(57)【要約】【課題】基本横モード発振でありながら光出力を改善した面発光レーザを提供する。【解決手段】表面発光型半導体レーザ１００は、半導体基板１と、基板１上に形成されたｎ型の下部多層膜反射鏡２と、活性領域３と、電流狭窄部４と、ｐ型の上部多層膜反射鏡５と、コンタクト層６と、第１金属コンタクト層７とを有し、メサ構造１０１のレーザ素子部は、コンタクト層６、上部多層膜反射鏡５、電流狭窄部４及び第１金属コンタクト層７を含み、メサ構造１０１は第１コンタクト層７に整合された側面を有する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メサ構造のレーザ素子部を備えた表面発光型半導体レーザであって、前記表面発光型半導体レーザは、
基板と、該基板上に形成された第１導電型の下部半導体多層ミラーと、第２導電型の上部半導体多層ミラーと、前記下部半導体多層ミラーと前記上部半導体多層ミラーとの間に配された活性領域と、前記下部半導体多層ミラーと前記上部半導体ミラーとの間に配された電流狭窄部と、前記上部半導体多層ミラー上に形成された金属部とを有し、
前記メサ構造は、少なくとも前記上部半導体多層ミラー、前記電流狭窄部及び前記金属部を含み、前記メサ構造は前記金属部に整合された側面を有する、表面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
前記メサ構造の側面は前記金属部の外形を規定する面と整合される、請求項１に記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項３】
前記メサ構造の側面は前記金属部をマスクにエッチングしたときに形成される請求項１または２に記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項４】
前記金属部はレーザ光を出射する窓を有し、前記金属部によって覆われた前記上部半導体多層ミラーの上部半導体層の反射率は前記窓によって露出された上部半導体層の反射率よりも低い、請求項１に記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項５】
前記金属部は第２の金属コンタクト部に接続され、前記第２の金属コンタクト部から供給される電流は前記金属部を介して前記上部半導体多層ミラーへ供給される、請求項１または４に記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項６】
前記メサ構造は、前記側面上に絶縁膜を含み、該絶縁膜上に前記第２の金属コンタクト部が配され、前記第２の金属コンタクト部が前記絶縁膜によって前記メサ構造の前記側面と絶縁される、請求項５に記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項７】
前記電流狭窄部は前記側面から酸化された酸化領域と該酸化領域に囲まれた非酸化領域とを含み、該非酸化領域によって規定される開口が前記窓と実質的に整合される、請求項４に記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項８】
前記金属部の窓は、前記非酸化領域によって規定される開口よりも大きい、請求項７に記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項９】
前記金属部は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｗ及びＩＴＯから選択される１種以上の金属材料を含む、請求項１ないし７いずれかに記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項１０】
前記上部半導体多層ミラーはコンタクト層を含み、前記金属部は前記コンタクト層上に形成される、請求項１ないし９いずれかに記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項１１】
メサ構造を有する表面発光型半導体レーザであって、
基板と、
前記基板上に形成された複数の半導体層であって、前記複数の半導体層は第１導電型の第１の反射鏡、前記第１の反射鏡上の活性領域、一部に酸化領域を含む少なくとも一つの電流狭窄層、および前記活性領域上に第２導電型の第２の反射鏡を含む、前記複数の半導体層と、
前記複数の半導体層上に形成されレーザ光の出射窓を備えた電極部とを有し、
前記メサ構造は少なくとも前記第２の反射鏡から前記電流狭窄層まで延び、かつ前記メサ構造は前記電極部の形状に応じた形状を有する、表面発光型半導体レーザ。
【請求項１２】
前記複数の半導体層は、前記第２の反射鏡上に不純物濃度の高いコンタクト層を有し、前記電極部が前記コンタクト層に電気的に接続される、請求項１１に記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項１３】
前記電極部は、前記コンタクト層にオーミック接続される請求項１２に記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項１４】
前記メサ構造は、前記電極部をマスクに用いて前記複数の半導体層をエッチングすることにより自己整合的に形成される、請求項１１に記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項１５】
前記メサ構造は、柱状のポスト構造である、請求項１１に記載の表面発光型半導体レーザ。
【請求項１６】
