(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１の導電型の第１の半導体多層反射膜、活性領域、少なくとも一つの電流を狭窄するための半導体層、第２の導電型の第２の半導体多層反射膜を形成し、
少なくとも前記第２の半導体多層反射膜および前記半導体層を含む層を含むメサ構造を形成するための第１のエッチングを行い、
前記半導体層の露出された側壁を一部酸化して電流狭窄領域を形成し、
前記第１のエッチングにより露出された前記メサ構造底部の面に形成された酸化物層を除去するための第２のエッチングを行い、
前記第２のエッチング後にフッ素化合物ガスによる第３のエッチングを行い、
前記メサ構造の底部および側壁を覆うように絶縁膜を形成する工程を含む、面発光レーザ装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１のエッチングにより露出された前記メサ構造底部の面は、前記活性領域に含まれるスペーサ層である、請求項１に記載の面発光レーザ装置の製造方法。
【請求項３】
前記第１のエッチングにより露出された前記メサ構造底部の面は、前記第１の半導体多層反射膜を構成する少なくとも一つの半導体層である、請求項１に記載の面発光レーザ装置の製造方法。
【請求項４】
前記第２のエッチングは、前記第１のエッチングにより露出された前記第１の半導体多層反射膜を少なくとも一層除去する、請求項４に記載の面発光レーザ装置の製造方法。
【請求項５】
前記第２のエッチングにより露出された半導体層は、ＡｌＧａＡｓまたはＡｌＧａＮであり、Ａｌ組成が０．５以下である、請求項４に記載の面発光レーザ装置の製造方法。
【請求項６】
前記第２のエッチングにより露出された半導体層は、他の半導体層よりも膜厚が厚い、請求項５に記載の面発光レーザ装置の製造方法。
【請求項７】
前記膜厚の厚い半導体層は、その光学的厚さ（厚さｄと屈折率ｎの積）が発振されるレーザ光の波長の４分の１の長さの奇数倍である領域を含む、請求項６に記載の面発光レーザ装置の製造方法。
【請求項８】
前記第１の半導体多層反射膜は、第２のエッチングによるオーバーエッチングを防止するための層を含む、請求項１に記載の面発光レーザ装置の製造方法。
【請求項９】
前記層は、ＧａＩｎＰである、請求項８に記載の面発光レーザ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光インターコネクション、光交換，および光情報処理に使われる面発光型半導体レーザ装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、論理回路素子の情報伝達手段として、伝送速度の飛躍的な向上を目指した光インターコネクションの研究が進められている。その並列光源として発光素子を２次元で高密度に配列可能な面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ  ｄｉｏｄｅ：以下適宜ＶＣＳＥＬと称する）が注目されている。ＶＣＳＥＬに関しては、伊賀らにより先駆的な研究がなされており、１９８８年発行のＩＥＥＥジャーナルオブカンタムエレクトロニクス（ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）第２７巻１３３２ページにまとめられている。
【０００３】
最近のＶＣＳＥＬの構造は、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように半導体基板７０１の水平面に対して垂直方向に共振器７０２を有する。共振器７０２は、メサ構造を有し、キャリアを閉じこめ光を発生させる活性層７０３と、半導体多層膜による下部反射ミラー７０４および上部反射鏡ミラー７０５と、活性層７０３で発光した光の位相を上部下部の半導体多層膜反射ミラーの端部で整合させるスペーサ層７０６とを含む。さらに上部反射ミラー７０５上には、上部コンタクト層７０７、レーザの出射口の機能を併せ持つ上部電極７０８、メサ構造の側壁および上面縁部を覆う層間絶縁膜７１０、下部電極７０９が形成される。
【０００４】
レーザ発振させるためには、基板の水平方向にもキャリアと光の閉じこめを行う必要がある。基板と水平方向での狭窄構造を作製する手段として、ドライエッチングにより１０数μｍ径の細い柱状（ポストあるいはメサ）構造を作製し、ポスト部自体を電流経路とする方法（単純ポスト型）、ドライエッチングにより数十μm径のポスト構造を作製した後にコントロール層と呼ぶＡｌＡｓ層の一部を水蒸気酸化により絶縁化して電流経路を限定する方法（酸化型）や、プロトンインプラにより絶縁領域を形成し電流経路を限定する方法（インプラ型）などがある。現在は、酸化型ＶＣＳＥＬが、しきい電流値も低く、電流−光特性も優れていることが知られており、例えば、応用電子物性分科会誌  第５巻  第１号  １９９９  １１ページに記載されている。図７において、ＡｌＡｓ層７１２のうち、７１２Ａの領域が酸化領域、７１２Ｂの領域が非酸化領域である。７１３は上部電極の開口部であり、レーザ出射口となる。図７（Ａ）と図７（Ｂ）の違いは、メサ底部の層間絶縁膜が着膜する半導体層が、半導体基板７０１のＧａＡｓ層の表面酸化層７１４であるか、下部反射ミラー７０４を構成するＡｌＧａＡｓ層の表面酸化層７１５である。この違いにより、ポストの高さが異なる。
【０００５】
