JP2005142361A - 面発光型半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 面方位（１００）面等の通常基板上に作製した場合においても、偏波モードの制御性や量産性が高い高性能な面発光型半導体素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 面方位（１００）面等の通常基板上に作製した面発光型半導体レーザ素子において、メサ内部のＡｌ高濃度層部分に非対称の選択酸化構造を形成することにより、活性層中心部に異方的な応力を印加し、素子の偏波制御性を高める。
【選択図】 図１

Description

本発明は、面発光型半導体素子及びその製造方法に関し、特に、偏波モードを安定して制御可能な面発光型半導体素子及びその製造方法に関する。

半導体レーザや半導体発光ダイオード等の半導体発光素子は、光通信分野をはじめとして、ＣＤ（Compact Disc）やＤＶＤ（Digital Versatile Disｃ）等の光ディスクシステム或いはバーコード・リーダ等における光源として広く使用されている。これら光通信をはじめとする各種応用分野で使用する場合、半導体レーザに存在する、「縦モード」、「横モード」、「偏波モード」の３つのモードについて動作モードを単一化することが重要となる。現在、光通信分野で主に用いられる端面発光型半導体レーザは、偏波モードは安定で、変動することがない。これは、端面発光型レーザの場合、共振器が導波路により構成され、導波路端面の反射率がＴＭ波よりＴＥ波の方が大きく、電界ベクトルが半導体基板に平行な方向のＴＥ波で発振することに起因している。縦モードも、分布帰還型構造を取り入れるなどの方策により単一化が実現され、横モードについても狭ストライプ構造にすることで単一化できる。

一方、面発光型半導体レーザの場合、共振器が非常に短いことから縦モードについては、単一モード動作し、横モードについても、アルミニウム（Ａｌ）高濃度層の選択酸化やプロトン注入による電流狭窄構造により、活性領域の微小化等をはじめとする技術によって可能となってきている。

しかしながら、偏波モードについては、偏波方向の制御を図ることが難しい。これは、通常の面発光型半導体レーザの製作に用いられてきた（１００）面基板の結晶構造やデバイス構造自体の対称性に基づくもので、直線偏波は得られるものの、活性層自体には直交偏波間の利得差はなく、特定の方位の偏波に対して反射鏡の反射率を高くする等の施策も困難なためである。このため、温度や駆動電流等の外部条件の微妙な変化により、簡単に偏波方向のスイッチングが生じやすく、レーザの偏波を直接利用する光磁気記録やコヒーレント通信等で大きな影響をもたらす。また、通常のデータ通信を行う際でも、偏波モードの不安定は、過剰雑音やモード競合の原因となり、エラーの増加や伝送帯域の制限といった問題を引き起こす。このため、偏波モードの制御（安定化）は、面発光型半導体レーザの実際の応用を図る上で、重要な課題の１つとなっている。

偏波制御の重要性が指摘されて以来、この問題を解決するために、従来行われている手法を以下に紹介する。
（１） 金属誘電体回折格子を半導体多層膜反射鏡に組み込む構造
（２） デバイスのメサ形状に非対称性を取り入れた構造
（３） 傾斜基板上に作製する構造
これら３種類の手法のうち、（１）の手法は、半導体多層膜からなる反射鏡の上に金属細線を一定方向に配列させ、特定の方位の偏光に対して、鏡の反射率を高くする方法である。金属配線に対して平行な偏光に対して鏡の反射率が高くなるため、偏波面を安定させるのに一定の効果はあるが、金属配線を光波長以下の幅に形成する必要があるため、製造が難しい。

また、（２）のデバイスのメサ形状に非対称性を取り入れる手法は、例えば、特許文献１に開示されている。図２１に表したように、メサＭの周辺に応力付加領域２４を設置することにより、メサＭの中心の活性層に対して応力が非等方（異方）的に印加され、歪が異方的に発生する。その歪の分布は、図２１（ｃ）及び（ｄ）に例示した如くである。このような歪に伴って直交偏波間の利得差が生じ、特定方向の偏波のみが優位となり、偏波制御性が高まる。

また、同様に、非特許文献１においても、図２２に表したように、円柱状のメサＭの両側にＴ字型の突起形状２４を付加している。このことにより、Ｔ字細線部分の半導体多層膜反射鏡のＡｌ高濃度層（Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層）は、選択酸化プロセスにより全て酸化され、体積収縮することに伴い発生する強い応力が、メサＭの中心に位置する活性層に異方的な歪を与え、偏波制御性を高めている。

また、非特許文献２においては、図２３に挿入して表されたようなダンベル型のメサ構造２５とすることで、活性層への電流注入が非対称になることにより偏波制御が図られている。これらの応力（歪）付加領域２４や非対称メサ構造２５は、上記した（１）と同様に、デバイス加工が複雑化し、素子の生産性、再現性の面、偏波制御性が十分ではないという問題がある。

一方、上記（３）の傾斜基板を用いる手法は、ある方位の偏波に対して、利得を大きくするために（３１１）Ａ面や（３１１）Ｂ面などの高指数方位の結晶面上に活性層を形成し、利得が結晶方位に依存することを利用したものである。この手法では、強い直交偏波間の消光比が得られ、偏波モードの制御性は優れている。しかしながら、通常の（１００）面を利用したものに比べ、良質の結晶成長は難しく、高出力が得られにくいなどの問題点がある。また、傾斜基板における選択酸化方式の面発光型半導体レーザ素子では、結晶面方位による酸化レートの違い（異方性酸化）により、酸化（発光領域）形状に歪みが生じ、ビーム形状の制御が困難である。

面発光型半導体レーザは、偏波モード制御の課題を除けば、端面発光型半導体レーザに比べ、しきい値が低い、消費電力が低い、発光効率が高い、高速変調が可能である、ビーム広がりが小さく光ファイバとの結合が容易である、端面へき開が不要で量産性に優れる等々の多数の利点を有する。さらに、基板上に二次元的に多数のレーザ素子を集積化が可能なため、高速光ＬＡＮ（Local Area Network）や、光インターコネクト等における光エレクトロニクス分野のキーデバイスとして大きな注目を集めている。従って、上述した現状の課題、偏波制御性を高め、且つ量産性に優れた面発光型半導体レーザ素子の開発が強く望まれている。
特開平１１−５４８３８号公報 IEEE Photon. Technol. Lett., Vol.14, no.8, 1034 (2002) IEEE Photon. Technol. Lett., Vol.6, no.1, 40 (1994)

上述したように、面方位（１００）面等の通常の基板上に作製した面発光型半導体レーザ素子は、結晶構造の対称性により、活性層は直交偏波間の利得差がなく、偏波方向のスイッチングが容易に発生し、偏波モードを制御することが難しいという問題がある。

本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、面方位（１００）面等の通常基板上に作製した場合においても、偏波モードの制御性や量産性が高い高性能な面発光型半導体素子及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明によれば、基板と、前記基板の主面上に形成された発光領域を有する半導体活性層と、前記半導体活性層を狭持し、前記基板に対して垂直方向の共振器を形成する、前記半導体活性層に対して前記基板と反対側に形成された第１の半導体多層膜反射鏡及び前記半導体活性層に対して前記基板側に形成された第２の半導体多層膜反射鏡と、前記半導体活性層に電流を注入するための一対の電極と、前記半導体活性層の近傍に形成され、Ａｌを含む被酸化層が複数層設けられ、その側面から酸化されることによって形成された電流狭窄部と、少なくとも前記被酸化層の最上層に到達する溝深さの凹部と、前記凹部に囲まれたメサ部と、を備え、
前記電流狭窄部は、前記複数層の被酸化層のうちの第１の層数の前記被酸化層が酸化されてなる第１の電流狭窄部と、前記第１の層数よりも小なる第２の層数の前記被酸化層が酸化されてなる第２の電流狭窄部と、を有することを特徴とする面発光型半導体素子が提供される。

