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JP2007129010A - 面発光型半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents

面発光型半導体レーザ及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】低抵抗であり、且つ十分なオーミックコンタクトが得られる面発光型半導体レーザ、及び当該面発光型半導体レーザを歩留まりの低下を招かずに製造することができる面発光型半導体レーザの製造方法を提供する。
【解決手段】面発光型半導体レーザ１０は、半導体基板ＳＢ上に順に積層された第１ミラー１１、活性層１２、及び第２ミラー１３を備える。第１ミラー１１には、他の層よりも膜厚が厚くされた厚膜層１４が形成されている。厚膜層１４よりも上方に位置する第２ミラー１３、活性層１２、及び第１ミラー１１の一部がエッチングされて柱状部Ｐ１が形成されており、柱状部Ｐ１に含まれる第２ミラー１３及び第１ミラー１１の上部には組成をなだらかに変化させた組成傾斜層（ＧＩ（Graded Index）層）が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を射出する面発光型半導体レーザ及びその製造方法に関する。
面発光型半導体レーザは、基板の表面に対して直交する方向に共振器が形成されており、基板表面からレーザ光を射出するレーザである。基板の平行な劈開面を共振器として用いる従来の端面発光型半導体レーザに比べて面発光型半導体レーザは、量産性に適している、直接変調が可能である、低閾値動作が可能である、単一縦モード発振が可能である、二次元レーザアレイ構造を容易に形成することができる等の特徴を有している。
面発光型半導体レーザの基本的な構造は、半導体多層膜からなる下部ミラー、活性層、及び半導体多層膜からなる上部ミラーを基板上に順に積層した構造である。下部ミラーと上部ミラーとにより共振器が形成されており、この共振器内に活性層が配置されている。面発光型半導体レーザに設けられる上部ミラー及び下部ミラーとして、屈折率の異なる２種類の半導体層を交互に積層した分布型ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）が用いられることが多い。ＡｌＧａＡｓ系材料を用いてＤＢＲを形成する場合には、アルミニウム（Ａｌ）とガリウム（Ｇａ）との組成が異なる２種類の半導体層が用いられる。
面発光型半導体レーザは、上述した通り、上部ミラーと下部ミラーとからなる共振器内に活性層が配置された構造であるため、ＤＢＲを介して活性層に電流を供給する必要がある。ＤＢＲは、積層された異なる種類の半導体層の界面におけるエネルギー障壁が原因で抵抗が高い。以下の特許文献１には、ＤＢＲをなす半導体層の間に、組成をなだらかに変化させた組成傾斜層（ＧＩ（Graded Index）層）を形成することで、ＤＢＲの抵抗を低減する技術が開示されている。
また、面発光型半導体レーザは、活性層に流れる電流の流路を制限するために活性層の近傍に電流狭窄層が形成されるが、この電流狭窄層を形成するためにメサ構造にされることが多い。つまり、上部ミラー、活性層、及び下部ミラーの途中までをエッチングして柱状形状とした構造にされることが多い。以下の特許文献２には、メサ構造の面発光型半導体レーザの一例が開示されている。
特許第２６４６７９９号明細書 特表２００３−５２２４２１号公報
ところで、上記のメサ構造の面発光型半導体レーザにおいては、上部ミラー上に一方の電極が形成され、エッチングにより露出した下部ミラー上に他方の電極が形成される。このため、下部ミラーの途中から活性層に電流を供給することができ、下部ミラー全体を介して活性層に電流を供給する場合に比べて抵抗を低減することができる。エッチングにより露出した下部ミラー上に形成する電極は、下部ミラーとの間でオーミックコンタクトが取られている必要がある。
上述したＡｌＧａＡｓ系材料を用いて形成されたＤＢＲにおいては、アルミニウム（Ａｌ）の組成が大きい高組成層に対してはオーミックコンタクトさせることが困難であるため、アルミニウム（Ａｌ）の組成が小さい低組成層上に電極を形成することになる。このため、下部ミラーをエッチングした場合には、低組成層を露出させる必要がある。上部ミラー、活性層、及び下部ミラーの途中までのエッチングはドライエッチングを用いて行われることが多い。このドライエッチングによって下部ミラーをエッチングしたときに、低組成層を露出させることができれば、電極を形成する上での問題は生じない。
一方、ドライエッチングにより高組成層が露出した場合には、エッチャントとして例えばＨＦ（フッ酸）を用いてウェットエッチングにより高組成層を除去して低組成層を露出させる必要がある。しかしながら、下部ミラーに上述したＧＩ層が形成されている場合であって、ドライエッチングにより高組成層が表面に露出しているときには、エッチングによって低組成層を露出させようとすると、低組成層上のＧＩ層（このＧＩ層は、アルミニウム（Ａｌ）の組成が低組成層のアルミニウム（Ａｌ）の組成よりも大きい）がエッチングされずに残ってしまう。このＧＩ層上に電極を形成すると、十分なオーミックコンタクトが得られないため、抵抗が高くなってしまうという問題がある。また、ＧＩ層上に形成された電極はＧＩ層との密着性が悪いため、実装工程で電極のはがれが生じて歩留まりが低下する虞が考えられる。