JP3685541B2 - 半導体レーザ装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信，光情報処理などに利用される半導体レーザ装置に関し、特に面発光型の半導体レーザ装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、垂直共振器型の面発光半導体レーザは、端面出射型半導体レーザと異なり、動的単一波長性に優れており、低閾電流動作および２次元集積化が可能である等の特徴を有しており、近年研究開発が活発に行なわれている。
【０００３】
図７，図８は特開平５−３７０７４号に示されている従来の垂直共振器型の面発光半導体レーザの構造例を示す図である。なお、図７は半導体レーザの断面図、図８は図７の半導体レーザの活性層の斜視図である。
【０００４】
図７，図８を参照すると、この半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型に不純物ドーピングされたＧａＡｓとＡｌＡｓの多層膜からなる反射ミラー層２，ｎ型ＡｌＧａＡｓ閉じ込め層３，ＩｎＧａＡｓの活性細線９とＩｎＡｌＡｓの閉じ込め細線１０からなる量子細線周期構造をアンドープＡｌＧａＡｓの閉じ込め層１１で挾んだ活性層４，ｐ型ＡｌＧａＡｓ閉じ込め層５，ｐ型に不純物ドーピングされたＧａＡｓとＡｌＡｓの多層膜からなる反射ミラー層６，ＡｕＺｎ金属電極７を順次に形成し、これら全ての層を形成した後に、ｎ型多層膜反射ミラー層２までメサエッチングを行ない、ｎ型多層膜反射ミラー層２上にＡｕＧｅＮｉ金属電極８を形成したものとなっている。
【０００５】
ここで、反射ミラー層(多層膜ミラー層)２，６は、１／４波長厚の層より構成されており、１０〜２０層程度の層数で９９％以上の反射率を得ることができる。これにより、ｐ型反射ミラー層６とｎ型反射ミラー層２とによって共振器構造が形成され、その共振波長は約９５０ｎｍであり、基板１側より発光(面発光)させることができる。
【０００６】
図７，図８の面発光半導体レーザでは、半導体多層膜の反射ミラー層２，６を通して電流を流す構造になっている。しかしながら、半導体多層膜の反射ミラー層２，６は、禁制帯幅の異なる２種類の半導体層を１０〜２０層積層して形成しているため、各界面に禁制帯幅差によるエネルギー障壁が生じてしまう。従って、特に有効質量が大きく移動度の小さい正孔(ホール)を注入するｐ型多層膜反射ミラー層６では、直列抵抗が大きくなり、このため、素子の動作電圧が大きくなったり、発熱による素子劣化が生じるという問題点があった。また、ｐ側電極７はメサの頂上部に形成されているため、レーザの閾電流を低減する目的でメサ面積を小さくした場合に、電極と半導体層の接触面積が小さくなり、接触抵抗が大きくなるという問題もある。
【０００７】
これに対し、特開平６−１９６８０４号には、素子の接触抵抗を低減させた面発光半導体レーザ装置が示されている。図９は特開平６−１９６８０４号に開示の半導体レーザ装置の断面図であり、この半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓ基板９上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓとｎ型ＡｌＡｓを３０周期積層したｎ型半導体多層膜反射鏡１０，ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１，ｐ型ＧａＡｓ活性層１２，ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１３，ｐ型ＡｌＧａＡｓとＡｌＡｓからなるｐ型半導体多層膜反射鏡１４，ｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層１５が順次に形成されており、ｐ型半導体多層膜反射鏡１４には、中央部と上部を除いてＨ+イオンが注入された電流ブロック部１６が形成されている。なお、符号１７はコンタクト層上面にレーザ出射部を除いて形成したｐ側オーミック電極であり、符号１９は基板下面全域に形成したｎ側オーミック電極である。
【０００８】
図９の面発光半導体レーザは、図７，図８の面発光半導体レーザと異なり、メサ構造ではなくプレーナ構造となっている。これにより、ｐ側電極１７を、レーザ出射部を除いて全面に形成することができ、電極と半導体との接触抵抗を低減できる。しかしながら、図９の半導体レーザ装置も、ｐ型半導体多層膜反射鏡１４を通して電流注入を行なっている点では、図７，図８の半導体レーザ装置と同じであり、ｐ型半導体多層膜反射鏡を通して電流注入を行なうことから、直列抵抗は低減されない。
【０００９】
また、図１０は特開平６−２９６１２号に示されている面発光半導体レーザの断面図である。図１０の半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓ基板１９上に、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとを交互に積層させたｎ型単結晶ブラッグ鏡２０，第１のエピタキシャル層２１，第２のエピタキシャル層２２，活性領域，第２のエピタキシャル層２２が形成されている。
【００１０】
ここで、活性領域は、複数の量子井戸２３からなり、中間層２４によって互いに分離されている。また、上部の第２のエピタキシャル層２２上には、円形または長方形の保護マスク２５が形成されており、マスクで覆われていないデバイス表面からｐ型不純物をドーピング，拡散させ、不純物が拡散された活性領域２６は、各層を構成する元素の相互拡散またはマイグレーションによって組成が均質化されている。なお、符号２７はレーザ出射部を除いて形成された上部金属オーミック接点であり、また、符号２８は下部金属オーミック接点であり、これらを形成した後、誘電体多層膜からなる半透明反射鏡２９を形成し、共振器内に光子を閉じ込め、レーザ光線を外部に取り出すようになっている。
【００１１】
図１０のレーザ構造では、電流は、ｐ型半導体多層膜を通さずに、半透明反射鏡２９の周囲のｐ型不純物拡散により均質化された領域２６から注入される。従って、エネルギー障壁による直列抵抗の増加を生じさせず、また、電極と半導体との接触面積も大きくできるため、接触抵抗を低減できる。また、不純物拡散により均質化した化合物の禁制帯幅は量子井戸層の禁制帯幅よりも大きくなっているため、注入されたキャリアを均質化されていない活性領域内に閉じ込めることができる。
【００１２】
また、図１１は特開平５−２３５４７３号に示されている面発光レーザの構成図である。図１１の面発光レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板３０上に、ｎ型半導体多層膜からなる下部ミラー３１と、活性層を含むキャビティ領域３２と、半導体多層膜からなる上部ミラー３５とを有している。
【００１３】
ここで、上部ミラー３５は凸部を有する形状をなし、上部ミラー３５の凸部とキャビティ領域３２との間には、上部ミラー最下層３３と、ｐ型電流注入層３４とが形成されている。また、この凸部の周辺部でその層厚方向の活性層近傍には、半絶縁膜領域３６が形成され、また、上部ミラー３５の凸部の周辺部には、電流注入用の電極３７が形成されている。
【００１４】
図１１の半導体レーザにおいても、電流はｐ型半導体多層膜を通さずに活性層に注入されるため、エネルギー障壁による直列抵抗の増加が生じない。また、電極と半導体との接触面積も大きくできるため、接触抵抗を低減できる。そして、活性層近傍に形成した半絶縁領域３６によって、電流を上部ミラー３５凸部の下方に狭窄することができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１０の面発光レーザでは、注入されたキャリアは、均質化されている活性領域内に閉じ込められるが、下部の第２のエピタキシャル層２２にｐ型不純物が拡散されているため、ｐ側電極２７の下方にｐｎ接合領域が拡がっている。そのため、特に注入キャリア密度の高い面発光レーザにおいては、この界面を通って流れる漏れ電流により発振閾電流が増大してしまうという問題があった。
【００１６】
一方、図１１の面発光レーザでは、半絶縁領域３６によって電流狭窄構造を形成しているが、上部ミラー３５の凸部下方の活性層に注入されたキャリアが隣接した半絶縁領域３６の活性層に拡散すると、イオン注入によって誘起された結晶欠陥を通じて非発光再結合してしまう。また、発光再結合した成分も、キャビティ領域の外にあるため、レーザ発振に寄与しない。従って、余分なキャリアが注入されることになり、発振閾電流を増加させてしまうという問題があった。
【００１７】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、素子抵抗を低減でき、かつ、発振閾電流の増加を有効に防止することの可能な面発光型の半導体レーザ装置およびその製造方法を提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、半導体基板上に、半導体多層膜反射鏡，ｎ型クラッド層，量子井戸活性層，ｐ型クラッド層，ｐ型コンタクト層が形成され、前記ｐ型コンタクト層上には、柱状の上部多層膜反射鏡が形成されており、前記上部多層膜反射鏡で覆われていない領域のｎ型クラッド層直下には、半絶縁領域が設けられており、また、前記上部多層膜反射鏡で覆われていないｐ型コンタクト層表面から量子井戸活性層までの領域は、ｐ型不純物が拡散されて無秩序化されたｐ型不純物拡散領域となっており、また、ｐ型不純物が拡散されたｐ型コンタクト層上と基板裏面とには、それぞれオーミック電極が形成され、基板に対して垂直方向にレーザ発振するようになっていることを特徴としている。
【００１９】
また、請求項２記載の発明は、半導体基板上に、半導体多層膜反射鏡，ｎ型クラッド層，禁制帯幅が基板よりも狭い量子井戸活性層，ｐ型クラッド層，ｐ型コンタクト層が形成され、前記ｐ型コンタクト層上には、柱状の上部多層膜反射鏡が形成されており、前記上部多層膜反射鏡で覆われていない領域のｎ型クラッド層直下には、半絶縁領域が設けられ、また、前記上部多層膜反射鏡で覆われていないｐ型コンタクト層表面から量子井戸活性層までの領域は、ｐ型不純物が拡散されて無秩序化されたｐ型不純物拡散領域となっており、基板表側の全面には、ｐ側オーミック電極が形成され、基板裏面には、レーザ光出射部を除いてｎ側オーミック電極が形成されて、基板に対して垂直方向にレーザ発振するようになっていることを特徴としている。
【００２０】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の半導体レーザ装置において、前記柱状の上部多層膜反射鏡は、誘電体を交互に積層したものであることを特徴としている。
また、請求項４記載の発明は、請求項１または請求項２記載の半導体レーザ装置において、前記柱状の上部多層膜反射鏡は、アンドープの半導体であることを特徴としている。
【００２１】
また、請求項５記載の発明は、半導体基板上に、半導体多層膜反射鏡，ｎ型クラッド層，量子井戸活性層，ｐ型クラッド層，ｐ型コンタクト層，上部多層膜反射鏡を順次に積層する工程と、上部多層膜反射鏡上に所定形状のマスクを形成してｐ型コンタクト層上まで上部多層膜反射鏡を柱状にエッチング形成する工程と、前記エッチング工程のマスクを用いてｎ型クラッド層直下にプロトンイオンを注入する工程と、前記エッチング工程のマスクを用いてｐ型コンタクト層表面から量子井戸活性層までｐ型不純物を注入，拡散する工程と、ｐ型不純物が拡散されたｐ型コンタクト層上と基板裏面とに、それぞれオーミック電極を形成する工程とを有していることを特徴としている。
【００２２】
