JP4224981B2 - 面発光半導体レーザ素子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、面発光半導体レーザ素子およびその製造方法に関し、特に、垂直共振器型の面発光半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザでは、特開平８−１３９４１２号公報や、特開２０００−１７４３４０号公報に開示されているような面発光半導体レーザ素子や、特開平１１−５４８４３号公報に開示されているような端面発光半導体レーザ素子がある。
【０００３】
面発光半導体レーザ素子のうち、垂直共振器型の面発光半導体レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ) 素子では、断面が円形の光ビームを得ることができるだけでなく、複数の発光部分を二次元的に単一基板上に高密度に集積することもできる。また、ＶＣＳＥＬは、低い消費電力で動作し、低コストで製造することができる。
このような特徴のため、ＶＣＳＥＬは次世代の通信および光情報処理のための光源として注目され、これまでに様々な研究が行なわれている。
【０００４】
上記の面発光半導体レーザ素子は、基板の垂直方向に光共振器を持っており、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector ）ミラーと称される１００％近い反射率をもつ高反射多層膜を反射鏡として、素子の発光領域においてレーザ光を増幅させる。
【０００５】
このＤＢＲミラーは、屈折率（ｎ）が異なり、厚さがλ／４（λ：波長）からなる２つの薄い層をペアとして、それを２０〜４０層にも積み重ねることによって反射率を１００％近くにしている。
【０００６】
しかし組成差を大きく取るとＤＢＲミラーを構成する２層間の接合部分に存在するヘテロ接合バリアが大きくなり、素子抵抗を大きくしてしまう。また、逆に、組成差を小さくすると、所望の反射率を確保するためにＤＢＲミラーのペア数を増やす必要があり、ヘテロ接合バリアは小さくなるが、ミラー厚が厚くなることから素子抵抗を大きくする原因となってしまう。
【０００７】
このＤＢＲミラーに起因する素子抵抗は、１００Ωから２００Ωと非常に高く、これからの光通信等に必要な高速動作にとって不利なものとなってしまう。
上記のＤＢＲミラーの欠点を改善するため、従来の面発光半導体レーザ素子には、いくつかの構造があり、その代表的な例について以下に説明する。
【０００８】
図１２（ａ）は、従来例に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
図１２（ａ）に示す面発光半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＤＢＲミラー１０２、ｎ型クラッド層１０３、活性層１０４、ｐ型クラッド層１０５、ｐ型ＤＢＲミラー１０６が積層されており、当該ｐ型ＤＢＲミラー１０６上にｐ型キャップ層１０７を介してｐ側電極１０９が形成され、また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１のｎ型ＤＢＲミラー１０２の積層側とは反対側にｎ側電極１１１が形成されている。
【０００９】
ｎ型ＤＢＲミラー１０２は、屈折率の異なる２種の半導体材料として、例えば、ｎ型のＡｌＡｓ層およびｎ型のＧａＡｓ層が交互に積層された多層構造を有している。
【００１０】
ｐ型ＤＢＲミラー１０６は、図１２（ｂ）の拡大断面図に示すように、ミラーを構成するアルミニウムの組成比が小さく厚さｄ１のＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ＝０〜０．２）層１０６ａと、アルミニウムの組成比が大きく厚さｄ２のＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ＝０．８〜１．０）層１０６ｂとの間に、アルミニウムの組成比がＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層１０６ａ，１０６ｂの中間程度で厚さｄ３のＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ＝０．４〜０．６）層１０６ｃが中間層として挿入されて一つの組を構成しており、上記の組を何十層も積み重ねることにより形成されている。
【００１１】
このとき、ｐ型ＤＢＲミラー１０６におけるｐ型不純物のドーピング濃度は、ｐ型ＤＢＲミラー１０６の中間層の部分のみを１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以上にする高濃度ドーピングを行なうことが好ましい。ｐ型ＤＢＲミラー１０６に均一にｐ型不純物をドーピングすると、ｐ型ＤＢＲミラー１０６全体に非発光再結合中心が発生してしまい無効電流が大きくなってしまうからである。
【００１２】
図１２（ａ）および（ｂ）に示す面発光半導体レーザ素子では、組成比を大きくとった層の間に中間の組成比をもつ中間層を挿入することにより、ヘテロ接合バリアが急峻となるのを防止することができることから、素子抵抗を低減することができる。
【００１３】
図１３は、他の従来例に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
図１３に示す面発光半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ型ＤＢＲミラー２０２、ｎ型クラッド層２０３、活性層２０４、ｐ型クラッド層２０５、ｐ型ＤＢＲミラー２０６が積層されており、ｐ型ＤＢＲミラー２０６を避けた領域におけるｐ型クラッド層２０５上に、ｐ型キャップ層２０７を介してｐ側電極２０９が形成され、また、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１のｎ型ＤＢＲミラー２０２の積層側とは反対側にｎ側電極２１１が形成されている。
【００１４】
ｎ型ＤＢＲミラー２０２は、屈折率の異なる２種の半導体材料として、例えば、ｎ型のＡｌＡｓ層およびｎ型のＧａＡｓ層が交互に積層された多層構造を有しており、ｐ型ＤＢＲミラー２０６も同様に、例えば、ｐ型のＡｌＡｓ層およびｐ型のＧａＡｓ層が交互に積層された多層構造を有している。
【００１５】
図１３に示す構造では、ｐ型ＤＢＲミラー２０６を避けた領域におけるｐ型クラッド層２０５上に、ｐ型キャップ層２０７を介してｐ側電極２０９が形成されていることから、ｐ型ＤＢＲミラー２０６の抵抗を考慮する必要はなく、活性層２０４へ電流を注入することができることから、素子抵抗を低減することができる。
【００１６】
図１２および図１３に示す面発光半導体レーザ素子の構造により、面発光半導体レーザ素子の素子抵抗は１０〜１５Ωとなり、飛躍的な素子の低抵抗化に成功している。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来の面発光半導体レーザ素子にはそれぞれに問題がある。
図１２（ａ）および（ｂ）に示す面発光半導体レーザ素子では、ｐ型ＤＢＲミラー１０６を形成するために、アルミニウム組成比の小さいＡｌＧａＡｓ層１０６ａとアルミニウム組成比の大きいＡｌＧａＡｓ層１０６ｂとの間に、中間的なアルミニウム組成比をもつＡｌＧａＡｓ層１０６ｃを挿入しなければならず、エピタキシャルプロファイルが今までよりもずっと複雑化してしまい、エピタキシャル層の組成、膜厚、不純物のドーピングプロファイル等に精密な制御をほどこさなければならない。その結果、安定した構造を有する面発光レーザ素子を安価に製造することへの妨げとなる。
【００１８】
また、図１３に示す面発光半導体レーザ素子では、ｐ側電極２０９がｐ型ＤＢＲミラー２０６から離れて形成されるため、電流注入領域が、活性層２０４の発光領域から１０数μｍ以上離れてしまい、ｐ側電極２０９の直下の活性層２０４へ最短経路で流れる電流成分が大きくなり、活性層２０４の発光領域内で中央部よりも周辺部において発光が集中する。
このため、外部より観察される発光強度は、中央部が低く、周辺部が強い不均一なものになってしまっていた。また、さらに、従来技術では、しきい値電流低減やｐ型クラッド層２０５上への電極形成のために、ｐ型ＤＢＲミラー２０６を１０数μｍに微細加工する必要があったため、このｐ型ＤＢＲミラー２０６の物理強度は非常に低くなってしまうという問題があった。
【００１９】
また、特開平２０００−２６１０８８号公報等に示すように、一般に温度の変化によって出力特性が変動することから端面発光半導体レーザ素子において放熱特性を改善することが行なわれており、このことは面発光半導体レーザ素子においても同様であり、活性層の発光領域の発光により発生した熱を外部へ放散させて温度特性に優れた面発光半導体レーザ素子を作製することが望まれている。
