(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層を含む活性領域と、前記活性領域を挟む下部ミラーおよび上部ミラーとを備えた面発光半導体レーザであって、
前記下部ミラーおよび前記上部ミラーのうちの少なくとも一方が、第１の層と第２の層とが交互に繰り返して積層された半導体多層膜から形成されており、
前記活性領域に最も近い位置にある前記第１の層のみが、前記半導体から形成された閉領域と、前記閉領域を囲む酸化領域と、前記閉領域と前記酸化領域との上に形成された酸化防止領域とを有していることを特徴とする面発光半導体レーザ。
【請求項２】
前記下部ミラーおよび前記上部ミラーが共に半導体多層膜から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項３】
前記下部ミラーが半導体多層膜から形成され、かつ前記上部ミラーが誘電体多層膜から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項４】
活性層を含む活性領域と、前記活性領域を挟む下部ミラーおよび上部ミラーとを備えた面発光半導体レーザの製造方法であって、
Ａｌを含む第１の半導体層と、前記第１の半導体層に格子整合する第２の半導体とを交互に繰り返して積層することによって、最上層が前記第２の半導体層である第１の積層構造部を半導体基板上に形成する第１の結晶成長工程と、
前記第１の積層構造部の前記最上層の上面に前記閉領域を規定するマスクを形成する工程と、
前記第１の積層構造部の前記最上層の上面のうち前記マスクが形成されていない領域から前記最上層の下に位置する前記第１の半導体層を選択的に酸化し、それによって電気抵抗の高い電流狭窄領域を形成する酸化工程と、
前記第１の積層構造部上に第２の積層構造部を形成する第２の結晶成長工程と、
を包含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５】
前記第２の結晶成長後においても前記電流狭窄領域の位置を識別できるようにするためのアライメントパターンを前記半導体基板の裏面に形成する工程を更に包含することを特徴とする請求項４に記載の面発光半導体レーザの製造方法。
【請求項６】
前記第２の結晶成長の前において、前記第１の積層構造部の上面のうち、選択された領域以外の領域をマスクで覆う工程を更に包含し、
前記第２の結晶性長を選択成長技術を用いて実行することによって、前記第１の積層構造部の上面のうち、前記選択された領域の上に前記第２の積層構造部を形成することを特徴とする請求項４に記載の面発光半導体レーザの製造方法。
【請求項７】
前記第１の積層構造部の前記最上層をＧａＡｓ層から形成することを特徴とする請求項４に記載の面発光半導体レーザの製造方法。
【請求項８】
前記ＧａＡｓ層の厚さを約１ｎｍから約１０ｎｍまでの範囲内に設定することを特徴とする請求項７に記載の面発光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、面発光半導体レーザおよびその製造方法に関し、特にイオン注入や選択酸化技術を用いて形成した電流狭窄領域を有する面発光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】
垂直共振器型の面発光半導体レーザによれば、断面が円形をした光ビームを得ることができるだけでなく、複数の発光部分を二次元的に単一基板上に高密度に集積化することもできる。また面発光半導体レーザは低い消費電力で動作し、低コストで製造することができる。このような特徴のため、面発光半導体レーザは次世代の光通信および光情報処理のための光源として注目され、これまでに様々な研究・開発が行われている。最近では、研究レベルでのしきい電流が１０μＡ（マイクロアンペア）程度のごく低しきい値のものから、１個３０００円程度で市販されるものまであり、その構造は様々である。
【０００３】
面発光半導体レーザをその電流狭窄構造で分類すると、単純メサ構造をもつレーザ、イオン注入により電流狭窄層が形成されたレーザ、Ａｌを含む半導体層を選択的に酸化することによって電流狭窄層が形成されたレーザの３つに分類される。単純メサ構造をもつレーザは、研究当初から現在に至るまで用いられている。イオン注入により電流狭窄層が形成されたレーザは、市販されている半導体レーザによく利用されている。Ａｌを含む半導体層を選択的に酸化することによって電流狭窄層が形成されたレーザは、まだ研究室での研究対象にある段階にすぎない。電気抵抗および熱抵抗などの観点から、単純メサ構造のレーザよりも、イオン注入や選択酸化を用いた電流狭窄層を形成したプレーナ構造、あるいは面積の非常に大きなメサ構造を持つレーザが有利である。
【０００４】
イオン注入を用いて電流狭窄構造を形成した面発光半導体レーザには様々な構造のものがある。図９（ａ）および（ｂ）は、従来の面発光半導体レーザ９００および９１０を模式的に示している。
【０００５】
面発光半導体レーザ９００および９１０は、ｎ形ＧａＡｓ基板９０１上に形成されており、ｎ形下部ミラー９０２、活性領域９０４およびｐ形上部ミラー９０５を含むレーザ発振のための積層構造を有している。下部ミラー９０２は基板９０１上に形成されており、活性領域９０４は下部ミラー９０１と上部ミラー９０５との間に挟まれている。活性領域９０４は、ウェル層であるＩｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層とバリア層であるＧａＡｓ層とを含む歪量子井戸からなる活性層９０３を上下からＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層で挟んだ構成を有しており、波長が約９８０ｎｍの光を発振するよう設計されている。さらに、上部ミラー９０５上にはｐ形電極９０６が形成されている。また、ｎ形基板９０１の裏面にはｎ形電極９０７が形成されており、レーザの出力光は基板９０１の裏面より取り出す構成となっている。