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、低抵抗であり、且つ十分なオーミックコンタクトが得られる面発光型半導体レーザ、及び当該面発光型半導体レーザを歩留まりの低下を招かずに製造することができる面発光型半導体レーザの製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の面発光型半導体レーザは、第１半導体層と第２半導体層とが交互に積層されてなる上部ミラー及び下部ミラーと、当該上部ミラーと下部ミラーとの間に配置される活性層とを備え、前記第１半導体層及び第２半導体層の積層方向にレーザ光を射出する面発光型半導体レーザにおいて、前記下部ミラーをなす前記第１半導体層の１つを、他の前記第１半導体層よりも厚みを厚く形成してなる厚膜層と、前記厚膜層と前記厚膜層上の第２半導体層との間に、前記第１半導体層の屈折率と前記第２半導体層の屈折率との間の屈折率を有する第３半導体層とを備えることを特徴としている。
この発明によると、活性層の下方に形成された下部ミラーの半導体層の１つが厚膜層とされており、この厚膜層と厚膜層上の第２半導体層との間に第１半導体層の屈折率と第２半導体層の屈折率との間の屈折率を有する第３半導体層が設けられているため、抵抗を低減することができる。また、厚膜層上に第３半導体層が形成されているため、エッチング量が多少ばらついても第３半導体層を十分除去して厚膜層を露出させることができる。これにより、厚膜層上に電極を形成したときに十分なオーミックコンタクトを得ることができ、また、電極の密着性を高めることができる。
また、本発明の面発光型半導体レーザは、前記第３半導体層が、前記厚膜層の上方に位置する前記第１半導体層と前記第２半導体層との間にも設けられていることを特徴としている。
この発明によると、厚膜層の上方に位置する第１半導体層と第２半導体層との間にも第３半導体層が形成されているため、更に抵抗を低減することができる。
また、本発明の面発光型半導体レーザは、前記厚膜層の下には、前記第３半導体層を介さずに前記第２半導体が設けられていることを特徴としている。
この発明によると、前記厚膜層の下には前記第３半導体層を介さずに前記第２半導体が設けられているため、活性層の下方に位置するミラーを、厚膜層（第１半導体層）と第２半導体層との急峻な屈折率の変化を利用した光学特性に優れたミラーとすることができる。
また、本発明の面発光型半導体レーザは、前記厚膜層の下方に位置する前記第１半導体層及び前記第２半導体層は、前記第３半導体層を介さずに積層されていることを特徴としている。
この発明によると、厚膜層の下方に位置する第１半導体及び第２半導体層が、第３半導体層を介さずに積層されているため、活性層の下方に位置するミラーを、第１半導体層と第２半導体層との急峻な屈折率の変化を利用した光学特性に優れたミラーとすることができる。また、厚膜層の下方に位置する第１半導体及び第２半導体層には、活性層に供給される電流が流れることはないため、抵抗が上昇することはない。
また、本発明の面発光型半導体レーザは、前記上部ミラー、前記活性層、及び前記下部ミラーの前記厚膜層上の部分は柱状形状の柱状部とされていることを特徴としている。
ここで、前記厚膜層は、その上部が前記柱状部と同じ平面形状を有する柱状形状に形成されていることを特徴としている。
また、本発明の面発光型半導体レーザは、少なくとも前記柱状部の下方に位置する前記厚膜層の光学的膜厚は、前記レーザ光の波長をλとすると、３λ／４以上でλ／４の奇数倍であることを特徴としている。
この発明によると、柱状部の下方に位置する厚膜層の光学的膜厚が、３λ／４以上でλ／４の奇数倍に設定されるため、活性層の下方に位置するミラーの光学的特性を低下させることはない。
また、本発明の面発光型半導体レーザは、前記厚膜層上には、前記活性層に電流を供給する電極の１つが形成されていることを特徴としている。
この発明によると、厚膜層上に電極が形成されており、活性層の下方に位置するミラーの途中から活性層に電流を供給することができるため、抵抗を低減する上で望ましい。また、厚膜層上に電極を形成することで、十分なオーミックコンタクトが得られるとともに、電極の高い密着性を得ることができる。
また、本発明の面発光型半導体レーザは、前記下部ミラーの最上層に形成された前記第１半導体層と前記第２半導体層との第１番目のペアから第５番目のペアまでの前記第１半導体層が前記厚膜層とされていることを特徴としている。
この発明によると、活性層の下方に位置するミラーの最上層に形成された第１半導体層と第２半導体層との第１番目のペアから第５番目のペアまでの第１半導体層が厚膜層とされている。抵抗の低減のためには活性層に極力近い位置に厚膜層を形成するのが望ましい。しかしながら、厚膜層の上部を柱状形状にした場合には、その柱状部の根本部分に応力が加わって根本部分に亀裂が生ずることがあり、根本部分に活性層が配置されていると素子の特性の劣化を招いてしまう。活性層の下方に位置するミラーの最上層に形成された第１半導体層と第２半導体層との第１番目のペアから第５番目のペアまでの第１半導体層が厚膜層とすることで、抵抗を低減しつつ上記の劣化も防止することができる。
また、本発明の面発光型半導体レーザは、前記第１半導体層及び前記第２半導体層が、組成が異なる混晶半導体からなることを特徴としている。
更に、本発明の面発光型半導体レーザは、前記第１半導体層が、前記第２半導体層よりも低組成の混晶半導体からなることを特徴としている。
