JP2002289976A

JP2002289976A - 半導体構造およびその製造方法および半導体レーザ素子および半導体レーザアレイおよび光インターコネクションシステムおよび光ｌａｎシステム

Info

Publication number: JP2002289976A
Application number: JP2001084506A
Authority: JP
Inventors: Naoto Jikutani; 直人軸谷
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2002-10-04

Abstract

(57)【要約】【課題】Ａｌを組成に含む半導体層を酸化した領域を
有する半導体構造において、酸化領域の形状の制御性お
よび再現性を向上させることの可能な半導体構造および
その製造方法を提供する。【解決手段】Ａｌ組成の異なる２種以上のIII−Ｖ族
半導体層を交互に積層することによって構成された半導
体超格子構造３の一部が混晶化されて混晶化領域７とし
て形成されており、前記半導体超格子構造３の混晶化さ
れていない非混晶化領域が選択酸化されて選択酸化領域
８として形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体構造および
その製造方法および半導体レーザ素子および半導体レー
ザアレイおよび光インターコネクションシステムおよび
光ＬＡＮシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】面発光レーザは、活性層体積が小さいこ
とから、閾値電流が低く高速変調が可能であり、ギガビ
ットイーサ等の通信光源として注目されている。また、
基板に垂直な方向にレーザ出力が取り出せることから、
２次元アレイ集積が容易であり、更にアレイ化した場合
でも消費電力が少ないことから並列光インターコネクシ
ョン光源としての期待も大きい。

【０００３】また、近年、面発光レーザの発振閾値電流
の低減において、ＡｌＡｓ層の選択酸化を用いた電流狭
窄構造が非常に注目されている。例えば、文献「Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ３１（１９９５）
ｐ５６０−５６２」には、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気
相成長法）によって結晶成長されたＩｎＧａＡｓ／Ｇａ
Ａｓ量子井戸活性層とＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる分布
ブラッグ反射器とを有する素子の選択酸化による電流狭
窄構造について記述がなされている。この従来技術で
は、基板上に素子部を結晶成長させた後、素子部の表面
から基板表面までを直径２０μｍの円柱形状にエッチン
グして円柱構造のものとし、８０℃に加熱した水を窒素
ガスでバブリングして得た水蒸気雰囲気中で、４００
℃、５分間のアニールを行い、円柱構造の側面からＡｌ
Ａｓ層のみを選択的に酸化し、円柱構造の中央部に直径
５μｍの電流通路を残して、周辺部にＡｌＯ_xによる電
流狭窄構造を形成している。このように、Ａｌを含んだ
半導体層は、酸化温度が高く、Ａｌ組成が大きく、また
半導体層の厚さが厚い程速い酸化レートを得ることがで
きる。ＡｌＯ_xは高い絶縁性を有しており、酸化が行わ
れなかった領域に効率良く電流を狭窄することができ
る。上記の素子は、この構造により７０μＡという極め
て低い電流閾値を実現している。

【０００４】また、面発光レーザの重要な課題の一つ
に、偏波方向の制御が挙げられる。(１００）基板上に
作製された面発光レーザは、活性層利得に異方性が無
く、共振器構造が対称であることから、発振光の偏向方
向が一意的に定まらないという問題がある。従来、偏波
方向を制御するために、傾斜基板上に成長を行うか、ま
たは、特定の方向に歪応力を加えて活性層利得に異方性
を与えるか、または、活性層の近傍に屈折率の異なる領
域を設けて光の回折損失に異方性を与える等の方法が試
みられている。特開平１０−２７９３８号では、共振器
の回折損失に異方性を持たせるようにしており、その方
法として、選択酸化領域の形状を矩形に制御することで
偏波方向の制御を行っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、Ａｌを
組成に含むIII−Ｖ族半導体層では、水蒸気雰囲気中で
比較的容易に酸化させることが可能であり、良好な電流
狭窄と光閉じ込めとを得ることができる。しかし、この
一方で、酸化の進行の度合い、つまり均一性が、酸化温
度、Ａｌ組成、半導体層の厚さ、酸化層と接する他の層
との界面の状態等に非常に敏感であり、何度も繰り返し
て均一な酸化パターンを再現性良く得ることが難しい。
また、同じウエハ内であっても、酸化パターンの均一性
が悪く再現性は低い。従って、酸化の制御性を向上させ
るためには、予め酸化レートをモニタする等の精密な酸
化条件の管理が必要であり、製造に手間がかかってい
る。

【０００６】更に、このように酸化条件を精密に管理し
た場合であっても、十分な再現性を得ることは難しく、
電流通路の面積，形状が不均一であることによって、レ
ーザ素子の発振閾値電流や偏波方向，横モード等の光学
特性のばらつきが多く、歩留まりを低下させる原因とな
っている。

【０００７】本発明は、Ａｌを組成に含む半導体層を酸
化した領域を有する半導体構造において、酸化領域の形
状の制御性および再現性を向上させることの可能な半導
体構造およびその製造方法を提供することを目的として
いる。

【０００８】また、本発明は、上記半導体構造を用い
て、電流通路の形状の制御が容易で、かつ、発振閾値電
流等の素子間の特性ばらつきが少ない半導体レーザ素子
および半導体レーザアレイおよび光インターコネクショ
ンシステムおよび光ＬＡＮシステムを提供することを目
的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、Ａｌ組成の異なる２種以上
のIII−Ｖ族半導体層を交互に積層することによって構
成された半導体超格子構造の一部が混晶化されて混晶化
領域として形成されており、前記半導体超格子構造の混
晶化されていない非混晶化領域が選択酸化されて選択酸
化領域として形成されていることを特徴としている。

【００１０】また、請求項２記載の発明は、Ａｌ組成の
異なる２種以上のIII−Ｖ族半導体層を交互に積層する
ことによって構成された半導体超格子構造の一部を選択
的に混晶化して混晶化領域を形成し、混晶化領域に対し
て界面に平行な方向から超格子構造部のうちの混晶化さ
れていない非混晶化領域を選択的に酸化することを特徴
としている。

【００１１】また、請求項３記載の発明は、請求項２記
載の半導体構造の製造方法において、前記混晶化領域
は、前記半導体超格子構造中への不純物の拡散によって
形成されることを特徴としている。

【００１２】また、請求項４記載の発明は、請求項３記
載の半導体構造の製造方法において、該半導体構造上に
上層構造が形成される場合に、前記混晶化領域は、半導
体超格子構造中への不純物の導入をイオン注入によって
行ない、前記半導体構造上に上層構造を形成するときに
上層構造の結晶成長過程で不純物拡散がなされること
で、形成されることを特徴としている。

【００１３】また、請求項５記載の発明は、請求項２記
載の半導体構造の製造方法において、前記混晶化領域
は、半導体超格子構造上へのマスクの形成と熱処理とに
より形成されることを特徴としている。

【００１４】また、請求項６記載の発明は、活性層と、
活性層を挟んで上下に対向する一対の半導体分布ブラッ
グ反射器とを有する面発光型の半導体レーザ素子におい
て、前記活性層と分布ブラッグ反射器との間に、また
は、分布ブラッグ反射器中に、請求項１記載の半導体構
造を有し、前記半導体構造の混晶化領域が電流通路とし
て機能し、前記半導体構造の選択酸化領域が電流狭窄領
域として機能するようになっていることを特徴としてい
る。

【００１５】また、請求項７記載の発明は、活性層と、
活性層を挟んで上下に対向するクラッド層とを有する端
面発光型の半導体レーザ素子において、前記活性層とク
ラッド層との間に、または、クラッド層中に、請求項１
記載の半導体構造を有し、前記半導体構造の混晶化領域
が電流通路として機能し、前記半導体構造の選択酸化領
域が電流狭窄領域として機能するようになっていること
を特徴としている。

【００１６】また、請求項８記載の発明は、請求項６記
載の半導体レーザ素子において、電流通路として機能す
る前記混晶化領域は、形状が異方性形状となっているこ
とを特徴としている。

【００１７】また、請求項９記載の発明は、請求項６乃
至請求項８のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子に
おいて、前記活性層は、ＧａＩｎＮＡｓ混晶により構成
されていることを特徴としている。

【００１８】また、請求項１０記載の発明は、請求項６
乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子
によって形成されている半導体レーザアレイである。

【００１９】また、請求項１１記載の発明は、請求項６
乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体レーザ素
子、または、請求項１０記載の半導体レーザアレイを用
いている光インターコネクションシステムである。

【００２０】また、請求項１２記載の発明は、請求項６
乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体レーザ素
子、または、請求項１０記載の半導体レーザアレイを用
いている光ＬＡＮシステムである。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。

【００２２】本発明の半導体構造は、Ａｌ組成の異なる
２種以上のIII−Ｖ族半導体層を交互に積層することに
よって構成された半導体超格子構造の一部が混晶化され
て混晶化領域として形成されており、前記半導体超格子
構造の混晶化されていない非混晶化領域が選択酸化され
て選択酸化領域として形成されていることを特徴として
いる。

