JP2544924B2 - 半導体レ−ザ素子の製造方法 - Google Patents
半導体レ−ザ素子の製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は半導体レーザ素子の製造方法に関し、特に
分子線エピタキシャル成長法（MBE法）を用いて高性能
半導体レーザ素子を製造する方法に関するものである。
分子線エピタキシャル成長法（MBE法）を用いて高性能
半導体レーザ素子を製造する方法に関するものである。
［従来の技術］ 近年、分子線エピタキシャル成長法（MBE法）による
薄膜単結晶成長技術の進歩は著しく、この成長技術を用
いれば、従来の液相エピタキシャル成長法（LPE法）に
比べて非常に大きな面積にわたって均一な厚さの層を成
長させることができる。また、この成長技術を用いれ
ば、10Å程度の極めて薄いエピタキシャル成長層を得る
ことが可能となっている。
薄膜単結晶成長技術の進歩は著しく、この成長技術を用
いれば、従来の液相エピタキシャル成長法（LPE法）に
比べて非常に大きな面積にわたって均一な厚さの層を成
長させることができる。また、この成長技術を用いれ
ば、10Å程度の極めて薄いエピタキシャル成長層を得る
ことが可能となっている。
このような製造技術の進歩は、半導体レーザにおいて
も、従来のLPE法では製作が困難であった極めて薄い層
を有する素子構造を可能とし、そのような素子構造に基
づく新しい効果を利用したレーザ素子の製作を可能とし
た。その代表的なものは量子井戸（Quantum Well;略し
てQW）レーザである。このQWレーザは、従来の二重ヘテ
ロ接合（DH）レーザでは数100Å以上であった活性層厚
を100Å程度あるいはそれ以下とすることによって活性
層中に量子化準位が形成されることを利用しており、従
来のDHレーザに比べてしきい値電流が下がり、温度特性
が良く、あるいは過渡特性に優れている等の数々の利点
を有している。これに関する文献としては次のようなも
のがある。
も、従来のLPE法では製作が困難であった極めて薄い層
を有する素子構造を可能とし、そのような素子構造に基
づく新しい効果を利用したレーザ素子の製作を可能とし
た。その代表的なものは量子井戸（Quantum Well;略し
てQW）レーザである。このQWレーザは、従来の二重ヘテ
ロ接合（DH）レーザでは数100Å以上であった活性層厚
を100Å程度あるいはそれ以下とすることによって活性
層中に量子化準位が形成されることを利用しており、従
来のDHレーザに比べてしきい値電流が下がり、温度特性
が良く、あるいは過渡特性に優れている等の数々の利点
を有している。これに関する文献としては次のようなも
のがある。
（１） W.T Tsang,Phys.Lett.vol.39,p.786（191）。
（２） N.K.Dutta,J.Appl.Phys.Vol.53,p.7211（198
2）。
2）。
（３） H.Iwamura,T.Saku,T.Ishibashi,K.Otska,Y.Hor
ikoshi,Electronics Lett.vol.19,p.180（1983）。
ikoshi,Electronics Lett.vol.19,p.180（1983）。
このように、MBE法による薄膜単結晶成長技術を用い
ることにより、以上に述べたような高性能半導体レーザ
素子を均一性良く得ることができる。
ることにより、以上に述べたような高性能半導体レーザ
素子を均一性良く得ることができる。
一方、半導体レーザ素子を高出力動作させる際には、
レーザ発振領域における光密度の上昇が起こり、特にレ
ーザ光出射端面部における劣化が問題となる。このよう
な問題を解決するために、端面近傍においてレーザ発振
光の光吸収を小さくした窓構造を持った半導体レーザ素
子が知られている。この窓構造レーザの一例としては、
LPE法を用いたWindow−VSISレーザが知られている。
レーザ発振領域における光密度の上昇が起こり、特にレ
ーザ光出射端面部における劣化が問題となる。このよう
な問題を解決するために、端面近傍においてレーザ発振
光の光吸収を小さくした窓構造を持った半導体レーザ素
子が知られている。この窓構造レーザの一例としては、
