WO2021192533A1 - 垂直共振器型面発光レーザ素子、垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法及び光電変換装置 - Google Patents

垂直共振器型面発光レーザ素子、垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法及び光電変換装置 Download PDF

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義昭 渡部
義則 山内
木村　秀樹
勇志 増井
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Definitions

  • This technology relates to a vertical resonator type surface emitting laser element, a method for manufacturing a vertical resonator type surface emitting laser element, and a photoelectric conversion device used for optical communication and the like.
  • a vertical cavity type surface emitting laser (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser) element is a kind of semiconductor laser element, and has a structure in which an active layer is sandwiched by a pair of DBRs (Distributed Bragg Reflector). The pair of DBRs form a resonator and reflect the light generated in the active layer in the direction perpendicular to the layer surface to cause laser oscillation.
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
  • a current constriction structure for concentrating the current in a narrow region in the active layer.
  • the current constriction structure can be formed by oxidizing the oxidized layer from the outer periphery of the VCSEL element formed in a mesa shape (plateau shape) and insulating the outer peripheral region of the oxidized layer. As a result, only the central region of the oxidized layer has conductivity, and it is possible to concentrate the current on the active layer located in the vicinity of the central region.
  • the oxide layer constituting the current constriction structure is accompanied by a decrease in the refractive index in the process of being oxidized, a region having a low refractive index is formed around the light emitting region.
  • the distribution of the refractive index in the layer plane has a structure in which light is confined in the portion having a high refractive index in the center of the mesa from the direction along the layer surface, and together with the above-mentioned resonator structure, it is three-dimensionally transferred to the active layer. Achieves high light confinement. When the light confinement is improved, the proportion of light that receives the stimulated emission gain in the active layer increases, so that the effective light gain can be made a high value.
  • the electrical time responsiveness is the junction capacitance at the pn junction that occurs in the mesa.
  • the bonding capacitance of the outer peripheral portion of the mesa via the oxide layer becomes a problem.
  • this portion is a region that does not contribute to the laser emission at the center of the mesa, it is required to reduce the bonding capacitance of the outer peripheral portion of the mesa also in this respect.
  • Patent Document 1 discloses a method of injecting ions into the outer peripheral portion of the mesa to insulate the outer peripheral portion of the mesa.
  • the DBR on the surface side of the wafer is etched to just above the active layer, a mesa structure is formed, an injection mask is attached, and then ions are implanted to remove the active layer directly below the mesa-like DBR described above.
  • the region has an insulated structure.
  • the insulated layer becomes a current constriction layer as it is, and defines the current injection diameter of the active layer.
  • Non-Patent Document 1 discloses a structure in which an oxide layer and a proton implantation are used in combination to separate a light emitting region and an ion implantation region.
  • the semiconductor mesa structure in order to ensure reliability, is supported by a plurality of semiconductor columns extending to the outer periphery, and a stabilized structure in which an external force is not easily applied to the mechanically weak oxide layer portion is formed.
  • protons are injected into the active layer from the p-type mirror on the outer periphery of the mesa to insulate it.
  • Non-Patent Document 1 if the outer circumference is manufactured with insufficient insulation, a part of the injection current flows to the outside of the support column via the semiconductor support column (becomes a leak current). It is necessary to inject protons in a wide range to insulate not only the outer periphery of the mesa but also all the semiconductor columns and their outer regions. If all layers within the injection range are not evenly insulated in the depth direction, leaks will occur through the layers with poor insulation. Therefore, in order to realize this insulation structure, protons should be evenly distributed in the depth direction. Need to inject.
  • an ion implantation mask (generally formed with a resist) is used on the wafer surface to selectively implant protons into the part to be implanted, but the mask resist after implantation deteriorates due to ion beam irradiation. Since the deterioration progresses, it is difficult to remove the mask, and in the case of multi-stage implantation, more means and time are required, and depending on the method, there is a problem that it tends to cause a defect in the process process.
  • the purpose of the present technology is to manufacture a vertical resonator type surface emitting laser element, a vertical resonator type surface emitting laser element, and a method for manufacturing a vertical resonator type surface emitting laser element, which has excellent electrical responsiveness and high productivity and reliability.
  • the purpose is to provide a photoelectric conversion device.
  • the vertical resonator type surface emitting laser element includes a semiconductor laminate.
  • the semiconductor laminate has a first mirror having a first conductive type, a second mirror having a second conductive type and causing optical resonance with the first mirror, and the first mirror.
  • the non-oxidized region provided between the first mirror and the second mirror, and made of a conductive material, and the non-oxidized region.
  • An ion-implanted region which is formed in the active layer and the constricted layer to a predetermined depth from the outer peripheral surface, and has an ion-implanted region separated from the non-oxidized region.
  • the mesa is formed by partial removal of the semiconductor laminate.
  • the ion implantation region may be exposed to a removal surface formed by partial removal of the semiconductor laminate.
  • the vertical resonator type surface emitting laser element may be further provided with an insulator provided around the mesa and covering the removal surface.
  • the ion implantation region may have one peak in the direction in which the concentration distribution of the ion species of the ions is perpendicular to the layer surface direction.
  • the above ion species is H,
  • the injection amount of the above ion species may be 5 ⁇ 10 14 ions / cm 2 or more.
  • the ionic species are C, B, O, Ar, Al, Ga or As.
  • the injection amount of the above ion species may be 5 ⁇ 10 13 ions / cm 2 or more.
  • the mesa has a surface parallel to the layer surface direction and has a surface parallel to the layer surface direction.
  • the vertical resonator type surface emitting laser element further includes an electrode formed on the surface of the vertical resonator type surface emitting laser element.
  • the semiconductor laminate may further have an impurity diffusion region formed between the electrode and the ion implantation region from the outer peripheral surface to a predetermined depth and in which impurities are diffused.
  • the impurity diffusion region may be a region in which the impurities are thermally diffused.
  • the impurity diffusion region may be provided in a range that overlaps with the ion implantation region when the mesa is viewed from a direction perpendicular to the layer surface direction.
  • the concentration of the impurities may be 1 ⁇ 10 17 / cm 3 or more.
  • the impurity diffusion region is provided in the first mirror.
  • the first conductive type is the p type,
  • the impurity may be C, Zn or Mg.
  • the impurity diffusion region is provided in the first mirror.
  • the first conductive type is n type,
  • the impurity may be Si, S or Se.
  • the method for manufacturing a vertical cavity type surface emitting laser element includes a first mirror having a first conductive type and a second conductive type, and is described above. Between the first mirror and the second mirror that causes optical resonance, the active layer provided between the first mirror and the second mirror, and between the first mirror and the second mirror. A semiconductor laminate including the constriction layer provided in the above is formed. In the semiconductor laminate, ions are implanted from the direction perpendicular to the layer surface direction excluding the non-implanted region to form an ion-implanted region.
  • a mesa containing the non-implanted region by etching the semiconductor laminate which has an outer peripheral surface on which the end faces of the active layer and the constriction layer are exposed, and from the outer peripheral surface of the active layer and the constriction layer.
  • a mesa is formed in which the ion implantation region is distributed up to the first depth.
  • the stenotic layer is oxidized from the outer peripheral surface, and an oxidized region is formed in the stenotic layer from the outer peripheral surface to a second depth deeper than the first depth.
  • the method for manufacturing the above-mentioned vertical resonator type surface emitting laser element is as follows.
  • a step of diffusing impurities in the semiconductor laminate to form an impurity diffusion region may be further included.
  • the step of forming the impurity diffusion region is performed after the step of forming the ion implantation region and before the step of forming the mesa, and in the step of forming the ion implantation region, the impurities pass through the region. May be diffused.
  • the impurities may be diffused by thermal diffusion.
  • the photoelectric conversion device includes a vertical resonator type surface emitting laser element.
  • the vertical resonator type surface emitting laser element includes a first mirror having a first conductive type, a second mirror having a second conductive type and causing optical resonance with the first mirror, and a second mirror.
  • An active layer provided between the first mirror and the second mirror, a non-oxidizing region provided between the first mirror and the second mirror and made of a conductive material, and the non-oxidized region.
  • the mesa has a surface parallel to the layer surface direction
  • the vertical resonator type surface emitting laser element further includes an electrode formed on the surface
  • the semiconductor laminate has the electrode and the ion implantation.
  • An impurity diffusion region formed between the regions to a predetermined depth from the outer peripheral surface and in which impurities are diffused may be further provided.
  • VCSEL vertical cavity type surface light emitting laser
  • VCSEL vertical cavity type surface light emitting laser
  • VCSEL vertical cavity surface emitting laser
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the VCSEL element 100 according to the present embodiment
  • FIG. 2 is a plan view of the VCSEL element 100.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.
  • the light emitting direction of the VCSEL element 100 is the Z direction
  • one direction orthogonal to the Z direction is the X direction
  • the directions orthogonal to the X direction and the Z direction are the Y directions.
  • the oscillation wavelength of the VCSEL element 100 is ⁇ .
  • the VCSEL element 100 includes a substrate 101, an n-type mirror 102, an n-side spacer layer 103, an active layer 104, a p-side spacer layer 105, a narrowing layer 106, a p-type mirror 107, and an insulator 108. , N electrode 109, p electrode 110, n electrode pad 111 and p electrode pad 112.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the semiconductor laminate 121. As shown in the figure, each layer of the semiconductor laminate 121 is laminated so that the layer surface direction is along the XY plane.
  • the substrate 101 supports each layer of the VCSEL element 100.
  • the substrate 101 can be, for example, an n-GaAs substrate, but may be made of another material.
  • the n-type mirror 102 is made of an n-type semiconductor material, is provided on the substrate 101, and reflects light having a wavelength of ⁇ .
  • the n-type mirror 102 functions as a DBR (Distributed Bragg Reflector), and together with the p-type mirror 107, constitutes an optical resonator for laser oscillation.
  • the n-type mirror 102 may be formed by alternately laminating a plurality of layers of n-AlGaAs having different composition ratios, for example.
  • the n-side spacer layer 103 is laminated on the n-type mirror 102, and is adjusted so that the distance between the n-type mirror 102 and the p-type mirror 107 is ⁇ .
  • the n-side spacer layer 103 is made of an n-type semiconductor material or a non-doped semiconductor material, and can be made of, for example, n-AlGaAs.
  • the active layer 104 is provided on the n-side spacer layer 103 to emit and amplify naturally emitted light.
  • the active layer 104 can be a stack of a plurality of quantum well layers and barrier layers alternately.
  • the quantum well layer may be made of, for example, InGaAs
  • the barrier layer may be made of, for example, InGaAs, which has a composition ratio different from that of the quantum well layer.
  • the p-side spacer layer 105 is laminated on the active layer 104, and the distance between the n-type mirror 102 and the p-type mirror 107 is adjusted to be ⁇ .
  • the p-side spacer layer 105 is made of a p-type semiconductor material or a non-doped semiconductor material, and can be made of, for example, p-AlGaAs.
  • the constriction layer 106 is provided on the p-side spacer layer 105 to impart a constriction action to the electric current and confine the light in the XY directions.
  • FIG. 4 is a plan view of the constriction layer 106.
  • the narrowed layer 106 includes a non-oxidized region 106a and an oxidized region 106b.
  • the non-oxidized region 106a is provided in the center of the constriction layer 106 and has a circular shape.
  • the oxidized region 106b is provided around the non-oxidized region 106a.
  • the inner diameter of the oxidation region 106b is defined as the inner diameter R1.
  • the non-oxidized region 106a is made of a conductive material
  • the oxidized region 106b is made of an insulating material obtained by oxidizing the material of the non-oxidized region 106a.
  • the non-oxidized region 106a can be made of AlAs
  • the oxidized region 106b can be made of AlAs oxide.
  • the oxidized region 106b it becomes insulating due to oxidation, and the conductivity is greatly reduced as compared with the non-oxidized region 106a, so that a current constricting action is caused.
  • the refractive index is reduced by oxidation as compared with the non-oxidized region 106a, so that a light confinement effect in the XY directions is generated.
  • the p-type mirror 107 is made of a p-type semiconductor material, is provided on the constriction layer 106, and reflects light having a wavelength of ⁇ .
  • the p-type mirror 107 functions as a DBR, and together with the n-type mirror 102, constitutes an optical resonator for laser oscillation.
  • the p-type mirror 107 may be formed by alternately laminating a plurality of layers of p-AlGaAs having different composition ratios.
  • the semiconductor laminate 121 has a mesa (plateau-like shape) structure. Specifically, as shown in FIG. 3, the p-type mirror 107, the constriction layer 106, the p-side spacer layer 105, the active layer 104, the n-side spacer layer 103, and the n-type mirror 102 are partially removed, and these A columnar mesa 122 composed of layers is formed. The recess formed by this removal is designated as the recess 123.
  • FIG. 5 is a plan view showing the mesa 122.
  • the mesa 122 is circular when viewed from the Z direction, and can have a cylindrical shape.
  • the outer diameter of the mesa 122 is shown as the outer diameter R2.
  • the outer peripheral surface of the mesa 122 is defined as the outer peripheral surface 122a.
  • the outer peripheral surface 122a is a surface formed by the above-mentioned removal, and the outer peripheral surface 122a has a p-type mirror 107, a constriction layer 106, a p-side spacer layer 105, an active layer 104, an n-side spacer layer 103, and an n-type mirror 102. The end face of is exposed. Further, the n-type mirror 102 is formed with a plane parallel to the outer peripheral surface 122a and parallel to the layer surface direction (XY plane) by the above-mentioned removal. Hereinafter, this surface will be referred to as a non-peripheral surface 122b. Further, the surface formed by the above-mentioned removal, and the surface in which the outer peripheral surface 122a and the non-outer peripheral surface 122b are combined is referred to as the removal surface 122c.
  • the oxidation region 106b is formed from the outer peripheral surface 122a to a certain depth.