または、本発明の面発光型半導体素子は、基板と、前記基板の主面上に形成された発光領域を有する半導体活性層と、前記半導体活性層を狭持し、前記基板に対して垂直方向の共振器を形成する、前記半導体活性層に対して前記基板と反対側に形成された第１の半導体多層膜反射鏡及び前記半導体活性層に対して前記基板側に形成された第２の半導体多層膜反射鏡と、前記半導体活性層に電流を注入するための一対の電極と、前記半導体活性層の近傍に形成され、Ａｌを含む被酸化層が複数層設けられ、その側面から酸化されることによって形成された電流狭窄部と、少なくとも前記被酸化層の最上層に到達する溝深さの凹部と、前記凹部に囲まれたメサ部と、を備え、
前記第１及び第２の半導体多層膜反射鏡の少なくともいずれかは、端面から酸化されることにより形成された酸化領域を有し、前記端面から酸化された長さが小なる第１の部分と、前記端面から酸化された長さが大なる第２の部分と、を有することを特徴とする。

ここで、前記第１の部分において、酸化領域に隣接する未酸化の領域は、前記酸化領域よりも高い濃度のプロトンを含有してなるものとすることができる。

また、本発明によれば、基板の主面上に、活性層と、Ａｌを含む複数の被酸化層と、を設ける工程と、前記主面上からみて発光領域とすべき部分の周囲に、前記複数の被酸化層のうちの第１の層数の被酸化層の端面が露出するように第１の凹部と、前記複数の被酸化層のうちの前記第１の層数よりも小なる第２の層数の被酸化層の端面が露出するように第２の凹部と、を形成する工程と、前記第１及び第２の凹部において露出している前記被酸化層の端面から酸化を進行させる工程と、を備えたことを特徴とする面発光型半導体素子の製造方法が提供される。

または、本発明によれば、基板の主面上に、活性層と、半導体多層膜反射鏡と、を積層する工程と、前記主面上からみて発光領域とすべき部分を取り囲むように、前記半導体多層膜反射鏡にプロトンが打ちまれた第１の部分と、前記半導体多層膜反射鏡にプロトンが打ち込まれていない第２の部分と、を形成する工程と、前記第１及び第２の部分の端面から、前記半導体多層膜反射鏡を構成する半導体層の少なくともいずれかの酸化を進行させる工程と、を備えたことを特徴とする面発光型半導体素子の製造方法が提供される。

なお、本願明細書において「被酸化層」とは、酸化される層を意味するが、酸化される前の状態も、酸化された後の状態も含むものとする。

本発明によれば、選択酸化方式の面発光型半導体素子において、面方位（１００）等の通常基板上に作製した場合も、偏波モードの制御性や量産性が高い高性能の面発光型半導体素子及びその製造方法を提供することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施の形態）
図１乃至図４は、本発明の第１の実施の形態にかかる面発光型半導体素子の構造を表す模式図であり、図１はその上面図、図２乃至図４は、それぞれ、図１のＡ−Ａ線、Ｂ―Ｂ線、Ｃ−Ｃ線における断面図である。すなわち、図２は、選択被酸化層上層３２のみが選択酸化されている断面図、図３は、選択被酸化層上層３２および下層３０が選択酸化されている断面図、図４は、メサ部１００および配線パス１８下の断面図である。

この面発光型半導体レーザは、面方位（１００）面の通常方位の基板１の上に、半導体活性層４と、半導体活性層４の上側に形成された第１の半導体多層膜反射鏡６と、半導体活性層４の下側に形成された第２の半導体多層膜反射鏡２とを有する。半導体多層膜反射鏡２及び６は、基板１の主面に対して垂直方向の共振器を形成している。また、半導体活性層４とこれら反射鏡２、６との間には、半導体クラッド層３、５がそれぞれ設けられている。

半導体多層膜反射鏡６、２とクラッド層５、３との間には、それぞれ、アルミニウム（Ａｌ）を高濃度に含む上層被酸化層３２、下層被酸化層３０が設けられている。これら被酸化層３２、３０は、それぞれメサ部１００の側壁から発光領域１３に向かって横方向に酸化されることによって形成された酸化領域ＯＸを有する。これら酸化領域ＯＸによって、電流狭窄部が形成されている。電極９及び電極１０を介して注入された電流１９は、この電流狭窄部によって発光領域１３に絞り込まれる。そして、後に詳述するように、本発明においては、Ａ−Ａ方向とＢ−Ｂ方向とで酸化領域ＯＸの層数を変えることにより活性層４に非等方的な応力を印加し、高い偏波制御性を実現している。

第１の半導体多層膜反射鏡６の上には、コンタクト層７が形成され、これを介して、発光領域１３に電流を注入するためのコンタクト電極９が形成されている。コンタクト電極９は、発光領域１３の上が開口するように形成されている。

基板１の裏面には、電極１０が形成され、第２の半導体多層膜反射鏡２を介して、発光領域１３に電流が注入される。

図１におけるＡ−Ａ線の方向には、図２にも表したように、メサ部１００の外側にエッチング領域（凹部）１２ａが形成されている。エッチング領域１２ａの深さは、第１の半導体多層膜反射鏡６と上層被酸化層３２の側面が露出し、下層被酸化層３０や第２の半導体多層膜反射鏡２までは至らないように調節されている。一方、図１におけるＢ−Ｂ線の方向には、図３にも表したように、メサ部１００の外側にエッチング領域（凹部）１２ｂが形成されている。エッチング領域１２ｂの深さは、上層被酸化層３２と第１の半導体多層膜反射鏡６のみならず、下層被酸化層３０と第２の半導体多層膜反射鏡２の側面まで露出するように調節されている。

また、これらエッチング領域１２ａ、１２ｂの外側に設けられた周辺部５０も、メサ部１００と同様の積層構造を有する。そして、メサ部１００の表面と周辺部５０の表面とは、ほぼ同じ高さに形成されている。

周辺部５０の上には、周辺電極９ｂが形成されている。そしてコンタクト電極９と周辺電極９ｂとは、配線パス１８によって接続されている。また、コンタクト層７の上には、例えばシリコン窒化膜などからなる保護膜８が適宜設けられている。

このような面発光型半導体レーザは、矢印１９に示すようにコンタクト電極９から第１の半導体多層膜反射鏡６を介して活性層４に電流を注入することで、発光させることができる。

この面発光型半導体レーザは、コンタクト電極９と周辺電極９ｂとこれらを結ぶ配線パス１８とがほぼ同一レベル（高さ）に形成されていて、平坦化処理を必要としない構造となっている。このため、配線の「段切れ」を防ぐことができるという利点を有する。

また、コンタクト電極９と周辺電極９ｂとを接続している配線パス１８の下層には、第１の半導体多層膜反射鏡６を構成するＡｌ高濃度層６ｂを酸化させることにより形成された酸化領域ＯＸが設けられているため、横方向の電流は流れることができない。したがってこの面発光型半導体レーザでは、矢印１９で表す電流パスによってのみ電流を流すことができ、極めて効率よく電流狭窄することができる。その結果として、低しきい値化、高速応答性、量産性の向上が可能となる。

そして、前述したように、本実施形態においては、酸化領域ＯＸの層数が、Ａ−Ａ方向とＢ−Ｂ方向とで異なる。すなわち、図１乃至図４に表した具体例の場合、Ａ−Ａ方向においては、第１の半導体多層膜反射鏡６と上層被酸化層３２のみに酸化領域ＯＸが形成され、一方、Ｂ−Ｂ方向においては、第１及び第２の半導体多層膜反射鏡６、２と上層被酸化層３２と下層被酸化層３０のそれぞれに酸化領域ＯＸが形成されている。つまり、酸化領域ＯＸの層数が、Ａ−Ａ方向とＢ−Ｂ方向とで異なる。

選択酸化方式の面発光レーザを作製する際に、ＡｌＡｓ（アルミニウムヒ素）、またはＡｌを高濃度に含む被酸化層であるＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウムヒ素）層（III族元素に占めるＡｌの組成比は、９５％以上であることが望ましい）を水蒸気酸化すると、メサ部１００の側壁から被酸化層３２、３０あるいは被酸化層３２のみが酸化され、電流狭窄部が形成される。これに伴って、被酸化層３２、３０の酸化に伴う体積収縮により発生する圧縮応力は、メサ１００の中心部の半導体活性層４に対して、Ｂ−Ｂ方向には大きく作用し、Ａ−Ａ方向には小さく作用する。つまり、活性層４に対して、非等方的に歪みが印加される。酸化層Ａｌ_ｘ（Ｇａ）Ｏ_ｙが形成されると、もとのＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層に比べて体積収縮（１０％〜１３％程度）が生じるため、酸化後、活性層４やメサ構造の中心部に対して、ギガパスカル（ＧＰａ）オーダの大きな圧縮応力が印加される。被酸化層３２、３０の材料としてＡｌＡｓを用いた場合、酸化に伴う体積収縮は、１２〜１３％であるので、被酸化層１層当たり１〜１０ＧＰａの圧縮応力Ｆ１が発生し、Ａ−Ａ方向（上層のみでＦ１）と、Ｂ−Ｂ方向（上下層で２×Ｆ１）において、活性層４に印加される圧縮応力は方向により異なる。

