JP6206669B2

JP6206669B2 - 面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザアレイ、面発光型半導体レーザの製造方法、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置

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Publication number: JP6206669B2
Application number: JP2013239756A
Authority: JP
Inventors: 一隆武田; 近藤　崇; 崇近藤
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2033-11-20
Also published as: JP2015099870A

Description

本発明は、面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザアレイ、面発光型半導体レーザの製造方法、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置に関する。

面発光型半導体レーザは、通信や画像形成用の光源に利用されている。このような面発光型半導体レーザには、高速動作および低消費電力化が求められている。面発光型半導体レーザの高速動作を実現させるために、活性層上にトンネル接合層を形成したり（特許文献１）、配線およびボンディングパッドとｎ側電極との間に低誘電率の絶縁性誘電体の厚さを厚くしている（特許文献２）。

特開２００９−８１２３０号公報特開２００７−２９４７４１号公報

本発明は、配線の寄生容量を低減した面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザアレイ、面発光型半導体レーザの製造方法、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置を提供することを目的とする。

請求項１は、半絶縁性の半導体基板上に形成された、第１導電型の半導体層、第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域および第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を含む柱状構造と、第１導電型の半導体層に電気的に接続される第１の電極と、第２の半導体多層膜反射鏡に電気的に接続される第２の電極と、第１の電極に接続された第１の金属配線と、第２の電極に接続された第２の金属配線とを有し、前記第１導電型の半導体層は、前記柱状構造の側面から延在した接続領域を含み、当該接続領域に第１の電極が接続され、第１の金属配線および第２の金属配線と前記半導体基板との間には前記第１導電型の半導体層が存在しない、面発光型半導体レーザ。
請求項２は、面発光型半導体レーザはさらに、第１の金属配線に接続された第１の電極パッドと、第２の金属配線に接続された第２の電極パッドとを含み、第１の電極パッドおよび第２の電極パッドと前記半導体基板との間には前記第１導電型の半導体層が存在しない、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項３は、前記柱状構造は、前記半絶縁性の半導体基板を露出させる溝内に形成され、前記溝が絶縁材料によって充填され、当該絶縁材料の表面に第１および第２の金属配線が形成される、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項４は、前記絶縁材料には、前記半導体層を露出させる接続孔が形成され、第１の電極は前記接続孔内に形成される、請求項３に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項５は、前記半導体層の接続領域は、延在部分を介して前記柱状構造内の半導体層と接続され、前記延在部分の膜厚は前記接続領域の膜厚よりも厚い、請求項１ないし４いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
請求項６は、前記柱状構造は、前記半絶縁性の半導体基板を露出させる溝内に形成され、第１および第２の金属配線は、前記溝の底部に形成される、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項７は、請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザが複数形成された面発光型半導体レーザアレイ。
請求項８は、半絶縁性の半導体基板上に、第１導電型の半導体層、第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域および第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を形成する工程と、第２の半導体多層膜反射鏡から前記半導体層に至るまでエッチングして溝内に柱状構造を形成する工程と、前記柱状構造の側面の一部から前記半導体層が延在されるように前記半導体層をエッチングして前記半導体基板を露出させる工程と、前記溝内に絶縁材料を充填する工程と、前記半導体層を露出させる接続孔を前記絶縁材料に形成する工程と、前記接続孔を介して前記半導体層に接続する第１の電極、および前記柱状構造の頂部の第２の半導体多層膜反射鏡に電気的に接続される第２の電極を形成する工程とを有する面発光型半導体レーザの製造方法。
請求項９は、請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材とを実装した面発光型半導体レーザ装置。
請求項１０は、請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザから発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段とを備えた光伝送装置。
請求項１１は、請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構とを有する情報処理装置。

請求項１によれば、第１の金属配線および第２の金属配線と半導体基板との間に導電性の半導体層が存在する場合と比較して、第１の金属配線および第２の金属配線の寄生容量を低減することができる。
請求項２によれば、第１の電極パッドおよび第２の電極パッドの直下に半導体層が存在する場合と比較して、第１の電極パッドおよび第２の電極パッドの寄生容量を低減することができる。
請求項３、４、６によれば、第１および第２の金属配線を同一平面に形成することができる。
請求項５によれば、半導体層の抵抗を減少させることができる。
請求項８によれば、高速動作が可能な面発光型半導体レーザを提供することができる。

