JPH05235473A - 面型発光素子およびその製造方法 - Google Patents
面型発光素子およびその製造方法Info
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- JPH05235473A JPH05235473A JP3917192A JP3917192A JPH05235473A JP H05235473 A JPH05235473 A JP H05235473A JP 3917192 A JP3917192 A JP 3917192A JP 3917192 A JP3917192 A JP 3917192A JP H05235473 A JPH05235473 A JP H05235473A
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
- H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
- H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
- H01S5/2054—Methods of obtaining the confinement
- H01S5/2059—Methods of obtaining the confinement by means of particular conductivity zones, e.g. obtained by particle bombardment or diffusion
- H01S5/2063—Methods of obtaining the confinement by means of particular conductivity zones, e.g. obtained by particle bombardment or diffusion obtained by particle bombardment
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- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】発光領域が微細で、レーザ発振のしきい値が低
く、かつ低抵抗で高性能の面型発光素子や面型半導体レ
ーザおよびその製造方法を提供する。 【構成】発光層を含むキャビティ領域と上部ミラーとの
整合性を容易に、かつ完全にするために上部ミラーには
半導体多層膜ミラーを使用し、下部ミラーからキャビテ
ィ領域および上部ミラーまでを、１回のエピタキシャル
成長により連続して形成する。さらに、イオン注入の電
圧を小さくして活性層へのダメージを極小さく抑え、か
つ微細構造の発光領域および光学的ガイド構造を容易に
形成するため、半導体多層膜からなる上部ミラーをメサ
エッチングして活性層までの距離を短くする。また、イ
オン注入および電極形成の際には、メサ部をイオン注入
のマスクとしてセルフアライン的に行う。
く、かつ低抵抗で高性能の面型発光素子や面型半導体レ
ーザおよびその製造方法を提供する。 【構成】発光層を含むキャビティ領域と上部ミラーとの
整合性を容易に、かつ完全にするために上部ミラーには
半導体多層膜ミラーを使用し、下部ミラーからキャビテ
ィ領域および上部ミラーまでを、１回のエピタキシャル
成長により連続して形成する。さらに、イオン注入の電
圧を小さくして活性層へのダメージを極小さく抑え、か
つ微細構造の発光領域および光学的ガイド構造を容易に
形成するため、半導体多層膜からなる上部ミラーをメサ
エッチングして活性層までの距離を短くする。また、イ
オン注入および電極形成の際には、メサ部をイオン注入
のマスクとしてセルフアライン的に行う。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は基板に対し垂直方向に発
光またはレーザ発振する面型発光ダイオードまたは面発
光型半導体レーザおよびその製造方法に係り、特に素子
抵抗の低減と、低しきい値で高効率の面型発光素子およ
びその製造方法を提供するものである。
光またはレーザ発振する面型発光ダイオードまたは面発
光型半導体レーザおよびその製造方法に係り、特に素子
抵抗の低減と、低しきい値で高効率の面型発光素子およ
びその製造方法を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】基板に対し垂直方向に発光または発振す
る自然発光制御型の面発光ダイオードあるいは面発光型
半導体レーザは、微細で指向性がよく高効率で（または
しきい値が小さく）２次元アレイ化に適しているため、
光応用の新しい道を開くものとして期待されている。し
かし、自然発光を効率よく制御し、低しきい値でレーザ
発振を得るためには１００％に近い反射率のミラーが要
求される。このため、半導体または誘電体の多層膜等か
らなるＤＢＲミラー（Distributed Bragg Reflector）
が使用されている。
る自然発光制御型の面発光ダイオードあるいは面発光型
半導体レーザは、微細で指向性がよく高効率で（または
しきい値が小さく）２次元アレイ化に適しているため、
光応用の新しい道を開くものとして期待されている。し
かし、自然発光を効率よく制御し、低しきい値でレーザ
発振を得るためには１００％に近い反射率のミラーが要
求される。このため、半導体または誘電体の多層膜等か
らなるＤＢＲミラー（Distributed Bragg Reflector）
が使用されている。
【０００３】図４は、従来の面型発光素子構造の一例
で、ｎ型半導体（ｎ−ＧaＡs）基板１上に、ＧaＡsまた
はＩnＧaＡs歪層の発光層を含むキャビティ領域２を持
ち、そのキャビティ厚さを１または１／２光学波長とし
たものが、いわゆるマイクロキャビティ型素子である。
発光層を含むキャビティ領域２の両側には、ｎ型半導体
多層膜からなる下部ミラー３およびｐ型半導体多層膜か
らなる上部ミラー４が形成されており、各々ＧaＡs／Ａ
lＡs、またはＡlＧaＡs／ＡlＡsの各λ／４ｎ（λは発
光波長、ｎは各屈折率）の厚さからなる半導体多層膜ミ
ラーを使用している。この素子は、じょうご形といわれ
るもので、プロトンまたは酸素イオン注入により内部に
半絶縁領域５を設けることにより電流狭窄と低抵抗化を
はかったものである。すなわち、プロトンまたは酸素イ
オンの注入では、注入電圧と注入量を適切に選ぶことに
より、表面では元の電気伝導性を維持したまま内部のみ
を絶縁化することができる。あるいは、プロトンまたは
酸素イオン注入後、ｐ型イオン、例えばベリリウムを表
