JPH10200187A - 面発光半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】極めて低消費電力で動作する面発光半導体レー
ザの製造方法に関し、活性層側面での非発光性再結合を
抑制し、かつ光リサイクル効果を有効に働かせつつ、活
性層の断面積を小さくする。 【解決手段】閃亜鉛鉱型構造を有する結晶からなり、該
結晶の（１１１）Ｂ面が出ている化合物半導体基板２１
の表面に絶縁膜２２を形成する工程と、絶縁膜２２に開
口部２３を形成し、開口部２３内に化合物半導体基板２
１の表面を露出する工程と、開口部２３内の化合物半導
体基板２１の表面に、活性層１０４と反射層１０３，１
０５とを含む複数の化合物半導体層を、少なくとも活性
層１０４の側面が（１１０）面であるように成長する工
程とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザに関
し、より詳しくは、極めて低消費電力で動作する面発光
半導体レーザに関する。光アクセス系、光インタコネク
ションシステムにおいて、面発光半導体レーザは２次元
アレイ化、光ファイバへの高結合効率などの点で原理的
に優れており、必須の素子である。面発光半導体レーザ
の低しきい値電流化は低消費電力動作、低コスト化に必
須の課題である。

【０００２】

【従来の技術】面発光半導体レーザでは、膜厚方向に垂
直な面に沿って、活性層を挟む反射鏡が設けられてい
る。膜厚方向に注入したキャリアを活性層で再結合させ
てレーザ光を生成し、そのレーザ光を上下の反射鏡間で
共振させて増幅するとともに、反射鏡で反射されないで
反射鏡を通過したレーザ光を取り出して用いる。

【０００３】このような面発光半導体レーザの低しきい
値電流化に関する代表的な手法としては、以下のものを
挙げることができる。 反射鏡での反射率を高める方法、 エッチングなどの物理的手段若しくは絶縁膜等による
高抵抗層の形成により活性層の断面積を小さくする方
法、 活性層側面を金膜などの高反射率膜で覆って側面方向
への光出射を抑制し、反射光をキャリア対の発生に利用
する光リサイクル効果（Photon recycling effect ）に
より高効率化を図る方法等がある。

【０００４】上記〜の方法のうち、に挙げた反射
鏡の反射率を高める方法では、上記した面発光半導体レ
ーザの特有な構造により、反射鏡の反射率を極度に高め
すぎるとレーザ光が取り出せなくなるため、高反射率化
には限界がある。この問題を解決するため、やに挙
げた方法が考えられ、以下順に説明する。

【０００５】まず、で挙げたエッチングにより活性層
の断面積を小さくする方法を用いて面発光半導体レーザ
を作成する方法について図１１（ａ）〜（ｃ）を参照し
ながら説明する。発振波長λ_osのレーザ光を生成する半
導体レーザとする。まず、図１１（ａ）に示すように、
ＧａＡｓ結晶からなり、（１００）面が表面に出ている
化合物半導体基板１上に低屈折率ｎ_L を有する膜厚λ_os
／（４ｎ_L）の化合物半導体層と、高屈折率ｎ_H を有す
る膜厚λ_os／（４ｎ_H ）の化合物半導体層とを交互に積
層し、複数層２を形成する。このとき、低屈折率ｎ_L を
有する層から積層しはじめ、最上層にも低屈折率ｎ_L を
有する層がくるようにする。

【０００６】次に、複数層２上にｎ型の化合物半導体層
３と、ノンドープの化合物半導体層４とｐ型の化合物半
導体層５とを順次積層する。次いで、ｐ型の化合物半導
体層５上に、最初と同様に、低屈折率ｎ_L を有する層か
ら積層しはじめ、最上層にも低屈折率ｎ_L を有する層が
くるようにして、屈折率が異なる層を交互に積層し、複
数層６を形成する。

【０００７】次に、図１１（ｂ）に示すように、複数層
６上にエッチングマスク７を形成し、エッチングマスク
７に従って複数層６と、化合物半導体層５，４及び３
と、複数層２をドライエッチングにより順次エッチング
し、除去する。このようにして形成されたメサ部８の形
状は、図１２（ａ），（ｂ）に示すように、円形或いは
正方形とされる。形成されたメサ部８の層のうち複数層
が多重のブラッグ反射を利用した分布反射鏡の機能を有
する反射層２ａ，６ａとなり、化合物半導体層がレーザ
光を生成する活性層４ａとなる。

