面発光半導体レーザ及びその製造方法
【課題】生産性を低下させることなく、正確に制御された電流狭窄層を備えた面発光レーザ装置を実現できるようにする。
【解決手段】面発光半導体レーザ装置は、基板１１の上に下側から順次形成された第１反射鏡１２と、活性層１３と、アルミニウムを含む材料からなる電流狭窄層１６と、第２反射鏡１７とを備えている。電流狭窄層１６は、導電性部１６Ａと、導電性部１６Ａの周囲に形成された酸化層である高抵抗部１６Ｂと、導電性部１６Ａと高抵抗部１６Ｂとの界面領域に形成され、他の領域と比べて不純物が高濃度に導入された高濃度不純物領域１９とを有している。
【解決手段】面発光半導体レーザ装置は、基板１１の上に下側から順次形成された第１反射鏡１２と、活性層１３と、アルミニウムを含む材料からなる電流狭窄層１６と、第２反射鏡１７とを備えている。電流狭窄層１６は、導電性部１６Ａと、導電性部１６Ａの周囲に形成された酸化層である高抵抗部１６Ｂと、導電性部１６Ａと高抵抗部１６Ｂとの界面領域に形成され、他の領域と比べて不純物が高濃度に導入された高濃度不純物領域１９とを有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直共振器型の面発光半導体レーザ装置に関し、特に選択酸化法により形成した電流狭窄層を有する面発光半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、端面発光半導体レーザ装置と比較して動作電流の低減、集積度の向上及びコストの低減が期待される垂直共振器型の面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）装置の開発が進んでいる。特に、波長が８５０ｎｍの砒化ガリウム（ＧａＡｓ）系化合物半導体材料を用いた面発光半導体レーザ装置は、ギガビットのデータ通信等の短距離で高速且つ大容量の光通信用又は光インターコネクション用に研究開発が進められ、商品化されつつある。
【０００３】
面発光半導体レーザ装置は、多層膜からなる高反射率の反射鏡により、発光領域となる量子井戸活性層が上下から挟み込まれた構造を採用している。面発光半導体レーザ装置において、発振閾値電流密度の低減による電流効率の向上及び高速での変調を実現するためには、電流の経路を制限する電流狭窄構造を設ける必要がある。
【０００４】
面発光半導体レーザの電流狭窄構造を形成する方法として、量子井戸活性層の近傍に設けたアルミニウム（Ａｌ）組成比が高いＡｌＧａＡｓ層を選択的に酸化して高抵抗領域を形成する選択酸化法がある。選択酸化法は、発振閾値電流密度等のレーザ特性において、他の電流狭窄方法と比べて優位性を有しており、有力な電流狭窄技術として主流化しつつある。
【０００５】
しかし、Ａｌ組成比が高いＡｌＧａＡｓ層を成長させる際に生じるわずかな厚さのばらつき及びＡｌ組成比のばらつき並びにわずかな酸化条件の変動により、ＡｌＧａＡｓ層の酸化制御性が大きく変化し、高抵抗領域のサイズがばらついてしまう。高抵抗領域のわずかなサイズのばらつきが、レーザの特性を大きく変化させるため、電流狭窄構造を再現性良く、高精度に形成するための酸化制御が必要とされる（例えば、非特許文献１を参照。）。
【０００６】
電流狭窄構造を高精度に形成するための方法として、酸化モニタ領域を形成する方法が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。図７に示すように、基板の上に面発光半導体レーザ装置となるポスト部１００と共に、ポスト部１００よりも径が小さいモニタ用のポスト部１１０Ａ及びポスト部１１０Ｂを形成する。電流狭窄層となるＡｌ組成比が高いＡｌＧａＡｓ層１０６を酸化雰囲気において酸化する際に、ポスト部１００、ポスト部１１０Ａ及びポスト部１１０Ｂの反射率を連続的に測定する。ＡｌＧａＡｓ層１０６が酸化されるに従い反射率が変化し、完全に酸化されると反射率は変化しなくなる。このため、反射率の変化をモニタすることにより、モニタ用にメサ部１１０Ａ及びポスト部１１０Ｂが完全に酸化されるまでの時間を検出することができる。得られた時間を元に、ＡｌＧａＡｓ層１０６の正確な酸化レートか算出できるため、ポスト部１００に電流狭窄層を再現性良く高精度に形成することができる。
【非特許文献１】Carl Wilmsen, 他,"Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers", Cambridge University Press, １９９９年, ｐ．１９３〜２３２
【特許文献１】特開２００４−９５９３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の電流狭窄層の形成方法は、面発光光半導体レーザ装置となる部分とは別に酸化状態をモニタするための領域を形成する必要があるため、ウェハあたりの面発光光半導体レーザ装置の生産数が低下する。このため、面発光光半導体レーザ装置の製造コストが上昇するという問題がある。
【０００８】
また、酸化工程において、屈折率を連続的に測定する必要があるため、製造装置が複雑になると共に、工程のスループットが低下してしまうという問題もある。
【０００９】
本発明は、前記従来の問題を解決し、生産性を低下させることなく、正確に制御された電流狭窄層を備えた面発光レーザ装置を実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するため、本発明は面発光半導体レーザ装置を、電流狭窄層における導電性部の高抵抗部との界面領域に高濃度不純物領域が形成された構成とする。
【００１１】
本発明に係る面発光半導体レーザ装置は、基板の上に形成された第１反射鏡と、第１反射鏡の上に形成された活性層と、活性層の上に形成され、電流が流れる導電性部と該導電性部の周囲に形成された酸化層である高抵抗部とを含む電流狭窄層と、電流狭窄層の上に形成された第２反射鏡とを備え、導電性部の高抵抗部との界面領域には、他の領域と比べて不純物が高濃度に導入された高濃度不純物領域が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の面発光半導体レーザ装置によれば、導電性部の高抵抗部との界面領域には、他の領域と比べて不純物が高濃度に導入された高濃度不純物領域が形成されているため、酸化により電流狭窄層を形成する際に、高濃度不純物領域において酸化を止めることができる。これは、高濃度不純物領域において無秩序化が生じＡｌ組成比が低下していることによる。従って、導電部のサイズを高濃度不純物領域のサイズにより決定することができるので、電流狭窄層を形成する際の制御が容易となり、電流狭窄層を高精度に且つ再現性良く形成することが可能となる。また、モニタ用のポスト部を設ける必要がないので、ウェハあたりの面発光レーザ装置の生産数が低下することもない。
【００１３】
本発明の面発光半導体レーザ装置において、電流狭窄層は、一般式がＡｌxＧａ1-xＡｓ（但し、０＜ｘ≦１）により表される化合物からなり、高濃度不純物領域は、他の領域よりもアルミニウム組成比が低いことが好ましい。
【００１４】
本発明の面発光半導体レーザ装置において、高濃度不純物領域は、第２反射鏡の上面から、第２反射鏡を貫通し電流狭窄層に達するように形成されていることが好ましい。
【００１５】
本発明の面発光半導体レーザ装置において、第２の反射鏡はアルミニウムの組成比が互いに異なる低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層されており、第２反射鏡における高濃度不純物領域が形成された部分においては、低屈折率層のアルミニウム組成比と高屈折率層のアルミニウム組成比とが平均化されていることが好ましい。このような構成とすることにより、第２反射鏡における高濃度不純物領域において、ヘテロ界面を低抵抗化できるため、反射鏡の直列抵抗を低減できる。また、光出力モードの安定性も向上させることができる。
【００１６】
本発明の面発光半導体レーザ装置において、第２反射鏡の上に形成された電極をさらに備え、電極は、高濃度不純物領域と接していることが好ましい。このような構成とすることにより、電極のコンタクト抵抗を低減できる。
【００１７】
本発明の面発光半導体レーザ装置において、第２反射鏡における高濃度不純物領域が形成された部分は、反射率が他の部分と比べて小さいことが好ましい。このような構成とすることにより、光出力モードの安定性を向上させることができる。
【００１８】
本発明の面発光半導体レーザ装置において、発振モードは、単一横モード発振であることが好ましい。
【００１９】
本発明の面発光半導体レーザにおいて、不純物は亜鉛、マグネシウム又はベリリウムであることが好ましい。
