JP2006508550A

JP2006508550A - 面発光型半導体レーザの埋込トンネル接合の製造方法

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Publication number: JP2006508550A
Application number: JP2005510225A
Authority: JP
Inventors: アマン、マルクス−クリスチアン
Original assignee: フェルティラスゲーエムベーハー
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2003-11-06
Publication date: 2006-03-09
Also published as: ES2266882T3; ATE333158T1; KR20050085176A; DE50304250D1; US20060126687A1; EP1568112B1; DK1568112T3; AU2003286155A1; AU2003286155A8; WO2004049461A2; CA2503782A1; WO2004049461A3; EP1568112A2

Abstract

【課題】より妥当な価格的でかつより大きな生産性（歩留まり）で製造することが可能なとりわけ埋込トンネル接合を有するＩｎＰ系面発光型レーザダイオード（ＢＴＪ−ＶＣＳＥＬ）を提供すること。
【解決手段】第１のｎドープ半導体層と少なくとも１つのｐドープ半導体層とによって包囲されるｐｎ接合を有する活性層、及び該活性層のｐ側に位置しかつ第２のｎドープ半導体層と隣接するトンネル接合を有する面発光型半導体レーザの埋込トンネル接合の製造方法であって、トンネル接合（１）のために提供される層は、第１の工程において、物質選択性エッチングによって、前記トンネル接合（１）の所望の直径に至るまで横方向に刻削され、及び第２の工程において、エッチングにより形成された空隙が前記トンネル接合（１）と隣接する少なくとも１つの半導体層（２、３）からのマストランスポートによって閉塞されるまで適切な雰囲気中で加熱されることを特徴とする。

Description

本発明は、面発光型半導体レーザの埋込トンネル接合の製造方法及びそのような半導体レーザに関する。

面発光型レーザダイオード（英語のVertical-Cavity-Surface-Emitting Laser：VCSEL）は、半導体チップの表面に対し垂直に光の放射が行われる半導体レーザである。伝統的な端部発光型レーザダイオードと比べると、面発光型レーザダイオードは、種々の利点、例えば電気的エネルギの消費が少ない、オン・ウエハでレーザダイオードを直接検査することが可能、光ファイバに容易に結合（入射）可能、（複数の）縦単一モードスペクトル（longitudinale Einmodenspektren）、複数の面発光型レーザダイオードを組合せて二次元のマトリックス（アレー）を形成することが可能等の利点がある。

光ファイバを用いた通信技術の分野では、波長依存性の分散ないし吸収の観点から、凡そ１．３〜２μｍの波長領域、とりわけ１．３１μｍ又は１．５５μｍ付近の波長のＶＣＳＥＬに対する需要がある。とりわけ１．３μｍより長い波長領域のための、種々の有用な特性を有する長波長レーザダイオードは、従来は、ＩｎＰ系化合物半導体で製造されていた。ＧａＡｓ系ＶＣＳＥＬは、１．３μｍ未満のより短い波長領域に適する。従来は、以下のような方策が図られていた：

１．５５μｍで１ｍＷの出力で放射する連続波ＶＣＳＥＬは、例えば、複数の変成層（metamorphen Schichten）ないし複数のミラーを有するＩｎＰ基板から構成される（IEEE Photonics Technology Letters, Volume 11, Number 6, June 1999, 629〜631頁）。更に、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ活性領域とＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓミラー（複数）とのウエハ結合によって製造される１．５２６μｍで連続的に放射するＶＣＳＥＬが提案された（Applied Physics Letters, Volume 78, Number 18, 2632〜2633頁、2001年4月30日）。ＩＥＥＥＩＳＬＣ２００２、１４５頁〜１４６頁には、空気−半導体ミラー（ＩｎＰ−空隙−ＤＢＲｓ、分散配置型（Distributed）ブラッグ反射器用）を有するＶＣＳＥＬが提案されている。このＶＣＳＥＬでは、活性領域と上側ＤＢＲミラーとの間にトンネル接合が形成され、トンネル接合層のアンダーカットエッチング（Unteraetzen）によって電流制限が行われる。残ったトンネル接合領域を包囲する空気間隙は、光学場（optisches Feld）の光波ガイドないし導波路（Wellenfuehrung）として機能する。

