JPH08250817A - 半導体微小共振器光素子および化合物半導体多層膜のドライエッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 共振器を微細化した際にも光学損失の増大が
抑制され、且つ活性層側壁での界面再結合による注入キ
ャリアの損失も抑制された低閾値の半導体微小共振器光
素子を提供する。 【構成】 基板７と、この基板上に、第一の半導体多層
膜反射鏡、活性層４を有するスペーサー層５、及び第二
の半導体多層膜反射鏡が順次積層された半導体柱状構造
体とを有する半導体微小共振器光素子１０である。柱状
構造体の側面が半導体薄膜により包囲され、かつ、活性
層の飽和利得ｇ_s 、活性層の厚さｔ_a 、及び半導体薄膜
に包囲された多層反射膜の実効反射率Ｒ´が、下記
（１）に示す関係を満たす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信や光インターコ
ネクション、光情報処理等に使用される半導体素子に係
わり、特に高密度の集積に適した低消費電力のＬＥＤや
半導体レーザー、および受光素子、変調器に関する。

【０００２】また、本発明は、化合物半導体デバイス、
特に化合物半導体多層膜を用いた半導体レーザ、ＬＥ
Ｄ、半導体光増幅器、半導体光変調器などを再現性よく
作製するためのドライエッチング方法に関する。

【０００３】

【従来の技術】近年、光通信や光インターコネクショ
ン、光情報処理等の分野では、並列処理による大容量
化、高速化への要求が高まりつつある。並列処理を実現
するためには、１次元、あるいは２次元的に集積された
ＬＥＤや半導体レーザーアレイ、受光素子、および変調
器アレイが必須となることが予想される。こうした需要
に対応し得る光源として、基板に垂直な方向に出力光を
取り出すことが可能な、いわゆる垂直共振器型の面発光
レーザーの開発が精力的に行われている。

【０００４】この種のレーザーは、典型的には、図１４
に示すように、下部多層反射鏡６２、活性層とスペーサ
ー層（クラッド層）とを含む発光層６５、および上部多
層反射鏡６６が基板６１上に順次積層された構造を有す
る。このような面発光レーザーにおいては、横モードを
制御するため、上部反射膜６６の一部または下部反射膜
６２に至るまでを柱状に加工し、横方向に屈折率変化を
持たせることにより最低次モードでの安定な発振を狙っ
ている。現在、これらの素子の横方向の典型的なサイズ
は（３０μｍ）² から（５μｍ）² であり、発振閾値は
数ｍＷから数百μＷ程度である。

【０００５】多数の素子を集積して用いる場合には、単
体の場合と比較して１素子あたりの消費電力に対する制
限は厳しくなる。例えば、前述の面発光レーザーを例に
挙げると、その消費電力は１ｍＷ程度であるので、１０
０×１００のアレイで１０Ｗとなり、１０００×１００
０のアレイでは１０００Ｗという非常に大きな値とな
る。このように消費電力が大きいと、省電力化の進んだ
電子デバイスとの良好な整合性が得られないばかりか、
熱的な問題により高密度の集積そのものが不可能となっ
てしまう。

【０００６】最近では、微小共振器レーザーと呼ばれる
新しい原理に基づくレーザーが提案されている（小林哲
朗他；応用物理学会講演予講集２９ａ−Ｂ−６（１９８
２），Ｈ．Ｙｏｋｏｙａｍａ ａｎｄ Ｓ．Ｄ．Ｂｒｏ
ｎｓｏｎ；Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６６，ｐ４８０１
（１９８９））。このレーザーは、極めて微小な共振器
構造を有することを特徴とし、具体的には、横方向のサ
イズは（発振波長）³の数倍から数十倍程度である。こ
の小さな共振器を用いることによって、活性層からの自
然放出光が発振に寄与する共振器モードに効率的に結合
するので、閾値の極めて低いレーザーを実現できること
が理論的に示されている。具体的には、半導体レーザー
に適用した場合には、発振閾値を従来に比べて２桁以上
低減することが可能であるといわれている。

【０００７】このような微小共振器レーザーは、前述の
面発光レーザーの断面積を小さくしていくことにより基
本的には製作可能と考えられる。しかしながら、従来構
造の面発光レーザーの断面積を単に小さくするのみで
は、共振器からの光損失や、活性層側壁での表面、界面
再結合による注入キャリアの損失が増大するので、かえ
って閾値を増大させてしまう。例えば、図１４（ａ）の
構造では、活性層６４の側壁が露出しているため、活性
層側壁での表面再結合による注入キャリアの損失が増大
する。また、図１４（ｂ）の構造では、下部反射膜６２
でのモードの閉じ込め構造がないため、上部反射膜６６
と下部反射膜６２との接続部分（図１４（ｂ）中のＢで
示されるスペーサ層６３付近の領域）において、回折に
よる光損失が増大する。また、図１４（ｃ）の構造で
は、活性層６４の側面には半導体が存在するので、界面
再結合はあまり問題とならないが、共振器部６２と埋め
込み部７２との屈折率差が小さいため、共振器モードが
埋め込み層にしみ出す割合が大きくなる。このため、反
射膜の実効的な反射率が減少する。これらの面発光レー
ザーで通常用いられる構造では、５μｍ径以下の共振器
サイズでは、共振器の微細化による損失の増大により閾
値が増大してしまう。

【０００８】なお、前述の面発光レーザー、ＬＥＤ、光
増幅器、および光変調器等のデバイスにおいて、光を閉
じ込めるための反射鏡（ＤＢＲ）としては、化合物半導
体多層膜が用いられている。これらのデバイスの集積密
度を高めるためには、前記化合物半導体多層膜を直径
０．５μｍ〜数十μｍ、深さ数μｍ程度に加工しなけれ
ばならず、しかも、特性の劣化を防止するためには、平
滑で光散乱のないＤＢＲ側壁が要求される。特に、面発
光レーザにおいては、発振閾値電流を低減するために、
ＤＢＲにおける光学散乱損失を小さく抑えることが必須
である。

