JP3777332B2

JP3777332B2 - 面発光型半導体発光素子

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Publication number: JP3777332B2
Application number: JP2002049075A
Authority: JP
Inventors: 瑞仙江崎; 圭児高岡
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-02-26
Filing date: 2002-02-26
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2022-02-26
Also published as: JP2003249719A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光型半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザや半導体発光ダイオード等の半導体発光素子は、光通信分野をはじめとして、ＣＤ（ＣｏｍｐａｃｔＤｉｓｃ）やＤＶＤ（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃ）等の光ディスクシステム或いはバーコード・リーダ等に代表される民生分野及び商業分野などにおいて広く使用されている。
【０００３】
このような半導体発光素子の中で、面発光型半導体レーザは、活性層の上下に設けられた反射鏡により共振器構造を構成するもので、基板と垂直方向にレーザ光が出射されるものである。
【０００４】
この面発光型半導体レーザは、基板上に二次元的に多数のレーザ素子を集積化できるために、高速光ＬＡＮ（ＬｏｃａｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）、光インターコネクト等における光エレクトロニクス分野のキーデバイスとして大きな注目を集めている。
【０００５】
このような面発光型半導体レーザの特徴として以下のものが挙げられる。
【０００６】
例えば、端面発光型半導体レーザに比べ、しきい値が低く、消費電力が低く、発光効率が高く、高速変調が可能で、ビーム広がりが小さく光ファイバとの結合が容易で、端面へき開が不要で量産性に優れる等々多数の利点を有している。
【０００７】
これらの特徴のほかに面発光型半導体レーザは、高速の光リンク用光源として好適であり、プラスチック光ファイバと組み合わせることにより、高速光リンク用光源を低価格で実現できることが期待され研究開発が盛んに行われている。
【０００８】
このような面発光型半導体レーザでは、発光領域に電流を狭窄するための電流狭窄部が必要である。この電流狭窄部を形成する方法として、プロトン注入方式及び選択酸化方式が一般的に用いられている。
【０００９】
ここでは、より簡単なプロセス工程で形成可能な選択酸化方式について、説明する。
【００１０】
先ず、半導体基板上に、半導体多層膜反射鏡、クラッド層、半導体活性層、クラッド層、半導体多層膜反射鏡、コンタクト層を順次成長し、レーザウェハを作製する。このとき半導体多層膜反射鏡は、例えばＡｌ_0.95Ｇａ_0.05Ａｓ膜／Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ膜の繰り返し積層構造、また被酸化層として半導体多層膜反射鏡を構成する膜よりＡｌ組成比の大きいＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＞０．９）膜を有している。
【００１１】
次に、エッチングによりメサを形成し、水蒸気雰囲気中で基板温度を４００℃以上に加熱する。こうすることで、半導体多層膜反射鏡を構成する半導体膜のうちＡｌ組成比が高いＡｌＧａＡｓ膜が選択的に酸化されて、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＯ_ｙ膜になる。その酸化速度はＡｌ組成により著しく変化する。例えばＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓとして、ｘ＝０．９〜１とすることで、クラッド層やＧａＡｓ層にはほとんど影響を与えずに、Ａｌ高濃度層のみを選択的に酸化することができる。
【００１２】
この横方向の酸化工程によって、メサの側面から酸化が進むことによって電流狭窄部が形成され、メサの中心部に、酸化されない領域すなわち開口部が形成される。このとき、熱処理の温度と時間を適宜調整することで、Ａｌを高濃度に含む被酸化層の一部である酸化されない開口部の形状及び大きさを制御することができる。
【００１３】
このように選択酸化方式の面発光型半導体レーザは、メサ部を形成して、メサ部の側壁からＡｌを高濃度に含むＡｌＡｓ層或いはＡｌＧａＡｓ層を選択的に酸化することによって電流狭窄構造を作製する。
【００１４】
しかしながら、Ａｌを高濃度に含むＡｌＡｓ層或いはＡｌＧａＡｓ層は水蒸気酸化による選択酸化プロセスにおいて、基板温度、酸化層の膜厚、Ａｌ組成、水蒸気の流量、窒素ガスの流量により、酸化速度は決定されので、そのプロセスの条件変化に対して酸化速度は大きく影響を受けるため、非酸化領域の寸法や形状を再現性良く制御することが難しいという問題がある。
【００１５】
