JP2021009895A - 面発光レーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】コンタクト層との良好なオーミックコンタクトをとることができるとともに、コンタクト層における光吸収を少なくすることができる面発光レーザを提供する。【解決手段】面発光レーザは、基板２０と、基板２０の上に下部反射鏡層１２３、活性層１２４、上部反射鏡層１２５、上部コンタクト層１２７が順に積層された半導体層のメサ３０と、上部コンタクト層１２７の上に設けられた電極４１と、を有し、上部コンタクト層１２７は、ＧａＡｓを含んでおり、電極４１は、上部コンタクト層１２７と接する層がＰｔを含む合金層１４１からなる。【選択図】 図５

Description

本発明は、面発光レーザに関するものである。
面発光レーザと呼ばれる垂直共振型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）は、半導体基板の上に、２つの反射鏡層と、反射鏡層に挟まれた活性層とを有し、半導体基板の基板面に対し垂直方向に光を出射するレーザである。面発光レーザでは、活性層及び反射鏡層等にメサを形成し、メサの反射鏡層の一部を選択的に酸化して酸化層を形成することにより、電流狭窄構造が形成されている（特許文献１等）。
特開２０１９−３３２１０号公報
上記の面発光レーザには、面発光レーザに電流を注入するため、２つの反射鏡層と活性層とを挟むようにコンタクト層が設けられている。コンタクト層は、導電性を高めるために、不純物元素が高濃度にドープされており、レーザ光が出射される側のコンタクト層の厚さが厚いと、レーザ光を吸収し光出力が低下してしまう。このため、レーザ光が出射される側のコンタクト層の厚さが薄い方が好ましいが、コンタクト層の厚さが薄すぎると、コンタクト層との接触抵抗が高くなり、良好なオーミックコンタクトがとれなくなる場合がある。
このため、コンタクト層との良好なオーミックコンタクトをとることができるとともに、コンタクト層における光吸収が少ない面発光レーザが求められている。
本実施形態の一観点によれば、面発光レーザは、基板と、前記基板の上の下部コンタクト層と、前記下部コンタクト層の上に、下部反射鏡層、活性層、上部反射鏡層、上部コンタクト層が順に積層された半導体層のメサと、前記上部コンタクト層の上に設けられた電極と、を有し、前記上部コンタクト層は、ＧａＡｓを含んでおり、前記電極は、前記上部コンタクト層と接する層が、Ｐｔを含む合金層である。
本開示の面発光レーザによれば、コンタクト層との良好なオーミックコンタクトをとることができるとともに、コンタクト層における光吸収を少なくすることができる。
図１は、面発光レーザの電極の説明図である。 図２は、本開示の実施形態の面発光レーザの上面図である。 図３は、本開示の実施形態の面発光レーザの断面図である。 図４は、本開示の実施形態の面発光レーザの電極の説明図（１）である。 図５は、本開示の実施形態の面発光レーザの電極の説明図（２）である。 図６は、本開示の実施形態の面発光レーザの製造方法の工程図（１）である。 図７は、本開示の実施形態の面発光レーザの製造方法の工程図（２）である。 図８は、本開示の実施形態の面発光レーザの製造方法の工程図（３）である。 図９は、本開示の実施形態の面発光レーザの製造方法の工程図（４）である。 図１０は、本開示の実施形態の面発光レーザの製造方法の工程図（５）である。
実施するための形態について、以下に説明する。
［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。以下の説明では、同一または対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。
〔１〕 本開示の一態様に係る面発光レーザは、基板と、前記基板の上に下部反射鏡層、活性層、上部反射鏡層、上部コンタクト層が順に積層された半導体層のメサと、前記上部コンタクト層の上に設けられた電極と、を有し、前記上部コンタクト層は、ＧａＡｓを含んでおり、前記電極は、前記上部コンタクト層と接する層はＰｔを含む合金層である。
これにより、電極が上部コンタクト層との良好なオーミックコンタクトをとることができるとともに、上部コンタクト層における光吸収を少なくすることができる。
〔２〕 前記Ｐｔを含む合金層の厚さは５ｎｍ以上、１００ｎｍ以下であｈる。
これにより、電極が上部コンタクト層との良好なオーミックコンタクトをとることができるとともに、コンタクト層における光吸収を少なくすることができる。
