(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、この基板上に第一の半導体多層膜反射鏡、活性層、および第二の半導体多層膜反射鏡が形成された半導体柱状構造体とを具備し、前記柱状構造体の側面がｉ型再成長膜からなる半導体薄膜により包囲され、かつ、前記活性層の飽和利得ｇs 、活性層の厚さｔa 、および前記半導体薄膜に包囲された前記多層反射膜の実効反射率Ｒ’が、下記式（１）に示す関係を満たし、前記ｉ型再成長膜の膜厚は、前記活性層のバンドギャップ相当光の前記再成長膜中での波長の３倍以下であることを特徴とする半導体微小共振器発光素子。
【数１】
0003612101.tif 000011
【請求項２】
基板と、この基板上に第一の半導体多層膜反射鏡、活性層、および第二の半導体多層膜反射鏡が形成された半導体柱状構造体と、前記半導体柱状構造体の側面を包囲し、第１の再成長膜およびこの第１の再成長膜の外側に配置された第２の再成長膜を含む半導体薄膜とを具備し、前記活性層の飽和利得ｇs 、活性層の厚さｔa 、および前記半導体薄膜に包囲された前記多層反射膜の実効反射率Ｒ’が、下記式（１）に示す関係を満たし、前記第２の再成長膜の屈折率は、前記第１の再成長膜の屈折率とは異なり、かつ前記第一および第二の半導体多層膜反射鏡の平均屈折率より小さいことを特徴とする半導体微小共振器発光素子。
【数２】
0003612101.tif 000012
【請求項３】
前記第２の再成長膜の屈折率は、前記第１の再成長膜の屈折率より大きいことを特徴とする請求項２に記載の半導体微小共振器発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光通信や光インターコネクション、光情報処理等に使用される半導体素子に係わり、特に高密度の集積に適した低消費電力のＬＥＤや半導体レーザー、および受光素子、変調器に関する。
【０００２】
また、本発明は、化合物半導体デバイス、特に化合物半導体多層膜を用いた半導体レーザ、ＬＥＤ、半導体光増幅器、半導体光変調器などを再現性よく作製するためのドライエッチング方法に関する。
【０００３】
【従来の技術】
近年、光通信や光インターコネクション、光情報処理等の分野では、並列処理による大容量化、高速化への要求が高まりつつある。並列処理を実現するためには、１次元、あるいは２次元的に集積されたＬＥＤや半導体レーザーアレイ、受光素子、および変調器アレイが必須となることが予想される。こうした需要に対応し得る光源として、基板に垂直な方向に出力光を取り出すことが可能な、いわゆる垂直共振器型の面発光レーザーの開発が精力的に行われている。
【０００４】
この種のレーザーは、典型的には、図１４に示すように、下部多層反射鏡６２、活性層とスペーサー層（クラッド層）とを含む発光層６５、および上部多層反射鏡６６が基板６１上に順次積層された構造を有する。このような面発光レーザーにおいては、横モードを制御するため、上部反射膜６６の一部または下部反射膜６２に至るまでを柱状に加工し、横方向に屈折率変化を持たせることにより最低次モードでの安定な発振を狙っている。現在、これらの素子の横方向の典型的なサイズは（３０μｍ）２  から（５μｍ）２  であり、発振閾値は数ｍＷから数百μＷ程度である。
【０００５】
多数の素子を集積して用いる場合には、単体の場合と比較して１素子あたりの消費電力に対する制限は厳しくなる。例えば、前述の面発光レーザーを例に挙げると、その消費電力は１ｍＷ程度であるので、１００×１００のアレイで１０Ｗとなり、１０００×１０００のアレイでは１０００Ｗという非常に大きな値となる。このように消費電力が大きいと、省電力化の進んだ電子デバイスとの良好な整合性が得られないばかりか、熱的な問題により高密度の集積そのものが不可能となってしまう。
【０００６】
最近では、微小共振器レーザーと呼ばれる新しい原理に基づくレーザーが提案されている（小林哲朗他；応用物理学会講演予講集２９ａ−Ｂ−６（１９８２），Ｈ．Ｙｏｋｏｙａｍａ  ａｎｄ  Ｓ．Ｄ．Ｂｒｏｎｓｏｎ；Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６６，ｐ４８０１（１９８９））。このレーザーは、極めて微小な共振器構造を有することを特徴とし、具体的には、横方向のサイズは（発振波長）３  の数倍から数十倍程度である。この小さな共振器を用いることによって、活性層からの自然放出光が発振に寄与する共振器モードに効率的に結合するので、閾値の極めて低いレーザーを実現できることが理論的に示されている。具体的には、半導体レーザーに適用した場合には、発振閾値を従来に比べて２桁以上低減することが可能であるといわれている。
【０００７】
このような微小共振器レーザーは、前述の面発光レーザーの断面積を小さくしていくことにより基本的には製作可能と考えられる。しかしながら、従来構造の面発光レーザーの断面積を単に小さくするのみでは、共振器からの光損失や、活性層側壁での表面、界面再結合による注入キャリアの損失が増大するので、かえって閾値を増大させてしまう。例えば、図１４（ａ）の構造では、活性層６４の側壁が露出しているため、活性層側壁での表面再結合による注入キャリアの損失が増大する。また、図１４（ｂ）の構造では、下部反射膜６２でのモードの閉じ込め構造がないため、上部反射膜６６と下部反射膜６２との接続部分（図１４（ｂ）中のＢで示されるスペーサ層６３付近の領域）において、回折による光損失が増大する。また、図１４（ｃ）の構造では、活性層６４の側面には半導体が存在するので、界面再結合はあまり問題とならないが、共振器部６２と埋め込み部７２との屈折率差が小さいため、共振器モードが埋め込み層にしみ出す割合が大きくなる。このため、反射膜の実効的な反射率が減少する。これらの面発光レーザーで通常用いられる構造では、５μｍ径以下の共振器サイズでは、共振器の微細化による損失の増大により閾値が増大してしまう。
