(57)【要約】【課題】  酸化工程の制御性を高め、加工の均一性及び歩留まりを向上させる。【解決手段】  ＡｌＡｓ層１５の酸化させる領域へマスク層１８のパターンに従ってレーザ光を照射し、レーザ光照射部と非照射部に生じる反応性の違いを利用して酸化速度に差をつけ、レーザ光照射境界において酸化を自己停止させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に下部多層膜反射鏡、発光層、酸化領域と該酸化領域によって囲まれた非酸化領域とを有するＡｌ含有層、上部多層膜反射鏡が順次形成された面発光半導体レーザにおいて、
前記Ａｌ含有層は、それぞれが酸化領域で囲まれた複数の独立した非酸化領域を有することを特徴とする面発光半導体レーザ。
【請求項２】
請求項１記載の面発光半導体レーザにおいて、前記複数の独立した非酸化領域はほぼ同じ形状を有することを特徴とする面発光半導体レーザ。
【請求項３】
請求項１記載の面発光半導体レーザにおいて、前記複数の独立した非酸化領域は２次元アレイ状に配列されていることを特徴とする面発光半導体レーザ。
【請求項４】
請求項３記載の面発光半導体レーザにおいて、隣接する２つの非酸化領域で挟まれた酸化領域の上方に電極が設けられていることを特徴とする面発光半導体レーザ。
【請求項５】
基板上に下部多層膜反射鏡、発光層、電流狭窄領域を設定するためのＡｌ含有層、上部多層膜反射鏡を順次形成する工程と、
前記Ａｌ含有層の端部を露出させる工程と、
非酸化領域となるべき領域に比べて酸化領域となるべき領域が高温となるように前記Ａｌ含有層に温度分布を与える工程と、
前記温度分布を与えた状態で前記Ａｌ含有層を前記露出させた端部から酸化させる工程と
を含むことを特徴とする面発光半導体レーザの製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の面発光半導体レーザの製造方法において、前記Ａｌ含有層に温度分布を与える工程では、前記上部多層膜反射鏡に吸収されず前記発光層に吸収される波長のレーザ光を前記酸化領域となるべき領域に選択的に照射することを特徴とする面発光半導体レーザの製造方法。
【請求項７】
請求項６記載の面発光半導体レーザの製造方法において、前記基板を前記Ａｌ含有層の酸化が可能な温度の下限付近に昇温することを特徴とする面発光半導体レーザの製造方法。
【請求項８】
請求項６又は７記載の面発光半導体レーザの製造方法において、前記レーザ光の選択的照射は、前記上部多層膜反射鏡の上方に形成したマスクを介して行うことを特徴とする面発光半導体レーザの製造方法。
【請求項９】
請求項８記載の面発光半導体レーザの製造方法において、前記マスクは前記電流狭窄領域の形状を有することを特徴とする面発光半導体レーザの製造方法。
【請求項１０】
請求項９記載の面発光半導体レーザの製造方法において、前記電流狭窄領域は複数の独立した領域からなることを特徴とする面発光半導体レーザの製造方法。
【請求項１１】
請求項９記載の面発光半導体レーザの製造方法において、前記複数の独立した領域は２次元アレイ状に整列していることを特徴とする面発光半導体レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い光出力を有する面発光半導体レーザ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光半導体レーザは、端面発光型の半導体レーザと比較してレーザ発振に必要とされる閾値電流が小さいなどの特徴をもっているが、閾値電流を小さくするためには微小な領域に電流と光を同時に閉じ込める必要がある。従来は、発光層の上部に堆積されたＡｌＡｓ層等のＡｌ含有層を横方向から酸化することにより、垂直共振器内に絶縁層を導入し、酸化されずに残った微小な非酸化領域（電流狭窄領域）に電流経路を絞り込むことにより低閾値発振を実現していた。特に、電流狭窄領域の寸法を数μｍ以下（発振波長に依存）とすることにより、単一モード発振を実現できる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３５３５６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発光層の上部に堆積されたＡｌ含有層を横方向から酸化して直径数μｍの電流経路を残すためには、ウエハ面内で均一な横方向酸化が行われることが必要である。ウエハ面内で横方向酸化のばらつきが大きい場合、酸化されすぎたデバイスでは、電流経路が塞がれることにより電流が流れないあるいは極めて出力が小さいという不具合が生じる。また、酸化が少ないデバイスでは、電流経路が大きくなってマルチモード化し、レーザ光の拡がり角が大きくなるため、光ファイバとの結合効率が低下するなどの問題が生じる。これらの問題は、酸化工程の制御性や均一性に起因するもので、加工処理条件の余裕度が少ないために生じるものである。
