(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の選択酸化層の酸化を個々に制御可能な面発光型半導体レーザを提供する。【解決手段】ＶＣＳＥＬは、基板上に、ｎ型の下部ＤＢＲ１０６、活性領域、ｐ型の上部ＤＢＲ１１０を含み、下部ＤＢＲ１０６内にｎ型のＡｌＡｓからなる第１の選択酸化層１０６Ａが形成され、上部ＤＢＲ１１０内にｐ型のＡｌＡｓからなる第２の選択酸化層１１０Ａが形成されている。第１の選択酸化層１０６Ａに隣接する第１の酸化レート調整層１０６Ｂ（ＡｌＧａＡｓ）のＡｌ組成は、第２の選択酸化層１１０Ａが隣接する第２の酸化レート調整層１１０ＢのＡｌ組成よりも大きく、その結果、第１の選択酸化層１０６Ａの酸化アパーチャーの径が第２の選択酸化層１１０Ａの酸化アパーチャーの径よりも小さい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、Ａｌ組成の異なる半導体層の対を複数を含む第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡と、
前記第１の半導体多層膜反射鏡上に形成される活性領域と、
前記活性領域上に形成され、Ａｌ組成の異なる半導体層の対を複数を含む第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡と、
第1および第２の半導体多層膜反射鏡のいずれかに形成され、選択的に酸化された第１の酸化領域と当該第１の酸化領域によって囲まれた第１の導電領域とを有するＡｌＡｓからなる第１の選択酸化層と、
第1および第２の半導体多層膜反射鏡のいずれかに形成され、選択的に酸化された第２の酸化領域と当該第２の酸化領域によって囲まれた第２の導電領域とを有するＡｌＡｓからなる第２の選択酸化層とを有し、
第１の選択酸化層と隣接する第１の半導体層のＡｌ組成は、第２の選択酸化層が隣接する第２の半導体層のＡｌ組成よりも高く、第１の導電領域の大きさが第２の導電領域の大きさよりも小さい、面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
前記基板上に柱状構造が形成され、第１および第２の選択酸化層の第１および第２の酸化領域は、柱状構造の側面から同一の酸化工程で酸化される、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項３】
第１の選択酸化層と第１の半導体層を合わせた膜厚は、λ／４ｎ（λは、発振波長、ｎは媒質の屈折率）であり、第２の選択酸化層と第２の半導体層を合わせた膜厚は、λ／４ｎである、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項４】
第１の選択酸化層は、第２の選択酸化層よりも活性領域に近い距離にある、請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項５】
第１の半導体多層膜反射鏡はｎ型であり、第２の半導体多層膜反射鏡はｐ型であり、第１の選択酸化層は、第１の半導体多層膜反射鏡内に形成され、第２の選択酸化層は、第２の半導体多層膜反射鏡内に形成される、請求項４に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項６】
基板上に、Ａｌ組成の異なる半導体層の対を複数を含む第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、Ａｌ組成の異なる半導体層の対を複数を含む第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を形成するステップであって、第１および第２の半導体多層膜反射鏡の少なくとも一方に第１および第２のＡｌＡｓ層が形成されており、第１のＡｌＡｓ層と隣接する第１の半導体層のＡｌ組成が第２のＡｌＡｓ層が隣接する第２の半導体層のＡｌ組成よりも高い、前記ステップと、
第１および第２のＡｌＡｓ層が露出するように基板上の半導体層をエッチングして基板上に柱状構造を形成するステップと、
前記柱状構造の側面から第１および第２のＡｌＡｓ層を選択的に酸化するステップとを有し、
第１のＡｌＡｓ層に形成された選択酸化領域によって囲まれた第１の導電領域が、第２のＡｌＡｓ層に形成された選択酸化領域によって囲まれた第２の導電領域よりも小さい、
面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項７】
請求項１ないし５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと光学部材を実装した光半導体装置。
【請求項８】
請求項７に記載された光半導体装置と、光半導体装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して送信する送信手段とを備えた、光送信装置。
【請求項９】
請求項７に記載された光半導体装置と、光半導体装置から発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送装置。
【請求項１０】
請求項７に記載された光半導体装置と、光半導体装置から発せられたレーザ光を送信する送信手段とを備えた、光送信システム。
【請求項１１】
