JP4154757B2

JP4154757B2 - AlGaAs layer growth method and semiconductor laser manufacturing method

Info

Publication number: JP4154757B2
Application number: JP19016098A
Authority: JP
Inventors: 啓修成井; 歩田口; 紀子植野; 展賢岡野
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-07-06
Filing date: 1998-07-06
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2018-07-06
Also published as: JP2000021785A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は化合物半導体層の成長方法、半導体レーザの製造方法および半導体レーザに関し、特に、閃亜鉛鉱型結晶構造の混晶半導体を構造基板上に成長するか、または、半導体基板上に選択成長を行うようにした化合物半導体層の成長方法、および、そのような化合物半導体層の成長方法を用いてレーザ構造を構成する半導体層が形成される半導体レーザおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
閃亜鉛鉱型結晶構造の化合物半導体層を構造基板上に成長する場合や、半導体基板上に絶縁膜からなる成長マスクを用いて選択成長する場合、その成長層に｛１１１｝Ａ面、｛１１１｝Ｂ面または｛１１０｝面などの様々な結晶面が出現する。そこで、このような結晶面の出現を、電子デバイスや光デバイスの製造に応用することが考えられている。中でも、ＳＤＨ構造（Separated Double Heterostructure）の半導体レーザは、レーザ構造を構成する半導体層の成長時に｛１１１｝Ｂ面が出現することを利用して製造される半導体レーザの一例である。
【０００３】
ここで、図８〜図１２を参照して、従来技術によるＡｌＧａＡｓ系のＳＤＨ構造の半導体レーザの製造プロセスについて説明する。
【０００４】
まず、図８に示すように、（１００）面方位のｐ型ＧａＡｓ基板１０１の一主面上に、［０１１］方向に延びる所定幅のストライプ状のレジストパターン（図示せず）を形成した後、このレジストパターンをマスクとしてウェットエッチング法によりｐ型ＧａＡｓ基板１０１をエッチングする。これにより、ｐ型ＧａＡｓ基板１０１の一主面に、［０１１］方向に延在するストライプ状のリッジ１０１ａが形成される。この後、エッチングマスクとして用いたレジストパターンを除去する。
【０００５】
次に、図９に示すように、ｐ型ＧａＡｓ基板１０１のリッジ１０１ａが形成された一主面に、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｐ型ＧａＡｓバッファ層１０２、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０３、ＡｌＧａＡｓ活性層１０４およびｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０５を順次成長させる。
【０００６】
ここで、ｐ型ＧａＡｓ基板１０１のリッジ１０１ａの頂上部においては、これらのｐ型ＧａＡｓバッファ層１０２、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０３、ＡｌＧａＡｓ活性層１０４およびｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０５が、リッジ１０１ａのエッジから内側に向かって｛１１１｝Ｂ面１０６からなる斜面を形成しながら成長し、最終的に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０５において｛１１１｝Ｂ面１０６が交差するまで成長する。これにより、リッジ１０１ａの頂上部上に、｛１１１｝Ｂ面１０６と（１００）面とによって囲まれた三角形状の断面を有するストライプ部が形成される。このとき、リッジ１０１ａの頂上部上のストライプ部に出現した｛１１１｝Ｂ面１０６の上では成長が起こらないため、ｐ型ＧａＡｓバッファ層１０２、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０３、ＡｌＧａＡｓ活性層１０４およびｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０５は、リッジ１０１ａの頂上部とリッジ１０１ａの底辺部とに分離して成長する。この場合、リッジ１０１ａの底辺部上のｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０５は、ストライプ部のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０３の側面の途中まで成長される。なお、このＳＤＨ構造の半導体レーザにおいては、リッジ１０１ａの頂上部上に形成されたストライプ部が実際にレーザとして動作する領域となる。
【０００７】
次に、図１０に示すように、電流ブロック層１０７となるｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０７ａ、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０７ｂおよびｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０７ｃをＭＯＣＶＤ法により順次成長させる。これらのｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０７ａ、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０７ｂおよびｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０７ｃは、ＡｌＧａＡｓ活性層１０４よりもバンドギャップが大きく、かつ、低屈折率のものである。この場合、リッジ１０１ａの頂上部上のストライプ部に出現した｛１１１｝Ｂ面１０６上では成長が起きないため、この電流ブロック層１０７はストライプ部の両側の部分に選択的に形成される。このとき、この電流ブロック層１０７によってストライプ部のＡｌＧａＡｓ活性層１０４の側面が覆われるように、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０７ａ、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０７ｂおよびｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０７ｃの膜厚が制御される。
【０００８】
次に、図１１に示すように、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０８をＭＯＣＶＤ法により成長させる。このとき、このｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０８は、その成長の初期の段階では｛１１１｝Ｂ面１０６上には成長しないが、他の結晶面による成長が進行することにより全面に成長するようになる。引き続き、このｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０８上にｎ型ＧａＡｓキャップ層１０９をＭＯＣＶＤ法により成長させる。
【０００９】
ここで、ｐ型ＧａＡｓバッファ層１０２の成長からｎ型ＧａＡｓキャップ層１０９の成長までのプロセスは、供給する原料ガスを切り換えることによって一度の結晶成長により行われる。
【００１０】
次に、図１２に示すように、真空蒸着法またはスパッタリング法により、ｎ型ＧａＡｓキャップ層１０９上にＡｕＧｅ／Ｎｉ電極のようなｎ側電極１１０を形成すると共に、ｐ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極のようなｐ側電極１１１を形成する。
【００１１】
以上により、目的とするＡｌＧａＡｓ系のＳＤＨ構造の半導体レーザが製造される。このＳＤＨ構造の半導体レーザによれば、活性層の両側にこれよりもバンドギャップが大きく、かつ、低屈折率の電流ブロック層が設けられた構造を、１度の結晶成長によって得ることができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のＡｌＧａＡｓ系のＳＤＨ構造の半導体レーザを製造する際には、互いにマイグレーション長の異なるアルミニウム（Ａｌ）およびガリウム（Ｇａ）を含むＡｌＧａＡｓを構造基板上に成長するようにしているため、次のような問題が生じていた。
【００１３】
すなわち、従来技術によるＡｌＧａＡｓ系のＳＤＨ構造の半導体レーザの製造時において、アンドープのＡｌＧａＡｓ活性層１０４を形成する場合は、通常、Ａｌの原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、Ｇａの原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ヒ素（Ａｓ）の原料としてアルシン（ＡｓＨ₃）が用いられ、これらの原料がＭＯＣＶＤ装置の反応管に導かれる。
【００１４】
ここで、図１３Ａは、従来技術によるＳＤＨ構造の半導体レーザの製造時におけるリッジ１０１ａの頂上部上のＡｌＧａＡｓ活性層１０４の成長過程を模式的に示す断面図である。なお、図１３Ａにおいて、ｐ型ＧａＡｓ基板１０１およびｐ型ＧａＡｓバッファ層１０２は図示省略されている。図１３Ａに示すように、ｐ型ＧａＡｓ基板１０１のリッジ１０１ａの頂上部上の部分において、ＡｌＧａＡｓ活性層１０４は、その側面に｛１１１｝Ｂ面１０６が出現した状態で成長する。しかしながら、この｛１１１｝Ｂ面１０６は成長の起こらない結晶面であるため、気相から拡散してきたＧａの原子（空丸）およびＡｌの原子（黒丸）が｛１１１｝Ｂ面１０６をマイグレーションし、リッジ１０１ａの頂上部の（１００）面に到達するようになる。
【００１５】
このとき、Ｇａのマイグレーション長が数１００μｍ程度であるのに比べて、Ａｌのマイグレーション長は数μｍ程度と小さいため、このＡｌＧａＡｓ活性層１０４の｛１１１｝Ｂ面１０６近傍の部分には、中央部に比べてＡｌが多く取り込まれることになる。その結果、この｛１１１｝Ｂ面１０６を側面にもつＡｌＧａＡｓ活性層１０４においては、厚さおよび組成が面内方向で変化してしまい、また、組成の変化に伴ってバンドギャップにも変化が生じる。
【００１６】
ここで、図１３Ｂに、リッジ１０１ａの頂上部上のＡｌＧａＡｓ活性層１０４（ストライプ部中のＡｌＧａＡｓ活性層１０４）のバンドギャップを、図１３Ａに対応して示す。図１３Ｂに示すように、このリッジ１０１ａの頂上部上のＡｌＧａＡｓ活性層１０４においては、｛１１１｝Ｂ面１０６の近傍の部分にＡｌが選択的に取り込まれることによって、｛１１１｝Ｂ面１０６近傍の部分のバンドギャップが中央部のバンドギャップよりも約１００ｍｅＶ以上（７〜８％程度以上）、場合によっては約２００ｍｅＶ程度（約１５％程度）も大きくなる。
【００１７】
その結果、従来技術によるＡｌＧａＡｓ系のＳＤＨ構造の半導体レーザにおいては、リッジ１０１ａの頂上部上のＡｌＧａＡｓ活性層１０４と、その両側に設けられた電流ブロック層１０７、すなわちｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０７ａ、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０７ｂおよびｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０７ｃとの間のバンドギャップの差が小さくなるため、ＡｌＧａＡｓ活性層１０４に注入されたキャリアが電流ブロック層１０７へオーバーフローすることによるリーク電流の成分が大きくなり、発振しきい値電流が増大するという問題や特性温度が低下するという問題などが生じていた。
【００１８】
この対策として、上述のＳＤＨ構造の半導体レーザにおいて、電流ブロック層１０７を構成するｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０７ａ、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１０７ｂ、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１０７ｃのＡｌ組成比を大きくし、注入キャリアの活性層から電流ブロック層へのオーバーフローを低減することも考えられるが、｛１１１｝Ｂ面１０６で囲まれるストライプ部の上にＡｌ組成比の大きなＡｌＧａＡｓを成長する場合は、良好なモフォロージが得られないことが知られている。