メサ型の表面発光型半導体レーザを製造する方法であって、
基板上に、第１及び第２の半導体ミラー、電流狭窄層、及び活性層を含む複数の半導体層を形成し、
前記複数の半導体層上に金属層を形成し、
前記金属層を所定形状に加工し、
前記金属層をマスクに用いて前記複数の半導体層をエッチングし、少なくとも前記第２の半導体ミラーから前記電流狭窄層まで延びるメサを形成し、
前記メサを酸素雰囲気下に晒し、前記電流狭窄層の一部に酸化領域を形成する、表面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項１７】
前記複数の半導体層は、前記第２の半導体ミラー上にコンタクト層を含み、前記金属層は前記コンタクト層上に形成される、請求項１６に記載の表面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項１８】
前記金属層は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｗ及びＩＴＯから選択される１種以上の金属材料を含む、請求項１６または１７に記載の表面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項１９】
メサ型の表面発光型半導体レーザを製造する方法であって、
基板上に、第１及び第２の半導体ミラー、電流狭窄層、及び活性層を含む複数の半導体層を形成し、
前記複数の半導体層上に金属層を形成し、
前記金属層上に絶縁層を形成し、
前記絶縁層および前記金属層を所定形状にパターン形成し、
少なくともパターン形成された絶縁層および金属層をマスクに用いて前記複数の半導体層を異方性エッチングし、少なくとも前記第２の半導体ミラーから前記電流狭窄層に至るまでメサを形成し、
前記メサを酸素雰囲気下に晒し、前記電流狭窄層の一部に酸化領域を形成する、表面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項２０】
前記製造方法は、前記金属層から前記絶縁層を除去する工程と、前記金属層上に第２の金属層を形成する工程を含む、請求項１９に記載の表面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項２１】
前記金属層及び前記絶縁層は環状のパターンに形成され、該環状のパターン上に第２のパターン化された絶縁層が形成され、第２のパターン化された絶縁層は、前記環状のパターンによって露出された前記複数の半導体層の上面を覆う、請求項１９に記載の表面発光型半導体レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報処理や光通信用の光源、または光記録装置や画像形成装置の光源として用いられる表面発光型半導体レーザ及びその製造方法に関する。特に、レーザ光の横モードが安定し、かつしきい値電流が低く再現性に優れた表面発光型半導体レーザ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信や光インターコネクション等の技術分野において、光源のアレイ化が容易な表面発光型半導体レーザ（以下”面発光レーザ”と略称）への需要が高まっている。光源を多重化することでデータの並列転送が可能となり、飛躍的な大容量化、あるいは通信速度の向上を期待できる。
【０００３】
面発光レーザは、しきい値電流が低く、消費電力が小さいという利点がある反面、利得媒質である活性領域の体積が小さい（端面発光型レーザの１／１００程度である）という理由から高出力化に困難が伴うことが知られている。面発光レーザにおいて、１スポットから得られる光出力は高々数ミリワット乃至十ミリワット程度に過ぎない。
【０００４】
面発光レーザのタイプは、利得導波構造を有するプロトン注入型と、屈折率導波構造を有する選択酸化型との２つに大別されるが、昨今では後者が主流になりつつある。選択酸化型の半導体レーザは、メサ構造のレーザ素子部を備え、活性層近傍の多層膜反射鏡の一部を選択的に酸化し、抵抗率を高めると共に屈折率を低下させ、電流狭窄用の光導波路を形成している。この強い光閉じ込め効果の結果、しきい値電流が低く、応答性が速いという優れた特性を示す。
【０００５】
ところが、実用上重要な特性項目のひとつである発振横モードを０次基本モードで安定化させるには、電流狭窄部の非酸化領域（電流通路に相当）の径あるいは開口を典型的には４ミクロン以下にまで狭めなければならず、そこで得られる光出力は１ミリワット程度にまで下がってしまうという問題があった。
【０００６】
このような選択酸化型面発光レーザにおける発振横モードの安定化と高出力化という二律背反する課題について、本出願人は特開２０００−３３２３５５号公報に新たな構造の面発光レーザを開示している。
【０００７】
上記公報に記載の面発光レーザは、基本横モード発振が光強度の最も強い部分が光導波路の光軸位置（メサ構造の電流狭窄部の中央付近でかつ基板に垂直な方向）に生じ、一方、高次横モード発振が基本横モード発振が成す光軸から離れた位置に生じることを利用するものであり、上部多層膜反射鏡上に形成された上部電極に開口部を形成し、上部電極と接する多層膜反射鏡の反射率を開口部において露出された多層膜反射鏡の反射率よりも低くしている。
【０００８】
