(57)【要約】【課題】メサ等の脱落を予防し素子の長寿命化を図った面発光型半導体レーザを提供する。【解決手段】面発光型半導体レーザ１００は、基板１上に形成されたｎ型の下部ＤＢＲ層３と、ｐ型の上部ＤＢＲ層９と、それらのＤＢＲ層の間に配された活性領域７と、選択的に酸化された酸化領域８ｂを含む電流狭窄層８とを有し、メサ構造１０１は、コンタクト層１０、上部ＤＢＲ層９および電流狭窄層８を含み、メサ構造１０１の上面の縁部、側面、メサ底部が層間絶縁膜１３によって覆われ、層間絶縁膜１３の内部応力が１．５×１０９（ｄｙｎｅ／ｃｍ２）以下である。【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面発光型半導体レーザであって、前記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導電型の半導体層を含む第１のミラーと、第２導電型の半導体層を含む第２のミラーと、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に配された活性領域と、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に配され一部に選択的に酸化された領域を含む電流狭窄部とを有し、
前記メサ構造は、少なくとも前記第２のミラーおよび前記電流狭窄部を含み、
前記メサ構造の少なくとも側面が無機絶縁膜によって覆われ、前記無機絶縁膜の内部応力が１．５×１０９（ｄｙｎｅ／ｃｍ２）以下である、面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
基板と、前記基板の第１主面上に形成された第１導電型の分布帰還型の第１の半導体多層膜と、前記第２の半導体多層膜上に形成された活性領域と、前記活性領域上に形成された第２導電型の分布帰還型の第２の半導体多層膜と、前記第１、第２の半導体多層膜の間に配され少なくとも１層のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．９≦ｘ≦１）を含む半導体層の一部を酸化した電流制御層とを有し、少なくとも前記第２の半導体多層膜の上部から前記電流制御層までを含むメサ構造が形成された面発光型半導体レーザ素子において、前記メサ構造の少なくとも上面の一部および側面を無機絶縁膜により覆い、前記無機絶縁膜の内部応力が１．５×１０９（ｄｙｎｅ／ｃｍ２）以下である、面発光型半導体レーザ。
【請求項３】
前記無機絶縁膜は、酸化珪素、窒化珪素および／または酸窒化珪素である、請求項１または２に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項４】
前記無機絶縁膜は、プラズマ支援化学気相成長法により形成される、請求項１ないし３いずれかに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項５】
前記窒化珪素は、モノシランおよびアンモニアに、水素および窒素の希釈ガスを用いて形成され、希釈ガスにおける水素の含有比率がおおよそ５０％である、請求請３または４に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項６】
前記酸窒化珪素は、モノシランに、亜酸化窒素および窒素のガスを用いて形成される、請求項３または４に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項７】
前記無機絶縁膜は、その内部応力が３×１０８（dyne／ｃｍ２）以下である、請求項１ないし６いずれかに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項８】
メサ構造のレーザ素子部を備えた面発光型半導体レーザであって、前記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導電型の半導体層を含む第１のミラーと、第２導電型の半導体層を含む第２のミラーと、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に配された活性領域と、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に配され一部に選択的に酸化された領域を含む電流狭窄部とを有し、
前記メサ構造は、少なくとも前記第２のミラーおよび前記電流狭窄部を含み、
前記メサ構造の少なくとも側面が無機絶縁膜によって覆われ、前記無機絶縁膜は引張応力と圧縮応力とを持つ絶縁膜を積層する、面発光型半導体レーザ。
【請求項９】
基板と、前記基板の第１主面上に形成された第１導電型の分布帰還型の第１の半導体多層膜と、前記第２の半導体多層膜上に形成された活性領域と、前記活性領域上に形成された第２導電型の分布帰還型の第２の半導体多層膜と、前記第１、第２の半導体多層膜の間に配され少なくとも１層のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．９≦ｘ≦１）を含む半導体層の一部を酸化した電流制御層とを有し、少なくとも前記第２の半導体多層膜の上部から前記電流制御層までを含むメサ構造が形成された面発光型半導体レーザ素子において、前記メサ構造の少なくとも上面の一部および側面を無機絶縁膜により覆い、前記無機絶縁膜が引張応力を有する膜と圧縮応力を有する膜を積層する、面発光型半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記無機絶縁膜が、酸化珪素、窒化珪素、および／又は酸窒化珪素である、請求請８または９に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項１１】