請求項７に記載された光半導体装置と、光半導体装置から発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備えた、光空間伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光型半導体レーザ、光半導体装置、光送信装置、光空間伝送装置、光送信システム、光空間伝送システムおよび面発光型半導体レーザの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光型半導体レーザ（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser：以下ＶＣＳＥＬと呼ぶ）は、基板上に活性領域を挟んで垂直共振器を形成し、そこで増幅されたレーザ光を基板と垂直方向に出射する。
【０００３】
典型的なＶＣＳＥＬは、活性領域に注入される電流の効率を高めるための電流狭窄機能と、活性領域で発生された光を効率よく閉じ込めるための光閉じ込め機能とを有している。メサ構造を有する選択酸化型のＶＣＳＥＬでは、メサ側面からＡｌ組成の高い半導体層を選択的に酸化し、酸化領域によって囲まれた導電領域（酸化アパーチャー）を電流狭窄および光閉じ込めに利用している。
【０００４】
特許文献１は、ＶＣＳＥＬに２つの選択酸化層を形成し、一方の酸化層を電流狭窄として用い、他方の酸化層を高次横モード制御層として用いている。また、特許文献２は、ＶＣＳＥＬの上部ＤＢＲのＡｌ組成の高い層のＡｌ濃度を段階的に変化させることによって、複数の酸化層の酸化速度を調整し、絶縁膜の開口径を変化させている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２５３４０８号
【特許文献２】特開２００５−２７７３０９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、複数の選択酸化層の酸化を個々に制御可能な面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る面発光型半導体レーザは、基板と、前記基板上に形成され、Ａｌ組成の異なる半導体層の対を複数を含む第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡と、前記第１の半導体多層膜反射鏡上に形成される活性領域と、前記活性領域上に形成され、Ａｌ組成の異なる半導体層の対を複数を含む第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡と、第1および第２の半導体多層膜反射鏡のいずれかに形成され、選択的に酸化された第１の酸化領域と当該第１の酸化領域によって囲まれた第１の導電領域とを有するＡｌＡｓからなる第１の選択酸化層と、第1および第２の半導体多層膜反射鏡のいずれかに形成され、選択的に酸化された第２の酸化領域と当該第２の酸化領域によって囲まれた第２の導電領域とを有するＡｌＡｓからなる第２の選択酸化層とを有し、第１の選択酸化層と隣接する第１の半導体層のＡｌ組成は、第２の選択酸化層が隣接する第２の半導体層のＡｌ組成よりも高く、第１の導電領域の大きさが第２の導電領域の大きさよりも小さい。
請求項２において、前記基板上に柱状構造が形成され、第１および第２の選択酸化層の第１および第２の酸化領域は、柱状構造の側面から同一の酸化工程で酸化される。
請求項３において、第１の選択酸化層と第１の半導体層を合わせた膜厚は、λ／４ｎ（λは、発振波長、ｎは媒質の屈折率）であり、第２の選択酸化層と第２の半導体層を合わせた膜厚は、λ／４ｎであり、第１および第２の選択酸化層の膜厚は５０ｎｍよりも小さい。
請求項４において、第１の選択酸化層は、第２の選択酸化層よりも活性領域に近い距離にある。
請求項５において、第１の半導体多層膜反射鏡はｎ型であり、第２の半導体多層膜反射鏡はｐ型であり、第１の選択酸化層は、第１の半導体多層膜反射鏡内に形成され、第２の選択酸化層は、第２の半導体多層膜反射鏡内に形成される。
請求項６に係る面発光型半導体レーザの製造方法は、基板上に、Ａｌ組成の異なる半導体層の対を複数を含む第１導電型の第１の半導体多層膜反射鏡、活性領域、Ａｌ組成の異なる半導体層の対を複数を含む第２導電型の第２の半導体多層膜反射鏡を形成するステップであって、第１および第２の半導体多層膜反射鏡の少なくとも一方に第１および第２のＡｌＡｓ層が形成されており、第１のＡｌＡｓ層と隣接する第１の半導体層のＡｌ組成が第２のＡｌＡｓ層が隣接する第２の半導体層のＡｌ組成よりも大きい、前記ステップと、第１および第２のＡｌＡｓ層が露出するように基板上の半導体層をエッチングして基板上に柱状構造を形成するステップと、前記柱状構造の側面から第１および第２のＡｌＡｓ層を選択的に酸化するステップとを有し、第１のＡｌＡｓ層に形成された選択酸化領域によって囲まれた第１の導電領域が、第２のＡｌＡｓ層に形成された選択酸化領域によって囲まれた第２の導電領域よりも小さい。
請求項７に係る光半導体装置は、請求項１ないし５いずれか１つに記載の面発光型半導体レーザと光学部材を実装する。
請求項８に係る光送信装置は、請求項７に記載された光半導体装置と、光半導体装置から発せられたレーザ光を光媒体を介して送信する送信手段とを備える。
請求項９に係る光空間伝送装置は、請求項７に記載された光半導体装置と、光半導体装置から発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備える。
請求項１０に係る光送信システムは、請求項７に記載された光半導体装置と、光半導体装置から発せられたレーザ光を送信する送信手段とを備える。
請求項１１に係る光空間伝送システムは、請求項７に記載された光半導体装置と、光半導体装置から発せられた光を空間伝送する伝送手段とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１によれば、各選択酸化層の厚みあるいはＡｌ組成比を変えた面発光型半導体レーザと比べ、各選択酸化層の酸化速度を相対的に精度よく制御できる。
