JP2008103483A - Semiconductor light-emitting element and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光通信や光インターコネクションの分野で用いられる半導体レーザを含む半導体発光素子およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device including a semiconductor laser used in the fields of optical communication and optical interconnection, and a method for manufacturing the same.
光通信は長距離、大容量伝送が可能であることから、特に長距離通信では早くから広く実用に供されてきた。一般に光通信の送信装置には光源として半導体レーザが用いられており、その中で面発光レーザ(VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser)は小型、低消費電力などの利点を有することから、短距離通信用の光源として利用されている。 Since optical communication is capable of long-distance and large-capacity transmission, long-distance communication has been widely used practically from early on. Generally, a semiconductor laser is used as a light source in a transmitter for optical communication. Among them, a surface emitting laser (VCSEL) has advantages such as small size and low power consumption. It is used as a light source.
面発光レーザの電流狭窄機構としてはエッチングによるエアポスト構造、プロトン注入型、酸化狭窄型などがある。酸化狭窄型は、側面の表面再結合の影響を受けないこと、また酸化層と半導体層の屈折率差に起因する集光のために回折損失が大幅に低減するなどの利点があり、主流となっている。酸化長は時間で制御されるが、そのウエハ面内均一性や再現性はそれほど高くはないため、開口幅のばらつき、延いては特性ばらつきの要因となっている。これを避けるため、ウエハ上にパターンを形成し、その上に酸化層を成長することにより、平坦面と斜面の酸化速度の差を利用して開口径の制御性を向上させる方法が提案されている。また、酸化狭窄型以外の電流狭窄構造である、埋め込みトンネル接合や電流ブロック層を用いた構造も検討されている。
上述したような、パターン上に酸化層を成長させた構造や埋め込みトンネル接合構造、電流ブロック構造などでは通常の酸化狭窄型と異なりウエハ上に凹部や凸部のパターンが生じることになる。この凹部や凸部が残った状態でミラーを形成すると、凹部とその他の領域とで、または凸部とその他の領域とで共振波長が異なることになる。この結果、非特許文献1にあるように等価屈折率の差を生じ、光閉じ込めを生じることになる。したがって一般に凹部や凸部の段差が大きいほど、等価屈折率差が大きくなる。 In the structure in which an oxide layer is grown on the pattern, the buried tunnel junction structure, the current block structure, and the like as described above, a pattern of recesses and protrusions is formed on the wafer, unlike the normal oxide constriction type. If the mirror is formed with the recesses and projections remaining, the resonance wavelength will be different between the recesses and other regions, or between the projections and other regions. As a result, as described in Non-Patent Document 1, a difference in equivalent refractive index is generated, and optical confinement occurs. Therefore, in general, the larger the step between the concave and convex portions, the greater the equivalent refractive index difference.
中央部の等価屈折率の方が小さい場合には、いわゆる逆導波構造となり、閾値電流が増加したり、発振しなくなる等の問題が生じる。逆に中央部の等価屈折率の方が大きい場合には光閉じ込めが強くなる。この場合、高次モードが発生し易くなり、シングルモードが必要な用途には使用できなくなる。マルチモードで使用する場合には使用は可能ではあるが、一般に高次のモードになるほど放射角が大きくなるため、光ファイバや光導波路との結合効率が低下する。高密度集積を行う場合、また低コスト化のためにはレンズを用いないことが望ましいが、この場合には放射角増加による結合効率低下が顕著になる。このような問題を避けるため、凹部や凸部のある層の上に位置する埋込層において表面を平坦化することが望ましい。 When the equivalent refractive index at the center is smaller, a so-called reverse waveguide structure is formed, causing problems such as an increase in threshold current and no oscillation. Conversely, when the equivalent refractive index at the center is larger, the light confinement becomes stronger. In this case, a higher-order mode is likely to occur and cannot be used for applications that require a single mode. Although it can be used when used in a multimode, generally, the higher the mode, the larger the radiation angle, and the lower the coupling efficiency with the optical fiber or optical waveguide. In the case of high-density integration, it is desirable not to use a lens in order to reduce the cost. In this case, however, a reduction in coupling efficiency due to an increase in radiation angle becomes significant. In order to avoid such a problem, it is desirable to planarize the surface of the buried layer located on the layer having the concave portion or the convex portion.
図9は、従来の埋込構造を説明するための図である。図9Aは埋込層の膜厚を厚くすることによって表面を平坦化する場合であり、図9Bは埋込層の膜厚を厚くすることによって凸形状による段差部分を光が届かない領域まで遠ざける場合である。点線は埋込層が厚くなるにしたがって段差部分が中央から遠ざかる様子を示す。 FIG. 9 is a diagram for explaining a conventional buried structure. FIG. 9A shows the case where the surface is flattened by increasing the thickness of the buried layer, and FIG. 9B shows that the stepped portion due to the convex shape is moved away from the light reachable region by increasing the thickness of the buried layer. Is the case. The dotted line shows how the stepped portion moves away from the center as the buried layer becomes thicker.
一般に、図9Aに示すように、凸形状層501aがあっても埋込層502aを十分に厚くすれば、その表面を平坦化することが可能となる。これは、埋め込み性の高い膜を厚く形成することで、段差形状が吸収されたことによる。また、図9Bに示すように、凸形状層501bがあっても埋込層502bを十分に厚くして段差部分を光が届かない領域まで遠ざけることが可能となる。この上にミラー(上側ミラー503a、503b)を形成すれば、層の高さの違いに起因する等価屈折率差はなくなるため、上述したような高次モードの発生およびそれに伴う放射角の増大が抑制される。
In general, as shown in FIG. 9A, even if there is a convex shaped layer 501a, if the buried layer 502a is made sufficiently thick, the surface can be flattened. This is because the step shape is absorbed by thickly forming a highly embedded film. Further, as shown in FIG. 9B, even if there is a convex layer 501b, the buried
しかし埋込層の膜厚を厚くするほど、レーザの共振器長は長くなる。これは直接変調速度の点では不利となる。すなわち、上述したような凹部や凸部を有する構造を埋め込んだ素子構造においては、放射角と変調速度の間にはトレードオフの関係が存在する。 However, the thicker the buried layer, the longer the laser cavity length. This is disadvantageous in terms of direct modulation speed. That is, in the element structure in which the structure having the concave portion and the convex portion as described above is embedded, there is a trade-off relationship between the radiation angle and the modulation speed.
本発明は上述したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、放射角と変調速度のトレードオフの関係による問題を解消し、低放射角と高速変調の両立を実現する半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the problems of the conventional techniques as described above, and solves the problem due to the trade-off relationship between the radiation angle and the modulation speed, and achieves both low radiation angle and high speed modulation. An object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device and a manufacturing method thereof.
上記目的を達成するため本発明の半導体発光素子は、
2つの反射鏡に挟まれた共振器を有する半導体発光素子であって、
前記共振器の電流狭窄構造の一部を構成する、所定の層厚分布を備えたパターン層と、
前記パターン層よりも該パターン層の成膜方向側に設けられた第1の埋込層と、
前記第1の埋込層に接して設けられ、該第1の埋込層と構成元素の組成が異なり、前記パターン層と逆の層厚分布を備えた第2の埋込層と、
を有する構成である。
In order to achieve the above object, the semiconductor light emitting device of the present invention comprises:
A semiconductor light emitting device having a resonator sandwiched between two reflecting mirrors,
A pattern layer having a predetermined layer thickness distribution, constituting a part of the current confinement structure of the resonator;
A first embedded layer provided on the patterning layer side of the pattern layer with respect to the pattern layer;
A second buried layer provided in contact with the first buried layer, having a composition different from that of the first buried layer and having a layer thickness distribution opposite to that of the pattern layer;
It is the structure which has.
本発明では、パターン層の成膜方向に第1の埋込層を介してパターン層とは逆の層厚分布で第2の埋込層が形成されているため、パターン層の凹部または凸部が第2の埋込層で吸収される。また、第1および第2の埋込層の構成元素の組成が異なっているので、第2の埋込層に対するエッチングの際、第1の埋込層とエッチング速度が異なる選択エッチャントを用いることにより、下地膜となる第1の埋込層の削れ量を抑制することができる。これにより再現性、均一性良く平坦化することが可能となる。また、エッチング量のバラつきによる共振器の光学長の変化を抑えることができるため、波長のバラつき、延いてはレーザ特性のバラつきを抑制することが可能となる。 In the present invention, since the second embedded layer is formed with a layer thickness distribution opposite to that of the pattern layer through the first embedded layer in the pattern layer forming direction, the concave or convex portions of the pattern layer are formed. Is absorbed in the second buried layer. In addition, since the composition of the constituent elements of the first and second buried layers is different, a selective etchant having an etching rate different from that of the first buried layer is used when etching the second buried layer. The amount of scraping of the first buried layer serving as the base film can be suppressed. Thereby, it becomes possible to planarize with good reproducibility and uniformity. In addition, since the change in the optical length of the resonator due to the variation in the etching amount can be suppressed, it is possible to suppress the variation in wavelength and, in turn, the variation in laser characteristics.
