JP2000277853A - 電流狭窄層の形成方法および電流狭窄型面発光レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡略化された製造工程により半導体素子内に
電流狭窄層を容易に形成することができる電流狭窄層の
形成方法および、該方法により形成した電流狭窄層を有
する電流狭窄型面発光レーザ装置を提供する。 【解決手段】 第１反射鏡１および第１電極２上にｎ型
クラッド層６、活性層７、ｐ型クラッド層８、平面状に
形成されるトンネル接合９およびｎ型クラッド層１０を
順次積層して成るクラッド層３を形成し、クラッド層３
上に第２反射鏡４および第２電極５を形成した面発光レ
ーザ装置には、第２電極５を熱処理により隣接するｎ型
クラッド層１０の内部に拡散させることにより、トンネ
ル接合９の第２電極５と対応する部分にトンネル効果を
消滅させた電流狭窄層１１が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電流注入を行う半
導体素子の内部に電流狭窄層を形成する方法および、該
方法により形成した電流狭窄層を有する半導体素子、特
に電流狭窄型面発光レーザ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子、特に面発光レーザ装置に、
内部の電流経路を制限する構造（一般的に電流狭窄層ま
たは電流阻止層という）を形成する従来技術としては、
例えば（１）埋め込み再成長技術、（２）アルミニウム
砒素（ＡｌＡｓ）の選択的酸化技術、（３）プロトン打
ち込みによる電流阻止層形成技術、がある。

【０００３】上記埋め込み再成長技術は、半導体素子内
に２つのｐ−ｎ接合を連続して設けることにより、これ
ら２つのｐ−ｎ接合に含まれる逆方向のｐ−ｎ接合を電
流狭窄構造として用いる技術である。上記アルミニウム
砒素の選択的酸化技術は、半導体素子内のＡｌＡｓ層を
水蒸気雰囲気中で熱処理することにより側面方向から選
択的に酸化して絶縁層とする技術である。上記プロトン
打ち込みによる電流阻止層形成技術は、加速したプロト
ン（例えば水素イオン）を半導体素子内に打ち込むこと
により、プロトンが打ち込まれた部分に電流狭窄層を形
成する技術である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記埋め込み再成長技
術は、半導体素子の製造工程に半導体成膜工程が２回以
上必要となるため、製造工程が複雑化するという問題が
ある。上記アルミニウム砒素の選択的酸化技術は、酸化
を行うためにＡｌＡｓ層の側面を露出させる工程が必要
となるため製造工程が複雑化するという問題と、ＡｌＡ
ｓ層の自然酸化が外周から内周へ向かって進行するため
電流狭窄層の形状および形成位置の制御が困難であると
いう問題がある。上記プロトン打ち込みによる電流阻止
層形成技術は、プロトンを打ち込む際の膜厚方向の位置
制御が困難であるという問題がある上に、プロトンを打
ち込む際に半導体素子に欠陥を導入してしまうという問
題や、プロトン打ち込み用の専用の加工装置が新たに必
要になってコストアップするという問題がある。

【０００５】本発明は、簡略化された製造工程の採用に
より半導体素子内に電流狭窄層を容易に形成することが
できる電流狭窄層の形成方法を提供することを第１の目
的とする。本発明は、簡略化された製造工程より成る電
流狭窄層の形成方法により形成した電流狭窄層を有する
電流狭窄型面発光レーザ装置を提供することを第２の目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るため、請求項１に係る第１発明は、半導体素子内部に
電流狭窄層を形成する方法であって、半導体素子内部に
トンネル接合を平面状に形成する工程と、前記トンネル
接合に近接する半導体素子表面の所定部位に金属電極を
形成する工程と、前記金属電極を熱処理により半導体素
子内部に拡散させることにより、前記トンネル接合の前
記金属電極と対応する部分のトンネル効果を消滅させて
電流狭窄層とする工程とから成ることを特徴とする。

【０００７】上記第２の目的を達成するため、請求項２
に記載の第２発明は、第１反射鏡および第１電極と、前
記第１反射鏡および第１電極上に形成され、前記第１反
射鏡側からｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、
トンネル接合およびｎ型クラッド層を順次積層して成る
クラッド層と、下面が一致するように前記クラッド層上
に形成される第２反射鏡および第２電極とから成る面発
光レーザ装置であって、前記第２電極を熱処理により隣
接するｎ型クラッド層の内部に拡散させることにより、
前記トンネル接合の前記第２電極と対応する部分にトン
ネル効果を消滅させた電流狭窄層を形成したことを特徴
とする。