【００２０】
本発明の面発光半導体レーザにおいて、不純物はシリコン、ゲルマニウム、セレン又は硫黄であることが好ましい。
【００２１】
本発明に係る面発光半導体レーザ装置の製造方法は、基板の上に、第１反射鏡、活性層、電流狭窄層形成層及び第２反射鏡を下側から順次形成する工程（ａ）と、第２反射鏡の上面から電流狭窄層形成層に向かって選択的に不純物を導入することにより、第２反射鏡を貫通し電流狭窄層形成層に達する平面リング状の高濃度不純物領域を形成する工程（ｂ）と、第１反射鏡の一部と、活性層と、電流狭窄層形成層と、第２反射鏡とを選択的に除去することにより、電流狭窄層形成層の側面が露出し且つ高濃度不純物領域と同心円状に形成されたポスト部を形成する工程（ｃ）と、電流狭窄層形成層を酸化雰囲気において酸化することにより、電流狭窄層形成層の側面から高濃度不純物領域に至る領域を選択的に高抵抗化して、電流狭窄層を形成する工程（ｄ）とを備えていることを特徴とする。
【００２２】
本発明に係る面発光半導体レーザ装置の製造方法によれば、第２反射鏡の上面から電流狭窄層形成層に向かって選択的に不純物を導入することにより、第２反射鏡を貫通し電流狭窄層形成層に達する平面リング状の高濃度不純物領域を形成する工程を備えているため、酸化により電流狭窄層を形成する際に、露出部から高濃度不純物領域に至る領域を選択的に酸化することができる。従って、電流狭窄層を酸化により形成する際の制御が容易となり、高精度に且つ再現性良く電流狭窄層を形成することが可能となる。
【００２３】
本発明の面発光半導体レーザ装置の製造方法において、工程（ｂ）は、第２反射鏡の上に不純物を含む不純物材料層を平面リング状に形成した後、熱処理を行うことにより不純物を第２反射鏡及び電流狭窄層形成層に拡散させる工程であることが好ましい。
【００２４】
本発明の面発光半導体レーザ装置の製造方法において、工程（ｂ）は、不純物を選択的にイオン注入する工程であることが好ましい。
【００２５】
本発明の面発光半導体レーザ装置の製造方法において、不純物は、亜鉛、マグネシウム又はベリリウムであることが好ましい。
【００２６】
本発明の面発光半導体レーザ装置の製造方法において、不純物は、シリコン、ゲルマニウム、セレン又は硫黄であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る半導体発光素子及びその製造方法によれば、生産性を低下させることなく、正確に制御された電流狭窄層を備えた面発光レーザ装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は一実施形態に係る面発光半導体レーザ装置の断面構成を示している。
【００２９】
図１に示すように本実施形態の面発光レーザ装置は、ｎ型のＧａＡｓからなる基板１１の上に、ｎ型の第１反射鏡１２、第１スペーサ層１３、活性層１４、第２スペーサ層１５、電流狭窄層１６、ｐ型の第２反射鏡１７及びｐ型コンタクト層１８が下側から順次形成されている。
【００３０】
第１反射鏡１２は、ｎ型にドープされたＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓからなる低屈折率層１２Ａ及びＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓからなる高屈折率層１２Ｂが交互に２２．５周期積層されている。低屈折率層１２Ａ及び高屈折率層１２Ｂは厚さがλ／４ｎ（但し、λは発振波長、ｎは屈折率）となるように形成されている。第１反射鏡１２は反射率が９９％以上となるように形成すればよい。
【００３１】
第１スペーサ層１３は、第１反射鏡１２側から活性層１４側に向かってＡｌの組成比が次第に低くなる傾斜組成のＡｌＧａＡｓ層であり、第１反射鏡１２側のＡｌ組成比は０．６であり、活性層１４側のＡｌ組成比は０．３である。
【００３２】
活性層１４は、アンドープのＧａＡｓからなる井戸層とアンドープのＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓからなる障壁層とが交互に積層された、量子井戸活性層である。
【００３３】
第２スペーサ層１５は、活性層１４側から第２反射鏡１７側に向かってＡｌの組成比が次第に高くなる傾斜組成のＡｌＧａＡｓ層であり、活性層１４側のＡｌ組成比は０．３であり、第２反射鏡１７側のＡｌ組成比は０．６である。
【００３４】
電流狭窄層１６は、Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓからなる高Ａｌ組成の層である。電流狭窄層１６の中央部は、電流が流れる導電性部１６Ａであり、酸化により形成された高抵抗部１６Ｂが導電性部１６Ａを囲んでいる。これにより、電流の経路は、電流狭窄層１６の中央部に設けられた導電性部１６Ａに狭窄され、レーザ光をレーザ出射領域２５から出射できるようになる。また、本実施形態の面発光レーザ装置は、導電性部１６Ａの高抵抗部１６Ｂとの界面領域に、後で説明する高濃度不純物領域１９が形成されている。
【００３５】
第２反射鏡１７は、ｐ型にドープされたＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓからなる低屈折率層１７Ａ及びＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓからなる高屈折率層１７Ｂが交互に３４．５周期積層されている。第２の反射鏡１７も反射率が９９％以上となるように形成すればよい。第２の反射鏡１７の上に形成されたｐ型コンタクト層１８は、ｐ型にドープされたＧａＡｓからなる。
【００３６】
第１反射鏡１２の一部、第１スペーサ層１３、活性層１４、第２スペーサ層１５、電流狭窄層１６、第２反射鏡１７及びｐ型コンタクト層１８は、選択的にエッチングされ、導電性部１６Ａを中心とする円柱状のポスト部が形成されている。ポスト部の周囲には、酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなるパッシベーション膜２３を介在させて低誘電率膜であるベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）からなる埋め込み絶縁膜２４が埋め込まれている。
【００３７】
ｐ型コンタクト層１８の外縁部から埋め込み絶縁膜２４に跨る領域の上には、パッシベーション膜２３を介在させてチタン、白金及び金からなるｐ側電極２１が形成されている。基板１１の第１反射鏡１２と反対側の面（裏面）には金、ゲルマニウム及びニッケルからなるｎ側電極２２が形成されている。
【００３８】
本実施形態の面発光半導体レーザ装置は、電流狭窄層１６の導電性部１６Ａにおける高抵抗部１６Ｂとの界面領域に亜鉛（Ｚｎ）等のｐ型不純物が高濃度に導入された高濃度不純物領域１９が形成されている。高濃度不純物領域１９は、電流狭窄層１６だけでなく、ｐ型コンタクト層１８の上面から第２反射鏡１７及び電流狭窄層１６を貫通し第２スペーサ層１５に達するように形成されている。
【００３９】
高濃度不純物領域１９は、例えば４×１０19ｃｍ-3程度のＺｎを含み、他の領域と比べて不純物の濃度が非常に高くなっている。このように、高濃度のＺｎを導入することにより、高濃度不純物領域１９においては、固体内拡散が大きくなる。このため、高濃度不純物領域１９においては、ｐ型コンタクト層１８、低屈折率層１７Ａ、高屈折率層１７Ｂ、電流狭窄層１６及び第２スペーサ層１５の間においてＡｌ組成比が平均化される。このため、電流狭窄層１６における高濃度不純物領域１９の部分においては、電流狭窄層１６の他の部分よりもＡｌ組成比が低くなる。
【００４０】
ＡｌＧａＡｓ層を酸化する際の酸化速度は、Ａｌ組成比によって変化し、Ａｌ組成比が低下すると酸化速度が低下する。従って、本実施形態の面発光レーザ装置は、Ａｌ組成比が高いＡｌＧａＡｓ層を外側から酸化して高抵抗部１６Ｂを形成する際に、Ａｌ組成比が低い高濃度不純物領域１９の部分において酸化速度が大きく低下し、それ以上酸化が進まなくなる。その結果、高濃度不純物領域１９よりも内側の領域は酸化されず導電性部１６Ａとなり、高濃度不純物領域１９よりも外側の領域は酸化されて高抵抗部１６Ｂとなる。このように、高濃度不純物領域１９のサイズによって導電性部１６Ａのサイズを決定することができるため、電流狭窄層１６を高精度に且つ再現性良く形成することが可能となる。
【００４１】
