JP6958592B2 - Surface emitting semiconductor laser element - Google Patents
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Description
本発明は、面発光型半導体レーザ素子に関する。 The present invention relates to a surface emitting semiconductor laser device.
特許文献1には、半導体基板の表面上に、異なる屈折率の半導体膜を交互に積層することにより形成される下部反射鏡と、半導体膜からなる活性層と、半導体膜からなる電流狭窄層と、異なる屈折率の半導体膜を交互に積層することにより形成される上部反射鏡とをエピタキシャル成長により形成する半導体層形成工程と、半導体層形成工程により形成された半導体膜の一部をエッチングすることにより、メサ構造を形成するメサ構造形成工程と、半導体層形成工程により形成された半導体膜を半導体基板の表面までエッチングすることにより素子分離溝を形成する素子分離溝形成工程と、素子分離溝の壁面に、絶縁体からなる絶縁体保護膜を形成する絶縁体保護膜形成工程と、絶縁体保護膜上に金属材料からなる金属保護膜を形成する金属膜形成工程と、を有することを特徴とする面発光型レーザの製造方法が開示されている。 Patent Document 1 describes a lower reflector formed by alternately laminating semiconductor films having different refractive coefficients on the surface of a semiconductor substrate, an active layer made of a semiconductor film, and a current constriction layer made of a semiconductor film. By etching a part of the semiconductor film formed by the semiconductor layer forming step and the semiconductor layer forming step of forming the upper reflecting mirror formed by alternately laminating semiconductor films having different refractive coefficients by epitaxial growth. , The mesa structure forming step of forming the mesa structure, the element separating groove forming step of forming the element separating groove by etching the semiconductor film formed by the semiconductor layer forming step to the surface of the semiconductor substrate, and the wall surface of the element separating groove. It is characterized by having an insulator protective film forming step of forming an insulator protective film made of an insulator and a metal film forming step of forming a metal protective film made of a metal material on the insulator protective film. A method for manufacturing a surface emitting laser is disclosed.
特許文献2には、基板上に、少なくとも第1導電型の第1の半導体多層膜、活性領域、第1の半導体多層膜とともに共振器を構成する第2導電型の第2の半導体多層膜、及びコンタクト層を含む半導体層が積層され、レーザ光を出射する発光部とパッド形成領域とが半導体層に形成された溝によって分離された面発光型半導体レーザ装置であって、パッド形成領域の外縁に、半導体層をエッチングし基板に至る深さを有する外周溝が形成され、外周溝によって露出されたパッド形成領域の側面およびパッド形成領域の表面が絶縁膜によって覆われ、絶縁膜は、外周溝の底面において基板を露出させるようにパターニングされている、面発光型半導体レーザ装置が開示されている。 Patent Document 2 describes a second conductive type second semiconductor multilayer film that constitutes a resonator together with at least a first conductive type first semiconductor multilayer film, an active region, and a first semiconductor multilayer film on a substrate. A surface-emitting semiconductor laser apparatus in which a semiconductor layer including a contact layer is laminated and a light emitting portion for emitting laser light and a pad forming region are separated by a groove formed in the semiconductor layer, and is an outer edge of the pad forming region. An outer peripheral groove having a depth reaching the substrate is formed by etching the semiconductor layer, and the side surface of the pad forming region exposed by the outer peripheral groove and the surface of the pad forming region are covered with an insulating film. A surface-emitting semiconductor laser apparatus is disclosed, which is patterned so as to expose a substrate on the bottom surface of the semiconductor.
本発明は、面発光型半導体レーザ素子の側面に酸化防止構造を設ける場合と比較して、製造工程の煩雑化が抑制された面発光型半導体レーザ素子を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a surface-emitting semiconductor laser device in which the complexity of the manufacturing process is suppressed as compared with the case where an antioxidant structure is provided on the side surface of the surface-emitting semiconductor laser device.
上記の目的を達成するために、請求項1に記載の面発光型半導体レーザ素子は、個片化された基板と、前記基板上に形成された第1導電型の第1の半導体多層膜、活性領域、および前記第1の半導体多層膜とともに共振器を構成する第2導電型の第2の半導体多層膜を含む半導体層と、前記半導体層に設けられた第1の溝によってメサ状に形成された発光部と、前記基板の外周と前記第1の溝との間に、前記第1の溝を囲うように設けられた第2の溝と、前記第2の溝の表面に形成された酸化防止部と、を備え、前記酸化防止部は、前記発光部の側面から前記外周まで一体として形成された絶縁膜の一部から構成され、前記第2の溝の内部全体を被覆しているものである。 In order to achieve the above object, the surface emitting semiconductor laser element according to claim 1 includes an individualized substrate and a first conductive type first semiconductor multilayer film formed on the substrate. Formed in a mesa shape by a semiconductor layer including an active region and a second conductive type second semiconductor multilayer film forming a resonator together with the first semiconductor multilayer film, and a first groove provided in the semiconductor layer. A second groove provided so as to surround the first groove and a surface of the second groove are formed between the light emitting portion and the outer periphery of the substrate and the first groove. An antioxidant portion is provided , and the antioxidant portion is composed of a part of an insulating film integrally formed from the side surface of the light emitting portion to the outer periphery, and covers the entire inside of the second groove. It is a thing.
