JP2538960B2 - 半導体発光装置の製造方法 - Google Patents

半導体発光装置の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 特に、DH型レーザーダイオード等の半導体発光装置の
製造方法に関し、 活性層の成長制御性を改善し、製品の歩留りを向上さ
せることを目的とし、 結晶成長面が(100)面より僅かに傾斜してなるイン
ジウムリン(InP)半導体基板を準備し、該半導体基板
上に溝を形成する工程と、液相エピタキシャル成長法に
より、クラッド層と、該クラッド層に隣接する活性層
を、該半導体基板上と該溝の内部とに各々分離して順次
成長する工程と、を含んで構成している。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、半導体発光装置の製造方法に関し、特に、
ダブルヘテロ(DH)型レーザーダイオート等の半導体発
光装置の製造方法に関する。
近時、オプトエレクトロニクス(opto−electronic
s)の応用分野は、通信をはじめとして一般事務機器の
分野や、医療用機器の分野などに多様な拡がりをみせて
いる。
特に、通信の分野では在来のケーブル通信網から光フ
ァイバーによる通信網へと逐次更新がなされており、極
めて遠距離の例えば国際間に敷設された海底光ケーブル
も実現している。このため、光中継器に用いられる発光
デバイスには、コヒーレントな光を高いレベルで出力
し、かつ、長寿命なことが要求される。
一般に、インジウムリン(InP)のpn接合に電流を流
すことにより得られるレーザー光は、ほぼ単一のスペク
トル成分からなる極めてコヒーレント性の高い光であ
り、上述の通信網等に適用して最適な光源となる。
第3図はダブルヘテロ(DH)型レーザダイオード(L
D:laser diode)の基本的な構造を示す図である。第3
図において、順方向バイアスで注入励起状態の電子(図
中黒丸)は活性層内で正孔(図中白丸)と再決合し、入
射した光の位相と同位相、かつ光の強さに比例した確率
で同じ周波数の光(レーザー光)を放出(誘導放出)
し、発光・増幅する。さらに、この増幅作用に加えて光
に帰還作用をもたせるには、半導体結晶のへき開面を利
用した反射鏡により光の閉じ込めを行う。
LDは、変調周波数をLED(発光ダイオードlight emitt
ing diode)よりも大きくでき、コヒーレント性と出力
パワーに優れているが、温度特性や反射光による発光不
安定性に難点があった。
〔従来の技術〕
第4図はこのような難点を解決すべく製造されたLDの
例を示す構造図である。
半導体レーザーダイオート1は以下の工程で製造され
る。すなわち、ミラー指数(100)面のInP基板2上に、
電流狭窄層3を液相エピタキシャル(LPE)法によって
成長させた後、〈011〉方向(紙面に垂直であり、かつ
紙面の表から裏に抜ける方向)にフォトリソブラフィ技
術と化学薬品によるエッチングにより(111)面が表出
されたV字溝4を形成する工程と、この工程の後に、A
層5、B層6、C層7、コンタクト層8を順次成長させ
て積層する工程と、コンタクト層8および基板2のそれ
ぞれに電極(図示せず)を形成する工程と、を含むプロ
セスを経て製造される。
その結果、A層5およびB層6がV字溝4の(111)
面に沿って分離され、V字溝4内に独立した下側クラッ
ド層(すなわち、A層)9や活性層(すなわち、B層)
10が形成されるとともに、活性層10に接して上側クラッ
ド層(すなわち、C層)11が形成されるが、このよう
に、V字溝4内に下側クラッド層9や活性層10を独立し
て形成するためには、V字溝4の内部(以下、凹部とい
う)とV字溝4から出た電流狭窄層3表面上の平坦部
(以下、単に平坦部という)における結晶の成長速度に
差をもたせる必要がある。すなわち、凹部と平坦部にお
ける成長速度が共に等しいと、第5図に示すように両者
に形成された膜が連続してしまい、凹内に独立した膜が
得られなくなる。
ところで、一般に曲率をもつ固−液界面の場合、固相