また、ｐ側電極２１をｐ型コンタクト層１８における高濃度不純物領域１９が形成された部分と接するように形成すれば、ｐ側電極２１のコンタクト抵抗を低減できるという効果が得られる。また、第２反射鏡１７における高濃度不純物領域１９が形成された部分も低抵抗化されるため、面発光半導体レーザ装置の直列抵抗を低減する効果も得られる。さらに、第２反射鏡１７における高濃度不純物領域１９が形成された部分は、無秩序化により反射率が低下する。このため、レーザ出射領域２５のうちの限られた領域のみが共振器構造を有することになり、光発振モードにおいて基本単一横モード動作を実現できる。
【００４２】
以下に、本実施形態の面発光レーザ装置の製造方法について図面を参照して説明する。図２〜図７は、本実施形態に係る面発光レーザ装置の製造方法を工程順に示している。
【００４３】
まず、図２に示すように、ｎ型のＧａＡｓからなる基板１１の上にｎ型の第１反射鏡１２、第１スペーサ層１３、活性層１４、第２スペーサ層１５、ｐ型の電流狭窄層形成層４６、ｐ型の第２反射鏡１７及びｐ型コンタクト層１８を有機金属気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法を用いて順次形成する。
【００４４】
本実施形態においては、ＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長の原料として、III族原料であるＧａ及びＡｌには、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ：Trimethyl-Gallium）及びトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：Trimethyl-Aluminum）等の有機金属材料を用いる。また、Ｖ族原料であるＡｓには、例えばアルシン（ＡｓＨ3）を用いる。また、ｎ型の層には例えばシラン（ＳｉＨ4）を用いてシリコンドーピングを行い、ｐ型の層には例えば四臭化炭素（ＣＢｒ4）を用いて炭素ドーピングを行う。
【００４５】
なお、各層の一例をあげると、第１反射鏡１２は、ｎ型にドープされたＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓからなる低屈折率層１２Ａ及びＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓからなる高屈折率層１２Ｂを交互に２２．５周期積層すればよい。第１スペーサ層１３は、第１反射鏡１２側のＡｌ組成比が０．６で、活性層１４側のＡｌ組成比が０．３となるようにＡｌの組成比が次第に低くなる傾斜組成を有するアンドープのＡｌＧａＡｓ層とすればよい。
【００４６】
活性層１４は、アンドープのＧａＡｓからなる井戸層とアンドープのＡｌ0.3ＧａＡｓからなる障壁層とを交互に積層すればよい。第２スペーサ層１５は、活性層１４側のＡｌ組成比が０．３で、第２反射鏡１７側のＡｌ組成比が０．６となるようにＡｌの組成比が次第に高くなる傾斜組成を有するアンドープＡｌＧａＡｓ層とすればよい。電流狭窄層１６は、ｐ型にドープされたＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓからなる高Ａｌ組成の層とすればよい。
【００４７】
第２反射鏡１７は、ｐ型にドープされたＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓからなる低屈折率層１７Ａ及びＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓからなる高屈折率層１７Ｂを交互に３４．５周期積層すればよい。ｐ型コンタクト層１８は、ｐ型にドープされたＧａＡｓとすればよい。
【００４８】
なお、第１反射鏡１２及び第２反射鏡１７の内部に反射鏡内のヘテロ界面における低抵抗化を目的とした組成変調層又は不純物変調ドープ層を設けてもよい。
【００４９】
次に、図３に示すようにｐ型コンタクト層１８の上に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなるリング状の不純物材料層３１を形成する。不純物材料層３１は、例えばスパッタ法により、ｐ型コンタクト層１８上の全面にＺｎＯ膜を形成した後、フォトリソグラフィ及びエッチングを行うことによりリング状に形成すればよい。本実施形態の面発光半導体レーザ装置の製造方法においては、不純物材料層３１の内径によってレーザ出射領域２５のサイズが決定される。従って、一般的な面発光半導体レーザ装置の場合、不純物材料層３１の内径は５μｍ程度とすればよい。その後、不純物材料層３１及びｐ型コンタクト層１８を覆うように窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる保護層３２を形成する。保護層３２は、プラズマＣＶＤ法等により形成すればよい。
【００５０】
次に、図４に示すように、不純物材料層３１及び保護層３２を形成した後のウェハを熱処理してｐ型不純物であるＺｎが第２スペーサ層１５に達するまで固体拡散させる。これにより、ｐ型コンタクト層１８から第２反射鏡１７及び電流狭窄層形成層４６を貫通し第２スペーサ層１５に達する高濃度不純物領域１９が形成される。なお、活性層１４に不純物が到達しないように、熱処理時間及び温度等を制御する。
【００５１】
高濃度不純物領域１９においては、Ｚｎの拡散によりいわゆる無秩序化が生じ、Ａｌ組成比が平均化したＡｌＧａＡｓが形成される。つまり、高濃度不純物領域１９においては、Ｚｎ拡散前に第２反射鏡１７及び電流狭窄層形成層４６がそれぞれ有していた特性が失われる。無秩序化を生じさせるためには、高濃度不純物領域１９におけるＺｎ濃度が、４×１０19ｃｍ-3程度となるようにすればよい。
【００５２】
次に、図５に示すように不純物材料層３１及び保護層３２を除去した後、ｐ型コンタクト層１８、第２反射鏡１７、電流狭窄層形成層４６、第２スペーサ層１５、活性層１４、第１スペーサ層１３及び第１反射鏡１２の一部を選択的に除去して、円柱状のポスト部３３を形成する。ポスト部３３は、平面リング状の高濃度不純物領域１９と同心円状の平面形状となるようにする。ポスト部３３は、面発光半導体レーザ装置のレーザ素子部分となるため、一般的な面発光半導体レーザ装置の場合には径を１０μｍ程度とすればよい。ポスト部３３は、フォトリソグラフィとエッチングとにより形成すればよい。
【００５３】
次に、図６に示すようにポスト部３３が形成されたウェハを、水蒸気を含んだ窒素等の酸化性のガス雰囲気においてアニールすることにより、電流狭窄層形成層４６をポスト部の側部から酸化し、導電性部１６Ａと導電性部１６Ａを囲む高抵抗部１６Ｂとが形成された電流狭窄層１６を形成する。
【００５４】
本実施形態の面発光半導体レーザ装置の製造方法においては、Ａｌ組成比が非常に高い電流狭窄層形成層４６の中央部に平面リング状の高濃度不純物領域１９が形成されている。電流狭窄層形成層４６における高濃度不純物領域１９となっている領域は、Ｚｎによる無秩序化のためにＡｌ組成比が他の領域よりも低くなっている。例えば、本実施形態のようにＡｌ組成比が０．９８の電流狭窄層形成層４６の上下にＡｌ組成比が０．６程度の層が形成されている場合、電流狭窄層形成層４６における高濃度不純物領域１９となった部分のＡｌ組成比は０．７程度まで低下する。
【００５５】
Ａｌ組成比は、電流狭窄層形成層４６の酸化速度に大きく影響し、Ａｌ組成比が低下すると酸化速度は急激に低下する。このため、電流狭窄層形成層４６の外縁部からほぼ一定速度で酸化が進行し、高濃度不純物領域１９まで酸化が進むと、酸化速度が大きく低下し、それ以上酸化が進行しなくなる。従って、導電性部１６Ａのサイズは、容易に且つ安定して高濃度不純物領域１９のサイズに合わせることができる。つまり、高精度に且つ再現性良く電流狭窄層１６を形成することが可能となる。
【００５６】
次に、図７に示すように第１反射鏡１２の上面及びポスト部３３の側面を覆うようにＳｉＯ2からなるパッシベーション膜２３の下部を形成した後、ポスト部３３を形成するため形成された凹部にＢＣＢ膜からなる埋め込み絶縁膜２４を埋め込む。続いて、ｐ型コンタクト層１８の外縁部及び埋め込み絶縁膜２４の上面を覆うようにＳｉＯ2からなるパッシベーション膜２３の上部を形成する。
【００５７】
次に、パッシベーション膜２３の上面及びｐ型コンタクト層１８の上面におけるレーザ出射領域２５を除く部分を覆うようにｐ側電極２１を形成し、基板１１の裏面にｎ側電極２２を形成する。この際に、ｐ側電極２１が高濃度不純物領域１９と接するように形成することが好ましい。高濃度不純物領域１９は、不純物拡散により低抵抗化されているため、ｐ側電極と高濃度不純物領域１９とが接するようにすることにより、ｐ側電極のコンタクト抵抗を低減できる。
【００５８】
