(57)【要約】【課題】従来とは異なる構成の電流狭窄構造を備えた面発光半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】本面発光半導体レーザ素子７０は、ＧａＡｓ基板７２上に、ｎ−ＡｌＡｓ層とｎ−ＧａＡｓ層とからなるｎ−下部多層膜反射鏡７４と、発光構造層７６、狭窄ＡｌＡｓ層７８と、ｐ−Ａｌ０．９  Ｇａ０．１  Ａｓ層とｐ−Ａｌ０．１  Ｇａ０．９  Ａｓ層とからなるｐ−上部多層膜反射鏡８０と、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層８２の積層構造を備える。ｐ−ＧａＡｓコンタクト層８２、ｐ−上部ＤＢＲ８０、狭窄ＡｌＡｓ層７８、及び発光構造層７６は、円柱状メサに形成され、かつ狭窄ＡｌＡｓ層７８は、更に縮小している。メサはポリイミド８４で埋め込まれ、また、狭窄ＡｌＡｓ層７８の外側のｐ−上部ＤＢＲ８０と発光構造層７６との間隙９０も、ポリイミド８４で埋め込まれ、充填されている。【選択図】        図１
2004158664.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層を含む活性領域と、活性領域を挟む対の上部及び下部多層膜反射鏡とを基板上に有する面発光半導体レーザ素子において、
上部多層膜反射鏡を構成する多層膜の少なくとも一層（以下、特定層と言う）はＡｌＡｓ層又はＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ層であって、かつ上部多層膜反射鏡はメサ構造として形成されて誘電体で埋め込まれ、
特定層がウエットエッチング法によりエッチングされて、特定層の横断面がメサ構造の横断面外形寸法より小さい外形寸法に縮小し、かつ縮小した特定層の外側に生じている間隙は、メサ構造を埋め込んだ誘電体で充填されていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
【請求項２】
ウエットエッチング法によりエッチングされた特定層の横断面形状は、メサ構造の外形寸法より外形寸法の小さい四角形及び六角形を含む多角形のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の面発光半導体レーザ素子。
【請求項３】
発光層を含む活性領域と、活性領域を挟む対の上部及び下部多層膜反射鏡とを基板上に有する面発光半導体レーザ素子の製造方法において、
基板上に、順次、下部多層膜反射鏡、活性領域、及び少なくとも１層のＡｌＡｓ層又はＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ層（以下、特定層と言う）を有する上部多層膜反射鏡を形成する工程と、
少なくとも上部多層膜反射鏡をエッチングしてメサを形成する工程と、
上部多層膜反射鏡の特定層をウエットエッチング法によりエッチングして、特定層の横断面をメサの横断面外形寸法より小さい外形寸法に縮小させる工程と、
メサを誘電体で埋め込むと共に、特定層の外側に生じている間隙を誘電体で充填する工程と
を有することを特徴とする面発光半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項４】
ウエットエッチング法によるエッチング工程では、メサを形成したウエハをエッチャントに浸漬することを特徴とする請求項３に記載の面発光半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項５】
ウエットエッチング法によるエッチング工程では、エッチングの進行中に、エッチャントからウエハを引き上げて、特定層のエッチング進行状況を光学顕微鏡で観察し、エッチングの進行を管理することを特徴とする請求項４に記載の面発光半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項６】
ウエットエッチング法によるエッチングでは、エッチャントとして、有機アルカリ溶液、無機アルカリ溶液、ふっ酸系エッチャント、及びクエン酸系エッチャントのいずれかを使用することを特徴とする請求項３から５のうちのいずれか１項に記載の面発光半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光半導体レーザ素子及びその製造方法に関し、更に詳細には、所定通りに電流狭窄でき、かつ形成容易な構成の電流狭窄構造を備えた面発光半導体レーザ素子、及び電流狭窄構造を容易にかつ再現性良く形成できるようにした面発光半導体レーザ素子の製造方法を提供することである。
