JP2007142375A - 面発光レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】酸化層狭窄型のＶＣＳＥＬ素子における酸化狭窄層の電流注入領域の形状を、静電破壊が生じ難い良好な円形状にする。
【解決手段】酸化狭窄層となるＡｌＡｓ層を積層構造中に含むメサポスト５１の外周形状を、ＡｌＡｓ層の酸化速度が速い結晶面に対応する外周部分で突出する形状にする。これにより、酸化狭窄層内の電流注入領域５２の形状が良好な円形状となる。メサポスト５１の平面形状として、１つの大円とその円弧上に中心を有する小円の突出部とから成る形状、略正方形状などを採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光型半導体レーザ素子及びその製造方法に関し、更に詳細には、素子寿命が長く、信頼性に優れた酸化層狭窄型の面発光型半導体レーザ素子及びその製造方法に関する。

面発光型半導体レーザ素子は、基板面に対して直交方向に光を出射させる半導体レーザ素子である。面発光型半導体レーザ素子は、従来のファブリペロー共振器型半導体レーザ素子とは異なり、同じ基板上に２次元アレイ状に多数の面発光型半導体レーザ素子を配列できることもあって、近年、データ通信分野で特に注目されている。

面発光型半導体レーザ素子（以下、ＶＣＳＥＬ(Vertical-cavity Surface-emitting la
ser)素子と呼ぶ）は、ＧａＡｓやＩｎＰといった半導体基板上に１対の半導体多層膜反射鏡（ＤＢＲミラー）を形成し、その１対のＤＢＲミラーの間に発光領域となる活性層を含むレーザ共振部を備えている。ＤＢＲミラーは、高反射率層／低反射率層からなる対の半導体層を多数対積層することによって形成している。ＶＣＳＥＬ素子では、このＤＢＲミラー内に、或いはこれに近接して、電流を閉じ込めるための酸化狭窄層が形成される、電流注入領域及び電流阻止領域を有する酸化層狭窄型の素子構造が従来から知られている。酸化狭窄層は、電流狭窄機能及び光狭窄機能を有し、ＶＣＳＥＬ素子の閾値電流値を下げる働きをする。

ＧａＡｓ系ＶＣＳＥＬ素子では、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ／Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ（ｘ＜ｙ）から
成る対層を多対に積層して、上記ＤＢＲミラーを形成している。このようなＤＢＲミラーでは、熱伝導率が良好で、高反射率が得られる。また、活性層の材料を変えることで、６００ｎｍ〜１６００ｎｍと、非常に広い波長範囲でのレーザ発振が実現可能である。

図８を参照して、従来の酸化層狭窄型のＶＣＳＥＬ素子の構成を説明する。同図は、８５０ｎｍ帯の酸化層狭窄型のＶＣＳＥＬ素子を示す断面模式図である。

ＶＣＳＥＬ素子１０は、ｎ−ＧａＡｓ基板１２上に、それぞれの層の厚さがλ／（４ｎ）（λは発振波長、ｎは屈折率）のｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ／ｎ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓの
３５ペアからなる下部ＤＢＲミラー１４、下部クラッド層１６、量子井戸活性層１８、上部クラッド層２０、及び、それぞれの層の厚さがλ／（４ｎ）（λは発振波長、ｎは屈折率）のｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ／ｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓの２５ペアからなる上部ＤＢＲ
ミラー２２を含む積層構造を備えている。ｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層及びｐ−Ａｌ_0.2Ｇ
ａ_0.8Ａｓ層がＤＢＲミラーの高屈折率層を構成し、ｎ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層及びｐ−
Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層がＤＢＲミラーの低屈折率層を構成する。

上部ＤＢＲミラー２２では、活性層１８に近い側の一層のｐ−Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層に
代えて、ＡｌＡｓ層で構成され、かつ中央の電流注入領域２４以外の周囲のＡｌが選択的に熱酸化されて電流阻止領域２５を構成する酸化狭窄層２３が形成されている。酸化狭窄層２３は、ＶＣＳＥＬ素子１０における電流狭窄構造及び光狭窄閉じ込め構造を構成している。

全体の積層構造のうち、上部ＤＢＲミラー２２は、フォトリソグラフィー及びエッチング加工により、酸化狭窄層２３よりも下方の活性層１８に近い層まで、例えば直径３０μｍの円筒形状のメサポストに加工されている。

上記酸化層狭窄型のＶＣＳＥＬ素子の形成に際しては、メサポストに加工した積層構造を水蒸気雰囲気中にて、約４００℃の温度で酸化処理を行い、ＡｌＡｓ層のメサポスト外周側の領域を酸化する。この選択酸化によって酸化狭窄層２３が形成され、酸化狭窄層２３は、外周側の幅が１０μｍの電流阻止領域２５と、中央の電流注入領域２４とから構成される。