また、高濃度不純物領域は、第２反射鏡１７を貫通しているため、第２反射鏡１７においてもＺｎの高濃度化及び組成の異なるＡｌＧａＡｓ多層膜の無秩序化によるヘテロ界面での低抵抗化により直列抵抗が低減できる。従って、動作電流を低くすることができ、消費電力の小さい面発光半導体レーザ装置を実現できる。また、高速変調にも有利となる。さらに、無秩序化された高濃度不純物領域においては、反射率が低下するため、レーザ出射領域２５の外周部において反導波作用が生じる。その結果、光発振モードにおいて基本単一横モード動作を実現できる。
【００５９】
本実施形態においては、高濃度不純物領域１９を形成する方法として、ＺｎＯからなる不純物材料層を形成し、Ｚｎを熱拡散させる例を示したが、Ｚｎのイオン注入又はＺｎＡｓ2のようなＺｎ系ガス雰囲気における熱拡散等の他の方法を用いてもよい。
【００６０】
また、高濃度不純物領域１９を形成するための不純物にＺｎを用いたが、マグネシウム（Ｍｇ）又はベリリウム（Ｂｅ）等の他のｐ型の不純物を用いてもよい。
【００６１】
本実施形態は、ｐ型の層が上部に配置された構成の面発光半導体レーザ装置について示したが、ｎ型の層が上部に配置された構成の面発光半導体レーザ装置についても同様の効果を得ることができる。この場合には、高濃度不純物領域を形成するための不純物をｎ型の不純物であるシリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）又は硫黄（Ｓ）等とすればよい。また、基板にはｐ型のＧａＡｓ基板を用いればよい。
【００６２】
また、発光波長が８５０ｎｍ帯のＧａＡｓ系面発光半導体レーザについて説明したが、他の材料系又は異なる波長帯の面発光レーザについても同様の効果が期待される。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明に係る光半導体装置及びその製造方法は、生産性を低下させることなく、正確に制御された電流狭窄層を備えた面発光レーザ装置を実現でき、垂直共振器型の面発光半導体レーザ装置、特に選択酸化法により形成した電流狭窄層を有する面発光半導体レーザ装置等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の一実施形態に係る面発光半導体レーザ装置を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る面発光半導体レーザ装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る面発光半導体レーザ装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る面発光半導体レーザ装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る面発光半導体レーザ装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る面発光半導体レーザ装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る面発光半導体レーザ装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図８】従来例に係る面発光半導体レーザ装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１１ 基板
１２ 第１反射鏡
１２Ａ 低屈折率層
１２Ｂ 高屈折率層
１３ 第１スペーサ層
１４ 活性層
１５ 第２スペーサ層
１６ 電流狭窄層
１６Ａ 導電性部
１６Ｂ 高抵抗部
１７ 第２反射鏡
１７Ａ 低屈折率層
１７Ｂ 高屈折率層
１８ ｐ型コンタクト層
１９ 高濃度不純物領域
２１ ｐ側電極
２２ ｎ側電極
２３ パッシベーション膜
２４ 絶縁膜
２５ レーザ出射領域
３１ 不純物材料層
３２ 保護層
３３ ポスト部
４６ 電流狭窄層形成層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直共振器型の面発光半導体レーザ装置に関し、特に選択酸化法により形成した電流狭窄層を有する面発光半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、端面発光半導体レーザ装置と比較して動作電流の低減、集積度の向上及びコストの低減が期待される垂直共振器型の面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）装置の開発が進んでいる。特に、波長が８５０ｎｍの砒化ガリウム（ＧａＡｓ）系化合物半導体材料を用いた面発光半導体レーザ装置は、ギガビットのデータ通信等の短距離で高速且つ大容量の光通信用又は光インターコネクション用に研究開発が進められ、商品化されつつある。
【０００３】
面発光半導体レーザ装置は、多層膜からなる高反射率の反射鏡により、発光領域となる量子井戸活性層が上下から挟み込まれた構造を採用している。面発光半導体レーザ装置において、発振閾値電流密度の低減による電流効率の向上及び高速での変調を実現するためには、電流の経路を制限する電流狭窄構造を設ける必要がある。
【０００４】
面発光半導体レーザの電流狭窄構造を形成する方法として、量子井戸活性層の近傍に設けたアルミニウム（Ａｌ）組成比が高いＡｌＧａＡｓ層を選択的に酸化して高抵抗領域を形成する選択酸化法がある。選択酸化法は、発振閾値電流密度等のレーザ特性において、他の電流狭窄方法と比べて優位性を有しており、有力な電流狭窄技術として主流化しつつある。
【０００５】
しかし、Ａｌ組成比が高いＡｌＧａＡｓ層を成長させる際に生じるわずかな厚さのばらつき及びＡｌ組成比のばらつき並びにわずかな酸化条件の変動により、ＡｌＧａＡｓ層の酸化制御性が大きく変化し、高抵抗領域のサイズがばらついてしまう。高抵抗領域のわずかなサイズのばらつきが、レーザの特性を大きく変化させるため、電流狭窄構造を再現性良く、高精度に形成するための酸化制御が必要とされる（例えば、非特許文献１を参照。）。
【０００６】
電流狭窄構造を高精度に形成するための方法として、酸化モニタ領域を形成する方法が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。図７に示すように、基板の上に面発光半導体レーザ装置となるポスト部１００と共に、ポスト部１００よりも径が小さいモニタ用のポスト部１１０Ａ及びポスト部１１０Ｂを形成する。電流狭窄層となるＡｌ組成比が高いＡｌＧａＡｓ層１０６を酸化雰囲気において酸化する際に、ポスト部１００、ポスト部１１０Ａ及びポスト部１１０Ｂの反射率を連続的に測定する。ＡｌＧａＡｓ層１０６が酸化されるに従い反射率が変化し、完全に酸化されると反射率は変化しなくなる。このため、反射率の変化をモニタすることにより、モニタ用にメサ部１１０Ａ及びポスト部１１０Ｂが完全に酸化されるまでの時間を検出することができる。得られた時間を元に、ＡｌＧａＡｓ層１０６の正確な酸化レートか算出できるため、ポスト部１００に電流狭窄層を再現性良く高精度に形成することができる。
【非特許文献１】Carl Wilmsen, 他,"Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers", Cambridge University Press, １９９９年, ｐ．１９３〜２３２
【特許文献１】特開２００４−９５９３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の電流狭窄層の形成方法は、面発光光半導体レーザ装置となる部分とは別に酸化状態をモニタするための領域を形成する必要があるため、ウェハあたりの面発光光半導体レーザ装置の生産数が低下する。このため、面発光光半導体レーザ装置の製造コストが上昇するという問題がある。
【０００８】
また、酸化工程において、屈折率を連続的に測定する必要があるため、製造装置が複雑になると共に、工程のスループットが低下してしまうという問題もある。
【０００９】
本発明は、前記従来の問題を解決し、生産性を低下させることなく、正確に制御された電流狭窄層を備えた面発光レーザ装置を実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するため、本発明は面発光半導体レーザ装置を、電流狭窄層における導電性部の高抵抗部との界面領域に高濃度不純物領域が形成された構成とする。
【００１１】
