JP2006066681A - 垂直共振器型高出力面発光レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】 面発光レーザ装置において、半導体多層膜の層数、量子井戸の層数、室温での反射鏡と量子井戸の利得ピークの相対値等の高出力化できる構成条件をシュミュレーションするとともに、これを実証する。
【解決手段】 活性層の上下に一対の分布ブラッグ反射型半導体多層膜反射鏡を配置した積層構造を半導体基板上に形成し、ｎ型多層膜反射鏡１０４側からレーザ光を取り出す垂直共振器型面発光レーザにおいて、ｐ型多層膜反射鏡１０８が組成の異なるｐ型ＡｌＧａＡｓを交互に３９ペア以上積層され、且つｎ型多層膜反射鏡１０４が組成の異なるｎ型ＡｌＧａＡｓを交互に積層し、その積層数はｐ型多層膜反射鏡１０８の積層数よりも少ないものとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板面の垂直方向にレーザ光を出射する垂直共振器型高出力面発光半導体レーザに関する。

面発光レーザは基板面に垂直な方向に光を発射する半導体レーザであり、垂直共振器型、水平共振器型などがある。垂直共振器型面発光レーザの最も一般的な構造としては、半導体基板上において、活性層の上下に一対の分布ブラッグ反射型半導体多層膜反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｍｉｒｒｏｒ、以下「ＤＢＲミラー」と呼ぶ）を配置した積層構造を形成し、このＤＢＲミラーの外側に形成した電極からＤＢＲミラーを介して、電流を注入する構造がよく知られている。

垂直共振器型面発光半導体レーザ（以下では、「面発光レーザ」と呼ぶ）は、端面へき開なしに作製できること、二次元アレイ化が可能なこと、出射ビームを容易に円形化できることなど、端面発光型の半導体レーザにはない特徴があり注目をされている。

一方、光情報処理或いは光通信システム装置において、高密度で高速並列信号処理を実現するため、面接続が可能である面型発光素子と基板に垂直な方向に光学素子を集積化する機能化光素子を構成して達成する。

面接続や集積化した発光源の光操作には、面型発光素子の高出力動作が必要である。面型発光素子では、従来面発光半導体レーザの研究開発が活発になされている。下記特許文献１には、ｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを３５ペア積層したｎ型ＤＢＲミラーと、ｐ−Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ／ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを２５ペア積層したｐ型ＤＢＲミラーを備えた面発光レーザ装置が開示されている。

特開２００４−０５５９１２号公報

特許文献１に開示された面発光レーザ装置は、ｎ型ＤＢＲミラー及びｐ型ＤＢＲミラーの積層数が不足しているため十分な高出力動作が達成されておらず、変換効率も充分ではなかった。このように、高出力化に関する明確な設計方針は提示されていなかった。

本発明は、面発光レーザ装置において、半導体多層膜の層数、量子井戸の層数、室温での反射鏡と量子井戸の利得ピークの相対値等の高出力化できる構成条件をシュミュレーションするとともに、これを実証することを目的とする。

本発明者らは鋭意研究した結果、垂直共振器型高出力面発光レーザ装置における下記の最適条件を見出し本発明に到達した。即ち、第１に、本発明は活性層の上下に一対の分布ブラッグ反射型半導体多層膜反射鏡を配置した積層構造を半導体基板上に形成した垂直共振器型高出力面発光レーザ装置の発明である。
（１）ｎ型多層膜反射鏡側からレーザ光を取り出す垂直共振器型面発光レーザにおいて、ｐ型多層膜反射鏡が組成の異なるｐ型ＡｌＧａＡｓを交互に３９ペア以上積層され、且つｎ型多層膜反射鏡が組成の異なるｎ型ＡｌＧａＡｓを交互に積層し、その積層数はｐ型多層膜反射鏡の積層数よりも少ないものであること。
（２）ｐ型多層膜反射鏡の積層数は４８ペア以下である上記（１）の垂直共振器型高出力面発光レーザ。
（３）ｎ型多層膜反射鏡の積層数は２８〜３０ペア積層したものである上記（１）又は（２）の垂直共振器型高出力面発光レーザ。
（４）ｐ型多層膜反射鏡側からレーザ光を取り出す垂直共振器型面発光レーザにおいて、ｎ型多層膜反射鏡が組成の異なるｎ型ＡｌＧａＡｓを交互に３９ペア以上積層され、且つｐ型多層膜反射鏡が組成の異なるｐ型ＡｌＧａＡｓを交互に積層し、その積層数はｎ型多層膜反射鏡の積層数よりも少ないものであること。
（５）ｎ型多層膜反射鏡の積層数は４８ペア以下である上記（４）の垂直共振器型高出力面発光レーザ。
（６）ｐ型多層膜反射鏡の積層数は２８〜３０ペア積層したものである上記（４）又は（５）の垂直共振器型高出力面発光レーザ。
（７）活性層のバンドオフセットが９〜１５ｎｍであること。ここで、バンドオフセットとは、室温における活性利得のピーク波長と共振器のストップバンド波長との差である。
（８）活性層のバンドオフセットが９〜１５ｎｍである上記（１）乃至（６）のいずれかの垂直共振器型高出力面発光レーザ。
（９）活性層が２〜４層の量子井戸層である上記（１）乃至（８）のいずれかの垂直共振器型高出力面発光レーザ。
（１）〜（９）の構成により、出力と変換効率の増大を図ることができる。
第２に、本発明は、高出力面発光レーザ装置アレイの発明であり、上記（１）乃至（９）のいずれかに記載の垂直共振器型面発光レーザを２次元に配置してアレイを構成し、該アレイの非出射側に冷却装置を当接し、該アレイの出射側に集光用光学系を配置したことを特徴とする。

