JPH1027937A

JPH1027937A - 面発光型半導体レーザ装置およびその製造方法

Info

Publication number: JPH1027937A
Application number: JP8180932A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Ueki; 伸明植木; Hideo Nakayama; 秀生中山; Hiroki Otoma; 広己乙間; Masachika Yamamoto; 将央山本
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1996-07-10
Filing date: 1996-07-10
Publication date: 1998-01-27
Anticipated expiration: 2016-07-10
Also published as: JP3840696B2

Abstract

(57)【要約】【課題】光出力特性に特段の影響を与えることなく、
横モードを安定させながら、偏波面を安定に維持するこ
とのできる、面発光型半導体レーザを提供する。【解決手段】本発明の第１の特徴は、半導体基板１上
で活性層４が上部及び下部の半導体多層反射膜２、７に
より挟まれ、少なくとも前記上部半導体多層反射膜７を
加工してなる２組の対称面をもつ半導体柱を有し、基板
と垂直方向に光を放出する面発光型半導体レーザ装置に
おいて、前記半導体柱の前記２組の対称面における電流
および光閉じこめの方法が、互いに異なるように構成さ
れ、出射光に対する反射率が互いに異なるように構成し
たことにある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光情報処理、光通
信あるいは光を用いた画像形成装置の光源として用いら
れる面発光型半導体レーザ装置及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】基板に対して垂直方向に、共振器が形成
された面発光型半導体レーザにおいては、水平方向の構
造的な対称性から偏波面の方向が一意的に決まらないと
いう問題があった。また、プロセス上のむらのため構造
的な非対称性が発生して素子間での偏波面の方向にばら
つきを生じたり、あるいは同一の素子においても環境温
度や注入電流量の変化により、偏波面の方向が時間的に
変動するという問題があった。

【０００３】これに対し、発光面の点対称性をなくすこ
と、具体的には発光面の断面形状を矩形若しくは楕円形
状にすることで、偏波面の制御を行うようにした面発光
型半導体レーザも提案されている（特開平４ー１４４１
８３）。この半導体レーザは、図１４(a)および(b)に示
すように、光共振器の断面形状を楕円形にし、偏波面を
特定の方向に規定する。この面発光型半導体レーザは、
ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上にｎ型下部反射膜１０２、ｎ
型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓスぺーサ層１０３、ＧａＡｓ活性
層１０４、ｐ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓスぺーサ層１０５
と、ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ電流通路層１０６と、ｐ
型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓコンタクト層１０７との各層が順
次積層されており、活性層の周囲はｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5
Ａｓ埋めこみ層１０８及びｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ埋め
こみ層１０９により埋めこまれている。誘電体多層膜か
らなる上部反射膜１１０はＧａＡｓ活性層１０４を覆う
ように形成されており、同時に成膜された誘電体多層膜
の一部は電流ブロック層１１４として使用される。ｎ型
電極１１１は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面に形成さ
れている。また、ｐ側電極１１２は、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ
_0.9Ａｓコンタクト層１０７の上部、電流ブロック層１
１４の上部、上部反射膜１１０の周りに形成される。レ
ーザ光１１３はｎ型ＧａＡｓ基板１０１に対して垂直方
向に、上部反射膜１１０を透過して出射される。図１４
（ｂ）から分かるように、レーザ出射面側からみた光共
振器の断面形状は楕円型をしており、点線で示すような
２組の対称面１１５、１１６を持っている。このように
光共振器をレーザ光の出射方向からみたとき、長軸及び
短軸を持つようにしたことで、この２軸方向の屈折率分
布に差を設け、偏波面の方向を任意の１方向、すなわち
長軸１１５に平行な方向に直線偏光したレーザ光を得る
ことが出来たとしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な構造の面発光型レーザを製造するに際しては結晶再成
長を必要とするなど複雑で手間がかかり、素子の歩留ま
りや信頼性に影響が懸念される。又、活性領域と上部反
射膜とは正確な位置合わせが必要であり、ずれると発振
特性が低下するという問題がある。この問題を避けるた
め上部反射膜の面積を活性領域に比較して大きくするこ
とが考えられる。しかしながらその場合コンタクト層の
面積を更に広くする必要があり、活性層への均一な電流
注入が難しくなリ、レーザ特性を劣化するおそれがあ
る。

【０００５】本発明は、前記実情に鑑みてなされたもの
で、製造が容易で再現性が高くかつレーザ特性を劣化さ
せることなく偏波面制御を行うことのできる、面発光型
半導体レーザを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そこで本発明の第１の特
徴は、半導体基板上で活性層が上部及び下部の半導体多
層反射膜により挟まれ、少なくとも前記上部半導体多層
反射膜を加工してなる２組の対称面をもつ半導体柱を有
し、基板と垂直方向に光を放出する面発光型半導体レー
ザ装置において、前記半導体柱の前記２組の対称面にお
ける電流および光閉じこめの方法が、互いに異なるよう
に構成されていることにある。

【０００７】本発明の第２の特徴は、半導体基板上で活
性層が上部及び下部の半導体多層反射膜により挟まれ、
少なくとも前記上部半導体多層反射膜を加工してなる２
組の対称面をもつ半導体柱を有し、基板と垂直方向に光
を放出する面発光型半導体レーザ装置において、前記半
導体柱の前記２組の対称面における対称軸方向の反射率
分布が、互いに異なるように構成されていることにあ
る。

