(57)【要約】  【課題】高速変調用の信頼性が高い面発光型レーザ素子を得られるようにする。  【解決手段】面発光型レーザ素子は、断面凸状に形成された半導体積層膜からなるメサ構造体１２０を有している。メサ構造体１２０の側面上には無機材料からなる第１の絶縁膜１０８が形成され、該第１の絶縁膜１０８の上にはメサ構造体１２０の周辺部を埋めるように樹脂層１０９が形成されている。樹脂層１０９の上には無機材料からなる第２の絶縁膜１１０が形成され、該第２の絶縁膜１１０及びメサ構造体１２０の上には、該メサ構造体１２０の上面の一部を露出する電極開口部１１１ａを有する上部コンタクト電極１１１が形成されている。これにより、製造時に樹脂層１０９の酸化及び変質が抑制されて、メサ構造体１２０を空隙なく埋め込むことができるので、高信頼性が半導体発光素子を得ることができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面凸状に形成された半導体からなるメサ構造体と、
前記メサ構造体の側面上に形成された第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜の上に前記メサ構造体の周辺部を埋めるように形成された樹脂層と、
前記樹脂層を覆う第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜の上に前記メサ構造体の上面の一部と接するように形成された電極とを備えていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記樹脂層は、前記第１の絶縁膜及び第２の絶縁膜により連続して覆われていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記樹脂層の比誘電率は、３以下であることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記樹脂層は、ベンゾシクロブテン樹脂からなることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１の絶縁膜は、前記半導体における前記メサ構造体の側面及びその周辺部と接して形成され、前記樹脂層と前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜とは互いに接していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光発光素子。
【請求項６】
前記樹脂層の上面の少なくとも一部は、前記メサ構造の上面よりも高いことを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記メサ構造体は、その一部に選択的に形成された電流狭窄領域を有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記電流狭窄領域は、選択的に酸化されてなる酸化絶縁領域に両側から挟まれて形成されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記電流狭窄領域は、プロトンが選択的に注入されてなる絶縁領域に両側から挟まれて形成されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記メサ構造体は、該メサ構造体の下部及び上部にそれぞれ形成された下部反射鏡膜及び上部反射鏡膜と、前記下部反射鏡膜及び上部反射鏡膜の間で且つ前記メサ構造体の上面とほぼ平行に形成された活性層とを有していることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記下部反射鏡膜及び上部反射鏡膜は、半導体多層膜を含むことを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記メサ構造体における前記活性層が位置する側面の傾斜角度は、前記活性層の主面に対して４０°以下であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
前記第１の絶縁膜及び第２の絶縁膜は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化ニオブ、酸化ジルコニウム又は酸化タンタルからなることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１４】
基板の上に半導体積層膜を形成する工程と、
前記半導体積層膜に対して選択的にエッチングを行なうことにより、前記半導体積層膜から断面凸状のメサ構造体を形成する工程と、
前記メサ構造体の側面上及び周辺部上に第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜の上で且つ前記メサ構造体の周辺部を埋めるように樹脂層を形成する工程と、
前記樹脂層の上と前記メサ構造体の上面の周縁部とを覆うように第２の絶縁膜を形成する工程と、
前記第２の絶縁膜の上に前記メサ構造の上面の一部と接する電極を形成する工程とを備えていることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記樹脂層を形成する工程において、塗布法により前記樹脂層を少なくとも２回に分けて塗布し、分けて塗布された樹脂層ごとに硬化することを特徴とする請求項１４に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記樹脂層の少なくとも一部に感光性を有する樹脂材を用いることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記樹脂層を形成する工程は、前記感光性を有する樹脂材に対して選択的に露光する工程と、露光された樹脂材を現像する工程とを含むことを特徴とする請求項１６に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１８】