前記無機絶縁膜は、内部応力が引張応力を生じる第１の窒化珪素膜と、内部応力が圧縮応力を生じる第２の窒化珪素膜とを含む、請求項８または９に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項１２】
前記第1の窒化珪素膜は、前記第２の窒化珪素膜よりも水素の含有量が少ない、請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項１３】
前記第２の窒化珪素膜は、モノシランとアンモニアの原料ガスに、水素と窒素の希釈ガスを含み、希釈ガスにおける水素の含有比率が６０％以上である、請求項１２に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項１４】
選択酸化型の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および第２の半導体多層ミラー、電流狭窄層、および活性領域を含む複数の半導体層を形成し、
少なくとも前記第２の半導体ミラー層から前記電流狭窄層まで含むメサ構造を形成し、
前記メサ構造の前記電流狭窄層をメサ側面から酸化させ、
前記メサ構造の少なくとも側面を覆い、内部応力が１．５×１０９（ｄｙｎｅ／ｃｍ２）以下の無機絶縁膜を形成する、面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項１５】
選択酸化型の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および第２の半導体多層ミラー、電流狭窄層、および活性領域を含む複数の半導体層を形成し、
少なくとも前記第２の半導体ミラー層から前記電流狭窄層まで含むメサ構造を形成し、
前記メサ構造の前記電流狭窄層をメサ側面から酸化させ、
前記メサ構造の少なくとも側面を覆い、引張応力を有する第１の膜と圧縮応力を有する第２の膜とを積層した無機絶縁膜を形成する、面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項１６】
前記無機絶縁膜は、酸化珪素、窒化珪素および／または酸窒化珪素である、請求項１４または１５に記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項１７】
前記無機絶縁膜は、プラズマ支援化学気相成長法により形成される、請求項１４ないし１６いずれかに記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項１８】
前記窒化珪素は、モノシランおよびアンモニアに、水素および窒素の希釈ガスを用いて形成される、請求請１４ないし１７いずれかに記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項１９】
前記希釈ガスにおける水素の含有比率がおおよそ５０％である、請求項１８に記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項２０】
前記酸窒化珪素は、モノシランに、亜酸化窒素および窒素のガスを用いて形成される、請求項１６または１７に記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項２１】
前記無機絶縁膜は、内部応力が引張応力を生じる第１の窒化珪素膜と、内部応力が圧縮応力を生じる第２の窒化珪素膜とを含む、請求項１５ないし２０いずれかに記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項２２】
前記第１の窒化珪素膜は、前記第２の窒化珪素膜よりも水素の含有量が少ない、請求項２１に記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
【請求項２３】
前記第２の窒化珪素膜は、モノシランとアンモニアの原料ガスに、水素と窒素の希釈ガスを含み、希釈ガスにおける水素の含有比率が６０％以上である、請求項２２に記載の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、面発光型半導体レーザ素子およびその製造方法に関し、特にメサ構造を有する選択酸化型面発光型半導体レーザおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信や光記録等の技術分野において、光源の二次元アレイ化が容易で、かつそのしきい値電流や消費電力が小さいという利点を有する、面発光型半導体レーザ（垂直共振器型表面発光レーザ；Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode）への需要が増加している。
【０００３】