また、請求項６記載の発明は、半導体基板上に、半導体多層膜反射鏡，ｎ型クラッド層，量子井戸活性層，ｐ型クラッド層，ｐ型コンタクト層，上部多層膜反射鏡を順次に積層する工程と、ｐ型コンタクト層上まで上部多層膜反射鏡を柱状にエッチング形成する工程と、前記エッチング工程のマスクを用いてｎ型クラッド層直下にプロトンイオンを注入する工程と、前記エッチング工程のマスクを用いてｐ型コンタクト層表面から量子井戸活性層までｐ型不純物を注入，拡散する工程と、自己整合的に上部多層膜反射鏡の頂上部を除いて基板表面にｐ側オーミック電極を形成する工程と、基板裏面にｎ側オーミック電極を形成する工程とを有していることを特徴としている。
【００２３】
請求項１乃至請求項４記載の発明では、電流は上部の多層膜反射鏡（上部多層膜反射鏡）周辺のｐ型不純物を拡散したｐ型コンタクト層から注入されるため、直列抵抗および接触抵抗が増加しない。これにより、素子の動作電圧を低減し発熱を抑制できるため、素子劣化を防ぐことができる。また、活性層下側にある半導体多層膜反射鏡の上部多層膜反射鏡に覆われていない領域が、半絶縁領域となっていることにより、電流を、上部の多層膜反射鏡の真下に集中させることができる。
【００２４】
さらに、上部の多層膜反射鏡で覆われていないｐ型コンタクト層から活性層領域までｐ型不純物が注入，拡散されていることにより、プロトンイオン注入によってキャリア濃度が低下したｐ型コンタクト層のキャリア濃度を回復し、ｐ側オーミック電極との接触抵抗が高くならないようにしている。また、ｐ型不純物が拡散された量子井戸活性層が無秩序化されていることにより、禁制帯幅が量子井戸活性層よりも大きくなっている。そのため、キャリアを上部の多層膜反射鏡の真下に閉じ込めることができて、発光閾電流を低減することができる。
【００２５】
特に、請求項２記載の発明では、量子井戸活性層の禁制帯幅が基板の禁制帯幅よりも小さくなっていることにより、レーザ光が基板で吸収されないため、レーザ光を基板裏面から取り出すことが可能となる。また、これに伴い、ｐ側オーミック電極はパターニングする必要がなく、表面全面に形成でき、ｐ側オーミック電極を反射鏡の１部として用いることができる。また、請求項２の半導体レーザ装置では、これをジャンクションダウン方式で実装することができるため、放熱特性に優れ、素子の信頼性を向上させることができる。
【００２６】
また、請求項４記載の発明では、上部の多層膜反射鏡が、誘電体多層膜ではなく半導体多層膜反射鏡となっているため、上部の多層膜反射鏡を別に積層する工程が不要となり、１回の半導体結晶成長で上部の多層膜反射鏡までを形成でき、素子作製工程を簡略化することができる。また、この場合、上部の半導体多層膜反射鏡は電流通路として用いる必要がないため、アンドープで形成でき、これにより、半導体多層膜反射鏡中における光の自由キャリア吸収を低減でき、半導体多層膜反射鏡の反射率と透過率の低下を防ぐことができる。従って、発光閾電流を低減し、外部微分量子効率を向上させることができる。
【００２７】
また、請求項５記載の発明では、ｐ型コンタクト層上まで上部多層膜反射鏡を柱状にエッチング形成するマスクを用いて、ｎ型クラッド層直下にプロトンイオンを注入する工程と、ｐ型コンタクト層表面から量子井戸活性層を無秩序化するｐ型不純物を注入，拡散する工程を行なっているため、フォトリソグラフィー法によるマスク形成の回数を低減でき、製造が容易になる。また、光の共振器構造と電流狭窄構造とキャリア閉じ込め構造とを同一のマスクで形成するため、マスクパターニングずれによる素子特性のばらつきを招くことがなく、歩留りを向上させることができる。
【００２８】
また、請求項６記載の発明では、ｐ側オーミック電極のパターン形成をセルフアラインプロセスで上部多層膜反射鏡の頂上部を除いた基板表面に形成することができ、従って、請求項１乃至請求項５記載の半導体レーザ装置を、１回の結晶成長と１回のフォトリソグラフィー工程で形成することができて、素子製造をさらに容易にすることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る半導体レーザ装置(面発光型半導体レーザ)の構成例を示す図である。図１を参照すると、この半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型半導体多層膜反射鏡１０２，ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０３，ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層１０４，ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０５，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６，誘電体多層膜反射鏡１０７が順次に形成されている。
【００３０】
ここで、ｎ型半導体多層膜反射鏡１０２は、ｎ型に不純物ドーピングされたＡｌＡｓとＧａＡｓをそれぞれ厚さλ／(４ｎ)で交互に２０周期程度積層したものとなっている(λ：発振波長，ｎ：各層の屈折率)。また、ｎ型クラッド層１０３と量子井戸活性層１０４とｐ型クラッド層１０５の合計層厚は、λ／２の光学的距離の自然数倍となるように設定されている。また、ｐ型コンタクト層１０６の厚さは、λ／(４ｎ)に設定されている。また、誘電体多層膜反射鏡１０７は、例えば円柱状の形状をしており、ＳｉＯ2とＴｉＯ2をλ／(４ｎ)の厚さで交互に積層したものとなっている。これにより、共振器の定在波条件を損なわずに、活性層１０４を定在波の腹の位置に設定することができる。
【００３１】
また、図１の構成例では、誘電体多層膜反射鏡１０７で覆われていない領域のｎ型クラッド層１０３の直下に、プロトンイオン注入により半絶縁領域１０８が形成されており、さらに、誘電体多層膜反射鏡１０７で覆われていないｐ型コンタクト層１０６表面から量子井戸活性層１０４まで、ｐ型不純物(例えばＺｎ)が注入，拡散され、ｐ型不純物拡散領域１０９が形成されている。ｐ型不純物(例えばＺｎ)が拡散された量子井戸活性層，すなわちｐ型不純物拡散領域１０９は、構成元素の相互拡散により無秩序化されており、このように無秩序化された量子井戸活性層すなわち不純物拡散領域１０９の禁制帯幅は、量子井戸活性層１０４の禁制帯幅よりも大きくなっている。
【００３２】
また、ｐ型不純物(Ｚｎ)が拡散されたｐ型コンタクト層１０６上には、ＡｕＺｎ／Ａｕからなるｐ側オーミック電極１１０が形成され、基板１０１の裏面には、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側オーミック電極１１１が形成されている。
【００３３】
図２は図１の半導体レーザ装置(面発光半導体レーザ)の製造工程例を示す図である。図２を参照すると、最初に、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型半導体多層膜反射鏡１０２，ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０３，ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層１０４，ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０５，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６を順次に結晶成長させる(図２(ａ))。なお、結晶成長方法としては、ＭＢＥ(molecular beam epitaxy)法やＭＯＣＶＤ(metal organic chemical vapour
deposition)法などが用いられる。
【００３４】
次に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６上に誘電体多層反射鏡１０７を全面に積層して形成する(図２(ｂ))。誘電体多層反射鏡１０７は、例えば、膜厚を光学的にモニターしながら電子ビーム蒸着法で作製することができる。
【００３５】
このようにして誘電体多層膜反射鏡１０７を形成した後、誘電体多層膜反射鏡１０７上に、フォトリソグラフィー技術により直径数μｍの円形のレジスト２０１を形成する。そして、ＲＩＥ(reactive ion etching)法により、円形のレジスト２０１をマスクとして誘電体多層膜１０７をｐ型コンタクト層１０６上面までエッチングする(図２(ｃ))。これにより、円柱状の誘電体多層膜反射鏡１０７を形成できる。なお、マスクの形状は、必ずしも円形である必要はなく長方形等でも良い。長方形のマスクが用いられる場合には、誘電体多層膜反射鏡１０７は、角柱形状に形成できる。
【００３６】
しかる後、レジスト２０１および誘電体多層膜１０７をマスクとしてプロトンイオンを注入する。このとき、打ち込む加速電圧を制御することにより、半絶縁領域１０８をｎ型クラッド層１０３直下のｎ型半導体多層膜反射鏡１０２中に形成する(図２(ｄ))。
【００３７】
さらに、レジスト２０１および誘電体多層膜１０７をマスクとして、ｐ型不純物であるＺｎイオンを活性層１０４近傍まで注入する。その後、ランプアニールにより、ｐ型不純物(Ｚｎ)を拡散させ、ｐ型不純物が拡散された量子井戸活性層１０４の領域，すなわちｐ型不純物拡散領域１０９を無秩序化する(図２(ｅ))。
【００３８】
最後に、レジストマスク２０１を除去し、ｐ型コンタクト層１０６上にｐ側電極１１０を形成し、基板１０１の裏面にｎ側電極１１１を形成する(図２(ｆ))。なお、ｐ側電極１１０は、レジストマスク２０１よりも１回り大きい円形マスクを用いたリフトオフ法により、誘電体多層膜反射鏡１０７とその周りを除いて形成される。
【００３９】
図１の面発光型半導体レーザでは、ｎ型半導体多層膜反射鏡１０２と誘電体多層膜反射鏡１０７とによって、共振器が形成され、レーザ光は誘電体多層膜反射鏡１０７側から取り出すようになっている。この際、共振器内にあるｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６は、層厚がλ／(４ｎ)に設定され、多層膜反射鏡１０７の一部となっており、このｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６の禁制帯幅は、ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層１０４の禁制帯幅よりも大きいため、共振器内のｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６中での光の吸収損失はない。
【００４０】
また、図１の面発光型半導体レーザでは、電流は、誘電体多層膜反射鏡１０７周辺のｐ型コンタクト層１０６から注入され、従って、キャリア(正孔(ホール))は、半導体多層膜反射鏡を通らないため、直列抵抗は増加しない。すなわち、直列抵抗を低減できる。また、ｐ側電極１１０とｐ型コンタクト層１０６との接触面積を大きくとることが可能であるため、接触抵抗を低減することもできる。
【００４１】
また、図１の面発光半導体レーザでは、誘電体多層膜反射鏡１０７で覆われていないｎ型クラッド層１０３直下のｎ型半導体多層膜反射鏡１０２の領域には、半絶縁領域１０８が形成されていることによって、ｐ型コンタクト層１０６から注入された電流を、誘電体多層膜反射鏡１０７の真下に集中させることができる。
【００４２】