前記樹脂層は、前記第１の絶縁膜及び第２の絶縁膜により連続して覆われていることを特徴とする請求項１４〜１７のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【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素子等に適用可能な半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットの急速な普及により、データ通信量が急増しており、大容量のデータ通信網が必要とされている。
【０００３】
面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ:Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）は、該素子が形成される基板の主面に対して垂直な方向にレーザ光を出射できると共に、閾値電流が低く且つ電力変換効率が高いという特徴を有している。また、面発光レーザ素子は、光軸に対して垂直な方向の光の断面形状が円形である円形出射光を出力でき、素子自体の２次元配列化が容易であり、また素子の検査が容易である等の優れた特性を有している。その上、低コスト化が見込めることから、今後、大容量データ通信用の光源としての需要がますます増加していくことが見込まれる。
【０００４】
面発光レーザ素子とプラスチック光ファイバ（ＰＯＦ:Ｐｌａｓｔｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ)とを組み合わせた光通信システムは、該面発光レーザ素子及びプラスチック光ファイバが共に安価に製造可能であり、短距離通信用システムとして期待されている。
【０００５】
このように、光通信用光源として有望な面発光レーザ素子は、構造的には２つの高反射率を有する反射鏡膜で挟まれた共振器及び活性層を含み、素子の一部に電流狭窄領域を有していることが特徴である（例えば、特許文献１〜３を参照。）。
【０００６】
一般に、面発光レーザ素子に用いられる反射鏡膜は、エピタキシャル成長されてなる多層膜反射鏡である。多層膜反射鏡は、屈折率が互いに異なる材料からなる薄膜を交互に積層して形成されており、９９．９％以上の高い反射率を得ることができる。反射鏡膜の材料には、高い均一性を有すること及び結晶成長時に活性層等と共に形成可能であることから、通常、半導体多層膜が用いられる。また、誘電体多層膜等も用いられる。
【０００７】
活性層に注入される電流を狭窄する電流狭窄領域には、共振器にプロトンを注入して絶縁領域を形成することにより電流注入領域を限定するプロトン注入型と、活性層の近傍に高抵抗な酸化絶縁膜を形成することにより電流注入領域を限定する選択酸化型との、大別して２つの方式がある。従来は、前者のプロトン注入型が主流であったが、近年は、工程の容易さ及び再現性の高さ等から、後者の選択酸化型が主流になりつつある。
【０００８】
以下、第１の従来例に係る選択酸化型面発光レーザ素子について図１０を参照しながら説明する。
【０００９】
図１０に示すように、第１の従来例に係る選択酸化型面発光レーザ素子は、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）からなる基板２００の主面上に、ｎ型の下部反射鏡膜２０１、下部スペーサ層２０２、量子井戸層２０３、上部スペーサ層２０４、半導体層（電流狭窄層）２０５、ｐ型の上部反射鏡膜２０６及びｐ型のコンタクト層２０７が順次積層されて形成されている。この積層構造をエッチングによって柱状（断面凸状）のメサ構造体に加工する。その後、量子井戸層２０３の上側に形成した半導体層２０５は、砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ）又は砒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）のようにＡｌを含み、約４００℃の温度で熱酸化する。この熱酸化処理により、Ａｌを含む半導体層２０５の端部に酸化絶縁領域２０５ｂが選択的に形成されて、該半導体層２０５の中央部分に電流狭窄領域２０５ａが形成される。このように電流狭窄領域２０５ａによって電流注入領域を限定すると同時に屈折率導波路構造を形成できるため、強い光閉じ込め効果を得ることができる。その結果、低い閾値電流と高速応答性等の優れた特性を得ることができる。その後、メサ構造体を酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）等からなる保護絶縁膜２０８で覆った後、メサ構造体の周辺部にコンタクト層２０７と接触するコンタクト電極２１１を形成する。
【００１０】
ところで、面発光型レーザ素子を通信用光源として利用するには、高周波による高速動作が可能な素子構造を実現することが重要である。今後、１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速動作を実現するには、面発光型レーザ素子の寄生容量を低減することが特に重要である。
【００１１】