【０００８】
なお、前述の面発光レーザー、ＬＥＤ、光増幅器、および光変調器等のデバイスにおいて、光を閉じ込めるための反射鏡（ＤＢＲ）としては、化合物半導体多層膜が用いられている。これらのデバイスの集積密度を高めるためには、前記化合物半導体多層膜を直径０．５μｍ〜数十μｍ、深さ数μｍ程度に加工しなければならず、しかも、特性の劣化を防止するためには、平滑で光散乱のないＤＢＲ側壁が要求される。特に、面発光レーザにおいては、発振閾値電流を低減するために、ＤＢＲにおける光学散乱損失を小さく抑えることが必須である。
【０００９】
半導体多層膜を、前述のような微細な寸法に加工するためには、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）、ケミカルアシステッドイオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）などのドライエッチング法が用いられる。また、各化合物半導体層のエッチング速度は、構成元素や組成によって異なるという性質がある。例えば、塩素ガスを用いてＡｌＡｓとＧａＡｓとの多層膜のドライエッチングを行なう場合には、サイドエッチングを抑え垂直な異方性エッチングを達成するために、通常１００℃以下で行われる。しかしながら、この温度範囲では、図１５に示すように多層膜のエッチング側壁にＡｌＡｓ層が凸、ＧａＡｓ層が凹状の凹凸が形成されてしまう。デバイスのＤＢＲ側壁に形成された凹凸は、光散乱損失を増大させる原因となるので、デバイス特性を著しく低下させるという問題が生じる。
なお、装置に改良を施したり、工程数を増やすといった対策によって側壁の凹凸を制御することが考えられるが、コスト面からも好ましくない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来の面発光レーザーを単に微細化するのみでは、共振器からの光損失が増大するとともに、活性層側壁での表面、界面再結合による注入キャリアの損失が増大するので、効率を向上させることができない。また、ＤＢＲ膜を形成するために、化合物半導体多層膜をドライエッチング方法により加工する際には、側壁での凹凸の形成が避けられず光学散乱損失が増大してデバイス特性の低下を引き起こす。
【００１１】
本発明は、共振器を微細化した際にも光学損失の増大が抑制され、かつ活性層側壁での界面再結合による注入キャリアの損失も抑制された、低閾値の半導体微小共振器発光素子を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、基板と、この基板上に第一の半導体多層膜反射鏡、活性層、および第二の半導体多層膜反射鏡が形成された半導体柱状構造体とを具備し、前記柱状構造体の側面がｉ型再成長膜からなる半導体薄膜により包囲され、かつ、前記活性層の飽和利得ｇs 、活性層の厚さｔa 、および前記半導体薄膜に包囲された前記多層反射膜の実効反射率Ｒ’が、下記式（１）に示す関係を満たし、前記ｉ型再成長膜の膜厚は、前記活性層のバンドギャップ相当光の前記再成長膜中での波長の３倍以下であることを特徴とする半導体微小共振器発光素子を提供する。
【数３】
0003612101.tif 000002
【００１４】
【数２】
0003612101.tif 000003
【００１５】
また、本発明は、基板と、この基板上に第一の半導体多層膜反射鏡、活性層、および第二の半導体多層膜反射鏡が形成された半導体柱状構造体と、前記半導体柱状構造体の側面を包囲し、第１の再成長膜およびこの第１の再成長膜の外側に配置された第２の再成長膜を含む半導体薄膜とを具備し、前記活性層の飽和利得ｇｓ  、活性層の厚さｔａ  、および前記半導体薄膜に包囲された前記多層反射膜の実効反射率Ｒ’が、下記式（１）に示す関係を満たし、前記第２の再成長膜の屈折率は、前記第１の再成長膜の屈折率とは異なり、かつ前記第一および第二の半導体多層膜反射鏡の平均屈折率より小さいことを特徴とする半導体微小共振器発光素子を提供する。
【数４】
0003612101.tif 000004
【００１６】
【作用】
本発明の半導体微小共振器発光素子においては、発光部およびこの発光部の上下に形成された多重反射鏡の側面を十分に薄い半導体薄膜（以下、再成長膜と称する）により包囲している。すなわち、発光部に含まれる活性層の側面が前記半導体再成長膜で包囲されるので、界面再結合を低減させることができる。さらに、再成長膜の膜厚を十分薄くしているので、多層反射膜領域への共振器モードの十分な閉じ込めを確保し、多層反射膜の実効反射率の低下を抑制することが可能となった。
【００１７】