更に、第２６回欧州光通信国際会議ＥＣＯＣ２０００の刊行物“88℃, Continuous-Wave Operation of 1.55 μm Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers”から、アンチモン系ミラー（複数）を有するＶＣＳＥＬが知られている。このＶＣＳＥＬでは、アンダーカットされたＩｎＧａＡｓ活性領域は、何れもＡｌＧａＡｓＳｂ−ＤＢＲ−ミラーと接続するｎドープされた２つのＩｎＰ層によって包囲されている。
ＤＥ１０１０７３４９ＡＵＳ５，６６１，０７５Ａ Liau Z L et. al., "A novel technique for GaInAsP/InP buried heterostructure laser fabrication", APPLIED PHYSICS LETTERS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, NEW YORK, US, 40(7), April 1, 1982, pp.568-570, XP000706414 ISSN: 0003-6951

尤も、出力、作動温度領域及び変調バンドギャップに関する最良の特性を有するのは、埋込トンネル接合（英語のBuried Tunnel Junction：BTJ）を有するＶＣＳＥＬである。埋込トンネル接合の製造及び構造は、図１を参酌して以下説明する。分子線エピタキシ（英語のMolecular Beam Epitaxy：MBE）によって、小さいバンドギャップ（Bandabstand）を有する高ドープｐ^＋／ｎ^＋層対１０１、１０２が形成される。この２つの層の間に、固有のトンネル接合（eigentlicher Tunnelkontakt）１０３が形成される。反応性イオンエッチング（英語のReactive Ion Etching：RIE）によって、実質的にｎ^＋ドープ層１０２、トンネル接合１０３及び一部又は全部のｐ^＋ドープ層１０１にわたって円形又は楕円形（の横断面の筒状）の領域が形成される。この領域は、第２のエピタキシ過程（Durchlauf）においてｎドープＩｎＰ（層１０４）によって被覆成長（堆積）されるため、トンネル接合１０３は「埋め込め」られる。被覆成長（堆積）層１０４とｐ^＋ドープ層１０１との間の接合領域は、電圧を印加する際、遮断層（Sperrschicht）として作用する。電流は、典型的には３×１０^−６Ωｃｍ^２の抵抗を有するトンネル接合を流れる。このため、電流の流れを、活性領域１０８の固有の領域（eigentlicher Bereich）に制限することができる。更に、電流は高抵抗のｐドープ層から低抵抗のｎドープ層へ流れるので、熱の発生も少ない。

トンネル接合の被覆成長（堆積）により僅かに厚さの変化が生じるが、この厚さ変化は横方向の光波ガイドないし導波（laterale Wellenfuehrung）に関し不都合な作用を及ぼすため、とりわけアパーチャがより大きい場合、より高次の横モードが容易に発生する。従って、とりわけ光ファイバ光通信技術において必要とされる単一モードでの作動を実現するためには、小さなアパーチャとこれに応じた小さなレーザ出力しか使用することができない。このコンセプトの更なる欠点は、埋込トンネル接合の被覆成長（堆積）に必要なエピタキシ過程が２回行われる必要があるということである。この場合も、ＧａＡｓ系短波長ＶＣＳＥＬと同様に、製造プロセスが、製造及びコスト上の観点から、エピタキシ過程がただ１回しか存在しないのであれば大いに有利であろうに。

埋込トンネル接合（複数）を有するＶＣＳＥＬの例及び応用は、例えば、“Low-threshold index-guided 1.5 μm long wavelength vertical-cavity surface-emitting laser with high efficiency”, Applied Physics Letter, Volume 76, Number 16, 2179頁〜2181頁、2000年4月17日；“Long Wavelength Buried-Tunnel-Junction Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers”, Adv. in Solid State Phys. 41, 75〜85頁, 2001年; “Vertical-cavity surface-emitting laser diodes at 1.55 μｍ with large output power and high operation temperature”, Electronics Letters, Volume 37, Number 21, 1295頁〜1296頁, 2001年10月11日；“90℃ Continuous-Wave Operation of 1.83 μm Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers”, IEEE Photonics Technology Letters, Volume 12, Number 11, 1435頁〜1437頁, 2000年11月；及び“High-speed modulation up to 10 Gbit/s with 1.55 μm wavelength InGaAlAs VCSELs”, Electronics Letters, Volume 38, Number 20, 2002年9月26日に記載されている。