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記絶縁膜の少なくとも一部が前記発光部と前記第2の溝との間で切断されているものである。 Further, in the invention according to claim 2 , at least a part of the insulating film is cut between the light emitting portion and the second groove in the invention according to claim 1.
また、請求項3に記載の発明は、請求項1または請求項2に記載の発明において、前記発光部と前記第2の溝との間に配置されるとともに、前記発光部と接続された電極パッドをさらに備え、前記第2の溝は前記発光部および前記電極パッドを囲うように設けられているものである。 Further, the invention according to claim 3 is an electrode arranged between the light emitting portion and the second groove and connected to the light emitting portion in the invention according to claim 1 or 2. A pad is further provided, and the second groove is provided so as to surround the light emitting portion and the electrode pad.
また、請求項4に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記酸化防止部は、前記第2の溝の内部に形成された金属膜、酸化膜、半導体層、およびイオン注入領域のいずれか1つであるものである。 The invention according to claim 4 is the invention according to claim 1, wherein the antioxidant portion is a metal film, an oxide film, a semiconductor layer, and an ion implantation region formed inside the second groove. It is one of the above.
また、請求項5に記載の発明は、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の発明において、前記第1の溝は前記基板まで達しない深さを有し、前記第2の溝は前記基板まで達する深さを有するものである。 Further, in the invention according to claim 5 , in the invention according to any one of claims 1 to 4 , the first groove has a depth that does not reach the substrate, and the second groove has a depth that does not reach the substrate. The groove has a depth that reaches the substrate.
また、請求項6に記載の発明は、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の発明において、前記第2の溝が前記外周の全周に沿って形成されたものである。
The invention according to
請求項1に記載の発明によれば、面発光型半導体レーザ素子において、面発光型半導体レーザ素子の側面に酸化防止構造を設ける場合と比較して、製造工程の煩雑化が抑制される、という効果が得られる。 According to the invention of claim 1, in the surface emitting semiconductor laser device, the complexity of the manufacturing process is suppressed as compared with the case where the antioxidant structure is provided on the side surface of the surface emitting semiconductor laser element. The effect is obtained.
請求項2に記載の発明によれば、絶縁膜が発光部と第2の溝との間で連続している場合と比較して、半導体層の側面が酸化されることによる障害が、発光部等に波及することがさらに抑制される、という効果が得られる。 According to the second aspect of the present invention, as compared with the case where the insulating film is continuous between the light emitting portion and the second groove, the obstacle due to the oxidation of the side surface of the semiconductor layer causes the light emitting portion. It is possible to obtain the effect that the ripple effect on the above is further suppressed.
請求項3に記載の発明によれば、第2の溝が発光部および電極パッドを囲うように設けられていない場合と比較して、電極の取出しがより容易になる、という効果が得られる。 According to the third aspect of the present invention, there is an effect that the electrode can be taken out more easily as compared with the case where the second groove is not provided so as to surround the light emitting portion and the electrode pad.
請求項4に記載の発明によれば、酸化防止部が絶縁膜の場合と比較して、酸化防止処理の方法が、多様な方法の中から対象とする面発光型半導体レーザ素子に合わせて選択される、という効果が得られる。 According to the invention of claim 4 , the method of the antioxidant treatment is selected from a variety of methods according to the target surface emitting semiconductor laser device, as compared with the case where the antioxidant portion is an insulating film. The effect of being done is obtained.
請求項5に記載の発明によれば、第2の溝が基板まで到達させないで形成されたものである場合と比較して、より確実に発光部等の酸化が防止される、という効果が得られる。 According to the fifth aspect of the present invention, there is an effect that oxidation of the light emitting portion and the like is more reliably prevented as compared with the case where the second groove is formed without reaching the substrate. Be done.