上記課題を解決するために、本発明の面発光型半導体レーザの製造方法は、第１半導体層と第２半導体層とが交互に積層されてなる上部ミラー及び下部ミラーと、当該上部ミラーと下部ミラーとの間に配置される活性層とを備え、前記第１半導体層及び第２半導体層の積層方向にレーザ光を射出する面発光型半導体レーザの製造方法において、前記下部ミラーを形成する際に、当該下部ミラーをなす前記第１半導体層の１つを、他の前記第１半導体層の厚みよりも厚みが厚い厚膜層として形成する工程と、前記厚膜層上に、前記第１半導体層の屈折率と前記第２半導体層の屈折率との間の屈折率を有する第３半導体層を形成する工程と、前記上部ミラー、前記活性層、及び前記下部ミラーを前記下部ミラーに形成された前記厚膜層までエッチングして、前記上部ミラー、前記活性層、及び前記下部ミラーの前記厚膜層上の部分を柱状形状とした柱状部を形成する工程とを含むことを特徴としている。
この発明によると、前記活性層の下方に位置する下部ミラーを形成する際に、下部ミラーをなす第１半導体層の１つが厚膜層とされ、この厚膜層上に第１半導体層の屈折率と第２半導体層の屈折率との間の屈折率を有する第３半導体層が形成されるため、抵抗を低減することができる。
また、本発明の面発光型半導体レーザの製造方法は、前記柱状部を形成する工程が、前記厚膜層の上部をオーバーエッチングする工程を含むことを特徴としている。
この発明によると、厚膜層の上部をエーバーエッチングしているため、エッチング量が多少ばらついでも厚膜層上の第３半導体層を十分除去して厚膜層を露出させることができる。これにより、厚膜層上に電極を形成したときに十分なオーミックコンタクトを得ることができ、また、電極の密着性を高めることができる。従って、実装工程で電極のはがれ等が生ずることはなく、高い歩留まりで面発光型半導体レーザを製造することができる。
また、本発明の面発光型半導体レーザの製造方法は、前記第１半導体層及び前記第２半導体層は、組成が異なる混晶半導体からなり、前記上部ミラー、前記活性層、及び前記下部ミラーを前記下部ミラーに形成された前記厚膜層までエッチングする際に、前記組成の変化をモニタしつつエッチング量を制御することを特徴としている。
この発明によると、上部ミラー、活性層、及び下部ミラーの厚膜層までをエッチングする際のエッチング量が、組成の変化をモニタしつつ制御されるため、厚膜層上の第３半導体層を十分除去して厚膜層を露出させることができる。
更に本発明の面発光型半導体レーザの製造方法は、前記上部ミラー、前記活性層、及び前記下部ミラーの前記厚膜層までのエッチングが、ドライエッチング法を用いて行われることが望ましい。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による面発光型半導体レーザ及びその製造方法について詳細に説明する。尚、以下に説明する実施形態は、本発明の一部の態様を示すものであり、本発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の説明で参照する各図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならせてある。
〔面発光型半導体レーザ〕
図１は、本発明の一実施形態による面発光型半導体レーザを模式的に示す断面図である。図１に示す通り、本実施形態の面発光型半導体レーザ１０は、半導体基板（本実施形態ではｎ型ＧａＡｓ基板）ＳＢ上に形成されている。この面発光型半導体レーザ１０は垂直共振器を有しており、本実施形態では垂直共振器をなす一方の分布反射型多層膜ミラー（第２ミラー）１３、活性層１２、及び他方の分布反射型多層膜ミラー（第１ミラー）１１の一部が柱状の半導体堆積体（以下、柱状部という）Ｐ１に形成されている。つまり、面発光型半導体レーザ１０はその一部が柱状部Ｐ１に含まれた構造である。
面発光型半導体レーザ１０は、上記の第１ミラー１１、活性層１２、及び第２ミラー１３が半導体基板ＳＢ上に順に積層された構造である。第１ミラー１１及び第２ミラー１３は、組成が異なる三元混晶半導体を交互に積層した分布反射型多層膜ミラーである。第１ミラーは、例えば、ｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層（以下、低組成層という）とｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層（以下、高組成層という）とを交互に積層した４０ペアの分布反射型多層膜ミラーである。この第１ミラー１１をなす低組成層の１つは、上部が柱状部Ｐ１と同じ平面形状を有する柱状形状に形成されており、少なくとも柱状部Ｐ１の下方に位置する部分が他の低組成層よりも厚みを厚くした厚膜層１４とされている。
尚、本実施形態において、低組成層とはＡｌＧａＡｓ層のガリウム（Ｇａ）に対するアルミニウム（Ａｌ）の組成が低い層をいい、高組成層とはＡｌＧａＡｓ層のガリウム（Ｇａ）に対するアルミニウム（Ａｌ）の組成が高い層をいう。ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成は、「０」から「１」までである。即ち、ＡｌＧａＡｓ層は、ＧａＡｓ層（Ａｌ組成が「０」の場合）及びＡｌＡｓ層（Ａｌ組成が「１」の場合）を含む。また、以上説明した第１ミラー１１、活性層１２、及び第２ミラー１３を構成する各層の組成及び層数は特に限定される訳ではない。尚、第２ミラー１３の最上層のＡｌ組成は、０．３未満であることが好ましい。