図１（Ａ）は、本発明の第１の実施例に係る面発光型半導体レーザの概略平面図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のコンタクト層の拡大平面図である。図２（Ａ）は、図１のＡ−Ａ線断面図、図２（Ｂ）は、図１のＢ−Ｂ線断面図、図２（Ｃ）は、図１のＣ−Ｃ線断面図である。従来の面発光型半導体レーザの金属配線部および電極パッド部の容量を説明する図である。本発明の第２の実施例に係る面発光型半導体レーザの断面図である。本発明の第３の実施例に係る面発光型半導体レーザの断面図である。本発明の第４の実施例に係る面発光型半導体レーザアレイの平面図である。本発明の第１の実施例に係る面発光型半導体レーザの製造工程を説明する断面図である。本発明の第１の実施例に係る面発光型半導体レーザの製造工程を説明する断面図である。本発明の第２の実施例に係る面発光型半導体レーザの製造工程を説明する断面図である。本実施例の面発光型半導体レーザに光学部材を実装した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す概略断面図である。本実施例の面発光型半導体レーザを使用した光源装置の構成例を示す図である。図１０に示す面発光型半導体レーザ装置を用いた光伝送装置の構成を示す概略断面図である。

インターネットトラフィックの情報量が爆発的に増加し長距離光通信技術の高速化、大容量化が研究開発されているが、短距離通信においてもデータセンターやスーパーコンピュータ等産業用情報機器やパーソナルコンピューター（パソコン）や携帯電話等の民生用情報機器においても高機能化により情報量が増加してきている。情報量の増加に対応する光インターコネクション技術が研究開発されているが、今後は大容量に対応するだけでなくシステムの低消費電力化が求められる。光モジュールを考えると、これまでに小型化かつ低消費電力化のために面発光レーザを用いた研究開発が進められてきた。更なる低消費電力化のためには、使用する面発光レーザの駆動電流を低減する必要がある。しかし駆動電流を低減するだけでは変調特性も劣化してしまうため、変調特性を劣化せずに駆動電流値を下げることが求められている。

以下の説明では、面発光型半導体レーザをＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）と称する。なお、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調しており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。

図１は、本発明の第１の実施例に係るＶＣＳＥＬの概略平面図である。同図において、番号１０は、１つのＶＣＳＥＬが形成されたチップを表している。チップ１０は、複数のＶＣＳＥＬが形成されたウエハーから切断されるものである。チップ１０は、半絶縁性の半導体基板を用いて構成され、半絶縁性の半導体基板上に積層された半導体層をエッチングすることにより溝１２が形成され、溝１２内には、発光部として機能する円柱状のメサＭが形成されている。メサＭは、後に詳細に説明するように、半絶縁性の半導体基板に積層されたｎ型のコンタクト層、コンタクト層上に形成されたｎ型の下部半導体多層膜反射鏡、活性領域およびｐ型の上部半導体多層膜反射鏡を含んでいる。

溝１２は、メサＭとメサＭの側面の一部から延在するコンタクト層４０を除き、半絶縁性の半導体基板を露出させるように形成され、溝１２は、樹脂等の絶縁材料７０によって充填される。メサＭの頂部には、環状のｐ側電極２０が形成され、ｐ側電極２０の中央の開口が光出射口２０Ａを規定する。ｐ側電極２０に接続される引き出し用の金属配線２２は、絶縁材料７０の表面を延在し、ｐ側の電極パッド３０に接続される。また、メサＭの側面から延在するコンタクト層４０を露出させるコンタクトホールが絶縁材料７０に形成され、そのコンタクトホール内にコンタクト層４０と接続するｎ側電極５０が形成される。引き出し用の金属配線５２は、コンタクトホールの側面を介してｎ側電極５０に接続される。さらに引き出し用の金属配線５２は、絶縁材料７０の表面を延在し、ｎ側の電極パッド６０に接続される。

図１（Ｂ）は、コンタクト層４０を拡大した平面図である。同図に示すように、メサＭの側面からは、コンタクト層４０が距離Ｄで延在している。コンタクト層４０は、ｎ側電極５０と下部半導体多層膜反射鏡間の導電経路を提供する。従って、距離Ｄは小さいことが望ましいが、他方、ｎ側電極５０とコンタクト層４０との接触面積を十分に確保できる程度でなければならない。