さらに、従来は、図４（ｂ）に示すように、多層反射膜１５の側壁に凹凸があったために、活性層からの発光１６は、散乱光１７として損失されていたが、本発明のように再成長膜１で多重反射膜２の側面を包囲することによって、図４（ａ）に示すように多層反射膜２の表面が平坦化される。したがって、光散乱損失を低減することも可能である。
【００１８】
また、本発明のドライエッチング方法では、エッチング温度を限定しているので、半導体多層膜を構成する各半導体層のサイドエッチング速度を制御することができる。これにより、垂直なエッチング側壁が得られるとともに、各半導体層のサイドエッチング速度を等しくすることにより、凹凸のない平滑なエッチング側壁を達成することができる。したがって、本発明のドライエッチング方法を面発光レーザー等のデバイスの作製に適用することにより、プロセス工程の増加や装置コストの増加を招くことなく、光学散乱損失などのデバイス特性の劣化を防ぐことができるとともに、歩留まりを向上させることができる。
【００１９】
【実施例】
（実施例Ｉ）
まず、図面を参照して、第１の発明の半導体微小共振器発光素子について説明する。
【００２０】
図１に、本発明の半導体微小共振器発光素子の一例の構成を示す。なお、図１（ａ）は、半導体微小共振器発光素子の一例の要部切り欠き図を表わし、図１（ｂ）は、活性層を含む断面図を表わす。
【００２１】
図１（ａ）に示すように、半導体微小共振器発光素子１０は、ｎ−ＧａＡｓからなる基板７と、ｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ分布ブラッグ反射膜（ＤＢＲ）３、活性層４、スペーサー層５、およびｐ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ−ＤＢＲ２が順次形成された円柱状の積層構造体とを有する。なお、発光部において、活性層４は、ｉ−Ｉｎ０．２  Ｇａ０．８  Ａｓ歪み量子井戸活性層（厚さ８ｎｍが３層）とｉ−ＧａＡｓバリア層とからなり、スペーサ層５ｂおよび５ａは、それぞれｎ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８  Ａｓ、およびｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓにより構成されている。さらに、この円柱状の半導体積層構造体の側面には、ｉ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓからなる再成長層１が形成されている。
【００２２】
なお、円柱状の積層構造体の直径は２μｍであり、再成長層１の厚さは５０ｎｍである。また、スペーサ層５ａおよび５ｂと活性層４とを含む発光部の厚さは、２９３ｎｍであり、発振波長λは９８０ｎｍである。
【００２３】
ｐ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ−ＤＢＲ２の表面にはＣｒ／Ａｕ−ｐ電極６が蒸着されており、基板裏面の一部にはＡｕＧｅ／Ａｕ−ｎ電極（図示せず）が蒸着されている。
【００２４】
この半導体微小共振器発光素子１０においては、出力光はＳｉＮ減反射膜（図示せず）を通して基板側から矢印方向に放射される。なお、図１（ａ）に示す構造図は説明のために簡略化されたものであり、実際には図１（ｂ）に示すように、側面に再成長膜１が形成された円柱状の共振器部全体が、ポリイミドまたはスピン・オン・グラス（ＳＯＧ）等の絶縁体８によって埋め込まれている。
【００２５】
本発明の半導体微小共振器発光素子１０においては、円柱状に構成された半導体微小共振器の側面を、十分薄い半導体の薄膜１（再成長膜と称する）で包囲し、かつ、この再成長膜の厚さを、モードの再成長膜への滲み出しによる損失が活性層の飽和利得を越えないように限定している。
【００２６】
かかる限定は、以下のような考察に基づくものである。
まず、図２を用いて共振器モードの半導体埋め込み領域へのモードの滲み出しを説明する。モードの滲み出し量は断面積が小さくなるほど大きくなり、図２（ａ）に示すように、断面積が（発振波長）２  の数十倍以下となる微小共振器を同種の材料からなる半導体成長膜中に埋め込んだ場合には、両者の屈折率差が小さいために、共振器モードの外側の半導体層への滲み出しが大きくなる。その結果、多層反射膜の実効反射率が減少して閾利得が上昇してしまう。
【００２７】
一方、図２（ｂ）に示すように、半導体多層膜の断面積が（発振波長）２  に比べて十分大きい通常の面発光レーザーにおいては、共振器モードの外側の半導体層への滲み出しは小さいので、閾利得の上昇は、ほとんど無視できる。これは、屈折率差が小さい場合でも、モードが多層反射膜部分にほとんど閉じ込められているためである。
【００２８】
なお、断面積が小さい場合でも、図２（ｃ）に示すように半導体多層膜の側面を十分に薄い半導体膜で包囲した場合には、モードの滲み出し量は、問題とならない程度に小さい。
【００２９】
これらの状況を具体的なモデルで計算した結果を図３に示す。ここでモデルとして仮定した構造は、下部ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ分布ブラッグ反射膜（ＤＢＲ）、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ歪み量子井戸（１０ｎｍ厚、井戸数３）、および上部ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ分布ブラッグ反射膜（ＤＢＲ）で構成された円柱共振器の側面に、Ａｌ０．５  Ｇａ０．５  Ａｓからなる半導体薄膜を成長させた。なお、円柱の直径をｄとし、再成長膜の膜厚をｔとして、以下のようにして計算した。