【００１９】
したがって、ＳＤＨ構造の半導体レーザにおいて、活性層から電流ブロック層への注入キャリアのオーバーフローを抑制し、発振しきい値電流の低減および特性温度の向上を図るためには、｛１１１｝Ｂ面を側面に持つ活性層において、｛１１１｝Ｂ面近傍の部分のバンドギャップの上昇を抑えることが必要である。
【００２０】
また、上述のＳＤＨ構造の半導体レーザのように、構造基板上にＡｌＧａＡｓのような混晶半導体を成長する場合に限らず、例えば、（１００）面方位のＧａＡｓ基板の上に、［０１１］方向に延びるストライプ状の開口を有する絶縁膜からなる成長マスクを用いてＡｌＧａＡｓのような混晶半導体を選択成長する場合も、同様にその成長層に｛１１１｝Ｂ面が出現するため、均一なバンドギャップが得られないという問題がある。
【００２１】
したがって、この発明の目的は、閃亜鉛鉱型結晶構造の混晶半導体を構造基板上に成長したり選択成長する場合に、ほぼ均一なバンドギャップを有する成長層を得ることができる化合物半導体層の成長方法を提供することにある。
【００２２】
この発明の他の目的は、｛１１１｝Ｂ面が出現した状態で成長する活性層のバンドギャップをほぼ均一にすることができ、発振しきい値電流の低減および特性温度の向上を図ることができる半導体レーザおよびその製造方法を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明の第１の発明は、
第１の元素とこの第１の元素よりマイグレーション長の小さい第２の元素とを含む閃亜鉛鉱型結晶構造の混晶半導体を、成長の起こらない結晶面が側面に出現した状態で、一主面に凹凸構造が形成された半導体基板の一主面上に成長するか、または、半導体基板上に成長マスクを用いて選択成長するようにした化合物半導体層の成長方法において、
混晶半導体の成長時に、混晶半導体の成長に用いられる第１の原料に、第１の元素よりマイグレーション長が小さく、かつ、混晶半導体に取り込まれたときに混晶半導体のバンドギャップを変化させる第３の元素を含む第２の原料を混入して成長を行うようにした
ことを特徴とするものである。
【００２４】
この発明の第２の発明は、
｛１００｝面を主面とし主面にストライプ状の凸部が設けられた半導体基板と、
半導体基板の凸部上の部分および凸部の両側の部分に互いに分離して積層された第１導電型の第１のクラッド層、活性層および第２導電型の第２のクラッド層とを有し、
凸部上の第１のクラッド層、活性層および第２のクラッド層は、｛１１１｝Ｂ面からなる側面によって囲まれた三角形状の断面を有するストライプ部を構成し、
ストライプ部の両側の部分にストライプ部中の活性層の側面を覆うように電流ブロック層が設けられていると共に、ストライプ部中の第２のクラッド層および電流ブロック層上に第２導電型の第３のクラッド層が設けられ、
第１のクラッド層、活性層、第２のクラッド層および第３のクラッド層は閃亜鉛鉱型結晶構造の混晶半導体からなる半導体レーザにおいて、
少なくとも活性層は、第１の元素とこの第１の元素よりもマイグレーション長の小さい第２の元素とを含む閃亜鉛鉱型結晶構造の混晶半導体に、第１の元素よりマイグレーション長が小さく、かつ、混晶半導体に取り込まれたときに混晶半導体のバンドギャップを変化させる第３の元素を混入したものからなる
ことを特徴とするものである。
この発明の第３の発明は、
｛１００｝面を主面とし主面にストライプ状の凸部が設けられた半導体基板と、
半導体基板の凸部上の部分および凸部の両側の部分に互いに分離して積層された第１導電型の第１のクラッド層、活性層および第２導電型の第２のクラッド層とを有し、
凸部上の第１のクラッド層、活性層および第２のクラッド層は、｛１１１｝Ｂ面からなる側面によって囲まれた三角形状の断面を有するストライプ部を構成し、
ストライプ部の両側の部分にストライプ部中の活性層の側面を覆うように電流ブロック層が設けられていると共に、ストライプ部中の第２のクラッド層および電流ブロック層上に第２導電型の第３のクラッド層が設けられ、
第１のクラッド層、活性層、第２のクラッド層および第３のクラッド層は閃亜鉛鉱型結晶構造の混晶半導体からなる半導体レーザの製造方法において、
少なくとも活性層の成長時に、第１の元素とこの第１の元素よりマイグレーション長の小さい第２の元素とを含む混晶半導体の成長に用いられる第１の原料に、第１の元素よりマイグレーション長が小さく、かつ、混晶半導体に取り込まれたときに混晶半導体のバンドギャップを変化させる第３の元素を含む第２の原料を混入して成長を行うようにした
ことを特徴とするものである。
【００２５】
この発明の第１の発明において、混晶半導体の成長には、典型的には有機金属化学気相成長法または分子線エピタキシー法が用いられる。また、半導体基板としては、閃亜鉛鉱型結晶構造の半導体からなるものが用いられる。この場合、この半導体基板はバルク基板であってもよいし、バルク基板などの上に半導体層が設けられたものであってもよい。また、第１の元素および第２の元素を含む混晶半導体の成長に用いられる第１の原料は、少なくとも、第１の元素を含む原料と第２の元素を含む原料とからなるものである。
【００２６】
この発明の第１の発明および第２の発明において、第３の元素は、第２の元素とほぼ等しいマイグレーション長を有するものであることが好ましい。また、第３の元素は、混晶半導体に取り込まれたときに、混晶半導体中で第２の元素の組成比が増加した場合に生じるバンドギャップの変化を打ち消すように混晶半導体のバンドギャップを変化させるものであることが望ましい。
【００２７】
この発明の第１の発明および第２の発明において、第１の元素および第２の元素を含む混晶半導体は、典型的にはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であり、この場合、第１の元素としてガリウム、第２の元素としてアルミニウム、第３の元素としてインジウムを用いた組み合わせが考えられる。この組み合わせの場合、ガリウムおよびアルミニウムを含む混晶半導体として、例えばＡｌＧａＡｓなどが挙げられる。また、第１の元素としてガリウム、第２の元素としてインジウム、第３の元素としてアルミニウムを用いた組み合わせも考えられる。この組み合わせの場合、ガリウムおよびインジウムを含む混晶半導体として、例えばＧａＩｎＰなどが挙げられる。なお、この発明の第１の発明および第２の発明において、第１の元素および第２の元素を含む混晶半導体は、場合によっては、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体やＩＶ−ＩＶ族化合物半導体であってもよい。
【００２８】
この発明の第１の発明においては、成長層の厚さが、その臨界膜厚を越えないように成長層に上記第３の元素が取り込まれるように、第１の原料に対する第２の原料の混入量（第１の原料と第２の原料との供給比）が選定されることが望ましく、この発明の第２の発明においては、活性層の厚さが、その臨界膜厚を越えないように活性層に第３の元素が取り込まれるようにすることが望ましい。また、この発明の第２の発明においては、活性層の｛１１１｝Ｂ面近傍のバンドギャップと中央部のバンドギャップとの差が例えば１００ｍｅＶ未満、好適には例えば５０ｍｅＶ以下、より好適には例えば２０ｍｅＶ以下となるように活性層に第３の元素が取り込まれるようにする。
【００２９】
上述のように構成されたこの発明の第１の発明による化合物半導体層の成長方法によれば、混晶半導体の成長時に、混晶半導体の成長に用いられる第１の原料に、第１の元素よりマイグレーション長が小さく、かつ、混晶半導体に取り込まれたときに混晶半導体のバンドギャップを変化させる第３の元素を含む第２の原料を混入して成長を行うようにしていることにより、成長層として第１の元素および第２の元素を含む混晶半導体に第３の元素が混入されたものが得られる。したがって、第３の元素として、第２の元素とほぼ等しいマイグレーション長を有するものを用いることにより、得られる成長層のうち、その成長時に第２の元素が選択的に取り込まれる部分に、同様に第３の元素が選択的に取り込まれるようになる。ここで、成長層のうちの第２の元素および第３の元素が選択的に取り込まれる部分は、例えば、混晶半導体を構造基板上に成長したり選択成長することによって出現する｛１１１｝Ｂ面、｛１１１｝Ａ面、｛１１０｝面などの結晶面の近傍の部分に対応する。このとき、さらに、第３の元素として、混晶半導体に取り込まれたときに、第２の元素の組成比の増加に伴って生じる混晶半導体のバンドギャップの変化を打ち消すように混晶半導体のバンドギャップを変化させるものを用いた場合、成長層の第２の元素が選択的に取り込まれた部分において、混晶半導体中の第２の元素の組成比が増加することに伴って生じるバンドギャップの変化（増加または減少）が、この部分への第３の元素の混入効果によって抑制される。これにより、ほぼ均一なバンドギャップを有する成長層を得ることができる。
【００３０】
上述のように構成されたこの発明の第２の発明によれば、いわゆるＳＤＨ構造の半導体レーザにおいて、少なくとも活性層は、第１の元素とこの第１の元素よりもマイグレーション長の小さい第２の元素とを含む閃亜鉛鉱型結晶構造の混晶半導体に、第１の元素よりマイグレーション長が小さく、かつ、混晶半導体に取り込まれたときに混晶半導体のバンドギャップを変化させる第３の元素を混入したものからなり、この活性層を形成するときに、第１の発明による化合物半導体層の成長方法を用いることができる。したがって、第３の元素として、第２の元素とほぼ等しいマイグレーション長を有し、かつ、混晶半導体に取り込まれたときに、第２の元素の組成比の増加に伴って生じる混晶半導体のバンドギャップの変化を打ち消すように混晶半導体のバンドギャップを変化させるものを用いることによって、この活性層のうち、成長時に第２の元素が選択的に取り込まれる｛１１１｝Ｂ面近傍の部分に、同様に第３の元素が選択的に取り込まれるようになり、ストライプ部中の活性層の｛１１１｝Ｂ面近傍の部分のバンドギャップと中央部のバンドギャップとを実質的にほぼ同一にすることができ、バンドギャップの均一化を図ることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には、同一の符号を付す。
【００３２】
図１は、この発明の一実施形態によるＡｌＧａＡｓ系のＳＤＨ構造の半導体レーザの断面図である。
【００３３】
図１に示すように、この発明の一実施形態によるＡｌＧａＡｓ系のＳＤＨ構造の半導体レーザにおいては、基板として例えば（１００）面方位のｐ型ＧａＡｓ基板１が用いられる。このｐ型ＧａＡｓ基板１の一主面には、［０１１］方向に延在する所定幅のストライプ形状のリッジ１ａが設けられている。
【００３４】
ｐ型ＧａＡｓ基板１のリッジ１ａの頂上部の（１００）面上には、ｐ型ＧａＡｓバッファ層２を介してｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３、アンドープのＡｌＧａＡｓに所定量のＩｎが混入された活性層４（以下、Ｉｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層と称する）およびｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５が順次積層して設けられている。これらのリッジ１ａの頂上部上のｐ型ＧａＡｓバッファ層２、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３、Ｉｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４およびｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５は、｛１１１｝Ｂ面６と（１００）面とによって囲まれた三角形状の断面を有し、かつ、リッジ１ａに沿って［０１１］方向に延びるストライプ形状を有する。このＳＤＨ構造の半導体レーザにおいては、このストライプ部が実際にレーザとして動作する領域となっている。
【００３５】
