JP5167860B2 - 面発光半導体レーザ及び面発光レーザを作製する方法 - Google Patents

Description

本発明は、面発光半導体レーザ及び面発光半導体レーザを作製する方法に関するものである。

非特許文献１には、埋め込み型トンネル接合面発光レーザが記載されている。この面発光レーザは、ＩｎＰ基板上に設けられたＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ分布ブラッグリフレクタ（ＤＢＲ）と、活性層と、メサ形状のトンネル接合領域を埋め込むためのｎ型ＩｎＰ層とを含み、またｎ型ＩｎＰ層上には、誘電体分布ブラッグリフレクタ（ＤＢＲ）が設けられている。高濃度ｐ型半導体層及び高濃度ｎ型半導体層を成長した後に、トンネル接合領域のメサは、マスクを用いてこれら２層の半導体層をエッチングして形成される。
N. Nishiyama et al., Electronics Letters, vol.39, no.5, pp.437-439, 2003.

非特許文献１に記載される面発光レーザでは、高濃度ｐ型半導体層及び高濃度ｎ型半導体層を成長した後に、マスクを用いてこれら２層の半導体層をエッチングして、トンネル接合領域のメサは形成されるので、トンネル接合領域のメサの高さは、２層の半導体層の厚さに等しい。従って、トンネル接合領域を覆うように成長されるｎ型ＩｎＰ半導体領域の表面には、メサの高さに対応した大きな段差が形成される。このｎ型ＩｎＰ半導体領域上に誘電体材料を積層することにより誘電体ＤＢＲが形成されるので、この段差により誘電体ＤＢＲと半導体表面との界面が曲がる。この曲がりによって、活性層からの光が散乱される。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、レーザ共振器における光の散乱を低減可能な構造を有する面発光半導体レーザを提供することを目的とし、この面発光半導体レーザを作製する方法を提供することを目的とする。

本発明に係る面発光半導体レーザは、ｎ型半導体からなる第１の分布ブラッグリフレクタと、第１の分布ブラッグリフレクタ上に設けられた活性層と、活性層上に設けられ、第１のエリアと該第１のエリアを囲む第２のエリアとを含む主面を有するｐ型半導体スペーサ層と、ｐ型半導体スペーサ層の第１のエリア上に設けられた高濃度ｐ型半導体メサと、高濃度ｐ型半導体メサの上面及び側面を覆うように、ｐ型半導体スペーサ層の第１及び第２のエリア上に設けられた高濃度ｎ型半導体層と、高濃度ｎ型半導体層上に設けられた第１のｎ型半導体スペーサ層と、第１のｎ型半導体スペーサ層上に設けられた第２の分布ブラッグリフレクタとを備え、高濃度ｎ型半導体層と高濃度ｐ型半導体メサとはトンネル接合を成すことを特徴とする。

この面発光半導体レーザによれば、高濃度ｎ型半導体層が、高濃度ｐ型半導体メサの上面及び側面を覆う。この高濃度ｎ型半導体層上に第１のｎ型半導体スペーサ層が設けられる。このため、第１のｎ型半導体スペーサ層の表面の段差は、高濃度ｐ型半導体メサの高さに対応した程度の大きさになる。この第１のｎ型半導体スペーサ層上に第２の分布ブラッグリフレクタが設けられるので、第２の分布ブラッグリフレクタと第１のｎ型半導体スペーサ層との界面の曲がりは小さい。従って、レーザ共振器における光の散乱を低減できる。

また、本発明に係る面発光半導体レーザでは、高濃度ｎ型半導体層は、ｐ型半導体スペーサ層の第２のエリア上にも設けられる。活性層で発光した光は、主にｐ型半導体スペーサ層の第１のエリアを基板と垂直方向に伝播するが、一部の光はｐ型半導体スペーサ層の第２のエリアまで拡がり、この第２のエリアにおける半導体層の光吸収を低減する必要がある。一般に、高濃度に不純物がドープされた半導体層は、光吸収量が増加する傾向にある。しかし、ｎ型半導体層に高濃度に不純物をドープした場合の光吸収の増加量は小さく、さらに、高濃度ｎ型半導体層の厚みが比較的薄く形成されるため、ｐ型半導体スペーサ層の第２のエリア上にこの高濃度ｎ型半導体層も設けられていても、光吸収の増大の影響を小さくできる。

本発明に係る面発光半導体レーザでは、ｐ型半導体スペーサ層は、第１の分布ブラッグリフレクタから第２の分布ブラッグリフレクタへ向かう軸上に位置する第１の領域と、第１の領域の周囲に設けられた第２の領域とを有しており、高濃度ｐ型半導体メサは、第１の領域上に位置しており、第２の領域は、前記第１の領域の比抵抗よりも大きな比抵抗を有する。

この面発光半導体レーザによれば、第１の領域は、トンネル接合を通過する電流の経路になる。第２の領域は、この電流の経路を囲むように設けられている。この第２の領域の比抵抗は第１の領域の比抵抗よりも大きいので、面発光半導体レーザ素子全体として素子容量を低減できる。

本発明に係る面発光半導体レーザは、第２の領域は、水素及び酸素の少なくともいずれか一方を含むことが好ましい。この面発光半導体レーザによれば、ｐ型半導体スペーサ層の第２の領域への水素及び酸素のイオン注入により、第２の領域の高抵抗が実現される。

本発明に係る面発光半導体レーザは、高濃度ｐ型半導体メサは、Ｇａ元素及びＡｓ元素を含む材料からなることが好ましい。また、本発明に係る面発光半導体レーザは、高濃度ｎ型半導体層は、Ｉｎ元素、Ｇａ元素及びＡｓ元素を含む材料からなることが好ましい。さらに、本発明に係る面発光半導体レーザは、第１のｎ型半導体スペーサ層はＧａ元素と、Ａｓ元素またはＰ元素を含む材料からなることが好ましい。