【０００２】
【従来の技術】
基板に対して直交方向にレーザ光を出射する面発光半導体レーザ素子（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）は、垂直共振器を備えた半導体レーザ素子であって、共通基板上に二次元アレイとして集積し、高出力化できる、次世代の光通信及び光情報処理分野の光源用半導体レーザ素子として注目されている。
ところで、低しきい値電流で、かつ高い光出力−電流効率で面発光半導体レーザ素子を動作させるために、電流狭窄構造を形成することが必要である。
面発光半導体レーザ素子の電流狭窄構造は、従来、文献「Ａｐｌ  Ｐｈｙｓ  Ｌｅｔｔ  Ｎｏ６６Ｐ３４１３−３４１５  （１９９５）や特開平１０−１２５９９９号公報に記載されているようなＡｌＡｓ酸化による方法や、或いは文献「Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ  ｏｆ  Ｐｒｏｔｏｎ  Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ  ＶＣＳＥＬｓ  ｆｏｒ  Ｄａｔａ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  ＰＲＯＣ．ＳＰＩＥ    ｖｏｌ２    ６８３    （１９９６）」や特開平１１−１１２０８８号公報に記載されているようなイオンインプラント法を用いて形成されている。
【０００３】
ここで、図５を参照して、従来の面発光半導体レーザ素子（以下、従来の第１の面発光半導体レーザ素子と言う）の構成及び製造方法を簡単に説明する。図５は従来の第１の面発光半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
従来の第１の面発光半導体レーザ素子１０は、図５に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１２上に、ｎ型下部反射鏡１４、活性領域１６、及びｐ型上部反射鏡１８を含むレーザ発振のための積層構造を有している。
【０００４】
ｎ型下部反射鏡１４は、ｎ型中間層を介在させながら３０対程度のｎ型Ａｌ０．１  ＧａＡｓ層とｎ型Ａｌ０．９  ＧａＡｓ層とを交互に積層した構造を有し、下側の分布反射器（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ，ＤＢＲ）として機能する。ｐ型上部反射鏡１８は、ｐ型中間層を介在させながら２０程度のｐ型Ａｌ０．１  ＧａＡｓ層とｐ型Ａｌ０．９  ＧａＡｓ層とを交互に積層した構造を有しており、上側の分布反射器（ＤＢＲ）として機能する。これら上部及び下部反射鏡１４、１８によって垂直共振器が構成される。
活性領域１６は、ウエル層として機能するＧａＡｓ層とバリア層として機能するＡｌＧａＡｓ層とを含む量子井戸を有する活性層２０と、活性層２０を挟む下部及び上部ＡｌＧａＡｓクラッド層２２、２４とから構成されている。
上部ＡｌＧａＡｓクラッド層２４上には、後述する電流狭窄構造を構成するｐ型ＡｌＡｓ層２６が設けてある。
【０００５】
従来の第１の面発光半導体レーザ素子１０は、ｐ型上部反射鏡１８、ｐ型ＡｌＡｓ層２６、上部ＡｌＧａＡｓクラッド層２４、活性層２０、及び下部ＡｌＧａＡｓクラッド層２２の上層部とからなるメサ２８を有する。
【０００６】
ｐ側電極３０がｐ型上部反射鏡１８上に、ｎ側電極３２がｎ型ＧａＡｓ基板１２の裏面全面に形成されている。
メサ２８に含まれるｐ型ＡｌＡｓ層２６の周辺部は、選択的に酸化され、絶縁性選択酸化領域２６ａを構成している。つまり、ｐ型ＡｌＡｓ層２６は、電流狭窄領域として機能する周辺の絶縁性選択酸化領域２６ａと、選択酸化領域２６ａに囲まれた酸化されていないコア状の電流注入領域として機能する非酸化のｐ型ＡｌＡｓ層２６ｂとに区画されていて、レーザ発振のための駆動電流は、選択酸化領域２６ａにり電流狭窄されて、コア状のｐ型ＡｌＡｓ層２６ｂを縦方向に流れる。
メサ２８の外側はポリイミド樹脂３４で埋め込まれ、レーザ光は、ｐ側リング状電極の開口から取り出される。
【０００７】
従来の第１の面発光半導体レーザ素子１０を作製する際には、先ず、ＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）やＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）などによってｎ型ＧａＡｓ基板１２上に、ｎ型下部反射鏡１４、活性領域１６、ｐ型ＡｌＡｓ層２６、及びｐ型上部反射鏡１８の積層構造を形成し、更に、ｐ側電極３０及びｎ側電極３２を形成する。