【０００８】

【発明の効果】第１発明においては、半導体素子内部に
電流狭窄層を形成する際には、半導体素子内部にトンネ
ル接合を平面状に形成した後、前記トンネル接合に近接
する半導体素子表面の所定部位に金属電極を形成し、そ
の後、前記金属電極を熱処理により半導体素子内部に拡
散させることにより、前記トンネル接合の前記金属電極
と対応する部分のトンネル効果を消滅させて電流狭窄層
とするから、従来技術である埋め込み再成長技術、アル
ミニウム砒素の選択的酸化技術、プロトン打ち込みによ
る電流阻止層形成技術に比べて電流狭窄層製造法が著し
く簡略化されて半導体素子内に容易に電流狭窄層を形成
することができ、量産性が向上する。

【０００９】第２発明においては、電流狭窄型面発光レ
ーザ装置の、第１反射鏡および第１電極と、下面が一致
するように形成される第２反射鏡および第２電極との間
には、前記第１反射鏡側からｎ型クラッド層、活性層、
ｐ型クラッド層、トンネル接合およびｎ型クラッド層を
順次積層して成るクラッド層が形成されており、前記ト
ンネル接合の前記第２電極と対応する部分には、前記第
２電極を熱処理して隣接するｎ型クラッド層の内部に拡
散させることによりトンネル効果を消滅させた電流狭窄
層が形成されているから、前記第１電極および第２電極
間に電流を注入して前記トンネル接合のトンネル効果を
消滅させた部分以外の部分を経て前記活性層を局所的に
励起することにより発生した光を前記第１および第２反
射鏡間で往復させてレーザ発振を行う際に、所望の電流
狭窄効果が得られる。したがって、電流狭窄型面発光レ
ーザ装置の動作電流や効率等の動作特性が向上する。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づき詳細に説明する。図１は本発明の電流狭窄層の
形成方法により製造した第１実施形態の電流狭窄型面発
光レーザ装置の原理的構造を示す概念図であり、図２は
第１実施形態の電流狭窄型面発光レーザ装置の詳細図で
ある。本実施形態の電流狭窄型面発光レーザ装置（以
下、面発光レーザ装置という）は、図１に示すように、
上面が一致するように形成される第１反射鏡１および第
１電極（この場合、陰極である）２と、第１反射鏡１お
よび第１電極２上に形成されるクラッド層３と、下面が
一致するようにクラッド層３上に形成される第２反射鏡
４および第２電極（この場合、陽極である）５とから成
る。

【００１１】上記第１反射鏡１は、図２に示すような２
種類の誘電体層（ここではＭｇＯおよびＳｉを用いる）
を交互に積層した多層膜反射鏡であり、この第１反射鏡
１の合計膜厚は３μｍである。上記第２反射鏡４は、図
２に示すような２種類の誘電体層（ここではＳｉＯ₂お
よびＴｉＯ₂ を用いる）を交互に積層した多層膜反射鏡
であり、この第１反射鏡１の合計膜厚は３μｍである。

【００１２】上記第１電極２は、オーミック接触用の金
属電極であり、クラッド層３側から順に、ＡｕＧｅを質
量１２％含むＡｕＧｅ合金層（膜厚１０００Å）および
Ａｕ層（膜厚１０００Å）を積層したものであり、この
第１電極２の上面は第１反射鏡１の上面と一致させてあ
る。上記第２電極５は、オーミック接触用の金属電極で
あり、クラッド層３側から順に、Ｇｅを質量１２％含む
ＡｕＧｅ合金層（膜厚５００Å）、Ｎｉ層（膜厚２００
Å）およびＡｕ層（膜厚１０００Å）を積層したもので
あり、この第２電極５の下面は第２反射鏡４の下面と一
致させてある。なお、この第２電極５は、後述する電流
狭窄層を形成する部分を少なくとも含んでいればよい。

