(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、活性層と該活性層を挟み込む一対のスペーサ層とからなる活性領域と、該活性領域を挟み込む一対の反射層と、該一対の反射層間に設けられ一部の非酸化領域を残して周縁部が酸化されたＡｌＡｓ選択酸化層と、を積層してなる積層部がメサ形状に形成され、
前記非酸化領域が、同一メサ内の同一ＡｌＡｓ選択酸化層に複数形成され、該非酸化領域の２以上を電流注入領域とすることを特徴とする面発光レーザアレイ。
【請求項２】
前記複数の非酸化領域の全部又は一部を電流注入領域とすることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項３】
前記非酸化領域が円形又は多角形であることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項４】
前記複数の非酸化領域を１次元方向に形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項５】
前記複数の非酸化領域を２次元方向に形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項６】
前記複数の非酸化領域の径を約３μｍとすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の面発光レーザアレイ。
【請求項７】
前記メサが複数配列されたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の面発光レーザアレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光レーザ及び面発光レーザアレイに関し、詳しくは、ストレスに強く信頼性の高い酸化型の面発光レーザ及び面発光レーザアレイに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
垂共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）は、従来の端面発光型レーザに比べて、製造コストが低く、高歩留まりであり、２次元アレイ化が容易である等多くの利点を有し、これらの長所によって、多くの用途においてその利用が検討されている。例えば、Kenichi Iga, Fumio Koyama and Susumu Kinoshita, "Surface Emitting Semiconductor Lasers", IEEE Journal of Quantum Elecronics, 1988, 24, pp.1845-1855に、ＶＣＳＥＬの構造、レーザ特性、用途等が説明されているように、現在までにそのレーザ特性は大きく改善され、光通信などの分野では実用化に至っている。
【０００３】
特に、D.L.Hufaker らによって報告されたＡｌＡｓ酸化型ＶＣＳＥＬ（”Native-oxide defined ring contact for low threshold vertical-cavity lasers”, Appl. Phys.Lett., Vol.65,No.1, pp.97-99,’94）は、低しきい電流値、高効率、速い応答速度等の優れた特性をもっており、有望技術として研究が盛んである。
【０００４】
ところが、このＡｌＡｓ酸化型ＶＣＳＥＬは、K.D.Choquetteらによって報告されているように（"Selective Oxidation of buried AlGaAs Versus AlAs layers",  Appl. Phys. Lett., Vol.69,No.10, pp.1385 -1387, ’96）、ＡｌＡｓ層を酸化した部分には、酸化により体積の収縮が発生しており、酸化後のプロセス工程で素子に亀裂が入って破壊され製造歩留まりを低下させたり、素子寿命が短いなどの問題を抱えている。
【０００５】
一般的な酸化型ＶＣＳＥＬは、図１０にその断面図を示すように、素子はポスト型形状に形成され孤立している。そのため、ＡｌＡｓ酸化層９０がある平面内では、半導体層が結晶構造で繋がっているのは中心の数μｍ径の非酸化部分９１だけである。この結晶構造により繋がった部分は欠陥や空隙がなくストレスに強いが、逆に、酸化層９０には欠陥や空隙が存在し、ストレスにより亀裂が入りその結果素子破壊にまで至ってしまう。
【０００６】
このような素子破壊を防止する対策の一つとして、上記報告にあるように、酸化する層をＡｌＡｓからＧａＡｓを数％含むＡｌＧａＡｓに変えて、体積収縮を低減する方法がある。この場合、体積収縮率は１２％以上から６．７％にまで減り、酸化層に存在する欠陥や空隙は著しく低減するので、その結果、製造プロセス途中での素子破壊はなくなり、素子寿命が伸びたと報告されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記防止策には、以下のような問題がある。
