JP3108183B2 - 半導体レーザ素子とその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信、情報処理用光
源となる半導体レーザ素子とその製造方法に関し、特
に、信頼性が高く、しきい値電流が小さく、且つ、その
バラツキが小さな半導体レーザ素子に関する。
源となる半導体レーザ素子とその製造方法に関し、特
に、信頼性が高く、しきい値電流が小さく、且つ、その
バラツキが小さな半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来技術】３−５族化合物半導体、特に、ＩｎＧａＡ
ｓＰ／ＩｎＰ系の半導体レーザ素子は、光ファイバによ
る光通信用光源として重要なデバイスである。レーザ発
振用活性層の周囲をヘテロ接合界面で囲んだ３−５族化
合物半導体レーザ素子の基板として、ｐ型の半導体基板
を用いると、以下のような利点があることが知られてい
る。即ち、 １）ｐｎ接合の耐圧が大きいｐｎｐ埋め込みブロッキン
グ層界面が得られるため、ｎ型基板を用いた場合に比べ
て高出力、高温動作が可能である。 ２）ｐ型オ−ミック電極は不純物濃度の高いｐ型基板に
形成されるため、接触抵抗を下げることができ、消費電
力の低いデバイスを得ることができる。 図２は、従来のｐ型ＩｎＰ基板を用いた埋め込み型半導
体レーザ素子の断面図である（特開昭６１−１９０９９
３参照）。この半導体レーザ素子は以下のようにして製
作される。即ち、 １）ｐ型（１００）ＩｎＰ基板２１面上に、第１の結晶
成長で、ｐ型ＩｎＰクラッド層２２、ＩｎＧａＡｓＰ活
性層２３、ｎ型ＩｎＰクラッド層２４を順次積層させ
る。 ２）幅１．５ないし２．０μｍの誘電体マスクを用い
て、ＩｎＰ基板２１までエッチングしてストライプ状の
メサを形成する。 ３）第２の結晶成長で、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層２５でメ
サの脇を埋め込み、次いで、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層２
６、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層２７を成長させる。 ４）次いで、誘電体マスクを除去した後に、第３の結晶
成長で、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層２８、ｎ型ＩｎＧａＡｓ
Ｐコンタクト層２９を成長させて、平坦化する。 この構造では、抵抗率の高いｐ型ＩｎＰ埋め込み層２５
でメサの側面を覆っており、かつ、ｐｎｐｎ構造のブロ
ッキング層で電流のリークを抑えることができる。３０
はｐ側電極、３１はｎ側電極である。
ｓＰ／ＩｎＰ系の半導体レーザ素子は、光ファイバによ
る光通信用光源として重要なデバイスである。レーザ発
振用活性層の周囲をヘテロ接合界面で囲んだ３−５族化
合物半導体レーザ素子の基板として、ｐ型の半導体基板
を用いると、以下のような利点があることが知られてい
る。即ち、 １）ｐｎ接合の耐圧が大きいｐｎｐ埋め込みブロッキン
グ層界面が得られるため、ｎ型基板を用いた場合に比べ
て高出力、高温動作が可能である。 ２）ｐ型オ−ミック電極は不純物濃度の高いｐ型基板に
形成されるため、接触抵抗を下げることができ、消費電
力の低いデバイスを得ることができる。 図２は、従来のｐ型ＩｎＰ基板を用いた埋め込み型半導
体レーザ素子の断面図である（特開昭６１−１９０９９
３参照）。この半導体レーザ素子は以下のようにして製
作される。即ち、 １）ｐ型（１００）ＩｎＰ基板２１面上に、第１の結晶
成長で、ｐ型ＩｎＰクラッド層２２、ＩｎＧａＡｓＰ活
性層２３、ｎ型ＩｎＰクラッド層２４を順次積層させ
る。 ２）幅１．５ないし２．０μｍの誘電体マスクを用い