本出願人は、特許文献１において、面発光型半導体レーザ素子の寿命を長くし、その光出力を均一にする技術を開示している。その技術によれば、メサ構造を有する選択酸化型の面発光型半導体レーザにおいて、メサ構造の上面の縁部および側面を酸化珪素や窒化珪素等の無機絶縁膜（層間絶縁膜）により覆うことで、メサの脱落を防止し、レーザ素子の寿命を長くしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３４０５６５号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の特許文献１に示す素子構造では、依然として以下の課題が存在することが判明した。特許文献１に示すように、メサ構造の上面および側壁を覆う無機絶縁膜（層間絶縁膜）は、プラズマ支援化学気相成長法（ＰＣＶＤ）により作製される。このときの成膜条件は、例えば、基板温度を約２５０度、高周波電力を１００Ｗ、圧力を２６．６Ｐａにし、原料ガスとしてモノシラン３５ｃｃｍ、アンモニア２４０ｃｃｍを供給し、約８００ｎｍの窒化珪素膜を着膜させている。この方法により着膜された窒化珪素膜の内部応力をニュートンリングを用いて測定すると、引張応力で３×１０９（ｄｙｎｅ／ｃｍ２）以上の大きさになってしまう。内部応力は、メサ構造を構成する酸化制御層（電流狭窄層）や活性領域に印加する応力であり、無機絶縁膜（層間絶縁膜）に一定以上の内部応力が存在したり、そこに大きな歪が生じていると、酸化制御膜や活性領域の品質を劣化させたり、無機絶縁膜の強度が比較的短時間で劣化したりするため、その結果、メサ構造が基板から脱落したり、層間絶縁膜とその上に形成された金属配線が基板から浮き上がって断線が生じるというおそれがあり、半導体レーザ素子の寿命に悪影響を及ぼしてしまう。
【０００６】
そこで本発明は上記従来の課題を解決し、メサを覆う層間絶縁膜の内部応力を低減し素子の長寿命化を図った面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
さらに本発明は、長寿命および高信頼性の面発光型半導体レーザの製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の、メサ構造のレーザ素子部を備えた面発光型半導体レーザは、以下の構成を有する。基板と、該基板上に形成された第１導電型の半導体層を含む第１のミラーと、第２導電型の半導体層を含む第２のミラーと、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に配された活性領域と、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に配された選択的に酸化された領域を含む電流狭窄部とを有し、前記メサ構造は、少なくとも前記第２のミラーおよび前記電流狭窄部を含み、前記メサ構造の少なくとも側面が無機絶縁膜によって覆われ、無機絶縁膜の内部応力が１．５×１０９（ｄｙｎｅ／ｃｍ２）以下である。
【０００８】
請求項２に記載の面発光型半導体レーザは、基板と、前記基板の第１主面上に形成された第１導電型の分布帰還型の第１の半導体多層膜と、前記第２の半導体多層膜上に形成された活性領域と、前記活性領域上に形成された第２導電型の分布帰還型の第２の半導体多層膜と、前記活性領域に近接した少なくとも１層のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．９≦ｘ≦１）を含む半導体層の一部を酸化した電流制御層とを有し、少なくとも前記第２の半導体多層膜の上部から前記電流制御層までを含むメサ構造が形成され、前記メサ構造の上面および側面を無機絶縁膜により覆い、前記無機絶縁膜の内部応力が１．５×１０９（ｄｙｎｅ／ｃｍ２）以下である。
【０００９】
請求項１および２の面発光型半導体レーザによれば、無機絶縁膜の内部応力を従来と比較して小さな値とすることで、無機絶縁膜に生じる歪が低減され、無機絶縁膜の機械的強度が短時間で劣化するのを防止することができる。これにより、無機絶縁膜によって基板上に機械的に補強されたレーザ素子部であるメサ構造の劣化、変形、損傷等を予防し、それに伴いメサ構造から出射されるレーザ光の出力を長期間安定化させることができ、面発光型半導体レーザの信頼性を向上させることができる。電流狭窄部は、好ましくはＡｌを含む半導体層である。また、請求項２に記載のように、電流制御層（電流狭窄層あるいは酸化制御層）は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．９≦ｘ≦１）であり、好ましくはｘは０．９５以上であり、Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓを用いることができる。勿論、ｘが１であってもよく、その場合はＡｌＡｓ層である。
【００１０】
無機絶縁膜は、酸化珪素、窒化珪素および／または酸窒化珪素を用いることが可能であり、これらは好ましくはプラズマ支援化学気相成長法により形成される。好ましくは、窒化珪素は、モノシランおよびアンモニアに、水素および窒素の希釈ガスを用いて形成され、希釈ガスにおける水素の含有比率がおおよそ５０％である。希釈ガスである窒素および水素を混入させることで、内部応力を低減することができ、窒素と水素の比率を変更することで内部応力の値を制御することができる。また、酸窒化珪素により無機絶縁膜を形成する場合には、モノシランに、亜酸化窒素および窒素のガスを用いることが望ましい。
【００１１】
無機絶縁膜は、より好ましくは、内部応力が３×１０８（dyne／ｃｍ２）以下である。この程度に軽減された内部応力になると、レーザ素子の加速試験を行った結果からメサ構造の寿命がより向上されることが判明している。なお、無機絶縁膜の内部応力は、無機絶縁膜の変形量をニュートンリングを用いて測定することにより求めることが可能である（これについては後述する）。
