JP4602692B2

JP4602692B2 - 面発光レーザ及び光伝送システム

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Publication number: JP4602692B2
Application number: JP2004128206A
Authority: JP
Inventors: 彰浩伊藤; 直人軸谷
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2024-04-23
Also published as: JP2005311175A

Description

本発明は、面発光レーザ及び光伝送システムに関する。

面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、半導体基板と垂直方向にレーザ共振器を構成し、一対の電極から電流を注入し、発振光を基板と垂直に出射するレーザであり、次のような利点をもつ。

すなわち、活性層体積を小さくできることから、低いしきい値電流，低い消費電力で駆動できる。また、共振器のモード体積が小さいため、数十ＧＨｚの変調が可能であり、高速伝送に向く。また、出射光の広がり角が小さく、光ファイバへの結合が容易である。また、面発光レーザは、作製にへき開を必要とせず素子面積も小さいので、並列化及び２次元高密度アレイ化が容易である。

このため、ＶＣＳＥＬは、ＬＡＮなどの光伝送用光源への適用にとどまらず、ボード間，ボード内，ＬＳＩのチップ間，チップ内の光伝送用光源への適用が期待されている。

ＶＣＳＥＬは、次のような構成をとる。すなわち、基板側と表面側に、一対の高反射率の反射鏡が設けられ、これらの反射鏡の間に活性層が設けられ、活性層と２つの反射鏡の間に、上下２つのスペーサ層が設けられる。

さらに、しきい値電流を小さくするため、活性層近傍に電流を閉じ込める電流狭窄構造が設けられる。この電流狭窄構造は、多くの場合、発光部近傍以外の領域に高抵抗領域を形成する方法がとられ、代表的なものとしては、プロトンイオン注入法，選択酸化法が知られている。

ここで、プロトンイオン注入法は、例えば、非特許文献１に示されているように、素子構成膜の表面からプロトンをイオン注入し高抵抗領域を形成する方法である。

また、選択酸化法は、例えば、非特許文献２に示されているように、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ膜を含む素子構成膜の上部をエッチングによりメサ状に加工した後、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ膜を水蒸気中で熱処理しメサ側壁から酸化し高抵抗領域を形成する方法である。

これらの２つの方法のうち、選択酸化法が、電流の閉じ込めのほかに、導電性の非酸化部と高抵抗の酸化領域の屈折率差が大きいので、光の閉じ込めも可能となり、単一モード発振が得やすいなどの理由で、近年多くのＶＣＳＥＬで採用されている。

しかしながら、選択酸化法は、発光部で発生する熱の放熱を良くするためと機械的強度を持たせるためと側壁でのキャリアの再結合分を少なくするために、メサの膜面方向の寸法は３０×３０μｍ^２程度以上必要となるが、狭窄部寸法は５×５μｍ^２程度であるので、１２μｍ以上の酸化距離となり、多くの場合では、この酸化距離を再現性良く得るのは困難であるという問題がある。

また、少なくとも活性層に近い被選択酸化層の側面を露出させて酸化する必要があるため、メサの高さは３．５〜９μｍとなり、素子表面の凹凸が大きくなる。このため、上部電極形成や実装時に厚い保護膜を形成するなどの平坦化処理が必要となり、且つ、メサの破損を防ぐためメサに荷重を加えない工程の設定が必要となる。

このような選択酸化法による電流狭窄工程の問題を解決するため、例えば特許文献１，特許文献２には、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ被選択酸化層を含む素子構成膜を形成した後に、表面から被選択酸化層に達する複数の孔をエッチングにより設け、これらの孔を介して水蒸気を導入し、熱処理して電流狭窄構造を形成する方法が示されている。

この方法によれば、短い酸化距離で電流狭窄構造を形成でき、素子表面の平坦化もできる。

しかし、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ被選択酸化層の半導体素子構成膜の表面からの深さは３〜６．５μｍの位置にあり、これらの孔はこの選択酸化層に達する必要があり、かつ、キャリアの非発光再結合を防ぐため上部スペーサ層に達しないようにする必要がある。このため、孔の深さの精度は±０．２μｍ以内が必要である。

通常これらの孔はドライエッチング法で作成されるが、発光分光法などのエッチングモニター法を用いてもエッチング深さの制御性は±５パーセント程度であり。この必要精度を得るのは困難である。
Ｂ．Ｔｅｌｌｅｔａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５７（１９９０）１８５５Ｋ．Ｄ．Ｃｈｏｑｕｅｔｔｅｅｔａｌ．ＩＥＥＥＰｈｏｔｏｎｉｃｓＴｅｃｈｏｌｏｇｙＬｅｔｔｅｒｓ．７（１９９５）１２３７特許第３１６２３３３号特開平１１−１０３１２９