ここで、集光用光学系が各発光レーザ用マイクロレンズ及び全発光レーザ用集光レンズからなることが好ましい。

本発明により、面発光レーザ装置において、半導体多層膜の層数、量子井戸の層数、室温での反射鏡と量子井戸の利得ピークの相対値等の高出力化できる構成条件を最適化することができた。本発明の面発光レーザ装置は高出力で高効率であり、光通信用、複写機用光源を始め各種用途に適用できる。

図１に、本発明の面発光レーザ装置の構成を示す。ここで、レーザ光はＮ型ＤＢＲミラー１０４側からレーザ光を取り出す。反射防止膜１０１は、チッ化珪素などで構成される。上部電極１０２は、ＡｕＧｅ／ＰｔＡｕ等で構成される。基板１０３は、Ｎ型ＧａＡｓ等で構成される。Ｎ型ＤＢＲミラー１０４は、組成の異なるＮ型ＡｌＧａＡｓを交互に積み重ねることででき、Ｎ型ＤＢＲミラー１０４の積層数は下記Ｐ型ＤＢＲミラー１０８の積層数よりも少ないことが必要であり、２８〜３０ペアが最適である。共振器１０５は、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ等で構成される。活性層量子井戸１０６は、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ等で構成され、２〜４層で９〜１５ｎｍのバンドオフセットを持つことが最適である。共振器１０７は、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ等で構成される。Ｐ型ＤＢＲミラー１０８は、組成の異なる、Ｐ型ＡｌＧａＡｓを交互に積み重ねることででき、３９〜４８ペアが最適である。絶縁膜１０９は、ＳｉＮ等で構成される。下部電極１１０は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ等で構成される。

図１では、Ｎ型ＤＢＲミラー側からレーザ光を取り出す構造としたが、本発明では、逆に、Ｐ型ＤＢＲミラー側からレーザ光を取り出す構造としても良い。その場合、Ｎ型ＤＢＲミラー及びＰ型ＤＢＲミラーの最適積層数は入れ替わる。
以下、Ｎ型ＤＢＲミラー側からレーザ光を取り出す構造を例にして、上記（１）〜（９）の要件を順次説明する。

［Ｐ−ＤＢＲミラーの最適設計］
Ｐ−ＤＢＲミラーの数を増やすと次のような現象が起こると考えられる。
１．反射率が上がり、閾値が低下し、最大出力と効率が向上する。
２．取り出し効率が上がり、最大出力と効率が向上する。
３．熱抵抗が増え、発熱増加し、最大出力と効率が低下する。
４．直列電気抵抗が増え、発熱増加し、最大出力と効率が低下する。

このように、１、２と３、４は相反する結果を生じるため、Ｐ−ＤＢＲミラーの数は増やしすぎても減らしすぎてもよくない。即ち、最大出力及び最大効率を得るための最適値が存在する。

図２に、Ｐ−ＤＢＲミラー数を変え、最大出力と最大効率そして最大効率のときの出力をプロットしたグラフを示す。グラフで実線Ｐｍａｘとしているものが最大出力の計算値、破線ＷＰとしているものが電力光変換効率、破線Ｐ（＠Ｗａｌｌｐｌｕｇ＝ｍａｘ）としているのが電力−光変換効率最大のときの光出力である。Ｎ−ＤＢＲミラー数は２８ペア、バンドオフセットは１２ｎｍ、量子井戸数は３層と固定している。