【００１２】
請求項８に記載の、メサ構造のレーザ素子部を備えた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導電型の半導体層を含む第１のミラーと、第２導電型の半導体層を含む第２のミラーと、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に配された活性領域と、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に配された選択的に酸化された領域を含む電流狭窄部とを有し、前記メサ構造は、少なくとも前記第２のミラーおよび前記電流狭窄部を含み、前記メサ構造の少なくとも側面が無機絶縁膜によって覆われ、前記無機絶縁膜は引張応力と圧縮応力とを持つ絶縁膜を積層するものである。
【００１３】
請求項９に記載の面発光型半導体レーザは、基板と、前記基板の第１主面上に形成された第１導電型の分布帰還型の第１の半導体多層膜と、前記第２の半導体多層膜上に形成された活性領域と、前記活性領域上に形成された第２導電型の分布帰還型の第２の半導体多層膜と、前記活性領域に近接した少なくとも１層のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．９≦ｘ≦１）を含む半導体層の一部を酸化した電流制御層とを有し、少なくとも前記第２の半導体多層膜の上部から前記電流制御層までを含むメサ構造が形成され、前記メサ構造の上面および側面を、それぞれ引張応力と圧縮応力の内部応力をもつ無機絶縁膜を積層するものである。
【００１４】
請求項８および９に記載の面発光型半導体レーザによれば、その無機絶縁膜が引張応力を有する膜と圧縮応力を有する膜とを含んで構成されるため、無機絶縁膜の全体の内部応力を低減することができ、その結果、無機絶縁膜の強度を維持し、レーザ素子部であるメサ構造を安定的に動作させることができる。
【００１５】
無機絶縁膜としては、引張応力を有する膜と圧縮応力を有する膜とを交互に配置させ、これらを少なくとも一組有するものである。無機絶縁膜は、酸化珪素、窒化珪素、および／又は酸窒化珪素を用いることが望ましく、これらの膜はプラズマ支援化学気相成長法により形成される。
【００１６】
好ましくは無機絶縁膜は、内部応力が引張応力を生じる第１の窒化珪素膜と、内部応力が圧縮応力を生じる第２の窒化珪素膜とを含むものであり、第1の窒化珪素膜は、前記第２の窒化珪素膜よりも水素の含有量が少ない。窒化珪素膜に含まれる水素の含有量を調整することで、内部応力の値を制御することができ、水素が多く含まれると内部応力が圧縮応力となる。第２の窒化珪素膜は、モノシランとアンモニアの原料ガスに、水素と窒素の希釈ガスを含み、希釈ガスにおける水素の含有比率が６０％以上であることが望ましい。
【００１７】
請求項１４に記載の、選択酸化型の面発光型半導体レーザを製造する方法は以下のステップを有する。基板上に、第１および第２の半導体多層ミラー、電流制御層、および活性層を含む複数の半導体層を形成するステップと、少なくとも第２の半導体ミラー層から電流制御層まで含むメサ構造を形成するステップと、メサ構造の電流制御層をメサ側面から酸化させるステップと、メサ構造の少なくとも側面を覆い、内部応力が１．５×１０９（ｄｙｎｅ／ｃｍ２）以下の無機絶縁膜を形成するステップとを含む。無機絶縁膜の歪を小さくすることでメサ構造の経時変化を抑制し、レーザ光の出力を長期間安定的に動作させることができる。
【００１８】
好ましくは無機絶縁膜は、酸化珪素、窒化珪素および／または酸窒化珪素であり、これらの膜はプラズマ支援化学気相成長法により形成される。窒化珪素の場合、モノシランおよびアンモニアに、水素および窒素の希釈ガスを用いて形成されることが望ましい。希釈ガスにおける水素の含有比率がおおよそ５０％である。あるいは酸窒化珪素の場合には、モノシランに、亜酸化窒素および窒素のガスを用いて形成されることが望ましい。
【００１９】
請求項１５に記載の選択酸化型の面発光型半導体レーザを製造する方法は以下のステップを有する。基板上に、第１および第２の半導体多層ミラー、電流制御層、および活性層を含む複数の半導体層を形成するステップと、少なくとも前記第２の半導体ミラー層から前記電流制御層まで含むメサ構造を形成するステップと、前記メサ構造の前記電流制御層をメサ側面から酸化させるステップと、前記メサ構造の少なくとも側面を覆い、引張応力を有する第１の膜と圧縮応力を有する第２の膜とを積層した無機絶縁膜を形成するステップとを有する。メサ構造を覆う無機絶縁膜が引張応力と圧縮応力を有することで、無機絶縁膜の全体の内部応力が第１、第２の膜によりバランスされることで低減され、結果として長寿命の安定動作が可能な面発光型半導体レーザを提供することができる。
【００２０】
好ましくは第１、第２の膜は、プラズマ支援化学気相成長法により形成される窒化珪素膜であり、前記第２の膜は、モノシランおよびアンモニアを原料に、水素および窒素の希釈ガスを含み、前記希釈ガスにおける水素の含有比率が６０％以上である。
【００２１】
【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は本発明に係る面発光レーザの断面図である。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。