【０００６】
面発光半導体レーザ９００では、上部ミラー９０５の内部に、ある閉領域を囲む領域にイオン注入により形成されたイオン注入領域９０８が設けられている。一方、面発光半導体レーザ９１０では、イオン注入領域９０８は活性領域９０４が閉領域となるように形成されている。
【０００７】
次に、従来の面発光半導体レーザ９００および９１０の動作特性について述べる。イオン注入領域９０８は高抵抗領域となるため、ｐ形電極９０６およびｎ形電極９０７を通して活性領域９０４に注入された電流は、このイオン注入領域９０８により狭窄される。したがってレーザに注入された電流は、効率よく微少閉領域に注入されることになり、しきい電流は大きく低減されることになる。
【０００８】
選択酸化を用いて電流狭窄層を形成した面発光半導体レーザの例として、アプライド・フィジックス・レター、第６６巻（１９９５）、第３４１３頁から第３４１５頁(Applied Physics Letter, 66(1995), P. 3413-3415)に記載されているものがある。図１０は、上記文献に記載されている第２の従来の面発光半導体レーザ１０００の構造を模式的に示す断面図である。
【０００９】
従来の面発光半導体レーザ１０００では、ｎ形下部ミラー１０１０上に、活性層１０２０、ｐ形上部ミラー１０３０が順次積層された構造となっており、下部ミラー１０１０までエッチングすることによりメサを形成している。また、上部ミラー１０３０の上部表面にはリング状のｐ形電極１０４０が形成されている。上部ミラー１０３０はＡｌＧａＡｓとＧａＡｓとを積層した構造になっているが、最下層のＡｌＧａＡｓのみがＡｌ組成０．９８のＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層１０３２であり、その他の層はＡｌ組成０．９のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＧａＡｓ層とを交互に積層したＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／ＧａＡｓミラー１０３３となっている。Ａｌ0.98Ｇａ0.02ＡｓとＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓとの間にある酸化速度の差（約１５：１）を利用して、Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層１０３２のみをメサ側壁から選択的に酸化し、ＡｌxＯy領域１０３１を形成している。
【００１０】
次に、従来の面発光半導体レーザ１０００の動作原理について述べる。酸化されたＡｌxＯy領域１０３１は絶縁体となるためレーザに注入された電流はＡｌxＯy領域１０３１で狭窄され、微小領域であるＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層１０３２の部分のみ流れることになる。したがって効率的な電流閉じ込めが行われ、しきい電流が低減される。さらにＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層１０３２とＡｌxＯy領域１０３１では屈折率が異なるため、横方向にある程度の光の閉じ込めが起こり、さらなるしきい電流の低減が期待できる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第１の従来技術でイオン注入領域が活性層を横切っている場合、活性層はイオン注入によるダメージを受けているため、しきい電流が大きくなってしまう。また、イオン注入領域が上部ミラー内にある場合、イオン注入は活性層にダメージを与えないが、次のような問題がある。すなわち、注入されたイオンの垂直方向に沿った濃度分布が広がりを持つ（イオン濃度の変化が急峻でない）ため、電流狭窄領域は活性層から離れた位置に形成せざるを得ない。このため、電流狭窄領域と活性層との間を電流が流れる間に電流が横方向に広がってしまい、有効な電流狭窄を達成できなくなる。また、電流狭窄領域の垂直方向の厚さが厚くなる結果、素子抵抗が大きくなってしまうという欠点もある。
【００１２】
一方、第２の従来技術によれば、厚さ数１０ｎｍの半導体層をメサ側壁から横方向に数１０μｍ（ミクロン）に渡って酸化しなければならない。酸化速度および酸化形状の制御が非常に困難であるため、所望の形状を持った電流狭窄領域を得にくいという問題がある。素子抵抗が大きくならないように必要最小限の層（図１０では１層）だけ酸化しようとすれば、異なるＡｌ組成を持った２種類のＡｌＧａＡｓ層を用いてハイブリッドなミラーを形成する必要があるため、製造が困難になる。