【００２０】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、素子抵抗が低く温度特性に優れ、安定した構造を有する面発光半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の面発光半導体レーザ素子は、第１の反射多層膜と、前記第１の反射多層膜に形成された第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層に形成され、発光領域をもつ活性層と、前記活性層の発光領域に形成された第２のクラッド層と、前記第２のクラッド層に形成された第２の反射多層膜とが積層されて構成され、積層方向において前記第１の反射多層膜を貫通して前記第１のクラッド層まで、かつ、前記積層方向と直交する方向において前記発光領域を中心としてその外周領域に形成された第１の電極と、前記積層方向において前記活性層および前記第１のクラッド層を挟んで前記第１の電極と対向する位置、かつ前記積層方向と直交する方向において、前記第２の反射多層膜の外周に、前記第２のクラッド層まで、同心円状または同心矩形状に形成された複数の電極を有する第２の電極とが形成され、前記発光領域、前記第１のクラッド層、前記第２のクラッド層、前記第１の反射多層膜および前記第２の反射多層膜が光共振器を構成している。
【００２２】
上記の本発明の面発光半導体レーザ素子によれば、第１および第２の電極の一部が、光共振器の光共振エリアを除く光共振エリアの近傍において、活性層に近づくように光共振器内に埋め込まれて形成されていることから、電極から活性層の発光領域へ電流注入する経路が短くなる。また、活性層の発光領域に電極が近づくことにより、活性層の発光領域において発光により発生した熱が当該電極に伝達され、電極を介して素子外へ放散される。さらに、活性層の発光領域に電極が近づくことにより、光共振エリアから外れた光が当該電極によって反射された場合に、再び活性層の発光領域へ戻されることとなる。
【００２３】
さらに、上記の目的を達成するため、本発明の面発光半導体レーザ素子の製造方法は、第１の反射多層膜と、前記第１の反射多層膜に第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層に、発光領域をもつ活性層と第２のクラッド層と第２の反射多層膜とを順次積層する工程と、積層方向において前記活性層および前記第１のクラッド層を挟んで前記第１の電極と対向する位置、かつ前記積層方向と直交する方向において、前記第２の反射多層膜の外周に、前記第２のクラッド層まで、同心円状または同心矩形状に形成された複数の電極を有する第２の電極用の溝を形成する工程と、前記第２の電極用の溝内を埋め込んで前記第２の反射多層膜上に第２の電極を形成する工程と、前記積層方向において前記第１の反射多層膜を貫通して前記第１のクラッド層まで、かつ、前記積層方向と直交する方向において前記発光領域を中心としてその外周領域に第１の電極用の溝を形成する工程と、前記第１の電極用の溝内を埋め込んで前記第１の反射多層膜上に第１の電極を形成する工程とを有する。
【００２４】
上記の本発明の面発光半導体レーザ素子の製造方法によれば、第１および第２の電極を形成する際に、光共振器用層の光共振エリアを除く光共振エリアの近傍において、光共振器用層に溝を形成し、溝内を埋め込んで反射多層膜上に電極を形成することにより、上述した作用を有する面発光半導体レーザ素子が製造される。そして、電極から活性層の発光領域へ電流注入する経路が短くなることから、反射多層膜の製造において抵抗値による制限が緩和される。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の面発光半導体レーザ素子およびその製造方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２６】
第１実施形態
図１は、本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
図１に示す面発光半導体レーザ素子では、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型反射多層膜２、ｎ型クラッド層３、活性層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型反射多層膜６およびｐ型キャップ層７からなるエピタキシャル成長層が形成されている。
【００２７】
ｎ型反射多層膜２より活性層４側のエピタキシャル成長層には、素子形成領域を除いてプロトンあるいは酸素イオン等がイオン注入されることで絶縁化されており、これによって素子分離絶縁膜８が形成されている。
【００２８】
ｎ型ＧａＡｓ基板１上に形成されたｎ型反射多層膜２、ｎ型クラッド層３、活性層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型反射多層膜６が光共振器を構成しており、素子分離絶縁膜８に囲まれたエピタキシャル成長層の中央部が光共振エリアＡｒとなり、当該光共振エリアＡｒにおける活性層４が実質的に発光する発光領域となる。光共振エリアＡｒの径は、例えば、２〜５μｍ程度である。
【００２９】
上記のｐ型キャップ層７からｎ型クラッド層３におけるエピタキシャル成長層には、光共振エリアＡｒを避け、かつ光共振エリアＡｒの近傍から外側へと複数の溝が形成されており、当該溝内に埋め込まれて断面が櫛状のｐ側電極９が形成されている。エピタキシャル成長層においてｐ側電極９と接続する部分には、ｐ側電極９とのオーミック接触を達成するための亜鉛が導入された拡散領域１０が形成されている。
【００３０】
上記の溝は、光共振エリアＡｒから同心円状に形成されており、図２の上面図に示すように、このエピタキシャル成長層内に埋め込まれたｐ側電極９の埋め込み部９１は、レーザ光出射口Ｃを中心として、同心円状に形成されている。
【００３１】
ｐ型キャップ層７およびｐ側電極９は、レーザ光出射口Ｃにおいて除去されており、また、ｎ型ＧａＡｓ基板１のｎ型反射多層膜２の積層側とは反対側にｎ側電極１１が形成されている。
以下に、上記積層構造の構成の一例を詳細に説明する。
【００３２】
ｎ型反射多層膜２は、屈折率の異なる２種の半導体材料、例えば、ｎ型ＡｌＡｓ層とｎ型ＧａＡｓ層をペアーとして繰り返し積層された構造を有しており、分布反射器（Distributed Bragg Reflector:ＤＢＲ）を構成している。ＤＢＲは、屈折率（ｎ）が異なり、厚さがλ／４（λ：波長）からなる２つの薄い層をペアーとして、それを何十層（２０〜４０）にも積み重ねることによって反射率を１００％近くにしたミラーである。なお、ｎ型反射多層膜２は、例えばＳｉＯ2 とＴｉ2 Ｏをペアーとして誘電体層を複数積層させるような誘電体ミラーであってもよい。
【００３３】
活性層４は、例えば、ウェル層として機能するＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓと、バリア層として機能するＧａＡｓとを含む歪量子井戸構造を有し、この活性層４を挟み込んでｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層５が形成され、例えば、ｎ型クラッド層３はｎ型のＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓからなり、ｐ型クラッド層５は、ｐ型のＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓからなる。
【００３４】
ｐ型反射多層膜６は、例えば、ｐ型ＡｌＡｓ層と、ｐ型ＧａＡｓ層をペアーとして繰り返し積層された構造を有しており、上側の分布反射器（ＤＢＲ）として機能する。なお、ｐ型反射多層膜６は、上述した誘電体ミラーにより構成されていてもよい。
【００３５】
ｐ型キャップ層７は、ｐ側電極９とオーミック接触を形成するために設けられており、例えば、ｐ型の不純物であるＺｎが高濃度に導入されたｐ型ＧａＡｓにより構成され、そのレーザ光出射口Ｃにおいて開口が形成されている。
【００３６】
ｐ側電極９は、例えば、ｐ型キャップ層７側から例えばＴｉ層／Ｐｔ層／Ａｕ層が順に積層されて形成されており、ｎ側電極１１は、例えば、ｎ型ＧａＡｓ基板１側からＡｕＧｅ合金層／Ｎｉ層／Ａｕ層が順に積層されて形成されている。
【００３７】
次に、上記構成の本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の製造方法について、図３〜図５を参照して説明する。
【００３８】
