説明

面発光レーザ素子及びその製造方法

【課題】酸化狭窄型面発光レーザ素子の信頼性を向上する
【解決手段】酸化狭窄型面発光レーザ素子10のメサポスト30の側面には、半導体再成長層38及びSiNx層40が形成され、その上にポリイミド層28が形成されている。半導体再成長層38は、メサポスト30の側面から酸素が侵入して、活性層18を酸化させ劣化させることを防止する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、面発光レーザ素子及びその製造方法に関し、更に詳しくは、メサポスト部分を有し、基板に対して垂直方向に共振器構造を有する面発光レーザの技術に関し、信頼性に優れた半導体レーザ素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser. 以下、単に面発光レーザ素子と称する。)は、基板に対して直交方向に光を出射させる半導体レーザ素子である。面発光レーザ素子は、同じ基板上に2次元アレイ状に多数の面発光レーザ素子を配列することが可能であり、通信用光源として、或いは、その他の様々なアプリケーション用デバイスとして注目されている。特に、ギガビットイーサーネットやファイバーチャネル等のデータコム通信における高速光伝送の信号光源用途を中心に、面発光レーザ素子のニーズが高まっている。
【0003】
面発光レーザ素子は、GaAsやInPといった半導体基板上に1対の半導体多層膜DBRミラー(以下、単にDBRミラーと呼ぶ)を形成し、その対のDBRミラーの間に、発光領域となる活性層を有するレーザ構造部を備えている。例えばGaAs系面発光レーザ素子では、Al(Ga)As/AlGaAsなどのAlGaAs系材料がDBRミラーに用いられる。
【0004】
GaAs系面発光レーザ素子は、特にGaAs基板上に形成でき、しかも、熱伝導率が良好で、反射率の高いAlGaAs系DBRミラーを用いることができるので、0.8μm〜1.0μm帯のレーザ光を発光できるレーザ素子として有望視されている。また、活性層にGaInNAs系材料を用いた面発光レーザ素子は、1.2μm〜1.6μm帯の長波長域の光を発光できる面発光レーザ素子として有望視されている。これらの面発光レーザ素子では、電流注入効率を高め、閾値電流値を下げるために、AlAs酸化層で電流注入領域を狭窄する構造を構成する、酸化狭窄型の面発光半導体レーザ素子が提案されている(特許文献1)。
【0005】
従来の850nm帯の酸化層狭窄型の面発光レーザ素子の構成を説明する。図3は、従来の850nm帯の酸化層狭窄型の面発光半導体レーザ素子の構成を示す断面模式図である。面発光レーザ素子50は、n−GaAs基板12上に、それぞれの層の厚さがλ/4n(λは発振波長、nは屈折率)のn−Al0.9Ga0.1As/n−Al0.2Ga0.8Asの35ペアからなる下部DBRミラー14、下部クラッド層16、量子井戸活性層18、上部クラッド層20、及び、それぞれの層の厚さがλ/4n(λは発振波長、nは屈折率)のp−Al0.9Ga0.1As/p−Al0.2 Ga0.8Asの25ペアからなる上部DBRミラー22の積層構造を備えている。
【0006】
上部DBRミラー22では、量子井戸活性層18に近い側の一層が、Al0.9Ga0.1As層に代えて、AlAs層24で形成され、かつ電流注入領域以外の領域のAlAs層24のAlが選択的に酸化されたAl酸化層25からなる電流狭窄層を構成している。
【0007】
積層構造のうち、上部DBRミラー22は、フォトリソグラフィー処理及びエッチング加工により、AlAs層24よりも下方の量子井戸活性層18に近い層までが、例えば直径30μmの円形のメサポストに加工されている。メサポストを形成する場合には、メサポスト領域以外の半導体層を全てエッチングしてしまう形態や、エッチングによって円筒状溝を設けて、円筒状溝内にメサポストを形成する形態が取られている。
【0008】
メサポストに加工した積層構造を水蒸気雰囲気中にて、約400℃の温度で酸化処理を行い、メサポストの外側からAlAs層24のAlを選択的に酸化させることにより、Al酸化層25からなる電流狭窄層が形成されている。
【0009】
メサポストは、周囲が例えばポリイミド層28により埋め込まれている。ポリイミド層28の上部には、その外周側に5μm〜10μm程度の幅を有するリング状電極が、p側電極32として設けられている。また、n−GaAs基板12の裏面には、基板裏面を適宜研磨して基板厚さを例えば200μm厚に調整した後に、n側電極36が形成されている。更に、ポリイミド層28には、外部端子とワイヤーで接続するための電極パッド44が、p側電極32と接触するように形成されている。
【0010】