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、（１）イオン注入法を用いた電流狭窄領域の形成が活性層にダメージを与えない構造を持つ面発光半導体レーザおよびその製造方法、並びに（２）電流狭窄領域を形成するための選択酸化が高精度に制御された面発光半導体レーザおよびその製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の面発光半導体レーザは、活性層を含む活性領域と、前記活性領域を挟む下部ミラーおよび上部ミラーとを備えた面発光半導体レーザであって、電流狭窄領域が前記活性層の下に位置する閉領域を囲むように配置されており、しかも、前記電流狭窄領域はイオンが注入された高抵抗層から形成されている。
【００１５】
前記活性層は、前記閉領域の上面および前記電流狭窄領域の上面のうちの選択された領域の上にエピタキシャル成長した半導体層から形成されててもよい。
【００１６】
前記活性層および前記上部ミラーは、前記下部ミラーの上に設けられたメサ構造内に含まれており、前記メサ構造は、前記閉領域の上面および前記電流狭窄領域の上面のうちの選択された領域の上にエピタキシャル成長した複数の半導体層から形成されていてもよい。
【００１７】
前記電流狭窄領域は、前記下部ミラーの上面の直下に位置していてもよい。
【００１８】
前記電流狭窄領域は、前記活性領域の直下に位置していてもよい。
【００１９】
前記下部ミラーおよび前記上部ミラーが共に半導体多層膜から形成されていてもよい。
【００２０】
前記下部ミラーが半導体多層膜から形成され、かつ前記上部ミラーが誘電体多層膜から形成されていてもよい。
【００２１】
本発明の他の面発光半導体レーザは、活性層を含む活性領域と、前記活性領域を挟む下部ミラーおよび上部ミラーとを備えた面発光半導体レーザであって、前記下部ミラーおよび前記上部ミラーのうちの少なくとも一方が、第１の層と第２の層とが交互に繰り返して積層された半導体多層膜から形成されており、前記活性領域に最も近い位置にある前記第１の層のみが、半導体から形成された閉領域と、前記閉領域を囲む酸化領域とを有している。
【００２２】
前記下部ミラーおよび前記上部ミラーが共に半導体多層膜から形成されていてもよい。
【００２３】
前記下部ミラーが半導体多層膜から形成され、かつ前記上部ミラーが誘電体多層膜から形成されていてもよい。
【００２４】
本発明の面発光半導体レーザの製造方法は、活性層を含む活性領域と、前記活性領域を挟む下部ミラーおよび上部ミラーとを備えた面発光半導体レーザの製造方法であって、前記活性層を含まず、かつ少なくとも前記下部ミラーを含む第１の積層構造部を半導体基板上に形成する第１の結晶成長工程と、前記第１の積層構造部の上面の選択された閉領域の外側に選択的にイオンを注入し、それによって前記閉領域の周囲に電気抵抗の高い電流狭窄領域を形成するイオン注入工程と、前記イオン注入工程の後、前記活性層を含む第２の積層構造部を前記第１の積層構造部上に形成する第２の結晶成長工程とを包含する。
【００２５】
本発明の面発光半導体レーザの製造方法は、活性層を含む活性領域と、前記活性領域を挟む下部ミラーおよび上部ミラーとを備えた面発光半導体レーザの製造方法であって、Ａｌを含む第１の半導体層と、前記第１の半導体層に格子整合する第２の半導体とを交互に繰り返して積層することによって、最上層が前記第２の半導体層である第１の積層構造部を半導体基板上に形成する第１の結晶成長工程と、前記第１の積層構造部の前記最上層の上面に前記閉領域を規定するマスクを形成する工程と、前記第１の積層構造部の前記最上層の上面のうち前記マスクが形成されていない領域から前記最上層の下に位置する前記第１の半導体層を選択的に酸化し、それによって電気抵抗の高い電流狭窄領域を形成する酸化工程と、前記第１の積層構造部上に第２の積層構造部を形成する第２の結晶成長工程とを包含する。
【００２６】
前記第２の結晶成長後においても前記電流狭窄領域の位置を識別できるようにするためのアライメントパターンを前記半導体基板の裏面に形成する工程を更に包含してもよい。
【００２７】
前記第２の結晶成長の前において、前記第１の積層構造部の上面のうち、選択された領域以外の領域をマスクで覆う工程を更に包含し、前記第２の結晶性長を選択成長技術を用いて実行することによって、前記第１の積層構造部の上面のうち、前記選択された領域の上に前記第２の積層構造部を形成してもよい。
【００２８】
前記第１の積層構造部の前記最上層をＧａＡｓ層から形成してもよい。
【００２９】
前記ＧａＡｓ層の厚さは約１ｎｍから約１０ｎｍまでまでの範囲内に設定することが好ましい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【００３１】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による面発光半導体レーザ１００断面を模式的に示している。
【００３２】
面発光半導体レーザ１００は、ｎ形ＧａＡｓ基板１０１上に形成されており、ｎ形下部ミラー１０２、活性領域１０４およびｐ形上部ミラー１０５を含むレーザ発振のための積層構造を有している。下部ミラー１０２は基板１０１上に形成されており、活性領域１０４は下部ミラー１０１と上部ミラー１０５との間に挟まれている。以下に、上記積層構造の構成を詳しく説明する。
【００３３】
下部ミラー１０１は、２４．５対のｎ形ＧａＡｓ層およびｎ形ＡｌＡｓ層を積層した構造を有しており、下側の分布反射器（distributed Bragg reflector）として機能する。同様に、上部ミラー１０５は、２４．５対のｐ形ＧａＡｓ層およびｐ形ＡｌＡｓ層を積層した構造を有しており、上側の分布反射器として機能する。これらのミラーによって垂直共振器が形成される。
【００３４】