コンタクト層４０下側の半円状の実線Ｑ１は、メサＭの側面とほぼ同一の側面を構成する。上側の半円状の破線Ｑ２は、メサＭの側面（外形）を表しており、従って、コンタクト層４０は、メサＭの側面Ｑ２から側方へ延在する延在領域４２を含んでいる。延在領域４２は、メサＭの径とほぼ等しい幅を有し、その端部４４で幅が幾分広くなっている。端部４４に示された破線４６は、ｎ側電極５０との接触領域または絶縁材料７０に形成されたコンタクトホールを表している。図示する例では、メサＭの側面の曲率に応じてｎ側電極５０が円弧状に形成され、それ故、端部４４が円弧状に加工されている。上記したように、メサＭを形成するときの最初のエッチングでは、基板上の全体のコンタクト層４０が残存され、２回目のエッチングでは、図１（Ｂ）に示すようなコンタクト層４０が残存されように半絶縁性の基板が露出される。こうして、２段階のエッチングにより、メサＭ、コンタクト層４０を含む溝１２が形成される。

次に、本実施例のＶＣＳＥＬの詳細な構成を図２を参照して説明する。図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図１のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線およびＣ−Ｃ線断面図である。図２（Ｂ）に示すように、本実施例のＶＣＳＥＬは、半絶縁性（真性）のＧａＡｓ半導体基板１００上に、ｎ型のコンタクト層４０、コンタクト層４０上に形成された高屈折率材料の半導体層と低屈折率材料の半導体層を交互に重ねたｎ型の下部分布ブラック型反射鏡（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲという）１０２、下部ＤＢＲ１０２上に形成された８５０ｎｍ帯の光を発光する活性領域１０４、活性領域１０４上に形成された高屈折率材料の半導体層と低屈折率材料の半導体層を交互に重ねたｐ型の上部ＤＢＲ１０６を含んで構成される。

コンタクト層４０は、ＧａＡｓ基板に格子整合可能な半導体材料から構成され、好ましくはＧａＡｓから構成される。コンタクト層４０は、ｎ側電極５０と下部ＤＢＲ１０２との間の電気的な通路を提供するものであるから電気的抵抗が小さいことが望ましい。従って、コンタクト層４０は、不純物濃度が比較的高い層であることが望ましく、ｎ側電極５０とオーミック接続されることが望ましい。ｎ型不純物であるシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、１〜５×１０¹⁹ｃｍ^-3であり、下部ＤＢＲ１０２を構成する層よりも不純物濃度が高くされる。また、コンタクト層４０の膜厚は、比較的厚いことが望ましく、下部ＤＢＲ１０２を構成する層の膜厚よりも厚い。

下部ＤＢＲ１０２は、例えば、Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層とのペアの複数層積層体であり、各層の厚さはλ／４ｎ_ｒ（但し、λは発振波長、ｎ_ｒは媒質の屈折率）であり、これらを４０ペアで積層している。ｎ型不純物であるシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

活性領域１０４は、例えばアンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層から成る下部スペーサ層と、アンドープＡｌ_0.１１Ｇａ_0.８９Ａｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ_0.３Ｇａ_0.７Ａｓ障壁層からなる量子井戸構造と、量子井戸構造上に形成されるアンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層から成る上部スペーサ層とから構成される。

上部ＤＢＲ１０６は、例えば、Ａｌ_0.9Ｇａ_0.１Ａｓ層とＡｌ_0.３Ｇａ_0.7Ａｓ層とのペアの複数層積層体であり、各層の厚さはλ／４ｎ_ｒであり、これらを２４ペアで積層している。ｐ型不純物であるカーボンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

上部ＤＢＲ１０６の一部の低屈折率材料がＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓ（例えば、Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ）に置換される。酸化工程において、メサ内のＡｌＡｓ層またはＡｌＧａＡｓ層が選択的に酸化され、電流狭窄層１０８が形成される。電流狭窄層１０８は、電気的に高抵抗または絶縁領域の酸化領域１０８Ａと当該酸化領域１０８Ａによって囲まれた非酸化領域１０８Ｂとを有し、これにより、ｐ側電極２０から注入されたキャリアが非酸化領域１０８Ｂ内で横方向に閉じ込められる。非酸化領域（酸化アパーチャ）１０８Ｂの径を適宜選択することで、基本横モードまたは高次横モードの制御が可能である。電流狭窄層１０８は、活性領域１０４の直上に形成してもよいが、その場合、電流狭窄層による光閉じ込め効果が大きくなり発光スペクトルが広がってしまうので、活性領域１０４と電流狭窄層１０８との間にＤＢＲを構成する層を少なくとも１層介在させることが好ましい。

