JP2949809B2 - 半導体レーザの製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体レーザ、特に例えばAlGaAs系の化合
物半導体レーザに係わる。

〔発明の概要〕

本発明は半導体レーザの製法に係わり、〈011〉結晶
軸方向に沿うストライプ状メサ突起が形成された（10
0）結晶面を有する半導体基体の主面上に、順次メチル
系有機金属による化学的気相成長法によって、少くとも
第１導電型のクラッド層と、活性層と、第２導電型のク
ラッド層とをエピタキシャル成長させて、メサ突起上の
活性層層が、他部上の活性層と分断して第１及び第２導
電型のクラッド層間に配置させる第１のエピタキシャル
工程と、その後低温の有機金属による化学的気相成長法
によって、ストライプ状メサ突起の両端面にこのストラ
イプ状メサ突起の延長方向と直交する（011）結晶面を
発生する第２のエピタキシャル工程とを経て、メサ突起
の延長方向と直交する結晶面によって窓部を構成するよ
うにしたことにより、製法の簡易化をはかって信頼性卸
び特性の向上をはかる。

〔従来の技術〕

半導体レーザにおいて、レーザ発光部の共振器長を規
制する端面部分を、活性層よりも屈折率の小さい層でカ
バーするいわゆる窓構造を構成すると、ヘテロ界面によ
り、表面再結合に代わって界面再結合が生じるが、格子
整合が良好であれば、表面再結合がより充分結合効率を
低下させることができるため、これによりレーザの信頼
性の向上をはかり、高出力化をはかることができる。

この種の窓構造半導体レーザの形成方法は、従来例え
ば第３図Ａに示すように、半導体基体（１）上に有機金
属による化学的気相成長法（以下MOCVD法と記す）等に
よって１回目のエピタキシャル成長により、第１導電型
のクラッド層（３）、活性層（４）、第２導電型のクラ
ッド層（５）より成るダブルヘテロ構造を成長させ、所
要のパターンにフォトリソグラフィ等の適用によってパ
ターニングして端面（31）を形成する。この後第３図Ｂ
に示すように２回目のエピタキシャル成長をMOCVD法等
によって行って第２導電型のクラッド層（７）を形成し
て端面（31）において窓部を構成する。そしてこの後所
要の長さをもって劈開等により半導体レーザの端面を形
成し、半導体レーザを得るものである。しかしながら、
このような方法による場合はパターニング工程でのエッ
チング作業を挟んで２回のエピタキシャル成長作業に分
断される。このように活性層の形成部近傍で２回のエピ
タキシャル成長に分断された界面が存在する場合、その
２回のエピタキシャル成長間において、前段のエピタキ
シャル成長表面が自然酸化して、特性の劣化を招来する
などの不都合が生じる。

また、例えば第４図に示すように、上述したようなダ
ブルヘテロ構造において活性層（４）に量子井戸構造を
適用して形成し、不純物を拡散して窓部（51）を形成
し、これによって量子井戸の無秩序化をはかる方法等が
ある。

しかしながら、この方法は信頼性に乏しいという問題
がある。

これに対して低しきい値電流I_thを有する半導体レー
ザとして、１回のエピタキシャル成長作業によって形成
し得るようにしたSDH（Separated Double Hetero Junct
ion）半導体レーザが、本出願人による例えば特開昭61
−183987号において提案されている。

一方本出願人は、先に特開平２−174287号においてSD
H型の半導体レーザを提案した。このSDH型半導体レーザ
は、第５図にその一例の略線的拡大断面図を示すよう
に、先ず第１導電型例えばｎ型で一主面が（100）結晶
面を有する例えばGaAs化合物半導体基体（１）のその一
主面に第５図でその紙面と直交する〈011〉結晶軸方向
に延びるストライプ状のメサ突起（12）が形成され、こ
の突起（12）を有する基体（１）の一主面上に順次通常
のMOCVD法すなわちメチル系MOCVD法によって連続的に第
１導電型例えばｎ型のクラッド層（３）と低不純物濃度
ないしはアンドープの活性層（４）と第２導電型例えば
ｐ型の第１のクラッド層（65）と、第１導電型例えばｎ
型の電流ブロック層（６）と、第２導電型例えばｐ型の
第２のクラッド層（７）と、第２導電型のキャップ層
（11）との各半導体層が１回のエピタキシャル成長によ
って形成されてなる。