【００２２】
同図において、１はｎ型のＧａＡｓ基板、２は基板上に形成されたｎ型ＧａＡｓバッファ層、３はｎ型の下部ＤＢＲ(Distributed Bragg Reflector)層、７は下部ＤＢＲ層３上に形成された活性領域である。活性領域７は、アンドープの下部スペーサ層４とアンドープの量子井戸層５とアンドープの上部スペーサ層６の積層体よりなる。８は活性領域７上に形成された電流狭窄層であり、電流狭窄層８は、その中央部に円形状の開口を規定するｐ型のＡｌＡｓ部８ａとその周囲にＡｌＡｓ酸化物領域８ｂとを含む。酸化物領域８ｂは、そこを通る電流と光を狭窄するものである。９は電流狭窄層８上に形成されたｐ型の上部ＤＢＲ層、１０は上部ＤＢＲ層上に形成されたｐ型のコンタクト層、１１はコンタクト層１０上に形成され出射窓１１ａを規定する環状のｐ側コンタクト電極、１２はコンタクト電極１１上に形成された出射保護膜、１３はメサ構造の上面の縁部、側面およびメサ底部を覆う層間絶縁膜、１４は層間絶縁膜１３上に形成されコンタクトホール１３ａを介してコンタクト電極１１に接続されたｐ側配線電極、１５は基板裏面に形成されたｎ側電極である。
【００２３】
出射窓１１ａ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。上述の電流狭窄層８のｐ型のＡｌＡｓ部８ａの中心もほぼ光軸と一致する。つまり、ｐ型のＡｌＡｓ部８ａと出射窓１１ａとは互いに整合された位置にある。
【００２４】
本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ１００は、従来のものと異なり層間絶縁膜１３の内部応力を低減するものである。層間絶縁膜１３の製造方法については後述するが、本例ではその内部応力を１．５×１０９（ｄｙｎｅ／ｃｍ２）以下にすることで層間絶縁膜１３の歪を小さくし、層間絶縁膜１３の機械的強度を改善し、メサ構造の脱落等を予防するものである。
【００２５】
次に、図１に示す面発光型半導体レーザの製造方法について図２ないし図５を参照して説明する。
Ａ：エピ膜の作製
ＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法等により基板１上に複数の半導体膜を積層する。図２（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板1上にｎ型ＧａＡｓバッファ層２と下部ＤＢＲ層３と、アンドープのＡｌ0.6Ｇ0.4Ａｓからなる下部スペーサ層４、アンドープのＧａＡｓ量子井戸層およびアンドープのＡｌ0.3Ｇ0.7Ａｓ障壁層からなる量子井戸活性層５、ならびにアンドープのＡｌ0.6Ｇ0.4Ａｓからなる上部スペーサ層６を含む活性領域７と、上部ＤＢＲ層９とｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０とを順次積層する。
【００２６】
下部ＤＢＲ層３は、ｎ型のＡｌ0.9Ｇ0.1Ａｓとｎ型のＡｌ0.15Ｇ0.85Ａｓとを各々厚さλ／（４ｎｒ）（λ：発振波長、ｎｒ：媒質の屈折率）ずつ交互に３５．５周期積層する。シリコンをドーパントとしたキャリア濃度は、２×１０１８ｃｍ−３である。他方、上部ＤＢＲ層９は、ｐ型のＡｌ0.9Ｇ0.1Ａｓとｐ型のＡｌ0.15Ｇ0.85Ａｓとを各々厚さλ／（４ｎｒ）（λ：発振波長、ｎｒ：媒質の屈折率）ずつ交互に23周期積層して形成し、カーボンをドーパントとしたキャリア濃度は、２×１０１８ｃｍ−３である。
【００２７】
上部ＤＢＲ層９内の最下層にはｐ型のＡｌ0.9Ｇ0.1Ａｓの代わりにコントロール層としてのｐ型のＡｌＡｓ層８を形成している。ＡｌＡｓ層８は、厚さλ／（４ｎｒ）で、カーボンをドーパントとしたキャリア濃度は２×１０１８ｃｍ−３である。なお、素子の直列抵抗を下げるため、下部ＤＢＲ層３と上部ＤＢＲ層８のＡｌ0.9Ｇ0.1Ａｓ層とＡｌ0.15Ｇ0.85Ａｓ層との間には、その中間のアルミ組成比を有する遷移領域を形成するようにしても良い。p型のＧａＡｓコンタクト層１０の膜厚は２０ｎｍでキャリア濃度は１×１０２０ｍ−３である。
【００２８】
Ｂ：p側コンタクト電極の形成
図２（ｂ）に示すように、エピタキシャル膜が形成された基板上に、通常のフォトリソグラフィーによりレジストをパターニングし、ｐ型電極の材料を蒸着後、リフトオフにより所定の位置にp側コンタクト電極１１を形成した。ｐ側コンタクト電極１１は環状であり、その内径がレーザ光の出射窓１１ａを規定する。電極材料として、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｉｎ、ＷおよびＩＴＯから選択される１種類以上の金属材料を用いることができる。
【００２９】
Ｃ：出射保護膜の着膜
図２（ｃ）に示すように、ｐ側コンタクト電極１１を含むコンタクト層１０上に、ＰＣＶＤ（プラズマ支援化学気相成長法）により出射保護膜１２を形成する。出射保護膜１２として酸窒化珪素膜を２５０ｎｍ着膜する。このときのＰＣＶＤの条件は、次の通りである。
基板温度：２５０度
原料ガス：モノシラン  ２５ｃｃｍ、亜酸化窒素  ２００ｃｃｍ、窒素  １００ｃｃｍ
高周波電力：２００Ｗ
圧力：２６．６Ｐａ
【００３０】
Ｄ：出射保護膜のパターニング