この問題を解決するために、従来酸化プロセス時に被酸化領域の広がりをリアルタイムに計測し、制御性を高めようとする試みが図られている。これはＡｌＡｓ層とＡｌ_２Ｏ_３酸化層の屈折率差、反射率差を利用して、実際の素子部分の像をＣＣＤカメラにより観察する方法（ＷｒｉｇｈｔＳｔａｔｅＵｎｉｖ．，ＩＥＥＥＰｈｏｔｏｎＴｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．１０, １９７（１９９８））或いはそれらの反射率の変化を計測しフィードバック制御する方法（特開２００１−９３８９７号公報）が報告されている。
【００１６】
しかしながら、これらの手法を用いても、半導体基板の全域にわたって素子の計測や寸法、形状を制御することは難しく、特に電流狭窄部の寸法を１０μｍ以下に形成する場合、酸化速度がプロセス条件に敏感に反応することに加え、以下に説明する異方性酸化が生じることから高精度な制御は極めて困難であることが分かった。
【００１７】
Ａｌを高濃度に含むＡｌＡｓ層やＡｌＧａＡｓ層を選択酸化層として用いるとき、例えばＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＞０．９４）層では、＜１００＞軸に沿った面の酸化は＜１１０＞軸に沿った面よりも酸化速度が速い。このように面方位に対して酸化速度が異なるため、選択酸化プロセスにおいて非酸化領域の形状が酸化時間に対して変化する問題がある。
【００１８】
図１に、酸化時間と酸化領域の広がり、すなわち非酸化領域の形状の変化を模式的に示す。図１では円柱状に形成されたメサ２０を横方向に酸化したときの酸化領域２１の広がり、非酸化領域１４の形状の変化を示したものである。図中符号１２は凹部を示す。
【００１９】
図１に示すように、酸化時間ｔに従って酸化領域２１が広がっている。このときａ及びｂで示す方向は、酸化速度が遅いために被酸化領域がａ及びｂで示す方向を頂角とするひし形になっていく様子が分かる。またこのひし形は、酸化時間ｔが長くなると縦横の差が拡大していくことが分かる。
【００２０】
このように酸化領域の寸法を大きくしようとすると、その結果できる酸化されていない発光領域となる形状を制御することが難しく、屈折率導波路、出射ビーム形状、横モードの制御が困難となり、特性のばらつきが生じ易いという問題がある。
【００２１】
選択酸化方式の面発光型半導体レーザにおいて、酸化長を短くする方法としては、メサの径（寸法）を小さくし、メサ側面から被酸化層の酸化長を短くする方法が挙げられるが、それに伴い電極面積も小さくなり、コンタクト抵抗が大きくなること、またメサの構造が更にアスペクト比の高いポスト構造になるために段線切れの発生頻度は高まる。メサの径（寸法）を小さくした場合、配線幅、各種寸法を短くしなければならないため、リフトオフ工程等のプロセスにおいてもその困難度が増し、配線切れの発生する頻度は高まる。従って、メサ径を小さくすることで酸化長を短くすることは、新たに別の問題が生じるため、その適用は従来、困難であった。
【００２２】
また、選択酸化方式の面発光型半導体レーザにおいて、ＡｌＡｓ層或いはＡｌＧａＡｓ層を水蒸気酸化すると、被酸化層の体積が収縮し、上下の層に歪が入るという問題がある。Ａｌ_ｘＯ_ｙは、もとのＡｌＡｓ層に比べ体積が３０％から４０％へ収縮するために、酸化後には、活性層或いはメサ部の中心部へ圧縮応力が印加される。
【００２３】
この歪が活性層の最も電流の集中する領域に影響を与え、素子の寿命を低下させる問題がある。特に選択酸化プロセス後の熱プロセスに対しての耐性は弱くなるという問題がある。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の選択酸化方式の面発光型半導体レーザは、発光領域となる非酸化領域の形状を制御することが難しく、屈折率導波路、出射ビーム形状、横モードの制御が困難となり、特性のばらつきが生じ易いという問題がある。
【００２５】
また、酸化に伴う体積収縮によって活性層やメサ部の中心部へ圧縮応力が印加され、素子の信頼性、寿命の低下、熱耐性の劣化が生じるという問題がある。
【００２６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、選択酸化における酸化長及び電流狭窄（非酸化）領域の寸法の制御性を向上し、基板面内の均一性及び再現性を向上し、発光領域となる非酸化領域や出射ビームパターンの形状の制御性を向上し、基板面内の均一性や再現性を向上し、酸化により生じる体積収縮による活性層、メサ部中心部への圧縮応力の印加を緩和し、界面での亀裂や破損を抑制し、選択酸化プロセス後の熱プロセスに対しての耐性を高めた面発光型半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、主面を有する基板と、
前記基板の主面上に設けられ、前記主面に対して垂直方向の共振器を形成する、第１の半導体多層膜反射鏡及び第２の半導体多層膜反射鏡と、
前記第１の半導体多層膜反射鏡及び前記第２の半導体多層膜反射鏡の間に形成された発光領域を有する半導体活性層と、
前記半導体活性層上に形成された前記第１の半導体多層膜反射鏡を含み、前記主面に対して側面が曲面を形成し逆テーパ状に形成されている逆テーパ部と、
前記逆テーパ部から前記主面に向かって側面が前記曲面に連続した曲面を形成して順テーパ状に形成されている順テーパ部と、
前記発光領域を実質的に囲むように前記逆テーパ部側面から酸化形成された電流狭窄部と、