【０００９】半導体多層膜を、前述のような微細な寸法
に加工するためには、例えば、反応性イオンエッチング
（ＲＩＥ）、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢ
Ｅ）、ケミカルアシステッドイオンビームエッチング
（ＣＡＩＢＥ）などのドライエッチング法が用いられ
る。また、各化合物半導体層のエッチング速度は、構成
元素や組成によって異なるという性質がある。例えば、
塩素ガスを用いてＡｌＡｓとＧａＡｓとの多層膜のドラ
イエッチングを行なう場合には、サイドエッチングを抑
え垂直な異方性エッチングを達成するために、通常１０
０℃以下で行われる。しかしながら、この温度範囲で
は、図１５に示すように多層膜のエッチング側壁にＡｌ
Ａｓ層が凸、ＧａＡｓ層が凹状の凹凸が形成されてしま
う。デバイスのＤＢＲ側壁に形成された凹凸は、光散乱
損失を増大させる原因となるので、デバイス特性を著し
く低下させるという問題が生じる。なお、装置に改良を
施したり、工程数を増やすといった対策によって側壁の
凹凸を制御することが考えられるが、コスト面からも好
ましくない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
面発光レーザーを単に微細化するのみでは、共振器から
の光損失が増大するとともに、活性層側壁での表面、界
面再結合による注入キャリアの損失が増大するので、効
率を向上させることができない。また、ＤＢＲ膜を形成
するために、化合物半導体多層膜をドライエッチング方
法により加工する際には、側壁での凹凸の形成が避けら
れず光学散乱損失が増大してデバイス特性の低下を引き
起こす。

【００１１】本発明は、共振器を微細化した際にも光学
損失の増大が抑制され、かつ活性層側壁での界面再結合
による注入キャリアの損失も抑制された、低閾値の半導
体微小共振器光素子を提供することを目的とする。

【００１２】また、本発明は、化合物部半導体多層膜の
エッチングの際に、工程数および装置コストの増加を引
き起こすことなく、凹凸のない平滑なエッチング側壁を
形成することが可能なドライエッチング方法を提供する
ことを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、第１の発明（請求項１）は、基板と、この基板上に
第一の半導体多層膜反射鏡、活性層を有するスペーサー
層、および第二の半導体多層膜反射鏡が順次積層された
半導体柱状構造体とを具備し、前記柱状構造体の側面が
半導体薄膜により包囲され、かつ、前記活性層の飽和利
得ｇ_s 、活性層の厚さｔ_a 、および前記半導体薄膜に包
囲された前記多層反射膜の実効反射率Ｒ´が、下記式
（１）に示す関係を満たすことを特徴とする半導体微小
共振器発光素子を提供する。

【００１４】

【数２】

【００１５】また、第２の発明（請求項２）は、Ａｌを
含む第１の化合物半導体層と、屈折率およびＡｌ含有量
が前記第１の化合物半導体層とは異なり、かつＧａを含
む第２の化合物半導体層とを交互に積層した半導体多層
膜を、マスクを用いて選択的にドライエッチングする方
法において、Ｃｌ、Ｂｒ、およびＩのいずれか１種類の
元素を含有するエッチングガスを使用し、エッチングに
より第１の半導体層から生じた反応生成物の蒸気圧Ｐ₁
と、エッチングにより第２の半導体層から生じた反応生
成物の蒸気圧Ｐ₂ との比が、下記式（２）に示す関係を
満たすような温度に基板を加熱することを特徴とするド
ライエッチング方法を提供する。 ０．２≦Ｐ₂ ／Ｐ₁ ≦１．５ （２）

【００１６】

【作用】本発明の半導体微小共振器光素子においては、
発光部およびこの発光部の上下に形成された多重反射鏡
の側面を十分に薄い半導体薄膜（以下、再成長膜と称す
る）により包囲している。すなわち、発光部に含まれる
活性層の側面が前記半導体再成長膜で包囲されるので、
界面再結合を低減させることができる。さらに、再成長
膜の膜厚を十分薄くしているので、多層反射膜領域への
共振器モードの十分な閉じ込めを確保し、多層反射膜の
実効反射率の低下を抑制することが可能となった。

【００１７】さらに、従来は、図４（ｂ）に示すよう
に、多層反射膜１５の側壁に凹凸があったために、活性
層からの発光１６は、散乱光１７として損失されていた
が、本発明のように再成長膜１で多重反射膜２の側面を
包囲することによって、図４（ａ）に示すように多層反
射膜２の表面が平坦化される。したがって、光散乱損失
を低減することも可能である。

【００１８】また、本発明のドライエッチング方法で
は、エッチング温度を限定しているので、半導体多層膜
を構成する各半導体層のサイドエッチング速度を制御す
ることができる。これにより、垂直なエッチング側壁が
得られるとともに、各半導体層のサイドエッチング速度
を等しくすることにより、凹凸のない平滑なエッチング
側壁を達成することができる。したがって、本発明のド
ライエッチング方法を面発光レーザー等のデバイスの作
製に適用することにより、プロセス工程の増加や装置コ
ストの増加を招くことなく、光学散乱損失などのデバイ
ス特性の劣化を防ぐことができるとともに、歩留まりを
向上させることができる。

【００１９】

【実施例】

（実施例Ｉ）まず、図面を参照して、第１の発明の半導
体微小共振器光素子について説明する。

【００２０】図１に、本発明の半導体微小共振器光素子
の一例の構成を示す。なお、図１（ａ）は、半導体微小
共振器光素子の一例の要部切り欠き図を表わし、図１
（ｂ）は、活性層を含む断面図を表わす。