さらに、図１の面発光半導体レーザでは、誘電体多層膜反射鏡１０７で覆われていないｐ型コンタクト層１０６から活性領域まで、ｐ型不純物であるＺｎが注入，拡散されているので、プロトンイオン注入によってキャリア濃度が低下したｐ型コンタクト層１０６のキャリア濃度を回復し、ｐ側オーミック電極１１０との接触抵抗が高くならないようにしている。また、ｐ型不純物(Ｚｎ)が拡散されて無秩序化された量子井戸活性層の領域，すなわちｐ型不純物拡散領域１０９は、無秩序化していない量子井戸活性層１０４よりも禁制帯幅が大きくなるため、キャリアを、誘電体多層膜反射鏡１０７の真下に閉じ込めることができる。従って、発振閾電流の低減が図れる。
【００４３】
また、図２に示した製造工程例によれば、誘電体多層膜反射鏡１０７を所定形状にエッチング形成した後に、レジストマスク２０１とエッチングされた誘電体多層膜をマスクにして、プロトンイオンとｐ型不純物(Ｚｎ)イオンの注入を行なうので、フォトリソグラフィ法によるマスク形成の回数を低減でき、製造が容易になる。さらに、光の共振器構造と電流狭窄構造とキャリア閉じ込め構造を同一のマスクで形成しているため、マスクパターニングずれによる素子特性のばらつきを生じさせずに済む。
【００４４】
図３は本発明に係る半導体レーザ装置(面発光型半導体レーザ)の他の構成例を示す図である。図３を参照すると、この半導体レーザ装置においても、図１の半導体レーザ装置と同様に、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型半導体多層膜反射鏡１０２，ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０３，ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層１０４，ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０５，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６が順次に形成されている。
【００４５】
ところで、図３の半導体レーザ装置では、ｐ型コンタクト層１０６上には、例えば円柱状に形成されたＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層３０１と、アンドープ半導体多層膜反射鏡３０２とが順次に積層されている。ここで、ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層３０１の層厚は、λ／(４ｎ)に設定され、また、アンドープ半導体多層膜反射鏡３０２は、ＡｌＡｓとＧａＡｓをλ／(４ｎ)の厚さで交互に積層して形成されている。
【００４６】
また、図３の半導体レーザ装置では、アンドープ半導体多層膜反射鏡３０２で覆われていないｎ型クラッド層１０３直下の領域に、プロトンイオン注入により半絶縁領域１０８が形成されており、さらに、アンドープ半導体多層膜反射鏡３０２で覆われていないｐ型コンタクト層１０６表面から量子井戸活性層１０４まで、ｐ型不純物(例えばＺｎ)が注入，拡散され、ｐ型不純物拡散領域１０９が形成されている。
【００４７】
また、基板表面には、レーザ光出射部であるアンドープ半導体多層膜反射鏡３０２の頂上部を除いてｐ側オーミック電極１１０が形成されており、また、基板１０１の裏面には、ｎ側オーミック電極１１１が形成されている。
【００４８】
図４，図５は図３の半導体レーザ装置(面発光半導体レーザ)の製造工程例を示す図である。図４，図５を参照すると、最初に、ＭＢＥ法またはＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型半導体多層膜反射鏡１０２，ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０３，ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層１０４，ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０５，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６，ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層３０１，アンドープ半導体多層膜反射鏡３０２を１回の結晶成長で順次に形成する(図４(ａ))。
【００４９】
次に、アンドープ半導体多層膜反射鏡３０２上に、Ｓｉ3Ｎ4層４０１を形成する。そして、フォトリソグラフィー技術により形成した直径数μｍの円形のレジスト２０１をマスクとして、Ｓｉ3Ｎ4層４０１をＲＩＥ法によりドライエッチングする。さらに、Ｓｉ3Ｎ4層４０１をマスクとしてアンドープ半導体多層膜反射鏡３０２をＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層３０１までドライエッチングする(図４(ｂ))。
【００５０】
この際、エッチング方法として、例えばＥＣＲ−ＲＩＢＥ(electron cyclotron resonance - reactive ion beam etching)法を用いることにより、ほぼ垂直なエッチング形状が得られ、円柱状の半導体多層膜反射鏡３０２を形成できる。ここで、ＡｌＧａＩｎＰ結晶はＡｌＡｓまたはＧａＡｓよりもドライエッチング速度が遅いので、ＡｌＧａＩｎＰ層３０１をエッチングストップ層として用いた。
【００５１】
しかる後、露出したＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層３０１を硫酸エッチング液でケミカルエッチングして除去し、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６を露出させる。硫酸は、ＡｌＧａＡｓ結晶をほとんどエッチングせず、ＡｌＧａＩｎＰ結晶を選択的にエッチングする。そして、Ｓｉ3Ｎ4層４０１をマスクとしてプロトンイオンを注入して、ｎ型クラッド層１０３直下のｎ型半導体多層膜反射鏡１０２中に半絶縁領域１０８を形成する。さらに、Ｓｉ3Ｎ4層４０１をマスクとして、ｐ型不純物であるＺｎイオンを活性層１０４近傍まで注入し、ランプアニールでｐ型不純物(Ｚｎ)を拡散させてｐ型不純物拡散領域１０９を形成する(図４(ｃ))。このとき、ｐ型不純物(Ｚｎ)が拡散された量子井戸活性層１０４の領域，すなわちｐ型不純物拡散領域１０９は無秩序化される。
【００５２】
次に、レジストマスク２０１を除去した後に、基板表側全面にＡｕＺｎ／Ａｕからなるｐ側電極１１０を真空蒸着法により形成する(図４(ｄ))。
【００５３】
そして、このｐ側電極１１０上にレジスト４０２をスピンコートで塗布する。この際、比較的粘性の低いレジスト４０２を使用すると、円柱の頂上部のレジスト膜厚を他の部分よりも薄くなるように形成できる(図５(ｅ))。
【００５４】
次いで、レジスト４０２をハードベーキングした後に、レジスト４０２全面をＯ2プラズマでアッシングして、円柱頂上部のｐ側電極１１０を露出させる(図５(ｆ))。
【００５５】
そしてレジスト４０２をマスクとして、スパッタエッチング法により円柱頂上部のｐ側電極をエッチングして除去する(図５(ｇ))。このとき、Ｓｉ3Ｎ4層４０１はエッチングストップ層として働く。
【００５６】
最後に、レジスト４０２とＳｉ3Ｎ4層４０１を除去した後に、基板裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側電極１１１を形成する(図５(ｈ))。
【００５７】
図３の面発光型半導体レーザでは、図１に示した面発光型半導体レーザと同様に、ｎ型半導体多層膜反射鏡１０２とアンドープ半導体多層膜反射鏡３０２とによって、共振器が形成され、レーザ光はアンドープ半導体多層膜反射鏡３０２側から取り出すことができる。この際、共振器内にあるｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６及びＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層３０１は、層厚がそれぞれλ／(４ｎ)に設定され、多層膜反射鏡３０２の一部となっており、このｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６とＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層３０１の禁制帯幅は、ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層１０４の禁制帯幅よりも大きいため、共振器内で光の吸収損失はない。
【００５８】
また、図３の半導体レーザ装置においても、ｐ側オーミック電極構造，電流狭窄構造，キャリア閉じ込め構造については、図１の半導体レーザ装置と同様のものとなっている。
【００５９】
図３の面発光型半導体レーザが図１の面発光型半導体レーザと異なっている点は、上部反射鏡として誘電体多層膜ではなくアンドープ半導体多層膜反射鏡３０２を用いていることである。従って、図３の半導体レーザ装置では、誘電体多層膜を半導体層とは別に積層する必要がなく、１回の結晶成長で、ｎ型半導体多層膜反射鏡１０２，ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０３，ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層１０４，ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０５，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６のみならず、上部反射鏡３０２をも形成することができるため、作製を簡略化できる。また、半導体多層膜反射鏡３０２は、図１の半導体レーザ装置におけるＳｉＯ2／ＴｉＯ2誘電体多層膜反射鏡１０７に比べて熱伝導率が大きく、放熱特性に優れている。そして、半導体多層膜反射鏡３０２は、これを電流通路として用いる必要がないため、アンドープで形成できる。従って、半導体多層膜反射鏡３０２をアンドープで形成する場合には、半導体多層膜反射鏡３０２中における光の自由キャリア吸収を低減でき、これによって、反射率と透過率の低下を生じさせずに済む。
【００６０】
また、図４，図５に示した製造工程例によれば、ｐ側オーミック電極１０１のパターン形成をセルフアラインプロセスで形成しており、従って、図３の面発光レーザを、１回の結晶成長と１回のフォトリソグラフ工程で形成することができる。これによって、素子製造がさらに容易になる。特に、閾電流を低減する目的で円形マスクパターンを微細化した場合には、ｐ側電極のパターニングずれが生じないため有効である。
【００６１】
図６は、本発明に係る半導体レーザ装置(面発光型半導体レーザ)の他の構成例を示す図である。図６を参照すると、この半導体レーザ装置においても、図１，図３の半導体レーザ装置と同様に、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型半導体多層膜反射鏡１０２，ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０３，ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層１０４，ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０５，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６が順次に形成されている。
【００６２】