図２は、第１ミラー１１を拡大した断面図である。図２に示す通り、第１ミラー１４は、低組成層Ｌ１と高組成層Ｌ２とを交互に積層してなり、低組成層Ｌ１の１つが厚膜層１４とされている。高組成層Ｌ１及び低組成層Ｌ２の各々は、光学的膜厚がλ／４となるよう設定されている。尚、λは面発光型半導体レーザ１０のレーザ光の波長である。厚膜層１４は、少なくとも柱状部Ｐ１の下方に位置する部分の光学的膜厚が３λ／４以上でλ／４の奇数倍となるよう設定されている。これは、厚膜層１４も第１ミラー１１の一部をなしているため、第１ミラー１１の反射率が高くなるよう厚膜層１４の膜厚も設定する必要があるからである。
また、図２に示す通り、第１ミラー１１をなす厚膜層１４とその上の高組成層Ｌ２との間、及び、厚膜層１４の上方に位置する低組成層Ｌ１と高組成層Ｌ２との間には、Ａｌ組成をなだらかに変化させた組成傾斜層（以下、ＧＩ層という）Ｌ３が形成されている。このＧＩ層Ｌ３は、例えば、Ａｌ組成を０．１５〜０．９の間でなだらかに変化させたものであり、厚膜層１４と高組成層Ｌ２との界面、及び低組成層Ｌ１と高組成層Ｌ２との界面におけるエネルギー障壁をなだらかにして抵抗を低減するために設けられる。尚、Ａｌ組成が変化すると屈折率も変化するため、ＧＩ層Ｌ３が形成された箇所においては、屈折率がなだらかに変化している。
これに対し、第１ミラー１１をなす厚膜層１４とその下の高組成層Ｌ２との間、及び、厚膜層１４の下方に位置する低組成層Ｌ１と高組成層Ｌ２との間には、ＧＩ層が形成されていない。即ち、厚膜層１４の下には、ＧＩ層を介さずに高組成層Ｌ２が設けられており、厚膜層１４の下方に位置する低組成層Ｌ１及び高組成層Ｌ２は、ＧＩ層を介さずに積層されている。図１に示す通り、面発光型半導体レーザ１０を駆動するための電極は、第１ミラー１１の厚膜層１４上と、第２ミラー１３上に形成されており、厚膜層１４の下方には電流が流れない。
ＧＩ層は、第１ミラー１１の抵抗を低減するために設けられるが、上述した通り、屈折率もなだらかに変化する。第１ミラー１１を高い反射率にするためには、低組成層Ｌ１と高組成層Ｌ２との間で屈折率が急峻に変化する方が望ましい。このため、電流が流れない厚膜層１４とその下の高組成層Ｌ２との間、及び、厚膜層１４の下方に位置する低組成層Ｌ１と高組成層Ｌ２との間にはＧＩ層を設けない構造とし、第１ミラー１１の反射率を高めている。
また、厚膜層１４は、第１ミラー１１の最上層に形成された第１番目のペアから第５番目のペアまでの間に形成されるのが望ましい。面発光型半導体レーザ１０の抵抗低減のためには、活性層１２に極力近い位置に厚膜層１４を形成するのが好ましい。しかしながら、前述した通り、本実施形態の面発光型半導体レーザ１０はその一部が柱状部Ｐ１に含まれた構造であるため、その柱状部Ｐ１の根本部分に応力が集中しやすく、この根本部分が劣化しやすい。
図１に示す通り、柱状部Ｐ１の根本部分には厚膜層１４が配置され、この厚膜層１４と活性層１２とが近すぎると面発光型半導体レーザ１０の特性の劣化を招きやすい。逆に、活性層１２から余りにも離れた位置に厚膜層１４を形成すると、上述したＧＩ層Ｌ３が形成されているとはいっても、抵抗が高くなってしまう。よって、第１ミラー１１の最上層に形成された第１番目のペアから第５番目のペアまでの間に厚膜層１４を形成することで、抵抗を低減しつつ上記の劣化も防止することができる。
活性層１２は、第１ミラー１１上に形成されており、ＧａＡｓウェル層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層からなり、ウェル層が３層で構成される量子井戸構造を含む構造である。第２ミラー１３は、活性層１２上に形成されており、ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層（以下、低組成層という）とｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層（以下、高組成層という）とを交互に積層した２５ペアの分布反射型多層膜ミラーである。尚、第２ミラー１３の最上層は、Ａｌ組成の小さい方、即ちｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層となるように構成されている。第２ミラー１３をなす低組成層と高組成層との間には、Ａｌ組成をなだらかに変化させた組成傾斜層（ＧＩ層）が形成されている。
面発光型半導体レーザ１０をなす第１ミラー１１は、例えばケイ素（Ｓｉ）がドーピングされることによりｎ型にされており、第２ミラー１３は、例えば炭素（Ｃ）がドーピングされることによりｐ型にされている。従って、ｐ型の第２ミラー１３、不純物がドーピングされていない活性層１２、及びｎ型の第１ミラー１１により、ｐｉｎダイオードが形成される。
また、面発光型半導体レーザ１０のうち、第２ミラー１３から第１ミラー１１の厚膜層１４の途中までの部分が、第２ミラー１３の上面からみて円形の形状にエッチングされて柱状部Ｐ１が形成されている。尚、本実施形態では、柱状部Ｐ１の平面形状が円形である場合を例に挙げて説明するが、この形状は任意の形状とすることができる。
更に、第２ミラー１３を構成する層のうち活性層１２に近い領域に、ＡｌＧａＡｓ層を側面から酸化することにより得られる電流狭窄層１５が形成されている。この電流狭窄層１５はリング状に形成されている。即ち、この電流狭窄層１５は、半導体基板ＳＢの表面と平行な面で切断した場合における断面形状が、柱状部Ｐ１の平面形状の円形と同心の円のリング状である。