まず、図３（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型反射多層膜２、ｎ型クラッド層３、活性層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型反射多層膜６、ｐ型キャップ層７を構成する複数の半導体層を、ＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）やＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）等によってエピタキシャル成長させる。
【００３９】
次に、図３（ｂ）に示すように、ｐ型キャップ層７上に、レジストを塗布し、リソグラフィ技術により素子形成領域を保護するレジストマスク２０を形成し、当該レジストマスク２０をマスクとして、酸素イオンやプロトン等をイオン注入することにより、ｎ型クラッド層３までのエピタキシャル成長層を絶縁化させて、素子分離絶縁膜８を形成する。その後、レジストマスク２０を除去する。
【００４０】
次に、図４（ｃ）に示すように、ｐ型キャップ層７上に再度レジストを塗布し、リソグラフィ技術により光共振エリアＡｒを保護しかつ溝形成領域に開口をもつパターンでレジストマスク２１を形成し、当該レジストマスク２１をエッチングマスクとして、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching) 等の異方性エッチングを行なうことにより、ｐ型キャップ層７から活性層４を突き抜ける溝Ｍを形成する。その後、レジストマスク２１を除去する。
【００４１】
次に、図４（ｄ）に示すように、ｐ型キャップ層７上に再度レジストを塗布し、リソグラフィ技術により光共振エリアＡｒを保護するパターンのレジストマスク２２を形成し、当該レジストマスク２２をマスクとして、エピタキシャル成長層に亜鉛を拡散させることにより、拡散領域１０を形成する。
【００４２】
次に、図５（ｅ）に示すように、ｐ側電極となる電極材料を溝Ｍ内に完全に埋め込んだ後、リフトオフ法により、レジストマスク２２上に堆積した金属材料とともにレジストマスク２２を除去して、溝Ｍに埋め込まれレーザ光出射口Ｃに開口を有するｐ側電極９を形成する。
【００４３】
最後に、図５（ｆ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、電極材料を堆積させて所定のパターンを形成することでｎ側電極１１を形成し、ｐ側電極９をマスクとしてレーザ光出射口Ｃに露出したｐ型キャップ層７をエッチングにより除去することにより、本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子が製造される。
【００４４】
上記構成の本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子では、上記のようにｐ側電極９の一部をｐ型反射多層膜６内に埋め込むことにより、電流注入は、活性層４の発光領域近傍におけるｐ型クラッド層５に直接行なわれる。このことは、ｐ型反射多層膜６内を電流が通らなくなることから、低抵抗化のためのｐ型反射多層膜６への不純物の注入が必要無くなり、不純物注入によるｐ型反射多層膜６内の非発光再結合中心の発生を抑制し、当該非発光再結合中心による無効電流を低減することができる。
【００４５】
同時にｐ型反射多層膜６内を電流が通らなくなることは、従来、低抵抗化に不可欠であったＤＢＲミラーのヘテロ接合バリア対策が不必要となるため、ＤＢＲミラーを構成する半導体材料の組成比を大きくとることができ、より小さいペア数で反射率を確保することができる等、ＤＢＲミラーの作製のための自由度を向上させることができ、簡易で制御しやすいＤＢＲミラーを製造することができる。
【００４６】
また、ｐ側電極９等の金属材料は、一般に面発光半導体レーザ素子を構成するＧａＡｓやＡｌＧａＡｓ等の半導体材料に比べて熱抵抗が小さいことから、この熱抵抗の小さいｐ側電極９が、光共振エリアＡｒにおける活性層４の発光領域に数μｍ程度に近づくことにより、発光領域において発光により発生した熱がｐ側電極９に伝達されて、素子外へ放散されることとなるから、従来よりも効率的に放熱することができ、温度特性を向上させることができる。
【００４７】
また、光共振エリアＡｒにおける活性層４の発光領域を取り囲むように同心円状にｐ側電極９が複数埋め込まれていることから、この共振エリアＡｒの周囲に形成された複数層の埋め込み部９１により、ｐ型反射多層膜６の光共振エリアＡｒから漏れた光を反射させ、再び活性層４の発光領域に戻すことができ、漏れ光の再利用化により電流効率向上を図ることができ、その結果、しきい値や動作電流の低減を図ることができる。
【００４８】
また、本実施形態では、数十μｍから数百μｍ程度のｐ型反射多層膜６に埋め込まれたｐ側電極９の埋め込み部９１によって光共振エリアＡｒが形成されることから、ｐ型反射多層膜６の物理的強度を向上させることができ、製造におけるハンドリング性向上と歩留り向上を図ることができる。
【００４９】
第２実施形態
図６は、本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。なお、第１実施形態に係る面発光半導体レーザ素子と同じ構成要素には、同じ符号を付しており、ここではその説明を省略する。
【００５０】
図６に示す面発光半導体レーザ素子では、ｐ型キャップ層７からｎ型クラッド層３におけるエピタキシャル成長層には、光共振エリアＡｒを避けた領域において、光共振エリアＡｒの近傍を取り囲む一つの溝のみが形成されており、当該溝内に埋め込まれてｐ側電極９が形成されている。ｐ側電極９は、図２に示したレーザ光出射口Ｃに最も近い埋め込み部９１のみが形成されているような形状を有する。
【００５１】
上記構成の面発光半導体レーザ素子の製造方法としては、第１実施形態において、図４（ｃ）に示す溝形成工程におけるレジストマスク２１の形状を変更することにより製造される。
【００５２】
上記構成の面発光半導体レーザ素子によれば、光共振エリアＡｒ周囲を囲む一つの埋め込み部９１しか有さないが、第１実施形態と比較して、活性層４の発光領域で発生した熱の放散、漏れ光の再利用の効果に関しては低下するものの、素子抵抗や物理強度の点においては同等の効果を得ることができると考えられる。
【００５３】
第３実施形態
図７は、本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。なお、第１実施形態に係る面発光半導体レーザ素子と同じ構成要素には、同じ符号を付しており、ここではその説明を省略する。
【００５４】
図７に示す面発光半導体レーザ素子では、第２実施形態と同様に、ｐ型キャップ層７からｎ型クラッド層３におけるエピタキシャル成長層には、光共振エリアＡｒを避けた領域において、光共振エリアＡｒの近傍を取り囲む一つの溝のみが形成されており、当該溝内に埋め込まれてｐ側電極９が形成されている。ｐ側電極９は、図２に示したレーザ光出射口Ｃに最も近い埋め込み部９１のみが形成されているような形状を有する。
【００５５】
そして、本実施形態ではさらに、ｐ型キャップ層７の表面に例えば第１実施形態と同様の同心円状の複数の溝が形成されており、当該ｐ型キャップ層７に形成された溝に埋め込まれてｐ側電極９が形成されることで、ｐ型キャップ層７内にも埋め込み部９２を有する。
【００５６】
上記構成の面発光半導体レーザ素子の製造方法としては、第１実施形態において、図４（ｃ）に示す溝形成工程におけるレジストマスク２１による溝Ｍの形成工程の前あるいは後に、同様にしてレジストマスクを用いてｐ型キャップ層７に埋め込み部９２の形成のための溝をエッチングによりパターン形成することにより、製造される。
【００５７】
上記構成の面発光半導体レーザ素子においては、第２実施形態と同様の効果を得るとともに、ｐ型キャップ層７上に形成されたｐ型電極において電流の流れる断面積を大きくすることができることから、第２実施形態に比して、低抵抗化を図ることができる。
【００５８】
第４実施形態
図８は、本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。なお、第１実施形態に係る面発光半導体レーザ素子と同じ構成要素には、同じ符号を付しており、ここではその説明を省略する。
【００５９】
図８に示す面発光半導体レーザ素子では、第２実施形態と同様に、エピタキシャル成長層には、光共振エリアＡｒを避けた領域において、光共振エリアＡｒの近傍を取り囲む一つの溝のみが形成されており、当該溝内に埋め込まれてｐ側電極９が形成されている。
【００６０】
本実施形態では、第２実施形態と異なり、溝内に埋め込まれたｐ型電極９の埋め込み部９１ａが、活性層４を貫かないでｐ型クラッド層５の途中まで埋め込まれて形成されている。