本発明は、歩留よく、制御性よく電流狭窄構造を形成することができ、安定したレーザ特性を持つ、平坦化工程が不用な、機械的強度が高い面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）及び光伝送システムを提供することを目的としている。

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、下部半導体多層膜反射鏡（下部半導体ＤＢＲ）、下部スペーサ層、活性層、上部スペーサ層、第１の上部半導体多層膜反射鏡（第１の上部半導体ＤＢＲ）、第２の上部多層膜反射鏡（第２の上部ＤＢＲ）が順次に設けられ、前記第１の上部半導体多層膜反射鏡の少なくとも一部の層には、複数の高抵抗領域形成用孔が設けられ、複数の高抵抗領域形成用孔から酸化を施して高抵抗領域形成用孔の周辺に高抵抗領域を形成することで、導電性領域と前記高抵抗領域形成用孔の周辺に形成された高抵抗領域とからなる電流狭窄層が形成されており、前記第２の上部多層膜反射鏡（第２の上部ＤＢＲ）の少なくとも一部は、誘電体多層膜からなっていることを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の面発光レーザにおいて、前記電流狭窄層の導電性領域は、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層からなり、前記高抵抗領域は、前記Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層が前記高抵抗領域形成用孔を通して供給された酸化種により酸化された層からなっていることを特徴としている。

また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の面発光レーザにおいて、前記高抵抗領域形成用孔は、少なくとも内面が、素子構成膜よりも低い屈折率の材料で被覆または充填されてい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乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光レーザにおいて、活性層は、ＧａＩｎＮＡｓ系材料を含んでいることを特徴としている。

また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光レーザが発光デバイスとして用いられることを特徴とする光伝送システムである。

請求項１記載の発明によれば、上部ＤＢＲを２つに分け、下層の上部ＤＢＲ（第１の上部半導体ＤＢＲ）の表面から高抵抗領域形成用孔が設けられる構成となっているので、高精度に再現性良く高抵抗領域形成用孔を形成可能であって、このような高抵抗領域形成用孔を利用して、制御性よく電流狭窄構造を形成することができ、安定したレーザ特性を持つ、平坦化工程が不用な、機械的強度が高い面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を提供することができる。さらに、請求項１記載の発明では、第２の上部ＤＢＲとして、このＤＢＲへの適応性が高い誘電体ＤＢＲを用いているので、より容易に、上記の作用効果が得られる。

より詳細に、次の利点をもつ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が高い歩留まりで得られる。すなわち、請求項１の発明の面発光レーザでは、短い酸化距離で電流狭窄構造を形成できるので、電流狭窄構造形成工程での歩留まりが向上する。また、放熱性に劣るメサ構造をとる必要がなく、素子の温度が上昇しにくくなるので、安定したレーザ特性が得られる。また、凹凸のあるメサ構造をとる必要がないため、平坦化工程が不用で、機械的破損の耐性も高くなる。

また、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の面発光レーザにおいて、前記電流狭窄層の導電性領域は、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層からなり、前記高抵抗領域は、前記Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層が前記高抵抗領域形成用孔を通して供給された酸化種により酸化された層からなっており、反応条件を変えることによって適度に酸化速度を調節できるＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層を高抵抗可能層として用いているので、電流狭窄構造形成の制御性をより一層高めることができる。

また、請求項３記載の発明によれば、高抵抗部形成用孔の少なくとも内面が、素子構成膜より低い屈折率材料で被覆又は充填されているので、光の閉じ込めが良好になり、低いしきい値電流の、高い発光効率の、出力光のモードが制限された面発光レーザが得られる。また、高抵抗部形成用孔の内面の欠陥が低減するので、キャリアの非発光再結合が低減し、これによって、低いしきい値電流の、高い発光効率の面発光レーザが得られる。

また、請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光レーザにおいて、活性層は、ＧａＩｎＮＡｓ系材料を含んでいるので、歩留まり良くかつ制御性良く電流狭窄構造を形成できるＧａＩｎＮＡｓ系面発光レーザを得ることができる。よって、より高性能なレーザ特性をもち、より製造コストが小さく、光伝送に適用性の高い面発光レーザを提供できる。

また、請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光レーザが発光デバイスとして用いられることを特徴とする光伝送システムであるので、より高性能でより低コストなデータ伝送システムを提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

（第１の形態）
本発明の第１の形態は、半導体基板上に、下部半導体多層膜反射鏡（下部半導体ＤＢＲ）、下部スペーサ層、活性層、上部スペーサ層、第１の上部半導体多層膜反射鏡（第１の上部半導体ＤＢＲ）、第２の上部多層膜反射鏡（第２の上部ＤＢＲ）が順次に設けられ、前記第１の上部半導体多層膜反射鏡の少なくとも一部の層には、複数の高抵抗領域形成用孔が設けられ、複数の高抵抗領域形成用孔から酸化を施して高抵抗領域形成用孔の周辺に高抵抗領域を形成することで、導電性領域と前記高抵抗領域形成用孔の周辺に形成された高抵抗領域とからなる電流狭窄層が形成されていることを特徴とする面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）である。