  • the depth of the oxidation region 106b from the outer peripheral surface 122a is shown as the depth D1.
  • the insulator 108 is made of an insulating material and is provided in the recess 123 (see FIG. 3) to cover the removal surface 122c.
  • the insulator 108 protects the removal surface 122c, suppresses unnecessary bonding capacitance, and supports the n-electrode pad 111 and the p-electrode pad 112.
  • the insulator 108 may be made of a resin such as polyimide or BCB (Benzocyclobutene) or an inorganic substance such as SiO 2 or SiN.
  • the n electrode 109 penetrates the insulator 108 and conducts to the substrate 101, and functions as an electrode on the n side of the VCSEL element 100.
  • the n-electrode 109 is made of any conductive material.
  • the p-electrode 110 is formed on the p-type mirror 107, conducts with the p-type mirror 107, and functions as an electrode on the p-side of the VCSEL element 100.
  • the p-electrode 110 is made of an arbitrary conductive material and is formed in an annular shape on the p-type mirror 107 as shown in FIG.
  • the n-electrode pad 111 is provided on the insulator 108 and conducts to the n-electrode 109.
  • the n-electrode pad 111 is made of any conductive material.
  • the p-electrode pad 112 is provided on the insulator 108 and conducts to the p-electrode 110.
  • the p-electrode pad 112 is made of any conductive material.
  • the region surrounded by the p electrode 110 is a light emitting surface on which the laser beam is emitted by the VCSEL element 100.
  • the light emitting surface is shown as a light emitting surface S.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the VCSEL element 100 showing the ion implantation region 131, and is a cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the semiconductor laminate 121 showing the ion implantation region 131, and is a diagram showing a partial configuration of FIG. In FIGS. 6 and 7, the ion implantation region 131 is a region indicated by dots.
  • FIG. 8 is a plan view of the mesa 122 showing the ion implantation region 131.
  • the ion implantation region 131 is a region in which ions are implanted into the material of the semiconductor laminate 121 to be insulated. As shown in FIGS. 6 to 8, the ion implantation region 131 is formed from the outer peripheral surface 122a of the mesa 122 to a predetermined depth among the n-side spacer layer 103, the active layer 104, and the p-side spacer layer 105 constriction layer 106. That is, they are formed in an annular shape on the outer peripheral portion of these layers. 7 and 8 show the depth of the ion implantation region 131 from the outer peripheral surface 122a as the depth D2.
  • the depth D2 is shallower than the depth D1 (see FIG. 3), which is the depth of the oxidized region 106b from the outer peripheral surface 122a, and is a depth that does not reach the non-oxidized region 106a. Therefore, the ion implantation region 131 provided in the constriction layer 106 is separated from the non-oxidized region 106a. 7 and 8 show the inner diameter of the ion implantation region 131 as the inner diameter R3.
  • FIG. 9 is a schematic view showing the inner diameter R1 of the oxidation region 106b, the outer diameter R2 of the mesa 122, and the inner diameter R3 of the ion implantation region 131. As shown in the figure, the inner diameter R3 is larger than the inner diameter R1 and smaller than the outer diameter R2.
  • the ion implantation region 131 is also formed in a part of the n-type mirror 102 on the active layer 104 side and a part of the p-type mirror 107 on the active layer 104 side. As shown in FIG. 7, the ion implantation region 131 can be exposed to the non-peripheral surface 122b and formed from the non-peripheral surface 122b to a certain depth.
  • the ion type of the ion implanted into the ion implantation region 131 can be H, C, B, O, Ar, Al, Ga or As. Of these, H ions (protons) are suitable because they have the smallest atomic radius and are easy to inject deeply.
  • the injection amount (dose amount) of ions is preferably 5 ⁇ 10 14 ions / cm 2 or more in the case of H, and 5 ⁇ 10 13 ions / cm 2 or more is preferable in the case of other ion species.
  • the concentration distribution of ion species in the ion implantation region 131 differs depending on the number of ion implantation stages described later.
  • the concentration distribution of the ion species in the direction perpendicular to the layer plane direction (Z direction) has only one peak.
  • the concentration distribution of the ion species in the direction perpendicular to the layer plane direction (Z direction) has a large number of peaks.
  • the ion implantation region 131 does not have to be provided in all of the above layers, and may be provided in at least the active layer 104 and the constriction layer 106.
  • the VCSEL element 100 has the above configuration.
  • the n-type and the p-type may be reversed.
  • the VCSEL element 100 may include another layer in addition to the above-mentioned layers.
  • FIG. 10 is a schematic view showing the operation of the VCSEL element 100.
  • a voltage is applied between the n-electrode 109 and the p-electrode 110, a current flows between the n-electrode 109 and the p-electrode 110.
  • the current is subjected to the current constriction action by the constriction layer 106, and is injected into the non-oxidized region 106a as shown by an arrow C in FIG.
  • This injection current generates spontaneous emission light F in the active layer 104 in a region close to the non-oxidizing region 106a.
  • the naturally emitted light F travels in the stacking direction of the VCSEL element 100 and is reflected by the n-type mirror-102 and the p-type mirror 107.
  • the spontaneously emitted light F is subjected to a light confinement effect in the layer surface direction (XY directions) due to the oxidation region 106b having a small refractive index.
  • the n-type mirror 102 and the p-type mirror 107 are configured to reflect light having an oscillation wavelength ⁇ , the component of the oscillation wavelength ⁇ of the naturally emitted light is between the n-type mirror 102 and the p-type mirror 107.
  • a standing wave is formed at and amplified by the active layer 104. When the injection current exceeds the threshold value, the light forming a standing wave oscillates with a laser, passes through the p-type mirror 107, and the laser light L is emitted from the light emitting surface S.
  • an insulated ion implantation region 131 is provided in the outer peripheral region of the active layer 104 or the like.
  • the current undergoes the stenosis action by the stenosis layer 106 and concentrates in the non-oxidized region 106a, but a part of the current passes through the oxidized region 106b.
  • the frequency of the current rises with the increase in the electric band
  • the current passing through the oxidation region 106b increases and the junction capacitance in the outer peripheral region of the mesa 122 increases, which makes it difficult to increase the band.
  • the ion implantation region 131 in the VCSEL element 100 it is possible to prevent the transmission of current in the outer peripheral region of the mesa 122 and reduce the bonding capacitance in the outer peripheral region of the mesa 122. It is possible to improve the electrical band.
  • the inner diameter R3 of the ion implantation region 131 is larger than the inner diameter R1 of the oxidation region 106b (see FIG. 9), the inner diameter R1 defines the light emitting region and the inner diameter R3 defines the insulation region (capacity reduction region). be able to. That is, in the VCSEL element 100, since the light emitting region and the insulating region can be individually defined, it is easy to design the light emitting mode of the laser.
  • the n-type mirror 102, the n-side spacer layer 103, the active layer 104, the p-side spacer layer 105, the constriction layer 106, and the p-type mirror 107 are laminated in this order on the substrate 101.
  • These layers can be laminated by epitaxial growth by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition).
  • a mask M1 using a resist or the like is formed on the p-type mirror 107. Further, ions are implanted from the mask M1 using an ion implantation device to form an ion implantation region 131.
  • the region where ions are not injected by the mask M1 is defined as the non-injection region 132.
  • the ion implantation depth in the ion implantation region 131 is a range in which at least the active layer 104 and the constriction layer 106 are included in the ion implantation region 131 in the depth direction (Z direction).
  • the range of the ion implantation region 131 in the depth direction (Z direction) can be adjusted by the acceleration voltage at the time of ion implantation, and the ion concentration can be adjusted by the dose amount at the time of ion implantation.
  • ions are implanted by one-stage implantation with a constant acceleration voltage.
  • the ions are implanted by multi-step ion implantation.
  • the mask M1 is removed, and further, the mask M2 is formed on the p-type mirror 107 as shown in FIG. Further, the p-type mirror 107, the constriction layer 106, the p-side spacer layer 105, the active layer 104, the n-side spacer layer 103, and the n-type mirror 102 are removed by etching using the mask M2. Etching can be, for example, dry etching.
  • a columnar mesa 122 including the non-injection region 132 is formed, and a removal surface 122c including the outer peripheral surface 122a and the non-outer peripheral surface 122b is formed.
  • the end face of each layer including the active layer 104 and the constriction layer 106 is exposed on the outer peripheral surface 122a.
  • the depth D2 (see FIG. 7) of the ion implantation region 131 from the outer peripheral surface 122a can be defined by the size of the mask M2.
  • the etching depth (Z direction) is preferably within the depth range of the ion implantation region 131 in the n-type mirror 102. As a result, the ion implantation region 131 provided in the n-type mirror 102 is exposed on the non-peripheral surface 122b.
  • this laminate is heated in steam to oxidize the constriction layer 106 from the outer peripheral side.
  • the oxidized region 106b is formed on the outer peripheral portion of the narrowed layer 106
  • the non-oxidized region 106a is formed on the central portion of the narrowed layer 106.
  • the oxidation conditions are adjusted so that the depth D1 of the oxidation region 106b from the outer peripheral surface 122a is deeper than the depth D2 (see FIG. 9).
  • the inner diameter R1 of the oxidation region 106b becomes smaller than the inner diameter R3 of the ion implantation region 131, and the non-oxidization region 106a is formed so as to be separated from the ion implantation region 131.
  • the VCSEL element 100 can be manufactured by embedding the insulator 108 in the recess 123 to form the n electrode 109, the p electrode 110, the n electrode pad 111, and the p electrode pad 112.
  • the ion implantation region 131 can be formed by adding several steps (mask formation, ion implantation, mask peeling) required for ion implantation, so that there is almost no need to change the manufacturing process. ..
  • the process time can be significantly reduced.
  • the mask M1 can be easily peeled off even if the mask M1 is very thick (thickness is about 5 ⁇ m or more) and is difficult to remove, and the mask M1 remains. And the additional peeling steps that accompany it can also be avoided.
  • the vicinity of the active layer 104 and the non-peripheral surface 122b of the outer peripheral surface 122a are ion implantation regions 131.
  • the processed surface by dry etching tends to form a damaged layer in the vicinity of the surface due to the problem of adsorption of etching gas molecules and physical damage received during processing.
  • a damaged layer may be generated by dry etching on the end surface of the active layer 104 on the outer peripheral surface 122a. This damaged layer may cause a decrease in reliability due to the influence of carriers spreading in the active layer 104 when the VCSEL element 100 is driven.
  • the ion implantation region 131 is formed in the vicinity of the end face of the active layer 104 and is insulated, the carriers are shielded from the damaged layer, which prevents the reliability from being lowered. .. Further, even on the non-peripheral surface 122b, a damaged layer may be generated by dry etching, but the etched surface can be stabilized by insulating the non-peripheral surface 122b by the ion implantation region 131.
  • the VCSEL element 100 by providing the ion implantation region 131, it is possible to prevent the transmission of the current in the outer peripheral region of the mesa 122 and reduce the bonding capacitance in the outer peripheral region of the mesa 122. This makes it possible to improve the electrical time response of the VCSEL element 100. As described above, in the VCSEL element 100, both the time responsiveness of light and the time responsiveness of electricity can be improved, and high-speed modulation can be realized.
  • the capacitance reduction region can be individually defined by the distribution of the ion implantation region 131 and the light emission region can be individually defined by the distribution of the non-oxidized region 106a, it is easy to design the light emission mode of the laser, and crystal defects and light emission due to etching can be easily performed. Since the regions can be separated, it is possible to make the reliability high.
  • the ion implantation region 131 can be formed by adding several steps required for ion implantation. Therefore, the VCSEL element 100 has high productivity with almost no need to change the manufacturing process.
  • the insulator 108 having a lower dielectric constant than the semiconductor is used instead of the support for the mesa 122. Since there is no problem of stray capacitance of the column and the capacitance reduction effect at the outer peripheral portion of the mesa 122 by ion implantation can be maximized, a higher electric band (for example, 30 GHz or more) can be realized. ..
  • the injected current does not become a leakage current and is implanted into the ion implantation region 131 and the non-oxidized region 106a without loss, so that the transmission signal is deteriorated (noise, etc.) and reliability due to the leakage current.
  • the above problem is also less likely to occur.
  • the VCSEL element 100 can be used as a light emitting element in a photoelectric conversion device for communication. As described above, the VCSEL element 100 is capable of high-speed modulation and has high reliability, and is therefore suitable for use in ultra-high-speed optical communication such as a communication speed of 50 Gbps.
  • VCSEL vertical cavity surface emitting laser
  • the VCSEL element according to the present embodiment has the same configuration except that the VCSEL element 100 according to the first embodiment is provided with an impurity diffusion region.
  • the same components as the VCSEL element 100 according to the first embodiment are designated by the same reference numerals as those of the VCSEL element 100, and the description thereof will be omitted.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of the VCSEL element 200 according to the present embodiment, and FIG. 15 is a plan view of the VCSEL element 100.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG.
  • the light emitting direction of the VCSEL element 200 is the Z direction
  • one direction orthogonal to the Z direction is the X direction
  • the directions orthogonal to the X direction and the Z direction are the Y directions.
  • the oscillation wavelength of the VCSEL element 200 is ⁇ .
  • the VCSEL element 200 includes a substrate 101, an n-type mirror 102, an n-side spacer layer 103, an active layer 104, a p-side spacer layer 105, a narrowing layer 106, a p-type mirror 107, and an insulator 108. , N electrode 109, p electrode 110, n electrode pad 111 and p electrode pad 112.
  • the stenosis layer 106 includes a non-oxidized region 106a and an oxidized region 106b.
  • the non-oxidized region 106a has an inner diameter R1, and the depth of the oxidized region 106b from the outer peripheral surface 122a is defined as the depth D1 (see FIGS. 3 and 4).
