JPH11261153A

JPH11261153A - 面発光型半導体レーザおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH11261153A
Application number: JP5864798A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Kondo; 貴幸近藤; Takeshi Kaneko; 剛金子; Takeo Kawase; 健夫川瀬
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-03-10
Filing date: 1998-03-10
Publication date: 1999-09-24

Abstract

(57)【要約】【課題】素子を劣化させる工程を含まない簡単な方法
で、表面出射を可能にするヒートシンク構造を実現し、
高いレーザ出力と高い信頼性を有する面発光型半導体レ
ーザを提供すること。【解決手段】少なくとも一部が突起状の共振器を持つ
垂直共振器型の面発光型半導体レーザにおいて、共振器
突起部１０８の周囲を融点が４００℃以下の埋めこみ層
１１２で埋め込むことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する分野】本発明は、基板の垂直方向にレー
ザを出射する面発光型半導体レーザに係わる。

【０００２】

【従来の技術】従来の面発光型半導体レーザについて
は、アイ・イー・イー・イー、ジャーナルオブクァ
ンタムエレクトロニクス、２７巻、６号（１９９１
年）第１３３２頁から第１３４６頁［ＩＥＥＥＪｏｕ
ｒｎａｌｏｆＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
ｓ，ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．６ｐｐ１３３２−１３４６
（１９９１）］のＪａｃｋＬ．Ｊｅｗｅｅｌ他の解
説論文に、詳細にかつ系統的にまとめられている。

【０００３】一般に半導体レーザの出力を制限したり信
頼性を損なっている主な要因は、素子駆動時の発熱によ
る温度上昇である。温度上昇を抑える一つの方法として
は、放熱性を高める方法が一般に用いられている。半導
体レーザ素子は化合物半導体基板上に形成されるが、化
合物半導体は熱伝導度が小さいため基板側への放熱はあ
まり期待できない。そのため端面出射型半導体レーザで
は、素子形成部を直接ヒートシンクに接触させることで
放熱を高める方法が常套手段になっている。

【０００４】しかし表面出射型の面発光型半導体レーザ
の場合、素子が形成されている基板表面側にレーザ出射
を行うため素子に直接ヒートシンクを接触させることが
できず放熱が困難であるという問題をかかえていた。

【０００５】これを解決するために、例えば特開平５−
２８３７９６号公報の記載によればヒートシンク機能を
有する電極を備えている。このような突起状の共振器構
造の面発光型半導体レーザでの主な発熱源は、ｐ型半導
体多層反射層の抵抗、あるいはｐ型コンタクト層と上部
電極のコンタクト抵抗によるジュール熱であると考えら
れる。これらの発熱源は主に共振器突起部に存在してい
る。そのため共振器突起部周囲を熱伝導に優れた金属で
密着して埋め込むことにより、放熱を高めて大幅に素子
温度を下げられる。

【０００６】表面からレーザを出射するためには、共振
器突起部の周囲だけを金属で埋め込み、レーザ出射部を
もつ共振器突起部上面は金属で覆われないように形成し
なければならない。前述の方法はメッキ法を用いて露出
した金属部にだけ金属を析出させることで共振器周囲を
金属で埋め込みながら共振器突起部上面のレーザ出射口
を確保している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述の方法のようにメ
ッキ法を用いて露出金属部にだけ金属を析出させるに
は、電解メッキ法を用いざるをえない。しかし電解液中
での処理が必要なので、半導体素子に大敵の不純物汚染
の恐れがある。また素子に電流を流すので素子の特性を
劣化させてしまうという問題があった。

【０００８】そこで本発明の目的は、素子を劣化させる
工程を含まない簡単な方法で、表面出射を可能にするヒ
ートシンク構造を実現し、高いレーザ出力と高い信頼性
を有する面発光型半導体レーザを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の面発光レーザ
は、少なくとも一部が突起状の共振器をもつ共振器と前
記共振器の上面に開口部を有し前記共振器と前記絶縁膜
表面に沿って連続的に形成された上部電極と、前記上部
電極に密着するよう形成された融点が４００℃以下の金
属からなる埋め込み層を具えたことを特徴とする。前記
埋め込み層は金と固溶体を作る金属または合金であるこ
とが望ましい。また、前記埋め込み層の表面の一部に金
を材料とする電極パッドを具えることを特徴とする。ま
た、前記共振器は突起部の側面の傾斜角が９０°以下で
あり、より望ましく６０°以下であることを特徴とす
る。さらに、前記絶縁膜は前記共振器の少なくとも側面
を覆わないよう形成されていること特徴とする。