ここに第１導電型のクラッド層（３）と第２導電型の
第１及び第２のクラッド層（65）及び（７）と、第１導
電型の電流ブロック層（６）とは、活性層（４）に比し
てバンドギャップが大すなわち屈折率が小なる材料より
成る。

そして、この場合基体（１）及びストライプ状のメサ
突起（12）との結晶方位、突起（12）の幅及び高さ、即
ちその両側のメサ溝の深さ、さらに第１導電型のクラッ
ド層（３）、活性層（４）、第２導電型の第１のクラッ
ド層（65）等の厚さを選定することによってメサ突起
（12）上に第１導電型のクラッド層（３）、活性層
（４）、第２導電型の第１のクラッド層（65）を、メサ
溝上におけるそれらと分断するように斜面（9A）及び
（9B）による断層を形成し、これら斜面（9A）及び（9
B）によって分断されたストライプ状のエピタキシャル
成長層（30）がメサ突起（12）上に形成されるようにす
る。

これは、通常のMOCVD法、即ちメチル系の有機金属を
原料ガスとして行ったMOCVD法による場合、（111）Ｂ血
晶面が一旦生じてくると、この面に関してはエピタキシ
ャル成長が生じにくいことを利用して、ストライプ状の
エピタキシャル成長層（30）を形成するものである。そ
して、この場合電流ブロック層（６）は、ストライプ状
のエピタキシャル成長層（30）によってこれを挟んでそ
の両側に分断され、この分断によって生じた両端面が丁
度ストライプ状エピタキシャル成長層（30）における他
と分断されたストライプ状活性層（４）の両側端面即ち
斜面（9A）及び（9B）に臨む端面に衝合するようになさ
れる。

このようにしてメサ突起（12）上のストライプ状エピ
タキシャル成長層（30）における活性層（４）が、これ
より屈折率の小さい電流ブロック層（６）によって挟み
こまれるように形成されて横方向の閉じ込めがなされて
発光動作領域となるようにされ、しかもこの電流ブロッ
ク層（６）の存在によってストライプ状エピタキシャル
成長層（30）の両外側においては、第２導電型の第２の
クラッド層（７）と、ブロック層（６）と、第２導電型
の第１のクラッド層（65）と、第１導電型のクラッド層
（３）とによってｐ−ｎ−ｐ−ｎのサイリスタが形成さ
れて、ここにおける電流が阻止され、これによってこの
メサ突起（12）上のストライプ状エピタキシャル成長層
（30）の活性層（４）に電流が集中するようになされ
て、低しきい値電流化をはかるようになされている。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明半導体レーザの製法は、上述したような窓構造
の半導体レーザの形成方法の簡易化をはかり、信頼性の
向上及び高出力化等の特性の向上をはかる。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による半導体レーザの製法の一例を第１図Ａ〜
Ｄの製造工程図に示す。

本発明は、第１図Ａに示すように〈011〉結晶軸方向
に沿うストライプ状メサ突起（２）が形成された（10
0）結晶面を有する半導体基体（１）の主面（1A）上
に、第１図Ｂに示すように順次メチル系MOCVD法によっ
て、少くとも第１導電型のクラッド層（３）と、活性層
（４）と、第２導電型のクラッド層（５）とをエピタキ
シャル成長させて、メサ突起（２）上の活性層（２）
が、他部上の活性層（２）と分断して第１及び第２導電
型のクラッド層間（３）及び（５）に配置させる第１の
エピタキシャル工程と、その後第１図Ｄに示すように、
低温のMOCVD法によって、ストライプ状メサ突起（２）
の両端面にこのストライプ状メサ突起（２）の延長方向
と直交する（011）結晶面（10A）を発生する第２のエピ
タキシャル工程とを経て、メサ突起（２）の延長方向と
直交する結晶面（10A）によって窓部（40）を構成す
る。

