JP5653625B2 - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
活性層と、
前記活性層に電流を注入する第1の電極および第2の電極と、
前記活性層と前記第1の電極との間の半導体層と
前記半導体層上に設けられ、前記活性層からの光が通る誘電体層と、を備える発光素子であって、
前記第1の電極は、前記半導体層上に設けられ、前記活性層からの光が通る開口を有し、前記半導体層と接触して設けられた第1の電極層と、前記第1の電極層上に設けられた第2の電極層とを備え、前記第1の電極層は前記第2の電極層よりも前記半導体層との反応性が小さく、
前記誘電体層は前記開口内に設けられ、前記誘電体層の端部が、前記第1の電極の前記開口側の端部と前記第2の電極の前記開口側の端部との間に介在している半導体発光素子が提供される。
を備え、第1の反射鏡および第2の反射鏡との間には共振器が形成され、共振器は少なくとも、活性層と、活性層と電極との間の半導体層と、半導体層上に設けられ、活性層からの光が通る誘電体層と、を有し、誘電体層は、共振器内の定在波の位相を調整するための位相調整層である半導体発光素子の製造方法が提供される。
レーザの駆動では、一見して上述した反応が起こっていないような場合にも、エレクトロマイグレーション等によって、レーザ運転中に上記反応が進行する可能性もある。特に、p側円環状電極121の開口側端部126は、電流が最も集中しやすい場所であるため、この部分に反応に起因する応力が加わることで、長期通電時には特に劣化が進行する原因になる。
次に、本発明の好ましい実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子構造および製造方法について説明する。
図1を参照すれば、本発明の好ましい第1の実施の形態の面発光レーザ100は、基板101と、基板101上に順次に形成された、下部DBR102、バッファ層103、n+型コンタクト層104、n型スペーサ層105、活性層106、下部傾斜組成層109、電流狭窄層110、上部傾斜組成層111、p型スペーサ層112、p+型電流経路層113、p型スペーサ層114、及び、p+型コンタクト層115を含む積層構造とを有する。
位相調整層となる誘電体層141を作製する際に、図6に示すように、メサポスト130の外縁部となる部分、すなわち、p+型コンタクト層115の外側の端部116上にもSiNxからなる誘電体層142を残し、図3に示すフォトレジスト128を形成する際には、この誘電体層142を露出するように形成することによって、形成されるp側円環状電極121の内側の開口側端部126がp+型コンタクト層115上から誘電体膜141上に延在し、誘電体膜141の外縁部148上に乗り上げて誘電体膜141の外縁部148を覆い、外側端部127がp+型コンタクト層115上から誘電体膜142上に延在し、誘電体膜142上に乗り上げて誘電体膜142を覆うように形成することができる。このようにして、p側円環状電極121の内側の開口側端部126および外側端部127のPt層123のPtがp+型コンタクト層115のGaAsと接するのを防止でき、p+型コンタクト層115に歪が発生するのを防止できる。メサポスト状構造を有する半導体レーザにおいては、発光部近傍のみでなく、メサポストの外周近傍の構造的欠陥も信頼性に影響を及ぼすために、メサポストの外周部においてもこの電極乗り上げ構造を設けるのは効果的である。特に、1μm帯以下の発振波長のレーザにおいてこの効果が顕著である。
以下の変形例では、誘電体層141の外縁部148とp側円環状電極121の開口側端部126との境界部構成について説明する。なお、図示しない部位の構成については上記実施の形態と同様の構成とすることが可能であるがそれに限られない。
図7は、p側円環状電極121の膜厚が誘電体層141の層厚よりも小さい場合の構成例を示す。この例では誘電体層141の外縁部148に、下層のTi層122と上層のPt層123とがp+型コンタクト層115との界面からこの順に積層されたp側円環状電極121の開口側端部126がp+型コンタクト層115上から誘電体膜141上に延在し、誘電体膜141の外縁部148上に乗り上げて誘電体膜141の外縁部148を覆っている。p側円環状電極121の内側の開口側端部126のPt層123のPtがp+型コンタクト層115と接することを防止でき、p+型コンタクト層115に歪が発生するのを防止できる。なお、下層のTi層122は、誘電体膜141の外縁部148上を150nm以上の幅aで覆っている。Ti層122の開口側端122bがPt層123の開口側端123bによって覆われ、Ti層122の開口側端122bが開口125に露出していない。従って、例えば、酸化狭窄層を作成する際の酸化工程等でTi層122が酸化されるのを防止または抑制することができ、抵抗値の増加やTi層122の構造変化を防止または抑制できる。