【０００８】その後、図１１（ｃ）に示すように、反射
層６ａの上面にｐ側電極９を、化合物半導体基板１裏面
にｎ側電極１０をそれぞれ形成する。ｎ側電極１０には
レーザ光を出射させるための開口部１１が形成される。
また、図１３は、上記で挙げた別の従来例であり、図
１１（ｃ）のメサ部８の側面に絶縁膜１２を介して金膜
などの高反射膜１４を形成したものである。高反射膜１
４はメサ部８の上面に形成された絶縁膜１２の開口部１
３を通してメサ部８と接触し、ｐ側電極も兼ねている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、面発光半導
体レーザでは、しきい値電流をさらに低減するため活性
層４ａの断面積を小さくすることが要望されている。し
かし、上記図１１（ｃ）の面発光半導体レーザでは、メ
サ部８をエッチングにより形成しているので、活性層４
ａ及びその近傍の化合物半導体層３ａ，５ａの側面にエ
ッチングによる結晶欠陥等が生じる。このため、活性層
４ａ内での発光性再結合に対して活性層４ａ側面での非
発光性再結合が相対的に増える。

【００１０】さらに、メサ部８の幅が狭くなると、レー
ザ光の広がりによりメサ部８の側面での回折損失が増え
て光リサイクル効果が有効に働かなくなる。これらの理
由により、しきい値電流が思ったほど低減しないという
問題がある。また、図１３に示す面発光半導体レーザで
は、光リサイクル効果が有効に働くようになるが、依然
として活性層４ａ側面での非発光性再結合を防ぐことは
できず、十分に低いしきい値電流を得ることはできな
い。

【００１１】本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて
創作されたものであり、活性層側面での非発光性再結合
を抑制し、かつ光リサイクル効果を有効に働かせつつ、
活性層の断面積を小さくすることができる面発光半導体
レーザ及びその製造方法を提供するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題は、第１の発明
である、閃亜鉛鉱型構造を有する結晶からなり、該結晶
の（１１１）Ｂ面が出ている化合物半導体基板の表面に
絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に開口部を形成
し、該開口部内に前記化合物半導体基板の表面を露出す
る工程と、前記開口部内の化合物半導体基板の表面に、
活性層と反射層とを含む複数の化合物半導体層を、少な
くとも前記活性層の側面が（１１０）面であるように成
長する工程とを有することを特徴とする面発光半導体レ
ーザの製造方法によって解決され、第２の発明である、
前記開口部の平面形状は円形、楕円形又は多角形である
ことを特徴とする第１の発明に記載の面発光レーザの製
造方法によって解決され、第３の発明である、閃亜鉛鉱
型構造の結晶の（１１１）Ｂ面が表面に出ている化合物
半導体基板と、活性層と反射層とを有し、かつ前記活性
層の側面が（１１０）面となっている、前記化合物半導
体基板の表面に形成された凸状の多層とを有することを
特徴とする面発光半導体レーザによって解決され、第４
の発明である、前記閃亜鉛鉱型構造の結晶は、III-Ｖ族
の化合物半導体結晶であることを特徴とする第３の発明
に記載の面発光半導体レーザによって解決され、第５の
発明である、前記凸状の多層は正三角柱であることを特
徴とする第３の又は第４の発明に記載の面発光半導体レ
ーザによって解決され、第６の発明である、前記凸状の
多層は正六角柱であることを特徴とする第３の又は第４
の発明に記載の面発光半導体レーザによって解決され、
第７の発明である、前記活性層内の膜厚方向に垂直な面
内を一周する光の光路長は、前記上下の反射層間で共振
する光の発振波長の１／２の整数倍であることを特徴と
する第３乃至第６の発明のいずれかに記載の面発光半導
体レーザによって解決される。

【００１３】本発明によれば、閃亜鉛鉱型構造を有する
結晶からなり、その結晶の（１１１）Ｂ面が出た化合物
半導体基板の表面に絶縁膜の開口部を通して活性層と反
射層を含む複数の化合物半導体層を、少なくとも活性層
の側面が結晶の（１１０）面となるように成長してい
る。これにより、少なくとも活性層は化合物半導体基板
の面方位に従って選択成長されるため、エッチングによ
り形成した場合と異なり、活性層の側壁は±数原子層の
範囲内で垂直で、かつ鏡面になる。

【００１４】従って、電流により最初に注入されたキャ
リア対の再結合により活性層内で発生し、かつ平面方向
に移動する光が側壁で反射を受けたとき、活性層以外の
他の層の方向に散乱されないで、ほとんどがそのまま活
性層内に戻ってくる。このため、反射光を有効に光リサ
イクル効果に寄与させることができる。即ち、光は側壁
での反射の繰り返しにより活性層内に閉じ込められる。
その光は活性層内で再吸収されて新しいキャリア対を発
生させる。新しいキャリア対はさらに再結合してレーザ
光を発生させる。このレーザ光は、既に生じている上下
の反射層間の垂直方向の光共振に加えてその垂直方向の
光共振に寄与する。このように、電流の注入により最初
に活性層に注入されたキャリア対は有効にレーザ光の発
生に利用されることになり、しきい値電流の低減につな
がる。