〔３〕 前記上部コンタクト層の厚さは、１０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下である。
これにより、電極が上部コンタクト層との良好なオーミックコンタクトをとることができるとともに、コンタクト層における光吸収を少なくすることができる。
〔４〕 前記電極は、前記合金層から順にＴｉ層、Ｐｔ層が積層されている。
これにより、電極が上部コンタクト層との良好なオーミックコンタクトをとることができる。
〔５〕 前記電極の形状は円環状であって、前記電極の内側がレーザ光を出射する光出射窓である。
これにより、出射されるレーザ光の光吸収が少なくなる。
［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の一実施形態について詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。
最初に、面発光レーザにおいて、コンタクト層とのオーミックコンタクトについて説明する。
図１に示されるように、面発光レーザでは、上部反射鏡層９２１の上に、上部コンタクト層９２２が形成されており、レーザ光は破線矢印に示す方向に出射される。上部コンタクト層９２２は、導電性を高めるため、ＧａＡｓに不純物元素として亜鉛（Ｚｎ）Ｃ（炭素）が、１×１０１９ｃｍ−３以上の高濃度でドープされている。ＧａＡｓにドープされている不純物元素の濃度が高いと、レーザ光の一部が吸収され、面発光レーザからのレーザ光の出力が低下するため、上部コンタクト層９２２の厚さは薄い方が好ましい。上部コンタクト層９２２の上にはｐ電極が形成される。ｐ電極は、上部コンタクト層９２２の上に、Ｔｉ層９３１、Ｐｔ層９３２、Ａｕ層９３３を順に成膜し、熱処理をすることにより形成される。この熱処理により、上部コンタクト層９２２とＴｉ層９３１との界面に、Ｔｉを含む合金が形成され、オーミックコンタクトを得ることができる。
ところで、上記のように熱処理により形成されるＴｉを含む合金層は、熱処理の温度が高いほど、また熱処理の時間が長いほど厚みが増える。上部コンタクト層９２２が薄いと、上部コンタクト層９２２を突き抜け、上部反射鏡層９２１にまで到達する場合があり、この場合には抵抗が高くなる。このため、上部コンタクト層９２２の厚さをある程度厚くする必要があるが、上部コンタクト層９２２は不純物元素を高濃度に含んでいるため、上部コンタクト層９２２の厚さを厚くすると、レーザ光を吸収してしまい、好ましくない。
このため、コンタクト層の厚さが薄くても、良好なオーミックコンタクトを得ることのできる面発光レーザが求められている。
（面発光レーザ）
次に、本実施形態における面発光レーザについて図２及び図３に基づき説明する。図２は本実施形態における面発光レーザの上面図であり、図３は、図２の一点鎖線２Ａ−２Ｂに沿って切断した断面図である。本実施形態の面発光レーザは、基板２０の上に、第１の下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層１２１、下部コンタクト層１２２、第２の下部ＤＢＲ層１２３、活性層１２４、上部ＤＢＲ層１２５、上部コンタクト層１２７が順に形成されている。本願においては、第２の下部ＤＢＲ層１２３、または、第１の下部ＤＢＲ層１２１及び第２の下部ＤＢＲ層１２３を下部反射鏡層と記載し、上部ＤＢＲ層１２５を上部反射鏡層と記載する場合がある。
上部ＤＢＲ層１２５には、上部ＤＢＲ層１２５を形成している複数の層のうちの一部を酸化することにより酸化領域１２６ａが形成されており、酸化領域１２６ａを形成することにより、酸化されなかった領域がアパーチャ領域１２６ｂとなる。よって、面発光レーザでは、電流狭窄構造１２６は、酸化領域１２６ａとアパーチャ領域１２６ｂとにより形成されている。酸化領域１２６ａはメサ３０の周縁部から酸化することにより形成されている。酸化領域１２６ａは、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を含み、絶縁性を有しているため、アパーチャ領域１２６ｂよりも電流が流れにくい。よって、アパーチャ領域１２６ｂは、酸化領域１２６ａよりも電流が流れやすく、電流経路となる。従って、このような電流狭窄構造１２６にすることより、効率的な電流注入が可能となる。本実施形態においては、アパーチャ領域１２６ｂの直径は、例えば７．５μｍである。
基板２０は、例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）で形成された半導体基板である。基板２０と第１の下部ＤＢＲ層１２１との間には、ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓにより形成されたバッファ層が設けられてもよい。