側から見た界面での平衡温度TIは、表面張力(Capillar
y)の効果から、次式に従って求められる。
TI=Te+TeΓK …… 但し、Γ:rLS/L Te:液相の平衡温度(平坦な界面に対する平衡
温度) rLS:固−液界面の表面張力 L:単位質量あたりの潜熱 K:界面の曲率 この式を上述の凹部および平坦部にあてはめてみた場
合、平坦部ではK=0であるからTI=Teとなり、凹部で
はK<0であるからTI=Te−α(但し、α=TeΓK)と
なる。また、凹部と平坦部の境の肩(以下、凸部とい
う)では、K>0であるからTI=Te+αとなる。すなわ
ち、TIは凹部で最も低く、平坦になるに従って上昇する
ような温度特性を示す。したがって、LPE法における溶
液の過飽和度を用いた核生成は、過飽和度がその場所に
おけるTIに比例するから、凹部での核生成は他の平坦部
や凸部よりも比較的低温下で促進されることとなり、そ
の結果、凹部における結晶の成長速度が速められ、第4
図に示す下側クラッド層9や活性層10をV字溝4内に独
立して形成することができる。なお、このような成長面
の形状による溶液の過飽和度に応じた成長速度r0は、次
式のように示される。
r0=r1±r2 …… 但し、r1:凹凸部での成長速度 (凹部正符号、凸部負荷号) r2:幾何学的な形状による成長速度 (平坦部0) 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、このような従来の半導体発光装置の製
造方法にあっては、結晶成長面の形状と溶液の過飽和度
にほぼ依存してV字溝4内に下側クラッド層9や活性層
10を成長させていたため、比較的に制御性が悪く、以下
に述べる理由から場合によっては、所望の形状で下側ク
ラッド層9や活性層10を形成できないといった問題点が
あった。その結果、例えば無効電流が発生して出力パワ
ーの低下を招き、あるいは室温で正常なパワーが得られ
ても、無効電流による自発熱により高温域でパワーダウ
ンを生じるといった発光特性の劣化を招き、歩留りが悪
化する問題点があった。
すなわち、溶液から結晶核を析出させて2次元核生成
を起こすには、ある程度の大きさ以上の過飽和度を必要
とするが、過飽和度を高めていくと、前式のr1が大き
くなってr2の効果、すなわち、凹部におけるTIの低温化
による核生成の促進効果が薄れてしまう。
したがって、このような理由から過飽和度には一定の
上限が課せられるので、凹部と平坦部での結晶膜厚の制
御性が悪化し、場合によっては、第6図に示すように下
側クラッド層9表面の曲率が大きくなって、その上に形
成される活性層10の膜厚が影響を受け、下側クラッド層
9と上側クラッド層11が接触してその接触面のpn接合を
通して無効電流ixが流れたり、また、第7図に示すよう
に下側クラッド層9がV字溝4内と平坦部で連続して下
側クラッド層9と上側クラッド層11が接触し、その接触
面のpn接合を通して無効電流ixが流れるといった不具合
を発生する。
あるいは、仮に溶液の過飽和度を小さくすると、溶液
からの結晶核の析出が減少して、特に第8図に示すよう
に平坦部において結晶の成長が行われない欠陥部を生じ
てしまい、この欠陥部を介して無効電流ixが流れるとい
った不具合を発生する。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもの
で、所定のミラー指数の面から僅かに傾斜した面を有す
る基板上に各層を成長させることにより、平坦部におけ
る結晶の成長速度を遅くし、要求される溝内の結晶の成
長速度に応じて溶液の過飽和度を最適なものに設定でき
るようにして活性層の成長制御性を改善し、製品の歩留
りを向上させることを目的としている。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明では、上記目的を達成するために、結晶成長面
が(100)面より僅かに傾斜してなるインジウムリン(I
nP)半導体基板を準備し、該半導体基板上に溝を形成す
る工程と、液相エピタキシャル成長法により、クラッド