本発明に係る面発光半導体レーザ装置は、基板の上に形成された第１反射鏡と、第１反射鏡の上に形成された活性層と、活性層の上に形成され、電流が流れる導電性部と該導電性部の周囲に形成された酸化層である高抵抗部とを含む電流狭窄層と、電流狭窄層の上に形成された第２反射鏡とを備え、導電性部の高抵抗部との界面領域には、他の領域と比べて不純物が高濃度に導入された高濃度不純物領域が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の面発光半導体レーザ装置によれば、導電性部の高抵抗部との界面領域には、他の領域と比べて不純物が高濃度に導入された高濃度不純物領域が形成されているため、酸化により電流狭窄層を形成する際に、高濃度不純物領域において酸化を止めることができる。これは、高濃度不純物領域において無秩序化が生じＡｌ組成比が低下していることによる。従って、導電部のサイズを高濃度不純物領域のサイズにより決定することができるので、電流狭窄層を形成する際の制御が容易となり、電流狭窄層を高精度に且つ再現性良く形成することが可能となる。また、モニタ用のポスト部を設ける必要がないので、ウェハあたりの面発光レーザ装置の生産数が低下することもない。
【００１３】
本発明の面発光半導体レーザ装置において、電流狭窄層は、一般式がＡｌxＧａ1-xＡｓ（但し、０＜ｘ≦１）により表される化合物からなり、高濃度不純物領域は、他の領域よりもアルミニウム組成比が低いことが好ましい。
【００１４】
本発明の面発光半導体レーザ装置において、高濃度不純物領域は、第２反射鏡の上面から、第２反射鏡を貫通し電流狭窄層に達するように形成されていることが好ましい。
【００１５】
本発明の面発光半導体レーザ装置において、第２の反射鏡はアルミニウムの組成比が互いに異なる低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層されており、第２反射鏡における高濃度不純物領域が形成された部分においては、低屈折率層のアルミニウム組成比と高屈折率層のアルミニウム組成比とが平均化されていることが好ましい。このような構成とすることにより、第２反射鏡における高濃度不純物領域において、ヘテロ界面を低抵抗化できるため、反射鏡の直列抵抗を低減できる。また、光出力モードの安定性も向上させることができる。
【００１６】
本発明の面発光半導体レーザ装置において、第２反射鏡の上に形成された電極をさらに備え、電極は、高濃度不純物領域と接していることが好ましい。このような構成とすることにより、電極のコンタクト抵抗を低減できる。
【００１７】
本発明の面発光半導体レーザ装置において、第２反射鏡における高濃度不純物領域が形成された部分は、反射率が他の部分と比べて小さいことが好ましい。このような構成とすることにより、光出力モードの安定性を向上させることができる。
【００１８】
本発明の面発光半導体レーザ装置において、発振モードは、単一横モード発振であることが好ましい。
【００１９】
本発明の面発光半導体レーザにおいて、不純物は亜鉛、マグネシウム又はベリリウムであることが好ましい。
【００２０】
本発明の面発光半導体レーザにおいて、不純物はシリコン、ゲルマニウム、セレン又は硫黄であることが好ましい。
【００２１】
本発明に係る面発光半導体レーザ装置の製造方法は、基板の上に、第１反射鏡、活性層、電流狭窄層形成層及び第２反射鏡を下側から順次形成する工程（ａ）と、第２反射鏡の上面から電流狭窄層形成層に向かって選択的に不純物を導入することにより、第２反射鏡を貫通し電流狭窄層形成層に達する平面リング状の高濃度不純物領域を形成する工程（ｂ）と、第１反射鏡の一部と、活性層と、電流狭窄層形成層と、第２反射鏡とを選択的に除去することにより、電流狭窄層形成層の側面が露出し且つ高濃度不純物領域と同心円状に形成されたポスト部を形成する工程（ｃ）と、電流狭窄層形成層を酸化雰囲気において酸化することにより、電流狭窄層形成層の側面から高濃度不純物領域に至る領域を選択的に高抵抗化して、電流狭窄層を形成する工程（ｄ）とを備えていることを特徴とする。
【００２２】
本発明に係る面発光半導体レーザ装置の製造方法によれば、第２反射鏡の上面から電流狭窄層形成層に向かって選択的に不純物を導入することにより、第２反射鏡を貫通し電流狭窄層形成層に達する平面リング状の高濃度不純物領域を形成する工程を備えているため、酸化により電流狭窄層を形成する際に、露出部から高濃度不純物領域に至る領域を選択的に酸化することができる。従って、電流狭窄層を酸化により形成する際の制御が容易となり、高精度に且つ再現性良く電流狭窄層を形成することが可能となる。
【００２３】
本発明の面発光半導体レーザ装置の製造方法において、工程（ｂ）は、第２反射鏡の上に不純物を含む不純物材料層を平面リング状に形成した後、熱処理を行うことにより不純物を第２反射鏡及び電流狭窄層形成層に拡散させる工程であることが好ましい。
【００２４】
本発明の面発光半導体レーザ装置の製造方法において、工程（ｂ）は、不純物を選択的にイオン注入する工程であることが好ましい。
【００２５】
本発明の面発光半導体レーザ装置の製造方法において、不純物は、亜鉛、マグネシウム又はベリリウムであることが好ましい。
【００２６】
本発明の面発光半導体レーザ装置の製造方法において、不純物は、シリコン、ゲルマニウム、セレン又は硫黄であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る半導体発光素子及びその製造方法によれば、生産性を低下させることなく、正確に制御された電流狭窄層を備えた面発光レーザ装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は一実施形態に係る面発光半導体レーザ装置の断面構成を示している。
【００２９】
図１に示すように本実施形態の面発光レーザ装置は、ｎ型のＧａＡｓからなる基板１１の上に、ｎ型の第１反射鏡１２、第１スペーサ層１３、活性層１４、第２スペーサ層１５、電流狭窄層１６、ｐ型の第２反射鏡１７及びｐ型コンタクト層１８が下側から順次形成されている。
【００３０】
第１反射鏡１２は、ｎ型にドープされたＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓからなる低屈折率層１２Ａ及びＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓからなる高屈折率層１２Ｂが交互に２２．５周期積層されている。低屈折率層１２Ａ及び高屈折率層１２Ｂは厚さがλ／４ｎ（但し、λは発振波長、ｎは屈折率）となるように形成されている。第１反射鏡１２は反射率が９９％以上となるように形成すればよい。
【００３１】
第１スペーサ層１３は、第１反射鏡１２側から活性層１４側に向かってＡｌの組成比が次第に低くなる傾斜組成のＡｌＧａＡｓ層であり、第１反射鏡１２側のＡｌ組成比は０．６であり、活性層１４側のＡｌ組成比は０．３である。
【００３２】
活性層１４は、アンドープのＧａＡｓからなる井戸層とアンドープのＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓからなる障壁層とが交互に積層された、量子井戸活性層である。
【００３３】
第２スペーサ層１５は、活性層１４側から第２反射鏡１７側に向かってＡｌの組成比が次第に高くなる傾斜組成のＡｌＧａＡｓ層であり、活性層１４側のＡｌ組成比は０．３であり、第２反射鏡１７側のＡｌ組成比は０．６である。
【００３４】
電流狭窄層１６は、Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓからなる高Ａｌ組成の層である。電流狭窄層１６の中央部は、電流が流れる導電性部１６Ａであり、酸化により形成された高抵抗部１６Ｂが導電性部１６Ａを囲んでいる。これにより、電流の経路は、電流狭窄層１６の中央部に設けられた導電性部１６Ａに狭窄され、レーザ光をレーザ出射領域２５から出射できるようになる。また、本実施形態の面発光レーザ装置は、導電性部１６Ａの高抵抗部１６Ｂとの界面領域に、後で説明する高濃度不純物領域１９が形成されている。
【００３５】
第２反射鏡１７は、ｐ型にドープされたＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓからなる低屈折率層１７Ａ及びＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓからなる高屈折率層１７Ｂが交互に３４．５周期積層されている。第２の反射鏡１７も反射率が９９％以上となるように形成すればよい。第２の反射鏡１７の上に形成されたｐ型コンタクト層１８は、ｐ型にドープされたＧａＡｓからなる。
【００３６】