ｐ型ＧａＡｓ基板１のリッジ１ａの底辺部上には、リッジ１ａの頂上部上のストライプ部と同一層のｐ型ＧａＡｓバッファ層２、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３、Ｉｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４およびｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５が設けられている。これらのリッジ１ａの底辺部上のｐ型ＧａＡｓバッファ層２、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３、Ｉｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４およびｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５は、リッジ１ａの頂上部上の対応する層と互いに分離している。また、リッジ１ａの底辺部上のｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５は、リッジ１ａの頂上部上のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３の側面の途中の位置まで設けられている。
【００３６】
ここで、一実施形態によるＡｌＧａＡｓ系のＳＤＨ構造の半導体レーザにおいては、所定量のＩｎが混入されたＡｌＧａＡｓにより活性層が構成されているのが特徴である。すなわち、ＡｌＧａＡｓは、第１の元素としてのガリウムと、このガリウムよりマイグレーション長の小さい第２の元素としてのアルミニウムとを含んで構成される閃亜鉛鉱型結晶構造の混晶半導体である。そこに、第３の元素として、ガリウムより小さく、アルミニウムとほぼ等しいマイグレーション長を有し、かつ、ＡｌＧａＡｓに取り込まれたときにそのバンドギャップを小さくさせるインジウムが混入されていることにより、活性層のバンドギャップの均一化が図られている。この一実施形態では、リッジ１ａの頂上部上のＩｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４、すなわち、｛１１１｝Ｂ面６を側面にもつストライプ部中のＩｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４において、｛１１１｝Ｂ面６の近傍の部分のバンドギャップと中央部のバンドギャップとの差が、例えば、１００ｍｅＶ未満、好適には５０ｍｅＶ以下、より好適には２０ｍｅＶ以下となるように、Ｉｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４中にＩｎが取り込まれている。なお、このＳＤＨ構造の半導体レーザの発光波長が７８０ｎｍ帯である場合、このＩｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４において、｛１１１｝Ｂ面６の近傍の部分のバンドギャップと中央部のバンドギャップとの差を１００ｍｅＶ未満、５０ｍｅＶ以下、２０ｍｅＶ以下とするためには、全混晶（ＡｌＧａＩｎＡｓ）に占めるＩｎの比率はそれぞれ約６％未満、約３％未満、約１％未満とされる。
【００３７】
リッジ１ａの底辺部上のｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５の上には、リッジ１ａの頂上部上のストライプ部のＩｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４の側面を覆うように電流ブロック層７が設けられている。この電流ブロック層７は、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５上のｐ型ＡｌＧａＡｓ層７ａと、この上のｎ型ＡｌＧａＡｓ層７ｂと、この上のｐ型ＡｌＧａＡｓ層７ｃとにより構成されている。これらの電流ブロック層７を構成するｐ型ＡｌＧａＡｓ層７ａ、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層７ｂおよびｐ型ＡｌＧａＡｓ層７ｃは、いずれもＩｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４よりバンドギャップが大きく、かつ、低屈折率のものである。
【００３８】
リッジ１ａの頂上部上のストライプ部のｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５およびリッジ１ａの底辺部上の電流ブロック層７の上には、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層８およびｎ型ＧａＡｓキャップ層９が順次積層して設けられている。ｎ型ＧａＡｓキャップ層９上にはＡｕＧｅ／Ｎｉ電極のようなｎ側電極１０が設けられ、一方、ｐ型ＧａＡｓ基板１の裏面にはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極のようなｐ側電極１１が設けられている。
【００３９】
以下に、このＳＤＨ構造の半導体レーザの製造方法について説明する。
【００４０】
図２に示すように、（１００）面方位のｐ型ＧａＡｓ基板１の一主面上に［０１１］方向に延びる所定幅のストライプ状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばウエットエッチング法によりｐ型ＧａＡｓ基板１をエッチングする。これにより、ｐ型ＧａＡｓ基板１の一主面の所定部分に、［０１１］方向に延びる所定幅のリッジ１ａが形成される。この後、エッチングマスクとして用いたレジストパターンを除去する。
【００４１】
次に、このリッジ１ａが形成されたｐ型ＧａＡｓ基板１の一主面上に、レーザ構造を構成する各半導体層をＭＯＣＶＤ法により成長させる。ここで、Ａｌの原料としてはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、Ｇａの原料としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、Ｉｎの原料としてはトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、Ａｓの原料としてはアルシン（ＡｓＨ₃）が用いられる。
【００４２】
図３に示すように、リッジ１ａが形成されたｐ型ＧａＡｓ基板１の一主面上に、ＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＧａＡｓバッファ層２、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３、アンドープのＩｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４およびｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５を順次成長させる。
【００４３】
ここで、ｐ型ＧａＡｓ基板１のリッジ１ａの頂上部においては、これらのｐ型ＧａＡｓバッファ層２、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３、Ｉｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４およびｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５が、リッジ１ａのエッジから内側に向かって｛１１１｝Ｂ面６からなる斜面を形成しながら成長し、最終的に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５において｛１１１｝Ｂ面６が交差するまで成長する。これにより、リッジ１ａの頂上部上に、｛１１１｝Ｂ面６と（１００）面とによって囲まれた三角形状の断面を有するストライプ部が形成される。このとき、リッジ１ａの頂上部上のストライプ部に出現した｛１１１｝Ｂ面６の上では成長が起こらないため、ｐ型ＧａＡｓバッファ層２、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３、Ｉｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４およびｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５は、リッジ１ａの頂上部とリッジ１ａの底辺部とに分離して成長する。この場合、リッジ１ａの底辺部上のｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５は、ストライプ部のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３の側面の途中まで成長される。
【００４４】
ここで、図４Ａは、この一実施形態におけるリッジ１ａの頂上部上のＩｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４（ストライプ部中のＩｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４）の成長過程を模式的に示す断面図である。なお、図４Ａにおいて、ｐ型ＧａＡｓ基板１およびｐ型ＧａＡｓバッファ層２は図示省略されている。この一実施形態においては、活性層の成長時に、アンドープのＡｌＧａＡｓの成長に用いられる原料（第１の原料）、すなわち、Ａｌ原料としてのＴＭＡ、Ｇａ原料としてのＴＭＧおよびＡｓ原料としてのＡｓＨ₃に、Ｉｎ原料としてのＴＭＩｎ（第２の原料）を、同時にＭＯＣＶＤ装置の反応管に導いて成長を行うようにしている。これらの原料は加熱された基板上の気相中で、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎに分解され、それぞれの原子が基板上に到達する。
【００４５】
このとき、図４Ａに示すように、ｐ型ＧａＡｓ基板１のリッジ１ａの頂上部上の部分では、Ｉｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４が、側面に｛１１１｝Ｂ面６が出現した状態で成長するが、この｛１１１｝Ｂ面６上には成長が起こらないため、Ｇａの原子（空丸）、Ａｌの原子（黒丸）、Ｉｎの原子（二重丸）は、｛１１１｝Ｂ面６上をマイグレーションして、リッジ１ａの頂上部上の（１００）面に到達し、この部分で成長が起こる。このとき、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎはマイグレーション長が互いに異なり、Ｇａのマイグレーション長が数１００μｍ程度であるのに対して、ＡｌおよびＩｎのマイグレーション長は数μｍ程度と小さくなっている。ここで、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎのマイグレーション長をそれぞれＬ₁，Ｌ₂，Ｌ₃とすると、これらのＬ₁〜Ｌ₃の間にはＬ₁≫Ｌ₂＞Ｌ₃の関係がある。ただし、Ａｌのマイグレーション長Ｌ₂およびＩｎのマイグレーション長Ｌ₃はほぼ同程度である。
【００４６】
このため、リッジ１ａの頂上部上のＩｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４においては、その成長時に、｛１１１｝Ｂ面６近傍の部分に、Ｇａに比べてマイグレーション長の小さいＡｌが選択的に多く取り込まれるわけであるが、ＩｎもまたＧａに比べてマイグレーション長が小さく、しかも、ＩｎはＡｌとほぼ等しいマイグレーション長を有するため、この｛１１１｝Ｂ面６の近傍の部分には、Ａｌと同様にＩｎも選択的に取り込まれる。ここで、ＩｎはＡｌＧａＡｓに取り込まれたときに、そのバンドギャップを低下させる方向にバンドギャップを変化させるため、リッジ１ａの頂上部上のＩｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４の｛１１１｝Ｂ面６近傍の部分において、Ａｌの組成比が増加することでバンドギャップが増加するという現象が抑制されることになる。したがって、このＩｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４の成長時に、Ｉｎ原料の供給量を制御することによって、ほぼ均一なバンドギャップを得ることが可能となる。
【００４７】