現在、一般に用いられている方法は、図１０に示したように、メサ構造体を酸化シリコンのような無機絶縁膜により覆う構造である。
【００１２】
ところが、無機絶縁膜は、比誘電率が例えばＳｉＯ2 で４程度と比較的に高く且つ形成できる膜厚にも限界（上限）があることから、面発光レーザ素子の寄生容量が大きくなるという問題がある。
【００１３】
その解決方法の１つとして、図１１に示すように、第２の従来例として、ポリイミド樹脂層２１５によりメサ構造体の周囲を埋め込む構成が提案されている（非特許文献１を参照。）。
【特許文献１】特開２００４−０５５６８８号公報
【特許文献２】特開２００３−１８８４７５号公報
【特許文献３】特開２００３−０８６８９６号公報
【非特許文献１】ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．１６，ＮＯ．４，ＡＰＲＩＬ ２００４、ｐ．９６９〜ｐ．９７１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、図１１に示す第２の従来例のように、ポリイミド樹脂層２１５によりメサ構造体を埋め込む方法は、ポリイミド樹脂層２１５を硬化するために施す熱処理によって、該樹脂層２１５の体積が大幅に減少する。ポリイミド樹脂層２１５の体積収縮により、ポリイミド樹脂層２１５とメサ構造体との間に空隙が発生して、信頼性及び再現性が低下するという問題を生じる。また、ポリイミド樹脂層２１５の膜厚が減少して、メサ構造体を平坦で且つ均一に埋め込むことが困難となる。その結果、ポリイミド樹脂層２１５におけるメサ構造体の上端部に段差が生じ、コンタクト電極２１１に断線が生じる事態も生じる。
【００１５】
さらに、ポリイミド樹脂層２１５がその一部でも半導体表面と接していたり、素子の表面に露出したりしていると、製造工程においてポリイミド樹脂層２１５に酸化等の変質が起こる。その結果、変質したポリイミド樹脂層２１５と半導体材料とに化学反応が生じる。また、メサ構造体の側面の形状によってはポリイミド樹脂層２１５に加わる応力が均一でなくなるため、空隙がより発生しやすくなる。これらにより、面発光型レーザ素子の信頼性が低下するという問題が生じる。
【００１６】
本発明は、前記従来の問題を解決し、高速変調用の信頼性が高い面発光型レーザ素子を得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記の目的を達成するため、本発明は、半導体発光素子におけるメサ構造体の周辺部を埋める樹脂層を絶縁膜により覆う構成とする。
【００１８】
具体的に、本発明に係る半導体発光素子は、断面凸状に形成された半導体からなるメサ構造体と、メサ構造体の側面上に形成された第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜の上にメサ構造体の周辺部を埋めるように形成された樹脂層と、樹脂層を覆う第２の絶縁膜と、第２の絶縁膜の上にメサ構造体の上面の一部と接するように形成された電極とを備えていることを特徴とする。
【００１９】
本発明の半導体発光素子によると、メサ構造体の側面上には第１の絶縁膜が形成され、メサ構造体の周辺部を埋めるように形成された樹脂層は第１の絶縁膜の上に形成される。さらに、樹脂層は第２の絶縁膜により覆われている。これにより、樹脂層がメサ構造体及び製造雰囲気と直接に接することがなくなるため、樹脂層に生じる変質を防止することができる。その結果、樹脂層とメサ構造体との間に空隙が生じなくなるので、メサ構造体の周辺部が樹脂層により平坦化されるようになる。従って、メサ構造体の上面と接する電極に断線が生じにくくなるので、信頼性が高い半導体発光素子を得ることができる。
【００２０】
本発明の半導体発光素子において、樹脂層は第１の絶縁膜及び第２の絶縁膜により連続して覆われていることが好ましい。このようにすると、製造工程での樹脂層の劣化及び変質をより確実に防止することができる。
【００２１】
本発明の半導体発光素子において、樹脂層の比誘電率は３以下であることが好ましい。このようにすると、樹脂層における電極との接触部分に付随する寄生容量の容量値が小さくなるため、高周波特性が良好となる。
【００２２】
この場合に、樹脂層はベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂からなることが好ましい。ＢＣＢ樹脂はポリイミド樹脂と比べて比誘電率も小さく且つ体積収縮も少ないため、メサ構造体を空隙なく且つ平坦に埋め込むことができる。
【００２３】
本発明に係る半導体発光素子において、第１の絶縁膜は半導体におけるメサ構造体の側面及びその周辺部と接して形成され、樹脂層と第１の絶縁膜と第２の絶縁膜とは互いに接していることが好ましい。このようにすると、樹脂層の変質等がより生じにくくなるため、樹脂層がさらに安定化する。
【００２４】
この場合に、樹脂層の上面の少なくとも一部は、メサ構造体の上面よりも高いことが好ましい。このようにすると、メサ構造体の上面が樹脂層さらにはその上の第２の絶縁膜の上面よりも低くなるため、製造工程中にメサ構造体の上面に治具等が触れにくくなるので、メサ構造体を機械的な衝撃から保護することができる。
【００２５】
本発明の半導体発光素子において、メサ構造体はその一部に選択的に形成された電流狭窄領域を有していることが好ましい。このようにすると、メサ構造体の所望の部分に効率良く電流を注入することができるため、電流の注入損失を抑えることができる。
【００２６】
この場合に、電流狭窄領域は選択的に酸化されてなる酸化絶縁領域に両側から挟まれて形成されていることが好ましい。
【００２７】