本発明に係る面発光半導体レーザを作製する方法は、第１の分布ブラッグリフレクタ上に設けられた活性層上に、第１のエリアと該第１のエリアを囲む第２のエリアとを含む主面を有するｐ型半導体スペーサ層を基板上に形成する工程と、ｐ型半導体スペーサ層上に高濃度ｐ型半導体層を成長する工程と、高濃度ｐ型半導体層をエッチングすることにより、第１のエリア上に位置する高濃度ｐ型半導体メサを形成する工程と、ｐ型半導体スペーサ層上及び高濃度ｐ型半導体メサ上に高濃度ｎ型半導体層を成長する工程と、高濃度ｎ型半導体層上に第１のｎ型半導体スペーサ層を成長する工程と、第１のｎ型半導体スペーサ層上に第２の分布ブラッグリフレクタを形成する工程とを備えることを特徴とする。

この方法によれば、高濃度ｐ型半導体層をエッチングすることにより高濃度ｐ型半導体メサを形成した後に、高濃度ｎ型半導体層及び第１のｎ型半導体スペーサ層を順に成長する。このため、第１のｎ型半導体スペーサ層の表面には、高濃度ｐ型半導体メサの高さに対応した小さな段差が形成される。第２の分布ブラッグリフレクタは、この小さな段差上に形成されるので、第２の分布ブラッグリフレクタと第１のｎ型半導体スペーサ層との界面の曲がりは小さい。従って、活性層からの光の散乱が低減される。

本発明に係る面発光半導体レーザを作製する方法は、高濃度ｎ型半導体層を成長する工程の前、且つ高濃度ｐ型半導体層を成長する工程の後に、基板の熱アニール処理を行うことを特徴とする。

この方法によれば、高濃度ｎ型半導体層を成長する前に熱アニール処理を行うので、高濃度ｎ型半導体層とｐ型半導体メサとの間のドーパントの相互拡散が起こらない。また、熱アニール処理によりｐ型半導体メサの活性化率を向上できる。

本発明に係る面発光半導体レーザを作製する方法は、高濃度ｎ型半導体層を成長する工程の前に、高濃度ｐ型半導体メサを覆うように、ｐ型半導体スペーサ層上にマスクを形成する工程と、マスクを用いて、ｐ型半導体スペーサ層に酸素及び水素の少なくともいずれか一方のイオン注入を行う工程とを更に備えることを特徴とする。

この方法によれば、トンネル接合を通過する電流の経路を囲む領域の比抵抗を、該電流の経路を含む領域の比抵抗より大きくできるので、素子容量が低減された面発光半導体レーザ素子が作製される。

本発明によれば、レーザ共振する光の散乱を低減可能な構造を有する面発光半導体レーザが提供され、また面発光半導体レーザを作製する方法が提供される。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の面発光半導体レーザに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、本実施の形態に係る面発光半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。面発光半導体レーザ１１は、第１の分布ブラッグリフレクタ（以下、「第１のＤＢＲ」と記す）１３と、活性層１５と、ｐ型半導体スペーサ層１７と、高濃度ｐ型半導体メサ１９と、高濃度ｎ型半導体層２１と、第１のｎ型半導体スペーサ層２３と、第２の分布ブラッグリフレクタ（以下、「第２のＤＢＲ」と記す）２５とを備える。

図２（ａ）は、図１に示す面発光半導体レーザのＡ−Ａ線に沿う断面を示す図面である。図１及び図２（ａ）を参照しながら、面発光半導体レーザの構造を説明する。

第１のＤＢＲ１３は、ｎ型半導体基板２７上に設けられている。ｎ型半導体基板２７は、例えばｎ型ＧａＡｓ半導体といったIII−Ｖ化合物半導体からなる。第１のＤＢＲ１３は、第１の半導体層１３ａ及び第２の半導体層１３ｂを含んでいる。これらの半導体層は交互に配列されており、例えば３２対の半導体層が配列されている。第１の半導体層１３ａは、例えばｎ型ＧａＡｓ半導体、ｎ型ＡｌＧａＡｓ半導体等であることができる。第２の半導体層１３ｂは、例えばｎ型ＡｌＧａＡｓ半導体、ｎ型ＩｎＧａＰ半導体等であることができる。

活性層１５は、第１のＤＢＲ１３上に設けられている。活性層１５は、井戸層１５ａ及び障壁層１５ｂを含む量子井戸構造を有することができる。井戸層１５ａは、例えばノンドープＩｎＧａＡｓ半導体、ノンドープＧａＩｎＮＡｓ半導体、ノンドープＧａＩｎＮＡｓＳｂ半導体等であることができる。障壁層１５ｂは、例えばノンドープＩｎＧａＡｓ半導体、ノンドープＧａＡｓ半導体、ノンドープＧａＡｓＰ半導体、ノンドープＧａＮＡｓ半導体等であることができる。

ｐ型半導体スペーサ層１７は、活性層１５上に設けられており、第１のエリア１７ｂと該第１のエリア１７ｂを囲む第２のエリア１７ｃとを含む主面１７ａを有する。ｐ型半導体スペーサ層１７は、例えばｐ型ＧａＡｓ半導体、ｐ型ＡｌＧａＡｓ半導体、ｐ型ＩｎＧａＰ半導体等であることができる。ｐ型半導体スペーサ層１７の厚さは、例えば６０ｎｍであることができる。好ましくは、ｐ型半導体スペーサ層１７の厚さは、３０ｎｍ以上であることができる。この場合、トンネル接合のない領域において、ｐ型半導体スペーサ層１７と高濃度ｎ型半導体層２１によるｐｎ接合で電流ブロックが可能となる。また、ｐ型半導体スペーサ層１７の厚さは、１μｍ以下であることができる。ｐ型半導体スペーサ層が厚すぎると、価電子間帯吸収による光吸収が大きくなり、レーザ特性を損なう。