前記逆テーパ部上に形成された電極とを具備し、
前記半導体活性層は前記逆テーパ部及び前記順テーパ部の境界近傍に形成されていることを特徴とする面発光型半導体発光素子を提供する。
【００２８】
このとき、前記電流狭窄部は、第１の電流狭窄部及び第２の電流狭窄部から構成されており、前記第１の電流狭窄部は前記半導体活性層上方であって前記逆テーパ部に形成されており、前記第２の電流狭窄部は前記半導体活性層の下方であって前記順テーパ部に形成されていることが好ましい。
【００２９】
また、前記基板上であって、前記逆テーパ部及び前記順テーパ部から凹部を介して隔てられ形成された周辺部と、
前記周辺部上に形成された周辺電極と、
前記凹部を横切って、前記逆テーパ部上に形成された電極と前記周辺電極とを繋ぐ配線とを具備することが好ましい。
【００３０】
また、前記面発光型半導体発光素子が同一基板上に複数形成され、前記面発光型半導体発光素子の各凹部の開口部総面積が略同等であることが好ましい。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお本発明は以下の実施の形態に限定されることなく、種々工夫して用いることが可能である。
【００３３】
（実施形態１）
図２は、本発明の実施形態１にかかる面発光型半導体発光素子の構造を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）の断面Ａ−Ａ'における断面図である。ここでは面発光型半導体レーザについて説明する。
【００３４】
この面発光型半導体レーザは、基板１の主面上に、発光領域１３を有する半導体活性層３と、半導体活性層３を狭持し、基板１の主面に対して垂直方向の共振器を形成する第１の半導体多層膜反射鏡６及び第２の半導体多層膜反射鏡２が形成されている。半導体活性層３の上下両面には、半導体クラッド層４及び半導体クラッド層５が形成されている。
【００３５】
第１の半導体多層膜反射鏡６上には、コンタクト層７が形成されている。コンタクト層７上にはコンタクト電極９が形成されている。コンタクト電極９は、発光領域１３上を開口するように形成されている。
【００３６】
基板１の裏面には、電極１０が形成されている。
【００３７】
第１の半導体多層膜反射鏡６、半導体活性層３、半導体クラッド層４及び半導体クラッド層５は凸部形状のメサ部１００となっている。このメサ部は、基板１の主面上方向に突出している。
【００３８】
第１の半導体多層膜反射鏡６及び半導体活性層３を含むメサ部１００の周辺には凹部１２が設けられている。メサ部１００は基板１に対して逆テーパに形成されている。ここでメサ部１００の上面は、基板１に接する面よりも大きい面を有している。
【００３９】
第１の半導体多層膜反射鏡６の下には、メサ部１００の側壁から発光領域１３に向かって横方向に酸化されることによって形成された電流狭窄部１４が形成されている。
【００４０】
また、第２の半導体多層膜反射鏡２の上には、メサ部１００の側壁から発光領域１３に向かって横方向に酸化されることによって形成された電流狭窄部１５が形成されている。これら電流狭窄部１４及び１５は、発光領域１３へ電流を絞り込むためのものである。
【００４１】
メサ部１００が基板１に対して逆テーパ状に形成されているので、電流狭窄部１４が位置するメサ部１００側面から発光領域１３までの距離が、メサ部１００のコンタクト電極形成面の端縁から光取り出し部までの距離のうち最短のものよりも短くなっている。
【００４２】
また、凹部１２の表面には絶縁膜５０が形成され、これを介して電極５１が形成されている。電極５１は、配線５２によってコンタクト電極９と接続されている。
【００４３】
この面発光型半導体レーザは、メサ部１００の形状が、基板１に対して逆テーパ状に形成されている。このようにメサ部１００の側壁が逆テーパ面を有するので、側壁から発光領域１３までの距離が円柱状のメサ部よりも近くなる。これはメサ部１００の上面の面積よりも電流狭窄部１４が形成されている部分の基板１に対して平行な面の面積が小さくなっている。したがって逆テーパ状に整形されたメサ部１００の側壁から被酸化層を酸化し電流狭窄部１４及び１５を形成する際、発光領域１３の開口部を形成するために必要な酸化時間を短縮することが可能となり、プロセスによる制約を受けずに酸化長を短くすることが可能となる。
【００４４】
このように電流狭窄部１４及び１５の酸化長が短くなることで、基板面内の素子間で電流狭窄部１４及び１５の寸法のバラツキを抑制することができ、また、異方性酸化による電流狭窄部の形状が歪化することを抑制することが可能となる。
【００４５】
さらに酸化長が短くなることで被酸化層の酸化による体積収縮により発生する活性層、メサ部中心部への圧縮応力が大幅に緩和されることになる。
【００４６】
これらのことから、この面発光型半導体レーザは、出射ビームパターンの寸法および形状の制御性、均一性、再現性が高まり、量産性の向上、モード制御が容易になるとともに、界面での亀裂や破損が抑制され、選択酸化プロセス後の熱プロセスに対しての耐性も高まり、素子の信頼性の向上、長寿命化が可能となる。
【００４７】
従来の円柱形状のメサ部では、開口部の径を５μｍにするとき、メサ径を４５μｍとすると側壁からの被酸化層の酸化長が２０μｍ必要となる。このときの酸化長は目標値に対して約±１０％以内の精度で再現しているとすると、酸化長は２０±２μｍ（１８μｍ〜２２μｍ）となり、電流狭窄部の寸法（ビーム径）はメサ径４５−２×（酸化長２０±２）＝５±４μｍとなり、電流狭窄部の寸法精度は、目標値に対して±８０％も変動することになる。従って、所望の電流狭窄部の寸法（ビーム径）が１０μｍ以下の場合、目標値に対する寸法の変動率は大きくなることは明らかである。