ところで、図６の半導体レーザ装置では、ｐ型コンタクト層１０６上には、例えば円柱状に形成したＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層３０１と、アンドープＡｌＡｓとＧａＡｓからなる半導体多層膜反射鏡３０２と、Ｓｉ3Ｎ4層４０１とが順次に積層されている。ここで、ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層３０１とＳｉ3Ｎ4層４０１の層厚は、それぞれ、λ／(４ｎ)に設定されている。また、アンドープ半導体多層膜反射鏡３０２は、ＡｌＡｓとＧａＡｓをλ／(４ｎ)の厚さで交互に積層して形成されている。
【００６３】
また、図６の半導体レーザ装置では、アンドープ半導体多層膜反射鏡３０２で覆われていないｎ型クラッド層１０３直下の領域に、プロトンイオン注入により半絶縁領域１０８が形成されており、さらに、アンドープ半導体多層膜反射鏡３０２で覆われていないｐ型コンタクト層１０６表面から量子井戸活性層１０４まで、ｐ型不純物(例えばＺｎ)が注入，拡散され、ｐ型不純物拡散領域１０９が形成されている。
【００６４】
また、基板表側全面には、ＡｕＺｎ／Ａｕからなるｐ側オーミック電極１１０が形成されており、また、基板裏面には、レーザ光出射部を除いてＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側オーミック電極１１１が形成されている。
【００６５】
図６の面発光型半導体レーザでは、図１，図３に示した面発光型半導体レーザと同様に、ｎ型半導体多層膜反射鏡１０２とアンドープ半導体多層膜反射鏡３０２とによって、共振器が形成されており、また、図６の半導体レーザ装置においても、ｐ側オーミック電極構造，電流狭窄構造，キャリア閉じ込め構造については、図１，図３の半導体レーザ装置と同様のものとなっているが、図６の面発光型半導体レーザでは、レーザ光は、図１，図３のレーザと異なり、ｎ型半導体多層膜反射鏡１０２側から基板１０１を通して取り出すようになっている。この際、ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層１０３の禁制帯幅は、ＧａＡｓ基板１０１の禁制帯幅よりも小さいため、レーザ光はＧａＡｓ基板１０１で吸収損失を受けない。
【００６６】
また、図６の面発光型半導体レーザでは、アンドープ半導体多層膜反射鏡３０２の上部には、Ｓｉ3Ｎ4層４０１を介してｐ側電極１１０が形成されており、このＳｉ3Ｎ4層４０１の層厚をλ／(４ｎ)に設定することにより、ｐ側電極１１０に用いているＡｕを反射鏡の一部として用いることができる。また、Ｓｉ3Ｎ4層４０１を介してＡｕＺｎと半導体層が積層されているため、アニールにより反射率が低下することがない。
【００６７】
そして、図６の面発光型半導体レーザは、ジャンクションダウン方式で実装することができるため、放熱特性に優れているという特徴を有している。従って、素子の信頼性を向上させることができる。また、ｐ側電極１１０とアンドープ半導体多層膜反射鏡３０１の間にあるＳｉ3Ｎ4層４０１は比較的熱伝導率が高い材料であるため、放熱特性を損なうことがない。
【００６８】
上述の各構成例においては、上部の多層膜反射鏡を、最下層までエッチングして円柱形状に作製しているが、ｐ型クラッド層１０５とｐ型コンタクト層１０６との間に層数の少ない半導体多層膜反射鏡が形成されていてもよい。この場合、ｐ型コンタクト層１０５からｐ型不純物(例えばＺｎ)が拡散された半導体多層膜反射鏡の領域は無秩序化するため、ヘテロ障壁が存在しなくなる。従って、この部分を電流が通過しても直列抵抗を低く抑えることができる。
【００６９】
また、上述の各構成例では、誘電体多層膜反射鏡１０７，半導体多層膜反射鏡３０２を円柱状あるいは角柱状のものに形成したが、これらは柱状のものであれば良く、従って、円柱状，角柱状に限らず任意の形状に形成できる。
【００７０】
また上述の各構成例においては、ＡｌＧａＡｓ系材料を例として説明したが、これに限らず、ＡｌＧａＡＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓＰ系材料等においても、本発明を同様に適用できる。
【００７１】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１乃至請求項４記載の発明によれば、半導体基板上に、半導体多層膜反射鏡，ｎ型クラッド層，量子井戸活性層，ｐ型クラッド層，ｐ型コンタクト層が形成され、また、ｐ型コンタクト層上には、柱状の上部多層膜反射鏡が形成されており、前記上部多層膜反射鏡で覆われていない領域のｎ型クラッド層直下には、半絶縁領域が設けられており、また、前記上部多層膜反射鏡で覆われていないｐ型コンタクト層表面から量子井戸活性層までの領域はｐ型不純物が拡散されて無秩序化されたｐ型不純物拡散領域となっており、また、ｐ型不純物が拡散されたｐ型コンタクト層上と基板裏面とには、それぞれオーミック電極が形成され、基板に対して垂直方向にレーザ発振するようになっており、電流は上部の多層膜反射鏡周辺のｐ型不純物を拡散したｐ型コンタクト層から注入されるため、直列抵抗および接触抵抗が増加しない。これにより、素子の動作電圧を低減し発熱を抑制できるため、素子劣化を防ぐことができる。また、活性層下側にある半導体多層膜反射鏡の上部多層膜反射鏡に覆われていない領域が、半絶縁領域となっていることにより、電流を、上部の多層膜反射鏡の真下に集中させることができる。
【００７２】
さらに、上部の多層膜反射鏡で覆われていないｐ型コンタクト層から活性層領域までｐ型不純物が注入，拡散されていることにより、プロトンイオン注入によってキャリア濃度が低下したｐ型コンタクト層のキャリア濃度を回復し、ｐ側オーミック電極との接触抵抗が高くならないようにしている。また、ｐ型不純物が拡散された量子井戸活性層が無秩序化されていることにより、禁制帯幅が量子井戸活性層よりも大きくなっている。そのため、キャリアを上部の多層膜反射鏡の真下に閉じ込めることができて、発光閾電流を低減することができる。
【００７３】
特に、請求項２記載の発明では、量子井戸活性層の禁制帯幅が基板の禁制帯幅よりも小さくなっていることにより、レーザ光が基板で吸収されないため、レーザ光を基板裏面から取り出すことが可能となる。また、これに伴い、ｐ側オーミック電極はパターニングする必要がなく、表面全面に形成でき、ｐ側オーミック電極を反射鏡の１部として用いることができる。また、請求項２の半導体レーザ装置では、これをジャンクションダウン方式で実装することができるため、放熱特性に優れ、素子の信頼性を向上させることができる。
【００７４】
また、請求項４記載の発明によれば、上部の多層膜反射鏡が、誘電体多層膜ではなく半導体多層膜反射鏡となっているため、上部の多層膜反射鏡を別に積層する工程が不要となり、１回の半導体結晶成長で上部の多層膜反射鏡までを形成でき、素子作製工程を簡略化することができる。また、この場合、上部の半導体多層膜反射鏡は電流通路として用いる必要がないため、アンドープで形成でき、これにより、半導体多層膜反射鏡中における光の自由キャリア吸収を低減でき、半導体多層膜反射鏡の反射率と透過率の低下を防ぐことができる。従って、発光閾電流を低減し、外部微分量子効率を向上させることができる。
【００７５】
また、請求項５記載の発明によれば、ｐ型コンタクト層上まで上部多層膜反射鏡を柱状にエッチング形成するマスクを用いて、ｎ型クラッド層直下にプロトンイオンを注入する工程と、ｐ型コンタクト層表面から量子井戸活性層を無秩序化するｐ型不純物を注入，拡散する工程を行なっているため、フォトリソグラフィー法によるマスク形成の回数を低減でき、製造が容易になる。また、光の共振器構造と電流狭窄構造とキャリア閉じ込め構造とを同一のマスクで形成するため、マスクパターニングずれによる素子特性のばらつきを招くことがなく、歩留りを向上させることができる。
【００７６】
また、請求項６記載の発明によれば、ｐ側オーミック電極のパターン形成をセルフアラインプロセスで上部多層膜反射鏡の頂上部を除いた基板表面に形成することができ、従って、請求項１乃至請求項４記載の半導体レーザ装置を、１回の結晶成長と１回のフォトリソグラフィー工程で形成することができて、素子製造をさらに容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体レーザ装置の構成例を示す図である。
【図２】図１の半導体レーザ装置の製造工程例を示す図である。
【図３】本発明に係る半導体レーザ装置の他の構成例を示す図である。
【図４】図３の半導体レーザ装置の製造工程例を示す図である。
【図５】図３の半導体レーザ装置の製造工程例を示す図である。
【図６】本発明に係る半導体レーザ装置の他の構成例を示す図である。
【図７】従来の垂直共振器型面発光半導体レーザの構成例を示す図である。
【図８】図７の半導体レーザの活性層の斜視図である。
【図９】従来の垂直共振器型面発光半導体レーザの構成例を示す図である。
【図１０】従来の垂直共振器型面発光半導体レーザの構成例を示す図である。
【図１１】従来の垂直共振器型面発光半導体レーザの構成例を示す図である。
【符号の説明】
１０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２ ｎ型半導体多層膜反射鏡
１０３ ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
１０４ 量子井戸活性層
１０５ ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
１０６ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１０７ 誘電体多層膜反射鏡
１０８ 半絶縁領域
１０９ ｐ型不純物拡散領域
１１０ ｐ側電極
１１１ ｎ側電極
２０１ レジストマスク
３０１ ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層
３０２ アンドープ半導体多層膜反射鏡
４０１ Ｓｉ3Ｎ4層
４０２ レジスト
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信，光情報処理などに利用される半導体レーザ装置に関し、特に面発光型の半導体レーザ装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、垂直共振器型の面発光半導体レーザは、端面出射型半導体レーザと異なり、動的単一波長性に優れており、低閾電流動作および２次元集積化が可能である等の特徴を有しており、近年研究開発が活発に行なわれている。
【０００３】
図７，図８は特開平５−３７０７４号に示されている従来の垂直共振器型の面発光半導体レーザの構造例を示す図である。なお、図７は半導体レーザの断面図、図８は図７の半導体レーザの活性層の斜視図である。
【０００４】
図７，図８を参照すると、この半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型に不純物ドーピングされたＧａＡｓとＡｌＡｓの多層膜からなる反射ミラー層２，ｎ型ＡｌＧａＡｓ閉じ込め層３，ＩｎＧａＡｓの活性細線９とＩｎＡｌＡｓの閉じ込め細線１０からなる量子細線周期構造をアンドープＡｌＧａＡｓの閉じ込め層１１で挾んだ活性層４，ｐ型ＡｌＧａＡｓ閉じ込め層５，ｐ型に不純物ドーピングされたＧａＡｓとＡｌＡｓの多層膜からなる反射ミラー層６，ＡｕＺｎ金属電極７を順次に形成し、これら全ての層を形成した後に、ｎ型多層膜反射ミラー層２までメサエッチングを行ない、ｎ型多層膜反射ミラー層２上にＡｕＧｅＮｉ金属電極８を形成したものとなっている。
【０００５】