以下に、図１に示した埋込トンネル接合の構造から出発し、上記の文献に記載されているＩｎＰ系ＶＣＳＥＬの構造を図２を用いて簡単に説明する。

埋込トンネル接合（ＢＴＪ）は、図２に示した構造では図１に示したものと（積層方向に関し）反対向きに配されており、活性領域１０６は、ｐ^＋ドープ層１０１とｎ^＋ドープ層１０２との間の直径Ｄ_ＢＴＪを有するトンネル接合の上方に配されている。レーザビームは、矢印１１６で示された方向に出射する。活性領域１０６は、ｐドープ層１０５（ＩｎＡｌＡｓ）とｎドープ層１０８（ＩｎＡｌＡｓ）とによって包囲されて（挟まれて）いる。活性領域１０６の上方に配された前部ミラー１０９は、凡そ３５層対のＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓを有するエピタキシャルＤＢＲから構成されるため、反射率は凡そ９９．４％になる。後部ミラー１１２は、ＤＢＲとしての誘電性積層体から構成されかつ金層で封鎖（鍍金）されるので、反射率は凡そ９９．７５％になる。絶縁層１１３は、ｎ−ＩｎＰ層１０４と、多くの場合金又は銀で構成されるｐ側コンタクト層１１４とが直接接触するのを阻止する（DE 101 07 349 A1（特許文献１）参照）。

誘電性ミラー１１２と一体化（組込）コンタクト層１１４とヒートシンク１１５とを組合せることにより、エピタキシャル多層構造と比べて熱伝導性は著しく大きくすることができる。電流は、コンタクト層１１４を介してないし一体化（組込）ヒートシンク１１５及びｎ側電極１１０を介して流入する。図２に示したタイプのＶＣＳＥＬの製造に関する更なる詳細及び特性については、上掲した各文献を参照されたい。

本発明の課題は、より妥当な価格的でかつより大きな生産性（歩留まり）で製造することが可能な埋込トンネル接合を有する、とりわけＩｎＰ系の、面発光型レーザダイオード（ＢＴＪ−ＶＣＳＥＬ）を提供することである。更に、アパーチャがより大きい場合であっても、安定的に横単一モードで作動することが可能であり、そのため全体としてより大きな単一モード出力が実現可能であることが望ましい。

第１のｎドープ半導体層と少なくとも１つのｐドープ半導体層とによって包囲される（挟まれる）ｐｎ接合を有する活性層、及び該活性層のｐ側に位置しかつ第２のｎドープ半導体層と隣接するトンネル接合を有する面発光型半導体レーザの埋込トンネル接合を製造するための本発明の方法は、以下の工程を有する：第１の工程では、トンネル接合のために提供される層（トンネル接合提供層）が、物質選択性エッチングによって、トンネル接合の所望の直径に至るまで横方向（径方向ないし面に平行な方向）に刻削され、その結果、トンネル接合を包囲する食刻空隙が形成される。次いで、第２の工程において、この食刻（エッチング）により形成された空隙（食刻空隙）がトンネル接合と隣接する半導体層の少なくとも１つからのマストランスポートによって閉塞（充塞）されるまで適切な雰囲気中で加熱される。トンネル接合と隣接する（境界を接する）半導体層（複数）は、トンネル接合の活性領域（層）に背向する側（反対側）に配されるｎドープ半導体層と、トンネル接合の活性領域（層）に指向する側に配されるｐドープ半導体層である。

上記マストランスポート技術（“Mass-Transport”-Technik：MTT）は、トンネル接合と隣接する半導体層の少なくとも１つがリン化合物（Phosphid）、とりわけＩｎＰから構成されている場合、特に有利である。

本発明により、上述の「マストランスポート」技術を使用することによって、２回のエピタキシ過程に関する問題も、一体に組込まれた（eingebaute）横方向の光波ガイドないし導波路に関する問題も解決される。ＭＴＴは、２回目のエピタキシ過程の代わりとなり、かつそうでなければ生じるべき横方向の厚さ変化と、その結果としての大きな横方向の光波ガイドないし導波（路）は生じない。トンネル接合の埋込は、被覆成長（堆積）によっては最早行われず、トンネル接合層の部分的食刻（ないしアンダーカットエッチング：Unteraetzung）、次いで（少なくとも１つの）隣接層からのマストランスポートによる該食刻により形成された領域（食刻空隙）の閉塞（充塞）によって行われる。このため、面発光型レーザダイオードは、より妥当な価格でかつより大きな生産性ないし歩留まりで製造することができる。更に、アパーチャがより大きい場合であっても、安定的に横単一モードで作動することができ、そのためより大きな単一モード出力が達成される。

