｎｍ以下に積層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の製造方法は、上記発明において、前記積層工程は、前記各ＡｌＡｓ層を２ｎｍ以上に積層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、上記発明のいずれか１つに係る製造方法によって製造したことを特徴とする。

本発明によれば、ＡｌＡｓ層とＸＡｓ層とを所定の厚さ比率で交互に積層して被選択酸化層を形成する積層工程と、前記被選択酸化層を選択酸化する選択酸化工程とを含むので、酸化速度の層厚依存性が小さくなり、電流狭窄層において電流狭窄部の直径のばらつきが生じにくくなる結果、所望の形状の電流狭窄部を有する面発光レーザ素子を安定して製造でき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の製造方法および面発光レーザ素子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にかか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１００は、ＩＩＩ族元素であるＧａを含むＧａＡｓ系半導体材料からなる面発光レーザ素子である。

図１は、本実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００を模式的に表した平面図であり、図２は、図１に示す面発光レーザ素子１００のＩ−Ｉ線断面図である。図１、２に示すように、面発光レーザ素子１００は、半絶縁性の基板１上に積層された下部ＤＢＲミラー２と、Ｎクラッド層３と、活性層４と、多層電流狭窄層５と、Ｐクラッド層６と、上部ＤＢＲミラー７と、Ｐ電極８と、Ｎ電極９とを備える。そして、Ｎクラッド層３上に積層された活性層４、多層電流狭窄層５、Ｐクラッド層６、上部ＤＢＲミラー７、Ｐ電極８は、円形柱状のメサポスト１０を形成している。なお、この面発光レーザ素子１００は、１枚の基板１上に同様のものが多数作製されている。以下、各構成要素について説明する。

下部ＤＢＲミラー２は、たとえばＮ型のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓからなる複合層が複数積層された半導体多層膜ミラーとして形成され、この複合層を構成する各層の厚さは、λ／４ｎ（λ：発振波長、ｎ：屈折率）とされている。一方、上部ＤＢＲミラー７は、たとえばＰ型のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓからなる複合層が複数積層された半導体多層膜ミラーとして形成され、この複合層を構成する各層の厚さはλ／４ｎとされている。

Ｎクラッド層３は、たとえばＮ型のＧａＡｓからなり、Ｐクラッド層６は、たとえばＰ型のＧａＡｓからなる。活性層４は、たとえばＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓからなる３層の量子井戸構造を有するものである。

Ｐ電極８は、所定の直径の開口部８ａを有するリング形状であって、上部ＤＢＲミラー７上に形成されている。一方、Ｎ電極９は、Ｃ字状であって、Ｎクラッド層３上にメサポスト１０を取り囲むように形成されている。これらＰ電極８およびＮ電極９は、それぞれＰ引出電極１１およびＮ引出電極１２によって、外部に設けた不図示の電流供給回路に電気的に接続している。

つぎに、多層電流狭窄層５について詳細に説明する。図３は、図２に示す面発光レーザ素子１００の多層電流狭窄層５の詳細構成を示す断面図である。図３に示すように、多層電流狭窄層５は、ＡｌＡｓからなり、Ｐ電極８の開口部８ａと中心および直径をほぼ同一とする電流狭窄部５ａと、電流狭窄部５ａの外周に形成され、酸化アルミニウムからなる選択酸化部５ｂとを有する電流狭窄層５１と、ＡｌＧａＡｓ層５２とが交互に積層して形成されている。電流狭窄層５１とＡｌＧａＡｓ層５２との厚さの比率は、たとえば９７：３〜９９：１である。

そして、この面発光レーザ素子１００は、外部に設けた電流供給回路からそれぞれＰ引出電極１１およびＮ引出電極１２を介してＰ電極８およびＮ電極９間に電圧を印加し、電流を注入すると、多層電流狭窄層５によって電流経路が電流狭窄部５ａ内に狭窄されて、電流が高い電流密度で活性層４に供給される。その結果、活性層４はキャリア注入されて自然放出光を発光し、この自然放出光が下部ＤＢＲミラー２と上部ＤＢＲミラー７とが構成する光共振器によってレーザ発振し、Ｐ電極８の開口部８ａからレーザ光が出力する。