一方、上記目的を達成するための本発明の半導体発光素子の製造方法は、
基板上に第1の反射鏡を形成し、
前記第1の反射鏡の上に第1のクラッド層、活性層および第2のクラッド層を順に形成し、
電流狭窄構造の一部を構成する、所定の層厚分布を備えたパターン層を前記第2のクラッド層の上方に形成し、
第1の埋込層を前記パターン層の上に形成し、
前記第1の埋込層と構成元素の組成が異なる第2の埋込層を該第1の埋込層の上に形成し、
前記第2の埋込層に前記パターン層と逆の層厚分布を選択エッチングにより形成し、
前記第2の埋込層の上方に第2の反射鏡を形成するものである。
On the other hand, the manufacturing method of the semiconductor light emitting device of the present invention for achieving the above object is as follows.
Forming a first reflecting mirror on the substrate;
Forming a first clad layer, an active layer and a second clad layer in order on the first reflecting mirror;
Forming a pattern layer having a predetermined layer thickness distribution constituting a part of the current confinement structure above the second cladding layer;
Forming a first buried layer on the pattern layer;
Forming a second buried layer having a constituent element composition different from that of the first buried layer on the first buried layer;
Forming a layer thickness distribution opposite to the pattern layer in the second buried layer by selective etching;
A second reflecting mirror is formed above the second buried layer.
本発明では、構成元素の組成が異なる2種以上の埋込層を用いているため、いずれかの埋込層を被エッチング膜とする選択エッチングなどの技術を用いることが可能となる。これにより、共振器内の凹部に対して逆の凸形状の埋込層を形成し、または、共振器内の凸部に対して逆の凹形状の埋込層を形成して表面を平坦化することが容易となる。 In the present invention, since two or more types of buried layers having different constituent element compositions are used, a technique such as selective etching using any one of the buried layers as an etching target film can be used. As a result, an embedding layer having a convex shape opposite to the concave portion in the resonator is formed, or an embedding layer having a concave shape opposite to the convex portion in the resonator is formed to flatten the surface. Easy to do.
本発明によれば、埋込層の膜厚が従来よりも薄くても共振器表面の平坦化が可能となるため、共振器長を長くすることなく光閉じ込め係数を適切な値に調整することができる。そのため、従来技術の課題であった放射角と変調速度の間のトレードオフの関係による問題を解消し、低放射角かつ高速変調可能な素子を実現でき、面発光レーザを含む半導体発光素子の特性改善に大きく寄与する。 According to the present invention, since the surface of the resonator can be flattened even if the buried layer is thinner than the conventional one, the optical confinement factor can be adjusted to an appropriate value without increasing the resonator length. Can do. Therefore, the problem due to the trade-off relationship between the radiation angle and the modulation speed, which was a problem of the prior art, can be solved, and a device capable of low-radiation angle and high-speed modulation can be realized. Contributes greatly to improvement.
本発明の半導体発光素子は、構成元素の組成が異なる2種類以上の埋込層を有し、そのうちの1つの埋込層は電流狭窄構造の一部を構成するパターンと逆のパターン形状を有していることを特徴とする。 The semiconductor light-emitting device of the present invention has two or more types of buried layers having different constituent element compositions, and one of the buried layers has a pattern shape opposite to the pattern constituting a part of the current confinement structure. It is characterized by that.
「構成元素の組成が異なる2種以上の埋込層」とは、埋込層を構成する主要元素の組成が異なるものを意味し、ドーパントなど微量元素のみが異なるものは含まれない。例えば、p型GaAs層とn型GaAs層を用いて埋め込んだ場合、埋込層は2種ではなく、1種である。同様にCをドーパントに用いたp型GaAsとZnをドーパントに用いたp型GaAsを用いた場合も埋込層は1種となる。 “Two or more kinds of buried layers having different constituent element compositions” means that the main elements constituting the buried layer are different in composition, and those containing only trace elements such as dopants are not included. For example, when a p-type GaAs layer and an n-type GaAs layer are used for embedding, the number of buried layers is one, not two. Similarly, when p-type GaAs using C as a dopant and p-type GaAs using Zn as a dopant are used, the buried layer is one kind.
“主要元素の組成が異なる”とは、具体的には同じ族に属する構成元素が1%以上異なっていればよい。例えばGaAs層と比べるとGaAs0.98N0.02層ではV族元素であるAs、Nの組成が2%異なっているため、これらの層は異なる層とみなすことができる。 Specifically, “the composition of the main elements is different” means that the constituent elements belonging to the same group differ by 1% or more. For example, compared to the GaAs layer, the composition of As and N, which are group V elements, is 2% different in the GaAs 0.98 N 0.02 layer, so these layers can be regarded as different layers.
以下に、本発明の半導体発光素子の実施例を説明する。 Examples of the semiconductor light emitting device of the present invention will be described below.
本実施例の半導体発光素子の構成を説明する。ここではGaAs基板上に形成した発振波長1.3μmの面発光型レーザに本発明を適用した場合とする。本実施例の半導体発光素子の電流狭窄構造は埋め込みトンネル接合である。 The configuration of the semiconductor light emitting device of this example will be described. Here, it is assumed that the present invention is applied to a surface emitting laser having an oscillation wavelength of 1.3 μm formed on a GaAs substrate. The current confinement structure of the semiconductor light emitting device of this example is a buried tunnel junction.
図1は本実施例の面発光型レーザの構成例を示す断面模式図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a surface emitting laser according to this embodiment.
図1に示すように、本実施例の面発光型レーザは、n型GaAs基板101上に、第1のDBR層102、n型Al0.3Ga0.7Asクラッド層103、活性層104、p型Al0.3Ga0.7Asクラッド層105、p-GaAs層106、p+-GaAs0.9Sb0.1層107、n+- In0.15GaAs0.85層108、n-GaAs層109、n-InGaP層110、n-GaAs層111および第2のDBR層113が順に積層された構成である。
As shown in FIG. 1, the surface emitting laser according to the present embodiment has a
p+-GaAs0.9Sb0.1層107およびn+- In0.15GaAs0.85層108は、同一パターン形状が積層された構成であり、それぞれ同一の層厚分布を有している。層厚分布とは、厚みの異なるパターン形状の存在分布を意味する。これらの層は、パターンがある部位とない部位の分布を有している。p+-GaAs0.9Sb0.1層107およびn+- In0.15GaAs0.85層108はパターンのある部位でトンネル接合を構成する。このトンネル接合を構成する2層のそれぞれが本発明のパターン層に相当する。 p + -GaAs 0.9 Sb 0.1 layer 107 and n + - In 0.15 GaAs 0.85 layer 108 has a configuration same pattern are laminated, each have the same layer thickness distribution. The layer thickness distribution means the existence distribution of pattern shapes having different thicknesses. These layers have a distribution of sites with and without a pattern. p + -GaAs 0.9 Sb 0.1 layer 107 and n + - In 0.15 GaAs 0.85 layer 108 constituting a tunnel junction at the site with a pattern. Each of the two layers constituting this tunnel junction corresponds to the pattern layer of the present invention.
トンネル接合部分がn-GaAs層109に埋め込まれ、n-GaAs層109上のn-InGaP層110およびn-GaAs層111はトンネル接合部分とは逆の層厚分布になっている。つまり、トンネル接合を構成するp+-GaAs0.9Sb0.1層107およびn+- In0.15GaAs0.85層108のパターンのある部位に対応する位置のn-InGaP層110およびn-GaAs層111にはパターンがない。反対に、p+-GaAs0.9Sb0.1層107およびn+- In0.15GaAs0.85層108のパターンのない部位に対応する位置のn-InGaP層110およびn-GaAs層111にはパターンがある。そのため、トンネル接合部分の凸形状がn-InGaP層110およびn-GaAs層111の凹形状に吸収されている。この構造により、n−GaAs層111の上面とn-GaAs層109の露出した面との高さが一致し、それらの表面が平坦になっている。
The tunnel junction portion is embedded in the n-
次に、本実施例の面発光型レーザの製造方法を説明する。 Next, a method for manufacturing the surface emitting laser according to this embodiment will be described.
図2Aから図2Eは図1に示した面発光型レーザの製造方法を説明するための断面模式図である。なお、以下では基板そのものだけでなく、基板上に素子を製造する過程の途中工程のものも含めて「ウエハ」と称する。他の実施例についても同様である。 2A to 2E are schematic cross-sectional views for explaining a method of manufacturing the surface emitting laser shown in FIG. In the following description, not only the substrate itself but also those in the process of manufacturing elements on the substrate are referred to as “wafer”. The same applies to the other embodiments.