【００２３】このような本発明の半導体構造は、Ａｌ組
成の異なる２種以上のIII−Ｖ族半導体層を交互に積層
することによって構成された半導体超格子構造の一部を
選択的に混晶化して混晶化領域を形成し、混晶化領域に
対して界面に平行な方向から超格子構造部のうちの混晶
化されていない非混晶化領域を選択的に酸化することに
よって作製される。

【００２４】より詳細に、本発明では、Ａｌ組成の異な
る２種類以上のIII族−Ｖ族半導体層を交互に積層して
なる超格子構造を含んだ半導体構造において、超格子構
造の一部を選択的に混晶化し、非混晶化領域に取り囲ま
れた混晶化領域を形成する。しかる後、非混晶化領域の
側面をエッチング等によって露出させて、この非混晶化
領域の側面から界面に平行な方向に、超格子構造の非混
晶化領域を混晶化領域に対して選択的に酸化するように
している。

【００２５】超格子構造を混晶化すると、混晶化領域に
は、超格子構造を形成する各半導体層の平均の組成を有
した半導体混晶が形成される。この際、上述のようなＡ
ｌ組成の異なる２種以上の層からなる超格子構造では、
混晶化領域に形成される混晶のＡｌ組成は、超格子構造
を形成する元の半導体層のいずれと比べても低くなる。
さらに、Ａｌ混晶の酸化速度は、Ａｌ組成に大きく依存
し、Ａｌ組成が大きいもの程酸化速度が速い。従って、
混晶化領域における酸化速度を極めて遅いものとするこ
とができ、非混晶化領域の側面から界面に平行な方向に
酸化を行った場合に、混晶化領域との境界において実質
的に酸化を自己停止させることができる。これにより、
選択酸化領域を形成することができる。

【００２６】ここで、上記混晶化領域は、半導体超格子
構造中への不純物の拡散によって形成される。例えば、
この半導体構造上に上層構造が形成される場合に、混晶
化領域は、半導体超格子構造中への不純物の導入をイオ
ン注入によって行ない、半導体構造上に上層構造を形成
するときに上層構造の結晶成長過程で不純物拡散（注入
された不純物の拡散）がなされることで、形成される。

【００２７】この方法では、ＺｎやＳｉ等の不純物元素
を拡散させると、拡散に伴いIII族元素の置換が起こ
り、超格子構造が容易に混晶化する。しかる後、酸化を
行うことで、本発明の半導体構造が容易に得られる。

【００２８】また、混晶化領域は、半導体超格子構造上
へのマスク（例えばＳｉＯ₂マスク）の形成と熱処理と
によっても形成することができる。

【００２９】この方法では、ＳｉＯ₂マスクによって結
晶中のＧａ元素が吸い上げられ、III族元素の空孔が生
じ、空孔が拡散することによって超格子構造が容易に混
晶化する。しかる後、酸化を行うことで、本発明の半導
体構造が容易に得られる。

【００３０】図１，図２は本発明に係る半導体構造の作
製工程の一例を示す図である。なお、半導体構造は、Ｍ
ＯＣＶＤ法によって結晶成長を行なうことができる。ま
た、III族原料にはトリメチルガリウム，トリメチルア
ルミニウムを用い、Ｖ族原料にはアルシンを用いること
ができる。

【００３１】図１を参照すると、先ず、ＧａＡｓ（００
１）基板１上に、ＧａＡｓバッファー層２、ＡｌＡｓ／
ＧａＡｓからなる超格子構造３を結晶成長させる。次
に、窒化シリコン膜４をＣＶＤ法により堆積させた後
に、写真製版技術により５μｍ＊５μｍの方形レジスト
開口パターンを形成し、開口部６の窒化シリコン膜４を
除去する。しかる後、スパッタリング法によって全面に
ＺｎＯ膜５を形成し、５５０℃の熱処理によって窒化シ
リコンの開口部６から選択的にＺｎを拡散させる。Ｚｎ
が拡散した領域のＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超格子構造３は混
晶化し、ＡｌＧａＡｓ混晶による混晶化領域７が形成さ
れる。

【００３２】ここで、超格子構造３を構成するＡｌＡｓ
層の厚さを例えば１０ｎｍ、ＧａＡｓ層の厚さを例えば
２ｎｍ、超格子構造の繰り返し周期を例えば５周期とす
ることができる。この超格子構造を側面から酸化させる
と、ＡｌＡｓ層が実質的なＡｌＯ_x酸化層として形成さ
れるが、この例のようにＧａＡｓ層を２ｎｍと薄くする
場合には、超格子構造全体を酸化層とすることができ
る。なお、酸化層としては、ＧａＡｓ層を厚くしてＡｌ
Ａｓ層のみを酸化層としても良く、また、この例のよう
にＧａＡｓ層を薄くして超格子構造全体を酸化層として
も良い。

【００３３】次に、図２に示すように、ＺｎＯ膜５，窒
化シリコン膜４をエッチング除去し、再びＭＯＣＶＤ法
によって上部ＧａＡｓ層９の結晶成長を行った後、写真
製版技術を用いて３０μｍ＊３０μｍの方形レジストパ
ターンを形成し、パターン形成部を柱状に残し、超格子
構造部３の側面が完全に露出するようにＧａＡｓバッフ
ァー層２までの各層をドライエッチングにより除去す
る。次に、レジストを除去した後に、水蒸気雰囲気中に
おいて、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超格子構造部３を混晶化領
域７に対して選択的に酸化して、非混晶化領域からなる
酸化領域８を形成することができる。

【００３４】ここで、酸化は、８０℃に加熱した水を窒
素ガスでバブリングして得られた水蒸気雰囲気を、試料
を導入した電気炉に導き、試料を４５０℃に加熱して行
なうことができる。この際、混晶化領域７に形成された
ＡｌＧａＡｓ混晶は、Ｇａを組成に含むことで超格子構
造部３に比べて酸化レートが遅くなっており、混晶化領
域７の境界で酸化が自己停止する。例えば、ＡｌＧａＡ
ｓ混晶では、Ａｌ組成０．９以下では、ＡｌＡｓの酸化
に適した条件では殆ど酸化は進行しない。この例では、
超格子構造の厚さの比で見積もると、混晶化領域７には
Ａｌ_0.83Ｇａ_0. ₁₇Ａｓの組成の混晶が形成されている。
従って、酸化は混晶化領域７の界面で自己停止し、非常
に精度良く酸化形状（酸化領域８の形状）を制御するこ
とができる。

【００３５】このようにして、図２に示すような半導体
構造を作製することができる。

【００３６】なお、図１の例では、不純物拡散によって
混晶化領域７を形成する例を示したが、これのかわり
に、図３のように、III族の原子空孔の拡散を用いて混
晶化領域７を形成することもできる。すなわち、図３の
作製工程例では、図１と同様に、超格子構造３までの結
晶成長を行った後、全面にＣＶＤ法によって窒化シリコ
ン膜４を形成し、次に、５μｍ＊５μｍの方形レジスト
開口パターンを形成し、開口部６の窒化シリコン膜をエ
ッチング除去する。次に、ＣＶＤ法によって全面にＳｉ
Ｏ₂膜１０を形成し、８００℃の温度でアニール処理を
行い、窒化シリコン膜４の開口部６の超格子構造３を選
択的に混晶化して、混晶化領域７を形成する。

【００３７】次に、ＳｉＯ₂膜１０，窒化シリコン膜４
をエッチング除去し、図２に示したと同様に上部ＧａＡ
ｓ層９の結晶成長を行い、超格子構造部３の側面が完全
に露出するように、エッチングによって３０μｍ＊３０
μｍの柱状パターンを形成し、水蒸気雰囲気中におい
て、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超格子構造部３を混晶化領域７
に対して選択的に酸化し、図２と同様の半導体構造を形
成することができる。この例でも、混晶化領域７の酸化
レートは超格子構造部３に比べて遅くなっており、混晶
化領域７の境界で酸化が自己停止し、非常に精度良く酸
化形状（酸化領域８の形状）を制御することができる。

【００３８】上述の各例では、半導体構造の例として、
ＧａＡｓ基板１上にＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超格子構造３を
形成する場合を示したが、基板１および超格子構造３の
材料はこれに限るものではない。例えば、基板１とし
て、ＩｎＰ基板，ＧａＰ基板等を用いることもできる。
また、超格子構造３に含まれるＡｌを含む半導体層もＡ
ｌＡｓ以外の材料であっても良い。例えば、代表的なも
のとして、ＡｌＰ，ＡｌＳｂ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＧａ
Ｐ，ＡｌＡｓＰ，ＡｌＩｎＰ，ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＩｎ
Ｓｂ等が挙げられるが、その他にもこれらの混晶であっ
ても良く、組成にＡｌが含まれる混晶全般を用いること
ができる。

