(57)【要約】【課題】低抵抗動作で単峰の光プロファイルのレーザ発振が可能であり、低コストで製造可能な、面発光レーザを提供する。【解決手段】低屈折領域と高屈折領域との複数のペアから構成される第１多層反射膜と、第１多層反射膜上の活性層と、この活性層上の電流狭窄構造と、この電流狭窄構造上のスペーサ層と、このスペーサ層上に設けられた、低屈折領域と高屈折領域との複数のペアから構成される第２多層反射膜とを有し、前記電流狭窄構造は、第１導電型半導体層と、この第１導電型半導体層上の第２導電型半導体層と、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層とで形成されるトンネル接合領域と、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層との間に設けられた電流ブロック層とを有する、面発光レーザ。【選択図】図１
2010212606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１／４λ厚の低屈折領域と１／４λ厚の高屈折領域との対を１ペアとした複数のペアから構成される第１多層反射膜と、
前記第１多層反射膜上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられた電流狭窄構造と、
前記電流狭窄構造上に設けられたスペーサ層と、
前記スペーサ層上に設けられた、１／４λ厚の低屈折領域と１／４λ厚の高屈折領域との対を１ペアとした複数のペアから構成される第２多層反射膜とを有し、
前記電流狭窄構造は、
第１導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層上に設けられ、第１導電型と反対導電型の第２導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層とで形成されるトンネル接合領域と、
前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に設けられた電流ブロック層とを有する、面発光レーザ。
【請求項２】
前記第１多層反射膜と前記第２多層反射膜とに挟まれた構造部は、前記トンネル接合領域を含む電流注入領域と、前記電流ブロック層を含む電流ブロック領域を有し、
前記電流ブロック領域における前記構造部の光学膜厚が、前記電流注入領域における前記構造部の光学膜厚より厚い、請求項１に記載の面発光レーザ。
【請求項３】
前記電流ブロック領域における前記構造部の光学膜厚と、前記電流注入領域における前記構造部の光学膜厚との差が、λｍ／２以上λｍ／２＋λ／４以下（ｍは０又は自然数を示す。但し、光学膜厚差＝０の場合を除く）である、請求項２に記載の面発光レーザ。
【請求項４】
前記電流ブロック層は、半絶縁層、あるいは半絶縁層がドーピングにより絶縁化されてなる絶縁層である、請求項１から３のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
【請求項５】
前記電流ブロック層は、前記第１導電型半導体層を形成する半導体材料にリンが含まれる場合はリンを含有しない半導体材料から形成され、前記第１導電型半導体層を形成する半導体材料にリンが含まれない場合はリンを含有する半導体材料から形成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
【請求項６】
基板と、
前記第１多層反射膜と前記活性層との間に設けられた第２導電型スペーサ層と、
前記活性層と前記第１導電型半導体層との間に設けられた第１導電型スペーサ層とをさらに有し、
前記第１多層反射膜は前記基板上に設けられ、
前記電流狭窄構造と前記第２多層反射膜との間に設けられた前記スペーサ層は第２導電型層である、請求項１から５のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
【請求項７】
基板上に第１多層反射膜を形成する工程と、
前記第１多層反射膜上に第１スペーサ層を形成する工程と、
前記第１スペーサ層上に活性層を形成する工程と、
前記活性層上に第２スペーサ層を形成する工程と、
前記第２スペーサ層上に第１導電型半導体層を形成する工程と、
前記第１導電型半導体層上に電流ブロック層を形成する工程と、
前記電流ブロック層におけるトンネル接合領域に対応する部分を除去して前記第１導電型半導体層を露出させるパターニング工程と、
前記第１導電型半導体層の露出部分を覆うように前記電流ブロック層上に、第１導電型と反対導電型の第２導電型半導体層を形成する工程と、
前記第２導電型半導体層上に第３スペーサ層を形成する工程と、
前記第３スペーサ層上に第２多層反射膜を形成する工程を有する、面発光レーザの製造方法。
【請求項８】
前記電流ブロック層は、後に行うエッチングにおいて、前記第１導電型半導体層を形成する材料に対してエッチング選択性が高い材料で形成し、