また、素子の直列抵抗を下げるために、上部ＤＢＲ１０６および／または下部ＤＢＲ１０２中には、Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層との間に、その中間のアルミニウム混晶比を有する中間（グレーデッド）層を設けるようにしてもよい。

基板上に形成された溝１２は、例えばポリイミドやＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）などの絶縁材料７０によって充填される。好ましくは、絶縁材料７０の表面７２は、図２（Ｂ）に示すように上部ＤＢＲ１０６の表面とほぼ同一であることが望ましい。例えば、液状の絶縁材料７０をウエハー上にスピンコートし、その後、硬化した絶縁材料７０をＣＭＰ等により平坦化処理するようにしてもよい。

絶縁材料７０には、図２（Ａ）、（Ｃ）に示すようにコンタクト層４０を露出させるためのコンタクトホール７４が形成される。ｎ側電極５０は、例えばＡｕやＧｅ／Ａｕから構成され、コンタクトホール７４を介してコンタクト層４０に接続される。引き出し用の金属配線５２およびｎ側の電極パッド６０は、絶縁材料７０の表面７２上に形成される。引き出し用の金属配線５２およびｎ側の電極パッド６０は、ｎ側電極５０と同時に形成することができる。

メサＭの頂部には、例えば、ＡｕまたはＴｉ／Ａｕなどから構成された環状のｐ側電極２０が形成され、ｐ側電極２０は、上部ＤＢＲ１０６に電気的に接続される。好ましくは上部ＤＢＲ１０６の最上層に不純物濃度が高いｐ型のＧａＡｓコンタクト層を形成することでｐ側電極１１０とのオーミック接続を得ることができる。引き出し用の金属配線２２およびｐ側の電極パッド６０は、絶縁材料７０の表面７２上に形成される。引き出し用の金属配線２２およびｐ側の電極パッド６０は、ｐ側電極２０と同時に形成することができる。

なお、図１、図２に示す構成は、本発明の実施例の主要な構成を例示するものである。従って、例えば、光出射口２０Ａが露出されているが、光出射口２０Ａは、発振波長に対して透明な誘電体材料からなる保護膜によって覆われるようにしてもよい。また、メサＭの底部、側面および頂部の周縁を覆うシリコン酸化物やシリコン窒化物等ＳｉＯＮやＳｉＮ等の層間絶縁膜が形成されるものであってもよい。

次に、本実施例のＶＣＳＥＬの変調特性と低消費電力の関係について説明する。ＶＣＳＥＬの変調特性は、次式に示されるような電気による帯域制限ｆ１と光による帯域制限ｆ２の積で決定される。ここで、Ｃは容量、Ｒは抵抗、Ｉは駆動電流（バイアス電流）、Ｉ_ｔｈは抵抗、σ_ｇ／σ_ｎは微分利得を表す。

ＶＣＳＥＬの低消費電力化を達成するためには駆動電流Ｉを低減すればよいが、駆動電流Ｉを低減するだけではｆ２が小さくなるため、変調特性が劣化してしまう。そこで、容量Ｃを低減することができればｆ１が改善され、全体として変調特性を劣化させることなく駆動電流Ｉを低減させることができる。

ＶＣＳＥＬの容量成分は、大きくＶＣＳＥＬのメサ内部とメサ外部とに分けることができる。メサ内部の代表的な容量成分は、下部ＤＢＲ１０２と上部ＤＢＲ１０６との間に存在する電流狭窄層（酸化層）である。他方、メサ外部では、引き出し用の金属配線や電極パッドが絶縁膜上に形成され、その絶縁膜の膜厚によって寄生容量が決まる。

