JP4845055B2 - 面発光レーザ素子の製造方法および面発光レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明は、垂直共振器型の面発光レーザ素子の製造方法および面発光レーザ素子に関するものである。

従来の面発光レーザ素子として、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ミラーである上部および下部多層膜反射鏡の間に活性層を含む複数の半導体層を積層した垂直共振器型の面発光レーザ素子が開示されている（特許文献１、２参照）。また、特許文献１、２に開示される面発光レーザ素子は、メサポスト構造を有するとともに、電流経路を制限して電流注入効率を上げるための電流狭窄層を備えている。この電流狭窄層は、外周に位置するＡｌ_２Ｏ_３からなる電流狭窄部と、電流狭窄部の中心に位置し、ＡｌＡｓからなる円形の電流注入部とを有するものである。この電流注入部は、面発光レーザ素子に電流を注入した際の電流経路になるとともに、レーザ光が出射する開口部になる。

さらに、特許文献１、２に開示される面発光レーザ素子は、ｐ側円環電極からの電流注入を効率よく行なうために、複数の半導体層の最上層、およびこの最上層と電流狭窄層との間の所定位置に、ｐ^＋型半導体からなる低抵抗の電流経路層を備えている。ｐ側円環電極から注入された電流は、これらの電流経路層を電流経路として、電流狭窄層を経由して効率よく活性層まで注入される。その結果、面発光レーザ素子の発振しきい値電流は低減される。なお、半導体層の最上層の電流経路層は、ｐ側円環電極に対するコンタクト層としても機能しているので、以下ではコンタクト層と呼ぶ。

ここで、面発光レーザ素子においては、レーザ発振させるべき波長の光が上部および下部多層膜反射鏡間で定在波を形成する必要があるが、この定在波が形成される場合、下部多層膜反射鏡の最上面、および上部多層膜反射鏡の最下面がその定在波の腹の位置になる。また、上述した電流狭窄層、コンタクト層、および電流経路層は、その電気的特性が優先的に設計された層であるため、レーザ発振光を吸収、散乱するおそれがある。そのため、電流狭窄層、コンタクト層、および電流経路層は、光の定在波の節の位置に配置されることが好ましい。したがって、従来の面発光レーザ素子においては、上述した光の定在波の腹と節の位置を実現するために、各層の厚さおよび屈折率が調整されている。

さらに、特許文献１、２に開示される面発光レーザ素子は、ｐ側円環電極の開口部内のコンタクト層の表面に、リフェイズ層と呼ばれる位相調整層を備えている。この位相調整層は、窒化珪素などの誘電体からなり、コンタクト層と上部多層膜反射鏡の最下面との間に介挿され、コンタクト層が定在波の節に位置し、上部多層膜反射鏡の最下面が定在波の腹に位置するように、その光学厚さがλ／４程度に調整されている。ここで、ある層の光学厚さは、その層厚と屈折率との積で示される。

米国特許第６９１６６７２号明細書 米国特許第６７５００７１号明細書

しかしながら、本発明者らが従来構造の面発光レーザ素子を製造したところ、発振しきい値電流が設計値よりも大きくなるという問題があることを見出した。本発明者らが製造した面発光レーザ素子を精査したところ、以下の理由により素子抵抗が増大していることが判明した。

図１０は、従来構造の面発光レーザ素子の要部の模式的な断面図である。図１０に示すように、この面発光レーザ素子３００は、外周に位置する電流狭窄部３０７ａと、電流狭窄部３０７ａの中心に位置する円形の電流注入部３０７ｂとを有する電流狭窄層３０７と、ｐ型スペーサ層３０９と、ｐ^＋型電流経路層３１０と、ｐ型スペーサ層３１１と、ｐ^＋型コンタクト層３１２とが順次積層した構造を有する。また、ｐ^＋型コンタクト層３１２上にｐ側円環電極３１３が形成され、ｐ側円環電極３１３の開口部内には、窒化珪素からなる円板状の位相調整層３１４が形成されている。また、ｐ側円環電極３１３と位相調整層３１４上には、誘電体多層膜からなる上部ＤＢＲミラー３１６が形成されている。なお、活性層は電流狭窄層３０７の下方に位置している。また、少なくとも活性層からｐ^＋型コンタクト層３１２までは円柱状のメサポスト構造を有している。