【００２１】図１（ａ）に示すように、半導体微小共振
器光素子１０は、ｎ−ＧａＡｓからなる基板７と、ｎ−
ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ分布ブラッグ反射膜（ＤＢＲ）３、
活性層４、スペーサー層５、およびｐ−ＧａＡｓ／Ａｌ
Ａｓ−ＤＢＲ２が順次形成された円柱状の積層構造体と
を有する。なお、発光部において、活性層４は、ｉ−Ｉ
ｎ_0.2 Ｇａ_0.8 Ａｓ歪み量子井戸活性層（厚さ８ｎｍが
３層）とｉ−ＧａＡｓバリア層とからなり、スペーサ層
５ｂおよび５ａは、それぞれｎ−Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ａ
ｓ、およびｐ−Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ａｓにより構成されて
いる。さらに、この円柱状の半導体積層構造体の側面に
は、ｉ−Ａｌ_0.5 Ｇａ_0.5 Ａｓからなる再成長層１が形
成されている。

【００２２】なお、円柱状の積層構造体の直径は２μｍ
であり、再成長層１の厚さは５０ｎｍである。また、ス
ペーサ層５ａおよび５ｂと活性層４とを含む発光部の厚
さは、２９３ｎｍであり、発振波長λは９８０ｎｍであ
る。

【００２３】ｐ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ−ＤＢＲ２の表面
にはＣｒ／Ａｕ−ｐ電極６が蒸着されており、基板裏面
の一部にはＡｕＧｅ／Ａｕ−ｎ電極（図示せず）が蒸着
されている。

【００２４】この半導体微小共振器光素子１０において
は、出力光はＳｉＮ減反射膜（図示せず）を通して基板
側から矢印方向に放射される。なお、図１（ａ）に示す
構造図は説明のために簡略化されたものであり、実際に
は図１（ｂ）に示すように、側面に再成長膜１が形成さ
れた円柱状の共振器部全体が、ポリイミドまたはスピン
・オン・グラス（ＳＯＧ）等の絶縁体８によって埋め込
まれている。

【００２５】本発明の半導体微小共振器光素子１０にお
いては、円柱状に構成された半導体微小共振器の側面
を、十分薄い半導体の薄膜１（再成長膜と称する）で包
囲し、かつ、この再成長膜の厚さを、モードの再成長膜
への滲み出しによる損失が活性層の飽和利得を越えない
ように限定している。

【００２６】かかる限定は、以下のような考察に基づく
ものである。まず、図２を用いて共振器モードの半導体
埋め込み領域へのモードの滲み出しを説明する。モード
の滲み出し量は断面積が小さくなるほど大きくなり、図
２（ａ）に示すように、断面積が（発振波長）² の数十
倍以下となる微小共振器を同種の材料からなる半導体成
長膜中に埋め込んだ場合には、両者の屈折率差が小さい
ために、共振器モードの外側の半導体層への滲み出しが
大きくなる。その結果、多層反射膜の実効反射率が減少
して閾利得が上昇してしまう。

【００２７】一方、図２（ｂ）に示すように、半導体多
層膜の断面積が（発振波長）² に比べて十分大きい通常
の面発光レーザーにおいては、共振器モードの外側の半
導体層への滲み出しは小さいので、閾利得の上昇は、ほ
とんど無視できる。これは、屈折率差が小さい場合で
も、モードが多層反射膜部分にほとんど閉じ込められて
いるためである。

【００２８】なお、断面積が小さい場合でも、図２
（ｃ）に示すように半導体多層膜の側面を十分に薄い半
導体膜で包囲した場合には、モードの滲み出し量は、問
題とならない程度に小さい。

【００２９】これらの状況を具体的なモデルで計算した
結果を図３に示す。ここでモデルとして仮定した構造
は、下部ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ分布ブラッグ反射膜（ＤＢ
Ｒ）、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ歪み量子井戸（１０ｎｍ
厚、井戸数３）、および上部ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ分布ブ
ラッグ反射膜（ＤＢＲ）で構成された円柱共振器の側面
に、Ａｌ_0.5 Ｇａ_0.5 Ａｓからなる半導体薄膜を成長さ
せた。なお、円柱の直径をｄとし、再成長膜の膜厚をｔ
として、以下のようにして計算した。

【００３０】まず、ＤＢＲを構成しているＧａＡｓの有
効屈折率ｎ_GaAs´を、ＤＢＲ領域および再成長膜領域へ
のモードの横方向の閉じ込め係数γ₁ およびγ₂ を用い
て下記式（３）のように表す。同様にしてＡｌＡｓの有
効屈折率ｎ_AlAs´を、下記式（４）のように表す。

【００３１】

【数３】

【００３２】ｎ_c およびｎ_env は、それぞれ再成長層お
よび共振器部の外側の屈折率である。上式から得られる
ｎ_GaAs' およびｎ_AlAs' を用いると、実効反射率Ｒ´
は、下記式（５）で表わされる。

【００３３】

【数４】 ここで、Ｒ_top およびＲ_bottomは、それぞれ上部ＤＢＲ
および下部ＤＢＲの反射率であり、それぞれ下記式
（６）および（７）で表わされる。

【００３４】

【数５】

【００３５】

【数６】 実効反射率Ｒ´より、閾利得ｇ_thは下記式（８）で求め
られる。

【００３６】

【数７】 したがって、レーザーが発振するための条件は、下記式
（９）で表わされる。

【００３７】

【数８】

【００３８】ここで、ｇ_s は活性層の飽和利得、α_i は
共振器の内部損失、ｔ_a は活性層の厚さである。理想的
な場合、すなわち共振器の内部損失α_i が０のとき、式
（９）の右辺は第２項のみとなり、上述の式（１）が導
かれる。