図３は、基板の表面側にｐ側の電極パッドとｎ側の電極パッドを形成する従来のＶＣＳＥＬの概略断面図である。比較を容易にするため、対応する構成には本実施例と同一の参照番号を用いている。従来のＶＣＳＥＬでは、半絶縁性の基板１００上にｎ型のコンタクト層４０が形成され、コンタクト層４０が溝１２の底部を構成する。そして、溝１２内に絶縁材料７０が充填され、絶縁材料７０の表面に引き出し用の金属配線２２、３２、ｐ側の電極パッド３０およびｎ側の電極パッド６０が形成される。つまり、引き出し用の金属配線２２、３２、ｐ側の電極パッド３０およびｎ側の電極パッド６０の下方にはコンタクト層４０が存在するため、そこに寄生容量が発生し、この寄生容量によって帯域制限ｆ１が低減されてしまう。絶縁材料７０の膜厚が厚くなれば寄生容量を小さくできるが、絶縁材料７０の膜厚は、メサＭの高さすなわちメサＭの光学特性に依存するため、膜厚をむやみに大きくすることはできない。

これに対し、本実施例のＶＣＳＥＬでは、コンタクト層４０がメサＭから距離Ｄで延在するだけであり、それ以外の溝１２の底部は半絶縁性の半導体基板によって構成される。つまり、引き出し用の金属配線２２、５２、ｐ側の電極パッド３０およびｎ側の電極パッド６０の直下あるいは下方の半導体基板１００との間には、コンタクト層４０を含む導電領域が存在しない。このため、金属配線２２、５２および電極パッド３０、６０の寄生容量を実質的になくすかあるいは大幅に削減することができる。従って、本実施例のＶＣＳＥＬでは、電気による帯域制限ｆ１を増加させることができ、その結果、全体として変調特性を劣化させることなく駆動電流Ｉを低減して低消費電力化を図ることができる。

なお、上記実施例では、溝１２がチップ１０の外周に沿うような矩形状に形成されたが、溝１２は必ずしも矩形状に限らず、その他の形状、例えば円形状、楕円状であってもよい。また、上記実施例では、コンタクト層４０の平面形状を図１（Ｂ）に示すような形状にしたが、平面形状は任意である。要は、コンタクト層４０の平面形状は、引き出し用の金属配線２２、３２、ｐ側の電極パッド３０およびｎ側の電極パッド６０の下方にコンタクト層が存在せず、構造上の寄生容量を発生させなければよい。

次に、本発明の第２の実施例に係るＶＣＳＥＬの断面図を図４に示す。第２の実施例に係るＶＣＳＥＬは、第１の実施例のＶＣＳＥＬと同様の構成を有するが、メサＭが２段階のエッチングにより構成され、その結果、コンタクト層４０Ａの延在領域４２Ａの膜厚が第１の実施例のときの延在領域４２の膜厚よりも厚く形成される。これにより、コンタクト層４０の抵抗を減少させることができるので、変調特性のさらなる改善をすることができる。

次に、本発明の第３の実施例に係るＶＣＳＥＬの断面図を図５に示す。第３の実施例に係るＶＣＳＥＬは、第１の実施例のように絶縁材料７０による溝１２の充填を行わずに、ｐ側の電極パッド３０およびｎ側の電極パッド６０が溝１２の底部にそれぞれ形成される。第３の実施例では、溝１２を含む基板全面にＳｉＯＮまたはＳｉＮ等の層間絶縁膜１１０が形成され、次に、層間絶縁膜１１０には、メサＭの頂部の上部ＤＢＲ１０６を露出させるコンタクトホール１１２と、コンタクト層４０を露出させるコンタクトホール１１４が形成される。コンタクトホール１１２を介して環状のｐ側電極２０が形成される。引き出し用の金属配線２２およびｐ側の電極パッド３０は、メサＭの底部の層間絶縁膜１１０上に形成される。また、ｎ側電極５０は、コンタクトホール１１４を介してコンタクト層４０に接続される。引き出し用の金属配線５２およびｎ側の電極パッド６０は、メサＭの底部の層間絶縁膜１１０上に形成される。

第３の実施例によれば、金属配線２２、５２、ｐ側の電極パッド３０およびｎ側の電極パッド６０の直下または下方には、層間絶縁膜１１０および半絶縁正の半導体基板１００が存在するだけであり、構造上の寄生容量が実質的になくなるか大幅に削除することができる。それ故、第１の実施例と同様に、変調特性を改善することができるとともに、低消費電力化を図ることができる。