まず、酸化する層をＡｌＡｓからＧａＡｓを数％含むＡｌＧａＡｓに変え体積収縮を低減する方法の問題点を説明する。酸化型ＶＣＳＥＬの特性は、非酸化領域である電流注入領域の径に大きく左右される。従って、ＡｌＡｓあるいはＡｌＧａＡｓ層の酸化するする距離を制御するすることが重要である。ところが、酸化の速度は、ＡｌＧａＡｓの組成に大きく影響される。例えば、ＡｌＡｓとＧａＡｓを２％含むＡｌＧａＡｓでは、酸化速度は１０倍以上異なる。一方、エピタキシャル成長する際、ＡｌＧａＡｓのＧａＡｓ濃度を基板面内で、更に基板間でも、酸化速度に影響が出ない程度に制御することは非常に困難であり、商業ベースの生産には適していない。
以上説明したように、従来の補強型の酸化型面発光レーザは、幾つかの問題点を有しており、実用可能なものはいまだ得られていないのが現状である。
【０００８】
従って、本発明の目的は、作製プロセスが容易で、ストレスにも強く信頼性の高い酸化型の面発光レーザアレイを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、鋭意検討の結果、下記手段により上記課題が解決されることを見出した。
【００１０】
本発明の面発光レーザアレイは、基板上に、活性層と該活性層を挟み込む一対のスペーサ層とからなる活性領域と、該活性領域を挟み込む一対の反射層と、該一対の反射層間に設けられ一部の非酸化領域を残して周縁部が酸化されたＡｌＡｓ選択酸化層と、を積層してなる積層部がメサ形状に形成され、前記非酸化領域が、同一メサ内の同一ＡｌＡｓ選択酸化層に複数形成され、該非酸化領域の２以上を電流注入領域としたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の面発光レーザアレイは、１つのメサの１つのＡｌＡｓ選択酸化層に、基板から結晶構造で繋がっている非酸化領域を２ヶ所以上設けたことにより、一般的なメサ１つに１つの非酸化領域を設け、１個の酸化型ＶＣＳＥＬを形成している場合より、ストレスに対して強い構造となっている。
【００１２】
また、上記面発光レーザの複数の非酸化領域の全部または一部に電流注入を行い、複数の発光領域を形成することで、ストレスに対して強い構造の面発光レーザアレイを得ることができる。
【００１３】
従って、本発明によれば、作製プロセスが容易で、ストレスにも強く信頼性の高い酸化型のＶＣＳＥＬアレイを提供することができる。また、発光領域に対してメサの伸びる方向に構造上の異方性を持たせることができ、これによりストレスの異方性が発生し、レーザ光の偏光制御ができるという副次的効果も期待できる。
さらに、ＶＣＳＥＬ素子、電極パッドを形成する部分、及びＶＣＳＥＬ素子と電極パッドとを連結する部分の３つを同じ高さに形成することができるため、すなわち、ＶＣＳＥＬ素子と電極パッドとの間に段差がないため、電極の形成が容易になる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的には実施形態に基づき、詳細に説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る面発光レーザアレイは、図１に示すように、２つの酸化型ＶＣＳＥＬを１つのメサ２６を用いて形成した構造となっている。この構造では、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、１つのメサ２６内のＡｌＡｓ選択酸化層２０に非酸化領域２０ａが２つ設けられている。以下、本発明の第１の実施形態に係る面発光レーザアレイの構造を製造方法に従って説明する。
【００１６】
まず、図３（ａ）に示すように、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に、ＡｌＡｓとＧａＡｓと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周期積層したキャリア濃度１×１０18ｃｍ-3となる下側ｎ型ＤＢＲ（Distributed  Bragg  Reflector)層１２、アンドープ下部Ａｌ0.22Ｇａ0.78Ａｓスぺーサー層１４とアンドープ量子井戸活性層１６（膜厚８０ｎｍＩｎＧａＡｓ量子井戸層３層と膜厚１５０ｎｍＧａＡｓ障壁層４層とで構成されている）とアンドープ上部Ａｌ0.22Ｇａ0.78Ａｓスぺーサー層１８とで構成された膜厚が媒質内波長となる活性層領域３０、その上に、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3膜厚が媒質内波長の１／４となるｐ型ＡｌＡｓ層２０、その上にＡｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＧａＡｓと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２２周期積層したキャリア濃度１×１０18ｃｍ-3総膜厚が約２μｍとなる上側ｐ型ＤＢＲ層２２、その上にキャリア濃度１×１０19ｃｍ-3となる膜厚λのｐ型ＧａＡｓコンタクト層２４を順次積層する。