【００１０】本発明の面発光型半導体レーザの製造方法
は、共振器の少なくとも一部を突起状に形成する工程
と、少なくとも前記共振器の上面を除く基板表面を覆う
絶縁膜を形成する工程と、前記共振器突起部の上面に開
口を有する上部電極を形成する工程と、少なくとも前記
開口部とその近傍１μｍの範囲を除く基板表面に融点が
４００℃以下の埋め込み金属を堆積する工程と、前記埋
め込み金属の融点以上の温度で加熱処理を行い埋め込み
層を形成する工程を含むことを特徴とする。また、前記
埋め込み金属の面積が前記上部電極の面積より大きいこ
とを特徴とする。さらに、前記埋め込み金属の体積が前
記上部電極の面積と前記共振器突起部の高さをかけて得
られる体積より大きいことが望ましい。また、前記加熱
処理を行い埋め込み層を形成する工程は還元性ガスまた
は不活性ガスの雰囲気の雰囲気の下で行うことを特徴と
する。さらに、前記加熱処理を行い埋め込み層を形成す
る工程に先立ってプラズマクリーニング処理する工程を
行うことが望ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】〔実施例１〕以下、本発明の一実
施例を図１を用いて説明する。図１は、本発明の面発光
型半導体レーザの概略を示す断面図である。この面発光
型半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上にｎ型半
導体多層反射層１０２とｎ型クラッド層１０３と、活性
層１０４と、ｐ型クラッド層１０５とｐ型半導体多層反
射層１０６とｐ型コンタクト層１０７とが順次積層され
ている。そしてｐ型コンタクト層１０７とｐ型半導体多
層反射層１０６を経てｐ型クラッド層１０５の途中まで
突起状にエッチングすることで共振器突起部１０８が形
成されている。この共振器突起部１０８を形成すること
によって注入された電流が広がらず無効電流を抑えるこ
とができ、効率的なレーザ発振が可能になる。共振器突
起部１０８の周囲にはＳｉＯ₂膜からなる絶縁膜１０９
とＴｉ膜とＡｕ膜の２層からなる上部電極１１０が形成
されている。絶縁膜１０９は少なくともｐ型クラッド層
１０５の表面を覆うように形成されているが、絶縁膜１
０９の材料であるＳｉＯ₂は熱伝導度が小さいため、放
熱の妨げにならないようできるだけ共振器突起部１０８
の側面にかからないことが望ましい。上部電極１１０は
絶縁膜１０９と共振器突起部１０８側面とｐ型コンタク
ト層１０７の表面に沿って連続的に形成されている。さ
らに上部電極１１０は共振器突起部１０８の上面にレー
ザ出射口１１１備えている。レーザ出射口とは上部電極
１１０の共振器突起部１０８の上面の開口部のことで、
ここから基板の表面側にレーザ光が出射される。そして
この上部電極１１０表面に密着して共振器突起部１０８
の周囲を埋め込むように、埋め込み層１１２が形成され
ている。この埋め込み層１１２はヒートシンクとして作
用する。さらにレーザ出射口１１１を遮らないよう埋
め込み層１１２表面にＡｕの電極パッド１１３が形成さ
れ、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面にはＡｕＧｅ、Ｎ
ｉ、Ａｕからなる下部電極１１４が形成されている。

【００１２】ここでｎ型半導体多層反射層１０２は、Ａ
ｌＡｓとＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓを交互に３０ペア積層し
レーザ発振波長に対して９９．９％以上の反射率を持
つ。ｐ型半導体多層反射層１０６は、ＡｌＡｓとＡｌ
_0.15Ｇａ_0.85Ａｓを交互に２５ペア積層しレーザ発振波
長に対して９９．６％以上の反射率を持つ。活性層１０
４は、３つのＧａＡｓの井戸層とそれを挟むように積層
されたＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓの障壁層からなる多重量子井
戸活性層になっている。ｐ型コンタクト層１０７は、キ
ャリア濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上のＧａＡｓ層からなっ
ている。埋め込み層１１２には融点が２８０℃のＡｕＳ
ｎ合金を用いている。埋め込み層としてはＡｕＳｎの他
にＳｎ、Ｉｎ、ＳｎＩｎ、ＰｂＳｎ、ＡｕＳｉ等の融点
が４００℃以下の金属を用いることができる。本発明で
は金属を溶融することで共振器突起部を密着よく埋め込
むため、融点以上の温度の加熱処理工程を必要とする。
この温度が４００℃を超える場合、ドーパントなどの予
期せぬ拡散等が生じる恐れがある。この温度はできるだ
け低い方が好ましく、融点が３００℃以下の金属を用い
ればなお良い。埋込み層１１２の厚さは、ヒートシンク
としての効果の点からできるだけ厚いほうがよく、共振
器突起部１０８の高さと同等の厚さかそれ以上に形成さ
れることが望ましい。