多層膜反射膜の反射率の低下の程度応じ、上部電極の開口部の径と電流狭窄部（非酸化領域）の径とを定める。共振器の反射率を低下させることは、この部位で光強度が最も強い高次横モードの光学損失を増大させ、発振を抑制しようとするものである。これは、従来発振横モードを基本モード化するのに電流狭窄部（非酸化領域）の径のみの１パラメータで制御していたものを、上部電極の開口部の径というもうひとつ別のパラメータを加え、２つのパラメータで制御し、より安定化させることを意図している。これにより、基本横モードの損失を最小限に抑えた上で高次横モードを抑制し、基本横モード光出力を高めている。
【０００９】
また、上記課題に関してＨ．Ｊ．Ｕｎｏｌｄ等による”Ｉｎｃｒｅａｓｅｄ−ａｒｅａ　ｏｘｉｄｉｚｅｄ　ｓｉｎｇｌｅ−ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ　ｍｏｄｅ　ＶＣＳＥＬ　ｗｉｔｈ　ｓｅｌｆ−ａｌｉｇｎｅｄ　ｓｈａｌｌｏｗ　ｅｔｃｈｅｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｒｅｌｉｅｆ”，　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　ＬＥＴＴＥＲＳ　５ｔｈ　Ａｕｇｕｓｔ　１９９９，　Ｖｏｌ．３５，　Ｎｏ．１６は、ｐ型ＤＢＲの表面に浅い溝を形成し、この溝と電流狭窄部の非酸化領域の開口とのアライメント精度を良くするため３層フォトレジストを用いたセルフアライメント技術を開示している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開２０００−３３２３５５号公報に記載された面発光レーザでは、上部多層膜反射鏡の上方に置かれる上部電極の開口部と電流狭窄部の非酸化領域（電流通路）との中心軸の位置合わせが重要とある。両者の位置合わせは、後の工程である上部電極の開口部の位置が中心軸あるいは電流狭窄部の非酸化領域からずれると、取り出すべき基本横モードの発振を過剰に抑制し、逆に高次横モードの抑制が不十分になるおそれがある。
【００１１】
それを回避するにはフォトマスクの位置合わせ精度を高めるしか方法はないが、フォトマスク上に用意された位置合わせマークを目印に目視観察で微調整を行っても、その精度は熟練者で±０．５ミクロン（μｍ）程度にすぎず、実際にはそれ以上にずれる場合も少なくない。
【００１２】
他方、上記Ｈ．Ｊ．Ｕｎｏｌｄ等の文献による面発半導体レーザは、３層フォトレジストのセルフアライン技術を用いているが、この技術はＤＢＲ表面にエッチング溝を形成することを必須とし、そのエッチング溝を再現性よく高精度で形成することは必ずしも容易ではない。
このように上述された従来の面発光レーザには、その製造プロセスの出来不出来に特性が左右され易いという課題があった。
そこで本発明の目的は、上記従来の技術の課題を解決し、基本横モード発振でありながら光出力を改善した面発光レーザを提供することを目的とする。
さらに本発明の目的は、再現性に優れかつ精度の良い選択酸化型の面発光レーザの製造方法を提供する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載されたメサ構造のレーザ素子部を備えた表面発光型半導体レーザは以下の手段を有する。基板と、該基板上に形成された第１導電型の下部半導体多層ミラーと、第２導電型の上部半導体多層ミラーと、前記下部半導体多層ミラーと前記上部半導体多層ミラーとの間に配された活性領域と、前記下部半導体多層ミラーと前記上部半導体ミラーとの間に配された電流狭窄部と、前記上部半導体多層ミラー上に形成された金属部とを有し、前記メサ構造は、少なくとも前記上部半導体多層ミラー、前記電流狭窄部及び前記金属部を含み、前記メサ構造は前記金属部に整合された側面を有する。
【００１４】
請求項１の表面発光型半導体レーザによれば、レーザ素子部を構成するメサ構造の側面が上部半導体多層ミラー上に形成された金属部に整合されているため、メサ構造に含まれる少なくとも上部半導体多層ミラーおよび電流狭窄部の側面をそれぞれ一様に金属部に正確に位置合わせすることができる。これによって、レーザ素子部の各部、特に金属部と電流狭窄部との位置合わせ精度が向上され、その結果、レーザ素子部から安定したレーザ光の出力を行うことが可能である。
【００１５】
好ましくは、メサ構造の側面は金属部の外形を規定する面と整合されるようにしても良い。金属部の外形は、円形でも矩形でもよく、この外形と同形状のメサ構造を形成することで電極部の外形を基準として電流狭窄部の電流通路（例えば選択酸化された酸化物領域の位置）を精度良く決めることができる。好ましくは、メサ構造の側面は前記金属部をマスクにエッチングしたときに形成される。つまり、金属部をマスクとすることで、金属部の形状に合わせたメサ構造を自己整合的に作成することができる。
【００１６】
好ましくは、金属部はレーザ光を出射する窓を有し、金属部によって覆われた上部半導体多層ミラーの上部半導体層の反射率が該窓によって露出された上部半導体層の反射率よりも低い。窓は、レーザ素子部のほぼ中心と同心円状に設けることが望ましく、窓の中心は、レーザ素子部の光軸とほぼ一致する。金属部によって覆われた上部半導体層（上部半導体多層ミラーの一部）の反射率をその中央部の反射率よりも低くすることで、レーザ素子部の光軸から離れた位置で光強度の高い高次横モードのレーザ光を抑制することができ、他方、出射窓から基本モードのレーザ光を安定的に出力させかつそのしきい値電流を低下させることができる。
【００１７】
好ましくは、前記金属部は第２の金属コンタクト部に接続され、前記第２の金属コンタクト部から供給される電流は前記金属部を介して前記上部半導体多層ミラーに供給される。金属部は、上記レーザを出射する窓として機能する以外に、レーザ素子部におけるレーザ駆動電流を注入するためのコンタクト（電極）として機能することができる。