第１の下部ＤＢＲ層１２１、第２の下部ＤＢＲ層１２３、上部ＤＢＲ層１２５は、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９）とＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（ｙ＝０．１）とを光学膜厚がλ／４で交互に積層した半導体多層膜である。第１の下部ＤＢＲ層１２１はｉ型の半導体層であり、不純物元素はドープされてはいない。第２の下部ＤＢＲ層１２３は、ｎ型の半導体層であり、例えば、不純物元素としてシリコン（Ｓｉ）が、７×１０１７ｃｍ−３以上、４×１０１８ｃｍ−３以下の濃度でドープされている。上部ＤＢＲ層１２５はｐ型の半導体層であり、例えば、不純物元素として亜鉛（Ｚｎ）が、１×１０１８ｃｍ−３以上、２×１０１９ｃｍ−３以下の濃度でドープされている。
下部コンタクト層１２２は、例えば、厚さ５００ｎｍのｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．１）により形成されており、不純物元素としてＳｉが、２×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされている。上部コンタクト層１２７は、例えば、厚さ１００ｎｍのｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．１６）により形成されており、不純物元素としてＺｎが、１×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープされている。尚、上部コンタクト層１２７の厚さは、１０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下であることが好ましい。
活性層１２４は、例えば、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ層（ｙ＝０．１）とＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層（ｘ＝０．３）とが交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造を有し、光学利得を有する。尚、基板２０、第１の下部ＤＢＲ層１２１、下部コンタクト層１２２、第２の下部ＤＢＲ層１２３、活性層１２４、上部ＤＢＲ層１２５、上部コンタクト層１２７は、上記以外の化合物半導体で形成されてもよい。
メサ３０は、第２の下部ＤＢＲ層１２３、活性層１２４、上部ＤＢＲ層１２５、上部コンタクト層１２７により形成されている。具体的には、メサ３０が形成される領域の周囲の第２の下部ＤＢＲ層１２３、活性層１２４、上部ＤＢＲ層１２５、上部コンタクト層１２７を除去し、溝３２を形成することにより半導体層のメサ３０が形成されている。メサ３０の高さは、例えば４．５μｍ以上、５．０μｍ以下であり、上面の幅は、例えば、３０μｍである。メサ３０の中心部分には、活性層１２４、上部ＤＢＲ層１２５、上部コンタクト層１２７が形成される。
メサ３０の上面及び側面を含め、半導体層の上には、絶縁膜１３０が形成されている。絶縁膜１３０は、窒化シリコン（ＳｉＮ）や酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）等により形成されている。本実施形態においては、絶縁膜１３０は、第１の絶縁膜１３１、第２の絶縁膜１３２、第３の絶縁膜１３３により形成されている。
ｐ電極４１はメサ３０の上面の上部コンタクト層１２７の上に形成されており、ｎ電極５１は溝３２の底面において露出している下部コンタクト層１２２の上に形成されている。メサ３０の上面のｐ電極４１の上には、ｐ電極パッド４３と接続された配線４２が設けられており、溝３２の底面のｎ電極５１の上には、ｎ電極パッド５３と接続された配線５２が設けられている。
本実施形態においては、ｐ電極４１は、Ｐｔ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを順に積層し、熱処理をすることにより形成されている。具体的には、図４に示されるように、上部コンタクト層１２７の上に第１のＰｔ層１４０、Ｔｉ層１４２、第２のＰｔ層１４３、Ａｕ層１４４を順に成膜し、この後、熱処理を行う。これにより、上部コンタクト層１２７を形成しているＧａＡｓと、上部コンタクト層１２７と接触している第１のＰｔ層１４０とにより、図５に示されるように、Ｐｔを含む合金層１４１が形成される。