高濃度ｐ型半導体メサ１９は、ｐ型半導体スペーサ層１７の主面１７ａ上の第１のエリア１７ｂに設けられている。高濃度ｐ型半導体メサ１９は、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓ半導体、ｐ型ＧａＡｓ半導体、ｐ型ＧａＡｓＳｂ半導体等であることができ、この半導体のドーパント濃度Ｎ_Ａ（正孔濃度）は、例えば１×１０^２０ｃｍ^−３であることができる。高濃度ｐ型半導体メサ１９の高さは、例えば１０ｎｍである。好ましくは、高濃度ｐ型半導体メサ１９の高さは、４ｎｍ以上であることができる。高濃度ｐ型半導体メサ１９の厚さが薄すぎると、トンネル接合の抵抗が高くなってしまう。また、高濃度ｐ型半導体メサ１９の高さは、３０ｎｍ以下であることができる。トンネル接合を形成するには充分な厚さであり、これ以上膜厚を厚くすると、光吸収損失の増大によってレーザ特性を損なってしまう。

高濃度ｎ型半導体層２１は、高濃度ｐ型半導体メサ１９の上面及び側面を覆うように、ｐ型半導体スペーサ層の第１のエリア１７ｂ及び第２のエリア１７ｃ上に設けられている。このため、高濃度ｎ型半導体層２１は、高濃度ｐ型半導体メサ１９上の領域と高濃度ｐ型半導体メサ１９上でない領域との間に第１の段差Ｓ_１を有する。第１の段差Ｓ_１の高さＨ_２は、高濃度ｐ型半導体メサ１９の高さＨ_１に対応する程度の高さを有する。高濃度ｎ型半導体層２１は、高濃度ｐ型半導体メサ１９とトンネルｐｎ接合ＴＪを形成する。また、ｐ型半導体スペーサ層１７の第２のエリア上において、高濃度ｎ型半導体層２１は、ｐ型半導体スペーサ層１７とｐｎ接合Ｊを形成する。高濃度ｎ型半導体層２１は、例えばｎ型ＩｎＧａＡｓ半導体、ｎ型ＧａＡｓ半導体等であることができ、この半導体のドーパント濃度Ｎ_Ｄ（電子濃度）は、例えば５×１０^１８ｃｍ^−３であることができる。高濃度ｎ型半導体層２１の厚さＴ_１は、例えば１５ｎｍである。好ましくは、高濃度ｎ型半導体層２１の厚さＴ_１は、４ｎｍ以上であることができる。高濃度ｎ型半導体層２１の厚さが薄すぎると、トンネル接合の抵抗が高くなってしまう。また、高濃度ｎ型半導体層２１の厚さＴ_１は、３０ｎｍ以下であることができる。トンネル接合を形成するには充分な厚さであり、これ以上膜厚を厚くすると、吸収損失の増大によってレーザ特性を損なってしまう。

なお、ｎ型半導体基板２７がｎ型ＧａＡｓ基板である場合には、高濃度ｐ型半導体メサ１９及び高濃度ｎ型半導体層２１は、高濃度ドープのＧａＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＮＡｓ及びＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの半導体からなることができる。また、ｎ型半導体基板２７がｎ型ＩｎＰ基板である場合には、高濃度ｐ型半導体メサ１９及び高濃度ｎ型半導体層２１は、高濃度ドープのＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ及びＡｌＧａＡｓＳｂのいずれかの半導体からなることができる。

第１のｎ型半導体スペーサ層２３は、高濃度ｎ型半導体層２１上に設けられている。第１のｎ型半導体スペーサ層２３は、第１の段差Ｓ_１を有する高濃度ｎ型半導体層２１上に設けられるので、第１のｎ型半導体スペーサ層２３は、高濃度ｐ型半導体メサ１９上の領域と高濃度ｐ型半導体メサ１９上でない領域との間に第２の段差Ｓ_２を有する。第２の段差Ｓ_２の高さＨ_３は、第１の段差Ｓ_１の高さＨ_２に対応する程度の高さを有する。第１のｎ型半導体スペーサ層２３は、例えばｎ型ＧａＡｓ半導体、ｎ型ＩｎＧａＰ半導体等であることができる。第１のｎ型半導体スペーサ層２３の厚さは、例えば９０ｎｍである。好ましくは、第１のｎ型半導体スペーサ層２３の厚さは、λ／４ｎの整数倍（λ：発振波長、ｎ：共振器の等価屈折率）であることができる。これによって、光吸収の大きいトンネル接合を、光強度の最小となる場所に設置することができる。また、第１のｎ型半導体スペーサ層２３の厚さは、１μｍ以下であることができる。共振器が長くなると、しきい値の増大や高周波特性の劣化を招く。

第２のＤＢＲ２５は、第１のｎ型半導体スペーサ層２３上に設けられている。第２のＤＢＲ２５は、第１の誘電体層２５ａ及び第２の誘電体層２５ｂを含んでいる。これらの誘電体層は交互に配列されている。第１の誘電体層２５ａは、例えば、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＦ_２等であることができる。第２の誘電体層２５ｂは、例えばＴｉＯ_２、ＳｉＮ、α−Ｓｉ、ＺｎＳ、ＺｒＯ_２等であることができる。

図２（ａ）に示されるように、本実施の形態に係る面発光半導体レーザでは、高濃度ｐ型半導体メサ１９の上面及び側面を覆うように高濃度ｎ型半導体層２１が設けられ、この高濃度ｎ型半導体層２１上に第１のｎ型半導体スペーサ層２３が設けられる。このため、高濃度ｎ型半導体層２１は、高濃度ｐ型半導体メサ１９上の領域と高濃度ｐ型半導体メサ１９上でない領域との間に第１の段差Ｓ_１を有する。また、第１のｎ型半導体スペーサ層２３は、高濃度ｐ型半導体メサ１９上の領域と高濃度ｐ型半導体メサ１９上でない領域との間に第２の段差Ｓ_２を有する。第１の段差Ｓ_１の高さＨ_２は、高濃度ｐ型半導体メサ１９の高さＨ_１に対応する程度の高さを有する。第２の段差Ｓ_２の高さＨ_３は、第１の段差Ｓ_１の高さＨ_２に対応する程度の高さを有する。従って、第２の段差Ｓ_２の高さＨ_３は高濃度ｐ型半導体メサ１９の高さＨ_１に対応する程度であるので、第２の段差Ｓ_２は小さい。第２のＤＢＲ２５は、第２の段差Ｓ_２を含む領域上に設けられるので、第２のＤＢＲ２５と第１のｎ型半導体スペーサ層２３との界面の曲がりは小さい。この結果、レーザ共振器における光の散乱を低減できる。