〔作用〕

上述したように、本発明半導体レーザの製法では、エ
ピタキシャル成長温度を変化させることによって、自然
発生的に生じる結晶面を変化させ、これにより窓構造を
得るものである。

即ち例えば第１図Ａに示すように、（100）結晶面を
有する半導体基体（１）の主面（1A）上に、矢印ａで示
す〈011〉結晶軸方向に沿う方向にストライプ状メサ突
起（２）が形成され、このメサ構造（22）は比較的浅く
形成され、又メサ突起（２）は〈011〉結晶軸方向に所
要の長さｌを有し、この長さｌを規定する分断溝（22）
は比較的深く形成される。そしてこのメサ突起（２）上
を覆って順次メチル系MOCVD法によって、例えば成長温
度Ｔを比較的高く例えばＴ＝750℃〜800℃として第１導
電型のクラッド層（３）と、活性層（４）と、第２導電
型のクラッド層（５）等をエピタキシャル成長させ、更
に必要に応じて電流ブロック層（６）及び第２導電型の
第２のクラッド層（７）を成長させると、第１図Ｂに示
すように、ストライプ状メサ突起（２）上では、このメ
サ突起（２）の延長する〈011〉結晶軸方向に沿う方向
ではエピタキシャル成長が生じにくい（111）Ｂ結晶面
が自然発生的に生じ、この（111）Ｂ結晶面により成る
斜面（9A）及び（9B）が形成される。従って、先に出願
した方法によるSDH構造と同様に、メサ溝（21）内のエ
ピタキシャル成長層とメサ突起（２）上のエピタキシャ
ル成長層とは互いに分断して形成される。

一方、ストライプ状メサ突起（２）の〈011〉結晶軸
方向の端面（2A）に沿う方向には、エピタキシャル成長
が生じにくい（111）Ａ結晶面が自然発生的に生じてく
ると、この（111）Ａ結晶面による端面（8A）が形成さ
れる。従って、ストライプ状メサ突起（２）の長さｌ及
び第１導電型のクラッド層（３）、活性層（４）の厚さ
等を適当な値に選定すれば、この端面（8A）によって規
制される活性層（４）の両端面間の距離により、精度良
く所定の共振器長を形成することができる。

そしてこの端面（8A）を含む〈011〉結晶軸方向の断
面図を第１図Ｃに示すと、メサ突起（２）の分断溝（2
2）内では、上述したような比較的高温のエピタキシャ
ル成長を行う場合は、（011）結晶面より成る端面（2
A）上では結晶が成長しにくいため、各層はほぼ分断溝
（22）の（100）結晶面より成る底面（22A）に沿うよう
に成長が進行する。このため各層はストライプ状メサ突
起（２）上と分断溝（22）内とで互いに分断して形成す
ることができる。

そして、このようなエピタキシャル成長層上に比較的
低温の例えばＴ＝650℃〜700℃程度としてMOCVD法等に
より例えば第２導電型の第３のクラッド層（６）をエピ
タキシャル成長させると、第１図Ｄに示すように、端面
（8A）上及び（2A）上でエピタキシャル成長が生じ始め
るとともに、（011）結晶面が生じやすくなる。このた
め、この第２導電型の第２のクラッド層（10）によりス
トライプ状メサ突起（２）上の活性層（４）の端面が埋
め込まれて窓部（40）を形成すると共に、この第２導電
型の第３のクラッド層（10）の端面が（011）結晶面（1
0A）によって構成されるため、自然発生的に垂直面を得
ることができ、結晶の劈開面によって端面を形成する場
合のように劈開を行わずに、共振器を形成することがで
きる。

