(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の主面上に形成した互いに導電性の異なる半導体層よりなる１対の反射鏡及び該１対の反射鏡に挟まれた上記半導体層よりも禁制帯幅の狭い活性層を少なくとも有する面発光半導体レーザと、該面発光半導体レーザの上面の光出射位置に形成された近接場光を発生するプローブとを備えており、該面発光半導体レーザを形成する領域以外の該半導体基板の一部に主面からこれに対向する裏面に到達する孔が設けられ、裏面側から該面発光半導体レーザの上面側の上記半導体層へ通電を行なうための電極が該孔を経て形成され、該電極は、該面発光半導体レーザの上面に達しない高さに配置されていることを特徴とする近接場光プローブ集積半導体レーザ。
【請求項２】
通電のための前記孔は、前記半導体基板の主面側と裏面側からそれぞれ基板厚さの略２分の１の深さのエッチングを行なうことにより形成されており、主面側及び裏面側の電極はいずれもエッチングを開始する前の面に対し鈍角で交わる結晶面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の近接場光プローブ集積半導体レーザ。
【請求項３】
前記近接場光プローブは、前記面発光半導体レーザの上面の光出射面上に形成された、厚さ及び頂点の曲率半径が光波長以下の三角形の形状をした金属膜の頂点によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の近接場光プローブ集積半導体レーザ。
【請求項４】
前記近接場光プローブは、前記面発光レーザの光出射部位を規定する構造と同一の作製工程によって形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の近接場光プローブ集積半導体レーザ。
【請求項５】
請求項１に記載の近接場光プローブ集積半導体レーザと、該半導体レーザの近接場光プローブの上面と光ディスクの面との間に間隙を設けるためのスライダと、該スライダを支持しかつ該スライダを光ディスクの面へ押すばね力を有するサスペンションと、
該半導体レーザ、該スライダ及び該サスペンションを含む記録ヘッドと、該記録ヘッドを光ディスクの半径方向に移動させるアクチュエータとを備えていることを特徴とする光記録装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光記録、光計測等に用いる近接場光プローブを備えた半導体レーザとそれを用いた光記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属膜に設けた光の波長以下の孔や先端が鋭く尖った構造の尖端などの本来光を透過しない構造においても光の電磁場が漏れ出し、数十ナノメートル程度の空間に強い光電磁場が形成される現象が知られており、この現象を利用した近接場光プローブを超高密度光記録や超高感度表面センサの光源に利用することが検討されている。
【０００３】
そのような近接場光プローブを小型で低コストに実現する方法として、光源である半導体レーザに直接近接場プローブを設けることが提案されている。一例として、面発光半導体レーザの表面に金属膜を設け、これに微少な孔をあけることにより近接場光を得る技術がある［例えば、応用物理学会誌「応用物理」第６８巻第１２号の第１３８０頁（１９９９年１２月）参照］。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の近接場光プローブを設けた面発光レーザにおいては、面発光レーザの発光部分と金属膜にあけた近接場光発生のための孔との位置合わせが必要になる。位置合わせは、収束イオンビームの位置を面発光レーザの中央に合わせることにより行われていた。しかし、この様な位置合わせをウエハ内に多数形成された素子に対し同時に精密に行なうことは難しく、量産性に問題があった。
【０００５】