本発明者らの見出したところによれば、従来構造の面発光レーザ素子３００においては、位相調整層３１４の外周とｐ側円環電極３１３の内周との間に、位相調整層３１４の外周にわたって幅０．３〜０．５μｍ程度の間隙３２１が形成されており、この間隙３２１の直下の部分において、ｐ^＋型コンタクト層３１２に溝３２４が形成されていた。本発明者らがさらに精査したところ、この溝３２４は、面発光レーザ素子３００のメサポストを形成する工程で、位相調整層３１４の外周とｐ側円環電極３１３の内周との間にエッチング液が進入してｐ^＋型コンタクト層３１２が侵食されることにより形成されていた。このような溝３２４が形成されると、ｐ^＋型コンタクト層３１２は、その部分で厚さが薄くなるか断絶するため、電気抵抗が高くなる。その結果、ｐ側円環電極３１３から注入された電流は、矢印Ａｒ３が示すように主にｐ^＋型電流経路層３１０を面方向に流れ、ｐ^＋型コンタクト層３１２には流れないため、素子抵抗が増大すると考えられる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、発振しきい値電流が小さい面発光レーザ素子の製造方法および面発光レーザ素子を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る面発光レーザ素子の製造方法は、垂直共振器型の面発光レーザ素子の製造方法であって、基板上に下部多層膜反射鏡を積層し、前記下部多層膜反射鏡上に、活性層を含むとともに最上層にコンタクト層を有する複数の半導体層を積層する積層工程と、前記コンタクト層上の一部領域に第一誘電体層を形成する第一誘電体層形成工程と、前記コンタクト層上に、中心に開口部を有する円環電極を、該開口部内に前記第一誘電体層が配置されるように形成する円環電極形成工程と、前記第一誘電体層と、該第一誘電体層と前記円環電極との間に形成された間隙とを覆うように第二誘電体層を形成する第二誘電体層形成工程と、前記円環電極をマスクとして前記積層した半導体層をメサポスト形状にエッチングするメサポスト形成工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子の製造方法は、上記発明において、前記メサポスト形成工程後に、前記第二誘電体層上に誘電体からなる上部多層膜反射鏡を形成する上部多層膜反射鏡形成工程をさらに含み、前記第一および第二誘電体層形成工程において、所望のレーザ発振波長をλとすると、前記第一および第二誘電体層を合計の光学厚さがλ／４程度となるように形成することを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子の製造方法は、上記発明において、前記第一誘電体層形成工程において、所望のレーザ発振波長をλとすると、前記第一誘電体層を、下部誘電体層と上部誘電体層との積層構造を有するとともに、該下部誘電体の光学厚さがλ／４程度となるように形成し、前記メサポスト形成工程後に、前記第二誘電体層上に誘電体からなる上部多層膜を積層して、該上部多層膜と該第二誘電体層とを含み前記上部誘電体層を最下層とする上部多層膜反射鏡を形成する上部多層膜反射鏡形成工程をさらに含むことを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子の製造方法は、上記発明において、前記積層工程は、前記コンタクト層と前記活性層との間にＡｌＡｓまたはＡｌ_１−ｘＧａ_ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）からなる被酸化層を積層する被酸化層積層工程を含み、前記メサポスト形成工程後に、前記積層した被酸化層を選択酸化熱処理してＡｌＡｓまたはＡｌ_１−ｘＧａ_ｘＡｓからなる電流注入部とＡｌ_２Ｏ_３または（Ａｌ_１−ｘＧａ_ｘ）_２Ｏ_３からなる電流狭窄部とを有する電流狭窄層を形成する電流狭窄層形成工程を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子の製造方法は、上記発明において、前記積層工程は、前記コンタクト層と前記被酸化層との間に前記コンタクト層と同程度のアクセプタ濃度を有する電流経路層を積層する電流経路層積層工程を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子の製造方法は、上記発明において、前記第一誘電体層における少なくとも前記コンタクト層に接している部分は、化学量論的組成よりも窒素の組成比が大きい窒化珪素からなることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、垂直共振器型の面発光レーザ素子であって、基板と、前記基板上に積層した下部多層膜反射鏡と、前記下部多層膜反射鏡上に積層した、メサポスト構造を有し、活性層を含むとともに最上層にコンタクト層を有する複数の半導体層と、前記コンタクト層上に形成され、中心に開口部を有するとともに前記メサポスト構造の外周と一致する外周を有する円環電極と、前記コンタクト層上の前記円環電極の開口部内に形成された第一誘電体層と、前記第一誘電体層と、該第一誘電体層と前記円環電極との間に形成された間隙とを覆うように形成された第二誘電体層と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記第二誘電体層上に形成された誘電体からなる上部多層膜反射鏡をさらに備え、所望のレーザ発振波長をλとすると、前記第一および第二誘電体層の合計の光学厚さがλ／４程度であることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記第二誘電体層上に形成された誘電体からなる上部多層膜をさらに備え、前記第一誘電体層は、下部誘電体層と上部誘電体層との積層構造を有するとともに、所望のレーザ発振波長をλとすると、該下部誘電体の光学厚さがλ／４程度であり、前記上部多層膜と前記第二誘電体層と前記上部誘電体層とが、該上部誘電体層を最下層とする上部多層膜反射鏡を構成していることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記複数の半導体層は、前記活性層と前記コンタクト層との間に、選択酸化熱処理によって形成された、ＡｌＡｓまたはＡｌ_１−ｘＧａ_ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）からなる電流注入部とＡｌ_２Ｏ_３または（Ａｌ_１−ｘＧａ_ｘ）_２Ｏ_３からなる電流狭窄部とを有する電流狭窄層を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記複数の半導体層は、前記電流狭窄層と前記コンタクト層との間に形成された、前記コンタクト層と同程度のアクセプタ濃度を有する電流経路層を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記第一誘電体層における少なくとも前記コンタクト層に接している部分は、化学量論的組成よりも窒素の組成比が大きい窒化珪素からなることを特徴とする。

また、本発明に係る面発光レーザ素子は、上記発明において、前記コンタクト層は、厚さが５０ｎｍ以下であり、アクセプタ濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３以上であり、水素濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることを特徴とする。

本発明によれば、第一誘電体層と円環電極との間に形成される間隙の直下の部分においてコンタクト層に溝が形成されず、素子抵抗の増大が防止されるので、発振しきい値電流が小さい面発光レーザ素子を実現できるという効果を奏する。

以下に、図面を参照して本発明に係る面発光レーザ素子の製造方法および面発光レーザ素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
はじめに、本発明の実施の形態１に係る面発光レーザ素子について説明する。本実施の形態１に係る面発光レーザ素子は、レーザ発振波長が１１００ｎｍ帯であり、レーザ発振波長をλとすると、合計の光学厚さがλ／４である第一および第二誘電体層を備えている。