また、電流狭搾を効果的に実現するためには、電流ブロック層となる酸化領域ＯＸには、ある程度の厚さが必要であるが、被酸化層が厚く、または層数が多いほど、印加される歪は大きくなる。加えて、その歪は酸化領域ＯＸの先端に集中し、且つ、被酸化層３２、３０は、活性層４から０．２μｍ程度の至近距離に設けられるため、活性層４の最も電流の集中する領域に影響を与えることができる。つまり、本実施形態によれば、応力印加の非等方性が大きくなり、偏波制御性を高める効果が大きい。

特許文献１や非特許文献１及び２に開示された方法では、メサの周辺部に応力（歪）付加領域２４を有する構造が形成される。これに対して、本実施形態では、応力（歪）付加領域がメサ中心部に設けられ、発光領域の活性層４に対して最近接の構造が実現されている。発光領域の活性層４へ印加される応力は、応力（歪）付加領域からの距離に反比例して減少する。発光領域の活性層４の最近接に応力（歪）付加領域を設けた本実施形態の構造によれば、活性層４の発光領域に対して非常に大きな歪みを与えることができ、偏波制御性を大幅に高くすることが可能となる。

また、基板上に成長した各層に膜応力が存在する場合、メサ形成用のエッチング領域が、Ａ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線の方向に応じて凹部のエッチング体積が異なることより、基板面に対して水平方向に圧縮応力あるいは引張応力が非対称に半導体活性層４に印加され、さらに偏波制御性が高まる。

また、面方位を（１００）から傾斜させた傾斜基板上に形成させた場合、選択酸化すると、異方性酸化によって電流狭窄部の形状が非対称化するという問題がある。これに対して、面方位（１００）の通常基板上に形成した面発光型半導体レーザ素子の場合には、選択酸化させた時に、対称的な電流狭窄部を形成することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、選択酸化方式の面発光型半導体レーザの作製において、偏波制御性が高まり、高性能な面発光型半導体レーザ素子の量産性が向上する。

次に、本実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法について、具体的に説明する。

先ず、洗浄された厚さ４００μｍの３インチ、面方位（１００）面のｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＣＶＤ装置を用いてｎ型の半導体多層膜反射鏡２ｂ、電流狭窄部を形成する被酸化層３０、クラッド層３、半導体活性層４、クラッド層５、電流狭窄部を形成する被酸化層３２、ｐ型の半導体多層膜反射鏡６ｂ、コンタクト層７を順次成長した。

ここで、半導体活性層４とクラッド層３及び５よりなる共振器の上下に、半導体多層膜反射鏡２及び６を配置したものを基本構造と考え、１．３μｍ帯のＧａＩｎＡｓＮ面発光型半導体レーザとして最適の性能が得られるように設計及び製作を行った。

半導体多層膜反射鏡２は、波長１．３μｍの光学波長１／４の厚さでｎ型ＧａＡｓ層（高屈折率層）とｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（０＜ｙ＜１）（低屈折率層）が交互に積層された構造とした。本実施例では、Ａｌ組成、ｙ＝０．９４のＡｌ_０．９４Ｇａ_０．０６Ａｓ層を低屈折率層に用いた。また、半導体多層膜反射鏡２のｎ型ドーパントとして、Ｓｉ（シリコン）を用い、ドーパント濃度は、２×１０^１８／ｃｍ^３とした。
下部クラッド層３は、ｎ型ＧａＩｎＰとした。

半導体活性層４は、発光ピーク波長が１．３μｍとなるように調整したＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）層と、バリヤ層としてＧａＡｓ層を交互に積層した量子井戸構造とした。ここではＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）層を中心とし、その上下にＧａＡｓ層を積層した３層構造とした。量子井戸層であるＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）層のＩｎ組成は３０％〜３５％、窒素組成は０．５％〜１．０％とし、厚さは７ｎｍとした。

このＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）層の格子定数は、ｎ型ＧａＡｓ基板１よりも大きくなるように組成を制御し、圧縮歪量、約２．５％を内在する組成Ｇａ_０．６６Ｉｎ_０．３４Ａｓ_０．９９Ｎ_０．０１とした。このとき、微分利得係数は増大し、無歪の場合に比較して、しきい電流値が一層低減された。

上部クラッド層５は、ｐ型ＧａＩｎＰとした。
半導体多層膜反射鏡６は、波長１．３μｍの光学波長１／４の厚さでｐ型ＧａＡｓ層（高屈折率層）とｐ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（０＜ｙ＜１）（低屈折率層）が交互に積層された構造とした。ｎ型半導体多層膜反射鏡２と同様に、本実施例では、Ａｌ組成、ｙ＝０．９４のＡｌ_０．９４Ｇａ_０．０６Ａｓ層を低屈折率層に用いた。また、半導体多層膜反射鏡６のｐ型ドーパントとして、Ｃ（炭素）を用い、ドーパント濃度は、２×１０^１８／ｃｍ^３（量子井戸層４付近）〜１×１０^１９／ｃｍ^３（コンタクト層７付近）とした。

上層被酸化層３２および下層被酸化層３０は、クラッド層５の上およびクラッド層３の下にそれぞれ形成され、上下の半導体多層膜反射鏡６、２を構成するＡｌＧａＡｓよりＡｌ組成比の大きいＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ≧０．９８）を用いる。本実施例においては、被酸化層として、上下層ともにＡｌＡｓ層を用いた。

コンタクト層７はｐ型ＧａＡｓとし、ｐ型ドーパントとして、Ｃ（炭素）を用い、ドーパント濃度は、２×１０^１９／ｃｍ^３とした。

次に、パターン形成用のエッチングマスクを兼用する保護膜８として、Ｓｉ_３Ｎ_４膜を形成した。原料ガス、ＳｉＨ_４、ＮＨ_３、Ｎ_２の圧力、流量を調整することで膜応力を制御し、１５０ＭＰａの引張応力を有する膜として形成した。膜の引張応力の値は、水蒸気酸化プロセスにおいてエッチングマスク膜８とＧａＡｓ基板１との間で発生する熱応力（thermal stress）σＴを考慮して決定した。水蒸気酸化プロセス温度を４００℃に設定した場合、Ｓｉ_３Ｎ_４膜（ＥＦ＝１６０ＧＰａ， αＦ＝２．７×１０^−７／Ｋ）と基板のＧａＡｓ（αＳ＝６．０×１０^−６／Ｋ）との間では、σＴ＝−１５０ＭＰａの圧縮応力が発生する。この圧縮応力を緩和するために引張応力を有する膜を形成し、熱耐性を高めている。

次に、フォトリソグラフィとエッチング工程によりエッチングを行い、メサ部１００を作製した。メサパターンは、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）プラズマドライエッチング装置により、三塩化ボロン・窒素混合ガスによるエッチング処理を行った。このとき、図１乃至図３に表したようにメサ形成用のエッチング領域１２の開口部の幅をＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線方向で変え、開口部の面積によりエッチング速度が変化する通称「マイクロローディング効果」を利用し、開口面積の異なる凹部のエッチング深さが、それぞれ異なるメサ構造を作製した。

また、ガス圧力、アンテナ出力、バイアス出力、基板温度を調整することで、メサ部１００の作製を行い、メサ部１００の側壁において、Ａ−Ａ線方向のエッチング領域１２ａでは、被酸化層は、上層３２のみが露出し、Ｂ−Ｂ線方向のエッチング領域１２ｂでは、被酸化層の上層および下層３２、３０が露出するようにエッチングした。

本実施例においては、メサ形成用のエッチング領域は、Ａ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線の方向において、開口面積は、１：３、エッチング深さは１：２となっており、エッチング体積として、１：６となった。本実施例のように、基板に対して歪みの大きなＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ量子井戸層等の結晶成長を行うと、各層は大きな膜応力を持つ。従って、メサ形成において、エッチング領域１２ａと１２ｂのエッチング体積が異なることより、基板面に対して水平方向に圧縮応力あるいは引張応力が非対称に半導体活性層４に印加されることになり、偏波制御性をさらに高めることに寄与する。
ここでは、発光領域１３の開口径を５μｍφの形状とする面発光型半導体レーザの作製を行うため、メサ径４５μｍφの垂直形状エッチングを行った。