また、本実施形態の面発光型半導体レーザ１０は、柱状部Ｐ１の周囲を取り囲むよう第１ミラー１１（膜厚層１４）の上に絶縁層１６が形成されている。第１柱状部Ｐ１の周囲を絶縁層１６で取り込むことで、柱状部Ｐ１をなす各層の酸化等が防止されるため、面発光型半導体レーザ１０の信頼性を高めることができる。絶縁層１６は、その膜厚が例えば２〜４μｍ程度であり、熱又は光等のエネルギーによって硬化可能な液体材料（例えば紫外線硬化型樹脂や熱硬化型樹脂の前駆体）を硬化させることにより得られるものを用いることができる。紫外線硬化型樹脂としては、例えば紫外線硬化型のアクリル系樹脂及びエポキシ系樹脂が挙げられる。また、熱硬化型樹脂としては、熱硬化型のポリイミド系樹脂等が例示できる。
また、第１ミラー１１（膜厚層１４）上には電極１７が形成されており、第２ミラー１３上には電極１８が形成されている。電極１７は、第１ミラー１１の上面（膜厚層１４）に接合されて電気的に接続されている。尚、この電極は不図示のパッド部に接続されている。電極１８は、例えば第２ミラー１３の中央部を開口する平面形状がリング状の接続部１８ａと、この接続部１８ａと不図示のパッド部（上記の電極１７が接続されるパッド部とは異なるパッド部）とを接続する引き出し部１８ｂとを有している。接続部１８ａは第２ミラー１３の上面に接合されて電気的に接続されている。尚、第２ミラー１３の上面はレーザ光の射出面１９とされている。引き出し部１８ｂは、絶縁層１６上に形成されており、不図示のパッド部まで延びている。
電極１７は、例えば金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の合金と、金（Ａｕ）との積層膜からなり、第１ミラー１１の厚膜層１４とオーミックコンタクトが取られている。また、電極１８は、例えば白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）及び金（Ａｕ）の積層膜からなり、第２ミラー１３の上面とオーミックコンタクトが取られている。これら電極１７，１８は、面発光型半導体レーザ１０を駆動するためのものであり、電極１７と電極１８とによって活性層１２に電流が注入される。尚、電極１７及び電極１８を形成するための材料は、前述したものに限定される訳ではなく、例えば金（Ａｕ）と亜鉛（Ｚｎ）との合金等が利用可能である。
次に、本実施形態の面発光型半導体レーザ１０の一般的な動作について説明する。尚、下記の面発光型半導体レーザ１０の駆動方法は一例であり、本発明の範囲内で種々の変更が可能である。まず、電極１７と電極１８とを不図示の電源に接続してｐｉｎダイオードに順方向の電圧を印加すると、電極１８から第２ミラー１３を介して活性層１２に正孔が流れ込むとともに、電極１７から第１ミラー１１の厚膜層１４及びその上方の部分を介して電子が流れ込む。面発光型半導体レーザ１０の活性層１２において、電子と正孔との再結合が生じ、再結合による発光が生じる。そこで生じた光が第２ミラー１３と第１ミラー１１との間を往復する間に誘導放出が起こって光の強度が増幅される。光利得が光損失を上まわると、レーザ発振が起こり、第２ミラー１３の上面（射出面１９）からレーザ光が射出される。
〔面発光型半導体レーザの製造方法〕
次に、以上説明した面発光型半導体レーザ１０の製造方法について説明する。図３〜図５は、本発明の一実施形態による面発光型半導体レーザの製造工程を模式的に示す断面図である。尚、これらの図は図１に示す断面図に対応している。本実施形態の面発光型半導体レーザ１０を製造するには、図３（ａ）に示す通り、まずｎ型ＧａＡｓ層からなる半導体基板ＳＢの表面に組成を変調させながらエピタキシャル成長させて半導体多層膜を形成する。
ここで、半導体多層膜は、第ミラー１１、活性層１２、及び第２ミラー１３からなる。第１ミラー１１を形成するには、例えばｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層（低組成層Ｌ１）とｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層（高組成層Ｌ２）とを交互に積層して３５ペア程度形成する。これら低組成層Ｌ１及び高組成層Ｌ２は、その光学的膜厚がλ／４となるよう形成する。次に、積層された低組成層Ｌ１及び高組成層Ｌ２の上に厚膜層１４を形成する。厚膜層１４は、光学的膜厚が３λ／４以上でλ／４の奇数倍となるよう形成する。次いで、この厚膜層１４上にＧＩ層Ｌ３（図２参照）を形成して高組成層Ｌ２及び低組成層Ｌ１を交互に積層して５ペア程度形成する。これら低組成層Ｌ１及び高組成層Ｌ２も、その光学的膜厚がλ／４となるよう形成する。尚、厚膜層１４上の高組成層Ｌ２と低組成層Ｌ１との間にはＧＩ層Ｌ３を形成する。
活性層１２は、例えばＧａＡｓウェル層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層とからなり、ウェル層が３層で構成される量子井戸構造とする。第２ミラー１３は、ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層（低組成層）とｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層（高組成層）とを交互に積層して２５ペア程度形成する。第２ミラー１３をなすこれら低組成層及び高組成層も、その光学的膜厚がλ／４となるよう形成する。尚、第２ミラー１３をなす低組成層と高組成層との間に上記のＧＩ層Ｌ３と同様のＧＩ層を形成する。第２ミラー１３の最上層は、低組成層とする。