面に注入すれば内部のみを絶縁化することもできる。こ
のドーナツ状イオン注入部分にｐ型電極７を形成し、さ
らに基板側にｎ型電極６を形成すると、電流はドーナツ
状電極からプロトンまたは酸素イオン注入による内部の
半絶縁領域５を避けて流れ、活性層内の所定の発光領域
８のみで発光する。この構造では、オーミック接触部を
発光領域８周辺のドーナツ状部分とすることにより、そ
の面積を増大して低抵抗とすることができる。また、発
光部の直上には電極を設けていないことから容易に上面
発光型の素子を作製することができるという長所があ
る。しかし、この従来の素子では、以下に示す欠点を有
している。すなわち、上部半導体ミラーの表面から、そ
の下の活性層までプロトンまたは酸素イオン注入を行う
ため、注入電圧を高くして深くまでイオンを到達させな
ければならない。注入電圧を高くすることは、活性層へ
のダメージを大きくすることになる。活性層へのダメー
ジは、有効な発光領域８の周辺の非発光中心を増大さ
せ、それが発光領域８へ注入されるキャリアを死滅させ
るので発光効率が低下する。このため、発光ダイオード
の発光出力を低下させ、またレーザ発振のしきい値を上
昇させる結果となる。また、内部深くまでプロトンまた
は酸素イオンを注入するため、その横広がりが問題とな
り、発光領域８を微細に限定することが困難となる。さ
らに、キャビティ上部に光学的なガイド構造が設けられ
ていないためにガイドロスが大きく、これがレーザしき
い値を上昇させるという問題があった。
で、ｎ型半導体（ｎ−ＧaＡs）基板１上に、ＧaＡsまた
はＩnＧaＡs歪層の発光層を含むキャビティ領域２を持
ち、そのキャビティ厚さを１または１／２光学波長とし
たものが、いわゆるマイクロキャビティ型素子である。
発光層を含むキャビティ領域２の両側には、ｎ型半導体
多層膜からなる下部ミラー３およびｐ型半導体多層膜か
らなる上部ミラー４が形成されており、各々ＧaＡs／Ａ
lＡs、またはＡlＧaＡs／ＡlＡsの各λ／４ｎ（λは発
光波長、ｎは各屈折率）の厚さからなる半導体多層膜ミ
ラーを使用している。この素子は、じょうご形といわれ
るもので、プロトンまたは酸素イオン注入により内部に
半絶縁領域５を設けることにより電流狭窄と低抵抗化を
はかったものである。すなわち、プロトンまたは酸素イ
オンの注入では、注入電圧と注入量を適切に選ぶことに
より、表面では元の電気伝導性を維持したまま内部のみ
を絶縁化することができる。あるいは、プロトンまたは
酸素イオン注入後、ｐ型イオン、例えばベリリウムを表
面に注入すれば内部のみを絶縁化することもできる。こ
のドーナツ状イオン注入部分にｐ型電極７を形成し、さ
らに基板側にｎ型電極６を形成すると、電流はドーナツ
状電極からプロトンまたは酸素イオン注入による内部の
半絶縁領域５を避けて流れ、活性層内の所定の発光領域
８のみで発光する。この構造では、オーミック接触部を
発光領域８周辺のドーナツ状部分とすることにより、そ
の面積を増大して低抵抗とすることができる。また、発
光部の直上には電極を設けていないことから容易に上面
発光型の素子を作製することができるという長所があ
る。しかし、この従来の素子では、以下に示す欠点を有
している。すなわち、上部半導体ミラーの表面から、そ
の下の活性層までプロトンまたは酸素イオン注入を行う
ため、注入電圧を高くして深くまでイオンを到達させな
ければならない。注入電圧を高くすることは、活性層へ
のダメージを大きくすることになる。活性層へのダメー
ジは、有効な発光領域８の周辺の非発光中心を増大さ
せ、それが発光領域８へ注入されるキャリアを死滅させ
るので発光効率が低下する。このため、発光ダイオード
の発光出力を低下させ、またレーザ発振のしきい値を上
昇させる結果となる。また、内部深くまでプロトンまた
は酸素イオンを注入するため、その横広がりが問題とな
り、発光領域８を微細に限定することが困難となる。さ
らに、キャビティ上部に光学的なガイド構造が設けられ
ていないためにガイドロスが大きく、これがレーザしき
い値を上昇させるという問題があった。
【０００４】図５は、従来の素子構造の他の一例であ
る。この素子の電流狭窄構造は、上述の素子と同様、内
部に半絶縁領域５を形成したじょうご型と類似の構造で
あって、キャビティの上側のクラッド層の一部１０をｐ
型化し、これを通して電流注入が行われる。上部ミラー
には、半導体ＤＢＲミラーを使用しないで誘電体多層膜
からなる上部ミラー１１を用いるものである。この素子
は、上記の素子とは異なり、イオン注入電圧が低くて済
むのでダメージが少なく発光領域も微細化でき、かつ上
部には光学的ガイドが形成されているためしきい値は低
下するものと考えられる。しかし、実際には良好な素子
特性は得られないという問題があった。これは、誘電体
多層膜のエッチングが半導体多層膜に比べて困難であり
微細構造が作りにくいこと、また発光層を含むキャビテ
ィ領域２上に、誘電体多層膜からなる上部ミラー１１を
形成する際に、その界面９に光学的異物、すなわち半導
体結晶の酸化物や汚物等が混入し易く、マイクロキャビ
ティの条件が損なわれ易いためであると考えられる。マ
イクロキャビティ型面発光素子では、共振器内に発生す
る定在波の光強度分布のピーク位置をキャビティの中心
に正確に合わせ、その位置に活性層を配置するが、この
条件がわずかでもずれると発光出力が著しく低下する。
キャビティの極く近傍での光学的不均一は、マイクロキ
ャビティ特性に大きな影響を与えるため、発光層を含む
キャビティ領域２の極近傍に半導体とは異種の誘電体多
層膜からなる上部ミラー１１を設けることで素子特性を
低下させていた。
る。この素子の電流狭窄構造は、上述の素子と同様、内
部に半絶縁領域５を形成したじょうご型と類似の構造で
あって、キャビティの上側のクラッド層の一部１０をｐ
型化し、これを通して電流注入が行われる。上部ミラー
には、半導体ＤＢＲミラーを使用しないで誘電体多層膜
からなる上部ミラー１１を用いるものである。この素子
は、上記の素子とは異なり、イオン注入電圧が低くて済
むのでダメージが少なく発光領域も微細化でき、かつ上
部には光学的ガイドが形成されているためしきい値は低
下するものと考えられる。しかし、実際には良好な素子
特性は得られないという問題があった。これは、誘電体
多層膜のエッチングが半導体多層膜に比べて困難であり
微細構造が作りにくいこと、また発光層を含むキャビテ
ィ領域２上に、誘電体多層膜からなる上部ミラー１１を
形成する際に、その界面９に光学的異物、すなわち半導
体結晶の酸化物や汚物等が混入し易く、マイクロキャビ
