JPH03190181A - 面発光レーザとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、面発光レーザとその製造方法に関する。

（従来の技術） 将来の光コンピュータ、光演算回路では、マトリクス状
に発光デバイスが集積された光集積回路が必要とされて
いる。これに適する光源として、面発光レーザが盛んに
研究開発されている。この−例として、Ｊ、　Ｌ、　Ｊ
ｅｗｅ１１氏らの発表した面発光レーザ（第７回光集積
および光通信国際会議（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＯｐｔｉ
ｃｓ　ａｎｄ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ　Ｃｏｍｍ
ｕｎｉｃａｔｉｏｎＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏ
ｎｆｅｒｅｎｃｅ）テクニカルダイジェストｖｏｌ、　
５　ｐ８−ｐ９）がある。このｌｐｍ〜５μｍ角のマイ
クロサイズの面発光レーザでは、発振電流１ｍＡ程度の
低消費電力で発振する事に成功している。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら前述の従来の面発光レーザでは素子サイズ
が小さいため直列抵抗が２にΩ以上と高くなり高速変調
への適用が困難という問題があった。

その理由は従来の面発光レーザにおいては素子サイズが
小さいために電極抵抗及び半導体バルク抵抗の両方が増
大していたからである。例えば、素子がｌｐｍ径、接触
抵抗Ｐｅ＝１×１０−５Ωｃｍ”では電極抵抗Ｒｃ＝１
．３にΩと大きくなる。又、半導体のバルク抵抗ＲＢは
ｌｐｍ径、活性層までの距離２ｐｍＰＢ＝０．１Ωｃｍ
の場合、２．５にΩとなり大きな値である。以上の大き
な抵抗となる主たる原因は最初に述べた様に、ｌｐｍサ
イズの素子面積にある。そこで、単純に素子サイズを大
きくする改善策が考えられるが、これは素子における発
振閾値の上昇消費電力の増大や発熱量の増加を招くため
好ましくない。

このように従来の面発光レーザでは消費電力を低くする
ために活性層の電流注入面積を小さくし低閾値化を図っ
ているが、このために電極や電流経路となる半導体層の
面積も小さくなるため電極抵抗や半導体のバルク抵抗が
高くなるという欠点があった。そのため高速変調特性が
良くなかった。

本発明の目的は発振しきい値電流が低くかつ直列抵抗が
小さく、高速変調特性の良好な面発光レーザとそれを歩
留り良く製造する方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の面発光レーザは半導体基板上に第１導電型の第
１半導体多層反射膜と、少なくとも１つの活性層を有す
る活性層構造と、第２導電型の第２半導体多層反射膜と
を備えた半導体柱を有し、該半導体柱は前記活化層構造
の近傍でくびれを有していることを特徴とする。あるい
はこの面発光レーザにおいて前記半導体柱の上面の断面
積が前記くびれの前記基板面に平行な断面積の２倍以上
であることを特徴とする。

本発明の面発光レーザの製造方法は半導体基板上に第１
導電型の第１半導体多層反射膜を形成する工程とこの第
１半導体多層反射膜上に少なくとも１つ以上の活性層を
含む活性層構造を形成する工程とこの活性層構造の上に
第２導電型の第２半導体多層反射膜を形成する工程とこ
の半導体多層構造の上部にマスクを形成する工程・と前
記半導体基板を連続的あるいは断続的に回転しながら前
記基板面に対して垂直から傾けた方向からエツチングビ
ームを照射してエツチングし前記活性層構造近傍でくび
れを有する半導体柱を形成する工程とを備えることを特
徴とする。

（作用） 課題を解決するには、活性層部の面積は小さくしたまま
電極や電流経路の面積を大きくすることが必要である。

これは、活性層近傍でくびれをもつ半導体柱を形成しそ
の上面に電極を形成することにより可能となる。

またこのようなくびれを持つ半導体柱を制御性、再現性
歩留り良く形成する方法は従来なかつた。湿式エツチン
グではくびれを持つ形状を作るには材料、エツチング液
の選択性に依るので、材料が限定され、また所定の形を
自由に作ることはできなかった。更に形状の制御性、再
現性が乏しいので歩留りが低い欠点があった。また従来
のイオンビームエツチング等のドライエツチングでは基
板面にほぼ垂直な方向からビームをあてているため、マ
スクとほぼ同じ形状の半導体柱となっていた。従ってく
びれをもつような半導体柱は形成できなかった。