【００１３】突起状の共振器構造の面発光型半導体レー
ザでの主な発熱源は、ｐ型半導体多層反射層１０６の抵
抗、あるいはｐ型コンタクト層１０７と上部電極１１０
のコンタクト抵抗によるジュール熱などであると考えら
れ、これらの発熱源は主に共振器突起部１０８に存在し
ている。この共振器突起部１０８の周囲を熱伝導の良い
埋め込み層１１２で埋め込むことで、埋め込み層１１２
がヒートシンクとして作用し、共振器突起部１０８の放
熱を促し共振器の温度を下げる働きをする。さらに、熱
伝導度の小さい絶縁膜１０９を共振器突起部１０８の側
面に形成しない構造によって、共振器突起部１０８から
埋め込み層１１２への放熱を妨げずヒートシンク機能を
より高めることができる。

【００１４】本発明によれば、この共振器突起部１０８
周囲を熱伝導に優れた埋め込み層１１２で密着して覆う
ことにより放熱性が高まり、駆動中の素子温度を大きく
下げることができた。その結果、大幅なレーザ出力の増
加および信頼性の向上が実現できた。（製造方法）次に製造方法について図２〜図７を用いて
説明する。まず図２に示すようにｎ型ＧａＡｓ基板１０
１上にｎ型半導体多層反射層１０２とｎ型クラッド層１
０３と、活性層１０４と、ｐ型クラッド層１０５とｐ型
半導体多層反射層１０６とｐ型コンタクト層１０７を有
機金属気相成長法で順次エピタキシャル成長する。ｎ型
ドーパントとしてＳｅ、ｐ型ドーパントとしてＺｎを用
いた。そして、この表面にフォトレジストを塗布しフォ
トリソグラフ法で共振器の形状にレジストマスクを形成
する。ここではレジストマスクの形状として円形、矩
形、ストライプ形状など任意の形状を選ぶことが出来
る。

【００１５】次に図３に示すように、このレジストマス
クをマスクにしてｐ型クラッド層１０５の途中まで反応
性イオンビームエッチング等によりエッチングして共振
器突起部１０８を形成し、レジストマスクを除去した
後、共振器突起部１０８を除く表面に絶縁膜１０９とし
て例えばＳｉＯ₂膜をモノシランを原料にした熱ＣＶＤ
法によって形成する。ここでは、ｐ型クラッド層１０５
の途中まで約５μｍエッチングしたが、任意の深さまで
エッチングしてもかまわない。

【００１６】次に図４に示すように共振器突起部上面に
レーザ出射口１１１を備え、共振器突起部１０８の側面
と絶縁層１０９の表面に沿って連続的に上部電極１１０
を形成する。その方法としてスパッタ蒸着法により基板
表面にＴｉを０．１μｍとＡｕを０．１μｍずつ順次積
層した後、アルゴンガスを用いたドライエッチングによ
り共振器突起部１０８上面の一部と絶縁膜１０９上の一
部のＴｉとＡｕを除去した。このとき上部電極１１０
は、後述する理由により、その面積が絶縁層１０９の面
積より小さくなるよう、つまり絶縁層１０９が露出する
領域を設けておくように形成した。上部電極１１０の材
料として用いたＴｉ層は、化合物半導体とオーミック接
触できる材料であり、この他にもｎ型の化合物半導体に
対してはＡｕＧｅの合金、ｐ型の化合物半導体に対して
はＡｕＺｎの合金などを用いることができる。最表面に
形成されるＡｕは、酸化皮膜を作らず、後述する埋め込
み層との濡れ性に優れている材料として選んだ。もし上
部電極１１０表面に酸化皮膜が生じると、埋め込み不良
の原因になるからである。