ティの条件が損なわれ易いためであると考えられる。マ
イクロキャビティ型面発光素子では、共振器内に発生す
る定在波の光強度分布のピーク位置をキャビティの中心
に正確に合わせ、その位置に活性層を配置するが、この
条件がわずかでもずれると発光出力が著しく低下する。
キャビティの極く近傍での光学的不均一は、マイクロキ
ャビティ特性に大きな影響を与えるため、発光層を含む
キャビティ領域２の極近傍に半導体とは異種の誘電体多
層膜からなる上部ミラー１１を設けることで素子特性を
低下させていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上述
した従来技術の欠点を改善し、発光領域が微細で、レー
ザ発振のしきい値が低く、かつ低抵抗の面型発光素子お
よび面型半導体レーザ、およびその製造方法を提供する
ことにある。
した従来技術の欠点を改善し、発光領域が微細で、レー
ザ発振のしきい値が低く、かつ低抵抗の面型発光素子お
よび面型半導体レーザ、およびその製造方法を提供する
ことにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記本発明の目的を達成
するために、発光層を含むキャビティ領域と上部ミラー
との整合性を容易に、かつ完全にするために上部ミラー
には半導体多層膜ミラーを使用し、下部ミラーからキャ
ビティ領域および上部ミラーまでを、１回のエピタキシ
ャル成長により連続して形成させる。さらに、イオン注
入の電圧を小さくして活性層へのダメージを極小さく抑
え、かつ微細構造の発光領域および光学的ガイド構造を
容易に形成するため、上記半導体多層膜ミラーをメサエ
ッチングして活性層までの距離を短くする。また、イオ
ン注入および電極形成の際には、上記メサ部をイオン注
入のマスクとしセルフアライン的に行うものである。
するために、発光層を含むキャビティ領域と上部ミラー
との整合性を容易に、かつ完全にするために上部ミラー
には半導体多層膜ミラーを使用し、下部ミラーからキャ
ビティ領域および上部ミラーまでを、１回のエピタキシ
ャル成長により連続して形成させる。さらに、イオン注
入の電圧を小さくして活性層へのダメージを極小さく抑
え、かつ微細構造の発光領域および光学的ガイド構造を
容易に形成するため、上記半導体多層膜ミラーをメサエ
ッチングして活性層までの距離を短くする。また、イオ
ン注入および電極形成の際には、上記メサ部をイオン注
入のマスクとしセルフアライン的に行うものである。
【０００７】本発明は、半導体基板上に、半導体多層膜
からなる第１の半導体ミラーと、活性層を含むキャビテ
ィ領域と、上記第１の半導体ミラーとは異なる半導体多
層膜からなる第２の半導体ミラーとを少なくとも備え、
基板に対し垂直方向に発光もしくはレーザ発振する面型
発光素子であって、上記第２の半導体ミラーは凸部を有
する形状となし、この第２の半導体ミラーの凸部の周辺
部で、その層厚方向の活性層近傍に半絶縁領域を設定
し、上記第２の半導体ミラーの凸部の周辺部に電流注入
用の電極を有する構造とした面型発光素子である。
からなる第１の半導体ミラーと、活性層を含むキャビテ
ィ領域と、上記第１の半導体ミラーとは異なる半導体多
層膜からなる第２の半導体ミラーとを少なくとも備え、
基板に対し垂直方向に発光もしくはレーザ発振する面型
発光素子であって、上記第２の半導体ミラーは凸部を有
する形状となし、この第２の半導体ミラーの凸部の周辺
部で、その層厚方向の活性層近傍に半絶縁領域を設定
し、上記第２の半導体ミラーの凸部の周辺部に電流注入
用の電極を有する構造とした面型発光素子である。
【０００８】そして本発明は、半導体基板上に、少なく
とも半導体多層膜からなる第１の半導体ミラー部と、活
性層を含むキャビティ領域と、上記第１の半導体ミラー
とは異なる半導体多層膜からなる第２の半導体ミラー部
とを順次積層する工程と、上記第２の半導体ミラー部の
表面をメサエッチングするためのマスクを形成する工程
と、メサエッチングにより第２の半導体ミラー部に凸部
を形成する工程と、上記凸部に形成したメサエッチング
用のマスクをイオン注入用のマスクとしてイオン注入を
行う工程と、電極層を蒸着してリフトオフを行い上部電
極を形成する工程とを少なくとも含む面型発光素子の製
造方法である。また、上記のメサエッチングにより第２
の半導体ミラー部に凸部を形成する工程の後に、メサエ
ッチングするために設けたマスクを除去する工程と、凸
部を形成した第２の半導体ミラー部をマスクとしてイオ
ン注入する工程と、電極リフトオフ用のリソグラフを施
す工程と、電極層を蒸着してリフトオフを行い上部電極
を形成する工程とを少なくとも含む面型発光素子の製造
方法である。さらに、上記の凸部を形成した第２の半導
体ミラー部をマスクとしてイオン注入した後に、凸部を
有する第２の半導体ミラーの全面に電極層の蒸着を行
い、上部電極を形成する工程を少なくとも含む面型発光
素子の製造方法である。
とも半導体多層膜からなる第１の半導体ミラー部と、活
性層を含むキャビティ領域と、上記第１の半導体ミラー
とは異なる半導体多層膜からなる第２の半導体ミラー部
とを順次積層する工程と、上記第２の半導体ミラー部の
表面をメサエッチングするためのマスクを形成する工程
と、メサエッチングにより第２の半導体ミラー部に凸部
を形成する工程と、上記凸部に形成したメサエッチング
用のマスクをイオン注入用のマスクとしてイオン注入を
行う工程と、電極層を蒸着してリフトオフを行い上部電
極を形成する工程とを少なくとも含む面型発光素子の製
造方法である。また、上記のメサエッチングにより第２
の半導体ミラー部に凸部を形成する工程の後に、メサエ
ッチングするために設けたマスクを除去する工程と、凸
部を形成した第２の半導体ミラー部をマスクとしてイオ
ン注入する工程と、電極リフトオフ用のリソグラフを施
す工程と、電極層を蒸着してリフトオフを行い上部電極
を形成する工程とを少なくとも含む面型発光素子の製造
方法である。さらに、上記の凸部を形成した第２の半導
体ミラー部をマスクとしてイオン注入した後に、凸部を
有する第２の半導体ミラーの全面に電極層の蒸着を行
い、上部電極を形成する工程を少なくとも含む面型発光
素子の製造方法である。
【０００９】
【実施例】図１は、本発明の面型発光素子および面型半
導体レーザの構成の一例を示すもので、図２（１）〜
（５）に本発明の面型発光素子の代表的な製造工程を示
す模式図である。まず、ｎ型半導体（ＧaＡs）基板１上
に、基板側ミラーとしてｎ型半導体多層膜からなる下部
ミラー３を形成する。例えば、その組成をＡlＡsとＧa
Ａsとすると、その４分の１光学波長は、それぞれ８０.