ここで、多層電流狭窄層５の選択酸化部５ｂは、後述するように、製造工程において、酸化速度の層厚依存性が小さい状態で形成されたものなので、基板１内に作製された複数の面発光レーザ素子１００間で、電流狭窄部５ａの直径のばらつきが小さいものとなっている。以下、本発明の実施の形態２として、この面発光レーザ素子１００の製造方法について説明する。

（実施の形態２）
図４〜７は、本実施の形態２に係る面発光レーザ素子の製造方法を説明する説明図である。はじめに、たとえば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて、図４に示すように、基板１上に、下部ＤＢＲミラー２、Ｎクラッド層３、活性層４を順次積層し、さらに、多層電流狭窄層５を形成するための被選択酸化層１５を形成する。この被選択酸化層１５は、図５に示すように、３つのＡｌＡｓ層１５１と、２つのＧａＡｓ層１５２とを９７：３〜９９：１の厚さ比率で交互に積層して形成する。なお、ＡｌＡｓ層１５１の厚さはたとえば４．９５ｎｍであり、ＧａＡｓ層１５２の厚さはたとえば０．０５ｎｍである。この厚さは、材料ガスを供給する際の供給口の開閉時間によって調整できる。なお、層厚が１ＭＬ（モノレイヤー）以下の場合、層厚は積層面内の平均の積層厚さで規定される。

つぎに、被選択酸化層１５上に上部ＤＢＲミラー７を積層した後に、プラズマＣＶＤ法によって、上部ＤＢＲミラー７の成長表面にシリコン窒化膜を成膜し、直径約３０μｍの円形パターンをフォトレジストによるフォトリソグラフィ技術を用いて転写する。この転写された円形レジストマスクを用いて、シリコン窒化膜を、ＣＦ₄ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法でエッチングする。さらに、塩素ガスを用いた反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）法によってＮクラッド層３に到達するまでエッチングし、図６に示すように、直径約３０μｍの柱状構造のメサポスト１０を形成する。なお、このメサポスト１０は基板１上に複数形成する。

つぎに、この状態で、水蒸気雰囲気中で４００℃に加熱し、放置することによって、被選択酸化層１５を選択的に酸化する。これによって、被選択酸化層１５のＡｌＡｓ層１５１のみが選択酸化されて、図７に示すように、電流狭窄部５ａと選択酸化部５ｂとが形成される。この電流狭窄部５ａは直径３〜１０μｍであり、たとえば６μｍである。

ここで、被選択酸化層１５におけるＡｌＡｓ層１５１の酸化速度は、ＧａＡｓ層１５２の存在によって層厚依存性が小さくなっている。したがって、基板１内でＡｌＡｓ層１５１の厚さにばらつきがあっても、基板１上に作製された複数の面発光レーザ素子１００間で、電流狭窄部５ａの直径のばらつきが小さくなる。その結果、所望の直径の電流狭窄部５ａを有する面発光レーザ素子１００を安定して製造できる。なお、この選択酸化工程において、ＡｌＡｓ層１５１とＧａＡｓ層１５２との間に相互拡散が発生し、ＧａＡｓ層１５２はＡｌＧａＡｓ層５２となる。

つぎに、プラズマＣＶＤ法によって、あらためてシリコン窒化膜を全面に形成する。その後、シリコン窒化膜を所定の形状に除去し、Ｔｉ／Ｐｔ／ＡｕからなるＰ電極８を形成する。また、同様の方法で、ＡｕＧｅＮｉ／ＡｕからなるＮ電極９を形成する。その後、Ｐ引出電極１１およびＮ引出電極１２を形成し、面発光レーザ素子１００が完成する。