【００３９】上述した本発明の半導体構造およびその製
造方法は、半導体レーザ素子（端面発光型または面発光
型）、半導体レーザアレイ等に適用できる。

【００４０】具体的に、活性層と、活性層を挟んで上下
に対向するクラッド層とを有する端面発光型の半導体レ
ーザ素子に、本発明の半導体構造を適用することができ
る。すなわち、端面発光型の半導体レーザ素子におい
て、活性層とクラッド層との間に、または、クラッド層
中に、本発明の半導体構造を設けることができ、この場
合、上記半導体構造の混晶化領域が電流通路として機能
し、上記半導体構造の選択酸化領域が電流狭窄領域とし
て機能するようになっている。

【００４１】図４は本発明の半導体構造を適用した半導
体レーザ素子（端面発光型）の構成例を示す図である。
図４を参照すると、この半導体レーザ素子（端面発光型
の半導体レーザ素子）は、ＧａＩｎＮＡｓ混晶を活性層
とした実屈折率導波端面発光レーザであり、ｎ−ＧａＡ
ｓ基板２１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファー層２２を介し
て、ｎ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓクラッド層２３，ＧａＡｓ
光導波層２４，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸
活性層２５，ＧａＡｓ光導波層２６，第１のｐ−Ａｌ
_0.4Ｇａ_0.6Ａｓクラッド層２７が順次に積層されてい
る。

【００４２】そして、第１のｐ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓク
ラッド層２７上には、本発明の半導体構造が形成されて
いる。すなわち、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超格子構造を混晶
化した混晶化領域２８が電流通路として形成され、ま
た、この混晶化領域２８の両側のＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超
格子構造を選択酸化した選択酸化領域２９が電流狭窄層
として形成されている。そして、電流通路として機能す
る混晶化領域２８，電流狭窄層として機能する選択酸化
領域２９上には、第２のｐ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓクラッ
ド層３０，ｐ−ＧａＡｓコンタクト層３１が順次に形成
されている。

【００４３】そして、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層３１上
には、ｐ側電極３２が形成され、また、ｎ−ＧａＡｓ基
板２１の裏側には、ｎ側電極３３が形成されている。な
お、図４において、符号３４はＳｉＯ₂絶縁層である。

【００４４】次に、図４の半導体レーザ素子の作製工程
例を説明する。図４の半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ
（１００）基板２１上にＭＯＣＶＤ法を用いて各層を結
晶成長させて作製される。ここで、III族原料にはトリ
メチルガリウム，トリメチルアルミニウム，トリメチル
インジウムを用いることができ、また、Ｖ族原料にはア
ルシンを用いることができる。また、ＧａＩｎＮＡｓ活
性層２５の窒素原料にはジメチルヒドラジンを用いるこ
とができる。

【００４５】図４の半導体レーザ素子を作製するには、
図５に示すように、先ず、ｎ−ＧａＡｓ基板２１上に、
ｎ−ＧａＡｓバッファー層２２を結晶成長し、次に、ｎ
−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓクラッド層２３、アンドープＧａ
Ａｓ光導波層２４、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子
井戸活性層２５、アンドープＧａＡｓ光導波層２６、第
１のｐ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓクラッド層２７、ｐ−Ａｌ
Ａｓ／ＧａＡｓ超格子構造３６を結晶成長する。ここ
で、超格子構造３６を構成するＡｌＡｓ層の厚さを１０
ｎｍ、ＧａＡｓ層の厚さを２ｎｍとし、超格子構造３６
の繰り返し周期は３周期とすることができる。

【００４６】次に、図５に示すように、写真製版技術に
よって電流通路となる領域に３μｍの開口を持つストラ
イプ状レジストパターン（レジストマスク）３７を形成
し、レジスト開口部３８の表面の極く浅くにＺｎイオン
の注入を行い不純物注入領域３９を形成する。ここで、
不純物の注入エネルギーは、不純物イオンの表面からの
射程が１０ｎｍ程度となるように、例えば２０ｋｅＶと
することができる。次に、レジスト３７を除去し、第２
のｐ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓクラッド層３０、ｐ−ＧａＡ
ｓコンタクト層３１を結晶成長させるとともに、結晶成
長中の基板加熱によって不純物注入領域３９のＺｎ原子
を拡散させてＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超格子構造３６を混晶
化する。この際の結晶成長温度は７００℃であり、Ｚｎ
は容易に拡散し混晶化領域２８が形成される。

【００４７】次に、１０μｍ幅のストライプパターンを
形成し、図４に示すように、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
３１から第１のｐ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓクラッド層２７
までの各層をエッチング除去し、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超
格子構造３６のエッチング側面を露出させたリッジスト
ライプ構造を形成する。

【００４８】次に、加熱水蒸気雰囲気中において、Ａｌ
Ａｓ／ＧａＡｓ超格子構造３６を選択的に酸化させて電
流狭窄構造としての選択酸化領域２９を形成する。この
際の酸化温度は４５０℃とし、水蒸気雰囲気は８０℃に
加熱した水を窒素ガスでバブリングすることによって得
ることができる。また、酸化時間は２０分と長めにし、
十分に酸化を行なう。

【００４９】混晶化領域２８に形成されたＡｌＧａＡｓ
混晶は超格子部に対して十分酸化レートが遅く、酸化
は、混晶化領域２８の境界で高い選択性及び制御性を持
って自己停止する。従って、均一な酸化幅の電流狭窄構
造が得られる。

【００５０】また、混晶化の際に拡散させる不純物の
量，深さを、電流通路において実質的に酸化が自己停止
する程度に選んでおくことで、不純物による光吸収や、
不純物が活性層２５にまで拡散することによる発光効率
の低下を抑制することができる。また、不純物として、
Ｓｉを用いる場合には、Ｚｎを用いる場合に比べて、低
い濃度での混晶化が可能であるので、自由キャリアによ
る吸収損失を低く抑えることができる。

【００５１】次に、ＣＶＤ法により素子全面にＳｉＯ₂
膜３４を形成し、コンタクト層３１上に、電極との導通
をとるためにストライプ状にＳｉＯ₂開口領域を設け
る。次に、ｐ側電極材料を蒸着した後、アニールを行
い、ｐ側電極３２とコンタクト層３１とのオーミック導
通を取る。次に、基板２１の裏面を研磨した後、基板２
１の裏面にｎ側電極材料を蒸着した後、アニールを行
い、ｎ側電極３３と基板２１とのオーミック導通をと
る。そして、へき開によって共振器ミラーを形成し、端
面発光レーザ素子を作製することができる。

【００５２】図４の半導体レーザ素子では、ＡｌＡｓ／
ＧａＡ超格子構造を混晶化した混晶化領域２８により電
流通路が形成されており、混晶化領域２８は超格子構造
部と比べて酸化レートが著しく遅くなっている。従っ
て、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超格子構造部の横方向酸化時
に、混晶化領域２８の境界において酸化が自己停止す
る。よって、十分長めに酸化を行うことで、電流狭窄層
２９の均一性を向上できる。また、Ａｌの酸化物は非常
に良好な絶縁体として機能するので、ｐ側電極３２から
注入される正孔は効率良く電流通路に狭窄され、発振閾
値電流が低減する。また、電流通路の形状の制御性及び
再現性が高いので、素子間及びバッチ間の発振閾値電流
等の特性ばらつきを小さくできる。更に素子の歩留まり
も高くできる。

【００５３】このように、本発明の半導体構造を端面発
光型の半導体レーザ素子の電流狭窄構造に用いることに
より、混晶化領域からなる電流通路と非混晶化領域との
境界において酸化が自己停止し、電流通路の形状，面積
を正確に制御することができる。

【００５４】また、図４の半導体レーザ素子は、ＧａＡ
ｓ基板２１上に作製されており、酸化が非常に容易なＡ
ｌＧａＡｓ材料によって超格子構造を作製することがで
きる。さらに、ＧａＩｎＮＡｓ混晶を活性層２５に用い
ており、これにより、光通信において重要な１．３μｍ
帯の発振を得ることができる。また、ＧａＩｎＮＡｓ混
晶は、ＧａＡｓ等とのヘテロ構造において、大きな伝導
帯バンド不連続量を有しており、活性層２５への高い電
子閉じ込め効果が得られるので、高温まで発振閾値電流
が大きく変動することなく安定に動作させることができ
る。

【００５５】また、図４の半導体レーザ素子は、Ｚｎイ
オンの注入後、上部クラッド層３０の結晶成長中にＺｎ
拡散を行って超格子構造３６を混晶化することができ
る。この場合には、固相拡散と比べて、窒化シリコン等
の拡散マスクを形成する工程、及びアニール工程を省く
ことができ、作製工程を簡略化できる。