活性領域１０４は、ウェル層として機能するＩｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層およびバリア層として機能するＧａＡｓ層を含む歪量子井戸を持つ活性層１０３と、活性層１０３を挟み込む一対のＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層とを有している。活性層１０４は、波長が約９８０ｎｍの光を発振するよう設計されている。
【００３５】
下部ミラー１０２の最上部には、直径約１０μｍの円形閉領域を囲む領域において、その表面から約１００ｎｍの深さまでイオン注入領域１０８が形成されている。このイオン注入領域１０８は、イオン注入によって高抵抗化された層から形成されており、上記円形閉領域内に電流を狭窄するための電流狭窄領域として機能する。
【００３６】
下部ミラー１０２の上面のうち直径約５０μｍの円形閉領域を囲む領域の上にＳｉＯ2膜１０９が形成されている。この円形閉領域の中心は、上記直径約１０μｍの円形閉領域の中心に一致している。下部ミラー１０２の上面のうちＳｉＯ2膜１０９が形成されていない領域の上には、活性領域１０４と上部ミラー１０５を含むレーザメサ（メサ型多層構造）が形成されている。
【００３７】
上部ミラー１０５の上面にはｐ形電極１０６が形成され、ｎ形基板１０１の裏面にはｎ形電極１０７が形成されている。レーザ出力光は基板１０１の裏面より取り出される。
【００３８】
なお、図１では、単一の垂直共振器のみが示されているが、複数の垂直共振器が同一基板上に二次元的に配列されていもよいことは言うまでもない。
【００３９】
次に、図２（ａ）から（ｄ）を参照しながら、面発光半導体レーザ１００の製造方法を説明する。図２（ａ）から（ｄ）において、図１で示したものと同じ構成要素には同じ参照符号を付しており、ここではその説明を省略する。
【００４０】
まず、図２（ａ）に示すように、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法やＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法などを用いてｎ形ＧａＡｓ基板１０１上に複数のエピタキシャル層を連続的に成長させ（第１回結晶成長）、下部ミラー１０２を形成する。
【００４１】
次に、図２（ｂ）に示すように、リソグラフィ技術を用いて下部ミラー１０２の上面に厚さが約５μｍのレジストマスク２０を形成する。このレジストマスク２０の位置と形状は、上記電流狭窄領域に囲まれた円形領域の位置と形状を規定する（図１参照）。レジストマスク２０で部分的に覆われた下部ミラー１０２の上面に対して酸素イオン（Ｏ+）を注入する。本実施形態では、注入加速エネルギーを約５０ｋｅＶ、ドーズ量を１〜２×１０14ｃｍ-2とする。この場合、酸素イオンは、下部ミラー１０２の上面のうちレジストマスク２０で覆われていない領域に表面から約１００ｎｍの深さまで注入される。こうして、高抵抗のイオン注入領域１０８が下部ミラー１０２の上面の直下に形成される。好ましい注入加速エネルギーの範囲は注入するイオンの質量に依存して変化するが、酸素イオンを注入する場合は、約２０〜１００ｋｅＶである。注入するイオン種は、水素イオンであっても良い。
【００４２】
本実施形態では、基板表面に対してほぼ垂直にイオンを注入しているが、基板表面に対して斜めにイオンを注入しても良い。たとえば、基板を回転させながら基板表面に対して斜めにイオンを注入することにより、レジストマスク２０のエッジ部の下方にまでイオン注入領域を広げることが可能である。その結果、レジストマスク２０のサイズよりも小さなサイズを持つ更に微少な閉領域内に電流を閉じこめることができるようになる。
【００４３】
なお、イオン注入領域１０８の形成のために、通常のイオン注入装置に代えて、プラズマ表面処理装置を用いても良い。本発明のイオン注入領域１０８は露出表面の近傍に形成されるため、たとえば酸素プラズマに露出表面を曝すことによっても、電流狭窄領域として機能するイオン注入領域を形成できる。この場合、レジストマスク２０の代わりにＳｉＯ2マスクを用いれば、酸素プラズマ処理中にマスクがアッシングされるおそれはない。また、高密度プラズマ装置を用いて、基板に自己バイアスを発生されるように高周波電力を印加すれば、印加しない場合よりも厚いイオン注入領域１０８を形成できる。
【００４４】
次に、レジストマスク２０を除去した後、薄膜堆積技術を用いてＳｉＯ2膜を堆積する。このあと、リソグラフィおよびエッチング技術を用いてＳｉＯ2膜をパターニングし、図２（ｃ）に示すような選択成長用ＳｉＯ2マスク１０９を形成する。選択成長用のＳｉＯ2マスク１０９は、下部ミラー１０２の上面のうち、活性層等を含む積層構造が形成される領域以外の領域を覆うようにパターニングされる。ＳｉＯ2マスク１０９の厚さの好ましい範囲は、１００ｎｍから３００ｎｍまでである。
【００４５】
その後、図２（ｄ）に示すように、ＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法などによってＳｉＯ2マスク１０９に覆われていない領域の上に複数の半導体層を選択的にエピタキシャル成長させる（第２回結晶成長）。ＳｉＯ2マスク１０９の上には半導体のエピタキシャル成長は生じない。こうして、活性領域１０４および上部ミラー１０５を含んだメサ型の積層構造を形成する。このメサ型積層構造の平面形状は、ＳｉＯ2マスク１０９のパターンに応じて制御される。本実施形態では、ＳｉＯ2マスク１０９が円形の開口部を有するようにパターニングされており、その結果、メサ型積層構造の平面形状は円形となっている。同一基板上に複数の垂直共振器が二次元的に配列される場合、ＳｉＯ2マスク１０９には、それぞれの共振器に対応するメサの配置と形状を規定する複数の開口部パターンが形成される。なお、選択成長用のマスク１０９の材料はＳｉＯ2に限定されず、エピタキシャル成長について選択性を示す材料ならよい。