  • the laminate obtained by laminating the n-type mirror 102, the n-side spacer layer 103, the active layer 104, the p-side spacer layer 105, the narrowing layer 106, and the p-type mirror 107 is the semiconductor laminate 121 (see FIG. 3). ). Further, on the surface of the p-type mirror 107, the region surrounded by the p electrode 110 is the light emitting surface S from which the laser beam is emitted by the VCSEL element 200.
  • the VCSEL element 200 is provided with an ion implantation region in which ions are implanted in the semiconductor laminate 121 and an impurity diffusion region in which impurities are diffused.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view of the VCSEL element 200 showing the ion implantation region 131 and the impurity diffusion region 231, and is a cross-sectional view taken along the line BB shown in FIG.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view of the semiconductor laminate 121 showing the ion implantation region 131 and the impurity diffusion region 231, and is a diagram showing a partial configuration of FIG.
  • FIG. 18 is a plan view of the mesa 122 showing the ion implantation region 131 and the impurity diffusion region 231.
  • the ion implantation region 131 is a region in which ions are implanted into the material of the semiconductor laminate 121 to be insulated, as in the first embodiment. As shown in FIGS. 16 to 18, the ion implantation region 131 is formed from the outer peripheral surface 122a of the mesa 122 to a predetermined depth among the n-side spacer layer 103, the active layer 104, and the p-side spacer layer 105 constriction layer 106. That is, they are formed in an annular shape on the outer peripheral portion of these layers. 17 and 18 show the depth of the ion implantation region 131 from the outer peripheral surface 122a as the depth D2.
  • the depth D2 is shallower than the depth D1 (see FIG. 3), which is the depth of the oxidized region 106b from the outer peripheral surface 122a, and is a depth that does not reach the non-oxidized region 106a. Therefore, the ion implantation region 131 provided in the constriction layer 106 is separated from the non-oxidized region 106a. 17 and 18 show the inner diameter of the ion implantation region 131 as the inner diameter R3.
  • the ion implantation region 131 is also formed in a part of the n-type mirror 102 on the active layer 104 side and a part of the p-type mirror 107 on the active layer 104 side. As shown in FIG. 17, the ion implantation region 131 can be exposed to the non-peripheral surface 122b and formed from the non-peripheral surface 122b to a certain depth.
  • the ion type of the ion implanted into the ion implantation region 131 can be H, C, B, O, Ar, Al, Ga or As. Of these, H ions (protons) are suitable because they have the smallest atomic radius and are easy to inject deeply.
  • the injection amount (dose amount) of ions is preferably 5 ⁇ 10 14 ions / cm 2 or more in the case of H, and 5 ⁇ 10 13 ions / cm 2 or more is preferable in the case of other ion species.
  • the concentration distribution of ion species in the ion implantation region 131 differs depending on the number of ion implantation stages.
  • the concentration distribution of the ion species in the direction perpendicular to the layer plane direction (Z direction) has only one peak.
  • the concentration distribution of the ion species in the direction perpendicular to the layer plane direction (Z direction) has a large number of peaks.
  • the ion implantation region 131 does not have to be provided in all of the above layers, and may be provided in at least the active layer 104 and the constriction layer 106.
  • the impurity diffusion region 231 is a region in which impurities are diffused in the material of the semiconductor laminate 121.
  • the impurities can be diffused by thermal diffusion.
  • the impurity diffusion region 231 is formed from the outer peripheral surface 122a of the mesa 122 to a predetermined depth in the p-type mirror 107, and is formed in an annular shape on the outer peripheral portion of the p-type mirror 107. 17 and 18 show the depth of the impurity diffusion region 231 from the outer peripheral surface 122a as the depth D3.
  • the depth D3 is a depth deeper than the depth D2, which is the depth of the ion implantation region 131 from the outer peripheral surface 122a. Further, the depth D3 may be deeper or shallower than the depth D1 which is the depth of the oxidation region 106b from the outer peripheral surface 122a, but it is preferably about the same as the depth D1. 17 and 18 show the inner diameter of the impurity diffusion region 231 as the inner diameter R4.
  • FIG. 19 is a schematic view showing the distribution of the ion implantation region 131 and the impurity diffusion region 231 in the layer surface direction (XY directions), and is a view of the mesa 122 from the direction perpendicular to the layer surface direction (Z direction). ..
  • the ion implantation region 131 is a region with dots
  • the impurity diffusion region 231 is a shaded region.
  • the impurity diffusion region 231 is provided in a range that overlaps with the ion implantation region 131 when the mesa 122 is viewed from the Z direction.
  • FIG. 20 is a schematic view showing the distribution of the impurity diffusion region 231 in the stacking direction (Z direction).
  • the impurity diffusion region 231 is distributed between the surface T1 and the interface T2.
  • the impurity diffusion region 231 is exposed on the surface T1 and may be separated from the interface T2 as shown in FIG. 20 or may be adjacent to the interface T2.
  • the interface T2 can be impurity concentration by ion implantation and larger surface than 1 ⁇ 10 +18 / cm 3.
  • the p electrode 110 is formed on the surface T1, but the impurity diffusion region 231 is exposed on the surface T1, and the p electrode 110 abuts on the impurity diffusion region 231. Therefore, the impurity diffusion region 231 is formed between the p electrode 110 and the ion implantation region 131 from the outer peripheral surface 122a to a predetermined depth.
  • the impurities forming the impurity diffusion region 231 can be C, Zn or Mg, and the concentration thereof is preferably 1 ⁇ 10 17 / cm 3 or more. Further, in the present embodiment, the impurity diffusion region 231 is provided in the p-type mirror 107, but when there is a semiconductor layer different from the p-type mirror 107 between the p-electrode 110 and the ion implantation region 131, the impurity diffusion is present. The region 231 can also be provided in the semiconductor layer.
  • the VCSEL element 200 has the above configuration.
  • the n-type and the p-type may be reversed.
  • the impurity diffusion region 213 is provided in the n-type mirror, but the impurities forming the impurity diffusion region 231 can be Si, S or Se.
  • the impurity concentration is preferably 1 ⁇ 10 17 / cm 3 or more.
  • FIG. 21 is a schematic view showing the operation of the VCSEL element 200.
  • the VCSEL element 200 operates in the same manner as the VCSEL element 100 according to the first embodiment. That is, when a voltage is applied between the n electrode 109 and the p electrode 110, the current is injected into the non-oxidized region 106a as shown by an arrow C in FIG.
  • Spontaneous emission light F is generated by this injection current and is reflected by the n-type mirror 102 and the p-type mirror 107.
  • the n-type mirror 102 and the p-type mirror 107 are configured to reflect light having an oscillation wavelength ⁇ , and the laser light L generated by the laser oscillation is emitted from the light emitting surface S.
  • the VCSEL element 200 by providing the ion implantation region 131, the transmission of the current in the outer peripheral region of the mesa 122 is prevented and the bonding capacitance in the outer peripheral region of the mesa 122 is reduced as in the first embodiment. It is possible to improve the electric band of the VCSEL element 200. Further, in the VCSEL element 200, by providing the impurity diffusion region 231, the electric resistance between the p electrode 110 and the non-oxidized region 106a can be reduced as described later.
  • each layer is laminated on the substrate 101 (see FIG. 11), and a mask M1 using a resist or the like is formed on the p-type mirror 107 (see FIG. 12).
  • Ions are implanted from the mask M1 using an ion implantation device to form an ion implantation region 131.
  • the region where ions are not injected by the mask M1 is defined as the non-injection region 132.
  • the ion implantation depth in the ion implantation region 131 is a range in which at least the active layer 104 and the constriction layer 106 are included in the ion implantation region 131 in the depth direction (Z direction).
  • the range of the ion implantation region 131 in the depth direction (Z direction) can be adjusted by the acceleration voltage at the time of ion implantation, and the ion concentration can be adjusted by the dose amount at the time of ion implantation.
  • ions are implanted by one-stage implantation with a constant acceleration voltage.
  • the ions are implanted by multi-step ion implantation.
  • the mask M1 is removed, and the mask M3 is formed on the p-type mirror 107 as shown in FIG.
  • the mask M3 can be, for example, a dielectric material film such as SiO 2.
  • the mask M3 is provided with an opening on the surface of the p-type mirror 107 so that the region through which the ions have passed in the ion implantation step is exposed.
  • impurities are diffused using the mask M3 to form the impurity diffusion region 231.
  • Impurities can be diffused by thermal diffusion, and thermal diffusion in a gas phase containing an impurity component or solid phase thermal diffusion in which a solid containing an impurity component is brought into contact and heated can be used.
  • the depth of impurity diffusion can be adjusted by the heating temperature and heating time, and the impurity diffusion region 231 can be set to a depth that does not exceed the interface T2 (see FIG. 20) of the ion implantation region 131. can.
  • the gas phase containing the impurity component is diethyl zinc or dimethyl zinc, and the solid containing the impurity component is ZnO.
  • the impurity to be diffused is C
  • the gas phase containing the impurity component is CBr 4 (carbon tetrabromide)
  • the solid containing the impurity component is a carbon film or the like.
  • the impurity to be diffused is Mg
  • the gas phase containing the impurity component is Cp 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium), and the solid containing the impurity component is an MgO film or the like.
  • the impurity diffusion region 231 can be formed by ion implantation.
  • the mask M3 is removed, and further, the mask M2 is formed on the p-type mirror 107 as shown in FIG. 24. Further, the p-type mirror 107, the constriction layer 106, the p-side spacer layer 105, the active layer 104, the n-side spacer layer 103, and the n-type mirror 102 are removed by etching using the mask M2. Etching can be, for example, dry etching.
  • a columnar mesa 122 including the non-injection region 132 is formed, and a removal surface 122c including the outer peripheral surface 122a and the non-outer peripheral surface 122b is formed.
  • the end face of each layer including the active layer 104 and the constriction layer 106 is exposed on the outer peripheral surface 122a.
  • the depth D2 of the ion implantation region 131 from the outer peripheral surface 122a (see FIG. 17) and the depth D3 of the impurity diffusion region 231 (see FIG. 17) can be defined by the size of the mask M2.
  • the etching depth (Z direction) is preferably within the depth range of the ion implantation region 131 in the n-type mirror 102. As a result, the ion implantation region 131 provided in the n-type mirror 102 is exposed on the non-peripheral surface 122b.
  • this laminate is heated in steam to oxidize the constriction layer 106 from the outer peripheral side.
  • the oxidized region 106b is formed on the outer peripheral portion of the narrowed layer 106
  • the non-oxidized region 106a is formed on the central portion of the narrowed layer 106.
  • the oxidation conditions are adjusted so that the depth D1 of the oxidation region 106b from the outer peripheral surface 122a is deeper than the depth D2 (see FIG. 9).
  • the inner diameter R1 of the oxidation region 106b becomes smaller than the inner diameter R3 of the ion implantation region 131, and the non-oxidization region 106a is formed so as to be separated from the ion implantation region 131.
  • the VCSEL element 200 can be manufactured by embedding the insulator 108 in the recess 123 to form the n electrode 109, the p electrode 110, the n electrode pad 111, and the p electrode pad 112.
  • the ion implantation region 131 and the impurity diffusion region 231 can be formed by adding several steps (mask formation, ion implantation, impurity diffusion, mask peeling) necessary for ion implantation and impurity diffusion. Therefore, there is almost no need to change the manufacturing process. In addition, since the number of stages for injecting ions is small, the process time can be significantly reduced.
  • the deterioration of the mask M1 due to ion implantation can be minimized, and the residual mask M1 and the additional peeling step associated therewith can be avoided.
  • the ion implantation region 131 is formed in the vicinity of the end face of the active layer 104 and is insulated, the carriers are shielded from the damaged layer, which prevents the reliability from being lowered. Even on the non-peripheral surface 122b, it is possible to stabilize the etched surface by insulating the non-peripheral surface 122b with the ion implantation region 131.
  • the refractive index decreases due to oxidation in the oxidation region 106b formed in the constriction layer 106, and a region having a low refractive index is formed around the light emitting portion.
  • high light confinement to the active layer 104 is realized three-dimensionally.
  • the proportion of light that receives the stimulated emission gain in the active layer 104 increases, and the effective light gain becomes a high value, so that the time responsiveness of the light can be made high.
  • the VCSEL element 200 by providing the ion implantation region 131, it is possible to prevent the transmission of the current in the outer peripheral region of the mesa 122 and reduce the bonding capacitance in the outer peripheral region of the mesa 122. This makes it possible to improve the electrical time response of the VCSEL element 200. As described above, in the VCSEL element 200, both the time responsiveness of light and the time responsiveness of electricity can be improved, and high-speed modulation can be realized.
  • the following effects can be obtained by providing the impurity diffusion region 231.
  • 25 and 26 are schematic views showing the effect of the impurity diffusion region 231.
  • an ion passage region P is formed in the upper layer of the ion implantation region 131.
  • the ion passage region P is a region through which ions have passed in the ion implantation step, and the crystal structure of the p-type mirror 107 is damaged by the passage of ions.
  • the electrical resistance of the ion passing region P is large, and the current flowing from the p electrode 110 to the p-type mirror 107 (arrow C in the figure) may be concentrated in the vicinity of the inner peripheral edge E of the p electrode 110. be. In this case, the electrical resistance of the entire element becomes large.
  • an impurity diffusion region 231 is provided between the p electrode 110 and the ion implantation region 131 so as to overlap the ion passage region P.
  • damage to the crystal structure is repaired by the diffusion of impurities, and the electrical resistance is reduced.
  • the current does not concentrate on the inner peripheral edge E of the p electrode 110, and the electrical resistance of the entire element can be reduced.
  • the VCSEL element 200 it is possible to improve both the time responsiveness of light and the electrical time responsiveness, and it is also possible to improve the electrical characteristics and the electric band by lowering the resistance of the element. be.