前記電流ブロック層のパターニング工程は、前記電流ブロック層を除去する部分以外の領域をマスクしてエッチングにより行う、請求項７に記載の面発光レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光インターコネクションに好適な面型発光レーザ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットの普及に伴いコンピュータ内、コンピュータ間で処理を必要とされる情報量は増加傾向にある。電気による信号の伝送限界を超えるデバイスとして、コンピュータ内で高密度実装が可能な面発光レーザが注目されている。
【０００３】
光インターコネクションでは、面発光レーザと導波路との結合を行う上で、低コスト化のためレンズを用いない直接結合が求められている。レンズなしで、導波路と高い結合効率で結合するには横モードは単峰の光プロファイルであることが望ましい。このような素子を歩留まりよく作製することが求められる。
【０００４】
この必要性は非特許文献２の図２（ｂ）に示されている。他の高次モードに比べて、単峰の光プロファイルである基本モードであれば導波路近視野像サイズＷｆと発光素子の近視野像サイズＷｌが多少異なっていても高い結合効率が得られる。このため、導波路の設計自由度が大きい。
【０００５】
また、面発光レーザの中でも、トンネル接合を用いたものは素子を低抵抗化できるので、ＩＣ駆動電圧も小さくできＩＣ消費電力の低減効果が大きい。また、低抵抗化により発熱も抑制できるので素子寿命の長い面発光レーザを実現できる。このようなトンネル接合を用いた面発光レーザの例として、非特許文献１（図１）において埋込みトンネル接合構造面発光レーザが報告されている。
【０００６】
この埋込みトンネル接合構造面発光レーザは、本明細書の図３に示すように、ｎ型導電性の半導体基板７０１上に第１多層反射膜７０２、第１のｎ型スペーサ層７０３、活性層７０４、ｐ型スペーサ層７０５、トンネル接合を形成する高濃度ｐ型層７０６、トンネル接合を形成する高濃度ｎ型層７０７、第２のｎ型スペーサ層７０８、第２多層反射膜７０９、正極電極７１０、負極電極７１１から構成されている。
【０００７】
この埋込みトンネル接合構造面発光レーザは、本明細書の図４（ａ）−（ｄ）に示すように、次の通り製造される。
【０００８】
初めに、図４（ａ）に示すように、ｎ型基板７０１上に、第１多層反射膜７０２から、トンネル接合を形成する高濃度ｎ型層７０７までを順次成長し、フォトグラフィー技術とエッチング技術により高濃度ｐ型層７０６及び高濃度ｎ型層７０７を加工してトンネル接合を形成する。
【０００９】
次に図４（ｂ）のように、トンネル接合を埋め込むように第２のｎ型スペーサ層７０８を成長する。
【００１０】
次に図４（ｃ）のように、基板側のコンタクト電極を表面側から取り出すために、半導体基板上の積層膜を第１のｎ型スペーサ層７０３が露出までエッチングし、メサを形成する。
【００１１】
次に図４（ｄ）に示すように、ＳｉＯ2／Ｓｉからなる第２多層反射膜７０９を形成後にコンタクト部の誘電体をエッチング除去し、次いで正極電極７１０、負極電極７１１を形成し、電極アロイを経て素子が完成する。結果、閾値電流１ｍＡ、波長１０９０ｎｍで発振し、素子抵抗５０Ωの低抵抗な面発光レーザが得られている。
【００１２】
この面発光レーザの製造においては、電流狭窄構造を形成するため、発光領域以外のトンネル接合部をエッチングにより除去している。
【００１３】
他のトンネル接合を用いた面発光レーザの例としては、特許文献１（図１、図２Ｂ、図２Ｃ）に、トンネル接合部のエッチング加工で生じた段差が構成元素組成の異なる材料で埋め込まれ、埋め込み後の表面が平坦化された面発光レーザが報告されている。
【００１４】
また、他のトンネル接合を用いた面発光レーザの例としては、非特許文献３（図１（ａ））に、トンネル接合にイオン注入を施して電流狭窄を形成した面発光レーザが報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００８−１０３４８３号公報
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】屋敷健一郎ら、２２ｐ−ＺＮ−３「１．１μｍ帯埋め込みトンネル接合構造面発光レーザ」、第５３回応用物理学関係連合講演会  講演予稿集、２００６年春、ｐ．１２２３
【非特許文献２】ジェイ・ハインリッヒ（Ｊ．  Ｈｅｉｎｒｉｃｈ）ら、「バットカップリング  イフィシエンシー  オブ  ビクセルズ  イントゥ  マルチモード  ファイバー（Ｂｕｔｔ−Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｏｆ  ＶＣＳＥＬ’ｓ  ｉｎｔｏ  Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒｓ）」、アイトリプルイー  フォトニックス  テクノロジー  レターズ（ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）、１９９７年、ｐｐ．１５５５−１５５７