また、この場合に、電流狭窄領域はプロトンが選択的に注入されてなる絶縁領域に両側から挟まれて形成されていることが好ましい。
【００２８】
また、本発明の半導体発光素子が電流狭窄領域を有している場合に、メサ構造体は該メサ構造体の下部及び上部にそれぞれ形成された下部反射鏡膜及び上部反射鏡膜と、下部反射鏡膜及び上部反射鏡膜の間で且つメサ構造体の上面とほぼ平行に形成された活性層とを有していることが好ましい。このようにすると、下部反射鏡膜及び上部反射鏡膜によりレーザ共振器が形成されるため、活性層の主面に対して垂直な方向に所定の波長の光を出射する面発光型半導体レーザ素子を得ることができる。
【００２９】
この場合に、下部反射鏡膜及び上部反射鏡膜は半導体多層膜を含むことが好ましい。このようにすると、反射率が高い反射鏡膜を得られるため、高効率で且つ高出力が可能な半導体レーザ素子を実現できる。
【００３０】
本発明の半導体発光素子が活性層を有している場合に、メサ構造体における活性層が位置する側面の傾斜角度は、活性層の主面に対して４０°以下であることが好ましい。このようにすると、活性層で発生した熱をメサ構造体の下方に効率良く放熱することができ、且つメサ構造体の側面に形成された第１の絶縁膜と接する樹脂層に加わる応力が均一となる。その結果、樹脂層とメサ構造体との間に空隙が発生しにくくなる。
【００３１】
本発明の半導体発光素子において、第１の絶縁膜及び第２の絶縁膜は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化ニオブ、酸化ジルコニウム又は酸化タンタルからなることが好ましい。
【００３２】
本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、基板の上に半導体積層膜を形成する工程と、半導体積層膜に対して選択的にエッチングを行なうことにより、半導体積層膜から断面凸状のメサ構造体を形成する工程と、メサ構造体の側面上及び周辺部上に第１の絶縁膜を形成する工程と、第１の絶縁膜の上で且つメサ構造体の周辺部を埋めるように樹脂層を形成する工程と、樹脂層の上とメサ構造体の上面の周縁部とを覆うように第２の絶縁膜を形成する工程と、第２の絶縁膜の上にメサ構造の上面の一部と接する電極を形成する工程とを備えていることを特徴とする。
【００３３】
本発明の半導体発光素子の製造方法によると、本発明の半導体発光素子を確実に得ることができる。
【００３４】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、樹脂層を形成する工程において、塗布法により樹脂層を少なくとも２回に分けて塗布し、分けて塗布された樹脂層ごとに硬化することが好ましい。このようにすると、樹脂層をメサ構造体の周辺部に埋める際に、より平坦性が高い埋め込み構造を実現することができる。
【００３５】
本発明の半導体発光素子の製造方法において、樹脂層の少なくとも一部に感光性を有する樹脂材を用いることが好ましい。このようにすると、リソグラフィ法により、樹脂層の厚さを選択的に変更できるため、多様な埋め込み形状を実現することができる。
【００３６】
本発明の半導体発光素子の製造方法において、樹脂層を形成する工程は、感光性を有する樹脂材に対して選択的に露光する工程と、露光された樹脂材を現像する工程とを含むことが好ましい。
【００３７】
本発明の半導体発光素子の製造方法において、樹脂層は、第１の絶縁膜及び第２の絶縁膜により連続して覆われていることが好ましい。このようにすると、樹脂層を形成する工程において、該樹脂層の劣化及び変質をより確実に防止することができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明に係る半導体発光素子は、素子の製造工程において樹脂層に生じる酸化及び変質が防止されるため、樹脂層とメサ構造体との間に空隙が生じることがなくなる。その結果、信頼性が高く且つ横モード制御性に優れ、高速変調が可能な面発光型半導体レーザ素子実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００４０】
図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザ素子の平面構成を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面構成を示している。
【００４１】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザ素子１０は、厚さが３００μｍのｎ型ＧａＡｓからなる基板１００の主面上に、ｎ型の半導体積層膜からなり積層膜厚が４．５μｍの下部反射鏡膜１０１、厚さが８７ｎｍの下部スペーサ層１０２、積層膜厚が４０ｎｍの量子井戸層１０３、厚さが８７ｎｍの上部スペーサ層１０４、厚さが３０ｎｍの電流狭窄層１０５、ｐ型の半導体積層膜からなり積層膜厚が３．０μｍの上部反射鏡膜１０６及び膜厚が５ｎｍでｐ型のコンタクト層１０７が順次エピタキシャル成長されて形成されている。
【００４２】
コンタクト層１０７、上部反射鏡膜１０６、電流狭窄層１０５、上部スペーサ層１０４、量子井戸層１０３及び下部スペーサ層１０２は、下部反射鏡膜１０１を露出するようにメサ状にエッチングされてメサ構造体１２０を構成している。
【００４３】
メサ構造体１２０の側面上及び下部反射鏡膜１０１におけるメサ構造体１２０の側方部分に露出した領域上には、厚さが２００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）からなる第１の絶縁膜１０８が形成されている。ここでは、第１の絶縁膜１０８は、コンタクト層１０７上の周縁部にも形成されている。