【０００８】ここで反射率分布としたが、反射率分布ま
たは屈折率分布が異なるようにすれば良い。

【０００９】本発明の第３の特徴は、半導体基板上に下
部半導体多層反射膜と、下部スぺーサ層と、活性層と、
上部スペーサ層と、上部多半導体多層反射膜とを順次積
層すると共に、前記下部スペーサ層あるいは上部スペー
サ層と活性層との間にアルミニウム砒素層若しくはアル
ミニウムガリウム砒素層からなる挿入層を介在させるよ
うに積層する積層工程と、前記挿入層を断面に露呈せし
めるように、少なくとも前記上部半導体多層反射膜の一
部を選択的に除去し、ストライプ型のメサ構造を形成す
る工程と、前記ストライプ型メサ構造の底部から不純物
元素を拡散させることにより前記活性層の一部を無秩序
化する工程と、前記ストライプ型メサ構造の無秩序化さ
れた面に垂直な方向に前記ストライプ型メサ構造の一部
を除去するように切断して半導体柱を形成する工程と、
前記半導体柱側面から露呈する挿入層を選択的にエッチ
ング除去する工程を含むことにある。

【００１０】本発明の第４の特徴は、半導体基板上に下
部半導体多層反射膜と、下部スぺーサ層と、活性層と、
上部スペーサ層と、上部多半導体多層反射膜とを順次積
層すると共に、前記下部スペーサ層あるいは上部スペー
サ層と活性層との間にアルミニウム砒素層若しくはアル
ミニウムガリウム砒素層からなる挿入層を介在させるよ
うに積層する積層工程と、前記挿入層を断面に露呈せし
めるように、少なくとも前記上部半導体多層反射膜の一
部を選択的に除去し、ストライプ型のメサ構造を形成す
る工程と、前記ストライプ型メサ構造の底部から不純物
元素を拡散させることにより前記活性層の一部を無秩序
化する工程と、前記ストライプ型メサ構造の無秩序化さ
れた面に垂直な方向に前記ストライプ型メサ構造の一部
を除去するように切断して半導体柱を形成する工程と、
前記半導体柱側面から露呈する挿入層を選択的に酸化す
る工程を含むことにある。

【００１１】本発明の第５の特徴は、半導体基板上に下
部半導体多層反射膜と、下部スぺーサ層と、活性層と、
上部スペーサ層と、上部多半導体多層反射膜とを順次積
層すると共に、前記下部スペーサ層および上部スペーサ
層と活性層との間にアルミニウム砒素層若しくはアルミ
ニウムガリウム砒素層からなる挿入層を介在させるよう
に積層する積層工程と、前記挿入層を共に断面に露呈せ
しめるように、少なくとも前記下部スペーサ層表面まで
前記各層を上方から順次選択的に除去し、ストライプ型
のメサ構造を形成する工程と、前記ストライプ型メサ構
造の底部から不純物元素を拡散させることにより前記活
性層の一部を無秩序化する工程と、前記ストライプ型メ
サ構造の無秩序化された面に垂直な方向に前記ストライ
プ型メサ構造の一部を除去するように切断して半導体柱
を形成する工程と、前記半導体柱側面から露呈する挿入
層を選択的にエッチング除去する工程を含むことにあ
る。

【００１２】本発明の第６の特徴は、半導体基板上に下
部半導体多層反射膜と、下部スぺーサ層と、活性層と、
上部スペーサ層と、上部多半導体多層反射膜とを順次積
層すると共に、前記下部スペーサ層および上部スペーサ
層と活性層との間にアルミニウム砒素層若しくはアルミ
ニウムガリウム砒素層からなる挿入層を介在させるよう
に積層する積層工程と、前記挿入層を共に断面に露呈せ
しめるように、少なくとも前記下部スペーサ層表面まで
前記各層を上方から順次選択的に除去し、ストライプ型
のメサ構造を形成する工程と、前記ストライプ型メサ構
造の底部から不純物元素を拡散させることにより前記活
性層の一部を無秩序化する工程と、前記ストライプ型メ
サ構造の無秩序化された面に垂直な方向に前記ストライ
プ型メサ構造の一部を除去するように切断して半導体柱
を形成する工程と、前記半導体柱側面から露呈する挿入
層を選択的に酸化する工程を含むことにある。

【００１３】本発明の第７の特徴は、半導体基板上に下
部半導体多層反射膜と、下部スぺーサ層と、活性層と、
上部スペーサ層と、上部多半導体多層反射膜とを順次積
層すると共に、前記下部スペーサ層あるいは上部スペー
サ層と活性層との間にアルミニウム砒素層若しくはアル
ミニウムガリウム砒素層からなる挿入層を介在させるよ
うに積層する積層工程と、前記挿入層を断面に露呈せし
めるように、少なくとも前記上部半導体多層反射膜の一
部を選択的に除去し、ストライプ型のメサ構造を形成す
る工程と、前記ストライプ型メサ構造のストライプに沿
った側面に露呈する前記挿入層を選択的にエッチングす
る工程と、前記ストライプ型メサ構造の前記ストライプ
面に垂直な方向に前記ストライプ型メサ構造の一部を除
去するように切断して半導体柱を形成する工程と、前記
半導体柱側面から露呈する挿入層を選択的に酸化する工
程を含むことにある。

【００１４】本発明の第８の特徴は、半導体基板上に下
部半導体多層反射膜と、下部スぺーサ層と、活性層と、
上部スペーサ層と、上部多半導体多層反射膜とを順次積
層すると共に、前記下部スペーサ層および上部スペーサ
層と活性層との間にアルミニウム砒素層若しくはアルミ
ニウムガリウム砒素層からなる挿入層を介在させるよう
に積層する積層工程と、前記挿入層を共に断面に露呈せ
しめるように、少なくとも前記下部スペーサ層表面まで
前記各層を上方から順次選択的に除去し、ストライプ型
のメサ構造を形成する工程と、前記ストライプ型メサ構
造のストライプに沿った側面に露呈する前記挿入層を選
択的にエッチングする工程と、前記ストライプ型メサ構
造の前記ストライプ面に垂直な方向に前記ストライプ型
メサ構造の一部を除去するように切断して半導体柱を形
成する工程と、前記半導体柱側面から露呈する挿入層を
選択的に酸化する工程を含むことにある。