酸化型ＶＣＳＥＬの製造方法のうち、層間絶縁膜着膜を形成するまでの工程を図８および図９を参照して説明する。図８（Ａ）に示すように、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、ｎ型ＧａＡｓ半導体基板８０１上に、n型ＧａＡｓバッファー層８０２と、ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの３５層多層膜（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ層）８０３と、λ（一波長分）Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓスペーサ層８０４と、スペーサ層の中にＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ａｓ量子井戸活性層８０５を２層と、この２層の活性層８０５をそれぞれ挟み込む３層のＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓバリア層８０６（但し、図面では活性層に挟まれる中央のバリア層のみを示し、各活性層の両側のバリア層、すなわち各活性層と各スペーサ層間のバリア層を省略している）を挿入し、ＡｌＡｓ層８０７と、ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの２８層多層膜（ＤＢＲ層）８０８と、コンタクト層の役目をするｐ型ＧａＡｓキャップ層８０９を順次製膜し、ＶＣＳＥＬ基板を作製する。
【０００６】
次に、図８（Ｂ）に示すように、ＶＣＳＥＬ基板のｐ型ＧａＡｓキャップ層上にコンタクト電極を作製するため、通常のフォトリソグラフ(ＰＬＰ)法によりレジストパターンを形成し、Ｃｒ／ＡｕやＴＩ／Ａｕなどの電極金属を蒸着し、レジストをリフトオフすることによりコンタクト電極８１０を形成する。
【０００７】
次に、図８（Ｃ）に示すように、ポストあるいはメサ構造を形成するため、ドライエッチング用マスクとしてＳｉＯＮやＳｉＮｘやＳｉＯ2などの絶縁膜を着膜し、通常のＰＬＰ法により形成したレジストをマスクとしてバッファードフッ酸(ＢＨＦ)等によりエッチングし、絶縁膜マスク８１１を形成する。
【０００８】
次に、図９（Ｄ）に示すように、絶縁膜のマスクパターン８１１を用いて、ＢＣｌ３とＣｌ２ガスの混合ガスでドライエッチングを行い、ＶＣＳＥＬ基板上にポスト構造８１２を形成する。ポスト構造の高さは、図７（Ａ）のように、ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの３５層多層膜ＤＢＲ層８０３を突き抜けて、ＧａＡｓ基板までエッチングする場合と、図７（Ｂ）のように、ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの３５層多層膜ＤＢＲ層８０３の途中で止める場合がある。図７（Ａ）のようにＧａＡｓ基板までエッチングしてポスト構造を作ると、ポスト高さが高くなりすぎて、後行程のプロセス精度が悪くなり、特に高密度な素子アレイを作るのが難しくなる。そこで、図７（Ｂ）のようにポスト高さを抑えるために、ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの３５層多層膜ＤＢＲ層８０３の途中でエッチングを停止させるタイプが構造的に好ましい。
【０００９】
次に、図９（Ｅ）に示すように、ポスト構造８１２を作製したＶＣＳＥＬ基板を、水蒸気雰囲気にて３５０℃〜４５０℃のアニール温度で酸化を行う。水蒸気酸化によって、ＶＣＳＥＬのポスト構造８１２の側壁に露出したＡｌＡｓ層８０７が、その端部よりポスト中心部に向かって酸化され、その酸化時間に応じて酸化領域８１３が形成される。酸化領域８１３は、ポーラス状の絶縁膜となるので、これが電流狭窄のための電流ブロック層として働き、酸化されないで残ったＡｌＡｓ領域（非酸化領域）８１４が電流通路となる。非酸化領域８１４と酸化領域８１３は、屈折率が異なるため、レーザ光の横モードを制御するアパーチャとしての働きも有する。
【００１０】
次に、図９（Ｆ）に示すように、化学気相成長法(ＣＶＤ法)によってポスト全体を覆うようにＳｉＮｘ、ＳｉＯ２、あるいはＳｉＯｘＮｙを着膜し、層間絶縁膜８１５を形成する。これは、酸化されたＡｌＡｓ層８０７の領域がポーラス状の薄膜となることで、構造的に弱くなったポスト構造を補強する意味がある。なお、本出願人による先の特開平１１−３４０５６５は、Ａｌ組成１００%のＡｌＡｓコントロール層（電流狭窄層）を使用するものであり、酸化処理後のメサ構造が後工程での急激な熱処理等により脱落する問題を解決するためメサ構造を層間絶縁膜で覆い補強する施策をとっている。次に、電極材料を着膜し、その電極をオーミック化するための４００℃前後で加熱する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電極材料をオーミック化するための４００℃前後で加熱する加熱工程の際に、層間絶縁膜８１５が、メサ構造の底部の着膜面から剥離することがある。あるものは層間絶縁膜８１５が着膜面からの浮きとなり、あるものは層間絶縁膜８１５がメサ構造から完全に剥離分離し、その程度がひどい場合には、層間絶縁膜８１５が粉々になって飛び散ることもある。このような不良により、正常動作するＶＣＳＥＬ素子数が低減し、また、素子の信頼性も低下する。結果として、ＶＣＳＥＬ素子の歩留まりが数十〜５０%と著しく低下してしまう。
【００１２】
本発明者等は、層間絶縁膜８１５が剥離する問題に対して、いくつかの実験を行った結果、以下のようなことが原因であることをつきとめた。層間絶縁膜８１５の被着膜面であるメサ底部のＡｌＧａＡｓ層の表面は、ＡｌＡｓ層８０７の酸化工程によってＡｌＧａＡｓ酸化層に変成する。変成されたＡｌＧａＡｓ酸化層は、酸化によってＡｌ−ＡｓやＧａ−Ａｓの共有結合の大部分が切れ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、Ａｌ酸化物、Ｇａ酸化物、Ａｓ酸化物等の複合体（クラスター）とで構成され、各クラスタ−同士は残存するＡｌ−Ａｓ、あるいはＧａ−Ａｓの共有結合で弱く結合している。したがって、ドライエッチによって露出したＡｌＧａＡｓ表面層は、酸化工程によって構造的に弱い材質に変化してしまっていた。そのようなＡｌＧａＡｓ酸化層の上に直接着膜された層間絶縁膜８１５は、下層との密着性が弱く、後工程中に発生する熱応力等により、その着膜界面で容易に剥離してしまうことが判明した。さらに、この剥離のしやすさは、ＡｌＧａＡｓ層のＡｌの組成にも依存しており、Ａｌの組成が高いほど剥離の程度がひどくなる。これは、Ｇａ−Ａｓ結合よりも、Ａｌ−Ａｓ結合がより容易に酸素に置換され、Ａｌ組成の大きいものほど構造的に弱い酸化領域が多くなることに原因がある。したがって、図７（Ａ）のメサ底部がＧａＡｓ酸化層となっている素子と、図７（Ｂ）のようにＡｌＧａＡｓ酸化層となっている素子とを比べると、層間絶縁膜の剥離の程度が著しく異なり、図７（Ｂ）のようにメサ底部の半導体層をＡｌＧａＡｓ酸化層としたものの方が層間絶縁膜の剥離の程度がひどい。