【００３９】図３には、円柱の直径ｄが１μｍ，２μｍ
および５μｍの場合のそれぞれについて、再成長膜厚ｔ
と閾利得との関係を示している。なお、直径５μｍは、
通常の面発光レーザーと呼ばれるサイズであり、図３か
ら、直径が５μｍの場合には、閾利得は、再成長膜厚ｔ
にほとんど影響されないことがわかる。

【００４０】一方、微小共振器の効果が顕著となる１μ
ｍ径においては、再成長膜厚が増加するにつれて、閾利
得が急激に増大している。ここで、飽和利得ｇ_s ＝５０
００ｃｍ^-1とすると、再成長膜厚が０．２１μｍ以上で
発振が不可能となるほどに閾利得が増大している。

【００４１】このように、微小共振器レーザーの共振器
サイズの領域では、共振器を包囲する埋め込み層の膜厚
を薄くすることが、低閾値発振を実現する上で本質的に
重要であることがわかる。

【００４２】なお、本発明の半導体微小共振器光素子に
おいては、再成長膜の膜厚は、具体的には、もっとも厚
い部分の厚さが、活性層のバンドギャップ相当光の再成
長薄中での波長の３倍以下であることが好ましく、より
好ましくは２倍以下である。

【００４３】図１に示した半導体微小共振器光素子１０
の場合には、図３に示したグラフにおいて、飽和利得ｇ
_s ＝４０００ｃｍ^-1とすると、再成長膜の膜厚の最大値
ｔ_max は０．４７μｍとなり、この値は、再成長膜１中
での波長の約１．６倍に相当する。

【００４４】本実施例の半導体微小共振器光素子は、例
えば、以下のようにして製造することができる。図５
に、本実施例の光素子の製造工程を表わす断面図を示
す。

【００４５】まず、図５（ａ）に示すように、基板７上
に、第１のＤＢＲ３、スペーサー層５ｂ、活性層４、ス
ペーサー層５ａ、および第２のＤＢＲ２を成長させる。
各層の成長に当たっては、例えば、分子ビームエピタキ
シャル成長法（ＭＢＥ）、および有機金属気相成長法
（ＭＯＣＶＤ）等を用いることができる。さらに、第２
のＤＢＲ２の表面には、化学気相成長法（ＣＶＤ）によ
り二酸化珪素膜（ＳｉＯ₂ ）９を堆積する。

【００４６】次に、紫外線露光プロセスまたは電子線露
光プロセスを用いて、ＳｉＯ₂ 膜９上に円形のレジスト
パターンを形成し、四フッ化炭素／水素混合ガスを用い
た反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、ＳｉＯ₂
膜９にレジストパターンを転写する。

【００４７】酸素プラズマによりレジストを除去した
後、図５（ｂ）に示すように、エピタキシャル成長させ
た半導体層を基板７までエッチングして円柱構造を作製
する。ここでは、例えば、塩素ガスを用いた反応性イオ
ンビームエッチング（ＲＩＢＥ）を用いることができ
る。

【００４８】続いて、アンモニア系のエッチング液を用
いて活性層側壁を１０ｎｍ程度エッチングして、ＲＩＢ
Ｅの際に側面に生じたエッチングダメージ層を除去す
る。さらに、五硫化二燐（Ｐ₂ Ｓ₅ ）を溶解した硫化ア
ンモニウム溶液（（ＮＨ₄ ）₂Ｓ）に一分間浸すことに
よって、側面にパッシベーション膜を形成した後、純水
で洗浄する。その後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ＳｉＯ₂
膜９上には成長しない選択成長のモードで、円柱側壁に
Ａｌ_0.5 Ｇａ_0.5 Ａｓ薄膜１を成長させる。

【００４９】次に、Ａｌ_0.5 Ｇａ_0.5 Ａｓ薄膜１が側面
に形成された円柱をポリイミド８で埋め込み、酸素プラ
ズマにより円柱頂部を露出させ、紫外線露光プロセスと
リフトオフによりｐ電極６を形成する。

【００５０】最後に裏面を研磨し、光出力部を避けてｎ
電極（図示せず）を形成し、光出力部には減反射膜（図
示せず）を堆積することによって、本発明の半導体微小
共振器光素子１０が得られる。

【００５１】なお、本発明の半導体微小共振器光素子
は、以下のような変更が可能である。第１の変更例を図
６に示す。図６に示す光素子の基本構造は、円柱共振器
が絶縁体に完全に埋め込まれていない以外は、図１に示
したものと同様である。すなわち、共振器の周囲を包囲
する半導体薄膜１は、さらに、ＳｉＯ₂ ，ＳｉＮ_x ，Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ などの絶縁体１２からなる薄膜によって柱状に
囲まれている。

【００５２】この半導体微小共振器光素子１１において
は、絶縁体１２の外側には、電極兼反射膜１３が設けら
れている。このように、活性層４の周囲に絶縁体を介し
て反射膜１３を配置することによって、活性層４から横
方向に放射された自然放出光が、再び活性層に吸収され
るという効果が得られるので、閾値をさらに低減するこ
とが可能となる。

【００５３】以上の例においては、共振器の側面を包囲
する再成長膜１として、単層のＡｌＧａＡｓを用いた
が、屈折率の異なる複数の再成長膜により構成した多層
膜を用いることもできる。さらに、厚さ方向の屈折率を
連続的に変化させた再成長膜を用いてもよい。

【００５４】かかる構造の一例を、図７に例を示す。図
７（ｃ）に示すように、円柱の中心軸から半径方向の距
離をｒとし、再成長膜の外周面までの距離をａ、再成長
膜の膜厚をｔとした。

