JP2009238832A - 面発光半導体レーザの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】酸化層狭窄型の面発光レーザにおいて、ＤＢＲミラー内の酸化部分を効果的に除去し、面発光レーザの信頼性を向上させる。
【解決手段】メサポスト３８内に形成された上部ＤＢＲミラー２２のペア層のうち、低屈折層を構成するＡｌ組成が高いＡｌＧａＡｓ層４２の酸化部分をウェットエッチングによって除去する。エッチングで除去された部分４３は、ポリイミド層２６によって埋め戻す。ウェットエッチングには、フッ酸や、バッファード・フッ酸、アンモニア水などを含むエッチャントを用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光半導体レーザの製造方法に関し、更に詳しくは、メサポストを有し、基板に対して垂直方向に共振器構造を形成する、酸化層狭窄型の面発光半導体レーザであって信頼性に優れた面発光半導体レーザの製造方法に関するものである。

垂直共振器型面発光半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser.以下、単に面発光レーザと称する）は、基板に対して直交方向に光を出射させる半導体レーザである。面発光レーザは、同じ基板上に２次元アレイ状に多数のレーザ素子を配列することが可能であり、通信用光源として、また、その他の様々なアプリケーション用デバイスとして注目されている。特に、ギガビット・イーサーネットや、ファイバチャネル等のデータコム通信における高速光伝送の信号光源用途を中心に、面発光レーザのニーズも高まっている。

図５は、特許文献１に記載された面発光レーザの構造を示す断面図である。面発光レーザ１０Ａは、ＧａＡｓやＩｎＰといった半導体基板１２上に、半導体多層膜から成る１対のＤＢＲミラー（分布ブラッグ反射鏡）１４、２２を形成し、その対のＤＢＲミラー１４、２２の間に発光領域となる活性層１８、下部及び上部クラッド層１６、２０を有するレーザ構造を備えている。また、活性層における電流効率を高め、発振のためのしきい値電流を下げるために、電流狭窄層（酸化狭窄層）２４を有する。電流狭窄層２４は、ＡｌＡｓ層から形成され、ＡｌＡｓ層の周囲を酸化した電流阻止領域２４ｂと、中央部に非酸化領域として残された電流注入領域（電流開口）２４ａとを有する。ＤＢＲミラー１４、２２には、例えばＧａＡｓ系では、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ／ＡｌＧａＡｓ等の複数のペア層が用いられる。

上記ＧａＡｓ系面発光レーザ１０Ａは、ＧａＡｓ基板上に形成でき、しかも、熱伝導率が良好で、反射率の高いＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲミラーを用いることができる。このため、０．８μｍ〜１．０μｍ帯のレーザ光を発光できるレーザ素子として有望視されている。また、活性層１８にＧａＩｎＮＡｓ系材料を用いた面発光レーザは、１．２μｍ〜１．６μｍ帯の長波長域の光を発光できる面発光レーザとして有望視されている。

ところで、上述した酸化層狭窄型面発光レーザでは、ＡｌＡｓ層を酸化して電流狭窄層２４を形成する際に、ＡｌＡｓ層の体積が収縮し、電流狭窄層２４に隣接する化合物半導体層に応力が発生することが知られている。活性層１８は、電流狭窄層２４の近傍に位置するため、これによって、活性層１８に損傷が生じ、素子寿命が短くなるという問題があった。そこで、素子寿命の短縮化を防ぐために、電流狭窄層２４としてＡｌＡｓ層に代えて、ガリウム（Ｇａ）を微量に含んだＡｌ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓ層を用いることが提案されている。また、ＡｌＡｓ層の厚さを４０ｎｍ程度に薄くして、電流狭窄層２４に転化した際の体積の収縮により発生する応力を小さくする努力が払われている。

一方、ＤＢＲミラーを構成する多層膜についても、ＡｌＡｓ層と同様に強い酸化条件に曝される。このため、上部ＤＢＲミラー２２を構成するペア層のうちで、Ａｌ組成の高い層、すなわち低屈折率層であるＡｌ_0.9 Ｇａ_0.1 Ａｓ層が、図５の符号２７に示したように、メサポストの周囲に沿って、円環状に酸化されてしまうという問題が発生している。