【００１８】
好ましくは、メサ構造は、その側面上に絶縁膜を含み、該絶縁膜上に前記第２の金属コンタクト部が配され、第２の金属コンタクト部が前記絶縁膜によって前記メサ構造の前記側面と絶縁される。第２の金属コンタクト部は例えば金属ボンディングパッドに延在する導電路を含み、該パッドを通してレーザの駆動電流を前記金属部へ供給するようにしても良い。
【００１９】
好ましくは、レーザ素子部の前記電流狭窄部は前記側面から酸化された酸化領域と該酸化領域に囲まれた非酸化領域とを含み、該非酸化領域によって規定される開口が前記窓と実質的に整合される。電流狭窄部は、例えばＡｌＡｓ層を含み、メサ構造を酸化雰囲気下に置くことでＡｌＡｓ層の側壁から内部に向けて選択的に酸化をさせ、酸化領域（Ａｌ２Ｏ３）と非酸化領域（ＡｌＡｓ）を形成する。メサ構造は、電極部の形状に整合された側面を有すため、選択酸化時において形成される酸化領域（あるいは非酸化領域の開口）も電極部に整合される。従って、電極部によって形成された窓と自己整合された非酸化領域の開口は、フォトマスク等を用いたときのようなアライメント誤差を含むことはなく、これによって、安定的に基本横モードで発振するレーザ光の出力を得ることができる。同時に、従来の課題であって製造プロセスにおけるミスアライメントを防止し、再現性のある表面発光型半導体レーザを容易に提供することができる。
【００２０】
金属部の窓は、前記非酸化領域によって規定される開口よりも大きくすることができる。例えば約１ミクロン大きくすると、レーザ光の出力を比較的大きくすることが可能である。
【００２１】
金属部は、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｗ及びＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　ｔｉｎ　ｏｘｉｄｅ）から選択される１種以上の金属材料を含む。これらの金属を用いることで、金属部と接触される上部半導体多層ミラーの上部半導体層の反射率を適切に低下させることができる。好ましくは、金属と半導体層とを合金化させても良い。
【００２２】
上部半導体多層ミラーはコンタクト層を含んでもよい。あるいは、上部半導体多層ミラー上にコンタクト層を設けても良い。いずれの場合であっても、コンタクト層が、半導体ミラーとして機能すること及びコンタクトとして機能することが可能である。そして、前記金属部がコンタクト層上に形成される。
【００２３】
請求項１１に記載のメサ構造を有する表面発光型半導体レーザは以下の手段を有する。基板と、前記基板上に形成された複数の半導体層であって、前記複数の半導体層は第１導電型の第１の反射鏡、前記第１の反射鏡上の活性領域、一部に酸化領域を含む少なくとも一つの電流狭窄層、および前記活性領域上に第２導電型の第２の反射鏡を含む、前記複数の半導体層と、前記複数の半導体層上に形成されレーザ光の出射窓を備えた電極部とを有し、前記メサ構造は少なくとも前記第２の反射鏡から前記電流狭窄層まで延び、かつ前記メサ構造は前記電極部の形状に応じた形状を有する。
【００２４】
請求項１１の表面発光型半導体レーザによれば、メサ構造がレーザ光の出射窓を備えた電極部の形状に応じた形状を有するため、メサ構造に含まれる電流狭窄層の酸化領域を電極部の出射窓に整合され、両者のアライメント誤差を防止することができ、これによって、レーザ光、例えば基本横モードのレーザ光を安定的に高出力させることが可能となる。
【００２５】
好ましくは、前記複数の半導体層は、前記第２の反射鏡上に不純物濃度の高いコンタクト層を有し、前記電極部が前記コンタクト層に電気的に接続されるようにしても良い。こうすることで直列抵抗を低減し、レーザ発振のしきい値電流を低減することができる。
【００２６】
好ましくは、電極部は、前記コンタクト層にオーミック接続されるようにしても良い。この場合、約３００−４００度の温度でアニーリングし、金属部を合金化させても良い。
【００２７】
好ましくは、前記メサ構造は、前記電極部をマスクに用いて前記複数の半導体層をエッチングすることにより自己整合的に形成される。こうすることで、電流狭窄層の酸化領域（あるいは非酸化領域による開口）は電極部の出射窓に自己整合され、両者のアライメント誤差をなくすことができる。
【００２８】
前記メサ構造は、好ましくは柱状若しくは円柱状のポスト構造である。この場合、電極部は少なくとも円形状の外形あるいは側面を有し、メサ構造はこれに倣った形状となる。これ以外にも、電極部を矩形状にし、これに倣うようにメサ構造を矩形状にしても良い。
【００２９】
請求項１６に記載されたメサ型の表面発光型半導体レーザを製造する方法は以下の手段を有する。基板上に、第１及び第２の半導体ミラー、電流狭窄層、及び活性層を含む複数の半導体層を形成するステップ、前記複数の半導体層上に金属層を形成するステップ、前記金属層を所定形状に加工するステップ、前記金属層をマスクに用いて前記複数の半導体層をエッチングし、少なくとも前記第２の半導体ミラーから前記電流狭窄層まで延びるメサを形成するステップ、及び前記メサを酸素雰囲気下に晒し、前記電流狭窄層の一部に酸化領域を形成するステップとを有する。
【００３０】