て、ＩｎＰ基板２１までエッチングしてストライプ状の
メサを形成する。 ３）第２の結晶成長で、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層２５でメ
サの脇を埋め込み、次いで、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層２
６、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層２７を成長させる。 ４）次いで、誘電体マスクを除去した後に、第３の結晶
成長で、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層２８、ｎ型ＩｎＧａＡｓ
Ｐコンタクト層２９を成長させて、平坦化する。 この構造では、抵抗率の高いｐ型ＩｎＰ埋め込み層２５
でメサの側面を覆っており、かつ、ｐｎｐｎ構造のブロ
ッキング層で電流のリークを抑えることができる。３０
はｐ側電極、３１はｎ側電極である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
半導体レーザ素子においては、メサ側面とｎ型ＩｎＰ埋
め込み層２６の間のｐ型ＩｎＰ埋め込み層２５がリーク
経路となり、その部分の厚さが大きくなれば、リーク電
流が増加し、発振しきい値電流が増大するという問題が
あった。この構造では、メサの高さに応じてｐ型ＩｎＰ
埋め込み層２５の成長膜厚を制御しなければならず、メ
サ側面とｎ型ＩｎＰ埋め込み層２６の距離を一定に保つ
ことが困難であり、特に、液相成長法を用いた場合、発
振しきい値電流の大きなバラツキの原因となる。また、
メサ高さが低い場合には、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層２６が
メサよりも高い位置に這い上がり、第３の成長における
ｎ型ＩｎＰ埋め込み層２８に接触し、電流の致命的なリ
ーク経路になる。
半導体レーザ素子においては、メサ側面とｎ型ＩｎＰ埋
め込み層２６の間のｐ型ＩｎＰ埋め込み層２５がリーク
経路となり、その部分の厚さが大きくなれば、リーク電
流が増加し、発振しきい値電流が増大するという問題が
あった。この構造では、メサの高さに応じてｐ型ＩｎＰ
埋め込み層２５の成長膜厚を制御しなければならず、メ
サ側面とｎ型ＩｎＰ埋め込み層２６の距離を一定に保つ
ことが困難であり、特に、液相成長法を用いた場合、発
振しきい値電流の大きなバラツキの原因となる。また、
メサ高さが低い場合には、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層２６が
メサよりも高い位置に這い上がり、第３の成長における
ｎ型ＩｎＰ埋め込み層２８に接触し、電流の致命的なリ
ーク経路になる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点を解
決した半導体レーザ素子とその製造方法を提供するもの
で、ｐ型３−５族化合物半導体基板上に、活性層を含む
メサストライプ形状のダブルヘテロ構造が積層され、前
記ダブルヘテロ構造の側面はｐｎｐ埋め込みブロッキン
グ層で埋め込まれている半導体レーザ素子において、ダ
ブルヘテロ構造には、基板と活性層の間に活性層よりも
短い波長組成の混晶層を設け、該混晶層のメサストライ
プ側面の面方位は（１１１）であり、埋め込みブロッキ
ング層のｎ型層は活性層を含むメサ側面に接触していな
いことを特徴とする半導体レーザ素子を第１の発明と
し、メサストライプ形状のダブルヘテロ構造の側面を液
相成長法により、先ずｎ型層で混晶層まで埋め込み、次
いでｐ型層で埋め込み、埋め込みブロッキング層を形成
することを特徴とする前記半導体レーザ素子の製造方法
を第２発明とするものである。
決した半導体レーザ素子とその製造方法を提供するもの