層と、該クラッド層に隣接する活性層を、該半導体基板
上と該溝の内部とに各々分離して順次成長する工程と、
を含んで構成している。
〔作用〕
本発明では、平坦部の結晶表面に基板の面傾斜に応じ
た液状段差が現われ、平坦部の実効面積が拡大される。
したがって、結晶の成長速度は溶液から析出された結
晶核を取り込む種子結晶の表面積に反比例するから、こ
の場合、平坦部における成長速度が遅くなり、一方、溝
内の成長速度は過飽和度に依存して決定される。
その結果、過飽和度を適切に設定して溝内の活性層を
所望の形状に形成することができ、無効電流を回避して
製品の歩留りを向上させることができる。
〔実施例〕
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
第1図は本発明に係る半導体発光装置の製造方法の一
実施例によって製造されたDH型半導体レーザーダイオー
トの構造を示す図である。
半導体レーザーダイオート20は以下の工程で示すプロ
セスを経て製造される。
第1の工程 まず、ミラー指数(100)面から0.1度〜0.5度程度に
傾斜した面(以下、Z面)を有するn−InPからなる基
板21上に、p−InPからなる電流狭窄層22をLPE法により
成長させる。なお、この電流狭窄層22は、基板21にp型
の導電型を与える不純物を拡散させることによっても形
成可能である。
第2の工程 次いで、フォトリソグラフィ技術にて〈011〉方向の
V字溝23を形成する。このとき、V字溝23は電流狭窄層
22から基板21に達するように形成する。形成に際して
は、エッチング液としてHCl:H3PO4の混液を使用する
が、HCl:H3PO4の混合液を用いた場合、HClの割合を小に
するとV字溝23の形状はV字状ではなく、底面を有する
略U字状にすることができる。そして、何れの形状でも
内部斜面には(111)面が表出されることとなる。した
がって、本発明はV字溝23の形状が略U字状であっても
適用されることは言うまでもない。
第3の工程 V字溝23の形状後、再びLPE法により、n−InPのA層
24を、その上にノンドープのInGaAsPのB層25を、さら
に、その上にp−InPのC層26を、その上にp+−InGaAsP
のコンタクト層27を、順次成長させて積層する。
第4の工程 この後、通常の技法で基板21にn側オーム電極28を、
コンタクト層27にp側オーム電極29を形成して完成す
る。
上述の第3の工程において、各層の成長速度は、前
式に示したように凹部であるV字溝23の内面に接した界
面で早く、一方、凸部や平坦部では比較的に遅い。しか
し、従来のように溶液の過飽和度や界面形状のみに依存
して成長速度を律した場合、凹部とそれ以外の場所にお
ける成長速度の差が比較的に少ないので、前述したよう
な低制御性に起因した各種不具合を生じる。
これに対し、本実施例ではミラー指数(100)面から
僅かに傾斜させたZ面(例えば、0.1度〜0.5度程度の傾
斜)を有する基板21を用い、この基板21のZ面上に電流
狭窄層22、A層24、B層25、C層26を順次液相エピタキ
シャル成長させている。
ここで、所定のミラー指数面から僅かに傾斜した面を
もつ基板上に、液相エピタキシャル成長させた場合、成
長層表面の模様(Surface morphology)が波状になる現
象は知られた事実であるから、第2図(a)にその傾斜
角が(100)面もしくは(100)面に極めて近い基板を用
いた場合の成長層表面断面形状を、第2図(b)にその
傾斜角が(100)面から僅かな場合の成長層表面断面形
状をそれぞれ示すように、傾斜角が僅かな場合の(第2
図(b))成長層表面の表面積は、従来よりも実効的に
拡大されることとなる。
したがって、結晶の成長速度は結晶を取り込む種子結
晶の表面積、すなわち、基板21やその上に積層される電
流狭窄層22、A層24、B層25の表面積に反比例するか
ら、波状表面をもつ平坦部の成長速度はへき開かれたV
字溝23内における成長速度よりも遅いものとなり、従来
よりも両者の成長速度差が大きくなる。