請求項１６に記載された製造方法によれば、複数の半導体層上に形成されたパターン化された金属層をマスクにして複数の半導体層をエッチングし、その後メサ内の電流狭窄層の一部を酸化させるようにしたので、電流狭窄部の酸化領域（あるいは非酸化領域）はパターン化された金属層と整合させることができる。つまり、レーザ動作時に光閉じ込め等の重要な役割を果たす金属層と電流狭窄層とが非常に精度よく位置決めされるため、レーザ光、例えば基本横モードのレーザ光、を安定して高出力させることが可能となる。
【００３１】
請求項１９に記載されたメサ型の表面発光型半導体レーザを製造する方法は以下の手段を有する。基板上に、第１及び第２の半導体ミラー、電流狭窄層、及び活性層を含む複数の半導体層を形成するステップ、前記複数の半導体層上に金属層を形成するステップ、前記金属層上に絶縁層を形成するステップ、前記絶縁層および前記金属層を所定形状にパターン形成するステップ、少なくともパターン形成された絶縁層および金属層をマスクに用いて前記複数の半導体層を異方性エッチングし、少なくとも前記第２の半導体ミラーから前記電流狭窄層に至るまでメサを形成するステップ、前記メサを酸素雰囲気下に晒し、前記電流狭窄層の一部に酸化領域を形成するステップとを有する。
【００３２】
請求項１９に記載の製造方法によれば、前記パターン化された絶縁層および金属層をマスクに用いてメサを形成するようなエッチングを行うようにしたので、金属層は絶縁層によって保護され、エッチング時に損傷を受けることがない。このため、金属層を電極として用いる場合に有益である。
【００３３】
好ましくは、前記製造方法は、前記金属層から前記絶縁層を除去する工程と、前記金属層上に第２の金属層を形成する工程を含む。絶縁層は、メサ形成時に金属層の表面をエッチャント等の汚染から保護し、その後に除去される。このため、金属層の表面は極めてクリーンに保たれ、この上に接続される第２の金属層と良好な電気的接続が得られる。
【００３４】
好ましくは、前記金属層及び前記絶縁層は環状のパターンに形成され、該環状のパターン上に第２のパターン化された絶縁層が形成され、第２のパターン化された絶縁層は、前記環状のパターンによって露出された前記複数の半導体層の上面を覆う。第２の絶縁層は、メサ形成時のエッチングにおいて環状パターンによって露出された半導体層を保護する。
【００３５】
また、半導体層を露出させる窓は、レーザ光の出射口を規定し、金属層に接触された複数の半導体層の上面の反射率は窓によって露出された部分の反射率よりも低い。こうすることで、メサの中央から離れた位置において光強度の高い高次横モード発振を抑制することができ、基本横モードのレーザ光を出力させることができる。さらに、電流狭窄層の酸化領域の大きさを金属層の窓に整合させ精度良く制御することで、レーザ光を安定的に出力させることが可能となる。
【００３６】
以上説明したように本発明によれば、上部多層膜反射鏡の上方に置かれる金属部（好ましくは金属部の窓）と電流狭窄部の非酸化領域による開口との中心軸の位置合わせがセルフアラインで実現されるため、高い位置合わせ精度が容易にかつ再現性をもって得られる。したがって高次横モードの抑制が十分に行われ、所望の特性を高い歩留りの表面発光型半導体レーザを得ることが可能となる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１（ａ）は本発明に係る面発光レーザの断面図であり、同図（ｂ）はその平面図である。本実施の形態に係る面発光レーザ１００は、円筒状のメサ構造（あるいはポスト構造、ピラー構造）から成るレーザ素子部１０１を備えた選択酸化型の面発光型半導体レーザである。同図に示す面発光レーザ１００は、レーザ素子部あるいはメサ構造１０１上に塗布される保護膜や、金属コンタクト層から延在されるボンディングパッド部等の記載は省略されている。
【００３８】
１はｎ型のＧａＡｓ基板、２は基板上に形成されたｎ型の下部多層膜反射鏡、３は下部多層膜反射鏡２上に形成された活性領域である。活性領域３は、アンドープのスペーサ層とアンドープの量子井戸層とアンドープの障壁層との複数層の積層体よりなる。４は活性領域３上に形成された電流狭窄部であり、電流狭窄部４は、その中央部に円形状の開口を規定するＡｌＡｓ部４ａとその周囲にＡｌＡｓ酸化物領域４ｂとを含む。酸化物領域４ｂは、電流と光を狭窄しするとともに浮遊容量を低減させる。５は電流狭窄部５上に形成されたｐ型の上部多層膜反射鏡であり、６は上部多層膜反射鏡５上に形成されたｐ型のコンタクト層である。
【００３９】
７は中央にレーザ光の出射窓７ａが形成された環状の第１金属コンタクト層である。出射窓７ａは円形状を有し、この中心は基板に垂直方向にかつメサ構造１０１の中心を延びる光軸とほぼ一致する。上述の電流狭窄部４のＡｌＡｓ部４ａの中心もほぼ光軸と一致する。つまり、ＡｌＡｓ部４ａと出射窓７ａとは互いに整合された位置にある。８はメサ構造の側面およびメサ底部と第１の金属コンタクト層７の上面の一部を覆う層間絶縁膜である。９はｐ側電極としての第２金属コンタクト層であり、第２金属コンタクト層９は層間絶縁膜８を介してメサ構造の側面および第１の金属コンタクト層７の側部と絶縁され、メサ構造の頂部において第１金属コンタクト層７の表面と接続される。１０は基板１の裏面に形成されたｎ側裏面電極である。
【００４０】
ここで、下部多層膜反射鏡２は、ｎ型のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｎ型のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層との複数層積層体よりなるが、各層の厚さはλ／４ｎｒ（但し、λは発振波長、ｎｒは媒質の屈折率）であり、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ混晶比の異なる層を交互に４０．５周期積層してある。ｎ型不純物であるシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は３×１０１８ｃｍ−３である。