図１は、本実施の形態１に係る面発光レーザ素子１００の模式的な断面図である。図１に示すように、この面発光レーザ素子１００は、基板１０１と、基板１０１上に形成された下部多層膜反射鏡である下部ＤＢＲミラー１０２と、バッファ層１０３と、ｎ型コンタクト層１０４と、多重量子井戸構造を有する活性層１０５と、下部傾斜組成層１０６と、外周に位置する電流狭窄部１０７ａと電流狭窄部１０７ａの中心に位置する円形の電流注入部１０７ｂとを有する電流狭窄層１０７と、上部傾斜組成層１０８と、ｐ型スペーサ層１０９と、ｐ^＋型電流経路層１１０と、ｐ型スペーサ層１１１と、ｐ^＋型コンタクト層１１２とが順次積層した構造を有する。そして、活性層１０５からｐ^＋型コンタクト層１１２までが円柱状のメサポストＭ１を構成している。

基板１０１は、アンドープのＧａＡｓからなる。また、下部ＤＢＲミラー１０２は、ＧａＡｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層の３４ペアからなる。また、ｎ型コンタクト層１０４は、ｎ型ＧａＡｓからなる。また、活性層１０５は、層数が３のＧａＩｎＮＡｓ井戸層と層数が４のＧａＡｓ障壁層が交互に積層した構造を有しており、最下層のＧａＡｓ障壁層はｎ型クラッド層としても機能する。また、電流狭窄層１０７については、電流狭窄部１０７ａはＡｌ_２Ｏ_３からなり、電流注入部１０７ｂは、直径が６〜７μｍであり、ＡｌＡｓからなる。下部傾斜組成層１０６および上部傾斜組成層１０８は、ＡｌＧａＡｓからなり、厚さ方向において電流狭窄層１０７に近づくにつれてそのＡｓ組成が段階的に増加するように構成されている。また、ｐ型スペーサ層１０９、１１１とｐ^＋型電流経路層１１０、ｐ^＋型コンタクト層１１２とは、それぞれ炭素をドープしたｐ型、ｐ^＋型のＧａＡｓからなる。なお、各ｐ型またはｎ型層のアクセプタまたはドナー濃度はたとえば１×１０^１８ｃｍ^−３程度であり、ｐ^＋型層のアクセプタ濃度はたとえば１×１０^１９ｃｍ^−３以上である。なお、ＧａＡｓからなる各半導体層の屈折率は約３．４５である。

また、ｐ^＋型コンタクト層１１２上に、Ｐｔ／Ｔｉからなり、中心に開口部１１３ａを有するとともに、メサポストＭ１の外周と一致する外周を有するｐ側円環電極１１３が形成されている。ｐ側円環電極１１３の外径は、たとえば３０μｍであり、開口部１１３ａの内径は、たとえば１１〜１４μｍである。

また、ｐ側円環電極１１３の開口部１１３ａ内には、窒化珪素（ＳｉＮ_ｘ）からなる円板状の第一誘電体層１１４が形成されている。第一誘電体層１１４の外周とｐ側円環電極１１３の内周との間には、第一誘電体層１１４の外周にわたって幅０．３〜０．５μｍ程度の間隙１２１が形成されている。

また、第一誘電体層１１４と、間隙１２１とを覆い、その外周がｐ側円環電極１１３上に到るように、ＳｉＮ_ｘからなる第二誘電体層１１５が形成されている。

さらに、第二誘電体層１１５上からメサポストＭ１の外周にわたって誘電体からなる上部多層膜反射鏡である上部ＤＢＲミラー１１６が形成されている。上部ＤＢＲミラー１１６は、たとえばＳｉＮ_ｘ／ＳｉＯ_２の１０〜１２ペアからなるが、たとえばα−Ｓｉ／ＳｉＯ_２またはα−Ｓｉ／Ａｌ_２Ｏ_３のペアを、その材料の屈折率に応じて９９％程度の適切な反射率がえられるようなペア数にしたものでもよい。また、ｎ型コンタクト層１０４は、メサポストＭ１の下部から半径方向外側に延びており、その表面にたとえばＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなる半円環状のｎ側電極１１７が形成されている。ｎ側電極１１７は、たとえば外径が８２μｍ、内径が４２μｍである。また、上部ＤＢＲミラー１１６が形成されていない領域には、表面保護のためにＳｉＮ_ｘなどの誘電体からなるパッシベーション膜１１８が形成されている。

また、ｎ側電極１１７に対して、パッシベーション膜１１８に形成された開口部を介して接触するように、Ａｕからなるｎ側引き出し電極１１９が形成されている。一方、ｐ側円環電極１１３に対しても、パッシベーション膜１１８に形成された開口部を介して接触するように、Ａｕからなるｐ側引き出し電極１２０が形成されている。そして、ｎ側電極１１７およびｐ側円環電極１１３は、それぞれｎ側引き出し電極１１９およびｐ側引き出し電極１２０によって、外部に設けた不図示の電流供給回路に電気的に接続している。