【００１３】上記クラッド層３は、光の共振器となる半
導体素子であり、図２に示すように、第１反射鏡１側か
ら順に、ｎ−ＩｎＰ層（膜厚＝７λ／４、λは面発光レ
ーザ装置の波長）より成るｎ型クラッド層６、活性層
７、ｐ−ＩｎＰ層（膜厚＝６λ／４）より成るｐ型クラ
ッド層８、トンネル接合９およびｎ−ＩｎＰ層（膜厚＝
λ／４）より成るｎ型クラッド層１０を順次積層したも
のである。このクラッド層３は、ｎ−ｐ−ｎ型素子とし
て構成されており、逆方向のトンネルダイオードおよび
順方向のレーザダイオードを直列接続したような形態に
なっている。

【００１４】上記活性層７は、光を発生する領域であ
り、発光波長１．５５μｍの量子井戸活性層として構成
されている。この活性層７は、図３に示すように、膜厚
１００Åのバンドギャップ波長１．１７μｍのＧａＩｎ
ＡｓＰ層より成る障壁層７ａと、膜厚６３Åの１％圧縮
歪のＧａＩｎＡｓＰ層より成る井戸層７ｂとを交互に形
成したものである。

【００１５】上記トンネル接合９は、図４に示すよう
に、ｐ型クラッド層８側から順に、膜厚５０Åのｐ−Ｇ
ａＩｎＡｓ層９ａ、膜厚５０Åのｐ⁺ −ＡｌＡｓ層９ｂ
および膜厚１００Åのｎ⁺ −ＩｎＰ層９ｃを積層したも
のである。

【００１６】本実施形態においては、第２電極５を熱処
理して隣接するｎ型クラッド層１０の内部に拡散させる
ことにより、トンネル接合９の第２電極５と対応する部
分のトンネル効果を消滅させたため、トンネル接合９の
中央部以外の部分には電流狭窄層１１（図１参照）が形
成されている。

【００１７】次に、本実施形態の電流狭窄層の形成方法
を用いて電流狭窄型面発光レーザ装置を製造する工程を
説明する。まず、ｎ型クラッド層６、活性層７およびｐ
型クラッド層８を順次積層し、ｐ型クラッド層８上にト
ンネル接合９を正孔注入用に平面状に形成してから、ト
ンネル接合９上にｎ型クラッド層１０を積層する一連の
工程により、半導体素子としてのクラッド層３を形成す
る。

【００１８】次に、上記クラッド層３の上部表面の上
に、下面が一致するように第２反射鏡４および第２電極
５を形成するとともに、上記クラッド層３の下部表面の
下に、上面が一致するように第１反射鏡１および第２電
極２を形成する。その際、トンネル接合９に近接する半
導体素子表面である上記クラッド層３の上部表面に形成
される第２電極５は、平面状に形成されたトンネル接合
９の内、トンネル効果を消滅させたい部分に対応する部
分を少なくとも含むように形成すればよい。

【００１９】その後、第２電極を例えば３００°Ｃ〜４
５０°Ｃの温度で熱処理して、第２電極５をクラッド層
３の内部に拡散させる。この電極拡散のための熱処理
は、例えば現在一般的に用いられている電極の合金化工
程と同様の工程により行うものとする。この熱処理によ
り、トンネル接合９の第２電極５と対応する部分（第２
電極５の直下の部分）のトンネル効果が消滅し、このト
ンネル効果が消滅したトンネル接合は、ｐ−ｎ接合の逆
方向のものあるいは合金化された高抵抗層となるため、
何れの場合も電流を阻止するものとなり、図１に示すよ
うな電流狭窄層１１が形成される。

【００２０】次に、上記のようにして製造された面発光
レーザ装置の作用を説明する。図１の面発光レーザ装置
の第１電極（陰極）２および第２電極（陽極）５間に電
流を注入すると、トンネル接合９の上部に第２反射鏡４
が設けられた部分以外の部分はトンネル効果が消滅して
いるので、第２電極（陽極）５から注入された電流は電
流経路を制限されて横方向に流れ、第２反射鏡４の下面
まで伝導する。この第２反射鏡４の下部に位置するトン
ネル接合９にはトンネル効果が残っているので、第２反
射鏡４の下面を経た電流はｎ型クラッド層１０を経て上
記トンネル接合９を通過して伝導し、正孔となって活性
層７に至る。このようにして活性層７の第２反射鏡４と
対応する部分のみに選択的に注入された正孔は、第１電
極（陰極）２から注入された電子と再結合されて発光す
る。この発光した光が第１および第２反射鏡間を往復す
ることにより増幅されてレーザ発振に至り、第２反射鏡
４を通過してレーザ光１２（図１参照）として外部に出
射する。