この一実施形態においては、リッジ１ａの頂上部上のＩｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４において、｛１１１｝Ｂ面６近傍の部分のバンドギャップと中央部のバンドギャップとの差が、例えば１００ｍｅＶ未満、好適には５０ｍｅＶ以下、より好適には２０ｍｅＶ以下となるようにこのＩｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４中にＩｎが取り込まれるように、その成長時に、ＡｌＧａＡｓの成長に用いられる第１の原料に対するＩｎを含む第２の原料の混入量、すなわち、ＴＭＡ、ＴＭＧおよびＡｓＨ₃に対するＴＭＩｎの混入量（ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＡｓＨ₃およびＴＭＩｎの供給比）が制御される。具体的には、このＳＤＨ構造の半導体レーザの発光波長が７８０ｎｍ帯である場合、このＩｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４において、｛１１１｝Ｂ面６の近傍の部分のバンドギャップと中央部のバンドギャップとの差を１００ｍｅＶ未満、５０ｍｅＶ以下、２０ｍｅＶ以下とするためには、このＩｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４の成長時に、全混晶（ＡｌＧａＩｎＡｓ）に占めるＩｎの比率がそれぞれ約６％未満、約３％未満、約１％未満となるように、ＴＭＡ、ＴＭＧおよびＡｓＨ₃に対するＴＭＩｎの混入量が制御される。これにより、図４Ｂに示すように、リッジ１ａの頂上部上のＩｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４においては、｛１１１｝Ｂ面６近傍の部分におけるバンドギャップと中央部のバンドギャップとが実質的にほぼ同一となり、その面内の全域でほぼ均一なバンドギャップが得られている。
【００４８】
ｐ型ＧａＡｓ基板１上にｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５まで成長させた後は、図５に示すように、電流ブロック層７となるｐ型ＡｌＧａＡｓ層７ａ、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層７ｂおよびｐ型ＡｌＧａＡｓ層７ｃをＭＯＣＶＤ法により順次成長させる。この場合、リッジ１ａの頂上部上のストライプ部に出現した｛１１１｝Ｂ面６上では成長が起きないため、この電流ブロック層７はストライプ部の両側の部分に選択的に形成される。このとき、この電流ブロック層７によってストライプ部のＩｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４の側面が覆われるように、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層７ａ、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層７ｂおよびｐ型ＡｌＧａＡｓ層７ｃの膜厚が制御される。
【００４９】
次に、図６に示すように、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層８をＭＯＣＶＤ法により成長させる。このとき、このｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層８は、その成長の初期の段階では｛１１１｝Ｂ面６上には成長しないが、他の結晶面による成長が進行することにより全面に成長するようになる。引き続き、このｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層８上にｎ型ＧａＡｓキャップ層９をＭＯＣＶＤ法により成長させる。
【００５０】
ここで、ｐ型ＧａＡｓバッファ層２の成長からｎ型ＧａＡｓキャップ層９の成長までのプロセスは、供給する原料ガスを切り換えることによって一度の結晶成長により行われる。
【００５１】
次に、図１に示すように、真空蒸着法またはスパッタリング法により、ｎ型ＧａＡｓキャップ層９上にＡｕＧｅ／Ｎｉ電極のようなｎ側電極１０を形成すると共に、ｐ型ＧａＡｓ基板１の裏面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極のようなｐ側電極１１１を形成する。
【００５２】
以上により、目的とするＡｌＧａＡｓ系のＳＤＨ構造の半導体レーザが製造される。
【００５３】
ここで、図７Ａに、この一実施形態によるＡｌＧａＡｓ系のＳＤＨ構造の半導体レーザにおける動作電流−光出力特性の温度依存性を示す。また、比較のため、図７Ｂに従来技術によるＡｌＧａＡｓ系のＳＤＨ構造の半導体レーザにおける動作電流−光出力特性の温度依存性を示す。図７Ａおよび図７Ｂにおいて、横軸は動作電流（ｍＡ）、縦軸は光出力（ｍＷ）を示し、グラフａ〜ｅは、それぞれ動作温度を２０℃、３０℃、４０℃、５０℃、６０℃としたときの動作電流−光出力特性のグラフを示す。
【００５４】
図７Ａおよび図７Ｂに示すように、Ｉｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層を用いて構成された、この一実施形態によるＳＤＨ構造の半導体レーザの方が、Ｉｎを含まない通常のＡｌＧａＡｓ活性層を用いて構成された従来技術によるＳＤＨ構造の半導体レーザよりも、各動作温度において低い動作電流でレーザ発振することがわかる。また、両者の特性温度を比較すると、従来技術によるＳＤＨ構造の半導体レーザの特性温度は８０Ｋ程度であるのに対して、この一実施形態によるＳＤＨ構造の半導体レーザの場合は、１１０Ｋ程度の高い特性温度が得られることが分かる。以上は、リッジ１ａの頂上部上のＩｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４において、Ｉｎの混入効果によって｛１１１｝Ｂ面６の近傍の部分におけるバンドギャップの増加が抑制されたことにより、注入キャリアのＩｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４から電流ブロック層７へのオーバーフローが低減され、リーク電流が低減されたことによって得られた効果である。
【００５５】
以上のように、この一実施形態によれば、活性層として、ＡｌＧａＡｓに所定量のＩｎが混入されたＩｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４を用いていることにより、言い換えれば、活性層を形成する際に、ＡｌＧａＡｓの成長に用いられる第１の原料（ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＡｓＨ₃）に、Ｉｎを含む第２の原料（ＴＭＩｎ）を混入して成長を行うようにしていることにより、｛１１１｝Ｂ面６を側面に持つ、リッジ１ａの頂上部上のＩｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４において、｛１１１｝Ｂ面６の近傍の部分のバンドギャップが中央部に比べて増加することを抑えることができ、このＩｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４のバンドギャップを、その面内の全域でほぼ均一にすることができる。これにより、このＩｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層４からその両側の電流ブロック層７への注入キャリアのオーバーフローが抑制され、リーク電流が低減されるので、従来に比べて、発振しきい値電流が低く、かつ、特性温度が高い半導体レーザを得ることができる。
【００５６】
以上この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００５７】
例えば、上述の一実施形態において挙げた数値、材料、構造などはあくまで例にすぎず、これに限定されるものではない。具体的には、例えば、上述の一実施形態において、基板やレーザ構造を構成する各半導体層の導電型を反対にしてもよい。また、例えば、活性層として、多重量子井戸構造を有するものを用いてもよい。
【００５８】
また、上述の一実施形態においては、レーザ構造を構成する各半導体層のうち、活性層の形成時に、この発明による化合物半導体層の成長方法を適用し、ＡｌＧａＡｓにＩｎを混入するような成長を行うようにしているが、これと同様な成長方法は、活性層以外の層を形成するときに用いることも可能である。なお、クラッド層など厚い層を形成するときに、この発明による化合物半導体層の成長方法を用いる場合は、成長層の厚さが、その臨界膜厚を越えないように成長層にＩｎが取り込まれるように、Ｉｎ原料の供給量を選定する必要がある。
【００５９】
また、上述の一実施形態においては、ＳＤＨ構造の半導体レーザを例に、凸部パターンが形成された半導体基板上にＡｌＧａＡｓの成長を行う際に、この発明による化合物半導体層の成長方法を適用した場合について説明したが、この発明による化合物半導体層の成長方法は、凹部パターンが形成された半導体基板上に、その凹部を埋め込むようにＡｌＧａＡｓの成長を行う際にも同様に適用することが可能である。また、例えば、（１００）面方位のＧａＡｓ基板の上に、［０１１］方向に延びるストライプ状の開口を有する絶縁膜からなる成長マスクを用いてＡｌＧａＡｓのような混晶半導体を選択成長する際にも、同様に成長層に｛１１１｝Ｂ面が出現するため、この発明による化合物半導体層の成長方法を適用することが可能である。
【００６０】
また、上述の一実施形態は、成長層に｛１１１｝Ｂ面が出現する場合の例であるが、成長層に｛１１１｝Ｂ面以外の結晶面、例えば｛１１１｝Ａ面や｛１００｝面などが出現する場合に、上述の一実施形態において活性層を形成するときと同様に、ＡｌＧａＡｓにＩｎを混入するようにした成長を行っても、ほぼ均一なバンドギャップを有する成長層を得ることができる。
【００６１】
また、この発明は、ＡｌＧａＡｓ以外にも、例えば、ＧａＩｎＰを構造基板上に成長したり、半導体基板上に成長マスクを用いて選択成長する場合に適用することも可能である。すなわち、例えば、上述の一実施形態におけると同様なリッジ構造が形成された（１００）面方位のＧａＡｓ基板上に、通常の方法によりＧａＩｎＰの成長を行った場合、その成長層に｛１１１｝Ｂ面が出現する。このとき、ＧａおよびＩｎのマイグレーション長が異なることに起因して、その成長時に｛１１１｝Ｂ面近傍の部分においてＩｎが選択的に取り込まれる結果、得られる成長層の｛１１１｝Ｂ面近傍の部分のバンドギャップが中央部に比べて減少する。そこで、このＧａＩｎＰの成長時に、ＧａＩｎＰの成長に用いられる原料（例えば、ＴＭＧ、ＴＭＩｎおよびフォスフィン（ＰＨ₃））に、Ａｌを含む原料（例えばＴＭＡ）を混入して成長を行うようにする。この場合、Ａｌは、Ｉｎとほぼ等しいマイグレーション長を有し、かつ、ＧａＩｎＰに取り込まれたときに、バンドギャップが増加する方向にバンドギャップを変化させるため、成長層の｛１１１｝Ｂ面近傍の部分におけるバンドギャップの減少が抑制され、面内の全域でほぼ均一なバンドギャップを有する成長層を得ることができる。
【００６２】
また、この発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長を行う場合およびＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザ以外に、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体およびＩＶ−ＩＶ族化合物半導体の成長を行う場合、ならびに、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体およびＩＶ−ＩＶ族化合物半導体を用いた半導体レーザに適用することも可能である。また、この発明による化合物半導体層の成長方法は、半導体レーザ以外の半導体装置を製造する際に適用することも可能である。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明による化合物半導体層の成長方法によれば、混晶半導体の成長時に、混晶半導体の成長に用いられる第１の原料に、第１の元素よりマイグレーション長が小さく、かつ、混晶半導体に取り込まれたときに混晶半導体のバンドギャップを変化させる第３の元素を含む第２の原料を混入して成長を行うようにしていることにより、閃亜鉛鉱型結晶構造の混晶半導体を構造基板上に成長したり選択成長する場合に、ほぼ均一なバンドギャップを有する成長層を得ることができる。
【００６４】
この発明による半導体レーザによれば、少なくとも活性層は、第１の元素とこの第１の元素よりもマイグレーション長の小さい第２の元素とを含む閃亜鉛鉱型結晶構造の混晶半導体に、第１の元素よりマイグレーション長が小さく、かつ、混晶半導体に取り込まれたときに混晶半導体のバンドギャップを変化させる第３の元素を混入したものからなることにより、｛１１１｝Ｂ面が出現した状態で成長する活性層のバンドギャップの均一化を図ることができる。これにより、例えば、活性層の｛１１１｝Ｂ面近傍の部分におけるバンドギャップの増加を抑制することが可能となるため、活性層から電流ブロック層への注入キャリアのオーバーフローが抑制され、発振しきい値の低減および特性温度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態によるＡｌＧａＡｓ系のＳＤＨ構造の半導体レーザを示す断面図である。