【００４１】
上部多層膜反射鏡５は、ｐ型のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｐ型のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層との積層体であるが、各層の厚さはλ／４ｎｒ（但し、λは発振波長、ｎｒは媒質の屈折率）であり、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ混晶比の異なる層を交互に３０周期積層してある。ｐ型不純物である炭素をドーピングした後のキャリア濃度は５×１０１８ｃｍ−３である。上部多層膜反射鏡５の最下層５ａは、後にその一部を酸化して電流狭窄部４とするためＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの代わりにＡｌＡｓ層を用いてある。
【００４２】
図１では省略されているが、レーザ素子の直列抵抗を下げるため、ｐ型の上部多層膜反射鏡５中には、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層との間に、その中間のＧａＡｓ／ＡｌＡｓ混晶比を有する中間層（グレーデッド層）を挿入することができる。
【００４３】
活性領域３は、厚さが８ｎｍのアンドープＡｌ０．１１Ｇａ０．８９Ａｓ層よりなる量子井戸層と厚さが５ｎｍのアンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層よりなる障壁層とを交互に積層した量子井戸構造を含み、波長７８０ｎｍ帯の発光が得られるよう設計されている。活性領域３を構成するスペーサ層はアンドープＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ層であり、その中央部に量子井戸構造を含み、スペーサ層全体の膜厚はλ／ｎｒ（但し、λは発振波長、ｎｒは媒質の屈折率）の整数倍である。
【００４４】
ｐ型のＧａＡｓ層よるなるコンタクト層６は、電流注入のための電極と接する部分であるが、レーザ光の吸収を避けるため、厚さが２０ｎｍの薄い層となっている。ｐ型不純物である亜鉛をドーピングした後のキャリア濃度は１×１０２０ｃｍ−３である。第１金属コンタクト層７は、Ａｕ−Ｚｎを積層した金属である。好ましくは、第１金属コンタクト層７によって覆われたコンタクト層６の部分の反射率が出射窓７ａによって露出された部分の反射率よりも低くされる。光軸から離れた位置での反射率を低下させることで高次横モードの発生を抑制し、基本横モードのレーザ光を安定的に出力させることが可能となる。反射率を低下させる手法は、例えば特開２０００−３３２３５５号に開示されている。
【００４５】
本実施の態様に係る面発光レーザ１００は、メサ構造１０１（あるいはレーザ素子部）の側面１０２が第１金属コンタクト層７の外形形状に整合されている。ここで言うメサ構造の側面とは、層間絶縁膜８を除いたメサ構造の側面である。メサ構造の側面が第１の金属コンタクト層７と整合されているということは、言い換えれば、メサ構造に含まれる、活性領域３、電流狭窄部４、上部多層膜反射鏡５、コンタクト層６および第１コンタクト層７の各側面がそれぞれ一様に整列される。このため、メサ構造における電流狭窄部４の選択酸化が行われるとき、その酸化物領域４ｂの酸化はその側面から開始され、残された非酸化領域であるＡｌＡｓ部４ａの開口は出射窓７ａと整合されたものとなり、両者の中心はほぼメサ構造の中心（光軸）と一致する。
【００４６】
次に本実施の形態に係る面発光レーザの製造方法について図２ないし図５を用いて説明する。半導体基板１上に、下部多層膜反射鏡２、活性領域３、電流狭窄部４、上部多層膜反射鏡５、コンタクト層６が順次積層されたウエハーを成長室から取り出す。図２（ａ）に示すように、基板全面にＡｕ−Ｚｎからなる第１金属コンタクト層７、ＳｉＯＮ層２１を着膜させ、続いて、フォトリソグラフィ技術により内径５〜１０μｍ、外径２０〜３０μｍの環状のフォトレジストを形成する。
【００４７】
レジスト２２をマスクにＳｉＯＮ層２１、つづいてＡｕ−Ｚｎ層７をエッチング除去し、コンタクト層６の中央部およびその周辺部を露出させる（図２（ｂ））。フォトレジスト２２を除去すれば、パターン化されたＡｕ−Ｚｎ（第１金属コンタクト層７）とＳｉＯＮ層（第１のマスキング材料２１）からなる環状のエッチングマスク２３ができあがる。
【００４８】
次にＲＦスパッタリング技術により第２のマスキング材料としてＳｉＮｘ層２４を着膜させる。そして、Ａｕ−Ｚｎ層７とＳｉＯＮ層２１からなる環状のエッチングマスク２３の外径よりも１〜２μｍ小さく、内径よりは十分大きな円形のフォトレジスト２５を形成する（図２（ｃ））。このフォトレジスト２５を用いてＳｉＮｘ層２４をエッチングする（図３（ｄ））。このとき、下地のＳｉＯＮ層２１が一部エッチングされる場合もあるが、完全に除去されない限り以降のプロセスに支障はない。好ましくは、ＳｉＮｘとＳｉＯＮとの間で選択性のあるエッチングを行い、ＳｉＮｘが効果的に除去されるエッチング方法を用いる。フォトレジスト２５を除去すればパターン化されたＡｕ−Ｚｎ層７、ＳｉＯＮ層２１からなる環状エッチングマスク２３にＳｉＮｘ層（第２のマスキング材料２４）が重ねられたエッチングマスク２６ができあがる。