【００４８】
一方、本実施形態に示す面発光型半導体レーザでは、逆テーパ形状のメサ部１００上面の端部と、酸化される層の側壁に露出した端部とのアンダーカット量を１０μｍとすると酸化長は従来の２０μｍから１０μｍと短くできる。このとき酸化長が約±１０％の精度で同様に再現しているとすると、酸化長は１０±１μｍ（９μｍ〜１１μｍ）となり、電流狭窄部１４に囲まれたビーム開口部の径はメサ径４５μｍ−アンダーカット量１０μｍ×２−２×（酸化長１０±１μｍ）＝５±２μｍとなり、目標値に±４０％に収まることになる。したがって従来に比べ寸法の制御性、均一性、再現性を大きく改善できる。よって、目標値に対する寸法の変動率が大きくなる１０μｍ以下の場合、電流狭窄部１４に囲まれたビーム開口部の径における寸法の制御性、再現性、均一性の向上を図る上で本発明は有効となる。
【００４９】
図３に、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層の酸化長のプロセス条件による酸化速度のばらつきを示す。ここでＡｌ（Ｇａ）ＡｓはＡｌＡｓ或いはＡｌＧａＡｓを表す。
【００５０】
図３に示すように、酸化長が２０μｍから１０μｍと半分になる、すなわち酸化時間が半分になることで、プロセスばらつきは±２μｍから１μｍへ半分になることが分かる。
【００５１】
次に、図２に示す面発光型半導体レーザの製造方法について、具体的に説明する。
【００５２】
先ず、洗浄された厚さ４００μｍの３インチ、面方位（１００）のｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＣＶＤ装置を用いてｎ型の半導体多層膜反射鏡２、電流狭窄部１５となる被酸化層、クラッド層４、半導体活性層３、クラッド層５、電流狭窄部１４となる被酸化層、ｐ型の半導体多層膜反射鏡６、コンタクト層７を順次成長する。
【００５３】
ここで半導体活性層３とクラッド層４及び５よりなる共振器の上下に半導体多層膜反射鏡２及び６を配置したものを基本構造としていて、１．３μｍ帯のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザとして設計及び製作を行った。
【００５４】
半導体多層膜反射鏡２は波長１．３μｍの光学波長1／４の厚さでｎ型ＧａＡｓ層とｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（０＜ｙ＜１）層を交互に積層したものである。クラッド層４はｎ型ＧａＩｎＰである。半導体活性層３は発光ピーク波長が１．３μｍとなるように調整したＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）層と、バリヤ層としてＧａＡｓ層を交互に積層した量子井戸構造である。ここではＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）層を中心とし、その上下にＧａＡｓ層を積層した３層構造とする。量子井戸層であるＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）層のＩｎ組成は３０％〜３５％、窒素組成は０．５％〜１．０％とし、厚さは７ｎｍとする。このＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）層の格子定数は、ｎ型ＧａＡｓ基板１よりも大きくなるようように組成を制御して、圧縮歪量約２．５％を内在させている。このため、微分利得係数は増大し、無歪の場合に比較して、しきい電流値が一層低減される。
【００５５】
クラッド層５はｐ型ＧａＩｎＰである。半導体多層膜反射鏡６は、波長１．３μｍの光学波長1／４の厚さでｐ型ＧａＡｓ層とｐ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（０＜ｙ＜１）層を交互に積層したものである。
【００５６】
電流狭窄部１５となる被酸化膜は、クラッド層４下に形成され半導体多層膜反射鏡２を構成するＡｌＧａＡｓよりＡｌ組成比の大きいＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＞０．９８）を用いる。電流狭窄部１４となる被酸化膜は、クラッド層５上に形成され半導体多層膜反射鏡６を構成するＡｌＧａＡｓよりＡｌ組成比の大きいＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＞０．９８）を用いる。コンタクト層７はｐ型ＧａＡｓとする。
【００５７】
次に、フォトリソグラフィとエッチング工程によりｎ型半導体多層膜反射鏡２の上部までエッチングを行い、ＧａＡｓ基板１に対して逆テーパ形状になるようにメサ部を作製する。メサパターンは、ＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）プラズマドライエッチング装置により、三塩化ボロン・窒素混合ガスによるエッチング処理を行う。このとき、バイアス出力、基板温度を調整することで、等方性エッチングが生じる条件によりメサ部の作製を行い、図２（ｂ）に示すようにｎ型半導体多層膜反射鏡２の上部までエッチングされ、逆テーパ面を有するメサ部１００となる。