３ｎｍと６６.９ｎｍになる。ここで、発光波長（λ）
を９８０ｎｍ、ＡlＡsとＧaＡsの屈折率（ｎ）を、それ
ぞれ３.０５、３.６６とした。この材料で、２０.５ペ
ア（最上層はＡlＡsとした）を形成すると、全体の層の
厚みは３.０μｍ、発光層側から基板側をみた反射率の
最高値は９９.８％となる。なお、ＡlＡsとＧaＡsは所
望する反射率、抵抗値、発光波長等によりＡl組成およ
び厚さを変更することができる。ついで、活性層として
ＩnＧaＡs歪量子井戸層を中央に持ち、厚さがλ／ｎの
Ａl0.3Ｇa0.7Ａsからなる内部に発光層を含むキャビテ
ィ領域（いわゆるλキャビティ）２、半導体多層膜から
なる上部ミラー１２を成長させる。これらの成長は、光
学的諸条件を容易に満足させるために一回の結晶成長で
形成させる。半導体多層膜からなる上部ミラー１２は、
ｎ型半導体多層膜からなる下部ミラー３と同様に、Ａl
ＡsとＧaＡsまたはこれらに相当する半導体組成の４分
の１光学波長厚さの多層膜からなるが、キャビティ長が
λの場合、ｐ型半導体多層膜からなる上部ミラーの最下
層１３をＡlＡsとすれば屈折率の大小関係から、キャビ
ティの中央を発振モードの最大強度（定在波の腹）とす
ることができる。また、λ／２キャビティ等の場合も同
様の条件を満足するようにミラーの屈折率構成を調整す
る。半導体多層膜からなる上部ミラー１２の電気伝導型
は、本実施例では全部ｐ型としたが、正孔の流れるキャ
ビティ近傍の１ペアまたは数ペアのみをｐ型とすればよ
く、それ以外の部分は光学的吸収の少ないｎ型またはノ
ンドープ型でもよい。次に、半導体多層膜からなる上部
ミラー１２の表面に、メサエッチングするためのマスク
となるレジスト（またはポリイミド）１５を形成する
〔図２（１）〕。この後、半導体多層膜からなる上部ミ
ラー１２の一部を、キャビティ近傍までメサ状にドライ
またはウエットエッチングする〔図２（２）〕。メサエ
ッチング表面は、オーミック接触の容易なＧaＡsとする
ことが望ましい。なお、このｐ型電流注入層（本実施例
ではＧaＡsからなるオーミック層）１４を厚くしてシリ
ーズ抵抗を低減したい場合には、マイクロキャビティの
定在波条件を損なわないように４分の１光学厚の奇数倍
とする。また、活性層内での電流の均一性を上げるため
に、このｐ型電流注入層１４の最下層を数ペアのｐ型半
導体補助ミラー１３としてもよい。次に、このまま、す
なわちメサエッチング用レジストおよびメサ型半導体層
をマスクとして、プロトンまたは酸素イオン注入をす
る。必要ならば、ベリリウムイオン注入等により内部絶
縁層である半絶縁領域５および表面ｐ層を形成し〔図２
（３）の（ａ）〕、最後にｐ型電極７を形成し〔図２
（４）の（ａ）〕、セルフアライン的にリフトオフによ
り電極のパタニングを行う〔図２（５）の（ａ）〕。こ
のように本実施例では、キャビティと上部ミラーとの整
合性を容易に、かつ完全にするために上部ミラーには半
導体多層膜ミラーを使用し、この半導体多層膜ミラーを
メサエッチした後にイオン注入を行うため、イオン注入
の電圧を大きくせずに活性層へのダメージを極小に抑
え、かつ微細発光層および微小光学ガイドを容易に形成
することができる。また、ｐ型半導体多層膜を使用する
ことがないため、低抵抗で光学的ロスが少なく、高効率
で低しきい値の上面発光および裏面発光が可能な面型発
光素子、または面型発光型半導体レーザが得られる。本
発明の面型発光素子の製造方法において、上記の図２
（２）の工程の後に、レジスト１５を除去し、メサエッ
チングしたメサ部１８をマスクとしてイオン注入を行う
〔図２（３）の（ｂ）〕。このメサ部１８におけるイオ
ン注入部１６は、電気的には絶縁層となるが、素子動作
において電流は流さず、またイオン注入によりＤＢＲミ
ラーとしての性能は損なわれないので、このメサ部１８
が上面ＤＢＲミラーとなっても、電流狭窄領域（発光領
域）がこのメサ部１８によりセルフアライン的に形成さ
れるためミラーロスの生じないキャビティが効果的に形
成される。ついで、電極リフトオフ用リソグラフ〔図２
（４）の（ｂ）〕を形成し、電極の蒸着およびリフトオ
フによって電極をパターニング〔図２（５）の（ｂ）〕
する工程を経ることにより、微細発光領域を有し、レー
ザ発振等のしきい値が低く、低抵抗で高性能の面型発光
素子が得られる。また、本発明の面型発光素子の製造方
法において、上記図２（３）の（ｂ）に示す工程の後
に、電極層を全面に蒸着することにより〔図２（５）の
（ｃ）〕、裏面発光型の素子が得られる。この場合、上
部半導体ミラーの最上層にマッチング層を設け、電極
に、例えば金のような高反射率金属を用いることによ
り、半導体ＤＢＲと金属ミラーとの複合ミラーによる高
反射率ミラーが得られる。
導体レーザの構成の一例を示すもので、図２（１）〜
（５）に本発明の面型発光素子の代表的な製造工程を示
す模式図である。まず、ｎ型半導体（ＧaＡs）基板１上
に、基板側ミラーとしてｎ型半導体多層膜からなる下部
ミラー３を形成する。例えば、その組成をＡlＡsとＧa
Ａsとすると、その４分の１光学波長は、それぞれ８０.