上述した従来の酸化狭窄型の面発光レーザ素子では、AlAs層を酸化してAl酸化層に転化させると、その体積が収縮してAl酸化層に隣接する半導体層に応力が発生する。活性層はAl酸化層近傍に位置するため、発生した応力によって、活性層に損傷が生じ、レーザとしての素子寿命が短くなるという問題があった。そこで、素子寿命の短縮化を防ぐために、AlAs層に代えて、ガリウム(Ga)を微量に含んだAl0.98Ga0.02As層を用いることが提案されている。また、AlAs層の厚さを30nm程度に薄くして、Al酸化層に転化した際の体積収縮により発生する応力を小さくすることも行われている。
【0011】
以上のように、従来から、多層膜DBRミラーとして用いられるAlGaAs半導体層の一層についてAl組成比を他よりも高くし、あるいはAlAsで置き換えることで、この層のみを選択的に酸化することが行われており、また、この選択的に酸化された層による応力を低減させる工夫もなされており、それぞれ一定の成果を上げている。
【0012】
一方、酸化狭窄層を用いない光狭窄構造を有する面発光レーザ素子の開発も行われている。そのような面発光レーザ素子として、例えば、半導体基板上に半導体層を積層し、面積の小さなメサポストを形成した後に、メサポストの周囲に半導体層を再成長させてメサポストを半導体層によって埋め込み、さらに、メサポスト及び埋め込み半導体層の上部全体に上部DBRミラーを積層した面発光レーザ素子の構造が提案されている。(非特許文献1)。しかし、この非特許文献に記載の方法では、径の小さなメサポスト形状を再現することが製造技術的に難しい。また、径の小さなメサポストを埋め込む埋め込み半導体層の再成長に多大の時間が掛かり、製造工程が長くなり、かつ、製造コストも増大する。このため、現在のところ実用化が困難であり、現状では、酸化狭窄型構造の改良が、実用的な面発光レーザ素子の実現に近道であると考えられている。
【0013】
【特許文献1】米国特許公報5493577号
【非特許文献1】H.Uenohara他,"All MOCVD Grown 850-nm-Wavelength Refractive-index-Guided Semiconductor-Buried Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers with p/n-InGaP Current Blocking Layers" IEEE Photonics Technology Letters Vol.12 pp600-602. June 2000.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
ところで、酸化狭窄型の面発光レーザ素子では、メサポストを形成し、酸化工程により、特定半導体層の一部を酸化させる際に、DBRミラーを構成する多層膜や活性層などのメサポスト側面に露出した半導体層の端面部についても、強い酸化条件に曝されるので、その露出した端面部が酸化されることがある。特に、メサポスト部分に活性層が有り、メサポスト側面に活性層の端面が露出している構造を採用する場合には、活性層がダメージを受けやすい。
【0015】
また、DBRミラーを構成するAl0.9 Ga0.1As層は、レーザ光の波長λに対してλ/4nとなるように設計されているので膜厚が厚く、更にペア数も多いため、酸化幅が小さいとはいえ、酸化による体積の収縮は無視できないほど大きい。このため、その収縮により発生する応力は、例えば、活性層端面に転移を発生させたり、既存の転移をさらに成長させたりする要因となる。
【0016】
本発明者らは、上記問題について鋭意検討を重ねた結果、メサポスト側面部に発生した活性層の結晶転移は、面発光レーザ素子に通電を続けた際に、メサポスト側面部から転移が拡大及び増殖して、活性層内の発光領域(電流注入領域)に到達し、偶発故障の原因になる等、面発光レーザ素子の信頼性に大きな影響を及ぼす問題であることを見出した。
【0017】
図4及び図5は、図3に示した従来の面発光レーザ素子のメサポスト内の活性層に生じた転移を説明する模式図である。図4は、面発光レーザ素子を製造した後にメサポスト内の活性層18の外周部分の一部を拡大して示す平面図であり、図5はその面発光レーザ素子が動作した後におけるメサポスト内の活性層の全体を示す平面図である。図4に示すような、面発光レーザ素子の製造工程で発生した、メサポスト側面の活性層端面の転移(DL)は、面発光レーザ素子に通電を続けると、次第に成長して偶発故障に至る。偶発故障により発光しなくなった面発光レーザ素子では、図5に示すように、メサポスト側面からの転移が発光領域にまで到達している。
【0018】
以上のように、酸化狭窄層を形成する酸化工程によって生ずる活性層へのダメージの問題以外にも、メサポストを有する面発光レーザ素子では、周囲の環境条件等に応じて活性層端面を含むメサポスト側面が徐々に酸化され、活性層にダメージが発生しやすいという問題がある。