請求項6に記載の発明によれば、第2の溝が外周の一部に沿って形成された場合と比較して、より確実に発光部等の酸化が防止される、という効果が得られる。
According to the invention of
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[第1の実施の形態]
図1は、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)素子10の構成の一例を示す縦断面図である。なお、本実施の形態では、n型GaAs基板を用いたGaAs系の面発光型半導体レーザ素子を例示して説明するが、これに限られず、InGaAsP系や、AlGaInP系、InGaN/GaN系材料等を用いた面発光型半導体レーザ素子に適用した形態としてもよい。また、基板はn型に限られず、p型を用いてもよい。その場合には、以下の説明において、n型とp型を逆に読み替えればよい。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a vertical cross-sectional view showing an example of the configuration of a surface emitting semiconductor laser (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser)
図1に示すように、本実施の形態に係るVCSEL素子10は、ポストP、パッド形成領域PA、酸化防止構造60、および酸化犠牲領域62を含んで構成されている。ポストPはメサ状に形成された発光部であり、パッド形成領域PAは電極パッド42を形成するための領域である。また、酸化防止構造60は、VCSEL素子10の側面および内部が酸化されることを防止するための構造である。酸化犠牲領域62は側面の酸化を許容するとともに、酸化防止構造60と協働して該酸化がVCSEL素子10の内部に進行するのを阻止するための層である。
As shown in FIG. 1, the
図1に示すように、VCSEL素子10のポストP、パッド形成領域PA、および酸化犠牲領域62は、共通に形成された各半導体層を有している。すなわち、VCSEL素子10は、n型GaAs基板12上に形成されたn型GaAsバッファ層14、下部DBR(Distributed Bragg Reflector)16、活性領域24、AlAs層32、上部DBR26、およびP型GaAsコンタクト層28含んで構成されている。下部DBR16と活性領域24との界面、および上部DBR26と活性領域24との界面によって共振器が構成されている。
As shown in FIG. 1, the post P, the pad forming region PA, and the oxidation
メサ構造を含む半導体層の周囲は絶縁膜としてのシリコン酸窒化膜(SiON膜)34が着膜されており、該シリコン酸窒化膜34を介してP型電極36が設けられている。P型電極36はP型GaAsコンタクト層28に接続され、P型GaAsコンタクト層28との間でオーミック性接触を形成している。P型電極36は、たとえば、Ti(チタン)/Au(金)の積層膜を着膜して形成される。なお、シリコン酸窒化膜は絶縁膜の材料の一例であり、他の材料、たとえばシリコン窒化膜(SiN)等を用いてもよい。
A silicon oxynitride film (SiON film) 34 as an insulating film is formed around the semiconductor layer including the mesa structure, and a P-
一方、n型GaAs基板12の上記半導体層が形成された面とは反対側の面には、n型電極30が設けられている。n型電極30は、一例として、AuGe(金とゲルマニウムとの合金)/Auの積層膜を着膜して形成される。
On the other hand, the n-
また、パッド形成領域PAおよび酸化犠牲領域62におけるP型GaAsコンタクト層28とシリコン酸窒化膜34との間には、シリコン窒化膜40が設けられている。さらに、P型GaAsコンタクト層28上には、光の出射面を保護する出射保護膜38が設けられている。
Further, a
本実施の形態に係るn型GaAs基板12には、一例としてSi(シリコン)がドープされたGaAs基板を用いている。
As the n-
n型GaAs基板12上に形成された、一例としてSiがドープされたGaAsによって構成されるn型GaAsバッファ層14は、サーマルクリーニング後、基板表面の結晶性を良好にするために設けられる。
The n-type
n型GaAsバッファ層14上に形成されたn型の下部DBR16は、VCSEL素子10の発振波長をλ、媒質(半導体層)の屈折率をnとした場合に、膜厚がそれぞれ0.25λ/nとされかつ屈折率の互いに異なる2つの半導体層を交互に繰り返し積層して構成される多層膜反射鏡である。具体的には、下部DBR16は、SiがドープされたAl0.9Ga0.1Asによるn型の低屈折率層と、SiがドープされたAl0.3Ga0.7Asによるn型の高屈折率層と、を交互に繰り返し積層することにより構成されている。なお、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子10では、発振波長λを、一例として780nmとしている。
The n-type
本実施の形態に係る活性領域24は、下部スペーサ層、量子井戸活性層、および上部スペーサ層を、n型GaAs基板12側からこの順に積層して構成されている。本実施の形態に係る量子井戸活性層は、4層のAl0.3Ga0.7Asからなる障壁層と、その間に設けられた3層のAl0.11Ga0.89Asからなる量子井戸層と、で構成されている。下部スペーサ層、上部スペーサ層は、各々量子井戸活性層と下部DBR16、上部DBR26との間に配置されることにより、共振器の長さを調整する機能とともに、キャリアを閉じ込めるためのクラッド層としての機能も有している。
The
活性領域24上に設けられたp型のAlAs層32は電流狭窄層であり、電流注入領域32aおよび選択酸化領域32bを含んで構成されている。p型電極36からn型電極30に向かって流れる電流は、電流注入領域32aによって絞られる。
The p-type AlAs
AlAs層32上に形成された上部DBR26は、膜厚がそれぞれ0.25λ/nとされかつ屈折率の互いに異なる2つの半導体層を交互に繰り返し積層して構成される多層膜反射鏡である。具体的には、上部DBR26は、C(カーボン)がドープされたAl0.9Ga0.1Asによるp型の低屈折率層と、CがドープされたAl0.3Ga0.7Asによるp型の高屈折率層と、を交互に繰り返し積層することにより構成されている。
The upper DBR26 formed on the AlAs
ところで、上記のようなVCSEL素子は、基板に垂直な方向にレーザ出力を取り出せ、さらに2次元集積によるアレイ化が容易であることなどから、光通信用光源や、電子機器用の光源、たとえば電子写真システムの書き込み用光源や、インクの乾燥用光源、あるいは機械加工用光源として利用されている。 By the way, the above-mentioned VCSEL element can take out the laser output in the direction perpendicular to the substrate and can be easily arrayed by two-dimensional integration. Therefore, it is a light source for optical communication or a light source for electronic devices, for example, an electron. It is used as a light source for writing in a photographic system, a light source for drying ink, or a light source for machining.