【００１５】また、側面で全反射を繰り返しながら活性
層内を平面方向に一周したときのレーザ光の光路長が上
下の反射層間で共振する光の発振波長の１／２の整数倍
となっているので、垂直方向の共振波長と横方向の共振
波長とを一致させることができるため、光共振器内の自
然放出の多くをレーザ発振のモードとのみ結合させるこ
とが可能になり、著しいしきい値電流の低減を図ること
ができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。図２は実施の形態に係
る面発光半導体レーザについて示す斜視図であり、図３
は図２のＩ−Ｉ線断面図である。活性層とこれを挟む反
射層とが正三角柱の凸状の多層に形成されている。図５
は半導体基板の結晶構造を示す図である。

【００１７】本発明の実施の形態に係る面発光半導体レ
ーザは、図５に示す閃亜鉛鉱型構造を有する結晶からな
り、図２に示すように、その結晶の（１１１）Ｂ面が表
面に出ている化合物半導体基板２１上に、化合物半導体
層からなる凸状の多層２４が形成されている。化合物半
導体基板２１としてｎ型のＧａＡｓ基板を用いる。ま
た、凸状の多層２４は平面形状が正三角形の三角柱とな
っており、その側壁には、閃亜鉛鉱型構造を有する結晶
の（１１０）面がでている。このような構造の凸状の多
層は、エッチングにより作成することは困難であり、以
下に説明する化合物半導体基板２１の面方位に従った選
択成長によって形成されうるが、この場合、その側壁は
±数原子層の範囲内で化合物半導体基板２１の表面に垂
直で、かつ鏡面となる。

【００１８】凸状の多層２４は、活性層を含む層111
と、活性層を含む層111 を挟んでその上下に反射層DBR
1，DBR2が形成されている。活性層を含む層111 はn-Al
_0.5Ga_0.5As層103 と活性層104 とp-Al_0.5Ga_0.5As層105
とからなる。活性層104の上下のAl_0.5Ga_0.5As層103, 10
5は、活性層104 よりも禁止帯の幅が広くなるように原
子分率が調整され、この実施の形態の場合０．５として
いる。

【００１９】活性層を含む層111 の層厚ｄは、通常行わ
れるように、活性層を含む層111 を膜厚方向（垂直方
向）に導波するレーザ光の光路長ｎ₀ ｄが、 ｎ₀ ｄ＝λ_OS／２×ｍ₀ （１） ｎ₀ ：活性層を含む層111 の等価的な屈折率 λ_OS：発振波長 ｍ₀ ：正整数 を満たすように設定されている。このようにすること
で、上下の反射層DBR1，DBR2の間にレーザ光の発振波長
λ_OSに一致した垂直方向の共振器が形成される。

【００２０】活性層１０４の一例として量子井戸活性層
が用いられる。この量子井戸活性層では膜厚１０ｎｍの
ノンドープのGaAs層からなるバリア層と、膜厚８ｎｍの
ノンドープのIn_0.2Ga_0.8As層からなる井戸層とが交互に
２層ずつ積層され、最上層にGaAs層からなるバリア層が
積層されている。井戸層は、レーザ光の波長を調整する
ため、In_0.2Ga_0.8As層の原子分率が適宜調整される。こ
の実施の形態の場合、レーザ光の波長０．９８μｍが得
られるように原子分率を決めている。

【００２１】下側の反射層DBR1は、図６に示すように、
ほぼ２．９５の低屈折率（ｎ_L ）のｎ−ＡｌＡｓ層101
と、ほぼ３．５の高屈折率（ｎ_H ）のｎ−ＧａＡｓ層10
2 とを交互に１５層以上ずつ、好ましくは２２層ずつ積
層し、最上層に低屈折率のｎ−ＡｌＡｓ層101 がくるよ
うにする。低屈折率（ｎ_L ）のｎ−ＡｌＡｓ層101 と高
屈折率（ｎ_H ）のｎ−ＧａＡｓ層102 の膜厚をそれぞれ
λ_OS／（４×ｎ_L ），λ_OS／（４×ｎ_H ）とする。

【００２２】上側の反射層DBR2は、下側の反射層DBR1と
同様に、ほぼ２．９５の低屈折率（ｎ_L ）のｐ−ＡｌＡ
ｓ層101aと、ほぼ３．５の高屈折率（ｎ_H ）のｐ−Ｇａ
Ａｓ層102aとが交互に１５層以上ずつ、好ましくは２２
層ずつ積層され、最上層に低屈折率のｐ−ＡｌＡｓ層10
1aがくるようにする。低屈折率（ｎ_L ）のｐ−ＡｌＡｓ
層101aと高屈折率（ｎ_H ）のｐ−ＧａＡｓ層102aの膜厚
をそれぞれλ_OS／（４×ｎ_L ），λ_OS／（４×ｎ_H ）と
する。

【００２３】このようにすることで、上下の反射層DBR
1，DBR2は、それぞれ多重のブラッグ反射を利用した分
布反射鏡となる。さらに、上側の反射層DBR2の表面には
ｐ側電極２５が形成され、ＧａＡｓ基板２１の裏面には
ｎ側電極２６が形成されている。ｎ側電極２６には光を
取り出すための開口部２７が凸状の多層２４の下方に設
けられている。