酸化により形成されるＤＢＲミラー内の酸化部分２７は、電流狭窄用のＡｌＡｓ層の組成や厚さにより決まる酸化条件や、更にＤＢＲミラーを構成する化合物半導体層の組成や厚さに依存するものの、例えば数百ｎｍ程度の幅を有する。数百ｎｍという酸化の度合いは、メサポスト３８の径から見れば小さいものの、ＤＢＲミラーを構成するＡｌＧａＡｓの各層は、レーザ光の波長λに対してλ／４ｎとなる比較的大きな厚みに設計されている。ＤＢＲミラーは、このように大きな膜厚に加えて、そのペア数が多いため、数百ｎｍの幅とはいえ、面発光レーザ内において酸化部分における体積収縮は、無視できない大きなものとなる。このようなＤＢＲミラー内の酸化を防止するため、高Ａｌ含有層である低屈折率層のＡｌ組成比を所定の比率内に抑えたＤＢＲミラーを有する面発光レーザの開発も行われている。

特開２００７−２５８５８２号公報 C. Helms, I. Aeby, W. Luo, R. W. Herrick, A. Yuen, "Reliability of Oxide VCSELs at Emcore", Proc. SPIE, vol. 5364, pp. 183-189, 2004

酸化狭窄型の面発光レーザは、偶発故障（突然死）という信頼性の問題を抱えており、その原因は主として、上記した選択酸化プロセスにおける、意図しない部分の酸化による歪みであることが知られている。その原因としては、面発光レーザでは、ＤＢＲミラーの低屈折率層の酸化に起因して体積変化を生じ、その体積変化により発生する応力が、活性層に影響を及ぼし、メサポスト側面の活性層端面に転位を発生させることによると考えられる。このような面発光レーザでは、長時間にわたって通電を続けると、製造中に発生した転位が、メサポスト中央部の発光領域にまで増殖し、発光領域が突然に破壊して偶発故障に至る。

ＤＢＲミラーの酸化を抑制するためには、低屈折率層においてＡｌ含有量を抑えた半導体層を用いることも有効ではある。しかし、ＡｌＧａＡｓ系の半導体層では、Ａｌの組成比に応じてＡｌ含有層の屈折率が異なるので、Ａｌの組成比を大きく変えて高屈折率層と低屈折率層の屈折率差を大きくし、反射率の高いＤＢＲミラーを形成するための要請が大きい。ここで、ＡｌＧａＡｓ層のＡｌの含有量を低く抑えると、高屈折率層と低屈折率層の屈折率差を大きくすることができず、所定の反射率を有する反射鏡を形成するためには、積層ペア数を増やすことが必須になる。しかし、放熱特性、光透過性、製造コストの面から、積層ペア数をあまりに増加させることは好ましくない。

特許文献１の面発光レーザでは、ＤＢＲミラーを構成する積層のうちで、活性層の近傍の積層部分には、Ａｌ含有量が小さな化合物半導体層を形成し、活性層から遠い積層部分には、Ａｌ含有率が大きな化合物半導体層を形成する構成を記載している。この構成により、活性層の近傍の積層部分から活性層に印加される歪み量を低減する。また、活性層に与える歪み応力が比較的に小さな、活性層から遠い積層では、Ａｌ含有量の大きな化合物半導体層の採用によって、ＤＢＲミラーを構成する積層の全層数を低減し、積層ペア数の増加を抑える。しかし、この特許文献１に記載の方法では、得られる効果が限定的であった。

非特許文献１は、酸化した低屈折率層のメサポスト外周部分を除去する構成を記載している。しかし、この文献には、その除去するプロセスについて、具体的な手法の開示がない。

本発明は、上記に鑑み、メサポストを有する面発光レーザの製造に際して、ＤＢＲミラーの酸化に起因して活性層に与える応力を抑制するために、ＤＢＲミラーの酸化部分の除去を効果的に行う、面発光レーザの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、Ａｌを含む化合物半導体積層からなりメサポストとして形成された多層膜反射鏡と、該多層膜反射鏡に近接して又は該多層膜反射鏡内に形成される、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＞０．９）を含む選択酸化電流狭窄層とを備える電流注入型の面発光半導体レーザを製造する方法において、
前記選択酸化電流狭窄層を作製する選択酸化工程の後に、前記ＤＢＲミラーの積層のうち前記選択酸化工程で酸化した部分をウェットエッチングによって選択的に除去する工程を有することを特徴とする面発光半導体レーザの製造方法を提供する。