【０００５】
また、従来の製造方法では、Ａｌ含有層を横方向端部から酸化して形成する酸化層の寸法、言い換えると電流狭窄領域の径（電流経路径）は、酸化速度と酸化時間によって管理していた。酸化時間の余裕度を確保するには酸化速度を比較的遅くする必要があり、そうすると酸化時間が長くなり生産性が悪化するという問題が生じる。
【０００６】
更に、従来のＡｌ含有層酸化方法では酸化領域の形状（換言すると、非酸化領域である電流狭窄領域の形状）を自由に制御したり、酸化領域中に複数の非酸化領域を配置するなど、酸化領域の形状をパターン化したりすることは出来なかった。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑み、酸化工程の制御性を高め、加工の均一性及び歩留まりを向上させた面発光半導体レーザの製造方法、また、酸化領域の形状をパターン化することのできる面発光半導体レーザの製造方法を提供することを目的とする。本発明は、また、複数の電流狭窄領域が島状に独立して形成された面発光半導体レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明では、膜の横方向の酸化が時間的によらずある場所で停止する、酸化の自己停止機構を導入する。より詳細には、膜の酸化させる領域の酸化速度と酸化させない領域の酸化速度に大きな差を生じさせることにより、擬似的に酸化の自己停止を実現する。具体的には、酸化させる領域へレーザ光を照射することにより酸化速度を速める。すなわち、本発明は、パターンに従ってレーザ光を照射することによって、照射部と非照射部に生じる反応性の違いを利用して酸化速度に差をつけ、レーザ光照射境界において酸化を自己停止させることによって酸化工程の均一性及び歩留まりの向上を図るものである。
【０００９】
照射するレーザ光の波長は、半導体多層膜反射鏡を構成する材料では吸収されることなく、発光層でのみ吸収される波長とする。すなわち半導体多層膜反射鏡を構成する材料のうち、最も小さいバンドギャップをもつ材料のバンドギャップをＥｇlowとし、発光層を構成する材料のバンドギャップをＥｇactとすれば、照射するレーザ光の波長Ａirrは、ｈをプランク定数、ｃを光速度として、次の式（１）を満たすことが必要である。
ｈｃ／Ｅｇlow＞Ａirr＞ｈｃ／Ｅｇact    …（１）
【００１０】
照射したレーザ光は発光層に吸収されて発熱し、それに伴い発光層の直上の半導体層も加熱されて昇温する。その結果、レーザ光が照射された領域と照射されていない領域には温度差が生じ、両領域では酸化速度が大幅に異なるため、酸化時には酸化層になるべき領域の境界で酸化が自動的に停止したような状態になる。本発明の方法を用いると、酸化速度を速くして酸化時間を短くすることができ生産性が向上すると共に、酸化時間の許容誤差が大きくなるため、面内の均一性や歩留まりが向上する。
【００１１】
面発光半導体レーザは、基板上に下部多層膜反射鏡、発光層、酸化領域と該酸化領域によって囲まれた非酸化領域とを有するＡｌ含有層、上部多層膜反射鏡が順次形成された構造を有するが、本発明による面発光半導体レーザは、Ａｌ含有層に、それぞれが酸化領域で囲まれた複数の独立した非酸化領域が設けられていることを特徴とする。
【００１２】
複数の独立した非酸化領域はほぼ同じ形状を有し、典型的には２次元アレイ状に配列されている。電極は、隣接する２つの非酸化領域で挟まれた酸化領域の上方に設けられる。
【００１３】
本発明による面発光半導体レーザの製造方法は、基板上に下部多層膜反射鏡、発光層、電流狭窄領域を設定するためのＡｌ含有層、上部多層膜反射鏡を順次形成する工程と、Ａｌ含有層の端部を露出させる工程と、非酸化領域となるべき領域に比べて酸化領域となるべき領域が高温となるようにＡｌ含有層に温度分布を与える工程と、温度分布を与えた状態でＡｌ含有層を露出端部から酸化させる工程とを含むことを特徴とする。
【００１４】