まず、図2Aに示すように、n型GaAs基板101上に、n型GaAs層とn型Al0.9Ga0.1As層の一対を基本単位とするDBR(n型半導体ミラー層)を複数積層した第1のDBR層102、n型Al0.3Ga0.7Asクラッド層103、ノンドープGaInNAs量子井戸とGaAs障壁層からなる活性層104、p型Al0.3Ga0.7Asクラッド層105、p-GaAs層106、p+-GaAs0.9Sb0.1層107、n+- In0.15GaAs0.85層108を有機金属気相成長(MOCVD)法にて順次積層する(工程1)。
First, as shown in FIG. 2A, a plurality of DBRs (n-type semiconductor mirror layers) having a basic unit of a pair of an n-type GaAs layer and an n-type Al 0.9 Ga 0.1 As layer are stacked on an n-
ここでp+-GaAs0.9Sb0.1層107のp型ドーパントとしてはC、n+- In0.15GaAs0.85層108層のn型ドーパントとしてはSiを用い、pドーピング濃度は1×1020cm-3、nドーピング濃度は5×1019cm-3とした。また各層の厚さは、p+-GaAs0.9Sb0.1層107を5nmとし、n+- In0.15GaAs0.85層108を10nmとした。 Here, C is used as the p-type dopant of the p + -GaAs 0.9 Sb 0.1 layer 107, Si is used as the n-type dopant of the n + -In 0.15 GaAs 0.85 layer 108 layer, and the p doping concentration is 1 × 10 20 cm −3. The n doping concentration was 5 × 10 19 cm −3 . The thickness of each layer was 5 nm for the p + -GaAs 0.9 Sb 0.1 layer 107 and 10 nm for the n + -In 0.15 GaAs 0.85 layer 108.
次にフォトリソグラフィ技術により直径約6μmの円形のレジストマスクをウエハ上に形成した後、エッチングによりレジストマスクで覆われていない部位の上記p+- GaAs0.9Sb0.1層107、n+- In0.15GaAs0.85層108を除去する。その後、フォトレジストを除去する(工程2)。
Next, a circular resist mask having a diameter of about 6 μm is formed on the wafer by photolithography, and then the p + -GaAs 0.9 Sb 0.1 layer 107, n + -In 0.15 GaAs in the portion not covered with the resist mask by etching. 0.85
次に再びMOCVD法を用いて図2Bに示すようにn-GaAs層109、n-InGaP層110、n-GaAs層111をウエハ上に順次積層する(工程3)。本構造ではp+-GaAs0.9Sb0.1層107およびn+- In0.15GaAs0.85層108がトンネル接合を形成している。これを一部残して除去した後に半導体で埋め込んでおり、残存するトンネル接合部分にのみ電流が流れる構造となる。
Next, again using MOCVD, as shown in FIG. 2B, an n-
次にn-GaAs層111上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術により、工程2で形成した6μm径のトンネル接合と中心軸が一致するように、中心が円状に開いたレジストマスク112を形成する。次に選択エッチングを用いて図2Cに示すように、レジストマスク112の開口部のn-GaAs層111およびn-InGaP層110をエッチングする(工程4)。その後、レジストマスク112を除去する。
Next, a resist is applied on the n-
工程4のエッチング処理について詳しく説明する。エッチング装置が、レジストマスク112の開口部のn- GaAs層111に対してエッチングを行い、n- GaAs層111の露出部分を除去する。続いて、n- InGaP層110に対してエッチングを行う。本エッチングによってレジストマスク112の開口部の半導体表面とレジストマスク112下のn- GaAs層111の上面の高さを一致させることにより、表面平坦化を実現することができる。
The etching process in step 4 will be described in detail. The etching apparatus etches the n−
上記のような平坦化を実現するためには、エッチング量を厳密に制御する必要がある。n- InGaP層110のエッチングが不足すると、中央部に凸部のパターンが残り、逆にn-GaAs109までエッチングが進行すると、中央部に凹となるパターンが形成され、表面平坦化が不十分となるためである。さらにこのような中央部のエッチングの過不足は共振器の光学長の変化を生じさせる。これによりレーザの発振波長が変化し、それに伴って活性層の利得ピーク波長との差、いわゆるディチューニング量も変化するため、閾値や温度特性などのレーザ特性にも影響が生じる。
In order to realize the planarization as described above, it is necessary to strictly control the etching amount. If the etching of the n-
エッチング量の厳密制御のためには、一般に各層のエッチング速度を把握し、エッチング時間を厳密に制御する必要がある。しかし多少のエッチング条件のバラつきやウエハ面内の分布は避けられないため、再現性、均一性良く同じエッチング量を実現するのは容易ではない。一方、組成の異なる2種の埋込層を用いる場合、選択エッチングを使用することにより、この制御条件を大きく緩和することができる。本実施例で用いている第2の埋込層n-InGaP層110と第1の埋込層n-GaAs層109の場合には特に選択エッチング比を大きく取ることが可能である。例えば、塩酸に対するn-GaAsのエッチング速度はn-InGaPのエッチング速度の数十分の1以下である。したがってn-InGaP層110のエッチングの際に塩酸を用いた場合を考えると、エッチング速度から算出されるエッチング時間よりも長めにエッチングを行えばエッチング不足は生じず、さらにそのようにエッチング時間を長くした場合でもn-GaAs層109はほぼ全くエッチングされない。このように選択エッチングを用いることによりn-GaAs109層の表面でエッチングを止めることができ、再現性、均一性良くエッチングを行うことが可能となり、共振器の光学長を一定にすることができる。また、図2Bに示したように結晶成長の際にn-GaAs層109の凸部とn-GaAs層111の凸部以外の部分の高さを同じにすることにより、上記エッチングにより平坦化を実現することが可能となる。
In order to strictly control the etching amount, it is generally necessary to grasp the etching rate of each layer and strictly control the etching time. However, since some variation in etching conditions and distribution within the wafer surface are inevitable, it is not easy to realize the same etching amount with good reproducibility and uniformity. On the other hand, when two types of buried layers having different compositions are used, this control condition can be greatly relaxed by using selective etching. In the case of the second buried layer n-
再現性、均一性の良いエッチングを実現するには、2種の埋込層のエッチング選択比が大きければ大きいほど良く、実施例ではn-GaAsとn-InGaPという非常に大きな選択比が取れる組み合わせを用いている。ただし実際の素子作製時には各層のエッチング量を把握し、エッチング時間の制御を行うため、選択比はこのような制御を行っても避けられないバラつきを吸収できる分だけあれば良く、具体的には1:2以上の選択比が取れれば、実用上十分である。 In order to realize etching with good reproducibility and uniformity, the larger the etching selectivity of the two buried layers, the better. In the embodiment, a combination of n-GaAs and n-InGaP that can take very large selectivity. Is used. However, since the amount of etching of each layer is grasped at the time of actual device fabrication and the etching time is controlled, the selection ratio only needs to be able to absorb variations that cannot be avoided even if such control is performed, specifically, A selection ratio of 1: 2 or more is sufficient for practical use.
使用するエッチャントは使用する埋込層の種類により出来るだけ大きな選択比が取れるものを適宜選択すれば良く、エッチング方法はウエットエッチングでもドライエッチングでも良い。 The etchant to be used may be appropriately selected to have as large a selection ratio as possible depending on the type of buried layer to be used, and the etching method may be wet etching or dry etching.
上述した工程4の処理により、n-GaAs層111およびn-InGaP層110にトンネル接合(p+-GaAs0.9Sb0.1層107およびn+- In0.15GaAs0.85層108)の凸部と逆の厚さ分布を持たせることができ、トンネル接合の凸部に起因する埋込層表面上の凸型を解消し、表面平坦化が可能となる。
The thickness of the n-
次に、このウエハ上にスパッタリング法を用いて図2Dに示すようにSiO2層とアモルファスSi(a-Si)層の一対を基本単位とするDBR(誘電体ミラー層)を複数積層した第2のDBR層113を形成する(工程5)。SiO2層とa-Si層の膜厚は、これら媒質内の各々の光路長が発振波長のほぼ1/4となるように設定してある。 Next, as shown in FIG. 2D, a plurality of DBRs (dielectric mirror layers) having a basic unit of a pair of an SiO 2 layer and an amorphous Si (a-Si) layer are stacked on the wafer by using a sputtering method. The DBR layer 113 is formed (step 5). The film thicknesses of the SiO 2 layer and the a-Si layer are set so that the respective optical path lengths in these media are approximately 1/4 of the oscillation wavelength.
次に、図2Dに示すように、フォトリソグラフィとエッチングにより工程2で形成した円形のトンネル接合部と同軸上に直径約10μmの円形部分を残して第2のDBR層113の不要部位を除去する(工程6)。 Next, as shown in FIG. 2D, unnecessary portions of the second DBR layer 113 are removed leaving a circular portion having a diameter of about 10 μm coaxially with the circular tunnel junction formed in step 2 by photolithography and etching. (Step 6).