【００１５】本発明の第９の特徴は、半導体基板上に下
部半導体多層反射膜と、下部スぺーサ層と、活性層と、
上部スペーサ層と、上部多半導体多層反射膜とを順次積
層する積層工程と、少なくとも前記上部半導体多層反射
膜の一部を選択的に除去し、ストライプ型のメサ構造を
形成する工程と、前記ストライプ型メサ構造のストライ
プに沿った側面に露呈する前記活性層に第１の不純物元
素を拡散させる第１の拡散工程と、前記ストライプ型メ
サ構造の一部を除去するように切断して半導体柱を形成
する工程と、前記ストライプ型メサ構造の前記ストライ
プ面に垂直な方向に前記半導体柱側面から第２の不純物
元素を拡散させる第２の拡散工程とを含み、前記第１お
よび第２の拡散工程は、不純物の種類または濃度または
その拡散長が各対称軸方向で互いに異なるように設定さ
れていることにある。

【００１６】本発明によれば、半導体基板に対して垂直
な方向からみた光共振器の断面形状が仮想的な２つの対
称軸をもち、各々の方向の電流および光閉じこめの方法
を異なるようにしたことで、それぞれの軸方向で反射率
分布若しくは屈折率分布が異なるようにしているため、
より反射率差若しくは屈折率差の小さい方向に偏波面を
安定化させることができる。またその方法は簡便で再現
性が高く、レーザ特性を劣化させるおそれもない。

【００１７】また、光偏波面を制御するために反射率を
変化させる部位をメサ構造と一致させるのではなく、メ
サ部よりも内側に設け、高効率の電流狭窄のために供す
ると共に、発生する熱を比較的体積の大きいメサ構造部
に放熱するようにしているため、横モードを安定させな
がら、偏波面を制御し、しきい値電流の低減をはかると
ともに、熱による光出力特性の劣化を防ぐことができ
る。

【００１８】

【実施例】以下、本発明について、図面を参照しつつ説
明する。

【００１９】図１（ａ）（ｂ）および（ｃ）は本発明の
第１の実施例の面発光型半導体レーザ装置の上面図、そ
のＡ−Ａ’断面図およびそのＢ−Ｂ’断面図である。

【００２０】この面発光型半導体レーザ装置は、ｎ型ガ
リウムヒ素（ＧａＡｓ）基板１上に形成されたｎ型Ａｌ
_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下部半導体多層反
射膜２と、アンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓからなる下
部スペーサ層３と、この下部スペーサ層３上に形成され
たアンドープのＡｌ_0.11Ｇａ_0.89量子井戸層とアンドー
プのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ障壁層とからなる量子井戸活性
層４と、アンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓからなる上部
スペーサ層５と、ｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／Ａｌ_0.3Ｇ
ａ_0.7Ａｓ上部半導体多層反射膜７と、ｐ型ＧａＡｓコ
ンタクト層８が順次積層せしめられ、上部スペーサ層５
が露呈する深さまで、上部半導体多層反射膜７とｐ型Ｇ
ａＡｓコンタクト層８のみが発光領域の上方を除いてエ
ッチング除去され、角柱状の光制御領域９が形成されて
いる。そしてここで上部半導体多層反射膜７の最下層に
挿入層としてのｐ型のＡｌＡｓ層６が介在せしめられて
いる。そしてこの角柱状の光制御領域９の側面に露出し
たＡｌＡｓ層６は一方の面が選択酸化技術を用いて角柱
の内方に選択的に酸化せしめられ、酸化領域１４により
電流狭窄がなされ、もう一方の対称面は不純物拡散を用
いた無秩序化により混晶化領域１３を形成し電流狭窄が
なされており、これら酸化領域１４および混晶化領域１
３に囲まれた領域が電流通路１０を構成する。そして表
面にはＣｒ／Ａｕからなるｐ側電極１１が環状をなすよ
うに形成されるとともに、基板裏面にはＡｕ−Ｇｅ／Ａ
ｕからなるｎ側電極１２が形成されている。

【００２１】ここでｎ型下部半導体多層反射膜２は、ｎ
型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とｎ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3ＡｓＧａ
Ａｓ層とをそれぞれ膜厚λ／（４ｎ_r）（λ：発振波
長，ｎ_r：屈折率）で約４０．５周期積層することによ
って形成されたもので、シリコン濃度は２×１０¹⁸ｃ
ｍ^ー3である。下部スペーサ層３は、アンドープのＡｌ
_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層から構成され、また、量子井戸活性層
４は、アンドープのＡｌ_0.11Ｇａ_0.89量子井戸層（膜
厚８ｎｍ×３）とアンドープのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ障壁
層（膜厚５ｎｍ×４）との組み合わせ、上部スペーサ層
５はアンドープＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓから構成されてお
り、膜厚は全体でλ／ｎ_rの整数倍とする。ｐ型のＡｌ
Ａｓ層６、は膜厚λ／（４ｎ_r）で、カーボン濃度は３
×１０¹⁸ｃｍ^ー3である。また、上部半導体多層反射膜７
は、ｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層とｐ型Ａｌ₀ _.7Ｇａ_0.3
ＡｓＧａＡｓ層とをそれぞれ膜厚 λ／（４ｎ_r）（λ：
発振波長，ｎ_r：屈折率）で交互に３０周期積層するこ
とによって形成されたもので、カーボン濃度は３×１０
¹⁸ｃｍ^ー3である。最後にｐ型コンタクト層８は膜厚５ｎ
ｍで、カーボン濃度は１×１０²⁰ｃｍ^ー3である。上部半
導体多層反射膜７の周期数を下部半導体多層反射膜２の
周期数よりも少なくしているのは、反射率に差をつけて
出射光を基板上面から取り出すためである。ドーパント
の種類についてはここで用いたものに限定されることな
く、ｎ型であればセレン、ｐ型であれば亜鉛やマグネシ
ウムなどを用いることも可能である。周期については光
の取り出し方向を基板表面側、裏面側のいずれかに取る
かで決定され、周期が増えるにつれて反射率は高くな
る。さらにまた、半導体多層反射膜中にはＡｌ_0.9Ｇ
ａ_0.1Ａｓ層とＡｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ層との間にその中間
のアルミニウム組成比を有するいわゆる中間層を挟んで
いる。なお前記実施例ではＡｌＡｓ層６を選択酸化する
ことによりメサ構造部９の側面から酸化膜を形成するこ
とにより電流狭窄を行うようにしたが、選択エッチング
により空隙を形成するようにしてもよい。またもう一方
の側面はシリコンあるいはゲルマニウムなどの不純物の
拡散により周囲の半導体層との間で混晶化を生ぜしめる
ことで電流狭窄および光閉じ込めがなされている。