３ｎｍと６６.９ｎｍになる。ここで、発光波長（λ）
を９８０ｎｍ、ＡlＡsとＧaＡsの屈折率（ｎ）を、それ
ぞれ３.０５、３.６６とした。この材料で、２０.５ペ
ア（最上層はＡlＡsとした）を形成すると、全体の層の
厚みは３.０μｍ、発光層側から基板側をみた反射率の
最高値は９９.８％となる。なお、ＡlＡsとＧaＡsは所
望する反射率、抵抗値、発光波長等によりＡl組成およ
び厚さを変更することができる。ついで、活性層として
ＩnＧaＡs歪量子井戸層を中央に持ち、厚さがλ／ｎの
Ａl0.3Ｇa0.7Ａsからなる内部に発光層を含むキャビテ
ィ領域（いわゆるλキャビティ）２、半導体多層膜から
なる上部ミラー１２を成長させる。これらの成長は、光
学的諸条件を容易に満足させるために一回の結晶成長で
形成させる。半導体多層膜からなる上部ミラー１２は、
ｎ型半導体多層膜からなる下部ミラー３と同様に、Ａl
ＡsとＧaＡsまたはこれらに相当する半導体組成の４分
の１光学波長厚さの多層膜からなるが、キャビティ長が
λの場合、ｐ型半導体多層膜からなる上部ミラーの最下
層１３をＡlＡsとすれば屈折率の大小関係から、キャビ
ティの中央を発振モードの最大強度（定在波の腹）とす
ることができる。また、λ／２キャビティ等の場合も同
様の条件を満足するようにミラーの屈折率構成を調整す
る。半導体多層膜からなる上部ミラー１２の電気伝導型
は、本実施例では全部ｐ型としたが、正孔の流れるキャ
ビティ近傍の１ペアまたは数ペアのみをｐ型とすればよ
く、それ以外の部分は光学的吸収の少ないｎ型またはノ
ンドープ型でもよい。次に、半導体多層膜からなる上部
ミラー１２の表面に、メサエッチングするためのマスク
となるレジスト（またはポリイミド）１５を形成する
〔図２（１）〕。この後、半導体多層膜からなる上部ミ
ラー１２の一部を、キャビティ近傍までメサ状にドライ
またはウエットエッチングする〔図２（２）〕。メサエ
ッチング表面は、オーミック接触の容易なＧaＡsとする
ことが望ましい。なお、このｐ型電流注入層（本実施例
ではＧaＡsからなるオーミック層）１４を厚くしてシリ
ーズ抵抗を低減したい場合には、マイクロキャビティの
定在波条件を損なわないように４分の１光学厚の奇数倍
とする。また、活性層内での電流の均一性を上げるため
に、このｐ型電流注入層１４の最下層を数ペアのｐ型半
導体補助ミラー１３としてもよい。次に、このまま、す
なわちメサエッチング用レジストおよびメサ型半導体層
をマスクとして、プロトンまたは酸素イオン注入をす
る。必要ならば、ベリリウムイオン注入等により内部絶
縁層である半絶縁領域５および表面ｐ層を形成し〔図２
（３）の（ａ）〕、最後にｐ型電極７を形成し〔図２
（４）の（ａ）〕、セルフアライン的にリフトオフによ
り電極のパタニングを行う〔図２（５）の（ａ）〕。こ
のように本実施例では、キャビティと上部ミラーとの整
合性を容易に、かつ完全にするために上部ミラーには半
導体多層膜ミラーを使用し、この半導体多層膜ミラーを
メサエッチした後にイオン注入を行うため、イオン注入
の電圧を大きくせずに活性層へのダメージを極小に抑
え、かつ微細発光層および微小光学ガイドを容易に形成
することができる。また、ｐ型半導体多層膜を使用する
ことがないため、低抵抗で光学的ロスが少なく、高効率
で低しきい値の上面発光および裏面発光が可能な面型発
光素子、または面型発光型半導体レーザが得られる。本
発明の面型発光素子の製造方法において、上記の図２
（２）の工程の後に、レジスト１５を除去し、メサエッ
チングしたメサ部１８をマスクとしてイオン注入を行う
〔図２（３）の（ｂ）〕。このメサ部１８におけるイオ
ン注入部１６は、電気的には絶縁層となるが、素子動作
において電流は流さず、またイオン注入によりＤＢＲミ
ラーとしての性能は損なわれないので、このメサ部１８
が上面ＤＢＲミラーとなっても、電流狭窄領域（発光領
域）がこのメサ部１８によりセルフアライン的に形成さ
れるためミラーロスの生じないキャビティが効果的に形
成される。ついで、電極リフトオフ用リソグラフ〔図２
（４）の（ｂ）〕を形成し、電極の蒸着およびリフトオ
フによって電極をパターニング〔図２（５）の（ｂ）〕
する工程を経ることにより、微細発光領域を有し、レー
ザ発振等のしきい値が低く、低抵抗で高性能の面型発光
素子が得られる。また、本発明の面型発光素子の製造方
法において、上記図２（３）の（ｂ）に示す工程の後
に、電極層を全面に蒸着することにより〔図２（５）の
（ｃ）〕、裏面発光型の素子が得られる。この場合、上
部半導体ミラーの最上層にマッチング層を設け、電極
に、例えば金のような高反射率金属を用いることによ
り、半導体ＤＢＲと金属ミラーとの複合ミラーによる高
反射率ミラーが得られる。
【００１０】次に、本実施例において、上部ミラーとし
て半導体多層膜ミラーを用い、かつエピタキシャル成長
により下部ミラー、キャビティと一貫して成長させる場
合の効果について説明する。例えば従来の素子構造（図
５）において、発光層を含むキャビティ領域２と誘電体
多層膜からなる上部ミラー１１との間に、なんらかの光
学的不均一または異物が混入する。これは、結晶成長炉
から取り出し後、または誘電体多層膜ミラーの形成時に
も発生し易い。この光学的不均一および異物の混入があ
った場合に、半導体レーザのキャビティ特性にどのよう
な影響を与えるかを反射率スペクトルで示したものが図
３（１）、（２）である。なお、図３（２）は図３
（１）のλが９７０〜９９０ｎｍの範囲を拡大したグラ
フである。ｎ−ＧaＡs基板上に、下部ミラーとしてＡl
Ａs／ＧaＡsを１１．５ペア、キャビティ長１波長（λ
キャビティ）、上部ミラーとしてＳiＯ2／ＴiＯ2を４ペ