次に、ウエハ上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術により、工程2で形成した円形のトンネル接合部と同軸上に直径約20μmの円形のレジストマスクを形成した後、第1のDBR層102の表面が露出するまでエッチング(メサエッチング)を行い、円柱状構造114を形成する(工程7)。この後、レジストを除去する。
Next, a resist is applied on the wafer, and a circular resist mask having a diameter of about 20 μm is formed coaxially with the circular tunnel junction formed in step 2 by photolithography, and then the
次に上記メサエッチングにより露出した第1のDBR層102上に、次のようにして電極を形成する。まずウエハ上にフォトレジストを塗布した後、リソグラフィにより電極を形成する部分のみ除去する。Ti/Pt/Auを蒸着した後、上記フォトレジストを除去してフォトレジスト上のTi/Pt/Auをリフトオフすることにより第1のDBR層102上の一部に電極115が形成される(工程8)。
Next, an electrode is formed on the
次にポリイミド116によりメサを埋め込んだ後、リソグラフィにより工程8で形成した電極115上のポリイミド116を除去する(工程9)。続いて、次のようにして電極を形成する。まずウエハ上にフォトレジストを塗布し、マスク露光によりパターニングした後、Ti/Pt/Auを蒸着し、上記フォトレジストを除去してフォトレジスト上のTi/Pt/Auをリフトオフすることにより電極117およびそれと接続されたパッド電極118を形成する。またこのとき同時にポリイミド116上にパッド電極119を形成し、上記工程8で形成した、第1のDBR層102上の電極115と接続している(工程10:図2E参照)。
Next, after filling the mesa with polyimide 116, the polyimide 116 on the electrode 115 formed in step 8 is removed by lithography (step 9). Subsequently, an electrode is formed as follows. First, a photoresist is applied on the wafer, patterned by mask exposure, Ti / Pt / Au is then deposited, the photoresist is removed, and Ti / Pt / Au on the photoresist is lifted off to form electrodes 117 and A pad electrode 118 connected thereto is formed. At the same time, a pad electrode 119 is formed on the polyimide 116 and connected to the electrode 115 on the
このようにGaAs基板上に作製したVCSELを1個毎もしくは所望のアレイ状(例えば1個×10個、100個×100個など)に切り出して使用可能である。 The VCSELs thus fabricated on the GaAs substrate can be cut out one by one or in a desired array (for example, 1 × 10, 100 × 100, etc.).
本実施例では工程4において表面を平坦化しているため、トンネル接合がある中央部とその周囲の部分とのミラー間の光路長の差はGaAsとInGaPの屈折率差によってのみ生じる。これに起因する光路長の差は平坦化を行わない場合と比べて大幅に低減するため、過度な光閉じ込めを抑制できる。この結果、高次モードの発生を抑制し、放射角を低減することが可能になる。 In this embodiment, since the surface is flattened in step 4, the difference in optical path length between the mirror at the central portion where the tunnel junction is present and the surrounding portion is caused only by the difference in refractive index between GaAs and InGaP. Since the difference in optical path length resulting from this is greatly reduced as compared with the case where flattening is not performed, excessive light confinement can be suppressed. As a result, it is possible to suppress the generation of higher order modes and reduce the radiation angle.
本実施例の半導体発光素子の構成を説明する。ここではGaAs基板上に形成した発振波長0.85μmの面発光型レーザに本発明を適用した場合とする。本実施例の半導体発光素子の電流狭窄構造は酸化狭窄型である。 The configuration of the semiconductor light emitting device of this example will be described. Here, it is assumed that the present invention is applied to a surface emitting laser having an oscillation wavelength of 0.85 μm formed on a GaAs substrate. The current confinement structure of the semiconductor light emitting device of this embodiment is an oxide confinement type.
図3は本実施例の面発光型レーザの構成例を示す断面模式図である。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of the surface emitting laser according to the present embodiment.
図3に示すように、本実施例の面発光型レーザは、n型GaAs基板201上に、第1のDBR層202、n型Al0.3Ga0.7Asクラッド層203、活性層204、p型Al0.3Ga0.7Asクラッド層205、p-Al0.1Ga0.9As層206、p-GaAs層207、酸化層形成層208、p- Al0.1Ga0.9As層209、p-Al0.35Ga0.65As層210、p-GaAs層211、第2のDBR層213およびp-GaAsコンタクト層214が順に積層された構成である。
As shown in FIG. 3, the surface emitting laser according to the present embodiment has a
図3に示すように、p-Al0.1Ga0.9As層206は、所定の厚みのある部位とそれよりも厚みの薄い部位を有する層厚分布であり、所定の厚みのある部位が凸形状を形成している。p-Al0.1Ga0.9As層206上に積層されたp-GaAs層207、酸化層形成層208およびp- Al0.1Ga0.9As層209にもp-Al0.1Ga0.9As層206の凸形状が反映されている。
As shown in FIG. 3, the p-Al 0.1 Ga 0.9 As
p- Al0.1Ga0.9As層209の上に積層されたp-Al0.35Ga0.65As層210およびp-GaAs層211はp-Al0.1Ga0.9As層206とは逆の層厚分布である。p- Al0.1Ga0.9As層209の凸形状がp-Al0.35Ga0.65As層210およびp-GaAs層211の凹形状に吸収されている。この構造により、p-GaAs層211の上面とp- Al0.1Ga0.9As層209の露出した面との高さが一致し、それらの表面が平坦になっている。
The p-Al 0.35 Ga 0.65 As
次に、本実施例の面発光型レーザの製造方法を説明する。 Next, a method for manufacturing the surface emitting laser according to this embodiment will be described.
図4Aから図4Eは図3に示した面発光型レーザの製造方法を説明するための断面模式図である。 4A to 4E are schematic cross-sectional views for explaining a method of manufacturing the surface emitting laser shown in FIG.
まず、図4Aに示すようにn型GaAs基板201上に、n型Al0.1Ga0.9As層とn型Al0.9Ga0.1As層の一対を基本単位とするDBR(n型半導体ミラー層)を複数積層した第1のDBR層202、n型Al0.3Ga0.7Asクラッド層203、ノンドープGaAs量子井戸とAl0.2GaAs障壁層からなる活性層204、p型Al0.3Ga0.7Asクラッド層205、p-Al0.1Ga0.9As層206を有機金属気相成長(MOCVD)法にて順次積層する(工程1)。
First, as shown in FIG. 4A, a plurality of DBRs (n-type semiconductor mirror layers) whose basic unit is a pair of an n-type Al 0.1 Ga 0.9 As layer and an n-type Al 0.9 Ga 0.1 As layer are formed on an n-type GaAs substrate 201. Stacked
次にフォトリソグラフィ技術により直径約6μmの円形のレジストマスクをウエハ上に形成した後、p- Al0.1GaAs層206の途中部分までレジストマスクの上からエッチングする(工程2)。これにより中央の直径6μmの円柱ができる。この円柱の高さは約50nmとしている。 Next, after a circular resist mask having a diameter of about 6 μm is formed on the wafer by photolithography, etching is performed from above the resist mask to the middle of the p-Al 0.1 GaAs layer 206 (step 2). As a result, a central cylinder with a diameter of 6 μm is formed. The height of this cylinder is about 50 nm.