【００１７】次に図５に示すように、少なくともレーザ
出射口１１１が露出するよう上部電極１１０上に埋め込
み金属１１５をリフトオフ法を用いて堆積させた。埋め
込み金属１１５は、図１の埋込み層１１２と材質的には
同一であるが、形状、機能が異なるためここでは別の呼
名を使う。ここでは、埋め込み金属１１５の材料として
はＡｕＳｎの合金を用いた。この他にＳｎ、Ｉｎ、Ｓｎ
Ｉｎ合金、ＰｂＳｎ合金、ＡｕＳｉ合金等の融点が４０
０℃以下の金属を用いることができる。この埋め込み金
属１１５は後に加熱処理により溶融して変形することで
埋め込み層となるが、共振器突起部１０８の周囲を完全
に埋め込むためには、埋め込み金属１１５の厚さを共振
器突起部１０８の高さと同等か、それ以上にすることが
好ましい。しかし埋め込み金属１１５の厚さが厚すぎる
とリフトオフが極めて困難になるため４μｍ程度が限界
である。共振器突起部１０８の高さが４μｍを超えるよ
うな場合は、埋め込み金属１１５の面積を上部電極１１
０の面積より大きくしておくことで、後述するように溶
融後の埋め込み層の厚さを増すことができ、十分な埋め
込みが可能になる。より好ましくは埋め込み金属１１５
の面積を上部電極１１０の面積の１０５％以上とするこ
とである。さらに埋め込み金属１１５の体積が、上部電
極１１０の面積と共振器突起部１０８の高さをかけて得
られる体積と同等かそれ以上であれば共振器突起部１０
８をほぼ埋め込むことができる。より好ましくは埋め込
み金属１１５の体積が、上部電極１１０の面積と共振器
突起部１０８の高さをかけて得られる体積の１０５％以
上である。ここでは埋め込み金属１１５の厚さを４μｍ
とし、埋め込み金属１１５の面積が上部電極１１０の面
積の１２５％になるようにした。また、このような金属
膜のリフトオフ法ではエッジ部にバリなどが発生するこ
とがあるが、埋め込み金属１１５のエッジ部がレーザ出
射口１１１端から１μｍ以上離れていれば、後述する理
由により問題にはならない。

【００１８】そして露出した上部電極１１０表面を清浄
化するため、基板表面をアルゴンプラズマクリーニング
を行った。これにより露出した上部電極１１０表面上の
有機物等の汚れを完全に除去することができ、埋込み層
の形成が容易になる。

【００１９】次に図６に示すように加熱処理を加えて埋
め込み金属を溶融すると、共振器突起部１０８周囲の上
部電極１１０に密着するよう流動変形し、冷却固化する
ことで埋め込み層１１２が形成される。加熱処理の方法
としては、まず基板を還元性のガスであるアルゴンと水
素の混合ガスに置換した雰囲気の中に置き、ＡｕＳｎ合
金の融点よりやや高い３００℃の温度で１分間加熱し
た。溶融した埋め込み金属は上部電極対して濡れ性がよ
いので流動し、埋め込み金属の堆積時に共振器突起部と
埋め込み金属の間に存在した隙間は自動的に埋まり、共
振器突起部周囲を完全に密着して埋めこむことができ
る。

【００２０】埋め込み金属の面積を上部電極１１０の面
積より大きく形成した理由は、埋め込み層１１２の厚さ
を増すためと、埋め込み金属溶融時の流動の駆動力を与
えるためである。液化した埋め込み金属は絶縁膜に対し
て濡れ性が非常に悪い。そのため絶縁膜上の埋め込み金
属は、溶融するとはじかれて後退し自動的に上部電極上
に集まる。その結果、上部電極上の埋め込み金属の体積
すなわち厚さが増加するとともに、流動の駆動力も増
す。本実施例の場合、埋め込み金属１１５の面積が上部
電極１１０の面積の１２５％になるよう形成したので、
最初に４μｍ堆積した埋め込み金属１１５が溶融後に約
５μｍの厚さの埋込み層１１２を形成し、５μｍの高さ
の共振器突起部１０８をほぼ完全に埋め込むことができ
た。さらに固化した埋め込み層１１２の表面が滑らかに
なるという効果も得られた。

【００２１】上部電極と埋め込み層の密着は、相互の良
好な濡れ性によって起こる一方、半導体に対する埋め込
み層の濡れ性は小さいため、ｐ型コンタクト層１０７が
露出しているレーザ出射口１１１は埋め込み層１１２に
覆われることなく確保される。また埋め込み金属１１５
のエッジ部に発生したバリも溶融するとともに消失す
る。ただしレーザ出射口１１１の端と埋め込み金属１１
５のエッジが１μｍ以下の場合、加熱処理後に極まれに
レーザ出射口１１１上に埋め込み層１１２が覆い被さる
ことがあった。よってレーザ出射口１１１の端と埋め込
み金属１１５のエッジ部の間は１μｍ以上離すことが望
ましい。

【００２２】加熱処理を還元ガス雰囲気で行うことで、
溶融した埋め込み金属の表面の酸化膜の発生を抑え、よ
り良好な流動性を得ることで埋め込み不良を抑えること
ができる。ここでは雰囲気ガスに還元性ガスとしてアル
ゴンと水素の混合ガスを用いたが水素ガスでもかまわな
い。また、不活性ガスを用いても良い。ここでいう不活
性ガスとはヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、
キセノン等の希ガスあるいは窒素のような反応性の小さ
なガスである。