【００１３】
そこで本発明は、精度良くＶＣＳＥＬ素子を作製できうるようにポストの高さを低く抑えたメサ構造において生じる層間絶縁膜の剥離の問題を解決し、歩留まりの高い構造を有する面発光型半導体レーザ装置ならびにその製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
さらに本発明は、従来構造を改良した信頼性の高い面発光型半導体レーザ装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様は、基板と、基板上に形成された第１導電型の第１の半導体多層反射膜と、第１の半導体多層反射膜上に形成された活性領域と、活性領域上に形成された第２導電型の第２の半導体多層反射膜と、第１の半導体多層反射膜と第２の半導体多層反射膜との間に介在され、半導体層の一部に酸化領域を含む電流狭窄層とを有する面発光型半導体レーザ装置であって、第１の半導体多層反射膜の一部である少なくとも一つの半導体層が着膜面として露出され、着膜面の表面酸化物層が除去され、着膜面上に絶縁膜が形成されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第２の態様に係る面発光型半導体レーザ装置は、基板と、基板上に形成された複数の半導体層であって、複数の半導体層は、第１導電型を有する第１の反射鏡、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、および活性領域上に第２導電型の第２の反射鏡を含み、さらに、少なくとも第２の反射鏡から電流狭窄層まで延びるメサを有し、メサの底部および少なくとも側壁が絶縁膜によって覆われ、絶縁膜が接触するメサ底部の表面から酸化物領域が除去されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の第３の態様に係る面発光型半導体レーザ装置は、半導体基板と、半導体基板上に形成された第１導電型の第１の半導体多層反射膜と、第１の半導体多層反射膜上に形成された活性層と、活性層を挟み込む一対のスペーサ層と、スペーサ層上に形成された第２導電型の第２の半導体多層反射膜と、第１の半導体多層反射膜と第２の半導体多層反射膜との間に介在され、半導体層の一部に酸化領域を含む電流狭窄層と、少なくとも電流狭窄層、第２の半導体多層反射膜、及び活性層を含むメサ構造とを有し、メサ構造の少なくとも側壁および底部が絶縁膜によって覆われ、絶縁膜が着膜するメサ構造の底部はスペーサ層の一方であり、一方のスペーサ層の表面から酸化物層が除去されていることと特徴とする。
【００１８】
本発明の第４の態様は、基板上に第１の導電型の第１の半導体多層反射膜、活性領域、少なくとも一つの電流を狭窄するための半導体層、第２の導電型の第２の半導体多層反射膜を形成する工程、少なくとも第２の半導体多層反射膜および半導体層を含む層を含むメサ構造を形成するための第１のエッチングを行う工程、半導体層の露出された側壁を一部酸化して電流狭窄領域を形成する工程、第１のエッチングにより露出されたメサ構造の底部の面に形成された酸化物層を除去するための第２のエッチングを行う工程、およびメサ構造の底部および側壁を覆うように絶縁膜を形成する工程を含む、面発光レーザ装置の製造方法である。
【００１９】
本発明によれば、電流狭窄層（あるいはコントロール層）の一部を酸化して電流経路を狭窄するタイプの半導体レーザ装置において、電流狭窄層の酸化工程と同時に形成される他の半導体層表面の酸化物層を除去するようにしたので、酸化物層が除去された半導体層上に密着性の良い絶縁膜を付着することができる。特に、メサ構造を有する垂直共振型の面発光半導体レーザ装置の場合、メサ底部の半導体層の表面酸化物層を除去するため、メサ底部の半導体層と接触してメサを覆う絶縁膜の密着性が向上し、絶縁膜がメサ底部の半導体層から浮いたり、剥離したりすることが抑制され、メサの機械的強度を向上させることができる。このため、絶縁膜を介してメサ頂部のコンタクト層に電気的に接続される電極膜の接点不良の問題を解決することができ、従来の面発光型半導体レーザ装置と比べその製造の歩留まりを向上させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る面発光型半導体レーザ装置は、基板と、基板上に形成された第１導電型の第１の半導体多層反射膜と、第１の半導体多層反射膜上に形成された活性領域と、活性領域上に形成された第２導電型の第２の半導体多層反射膜と、第１の半導体多層反射膜と第２の半導体多層反射膜との間に介在され、半導体層の一部に酸化領域を含む電流狭窄層とを有する。そして、第１の半導体多層反射膜の一部である少なくとも一つの半導体層が着膜面として露出され、この着膜面の表面から酸化物層が除去され、その上に絶縁膜が形成されている。
【００２１】