次に再びMOCVD法を用いて図4Bに示すようにp-GaAs層207、p型AlxGa1-xAs(ただし0.9<x≦1)の酸化層形成層208、p- Al0.1Ga0.9As層209、p-Al0.35Ga0.65As層210およびp-GaAs層211をウエハ上に順次積層する(工程3)。このとき、p-Al0.1Ga0.9As層206に形成した凸構造を反映してその上に積層したp-GaAs層207からp-GaAs層211も凸型となる。
Next, again using MOCVD, as shown in FIG. 4B, a p-GaAs layer 207, a p-type Al x Ga 1-x As (where 0.9 <x ≦ 1) oxide layer forming layer 208, p-Al 0.1 Ga 0.9 As
次にp- GaAs層211上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術により、工程2で形成した6μm径の凸部と中心軸が一致するように、中心が円状に開いたレジストマスク212を形成する。次にエッチングを用い、図4Cに示すように表面が平坦になるようにレジストマスク212の開口部のp-GaAs層211およびp-Al0.35Ga0.65As層210をエッチングする(工程4)。その後、レジストマスク212を除去する。
Next, a resist is applied on the p-
工程4における被エッチング膜のp-Al0.35Ga0.65As層210とその下地膜のp-Al0.1Ga0.9As層209との関係は、実施例1のn-InGaP層110とn-GaAs層109との関係と同様である。そのため、本実施例においても、これらの埋込層の構成元素の組成が異なることで、実施例1と同様の作用が得られる。
The relationship between the p-Al 0.35 Ga 0.65 As
工程4の処理により、p-GaAs層211およびp-Al0.35Ga0.65As層210にp-Al0.1Ga0.9As層206の凸部と逆の厚さ分布を持たせることができ、p-Al0.1Ga0.9As層206の凸部に起因する埋込層表面上の凸型を解消し、表面平坦化が可能となる。
Through the process of Step 4, the p-
次に再度MOVPE法を用いて図4Dに示すようにp型Al0.1Ga0.9As層およびAl0.9Ga0.1As層の一対を基本単位とするDBR(ノンドープ半導体ミラー層)を複数積層した第2のDBR層213と、p-GaAsコンタクト層214とをウエハ上に順次積層する(工程5)。各々のDBR層では、高屈折率のAl0.1Ga0.9As層と低屈折率のAl0.9Ga0.1As層のそれぞれの膜厚は、これら媒質内の各々の光路長が発振波長のほぼ1/4となるように設定してある。
Next, using the MOVPE method again, as shown in FIG. 4D, a second layer in which a plurality of DBRs (non-doped semiconductor mirror layers) having a pair of p-type Al 0.1 Ga 0.9 As layer and Al 0.9 Ga 0.1 As layer as a basic unit are stacked is used. A
次に、工程2で形成した円形の埋込トンネル接合と中心軸が一致するような直径20μmの円形誘電体マスクを形成し、第1のDBR層202の表面が露出するまで、p-GaAsコンタクト層214および第2のDBR層213以下をドライエッチングする(工程6)。これにより直径20μmの円柱状構造215が形成され、酸化層形成層208の側面が露出する。
Next, form a circular dielectric mask with a diameter of 20 μm so that the central axis coincides with the circular buried tunnel junction formed in step 2, and p-GaAs contact until the surface of the
次に円柱状構造215の周りの露出している第1のDBR層202上に、次のようにして電極を形成する。まずウエハ上全面にフォトレジストを塗布した後、リソグラフィにより電極を形成する部分のみフォトレジストを除去する。Au/Ge/Niを蒸着した後、上記フォトレジストを除去してフォトレジスト上のAu/Ge/Niをリフトオフすることにより第1のDBR層202上の一部に電極216が形成される(工程7)。
Next, an electrode is formed on the exposed
次に、水蒸気雰囲気中の炉内において温度約420℃で約30分間加熱を行う(工程8)。これにより、工程6で側面が露出した酸化層形成層208のみが円環状に選択的に同時に酸化される。なお、酸化層形成層AlxGa1-xAsのAl組成xを0.9より大きい値としたのは、0.9以下であるとほとんど酸化が生じないこと、またDBR部よりも酸化速度を速くする必要があるためである。 Next, heating is performed at a temperature of about 420 ° C. for about 30 minutes in a furnace in a steam atmosphere (step 8). As a result, only the oxide layer forming layer 208 whose side surface is exposed in step 6 is selectively oxidized simultaneously in an annular shape. The reason why the Al composition x of the oxide layer forming layer Al x Ga 1-x As is set to a value larger than 0.9 is that if it is 0.9 or less, almost no oxidation occurs, and the oxidation rate must be faster than the DBR part. Because there is.
続いてp側電極を、次のようにして形成する。まずフォトレジストをウエハ上に塗布し、マスク露光によりパターニングした後、Ti/Pt/Auを蒸着し、上記フォトレジストを除去してフォトレジスト上のTi/Pt/Auをリフトオフすることにより図4Eに示すようにp側電極217が形成される(工程9)。 Subsequently, the p-side electrode is formed as follows. First, a photoresist is applied on the wafer and patterned by mask exposure. Then, Ti / Pt / Au is deposited, the photoresist is removed, and Ti / Pt / Au on the photoresist is lifted off. As shown, a p-side electrode 217 is formed (step 9).
次にポリイミド218により図4Dに示すようにメサを埋め込んだ後、リソグラフィにより工程7で形成した円柱状構造215および工程7で形成した電極216上のポリイミドを除去する(工程10)。次にポリイミド上にパッド電極219および220を形成する。これらのパッド電極のそれぞれは、上記工程6で形成された電極216および上記工程9で形成されたp側電極217のそれぞれに接続されている(工程10:図4E参照)。 Next, after filling a mesa with polyimide 218 as shown in FIG. 4D, the columnar structure 215 formed in step 7 and the polyimide on the electrode 216 formed in step 7 are removed by lithography (step 10). Next, pad electrodes 219 and 220 are formed on the polyimide. Each of these pad electrodes is connected to each of the electrode 216 formed in step 6 and the p-side electrode 217 formed in step 9 (step 10: see FIG. 4E).
このようにGaAs基板上に作製したVCSELを1個毎もしくは所望のアレイ状(例えば1個×10個、100個×100個など)に切り出して使用可能である。 The VCSELs thus fabricated on the GaAs substrate can be cut out and used one by one or in a desired array (for example, 1 × 10, 100 × 100, etc.).
本実施例では電流狭窄構造として酸化層を用いているが、通常、酸化層形成層としては平坦な層が形成され、電流狭窄径の調整は酸化時間を制御することで行われる。しかしこれは酸化層形成層の側面の表面状態や組成のバラつきの影響を受けるため、再現性、均一性よく設計通りの電流狭窄径を得ることが困難である。 In this embodiment, an oxide layer is used as the current confinement structure. Usually, a flat layer is formed as the oxide layer formation layer, and the current confinement diameter is adjusted by controlling the oxidation time. However, since this is affected by variations in the surface condition and composition of the side surface of the oxide layer forming layer, it is difficult to obtain a designed current confinement diameter with good reproducibility and uniformity.
これに対し本実施例では先に述べたように、酸化層形成層208にはその下側のp- Al0.1Ga0.9As層206に形成した凸構造を反映して凸型となっている。このため図4Bで示したように中央付近で基板と平行ではない斜面部分が現れる。この斜面部分とその外側である基板に平行な部分とでは結晶の面方位の違いにより、酸化速度に違いが生じる。具体的には斜面部分では酸化速度が遅くなる。すなわちp-Al0.1Ga0.9As層206形成した円柱の直径である6μm付近で酸化速度が低下することになり、このため均一性、再現性よく、設計通りの電流狭窄径を得ることができる。しかしこのような凸構造を用いた場合、これに起因して光閉じ込めの増加が生じる。
On the other hand, in this embodiment, as described above, the oxide layer forming layer 208 has a convex shape reflecting the convex structure formed in the p-Al 0.1 Ga 0.9 As
また、凸構造上へ結晶成長する場合、凸部の上面およびその横の平坦部とそれを結ぶ斜面間で成長速度が異なるため、両者間で原料の移動が生じ得る。このため全面が平坦な基板に成長する場合と成長速度が異なることになり、また成長が進んで凸部の段差が変わるとその速度変化の割合も変わることになる。これは正確な層厚制御が必要なDBR成長には不利となる。本実施例では工程4において平坦化を行うことによりこれらの問題を解消している。 Further, when the crystal is grown on the convex structure, the growth rate is different between the upper surface of the convex part and the flat part next to the convex part and the slope connecting it, so that the raw material can move between the two. For this reason, the growth rate differs from the case where the entire surface is grown on a flat substrate, and the rate of change in the rate changes as the growth progresses and the level difference of the convex portion changes. This is disadvantageous for DBR growth that requires precise layer thickness control. In this embodiment, these problems are solved by performing planarization in step 4.
本実施例の半導体発光素子の構成を説明する。ここではInP基板上に形成した発振波長1.3μmの面発光型レーザに本発明を適用した場合とする。本実施例の半導体発光素子の電流狭窄構造は電流ブロック構造である。 The configuration of the semiconductor light emitting device of this example will be described. Here, it is assumed that the present invention is applied to a surface emitting laser having an oscillation wavelength of 1.3 μm formed on an InP substrate. The current confinement structure of the semiconductor light emitting device of this example is a current block structure.
図5は本実施例の面発光型レーザの構成例を示す断面模式図である。 FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of the surface emitting laser according to the present embodiment.
図5に示すように、本実施例の面発光型レーザは、n型InP基板301上に、第1のDBR層302、n型InPクラッド層303、活性層304、p型InPクラッド層305、n型InP層306、p型InP層307、p型In0.8Ga0.2As0.44P0.56層308、p型InP層309および第2のDBR層311が順に積層された構成である。
As shown in FIG. 5, the surface emitting laser of the present example includes a
図5に示すように、n型InP層306は、パターンがある部位とない部位の分布を有しており、凹形状が形成されている。n型InP層306の上に形成されたp型InP層307にも凹形状が反映されている。
As shown in FIG. 5, the n-
p型InP層307上のp型In0.8Ga0.2As0.44P0.56層308およびp型InP層309はn型InP層306とは逆の層厚分布になっている。p型InP層307の凹形状がp型In0.8Ga0.2As0.44P0.56層308およびp型InP層309の下向きの凸形状に吸収されている。この構造により、p型InP層307の上面とp型InP層309の上面との高さが一致し、それらの表面が平坦になっている。
The p-type In 0.8 Ga 0.2 As 0.44 P 0.56 layer 308 and the p-
次に、本実施例の面発光型レーザの製造方法を説明する。 Next, a method for manufacturing the surface emitting laser according to this embodiment will be described.
