JP2882335B2

JP2882335B2 - 光半導体装置およびその製造方法

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Publication number: JP2882335B2
Application number: JP8009436A
Authority: JP
Inventors: 卓夫森本
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-01-23
Filing date: 1996-01-23
Publication date: 1999-04-12
Anticipated expiration: 2016-01-23
Also published as: JPH09199791A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光半導体装置に関
し、特に電流狭窄構造と導波光の横モード制御を行う構
造を有した半導体レーザや、光変調器等の光半導体装置
およびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】加入者系の光通信では、低コストの半導
体レーザが望まれており、この一つのタイプとして、結
晶成長回数を少なくしたリッジ型レーザがいろいろと研
究されている。特にＡｌを含む材料系においては、活性
層をエッチングして一旦露出させてしまうＢＨ（Buried
Heterostructure）系の構造では酸化の問題を回避する
のが難しいため、多くの場合リッジ型レーザが用いられ
る。

【０００３】例えば、ＩｎＡｌＧａＡｓ系では、ジャー
ナル・オブ・クォンタム・エレクトロニクス、１９９４
年の Chung-En Zah,"High-Performance Uncooled 1.3-
μmAl_xGa_yIn_1-x-yAs/InP Strained-Layer Quantum-Well
Lasers for SubscriberLoop Applications",(Journal
of Quantum Electronics,30,511(1994))、または第７回
インターナショナル・コンファレンス・オン・インジウ
ム・フォスファイド・アンド・リレーテッド・マテリア
ルズの論文番号WA1.1、１９９５年のC.E.Zah et al."Hi
gh Temperature Operation of AlGaInAs/InP Lasers",
(7thInternational Conference on Indium Phosphide a
nd Related Materials,paperWA1.1(1995)) で述べられ
ている。

【０００４】また、ＡｌＧａＡｓ系では、特開平５−３
２７１１３号「半導体レーザ素子」、Ａｌのない材料系
においても、第１３回インターナショナル・セミコンダ
クタ・レーザ・コンファレンスの論文番号 K-7、１９９
２年のH.Kurakake,T.Uchida,H.Soda,S.Yamazaki,"1.07
μm(InAs)₁/(GaAs)₂ Short PeriodSuperlattice Strain
ed Quantum Well Ridge Waveguide Lase",(13th IEEEIn
ternational Semiconductor Lase Conference,paper K-
7(1992))等がある。

【０００５】ところが、一般的なリッジ型レーザでは、
閾値電流低減の観点からはリッジ底面幅を狭くする必要
があり、また、コンタクト抵抗を低減するためには、リ
ッジ上面幅を広くする必要があって、トレードオフの関
係のため、両方とも最適化することが困難であった。こ
れに対し、青木他「１．５μｍ帯歪InGaAsP/InP ＭＱＷ
逆メサリッジレーザの高温特性」、１９９５年電子情報
通信学会Ｃ−３３６では、逆メサリッジをポリイミドで
埋め込んだ構造をとることにより、このトレードオフを
解決して、良好な素子特性を得ている。

【０００６】以下、この逆メサリッジ型レーザについ
て、図面を参照して詳細に説明する。この種の従来の半
導体レーザは、横断面図で図９のようになっている。図
９に従い、まず、有機金属結晶成長（以下、ＭＯ−ＶＰ
Ｅと記す）の工程について述べる。ＭＯ−ＶＰＥの原料
ガスは、トリメチルインジウム（以下、ＴＭＩと記
す）、トリメチルガリウム（以下、ＴＭＧと記す）、ト
リメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡｌと記す）、アル
シン（以下、ＡｓＨ₃と記す）、フォスフィン（以下、
ＰＨ₃と記す）を用い、有機金属は水素のバブリングに
より供給する。また、ドーピングについては、適宜、ジ
シラン（以下、Ｓｉ₂Ｈ₆と記す）、ジメチルジンク（以
下、ＤＭＺｎと記す）を水素で希釈したガスを用いる。

【０００７】結晶成長は、表面の面方位が（１００）面
のｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ−ＩｎＰバッファー層２を
０．４μｍ成長させた後、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層
２０６を８０ｎｍ、歪多重量子井戸構造層、即ち歪ＭＱ
Ｗ層２０４を５７ｎｍ、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層２
０９を８０ｎｍ、ｐ−ＩｎＰクラッド層２１４を２．６
μｍ、ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６を０．４μ
ｍ成長させる。また、ＭＱＷ層２０４は、５ｎｍの圧縮
歪ＩｎＧａＡｓＰウェル層が５層設けられ、その間に、
無歪のＩｎＧａＡｓＰバリア層が８ｎｍづつ設けられた
構造となっている。

【０００８】このウェハーを図９のようにｐ−ＩｎＧａ
ＡｓＰガイド層２０９の表面まで選択エッチングして、
残る中央部のリッジが下部で２．５μｍ、上部で５μｍ
〜６μｍの幅となるようにする。このとき、エッチング
液として、（１１１）Ａ面がほとんどエッチングされ
ず、また、ＩｎＰはエッチングされるが、ＩｎＧａＡｓ
Ｐはエッチングされないものを用いる。そうすれば、リ
ッジの側面は、エッチングマスク端から（１１１）Ａが
出たところでエッチングがストップし、また、エッチン
グ部の下面は、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層２０９が出
たところでエッチングがストップする。このため、エッ
チング時間を精密に制御する必要はない。