なお、ここで、第１の上部半導体多層膜反射鏡の少なくとも一部の領域に接続して上部電極が設けられ、また、下部スペーサ層と基板との間のいずれかの層の少なくとも一部の領域に接続して下部電極が設けられている。

また、上記本発明の面発光レーザにおいて、前記電流狭窄層の導電性領域は、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層からなり、前記高抵抗領域は、前記Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層が前記高抵抗領域形成用孔を通して供給された酸化種により酸化された層からなっている。

また、上記面発光レーザにおいて、前記第２の上部多層膜反射鏡（第２の上部ＤＢＲ）の少なくとも一部は、誘電体多層膜からなっている。

図１，図２は上述した本発明の面発光レーザの基本構成例を示す図である。なお、図１は平面図（後述する高抵抗化可能層での横断面図）であり、図２は図１のＡ−Ａ線における断面図である。

図１，図２を参照すると、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＧａＮＡｓ，Ｓｉ，Ｇｅなどの半導体基板上に、下部半導体多層膜反射鏡（下部半導体ＤＢＲ），下部スペーサ層，活性層，上部スペーサ層，第１の上部半導体多層膜反射鏡（第１の上部半導体ＤＢＲ），上部電極，第２の上部多層膜反射鏡（第２の上部ＤＢＲ）が順次に形成されている。

下部半導体ＤＢＲは、基板との組み合わせ（下部半導体ＤＢＲ／基板）としては、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ，ＡｌＧａＮ／ＧａＮ，ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰなどの多層膜からなっている。これらの基板及び下部半導体ＤＢＲで駆動電流の経路となる部位には、不純物をドープし導電性をもたせている。

また、活性層は、発振波長により選択され、基板との組み合わせ（活性層／基板）としては、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ［１．３μｍ帯，１．５５μｍ帯］、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ［１．３μｍ帯，１．５５μｍ帯］、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ［０．９８μｍ帯］、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ［０．８５μｍ帯］、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ［０．６５μｍ帯］などが挙げられる。

また、上部スペーサ層，下部スペーサ層は、共振器長を調節し、また、キャリアを活性層まで輸送する働きをし、発光する光に透明である必要がある。具体的に、上部スペーサ層，下部スペーサ層は、活性層材料によりＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＡｌＡｓ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＰなどから選択される。

また、第１の上部半導体多層膜反射鏡（第１の上部半導体ＤＢＲ）は、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ，ＡｌＧａＮ／ＧａＮ，ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰなどの多層膜で構成され、不純物がドープされて下部半導体ＤＢＲとは反対の導電性のものとなっている。具体的に、第１の上部半導体ＤＢＲの層数は、１０ペア以下であることが、後述の高抵抗領域形成用孔を形成するエッチング工程で必要とされるエッチング深さの制御性が±５パーセント以内となるので好ましい。

また、後述の高抵抗領域形成用孔を介した処理により高抵抗化が可能になる材料からなる高抵抗化可能層は、材料がＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）［以下Ａｌ（Ｇａ）Ａｓとする］であるのが、酸化した領域と酸化しない領域の屈折率の差が大きく光を閉じ込める作用も大きいので望ましい。なお、ｘの値は、０．９５以上であれば、酸化速度が制御可能なほど大きくなるので望ましい。

なお、高抵抗化可能層は、上部スペーサ層中に設ける場合もあるが、低屈折率層として第１の上部半導体ＤＢＲ中に含まれるのが望ましい。

上記半導体膜（下部半導体ＤＢＲ，下部スペーサ層，活性層，上部スペーサ層，第１の上部半導体多層膜反射鏡（第１の上部半導体ＤＢＲ））の成長法としては、ＭＯＣＶＤ法（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、あるいは、ＭＯＭＢＥ法（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃｍｏｌｅｃｕｌａｒｂｅａｍｅｐｉｔａｘｙ）、あるいは、ＣＢＥ法（ｃｈｅｍｉｃａｌｂｅａｍｅｐｉｔａｘｙ）などを用いることができる。

そして、第１の上部半導体ＤＢＲの表面からエッチングして高抵抗領域形成用孔を形成することができる。

この高抵抗領域形成用孔の断面形状は、閉じた形状であればよく、円形，矩形，多角形，楕円形など任意の形状をとることができる。また、この高抵抗領域形成用孔の数，寸法，配置なども限定されない。