【００２３】こうして十分な厚さを持ち、共振器突起部
１０８周囲に隙間なく密着し放熱性にすぐれた埋め込み
金属１１２を形成することができる。共振器突起部１０
８の高さと堆積厚をそろえておけば平坦化することもで
きる。加熱処理温度は４００℃以下の比較的低温なので
原子拡散はほとんど起こらず、素子劣化の心配がない。
我々の実験では、４００℃を越える加熱処理を行うとド
ーパントや上部電極金属原子の予期せぬ拡散が起こりレ
ーザ発振性能が著しく低下した。

【００２４】そして図７に示すように、レーザ出射口に
掛からないよう埋め込み層１１２表面にＡｕの電極パッ
ド１１３を形成し、最後に基板裏側にＡｕＧｅ、Ｎｉ、
Ａｕを積層した下部電極１１４を蒸着して面発光型半導
体レーザが完成する。

【００２５】以上に述べたように本発明の面発光型半導
体レーザの製造方法によると、埋め込み金属を融点以上
の温度で加熱溶融することで共振器突起部周囲を密着よ
く埋め込むことができ、溶融した埋め込み金属と上部電
極の良好な濡れ性によってセルフアライン的に埋め込む
ことで埋め込み金属のパターニング堆積の際に高いアラ
イメント精度を必要とせず極めて簡単に埋め込み層を備
えた面発光型半導体レーザを作成できた。

【００２６】なお本発明は上記の実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々の変形実施が
可能である。活性層１０４は面発光型半導体レーザの発
振波長に応じてＩｎＧａＡｓ，ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡ
ｓ，ＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓＰ，Ｚ
ｎＳｅ，ＺｎＳ，ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＮ，ＩｎＧ
ａＮのいずれかからなる単層あるいは量子井戸層を用い
ることが可能で、さらに半導体の導電型のｐ型とｎ型を
入れ替えても実施が可能である。

【００２７】〔実施例２〕次に本発明の第２の実施例に
ついて説明する。図８は、本発明の第２の実施例の面発
光型半導体レーザの概略を示す断面図である。この面発
光型半導体レーザは、ＡｌＡｓ層の自然酸化を利用した
酸化Ａｌ層を電流狭窄構造として用いているところが第
１の実施例と異なる。

【００２８】以下、図８を用いて詳しく説明する。この
面発光型半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に
ｎ型半導体多層反射層２０２とｎ型クラッド層２０３
と、活性層２０４と、ｐ型クラッド層２０５と電流狭窄
層２１５とｐ型半導体多層反射層２０６とｐ型コンタク
ト層２０７とが順次積層されている。そしてｐ型コンタ
クト層２０７とｐ型半導体多層反射層２０６と電流狭窄
層２１５を経てｐ型クラッド層２０５の途中まで突起状
にエッチングすることで共振器突起部２０８が形成され
ている。

【００２９】共振器突起部２０８の周囲にはＳｉＯ₂膜
からなる絶縁膜２０９とＴｉ膜とＡｕ膜の２層からなる
上部電極２１０が形成されている。絶縁膜２０９は共振
器突起部２０８を除いてｐ型クラッド層２０５の表面を
覆うように形成され（共振器突起部２０８の側面にはか
からないように形成される）、上部電極２１０は絶縁膜
２０９と共振器突起部２０８側面とｐ型コンタクト層２
０７の表面に沿って連続的に形成されている。さらに上
部電極２１０は共振器突起部２０８の上面にレーザ出射
口２１１備えている。そしてこの上部電極２１０表面に
密着するよう共振器突起部２０８の周囲に埋め込み層２
１２が形成され、さらにレーザ出射口２１１を遮らない
よう埋め込み層２１２表面にＡｕの電極パッド２１３が
形成され、ｎ型半導体基板の裏面にはＡｕＧｅ、Ｎｉ、
Ａｕからなる下部電極２１４が形成されている。

【００３０】ここでｎ型半導体多層反射層２０２はＡ
ｌＡｓとＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓを交互に３０ペア積層し
レーザ発振波長に対して９９．９％以上の反射率を持
つ。ｐ型半導体多層反射層２０６はＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ
とＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓを交互に３０ペア積層しレーザ
発振波長に対して９９．５％以上の反射率を持つ。活性
層２０４は３つのＧａＡｓの井戸層とそれらを挟むよう
に積層されたＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓの障壁層からなる多重
量子井戸活性層になっている。ｐ型コンタクト層２０７
はキャリア濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上のＧａＡｓ層から
なっている。上部電極２１０はＴｉ薄膜とＡｕ薄膜の２
層で構成されており、埋め込み層２１２と接する方にＡ
ｕが面している。埋め込み層２１２は、融点が２８０℃
のＡｕＳｎ合金であり、共振器突起部２０８の高さを上
回る厚さに形成されている。埋め込み層としてはＡｕＳ
ｎの他にＳｎ、Ｉｎ、ＳｎＩｎ、ＰｂＳｎ、ＡｕＳｉ等
の融点が４００℃以下の金属を用いることができる。