【０００９】これに中央部リッジの上部のみで開口した
二酸化シリコン膜１７を形成し、ポリイミド２１を埋め
込んだ後、ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６を形成
し、表面電極１８を蒸着法やスパッタ法で形成する。こ
の時、コンタクト幅として、５〜６μｍが得られる。次
に、ウェハーの厚さを１００μｍとする裏面研磨を行
い、裏面電極１９を全面に形成する。

【００１０】このウェハーを共振器長３００μｍ長に劈
開し、３０％の反射率の前端面コーティング膜を施し、
７５％の反射率の後端面コーティング膜を形成すれば、
閾値電流１０ｍＡ、スロープ効率０．４５Ｗ／Ａの半導
体レーザ素子が得られる。スロープ効率とは、発振後の
注入電流に対する前端面からの光出力の増加率で定義す
る。

【００１１】ＭＱＷ層とそれを挟むガイド層やクラッド
層については、他のものでも良く、例えば、特願平７−
４７５３２号「多重量子井戸構造光半導体装置及びその
製造方法」で述べているが、図８のように、ｎ型ＩｎＰ
基板１の上に、ｎ−ＩｎＰバッファ一層２を０．４μ
ｍ、組成Ｉｎ_0.69Ｇａ_0.05Ａｌ_0.26Ａｓ_0.65Ｐ_0.35のｎ
−クラッド層３を０．２μｍ、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−歪Ｍ
ＱＷ層４が１００ｎｍ、ｐ−Ｉｎ_0.69Ａｌ_0.131Ａｓ
_0.65Ｐ_0.35クラッド層１１が０．２μｍ、ｐ−ＩｎＰ
クラッド層１２を２．６μｍ成長させても良い。ＧＲＩ
Ｎ−ＳＣＨ−歪ＭＱＷ層４のＧＲＩＮ−ＳＣＨとは、Gr
aded Refractive Index Separate ConfinementHeterost
ructure のことであり、ＭＱＷ層を挟んで屈折率が連続
的に変化する光閉じ込め層を有しているものである。

【００１２】具体的には、バンドギャップ波長が０．９
６μｍのｎ−Ｉｎ_0.69Ｇａ_0.05Ａｌ_0.26Ａｓ_0.65Ｐ_0.35
からバンドギャップ波長が１．０５μｍのｎ−Ｉｎ_0.69
Ｇａ_0.13Ａｌ_0.18Ａｓ_0.65Ｐ_0.35まで変化させるｎ−Ｉ
ｎ_0.69ＧａＡｌＡｓ_0.65Ｐ_0. ₃₅ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層５が
５０ｎｍ、ｎ−Ｉｎ_0.69Ｇａ_0.13Ａｌ_0.18Ａｓ_0.65Ｐ
_0.35ガイド層６が１５ｎｍ設けられ、次に、４ｎｍの１
％圧縮歪Ｉｎ_0.84Ｇａ_0. ₁₆Ａｓ_0.65Ｐ_0.35ウェル層７が
５層設けられ、その間に、バンドギャップ波長が１．０
５μｍで無歪のＩｎ_0.69Ｇａ_0.13Ａｌ_0.18Ａｓ_0.65Ｐ
_0.35バリア層８が８ｎｍの上に、ｐ−Ｉｎ_0.69Ｇａ_0.13
Ａｌ_0.18Ａｓ_0.65Ｐ_0.35ガイド層９が１５ｎｍ設けら
れ、バンドギャップ波長が１．０５μｍのｎ−Ｉｎ_0.69
Ｇａ_0.13Ａｌ_0. ₁₈Ａｓ_0.65Ｐ_0.35からバンドギャップ波
長が０．９６μｍのｎ−Ｉｎ_0.69Ｇａ_0. ₀₅Ａｌ_0.26Ａｓ
_0.65Ｐ_0.35まで変化させるｐ−Ｉｎ_0.69ＧａＡｌＡｓ
_0.65Ｐ_0.35ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１０が５０ｎｍ設けられ
ている。このようにＭＱＷ層にＡｌが入っている場合で
も、活性層までエッチングする必要がないため、良好な
素子特性を得ることができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】第１の問題点は、従来
の技術において、リッジ下部幅の再現性、均一性、制御
性が悪く、トータルでおおよそ２．５±０．５μｍのば
らつきを有し、レーザとして、光閉じ込めのばらつき、
注入電流密度のばらつきが生じて、光出力等の特性が安
定しないことである。その理由は、エッチングマスク幅
にばらつきが無いと仮定しても、ｐ−ＩｎＰクラッド層
２１４の２．６μｍと、ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓコンタクト
層１６の０．４μｍの厚さのばらつきにより、均一性、
再現性を含めてリッジ底面幅に２．５±０．３μｍのば
らつきが生じるからである。これにマスク幅が土０．２
μｍばらつくことを加味すれば、トータル２．５±０．
５μｍのばらつきが生じることになる。また、エッチン
グマスクとｐ⁺−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６の密着
性が悪いとアンダーエッチングが生じ、このこともリッ
ジ底面幅のばらつきに影響を及ぼす。リッジ底面幅は、
光のフィールドの広がり形状を決めるため、閾値電流、
スロープ効率、光放射角等の特性に敏感に影響を与え
る。リッジ底面幅がばらつくとこれらの特性がばらつ
き、良好な特性を均一に再現良く得ることができなくな
る。