【非特許文献３】シー・スターク（Ｃ．  Ｓｔａｒｃｋ）ら、「１ｍＷ  ＣＷ  ルームテンプラチャ  １．５５μｍ  トンネル  ビクセルサーマル  アンド  エレクトリカル  キャラクタリスティックス  オブ  ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ  メタモーフィク  ミラーズ（１ｍＷ  ＣＷ  ＲＴ  １．５５μｍ  ｔｕｎｎｅｌ  ＶＣＳＥＬ：  ｔｈｅｒｍａｌ  ａｎｄ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ  ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ  ｍｉｒｒｏｒｓ）」、クレオ  パシフィック  リム（ＣＬＥＯ  Ｐａｃｉｆｉｃ  Ｒｉｍ）、１９９９年、ｐｐ．４５４−４５５
【非特許文献４】ジー・ロナルド・ハドリー（Ｇ．  Ｒｏｎａｌｄ．  Ｈａｄｌｅｙ）ら、「コンプリヘンシブ  ニューメリカル  モデリング  オブ  バーティカル  キャヴィティ  サーフィス  エミティング  レーザーズ（Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ  ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ｏｆ  ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｃａｖｉｔｙ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｌａｓｅｒｓ）」、アイトリプルイー  ジャーナル  オブ  クオンタム  エレクトロニクス（ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、１９９６年、ｐｐ．６０７−６１６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
前述の非特許文献１に記載の技術では、トンネル接合のエッチング加工を行った際、形成されたトンネル接合部の加工形状を反映し、第２のｎ型スペーサ層７０８と第２多層反射膜７０９との界面７１２に凹凸が生じる。
【００１８】
この素子の共振器長は、第１多層反射膜７０２と第１のｎ型スペーサ層７０３の界面と、第２多層反射膜７０９と第２のｎ型スペーサ層７０８の界面７１２との、両界面間の距離で規定される。非特許文献４に示される関係式（２４）によると、発光する電流注入領域である凸部共振器の共鳴波長および実効屈折率をそれぞれλ0、ｎeff、凹部の共鳴波長および実効屈折率をλ1、ｎ1とし、Δλ＝λ0−λ1、Δｎeff＝ｎeff−ｎ1とすると、下記式（１）：
【００１９】
【数１】
2010212606.tif 000003
【００２０】
の関係が存在する。たとえば、簡単のために凹凸段差をλ／４厚以下の光学膜厚に限定すると、凹部では凸部に比べ共振器長が短くなるため、λ0＞λ1となる。よって、ｎeff＞ｎ1となり、すなわち、発光領域の実効屈折率はその周辺部の実効屈折率よりも高くなるため、屈折率導波となる。このため、光閉じこめの程度は凹凸段差の大きさを反映する。ここで光学膜厚とは、波長がわかっている光に対して定義される厚みのことである。膜の実際の厚み（物理膜厚）がｄであり、波長λに対してその膜の材料の屈折率がｎである場合、その膜の光学膜厚はｎｄとなる。
【００２１】
高速動作を実現するには共振器長は短いことが望ましく、埋め込み層である第２のｎ型スペーサ層７０８は薄いことが望まれる。トンネル接合を加工するために必要なエッチング段差の典型値は３０ｎｍ以上であり、埋め込み層の形成後でも、トンネル接合による段差は保持される。この段差は、屈折率差に換算すると、Δｎeff／ｎeff＝２〜３％と非常に大きい。この結果、素子はマルチモード発振しやすく、放射角は４０度以上となり、ファイバーに直接結合する場合に結合効率が低い。
【００２２】
一方、特許文献１に記載の技術のように、加工されたトンネル接合部を埋め込んだ後の表面を平坦化すると、単峰の光プロファイルで発振させることも可能である。しかしながら、本構造を作製する場合、トンネル接合部のパターンに応じて埋め込み後の構造をフォトリソグラフィーで加工する際に高い作製精度が要求される。このため、作製歩留まりが低下する。また、追加の加工プロセスが加わることでコストが増加する。
【００２３】