【００５６】このように、本発明の半導体構造を半導体
レーザ素子（端面発光型の半導体レーザ素子）に適用す
ることで、素子間の特性の揃った１．３μｍ帯の通信用
レーザ素子を再現性良く得ることができる。

【００５７】なお、上述の例では、素子構造としてＧａ
ＩｎＮＡｓを活性層とした実屈折率導波端面発光長波長
レーザに本発明の半導体構造を適用する場合を示した
が、本発明の半導体構造が適用される素子構造として
は、埋め込み成長を行ったＢＨ構造でも良いし、素子内
部に回折格子による分布帰還機構を備えたＤＦＢレーザ
であっても良い。

【００５８】また、波長帯も、ＡｌＧａＩｎＰ系材料を
用いた０．６３〜０．６８μｍ帯赤色レーザ、ＡｌＧａ
Ａｓ系材料を用いた０．７８μｍ〜０．８７μｍ帯レー
ザ、ＧａＩｎＡｓ材料を用いた０．９８μｍ〜１．２μ
ｍ帯レーザや、ＩｎＰ基板上のＡｌＧａＩｎＡｓＰ系材
料による１．２μｍ〜１．６μｍ帯レーザに適用するこ
とができる。

【００５９】また、本発明は、活性層と、活性層を挟ん
で上下に対向する一対の半導体分布ブラッグ反射器とを
有する面発光型の半導体レーザ素子にも適用することが
できる。すなわち、面発光型の半導体レーザ素子におい
て、活性層と分布ブラッグ反射器との間に、または、分
布ブラッグ反射器中に、本発明の半導体構造を設けるこ
とができ、この場合、前記半導体構造の混晶化領域が電
流通路として機能し、前記半導体構造の選択酸化領域が
電流狭窄領域として機能するようになっている。

【００６０】図６は本発明の半導体構造を適用した半導
体レーザ素子（面発光型）の構成例を示す図である。図
６を参照すると、この半導体レーザ素子（面発光型の半
導体レーザ素子）は、ＧａＩｎＮＡｓ混晶を活性層とし
た面発光レーザ素子であり、ｎ−ＧａＡｓ基板４１上
に、ｎ−ＧａＡｓバッファー層４２を介して、ｎ−Ａｌ
_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ／ＧａＡｓ分布ブラッグ反射器４３、Ｇ
ａＡｓスペーサー層４４、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多
重量子井戸活性層４５、ＧａＡｓスペーサー層４６、Ａ
ｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ層４７が順次に積層されている。

【００６１】そして、Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ層４７上に
は、本発明の半導体構造が形成されている。すなわち、
ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超格子構造を混晶化した混晶化領域
４８が電流通路として形成され、また、この混晶化領域
４８の両側のＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超格子構造を選択酸化
した選択酸化領域４９が電流狭窄層として形成されてい
る。

【００６２】そして、電流通路として機能する混晶化領
域４８，電流狭窄層として機能する選択酸化領域４９上
には、ｐ−Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ／ＧａＡｓ分布ブラッグ
反射器５０、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層５１が順次に形
成されている。

【００６３】そして、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層５１上
には、ｐ側電極５２が形成され、また、ｎ−ＧａＡｓ基
板４１の裏側には、ｎ側電極５３が形成されている。な
お、図６において、符号５４はＳｉＯ₂絶縁層である。

【００６４】次に、図６の半導体レーザ素子の作製工程
例を説明する。図６の半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ
（１００）基板４１上にＭＯＣＶＤ法を用いて各層を結
晶成長させて作製することができる。ここで、III族原
料にはトリメチルガリウム，トリメチルアルミニウム，
トリメチルインジウムを用いることができ、また、Ｖ族
原料にはアルシンを用いることができる。また、ＧａＩ
ｎＮＡｓ活性層４５の窒素原料にはジメチルヒドラジン
を用いることができる。

【００６５】具体的に、図６の半導体レーザ素子は、図
７に示すように、先ず、ＧａＡｓ（１００）基板４１上
に、ｎ−ＧａＡｓバッファー層４２を結晶成長し、しか
る後、３０対のＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ／ＧａＡｓによるｎ
型分布ブラッグ反射器４３、アンドープＧａＡｓスペー
サー層４４、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活
性層４５、アンドープＧａＡｓスペーサー層４６を結晶
成長する。

【００６６】ここで、分布ブラッグ反射器４３を構成す
るＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ層，ＧａＡｓ層の厚さは、素子の
発振波長である１．３μｍの１／４ｎの厚さとなるよう
に、それぞれ、１０８．２ｎｍ，９５．２ｎｍとするこ
とができる。なお、ｎは夫々の結晶の発振光に対する屈
折率を意味している。また、ＧａＡｓスペーサー層４
４，４６の厚さは、ＧａＡｓスペーサー層４４，４６と
多重量子井戸活性層４５とからなる共振領域が一波長共
振器を構成するように選ぶことができる。このとき、活
性層４５は、共振光の定在波の腹となる共振器中央部に
位置させるのが良い。

【００６７】次に、Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ／ＧａＡｓによ
るｐ型分布ブラッグ反射器５０の一部を構成するＡｌ
_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ層４７、及びＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超格子
構造５６を結晶成長する。ここで、超格子構造５６を構
成するＡｌＡｓ層の厚さを１０ｎｍ、ＧａＡｓ層の厚さ
を２ｎｍとし、超格子構造５６の繰り返し周期は３周期
とすることができる。

【００６８】この際、Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ層４７とＡｌ
Ａｓ／ＧａＡｓ超格子構造５６の厚さは、これらの和が
発振波長の１／４ｎの厚さになるように調整を行ってい
る。なお、ｎは各半導体層の屈折率を意味している。ま
た、この例では、後述のように、混晶化にｐ型ドーパン
トとなるＺｎを用いるので、光吸収の影響を最小限とす
るために、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超格子構造５６は、光の
定在波の節となる位置に設けるのが良い。

【００６９】次に、ＣＶＤ法により窒化シリコン膜５７
を全面に堆積させ、図８に示すパターンを持つマスクを
用い、写真製版技術及びエッチングによって電流通路と
なる領域の窒化シリコン膜５７を除去し、３μｍ＊３μ
ｍの窒化シリコン膜の方形開口部５８を設ける。次に、
スパッタにより素子全面にＺｎＯ膜５９を堆積し、５５
０℃の温度でアニールを行い、窒化シリコン膜の開口部
５８から超格子構造５６中にＺｎを拡散させ、図７に示
すように、開口部５８直下の超格子構造５６を選択的に
混晶化させ、混晶化領域４８を形成する。なお、上記例
では、混晶化の方法としてＺｎＯによる固相拡散を用い
たが、この他にも、気相拡散等を用いることもできる。
また、前述の例のように、表面極浅くへＺｎをイオン注
入し、上層の結晶成長中にＺｎを拡散させる方法を用い
ても良い。また、拡散原子もＺｎ以外のものであっても
良い。

【００７０】また、混晶化の際に拡散させる不純物の
量，深さを、電流通路において実質的に酸化が自己停止
する程度に選んでおくことで、不純物による光吸収や、
不純物が活性層４５にまで拡散することによる発光効率
の低下を抑制することができる。また、不純物としてＳ
ｉを用いる場合には、Ｚｎに比べて低い濃度での混晶化
が可能であるので、自由キャリアによる吸収損失を低く
抑えることができる。

【００７１】次に、ＺｎＯ膜５９，窒化シリコン膜５７
を除去し、先程成長を行ったＡｌ_0. ₈Ｇａ_0.2Ａｓ層４７
と対になるＧａＡｓ層、及び２５ペアのｐ−Ａｌ_0.8Ｇ
ａ_0.2Ａｓ／ＧａＡｓ分布ブラッグ反射器５０、及びｐ
−ＧａＡｓコンタクト層５１を結晶成長する。

【００７２】次に、混晶化領域４８にアラインして、こ
れの直上に３０μｍ＊３０μｍの方形レジストパターン
を形成し、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超格子構造５６のエッチ
ング側面が露出するように、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
５１からｐ側のＧａＡｓスペーサー層４６までの各層を
柱状にドライエッチングにより除去する。次に、レジス
トマスクの除去を行い、加熱水蒸気雰囲気中において、
ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超格子構造５６のエッチング側面か
ら超格子構造５６の選択酸化を行い電流狭窄層４９を形
成する。この際、水蒸気雰囲気は、８０℃に加熱した水
を窒素ガスでバブリングして得ることができる。酸化温
度は４５０℃とすることができる。また、酸化時間は２
０分と長めにし、十分に酸化を行なう。

【００７３】次に、素子全面にＣＶＤ法によってＳｉＯ
₂絶縁膜５４を堆積させ、ポリイミド等の熱硬化性絶縁
樹脂をスピンコートし、柱部分の埋め込みを行い加熱し
熱硬化させる。次に写真製版技術によって柱部の上面に
開口を持つレジストマスクを形成し、ドライエッチング
によってレジスト開口部のポリイミド、及びＳｉＯ₂の
除去を行なう。