マストランスポート技術は、８０年代の初頭に他の関連分野において、ＩｎＰ基板上のいわゆる埋込へテロ構造（ＢＨ）レーザダイオードの埋込活性層の製造に使用された（“Study and Application of the Mass-Transport Phenomenon in InP”, Journal of Applied Physics 54(5), May 1983, 2407頁〜2411頁、及び“A Novel Technique for GaInAsP/InP Buried Heterostructure Laser Fabrication”, Applied Physics Letters 40(7), April 1, 1982, 568頁〜570頁参照）。尤も、この方法は、著しい劣化（デグラデーション）問題のため不利であることが判明している。ＭＴＴによって製造されたレーザ（ダイオード）のこのデグラデーションは、ＭＴＴによっては十分な質で保護することができない活性領域（層）の食刻により形成された側面ないし周面（食刻側面ないし周面）部の侵食に起因する。マストランスポート技術の詳細及び実施については、上述の各文献を参照されたい。

有用なＢＨレーザ（ダイオード）の実現を妨げてきたマストランスポート技術を施す際の上述の変質（劣化）機構は、トンネル接合内ではレーザ（ダイオード）の活性領域（層）内の場合のような高励起電子正孔プラズマは存在せず従ってデグラデーション問題を引き起こす表面再結合は生じないので、トンネル接合の埋込みの際には関与しないことが判明した。

「マストランスポート」−ＶＣＳＥＬ（ＭＴ−ＶＣＳＥＬ）の開発は、とりわけＩｎＰ基板上の、技術的により簡単に製造することができかつ単一モードの最大出力に関しより良好な長波長ＶＣＳＥＬを可能とする。

マストランスポートプロセスは、対象物の加熱の間に例えばＨ_２とＰＨ_３とからなるリン雰囲気中で実行されるのが好ましい。好ましい温度範囲は、５００〜８００℃であるが、より好ましくは５００〜７００℃である。マストランスポート技術は、ウエハを流動雰囲気中のＨ_２とＰＨ_３とによって処理する間に６７０℃に加熱し、更に所定時間の間この温度で保持する（処理時間は全体で凡そ１時間）ことにより行うことができる。実験によれば、水素雰囲気中でのＩｎＰ層の処理によっても、ＩｎＰのマストランスポートを行うことができた。

食刻により形成された空隙（Spalt）は、マストランスポートプロセスによって閉塞（充塞）されることにより、トンネル接合は埋め込められる。ＩｎＰのバンドギャップは大きくかつドーピングは僅かであるため、トンネル接合に隣接し（境界を接し）マストランスポートによって閉塞（充塞）された領域はトンネル接合性を示さないため、当該領域は電流の流れを遮断する。他方、この領域は、ＩｎＰは熱伝導性が大きいので、本質上熱の消散（放熱）に寄与する。

本発明により面発光型レーザダイオードを製造するためには、活性領域（層）のｐ側に、順に、ｐドープされた（ｐドープ）半導体層、トンネル接合のために提供された層及び次いで第２のｎドープ半導体層が配されてなるエピタキシャル出発構造から出発し、そこでまず、フォトリソグラフィ及び／又はエッチング（例えば反応性イオンエッチング（英語のReactive Ion Etching；RIE））によって、（横断面が）円形又は楕円形の筒状体が形成され（この筒状体の側面ないし周面は、層（の面）に対する垂直方向において、第２のｎドープ半導体層とトンネル接合のために提供された層とを包囲し、かつトンネル接合層の少なくとも下部（下面ないし底面）に至るまで延在する）、次いで、トンネル接合層を本発明に応じて部分的に食刻（ないしアンダーカット：Unteraetzen）し、マストランスポートによるトンネル接合の埋め込みを実行することが有利である。

このようにして得られた構造は、面発光型レーザダイオードの製造に理想的である。

本発明の更なる一実施形態では、活性層のｐ側の、トンネル接合の活性領域（層）に背向する側に、第２のｎドープ半導体層に隣接する更なる半導体層が配される。この更なる半導体層は、第３のｎドープ半導体層と隣接する。この更なる半導体層も同様に、まず、物質選択性エッチングによって所望の直径に至るまで横方向（半径方向）に刻削され、次いで、食刻により形成された空隙が、当該更なる半導体層と隣接するｎドープ半導体層の少なくとも１つからのマストランスポートによって閉塞（充塞）されるまで、適切な雰囲気中で加熱される。

この場合、横方向の物質選択性エッチング及びマストランスポートプロセスは、本発明の埋込トンネル接合の作成と同時に実行するのが好ましい。

トンネル接合のための材料、例えばＩｎＧａＡｓとは異なる材料、例えばＩｎＧａＡｓＰを更なる半導体層に対して使用する場合、異なる横方向エッチングを使用することができるため、更なる半導体層の直径によって規定される横方向の光波ガイドないし導波は、トンネル接合の直径に相応する直径を有する活性領域（層）よりも幅広とすることができる。この実施形態により、制御可能でかつ電流アパーチャに依存しない横方向の光波ガイドないし導波の調整が可能となる。このため、この更なる半導体層は、縦方向（高さ方向）の電界の節に配されるのではなく、例えば腹（最大値）に配される。