次に、本発明の第４の実施例について説明する。図６は、第４の実施例に係るＶＣＳＥＬアレイの平面図である。同図に示すＶＣＳＥＬアレイのチップ１０Ａは、第１の実施例のときと同様に半絶縁性の半導体基板に到達する深さの溝１２が形成される。溝１２内に複数のメサＭ１〜Ｍ４が形成され、各メサから延在するコンタクト層はエッチングによりそれぞれ分離されている。つまり、金属配線５２は、コンタクト層４０を介して対応するメサの下部ＤＢＲ１０２に電気的に接続され、隣接するメサの下部ＤＢＲ１０２とは電気的に絶縁されている。

このように本実施例のＶＣＳＥＬアレイによれば、各メサの寄生容量が低減されるだけでなく、ｎ側のコンタクト層４０が各メサ毎に分離されているため、ＶＣＳＥＬを高周波駆動した際の電気的なクロストークを抑制することができる。なお、上記のアレイは、複数のメサが一次元に配列されるものであるが、複数のメサが二次元に配列されるものであってもよい。例えば、円周方向の複数のコアを有するマルチコアファイバに光結合されるＶＣＳＥＬアレイであれば、複数のメサは、基板上に円周方向に配列される。

次に、本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法について説明する。有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、図７（Ａ）に示すように半絶縁性のＧａＡｓ半導体基板上に、ＧａＡｓコンタクト層４０、下部ＤＢＲ１０２、活性領域１０４および上部ＤＢＲ１０６が順次積層される。次に、図７（Ｂ）に示すように、上部ＤＢＲ１０６上にエッチングマスクＫ１を形成し、当該エッチングマスクＫ１を用いて半導体層を異方性ドライエッチングすることにより溝１２内に円柱状のメサＭが形成される。エッチングマスクＫ１は、例えば窒化シリコン膜から構成され、エッチャントには例えば塩素系のガスが用いられる。メサＭを形成するエッチングは、コンタクト層４０が露出するようにエッチングの深さが制御される。

次に、メサＭ内のＡｌＡｓ層の酸化が行われる。例えば、ウエハーを３５０℃の水蒸気に約２０分間接触させて、いわゆるウェット酸化を実施する。この酸化工程によりメサ側面からＡｌＡｓ層が酸化されてＡｌ₂Ｏ₃の酸化領域１０８Ａと非酸化領域１０８Ｂとが形成される。このとき、ＧａＡｓコンタクト層４０が露出されるが、コンタクト層４０にはＡｌが含まれていないのでほとんど酸化されない。

次に、エッチングマスクＫ１を除去し、図７（Ｃ）に示すように、メサＭとその側面から延在するコンタクト層４０を覆うようなエッチングマスクＫ２が形成され、当該エッチングマスクＫ２を用いてコンタクト層４０の異方性ドライエッチングが行われる。好ましくはエッチングマスクＫ２として、例えばレジスト、エッチャントとして塩素系のガスを用いる。レジストを用いた場合、レジストが後退してサイドエッチングが進行する。コンタクト層４０の側面Ｑ１は、元のメサと段差がない構造にするが、そのためにはサイドエッチングが進行して元のメサと重なるようにする。メサと重なるまではレジストの後退によってサイドエッチングが進行するが、メサと重なると元のメサとまとめてエッチングされるため段差のない側面Ｑ１が得られる。こうして、エッチングマスクＫ２で覆われていない領域のコンタクト層４０が除去され、半絶縁性の基板１００が露出される。

次に、図８（Ｄ）に示すように、溝１２が絶縁材料７０によって埋め込まれる。絶縁材料７０は、例えば、樹脂は、ポリイミドやベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）が用いら得る。また、絶縁材料７０の平坦化処理を行い、絶縁材料７０の表面と上部ＤＢＲ１０６の表面との間に段差が生じないようにしてもよい。

次に、公知のフォトリソ工程を用い、図８（Ｅ）に示すように、絶縁材料７０にコンタクト層４０の接触領域４６を露出させるためのコンタクトホール７４が形成される。そして、メサＭの頂部にはｐ側電極２０が形成される。ｐ側電極２０の形成と同時に引き出し用の金属配線２２およびｐ側の電極パッド３０が形成されるようにしてもよい。また、コンタクトホール７４内にｎ側電極５０が形成される。ｎ側電極５０の形成と同時に引き出し用の金属配線５２およびｎ側の電極パッド６０が形成されるようにしてもよい。