次いで、積層構造をエッチングしてメサ２８を形成する。
【０００８】
次に、メサ２８の側壁から、メサ２８の内部に酸化種を横方向に供給して、メサ２８を構成するｐ型ＡｌＡｓ層２６の周辺部のみを選択的に酸化し、選択酸化領域２６ａを形成する。ＡｌＡｓは、低Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓに比較して酸化速度が著しく大きく、その結果、選択酸化がＡｌＡｓに対して生じる。
これにより、従来の第１の面発光半導体レーザ素子１０を作製することができる。
【０００９】
次に、図６及び図７を参照して、特開平１１−１１２０８８号公報に記載の面発光半導体レーザ素子（以下、従来の第２の面発光半導体レーザ素子と言う）の構成及び製造方法を簡単に説明する。図６は従来の第２の面発光半導体レーザ素子の構成を示す断面図であり、図７（ａ）から（ｄ）は、それぞれ、従来の第２の面発光半導体レーザ素子を製造する際の各工程での断面図である。
従来の第２の面発光半導体レーザ素子４０は、図６に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板４２上に、ｎ型下部反射鏡４４、活性領域４６、及びｐ型上部反射鏡４８を含むレーザ発振のための積層構造を有する。
【００１０】
ｎ型下部反射鏡４４は、２４．５対のｎ型ＡｌＡｓ層とｎ型ＧａＡｓ層とを積層した構造を有し、下側の分布反射器（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ，ＤＢＲ）として機能する。ｐ型上部反射鏡４８は、２４．５対のｐ型ＡｌＡｓ層とｐ型ＧａＡｓ層とを積層した構造を有しており、上側の分布反射器（ＤＢＲ）として機能する。これら上部及び下部反射鏡４４、４８によって垂直共振器が構成される。
活性領域４６は、ウエル層として機能するＩｎＧａＡｓ層とバリア層として機能するＧａＡｓ層とを含む歪量子井戸を有する活性層５０と、活性層５０を挟む下部及び上部ＡｌＧａＡｓクラッド層５２、５４とから構成されている。
【００１１】
ｐ型上部反射鏡４８及び活性領域４６は、メサ構造に加工されている。メサ構造下のｎ型下部反射鏡４４の最上部は、メサ構造の直径より小さい中央の円形閉領域５６ａと、円形閉領域５６ａを囲む周辺領域５６ｂとに区画され、周辺領域５６ｂは、イオン注入により高抵抗化された電流狭窄領域（イオン注入領域５６ｂ）として形成され、電流注入領域として機能する円形閉領域５６ａ内に電流を狭窄する。
また、メサ脇に露出するイオン注入領域５６ｂ上にはＳｉＯ２  膜５８が成膜されている。
ｐ型上部反射鏡４８上にはｐ側電極６０が、ｎ型ＧａＡｓ基板４２の裏面にはリング状のｎ側電極６２が、それぞれ、形成されている。
レーザ光は、ｎ型ＧａＡｓ基板４２の裏面から取り出される。
【００１２】
従来の第２の半導体レーザ素子４０を作製する際には、先ず、図７（ａ）に示すように、ＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＧａＡｓ基板４２上にｎ型下部反射鏡４４を形成する。
次いで、図７（ｂ）に示すように、下部反射鏡４４の最上層の円形閉領域５６ａを覆い、周辺領域５６ｂを露出する円形のレジストマスク６４をｎ型下部反射鏡４４上に形成し、続いてレジストマスク６４上から周辺領域５６ｂに酸素または水素（プロトン）イオンを注入して、イオン注入領域５６ｂを形成する。
【００１３】
続いて、図７（ｃ）に示すように、レジストマスク６０を除去した後、下部反射鏡４４上にＳｉＯ２  膜を成膜し、次いでＳｉＯ２  膜をパターニングして、メサ脇に露出させる領域上に選択成長用マスクとしてＳｉＯ２  膜５８を残す。
次いで、ＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法により、ＳｉＯ２  マスク５８で覆われていない領域上に活性領域４６及びｐ型上部反射鏡４８を構成する化合物半導体層を選択的にエピタキシャル成長させて、図７（ｄ）に示すように、活性領域４６及びｐ型上部反射鏡４８からなるメサ型積層構造を形成する。
続いて、ｐ型上部反射鏡４８上にｐ側電極６０を、ｎ型ＧａＡｓ基板４２の裏面にリング状のｎ型電極６２を形成する。
【００１４】
【特許文献１】
特開平１０−１２５９９９号公報（図１）
【特許文献２】
特開平１１−１１２０８８号公報（図１）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の半導体レーザ素子の電流狭窄構造の形成方法には、以下のような問題がある。