【００５８】
また、メサ部１００の上面において直径２５μｍとなるように、上面からのアンダーカット量を、電流狭窄部１４となる被酸化層の部分で３．５μｍになるようにする。
【００５９】
ここで複数のチップを同一基板上に同時に形成する場合、メサ部１００を形成するための凹部エッチングにおいて、メサ部１００を逆テーパ形状に形成し、寸法を基板面内の均一性を高めるために、エッチングパターンの密度の違いに起因したマイクロローディング効果を抑制する必要がある。
【００６０】
そのため図４に示すように、ビーム径が小さい領域では、エッチング領域１２の面積を小さくし、ビーム径が大きい領域では、エッチング領域１２の面積を大きくする。また、ビーム径が中くらいの領域では、エッチング領域１２をそれらの中間にする。このように凹部形成用パターンの密度、すなわちエッチング領域１２の密度を、ビーム径の大きさによって調整することによって、基板面内のチップ間でアンダーカット量を一定になるように設計することができる。
【００６１】
次に、水蒸気雰囲気中で４００℃〜５００℃の熱処理を行い、被酸化層を横方向に選択酸化し電流狭窄部１４及び１５を形成する。このとき、メサ部１００の側壁からの酸化長を６．５μｍとし、５μｍ径の発光領域１３を作製する。
【００６２】
従来型の円柱形状のメサ部における酸化プロセスでは、１０μｍの酸化長が必要なところを３５％も寸法および酸化時間を短くでき、非酸化領域の面内寸法のバラツキ（３インチウェハ面内）も３σ値で、約２０％の改善が見られ、異方性酸化による形状の歪みも縦と横で０．７μｍの寸法差が０．４μｍに低減されることが示された。
【００６３】
次に、ポリイミドを用いてメサエッチング部を埋め込んで絶縁層５０を形成する。
【００６４】
次に、ボンディングパッド５１を形成する。次に、配線部５２が形成されるべき部分と光取り出し口となるｐ型半導体多層膜反射鏡６上の絶縁膜４９を除去し、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層７上にｐ側電極９を形成する。このときボンディングパッド５１とｐ側電極９とをつなぐ配線５２を同時に形成する。基板裏面にはｎ側電極１０を形成する。
【００６５】
このようにして作製された面発光型半導体レーザにおいて、波長１．３μｍで活性層の圧縮歪導入の効果により低しきい電流密度（１ｋＡ／ｃｍ^２）での室温連続発振が得られ、高温での特性も良好であった。また異方性酸化により生じる非酸化領域、出射ビームパターンの形状が改善され、所望のビームパターン形状が得られた。この結果、モード制御が容易になった。
【００６６】
特に電流狭窄部１４及び１５が囲むビーム径の寸法が、目標値に対する寸法の変動率が大きくなる１０μｍ以下の場合、寸法の制御性、再現性、均一性の向上を図る上で本発明は有効となる。
【００６７】
更に、選択酸化プロセスにおいて被酸化層（Ａｌ高濃度層）の酸化長が短くなることにより、酸化に伴う体積収縮により印加される活性層、メサ部中心部への圧縮応力は緩和され、界面での亀裂や破損が抑えられ、選択酸化プロセス後の熱プロセスに対しても耐性が高まり、素子の信頼性の向上、長寿命化が可能である。
【００６８】
特に歪の大きい量子井戸層Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）を活性層に用いた面発光型レーザに対して、本発明の効果は大きい。
【００６９】
さらに、活性層３は、Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）に限らず、ＩｎＧａＡｌＰ系、ＡｌＧａＡｓ系やＩｎＧａＡｓＰ系など、様々な材料を用いることもできる。
【００７０】
クラッド層４及び５、半導体多層膜反射鏡２及び６も、様々な材料を用いることもできる。例えば、半導体多層膜反射鏡２及び６としては、ＡｌＧａＡｓ層とＧａＡｓ層の積層構造に限らず、Ａｌを含まない屈折率の大きい材料と小さい材料の積層構造も可能である。また、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＧａＰＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ、ＧａＰ／ＧａＩｎＮＡｓ等の組合せやＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２等の誘電体多層膜を用いることができる。
【００７１】
また、成長方法について、ＭＢＥ法等を用いることもできる。また、上述の例では、積層構造として３重量子井戸構造の例を示したが、他の量子井戸を用いた構造等を用いることもできる。
【００７２】
また、被酸化層が２層である場合を説明したが、単層である場合も同様な効果を得ることができる。
【００７３】
また、各層の組成及び厚さ等は必要に応じて他の値を設定できる。またマイクロローディング効果を抑制するために凹部形成用パターンの密度が一定にするために基板内にダミーパターン等を形成しても良い。
【００７４】
（実施形態２）
図５は、本発明の実施形態２にかかる面発光型半導体レーザの構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）の断面１における断面図、（ｃ）は（ａ）の断面２における断面図である。ここでも面発光型半導体レーザについて説明する。
【００７５】