これまで試作したレーザはＮ−ＤＢＲ２８ペア、Ｐ−ＤＢＲ３０ペア、量子井戸３層、バンドオフセット１２ｎｍであり、電力−光変換効率１４％（実測値）であった。図２より、Ｐ−ＤＢＲミラー数を４５ペアに増やすことで効率を４２％まで向上させることができると期待される。この計算では考慮に入れていない効果があるため、実際の効率は４０％より少なめになると思われる。また、変換効率が最大になるときの光出力はＰ−ＤＢＲ数を変えてもほとんど変わらないことが分かる。結局、Ｐ−ＤＢＲのペア数の最適値は、３９〜４８ペアであり、３９ペアのとき最大出力、４５ペアのとき最大効率であることが分かる。

［Ｎ−ＤＢＲミラーの最適設計］
Ｎ−ＤＢＲミラーの数を増やすと次のような現象が起こると考えられる。
１．反射率が上がり、閾値が低下し、最大出力と効率が向上する。
２．取り出し効率が下がり、最大出力と効率が低下する。
３．直列電気抵抗が増え、発熱が増加し、最大出力と効率が低下する。

このように、１と２，３は相反する結果を生じるため、Ｎ−ＤＢＲミラーの数は増やしすぎても減らしすぎてもよくない。即ち、最大出力及び最大効率を得るための最適値が存在する。

図３に、Ｎ−ＤＢＲミラー数を変え最大出力と最大効率そして最大効率のときの出力をプロットしたグラフを示す。グラフで実線Ｐｍａｘとしているものが最大出力の計算値、破線ＷＰとしているものが電力−光変換効率、破線Ｐ（＠Ｗａｌｌｐｌｕｇ＝ｍａｘ）としているのが電力−光変換効率最大のときの光出力である。Ｐ−ＤＢＲミラー数は３９ペア、バンドオフセットは１２ｎｍ、量子井戸数は３層と固定している。
図３より、Ｎ−ＤＢＲのペア数の最適値は、２８〜３０ペアであることが分かる。

［バンドオフセットの最適設計］
室温での利得のピーク波長とＤＢＲミラーのストップバンドの波長の差をバンドオフセットと呼ぶ。ここでは慣例に従ってＤＢＲミラーのストップバンドが利得ピーク波長より長波長の場合を正とする。バンドオフセットの増加は次の効果を生じると考えられる。
１．発振閾値の増加
２．最大出力の増加
１と２より、バンドオフセットを大きくしすぎると、閾電流値が大きくなりすぎてかえって最大出力が低下してしまう可能性がある。

図４に、バンドオフセットを変え最大出力と最大効率そして最大効率のときの出力をプロットしたグラフを示す。グラフで実線Ｐｍａｘとしているものが最大出力の計算値、破線ＷＰとしているものが電力−光変換効率、破線Ｐ（＠Ｗａｌｌｐｌｕｇ＝ｍａｘ）としているのが電力−光変換効率最大のときの光出力である。Ｐ−ＤＢＲミラー数は４０ペア、Ｎ−ＤＢＲミラー数は２９ペア、量子井戸数は３層と固定している。

バンドオフセットを増やすと最大出力は増加していく。一方でバンドオフセットの増加とともに効率は減少していくが１５ｎｍ以降で急激に効率が低下する。効率の観点からはバンドオフセットは６〜１２ｎｍが最もよいと考えられる。結局、バンドオフセットの最適値は、９〜１５ｎｍであることが分かる。

［量子井戸数の最適設計］
量子井戸の数の増加は次のような効果を生じると考えられる。
１．閾電流密度が増加し、閾電流値が増加する。
２．閉じ込め係数が減少し、閾電流値が増加する。
３．利得が増加し、閾電流値が減少する。

面発光レーザは構造上、活性領域が非常に薄く利得が少ない。発振に必要な活性層数を確保したいが、あまり活性層が多いと閾電流値が増加するため高出力化に不利になる。最低必要な活性層数を確保しておくことが最大出力と最大効率を得られる結果を生み出すと考えられる。