第１には、いずれの方法も、規模の大きな真空装置を必要とするので、設備費用及び運転費用が嵩むことである。また、プロセス再現性を確保するためには、真空装置の運転条件を厳密に管理することが必要であって、管理が難しい。
第２には、いずれの方法でも、電流狭窄領域と電流注入領域との境界で、無効電流が存在することである。特に、インプラント法では、イオンの注入によって、結晶性が低下するために、境界面での無効電流が大きい。
第３には、ＡｌＡｓ酸化法では、ＡｌＡｓ層を酸化してＡｌ酸化層に転化させる際、Ａｌ酸化層の体積膨張によって、Ａｌ酸化層周辺に応力が発生し易く、活性層に影響するため、レーザ特性に好ましくない影響が生じることである。また、一度、ＡｌＡｓ層を酸化してしまうと、仮に酸化程度が所定通りでなくても、酸化のやり直しがほとんど不可能なことである。
【００１６】
第４には、イオンインプラント法では、イオン注入の際に非注入領域を保護するために、例えば３μｍ以上の膜厚の厚いレジストマスクが必要になるので、マスク用の特別なレジスト材や、レジストマスク形成のための特別のリソグラフィプロセスが必要になることである。また、前述の例では、高速化や低抵抗化のために絶縁層部を薄くするために２回のエピタキシャル成長工程を必要とするので、プロセスがより複雑になる。
第５には、イオンインプラント法では、イオン注入層の屈折率変化が小さいために、光閉じ込めが弱く、低しきい値電流化や無バイアスでの高速動作性の向上が難しいことである。
【００１７】
以上のような理由から、従来のいずれの方法によって製造した面発光半導体レーザ素子でも、しきい値電流の更なる低下、効率の向上、再現性及びスループットの改善等が難しい。
そこで、本発明の目的は、従来とは異なる構成の電流狭窄構造を備えた面発光半導体レーザ素子、及び従来の方法とは異なるやり方で電流狭窄構造を形成するようにした、面発光半導体レーザ素子の製造方法を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る面発光半導体レーザ素子は、発光層を含む活性領域と、活性領域を挟む対の上部及び下部多層膜反射鏡とを基板上に有する面発光半導体レーザ素子において、
上部多層膜反射鏡を構成する多層膜の少なくとも一層（以下、特定層と言う）はＡｌＡｓ層又はＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ層であって、かつ上部多層膜反射鏡はメサ構造として形成されて誘電体で埋め込まれ、
特定層がウエットエッチング法によりエッチングされて、特定層の横断面がメサ構造の横断面外形寸法より小さい外形寸法に縮小し、かつ縮小した特定層の外側に生じている間隙は、メサ構造を埋め込んだ誘電体で充填されていることを特徴としている。
【００１９】
本発明の好適な実施態様では、ウエットエッチング法によりエッチングされた特定層の横断面形状は、メサ構造の外形寸法より外形寸法の小さい四角形及び六角形を含む多角形のいずれかである。特定層をメサ構造の外形と相似形に縮小するか、六角形に縮小するか、又は四角形に縮小するかは、エッチャントの濃度及び温度、攪拌の有無、エッチング時間等のエッチング条件及び使用するエッチャントの種類による。
【００２０】
本発明では、特定層がメサ構造の外径寸法より小さい外径寸法に縮小していることにより、特定層を流れる電流の注入領域が狭窄され、電流狭窄構造が構成される。
本発明では、少なくとも一層のＡｌＡｓ層又はＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ層を特定層として上部多層膜反射鏡の構成層とすることにより、ウエットエッチング法により再現性良く制御性良く、特定層を縮小することができる。
本発明で、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ層とは、Ａｌ組成が０．９５以上のＡｌＧａＡｓ層を言う。
【００２１】
本発明に係る面発光半導体レーザ素子の製造方法は、発光層を含む活性領域と、活性領域を挟む対の上部及び下部多層膜反射鏡とを基板上に有する面発光半導体レーザ素子の製造方法において、
基板上に、順次、下部多層膜反射鏡、活性領域、及び少なくとも１層のＡｌＡｓ層又はＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ層（以下、特定層と言う）を有する上部多層膜反射鏡を形成する工程と、
少なくとも上部多層膜反射鏡をエッチングしてメサを形成する工程と、