次に、選択酸化工程を実施した。すなわち、水蒸気雰囲気中で４００℃の熱処理を行い、上層被酸化層３２および下層被酸化層３０をそれぞれ横方向に２０μｍの長さに亘って選択酸化して酸化領域ＯＸを形成し、約５μｍφの発光領域１３を形成した。

このとき、メサ部１００の側壁から発光領域１３に向かって横方向に被酸化層３２、３０が選択酸化され、被酸化層ＡｌＡｓ層３２、３０は、Ａｌ_２Ｏ_３層になるに伴って体積収縮し、被酸化層１層当たり１〜１０ＧＰａの圧縮応力Ｆ１が発生し、メサ中心部の活性層４に印加される。このとき、Ａ−Ａ線方向の応力は、上層３２のみであるのでＦ１であり、Ｂ−Ｂ線方向の応力は上層３２と下層３０であるので（２×Ｆ１）となる。つまり、活性層４に印加される圧縮応力は、方向により大きく異なるため、半導体活性層４に直線偏波間の利得差が発生し、偏波制御性が高くなる。

また、この水蒸気酸化工程において、被酸化層３２、３０と同様に、凹部の側壁から横方向に、第１の半導体多層膜反射鏡６を構成するＡｌ高濃度層が酸化される。これより、コンタクト電極９と周辺電極９ｂとを接続する配線パス１８の下には、第１の半導体多層膜反射鏡６を構成するＡｌ高濃度層の酸化層が形成される。配線パス１８の幅を、第１の半導体多層膜反射鏡６を構成するＡｌ高濃度層の側壁からの酸化長の２倍以下に設定することにより、凹部の側壁に露出し、配線パス１８下層に位置する第１の半導体多層膜反射鏡６を構成するＡｌ高濃度層が、全て酸化され、メサ領域外へのリーク電流２２を阻止できる。

次に、ボンディングパッド１７、配線パス１８が形成されるべき部分と光取り出し口となるｐ型半導体多層膜反射鏡６上のエッチングマスク膜８を除去し、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層７上にｐ側電極９を形成する。このときボンディングパッド１７とｐ側電極９とをつなぐ配線部９ａを同時に形成し、その後、基板裏面にはｎ側電極１０を形成した。

このようにして作製された面発光型半導体レーザは、活性層４の圧縮歪導入の効果により波長１．３μｍにおいて低しきい電流密度（１ｋＡ／ｃｍ^２）で室温連続発振し、高温でのレーザ諸特性も良好であった。また、偏波制御が可能になり、偏波の変動やスイッチングが発生しなくなった。これに伴って、ノイズも低下し、光ディスクヘッド、通信用素子として利用することが可能になった。

また、傾斜基板を用いた場合に起こる異方性酸化により生じる非酸化領域の歪化や出射ビームパターン形状の非対称化の問題が改善され、所望のビームパターン形状が得られた。この結果、横モードの安定化も図れた。
すなわち、比較のため、偏波制御性を高めるのに有効とされる（１００）面方位基板から１０°オフ傾斜させた傾斜基板１を用いて作製した場合、異方性酸化による形状の歪みは顕著であり、本実施例と同じ円形のメサ構造では、図５（ｂ）に表したように開口部（発光領域１３）の形状はオフしている方向に歪んだ形になり、縦と横で１．１μｍの寸法差を生じた。これに対して、面方位（１００）面の基板を用いた場合は、図５（ａ）に表したように、対称な発光領域１３が得られ、縦と横の寸法差は、０．１μｍに低減されることが確認できた。また、ウェーハ全面にわたる再現性も良好であり、同一ウエーハ上に形成した多数の素子の寸法および形状は均一化され、単一モード発振性、しきい値、光出力等のレーザ特性も均一化され、高性能な面発光半導体レーザ素子の量産性が向上した。

本発明の素子では、コンタクト電極と周辺電極とこれらを結ぶ配線がほぼ同一レベルで形成されていて、平坦化処理を必要としない構造となるため、配線の「段切れ」を防ぐという利点を有する。また、コンタクト電極と周辺電極とを接続する配線パス１８の下には、半導体多層膜反射鏡を構成するＡｌ高濃度層の酸化層、あるいは後に説明するようにプロトン注入により形成された高抵抗領域、あるいは空洞が形成されるため、極めて効率よく電流狭窄することができ、低しきい値化、高速応答性、量産性の向上が可能となる。

メサ領域外へのリーク電流を阻止する方法として、本実施形態では、コンタクト電極９と周辺電極９ｂを繋ぐ配線パス１８の下に、第１の半導体多層膜反射鏡６を構成するＡｌ高濃度層の酸化領域ＯＸが形成されることを利用しているが、ｐ側電極９の配線パス１８下層にプロトン注入により高抵抗領域を形成することや、配線パス１８の下に空洞を形成しても同様の効果が得られ、この方法を用いてもリーク電流の阻止に効果があることを確認した。この場合、水蒸気酸化プロセス後、アイソレーション用のレジストパターンを形成し、ＳＨ溶液処理によりｐ側電極の配線パス１８の下のＧａＡｓ（コンタクト）層７および上部半導体多層膜反射鏡６がエッチングにより除去し、空洞を形成した。配線パス１８の下に空洞を形成することにより、メサ領域１００の外へのリーク電流は完全に阻止できた。

また、本実施例では、電流狭窄部形成用の被酸化層３２、３０として、ＡｌＡｓ層を用いたが、Ａｌ組成比の高いＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ≧０．９５）を用いても同様の効果が得られる。Ａｌ組成比を高くすると、水蒸気酸化工程において酸化速度が速く、工程時間を短縮でき、また酸化に伴う応力・歪の発生量も大きいので、素子の量産性や偏波制御性を高める上で好適である。

また、上下の被酸化層３２、３０が、それぞれ１層である場合を説明したが、複数層とすれば、さらに大きない効果を得ることができる。例えば、被酸化層の上層を１層、下層を２層とすると、上述の具体例よりも半導体活性層４に印加される圧縮応力の非対称性は、更に顕著になるため、偏波制御性を更に高めることができる。

図６乃至図８は、本実施形態の第２の具体例としての面発光型半導体素子の構造を表す模式図であり、図６はその上面図、図７は図６のＡ−Ａ線断面図、図８は図６のＢ―Ｂ線断面図である。これらの図面については、図１乃至図５に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

本具体例においては、エッチング領域１２を細分化しない構造の正方形状の面発光型半導体レーザ素子が得られている。この構造も、図１乃至図５に関して前述したものと同様の方法で作製でき、同等のレーザ特性、偏波制御性、形状制御性が得られることを確認した。

すなわち、本構造においても、発光領域１３を形成するための酸化領域ＯＸが、Ａ−Ａ線方向には上層と下層（３２、３０）、Ｂ−Ｂ線方向には、上層（３２）のみとなるように非対称に形成されている。こうすることにより、活性層４に印加される圧縮応力２０は方向により大きく異なり、半導体活性層４に直線偏波間の利得差が発生し、偏波制御性が高くなる。また、エッチング体積が異なることより、基板面に対して水平方向に圧縮応力あるいは引張応力２１が非対称に半導体活性層４に印加されることになり、偏波制御性をさらに高めることに寄与している。また、本具体例の構造では、配線の「段切れ」を抑制するため、メサ形成用のエッチング領域１２の表面にポリイミド１１を形成し、これを介してボンディングパッド１７、配線部９ａ、コンタクト電極９を形成している。

図９乃至図１１は、本実施形態の第３の具体例としての面発光型半導体素子の構造を表す模式図であり、図９はその上面図、図１０は図９のＡ−Ａ線断面図、図１１８は図９のＢ―Ｂ線断面図である。これらの図面については、図１乃至図８に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