メサポストは、周囲が例えばポリイミド層２６により埋め込まれている。メサポストの上端には、その外周側に５μｍ〜１０μｍ程度の幅でこれに接触するリング状（環状）電極が、ｐ側電極２８として設けられている。また、ｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面には、基板裏面を適宜研磨し、基板厚さを例えば２００μｍ厚に調整した後に、ｎ側電極３０が形成されている。更に、ポリイミド層２６上には、外部端子とワイヤーで接続するためのｐ側電極パッド３２が、リング状のｐ側電極２８と接触するように形成されている。

なお、上記プロセスでは、メサポスト周囲の積層を全て除去する構造を示したが、この構造に代えて、酸化層狭窄型のＶＣＳＥＬ素子では、メサポストの形成に際して、メサポストの外周部分に環状溝を形成し、環状溝の外側の半導体積層を残す構造も一般的に採用されている。この構造では、環状溝は、後にポリイミドで埋め込まれ、電極パッドは、環状溝外周側の積層上部に形成される。

ところで、上述した従来の酸化層狭窄型のＶＣＳＥＬ素子１０では、ＡｌＡｓ層を酸化してＡｌ酸化層に転化させる際に、電流注入領域２４の形状が、メサポストの外周形状を正確に反映した円形状にならず、例えば略正方形となるという問題があった。電流注入領域２４の形状が円形状ではない場合、例えば多角形状の場合には、不均一な電界が発生するその頂点付近に電流が集中し、製造工程中に静電破壊（ＥＳＤ破壊）などが発生し、ＶＣＳＥＬ素子の製造歩留まりが低下するという不具合が発生する。

非特許文献１は、上記酸化層狭窄型の面発光レーザ素子において、酸化狭窄層２３を形成する半導体層の組成を、ＡｌＡｓ層に代えて、Ａｌ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓ層を採用すること
を提案している。Ａｌ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓ層は、酸化速度の面方位依存性が小さいため、メ
サ形状をほぼ正確に反映した円形状の電流注入領域が得られる。
ＩＥＥＥ Journal of selected topics in quantum electronics, vol3, no3, 916 1997

電流注入領域２４の形状を円形状とすることで、静電破壊のおそれが減少する。しかしながら、非特許文献１に記載されたＡｌ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓ層を酸化狭窄層の形成に用いる
と、特定の条件下では、電流注入領域２４の形状が改善されるが、組成比の制御が厳しく、製造バッチ間のばらつきが生じやすい。また、Ａｌ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓ層はＡｌＡｓ層に
比して酸化速度が遅いので、酸化領域形成のための酸化プロセスに、より多くの時間がかかる。このため、ＤＢＲミラーを構成する高Ａｌ組成層であるＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層の外周側が酸化され、この酸化によって層内に容積縮小が発生することから、ＤＢＲミラー内で内部応力が高くなり、レーザの安定動作が妨げられるため、ＶＣＳＥＬ素子の信頼性が低下するという問題がある。

本発明は、上記に鑑み、従来の酸化層狭窄型の面発光レーザ素子を改良し、電流注入領域が円形形状となりにくい材料を酸化狭窄層に用いた場合においても、酸化狭窄層中の電流注入領域が良好な円形形状となり、且つ、静電気耐圧特性が良好な構造を有する面発光レーザ素子、及び、その製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明者らは、積層構造を有する半導体素子の、該積層構造内の特定の層をその外周から酸化し中央部に非酸化部分を残す方法において、該特定の層が少なくとも２元素以上からなる結晶材料である場合に、径方向によって酸化速度が異なり、その原因が結晶の面方位に酸化速度依存性があるためであることを見出した。そのために非酸化部分が外周形状を反映せず良好な形状が得られておらず、そこで、外周部の形状を径方向によって径の長さが異なる非円形とすることによって、非酸化部分が略円形となることを見出したものである。
すなわち、本発明の面発光レーザ素子は、例えば、酸化狭窄層を含むメサポストを有する面発光レーザ素子において、酸化速度が速い方向においては径が長くなるようにメサポストの外周形状を非円形とし、酸化狭窄層であるIII−Ｖ族の２元素以上からなる半導体結晶層をメサポスト外周から酸化させ、酸化狭窄層内の非酸化部分である電流注入領域を略円形とするものである。

本発明の第１の視点に係る面発光レーザ素子は、基板と、該基板上に形成される下部ミラー、上部ＤＢＲミラー、活性層、及び、前記ＤＢＲミラーに隣接して又はＤＢＲミラーの内部に形成され、中心部に電流注入領域を有する酸化狭窄層を含む積層構造とを備える面発光レーザ素子において、
少なくとも前記酸化狭窄層を含む積層がメサポストに形成されており、前記メサポストの少なくとも前記酸化狭窄層の近傍の外周は、メサポスト中心軸を通り且つ相互に直交する２つの平面のそれぞれに関して略対称構造を有し、且つ、前記２つの平面が成す角度を等分する平面とメサポスト外周とが交差する近傍の第１の外周部分が、前記２つの平面とメサポスト外周とが交差する近傍の第２の外周部分よりも、メサポスト半径方向に突出していることを特徴とする。