【００２２】このようにして、対称軸方向の内一方で
は、ＡｌＡｓ層の選択酸化あるいは、選択エッチングに
より空隙を形成し、他方では不純物元素の拡散により混
晶を形成し、電流通路１０を規定するようにしている。

【００２３】ここでは、発振波長λ：７８０ｎｍのレー
ザ光を取り出すように設計した。

【００２４】この構成によれば、角柱状の光制御領域９
の内部におけるキャリアの通過経路が、２組の対称面方
向から狭められると共に光の閉じ込めも行われる。また
２組の対称面方向で反射率分布若しくは屈折率分布に差
を生じるため、より反射率差若しくは屈折率差の小さい
対称面側に出射光の偏波面が安定化される。さらに角柱
状の光制御領域９の体積は利得を生じる領域に比べては
るかに大きいので、放熱特性も十分に良好であり、光出
力が増大しても偏波面を安定に維持し続けることが可能
となる。

【００２５】次に、この面発光型半導体レーザ装置の製
造工程について説明する。

【００２６】まず、図２に示すように、有機金属気相成
長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型ガリウムヒ素（ＧａＡ
ｓ）（１００）基板１上に、ｎ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／
Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ下部半導体多層反射膜２と、アンド
ープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓからなる下部スペーサ層３
と、アンドープのＡｌ_0.11Ｇａ_0.89量子井戸層とアンド
ープのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ障壁層とからなる量子井戸活
性層４と、アンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓからなる上
部スペーサ層５と、ｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／Ａｌ_0.7
Ｇａ_0.3Ａｓ上部半導体多層反射膜７と、ｐ型ＧａＡｓ
コンタクト層８とを順次積層する。そして基板を成長室
から取出し、酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜な
どの絶縁膜２１を形成しフォトリソグラフィ技術によ
り、図３に示すように、幅６μｍのストライプ状のレジ
ストマスク２２を形成する。ここでこのストライプの方
向は＜０１ー１＞方向若しくは＜０１１＞方向となるよ
うに合わせる。

【００２７】そしてさらに、図４に示すように、このレ
ジストマスク２２および絶縁膜２１をマスクとして、
ＳｉＣｌ₄ガスを用いた反応性イオンエッチングによ
り、ＡｌＡｓ層６が露出せしめられる深さまで半導体層
をエッチング除去して、光制御領域９の１組の側面を含
むストライプ状のメサ構造部を形成する。

【００２８】続いて図５に示すように電子ビーム蒸着法
により拡散源となるシリコン２３を基板上面に約５ｎｍ
堆積させ、この基板を石英アンプルに砒素粒と共に封入
し、８５０℃で２〜８時間の熱処理を行う。これにより
拡散源の直下およびメサ構造部側方の半導体多層反射膜
７、ＡｌＡｓ層６、上部スペーサ層５、量子井戸活性層
４の半導体膜間で不純物の拡散により誘起された無秩序
化を生じ、図６に示すようにこの部分が周囲の領域に対
してエネルギーバンドギャップの高い混晶化領域１３と
なる。

【００２９】ここで再びフォトリソグラフィ技術により
絶縁膜２１を長さ１０μｍとなるように成形し、このマ
スクを用いてＳｉＣｌ₄ガスを用いた反応性イオンエッ
チングにより、ＡｌＡｓ層６が露出せしめられる深さま
で半導体層をエッチング除去して、図７にＢ−Ｂ’断面
図を示すように光制御領域９のもう１組の側面を成形し
角柱状のメサ構造部を形成する。

【００３０】続いてこの基板を、高温の水蒸気を充満さ
せた石英管内で基板を４００℃に加熱し、約１０分間の
熱処理を行うことにより露出したＡｌＡｓ層６が外側断
面から徐々に酸化され、酸化膜６ｓが形成され、図８に
示すように、最終的には酸化されずに残った領域が６μ
ｍ×６μｍ程度の正方形形状となる。なお、ここで熱処
理による酸化に代えて、硫酸過酸化水素溶液（Ｈ₂Ｓ
Ｏ₄：Ｈ₂Ｏ₂：Ｈ₂Ｏ＝１：１：５）中に約３０秒間浸す
ようにしても良く、これにより、ＡｌＡｓ層６はいわゆ
るサイドエッチングにより外側断面から選択的に除去さ
れる。

【００３１】この後メサ構造上面の絶縁膜２１をバッフ
ァード弗酸により除去してから、フォトリソグラフィ技
術により、図９および図１０に示すように、メサ構造上
面には環状のｐ側電極１１を形成し、基板裏面には全面
にｎ側電極１２を形成して、図１に示した本発明にかか
る第１の実施例の面発光型半導体レーザ装置が完成す
る。ここで図９はＢ−Ｂ’断面図、図１０はＡ−Ａ’断
面図である。

【００３２】なお、前記実施例では、上部スペーサ層５
と上部半導体多層反射膜７との間にＡｌＡｓ層６を介在
させるようにしたが、下部スペーサ層３と下部半導体多
層反射膜２との間にＡｌＡｓ層６を介在させるようにし
てもよく、また両方に介在させる様にしても良い。この
ように両側に設ける様にすれば、活性層の上下両方向で
電流狭窄を行う事ができるため、活性領域へのより効率
的な電流注入が可能となり、一層しきい値電流を低減す
ることができる。ただこの場合は、下部スペーサ層３の
下に位置するＡｌＡｓ層６断面が露呈する深さまで半導
体層をエッチング除去する必要がある。