【００３１】電流狭窄層２１５は、ＡｌＡｓ層２１６と
その周囲を囲むように形成された酸化Ａｌ層２１７で構
成されている。酸化Ａｌ層２１７は、ＡｌＡｓ層２１６
を共振器突起部２０８側面から自然酸化することで得ら
れる。その方法として例えば、少なくともＡｌＡｓ層が
露出するように共振器突起部を形成し、水蒸気雰囲気中
で約４００℃のの加熱処理を行う方法がよく知られてい
る。ＡｌＡｓ層２１６は共振器突起部２０８側面の露出
部から内部に向かって酸化反応を起し、徐々に酸化Ａｌ
層２１７に置き変わっていく。その結果ＡｌＡｓ層２１
６は、周囲を酸化Ａｌ層２１７で切れ目なく囲まれるこ
とになる。上部電極から注入された電流は、酸化Ａｌ層
２１７が絶縁体であるため遮られ、共振器突起部２０８
の中央に位置する導電体であるＡｌＡｓ層２１６を通っ
て共振器突起部２０８の中央に集中するよう流れる。こ
のようにして電流狭窄層２１５は水平方向の電流狭窄構
造として機能する。注入された電流が、共振器突起部２
０８の中央に集中することで、単純な突起状共振器構造
に比べて大幅に無効電流が抑えられ、しきい値電流の低
減やレーザ出力の向上が期待できる。

【００３２】しかし、この酸化Ａｌ層を用いた電流狭窄
構造にも放熱の点で大きな問題がある。酸化Ａｌ層はＡ
ｌＡｓ層に比べて約５から１０倍ほど熱抵抗が大きいた
め、共振器突起部の基板側への放熱を妨げ駆動時の温度
上昇を招いてしまうことである。突起状の共振器構造の
面発光型半導体レーザでの主な発熱源は、ｐ型半導体多
層反射層の抵抗、あるいはｐ型コンタクト層と上部電極
のコンタクト抵抗によるジュール熱などであると考えら
れ、これらの発熱源は主に共振器突起部に存在してい
る。電流狭窄層は、製法上の都合で共振器突起部に形成
しなければならず、電流狭窄層は活性層から離れると電
流狭窄効果がなくなるため、共振器突起部の根元近傍に
形成せざるをえない。熱抵抗の高い電流狭窄層を共振器
突起部の根元に配置することで、共振器突起部は熱的に
孤立しやすくなり、電流狭窄層を持たない突起状共振器
構造よりも駆動時の温度上昇を招くのである。その結
果、期待程はレーザ出力が得られないことがあった。ま
た特に熱の影響を受けやすい信頼性には大きな問題があ
った。

【００３３】本発明を適用すると、共振器突起部２０８
の周囲に熱伝導性の良い埋め込み層２１２を密着して形
成出来るので、共振器突起部２０８で生じた熱を埋め込
み層２１２へ逃がすことで放熱性を飛躍的に高めること
ができる。その結果、駆動時の素子温度を大幅に下げる
ことができ、著しいレーザ出力の増加と信頼性の向上が
得られた。よって、酸化Ａｌ層を電流狭窄層に用いる突
起状共振器構造に、本発明を用いると従来では出来なか
った電流狭窄と放熱を両立でき、極めて効果的である。

【００３４】〔実施例３〕次に本発明の第３の実施例に
ついて説明する。図９は、本発明の第３の実施例の面発
光型半導体レーザの概略を示す断面図である。この面発
光型半導体レーザは、共振器突起部３０８の側面の傾斜
角θを９０°より小さく形成している点で第１の実施例
と異なる。このように傾斜角θを小さくすることによ
り埋め込み層と共振器突起部の密着不良をより減らすこ
とができる。

【００３５】以下、図９を用いて詳しく説明する。この
面発光型半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板３０１上に
ｎ型半導体多層反射層３０２とｎ型クラッド層３０３
と、活性層３０４と、ｐ型クラッド層３０５とｐ型半導
体多層反射層３０６とｐ型コンタクト層３０７とが順次
積層されている。そしてｐ型コンタクト層３０７とｐ型
半導体多層反射層３０６を経てｐ型クラッド層３０５の
途中まで突起状にエッチングすることで共振器突起部３
０８が形成されている。ここでは共振器突起部３０８の
側面の傾斜角θは６０°に形成した。