この面発光型半導体レーザは、基板１の主面上に、発光領域１３を有する半導体活性層３と、半導体活性層３を狭持し、基板１に対して垂直方向の共振器を形成する第１の半導体多層膜反射鏡６及び第２の半導体多層膜反射鏡２が形成されている。半導体活性層３の上下両面には、半導体クラッド層４及び５が形成されている。
【００７６】
第１の半導体多層膜反射鏡６上には、コンタクト層７が形成されている。このコンタクト層７上には、コンタクト電極９が形成されている。コンタクト電極９は、発光領域１３上を開口するように形成されている。
【００７７】
基板１の裏面には、電極１０が形成されている。
【００７８】
第２の半導体多層膜反射鏡２、半導体活性層３、半導体クラッド層４は凸部形状のメサ部となっている。また、第１の半導体多層膜反射鏡６、半導体クラッド層５及び半導体活性層３は、基板１に対して逆テーパ形状をしたメサ部となっている。
【００７９】
半導体多層膜反射鏡２上に形成された被酸化膜層は、メサ部の側壁から発光領域１３に向かって横方向酸化されることによって電流狭窄部１５を形成している。また、半導体多層膜反射鏡６下に形成された被酸化膜層は、メサ部の側壁からから発光領域１３に向かって横方向酸化されることによって電流狭窄部１４を形成している。これらの電流狭窄部１４及び１５は、発光領域１３へ電流を絞り込むためのものである。
【００８０】
メサ部１００が基板１に対して逆テーパ状に形成されているので、電流狭窄部１４が位置するメサ部１００側面から発光領域１３までの距離が、メサ部１００のコンタクト電極形成面の端縁から光取り出し部までの距離のうち最短のものよりも短くなっている。
【００８１】
第１の半導体多層膜反射鏡６及び半導体活性層３を含むメサ部の周辺には凹部１２が設けられている。この凹部１２によりメサ部と隔てて周辺部３０が形成されている。
【００８２】
また、この凹部１２によりメサ部が、基板１に対して電流狭窄部１４まで逆テーパ形状となっている。また、周辺部３０もメサ部と同じ積層構造となっている。メサ部の表面とこの周辺部３０の表面とは、ほぼ同じ高さに形成されている。
【００８３】
周辺部３０上には、周辺電極９ｂが形成されている。配線部９ａは、凹部１２を横切って、コンタクト電極９と周辺電極９ｂとを繋いでいる。また、配線部９ａ下は、凹部１２によりメサ面が形成され空洞となっている。符号８は、表面に形成された引張応力を有する膜で、例えばシリコン窒化膜からなる膜で、パターン形成用のエッチングマスク膜として活用し、コンタクト電極９と周辺電極９ｂを繋ぐ配線部９ａの下では、空洞のための橋ともなっている。
【００８４】
このような面発光型半導体レーザは、矢印１６に示すようにコンタクト電極９から第１の半導体多層膜反射鏡６を介して発光領域１３に電流を注入することで、発光することができる。
【００８５】
この面発光型半導体レーザは、コンタクト電極９と周辺電極９ｂとこれらを結ぶ配線９ａがほぼ同一レベルで形成されていて、平坦化処理を必要としない構造となっている。このため、配線９ａの段切れを防ぐという利点を有する。
【００８６】
またコンタクト電極９と周辺電極９ｂを繋ぐ配線部９ａの下層は空洞となっているため、矢印１３で示すような電流パスは空洞や酸化層によって、流れることができない。したがってこの面発光型半導体レーザでは、矢印１６で示すパスによってのみ電流を流すことができ、極めて効率よく電流狭窄することができ、低しきい値化、高速応答性、量産性の向上が可能となる。
【００８７】
また、この面発光型半導体レーザは、メサ部に基板１に対して逆テーパ形状を有する側壁を具備している。このためメサ部１００が基板１に対して逆テーパ状に形成されているので、電流狭窄部１４が位置するメサ部１００側面から発光領域１３までの距離が、メサ部１００のコンタクト電極形成面の端縁から光取り出し部までの距離のうち最短のものよりも短くなっている。したがって実施形態１と同様に、プロセスによる制約も受けずに酸化長を短くすることが可能となる。
【００８８】
また、酸化長が短くなることで、基板面内の素子間で酸化長の寸法バラツキを抑制する。また、異方性酸化による電流狭窄部１４及び１５に囲まれた発光領域の形状を歪せることなく形成することができる。
【００８９】
また、被酸化層（Ａｌ高濃度層）が酸化により体積収縮するのを低減するために、活性層、メサ部中心部への圧縮応力の印加が緩和され、出射ビームパターンの寸法および形状の制御性が高まり、量産性の向上、モード制御が容易になる。
【００９０】
また、界面での亀裂や破損が抑制され、選択酸化プロセス後の熱プロセスに対しての耐性も高まり、素子の信頼性の向上、長寿命化が可能となる。
【００９１】
次に、この面発光型半導体レーザの作製方法について具体的に説明する。
【００９２】
先ず、洗浄された厚さ４００μｍの３インチ、面方位（１００）のｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＣＶＤ装置を用いてｎ型の半導体多層膜反射鏡２、電流狭窄部１５となる被酸化層２ａ、半導体クラッド層４、半導体活性層３、半導体クラッド層５、電流狭窄部１４となる被酸化層６ａ、ｐ型の半導体多層膜反射鏡６、コンタクト層７を順次成長する。
【００９３】
ここで半導体活性層３と半導体クラッド層４及び半導体クラッド層５よりなる共振器の上下に半導体多層膜反射鏡２及び６を配置したものを基本構造とし、１．３μｍ帯のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザとして設計及び製作する。