で、ｐ型３−５族化合物半導体基板上に、活性層を含む
メサストライプ形状のダブルヘテロ構造が積層され、前
記ダブルヘテロ構造の側面はｐｎｐ埋め込みブロッキン
グ層で埋め込まれている半導体レーザ素子において、ダ
ブルヘテロ構造には、基板と活性層の間に活性層よりも
短い波長組成の混晶層を設け、該混晶層のメサストライ
プ側面の面方位は（１１１）であり、埋め込みブロッキ
ング層のｎ型層は活性層を含むメサ側面に接触していな
いことを特徴とする半導体レーザ素子を第１の発明と
し、メサストライプ形状のダブルヘテロ構造の側面を液
相成長法により、先ずｎ型層で混晶層まで埋め込み、次
いでｐ型層で埋め込み、埋め込みブロッキング層を形成
することを特徴とする前記半導体レーザ素子の製造方法
を第２発明とするものである。
【０００５】
【作用】上述のように、埋め込みブロッキング層を構成
するｎ型層が活性層を含むメサ側面に接触しないため、
このｎ型層はダブルヘテロを構成するｎ型ＩｎＰクラッ
ド層との間にリーク電流経路を生じない。本発明の半導
体レーザ素子は、液相成長においては、（１１１）結晶
面上の結晶成長は（１００）面に比べて成長しにくいこ
とを利用して製造することができる。即ち、 １）ダブルヘテロ構造のメサストライプ側面は、混晶層
が（１１１）面であるため、液相成長法によりダブルヘ
テロ構造をｐｎｐ埋め込みブロッキング層で埋め込む場
合、先ず、ブロッキング層のｎ型層を活性層よりも基板
側にある混晶層の（１１１）面まで成長させて止め、活
性層に接触しないようにすることができる。 ２）次いで、ブロッキング層のｐ型層を成長させると、
活性層側面を確実にｐ型層で覆うことができる。 従って、メサ高さや埋め込み成長膜厚のばらつきがあっ
ても、電流のリークパスが変化することがなく、安定し
て均一性のよい半導体レーザ素子が得られる。また、混
晶層の材質を適切に選択することにより、混晶層をエッ
チング停止層として利用し、メサ高さのバラツキを低く
抑えることができる。
するｎ型層が活性層を含むメサ側面に接触しないため、
このｎ型層はダブルヘテロを構成するｎ型ＩｎＰクラッ
ド層との間にリーク電流経路を生じない。本発明の半導
体レーザ素子は、液相成長においては、（１１１）結晶
面上の結晶成長は（１００）面に比べて成長しにくいこ
とを利用して製造することができる。即ち、 １）ダブルヘテロ構造のメサストライプ側面は、混晶層
が（１１１）面であるため、液相成長法によりダブルヘ
テロ構造をｐｎｐ埋め込みブロッキング層で埋め込む場
合、先ず、ブロッキング層のｎ型層を活性層よりも基板
側にある混晶層の（１１１）面まで成長させて止め、活
性層に接触しないようにすることができる。 ２）次いで、ブロッキング層のｐ型層を成長させると、
活性層側面を確実にｐ型層で覆うことができる。 従って、メサ高さや埋め込み成長膜厚のばらつきがあっ
ても、電流のリークパスが変化することがなく、安定し
て均一性のよい半導体レーザ素子が得られる。また、混
晶層の材質を適切に選択することにより、混晶層をエッ
チング停止層として利用し、メサ高さのバラツキを低く
抑えることができる。
【０００６】
【実施例】以下、図面に示した実施例に基づいて本発明
を詳細に説明する。図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明にか
かる半導体レーザ素子の一実施例の製作工程図である。
本実施例は以下のようにして製作した。即ち、 １）ｐ型ＩｎＰ基板１上に２μｍ厚さのｐ型ＩｎＰバッ
ファ層２、０．２μｍ厚さである波長組成１．１μｍの
ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ混晶層３、１μｍ厚さのｐ型ＩｎＰ
クラッド層４、０．１５μｍ厚さである波長組成１．３
μｍのＩｎＧａＡｓＰ活性層５、厚さ０．５μｍのｎ型