よって、本実施の形態においては、ｐ電極４１は、Ｐｔを含む合金層１４１、Ｔｉ層１４２、第２のＰｔ層１４３、Ａｕ層１４４が順に積層された構造となっている。尚、成膜される第１のＰｔ層１４０の厚さは２ｎｍ以上、５０ｎｍ以下であり、Ｔｉ層１４２の厚さは５ｎｍ以上、５０ｎｍ以下であり、第２のＰｔ層１４３の厚さは５ｎｍ以上、５０ｎｍ以下であり、Ａｕ層１４４の厚さは５０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下である。
第２のＰｔ層１４３をＡｕ層１４４の下に設けることで、熱処理の工程において、Ａｕ層１４４のＡｕが上部コンタクト層１２７に拡散して侵入するのを防ぐことができる。Ｔｉ層１４２をＰｔを含む合金層１４１と第２のＰｔ層１４３の間に、両者に接触するように設けることで、ｐ電極４１の層の間の密着性が増す。これにより、ｐ電極４１と上部コンタクト層１２７との間の良好なオーミック接触を得ることができる。
Ｐｔを含む合金層１４１の厚さは、第１のＰｔ層１４０の厚さの約２倍であり、熱処理時間を長くしても、それ以上厚くなることはない。従って、第１のＰｔ層１４０の厚さが２ｎｍ以上、５０ｎｍ以下の場合では、Ｐｔを含む合金層１４１の厚さは５ｎｍ以上、１００ｎｍ以下となる。よって、上部コンタクト層１２７の厚さをたとえば第１のＰｔ層１４０の厚さの約４倍程度以上、すなわち第１のＰｔ層１４０の厚さが５ｎｍの時は上部コンタクト層１２７の厚みを２０ｎｍ以上とすることにより、Ｐｔを含む合金層１４１の下部に上部コンタクト層１２７が１０ｎｍ程度以上、すなわち合金前の上部コンタクト層厚の１／２程度以上残存することになり、接触抵抗が高くなることを防ぐことができる。このため、上部コンタクト層１２７の厚さを薄くして光吸収を少なくするとともに、抵抗が高くなることを防ぐことができる。
従って、本実施形態の面発光レーザにおいては、上部コンタクト層１２７における光吸収が少なく、良好なオーミックコンタクトをとることができる。
尚、ｐ電極４１は、溝３２の底からの高さが約６μｍであって、直径が３０μｍのメサ３０の上面に形成されている。また、ｐ電極４１は、内側の直径が２０μｍ、外側の直径が２８μｍの円環状に形成されている。
また、ｎ電極５１は、例えば、金（Ａｕ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）及びニッケル（Ｎｉ）の合金膜により形成されており、厚さは約２００ｎｍである。配線４２、配線５２、ｐ電極パッド４３、ｎ電極パッド５３は、例えば、Ａｕ等の金属で形成されている。
本実施形態における面発光レーザでは、ｐ電極パッド４３及びｎ電極パッド５３に不図示のボンディングワイヤなどを接続し、面発光レーザに電流を注入する。電流の注入により活性層１２４より発光した光が、共振器を形成している第１の下部ＤＢＲ層１２１、第２の下部ＤＢＲ層１２３、上部ＤＢＲ層１２５により発振し、光出射窓３１よりレーザ光として破線矢印で示す方向に出射される。光出射窓３１は、メサ３０の上面において円環状に形成されたｐ電極４１の内側の部分に形成される。
（面発光レーザの製造方法）
次に、本実施形態における面発光レーザの製造方法について、図６から図１０に基づき説明する。
最初に、図６に示されるように、ウェハ状態の基板２０の上に、第１の下部ＤＢＲ層１２１、下部コンタクト層１２２、第２の下部ＤＢＲ層１２３、活性層１２４、上部ＤＢＲ層１２５、上部コンタクト層１２７を順に、エピタキシャル成長に形成する。具体的には、第１の下部ＤＢＲ層１２１、下部コンタクト層１２２、第２の下部ＤＢＲ層１２３、活性層１２４、上部ＤＢＲ層１２５、上部コンタクト層１２７の半導体層は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法または分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法等により形成する。
尚、上部ＤＢＲ層１２５は、電流狭窄構造１２６の酸化領域１２６ａを形成するためのＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層（０．９５≦ｘ≦１．０）を含んでいる。この後、例えば、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などにより上部コンタクト層１２７の上に、第１の絶縁膜１３１を形成する。