【００３０】
まず、ＤＢＲを構成しているＧａＡｓの有効屈折率ｎＧａＡｓ´を、ＤＢＲ領域および再成長膜領域へのモードの横方向の閉じ込め係数γ１  およびγ２  を用いて下記式（３）のように表す。同様にしてＡｌＡｓの有効屈折率ｎＡｌＡｓ´を、下記式（４）のように表す。
【００３１】
【数３】
0003612101.tif 000005
【００３２】
ｎｃ  およびｎｅｎｖ  は、それぞれ再成長層および共振器部の外側の屈折率である。上式から得られるｎＧａＡｓ’  およびｎＡｌＡｓ’  を用いると、実効反射率Ｒ´は、下記式（５）で表わされる。
【００３３】
【数４】
0003612101.tif 000006
ここで、Ｒｔｏｐ  およびＲｂｏｔｔｏｍは、それぞれ上部ＤＢＲおよび下部ＤＢＲの反射率であり、それぞれ下記式（６）および（７）で表わされる。
【００３４】
【数５】
0003612101.tif 000007
【００３５】
【数６】
0003612101.tif 000008
実効反射率Ｒ´より、閾利得ｇｔｈは下記式（８）で求められる。
【００３６】
【数７】
0003612101.tif 000009
したがって、レーザーが発振するための条件は、下記式（９）で表わされる。
【００３７】
【数８】
0003612101.tif 000010
【００３８】
ここで、ｇｓ  は活性層の飽和利得、αｉ  は共振器の内部損失、ｔａ  は活性層の厚さである。理想的な場合、すなわち共振器の内部損失αｉ  が０のとき、式（９）の右辺は第２項のみとなり、上述の式（１）が導かれる。
【００３９】
図３には、円柱の直径ｄが１μｍ，２μｍおよび５μｍの場合のそれぞれについて、再成長膜厚ｔと閾利得との関係を示している。なお、直径５μｍは、通常の面発光レーザーと呼ばれるサイズであり、図３から、直径が５μｍの場合には、閾利得は、再成長膜厚ｔにほとんど影響されないことがわかる。
【００４０】
一方、微小共振器の効果が顕著となる１μｍ径においては、再成長膜厚が増加するにつれて、閾利得が急激に増大している。ここで、飽和利得ｇｓ  ＝５０００ｃｍ−１とすると、再成長膜厚が０．２１μｍ以上で発振が不可能となるほどに閾利得が増大している。
【００４１】
このように、微小共振器レーザーの共振器サイズの領域では、共振器を包囲する埋め込み層の膜厚を薄くすることが、低閾値発振を実現する上で本質的に重要であることがわかる。
【００４２】
なお、本発明の半導体微小共振器発光素子においては、再成長膜の膜厚は、具体的には、もっとも厚い部分の厚さが、活性層のバンドギャップ相当光の再成長薄中での波長の３倍以下であることが好ましく、より好ましくは２倍以下である。
【００４３】
図１に示した半導体微小共振器発光素子１０の場合には、図３に示したグラフにおいて、飽和利得ｇｓ  ＝４０００ｃｍ−１とすると、再成長膜の膜厚の最大値ｔｍａｘは０．４７μｍとなり、この値は、再成長膜１中での波長の約１．６倍に相当する。
【００４４】
本実施例の半導体微小共振器発光素子は、例えば、以下のようにして製造することができる。図５に、本実施例の発光素子の製造工程を表わす断面図を示す。
【００４５】
まず、図５（ａ）に示すように、基板７上に、第１のＤＢＲ３、スペーサー層５ｂ、活性層４、スペーサー層５ａ、および第２のＤＢＲ２を成長させる。各層の成長に当たっては、例えば、分子ビームエピタキシャル成長法（ＭＢＥ）、および有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等を用いることができる。さらに、第２のＤＢＲ２の表面には、化学気相成長法（ＣＶＤ）により二酸化珪素膜（ＳｉＯ２  ）９を堆積する。
【００４６】
次に、紫外線露光プロセスまたは電子線露光プロセスを用いて、ＳｉＯ２  膜９上に円形のレジストパターンを形成し、四フッ化炭素／水素混合ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、ＳｉＯ２  膜９にレジストパターンを転写する。
【００４７】
酸素プラズマによりレジストを除去した後、図５（ｂ）に示すように、エピタキシャル成長させた半導体層を基板７までエッチングして円柱構造を作製する。ここでは、例えば、塩素ガスを用いた反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）を用いることができる。
【００４８】
続いて、アンモニア系のエッチング液を用いて活性層側壁を１０ｎｍ程度エッチングして、ＲＩＢＥの際に側面に生じたエッチングダメージ層を除去する。さらに、五硫化二燐（Ｐ２  Ｓ５  ）を溶解した硫化アンモニウム溶液（（ＮＨ４  ）２  Ｓ）に一分間浸すことによって、側面にパッシベーション膜を形成した後、純水で洗浄する。その後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ＳｉＯ２  膜９上には成長しない選択成長のモードで、円柱側壁にＡｌ０．５  Ｇａ０．５  Ａｓ薄膜１を成長させる。
【００４９】