ＩｎＰクラッド層６、厚さ０．３μｍのｎ型ＩｎＧａＡ
ｓＰキャップ層７を順次積層する。次いで、メサエッチ
ングおよび選択成長マスクとして幅１．５μｍの誘電体
マスク８を＜１１０＞方向に形成し、ウェットエッチン
グにより混晶層３まで垂直なメサを形成する（図１
（ａ））。 ＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰは、それぞれ塩酸系エッチャン
トと硫酸系エッチャントにより選択エッチングが可能で
あり、塩酸系エッチャントはＩｎＰを（１００）基板に
対して垂直なエッチング断面が得られるようにエッチン
グすることができる。エッチング方法の一例としては、
先ず硫酸系エッチャント（体積比；硫酸３：過酸化水素
水１：水１）によりキャップ層７をエッチングし、次い
で塩酸系エッチャントによりｎ型ＩｎＰクラッド層６
を、硫酸系エッチャントによりＩｎＧａＡｓＰ活性層５
を、さらに塩酸系エッチャントによりｐ型ＩｎＰクラッ
ド層４をエッチングする。最後に硫酸系エッチャントに
よりｐ型ＩｎＧａＡｓＰ混晶層３をエッチングする。こ
のとき、混晶層３の側面は（１１１）面となる。 ２）次いで、誘電体マスク８を残したまま、液相成長法
により、先ずｎ型ＩｎＰ層９を１μｍ成長させる。この
とき、混晶層３の微小側面が（１１１）面であることに
より、ｎ型ＩｎＰ層９は、メサ側面では混晶層３よりも
上側には成長しない。次いで、ｐ型ＩｎＰ層１０をメサ
側面とｎ型ＩｎＰ層９の隙間を埋めるように成長させ
る。ｐ型ＩｎＰ１０は、メサよりも高くなるように２μ
ｍ成長させる（図１（ｂ））。 ３）次いで、誘電体マスク８をバッファードフッ酸で、
キャップ層７を硫酸系エッチャントでそれぞれ除去した
後、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層１１、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰコ
ンタクト層１２を成長させ、平坦化する。最後に、ｎ側
電極１４とｐ側電極１３をコンタクト層１２表面と基板
１の裏面に形成し、（１１０）面でへき開して、共振器
面を形成する。 上記構造の半導体レーザ素子において、活性層５となる
ＩｎＧａＡｓＰ層は、厚さ方向がｐ型ＩｎＰクラッド層
４とｎ型ＩｎＰクラッド層６に、また左右方向は、ｐ型
ＩｎＰ層１０に接合し、ヘテロ接合でストライプ状に限
定された活性領域を形成している。電流ブロック層を構
成するｎ型ＩｎＰ層９は、混晶層３よりも上側のメサ側
面には接していないため、ｎ型ＩｎＰクラッド層６とは
完全に分離されており、この経路を介してのリーク電流
は発生しない。ｎ側電極１４とｐ側電極１３を介して素
子内に駆動電流を注入すると、注入された電流はｎ型Ｉ
ｎＰクラッド層６および活性層５のメサストライプ部に
対応する電流通路にのみ流れ、それ以外の部分は、バッ
ファ層２、ｎ型ＩｎＰ層９およびｐ型ＩｎＰ層１０によ
り構成されるｐ−ｎ−ｐ構造により電流が完全に遮断さ
れる。このようにして得られた半導体レーザ素子の発振
しきい値電流は、１０〜１５ｍＡと低く、１００℃まで
特性温度７０Ｋ以上と優れた特性を示した。本発明では
構造上、埋め込み成長の成長膜厚を精密に制御する必要
がないため、膜厚の面内分布の一様性が比較的悪い液相
成長法によっても素子の製作歩留まりが悪くなることが
ない。なお、上記実施例では１．３μｍの発光波長を呈
するＩｎＧａＡｓＰを活性層としているが、本発明の活
性層はこれに限定されることなく、１．１〜１．７μｍ
の範囲内のＩｎＧａＡｓＰでもよく、また、量子井戸構
造を含んでもよい。
を詳細に説明する。図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明にか
かる半導体レーザ素子の一実施例の製作工程図である。