次に、第２の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造工程を図９に示す。図９（Ａ）に示すようなエッチングマスクＫ１を用いて異方性ドライエッチングが行われ、メサ前駆体Ｍａが形成される。このエッチングにより、コンタクト層４０が露出される。次に、エッチングマスクＫ１を除去した後、図９（Ｂ）に示すようなエッチングマスクＫ２を用いて異方性ドライエッチングが行われ、メサ前駆体Ｍａの一部が除去される。このエッチングは、少なくともＡｌＡｓ層が露出される深さであればよい。次に、エッチングマスクＫ２を除去した後、酸化処理が行われ、メサＭのＡｌＡｓ層が選択酸化され電流狭窄層１０８が形成される。次に、図９（Ｃ）に示すようなエッチングマスクＫ３が形成され、コンタクト層４０がパターンニングされ、半絶縁性の半導体基板が露出される。以後の工程は、第１の実施例のＶＣＳＥＬと同様である。

上記実施例では、典型的な形状としてメサを円柱状としたが、これに限らずメサは楕円状であってもよい。さらにＶＣＳＥＬを構成する半導体材料は、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系のみならず、発振波長等に応じて、ＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体を適宜選択することができる。

次に、本実施例のＶＣＳＥＬを利用した面発光型半導体レーザ装置、情報処理装置および光伝送装置について図面を参照して説明する。図１０（Ａ）は、ＶＣＳＥＬと光学部材を実装（パッケージ）した面発光型半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。面発光型半導体レーザ装置３００は、ＶＣＳＥＬが形成されたチップ３１０を、導電性接着剤３２０を介して円盤状の金属ステム３３０上に固定する。導電性のリード３４０、３４２は、ステム３３０に形成された貫通孔（図示省略）内に挿入され、一方のリード３４０は、ＶＣＳＥＬのｎ側電極に電気的に接続され、他方のリード３４２は、ｐ側電極に電気的に接続される。

チップ３１０を含むステム３３０上に矩形状の中空のキャップ３５０が固定され、キャップ３５０の中央の開口３５２内に光学部材のボールレンズ３６０が固定されている。ボールレンズ３６０の光軸は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。リード３４０、３４２間に順方向の電圧が印加されると、チップ３１０から垂直方向にレーザ光が出射される。チップ３１０とボールレンズ３６０との距離は、チップ３１０からのレーザ光の広がり角θ内にボールレンズ３６０が含まれるように調整される。また、キャップ内に、ＶＣＳＥＬの発光状態をモニターするための受光素子や温度センサを含ませるようにしてもよい。

図１０（Ｂ）は、他の面発光型半導体レーザ装置の構成を示す図であり、同図に示す面発光型半導体レーザ装置３０２は、ボールレンズ３６０を用いる代わりに、キャップ３５０の中央の開口３５２内に平板ガラス３６２を固定している。平板ガラス３６２の中心は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。チップ３１０と平板ガラス３６２との距離は、平板ガラス３６２の開口径がチップ３１０からのレーザ光の広がり角度θ以上になるように調整される。

図１１は、ＶＣＳＥＬを情報処理装置の光源に適用した例を示す図である。情報処理装置３７０は、図１０（Ａ）または図１０（Ｂ）のようにＶＣＳＥＬを実装した面発光型半導体レーザ装置３００または３０２からのレーザ光を入射するコリメータレンズ３７２、一定の速度で回転し、コリメータレンズ３７２からの光線束を一定の広がり角で反射するポリゴンミラー３７４、ポリゴンミラー３７４からのレーザ光を入射し反射ミラー３７８を照射するｆθレンズ３７６、ライン状の反射ミラー３７８、反射ミラー３７８からの反射光に基づき潜像を形成する感光体ドラム(記録媒体)３８０を備えている。このように、ＶＣＳＥＬからのレーザ光を感光体ドラム上に集光する光学系と、集光されたレーザ光を光体ドラム上で走査する機構とを備えた複写機やプリンタなど、情報処理装置の光源として利用することができる。

図１２は、図１０（Ａ）に示す面発光型半導体レーザ装置を光伝送装置に適用したときの構成を示す断面図である。光伝送装置４００は、ステム３３０に固定された円筒状の筐体４１０、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０、およびフェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０を含んで構成される。ステム３３０の円周方向に形成されたフランジ３３２には、筐体４１０の端部が固定される。フェルール４３０は、スリーブ４２０の開口４２２に正確に位置決めされ、光ファイバ４４０の光軸がボールレンズ３６０の光軸に整合される。フェルール４３０の貫通孔４３２内に光ファイバ４４０の芯線が保持されている。