ア形成した場合である。ここで、各ＤＢＲミラーの屈折
率差（Δｎ）は、半導体ミラーの場合Δｎ／ｎ＝０.１
８２、誘電体ミラーの場合はΔｎ／ｎ＝０.３６９とし
た。図において、（ａ）曲線は理想的なもので全く光学
的不均一または異物がない場合の反射率スペクトル、
（ｂ）曲線はキャビティ／誘電体ミラーの界面２４に光
学的不均一または異物として吸収性の薄膜（例えば厚さ
１ｎｍ、複素屈折率２.６〜５.３ｉ）が混入した場合で
ある。上記（ａ）では、キャビティモード波長での反射
率は０％（透過率１００％）、かつキャビティモード幅
も非常にシャープであるが、（ｂ）では、キャビティモ
ード波長のシフト、キャビティモード反射率の増大（透
過率の減少）、キャビティモード幅の増大が発生してい
る。これは、面発光レーザのしきい値等の発振特性に重
大な影響を与える。（ｃ）および（ｄ）は、キャビティ
上に１ペア（ｃ）および３ペア（ｄ）の半導体ミラーを
挿入した後、同一の異物および誘電体ミラーを設置した
場合である。異物とキャビティとの間に半導体ペアを挿
入することにより、キャビティ特性が理想的な（ａ）曲
線に近付く。このように、キャビティ上に半導体ペアを
挿入し、その半導体ペア数を増大させることにより光学
的不均一や異物の混入による影響を少なくすることが可
能である。半導体のペア数を増大させていくと、半導体
ペアだけで上部ミラーとしての高反射率を満足させるこ
とができるようになり、半導体ミラー上の誘電体ミラー
は不要となる。このように構成したものが図１に示す本
実施例の上部ミラーである半導体多層膜からなる上部ミ
ラー１２である。このように本発明の面型発光素子は、
光学的キャビティ特性を損なうことなく、かつイオン注
入によるダメージを減少し、また微細なキャビティ面に
おいても有効な素子構造が得られる。なお、上記実施例
においては、発光層がＩnＧaＡs歪量子井戸、多層膜ミ
ラーがＡlＧaＡs系のものを用いた場合について説明し
たが、本発明の基本概念は、発光層がＧaＡs、またはＡ
lＧaＡsの量子井戸、あるいはバルク薄膜の場合、さら
にはＩnＧaＡsＰ／ＩnＰ長波系発光素子、ＡlＧaＩnＰ
系可視光素子などにおいても適用可能である。いずれの
場合も、半導体ミラーの組成、キャビティ組成、オーミ
ック組成等は、素子の発光特性、電気特性などを考慮し
て適宜最適化することができる。また、発光層の量子構
造は上記の１次元井戸構造だけでなく、２次元、３次元
量子井戸、すなわち量子線、量子箱型についても、各々
発光スペクトル幅などに合わせてミラー特性を設定する
ことにより本発明の構造を適用することができる。ま
た、素子形態についても面発光レーザ、面型発光ダイオ
ードの他に、面型双安定レーザ、面型アンプ・スイッ
チ、ｐｎｐｎ光サイリスタ、およびそれらを用いた光論
理素子等に対しても適用可能である。
て半導体多層膜ミラーを用い、かつエピタキシャル成長
により下部ミラー、キャビティと一貫して成長させる場
合の効果について説明する。例えば従来の素子構造（図
５）において、発光層を含むキャビティ領域２と誘電体
多層膜からなる上部ミラー１１との間に、なんらかの光
学的不均一または異物が混入する。これは、結晶成長炉
から取り出し後、または誘電体多層膜ミラーの形成時に
も発生し易い。この光学的不均一および異物の混入があ
った場合に、半導体レーザのキャビティ特性にどのよう
な影響を与えるかを反射率スペクトルで示したものが図
３（１）、（２）である。なお、図３（２）は図３
（１）のλが９７０〜９９０ｎｍの範囲を拡大したグラ
フである。ｎ−ＧaＡs基板上に、下部ミラーとしてＡl
Ａs／ＧaＡsを１１．５ペア、キャビティ長１波長（λ
キャビティ）、上部ミラーとしてＳiＯ2／ＴiＯ2を４ペ
ア形成した場合である。ここで、各ＤＢＲミラーの屈折
率差（Δｎ）は、半導体ミラーの場合Δｎ／ｎ＝０.１
８２、誘電体ミラーの場合はΔｎ／ｎ＝０.３６９とし
た。図において、（ａ）曲線は理想的なもので全く光学
的不均一または異物がない場合の反射率スペクトル、
（ｂ）曲線はキャビティ／誘電体ミラーの界面２４に光
学的不均一または異物として吸収性の薄膜（例えば厚さ
１ｎｍ、複素屈折率２.６〜５.３ｉ）が混入した場合で
ある。上記（ａ）では、キャビティモード波長での反射
率は０％（透過率１００％）、かつキャビティモード幅
も非常にシャープであるが、（ｂ）では、キャビティモ
ード波長のシフト、キャビティモード反射率の増大（透
過率の減少）、キャビティモード幅の増大が発生してい
る。これは、面発光レーザのしきい値等の発振特性に重
大な影響を与える。（ｃ）および（ｄ）は、キャビティ
上に１ペア（ｃ）および３ペア（ｄ）の半導体ミラーを
挿入した後、同一の異物および誘電体ミラーを設置した
場合である。異物とキャビティとの間に半導体ペアを挿
入することにより、キャビティ特性が理想的な（ａ）曲
線に近付く。このように、キャビティ上に半導体ペアを
挿入し、その半導体ペア数を増大させることにより光学
的不均一や異物の混入による影響を少なくすることが可
能である。半導体のペア数を増大させていくと、半導体
ペアだけで上部ミラーとしての高反射率を満足させるこ
とができるようになり、半導体ミラー上の誘電体ミラー
は不要となる。このように構成したものが図１に示す本
実施例の上部ミラーである半導体多層膜からなる上部ミ
ラー１２である。このように本発明の面型発光素子は、
光学的キャビティ特性を損なうことなく、かつイオン注
入によるダメージを減少し、また微細なキャビティ面に
おいても有効な素子構造が得られる。なお、上記実施例
においては、発光層がＩnＧaＡs歪量子井戸、多層膜ミ