本実施例は以下のようにして製作した。即ち、 １）ｐ型ＩｎＰ基板１上に２μｍ厚さのｐ型ＩｎＰバッ
ファ層２、０．２μｍ厚さである波長組成１．１μｍの
ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ混晶層３、１μｍ厚さのｐ型ＩｎＰ
クラッド層４、０．１５μｍ厚さである波長組成１．３
μｍのＩｎＧａＡｓＰ活性層５、厚さ０．５μｍのｎ型
ＩｎＰクラッド層６、厚さ０．３μｍのｎ型ＩｎＧａＡ
ｓＰキャップ層７を順次積層する。次いで、メサエッチ
ングおよび選択成長マスクとして幅１．５μｍの誘電体
マスク８を＜１１０＞方向に形成し、ウェットエッチン
グにより混晶層３まで垂直なメサを形成する（図１
（ａ））。 ＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰは、それぞれ塩酸系エッチャン
トと硫酸系エッチャントにより選択エッチングが可能で
あり、塩酸系エッチャントはＩｎＰを（１００）基板に
対して垂直なエッチング断面が得られるようにエッチン
グすることができる。エッチング方法の一例としては、
先ず硫酸系エッチャント（体積比；硫酸３：過酸化水素
水１：水１）によりキャップ層７をエッチングし、次い
で塩酸系エッチャントによりｎ型ＩｎＰクラッド層６
を、硫酸系エッチャントによりＩｎＧａＡｓＰ活性層５
を、さらに塩酸系エッチャントによりｐ型ＩｎＰクラッ
ド層４をエッチングする。最後に硫酸系エッチャントに
よりｐ型ＩｎＧａＡｓＰ混晶層３をエッチングする。こ
のとき、混晶層３の側面は（１１１）面となる。 ２）次いで、誘電体マスク８を残したまま、液相成長法
により、先ずｎ型ＩｎＰ層９を１μｍ成長させる。この
とき、混晶層３の微小側面が（１１１）面であることに
より、ｎ型ＩｎＰ層９は、メサ側面では混晶層３よりも
上側には成長しない。次いで、ｐ型ＩｎＰ層１０をメサ
側面とｎ型ＩｎＰ層９の隙間を埋めるように成長させ
る。ｐ型ＩｎＰ１０は、メサよりも高くなるように２μ
ｍ成長させる（図１（ｂ））。 ３）次いで、誘電体マスク８をバッファードフッ酸で、
キャップ層７を硫酸系エッチャントでそれぞれ除去した
後、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層１１、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰコ
ンタクト層１２を成長させ、平坦化する。最後に、ｎ側
電極１４とｐ側電極１３をコンタクト層１２表面と基板
１の裏面に形成し、（１１０）面でへき開して、共振器
面を形成する。 上記構造の半導体レーザ素子において、活性層５となる
ＩｎＧａＡｓＰ層は、厚さ方向がｐ型ＩｎＰクラッド層
４とｎ型ＩｎＰクラッド層６に、また左右方向は、ｐ型
ＩｎＰ層１０に接合し、ヘテロ接合でストライプ状に限
定された活性領域を形成している。電流ブロック層を構
成するｎ型ＩｎＰ層９は、混晶層３よりも上側のメサ側
面には接していないため、ｎ型ＩｎＰクラッド層６とは
完全に分離されており、この経路を介してのリーク電流
は発生しない。ｎ側電極１４とｐ側電極１３を介して素
子内に駆動電流を注入すると、注入された電流はｎ型Ｉ
ｎＰクラッド層６および活性層５のメサストライプ部に
対応する電流通路にのみ流れ、それ以外の部分は、バッ
ファ層２、ｎ型ＩｎＰ層９およびｐ型ＩｎＰ層１０によ
り構成されるｐ−ｎ−ｐ構造により電流が完全に遮断さ
れる。このようにして得られた半導体レーザ素子の発振
しきい値電流は、１０〜１５ｍＡと低く、１００℃まで
特性温度７０Ｋ以上と優れた特性を示した。本発明では
構造上、埋め込み成長の成長膜厚を精密に制御する必要
がないため、膜厚の面内分布の一様性が比較的悪い液相
成長法によっても素子の製作歩留まりが悪くなることが
ない。なお、上記実施例では１．３μｍの発光波長を呈