本発明の面発光レーザの製造方法では、ウェットエッチングを採用して、ＤＢＲミラー内の酸化部分を除去する構成を採用したことにより、酸化部分が効果的に除去され、得られる面発光レーザの信頼性が向上する。

以下、本発明の例示的な実施の形態について、図１を参照して説明する。図１の面発光レーザ１０は、ｎ−ＧａＡｓ基板１２上に、それぞれの層の厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｎ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／ｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓの３５ペアからなる下部ＤＢＲミラー１４、下部クラッド層１６、量子井戸活性層１８、上部クラッド層２０、及び、それぞれの層の厚さがλ／４ｎのｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓの２５ペアからなる上部ＤＢＲミラー２２から構成される積層構造を備えている。

上部ＤＢＲミラー２２では、量子井戸活性層１８に近い側の一層が、Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層に代えて、ＡｌＡｓ層で形成され、かつ中央の電流注入領域２４ａ以外の周囲領域のＡｌＡｓ層のＡｌが、選択的に酸化され、Ａｌ酸化層からなる電流狭窄層２４を構成している。

積層構造のうち、上部ＤＢＲミラー２２は、フォトリソグラフィー処理及びエッチング加工により、電流狭窄層２４よりも下方の量子井戸活性層１８に近い層までが、例えば直径３０μｍの円形のメサポスト３８に加工されている。メサポスト３８に加工した積層構造を水蒸気雰囲気中にて、約４００℃の温度で酸化処理を行い、メサポスト３８の外側からＡｌＡｓ層のＡｌを選択的に酸化させることにより、中央の電流開口２４ａ及び周囲の電流阻止領域２４ｂを有する電流狭窄層２４が形成される。

メサポスト３８は、周囲が例えばポリイミド層２６により埋め込まれている。また、メサポスト３８の上には５μｍ〜１０μｍ程度の幅のリング状電極が、ｐ側電極２８として設けられている。また、基板裏面を適宜研磨して基板厚さを例えば２００μｍ厚に調整した後、ｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面にｎ側電極３０が形成されている。更に、ポリイミド層２６上には、外部端子とワイヤーで接続するための電極パッド３２が、リング状電極２８と接触するように形成されている。

上部ＤＢＲミラー２２内の各ペア層では、低屈折率層であるＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層４２がメサポスト外周側で円環状にエッチングされている。高屈折率層であるＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層４１は、酸化に対して耐性が高いので、エッチングされずに残る。図２は、図１の上部ＤＢＲミラー２２の端部を拡大して示す断面図である。

前記のように、上部ＤＢＲミラー２２では、電流狭窄層２４形成のための酸化処理により、低屈折率層であるＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層４２が円環状に酸化され、その酸化された部分が体積収縮して活性層１８に応力を及ぼす。このため、本実施形態では、その酸化された部分を、水蒸気雰囲気中の酸化に後続するウェットエッチング処理により円環状に除去する。更に、そのエッチング除去された部分４３は、後にポリイミド層２６によって埋められる。この構造により、活性層１８に及ぼす応力が低減され、偶発故障の発生が回避される。
ここで、選択酸化電流狭窄層はその構成するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓのｘの値が０．９であるもの、すなわちＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓを用いたが、多層膜反射鏡との選択酸化比の観点からはｘは０．９５以上であることが好ましい。

メサポスト３８の酸化処理に後続するウェットエッチングは、以下のように行われる。ウェットエッチングのエッチング液（エッチャント）としては、フッ酸または／及びアンモニアを含むものが好適である。具体的には、アンモニア水、アンモニア水（アンモニアの濃度は１０〜５０％程度が好ましく、２０〜４０％程度がさらに好ましい）を含むエッチャント、フッ酸、バッファード・フッ酸（ＢＨＦ；フッ化アンモニウムとフッ酸を含む溶液。例えば、フッ酸及びフッ化アンモニウムをそれぞれ約２０％ずつ含むもの等）、フッ酸を含むエッチャントなどが好適に用いられる。ウェットエッチングで除去した形跡は明確なので、例えば操作電子顕微鏡（ＳＥＭ）や集束イオンビーム・選択イオンモニタリング（ＦＩＢ−ＳＩＭ；Focused Ion Beam- Scanning ion microscope）などにより確認可能である。