【００６１】
上記構成の面発光半導体レーザ素子の製造方法としては、第１実施形態において、図４（ｃ）に示す溝形成工程におけるレジストマスク２１の形状およびエッチング深さを変更することにより製造される。
【００６２】
上記構成の面発光半導体レーザ素子においては、第２実施形態に比して、埋め込み部９１ａと活性層４の発光領域との距離が遠ざかり、また、活性層４の発光領域の周囲は埋め込み部９１ａによって囲まれていないことから、活性層４の発光領域で発生した熱の放散、漏れ光の再利用に関しては第２実施形態に比して低下するものの、素子抵抗や物理強度の点においては同等の効果を得ることができると考えられる。
【００６３】
第５実施形態
図９は、本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。なお、第１実施形態に係る面発光半導体レーザ素子と同じ構成要素には、同じ符号を付しており、ここではその説明を省略する。
【００６４】
図９に示す面発光半導体レーザ素子では、ｎ型ＧａＡｓ基板１からｎ型クラッド層３にかけて、光共振エリアＡｒを避けた領域において、光共振エリアＡｒの近傍を取り囲む溝が形成されており、当該溝内に埋め込まれて断面が櫛状のｎ側電極１１が形成されており、ｎ側電極１１側にも埋め込み部１１ａを有する。
ｎ型ＧａＡｓ基板１からｎ型クラッド層３において、ｎ側電極１１と接続する部分には、ｎ側電極１１とのオーミック接触を達成するためｎ型不純物が導入された拡散領域１２が形成されている。
また、本実施形態では、第４実施形態と同様の深さを有する埋め込み部９１ａが複数形成され、断面が櫛状のｐ側電極９が形成されている。
【００６５】
上記構成の面発光半導体レーザ素子の製造方法としては、第１実施形態において、図５（ｆ）に示すｎ側電極堆積工程前にｎ型ＧａＡｓ基板１からｎ型クラッド層３の途中まで達する溝を形成した後に、ｎ側電極を堆積させることにより製造される。
【００６６】
上記構成の本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子では、上記のようにｎ側電極１１の一部をもｎ型反射多層膜２内に埋め込むことにより、電流注入は、活性層４の発光領域近傍におけるｎ型クラッド層３に直接行なわれることから、第１実施形態に比してさらに低抵抗化を図ることができる。
また、ｎ側電極１１の埋め込み部１１ａが、活性層４の発光領域に近づいていることから、発光領域において発光により発生した熱の素子外への放散にｎ側電極１１も機能することができ、さらに放熱特性を向上させることができる。
また、ｎ側電極１１の埋め込み部１１ａが、光共振エリアＡｒにおけるｎ型反射多層膜２およびｎ型クラッド層３の一部を取り囲んでいることから、ｎ型反射多層膜２の光共振エリアＡｒから漏れた光をも反射させて、再び活性層４の発光領域に戻すことができることから、第１実施形態に比してさらに、漏れ光の再利用化により電流効率向上を図ることができ、その結果、しきい値や動作電流の低減を図ることができる。
【００６７】
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、本実施形態において、ｐ側電極９が同心円状に埋め込まれた例について説明したが、これに限られるものでなく、図１０に示すように正方形状に埋め込まれていてもよく、図１１に示すように長方形状に埋め込まれいてよい。このように電極を円形でなく、矩形にすることで、偏光を制御することが可能になる。
また、ｐ側電極９やｎ側電極１１の埋め込み部の深さや数は、様々なバリエーションがあり、上記の実施形態において説明したものに限定されるものではない。
【００６８】
また、本実施形態では、ｐ側電極９とのオーミック接触を実現するためｐ側電極の堆積前に亜鉛を拡散する工程を有する例について説明したが、これに限られず、例えば、ｐ側電極９の材料として亜鉛と金の積層膜を用いた場合には、ｐ側電極の堆積後に熱処理を行なうことで、亜鉛が拡散して、上記の処理と同様の効果を得ることができる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、素子抵抗が低減く温度特性に優れ、安定した構造を有する面発光半導体レーザ素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
【図２】第１実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の上面図である。
【図３】第１実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の製造における工程断面図である。
【図４】第１実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の製造における工程断面図である。
【図５】第１実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の製造における工程断面図である。
【図６】第２実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
【図７】第３実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
【図８】第４実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
【図９】第５実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
【図１０】本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の電極形状の他の例を示す上面図である。
【図１１】本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の電極形状の他の例を示す上面図である。
【図１２】図１２（ａ）は従来例に係る面発光半導体レーザ素子の断面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）に示すｐ型ＤＢＲミラーの拡大断面図である。
【図１３】他の従来例に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
【符号の説明】
１…ｎ型ＧａＡｓ基板、２…ｎ型反射多層膜、３…ｎ型クラッド層、４…活性層、５…ｐ型クラッド層、６…ｐ型反射多層膜、７…ｐ型キャップ層、８…素子分離絶縁膜、９…ｐ側電極、９１，９１ａ，９２…埋め込み部、１０…拡散領域、１１…ｎ側電極、１１ａ…埋め込み部、１２…拡散領域、２０，２１，２２…レジストマスク、１０１…ｎ型ＧａＡｓ基板、１０２…ｎ型ＤＢＲミラー、１０３…ｎ型クラッド層、１０４…活性層、１０５…ｐ型クラッド層、１０６…ｐ型ＤＢＲミラー、１０７…ｐ型キャップ層、１０９…ｐ側電極、１１１…ｎ側電極、２０１…ｎ型ＧａＡｓ基板、２０２…ｎ型ＤＢＲミラー、２０３…ｎ型クラッド層、２０４…活性層、２０５…ｐ型クラッド層、２０６…ｐ型ＤＢＲミラー、２０７…ｐ型キャップ層、２０９…ｐ側電極、２１１…ｎ側電極、Ｃ…レーザ光出射口、Ａｒ…光共振エリア。
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光半導体レーザ素子およびその製造方法に関し、特に、垂直共振器型の面発光半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザでは、特開平８−１３９４１２号公報や、特開２０００−１７４３４０号公報に開示されているような面発光半導体レーザ素子や、特開平１１−５４８４３号公報に開示されているような端面発光半導体レーザ素子がある。
【０００３】
面発光半導体レーザ素子のうち、垂直共振器型の面発光半導体レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ) 素子では、断面が円形の光ビームを得ることができるだけでなく、複数の発光部分を二次元的に単一基板上に高密度に集積することもできる。また、ＶＣＳＥＬは、低い消費電力で動作し、低コストで製造することができる。
このような特徴のため、ＶＣＳＥＬは次世代の通信および光情報処理のための光源として注目され、これまでに様々な研究が行なわれている。
【０００４】
上記の面発光半導体レーザ素子は、基板の垂直方向に光共振器を持っており、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector ）ミラーと称される１００％近い反射率をもつ高反射多層膜を反射鏡として、素子の発光領域においてレーザ光を増幅させる。
【０００５】