また、従来の近接場光プローブを備えた半導体レーザにおいては、一方の電極が素子の主面上に、他方の電極が素子の裏面上に設けられる。近接場光を用いたシステムにおいては、光ディスクや測定対象の物体に素子を近接して配置する必要があり、素子の主面側は極力平坦に形成する必要がある。しかし、一方の電極が素子主面上にあるため、主面側に電流を流し込むためのボンディングワイヤなどが、プローブを他の物体に近接して使用する場合に障害になるという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、以上のような従来技術の問題点を解決し、物体に近接して配置することができ、かつ、量産性が高く応用装置の組立が容易な近接場光プローブ集積半導体レーザ及びそれを用いた光記録装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を説明すれば、下記の通りである。
（１）半導体基板の主面上に形成した互いに導電性の異なる半導体層よりなる１対の反射鏡及び該１対の反射鏡に挟まれた上記半導体層よりも禁制帯幅の狭い活性層を少なくとも有する面発光半導体レーザと、該面発光レーザの上面の光出射位置に形成された近接場光を発生するプローブとを備えており、面発光レーザを形成する領域以外の半導体基板の一部に主面からこれに対向する裏面に到達する孔が設けられ、面発光レーザの上面側の上記半導体層への通電が基板裏面に達する孔を経て形成された電極を介して基板裏面側から行なわれ、該電極が面発光半導体レーザの上面に達しない高さに配置されている近接場光プローブ集積半導体レーザ。
（２）項番(1)において、通電のための孔は、上記半導体基板の主面側と裏面側からそれぞれ基板厚さの略２分の１の深さのエッチングを行なうことにより形成されており、主面側及び裏面側の電極は、いずれもエッチングを行なう主面及び裏面と鈍角で交差する結晶面上に形成されている。
（３）項番(２)の主面側の上記孔は、樹脂などの絶縁性固体により充填され、該絶縁性固体により孔の底に設けた金属膜が支持されている。
（４）項番(1)において、近接場光プローブは、面発光レーザの光出射面上に形成された、厚さ及び頂点の曲率半径が光波長以下の三角形の形状をした金属膜の頂点によって構成されている。
（５）項番(４)において、近接場光プローブ以外の面発光レーザの上面は、反射率が近接場光プローブを設けた領域よりも高い反射率を有する誘電体多層膜で覆われている。
（６）項番(１)において、前記近接場光プローブは、前記面発光レーザの光出射部位を規定する構造と同一の作製工程によって形成されたものである。
【０００８】
上述の項番（１）の構造によれば、面発光レーザの上面側の半導体層から面発光レーザに電流を流すために必要な電極は、基板裏側から基板を貫通しかつ主面側に上記上面から突出せずに形成されるため、面発光レーザと近接場光プローブを備えた素子の主面（面発光レーザの上面）に記録媒体を近接させて駆動する際に障害となる構造物は存在しない。
【０００９】
素子裏面から素子主面側に通電するそのような電極は、具体的には、項番（２）のように通電用の孔を基板の主面と裏面からそれぞれエッチングで穿ち、形成された孔の側面がエッチング前の主面と裏面のそれぞれに対し鈍角で交差する面上に形成される。エッチングで孔を形成する場合、(１００)面である主面と(−１００)面である裏面に鈍角で交わる面は、それぞれ(１１−１)(１−１１)面及び(−１１１)(−１−１−１)面である。このような鈍角の面に電極を形成することによって電極の段切れが防止される。また、このような孔には項番（３）のように樹脂などの絶縁物で充填することにより孔の底の金属膜を支持するとともに、同絶縁物の面平坦化により素子上面の平坦性を向上することが可能である。
【００１０】
近接場光プローブとして、基板面に垂直な方向の厚さ及び頂点の曲率半径がともに光波長以下の三角形の形状をした金属膜の表面プラズモンの作用を利用して近接場光を発生する項番（４）の構造が採用される。この場合、面発光レーザの出力光のうち金属膜以外の部分から出射する光は無効なバックグランド光となるが、金属膜以外の面発光レーザ表面を反射率９７％以上の高反射絶縁物多層膜で覆う項番（５）の構造とすれば、バックグランド光をレーザ素子内に反射させることにより減少させ、近接場光の強度を高めることが可能となる。
【００１１】