【００１４】第２の問題点は、非常に低い閾値と非常に
狭い放射角を実現するための、狭い活性層幅が実現でき
ないことである。その理由は、活性層幅の制御性という
第１の問題点が、活性層幅が狭いときに特に大きな困難
を引き起こすことと、リッジの両脇に、ＩｎＰに比べ、
非常に屈折率の低いポリイミドが大きな体積で存在する
ため、導波光のカットオフが生じないためには、ある程
度の広さのリッジ底面幅が必要となるからである。この
ように、実効的な活性層幅を狭くできないと、同じ注入
電流に対して注入電流密度が低くなり、超低閾値が実現
できなくなり、バイアスを固定して使うような半導体レ
ーザは製造できない。また、発光放射角を小さくするた
めには、活性層幅を狭くして導波光の周りへのしみ出し
を大きくする必要があるが、ポリイミドは屈折率が小さ
すぎるため、このようなことを実現するのは困難であ
る。放射角を小さくできない場合は、半導体レーザとフ
ァイバとの結合効率が劣化し、ファイバアウトの光出力
が悪くなる。

【００１５】第３の問題点は、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩ
ｎＰ系の可視レーザのように、リッジ形成のエッチング
時にクラッド層をわずかに残す必要がある場合は、やは
りエッチング時間の制御が厳しく、良好な均一性、再現
性が得られないことである。

【００１６】第４の問題点は、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩ
ｎＰ系の可視レーザ等でストライプ方向を逆メサ方向に
すると、閾値電流が上昇するという問題がある。その理
由は、ＧａＩｎＰのＭＯ−ＶＰＥ結晶では、オーダリン
グが生じ、結晶の対称性が異なってくるため、逆メサと
順メサで光の電界の方向が９０°変わった時に誘導放出
確率が異なってくる。可視レーザの場合、この原因で、
順メサストライプに対して逆メサストライプの方が閾値
電流が悪化する。

【００１７】第５の問題点は、逆メサリッジでは６μｍ
程度のコンタクト幅しか得られず、十分低いコンタクト
抵抗が得られないことである。

【００１８】第６の問題点は、高信頼性を安定して得る
ことができないことである。その理由は、活性層のすぐ
脇に比較的大きな体積のポリイミドがあるため、ストレ
スの影響を受けやすいからである。

【００１９】本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたものであって、制御性、再現性、均一性の悪化の原
因となる、半導体結晶のエッチング工程や活性層を露出
させる工程無しに製造することができ、屈折率導波を実
現し、かつ、丸く狭い光放射角を有する光半導体装置お
よびその製造方法を提供することを目的とする。さら
に、低閾値電流、高スロープ効率を実現するために、高
電界に耐え、漏れ電流が極小の電流ブロック層を得るこ
とを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の光半導体装置は、半導体基板上に、ｎ−
クラッド層、活性層、ｐまたはｎ−クラッド層、および
幅が０．５μｍより大きく２μｍ以下のストライプ状の
開口部を有する誘電体膜が順次設けられ、開口部からｐ
−ＩｎＰからなる半導体結晶を２つの（１１１）Ｂ面が
合わさった三角形状に成長させた後、さらに（１１１）
Ｂ面上に成長させて誘電体膜上に（１１１）Ａ面を形成
する形でエピタキシャル成長させて開口部外方の誘電体
膜の上にまで載りかかるような形状の選択成長層とし、
誘電体膜を電流ブロック層や光閉じ込め層として機能さ
せるとともに、選択成長層上面にｐ ⁺ −ＩｎＧａＡｓＰ
からなるコンタクト層が設けられ、選択成長層をコンタ
クト層に導波光がかからなくなるまでの高さに成長させ
たことを特徴とするものである。また、前記誘電体膜と
活性層との距離を０．３μｍ以内としたり、前記選択成
長層を誘電体膜の上にまで２ないし３μｍ載りかかるよ
うな形状とする、あるいは、前記ストライプ状の開口部
を複数箇所に設ける構成とするとよい。

【００２１】さらに、他の形態としては、前記クラッド
層と同一導電型のクラッド層が前記活性層の下に設けら
れ、それと逆の導電型の拡散領域が活性層に達するよう
に形成された構造、前記活性層がメサストライプ形状と
され、その表面を覆うように前記誘電体膜が設けられ、
メサストライプの上面に前記開口部が設けられた構造、
前記エピタキシャル成長させた半導体結晶の両側方にも
同様の半導体結晶が成長され、中央の半導体結晶のみが
前記上部電極と電気的に接続されたクラッド層となって
いる構造、等を採用することができる。