このＤＢＲミラーは、屈折率（ｎ）が異なり、厚さがλ／４（λ：波長）からなる２つの薄い層をペアとして、それを２０〜４０層にも積み重ねることによって反射率を１００％近くにしている。
【０００６】
しかし組成差を大きく取るとＤＢＲミラーを構成する２層間の接合部分に存在するヘテロ接合バリアが大きくなり、素子抵抗を大きくしてしまう。また、逆に、組成差を小さくすると、所望の反射率を確保するためにＤＢＲミラーのペア数を増やす必要があり、ヘテロ接合バリアは小さくなるが、ミラー厚が厚くなることから素子抵抗を大きくする原因となってしまう。
【０００７】
このＤＢＲミラーに起因する素子抵抗は、１００Ωから２００Ωと非常に高く、これからの光通信等に必要な高速動作にとって不利なものとなってしまう。
上記のＤＢＲミラーの欠点を改善するため、従来の面発光半導体レーザ素子には、いくつかの構造があり、その代表的な例について以下に説明する。
【０００８】
図１２（ａ）は、従来例に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
図１２（ａ）に示す面発光半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＤＢＲミラー１０２、ｎ型クラッド層１０３、活性層１０４、ｐ型クラッド層１０５、ｐ型ＤＢＲミラー１０６が積層されており、当該ｐ型ＤＢＲミラー１０６上にｐ型キャップ層１０７を介してｐ側電極１０９が形成され、また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１のｎ型ＤＢＲミラー１０２の積層側とは反対側にｎ側電極１１１が形成されている。
【０００９】
ｎ型ＤＢＲミラー１０２は、屈折率の異なる２種の半導体材料として、例えば、ｎ型のＡｌＡｓ層およびｎ型のＧａＡｓ層が交互に積層された多層構造を有している。
【００１０】
ｐ型ＤＢＲミラー１０６は、図１２（ｂ）の拡大断面図に示すように、ミラーを構成するアルミニウムの組成比が小さく厚さｄ１のＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ＝０〜０．２）層１０６ａと、アルミニウムの組成比が大きく厚さｄ２のＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ＝０．８〜１．０）層１０６ｂとの間に、アルミニウムの組成比がＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層１０６ａ，１０６ｂの中間程度で厚さｄ３のＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ＝０．４〜０．６）層１０６ｃが中間層として挿入されて一つの組を構成しており、上記の組を何十層も積み重ねることにより形成されている。
【００１１】
このとき、ｐ型ＤＢＲミラー１０６におけるｐ型不純物のドーピング濃度は、ｐ型ＤＢＲミラー１０６の中間層の部分のみを１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以上にする高濃度ドーピングを行なうことが好ましい。ｐ型ＤＢＲミラー１０６に均一にｐ型不純物をドーピングすると、ｐ型ＤＢＲミラー１０６全体に非発光再結合中心が発生してしまい無効電流が大きくなってしまうからである。
【００１２】
図１２（ａ）および（ｂ）に示す面発光半導体レーザ素子では、組成比を大きくとった層の間に中間の組成比をもつ中間層を挿入することにより、ヘテロ接合バリアが急峻となるのを防止することができることから、素子抵抗を低減することができる。
【００１３】
図１３は、他の従来例に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
図１３に示す面発光半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ型ＤＢＲミラー２０２、ｎ型クラッド層２０３、活性層２０４、ｐ型クラッド層２０５、ｐ型ＤＢＲミラー２０６が積層されており、ｐ型ＤＢＲミラー２０６を避けた領域におけるｐ型クラッド層２０５上に、ｐ型キャップ層２０７を介してｐ側電極２０９が形成され、また、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１のｎ型ＤＢＲミラー２０２の積層側とは反対側にｎ側電極２１１が形成されている。
【００１４】
ｎ型ＤＢＲミラー２０２は、屈折率の異なる２種の半導体材料として、例えば、ｎ型のＡｌＡｓ層およびｎ型のＧａＡｓ層が交互に積層された多層構造を有しており、ｐ型ＤＢＲミラー２０６も同様に、例えば、ｐ型のＡｌＡｓ層およびｐ型のＧａＡｓ層が交互に積層された多層構造を有している。
【００１５】
図１３に示す構造では、ｐ型ＤＢＲミラー２０６を避けた領域におけるｐ型クラッド層２０５上に、ｐ型キャップ層２０７を介してｐ側電極２０９が形成されていることから、ｐ型ＤＢＲミラー２０６の抵抗を考慮する必要はなく、活性層２０４へ電流を注入することができることから、素子抵抗を低減することができる。
【００１６】
図１２および図１３に示す面発光半導体レーザ素子の構造により、面発光半導体レーザ素子の素子抵抗は１０〜１５Ωとなり、飛躍的な素子の低抵抗化に成功している。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来の面発光半導体レーザ素子にはそれぞれに問題がある。
図１２（ａ）および（ｂ）に示す面発光半導体レーザ素子では、ｐ型ＤＢＲミラー１０６を形成するために、アルミニウム組成比の小さいＡｌＧａＡｓ層１０６ａとアルミニウム組成比の大きいＡｌＧａＡｓ層１０６ｂとの間に、中間的なアルミニウム組成比をもつＡｌＧａＡｓ層１０６ｃを挿入しなければならず、エピタキシャルプロファイルが今までよりもずっと複雑化してしまい、エピタキシャル層の組成、膜厚、不純物のドーピングプロファイル等に精密な制御をほどこさなければならない。その結果、安定した構造を有する面発光レーザ素子を安価に製造することへの妨げとなる。
【００１８】
また、図１３に示す面発光半導体レーザ素子では、ｐ側電極２０９がｐ型ＤＢＲミラー２０６から離れて形成されるため、電流注入領域が、活性層２０４の発光領域から１０数μｍ以上離れてしまい、ｐ側電極２０９の直下の活性層２０４へ最短経路で流れる電流成分が大きくなり、活性層２０４の発光領域内で中央部よりも周辺部において発光が集中する。
このため、外部より観察される発光強度は、中央部が低く、周辺部が強い不均一なものになってしまっていた。また、さらに、従来技術では、しきい値電流低減やｐ型クラッド層２０５上への電極形成のために、ｐ型ＤＢＲミラー２０６を１０数μｍに微細加工する必要があったため、このｐ型ＤＢＲミラー２０６の物理強度は非常に低くなってしまうという問題があった。
【００１９】
また、特開平２０００−２６１０８８号公報等に示すように、一般に温度の変化によって出力特性が変動することから端面発光半導体レーザ素子において放熱特性を改善することが行なわれており、このことは面発光半導体レーザ素子においても同様であり、活性層の発光領域の発光により発生した熱を外部へ放散させて温度特性に優れた面発光半導体レーザ素子を作製することが望まれている。
【００２０】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、素子抵抗が低く温度特性に優れ、安定した構造を有する面発光半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の面発光半導体レーザ素子は、第１の反射多層膜と、前記第１の反射多層膜に形成された第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層に形成され、発光領域をもつ活性層と、前記活性層の発光領域に形成された第２のクラッド層と、前記第２のクラッド層に形成された第２の反射多層膜とが積層されて構成され、積層方向において前記第１の反射多層膜を貫通して前記第１のクラッド層まで、かつ、前記積層方向と直交する方向において前記発光領域を中心としてその外周領域に形成された第１の電極と、前記積層方向において前記活性層および前記第１のクラッド層を挟んで前記第１の電極と対向する位置、かつ前記積層方向と直交する方向において、前記第２の反射多層膜の外周に、前記第２のクラッド層まで、同心円状または同心矩形状に形成された複数の電極を有する第２の電極とが形成され、前記発光領域、前記第１のクラッド層、前記第２のクラッド層、前記第１の反射多層膜および前記第２の反射多層膜が光共振器を構成している。
【００２２】