温度分布は、上部多層膜反射鏡に吸収されず発光層に吸収される波長のレーザ光を酸化領域となるべき領域に選択的に照射することで与えることができる。この時、基板をＡｌ含有層の酸化が可能な温度の下限付近に昇温しておくのが好ましい。レーザ光の選択的照射は、上部多層膜反射鏡の上方に形成した電流狭窄領域の形状を有するマスクを介して行うことができる。電流狭窄領域は２次元アレイ状に整列した複数の独立した領域から構成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、面発光半導体レーザの製造方法において、酸化工程の制御性を高め、加工の均一性及び歩留まりを向上させることができる。また、酸化領域の形状をパターン化することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
図１は、本発明による面発光半導体レーザ製造方法の一例を説明する工程図である。
図１（ａ）に示すように、厚さ６５０μｍ、キャリア濃度３×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓ（１００）基板１１を用意し、その上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により以下の層を順にエピタキシャル成長させた。ｎ型不純物であるＳｉを添加したＧａＡｓバッファ層（キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3、厚さ０．５μｍ）１２を堆積し、その上に同じくＳｉを２×１０18ｃｍ-3の濃度で添加したｎ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ／Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ半導体多層膜反射鏡１３を形成した。多層膜反射鏡１３における各層の膜厚はそれぞれ５１ｎｍ及び６１ｎｍであり、層間における抵抗を低減するため各層の間には２０ｎｍの組成傾斜層を挿入した。ここでは反射率を高めるためこれらを１周期として３２周期を作製した。その上に、不純物を添加していないＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ障壁層１０３ｎｍ、不純物を添加していないＧａＡｓ障壁層１５ｎｍとＩｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓ量子井戸層７ｎｍを交互に３．５ペア堆積した量子井戸構造、不純物を添加していないＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ障壁層１０３ｎｍをこの順に堆積し、発光層１４を形成した。さらに、電流狭窄用として３０ｎｍのＡｌＡｓ層１５をその上に堆積し、最後に、ｐ型不純物であるＣを添加したＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ／Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ半導体多層膜反射鏡１６を前記のｎ型半導体多層膜反射鏡１３と同様な膜厚構成により形成した。
【００１８】
エピタキシャルウエハを作製した後、プラズマＣＶＤによりＳｉＮ表面保護膜１７を１５０ｎｍ堆積した。フォトリソグラフィーと蒸着により、ＡｌＡｓ層１５を酸化させない領域（直径１０μｍ）の表面のみにマスク層１８としてＡｕ層を３００ｎｍ蒸着した。このマスク層１８は、発光層１４にレーザ光が照射される領域と照射されない領域を作るためのものである。ＡｌＡｓ層１５を横方向に酸化するためには、ＡｌＡｓ層１５の端部が、酸化雰囲気（たとえば水蒸気）と接触できる環境及び構造にあることが必要である。そこで、図１（ｂ）に示すように、マスク層１８を蒸着した領域よりも大きな領域（直径４０μｍ）のメサを形成するようフォトリソグラフィーとＳｉＮ表面保護膜１７の除去、エピタキシャル層のエッチングを行い、メサ側壁部へＡｌＡｓ層１５の端部を露出させた。
【００１９】