VCSEL素子は、半導体基板(n型GaAs基板12)上に設けられた一対の分布ブラッグ反射器(下部DBR16および上部DBR26)、一対の分布ブラッグ反射器の間に設けられた活性層(量子井戸活性層)、および共振器スペーサ層(下部スペーサ層および上部スペーサ層)を備えて構成されている。そして、分布ブラッグ反射器の両側に設けられた電極(p型電極36およびn型電極30)により活性層へ電流を注入し、基板面に対して垂直にレーザ発振を生じさせ、素子の上部(p型GaAsコンタクト層28の面側)から発振した光を出射させる構成となっている。
The VCSEL element is an active layer (quantum well activity) provided between a pair of distributed Bragg reflectors (lower DBR16 and upper DBR26) provided on a semiconductor substrate (n-type GaAs substrate 12) and a pair of distributed Bragg reflectors. Layer) and a resonator spacer layer (lower spacer layer and upper spacer layer). Then, current is injected into the active layer by the electrodes (p-
また、低閾値電流化と、横モードの制御からAlを組成に含む半導体層を酸化して形成される酸化狭窄層(AlAs層32)を備えている。この酸化狭窄層は、エピタキシャル成長(以下、「エピ成長」という場合がある)した半導体層をメサ状にエッチング加工してポストPを形成し、該ポストPの側面に対して意図的な酸化処理を行うことで形成される。 Further, it is provided with an oxidative constriction layer (AlAs layer 32) formed by oxidizing a semiconductor layer containing Al in the composition by reducing the threshold current and controlling the transverse mode. In this oxide-stenotic layer, a semiconductor layer that has been epitaxially grown (hereinafter, may be referred to as “epi-growth”) is etched in a mesa shape to form a post P, and the side surface of the post P is intentionally oxidized. Formed by doing.
上記のように形成されたVCSEL素子をダイシングにより分離し個片化すると、半導体層の側面が露出し、そのままの状態では外気に曝されることになる。そのため、露出した半導層体側面から意図しない酸化が進行し、半導体層の経時劣化が生じて、絶縁膜の膜剥がれや金属配線の断線が発生する場合がある。この現象は、高温、高湿下において特に顕著に発生する。 When the VCSEL element formed as described above is separated by dicing and separated into individual pieces, the side surface of the semiconductor layer is exposed and is exposed to the outside air as it is. Therefore, unintended oxidation may proceed from the exposed side surface of the semiconducting layer, the semiconductor layer may deteriorate over time, and the insulating film may be peeled off or the metal wiring may be broken. This phenomenon occurs particularly remarkably under high temperature and high humidity.
図9は、上記現象について、従来技術に係るVCSEL素子100を例示して説明するための図である。VCSEL素子100は、本実施の形態に係るVCSEL素子10における酸化防止構造60、酸化犠牲領域62を有していない。その他の構成はVCSEL素子10と同様であるので、同様の構成には同じ符号を付している。
FIG. 9 is a diagram for explaining the above phenomenon by exemplifying the
図9に示すように、VCSEL素子100では、ポストPに直接繋がっている層に意図しない酸化領域OXが形成されている。図9では、下部DBR16が酸化された場合を例示しているが、当該酸化は下部DBR16のみならず、他の半導体層、たとえば上部DBR26あるいは活性領域24等でも発生し得る。
As shown in FIG. 9, in the
上記のような現象に対応するため、ダイシング領域(分割予定領域)に溝を形成し、溝により露出した表面を絶縁膜で覆う酸化防止構造が知られている。この酸化防止構造では、酸化防止構造を形成した後、該溝に沿ってダイシングする。そのためこの酸化防止構造では、ダイシングのための溝の幅よりも酸化防止構造の溝の幅を広く形成する必要がある。その結果、酸化防止構造の溝を形成するためのエッチングの長時間化、該長時間のエッチングに伴うレジストの厚さの増加、酸化防止構造の溝を形成した後のフォトリソ工程における広い幅の酸化防止構造の溝に溜まったレジストの除去の困難化等の、製造工程における煩雑化が発生する。 In order to cope with the above phenomenon, an antioxidant structure is known in which a groove is formed in a dicing region (planned division region) and the surface exposed by the groove is covered with an insulating film. In this antioxidant structure, after forming the antioxidant structure, dicing is performed along the groove. Therefore, in this antioxidant structure, it is necessary to form the groove width of the antioxidant structure wider than the width of the groove for dicing. As a result, the etching time for forming the groove of the antioxidant structure is prolonged, the thickness of the resist is increased due to the long-time etching, and the wide-width oxidation in the photolithography process after forming the groove of the antioxidant structure is performed. The manufacturing process becomes complicated, such as difficulty in removing the resist accumulated in the groove of the prevention structure.