図３（ｄ）に示すように、通常のフォトリソグラフィーによりレジストをパターニングし、レジストによって覆われていない領域の出射保護膜１２を取り除く。そして、レジストを剥離し、パターンニングされた出射保護膜１２をコンタクト電極１１上に形成する。
【００３１】
Ｅ：メサ形成用マスクの着膜
図３（ｅ）に示すように、コンタクト電極１１および出射保護膜１２を含むコンタクト層１０上に、ＰＣＶＤによりメサ形成用のマスク１６として窒化珪素膜を８２０ｎｍ着膜させる。このときの条件は次の通りである。
基板温度：３００度
原料ガス：モノシラン  ３５ｃｃｍ、アンモニア  １０５ｃｃｍ、水素  １７５ｃｃｍ、窒素  １７５ｃｃｍ
高周波電力：８００Ｗ
圧力：５６．５Ｐａ
【００３２】
Ｆメサ形成用マスクのパターニング
図３（ｆ）に示すように、フォトリソグラフィーによりレジストをパターニングし、レジストによって覆われていないメサ形成用マスク１６を取り除き、メサ形成用マスク１６を所定形状に加工する。
【００３３】
Ｇ：メサの形成
図４（ｇ）に示すように、メサ形成用マスク１６をエッチングマスクとして、下部ＤＢＲ層３の一部が露出されるまで、三塩化ホウ素および塩素を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により半導体層をエッチングし、メサ構造を形成する。
【００３４】
Ｈ：選択酸化領域の形成
図４（ｈ）に示すように、水蒸気を導入したウエット酸化炉を使用して、ＡｌＡｓ層８を３６０℃で加熱することで、ＡｌＡｓ層８がメサ構造の側面から一部を選択的に酸化され、酸化物領域８ｂが形成される。
【００３５】
Ｉ：層間絶縁膜の形成
図４（ｉ）に示すように、メサ構造の上面、側面およびメサ底部を覆うように層間絶縁膜１３を形成する。本実施の態様では、層間絶縁膜１３の内部応力を低減させるために、以下のＰＣＶＤの条件により窒化珪素膜を８００ｎｍ着膜させる。
【００３６】
2004200211.tif 000003
（なお基板温度が３００度のとき、ＰＣＶＤのヒーター温度は約４００度である）
【００３７】
このような条件で形成された窒化珪素膜１３は、内部応力が３×１０８(ｄｙｎｅ／ｃｍ２)となり、従来の窒化珪素膜の内部応力、３×１０９(ｄｙｎｅ／ｃｍ２)と比較して１オーダー近く内部応力が低減される。これは、原料ガスに、水素および窒素を加えることで、過剰な水素および窒素が窒化珪素膜に混入し、それによって内部応力が低減されたものである。
【００３８】
原料ガスに加えられる希釈ガスの水素と窒素の比率を変えることにより内部応力を所望の大きさに制御することが判明した。図６に水素と窒素の比率と内部応力との関係を示す。横軸は、水素の含有比率（水素および窒素を含む希釈ガスにおける水素が占める割合）を示し、縦軸はそのときの内部応力を示す。なお、縦軸において“０．０Ｅ＋００”は内部応力がゼロであり、それより上に向かうと内部応力が引張応力であることを示し、それより下に向かう（“−”が付く）と内部応力が圧縮応力であることを示している。水素の含有比率が５０％のとき、窒化珪素膜の内部応力は上述したように、３×１０８(ｄｙｎｅ／ｃｍ２)であるが、水素の含有比率が増加するにつれて内部応力は圧縮応力になりその値が増加する。例えば、水素の含有比率が８０％になると、３×１０９(ｄｙｎｅ／ｃｍ２)の圧縮応力となる。他方、水素の含有比率が減少するにつれて内部応力は引張応力となりその値が増加する。
【００３９】
Ｊ：コンタクト領域の形成
図５（ｊ）に示すように、フォトリソグラフィーによりレジストをパターニングし、エッチングに選択性のある原料ガス（ＳＦ６＋Ｏ２）を使用したドライエッチングにより層間絶縁膜１３を除去し、出射保護膜１２の全面を露出させるとともに、メサ形成用マスク１６の一部を除去し、p側コンタクト電極１１の一部を露出させるコンタクトホール１３ａを形成する。その後、レジストを剥離する。
【００４０】
Ｋ：配線電極の形成
図５（ｋ）に示すように、フォトリソグラフィーによりレジストをパターニングし、次いで配線電極の材料（例えばＴｉ／Ａｕの積層金属）を蒸着後、リフトオフにより所定の位置に配線電極１４を形成する。配線電極１４は、メサの上面の中央部においてコンタクト電極１１によって規制される出射窓１１ａよりも一回り大きいサイズに削除され、かつ、コンタクトホール１３ａを介してコンタクト電極１１に接続される。
【００４１】
Ｌ：裏面研磨
研磨装置を使用して、n型ＧａＡｓ基板１の裏面側から厚さ２００ｍｍまで基板を研磨する。
【００４２】
Ｍ：ｎ側電極の形成
図５(ｌ)に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面にｎ側電極の材料を蒸着することでｎ側電極１５を形成する。電極の材料は、例えばＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕの金属を用いることができる。
【００４３】
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る面発光型半導体レーザは、その層間絶縁膜の構成および出射保護膜上に層間絶縁膜が残っていることを第１の実施の態様と異にする。また、第１の実施の形態では、メサ形成用マスクの着膜工程（図３（ｅ）に示す工程）において、マスクとしての窒化珪素膜の原料ガスにアンモニアを含んでいるが、第２の実施の形態では、原料ガスにアンモニアを用いないでマスク用の窒化珪素膜を着膜させることを異にし、これら以外の構成は第１の実施の形態のときと同様である。
【００４４】