【００１７】
原料ガスとしては、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アルシン、ドーパント材料としてはｐ型用にシクロペンタジニウムマグネシウム、ｎ型用にシランを用い、成長時の基板温度は７５０℃とし、真空を破ることなく、原料ガスを順次変化し、連続して成膜をおこなった。
【００１８】
次に、図３（ｂ）にその形状を示すように、上記積層膜を下側ｎ型ＤＢＲ層１２の途中までエッチングしてメサ２６を形成し、ＡｌＡｓ層２０側面を露出させる。メサ形状を加工するには、フォトリソグラフィーにより結晶成長層上にレジストマスクＲを形成し、四塩化炭素をエッチングガスとしてもちいた反応性イオンエッチングを用いた。
【００１９】
その後、レジストマスクＲを除去し、図３（ｃ）に示すように、約４００℃の炉中で水蒸気によりＡｌＡｓ層２０だけを側方から酸化し高抵抗化させ、酸化領域３２と非酸化領域２０ａとした。非酸化領域の径は約３μｍである。この非酸化領域２０ａが、電流注入領域となる。図２（ａ）に、ＡｌＡｓ選択酸化層２０の酸化領域３２と非酸化領域２０ａの境界線を破線で示した。
【００２０】
その後、図３（ｄ）及び（ｅ）に示すように、ＳｉＮ絶縁膜３４をメサ２６上面を除いて蒸着し、レジストマスクＲを利用して、出射口４０を除いてＴｉ／Ａｕからなるｐ側電極３６を形成する。基板１０の裏面にはｎ側電極３８としてＡｕ／Ｇｅを蒸着する。このようにして、図３（ｆ）に示す面発光レーザアレイが完成する。
【００２１】
本実施形態の面発光レーザアレイは、基板１０から結晶構造で繋がっている部位（非酸化領域２０ａ）が２ヶ所あり、メサ１つに１個の酸化型ＶＣＳＥＬを形成している一般的なＶＣＳＥＬの場合より、ストレスに対して高い強度を有している。
【００２２】
なお、本実施形態において、素子間を機能的に分離するには、ｐ側電極を分離し、各ＶＣＳＥＬ間にプロトンを打ち込み、高抵抗化すればよい。
【００２３】
本実施形態では、非酸化領域２０ａが円形となるようにメサ２６を形成しているが、図４（ａ）に示すように、多角形になるようにメサ２６を形成しても良い。この場合、図４（ｂ）に示すように、非酸化領域２０ａも多角形となる。
【００２４】
また、１つのメサ内に構成されているＶＣＳＥＬは３個以上でも構わない。本実施形態では、一次元方向にメサが伸びた例を示したが、図５（ａ）に示す２次元方向にも伸びたメサ２６内に、図５（ｂ）に示す複数の非酸化領域２０ａを形成し複数個のＶＣＳＥＬでＶＣＳＥＬアレイを構成することもできる。
【００２５】
本実施形態では、２つの非酸化領域２０ａを両方とも電流注入領域として使用しアレイを構成しているが、図６（ｂ）に示すように、１つのメサ内にＶＣＳＥＬ用の電流注入領域となる非酸化領域２０ａと、非酸化領域２０ａ以外の非酸化領域すなわちＶＣＳＥＬとして用いない非酸化領域２０ｂと、を備えたＶＣＳＥＬとして構成してもよい。２つの非酸化領域２０ａ，２０ｂのうち、電流注入領域となる非酸化領域２０ａは、数μｍ径としｐ側電極３６にも出射口４０を形成する。他方の非酸化領域２０ｂには、出射口４０を形成する必要はない。この構造において、図６（ａ）に示す通り、非酸化領域２０ｂの面積を大きくして、よりストレスに強い構造とすることも可能である。更には、非酸化領域２０ｂへの電流注入を防ぐために、電流注入をＶＣＳＥＬだけに行う構造にしてもよい。具体的には、非酸化領域２０ａだけに対応する電極を設ける方法や、非酸化領域２０ｂのコンタクト層上にのみ絶縁膜を設けて非酸化領域２０ｂへの電流注入を防止する方法が考えられる。
【００２６】
本実施形態では、活性層にＩｎＧａＡｓを用いた例を説明したが、ＧａＡｓもしくはＡｌＧａＡｓを用いた近赤外用、ＩｎＧａＰもしくはＡｌＧａＩｎＰを用いた赤色用の面発光レーザにも適用できる。更には、ＧａＮ系やＺｎＳｅ系等の青色もしくは紫外線面発光レーザ、ＩｎＧａＡｓＰ系等の１．３〜１．５μｍ帯面発光レーザにも利用できることはもちろんである。また、ＤＢＲ層として半導体材料に限定されることなく、絶縁膜を用いることも可能である。
【００２７】
また、本実施形態では、上側ｐ型ＤＢＲ層２２の上側にｐ側電極３６を設ける構造としたが、イントラキャビティ構造とすることもできる。