また、項番（６）の工程により、面発光レーザと近接場光プローブが自己整合的に形成され、従って高精度の位置合わせの必要がなく、近接場光プローブ集積半導体レーザの量産が可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る近接場光プローブ集積半導体レーザ及びそれを用いた光記録装置を図面に示した発明の実施の形態を参照して更に詳細に説明する。
【００１３】
本発明の近接場光プローブ集積半導体レーザの一実施形態を図１に示す。図１において、101はｐ型ＧａＡｓ基板、102〜108は基板101の上面（主面）にこの順に形成した半導体層で、102は光反射鏡となる下側ｐ型ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector)層、106は下部スぺーサ層103と量子井戸活性層104と上部スぺーサ層105とで構成された活性層領域（広義の活性層）、107はｎ型ＡｌＡｓ層、108は光反射鏡となる上側ｎ型ＤＢＲ層であり、更に、109はＤＢＲ層108の上に形成した光反射鏡となる絶縁膜ＤＢＲ層、110は絶縁膜ＤＢＲ層109の上に形成した近接場光プローブとなる金属膜、118は、上側ｎ型ＤＢＲ層109に接続され、基板101の裏面側に延びるｎ側電極、131は基板101の裏面に形成したｐ側電極である。そして、活性層領域106は、ＤＢＲ層102，108に挟まれかつＤＢＲ層102，108をなす半導体層よりも禁制帯幅が狭い半導体層である。
【００１４】
本構造の製造方法を以下に述べる。まず、分子線エピタキシ法により、ｐ型ＧａＡｓ基板101上に、ＡｌＡｓとＧａＡｓをそれぞれの膜厚が媒質内波長の１／４となるように交互に３０周期積層し、キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３となる下側ｐ型ＤＢＲ層102を形成した。
【００１５】
次に、ＤＢＲ層102の上にアンドープＡｌ0.22Ｇａ0.78Ａｓの下部スぺーサ層103を形成し、その上にアンドープ量子井戸活性層104を形成し、更にその上にアンドープＡｌ0.22Ｇａ0.78Ａｓの上部スぺーサ層105を形成し、膜厚が媒質内波長となる活性層領域106を構成した。アンドープ量子井戸活性層104は、膜厚８０ｎｍのＩｎＧａＡｓ量子井戸層と膜厚１５０ｎｍのＧａＡｓ障壁層とを、量子井戸層が３層、障壁層が４層となるように交互に積層して形成した。
【００１６】
続いて、活性層領域106の上に、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３で膜厚が媒質内波長の１／４となるｎ型ＡｌＡｓ層107を形成し、更にその上に、それぞれの膜厚が媒質内波長の１／４のＡｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＧａＡｓとを交互に１５周期積層し、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３で総膜厚が約２μｍとなる上側ｎ型ＤＢＲ層108を形成した。
【００１７】
次いで、以上のようにして形成したウエハ上に膜厚が媒質内波長の１／４となる酸化シリコン及び窒化シリコン、即ち二種の誘電体膜を交互に４周期積層して絶縁膜ＤＢＲ層109とした。
【００１８】
この様な構造の上に、電子線レジストを用いて金による金属膜110を厚さ約５０ｎｍ堆積した。金属膜110は、近接場光プローブとなるもので、そのパターンについては後述する。金属膜110形成のために、まず、電子線レジストを用いて絶縁膜ＤＢＲ層109の最上層の窒化シリコンを金属膜110のパターンとほぼ同一の形状に除去した。再び電子線レジストを用いて、最上層の窒化シリコンを除去した部分に金属膜110を堆積した。金属膜110のパターニングは、電子線レジストを所望のパターンの部分のみ除去し、金属膜110を蒸着した後に残りの電子線レジストを除去するリフトオフ法により行なった。
【００１９】
ここ迄形成した状態での面発光レーザの反射鏡の反射率は、下側ｐ型ＤＢＲ層102が９９．８％、上側ｎ型ＤＢＲ層108が９５．５％、絶縁膜ＤＢＲ層109が９７．３％、絶縁膜ＤＢＲ層109最上層の窒化シリコン膜を除去した領域が４０％であった。活性層側からみた上側ｎ型ＤＢＲ層108と絶縁膜ＤＢＲ層109を合わせた反射率は９９．８％であり、最上層の窒化シリコン膜を除去して金を付けた領域では９６％であった。
【００２０】