請求項２によれば、それぞれの酸化を個別に制御することができる。
請求項３によれば、第１および第２の選択酸化層を半導体多層膜反射鏡の一部に用いることができる。
請求項４によれば、活性領域からの距離に応じて第１および第２の選択酸化層の第１および第２の導電領域の大きさを個々に調整することができる。
請求項５によれば、第１の選択酸化層を電流狭窄に用い、第２の選択酸化層を光閉じ込めに用いることができる。
請求項６によれば、各選択酸化層の厚みあるいはＡｌ組成比を変えた面発光型半導体レーザと比べ、第１および第２の導電領域の精度を向上できる。
請求項７〜１１によれば、本構成を持たない場合と比較して、第１および第２の導電領域の精度が向上した面発光型半導体レーザを適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
【実施例】
【００１０】
図１は本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬの平面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。ＶＣＳＥＬ１００は、図１および図２に示すように、ｎ型のＧａＡｓ基板１０２の裏面にｎ側電極１３０を含み、さらに基板１０２上には、ｎ型のＧａＡｓバッファ層１０４、Ａｌ組成比が異なるＡｌＧａＡｓを対にした半導体多層膜からなるｎ型の下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector:分布ブラッグ型反射鏡）１０６、活性領域１０８、Ａｌ組成比が異なるＡｌＧａＡｓの対にした半導体多層膜からなるｐ型の上部ＤＢＲ１１０を含む半導体層が積層されている。下部ＤＢＲ１０６の一部には、ｎ型のＡｌＡｓからなる第１の選択酸化層１０６Ａが形成され、上部ＤＢＲ１１０の一部には、ｐ型のＡｌＡｓからなる第２の選択酸化層１１０Ａが形成されている。第１および第２の選択酸化層１０６Ａ、１１０Ａは、後述するように電流狭窄層および光閉じ込め層として機能することができる。さらに上部ＤＢＲ１１０の最上層には、ｐ型のＧａＡｓコンタクト層１１２が形成されている。
【００１１】
基板１０２には、上部ＤＢＲ１１０から下部ＤＢＲ１０６の一部に至るまで環状のトレンチまたは溝１１４が形成されている。溝１１４は、通常のフォトリソ工程を用いて半導体層をエッチングすることにより形成される。この溝１１４の形成により、基板上には、円筒状のメサまたはポストＰが形成される。なお、溝１１４のパターン形状を変えることにより、楕円状もしくは矩形状のメサを形成することことも可能である。本明細書でいう柱状構造は、これらの種々の形状のメサまたはポストを含むものである。
【００１２】
溝１１４は、少なくとも第１の選択酸化層１０６Ａを露出する深さまで形成さる。溝１１４により、レーザ光の発光部であるポストＰが規定され、ポストＰと隔てられたパッド形成領域１１６が形成される。ポストＰは、活性領域１０８を挟むように下部ＤＢＲ１０６と上部ＤＢＲ１１０とからなる共振器構造を含む。下部ＤＢＲ１０６内の第１の選択酸化層１０６Ａと上部ＤＢＲ１１０内の第２の選択酸化層１１０Ａは、ポストＰの側面に露出されるが、酸化工程において、第１および第２の選択酸化層１０６Ａ、１１０Ａは、ポストＰの側面から一定距離を選択的に酸化される。これにより、第１および第２の選択酸化層１０６Ａ、１１０Ａには、外縁から内部に向けて選択的に酸化された領域が形成され、この酸化領域によって囲まれた導電領域が形成される。第１および第２の選択酸化層
１０６Ａ、１１０Ａに形成される導電領域を、第１および第２の酸化アパーチャーと呼ぶ。
【００１３】
第１および第２の酸化アパーチャーの形状は、ポストＰの外形をほぼ反映し、例えば、ポストＰが円筒状であれば、ポストＰの側面から内部に向けて進行する酸化によってほぼ円形状の第１および第２の酸化アパーチャーが形成される。但し、酸化距離が長い場合には、酸化速度の異方性によって酸化形状がポストＰの外形と異なる場合もある。第１および第２の酸化アパーチャーの径は、第１および第２の選択酸化層１０６Ａ、１１０Ａの酸化速度により調整することができる。例えば、第１の選択酸化層１０６Ａは、電流狭窄機能を果たすように第１の酸化アパーチャーの径が選択され、第２の選択酸化層１１０Ａは、光閉じ込め機能を果たすように第２の酸化アパーチャーの径が選択される。
【００１４】
このような第１および第２の選択酸化層１０６Ａ、１１０Ａの挿入位置やそれらの酸化アパーチャーの径は、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、第１の選択酸化層１０６Ａに電流狭窄の役割を与えるならば、第１の選択酸化層１０６Ａは、より活性領域に近く、かつ酸化アパーチャーの径が小さいことが望ましい。この場合、第１の選択酸化層１０６Ａは、ｐ型のＤＢＲ内に形成するよりもｎ型のＤＢＲ内に形成した方が抵抗を小さくすることができる。
【００１５】
溝１１４を含む基板全面に層間絶縁膜１１８が形成され、その後、層間絶縁膜１１８がパターニングされる。すなわち、ポストＰの頂部の層間絶縁膜１１８の一部が除去され、そこに環状のコンタクトホールが形成される。ポストＰの頂部には、ｐ側の円形状の上部電極１２０が形成され、上部電極１２０は、層間絶縁膜１１８のコンタクトホールを介してコンタクト層１１２に電気的に接続される。上部電極１２０は、例えば、金またはチタン／金から構成される。また、上部電極１２０の中央には、レーザ光の出射領域を規定する円形状の開口１２２が形成されている。図２の例では、開口１２２が層間絶縁膜１１８によって塞がれ、コンタクト層１１２が露出されないように保護されているが、開口１２２は、必ずしも層間絶縁膜１１８により塞がれなくてもよい。