そして、この面発光レーザ素子１００は、電流供給回路からそれぞれｎ側引き出し電極１１９およびｐ側引き出し電極１２０を介してｎ側電極１１７およびｐ側円環電極１１３間に電圧を印加し、電流を注入すると、電流は主に低抵抗のｐ^＋型コンタクト層１１２とｐ^＋型電流経路層１１０とを流れ、さらに電流経路が電流狭窄層１０７によって電流注入部１０７ｂ内に狭窄されて、高い電流密度で活性層１０５に供給される。その結果、活性層１０５はキャリア注入されて自然放出光を発光する。自然放出光のうち、レーザ発振波長である波長λの光は、下部ＤＢＲミラー１０２と上部ＤＢＲミラー１１６との間で定在波を形成し、活性層１０５によって増幅される。そして、注入電流がしきい値以上になると、定在波を形成する光がレーザ発振し、ｐ側円環電極１１３の開口部１１３ａから１１００ｎｍ帯のレーザ光が出力する。

つぎに、この面発光レーザ素子１００における光の定在波と電流経路とについてより具体的に説明する。図２は、この面発光レーザ素子１００における光の定在波と電流経路とについて説明する説明図である。

はじめに、面発光レーザ素子１００における光の定在波について説明する。図２において、線Ｌ１は、活性層１０５から第二誘電体層１１５までの積層構造における位置と、その位置での定在波の振幅とを示している。ここで、ｐ型スペーサ層１０９、１１１は、光学厚さがλ／４となるように形成されている。また、第一誘電体層１１４および第二誘電体層１１５の合計の光学厚さがλ／４程度となるように形成されており、第一誘電体層１１４および第二誘電体層１１５が位相調整層として機能している。なお、この合計の光学厚さは、光学設計等の都合上、正確にλ／４の場合に限られず、λ／４程度であればよい。その結果、線Ｌ１が示すように、定在波は、活性層１０５と、第二誘電体層１１５の上面すなわち上部ＤＢＲミラー１１６の最下面とに腹ＡＮがほぼ位置し、電流狭窄層１０７とｐ^＋型電流経路層１１０とｐ^＋型コンタクト層１１２とに節Ｎがほぼ位置するように形成される。

なお、ＳｉＮ_ｘはその組成比によって屈折率が異なるから、第一誘電体層１１４および第二誘電体層１１５の具体的層厚については、その組成比に応じて以下のように決定する。たとえば、第一誘電体層１１４および第二誘電体層１１５がいずれもｘ＝１．５のＳｉＮ_ｘからなる場合、その屈折率ｎは１．８であるから、レーザ発振波長λを１１００ｎｍとすると、第一誘電体層１１４および第二誘電体層１１５の合計の層厚を、１１００／（４・１．８）、すなわち約１５２．８ｎｍとする。また、第一誘電体層１１４および第二誘電体層１１５がいずれもｘ＝１．２のＳｉＮ_ｘからなる場合、その屈折率ｎは２．２であるから、第一誘電体層１１４および第二誘電体層１１５の合計の層厚を約１２５ｎｍとする。

つぎに、図２を用いて、面発光レーザ素子１００における電流経路について説明する。この面発光レーザ素子１００においては、第二誘電体層１１５が間隙１２１を覆うように形成されている。その結果、後述するように、メサポストＭ１を形成する際などに半導体層のエッチングを行っても、間隙１２１からエッチング液が進入してｐ^＋型コンタクト層１１２を侵食するおそれがない。したがって、ｐ側円環電極１１３から注入された電流は、矢印Ａｒ１が示すように低抵抗であるｐ^＋型電流経路層１１０とｐ^＋型コンタクト層１１２とを電流経路として並列に流れるため、素子抵抗は設計どおり低く維持される。そして、電流はさらに電流狭窄層１０７によって電流注入部１０７ｂ内に狭窄されて、高い電流密度で活性層１０５に供給される。その結果、面発光レーザ素子１００の発振しきい値電流は小さくなる。なお、ｐ^＋型電流経路層１１０とｐ^＋型コンタクト層１１２との層厚は、十分に低抵抗にするとともに光の定在波に影響を及ぼさないように、いずれも５０ｎｍ以下とすることが好ましく、１５〜３０ｎｍとすることが特に好ましい。

以上説明したように、この面発光レーザ素子１００は、素子抵抗の増大が防止されるため、発振しきい値電流が小さいものとなる。

つぎに、面発光レーザ素子１００の製造方法について説明する。図３〜７は、面発光レーザ素子１００の製造方法の一例について説明する説明図である。

はじめに、エピタキシャル成長法によって、図３に示すように、基板１０１上に下部ＤＢＲミラー１０２、バッファ層１０３、ｎ型コンタクト層１０４、活性層１０５、下部傾斜組成層１０６、ＡｌＡｓからなる被酸化層１２２、上部傾斜組成層１０８、ｐ型スペーサ層１０９、ｐ^＋型電流経路層１１０、ｐ型スペーサ層１１１、ｐ^＋型コンタクト層１１２を順次積層し、さらにＣＶＤ法によって、ｐ^＋型コンタクト層１１２の一部領域に、ＳｉＮ_ｘからなる円板状の第一誘電体層１１４を形成する。

つぎに、リフトオフ法を用いて、ｐ^＋型コンタクト層１１２上に、ｐ側円環電極１１３を、開口部１１３ａ内に第一誘電体層１１４が配置されるように形成する。具体的には、まず図４に示すように、第一誘電体層１１４上とｐ^＋型コンタクト層１１２上とにネガ型のフォトレジスト１２３を塗布し、ｐ側円環電極１１３の形状のパターンＰを形成する。このとき、パターンＰは、フォトレジスト１２３の表面から深くなるにしたがって幅が拡大するように形成される。