更なる半導体層のバンドギャップは、光の吸収を回避するために、活性領域（層）のバンドギャップより大きいことが望ましい。

物質選択性エッチングについては、トンネル接合がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＧａＡｌＡｓから構成される場合、３：１：１〜３：１：２０の比のＨ_２ＳＯ_４：Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２Ｏエッチング剤を用いたウェットケミカルエッチングが有利であることが判明した。

本発明の方法に応じて作成された面発光型半導体レーザの埋込トンネル接合は、多くの利点を有する：トンネル接合を第２のエピタキシプロセスによって被覆成長（成膜）する従来の方策とは異なり、エピタキシプロセスは１回しか必要とされないため、レーザダイオードをより妥当な価格でかつより大きな生産性ないし歩留まりで製造することができる。更に、マストランスポートプロセスのためにＩｎＰを使用する場合、トンネル接合を横方向（半径方向）に取り囲む領域が形成されるが、この領域は、トンネル接合の横側ないし側部において電流の流れを遮断しかつ同時に隣接する層への熱伝導に大いに貢献する。更に、本発明により製造された面発光型半導体レーザは、ごく僅かな組込光波ガイドないし導波路しか有しないため、横単一モードでの作動の安定化は、アパーチャがより大きい場合であっても容易化され、そのため従来の方策のものよりも全体としてより大きい単一モード出力が得られる。

本発明の面発光型半導体レーザは請求項１１に記載され、好ましい実施形態は従属請求項に記載されている。この面発光型半導体レーザの個々の利点は、本発明の方法の説明において実質的に記載されている。本発明の更なる利点及び展開形態は、以下の実施例に基づいて説明する。

本書の導入部において、埋込トンネル接合及びそのような埋込トンネル接合を有する面発光型レーザダイオードの製造及び構造については、図１及び図２を用いて既に説明した。従って、以下では、図３〜図１０を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

図３は、本発明のＭＴ−ＶＣＳＥＬのためのエピタキシャル出発構造の一典型例を示す。この出発構造は、ＩｎＰ基板Ｓから出発し、ｎドープされた（ｎドープ）エピタキシャルブラッグミラー６、活性層（活性領域）５、任意的なｐドープＩｎＡｌＡｓ層４、ｐドープ下側ＩｎＰ層３、少なくともそれぞれ１つ（１対）の高ｐドープ半導体層及び高ｎドープ半導体層から構成されるトンネル接合１（トンネル接合１は、縦ないし高さ方向電界の節（最小値）に位置する）、ｎドープ上側ＩｎＰ層２、及びｎ^＋ドープ上側コンタクト層７の順に上下に並んで配されるように構成される。

次に、フォトリソグラフィ及びエッチングによって図３の出発構造を有するウエハに（横断面が）円形又は楕円形の筒状体を形成する。この筒状体は、図４及び図５では縦（高さ方向）断面で示した。筒状体（の下端）は、厚さｄを有する（図４参照）トンネル接合１の少なくとも下部（下面ないし底面）にまで到達するか、又は更に進んで下側ｐドープＩｎＰ層３にまで達する（図５）。後者の場合、下側層３のエッチングにより端部（エッジ）３ａが形成される。筒状体径（ｗ＋２ｈ）は、典型的には３〜２０μｍの見込みアパーチャ径ｗよりも典型的には凡そ５〜２０μｍ大きい。従って、ｈは凡そ３〜１０μｍとなる。ｈは、この実施例（図６参照）では、トンネル接合１のために提供された層の部分的食刻（ないしアンダーカットエッチング）される領域Ｂの幅に相応する。

物質選択性エッチングによって、図６に示したように、トンネル接合１は、横方向に（半径方向ないし面に平行な方向に）刻削されるが、その際、トンネル接合を包囲する（挟む）層、この実施例ではｎドープ上側ＩｎＰ層２及びｐドープ下側ＩｎＰ層３は、食刻されない。典型的にはｈ＝２〜１０μｍに及ぶトンネル接合１（ないしトンネル接合のために提供された層）の横方向の部分的食刻（ないしアンダーカットエッチング）は、残ったトンネル接合面に相応する“アパーチャ（口径部）”Ａの画成（ないし規定）に利用される。物質選択性エッチングは、例えば、トンネル接合１がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＧａＡｌＡｓから構成される場合、３：１：１〜３：１：２０の比のＨ_２ＳＯ_４：Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２Ｏエッチング剤によってウェットケミカル的に行うことができる。