するＩｎＧａＡｓＰを活性層としているが、本発明の活
性層はこれに限定されることなく、１．１〜１．７μｍ
の範囲内のＩｎＧａＡｓＰでもよく、また、量子井戸構
造を含んでもよい。
【０００７】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ｐ
型３−５族化合物半導体基板上に、活性層を含むメサス
トライプ形状のダブルヘテロ構造が積層され、前記ダブ
ルヘテロ構造の側面はｐｎｐ埋め込みブロッキング層で
埋め込まれている半導体レーザ素子において、ダブルヘ
テロ構造には、基板と活性層の間に活性層よりも短い波
長組成の混晶層を設け、該混晶層のメサストライプ側面
の面方位は（１１１）であり、埋め込みブロッキング層
のｎ型層は活性層を含むメサ側面に接触しないため、リ
ーク電流経路が遮断されるとともに、この素子は高度な
制御性を必要とせず、高歩留まりで製作することができ
るという優れた効果がある。
型３−５族化合物半導体基板上に、活性層を含むメサス
トライプ形状のダブルヘテロ構造が積層され、前記ダブ
ルヘテロ構造の側面はｐｎｐ埋め込みブロッキング層で
埋め込まれている半導体レーザ素子において、ダブルヘ
テロ構造には、基板と活性層の間に活性層よりも短い波
長組成の混晶層を設け、該混晶層のメサストライプ側面
の面方位は（１１１）であり、埋め込みブロッキング層
のｎ型層は活性層を含むメサ側面に接触しないため、リ
ーク電流経路が遮断されるとともに、この素子は高度な
制御性を必要とせず、高歩留まりで製作することができ
るという優れた効果がある。
【図１】（ａ）〜（ｃ）は、本発明にかかる半導体レー
ザ素子の一実施例の製作工程図である。
ザ素子の一実施例の製作工程図である。
【図２】従来のｐ型ＩｎＰ基板を用いた埋め込み型半導
体レーザ素子の断面図である。
体レーザ素子の断面図である。
１、２１ 基板 ２ バッファ層 ３ 混晶層 ４、２２ ｐ型ＩｎＰクラッド層 ５、２３ 活性層 ６、２４ ｎ型ＩｎＰクラッド層 ７ キャップ層 ８ 誘電体マスク ９、１１、２６、２８ ｎ型ＩｎＰ埋め込み層 １０、２５、２７ ｐ型ＩｎＰ埋め込み層 １２、２９ コンタクト層 １３、３０ ｐ側電極 １４、３１ ｎ側電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (4)
- 【請求項１】 ｐ型３−５族化合物半導体基板上に、活
性層を含むメサストライプ形状のダブルヘテロ構造が積
層され、前記ダブルヘテロ構造の側面はｐｎｐ埋め込み
ブロッキング層で埋め込まれている半導体レーザ素子に
おいて、ダブルヘテロ構造には、基板と活性層の間に活
性層よりも短い波長組成の混晶層を設け、該混晶層のメ
サストライプ側面の面方位は（１１１）であり、埋め込
みブロッキング層のｎ型層は活性層を含むメサ側面に接
触していないことを特徴とする半導体レーザ素子。 - 【請求項２】 ｐ型３−５族化合物半導体基板がＩｎＰ
であり、混晶層がＩｎＧａＡｓＰであることを特徴とす
る請求項１記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項３】 ｐ型３−５族化合物半導体基板がＧａＡ
ｓであり、混晶層がＡｌＧａＡｓであることを特徴とす
る請求項１記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項４】 メサストライプ形状のダブルヘテロ構造
の側面を液相成長法により、先ずｎ型層で埋め込み、次
いでｐ型層で埋め込み、埋め込みブロッキング層を形成
することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子
の製造方法。
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