そこで、本発明では、ダイシング領域の内側に溝を形成し、該溝の表面に酸化防止処理を施す酸化防止構造を採用した。つまり、図1に示すように、本実施の形態に係る酸化防止構造60は、ダイシング後の端面である端面ESに沿い、かつ端面ESよりも内側に形成されている。そして、酸化防止構造60は、一例として、半導体層の表面からn型GaAs基板12に達する酸化防止溝T2、および該酸化防止溝T2内に形成されたシリコン酸窒化膜34を含んで構成されている。なお、本実施の形態に係る酸化防止溝T2は、ポストPおよびパッド形成領域PAを含むVCSEL素子10を取り囲んで形成された外周溝となっている。
Therefore, in the present invention, an antioxidant structure is adopted in which a groove is formed inside the dicing region and the surface of the groove is subjected to an antioxidant treatment. That is, as shown in FIG. 1, the
このため、VCSEL素子10の半導体層の主として側面は、シリコン酸窒化膜34によって保護され、半導体層の酸化が抑制される。また、酸化防止構造60によれば、ダイシング領域とは無関係に酸化防止構造60の酸化防止溝T2を形成することができるので、VCSEL素子10の製造工程における煩雑化が抑制される。
Therefore, mainly the side surface of the semiconductor layer of the
図2を参照して、本実施の形態に係るVCSEL素子10の作用について、より詳細に説明する。図2は、ウエハ状態での製造工程が完了し、ダイシングした直後の状態のVCSEL素子10を、隣接するVCSEL素子10’とともに示した図であり、図2(a)はその縦断面図、図2(b)は平面図を示している。
The operation of the
図2に示すように、VCSEL素子10の酸化防止構造60は、ダイシング領域70に沿い、かつダイシング領域70より内側に設けられている。そして、酸化防止構造の溝幅Waはダイシング領域幅Wdよりも細く形成されている。ここで、酸化防止構造の溝幅Waは一例として約10μm、ダイシング領域幅Wdは一例として30〜50μmである。また、酸化犠牲領域62の幅は、一例として5〜10μmである。
As shown in FIG. 2, the
図2(a)では、VCSEL素子10の下部DBR16が酸化され、酸化領域OXが形成されている。このように、ダイシング後の端面ESは酸化される可能性がある。しかしながら、端面ESが酸化されても、VCSEL素子10のポストP、あるいはパッド形成領域PAはシリコン酸窒化膜34で保護されているため、酸化領域OXがポストP、あるいはパッド形成領域PAまで進行することが抑制される。つまり、VCSEL素子10における酸化は酸化犠牲領域62で食い止められ、特に発光部であるポストPまで到達することが抑制される。
In FIG. 2A, the lower DBR16 of the
図3は、後述するVCSEL素子の製造工程が完了た後のウエハWAFの平面図を示している。図3は、本実施の形態に係るVCSEL素子10をアレイ状に配置したVCSELアレイ10aの形態を例示して示している。
FIG. 3 shows a plan view of the wafer WAF after the manufacturing process of the VCSEL element described later is completed. FIG. 3 illustrates an embodiment of the
VCSELアレイ10aは、アレイ状に配置されたVCSEL素子10、パッド形成領域PAに設けられ、各々のVCSEL素子10と配線44によって接続された電極パッド42aを含んで構成されている。なお、図3では、4×8=32個のVCSEL素子10を配置した形態を例示しているが、これに限られず、VCSEL素子10の数は用途等に応じて必要な数だけ配置してよい。また、各VCSEL素子10には、配線44によって電極パッド42aが各々接続されるが、図3では、そのうちの1つのVCSEL素子10と配線44により接続された電極パッド42aを示している。
The
図3に示すように、ウエハWAF上の各VCSELアレイ10aは、ダイシング領域(分割予定領域)70によって区切られ、ダイシング領域70の両側には、酸化犠牲領域62および酸化防止構造60が配置されている。なお、図3では、酸化防止構造60が、ダイシング領域70に沿う矩形の4辺の方向に設けられた形態を例示しているが、これに限られず、VCSEL素子10の構造等を考慮し、ダイシング領域70に沿う矩形の少なくとも1辺の方向に設ければよい。
As shown in FIG. 3, each
つぎに、図4ないし図8を参照して、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ素子10の製造方法の一例について説明するが、図4ないし図8はエピ成長後のウエハWAFに対する製造工程なので、まず、図4(a)に示すエピ成長完了までのウエハWAFの製造方法について説明する。
Next, an example of a method for manufacturing the surface-emitting
図4(a)に示すように、まず、有機金属気相成長(MOCVD)法等により、n型GaAs基板12上に、キャリア濃度約2×1018cm−3、膜厚500nm程度のn型GaAsバッファ層14を積層する。
As shown in FIG. 4A, first, by the organic metal vapor phase growth (MOCVD) method or the like, an n-type having a carrier concentration of about 2 × 10 18 cm -3 and a film thickness of about 500 nm is placed on the n-
つぎに、n型GaAsバッファ層14上に、各々の膜厚が媒質内波長λ/nの1/4とされた、Al0.3Ga0.7As層とAl0.9Ga0.1As層とを交互に37.5周期積層してn型の下部DBR16を形成する。この際、Al0.3Ga0.7As層のキャリア濃度およびAl0.9Ga0.1As層のキャリア濃度は、各々約2×1018cm−3とし、下部DBR16の総膜厚は約4μmとする。
Next, on the n-type GaAs buffer layer 14, the Al 0.3 Ga 0.7 As layer and the Al 0.9 Ga 0.1 , each of which has a film thickness of 1/4 of the wavelength λ / n in the medium, are set. The As layer is alternately laminated for 37.5 cycles to form an n-type lower DBR16. At this time, the carrier concentration of the Al 0.3 Ga 0.7 As layer and the carrier concentration of the Al 0.9 Ga 0.1 As layer are each about 2 × 10 18 cm -3, and the total thickness of the