図５に、量子井戸数を変え最大出力と最大効率そして最大効率のときの出力をプロットしたグラフを示す。グラフで実線Ｐｍａｘとしているものが最大出力の計算値、破線ＷＰとしているものが電力−光変換効率、破線Ｐ（＠Ｗａｌｌｐｌｕｇ＝ｍａｘ）としているのが電力−光変換効率最大のときの光出力である。Ｐ−ＤＢＲミラー数は４０ペア、Ｎ−ＤＢＲミラー数は２９ペア、バンドオフセットは１２ｎｍと固定している。

図５の結果より、量子井戸１層では利得不足であり、量子井戸が２層のとき最もよい効率を得られることがわかる。結局、量子井戸数の最適値は、２〜４であることが分かる。

［最適化された面発光レーザの層構造］
結果的に最大出力を実現できる層構造と最大効率を実現できる層構造は異なることになる。また、最大効率のときの出力は最大出力が上がっても大きく変わるわけではない。実際に応用する場面を考えると効率を最適化したほうが冷却装置に余計な大きさやコストがかからないということから効率重視で最適化を行ったほうがよいと考えられる。

上記面発光レーザの効率を最適化する設計を行った結果より、Ｎ型ＤＢＲミラー側からレーザ光を取り出す構造では、次のことが分かった。
Ｎ−ＤＢＲ：２８〜３０ペア
Ｐ−ＤＢＲ：３９〜４８ペア［３９ペアのとき最大出力、４５ペアのとき最大効率］
バンドオフセット：９〜１５ｎｍ
量子井戸数：２〜４

面発光レーザは基板に垂直にレーザ光が出射されるため、ウエハ上に多数のレーザを一括して作製し、アレイ化することが容易である。これを利用して高出力のレーザアレイを作製することを試みているが、一方で、単体素子の高出力化も必要不可欠である。以下、面発光レーザ単体素子の作製を示す。作製した面発光レーザは下記の設計で行った。
Ｎ−ＤＢＲ：２８ペア
Ｐ−ＤＢＲ：４０ペア
バンドオフセット：１２ｎｍ
量子井戸数：３

裏面出射型面発光レーザは、発光層のある基板表面側をヒートシンクに接合することにより冷却効率を高めたもので、高出力化に適した構造である。しかし、基板裏面からレーザ光を取り出すため構造上、表面出射型とは異なる作製プロセスとなる。また、デバイスをアレイ化していく上で、作製プロセスには均一性や再現性の高さが必要とされる。本実施例では、裏面出射型面発光レーザについてその作製プロセスをまとめた。

［作製手順の概要］
図６に示す断面構造をもつ裏面出射型面発光レーザの作製プロセスについて説明する。作製プロセスは概ね図７に示すとおりである。面発光レーザ用のエピタキシャルウエハは、後述するようにエピタキシャル層中に共振器構造が既に形成されているため、ウエハの加工プロセスは電極形成が主な工程となる。まず、エッチングによりメサを形成する。その後、電流狭窄構造を形成するための横方向酸化を行う。次に、絶縁膜で表面を覆った後、表面のｐ層にコンタクトする電極を形成する。基板裏面を研磨し、レーザ光出射部に反射防止膜を堆積した後、ｎ側電極を形成する。以下では、エピタキシャルウエハの層構造と各工程の詳細について説明する。

［エピタキシャルウエハの層構造］
現在使用している裏面出射型面発光レーザ用エピタキシャルウエハの断面構造は図８のようになっている。光学的な厚さが発光波長の１波長分に相当する発光層と、その発光層をはさむ平面鏡対がそれぞれ伝導型の異なる半導体によって形成されている。発光層はＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓを井戸層、ＧａＡｓ_０．９２Ｐ_０．０８を障壁層とする。３つの量子井戸とＡｌＧａＡｓスペーサ層から構成されている。また反射鏡はＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ及びＡｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓを積層した分布ブラッグ反射鏡（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ:ＤＢＲ）からなる。ＤＢＲの抵抗を低減するため組成の異なる層の界面には、組成傾斜層が挿入されている。また、横方向の酸化により電流狭窄構造を形成するため、発光層の上部にＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層が挿入されている。

ウエハ断面のＲＥＭ（反射電子顕微鏡像）写真を図９に示す。撮影したウエハは表面出射型の構造のものであるため、裏面出射型のものとは発光層の材料やＤＢＲの層数は異なるが、裏面出射型の場合においてもほぼ同様なものが観測されると考えてよい。周期的なコントラストを示す部分がＤＢＲであり、その間に発光層が形成されていることが観察できる。