また、この高抵抗領域形成用孔の底部は、高抵抗化可能層を貫通し上部スペーサ層までは達しない位置に設けることが望ましい。

この高抵抗領域形成用孔を形成するためのエッチング方法としては、ドライエッチング又はウェットエッチングをとり得るが、サイドエッチの速度に対して垂直方向のエッチング速度が大きいので、ドライエッチングが好ましい。さらに、ドライエッチングの方式としては、よりエッチング異方性を大きくとれるＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）エッチング法やＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｒｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）エッチング法などの高密度プラズマ源を用いる方式が好ましい。

この高抵抗領域形成用孔を用いて電流狭窄構造を次のように形成することができる。すなわち、気体の流れ，イオン注入，熱拡散等により、この高抵抗領域形成用孔を介して活性層近傍の半導体にＨ_２Ｏ，Ｏ_２，Ｈ元素，Ｏ元素を導入し、高抵抗領域形成用孔の周辺の高抵抗化可能層を高抵抗領域に変化させ、活性層の発光させる領域近傍だけを導電性のまま残すことにより、電流狭窄構造を形成することができる。特に、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層を高抵抗化可能層に用いた場合は、水蒸気またはＯ_２ガスを導入し、４００℃程度の熱処理で、電流狭窄構造を作製できる。

また、上部電極は、Ａｕなどを主体にした金属から形成され、光出力が素子表面方向の場合、光出力部には電極がない形状にリフトオフ法等により形成される。なお、上部電極形成時に、電流狭窄構造を形成するためには、上部電極材料は高抵抗領域形成用孔の底部に入り込まないことが望ましい。この構成は、電極材料の斜め蒸着法や、高抵抗領域形成用孔の入り口をＳｉＯ_２，ＳｉＮ，有機材料などで被覆した後に電極膜を形成する方法により実現できる。

また、第２の上部ＤＢＲは、試料表面に形成される。第２の上部ＤＢＲとしては、半導体ＤＢＲとすることもできるが、第２の上部ＤＢＲを形成する時点での試料表面には、多数の高抵抗領域形成用孔と電極が存在するので、半導体のエピタキシャル成長は困難である。従って、第２の上部ＤＢＲとしては、作製が簡便な上に屈折率差を大きく取れることから（すなわち、少ない層数で高い反射率が得られることから）、誘電体多層膜反射鏡（誘電体ＤＢＲ）が望ましい。

誘電体ＤＢＲとしては、例えば、ＺｒＯ_２／ＳｉＯ_２，ＭｇＯ／ＳｉＯ_２，ＭｇＯ／Ｓｉ，Ａｌ_２Ｏ_３／ＭｇＦ_２などの多層膜が挙げられ、誘電体ＤＢＲは絶縁体なので、上部電極のパッド部を除いて素子全面のみならずアレイ全面に形成できる。

誘電体膜と電極膜の成長法としては、例えば、電子ビーム蒸着法，スパッタリング法，抵抗加熱法、ＣＶＤ法（ｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いることができる。

また、素子の分離領域は、狭いトレンチ構造を設けたり、プロトンや酸素イオンのイオン注入等で形成することができる。

図３は本発明の面発光レーザの第１の構成例を示す図である。図３を参照すると、第１の構成例の面発光レーザは、ｎ型基板上に、下部ｎ型半導体ＤＢＲ、下部ノンドープスペーサ層、活性層、上部ノンドープスペーサ層、第１の上部ｐ型半導体ＤＢＲが順次エピタキシャル成長され、この第１の上部ｐ型半導体ＤＢＲの下から３ペア目の低屈折率層にｐ型Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ高抵抗化可能層が設けられている。そして、ＳｉＯ_２膜をマスクとしてＥＣＲエッチング法により第１の上部ｐ型半導体ＤＢＲの共振器領域の周辺に高抵抗領域形成用孔が多数開けられている。なお、この孔の底部は、第１の上部ｐ型半導体ＤＢＲの下層の２ペア中になるようにしている。そして、この高抵抗領域形成用孔に、高抵抗化する分子または元素を導入して電流狭窄構造を形成することができる。そして、ＳｉＯ_２膜を除去した後、第１の上部ｐ型半導体ＤＢＲ上に、上部ｐ−オーミック電極が形成されている。なお、この上部ｐ−オーミック電極は、光出力領域では開口している。

そして、上部ｐ−オーミック電極の配線接続部である電極パッド部を除いた面に第２の上部誘電体（ＺｒＯ_２／ＳｉＯ_２）ＤＢＲが形成されている。

そして、基板裏面にはｎ−オーミック電極が形成されている。

このような構成の面発光レーザでは、ｐ側電極，ｎ側電極から、それぞれ、正キャリア，負キャリアを注入して活性層で発光させ、基板に垂直方向にレーザ発振させることができる。そして、光出力は素子表面側から取り出される。