次に、Ａｌ０．５  Ｇａ０．５  Ａｓ薄膜１が側面に形成された円柱をポリイミド８で埋め込み、酸素プラズマにより円柱頂部を露出させ、紫外線露光プロセスとリフトオフによりｐ電極６を形成する。
【００５０】
最後に裏面を研磨し、光出力部を避けてｎ電極（図示せず）を形成し、光出力部には減反射膜（図示せず）を堆積することによって、本発明の半導体微小共振器発光素子１０が得られる。
【００５１】
なお、本発明の半導体微小共振器発光素子は、以下のような変更が可能である。第１の変更例を図６に示す。図６に示す発光素子の基本構造は、円柱共振器が絶縁体に完全に埋め込まれていない以外は、図１に示したものと同様である。すなわち、共振器の周囲を包囲する半導体薄膜１は、さらに、ＳｉＯ２，ＳｉＮｘ，Ａｌ２Ｏ３などの絶縁体１２からなる薄膜によって柱状に囲まれている。
【００５２】
この半導体微小共振器発光素子１１においては、絶縁体１２の外側には、電極兼反射膜１３が設けられている。このように、活性層４の周囲に絶縁体を介して反射膜１３を配置することによって、活性層４から横方向に放射された自然放出光が、再び活性層に吸収されるという効果が得られるので、閾値をさらに低減することが可能となる。
【００５３】
以上の例においては、共振器の側面を包囲する再成長膜１として、単層のＡｌＧａＡｓを用いたが、屈折率の異なる複数の再成長膜により構成した多層膜を用いることもできる。さらに、厚さ方向の屈折率を連続的に変化させた再成長膜を用いてもよい。
【００５４】
かかる構造の一例を、図７に例を示す。図７（ｃ）に示すように、円柱の中心軸から半径方向の距離をｒとし、再成長膜の外周面までの距離をａ、再成長膜の膜厚をｔとした。
【００５５】
図７（ａ）には、屈折率の異なる２種類の半導体薄膜により再成長膜１を構成した場合の円柱の中心からの距離ｒと屈折率ｎとの関係を示す。この場合には、ＤＢＲおよび半導体薄膜の屈折率は、次の関係にある。
【００５６】
ｎｉｎ＜ｎｏｕｔ  ＜ｎＤＢＲ
ｎＤＢＲ  ，ｎｉｎおよびｎｏｕｔ  は、それぞれ、ＤＢＲの平均屈折率、内側薄膜の屈折率、および外側薄膜の屈折率を表わす。
【００５７】
図７（ｂ）には、再成長膜１の屈折率は、外側に向けて徐々に小さくなっている場合の例を示す。
前述の図７（ａ）および（ｂ）のいずれの構造も、単層の再成長膜の場合に比べて、モードのＤＢＲ部分への閉じ込め係数がより大きくなるので、単層で再成長膜を形成する場合よりも、膜厚ｔを大きくすることができる。
【００５８】
さらに、共振器の断面（図８（ａ）中のＡ−Ａ´面）の形状は、何等限定されるものではなく、図８（ｂ）に示すような種々の形状とすることができる。また、再成長膜１を形成した後の断面も、任意形状とすることができる。すなわち、共振器部の側面に形成される再成長膜１の膜厚は、本発明の範囲内であれば、その形状は限定されない。
【００５９】
以上の実施例では、基板としてｎ型の半導体を用いた例について示したが、もちろんｐ型基板を用いることもでき、この場合には、基板上に積層される各半導体層の導電型を反転すればよい。また、活性層の構造は、量子井戸構造に制限されるものではなく、量子細線、および量子箱構造を用いる事も可能である。さらに、材料系はここで述べたＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ系のみならず、ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｌＰ系の材料も適用することができる。
【００６０】
また、分布反射膜は全て半導体のみで構成されている必要はなく、金属あるいは誘電体と半導体とを組み合わせて構成することもできる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々変形して実施することができる。
（実施例ＩＩ）
以下、第２の発明によるドライエッチング方法について、実施例を示して具体的に説明する。
【００６１】
まず、塩素ガスを用いた反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）によるエッチングを例に挙げて説明する。使用する装置の概略図を図９に示す。
図９に示すように、エッチング装置３０は、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）イオン源３２とエッチング室３５との二室から構成されており、二室の間にはイオン引き出し電極３３が設置されている。エッチング室３５には、ヒータ３９と熱電対４０が埋め込まれた基板ホルダー３８が設置されており、基板加熱が可能である。また、エッチング中の基板温度は、エッチング室３５の上方に配置されたパイロメータ３６により測定し、その測定値に基づいて加熱用ヒータ３９のパワーを制御する。
【００６２】
エッチングに当たっては、まず、基板３７をホルダー３８に取り付けてエッチング室３５内に設置し、所定の圧力までエッチング室を排気する。
試料基板の温度が安定し、エッチング室の圧力が所定の値以下に達したところで、ＥＣＲイオン源３２に接続されたガス導入管３１より塩素ガスを導入し、プラズマを発生させる。このプラズマ中からイオン引き出し電極３３によってイオンを引き出す。この間、エッチング室内の圧力は、塩素ガスの流量をマスフローコントローラで制御することにより調節する。
【００６３】