  • the VCSEL element 200 can be used as a light emitting element in a photoelectric conversion device for communication. As described above, the VCSEL element 200 is capable of high-speed modulation and has high reliability, and is therefore suitable for use in ultra-high-speed optical communication such as a communication speed of 50 Gbps.
  • a vertical resonator type surface emitting laser device including a semiconductor laminate formed in a layer from the outer peripheral surface to a predetermined depth and having an ion implantation region separated from the non-oxidized region.
  • the mesa is formed by partial removal of the semiconductor laminate.
  • the ion implantation region is a vertical resonator type surface emitting laser element exposed on a removal surface formed by partial removal of the semiconductor laminate.
  • the ion implantation region is a vertical resonator type surface emitting laser element having one peak in the direction in which the concentration distribution of the ion species of the ions is perpendicular to the layer surface direction.
  • the above ion species is H,
  • the injection amount of the above ion species is 5 ⁇ 10 14 ions / cm 2 or more.
  • the vertical resonator type surface emitting laser element according to any one of (1) to (4) above.
  • the ionic species are C, B, O, Ar, Al, Ga or As.
  • the injection amount of the above ion species is 5 ⁇ 10 13 ions / cm 2 or more.
  • Vertical resonator type surface emitting laser element (7) The vertical resonator type surface emitting laser element according to any one of (1) to (6) above.
  • the mesa has a surface parallel to the layer surface direction and has a surface parallel to the layer surface direction.
  • the vertical resonator type surface emitting laser element further includes an electrode formed on the surface of the vertical resonator type surface emitting laser element.
  • the semiconductor laminate is a vertical resonator type surface emitting laser element which is formed between the electrode and the ion implantation region to a predetermined depth from the outer peripheral surface and further has an impurity diffusion region in which impurities are diffused.
  • the impurity diffusion region is a vertical resonator type surface emitting laser element in which the impurities are thermally diffused.
  • the impurity diffusion region is a vertical resonator type surface emitting laser element provided in a range overlapping the ion implantation region when the mesa is viewed from a direction perpendicular to the layer surface direction.
  • the impurity diffusion region is a vertical resonator type surface emitting laser element having a concentration of the impurities of 1 ⁇ 10 17 / cm 3 or more.
  • the impurity diffusion region is provided in the first mirror.
  • the first conductive type is the p type, The above-mentioned impurity is C, Zn or Mg. Vertical resonator type surface emitting laser element.
  • the vertical resonator type surface emitting laser element according to any one of (7) to (9) above.
  • the impurity diffusion region is provided in the first mirror.
  • the first conductive type is n type,
  • the above-mentioned impurity is Si, S or Se.
  • a semiconductor laminate having an active layer provided between the two mirrors and a constriction layer provided between the first mirror and the second mirror is formed. In the above semiconductor laminate, ions are implanted from the direction perpendicular to the layer surface direction excluding the non-implanted region to form an ion-implanted region.
  • a mesa containing the non-implanted region by etching the semiconductor laminate which has an outer peripheral surface on which the end faces of the active layer and the constriction layer are exposed, and from the outer peripheral surface of the active layer and the constriction layer.
  • a method for manufacturing a vertical resonator type surface emitting laser element which oxidizes the constriction layer from the outer peripheral surface and forms an oxidation region in the constriction layer from the outer peripheral surface to a second depth deeper than the first depth.
  • a method for manufacturing a vertical resonator type surface emitting laser device further comprising a step of diffusing impurities in the semiconductor laminate to form an impurity diffusion region.
  • the step of forming the impurity diffusion region is performed after the step of forming the ion implantation region and before the step of forming the mesa, and in the step of forming the ion implantation region, the impurities pass through the region.
  • a method for manufacturing a vertical resonator type surface-implanted laser element that diffuses.
  • the step of forming the impurity diffusion region is a method for manufacturing a vertical resonator type surface emitting laser element that diffuses the impurities by thermal diffusion.
  • a vertical resonator type surface emitting laser element including a semiconductor laminate formed in the active layer and the constriction layer to a predetermined depth from the outer peripheral surface and having an ion injection region separated from the non-oxidized region.
  • Photoelectric conversion device. (18) The photoelectric conversion device according to (17) above.
  • the mesa has a surface parallel to the layer surface direction and has a surface parallel to the layer surface direction.
  • the vertical resonator type surface emitting laser element further includes an electrode formed on the surface of the vertical resonator type surface emitting laser element.
  • the semiconductor laminate is a photoelectric conversion device which is formed between the electrode and the ion implantation region to a predetermined depth from the outer peripheral surface and further has an impurity diffusion region in which impurities are diffused.

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Abstract

【課題】電気的応答性に優れ、かつ生産性及び信頼性が高い垂直共振器型面発光レーザ素子、垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法及び光電変換装置を提供すること。 【解決手段】本技術に係る垂直共振器型面発光レーザ素子は、半導体積層体を具備する。半導体積層体は、第１の導電型を有する第１のミラーと、第２の導電型を有し、第１のミラーと光共振を生じさせる第２のミラーと、第１のミラーと第２のミラーの間に設けられた活性層と、第１のミラーと第２のミラーの間に設けられ、第１の材料からなる非酸化領域と、非酸化領域の周囲に設けられ、第１の材料を酸化した第２の材料からなる酸化領域とを有する狭窄層とを備える半導体積層体であって、活性層及び狭窄層の端面が露出する外周面を有するメサと、イオンが注入された領域であり、活性層及び狭窄層において外周面から所定の深さまで形成され、非酸化領域と離間するイオン注入領域を有する。

Description

垂直共振器型面発光レーザ素子、垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法及び光電変換装置
　本技術は、光通信等に用いられる垂直共振器型面発光レーザ素子、垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法及び光電変換装置に関する。
　垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser)素子は、半導体レーザ素子の一種であり、一対のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector：分布ブラッグ反射鏡）により活性層を挟んだ構造を有する。一対のＤＢＲは共振器を形成し、活性層において生成された光を層面に垂直な方向に反射してレーザ発振を生じさせる。
　活性層の近傍には、電流を活性層中の狭い領域に集中させるための電流狭窄構造が設けられる。電流狭窄構造は、メサ形状（台地型形状）に形成されたＶＣＳＥＬ素子の外周から被酸化層を酸化させ、被酸化層の外周領域を絶縁化することにより形成することができる。これにより、被酸化層の中央領域のみが導電性を有し、中央領域の近傍に位置する活性層に電流を集中させることが可能となる。
　また、電流狭窄構造を構成する酸化層は、酸化される過程で屈折率の低下を伴うため、発光領域の周囲に屈折率の低い領域が形成される。この屈折率の層面内の分布は、メサ中心の屈折率が高い部分に層面に沿う方向から光を閉じ込める構造となっており、先の共振器構造と併せて、３次元的に活性層への高い光閉じ込めを実現している。光閉じ込めが改善されると、活性層での誘導放出利得を受ける光の割合が増えるため、実効的な光利得を高い値とすることができる。
　一方、ＶＣＳＥＬ素子の高速変調を実現するためには、光の時間応答性だけでなく、電流を活性層に注入する際の電気的な時間応答性(電気帯域)も改善する必要がある。電気的な時間応答性を決める要因の一つとして、メサで生じるｐｎ接合での接合容量が挙げられる。特に、高周波電流が酸化層も透過して流れるため、酸化層を介したメサ外周部の接合容量が問題となる。しかもこの部分は、メサ中心のレーザ発光に寄与しない領域であるため、この点でもメサ外周部の接合容量の低減が求められる。