【００３３】また、前記実施例では、不純物拡散を用い
た混晶化と、酸化またはエッチングとにより電流通路を
規定するようにしたが、１組側は選択酸化、もう１組の
側はエッチング除去により電流通路を規定するようにし
ても良い。

【００３４】さらにまた、前記実施例では最終的な電流
通路の大きさを６μｍ平方とする場合について述べた
が、これに限定されることなく、横モードが安定化され
る大きさになるように設計すればよい。一般に面発光レ
ーザの横モードは出射口での形が１０μｍ以下の場合、
０次基本モードで発振するとされているから、熱処理条
件あるいはエッチング時間の制御により所望の値とする
ことが肝要である。またここでは電流通路が正方形に近
い形状になる場合について述べたが、これに限定される
ことなく、どちらか一方の方向に長い矩形とすることも
偏波面の安定化には好ましい。

【００３５】なお、前記実施例では各半導体層は有機金
属気相成長法で形成したが、これに限定されることなく
分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などによっても良い。

【００３６】また、半導体柱形成のためのマスクとして
用いる絶縁膜についても、酸化シリコン膜に限定される
ことなく窒化シリコン膜など他の材料を用いても良い。

【００３７】さらにまた、前記実施例ではＡｌＡｓ層６
を選択的に除去するためのエッチングに硫酸過酸化水素
水溶液を用いたがＡｌ組成比に対するエッチングレート
の選択性が高いものが望ましく、Ａｌ組成比が高くなる
につれてエッチングレートが急激に増大する硫酸過酸化
水素水溶液は最適である。また他のエッチャントとして
は水酸化アンモニウム過酸化水素水溶液などを用いても
良い。

【００３８】さらにまた、前記実施例では電流通路をな
す領域の２組の対称面がそれぞれ＜０１１＞方向および
＜０１ー１＞方向となるようにしたが、これに限定され
ることなく、最終的な電流通路が基板に水平な方向に対
して２組の対称面をもつようにすればよく、＜０１１＞
方向に対して任意の角度をなすように設定しても何等問
題はない。ただし通常用いられる円形の活性領域を有す
る面発光レーザにおいては，ＴＥモードの方向により規
定される偏波面の方向が＜０１ー１＞方向、あるいは＜
０１１＞方向となる確率が高い事が知られているから、
一方の対称面の方向を＜０１ー１＞方向、あるいは＜０
１１＞方向としておけばより効果的に偏波面を安定化さ
せることができる。

【００３９】また、前記実施例ではＡｌＡｓ層の選択酸
化の際、加熱する温度を４００℃とした場合について説
明したが、これに限定されることなく、最終的な電流通
路の大きさが所望の値となるよう制御できる条件であれ
ばよい。温度をあげると酸化速度が上昇し、短時間で所
望の酸化領域を警世する事ができるが、４００℃程度が
もっとも制御しやすい温度であった。

【００４０】また、半導体柱形成のためのエッチングに
際しては、ウエットエッチングの場合、上層と下層でエ
ッチング液にさらされる時間が異なることから、半導体
柱の底部に向かうにつれて面積が広がるいわゆるテーパ
形状が形成され、直径の小さな半導体柱が作りにくいと
いう問題があるが、ドライエッチングの場合、反応性イ
オンビームエッチング（ＲＩＢＥ）法や反応性イオンエ
ッチング（ＲＩＥ）法を用いれば、半導体柱の側壁が、
垂直あるいはアンダーカット形状をとるようにすること
もでき、直径の小さな半導体柱も容易に形成することが
できる。このとき、エッチングガスとしてはＣｌ₂、Ｂ
Ｃｌ₃、ＳｉＣｌ₄あるいはＡｒとＣｌ₂の混合ガス等が
用いられる。

【００４１】このようにして作製された面発光型半導体
レーザ装置の動作は、以下に示すごとくである。ここ
で、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層８およびｐ型上部半導体
多層反射膜７は発光領域の上方を除いてエッチング除去
され、かつ、挿入層６が外側から選択的に酸化されて酸
化膜６Ｓとなり、ｐ側電極から注入されたキャリアの通
路はこの半導体柱である光制御領域９内において酸化膜
６ｓ（酸化領域１３）および混晶化領域１４で規定され
ている。そして、量子井戸層に注入されたキャリアは電
子−正孔再結合により光を放出し、この光は上部と下部
の半導体多層反射膜によって反射され、利得が損失を上
回ったところでレーザ発振を生ずる。レーザ光は基板表
面に設けられた電極の窓部から出射される。

【００４２】次に本発明の第２の実施例の面発光型半導
体レーザ装置およびその製造方法について、図面を参照
しつつ説明する。

【００４３】前記第１の実施例では、ｐ側電極１１とｎ
側電極１２とは反対側の面に形成したが、同一面側に形
成してもよく、これにより、駆動回路などと集積化する
に適した構造であるといえる。この場合は、図１１に示
すように、下部半導体多層反射膜３２が露呈せしめられ
る深さまで選択的に除去せしめられ角柱状の光制御領域
３９が形成されている。そしてその外側に所定の間隔を
隔てて、環状をなすようにｎ側電極４２が形成されてい
る。