ラーがＡlＧaＡs系のものを用いた場合について説明し
たが、本発明の基本概念は、発光層がＧaＡs、またはＡ
lＧaＡsの量子井戸、あるいはバルク薄膜の場合、さら
にはＩnＧaＡsＰ／ＩnＰ長波系発光素子、ＡlＧaＩnＰ
系可視光素子などにおいても適用可能である。いずれの
場合も、半導体ミラーの組成、キャビティ組成、オーミ
ック組成等は、素子の発光特性、電気特性などを考慮し
て適宜最適化することができる。また、発光層の量子構
造は上記の１次元井戸構造だけでなく、２次元、３次元
量子井戸、すなわち量子線、量子箱型についても、各々
発光スペクトル幅などに合わせてミラー特性を設定する
ことにより本発明の構造を適用することができる。ま
た、素子形態についても面発光レーザ、面型発光ダイオ
ードの他に、面型双安定レーザ、面型アンプ・スイッ
チ、ｐｎｐｎ光サイリスタ、およびそれらを用いた光論
理素子等に対しても適用可能である。
【００１１】
【発明の効果】本発明の面型発光素子およびその製造方
法によれば、活性層を含むキャビティ領域の上部に設け
る上部ミラーには半導体多層膜ミラーを用い、下部ミラ
ーからキャビティ領域および上部ミラーまでを１回のエ
ピタキシャル成長により形成するため、キャビティ領域
と上部ミラーとの整合性を容易、かつ完全にすることが
でき優れた光学的キャビティ特性が得られる。さらに、
半導体多層膜からなる上部ミラーをメサエッチングして
活性層までの距離を短くし、イオン注入による半絶縁領
域の形成または電極の形成には上記メサエッチング部を
それぞれのマスクとしてセルフアライン的に行うため、
イオン注入電圧が小さく活性層へのダメージを極めて小
さくすることができ、微細構造の発光領域および光学的
ガイド構造を容易に形成することができ高性能の面型発
光素子、面型半導体レーザ等を実現することができる。
法によれば、活性層を含むキャビティ領域の上部に設け
る上部ミラーには半導体多層膜ミラーを用い、下部ミラ
ーからキャビティ領域および上部ミラーまでを１回のエ
ピタキシャル成長により形成するため、キャビティ領域
と上部ミラーとの整合性を容易、かつ完全にすることが
でき優れた光学的キャビティ特性が得られる。さらに、
半導体多層膜からなる上部ミラーをメサエッチングして
活性層までの距離を短くし、イオン注入による半絶縁領
域の形成または電極の形成には上記メサエッチング部を
それぞれのマスクとしてセルフアライン的に行うため、
イオン注入電圧が小さく活性層へのダメージを極めて小
さくすることができ、微細構造の発光領域および光学的
ガイド構造を容易に形成することができ高性能の面型発
光素子、面型半導体レーザ等を実現することができる。
【図１】本発明の実施例において例示した面型発光素子
の構造を示す模式図。
の構造を示す模式図。
【図２】本発明の実施例において例示した面型発光素子
の製造工程を示す模式図。
の製造工程を示す模式図。
【図３】本発明の実施例で例示した面型発光素子のキャ
ビティ特性（面発光レーザ構造の反射率スペクトル）を
示すグラフ。
ビティ特性（面発光レーザ構造の反射率スペクトル）を
示すグラフ。
【図４】従来の面型発光素子の構造の一例を示す模式
図。
図。
【図５】従来の面型発光素子の構造の他の一例を示す模
式図。
式図。
１…ｎ型半導体（ｎ−ＧaＡs）基板 ２…発光層を含むキャビティ領域 ３…ｎ型半導体多層膜からなる下部ミラー ４…ｐ型半導体多層膜からなる上部ミラー ５…半絶縁領域 ６…ｎ型電極 ７…ｐ型電極 ８…発光領域 ９…界面 １０…クラッド層の一部 １１…誘電体多層膜からなる上部ミラー １２…半導体多層膜からなる上部ミラー １３…ｐ型半導体多層膜よりなる上部ミラーの最下層、
またはｐ型半導体補助ミラー １４…ｐ型電流注入層（ＧaＡsからなるオーミック層） １５…レジスト（またはポリイミド） １６…イオン注入部 １７…レジスト（またはポリイミド） １８…メサ部（凸部）
またはｐ型半導体補助ミラー １４…ｐ型電流注入層（ＧaＡsからなるオーミック層） １５…レジスト（またはポリイミド） １６…イオン注入部 １７…レジスト（またはポリイミド） １８…メサ部（凸部）
Claims (4)
- 【請求項１】半導体基板上に、半導体多層膜からなる第
１の半導体ミラーと、活性層を含むキャビティ領域と、
上記第１の半導体ミラーとは異なる半導体多層膜からな
る第２の半導体ミラーとを少なくとも備え、基板に対し
垂直方向に発光もしくはレーザ発振する面型発光素子で
あって、上記第２の半導体ミラーは凸部を有する形状と
なし、該第２の半導体ミラーの凸部の周辺部で、その層
厚方向の活性層近傍に半絶縁領域を設定し、上記第２の
半導体ミラーの凸部の周辺部に電流注入用の電極を有す
る構造としたことを特徴とする面型発光素子。 - 【請求項２】半導体基板上に、少なくとも半導体多層膜
からなる第１の半導体ミラー部と、活性層を含むキャビ
ティ領域と、上記第１の半導体ミラーとは異なる半導体
多層膜からなる第２の半導体ミラー部とを順次積層する
工程と、上記第２の半導体ミラー部の表面をメサエッチ
ングするためのマスクを形成する工程と、メサエッチン
グにより第２の半導体ミラー部に凸部を形成する工程
と、上記凸部に形成したメサエッチング用のマスクをイ
オン注入用のマスクとしてイオン注入を行う工程と、電
極層を蒸着してリフトオフを行い上部電極を形成する工
程とを少なくとも含むことを特徴とする面型発光素子の
製造方法。 - 【請求項３】請求項２において、メサエッチングにより
第２の半導体ミラー部に凸部を形成する工程の後に、メ
サエッチングするために設けたマスクを除去する工程
と、凸部を形成した第２の半導体ミラー部をマスクとし
てイオン注入する工程と、電極リフトオフ用のリソグラ