【００４４】
第１の絶縁膜１０８の上には、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂からなる樹脂層１０９が、メサ構造体１２０の周囲を空隙なく埋め込むと共にメサ構造体１２０の上面よりも高くなるように形成されている。
【００４５】
樹脂層１０９の上には、厚さが２００ｎｍの酸化シリコンからなる第２の絶縁膜１１０が、コンタクト層１０７の周縁部上で第１の絶縁膜１０８と接するように形成されている。
【００４６】
第２の絶縁膜１１０の上には、コンタクト層１０７の周縁部でオーミック接触し且つコンタクト層１０７を露出する電極開口部１１１ａを有する上部コンタクト電極１１１が、メサ構造体１２０の周囲及び第２の絶縁膜１１０の１つの角部を覆うように形成されている。
【００４７】
基板１００における下部反射鏡膜１０１の反対側の面（裏面）上には、基板１００とオーミック接触する下部コンタクト電極１１２が形成されている。
【００４８】
下部反射鏡膜１０１は、ｎ型のＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓからなる第１層とｎ型のＡｌ0.90Ｇａ0.10Ａｓからなる第２層とが交互に積層された積層構造を有している。ｎ型の不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドーピングされている。第１層及び第２層の膜厚は、λ／４ｎ（但し、λはレーザ素子の発振波長であり、ｎは媒質の屈折率である。以下同じ。）であり、該第１層及び第２層を１周期する３４．５周期分が積層されている。
【００４９】
量子井戸層１０３は、ノンドープＧａＡｓ層からなる井戸層とＡｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓ層からなる障壁層とが交互に積層されてなり、井戸層の数は３である。
【００５０】
下部スペーサ層１０２及び上部スペーサ層１０４は、Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓ層からなり、量子井戸層１０３、下部スペーサ層１０２及び上部スペーサ層１０４により構成される量子井戸活性層全体の膜厚はλ／ｎである。
【００５１】
電流狭窄層１０５は、ｐ型のＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層からなり、後述する上部反射鏡膜１０６を構成するｐ型Ａｌ0.90Ｇａ0.10Ａｓからなる第２層のＡｌ組成を０．９８と大きくしている。ここでは、Ａｌ組成が大きい程その酸化速度が速くなるという特性を用いた選択酸化により、電流狭窄層１０５の中央部を電流狭窄領域１０５ａとし、その端部を酸化絶縁領域１０５ｂとしている。
【００５２】
上部反射鏡膜１０６は、ｐ型のＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓからなる第１層とｐ型のＡｌ0.90Ｇａ0.10Ａｓからなる第２層とが交互に積層された積層構造を有している。ｐ型の不純物としてカーボン（Ｃ）がドーピングされている。第１層及び第２層の膜厚は、λ／４ｎであり、該第１層及び第２層を１周期する２２．５周期分が積層されている。
【００５３】
コンタクト層１０７はｐ型ＧａＡｓ層からなり、上部コンタクト電極１１１との接触抵抗を低減するため、ｐ型不純物であるカーボンが１×１０19以上の濃度でドーピングされている。
【００５４】
なお、第１の絶縁膜１０８及び第２の絶縁膜１１０は、酸化シリコンからなる無機絶縁膜に限られず、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2 ）又は酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）を用いることができる。
【００５５】
図２（ａ）は第１の実施形態に係る面発光型レーザ素子であって、より実測に近い断面構成を示している。図２（ａ）において、図１（ｂ）に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００５６】
図２（ａ）に示す面発光型レーザ素子２０は、メサ構造体１２０の側面を凹面状として、該側面の下部が緩やかに傾斜するように構成されている。図２（ｂ）に走査型電子顕微鏡で観察したメサ構造体１２０の部分的な断面写真を示す。但し、該断面写真は、第２の保護層１１０のメサ構造体１２０上に位置する部分を除去する以前の状態である。図２（ｂ）から分かるように、メサ構造体１２０の側面と、第１の絶縁膜１０８と、樹脂層１０９と、第２の絶縁膜１１０とが完全に接して形成されているため、樹脂層１０９がプロセス中に酸化する等の変質が生じなくなる。このため、樹脂層１０９とメサ構造体１２０との間に空隙が生じることがなくなるので、信頼性が高い面発光型レーザ素子を得ることができる。
【００５７】
その上、図２（ｂ）の写真に示すように、メサ構造体１２０における量子井戸層（活性層）１０３が位置する側面の傾斜角度は緩やかに傾斜しているため、メサ構造体１２０の下部の面積はその側面の傾斜角度θが大きい、すなわち９０°に近い場合と比べて、下部反射鏡膜１０１との接続面積が大きくなる。このため、上部コンタクト電極１１１から注入される電流によって量子井戸層１０３においてレーザ光が生成される際に発生する熱を下部反射鏡膜１０１及び基板１００に効率的に逃がすことが可能となる。その結果、温度特性に優れた面発光型レーザ素子を製造できる。このとき、メサ構造体１２０における量子井戸層１０３が位置する側面の傾斜角度θは、該量子井戸層１０３の面内方向に対して４０°以下であることが好ましい。