　例えば特許文献１には、メサ外周部にイオンを注入し、メサ外周部を絶縁化する方法が開示されている。この例ではウェハー表面側のＤＢＲを活性層の直上までエッチングし、メサ構造を形成した上に注入用マスクを付したのち、イオン注入することで、先述のメサ状ＤＢＲの直下の活性層を除いた領域が絶縁化された構造を有する。絶縁化された層はそのまま電流狭窄層となり、活性層の電流注入径を規定する。
　また、非特許文献１には、酸化層とプロトン注入を併用して、発光領域とイオン注入領域を分ける構造が開示されている。この構造では、信頼性確保のために半導体メサ構造を外周に延伸した複数の半導体支柱で支え、機械的に弱い酸化層部に外力がかかりにくい安定化構造を形成している。この構造の内部では、メサ外周部のｐ型ミラーから活性層の範囲にプロトン注入を行い、絶縁化している。
　しかしながら、特許文献１に記載の構造では、層面方向の光閉じ込め機構がなく、発振するレーザ光の横モードを制御できないため、より多くの高次モードの発振を許すことになり、不安定なモード間の競合やそれに伴うノイズなどの問題を引き起こすため高速変調や信号伝送には不向きである。また、活性層にイオン注入する際にイオン注入領域に導入される結晶欠陥とレーザ光の位置が近く、高温で光強度の高い活性層からの欠陥へのエネルギー供給によって結晶欠陥が増殖しやすい形になっており、ＶＣＳＥＬ素子の劣化が促進される可能性が高い。
　また、非特許文献１に記載の構造では、外周の絶縁化が不十分なまま作製すると、注入電流の一部が半導体支柱を介して支柱の外側に流れてしまう(リーク電流になる)ため、メサ外周部だけでなく、全ての半導体支柱やさらにその外側領域も含めて、広い範囲でプロトンを注入し、絶縁化する必要がある。深さ方向も注入範囲内の全層をむらなく絶縁化しないと絶縁不良の層を介してリークが発生してしまうため、この絶縁構造を実現するためには、深さ方向にも満遍なくプロトンを注入する必要がある。
　このため、加速電圧を変えながら(注入される深さを変えながら)何度も重ねてプロトンを注入する必要があり、イオンビームで位置をスキャニングしながら注入するため、ウェハー全体に均一な注入量とするためには数時間程度かかる場合がある。
　また、プロトンを注入したい部分に選択的に注入するためにウェハー表面にイオン注入用マスク(レジストで形成するのが一般的)を使用するが、注入後のマスクレジストは、イオンビーム照射によって劣化と変質が進むため、マスク剥離が難しく、多段注入の場合は、より多くの手段・時間が必要で、その方法によってはプロセス工程での不良原因になりやすいといった問題がある。
　以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、電気的応答性に優れ、かつ生産性及び信頼性が高い垂直共振器型面発光レーザ素子、垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法及び光電変換装置を提供することにある。
　上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る垂直共振器型面発光レーザ素子は、半導体積層体を具備する。
　上記半導体積層体は、第１の導電型を有する第１のミラーと、第２の導電型を有し、上記第１のミラーと光共振を生じさせる第２のミラーと、上記第１のミラーと上記第２のミラーの間に設けられた活性層と、上記第１のミラーと上記第２のミラーの間に設けられ、導電性材料からなる非酸化領域と、上記非酸化領域の周囲に設けられ、上記導電性材料を酸化した絶縁性材料からなる酸化領域とを有する狭窄層とを備える半導体積層体であって、上記活性層及び上記狭窄層の端面が露出する外周面を有するメサと、イオンが注入された領域であり、上記活性層及び上記狭窄層において上記外周面から所定の深さまで形成され、上記非酸化領域と離間するイオン注入領域を有する。
　この構成によれば、メサ外周円から所定の深さまでイオン注入領域を設けることにより、メサの外周領域での電流の透過を防止し、メサの外周領域での接合容量を低減させることができ、垂直共振器型面発光レーザ素子の電気帯域を向上させることが可能である。
　上記メサは、上記半導体積層体の部分的な除去により形成され、
　上記イオン注入領域は、上記半導体積層体の部分的な除去により形成された除去面に露出してもよい。
　上記垂直共振器型面発光レーザ素子は、上記メサの周囲に設けられ、上記除去面を被覆する絶縁体をさらに具備してもよい。
　上記イオン注入領域は、上記イオンのイオン種の濃度分布が層面方向に垂直な方向において一つのピークを有してもよい。
　上記イオン種はＨであり、
　上記イオン種の注入量は５×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上であってもよい。
　上記イオン種はＣ、Ｂ、Ｏ、Ａｒ、Ａｌ、Ｇａ又はＡｓであり、
　上記イオン種の注入量は５×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上であってもよい。
　上記メサは、層面方向に平行な表面を有し、
　上記垂直共振器型面発光レーザ素子は、上記表面上に形成された電極をさらに具備し、
　上記半導体積層体は、上記電極と上記イオン注入領域の間において上記外周面から所定の深さまで形成され、不純物が拡散された不純物拡散領域をさらに有してもよい。
　上記不純物拡散領域は、上記不純物が熱拡散された領域であってもよい。
　上記不純物拡散領域は、上記層面方向に垂直な方向から上記メサを見たときに上記イオン注入領域と重複する範囲に設けられていてもよい。
　上記不純物拡散領域は、上記不純物の濃度が１×１０１７／ｃｍ３以上であってもよい。
　上記不純物拡散領域は、上記第１のミラー中に設けられ、
　第１の導電型はｐ型であり、
　上記不純物はＣ、Ｚｎ又はＭｇであってもよい。
　上記不純物拡散領域は、上記第１のミラー中に設けられ、
　第１の導電型はｎ型であり、
　上記不純物はＳｉ、Ｓ又はＳｅであってもよい。
　上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法は、第１の導電型を有する第１のミラーと、第２の導電型を有し、上記第１のミラーと光共振を生じさせる第２のミラーと、上記第１のミラーと上記第２のミラーの間に設けられた活性層と、上記第１のミラーと上記第２のミラーの間に設けられた狭窄層とを備える半導体積層体を形成する。
　上記半導体積層体において、層面方向に垂直な方向から非注入領域を除いてイオンを注入してイオン注入領域を形成する。
　上記半導体積層体をエッチングして、上記非注入領域を含むメサであって、上記活性層及び上記狭窄層の端面が露出する外周面を有し、上記活性層及び上記狭窄層において上記外周面から第１の深さまで上記イオン注入領域が分布するメサを形成する。
　上記外周面から上記狭窄層を酸化し、上記狭窄層において上記外周面から上記第１の深さより深い第２の深さまで酸化領域を形成する。
　上記垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法は、
　上記半導体積層体において不純物を拡散させ、不純物拡散領域を形成する工程をさらに含んでもよい。
　上記不純物拡散領域を形成する工程は、上記イオン注入領域を形成する工程の後、上記メサを形成する工程の前に行い、上記イオン注入領域を形成する工程において上記イオンが通過した領域に上記不純物を拡散させてもよい。
　上記不純物拡散領域を形成する工程は、熱拡散により上記不純物を拡散させてもよい。
　上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る光電変換装置は、垂直共振器型面発光レーザ素子を具備する。
　上記垂直共振器型面発光レーザ素子は、第１の導電型を有する第１のミラーと、第２の導電型を有し、上記第１のミラーと光共振を生じさせる第２のミラーと、上記第１のミラーと上記第２のミラーの間に設けられた活性層と、上記第１のミラーと上記第２のミラーの間に設けられ、導電性材料からなる非酸化領域と、上記非酸化領域の周囲に設けられ、上記導電性材料を酸化した絶縁性材料からなる酸化領域とを有する狭窄層とを備える半導体積層体であって、上記活性層及び上記狭窄層の端面が露出する外周面を有するメサと、イオンが注入された領域であり、上記活性層及び上記狭窄層において上記外周面から所定の深さまで形成され、上記非酸化領域と離間するイオン注入領域を有する半導体積層体を備える。
　上記メサは、層面方向に平行な表面を有し、上記垂直共振器型面発光レーザ素子は、上記表面上に形成された電極をさらに具備し、上記半導体積層体は、上記電極と上記イオン注入領域の間において上記外周面から所定の深さまで形成され、不純物が拡散された不純物拡散領域をさらに有してもよい。
本技術の第１の実施形態に係る垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）素子の断面図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子の平面図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子が備える半導体積層体の断面図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子が備える狭窄層の平面図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子が備える半導体積層体に形成されたメサの平面図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子の断面図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子が備える半導体積層体の断面図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子が備える半導体積層体に形成されたメサの平面図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子が備える半導体積層体に形成されたメサの平面図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子の動作を示す模式図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子の製造方法を示す模式図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子の製造方法を示す模式図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子の製造方法を示す模式図である。 本技術の第２の実施形態に係る垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）素子の断面図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子の平面図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子の断面図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子が備える半導体積層体の断面図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子が備える半導体積層体に形成されたメサの平面図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子におけるイオン注入領域と不純物拡散領域の分布を示す模式図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子におけるイオン注入領域と不純物拡散領域の分布を示す模式図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子の動作を示す模式図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子の製造方法を示す模式図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子の製造方法を示す模式図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子の製造方法を示す模式図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子における不純物拡散領域の効果を示す模式図である。 上記ＶＣＳＥＬ素子における不純物拡散領域の効果を示す模式図である。
　（第１の実施形態）
　本技術の第１の実施形態に係る垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser)素子について説明する。
　［ＶＣＳＥＬ素子の構造］
　図１は、本実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子１００の断面図であり、図２は、ＶＣＳＥＬ素子１００の平面図である。図１は、図２のＡ－Ａ線での断面図である。なお、本開示の各図において、ＶＣＳＥＬ素子１００の光出射方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する一方向をＸ方向、Ｘ方向及びＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。また、以下の説明においてＶＣＳＥＬ素子１００の発振波長をλとする。
　図１及び図２に示すようにＶＣＳＥＬ素子１００は、基板１０１、ｎ型ミラー１０２、ｎ側スペーサー層１０３、活性層１０４、ｐ側スペーサー層１０５、狭窄層１０６、ｐ型ミラー１０７、絶縁体１０８、ｎ電極１０９、ｐ電極１１０、ｎ電極パッド１１１及びｐ電極パッド１１２を備える。
　ｎ型ミラー１０２、ｎ側スペーサー層１０３、活性層１０４、ｐ側スペーサー層１０５、狭窄層１０６及びｐ型ミラー１０７を積層した積層体を半導体積層体１２１とする。図３は、半導体積層体１２１の断面図である。同図に示すように半導体積層体１２１の各層は層面方向がＸ－Ｙ平面に沿うように積層されている。
　基板１０１はＶＣＳＥＬ素子１００の各層を支持する。基板１０１は、例えばｎ－ＧａＡｓ基板とすることができるが他の材料からなるものであってもよい。
　ｎ型ミラー１０２は、ｎ型半導体材料からなり、基板１０１上に設けられ、波長λの光を反射する。ｎ型ミラー１０２は、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector：分布ブラッグ反射鏡）として機能し、ｐ型ミラー１０７と共にレーザ発振のための光共振器を構成する。ｎ型ミラー１０２は、例えば組成比が異なる２層のｎ―ＡｌＧａＡｓを複数層交互に積層したものとすることができる。
　ｎ側スペーサー層１０３は、ｎ型ミラー１０２上に積層され、ｎ型ミラー１０２とｐ型ミラー１０７の間隔がλとなるように調整する。ｎ側スペーサー層１０３は、ｎ型半導体材料又は非ドープの半導体材料からなり、例えばｎ―ＡｌＧａＡｓからなるものとすることができる。
　活性層１０４は、ｎ側スペーサー層１０３上に設けられ、自然放出光の放出及び増幅を行う。活性層１０４は、量子井戸層と障壁層を交互に複数層積層したものとすることができる。量子井戸層は例えばＩｎＧａＡｓからなり、障壁層は例えば量子井戸層とは組成比が異なるＩｎＧａＡｓからなるものとすることができる。
　ｐ側スペーサー層１０５は、活性層１０４上に積層され、ｎ型ミラー１０２とｐ型ミラー１０７の間隔がλとなるように調整する。ｐ側スペーサー層１０５は、ｐ型半導体材料又は非ドープの半導体材料からなり、例えばｐ―ＡｌＧａＡｓからなるものとすることができる。
　狭窄層１０６は、ｐ側スペーサー層１０５上に設けられ、電流に狭窄作用を付与するとともに、光をＸ－Ｙ方向に閉じ込める。図４は、狭窄層１０６の平面図である。同図に示すように、狭窄層１０６は、非酸化領域１０６ａと酸化領域１０６ｂを備える。非酸化領域１０６ａは狭窄層１０６の中央に設けられ、円形形状を有する。酸化領域１０６ｂは非酸化領域１０６ａの周囲に設けられている。図３及び図４に示すように、酸化領域１０６ｂの内径を内径Ｒ１とする。
　非酸化領域１０６ａは、導電性材料からなり、酸化領域１０６ｂは非酸化領域１０６ａの材料を酸化した絶縁性材料からなる。例えば非酸化領域１０６ａはＡｌＡｓからなり、酸化領域１０６ｂはＡｌＡｓ酸化物からなるものとすることができる。酸化領域１０６ｂでは酸化により絶縁性となり、非酸化領域１０６ａに比べて導電性が大きく減少するため、電流狭窄作用を生じさせる。また、酸化領域１０６ｂでは酸化により、非酸化領域１０６ａに比べて屈折率が減少するため、Ｘ－Ｙ方向での光閉じ込め効果を生じさせる。
　ｐ型ミラー１０７は、ｐ型半導体材料からなり、狭窄層１０６上に設けられ、波長λの光を反射する。ｐ型ミラー１０７はＤＢＲとして機能し、ｎ型ミラー１０２と共にレーザ発振のための光共振器を構成する。ｐ型ミラー１０７は、例えば組成比が異なる２層のｐ―ＡｌＧａＡｓを複数層交互に積層したものとすることができる。