【００５５】図７（ａ）には、屈折率の異なる２種類の
半導体薄膜により再成長膜１を構成した場合の円柱の中
心からの距離ｒと屈折率ｎとの関係を示す。この場合に
は、ＤＢＲおよび半導体薄膜の屈折率は、次の関係にあ
る。

【００５６】ｎ_in＜ｎ_out ＜ｎ_DBR ｎ_DBR ，ｎ_inおよびｎ_out は、それぞれ、ＤＢＲの平均
屈折率、内側薄膜の屈折率、および外側薄膜の屈折率を
表わす。

【００５７】図７（ｂ）には、再成長膜１の屈折率は、
外側に向けて徐々に小さくなっている場合の例を示す。
前述の図７（ａ）および（ｂ）のいずれの構造も、単層
の再成長膜の場合に比べて、モードのＤＢＲ部分への閉
じ込め係数がより大きくなるので、単層で再成長膜を形
成する場合よりも、膜厚ｔを大きくすることができる。

【００５８】さらに、共振器の断面（図８（ａ）中のＡ
−Ａ´面）の形状は、何等限定されるものではなく、図
８（ｂ）に示すような種々の形状とすることができる。
また、再成長膜１を形成した後の断面も、任意形状とす
ることができる。すなわち、共振器部の側面に形成され
る再成長膜１の膜厚は、本発明の範囲内であれば、その
形状は限定されない。

【００５９】以上の実施例では、基板としてｎ型の半導
体を用いた例について示したが、もちろんｐ型基板を用
いることもでき、この場合には、基板上に積層される各
半導体層の導電型を反転すればよい。また、活性層の構
造は、量子井戸構造に制限されるものではなく、量子細
線、および量子箱構造を用いる事も可能である。さら
に、材料系はここで述べたＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ
系のみならず、ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｌＰ系の材
料も適用することができる。

【００６０】また、分布反射膜は全て半導体のみで構成
されている必要はなく、金属あるいは誘電体と半導体と
を組み合わせて構成することもできる。その他、本発明
の要旨を逸脱しない範囲内で、種々変形して実施するこ
とができる。 （実施例II）以下、第２の発明によるドライエッチング
方法について、実施例を示して具体的に説明する。

【００６１】まず、塩素ガスを用いた反応性イオンビー
ムエッチング（ＲＩＢＥ）によるエッチングを例に挙げ
て説明する。使用する装置の概略図を図９に示す。図９
に示すように、エッチング装置３０は、ＥＣＲ（Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃ
ｅ）イオン源３２とエッチング室３５との二室から構成
されており、二室の間にはイオン引き出し電極３３が設
置されている。エッチング室３５には、ヒータ３９と熱
電対４０が埋め込まれた基板ホルダー３８が設置されて
おり、基板加熱が可能である。また、エッチング中の基
板温度は、エッチング室３５の上方に配置されたパイロ
メータ３６により測定し、その測定値に基づいて加熱用
ヒータ３９のパワーを制御する。

【００６２】エッチングに当たっては、まず、基板３７
をホルダー３８に取り付けてエッチング室３５内に設置
し、所定の圧力までエッチング室を排気する。試料基板
の温度が安定し、エッチング室の圧力が所定の値以下に
達したところで、ＥＣＲイオン源３２に接続されたガス
導入管３１より塩素ガスを導入し、プラズマを発生させ
る。このプラズマ中からイオン引き出し電極３３によっ
てイオンを引き出す。この間、エッチング室内の圧力
は、塩素ガスの流量をマスフローコントローラで制御す
ることにより調節する。

【００６３】次いで、ＥＣＲイオン源とエッチング室の
間に設置されたシャッター３４を開けることにより、イ
オンを基板に照射してエッチングを開始する。なお、イ
オンの照射の開始にともないエッチング基板温度が上昇
するため、パイロメータ３６で測定した基板温度をヒー
タ電源にフィードバックして、ヒータのパワーを調節し
基板温度を一定に保持する。

【００６４】プラズマの発生とともに生成された活性な
中性分子は、拡散により基板表面へ到達する。エッチン
グ底面においては、イオン照射による反応性スパッタに
起因したエッチングが主に生じるが、エッチング側壁に
はイオン照射はほとんどなく、中性分子と基板との反応
によりエッチングが進行する。

【００６５】前述の装置を用いて、半導体レーザ、ＬＥ
Ｄ、半導体光増幅器、および半導体光変調器などのブラ
ッグ反射膜として用いられる多層膜のエッチングを行な
った。この実験結果を、以下の詳細に説明する。

【００６６】基板としては、ＧａＡｓ基板上に分子線エ
ピタキシー法により成長したＡｌＡｓとＧａＡｓ１５対
の多層膜の基板を用いた。この基板上に、ＣＶＤ法を用
いてＳｉＯ₂ 膜を成膜した後、通常のフォトリソグラフ
ィ法と反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により加工し
て、エッチングマスクとしての断面円形のＳｉＯ₂ 膜２
１を、図１０に示すように形成した。

【００６７】先に説明した装置のエッチング室３５内を
５×１０^-6ｔｏｒｒまで真空にした後、上述の手順で基
板のエッチングを行なった。なお、本実験例では、エッ
チング条件は、マイクロ波パワー２００Ｗ、イオン加速
電圧４００Ｖ、塩素ガス圧０．２５〜１．２ｍｔｏｒｒ
とし、基板温度を３５〜２３０℃の範囲内で変化させ
て、エッチング温度と得られるエッチング側壁の形状と
の関係を調べた。