【００４６】
この後、上部ミラー１０５の表面にｐ形電極１０６を形成し、基板１０１の裏面にｎ形電極１０７を形成する。
【００４７】
イオン注入領域１０８の上に成長したエピタキシャル層の結晶性は必ずしも良くない場合があるが、狭窄された電流は、イオンが注入されていない領域上に成長したエピタキシャル層中を主に流れるので問題はない。
【００４８】
次に、図３（ａ）および（ｂ）を参照しながら、面発光半導体レーザ１００の構造上の特徴を説明する。
【００４９】
図３（ａ）は面発光半導体レーザ１００の断面の一部と、注入されたイオンの分布を模式的に示している。図３（ｂ）は従来の面発光半導体レーザ９００の断面の一部と、注入されたイオンの分布とを示している。なお、図１および図９で示したものと同じ構成要素には同じ参照符号を付しており、ここではその説明を省略する。
【００５０】
イオン注入領域１０８および９０８が電流狭窄領域として機能し、しきい電流を低減させる効果があることは前述した通りである。しかし、その電流狭窄の様子は、面発光半導体レーザ１００と従来の面発光半導体レーザ９００との間で大きく異なる。
【００５１】
一般的にイオン注入された領域は注入深さ方向（図３では紙面において上から下の方向）に沿って、ある程度の広がりを持つ。この広がりの分布は注入イオンの量や加速エネルギーなどで決まるが、面発光半導体レーザ９００の場合、図３（ｂ）に示すように、相対的に大きな広がり（ｄ２）を持ったイオン注入領域９０８が形成される。これは、従来の面発光半導体レーザ９００を製造する場合には、表面から２〜３μｍ程度の深さまでイオンが達するような比較的に高い加速エネルギーでイオンを注入するため、注入後のイオンの深さ方向分布に大きな広がりが生まれるからである。高抵抗を示すイオン注入領域の厚さが増加することは、素子抵抗の増大を招き、ひいては、しきい電流や光出力特性など諸特性の劣化の原因となる。
【００５２】
一方、もし注入イオンが活性層９０３まで到達すると、活性層９０３にダメージが与えられる。このため、活性層９０３にイオンが到達しないようにイオン注入を行う必要がある。従って、どうしてもイオン注入領域９０８と活性領域９０４との間にある程度の間隔（ｄ３）をマージンとして設ける必要がある。間隔（ｄ３）が大きい場合、イオン注入領域９０８によっていったん狭窄された電流が、活性層９０３に達する前にふたたび横方向に大きく広がってしまう。その結果、十分な電流狭窄が達成されず、しきい電流が大きくなる。
【００５３】
これに対して、本実施形態の面発光半導体レーザ１００によれば、図２（ｂ）に示したように、イオンを下部ミラー最表面に注入するので、必要最小限のドーズ量のイオンを比較的に低い加速エネルギーで注入すればよい。そのため、図３（ａ）に示すように、注入イオンの深さ方向濃度分布の広がり（ｄ１）も最小限に押さえることができ、素子抵抗の増大を最小限に押さえることができる。
【００５４】
さらに、イオン注入後に活性領域１０４の形成を行うので、活性層１０３がイオン注入によりダメージを受けることはない。また、イオン注入領域１０８と活性領域１０４との間隔はゼロであるので電流狭窄を効率よく実現することができ、しきい電流を充分に小さくすることができる。
【００５５】
次に、本実施形態の製造方法上の特徴を説明する。
【００５６】
図２（ｃ）および（ｄ）に示したように、第２回結晶成長に際し、ＳｉＯ2マスク１０９を用いた選択成長を行っている。この選択成長によってメサを形成し、素子分離を実現している。この方法によれば、メサ形成のために、ウェットエッチング及び／またはドライエッチングなどの技術を用いて半導体積層構造を加工する必要がない。エッチング深さは制御が困難であるため、所望のメサ形状をエッチングによって再現性良く形成することは難しい。これに対して、本実施形態で採用している選択成長法によれば、高い制御性及び再現性をもって所望のメサ形状を得ることができる。また、選択成長法によれば、メサの側面にエッチングによる損傷を与えることもない。
【００５７】
以上のように、面発光半導体レーザ１００では、第１回結晶成長後にイオン注入を行うことで電流狭窄領域を形成し、その後に第２回結晶成長で活性層を含む積層構造を形成している。この結果、イオン注入領域１０８の厚さを最小限に押さえ、素子抵抗の増大を防ぐことができる。さらに、活性層１０３にダメージを与えることなく、イオン注入領域１０８と活性領域１０４との距離をゼロにすることができるので、非常に効率的な電流狭窄を行うことができ、しきい電流を十分に低減することができる。
【００５８】
また、第２回目の結晶成長を選択成長で行っており、メサ形成が自己整合的に行われている。この結果、制御性や再現性の悪いエッチングなどの技術を用いて素子分離を行う必要がなくなり、所望の素子を簡単な製造方法で安定的に供給することができる。
【００５９】
なお、上記実施形態では、下部ミラー１０１に直接にイオンを注入したが、そうする代わりに、下部ミラー１０１の上に他の半導体層を形成してから、その半導体層にイオンを注入してもよい。本質的な点は、活性層の下に位置する半導体層に対して、活性層の形成前にイオン注入し、電流狭窄領域を形成することである。
【００６０】