【００１６】
パッド形成領域１１６には、層間絶縁膜１１８を介して、例えば、円形状の電極パッド１２４が形成される。電極パッド１２４は、溝１１４を延在する引き出し電極配線１２６を介してｐ側の上部電極１２０に接続されている。
【００１７】
図３は、図２に示す第１および第２の選択酸化層近傍の一部の詳細を示す図である。下部ＤＢＲ１０６は、キャリア濃度1×1018cm-3のAl0.9Ga0.1AsとAl0.15Ga0.85Asとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の1/4となるように交互に４０．５周期積層している。ここで、下部ＤＢＲ１０６の１ペアを構成するＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ層は、ｎ型のＡｌＡｓからなる第１の選択酸化層１０６Ａとこれに隣接する第１の酸化レート調整層１０６Ｂに置換されている。図示する例では、第１の酸化レート調整層１０６Ｂがｎ型のAl0.9Ga0.1Asから構成され、その上に第１の選択酸化層１０６Ａが形成されている。第１の選択酸化層１０６Ａと第１の酸化レート調整層１０６Ｂの合計の膜厚は、λ／４であり、第１の選択酸化層１０６Ａの膜厚は約２０ｎｍである。
【００１８】
上部ＤＢＲ１１０は、キャリア濃度1×1018cm-3のAl0.9Ga0.1AsとAl0.15Ga0.85Asとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の1/4となるように交互に３０周期積層している。ここで、上部ＤＢＲのペアを構成するＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ層は、ｐ型のＡｌＡｓからなる第２の酸化制御層１１０Ａとこれに隣接する第２の酸化レート調整層１１０Ｂに置換されている。図示する例では、第２の酸化レート調整層１２０Ｂがｐ型のAl0.88Ga0.12Asから構成され、その上に第２の選択酸化層１１０Ａが形成されている。第２の選択酸化層１１０Ａと第２の酸化レート調整層１１０Ｂの合計の膜厚は、λ／４であり、第２の選択酸化層１１０Ａの膜厚は約２０ｎｍである。なお、第１および第２の酸化レート調整層１０６Ｂ、１１０Ｂは、第１および第２の選択酸化層１０６Ａ、１１０Ａの下側に隣接するように形成されているが、第１および第２の酸化レート調整層１０６Ｂ、１１０Ｂは、第１および第２の選択酸化層１０６Ａ、１１０Ａの上側に隣接するように形成されてもよい。
【００１９】
図４は、Ａｌ組成と酸化速度との関係を示すグラフであり、図５は、ＡｌＡｓの膜厚と酸化速度との関係を示すグラフである。図４および図５のグラフは、IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS. “Advances in Selective Wet Oxidation of AlGaAs Alloys”, Kent et al, VOL 3, NO.3, JUNE 1997, P916から引用したものである。
【００２０】
図２に示すＶＣＳＥＬにおいて、第１および第２の選択酸化層１０６Ａ、１１０Ａは、ＤＢＲを構成する他のＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成よりも大きくする必要がある。Ａｌ組成が低いと酸化速度が遅く、酸化工程が長時間になってしまう。従って、第１および第２の選択酸化層１０６Ａ、１１０Ａのポスト側面からの酸化距離は、ＤＢＲ内の他のＡｌＧａＡｓ層よりも大きくなり、第１および第２の選択酸化層１０６Ａ、１１０Ａ内に、第１および第２の酸化アパーチャーが形成される。
【００２１】
ところで、第１および第２の酸化アパーチャーの径を同程度のサイズに形成するのであれば、第１および第２の選択酸化層１０６Ａ、１１０Ａを構成するＡｌＡｓ層の膜厚を同一にし、同じ酸化条件により酸化すればよい。しかし、第１の選択酸化層１０６Ａに電流狭窄の機能を与えるのであれば、第１の酸化アパーチャーの径は小さいことが望ましく、第２の選択酸化層１１０Ａに光閉じ込めの機能を与えるのであれば、第２の酸化アパーチャーの径をそれほど小さくする必要はなく、むしろその径を大きくした方がＤＢＲ内の電気抵抗を小さくすることができる。
【００２２】
同時に酸化される第１および第２の酸化選択層の各々の酸化アパーチャーの径を相対的に調整する１つの方法は、第１および第２の選択酸化層のＡｌ組成比を変えることである。但し、上記したように第１および第２の選択酸化層のＡｌ組成は、ＤＢＲを構成する他のＡｌ組成よりも高い必要がある。第１の選択酸化層のＡｌ組成比を１．００にし、第２の選択酸化層のＡｌ組成比を１．００よりも小さくすることで、酸化速度に差を持たせ、第１および第２の酸化アパーチャーの径を相対的に異ならせることは可能である。
【００２３】
図４のグラフは、Ａｌ組成比が０．８４から１．００の範囲において、ＡｌＧａＡｓ層を４２０℃で酸化したときの酸化速度（μm/min、縦軸は対数）を表している。グラフから、Ａｌ組成比が０．９５を超えるあたりから酸化速度が急激に変化していることがわかる。Ａｌ組成比が１．００（ＡｌＡｓ）であれば、酸化速度が約３μm/minであり、Ａｌ組成比が０．９６になると、酸化速度が約０．３３μm/minに低下し、僅かなＡｌ組成の変動によって、酸化速度が大きく変動する。ＤＢＲの各層は、ＭＯＣＶＤによりエピタキシャル成長により成膜されるが、各層のＡｌ組成には多少のバラツキが生じる。このため、第２の選択酸化層のＡｌ組成を１．００よりも小さくして酸化速度を調整することは、酸化アパーチャーの径にバラツキが生じ、再現性の点で困難がある。