LPE法を用いたWindow−VSISレーザが知られている。
このレーザ素子は、基板上に形成する溝の構造を端面
付近の部分とそれ以外の部分とで変えることにより活性
層の厚さを制御し、端面近傍において窓構造を形成した
ものである。
付近の部分とそれ以外の部分とで変えることにより活性
層の厚さを制御し、端面近傍において窓構造を形成した
ものである。
［発明が解決しようとする問題点］ 半導体レーザ素子を高性能化するために、上記のよう
な窓構造の半導体レーザ素子をMBE法により作製する場
合には、次のような問題がある。
な窓構造の半導体レーザ素子をMBE法により作製する場
合には、次のような問題がある。
すなわち、上述したMBE法の場合には、溝の形成され
た基板上に良質の単結晶を成長させるのが困難であるた
め、基板上の溝構造の制御によって窓構造を形成するこ
とは困難である。
た基板上に良質の単結晶を成長させるのが困難であるた
め、基板上の溝構造の制御によって窓構造を形成するこ
とは困難である。
MBE法によって窓構造を作製する方法としては、活性
層に非常に周期の短い超格子（多重量子井戸）を形成
し、端面近傍においてZnの拡散を行なうことにより、超
格子の無秩序化によって光の吸収端を短波長化させ、吸
収を低下させる方法が知られている。
層に非常に周期の短い超格子（多重量子井戸）を形成
し、端面近傍においてZnの拡散を行なうことにより、超
格子の無秩序化によって光の吸収端を短波長化させ、吸
収を低下させる方法が知られている。
しかしこの方法の場合、端面付近でのZn拡散による結
晶性の劣化によって、レーザ素子の特性が低下すること
が考えられる。
晶性の劣化によって、レーザ素子の特性が低下すること
が考えられる。
この発明は、しきい値電流が低く、温度特性や過渡特
性が優れ、しかも高出力動作において長寿命でかつレー
ザ特性が低下しない半導体レーザ素子をMBE法を用いて
製造する方法を提供することを目的とする。
性が優れ、しかも高出力動作において長寿命でかつレー
ザ特性が低下しない半導体レーザ素子をMBE法を用いて
製造する方法を提供することを目的とする。
［問題を解決するための手段］ この発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、半導
体基板上に半導体レーザ素子を次のようにして成長させ
るものである。
体基板上に半導体レーザ素子を次のようにして成長させ
るものである。
半導体基板の一方の面に半導体レーザ素子の共振器長
に等しい間隔で溝部または凸部を設け、前記一方の面と
反対側の面上に、分子線エピタキシャル法（MBE法）に
よって半導体レーザ素子の各層を成長させる。
に等しい間隔で溝部または凸部を設け、前記一方の面と
反対側の面上に、分子線エピタキシャル法（MBE法）に
よって半導体レーザ素子の各層を成長させる。
［作用］ この発明の製造方法によると、半導体基板に溝部ある
いは凸部が設けられているので、エピタキシャル成長時
の基板加熱の効率が溝部あるいは凸部のある部分とその
他の部分とで異なる。したがって、溝部あるいは凸部が
設けられている面と反対側の面上に各層をMBE法によっ
て成長させると、溝部あるいは凸部のある部分とそれ以
外の部分とでは成長温度が異なり、これによって、成長
する層の厚さが異なってくる。すなわち、溝部あるいは
凸部のある部分における成長層が他の部分よりも薄くな
るように基板加熱する。このような方法で成長されたウ
エハを用い、溝部あるいは凸部のある部分が共振器端面
となるように半導体レーザ素子を作製すると、溝部ある
いは凸部のある部分が他の部分に対して窓部となり、端
面劣化が抑制される。
いは凸部が設けられているので、エピタキシャル成長時
の基板加熱の効率が溝部あるいは凸部のある部分とその
他の部分とで異なる。したがって、溝部あるいは凸部が
設けられている面と反対側の面上に各層をMBE法によっ
て成長させると、溝部あるいは凸部のある部分とそれ以
外の部分とでは成長温度が異なり、これによって、成長
する層の厚さが異なってくる。すなわち、溝部あるいは
凸部のある部分における成長層が他の部分よりも薄くな
るように基板加熱する。このような方法で成長されたウ