ここで、反射ミラー層(多層膜ミラー層)２，６は、１／４波長厚の層より構成されており、１０〜２０層程度の層数で９９％以上の反射率を得ることができる。これにより、ｐ型反射ミラー層６とｎ型反射ミラー層２とによって共振器構造が形成され、その共振波長は約９５０ｎｍであり、基板１側より発光(面発光)させることができる。
【０００６】
図７，図８の面発光半導体レーザでは、半導体多層膜の反射ミラー層２，６を通して電流を流す構造になっている。しかしながら、半導体多層膜の反射ミラー層２，６は、禁制帯幅の異なる２種類の半導体層を１０〜２０層積層して形成しているため、各界面に禁制帯幅差によるエネルギー障壁が生じてしまう。従って、特に有効質量が大きく移動度の小さい正孔(ホール)を注入するｐ型多層膜反射ミラー層６では、直列抵抗が大きくなり、このため、素子の動作電圧が大きくなったり、発熱による素子劣化が生じるという問題点があった。また、ｐ側電極７はメサの頂上部に形成されているため、レーザの閾電流を低減する目的でメサ面積を小さくした場合に、電極と半導体層の接触面積が小さくなり、接触抵抗が大きくなるという問題もある。
【０００７】
これに対し、特開平６−１９６８０４号には、素子の接触抵抗を低減させた面発光半導体レーザ装置が示されている。図９は特開平６−１９６８０４号に開示の半導体レーザ装置の断面図であり、この半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓ基板９上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓとｎ型ＡｌＡｓを３０周期積層したｎ型半導体多層膜反射鏡１０，ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１，ｐ型ＧａＡｓ活性層１２，ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１３，ｐ型ＡｌＧａＡｓとＡｌＡｓからなるｐ型半導体多層膜反射鏡１４，ｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層１５が順次に形成されており、ｐ型半導体多層膜反射鏡１４には、中央部と上部を除いてＨ+イオンが注入された電流ブロック部１６が形成されている。なお、符号１７はコンタクト層上面にレーザ出射部を除いて形成したｐ側オーミック電極であり、符号１９は基板下面全域に形成したｎ側オーミック電極である。
【０００８】
図９の面発光半導体レーザは、図７，図８の面発光半導体レーザと異なり、メサ構造ではなくプレーナ構造となっている。これにより、ｐ側電極１７を、レーザ出射部を除いて全面に形成することができ、電極と半導体との接触抵抗を低減できる。しかしながら、図９の半導体レーザ装置も、ｐ型半導体多層膜反射鏡１４を通して電流注入を行なっている点では、図７，図８の半導体レーザ装置と同じであり、ｐ型半導体多層膜反射鏡を通して電流注入を行なうことから、直列抵抗は低減されない。
【０００９】
また、図１０は特開平６−２９６１２号に示されている面発光半導体レーザの断面図である。図１０の半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓ基板１９上に、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとを交互に積層させたｎ型単結晶ブラッグ鏡２０，第１のエピタキシャル層２１，第２のエピタキシャル層２２，活性領域，第２のエピタキシャル層２２が形成されている。
【００１０】
ここで、活性領域は、複数の量子井戸２３からなり、中間層２４によって互いに分離されている。また、上部の第２のエピタキシャル層２２上には、円形または長方形の保護マスク２５が形成されており、マスクで覆われていないデバイス表面からｐ型不純物をドーピング，拡散させ、不純物が拡散された活性領域２６は、各層を構成する元素の相互拡散またはマイグレーションによって組成が均質化されている。なお、符号２７はレーザ出射部を除いて形成された上部金属オーミック接点であり、また、符号２８は下部金属オーミック接点であり、これらを形成した後、誘電体多層膜からなる半透明反射鏡２９を形成し、共振器内に光子を閉じ込め、レーザ光線を外部に取り出すようになっている。
【００１１】
図１０のレーザ構造では、電流は、ｐ型半導体多層膜を通さずに、半透明反射鏡２９の周囲のｐ型不純物拡散により均質化された領域２６から注入される。従って、エネルギー障壁による直列抵抗の増加を生じさせず、また、電極と半導体との接触面積も大きくできるため、接触抵抗を低減できる。また、不純物拡散により均質化した化合物の禁制帯幅は量子井戸層の禁制帯幅よりも大きくなっているため、注入されたキャリアを均質化されていない活性領域内に閉じ込めることができる。
【００１２】
また、図１１は特開平５−２３５４７３号に示されている面発光レーザの構成図である。図１１の面発光レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板３０上に、ｎ型半導体多層膜からなる下部ミラー３１と、活性層を含むキャビティ領域３２と、半導体多層膜からなる上部ミラー３５とを有している。
【００１３】
ここで、上部ミラー３５は凸部を有する形状をなし、上部ミラー３５の凸部とキャビティ領域３２との間には、上部ミラー最下層３３と、ｐ型電流注入層３４とが形成されている。また、この凸部の周辺部でその層厚方向の活性層近傍には、半絶縁膜領域３６が形成され、また、上部ミラー３５の凸部の周辺部には、電流注入用の電極３７が形成されている。
【００１４】
図１１の半導体レーザにおいても、電流はｐ型半導体多層膜を通さずに活性層に注入されるため、エネルギー障壁による直列抵抗の増加が生じない。また、電極と半導体との接触面積も大きくできるため、接触抵抗を低減できる。そして、活性層近傍に形成した半絶縁領域３６によって、電流を上部ミラー３５凸部の下方に狭窄することができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１０の面発光レーザでは、注入されたキャリアは、均質化されている活性領域内に閉じ込められるが、下部の第２のエピタキシャル層２２にｐ型不純物が拡散されているため、ｐ側電極２７の下方にｐｎ接合領域が拡がっている。そのため、特に注入キャリア密度の高い面発光レーザにおいては、この界面を通って流れる漏れ電流により発振閾電流が増大してしまうという問題があった。
【００１６】
一方、図１１の面発光レーザでは、半絶縁領域３６によって電流狭窄構造を形成しているが、上部ミラー３５の凸部下方の活性層に注入されたキャリアが隣接した半絶縁領域３６の活性層に拡散すると、イオン注入によって誘起された結晶欠陥を通じて非発光再結合してしまう。また、発光再結合した成分も、キャビティ領域の外にあるため、レーザ発振に寄与しない。従って、余分なキャリアが注入されることになり、発振閾電流を増加させてしまうという問題があった。
【００１７】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、素子抵抗を低減でき、かつ、発振閾電流の増加を有効に防止することの可能な面発光型の半導体レーザ装置およびその製造方法を提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、半導体基板上に、半導体多層膜反射鏡，ｎ型クラッド層，量子井戸活性層，ｐ型クラッド層，ｐ型コンタクト層が形成され、前記ｐ型コンタクト層上には、柱状の上部多層膜反射鏡が形成されており、前記上部多層膜反射鏡で覆われていない領域のｎ型クラッド層直下には、半絶縁領域が設けられており、また、前記上部多層膜反射鏡で覆われていないｐ型コンタクト層表面から量子井戸活性層までの領域は、ｐ型不純物が拡散されて無秩序化されたｐ型不純物拡散領域となっており、また、ｐ型不純物が拡散されたｐ型コンタクト層上と基板裏面とには、それぞれオーミック電極が形成され、基板に対して垂直方向にレーザ発振するようになっていることを特徴としている。
【００１９】
また、請求項２記載の発明は、半導体基板上に、半導体多層膜反射鏡，ｎ型クラッド層，禁制帯幅が基板よりも狭い量子井戸活性層，ｐ型クラッド層，ｐ型コンタクト層が形成され、前記ｐ型コンタクト層上には、柱状の上部多層膜反射鏡が形成されており、前記上部多層膜反射鏡で覆われていない領域のｎ型クラッド層直下には、半絶縁領域が設けられ、また、前記上部多層膜反射鏡で覆われていないｐ型コンタクト層表面から量子井戸活性層までの領域は、ｐ型不純物が拡散されて無秩序化されたｐ型不純物拡散領域となっており、基板表側の全面には、ｐ側オーミック電極が形成され、基板裏面には、レーザ光出射部を除いてｎ側オーミック電極が形成されて、基板に対して垂直方向にレーザ発振するようになっていることを特徴としている。
【００２０】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の半導体レーザ装置において、前記柱状の上部多層膜反射鏡は、誘電体を交互に積層したものであることを特徴としている。
また、請求項４記載の発明は、請求項１または請求項２記載の半導体レーザ装置において、前記柱状の上部多層膜反射鏡は、アンドープの半導体であることを特徴としている。
【００２１】
また、請求項５記載の発明は、半導体基板上に、半導体多層膜反射鏡，ｎ型クラッド層，量子井戸活性層，ｐ型クラッド層，ｐ型コンタクト層，上部多層膜反射鏡を順次に積層する工程と、上部多層膜反射鏡上に所定形状のマスクを形成してｐ型コンタクト層上まで上部多層膜反射鏡を柱状にエッチング形成する工程と、前記エッチング工程のマスクを用いてｎ型クラッド層直下にプロトンイオンを注入する工程と、前記エッチング工程のマスクを用いてｐ型コンタクト層表面から量子井戸活性層までｐ型不純物を注入，拡散する工程と、ｐ型不純物が拡散されたｐ型コンタクト層上と基板裏面とに、それぞれオーミック電極を形成する工程とを有していることを特徴としている。
【００２２】
また、請求項６記載の発明は、半導体基板上に、半導体多層膜反射鏡，ｎ型クラッド層，量子井戸活性層，ｐ型クラッド層，ｐ型コンタクト層，上部多層膜反射鏡を順次に積層する工程と、ｐ型コンタクト層上まで上部多層膜反射鏡を柱状にエッチング形成する工程と、前記エッチング工程のマスクを用いてｎ型クラッド層直下にプロトンイオンを注入する工程と、前記エッチング工程のマスクを用いてｐ型コンタクト層表面から量子井戸活性層までｐ型不純物を注入，拡散する工程と、自己整合的に上部多層膜反射鏡の頂上部を除いて基板表面にｐ側オーミック電極を形成する工程と、基板裏面にｎ側オーミック電極を形成する工程とを有していることを特徴としている。
【００２３】
請求項１乃至請求項４記載の発明では、電流は上部の多層膜反射鏡（上部多層膜反射鏡）周辺のｐ型不純物を拡散したｐ型コンタクト層から注入されるため、直列抵抗および接触抵抗が増加しない。これにより、素子の動作電圧を低減し発熱を抑制できるため、素子劣化を防ぐことができる。また、活性層下側にある半導体多層膜反射鏡の上部多層膜反射鏡に覆われていない領域が、半絶縁領域となっていることにより、電流を、上部の多層膜反射鏡の真下に集中させることができる。
【００２４】
さらに、上部の多層膜反射鏡で覆われていないｐ型コンタクト層から活性層領域までｐ型不純物が注入，拡散されていることにより、プロトンイオン注入によってキャリア濃度が低下したｐ型コンタクト層のキャリア濃度を回復し、ｐ側オーミック電極との接触抵抗が高くならないようにしている。また、ｐ型不純物が拡散された量子井戸活性層が無秩序化されていることにより、禁制帯幅が量子井戸活性層よりも大きくなっている。そのため、キャリアを上部の多層膜反射鏡の真下に閉じ込めることができて、発光閾電流を低減することができる。