【００２４】
酸化アパーチャーの径を調整するもう一つの方法は、選択酸化層の膜厚を変えることである。図５は、ＡｌＡｓを４００℃で酸化したときの膜厚と酸化速度（縦軸は対数）の関係を表している。グラフから、ＡｌＡｓの膜厚が約５０ｎｍを越えると、酸化速度は飽和しほぼ一定になるが、それよりも小さい膜厚では、僅かな膜厚の変化によって酸化速度が約０．１から１．０μm/minの範囲で変化する。第１および第２の選択酸化層の膜厚に差を与え、各層の酸化速度を可変することは可能であるが、第１および第２の選択酸化層は、ＤＢＲのペアの一方に置換され、発振波長によっては５０ｎｍの膜厚よりも小さくなるため、その膜厚の範囲内で酸化速度を調整することは非常に難しい。
【００２５】
本実施例では、第１および第２の選択酸化層１０６Ａ、１１０Ａは、Ａｌ組成比が１．００のＡｌＡｓから構成され、かつ、両者の膜厚は等しい。ＡｌＡｓであれば、ＭＯＣＶＤによりほとんど誤差がなく成膜することができ、また、それぞれの膜厚もほぼ等しくすることが可能である。
【００２６】
さらに、本実施例では、第１の選択酸化層１０６Ａに隣接する、第１の酸化レート調整層（ＡｌＧａＡｓ）のＡｌ組成比が、第２の選択酸化層１１０Ａが隣接する、上部ＤＢＲ内の第２の酸化レート調整層（ＡｌＧａＡｓ）のＡｌ組成比と異なるように調整される。図３に示す例では、第１の酸化レート調整層１０６ＢのＡｌ組成比は、０．９０であり、第２の酸化レート調整層１１０ＢのＡｌ組成比は、０．８８である。
【００２７】
ＡｌＡｓに隣接する酸化レート調整層のＡｌ組成を変化させると、ＡｌＡｓの酸化速度は、そのＡｌ組成によって変化される。図６は、隣接する酸化レート調整層とＡｌＡｓの酸化レートの関係を示すグラフであり、ＡｌＡｓの膜厚が２０ｎｍ、酸化温度が３４０℃のときの酸化レートである。酸化レート調整層のＡｌ組成比が０．８７から０．９０の範囲で変化するとき、ＡｌＡｓの酸化レートがそれに比例して、ほぼ線形に変化している。ＡｌＡｓの酸化レートの変化は、擬似的にＡｌＡｓの膜厚を変化させていることに等しい。このように、第１および第２の酸化レート調整層１０６Ｂ、１１０ＢのＡｌ組成比を異ならせることで、第１および第２の選択酸化層１０６Ａ、１１０Ａの酸化速度または酸化アパーチャーの径を調整することが可能になる。ここで留意すべき点は、図６のグラフから分かるように、Ａｌ組成の僅かな変化によって、酸化レートは、図４のときほど大きく変動しないことである。従って、ＭＯＣＶＤによるＡｌ組成の若干のバラツキがあったとしても、それがＡｌＡｓの酸化レートに及ぼす影響は小さく、その結果、酸化アパーチャーの径の精度を良くすることができる。なお、第１および第２の選択酸化層１０６Ａ、１１０Ａの膜厚は、酸化レートが飽和しない範囲、すなわち５０ｎｍ（図５を参照）より小さく形成され、好ましくは２０ｎｍ程度の膜厚に形成される。
【００２８】
図７は、第１および第２の選択酸化層に形成される第１および第２の酸化アパーチャー径の具体例を示している。ポストＰの外径Ｄｐを２５μｍ、第１の酸化アパーチャーの径Ｄ１を３μｍ、第２の酸化アパーチャーの径Ｄ２を１１μｍとし、第１の酸化レート調整層１０６ＢのＡｌ組成を０．９０、第２の酸化レート調整層１１０ＢのＡｌ組成を０．８８とする。このとき、第１の選択酸化層（ＡｌＡｓ）１０６Ａの酸化レートは、約０．２４μm/minであり、第２の選択酸化層（ＡｌＡｓ）１１０Ａの酸化レートは、約０．１３μm/minである。第１の選択酸化層１０６Ａにおける必要な酸化距離は１１μｍ、第２の選択酸化層１１０Ａにおける必要な酸化距離は７μｍである。その結果、酸化温度を３４０℃、酸化時間を４７分に設定することで、第１および第２の選択酸化層内に、Ｄ１＝３μｍ、Ｄ２＝１１μｍの第１および第２の酸化アパーチャー径を得ることができる。なお、上記は一例であって、酸化レート調整層のＡｌ組成比、酸化時間、酸化温度を適宜選択することで、所望の酸化アパーチャーの径を得ることができる。
【００２９】
次に、本実施例のＶＣＳＥＬの他の例を説明する。図８Ａに示すＶＣＳＥＬ１００Ａは、ｐ型上部ＤＢＲ１１０内に２つの選択酸化層１１０Ａ、２００Ａが形成されている。選択酸化層２００Ａは、ｐ型のＡｌＡｓから構成され、選択酸化層２００Ａに隣接する酸化レート調整層のＡｌ組成は、選択酸化層１１０Ａが隣接する酸化レート調整層のＡｌ組成よりも高く設定されている。従って、選択酸化層２００Ａに形成される酸化アパーチャーの径は、選択酸化層１１０Ａに形成される酸化アパーチャーの径よりも小さく調整されている。勿論、各々酸化アパーチャーの径の関係は、これと反対であってもよい。
【００３０】
図８Ｂは、ｎ型下部ＤＢＲ１０６内に２つの選択酸化層１０６Ａ、２１０Ａが形成されている。選択酸化層２１０Ａは、ｎ型のＡｌＡｓから構成され、選択酸化層２１０Ａが隣接する酸化レート調整層のＡｌ組成は、選択酸化層１０６Ａが隣接する酸化レート調整層のＡｌ組成よりも低く設定されている。従って、活性領域１０８に近い位置にある選択酸化層１０６Ａの酸化アパーチャーの径が、選択酸化層２１０Ａの酸化アパーチャーの径よりも小さく調整されている。
【００３１】
上記実施例では、２つの選択酸化層をポストの共振器構造内に形成する例を示したが、選択酸化層を３つ以上形成することも可能である。また、上記実施例は、ｎ型のＧａＡｓ基板を用いたが、ｐ型のＧａＡｓ基板を用い、下部ＤＢＲをｐ型、上部ＤＢＲをｎ型に用いることも可能である。さらに上記実施例では、基板裏面にｎ側電極を形成する例を示したが、ｎ側電極は、基板上のポスト底部においてｎ型の下部ＤＢＲに電気的に接続するようにしてもよい。