【００２２】また、本発明の光半導体装置の製造方法
は、半導体基板上の全面にｎ−クラッド層、活性層、ｐ
またはｎ−クラッド層を順次結晶成長させる工程と、そ
の上に幅が０．５μｍより大きく２μｍ以下のストライ
プ状の開口部を有する誘電体膜を形成する工程と、開口
部からｐ−ＩｎＰからなる半導体結晶を２つの（１１
１）Ｂ面が合わさった三角形状に成長させた後、さらに
（１１１）Ｂ面上に成長させて誘電体膜上に（１１１）
Ａ面を形成する形でエピタキシャル成長させ、誘電体膜
上に載りかかる選択成長層を形成する工程と、選択成長
層の上面にｐ ⁺ −ＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層
を成長させる工程を有し、選択成長層をコンタクト層に
導波光がかからなくなるまでの高さに成長させることを
特徴とするものである。

【００２３】本発明においては、ストライプ状に開口し
た誘電体膜の間から誘電体膜上に半導体結晶が載りかか
るように形成することにより、クラッド層の形状を形成
し、また、誘電体膜が活性層の脇にあって電流ブロッ
ク、光閉じ込めの機能を果たしている。このため、従来
のように半導体層のエッチングにより、クラッドの形状
を光閉じ込めに適した形に形成する必要がなくなり、半
導体層のエッチングに起因する均一性、再現性、制御性
の欠如を排除することができる。

【００２４】また、誘電体膜は、例えば２００ｎｍ程度
に厚さを薄くできることから、誘電体が開口している発
光部の脇では、活性層と誘電体膜を合わせた有効屈折率
をほとんどＩｎＰと等価にできる。このため、ＢＨ構造
と似た設計ができるため、狭い活性層幅に対応すること
ができる。

【００２５】また、絶縁体である誘電体膜が電流ブロッ
ク層として機能するため、漏れ電流が生じることがな
く、例えば１．５μｍと狭い幅の活性層に電流が集中的
に注入される。このため、閾値電流の低減、スロープ効
率の向上、最大光出力の向上、温度特性の向上が達成さ
れる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
について図１〜図３を参照して詳細に説明する。図１は
本実施の形態の半導体レーザ（光半導体装置）の構造を
示す断面図である。

【００２７】図１に示すように、本実施の形態の半導体
レーザは、ｎ型ＩｎＰ基板１上の全面に、ｎ−ＩｎＰバ
ッファー層２が０．４μｍ、組成がＩｎ_0.69Ａｌ_0.31Ａ
ｓ_0. ₆₅Ｐ_0.35のｎ−クラッド層３が０．２μｍ、ＧＲＩ
Ｎ−ＳＣＨ−ＭＱＷ層４、組成がＩｎ_0.69Ａｌ_0.31Ａｓ
_0.65Ｐ_0.35のｐ−クラッド層１１が１００ｎｍ、ｐ−Ｉ
ｎＰクラッド層１２が５０ｎｍ積層されている。

【００２８】その上に１．５μｍ幅で開口した厚さ２０
０ｎｍの窒化シリコン膜１３が形成され、開口部から窒
化シリコン膜１３の上にまで選択成長した高さ４μｍの
ｐ−ＩｎＰ選択成長層１４が形成され、その上にｐ⁺−
ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１５、ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓ
コンタクト層１６が形成されている。また、上面側の全
面を覆う表面電極１８と、ｎ型ＩｎＰ基板１の下に裏面
電極１９が設けられている。

【００２９】クラッド層３とＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ
層４とＰ−クラッド層１１ではＡｓ／Ｖ比を０．６５と
一定としている。この詳細の構造については、図８のバ
ンドダイアグラム図を参照して説明する。組成Ｉｎ_0.69
Ｇａ_0.05Ａｌ_0.26Ａｓ_0.65Ｐ_0.35でバンドギャップ波長
０．９μｍのｎ−クラッド層３の上に、ＧａとＡｌの比
を連続的に変化させて、バンドギャップ波長が０．９６
μｍのｎ−Ｉｎ_0.69Ｇａ_0.05Ａｌ_0.26Ａｓ_0.65Ｐ_0.35か
らバンドギャップ波長が１．０５μｍのｎ−Ｉｎ_0.69Ｇ
ａ_0.13Ａｌ_0.18Ａｓ_0.65Ｐ_0.35まで変化させるｎ−Ｉｎ
_0.69ＧａＡｌＡｓ_0.65Ｐ_0.35ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層５が５
０ｎｍ、ｎ−Ｉｎ_0.69Ｇａ_0.13Ａｌ_0.18Ａｓ_0.65Ｐ_0.35
ガイド層６が１５ｎｍ設けられ、次に、４ｎｍの１％圧
縮歪Ｉｎ_0.84Ｇａ_0.16Ａｓ_0.65Ｐ_0.35ウェル層７が５層
設けられ、その間に、バンドギャップ波長が１．０５μ
ｍで無歪のＩｎ_0.69Ｇａ_0.13Ａｌ_0.18Ａｓ_0.65Ｐ_0.35バ
リア層８が８ｎｍ設けられている。その上に、Ｉｎ_0.69
Ｇａ_0.13Ａｌ_0.18Ａｓ_0.65Ｐ_0.35ガイド層９が１５ｎｍ
設けられ、バンドギャップ波長が１．０５μｍのｎ−Ｉ
ｎ_0.69Ｇａ_0.13Ａｌ_0.18Ａｓ_0.65Ｐ_0.35からバンドギャ
ップ波長が０．９６μｍのｎ−Ｉｎ_0.69Ｇａ_0.05Ａｌ
_0.26Ａｓ_0.65Ｐ_0.35まで変化させるｐ−Ｉｎ_0. ₆₉ＧａＡ
ｌＡｓ_0.65Ｐ_0.35ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１０が５０ｎｍ設
けられている。