次に、図７に示されるように、マスク１６２を形成する。この後、マスク１６２が形成されていない領域において、下部コンタクト層１２２が露出するまで、上部コンタクト層１２７、上部ＤＢＲ層１２５、活性層１２４及び第２の下部ＤＢＲ層１２３をドライエッチングにより除去し、溝３２を形成する。これにより、メサ３０が形成される。このドライエッチングでは、例えば、誘電結合プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ：Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching）装置が用いられる。この後、マスク１６２を有機溶剤等により除去する。
次に、図８に示されるように、例えば、水蒸気雰囲気中で４００℃程度の温度に加熱することにより、上部ＤＢＲ層１２５におけるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層（０．９５≦ｘ≦１．０）をメサ３０の側面から酸化し、酸化領域１２６ａを形成する。酸化領域１２６ａは、酸化領域１２６ａに囲まれた未酸化部分のアパーチャ領域１２６ｂが所定の大きさとなるまで、加熱時間を調整して形成する。この後、上部コンタクト層１２７から第１の下部ＤＢＲ層１２１までドライエッチングにより除去することにより、例えば、深さ８μｍの不図示の素子分離用の溝を形成する。
次に、図９に示されるように、例えば、プラズマＣＶＤ法などにより、第２の絶縁膜１３２を形成し、更に、第２の絶縁膜１３２にメサ３０の上面部分及び溝３２の底面部分に開口を形成する。
次に、図１０に示されるように、第３の絶縁膜１３３を形成し、第３の絶縁膜１３３のうちメサ３０の上面部分の一部及び溝３２の底面部分に開口を形成する。この後、レジストパターンの形成および真空蒸着による成膜により、上部コンタクト層１２７の上にｐ電極４１を形成し、下部コンタクト層１２２の上にｎ電極５１を形成する。この後、熱処理を行うことによりオーミックコンタクトをとる。この熱処理の温度は、酸化領域１２６ａを形成する際の温度よりも低く、例えば、３７０℃以上、４００℃以下である。
この後、メッキ等により、ｐ電極４１及び第３の絶縁膜１３３の上に配線４２を形成し、ｎ電極５１及び第３の絶縁膜１３３の上に配線５２を形成する。これにより、ｐ電極４１と配線４２を介して電気的に接続されたｐ電極パッド４３と、ｎ電極５１と配線５２を介して電気的に接続されたｎ電極パッド５３が形成される。この後、ウェハ状態の基板２０を分割することにより、チップ状の面発光レーザが形成される。
上記工程により、本実施形態における面発光レーザを製造することができる。
以上、実施形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
２０ 基板
３０ メサ
３１ 光出射窓
３２ 溝
４１ ｐ電極
４２ 配線
４３ ｐ電極パッド
５１ ｎ電極
５２ 配線
５３ ｎ電極パッド
１２１ 第１の下部ＤＢＲ層
１２２ 下部コンタクト層
１２３ 第２の下部ＤＢＲ層
１２４ 活性層
１２５ 上部ＤＢＲ層
１２６ 電流狭窄構造
１２６ａ 酸化領域
１２６ｂ アパーチャ領域
１２７ 上部コンタクト層
１３０ 絶縁膜
１３１ 第１の絶縁膜
１３２ 第２の絶縁膜
１３３ 第３の絶縁膜
１４０ 第１のＰｔ層
１４１ Ｐｔを含む合金層
１４２ Ｔｉ層
１４３ 第２のＰｔ層
１４４ Ａｕ層
１６２ マスク
９２１ 上部反射鏡層
９２２ 上部コンタクト層
９３１ Ｔｉ層
９３２ Ｐｔ層
９３３ Ａｕ層

Claims (5)

  1. 基板と、
    前記基板の上に下部反射鏡層、活性層、上部反射鏡層、上部コンタクト層が順に積層された半導体層のメサと、
    前記上部コンタクト層の上に設けられた電極と、
    を有し、
    前記上部コンタクト層は、ＧａＡｓを含んでおり、
    前記電極は、前記上部コンタクト層と接する層がＰｔを含む合金層である面発光レーザ。
  2. 前記Ｐｔを含む合金層の厚さは５ｎｍ以上、１００ｎｍ以下である請求項１に記載の面発光レーザ。
  3. 前記上部コンタクト層の厚さは、１０ｎｍ以上、２００ｎｍ以下である請求項１又は請求項２に記載の面発光レーザ。
  4. 前記電極は、前記合金層から順にＴｉ層、Ｐｔ層が積層されている
    請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
  5. 前記電極の形状は円環状であって、
    前記電極の内側がレーザ光を出射する光出射窓である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の面発光レーザ。
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