［表面保護膜の堆積］
エピタキシャルウエハの表面にスパッタによりＳｉＯ_２を堆積する。エピウエハを構成しているＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ及びＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓは大気中で酸化されやすく不安定であるため、劣化し易い。通常、エピタキシャル表面はＧａＡｓキャップ層で終端されているが、ピット等の表面欠陥が存在する場合、内部へ酸化が進む可能性が高くなる。また、ここで堆積したＳｉＯ_２は次のメサエッチング工程におけるマスク材となる他、酸化工程における表面保護膜としての役割を果たす。また、横方向の酸化プロセスにおいては、このＳｉＯ_２の存在によって、赤外顕微鏡による酸化領域の観察が容易になる。すなわち、酸化された領域とされていない領域のコントラストを高くできることが分かっている。

［メサエッチング］
図１０に、メサエッチングから横方向酸化に至る工程図を示す。まずフォトリソグラフィによりレジストのパターニングを行う。次に、バッファードフッ酸によりＳｉＯ_２をエッチングする。レジスト及びＳｉＯ_２をマスクとして、ＩＣＰ(Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｚｍａ)を用いたＲＩＥにより異方性エッチングを行い、メサ形状を形成する。この工程では、エッチング表面にレーザ光を照射し、反射光強度をモニタすることにより、エッチング深さに対応した振動波形が観測できる。この振動周期の数とエッチングされたＤＢＲのペア数が対応するため、振動波形からエッチング深さを推定することができる。

エッチング終了後、剥離液を用いてレジストを剥離するが、エッチング時の熱によりレジストが硬化しているため、剥離液だけでは除去しにくい。現状では、綿棒などで表面をこすることによりレジストを除去している。

［横方向酸化］
酸化工程では、発光層上部に設けられたＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層を、メサ側壁部から横方向に酸化することにより、酸化されずに残ったメサ中央部に電流を集中させる。これにより低い駆動電流で高い電流密度を達成し、レーザ発振に必要とされる反転分布を低電流で得られるようにする。この工程は特に発光部の小さい素子で重要である。このような電流狭窄構造がない場合、小さい素子では電極も小さくなるため接触抵抗が増加する問題が生じるが、内部にこのような電流狭窄構造を作りこむことによって接触抵抗が増加する問題を回避しながら、高い電流密度を得ることが可能となる。

酸化は以下のような手順で行った。まずアンモニア水により自然酸化膜の除去を行う。次に、酸化炉に入れ、図１１に示す温度プロファイルにて酸化を行った。酸化炉には水蒸気を含んだ窒素が導入されている。目標とする横方向の酸化距離は１５μｍとした。酸化後、赤外顕微鏡にて観察した結果を図１２に示す。酸化された部分は酸化されていない部分と比較して白っぽく見えている。メサ端に近い部分ではＤＢＲ中のＡｌ_０．９０Ｇａ_０．１０Ａｓ層の酸化と考えられる領域も観測できる。メサ側壁部からほぼ当方的に酸化されていることが分かるが、エピウエハの構造や酸化条件によっては異方性が現れることがある。またメサの大きさやＡｌ_０．９０Ｇａ_０．１０Ａｓの厚さによって酸化速度は異なる。本実施例で使用したパターンはメサの大きさが様々であるため、最も小さいメサにおいて酸化距離が設計値になるよう酸化時間を設定している。

この酸化工程には以下のような問題がある。Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層の酸化速度は、Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓの膜厚やひずみなどの影響を受けて変化するため、層構造の異なるウエハごとに酸化レートの確認が必要である。今回のエピ構造における酸化速度はほぼ３μｍ／ｍｉｎであった。シングルモード発振する面発光レーザを得ようとする場合、発光部（非酸化部）の径は２〜３μｍ程度にしなければならないが、非酸化径が小さいため精密な時間管理を怠ると全面にわたって酸化されてしまう恐れがある。この問題を解決するため、いくつかの研究機関からその場観察を行いながら酸化を制御する技術が報告されている。

［絶縁膜堆積］
酸化終了後、半導体表面を保護するため絶縁膜を堆積する。ここでは、まず、スパッタによりＳｉＯ_２を堆積した後、更にその上からポリイミドを塗布することにより表面保護と絶縁を行う。