図４(ｉ)に示すステップにおいて、層間絶縁膜１３がメサおよびメサ底部を含む領域上に形成される。層間絶縁膜１３として酸窒化珪素膜８００ｎｍがＰＣＶＤにより、以下の条件で着膜される。
【００４５】
2004200211.tif 000004
（なお基板温度が２５０度のとき、ＰＣＶＤのヒーター温度は約３４０度である）
【００４６】
このような条件により形成された酸窒化珪素膜は、内部応力が圧縮応力であり、その応力は、４×１０８（ｄｙｎｅ／ｃｍ２）である。
【００４７】
酸窒化珪素膜が形成された後、フォトリソグラフィーによりレジストをパターニングし、原料ガスにＣＨＦ３＋Ｏ２を使用したドライエッチングによりp型コンタクト電極１１の一部の領域の無機絶縁膜（メサ形成用マスク膜１６および層間膜１３である窒化珪素膜）を除去し、出射保護膜１２の上の層間絶縁膜は残っている状態でコンタクトホール１３ａを形成する。
【００４８】
次に本発明の第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態に係る面発光型半導体レーザは、層間絶縁膜の構成を除き他の構成は第１の実施の形態と同様である。
【００４９】
第３の実施の形態では、図４（ｉ）のステップにおいて層間絶縁膜として引張応力と圧縮応力の複数の窒化珪素膜を積層する。
引張応力を有する窒化珪素膜は以下の条件にて４００ｎｍの膜厚に形成される。このときの引張応力は、３×１０９（ｄｙｎｅ／ｃｍ２）である。
2004200211.tif 000005
【００５０】
圧縮応力を有する窒化珪素膜は以下の条件で４００ｎｍの膜厚に形成される。このときの圧縮応力は、３×１０９（ｄｙｎｅ／ｃｍ２）
2004200211.tif 000006
こうして引張応力を有する膜と圧縮応力を有する膜を積層させることで、絶縁膜全体の応力を極力低減させることで、層間絶縁膜の機械的強度を改善することができる。積層される膜数は、２層のみならずそれ以上であっても良いし、さらに希釈ガスにおける水素の含有比率を適宜調整することで、圧縮応力と引張応力の値を変更することが可能である。
【００５１】
層間絶縁膜の形成後、フォトリソグラフィーによりレジストをパターニングし、エッチングに選択性のある原料ガス（ＳＦ６＋Ｏ２）を使用したドライエッチングにより出射保護膜１２全ておよびｐ型コンタクト電極１１の一部の領域の無機絶縁膜１３（メサ形成用マスク膜１６および層間絶縁膜１３である窒化珪素膜）を除去し、その後レジストを剥離する。
【００５２】
図７に加速試験をしたときの層間絶縁膜の内部応力と信頼性との関係を示す。加速試験として面発光型半導体レーザまたはそれを搭載した基板を、１００℃の温度下で９ｍＡの電流を流したときの面発光型半導体レーザの経時変化を表すもので、縦軸はメサ構造の相対強度を示し、横軸は時間を示す。相対強度とは、メサから出射されるレーザ光の出力の相対的な変化を示し、相対強度が“１（１００％）”であることはレーザ光の出力に変化が無いことを意味し、相対強度が小さくなることはレーザ光の出力が低下することを意味する。図中、黒丸のドットは層間絶縁膜の内部応力が４×１０９（ｄｙｎｅ／ｃｍ２）である場合、白三角のドットは内部応力が３×１０９（ｄｙｎｅ／ｃｍ２）である場合、白い四角のドットは内部応力が１．５×１０９（ｄｙｎｅ／ｃｍ２）、黒い菱形のドットは内部応力が３×１０８（ｄｙｎｅ／ｃｍ２）の場合である。図からも明らかなように、内部応力が１．５×１０９（ｄｙｎｅ／ｃｍ２）よりも大きくなると（丸のドットおよび三角のドット）、その相対強度の低下が著しく、面発光型半導体レーザとしての信頼性が悪化してしまう。内部応力が１．５×１０９（ｄｙｎｅ／ｃｍ２）以下であれば、その相対強度はそれほど低下せず、面発光型半導体レーザの信頼性を維持することができる。
【００５３】
次に、上記実施の態様における層間絶縁膜の応力の測定方法について説明する。
内部応力の測定は、ニュートン環法を用いる。これは、フラットネステスターを使用し、光学的に平滑な面上に円形基板を載せ、その面に垂直方向に光を照射したとき、基板面と平滑な面との間の光の干渉で生じるニュートンリングを観測し、そこから基板のそり量を測定し、そり量から内部応力を求めるものである。
【００５４】
具体的な手順として、面発光型半導体レーザが形成される素子形成用基板とは別に測定用基板を用意し、この測定用基板のそり量（ｈ１）をニュートンリングにより測定する。次いで、素子形成用基板と測定用基板とを同一環境に配し、素子形成用基板のメサ構造上に層間絶縁膜を形成するとき（図４（ｉ）の工程）、これと同一のプロセス条件で層間絶縁膜を測定用基板の表面に形成する。層間絶縁膜が形成された測定用基板を再度ニュートンリング法によりそり量（ｈ２）を測定する。
【００５５】
そり量（ｈ１）とそり量（ｈ２）との変化量（Δｈ）から、内部応力σを次式より求めることができる。
【００５６】
2004200211.tif 000007
σ：内部応力
Ｅ：基板のヤング率
ｄ：基板の厚さ
Δｈ：層間絶縁膜の着膜により基板のそりの変化量
ν：基板のポアソン比
ｒ：基板の半径
ｄ：層間絶縁膜の厚さ
【００５７】
以上説明したように本実施の形態では、面発光型半導体レーザのメサ構造を覆う層間絶縁膜の内部応力を従来のものより小さくすることで、層間絶縁膜の機械的強度を維持し、メサ構造の基板からの脱落等を防止し、信頼性および長寿命のレーザ素子を得ることができる。
【００５８】