また、本発明の第２の視点に係る面発光レーザ素子は、基板と、該基板上に形成される下部ＤＢＲミラー、上部ＤＢＲミラー、活性層、及び、前記ＤＢＲミラーに隣接して又はＤＢＲミラーの内部に形成され、中心部に電流注入領域を有する酸化狭窄層を含む積層構造とを備える面発光レーザ素子において、
少なくとも前記酸化狭窄層を含む積層がメサポストに形成されており、前記メサポストは、少なくとも前記酸化狭窄層の近傍において、電流注入領域よりも半径方向外側に溝を有し、該溝はメサポスト中心軸を通り且つ相互に直交する２つの平面のそれぞれに関して略対象構造を有し、且つ前記２つの平面が成す角度を等分する平面とメサポスト外周とが交差する近傍の部分で分離されていることを特徴とする。

更に、本発明の面発光レーザ素子の製造方法は、メサポスト内に、中央部の電流注入領域と外周側の酸化された電流阻止領域とを有する酸化狭窄層を備える面発光レーザ素子の製造方法において、メサポストを形成する工程であって、メサポスト中心軸を通り且つ相互に直交する２つの平面のそれぞれに関して略対称構造を有し、且つ、前記２つの平面が成す角度を等分する平面とメサポスト外周とが交差する近傍の第１の外周部分が、前記２つの平面とメサポスト外周とが交差する近傍の第２の外周部分よりも、メサポスト半径方向に突出するようにメサポストを形成する工程と、前記メサポスト外周から熱を加え、熱酸化によって前記電流阻止領域を形成する工程とを有することを特徴とする。

本発明の面発光レーザ素子及び本発明方法により製造される面発光レーザ素子は、メサポストの外周形状を円筒形状ではなく、上記構造を採用したことにより、酸化狭窄層を形成する酸化プロセスで、面方向に依存して酸化速度が異なるために生ずる電流注入領域の形状を良好な円形状に近づけることが出来る。このため、静電気によって素子が破壊する静電破壊を防止することができ、信頼性が高い面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）素子が得られる。

本発明のＶＣＳＥＬ素子の好ましい態様では、前記メサポストは、立方晶系の結晶構造を有し、前記第１の外周部分は、＜１００＞面で表される面のうちの４面、例えば、（０１０）、（０１*０）、（００１）、（００１*）面である。（但し、１*は１のトップバー付きを示す。）（０１０）、（０１*０）、（００１）、（００１*）面を構成する第１の外周部分は、（０１^＊１）面などの第２の外周部分よりも大きな酸化速度を有するものの、その外周部分から中心に向かって進む酸化が、この第１の外周部分における中心からの大きな距離によって遅れるので、円形状に近い良好な電流注入領域が得られる。

前記第２の外周部分を通るメサポストの半径をＲ１、前記第１の外周部分を通るメサポストの外接円の半径をＲ２とすると、１．１５＜Ｒ２／Ｒ１＜１．４５なる関係が成立することが好ましい。この場合、特に良好な円形状の電流注入領域が得られる。

前記上部ＤＢＲミラーが半導体ＤＢＲミラーであり、前記メサポストに形成された積層が該半導体ＤＢＲミラーを含む構成を採用してもよく、或いは、前記上部ＤＢＲミラーが誘電体ＤＢＲミラーであり、該誘電体ＤＢＲミラーが前記メサポストを含むレーザ素子の表面を被覆する構成を採用してもよい。本発明は、これら何れの構造においても採用可能である。

前記メサポストの内周側に、前記第２の外周部分に対応して環状に配置された複数の分離溝が形成され、該分離溝は、前記第１の外周部分に対応する位置で互いに分離されている構造とすることが出来る。

上記に代えて、前記メサポストの外周が、前記第２の外周部分に対応して環状に配置された複数の分離溝によって区画され、該分離溝は、前記第１の外周部分に対応する位置で互いに分離されている構成を採用することも出来る。

或いは、前記メサポストの外周が、前記第１の外周部分に対応して環状に配置された複数の第１の分離溝と、前記第２の外周部分に対応して環状に配置された複数の第２の分離溝とによって区画され、前記第１の分離溝は、前記第２の分離溝よりもメサポストの中心から見て遠い位置に配置されている構造とすることも出来る。

或いは、前記メサポストの横断面を、略正方形とすることもできる。この場合、メサポストの形状が簡素であり、製作も容易である。

或いは、前記メサポストの横断面の外周が、前記メサポスト中心軸を中心とする第１の円弧と、該第１の円弧上の４点の近傍に中心を持ち、前記第１の円弧よりも小さな半径を持つ第２の円弧とから成る図形によって規定される構成も本発明の好ましい態様である。この場合、様々な寸法を有するメサポストの形状設計が容易となる。