ポリイミドはネガ型の感光性ポリイミドを使用した。およそ３μｍの厚さにスピンコートするが、メサ部の高さが５〜６μｍあるためメサ上部ではポリイミドの塗布膜厚はメサ下部と比較して薄くなる。そのため、コンタクトホールパターンの露光時に後述のような問題が生じる。また、現在使用しているマスクパターンでは、様々な大きさのメサパターンがウエハ上にあるため、メサ上部でのポリイミドの膜厚が、メサの大きさ毎に異なることも問題を引き起こす原因となっている。

［コンタクトホール］
コンタクトホールのパターンを感光性ポリイミドに露光し、メサ上部に電極コンタクトのための穴を開ける。次の電極形成までの工程の詳細を図１３に示す。メサとコンタクトホールパターンのアライメント誤差の許容値は２μｍとしてマスク設計を行っているが、メサ段差が大きいために１μｍ以上のアライメント誤差が生じる。場合によっては２μｍ程度の誤差を生じる場合もあり、今後、パターンルールを変更するか、メサ段差を平坦化する工程が必要である。１つの方法としてメサ周辺部のみエッチングを行うトレンチ構造が考えられる。

メサ側壁部に塗布されるポリイミドの膜厚は薄く、現像時の液の撹拌によってポリイミドがメサから剥離することがある。この現象は特にメサの大きな素子に対して顕著である。側壁部からの剥離は、次のバッファードフッ酸によるエッチング工程でＳｉＯ_２及びＡｌＧａＡｓがエッチングされてしまうことがあるため問題である。

パターニングの後、ポリイミドを硬化させるための熱処理（キュア）を行う。キュア温度は１３５℃で１５分間、及び３５０℃で６０分間、４００℃で１分間行った。ポリイミドはキュアによって体積が減少するため、塗布膜厚が厚い場合にはメサ間のポリイミドの収縮によって引っ張り応力が加わる。この応力により、メサにクラックが発生することがあるため塗布膜厚を注意する必要がある。

次に、ポリイミドをマスクとしてＳｉＯにコンタクトホールを窓開けする。バッファードフッ酸（ＢＨＦ）によりエッチングを行うためパターンの端部ではポリイミド下部のＳｉＯもサイドエッチングされる。オーバーエッチングの時間が長すぎると、メサ側壁部にＢＨＦが回り込み、ＡｌＧａＡｓ層をサイドエッチングしてしまうため、エッチング時間の管理が重要である。

［ｐ電極形成］
コンタクトホールを開けた後、ウエハ全面にｐ電極となるＡｕ／Ｚｎ／Ａｕをこの順に蒸着する。蒸着後、窒素中にて４２０℃で２分間、アニールを行う。この電極は蒸着のみでは密着性が悪いため、アニールを行わずに後工程を行うと、電極が剥れてくることがある点で注意が必要である。

次に、必要な電極部分を残してエッチングを行う。ここではメサ端部よりも１０μｍ外側までの領域をｐ電極で覆っている。電極パターンをフォトリソグラフィによりパターニングし、余分な金属部分をヨウ素ヨウ化カリウム溶液によってエッチングする。

［電極の密着性向上及び厚膜化］
上記の電極金属だけでは密着性が不十分なため、密着性の高い電極金属を用いて上部から覆う。また、電極部は段差により段切れが起こっている可能性があるため電極の厚膜化が必要である。ここでは電解めっきを用いて金電極の厚膜化を行っている。また、メサ周辺を金で覆っておくことにより放熱特性が向上することを期待している。

はじめに、密着性の高い下地金属としてＣｒ／Ａｕをこの順番に全面に蒸着する。金メッキ用のパターニングを行った後、メッキ用電解液にウエハを浸して電流を流すことにより金を析出させる。これにより３μｍ程度の厚さの電極パッドを形成する。その後、レジストを除去し、メッキされていない部分の下地金属を取り除くため、ヨウ素ヨウ化カリウム溶液に浸し金のエッチングを行う。

［基板研磨］
レーザ光はＧａＡｓ基板を通して基板裏面から出射される。基板によるレーザ光の吸収をできるだけ少なくするため、基板は１００μｍ程度まで研磨する。ただし、研磨面は光の出射面となるため、光が散乱されないよう鏡面である必要がある。

試料をガラス基板にワックスで貼り付けて研磨を行った。研磨は３段階で行っている。まず銅板と２μｍのダイアモンドスラリーで１２０μｍ程度まで荒削りを行う。その後、研磨盤をクロスに交換し、同様に２μｍのダイアモンドスラリーを用いて研磨する。この時点で１００μｍまで研磨することによりほぼ鏡面が得られる。最後にスラリーをコロイダルシリカに交換し、表面粗さをより低減する。研磨面の写真を図１４に示す。表面側とほぼ同等の鏡面が研磨により得られていることがわかる。