図6Aから図6Eは図5に示した面発光型レーザの製造方法を説明するための断面模式図である。 6A to 6E are schematic cross-sectional views for explaining a method of manufacturing the surface emitting laser shown in FIG.
まず、図6Aに示すように、n型InP基板301上に、n型InP層とInPに格子整合するn型AlGaInAs層の一対を基本単位とするDBR(n型半導体ミラー層)を複数積層した第1のDBR層302、n型InPクラッド層303、ノンドープAl0.15Ga0.15In0.7As量子井戸とAl0.34Ga0.22In0.44As障壁層からなる活性層304、p型InPクラッド層305、n型InP層306を順次積層する(工程1)。
First, as shown in FIG. 6A, a plurality of DBRs (n-type semiconductor mirror layers) having a basic unit of a pair of an n-type InP layer and an n-type AlGaInAs layer lattice-matched to InP are stacked on an n-
次にフォトリソグラフィ技術により直径約7μmの円形部分が開いたレジストマスクを形成し、エッチングによりレジストマスクで覆われていない部位の上記n型InP層306を除去した後、フォトレジストを除去する(工程2)。
Next, a resist mask having an open circular portion having a diameter of about 7 μm is formed by photolithography, and the n-
次に再びMOCVD法を用いて図6Bに示すようにp型InP層307、p型In0.8Ga0.2As0.44P0.56層308およびp型InP層309をウエハ上に順次積層する(工程3)。次にp型InP層309上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術により、工程2で形成した7μm径の凹部と中心軸が一致するように、直径約7μmの円形状のレジストマスク310を形成する。
Next, again using the MOCVD method, as shown in FIG. 6B, a p-
次に選択エッチャントを用いてレジストマスク310で被覆されていない部位のp型InP層309およびp型In0.8GaAs0.44P層308を順次除去する(工程4)。これにより図6Cに示すように表面が平坦化される。その後、レジストマスク310を除去する。
Next, using a selective etchant, the p-
工程4における被エッチング膜のp型In0.8GaAs0.44P層308とその下地膜のp型InP層307との関係は、実施例1のn-InGaP層110とn-GaAs層109との関係と同様である。そのため、本実施例においても、これらの埋込層の構成元素の組成が異なることで、実施例1と同様の作用が得られる。その結果、p型InP層307の上面と残存するp型InP層309の上面の高さが一致し、上述したように、表面が平坦化される。
The relationship between the etched p-type In 0.8 GaAs 0.44 P layer 308 and the underlying p-
続いて図6Dに示すように、このウエハ上にスパッタリング法を用いてSiO2層とアモルファスSi(a-Si)層の一対を基本単位とするDBR(誘電体ミラー層)を複数積層した第2のDBR層311を形成する(工程5)。 Subsequently, as shown in FIG. 6D, a second DBR (dielectric mirror layer) having a basic unit consisting of a pair of an SiO 2 layer and an amorphous Si (a-Si) layer is stacked on the wafer by sputtering. The DBR layer 311 is formed (step 5).
SiO2層とa-Si層の膜厚は、これら媒質内の各々の光路長が発振波長のほぼ1/4となるように設定してある。次にフォトリソグラフィとエッチングにより工程2で形成した円形のトンネル接合部と同軸上に直径約10μmの円形部分を残して第2のDBR層311の不要部位を除去する(工程6)。次いで、実施例1と同様の手順を用いてメサエッチングを行い、第1のDBR層302の表面まで達する直径約30μmの円柱状構造312を形成する(工程7)。 The film thicknesses of the SiO 2 layer and the a-Si layer are set so that the respective optical path lengths in these media are approximately 1/4 of the oscillation wavelength. Next, unnecessary portions of the second DBR layer 311 are removed leaving a circular portion having a diameter of about 10 μm coaxially with the circular tunnel junction formed in step 2 by photolithography and etching (step 6). Next, mesa etching is performed using the same procedure as in Example 1 to form a cylindrical structure 312 having a diameter of about 30 μm that reaches the surface of the first DBR layer 302 (Step 7).
次に上記メサエッチングにより露出した第1のDBR層302上に電極を形成する。まずウエハ上にフォトレジストを塗布した後、リソグラフィにより電極を形成する部分のみ除去する。Ti/Pt/Auを蒸着した後、上記フォトレジストを除去してフォトレジスト上のTi/Pt/Auをリフトオフすることにより第1のDBR上の一部に電極313が形成される(工程8)。
Next, an electrode is formed on the
次にポリイミド314によりメサを埋め込んだ後、リソグラフィにより工程8で形成した電極上のポリイミドを除去する(工程9)。続いて、次のようにして電極を形成する。まずフォトレジストをウエハ上に塗布し、マスク露光によりパターニングした後、Ti/Pt/Auを蒸着し、上記フォトレジストを除去してフォトレジスト上のTi/Pt/Auをリフトオフすることによりリング電極315およびそれと接続されたパッド電極316を形成する。またこのとき同時にポリイミド314上にパッド電極317を形成し、上記工程8で形成した、第1のDBR層302上の電極313と接続している(工程10:図6E参照。)。
Next, after filling the mesa with polyimide 314, the polyimide on the electrode formed in step 8 is removed by lithography (step 9). Subsequently, an electrode is formed as follows. First, a photoresist is applied on the wafer and patterned by mask exposure. Then, Ti / Pt / Au is deposited, the photoresist is removed, and Ti / Pt / Au on the photoresist is lifted off to form the ring electrode 315. Then, a pad electrode 316 connected thereto is formed. At the same time, a pad electrode 317 is formed on the polyimide 314 and connected to the electrode 313 on the
このようにInP基板上に作製したVCSELを1個ごともしくは所望のアレイ状(例えば1個×10個、100個×100個など)に切り出して使用可能である。 The VCSELs thus produced on the InP substrate can be cut out and used one by one or in a desired array (for example, 1 × 10, 100 × 100, etc.).
本実施例では、中央7μmの円形部分を除いてp型InP層305およびp型InP層307の間にn型InP層306が形成されているため、これが電流ブロック層として機能し、電流が円形部分に狭窄される。
In this embodiment, since the n-
しかしこの電流ブロック構造を形成するため工程2において円形部分のn型InP層306を除去する必要があり、これにより凹部が生じる。このため、両側ミラー間に挟まれた光路長は円形部分の方が周囲の部分よりも小さくなる。この場合、実施例1とは逆に等価屈折率は円形部分の方が小さくなるため、いわゆる逆導波構造となり、レーザ発振が困難となる。このため閾値電流が高くなったり、発振しなくなったりするなどの問題が生じるおそれがある。これに対して、本実施例では工程4において平坦化を行うことによりこれらの問題を解消している。
However, in order to form this current block structure, it is necessary to remove the n-
本実施例の半導体発光素子の構成を説明する。ここではGaAs基板上に形成した発振波長1.15μmの面発光型レーザに本発明を適用した場合とする。本実施例の半導体発光素子の電流狭窄構造は埋め込みトンネル接合である。 The configuration of the semiconductor light emitting device of this example will be described. Here, it is assumed that the present invention is applied to a surface emitting laser having an oscillation wavelength of 1.15 μm formed on a GaAs substrate. The current confinement structure of the semiconductor light emitting device of this example is a buried tunnel junction.
図7は本実施例の面発光型レーザの構成例を示す断面模式図である。 FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of the surface emitting laser according to the present embodiment.
図7に示すように、本実施例の面発光型レーザは、n型GaAs基板401上に、第1のDBR層402、酸化層形成層403、n型Al0.2Ga0.8Asクラッド層404、活性層405、p型Al0.3Ga0.7Asクラッド層406、p-GaAs層407、p-Al0.3Ga0.7As層408、p-GaAs層409、p+-GaAs0.9Sb0.1層410、n+- In0.15 Ga0.85As層411、n-GaAs層412、n-GaAs層413、n-InGaP層414および第2のDBR層416が順に積層された構成である。
As shown in FIG. 7, the surface emitting laser of the present example has a
p+-GaAs0.9Sb0.1層410、n+- In0.15 Ga0.85As層411およびn-GaAs層412は、同一パターン形状が積層された構成であり、それぞれ同一の層厚分布を有している。これらの層は、パターンがある部位とない部位の分布を有している。p+-GaAs0.9Sb0.1層410、n+- In0.15 Ga0.85As層411およびn-GaAs層412はパターンのある部位でトンネル接合を構成する。
p + -GaAs 0.9 Sb 0.1 layer 410, n + - In 0.15 Ga 0.85 As
トンネル接合部分がn-GaAs層413に埋め込まれ、n-GaAs層413の上に形成されたn-InGaP層414はトンネル接合部分とは逆の層厚分布になっている。トンネル接合部分の凸形状がn-InGaP層414の凹形状に吸収されている。この構造により、n-InGaP層414の上面とn-GaAs層413の露出した面との高さが一致し、それらの表面が平坦になっている。
The tunnel junction portion is embedded in the n-
次に、本実施例の面発光型レーザの製造方法を説明する。 Next, a method for manufacturing the surface emitting laser according to this embodiment will be described.