【0019】
一般に、面発光レーザ素子の表面は、絶縁の目的でSiNx又はSiOxといった保護膜で被覆されている。しかしながら、これらの保護膜は、面発光レーザ素子を構成する化合物半導体材料とは全く異なる材料であり、酸素や水蒸気などの透過を十分に防止できる品質を有する保護膜を半導体層上に作製することが困難である。従って、一般的には、これらの保護膜はある程度酸素や水蒸気を透過する性質があり、これらの保護膜を通して、メサポスト側面の半導体は徐々に酸化される可能性がある。
【0020】
上記に鑑み、本発明は、活性層を含むメサポストを有する酸化狭窄型の面発光レーザ素子において、メサポスト側面の酸化を抑えることによって、活性層へのダメージを低減し、信頼性に優れた面発光レーザ素子、及び、その製造方法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】
【0021】
上記目的を達成するために、本発明の面発光レーザ素子は、半導体基板上に少なくとも、下部DBRミラーと、活性層と、上部DBRミラーとがこの順に積層され、少なくとも前記上部DBRミラー及び活性層を含むメサポストが形成された面発光レーザ素子において、
メサポスト側面の活性層端面が、半導体再成長層によって覆われていることを特徴とする。
【0022】
また、本発明の面発光レーザ素子の製造方法は、半導体基板上に、下部DBRミラーを構成する半導体層と、活性層と、上部DBRミラーを構成する半導体層とを順次に積層して積層構造を形成する積層工程と、
前記積層構造を加工して、少なくとも前記上部DBRミラー及び活性層を含むメサポストを形成する工程と、
前記上部DBRミラー又は下部DBRミラー内に形成された特定半導体層の一部領域を酸化して酸化狭窄層を形成する酸化工程と、
半導体再成長層を少なくともメサポスト側面に形成する再成長工程とを順次に有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0023】
本発明の面発光レーザ素子及び本発明方法によって製造された面発光レーザ素子では、活性層に影響を及ぼす、DBRミラーを構成する多層膜や活性層のメサポスト側面の端面での酸化を抑制することによって、面発光レーザ素子の信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0024】
以下に、実施形態を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
【0025】
[実施形態1]
図1に示す本実施形態は、本発明に係る面発光レーザ素子の半導体層の積層の様子を例示する断面図である。本実施形態の面発光型半導体レーザ素子10は、n−GaAs基板12上に、それぞれの層の厚さがλ/4n(λは発振波長、nは屈折率)のn−Al0.9Ga0.1As/n−Al0.2 Ga0.8Asの35ペアからなる下部DBRミラー14、下部クラッド層16、GaAsの井戸層とAl0.2 Ga0.8Asのバリア層からなる量子井戸活性層18、上部クラッド層20、及び、それぞれの層の厚さがλ/4n(λは発振波長、nは屈折率)のp−Al0.9Ga0.1As/p−Al0.2Ga0.8Asの25ペアからなる上部DBRミラー22の積層構造を備えている。
【0026】
半導体積層構造には、エッチングによって深さが下部クラッド層16の一部に達する環状溝52を設けてあり、環状溝52内にメサポスト30を形成している。メサポスト3の直径は約30μmである。エッチングの影響により、メサポスト30は略円錐台形状を有する。
【0027】
上部DBRミラー22では、量子井戸活性層18に近い側の一層が、Al0.9Ga0.1As層に代えて、AlAs層24で形成され、かつ電流注入領域以外の領域のAlAs層24のAlが、選択的に酸化され、Al酸化層25からなる電流狭窄層を構成している。中央の非酸化AlAs層24は、電流注入領域を構成する。
【0028】
本実施形態の面発光レーザ素子10は、図3に示した従来の面発光レーザ素子50と同様のプロセスによって作製することができる。本実施形態では、従来の面発光レーザ素子50の作製プロセスに加え、メサポスト30を形成する工程を行った後に、メサポスト30の外側からAlAs層のAlを選択的に酸化させて、Al酸化層(電流狭窄層)25を形成する酸化工程を行い、次いで、メサポスト30側面の電流狭窄層25以外の領域に生じた酸化層等のダメージ層を除去する処理(トリートメント)を行う。この処理には、BHF(バッファードフッ酸)を利用したウエットエッチングが用いられる。さらに、硫酸、燐酸、フッ酸、クエン酸等を用いてウエットエッチングを行っても良い。
【0029】