上部多層膜反射鏡の特定層をウエットエッチング法によりエッチングして、特定層の横断面をメサの横断面外形寸法より小さい外形寸法に縮小させる工程と、メサを誘電体で埋め込むと共に、特定層の外側に生じている間隙を誘電体で充填する工程と
を有することを特徴としている。
【００２２】
適用するウエットエッチング法には制約はなく、例えばウエットエッチング法によるエッチング工程では、メサを形成したウエハをエッチャントに浸漬して、エッチングする。
更には、エッチングの進行中に、エッチャントからウエハを引き上げて、特定層のエッチング進行状況を光学顕微鏡で観察することにより、エッチングの進行を管理することができる。
【００２３】
本発明方法のウエットエッチング法によるエッチングでは、エッチャントとして、有機アルカリ溶液、無機アルカリ溶液、ふっ酸系エッチャント、及びクエン酸系エッチャントのいずれかを使用する。
これにより、ＡｌＡｓ層又はＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ層からなる特定層を再現性良く制御性良くエッチングして、縮小することができる。
【００２４】
本発明に係る面発光半導体レーザ素子の製造方法は、以下に挙げるような利点を有する。
（１）メサ形成の際に適用されるドライエッチング法などにより生じるダメージ層をウェットエッチングを用いて同時に軽くエッチングすることにより、無効な電流を抑制でき、低しきい値発振や高効率発光を実現できる電流狭窄構造を実現することができる。
（２）エッチングの進行をエッチャントの組成、濃度、温度、及びエッチングの経過時間により制御することにより、狭窄形状を十分に管理することができる。エッチングが十分に進行すると、エッチングの進行し難い結晶面が現れ、これ以上エッチングが進行することが難くなるので、ウエハ面内でのエッチングの進行、及びエッチングされた特定層の形状を一様化することができる。
【００２５】
（３）本発明方法では、ＡｌＡｓのみならず、高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓにもウエットエッチングを適用できる。その場合、Ａｌ組成比に対応するエッチングレートでエッチングが進行し、所望の層だけを狭窄することが可能になり、また狭窄形状を三次元的にコントロールすることができる。この技術は、抵抗率及び横モードの制御に関して大きな効果がある。
（４）特別な装置を必要とすることなく、エッチャントの濃度、温度、攪拌、エッチングの経過時間を一定に維持することにより、量産工場でも、再現性良く、電流狭窄構造を形成することができる。
（５）発光構造層と、メサを埋め込む酸化物や絶縁樹脂などとの間に大きな屈折率差があるので、効率良く、横方向の光閉じ込めが可能になり、高効率動作に効果がある。
（６）埋め込み層の材料をうまく選んでやることで、ＡｌＡｓ酸化法のようにＡｌ酸化層を生成させることがないので、Ａｌ酸化層の体積変化により応力が発生して、レーザ特性に好ましくない影響が生じるようなことがない。
本発明方法を適用することにより、素子抵抗、横モード、しきい値電流、効率等のレーザ特性が最適化された面発光半導体レーザ素子を実現することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照して、実施形態例に基づいて本発明をより詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示した導電型、膜種、膜厚、成膜方法、その他寸法等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、本発明はこれら例示に限定されるものではない。
面発光半導体レーザ素子の実施形態例
本実施形態例は本発明に係る面発光半導体レーザ素子の実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の面発光半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
本実施形態例の面発光半導体レーザ素子７０は、図１に示すように、ＧａＡｓ基板７２上に、ｎ−Ａｌ０．１  ＧａＡｓ層とｎ−Ａｌ０．９  ＧａＡｓ層とからなるｎ−下部多層膜反射鏡（以下、ｎ−下部ＤＢＲと言う）７４と、発光構造層７６、狭窄ＡｌＡｓ層７８と、ｐ−Ａｌ０．９  Ｇａ０．１  Ａｓ層とｐ−Ａｌ０．１  Ｇａ０．９  Ａｓ層とからなるｐ−上部多層膜反射鏡（以下、ｐ−上部ＤＢＲと言う）８０と、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層８２の積層構造を備えている。