【００２４】他の実施の形態として、活性層107 と上下
の反射層DBR3，DBR4とを含む凸状の多層３４が正六角柱
である面発光半導体レーザについて図４（ａ）、（ｂ）
に示す。図４（ａ）は面発光半導体レーザ全体を示す斜
視図、図４（ｂ）は図４（ａ）のII-II 線断面図であ
る。この場合も、凸状の多層３４が正六角柱であること
を除いて、図２及び図３の正三角柱の凸状の多層２４を
有する面発光半導体レーザと同じ化合物半導体層の積層
構造と、層厚と、材料の種類と、含有不純物濃度とを有
する。

【００２５】即ち、図５に示す閃亜鉛鉱型構造を有する
結晶からなり、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、その
結晶の（１１１）Ｂ面が表面に出ているｎ型の化合物半
導体基板３１上に、ｎ型の下側の反射層DBR3と、活性層
を含む層112 と、ｐ型の上側の反射層DBR4とからなる凸
状の多層３４が形成されている。図２及び図３の正三角
柱の凸状の多層２４を有する面発光半導体レーザと同じ
ように、凸状の多層３４の側壁は±数原子層の範囲内で
化合物半導体基板３１の表面に垂直で、かつ鏡面となっ
ている。

【００２６】活性層を含む層112 はn-Al_0.5Ga_0.5As層10
6 と活性層107 とp-Al_0.5Ga_0.5As層108 とからなる。さ
らに、上側の反射層DBR4の表面にはｐ側電極３５が形成
され、ＧａＡｓ基板３１の裏面にはｎ側電極３６が形成
されている。ｎ側電極３６には光を取り出すための開口
部３７が凸状の多層３４の下方に設けられている。

【００２７】上記の面発光半導体レーザによれば、電流
により最初に注入されたキャリア対の再結合により活性
層104, 107内で発生し、かつ平面方向に移動する光が側
壁で反射を受けたとき、活性層104, 107の側壁が垂直
で、かつ鏡面であるので、活性層104, 107以外の他の層
の方向に散乱されないで、ほとんどがそのまま活性層10
4, 107内に戻ってくる。このため、反射光を有効に光リ
サイクル効果に寄与させることができる。

【００２８】即ち、光は側壁での反射の繰り返しにより
活性層104, 107内に閉じ込められる。その光は活性層10
4, 107内で再吸収されて新しいキャリア対を発生させ
る。新しいキャリア対はさらに再結合してレーザ光を発
生させる。このレーザ光は、既に生じている上下の反射
層BRD1／BRD2又はBRD3／BRD4間の垂直方向の光共振に加
えてその垂直方向の光共振に寄与する。このように、電
流の注入により最初に活性層に注入されたキャリア対は
有効にレーザ光の発生に利用されることになり、しきい
値電流の低減につながる。

【００２９】また、凸状の多層２４の場合に、図８に示
すように、側壁で全反射を繰り返しながら活性層104 内
を平面方向に一周したときの光の光路長ｎ₂ Ｌが、 ｎ₂ Ｌ＝λ_OS／２×ｍ （２） ｎ₂ ：活性層の屈折率 Ｌ：活性層内で膜厚方向に垂直な面内を一周する光の真
空中の移動距離 λ_OS：上下の反射層間の共振器で決まる光の発振波長 ｍ：正整数 を満たすように、凸状の多層２４の平面形状である正三
角形の寸法を設定した場合には、以下のようにさらに著
しいしきい値電流の低減を図ることができる。

【００３０】ここで、側壁での全反射の条件は、空気中
の屈折率をｎ₁ とし、側壁への入射角をθとすると、ｎ
₂ ／ｎ₁ ＝１／ｓｉｎθである。ｍ＝１の場合が、側壁
で全反射を繰り返しながら活性層104 内を平面方向にレ
ーザ光が一周する最短の経路（基本のモード）で、凸状
の多層２４の平面形状である正三角形の各辺の中点を結
んでできる正三角形の３辺の全長に相当する。図８の一
点鎖線で示す。また、ｍ＝２の場合の真空中のレーザ光
の光路長Ｌ₂ を図８の点線で示す。

【００３１】即ち、上記の寸法設定により、図７に示す
ように、垂直方向の共振波長と横方向の共振波長とを一
致させることができるため、光共振器内の自然放出の多
くをレーザ発振のモードとのみ結合させることが可能に
なり、著しいしきい値電流の低減を図ることができる。
特に、図７の一点鎖線で示す利得特性に基づき、その共
振波長を最大の利得が得られる波長領域に設定すること
により、さらに著しいしきい値電流の低減が可能とな
る。