つぎに、図５に示すように、フォトレジスト１２３の上方からＰｔ／Ｔｉ層を蒸着し、パターンＰ内のｐ^＋型コンタクト層１１２上にｐ側円環電極１１３を形成する。このとき、ｐ側円環電極１１３は、フォトレジスト１２３の最表面におけるパターンＰの形状と同じ形状に形成される。その結果、第一誘電体層１１４の外周とｐ側円環電極１１３の内周との間には、第一誘電体層１１４の外周にわたって幅０．３〜０．５μｍ程度の間隙１２１が形成される。

つぎに、図６に示すように、たとえばプラズマＣＶＤ法によって、第一誘電体層１１４と、間隙１２１とを覆うようにＳｉＮ_ｘからなる第二誘電体層１１５を形成する。このとき、第二誘電体層１１５を、ｐ側円環電極１１３の表面を完全に覆わず、ｐ側円環電極１１３の外周の領域Ａ１が露出するよう形成する。

また、第一誘電体層１１４と第二誘電体層１１５との合計の光学厚さがλ／４程度となるように第二誘電体層１１５を形成する。上述したようにＳｉＮ_ｘはその組成比によって屈折率が異なるから、第一誘電体層１１４および第二誘電体層１１５の具体的層厚については、その組成比に応じて決定する。

ところで、通常のＳｉＮ_ｘには、その生成過程においてある程度の水素が含有される。第一誘電体層１１４を構成するＳｉＮ_ｘの組成比ｘが小さいと、ＳｉＮ_ｘの密度が高くなるため、後の熱処理工程において、含有される水素の移動が制限され、ｐ^＋型コンタクト層１１２に侵入し、電気抵抗を増大させる場合がある。一方、ＳｉＮ_ｘの組成比ｘが大きいと、ＳｉＮ_ｘの密度が低くなる。その結果、熱処理工程において水素が表面から逃げやすくなるので、水素のｐ^＋型コンタクト層１１２への侵入が抑制され、電気抵抗の増大も抑制される。したがって、第一誘電体層１１４を構成するＳｉＮ_ｘの組成比ｘについては、少なくともｐ^＋型コンタクト層１１２に接している部分では大きいほうが好ましい。すなわち、たとえば第一誘電体層１１４が多層構造を有する場合、この多層構造のうち、ｐ^＋型コンタクト層１１２に接している層を構成するＳｉＮ_ｘの組成比ｘが大きいほうが好ましい。また、組成比ｘについては、特に化学量論的組成であるｘ＝１．３３よりも大きいほうが好ましい。なお、水素がｐ^＋型コンタクト層１１２に侵入した場合でも、ｐ^＋型コンタクト層１１２のアクセプタ濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３以上であり、水素濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以下であれば、ｐ^＋型コンタクト層１１２は電流経路として有効に機能するので好ましい。なお、第二誘電体層１１５はｐ^＋型コンタクト層１１２と接する面積が極めて小さいので、第二誘電体層１１５を構成するＳｉＮ_ｘの組成比ｘは特に問わないが、面発光レーザ素子１００の光学特性上の観点からは、第一誘電体層１１４と同じとすることが特に好ましい。

つぎに、ｐ側円環電極１１３を金属マスクとして、酸エッチング液等を用いてｎ型コンタクト層１０４に到る深さまで半導体層をエッチングして円柱状のメサポストＭ１を形成し、さらに別のマスクを形成し、バッファ層１０３に到る深さまでｎ型コンタクト層１０４をエッチングする。その結果、図７に示すメサポストＭ１が形成された構造が得られる。このエッチング工程においては、第二誘電体層１１５が間隙１２１を覆うように形成されているため、間隙１２１から酸エッチング液が進入してｐ^＋型コンタクト層１１２を侵食するおそれがない。また、第二誘電体層１１５を形成する際に、ｐ側円環電極１１３の外周の領域Ａ１が露出するように第二誘電体層１１５を形成しているので、第二誘電体層１１５の外周がｐ側円環電極１１３の外周からはみ出すこともない。その結果、ｐ側円環電極１１３の外周とメサポストＭ１の外周とが高精度に一致するようにすることができる。

つぎに、水蒸気雰囲気中において熱処理を行って、被酸化層１２２をメサポストＭ１の外周側から選択酸化する。このとき、被酸化層１２２においてＡｌＡｓ＋Ｈ_２Ｏ→Ａｌ_２Ｏ_３＋ＡｓＨ_３なる化学反応が起こり、被酸化層１２２の外周側からＡｌＡｓがＡｌ_２Ｏ_３となり、電流狭窄部１０７ａが形成される。上記化学反応は被酸化層１２２の外周側から均一に進行するので、中心にはＡｌＡｓからなる電流注入部１０７ｂが形成される。ここでは、熱処理時間等を調整して、電流注入部１０７ｂの直径が６〜７μｍになるようにする。このように電流注入部１０７ｂを形成するので、メサポストＭ１の中心と、電流注入部１０７ｂの中心と、さらにｐ側円環電極１１３の開口部１１３ａの中心とを高精度に一致させることができる。その結果、面発光レーザ素子１００を歩留まり良く単一横モードレーザとすることができる。

なお、上記の化学反応によって生成したＡｓＨ_３は飛散する。飛散したＡｓＨ_３は、ｐ側円環電極１１３の露出した領域Ａ１において、ｐ側円環電極１１３に含まれるＰｔと、Ｐｔ＋ＡｓＨ_３→ＰｔＡｓ_２＋３Ｈ_２なる化学反応を起こす。その結果、ｐ側円環電極１１３は露出した領域Ａ１において変質し、電気抵抗が増大するが、第二誘電体層１１５で覆われた領域はそのような変質から保護され、低抵抗のままである。