エハを用い、溝部あるいは凸部のある部分が共振器端面
となるように半導体レーザ素子を作製すると、溝部ある
いは凸部のある部分が他の部分に対して窓部となり、端
面劣化が抑制される。
［実施例］ 以下、この発明の実施例を図面を用いて説明する。
まず、GaAsの成長速度の成長温度依存性について説明
する。
する。
第３図は、GaAsをGaAs基板上にエピタキシャル成長さ
せるときのGaAs成長速度と基板温度との関係を示したグ
ラフである。図から明らかなように、成長温度が690℃
以下の場合、GaAs成長速度は材料の供給律速となって一
定となっているが、690℃を越えると成長温度を高くす
るに従い成長表面からのGaの再蒸発が活発になり、GaAs
成長速度が急激に低下する。
せるときのGaAs成長速度と基板温度との関係を示したグ
ラフである。図から明らかなように、成長温度が690℃
以下の場合、GaAs成長速度は材料の供給律速となって一
定となっているが、690℃を越えると成長温度を高くす
るに従い成長表面からのGaの再蒸発が活発になり、GaAs
成長速度が急激に低下する。
次に、この発明による半導体レーザ素子の製造方法の
第１の実施例を説明する。
第１の実施例を説明する。
第１図はこの実施例に用いる半導体レーザ素子製造用
半導体基板の断面図であり、第４図はこの実施例により
製造される半導体レーザ素子の断面図である。
半導体基板の断面図であり、第４図はこの実施例により
製造される半導体レーザ素子の断面図である。
この実施例は、MBE法によりGaAs基板上にAlGaAs層お
よびGaAs層を成長させるものである。
よびGaAs層を成長させるものである。
まず、第１図に示すように、厚さt1＝300μｍのｎ−G
aAs基板１の一方の面に、幅W1＝50μｍ、深さh1＝200μ
ｍの溝部２をL1＝250μｍの間隔をおいて複数設ける。
この溝部２は、フォトマスクを用いた化学エンチングに
よって容易に形成することができる。
aAs基板１の一方の面に、幅W1＝50μｍ、深さh1＝200μ
ｍの溝部２をL1＝250μｍの間隔をおいて複数設ける。
この溝部２は、フォトマスクを用いた化学エンチングに
よって容易に形成することができる。
次に、前記ｎ−GaAs基板１の溝部２を設けた面をInに
より基板ホルダに接着する。そして、溝部２を設けた面
と反対側の面上に、第４図に示すように、MBE法によっ
てSiドープｎ−AlXGa1-XAsクラッド層11、AlYGa1-YAs活
性層12、Beドープｐ−AlXGa1-XAsクラッド層13、GaAsキ
ャップ層14を順にエピタキシャル成長させる。設定基板
温度を690℃とした場合、溝部２のない部分では、設定
値690℃で成長が行なわれるが、溝部２の部分では溝部
２内までInが充満しており、Inの熱伝導率がGaAsの熱伝
導率より大きいことにより、設定値よりも高い温度で成
長が行なわれる。
より基板ホルダに接着する。そして、溝部２を設けた面
と反対側の面上に、第４図に示すように、MBE法によっ
てSiドープｎ−AlXGa1-XAsクラッド層11、AlYGa1-YAs活
性層12、Beドープｐ−AlXGa1-XAsクラッド層13、GaAsキ
ャップ層14を順にエピタキシャル成長させる。設定基板
温度を690℃とした場合、溝部２のない部分では、設定
値690℃で成長が行なわれるが、溝部２の部分では溝部
２内までInが充満しており、Inの熱伝導率がGaAsの熱伝
導率より大きいことにより、設定値よりも高い温度で成
長が行なわれる。
実験によって、溝部２のある部分の温度は、他の部分
に比べて10℃高温になっていることが確かめられてい
る。
に比べて10℃高温になっていることが確かめられてい
る。
溝部２のない部分では、ｎ−AlXGa1-XAsクラッド層1
l、AlYGa1-YAs活性層12、ｐ−AlXGa1-XAsクラッド層13
のAl混晶比は、それぞれＸ＝0.5、Ｙ＝0.15、Ｘ＝0.5と
なった。これに対して、溝部２のある部分では、ｎ−ク
ラッド層11、活性層12、ｐ−クラッド層13のAl混晶比
は、それぞれＸ＝0.6、Ｙ＝0.2、Ｘ＝0.6と高くなって
いる。これは、第３図により説明したように、溝部２を