上記構成のメサポストによって得られる電流注入領域は、その外周が略８角形又は円形である一様な形状であり、或いは、電流注入領域の内接円の半径ｒ１と外接円の半径ｒ２とが、（ｒ２）≧（ｒ１）＞２^１／２（ｒ２）／２の関係を満たすことが好ましい。

本発明のＶＣＳＥＬ素子は、例えば、発光波長が、６００〜７００ｎｍ、７００〜８６０ｎｍ、９００〜１２００ｎｍ、又は、１２００〜１６５０ｎｍであるレーザに適用可能である。

本発明の実施形態の説明に先立って電流注入領域に発生する形状不良について説明する。図９（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、ＶＣＳＥＬ素子を製造する際に使用するウエハ４０、及び、このウエハ内に形成されるＶＣＳＥＬ素子５０の製造段階の平面図である。ＶＣＳＥＬ素子を形成する際にウエハとして使用する化合物半導体であるＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓは、立方晶系の閃亜鉛構造を有する。ウエハ４０は、図９（ａ）に示すように、この閃亜鉛構造の化合物半導体の（１００）面を、半導体層を成長するためのウエハ面とし、（０１^＊１^＊）面をオリフラ方向とする。同図（ｂ）に示すように、ＶＣＳＥＬ素子５０を構成する積層を成長し、円筒形状のメサポスト５１に加工した後に、メサポスト５１の外周側からＡｌＡｓ層を酸化させて、電流注入領域５２を形成すると、この電流注入領域５２は、メサポスト５１の円筒形状を反映した円形状にはならず、同図に示すような略正方形状になる。

電流注入領域５２が略正方形状になるのは、ＡｌＡｓ層は、結晶面が＜１００＞で表される４箇所の外周部分の面が、即ち（０１０）、（０１*０）、（００１）、（００１*）面が、他の部分例えば（０１^＊１）面に比して、速い酸化速度を有するためである。なお、“１^＊”は、“１”のトップバー付きを示す記号である。この酸化速度の比率は、例えば約１．２３倍にも達するものである。このような略正方形状の電流注入領域５２では、その頂点付近となる部分で電流集中が発生し、その部分で静電破壊の原因となる。本発明は、このような電流注入領域の形状不良を解消するものである。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。なお、各図では、同様な要素には同様な参照符号を付して示す。図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子のメサポストの平面構造を示している。本実施形態のＶＣＳＥＬ素子は、従来のＶＣＳＥＬ素子とは、メサポストの平面形状が従来のメサポストの平面形状とは異なり、また、これに伴って電流注入領域の形状が従来の電流注入領域の形状と異なり、その他の構成において全て同様である。つまり、本実施形態のＶＣＳＥＬ素子は、従来技術で示したＶＣＳＥＬ素子とは、その断面形状が同じであり、従って、図８に示した断面形状を有する。説明の重複を避けるため、その他の構成の説明は、前記従来技術で行った説明に代える。

本実施形態のＶＣＳＥＬ素子５０では、メサポスト５１は、従来のメサポストが略回転対称であったのとは異なり、５つの円弧を重ね合わせた形状を有する。また、このメサポスト５１の平面構造のため、電流注入領域５２は、ほぼ理想的な円形状に形成される。本実施形態のＶＣＳＥＬ素子５０は、基板の主面が、結晶面（１００）で表されるウエハ上に形成されており、メサポスト５１は、その主面上に成長形成された積層構造をエッチングして形成される。メサポスト５１の円筒状の外周は、結晶面が＜１００＞で表される４箇所の外周部分が、即ち（０１０）、（０１*０）、（００１）、（００１*）面で表される４箇所の外周部分が、メサポスト中心から見て半径方向に突出しており、その突出形状が半円状である。その他の外周部分は、メサポスト中心に中心を有する大きな円弧を形成している。