【００３２】
次に、本実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法について図９ないし図１１を参照して説明する。先ず、図９Ａに示すように、有機金属気相成長(ＭＯＣＶＤ)法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１０２上に、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3、膜厚０．２μｍ程度のｎ型ＧａＡｓバッファ層１０４を積層し、その上にキャリア濃度１×１０18ｃｍ-3のＡｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に４０．５周期積層された下部ＤＢＲ１０６を形成し、その上に、アンドープ下部Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓスぺーサー層とアンドープ量子井戸活性層(膜厚７０ｎｍＧａＡｓ量子井戸層３層と膜厚５０ｎｍＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ障壁層４層とで構成されている)とアンドープ上部Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓスぺーサー層とで構成された膜厚が媒質内波長となる活性領域１０８を形成し、その上にキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｐ型のＡｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓとをそれぞれの膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に３０周期積層された上部ＤＢＲ１１０を形成する。
【００３３】
下部ＤＢＲ１０６の中に、第１の選択酸化層１０６Ａを形成するために膜厚２０ｎｍ程度のＡｌＡｓ層を挿入している。ＡｌＡｓ層があるＤＢＲペアについても媒質内波長の１／４となるように高いＡｌ組成の酸化レート調整層１０６ＢをＡｌＡｓに隣接して挿入している。酸化レート調整層１０６ＢのＡｌＧａＡｓ層は、図３に示したように、Ａｌ組成を９０％としている。
また、上部ＤＢＲ１１０の中にも第２の選択酸化層１１０Ａを形成するために膜厚２０ｎｍ程度のＡｌＡｓ層を挿入している。このＡｌＡｓ層があるＤＢＲペアについても媒質内波長の１／４となるように高Ａｌ濃度の第２の酸化レート調整層１１０ＢをＡｌＡｓ層に隣接して挿入している。第２の酸化レート調整層のＡｌＧａＡｓのＡｌ組成を８８％としている。なお、ここに図示しないが、キャリア濃度１×１０19ｃｍ-3となる膜厚２０ｎｍ程のｐ型のＧａＡｓコンタクト層１１２を最上部に積層してもよい。
【００３４】
さらに、詳しくは述べないが、ＤＢＲの電気的抵抗を下げるために、Ａｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓの界面にＡｌ組成を９０％から１５％に段階的に変化させた膜厚が２０ｎｍ程度の領域を設けることも可能である。原料ガスとしては、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アルシン、ドーパント材料としては，ｐ型用にシクロペンタジニウムマグネシウム、ｎ型用にシランを用い、成長時の基板温度は７５０℃とし、真空を破ることなく、原料ガスを順次変化し、連続して成膜を行った。
【００３５】
次に、図９Ｂ、９Ｃに示すように、フォトリソ工程により結晶成長層上にレジストマスクＲを形成し、三塩化ホウ素をエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチングにより下部ＤＢＲ１０６中の第１の選択酸化層１０６Ａが露出するまでエッチングする。これにより、基板上に環状の溝１１４が形成され、基板上に１０〜３０μｍ程度の径の円柱、楕円もしくは角上の柱状構造（ポスト）Ｐと、その周囲にパッド形成領域１１６が形成される。
【００３６】
次に、レジストＲを除去し、図１０Ａに示すように、例えば３４０℃の水蒸気雰囲気に基板を一定時間晒し、酸化処理を行う。第１および第２の選択酸化層１０６Ａ、１１０Ａやこれらに隣接する第１および第２の酸化レート調整層１０６Ｂ、１１０Ｂは、ＤＢＲを構成するＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層やＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層と比べ酸化速度が著しく速く、ポストＰの側面からポスト形状を反映した酸化領域１０６Ｃ、１１０Ｃが形成され、酸化されずに残った導電領域が第１および第２の酸化アパーチャーとなる。上記したように、第１の選択酸化層１０６Ａに隣接する第１の酸化レート調整層１０６ＢのＡｌ組成比が高いため、第１の選択酸化層１０６Ａの酸化距離は、第２の選択酸化層１１０Ａの酸化距離よりも長くなり（酸化が進行し）、その結果、第１の選択酸化層１０６Ａの第１の酸化アパーチャーの径が第２の選択酸化層１１０Ａの第２の酸化アパーチャーの径よりも小さくなる。
【００３７】