本実施形態では、電流狭窄領域として機能するイオン注入領域１０８の上に直接に活性領域１０４を形成したが、イオン注入領域１０８と活性領域１０４との間に他の半導体層を中間層として介在させても良い。もちろん、イオン注入領域１０８と活性層１０４との距離が短いほど電流の横方向広がりが抑制されるため、電流狭窄の観点からは、中間層を介在させない方が好ましい。
【００６１】
また、メサ型積層構造を選択成長ではなく、従来のメサエッチングにより形成しても良い。
【００６２】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態による面発光半導体レーザ４００断面を模式的に示す。なお、第１の実施形態の面発光半導体レーザ１００と同じ構成要素には同じ参照番号を付しており、ここではその説明を省略する。
【００６３】
誘電体材料から形成されたＳｉＯ2／ＴｉＯ2の上部ミラー４０１がイオン注入領域１０８の開口部を覆うように、活性領域１０４上に形成されている。上部ミラー４０１と下部ミラー１０２とによって垂直共振器が形成されている。ｐ形電極４０２は、活性領域１０４の上方のうち上部ミラー４０１が形成されていない部分に設けられている。
【００６４】
本実施形態では、図４に示すように、半導体多層膜の代わりに誘電体多層膜を用いて上部ミラー４０１を形成している。半導体多層膜によるミラーでは２種類の半導体層の屈折率差が小さいため、所望の高反射率を得ようとすると、ミラーを構成する半導体層のペア数を増やさなければならない。このため、一般的には２〜４μｍ程度の厚いミラーになってしまう。このことは、成長速度の厳しい制御が要求される結晶成長やその後のプロセスに大きな負担となり、製造工程の複雑化、歩留まりの低下を引き起こす原因となる。
【００６５】
誘電体多層膜のミラーを用いると、ミラーを介して電流を注入することができないので、活性領域１０４に電極４０２を直接設けることによって電流を直接に注入している。この結果、素子抵抗増大の主要因であるミラーを介することなく電流を注入できので、素子抵抗を低減することができる。
【００６６】
以上のように、本実施形態の面発光半導体レーザ４００では、上部ミラーとしてＳｉＯ2／ＴｉＯ2上部ミラー４０１を用い、さらにｐ形電極４０２を活性領域１０４上に直接設けている。この結果、低抵抗の面発光半導体レーザを提供することができる。また、誘電体ミラーは半導体ミラーに比べて全体の厚さを薄くすることができ、その作製が容易なため、面発光半導体レーザの製造工程が簡易化され、歩留まりが向上し、コストが低減される。
【００６７】
（第３の実施形態）
図５は本発明の第３の実施形態による面発光半導体レーザ５００の断面を模式的に示す。なお、第１の実施形態の面発光半導体レーザ１００と同じ構成要素には同じ参照番号を付しており、ここではその説明を省略する。
【００６８】
上部ミラーは第１の上部ミラー５０４と第２の上部ミラー５０５とで構成されている。第２の上部ミラー５０５は２４対のｐ形ＧａＡｓ層とｐ形ＡｌＡｓ層を交互に積層した構造を有しており、分布反射器を構成している。
【００６９】
第１の上部ミラー５０４は、ＡｌＡｓ層（厚さ約８２．８ｎｍ）５０３と、ＧａＡｓ層（厚さ約５ｎｍ）５０２とを積層したものである。ＡｌＡｓ層５０３のうち直径約１０μｍの閉領域を囲む外側の領域は、選択酸化によりＡｌＡｓ層からＡｌxＯy酸化層５０１に変化している。また、基板１０１の裏面にはアライメントパターン５０６が形成されている。
【００７０】
次に、図６（ａ）から（ｄ）を参照しながら面発光半導体レーザ５００の製造方法を説明する。なお、図５で示したものと同じ構成要素には同じ参照符号を付しており、ここではその説明を省略する。
【００７１】
まず、図６（ａ）に示すように、ｎ形ＧａＡｓ基板１０１上に、下部ミラー１０２、活性領域１０４、および第１の上部ミラー５０４を順次、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）やＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）などによってエピタキシャル成長する。さらに、基板１０１裏面にプロセス用のアライメントパターン５０６を形成する。
【００７２】
次に、図６（ｂ）に示すように、エピタキシャル層の上面に約３００ｎｍのＳｉＯ2マスク６０を形成した後、水蒸気を含んだ雰囲気中で基板を約４００℃に加熱する。こうすることによって、第１の上部ミラー５０４に含まれるＡｌＡｓ層５０３を部分的に酸化する。この酸化は、第１の上部ミラー５０２の側面からではなく、その上面から行う。ＳｉＯ2マスク６０に覆われている部分は酸化されない。
【００７３】
続いて、ＳｉＯ2マスク６０を除去した後、図６（ｃ）に示すように、第２回結晶成長を行い、第２の上部ミラー５０５を形成する。
【００７４】
最後に、図６（ｄ）に示すように、第２の上部ミラー５０５の上面にｐ形電極１０６を形成する。さらに、ＡｌＡｓ層５０３の直下部分から出力光を取り出せるように、基板１０１の裏面にｎ形電極１０７をアライメントパターン５０６を用いて形成する。
【００７５】
次に、図５を再び参照しながら、面発光半導体レーザ５００の動作特性を説明する。
【００７６】
ＡｌＡｓ層を酸化することによって形成されたＡｌxＯy酸化層５０１は絶縁性を示すため、注入電流はＡｌxＯy酸化層５０１で狭窄され、酸化されなかったＡｌＡｓ層５０３の微小領域を縦に流れることになる。したがって効率的な電流閉じ込めが行われ、しきい電流が低減される。さらにＡｌＡｓ層５０３とＡｌxＯy酸化層５０１とでは屈折率が異なるため、横方向にある程度の光の閉じ込めが起こり、さらなるしきい電流の低減が期待できる。