【００３２】なお、図４（ａ）に示すように凸状の多層
３４の平面形状が正六角形である場合、図９に示すよう
に、側壁で全反射を繰り返しながら活性層107 内を平面
方向に一周したときのレーザ光の光路長ｎ₂ Ｌも（２）
式で表され、ｍ＝１の場合の真空中のレーザ光の最短の
光路長Ｌ₃ を図９の点線で示す。この場合も、（２）式
を満たすように、凸状の多層３４の正六角柱の寸法を設
定することで、上記と同様に、縦方向の共振波長と横方
向の共振波長とを一致させることができる。ここで、図
９は側壁で全反射を繰り返しながら活性層107 内を平面
方向にレーザ光が一周する典型的な経路を示す。

【００３３】上記の凸状の多層２４，３４の形状及び寸
法は、以下に説明する結晶成長の選択成長を用いること
により、正確に作成することができる。その結晶の選択
成長を簡単に説明すると、閃亜鉛鉱型構造を有する結晶
からなり、表面に（１１１）Ｂ面が出ている化合物半導
体基板２１，３１上に開口部２３，３３を有する絶縁膜
２２，３２を形成し、その後、有機金属気相成長法（MO
CVD 法）を用いてその開口部２３，３３を通して化合物
半導体基板２１，３１上に化合物半導体層を連続成長
し、活性層104, 107と上下の反射層とを含む凸状の多層
２４，３４を形成するものである。

【００３４】このとき、成膜条件、特に各成膜ガスの流
量比と温度とＡｓ含有ガスの圧力等により、凸状の多層
２４，３４の形状が決まり、開口部２３，３３の寸法に
より凸状の多層２４，３４の寸法が決まる。例えば、開
口部２３の平面形状が半径ｒの真円とすると、開口部２
３に内接する正三角形の場合、図１０（ａ）に示すよう
に、開口部２３の半径ｒを、 ｒ＝２Ｌ₁ ／（３√３）＝λ_OS／（３√３×ｎ₂ ） （３） のように設定する。また、開口部３３に内接する正六角
形の場合、図９に示すように、開口部２３の半径ｒを、 ｒ＝Ｌ₃ ／（３√３）＝λ_OS／（６√３×ｎ₂ ） （４） のように設定する。

【００３５】次に、本発明の実施の形態に係る面発光半
導体レーザの作成方法について図１（ａ），（ｂ），図
２及び図３を参照しながら説明する。図１（ａ），
（ｂ），図２は斜視図であり、図３は、図２のＩ−Ｉ線
断面図である。活性層104 とこれを挟む上下の反射層DB
R1，DBR2とが正三角柱の凸状の多層２４に形成される場
合について説明する。

【００３６】なお、図４（ａ），（ｂ）の正六角柱の凸
状の多層３４の場合も、以下に示す成膜条件を除いて、
正三角柱の凸状の多層２４の場合と同様な条件とするこ
とができる。まず、図１（ａ）に示すように、（１１
１）Ｂ面が表面に出ているｎ型のＧａＡｓ基板（化合物
半導体基板）２１を準備する。ｎ型のＧａＡｓ基板２１
は、厚さ３００μｍを有し、濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳ
ｉを含有している。

【００３７】次いで、このＧａＡｓ基板２１の表面に膜
厚２００ｎｍのＳｉＯ₂ 膜（絶縁膜）２２を形成する。
続いて、円形の開口部を有する不図示のレジストマスク
をＳｉＯ₂ 膜２２上に形成した後、弗酸系のエッチング
液を用い、レジストマスクに従ってＳｉＯ₂ 膜２２をエ
ッチングし、除去する。これにより、ＳｉＯ₂ 膜２２に
半径ｒの円形の開口部２３を形成し、該開口部２３内に
ＧａＡｓ基板２１を表出する。正三角柱の凸状の多層２
４を形成しようとする場合、開口部２３の半径ｒを式
（３）で導かれる値とする。一方、正六角柱の凸状の多
層３４を形成しようとする場合、開口部３３の半径ｒを
式（４）で導かれる値とする。実施の形態の場合、例え
ば、直径２ｒで１０μｍ程度から数十μｍとする。

【００３８】次に、図１（ｂ）に示すように、開口部２
３を通してＧａＡｓ基板２１の表面に、第１の化合物半
導体層103 と活性層104 と第２の化合物半導体層105 か
らなる活性層を含む層111 と、この活性層を含む層１１
１を挟む上下の反射層DBR1，DBR2とをＭＯＣＶＤ法を用
いて連続成長する。即ち、まずＳｉＯ₂ 膜２２の開口部
２３を通してＧａＡｓ基板２１上に下の反射層DBR1を形
成する。この場合、反射層DBR1は低屈折率（ｎ_L ）のｎ
−ＡｌＡｓ層101 と高屈折率（ｎ_H ）のｎ−ＧａＡｓ層
102 とを交互に２２層ずつ積層し、最後に低屈折率のｎ
−ＡｌＡｓ層101 を積層する。濃度２×１０¹⁸ｃｍのＳ
ｉを含有し、膜厚をそれぞれλ_OS／（４×ｎ_L ），λ_OS
／（４×ｎ_H ）とする。このとき、反応ガスとしてトリ
メチルアルミニウム（ＴＭＡ）とアルシン（ＡｓＨ₃）
とシリコン含有ガスとの混合ガス、及びトリメチルガリ
ウム（ＴＭＧ）とＡｓＨ₃ とシリコン含有ガスとの混合
ガスをそれぞれ用い、選択成長が起こるような条件、例
えば少なくともＡｓＨ₃ の分圧を２×１０^-3atm とし、
かつ成膜温度を７５０℃とすることで、ＧａＡｓ基板２
１表面の面方位に従って正三角柱の層が成長する。その
層の側壁の表面には（１１０）面がでて、かつその層の
側壁は±数原子層の範囲内でＧａＡｓ基板２１の表面に
垂直となる。なお、正六角柱の層とする場合、上記と同
じ混合ガスを用い、選択成長が起こるような条件、例え
ば少なくともＡｓＨ₃ の分圧を３×１０^-4atm とし、か
つ成膜温度を７２０℃とする。