ｐ−ＧａＡｓコンタクト層８２、ｐ−上部ＤＢＲ８０、狭窄ＡｌＡｓ層７８、及び発光構造層７６は、直径が４０μｍの円柱状メサに形成され、更に狭窄ＡｌＡｓ層７８の横断面は、直径１０μｍに縮小している。
【００２７】
ｎ−下部ＤＢＲ７４を構成するｎ−Ａｌ０．１  ＧａＡｓ層及びｎ−Ａｌ０．９  ＧａＡｓ層の膜厚、並びにｐ−上部ＤＢＲ８０を構成するＡｌ０．９  Ｇａ０．１  Ａｓ層及びＡｌ０．１  Ｇａ０．９  Ａｓ層の膜厚は、それぞれ、発振波長λの１／４に相当する厚さに設定されていて、ｎ−下部ＤＢＲ７４及びｐ−上部ＤＢＲ８０の反射率は９９％以上である。
発光領域７６は、ＡｌＧａＡｓからなる下部クラッド層７６ａと、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸からなる活性層７６ｂと、ＡｌＧａＡｓからなる上部クラッド層７６ｃとで構成されている。
狭窄ＡｌＡｓ層７８の膜厚は、７０ｎｍである。
【００２８】
メサはポリイミド８４等の誘電体で埋め込まれ、また、狭窄ＡｌＡｓ層７８の外側のｐ−上部ＤＢＲ８０と、発光構造層７６との間隙９０も、同じくポリイミド８４で埋め込まれ、充填されている。
メサの最上層を構成するｐ−ＧａＡｓコンタクト層８２上には、リング状にｐ側電極８６が、ＧａＡｓ基板７２の裏面にはｎ側電極８８が形成されている。
【００２９】
以上の構成により、本実施形態例の面発光半導体レーザ素子７０は、０．５ｍＡ〜０．８ｍＡのしきい値電流で、かつ５ｍＷ以上の光出力でリング状のｐ側電極８４の中央開口からＧａＡｓ基板７２に対して直交する方向にレーザ光を安定して出射することができる。
本実施形態例の面発光半導体レーザ素子７０のレーザ特性は、ＡｌＡｓ層の水蒸気酸化による電流狭窄構造を備えた従来の面発光半導体レーザ素子に比べても全く遜色がないことは勿論、電流狭窄構造の形成に伴う応力等が発生しないので、信頼性が高い。
【００３０】
面発光半導体レーザ素子の製造方法の実施形態例
本実施形態例は、本発明に係る面発光半導体レーザ素子の製造方法を上述の面発光半導体レーザ素子７０の製造に適用した実施形態の一例である。図２（ａ）と（ｂ）、図３（ｃ）、及び図４（ｅ）と（ｆ）は、それぞれ、本実施形態例の製造方法に従って面発光半導体レーザ素子を製造する際の主要工程での断面図であり、図３（ｄ）は狭窄ＡｌＡｓ層の横断面図である。
本実施形態例の方法では、先ず、図２（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法等により、ＧａＡｓ基板７２上に、順次、所要の化合物半導体層をエピタキシャル成長させて、ｎ−Ａｌ０．１  ＧａＡｓ層とｎ−Ａｌ０．９  ＧａＡｓ層とからなるｎ−下部ＤＢＲ７４、ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層７６ａ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸活性層７６ｂ、ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層７６ｃからなる発光構造層７６、ＡｌＡｓ層７８Ａ、ｐ−Ａｌ０．９  Ｇａ０．１  Ａｓ層とｐ−Ａｌ０．１  Ｇａ０．９  Ａｓ層とからなるｐ−上部ＤＢＲ８０、及びｐ−ＧａＡｓコンタクト層８２の積層構造を形成する。
【００３１】
次いで、図２（ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層８２、ｐ−上部ＤＢＲ８０、ＡｌＡｓ層７８Ａ、及び発光構造層７６をエッチングして、直径が４０μｍの円柱状メサを形成する。メサ脇には、ｐ−下部ＤＢＲ７４の最上層であるｐ−ＧａＡｓ層が露出している。
メサ構造の形成に際し、電流注入の効率上、メサの側壁が急峻であること、及びエッチングの制御性が高いことが必要であるから、メサを形成するエッチングでは、異方性エッチングが可能なドライエッチング法を適用する。ＧａＡｓ系材料の場合、エッチングガスとして、塩素系ガス、例えばＣｌ２  、ＢＣｌ３  、ＳｉＣｌ４  などを使用する。
【００３２】
次いで、メサを形成した後、メサを上面に有するウエハをエッチャント、例えばアンモニウム塩の水溶液等の有機アルカリ溶液に浸漬して、ＡｌＡｓ層７８Ａを周囲から選択的にエッチングして、図３（ｃ）に示すように、狭窄ＡｌＡｓ層７８を形成する。
エッチング条件
温度          ：２５℃
攪拌の有無    ：有
時間          ：２０分間以上
【００３３】