すなわち、本具体例においては、上層の被酸化層３２のみに酸化領域ＯＸを形成した。この場合にも、上述したものと同様の方法で作製でき、良好なレーザ特性、偏波制御性、形状制御性が得られることを確認した。ここでは、被酸化層３２として、Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層を用い、水蒸気選択酸化による酸化領域ＯＸの形成は、４２０℃の熱処理で行った。４２０℃においては、半導体多層膜反射鏡のＡｌ高濃度層６ｂ、２ｂに用いたＡｌ_０．９４Ｇａ_０．０６Ａｓ層の酸化速度は、被酸化層３２に用いたＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層の約１／４である。ここでは、発光領域１３の形成のため、被酸化層３２の酸化長を２０μｍに設定しているので、半導体多層膜反射鏡のＡｌ高濃度層６ｂ、２ｂの横方向の酸化長は、５μｍになる。このとき、メサ形成用のエッチング深さが異なることにより、メサ部１００中心の活性層４に印加される圧縮応力に非対称性が生まれる。半導体多層膜反射鏡のＡｌ高濃度層６ｂのＡｌ_０．９４Ｇａ_０．０６Ａｓ層の酸化による体積収縮は、７．５〜８．５％である。エッチング深さの異なる領域１２ａ、１２ｂの側壁において、半導体多層膜反射鏡の酸化されるＡｌ高濃度層の層数の差を１０とすると、全体で数十ＧＰａオーダの応力が発生し、また、活性層４に与える応力、歪の大きさが、方向により大きく異なることになる。

半導体多層膜反射鏡６ｂ、２ｂにおいて１層あたりに生じる応力は、Ａｌを更に高濃度に含む被酸化層３２に比べると小さく、またメサ中心の発光領域の活性層からの距離は遠い。しかし、図９乃至図１１に表した構造のように、酸化されるＡｌ高濃度層の層数の差が大きければ、総応力は大きくなり、同等の偏波制御性、形状制御性が得られることになる。

（第２の実施の形態）
図１２乃至図１５は、本発明の第２の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの構成図であり、図１２は上面図、図１３は図１２のＡ−Ａ線における断面図、図１４は図１２のＢ−Ｂ線における断面図である。また、図１５は、図１４に表したメサ中心部分の断面拡大図である。ここでも面発光型半導体レーザについて説明する。

本実施形態の面発光型半導体レーザも、基板１の上に、半導体活性層４と、第１の半導体多層膜反射鏡６と第２の半導体多層膜反射鏡２とが形成されている。第１の半導体多層膜反射鏡６は、半導体活性層４に対して基板１とは反対側に設けられている。また、第２の半導体多層膜反射鏡２は、半導体活性層４に対して基板１側に設けられている。これら半導体多層膜反射鏡６、２は、半導体活性層４を狭持し、基板１に対して垂直方向の共振器を形成する。また、半導体活性層４の上下には、半導体クラッド層３及び半導体クラッド層５が形成されている。

第１の半導体多層膜反射鏡６の上には、コンタクト層７が形成され、これらを介して、発光領域１３に電流を注入するためのコンタクト電極９が形成されている。コンタクト電極９は、発光領域１３の上が開口するように形成されている。

基板１の裏面には、電極１０が形成され、第２の半導体多層膜反射鏡２を介して、発光領域１３に電流を注入するようにされている。

第１および第２の半導体多層膜反射鏡６、２、半導体活性層４、半導体クラッド層３及び半導体クラッド層５は、凸部形状のメサ部１００を構成している。また、メサ部１００の周辺には、メサ形成用のエッチング領域１２が設けられている。

第１の半導体多層膜反射鏡６の下、第２の半導体多層膜反射鏡２の上には、Ａｌを高濃度に含む上層被酸化層３２および下層被酸化層３０が、メサ部１００の側壁から発光領域１３に向かって横方向に酸化されることによって電流狭窄部が形成されている。電流狭窄部は、発光領域１３へ電流を絞り込むためのものである。また、最表面層の被酸化層３２には、酸化速度を制御するためのプロトン注入領域１５が形成されている。

また、メサ形成用のエッチング領域１２の表面にはポリイミド１１が形成され、これを介してボンディングパッド１７が形成されている。ボンディングパッド１７は、配線部９ａによってコンタクト電極９と接続されている。

後に詳しく説明するように、本実施形態の面発光型半導体レーザは、プロトン注入領域１５を有するので、メサ部１００の側壁から発光領域１３に向かって被酸化層３２を横方向に酸化する際に、被酸化層３２のうちでプロトンが注入された部分１５において、酸化速度をプロトン濃度に比例して大きく減速することができる。このようなプロトン注入効果を利用して、電流狭窄部を形成するための酸化領域ＯＸが、上層と下層（３２、３０）あるいは下層（３０）のみで非等方的に形成でき、被酸化層の酸化に伴う体積収縮により発生する圧縮応力が、メサ１００中心である半導体活性層４の中心部に対して非対称に印加される。これにより、第１実施形態と同様の偏波制御性の高い面発光型半導体レーザ素子の作製が可能となる。

次に、この面発光型半導体レーザの作製方法について具体的に説明する。

先ず、洗浄された厚さ４００μｍの３インチ、面方位（１００）のｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＣＶＤ装置を用いてｎ型の半導体多層膜反射鏡２、電流狭窄部を形成する被酸化層３０、半導体クラッド層３、半導体活性層４、半導体クラッド層５、電流狭窄部を形成する被酸化層３２、ｐ型の半導体多層膜反射鏡６、コンタクト層７を順次成長する。

ここで半導体活性層４と半導体クラッド層３及び半導体クラッド層５よりなる共振器の上下に半導体多層膜反射鏡２及び６を配置したものを基本構造とし、１．３μｍ帯のＧａＩｎＡｓＮ面発光型半導体レーザとして設計及び製作した。

半導体多層膜反射鏡２、は波長１．３μｍの光学波長１／４の厚さでｎ型ＧａＡｓ層（高屈折率層）とｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（０＜ｙ＜１）（低屈折率層）が交互に積層された積層構造とした。本実施例では、Ａｌ組成、ｙ＝０．９４のＡｌ_０．９４Ｇａ_０．０６Ａｓ層を低屈折率層に用いた。また、半導体多層膜反射鏡２のｎ型ドーパントとして、Ｓｉを用い、ドーパント濃度は、２×１０^１８／ｃｍ^３とした。

半導体クラッド層３は、ｎ型ＧａＩｎＰとした。
半導体活性層４は、発光ピーク波長が１．３μｍとなるように調整されたＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）層及びバリヤ層としてＧａＡｓ層が積層された量子井戸構造とした。ここでは中心にＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）層を形成し、この上下にバリヤ層としてＧａＡｓ層が形成された３層構造とした。Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）量子井戸層４のＩｎ組成は３０〜３５％、窒素組成は０．５〜１．０％とし、厚さは７ｎｍとした。Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）量子井戸層４の格子定数は、ｎ型ＧａＡｓ基板１よりも大きくなるように組成を制御して、約２．５％の圧縮歪量を内在する組成Ｇａ_０．６６Ｉｎ_０．３４Ａｓ_０．９９Ｎ_０．０１とした。このため、微分利得係数は増大し、無歪の場合に比較して、しきい電流値が一層低減された。

半導体クラッド層５は、ｐ型ＧａＩｎＰとした。
半導体多層膜反射鏡６は、波長１．３μｍの光学波長１／４の厚さでｐ型ＧａＡｓ層（高屈折率層）とｐ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（０＜ｙ＜１）（低屈折率層）とが交互に積層された積層構造とした。ｎ型半導体多層膜反射鏡２と同様に、本実施例では、Ａｌ組成ｙ＝０．９４としたＡｌ_０．９４Ｇａ_０．０６Ａｓ層を低屈折率層に用いた。また、半導体多層膜反射鏡６のｐ型ドーパントとしては、Ｃ（炭素）を用い、ドーパント濃度は、２×１０^１８／ｃｍ^３（量子井戸層４付近）〜１×１０^１９／ｃｍ^３（コンタクト層７付近）とした。

上層被酸化層３２および下層被酸化層３０は、クラッド層５の上およびクラッド層３の下にそれぞれ形成され、上下の半導体多層膜反射鏡６、２を構成するＡｌＧａＡｓよりＡｌ組成比の大きいＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ≧０．９８）を用いた。本実施例においては、これら被酸化層３２、３０の材料として、ＡｌＡｓを用いた。