【００７７】
また、電流狭窄領域の厚さは、ＡｌxＯy酸化層５０１の１層分の厚み（約８２．８ｎｍ）だけであるため、第１および第２の実施形態のようにイオン注入層から形成した電流狭窄領域よりも、電流狭窄層を薄くすることができ、素子抵抗をより低減することができる。
【００７８】
次に、図７（ａ）および（ｂ）を参照しながら酸化工程をより詳細に説明する。図７（ａ）は、本実施形態における面発光半導体レーザ５００の断面の一部を示し、図７（ｂ）は、従来面発光半導体レーザ１０００の断面の一部を示している。なお、図５および図１０で示したものと同じ構成要素には同じ参照符号を付しており、ここではその説明を省略する。
【００７９】
従来の面発光半導体レーザ１０００では、図７（ｂ）に示すように、選択酸化はメサの側壁から行われている。しかも、厚さ数１０ｎｍの層を横方向に数１０μｍに渡って酸化しなければならない。酸化速度および酸化形状の制御が非常に難しいため、所望の形状を持った電流狭窄領域を再現性良く形成することが難しい。
【００８０】
一方、本実施形態の面発光半導体レーザ５００では、図７（ａ）に示すようにエピタキシャル成長層をその表面（上面）から縦方向に酸化することによって選択酸化領域（５０１）を形成している。このため、所望の形状の酸化層５０１を容易に短時間で形成できる。ここで重要なことは、エピタキシャル成長層の表面から選択酸化を行うという目的のため、エピタキシャル成長層の最表面に約５ｎｍという非常に薄いＧａＡｓ層５０２を設けていることである。もし、このＧａＡｓ層５０２がなければ、エピタキシャル成長層の最表面はＡｌＡｓ層であるので、１回目の結晶性長後に基板を結晶成長装置から空気中に取り出したとたん、ＡｌＡｓ層の全面が酸化されてしまい、電流狭窄構造を形成することができなくなってしまう。
【００８１】
ミラーに含まれるＧａＡｓ層は、通常、数１０ｎｍ程度の厚さを持つ。このような厚さのＧａＡｓ層をエピタキシャル成長層の最表面に配置した場合は、酸化種である水蒸気成分がＧａＡｓ層を速やかに透過してＡｌＡｓ層まで到達することができず、ＡｌＡｓ層を酸化することができなくなってしまう。したがって、ＧａＡｓ層５０２の厚さは、本実施形態にとって重要なパラメータであり、その値を約５ｎｍとすることでＡｌＡｓ層５０３の自然酸化を防ぐと共に、エピタキシャル層の表面からの選択酸化を有効に行うことが可能となる。ＧａＡｓ層５０２の厚さの好ましい範囲は、約１から約１０ｎｍである。
【００８２】
次に、本実施形態の製造方法の他の特徴を説明する。
【００８３】
本実施形態の面発光半導体レーザでは、図６（ａ）に示すように、基板裏面にアライメントパターン５０６を形成している。
【００８４】
第２回結晶成長を行うと、図６（ｃ）に見られるように、基板の表面および裏面のどちら側から観測しても、電流狭窄領域（及び電流狭窄領域に囲まれた閉領域）の位置は特定できない。したがって、図６（ｄ）に示されるようなｎ形電極１０７を形成する際、ｎ形電極１０７と電流狭窄領域とのアライメントが行えなくなる。そこで、第２回目の結晶成長後でも電流狭窄領域の位置が分かるように、前もってアライメントパターン５０６を基板裏面に形成している。
【００８５】
以上のように、面発光半導体レーザ５００では、第１回結晶成長時に、エピタキシャル成長層の最表面に極薄いＧａＡｓ層５０２が位置するように第１の上部ミラー５０４を形成し、その後、エピタキシャル層の表面から選択酸化を行っている。その結果、所望の形状の酸化領域（あるいは電流狭窄領域）を容易に得ることができる。従来の選択酸化はメサの側面から行われていたが、本実施形態によれば、その必要が無いので、メサ構造自体を形成する必要もなくなる。
【００８６】
また、第１の上部ミラーと第２の上部ミラーは同一の構成のミラーでよいので、従来の面発光半導体レーザ１０００のように１層だけの酸化層を得るためにハイブリッドなミラー構成とする必要がなく、結晶成長が簡素化できる。
【００８７】
（第４の実施形態）
図８は本発明の第４の実施形態による面発光半導体レーザ８００の断面を示す。なお、第３の実施形態の面発光半導体レーザ５００と同じ構成要素には同じ参照番号を付しており、ここではその説明を省略する。
【００８８】
第１の上部ミラー上にｐ形ＧａＡｓコンタクト層８０１が形成されており、その膜厚はＧａＡｓ層５０２と合わせて分布反射器の条件を満たすように調整されている。そしてコンタクト層８０１上に、誘電体で構成されたＳｉＯ2／ＴｉＯ2第２の上部ミラー８０２がＡｌＡｓ層５０３の上部を覆うように形成されており、下部ミラー１０２と共にレーザ共振器を構成している。また、ｐ形電極８０３もコンタクト層８０１上で第２の上部ミラー４０２が形成されていない部分に設けられている。
【００８９】
本実施形態では、図８に示すように、上部ミラーに半導体多層膜でなく誘電体多層膜のミラーを用いている。半導体多層膜によるミラーでは２種類の半導体層の屈折率差が小さいため所望の高反射率を得ようとするとミラーのペア数を増やさなければならず、一般的には２〜４μｍ程度の厚いミラーとなってしまう。このことは厳しい成長速度の制御が要求される結晶成長やその後のプロセスに大きな負担となり、製造工程の複雑化、歩留まりの低下を引き起こす原因となる。
【００９０】
一方、電流注入はミラーを介して注入することができないので、第１の上部ミラー５０４のＧａＡｓ層５０２上にコンタクト層８０１を形成し、その上にｐ形電極８０３を設けて行っている。このことは素子抵抗増大の主要因であるミラーを介すことなく電流注入できることを意味しており、絶対的な素子抵抗の低減を実現することができる。