このように、本発明半導体レーザの製法によれば、エ
ピタキシャル成長温度を変化させることによって、実質
的には成長層の膜質変化等を生じさせずに１回のエピタ
キシャル成長によって簡単に埋込み窓構造を得ることが
できると共に、劈開を行わずに、精度良く共振器を得る
ことができるため、製法の簡易化をはかることができ、
信頼性の向上及び窓構造による高出力化等の特性の向上
をはかることができる。

〔実施例〕

以下、本発明製法を第１図Ａ〜Ｄを参照して詳細に説
明する。

第１図Ａは、半導体基体（１）にストライプ状メサ突
起（２）を形成した場合の斜視図を示す。この場合、Al
GaAs系のIII−Ｖ族化合物半導体レーザを得る場合で、
まず第１導電型例えばｎ型のGaAs基体より成る半導体基
体（１）を用意する。この半導体基体（１）はその一主
面（1A）が（100）結晶面を有してなり、この主面（1
A）上に先ず最終的に得る共振器長Ｌに対応する所要の
間隔ｌをもって、〈011〉結晶軸方向から直行する方向
に沿って所要の長さの分断溝（22）を、RIE（反応性イ
オンエッチング）等の異方性エッチングによって形成し
た後、次に分断溝（22）に直交する方向に比較的浅いメ
サ溝（21）を形成し、これらメサ溝（21）によって幅Ｗ
が規制されたストライプ状メサ突起（２）を形成する。

その後、この半導体基体（１）上に各半導体層の連続
エピタキシャル成長を行う。この場合のメサ溝（21）と
メサ突起（２）上のエピタキシャル成長層の略線的斜視
図を第１図Ｂに示す。

第１図Ｂに示すように、通常のMOCVD法、即ちメチル
系の有機金属を原料ガスとするMOCVD法によって成長温
度Ｔ＝750℃〜800℃の例えば750℃程度として、第１導
電型例えばｎ型のAl_xGa_1-xAsのクラッド層（３）をエピ
タキシャル成長する。この場合、エピタキシャル成長が
メサ溝（21）内とメサ突起（２）上とにおいて行われる
が、このエピタキシャル成長が進行するとメサ突起
（２）の上面ではメチル系MOCVD法による場合は〈011〉
結晶軸方向に沿う長手方向に延長し、（100）結晶面に
対しての角度が約55゜をなす（111）Ｂ結晶面よりなる
斜面（9A）及び（9B）が自然発生的に生じてくる。ま
た、成長温度Ｔ＝750℃としたことにより、メサ突起
（２）の端面（2A）に沿う方向には同様に（100）結晶
面に対して角度が約55゜をなす（111）Ａ結晶面が自然
発生的に生じて端面（8A）を形成してくる。続いて例え
ばアンドープのAl_yGa_1-yAsよりなる活性層（４）をエピ
タキシャル成長する。この場合、斜面（9A）及び（9B）
よりなる（111）Ｂ結晶面にはメチル系MOCVD法によるエ
ピタキシャル成長が生じにくいので、活性層（４）はこ
の斜面（9A）及び（9B）上には実質的にほとんど成長さ
れず、メサ突起（２）上のクラッド層（３）と、その両
側のメサ溝（21）上のクラッド層（３）とに選択的に互
いに分断して形成することができる。また端面（8A）よ
り成る（111）Ａ結晶面上には成長温度Ｔ＝750℃とする
とエピタキシャル成長が生じにくいので、この端面（8
A）上にも活性層（４）は殆ど形成されないため、メサ
突起（２）上と分断溝（22）内とに各層を選択的に互い
に分断して形成することができる。また端面（8A）によ
って活性層（４）の端面を規制することができる。即
ち、この端面（8A）の角度と、ｎ型のクラッド層（３）
及び活性層（４）の厚さ及びメサ突起（２）の長さｌの
選定とによって、活性層（４）の端面間の距離が規制さ
れ、これにより精度良く共振器長を得ることができる。