面発光半導体レーザ１１は、第１のＤＢＲ１３上に設けられた第２のｎ型半導体スペーサ層２９を備えることができる。第２のｎ型半導体スペーサ層２９は、例えばｎ型ＧａＡｓ半導体、ｎ型ＡｌＧａＡｓ半導体、ｎ型ＩｎＧａＰ半導体等であることができる。第２のｎ型半導体スペーサ層２９の厚さは、例えば４０ｎｍであることができる。

また、面発光半導体レーザ１１は、コンタクト層３１を備えることができる。コンタクト層３１は、第１のｎ型半導体スペーサ層２３上に設けられており、開口を有する。開口がない場合、コンタクト層による光吸収が生じるので、レーザ特性が損なわれる。コンタクト層３１の該開口内及び第１のｎ型半導体スペーサ層２３上には、第２のＤＢＲ２５が設けられている。コンタクト層３１は、例えばｎ型ＧａＡｓ半導体、ｎ型ＩｎＧａＡｓ半導体等であることができる。コンタクト層３１の厚さは、例えば５０ｎｍであることができる。

また、本実施の形態に係る面発光半導体レーザでは、高濃度ｎ型半導体層２１は、ｐ型半導体スペーサ層１７の第２のエリア上にも設けられる。また、高濃度ｎ型半導体層２１の電子濃度Ｎ_Ｄは、高濃度ｐ型半導体メサ１９の正孔濃度Ｎ_Ａよりも低い。ここで、電子濃度は、添加したｎ型不純物の中で電気的に活性な不純物濃度を表す。同様に、正孔濃度とは、添加したｐ型不純物の中で電気的に活性な不純物濃度を表す。ＧａＡｓ系材料では、急峻なドーピングプロファイルの形成が可能なｎ型ドーパントを用いる場合、電子濃度を高めることが困難である。これは、一般に高濃度のドープしたｎ型不純物の活性化率が小さいためである。従って、トンネル接合を低抵抗化するためには電子濃度および正孔濃度を高める必要があるが、ｎ型半導体層における電子濃度があまり高められないため、正孔濃度をできるだけ高くするように形成される。高濃度ｎ型半導体層２１の電子濃度Ｎ_Ｄは高濃度ｐ型半導体メサ１９の正孔濃度Ｎ_Ａより低くなるように形成される。例えば、高濃度ｎ型半導体層２１に、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）を５ｘ１０^１９ｃｍ^−３ドープしたときの電子濃度Ｎ_Ｄは５ｘ１０^１８ｃｍ^−３である。また、高濃度ｐ型半導体メサ１９にｐ型不純物としてカーボン（Ｃ）を１ｘ１０^２０ｃｍ^−３ドープしたときの正孔濃度Ｎ_Ａは、９ｘ１０^１９ｃｍ^−３である。ｎ型半導体層における光吸収（主に自由電子吸収による）は、ｎ型不純物が高濃度にドープされてもその光吸収の増加量は小さいため、レーザ共振器内に高濃度ｎ型半導体層２１が設けられても、レーザ光の吸収損失を抑制できる。また、高濃度ｎ型半導体層２１の電子濃度Ｎ_Ｄは高濃度ｐ型半導体メサ１９の正孔濃度Ｎ_Ａより低いので、ｐ型半導体スペーサ層１７と高濃度ｎ型半導体層２１とのｐｎ接合の空乏層は、高濃度ｎ型半導体層２１に伸びる。従って、素子容量の増大を抑制できる。

図２（ｂ）は、図１に示す面発光半導体レーザのＡ−Ａ線に沿う断面を示す図面である。ｐ型半導体スペーサ層１７は、第１のＤＢＲ１３から第２のＤＢＲ２５へ向かう軸Ａｘ上に位置する第１の領域３５と、第１の領域３５の周囲に設けられた第２の領域３７とを有することができる。また、ｐ型半導体スペーサ層１７、活性層１５及び第２のｎ型半導体スペーサ層２９は、第１の領域３５を含み、活性層１５及び第２のｎ型半導体スペーサ層２９を横切るように設けられた第３の領域３５ａと、第３の領域３５ａを囲むように設けられた第４の領域３７ａを有することができる。第２の領域３７は、第１の領域３５の比抵抗よりも大きな比抵抗を有することができる。大きな比抵抗は、例えば第４の領域３７ａに対するイオン注入により実現されることが好ましい。注入されるイオンは、例えば水素イオン、酸素イオン等であることができる。

本実施の形態に係る面発光半導体レーザによれば、ｐ型半導体スペーサ層１７の第２の領域３７の比抵抗が、レーザ共振器内に位置する第１の領域３５の比抵抗よりも大きい。従って、面発光半導体レーザ素子全体として素子容量を低減できる。第２の領域はイオン注入によって半絶縁層となるため、ｐｎ接合によって生じていた容量を低減することができる。

図１及び図２（ａ）に示されるように、面発光半導体レーザ１１は、コンタクト層３１上に設けられた第１の電極（例えば、アノード）３３ａと、基板２７の裏面２７ｂ上に設けられた第２の電極（例えば、カソード）３３ｂとを含むことができる。