【００７４】次に、ｐ側電極５２及び光出射部６０を設
けるために、柱部状に写真製版技術を用いて混晶化領域
４８にアラインした１０μｍ＊１０μｍの方形レジスト
パターンの開口を形成し、ｐ側電極材料の蒸着を行った
後、柱部中央の電極材料をリフトオフし、アニールを行
ってオーミック導通を取る。

【００７５】次に、基板４１の裏面を研磨した後、基板
４１の裏面にｎ側電極材料を蒸着し、アニールによって
ｎ側電極５３と基板４１とのオーミック導通をとる。

【００７６】このように作製された図６の面発光型半導
体レーザ素子は、サブミリアンペアオーダーの閾値電流
をもって、１．３μｍ帯で単一横モード発振させること
ができる。

【００７７】図６の半導体レーザ素子は、電流通路４８
がＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超格子構造５６を混晶化して形成
されており、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超格子構造部５６の横
方向酸化時に、電流通路である混晶化領域４８の境界に
おいて、酸化レートの違いから酸化が自己停止する。従
って、上述の例のように通常よりも長めに酸化を行う事
で、更に均一性が向上する。また、Ａｌの酸化物は非常
に良好な絶縁体として機能するので、ｐ側電極５２から
注入される正孔は効率良く電流通路４８に狭窄され、発
振閾値電流は低減する。また、電流通路４８の形状の制
御性及び再現性が高いので、素子間及びバッチ間の発振
閾値電流等の特性ばらつきを小さくできる。更に素子の
歩留まりも高くできる。

【００７８】このように、本発明の半導体構造を面発光
型半導体レーザ素子の電流狭窄構造として用いることに
より、混晶化領域からなる電流通路と非混晶化領域との
境界において酸化が自己停止し、電流通路の形状，面積
を正確に制御することができる。

【００７９】また、図６の半導体レーザ素子は、ＧａＡ
ｓ基板４１上に作製されており、酸化が非常に容易なＡ
ｌＧａＡｓ材料によって超格子構造を作製することがで
きる。さらに、ＧａＩｎＮＡｓ混晶を活性層４５に用い
ており、これにより、光通信において重要な１．３μｍ
帯の発振を得ることができる。また、ＧａＩｎＮＡｓ混
晶はＧａＡｓ等とのヘテロ構造において、大きな伝導帯
バンド不連続量を有しており、活性層４５への高い電子
閉じ込め効果が得られるので、高温まで発振閾値電流が
大きく変動することなく安定に動作させることができ
る。

【００８０】このように、本発明の半導体構造を半導体
レーザ素子（面発光型の半導体レーザ素子）に適用する
ことで、素子間の特性の揃った１．３μｍ帯の通信用レ
ーザ素子を得ることができる。

【００８１】なお、図７の作製工程例では、窒化シリコ
ン層５７の開口部５８を設ける工程で、図８の方形のマ
スクパターンを用いたが、これの代わりに、図９に示す
ような矩形のマスクパターンを用いることもできる。こ
の場合は、矩形の電流狭窄部４９および矩形の電流通路
（混晶化領域）４８が形成され、活性層４５の周りに大
きな光の回折損失の異方性を設けることができる。よっ
て、光の回折損の異方性から、特定の方向に偏波を制御
することができる。このような効果は、電流通路（混晶
化領域）４８が矩形のみならず楕円形状のような異方性
状となっている場合に得られることができる。すなわ
ち、例えば、電流通路４８を矩形とした場合には長辺方
向、楕円形状とした場合には長軸方向の偏波が揃い発振
を生じる。この場合も、混晶化領域４８に形成されたＡ
ｌＧａＡｓとの酸化レートの差から、酸化が自己停止す
るので、容易に矩形あるいは楕円形状の電流通路を得る
ことができる。なお、図９の例では、混晶化領域４８を
形成するためのレジストマスクの開口幅は３μｍ＊６μ
ｍとしている。

【００８２】例えば図９のような矩形なマスクパターン
を用いて作製した半導体レーザ素子は、サブミリアンペ
アオーダーの閾値電流で、単一横モード発振する。ま
た、素子の偏波方向は、混晶化領域４８の長軸方向に揃
っており、短軸方向の発振は生じない。また動作電流の
増加に対しても、横モード及び偏波方向は安定であり、
偏波スイッチングは殆ど起こらない。

【００８３】また、上述した本発明の面発光型の半導体
レーザ素子を集積させて面発光型の半導体レーザアレイ
を作製することもできる。また、上述した本発明の端面
発光型の半導体レーザ素子を集積させて端面発光型の半
導体レーザアレイを作製することもできる。

【００８４】図１０は図６の面発光型の半導体レーザ素
子を２次元に４＊４個集積したモノリシックレーザアレ
イの一例を示す平面図である。図１０の例では、個々の
素子を独立に駆動するためにｐ側電極に個別配線を設け
ている。また、図１１は図４の端面発光型の半導体レー
ザ素子を１次元に４個集積したモノリシックレーザアレ
イの一例を示す断面図である。

【００８５】図１０，図１１の半導体レーザアレイは、
それぞれ、図６，図４の半導体レーザ素子の作製方法と
同様の手順，方法で作製することができる。これによ
り、１０，図１１の半導体レーザアレイを構成する個々
の素子の電流通路の形状，面積を、前述したよう高精度
に再現性良く作製することができ、従来のように酸化幅
の違いによりアレイ内で閾値電流がばらついたり、横モ
ードが不安定になったりすることがなくなり、個々の素
子の特性を非常に良好に揃えることができる。従って、
歩留まりを高めることができる。また、図１１の面発光
型の半導体レーザアレイでは、電流通路の形状を矩形等
のように適切に選んだ場合に、偏波が特定の方向に揃え
ることが可能である。以上のように、本発明では、素子
特性の揃った半導体レーザアレイを得ることができる。

【００８６】また、上述した本発明の半導体レーザ素子
または半導体レーザアレイを用いて光インターコネクシ
ョンシステムを構成することもできる。図１２は光イン
ターコネクションシステムの一例を示す図である。図１
２の光インターコネクションシステムでは、機器Ｍ１と
機器Ｍ２とが光ファイバアレイ（石英シングルモードフ
ァイバアレイ）を用いて接続されている。また、受信側
である機器Ｍ２には、フォトダイオードアレイモジュー
ルが用いられている。また、送信側である機器Ｍ１に
は、面発光型の半導体レーザアレイを用いた１次元レー
ザアレイモジュールが用いられている。

【００８７】図１３は機器Ｍ１に用いられているレーザ
アレイモジュールの概要を示す図である。図１３のレー
ザアレイモジュールは、シリコン基板上に、１次元モノ
リシック面発光レーザアレイと、マイクロレンズアレイ
と、光ファイバアレイ（石英シングルモードファイバア
レイ）とが実装されて構成されている。ここで、面発光
レーザアレイは、ファイバに対向して設けられており、
シリコン基板に形成したＶ溝に実装されている石英シン
グルモードファイバとマイクロレンズアレイを介して結
合している。面発光レーザアレイの発振波長は１．３μ
ｍ帯であり、石英シングルモードファイバを用いること
で高速伝送が行える。

【００８８】また、本発明の面発光型の半導体レーザア
レイを用いた光インターコネクションシステムでは、素
子間の発振閾値電流分布は殆ど無く、素子の駆動制御が
非常に容易となる。また、従来に比べて発振閾値電流及
び素子抵抗のばらつきが少ないことから、伝送信号のス
キューが低減され高速伝送が可能となる。また、高次モ
ードの発振，偏波スイッチングによるノイズも非常に少
なく、符号誤り率を非常に低くすることができる。以上
のように、高速並列伝送が可能で、信頼性の高いインタ
ーコネクションシステムを構成することができる。

【００８９】なお、図１２，図１３の例では、レーザモ
ジュールに面発光型の半導体レーザアレイを用いたが、
これにかわりに、端面発光型の半導体レーザアレイを用
いることもできる。また、上述のような並列光インター
コネクションの他にも、単一素子を用いたシリアル伝送
システムを構成することもできる。また、機器間の他に
も、ボード間、チップ間、チップ内インターコネクショ
ンに応用することもできる。

【００９０】また、上述した本発明の半導体レーザ素子
または半導体レーザアレイを用いて光ＬＡＮシステムを
構成することもできる。図１４は光ＬＡＮシステムの一
例を示す図である。

【００９１】図１４の光ＬＡＮシステムでは、サーバー
とコアスイッチとの間、及び、コアスイッチと各スイッ
チとの間、及び、スイッチと各端末との間の光伝送の光
源に、上述した本発明の半導体レーザ素子が用いられて
いる。