本発明の作用について第１図を用いて説明する。

第１図は面発光レーザ用ダブルへテロ（ＤＨ）ウェハー
を反応用イオンビームエツチングを用いてメサ形状の半
導体柱１２を作る工程を示している。エツチングは指向
性のあるドライエツチングであれば何でもよい。エツチ
ング用マスク１１を表面に形成した半導体基板１の面に
図に示したθの入射角１０でエツチングビーム８を照射
してエツチングする。このエツチング中に基板１又は基
板１を固定しているホルダーを半導体基板面に垂直な方
向を軸とじて連続あるいは断続的に回転することにより
、マスク１１の下に半導体柱１２を形成する。

この半導体柱１２はマスク１１が円形でエツチング中に
連続して回転すれば円錐に、またマスク１１を四角にし
て一定エッチング時間ごとに９０度回転することにより
四角錐状に形成することもできる。

同様に多角形の錐状の形も形成される。この錐状の半導
体柱１２は途中にくびれをもち、そのくびれの位置は入
射角１０の大きさθとエツチング量により決まる。メサ
側面はマスク１１がら離れたところに比ベイオビームの
照射量が少ないのでくびれができる。メサの上部は入射
角で決まる逆メサ状の錐形になりくびれの位置から下部
はまた広くなる。

くびれの位置は同じ深さのエツチングに対し入射角度が
大きい程上方になる。また同じ入射角度ならエツチング
量が多い程下方にくびれが形成される。ドライエツチン
グのエツチング量は制御性、再現性が良いので、エツチ
ングガスの種類、圧力等のエツチング条件を決めれば入
射角度とエツチング時間により第１図に示したマスクか
ら離れた部分のエツチング深さ１３や半導体柱１２のく
びれの位置のマスクからの深さｄを制御することができ
る。

更に面内均一性も良いので高歩留りが得られる。

本発明の面発光レーザの製造工程においては、結晶成長
によって作製されたウェハーの活性層位置をあらかじめ
知ることができるので、エツチングビームの入射角度を
決めておけばくびれの位置をエツチング深さ１３（即ち
エツチング時間）で制御できる。面発光レーザの活性層
構造３の位置をこのくびれの位置となるようにすれば、
発光領域となるこの活性層の電流注入面積を小さくでき
、同時にマスク１１を形成した半導体表面に電極２ｏを
形成すると、活性層に比べ電極面積が十分大きくできる
。従って電極抵抗が下がる。また電流経路となる半導体
柱１２の断面積も実効的に大きくとれるのでこの部分の
バルク抵抗を小さくできる。しかも活性層の面積が小さ
いので発振閾値電流も小さくできる。例えば活性層構造
３を直径１ｐｍのくびれ部分に形成し、ここから表面ま
での厚さ（ｄ）を２ｐｍとし、エツチングビームの入射
角１０、θが３５度のとき電極面積は活性層の面積の約
１４倍となる。この効果により半導体柱の上に形成した
電極抵抗Ｒ６は１／１４、この電極と活性層の間の電流
経路の半導体層のバルク抵抗ＲＢは１／３以下となる。

この２つの抵抗ＲｃとＲＢをあわせた直列抵抗は従来の
１／３〜１／４となる。また活性層構造３より下の半導
体層は図のような末広がりの形状になるので同様にここ
のバルク抵抗も小さくできる。これにより低発振しきい
値低消費電力でかつ従来より高速の変調が可能となる。

また−例として活性層を６ｐｍ径として電極面積を活性
層の断面積の２倍とした場合は電極抵抗人が約１／２倍
バルク抵抗ＲＢが０．５〜０．６倍程度となり、２つの
和では従来の１／２以下となる。これにより従来の約２
倍の高速変調が可能となりまた熱抵抗が小さくなるので
、発熱の問題や信頼性等も改善される。