【００３９】次いで、最上層のｎ−ＡｌＡｓ層101 上に
膜厚１３８ｎｍを有し、濃度５×１０¹⁷ｃｍのＳｉを含
有するn-Al_0.5Ga_0.5As層103 を形成する。このとき、Ｔ
ＭＡとＴＭＧとＡｓＨ₃ とシリコン含有ガスとの混合ガ
スを用い、選択成長が起こるような条件、例えば少なく
ともＡｓＨ₃ の分圧を２×１０^-3atm とし、かつ成膜温
度を７５０℃とする。なお、正六角柱の層とする場合、
同じ混合ガスを用い、選択成長が起こるような条件、例
えば少なくともＡｓＨ₃ の分圧を３×１０^-4atm とし、
かつ成膜温度を７２０℃とする。

【００４０】次に、n-Al_0.5Ga_0.5As層103 上に活性層10
4 を形成する。この活性層104 として、量子井戸活性層
を形成するため、膜厚１０ｎｍのノンドープのGaAs層か
らなるバリア層と、膜厚８ｎｍのノンドープのIn_0.2Ga
_0.8As層からなる井戸層とを交互に２層ずつ堆積し、最
後にバリア層を堆積する。このとき、ＴＭＡとＴＭＧと
ＡｓＨ₃ とシリコン含有ガスとの混合ガスを用い、選択
成長が起こるような条件、例えば少なくともＡｓＨ₃ の
分圧を２×１０^-3atm とし、かつ成膜温度を７５０℃と
する。なお、正六角柱の層とする場合、同じ混合ガスを
用い、選択成長が起こるような条件、例えば少なくとも
ＡｓＨ₃ の分圧を３×１０^-4atm とし、かつ成膜温度を
７２０℃とする。

【００４１】次いで、活性層104 上に膜厚１３８ｎｍを
有し、濃度５×１０¹⁷ｃｍの亜鉛（Ｚｎ）を含有するp-
Al_0.5Ga_0.5As層105 を形成する。このとき、ＴＭＡとＴ
ＭＧとＡｓＨ₃ と亜鉛含有ガスとの混合ガスを用い、選
択成長が起こるような条件、例えば少なくともＡｓＨ₃
の分圧を２×１０^-3atm とし、かつ成膜温度を７５０℃
とする。なお、正六角柱の層とする場合、同じ混合ガス
を用い、選択成長が起こるような条件、例えば少なくと
もＡｓＨ₃ の分圧を３×１０^-4atm とし、かつ成膜温度
を７２０℃とする。

【００４２】以上により、膜厚３０４ｎｍの活性層を含
む層111 が形成される。次に、p-Al_0.5Ga_0.5As層１０５
上に反射層DBR2を形成する。この場合、反射層DBR2は、
下の反射層DBR1と同様に、低屈折率（ｎ_L ）のｐ−Ａｌ
Ａｓ層101aと高屈折率（ｎ_H ）のｐ−ＧａＡｓ層102aと
を交互に２２層ずつ積層し、最後に低屈折率のｐ−Ａｌ
Ａｓ層101aがくるようにする。濃度２×１０¹⁸ｃｍのＺ
ｎを含有し、膜厚をそれぞれλ_OS／（４×ｎ_L ），λ_OS
／（４×ｎ_H ）とする。このとき、反応ガスとしてＴＭ
ＡとＡｓＨ₃ と亜鉛含有ガスとの混合ガス、及びＴＭＧ
とＡｓＨ₃ と亜鉛含有ガスとの混合ガスをそれぞれ用
い、選択成長が起こるような条件、例えば少なくともＡ
ｓＨ₃ の分圧を２×１０^-3atm とし、かつ成膜温度を７
５０℃とする。なお、正六角柱の層とする場合、上記と
同じ混合ガスを用い、選択成長が起こるような条件、例
えば少なくともＡｓＨ₃ の分圧を３×１０^-4atm とし、
かつ成膜温度を７２０℃とする。