次いで、図３及び図４を参照しながら、本実施の形態に係る面発光半導体レーザを作製する方法の工程の一例を説明する。

図３（ａ）に示されるように、ｎ型ＧａＡｓ基板５７上に、第１のＤＢＲ４３を形成する。第１のＤＢＲ４３は、例えば、３２対のＳｉ添加のＧａＡｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなる半導体層である。第２のｎ型半導体スペーサ層５９は、第１のＤＢＲ４３上に成長される。第２のｎ型半導体スペーサ層５９は、例えばＳｉ添加のｎ型ＧａＡｓ半導体からなり、第２のｎ型半導体スペーサ層５９の厚さは、例えば５０ｎｍである。活性層４５は、第２のｎ型半導体スペーサ層５９上に成長される。活性層４５は、例えば３層のＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ井戸層を含む。ｐ型半導体スペーサ層４７は、活性層４５上に成長される。ｐ型半導体スペーサ層４７は、例えばＣ添加のｐ型ＧａＡｓ半導体からなり、ｐ型半導体スペーサ層４７の厚さは、例えば５０ｎｍである。高濃度ｐ型半導体メサのための高濃度ｐ型半導体層４９ａは、ｐ型半導体スペーサ層４７上に成長される。高濃度ｐ型半導体層４９ａは、例えば高濃度Ｃ添加のｐ^＋＋型ＩｎＧａＡｓ半導体からなり、高濃度ｐ型半導体層４９ａの正孔濃度は、例えば１×１０^２０ｃｍ^−３であり、高濃度ｐ型半導体層４９ａの厚さは、例えば１５ｎｍである。これらの半導体層をＭＯＶＥＰ法で順に成長して、エピタキシャル基板Ｅ１が作製される。

エピタキシャル基板Ｅ１をリアクタから取り出した後に、図３（ｂ）に示されるように、フォトリソグラフィによってマスクを形成する。マスクは、例えば円形であり、マスクの直径は、例えば５μｍである。マスクを用いてウェットエッチングにより高濃度ｐ型半導体層４９ａを除去して、第１のエリア４７ｃ上に高濃度ｐ型半導体メサ４９を形成する。高濃度ｐ型半導体メサ４９の直径は、例えば５μｍである。

ウエハを洗浄した後に、再びリアクタにウエハを投入する。半導体層の再成長の前に、高濃度ｐ型半導体メサ４９の熱アニール処理を行う。熱アニール処理は、例えば水素雰囲気中で行われ、処理温度は例えば６００℃であり、処理時間は例えば３０分間である。なお、この熱アニール処理は、高濃度ｐ型半導体層４９ａをＭＯＶＥＰ法で成長した後に、この高濃度ｐ型半導体層４９ａに対して行われても良い。図３（ｃ）に示されるように、熱アニール処理の後に、高濃度ｎ型半導体層５１は、ｐ型半導体スペーサ層４７上及び高濃度ｐ型半導体メサ４９上に成長される。高濃度ｎ型半導体層５１は、例えば高濃度Ｓｉ添加のｎ＋＋型ＩｎＧａＡｓ半導体からなり、高濃度ｎ型半導体層５１の厚さは、例えば１５ｎｍである。第１のｎ型半導体スペーサ層５３は、高濃度ｎ型半導体層５１上に成長される。第１のｎ型半導体スペーサ層５３は、例えばＳｉ添加のｎ型ＧａＡｓ半導体からなり、第１のｎ型半導体スペーサ層５３の厚さは、例えば２００ｎｍである。コンタクト半導体層６１ａは、第１のｎ型半導体スペーサ層５３上に成長される。コンタクト半導体層６１ａは、例えばＳｉ添加のｎ型ＧａＡｓ半導体からなり、コンタクト半導体層６１ａの厚さは、例えば５０ｎｍである。

図３（ｄ）に示されるように、コンタクト半導体層６１ａをウェットエッチングにより除去して、開口６１ｂを有するコンタクト層６１を形成する。開口６１ｂは、共振器メサが形成されるエリア上に位置する。

コンタクト層６１を形成した後に、図４（ａ）に示されるように、第１の電極（アノード）６３ａ及び第２の電極（カソード）６３ｂを蒸着により形成する。

図４（ｂ）に示されるように、第２のＤＢＲ５５のための誘電体積層５５ａを形成する。誘電体積層５５ａは、交互に配置された第１の誘電体層及び第２の誘電体層を含む。誘電体積層５５ａは、例えばＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２からなる。

次いで、図４（ｃ）に示されるように、誘電体積層５５ａの一部をリフトオフにより除去して、コンタクト層６１の開口６１ｂ内に第２のＤＢＲ５５を形成する。

本実施の形態に係る面発光半導体レーザを作製する方法によれば、高濃度ｐ型半導体層４９ａをエッチングすることにより高濃度ｐ型半導体メサ４９を形成した後に、高濃度ｎ型半導体層５１及び第１のｎ型半導体スペーサ層５３を順に成長する。このため、高濃度ｎ型半導体層５１の表面には高濃度ｐ型半導体メサ４９の高さに対応した段差が形成されると共に、第１のｎ型半導体スペーサ層５３の表面には、高濃度ｎ型半導体層５１に形成された段差の高さに対応した段差が形成される。従って、第１のｎ型半導体スペーサ層５３の表面に形成される段差Ｓ_４は、高濃度ｐ型半導体メサ４９の段差に起因しているので、この段差Ｓ_４は小さい。第２のＤＢＲ５５は、第１のｎ型半導体スペーサ層５３上における、この小さな段差Ｓ_４を含む領域上に形成されるので、第２のＤＢＲ５５と第１のｎ型半導体スペーサ層５３との界面の曲がりは小さい。従って、レーザ共振器における光の散乱を低減できる面発光半導体レーザが作製される。