【００５８】
図３（ａ）に第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示す。本発明に係るレーザ素子の出力特性を実線で示し、従来例に係るレーザ素子の出力特性を破線で示す。図３（ａ）に示すように、本発明の素子は、熱飽和が抑制される結果、高温時においても高い光出力が得られていることが分かる。
【００５９】
図３（ｂ）は第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザ素子の遠視野像を示すグラフである。図３（ｂ）からは、本実施形態に係るレーザ素子が単一横モードで発振することが分かり、メサ構造体１２０を屈折率が比較的に低い樹脂層１０９で埋め込むことにより、屈折率導波構造となるため、横モードの安定した素子を得ることができる。
【００６０】
以下、上記のように構成された面発光型半導体レーザ素子の製造方法について図４〜図７を参照しながら説明する。図４〜図７において、図１に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付している。
【００６１】
図４（ａ）に示すように、例えばＭＯＶＰＥ法により、ｎ型ＧａＡｓからなる基板１００の主面上に、ｎ型の下部反射鏡膜１０１、下部スペーサ層１０２、量子井戸層１０３、上部スペーサ層１０４、電流狭窄層１０５、ｐ型の上部反射鏡膜１０６及びｐ型のコンタクト層１０７を順次結晶成長する。
【００６２】
次に、化学気相堆積（ＣＶＤ）法又はスパッタ法により、シリコン酸化膜をコンタクト層１０７の上に全面にわたって堆積する。その後、図４（ｂ）に示すように、リソグラフィ法及びフルオロカーボンを主成分とするエッチングガスを用いたドライエッチング法によって、コンタクト層１０７におけるメサ構造体の形成領域を覆う酸化シリコンからなるマスクパターン１１４を形成する。
【００６３】
次に、図４（ｃ）に示すように、マスクパターン１１４をエッチングマスクとし、塩素（Ｃｌ2 ）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ4 ）又は三塩化ホウ素（ＳｉＣｌ3 ）等の塩素を含むエッチングガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、コンタクト層１０７、上部反射鏡膜１０６、電流狭窄層１０５、上部スペーサ層１０４、量子井戸層１０３、下部スペーサ層１０２及び下部反射鏡膜１０１の上部にまでエッチングを行なって、メサ構造体１２０を形成する。なお、このメサ構造体１２０の形成工程は、電流狭窄層１０５をメサ構造体１２０の側面に露出することを目的としているため、必ずしも下部反射鏡膜１０１を露出する必要はない。
【００６４】
次に、図５（ａ）に示すように、形成されたメサ構造体１２０を温度が約４００℃の水蒸気雰囲気に約１５分間晒すことにより、メサ構造体１２０を外部から酸化する。このときの酸化速度は、前述したように各半導体層のＡｌ組成により異なり、Ａｌ組成が大きい程酸化速度は速くなる。ここで、コンタクト層１０７、上部反射鏡膜１０６、電流狭窄層１０５、上部スペーサ層１０４、量子井戸層１０３、下部スペーサ層１０２及び下部反射鏡膜１０１のうち、電流狭窄層１０５のＡｌ組成を他の半導体層よりも大きくしておくことにより、他の半導体層と比較して高速に酸化される。このため、メサ構造体１２０の中央部に電流狭窄領域１０５ａが形成され、その端部に高抵抗化された酸化絶縁領域１０５ｂが形成される。
【００６５】
次に、図５（ｂ）に示すように、ＣＶＤ法又はスパッタ法により、メサ構造体１２０の上面及び側面並びに該メサ構造体１２０の側方部分に露出する下部反射鏡膜１０１の上に、酸化シリコンよりなる第１の絶縁膜１０８を堆積する。
【００６６】
次に、図５（ｃ）に示すように、堆積した第１の層間絶縁膜１０８の上に、メサ構造体１２０の段差をなくして平坦化するように、ＢＣＢからなる第１の樹脂層１０９Ａを塗布する。その後、塗布された第１の樹脂層１０９Ａを温度が約２１０℃の窒素雰囲気（大気圧）で４０分間程度加熱して、第１の樹脂層１０９Ａを硬化する。
【００６７】
次に、図６（ａ）に示すように、硬化した第１の樹脂層１０９Ａの上に、再度ＢＣＢからなる第２の樹脂膜１０９Ａを塗布する。この２回の塗布により、第１の樹脂層１０９Ａに生じたメサ構造体１２０の凸形状を反映した段差形状が緩和される。ここで、硬化前の第２の樹脂層１０９Ｂはネガ型の感光性を有するため、通常のレジスト材と同様にリソグラフィ法を適用することができる。
【００６８】
従って、図６（ｂ）に示すように、第２の樹脂層１０９Ｂにおけるメサ構造体１２０の上側部分を除く領域を選択的に露光し、続いて現像を行なうことにより、硬化前の第２の樹脂層１０９Ｂが除去される。これにより、樹脂層１０９におけるメサ構造体１２０の上側部分は、第１の樹脂層１０９Ａが露出する。その結果、樹脂層１０９におけるメサ構造体１２０の周辺部分はメサ構造体１２０の上側部分よりも高くなる。これにより、メサ構造体１２０の上面は周囲の樹脂層１０９の上面よりも低くなるので、メサ構造体１２０の上部が周囲の樹脂層１０９によって、機械的な接触から保護される。また、樹脂層１０９の上面がメサ構造体１２０の上面よりも高くなることにより、後工程で形成される上部コンタクト電極１１１の断線を防ぐことができる。