コンタクト層７は、ｐ型ＧａＡｓとし、ｐ型ドーパントとして、Ｃ（炭素）を用い、ドーパント濃度は、２×１０^１９／ｃｍ^３とした。

次に、パターン形成用のエッチングマスク膜８として、Ｓｉ_３Ｎ_４膜を形成し、プロトン注入領域１５のパターンを形成した。ここでは、Ｓｉ_３Ｎ_４膜８およびレジストをインプラマスクに使用し、選択酸化を制御するためのプロトン注入領域１５のパターンを形成した。プロトン注入領域１５の形成のために、被酸化層３２を構成するＡｌＡｓ層（表面から深さ２．６μｍ）のイオン注入領域のプロトン濃度が１×１０^１７／ｃｍ^３になるように、加速電圧：２８０ｋｅＶ、ドーズ量：４×１０^１３／ｃｍ^２の条件でイオン注入を行った。また、この条件は、表面から深さ２．３μｍ（被酸化層３２よりも表面側）において最大濃度である １×１０^１８／ｃｍ^３が得られる条件であり、活性層４の下の被酸化層３０を構成するＡｌＡｓ層（表面から深さ３．０μｍ）には、プロトンはほとんど注入されない。

このプロトンの注入条件においては、プロトン注入領域１５に導入されるプロトンの濃度は、半導体層が高抵抗されない濃度であるが、酸化を効果的に阻止できる濃度である。

図１６は、ＡｌＧａＡｓ層の酸化速度のプロトン濃度に対する依存性を表すグラフ図である。同図から分かるように、プロトン濃度１×１０^１７／ｃｍ^３で、酸化速度は約１／３に低下する。したがって、上層の被酸化層３２の酸化速度は大きく減速し、酸化長を約１／３にでき、かつ素子抵抗も高くはならない。

次に、同様のフォトリソグラフィ工程により形成されたエッチングマスク膜８上のメサパターンにより、ｎ型半導体多層膜反射鏡２までエッチングを行い、メサ部を作製する。メサパターンは、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）プラズマドライエッチング装置により、三塩化ボロン・窒素混合ガスによるエッチング処理を行った。このとき、アンテナ出力、バイアス出力、基板温度を調整することで、異方性エッチングが生じる条件とした。ここでは、開口部１４をφ５μｍの円形とする面発光型半導体レーザの作製を行うため、メサをφ４５μｍの円柱形状のエッチングを行った。

次に、水蒸気雰囲気中で４００℃の熱処理を行い、被酸化層３２を横方向に選択酸化し電流狭窄部を形成した。このとき、側面からの酸化長を２０μｍとし、５μｍ径の非酸化（発光）領域１４を作製した。傾斜基板において、オフ角度方向に生じる形状の歪み（縦と横で０．７５μｍの寸法差）が、０．１μｍに低減されることが示された。

次に、ポリイミド１１を用いてメサエッチング部１２を埋め込み、次に、ボンディングパッド１７を形成した。次に、配線が形成されるべき部分と光取り出し口となるｐ型半導体多層膜反射鏡６の上の絶縁膜８を除去し、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層７の上にｐ側電極９を形成した。このとき、ボンディングパッド１７とｐ側電極９とをつなぐ配線部９ａを同時に形成し、その後、基板裏面にはｎ側電極１０を形成した。

このようにして作製された面型半導体レーザは、波長１．３μｍで活性層４の圧縮歪導入の効果に加え、配線の下のプロトン注入による高抵抗化により、リーク電流が阻止され、低しきい電流密度、単一モードの室温連続発振が得られ、高温での特性も良好であった。また、偏波制御が可能になり、偏波の変動やスイッチングが発生しなくなった。これに伴って、ノイズも低下し、光ディスクヘッド、通信用素子として利用することが可能になった。

また、前述した実施形態と同様に、異方性酸化により生じる非酸化領域１４、出射ビームパターンの寸法および形状が改善され、所望のビームパターン寸法および形状が得られた。

また、被酸化層３２に注入するプロトン濃度について、ここでは１×１０^１７／ｃｍ^３の濃度を用いたが、この濃度よりも高濃度あるいは低濃度のプロトンを用いても、同様の効果が得られることは明らかである。高濃度のプロトンを注入する場合、Ａｌ高濃度に含有する被酸化層３２の酸化速度は大きく低下し、所望の位置で酸化の進行を抑制でき、酸化長や酸化形状の制御性は高くなるため好適である。その一方で、半導体多層膜反射鏡２、６のドーパント濃度よりも、プロトンを高濃度に注入する場合、注入領域は高抵抗化し、電流が流れにくくなる。そこで、選択酸化による電流集中部に電流が流れやすく、絞り込まれるように、プロトン注入領域および上部電極の位置を工夫する必要がある。

また、本実施例では、電流狭窄部形成用の被酸化層３２、３０として、ＡｌＡｓ層を用いたが、Ａｌ組成比の高いＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ≧０．９５）を用いても同様の効果が得られることは明らかである。Ａｌ組成比が高い場合、水蒸気酸化工程において、酸化速度が速く、工程時間を短縮でき、また酸化に伴う応力、歪の発生量も大きいので、素子の量産性、偏波制御性を高める上で好適である。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。

図１７乃至図２０は、本発明の第３の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの模式図であり、図１７はその平面図、図１８は図１７のＡ−Ａ線断面図、図１９は図１７のＢ−Ｂ線断面図、図２０は図１７のＣ−Ｃ線断面図である。これらの図面については、図１乃至図１６に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第１の半導体多層膜反射鏡６の下において、Ａｌを高濃度に含む被酸化層３２が、メサ部１００の側壁から発光領域１３に向かって横方向に酸化されることによって電流狭窄部を形成している。電流狭窄部は、発光領域１３へ電流を絞り込むためのものである。

また、第１の半導体多層膜反射鏡６には、酸化速度を制御するためのプロトン注入領域１５が形成されている。これにより、プロトン注入領域１５において第１の半導体多層膜反射鏡６を構成するＡｌ高濃度層６ｂは、水蒸気酸化に際して、その酸化速度はプロトン濃度に比例して大きく減速する。プロトン注入領域１５では、凹部側面からの酸化長は短く、酸化長の長い（プロトン注入されていない）半導体多層膜反射鏡のＡｌ高濃度層６ｂと比べ、応力は小さく、メサ中心の半導体活性層に与える歪の印加は非等方的（非対称）になる。このことを利用した本発明の素子は、第１及び第２実施形態と同様に偏波制御性が高くなることを特長とし、その作製も容易なことから、高性能な面発光型半導体レーザ素子の量産性も向上する。

次に、この面発光型半導体レーザの作製方法について具体的に説明する。

先ず、洗浄された厚さ４００μｍの３インチ、面方位（１００）のｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＣＶＤ装置を用いてｎ型の半導体多層膜反射鏡２、半導体クラッド層３、半導体活性層４、半導体クラッド層５、電流狭窄部を形成する被酸化層３２、ｐ型の半導体多層膜反射鏡６、コンタクト層７を順次成長する。

ここで半導体活性層４と半導体クラッド層３及び半導体クラッド層５よりなる共振器の上下に半導体多層膜反射鏡２及び６を配置したものを基本構造とし、１．３μｍ帯のＧａＩｎＡｓＮ面発光型半導体レーザとして最適な特性が得られるように設計及び製作した。

半導体多層膜反射鏡２、は波長１．３μｍの光学波長１／４の厚さでｎ型ＧａＡｓ層（高屈折率層）とｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（０＜ｙ＜１）（低屈折率層）が交互に積層された積層構造とした。本実施例では、Ａｌ組成ｙ＝０．９４のＡｌ_０．９４Ｇａ_０．０６Ａｓ層を低屈折率層に用いた。また、半導体多層膜反射鏡２のｎ型ドーパントとして、Ｓｉを用い、ドーパント濃度は、２×１０^１８／ｃｍ^３とした。