【００４４】すなわち、半絶縁性のガリウムヒ素（Ｇａ
Ａｓ）基板３１上に形成されたｎ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ
／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下部半導体多層反射膜３２と、ア
ンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓからなる下部スペーサ層
３３と、この下部スペーサ層３３上に形成されたアンド
ープのＡｌ_0.11Ｇａ_0.89量子井戸層とアンドープのＡｌ
_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ障壁層とからなる量子井戸活性層３４
と、アンドープのＡｌ_0. ₆Ｇａ_0.4Ａｓからなる上部スペ
ーサ層３５と、ｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／Ａｌ_0. ₃Ｇａ
_0.7Ａｓ上部半導体多層反射膜３７と、ｐ型ＧａＡｓコ
ンタクト層３８が順次積層せしめられ、上部スペーサ層
３５が露呈する深さまで、上部半導体多層反射膜３７と
ｐ型ＧａＡｓコンタクト層３８のみが発光領域の上方を
除いてエッチング除去され、角柱状の光制御領域３９が
形成されている。そしてここで上部半導体多層反射膜３
７の最下層に挿入層としてのｐ型のＡｌＡｓ層３６が介
在せしめられている。そしてこのｐ型のＡｌＡｓ層３６
の露呈断面が選択酸化により角柱の内方に選択的に酸化
せしめられ、酸化膜３６ｓを形成している。そしてこの
酸化膜６ｓで囲まれた角柱状の領域が電流通路４０を構
成する。そして角柱状の光制御領域３９表面にはＣｒ／
Ａｕからなるｐ側電極４１が形成されるとともに、その
外側表面には環状をなすようにＡｕ−Ｇｅ／Ａｕからな
るｎ側電極４２が形成されている。

【００４５】次に本発明の第３の実施例として、横方向
電流注入型の半導体レーザに適用した例について説明す
る。

【００４６】図１２に示すように、上部半導体多層反射
膜５７から上部スペーサ層５５の一部の深さに到達する
まで除去され角柱状の光制御領域５９が形成されてい
る。そして、シリコンの注入による混晶化領域６３によ
って１組の対称軸方向の面を規定するとともに、上部半
導体多層反射膜５７と上部スペーサ層５５との間にはＡ
ｌＡｓ層５６が介在せしめられ、断面から選択的に酸化
されて酸化領域６４を３形成し、電流通路６０を規定し
ている。そして角柱状の光制御領域５９の外側に所定の
間隔を隔てて、環状をなすように上部スペーサ層５５上
にｐ側電極６１が形成され、またｎ型ガリウムヒ素（Ｇ
ａＡｓ）基板５１の裏面側にｎ側電極６２が形成されて
いる。

【００４７】すなわち、ｎ型のガリウムヒ素（ＧａＡ
ｓ）基板５１上に形成されたｎ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／
Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下部半導体多層反射膜５２と、アン
ドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓからなる下部スペーサ層５
３と、この下部スペーサ層５３上に形成されたアンドー
プのＡｌ_0.11Ｇａ_0.89量子井戸層とアンドープのＡｌ_0.
₃Ｇａ_0.7Ａｓ障壁層とからなる量子井戸活性層５４と、
アンドープのＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓからなる上部スペー
サ層５５と、ｐ型Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7
Ａｓ上部半導体多層反射膜５７とが順次積層せしめら
れ、上部スペーサ層５５の一部の深さまで、上部半導
体多層反射膜５７と共に発光領域の上方を除いてエッチ
ング除去され、角柱状の光制御領域５９が形成されてい
る。そしてここで上部半導体多層反射膜５７の最下層に
挿入層としてのｐ型のＡｌＡｓ層５６が介在せしめられ
ている。そしてこのｐ型のＡｌＡｓ層５６の露呈断面が
選択酸化により角柱の内方に選択的に酸化せしめられ、
酸化膜５６ｓを形成している。そしてまたもう一方の面
ではシリコンの注入による混晶化領域６３が形成され、
この酸化膜５６ｓによる酸化領域６４角柱状の領域が電
流通路６０を構成する。

【００４８】そして角柱状の光制御領域５９の外側表面
には環状をなすようにＣｒ／Ａｕからなるｐ側電極６１
が形成されるとともに、基板の裏面側にはＡｕ−Ｇｅ／
Ａｕからなるｎ側電極６２が形成されている。

【００４９】この構造ではメサ構造部が電流通路となっ
ていないため、素子抵抗を大幅に低減する事ができる。

【００５０】なお、前記実施例では上部半導体多層反射
膜をｐ型とし、下部半導体多層反射膜をｎ型としたが、
これに限定されることなく導電型を反対にすることも可
能である。一般にｐ型層はｎ型層に比べバンド不連続に
起因する素子抵抗の増大が懸念されるため、層数が増え
ることはレーザ特性を劣化させる要因となり好ましくな
い。前記実施例では出射光を基板上面から取り出す関係
から、上部半導体多層反射膜の方が下部半導体多層反射
膜に比べ層数が少ない。このため上部半導体多層反射膜
の導電型をｐ型としたが、逆に出射光を基板裏面から取
り出す場合には、層数の多い上部半導体多層反射膜の導
電型をｎ型とするのが望ましい。別の観点からみれば、
素子抵抗は面積に反比例するので、柱状に加工する上部
半導体多層反射膜は素子抵抗を増大させる要因となる。
従って同じ面積ならｐ型層よりも素子抵抗を小さくする
ことのできるｎ型層を上部半導体多層反射膜とすること
は好ましいとも考えられる。光の取り出し方向や導電型
による素子抵抗の違いを勘案しながら、総合的な見地か
ら導電型を決める必要がある。

【００５１】また、本発明の第４の実施例として、各対
称軸方向毎に異なる条件で、不純物拡散を行うことによ
り、不純物の種類または濃度またはその拡散長が各対称
軸方向で互いに異なるように設定された第１および第２
の混晶化領域７３、７４で電流通路７０を囲むようにし
てもい。ここで他の領域については図１に示した前記第
１の実施例と同様に形成すればよいが、この場合は選択
酸化も選択エッチングも不要であるため、ＧａＡｓ層を
介在させる必要はなく、材料の選択が自由となる。