次いで、ＥＣＲイオン源とエッチング室の間に設置されたシャッター３４を開けることにより、イオンを基板に照射してエッチングを開始する。なお、イオンの照射の開始にともないエッチング基板温度が上昇するため、パイロメータ３６で測定した基板温度をヒータ電源にフィードバックして、ヒータのパワーを調節し基板温度を一定に保持する。
【００６４】
プラズマの発生とともに生成された活性な中性分子は、拡散により基板表面へ到達する。エッチング底面においては、イオン照射による反応性スパッタに起因したエッチングが主に生じるが、エッチング側壁にはイオン照射はほとんどなく、中性分子と基板との反応によりエッチングが進行する。
【００６５】
前述の装置を用いて、半導体レーザ、ＬＥＤ、半導体光増幅器、および半導体光変調器などのブラッグ反射膜として用いられる多層膜のエッチングを行なった。この実験結果を、以下の詳細に説明する。
【００６６】
基板としては、ＧａＡｓ基板上に分子線エピタキシー法により成長したＡｌＡｓとＧａＡｓ１５対の多層膜の基板を用いた。
この基板上に、ＣＶＤ法を用いてＳｉＯ２  膜を成膜した後、通常のフォトリソグラフィ法と反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により加工して、エッチングマスクとしての断面円形のＳｉＯ２  膜２１を、図１０に示すように形成した。
【００６７】
先に説明した装置のエッチング室３５内を５×１０−６ｔｏｒｒまで真空にした後、上述の手順で基板のエッチングを行なった。
なお、本実験例では、エッチング条件は、マイクロ波パワー２００Ｗ、イオン加速電圧４００Ｖ、塩素ガス圧０．２５〜１．２ｍｔｏｒｒとし、基板温度を３５〜２３０℃の範囲内で変化させて、エッチング温度と得られるエッチング側壁の形状との関係を調べた。
【００６８】
その結果、エッチング温度が１００℃以下の場合には、サイドエッチングはほとんど生ぜず、エッチングマスク直下にオーバーハングは認められなかった。なお、エッチング側壁には、図１５に示したようなＡｌＡｓ層２３が凸、ＧａＡｓ層２２が凹となる凹凸が生じていた。
【００６９】
この凹凸に関して、本発明者らは次のように考察した。すなわち、この温度範囲では、揮発性のエッチング反応生成物であるＧａＣｌ３  の蒸気圧がＡｌＣｌ３  の蒸気圧より約一桁以上高い。エッチング側壁ではイオン照射効果が少ないものの、イオンの散乱やエッチング底面からの反跳によるアシスト効果、および局所的温度上昇などによりＧａＡｓ層のエッチングが優先的に進行した。一方、ＡｌＡｓ層は極めて酸化されやすいため、イオン照射効果の小さいエッチング側壁ではエッチングが進行しない。これらの結果としてＡｌＡｓ層が凸、ＧａＡｓ層が凹の凹凸が側壁に形成された。
【００７０】
エッチング温度を１００℃〜１３０℃とした場合では、サイドエッチングが発生するもののほぼ垂直なエッチング側壁が得られた。しかし、側壁には依然としてＡｌＡｓ層が凸、ＧａＡｓ層が凹となる凹凸が認められた。
【００７１】
さらにエッチング温度を高くし１３０℃〜１７０℃の温度範囲では、サイドエッチング量がよりいっそう大きくなり、図１１に示したように、マスク２１の直下にはオーバーハング２４が生じた。この場合、エッチング側壁は、ほとんどの領域にわたり垂直であり、かつＡｌＡｓ層２３とＧａＡｓ層２２との凹凸がない平滑なエッチング側壁が得られた。これは、このエッチング温度の範囲では、ＡｌＡｓ層２３のサイドエッチング速度とＧａＡｓ層２２のサイドエッチング速度がほぼ等しくなったものと考えられる。
【００７２】
より高温の１７０℃〜１９０℃ではさらにサイドエッチング量が大きくなり、ＡｌＡｓ層のサイドエッチング速度がＧａＡｓ層のサイドエッチング速度を上回って、ＡｌＡｓ層２３が凹、ＧａＡｓ層２２が凸状の凹凸が生じはじめる。しかし、エッチング側壁はまだほぼ垂直であり、デバイスへの適用には支障のない程度であった。
【００７３】
１９０℃以上では側壁は大きくくびれ、垂直なエッチング側壁は得られなかった。
以上の実験結果から、本発明者らは、エッチング側壁のサイドエッチングを利用して、垂直な側壁を得ることを見出だした。なお、エッチング温度とサイドエッチング量（Ｒ１  ／Ｒ２  ）との間に、図１２に示すような関係が得られた。ここで、Ｒ１  はサイドエッチングの深さであり、Ｒ２  は垂直方向のエッチング深さである。すなわち、サイドエッチング速度は、エッチング温度を上昇させるにしたがって増加するという温度依存性がある。サイドエッチング量は、実施例１で述べたマイクロキャビティ側壁への再成長膜の膜厚ｔと同程度であることが好ましい。すなわち、（Ｒ１  ／Ｒ２  ）が、ｔ／ｈにほぼ等しく、かつ
（ｔ／ｈ）＜（ｔｍａｘ  ／ｈ）
の関係を満たせばよい。ここで、ｈは、マイクロキャビティの高さである。例えば、実施例１に述べた直径２μｍのマイクロキャビティでは、Ｒ１  ／Ｒ２  は、約０．０８以下であることが好ましい。
【００７４】
しかしながら、実験結果で示されたように、エッチング温度が１７０℃を越えると、ＡｌＡｓ層が凹となる凹凸が生じるので、本発明の目的を達成できず、一方、１３０℃未満では、ＡｌＡｓ層が凸となる凹凸が生じてしまう。
【００７５】