また、高濃度ｎ型半導体層５１は、高濃度ｐ型半導体メサ４９の上面及び側面を覆うようにｐ型半導体スペーサ層４７上に成長される。この高濃度ｎ型半導体層５１の電子濃度Ｎ_Ｄは高濃度ｐ型半導体メサ４９の正孔濃度Ｎ_Ａより低くできるので、レーザ共振器内の高濃度ｐ型半導体メサ４９上以外のエリア上に高濃度ｎ型半導体層５１が成長されても、レーザ光の吸収損失を抑制できる。ｎ型半導体層における光吸収は、ｎ型不純物が高濃度にドープされてもその光吸収の増加量は小さいため、レーザ共振器内に高濃度ｎ型半導体層５１が設けられても、レーザ光の吸収損失が低減される。

また、高濃度ｎ型半導体層５１の電子濃度Ｎ_Ｄは高濃度ｐ型半導体メサ４９の正孔濃度Ｎ_Ａより低いので、ｐ型半導体スペーサ層４７と高濃度ｎ型半導体層５１とのｐｎ接合の空乏層は高濃度ｎ型半導体層５１に広がる。従って、素子容量の増大を抑制できる。

さらに、本実施の形態に係る面発光半導体レーザを作製する方法によれば、高濃度ｎ型半導体層５１を成長する工程の前に、高濃度ｐ型半導体メサ４９の熱アニール処理を行うので、高濃度ｐ型半導体メサ４９と高濃度ｎ型半導体層５１とのｐｎ接合を形成する前に熱アニール処理を行うことができる。従って、ドーパントの相互拡散に起因するトンネル接合の抵抗増加を抑制できると共に、高濃度ｐ型半導体メサ４９の活性化率を向上できる。なお、高濃度ｐ型半導体メサ４９を形成する工程の前に、高濃度ｐ型半導体層４９ａに対して熱アニール処理を行っても同様の効果が得られる。

なお、本実施の形態に係る面発光半導体レーザを作製する方法は、イオン注入の工程を含むことができる。図５（ａ）に示されるように、高濃度ｐ型半導体メサ４９を形成した後に、フォトリソグラフィによってイオン注入のためのマスク６７ｅを高濃度ｐ型半導体メサ４９の上面及び側面を覆うようにｐ型半導体スペーサ層４７上に形成する。このマスクは、例えばレジストマスクである。例えば、以下に示す条件でイオン注入を行うことができる。
イオン種：水素イオン
注入加速エネルギー：１００ｋｅＶ
ドーズ量：１×１０^１５ｃｍ^−２
図５（ｂ）に示されるように、ｐ型半導体スペーサ層４７は第１の領域４７ａと第１の領域４７ａを囲むように設けられる第２の領域４７ｂを有することができる。また、ｐ型半導体スペーサ層４７、活性層４５及び第２のｎ型半導体スペーサ層５９は、これらの層を横切るように設けられ且つ第１の領域４７ａを含む第３の領域６７ａと、第３の領域６７ａを囲むように設けられる第４の領域６７ｂを有することができる。上記条件のイオン注入により、水素イオンは、ｐ型半導体スペーサ層４７の表面から約５００ｎｍの深さまで到達するので、水素イオンは第４の領域６７ｂに注入される。この注入により、ｐ型半導体スペーサ層４７の第２の領域４７ｂの比抵抗は、第１の領域４７ａの比抵抗より大きくなる。なお、イオン種は、水素イオンに替えて、酸素イオンであってもよい。イオン注入の工程の後に、高濃度ｐ型半導体メサ４９の熱アニール処理の工程を行うことができる。

本実施の形態に係る面発光半導体レーザを作成する方法によれば、ｐ型半導体スペーサ層４７の第２の領域４７ｂの比抵抗を、第１の領域４７ａの比抵抗より大きくできる。さらに、第２の領域はイオン注入によって半絶縁層となるため、ｐｎ接合によって生じていた容量を低減することができるので、面発光半導体レーザ素子全体として素子容量を低減できる。

本実施の形態に係る面発光半導体レーザ（以下、「半導体レーザＡ」と記す）との比較のために、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示される構造の面発光半導体レーザを作製した。半導体レーザＡは、図２（ａ）に示される。半導体レーザＡの構造は、以下に示される。なお、半導体レーザＡは、イオン注入の工程を経ずに作製された。
ｎ型半導体基板２７：ｎ型ＧａＡｓ基板
第１のＤＢＲ１３：Ｓｉ添加のＧａＡｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ、３２対
第２のｎ型半導体スペーサ層２９：Ｓｉ添加のｎ型ＧａＡｓ、厚さ５０ｎｍ活性層１５：Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ井戸層、３層
ｐ型半導体スペーサ層１７：Ｃ添加のｐ型ＧａＡｓ、厚さ５０ｎｍ
高濃度ｐ型半導体メサ１９：高濃度Ｃ添加のｐ^＋＋型ＩｎＧａＡｓ、正孔濃度１×１０^２０ｃｍ^−３、厚さ１５ｎｍ
高濃度ｐ型半導体メサ１９の熱アニール処理条件：６００℃、３０分間、水素雰囲気
高濃度ｎ型半導体層２１：高濃度Ｓｉ添加のｎ＋＋型ＩｎＧａＡｓ、厚さ１５ｎｍ、電子濃度５×１０^１８ｃｍ^−３、
第１のｎ型半導体スペーサ層２３：Ｓｉ添加のｎ型ＧａＡｓ、厚さ２００ｎｍ
コンタクト層３１：Ｓｉ添加のｎ型ＧａＡｓ、厚さ５０ｎｍ
第２のＤＢＲ２５：ＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２、７対