【００９２】また、サーバーとコアスイッチとの間、及
び、コアスイッチと各スイッチとの間、及び、スイッチ
と各端末との間は、石英シングルモードファイバ、又は
マルチモードファイバによって結合を行っている。

【００９３】このような光ＬＡＮシステムの物理層とし
ては、例えば１０００ＢＡＳＥ−ＬＸ等のギガビットイ
ーサネット（登録商標）が挙げられる。

【００９４】図１４の光ＬＡＮシステムでは、光源であ
る半導体レーザ素子の特性が揃っており、駆動回路が簡
単なものにできる。また、各半導体レーザ素子は、高速
伝送に対しても安定に動作し、符号誤り率の低い正確な
伝送を行なうことができる。このように、信頼性の高い
光ＬＡＮシステムを構築することができる。

【００９５】

【発明の効果】以上に説明したように、請求項１乃至請
求項５記載の発明によれば、Ａｌ組成の異なる２種以上
のIII−Ｖ族半導体層を交互に積層することによって構
成された半導体超格子構造の一部を選択的に混晶化して
混晶化領域を形成し、混晶化領域に対して界面に平行な
方向から超格子構造部のうちの混晶化されていない非混
晶化領域を選択的に酸化するので、Ａｌを組成に含む半
導体層を酸化した領域を有する半導体構造において、酸
化領域の形状の制御性および再現性を向上させることが
できる。

【００９６】すなわち、請求項１乃至請求項５記載の発
明によれば、同一面内に、高い絶縁性を有したＡｌ酸化
物と、ＡｌＧａＡｓ材料のような導電型制御が容易な半
導体材料とが位置した構造体を、高い位置精度で作りこ
むことができる。従来、このような構造体を形成する場
合には、ＡｌＡｓ等の半導体膜を横方向から、加熱水蒸
気雰囲気中において選択的に酸化させていたが、ＡｌＡ
ｓ層の酸化レートが結晶性及び界面の状態等に対し非常
に敏感であるために、再現性及び制御性が悪かった。こ
れに対し、本発明では、酸化層として超格子構造を用い
ており、酸化させたくない部位の超格子構造を混晶化
し、Ａｌ含有率の低い混晶とすることによって超格子構
造部との酸化レートの差を大きくすることができる。Ａ
ｌＧａＡｓ層の酸化レートはＡｌＧａＡｓ混晶のＡｌ組
成、ＡｌＧａＡｓ層の膜厚に関係し、Ａｌ組成が大き
く、膜厚が厚い程、酸化レートが速くなることが知られ
ている。この際、ＡｌＧａＡｓ層はＡｌ組成が０．９以
下となると酸化が困難になる。また、ＡｌＧａＡｓ層の
酸化レートは界面の状態に敏感であり、超格子構造のよ
うに界面の数が多い程、酸化が容易になることが知られ
ている。超格子構造とすることで各ＡｌＡｓ層の膜厚は
薄くなり、逆に酸化レートが遅くなることが懸念される
が、ＧａＡｓ層の厚さを十分薄くし、ＡｌＡｓ層が超格
子構造の殆どの割合いを占めるようにすると、界面の数
が増えることによって酸化が促進され、この問題は無
い。よって、広い酸化条件幅に対し、混晶化領域と非混
晶化領域との界面において、酸化を実質的に自己停止さ
せることができる。よって、上記の構造体を高い酸化の
制御性及び再現性をもって形成することができる。

【００９７】すなわち、Ａｌを組成に含むIII−Ｖ族半
導体層の界面に平行な方向の酸化制御性を向上させ、再
現性良く半導体構造を得ることができる。

【００９８】特に、請求項３記載の発明によれば、混晶
化領域は、前記半導体超格子構造中への不純物の拡散に
よって形成されるので、上述した混晶化領域を容易に作
製することができる。すなわち、III−Ｖ族半導体から
なる超格子構造は、Ｚｎ等の不純物を表面から拡散させ
ると、ヘテロ界面を通じてＧａとＡｌの相互拡散して混
晶となることが知られている。これは、不純物元素の拡
散に伴い、III族元素の置換，拡散が同時に起こるため
である。不純物を拡散させない場合のＡｌＡｓ／ＧａＡ
ｓでは、９００℃の温度で熱処理を行って初めてヘテロ
界面での相互拡散が見られるものであり、通常の結晶成
長等の温度に対しては熱的に安定である。しかし、例え
ば、文献「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．３８
１０（１９８１） p.p.７７６」では、５７０℃の温
度でＧａＡｓ／ＡｌＡｓ（８．６ｎｍ／８．０ｎｍ）の
超格子構造にＺｎ拡散を行った場合、拡散領域にこれら
の平均組成であるＡｌ_0.48Ｇａ_0.52Ａｓの混晶が形成さ
れていることが報告されており、Ｚｎ拡散を行った場合
のＡｌとＧａの相互拡散係数はＺｎ拡散を行わない場合
の５桁以上の高い値となる。従って、この方法を用いれ
ば、本発明の半導体構造を容易に得ることができる。

【００９９】さらに、不純物拡散を行いたい領域の位置
及び形状は、写真製版技術等により拡散マスクを形成す
ることで制御できるので、所望の非酸化領域の形状を得
ることが比較的容易となる。更に、拡散させる不純物の
種類を選ぶことで、混晶化領域の導電型を制御すること
もできる。例えば、混晶化領域をｐ型導電性に制御した
い場合は不純物元素としてＺｎを拡散させ、ｎ型に制御
したい場合には１Ｅ１８ｃｍ^-3以下の濃度にＳｉを拡散
させる。この際、ＳｉはＡｌＧａＡｓに対して両性不純
物であるので、これ以上の濃度に拡散させてｐ型導電性
を得ることもできる。また、不純物の導入方法は、固相
拡散，気相拡散，イオン注入のいずれでも良く、拡散の
方法も、熱拡散，レーザーアニール等を用いることがで
きる。

【０１００】以上のことから、請求項３記載の発明によ
れば、簡単な半導体プロセスにより、所望の形状及び導
電型を有した混晶化領域と、超格子構造の酸化物からな
る絶縁領域とを有する本発明の半導体構造を容易に得る
ことができる。

【０１０１】また、請求項４記載の発明では、前記混晶
化領域は、半導体超格子構造中への不純物の導入をイオ
ン注入によって行ない、半導体構造上に上層構造を形成
するときに上層構造の結晶成長過程で不純物拡散がなさ
れることによって形成されるようになっている。より具
体的には、レジストをマスクにして電流通路となる領域
の超格子構造の極く表面浅くに不純物注入を行い、上層
の成長中に基板に加えられる熱によって不純物拡散，混
晶化を行っている。このような混晶化の方法を取れば、
従来、混晶化に良く用いられている固相拡散源による基
板表面からの不純物拡散法に比べて、混晶化の工程を非
常に簡単にすることができる。すなわち、固相拡散源を
用いた方法では、選択的に拡散を行うための窒化膜マス
クを形成する工程、ＺｎＯ等の不純物拡散源を表面に堆
積させる工程、アニールによって拡散を行う工程、固相
拡散源、及び拡散マスクを除去する工程を必要とするの
に対し、請求項４では、拡散源を選択的に注入を行うレ
ジストマスクの形成と、表面極浅くへのイオン注入工
程、レジストを除去する工程のみで良い。よって、作製
工程を非常に簡略化できる。

【０１０２】このように，請求項４の発明では、不純物
拡散によって超格子構造を選択的に混晶化する際の方法
を、電流通路となる領域の表面極浅くへの不純物注入
と、上層の結晶成長時の基板加熱とすることにより、不
純物源による固相拡散等と比べ、不純物元素を選択的に
供給する工程が簡単になり、また、不純物を拡散させる
ための特別な熱処理工程が不要となる。

【０１０３】また、請求項５記載の発明によれば、前記
混晶化領域は、半導体超格子構造上へのマスク（例えば
ＳｉＯ₂マスク）の形成と熱処理とにより形成されるの
で、混晶化領域を容易に作製することができる。すなわ
ち、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓのような超格子構造の表面にマ
スクとして例えばＳｉＯ₂マスクを設けて、８００℃程
度で熱処理を行うと、ＳｉＯ₂膜にＧａ元素が吸い上げ
られ、結晶中にＧａ元素の空孔が発生する。この空孔は
熱処理によって更に拡散し、この際にＧａ元素とＡｌ元
素の置換が生じることが知られている。また、表面マス
クとして、窒化シリコン膜を用いた場合には、このよう
な現象は起こらない。混晶化させたい領域にＳｉＯ₂膜
を設け、これ以外の領域には窒化シリコン膜を表面保護
層として設けておくと、表面性を低下させないで選択的
に混晶化を行うことができる。また、この方法では不純
物を拡散させる必要がないので、光吸収等の影響の少な
い混晶化領域が得られる。