【００３０】次に、上記構成の半導体レーザの製造方法
について、図２、図３を参照して詳細に説明する。ま
ず、図２に示すように、面方位（１００）のｎ型ＩｎＰ
基板１上の全面に、ＭＯ−ＶＰＥ法によりｎ−ＩｎＰバ
ッファー層２、ｎ−クラッド層３、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−
ＭＱＷ層４を成長させ、さらに、ｐ−Ｉｎ_0.69Ａｌ_0.31
Ａｓ_0.65Ｐ_0. ₃₅クラッド層１１、ｐ−ＩｎＰクラッド層
１２を連続成長させる。ｎ−クラッド層３からｐ−クラ
ッド層１１までは、ＡｓＨ₃とＰＨ₃の供給量は常に一定
とする。III 族の原料ガスは、ＴＭＩ、ＴＭＧ、ＴＭＡ
ｌである。ドーピングについては、適宜、Ｓｉ₂Ｈ₆、Ｄ
ＭＺｎガスを用いる。この後、窒化シリコン膜を２００
ｎｍの厚さで全面に形成し、フォトリソグラフィとドラ
イエッチングにより、１．５μｍ幅の開口部を設ける。

【００３１】この上に、ｐ−ＩｎＰ選択成長層１４、ｐ
⁺−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１５、ｐ⁺−ＩｎＧａ
Ａｓコンタクト層１６を連続成長させると、図３のよう
な形状となる。ｐ−ＩｎＰ選択成長層１４を成長し始め
る初期では、窒化シリコン膜１３上には、ＩｎＰは載ら
ず、開口部の上に（１００）面と２つの（１１１）Ｂ面
で囲まれた台形形状に成長する。この後、２つの（１１
１）Ｂ面が合わさった三角形状になった後は、（１１
１）Ｂ上にもＩｎＰが成長していき、窒化シリコン膜１
３上に（１１１）Ａ面を形成するかたちで成長が進んで
いく。ｐ−ＩｎＰ選択成長層１４は、最終的に、窒化シ
リコン膜１３上に両脇がそれぞれ２〜３μｍ載るように
成長させ、ｐ−ＩｎＰクラッド層１２から上に４μｍの
高さになるように成長させる。このように成長させるこ
とにより、導波光は、ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト
層１５やｐ⁺−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６や表面電
極１８にかからなくなる。

【００３２】この選択成長の後、表面電極１８を蒸着法
やスパッタ法で形成する。この時、コンタクトの幅を、
トータル１０μｍにわたって確保することができる。最
後に、ウェハーの厚さを１００μｍとする裏面研磨を行
い、裏面電極１９を全面に形成する。

【００３３】このウェハーを共振器長３００μｍ長に劈
開し、３０％の反射率の前端面コーティング膜を施し、
７５％の反射率の後端面コーティング膜を形成して、光
出力特性を評価すると、閾値電流７ｍＡ、スロープ効率
０．５５Ｗ／Ａの半導体レーザが得られた。また、１５
０μｍ長に劈開し、前方８０％、後方９５％の反射膜を
つけて評価すると、−４０℃から８５℃の問で、光出力
変動が２ｄＢ以下であった。

【００３４】本実施の形態の半導体レーザにおいては、
従来の半導体レーザのように半導体層を大きくエッチン
グすることなく、窒化シリコン膜のみを加工すればよい
ため、１．５μｍ±０．１μｍの精度で活性層幅を制御
することができる。これにより、閾値電流を±５％、ス
ロープ効率を±２％の均一性、再現性で制御できるよう
になる。また、光放射角の狭い半導体レーザを製造する
場合に必要となる０．５〜１．０μｍでの活性層幅の制
御が容易となる。その理由は、活性層幅は誘電体膜の開
口幅のみで決まり、しかも窒化シリコン膜のパターニン
グが制御良くできるからである。

【００３５】また、２００ｎｍの厚さの窒化シリコン膜
１３は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ層４から１５０ｎｍ
の位置にあり、窒化シリコン膜１３の開口部以外では等
価的にＩｎＰに近い有効屈折率をもっている。これは、
活性層と誘電体膜の距離が０．３μｍ以内であれば実現
することができる。このとき、光のフィールドは開口部
に有効に閉じ込められ、２５°以内の放射角が得られ
る。また、活性層と誘電体膜の距離が０．３μｍ以内で
あるため、注入電流の横広がりが抑えられ、フィールド
の横モードの安定性と、無効電流の防止を達成すること
ができる。

【００３６】また、開口幅が２μｍ以内であれば、高次
モードはたたず、キンクの発生が免れ、また、電流が十
分に狭窄されるので、低閾値電流、高スロープ効率を得
ることができる。ただし、開口幅を０．５μｍ以下に狭
くすると、フォトリソグラフィが難しくなるという問題
もあるが、そもそも導波光のカットオフが起きるので、
これは０．５μｍ以上にする必要がある。