【００４９】
反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）技術により、エッチングマスク２６を用いて半導体層を異方性エッチングする。エッチングにより、図３（ｅ）に示すように、ｐ型のＧａＡｓからなるコンタクト層６、ｐ型のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｐ型のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層との複数層積層体よりなる上部多層膜反射鏡５、電流狭窄部４、活性領域３に至るまでを除去してポスト状の構造物を形成する。なお、エッチングは、下部多層膜反射鏡２の一部までエッチングしても良い。
【００５０】
エッチングにより形成されたメサ構造は、エッチングマスク２６の形状に応じ形状を有する。具体的には、メサ構造の側面１０２は、環状エッチングマスク２３の外形あるいは側面に整合された面を有する。また、第２のマスキング材料２４によりコンタクト層７の中央の露出部がエッチングから保護される。
【００５１】
この後、基板を３５０℃の水蒸気に約２０分間接触させて、いわゆる「ウェット酸化」を実施する。上部多層膜反射鏡５中のＡｌＡｓ層は外周部から一部が酸化され、高抵抗領域４ｂとなり電流狭窄部４として機能し、中央にＡｌＡｓ部４ａの開口が形成される（図３（ｆ））。
【００５２】
ＡｌＡｓ酸化物（高抵抗領域）４ｂによって囲まれたＡｌＡｓ部４ａの開口径は基本横モード発振時の光出力を高める上で重要であり、環状のＡｕ−Ｚｎからなる第１金属コンタクト層７の出射窓７ａに応じて慎重に選択する必要がある。
【００５３】
発振モード間の周回損失差の見積り、および発明者による実験から、第１金属コンタクト層７の出射窓７ａの径が電流狭窄部４のＡｌＡｓ部４ａの開口径と同じか、それよりも１μｍ程度大きい場合に基本横モード発振時の光出力は極大値を示すことが判明している。
【００５４】
但し、両者の各々の径に加え、両者の中心軸が一致していることが重要である。本発明によるセルフアラインプロセスを用いた製造工程はそれを容易に可能とし、これは大きく３つの段階で構成される。
【００５５】
第１の段階：フォトリソグラフィ技術による位置精度がきわめて高いことを利用し、フォトリソグラフィの段階で環状の第１金属コンタクト層７の内径および外径を決定する。
【００５６】
第２段階：第１金属コンタクト層７の外形に相当する部分を第１のマスキング材料であるＳｉＯＮ層２１により保護する。
【００５７】
第３段階：第１金属コンタクト層７の内径に相当する部分を第２のマスキング材料であるＳｉＮｘ層２４で保護した上で、半導体基板をエッチングし、上部多層膜反射鏡５中の最下層に位置するＡｌＡｓ層４を露出させ、熱処理を行い電流狭窄部４を形成する。
【００５８】
つまり、フォトリソグラフィの精度が保たれている第１金属コンタクト層７の外径を基点として電流狭窄部４の開口を画定しているから、両者の中心軸は高い位置決め精度で維持される。
【００５９】
再び図４に戻り、エッチングマスクとして使用したＳｉＯＮ層２１とＳｉＮｘ層２４を除去する。メサの頂部の周囲は、Ａｕ−Ｚｎからなる第１金属コンタクト層７によって覆われ、中央部は出射窓７ａによってコンタクト層６が露出される（図４（ｇ））。
【００６０】
次に、再び基板全面（裏面および側面を除く）にＳｉＯ２を塗布する。これによって、少なくともポスト側面およびポスト底部がＳｉＯ２の層間絶縁膜８によって覆われる（図４（ｈ））。
【００６１】
次に、第１金属コンタクト層７の表面の一部と出射窓７ａが露出するように層間絶縁膜８をエッチング除去する（図４（ｉ））。Ａｕ−Ｚｎからなる第１金属コンタクト層７とコンタクトを取るようにＴｉ／Ａｕを着膜し、これをパターン形成し第２金属コンタクト層９を形成する（図５（ｊ））。第２金属コンタクト層９は、ｐ側電極として機能する。
【００６２】
ＧａＡｓ基板１の裏面に、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕの金属を着膜し、ｎ側裏面電極１０を形成する（図５（ｋ））。そして、窒素と水素からなるフォーミングガス中で基板を約３００℃で５分間の熱処理をし、第１金属コンタクト層７とコンタクト層６とのアロイ化工程を経て、図１に示すような構造の波長７８０ｎｍ帯の高出力面発光レーザを得ることができる。なお、上記アロイ化により第１コンタクト層７と接続されたコンタクト層７の反射率が露出された部分よりも低下される。
【００６３】
上記実施の形態では、環状の第１金属コンタクト層７の開口、電流狭窄部４の開口ともその形状が円形の場合を説明したが、これ以外にも正方形、長方形、楕円形、長円形、菱形といった回転対称の中心点（軸）を定義できる他の形状を用いることが可能であり、その場合でも本発明の効果は有効である。仮に、長方形、楕円、長円形等２回対称（１８０°回転すると原形に復帰する幾何学形態）の平面形状にすると、出射光の偏光面が制御できるという別の効果もある。
【００６４】
さらに実施の形態では、コンタクト層６の材料にはＧａＡｓを使用したが、この材料に限定されるものではなく、例えばＧａＩｎＰを使用することもできる。ＧａＩｎＰはエネルギーバンドギャップがおよそ１．９ｅＶで活性層が発する７８０ｎｍ帯の光に対して透明であるから、ＧａＡｓ層よりなるコンタクト層に比べ不要な光の吸収が生じない分効率が良い。格子定数が半導体基板と近接しており、典型的には格子不整合率が０．１％以下のいわゆる格子整合系材料であって、「活性層より放射される光を透過する」という要件を満たす材料であればよい。