本発明の面発光型半導体レーザ装置は、いわゆる酸化型のタイプであり、好ましくはメサ構造を有する。メサ構造は、図７（Ａ）や（Ｂ）に示すポスト構造であっても良い。基板は、半導体基板を用いて絶縁基板を用いても良く、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等を用いることができる。但し、絶縁基板を用いた場合には基板の底部にコンタクト層を設けるのではなく基板上に第１の半導体多層反射膜と電気的に接続可能なコンタクト層を形成する必要がある。特に、メサあるいはレーザ素子をマトリックスアレイ状に配列する場合には、各メサの第１の半導体多層反射膜とそれぞれ選択されるようなパターンのコンタクト層を基板上に形成する必要がある。電流狭窄層は、活性領域の上でも下でも良く、少なくとも一層を有し、例えば、ＡｌＡｓやＡｌＧａＡｓであっても良い。後者の場合、Ａｌの組成を高くし、他の半導体層との酸化速度が異なるように選択的な酸化をすることが望ましい。レーザ光の出射する側は、基板側からでもあるいはメサ側からのいずれであっても良い。出射する側に応じて第１及び第２の半導体多層反射膜の反射率を適宜選択して変更すればよい。メサ側から出射させる場合には、第１の半導体多層反射膜より第２の半導体多層反射膜の反射率を低くすれば良く、例えばＤＢＲ膜であれば半導体層の積層する数を変える。メサ構造の底部である着膜面に接し、かつメサ構造の側壁を覆うように形成された絶縁膜は、例えばＳｉＮｘ、ＳｉＯ２、ＳｉＯｘＮｙのうちのいずれかの材質とすることができる。
【００２２】
第１の半導体多層反射膜は、異なるＡｌ組成を有する半導体層を交互に配列した分布ブラッグ反射膜（ＤＢＲ膜）であり、例えば、ＡｌxＧａ1-xＡｓを用いることができる。着膜面として露出させる層は、Ａｌの組成が低いほうが望ましい。これは、Ａｌの組成が大きいものほど構造的に弱い酸化領域が多くなり、従ってＡｌの組成が小さい層の方が酸化物層の除去も容易に行うことが可能である。好ましくは、Ａｌ組成Ｘが０．５以下のＡｌxＧａ1-xＡｓ半導体層を絶縁膜の着膜面とするためには、高Ａｌ組成半導体である電流狭窄層の一部を酸化する際に生じたメサ底部のＡｌＧａＡｓ層の表面酸化層をドライエッチングにより除去し、ＡｌＧａＡｓ表面酸化層の下に隠れていたＡｌ組成５０％以下の半導体層がメサ底部の表面層として現れるようにする。
【００２３】
ＡｌＧａＡｓ表面酸化層のエッチング除去後にメサ底部に露出する表面層としては、Ｘが０．５以下のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ半導体層（低Ａｌ組成半導体層）であるスペーサ層でも良いし、第一の導電型の分布ブラッグ反射型半導体多層膜反射鏡を構成する層の内のＸが０．５以下のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ半導体層（低Al組成半導体層）でも良い。しかし、特に、分布ブラッグ反射型半導体多層膜反射鏡を構成する層の内のＡｌ組成Ｘが０．５以下の低Ａｌ組成半導体層の場合、その厚さが１００ｎｍ程度と薄いため、エッチングをその低Ａｌ組成半導体層の途中で精度良く止めることは難しい。また、エッチング深さに分布がある場合は、複数の層がメサ底部の表面層になることもあり、必ずしも基板全面にわたって低Ａｌ組成層になるとは限らない。このため、第一の導電型の分布ブラッグ反射型半導体多層膜反射鏡を構成する層の内、Ａｌ組成Ｘが０．５以下の低Ａｌ組成半導体層の少なくとも一層を、他の隣接する層よりも厚くすることで、Ａｌ組成Ｘが０．５以下の低Ａｌ組成半導体層中でエッチングを停止させることが可能となる。しかし、厚くしたＡｌ組成Ｘが０．５以下の低Ａｌ組成半導体層が任意の厚さでは、反射波と進行波の位相がそろわず、結果として分布ブラッグ反射型半導体多層膜反射鏡の反射率が低下しレーザ特性の劣化を招く。そこで、厚くしたＡｌ組成Ｘが０．５以下の低Ａｌ組成半導体層のメサ領域での厚さをｄとし、その層の屈折率をｎとしたときに、厚くしたＡｌ組成Ｘが０．５以下の低Ａｌ組成半導体層のメサ領域における光学的厚さｎｄ（ｎとｄの積）の値が、発振するレーザ光の波長の4分の1の長さの整数倍の厚みにすることで、分布ブラッグ反射型半導体多層膜反射鏡の反射率を著しく下げずに済む。さらに、ｎｄの値が、発振するレーザ光の波長の4分の1の長さの奇数倍であれば反射率の低下をさらに防ぐことができる。
【００２４】
一方、メサ底部のＡｌＧａＡｓ表面酸化層を除去後の低Ａｌ組成半導体層も、大気中に放置したり、水洗することにより表面に自然酸化膜が形成される。係る自然酸化膜上にＳｉＮｘやＳｉＯ２やＳｉＯＮのような絶縁膜を着膜しても密着性が減じ、後工程での加熱工程で絶縁膜の剥離が生じる。そこで、メサ底部のＡｌＧａＡｓ表面酸化層を除去後、直ちに、できれば大気にさらさずに、フッ素を含むガスにより処理すると、表層の残留塩化物を除去し、かつ、Ａｌとフッ素との化合物が表面に形成されて、処理後大気に開放したときに表面酸化膜の形成が抑制される。したがって、その後に着膜するＳｉＮｘ等の絶縁膜と着膜界面との界面の密着力が増大し、絶縁膜の剥離防止効果が高まる。
【００２５】
また本発明の実施の形態は、ＡｌＧａＡｓ系材料の面発光レーザで説明したが、ＡｌとＧａの混晶材料を用いるＡｌＧａＮ系材料の面発光レーザで、酸化により作製された電狭窄構造の面発光レーザであれば同様な構造、同様な製造方法で、層間絶縁膜の剥がれの問題に対して効果がある。活性領域は、多重量子井戸構造を有し、その両側にスペーサ層を含むものでも良い。さらに、本発明の面発光型半導体レーザ装置は、複数のレーザ素子、すなわちメサをマトリックス状に配したレーザアレイにも適用可能であり、この場合にはメサ構造の間の段差を埋めるためにポリイミド等の耐熱性の有機膜を積層する。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
（実施例１）