次に、図１０Ｂに示すように、プラズマＣＶＤ装置を用いて、溝１１４を含む基板全面にＳｉＮ等からなる層間絶縁膜１１８を蒸着する。次に、図１０Ｃに示すように、通常のフォトリソ工程およびバッファーフッ酸を用いたＳｉＮのエッチングにより、ポストＰの上部のＳｉＮを除去し、そこに円形状のコンタクトホール１１８ａを形成する。あるいは、コンタクトホール１１８ａをリング状とし、図２に示したように、出射領域となる上部ＤＢＲのコンタクト層をＳｉＮで保護するようにしてもよい。
【００３８】
その後、図１１Ａに示すように、フォトリソ工程を用いてポストＰの上部中央にレジストパターンＲ１を形成し、その上方からＥＢ蒸着機を用いて、ｐ側電極材料としてＡｕを１００〜１０００ｎｍ、望ましくは６００ｎｍ蒸着する。次に、レジストパターンＲ１を剥離する。このとき、レジストパターンＲ１上のＡｕが取り除かれ、図１１Ｂに示すように、上部電極１２０、電極パッド１２４および引き出し配線１２６が完成する。ｐ側電極のない部分、すなわちポスト中央部の開口１２２からレーザ光が出射されるが、この開口１２２の口径は３〜２０μｍぐらいが好ましい。
【００３９】
次に、基板裏面には、ｎ側電極としてＡｕ／Ｇｅが蒸着される。その後、アニール温度２５０℃〜５００℃、望ましくは３００℃〜４００℃で１０分間アニールを行う。尚、アニール時間は１０分に限定されるわけではなく、０〜３０分の間であればよい。また、蒸着方法は、ＥＢ蒸着機に限定されるものではなく、抵抗加熱法、スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法、ＣＶＤ法を用いてもよい。また、アニール方法として通常の電気炉を用いた熱アニールに限定されるものではなく、赤外線によるフラッシュアニールやレーザアニール、高周波加熱、電子ビームによるアニール、ランプ加熱によるアニールにより、同等の効果を得ることも可能である。
【００４０】
次に、本実施例のＶＣＳＥＬを利用した光半導体装置、光送信装置、空間伝送システム、光伝送装置等について図面を参照して説明する。図１２Ａは、ＶＣＳＥＬを実装したパッケージ（光半導体装置）の構成を示す断面図である。パッケージ３００は、ＶＣＳＥＬが形成されたチップ３１０を、導電性接着剤３２０を介して円盤状の金属ステム３３０上に固定する。導電性のリード３４０、３４２は、ステム３３０に形成された貫通孔（図示省略）内に挿入され、一方のリード３４０は、ＶＣＳＥＬのｎ側電極に電気的に接続され、他方のリード３４２は、ｐ側電極に電気的に接続される。
【００４１】
チップ３１０を含むステム３３０上に矩形状の中空のキャップ３５０が固定され、キャップ３５０の中央の開口３５２内にボールレンズ３６０が固定されている。ボールレンズ３６０の光軸は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。リード３４０、３４２間に順方向の電圧が印加されると、チップ３１０から垂直方向にレーザ光が出射される。チップ３１０とボールレンズ３６０との距離は、チップ３１０からのレーザ光の広がり角θ内にボールレンズ３６０が含まれるように調整される。また、キャップ内に、ＶＣＳＥＬの発光状態をモニターするための受光素子や温度センサを含ませるようにしてもよい。
【００４２】
図１２Ｂは、他のパッケージの構成を示す図であり、同図に示すパッケージ３０２は、ボールレンズ３６０を用いる代わりに、キャップ３５０の中央の開口３５２内に平板ガラス３６２を固定している。平板ガラス３６２の中心は、チップ３１０のほぼ中心と一致するように位置決めされる。チップ３１０と平板ガラス３６２との距離は、平板ガラス３６２の開口径がチップ３１０からのレーザ光の広がり角度θ以上になるように調整される。
【００４３】
図１３は、ＶＣＳＥＬを光源として適用した例を示す図である。光源装置３７０は、図１２Ａまたは図１２ＢのようにＶＣＳＥＬを実装したパッケージ３００、パッケージ３００からのマルチビームのレーザ光を入射するコリメータレンズ３７２、一定の速度で回転し、コリメータレンズ３７２からの光線束を一定の広がり角で反射するポリゴンミラー３７４、ポリゴンミラー３７４からのレーザ光を入射し反射ミラー３７８を照射するｆθレンズ３７６、ライン状の反射ミラー３７８、反射ミラー３７８からの反射光に基づき潜像を形成する感光体ドラム３８０を備えている。このように、ＶＣＳＥＬからのレーザ光を感光体ドラム上に集光する光学系と、集光されたレーザ光を光体ドラム上で走査する機構とを備えた複写機やプリンタなど、光情報処理装置の光源として利用することができる。
【００４４】
図１４は、図１２Ａに示す光半導体装置を光送信装置に適用したときの構成を示す断面図である。光送信装置４００は、ステム３３０に固定された円筒状の筐体４１０、筐体４１０の端面に一体に形成されたスリーブ４２０、スリーブ４２０の開口４２２内に保持されるフェルール４３０、およびフェルール４３０によって保持される光ファイバ４４０を含んで構成される。ステム３３０の円周方向に形成されたフランジ３３２には、筐体４１０の端部が固定される。フェルール４３０は、スリーブ４２０の開口４２２に正確に位置決めされ、光ファイバ４４０の光軸がボールレンズ３６０の光軸に整合される。フェルール４３０の貫通孔４３２内に光ファイバ４４０の芯線が保持されている。
【００４５】
チップ３１０の表面から出射されたレーザ光は、ボールレンズ３６０によって集光され、集光された光は、光ファイバ４４０の芯線に入射され、送信される。上記例ではボールレンズ３６０を用いているが、これ以外にも両凸レンズや平凸レンズ等の他のレンズを用いることができる。さらに、光送信装置４００は、リード３４０、３４２に電気信号を印加するための駆動回路を含むものであってもよい。さらに、光送信装置４００は、光ファイバ４４０を介して光信号を受信するための受信機能を含むものであってもよい。
【００４６】