第１反射鏡１２の一部、第１スペーサ層１３、活性層１４、第２スペーサ層１５、電流狭窄層１６、第２反射鏡１７及びｐ型コンタクト層１８は、選択的にエッチングされ、導電性部１６Ａを中心とする円柱状のポスト部が形成されている。ポスト部の周囲には、酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなるパッシベーション膜２３を介在させて低誘電率膜であるベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）からなる埋め込み絶縁膜２４が埋め込まれている。
【００３７】
ｐ型コンタクト層１８の外縁部から埋め込み絶縁膜２４に跨る領域の上には、パッシベーション膜２３を介在させてチタン、白金及び金からなるｐ側電極２１が形成されている。基板１１の第１反射鏡１２と反対側の面（裏面）には金、ゲルマニウム及びニッケルからなるｎ側電極２２が形成されている。
【００３８】
本実施形態の面発光半導体レーザ装置は、電流狭窄層１６の導電性部１６Ａにおける高抵抗部１６Ｂとの界面領域に亜鉛（Ｚｎ）等のｐ型不純物が高濃度に導入された高濃度不純物領域１９が形成されている。高濃度不純物領域１９は、電流狭窄層１６だけでなく、ｐ型コンタクト層１８の上面から第２反射鏡１７及び電流狭窄層１６を貫通し第２スペーサ層１５に達するように形成されている。
【００３９】
高濃度不純物領域１９は、例えば４×１０19ｃｍ-3程度のＺｎを含み、他の領域と比べて不純物の濃度が非常に高くなっている。このように、高濃度のＺｎを導入することにより、高濃度不純物領域１９においては、固体内拡散が大きくなる。このため、高濃度不純物領域１９においては、ｐ型コンタクト層１８、低屈折率層１７Ａ、高屈折率層１７Ｂ、電流狭窄層１６及び第２スペーサ層１５の間においてＡｌ組成比が平均化される。このため、電流狭窄層１６における高濃度不純物領域１９の部分においては、電流狭窄層１６の他の部分よりもＡｌ組成比が低くなる。
【００４０】
ＡｌＧａＡｓ層を酸化する際の酸化速度は、Ａｌ組成比によって変化し、Ａｌ組成比が低下すると酸化速度が低下する。従って、本実施形態の面発光レーザ装置は、Ａｌ組成比が高いＡｌＧａＡｓ層を外側から酸化して高抵抗部１６Ｂを形成する際に、Ａｌ組成比が低い高濃度不純物領域１９の部分において酸化速度が大きく低下し、それ以上酸化が進まなくなる。その結果、高濃度不純物領域１９よりも内側の領域は酸化されず導電性部１６Ａとなり、高濃度不純物領域１９よりも外側の領域は酸化されて高抵抗部１６Ｂとなる。このように、高濃度不純物領域１９のサイズによって導電性部１６Ａのサイズを決定することができるため、電流狭窄層１６を高精度に且つ再現性良く形成することが可能となる。
【００４１】
また、ｐ側電極２１をｐ型コンタクト層１８における高濃度不純物領域１９が形成された部分と接するように形成すれば、ｐ側電極２１のコンタクト抵抗を低減できるという効果が得られる。また、第２反射鏡１７における高濃度不純物領域１９が形成された部分も低抵抗化されるため、面発光半導体レーザ装置の直列抵抗を低減する効果も得られる。さらに、第２反射鏡１７における高濃度不純物領域１９が形成された部分は、無秩序化により反射率が低下する。このため、レーザ出射領域２５のうちの限られた領域のみが共振器構造を有することになり、光発振モードにおいて基本単一横モード動作を実現できる。
【００４２】
以下に、本実施形態の面発光レーザ装置の製造方法について図面を参照して説明する。図２〜図７は、本実施形態に係る面発光レーザ装置の製造方法を工程順に示している。
【００４３】
まず、図２に示すように、ｎ型のＧａＡｓからなる基板１１の上にｎ型の第１反射鏡１２、第１スペーサ層１３、活性層１４、第２スペーサ層１５、ｐ型の電流狭窄層形成層４６、ｐ型の第２反射鏡１７及びｐ型コンタクト層１８を有機金属気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法を用いて順次形成する。
【００４４】
本実施形態においては、ＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長の原料として、III族原料であるＧａ及びＡｌには、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ：Trimethyl-Gallium）及びトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：Trimethyl-Aluminum）等の有機金属材料を用いる。また、Ｖ族原料であるＡｓには、例えばアルシン（ＡｓＨ3）を用いる。また、ｎ型の層には例えばシラン（ＳｉＨ4）を用いてシリコンドーピングを行い、ｐ型の層には例えば四臭化炭素（ＣＢｒ4）を用いて炭素ドーピングを行う。
【００４５】
なお、各層の一例をあげると、第１反射鏡１２は、ｎ型にドープされたＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓからなる低屈折率層１２Ａ及びＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓからなる高屈折率層１２Ｂを交互に２２．５周期積層すればよい。第１スペーサ層１３は、第１反射鏡１２側のＡｌ組成比が０．６で、活性層１４側のＡｌ組成比が０．３となるようにＡｌの組成比が次第に低くなる傾斜組成を有するアンドープのＡｌＧａＡｓ層とすればよい。
【００４６】
活性層１４は、アンドープのＧａＡｓからなる井戸層とアンドープのＡｌ0.3ＧａＡｓからなる障壁層とを交互に積層すればよい。第２スペーサ層１５は、活性層１４側のＡｌ組成比が０．３で、第２反射鏡１７側のＡｌ組成比が０．６となるようにＡｌの組成比が次第に高くなる傾斜組成を有するアンドープＡｌＧａＡｓ層とすればよい。電流狭窄層１６は、ｐ型にドープされたＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓからなる高Ａｌ組成の層とすればよい。
【００４７】
第２反射鏡１７は、ｐ型にドープされたＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓからなる低屈折率層１７Ａ及びＡｌ0.12Ｇａ0.88Ａｓからなる高屈折率層１７Ｂを交互に３４．５周期積層すればよい。ｐ型コンタクト層１８は、ｐ型にドープされたＧａＡｓとすればよい。
【００４８】
なお、第１反射鏡１２及び第２反射鏡１７の内部に反射鏡内のヘテロ界面における低抵抗化を目的とした組成変調層又は不純物変調ドープ層を設けてもよい。
【００４９】
次に、図３に示すようにｐ型コンタクト層１８の上に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなるリング状の不純物材料層３１を形成する。不純物材料層３１は、例えばスパッタ法により、ｐ型コンタクト層１８上の全面にＺｎＯ膜を形成した後、フォトリソグラフィ及びエッチングを行うことによりリング状に形成すればよい。本実施形態の面発光半導体レーザ装置の製造方法においては、不純物材料層３１の内径によってレーザ出射領域２５のサイズが決定される。従って、一般的な面発光半導体レーザ装置の場合、不純物材料層３１の内径は５μｍ程度とすればよい。その後、不純物材料層３１及びｐ型コンタクト層１８を覆うように窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる保護層３２を形成する。保護層３２は、プラズマＣＶＤ法等により形成すればよい。
【００５０】
次に、図４に示すように、不純物材料層３１及び保護層３２を形成した後のウェハを熱処理してｐ型不純物であるＺｎが第２スペーサ層１５に達するまで固体拡散させる。これにより、ｐ型コンタクト層１８から第２反射鏡１７及び電流狭窄層形成層４６を貫通し第２スペーサ層１５に達する高濃度不純物領域１９が形成される。なお、活性層１４に不純物が到達しないように、熱処理時間及び温度等を制御する。
【００５１】
高濃度不純物領域１９においては、Ｚｎの拡散によりいわゆる無秩序化が生じ、Ａｌ組成比が平均化したＡｌＧａＡｓが形成される。つまり、高濃度不純物領域１９においては、Ｚｎ拡散前に第２反射鏡１７及び電流狭窄層形成層４６がそれぞれ有していた特性が失われる。無秩序化を生じさせるためには、高濃度不純物領域１９におけるＺｎ濃度が、４×１０19ｃｍ-3程度となるようにすればよい。
【００５２】
次に、図５に示すように不純物材料層３１及び保護層３２を除去した後、ｐ型コンタクト層１８、第２反射鏡１７、電流狭窄層形成層４６、第２スペーサ層１５、活性層１４、第１スペーサ層１３及び第１反射鏡１２の一部を選択的に除去して、円柱状のポスト部３３を形成する。ポスト部３３は、平面リング状の高濃度不純物領域１９と同心円状の平面形状となるようにする。ポスト部３３は、面発光半導体レーザ装置のレーザ素子部分となるため、一般的な面発光半導体レーザ装置の場合には径を１０μｍ程度とすればよい。ポスト部３３は、フォトリソグラフィとエッチングとにより形成すればよい。