図１（Ａ）は、第１の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置の構成を示す断面図であり、同図（Ｂ）はポスト底部（Ｐ部）の拡大図である。同図において、面発光型半導体レーザ装置は、Ｓｉドープ(Nd=1×1018cm-3)ｎ型ＧａＡｓ半導体基板１０１上に、４０．５周期のＳｉドープ(Nd=1×1018cm-3)ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの複数の半導体層を有する分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ層）１０２と、アンドープλＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓスペーサ層１０５と、その間に３重量子井戸Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ活性層１０３と、Ｚｎドープ(Na=7×1017cm-3)ｐ型ＡｌＡｓ層１０４と、３０．５周期のＺｎドープ(Na=7×1017cm-3)ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１ＡｓのＤＢＲ層１０６と、Ｚｎドープ(Na=1×1019cm-3)ｐ型ＧａＡｓ層１０７との各層から構成されている。
【００２７】
Ｚｎドープ(Na=7×1017cm-3)ｐ型ＡｌＡｓ層１０４は、電流狭窄層として機能し、酸化領域１０４Ａと非酸化領域１０４Ｂとからなる。メサまたはポストと呼ばれている柱状の構造１０８は、ドライエッチングにより４０．５周期のＳｉドープ(Nd=1×1018cm-3)ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ分布ブラッグ反射鏡(ＤＢＲ層)１０２の層の途中まで掘り下げられている。ポスト１０８の底部の層間絶縁膜１１０の着膜面である露出面１０９は、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓの表面酸化層は除去されていて残存せず、Ｓｉドープ(Nd=1×1018cm-3)ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ分布ブラッグ反射鏡(ＤＢＲ層)１０２のうちの、Ａｌ組成の低いＳｉドープ(Nd=1×1018cm-3)ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層１０２Ａの清浄面が現れている。そこにＳｉＮｘ層間絶縁膜１１０が直接着膜された基本構造をとる。ポスト構造１０８の頂部には、レーザ出射口１１１を形成しているコンタクト電極１１２や、アノード（ｐ）側配線電極１１３があり、Siドープ(Nd=1×1018cm-3)ｎ型ＧａＡｓ半導体基板１０１の裏面には、ｎ側電極１１４が形成されている。
【００２８】
（実施例２）
図２は、本発明の第２の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置の構成を示す断面図であり、同図（Ｂ）はポスト底部（Ｑ部）の拡大図である。第１の実施例と異なるところは、ドライエッチングにより掘り下げられて形成されたポスト構造の底部１０８に現れる４０．５周期のＳｉドープ(Nd=1×1018cm-3)ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ0.1As分布ブラッグ反射鏡(ＤＢＲ層)１０２の層のうちのＡｌ組成の低いＳｉドープ(Nd=1×1018cm-3)ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層１０２Ａの層の厚さ２０１が、レーザ発振する波長λの四分の一の長さの整数倍となっていることである。この層を意図的に厚くすることにより、ドライエッチングのエッチング速度に分布があっても、ウエハ基板全面にわたりメサ底部の表面層を同一のＡｌ組成の低いＳｉドープ(Nd=1×1018cm-3)ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層１０２Ａとすることができる。このとき、Ａｌ組成の低いＳｉドープ(Nd=1×1018cm-3)ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層１０２Ａの厚さ２０１をレーザ発振する波長λの四分の一の長さの整数倍とすることで、分布ブラッグ反射型半導体多層膜反射鏡の反射率を著しく下げずに済み、良好なレーザ特性の素子を作製することが可能となる。さらに、その厚み２０１をレーザ発振する波長λの四分の一の長さの奇数倍とするとなお、いっそう効果が高くなる。
【００２９】
（実施例３）
図３は、本発明の第３の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。第１および第２の実施例と異なるところは、ドライエッチングにより掘り下げられて形成されたポスト構造の底部の露出面１０９が、Ａｌ組成を５０％以下に低く抑えたアンドープλＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓスペーサ層１０５であることを特徴とする。この場合には、上記第１及び第２の実施例よりもポストの高さを押えることができ構造的な強度をより向上させることができる。
【００３０】
次に、本発明の実施例に係るＡｌＡｓ酸化型ＶＣＳＥＬの具体的な作製手順を図４ないし図６を用いて説明する。
【００３１】
（１）ＶＣＳＥＬ薄膜基板の製膜