つぎに、下部DBR16上に、ノンドープのAl0.6Ga0.4As層による下部スぺーサ層と、ノンドープの量子井戸活性層と、ノンドープのAl0.6Ga0.4As層による上部スぺーサ層と、で構成される活性領域24を形成する。量子井戸活性層は、Al0.3Ga0.7As層による4層の障壁層、および各障壁層の間に設けられたAl0.11Ga0.89Asによる3層の量子井戸層で構成されている。この際、Al0.3Ga0.7Asによる障壁層の膜厚は各々約5nmとし、Al0.11Ga0.89Asによる量子井戸層の膜厚は各々約9nmとし、活性領域24全体の膜厚は媒質内波長λ/nとする。
Next, on the lower DBR16, a lower spacer layer according to a non-doped Al 0.6 Ga 0.4 As layer, and the undoped quantum well active layer, an upper non-doped a Al 0.6 Ga 0.4 As layer It forms an
つぎに、上部スペーサ層上にp型のAlAs層32を形成し、AlAs層32上に、各々の膜厚が媒質内波長λ/nの1/4とされた、Al0.3Ga0.7As層とAl0.9Ga0.1As層とを交互に25周期積層してp型の上部DBR26を形成する。この際、Al0.3Ga0.7As層のキャリア濃度およびAl0.9Ga0.1As層のキャリア濃度は、各々約2×1018cm−3とし、上部DBR26の総膜厚は約3μmとする。上部DBR26上には、キャリア濃度が約1×1019cm−3で、膜厚が10nm程度のp型GaAsコンタクト層28を形成する。
Next, a p-type AlAs
本製造方法においては、原料には、一例として、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アルシンを用い、ドーパントには、一例として、n型用にジシラン、p型用にカーボンテトラブロマイドを用いる。また、成長時の基板温度は700℃程度とし、減圧下で、原料を順次変化させ、連続して成長を行う。なお、下部DBRおよび上部DBRの電気抵抗を下げるために、下部DBRの中および上部DBRの中の層界面に、Al組成を段階的に変化させた膜厚が20nm程度の組成傾斜領域を設ける場合もある。 In this production method, trimethylgallium, trimethylaluminum, and arsine are used as raw materials as an example, and disilane for n-type and carbon tetrabromide for p-type are used as dopants. Further, the substrate temperature at the time of growth is set to about 700 ° C., and the raw materials are sequentially changed under reduced pressure to continuously grow. In addition, in order to reduce the electrical resistance of the lower DBR and the upper DBR, a composition gradient region having a film thickness of about 20 nm in which the Al composition is gradually changed is provided at the layer interface in the lower DBR and in the upper DBR. There is also.
つぎに、エピ成長以降の本実施の形態に係るVCSEL素子10の製造方法について説明する。
Next, a method of manufacturing the
まず、エピ成長の完了したウエハWAFのP型GaAsコンタクト層28上に電極材料を成膜した後、該材料をたとえばフォトリソグラフィによるマスクを用いてエッチングし、図4(b)に示すように、P型電極36を取り出すためのコンタクトメタルCMを形成する。コンタクトメタルCMは、一例として、Ti(チタン)/Au(金)の積層膜を用いて形成される。
First, an electrode material is formed on the P-type
つぎに、ウエハWAF面上に出射保護膜となる材料を成膜した後、該材料をたとえばフォトリソグラフィによるマスクを用いてエッチングし、図4(c)に示すように、出射保護膜38を形成する。出射保護膜の材料としては、一例として、SiN膜を用いる。
Next, a material to be an emission protective film is formed on the wafer WAF surface, and then the material is etched using a mask by photolithography, for example, to form an emission
つぎに、ウエハWAF面上にマスク材を形成した後、該マスク材をたとえばフォトリソグラフィによりエッチングし、図5(a)に示すように、ポストPを形成するためのマスクを形成する。該マスクの材料としては、一例として、シリコン窒化膜を用い、図5(a)では、該マスクをシリコン窒化膜40として示している。該マスクには、ポストPをエッチングして形成するためのスリットS1が形成される。
Next, after forming a mask material on the WAF surface of the wafer, the mask material is etched by, for example, photolithography to form a mask for forming a post P as shown in FIG. 5 (a). As an example, a silicon nitride film is used as the material of the mask, and in FIG. 5A, the mask is shown as the
つぎに、ウエハWAFをエッチングして溝T1を掘り、図5(b)に示すように、メサ状のポストPを形成する。溝T1により分離されたポストP以外の部分はパッド形成領域PAとなる。 Next, the wafer WAF is etched to dig a groove T1 to form a mesa-shaped post P as shown in FIG. 5 (b). The portion other than the post P separated by the groove T1 becomes the pad forming region PA.