なお、エッチング生成物であるＧａＣｌ３  とＡｌＣｌ３  との蒸発速度の比が１であれば、平滑なエッチング側壁が得られる。本発明者らは、上述のサイドエッチング量に及ぼす温度の影響、および垂直で平滑なエッチング側壁が得られるという理由に基づいて、基板の温度範囲を、反応生成物の蒸気圧の比（Ｐ（ＧａＣｌ３  ）／Ｐ（ＡｌＣｌ３  ））が０．２以上１．５以下となる範囲に限定した。
【００７６】
特に、蒸気圧の比（Ｐ（ＧａＣｌ３  ）／Ｐ（ＡｌＣｌ３  ））の範囲が０．２以上１以下となる基板温度においてエッチングを行なうことにより、サイドエッチングを発生させエッチングマスク直下にオーバーハング部を形成することができ、同時に、垂直でかつ平滑なエッチング側壁を得ることができる。
【００７７】
また、蒸気圧の比（Ｐ（ＧａＣｌ３  ）／Ｐ（ＡｌＣｌ３  ））の範囲が１以上１．５以下となる基板温度においてエッチングを行なった場合には、サイドエッチングが大きくなるため、オーバーハング部の形成というよりも、マスクサイズよりも微細なパターンサイズの多層膜を加工することを目的に使用することができ、しかも平滑なエッチング側壁が同時に得られる。
【００７８】
以上の実験例をもとに、本発明のエッチング方法をマイクロキャビティレーザの作製プロセスに適用した。
図１３を参照して、このプロセスを説明する。
【００７９】
ここで用いたウエハー４３は、図１３（ａ）に示すようにＧａＡｓ基板４４上に、１８．５対の下部ＡｌＡｓ／ＧａＡｓＤＢＲ４５、ＧａＡｓスペーサ層４６、および１５対の上部ＡｌＡｓ／ＧａＡｓＤＢＲ４８をＭＢＥにより成長させたものであり、スペーサ層４６の中央には、３層のＩｎＧａＡｓからなる量子井戸活性層４７が形成されている。
【００８０】
さらに、上部ＤＢＲ４８の上には、エッチングマスクとしての断面円形のＳｉＯ２  膜４９が形成されている。このエッチングマスクの直径は、１〜１０μｍとした。
【００８１】
本実施例においては、エッチング条件はマイクロ波パワー２００Ｗ、イオン加速電圧４００Ｖ、エッチングガスとしては塩素ガスを用い、塩素ガス圧０．４５ｍｔｏｒｒとして、前述の装置を用いてエッチングを行なった。なお、エッチング温度は、上述の実験例に示した結果に基づいて１５０℃とした。
【００８２】
その結果、図１３（ｂ）に示すように、エッチングマスクの直下には、サイドエッチングによりオーバーハング部５０が形成されており、このオーバーハング部より下のほとんどの領域は垂直であった。しかも、凹凸がなく、表面が極めて平滑なエッチング側壁が形成された。したがって、本発明の方法を用いたエッチングにより得られた円柱構造マイクロキャビティの光学的散乱損失は、従来のエッチング法により作製したものよりも格段に低減することができた。
【００８３】
前述のようにサイドエッチングを利用しているので、本発明のドライエッチング方法を適用して得られた円柱構造マイクロキャビティの直径は、マスクサイズより小さくすることができる。例えば、直径１μｍのエッチングマスクを用いた場合には、垂直な側壁を有する部分の直径が０．８μｍという微細な円柱構造のマイクロキャビティを作製することができた。なお、エッチング温度を１７０〜１９０℃の間に設定して、サイドエッチング量を増やすことによって、さらに微細な円柱構造を得ることができる。
【００８４】
通常のパターニング法とドライエッチング法とを用いた場合では、半導体多層膜を１μｍ以下の直径に加工するのは極めて困難である。本発明のエッチング法では、サイドエッチングを積極的に利用し、この部分のエッチング量をエッチング温度で制御することによって、１μｍ以下の直径の制御性、再現性を著しく向上させることができる。
【００８５】
さらに、活性層表面でのキャリアの再結合速度を低減するために、図１３（ｃ）に示すように、円柱構造マイクロキャビティの側壁へＡｌＧａＡｓ薄膜５１を再成長させた。なお薄膜の形成に当たっては、ＭＯＣＶＤによる選択成長法を用いた。先に図１３（ｂ）で説明したように、本発明のエッチング方法を用いたことによって、ＳｉＯ２  マスク直下にオーバーハング部が形成されている。エッチングマスクの直下にオーバーハング部が形成されていない場合には、図１６に示すように、周囲にＡｌＧａＡｓ成長させる際にＳｉＯ２  マスク端に異常成長部８１が観察されることがある。本発明のエッチング方法では、オーバーハング部５０を形成しているので、このような異常成長を抑制し、良好な再成長を行なうことができた。
【００８６】
本発明のエッチング法では、積極的にサイドエッチングを引き起こしているので、ドライエッチングにより導入されるダメージ層を除去するという効果も有する。また、円柱構造マイクロキャビティの側壁に半導体薄膜を再成長させた場合には、従来のエッチング法により製造したマイクロキャビティと比較して、活性層表面のキャリアの再結合速度が格段に減少した。
【００８７】
以上実施例で示したように、本発明は半導体多層膜のドライエッチングにおいて、サイドエッチングを積極的に利用しているので、多層膜の各層のサイドエッチング速度が等しくなるよう、エッチング速度を設定し、垂直で平滑なエッチング側壁を得ることができる。
【００８８】
なお、本実施例では、マイクロキャビティレーザの作製を例に挙げて、本発明のドライエッチング方法を説明したが、本発明のエッチング法は他のＬＥＤ、光増幅器、光変調器など、半導体多層膜を用いた全てのデバイスの製造プロセスにも適用することが可能である。
【００８９】