図６に示した構造から出発して埋込トンネル接合１を得るために、まず、本発明に応じて、食刻により形成された空隙、即ちトンネル接合１を横方向に包囲する領域Ｂがマストランスポートプロセスによって閉塞（充塞）される。このため、図６に示した構造を有するウエハをリン含有雰囲気下で所定時間好ましくは５００〜６００℃で加熱する。典型的な加熱時間は５〜３０分間である。このプロセスの間、僅かな量のＩｎＰが上側及び／又は下側ＩｎＰ層２ないし３から前もって食刻によって形成された空隙へ移動するため、この空隙は閉塞（充塞）される。

マストランスポートプロセスの結果を図７に示す。領域１ａ内へ移動したＩｎＰは、トンネル接合１を横方向（半径方向）に閉じ込めている（埋めている）。ＩｎＰのバンドギャップは大きくかつドーピングは僅かなので、領域１ａは、トンネル接合（性）を示さず、従って電流の流れを遮断ないし阻止する。このため、径ｗを有する活性層５の電流貫流領域（図６参照）は、トンネル接合１の面（図６の“アパーチャ”Ａ）にほぼ相応する。他方、ＩｎＰからなりリング幅（外周半径と内周半径の差）ｈを有する環状領域１ａは、ＩｎＰの熱伝導性が大きいため、上側ＩｎＰ層２を介した放熱に大いに貢献する。

ＭＴ−ＶＣＳＥＬを製造するための図７に示した構造に対する更なる処理は、ＢＴＪ−ＶＣＳＥＬから既知の技術に相応する。この技術については本書の冒頭で述べておりかつ引用した各文献にも記載されているので、ここでは、詳細には説明しない。図８は、完成した本発明のＭＴ−ＶＣＳＥＬの一例を示す。このＶＣＳＥＬでは、組み込まれた金製ヒートシンクには符号９を付し、上側ｎドープＩｎＰ層２と隣接しかつ金製ヒートシンク９によって包囲される誘電体ミラーには符号８を付し、環状構造のｎ側コンタクト層には符号７ａを付し、ｐ側コンタクト１１ないし金製ヒートシンク９と直接接触しないようにｐドープ下側ＩｎＰ層３及びｎドープ上側ＩｎＰ層２の何れをも保護する例えばＳｉ_３Ｎ_４又はＡｌ_２Ｏ_３からなる絶縁・パッシベーション層には符号１０を付した。ｐ側コンタクト１１は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕから作成される。例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕから作成されるｎ側コンタクトには符号１２を付した。

これに関して、均一な層として図示されている活性層（活性領域）５は、通常、例えば１１層の薄層（５層の量子（井戸）層と６層の障壁層）からなる積層構造として構成されることに注意すべきである。

エピタキシャル出発構造の改良構造の一例を図９に示す。この改良構造では、活性層５の下方に、付加的なｎドープＩｎＰ層６ａが形成（挿入）されている。この層６ａは、活性層５からの横方向の放熱を強化し、従って活性層５の温度の低下に寄与する。

本発明の他の一実施例を図１０に示す。この実施例では、マストランスポート技術は、上下に離れて位置する２つの層に対して適用されるが、この場合、ただ１回のマストランスポートプロセスにおいて、トンネル接合層１も更なる半導体層２１も処理されると有利である。図１０の構造では、この更なる半導体層２１は、トンネル接合１の上方に配されている。この更なる半導体層２１は、２つのｎドープＩｎＰ層２、２’と隣接している。更なる半導体層２１を横方向（半径方向）に包囲する領域２０は、部分的食刻（ないしアンダーカットエッチング）により形成された領域２０に対応する領域にマストランスポートによって到達して閉塞（充塞）するＩｎＰから構成される。

更なる半導体層２１の屈折率がその周囲のＩｎＰの屈折率と異なる場合、この更なる半導体層２１は、当該層２１が縦方向（高さ方向）の電界の節にではなく例えば腹（最大値）に配されることにより、制御可能な横方向の光波ガイドないし導波路を形成する。互いに異なる半導体を使用する場合、例えばトンネル接合１に対してはＩｎＧａＡｓを更なる半導体層２１に対してはＩｎＧａＡｓＰを使用する場合、異なる横方向エッチングを利用することができるため、更なる半導体層２１の直径によって規定される横方向の光波ガイドないし導波路は、トンネル接合１の直径に相応する直径を有する活性層５の活性領域よりも幅が広くなる。このため、この実施例では、横方向の光波ガイドないし導波（路）の制御が可能でかつ電流アパーチャとは独立の調整を実現することができる。