　半導体積層体１２１はメサ（台地状形状）構造を有する。具体的には、図３に示すように、ｐ型ミラー１０７、狭窄層１０６、ｐ側スペーサー層１０５、活性層１０４、ｎ側スペーサー層１０３及びｎ型ミラー１０２が部分的に除去され、これらの層からなる柱状のメサ１２２が形成されている。この除去により形成された凹部を凹部１２３とする。
　図５は、メサ１２２を示す平面図である。同図に示すように、メサ１２２はＺ方向から見て円形であり、円柱形状を有するものとすることができる。メサ１２２の外径を外径Ｒ２として示す。図３及び図５に示すように、メサ１２２の外周面を外周面１２２ａとする。
　外周面１２２ａは、上述の除去により形成された面であり、外周面１２２ａにはｐ型ミラー１０７、狭窄層１０６、ｐ側スペーサー層１０５、活性層１０４、ｎ側スペーサー層１０３及びｎ型ミラー１０２の端面が露出する。また、ｎ型ミラー１０２には、上述の除去により、外周面１２２ａに連続して層面方向（Ｘ－Ｙ平面）に平行な面が形成される。以下、この面を非外周面１２２ｂとする。また、上述の除去により形成された面であり、外周面１２２ａ及び非外周面１２２ｂを合わせた面を除去面１２２ｃとする。
　上述した狭窄層１０６において、酸化領域１０６ｂは、外周面１２２ａから一定の深さまで形成されている。図３及び図４において、酸化領域１０６ｂの外周面１２２ａからの深さを深さＤ１として示す。
　絶縁体１０８は、絶縁性材料からなり、凹部１２３（図３参照）内に設けられ、除去面１２２ｃを被覆する。絶縁体１０８は、除去面１２２ｃの保護及び不要な接合容量の抑制を行うとともに、ｎ電極パッド１１１及びｐ電極パッド１１２を支持する。絶縁体１０８は、ポリイミド、ＢＣＢ（Benzocyclobutene）等の樹脂又はＳｉＯ２、ＳｉＮ等の無機物等からなるものとすることができる。
　ｎ電極１０９は、絶縁体１０８を貫通して基板１０１に導通し、ＶＣＳＥＬ素子１００のｎ側の電極として機能する。ｎ電極１０９は任意の導電性材料からなる。ｐ電極１１０は、ｐ型ミラー１０７上に形成され、ｐ型ミラー１０７に導通し、ＶＣＳＥＬ素子１００のｐ側の電極として機能する。ｐ電極１１０は任意の導電性材料からなり、図２に示すようにｐ型ミラー１０７上において円環形状に形成されている。
　ｎ電極パッド１１１は、絶縁体１０８上に設けられ、ｎ電極１０９に導通する。ｎ電極パッド１１１は任意の導電性材料からなる。ｐ電極パッド１１２は、絶縁体１０８上に設けられ、ｐ電極１１０に導通する。ｐ電極パッド１１２は任意の導電性材料からなる。
　ここで、ｐ型ミラー１０７の表面のうち、ｐ電極１１０に囲まれた領域は、ＶＣＳＥＬ素子１００においてレーザ光が出射される光出射面である。各図において光出射面を光
出射面Ｓとして示す。
　［イオン注入領域について］
　ＶＣＳＥＬ素子１００では、半導体積層体１２１においてイオンが注入されたイオン注入領域が設けられている。図６はイオン注入領域１３１を示すＶＣＳＥＬ素子１００の断面図であり、図２に示すＡ－Ａ線での断面図である。図７は、イオン注入領域１３１を示す半導体積層体１２１の断面図であり、図６の一部構成を示す図である。図６及び図７においてイオン注入領域１３１はドットで示す領域である。図８は、イオン注入領域１３１を示すメサ１２２の平面図である。
　イオン注入領域１３１は、半導体積層体１２１の材料にイオンが注入されて絶縁化された領域である。イオン注入領域１３１は、図６乃至図８に示すようにｎ側スペーサー層１０３、活性層１０４、ｐ側スペーサー層１０５狭窄層１０６のうち、メサ１２２の外周面１２２ａから所定の深さまで形成され、即ちこれらの層の外周部に環状に形成されている。図７及び図８に、イオン注入領域１３１の外周面１２２ａからの深さを深さＤ２として示す。
　深さＤ２は、外周面１２２ａからの酸化領域１０６ｂの深さである深さＤ１（図３参照）より浅く、非酸化領域１０６ａに到達しない深さである。このため、狭窄層１０６に設けられたイオン注入領域１３１は、非酸化領域１０６ａと離間している。図７及び図８には、イオン注入領域１３１の内径を内径Ｒ３として示す。
　図９は、酸化領域１０６ｂの内径Ｒ１、メサ１２２の外径Ｒ２及びイオン注入領域１３１の内径Ｒ３を示す模式図である。同図に示すように内径Ｒ３は内径Ｒ１より大きく、外径Ｒ２より小さい径である。
　また、イオン注入領域１３１はｎ型ミラー１０２のうち活性層１０４側の一部とｐ型ミラー１０７のうち活性層１０４側の一部にも形成されている。図７に示すように、イオン注入領域１３１は、非外周面１２２ｂに露出し、非外周面１２２ｂから一定の深さまで形成されるものとすることができる。
　イオン注入領域１３１に注入されるイオンのイオン種は、Ｈ、Ｃ、Ｂ、Ｏ、Ａｒ、Ａｌ、Ｇａ又はＡｓとすることができる。このうち、Ｈイオン（プロトン）は原子半径が最も小さく、深く注入しやすいため、好適である。イオンの注入量（ドーズ量）はＨの場合５×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上が好適であり、他のイオン種の場合は５×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上が好適である。
　ここで、イオン注入領域１３１におけるイオン種の濃度分布は、後述するイオンの注入段数によって異なる。イオン注入領域１３１がイオンの１段注入により形成された場合、層面方向に垂直な方向（Ｚ方向）におけるイオン種の濃度分布は、一つのピークのみを有する。一方、イオン注入領域１３１がイオンの多段注入により形成された場合、層面方向に垂直な方向（Ｚ方向）におけるイオン種の濃度分布は、多数のピークを有する。
　なお、イオン注入領域１３１は、上記各層の全てに設けられなくてもよく、少なくとも活性層１０４と狭窄層１０６に設けられるものであればよい。
　ＶＣＳＥＬ素子１００は以上のような構成を有する。なお、ＶＣＳＥＬ素子１００において、ｎ型とｐ型は逆であってもよい。また、上記ＶＣＳＥＬ素子１００は上記各層の他にも別の層を備えるものであってもよい。
　［ＶＣＳＥＬ素子の動作］
　ＶＣＳＥＬ素子１００の動作について説明する。図１０は、ＶＣＳＥＬ素子１００の動作を示す模式図である。ｎ電極１０９とｐ電極１１０の間に電圧を印加すると、ｎ電極１０９とｐ電極１１０の間に電流が流れる。電流は狭窄層１０６による電流狭窄作用を受け、図９に矢印Ｃとして示すように非酸化領域１０６ａに注入される。
　この注入電流によって活性層１０４うち非酸化領域１０６ａに近接する領域において自然放出光Ｆが生じる。自然放出光ＦはＶＣＳＥＬ素子１００の積層方向に進行し、ｎ型ミラ－１０２及びｐ型ミラー１０７によって反射される。この際、自然放出光Ｆは、屈折率の小さい酸化領域１０６ｂによって層面方向（Ｘ－Ｙ方向）における光閉じ込め効果を受ける。
　ｎ型ミラ－１０２及びｐ型ミラー１０７は発振波長λを有する光を反射するように構成されているため、自然放出光のうち発振波長λの成分はｎ型ミラー１０２及びｐ型ミラー１０７の間で定在波を形成し、活性層１０４によって増幅される。注入電流が閾値を超えると定在波を形成する光がレーザ発振し、ｐ型ミラー１０７を透過して光出射面Ｓからレーザ光Ｌが出射される。
　ここで、ＶＣＳＥＬ素子１００においては活性層１０４等の外周領域に絶縁化されたイオン注入領域１３１が設けられている。上述のように電流は狭窄層１０６による狭窄作用を受け、非酸化領域１０６ａに集中するが、一部は酸化領域１０６ｂを透過する。特に電気帯域の高帯域化に伴い、電流の周波数が上昇すると、酸化領域１０６ｂを透過する電流が増加し、メサ１２２の外周領域での接合容量が増加するため、高帯域化が困難となる。
　ここで、ＶＣＳＥＬ素子１００ではイオン注入領域１３１を設けることにより、メサ１２２の外周領域での電流の透過を防止し、メサ１２２の外周領域での接合容量を低減させることができ、ＶＣＳＥＬ素子１００の電気帯域を向上させることが可能である。
　さらに、イオン注入領域１３１の内径Ｒ３は、酸化領域１０６ｂの内径Ｒ１より大きいため（図９参照）、内径Ｒ１で発光領域を規定しつつ、内径Ｒ３で絶縁化領域（容量低減領域）を規定することができる。即ち、ＶＣＳＥＬ素子１００では発光領域と絶縁化領域を個別に規定することができるため、レーザの発光モード設計が容易である。
　［ＶＣＳＥＬ素子の製造方法］
　ＶＣＳＥＬ素子１００の製造方法について説明する。図１１乃至図１３は、ＶＣＳＥＬ素子１００の製造方法を示す模式図である。
　図１１に示すように、基板１０１上に、ｎ型ミラー１０２、ｎ側スペーサー層１０３、活性層１０４、ｐ側スペーサー層１０５、狭窄層１０６及びｐ型ミラー１０７を順に積層する。これらの層は、ＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition）によるエピタキシャル成長によって積層することができる。
　次に、図１２に示すように、ｐ型ミラー１０７上にレジスト等を用いたマスクＭ１を形成する。さらに、マスクＭ１上からイオン注入装置を用いてイオンを注入し、イオン注入領域１３１を形成する。マスクＭ１によりイオンが注入されなかった領域を非注入領域１３２とする。イオン注入領域１３１におけるイオン注入深さは、深さ方向（Ｚ方向）において、少なくとも活性層１０４と狭窄層１０６がイオン注入領域１３１に含まれる範囲とする。
　イオン注入領域１３１の深さ方向（Ｚ方向）における範囲はイオン注入時の加速電圧で調整でき、イオン濃度はイオン注入時のドーズ量で調整できる。１回のイオン注入でイオン注入領域１３１を必要な範囲に注入可能な場合は、加速電圧一定の１段注入でイオンを注入する。１回のイオン注入で必要な範囲にイオン注入領域１３１を形成できない場合は、多段階のイオン注入によりイオンを注入する。
　その後、マスクＭ１を除去し、さらに、図１３に示すようにｐ型ミラー１０７上にマスクＭ２を形成する。さらに、マスクＭ２を用いてｐ型ミラー１０７、狭窄層１０６、ｐ側スペーサー層１０５、活性層１０４、ｎ側スペーサー層１０３及びｎ型ミラー１０２をエッチングにより除去する。エッチングは例えばドライエッチングとすることができる。
　このエッチングにより非注入領域１３２を含む柱状のメサ１２２が形成され、外周面１２２ａと非外周面１２２ｂを含む除去面１２２ｃが形成される。外周面１２２ａには、活性層１０４及び狭窄層１０６を含む各層の端面が露出する。この際、マスクＭ２の大きさによって、外周面１２２ａからのイオン注入領域１３１の深さＤ２（図７参照）を規定することができる。また、エッチング深さ（Ｚ方向）は、ｎ型ミラー１０２におけるイオン注入領域１３１の深さ範囲内が好適である。これにより、非外周面１２２ｂにはｎ型ミラー１０２に設けられたイオン注入領域１３１が露出する。
　さらに、この積層体を水蒸気中で加熱し、狭窄層１０６を外周側から酸化する。これにより、狭窄層１０６の外周部に酸化領域１０６ｂが形成され、狭窄層１０６の中央部に非酸化領域１０６ａが形成される。この際、外周面１２２ａからの酸化領域１０６ｂの深さＤ１が深さＤ２より深くなるように酸化条件を調整する（図９参照）。これにより、酸化領域１０６ｂの内径Ｒ１は、イオン注入領域１３１の内径Ｒ３より小さくなり、非酸化領域１０６ａがイオン注入領域１３１から離間して形成される。
　この後、凹部１２３に絶縁体１０８を埋め込み、ｎ電極１０９、ｐ電極１１０、ｎ電極パッド１１１及びｐ電極パッド１１２を形成することにより、ＶＣＳＥＬ素子１００を製造することができる。
　この製造方法では、イオン注入に必要な数段階の工程(マスク形成・イオン注入・マスク剥離)を追加することによってイオン注入領域１３１を形成することができるため、製造プロセスをほぼ変更する必要がない。また、イオンを注入する段数が少ないため、プロセス時間が大幅に削減することができる。
　さらに、イオン注入によるマスクＭ１の変質を最小限に抑えられるので、非常に厚く(厚み５μｍ～程度)、除去しにくいマスクＭ１を用いても剥離液浸漬などでも容易に剥離でき、マスクＭ１の残存やそれに伴う追加の剥離工程も避けることができる。
　また、メサ１２２を形成する際のエッチング工程によって生成する除去面１２２ｃでは、外周面１２２ａのうち活性層１０４の近傍と非外周面１２２ｂがイオン注入領域１３１となっている。ここで、ドライエッチングによる加工面は、エッチングガス分子の吸着や加工時に受けた物理的ダメージの問題で、その表面近傍にダメージ層を形成しやすいことが知られている。
　ＶＣＳＥＬ素子１００では、活性層１０４もドライエッチングによりエッチオフする場合、外周面１２２ａにおける活性層１０４の端面にもドライエッチングによりダメージ層が生じる可能性がある。このダメージ層はＶＣＳＥＬ素子１００の駆動時に活性層１０４内で広がるキャリアの影響により信頼性低下の原因となり得る。
　しかしながら、ＶＣＳＥＬ素子１００では、活性層１０４の端面近傍はイオン注入領域１３１が形成され、絶縁化されているため、キャリアがダメージ層から遮蔽され、信頼性低下の原因となることが防止されている。また、非外周面１２２ｂにおいても、ドライエッチングによりダメージ層が生じる可能性があるが、イオン注入領域１３１により絶縁化することにより、エッチング加工面を安定化することが可能である。
　［ＶＣＳＥＬ素子による効果］
　ＶＣＳＥＬ素子１００では、上記のように、狭窄層１０６において形成される酸化領域１０６ｂにおいて酸化に伴う屈折率の低下が生じ、発光部の周囲に屈折率の低い領域が形成される。これにより、ｎ型ミラー１０２及びｐ型ミラー１０７による光共振器構造と併せて、３次元的に活性層１０４への高い光閉じ込めが実現されている。光閉じ込めが改善されると、活性層１０４での誘導放出利得を受ける光の割合が増え、実効的な光利得は高い値となるため、光の時間応答性を高いものとすることができる。
　さらに、ＶＣＳＥＬ素子１００ではイオン注入領域１３１を設けることにより、メサ１２２の外周領域での電流の透過を防止し、メサ１２２の外周領域での接合容量を低減させることができる。これにより、ＶＣＳＥＬ素子１００の電気的な時間応答性を向上させることが可能である。このように、ＶＣＳＥＬ素子１００では、光の時間応答性及び電気的な時間応答性の両方を改善することが可能であり、高速変調が実現可能である。
　加えて、イオン注入領域１３１の分布で容量低減領域を、非酸化領域１０６ａの分布で発光領域を個別に規定することがきるため、レーザの発光モード設計が容易であり、エッチングによる結晶欠陥と発光領域を分離することができるため、信頼性を高いものとすることが可能である
　生産性の点でも、イオン注入に必要な数段階の工程を追加することによってイオン注入領域１３１を形成することができる。したがって、ＶＣＳＥＬ素子１００は製造プロセスをほぼ変更する必要がなく、高い生産性を有する。
　また、半導体メサの周囲に支柱を設け、発光領域とイオン注入領域を分離した構造（非特許文献１参照）と比較しても、支柱の代わりに半導体より低誘電率の絶縁体１０８でメサ１２２を埋め込むため、支柱の浮遊容量の問題がなく、イオン注入によるメサ１２２の外周部での容量低減効果を最大化することができるため、より高い電気帯域（例えば３０ＧＨｚ以上）を実現することができる。
　また、支柱がないため、注入した電流がリーク電流となることなく、イオン注入領域１３１と非酸化領域１０６ａにロス分なく注入されるため、リーク電流による伝送信号の劣化(ノイズなど)や信頼性上の問題も起きにくいものとなっている。
　［光電変換装置について］
　ＶＣＳＥＬ素子１００は通信用の光電変換装置において発光素子として利用することが可能である。ＶＣＳＥＬ素子１００は上記のように高速変調が可能であり、信頼性も高いため、通信速度５０Ｇｂｐｓといった超高速光通信での利用に適している。
　（第２の実施形態）
　本技術の第２の実施形態に係る垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser)素子について説明する。本実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子は、第１の実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子１００に対して不純物拡散領域が設けられている点が異なり、その他は同一の構成を有する。以下、第２の実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子の構成において第１の実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子１００と同一の構成についてはＶＣＳＥＬ素子１００と同一の符号を付し、説明を省略する。
　［ＶＣＳＥＬ素子の構造］
　図１４は、本実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子２００の断面図であり、図１５は、ＶＣＳＥＬ素子１００の平面図である。図１４は、図１５のＢ－Ｂ線での断面図である。なお、以下の各図において、ＶＣＳＥＬ素子２００の光出射方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する一方向をＸ方向、Ｘ方向及びＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。また、以下の説明においてＶＣＳＥＬ素子２００の発振波長をλとする。