半導体クラッド層３は、ｎ型ＧａＩｎＰとした。
半導体活性層４は、発光ピーク波長が１．３μｍとなるように調整されたＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）層及びバリヤ層としてＧａＡｓ層が積層された量子井戸構造とした。ここでは中心にＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）層を形成し、この上下にバリヤ層としてＧａＡｓ層が形成された３層構造とした。Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）量子井戸層４のＩｎ組成は３０〜３５％、窒素組成は０．５〜１．０％とし、厚さは７ｎｍした。Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）量子井戸層４の格子定数は、ｎ型ＧａＡｓ基板１よりも大きくなるように組成を制御して、圧縮歪量、約２．５％を内在する組成Ｇａ_０．６６Ｉｎ_０．３４Ａｓ_０．９９Ｎ_０．０１とした。このため、微分利得係数は増大し、無歪の場合に比較して、しきい電流値が一層低減された。
半導体クラッド層５は、ｐ型ＧａＩｎＰとした。半導体多層膜反射鏡６は、波長１．３μｍの光学波長１／４の厚さでｐ型ＧａＡｓ層（高屈折率層）とｐ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（０＜ｙ＜１）（低屈折率層）が交互に積層された積層構造とした。ｎ型半導体多層膜反射鏡２と同様に、本実施例では、Ａｌ組成ｙ＝０．９４のＡｌ_０．９４Ｇａ_０．０６Ａｓ層を低屈折率層に用いた。また、半導体多層膜反射鏡６のｐ型ドーパントとして、Ｃ（炭素）を用い、ドーパント濃度は、２×１０^１８／ｃｍ^３（量子井戸層４付近）〜１×１０^１９／ｃｍ^３（コンタクト層７付近）とした。

上層被酸化層３２および下層被酸化層３０は、クラッド層５上およびクラッド層３下にそれぞれ形成され、上下の半導体多層膜反射鏡６、２を構成するＡｌＧａＡｓよりＡｌ組成比の大きいＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ≧０．９８）を用いる。本実施例においては、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９８）層を用いた。

コンタクト層７は、ｐ型ＧａＡｓとし、ｐ型ドーパントとして、Ｃ（炭素）を用い、ドーパント濃度は、２×１０^１９／ｃｍ^３とした。

次に、パターン形成用のエッチングマスク膜８として、Ｓｉ_３Ｎ_４膜を形成した。ここでは、Ｓｉ_３Ｎ_４膜８およびレジストをインプラマスクに使用し、アイソレーション用パターン１５ａおよび選択酸化制御用パターン１５ｃを形成した。次に、イオン注入装置により、アイソレーション用パターン部１５ａには、加速電圧１００、２００、３００ｋｅＶ、ドーズ量それぞれ１×１０^１５／ｃｍ^２を照射して、プロトンを注入し、高抵抗領域１５ａを形成した。このプロトン注入によって、深さ０．５〜２．５μｍの領域に均一にプロトンが分布し、深さ約４μｍ付近まで高抵抗されている（本実施例では表面から活性層までの深さは、２．８μｍ）。

また、半導体多層膜のＡｌ高濃度層用プロトン注入領域１５ｃには、加速電圧：２００ｋｅＶ、ドーズ量：３×１０^１３／ｃｍ^２の条件でイオン注入を行った。これは、表面から深さ１．５μｍで、最大濃度、１×１０^１８／ｃｍ^３となる条件であり、表面から深さ１〜２μｍの部分が、プロトン濃度１×１０^１６／ｃｍ^３以上となる領域となる。また、被酸化層３２のＡｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層（表面から深さ２．６μｍ）には、プロトンは注入されない。また、この条件では、注入領域は高抵抗されない濃度である。図１６に表したＡｌＧａＡｓ層の酸化速度のプロトン濃度依存性からわかるように、プロトン濃度１×１０^１７／ｃｍ^３で、酸化速度は約１／３に低下する。従って、プロトン注入された半導体多層膜反射鏡のＡｌ高濃度層６ｂは、水蒸気酸化工程における酸化速度が大きく減速し、酸化長を約１／３にでき、かつ素子抵抗も高くはならない。

次に、同様のフォトリソグラフィ工程により形成されたエッチングマスク膜８上のメサパターンにより、ｎ型半導体多層膜反射鏡２の上部までエッチングを行い、メサ部を作製する。メサパターンは、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）プラズマドライエッチング装置により、三塩化ボロン・窒素混合ガスによるエッチング処理を行った。このとき、アンテナ出力、バイアス出力、基板温度を調整することで、異方性エッチングが生じる条件とした。ここでは、開口部をφ５μｍの円形とする面発光型半導体レーザの作製を行うため、メサをφ４５μｍの円柱形状のエッチングを行った。

次に、水蒸気雰囲気中で４２０℃の熱処理を行い、被酸化層３２を横方向に選択酸化し電流狭窄部を形成した。基板温度４２０℃では、（プロトン注入なし）半導体多層膜反射鏡のＡｌ高濃度層６ｂのＡｌ_０．９４Ｇａ_０．０６Ａｓ層の酸化速度は、被酸化層Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層の約１／４であり、ここでは、電流狭窄部形成のため、被酸化層３２の酸化長を２０μｍに設定しているので、プロトン注入していない部分の半導体多層膜反射鏡のＡｌ高濃度層６ｂの横方向の酸化長は、５μｍになる。これが、プロトン注入領域では、約１／３の１．７μｍと短くなり、メサ部１００中心の活性層に印加される圧縮応力に非対称性が生まれる。

半導体多層膜反射鏡のＡｌ高濃度層６ｂのＡｌ_０．９４Ｇａ_０．０６Ａｓ層の酸化による体積収縮は、７．５〜８．５％であり、プロトン注入される半導体多層膜反射鏡の層数を１０とすると、全体で数１０ＧＰａオーダの応力が発生し、また、活性層に与える応力、歪の大きさが、活性層中心と被酸化層の距離に反比例して減少するため、活性層に印加される圧縮応力は、方向により大きく異なることになる。側面からの酸化長を２０μｍとし、５μｍ径の非酸化（発光）領域１４を作製したとき、傾斜基板（１０°オフ）におけるオフ角度方向に生じる形状の歪み（縦と横で０．７５μｍの寸法差）は、通常基板（１００）においては、０．１μｍに低減されることが示された。

次に、ボンディングパッド１７およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層７の上にｐ側電極９を形成した。このときボンディングパッド１７とｐ側電極９とをつなぐ配線部９ａを同時に形成した。次に、基板裏面にｎ側電極１０を形成して、素子の要部が完成した。

このようにして作製された面型半導体レーザは、波長１．３μｍで活性層４の圧縮歪導入の効果に加え、配線下のプロトン注入による高抵抗化により、リーク電流が阻止され、低しきい電流密度、単一モードの室温連続発振が得られ、高温での特性も良好であった。また、偏波制御が可能になり、偏波の変動やスイッチングが発生しなくなった。これに伴って、ノイズも低下し、光ディスクヘッド、通信用素子として利用することが可能になった。

また、本発明の素子では、コンタクト電極と周辺電極とこれらを結ぶ配線がほぼ同一レベルで形成されていて、平坦化処理を必要としない構造となるため、配線の段切れを防ぐという利点を有する。

被酸化層３２として、１層の場合を説明したが、複数層である場合も同様な効果を得ることができる。また被酸化層として、クラッド層３下に形成し、半導体多層膜反射鏡２を構成するＡｌＧａＡｓよりＡｌ組成比の大きいＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ≧０．９８）を用いてもよい。この場合、表面より深いところに被酸化層が位置するため、プロトン注入の影響を受けにくいという利点を持つ。

また、注入するプロトン濃度についても、ここでは１×１０^１７／ｃｍ^３の濃度を用いたが、この濃度よりも高濃度あるいは低濃度のプロトンを用いても、同様の効果が得られることは明らかである。高濃度のプロトンを注入する場合、Ａｌを高濃度に含有する半導体多層膜反射鏡のＡｌ高濃度層６ｂの酸化速度は大きく低下し、所望の位置で酸化の進行を抑制でき、酸化長や酸化形状の制御性は高くなるため好適である。その一方で、半導体多層膜反射鏡２、６のドーパント濃度よりも、プロトンを高濃度に注入する場合、注入領域は、高抵抗化し、電流が流れにくくなるため、選択酸化による電流集中部に電流が流れやすく、絞り込まれるように、注入領域および上部電極の位置を工夫する必要がある。

また、本実施例では、電流狭窄部形成用の被酸化層３２として、Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ層を用いたが、Ａｌ組成比の高いＡｌＡｓ層や、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ≧０．９５）を用いても同様に本発明と同様の効果が得られることは明らかである。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、上記具体例においては、活性層４として、Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）を用いて説明したが、それに限らず、ＩｎＧａＡｌＰ系、ＡｌＧａＡｓ系やＩｎＧａＡｓＰ系など、様々な材料を用いることもできる。