【００５３】
次に、図６に示すようにポスト部３３が形成されたウェハを、水蒸気を含んだ窒素等の酸化性のガス雰囲気においてアニールすることにより、電流狭窄層形成層４６をポスト部の側部から酸化し、導電性部１６Ａと導電性部１６Ａを囲む高抵抗部１６Ｂとが形成された電流狭窄層１６を形成する。
【００５４】
本実施形態の面発光半導体レーザ装置の製造方法においては、Ａｌ組成比が非常に高い電流狭窄層形成層４６の中央部に平面リング状の高濃度不純物領域１９が形成されている。電流狭窄層形成層４６における高濃度不純物領域１９となっている領域は、Ｚｎによる無秩序化のためにＡｌ組成比が他の領域よりも低くなっている。例えば、本実施形態のようにＡｌ組成比が０．９８の電流狭窄層形成層４６の上下にＡｌ組成比が０．６程度の層が形成されている場合、電流狭窄層形成層４６における高濃度不純物領域１９となった部分のＡｌ組成比は０．７程度まで低下する。
【００５５】
Ａｌ組成比は、電流狭窄層形成層４６の酸化速度に大きく影響し、Ａｌ組成比が低下すると酸化速度は急激に低下する。このため、電流狭窄層形成層４６の外縁部からほぼ一定速度で酸化が進行し、高濃度不純物領域１９まで酸化が進むと、酸化速度が大きく低下し、それ以上酸化が進行しなくなる。従って、導電性部１６Ａのサイズは、容易に且つ安定して高濃度不純物領域１９のサイズに合わせることができる。つまり、高精度に且つ再現性良く電流狭窄層１６を形成することが可能となる。
【００５６】
次に、図７に示すように第１反射鏡１２の上面及びポスト部３３の側面を覆うようにＳｉＯ2からなるパッシベーション膜２３の下部を形成した後、ポスト部３３を形成するため形成された凹部にＢＣＢ膜からなる埋め込み絶縁膜２４を埋め込む。続いて、ｐ型コンタクト層１８の外縁部及び埋め込み絶縁膜２４の上面を覆うようにＳｉＯ2からなるパッシベーション膜２３の上部を形成する。
【００５７】
次に、パッシベーション膜２３の上面及びｐ型コンタクト層１８の上面におけるレーザ出射領域２５を除く部分を覆うようにｐ側電極２１を形成し、基板１１の裏面にｎ側電極２２を形成する。この際に、ｐ側電極２１が高濃度不純物領域１９と接するように形成することが好ましい。高濃度不純物領域１９は、不純物拡散により低抵抗化されているため、ｐ側電極と高濃度不純物領域１９とが接するようにすることにより、ｐ側電極のコンタクト抵抗を低減できる。
【００５８】
また、高濃度不純物領域は、第２反射鏡１７を貫通しているため、第２反射鏡１７においてもＺｎの高濃度化及び組成の異なるＡｌＧａＡｓ多層膜の無秩序化によるヘテロ界面での低抵抗化により直列抵抗が低減できる。従って、動作電流を低くすることができ、消費電力の小さい面発光半導体レーザ装置を実現できる。また、高速変調にも有利となる。さらに、無秩序化された高濃度不純物領域においては、反射率が低下するため、レーザ出射領域２５の外周部において反導波作用が生じる。その結果、光発振モードにおいて基本単一横モード動作を実現できる。
【００５９】
本実施形態においては、高濃度不純物領域１９を形成する方法として、ＺｎＯからなる不純物材料層を形成し、Ｚｎを熱拡散させる例を示したが、Ｚｎのイオン注入又はＺｎＡｓ2のようなＺｎ系ガス雰囲気における熱拡散等の他の方法を用いてもよい。
【００６０】
また、高濃度不純物領域１９を形成するための不純物にＺｎを用いたが、マグネシウム（Ｍｇ）又はベリリウム（Ｂｅ）等の他のｐ型の不純物を用いてもよい。
【００６１】
本実施形態は、ｐ型の層が上部に配置された構成の面発光半導体レーザ装置について示したが、ｎ型の層が上部に配置された構成の面発光半導体レーザ装置についても同様の効果を得ることができる。この場合には、高濃度不純物領域を形成するための不純物をｎ型の不純物であるシリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）又は硫黄（Ｓ）等とすればよい。また、基板にはｐ型のＧａＡｓ基板を用いればよい。
【００６２】
また、発光波長が８５０ｎｍ帯のＧａＡｓ系面発光半導体レーザについて説明したが、他の材料系又は異なる波長帯の面発光レーザについても同様の効果が期待される。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明に係る光半導体装置及びその製造方法は、生産性を低下させることなく、正確に制御された電流狭窄層を備えた面発光レーザ装置を実現でき、垂直共振器型の面発光半導体レーザ装置、特に選択酸化法により形成した電流狭窄層を有する面発光半導体レーザ装置等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の一実施形態に係る面発光半導体レーザ装置を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る面発光半導体レーザ装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る面発光半導体レーザ装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る面発光半導体レーザ装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る面発光半導体レーザ装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る面発光半導体レーザ装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る面発光半導体レーザ装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図８】従来例に係る面発光半導体レーザ装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１１ 基板
１２ 第１反射鏡
１２Ａ 低屈折率層
１２Ｂ 高屈折率層
１３ 第１スペーサ層
１４ 活性層
１５ 第２スペーサ層
１６ 電流狭窄層
１６Ａ 導電性部
１６Ｂ 高抵抗部
１７ 第２反射鏡
１７Ａ 低屈折率層
１７Ｂ 高屈折率層
１８ ｐ型コンタクト層
１９ 高濃度不純物領域
２１ ｐ側電極
２２ ｎ側電極
２３ パッシベーション膜
２４ 絶縁膜
２５ レーザ出射領域
３１ 不純物材料層
３２ 保護層
３３ ポスト部
４６ 電流狭窄層形成層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された第１反射鏡と、
前記第１反射鏡の上に形成された活性層と、
前記活性層の上に形成され、電流が流れる導電性部と該導電性部の周囲に形成された酸化層である高抵抗部とを含む電流狭窄層と、
前記電流狭窄層の上に形成された第２反射鏡とを備え、
前記導電性部の前記高抵抗部との界面領域には、他の領域と比べて不純物が高濃度に導入された高濃度不純物領域が形成されていることを特徴とする面発光半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記電流狭窄層は、一般式がＡｌxＧａ1-xＡｓ（但し、０＜ｘ≦１）により表される化合物からなり、
前記高濃度不純物領域は、他の領域よりもアルミニウム組成比が低い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装置。
【請求項３】
前記高濃度不純物領域は、前記第２反射鏡を貫通し前記電流狭窄層に達するように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記第２反射鏡は、アルミニウムの組成比が互いに異なる低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層されており、
前記第２反射鏡における前記高濃度不純物領域が形成された部分においては、前記低屈折率層のアルミニウム組成比と前記高屈折率層のアルミニウム組成比とが平均化されていることを特徴とする請求項３に記載の面発光半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記第２反射鏡の上に形成された電極をさらに備え、
前記電極は、前記高濃度不純物領域と接していることを特徴とする請求項３又は４に記載の面発光半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記第２反射鏡における前記高濃度不純物領域が形成された部分は、反射率が他の部分と比べて小さいことを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の面発光半導体レーザ装置。