上述した本発明の面発光レーザは、上部ＤＢＲを２つに分け、下層の上部ＤＢＲ（第１の上部ＤＢＲ）の表面から高抵抗領域形成用孔が設けられる構成となっているので、高精度に再現性良く高抵抗領域形成用孔を形成可能であって、このような高抵抗領域形成用孔を利用して、制御性よく電流狭窄構造を形成することができ、安定したレーザ特性を持つ、平坦化工程が不用な、機械的強度が高い面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を提供することができる。

より詳細に、次の利点をもつ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が高い歩留まりで得られる。すなわち、本発明の面発光レーザでは、短い酸化距離で電流狭窄構造を形成できるので、電流狭窄構造形成工程での歩留まりが向上する。また、放熱性に劣るメサ構造をとる必要がなく、素子の温度が上昇しにくくなるので、安定したレーザ特性が得られる。また、凹凸のあるメサ構造をとる必要がないため、平坦化工程が不用で、機械的破損の耐性も高くなる。

また、反応条件を変えることによって適度に酸化速度を調節できるＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層を高抵抗可能層として用いているので、電流狭窄構造形成の制御性をより一層高めることができる。

また、第２の上部ＤＢＲとして、このＤＢＲへの適応性が高い誘電体ＤＢＲを用いることにより、より容易に、本発明の上述した作用効果が得られる。

なお、上述した本発明の面発光レーザにおいて、第２の構成例として、図４に示すように、高抵抗領域形成用孔は、少なくとも内面が、素子構成膜よりも低い屈折率の材料で被覆または充填されている構成をとることができる。

ここで、高抵抗領域形成用孔は、少なくとも一部が周期構造を持つように設けられることが多い。

また、被覆または充填物には、ポリイミドなどの有機高分子、ＳｉＯ_２，ＳｉＯＮ，Ａｌ_２Ｏ_３などの無機物などを用いることができ、これらは、塗布法，蒸着法，スパッタリング法，ＣＶＤ法などで形成される。

面発光レーザにとって、しきい値電流を下げて出力効率を高めるためと共振モードを制限するために、共振器への光閉じ込めは重要な課題である。

この第２の構成例では、高抵抗領域形成用孔の内面が、金属ではなく、屈折率の低い材料で被覆または充填されているので、光に対して低損失である。

「低損失周期的誘電媒体」は、すなわちフォトニック結晶構造である（ＪｏｈｎＤ．Ｊｏａｎｎｎｏｐｏｕｌｏｓら著、藤井ら訳，「フォトニック結晶」コロナ社刊）。よって、上記第２の構成例では、自動的に２次元フォトニック結晶構造をなす場合が多い。

この２次元フォトニック結晶構造をとれば、光の回折により水平方向の光を閉じ込める働きや、発光領域の周辺部の屈折率を実効的に小さくすることにより水平方向への光の伝播を小さくする働きをする場合もある。前者は、フォトニックバンドギャップを利用する場合であり、後者は、フォトニックバンドギャップを持たない領域で使用する場合である。

つまり、この第２の構成例は、高抵抗領域形成用孔がフォトニック結晶構造をなす場合も含む。

このように、第２の構成例では、高抵抗部形成用孔の少なくとも内面が、素子構成膜より低い屈折率材料で被覆又は充填されているので、光の閉じ込めが良好になり、低いしきい値電流の、高い発光効率の、出力光のモードが制限された面発光レーザが得られる。また、高抵抗部形成用孔の内面の欠陥が低減するので、キャリアの非発光再結合が低減するし、これによって、低いしきい値電流の、高い発光効率の面発光レーザが得られる。

なお、この第２の構成例の面発光レーザも、ｐ側電極，ｎ側電極から、それぞれ、正キャリア，負キャリアを注入して活性層で発光させ、基板に垂直方向にレーザ発振させることができる。

また、上述した本発明（第１，第２の構成例を含む）の面発光レーザにおいて、図４に示す例のように、活性層にＧａＩｎＮＡｓ系材料を含ませることができる。

ＧａＩｎＮＡｓ系材料は、ＮとＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体で構成されており、具体的には、ＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰ、ＧａＮＰ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＰＡｓなどで構成される。

発振波長が１．１〜１．６μｍ程度の長波長帯面発光レーザは、発振光が石英系ファイバ中を損失少なく伝播し、Ｓｉ基板中を吸収少なく透過し、さらに、前述の面発光レーザの特徴を備えているので、チップ間，チップ内，ボード間，ボード内，ＬＡＮ内の光伝送用光源として適用性が特に高い。