図8Aから図8Eは図7に示した面発光型レーザの製造方法を説明するための断面模式図である。 8A to 8E are schematic cross-sectional views for explaining a method of manufacturing the surface emitting laser shown in FIG.
まず、図8Aに示すように、n型GaAs基板401上に、n型GaAs層とn型Al0.9Ga0.1As層の一対を基本単位とするDBR(n型半導体ミラー層)を複数積層した第1のDBR層402、n型AlxGa1-xAs(ただし0.9<x<1)の酸化層形成層403、n型Al0.2Ga0.8Asクラッド層404、ノンドープIn0.35Ga0.65As量子井戸とGaAs障壁層からなる活性層405、p型Al0.3Ga0.7Asクラッド層406、p-GaAs層407、p-Al0.3Ga0.7As層408、p-GaAs層409、p+-GaAs0.9Sb0.1層410、n+- In0.15 Ga0.85As層411、n-GaAs層412を有機金属気相成長(MOCVD)法にて順次積層する(工程1)。
First, as shown in FIG. 8A, a plurality of DBRs (n-type semiconductor mirror layers) having a basic unit of a pair of an n-type GaAs layer and an n-type Al 0.9 Ga 0.1 As layer are stacked on an n-
ここでp+-GaAs0.9Sb0.1層410のp型ドーパントとしてはC、n+- In0.15 Ga0.85As層411のn型ドーパントとしてはSiを用い、pドーピング濃度は1×1020cm-3、nドーピング濃度は2×1019cm-3とした。また各層の厚さは、p+-GaAs0.9Sb0.1層410を5nmとし、n+- In0.15 Ga0.85As層411を10nmとした。
Here, C is used as the p-type dopant of the p + -GaAs 0.9 Sb 0.1 layer 410, Si is used as the n-type dopant of the n + -In 0.15 Ga 0.85 As
次にフォトリソグラフィ技術により直径約6μmの円形のレジストマスクをウエハ上に形成した後、エッチングによりレジストで覆われていない部位の上記n-GaAs層412、n+- In0.15 Ga0.85As層411、p+-GaAs0.9Sb0.1層410層を除去する(工程2)。その後、フォトレジストを除去する(工程3)。
Next, a circular resist mask having a diameter of about 6 μm is formed on the wafer by photolithography, and then the n-
次に図8Bに示すように再びMOCVD法を用いてn-GaAs層413、n-InGaP層414をウエハ上に順次積層する(工程4)。本構造ではp+-GaAs0.9Sb0.1層410およびn+- In0.15Ga0.85As層411がトンネル接合を形成している。これを一部残して除去した後に半導体で埋め込んでおり、残存するトンネル接合部分にのみ電流が流れる構造となる。
Next, as shown in FIG. 8B, an n-
上記トンネル接合は、その界面が第1のDBR層402と後述する第2のDBR層の間に立つ定在波の節に配置されており、光吸収を低減している。また、工程2でエッチングによって半導体の段差が生じるが、この際凸部表面からトンネル接合界面までの光路長が発振波長のほぼ1/4となるようにn-GaAs層412の層厚を設定している。また、n-GaAs層413、n-InGaP層414の層厚は各層の光路長がそれぞれ発振波長のほぼ1/2、1/4など1/4の整数倍になるように設定している。
The tunnel junction is disposed at a node of a standing wave whose interface is between the
次にn-InGaP層414上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術により、工程2で形成した6μm径のトンネル接合と中心軸が一致するように、中心が円状に開いたレジストマスク415を形成する。そして、選択エッチングを用いてレジストマスク415の開口部のn- InGaP層414をエッチングする(工程5)。
Next, a resist is applied on the n-
工程5における被エッチング膜のn- InGaP層414とその下地膜のn-GaAs層413との関係は、実施例1のn-InGaP層110とn-GaAs層109との関係と同様である。そのため、本実施例においても、これらの埋込層の構成元素の組成が異なることで、実施例1と同様の作用が得られる。そのため、n- InGaP層414の上面とn-GaAs層413の露出面の高さが一致する。
The relationship between the n-
工程5の処理により、図8Cに示すようにn- InGaP層414をトンネル接合の凸部と逆の厚さ分布を持たせることができ、トンネル接合の凸部に起因する埋込層表面上の凸型を解消し、表面平坦化が可能となる。その後、レジストマスク415を除去する。
8C, the n-
次に、このウエハ上にスパッタリング法を用いてSiO2層とアモルファスSi(a-Si)層の一対を基本単位とするDBR(誘電体ミラー層)を複数積層した第2のDBR層416を形成する。SiO2層とa-Si層の膜厚は、これら媒質内の各々の光路長が発振波長のほぼ1/4となるように設定してある(工程6)。 Next, a second DBR layer 416 in which a plurality of DBRs (dielectric mirror layers) having a basic unit of a pair of an SiO 2 layer and an amorphous Si (a-Si) layer is formed on the wafer by sputtering is formed. To do. The film thicknesses of the SiO 2 layer and the a-Si layer are set so that the optical path lengths in these media are approximately 1/4 of the oscillation wavelength (step 6).
次に、図8Dに示すようにフォトリソグラフィとエッチングにより工程2で形成した円形のトンネル接合部と同軸上に直径約10μmの円形部分を残して第2のDBR層416の不要部位を除去する(工程7)。 Next, as shown in FIG. 8D, unnecessary portions of the second DBR layer 416 are removed leaving a circular portion having a diameter of about 10 μm coaxially with the circular tunnel junction formed in Step 2 by photolithography and etching ( Step 7).
次に、ウエハ上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術により、工程2で形成した円形のトンネル接合部と同軸上に直径約20μmの円形のレジストマスクを形成した後第1のDBR層402の表面が露出するまでエッチング(メサエッチング)を行い、円柱状構造417を形成する(工程8)。この後、レジストを除去する。
Next, a resist is applied on the wafer, a circular resist mask having a diameter of about 20 μm is formed coaxially with the circular tunnel junction formed in step 2 by photolithography, and then the surface of the
次に上記メサエッチングにより露出した第1のDBR層402上に、次のようにして電極を形成する。まずウエハ上にフォトレジストを塗布した後、リソグラフィにより電極を形成する部分のみフォトレジストを除去する。Au/Ga/Niを蒸着した後、上記フォトレジストを除去してフォトレジスト上のAu/Ga/Niをリフトオフすることにより第1のDBR層402上の一部に電極418が形成される(工程9)。
Next, an electrode is formed on the
次にSiO2層419を成膜した後、リソグラフィにより工程9で形成した電極418上のSiO2層419を除去する(工程10)。続いて、次のようにして電極を形成する。まずウエハ上にフォトレジストを塗布し、マスク露光によりパターニングした後、Au/Ge/Niを蒸着し、上記フォトレジストを除去してフォトレジスト上のAu/Ge/Niをリフトオフすることにより図8Eに示すように電極420およびそれと接続されたパッド電極421を形成する。またこのとき同時にSiO2層419上にパッド電極422を形成し、上記工程9で形成した第1のDBR層402上の電極418と接続している(工程11:図8E参照。)。
Then after forming the SiO 2 layer 419 is removed SiO 2 layer 419 on the electrode 418 formed in the step 9 by lithography (step 10). Subsequently, an electrode is formed as follows. First, a photoresist is applied on the wafer and patterned by mask exposure. Then, Au / Ge / Ni is evaporated, the photoresist is removed, and Au / Ge / Ni on the photoresist is lifted off. As shown, an electrode 420 and a pad electrode 421 connected thereto are formed. At the same time, a pad electrode 422 is formed on the SiO 2 layer 419 and connected to the electrode 418 on the
このようにGaAs基板上に作製したVCSELを1個毎もしくは所望のアレイ状(例えば1個×10個、100個×100個など)に切り出して使用可能である。 The VCSELs thus fabricated on the GaAs substrate can be cut out and used one by one or in a desired array (for example, 1 × 10, 100 × 100, etc.).
本実施例でも工程5において実施例1と同様に表面を平坦化しており、埋込層の厚みが薄くても高次モードの発生を抑制し、放射角を低減可能となっている。 Also in this embodiment, the surface is flattened in step 5 in the same manner as in embodiment 1, and even when the buried layer is thin, the generation of higher-order modes can be suppressed and the radiation angle can be reduced.