図8は、p側円環状電極121が、最下層のTi層122、その上のPt層123および最上層のAu層124の3層からなる構成の例を示す。この例では、誘電体層141の外縁部148に、Ti/Pt/Auの多層金属からなるp側円環状電極121の開口側端部126がp+型コンタクト層115上から誘電体膜141上に延在し、誘電体膜141の外縁部148上に乗り上げて誘電体膜141の外縁部148を覆っている。p側円環状電極121の内側の開口側端部126のPt層123のPtおよびAu層124のAuがp+型コンタクト層115と接することを防止でき、p+型コンタクト層115に歪が発生するのを防止できる。なお、下層のTi層122は、誘電体膜141の外縁部148上を150nm以上の幅aで覆っている。Ti層122の開口側端122bがPt層123の開口側端123bおよびAu層124の開口側端124bによって覆われ、Ti層122の開口側端122bが開口125に露出していない。従って、例えば、酸化狭窄層を作成する際の酸化工程等でTi層122が酸化されるのを防止または抑制することができ、抵抗値の増加やTi層122の構造変化を防止または抑制できる。
図9は、誘電体層141の外縁部148が傾斜した構成の例を示す。誘電体層141の外縁部148がテーパー状であり、誘電体層141の外縁部148の上面は、誘電体層141の外側から内側に向かうにつれてp+型コンタクト層115から離間している。p側円環状電極121の開口側端部126がp+型コンタクト層115上から誘電体膜141上に延在し、誘電体膜141の外縁部148上に乗り上げて誘電体膜141の外縁部148を覆っている。p側円環状電極121の内側の開口側端部126のPt層123のPtがp+型コンタクト層115と接することを防止でき、p+型コンタクト層115に歪が発生するのを防止できる。なお、p側円環状電極121の開口側端部126は、テーパー状の外縁部148上で終端している。また、下層のTi層122は、誘電体膜141の外縁部148上を150nm以上の幅aで覆っている。
図10は、誘電体層141がp側円環状電極121内に突出した構成の例を示す。誘電体層141の外縁部148が、p側円環状電極121の開口側端部126において、p側円環状電極121のTi層122の端部と、Pt層123の端部との間に介在している。この構造は、誘電体層141の周囲にp側円環状電極121の下側の層(Ti層122)を形成し、続いて誘電体層141の端部をなまし、さらに残りの金属層(Pt層123)を堆積させることによって形成される。この構造によっても、p+型コンタクト層115の半導体層と反応し得るPtとp+型コンタクト層115との間に十分な膜厚の誘電体層141あるいはTi層122が存在するため、p側円環状電極121の開口側端部126のPt層123のPtがp+型コンタクト層115と接することを防止でき、p+型コンタクト層115に歪が発生するのを防止できる。
図11は、誘電体層141の外縁部148をテーパ状に形成し、テーパ状のスロープの途中で下層のTi層122が終端し、さらに上層のPt層123がTi層122の端部を被覆し、かつ、スロープ上で終端するように形成した例を示す。誘電体層141の外縁部148がテーパー状であり、誘電体層141の外縁部148の上面は、誘電体層141の外側から内側に向かうにつれてp+型コンタクト層115から離間している。p側円環状電極121の開口側端部126がp+型コンタクト層115上から誘電体膜141上に延在し、誘電体膜141の外縁部148上に乗り上げて誘電体膜141の外縁部148を覆っている。p側円環状電極121の内側の開口側端部126のPt層123のPtがp+型コンタクト層115と接することを防止でき、p+型コンタクト層115に歪が発生するのを防止できる。なお、下層のTi層122は、誘電体膜141の外縁部148上を150nm以上の幅aで覆っている。