【００３７】以上のような構造はスポットサイズ変換素
子に応用できる。その場合、窒化シリコン膜１３の開口
部の幅を、光の出射面の近くで１．５μｍから０．５μ
ｍに狭めていき、光のスポットの大きさを出射面で大き
くすることにより、光の放射角を１０°と非常に小さく
することができる。この結果、ファイバとの結合効率が
向上する。

【００３８】また、本実施の形態では、ｎ−ＩｎＰ基板
上の構造について述べたが、ｐ−ＩｎＰ基板やその他の
化合物半導体に適用できることは言うまでもない。ま
た、分布帰還型レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）にも勿論適用す
ることができる。また、上述の開口部の幅を２μｍと
し、これを３μｍ間隔で３箇所から６箇所設けることに
より、複数箇所からの発光をひとまとめにして大出力の
半導体レーザを実現することもできる。

【００３９】以下、本発明の第２の実施の形態について
図４を参照して説明する。図４は本実施の形態の半導体
レーザ（光半導体装置）の構造を示す断面図である。第
１の実施の形態では、最初のＭＯ−ＶＰＥの結晶成長の
際に、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ層４の中にｐ−ｎ接合
を形成しているが、図４の本実施の形態においては、最
初のＭＯ−ＶＰＥ成長の際にはｎ型のみで成長させ、ｐ
−ｎ接合を形成しない。

【００４０】具体的には、第１の実施の形態におけるＧ
ＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ層４の中のｐ−Ｉｎ_0.69ＧａＡ
ｌＡｓ_0.65Ｐ_0.35ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１０の部分は、こ
れに代えてノンドーピングでｎ型とし、その上はｐ−ク
ラッド層１１の代わりにｎ−クラッド層１１１を成長さ
せる。その上にｎ−ＩｎＰスペーサ層１１２を介して
１．５μｍ幅で開口した厚さ３００ｎｍの二酸化シリコ
ン膜１１３を形成した後、ＭＯ−ＶＰＥ炉内でＤＭＺｎ
ガスにさらし、表面から１６０ｎｍの深さまでＧＲＩＮ
−ＳＣＨ−ＭＱＷ層４に到達するようにｐ拡散領域２０
を形成する。

【００４１】その後、ＭＯ−ＶＰＥ炉内で引き続いて、
開口部から二酸化シリコン膜１１３の上にまでにＰ−Ｉ
ｎＰ選択成長層１４を選択成長させ、連続して、ｐ⁺−
ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１５、ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓ
コンタクト層１６を結晶成長させる。

【００４２】以降は第１の実施の形態と同様に、上面側
の全面を覆う表面電極１８と、ｎ型ＩｎＰ基板１の下に
裏面電極１９を形成する。

【００４３】このように、結晶成長中にｐ−ｎ接合を形
成せず、選択拡散によりｐ−ｎ接合を形成することによ
り、結晶内でのｐ−ｎ接合面積を著しく低減することが
できる。また、窒化シリコン膜に代えて誘電率のより小
さい二酸化シリコン膜を用いることにより、誘電体膜で
の電気容量も低減することができる。このことから、本
実施の形態によれば、チップの容量を大きく低減でき、
１０ＧＨｚの高速変調が可能な半導体レーザを得ること
ができる。

【００４４】本実施の形態の半導体レーザは、変形して
光変調器に応用することができる。例えば、１．５５μ
ｍ帯のレーザ光を外部変調する光変調器に適用した場
合、１０ＧＨｚ以上の高速応答を容易に達成できる。こ
の時は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ層４の遷移エネルギ
ーをｌ．４８μｍにするため、ウェルは１％圧縮歪Ｉｎ
_0.77Ｇａ_0.23Ａｓ_0.8Ｐ_0.2とし、バリアとガイド層はバ
ンドギャップ波長が１．１２μｍのＩｎ_0.62Ｇａ_0.19Ａ
ｌ_0.19Ａｓ_0.8Ｐ_0.2とし、これらを挟むＧＲＩＮ−ＳＣ
Ｈ層は、バンドギャップ波長が１．１２μｍのＩｎ_0.62
Ｇａ_0.19Ａｌ_0.19Ａｓ_0.8Ｐ_0.2からバンドギャップ波長
が０．９４μｍのＩｎ_0.62Ｇａ_0.05Ａｌ_0. ₃₃Ａｓ_0.8Ｐ
_0.2まで変化する組成とする。さらに、ｎ−クラッド層
３とｐ−クラッド層１１はバンドギャップ波長が０．８
９μｍのＩｎ_0.62Ａｌ_0.38Ａｓ_0.8Ｐ₀ _.2とする。また、
共振器長は１５０μｍとし、端面は窓構造の無反射コー
ティングとする。

【００４５】以下、本発明の第３の実施の形態について
図５および図６を参照して説明する。本実施の形態にお
いては、第１の実施の形態と同様に、最初のＭＯ−ＶＰ
Ｅ成長を行った後、窒化シリコン膜１３を形成する前
に、図５のように、メサトップ幅が４．５μｍ、深さが
ｎ−ＩｎＰバッファー層２の途中までとなるように両サ
イドをエッチングし、その後は、第１の実施の形態と同
様に結晶成長、電極形成を行う。このことにより、拡散
を用いることなく、低容量化を達成することができる。