このような反射率により、近接場プローブとその近傍以外に照射する光は、面発光レーザ内部に大部分が反射されて再利用される。これにより、素子発光効率の向上と近接場光に対するバックグランド光比率の低減という二重の効果が得られた。
【００２１】
近接場光プローブである金属膜110の形状を図２に示す。形状は、頂点が互いに向き合った２個の三角形で、頂点の曲率半径が金属膜110の厚さの５０ｎｍとほぼ同じく光波長以下であり、二つの頂点の間の間隔もほぼ同じである。この間隔から近接場光が放射される。
【００２２】
さて、金属膜110の形成のときに同時に、上記間隔を中心にした金属膜110を囲むリング状の金の金属膜132を形成した。金属膜132は、レーザ発光や近接場光の放射に関与せず、もっぱら半導体レーザの発光部分の製造のために利用される。即ち、金属膜110と金属膜132は同時に形成することにより、相対位置精度を高くすることができる。そのような金属膜132を使うことにより、レーザ発光部分と金属膜110とは、自己整合により高精度の位置合わせがなされることになる。
【００２３】
金属膜110及び金属膜132を形成してからの工程を図２に示す。金属膜110及び金属膜132をホトレジスト111で覆い、ホトレジスト111と金属膜132をマスクとして、上記積層膜を、上側ｎ型ＤＢＲ層108のＡｌＡｓ層107に最も近いＧａＡｓ層、即ちＤＢＲ層108のＧａＡｓ層の最下層を残して、四塩化炭素をエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチングによりエッチングした。これにより直径５０μｍの円筒状の構造112が形成された。
【００２４】
続いて、図３に示すように、この円筒を覆い、他の部分では幅約２０μｍのストライプ状となるホトレジスト133を形成し、これをマスクにして反応性イオンエッチングにより下側ｐ型ＤＢＲ層102に達するエッチングを行なった。それにより、ストライプ状の部分では、ＤＢＲ層108の最下層のＧａＡｓ層やＡｌＡｓ層107等がストライプ領域113となる。
【００２５】
その後、ホトレジスト133を除去し、約４００℃の炉中で水蒸気によりＡｌＡｓ層107だけを側方から酸化し高抵抗化させ、酸化領域114を形成した。但し、この横方向酸化は、円筒112の中央の径約４μｍには達しないように途中で中止した。このようにして、上面から見た図４に示すように、径約４μｍの非酸化領域115が円筒112の中央に形成された。その結果、酸化領域114の上下が電気的に絶縁され、非酸化領域115が電流注入領域となる。この領域からレーザ光が放射される。
【００２６】
上記エッチングによって形成されたストライプ領域113では、酸化領域114によって下側ｐ型ＤＢＲ層102と上側ｎ型ＤＢＲ層108が電気的に分離されるため、ストライプ領域113の上に導電膜を形成すると、この導電膜は、上側ｎ型ＤＢＲ層108に至る横方向の電流通路として用いることができる。
【００２７】
その後、ストライプ領域113に隣接してＧａＡｓ基板101の表面（主面）側から基板101の途中まで深さ約１５μｍの化学エッチングを行ない、表側コンタクト孔116を形成した。
【００２８】
更に、酸化シリコン絶縁膜117を素子全体に厚さ約１００ｎｍ蒸着し、レジストマスクを利用して、ストライプ領域113にある上側ｎ型ＤＢＲ層108の最下層のＧａＡｓ層に電極をつけるための小孔を酸化シリコン絶縁膜117にあけた。同時に、コンタクト孔116の底部の酸化シリコン絶縁膜117に孔をあけた。次に、再びホトレジストマスクを利用してコンタクト孔116の底部孔からストライプ領域の小孔までつながるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極118を形成した。このとき、電極118は表側コンタクト孔116の（０１−１)方向の辺の斜面上に形成することにより基板段差による電極の段切れが防止される。
【００２９】
以上のようにして形成した基板101（ウエハに形成されている状態）にポリイミド樹脂119を塗布した。続いて、図５に示すように、基板101の接合面を下向きにしてウエハを石英基板120に貼り付けた。石英基板120は、酸化亜鉛121及び酸化シリコン122をスパッタ法により設け、その上にポリイミド樹脂119を約１μｍ塗布したものである。ウエハと石英基板120を貼り付けた後、ポリイミドをベークして固化させた。石英基板１２０は、以降の工程でウエハの強度を保つために用いられるもので、所定の工程後に除去される。