既知の面発光型半導体レーザの埋込トンネル接合の模式図。既知の埋込トンネル接合を有する面発光型半導体レーザ（ＢＴＪ−ＶＣＳＥＬ）の（縦）断面の模式図。本発明のマストランスポート−ＶＣＳＥＬ（ＭＴ−ＶＣＳＥＬ）の一例の典型的なエピタキシャル出発構造の（縦）断面の模式図。筒状体が形成された図３の構造。筒状体が“より深く”（その周辺部をより深くエッチングして）形成された図３の構造。トンネル接合層が部分的食刻（ないしアンダーカット）処理された図４の構造。図６のマストランスポートプロセス後の構造。本発明のＭＴ−ＶＣＳＥＬの一例の模式的（縦）断面図。改良されたエピタキシャル出発構造の一例。本発明の（面発光型半導体レーザの）他の一例の模式的（縦）断面図。

符号の説明

１トンネル接合
１ａマストランスポート閉塞環状領域
２第２のｎドープ半導体層
３ｐドープ半導体層
３ａエッジ
４ｐドープ半導体層
５活性層（活性領域）
６第１のｎドープ半導体層
７ｎ^＋ドープコンタクト層
７ａ環状ｎ側コンタクト層
８誘電体ミラー
９金製ヒートシンク
１０絶縁・パッシベーション層
１１ｐ側コンタクト
１２ｎ側コンタクト
ＳＩｎＰ基板

１０１高ドープｐ^＋／ｎ^＋層
１０２高ドープｐ^＋／ｎ^＋層
１０３トンネル接合
１０４ｎドープＩｎＰ層
１０５ｐドープ層
１０６活性層
１０８活性領域
１０９前部ミラー
１１０ｎ側電極
１１２後部ミラー
１１３絶縁層
１１４ｐ側コンタクト層
１１５ヒートシンク
１１６レーザビーム出射方向