つぎに、メサポストＭ１の外周側のｎ型コンタクト層１０４の表面に、半円環状のｎ側電極１１７を形成する。つぎに、全面にパッシベーション膜１１８を形成した後、ｎ側電極１１７およびｐ側円環電極１１３上においてパッシベーション膜１１８および第二誘電体層１１５に開口部を形成し、これらの開口部を介してｎ側電極１１７に接触するｎ側引き出し電極１１９と、ｐ側円環電極１１３に接触するｐ側引き出し電極１２０を形成する。

つぎに、ＣＶＤ法を用いて上部ＤＢＲミラー１１６を形成した後に、基板１０１の裏面を研磨し、基板１０１の厚さをたとえば１５０μｍに調整する。その後、素子分離を行い、図１に示す面発光レーザ素子１００が完成する。

つぎに、本発明の実施例として、上記の製造方法によって、図１に示す構造を有する面発光レーザ素子を製造した。この際、第一誘電体層および第二誘電体層を構成するＳｉＮ_ｘとして、組成比ｘがｘ＝１．３３のもの（実施例１）と、１．５のもの（実施例２）を用いた。一方、比較例として、上記の製造方法とほぼ同様であるが、組成比ｘがｘ＝１．３３のＳｉＮ_ｘからなる第一誘電体層を、その光学厚さがλ／４となるように形成し、第二誘電体層を形成せずに、面発光レーザ素子を製造した。

これらの面発光レーザ素子の素子抵抗を測定したところ、比較例のものは１００Ωであったが、実施例１のものは８０Ωであり、実施例２のものは７０Ωであった。すなわち、実施例１のものは、第二誘電体層がｐ^＋型コンタクト層の侵食を防止する結果、第二誘電体層のない比較例のものよりも素子抵抗が低減したと考えられる。さらに、実施例２のものは、第二誘電体層の侵食防止効果に加え、第一誘電体層および第二誘電体層に含有される水素のｐ^＋型コンタクト層への侵入が防止された結果、さらに素子抵抗が低減したものと考えられる。また、実施例１、２の面発光レーザ素子は、それらの素子抵抗の低減を反映して、高周波特性におけるインピーダンス整合性の向上や、ＣＲ（容量及び抵抗性分）による帯域制限の抑制の効果が期待できる。

（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２に係る面発光レーザ素子について説明する。本実施の形態２に係る面発光レーザ素子は、実施の形態１に係る面発光レーザ素子と同様に、レーザ発振波長が１１００ｎｍ帯であるが、第二誘電体層を上部多層膜反射鏡の一部としている点が異なる。

図８は、本実施の形態２に係る面発光レーザ素子２００の模式的な断面図である。なお、図１に示す面発光レーザ素子１００と同一要素には同一符号を付している。図８に示すように、この面発光レーザ素子２００は、面発光レーザ素子１００と同様の構造を有する。しかしながら、面発光レーザ素子１００とは異なり、ｐ側円環電極１１３の開口部１１３ａ内に形成された円板状の第一誘電体層２１４は、ＳｉＮ_ｘからなる下部誘電体層２１４ａと、下部誘電体層２１４ａ上に積層したＳｉＯ_２からなる上部誘電体層２１４ｂとの積層構造を有する。また、下部誘電体層２１４ａは、その光学厚さがλ／４程度となるように形成されている。

また、第一誘電体層２１４の外周とｐ側円環電極１１３の内周との間には、第一誘電体層２１４の外周にわたって幅０．３〜０．５μｍ程度の間隙２２１が形成されている。また、第一誘電体層２１４と、間隙２２１とを覆い、その外縁がｐ側円環電極１１３上に到るように、ＳｉＮ_ｘからなる第二誘電体層２１５が形成されている。

さらに、第二誘電体層２１５上からメサポストＭ１の外周にわたって誘電体からなる上部多層膜２１６が形成されている。上部多層膜２１６は、たとえばＳｉＮ_ｘ／ＳｉＯ_２の１０〜１２ペアからなる。

この面発光レーザ素子２００における光の定在波と電流経路とについて説明する。図９は、この面発光レーザ素子２００における光の定在波と電流経路とについて説明する説明図である。

はじめに、面発光レーザ素子２００における光の定在波について説明する。図９において、線Ｌ２は、活性層１０５から第二誘電体層２１５までの積層構造における位置と、その位置での定在波の振幅とを示している。この面発光レーザ素子２００においては、上部誘電体層２１４ｂと、第二誘電体層２１５と、上部多層膜２１６とが上部ＤＢＲミラーを構成しており、上部誘電体層２１４ｂの下面が上部ＤＢＲミラーの最下面となっている。すなわち、上部誘電体層２１４ｂと、第二誘電体層２１５とが、ＤＢＲミラーの最下部の１ペアを形成している。また、下部誘電体層２１４ａは光学厚さがλ／４程度となるように形成されており、位相調整層として機能している。その結果、線Ｌ２が示すように、定在波は、活性層１０５と上部誘電体層２１４ｂの下面すなわち上部ＤＢＲミラーの最下面とに腹ＡＮがほぼ位置し、電流狭窄層１０７とｐ^＋型電流経路層１１０とｐ^＋型コンタクト層１１２とに節Ｎがほぼ位置するように形成される。

つぎに、面発光レーザ素子２００における電流経路について説明する。この面発光レーザ素子２００においては、第二誘電体層２１５が間隙２２１を覆うように形成されている。その結果、面発光レーザ素子１００と同様に、ｐ側円環電極１１３から注入された電流は、矢印Ａｒ２が示すように低抵抗であるｐ^＋型電流経路層１１０とｐ^＋型コンタクト層１１２とを電流経路として並列に流れるため、素子抵抗は設計どおり低く維持される。その結果、面発光レーザ素子１００の発振しきい値電流は小さくなる。