【００３０】
石英基板120に固定したＧａＡｓ基板101を裏面から研磨して、ウエハ全体の厚さを３０μｍ以下とした。次いで、両面合わせ技術を用いて基板101裏側に表側コンタクト孔116と重なる位置に裏側コンタクト孔123を設けた。裏側コンタクト孔123は表側コンタクト孔116よりも小さく、エッチングは表側コンタクト孔116の底部に達したときに停止する。
【００３１】
次に、基板101裏面全体を覆う酸化シリコン絶縁膜117を厚さ約１００ｎｍ堆積した。続いて、裏面コンタクト孔123の底部の酸化シリコン絶縁膜117と面発光レーザの発光部となる非酸化領域115の裏側の酸化シリコン絶縁膜117とをホトリソグラフ技術を利用してし除去した後、裏面側のｎ側電極118とｐ側電極131を形成した。
【００３２】
コンタクト孔部分の電極118は、図６に示すように、表側電極118と裏側電極118が直交するように形成され、その交点で両電極が接触し、電気的に接続される。図６におけるＡ・Ａ線による表側コンタクト孔116及び裏側コンタクト孔123とそれらの近傍の断面、Ｂ・Ｂ線による同じ部分の断面を図７に示す。図７に示すように、それぞれの電極118がウエハの表面と鈍角で交わる面上に形成されている。
【００３３】
続いて、ウエハ裏面の電極118，131に対応したパターンの金電極118，131及び半田124を設けたサブマウント125を用意し、これに電極118，131の位置を合わせながらウエハを半田付けした。
【００３４】
次いで、塩酸系エッチング液により酸化亜鉛膜121を除去して石英基板120をウエハから分離した。ウエハの研磨工程以降サブマウントに取り付けるまで、ウエハは石英基板120に貼り付けて取り扱われるため、３０μｍ程度の薄い素子となっても取り扱い上の問題は発生しなかった。面発光レーザの表面には、金属膜110を覆う厚さ約１μｍのポリイミド樹脂119が残っているため、リアクティブイオンエッチング法によりこれを除去した。除去後の表側コンタクト孔116を充填しているポリイミド樹脂119により、孔116の底に設けた金属膜118が支持される。ポリイミド樹脂119は、これに限らず、コンタクト孔116を充填可能な絶縁性固体であれば良い。以上により、図１に示す素子を完成させた。図８は、図１の正面からに対して側面から完成した素子を示したものである。
【００３５】
本実施形態により、面発光半導体レーザと近接場光プローブを自己整合的に集積することが可能となり、レーザ発光部分と近接場光プローブを高い位置精度で配置することができる。それにより、レーザ光の利用効率が向上して面発光レーザの特性向上と近接場光の出力増加が可能となる。半導体レーザと近接場光プローブを自己整合的に集積することにより、高精度の位置合わせが不要になり、量産性を高めることができる。
【００３６】
更に、本実施形態により、表面が平坦な近接場プローブが形成可能となり、光ディスク面に近接して光プローブを設置する光記録装置が容易に実現できる。
【００３７】
なお、以上では、単一の面発光レーザを形成する場合を例に述べたが、単一チップ上に複数の素子を形成するアレイ型素子においても本発明が同様の効果を持つことは言うまでもない。アレイ型とする場合には、特にサブマウントへの取り付けが終了してから素子分離を行なうことにより上面の電極118の作成が容易になる点等で、アレイ化に伴った利点も発生する。
【００３８】
また、本実施形態では、活性層にＧａＡｓを用いた例を説明したが、本発明は、ＧａＩｎＡｓを用いた近赤外用、ＩｎＧａＰ又はＡｌＧａＩｎＰを用いた赤色用の面発光レーザに適用することが可能である。更には、ＧａＮ系やＺｎＳｅ系等の青色又は紫外線を発光する面発光レーザ、ＩｎＧａＡｓＰ系等の１．３〜１．５μｍ帯の長波長を発光する面発光レーザにも適用可能であることは言うまでもない。
【００３９】
次に、上述の近接場光プローブ集積半導体レーザを用いた光記録装置の実施形態を図９に示す。図９ａにおいて、701は下面に記録膜を形成した光ディスク、702は上記半導体レーザを搭載したスライダ、703はスライダ702を備えた記録ヘッド、704は記録ヘッド703を光ディスク701の矢印の半径方向に移動させるアクチュエータである。