【００９４】
半導体多層膜反射鏡２、は波長１．３μｍの光学波長1／４の厚さでｎ型ＧａＡｓ層とｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（０＜ｙ＜１）が交互に積層された積層構造とする。
【００９５】
半導体クラッド層３はｎ型ＧａＩｎＰとする。半導体活性層４は発光ピーク波長が１．３μｍとなるように調整されたＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）層及びバリヤ層としてＧａＡｓ層が積層された量子井戸構造とする。ここでは中心にＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）層を形成し、この上下にバリヤ層としてＧａＡｓ層が形成された３層構造とする。Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）量子井戸層３のＩｎ組成は３０〜３５％、窒素組成は０．５〜１．０％とし、厚さは７ｎｍとする。Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）量子井戸層３の格子定数は、ｎ型ＧａＡｓ基板１よりも大きくなるように組成を制御して、圧縮歪量約２．５％を内在させている。このため、微分利得係数は増大し、無歪の場合に比較して、しきい電流値が一層低減される。半導体クラッド層５はｐ型ＧａＩｎＰとする。
【００９６】
半導体多層膜反射鏡６は、波長１．３μｍの光学波長1／４の厚さでｐ型ＧａＡｓ層とｐ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（０＜ｙ＜１）が交互に積層された積層構造とする。
【００９７】
被酸化膜２ａは、クラッド層４下に形成され半導体多層膜反射鏡２を構成するＡｌＧａＡｓよりＡｌ組成比の大きいＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＞０．９８）を用いる。被酸化膜６ａは、クラッド層５上に形成され半導体多層膜反射鏡６を構成するＡｌＧａＡｓよりＡｌ組成比の大きいＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＞０．９８）を用いる。コンタクト層７はｐ型ＧａＡｓとする。
【００９８】
次に、パターン形成用のエッチングマスク膜として、Ｓｉ_３Ｎ_４膜８を形成する。原料ガスとしてＳｉＨ_４、ＮＨ_３を用い、キャリアガスのＮ_２の圧力、流量を調整することで膜応力を制御し、１５０ＭＰａの引張応力を有する膜として形成する。膜の引張応力の値は、水蒸気酸化プロセスにおいてエッチングマスク膜８とＧａＡｓ基板１間で発生する熱応力を考慮して決定する。
【００９９】
次に、フォトリソグラフィ工程により、ｐ側電極９、ボンディングパッド１５、電極配線９aが形成されるべき部分と光取り出し口１９となる上部ｐ型半導体多層膜反射鏡６上のエッチングマスク膜８を除去し、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層上にｐ側電極９、またボンディングパッド５１、電極配線９aを形成する。
【０１００】
次に、エッチングマスク膜８上に形成したメサパターンをＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｅｍａ）プラズマドライエッチング装置により、三塩化ボロン・窒素混合ガスによりｎ型半導体多層膜反射鏡２の上部までエッチングを行い、メサ部を作製する。
【０１０１】
このとき、バイアス出力、基板温度を調整することで、等方性エッチングが生じる条件により、図２に示すようにｎ型半導体多層膜反射鏡２の上部までエッチングされ、逆テーパ形状を作製することができる。
【０１０２】
また、メサ部の上面において直径２５μｍに対して、上面からのアンダーカット量を、被酸化層部２ａ及び６ａで５．０μｍになるように作製する。このとき、電極のパス配線下も、同様に逆テーパ形状になり、本実施形態ではパス線幅５μｍと設定したため、アンダーカット量の２倍以下の値となるため、配線下がメサエッチングにより除去され、配線下に凹部１２が形成され、リーク電流を阻止する構造が形成される。
【０１０３】
したがって、ここでは電極パス線幅として、等方性エッチングにより生じる最大アンダーカット量の２倍以下の値に設定すれば、凹部１２は形成される。このメサ形成用凹部のエッチング条件によって、配線パス９ａ下の空洞の寸法、形状は異なる。配線パス９ａ下にＧａＡｓ（コンタクト）層７及び半導体多層膜反射鏡６が残り、メサ外部へのリーク電流を通す場合、これらをドライエッチングやウェットエッチングにより除去し、配線パス下のリーク電流を完全に阻止する。
【０１０４】
次に、水蒸気雰囲気中で４００℃〜５００℃の熱処理を行い、被酸化層６ａ及び２ａを横方向に選択酸化し電流狭窄部１４及び１５を形成する。このとき、単一モード発振させるために側面からの酸化長を６．０μｍとし、３μｍ径の非酸化（発光）領域を作製した。従来型の円柱状のメサ部における酸化プロセスでは、１１μｍの酸化長が必要なところを４５％の寸法および酸化時間を短くでき、非酸化領域１４の面内寸法バラツキ（３インチウェハ面内）も３σ値で、約２５％の改善が見られ、異方性酸化による形状の歪みも縦と横で０．７５μｍの寸法差が０．４μｍに低減されることが示された。