設けた部分では、それ以外の部分に比べて成長層表面の
温度が高いことによりGaの再蒸発が活発となるためであ
る。活性層12のバンド端は、溝部２のない部分では760n
mであるのに対し、溝部２のある部分では735nmとなって
窓構造となる。
l、AlYGa1-YAs活性層12、ｐ−AlXGa1-XAsクラッド層13
のAl混晶比は、それぞれＸ＝0.5、Ｙ＝0.15、Ｘ＝0.5と
なった。これに対して、溝部２のある部分では、ｎ−ク
ラッド層11、活性層12、ｐ−クラッド層13のAl混晶比
は、それぞれＸ＝0.6、Ｙ＝0.2、Ｘ＝0.6と高くなって
いる。これは、第３図により説明したように、溝部２を
設けた部分では、それ以外の部分に比べて成長層表面の
温度が高いことによりGaの再蒸発が活発となるためであ
る。活性層12のバンド端は、溝部２のない部分では760n
mであるのに対し、溝部２のある部分では735nmとなって
窓構造となる。
この溝部２の中央部で成長面に対して垂直に劈開する
ことによって、端面に窓構造を有する高出力で長寿命の
半導体レーザ素子が作製される。
ことによって、端面に窓構造を有する高出力で長寿命の
半導体レーザ素子が作製される。
次に、この発明の第２の実施例を説明する。
この実施例は、上記実施例と同様の方法を用いて、第
５図に示す半導体レーザ素子を製造するものである。第
５図の半導体レーザ素子は、層厚が電子のドブロイ波長
よりも小さい量子井戸層を用いたGRIN−SCH（Graded In
dex−Separated Confinement Heterostructure）構造を
有するものである。
５図に示す半導体レーザ素子を製造するものである。第
５図の半導体レーザ素子は、層厚が電子のドブロイ波長
よりも小さい量子井戸層を用いたGRIN−SCH（Graded In
dex−Separated Confinement Heterostructure）構造を
有するものである。
この実施例の場合も設定基板温度は690℃である。ま
ず、第１図に示したｎ−GaAs基板１上に、Siドープｎ−
AlXGa1-XAsクラッド層21を成長させる。Al混晶比は溝部
２のない部分ではＸ＝0.5となった。次に、その上に、
溝部２のない部分でAl混晶比を0.5から0.2まで放物線状
に変化させたノンドープグレーデドインデックス（GRI
N）層22、ノンドープGaAs活性層23、Al混晶比を0.2から
0.5まで放物線状に変化させたノンドープグレーデドイ
ンデックス（GRIN）層24を成長させ、さらにBeドープｐ
−AlXGa1-XAsクラッド層25（Ｘ＝0.5）、GaAsキャップ
層26を成長させる。活性層23の厚さは溝部２のない部分
で60Åとする。これに対して、溝部２のある部分では成
長温度が高いため、Gaの再蒸発によって活性層23の厚さ
は40Åとなり、また、量子井戸障壁の高さを決めるGRIN
層22,24の底のAl混晶比も0.3と高くなった。この結果、
活性層23のバンド端は、溝部２のない部分で830nmとな
るのに対し、溝部２のある部分では790nmと量子効果に
よって上昇し、窓構造となる。この溝部２の中央部で成
長面に対して垂直に劈開することによって、端面に窓構
造を有し、高出力で動作しかつ長寿命を有し、しかも量
子効果によって低電流動作可能な半導体レーザ素子が均
一性良く作製される。
ず、第１図に示したｎ−GaAs基板１上に、Siドープｎ−
AlXGa1-XAsクラッド層21を成長させる。Al混晶比は溝部
２のない部分ではＸ＝0.5となった。次に、その上に、
溝部２のない部分でAl混晶比を0.5から0.2まで放物線状
に変化させたノンドープグレーデドインデックス（GRI
N）層22、ノンドープGaAs活性層23、Al混晶比を0.2から
0.5まで放物線状に変化させたノンドープグレーデドイ
ンデックス（GRIN）層24を成長させ、さらにBeドープｐ
−AlXGa1-XAsクラッド層25（Ｘ＝0.5）、GaAsキャップ
層26を成長させる。活性層23の厚さは溝部２のない部分
で60Åとする。これに対して、溝部２のある部分では成
長温度が高いため、Gaの再蒸発によって活性層23の厚さ