【請求項７】
光発振モードは、単一横モード発振であることを特徴とする請求項６に記載の面発光半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記不純物は亜鉛、マグネシウム又はベリリウムであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項９】
前記不純物はシリコン、ゲルマニウム、セレン又は硫黄であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項１０】
基板の上に、第１反射鏡、活性層、電流狭窄層形成層及び第２反射鏡を下側から順次形成する工程（ａ）と、
前記第２反射鏡の上面から前記電流狭窄層形成層に向かって選択的に不純物を導入することにより、前記第２反射鏡を貫通し前記電流狭窄層形成層に達する平面リング状の高濃度不純物領域を形成する工程（ｂ）と、
前記第１反射鏡の一部と、前記活性層と、前記電流狭窄層形成層と、前記第２反射鏡とを選択的に除去することにより、前記電流狭窄層形成層の側面が露出し且つ前記高濃度不純物領域と同心円状に形成されたポスト部を形成する工程（ｃ）と、
前記電流狭窄層形成層を酸化雰囲気において酸化することにより、前記電流狭窄層形成層の側面から前記高濃度不純物領域に至る領域を選択的に高抵抗化して、電流経路を制限する電流狭窄層を形成する工程（ｄ）とを備えていることを特徴とする面発光半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１１】
前記工程（ｂ）は、前記第２反射鏡の上に前記不純物を含む不純物材料層を平面リング状に形成した後、熱処理を行うことにより前記不純物を前記第２反射鏡及び電流狭窄層形成層に拡散させる工程であることを特徴とする請求項１０に記載の面発光半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１２】
前記工程（ｂ）は、前記不純物を選択的にイオン注入する工程であることを特徴とする請求項１０に記載の面発光半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１３】
前記不純物は、亜鉛、マグネシウム又はベリリウムであることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか１項に記載の面発光半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１４】
前記不純物は、シリコン、ゲルマニウム、セレン又は硫黄であることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか１項に記載の面発光半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１】
基板の上に形成された第１反射鏡と、
前記第１反射鏡の上に形成された活性層と、
前記活性層の上に形成され、電流が流れる導電性部と該導電性部の周囲に形成された酸化層である高抵抗部とを含む電流狭窄層と、
前記電流狭窄層の上に形成された第２反射鏡とを備え、
前記導電性部の前記高抵抗部との界面領域には、他の領域と比べて不純物が高濃度に導入された高濃度不純物領域が形成されていることを特徴とする面発光半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記電流狭窄層は、一般式がＡｌxＧａ1-xＡｓ（但し、０＜ｘ≦１）により表される化合物からなり、
前記高濃度不純物領域は、他の領域よりもアルミニウム組成比が低い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装置。
【請求項３】
前記高濃度不純物領域は、前記第２反射鏡を貫通し前記電流狭窄層に達するように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記第２反射鏡は、アルミニウムの組成比が互いに異なる低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層されており、
前記第２反射鏡における前記高濃度不純物領域が形成された部分においては、前記低屈折率層のアルミニウム組成比と前記高屈折率層のアルミニウム組成比とが平均化されていることを特徴とする請求項３に記載の面発光半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記第２反射鏡の上に形成された電極をさらに備え、
前記電極は、前記高濃度不純物領域と接していることを特徴とする請求項３又は４に記載の面発光半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記第２反射鏡における前記高濃度不純物領域が形成された部分は、反射率が他の部分と比べて小さいことを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の面発光半導体レーザ装置。
【請求項７】
光発振モードは、単一横モード発振であることを特徴とする請求項６に記載の面発光半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記不純物は亜鉛、マグネシウム又はベリリウムであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項９】
前記不純物はシリコン、ゲルマニウム、セレン又は硫黄であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項１０】
基板の上に、第１反射鏡、活性層、電流狭窄層形成層及び第２反射鏡を下側から順次形成する工程（ａ）と、
前記第２反射鏡の上面から前記電流狭窄層形成層に向かって選択的に不純物を導入することにより、前記第２反射鏡を貫通し前記電流狭窄層形成層に達する平面リング状の高濃度不純物領域を形成する工程（ｂ）と、
前記第１反射鏡の一部と、前記活性層と、前記電流狭窄層形成層と、前記第２反射鏡とを選択的に除去することにより、前記電流狭窄層形成層の側面が露出し且つ前記高濃度不純物領域と同心円状に形成されたポスト部を形成する工程（ｃ）と、
前記電流狭窄層形成層を酸化雰囲気において酸化することにより、前記電流狭窄層形成層の側面から前記高濃度不純物領域に至る領域を選択的に高抵抗化して、電流経路を制限する電流狭窄層を形成する工程（ｄ）とを備えていることを特徴とする面発光半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１１】
前記工程（ｂ）は、前記第２反射鏡の上に前記不純物を含む不純物材料層を平面リング状に形成した後、熱処理を行うことにより前記不純物を前記第２反射鏡及び電流狭窄層形成層に拡散させる工程であることを特徴とする請求項１０に記載の面発光半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１２】
前記工程（ｂ）は、前記不純物を選択的にイオン注入する工程であることを特徴とする請求項１０に記載の面発光半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１３】
前記不純物は、亜鉛、マグネシウム又はベリリウムであることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか１項に記載の面発光半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項１４】
前記不純物は、シリコン、ゲルマニウム、セレン又は硫黄であることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか１項に記載の面発光半導体レーザ装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−１７７３４１（Ｐ２００８−１７７３４１Ａ）
【公開日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−９０８３（Ｐ２００７−９０８３）
【出願日】平成１９年１月１８日（２００７．１．１８）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月１８日（２００７．１．１８）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]