その後、更に、メサポスト30を形成した半導体積層構造の表面全体に、GaInPからなる0.2μm厚の半導体層を再成長層38として成長する。さらに、再成長層38の上に絶縁層として、厚さ0.5μmのSiNx膜40を積層する。次いで、メサポスト30の周囲をポリイミド樹脂28によって埋め込み、メサポスト30上にはリング電極32を形成する。次いで、再成長層38の表面の適当な位置に、リング電極32と接続され外部端子とワイヤーで接続するための電極パッド34を形成する。
【0030】
上記実施形態の面発光レーザでは、メサポスト30の側面に設けられた再成長層38を、エピタキシャル成長した緻密な膜で構成している。このため、メサポスト30の表面が、酸素又は水蒸気雰囲気に直接に曝されたとしても、メサポスト30内部への酸素等の侵入を十分に防ぐことができる。再成長層38の厚みは、0.05μm〜0.5μm程度でよい。これ以上の厚さの再成長層38を積層してもよいが、厚さに応じて、成長時間が長くなるため、製造コストが増大する。
【0031】
上記実施形態では、再成長層38として、GaInPからなる材料を用いたが、他に、InP、GaInAsP、GaAs、GaP、AlGaInP、AlP、AlGaAs、GaN、AlGaN、InGaN等を使用することができる。特に発光波長が850nm帯の面発光レーザ素子では、GaAs、GaInPが好ましい。また、上記のような材料を組み合わせて多層膜とし、活性層の材料との格子定数の差を補償するような構成としてもよい。
このような材料を用いた再成長層は、単結晶膜であっても多結晶膜であってもよく、さらにはアモルファスでもよい。上記実施形態において、再成長層を厚く積層しメサポストを埋め込むような形状としてもよいが、そのように再成長層を厚く積層する場合には、多結晶膜又はアモルファスとした方が積層が容易である。
【0032】
特に、活性層18の量子井戸層にGaAsを使用した面発光レーザ素子の場合には、GaAsよりもバンドギャップが大きなGaInPのような半導体材料をメサポスト30側面に設けることが好ましい。これにより、量子井戸層18の端面にバンドギャップが大きな再成長半導体層38が設けられ、一般にバンドギャップの曲がりと言われる現象が半導体表面に生じるのを防ぐ。また、大きなバンドギャップにより、活性層18での励起光の吸収も生じにくくなり、転移等の欠陥の発生や成長を抑制することができる。また、このような観点から、波長1200〜1600nmの面発光レーザ素子では、InPを再成長層として用いることも好ましい。
【0033】
一般に、面発光レーザ素子は、その製造プロセスや使用時において、環境温度の変化や面発光レーザ素子への通電による素子内部の発熱により、温度変化にさらされる。その際、メサポストを形成する半導体積層と、従来の面発光レーザ素子においてその表面に直接設けられていたSiNx、SiOx、あるいはAlxOyなどの絶縁膜とでは、熱膨張係数に差があるため、その界面で応力が発生し、活性層に生じるダメージの一因ともなっていた。本実施形態においては、メサポスト側面には、熱膨張係数が等しいか又は近い値である半導体層が設けられるため、活性層端面に、熱に起因する応力を抑制することができる。
【0034】
[実施形態2]
図2は、本実施形態に係る面発光レーザ素子を示している。本実施形態の面発光レーザ素子10Aは、図1に示した実施形態1の面発光レーザ素子10とほぼ同様の構造を有している。異なるところは、基板12Aが、p−GaAs基板であり、下部DBRミラー14A及び下部クラッド層16Aがp型半導体層で構成され、上部DBRミラー22A及び上部クラッド層20Aがn型半導体層で構成されていることである。AlAs24層及び酸化狭窄層25は、下部DBRミラー14A内に設けられており、メサポスト30Aを形成するための環状溝52Aは、下部DBRミラー14Aの一部に達する深さにまでエッチングされる。更に、メサポスト上部の電極32Aがn側電極であり、基板裏面の電極36Aがp側電極である。その他の構成は実施形態1の面発光レーザ素子と同様である。
【0035】
上記のように、メサポスト30Aの側面に半導体の再成長層38を設けた面発光レーザ素子10Aでは、活性層18端面からの欠陥の発生や増殖を抑制できるため、信頼性に優れた面発光レーザ素子を得ることができる。
【0036】
以上、本発明をその好適な実施態様に基づいて説明したが、本発明の面発光レーザ素子及びその製造方法は、上記実施態様の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施態様の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。また、本発明の好適な態様として記載した各構成や実施形態で記載した各構成については、本発明の必須の構成と共に用いることが好ましいが、単独であっても有益な効果を奏する構成については、必ずしも本発明の必須の構成として説明した全ての構成と共に用いる必要はない。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1】本発明の実施形態1に係る面発光レーザ素子の断面図である。