非特許文献３に記載の技術においては、トンネル接合にイオン注入を施すと、発光領域の共振器長が非発光領域の共振器長と同じになり、電流の不均一注入の影響が小さければ単峰の光プロファイルで発振しやすくなる。同文献では発光径が２０μｍと大きいため、不均一注入の影響が大きくプラズマ効果により横モードが不安定だが、発光径を小さくして不均一注入の影響を減らせば単峰の光プロファイルで発振しやすくなる。このような技術では、イオン注入層が活性層近傍近くに形成されると、活性層にイオンの一部が到達しやすくなる。これは、非発光再結合の要因となり、しきい値電流が増加することで素子発熱が増え、発熱に伴う屈折率変化などが生じ、横モードの制御性が低くなる。また、活性層にイオンが到達すると格子欠陥が発生し、欠陥増殖の要因になり素子の信頼性にも影響する。一方、活性層からイオン注入層を遠ざけると電流狭窄が十分に機能しない。このため、この技術は量産には不向きである。
【００２４】
本発明の目的は、低抵抗動作で単峰の光プロファイルのレーザ発振が可能であり、低コストで製造可能な、面発光レーザ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明の一態様により提供される面発光レーザは、
１／４λ厚の低屈折領域と１／４λ厚の高屈折領域との対を１ペアとした複数のペアから構成される第１多層反射膜と、
前記第１多層反射膜上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられた電流狭窄構造と、
前記電流狭窄構造上に設けられたスペーサ層と、
前記スペーサ層上に設けられた、１／４λ厚の低屈折領域と１／４λ厚の高屈折領域との対を１ペアとした複数のペアから構成される第２多層反射膜とを有し、
前記電流狭窄構造は、
第１導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層上に設けられ、第１導電型と反対導電型の第２導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層とで形成されるトンネル接合領域と、
前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に設けられた電流ブロック層とを有する。
【００２６】
本発明の他の態様により提供される面発光レーザの製造方法は、
基板上に第１多層反射膜を形成する工程と、
前記第１多層反射膜上に第１スペーサ層を形成する工程と、
前記第１スペーサ層上に活性層を形成する工程と、
前記活性層上に第２スペーサ層を形成する工程と、
前記第２スペーサ層上に第１導電型半導体層を形成する工程と、
前記第１導電型半導体層上に電流ブロック層を形成する工程と、
前記電流ブロック層におけるトンネル接合領域に対応する部分を除去して前記第１導電型半導体層を露出させるパターニング工程と、
前記第１導電型半導体層の露出部分を覆うように前記電流ブロック層上に、第１導電型と反対導電型の第２導電型半導体層を形成する工程と、
前記第２導電型半導体層上に第３スペーサ層を形成する工程と、
前記第３スペーサ層上に第２多層反射膜を形成する工程を有する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、単峰の光プロファイルで低抵抗動作が可能であり、低コストで製造可能な、面発光レーザを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態の面発光レーザを示す断面図。
【図２】図１に示す面発光レーザの製造方法の一例を説明するための工程断面図。
【図３】関連技術の面発光レーザの断面図。
【図４】関連技術の面発光レーザの製造方法を説明するための工程断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００３０】
本発明の実施形態による面発光レーザは、１／４λ厚の低屈折領域と１／４λ厚の高屈折領域との対を１ペアとした複数のペアから構成される第１多層反射膜と、この第１多層反射膜上に設けられた活性層と、この活性層上に設けられた電流狭窄構造と、この電流狭窄構造上に設けられたスペーサ層と、このスペーサ層上に設けられた、１／４λ厚の低屈折領域と１／４λ厚の高屈折領域との対を１ペアとした複数のペアから構成される第２多層反射膜とを有する。そして、前記電流狭窄構造は、第１導電型半導体層と、この第１導電型半導体層上に設けられた第１導電型と反対導電型の第２導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層とで形成されるトンネル接合領域と、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に設けられた電流ブロック層とを有する。
【００３１】
前記トンネル接合領域では、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層が直接接していることが好ましい。
【００３２】
前記電流ブロック層は、前記トンネル接合領域を取り囲むように形成することができる。
【００３３】
前記第１多層反射膜と前記第２多層反射膜とに挟まれた構造部は、前記トンネル接合領域を含む電流注入領域と、前記電流ブロック層を含む電流ブロック領域を有し、前記電流ブロック領域における前記構造部の光学膜厚が、前記電流注入領域における前記構造部の光学膜厚より厚いことが望ましい。前記第１多層反射膜と前記第２多層反射膜とに挟まれた構造部は、共振器として機能することができる。