【００２５】
特に、請求項２記載の発明では、量子井戸活性層の禁制帯幅が基板の禁制帯幅よりも小さくなっていることにより、レーザ光が基板で吸収されないため、レーザ光を基板裏面から取り出すことが可能となる。また、これに伴い、ｐ側オーミック電極はパターニングする必要がなく、表面全面に形成でき、ｐ側オーミック電極を反射鏡の１部として用いることができる。また、請求項２の半導体レーザ装置では、これをジャンクションダウン方式で実装することができるため、放熱特性に優れ、素子の信頼性を向上させることができる。
【００２６】
また、請求項４記載の発明では、上部の多層膜反射鏡が、誘電体多層膜ではなく半導体多層膜反射鏡となっているため、上部の多層膜反射鏡を別に積層する工程が不要となり、１回の半導体結晶成長で上部の多層膜反射鏡までを形成でき、素子作製工程を簡略化することができる。また、この場合、上部の半導体多層膜反射鏡は電流通路として用いる必要がないため、アンドープで形成でき、これにより、半導体多層膜反射鏡中における光の自由キャリア吸収を低減でき、半導体多層膜反射鏡の反射率と透過率の低下を防ぐことができる。従って、発光閾電流を低減し、外部微分量子効率を向上させることができる。
【００２７】
また、請求項５記載の発明では、ｐ型コンタクト層上まで上部多層膜反射鏡を柱状にエッチング形成するマスクを用いて、ｎ型クラッド層直下にプロトンイオンを注入する工程と、ｐ型コンタクト層表面から量子井戸活性層を無秩序化するｐ型不純物を注入，拡散する工程を行なっているため、フォトリソグラフィー法によるマスク形成の回数を低減でき、製造が容易になる。また、光の共振器構造と電流狭窄構造とキャリア閉じ込め構造とを同一のマスクで形成するため、マスクパターニングずれによる素子特性のばらつきを招くことがなく、歩留りを向上させることができる。
【００２８】
また、請求項６記載の発明では、ｐ側オーミック電極のパターン形成をセルフアラインプロセスで上部多層膜反射鏡の頂上部を除いた基板表面に形成することができ、従って、請求項１乃至請求項５記載の半導体レーザ装置を、１回の結晶成長と１回のフォトリソグラフィー工程で形成することができて、素子製造をさらに容易にすることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る半導体レーザ装置(面発光型半導体レーザ)の構成例を示す図である。図１を参照すると、この半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型半導体多層膜反射鏡１０２，ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０３，ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層１０４，ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０５，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６，誘電体多層膜反射鏡１０７が順次に形成されている。
【００３０】
ここで、ｎ型半導体多層膜反射鏡１０２は、ｎ型に不純物ドーピングされたＡｌＡｓとＧａＡｓをそれぞれ厚さλ／(４ｎ)で交互に２０周期程度積層したものとなっている(λ：発振波長，ｎ：各層の屈折率)。また、ｎ型クラッド層１０３と量子井戸活性層１０４とｐ型クラッド層１０５の合計層厚は、λ／２の光学的距離の自然数倍となるように設定されている。また、ｐ型コンタクト層１０６の厚さは、λ／(４ｎ)に設定されている。また、誘電体多層膜反射鏡１０７は、例えば円柱状の形状をしており、ＳｉＯ2とＴｉＯ2をλ／(４ｎ)の厚さで交互に積層したものとなっている。これにより、共振器の定在波条件を損なわずに、活性層１０４を定在波の腹の位置に設定することができる。
【００３１】
また、図１の構成例では、誘電体多層膜反射鏡１０７で覆われていない領域のｎ型クラッド層１０３の直下に、プロトンイオン注入により半絶縁領域１０８が形成されており、さらに、誘電体多層膜反射鏡１０７で覆われていないｐ型コンタクト層１０６表面から量子井戸活性層１０４まで、ｐ型不純物(例えばＺｎ)が注入，拡散され、ｐ型不純物拡散領域１０９が形成されている。ｐ型不純物(例えばＺｎ)が拡散された量子井戸活性層，すなわちｐ型不純物拡散領域１０９は、構成元素の相互拡散により無秩序化されており、このように無秩序化された量子井戸活性層すなわち不純物拡散領域１０９の禁制帯幅は、量子井戸活性層１０４の禁制帯幅よりも大きくなっている。
【００３２】
また、ｐ型不純物(Ｚｎ)が拡散されたｐ型コンタクト層１０６上には、ＡｕＺｎ／Ａｕからなるｐ側オーミック電極１１０が形成され、基板１０１の裏面には、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側オーミック電極１１１が形成されている。
【００３３】
図２は図１の半導体レーザ装置(面発光半導体レーザ)の製造工程例を示す図である。図２を参照すると、最初に、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型半導体多層膜反射鏡１０２，ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０３，ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層１０４，ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０５，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６を順次に結晶成長させる(図２(ａ))。なお、結晶成長方法としては、ＭＢＥ(molecular beam epitaxy)法やＭＯＣＶＤ(metal organic chemical vapour
deposition)法などが用いられる。
【００３４】
次に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６上に誘電体多層反射鏡１０７を全面に積層して形成する(図２(ｂ))。誘電体多層反射鏡１０７は、例えば、膜厚を光学的にモニターしながら電子ビーム蒸着法で作製することができる。
【００３５】
このようにして誘電体多層膜反射鏡１０７を形成した後、誘電体多層膜反射鏡１０７上に、フォトリソグラフィー技術により直径数μｍの円形のレジスト２０１を形成する。そして、ＲＩＥ(reactive ion etching)法により、円形のレジスト２０１をマスクとして誘電体多層膜１０７をｐ型コンタクト層１０６上面までエッチングする(図２(ｃ))。これにより、円柱状の誘電体多層膜反射鏡１０７を形成できる。なお、マスクの形状は、必ずしも円形である必要はなく長方形等でも良い。長方形のマスクが用いられる場合には、誘電体多層膜反射鏡１０７は、角柱形状に形成できる。
【００３６】
しかる後、レジスト２０１および誘電体多層膜１０７をマスクとしてプロトンイオンを注入する。このとき、打ち込む加速電圧を制御することにより、半絶縁領域１０８をｎ型クラッド層１０３直下のｎ型半導体多層膜反射鏡１０２中に形成する(図２(ｄ))。
【００３７】
さらに、レジスト２０１および誘電体多層膜１０７をマスクとして、ｐ型不純物であるＺｎイオンを活性層１０４近傍まで注入する。その後、ランプアニールにより、ｐ型不純物(Ｚｎ)を拡散させ、ｐ型不純物が拡散された量子井戸活性層１０４の領域，すなわちｐ型不純物拡散領域１０９を無秩序化する(図２(ｅ))。
【００３８】
最後に、レジストマスク２０１を除去し、ｐ型コンタクト層１０６上にｐ側電極１１０を形成し、基板１０１の裏面にｎ側電極１１１を形成する(図２(ｆ))。なお、ｐ側電極１１０は、レジストマスク２０１よりも１回り大きい円形マスクを用いたリフトオフ法により、誘電体多層膜反射鏡１０７とその周りを除いて形成される。
【００３９】
図１の面発光型半導体レーザでは、ｎ型半導体多層膜反射鏡１０２と誘電体多層膜反射鏡１０７とによって、共振器が形成され、レーザ光は誘電体多層膜反射鏡１０７側から取り出すようになっている。この際、共振器内にあるｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６は、層厚がλ／(４ｎ)に設定され、多層膜反射鏡１０７の一部となっており、このｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６の禁制帯幅は、ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層１０４の禁制帯幅よりも大きいため、共振器内のｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６中での光の吸収損失はない。
【００４０】
また、図１の面発光型半導体レーザでは、電流は、誘電体多層膜反射鏡１０７周辺のｐ型コンタクト層１０６から注入され、従って、キャリア(正孔(ホール))は、半導体多層膜反射鏡を通らないため、直列抵抗は増加しない。すなわち、直列抵抗を低減できる。また、ｐ側電極１１０とｐ型コンタクト層１０６との接触面積を大きくとることが可能であるため、接触抵抗を低減することもできる。
【００４１】
また、図１の面発光半導体レーザでは、誘電体多層膜反射鏡１０７で覆われていないｎ型クラッド層１０３直下のｎ型半導体多層膜反射鏡１０２の領域には、半絶縁領域１０８が形成されていることによって、ｐ型コンタクト層１０６から注入された電流を、誘電体多層膜反射鏡１０７の真下に集中させることができる。
【００４２】
さらに、図１の面発光半導体レーザでは、誘電体多層膜反射鏡１０７で覆われていないｐ型コンタクト層１０６から活性領域まで、ｐ型不純物であるＺｎが注入，拡散されているので、プロトンイオン注入によってキャリア濃度が低下したｐ型コンタクト層１０６のキャリア濃度を回復し、ｐ側オーミック電極１１０との接触抵抗が高くならないようにしている。また、ｐ型不純物(Ｚｎ)が拡散されて無秩序化された量子井戸活性層の領域，すなわちｐ型不純物拡散領域１０９は、無秩序化していない量子井戸活性層１０４よりも禁制帯幅が大きくなるため、キャリアを、誘電体多層膜反射鏡１０７の真下に閉じ込めることができる。従って、発振閾電流の低減が図れる。
【００４３】
また、図２に示した製造工程例によれば、誘電体多層膜反射鏡１０７を所定形状にエッチング形成した後に、レジストマスク２０１とエッチングされた誘電体多層膜をマスクにして、プロトンイオンとｐ型不純物(Ｚｎ)イオンの注入を行なうので、フォトリソグラフィ法によるマスク形成の回数を低減でき、製造が容易になる。さらに、光の共振器構造と電流狭窄構造とキャリア閉じ込め構造を同一のマスクで形成しているため、マスクパターニングずれによる素子特性のばらつきを生じさせずに済む。
【００４４】
図３は本発明に係る半導体レーザ装置(面発光型半導体レーザ)の他の構成例を示す図である。図３を参照すると、この半導体レーザ装置においても、図１の半導体レーザ装置と同様に、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型半導体多層膜反射鏡１０２，ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０３，ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層１０４，ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０５，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６が順次に形成されている。