【００３６】共振器突起部３０８の周囲にはＳｉＯ₂膜
からなる絶縁膜３０９とＣｒ膜とＡｕＺｎ膜とＡｕ膜の
３層からなる上部電極３１０が形成されている。絶縁膜
３０９は共振器突起部３０８を除いてｐ型クラッド層３
０５の表面を覆うように形成され、上部電極３１０は絶
縁膜３０９と共振器突起部３０８側面とｐ型コンタクト
層３０７の表面に沿って連続的に形成されている。さら
に上部電極３１０は共振器突起部３０８の上面にレーザ
出射口３１１備えている。そしてこの上部電極３１０表
面に密着するよう共振器突起部３０８の周囲に埋め込み
層３１２が形成され、さらにレーザ出射口３１１を遮ら
ないよう埋め込み層３１２表面にＡｕの電極パッド３１
３が形成され、ｎ型半導体基板の裏面にはＡｕＧｅ、Ｎ
ｉ、Ａｕからなる下部電極３１４が形成されている。

【００３７】ここでｎ型半導体多層反射層３０２はＡ
ｌＡｓとＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓを交互に３０ペア積層し
レーザ発振波長に対して９９．９％以上の反射率を持
つ。ｐ型半導体多層反射層３０６はＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ
とＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓを交互に３０ペア積層しレーザ
発振波長に対して９９．５％以上の反射率を持つ。活性
層３０４は３つのＧａＡｓの井戸層とそれらを挟むよう
に積層されたＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓの障壁層からなる多重
量子井戸活性層になっている。ｐ型コンタクト層３０７
はキャリア濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上のＧａＡｓ層から
なっている。上部電極３１０はＴｉ薄膜とＡｕ薄膜の２
層で構成されており、埋め込み層２１２と接する方にＡ
ｕが面している。埋め込み層３１２は、融点が２８０℃
のＡｕＳｎ合金であり、共振器突起部３０８の高さを上
回る厚さに形成されている。埋め込み層としてはＡｕＳ
ｎの他にＳｎ、Ｉｎ、ＳｎＩｎ、ＰｂＳｎ、ＡｕＳｉ等
の融点が４００℃以下の金属を用いることができる。

【００３８】共振器突起部の形成の際、側面の傾斜角θ
を９０°以下にした理由は、埋め込み層と共振器突起部
側面のより良好な密着を得るためである。共振器突起部
の側面の傾斜角θが大きすぎると側面の上部電極膜厚が
不足し均一なＡｕの表面が形成されず溶融した埋め込み
金属との濡れ性が悪化する。すると共振器突起部の側面
と底面の境界部で埋め込み金属の進行が止まってしまっ
たり、空隙が発生したりするなどの問題が生じ、共振器
突起部を埋め込むことができなくなる。われわれの実験
によると、傾斜角θが９０°より大きい場合、空隙の発
生を避けることができなかった。一方、傾斜角θを９０
°より小さくするにしたがって空隙や密着不良の頻度は
減少し、傾斜角６０°でほぼ完全に空隙や密着不良を抑
え良好な埋め込みを実現できた。また傾斜角θを小さく
すると共振器側面の面積が増加するため、放熱性を高め
る効果も得られる。

【００３９】本発明によれば、熱伝導に優れた金属を共
振器突起部に密着よく形成することにより、駆動中の素
子温度を大きく下げることができた。その結果、大幅な
レーザ出力の増加および信頼性の向上が実現できた。

【００４０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、融点の低
い金属を埋め込み材に用い、溶融させて共振器突起部を
埋め込むことで極めて簡単な方法で密着性よく埋め込む
ことができる。その結果放熱性が飛躍的に高まり、駆動
中の素子温度の上昇を抑えレーザ出力の向上を可能に
し、さらに信頼性を高めることができる。とくに、酸化
Ａｌ層を用いた電流狭窄層を有する面発光型半導体レー
ザに適用すると効果的である。

【００４１】また本発明の製造方法によると、埋め込み
層は溶融することで自動的に共振器突起部を埋め込むの
で、埋め込み金属を堆積する際のパターニングに高いア
ライメント精度を必要とせず、極めて簡単に密着性の高
い埋め込みを実現できる。共振器突起部周囲と埋め込み
層の間に隙間ができたりすることもない。パターニング
時に発生しがちなエッジ部のバリなども溶融することで
消失し、平坦性の高い埋め込みが実現できる。また４０
０℃以下という比較的低温な融点の金属を用いることで
加熱処理の温度を低く抑えることができ、熱による原子
拡散などの心配がなく、素子を劣化させる工程を含まな
いで作成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の面発光型半導体レーザ
を示す断面図である。