ＡｌＡｓ層７８Ａのエッチングに際し、ＡｌＡｓ層７８Ａの外縁部から中心に向かってエッチングが進行する。エッチング開始時には、図３（ｄ）に示すように、ＡｌＡｓ層７８Ａの横断面は、メサの横断面形状を反映した円形７８ａを維持しつつ外径が小さくなり、エッチングが進行するにつれて、結晶面を反映した多角形構造７８ｂになる。
図３（ｄ）では、例として（０１１）、（０１１）、（０１０）などの面で形成される六角形構造を示している。
ＡｌＡｓ層７８Ａをエッチングして、狭窄ＡｌＡｓ層７８を形成することにより、図３（ｃ）に示すように、発光構造層７６の上部クラッド層７６ｃとｐ−上部ＤＢＲ８０との間に間隙９０が生じる。
【００３４】
結晶面がＡｌＡｓ層７８Ａの外周面に顕出し始めると、エッチングレートは低下傾向を示し、結晶面顕出後は、エッチングが結晶面顕出前に比べて格段に緩やかに進行する。従って、エッチングの経過時間を制御することにより、狭窄ＡｌＡｓ層７８の形状管理を行うことが可能である。
また、ＡｌＡｓ層７８Ａのエッチングの途中で、ウエハをエッチャントから引き上げ、ウエハ上面を光学顕微鏡で観察することにより、ＡｌＡｓ層７８Ａのエッチング進行状態を確認することが可能である。すなわち、何度でも、エッチャントからウエハを引き上げてエッチング進行状態を確認し、必要に応じて更にエッチャントにウエハを浸漬してエッチングの形状を微調整することにより、所望の形状の狭窄ＡｌＡｓ層７８を形成することが可能である。一方、従来のＡｌＡｓ酸化狭窄の場合、一度ＡｌＡｓ層を酸化してしまうと、やり直しは不可能である。
また、ＡｌＡｓ層７８Ａのエッチングに際し、ｐ−上部ＤＢＲ８０を構成するｐ−Ａｌ０．９  Ｇａ０．１  Ａｓ層も若干エッチングされるものの、ＡｌＡｓ層７８Ａとのエッチングレート選択比は１０以上を確保することができるので、ｐ−上部ＤＢＲ８０が損傷するようなことは生じない。
【００３５】
次いで、図４（ｅ）に示すように、メサをポリイミド８４で埋め込むと共に、間隙９０をポリイミド８４で埋め込み、充填する。
続いて、図４（ｆ）に示すように、ポリイミド８４上及びｐ−ＧａＡｓコンタクト層８２上にｐ側電極８６をリング状に形成し、またＧａＡｓ基板７２の裏面にｎ側電極８８を形成する。
尚、面発光半導体レーザ素子７０を作製した後、メサ断面を観察したところ、ポリイミド８４による埋め込み、及び間隙９０のポリイミド８４による充填も良好で、電気的絶縁性にも問題はなかった。
【００３６】
ＡｌＡｓ層７８のエッチングの際は、エッチャントと超音波とを併用するとエッチングレートを増大させる効果がある。
即ち、同じエッチング条件、例えば同じエッチャント、同じ濃度、同じ温度であっても、超音波を併用することにより、エッチングが加速されて、エッチングレートが増大し、エッチングのウエハの面内均一性が向上する。
【００３７】
また、メサのメサ径が大きく、かつＡｌＡｓ層７８Ａを大きくエッチングして電流注入領域を小さくする、いわゆる深いエッチングでは、ｐ−上部ＤＢＲ８０を構成する高Ａｌ組成のＡｌＡｓＡｓ層がエッチングされ、低Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓ層が、五重塔の庇のように多重塔の庇状に張り出すことがある。
このときには、更に、別のエッチャント、例えば過酸化水素水を主成分とするエッチャントなどを使用してエッチング処理することにより、飛び出している低Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓ層を除去することができる。
【００３８】
また、高速変調を目的とする面発光半導体レーザ素子では、素子抵抗を低減することが必要である。素子抵抗の低減のためには、活性層近くに一層のＡｌＡｓ層、または高Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓ層を設け、その層のみをエッチングして狭窄する。
この場合は、上部ＤＢＲのＡｌ組成の高低によって狭窄方向のエッチレートをコントロールすることができるので、そのレート差を生かしたエピ構造、つまり各層のエッチレート選択比を考慮した構造を設計すれば、選択的な部分狭窄が可能である。
【００３９】
本実施形態例では、エッチャントとしてアンモニウム塩の水溶液を使用しているので、エッチングレートは比較的小さい。
エッチングされたＡｌＡｓ層７８Ａの形状は、エッチング開始当初は、メサ外形に類似して円形であるが、エッチングが進行して結晶面が顕出した時には、狭窄ＡｌＡｓ層７８の横断面は、六角形又は四角形になる。他の有機アルカリ水溶液も、本実施形態例で使用したアンモニウム塩の水溶液と同じようなエッチング特性を示す。
【００４０】
本発明方法では、有機アルカリ水溶液に限らず、以下のようなエッチャントを使用することができる。