　図１４及び図１５に示すようにＶＣＳＥＬ素子２００は、基板１０１、ｎ型ミラー１０２、ｎ側スペーサー層１０３、活性層１０４、ｐ側スペーサー層１０５、狭窄層１０６、ｐ型ミラー１０７、絶縁体１０８、ｎ電極１０９、ｐ電極１１０、ｎ電極パッド１１１及びｐ電極パッド１１２を備える。
　これらの各構成は第１の実施形態と同一であり、狭窄層１０６は非酸化領域１０６ａと酸化領域１０６ｂを備える。非酸化領域１０６ａは内径Ｒ１有し、酸化領域１０６ｂの外周面１２２ａからの深さを深さＤ１とする（図３及び図４参照）。
　また、本実施形態においてもｎ型ミラー１０２、ｎ側スペーサー層１０３、活性層１０４、ｐ側スペーサー層１０５、狭窄層１０６及びｐ型ミラー１０７を積層した積層体を半導体積層体１２１（図３参照）とする。さらに、ｐ型ミラー１０７の表面のうち、ｐ電極１１０に囲まれた領域は、ＶＣＳＥＬ素子２００においてレーザ光が出射される光出射面Ｓである。
　［イオン注入領域及び不純物拡散領域について］
　ＶＣＳＥＬ素子２００では、半導体積層体１２１においてイオンが注入されたイオン注入領域と、不純物が拡散された不純物拡散領域が設けられている。図１６はイオン注入領域１３１及び不純物拡散領域２３１を示すＶＣＳＥＬ素子２００の断面図であり、図１５に示すＢ－Ｂ線での断面図である。図１７は、イオン注入領域１３１及び不純物拡散領域２３１を示す半導体積層体１２１の断面図であり、図１６の一部構成を示す図である。図１８は、イオン注入領域１３１及び不純物拡散領域２３１を示すメサ１２２の平面図である。
　イオン注入領域１３１は、第１の実施形態と同様に半導体積層体１２１の材料にイオンが注入されて絶縁化された領域である。イオン注入領域１３１は、図１６乃至図１８に示すようにｎ側スペーサー層１０３、活性層１０４、ｐ側スペーサー層１０５狭窄層１０６のうち、メサ１２２の外周面１２２ａから所定の深さまで形成され、即ちこれらの層の外周部に環状に形成されている。図１７及び図１８に、イオン注入領域１３１の外周面１２２ａからの深さを深さＤ２として示す。
　深さＤ２は、外周面１２２ａからの酸化領域１０６ｂの深さである深さＤ１（図３参照）より浅く、非酸化領域１０６ａに到達しない深さである。このため、狭窄層１０６に設けられたイオン注入領域１３１は、非酸化領域１０６ａと離間している。図１７及び図１８には、イオン注入領域１３１の内径を内径Ｒ３として示す。
　また、イオン注入領域１３１はｎ型ミラー１０２のうち活性層１０４側の一部とｐ型ミラー１０７のうち活性層１０４側の一部にも形成されている。図１７に示すように、イオン注入領域１３１は、非外周面１２２ｂに露出し、非外周面１２２ｂから一定の深さまで形成されるものとすることができる。
　イオン注入領域１３１に注入されるイオンのイオン種は、Ｈ、Ｃ、Ｂ、Ｏ、Ａｒ、Ａｌ、Ｇａ又はＡｓとすることができる。このうち、Ｈイオン（プロトン）は原子半径が最も小さく、深く注入しやすいため、好適である。イオンの注入量（ドーズ量）はＨの場合５×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上が好適であり、他のイオン種の場合は５×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上が好適である。
　ここで、イオン注入領域１３１におけるイオン種の濃度分布は、イオンの注入段数によって異なる。イオン注入領域１３１がイオンの１段注入により形成された場合、層面方向に垂直な方向（Ｚ方向）におけるイオン種の濃度分布は、一つのピークのみを有する。一方、イオン注入領域１３１がイオンの多段注入により形成された場合、層面方向に垂直な方向（Ｚ方向）におけるイオン種の濃度分布は、多数のピークを有する。
　なお、イオン注入領域１３１は、上記各層の全てに設けられなくてもよく、少なくとも活性層１０４と狭窄層１０６に設けられるものであればよい。
　不純物拡散領域２３１は半導体積層体１２１の材料に不純物が拡散された領域である。不純物は熱拡散により拡散されたものとすることができる。不純物拡散領域２３１は、図１６乃至図１８に示すようにｐ型ミラー１０７のうちメサ１２２の外周面１２２ａから所定の深さまで形成され、ｐ型ミラー１０７の外周部に環状に形成されている。図１７及び図１８に、不純物拡散領域２３１の外周面１２２ａからの深さを深さＤ３として示す。
　深さＤ３は、外周面１２２ａからのイオン注入領域１３１の深さである深さＤ２より深い深さである。また、深さＤ３は、外周面１２２ａからの酸化領域１０６ｂの深さである深さＤ１より深くてもよく、浅くてもよいが、深さＤ１と同程度が好適である。図１７及び図１８には、不純物拡散領域２３１の内径を内径Ｒ４として示す。
　図１９は、イオン注入領域１３１と不純物拡散領域２３１の層面方向（Ｘ－Ｙ方向）における分布を示す模式図であり、メサ１２２を層面方向に垂直な方向（Ｚ方向）から見た図である。同図においてイオン注入領域１３１はドットを付した領域であり、不純物拡散領域２３１は斜線を付した領域である。同図に示すように、不純物拡散領域２３１はＺ方向からメサ１２２を見たときに、イオン注入領域１３１と重複する範囲に設けられている。
　図２０は、不純物拡散領域２３１の積層方向（Ｚ方向）における分布を示す模式図である。同図に示すように、層面方向（Ｘ－Ｙ方向）に平行なメサ１２２の表面を表面Ｔ１とし、イオン注入領域１３１の界面うち表面Ｔ１に最も近接した界面を界面Ｔ２とすると、不純物拡散領域２３１は表面Ｔ１から界面Ｔ２までの間に分布する。不純物拡散領域２３１は表面Ｔ１に露出し、図２０に示すように界面Ｔ２とは離間していてもよく、界面Ｔ２に隣接していてもよい。なお、界面Ｔ２は、イオン注入による不純物濃度が１×１０+１８／ｃｍ３より大きくなる面とすることができる。
　表面Ｔ１上にはｐ電極１１０が形成されるが、不純物拡散領域２３１は表面Ｔ１に露出し、ｐ電極１１０は不純物拡散領域２３１に当接する。したがって、不純物拡散領域２３１はｐ電極１１０とイオン注入領域１３１の間において外周面１２２ａから所定の深さまで形成されている。
　不純物拡散領域２３１を形成する不純物はＣ、Ｚｎ又はＭｇとすることができ、その濃度は１×１０１７／ｃｍ３以上が好適である。また、本実施形態では不純物拡散領域２３１はｐ型ミラー１０７中に設けられているが、ｐ電極１１０とイオン注入領域１３１の間にｐ型ミラー１０７とは別の半導体層がある場合、不純物拡散領域２３１はその半導体層の中にも設けられるものとすることができる。
　ＶＣＳＥＬ素子２００は以上のような構成を有する。なお、ＶＣＳＥＬ素子２００において、ｎ型とｐ型は逆であってもよい。この場合、不純物拡散領域２１３はｎ型ミラー中に設けられるが、不純物拡散領域２３１を形成する不純物はＳｉ、Ｓ又はＳｅとすることができる。この場合も不純物濃度は１×１０１７／ｃｍ３以上が好適である
　［ＶＣＳＥＬ素子の動作］
　ＶＣＳＥＬ素子２００の動作について説明する。図２１は、ＶＣＳＥＬ素子２００の動作を示す模式図である。ＶＣＳＥＬ素子２００は、第１の実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子１００と同様に動作する。即ち、ｎ電極１０９とｐ電極１１０の間に電圧を印加すると、電流は図２１に矢印Ｃとして示すように非酸化領域１０６ａに注入される。
　この注入電流によって自然放出光Ｆが生じ、ｎ型ミラー１０２及びｐ型ミラー１０７によって反射される。ｎ型ミラー１０２及びｐ型ミラー１０７は発振波長λを有する光を反射するように構成されており、レーザ発振によって生じたレーザ光Ｌが光出射面Ｓから出射される。
　ここで、ＶＣＳＥＬ素子２００では、イオン注入領域１３１を設けることにより、第１の実施形態と同様にメサ１２２の外周領域での電流の透過を防止し、メサ１２２の外周領域での接合容量を低減させることができ、ＶＣＳＥＬ素子２００の電気帯域を向上させることが可能である。さらに、ＶＣＳＥＬ素子２００では不純物拡散領域２３１を設けることにより、後述するようにｐ電極１１０と非酸化領域１０６ａの間の電気抵抗を低減することができる。
　［ＶＣＳＥＬ素子の製造方法］
　ＶＣＳＥＬ素子１００の製造方法について説明する。図２２乃至図２４は、ＶＣＳＥＬ素子２００の製造方法を示す模式図である。
　第１の実施形態と同様に、基板１０１上に各層を積層し（図１１参照）、ｐ型ミラー１０７上にレジスト等を用いたマスクＭ１を形成する（図１２参照）。このマスクＭ１上からイオン注入装置を用いてイオンを注入し、イオン注入領域１３１を形成する。マスクＭ１によりイオンが注入されなかった領域を非注入領域１３２とする。イオン注入領域１３１におけるイオン注入深さは、深さ方向（Ｚ方向）において、少なくとも活性層１０４と狭窄層１０６がイオン注入領域１３１に含まれる範囲とする。
　イオン注入領域１３１の深さ方向（Ｚ方向）における範囲はイオン注入時の加速電圧で調整でき、イオン濃度はイオン注入時のドーズ量で調整できる。１回のイオン注入でイオン注入領域１３１を必要な範囲に注入可能な場合は、加速電圧一定の１段注入でイオンを注入する。１回のイオン注入で必要な範囲にイオン注入領域１３１を形成できない場合は、多段階のイオン注入によりイオンを注入する。
　その後、マスクＭ１を除去し、図２２に示すようにｐ型ミラー１０７上にマスクＭ３を形成する。マスクＭ３は例えばＳｉＯ２等の誘電体材料膜とすることができる。マスクＭ３は、ｐ型ミラー１０７の表面において、上記イオン注入工程でイオンが通過した領域が露出するように開口が設けられている。
　さらに、図２３に示すようにマスクＭ３を用いて不純物を拡散させ、不純物拡散領域２３１を形成する。不純物は熱拡散により拡散させることができ、不純物成分を含む気相中での熱拡散や不純物成分を含む固体を当接させて加熱する固相熱拡散を用いることができる。熱拡散では、加熱温度及び加熱時間により、不純物拡散の深さを調整することが可能であり、不純物拡散領域２３１がイオン注入領域１３１の界面Ｔ２（図２０参照）を超えない深さとすることができる。
　具体的には、拡散させる不純物がＺｎの場合、不純物成分を含む気相はジエチルジンク又はジメチルジンク、不純物成分を含む固体はＺｎＯが挙げられる。また、拡散させる不純物がＣの場合、不純物成分を含む気相はＣＢｒ４(四臭化炭素)、不純物成分を含む固体はカーボン膜などが挙げられる。拡散させる不純物がＭｇの場合、不純物成分を含む気相はＣｐ２Ｍｇ(シクロペンタジエニルマグネシウム)、不純物成分を含む固体はＭｇＯ膜などが挙げられる。
　なお、熱拡散以外の方法によって不純物を拡散させ、不純物拡散領域２３１は形成させることも可能であり、例えば、イオン注入によって不純物拡散領域２３１を形成させることができる。
　その後、マスクＭ３を除去し、さらに、図２４に示すようにｐ型ミラー１０７上にマスクＭ２を形成する。さらに、マスクＭ２を用いてｐ型ミラー１０７、狭窄層１０６、ｐ側スペーサー層１０５、活性層１０４、ｎ側スペーサー層１０３及びｎ型ミラー１０２をエッチングにより除去する。エッチングは例えばドライエッチングとすることができる。
　このエッチングにより非注入領域１３２を含む柱状のメサ１２２が形成され、外周面１２２ａと非外周面１２２ｂを含む除去面１２２ｃが形成される。外周面１２２ａには、活性層１０４及び狭窄層１０６を含む各層の端面が露出する。この際、マスクＭ２の大きさによって、外周面１２２ａからのイオン注入領域１３１の深さＤ２（図１７参照）及び不純物拡散領域２３１の深さＤ３（図１７参照）を規定することができる。また、エッチング深さ（Ｚ方向）は、ｎ型ミラー１０２におけるイオン注入領域１３１の深さ範囲内が好適である。これにより、非外周面１２２ｂにはｎ型ミラー１０２に設けられたイオン注入領域１３１が露出する。
　さらに、この積層体を水蒸気中で加熱し、狭窄層１０６を外周側から酸化する。これにより、狭窄層１０６の外周部に酸化領域１０６ｂが形成され、狭窄層１０６の中央部に非酸化領域１０６ａが形成される。この際、外周面１２２ａからの酸化領域１０６ｂの深さＤ１が深さＤ２より深くなるように酸化条件を調整する（図９参照）。これにより、酸化領域１０６ｂの内径Ｒ１は、イオン注入領域１３１の内径Ｒ３より小さくなり、非酸化領域１０６ａがイオン注入領域１３１から離間して形成される。
　この後、凹部１２３に絶縁体１０８を埋め込み、ｎ電極１０９、ｐ電極１１０、ｎ電極パッド１１１及びｐ電極パッド１１２を形成することにより、ＶＣＳＥＬ素子２００を製造することができる。
　この製造方法では、イオン注入及び不純物拡散に必要な数段階の工程(マスク形成・イオン注入・不純物拡散・マスク剥離)を追加することによってイオン注入領域１３１及び不純物拡散領域２３１を形成することができるため、製造プロセスをほぼ変更する必要がない。また、イオンを注入する段数が少ないため、プロセス時間が大幅に削減することができる。
　さらに、イオン注入によるマスクＭ１の変質を最小限に抑えられ、マスクＭ１の残存やそれに伴う追加の剥離工程も避けることができる。また、活性層１０４の端面近傍はイオン注入領域１３１が形成され、絶縁化されているため、キャリアがダメージ層から遮蔽され、信頼性低下の原因となることが防止されている。非外周面１２２ｂにおいても、イオン注入領域１３１により絶縁化することにより、エッチング加工面を安定化することが可能である。
　［ＶＣＳＥＬ素子による効果］
　ＶＣＳＥＬ素子２００では、第１の実施形態と同様に、狭窄層１０６において形成される酸化領域１０６ｂにおいて酸化に伴う屈折率の低下が生じ、発光部の周囲に屈折率の低い領域が形成される。これにより、ｎ型ミラー１０２及びｐ型ミラー１０７による光共振器構造と併せて、３次元的に活性層１０４への高い光閉じ込めが実現されている。光閉じ込めが改善されると、活性層１０４での誘導放出利得を受ける光の割合が増え、実効的な光利得は高い値となるため、光の時間応答性を高いものとすることができる。
　さらに、ＶＣＳＥＬ素子２００ではイオン注入領域１３１を設けることにより、メサ１２２の外周領域での電流の透過を防止し、メサ１２２の外周領域での接合容量を低減させることができる。これにより、ＶＣＳＥＬ素子２００の電気的な時間応答性を向上させることが可能である。このように、ＶＣＳＥＬ素子２００では、光の時間応答性及び電気的な時間応答性の両方を改善することが可能であり、高速変調が実現可能である。
　また、ＶＣＳＥＬ素子２００では不純物拡散領域２３１を設けることにより、次のような効果が得られる。図２５及び図２６は不純物拡散領域２３１による効果を示す模式図である。図２５に示すように、イオン注入領域１３１の上層には、イオン通過領域Ｐが形成されている。イオン通過領域Ｐは、イオン注入工程においてイオンが通過した領域であり、イオンの通過により、ｐ型ミラー１０７の結晶構造は損傷を受けている。
　このため、イオン通過領域Ｐは電気抵抗が大きくなっており、ｐ電極１１０からｐ型ミラー１０７に流れる電流（図中、矢印Ｃ）はｐ電極１１０の内側の周縁Ｅの近傍に集中するおそれがある。この場合、素子全体の電気抵抗は大きくなってしまう。
　ここでＶＣＳＥＬ素子２００では、図２６に示すように、ｐ電極１１０とイオン注入領域１３１の間でイオン通過領域Ｐに重複するように不純物拡散領域２３１が設けられている。不純物拡散領域２３１では不純物の拡散により、結晶構造の損傷が修復されており、電気抵抗は低減されている。これにより、電流はｐ電極１１０の内側の周縁Ｅに集中せず、素子全体の電気抵抗を低減することが可能である。
　したがって、ＶＣＳＥＬ素子２００では、光の時間応答性及び電気的な時間応答性の両方を改善することが可能であると共に、電気特性の改善及び素子の低抵抗化による電気帯域の改善が実現可能である。
　［光電変換装置について］
　ＶＣＳＥＬ素子２００は通信用の光電変換装置において発光素子として利用することが可能である。ＶＣＳＥＬ素子２００は上記のように高速変調が可能であり、信頼性も高いため、通信速度５０Ｇｂｐｓといった超高速光通信での利用に適している。
　なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
　（１）
　第１の導電型を有する第１のミラーと、
　第２の導電型を有し、上記第１のミラーと光共振を生じさせる第２のミラーと、
　上記第１のミラーと上記第２のミラーの間に設けられた活性層と、
　上記第１のミラーと上記第２のミラーの間に設けられ、導電性材料からなる非酸化領域と、上記非酸化領域の周囲に設けられ、上記導電性材料を酸化した絶縁性材料からなる酸化領域とを有する狭窄層と
　を備える半導体積層体であって、上記活性層及び上記狭窄層の端面が露出する外周面を有するメサと、イオンが注入された領域であり、上記活性層及び上記狭窄層において上記外周面から所定の深さまで形成され、上記非酸化領域と離間するイオン注入領域を有する半導体積層体
　を具備する垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（２）
　上記（１）に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　上記メサは、上記半導体積層体の部分的な除去により形成され、