【００４５】
ところで、図３の半導体レーザ装置では、ｐ型コンタクト層１０６上には、例えば円柱状に形成されたＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層３０１と、アンドープ半導体多層膜反射鏡３０２とが順次に積層されている。ここで、ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層３０１の層厚は、λ／(４ｎ)に設定され、また、アンドープ半導体多層膜反射鏡３０２は、ＡｌＡｓとＧａＡｓをλ／(４ｎ)の厚さで交互に積層して形成されている。
【００４６】
また、図３の半導体レーザ装置では、アンドープ半導体多層膜反射鏡３０２で覆われていないｎ型クラッド層１０３直下の領域に、プロトンイオン注入により半絶縁領域１０８が形成されており、さらに、アンドープ半導体多層膜反射鏡３０２で覆われていないｐ型コンタクト層１０６表面から量子井戸活性層１０４まで、ｐ型不純物(例えばＺｎ)が注入，拡散され、ｐ型不純物拡散領域１０９が形成されている。
【００４７】
また、基板表面には、レーザ光出射部であるアンドープ半導体多層膜反射鏡３０２の頂上部を除いてｐ側オーミック電極１１０が形成されており、また、基板１０１の裏面には、ｎ側オーミック電極１１１が形成されている。
【００４８】
図４，図５は図３の半導体レーザ装置(面発光半導体レーザ)の製造工程例を示す図である。図４，図５を参照すると、最初に、ＭＢＥ法またはＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型半導体多層膜反射鏡１０２，ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０３，ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層１０４，ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０５，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６，ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層３０１，アンドープ半導体多層膜反射鏡３０２を１回の結晶成長で順次に形成する(図４(ａ))。
【００４９】
次に、アンドープ半導体多層膜反射鏡３０２上に、Ｓｉ3Ｎ4層４０１を形成する。そして、フォトリソグラフィー技術により形成した直径数μｍの円形のレジスト２０１をマスクとして、Ｓｉ3Ｎ4層４０１をＲＩＥ法によりドライエッチングする。さらに、Ｓｉ3Ｎ4層４０１をマスクとしてアンドープ半導体多層膜反射鏡３０２をＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層３０１までドライエッチングする(図４(ｂ))。
【００５０】
この際、エッチング方法として、例えばＥＣＲ−ＲＩＢＥ(electron cyclotron resonance - reactive ion beam etching)法を用いることにより、ほぼ垂直なエッチング形状が得られ、円柱状の半導体多層膜反射鏡３０２を形成できる。ここで、ＡｌＧａＩｎＰ結晶はＡｌＡｓまたはＧａＡｓよりもドライエッチング速度が遅いので、ＡｌＧａＩｎＰ層３０１をエッチングストップ層として用いた。
【００５１】
しかる後、露出したＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層３０１を硫酸エッチング液でケミカルエッチングして除去し、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６を露出させる。硫酸は、ＡｌＧａＡｓ結晶をほとんどエッチングせず、ＡｌＧａＩｎＰ結晶を選択的にエッチングする。そして、Ｓｉ3Ｎ4層４０１をマスクとしてプロトンイオンを注入して、ｎ型クラッド層１０３直下のｎ型半導体多層膜反射鏡１０２中に半絶縁領域１０８を形成する。さらに、Ｓｉ3Ｎ4層４０１をマスクとして、ｐ型不純物であるＺｎイオンを活性層１０４近傍まで注入し、ランプアニールでｐ型不純物(Ｚｎ)を拡散させてｐ型不純物拡散領域１０９を形成する(図４(ｃ))。このとき、ｐ型不純物(Ｚｎ)が拡散された量子井戸活性層１０４の領域，すなわちｐ型不純物拡散領域１０９は無秩序化される。
【００５２】
次に、レジストマスク２０１を除去した後に、基板表側全面にＡｕＺｎ／Ａｕからなるｐ側電極１１０を真空蒸着法により形成する(図４(ｄ))。
【００５３】
そして、このｐ側電極１１０上にレジスト４０２をスピンコートで塗布する。この際、比較的粘性の低いレジスト４０２を使用すると、円柱の頂上部のレジスト膜厚を他の部分よりも薄くなるように形成できる(図５(ｅ))。
【００５４】
次いで、レジスト４０２をハードベーキングした後に、レジスト４０２全面をＯ2プラズマでアッシングして、円柱頂上部のｐ側電極１１０を露出させる(図５(ｆ))。
【００５５】
そしてレジスト４０２をマスクとして、スパッタエッチング法により円柱頂上部のｐ側電極をエッチングして除去する(図５(ｇ))。このとき、Ｓｉ3Ｎ4層４０１はエッチングストップ層として働く。
【００５６】
最後に、レジスト４０２とＳｉ3Ｎ4層４０１を除去した後に、基板裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側電極１１１を形成する(図５(ｈ))。
【００５７】
図３の面発光型半導体レーザでは、図１に示した面発光型半導体レーザと同様に、ｎ型半導体多層膜反射鏡１０２とアンドープ半導体多層膜反射鏡３０２とによって、共振器が形成され、レーザ光はアンドープ半導体多層膜反射鏡３０２側から取り出すことができる。この際、共振器内にあるｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６及びＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層３０１は、層厚がそれぞれλ／(４ｎ)に設定され、多層膜反射鏡３０２の一部となっており、このｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６とＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層３０１の禁制帯幅は、ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層１０４の禁制帯幅よりも大きいため、共振器内で光の吸収損失はない。
【００５８】
また、図３の半導体レーザ装置においても、ｐ側オーミック電極構造，電流狭窄構造，キャリア閉じ込め構造については、図１の半導体レーザ装置と同様のものとなっている。
【００５９】
図３の面発光型半導体レーザが図１の面発光型半導体レーザと異なっている点は、上部反射鏡として誘電体多層膜ではなくアンドープ半導体多層膜反射鏡３０２を用いていることである。従って、図３の半導体レーザ装置では、誘電体多層膜を半導体層とは別に積層する必要がなく、１回の結晶成長で、ｎ型半導体多層膜反射鏡１０２，ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０３，ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層１０４，ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０５，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６のみならず、上部反射鏡３０２をも形成することができるため、作製を簡略化できる。また、半導体多層膜反射鏡３０２は、図１の半導体レーザ装置におけるＳｉＯ2／ＴｉＯ2誘電体多層膜反射鏡１０７に比べて熱伝導率が大きく、放熱特性に優れている。そして、半導体多層膜反射鏡３０２は、これを電流通路として用いる必要がないため、アンドープで形成できる。従って、半導体多層膜反射鏡３０２をアンドープで形成する場合には、半導体多層膜反射鏡３０２中における光の自由キャリア吸収を低減でき、これによって、反射率と透過率の低下を生じさせずに済む。
【００６０】
また、図４，図５に示した製造工程例によれば、ｐ側オーミック電極１０１のパターン形成をセルフアラインプロセスで形成しており、従って、図３の面発光レーザを、１回の結晶成長と１回のフォトリソグラフ工程で形成することができる。これによって、素子製造がさらに容易になる。特に、閾電流を低減する目的で円形マスクパターンを微細化した場合には、ｐ側電極のパターニングずれが生じないため有効である。
【００６１】
図６は、本発明に係る半導体レーザ装置(面発光型半導体レーザ)の他の構成例を示す図である。図６を参照すると、この半導体レーザ装置においても、図１，図３の半導体レーザ装置と同様に、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型半導体多層膜反射鏡１０２，ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０３，ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層１０４，ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０５，ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６が順次に形成されている。
【００６２】
ところで、図６の半導体レーザ装置では、ｐ型コンタクト層１０６上には、例えば円柱状に形成したＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層３０１と、アンドープＡｌＡｓとＧａＡｓからなる半導体多層膜反射鏡３０２と、Ｓｉ3Ｎ4層４０１とが順次に積層されている。ここで、ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層３０１とＳｉ3Ｎ4層４０１の層厚は、それぞれ、λ／(４ｎ)に設定されている。また、アンドープ半導体多層膜反射鏡３０２は、ＡｌＡｓとＧａＡｓをλ／(４ｎ)の厚さで交互に積層して形成されている。
【００６３】
また、図６の半導体レーザ装置では、アンドープ半導体多層膜反射鏡３０２で覆われていないｎ型クラッド層１０３直下の領域に、プロトンイオン注入により半絶縁領域１０８が形成されており、さらに、アンドープ半導体多層膜反射鏡３０２で覆われていないｐ型コンタクト層１０６表面から量子井戸活性層１０４まで、ｐ型不純物(例えばＺｎ)が注入，拡散され、ｐ型不純物拡散領域１０９が形成されている。
【００６４】
また、基板表側全面には、ＡｕＺｎ／Ａｕからなるｐ側オーミック電極１１０が形成されており、また、基板裏面には、レーザ光出射部を除いてＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側オーミック電極１１１が形成されている。
【００６５】
図６の面発光型半導体レーザでは、図１，図３に示した面発光型半導体レーザと同様に、ｎ型半導体多層膜反射鏡１０２とアンドープ半導体多層膜反射鏡３０２とによって、共振器が形成されており、また、図６の半導体レーザ装置においても、ｐ側オーミック電極構造，電流狭窄構造，キャリア閉じ込め構造については、図１，図３の半導体レーザ装置と同様のものとなっているが、図６の面発光型半導体レーザでは、レーザ光は、図１，図３のレーザと異なり、ｎ型半導体多層膜反射鏡１０２側から基板１０１を通して取り出すようになっている。この際、ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層１０３の禁制帯幅は、ＧａＡｓ基板１０１の禁制帯幅よりも小さいため、レーザ光はＧａＡｓ基板１０１で吸収損失を受けない。