【００３４】
また、前記電流ブロック領域における前記構造部の光学膜厚と、前記電流注入領域における前記構造部の光学膜厚との差が、λｍ／２以上λｍ／２＋λ／４以下（ｍ＝０，１，２，・・・、ｍは０又は自然数を示す。但し、光学膜厚差＝０の場合を除く）であることが望ましい。成膜の制御等の観点から、ｍは２以下が好ましい。
【００３５】
前記電流ブロック層としては、半絶縁層、あるいは半絶縁層がドーピングにより絶縁化されてなる絶縁層を設けることができる。また、前記電流ブロック層としては、前記第１導電型半導体層を形成する材料に対してエッチング選択性（エッチング選択比）が高い材料で形成することができる。また、前記電流ブロック層は、前記第１導電型半導体層を形成する半導体材料にリンが含まれる場合はリンを含有しない半導体材料から形成され、前記第１導電型半導体層を形成する半導体材料にリンが含まれない場合はリンを含有する半導体材料から形成することができる。
【００３６】
本発明の実施形態による面発光レーザの製造方法においては、前記電流ブロック層は、後に行うエッチングにおいて、前記第１導電型半導体層を形成する材料に対してエッチング選択性が高い材料で形成し、前記電流ブロック層のパターニング工程は、前記電流ブロック層を除去する部分以外の領域をマスクしてエッチングすることにより実施できる。
【００３７】
本実施形態による面発光レーザにおいては、トンネル接合を形成する層間に半絶縁層等の電流ブロック層を設けることでトンネル効果を部分的に阻害し、ｎｐｉｎの電流ブロック構造が形成することができる。また、電流ブロック層を設けることで、第１多層反射膜と第２多層反射膜とで挟まれた構造帯の厚み（共振器長に相当）を、電流注入領域に対して電流ブロック領域で厚くすることができ、この電流ブロック層の厚みを調整することで、前記構造帯の光学膜厚差をλｍ／２以上λｍ／２＋λ／４以下（ｍ＝０，１，２，・・・、ｍは０又は自然数を示す。但し、光学膜厚差＝０の場合を除く）に調整できる。その結果、式（１）からΔｎeff＜０となり、反導波構造とすることができる。
【００３８】
本実施形態によれば、トンネル接合（ｐｎ接合）を形成する層間に電流ブロック層を設けることで電流狭窄構造が得られる。また、電流ブロック層として半絶縁層を用いると、素子容量の低減効果があり、高速応答が可能になる。
【００３９】
また、本実施形態によれば、反導波構造とすることで、単峰の光プロファイルのレーザ発振を得ることができる。この結果、面発光レーザをマルチモードファイバーやマルチモード導波路と高効率で結合することが可能となる。これにより、伝送時のリンクロスバジェットを改善できる。また、トンネル接合による素子抵抗の低減によりＩＣの低消費電力での駆動が可能になる。これらの結果、低消費電力な光モジュールが実現できる。
【００４０】
さらに、本実施形態によれば、単峰の光プロファイルで動作可能な構造を簡略な工程で形成でき、面発光レーザを低コストで作製できる。また、イオン注入を行わずに製造できるため、しきい値電流のばらつきが抑制され、欠陥の発生要因を低減できるため、素子信頼性を向上できる。
【００４１】
なお、本発明における光学膜厚とは、波長がわかっている光に対して定義される厚みのことである。膜の実際の厚み（物理膜厚）がｄであり、波長λに対してその膜の材料の屈折率がｎである場合、その膜の光学膜厚はｎｄとなる。したがって、例えば、屈折率が互いに異なる材料からなる二つの膜があってそれらの光学膜厚がλ／４という場合、二つの膜の材料の屈折率と物理膜厚をそれぞれｎ1、ｎ2、ｄ1、ｄ2とすると、ｎ1ｄ1＝ｎ2ｄ2＝λ／４である。しかし、ｎ1≠ｎ2であるためｄ1≠ｄ2となる。
【００４２】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００４３】
図１に、本実施形態の面発光レーザの断面構造を示す。
【００４４】
ｎ型導電性の半導体基板１０１上に、第１多層反射膜１０２、第１のｎ型スペーサ層１０３、活性層１０４、ｐ型スペーサ層１０５、トンネル接合を形成する高濃度ｐ型層１０６、半絶縁層１１６、トンネル接合を形成する高濃度ｎ型層１０７、第２のｎ型スペーサ層１０８、第２多層反射膜１０９がこの順で設けられている。そして、第２多層反射膜１０９上に正極電極１１０が設けられ、基板の裏面側に負極電極１１１が設けられている。トンネル接合に対応する領域が電流注入領域１１３であり、高濃度ｐ型層１０６と高濃度ｎ型層１０７の間に半絶縁層１１６が形成された領域が電流ブロック領域１１４である。発光は電流注入領域の活性層で生じる。
【００４５】
第２のｎ型スペーサ層１０８と第２多層反射膜１０９との界面１１２の凹凸段差は、光学膜厚差でλm／２以上λm／２＋λ／４以下（ｍ＝０，１，２，・・・、ｍは０又は自然数を示す。但し、光学膜厚差＝０の場合を除く）であることが望ましく、この光学膜厚差分だけ、反射膜間の構造帯の厚み（共振器長に相当）が電流注入領域１１３に対して電流ブロック領域で厚いことが望ましい。界面１１２の凹凸段差は、半絶縁層の成長およびエッチングとその後の高濃度ｎ型層１０７と第２のｎ型スペーサ層１０８の成長により制御される。