次に、図１（ｃ）に示すように、水蒸気雰囲気中へウエハを導入し、基板温度を３８０℃まで昇温した。基板温度の昇温は、基板を酸化可能な温度の下限まで上昇させて、温度変化に対して酸化速度が変化しやすい状態を作るために行う。その後、レーザ光を照射する。本実施例の場合、半導体多層膜反射鏡１３，１６を構成している材料はＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ及びＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓであり、これらの材料はそのバンドギャップの大きさから８１０ｎｍよりも短い波長の光を吸収し、これよりも長い波長の光のみが透過できる。発光層１４であるＩｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓは９８０ｎｍよりも短い波長の光を吸収することが可能であるため、上式（１）より、照射レーザ光の波長としては８１０〜９８０ｎｍが適当であることがわかる。そこで、本実施例では、発振波長０．９μｍの半導体レーザを用いて基板全面を１０分間照射した。照射したレーザ光は、マスクのない領域では発光層１４に吸収される。そのため発光層１４が加熱されると同時に、発光層の直上にあるＡｌＡｓ層１５も加熱される。
【００２０】
図２は、ＡｌＡｓ層１５の酸化速度の温度依存性を示す図である。出力１Ｗのレーザ光を直径０．１ｍｍに集光して照射することにより、およそ５０℃の昇温が見込まれるため、レーザ光照射による選択的な酸化速度の向上が期待できる。本例では、マスク層１８によって照射レーザ光が遮光されたＡｌＡｓ層１５の領域は３８０℃のままのため酸化は起こらない。一方、レーザ光が照射されているＡｌＡｓ層１５の領域は４３０℃に昇温されるため、ＡｌＡｓ層１５の露出端部から供給される水蒸気によって酸化が進行する。こうして、基板温度を酸化のおこらない３８０℃以下にした後、マスクを用いた部分的なレーザ照射によって照射部のみ酸化速度を上昇させることにより選択性の高い酸化が可能になる。
【００２１】
図１（ｄ）は酸化終了後の状態を示している。ＡｌＡｓ層１５は、マスクされていない領域はマスクされた領域と比較して温度が高くなるため、酸化速度が速くなる。従って、マスクされた領域との境界では酸化速度の差が大きいため、酸化が自動的に停止したような状態になる。そのためマスクの大きさに合わせて酸化を停止することが可能になる。本例では、ＡｌＡｓ層１５の内部に、マスク層１８のパターン形状と実質的に同一形状の非酸化領域が形成される。
【００２２】
以上説明したように、本発明の面発光半導体レーザ製造方法によると、マスクパターンの形状によって、ＡｌＡｓ層１５の酸化領域の形状を自由に制御することが可能である。また、酸化時間の許容誤差が大きくなるためウエハ面内での均一性や歩留まりの向上を図ることができる。
【００２３】
また、従来の電流狭窄領域形成方法ではエッチングにより露出させた端面から横方向に一様に酸化が進み、酸化速度を制御することができないため、得られる電流狭窄領域の形状（発光領域の形状）は、必然的にエッチングによって形成したメサ形状と相似な形状になる。一方、本発明の電流狭窄領域形成方法は、発光領域の形状に関する自由度が大きく、酸化速度とマスクパターンを調整することにより非酸化領域の内側に酸化領域を形成することも可能になる。
【００２４】
図３は、本発明の製造方法によって製造した面発光半導体レーザの一例の説明図である。図は、１つのメサの中に、独立した複数の発光領域を形成した面発光半導体レーザの例を示すものであり、図３（ａ）は製造工程の一工程における上面模式図、図３（ｂ）は製造された面発光半導体レーザの上面模式図、図３（ｃ）は図３（ｂ）のＡＡ断面図である。
【００２５】
図３（ａ）は、図１（ｂ）あるいは図１（ｃ）に相当する上面模式図である。本実施例では、まず、図１（ａ）と同様にして、ｎ型ＧａＡｓ（１００）基板上にＧａＡｓバッファ層、ｎ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ／Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ半導体多層膜反射鏡、発光層、電流狭窄用のＡｌＡｓ層、ｐ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓ／Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ半導体多層膜反射鏡を順次エピタキシャル成長し、その上にＳｉＮ表面保護膜を形成した。次に、レーザ光照射時にレーザ光が照射されない領域を作るために、表面保護膜上にＡｕ層を３００ｎｍ蒸着し、それを４つの分離した矩形領域２１ａ〜２１ｄを形成するようにパターニングしてマスク層とした。４つの矩形領域の大きさはすべて１０μｍ角とした。
【００２６】