【００６６】
また、図６の面発光型半導体レーザでは、アンドープ半導体多層膜反射鏡３０２の上部には、Ｓｉ3Ｎ4層４０１を介してｐ側電極１１０が形成されており、このＳｉ3Ｎ4層４０１の層厚をλ／(４ｎ)に設定することにより、ｐ側電極１１０に用いているＡｕを反射鏡の一部として用いることができる。また、Ｓｉ3Ｎ4層４０１を介してＡｕＺｎと半導体層が積層されているため、アニールにより反射率が低下することがない。
【００６７】
そして、図６の面発光型半導体レーザは、ジャンクションダウン方式で実装することができるため、放熱特性に優れているという特徴を有している。従って、素子の信頼性を向上させることができる。また、ｐ側電極１１０とアンドープ半導体多層膜反射鏡３０１の間にあるＳｉ3Ｎ4層４０１は比較的熱伝導率が高い材料であるため、放熱特性を損なうことがない。
【００６８】
上述の各構成例においては、上部の多層膜反射鏡を、最下層までエッチングして円柱形状に作製しているが、ｐ型クラッド層１０５とｐ型コンタクト層１０６との間に層数の少ない半導体多層膜反射鏡が形成されていてもよい。この場合、ｐ型コンタクト層１０５からｐ型不純物(例えばＺｎ)が拡散された半導体多層膜反射鏡の領域は無秩序化するため、ヘテロ障壁が存在しなくなる。従って、この部分を電流が通過しても直列抵抗を低く抑えることができる。
【００６９】
また、上述の各構成例では、誘電体多層膜反射鏡１０７，半導体多層膜反射鏡３０２を円柱状あるいは角柱状のものに形成したが、これらは柱状のものであれば良く、従って、円柱状，角柱状に限らず任意の形状に形成できる。
【００７０】
また上述の各構成例においては、ＡｌＧａＡｓ系材料を例として説明したが、これに限らず、ＡｌＧａＡＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓＰ系材料等においても、本発明を同様に適用できる。
【００７１】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１乃至請求項４記載の発明によれば、半導体基板上に、半導体多層膜反射鏡，ｎ型クラッド層，量子井戸活性層，ｐ型クラッド層，ｐ型コンタクト層が形成され、また、ｐ型コンタクト層上には、柱状の上部多層膜反射鏡が形成されており、前記上部多層膜反射鏡で覆われていない領域のｎ型クラッド層直下には、半絶縁領域が設けられており、また、前記上部多層膜反射鏡で覆われていないｐ型コンタクト層表面から量子井戸活性層までの領域はｐ型不純物が拡散されて無秩序化されたｐ型不純物拡散領域となっており、また、ｐ型不純物が拡散されたｐ型コンタクト層上と基板裏面とには、それぞれオーミック電極が形成され、基板に対して垂直方向にレーザ発振するようになっており、電流は上部の多層膜反射鏡周辺のｐ型不純物を拡散したｐ型コンタクト層から注入されるため、直列抵抗および接触抵抗が増加しない。これにより、素子の動作電圧を低減し発熱を抑制できるため、素子劣化を防ぐことができる。また、活性層下側にある半導体多層膜反射鏡の上部多層膜反射鏡に覆われていない領域が、半絶縁領域となっていることにより、電流を、上部の多層膜反射鏡の真下に集中させることができる。
【００７２】
さらに、上部の多層膜反射鏡で覆われていないｐ型コンタクト層から活性層領域までｐ型不純物が注入，拡散されていることにより、プロトンイオン注入によってキャリア濃度が低下したｐ型コンタクト層のキャリア濃度を回復し、ｐ側オーミック電極との接触抵抗が高くならないようにしている。また、ｐ型不純物が拡散された量子井戸活性層が無秩序化されていることにより、禁制帯幅が量子井戸活性層よりも大きくなっている。そのため、キャリアを上部の多層膜反射鏡の真下に閉じ込めることができて、発光閾電流を低減することができる。
【００７３】
特に、請求項２記載の発明では、量子井戸活性層の禁制帯幅が基板の禁制帯幅よりも小さくなっていることにより、レーザ光が基板で吸収されないため、レーザ光を基板裏面から取り出すことが可能となる。また、これに伴い、ｐ側オーミック電極はパターニングする必要がなく、表面全面に形成でき、ｐ側オーミック電極を反射鏡の１部として用いることができる。また、請求項２の半導体レーザ装置では、これをジャンクションダウン方式で実装することができるため、放熱特性に優れ、素子の信頼性を向上させることができる。
【００７４】
また、請求項４記載の発明によれば、上部の多層膜反射鏡が、誘電体多層膜ではなく半導体多層膜反射鏡となっているため、上部の多層膜反射鏡を別に積層する工程が不要となり、１回の半導体結晶成長で上部の多層膜反射鏡までを形成でき、素子作製工程を簡略化することができる。また、この場合、上部の半導体多層膜反射鏡は電流通路として用いる必要がないため、アンドープで形成でき、これにより、半導体多層膜反射鏡中における光の自由キャリア吸収を低減でき、半導体多層膜反射鏡の反射率と透過率の低下を防ぐことができる。従って、発光閾電流を低減し、外部微分量子効率を向上させることができる。
【００７５】
また、請求項５記載の発明によれば、ｐ型コンタクト層上まで上部多層膜反射鏡を柱状にエッチング形成するマスクを用いて、ｎ型クラッド層直下にプロトンイオンを注入する工程と、ｐ型コンタクト層表面から量子井戸活性層を無秩序化するｐ型不純物を注入，拡散する工程を行なっているため、フォトリソグラフィー法によるマスク形成の回数を低減でき、製造が容易になる。また、光の共振器構造と電流狭窄構造とキャリア閉じ込め構造とを同一のマスクで形成するため、マスクパターニングずれによる素子特性のばらつきを招くことがなく、歩留りを向上させることができる。
【００７６】
また、請求項６記載の発明によれば、ｐ側オーミック電極のパターン形成をセルフアラインプロセスで上部多層膜反射鏡の頂上部を除いた基板表面に形成することができ、従って、請求項１乃至請求項４記載の半導体レーザ装置を、１回の結晶成長と１回のフォトリソグラフィー工程で形成することができて、素子製造をさらに容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体レーザ装置の構成例を示す図である。
【図２】図１の半導体レーザ装置の製造工程例を示す図である。
【図３】本発明に係る半導体レーザ装置の他の構成例を示す図である。
【図４】図３の半導体レーザ装置の製造工程例を示す図である。
【図５】図３の半導体レーザ装置の製造工程例を示す図である。
【図６】本発明に係る半導体レーザ装置の他の構成例を示す図である。
【図７】従来の垂直共振器型面発光半導体レーザの構成例を示す図である。
【図８】図７の半導体レーザの活性層の斜視図である。
【図９】従来の垂直共振器型面発光半導体レーザの構成例を示す図である。
【図１０】従来の垂直共振器型面発光半導体レーザの構成例を示す図である。
【図１１】従来の垂直共振器型面発光半導体レーザの構成例を示す図である。
【符号の説明】
１０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２ ｎ型半導体多層膜反射鏡
１０３ ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
１０４ 量子井戸活性層
１０５ ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
１０６ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１０７ 誘電体多層膜反射鏡
１０８ 半絶縁領域
１０９ ｐ型不純物拡散領域
１１０ ｐ側電極
１１１ ｎ側電極
２０１ レジストマスク
３０１ ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層
３０２ アンドープ半導体多層膜反射鏡
４０１ Ｓｉ3Ｎ4層
４０２ レジスト
Claims (6)
- 半導体基板上に、半導体多層膜反射鏡，ｎ型クラッド層，量子井戸活性層，ｐ型クラッド層，ｐ型コンタクト層が形成され、前記ｐ型コンタクト層上には、柱状の上部多層膜反射鏡が形成されており、前記上部多層膜反射鏡で覆われていない領域のｎ型クラッド層直下には、半絶縁領域が設けられており、また、前記上部多層膜反射鏡で覆われていないｐ型コンタクト層表面から量子井戸活性層までの領域は、ｐ型不純物が拡散されて無秩序化されたｐ型不純物拡散領域となっており、また、ｐ型不純物が拡散されたｐ型コンタクト層上と基板裏面とには、それぞれオーミック電極が形成され、基板に対して垂直方向にレーザ発振するようになっていることを特徴とする半導体レーザ装置。
- 半導体基板上に、半導体多層膜反射鏡，ｎ型クラッド層，禁制帯幅が基板よりも狭い量子井戸活性層，ｐ型クラッド層，ｐ型コンタクト層が形成され、前記ｐ型コンタクト層上には、柱状の上部多層膜反射鏡が形成されており、前記上部多層膜反射鏡で覆われていない領域のｎ型クラッド層直下には、半絶縁領域が設けられ、また、前記上部多層膜反射鏡で覆われていないｐ型コンタクト層表面から量子井戸活性層までの領域は、ｐ型不純物が拡散されて無秩序化されたｐ型不純物拡散領域となっており、基板表側の全面には、ｐ側オーミック電極が形成され、基板裏面には、レーザ光出射部を除いてｎ側オーミック電極が形成されて、基板に対して垂直方向にレーザ発振するようになっていることを特徴とする半導体レーザ装置。
- 請求項１または請求項２記載の半導体レーザ装置において、前記柱状の上部多層膜反射鏡は、誘電体を交互に積層したものであることを特徴とする半導体レーザ装置。
- 請求項１または請求項２記載の半導体レーザ装置において、前記柱状の上部多層膜反射鏡は、アンドープの半導体であることを特徴とする半導体レーザ装置。
- 半導体基板上に、半導体多層膜反射鏡，ｎ型クラッド層，量子井戸活性層，ｐ型クラッド層，ｐ型コンタクト層，上部多層膜反射鏡を順次に積層する工程と、上部多層膜反射鏡上に所定形状のマスクを形成してｐ型コンタクト層上まで上部多層膜反射鏡を柱状にエッチング形成する工程と、前記エッチング工程のマスクを用いてｎ型クラッド層直下にプロトンイオンを注入する工程と、前記エッチング工程のマスクを用いてｐ型コンタクト層表面から量子井戸活性層までｐ型不純物を注入，拡散する工程と、ｐ型不純物が拡散されたｐ型コンタクト層上と基板裏面とに、それぞれオーミック電極を形成する工程とを有していることを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
- 半導体基板上に、半導体多層膜反射鏡，ｎ型クラッド層，量子井戸活性層，ｐ型クラッド層，ｐ型コンタクト層，上部多層膜反射鏡を順次に積層する工程と、ｐ型コンタクト層上まで上部多層膜反射鏡を柱状にエッチング形成する工程と、前記エッチング工程のマスクを用いてｎ型クラッド層直下にプロトンイオンを注入する工程と、前記エッチング工程のマスクを用いてｐ型コンタクト層表面から量子井戸活性層までｐ型不純物を注入，拡散する工程と、自己整合的に上部多層膜反射鏡の頂上部を除いて基板表面にｐ側オーミック電極を形成する工程と、基板裏面にｎ側オーミック電極を形成する工程とを有していることを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
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