Claims

第１のｎドープ半導体層と少なくとも１つのｐドープ半導体層とによって包囲されるｐｎ接合を有する活性層、及び該活性層のｐ側に位置しかつ第２のｎドープ半導体層と隣接するトンネル接合を有する面発光型半導体レーザの埋込トンネル接合の製造方法であって、
トンネル接合（１）のために提供される層は、第１の工程において、物質選択性エッチングによって、前記トンネル接合（１）の所望の直径に至るまで横方向に刻削され、及び第２の工程において、エッチングにより形成された空隙が前記トンネル接合（１）と隣接する少なくとも１つの半導体層（２、３）からのマストランスポートによって閉塞されるまで適切な雰囲気中で加熱されること
を特徴とする製造方法。
前記トンネル接合（１）と隣接する前記半導体層（２、３）の少なくとも１つは、リン化合物、好ましくはＩｎＰから構成されること
を特徴とする請求項１に記載の製造方法。
前記第２の工程において、雰囲気として、リン雰囲気、好ましくはＰＨ_３及び水素が使用されること
を特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法。
前記第２の工程において、５００〜８００℃、好ましくは５００〜６００℃の温度で加熱されること
を特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の製造方法。
前記活性層（５）のｐ側に、順に、ｐドープ半導体層（３）、前記トンネル接合（１）のために提供された層及び前記第２のｎドープ半導体層（２）が配されて構成される前記面発光型半導体レーザのエピタキシャル出発構造に対し、フォトリソグラフィ及び／又はエッチングを行うことによって、前記第２のｎドープ半導体層（２）と前記トンネル接合（１）のために提供された層を包含しかつ前記トンネル接合（１）のために提供された層の少なくとも下端に至るまで延在する周面を有する円形又は楕円形の筒状体が形成されること、及び
次いで、前記埋込トンネル接合（１）の製造のための前記第１の工程及び前記第２の工程が実行されること
を特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の製造方法。
前記第２のｎドープ層（２）の前記活性層（５）のｐ側に、更なる半導体層（２１）が配されるとともに、該更なる半導体層（２１）は第３のｎドープ層（２’）と隣接し、この更なる半導体層（２１）は、物質選択性エッチングによって、所望の直径に至るまで横方向に刻削され、次いで、エッチングによって形成された空隙が該更なる半導体層（２１）と隣接する半導体層（２、２’）の少なくとも１つからマストランスポートによって閉塞されるまで適切な雰囲気中で加熱されること
を特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の製造方法。
前記更なる半導体層（２１）と前記トンネル接合（１）に対し異なる半導体が使用されること
を特徴とする請求項６に記載の製造方法。
前記更なる半導体層（２１）に対しＩｎＧａＡｓＰが使用され、前記トンネル接合（１）に対しＩｎＧａＡｓが使用されること
を特徴とする請求項７に記載の製造方法。
前記更なる半導体層（２１）は、縦方向の電界の最大値の位置に配され、前記トンネル接合（１）は、縦方向の電界の最小値の位置に配されること
を特徴とする請求項６〜８の何れか一項に記載の製造方法。
前記トンネル接合（１）がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ又はＩｎＧａＡｌＡｓから構成される場合、前記物質選択性エッチングのために、エッチング剤として、３：１：１〜３：１：２０の比のＨ_２ＳＯ_４：Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２Ｏが使用されること
を特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の製造方法。
第１のｎドープ半導体層と少なくとも１つのｐドープ半導体層とによって包囲されるｐｎ接合を有する活性層、及び該活性層のｐ側に位置しかつ第２のｎドープ半導体層と隣接するトンネル接合を有する面発光型半導体レーザにおいて、
前記トンネル接合は、前記第２のｎドープ半導体層（２）と前記ｐドープ半導体層（３、４）の一方とを接続しかつ当該トンネル接合（１）と隣接する半導体層（２、３）の少なくとも１つからのマストランスポートによって形成される領域（１ａ）によって横方向に包囲されること
を特徴とする面発光型半導体レーザ。
前記トンネル接合（１）と隣接する前記半導体層（２、３）の少なくとも１つは、リン化合物、好ましくはＩｎＰから構成されること
を特徴とする請求項１１に記載の面発光型半導体レーザ。
前記活性層（５）には、前記少なくとも１つのｐドープ半導体層として、順に、ｐドープＩｎＡｌＡｓ層（４）とｐドープＩｎＰ層が配されること
を特徴とする請求項１１又は１２に記載の面発光型半導体レーザ。
前記トンネル接合（１）は、縦方向の電界の最小値の位置に配されること
を特徴とする請求項１１〜１３の何れか一項に記載の面発光型半導体レーザ。
更なるｎドープ半導体層（６ａ）が、前記活性層（５）と、半導体ミラーとして構成された前記第１のｎドープ半導体層（６）との間に配されること
を特徴とする請求項１１〜１４の何れか一項に記載の面発光型半導体レーザ。
前記トンネル接合（１）と隣接する前記第２のｎドープ半導体層（２）に結合する更なる半導体層（２１）が配されるとともに、該更なる半導体層（２１）は、第３のｎドープ半導体層（２’）と隣接し、この更なる半導体層（２１）は、前記第２のｎドープ半導体層（２）と前記第３のｎドープ半導体層（２’）とを接続しかつ該第２のｎドープ半導体層（２）及び該第３のｎドープ半導体層（２’）の少なくとも１つからのマストランスポートによって生成される領域（２０）によって横方向に包囲されること
を特徴とする請求項１１〜１５の何れか一項に記載の面発光型半導体レーザ。
前記更なる半導体層（２１）の屈折率は、当該更なる半導体層（２１）を包囲する２つの半導体層（２、２’）の一方又は両方の屈折率と異なること
を特徴とする請求項１６に記載の面発光型半導体レーザ。
前記更なる半導体層（２１）は、縦方向の電界の最大値の位置に配されること
を特徴とする請求項１６又は１７に記載の面発光型半導体レーザ。
前記更なる半導体層（２１）と前記トンネル接合（１）は、互いに異なる半導体材料から構成されること
を特徴とする請求項１６〜１８の何れか一項に記載の面発光型半導体レーザ。
前記更なる半導体層（２１）はＩｎＧａＡｓＰから構成され、前記トンネル接合（１）はＩｎＧａＡｓから構成されること
を特徴とする請求項１９に記載の面発光型半導体レーザ。
前記更なる半導体層（２１）の直径は、前記トンネル接合（１）の直径よりも大きいこと
を特徴とする請求項１６〜２０の何れか一項に記載の面発光型半導体レーザ。
前記更なる半導体層（２１）のバンドギャップは、前記活性層（５）のバンドギャップよりも大きいこと
を特徴とする請求項１６〜２１の何れか一項に記載の面発光型半導体レーザ。