【００４６】
次に、図２（ａ）〜（ｄ）を参照して、図１を用いて説明した面発光レーザの製造方法の一実施形態を説明する。
【００４７】
初めに、図２（ａ）に示すように、ｎ型導電性の半導体基板１０１上に第１多層反射膜１０２から半絶縁層１１６までの半導体層をメタルオーガニックベイパーフェイズエピタクシー（ＭＯＶＰＥ：ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  ｖａｐｏｒ  ｐｈａｓｅ  ｅｐｉｔａｘｙ）により成長する。
【００４８】
その後、図２（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィーによるレジストマスクの形成後、エッチングにより半絶縁層１１６を加工して円形の開口を形成する。ここでは円形の開口を形成したが、加工形状は設計に応じて任意であり、多角形でもリング状に加工してもよい。
【００４９】
次に、図２（ｃ）に示すように、半絶縁層１１６を埋め込むように、高濃度ｎ型層１０７と第２のｎ型スペーサ層１０８を成長する。これにより、先ほど半絶縁層１１６がエッチング除去された領域（開口内）ではトンネル接合が形成される。半絶縁層１１６が残った領域には電流ブロック構造が形成される。
【００５０】
その後に図２（ｄ）のように、低屈折率層と高屈折率層の積層構造を持つ第２多層反射膜１０９を全面に形成する。その際、低屈折率層から順次積層する。第２多層反射膜は半導体や誘電体から構成することができる。
【００５１】
次に、第２多層反射膜１０９をドライエッチングすることで第２のｎ型スペーサ層１０８を露出させる。次いで、露出した第２のｎ型スペーサ層１０８上に、正極電極１１０を形成し、基板裏面側に負極電極１１１を形成し、電極アロイを行い、素子が完成する。
【００５２】
第２多層反射膜１０９の形成には、スパッタ（ＲＦスパッタや反応性スパッタ）、電子ビーム蒸着、ケミカルヴェイアパーデポジション、イオンビームアシスト堆積法、ＭＯＶＰＥ、モレキュラービームエピタクシー（ＭＢＥ：ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｂｅａｍ  ｅｐｉｔａｘｙ）などの方法を用いてもよい。
【００５３】
第２多層反射膜の材料としては、例えば、高屈折率材料としてＳｉ、Ｓｂ2Ｓ3、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＴｉＯ2など、低屈折率材料としてＳｉＯ2、ＳｉＮx、ＭｇＯ、ＣａＦ2、ＭｇＦ2、Ａｌ2Ｏ3などが挙げられ、発振波長に対し透明な材料を選択し用いることができる。
【００５４】
第１多層反射膜が半導体で構成される場合には、電流を注入しやすくし、素子抵抗を低減するために、バンドギャップの大きい低屈折率層とバンドギャップの小さい高屈折率層との間にバンド不連続を緩和するための中間バンドギャップを有する障壁緩和層を導入してもよい。
【００５５】
第２多層反射膜を構成する材料のエッチング加工が困難な場合にはリフトオフプロセスを用いてもよい。リフトオフプロセスを用いる場合の成膜には電子ビーム蒸着、イオンビームアシスト堆積法、ＭＢＥなどを用いることができる。
【００５６】
得られた素子を通電して遠視野像を確認することにより、単峰の光プロファイルのレーザ発振が得られ、高注入においても安定した単一横モードが得られることがわかる。本実施形態によれば、高速変調で長距離の光通信を行っても伝送品質の劣化が少なく、マルチモードファイバーを用いても２０Ｇｂｐｓで３００ｍを超える距離の伝送が可能となる。
【００５７】
また、トンネル接合を用いたことで素子抵抗が５０Ω以下に低減でき、低消費電力のＩＣで駆動が可能となる。
【００５８】
また、単峰の光プロファイルで発振するので近視野像サイズの異なるマルチモード導波路で構成された光回路と組み合わせても高い直接結合効率を得ることができる。
【００５９】
第２のｎ型スペーサ層１０８と第２多層反射膜１０９との界面１１２の凹凸段差（反射膜間の構造帯の電流注入領域と電流ブロック領域との厚み差に対応）が光学膜厚差としてλｍ／２＋λ／４のときは、屈折率導波と反導波の境界条件になるが、電流を注入すると電流狭窄された発光領域（電流注入領域）で発熱を生じ、発光領域の実効屈折率は周辺部（電流ブロック領域）より高い側にシフトするため安定した単峰の光プロファイルである基本横モード動作が得られる。
【００６０】
本実施形態の活性層としては、ＩｎＧａＡｓ系量子井戸、ＡｌＧａＡｓ系量子井戸、ＩｎＧａＡｌＰ系量子井戸、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）系量子井戸、ＧａｌｎＮＡｓ系量子井戸、ＧａＡｓ（Ｓｂ）系量子井戸、（Ｇａ）ＩｎＡｓ量子ドットなどの種々の半導体材料を用いることかできる。さらに、本実施形態は、波長７８０ｎｍ帯、８５０ｎｍ帯、９８０ｎｍ帯、１１００ｎｍ帯、１２００ｎｍ帯、１３００ｎｍ帯１４８０ｎｍ帯、１５５０ｎｍ帯、１６５０ｎｍ帯のなどの面発光レーザ素子に適用することかできる。