図６（ａ）に示す面発光半導体レーザ（以下、「比較例Ａ」と記す）では、トンネル接合メサ７７は、高濃度ｐ型半導体メサ６９及び高濃度ｎ型半導体メサ７１を含む。高濃度ｐ型半導体メサ６９と高濃度ｎ型半導体メサ７１との間には、トンネルｐｎ接合ＴＪ_１が形成される。比較例Ａの作製において、高濃度ｐ型半導体メサ６９を形成した後、高濃度ｎ型半導体メサ７１を形成する工程の前に、高濃度ｐ型半導体メサ６９を熱アニール処理する工程は行われていない。比較例Ａの構造は、以下に示される。
ｎ型半導体基板２０：ｎ型ＧａＡｓ基板
第１のＤＢＲ１２：Ｓｉ添加のＧａＡｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ、３２対
第２のｎ型半導体スペーサ層１４：Ｓｉ添加のｎ型ＧａＡｓ、厚さ５０ｎｍ活性層１６：Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ井戸層、３層
ｐ型半導体スペーサ層１８：Ｃ添加のｐ型ＧａＡｓ、厚さ５０ｎｍ
高濃度ｐ型半導体メサ６９：高濃度Ｃ添加のｐ^＋＋型ＩｎＧａＡｓ、正孔濃度１×１０^２０ｃｍ^−３、厚さ１５ｎｍ
高濃度ｎ型半導体メサ７１：高濃度Ｓｉ添加のｎ＋＋型ＩｎＧａＡｓ、厚さ１５ｎｍ、電子濃度５×１０^１８ｃｍ^−３、
第１のｎ型半導体スペーサ層７３：Ｓｉ添加のｎ型ＧａＡｓ、厚さ２００ｎｍ
コンタクト層２２：Ｓｉ添加のｎ型ＧａＡｓ、厚さ５０ｎｍ
第２のＤＢＲ７５：ＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２、７対

図６（ｂ）に示す面発光半導体レーザ（以下、「比較例Ｂ」と記す）では、トンネルｐｎ接合ＴＪ_２は、高濃度ｐ型半導体層７９と高濃度ｎ型半導体メサ８１とにより形成される。比較例Ｂの作製において、高濃度ｐ型半導体層７９を形成した後、高濃度ｎ型半導体メサ８１を形成する工程の前に、高濃度ｐ型半導体層７９を熱アニール処理する工程は行われていない。比較例Ｂの構造は、以下に示される。
ｎ型半導体基板４０：ｎ型ＧａＡｓ基板
第１のＤＢＲ３２：Ｓｉ添加のＧａＡｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ、３２対
第２のｎ型半導体スペーサ層３４：Ｓｉ添加のｎ型ＧａＡｓ、厚さ５０ｎｍ活性層３６：Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ井戸層、３層
ｐ型半導体スペーサ層３８：Ｃ添加のｐ型ＧａＡｓ、厚さ５０ｎｍ
高濃度ｐ型半導体層７９：高濃度Ｃ添加のｐ^＋＋型ＩｎＧａＡｓ、正孔濃度１×１０^２０ｃｍ^−３、厚さ１５ｎｍ
高濃度ｎ型半導体メサ８１：高濃度Ｓｉ添加のｎ＋＋型ＩｎＧａＡｓ、厚さ１５ｎｍ、電子濃度５×１０^１８ｃｍ^−３、
第１のｎ型半導体スペーサ層８３：Ｓｉ添加のｎ型ＧａＡｓ、厚さ２００ｎｍ
コンタクト層４２：Ｓｉ添加のｎ型ＧａＡｓ、厚さ５０ｎｍ
第２のＤＢＲ４６：ＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２、７対

半導体レーザＡ、比較例Ａ及び比較例Ｂの、室温におけるレーザ発振の閾値、最大光出力及び電流値１０ｍＡにおける微分抵抗を測定した。測定した結果は、以下に示される。
半導体レーザＡ：閾値 ０．４ｍＡ、最大光出力 ３．２ｍＷ、微分抵抗 ４５ｏｈｍ
比較例Ａ：閾値 ０．８ｍＡ、最大光出力 ２．７ｍＷ、微分抵抗 ６０ｏｈｍ
比較例Ｂ：閾値 ０．９ｍＡ、最大光出力 ２．６ｍＷ、微分抵抗 ６０ｏｈｍ

比較例Ａの閾値は半導体レーザＡの閾値より大きく、比較例Ａの最大光出力は半導体レーザＡの最大光出力より小さい。比較例Ａにおいて、第１のｎ型半導体スペーサ層７３はトンネル接合メサ７７を埋め込むように成長されるので、第１のｎ型半導体スペーサ層７３は、トンネル接合メサ７７上の領域とトンネル接合メサ７７上でない領域との間に第３の段差Ｓ_３を有する。第３の段差Ｓ_３の高さＨ_６は、トンネル接合メサ７７の高さＨ_５に対応する程度の高さを有するので、第３の段差Ｓ_３の高さＨ_６は、高濃度ｐ型半導体メサ６９及び高濃度ｎ型半導体メサ７１の２層分の高さＨ_５に対応する。一方、第２の段差Ｓ_２の高さＨ_３は、高濃度ｐ型半導体メサ１９の１層分の高さＨ_１に対応する。従って、第３の段差Ｓ_３の高さＨ_６は、第２の段差Ｓ_２の高さＨ_３よりも高い。大きな第３の段差Ｓ_３を含む領域上に第２のＤＢＲ７５が形成されるので、ｎ型半導体スペーサ層７３と第２のＤＢＲ７５との界面の曲がりは大きい。この界面の曲がりは、レーザ共振器における光の散乱を増加させる。光の散乱の増加は、レーザ発振の閾値を増加させ、且つ最大光出力を減少させる。

比較例Ｂの閾値は半導体レーザＡの閾値より大きく、比較例Ｂの最大光出力は半導体レーザＡの最大光出力より小さい。比較例Ｂにおいて、高濃度ｐ型半導体層７９がレーザ共振器内に存在する。一般に、ｎ型の不純物をドープしたときの光吸収は自由電子吸収が支配的であり、一方、ｐ型の不純物をドープしたときの光吸収は価電子帯間吸収が支配的である。また、自由電子吸収による光吸収は、価電子帯間吸収により光吸収より、その光吸収量が小さい。従い、高濃度ｐ型半導体層７９がレーザ共振器内に存在することにより、高濃度ｎ型半導体層が共振器内に存在する場合に比較して、光吸収は増大する。さらに、高濃度ｐ型半導体層７９の正孔濃度は高濃度ｎ型半導体メサ８１の電子濃度に比較して大きいので、さらに光吸収が増加し、高濃度ｐ型半導体層７９の存在に起因してレーザ光の光吸収損失が増加する。レーザ光の光吸収損失は、レーザ発振の閾値を増加させ、且つ最大光出力を減少させる。