【００４０】
図９ｂに、記録ヘッド703の詳細を示す。近接場光プローブが光ディスク701の記録膜に対向するように近接場光プローブ集積半導体レーザ707がスライダ702に搭載される。スライダ702はサスペンション705の一方の端に置かれ、サスペンション705の他方の端が圧電素子706に固定される。更に、圧電素子706は、記録ヘッド703の基部に設置される。圧電素子706は、トラッキング調整のために用いられる。
【００４１】
光記録装置は、上記のほか、光ディスク701の回転機構、記録信号を生成する信号回路、アクチュエータ704及び圧電素子706を制御する制御回路等を有するが図示を省略した。
【００４２】
記録時に、スライダ702はサスペンション705のばね力によって光ディスク701の面に押し付けられるが、逆に光ディスク701の回転によって生じる光ディスク701の面上の空気流による浮上力がはたらき、両者の力のバランスで、光ディスク701の面と半導体レーザ707の近接場光プローブの上面との間に数十ナノメータの間隙が形成される。
【００４３】
以上の構造により、近接場光プローブから光の波長よりも小さい径の光スポットが光ディスク701の記録膜に照射され、超高密度の光記録が行なわれる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、面発光半導体レーザと近接場光プローブを自己整合的に集積することにより、高精度の位置合わせを伴わずに両者を精度良く配置することが可能となる。それにより、レーザ光の利用効率を向上させることができ、面発光レーザの特性向上と近接場光の出力増加が可能となる。高精度の位置合わせが不要になることから、量産性を高めることができる。更に、半導体レーザの上側の電極を半導体レーザの表面に突出しないで裏面に至る構造にすることができるので、電極プローブを設けた半導体レーザの表面を平坦にすることが可能になる。そのような近接場光プローブ集積半導体レーザを光ディスク面に近接して設置することが可能になり、光の波長より小さい光スポットを利用した超高密度の光記録装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る近接場光プローブ集積半導体レーザの発明の実施の形態を説明するための断面図。
【図２】本発明の近接場光プローブ集積半導体レーザの製作工程を説明するための図。
【図３】本発明の近接場光プローブ集積半導体レーザの製作工程を説明するための別の図。
【図４】図３の工程によって形成した酸化領域及び非酸化領域を説明するための上面図。
【図５】本発明の近接場光プローブ集積半導体レーザの製作工程を説明するための更に別の図。
【図６】図５の工程によって形成したコンタクト孔を説明するための上面図。
【図７】図６に示したコンタクト孔の断面図。
【図８】本発明の近接場光プローブ集積半導体レーザを説明するための別方向の断面図。
【図９】本発明の光記録装置を説明するための斜視図。
【符号の説明】
101…ｐ型ＧａＡｓ基板、102…下側ｐ型ＤＢＲ層、103…下部スぺーサ層、104…量子井戸活性層、105…上部スぺーサ層、106…活性層領域、107…ｎ型ＡｌＡｓ層、108…上側ｎ型ＤＢＲ層、109…絶縁膜ＤＢＲ層、110…金属膜、114…酸化領域、115…非酸化領域、116…表側コンタクト孔、117…酸化シリコン絶縁膜、118，131…電極、123…裏側コンタクト孔、124…半田、125…サブマウント701…光ディスク、702…スライダ、703…記録ヘッド、707…近接場光プローブ集積半導体レーザ。
【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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【図８】
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【図９】
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