は40Åとなり、また、量子井戸障壁の高さを決めるGRIN
層22,24の底のAl混晶比も0.3と高くなった。この結果、
活性層23のバンド端は、溝部２のない部分で830nmとな
るのに対し、溝部２のある部分では790nmと量子効果に
よって上昇し、窓構造となる。この溝部２の中央部で成
長面に対して垂直に劈開することによって、端面に窓構
造を有し、高出力で動作しかつ長寿命を有し、しかも量
子効果によって低電流動作可能な半導体レーザ素子が均
一性良く作製される。
なお、この実施例においてGaAs活性層の代わりにAlGa
As活性層を用いることによって、活性層のAl混晶比の溝
部における上昇によりさらに溝部のある部分とない部分
とでバンド端エネルギの差を大きくすることができる。
As活性層を用いることによって、活性層のAl混晶比の溝
部における上昇によりさらに溝部のある部分とない部分
とでバンド端エネルギの差を大きくすることができる。
また、この実施例では活性層を単一量子井戸構造とし
たが、多重量子井戸構造を用いた場合にも全く同様の効
果が得られる。
たが、多重量子井戸構造を用いた場合にも全く同様の効
果が得られる。
次に、この発明の第３の実施例を説明する。
この実施例は、第１図に示す溝部の設けられた基板の
代わりに、第２図に示す凸部の設けられた基板を用いる
ものである。
代わりに、第２図に示す凸部の設けられた基板を用いる
ものである。
まず、第２図に示すように、厚さt2＝200μｍのGaAs
基板１の一方の面に、幅W2＝50μｍ、高さh2＝100μｍ
のストライプ状の凸部３をL2＝250μｍの間隔をおいて
複数設けておく。
基板１の一方の面に、幅W2＝50μｍ、高さh2＝100μｍ
のストライプ状の凸部３をL2＝250μｍの間隔をおいて
複数設けておく。
この実施例の場合、Inによる基板の接着は行なわず、
Ta板等の均熱板をこの凸部３に接触するように配置し、
その裏面からヒータによって加熱するという公知の基板
加熱方式を用いる。この場合、ストライプ状の凸部３は
均熱板からの熱伝導により加熱効率が高いため、他の部
分よりも基板表面での成長温度が高くなる。
Ta板等の均熱板をこの凸部３に接触するように配置し、
その裏面からヒータによって加熱するという公知の基板
加熱方式を用いる。この場合、ストライプ状の凸部３は
均熱板からの熱伝導により加熱効率が高いため、他の部
分よりも基板表面での成長温度が高くなる。
以下、上記第１および第２の実施例と同様にして、Ga
As基板１上にMBE法によって各層を成長させて半導体レ
ーザ素子を作製する。
As基板１上にMBE法によって各層を成長させて半導体レ
ーザ素子を作製する。
なお、第１および第２の実施例の場合には、溝部を基
板の一方の側辺から他方の側辺まで連続するように形成
してもよいが、第６図に示すように、部分的に不連続に
なるように形成してもよい。このように形成した場合に
は、基板の機械的強度を補強することができる。
板の一方の側辺から他方の側辺まで連続するように形成
してもよいが、第６図に示すように、部分的に不連続に
なるように形成してもよい。このように形成した場合に
は、基板の機械的強度を補強することができる。
［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、半導体基板の一方の
面に共振器長に等しい間隔で溝部あるいは凸部を設け、
反対側の面上にMBE法により各層を成長させることによ
て、溝部あるいは凸部のある部分において活性層が薄く
形成され、その部分が窓部となるので、しきい値電流が
低く、温度特性や過度特性が優れ、しかも高出力動作に
おいて長寿命でかつレーザ特性が低下しない半導体レー
ザ素子が得られる。
面に共振器長に等しい間隔で溝部あるいは凸部を設け、
反対側の面上にMBE法により各層を成長させることによ
て、溝部あるいは凸部のある部分において活性層が薄く
形成され、その部分が窓部となるので、しきい値電流が
低く、温度特性や過度特性が優れ、しかも高出力動作に
おいて長寿命でかつレーザ特性が低下しない半導体レー
ザ素子が得られる。
第１図はこの発明の第１および第２の実施例に用いる半
導体基板を示す断面図、第２図はこの発明の第３の実施