【００２８】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る面発光レーザアレイは、図７及び図８（ａ）に示すように、３つの酸化型ＶＣＳＥＬを１つのメサ２６を用いて形成し、このメサ２６を３つ並べて配列した構造となっている。この構造では、図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、１つのメサ２６内のＡｌＡｓ選択酸化層２０に非酸化領域２０ａが３つ設けられている。以下、本発明の第２の実施形態に係る面発光レーザアレイの構造を製造方法に従って説明する。なお、本実施形態はマトリックス駆動の酸化型ＶＣＳＥＬアレイに本発明を適用した例である。
【００２９】
まず、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、半絶縁性ＧａＡｓ基板９上に、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3膜厚０．２μｍ程度のｎ型ＧａＡｓバッファ層１１を積層し、その上に、Ａｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓと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４０．５周期積層したキャリア濃度１×１０18ｃｍ-3となる下側ｎ型ＤＢＲ層１２、アンドープ下部Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓスぺーサー層１４とアンドープ量子井戸活性層１６（膜厚９０ｎｍＡｌ0.11Ｇａ0.89Ａｓ量子井戸層３層と膜厚５０ｎｍＡｌ0.3Ｇａ0.1Ａｓ障壁層４層とで構成されている）とアンドープ上部Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓスぺーサー層１８とで構成された膜厚が媒質内波長となる活性層領域３０、その上に、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3膜厚が媒質内波長の１／４となるｐ型ＡｌＡｓ層２０、その上にＡｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.3Ｇａ07Ａｓと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１９．５周期積層したキャリア濃度１×１０18ｃｍ-3総膜厚が約２μｍとなる上側ｐ型ＤＢＲ層２２、キャリア濃度１×１０19ｃｍ-3となる膜厚１０ｎｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層２４を順次積層する。
【００３０】
ここで、詳しくは述べないが、ＤＢＲ層の電気的抵抗を下げるためにＡｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＡｌ0.3Ｇａ0.1Ａｓの界面に、ＡｌＡｓ組成を９０％から３０％に段階的に変化させた膜厚が９ｎｍ程度の領域を設けることも可能である。
【００３１】
原料ガスとしては、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アルシン、ドーパント材料としてはｐ型用にシクロペンタジニウムマグネシウム、ｎ型用にシランを用い、成長時の基板温度は７５０℃とし、真空を破ることなく、原料ガスを順次変化し、連続して成膜をおこなった。
【００３２】
次に、上記積層膜をｎ型ＧａＡｓバッファ層１１の途中までエッチングして図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、メサ２６ａ，２６ｂ，２６ｃを形成し、ＡｌＡｓ層２０側面を露出させる。メサ形状を加工するには、フォトリソグラフィーにより結晶成長層上にレジストマスクＲを形成し、四塩化炭素をエッチングガスとしてもちいた反応性イオンエッチングを用いた。
【００３３】
その後、レジストマスクＲを除去し、約４００℃の炉中で水蒸気によりＡｌＡｓ層２０だけを側方から酸化し高抵抗化させ、酸化領域３２と非酸化領域２０ａとした。非酸化領域の径は約３μｍである。この非酸化領域が、電流注入領域となる。図８（ａ）に、ＡｌＡｓ選択酸化層２０の酸化領域３２と非酸化領域２０ａの境界線を示した。
【００３４】
その後、Ａｕ／Ｇｅからなるｎ側電極３８をメサ２６底部表面のＧａＡｓバッファ層１１上に形成する。メサ２６とｎ側電極３８との間をドライエッチングにより、半絶縁性ＧａＡｓ基板９までエッチングして溝４２を形成し、各メサ列２６ａ，２６ｂ，２６ｃを電気的に絶縁する。
【００３５】
各メサ２６ａ，２６ｂ，２６ｃの間は、ポリイミド４４を用いて平坦化し、図９に示すようにメサ方向と垂直方向にｐ側電極３６及び配線を形成する。このように電極および配線を設けることで、マトリックス駆動の酸化型ＶＣＳＥＬアレイが作製できる。
【００３６】
本実施形態の面発光レーザは、図８（ａ）に示すように、基板１０から結晶構造で繋がっている部位（非酸化領域２０ａ）が１つのメサについて３ヶ所あり、一般的なメサ１つに１個の酸化型ＶＣＳＥＬを形成している場合より、ストレスに対して高い強度を有している。