【図２】この発明の一実施形態によるＡｌＧａＡｓ系のＳＤＨ構造の半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図３】この発明の一実施形態によるＡｌＧａＡｓ系のＳＤＨ構造の半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図４】この発明の一実施形態によるＳＤＨ構造の半導体レーザの製造時における、リッジの頂上部上の活性層の成長過程を示す断面図およびリッジ頂上部上の活性層のバンドギャップを示す略線図である。
【図５】この発明の一実施形態によるＡｌＧａＡｓ系のＳＤＨ構造の半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図６】この発明の一実施形態によるＡｌＧａＡｓ系のＳＤＨ構造の半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図７】この発明の一実施形態によるＡｌＧａＡｓ系のＳＤＨ構造の半導体レーザにおける動作電流−光出力特性の温度依存性を示すグラフ、ならびに、従来技術によるＡｌＧａＡｓ系のＳＤＨ構造の半導体レーザにおける動作電流−光出力特性の温度依存性を示すグラフである。
【図８】従来技術によるＳＤＨ構造の半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図９】従来技術によるＳＤＨ構造の半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図１０】従来技術によるＳＤＨ構造の半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図１１】従来技術によるＳＤＨ構造の半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図１２】従来技術によるＳＤＨ構造の半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図１３】従来技術によるＳＤＨ構造の半導体レーザの製造時における、リッジの頂上部上の活性層の成長過程を示す断面図およびリッジ頂上部上の活性層のバンドギャップを示す略線図である。
【符号の説明】
１・・・ｐ型ＧａＡｓ基板、３・・・ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、４・・・Ｉｎ混入ＡｌＧａＡｓ活性層、５，８・・・ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、６・・・｛１１１｝Ｂ面、７・・・電流ブロック層、７ａ，７ｃ・・・ｐ型ＡｌＧａＡｓ層、７ｂ・・・ｎ型ＡｌＧａＡｓ層、９・・・ｎ型ＧａＡｓキャップ層、１０・・・ｎ側電極、１１・・・ｐ側電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a method for growing a compound semiconductor layer., Semiconductor laser manufacturing methodIn particular, a compound semiconductor layer growth method in which a mixed crystal semiconductor having a zinc blende crystal structure is grown on a structure substrate or selectively grown on a semiconductor substrate, and Semiconductor laser in which a semiconductor layer constituting a laser structure is formed by using a method for growing a compound semiconductor layerAnd manufacturing method thereofAbout.
[0002]
[Prior art]
When a compound semiconductor layer having a zinc blende type crystal structure is grown on a structural substrate, or when selectively growing using a growth mask made of an insulating film on the semiconductor substrate, a {111} A plane, {111 } Various crystal planes such as B plane or {110} plane appear. Therefore, it is considered to apply such appearance of crystal planes to the manufacture of electronic devices and optical devices. Among them, a semiconductor laser having an SDH structure (Separated Double Heterostructure) is an example of a semiconductor laser manufactured by utilizing the appearance of a {111} B plane when a semiconductor layer constituting the laser structure is grown.
[0003]
Here, a manufacturing process of a semiconductor laser having an AlGaAs SDH structure according to the prior art will be described with reference to FIGS.
[0004]
First, as shown in FIG. 8, after a stripe-shaped resist pattern (not shown) having a predetermined width extending in the [011] direction is formed on one main surface of a p-type GaAs substrate 101 having a (100) plane orientation. The p-type GaAs substrate 101 is etched by wet etching using this resist pattern as a mask. As a result, a stripe-shaped ridge 101 a extending in the [011] direction is formed on one main surface of the p-type GaAs substrate 101. Thereafter, the resist pattern used as an etching mask is removed.
[0005]
Next, as shown in FIG. 9, a p-type GaAs buffer layer 102, a p-type AlGaAs cladding are formed on one main surface of the p-type GaAs substrate 101 where the ridge 101a is formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). A layer 103, an AlGaAs active layer 104, and an n-type AlGaAs cladding layer 105 are sequentially grown.
[0006]
Here, at the top of the ridge 101a of the p-type GaAs substrate 101, the p-type GaAs buffer layer 102, the p-type AlGaAs clad layer 103, the AlGaAs active layer 104, and the n-type AlGaAs clad layer 105 are arranged at the edge of the ridge 101a. The n-type AlGaAs cladding layer 105 grows until the {111} B surface 106 intersects with the n-type AlGaAs cladding layer 105. As a result, a stripe portion having a triangular cross section surrounded by the {111} B face 106 and the (100) face is formed on the top of the ridge 101a. At this time, no growth occurs on the {111} B surface 106 that appears in the stripe portion on the top of the ridge 101a. Therefore, the p-type GaAs buffer layer 102, the p-type AlGaAs cladding layer 103, the AlGaAs active layer 104, and n The type AlGaAs cladding layer 105 grows separately on the top of the ridge 101a and the bottom of the ridge 101a. In this case, the n-type AlGaAs cladding layer 105 on the bottom side of the ridge 101a is grown partway along the side surface of the p-type AlGaAs cladding layer 103 in the stripe portion. In this semiconductor laser having the SDH structure, the stripe portion formed on the top of the ridge 101a is the region that actually operates as a laser.
[0007]
Next, as shown in FIG. 10, a p-type AlGaAs layer 107a, an n-type AlGaAs layer 107b, and a p-type AlGaAs layer 107c to be the current blocking layer 107 are sequentially grown by MOCVD. These p-type AlGaAs layer 107a, n-type AlGaAs layer 107b and p-type AlGaAs layer 107c have a band gap larger than that of the AlGaAs active layer 104 and have a low refractive index. In this case, since no growth occurs on the {111} B surface 106 that appears in the stripe portion on the top of the ridge 101a, the current blocking layer 107 is selectively formed on both sides of the stripe portion. At this time, the thicknesses of the p-type AlGaAs layer 107a, the n-type AlGaAs layer 107b, and the p-type AlGaAs layer 107c are controlled so that the current blocking layer 107 covers the side surface of the AlGaAs active layer 104 in the stripe portion.