上記の本発明の面発光半導体レーザ素子によれば、第１および第２の電極の一部が、光共振器の光共振エリアを除く光共振エリアの近傍において、活性層に近づくように光共振器内に埋め込まれて形成されていることから、電極から活性層の発光領域へ電流注入する経路が短くなる。また、活性層の発光領域に電極が近づくことにより、活性層の発光領域において発光により発生した熱が当該電極に伝達され、電極を介して素子外へ放散される。さらに、活性層の発光領域に電極が近づくことにより、光共振エリアから外れた光が当該電極によって反射された場合に、再び活性層の発光領域へ戻されることとなる。
【００２３】
さらに、上記の目的を達成するため、本発明の面発光半導体レーザ素子の製造方法は、第１の反射多層膜と、前記第１の反射多層膜に第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層に、発光領域をもつ活性層と第２のクラッド層と第２の反射多層膜とを順次積層する工程と、積層方向において前記活性層および前記第１のクラッド層を挟んで前記第１の電極と対向する位置、かつ前記積層方向と直交する方向において、前記第２の反射多層膜の外周に、前記第２のクラッド層まで、同心円状または同心矩形状に形成された複数の電極を有する第２の電極用の溝を形成する工程と、前記第２の電極用の溝内を埋め込んで前記第２の反射多層膜上に第２の電極を形成する工程と、前記積層方向において前記第１の反射多層膜を貫通して前記第１のクラッド層まで、かつ、前記積層方向と直交する方向において前記発光領域を中心としてその外周領域に第１の電極用の溝を形成する工程と、前記第１の電極用の溝内を埋め込んで前記第１の反射多層膜上に第１の電極を形成する工程とを有する。
【００２４】
上記の本発明の面発光半導体レーザ素子の製造方法によれば、第１および第２の電極を形成する際に、光共振器用層の光共振エリアを除く光共振エリアの近傍において、光共振器用層に溝を形成し、溝内を埋め込んで反射多層膜上に電極を形成することにより、上述した作用を有する面発光半導体レーザ素子が製造される。そして、電極から活性層の発光領域へ電流注入する経路が短くなることから、反射多層膜の製造において抵抗値による制限が緩和される。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の面発光半導体レーザ素子およびその製造方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２６】
第１実施形態
図１は、本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
図１に示す面発光半導体レーザ素子では、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型反射多層膜２、ｎ型クラッド層３、活性層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型反射多層膜６およびｐ型キャップ層７からなるエピタキシャル成長層が形成されている。
【００２７】
ｎ型反射多層膜２より活性層４側のエピタキシャル成長層には、素子形成領域を除いてプロトンあるいは酸素イオン等がイオン注入されることで絶縁化されており、これによって素子分離絶縁膜８が形成されている。
【００２８】
ｎ型ＧａＡｓ基板１上に形成されたｎ型反射多層膜２、ｎ型クラッド層３、活性層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型反射多層膜６が光共振器を構成しており、素子分離絶縁膜８に囲まれたエピタキシャル成長層の中央部が光共振エリアＡｒとなり、当該光共振エリアＡｒにおける活性層４が実質的に発光する発光領域となる。光共振エリアＡｒの径は、例えば、２〜５μｍ程度である。
【００２９】
上記のｐ型キャップ層７からｎ型クラッド層３におけるエピタキシャル成長層には、光共振エリアＡｒを避け、かつ光共振エリアＡｒの近傍から外側へと複数の溝が形成されており、当該溝内に埋め込まれて断面が櫛状のｐ側電極９が形成されている。エピタキシャル成長層においてｐ側電極９と接続する部分には、ｐ側電極９とのオーミック接触を達成するための亜鉛が導入された拡散領域１０が形成されている。
【００３０】
上記の溝は、光共振エリアＡｒから同心円状に形成されており、図２の上面図に示すように、このエピタキシャル成長層内に埋め込まれたｐ側電極９の埋め込み部９１は、レーザ光出射口Ｃを中心として、同心円状に形成されている。
【００３１】
ｐ型キャップ層７およびｐ側電極９は、レーザ光出射口Ｃにおいて除去されており、また、ｎ型ＧａＡｓ基板１のｎ型反射多層膜２の積層側とは反対側にｎ側電極１１が形成されている。
以下に、上記積層構造の構成の一例を詳細に説明する。
【００３２】
ｎ型反射多層膜２は、屈折率の異なる２種の半導体材料、例えば、ｎ型ＡｌＡｓ層とｎ型ＧａＡｓ層をペアーとして繰り返し積層された構造を有しており、分布反射器（Distributed Bragg Reflector:ＤＢＲ）を構成している。ＤＢＲは、屈折率（ｎ）が異なり、厚さがλ／４（λ：波長）からなる２つの薄い層をペアーとして、それを何十層（２０〜４０）にも積み重ねることによって反射率を１００％近くにしたミラーである。なお、ｎ型反射多層膜２は、例えばＳｉＯ2 とＴｉ2 Ｏをペアーとして誘電体層を複数積層させるような誘電体ミラーであってもよい。
【００３３】
活性層４は、例えば、ウェル層として機能するＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓと、バリア層として機能するＧａＡｓとを含む歪量子井戸構造を有し、この活性層４を挟み込んでｎ型クラッド層３およびｐ型クラッド層５が形成され、例えば、ｎ型クラッド層３はｎ型のＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓからなり、ｐ型クラッド層５は、ｐ型のＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓからなる。
【００３４】
ｐ型反射多層膜６は、例えば、ｐ型ＡｌＡｓ層と、ｐ型ＧａＡｓ層をペアーとして繰り返し積層された構造を有しており、上側の分布反射器（ＤＢＲ）として機能する。なお、ｐ型反射多層膜６は、上述した誘電体ミラーにより構成されていてもよい。
【００３５】
ｐ型キャップ層７は、ｐ側電極９とオーミック接触を形成するために設けられており、例えば、ｐ型の不純物であるＺｎが高濃度に導入されたｐ型ＧａＡｓにより構成され、そのレーザ光出射口Ｃにおいて開口が形成されている。
【００３６】
ｐ側電極９は、例えば、ｐ型キャップ層７側から例えばＴｉ層／Ｐｔ層／Ａｕ層が順に積層されて形成されており、ｎ側電極１１は、例えば、ｎ型ＧａＡｓ基板１側からＡｕＧｅ合金層／Ｎｉ層／Ａｕ層が順に積層されて形成されている。
【００３７】
次に、上記構成の本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の製造方法について、図３〜図５を参照して説明する。
【００３８】
まず、図３（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型反射多層膜２、ｎ型クラッド層３、活性層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型反射多層膜６、ｐ型キャップ層７を構成する複数の半導体層を、ＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）やＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）等によってエピタキシャル成長させる。
【００３９】
次に、図３（ｂ）に示すように、ｐ型キャップ層７上に、レジストを塗布し、リソグラフィ技術により素子形成領域を保護するレジストマスク２０を形成し、当該レジストマスク２０をマスクとして、酸素イオンやプロトン等をイオン注入することにより、ｎ型クラッド層３までのエピタキシャル成長層を絶縁化させて、素子分離絶縁膜８を形成する。その後、レジストマスク２０を除去する。
【００４０】
次に、図４（ｃ）に示すように、ｐ型キャップ層７上に再度レジストを塗布し、リソグラフィ技術により光共振エリアＡｒを保護しかつ溝形成領域に開口をもつパターンでレジストマスク２１を形成し、当該レジストマスク２１をエッチングマスクとして、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching) 等の異方性エッチングを行なうことにより、ｐ型キャップ層７から活性層４を突き抜ける溝Ｍを形成する。その後、レジストマスク２１を除去する。
【００４１】