従来、この長波長帯ＶＣＳＥＬは端面発光レーザとして実績のあるＩｎＰ基板上に形成するＧａＩｎＡｓＰ活性層で試みられていた。しかし、このＩｎＰ基板上のＧａＩｎＡｓＰ系ＶＣＳＥＬは、端面発光レーザの場合と同様に、取り得る活性層周辺の材料構成では温度特性が低い。また、ＩｎＰ基板上の半導体ＤＢＲは、屈折率差の小さいＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰを選択せざるを得ないので、反射率を高めるのは困難である。このため、冷却装置が必要な上、実用化には他にも多くの問題がある。

一方、ＧａＡｓ基板上に作製されるＧａＩｎＮＡｓ系長波長帯ＶＣＳＥＬは、温度特性が高く、屈折率差を大きくとれるため反射率を大きくできるＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓやＡｌＡｓ／ＧａＡｓのＤＢＲが使える。発振波長が長いので、特に熱伝導率の高い材料同士の組み合わせであるＡｌＡｓ／ＧａＡｓＤＢＲが使えるのは有利である。この点に関しては、ＧａＩｎＡｓ，ＧａＡｓＳｂでも同様の効果がある。さらに、室温環境下で発振する上、閾値電流が小さい。

これらの利点のため、近年、ＧａＩｎＮＡｓ系長波長帯ＶＣＳＥＬは盛んに研究開発されてきている。

このように、本発明の構成により、歩留まり良くかつ制御性良く電流狭窄構造を形成できるＧａＩｎＮＡｓ系面発光レーザを得ることができる。よって、より高性能なレーザ特性をもち、より製造コストが小さく、光伝送に適用性の高い面発光レーザを提供できる。

（第２の形態）
本発明の第２の形態は、上述した本発明の面発光レーザが発光デバイスとして用いられていることを特徴とする光伝送システムである。

図５，図６は本発明の光伝送システムの構成例を示す図である。

図５の例の光伝送システムは、本発明の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を備えたボード間の並列光伝送システムであって、ＶＣＳＥＬからの信号を複数のファイバを用いて同時に伝送するように構成されている。

また、図６の例の光伝送システムは、本発明のＧａＩｎＮＡｓ系面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を備えたボード間のチップ間の並列空間光伝送システムであって、この例の場合、ＶＣＳＥＬからの信号をＳｉ基板を透過して同時に光伝送するように構成されている。

このように、第２の形態では、上述した第１の形態の面発光レーザが発光デバイスとして用いられることを特徴とする光伝送システムであるので、より高性能でより低コストなデータ伝送システムを提供することができる。

図７，図８は実施例１の面発光レーザを示す図である。なお、図７は平面図（後述するＡｌＡｓ膜面での横断面図）であり、図８は図７のＡ−Ａ線における断面図である。

実施例１の面発光レーザは、次のように作製される。

すなわち、先ず、ＭＯＣＶＤ法で、ｎ−ＧａＡｓ単結晶（１００）基板上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓ／ｎ−ＧａＡｓ３５．５ペアからなる下部半導体ＤＢＲ、下部ＧａＡｓスペーサ層、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＴＱＷ活性層、上部ＧａＡｓスペーサ層、ｐ−ＡｌＧａＡｓ／ｐ−ＧａＡｓ６ペアからなる第１の上部半導体ＤＢＲの積層膜を作製する。

ここで、第１の上部半導体ＤＢＲの下から２ペア目の低屈折率層をｐ−ＡｌＡｓ高抵抗可能層とする。

次に、この積層膜の表面にレジストを塗布する。この塗布膜から、辺の長さが５μｍの正方形の４つの頂点で直径が２．５μｍの円形にレジストを除去した単位形を周期的に繰り返した基本パターンにおいて、共振器を設ける位置に対応する場所では１個分の円形のレジスト除去がされていないレジストパターンを形成する。

次に、Ｃｌ_２ガスを導入するＩＣＰエッチング法で高抵抗領域形成用孔を形成する。高抵抗領域形成用孔の深さは、孔の底面が第１の上部半導体ＤＢＲの下層の１ペア目に達するようにする。

レジスト除去後、この高抵抗領域形成用孔の内壁に露出したｐ−ＡｌＡｓ高抵抗可能層の端面から水蒸気を導入し、このＡｌＡｓ層を面内方向に酸化しＡｌｘＯｙ高抵抗層を形成する。近接する高抵抗領域形成用孔から成長したＡｌｘＯｙ高抵抗層がつながり、高抵抗領域を形成する。このとき、共振器を設ける位置に対応する位置に約１６μｍ^２断面のＡｌＡｓ膜が酸化されないで残るように酸化時間を制御して、電流狭窄構造を形成する。