【００５２】なお、前記実施例では、量子井戸活性層を
構成する材料としてＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系半導体を
用いたが、これに限定されることなく、例えば量子井戸
活性層にＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系あるいは、ＩｎＰ／
ＩｎＧａＡｓＰ系半導体を用いることも可能である。こ
れらの量子井戸層からの発光波長はＧａＡｓ基板に対し
て透過であるから、この場合基板裏面から出射光を取り
出すのが容易であリ、プロセス上の手間を省く事ができ
る。なお、本発明の構成要件を満足する範囲内で他の方
法によっても実現可能であることはいうまでもない。例
えば実施例では電流経路を光出射側に設けたが、その反
対側に設けても、反射率に変化を与える事ができるので
同様の効果を得る事が可能である。

【００５３】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、結晶再成長など再現性を得るのが難しい工程や精度
の要求される位置合せが不要であり、仮想的な２つの軸
方向に異なる反射率分布を生じさせることが出来、製造
が容易で、出射の偏波面をその安定化させることが出
来、これらの素子を同一基板上に集積化した際、すべて
の素子の偏波面をばらつきなく一方向に揃える事ができ
る。また注入電流を増加しても、光透過領域の形に比べ
てメサ構造部の径を十分に大きくする事ができるため発
熱を抑制し、広い出力範囲にわたって光出力特性を劣化
させることなく偏波面を安定化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の面発光型半導体レーザ
装置を示す図

【図２】同半導体レーザ装置の製造工程図

【図３】同半導体レーザ装置の製造工程図

【図４】同半導体レーザ装置の製造工程図

【図５】同半導体レーザ装置の製造工程図

【図６】同半導体レーザ装置の製造工程図

【図７】同半導体レーザ装置の製造工程図

【図８】同半導体レーザ装置の製造工程図

【図９】同半導体レーザ装置の製造工程図

【図１０】同半導体レーザ装置の製造工程図

【図１１】本発明の第２の実施例の面発光型半導体レー
ザ装置を示す図

【図１２】本発明の第３の実施例の面発光型半導体レー
ザ装置を示す図

【図１３】本発明の第４の実施例の面発光型半導体レー
ザ装置を示す図

【図１４】従来例の半導体レーザ装置を示す図

【符号の説明】

１ｎ型ガリウムひ素（ＧａＡｓ）基板２ｎ型下部半導体多層反射膜３ｎ型下部スペーサ層４量子井戸活性層５ｐ型上部スぺーサ層６Ｐ型ＡｌＡｓ層６ｓ酸化膜７ｐ型上部半導体多層反射膜８ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９光制御領域１０電流通路１１ｐ側電極１２ｎ側電極１３混晶化領域１４酸化領域２１絶縁膜２２フォトレジスト３１半絶縁性ガリウムひ素（ＧａＡｓ）基板３２ｎ型下部半導体多層反射膜３３ｎ型下部スペーサ層３４量子井戸活性層３５ｐ型上部スぺーサ層３６Ｐ型ＡｌＡｓ層３７ｐ型上部半導体多層反射膜３８ｐ型ＧａＡｓコンタクト層３９光制御領域４０電流通路４１ｐ側電極４２ｎ側電極４３混晶化領域４４酸化領域５１ｎ型ガリウムひ素（ＧａＡｓ）基板５２ｎ型下部半導体多層反射膜５３ｎ型下部スペーサ層５４量子井戸活性層５５ｐ型上部スぺーサ層５６Ｐ型ＡｌＡｓ層５７ｐ型上部半導体多層反射膜５８ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５９光制御領域６０電流通路６１ｐ側電極６２ｎ側電極６３混晶化領域６４酸化領域７０電流通路７１ｐ側電極７２ｎ側電極７３第１の混晶化領域７４第２の混晶化領域