【０１０４】以上から、請求項５記載の発明によれば、
簡単な半導体プロセスにより、所望の形状を有した混晶
化領域と超格子構造の酸化物からなる絶縁領域とを有す
る半導体構造を容易に得ることができる。

【０１０５】また、請求項６記載の発明によれば、活性
層と、活性層を挟んで上下に対向する一対の半導体分布
ブラッグ反射器とを有する面発光型の半導体レーザ素子
において、前記活性層と分布ブラッグ反射器との間に、
または、分布ブラッグ反射器中に、請求項１記載の半導
体構造を有し、前記半導体構造の混晶化領域が電流通路
として機能し、前記半導体構造の選択酸化領域が電流狭
窄領域として機能するようになっているので、電流通路
の形状の制御が容易で、発振閾値電流等の素子特性のば
らつきが非常に小さく、特性の揃った面発光型半導体レ
ーザ素子を再現性良く得ることができる。

【０１０６】すなわち、従来、ＡｌＡｓの横方向選択酸
化構造を電流狭窄構造とした面発光型半導体レーザ素子
の作製が行われているが、ＡｌＡｓ層の酸化工程の制御
が困難であり、常に同じ面積，形状の電流通路が得るこ
とが困難で、特性の揃った素子を得ることは難しかっ
た。

【０１０７】これに対し、請求項６の素子では、電流通
路が、例えばＡｌＡｓ／ＧａＡｓ等の超格子構造を混晶
化することにより形成されている。混晶化領域は、非混
晶化領域と比べて酸化レートが著しく遅く、非混晶化領
域の側面から酸化を行うと、混晶化領域との界面で高い
選択性，再現性をもって酸化を自己停止させることがで
きる。また、混晶化に用いる不純物としてＺｎ，Ｓｉ等
のドーパントを用いることができるので、混晶化領域の
導電性をｐ型，及びｎ型に制御することが可能であり、
活性層への電流注入を容易に行うことができる。

【０１０８】また、面発光型半導体レーザ素子では、選
択酸化層により、単一横モード発振が容易に実現でき
る。つまり、光強度の大きな活性層の近傍に、選択酸化
によって形成された凡そ１．６５程度の小さな屈折率値
を有したＡｌの酸化物が位置することで、高次モードの
発振が抑制されて、単一横モード化を実現することがで
きる。この際、請求項６の面発光レーザ素子は、酸化領
域の位置が非常に高い精度で制御できるので、横モード
のばらつきは非常に少なく、高出力までキンクを発生す
ること無く、単一横モード発振を得ることができる。

【０１０９】以上のように、請求項６の半導体レーザ素
子では、同一ウエハ内及びバッチ間における非酸化領域
の面積のばらつきが殆どないことから、電流通路の形状
の制御が容易で、発振閾値電流等の素子特性のばらつき
が非常に小さく、特性の揃った面発光型半導体レーザ素
子を再現性良く得ることができる。

【０１１０】また、請求項７記載の発明によれば、活性
層と、活性層を挟んで上下に対向するクラッド層とを有
する端面発光型の半導体レーザ素子において、前記活性
層とクラッド層との間に、または、クラッド層中に、請
求項１記載の半導体構造を有し、前記半導体構造の混晶
化領域が電流通路として機能し、前記半導体構造の選択
酸化領域が電流狭窄領域として機能するようになってい
るので、電流通路の形状の制御が容易で、発振閾値電流
が小さく、発振閾値電流等の素子間の特性ばらつきが少
ない端面発光型半導体レーザ素子を得ることができる。
すなわち、請求項６と同様に、混晶化領域との界面で高
い選択性，再現性をもって酸化の進行が自己停止するの
で、電流通路の形状の制御が容易で、発振閾値電流が小
さく、発振閾値電流等の素子間の特性ばらつきが少ない
端面発光型半導体レーザ素子を得ることができる。ま
た、混晶化に用いる不純物としてＺｎ，Ｓｉ等のドーパ
ントを用いることができるので、混晶化領域の導電性を
ｐ型及びｎ型に制御することが可能であり、活性層への
電流注入を容易に行うことができる。

【０１１１】また、上述のように酸化領域では屈折率が
小さく、通常の埋め込みヘテロ構造等と比べて、横方向
の実屈折率差が大きく、容易に単一横モード発振が得ら
れる。また、横モードのばらつきも殆ど無く、高出力ま
でキンクを生じることなく、安定に単一横モード動作す
る。

【０１１２】以上のように、請求項７の半導体レーザ素
子では、発振閾値電流等の素子特性のばらつきが非常に
小さく、特性の揃った端面発光型半導体レーザ素子を再
現性良く得ることができる。

【０１１３】また、請求項８記載の発明によれば、請求
項６記載の半導体レーザ素子において、電流通路として
機能する前記混晶化領域は、形状が異方性形状となって
いるので、効率良く偏波方向を制御することが可能とな
る。すなわち、偏波方向の制御が容易な面発光型半導体
レーザ素子を再現性良く得ることができる。

【０１１４】すなわち、面発光型の半導体レーザ素子で
は、通常、活性層の利得及び共振器構造が対称であるた
め、電場の偏波面が定まらず、素子毎に偏波の方向が異
なっていたり、動作中に偏波面が変化したりする偏波ス
イッチングが問題となっている。偏波面を安定させる方
法として、活性層に利得の異方性を持たせる方法等があ
り、傾斜基板上に結晶成長を行う方法が知られている。
しかし、通常、傾斜基板上では品質良く結晶成長できる
条件が狭く、条件の設定が難しいという問題がある。ま
た、この他にも共振器構造に異方性を持たせる方法とし
て、選択酸化による電流狭窄構造の形状に異方性を持た
せる方法が知られている。この方法では、屈折率の小さ
な選択酸化領域によって光が回折，散乱する際の損失が
電流狭窄構造の形状によって異なることを利用し、特定
の偏波方向に偏波を揃えるものである。例えば、電流通
路を矩形に残し酸化を行った場合には、長辺方向に偏波
が揃って発振する。

【０１１５】請求項８の半導体レーザ素子では、偏波方
向を規定する電流通路の形状が混晶化領域の酸化レート
の違いによって形成されたものであり、前述したように
形状の制御性，再現性が高い。従来は、酸化レートの異
方性が少ないために、矩形状の電流通路を得ることは非
常に困難であり、方形や矩形の柱を形成した場合でも、
酸化によって得られる電流通路の形状は殆どの場合が円
形、又は円形に非常に近い楕円形状となってしまってい
た。これに対し、請求項８の半導体レーザ素子では、電
流通路の形状は、混晶化領域の形状、つまり写真製版時
の形状で殆ど決まっており、矩形形状等を容易に得るこ
とができる。また、素子間のばらつきも少ない。従っ
て、請求項８の半導体レーザ素子では、効率良く偏波方
向を制御することが可能となる。すなわち、偏波方向の
制御が容易な面発光レーザ素子を再現性良く得ることが
できる。このように、請求項８の発明では、不純物拡散
を行う領域の形状を矩形又は楕円形のような異方性形状
としており、電流狭窄構造の違いによる光の回折損失の
異方性から発振の偏波方向が揃えることができる。ま
た、矩形等の異方性形状を有した電流狭窄構造を容易に
作製することができる。

【０１１６】また、請求項９記載の発明によれば、請求
項６乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体レーザ
素子において、前記活性層は、ＧａＩｎＮＡｓ混晶によ
り構成されているので、ＧａＡｓ基板上の素子で０．９
μｍ以上の長波の発振を得ることが可能となる。また、
ＧａＩｎＮＡｓ混晶はＧａＡｓ等とのヘテロ構造におい
て、大きな伝導帯バンド不連続量を有しており、活性層
への高い電子閉じ込め効果が得られるため、良好な特性
高温が得られる。つまり、高温まで、発振閾値電流が大
きく変動することなく安定に動作する。従って、１．３
μｍ，１．５μｍ帯等の石英ファイバー用光源に好適な
通信用半導体レーザ素子を得ることができる。また、Ｇ
ａＡｓ基板上では、ＡｌＧａＡｓ材料系による極めて高
品質の分布ブラッグ反射器と、ＡｌＡｓ混晶を含んだ超
格子構造を基板に格子整合して用いることができる。特
に、ＡｌＡｓ混晶は非常に酸化が容易で、またＧａＡｓ
層との混晶化において０．１程度のＡｌ組成の減少で急
激に酸化レートが遅くなり、酸化を自己停止させること
が非常に容易である。従って、電流通路の面積，偏波が
高精度に制御された上記波長帯域の通信用レーザを歩留
まり良く得ることができる。このように、請求項９記載
の発明では、素子特性が優れた、かつ、発振閾値電流等
の素子間の特性ばらつきが少ない石英ファイバ通信用の
半導体レーザ素子を再現性良く得ることができる。すな
わち、活性層をＧａＩｎＮＡｓ混晶とすることにより、
ＡｌＡｓ層等の酸化の容易な材料を用いて、ＧａＡｓ基
板上に０．９μｍより長波で発振する特性の優れた半導
体レーザ素子を再現性良く得ることができる。