図１５は、図１２Ａまたは図１２Ｂに示す光半導体装置を空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。空間伝送システム５００は、パッケージ３００と、集光レンズ５１０と、拡散板５２０と、反射ミラー５３０とを含んでいる。集光レンズ５１０によって集光された光は、反射ミラー５３０の開口５３２を介して拡散板５２０で反射され、その反射光が反射ミラー５３０へ向けて反射される。反射ミラー５３０は、その反射光を所定の方向へ向けて反射させ、光伝送を行う。
【００４７】
図１６Ａは、ＶＣＳＥＬを光源に利用した光伝送システムの一構成例を示す図である。光伝送システム６００は、ＶＣＳＥＬが形成されたチップ３１０を含む光源６１０と、光源６１０から放出されたレーザ光の集光などを行う光学系６２０と、光学系６２０から出力されたレーザ光を受光する受光部６３０と、光源６１０の駆動を制御する制御部６４０とを有する。制御部６４０は、ＶＣＳＥＬを駆動するための駆動パルス信号を光源６１０に供給する。光源６１０から放出された光は、光学系６２０を介し、光ファイバや空間伝送用の反射ミラーなどにより受光部６３０へ伝送される。受光部６３０は、受光した光をフォトディテクターなどによって検出する。受光部６３０は、制御信号６５０により制御部６４０の動作（例えば光伝送の開始タイミング）を制御することができるものであってもよい。
【００４８】
図１６Ｂは、光伝送システムに利用される光伝送装置の概観構成を示す図である。光伝送装置７００は、ケース７１０、光信号送信／受信コネクタ接合部７２０、発光／受光素子７３０、電気信号ケーブル接合部７４０、電源入力部７５０、動作中を示すＬＥＤ７６０、異常発生を示すＬＥＤ７７０、ＤＶＩコネクタ７８０を含み、内部に送信回路基板／受信回路基板を有している。
【００４９】
光伝送装置７００を用いた映像伝送システムを図１７に示す。映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０で発生された映像信号を、液晶ディスプレイなどの画像表示装置８２０に伝送するため、図１６Ｂに示す光伝送装置を利用している。すなわち、映像伝送システム８００は、映像信号発生装置８１０、画像表示装置８２０、ＤＶＩ用電気ケーブル８３０、送信光半導体装置８４０、受信光半導体装置８５０、映像信号伝送光信号用コネクタ８６０、光ファイバ８７０、制御信号用電気ケーブルコネクタ８８０、電源アダプタ８９０、ＤＶＩ用電気ケーブル９００を含んでいる。
【００５０】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬの概略平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】本発明の実施例における下部ＤＢＲおよび上部ＤＢＲ内のの選択酸化層の詳細を説明する図である。
【図４】Ａｌ組成比と酸化速度の関係を示すグラフである。
【図５】ＡｌＡｓの膜厚と酸化速度の関係を示すグラフである。
【図６】酸化レート調整層のＡｌ組成と酸化速度との関係を示すグラフである。
【図７】第１および第２の選択酸化層に形成される第１および第２の酸化アパーチャー径の具体例を示す図である。
【図８】本実施例のＶＣＳＥＬの他の構成を示す断面図である。
【図９】本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法を説明する工程断面図である。
【図１０】本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法を説明する工程断面図である。
【図１１】本発明の実施例に係るＶＣＳＥＬの製造方法を説明する工程断面図である。
【図１２】本実施例に係るＶＣＳＥＬに光学部品を実装した光半導体装置の構成を示す概略断面図である。
【図１３】ＶＣＳＥＬを使用した光源装置の構成例を示す図である。
【図１４】図１２に示す光半導体装置を用いた光送信装置の構成を示す概略断面図である。
【図１５】図１２に示す光半導体装置を空間伝送システムに用いたときの構成を示す図である。
【図１６】図１６Ａは、光伝送システムの構成を示すブロック図、図１６Ｂは、光伝送装置の外観構成を示す図である。
【図１７】図１６Ｂの光伝送装置を利用した映像伝送システムを示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１００：ＶＣＳＥＬ                    １０２：基板
１０４：バッファ層                    １０６：下部ＤＢＲ
１０６Ａ：第１の選択酸化層            １０６Ｂ：第１の酸化レート調整層
１０８：活性領域                      １１０：上部ＤＢＲ
１１０Ａ：第２の選択酸化層            １１０Ｂ：第２の酸化レート調整層
１１２：コンタクト層                  １１４：溝
１１６：パッド形成領域                １１８：層間絶縁膜
１２０：上部電極                      １２２：開口
１２４：電極パッド                    １２６：配線電極
１３０：ｎ側下部電極                  Ｐ：ポスト（メサ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図４】
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【図５】
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