【００２１】ところで、本実施形態では、トンネル接合
を用いているが、トンネル接合は江崎玲於奈博士により
予言されるとともに実現されたノーベル賞受賞発明であ
り、このトンネル接合の技術を利用するトンネルダイオ
ードは比較的容易に製作が可能であり、素子内部にトン
ネルダイオードを形成することも可能であり、トンネル
ダイオードを利用したデバイスも開発されている。ま
た、金属電極の熱処理は、従来から電極の抵抗を低減す
る手法として用いられているが、従来技術においてはそ
れ以上の機能発現には用いられていない。

【００２２】これに対し、本実施形態では、面発光レー
ザ等の半導体素子内に正孔注入用に平面状に形成された
トンネル接合９のトンネル効果を金属製の第２電極５の
熱処理拡散により部分的に消滅させることにより容易に
電流狭窄層１１を形成し得るようにしたため、製造工程
が簡略化されることになり、量産性が向上する。また、
トンネル接合９のトンネル効果を残す部分の大きさ、形
状および位置は第２電極５の形状のみに依存して任意に
制御することができるので、面発光レーザ装置の活性領
域（活性層）の形状等も任意に制御することが可能であ
り、従来技術に比べて制御性が格段に優れた製造方法と
なる。したがって、この製造方法により製造した面発光
レーザ装置は、高い均一性を有する素子特性を実現する
ものとなる。

【００２３】また、本実施形態においては、トンネル接
合を用いることにより、抵抗値の高いｐ型の半導体や電
極を用いる代わりに抵抗値の低いｎ型の半導体や電極を
用いることができるため、半導体素子を低抵抗化するこ
とができる。また、同種類の電極を用いているため、単
一の工程（例えば蒸着工程またはメッキ工程）により第
１および第２電極を形成することができる。さらに、上
記電極拡散のための熱処理は、一般的な電極の合金化工
程と同様の工程であるので、その工程の実施が容易であ
る点でも従来技術に比べて有利である。

【００２４】図５は本発明の電流狭窄層の形成方法によ
り製造した第２実施形態の電流狭窄型面発光ダイオード
装置の原理的構造を示す概念図であり、図６は第２実施
形態の電流狭窄型面発光ダイオード装置の詳細図であ
る。本実施形態の電流狭窄型面発光ダイオード装置は、
概念的には、図１に示す第１実施形態の面発光レーザ装
置から第１反射鏡１および第２反射鏡４を取り除き、第
１電極２および第２電極５の形状を異ならせるとともに
各層の膜厚を変更したものであり、それ以外の部分は上
記第１実施形態と同様に構成する。

【００２５】本実施形態においては、クラッド層３は、
図６に示すように、下側から順に、ｎ−ＩｎＰ基板（膜
厚＝約１００μｍ）より成るｎ型クラッド層６、活性層
７、ｐ−ＩｎＰ層（膜厚＝７０００Å）より成るｐ型ク
ラッド層８、トンネル接合９およびｎ−ＩｎＰ層（膜厚
＝２０００Å）より成るｎ型クラッド層１０を順次積層
したｎ−ｐ−ｎ型半導体素子として構成されている。な
お、本実施形態の活性層７およびトンネル接合９は、第
１実施形態のものと同一組成かつ同一膜厚のものを用い
る。

【００２６】本実施形態の面発光ダイオード装置によれ
ば、上記第１実施形態と同様にトンネル接合のトンネル
効果を部分的に消滅させることによりトンネル効果が残
ったトンネル接合部分に電流経路を制限するようにした
ので、該トンネル接合部分の下部に位置する活性層のみ
から光が発生して、第１電極２の間から光１３（図５参
照）として出射することになり、上記第１実施形態と同
様の作用効果が得られる。

【００２７】図７は本発明の電流狭窄層の形成方法によ
り製造した第３実施形態のストライプ型レーザ装置の原
理的構造を示す概念図であり、図８は第３実施形態のス
トライプ型レーザ装置の詳細図である。本実施形態のス
トライプ型レーザ装置は、概念的には、図５に示す第２
実施形態の面発光ダイオード装置の円形にくりぬかれた
第１電極２を１つに連結してクラッド層３の下面全域を
覆うようにしたものであり、それ以外の部分は上記第２
実施形態と同様に構成する。