尚、第２ミラー１３を成長させる際に、活性層１２近傍の少なくとも１層は、後に酸化されて電流狭窄層１５となる層に形成される（図４（ａ）参照）。このため、電流狭窄層１５となる層は、Ａｌ組成がより大きなＡｌＧａＡｓ層（ＡｌＡｓ層を含む）に形成される。例えば、例えば電流狭窄層１５となる層は、Ａｌ組成が０．９５以上となるように形成するのが望ましい。
また、後の工程において電極１８が形成された際に、第２ミラー１３のうち少なくとも電極１８と接する部分の近傍は、キャリア密度を高くすることにより、電極１８とのオーム性接触をとり易くしておくのが望ましい。同様に、厚膜層１４のうち少なくとも電極１７と接する部分の近傍は、キャリア密度を高くすることにより、電極１７とのオーム性接触をとり易くしておくのが望ましい。
エピタキシャル成長を行う際の温度は、成長方法や原料、半導体基板ＳＢの種類、或いは形成する半導体多層膜８０の種類、厚さ、及びキャリア密度によって適宜決定されるが、一般に、４５０℃〜８００℃に設定するのが好ましい。また、エピタキシャル成長を行う際の所要時間も、温度と同様に適宜決定される。また、エピタキシャル成長させる方法としては、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法、或いはＬＰＥ（Liquid Phase Epitaxy）法を用いることができる。
次に、図３（ｂ）に示す通り、柱状部Ｐ１を形成する。柱状部Ｐ１を形成するには、まず、半導体多層膜上にレジスト（図示省略）を塗布した後、リソグラフィ法によりレジストをパターニングする。これにより、第２ミラー１３の上面に所定の平面形状を有するレジスト層が形成される。次いで、このレジスト層をマスクとして、例えばドライエッチング法により、第２ミラー１３、活性層１２、及び第１ミラー１１の厚膜層１４の途中までをエッチングする。
ドライエッチング法によりエッチングを行っている最中は、プラズマ中に含まれるアルミニウム（Ａｌ）及びガリウム（Ｇａ）の少なくとも一方に起因する発光スペクトルの強度をモニタする。そして、このモニタ結果に基づいてエッチング量を制御する。特に、本実施形態では、第１ミラー１１中に厚膜層１４を形成し、この厚膜層１４の途中までエッチングしている（オーバーエッチングしている）。前述した通り、厚膜層１４の上部にはＧＩ層Ｌ３が形成されているため（図２参照）、上記のモニタ結果を参照して厚膜層１４上のＧＩ層Ｌ３が完全に除去されるようエッチング量を制御するのが望ましい。これにより、第２ミラー１３、活性層１２、及び第１ミラー１１の上部が同一の平面形状にされた柱状部Ｐ１が形成される。尚、柱状部Ｐ１が形成されると、レジスト層は除去される。
柱状部Ｐ１が形成されると、図４（ａ）に示す通り、電流狭窄層１５が形成される。この電流狭窄層１５を形成するには、上記工程によって柱状部Ｐ１が形成された半導体基板ＳＢを、例えば４００℃程度の水蒸気雰囲気中に投入する。これにより、前述した第２ミラー１３中のＡｌ組成が高い層が側面から酸化されて、電流狭窄層１５が形成される。
酸化レートは、炉の温度、水蒸気の供給量、酸化すべき層のＡｌ組成、及び膜厚に依存する。酸化により形成される電流狭窄層１５を備えた面発光型半導体レーザでは、駆動する際に、電流狭窄層１５が形成されていない部分（酸化されていない部分）のみに電流が流れる。従って、電流狭窄層１５を形成する工程において、形成する電流狭窄層１５の範囲を制御することにより、電流密度の制御が可能となる。
次に、図４（ｂ）に示す通り、第１ミラー１１（厚膜層１４）上であって、柱状部Ｐ１の周囲に、絶縁層１６を形成する。この絶縁層１６は、厚膜化が容易なものを用いることが望ましい。絶縁層１６の膜厚は、例えば２〜４μｍ程度であるが、特に限定される訳ではない。例えば、絶縁層１６は、熱又は光等のエネルギーによって硬化可能な液体材料（例えば紫外線硬化型樹脂や熱硬化型樹脂の前駆体）を硬化させることにより得られるものを用いることができる。紫外線硬化型樹脂としては、例えば紫外線硬化型のアクリル系樹脂及びエポキシ系樹脂が挙げられる。また、熱硬化型樹脂としては、熱硬化型のポリイミド系樹脂等が例示できる。また、例えば、絶縁層１６は、上記材料を複数用いて積層膜とすることもできる。
ここでは、絶縁層１６を形成するための材料として、ポリイミド系樹脂の前駆体を用いた場合について述べる。まず、例えばスピンコート法を用いて前駆体（ポリイミド系樹脂の前駆体）を第１ミラー１１（厚膜層１４）上に塗布して前駆体層を形成する。尚、前駆体層の形成方法としては、前述したスピンコート法のほか、ディッピング法、スプレーコート法、液滴吐出法等の公知技術が利用できる。次いで、例えばホットプレート等を用いて半導体基板ＳＢを加熱して溶媒を除去した後、例えば３５０℃程度の炉に入れて前駆体層をイミド化させることにより、ほぼ完全に硬化したポリイミド系樹脂層を形成する。続いて、ポリイミド系樹脂層を公知のリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより絶縁層１６を形成する。
尚、パターニングの際に用いられるエッチング方法としては、ドライエッチング法等を用いることができる。ドライエッチングは、例えば酸素又はアルゴン等のプラズマにより行うことができる。また、上述の絶縁層１６の形成方法では、ポリイミド系樹脂の前駆体層を硬化した後、パターニングを行う例について示したが、ポリイミド系樹脂の前駆体層を硬化する前に、パターニングを行うこともできる。このパターニングの際に用いられるエッチング方法としては、ウェットエッチング法等を用いることができる。ウェットエッチングは、例えばアルカリ溶液又は有機溶液等により行うことができる。