なお、面発光レーザ素子２００は、上述した面発光レーザ素子１００の製造方法と同様の方法で製造できる。

以上説明したように、この面発光レーザ素子２００は、素子抵抗の増大が防止されるため、発振しきい値電流が小さいものとなる。

なお、上記実施の形態では、被酸化層はＡｌＡｓからなるものであったが、Ａｌ_１−ｘＧａ_ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）からなるものでもよい。被酸化層がＡｌ_１−ｘＧａ_ｘＡｓからなる場合は、電流狭窄層は、電流狭窄部が（Ａｌ_１−ｘＧａ_ｘ）_２Ｏ_３からなり、電流注入部がＡｌ_１−ｘＧａ_ｘＡｓからなるものとなる。

また、上記実施の形態では、リフトオフ法を用いてｐ側円環電極を形成しているが、ｐ側円環電極の形成方法については特に限定されない。他の方法でｐ側円環電極を形成する場合であっても、ｐ側円環電極と第一誘電体層との間には、その材質の相違によって間隙が形成されるため、本発明を適用してその効果を得ることができる。

また、上記実施の形態では、コンタクト層を含め電流経路層が２層形成されているが、電流経路層がコンタクト層のみであっても、あるいは３層以上であっても、本発明の効果を奏するものとできる。

本発明の実施の形態１に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。 図１に示す面発光レーザ素子における光の定在波と電流経路とについて説明する説明図である。 図１に示す面発光レーザ素子の製造方法について説明する説明図である。 図１に示す面発光レーザ素子の製造方法について説明する説明図である。 図１に示す面発光レーザ素子の製造方法について説明する説明図である。 図１に示す面発光レーザ素子の製造方法について説明する説明図である。 図１に示す面発光レーザ素子の製造方法について説明する説明図である。 本発明の実施の形態２に係る面発光レーザ素子の模式的な断面図である。 図８に示す面発光レーザ素子における光の定在波と電流経路とについて説明する説明図である。 従来構造の面発光レーザ素子の要部の模式的な断面図である。

符号の説明

１００〜３００ 面発光レーザ素子
１０１ 基板
１０２ 下部ＤＢＲミラー
１０３ バッファ層
１０４ ｎ型コンタクト層
１０５ 活性層
１０６ 下部傾斜組成層
１０７、３０７ 電流狭窄層
１０７ａ、３０７ａ 電流狭窄部
１０７ｂ、３０７ｂ 電流注入部
１０８ 上部傾斜組成層
１０９、１１１、３０９、３１１ ｐ型スペーサ層
１１０、３１０ ｐ^＋型電流経路層
１１２、３１２ ｐ^＋型コンタクト層
１１３、３１３ ｐ側円環電極
１１３ａ 開口部
１１４，２１４ 第一誘電体層
１１５、２１５ 第二誘電体層
１１６、３１６ 上部ＤＢＲミラー
１１７ ｎ側電極
１１８ パッシベーション膜
１１９ ｎ側引き出し電極
１２０ ｐ側引き出し電極
１２１〜３２１ 間隙
１２２ 被酸化層
１２３ フォトレジスト
２１４ａ 下部誘電体層
２１４ｂ 上部誘電体層
２１６ 上部多層膜
３１４ 位相調整層
３２４ 溝
Ａ１ 領域
ＡＮ 腹
Ａｒ１〜Ａｒ３ 矢印
Ｌ１、Ｌ２ 線
Ｍ１ メサポスト
Ｎ 節
Ｐ パターン

Claims (13)