【００６９】
次に、図６（ｃ）に示すように、第１の絶縁膜１０８のメサ構造体１２０の上側部分が露出されるように、樹脂層１０９をドライエッチング法により除去する。エッチングガスには四フッ化炭素（ＣＦ4 ）及び酸素（Ｏ2 ）の混合ガスを用いることができる。このとき、メサ構造体１２０の上面に形成された第１の絶縁膜１０８をドライエッチング時におけるメサ構造体１２０の保護層として用いる。その後、温度が約３２０℃の窒素雰囲気（大気圧）で６０分間程度の熱処理を行なって、第２の樹脂層１０９Ｂを硬化する。
【００７０】
次に、図７（ａ）に示すように、メサ構造体１２０上に露出する酸化シリコンからなる第１の絶縁膜１０８を、フッ酸を主成分とするエッチャントを用いたウェットエッチングによって除去する。その後、ＣＶＤ法又はスパッタ法により、樹脂層１０９及びメサ構造体１２０の上面（コンタクト層１０７）を覆うように、酸化シリコンよりなる第２の絶縁膜１１０を形成する。
【００７１】
次に、図７（ｂ）に示すように、第２の絶縁膜１１０におけるメサ構造体１２０の上側部分をフッ酸を主成分とするエッチャントを用いたウェットエッチングにより除去する。これにより、第２の絶縁膜１１０には、コンタクト層１０７と後工程で形成する上部コンタクト電極１１１とを接触させるコンタクト窓が形成される。
【００７２】
次に、リソグラフィ法により、第２の絶縁膜１１０及びコンタクト層１０７の上に、上部コンタクト電極１１１の電極パターンと対応する開口パターンを有するレジストパターン（図示せず）を形成する。続いて、形成したレジストパターンの上に、蒸着法等により、ｐ型のコンタクト層１０７とオーミック接触する金属、例えば下からチタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）からなる金属積層膜を形成する。その後、レジストパターンを該レジストパターンの上に堆積した金属積層膜と同時に除去するいわゆるリフトオフ法により除去して、図７（ｃ）及び図１（ａ）に示すように、レーザ光が出射される電極開口部１１１ａをメサ構造体１２０の上側に有する上部コンタクト電極１１１を形成する。
【００７３】
続いて、基板１００における下部反射鏡膜１０１の裏面に対して研磨又はエッチングを行なって、１５０μｍ程度の厚さに薄膜化し、薄膜化された裏面上に、蒸着法等により、ｎ型の基板１００とオーミック接触する金属、例えば基板側から金（Ａｕ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）及びニッケル（Ｎｉ）の合金からなる下部コンタクト電極を形成する。続いて、温度が約４００℃の窒素雰囲気で１０分間の熱処理を行なうことにより、上部コンタクト電極１１１とコンタクト層１０７、及び下部コンタクト電極１１２と基板１００とをそれぞれ合金化する。
【００７４】
以上の製造方法により、第１の実施形態に係る面発光型レーザ素子を得ることができる。
【００７５】
（第１の実施形態の一変形例）
以下、本発明の第１の実施形態の一変形例について図面を参照しながら説明する。
【００７６】
図８（ａ）及び図８（ｂ）は本発明の第１の実施形態の一変形例に係る面発光型半導体レーザ素子であって、（ａ）はメサ構造体の側部及び周囲の領域にプロトンを注入した後の断面構成を示し、（ｂ）はメサ構造体の周囲に樹脂層を充填し且つ電極を形成した後の断面構成を示している。図８（ａ）及び（ｂ）において、図１（ｂ）に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００７７】
図８（ａ）は、メサ構造体１２０をＲＩＥエッチングにより形成した後、形成されたメサ構造体１２０及びその周囲に露出する下部反射鏡膜１０１に対して、プロトンを３００ｋｅＶ〜４００ｋｅＶ程度の加速電圧で注入した後の断面構造を示している。図８（ａ）に示すように、メサ構造体１２０の側部及び該メサ構造体１２０の周囲の領域にプロトンが注入されてなる絶縁領域１２１が形成される。これにより、電流狭窄層１０５の側部に電流狭窄領域１０５ａが形成されるだけでなく、メサ構造体１２０における電流狭窄領域１０５ａの上側の領域及び下側の領域においても、メサ構造体１２０に注入される電流が狭窄される。
【００７８】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００７９】
図９は本発明の第２の実施形態に係る面発光型半導体レーザ素子の断面構成を示している。図９において、図１（ｂ）に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００８０】
図９に示すように、第２の実施形態に係る面発光型半導体レーザ素子３０は、メサ構造体１２０の側方に埋め込まれた樹脂層１０９及びその下側の下部反射鏡膜１０１に基板１００の主面を露出するコンタクトホール１２２が形成されている。
【００８１】
コンタクトホール１２２の側面上には、底面から基板１００を露出する第２の絶縁膜１１０が形成されている。
【００８２】
コンタクトホール１２２には、下端部がコンタクトホール１２２の底面で基板１００とオーミック接触し、上端部が樹脂層１０９の上面に達する下部コンタクト電極１１２が第２の絶縁膜１１０を介在させて形成されている。
【００８３】
このように、第２の実施形態によると、上部メサ構造体１２０の側方に、基板１００に達するコンタクトホール１１６を形成して、下部コンタクト電極１１２を素子の上面側に形成している。これにより、下部コンタクト電極１１２が上部コンタクト電極１１１と基板１００を挟まない構成となるので、面発光型半導体レーザ素子３０の寄生容量はさらに低減する。