次に、図15を参照して、本発明の好ましい第2の実施の形態の半導体レーザ素子200を説明する。本実施形態の面発光レーザ200は、n側電極230、n型半導体基板201、下部半導体DBRミラー202、n型クラッド層203、量子井戸構造を有する活性層204、p型クラッド層205、上部半導体DBRミラー206、電流狭窄部207aと電流注入部207bとを有する酸化電流狭窄層207、p側円環状電極221、保護層240を備える。n型クラッド層203、活性層204およびp型クラッド層205により共振器210を構成している。上部半導体DBRミラー206の、活性層204に近い側の一層が、外周に位置する電流狭窄部207aと電流狭窄部207aの中央に位置する電流注入部207bとを有する電流狭窄層207となっている。
101 基板
102 下部DBRミラー
103 バッファ層
104 n+型コンタクト層
105 n型スペーサ層
106 活性層
109 下部傾斜組成層
110 電流狭窄層
110a 電流狭窄部
110b 電流注入部
110’ AlAs層
111 上部傾斜組成層
112、114 p型スペーサ層
113 p+型電流経路層
115 p+型コンタクト層
116 外側端部
120 共振器
121 p側円環状電極
121a Pt/Ti層
122 Ti層
122b 開口側端
123 Pt層
123b 開口側端
124 Au層
124b 開口側端
125 開口
126 開口側端部
127 外側端部
128 フォトレジスト層
128a 空隙
130 メサポスト
131 n側電極
141、142 誘電体層
143 SiO2膜
144 SiNx膜
145 パッシベーション膜
148 外縁部
149 境界
150 上部DBRミラー
151 物質層(TiとGaAsの反応層)
152 突出部(PtとGaAsの反応突出領域)
200 面発光型半導体レーザ素子
201 基板
202 下部半導体DBRミラー
203 n型クラッド層
204 活性層
205 p型クラッド層
206 上部半導体DBRミラー
207 電流狭窄層
207a 電流狭窄部
207b 電流注入部
210 共振器
221 p側円環状電極
223 開口側端部
225 開口
230 n側電極
240 保護層
242 外縁部
Claims (22)
- 第1の反射鏡と、
第2の反射鏡と、
前記第1の反射鏡および前記第2の反射鏡との間に設けられ、少なくとも活性層と、半導体層と、前記半導体層上に設けられ、前記活性層からの光が通る誘電体層を有する共振器と、
前記半導体層上に設けられる第1の電極と、
を備える半導体発光素子であって、
前記半導体層は前記活性層と前記第1の電極との間に設けられ、
前記第1の電極は前記活性層からの光が通る開口を有し、前記半導体層と接触して設けられた第1の電極層と、前記第1の電極層上に設けられた第2の電極層とを備え、前記第1の電極層は前記第2の電極層よりも前記半導体層との反応性が小さく、
前記誘電体層は前記開口内に設けられ、前記第1の電極層の前記開口側の端部が、前記半導体層上から前記誘電体層上に延在し、
前記第1の反射鏡は前記第1の電極および前記誘電体層上に設けられ、
前記誘電体層は、前記共振器内の定在波の位相を調整するための位相調整層であることを特徴とする半導体発光素子。 - 第2の電極をさらに備え、前記第1の電極と前記第2の電極は前記活性層に電流を注入するように配置される請求項1に記載の半導体発光素子。
- 前記誘電体層は円板状であり、前記第1の電極は円環状である請求項1または2に記載の半導体発光素子。
- 前記誘電体層の端部がテーパー状であり、前記誘電体層の端部の上面は、前記誘電体層の外側から内側に向かうにつれて前記半導体層から離間している請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記第1の電極層の前記開口側の端部が前記第2の電極層の前記開口側の端部によって覆われ、前記第1の電極層の前記開口側の端部が前記開口に露出していない請求項1から4のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記第1の電極層は、前記誘電体層上に100nmから1μm延在している請求項1から5のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記誘電体層の端部がテーパー状であり、前記誘電体層の端部の上面は、前記誘電体層の外側から内側に向かうにつれて前記半導体層から離間しており、前記第1の電極層の前記開口側の端部は前記テーパー状の前記誘電体層の端部上で終端している請求項1から6のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記第2の電極層の前記開口側の端部は前記テーパー状の前記誘電体層の端部上で終端し、前記第1の電極層の前記開口側の端部は前記第2の電極層の前記開口側の端部によって覆われ、前記第1の電極層の前記開口側の端部が前記開口に露出していない請求項7記載の半導体発光素子。