（１）ＮａＯＨ水溶液、ＫＯＨ水溶液等の無機アルカリ水溶液
エッチングレート      ：有機アルカリ水溶液と同程度に小
エッチング形状        ：有機アルカリ水溶液と同じ
（２）ふっ酸系エッチャント
エッチングレート      ：大
エッチング形状        ：エッチングされたＡｌＡｓ層の形状は、エッチング開始時にはメサ外形に類似しているが、直ぐに結晶面が顕出し、四角形になる。
３．クエン酸系エッチャント
エッチングレート      ：エッチング条件によりエッチングレートが多少変化する。
エッチング形状        ：有機アルカリ水溶液と同じ
【００４１】
尚、従来のＡｌＡｓ酸化法やイオンインプラント法なども、それ特有の特性を有しているので、これらと本発明方法と組あわせることによっても、更なる構造最適化が可能であり、設計の自由度が拡大する。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、上部多層膜反射鏡をメサ構造として形成し、かつ上部多層膜反射鏡の少なくとも一層（以下、特定層と言う）をＡｌＡｓ層又はＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ層とし、特定層をウエットエッチング法によりエッチングして、メサ構造の外形寸法より小さい外形寸法に縮小した狭窄層を形成することにより、形成容易で確実に電流狭窄できる構成の電流狭窄構造を備え、低しきい値化、高効率化された面発光半導体レーザ素子を実現することができる。更に、発振横モードの単一化、偏波の制御なども可能性がある。
【００４３】
本発明方法によれば、簡便なプロセスで面発光半導体レーザ素子の活性層への電流注入面積を極小化でき、その上、メサ形成時のドライエッチングダメージやＡｌＡｓ酸化のような応力の影響を完全に避けた状態で電流狭窄構造を形成することができる。
本発明方法を適用することにより、所望の電流狭窄構造を備え、高信頼性の面発光半導体レーザ素子を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例の面発光半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）と（ｂ）は、それぞれ、実施形態例の製造方法に従って面発光半導体レーザ素子を製造する際の主要工程での断面図である。
【図３】図３（ｃ）と（ｄ）は、それぞれ、図２（ｂ）に続いて、実施形態例の製造方法に従って面発光半導体レーザ素子を製造する際の主要工程での断面図である。
【図４】図４（ｅ）と（ｆ）は、それぞれ、図３（ｄ）に続いて、実施形態例の製造方法に従って面発光半導体レーザ素子を製造する際の主要工程での断面図である。
【図５】従来の第１の面発光半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図６】従来の第２の面発光半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図７】図７（ａ）から（ｄ）は、それぞれ、従来の第２の面発光半導体レーザ素子を製造する際の各工程での断面図である。
【符号の説明】
１０……従来の第１の面発光半導体レーザ素子、１２……ｎ型ＧａＡｓ基板、１４……ｎ型下部反射鏡、１６……活性領域、１８……ｐ型上部反射鏡、２０……活性層、２２……下部ＡｌＧａＡｓクラッド層、２４……上部ＡｌＧａＡｓクラッド層、２６……ｐ型ＡｌＡｓ層、２６ａ……絶縁性選択酸化領域、２６ｂ……非酸化のコア状のＡｌＡｓ層、２８……メサ、３０……ｐ側電極、３２……ｎ側電極、３４……ポリイミド樹脂、４０……従来の第２の面発光半導体レーザ素子、４２……ｎ型ＧａＡｓ基板、４４……ｎ型下部反射鏡、４６……活性領域、４８……ｐ型上部反射鏡、５０……活性層、５２……下部ＡｌＧａＡｓクラッド層、５４……上部ＡｌＧａＡｓクラッド層、５６……イオン注入領域、５８……ＳｉＯ２  膜、６０……ｐ側電極、６２……ｎ側電極、７０……実施形態例の面発光半導体レーザ素子、７２……ＧａＡｓ基板、７４……ｎ−下部ＤＢＲ、７６……発光構造層、７６ａ……下部クラッド層、７６ｂ……活性層、７６ｃ……上部クラッド層、７８……狭窄ＡｌＡｓ層、８０……ｐ−上部ＤＢＲ、８２……ｐ−ＧａＡｓコンタクト層、８４……ポリイミド、８６……ｐ側電極、８８……ｎ側電極、９０……間隙。
【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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