【０１１７】また、請求項１０記載の発明によれば、請
求項６乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体レー
ザ素子によって形成されているので、すなわち、請求項
６乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体レーザ素
子により半導体レーザアレイを構成しているので、発振
閾値電流等の素子間の特性ばらつきが非常に少ない半導
体レーザアレイを提供することができる。すなわち、半
導体レーザアレイでは、アレイを構成する個々の素子の
特性ばらつきが小さいことが実用上非常に重要である。
例えば、素子間の発振閾値電流のばらつきが小さい場合
は、個々の素子の光出力制御が容易であり、また素子の
応答時間のばらつきも少ない。よって、駆動回路を簡単
なものにすることができる。また、特に、請求項８の面
発光型半導体レーザ素子による半導体レーザアレイで
は、横モード及び偏波方向のばらつきは少なく、また出
力の変化に対しても安定である。従って、ノイズの少な
い変調特性が得られる。以上のように、素子駆動が容易
で、ノイズが少なく、高速伝送が可能な面発光型半導体
レーザアレイが得られる。

【０１１８】このように、請求項１０記載の発明によれ
ば、発振閾値電流および偏波の揃った面発光型の半導体
レーザアレイ、又は、閾値電流の揃った端面発光型の半
導体レーザアレイを再現性良く得ることができる。

【０１１９】また、請求項１１記載の発明によれば、請
求項６乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体レー
ザ素子、または、請求項１０記載の半導体レーザアレイ
を用いている光インターコネクションシステムであり、
このような光インターコネクションシステムでは、高次
横モードの発振及び偏波スイッチング等によるノイズが
非常に少ないので、符号誤り率の低い通信が可能とな
る。従って、信頼性の高い光インターコネクションシス
テムを構築することができる。また、閾値電流、素子抵
抗のばらつきが少ないので、並列伝送を行う際のスキュ
ーが小さい。よって、特に、並列光伝送に好適な高速光
インターコネクションシステムを得ることができる。

【０１２０】このように、請求項１１記載の発明では、
信頼性が高く、高速伝送が可能な光インターコネクショ
ンシステムを得ることができる。

【０１２１】また、請求項１２記載の発明によれば、請
求項６乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体レー
ザ素子、または、請求項１０記載の半導体レーザアレイ
を用いている光ＬＡＮシステムであり、このような光Ｌ
ＡＮシステムでは、光源のレーザ素子の特性ばらつきが
少なく、高速伝送を行った場合にも素子の駆動制御が非
常に容易となる。また、面発光レーザ素子又は面発光レ
ーザアレイを光源に用いた場合は、高次横モードの発振
及び偏波スイッチ等によるノイズが非常に少ないので、
符号誤り率の低い通信が可能となる。従って、信頼性の
高い光ＬＡＮシステムを構築することができる。

【０１２２】このように、請求項１２記載の発明では、
信頼性が高く、高速伝送が可能な光ＬＡＮシステムを得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体構造の作製工程例を示す図
である。

【図２】本発明に係る半導体構造の構成例を示す図であ
る。

【図３】本発明に係る半導体構造の他の作製工程例を示
す図である。

【図４】本発明の半導体構造を適用した半導体レーザ素
子（端面発光型）の構成例を示す図である。

【図５】図４の半導体レーザ素子の作製工程例を示す図
である。

【図６】本発明の半導体構造を適用した半導体レーザ素
子（面発光型）の構成例を示す図である。

【図７】図６の半導体レーザ素子の作製工程例を示す図
である。

【図８】方形のマスクパターンの一例を示す図である。

【図９】矩形のマスクパターンの一例を示す図である。

【図１０】図６の面発光型の半導体レーザ素子を２次元
に４＊４個集積したモノリシックレーザアレイの一例を
示す平面図である。

【図１１】図４の端面発光型の半導体レーザ素子を１次
元に４個集積したモノリシックレーザアレイの一例を示
す断面図である。

【図１２】光インターコネクションシステムの一例を示
す図である。

【図１３】レーザアレイモジュールの概要を示す図であ
る。

【図１４】光ＬＡＮシステムの一例を示す図である。

【符号の説明】

１ＧａＡｓ基板２ＧａＡｓバッファ層３超格子構造４窒化シリコン膜５ＺｎＯ膜６開口部７混唱化領域８酸化領域９上部ＧａＡｓ層１０ＳｉＯ₂膜２１ｎ−ＧａＡｓ基板２２ｎ−ＧａＡｓバッファ層２３クラッド層２４光導波層２５活性層２６光導波層２７クラッド層２８混晶化領域２９選択酸化領域３０クラッド層３１コンタクト層３２ｐ側電極３３ｎ側電極３４ＳｉＯ₂絶縁層３６超格子構造３７レジストパターン３８レジスト開口部３９不純物注入領域４１ｎ−ＧａＡｓ基板４２ｎ−ＧａＡｓバッファ層４３分布ブラッグ反射器４４スペーサー層４５活性層４６スペーサー層４８混晶化領域４９選択酸化領域５０分布ブラッグ反射器５１コンタクト層５２ｐ側電極５３ｎ側電極５４ＳｉＯ₂絶縁層５６超格子構造５７窒化シリコン膜５８開口部５９ＺｎＯ膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ａｌ組成の異なる２種以上のIII−Ｖ族
半導体層を交互に積層することによって構成された半導
体超格子構造の一部が混晶化されて混晶化領域として形
成されており、前記半導体超格子構造の混晶化されてい
ない非混晶化領域が選択酸化されて選択酸化領域として
形成されていることを特徴とする半導体構造。
【請求項２】Ａｌ組成の異なる２種以上のIII−Ｖ族
半導体層を交互に積層することによって構成された半導
体超格子構造の一部を選択的に混晶化して混晶化領域を
形成し、混晶化領域に対して界面に平行な方向から超格
子構造部のうちの混晶化されていない非混晶化領域を選
択的に酸化することを特徴とする半導体構造の製造方
法。
【請求項３】請求項２記載の半導体構造の製造方法に
おいて、前記混晶化領域は、前記半導体超格子構造中へ
の不純物の拡散によって形成されることを特徴とする半
導体構造の製造方法。
【請求項４】請求項３記載の半導体構造の製造方法に
おいて、該半導体構造上に上層構造が形成される場合
に、前記混晶化領域は、半導体超格子構造中への不純物
の導入をイオン注入によって行ない、前記半導体構造上
に上層構造を形成するときに上層構造の結晶成長過程で
不純物拡散がなされることで、形成されることを特徴と
する半導体構造の製造方法。
【請求項５】請求項２記載の半導体構造の製造方法に
おいて、前記混晶化領域は、半導体超格子構造上へのマ
スクの形成と熱処理とにより形成されることを特徴とす
る半導体構造の製造方法。
【請求項６】活性層と、活性層を挟んで上下に対向す
る一対の半導体分布ブラッグ反射器とを有する面発光型
の半導体レーザ素子において、前記活性層と分布ブラッ
グ反射器との間に、または、分布ブラッグ反射器中に、
請求項１記載の半導体構造を有し、前記半導体構造の混
晶化領域が電流通路として機能し、前記半導体構造の選
択酸化領域が電流狭窄領域として機能するようになって
いることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項７】活性層と、活性層を挟んで上下に対向す
るクラッド層とを有する端面発光型の半導体レーザ素子
において、前記活性層とクラッド層との間に、または、
クラッド層中に、請求項１記載の半導体構造を有し、前
記半導体構造の混晶化領域が電流通路として機能し、前
記半導体構造の選択酸化領域が電流狭窄領域として機能
するようになっていることを特徴とする半導体レーザ素
子。
【請求項８】請求項６記載の半導体レーザ素子におい
て、電流通路として機能する前記混晶化領域は、形状が
異方性形状となっていることを特徴とする半導体レーザ
素子。
【請求項９】請求項６乃至請求項８のいずれか一項に
記載の半導体レーザ素子において、前記活性層は、Ｇａ
ＩｎＮＡｓ混晶により構成されていることを特徴とする
半導体レーザ素子。
【請求項１０】請求項６乃至請求項９のいずれか一項
に記載の半導体レーザ素子によって形成されていること
を特徴とする半導体レーザアレイ。
【請求項１１】請求項６乃至請求項９のいずれか一項
に記載の半導体レーザ素子、または、請求項１０記載の
半導体レーザアレイを用いていることを特徴とする光イ
ンターコネクションシステム。
【請求項１２】請求項６乃至請求項９のいずれか一項
に記載の半導体レーザ素子、または、請求項１０記載の
半導体レーザアレイを用いていることを特徴とする光Ｌ
ＡＮシステム。