チップ３１０の表面から出射されたレーザ光は、ボールレンズ３６０によって集光され、集光された光は、光ファイバ４４０の芯線に入射され、送信される。上記例ではボールレンズ３６０を用いているが、これ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。さらに、光伝送装置４００は、リード３４０、３４２に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよい。さらに、光伝送装置４００は、光ファイバ４４０を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。さらにボールレンズ等の光学部材を用いることなくＶＣＳＥＬと光ファイバとが直接光学的に結合されるものであってもよい。さらにマルチコアファイバを用いる場合には、それに対応したＶＣＳＥＬアレイが用いられる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０：ＶＣＳＥＬ
２０：ｐ側電極
２２：引き出し用の金属配線
３０：ｐ側の電極パッド
４０：コンタクト層
４２：延在領域
４４：接触領域
５０：ｎ側電極
５２：引き出し用の金属配線
６０：ｎ側の電極パッド
７０：絶縁材料
７４：コンタクトホール
１００：ＧａＡｓ半絶縁性の半導体基板
１０２：下部ＤＢＲ
１０４：活性領域
１０６：上部ＤＢＲ
１０８：電流狭窄層
１０８Ａ：酸化領域
１０８Ｂ：非酸化領域
１１０：層間絶縁膜
１１２、１１４：コンタクトホール

Claims

半絶縁性の半導体基板上に形成された、第１導電型の半導体層、第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域および第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を含む柱状構造と、
第１導電型の半導体層に電気的に接続される第１の電極と、
第２の半導体多層膜反射鏡に電気的に接続される第２の電極と、
第１の電極に接続された第１の金属配線と、
第２の電極に接続された第２の金属配線とを有し、
前記第１導電型の半導体層は、前記柱状構造の側面から延在した接続領域を含み、当該接続領域に第１の電極が接続され、第１の金属配線および第２の金属配線と前記半導体基板との間には前記第１導電型の半導体層が存在しない、面発光型半導体レーザ。
面発光型半導体レーザはさらに、第１の金属配線に接続された第１の電極パッドと、第２の金属配線に接続された第２の電極パッドとを含み、第１の電極パッドおよび第２の電極パッドと前記半導体基板との間には前記第１導電型の半導体層が存在しない、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
前記柱状構造は、前記半絶縁性の半導体基板を露出させる溝内に形成され、前記溝が絶縁材料によって充填され、当該絶縁材料の表面に第１および第２の金属配線が形成される、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
前記絶縁材料には、前記半導体層を露出させる接続孔が形成され、第１の電極は前記接続孔内に形成される、請求項３に記載の面発光型半導体レーザ。
前記半導体層の接続領域は、延在部分を介して前記柱状構造内の半導体層と接続され、前記延在部分の膜厚は前記接続領域の膜厚よりも厚い、請求項１ないし４いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザ。
前記柱状構造は、前記半絶縁性の半導体基板を露出させる溝内に形成され、第１および第２の金属配線は、前記溝の底部に形成される、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザが複数形成された面発光型半導体レーザアレイ。
半絶縁性の半導体基板上に、第１導電型の半導体層、第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域および第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を形成する工程と、
第２の半導体多層膜反射鏡から前記半導体層に至るまでエッチングして溝内に柱状構造を形成する工程と、
前記柱状構造の側面の一部から前記半導体層が延在されるように前記半導体層をエッチングして前記半導体基板を露出させる工程と、
前記溝内に絶縁材料を充填する工程と、
前記半導体層を露出させる接続孔を前記絶縁材料に形成する工程と、
前記接続孔を介して前記半導体層に接続する第１の電極、および前記柱状構造の頂部の第２の半導体多層膜反射鏡に電気的に接続される第２の電極を形成する工程とを有する面発光型半導体レーザの製造方法。
請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、
面発光型半導体レーザからの光を入射する光学部材とを実装した面発光型半導体レーザ装置。
請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザから発せられたレーザ光を光媒体を介して伝送する伝送手段とを備えた光伝送装置。
請求項１ないし６いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光を記録媒体に集光する集光手段と、
前記集光手段により集光されたレーザ光を前記記録媒体上で走査する機構とを有する情報処理装置。