【００４６】さらに、第３の実施の形態の変形例とし
て、図６に示すように、Ａｌの入らない系において、メ
サ幅を活性層幅として適当な１．５μｍの幅まで小さく
する。活性層としては従来例で述べたものと同様のもの
を使い、まず、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ−ＩｎＰバッ
ファー層２を０．４μｍ成長させた後、ｎ−ＩｎＧａＡ
ｓＰガイド層２０６を８０ｎｍ、歪多重量子井戸構造
層、即ち歪ＭＱＷ層２０４を５７ｎｍ、ｐ−ＩｎＧａＡ
ｓＰガイド層２０９を８０ｎｍ、ｐ−ＩｎＰクラッド層
２１４を５０ｎｍ結晶成長させる。これを幅１．５μ
ｍ、高さ５００ｎｍのメサが残るように、両サイドをエ
ッチングする。

【００４７】その後、窒化シリコン膜を厚さ２００ｎｍ
で全面に形成し、メサトップ以外にネガレジストを残す
ようにフォトリソグラフィを行う。このフォトリソグラ
フィでは、中央部を３μｍの幅で遮光するコンタクトマ
スクを用い露光する。このとき、マスクの遮光部の下も
エッチングした部分については散乱光により感光するの
で、ネガレジストをメサトップ以外のみに残すことがで
きる。この後、バッファード弗酸によりエッチングし、
ネガレジストを除去して、メサトップ部分でのみ開口す
る窒化シリコン膜１３を形成する。

【００４８】この後は、上に述べた例と同様に、ｐ−Ｉ
ｎＰ選択成長層１４、ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト
層１５、ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６を成長さ
せ、表面電極１８と裏面電極１９を形成する。

【００４９】この第３の実施の形態の変形例では、活性
層が一旦露出するため、Ａｌの入った系には適用できな
いが、ＩｎＧａＡｓＰ系に適用すれば、注入された電流
は１００％活性層に流れ込むため、閾値電流の低減、ス
ロープ効率の向上、温度特性の向上、最大光出力の向上
を達成することができる。

【００５０】以下、本発明の第４の実施の形態について
図７を参照して説明する。本実施の形態においては、第
１の実施の形態と同様に、最初のＭＯ−ＶＰＥ成長を行
った後、窒化シリコン膜１３を間隔を１．５μｍ、それ
ぞれの幅が１０μｍの１対のストライプの形状に形成す
る。この窒化シリコン膜１３の上に、開口部端から２．
５μｍの幅で載りかかるようにｐ−ＩｎＰ選択成長層１
４を成長させ、引き続いて、ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓコンタ
クト層１６を成長させる。その後、中央の成長部のとこ
ろだけが長さ６μｍにわたって開口した二酸化シリコン
膜１７を形成し、表面電極１８と裏面電極１９を形成す
る。

【００５１】この第４の実施の形態では、表面のコンタ
クトをとるための二酸化シリコン膜１７を形成する工程
が追加される欠点があるが、左右に大きな結晶成長領域
があるため、全面成長に対する選択成長の組成ずれが少
なく、選択成長領域のｐ⁺−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１６の組成制御が容易であるという利点がある。また、
中央のリッジとほぼ等しい高さの成長部が両脇にあるた
め、チップのジャンクション側を下にヒートシンクにマ
ウントしても、中央のリッジに大きなストレスが入らな
いという利点がある。

【００５２】なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態
に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない
範囲において種々の変更を加えることが可能である。例
えば各層の組成、膜厚等の具体的な数値等については適
宜変更が可能である。

【００５３】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の第
１の効果は、例えば１．５μｍ±０．１μｍ程度の高精
度で活性層幅を制御することができる。これにより、閾
値電流を±５％、スロープ効率を±２％の均一性、再現
性で制御できるようになる。また、光放射角の狭い半導
体レーザを製造する場合に必要となる０．５〜１．０μ
ｍでの活性層幅の制御が容易となる。その理由は、活性
層幅は誘電体膜の開口幅のみで決まり、しかも誘電体薄
膜のパターニングが制御良くできるからである。第２の
効果は、漏れ電流を無くすことができ、閾値電流の低
減、スロープ効率の向上を達成することができる。それ
ぞれ、従来例に対して１０％〜２０％向上させることが
できる。その理由は、絶縁体である誘電体膜を用いて電
流狭窄を実現し、かつ、誘電体膜と活性層の間の距離を
０．３μｍ以内として、注入電流の横広がりを防止して
いるからである。第３の効果は、屈折率の低い誘電体膜
により精度の良い間隔で導波光を閉じ込めるため、横モ
ードを０次モードに安定的に維持することができる。こ
れにより−４０℃から８５℃までキンクフリーとするこ
とができる。第４の効果は、一般に逆メサリッジ型レー
ザではコンタクト幅が６μｍ程度しか得られず、３００
μｍの共振器長で約７Ωのコンタクト抵抗があったのに
対して、本発明では、活性層幅を０．５〜２．０μｍと
したまま、トータルのコンタクト幅として１０μｍ程度
が得られ、約４Ωのコンタクト抵抗とすることができ
る。コンタクト抵抗が下がることにより、駆動電圧が小
さくできる他、発熱を防げるため、レーザの温度特性、
高出力特性を改善できる効果がある。第５の効果は、ポ
リイミドを用いていないために、ＭＴＦ（Median Time
toFailure）を常に１００万時間以上に安定して生産で
きるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態である半導体レーザ
を示す断面図である。