[0008]
Next, as shown in FIG. 11, an n-type AlGaAs cladding layer 108 is grown by MOCVD. At this time, the n-type AlGaAs cladding layer 108 does not grow on the {111} B surface 106 in the initial stage of its growth, but grows on the entire surface as the growth by other crystal planes proceeds. . Subsequently, an n-type GaAs cap layer 109 is grown on the n-type AlGaAs cladding layer 108 by MOCVD.
[0009]
Here, the process from the growth of the p-type GaAs buffer layer 102 to the growth of the n-type GaAs cap layer 109 is performed by a single crystal growth by switching the supplied source gas.
[0010]
Next, as shown in FIG. 12, an n-side electrode 110 such as an AuGe / Ni electrode is formed on the n-type GaAs cap layer 109 by vacuum deposition or sputtering, and on the back surface of the p-type GaAs substrate 101. A p-side electrode 111 such as a Ti / Pt / Au electrode is formed.
[0011]
As described above, the target semiconductor laser having an AlGaAs SDH structure is manufactured. According to the semiconductor laser having the SDH structure, a structure in which a current gap layer having a lower band gap and a lower refractive index is provided on both sides of the active layer can be obtained by one crystal growth.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, when manufacturing the above-described AlGaAs-based SDH semiconductor laser, AlGaAs containing aluminum (Al) and gallium (Ga) having different migration lengths is grown on the structure substrate. There was a problem like this.
[0013]
That is, when an undoped AlGaAs active layer 104 is formed in manufacturing an AlGaAs-based SDH semiconductor laser according to the prior art, trimethylaluminum (TMA) is usually used as an Al source, and trimethylgallium (TMG) is used as a Ga source. ), Arsine (AsH) as a raw material for arsenic (As)_Three) Are used, and these raw materials are led to the reaction tube of the MOCVD apparatus.
[0014]
Here, FIG. 13A is a cross-sectional view schematically showing the growth process of the AlGaAs active layer 104 on the top of the ridge 101a when the semiconductor laser having the SDH structure according to the prior art is manufactured. In FIG. 13A, the p-type GaAs substrate 101 and the p-type GaAs buffer layer 102 are not shown. As shown in FIG. 13A, the AlGaAs active layer 104 grows in a state where a {111} B surface 106 appears on the side surface of the p-type GaAs substrate 101 on the top of the ridge 101a. However, since this {111} B plane 106 is a crystal plane where no growth occurs, Ga atoms (vacant circles) and Al atoms (black circles) diffused from the gas phase migrate on the {111} B plane 106. , It reaches the (100) plane at the top of the ridge 101a.
[0015]
At this time, since the migration length of Al is as small as several μm compared to the migration length of Ga of several hundred μm, the portion near the {111} B surface 106 of the AlGaAs active layer 104 has a central portion. More Al is taken in than. As a result, in the AlGaAs active layer 104 having the {111} B surface 106 on the side surface, the thickness and composition change in the in-plane direction, and the band gap also changes with the composition change. .
[0016]
Here, FIG. 13B shows the band gap of the AlGaAs active layer 104 (the AlGaAs active layer 104 in the stripe portion) on the top of the ridge 101a, corresponding to FIG. 13A. As shown in FIG. 13B, in the AlGaAs active layer 104 on the top of the ridge 101a, Al is selectively taken into a portion in the vicinity of the {111} B surface 106, thereby the vicinity of the {111} B surface 106. The band gap of this portion is about 100 meV or more (about 7-8% or more), and in some cases about 200 meV (about 15%) is larger than the band gap of the central portion.
[0017]
As a result, in the AlGaAs-based SDH semiconductor laser according to the prior art, the AlGaAs active layer 104 on the top of the ridge 101a and the current blocking layers 107 provided on both sides thereof, that is, the p-type AlGaAs layer 107a, the n-type Since the difference in band gap between the AlGaAs layer 107b and the p-type AlGaAs layer 107c is reduced, the leakage current component due to overflow of carriers injected into the AlGaAs active layer 104 into the current blocking layer 107 is increased, resulting in oscillation. There have been problems such as an increase in threshold current and a decrease in characteristic temperature.
[0018]
As a countermeasure against this, in the above-described SDH structure semiconductor laser, the Al composition ratio of the p-type AlGaAs layer 107a, the n-type AlGaAs layer 107b, and the p-type AlGaAs layer 107c constituting the current blocking layer 107 is increased, so that an active layer of injected carriers is obtained. It is conceivable to reduce the overflow from the current blocking layer to the current blocking layer, but when AlGaAs having a large Al composition ratio is grown on the stripe portion surrounded by the {111} B face 106, a good motility cannot be obtained. It has been known.
[0019]
Therefore, in the SDH structure semiconductor laser, in order to suppress the overflow of injected carriers from the active layer to the current blocking layer, to reduce the oscillation threshold current, and to improve the characteristic temperature, the {111} B face is It is necessary to suppress an increase in the band gap in the vicinity of the {111} B plane in the active layer.
[0020]
Further, the present invention is not limited to the case where a mixed crystal semiconductor such as AlGaAs is grown on a structural substrate like the above-described SDH structure semiconductor laser. For example, a [011] direction is formed on a (100) -oriented GaAs substrate. When a mixed crystal semiconductor such as AlGaAs is selectively grown using a growth mask made of an insulating film having a stripe-shaped opening extending in the same manner, a {111} B plane appears in the growth layer as well. There is a problem that a gap cannot be obtained.
[0021]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a compound semiconductor layer capable of obtaining a growth layer having a substantially uniform band gap when a mixed crystal semiconductor having a zinc blende type crystal structure is grown or selectively grown on a structural substrate. To provide a growth method.
[0022]
  Another object of the present invention is to make the band gap of the active layer grown in a state where the {111} B surface appears substantially uniform, to reduce the oscillation threshold current and improve the characteristic temperature. Semiconductor laserAnd manufacturing method thereofIs to provide.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the first invention of the present invention provides:
  A mixed crystal semiconductor having a zinc blende type crystal structure including a first element and a second element having a migration length smaller than that of the first element,With a crystal face that does not grow appearing on the side,In a growth method of a compound semiconductor layer that grows on one main surface of a semiconductor substrate having a concavo-convex structure formed on one main surface or selectively grows on a semiconductor substrate using a growth mask,
  When growing a mixed crystal semiconductor, the first raw material used for growing the mixed crystal semiconductor has a migration length smaller than that of the first element and changes the band gap of the mixed crystal semiconductor when incorporated into the mixed crystal semiconductor. The second raw material containing the third element to be mixed is mixed and grown.
  It is characterized by this.
[0024]
  The second invention of this invention is:
  A semiconductor substrate having a {100} plane as a main surface and provided with stripe-shaped convex portions on the main surface;
  A first conductivity type first cladding layer, an active layer, and a second conductivity type second cladding layer, which are stacked separately on a convex portion of the semiconductor substrate and on both sides of the convex portion, are provided. And
  The first clad layer, the active layer, and the second clad layer on the convex portion constitute a stripe portion having a triangular cross section surrounded by a side surface made of a {111} B plane,
  A current blocking layer is provided on both sides of the stripe portion so as to cover the side surface of the active layer in the stripe portion, and the second conductivity type second layer is formed on the second cladding layer and the current blocking layer in the stripe portion. 3 cladding layers are provided,
  In the semiconductor laser, the first cladding layer, the active layer, the second cladding layer, and the third cladding layer are composed of a mixed crystal semiconductor having a zinc blende crystal structure.
  At least the active layer has a migration length smaller than that of the first element in the mixed crystal semiconductor having a zinc blende type crystal structure including the first element and the second element having a migration length smaller than that of the first element. Further, it is composed of a mixture of a third element that changes the band gap of the mixed crystal semiconductor when taken into the mixed crystal semiconductor.
  It is characterized by this.
  The third invention of this invention is:
  A semiconductor substrate having a {100} plane as a main surface and provided with stripe-shaped convex portions on the main surface;
  A first conductivity type first cladding layer, an active layer, and a second conductivity type second cladding layer, which are stacked separately on a convex portion of the semiconductor substrate and on both sides of the convex portion, are provided. And
  The first clad layer, the active layer, and the second clad layer on the convex portion constitute a stripe portion having a triangular cross section surrounded by a side surface made of a {111} B plane,
  A current blocking layer is provided on both sides of the stripe portion so as to cover the side surface of the active layer in the stripe portion, and the second conductivity type second layer is formed on the second cladding layer and the current blocking layer in the stripe portion. 3 cladding layers are provided,
  In the method of manufacturing a semiconductor laser, the first cladding layer, the active layer, the second cladding layer, and the third cladding layer are made of a mixed crystal semiconductor having a zinc blende crystal structure.
  At least during the growth of the active layer, the first raw material used for the growth of the mixed crystal semiconductor containing the first element and the second element having a migration length smaller than the first element is used as the migration length from the first element. The growth is performed by mixing the second material containing the third element that changes the band gap of the mixed crystal semiconductor when incorporated into the mixed crystal semiconductor.
  It is characterized by this.
[0025]
In the first invention of the present invention, a metal organic chemical vapor deposition method or a molecular beam epitaxy method is typically used for the growth of a mixed crystal semiconductor. As the semiconductor substrate, a semiconductor substrate made of a zincblende crystal structure semiconductor is used. In this case, the semiconductor substrate may be a bulk substrate or a semiconductor layer provided on a bulk substrate or the like. The first raw material used for the growth of the mixed crystal semiconductor containing the first element and the second element is composed of at least a raw material containing the first element and a raw material containing the second element. .