以上の工程が終了すると、図５に示す通り、第１ミラー１１（厚膜層１４）の上面上に電極１７が形成され、第２ミラー１３の上面上に電極１８が形成される。尚、前述した通り、電極１８は、リング状の平面形状を有する接続部１８ａ及び直線状の平面形状を有する引き出し部１８ｂを有しているが、第２ミラー１３の上面上には接続部１８ａが形成され、引き出し部１８ｂは絶縁層１６上に形成される。
電極１８を形成する具体的な方法は以下の通りである。まず、電極１８を形成する前に、必要に応じてプラズマ処理法等を用いて、第２ミラー１３の上面を洗浄する。これにより、より安定した特性の素子を形成することができる。次に、例えば真空蒸着法により、例えば白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、及び金（Ａｕ）の積層膜（図示省略）を形成する。次いで、リフトオフ法により、所定の位置以外の積層膜を除去することにより電極１８が形成される。
この際、第２ミラー１３の上面に、積層膜が形成されていない部分が形成される。この部分が開口部となり、この開口部によって第２ミラー１３の上面の一部が露出する。この露出した面がレーザ光の射出面１９となる。尚、上記工程において、リフトオフ法の代わりにドライエッチング法又はウェットエッチング法を用いることもできる。また、上記工程において、真空蒸着法の代わりにスパッタ法を用いることもできる。
次に、電極１８を形成する場合と同様の方法で、例えば金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の合金と金（Ａｕ）との積層膜をパターニングすることで、図５に示す通り、第１ミラー１１（厚膜層１４）上に電極１７を形成する。最後に、アニール処理を行う。アニール処理の温度は電極材料に依存する。本実施形態で用いる電極材料の場合は、通常４００℃前後で行う。以上の工程により、電極１７，１８が形成される。以上の工程によって図１に示す本実施形態の面発光型半導体レーザ１０が製造される。
以上説明した通り、本実施形態の面発光型半導体レーザ１０は、第１ミラー１１中に厚膜層１４が形成されており、第２ミラー１３、活性層１２、及び第１ミラー１１の厚膜層１４の途中までがエッチングされて柱状部Ｐ１が形成されている。また、第１ミラー１１をなす厚膜層１４とその上部に形成される高組成層Ｌ２との間にＧＩ層Ｌ３が形成されるとともに、厚膜層１４の上方に位置する第１ミラー１１の低組成層Ｌ１と高組成層Ｌ２との間にもＧＩ層Ｌ３が形成されている。更に、第２ミラー１３をなす低組成層と高組成層との間にもＧＩ層が形成されている。このため、面発光型半導体レーザ１０の抵抗を低減することができる。
また、第１ミラー１１の厚膜層１４は、膜厚が他の低組成層Ｌ１よりも厚く形成されているため、柱状部Ｐ１を形成する際のエッチング量に多少のばらつきがあったとしても、柱状部Ｐ１上のＧＩ層を十分除去して厚膜層１４を露出させることができる。これにより、厚膜層１４上に電極１７を形成したときに十分なオーミックコンタクトを得ることができ、また、電極１７の密着性を高めることができる。従って、実装工程で電極のはがれ等が生ずることはなく、高い歩留まりで面発光型半導体レーザを製造することができる。
以上、本発明の一実施形態について説明した、本発明は上記の実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、第１ミラー１１をなす厚膜層１４とその上部に形成される高組成層Ｌ２との間にＧＩ層Ｌ３を形成するとともに、厚膜層１４の上方に位置する第１ミラー１１の低組成層Ｌ１と高組成層Ｌ２との間にもＧＩ層Ｌ３を形成し、更に、第２ミラー１３をなす低組成層と高組成層との間にもＧＩ層を形成していた。面発光型半導体レーザ１０の抵抗を低減するにはこれらＧＩ層を全て形成するのが望ましいが、ＧＩ層を形成すると第１ミラー１１、第２ミラー１３の反射率が低下する虞がある。
このため、第１ミラー１１をなす厚膜層１４とその上部に形成される高組成層Ｌ２との間にのみＧＩ層Ｌ３を形成し、厚膜層１４の上方に位置する第１ミラー１１の低組成層Ｌ１と高組成層Ｌ２との間のＧＩ層Ｌ３、及び第２ミラー１３をなす低組成層と高組成層との間のＧＩ層を省略しても良い。
また、上記実施形態においてはＡｌ組成が異なるＡｌＧａＡｓ層を用いて第１ミラー１１及び第２ミラー１３を形成していたが、本発明はＡｌＧａＡｓ層に限られる訳ではなく、他の半導体層を用いて第１ミラー１１及び第２ミラー１３が形成されている面発光型半導体レーザにも適用可能である。更に、上記実施形態において、各半導体層におけるｐ型とｎ型とを入れ替えても本発明の範囲外となるものではない。
更に、上記実施形態で説明した面発光型半導体レーザ１０は柱状部Ｐ１が形成された構造であったが、本発明の面発光型半導体レーザは必ずしもこの構造にする必要はない。例えば、レーザ光の射出面の周囲数カ所に、第２ミラー１３から第１ミラー１１の厚膜層１４に至る孔（更には、厚膜層１４の途中まで至る孔）が形成された構造であっても良い。尚、この孔は電流狭窄層を形成するために用いられる孔である。