また、本実施例ではトンネル接合上部ではトンネル接合界面から第2のDBR層までの光路長が発振波長の3/4となっており、n-GaAs層413、n-InGaP層414は各層の光路長がそれぞれ発振波長の概ね1/2、1/4となっている。InGaPの屈折率はGaAsよりも小さいことから、n-GaAs層413とn-InGaP層414の界面での反射は第2のDBR層からの反射波とほぼ逆位相となっている。このためトンネル接合上部の反射率に比べ、その周囲のInGaP層414が存在する部分の反射率が僅かに低くなっている。これによりいわゆるモードフィルタ効果が生じ、これにより高次モードがさらに抑制される利点がある。
In this example, the optical path length from the tunnel junction interface to the second DBR layer is 3/4 of the oscillation wavelength at the upper part of the tunnel junction, and the n-
以上、本発明の実施例として実施例1から実施例4を挙げて説明したが、本発明の実施方法は上記した各種形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形が可能である。半導体発光素子の波長、材料についても実施例に挙げたもの以外を選ぶことが可能である。 As described above, the first to fourth embodiments have been described as embodiments of the present invention. However, the implementation method of the present invention is not limited to the above-described various forms, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. Is possible. Regarding the wavelength and material of the semiconductor light emitting device, those other than those listed in the examples can be selected.
本発明の半導体発光素子では、パターン層の成膜方向に第1の埋込層を介してパターン層とは逆の層厚分布で第2の埋込層が形成されているため、パターン層の凹部または凸部が第2の埋込層で吸収される。また、第1および第2の埋込層の構成元素の組成が異なっているので、第2の埋込層に対するエッチングの際、下地膜となる第1の埋込層の削れ量を抑制することができる。そのため、再現性、均一性の良く表面を平坦化することが可能であり、また共振器の光学長を正確に制御できる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, since the second buried layer is formed with a layer thickness distribution opposite to that of the pattern layer through the first buried layer in the pattern layer forming direction, The concave portion or the convex portion is absorbed by the second buried layer. In addition, since the composition of the constituent elements of the first and second buried layers is different, the amount of scraping of the first buried layer serving as a base film is suppressed when the second buried layer is etched. Can do. Therefore, the surface can be flattened with good reproducibility and uniformity, and the optical length of the resonator can be accurately controlled.
本発明の半導体発光素子の製造方法では、構成元素の組成が異なる2種以上の埋込層を用いているため、いずれかの埋込層を被エッチング膜とする選択エッチングなどの技術を用いることが可能となる。これにより、共振器内の凹部に対して逆の凸形状の埋込層を形成し、または、共振器内の凸部に対して逆の凹形状の埋込層を形成して表面を平坦化することが容易となる。 In the method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention, since two or more kinds of buried layers having different constituent element compositions are used, a technique such as selective etching using any one of the buried layers as an etching target film is used. Is possible. As a result, an embedding layer having a convex shape opposite to the concave portion in the resonator is formed, or an embedding layer having a concave shape opposite to the convex portion in the resonator is formed to flatten the surface. Easy to do.
本発明によれば、埋込層の膜厚が従来よりも薄くても共振器表面の平坦化が可能となるため、共振器長を長くすることなく光閉じ込め係数を適切な値に調整することができる。そのため、従来技術の課題であった放射角と変調速度の間のトレードオフの関係による問題を解消し、低放射角かつ高速変調可能な素子を実現でき、面発光レーザを含む半導体発光素子の特性改善に大きく寄与する。 According to the present invention, since the surface of the resonator can be flattened even if the buried layer is thinner than the conventional one, the optical confinement factor can be adjusted to an appropriate value without increasing the resonator length. Can do. Therefore, the problem due to the trade-off relationship between the radiation angle and the modulation speed, which was a problem of the prior art, can be solved, and a device capable of low-radiation angle and high-speed modulation can be realized. Contributes greatly to improvement.
本発明では2種以上の埋込層を用いて共振器表面の平坦化を図っているが、上述したように、所定の埋込層に対して選択的なエッチングができることが好ましい。選択エッチングにより表面平坦化を行うためには、層厚分布を持つ層と、それと逆の厚さ分布を有する層の間に1層以上の埋込層があることが望ましい。また、平坦化の目的はレーザ光の高次モード発生を抑えることであるため、平坦化する必要があるのは光が分布する部分であり、光が及ばない部分には凹部や凸部があっても構わない。 In the present invention, two or more types of buried layers are used to planarize the resonator surface. However, as described above, it is preferable that selective etching can be performed on a predetermined buried layer. In order to perform surface flattening by selective etching, it is desirable that one or more buried layers be provided between a layer having a layer thickness distribution and a layer having a thickness distribution opposite thereto. In addition, since the purpose of planarization is to suppress the generation of higher-order modes of the laser light, it is necessary to planarize the portion where the light is distributed, and there are concave and convex portions in the portion where the light does not reach. It doesn't matter.
また、厚さ分布を有する層の上側のミラーは主に半導体DBRか誘電体DBRが用いられるが、誘電体DBRの場合にはDBRを構成する2種の層の屈折率差が大きいので、共振器内の光路長の違いが等価屈折率差、延いては光閉じ込めに大きく影響する。このため特に共振器表面の平坦化が重要となり、本発明が有効である。 In addition, the upper mirror of the layer having a thickness distribution is mainly a semiconductor DBR or a dielectric DBR. In the case of a dielectric DBR, the refractive index difference between the two layers constituting the DBR is large, so that resonance occurs. The difference in the optical path length in the chamber greatly affects the equivalent refractive index difference and thus the optical confinement. For this reason, flattening of the resonator surface is particularly important, and the present invention is effective.
また、厚さ分布を有する層は電流狭窄構造を作製するために用いられることが多く、本発明はこれを平坦化するために特に有効である。 In addition, a layer having a thickness distribution is often used for producing a current confinement structure, and the present invention is particularly effective for flattening this.
また、低放射角のためには、共振器表面の平坦度は光が分布する領域の上面で10nm以下となるようにすることが望ましい。 In addition, for a low radiation angle, it is desirable that the flatness of the resonator surface be 10 nm or less on the upper surface of the region where light is distributed.
さらに、埋込層の屈折率差に起因する等価屈折率の差を低減するため、各埋込層の屈折率はレーザの発振波長において10%以内に収まっていることが望ましい。 Furthermore, in order to reduce the difference in equivalent refractive index due to the refractive index difference of the buried layer, it is desirable that the refractive index of each buried layer be within 10% at the laser oscillation wavelength.
101、201、401 n型GaAs基板
102、202、302、402 第1のDBR層
103、203 n型Al0.3Ga0.7Asクラッド層
104、204、304、405 活性層
105、205 p型Al0.3Ga0.7Asクラッド層
108 p+-In0.15Ga0.85As層
109 n-GaAs層
110 n-InGaP層
111 n-GaAs層
113、213、311、416 第2のDBR層
206、209 p-Al0.1Ga0.9As層
210 p-Al0.35Ga0.65As層
211 p-GaAs層
301 n-InP基板
303 n-InPクラッド層
305 p-InPクラッド層
306 n-InP層
307 p-InP層
308 p型In0.8Ga0.2As0.44P0.56層
309 p-InP層
404 n型Al0.2Ga0.8Asクラッド層
406 p型Al0.3Ga0.7Asクラッド層
411 n+- In0.15 Ga0.85As層
412、413 n-GaAs層
414 n-InGaP層
101, 201, 401 n-
Claims (12)
前記共振器の一部を構成する、所定の層厚分布を備えたパターン層と、
前記パターン層よりも該パターン層の成膜方向側に設けられた第1の埋込層と、
前記第1の埋込層に接して設けられ、該第1の埋込層と構成元素の組成が異なり、前記パターン層と逆の層厚分布を備えた第2の埋込層と、
を有する半導体発光素子。 A semiconductor light emitting device having a resonator sandwiched between two reflecting mirrors,
A pattern layer having a predetermined layer thickness distribution, constituting a part of the resonator;
A first embedded layer provided on the patterning layer side of the pattern layer with respect to the pattern layer;
A second buried layer provided in contact with the first buried layer, having a composition different from that of the first buried layer and having a layer thickness distribution opposite to that of the pattern layer;
A semiconductor light emitting device having:
前記第1の反射鏡の上に第1のクラッド層、活性層および第2のクラッド層を順に形成し、
電流狭窄構造の一部を構成する、所定の層厚分布を備えたパターン層を前記第2のクラッド層の上方に形成し、
第1の埋込層を前記パターン層の上に形成し、
前記第1の埋込層と構成元素の組成が異なる第2の埋込層を該第1の埋込層の上に形成し、
前記第2の埋込層に前記パターン層と逆の層厚分布を選択エッチングにより形成し、
前記第2の埋込層の上方に第2の反射鏡を形成する、半導体発光素子の製造方法。 Forming a first reflecting mirror on the substrate;
Forming a first clad layer, an active layer and a second clad layer in order on the first reflecting mirror;
Forming a pattern layer having a predetermined layer thickness distribution constituting a part of the current confinement structure above the second cladding layer;
Forming a first buried layer on the pattern layer;
Forming a second buried layer having a constituent element composition different from that of the first buried layer on the first buried layer;
Forming a layer thickness distribution opposite to the pattern layer in the second buried layer by selective etching;
A method of manufacturing a semiconductor light emitting device, wherein a second reflecting mirror is formed above the second buried layer.
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