【図２】本発明の第１の実施例の面発光型半導体レーザ
の製造工程を示す断面図である。

【図３】本発明の第１の実施例の面発光型半導体レーザ
の製造工程を示す断面図である。

【図４】本発明の第１の実施例の面発光型半導体レーザ
の製造工程を示す断面図である。

【図５】本発明の第１の実施例の面発光型半導体レーザ
の製造工程を示す断面図である。

【図６】本発明の第１の実施例の面発光型半導体レーザ
の製造工程を示す断面図である。

【図７】本発明の第１の実施例の面発光型半導体レーザ
の製造工程を示す断面図である。

【図８】本発明の第２の実施例の面発光型半導体レーザ
を示す断面図である。

【図９】本発明の第３の実施例の面発光型半導体レーザ
を示す断面図である。

【符号の説明】

１０１，２０１，３０１ｎ型ＧａＡｓ基板１０２，２０２，３０２ｎ型半導体多層反射層１０３，２０３，３０３ｎ型クラッド層１０４，２０４，３０４活性層１０５，２０５，３０５ｐ型クラッド層１０６，２０６，３０６ｐ型半導体多層反射層１０７，２０７，３０７ｐ型コンタクト層１０８，２０８，３０８共振器突起部１０９，２０９，３０９絶縁膜１１０，２１０，３１０上部電極１１１，２１１，３１１レーザ出射口１１２，２１２，３１２埋め込み層１１３，２１３，３１３電極パッド１１４，２１４，３１４下部電極１１５埋め込み金属２１５電流狭窄層２１６ＡｌＡｓ層２１７酸化Ａｌ層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一部が突起状の共振器を持つ垂
直共振器型の面発光型半導体レーザにおいて、少なくと
も前記共振器の上面を除く基板表面を覆う絶縁膜と、前
記共振器の上面に開口部を有し前記共振器と前記絶縁膜
表面に沿って連続的に形成された上部電極と、前記上部
電極に密着するよう形成された融点が４００℃以下の金
属からなる埋め込み層を具えたことを特徴とする面発光
型半導体レーザ。
【請求項２】請求項１において、前記埋め込み層は金と
固溶体を作る合金であることを特徴とする面発光型半導
体レーザ。
【請求項３】請求項１において、前記埋め込み層の表面
の一部に金を材料とする電極パッドを具えることを特徴
とする面発光型半導体レーザ。
【請求項４】請求項１において、前記共振器は突起部の
側面の傾斜角が９０度以下であることを特徴とする面発
光型半導体レーザ。
【請求項５】請求項１において、前記共振器は突起部の
側面の傾斜角が６０度以下であることを特徴とする面発
光型半導体レーザ。
【請求項６】請求項１において、前記絶縁膜は前記共振
器の突起部の少なくとも側面を覆わないよう形成されて
いること特徴とする面発光型半導体レーザ。
【請求項７】少なくとも一部が突起状の共振器を持つ垂
直共振器型の面発光型半導体レーザの製造方法におい
て、共振器の少なくとも一部を突起状に形成する工程
と、少なくとも前記共振器の上面を除く基板表面を覆う
絶縁膜を形成する工程と、共振器突起部の上面に開口部
を有する上部電極を形成する工程と、少なくとも前記開
口部とその近傍１μｍの範囲を除く基板表面に融点が４
００℃以下の埋め込み金属を堆積する工程と、前記埋め
込み金属の融点以上の温度で加熱処理を行い埋め込み層
を形成する工程とを含む面発光型半導体レーザの製造方
法。
【請求項８】請求項７において、前記埋め込み金属の面
積が前記上部電極の面積より大きいことを特徴とする面
発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項９】請求項８において、前記埋め込み金属の体
積が前記上部電極の面積と前記共振器突起部の高さをか
けて得られる体積より大きいことを特徴とする面発光型
半導体レーザの製造方法。
【請求項１０】請求項７及至９のいずれかにおいて、前
記加熱処理を行い埋め込み層を形成する工程は不活性ガ
スまたは還元性ガスの雰囲気の下で行うことを特徴とす
る面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項１１】請求項７及至１０のいずれかにおいて、
前記加熱処理を行い埋め込み層を形成する工程に先立っ
てプラズマクリーニング処理する工程を含むことを特徴
とする面発光型半導体レーザの製造方法。