半導体レーザＡの微分抵抗は、比較例Ａ及び比較例Ｂの微分抵抗より小さい。半導体レーザＡにおいて、高濃度ｐ型半導体メサ１９は、高濃度ｎ型半導体層２１を成長する前に、熱アニール処理される。このため、高濃度ｐ型半導体メサ１９のドーパント活性化率は、比較例Ａ及び比較例Ｂに比して大きい。また、高濃度ｎ型半導体層２１を成長する前に、熱アニール処理されるので、高濃度ｐ型半導体メサ１９と高濃度ｎ型半導体層２１との間で、ドーパントの相互拡散は起こらない。ドーパント活性化率の増加は、微分抵抗を減少させる。

また、図２（ｂ）に示される、本実施の形態に係る面発光半導体レーザ（以下、「半導体レーザＢ」と記す）は、第４の領域３７ａへのイオン注入の工程を経て作製された。イオン注入は、以下に示す条件により行われた。
イオン種：水素イオン
注入加速エネルギー：１００ｋｅＶ
ドーズ量：１×１０^１５ｃｍ^−２
半導体レーザＡ、半導体レーザＢ、比較例Ａ及び比較例Ｂの素子パラメータＳ１１を抽出した。抽出した結果は、以下に示されるとおりである。
半導体レーザＡ：０．４ｐＦ
半導体レーザＢ：０．２ｐＦ
比較例Ａ：０．４ｐＦ
比較例Ｂ：０．５ｐＦ

半導体レーザＢの素子容量は、半導体レーザＡの素子容量に比して小さい。半導体レーザＢでは、第４の領域３７ａに水素イオンが注入されるので、ｐ型半導体スペーサ層１７の第２の領域３７の比抵抗は、第１の領域３５の比抵抗よりも大きくなる。さらに、第２の領域はイオン注入によって半絶縁層となるため、ｐｎ接合によって生じていた容量を低減することができるので、半導体レーザＢの素子容量が低減される。

半導体レーザＡの素子容量は、比較例Ａ及び比較例Ｂの素子容量に比して増加していない。半導体レーザＡにおいて、高濃度ｎ型半導体層２１がレーザ共振器内に存在するけれども、高濃度ｎ型半導体層２１のドーパント濃度は高濃度ｐ型半導体メサ１９のドーパント濃度より小さいので、高濃度ｎ型半導体層２１とｐ型半導体スペーサ層１７との界面近傍に形成される空乏層は高濃度ｎ型半導体層２１に広がる。故に素子容量の増加が抑制される。

比較例Ｂの素子容量は、半導体レーザＡ及び比較例Ａの素子容量に比して大きい。比較例Ｂでは、高濃度ｐ型半導体層７９のドーパント濃度は高濃度ｎ型半導体メサ８１のドーパント濃度より大きいので、高濃度ｐ型半導体層７９とｎ型半導体スペーサ層８３との界面近傍に形成される空乏層が薄くなる。故に素子容量が増加される。

図１は、本発明の実施の形態に係る面発光半導体レーザの構造を概略的に示す図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、図１の所定の軸Ａｘに沿う断面図である。 図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）及び図３（ｄ）は、面発光半導体レーザの作製工程を示す図である。 図４（ａ）、図４（ｂ）及び図４（ｃ）は、面発光半導体レーザの作製工程を示す図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、面発光半導体レーザの作製工程を示す図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、面発光半導体レーザの比較例の構造を概略的に示す図である。

符号の説明

１１ 面発光半導体レーザ、１３，４３…第１のＤＢＲ、１５，４５…活性層、１７，４７…ｐ型半導体スペーサ層、１９，４９…高濃度ｐ型半導体メサ、２１，５１…高濃度ｎ型半導体層、２３，５３…第１のｎ型半導体スペーサ層、２５，５５…第２のＤＢＲ、２７，５７…ｎ型半導体基板、２９，５９…第２のｎ型半導体スペーサ層、３１，６１…コンタクト層、１７ｂ…第１のエリア、１７ｃ…第２のエリア。

Claims (2)

1. 面発光半導体レーザを作製する方法であって、
   第１の分布ブラッグリフレクタ上に設けられた活性層上に、第１のエリアと該第１のエリアを囲む第２のエリアとを含む主面を有するｐ型半導体スペーサ層を基板上に形成する工程と、
   前記ｐ型半導体スペーサ層上に高濃度ｐ型半導体層を成長する工程と、
   前記高濃度ｐ型半導体層をエッチングすることにより、前記第１のエリア上に位置する高濃度ｐ型半導体メサを形成する工程と、
   前記ｐ型半導体スペーサ層上及び前記ｐ型半導体メサ上に高濃度ｎ型半導体層を成長する工程と、
   前記高濃度ｎ型半導体層上に第１のｎ型半導体スペーサ層を成長する工程と、
   前記第１のｎ型半導体スペーサ層上に第２の分布ブラッグリフレクタを形成する工程と、を有し、
   前記高濃度ｎ型半導体層を成長する工程の前、且つ前記高濃度ｐ型半導体層を成長する工程の後に、前記基板の熱アニール処理を行う、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記高濃度ｎ型半導体層を成長する工程の前に、
   前記ｐ型半導体メサを覆うように、前記ｐ型半導体スペーサ層上にマスクを形成する工程と、
   前記マスクを用いて、前記ｐ型半導体スペーサ層に酸素及び水素の少なくともいずれか一方のイオン注入を行う工程と
   を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。

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