　上記イオン注入領域は、上記半導体積層体の部分的な除去により形成された除去面に露出する
　垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（３）
　上記（２）に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　上記メサの周囲に設けられ、上記除去面を被覆する絶縁体
　をさらに具備する垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（４）
　上記（１）から（３）のうちいずれか一つに記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　上記イオン注入領域は、上記イオンのイオン種の濃度分布が層面方向に垂直な方向において一つのピークを有する
　垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（５）
　上記（１）から（４）のうちいずれか一つに記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　上記イオン種はＨであり、
　上記イオン種の注入量は５×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上である
　垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（６）
　上記（１）から（４）のうちいずれか一つに記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　上記イオン種はＣ、Ｂ、Ｏ、Ａｒ、Ａｌ、Ｇａ又はＡｓであり、
　上記イオン種の注入量は５×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上である
　垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（７）
　上記（１）から（６）のうちいずれか一つに記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　上記メサは、層面方向に平行な表面を有し、
　上記垂直共振器型面発光レーザ素子は、上記表面上に形成された電極をさらに具備し、
　上記半導体積層体は、上記電極と上記イオン注入領域の間において上記外周面から所定の深さまで形成され、不純物が拡散された不純物拡散領域をさらに有する
　垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（８）
　上記（７）に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　上記不純物拡散領域は、上記不純物が熱拡散された領域である
　垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（９）
　上記（７）又は（８）に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　上記不純物拡散領域は、前記層面方向に垂直な方向から上記メサを見たときに上記イオン注入領域と重複する範囲に設けられている
　垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（１０）
　上記（７）から（９）のうちいずれか一つに記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　上記不純物拡散領域は、上記不純物の濃度が１×１０１７／ｃｍ３以上である
　垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（１１）
　上記（７）から（１０）のうちいずれか一つに記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　上記不純物拡散領域は、上記第１のミラー中に設けられ、
　第１の導電型はｐ型であり、
　上記不純物はＣ、Ｚｎ又はＭｇである
　垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（１２）
　上記（７）から（９）のうちいずれか一つに記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
　上記不純物拡散領域は、上記第１のミラー中に設けられ、
　第１の導電型はｎ型であり、
　上記不純物はＳｉ、Ｓ又はＳｅである
　垂直共振器型面発光レーザ素子。
　（１３）
　第１の導電型を有する第１のミラーと、第２の導電型を有し、上記第１のミラーと光共振を生じさせる第２のミラーと、上記第１のミラーと上記第２のミラーの間に設けられた活性層と、上記第１のミラーと上記第２のミラーの間に設けられた狭窄層とを備える半導体積層体を形成し、
　上記半導体積層体において、層面方向に垂直な方向から非注入領域を除いてイオンを注入してイオン注入領域を形成し、
　上記半導体積層体をエッチングして、上記非注入領域を含むメサであって、上記活性層及び上記狭窄層の端面が露出する外周面を有し、上記活性層及び上記狭窄層において上記外周面から第１の深さまで上記イオン注入領域が分布するメサを形成し、
　上記外周面から上記狭窄層を酸化し、上記狭窄層において上記外周面から上記第１の深さより深い第２の深さまで酸化領域を形成する
　垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法。
　（１４）
　上記（１３）に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法であって、
　上記半導体積層体において不純物を拡散させ、不純物拡散領域を形成する工程
　をさらに含む垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法。
　（１５）
　上記（１４）に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法であって、
　上記不純物拡散領域を形成する工程は、上記イオン注入領域を形成する工程の後、上記メサを形成する工程の前に行い、上記イオン注入領域を形成する工程において上記イオンが通過した領域に上記不純物を拡散させる
　垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法。
　（１６）
　上記（１４）又は（１５）に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法であって、
　上記不純物拡散領域を形成する工程は、熱拡散により上記不純物を拡散させる
　垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法。
　（１７）
　第１の導電型を有する第１のミラーと、第２の導電型を有し、上記第１のミラーと光共振を生じさせる第２のミラーと、上記第１のミラーと上記第２のミラーの間に設けられた活性層と、上記第１のミラーと上記第２のミラーの間に設けられ、導電性材料からなる非酸化領域と、上記非酸化領域の周囲に設けられ、上記導電性材料を酸化した絶縁性材料からなる酸化領域とを有する狭窄層とを備える半導体積層体であって、上記活性層及び上記狭窄層の端面が露出する外周面を有するメサと、イオンが注入された領域であり、上記活性層及び上記狭窄層において上記外周面から所定の深さまで形成され、上記非酸化領域と離間するイオン注入領域を有する半導体積層体を備える垂直共振器型面発光レーザ素子
　を具備する光電変換装置。
　（１８）
　上記（１７）に記載の光電変換装置であって、
　上記メサは、層面方向に平行な表面を有し、
　上記垂直共振器型面発光レーザ素子は、上記表面上に形成された電極をさらに具備し、
　上記半導体積層体は、上記電極と上記イオン注入領域の間において上記外周面から所定の深さまで形成され、不純物が拡散された不純物拡散領域をさらに有する
　光電変換装置。
　１００、２００…ＶＣＳＥＬ素子
　１０１…基板
　１０２…ｎ型ミラー
　１０３…ｎ側スペーサー層
　１０４…活性層
　１０５…ｐ側スペーサー層
　１０６…狭窄層
　１０６ａ…非酸化領域
　１０６ｂ…酸化領域
　１０７…ｐ型ミラー
　１０８…絶縁体
　１０９…ｎ電極
　１１０…ｐ電極
　１１１…ｎ電極パッド
　１１２…ｐ電極パッド
　１２１…半導体積層体
　１２２…メサ
　１２２ａ…外周面
　１２２ｂ…非外周面
　１２２ｃ…除去面
　１２３…凹部
　１３１…イオン注入領域
　１３２…非注入領域
　２３１…不純物拡散領域

Claims (18)

  1. 　第１の導電型を有する第１のミラーと、
    　第２の導電型を有し、前記第１のミラーと光共振を生じさせる第２のミラーと、
    　前記第１のミラーと前記第２のミラーの間に設けられた活性層と、
    　前記第１のミラーと前記第２のミラーの間に設けられ、導電性材料からなる非酸化領域と、前記非酸化領域の周囲に設けられ、前記導電性材料を酸化した絶縁性材料からなる酸化領域とを有する狭窄層と
    　を備える半導体積層体であって、前記活性層及び前記狭窄層の端面が露出する外周面を有するメサと、イオンが注入された領域であり、前記活性層及び前記狭窄層において前記外周面から所定の深さまで形成され、前記非酸化領域と離間するイオン注入領域を有する半導体積層体
    　を具備する垂直共振器型面発光レーザ素子。
  2. 　請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　前記メサは、前記半導体積層体の部分的な除去により形成され、
    　前記イオン注入領域は、前記半導体積層体の部分的な除去により形成された除去面に露出する
    　垂直共振器型面発光レーザ素子。
  3. 　請求項２に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　前記メサの周囲に設けられ、前記除去面を被覆する絶縁体
    　をさらに具備する垂直共振器型面発光レーザ素子。
  4. 　請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　前記イオン注入領域は、前記イオンのイオン種の濃度分布が層面方向に垂直な方向において一つのピークを有する
    　垂直共振器型面発光レーザ素子。
  5. 　請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　前記イオン種はＨであり、
    　前記イオン種の注入量は５×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上である
    　垂直共振器型面発光レーザ素子。
  6. 　請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　前記イオン種はＣ、Ｂ、Ｏ、Ａｒ、Ａｌ、Ｇａ又はＡｓであり、
    　前記イオン種の注入量は５×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上である
    　垂直共振器型面発光レーザ素子。
  7. 　請求項１に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　前記メサは、層面方向に平行な表面を有し、
    　前記垂直共振器型面発光レーザ素子は、前記表面上に形成された電極をさらに具備し、
    　前記半導体積層体は、前記電極と前記イオン注入領域の間において前記外周面から所定の深さまで形成され、不純物が拡散された不純物拡散領域をさらに有する
    　垂直共振器型面発光レーザ素子。
  8. 　請求項７に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　前記不純物拡散領域は、前記不純物が熱拡散された領域である
    　垂直共振器型面発光レーザ素子。
  9. 　請求項７記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　前記不純物拡散領域は、前記層面方向に垂直な方向から前記メサを見たときに前記イオン注入領域と重複する範囲に設けられている
    　垂直共振器型面発光レーザ素子。
  10. 　請求項７記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　前記不純物拡散領域は、前記不純物の濃度が１×１０１７／ｃｍ３以上である
    　垂直共振器型面発光レーザ素子。
  11. 　請求項７に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　前記不純物拡散領域は、前記第１のミラー中に設けられ、
    　第１の導電型はｐ型であり、
    　前記不純物はＣ、Ｚｎ又はＭｇである
    　垂直共振器型面発光レーザ素子。
  12. 　請求項７に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子であって、
    　前記不純物拡散領域は、前記第１のミラー中に設けられ、
    　第１の導電型はｎ型であり、
    　前記不純物はＳｉ、Ｓ又はＳｅである
    　垂直共振器型面発光レーザ素子。
  13. 　第１の導電型を有する第１のミラーと、第２の導電型を有し、前記第１のミラーと光共振を生じさせる第２のミラーと、前記第１のミラーと前記第２のミラーの間に設けられた活性層と、前記第１のミラーと前記第２のミラーの間に設けられた狭窄層とを備える半導体積層体を形成し、
    　前記半導体積層体において、層面方向に垂直な方向から非注入領域を除いてイオンを注入してイオン注入領域を形成し、
    　前記半導体積層体をエッチングして、前記非注入領域を含むメサであって、前記活性層及び前記狭窄層の端面が露出する外周面を有し、前記活性層及び前記狭窄層において前記外周面から第１の深さまで前記イオン注入領域が分布するメサを形成し、
    　前記外周面から前記狭窄層を酸化し、前記狭窄層において前記外周面から前記第１の深さより深い第２の深さまで酸化領域を形成する
    　垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法。
  14. 　請求項１３に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法であって、
    　前記半導体積層体において不純物を拡散させ、不純物拡散領域を形成する工程
    　をさらに含む垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法。
  15. 　請求項１４に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法であって、
    　前記不純物拡散領域を形成する工程は、前記イオン注入領域を形成する工程の後、前記メサを形成する工程の前に行い、前記イオン注入領域を形成する工程において前記イオンが通過した領域に前記不純物を拡散させる
    　垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法。
  16. 　請求項１４に記載の垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法であって、
    　前記不純物拡散領域を形成する工程は、熱拡散により前記不純物を拡散させる
    　垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法。
  17. 　第１の導電型を有する第１のミラーと、第２の導電型を有し、前記第１のミラーと光共振を生じさせる第２のミラーと、前記第１のミラーと前記第２のミラーの間に設けられた活性層と、前記第１のミラーと前記第２のミラーの間に設けられ、導電性材料からなる非酸化領域と、前記非酸化領域の周囲に設けられ、前記導電性材料を酸化した絶縁性材料からなる酸化領域とを有する狭窄層とを備える半導体積層体であって、前記活性層及び前記狭窄層の端面が露出する外周面を有するメサと、イオンが注入された領域であり、前記活性層及び前記狭窄層において前記外周面から所定の深さまで形成され、前記非酸化領域と離間するイオン注入領域を有する半導体積層体を備える垂直共振器型面発光レーザ素子
    　を具備する光電変換装置。
  18. 　請求項１７に記載の光電変換装置であって、
    　前記メサは、層面方向に平行な表面を有し、
    　前記垂直共振器型面発光レーザ素子は、前記表面上に形成された電極をさらに具備し、
    　前記半導体積層体は、前記電極と前記イオン注入領域の間において前記外周面から所定の深さまで形成され、不純物が拡散された不純物拡散領域をさらに有する
    　光電変換装置。
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