その結果、平坦部における結晶の成長速度が従来より
もさらに遅くなるので、溶液の過飽和度を大き目に設定
してA層24やB層25の成長操作を行うことができ、結
局、V字溝23内部に下側クラッド層(すなわち、A層)
30と活性層(すなわち、B層)31とをA層24やB層25か
ら分離独立して形成できるとともに、活性層31の上に上
側クラッド層(すなわち、C層)32を形成して、これら
下側クラッド層30、活性層31および上側クラッド層32を
均一に、かつ制御性よく所望の形状で形成することがで
きる。
これにより、無効電流の発生を回避して製品特性の均
一化、高延命化を図ることができ、歩留りを改善するこ
とができる。
なお、本実施例ではV字溝23内に分離独立した活性層
31を有するDH型半導体レーザーダイオートを例とした
が、これに限らず、同様の構造のものであれば他の発光
ダイオード等の発光素子であってもよい。さらに、その
V字溝23の断面形状も、内部斜面に(111)面が表出さ
れているものであればよく、例えばU字形やあるいは他
の形状であってもよい。
本実施例では基板21の傾斜角を0.1度〜0.5度程度とし
たが、その傾斜角の適値は、要求されるV字溝23内と平
坦部との成長速度差や、コンタクト層27とp側オーム電
極29との接合性などを考慮して決定されるべきであり、
例示した傾斜角に限定されるものではない。
また、前記傾斜面はどの方向に向って傾いていても、
上述した効果を得ることが可能であり、特にその方向は
限定されるものでは無い。
〔発明の効果〕
本発明によれば、所定のミラー指数の面から僅かに傾
斜した面を有する基板上に各層を液相エピタキシャル成
長させているので、平坦部における結晶成長表面積を実
効的に拡大することができ、該平坦部における結晶の成
長速度を構内の成長速度に比して遅くすることができ
る。
したがって、要求される溝内の結晶の成長速度に応じ
て溶液の過飽和度を最適なものに設定することができ、
溝内に形成される活性層の制御性を改善して製品の歩留
りを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
第1、2図は本発明に係る半導体発光装置の製造方法の
一実施例を示す図であり、 第1図はその方法により製造された半導体レーザーダイ
オートの構造を示す図、 第2図(a)、(b)はその波状が形成された成長層表
面の様子をそれぞれ示す図、 第3図はDH型LDの基本的な構造を示す図、 第4図は従来の半導体発光装置の製造方法によって製造
された半導体レーザーダイオートの構造を示す図、 第5図は溶液の過飽和度を小さくした場合の成長膜の形
成状態を説明するための図、 第6〜8図は従来の半導体発光装置の製造方法の問題点
を説明するための図である。 21……基板、23……V字溝(溝)、31……活性層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 生沼 一幸 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 大宮 史也 山梨県中巨摩郡昭和町大字紙漉阿原1000 番地 株式会社富士通山梨エレクトロニ クス内 (56)参考文献 特開 昭58−128783(JP,A) 特開 昭58−175886(JP,A) 特開 昭59−181589(JP,A) 特開 昭61−49489(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】結晶成長面が(100)面より僅かに傾斜し
    てなるインジウムリン(InP)半導体基板を準備し、 該半導体基板上に溝を形成する工程と、 液相エピタキシャル成長法により、クラッド層と、該ク
    ラッド層に隣接する活性層を、該半導体基板上と該溝の
    内部とに各々分離して順次成長する工程と、を含むこと
    を特徴とする半導体発光装置の製造方法。
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