［反射防止膜の堆積］
出射面では空気とＧａＡｓとの屈折率差により、出力のおよそ３０％がフレネル反射により内部へ戻される。これがレーザの損失となる他、戻り光としてレーザの動作に影響を及ぼすため、反射防止膜を堆積して反射を低減することが必要である。ここではＰＣＶＤで堆積したＳｉＮ（屈折率１．９２）を用いた。ＧａＡｓウエハ上にこのＳｉＮを堆積した場合の反射スペクトルから、ほぼ設計通り９８０ｎｍにおいて最も低い反射率が得られていることが分かる。

今後、更に反射率を低減する必要がある場合は、ＳｉＯＮを使用することにより屈折率を調整する余地が残されている。また、多層膜により反射防止膜を形成することも可能である。

［ｎ電極形成］
ｎ電極及び出射窓の形成には、当初、蒸着金属のエッチングによる工程を考えていた。しかし、ＳｉＮ上のアニールされたＡｕＧｅをエッチングした場合、ＳｉＮ表面に残渣が観測されることが予備実験より明らかとなった。そのため、ここではリフトオフにより電極を形成する方法をとっている。

試料は既に基板研磨工程によって１００μｍまで薄くなっている。応力による試料の破壊を防ぐため、ワックスなどを用いてガラス板などに貼り付けると効果的であるが、蒸着装置の汚染を防ぐ目的で蒸着前にワックスを除去する必要がある。この工程でレジストも剥離されてしまうため、ここではガラスへ貼り付けずに処理を行った。ここでは基板裏面にＳｉＮが堆積してあるため、基板強度を補強できている。

基板裏面はレーザ光の出射面となるため、レーザ光が通過する部分では反射防止膜であるＳｉＮを残し、その他の部分にはｎ−ＧａＡｓ基板にオーミック電極を蒸着することが必要である。レーザ光は、すでに加工された表面側のメサ中央部から基板裏面に向けて出射されるため、メサの位置に合わせて、裏面の電極パターンをアライメントする必要がある。

表面のメサパターンにアライメントしてｎ電極のレジストパターンを形成する。次に、ｎ電極を蒸着する部分のＳｉＮをＢＨＦによりエッチングする。ＡｕＧｅ／Ａｕをこの順に蒸着し、アセトン中でリフトオフする。

リフトオフの後、窒素中にて４２０℃に加熱し、２分間の熱処理を行うことによりオーミック電極として機能することができる。

［金メッキ］
ｎ電極パターンを基準にメッキ用のパターニンクを行う。端部はＳｉＮ上に５μｍ程度オーバーラップするようマスク設計されている。当初、設計したプロセスでは全面に蒸着したのち、このパターンでメッキを行い、下部電極のエッチングにより出射部の窓開けを行う予定だった。そのためエッチング液にＧａＡｓが曝されないよう、ＳｉＮ上でオーバーラップさせてあった。メッキ液とＧａＡｓとの反応を避けるためには、下地となる電極パターンよりもメッキのパターンが小さいほうが望ましいが、プロセス変更にマスクパターンが対応していないため、現状ではメッキ液にＧａＡｓ基板が曝される状況にある。実際に試作したデバイス特性では、これに起因した問題は生じていない。

電解メッキ液を使用し、厚さ３μｍの金メッキを行った。これによりワイヤーボンディングの歩留まりが良くなる。

［面発光レーザの評価］
図１５に、作製した面発光レーザの電流−光強度特性を実線で、電流−電圧特性を破線で示す。図１５より、本発明の面発光レーザ装置は、半導体多層膜の層数、量子井戸の層数、室温での反射鏡と量子井戸の利得ピークの相対値等が最適化されており、充分な高出力動作が行われていることが実証された。

［面発光レーザのアレイ化］
本発明では、上記の垂直共振器型面発光レーザを２次元に配置してアレイを構成し、更に大出力とすることができる。具体的には、図１６に示すように、アレイの非出射側に冷却装置を当接し、アレイの出射側に集光用光学系を配置する。ここで、集光用光学系は各発光レーザ用マイクロレンズ及び全発光レーザ用集光レンズからなる。