その後、図１（ｂ）にて説明したように、マスク層２１ａ〜２１ｄを蒸着した領域よりも大きな領域（５０μｍ）のメサを形成するようフォトリソグラフィーとＳｉＮ表面保護膜の除去、エピタキシャル層のエッチングを行い、メサ側壁部へＡｌＡｓ層の端部を露出させた。次に、水蒸気雰囲気中へウエハを導入し、基板温度を３８０℃まで昇温した後、発振波長０．９μｍの半導体レーザを用いて基板全面を１０分間照射した。照射したレーザ光は、マスクのない領域では発光層に吸収、発光層が昇温すると同時に、発光層の直上にあるＡｌＡｓ層も昇温する。マスク層２１ａ〜２１ｄによって照射レーザ光が遮光されたＡｌＡｓ層の領域は温度が低いため酸化速度が遅く、レーザ光が照射されているＡｌＡｓ層の領域は温度が高いためＡｌＡｓ層の露出端部から供給される水蒸気によって酸化が進行する。
【００２７】
こうしてＡｌＡｓ層は、マスク層２１ａ〜２１ｄと同じ形状の領域を残して酸化され、ＡｌＡｓ層には４つの独立した非酸化領域２４ａ〜２４ｄ、すなわち電流狭窄領域が形成される。マスク層２１ａ〜２１ｄを除去した後、上部電極２２を形成した状態を示すのが図３（ｂ）である。上部電極２２は４つの独立した電流狭窄領域をそれぞれ包囲するようにＡｌＡｓ層の酸化領域２３の上方に形成した。
【００２８】
図３（ｃ）に、本実施例の面発光半導体レーザに電流を流してレーザ発光させたときの状態を模式的に示す。上部電極２２から下部電極２５に流れる電流はＡｌＡｓ層の酸化領域２３で電流路が制限され、非酸化領域２４ａ〜２４ｄの部分を通って発光層に入り、発光が生じる。発光層で生じた発光は、上下の半導体多層膜反射鏡によって構成されるレーザ共振器内で共振し、図示の例の場合、上部半導体多層膜反射鏡を通してレーザ光２６として出力される。この場合、図に示されているように、４つの独立した非酸化領域２４ａ〜２４ｄに対応して４つの独立した発光領域からそれぞれレーザ光２６が発生される。図示した面発光半導体レーザは、４個の微小な面発光半導体レーザから構成されたレーザアレイであるということもできる。
【００２９】
図４は、従来法で製造した図３に対応する面発光半導体レーザの説明図である。図４（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図３（ｂ）、（ｃ）に対応する図である。
【００３０】
図３（ｂ）、（ｃ）に示したような、非酸化領域の更に内側に酸化領域を持つ構造は、酸化時間のみの制御を用いた従来方法では製造不可能であるため、図４（ｂ）に示すように電極形状を格子状にする方法がとられる。すなわち、１つの大きな非酸化領域２４ｅの上に交差するように電極２２を設ける。
【００３１】
このような構造をとると、発光に寄与しない電流分が多くなり、電気−光変換効率が低い点で問題があった。一方、本発明の製造方法によると、選択的な酸化によって発光に寄与しない電流をなくすことが可能となるため、変換効率を向上することができる。すなわち、図３の例で示したように、本発明の製造方法は、酸化領域がつながっていれば、周囲のみでなく、内部にも酸化領域を作製することが可能であるため、電極形状に合せて酸化領域を作ることが可能である。従来方法と比較すると、それにより、発光部のみに電流を流すことが可能となるため高い電気−光変換効率が得られる。発光領域間の距離を１μｍ程度まで近づけることにより、レーザ間の光による相互作用が可能となるため位相同期したレーザアレイを作製することができる。本方法を用いれば、従来と比較して前記変換効率の高い位相同期アレイを作製することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による面発光半導体レーザ製造方法の一例を説明する工程図。
【図２】ＡｌＡｓ層の酸化速度の温度依存性を示す図。
【図３】本発明の製造方法によって製造した面発光半導体レーザの他の例の説明図。
【図４】従来法で製造した図３に対応する面発光半導体レーザの説明図。
【符号の説明】
【００３３】
１１：基板、１２：バッファ層、１３：半導体多層膜反射鏡、１４：発光層、１５：ＡｌＡｓ層、１６：半導体多層膜反射鏡、１７：表面保護膜、１８：マスク層、２１ａ〜２１ｄ：マスク層、２２：上部電極、２３：酸化領域、２４ａ〜２４ｅ：非酸化領域、２５：下部電極、２６：レーザ光
【図１】
2005026625.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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