【００６５】
さらに実施の形態では、上部多層膜反射鏡５をｐ型とし、下部多層膜反射鏡２をｎ型としたが、これに限定されることなく、導電型を反対にすることも可能である。一般にｐ型層はｎ型層に比べバンド（禁制帯）不連続に起因する素子抵抗の増大が懸念され、またフリーキャリア（自由電子）による光吸収もｎ型層に比べ多いとされているから、ｐ型の上部多層膜反射鏡５の層数が増えることはレーザ特性を劣化させる要因となり得る。したがってｎ型の下部多層膜反射鏡２に比べｐ型の上部多層膜反射鏡５の層数が少ない本実施の形態は好ましい
【００６６】
出射光を基板裏面から取り出す場合には、上部多層膜反射鏡５の層数を下部多層膜反射鏡２のそれよりも多くして、相対的に高い反射率を持つようにすべきである。さらに別の視点から見れば、素子抵抗は面積に反比例するのでポスト形状に加工される上部多層膜反射鏡５は素子抵抗を増大させる要因となり得る。したがって、同じ面積なら一般にｐ型層よりも導電率の高いｎ型層を上部多層膜反射鏡５としてポスト状に加工するのが好ましい。
【００６７】
さらに、量子井戸活性層を構成する材料として、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系半導体を用いたが、これに限定されることなく、例えば量子井戸活性層にＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系半導体、あるいはＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ系半導体を使用することもできる。これらの量子井戸層からの発光波長はＧａＡｓ基板に対して透明であるから、基板裏面側から出射光を取り出すことが可能であり、工程的利点もある。
【００６８】
さらに、結晶成長方法としてＭＯＣＶＤ法を用いる場合について述べたが、これに限定されることなく、例えば分子線ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法を用いても同様な半導体膜が得られることは言うまでもない。
【００６９】
最後に、ＡｌＧａＡｓ層（ＡｌＡｓ層を含む）の選択酸化の際、加熱する温度が３５０℃の場合について述べたが、これに限定されることなく、最終的な電流通路の大きさが所望の値となるよう制御できる条件であればよい。温度を上げれば酸化速度が増し、短時間で所望の酸化領域を形成することも可能である。
【００７０】
本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る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。なお、上記説明中、コンタクト層６と上部多層膜反射鏡５は機能を分離して別の層として取り扱ったが、コンタクト層６も上部多層膜反射鏡５の一部を構成していることは言うまでもない。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、選択酸化型の面発光レーザ素子においてメサ構造を上部半導体多層ミラー上の金属部に整合させるようにしたので、レーザ素子部の各部の位置決め精度が非常に高くなり、これによって、基本横モード発振における損失を最小限に抑えた上で、高次横モード発振を抑制することが可能となる。このレーザ構造はセルフアラインプロセスにより実現であり、横モードが安定しかつしきい値電流が低く、さらに再現性が高い簡便な製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明の実施の形態に係る表面発光型半導体レーザの断面図であり同図（ｂ）のＸ−Ｘ線断面である。同図（ｂ）はその平面図である。
【図２】図２（ａ）ないし（ｃ）は、図１に示す表面発光型半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図３】図３（ｄ）ないし（ｆ）は、図１に示す表面発光型半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図４】図４（ｇ）ないし（ｉ）は、図１に示す表面発光型半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図５】図５（ｊ）および（ｋ）は、図１に示す表面発光型半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１　　ｎ型ＧａＡｓ基板、　　　　２　　ｎ型下部多層膜反射鏡、
３　　活性領域、　　　　　　　　４　　電流狭窄部、
４ａ　ＡｌＡｓ部　　　　　　　　４ｂ　ＡｌＡｓ酸化物領域、
５　　ｐ型上部多層膜反射鏡、　　６　　ｐ型コンタクト層、
７　　第１金属コンタクト層、　　７ａ　出射窓、
８　　層間絶縁膜、　　　　　　　９　　第２金属コンタクト層、
１０　ｎ側裏面電極、　　　　　　２１：第１のマスキング材料、
２３：環状のエッチングマスク、　２４：第２のマスキング材料、
２６：エッチングマスク、　　　　１００：面発光レーザ、
１０１：メサ構造、　　　　　　　１０２：側面
【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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