[0026]
In the first and second inventions of the present invention, the third element preferably has a migration length substantially equal to that of the second element. Further, when the third element is incorporated into the mixed crystal semiconductor, the band gap of the mixed crystal semiconductor is canceled so as to cancel the change in the band gap that occurs when the composition ratio of the second element in the mixed crystal semiconductor increases. It is desirable to change this.
[0027]
In the first invention and the second invention of this invention, the mixed crystal semiconductor containing the first element and the second element is typically a III-V group compound semiconductor. In this case, the first element As the second element, a combination using gallium, aluminum as the second element, and indium as the third element is conceivable. In the case of this combination, examples of the mixed crystal semiconductor containing gallium and aluminum include AlGaAs. A combination using gallium as the first element, indium as the second element, and aluminum as the third element is also conceivable. In the case of this combination, as a mixed crystal semiconductor containing gallium and indium, for example, GaInP can be given. In the first and second inventions of the present invention, the mixed crystal semiconductor containing the first element and the second element may be a II-VI group compound semiconductor or an IV-IV group compound semiconductor depending on circumstances. There may be.
[0028]
In the first invention of the present invention, the second raw material is added to the first raw material so that the third element is incorporated into the growth layer so that the thickness of the growth layer does not exceed the critical film thickness. It is desirable to select the mixing amount (supply ratio of the first raw material and the second raw material). In the second invention of the present invention, the thickness of the active layer does not exceed the critical film thickness. It is desirable that the third element is taken into the active layer. In the second invention of the present invention, the difference between the band gap in the vicinity of the {111} B surface of the active layer and the band gap in the center is, for example, less than 100 meV, preferably, for example, 50 meV or less, and more preferably, for example, The third element is taken into the active layer so as to be 20 meV or less.
[0029]
According to the compound semiconductor layer growth method of the first invention of the present invention configured as described above, the first element is used as the first raw material used for growing the mixed crystal semiconductor during the growth of the mixed crystal semiconductor. The migration length is smaller and the growth is performed by mixing the second raw material containing the third element that changes the band gap of the mixed crystal semiconductor when incorporated into the mixed crystal semiconductor. As the growth layer, a mixed crystal semiconductor containing the first element and the second element is mixed with the third element. Therefore, by using an element having a migration length substantially equal to that of the second element as the third element, a portion of the obtained growth layer in which the second element is selectively taken in during the growth is similarly applied. The third element is selectively incorporated. Here, the portion in which the second element and the third element of the growth layer are selectively taken in appears, for example, by growing or selectively growing a mixed crystal semiconductor on the structure substrate. This corresponds to a portion in the vicinity of a crystal plane such as a plane, {111} A plane, {110} plane. At this time, when the mixed crystal semiconductor is incorporated into the mixed crystal semiconductor as the third element, the change in the band gap of the mixed crystal semiconductor that occurs with the increase in the composition ratio of the second element is canceled. In the case where a material that changes the band gap is used, the band gap generated as the composition ratio of the second element in the mixed crystal semiconductor increases in the portion where the second element of the growth layer is selectively incorporated. Change (increase or decrease) is suppressed by the mixing effect of the third element in this portion. Thereby, a growth layer having a substantially uniform band gap can be obtained.
[0030]
According to the second invention of the present invention configured as described above, in the semiconductor laser having a so-called SDH structure, at least the active layer includes the first element and the second element having a migration length smaller than that of the first element. A third element that has a transition length smaller than that of the first element and changes the band gap of the mixed crystal semiconductor when incorporated into the mixed crystal semiconductor. When the active layer is formed, the compound semiconductor layer growth method according to the first invention can be used. Therefore, the third element has a migration length substantially equal to that of the second element and, when incorporated into the mixed crystal semiconductor, the mixed crystal semiconductor produced with the increase in the composition ratio of the second element. By using the one that changes the band gap of the mixed crystal semiconductor so as to cancel the change of the band gap, in the active layer, in the portion near the {111} B plane where the second element is selectively taken in during the growth. Similarly, the third element is selectively incorporated, and the band gap in the vicinity of the {111} B surface of the active layer in the stripe portion and the band gap in the central portion are made substantially the same. Therefore, the band gap can be made uniform.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings of the embodiment, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals.
[0032]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an AlGaAs-based SDH semiconductor laser according to an embodiment of the present invention.
[0033]
As shown in FIG. 1, in an AlGaAs SDH structure semiconductor laser according to an embodiment of the present invention, for example, a p-type GaAs substrate 1 having a (100) plane orientation is used as the substrate. On one main surface of the p-type GaAs substrate 1, a stripe-shaped ridge 1a having a predetermined width extending in the [011] direction is provided.
[0034]
On the top (100) surface of the ridge 1 a of the p-type GaAs substrate 1, a p-type AlGaAs cladding layer 3 through a p-type GaAs buffer layer 2 and an active layer in which a predetermined amount of In is mixed into undoped AlGaAs. 4 (hereinafter referred to as an In-mixed AlGaAs active layer) and an n-type AlGaAs cladding layer 5 are sequentially stacked. The p-type GaAs buffer layer 2, the p-type AlGaAs cladding layer 3, the In-mixed AlGaAs active layer 4 and the n-type AlGaAs cladding layer 5 on the tops of these ridges 1a are composed of {111} B plane 6 and (100) plane. And a stripe shape extending in the [011] direction along the ridge 1a. In the semiconductor laser having the SDH structure, the stripe portion is a region that actually operates as a laser.
[0035]
On the bottom of the ridge 1a of the p-type GaAs substrate 1, the p-type GaAs buffer layer 2, the p-type AlGaAs cladding layer 3, the In-mixed AlGaAs active layer 4 and the n-layer, which are the same layer as the stripe on the top of the ridge 1a. A type AlGaAs cladding layer 5 is provided. The p-type GaAs buffer layer 2, the p-type AlGaAs cladding layer 3, the In-mixed AlGaAs active layer 4 and the n-type AlGaAs cladding layer 5 on the bottom of the ridge 1a are mutually connected to the corresponding layers on the top of the ridge 1a. It is separated. The n-type AlGaAs cladding layer 5 on the bottom side of the ridge 1a is provided up to a position in the middle of the side surface of the p-type AlGaAs cladding layer 3 on the top of the ridge 1a.
[0036]
Here, the semiconductor laser having an AlGaAs SDH structure according to an embodiment is characterized in that the active layer is composed of AlGaAs mixed with a predetermined amount of In. That is, AlGaAs is a mixed crystal semiconductor having a zinc blende crystal structure including gallium as the first element and aluminum as the second element having a migration length smaller than that of the gallium. As a third element, indium that has a migration length smaller than that of gallium and substantially equal to that of aluminum and that reduces the band gap when incorporated into AlGaAs is mixed. The band gap is made uniform. In this embodiment, in the In-mixed AlGaAs active layer 4 on the top of the ridge 1a, that is, in the In-mixed AlGaAs active layer 4 in the stripe portion having the {111} B plane 6 on the side, the {111} B plane 6 In the Al-mixed AlGaAs active layer 4 so that the difference between the band gap in the vicinity of and the band gap in the center is, for example, less than 100 meV, preferably 50 meV or less, more preferably 20 meV or less. It has been captured. When the emission wavelength of the semiconductor laser having the SDH structure is in the 780 nm band, the difference between the band gap in the vicinity of the {111} B plane 6 and the band gap in the center in the In-mixed AlGaAs active layer 4 is expressed as follows. In order to make it less than 100 meV, 50 meV or less, or 20 meV or less, the ratio of In in the total mixed crystal (AlGaInAs) is less than about 6%, less than about 3%, and less than about 1%, respectively.
[0037]
On the n-type AlGaAs cladding layer 5 on the bottom side of the ridge 1a, a current blocking layer 7 is provided so as to cover the side surface of the In-mixed AlGaAs active layer 4 in the stripe portion on the top of the ridge 1a. The current blocking layer 7 is composed of a p-type AlGaAs layer 7a on the n-type AlGaAs cladding layer 5, an n-type AlGaAs layer 7b on the p-type AlGaAs layer 7c, and a p-type AlGaAs layer 7c on the p-type AlGaAs layer 7c. The p-type AlGaAs layer 7a, the n-type AlGaAs layer 7b, and the p-type AlGaAs layer 7c constituting the current blocking layer 7 all have a band gap larger than that of the In-mixed AlGaAs active layer 4 and have a low refractive index. is there.
[0038]
An n-type AlGaAs cladding layer 8 and an n-type GaAs cap layer 9 are sequentially laminated on the stripe n-type AlGaAs cladding layer 5 on the top of the ridge 1a and the current blocking layer 7 on the bottom of the ridge 1a. Is provided. An n-side electrode 10 such as an AuGe / Ni electrode is provided on the n-type GaAs cap layer 9, while a p-side electrode 11 such as a Ti / Pt / Au electrode is provided on the back surface of the p-type GaAs substrate 1. It has been.
[0039]
A method for manufacturing the semiconductor laser having the SDH structure will be described below.
[0040]
As shown in FIG. 2, a stripe-shaped resist pattern (not shown) having a predetermined width extending in the [011] direction is formed on one main surface of a p-type GaAs substrate 1 having a (100) plane orientation. As a mask, the p-type GaAs substrate 1 is etched by, for example, a wet etching method. As a result, a ridge 1 a having a predetermined width extending in the [011] direction is formed in a predetermined portion of one main surface of the p-type GaAs substrate 1. Thereafter, the resist pattern used as an etching mask is removed.