クラッド層４及び５、半導体多層膜反射鏡２及び６も、様々な材料を用いることもできる。例えば、半導体多層膜反射鏡２及び６としては、ＡｌＧａＡｓ層とＧａＡｓ層の積層構造に限らず、Ａｌを含まない屈折率の大きい材料と小さい材料の積層構造も可能である。また、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＧａＰＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ、ＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮ等の組合せを用いることができる。

また、上下被酸化層３２、３０、それぞれ１層であってもよく、少なくともいずれかが複数層であってもよい。例えば、被酸化層の上層を２層、下層を１層とすると、半導体活性層４に印加される圧縮応力の非対称性は、更に顕著になるため、偏波制御性を更に高めることができる。

また、成長方法について、ＭＢＥ（molecular beam epitaxy）法等を用いることもできる。また、上述の例では、積層構造として３重量子井戸構造の例を示したが、他の量子井戸を用いた構造等を用いることもできる。

また、所望の開口部の形状として、本実施例では、主に円形、正方形を用いて説明を行ったが、長方形、楕円などの形状においても、同様に本発明の効果があることは明らかである。

その他、本発明の実施の形態として上述した面発光型半導体素子及びその製造方法
を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての面発光型半導体素子及びその製造方法も同様に本発明の範囲に属する。

本発明の第１の実施の形態にかかる面発光型半導体素子の構造を表す上面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図であり、選択被酸化層上層３２のみが選択酸化されていることを表す。 図１のＢ―Ｂ線断面図であり、選択被酸化層上層３２および下層３０が選択酸化されていることを表す。 図１のＣ−Ｃ線断面図であり、メサ部１００および配線パス部１８の下の構造を表す。 （ａ）は（１００）面基板における非酸化領域の形状を表し、（ｂ）は１０°オフ基板における非酸化領域の形状を表す模式図である。 第１実施形態の第２の具体例としての面発光型半導体素子の構造を表す上面図である。 図６のＡ−Ａ線断面図である。 図６のＢ―Ｂ線断面図である。 第１実施形態の第３の具体例としての面発光型半導体素子の構造を表す上面図である。 図９のＡ−Ａ線断面図である。 図９のＢ―Ｂ線断面図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの上面図である。 図１２のＡ−Ａ線における断面図である。 図１２のＢ−Ｂ線における断面図である。 図１４に表したメサ中心部分の断面拡大図である。 ＡｌＧａＡｓ層の酸化速度のプロトン濃度に対する依存性を表すグラフ図である。 本発明の第３の実施の形態にかかる面発光型半導体レーザの平面図である。 図１７のＡ−Ａ線断面図である。 図１７のＢ−Ｂ線断面図である。 図１７のＣ−Ｃ線断面図である。 メサの周辺部に応力付加領域２４を設置した具体例を表す模式図である。 円柱メサ形状にＴ字型の突起形状２４を付加した具体例を表す模式図である。 ダンベル型メサ構造２５を表す模式図である。

符号の説明

１・・・ｎ型ＧａＡｓ基板
２・・・半導体多層反射膜
３・・・クラッド層
４・・・活性層
５・・・クラッド層
６・・・半導体多層反射膜
６ｂ・・半導体多層膜反射鏡のＡｌ高濃度層
７・・・コンタクト層
８・・・パターン形成用エッチングマスク膜（絶縁膜）
９・・・ｐ側電極
９a・・配線部
９ｂ・・周辺電極
１０・・・ｎ側電極
１１・・・ポリイミド
１２ａ・・・メサエッチング領域、凹部
１２ｂ・・メサエッチング領域、凹部（溝深さ：大）
１３・・・発光領域
１４・・・非酸化領域、開口
１５・・・プロトン注入領域
１５a・・アイソレーション用プロトン注入領域
１５ｂ・・選択酸化制御用プロトン注入領域
１５ｃ・・半導体多層膜のＡｌ高濃度層用プロトン注入領域
１７・・・ボンディングパッド
１８・・・配線パス
１９・・・注入電流
２１・・・被酸化領域
２２・・・リーク電流
２３・・・光取り出し口
２４・・・応力付加領域
２５・・・非対称メサ構造
３０、３２・・被酸化層
５０・・・周辺部
１００・・メサ部（凸部）

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板の主面上に形成された発光領域を有する半導体活性層と、
   前記半導体活性層を狭持し、前記基板に対して垂直方向の共振器を形成する、前記半導体活性層に対して前記基板と反対側に形成された第１の半導体多層膜反射鏡及び前記半導体活性層に対して前記基板側に形成された第２の半導体多層膜反射鏡と、
   前記半導体活性層に電流を注入するための一対の電極と、
   前記半導体活性層の近傍に形成され、Ａｌを含む被酸化層が複数層設けられ、その側面から酸化されることによって形成された電流狭窄部と、
   少なくとも前記被酸化層の最上層に到達する溝深さの凹部と、
   前記凹部に囲まれたメサ部と、
   を備え、
   前記電流狭窄部は、前記複数層の被酸化層のうちの第１の層数の前記被酸化層が酸化されてなる第１の電流狭窄部と、前記第１の層数よりも小なる第２の層数の前記被酸化層が酸化されてなる第２の電流狭窄部と、を有することを特徴とする面発光型半導体素子。
2. 前記凹部のうちで前記第１の電流狭窄部に隣接した第１の部分は、前記第１の層数の前記被酸化層の前記酸化されてなる部分に至る第１の溝深さを有し、
   前記凹部のうちで前記第２の電流狭窄部に隣接した第２の部分は、前記第１の溝深さよりも浅く、前記第２の層数の前記被酸化層の前記酸化されてなる部分に至る第２の溝深さを有することを特徴とする請求項１記載の面発光型半導体素子。
3. 前記被酸化層のうちの酸化された部分に隣接する未酸化の部分は、前記酸化された部分よりも高い濃度のプロトンを含有してなることを特徴とする請求項１記載の面発光型半導体素子。
4. 基板と、
   前記基板の主面上に形成された発光領域を有する半導体活性層と、
   前記半導体活性層を狭持し、前記基板に対して垂直方向の共振器を形成する、前記半導体活性層に対して前記基板と反対側に形成された第１の半導体多層膜反射鏡及び前記半導体活性層に対して前記基板側に形成された第２の半導体多層膜反射鏡と、
   前記半導体活性層に電流を注入するための一対の電極と、
   前記半導体活性層の近傍に形成され、Ａｌを含む被酸化層が複数層設けられ、その側面から酸化されることによって形成された電流狭窄部と、
   少なくとも前記被酸化層の最上層に到達する溝深さの凹部と、
   前記凹部に囲まれたメサ部と、
   を備え、
   前記第１及び第２の半導体多層膜反射鏡の少なくともいずれかは、端面から酸化されることにより形成された酸化領域を有し、前記端面から酸化された長さが小なる第１の部分と、前記端面から酸化された長さが大なる第２の部分と、を有することを特徴とする面発光型半導体素子。
5. 前記第１の部分において、酸化領域に隣接する未酸化の領域は、前記酸化領域よりも高い濃度のプロトンを含有してなることを特徴とする請求項４記載の面発光型半導体素子。
6. 基板の主面上に、活性層と、Ａｌを含む複数の被酸化層と、を設ける工程と、
   前記主面上からみて発光領域とすべき部分の周囲に、前記複数の被酸化層のうちの第１の層数の被酸化層の端面が露出するように第１の凹部と、前記複数の被酸化層のうちの前記第１の層数よりも小なる第２の層数の被酸化層の端面が露出するように第２の凹部と、を形成する工程と、
   前記第１及び第２の凹部において露出している前記被酸化層の端面から酸化を進行させる工程と、
   を備えたことを特徴とする面発光型半導体素子の製造方法。
7. 基板の主面上に、活性層と、半導体多層膜反射鏡と、を積層する工程と、
   前記主面上からみて発光領域とすべき部分を取り囲むように、前記半導体多層膜反射鏡にプロトンが打ちまれた第１の部分と、前記半導体多層膜反射鏡にプロトンが打ち込まれていない第２の部分と、を形成する工程と、
   前記第１及び第２の部分の端面から、前記半導体多層膜反射鏡を構成する半導体層の少なくともいずれかの酸化を進行させる工程と、
   を備えたことを特徴とする面発光型半導体素子の製造方法。
   
   
   

Images