このように本発明によれば抵抗を小さくできるので高速
変調が可能となり低消費電力でかつ高速動作の面発光レ
ーザが高歩留りで得られる。

（実施例） 次に本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明す
る。第１図は本発明の一実施例の製造方法におけるエツ
チング工程を示す口笛２図は本発明の実施例により作製
された面発光レーザの断面図である。

まずｎ型−ＧａＡｓ半導体基板１上にｎ型ＡｌＡｓ８０
２人／ｎ型ＧａＡｓ６７０人の２３周期からなる第１半
導体多層反射膜２、ＡＩｏ、５Ｇａ□、５Ａｓ１４３０
Ａ／Ｉｎ□、２Ｇａ□、ＢＡｓ１００Ａ／ＡＩｏ、５Ｇ
ａ□、５Ａｓ１４３０人からなる活性層構造３、Ｐ型Ｇ
ａＡｓ６７０人Ｐ型ＡｌＡｓ８０２人１０周期の第２半
導体多層反射鏡４、ｐ＋型ＧａＡｓ３０人のキャップ層
５を結晶成長する。ここで活性層構造３内部のＩｎ□、
２Ｇａ□、ＢＡｓ層は正単一量子井戸の活性層である。

次に第１図に示す様に、マスク１１を通常のホトリソグ
ラフィ技術によって形成する。マスク材料としてはエツ
チング時に半導体材料とのエツチング選択比が大きいも
のならば良い。例えばホトレジスト、５ｉ０２、金等を
用いる事ができる。次にエツチング方法は反応性イオン
ビームエツチングやイオンビームエツチング等の指向性
のあるもので良い。ここではＣ１−イオンビームを用い
た。第１図に示すようにエツチングビーム８を半導体基
板１に対して傾けて入射させ、かつ半導体基板１を回転
させると活性層構造３近傍でくびれを有する構造を得る
。ここではマスクは円形どし、基板１はエツチング中連
続して一様に回転した。マスク径Ｄ２と活性層構造径Ｄ
□の間には Ｄ２−ＤＩ　＝２ｄｔａｎｅ　　　　　　　　　　　　
　　　（１）の関係がある。ここでｄは活性層構造３か
らキャップ層４までの厚さ、θは第１図のエツチングビ
ームの入射角１０である。従ってＤ２−Ｄｌを小さくす
るにはｄを大きくし０を小さくすれば良い。例えばＤ１
＝１ｐｍ径θ＝３５度、ｄ＝２ｐｍの場合にはＤ２＝３
．８ｐｍとなって３．８μｍ径のマスクを用意すれば良
いこととなる。この場合には活性層構造３の面積に対し
てキャップ層５表面の面積は１４倍となる。従ってこの
条件でエツチングし、くびれの位置の近傍に活性層構造
３がくるようにした。最後に第２図に示す様にＰ型電極
２０および基板１の裏面に半導体柱１２に対向する部分
を除いて、ｎ型電極２１を形成した。この面発光レーザ
の発振光の波長は、活性層構造３の内部の歪単一量子井
戸活性層（Ｉｎ□、２Ｇａ□、ＢＡＳ）で決まり約９５
００人である。そのため発振光２２は半導体基板１の吸
収を受けずに半導体基板１側より取り出すことができる
。

本実施例では、発振閾値電流０．５ｍＡ、素子の直列抵
抗０．９にΩと良好な特性が得られた。以上述べた様に
本発明による本実施例では活性層の面積は小さいにもか
かわらず、電極面積をそれの１０倍以上に大きく出来て
しかも半導体電流通路の面積も平均で３倍以上大きくで
きるため、直列抵抗が小さ〈従来の２倍以上の高速応答
が可能でかつ低消費電力の面発光レーザが実現できる。