【００３７】
本実施形態では、非酸化領域２０ａが矩形となるようにメサ２６を形成しているが、円形あるいは楕円になるようにメサ２６を形成しても良い。この場合、非酸化領域２０ａも円形あるいは楕円となる。
【００３８】
また、本実施形態では、活性層にＡｌＧａＡｓを用いた例を説明したが、ＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓを用いた近赤外用、ＩｎＧａＰもしくはＡｌＧａＩｎＰを用いた赤色用の面発光レーザにも適用できる。更には、ＧａＮ系やＺｎＳｅ系等の青色もしくは紫外線面発光レーザ、ＩｎＧａＡｓＰ系等の１．３〜１．５μｍ帯面発光レーザにも利用できることはもちろんである。また、ＤＢＲ層として半導体材料に限定されることなく、絶縁膜を用いることも可能である。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、作製プロセスが容易で、ストレスにも強く信頼性の高い酸化型の面発光レーザアレイを提供することができる。これにより、  基本特性は高いが、実用性が不安視されている酸化型ＶＣＳＥＬの商業的利用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る面発光レーザアレイの斜視図である。
【図２】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る面発光レーザアレイの構造の上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第１の実施形態に係る面発光レーザアレイの製造工程を順に示す概略断面図である。
【図４】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る面発光レーザアレイの変形例を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の上面図である。
【図５】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る面発光レーザアレイの変形例を示す上面図であり、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る面発光レーザアレイの変形例を示す斜視図である。
【図６】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る面発光レーザアレイの変形例を示す上面図であり、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る面発光レーザアレイの変形例を示す斜視図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る面発光レーザアレイの電極形成前の斜視図である。
【図８】（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る面発光レーザアレイの上面図であり、（ｂ）は（ａ）の電極形成前のＡ−Ａ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）の電極形成前のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る面発光レーザアレイのＡ−Ａ矢視断面図である。
【図１０】従来の酸化型面発光レーザの断面図である。
【符号の説明】
９      半絶縁性ＧａＡｓ基板
１０    ｎ型ＧａＡｓ基板
１１    ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１２    下側ｎ型ＤＢＲ層
１４    下部スぺーサー層
１６    量子井戸活性層
１８    上部スぺーサー層
２０    ｐ型ＡｌＡｓ層
２０ａ、２０ｂ    非酸化領域
２２    上側ｐ型ＤＢＲ層
２４    ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
２６    メサ
３０    活性層領域
３２    酸化領域
３４    ＳｉＮ絶縁膜
３６    ｐ側電極
３８    ｎ側電極
４０    出射口
４２    溝
４４    ポリイミド
Ｒ      レジストマスク
９０    ＡｌＡｓ酸化層
９１    非酸化部分
【図１】
0003800856.tif 000002
【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】
0003800856.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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