本発明の一実施形態による面発光型半導体レーザを模式的に示す断面図である。 第１ミラー１１を拡大した断面図である。 本発明の一実施形態による面発光型半導体レーザの製造工程を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態による面発光型半導体レーザの製造工程を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態による面発光型半導体レーザの製造工程を模式的に示す断面図である。
符号の説明
１０……面発光型半導体レーザ
１１……第１ミラー
１２……活性層
１３……第２ミラー
１４……厚膜層
１７，１８……電極
Ｌ１……低組成層（第１半導体層）
Ｌ２……高組成層（第２半導体層）
Ｌ３……ＧＩ層（第３半導体層）
Ｐ１……柱状部

Claims (15)

  1. 第１半導体層と第２半導体層とが交互に積層されてなる上部ミラー及び下部ミラーと、当該上部ミラーと下部ミラーとの間に配置される活性層とを備え、前記第１半導体層及び第２半導体層の積層方向にレーザ光を射出する面発光型半導体レーザにおいて、
    前記下部ミラーをなす前記第１半導体層の１つを、他の前記第１半導体層よりも厚みを厚く形成してなる厚膜層と、
    前記厚膜層と前記厚膜層上の第２半導体層との間に、前記第１半導体層の屈折率と前記第２半導体層の屈折率との間の屈折率を有する第３半導体層と
    を備えることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
  2. 前記第３半導体層は、前記厚膜層の上方に位置する前記第１半導体層と前記第２半導体層との間にも設けられていることを特徴とする請求項１記載の面発光型半導体レーザ。
  3. 前記厚膜層の下には、前記第３半導体層を介さずに前記第２半導体が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の面発光型半導体レーザ。
  4. 前記厚膜層の下方に位置する前記第１半導体層及び前記第２半導体層は、前記第３半導体層を介さずに積層されていることを特徴とする請求項３記載の面発光型半導体レーザ。
  5. 前記上部ミラー、前記活性層、及び前記下部ミラーの前記厚膜層上の部分は柱状形状の柱状部とされていることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の面発光型半導体レーザ。
  6. 前記厚膜層は、その上部が前記柱状部と同じ平面形状を有する柱状形状に形成されていることを特徴とする請求項５記載の面発光型半導体レーザ。
  7. 少なくとも前記柱状部の下方に位置する前記厚膜層の光学的膜厚は、前記レーザ光の波長をλとすると、３λ／４以上でλ／４の奇数倍であることを特徴とする請求項５又は請求項６記載の面発光型半導体レーザ。
  8. 前記厚膜層上には、前記活性層に電流を供給する電極の１つが形成されていることを特徴とする請求項５から請求項７の何れか一項に記載の面発光型半導体レーザ。
  9. 前記下部ミラーの最上層に形成された前記第１半導体層と前記第２半導体層との第１番目のペアから第５番目のペアまでの前記第１半導体層が前記厚膜層とされていることを特徴とする請求項１から請求項８の何れか一項に記載の面発光型半導体レーザ。
  10. 前記第１半導体層及び前記第２半導体層は、組成が異なる混晶半導体からなることを特徴とする請求項１から請求項９の何れか一項に記載の面発光型半導体レーザ。
  11. 前記第１半導体層は、前記第２半導体層よりも低組成の混晶半導体からなることを特徴とする請求項１０記載の面発光型半導体レーザ。
  12. 第１半導体層と第２半導体層とが交互に積層されてなる上部ミラー及び下部ミラーと、当該上部ミラーと下部ミラーとの間に配置される活性層とを備え、前記第１半導体層及び第２半導体層の積層方向にレーザ光を射出する面発光型半導体レーザの製造方法において、
    前記下部ミラーを形成する際に、当該下部ミラーをなす前記第１半導体層の１つを、他の前記第１半導体層の厚みよりも厚みが厚い厚膜層として形成する工程と、
    前記厚膜層上に、前記第１半導体層の屈折率と前記第２半導体層の屈折率との間の屈折率を有する第３半導体層を形成する工程と、
    前記上部ミラー、前記活性層、及び前記下部ミラーを前記下部ミラーに形成された前記厚膜層までエッチングして、前記上部ミラー、前記活性層、及び前記下部ミラーの前記厚膜層上の部分を柱状形状とした柱状部を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする面発光型半導体レーザの製造方法。
  13. 前記柱状部を形成する工程は、前記厚膜層の上部をオーバーエッチングする工程を含むことを特徴とする請求項１２記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
  14. 前記第１半導体層及び前記第２半導体層は、組成が異なる混晶半導体からなり、
    前記上部ミラー、前記活性層、及び前記下部ミラーを前記下部ミラーに形成された前記厚膜層までエッチングする際に、前記組成の変化をモニタしつつエッチング量を制御することを特徴とする請求項１３記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
  15. 前記上部ミラー、前記活性層、及び前記下部ミラーの前記厚膜層までのエッチングは、ドライエッチング法を用いて行われることを特徴とする請求項１４記載の面発光型半導体レーザの製造方法。
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