【００４３】以上により、正三角柱の凸状の多層２４が
形成される。この凸状の多層２４の側壁には閃亜鉛鉱型
構造の結晶の（１１０）面が出て、側壁は±数原子層の
範囲でＧａＡｓ基板２１の表面に垂直で、かつ鏡面とな
る。このため、光に対する反射率が極めて高くなる。な
お、ドライエッチングやウエットエッチングにより形成
した場合では、側壁面に凹凸が生じたり、側壁がＧａＡ
ｓ基板２１の表面に対して傾いたりして、反射率が低下
したり、側壁での反射光が活性層104 以外の領域に散乱
されたりする。

【００４４】次いで、図２に示すように、最上層のｎ−
ＡｌＡｓ層101a上にリフトオフ法等により平面形状が三
角形のAu膜／Zn膜／Au膜の３層からなるｐ側電極２５を
形成する。続いて、ＧａＡｓ基板２１の裏面にAuGe膜／
Au膜の２層からなるｎ側電極２６を形成する。このと
き、凸状の多層２４の下側に当たるところにレーザ光を
取り出すための開口部２７を設ける。

【００４５】以上のように、本発明の実施の形態に係る
面発光半導体レーザにおいては、閃亜鉛鉱型構造を有す
る結晶からなり、その結晶の（１１１）Ｂ面が出たＧａ
Ａｓ基板２１の表面にＳｉＯ₂ 膜２２の開口部２３を通
して活性層104 と反射層DBR1，DBR2を含む複数の化合物
半導体層を、少なくとも活性層104 の側面が結晶の（１
１０）面となるように成長している。

【００４６】これにより、少なくとも活性層104 はＧａ
Ａｓ基板２１の面方位に従って選択成長されるため、エ
ッチングにより形成した場合と異なり、活性層104 の側
壁は±数原子層の範囲内で垂直で、かつ鏡面になる。従
って、電流により最初に注入されたキャリア対の再結合
により活性層104 内で発生し、かつ平面方向に移動する
光が側壁で反射を受けたとき、活性層104 以外の他の層
103 ，105 の方向に散乱されないで、ほとんどがそのま
ま活性層104内に戻ってくる。このため、反射光を有効
に光リサイクル効果に寄与させることができる。

【００４７】また、半径ｒが（３）式を満たすようにＳ
ｉＯ₂ 膜２２の円形の開口部２３を形成している。従っ
て、その開口部２３内に選択成長された凸状の多層２３
は、側壁で全反射を繰り返しながら活性層104 を平面方
向に一周したときの光の光路長ｎ₂ Ｌが（２）式を満た
すので、縦方向の共振波長と横方向の共振波長とを一致
させることができる。このため、光共振器内の自然放出
の多くをレーザ発振のモードとのみ結合させることが可
能になり、さらに著しいしきい値電流の低減を図ること
ができる。

【００４８】なお、正六角柱の凸状の多層３４を形成し
た場合も、上記と同様な作用効果が得られる。上記製造
方法では、ＳｉＯ₂ 膜２２，３２の開口部２３，３３を
円形としているが、図１０（ｂ）や（ｃ）に示すよう
に、楕円形や四角形をはじめとする多角形とすることも
可能である。

【００４９】さらに、上記の装置及び製造方法では、閃
亜鉛鉱型構造の半導体基板としてIII-Ｖ族のＧａＡｓ基
板２１，３１を用いているが、ＩｎＰその他の二元結晶
や、InGaAsその他三元以上の混晶を用いてもよい。又は
II-VI 族の二元結晶や三元以上の混晶を用いてもよい。
また、反射層DBR1，DBR2，DBR3，DBR4として低屈折率の
化合物半導体層と高屈折率の化合物半導体層を一組とす
る複数組の積層を用いているが、半導体層と絶縁層、例
えばＳｉ層（屈折率３．６）とアルミナ層（屈折率１．
７）又はシリコン酸化膜（屈折率１．５）を一組とする
複数組の積層を用いてもよい。一般に後者の方が屈折率
差が大きいので、反射層の積層数を大幅に減らすことが
できる。

【００５０】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、閃亜鉛
鉱型構造を有する結晶からなり、その結晶の（１１１）
Ｂ面が出た化合物半導体基板の表面に絶縁膜の開口部を
通して活性層と反射層を含む複数の化合物半導体層を、
少なくとも活性層の側面が結晶の（１１０）面となるよ
うに成長している。

【００５１】これにより、活性層を含む凸状の多層は、
化合物半導体基板の面方位に従って選択成長されるた
め、エッチングにより形成した場合と異なり、凸状の多
層の側壁、即ち活性層の側壁は数原子層の範囲内で垂直
で、かつ鏡面になる。このため、電流により最初に注入
されたキャリア対の再結合により活性層内で発生し、か
つ平面方向に移動する光が側壁で反射を受けたとき、活
性層以外の他の層の方向に散乱されないで、ほとんどが
そのまま活性層内に戻ってくる。