まず、図４（Ａ）に示すように、ＧａＡｓ等ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のバルク結晶を基板として、有機金属気層成長（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ:ＭＯＶＰＥ）法により、ＩＩＩ−Ｖ族化合物（ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ）半導体薄膜を順次エピタキシャル成長させ積層してゆく。積層する薄膜の構造は、前述したように、少なくとも、活性層、スペーサ層、半導体多層膜ＤＢＲ反射鏡ミラー、コンタクト層を有する。具体的には、Ｓｉドープ(Nd=1×1018cm-3)ｎ型ＧａＡｓ半導体基板４０１上にＳｉドープ(Nd=1×1018cm-3)ｎ型ＧａＡｓバッファ層４０２、４０．５周期のＳｉドープ(Nd=1×1018cm-3)ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ分布ブラッグ反射鏡(ＤＢＲ層)４０３、アンドープλ Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓスペーサ層４０８（または、アンドープλ Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓスペーサ層４０８）、３重量子井戸Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ａｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ活性層４０４、Ｚｎドープ(Na=7×1017cm-3)ｐ型ＡｌＡｓ層４０５、３０．５周期のＺｎドープ（Na=7×1017cm-3）ｐ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ ＤＢＲ層４０６、Ｚｎドープ(Na=1×1019cm-3)ｐ型ＧａＡｓ層４０７の各層を順次成膜する。ｐ型のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ分布ブラッグ反射鏡(ＤＢＲ層)の各層界面には、デバイスの直列抵抗を下げるために、Ａｌ０．３Ｇａ０．７ＡｓとＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの間の組成のバンド障壁緩衝層を挿入しても良い。ここの段階で、４０．５周期のＳｉドープ(Nd=1×1018cm-3)ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ分布ブラッグ反射鏡(ＤＢＲ層)４０３のうちの特定のｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓの厚さＡを、隣接するｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓの厚さよりも厚くしておく。このとき、特定のｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓの厚さをレーザ発振させる波長λの四分の一の整数倍の長さとする。さらに、その厚みを奇数倍の長さに等しくすることで、より、良好なレーザ特性の面発光型半導体レーザ素子を得ることができる。
【００３２】
（２）開口部を有するｐコンタクト電極の作製
次に、図４（Ｂ）に示すように、ＭＯＶＰＥ装置で作製したＶＣＳＥＬ基板の最表面に、レーザ出射用の開口部４１０を有するコンタクト電極４０９を作製する。コンタクト電極の作製方法は、基板表面に通常のフォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成し、ＴＩとＡｕを順次着膜してから、レジストを剥離して電極形成するリフトオフ法が好ましい。あるいは、あらかじめＴＩとＡｕを着膜しておいて、Ａｕの上で通常のフォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成しＴＩとＡｕをエッチングしてパターンニングする方法でも良い。ｐ電極材料は、ＴＩとＡｕの他に、ＡｕＺｎ／Ａｕ、ＴＩ／Ｐｔ／Ａｕなどを用いても良い。
【００３３】
（３）ｎ裏面電極着膜
次に、図４（Ｃ）に示すように、ｎ電極４１１をコンタクト電極とは反対側のＧａＡｓ基板裏面に蒸着装置にて着膜する。ｎ電極の材料としては、ＡｕＧｅ／Ａｕ、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕがあげられる。そして、この時点で両電極を低抵抗オーミック電極とするために、３５０〜４００℃の温度の窒素雰囲気で数〜30分アニールする。
【００３４】
（４）ポストエッチング用マスクの形成
次に、柱状のポスト（メサ）構造を作製するために、エッチングマスク４１２を形成する。エッチングマスク４１２は、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮｘなどの絶縁膜をＰコンタクト電極４０９の上から基板全面に着膜する。このマスク材となるＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮｘなどの絶縁膜のパターニングは、レジスト塗布、パターンの露光、レジスト現像と通常のフォトリソグラフィで行い、バッファードフッ酸等によりエッチングし、絶縁膜エッチングマスクパターンを形成する。マスクのエッチングは、ドライエッチングでも良い。
【００３５】
（５）ポスト（メサ）構造の作製
次に、図５（Ｄ）に示すように、マスク４１２以外の部分を、塩素系ガスを用いたドライエッチング装置にて数〜１０数ミクロンの深さまでドライエッチングしポスト４１３を形成する。このとき、エッチングする深さに注意が必要となる。すなわち、この後の図５の（Ｆ）工程でポスト底部のＡｌＧａＡｓ表面酸化層を除去する工程が入るが、ＡｌＧａＡｓ表面酸化層を除去した時点でのポスト底部の表面層が、Ａｌ組成５０％以下の低Ａｌ組成のｎ型ＡｌＧａＡｓとなるように、エッチング深さを調整する。例えば、実施例１や２では、４０．５周期のＳｉドープ(Nd=1×1018cm-3)ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ層）４０３のうちの低Ａｌ組成層であるｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓをそのポスト底部の表面層としているので、まず、４０．５周期のＳｉドープ(Nd=1×1018cm-3)ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ分布ブラッグ反射鏡(ＤＢＲ層)４０３Ａの深さ、あるいは、その手前の層までエッチングを行う。但し、第３の実施例では、λスペーサ層をポスト底部とするため、アンドープλＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓスペーサ層４０８の深さまでエッチングを行う。このとき、同時にポスト側面にはＡｌＡｓ層４０５の端部が露出し、ＡｌＡｓ層４０５の酸化ができるようになっていることが必要である。