図１（ｂ）は、上記メサポスト形成のためのエッチングで使用するエッチングマスクの形状を示している。この図に示すように、マスクは、大円と、４つの小円とを組み合わせた形状を有する。４つの小円の中心は、大円の円弧状にあり、正方形の各頂点を形成する。大円の半径Ｒ３と小円の半径Ｒ４とは、メサポストの内接円半径をＲ１、メサポストの外接円半径をＲ２とすると、１．２＜Ｒ２／Ｒ１＜１．４５となるように設定されている。つまり、４箇所の外周部分は、他の部分に比して、少なくとも０．１５Ｒ１以上で且つ０．４５Ｒ１以下、メサポストの半径方向外側に突出している。すなわち、小円の半径Ｒ４は、大円の半径Ｒ３に対して、０．１５Ｒ３以上で且つ０．４５Ｒ３以下になるよう設定されている。このようなメサポストの外周形状を採用したことにより、（０１０）、（０１*０）、（００１）、及び、（００１*）面の方向に大きな酸化速度を有するＡｌＡｓ層では、図１（ａ）に示すように、電流注入領域の形状がほぼ円形になる。例えば、１００μｍ^２の電流注入領域面積での酸化条件は、４１０℃で、２５分である。また、メサポスト内接円の半径Ｒ１と電流注入領域の内接円の半径ｒ１とは、２．５＜Ｒ１／ｒ１＜４．０となるように設定することが好ましい。なお、ＡｌＡｓ層に代えて、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（０．９８≦ｘ≦１）を採用することも出来る。

ＶＣＳＥＬ素子では、基板の主面を＜１００＞面から約２０°ずらしたオフ基板を採用する場合もある。オフ基板であっても、ほぼ同様な結晶方向による酸化速度の差が見られ、本発明を適用することによって、略円形状の電流注入領域（酸化アパーチャ）を形成することができる。なお、基板のオフ角度やオフ方向によっては、その傾きの影響がでることも有り、適宜メサ形状を調整することが必要となる場合もある。本発明を適用するためのオフ基板の好ましい傾き角度は２０°以内、より好ましくは１０°以内である。

図２は、本発明の第２の実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子のメサポスト及び電流注入領域の平面形状を示している。本実施形態のＶＣＳＥＬ素子５０Ａでは、メサポスト５１Ａの外周壁に近接して、メサポスト５１Ａの内部に４つの溝５３Ａが形成されており、且つ、その溝５３Ａは、環状溝がメサポスト中心から見て、（０１０）、（０１*０）、（００１）、及び、（００１*）面の方向の外周部分に近接する部分で互いに分離された構造を有する分離溝として構成される。各溝５３Ａの部分は、ポリイミド層で充填される。本実施形態では、ＡｌＡｓ層が（０１０）、（０１*０）、（００１）、及び、（００1*）面の方向に大きな酸化速度を有する酸化速度異方性を持つことから、その部分のＡｌＡｓ層を長くすることで、溝の内側に形成される電流注入領域５２Ａの形状を円形状に近い形状にしている。ＶＣＳＥＬ素子５０Ａの積層構造は、図８に示した積層構造と同様である。

図３は、本発明の第３の実施形態に係るＶＣＳＥＬ素子を示す。このＶＣＳＥＬ素子５０Ｂでは、メサポスト５１Ｂの外周側に８つの分離溝５４Ｂ、５５Ｂが形成されている。８つの分離溝５４Ｂ、５５Ｂが実質的に従来の環状溝を構成する。これら実質的に環状溝を構成する分離溝５４Ｂ、５５Ｂの内周側縁部がメサポスト５１Ｂの外周面を構成する。ここで、メサポスト中心から見て（０１０）、（０１*０）、（００１）、及び、（００１*）面の方向に配置された４つの分離溝５４Ｂが、他の方向に配置された４つの分離溝５５Ｂよりも、メサポスト中心から見て外周側に配置されている。従って、各分離溝５４Ｂ、５５Ｂの内周側縁部が実質的にメサポストの外周面を構成する。

本実施形態でも、ＡｌＡｓ層が（０１０）、（０１*０）、（００１）、及び、（００１*）面の方向に大きな酸化速度を有する酸化速度異方性を持つことから、その部分のＡｌＡｓ層を長くすることで、分離溝５４Ｂ、５５Ｂの内側に形成される電流注入領域５２Ｂの形状を円形状に近い形状にしている。なお、本実施形態のメサポスト５１Ｂは、環状溝によって外側の半導体積層と分離されている従来のメサポストとは異なり、メサポスト内の半導体積層が外側の半導体積層と一部で連続している構造であり、且つ、従来のメサポストと同様な機能を有するものである。なお、第３の実施形態の変形例として、図２のように環状に配置された分離溝５３Ａを、メサポスト５１Ａの外周側にこれと隣接して配置することも可能である。

図４は、本発明の第４の実施形態のＶＣＳＥＬ素子を示す。本実施形態のＶＣＳＥＬ素子５０Ｃでは、同図に示すように、メサポスト５１Ｃの形状として、（０１０）、（０１*０）、（００１）、及び、（００１*）面の方向に頂点を有する略正方形の平面形状としてある。この平面形状により、内部に形成される電流注入領域５２Ｃは略円形状となる。