【００６１】
半絶縁層としては、エッチング選択性を確保するためにトンネル接合を形成する高濃度ｐ型層１０６がリン（Ｐ）を含まない材料で構成される場合にはＰを含む材料からなることが望ましい。この場合、エッチング液としては、硝酸−過酸化水素水−水の混合液を用いることができる。また、半絶縁層は、高濃度ｐ型層１０６がＰを含む材料で構成される場合はＰを含まない材料からなることが望ましい。この場合、エッチング液としては、塩酸−燐酸の混合液を用いることができる。
【００６２】
例えばＧａＡｓ基板上では、Ｐを含まない材料として（Ｉｎ）ＧａＡｓ（Ｓｂ）や（Ｉｎ）ＧａＡｓ（Ｎ）が挙げられ、Ｐを含む材料としてＩｎＧａ（Ａｌ）Ｐが挙げられる。ＩｎＰ基板上では、Ｐを含まない材料としてＩｎＧａＡｓやＩｎ（Ｇａ）ＡｌＡｓが挙げられ、Ｐを含む材料としてＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰが挙げられる。
【００６３】
図２（ａ）に示す工程において、半絶縁層１１６上に、半絶縁層下側のトンネル接合を構成する材料と同じ材料の半導体層を薄く形成してもよい。エッチングの選択性が高い材料であれば、互いに一方に対して他方がエッチングされやすいエッチング液を選択することが可能である。そのため、この最表面に薄く形成した半導体層をエッチングマスクにすることもできる。
【００６４】
半絶縁層は、ＣｒＯやＦｅ、Ｒｕをドーピングすることにより完全に絶縁化してもよい。
【００６５】
また、第１多層反射膜として、ＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＡｓ系半導体多層膜反射鏡のほかに、ＩｎＰ基板上のＡｌＧａＡｓ（Ｓｂ）系半導体多層膜反射鏡やＡｌＧａＩｎＡｓＰ系半導体多層膜反射鏡を適用することかできる。
【００６６】
基板としては、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、ＧａＩｎＡｓ３元基板などを用いることができる。
【００６７】
また、基板上に第１多層反射膜を形成せずに、ｎ型スペーサ層より上部の構造を先に形成し、その後に、基板をエッチング除去し、基板の除去領域に第１多層反射膜として誘電体ＤＢＲを形成することも可能である。
【００６８】
ここではｎ型導電性基板を用いたが、半絶縁性基板やｐ型導電性基板を用いてもよい。半絶縁性基板やｐ型導電性基板を用いた場合には、基板の表面から正極および負極の両電極をとりだせばよい。
【００６９】
第１多層反射膜および第２多層反射膜の反射率は、所望の閾値を得、特性の低下を抑える点から９９％以上に設定することができ、光を取り出さない側の多層反射膜の反射率は９９．６％より高いことが好ましく、９９．９％以上がより好ましく、光を取り出す側の多層反射膜の反射率は９９〜９９．６％の範囲にあることが好ましい。本実施の形態で参照する図１では基板側に電極が形成されているため、光を取り出さない側の多層反射膜は上記第１多層反射膜となる。そして光を取り出す側の多層反射膜は上記第２多層反射膜となる。しかし、図３のように基板の表面側（図中の上側）から正極および負極の両電極を取り出す構成の場合は、図１の光を取り出さない側に相当する側（図中の下側）の多層反射膜を上記第２多層反射膜、図１の光を取り出す側に相当する側（図中の上側）の多層反射膜を上記第１多層反射膜とし、基板の裏面側から光を取り出す構成としてもよい。その場合、製造の最終工程において基板裏面は鏡面研磨を施し、発振波長に対応した無反射コーティングを施すことが望ましい。
【実施例】
【００７０】
次に、具体的な実施例を用いて、本実施形態をさらに説明する。
【００７１】
図１を用いて本実施例の面発光レーザの構造を説明し、図２を用いてその製造方法の一例を説明する。
【００７２】
本実施例の面発光レーザは、図１に示すように、発振波長λを１．０７μｍとして、ｎ型導電性のＧａＡｓ半導体基板１０１上に、１／４λの光学膜厚のＳｉドープＡｌＡｓ低屈折率層（ｎ＝８×１０17ｃｍ-3）および１／４λの光学膜厚のＳｉドープＧａＡｓ高屈折率層（ｎ＝８×１０17ｃｍ-3）からなる４０．５ペアの第１多層反射膜１０２；ＳｉドープＧａＡｓ（ｎ＝８×１０17ｃｍ-3）からなる第１のｎ型スペーサ層１０３；Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ａｓ／ＧａＡｓ量子井戸から構成される活性層１０４；ＣドープＧａＡｓ（ｐ＝８ｅ＋１７ｃｍ-3）からなるｐ型スペーサ層１０５；トンネル接合を形成するＣドープＧａＡｓ（ｐ＝１ｅ＋２０ｃｍ-3）からなる高濃度ｐ型層１０６；アンドープＩｎＧａＰからなる半絶縁層１１６（２１０ｎｍ）；トンネル接合を形成するＳｉドープＧａＡｓ（ｎ＝２×１０19ｃｍ-3）高濃度ｎ型層１０７；ＳｉドープＧａＡｓ（ｎ＝８×１０17ｃｍ-3）からなる第２のｎ型スペーサ層１０８；並びに１／４λの光学膜厚のＳｉＯ2低屈折率層（厚み１８１．