【図2】本発明の実施形態2に係る面発光レーザ素子の断面図である。
【図3】従来の面発光レーザ素子の形態を示す断面図である。
【図4】活性層端面に生じた転移を説明する図である。
【図5】転移が活性層内に増殖した様子を説明する図である。
【符号の説明】
【0038】
10、10A:面発光レーザ素子
12、12A:GaAs基板
14、14A:下部DBRミラー
16、16A:下部クラッド層
18:活性層
20、20A:上部クラッド層
22,22A:上部DBRミラー
24:AlAs層(非酸化領域)
25:Al酸化層(酸化狭窄層)
28:ポリイミド層
30、30A:メサポスト
32、36A:p側電極
32A、36:n側電極
38:再成長層
40:SiN膜
44:電極パッド
50:面発光レーザ素子

【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体基板上に少なくとも、下部DBRミラーと、活性層と、上部DBRミラーとがこの順に積層され、少なくとも前記上部DBRミラー及び活性層を含むメサポストが形成された面発光レーザ素子において、
メサポスト側面の活性層端面が、半導体再成長層によって覆われていることを特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項2】
前記活性層の近傍であって前記上部DBRミラー又は下部DBRミラー内に、特定半導体層の一部領域を酸化してなる酸化狭窄層を有することを特徴とする、請求項1に記載の面発光レーザ素子。
【請求項3】
前記半導体再成長層は、GaInP、GaInAsP、GaAs、GaP、AlGaInP、AlP、AlGaAs、GaN、AlGaN、InGaN、InPから選ばれる材料からなることを特徴とする、請求項1又は2のいずれか1に記載の面発光レーザ素子。
【請求項4】
前記半導体再成長層の厚さは、0.05μm〜0.5μmの範囲であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1に記載の面発光レーザ素子。
【請求項5】
前記半導体再成長層によって覆われたメサポストの側面は、さらに絶縁体層で覆われていることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1に記載の面発光レーザ素子。
【請求項6】
前記絶縁体層が、SiN、SiO又はAlであることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1に記載の面発光レーザ素子。
【請求項7】
前記上部DBRミラー及び下部DBRミラーは、AlGaAs系半導体材料が積層されて構成されていることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1に記載の面発光レーザ素子。
【請求項8】
請求項1〜7のいずれか1に記載の面発光レーザ素子を同一基板上に複数備え、該面発光レーザ素子を1次元又は2次元に集積したことを特徴とするレーザアレイ。
【請求項9】
半導体基板上に、下部DBRミラーを構成する半導体層と、活性層と、上部DBRミラーを構成する半導体層とを順次に積層して積層構造を形成する積層工程と、
前記積層構造を加工して、少なくとも前記上部DBRミラー及び活性層を含むメサポストを形成する工程と、
前記上部DBRミラー又は下部DBRミラー内に形成された特定半導体層の一部領域を酸化して酸化狭窄層を形成する酸化工程と、
半導体再成長層を少なくともメサポスト側面に形成する再成長工程とを順次に有することを特徴とする面発光レーザ素子の製造方法。
【請求項10】
前記酸化工程の後であって、前記再成長工程の前に、前記メサポスト側面の一部を除去するトリートメント工程を更に有することを特徴とする、請求項9に記載の面発光レーザ素子の製造方法。

【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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【公開番号】特開2007−235030(P2007−235030A)
【公開日】平成19年9月13日(2007.9.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−57573(P2006−57573)
【出願日】平成18年3月3日(2006.3.3)
【出願人】(000005290)古河電気工業株式会社 (4,457)
【Fターム(参考)】