本発明により、面発光レーザ装置の高出力化と高効率化を達成した。これにより、光通信、複写機用光源を始め、広い分野での適用が可能となる。

本発明の面発光レーザ装置の構成図。 Ｐ−ＤＢＲミラー数を変え、最大出力と最大効率そして最大効率のときの出力をプロットしたグラフ。 Ｎ−ＤＢＲミラー数を変え最大出力と最大効率そして最大効率のときの出力をプロットしたグラフ。 バンドオフセットを変え最大出力と最大効率そして最大効率のときの出力をプロットしたグラフ。 量子井戸数を変え最大出力と最大効率そして最大効率のときの出力をプロットしたグラフ。 裏面出射型面発光レーザの断面構造。 裏面出射型面発光レーザの作製プロセス。 裏面出射型面発光レーザ用ウエハの層構造例。 面発光レーザ用エピタキシャル層の断面のＲＥＭ（反射電子顕微鏡像）写真。 メサエッチングから横方向酸化に至る工程図。 酸化工程の温度プロファイル。 赤外顕微鏡による横方向酸化の観察。 絶縁膜形成からｐ電極形成までの工程の詳細。 裏面の鏡面研磨を行ったウエハの写真。 作製した面発光レーザの電流−光強度特性、及び電流−電圧特性を示すグラフ。 アレイ化した大出力面発光レーザ装置の斜視図。

符号の説明

１０１：反射防止膜、１０２：上部電極、１０３：基板、１０４：Ｎ型ＤＢＲミラー、１０５：共振器、１０６：活性層量子井戸、１０７：共振器、１０８：Ｐ型ＤＢＲミラー、１０９：絶縁膜、１１０：下部電極。

Claims (11)

1. 活性層の上下に一対の分布ブラッグ反射型半導体多層膜反射鏡を配置した積層構造を半導体基板上に形成し、ｎ型多層膜反射鏡側からレーザ光を取り出す垂直共振器型面発光レーザにおいて、ｐ型多層膜反射鏡が組成の異なるｐ型ＡｌＧａＡｓを交互に３９ペア以上積層され、且つｎ型多層膜反射鏡が組成の異なるｎ型ＡｌＧａＡｓを交互に積層し、その積層数はｐ型多層膜反射鏡の積層数よりも少ないものであることを特徴とする垂直共振器型高出力面発光レーザ。
2. ｐ型多層膜反射鏡の積層数は４８ペア以下であることを特徴とする請求項１に記載の垂直共振器型高出力面発光レーザ。
3. ｎ型多層膜反射鏡の積層数は２８〜３０ペア積層したものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の垂直共振器型高出力面発光レーザ。
4. 活性層の上下に一対の分布ブラッグ反射型半導体多層膜反射鏡を配置した積層構造を半導体基板上に形成し、ｐ型多層膜反射鏡側からレーザ光を取り出す垂直共振器型面発光レーザにおいて、ｎ型多層膜反射鏡が組成の異なるｎ型ＡｌＧａＡｓを交互に３９ペア以上積層され、且つｐ型多層膜反射鏡が組成の異なるｐ型ＡｌＧａＡｓを交互に積層し、その積層数はｎ型多層膜反射鏡の積層数よりも少ないものであることを特徴とする垂直共振器型高出力面発光レーザ。
5. ｎ型多層膜反射鏡の積層数は４８ペア以下であることを特徴とする請求項４に記載の垂直共振器型高出力面発光レーザ。
6. ｐ型多層膜反射鏡の積層数は２８〜３０ペア積層したものであることを特徴とする請求項４又は５に記載の垂直共振器型高出力面発光レーザ。
7. 活性層の上下に一対の分布ブラッグ反射型半導体多層膜反射鏡を配置した積層構造を半導体基板上に形成した垂直共振器型面発光レーザにおいて、活性層のバンドオフセットが９〜１５ｎｍであることを特徴とする垂直共振器型高出力面発光レーザ。
8. 前記活性層のバンドオフセットが９〜１５ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の垂直共振器型高出力面発光レーザ。
9. 前記活性層が２〜４層の量子井戸層であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の垂直共振器型高出力面発光レーザ。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の垂直共振器型面発光レーザを２次元に配置してアレイを構成し、該アレイの非出射側に冷却装置を当接し、該アレイの出射側に集光用光学系を配置したことを特徴とする高出力面発光レーザ装置。
11. 前記集光用光学系が各発光レーザ用マイクロレンズ及び全発光レーザ用集光レンズからなることを特徴とする請求項１０に記載の高出力面発光レーザ装置。

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