つぎに、ウエハWAFに酸化処理を施してAlAs層32を側面から酸化し、図5(c)に示すように、ポストP内に酸化狭窄層を形成する。酸化狭窄層は、電流注入領域32aおよび選択酸化領域32bを含んで構成されている。選択酸化領域32bが上記酸化処理により酸化された領域であり、酸化されないで残された領域が電流注入領域32aである。電流注入領域32aは、円形または円形に近い形状をなしており、この電流注入領域32aにより、VCSEL素子10のp型電極36とn型電極30との間を流れる電流が絞られ、たとえばVCSEL素子10の発振における横モードが制御される。
Next, the wafer WAF is subjected to an oxidation treatment to oxidize the AlAs layer 32 from the side surface, and an oxidation stenosis layer is formed in the post P as shown in FIG. 5 (c). The oxidative stenosis layer is composed of a
つぎに、たとえばフォトリソグラフィによるマスクを用いてエッチングし、図6(a)に示すように、酸化防止溝T2を形成する。本実施の形態では、上記における溝T1の形成と、この酸化防止溝T2の形成を別々のエッチングで行う形態を例示して説明するが、これに限られず、1回のエッチングで溝T1および酸化防止溝T2の双方を形成する形態としてもよい。本実施の形態に係る酸化防止溝T2の幅は、後述のダイシングスリットS2の幅より狭く形成される。 Next, etching is performed using, for example, a photolithographic mask to form an antioxidant groove T2 as shown in FIG. 6 (a). In the present embodiment, the above-mentioned formation of the groove T1 and the formation of the antioxidant groove T2 by separate etching will be described as an example, but the present invention is not limited to this, and the groove T1 and oxidation are performed by one etching. It may be in the form of forming both of the prevention grooves T2. The width of the antioxidant groove T2 according to the present embodiment is formed to be narrower than the width of the dicing slit S2 described later.
つぎに、図6(b)に示すように、ウエハWAF全面にシリコン酸窒化膜34による絶縁膜を成膜する。この工程において、半導体層の側面が絶縁膜で覆われた、本実施の形態に係る酸化防止構造60が形成される。
Next, as shown in FIG. 6B, an insulating film made of the
つぎに、上記のシリコン酸窒化膜34を、たとえばフォトリソグラフィによるマスクを用いてエッチングし、図6(c)に示すように、コンタクトホールCHおよびダイシングスリットS2を形成する。コンタクトホールCHは、コンタクトメタルCMと後述のp型電極36とを接続するための開孔であり、ダイシングスリットS2は、後述のダイシング領域70を形成するための開孔である。ダイシングスリットS2の領域では、保護膜、すなわちシリコン窒化膜40、シリコン酸窒化膜34が除去されている。
Next, the
つぎに、ウエハWAF面上に電極材料を成膜した後、該電極材料をたとえばフォトリソグラフィによるマスクを用いてエッチングし、図7(a)に示すように、p型電極36および電極パッド42を形成する。p型電極36および電極パッド42は、一例として、Ti(チタン)/Au(金)の積層膜を用いて形成する。本工程により、p型電極36が先述したコンタクトメタルCMと接続される。
Next, after forming an electrode material on the WAF surface of the wafer, the electrode material is etched using, for example, a mask by photolithography, and as shown in FIG. 7A, the p-
つぎに、図7(b)に示すように、ウエハWAFの裏面に電極材料を成膜し、n型電極30を形成する。n型電極30は、一例として、AuGe/Auの積層膜を着膜して形成される。
Next, as shown in FIG. 7B, an electrode material is formed on the back surface of the wafer WAF to form an n-
つぎに、図7(c)に示すように、ダイシング領域70においてダイシングし、VCSEL素子10を分離して個片化する。以上の工程により、VCSEL素子10が製造される。本実施の形態では、VCSEL素子10の製造方法を例示して説明したが、VCSELアレイ10aも以上の工程によって製造される。
Next, as shown in FIG. 7C, dicing is performed in the
[第2の実施の形態]
図8を参照して、本実施の形態に係るVCSEL素子10bについて説明する。本実施の形態に係るVCSEL素子10bは、上記のVCSEL素子10において、酸化防止スリットS3を設けた形態である。
[Second Embodiment]
The
上記実施の形態に係るVCSEL素子10のように、発光部であるポストPに対して酸化防止構造60を設けた場合でも、たとえば、半導体層の一部が酸化されることにより、絶縁膜(たとえば、シリコン酸窒化膜34)が剥がれたり、この絶縁膜剥がれに付随して発生する金属配線(たとえば、電極パッド42)に断線が発生したりする場合もあり得る。
Even when the
図8(a)は、一例として、酸化犠牲領域62の下部DBR16に相当する部分が酸化され、酸化領域OXが発生することにより生じたシリコン酸窒化膜34の剥がれを、障害OBとして図示している。この障害OBがパッド形成領域PA方向に進行することにより、パッド形成領域PAの(あるいはポストPの)電極パッド42やシリコン酸窒化膜34の剥がれを発生させる場合がある。本実施の形態は、このような現象に対応した形態である。
FIG. 8A shows, as an example, the peeling of the
図8(b)に本実施の形態に係るVCSEL素子10bを示す。図8(b)に示すように、VCSEL素子10bは、パッド形成領域PAと酸化防止構造60との間で絶縁膜を切断する酸化防止スリットS3を備えている。この酸化防止スリットS3により、障害OBが発生したとしても、当該障害OBとパッド形成領域PA(あるいはポストP)が分離される。したがって、障害OBが発生したとしても、当該障害OBによりパッド形成領域PA(あるいはポストP)に二次的な障害が波及することが抑制される。
FIG. 8B shows the
ここで、上記の酸化防止スリットS3は、独立したエッチング工程により設けてもよいが、図6(c)に示す、コンタクトホールCHおよびダイシングスリットS2を形成するエッチング工程において同時に形成してもよい。この場合、エッチング工程が兼用されるので、製造工程を増やさずにすむ。 Here, the above-mentioned antioxidant slit S3 may be provided by an independent etching step, but may be formed at the same time in the etching step of forming the contact hole CH and the dicing slit S2 shown in FIG. 6C. In this case, since the etching process is also used, it is not necessary to increase the manufacturing process.