２ｎｍ）および１／４λの光学膜厚のＳｉ高屈折率層（厚み７１．５ｎｍ）からなる３ペアの第２多層反射膜１０９からなる積層構造が設けられている。そして、第２のｎ型スペーサ層１０８上にＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉからなる正極電極１１０が設けられ、基板１０１の裏面側にＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉからなる負極電極１１１が設けられている。
【００７３】
第１のｎ型スペーサ層１０３の底面からトンネル接合を介して第２のｎ型スペーサ層１０８の上面までの長さは２λの光学膜厚であり、活性層１０４は定在波の腹位置に配置され、トンネル接合は定在波の節に配置した。
【００７４】
トンネル接合を構成する高濃度ｐ型層１０６及び高濃度ｎ型層１０７の厚みはいずれも１５ｎｍである。
【００７５】
第２のｎ型スペーサ層半導体１０８と第２多層反射膜１０９との界面１１２の凹凸段差は２００ｎｍであり、第１および第２の多層反射膜の間の共振器長として換算すると、λ／２より大きく３／４λよりやや短い光学膜厚差に相当する。このため反導波構造となっている。
【００７６】
第１多層反射膜の反射率は９９．９％、第２多層反射膜の反射率は９９．５％である。
【００７７】
次に、図２（ａ）〜（ｄ）を参照して、上記の面発光レーザの製造方法を説明する。
【００７８】
初めに、図２（ａ）に示すように、ｎ型導電性の半導体基板１０１上に第１多層反射膜１０２から半絶縁層１１６までの半導体層をＭＯＶＰＥ成長した。
【００７９】
その後、図２（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィーによるレジストマスクの形成後、エッチングにより半絶縁層１１６を円形に加工した。ＩｎＧａＰとＧａＡｓの間のエッチング選択比は高いのでＧａＡｓでエッチングを止めることができ、素子作製の再現性が高い。
【００８０】
次に、図２（ｃ）に示すように、半絶縁層１１６を埋め込むように、高濃度ｎ型層１０７と第２のｎ型スペーサ層１０８を成長した。
【００８１】
第２多層反射膜１０９の低屈折率層を形成する前にあらかじめ段差測定を行ったところ、２００ｎｍであった。
【００８２】
その後、図２（ｄ）に示すように、第２多層反射膜１０９を低屈折率層（ＳｉＯ2）から順次全面に形成した。
【００８３】
次いで、第２多層反射膜１０９をドライエッチングすることで第２のｎ型スペーサ層１０８を露出させた。その後、露出した第２のｎ型スペーサ層１０８上に、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉからなる正極電極１１０を形成し、基板裏面側に負極電極１１１を形成し、３７５℃、１０秒で電極アロイを行い、完成した素子を得た。
【００８４】
得られた素子を通電して遠視野像を確認したところ、単峰の光プロファイルのレーザ発振が得られた。高注入においても安定した単一横モードが得られた。この結果、高速変調で長距離の光通信を行っても伝送品質の劣化が少なく、マルチモードファイバーを用いても２０Ｇｂｐｓで３００ｍを超える距離の伝送が可能となった。
【００８５】
また、トンネル接合を用いたことで素子抵抗が５０Ω以下に低減でき、低消費電力のＩＣで駆動が可能となった。
【００８６】
また、単峰の光プロファイルで発振するので近視野像サイズの異なるマルチモード導波路で構成された光回路と組み合わせても高い直接結合効率が得られた。
【００８７】
以上に説明した本発明の実施形態による面発光レーザは、超高速計算機向けの低コストが要求される面発光レーザに適用できる。
【符号の説明】
【００８８】
１０１  基板
１０２  第１多層反射膜
１０３  ｎ型スペーサ層
１０４  活性層
１０５  ｐ型スペーサ層
１０６  高濃度ｐ型層
１０７  高濃度ｎ型層
１０８  第２のｎ型スペーサ層
１０９第２多層反射膜
１１０  正極電極
１１１  負極電極
１１２  第２のｎ型スペーサ層半導体と第２多層反射膜の界面
１１３  電流注入領域
１１４  電流ブロック領域
１１６  半絶縁層
７０１  基板
７０２  第１多層反射膜
７０３  第１のｎ型スペーサ層
７０４  活性層
７０５  ｐ型スペーサ層
７０６  高濃度ｐ型層
７０７  高濃度ｎ型層
７０８  第２のｎ型スペーサ層
７０９第２多層反射膜
７１０  正極電極
７１１  負極電極
７１２  第２のｎ型スペーサ層半導体と第２多層反射膜の界面
【図１】
2010212606.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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