【図２】同、半導体レーザの一実施例の製造工程の一工
程図である。

【図３】図２の次工程図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態である半導体レーザ
を示す断面図である。

【図５】本発明の第３の実施の形態である半導体レーザ
を示す断面図である。

【図６】本発明の第３の実施の形態の変形例を示す断面
図である。

【図７】本発明の第４の実施の形態である半導体レーザ
を示す断面図である。

【図８】半導体レーザのバンドダイアグラム図である。

【図９】従来の半導体レーザを示す断面図である。

【符号の説明】

１ｎ型ＩｎＰ基板２ｎ−ＩｎＰバッファー層３ｎ−クラッド層４ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−歪ＭＱＷ層５ｎ−Ｉｎ_0.69ＧａＡｌＡｓ_0.65Ｐ_0.35ＧＲｌＮ−Ｓ
ＣＨ層６ｎ−Ｉｎ_0.69Ｇａ_0.13Ａｌ_0.18Ａｓ_0.65Ｐ_0.35ガイ
ド層７圧縮歪Ｉｎ_0.84Ｇａ_0.16Ａｓ_0.65Ｐ_0.35ウェル層８無歪Ｉｎ_0.69Ｇａ_0.13Ａｌ_0.18Ａｓ_0.65Ｐ_0.35バリ
ア層９Ｉｎ_0.69Ｇａ_0.13Ａｌ_0.18Ａｓ_0.65Ｐ_0.35ガイド層１０ｐ−Ｉｎ_0.69ＧａＡｌＡｓ_0.65Ｐ_0.35ＧＲｌＮ−
ＳＣＨ層１１ｐ−クラッド層１２ｐ−ＩｎＰクラッド層１３窒化シリコン膜１４ｐ−ＩｎＰクラッド選択成長層１５ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１６ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１７二酸化シリコン膜１８表面電極１９裏面電極２０ｐ−拡散領域２１ポリイミド１１１ｎ−クラッド層１１２ｎ−ＩｎＰスペーサ層１１３二酸化シリコン膜２０４ＭＱＷ層２０６ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層２０９ｐ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層２１４ｐ−ＩｎＰクラッド層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/18 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に、ｎ−クラッド層、活性
層、ｐまたはｎ−クラッド層、および幅が０．５μｍよ
り大きく２μｍ以下のストライプ状の開口部を有する誘
電体膜が順次設けられ、該開口部からｐ−ＩｎＰからな
る半導体結晶を２つの（１１１）Ｂ面が合わさった三角
形状に成長させた後、さらに前記（１１１）Ｂ面上に成
長させて前記誘電体膜上に（１１１）Ａ面を形成する形
でエピタキシャル成長させて前記開口部外方の前記誘電
体膜の上にまで載りかかるような形状の選択成長層と
し、前記誘電体膜を電流ブロック層や光閉じ込め層とし
て機能させるとともに、前記選択成長層上面にｐ ⁺ −Ｉ
ｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層が設けられ、前記選
択成長層を前記コンタクト層に導波光がかからなくなる
までの高さに成長させたことを特徴とする光半導体装
置。
【請求項２】請求項１に記載の光半導体装置におい
て、前記誘電体膜と活性層との距離が０．３μｍ以内である
ことを特徴とする光半導体装置。
【請求項３】請求項１または２に記載の光半導体装置
において、前記選択成長層が、前記誘電体膜の上にまで２ないし３
μｍ載りかかるような形状であることを特徴とする光半
導体装置。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載の光
半導体装置において、前記ストライプ状の開口部が、複
数箇所設けられたことを特徴とする光半導体装置。
【請求項５】半導体基板上の全面にｎ−クラッド層、
活性層、ｐまたはｎ−クラッド層を順次結晶成長させる
工程と、その上に幅が０．５μｍより大きく２μｍ以下
のストライプ状の開口部を有する誘電体膜を形成する工
程と、該開口部からｐ−ＩｎＰからなる半導体結晶を２
つの（１１１）Ｂ面が合わさった三角形状に成長させた
後、さらに前記（１１１）Ｂ面上に成長させて前記誘電
体膜上に（１１１）Ａ面を形成する形でエピタキシャル
成長させ、前記誘電体膜上に載りかかる選択成長層を形
成する工程と、該選択成長層の上面にｐ ⁺ −ＩｎＧａＡ
ｓＰからなるコンタクト層を成長させる工程とを有し、
前記選択成長層を前記コンタクト層に導波光がかからな
くなるまでの高さに成長させることを特徴とする光半導
体装置の製造方法。
【請求項６】請求項５に記載の光半導体装置の製造方
法において、前記誘電体膜と活性層との距離が０．３μｍ以内となる
ように形成することを特徴とする光半導体装置の製造方
法。
【請求項７】請求項５または６に記載の光半導体装置
の製造方法において、前記選択成長層を、前記誘電体膜
の上にまで２ないし３μｍ載りかかるような形状に形成
することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【請求項８】請求項５ないし７のいずれかに記載の光
半導体装置の製造方法において、前記ストライプ状の開
口部を複数箇所に形成することを特徴とする光半導体装
置の製造方法。