- 前記第1の電極の外側の端部と、前記半導体層との間に設けられた第2の誘電体層をさらに備え、前記第1の電極の前記外側の端部が、前記半導体層上から前記第2の誘電体層上に延在している請求項1から8のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記第1の電極層は、Ti、W、Mo、Ta、Cr、TiNおよびTaNからなる群より選ばれる少なくとも1以上の物質からなる請求項1から9のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記第2の電極層は、Au、Pt、Ni、PdおよびGeからなる群より選ばれる少な
くとも1以上の物質からなる請求項10記載の半導体発光素子。 - 前記第1の電極層の膜厚は、10から200nmである請求項1から11のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記第2の電極層上の第3の電極層をさらに備え、前記第3の電極層は、前記第2の電極層とは異なる物質からなり、前記第3の電極層は、Au、Pt、Ni、Pd、TiおよびGeからなる群より選ばれる少なくとも1以上の物質からなる請求項11記載の半導体発光素子。
- 前記第1の電極層と前記半導体層との間には、前記第1の電極層の構成物質の少なくとも一つと前記半導体層の構成物質の少なくとも一つを含み、厚さが10nm以上、60nm以下の物質層が存在する請求項1から13のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記発光素子は、面発光レーザである請求項1から14のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
- 前記共振器は電流経路制限層を有し、前記電流経路制限層は、前記第1の電極と前記第2の電極との間に流れる電流の経路を制限し、前記電流が流れる第1の領域と前記電流の流れを制限する第2の領域とを有する請求項15記載の半導体発光素子。
- 請求項1から16のいずれか一項に記載の半導体発光素子を複数備える半導体発光素子アレイ。
- 請求項15または16に記載の半導体発光素子を複数備えるレーザアレイ。
- 請求項1から16のいずれか一項に記載の半導体発光素子を備える光学機器。
- 請求項1から16のいずれか一項に記載の半導体発光素子を備える通信システム。
- 基板上に第2の反射鏡を形成する工程と、
前記第2の反射鏡の上に活性層と半導体層を形成する工程と、
前記半導体層上に誘電体層を形成する工程と、
前記半導体層上に選択的に電極を形成する工程であって、前記電極は、第1の電極層と、前記第1の電極層上に設けられた第2の電極層と、開口とを有し、前記第1の電極層は前記半導体層と接触して設けられ、前記第1の電極層は前記第2の電極層よりも前記半導体層との反応性が小さく、前記開口内に前記誘電体層が位置し、前記第1の電極層の前記開口側の端部が、前記半導体層上から前記誘電体層上に延在している前記電極を形成する工程と、
前記電極および前記誘電体層上に第1の反射鏡を形成する工程と、
を備え、
前記第1の反射鏡および前記第2の反射鏡との間には共振器が形成され、
前記共振器は少なくとも、前記活性層と、前記活性層と前記電極との間の前記半導体層と、前記半導体層上に設けられ、前記活性層からの光が通る誘電体層と、を有し、
前記誘電体層は、前記共振器内の定在波の位相を調整するための位相調整層である
半導体発光素子の製造方法。 - 前記活性層に前記第1の電極から流れるまたは前記活性層から前記第1の電極に流れる電流の経路を制限する電流経路制限層であって前記電流が流れる領域と前記電流の流れを制限する酸化物領域とを有する前記電流経路制限層の前記酸化物領域を作成する酸化工程であって、前記酸化工程中の加熱によって、前記第1の電極層と前記半導体層との間に、前記第1の電極層の構成物質の少なくとも一つと前記半導体層の構成物質の少なくとも一つを含む物質層を形成する酸化工程と、
少なくとも前記活性層と前記半導体層とを含む凸部を前記第1の電極に対して自己整合的に前記基板上に形成する工程をさらに備え、前記電流経路制限層の前記酸化物領域は、前記凸部の側面からの酸化によって作成する請求項21記載の半導体発光素子の製造方法。
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