続いて第２導電型の例えばｐ型のAl_xGa_1-xAsによるク
ラッド層（５）を、同様にメチル系MOCVD法によって成
長温度Ｔ＝750℃として連続エピタキシャル成長する。
この場合、ｐ型のクラッド層（５）はこれの成長が進行
してメサ突起（２）上においてその両側の斜面（9A）及
び（9B）が交叉する厚さにまで成長させる。そしてメサ
溝（21）内においては、メサ突起（２）上のｎ型クラッ
ド層（３）の斜面（9A）及び（9B）による端面の中間位
置までこのｐ型のクラッド層（５）のメサ溝（21）にお
ける成長を行う。次に例えばｎ型すなわち第１導電型の
クラッド層（３）と同組成の例えばｎ型のAl_xGa_1-xAsよ
りなる電流ブロック層（６）を同様にメチル系MOCVD法
によってエピタキシャル成長する。このようにすると
（111）Ｂ面による斜面（9A）及び（9B）上にはほとん
どその成長がなされず、メサ溝（21）上で限定的に電流
ブロック層（６）が形成され、メサ突起（２）上にスト
ライプ状のエピタキシャル成長層（30）が形成されると
ともに、これを挟んで両側に活性層（４）の（111）Ｂ
面をなす端面にその対向端面が衝合されるように電流ブ
ロック層（６）を形成することができる。そして更に、
ｐ型クラッド層（５）と例えば同組成の第２導電型例え
ばｐ型のAl_xGa_1-xAsよりなる第２のクラッド層（７）を
メチル系MOCVD法によってエピタキシャル成長する。こ
の場合、メチル系MOCVD法による場合は、第２導電型の
クラッド層（７）は初期においてはほとんど（111）Ｂ
結晶面による斜面（9A）及び（9B）上には成長されない
が、メサ溝（21）上において成長が進行するにつれて両
斜面（9A）及び（9B）の突き合わせ部に（111）Ｂ結晶
面以外の結晶面が生じてくると、ストライプ状エピタキ
シャル成長層（30）上を横切って全面的にこの第２導電
型の第２のクラッド層（７）の形成がなされる。

第１図Ｂでは分断溝（21）を切り欠いて示したが、第
１図Ｃにストライプ状メサ突起（２）の延長する即ち共
振器長方向に沿った断面図を示す。

この場合分断溝（22）内では成長温度Ｔ＝750℃とし
ているため、（011）結晶面より成る端面（2A）上では
エピタキシャル成長がなされず、各層は分断溝（22）の
底面（22A）に沿って形成され、メサ突起（２）上と分
断溝（22）内とでは各層は互いに分断して形成される。
また、この分断溝（22）は比較的深く形成して、ｐ型の
第２のクラッド層（７）の上面がメサ突起（２）の中間
位置にあるようにする。

次に、第１図Ｄに同様の共振器長方向の断面図を示す
ように、第２導電型の第２のクラッド層（７）上に、成
長温度ＴをＴ＝650℃〜700℃の例えば650℃程度とし
て、続いて第２導電型例えばｐ型のAl_xGa_1-xAsによる第
３のクラッド層（10）を同様にメチル系MOCVD法により
エピタキシャル成長する。このような比較的低い成長温
度では、（111）Ａ面上においてもエピタキシャル成長
が生じるため、この第３のクラッド層（10）によってス
トライプ状メサ突起（２）上の活性層（４）の端面が埋
め込まれて窓部（40）を形成することができると共に、
自然発生的に（011）結晶面による垂直な結晶面（10A）
が形成されるので、劈開等を行わずに活性層（４）の端
面（8A）を覆うクラッド層（10）の厚さを規制すること
ができる。

そして再び成長温度Ｔを750℃程度に高くして第２導
電型の第３のクラッド層（10）と同導電型のGaAsよりな
る高不純物濃度のキャップ層（11）をエピタキシャル成
長する。このとき、キャップ層（11）は（011）結晶面
より成る結晶面（10A）上では成長しないことから、メ
サ突起（２）上と分断溝（22）上とに互いに分断され
る。