次に、ｐ−電極膜を形成する。次に、リフトオフ法により光出力領域のｐ−電極膜を除去し、同時に上部ｐ−電極パターン（ｐ−上部電極）を形成する。

次に、ＥＢ蒸着法によりＺｒＯ_２／ＳｉＯ_２６ペアからなる第２の上部誘電体ＤＢＲを形成する。次に、リフトオフ法により上部ｐ−電極パターンの配線接続用パッドを露出させる。

最後に、基板の裏面にｎ電極を形成し、１．３μｍ帯面発光レーザを作製することができる。

図７，図８の実施例１の面発光レーザでは、ｐ側電極，ｎ側電極から、それぞれ、正キャリア，負キャリアを注入すると、レーザ光が素子表面から基板と垂直に出力される。

実施例１の面発光レーザでは、高抵抗領域形成用孔の必要とされる深さが浅いので、より制御性良くこの孔を形成できる。よって、歩留まり良く、寸法均一性の高い電流狭窄構造を持ち、平坦性が良好で、機械的強度が高く、放熱性が良いために特性の安定した面発光レーザを提供できる。また、高性能なレーザ特性をもち、より製造コストが小さく、光伝送に適用性の高いＧａＩｎＮＡｓ系面発光レーザが得られる。

図９，図１０は実施例２の面発光レーザを示す図である。なお、図９は平面図（後述するＡｌ（Ｇａ）Ａｓ膜面での横断面図）であり、図１０は図９のＡ−Ａ線における断面図である。

図９，図１０を参照すると、実施例２の面発光レーザは、高抵抗領域形成用孔をＳｉＯ_２膜で被覆する他は、実施例１の場合と同じ構成とプロセスで１．３μｍ帯ＶＣＳＥＬを作製する。

このＳｉＯ_２膜で被覆する工程について説明する。

先ず、酸化によって電流狭窄構造を形成した後、プラズマＣＶＤ法で高抵抗領域形成用孔の内面を含む試料表面にＳｉＯ_２膜を形成する。

この高抵抗領域形成用孔をレジストでカバーした後、ＢＨＦによって第１の上部半導体ＤＢＲの表面のＳｉＯ_２膜を除去する。次に、このレジストを除去する。次に、ｐ−電極膜の形成工程以後は、実施例１と同様に行う。

図９，図１０の実施例２の面発光レーザでは、ｐ側電極，ｎ側電極から、それぞれ、正キャリア，負キャリアを注入すると、レーザ光が素子表面から基板と垂直に出力される。閾値電流密度は、実施例１の場合よりも小さくなる。

このように、実施例２の面発光レーザでは、実施例１の作用効果に次の効果がさらに加わる。すなわち、実施例２の面発光レーザでは、高抵抗部形成用孔の内面が低い屈折率材料で被覆されているので、光の閉じ込めが良好になり、電流の漏れが少なくなるり、低い閾値電流密度の、高い発光効率の、単一モード出力光の面発光レーザが得られる。

図１１は、実施例３の面発光レーザの断面図である。なお、実施例３の面発光レーザの平面図（後述するＡｌ（Ｇａ）Ａｓ膜面での横断面図）は、図９と同様であって、図１１は図９のＡ−Ａ線における実施例３の断面図である。

実施例３の面発光レーザは、次のように作製される。すなわち、先ず、ＭＯＣＶＤ法で、ｎ−ＧａＡｓ単結晶（１００）基板上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓ／ｎ−ＧａＡｓ２７．５ペアからなる下部半導体ＤＢＲ、下部ＧａＡｓスペーサ層、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓＴＱＷ活性層、上部ＧａＡｓスペーサ層、ｐ−ＡｌＧａＡｓ／ｐ−ＧａＡｓ１０ペアからなる第１の上部半導体ＤＢＲの積層膜を作製する。

ここで、第１の上部半導体ＤＢＲの下から３ペア目の低屈折率層をｐ−Ａｌ_０．９５Ｇａ_０．０５Ａｓ高抵抗可能層とする。

次に、Ｃｌ_２ガスを導入するＥＣＲエッチング法で高抵抗領域形成用孔を形成する。高抵抗領域形成用孔の深さは、孔の底面が第１の上部半導体ＤＢＲの下層の１〜２ペア中になるようにする。

レジスト除去後、この高抵抗領域形成用孔の内壁に露出したｐ−Ａｌ_０．９５Ｇａ_０．０５Ａｓ高抵抗可能層の端面から水蒸気を導入し、このＡｌＧａＡｓ層を面内方向に酸化しＡｌｘＯｙ高抵抗層を形成する。近接する高抵抗領域形成用孔から成長した酸化物高抵抗層がつながり、高抵抗領域を形成する。このとき、共振器を設ける位置に対応する位置に約１６μｍ^２断面のＡｌＧａＡｓ層が酸化されないで残るように酸化時間を制御して、電流狭窄構造を形成する。