【００８４】
また、コンタクトホール１２２を形成することにより、レーザ素子３０の表面には凹凸が形成されるが、樹脂層１０９を任意の膜厚に形成することが可能であるため、上部コンタクト電極１１１の上面及び下部コンタクト電極１１２の上面は、樹脂層１０９の上面において平坦に形成することが可能となる。
【００８５】
なお、第１及び第２の実施の形態においては、メサ構造体１２０及び電極開口部１１１ａが円形状の場合について述べたが、円形状以外の形状も用いることが可能である。その場合でも本発明の効果は有効である。
【００８６】
また、ｎ型ＧａＡｓからなる基板１００上に、ｎ型の下部反射鏡膜１０１、ｐ型の上部反射鏡膜及びｐ型のコンタクト層１０７を順次形成したが、これに限定されない。例えば、ｐ型ＧａＡｓからなる基板上に、ｐ型の下部射鏡膜、ｎ型の上部反射鏡膜及びｎ型のコンタクト層を順次形成することも可能である。
【００８７】
また、樹脂層１０９にはＢＣＢ樹脂を用いたが、ＢＣＢ樹脂に限られず、低誘電率樹脂材を用いることができる。低誘電率の樹脂材としては、例えばポリアリレン（polyarylene）系の樹脂材、ダウケミカル（Dow Chemical Company）社製の商品名「ＳｉＬＫ」又はハネウェル（Honeywell Company）社製の商品名「ＦＬＡＲＥ」等を用いることができる。
【００８８】
また、各実施形態においては、発振波長が約８５０ｎｍの面発光型半導体レーザ素子について述べたが、本発明の効果は、発振波長を問わず、いかなる波長の面発光型半導体レーザ素子においても同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明に係る面発光型半導体レーザ素子は、素子の製造工程において樹脂層に生じる酸化及び変質が防止されるため、樹脂層とメサ構造体との間に空隙が生じることがなくなる。その結果、信頼性が高く且つ横モード制御性に優れ、高速変調が可能な面発光型半導体レーザ素子実現することができ、高速な変調動作が必要となる光通信用光源等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザ素子を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る実測面発光型半導体レーザ素子のより実測に近い形態を示し、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は断面の顕微鏡写真である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザ素子の動作特性を示し、（ａ）は電流−光出力特性を示すグラフであり、（ｂ）は遠視野像を示すグラフである。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザ素子の製造方法を示す工程順の断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザ素子の製造方法を示す工程順の断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザ素子の製造方法を示す工程順の断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係る面発光型半導体レーザ素子の製造方法を示す工程順の断面図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態の一変形例に係る面発光型半導体レーザ素子を示し、（ａ）は電流狭窄用の絶縁領域をプロトン注入により形成された状態を示す断面図であり、（ｂ）は完成後の断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る面発光型半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図１０】第１の従来例に係る面発光型半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図１１】第２の従来例に係る面発光型半導体レーザ素子を示す断面図である。
【符号の説明】
【００９１】
１０      面発光型半導体レーザ素子
２０      面発光型半導体レーザ素子
３０      面発光型半導体レーザ素子
１００    基板
１０１    下部反射鏡膜
１０２    下部スペーサ層
１０３    量子井戸層
１０４    上部スペーサ層
１０５    電流狭窄層
１０５ａ  電流狭窄領域
１０５ｂ  酸化絶縁領域
１０６    上部反射鏡膜
１０７    コンタクト層
１０８    第１の絶縁膜
１０９    樹脂層
１０９Ａ  第１の樹脂層
１０９Ｂ  第２の樹脂層
１１０    第２の絶縁膜
１１１    上部コンタクト電極
１１１ａ  電極開口部
１１２    下部コンタクト電極
１２０    メサ構造体
１２１    絶縁領域
１２２    コンタクトホール
【図１】
2006086498.tif 000003
【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】
2006086498.tif 000011
【図１１】
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【図２】
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