【００５２】これにより、反射光を有効に光リサイクル
効果に寄与させることができるので、大幅にしきい値電
流の低減を図ることができる。また、凸状の多層の平面
形状の寸法を調整することにより、側壁で全反射を繰り
返しながら活性層内を平面方向に一周するレーザ光の横
方向の共振波長と上下の反射層間を導波するレーザ光の
垂直方向の共振波長とを一致させているので、光共振器
内の自然放出の多くをレーザ発振のモードとのみ結合さ
せることが可能になり、さらに著しいしきい値電流の低
減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態に
係る面発光半導体レーザの製造方法について示す斜視図
（その１）である。

【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る面発光半導
体レーザの製造方法について示す斜視図（その２）であ
る。

【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る面発光半導
体レーザについて示す図２のＩ−Ｉ線断面図である。

【図４】図４（ａ）は、本発明の他の実施の形態に係る
面発光半導体レーザについて示す斜視図である。図４
（ｂ）は、図４（ａ）のII−II線断面図である。

【図５】図５は、本発明の実施の形態に係る面発光半導
体レーザに用いられる化合物半導体基板の結晶構造図で
ある。

【図６】図６は、図２に示す面発光半導体レーザにおけ
る凸状の多層部分の拡大断面図である。

【図７】図７は、図２に示す面発光半導体レーザの共振
器の特性について示す図である。

【図８】図８は、図２に示す面発光半導体レーザの横方
向の共振器について示す平面図である。

【図９】図９は、図４に示す面発光半導体レーザの横方
向の共振器について示す平面図である。

【図１０】図１０（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形
態に係る面発光半導体レーザの凸状の多層を選択成長さ
せるための絶縁膜の開口部の形状について示す上面図で
ある。

【図１１】図１１（ａ）〜（ｃ）は、従来例に係る面発
光半導体レーザの製造方法について示す断面図である。

【図１２】図１２（ａ），（ｂ）は、従来例に係る面発
光半導体レーザの凸状の多層の形状について示す上面図
である。

【図１３】図１３は、他の従来例に係る面発光半導体レ
ーザについて示す断面図である。

【符号の説明】

２１，３１ ＧａＡｓ基板（化合物半導体基板）、 ２２，３２ ＳｉＯ₂ 膜、 ２３，３３，２７，３７ 開口部、 ２４，３４ 凸状の多層、 ２５，３５ ｐ側電極、 ２６，３６ ｎ側電極、 １０１ ｎ−ＡｌＡｓ、 １０１ａ ｐ−ＡｌＡｓ、 １０２ ｎ−ＧａＡｓ、 １０２ａ ｐ−ＧａＡｓ、 １０３，１０６ n-Al_0.5Ga_0.5As層、 １０４，１０７ 活性層、 １０５，１０８ p-Al_0.5Ga_0.5As層、 １１１，１１２ 活性層を含む層、 ＤＢＲ１，ＤＢＲ３ 下側の反射層、 ＤＢＲ２，ＤＢＲ４ 上側の反射層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤井 卓也 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 閃亜鉛鉱型構造を有する結晶からなり、
   該結晶の（１１１）Ｂ面が出ている化合物半導体基板の
   表面に絶縁膜を形成する工程と、 前記絶縁膜に開口部を形成し、該開口部内に前記化合物
   半導体基板の表面を露出する工程と、 前記開口部内の化合物半導体基板の表面に、活性層と反
   射層とを含む複数の化合物半導体層を、少なくとも前記
   活性層の側面が（１１０）面であるように成長する工程
   とを有することを特徴とする面発光半導体レーザの製造
   方法。
2. 【請求項２】 前記開口部の平面形状は円形、楕円形又
   は多角形であることを特徴とする請求項１に記載の面発
   光レーザの製造方法。
3. 【請求項３】 閃亜鉛鉱型構造の結晶の（１１１）Ｂ面
   が表面に出ている化合物半導体基板と、 活性層と反射層とを有し、かつ前記活性層の側面が（１
   １０）面となっている、前記化合物半導体基板の表面に
   形成された凸状の多層とを有することを特徴とする面発
   光半導体レーザ。
4. 【請求項４】 前記閃亜鉛鉱型構造の結晶は、III-Ｖ族
   の化合物半導体結晶であることを特徴とする請求項３に
   記載の面発光半導体レーザ。
5. 【請求項５】 前記凸状の多層は正三角柱であることを
   特徴とする請求項３又は請求項４に記載の面発光半導体
   レーザ。
6. 【請求項６】 前記凸状の多層は正六角柱であることを
   特徴とする請求項３又は請求項４に記載の面発光半導体
   レーザ。
7. 【請求項７】 前記活性層内の膜厚方向に垂直な面内を
   一周する光の光路長は、前記上下の反射層間で共振する
   光の発振波長の１／２の整数倍であることを特徴とする
   請求項３乃至請求項６のいずれかに記載の面発光半導体
   レーザ。