本発明を完成するにあたり、前記非特許文献１の構造を種々の手法で形成することとした。まず、塩素系ドライエッチングなどのドライエッチングを用いて、ＤＢＲミラー内の酸化部分（２７、図５）を除去するプロセスを試みた。しかし、酸化部分が塩素系ドライエッチングに対して強力なマスクとなり、逆に半導体部分のみがエッチングされ、除去すべき酸化部分がリング状に残ることが判明した。最終的に上記エッチング液を用いるウェットエッチング（ウエットエッチングとしては、エッチング液（ＢＨＦ等）を室温にて攪拌し、続いて純水で洗浄している）を施すことにより、酸化部分が有効に除去されることが判明した。このように酸化部分を除去した面発光レーザは、その信頼性試験において、良好な結果を示した。
図３は、酸化部分を除去しない従来の面発光レーザの信頼性試験の結果、図４は、本発明の手法により酸化部分を除去した面発光レーザの信頼性試験の結果を示す。信頼性試験は、バーンイン後の高温加速試験により行った。加速試験の温度は１２０℃、運転電流を１０ｍＡと一定にした条件（ＡＣＣ；Auto Current Control）を採用した。試験を行った素子数はそれぞれ３０個である。

図３及び図４では、加速試験中の各素子について、バーンイン直後の室温における光出力をＰ０、各測定時刻での光出力をＰとして、各測定時刻における光出力の相対値Ｐ／Ｐ０をプロットした。従来の面発光レーザでは、信頼性試験中にＤＢＲミラーの酸化部分の累積歪によると考えられるすべり転位が発生し、レーザ発振が停止した素子が見られた。すべり転位があると、発光部分からの自然放出光によって励起されたキャリアをエネルギーとして、活性層平面のメサ側部から転位が増殖し、発光部分に達したと同時にレーザ発振が停止する。この原因により、図３に示すように、３０素子中４個の素子が信頼性試験中に故障した。

一方、図４に示すように、本発明の製法を適用した面発光レーザでは、信頼性試験においてレーザ発振が低下し或いはレーザ発振が停止した素子は、３０素子中で１つも見られなかった。これにより、本発明方法を用いてＤＢＲミラー内の酸化部分を除いた面発光レーザの信頼性が向上する旨が確認された。

なお、上記実施形態では、上部ＤＢＲミラーがｐ型半導体で構成される例を示したが、ＤＢＲミラーの導電型は、適宜選択可能である。

以上、本発明をその好適な実施態様に基づいて説明したが、本発明の面発光レーザの製造方法は、上記実施態様の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施態様の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

本発明の一実施形態の方法で製造される面発光レーザの断面図。 図１の面発光レーザの上部ＤＢＲミラーの詳細断面図。 従来の面発光レーザの信頼性試験の結果を示すグラフ。 本発明の方法で製造された面発光レーザの信頼性試験の結果を示すグラフ。 従来の面発光レーザの断面図。

符号の説明

１０、１０Ａ：面発光レーザ
１２：ｎ−ＧａＡｓ基板
１４：下部ＤＢＲミラー
１６：下部クラッド層
１８：量子井戸活性層
２０：上部クラッド層
２２：上部ＤＢＲミラー
２４：電流狭窄層
２４ａ：電流開口
２４ｂ：電流阻止領域
２６：ポリイミド層
２７：酸化部分
２８：ｐ側電極
３０：ｎ側電極
３２：電極パッド
３８：メサポスト

Claims (3)

1. 少なくとも低屈折率層がＡｌを含む化合物半導体積層からなりメサポストとして形成された多層膜反射鏡と、該多層膜反射鏡に近接して又は該多層膜反射鏡内に形成される、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＞０．９）を含む選択酸化電流狭窄層とを備える電流注入型の面発光半導体レーザを製造する方法において、
   前記選択酸化電流狭窄層を作製する選択酸化工程の後に、前記多層膜反射鏡の積層のうち前記選択酸化工程で酸化した部分をウェットエッチングによって選択的に除去する工程を有することを特徴とする面発光半導体レーザの製造方法。
2. 前記ウェットエッチングは、フッ酸または／及びアンモニアを含むエッチング液を用いる、請求項１に記載の面発光半導体レーザの製造方法。
3. 前記ウェットエッチングは、前記選択酸化電流狭窄層の酸化された部分を残留させる、請求項１又は２に記載の面発光半導体レーザの製造方法。

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