【０１０５】
次に、基板裏面にｎ側電極１０を形成し素子作製を完成した。
【０１０６】
このようにして作製された面発光型半導体レーザにおいて、波長１．３μｍで活性層３の圧縮歪導入の効果に加え、配線パス下の空洞化により素子外部へのリーク電流が阻止され、低しきい電流密度、単一モードの室温連続発振が得られ、高温での特性も良好であった
【０１０７】
また本実施形態における構造は、コンタクト電極９と周辺電極９ｂとこれらを結ぶ配線９ａがほぼ同一レベルで形成されているので、段切れがなく、且つ量産性にも優れる面発光半導体レーザを提供できるという利点も有する。
【０１０８】
また、実施形態１と同様に異方性酸化により生じる非酸化領域１４、出射ビームパターンの形状が改善され、所望のビームパターン形状が得られる。
【０１０９】
また、面内全域にわたり再現性良く、寸法および形状は均一化され、単一モード発振させることが容易になった。特にビーム径が、目標値に対する寸法の変動率が大きくなる１０μｍ以下の場合、寸法の制御性、再現性、均一性の向上を図る上で有効である。
【０１１０】
更に、選択酸化プロセスにおいて電流狭窄部１４及び１５の酸化長が短くなることにより、酸化に伴う体積収縮により印加される活性層、メサ部中心部への圧縮応力は緩和され、界面での亀裂や破損が抑えられ、選択酸化プロセス後の熱プロセスに対しても耐性が高まり、素子の信頼性の向上、長寿命化が可能である。
【０１１１】
特に、歪の大きい量子井戸層としてＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）を活性層に用いた面発光型レーザに対して、本発明の効果は大きい。
【０１１２】
【発明の効果】
選択酸化における酸化長及び電流狭窄（非酸化）領域の寸法の制御性を向上し、基板面内の均一性及び再現性を向上し、発光領域となる非酸化領域や出射ビームパターンの形状の制御性を向上し、基板面内の均一性や再現性を向上し、酸化により生じる体積収縮による活性層、メサ部中心部への圧縮応力の印加を緩和し、界面での亀裂や破損を抑制し、選択酸化プロセス後の熱プロセスに対しての耐性性を高めた面発光型半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】メサ部部における酸化領域、非酸化領域の形状と異方性酸化の経時変化を示す図。
【図２】本発明の実施形態１にかかる面発光型半導体素子の構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）はＡＡ'における断面図。
【図３】Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ被酸化層の酸化長の酸化時間に対するバラツキを示す図。
【図４】本発明の面発光型半導体素子の作製において、ビーム寸法の異なる素子を一つの基板上に作りこんだときの上面図。
【図５】本発明の実施形態２にかかる面発光型半導体素子の構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）（ｃ）は断面図。
【符号の説明】
１・・・ｎ型ＧａＡｓ基板
２・・・半導体多層膜反射鏡
２ａ・・・被酸化層
４・・・クラッド層
３・・・活性層
５・・・クラッド層
６・・・半導体多層膜反射鏡
６ａ・・・被酸化層
７・・・コンタクト層
８・・・パターン形成用エッチングマスク膜
９・・・ｐ側電極
９ａ、５２・・・配線部
９ｂ・・・周辺部
１０・・・ｎ側電極
１００・・・メサ部
１３・・・発光領域
１４、１５・・・電流狭窄部
５１・・・ボンディングパッド
５０・・・絶縁膜

Claims

主面を有する基板と、
前記基板の主面上に設けられ、前記主面に対して垂直方向の共振器を形成する、第１の半導体多層膜反射鏡及び第２の半導体多層膜反射鏡と、
前記第１の半導体多層膜反射鏡及び前記第２の半導体多層膜反射鏡の間に形成された発光領域を有する半導体活性層と、
前記半導体活性層上に形成された前記第１の半導体多層膜反射鏡を含み、前記主面に対して側面が曲面を形成し逆テーパ状に形成されている逆テーパ部と、
前記逆テーパ部から前記主面に向かって側面が前記曲面に連続した曲面を形成して順テーパ状に形成されている順テーパ部と、
前記発光領域を実質的に囲むように前記逆テーパ部側面から酸化形成された電流狭窄部と、
前記逆テーパ部上に形成された電極とを具備し、
前記半導体活性層は前記逆テーパ部及び前記順テーパ部の境界近傍に形成されていることを特徴とする面発光型半導体発光素子。
前記電流狭窄部は、第１の電流狭窄部及び第２の電流狭窄部から構成されており、前記第１の電流狭窄部は前記半導体活性層上方であって前記逆テーパ部に形成されており、前記第２の電流狭窄部は前記半導体活性層の下方であって前記順テーパ部に形成されていることを特徴とする請求項１記載の面発光型半導体発光素子。
前記基板上であって、前記逆テーパ部及び前記順テーパ部から凹部を介して隔てられ形成された周辺部と、
前記周辺部上に形成された周辺電極と、
前記凹部を横切って、前記逆テーパ部上に形成された電極と前記周辺電極とを繋ぐ配線とを具備することを特徴とする請求項１又は２記載の面発光型半導体発光素子。
前記面発光型半導体発光素子が同一基板上に複数形成され、前記面発光型半導体発光素子の各凹部の開口部総面積が略同等であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の面発光型半導体発光素子。