メサポストの平面形状として、上記実施形態の他に、種々の形状が採用できる。例えば、第１の実施形態における第１の円弧の、前記方位の外周部分に円弧以外の適当な突出部を加えた構造なども採用できる。何れの場合にも、外接円の半径は、内接円の半径の１．１５倍以上で、１．４５倍以下が好ましい。ただし、結晶構造の（０１０）、（０１*０）、（００１）、（００１*）面の方向に相当する部分が突出していてもよく、例えば、図３の実施形態及びその変形例として示したように、メサポストの積層がメサポスト領域ではない外周側の積層部分と連続するような形状としてもよい。更に、何れの場合にも、電流注入領域の外接円の半径（ｒ２）と内接円の半径（ｒ１）の関係は、（ｒ１）＞２^１／２（ｒ２）／２であることが好ましい。また、レーザ光の特性の面から電流注入領域の面積は１２０μｍ^２以下とすることが好ましい。

なお、ＶＣＳＥＬ素子のメサポスト部分は、通常、半導体基板上に積層構造を形成した後に、表面にマスクパタンを設けエッチングによって形成されるため、メサポスト上部よりも下部の方が広がった形状になる場合が多い。図８に示した断面形状のメサポスト部分は、厳密には上底よりも下底が長い台形状となっている。メサポストの形状は、少なくとも前記酸化狭窄層の近傍の外周が、所定の形状となっていればよい。また、上述のメサポストの内接円半径Ｒ１および外接円半径Ｒ２は、電流注入領域が形成される面の近傍での半径が好ましい関係を有していればよい。

上記メサポストの形状は、半導体基板上に、積層構造を形成した後に、上記メサポストの平面形状を有するマスクパタンを用い、これら積層構造をエッチングすることによって形成する。次いで、水蒸気雰囲気中で、メサポストの外周側からＡｌＡｓ層を酸化して、外周側のみを酸化することで、電流阻止領域及び電流注入領域から成る酸化狭窄層を形成する。酸化時間は、電流注入領域が円形状となる時間を予め測定し、測定された時間だけ酸化することでよい。

図５及び６はそれぞれ、本発明の第５の実施形態に係る面発光レーザ素子の構造を示す断面図及び平面図である。なお、図５は、図６のＶ−Ｖ断面を示している。本実施形形態の面発光レーザ素子５０Ｄは、ｎ型ＧａＡｓ（ｎ−ＧａＡｓ）４２上に面発光レーザ素子を形成した例である。ｎ−ＧａＡｓ４２上には、下部ＤＢＲミラーとして構成される半導体ＤＢＲミラー１４、ｎ型コンタクト層１７、活性層１８、酸化狭窄層２３、及び、ｐ型コンタクト層４４が順次に形成され、ｐ型コンタクト層４４上には、リング状のｐ側電極２８が形成されている。

ｐ型コンタクト層４４迄の積層を堆積した後に、フォトリソグラフィを利用したエッチングによって、第３の実施形態と同様な分離溝５４Ｄ、５５Ｄが、ｐ型コンタクト層４４、酸化狭窄層２３及び活性層１８を含む積層内に形成される。分離溝は、図６に示すように、全体的に環状に配置される複数（８つ）の溝５４Ｄ、５５Ｄから成る。４つの分離溝５４Ｄは、結晶方位＜１００＞に対応して配置され、他の４つの分離溝５５Ｄのそれぞれは、隣接する２つの分離溝５４Ｄの間に配置され、且つ、分離溝５４Ｄよりも半径方向内側に配置される。前記他の実施形態と同様に、分離溝５４Ｄ、５５Ｄを介して、酸化狭窄層２３の外周部分が酸化され、円形状の電流注入領域５２Ｄが形成される。分離溝５４Ｄ、５５Ｄ外側のｎ型コンタクト層１７の上部には、略環状のｎ側電極３０が形成される。ｎ側電極３０の形成と同時に、ｐ側電極２８とｐ側電極パッド３２との間、及び、ｎ側電極３０とｎ側電極パッド４８との間を接続する電極配線３６が形成される。その後、上部ＤＢＲミラーを構成する誘電体ＤＢＲミラー４６の積層が堆積される。誘電体ＤＢＲミラー４６上には、ｐ側の電極パッド３２及びｎ側の電極パッド４８が形成される。

本発明の実施形態及び比較例のＶＣＳＥＬ素子を作製し、その電流注入領域のＥＳＤ耐性を測定することとした。本実施例では、８５０ｎｍの発光波長を有する円形メサポスト形状と略正方形形状の電流注入領域を有し、８５０ｎｍの発光波長を有する従来のＶＣＳＥＬ素子、１３００ｎｍの発光波長を有する従来のＶＣＳＥＬ素子、及び、８５０ｎｍの発光波長を有する第１の実施形態のＶＣＳＥＬ素子を製造し、そのＥＳＤ耐性を測定した。測定は、ＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３のＨＢＭ（ヒューマンボディモデル）の規格に基いて行った。