フを施す工程と、電極層を蒸着してリフトオフを行い上
部電極を形成する工程とを少なくとも含むことを特徴と
する面型発光素子の製造方法。 - 【請求項４】請求項３において、凸部を形成した第２の
半導体ミラー部をマスクとしてイオン注入した後に、凸
部を有する第２の半導体ミラーの全面に電極層の蒸着を
行って上部電極を形成する工程を少なくとも含むことを
特徴とする面型発光素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3917192A JPH05235473A (ja) | 1992-02-26 | 1992-02-26 | 面型発光素子およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3917192A JPH05235473A (ja) | 1992-02-26 | 1992-02-26 | 面型発光素子およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05235473A true JPH05235473A (ja) | 1993-09-10 |
Family
ID=12545675
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3917192A Pending JPH05235473A (ja) | 1992-02-26 | 1992-02-26 | 面型発光素子およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05235473A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08181384A (ja) * | 1994-12-21 | 1996-07-12 | Nec Corp | 面発光レーザ及びその作製方法 |
| JPH1027937A (ja) * | 1996-07-10 | 1998-01-27 | Fuji Xerox Co Ltd | 面発光型半導体レーザ装置およびその製造方法 |
| JPH1027938A (ja) * | 1996-07-10 | 1998-01-27 | Fuji Xerox Co Ltd | 面発光型半導体レーザ装置およびその製造方法 |
| WO2001063708A3 (en) * | 2000-02-24 | 2002-02-07 | Bandwidth9 Inc | Vertical cavity apparatus with tunnel junction |
| JP2002289967A (ja) * | 2001-03-28 | 2002-10-04 | Rohm Co Ltd | 面発光型半導体レーザおよびその製法 |
| US7418014B2 (en) | 2004-05-28 | 2008-08-26 | Seiko Epson Corporation | Surface-emitting type semiconductor laser, and method for manufacturing the same, optical switch, and optical branching ratio variable element |
| JP2009286048A (ja) * | 2008-05-30 | 2009-12-10 | Fuji Xerox Co Ltd | 光源ヘッド、及び画像形成装置 |
| WO2021192533A1 (ja) * | 2020-03-26 | 2021-09-30 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 垂直共振器型面発光レーザ素子、垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法及び光電変換装置 |
-
1992
- 1992-02-26 JP JP3917192A patent/JPH05235473A/ja active Pending
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08181384A (ja) * | 1994-12-21 | 1996-07-12 | Nec Corp | 面発光レーザ及びその作製方法 |
| JPH1027937A (ja) * | 1996-07-10 | 1998-01-27 | Fuji Xerox Co Ltd | 面発光型半導体レーザ装置およびその製造方法 |
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| JP2009286048A (ja) * | 2008-05-30 | 2009-12-10 | Fuji Xerox Co Ltd | 光源ヘッド、及び画像形成装置 |
| US7948004B2 (en) | 2008-05-30 | 2011-05-24 | Fuji Xerox Co., Ltd. | Light source head and image forming apparatus |
| WO2021192533A1 (ja) * | 2020-03-26 | 2021-09-30 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 垂直共振器型面発光レーザ素子、垂直共振器型面発光レーザ素子の製造方法及び光電変換装置 |
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