次に、プラズマＣＶＤ法で高抵抗領域形成用孔の内面を含む試料表面にＳｉＯ_２膜を形成する。

第１の上部半導体ＤＢＲ表面の一部の領域のＳｉＯ_２膜を除去した後、ｐ−電極膜を形成する。次に、上部ｐ−電極パターン（ｐ−上部電極）を形成する。

次に、ＥＢ蒸着法によりＭｇＯ／ＳｉＯ_２１０ペアからなる第２の誘電体ＤＢＲを形成する。次に、リフトオフ法により上部ｐ−電極パターンの配線接続用パッドを露出させる。

最後に、金属マスクを用い、基板の裏面に、光出部が開口したｎ電極を形成し、０．９８μｍ帯面発光レーザを作製することができる。

図１１の実施例３の面発光レーザでは、ｐ側電極，ｎ側電極から、それぞれ、正キャリア，負キャリアを注入すると、レーザ光が基板裏面から基板と垂直に出力される。

実施例３の面発光レーザでは、高抵抗領域形成用孔の必要とされる深さが浅いので、より制御性良くこの孔を形成できる。よって、歩留まり良く、寸法均一性の高い電流狭窄構造を持ち、平坦性が良好で、機械的強度が高く、放熱性が良いために特性の安定した面発光レーザを提供できる。また、高抵抗部形成用孔の内面が、低い屈折率材料で被覆されているので、光の閉じ込めが良好になり、電流の漏れが少なくなり、低い閾値電流密度の、高い発光効率の、単一モード出力光の面発光レーザが得られる。

図１２，図１３は実施例４の面発光レーザを示す図である。なお、図１２は平面図（上部ＤＢＲ膜面での横断面図）であり、図１３は図１２のＢ−Ｂ線における断面図である。

図１２，図１３を参照すると、実施例４の面発光レーザは、高抵抗領域形成用孔のパターンが三角格子パターンである他は、実施例２と同じ構成であり、実施例２と同様のプロセスで１．３μｍ帯ＶＣＳＥＬとして作製される。

三角格子パターンを形成する工程は、次のとおりである。すなわち、積層膜の表面に、レジスト塗布膜から辺の長さが５μｍの正三方形の３つの頂点で直径が２．５μｍの円形を除去した単位形を周期的に繰り返したパターンで、共振器を設ける位置に対応する場所では１個分の円形のレジスト除去がされていないレジストパターンを形成する。

実施例４の面発光レーザも、実施例２と同様の作用効果を得ることができる。

本発明の面発光レーザの基本構成例を示す図である。本発明の面発光レーザの基本構成例を示す図である。本発明の面発光レーザの第１の構成例を示す図である。本発明の面発光レーザの第２の構成例を示す図である。本発明の光伝送システムの構成例を示す図である。本発明の光伝送システムの構成例を示す図である。実施例１の面発光レーザを示す図である。実施例１の面発光レーザを示す図である。実施例２の面発光レーザを示す図である。実施例２の面発光レーザを示す図である。実施例３の面発光レーザの断面図である。実施例４の面発光レーザを示す図である。実施例４の面発光レーザを示す図である。

Claims

半導体基板上に、下部半導体多層膜反射鏡（下部半導体ＤＢＲ）、下部スペーサ層、活性層、上部スペーサ層、第１の上部半導体多層膜反射鏡（第１の上部半導体ＤＢＲ）、第２の上部多層膜反射鏡（第２の上部ＤＢＲ）が順次に設けられ、前記第１の上部半導体多層膜反射鏡の少なくとも一部の層には、複数の高抵抗領域形成用孔が設けられ、複数の高抵抗領域形成用孔から酸化を施して高抵抗領域形成用孔の周辺に高抵抗領域を形成することで、導電性領域と前記高抵抗領域形成用孔の周辺に形成された高抵抗領域とからなる電流狭窄層が形成されており、前記第２の上部多層膜反射鏡（第２の上部ＤＢＲ）の少なくとも一部は、誘電体多層膜からなっていることを特徴とする面発光レーザ。
請求項１記載の面発光レーザにおいて、前記電流狭窄層の導電性領域は、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層からなり、前記高抵抗領域は、前記Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層が前記高抵抗領域形成用孔を通して供給された酸化種により酸化された層からなっていることを特徴とする面発光レーザ。
請求項１または請求項２記載の面発光レーザにおいて、前記高抵抗領域形成用孔は、少なくとも内面が、素子構成膜よりも低い屈折率の材料で被覆または充填されていることを特徴とする面発光レーザ。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の面発光レーザにおいて、活性層は、ＧａＩｎＮＡｓ系材料を含んでいることを特徴とする面発光レーザ。
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の面発光レーザが発光デバイスとして用いられることを特徴とする光伝送システム。