各ＶＣＳＥＬ素子では、酸化狭窄層にＡｌＡｓ層を用いた。第１の実施形態のＶＣＳＥＬ素子では、第１の円弧の直径Ｒ１として、３６μｍ、３８μｍ、４０μｍ、及び、４２μｍを採用し、第２の円弧の直径Ｒ２として、１０μｍ、及び、１２μｍを採用した。図７に各ＶＣＳＥＬ素子について測定したＥＳＤ耐性を示した。

図７から理解できるように、第１の実施形態のＶＣＳＥＬ素子は、従来のＶＣＳＥＬ素子よりもＥＳＤ耐性に優れ、且つ、１３００ｎｍ発光波長のＶＣＳＥＬ素子と同等のＥＳＤ耐性を有することが確認できた。従来は、このように短波長の、即ち小さな寸法のＶＣＳＥＬ素子では、ＥＳＤ耐性が低く、大きな寸法を有する長波長のＶＣＳＥＬ素子に比して信頼性が低い欠点があった。すなわち、電流注入領域の形状を略円形とすることでＥＳＤ耐性を向上させることができた。

以上、本発明をその好適な実施態様に基づいて説明したが、本発明の面発光レーザ素子、及び、その製造方法は、上記実施態様の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施態様の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。例えば、発振波長は、８５０ｎｍ帯に限定して解釈する必要はなく、６５０ｎｍ帯、９８０ｎｍ帯、１３００ｎｍ帯、１５５０ｎｍ帯等であってもよい。この場合、適宜、活性層材料やＤＢＲミラーを構成する材料の比率を調整する。また、ｎ型半導体基板に替えて、ｐ型半導体基板を用いてもよく、この場合、基板上に形成される各半導体層のｐ−ｎの構成が反対に構成され、少なくともｐ型半導体又は誘電体からなるＤＢＲミラーに隣接して、又はこのＤＢＲミラー内に酸化狭窄層を含むように構成される。あるいは、酸化狭窄層として、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ等のIII−Ｖ族の少なくとも２元素以上からなる同様の結晶構造を有する材料を用いた場合にも本発明を適用することができる。

また、本発明の好適な態様として記載した各構成や実施形態で記載した各構成については、本発明の必須の構成と共に用いることが好ましいが、単独であっても有益な効果を奏する構成については、必ずしも本発明の必須の構成として説明した全ての構成と共に用いる必要はない。

本発明の面発光レーザ素子は、データ通信分野などで光ファイバを用いる光通信のための光源として使用できる。

（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、本発明の第１の実施形態に係る面発光レーザ素子のメサポストの平面図、及び、メサポスト形成のためのエッチングマスクの平面図。 本発明の第２の実施形態に係る面発光レーザ素子のメサポストの平面図。 第３の実施形態に係る面発光レーザ素子の平面図。 本発明の第４の実施形態に係る面発光レーザ素子のメサポストの平面図。 本発明の第５の実施形態に係る面発光レーザ素子の断面図。 図５の面発光レーザ素子の平面図。 従来及び本発明の面発光レーザ素子のＥＳＤ耐性を比較するグラフ。 従来及び本発明の面発光レーザ素子の構造を示す断面図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、電流注入領域の形状不良を説明するためのウエハ平面図、及び、ＶＣＳＥＬ素子の平面図。

符号の説明

１０：ＶＣＳＥＬ素子
１２：ｎ−ＧａＡｓ基板
１４：下部ＤＢＲミラー
１６：下部クラッド層
１７：ｎ型コンタクト層
１８：量子井戸活性層
２０：上部クラッド層
２２：上部ＤＢＲミラー
２３：酸化狭窄層
２４：電流注入領域
２５：電流阻止領域
２６：ポリイミド層
２８：ｐ側電極
３０：ｎ側電極
３２：ｐ側電極パッド
３６：電極配線
４０：ウエハ
４２：ｎ−ＧａＡｓ基板
４４：ｐ型コンタクト層
４６：誘電体ＤＢＲミラー
４８：ｎ側電極パッド
５０、５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ：ＶＣＳＥＬ素子
５１、５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ：メサポスト
５２、５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、５２Ｄ：電流注入領域
５３Ａ、５４Ｂ、５５Ｂ、５４Ｄ、５５Ｄ：分断溝

Claims (16)