【００６８】その結果、エッチング温度が１００℃以下
の場合には、サイドエッチングはほとんど生ぜず、エッ
チングマスク直下にオーバーハングは認められなかっ
た。なお、エッチング側壁には、図１５に示したような
ＡｌＡｓ層２３が凸、ＧａＡｓ層２２が凹となる凹凸が
生じていた。

【００６９】この凹凸に関して、本発明者らは次のよう
に考察した。すなわち、この温度範囲では、揮発性のエ
ッチング反応生成物であるＧａＣｌ₃ の蒸気圧がＡｌＣ
ｌ₃の蒸気圧より約一桁以上高い。エッチング側壁では
イオン照射効果が少ないものの、イオンの散乱やエッチ
ング底面からの反跳によるアシスト効果、および局所的
温度上昇などによりＧａＡｓ層のエッチングが優先的に
進行した。一方、ＡｌＡｓ層は極めて酸化されやすいた
め、イオン照射効果の小さいエッチング側壁ではエッチ
ングが進行しない。これらの結果としてＡｌＡｓ層が
凸、ＧａＡｓ層が凹の凹凸が側壁に形成された。

【００７０】エッチング温度を１００℃〜１３０℃とし
た場合では、サイドエッチングが発生するもののほぼ垂
直なエッチング側壁が得られた。しかし、側壁には依然
としてＡｌＡｓ層が凸、ＧａＡｓ層が凹となる凹凸が認
められた。

【００７１】さらにエッチング温度を高くし１３０℃〜
１７０℃の温度範囲では、サイドエッチング量がよりい
っそう大きくなり、図１１に示したように、マスク２１
の直下にはオーバーハング２４が生じた。この場合、エ
ッチング側壁は、ほとんどの領域にわたり垂直であり、
かつＡｌＡｓ層２３とＧａＡｓ層２２との凹凸がない平
滑なエッチング側壁が得られた。これは、このエッチン
グ温度の範囲では、ＡｌＡｓ層２３のサイドエッチング
速度とＧａＡｓ層２２のサイドエッチング速度がほぼ等
しくなったものと考えられる。

【００７２】より高温の１７０℃〜１９０℃ではさらに
サイドエッチング量が大きくなり、ＡｌＡｓ層のサイド
エッチング速度がＧａＡｓ層のサイドエッチング速度を
上回って、ＡｌＡｓ層２３が凹、ＧａＡｓ層２２が凸状
の凹凸が生じはじめる。しかし、エッチング側壁はまだ
ほぼ垂直であり、デバイスへの適用には支障のない程度
であった。

【００７３】１９０℃以上では側壁は大きくくびれ、垂
直なエッチング側壁は得られなかった。以上の実験結果
から、本発明者らは、エッチング側壁のサイドエッチン
グを利用して、垂直な側壁を得ることを見出だした。な
お、エッチング温度とサイドエッチング量（Ｒ₁ ／Ｒ
₂ ）との間に、図１２に示すような関係が得られた。こ
こで、Ｒ₁ はサイドエッチングの深さであり、Ｒ₂ は垂
直方向のエッチング深さである。すなわち、サイドエッ
チング速度は、エッチング温度を上昇させるにしたがっ
て増加するという温度依存性がある。サイドエッチング
量は、実施例１で述べたマイクロキャビティ側壁への再
成長膜の膜厚ｔと同程度であることが好ましい。すなわ
ち、（Ｒ₁ ／Ｒ₂ ）が、ｔ／ｈにほぼ等しく、かつ （ｔ／ｈ）＜（ｔ_max ／ｈ） の関係を満たせばよい。ここで、ｈは、マイクロキャビ
ティの高さである。例えば、実施例１に述べた直径２μ
ｍのマイクロキャビティでは、Ｒ₁ ／Ｒ₂ は、約０．０
８以下であることが好ましい。

【００７４】しかしながら、実験結果で示されたよう
に、エッチング温度が１７０℃を越えると、ＡｌＡｓ層
が凹となる凹凸が生じるので、本発明の目的を達成でき
ず、一方、１３０℃未満では、ＡｌＡｓ層が凸となる凹
凸が生じてしまう。

【００７５】なお、エッチング生成物であるＧａＣｌ₃
とＡｌＣｌ₃ との蒸発速度の比が１であれば、平滑なエ
ッチング側壁が得られる。本発明者らは、上述のサイド
エッチング量に及ぼす温度の影響、および垂直で平滑な
エッチング側壁が得られるという理由に基づいて、基板
の温度範囲を、反応生成物の蒸気圧の比（Ｐ（ＧａＣｌ
₃ ）／Ｐ（ＡｌＣｌ₃ ））が０．２以上１．５以下とな
る範囲に限定した。

【００７６】特に、蒸気圧の比（Ｐ（ＧａＣｌ₃ ）／Ｐ
（ＡｌＣｌ₃ ））の範囲が０．２以上１以下となる基板
温度においてエッチングを行なうことにより、サイドエ
ッチングを発生させエッチングマスク直下にオーバーハ
ング部を形成することができ、同時に、垂直でかつ平滑
なエッチング側壁を得ることができる。

【００７７】また、蒸気圧の比（Ｐ（ＧａＣｌ₃ ）／Ｐ
（ＡｌＣｌ₃ ））の範囲が１以上１．５以下となる基板
温度においてエッチングを行なった場合には、サイドエ
ッチングが大きくなるため、オーバーハング部の形成と
いうよりも、マスクサイズよりも微細なパターンサイズ
の多層膜を加工することを目的に使用することができ、
しかも平滑なエッチング側壁が同時に得られる。