次に、図４（ｄ）に示すように、ｐ型キャップ層７上に再度レジストを塗布し、リソグラフィ技術により光共振エリアＡｒを保護するパターンのレジストマスク２２を形成し、当該レジストマスク２２をマスクとして、エピタキシャル成長層に亜鉛を拡散させることにより、拡散領域１０を形成する。
【００４２】
次に、図５（ｅ）に示すように、ｐ側電極となる電極材料を溝Ｍ内に完全に埋め込んだ後、リフトオフ法により、レジストマスク２２上に堆積した金属材料とともにレジストマスク２２を除去して、溝Ｍに埋め込まれレーザ光出射口Ｃに開口を有するｐ側電極９を形成する。
【００４３】
最後に、図５（ｆ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、電極材料を堆積させて所定のパターンを形成することでｎ側電極１１を形成し、ｐ側電極９をマスクとしてレーザ光出射口Ｃに露出したｐ型キャップ層７をエッチングにより除去することにより、本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子が製造される。
【００４４】
上記構成の本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子では、上記のようにｐ側電極９の一部をｐ型反射多層膜６内に埋め込むことにより、電流注入は、活性層４の発光領域近傍におけるｐ型クラッド層５に直接行なわれる。このことは、ｐ型反射多層膜６内を電流が通らなくなることから、低抵抗化のためのｐ型反射多層膜６への不純物の注入が必要無くなり、不純物注入によるｐ型反射多層膜６内の非発光再結合中心の発生を抑制し、当該非発光再結合中心による無効電流を低減することができる。
【００４５】
同時にｐ型反射多層膜６内を電流が通らなくなることは、従来、低抵抗化に不可欠であったＤＢＲミラーのヘテロ接合バリア対策が不必要となるため、ＤＢＲミラーを構成する半導体材料の組成比を大きくとることができ、より小さいペア数で反射率を確保することができる等、ＤＢＲミラーの作製のための自由度を向上させることができ、簡易で制御しやすいＤＢＲミラーを製造することができる。
【００４６】
また、ｐ側電極９等の金属材料は、一般に面発光半導体レーザ素子を構成するＧａＡｓやＡｌＧａＡｓ等の半導体材料に比べて熱抵抗が小さいことから、この熱抵抗の小さいｐ側電極９が、光共振エリアＡｒにおける活性層４の発光領域に数μｍ程度に近づくことにより、発光領域において発光により発生した熱がｐ側電極９に伝達されて、素子外へ放散されることとなるから、従来よりも効率的に放熱することができ、温度特性を向上させることができる。
【００４７】
また、光共振エリアＡｒにおける活性層４の発光領域を取り囲むように同心円状にｐ側電極９が複数埋め込まれていることから、この共振エリアＡｒの周囲に形成された複数層の埋め込み部９１により、ｐ型反射多層膜６の光共振エリアＡｒから漏れた光を反射させ、再び活性層４の発光領域に戻すことができ、漏れ光の再利用化により電流効率向上を図ることができ、その結果、しきい値や動作電流の低減を図ることができる。
【００４８】
また、本実施形態では、数十μｍから数百μｍ程度のｐ型反射多層膜６に埋め込まれたｐ側電極９の埋め込み部９１によって光共振エリアＡｒが形成されることから、ｐ型反射多層膜６の物理的強度を向上させることができ、製造におけるハンドリング性向上と歩留り向上を図ることができる。
【００４９】
第２実施形態
図６は、本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。なお、第１実施形態に係る面発光半導体レーザ素子と同じ構成要素には、同じ符号を付しており、ここではその説明を省略する。
【００５０】
図６に示す面発光半導体レーザ素子では、ｐ型キャップ層７からｎ型クラッド層３におけるエピタキシャル成長層には、光共振エリアＡｒを避けた領域において、光共振エリアＡｒの近傍を取り囲む一つの溝のみが形成されており、当該溝内に埋め込まれてｐ側電極９が形成されている。ｐ側電極９は、図２に示したレーザ光出射口Ｃに最も近い埋め込み部９１のみが形成されているような形状を有する。
【００５１】
上記構成の面発光半導体レーザ素子の製造方法としては、第１実施形態において、図４（ｃ）に示す溝形成工程におけるレジストマスク２１の形状を変更することにより製造される。
【００５２】
上記構成の面発光半導体レーザ素子によれば、光共振エリアＡｒ周囲を囲む一つの埋め込み部９１しか有さないが、第１実施形態と比較して、活性層４の発光領域で発生した熱の放散、漏れ光の再利用の効果に関しては低下するものの、素子抵抗や物理強度の点においては同等の効果を得ることができると考えられる。
【００５３】
第３実施形態
図７は、本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。なお、第１実施形態に係る面発光半導体レーザ素子と同じ構成要素には、同じ符号を付しており、ここではその説明を省略する。
【００５４】
図７に示す面発光半導体レーザ素子では、第２実施形態と同様に、ｐ型キャップ層７からｎ型クラッド層３におけるエピタキシャル成長層には、光共振エリアＡｒを避けた領域において、光共振エリアＡｒの近傍を取り囲む一つの溝のみが形成されており、当該溝内に埋め込まれてｐ側電極９が形成されている。ｐ側電極９は、図２に示したレーザ光出射口Ｃに最も近い埋め込み部９１のみが形成されているような形状を有する。
【００５５】
そして、本実施形態ではさらに、ｐ型キャップ層７の表面に例えば第１実施形態と同様の同心円状の複数の溝が形成されており、当該ｐ型キャップ層７に形成された溝に埋め込まれてｐ側電極９が形成されることで、ｐ型キャップ層７内にも埋め込み部９２を有する。
【００５６】
上記構成の面発光半導体レーザ素子の製造方法としては、第１実施形態において、図４（ｃ）に示す溝形成工程におけるレジストマスク２１による溝Ｍの形成工程の前あるいは後に、同様にしてレジストマスクを用いてｐ型キャップ層７に埋め込み部９２の形成のための溝をエッチングによりパターン形成することにより、製造される。
【００５７】
上記構成の面発光半導体レーザ素子においては、第２実施形態と同様の効果を得るとともに、ｐ型キャップ層７上に形成されたｐ型電極において電流の流れる断面積を大きくすることができることから、第２実施形態に比して、低抵抗化を図ることができる。
【００５８】
第４実施形態
図８は、本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。なお、第１実施形態に係る面発光半導体レーザ素子と同じ構成要素には、同じ符号を付しており、ここではその説明を省略する。
【００５９】
図８に示す面発光半導体レーザ素子では、第２実施形態と同様に、エピタキシャル成長層には、光共振エリアＡｒを避けた領域において、光共振エリアＡｒの近傍を取り囲む一つの溝のみが形成されており、当該溝内に埋め込まれてｐ側電極９が形成されている。
【００６０】
本実施形態では、第２実施形態と異なり、溝内に埋め込まれたｐ型電極９の埋め込み部９１ａが、活性層４を貫かないでｐ型クラッド層５の途中まで埋め込まれて形成されている。
【００６１】
上記構成の面発光半導体レーザ素子の製造方法としては、第１実施形態において、図４（ｃ）に示す溝形成工程におけるレジストマスク２１の形状およびエッチング深さを変更することにより製造される。
【００６２】
上記構成の面発光半導体レーザ素子においては、第２実施形態に比して、埋め込み部９１ａと活性層４の発光領域との距離が遠ざかり、また、活性層４の発光領域の周囲は埋め込み部９１ａによって囲まれていないことから、活性層４の発光領域で発生した熱の放散、漏れ光の再利用に関しては第２実施形態に比して低下するものの、素子抵抗や物理強度の点においては同等の効果を得ることができると考えられる。
【００６３】
第５実施形態
図９は、本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。なお、第１実施形態に係る面発光半導体レーザ素子と同じ構成要素には、同じ符号を付しており、ここではその説明を省略する。
【００６４】
図９に示す面発光半導体レーザ素子では、ｎ型ＧａＡｓ基板１からｎ型クラッド層３にかけて、光共振エリアＡｒを避けた領域において、光共振エリアＡｒの近傍を取り囲む溝が形成されており、当該溝内に埋め込まれて断面が櫛状のｎ側電極１１が形成されており、ｎ側電極１１側にも埋め込み部１１ａを有する。
ｎ型ＧａＡｓ基板１からｎ型クラッド層３において、ｎ側電極１１と接続する部分には、ｎ側電極１１とのオーミック接触を達成するためｎ型不純物が導入された拡散領域１２が形成されている。
また、本実施形態では、第４実施形態と同様の深さを有する埋め込み部９１ａが複数形成され、断面が櫛状のｐ側電極９が形成されている。