例に用いる半導体基板を示す断面図、第３図はGaAs成長
速度の基板温度依存性の実験結果を示すグラフ、第４図
はこの発明の第１の実施例により製造される半導体レー
ザ素子の断面図、第５図はこの発明の第２の実施例によ
り製造される半導体レーザ素子の断面図、第６図はこの
発明の第１および第２の実施例に用いる半導体基板を裏
面から見た図である。 図において、１は半導体基板、２は溝部、３は凸部を示
す。
導体基板を示す断面図、第２図はこの発明の第３の実施
例に用いる半導体基板を示す断面図、第３図はGaAs成長
速度の基板温度依存性の実験結果を示すグラフ、第４図
はこの発明の第１の実施例により製造される半導体レー
ザ素子の断面図、第５図はこの発明の第２の実施例によ
り製造される半導体レーザ素子の断面図、第６図はこの
発明の第１および第２の実施例に用いる半導体基板を裏
面から見た図である。 図において、１は半導体基板、２は溝部、３は凸部を示
す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 早川 利郎 大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャー プ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−7185（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−198795（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−20384（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】レーザ発振用活性層を有する多層構造の半
導体レーザ素子をエピタキシャル成長させる半導体基板
の一方の面に、前記半導体レーザ素子の共振器長に等し
い間隔で溝部または凸部を設け、前記一方の面と反対側
の面上に、分子線エピタキシャル成長法によって半導体
レーザ素子の各層を成長させる半導体レーザ素子の製造
方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62121667A JP2544924B2 (ja) | 1987-05-19 | 1987-05-19 | 半導体レ−ザ素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62121667A JP2544924B2 (ja) | 1987-05-19 | 1987-05-19 | 半導体レ−ザ素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63287081A JPS63287081A (ja) | 1988-11-24 |
| JP2544924B2 true JP2544924B2 (ja) | 1996-10-16 |
Family
ID=14816913
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62121667A Expired - Fee Related JP2544924B2 (ja) | 1987-05-19 | 1987-05-19 | 半導体レ−ザ素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2544924B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003086890A (ja) * | 2001-09-11 | 2003-03-20 | Oki Electric Ind Co Ltd | 半導体発光素子の製造方法 |
-
1987
- 1987-05-19 JP JP62121667A patent/JP2544924B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63287081A (ja) | 1988-11-24 |
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