【００７８】以上の実験例をもとに、本発明のエッチン
グ方法をマイクロキャビティレーザの作製プロセスに適
用した。図１３を参照して、このプロセスを説明する。

【００７９】ここで用いたウエハー４３は、図１３
（ａ）に示すようにＧａＡｓ基板４４上に、１８．５対
の下部ＡｌＡｓ／ＧａＡｓＤＢＲ４５、ＧａＡｓスペー
サ層４６、および１５対の上部ＡｌＡｓ／ＧａＡｓＤＢ
Ｒ４８をＭＢＥにより成長させたものであり、スペーサ
層４６の中央には、３層のＩｎＧａＡｓからなる量子井
戸活性層４７が形成されている。

【００８０】さらに、上部ＤＢＲ４８の上には、エッチ
ングマスクとしての断面円形のＳｉＯ₂ 膜４９が形成さ
れている。このエッチングマスクの直径は、１〜１０μ
ｍとした。

【００８１】本実施例においては、エッチング条件はマ
イクロ波パワー２００Ｗ、イオン加速電圧４００Ｖ、エ
ッチングガスとしては塩素ガスを用い、塩素ガス圧０．
４５ｍｔｏｒｒとして、前述の装置を用いてエッチング
を行なった。なお、エッチング温度は、上述の実験例に
示した結果に基づいて１５０℃とした。

【００８２】その結果、図１３（ｂ）に示すように、エ
ッチングマスクの直下には、サイドエッチングによりオ
ーバーハング部５０が形成されており、このオーバーハ
ング部より下のほとんどの領域は垂直であった。しか
も、凹凸がなく、表面が極めて平滑なエッチング側壁が
形成された。したがって、本発明の方法を用いたエッチ
ングにより得られた円柱構造マイクロキャビティの光学
的散乱損失は、従来のエッチング法により作製したもの
よりも格段に低減することができた。

【００８３】前述のようにサイドエッチングを利用して
いるので、本発明のドライエッチング方法を適用して得
られた円柱構造マイクロキャビティの直径は、マスクサ
イズより小さくすることができる。例えば、直径１μｍ
のエッチングマスクを用いた場合には、垂直な側壁を有
する部分の直径が０．８μｍという微細な円柱構造のマ
イクロキャビティを作製することができた。なお、エッ
チング温度を１７０〜１９０℃の間に設定して、サイド
エッチング量を増やすことによって、さらに微細な円柱
構造を得ることができる。

【００８４】通常のパターニング法とドライエッチング
法とを用いた場合では、半導体多層膜を１μｍ以下の直
径に加工するのは極めて困難である。本発明のエッチン
グ法では、サイドエッチングを積極的に利用し、この部
分のエッチング量をエッチング温度で制御することによ
って、１μｍ以下の直径の制御性、再現性を著しく向上
させることができる。

【００８５】さらに、活性層表面でのキャリアの再結合
速度を低減するために、図１３（ｃ）に示すように、円
柱構造マイクロキャビティの側壁へＡｌＧａＡｓ薄膜５
１を再成長させた。なお薄膜の形成に当たっては、ＭＯ
ＣＶＤによる選択成長法を用いた。先に図１３（ｂ）で
説明したように、本発明のエッチング方法を用いたこと
によって、ＳｉＯ₂ マスク直下にオーバーハング部が形
成されている。エッチングマスクの直下にオーバーハン
グ部が形成されていない場合には、図１６に示すよう
に、周囲にＡｌＧａＡｓ成長させる際にＳｉＯ₂ マスク
端に異常成長部８１が観察されることがある。本発明の
エッチング方法では、オーバーハング部５０を形成して
いるので、このような異常成長を抑制し、良好な再成長
を行なうことができた。

【００８６】本発明のエッチング法では、積極的にサイ
ドエッチングを引き起こしているので、ドライエッチン
グにより導入されるダメージ層を除去するという効果も
有する。また、円柱構造マイクロキャビティの側壁に半
導体薄膜を再成長させた場合には、従来のエッチング法
により製造したマイクロキャビティと比較して、活性層
表面のキャリアの再結合速度が格段に減少した。

【００８７】以上実施例で示したように、本発明は半導
体多層膜のドライエッチングにおいて、サイドエッチン
グを積極的に利用しているので、多層膜の各層のサイド
エッチング速度が等しくなるよう、エッチング速度を設
定し、垂直で平滑なエッチング側壁を得ることができ
る。

【００８８】なお、本実施例では、マイクロキャビティ
レーザの作製を例に挙げて、本発明のドライエッチング
方法を説明したが、本発明のエッチング法は他のＬＥ
Ｄ、光増幅器、光変調器など、半導体多層膜を用いた全
てのデバイスの製造プロセスにも適用することが可能で
ある。

【００８９】また、エッチング方法としてとしては、反
応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、ケミカルアシステッ
ドイオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）などの他のド
ライエッチング方法にも適用できる。

【００９０】さらに、本発明のドライエッチング方法
は、Ａｌを含む化合物半導体膜と、Ｇａを含む半導体膜
とを交互に積層した任意の構成の多層膜に適用すること
ができ、その構成は何等限定されるものではない。例え
ば、Ａｌ_x Ｇａ_l-xＶ／Ａｌ_yＧａ_l-yＶ（０≦ｘ＜ｙ≦
１）（Ｖ＝Ｎ，Ａｓ，Ｐ，Ｓｂ）、Ａｌ_x Ｇａ_l-xＶ’_z
Ｖ”_1-z／Ａｌ_y Ｇａ_l-yＶ’_w Ｖ”_1-w（０≦ｘ＜ｙ≦
１）（Ｖ’，Ｖ”＝Ｎ，Ａｓ，Ｐ，Ｓｂ）を満たす組み
合わせの多層膜であれば、本発明を適用して上述と同様
の効果を得ることができる。