本実施例では活性層構造として Ａｌｏ、５Ｇａ□、５Ａｓ／Ｉｎ□、２Ｇａ□、ＢＡｓ
／Ａｌｏ、５Ｇａ□、５Ａｓの単一量子井戸構造を用い
たが材料や構造はこれに限らず多重量子井戸構造や単一
層構造を用いても良い。活性層の材料は発振光の基板に
よる吸収が小さければよい。又本実施例ではキャップ層
をＰ型電極のために用いたが、第２半導体多層反射膜表
面近傍を充分高濃度（ｐ＞１０１９ｃｍ−３）にすれば
キャップ層を設けなくてもｍい。又、Ｐ型電極２０をエ
ツチングの後に形成したが、Ｐ型電極２０をパターニン
グしたものをマスク１１として用いても良い。又、半導
体多層反射膜としてＧａＡｓ６７０人／ＡｌＡｓ８０２
人のものを用いたがこれに限らず発振光の波長λに対し
て異なる屈折率ｎ１．　ｎ２を有し、厚みが各々Ａ／４
ｎ１、Ａ／４ｎ２の層の交互積層構造であれば他の組成
及び厚さでも良い。

又、本実力市例ではマスクとして円形を用いたがこれに
限らず、四角形等の他の形状においても本発明を適用出
来るのは明らかである。この場合半導体柱は四角錐状退
くびれをもつ形状となる。エツチングビームの入射角は
３５度としたが所望の特性により形状を最適化し、エツ
チング深さや入射角度を設定すれば良い。またエツチン
グ中基板を連続して一様に回転したが、パルス的に連続
して回転しても良い。パルス幅と１パルスでの回転角を
調整することにより所定のエツチング深件に選択できる
。

またエツチング中断続的に所定時間ごとに回転すること
により、多角形の錐状の形を作ることができる。例えば
エツチングマスクを四角の形状として回転角を９０度ご
とに回転すると四角錐状となり、マスクを三角形として
回転角１２０度では三角形錐状とすることができる。

また本実施例では活性層構造を１４ｘｍ径の大きさとし
たが、目的に応じて消費電力、光出力、変調速度、発光
パターン等を考慮して大きさや形状を最適化すれば良い
。

エツチングはＣ１−イオンを用いたが他のイオンを用い
た反応性イオンビームエツチングでもよいし、Ａｒ等を
用いたイオンビームエツチングでも良い。材料と所望の
形状により使い分けることができる。

ｎ型電極２１は基板１の裏面に形成したが、半導体柱１
２と同じ側の面に形成しても良い。

（発明の効果） 本発明の面発光レーザとその製造方法によれば、発振し
きい値が低く、低消費電力でかつ従来の２倍以上の高速
変調可能な面発光レーザが歩留り良く得られる。また熱
抵抗が下るので発熱も改善されそれに伴う信頼性も改善
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の製造工程の中のエツチング
工程を示す素、第２図は本発明の一実施例によって得ら
れる面発光レーザの断面図である。 図中、１は半導体基板、２は第１半導体多層反射膜、３
は活性層構造、４は第２半導体多層反射膜、５はキャッ
プ層、８はエツチングビーム、９は回転方向、１０は入
射角θ、１１はマスク、１２は半導体柱、１３はエツチ
ング深さ、２０はＰ型電極、２１はｎ型電極、２２は発
振光である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板上に第１導電型の第１半導体多層反射
   膜と、少なくとも１つの活性層を有する活性層構造と、
   第２導電型の第２半導体多層反射膜と、を備えた半導体
   柱を有し、該半導体柱は前記活性層構造の近傍でくびれ
   を有していることを特徴とする面発光レーザ。
2. （２）請求項１の面発光レーザにおいて前記半導体柱の
   上面の断面積が前記くびれの前記基板面に平行な断面積
   の２倍以上であることを特徴とする面発光レーザ。
3. （３）半導体基板上に第１導電型の第１半導体多層反射
   膜を形成する工程とこの第１半導体多層反射膜上に少な
   くとも１つ以上の活性層を含む活性層構造を形成する工
   程とこの活性層構造の上に第２導電型の第２半導体多層
   反射膜を形成する工程とこの半導体多層構造の上部にマ
   スクを形成する工程と前記半導体基板を連続的あるいは
   断続的に回転しながら前記基板面に対して垂直から傾け
   た方向からエッチングビームを照射してエッチングし前
   記活性層構造近傍でくびれを有する半導体柱を形成する
   工程とを備えることを特徴とする面発光レーザの製造方
   法。