また、エッチング方法としてとしては、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、ケミカルアシステッドイオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）などの他のドライエッチング方法にも適用できる。
【００９０】
さらに、本発明のドライエッチング方法は、Ａｌを含む化合物半導体膜と、Ｇａを含む半導体膜とを交互に積層した任意の構成の多層膜に適用することができ、その構成は何等限定されるものではない。例えば、Ａｌｘ  Ｇａｌ−ｘＶ／Ａｌｙ  Ｇａｌ−ｙＶ（０≦ｘ＜ｙ≦１）（Ｖ＝Ｎ，Ａｓ，Ｐ，Ｓｂ）、Ａｌｘ  Ｇａｌ−ｘＶ’ｚＶ”１−ｚ／Ａｌｙ  Ｇａｌ−ｙＶ’ｗ  Ｖ”１−ｗ（０≦ｘ＜ｙ≦１）（Ｖ’，Ｖ”＝Ｎ，Ａｓ，Ｐ，Ｓｂ）を満たす組み合わせの多層膜であれば、本発明を適用して上述と同様の効果を得ることができる。
【００９１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、活性層の側面を十分に薄い半導体再成長膜で包囲しているので、低閾値の微小共振器半導体レーザーが得られ、多層反射膜の反射率を下げてＬＥＤとして用いる場合にも、効率を向上させることができる。また、本発明の半導体微小共振器発光素子を受光素子や変調器として用いる際にも、共振器モードに結合した入力光の活性層への吸収効率が高くなるので、同様にして効率の向上を図ることができ、かかる微小共振器発光素子の工業上の利用価値は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体微小共振器発光素子の一例の概略構成を示す図。
【図２】共振器モードの半導体埋め込み領域へのモードの滲み出しを説明する図。
【図３】再成長膜厚と閾利得との関係を示すグラフ図。
【図４】多層反射膜側壁からの光散乱損失を説明する図。
【図５】本発明の半導体微小共振器光素子の製造工程の一例を示す断面図。
【図６】本発明の半導体微小共振器光素子の他の例を示す断面図。
【図７】本発明の半導体微小共振器光素子の他の例を示す図。
【図８】本発明の半導体微小共振器光素子の断面構造の変形例を示す図。
【図９】本発明に使用され得るエッチング装置の概略を示す図。
【図１０】実験例で用いた基板の断面図。
【図１１】本発明によるエッチングを行った後の半導体多層膜の断面図。
【図１２】サイドエッチング量と温度依存性との関係を示すグラフ図。
【図１３】本発明によるエッチング法を用いたマイクロキャビティレーザの作製工程を示す断面図。
【図１４】従来の面発光レーザーの断面図。
【図１５】従来のエッチング法によりエッチングを行った半導体多層膜の断面図。
【図１６】従来のエッチング法により製造されたマイクロキャビティレーザの断面図。
【符号の説明】
１…Ａｌ０．５  Ｇａ０．５  Ａｓ薄膜
２…ｐ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ−ＤＢＲ
３…ｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ分布ブラッグ反射膜（ＤＢＲ）
４…ｉ−Ｉｎ０．２  Ｇａ０．８  Ａｓ歪み量子井戸活性層
５ａ…ｐ−Ａｌ０．２  Ｇａ０．８  Ａｓスペーサ層
５ｂ…ｎ−Ａｌ０．２  Ｇａ０．８  Ａｓスペーサ層
６…Ｃｒ／Ａｕ−ｐ電極
７…ｎ−ＧａＡｓ基板，８…絶縁体，９…絶縁体
１０…半導体微小共振器光素子，１１…半導体微小共振器光素子
１５…多重反射膜，１６…活性層からの発光，１７…散乱光
２１…エッチングマスク，２２…ＧａＡｓ層，２３…ＡｌａＡｓ層
２４…オーバーハング部，３１…反応性ガス導入管，３２…ＥＣＲイオン源
３３…イオン引出電極．３４…シャッター，３５…エッチング室
３６…パイロメータ，３７…半導体基板，３８…基板ホルダー
３９…ヒータ，４０…熱電対，４１…ヒータ電源
４３…ウエハー，４４…ＧａＡｓ基板
４５…ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ下部ＤＢＲ，４６…ＧａＡｓスペーサ層
４７…ＩｎＧａＡｓ活性層，５８…ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ上部ＤＢＲ
４９…ＳｉＯ２  マスク，５０…オーバーハング部
５１…ＡｌＧａＡｓ再成長膜，
６０…面発光レーザ，６１…基板，６２…第１の多層反射鏡
６３…スペーサー層，６４…活性層，６５…発光部，６６…第２の多層反射鏡
６７…電極，６８…面発光レーザー，６９…絶縁膜，７０…電極
７１…面発光レーザ，７２…埋め込み層，７３…電極，７４…基板
７５…下部ＤＢＲ，７６…スペーサー層，７７…活性層，７８…上部ＤＢＲ
７９…ＳｉＯ２  マスク，８０…再成長層，８１…異常成長部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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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】
0003612101.tif 000027
【図１６】
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