フロントページの続き (72)発明者山本将央神奈川県足柄上郡中井町境430 グリーンテクなかい富士ゼロックス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上で活性層が上部及び下部の
半導体多層反射膜により挟まれ、少なくとも前記上部半
導体多層反射膜を加工してなる２組の対称面をもつ半導
体柱を有し、基板と垂直方向に光を放出する面発光型半
導体レーザ装置において、前記半導体柱の前記２組の対称面における電流および光
閉じこめの方法が、互いに異なるように構成されている
ことを特徴とする面発光型半導体レーザ装置。
【請求項２】半導体基板上で活性層が上部及び下部の
半導体多層反射膜により挟まれ、少なくとも前記上部半
導体多層反射膜を加工してなる２組の対称面をもつ半導
体柱を有し、基板と垂直方向に光を放出する面発光型半
導体レーザ装置において、前記半導体柱の前記２組の対
称面における対称軸方向の反射率分布が、互いに異なる
ように構成されていることを特徴とする面発光型半導体
レーザ装置。
【請求項３】半導体基板上に下部半導体多層反射膜
と、下部スぺーサ層と、活性層と、上部スペーサ層と、
上部多半導体多層反射膜とを順次積層すると共に、前記
下部スペーサ層あるいは上部スペーサ層と活性層との間
にアルミニウム砒素層若しくはアルミニウムガリウム砒
素層からなる挿入層を介在させるように積層する積層工
程と、前記挿入層を断面に露呈せしめるように、少なくとも前
記上部半導体多層反射膜の一部を選択的に除去し、スト
ライプ型のメサ構造を形成する工程と、前記ストライプ型メサ構造の底部から不純物元素を拡散
させることにより前記活性層の一部を無秩序化する工程
と、前記ストライプ型メサ構造の無秩序化された面に垂直な
方向に前記ストライプ型メサ構造の一部を除去するよう
に切断して半導体柱を形成する工程と、前記半導体柱側面から露呈する挿入層を選択的にエッチ
ング除去する工程を含むことを特徴とする面発光型半導
体レーザ装置の製造方法。
【請求項４】半導体基板上に下部半導体多層反射膜
と、下部スぺーサ層と、活性層と、上部スペーサ層と、
上部多半導体多層反射膜とを順次積層すると共に、前記
下部スペーサ層あるいは上部スペーサ層と活性層との間
にアルミニウム砒素層若しくはアルミニウムガリウム砒
素層からなる挿入層を介在させるように積層する積層工
程と、前記挿入層を断面に露呈せしめるように、少なくとも前
記上部半導体多層反射膜の一部を選択的に除去し、スト
ライプ型のメサ構造を形成する工程と、前記ストライプ型メサ構造の底部から不純物元素を拡散
させることにより前記活性層の一部を無秩序化する工程
と、前記ストライプ型メサ構造の無秩序化された面に垂直な
方向に前記ストライプ型メサ構造の一部を除去するよう
に切断して半導体柱を形成する工程と、前記半導体柱側面から露呈する挿入層を選択的に酸化す
る工程を含むことを特徴とする面発光型半導体レーザ装
置の製造方法。
【請求項５】半導体基板上に下部半導体多層反射膜
と、下部スぺーサ層と、活性層と、上部スペーサ層と、
上部多半導体多層反射膜とを順次積層すると共に、前記
下部スペーサ層および上部スペーサ層と活性層との間に
アルミニウム砒素層若しくはアルミニウムガリウム砒素
層からなる挿入層を介在させるように積層する積層工程
と、前記挿入層を共に断面に露呈せしめるように、少なくと
も前記下部スペーサ層表面まで前記各層を上方から順次
選択的に除去し、ストライプ型のメサ構造を形成する工
程と、前記ストライプ型メサ構造の底部から不純物元素を拡散
させることにより前記活性層の一部を無秩序化する工程
と、前記ストライプ型メサ構造の無秩序化された面に垂直な
方向に前記ストライプ型メサ構造の一部を除去するよう
に切断して半導体柱を形成する工程と、前記半導体柱側面から露呈する挿入層を選択的にエッチ
ング除去する工程を含むことを特徴とする面発光型半導
体レーザ装置の製造方法。
【請求項６】半導体基板上に下部半導体多層反射膜
と、下部スぺーサ層と、活性層と、上部スペーサ層と、
上部多半導体多層反射膜とを順次積層すると共に、前記
下部スペーサ層および上部スペーサ層と活性層との間に
アルミニウム砒素層若しくはアルミニウムガリウム砒素
層からなる挿入層を介在させるように積層する積層工程
と、前記挿入層を共に断面に露呈せしめるように、少なくと
も前記下部スペーサ層表面まで前記各層を上方から順次
選択的に除去し、ストライプ型のメサ構造を形成する工
程と、前記ストライプ型メサ構造の底部から不純物元素を拡散
させることにより前記活性層の一部を無秩序化する工程
と、前記ストライプ型メサ構造の無秩序化された面に垂直な
方向に前記ストライプ型メサ構造の一部を除去するよう
に切断して半導体柱を形成する工程と、前記半導体柱側面から露呈する挿入層を選択的に酸化す
る工程を含むことを特徴とする面発光型半導体レーザ装
置の製造方法。
【請求項７】半導体基板上に下部半導体多層反射膜
と、下部スぺーサ層と、活性層と、上部スペーサ層と、
上部多半導体多層反射膜とを順次積層すると共に、前記
下部スペーサ層あるいは上部スペーサ層と活性層との間
にアルミニウム砒素層若しくはアルミニウムガリウム砒
素層からなる挿入層を介在させるように積層する積層工
程と、前記挿入層を断面に露呈せしめるように、少なくとも前
記上部半導体多層反射膜の一部を選択的に除去し、スト
ライプ型のメサ構造を形成する工程と、前記ストライプ型メサ構造のストライプに沿った側面に
露呈する前記挿入層を選択的にエッチングする工程と、前記ストライプ型メサ構造の前記ストライプ面に垂直な
方向に前記ストライプ型メサ構造の一部を除去するよう
に切断して半導体柱を形成する工程と、前記半導体柱側面から露呈する挿入層を選択的に酸化す
る工程を含むことを特徴とする面発光型半導体レーザ装
置の製造方法。
【請求項８】半導体基板上に下部半導体多層反射膜
と、下部スぺーサ層と、活性層と、上部スペーサ層と、
上部多半導体多層反射膜とを順次積層すると共に、前記
下部スペーサ層および上部スペーサ層と活性層との間に
アルミニウム砒素層若しくはアルミニウムガリウム砒素
層からなる挿入層を介在させるように積層する積層工程
と、前記挿入層を共に断面に露呈せしめるように、少なくと
も前記下部スペーサ層表面まで前記各層を上方から順次
選択的に除去し、ストライプ型のメサ構造を形成する工
程と、前記ストライプ型メサ構造のストライプに沿った側面に
露呈する前記挿入層を選択的にエッチングする工程と、前記ストライプ型メサ構造の前記ストライプ面に垂直な
方向に前記ストライプ型メサ構造の一部を除去するよう
に切断して半導体柱を形成する工程と、前記半導体柱側面から露呈する挿入層を選択的に酸化す
る工程を含むことを特徴とする面発光型半導体レーザ装
置の製造方法。
【請求項９】半導体基板上に下部半導体多層反射膜
と、下部スぺーサ層と、活性層と、上部スペーサ層と、
上部多半導体多層反射膜とを順次積層する積層工程と、
少なくとも前記上部半導体多層反射膜の一部を選択的に
除去し、ストライプ型のメサ構造を形成する工程と、前記ストライプ型メサ構造のストライプに沿った側面に
露呈する前記活性層に第１の不純物元素を拡散させる第
１の拡散工程と、前記ストライプ型メサ構造の一部を除去するように切断
して半導体柱を形成する工程と、前記ストライプ型メサ
構造の前記ストライプ面に垂直な方向に前記半導体柱側
面から第２の不純物元素を拡散させる第２の拡散工程と
を含み、前記第１および第２の拡散工程は、不純物の種
類または濃度またはその拡散長が各対称軸方向で互いに
異なるように設定されていることを特徴とする面発光型
半導体レーザ装置の製造方法。