【００９１】
以上のように、本実施形態の面発光半導体レーザ８００では、第２の上部ミラーとしてＳｉＯ2／ＴｉＯ2ミラー８０２を用い、さらにｐ形電極８０３はｐ形ＧａＡｓコンタクト層８０１上に設けている。その結果、低抵抗の面発光半導体レーザを提供することができる。また、誘電体ミラーは半導体ミラーに比べて全体の厚さを薄くすることができ、その作製が容易なため、面発光半導体レーザの製造工程が簡易化され、歩留まりが向上し、コストが低減される。
【００９２】
なお、第３および第４の実施形態において、選択酸化領域を活性領域の上部に設けているが、活性領域の下部である基板側に設けてもよい。さらに、すべての実施形態において、ｐ形とｎ形を入れ替えても、また、ＧａＡｓ系以外のＩｎＰ系、ＺｎＳｅ系、ＧａＮ系などの材料を用いてもよいことは言うまでもない。
【００９３】
【発明の効果】
本発明の面発光半導体レーザによれば、イオン注入高抵抗層から形成された電流狭窄領域を活性層の下に配置しているため、製造工程においてイオン注入が活性層にダメージを与えることがない。また、電流狭窄領域と活性層との距離を短縮できるため、電流の横方向広がりを抑制することができる。
【００９４】
本発明の他の面発光半導体レーザによれば、下部ミラーおよび上部ミラーのうちの少なくとも一方が、第１の層と第２の層とが交互に繰り返して積層された半導体多層膜から形成されており、活性領域に最も近い位置にある第１の層のみが、半導体から形成された閉領域と、閉領域を囲む酸化領域とを有しているため、ミラーの抵抗が低減される。
【００９５】
本発明の面発光半導体レーザの製造方法によれば、２回の結晶成長と、イオン注入あるいは選択酸化を組み合わせることで、低抵抗かつ低しきい値の面発光半導体レーザが実現できる。
【００９６】
また、選択成長によるメサ形成や基板裏面へのアライメントパターンを形成することによって面発光半導体レーザの製造工程を簡単化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による面発光半導体レーザの第１の実施形態の断面図である。
【図２】（ａ）から（ｄ）は、図１に示す面発光半導体レーザの製造工程を示す断面図
【図３】（ａ）は、図１の面発光半導体レーザにおけるイオン注入の様子を説明するための図であり、（ｂ）は、従来の面発光半導体レーザのイオン注入の様子を説明するための図である。
【図４】本発明による面発光半導体レーザの第２の実施形態の断面図である。
【図５】本発明による面発光半導体レーザの第３の実施形態の断面図である。
【図６】（ａ）から（ｄ）は、図５に示す面発光半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図７】（ａ）は、図５の面発光半導体レーザにおける選択酸化の様子を説明するための断面図であり、（ｂ）は、面発光半導体レーザの第２の従来例における選択酸化の様子を説明するための断面図である。
【図８】本発明による面発光半導体レーザの第４の実施形態の断面図である。
【図９】（ａ）および（ｂ）は、面発光半導体レーザの第１の従来例の異なる２種類の形態を模式的に示す断面図である。
【図１０】面発光半導体レーザの第２の従来例を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１００  面発光半導体レーザ
１０１  ｎ形ＧａＡｓ基板
１０２  ｎ形下部ミラー
１０３  活性層
１０４  活性領域
１０５  ｐ形上部ミラー
１０６  ｐ形電極
１０７  ｎ形電極
１０８  イオン注入領域
１０９  ＳｉＯ2膜
４００  面発光半導体レーザ
４０１  ＳｉＯ2／ＴｉＯ2上部ミラー
４０２  ｐ形電極
５００  面発光半導体レーザ
５０１  ＡｌxＯy酸化層
５０２  ＧａＡｓ層
５０３  ＡｌＡｓ層
５０４  第１の上部ミラー
５０５  第２の上部ミラー
５０６  アライメントパターン
８００  面発光半導体レーザ
８０１  ｐ形コンタクト層
８０２  ＳｉＯ2／ＴｉＯ2第２の上部ミラー
８０３  ｐ形電極
９００  面発光半導体レーザ
９０１  ｎ形ＧａＡｓ基板
９０２  ｎ形下部ミラー
９０３  活性層
９０４  活性領域
９０５  ｐ形上部ミラー
９０６  ｐ形電極
９０７  ｎ形電極
９０８  イオン注入領域
９１０  面発光半導体レーザ
１０００  面発光半導体レーザ
１０１０  ｎ形下部ミラー
１０２０  活性層
１０３０  ｐ形上部ミラー
１０３１  ＡｌxＯy領域
１０３２  Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層
１０３３  Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／ＧａＡｓミラー
１０４０  ｐ形電極
【図１】
0003745096.tif 000002
【図２】
0003745096.tif 000003
【図３】
0003745096.tif 000004
【図４】
0003745096.tif 000005
【図５】
0003745096.tif 000006
【図６】
0003745096.tif 000007
【図７】
0003745096.tif 000008
【図８】
0003745096.tif 000009
【図９】
0003745096.tif 000010
【図１０】
0003745096.tif 000011