【００２８】本実施形態においては、クラッド層３は、
図８に示すように、下側から順に、ｎ−ＩｎＰ基板（膜
厚＝約１００μｍ）より成るｎ型クラッド層６、膜厚１
０００Åのバンドギャップ波長１．１７μｍのＧａＩｎ
ＡｓＰ層より成る導波路層１４、活性層７、膜厚１００
０Åのバンドギャップ波長１．１７μｍのＧａＩｎＡｓ
Ｐ層より成る導波路層１５、ｐ−ＩｎＰ層（膜厚＝１．
２μｍ）より成るｐ型クラッド層８、トンネル接合９お
よびｎ−ＩｎＰ層（膜厚＝２０００Å）より成るｎ型ク
ラッド層１０を順次積層したｎ−ｐ−ｎ型半導体素子と
して構成されている。なお、本実施形態の活性層７およ
びトンネル接合９は、第１実施形態のものと同一組成か
つ同一膜厚のものを用いる。

【００２９】本実施形態のストライプ型レーザ装置によ
れば、上記第１実施形態と同様にトンネル接合のトンネ
ル効果を部分的に消滅させることによりトンネル効果が
残ったトンネル接合部分に電流経路を制限するようにし
たので、該トンネル接合部分の下部に位置する活性層の
みから光が発生して、該活性層のへき開された端面から
光１６（図７参照）として出射することになり、上記第
１実施形態と同様の作用効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の電流狭窄層の形成方法により製造し
た第１実施形態の電流狭窄型面発光レーザ装置の原理的
構造を示す概念図である。

【図２】 第１実施形態の電流狭窄型面発光レーザ装置
の詳細図である。

【図３】 第１実施形態の電流狭窄型面発光レーザ装置
の活性層の詳細図である。

【図４】 第１実施形態の電流狭窄型面発光レーザ装置
のトンネル接合の詳細図である。

【図５】 本発明の電流狭窄層の形成方法により製造し
た第２実施形態の電流狭窄型面発光ダイオード装置の原
理的構造を示す概念図である。

【図６】 第２実施形態の電流狭窄型面発光ダイオード
装置の詳細図である。

【図７】 本発明の電流狭窄層の形成方法により製造し
た第３実施形態のストライプ型レーザ装置の原理的構造
を示す概念図である。

【図８】 第３実施形態のストライプ型レーザ装置の詳
細図である。

【符号の説明】

１ 第１反射鏡 ２ 第１電極 ３ クラッド層 ４ 第２反射鏡 ５ 第２電極 ６ ｎ型クラッド層 ７ 活性層 ８ ｐ型クラッド層 ９ トンネル接合 １０ ｎ型クラッド層 １１ 電流狭窄層 １２ レーザ光 １３，１６ 光 １４，１５ 導波路層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮本 智之 東京都国分寺市北町１−17−20 Ｆターム(参考） 5F073 AA09 AA51 AA74 AB17 CA12 DA16

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体素子内部に電流狭窄層を形成する
   方法であって、 半導体素子内部にトンネル接合を平面状に形成する工程
   と、 前記トンネル接合に近接する半導体素子表面の所定部位
   に金属電極を形成する工程と、 前記金属電極を熱処理により半導体素子内部に拡散させ
   ることにより、前記トンネル接合の前記金属電極と対応
   する部分のトンネル効果を消滅させて電流狭窄層とする
   工程とから成ることを特徴とする電流狭窄層の形成方
   法。
2. 【請求項２】 第１反射鏡および第１電極と、前記第１
   反射鏡および第１電極上に形成され、前記第１反射鏡側
   からｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、トンネ
   ル接合およびｎ型クラッド層を順次積層して成るクラッ
   ド層と、下面が一致するように前記クラッド層上に形成
   される第２反射鏡および第２電極とから成る面発光レー
   ザ装置であって、 前記第２電極を熱処理により隣接するｎ型クラッド層の
   内部に拡散させることにより、前記トンネル接合の前記
   第２電極と対応する部分にトンネル効果を消滅させた電
   流狭窄層を形成したことを特徴とする電流狭窄型面発光
   レーザ装置。