【００９１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
活性層の側面を十分に薄い半導体再成長膜で包囲してい
るので、低閾値の微小共振器半導体レーザーが得られ、
多層反射膜の反射率を下げてＬＥＤとして用いる場合に
も、効率を向上させることができる。また、本発明の半
導体微小共振器光素子を受光素子や変調器として用いる
際にも、共振器モードに結合した入力光の活性層への吸
収効率が高くなるので、同様にして効率の向上を図るこ
とができ、かかる微小共振器光素子の工業上の利用価値
は絶大である。

【００９２】さらに、本発明の方法によれば、装置のコ
ストおよび工程を増加させることなく、垂直で凹凸のな
い平滑なエッチング側壁を得ることができる。したがっ
て、デバイスの特性を大幅に向上させることが可能であ
り、かかるドライエッチング方法は、半導体レーザー、
ＬＥＤ、半導体光増幅器、半導体光変調器等、化合物半
導体多層膜を有する全てのデバイスの製造に有効であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体微小共振器発光素子の一例の概
略構成を示す図。

【図２】共振器モードの半導体埋め込み領域へのモード
の滲み出しを説明する図。

【図３】再成長膜厚と閾利得との関係を示すグラフ図。

【図４】多層反射膜側壁からの光散乱損失を説明する
図。

【図５】本発明の半導体微小共振器光素子の製造工程の
一例を示す断面図。

【図６】本発明の半導体微小共振器光素子の他の例を示
す断面図。

【図７】本発明の半導体微小共振器光素子の他の例を示
す図。

【図８】本発明の半導体微小共振器光素子の断面構造の
変形例を示す図。

【図９】本発明に使用され得るエッチング装置の概略を
示す図。

【図１０】実験例で用いた基板の断面図。

【図１１】本発明によるエッチングを行った後の半導体
多層膜の断面図。

【図１２】サイドエッチング量と温度依存性との関係を
示すグラフ図。

【図１３】本発明によるエッチング法を用いたマイクロ
キャビティレーザの作製工程を示す断面図。

【図１４】従来の面発光レーザーの断面図。

【図１５】従来のエッチング法によりエッチングを行っ
た半導体多層膜の断面図。

【図１６】従来のエッチング法により製造されたマイク
ロキャビティレーザの断面図。

【符号の説明】

１…Ａｌ_0.5 Ｇａ_0.5 Ａｓ薄膜 ２…ｐ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ−ＤＢＲ ３…ｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ分布ブラッグ反射膜（ＤＢ
Ｒ） ４…ｉ−Ｉｎ_0.2 Ｇａ_0.8 Ａｓ歪み量子井戸活性層 ５ａ…ｐ−Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ａｓスペーサ層 ５ｂ…ｎ−Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ａｓスペーサ層 ６…Ｃｒ／Ａｕ−ｐ電極 ７…ｎ−ＧａＡｓ基板，８…絶縁体，９…絶縁体 １０…半導体微小共振器光素子，１１…半導体微小共振
器光素子 １５…多重反射膜，１６…活性層からの発光，１７…散
乱光 ２１…エッチングマスク，２２…ＧａＡｓ層，２３…Ａ
ｌａＡｓ層 ２４…オーバーハング部，３１…反応性ガス導入管，３
２…ＥＣＲイオン源 ３３…イオン引出電極．３４…シャッター，３５…エッ
チング室 ３６…パイロメータ，３７…半導体基板，３８…基板ホ
ルダー ３９…ヒータ，４０…熱電対，４１…ヒータ電源 ４３…ウエハー，４４…ＧａＡｓ基板 ４５…ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ下部ＤＢＲ，４６…ＧａＡｓ
スペーサ層 ４７…ＩｎＧａＡｓ活性層，５８…ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ
上部ＤＢＲ ４９…ＳｉＯ₂ マスク，５０…オーバーハング部 ５１…ＡｌＧａＡｓ再成長膜，６０…面発光レーザ，６
１…基板，６２…第１の多層反射鏡 ６３…スペーサー層，６４…活性層，６５…発光部，６
６…第２の多層反射鏡 ６７…電極，６８…面発光レーザー，６９…絶縁膜，７
０…電極 ７１…面発光レーザ，７２…埋め込み層，７３…電極，
７４…基板 ７５…下部ＤＢＲ，７６…スペーサー層，７７…活性
層，７８…上部ＤＢＲ ７９…ＳｉＯ₂ マスク，８０…再成長層，８１…異常成
長部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、この基板上に第一の半導体多層
   膜反射鏡、活性層を有するスペーサ層、および第二の半
   導体多層膜反射鏡が順次積層された半導体柱状構造体と
   を具備し、前記柱状構造体の側面が半導体薄膜により包
   囲され、かつ、前記活性層の飽和利得ｇ_s 、活性層の厚
   さｔ_a 、および前記半導体薄膜に包囲された前記多層反
   射膜の実効反射率Ｒ´が、下記式（１）に示す関係を満
   たすことを特徴とする半導体微小共振器発光素子。 【数１】
2. 【請求項２】 Ａｌを含む第１の化合物半導体層と、屈
   折率およびＡｌ含有量が前記第１の化合物半導体層とは
   異なり、かつＧａを含む第２の化合物半導体層とを交互
   に積層した半導体多層膜を、マスクを用いて選択的にド
   ライエッチングする方法において、 Ｃｌ、Ｂｒ、およびＩのいずれか１種類の元素を含有す
   るエッチングガスを使用し、 エッチングにより第１の半導体層から生じた反応生成物
   の蒸気圧Ｐ₁ と、エッチングにより第２の半導体層から
   生じた反応生成物の蒸気圧Ｐ₂ との比が、下記式（２）
   に示す関係を満たすような温度に基板を加熱することを
   特徴とするドライエッチング方法。 ０．２≦Ｐ₂ ／Ｐ₁ ≦１．５ （２）