このキャップ層（11）の形成方法は、例えば第２図Ａ
に同様に共振器長方向の断面図を示すように、ストライ
プ状メサ突起（２）上に各エピタキシャル成長層を形成
した後、成長温度Ｔを650℃程度の低温としたまま全面
的にGaAs等より成るキャップ層を形成した後、第２図Ｂ
に示すように、垂直な（011）結晶面上のみを選択的に
エッチングするような、例えばアンモニア等による異方
性エッチングを行って、結晶面（10A）上のキャップ層
（11）を除去して、メサ突起（２）上と分断溝（22）上
とに分断されたキャップ層（11）を得ることもできる。

そして、キャップ層（11）上と半導体基体（１）の裏
面とに、図示しないが、それぞれ対向電極をオーミック
に被着して、目的とする半導体レーザを得ることができ
る。

この場合各層（３）〜（７）、（10）及び（11）はそ
れぞれのMOCVD法において不純物源ガス及びIII−Ｖ族原
料ガスの種類及びこれらの割合を変えるのみで連続的に
形成し得るものである。ここに、メチル系MOCVD法にお
けるその原料ガスとしてはトリメチルアルミニウム及び
トリメチルガリウム、アルシンAsH₃を用いることができ
る。

また、活性層（４）の組成Al_yGa_1-yAsに対して、各ク
ラッド層（３）、（５）、（７）及び（10）及び電流ブ
ロック層（６）の組成Al_xGa_1-xAsは、ｘ＞ｙに選定し
て、活性層（４）のバンドギャップに比して各層
（３）、（５）、（６）、（７）及び（10）のバンドギ
ャップを大に選定する。

尚、上述した例では第１導電型がｎ型で第２導電型が
ｐ型である場合について説明したが、これとは逆の導電
型とすることもできる。

また、上述した例においては、AlGaAs系化合物半導体
レーザに本発明を適用した場合であるが、InP系レーザ
等に本発明を適用することもできる。

〔発明の効果〕

上述の本発明半導体レーザの製法によれば、エピタキ
シャル成長層の膜質変化等を生じさせずに１回のエピタ
キシャル成長によって簡単に埋込み窓構造を得ることが
できると共に、劈開を行わずに、精度良く共振器長を得
ることができるため、製法の簡易化をはかることがで
き、信頼性の向上及び窓構造による高出力化等の特性の
向上をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ〜Ｄは本発明による半導体レーザの製法の一例
を示す製造工程図、第２図Ａ及びＢは本発明による半導
体レーザの製法の他の例を示す製造工程図、第３図Ａ及
びＢは従来の半導体レーザの製法の一例を示す製造工程
図、第４図は従来の半導体レーザの製法の他の例を示す
一製造工程図、第５図は従前の半導体レーザの一製造工
程図である。 （１）は半導体基体、（1A）は主面、（２）はストライ
プ状メサ突起、（21）はメサ溝、（22）は分断溝、（2
A）は端面、（３）は第１導電型のクラッド層、（４）
は活性層、（５）は第２導電型のクラッド層、（６）は
電流ブロック層、（７）は第２導電型の第２のクラッド
層、（8A）は端面、（9A）及び（9B）は斜面、（10）は
第２導電型の第３のクラッド層、（11）はキャップ層、
（30）はエピタキシャル成長層である。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】〈011〉結晶軸方向に沿うストライプ状メ
   サ突起が形成された（100）結晶面を有する半導体基体
   の主面上に、 順次メチル系有機金属による化学的気相成長法によっ
   て、少くとも第１導電型のクラッド層と、活性層と、第
   ２導電型のクラッド層とをエピタキシャル成長させて、
   上記メサ突起上の上記活性層が、他部上の活性層と分断
   して上記第１及び第２導電型のクラッド層間に配置させ
   る第１のエピタキシャル工程と、 その後低温の有機金属による化学的気相成長法によっ
   て、上記ストライプ状メサ突起の両端面に該ストライプ
   状メサ突起の延長方向と直交する（011）結晶面を発生
   する第２のエピタキシャル工程とを経て、 上記メサ突起の延長方向と直交する結晶面によって窓部
   を構成するようにした ことを特徴とする半導体レーザの製法。