【００６５】
上記構成の面発光半導体レーザ素子の製造方法としては、第１実施形態において、図５（ｆ）に示すｎ側電極堆積工程前にｎ型ＧａＡｓ基板１からｎ型クラッド層３の途中まで達する溝を形成した後に、ｎ側電極を堆積させることにより製造される。
【００６６】
上記構成の本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子では、上記のようにｎ側電極１１の一部をもｎ型反射多層膜２内に埋め込むことにより、電流注入は、活性層４の発光領域近傍におけるｎ型クラッド層３に直接行なわれることから、第１実施形態に比してさらに低抵抗化を図ることができる。
また、ｎ側電極１１の埋め込み部１１ａが、活性層４の発光領域に近づいていることから、発光領域において発光により発生した熱の素子外への放散にｎ側電極１１も機能することができ、さらに放熱特性を向上させることができる。
また、ｎ側電極１１の埋め込み部１１ａが、光共振エリアＡｒにおけるｎ型反射多層膜２およびｎ型クラッド層３の一部を取り囲んでいることから、ｎ型反射多層膜２の光共振エリアＡｒから漏れた光をも反射させて、再び活性層４の発光領域に戻すことができることから、第１実施形態に比してさらに、漏れ光の再利用化により電流効率向上を図ることができ、その結果、しきい値や動作電流の低減を図ることができる。
【００６７】
本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、本実施形態において、ｐ側電極９が同心円状に埋め込まれた例について説明したが、これに限られるものでなく、図１０に示すように正方形状に埋め込まれていてもよく、図１１に示すように長方形状に埋め込まれいてよい。このように電極を円形でなく、矩形にすることで、偏光を制御することが可能になる。
また、ｐ側電極９やｎ側電極１１の埋め込み部の深さや数は、様々なバリエーションがあり、上記の実施形態において説明したものに限定されるものではない。
【００６８】
また、本実施形態では、ｐ側電極９とのオーミック接触を実現するためｐ側電極の堆積前に亜鉛を拡散する工程を有する例について説明したが、これに限られず、例えば、ｐ側電極９の材料として亜鉛と金の積層膜を用いた場合には、ｐ側電極の堆積後に熱処理を行なうことで、亜鉛が拡散して、上記の処理と同様の効果を得ることができる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、素子抵抗が低減く温度特性に優れ、安定した構造を有する面発光半導体レーザ素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
【図２】第１実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の上面図である。
【図３】第１実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の製造における工程断面図である。
【図４】第１実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の製造における工程断面図である。
【図５】第１実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の製造における工程断面図である。
【図６】第２実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
【図７】第３実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
【図８】第４実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
【図９】第５実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
【図１０】本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の電極形状の他の例を示す上面図である。
【図１１】本実施形態に係る面発光半導体レーザ素子の電極形状の他の例を示す上面図である。
【図１２】図１２（ａ）は従来例に係る面発光半導体レーザ素子の断面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）に示すｐ型ＤＢＲミラーの拡大断面図である。
【図１３】他の従来例に係る面発光半導体レーザ素子の断面図である。
【符号の説明】
１…ｎ型ＧａＡｓ基板、２…ｎ型反射多層膜、３…ｎ型クラッド層、４…活性層、５…ｐ型クラッド層、６…ｐ型反射多層膜、７…ｐ型キャップ層、８…素子分離絶縁膜、９…ｐ側電極、９１，９１ａ，９２…埋め込み部、１０…拡散領域、１１…ｎ側電極、１１ａ…埋め込み部、１２…拡散領域、２０，２１，２２…レジストマスク、１０１…ｎ型ＧａＡｓ基板、１０２…ｎ型ＤＢＲミラー、１０３…ｎ型クラッド層、１０４…活性層、１０５…ｐ型クラッド層、１０６…ｐ型ＤＢＲミラー、１０７…ｐ型キャップ層、１０９…ｐ側電極、１１１…ｎ側電極、２０１…ｎ型ＧａＡｓ基板、２０２…ｎ型ＤＢＲミラー、２０３…ｎ型クラッド層、２０４…活性層、２０５…ｐ型クラッド層、２０６…ｐ型ＤＢＲミラー、２０７…ｐ型キャップ層、２０９…ｐ側電極、２１１…ｎ側電極、Ｃ…レーザ光出射口、Ａｒ…光共振エリア。
Claims (6)
- 第１の反射多層膜と、
前記第１の反射多層膜に形成された第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層に形成され、発光領域をもつ活性層と、
前記活性層の発光領域に形成された第２のクラッド層と、
前記第２のクラッド層に形成された第２の反射多層膜と
が積層されて構成され、
積層方向において前記第１の反射多層膜を貫通して前記第１のクラッド層まで、かつ、前記積層方向と直交する方向において前記発光領域を中心としてその外周領域に形成された第１の電極と、
前記積層方向において前記活性層および前記第１のクラッド層を挟んで前記第１の電極と対向する位置、かつ前記積層方向と直交する方向において、前記第２の反射多層膜の外周に、前記第２のクラッド層まで、同心円状または同心矩形状に形成された複数の電極を有する第２の電極と
が形成され、
前記発光領域、前記第１のクラッド層、前記第２のクラッド層、前記第１の反射多層膜および前記第２の反射多層膜が光共振器を構成している
面発光半導体レーザ素子。 - 前記光共振器における前記第１の電極との接触部位および前記第２の電極との接触部位に、導電性不純物が導入されている
請求項１記載の面発光半導体レーザ素子。 - 前記第１および第２の反射多層膜が、誘電体による多層膜、あるいは半導体によるブラッグリフレクタにより形成されている
請求項２記載の面発光半導体レーザ素子。 - 第１の反射多層膜と、前記第１の反射多層膜に第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層に、発光領域をもつ活性層と第２のクラッド層と第２の反射多層膜とを順次積層する工程と、
積層方向において前記活性層および前記第１のクラッド層を挟んで前記第１の電極と対向する位置、かつ前記積層方向と直交する方向において、前記第２の反射多層膜の外周に、前記第２のクラッド層まで、同心円状または同心矩形状に形成された複数の電極を有する第２の電極用の溝を形成する工程と、
前記第２の電極用の溝内を埋め込んで前記第２の反射多層膜上に第２の電極を形成する工程と、
前記積層方向において前記第１の反射多層膜を貫通して前記第１のクラッド層まで、かつ、前記積層方向と直交する方向において前記発光領域を中心としてその外周領域に第１の電極用の溝を形成する工程と、
前記第１の電極用の溝内を埋め込んで前記第１の反射多層膜上に第１の電極を形成する工程とを有する
面発光半導体レーザ素子の製造方法。 - 前記第１の電極用の溝を形成する工程の後、前記第１の電極を形成する工程の前に、前記第１の電極用の溝内を含む前記光共振器用層における前記第１の電極との接触部分に、導電性不純物を拡散させる工程と、
前記第２の電極用の溝を形成する工程の後、前記第２の電極を形成する工程の前に、前記第２の電極用の溝内を含む前記光共振器用層における前記第２の電極との接触部分に、導電性不純物を拡散させる工程とをさらに有する
請求項４記載の面発光半導体レーザ素子の製造方法。 - 前記第１および第２の反射多層膜は、誘電体による多層膜、あるいは半導体によるブラッグリフレクタにより形成される
請求項５記載の面発光半導体レーザ素子の製造方法。
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