以上、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。例えば、半導体基板は、他の基板を用いることも可能であるし、絶縁基板を用いてもよい。絶縁基板を用いた場合には、ｎ側電極は基板上に積層されたｎ型の下部ＤＢＲ層の一部と電気的コンタクトされる。また、電流狭窄層は、ＡｌＡｓ層に限らず、ＡｌＧａＡｓ層を用いても良いし、その他のＤＢＲ層、コンタクト層、金属配線は、上記実施態様以外の材質を用いることも勿論可能である。メサ構造の形状は、円筒状に限らず、その他の角形状、楕円状等であってもよい。また、出射窓およびコンタクト電極の形状も、円形状に限らず、その他の楕円、矩形、正方形等の形状であっても良い。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、メサ構造のレーザ素子部を備えた面発光型半導体レーザにおいて、メサ構造の少なくとも側面が無機絶縁膜によって覆われ、無機絶縁膜の内部応力が１．５×１０９（ｄｙｎｅ／ｃｍ２）以下であるようにしたことにより、従来と比較して、無機絶縁膜に生じる歪が低減され、無機絶縁膜の機械的強度が短時間で劣化するのを防止することができる。このため、無機絶縁膜によって基板上に機械的に補強されたレーザ素子部であるメサ構造の劣化、変形、損傷等を予防し、それに伴いメサ構造から出射されるレーザ光の出力を長期間安定化させることができ、面発光型半導体レーザの信頼性を向上させることができる。
【００６０】
さらにメサ構造のレーザ素子部を備えた面発光型半導体レーザにおいて、メサ構造の少なくとも側面が無機絶縁膜によって覆われ無機絶縁膜が引張応力と圧縮応力とを持つ絶縁膜を積層するようにしたので、無機絶縁膜の全体の内部応力を低減することができ、その結果、無機絶縁膜の強度を維持し、レーザ素子部であるメサ構造を安定的に動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザの断面構造を示す図である。
【図２】図２（ａ）ないし（ｃ）は、第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザの製造工程を示す図である。
【図３】図３（ｄ）ないし（ｆ）は、第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザの製造工程を示す図である。
【図４】図４（ｇ）ないし（ｉ）は、第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザの製造工程を示す図である。
【図５】図５（ｊ）ないし（ｌ）は、第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザの製造工程を示す図である。
【図６】水素窒素混合希釈ガスにおける水素含有比率と応力との関係を示す図である。
【図７】加速試験をしたときの層間絶縁膜の内部応力と信頼性との関係を示す図である。
【符号の説明】
１：ｎ型ＧａＡｓ基板、２：バッファ層、３下部ＤＢＲ層、４：下部スペーサ層、５：量子井戸層、６：上部スペーサ層、７：活性領域、８：電流狭窄層、８ａ：ＡｌＡｓ領域、８ｂ：酸化領域、９：上部ＤＢＲ層、１０：ｐ型コンタクト層、１１：コンタクト電極、１１ａ：出射窓、１２：出射窓保護膜、１３：層間絶縁膜、１４：配線電極、１５：ｎ側電極
【図１】
2004200211.tif 000008
【図２】
2004200211.tif 000009
【図３】
2004200211.tif 000010
【図４】
2004200211.tif 000011
【図５】
2004200211.tif 000012
【図６】
2004200211.tif 000013
【図７】
2004200211.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成15年7月29日(2003.7.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
Ｌ：裏面研磨
研磨装置を使用して、n型ＧａＡｓ基板１の裏面側から厚さ２００μｍまで基板を研磨する。


【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る面発光型半導体レーザは、その層間絶縁膜の構成および出射保護膜上に層間絶縁膜が残っていることを第１の実施の態様と異にする。また、第１の実施の形態では、メサ形成用マスクの着膜工程（図３（ｅ）に示す工程）において、マスクとして窒化珪素膜を使用しているが、第２の実施の形態では、酸窒化珪素膜を着膜させることを異にし、これら以外の構成は第１の実施の形態のときと同様である。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
このような条件により形成された酸窒化珪素膜は、内部応力が圧縮応力であり、その応力は、３×１０８（ｄｙｎｅ／ｃｍ２）である。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
酸窒化珪素膜が形成された後、フォトリソグラフィーによりレジストをパターニングし、原料ガスにＣＨＦ３＋Ｏ２を使用したドライエッチングによりp型コンタクト電極１１の一部の領域の無機絶縁膜（メサ形成用マスク膜１６および層間膜１３である酸窒化珪素膜）を除去し、出射保護膜１２の上の層間絶縁膜は残っている状態でコンタクトホール１３ａを形成する。