【００３６】
（６）ＡｌＡｓ酸化工程
ポスト構造４１３を作製したら、図５（Ｅ）に示すように、直ちにアニール炉内に挿入し、水蒸気を導入してポスト側面からＡｌＡｓ層４１４の選択酸化を行う。その時のアニール温度は、３４０〜４００℃程度。また、水蒸気は、熱水タンク内の７０〜１００℃の熱水を窒素キャリアガスでバブリングして炉内に輸送する。水蒸気酸化を行うと、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＡｓとＡｌＡｓ層がアルミ酸化物（ＡｌｘＯｙ）に変化するが、ＡｌＡｓの方がＡｌＧａＡｓに比べて酸化速度が圧倒的に速いため、ＡｌＡｓのみが選択的にポスト側壁端部からポスト中心部へ向っての酸化が進行しＡｌＡｓ層の酸化層であるＡｌｘＯｙ層４１４が形成される。アニール時間を制御することで、ポスト中央部にＡｌＡｓ層４０５を所望サイズだけ残すことができる。ＡｌｘＯｙ層４１４は、電気伝導度が極度に小さく、ＡｌＡｓ層４０５は電気伝導度が大きいため、ポスト構造の中心部に残されたＡｌＡｓ層４０５のみに電流が流れる電流狭窄構造とすることができる。このＡｌＡｓ層４１４の酸化工程と同時にポスト底部に露出しているポスト底部の表面層（あるいは露出面）４１５には、ＡｌＧａＡｓ表面酸化層４１６が形成される。
【００３７】
（７）ＡｌＧａＡｓ表面酸化層の除去エッチング
次に、図５（Ｆ）に示すように、ＡｌＡｓ層の酸化工程で形成されたポスト底部のＡｌＧａＡｓ表面酸化層４１６を除去し、Ａｌ組成が５０％以下の層がポスト底部の表面層となるようエッチングを行う。エッチングは、塩酸や硫酸、バッファードフッ酸などのウエット系エッチャントでも良いが、電流狭窄構造を形成するＡｌｘＯｙ層４１４もウエットエッチングでエッチングされてしまうので、ドライエッチングによる方法が好ましい。ドライエッチングで使用するエッチャントガスは、ＢＣｌ3やＣｌ2やＳｉＣｌ4等の塩素系ガスが好ましい。エッチング深さは、Ａｌ組成が５０％以下のＡｌＧａＡｓ層がポスト底部の表面層４１５となるようエッチング深さを制御する。エッチング深さの制御は、エッチング速度を前もって把握しておくことで時間制御により可能である。エッチングを停止する層は、各実施例ごとに異なる。第１の実施例では、４０．５周期のＳｉドープ(Nd=1×1018cm-3)ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ層）４０３のうち、任意の低Ａｌ組成であるｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓの層４０３Ａである。第２の実施例では、４０．５周期のＳｉドープ(Nd=1×1018cm-3)ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ層）４０３のうち、その厚みがレーザ発振する波長λの四分の一の長さの整数倍、または、奇数倍の低Ａｌ組成層４０３Ａであるｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓとなる。第３の実施例では、アンドープλＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓスペーサ層４０８である。
【００３８】
（８）フッ素ガス処理
表面酸化層のエッチング工程によりポスト底部のＡｌＧａＡｓ表面酸化層４１６を除去したとしても、除去後のサンプルを大気中にさらすことで、ポスト底部のＡｌＧａＡｓ露出表面に自然酸化膜が形成され、これによって層間絶縁膜との密着性が下げられてしまう。そこで、表面酸化層のエッチング工程でＡｌＧａＡｓ表面酸化層を除去した後、サンプルを大気に曝さず連続してＳＦ6ガスでドライエッチングする。これにより、ポスト底部のＡｌＧａＡｓ表面をフッ素置換し保護膜を形成し、自然酸化膜が形成されるのを抑制する。
【００３９】
（９）層間絶縁膜着膜
次に、図６（Ｇ）に示すように、ポスト全体をＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮｘ等の層間絶縁膜４１７で被覆する。これは、ＡｌＡｓ層４１４のほとんどがポーラス状のＡｌｘＯｙ膜に置換されたことによって生じたポスト自体の強度低下を絶縁膜着膜により補強するため、および、ポーラス状のＡｌｘＯｙ膜をポスト側壁の端部に露出したままにしておくことによる酸化層の変質を防止するためである。
【００４０】
（１０）コンタクトホールの作製
次に、図６（Ｈ）に示すように、ポスト上部の層間絶縁膜４１７の下層にあるコンタクト電極４０９にｐ配線電極を接地させるためのコンタクトホール４１８を開ける。コンタクトホールは、フォトリソグラフィーでパターニングを行い、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）等の薬液によるエッチングやドライエッチングにて行う。このときに、コンタクトホールの底部全面をコンタクト電極が覆うように設計すると下層のコンタクト層へのプロセスダメージを電極金属により回避できる。
【００４１】
（１１）ｐ配線電極形成