また、酸化防止スリットS3は、酸化防止構造60に沿ってVCSEL素子10b(ポストP、パッド形成領域PA)を取り囲んで形成してもよいし、対象とする酸化防止箇所等を考慮して部分的に形成してもよい。
Further, the antioxidant slit S3 may be formed by surrounding the
なお、上記各実施の形態では、酸化防止溝T2に絶縁膜(上記各実施の形態では、シリコン酸窒化膜34)を形成した酸化防止構造60を例示して説明したが、これに限られない。絶縁膜を形成する代わりに、たとえば、金属膜や酸化膜を形成して半導体層を覆ってもよいし、予め定められた原子のイオンを注入してもよいし、また他の半導体層を再成長させてもよい。
In each of the above embodiments, an
また、上記各実施の形態では、酸化防止溝T2をn型GaAs基板12まで到達させて形成する形態を例示して説明したが、これに限られない。酸化防止の対象等を考慮し、酸化防止溝T2を、たとえば上部DBR26まで到達させて形成してもよいし、AlAs層(酸化狭窄層)32まで到達させて形成してもよい。
Further, in each of the above embodiments, the embodiment in which the antioxidant groove T2 is formed by reaching the n-
10、10b、10’ VCSEL素子
10a VCSELアレイ
12 n型GaAs基板
14 n型GaAsバッファ層
16 下部DBR
24 活性領域
26 上部DBR
28 p型GaAsコンタクト層
30 n型電極
32 AlAs層
32a 電流注入領域
32b 選択酸化領域
34 シリコン酸窒化膜(SiON膜)
36 p型電極
38 出射保護膜
40 シリコン窒化膜(SiN膜)
42、42a 電極パッド
44 配線
60 酸化防止構造
62 酸化犠牲領域
70 ダイシング領域
CH コンタクトホール
CM コンタクトメタル
ES 端面
OB 障害
OX 酸化領域
P ポスト
PA パッド形成領域
S1 スリット
S2 ダイシングスリット
S3 酸化防止スリット
T1 溝
T2 酸化防止溝
WAF ウエハ
Wa 酸化防止構造の溝幅
Wd ダイシング領域幅
10, 10b,
24
28 p-type GaAs contact layer 30 n-
36 p-
42,
Claims (6)
前記基板上に形成された第1導電型の第1の半導体多層膜、活性領域、および前記第1の半導体多層膜とともに共振器を構成する第2導電型の第2の半導体多層膜を含む半導体層と、
前記半導体層に設けられた第1の溝によってメサ状に形成された発光部と、
前記基板の外周と前記第1の溝との間に、前記第1の溝を囲うように設けられた第2の溝と、
前記第2の溝の表面に形成された酸化防止部と、を備え、
前記酸化防止部は、前記発光部の側面から前記外周まで一体として形成された絶縁膜の一部から構成され、前記第2の溝の内部全体を被覆している
面発光型半導体レーザ素子。 The individualized board and
A semiconductor including a first conductive type first semiconductor multilayer film formed on the substrate, an active region, and a second conductive type second semiconductor multilayer film forming a resonator together with the first semiconductor multilayer film. Layer and
A light emitting portion formed in a mesa shape by a first groove provided in the semiconductor layer, and a light emitting portion.
A second groove provided so as to surround the first groove between the outer periphery of the substrate and the first groove, and
An antioxidant portion formed on the surface of the second groove is provided .
The antioxidant portion is a surface-emitting semiconductor laser device that is composed of a part of an insulating film integrally formed from the side surface of the light emitting portion to the outer periphery and covers the entire inside of the second groove.
請求項1に記載の面発光型半導体レーザ素子。 The surface-emitting semiconductor laser device according to claim 1 , wherein at least a part of the insulating film is cut between the light emitting portion and the second groove.
前記第2の溝は前記発光部および前記電極パッドを囲うように設けられている
請求項1または請求項2に記載の面発光型半導体レーザ素子。 An electrode pad arranged between the light emitting portion and the second groove and connected to the light emitting portion is further provided.
The second is the groove surface emitting semiconductor laser device according to claim 1 or claim 2 is provided so as to surround the light emitting portion and the electrode pad.
請求項1に記載の面発光型半導体レーザ素子。 The surface emitting semiconductor laser device according to claim 1, wherein the antioxidant portion is any one of a metal film, an oxide film, a semiconductor layer, and an ion implantation region formed inside the second groove.
請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の面発光型半導体レーザ素子。 The surface-emitting semiconductor according to any one of claims 1 to 4 , wherein the first groove has a depth that does not reach the substrate, and the second groove has a depth that reaches the substrate. Laser element.
請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の面発光型半導体レーザ素子。 The surface-emitting semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 5 , wherein the second groove is formed along the entire circumference of the outer circumference.
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