1. 基板と、該基板上に形成される下部ＤＢＲミラー、上部ＤＢＲミラー、活性層、及び、
   前記ＤＢＲミラーに隣接して又はＤＢＲミラーの内部に形成され、中心部に電流注入領域を有する酸化狭窄層を含む積層構造とを備える面発光レーザ素子において、
   少なくとも前記酸化狭窄層を含む積層がメサポストに形成されており、
   前記メサポストの少なくとも前記酸化狭窄層の近傍の外周は、メサポスト中心軸を通り且つ相互に直交する２つの平面のそれぞれに関して略対称構造を有し、且つ、前記２つの平面が成す角度を等分する平面とメサポスト外周とが交差する近傍の第１の外周部分が、前記２つの平面とメサポスト外周とが交差する近傍の第２の外周部分よりも、メサポスト半径方向に突出していることを特徴とする面発光レーザ素子。
2. 前記メサポストは、立方晶系の結晶構造を有し、前記第１の外周部分は、４つの＜１００＞面である、請求項１に記載の面発光レーザ素子。
3. 前記第２の外周部分を通るメサポストの内接円の半径をＲ１、前記第１の外周部分を通るメサポストの外接円の半径をＲ２とすると、１．１５＜Ｒ２／Ｒ１＜１．４５である、請求項１又は２に記載の面発光レーザ素子。
4. 前記上部ＤＢＲミラーが半導体ＤＢＲミラーであり、前記メサポストに形成された積層が該半導体ＤＢＲミラーを含む、請求項１〜３の何れか一に記載の面発光レーザ素子。
5. 前記上部ＤＢＲミラーが誘電体ＤＢＲミラーであり、該誘電体ＤＢＲミラーが前記メサポストを含むレーザ素子の上面を被覆する、請求項１〜３の何れか一に記載の面発光レーザ素子。
6. 前記メサポストの内周側に、前記第２の外周部分に対応して環状に配置された複数の分離溝が形成され、該分離溝は、前記第１の外周部分に対応する位置で互いに分離されている、請求項１〜５の何れか一に記載の面発光レーザ素子。
7. 前記メサポストの外周が、前記第２の外周部分に対応して環状に配置された複数の分離溝によって区画され、該分離溝は、前記第１の外周部分に対応する位置で互いに分離されている、請求項１〜５の何れか一に記載の面発光レーザ素子。
8. 前記メサポストの外周が、前記第１の外周部分に対応して環状に配置された複数の第１の分離溝と、前記第２の外周部分に対応して環状に配置された複数の第２の分離溝とによって区画され、前記第１の分離溝は、前記第２の分離溝よりもメサポストの中心から見て遠い位置に配置されている、請求項１〜５の何れか一に記載の面発光レーザ素子。
9. 前記メサポストの横断面が略正方形である、請求項１〜５の何れか一に記載の面発光レーザ素子。
10. 前記メサポストの横断面の外周が、前記メサポスト中心軸を中心とする第１の円弧と、該第１の円弧上の４点の近傍に中心を持ち、前記第１の円弧よりも小さな半径を持つ第２の円弧とから成る図形によって規定される、請求項１〜５の何れか一に記載の面発光レーザ素子。
11. 前記電流注入領域の外接円の半径（ｒ２）と内接円の半径（ｒ１）とが、
    （ｒ２）≧（ｒ１）＞２^１／２（ｒ２）／２の関係を満たす、請求項１〜１０の何れか一に記載の面発光レーザ素子。
12. 前記電流注入領域が、閃亜鉛構造を有するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓからなる、請求項１〜１０の何れか一に記載の面発光レーザ素子。
13. 前記ｘが、０．９８＜ｘ≦１．０の範囲にある、請求項１２に記載の面発光レーザ素子。
14. 基板と、該基板上に形成される下部ＤＢＲミラー、上部ＤＢＲミラー、活性層、及び、前記ＤＢＲミラーに隣接して又はＤＢＲミラーの内部に形成され、中心部に電流注入領域を有する酸化狭窄層を含む積層構造とを備える面発光レーザ素子において、
    少なくとも前記酸化狭窄層を含む積層がメサポストに形成されており、
    前記メサポストは、少なくとも前記酸化狭窄層の近傍において、電流注入領域よりも半径方向外側に溝を有し、該溝はメサポスト中心軸を通り且つ相互に直交する２つの平面のそれぞれに関して略対象構造を有し、且つ前記２つの平面が成す角度を等分する平面とメサポスト外周とが交差する近傍の部分で分離されていることを特徴とする面発光レーザ素子。
15. メサポスト内に、中央部の電流注入領域と外周側の酸化された電流阻止領域とを有する酸化狭窄層を備える面発光レーザ素子の製造方法において、
    メサポストを形成する工程であって、メサポスト中心軸を通り且つ相互に直交する２つの平面のそれぞれに関して略対称構造を有し、且つ、前記２つの平面が成す角度を等分する平面とメサポスト外周とが交差する近傍の第１の外周部分が、前記２つの平面とメサポスト外周とが交差する近傍の第２の外周部分よりも、メサポスト半径方向に突出するようにメサポストを形成する工程と、
    前記メサポスト外周から熱を加え、熱酸化によって前記電流阻止領域を形成する工程とを有することを特徴とする面発光レーザ素子の製造方法。
16. 前記メサポストは、立方晶系の結晶構造を有し、前記第１の外周部分は４つの＜１００＞面である請求項１５に記載の面発光レーザ素子の製造方法。

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