ここで、被選択酸化層がＡｌＡｓ層のみからなる場合と、本実施の形態２のＡｌＡｓ層とＧａＡｓ層とを交互に積層して形成したものである場合について、層厚と酸化速度との関係を比較する。図８は、被選択酸化層の全体の厚さと酸化速度との関係を示す図であり、図９は、ＡｌＡｓ層の１層あたりの厚さと酸化速度との関係を示す図である。なお、図８、９の凡例において、ＡｌＡｓとは、被選択酸化層がＡｌＡｓ層のみからなる場合であり、Ａｌ０．９９、Ａｌ０．９８５、Ａｌ０．９７は、本実施の形態２において、ＡｌＡｓ層とＧａＡｓ層との厚さ比率をそれぞれ９９：１、９８．５：１．５、９７：３とした場合である。なお、以下では、被選択酸化層がＡｌＡｓ層のみからなる場合をバルクＡｌＡｓ層と呼ぶ。

図８、９に示すように、バルクＡｌＡｓ層の場合は、層厚が約１５ｎｍ以下では層厚が減少するにつれて酸化速度が急激に減少し、酸化速度の層厚依存性が大きい。これに対して、たとえばＡｌ０．９９の場合は、被選択酸化層の層厚が約５０ｎｍから８ｎｍ、すなわちＡｌＡｓ層の層厚が約１６ｎｍから２．６ｎｍの領域においては、酸化速度の層厚依存性がバルクＡｌＡｓ層の場合とは異なる曲線で示され、急激には減少しない。

この理由は、以下のように考えられる。すなわち、被選択酸化層の層厚が約５０ｎｍより大きければ、ＧａＡｓ層の存在によって各ＡｌＡｓ層が分離しているので、酸化速度はＡｌＡｓ層の１層あたりの厚さとの関係で定まる。ここで、ＡｌＡｓ層の１層あたりの厚さは約１６ｎｍであるが、この厚さは酸化速度の層厚依存性が小さい領域であるので、酸化速度がバルクＡｌＡｓ層の場合と同等になる。

一方、被選択酸化層の層厚が約５０ｎｍから８ｎｍの場合は、ＧａＡｓ層が薄くなるので、各ＡｌＡｓ層が完全に分離しなくなるとともに、ＧａＡｓ層が緩衝層として働くので、バルクＡｌＡｓ層の場合と比べて、被選択酸化層の層厚が減少しても酸化速度が急激には減少しない。

そして、被選択酸化層の層厚が約８ｎｍより小さければ、ＧａＡｓ層の厚さは約０．０８ｎｍ以下ときわめて薄くなるので緩衝層として働かず、酸化速度は被選択酸化層の全体の厚さとの関係で定まる。その結果、酸化速度がバルクＡｌＡｓ層の場合と同等になる。

なお、酸化速度の層厚依存性がバルクＡｌＡｓ層の場合とは異なる曲線で示されるような被選択酸化層の層厚の領域は、ＡｌＡｓ層とＧａＡｓ層との厚さ比率によって異なり、たとえば上述のＡｌ０．９７のようにＡｌＡｓ層とＧａＡｓ層との厚さ比率が９７：３の場合は、約４０ｎｍから６ｎｍである。

すなわち、従来は、ＡｌＡｓ層は層厚を薄くすると酸化速度が急激に減少するため、ＡｌＡｓ層を被選択酸化層とする場合は１００ｎｍ以上の厚さとし、非特許文献２に示すようなＡｌＡｓ／ＧａＡデジタルアロイの構造を採用しても、被選択酸化層は１００ｎｍ以上の厚さにしなければならないと考えられてきた。しかし、図８、９に示すように、本実施の形態２によれば、ＧａＡｓ層との厚さ比率を所定の値にした状態で、ＡｌＡｓ層をさらに薄くすることによって、酸化速度の層厚依存性が小さいままで、被選択酸化層の全体の厚さを１００ｎｍ以下、特に５０ｎｍ以下に薄くできることが確認された。このように被選択酸化層を薄くすれば、これを選択酸化して電流狭窄層を形成する際に選択酸化部において発生する応力を小さくでき、その結果、面発光レーザ素子の信頼性が向上する。すなわち、本実施の形態２によれば、所望の直径の電流狭窄部を有するとともに、信頼性の高い面発光レーザ素子を安定して製造できる。