次に、図６（Ｉ）に示すように、ｐ配線電極４１９を形成する。ｐ配線電極４１９の作製方法は、通常のフォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成し、ＴＩとＡｕを順次着膜してから、レジストを剥離して電極形成するリフトオフ法が好ましい。あるいは、あらかじめＴＩとＡｕを着膜しておいて、Ａｕの上で通常のフォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成しＴＩとＡｕをエッチングしてパターンニングする方法でも良い。ｐ電極材料は、ＴＩとＡｕの他に、ＡｕＺｎ／Ａｕ、ＴＩ／Ｐｔ／Ａｕなどを用いても良い。
【００４２】
（１２）電極アニール
最後に電極をオーミック化するためのアニールを約４００℃で行う。このとき、通常ならポスト全体を覆ったＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮｘ等の層間絶縁膜４１７が、メサ底部の着膜界面から剥離するが、ここでは、上述した本発明のデバイス構造ならびに製造方法により、そのような剥離現象は抑制される。
【００４３】
以上説明したように、本実施例に係るＶＣＳＥＬ、すなわち酸化型ＶＣＳＥＬにおいて、電流狭窄層を作るための酸化工程時に形成されたポスト（メサ）底部のＡｌＧａＡｓの表面酸化層を、ドライエッチングにより除去して、Ａｌ組成５０％以下のＡｌＧａＡｓ層を露出させ、Ａｌ組成５０％以下のＡｌＧａＡｓ層上にＳｉＮｘなどの層間絶縁膜を着膜したＶＣＳＥＬでは、ＳｉＮｘなどの層間絶縁膜とその被着膜面との密着力を大きくできる。その結果、後工程でオーミック電極形成時等に必要な高温アニール処理を行っても、層間絶縁膜が被着膜面から剥離したり破裂して飛散するなどの不良を抑制することができる。さらに、露出させたＡｌ組成５０%以下のＡｌＧａＡｓ層を大気中に曝す前に、フッ素系ガスでドライエッチング処理すると、自然酸化膜の発生を防止できるため、層間絶縁膜の剥離や破裂の問題をより抑制することができる。したがって、本発明により、信頼性耐久性に優れるＶＣＳＥＬ素子を歩留まり良く作製することが可能となる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、電流狭窄層（あるいはコントロール層）の一部を酸化して電流経路を狭窄するタイプの半導体レーザ装置において、電流狭窄層の酸化工程と同時に形成される他の半導体層表面の酸化物層を除去するようにしたので、酸化物層が除去された半導体層上に密着性の良い絶縁膜を付着することができる。特に、メサ構造を有する垂直共振型の面発光半導体レーザ装置の場合、メサ底部の半導体層の表面酸化物層を除去するため、メサ底部の半導体層と接触してメサを覆う絶縁膜の密着性が向上し、絶縁膜がメサ底部の半導体層から浮いたり、剥離したりすることが抑制され、メサの機械的強度を向上させることができ、その結果、絶縁膜を介して形成される電極配線層とメサのコンタクト層との電気的な接続不良の発生を防ぎ、信頼性、耐久性に優れた面発光型半導体レーザ装置の歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明の第１の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置を示し、（Ａ）はその断面、（Ｂ）はポスト部（Ｐ部）の拡大図である。
【図２】  図２は、本発明の第２の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置を示し、（Ａ）はその断面、（Ｂ）はポスト部（Ｑ部）の拡大図である。
【図３】  図３は、本発明の第３の実施例に係る面発光型半導体レーザ装置の断面図である。
【図４】  図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の面発光型半導体レーザ装置の製造工程を示す図である。
【図５】  図５（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）は本発明の面発光型半導体レーザ装置の製造工程を示す図である。
【図６】  図６（Ｇ）、（Ｈ）、（Ｉ）は本発明の面発光型半導体レーザ装置の製造工程を示す図である。
【図７】  図７（Ａ）は従来のポスト高さの高い酸化型ＶＣＳＥＬの断面を示す図であり、同図（Ｂ）は従来のポスト高さの低い酸化型ＶＣＳＥＬの断面を示す図である。
【図８】  図８（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は従来の酸化型ＶＣＳＥＬの製造工程を示す図である。
【図９】  図９（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）は従来の酸化型ＶＣＳＥＬの製造工程を示す図である。
【符号の説明】
１０１    半導体基板                        １０２、１０６    ＤＢＲ膜
１０２Ａ    ｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層      １０３    活性層
１０４    ｐ型ＡｌＡｓ層                  １０５    スペーサ層
１０８    ポスト（メサ）                  １０９    露出面
１１０    層間絶縁膜                      １１１    レーザ出射口
１１２    コンタクト電極                  ４０１    半導体基板
４０２    バッファ層                      ４０３，４０６    ＤＢＲ層
４０３Ａ    低Ａｌ組成層                  ４０４    活性層
４０５    ＡｌＡｓ層                      ４０９    コンタクト電極
４１０    開口部                          ４１１    電極
【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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