1. 垂直共振器型の面発光レーザ素子の製造方法であって、
   基板上に下部多層膜反射鏡を積層し、前記下部多層膜反射鏡上に、活性層を含むとともに最上層にコンタクト層を有する複数の半導体層を積層する積層工程と、
   前記コンタクト層上の一部領域に第一誘電体層を形成する第一誘電体層形成工程と、
   前記コンタクト層上に、中心に開口部を有する円環電極を、該開口部内に前記第一誘電体層が配置されるように形成する円環電極形成工程と、
   前記第一誘電体層と、該第一誘電体層と前記円環電極との間に形成された間隙とを覆うように第二誘電体層を形成する第二誘電体層形成工程と、
   前記円環電極をマスクとして前記積層した半導体層をメサポスト形状にエッチングするメサポスト形成工程と、
   前記メサポスト形成工程後に、前記第二誘電体層上に誘電体からなる上部多層膜反射鏡を形成する上部多層膜反射鏡形成工程と、
   を含み、
   前記第一および第二誘電体層形成工程において、所望のレーザ発振波長をλとすると、前記第一および第二誘電体層を合計の光学厚さがλ／４程度となるように形成することを特徴とする面発光レーザ素子の製造方法。
2. 垂直共振器型の面発光レーザ素子の製造方法であって、
   基板上に下部多層膜反射鏡を積層し、前記下部多層膜反射鏡上に、活性層を含むとともに最上層にコンタクト層を有する複数の半導体層を積層する積層工程と、
   前記コンタクト層上の一部領域に第一誘電体層を形成する第一誘電体層形成工程と、
   前記コンタクト層上に、中心に開口部を有する円環電極を、該開口部内に前記第一誘電体層が配置されるように形成する円環電極形成工程と、
   前記第一誘電体層と、該第一誘電体層と前記円環電極との間に形成された間隙とを覆うように第二誘電体層を形成する第二誘電体層形成工程と、
   前記円環電極をマスクとして前記積層した半導体層をメサポスト形状にエッチングするメサポスト形成工程と、
   前記メサポスト形成工程後に、前記第二誘電体層上に誘電体からなる上部多層膜反射鏡を形成する上部多層膜反射鏡形成工程と、
   を含み、
   前記第一誘電体層形成工程において、所望のレーザ発振波長をλとすると、前記第一誘電体層を、下部誘電体層と上部誘電体層との積層構造を有するとともに、該下部誘電体の光学厚さがλ／４程度となるように形成し、
   前記上部多層膜反射鏡形成工程において、前記第二誘電体層上に誘電体からなる上部多層膜を積層して、該上部多層膜と該第二誘電体層とが含まれ前記上部誘電体層が最下層である上部多層膜反射鏡を形成することを特徴とする面発光レーザ素子の製造方法。
3. 前記第二誘電体層形成工程において、前記第二誘電体層を、前記円環電極の少なくとも一部を覆うように形成す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素子の製造方法。
4. 前記積層工程は、前記コンタクト層と前記活性層との間にＡｌＡｓまたはＡｌ_１−ｘＧａ_ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）からなる被酸化層を積層する被酸化層積層工程を含み、
   前記メサポスト形成工程後に、前記積層した被酸化層を選択酸化熱処理してＡｌＡｓまたはＡｌ_１−ｘＧａ_ｘＡｓからなる電流注入部とＡｌ_２Ｏ_３または（Ａｌ_１−ｘＧａ_ｘ）_２Ｏ_３からなる電流狭窄部とを有する電流狭窄層を形成する電流狭窄層形成工程を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子の製造方法。
5. 前記積層工程は、前記コンタクト層と前記被酸化層との間に前記コンタクト層と同程度のアクセプタ濃度を有する電流経路層を積層する電流経路層積層工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の面発光レーザ素子の製造方法。
6. 前記第一誘電体層における少なくとも前記コンタクト層に接している部分は、化学量論的組成よりも窒素の組成比が大きい窒化珪素からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子の製造方法。
7. 垂直共振器型の面発光レーザ素子であって、
   基板と、
   前記基板上に積層した下部多層膜反射鏡と、
   前記下部多層膜反射鏡上に積層した、メサポスト構造を有し、活性層を含むとともに最上層にコンタクト層を有する複数の半導体層と、
   前記コンタクト層上に形成され、中心に開口部を有するとともに前記メサポスト構造の外周と一致する外周を有する円環電極と、
   前記コンタクト層上の前記円環電極の開口部内に形成された第一誘電体層と、
   前記第一誘電体層と、該第一誘電体層と前記円環電極との間に形成された間隙とを覆うように形成された第二誘電体層と、
   前記第二誘電体層上に形成された誘電体からなる上部多層膜反射鏡と、
   を備え、
   所望のレーザ発振波長をλとすると、前記第一および第二誘電体層の合計の光学厚さがλ／４程度であることを特徴とする面発光レーザ素子。
8. 垂直共振器型の面発光レーザ素子であって、
   基板と、
   前記基板上に積層した下部多層膜反射鏡と、
   前記下部多層膜反射鏡上に積層した、メサポスト構造を有し、活性層を含むとともに最上層にコンタクト層を有する複数の半導体層と、
   前記コンタクト層上に形成され、中心に開口部を有するとともに前記メサポスト構造の外周と一致する外周を有する円環電極と、
   前記コンタクト層上の前記円環電極の開口部内に形成された第一誘電体層と、
   前記第一誘電体層と、該第一誘電体層と前記円環電極との間に形成された間隙とを覆うように形成された第二誘電体層と、
   前記第二誘電体層上に形成された誘電体からなる上部多層膜反射鏡と、
   を備え、
   前記第一誘電体層は、下部誘電体層と上部誘電体層との積層構造を有するとともに、所望のレーザ発振波長をλとすると、該下部誘電体の光学厚さがλ／４程度であり、
   前記第二誘電体層上に形成された誘電体からなる上部多層膜と前記第二誘電体層と前記上部誘電体層とが、該上部誘電体層を最下層とする前記上部多層膜反射鏡を構成していることを特徴とする面発光レーザ素子。
9. 前記第二誘電体層は、前記円環電極の少なくとも一部を覆うように形成されていることを特徴とする請求項７または８に記載の面発光レーザ素子。
10. 前記複数の半導体層は、前記活性層と前記コンタクト層との間に、選択酸化熱処理によって形成された、ＡｌＡｓまたはＡｌ_１−ｘＧａ_ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）からなる電流注入部とＡｌ_２Ｏ_３または（Ａｌ_１−ｘＧａ_ｘ）_２Ｏ_３からなる電流狭窄部とを有する電流狭窄層を備えたことを特徴とする請求項７〜９のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
11. 前記複数の半導体層は、前記電流狭窄層と前記コンタクト層との間に形成された、前記コンタクト層と同程度のアクセプタ濃度を有する電流経路層を備えたことを特徴とする請求項１０に記載の面発光レーザ素子。
12. 前記第一誘電体層における少なくとも前記コンタクト層に接している部分は、化学量論的組成よりも窒素の組成比が大きい窒化珪素からなることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。
13. 前記コンタクト層は、厚さが５０ｎｍ以下であり、アクセプタ濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３以上であり、水素濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることを特徴とする請求項７〜１２のいずれか一つに記載の面発光レーザ素子。

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