ところで、図１０は、本実施の形態２に係るＡｌＡｓ層とＧａＡｓ層とを交互に積層して形成した被選択酸化層のＴＥＭ画像を示す図である。図１０の上側に示す被選択酸化層は厚さ１０ｎｍであり、下側に示す被選択酸化層は厚さ２０ｎｍである。また、ＡｌＡｓ層とＧａＡｓ層との厚さ比率は９９：１である。図１０においては、ＧａＡｓ層の厚さは上側で約０．０３ｎｍ、下側で約０．０６ｎｍであり、いずれの場合もＧａＡｓの１ＭＬ以下の厚さであるが、ＴＥＭによってその存在が容易に確認できる。

なお、上記実施の形態１、２において、ＧａＡｓ層の代わりにＩＩＩ族元素であるＧａとＳｂとを含むＧａＡｓＳｂ層を用いてもよい。また、上記実施の形態１、２においては、ＧａＡｓ系半導体材料からなる面発光レーザ素子について説明したが、本発明はこれに限らない。たとえば、ＩＩＩ族元素であるＩｎを含むＩｎＡｓ系半導体材料からなる面発光レーザ素子であれば、ＧａＡｓ層の代わりにＩｎＡｓ層を用いることができる。また、上記実施の形態１、２においては、積層するＡｌＡｓ層の数は３であったが、２以上であれば特に限定されない。

本発明の実施の形態１に係る面発光レーザ素子を模式的に表した平面図である。図１に示す面発光レーザ素子のＩ−Ｉ線断面図である。図２に示す面発光レーザ素子の多層電流狭窄層の詳細構成を示す断面図である。本発明の実施の形態２に係る面発光レーザ素子の製造方法を説明する説明図である。本発明の実施の形態２に係る面発光レーザ素子の製造方法を説明する説明図である。本発明の実施の形態２に係る面発光レーザ素子の製造方法を説明する説明図である。本発明の実施の形態２に係る面発光レーザ素子の製造方法を説明する説明図である。被選択酸化層の全体の厚さと酸化速度との関係を示す図である。ＡｌＡｓ層の１層あたりの厚さと酸化速度との関係を示す図である。本発明の実施の形態２に係るＡｌＡｓ層とＧａＡｓ層とを交互に積層して形成した被選択酸化層のＴＥＭ画像を示す図である。ＡｌＡｓ層の厚さと酸化速度との関係を示す図である。

符号の説明

１基板
２下部ＤＢＲミラー
３Ｎクラッド層
４活性層
５多層電流狭窄層
５１電流狭窄層
５２ＡｌＧａＡｓ層
５ａ電流狭窄部
５ｂ選択酸化部
６Ｐクラッド層
７上部ＤＢＲミラー
８Ｐ電極
８ａ開口部
９Ｎ電極
１０メサポスト
１１Ｐ引出電極
１２Ｎ引出電極
１５被選択酸化層
１５１ＡｌＡｓ層
１５２ＧａＡｓ層
１００面発光レーザ素子

Claims

選択酸化型の電流狭窄層を有する面発光レーザ素子の製造方法であって、
活性層を含む複数の半導体層上に、ＡｌＡｓ層と、ＩＩＩ族元素であるＸを含むＸＡｓ層とを所定の厚さ比率で交互に積層して被選択酸化層を１００ｎｍ以下の厚さに形成する積層工程と、
前記被選択酸化層を選択酸化する選択酸化工程と、
を含み、
前記積層工程は、前記厚さ比率を９７：３〜９９：１にすることを特徴とする面発光レーザ素子の製造方法。
前記積層工程は、前記被選択酸化層を５０ｎｍ以下の厚さに形成することを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子の製造方法。
前記積層工程は、前記各ＡｌＡｓ層を１６ｎｍ以下の厚さに積層す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の製造方法。
前記積層工程は、前記各ＡｌＡｓ層を２ｎｍ以上の厚さに積層することを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ素子の製造方法。
請求項１〜４のいずれか１つに記載の製造方法によって製造したことを特徴とする面発光レーザ素子。
前記面発光レーザ素子を１枚の基板上に複数作製することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の面発光レーザ素子の製造方法。