[0041]
Next, each semiconductor layer constituting the laser structure is grown by MOCVD on one main surface of the p-type GaAs substrate 1 on which the ridge 1a is formed. Here, trimethylaluminum (TMA) is used as a raw material for Al, trimethylgallium (TMG) is used as a raw material for Ga, trimethylindium (TMIn) is used as a raw material for In, and arsine (AsH is used as a raw material for As._Three) Is used.
[0042]
As shown in FIG. 3, a p-type GaAs buffer layer 2, a p-type AlGaAs cladding layer 3, and an undoped In-mixed AlGaAs active layer 4 are formed on one main surface of a p-type GaAs substrate 1 on which a ridge 1a is formed by MOCVD. Then, the n-type AlGaAs cladding layer 5 is grown sequentially.
[0043]
Here, at the top of the ridge 1a of the p-type GaAs substrate 1, the p-type GaAs buffer layer 2, the p-type AlGaAs cladding layer 3, the In-mixed AlGaAs active layer 4 and the n-type AlGaAs cladding layer 5 are connected to the ridge 1a. The n-type AlGaAs cladding layer 5 grows until the {111} B plane 6 intersects with the n-type AlGaAs cladding layer 5 while forming a slope composed of the {111} B plane 6 inward from the edge. As a result, a stripe portion having a triangular cross section surrounded by the {111} B face 6 and the (100) face is formed on the top of the ridge 1a. At this time, no growth occurs on the {111} B face 6 that appears in the stripe portion on the top of the ridge 1a. Therefore, the p-type GaAs buffer layer 2, the p-type AlGaAs cladding layer 3, and the In-mixed AlGaAs active layer 4 The n-type AlGaAs cladding layer 5 grows separately on the top of the ridge 1a and the bottom of the ridge 1a. In this case, the n-type AlGaAs cladding layer 5 on the bottom side of the ridge 1a is grown partway along the side surface of the p-type AlGaAs cladding layer 3 in the stripe portion.
[0044]
Here, FIG. 4A is a cross-sectional view schematically showing the growth process of the In-mixed AlGaAs active layer 4 (In-mixed AlGaAs active layer 4 in the stripe portion) on the top of the ridge 1a in this embodiment. In FIG. 4A, the p-type GaAs substrate 1 and the p-type GaAs buffer layer 2 are not shown. In this embodiment, during the growth of the active layer, a raw material (first raw material) used for growth of undoped AlGaAs, that is, TMA as an Al raw material, TMG as a Ga raw material, and AsH as an As raw material._ThreeIn addition, TMIn (second raw material) as an In raw material is simultaneously led to the reaction tube of the MOCVD apparatus for growth. These raw materials are decomposed into Ga, Al, and In in the gas phase on the heated substrate, and each atom reaches the substrate.
[0045]
At this time, as shown in FIG. 4A, in the portion on the top of the ridge 1a of the p-type GaAs substrate 1, the In-mixed AlGaAs active layer 4 grows with the {111} B surface 6 appearing on the side surface. Since no growth occurs on the {111} B plane 6, Ga atoms (empty circles), Al atoms (black circles), and In atoms (double circles) It migrates to reach the (100) plane on the top of the ridge 1a, where growth occurs. At this time, the migration lengths of Ga, Al, and In are different from each other. The migration length of Ga is about several hundred μm, whereas the migration length of Al and In is as small as several μm. Here, the migration lengths of Ga, Al, and In are respectively L₁, L₂, L_ThreeThen these L₁~ L_ThreeL between₁≫L₂> L_ThreeThere is a relationship. However, Al migration length L₂And In migration length L_ThreeAre almost the same.
[0046]
For this reason, in the In-mixed AlGaAs active layer 4 on the top of the ridge 1a, a large amount of Al having a smaller migration length than Ga is selectively taken into the portion near the {111} B face 6 during the growth. However, since In also has a migration length smaller than that of Ga, and In has a migration length substantially equal to that of Al, a portion near this {111} B face 6 has In as in the case of Al. Are also selectively captured. Here, when In is taken into AlGaAs, the band gap is changed in a direction that lowers the band gap. Therefore, in the vicinity of the {111} B plane 6 of the In-mixed AlGaAs active layer 4 on the top of the ridge 1a. In this portion, the phenomenon that the band gap increases as the Al composition ratio increases is suppressed. Therefore, a substantially uniform band gap can be obtained by controlling the supply amount of the In raw material during the growth of the In-mixed AlGaAs active layer 4.
[0047]
In this embodiment, in the In-mixed AlGaAs active layer 4 on the top of the ridge 1a, the difference between the band gap in the vicinity of the {111} B plane 6 and the band gap in the center is less than 100 meV, for example. In this case, In is incorporated into the In-mixed AlGaAs active layer 4 so that it is 50 meV or less, more preferably 20 meV or less. 2 mixing amount of raw materials, that is, TMA, TMG and AsH_ThreeOf TMIn to TMA (TMA, TMG, AsH_ThreeAnd TMIn supply ratio) are controlled. Specifically, when the emission wavelength of the semiconductor laser having the SDH structure is in the 780 nm band, the band gap in the vicinity of the {111} B plane 6 and the band gap in the center in the In-mixed AlGaAs active layer 4 In order to make the difference between less than 100 meV, less than 50 meV, and less than 20 meV, the proportion of In in the total mixed crystal (AlGaInAs) during the growth of the In-mixed AlGaAs active layer 4 is less than about 6% and less than about 3%, respectively. TMA, TMG and AsH to be less than about 1%_ThreeThe amount of TMIn mixed in is controlled. As a result, as shown in FIG. 4B, in the In-mixed AlGaAs active layer 4 on the top of the ridge 1a, the band gap in the vicinity of the {111} B surface 6 and the band gap in the center are substantially substantially the same. The band gap is the same, and a substantially uniform band gap is obtained throughout the entire surface.
[0048]
After the growth up to the n-type AlGaAs cladding layer 5 on the p-type GaAs substrate 1, as shown in FIG. 5, the p-type AlGaAs layer 7a, the n-type AlGaAs layer 7b, and the p-type AlGaAs layer 7c that become the current blocking layer 7 are formed. Are grown sequentially by MOCVD. In this case, since no growth occurs on the {111} B surface 6 that appears in the stripe portion on the top of the ridge 1a, the current blocking layer 7 is selectively formed on both sides of the stripe portion. At this time, the film thicknesses of the p-type AlGaAs layer 7a, the n-type AlGaAs layer 7b, and the p-type AlGaAs layer 7c are controlled so that the side surface of the In-mixed AlGaAs active layer 4 in the stripe portion is covered with the current blocking layer 7. .
[0049]
Next, as shown in FIG. 6, an n-type AlGaAs cladding layer 8 is grown by MOCVD. At this time, the n-type AlGaAs cladding layer 8 does not grow on the {111} B surface 6 in the initial stage of its growth, but grows on the entire surface as the growth by other crystal planes proceeds. . Subsequently, an n-type GaAs cap layer 9 is grown on the n-type AlGaAs cladding layer 8 by MOCVD.
[0050]
Here, the process from the growth of the p-type GaAs buffer layer 2 to the growth of the n-type GaAs cap layer 9 is performed by a single crystal growth by switching the supplied source gas.
[0051]
Next, as shown in FIG. 1, an n-side electrode 10 such as an AuGe / Ni electrode is formed on the n-type GaAs cap layer 9 by vacuum deposition or sputtering, and on the back surface of the p-type GaAs substrate 1. A p-side electrode 111 such as a Ti / Pt / Au electrode is formed.
[0052]
As described above, the target semiconductor laser having an AlGaAs SDH structure is manufactured.
[0053]
Here, FIG. 7A shows the temperature dependence of the operating current-optical output characteristics of the semiconductor laser having an AlGaAs SDH structure according to this embodiment. For comparison, FIG. 7B shows the temperature dependence of the operating current-optical output characteristics of a semiconductor laser having an AlGaAs SDH structure according to the prior art. 7A and 7B, the horizontal axis represents operating current (mA), the vertical axis represents optical output (mW), and graphs a to e represent operating temperatures of 20 ° C., 30 ° C., 40 ° C., 50 ° C., and 60 ° C., respectively. The graph of an operating current-light output characteristic when it is set as ° C is shown.
[0054]
As shown in FIGS. 7A and 7B, the SDH structure semiconductor laser according to this embodiment, which is configured using an In-mixed AlGaAs active layer, is configured using a normal AlGaAs active layer that does not contain In. It can be seen that laser oscillation occurs at a lower operating current at each operating temperature than the conventional SDH semiconductor laser. Further, when comparing the characteristic temperatures of the two, the characteristic temperature of the semiconductor laser having the SDH structure according to the prior art is about 80K, whereas the characteristic temperature of the semiconductor laser having the SDH structure according to this embodiment is as high as about 110K. It can be seen that the temperature is obtained. As described above, in the In-mixed AlGaAs active layer 4 on the top of the ridge 1a, the increase of the band gap in the vicinity of the {111} B plane 6 is suppressed by the In-mixing effect, so This is an effect obtained by reducing the overflow from the AlGaAs active layer 4 to the current blocking layer 7 and reducing the leakage current.
[0055]
As described above, according to this embodiment, the use of the In mixed AlGaAs active layer 4 in which a predetermined amount of In is mixed in AlGaAs as the active layer, in other words, when forming the active layer. , The first raw material used for the growth of AlGaAs (TMA, TMG, AsH_Three) Is mixed with a second raw material (TMIn) containing In, so that an In-mixed AlGaAs active layer on the top of the ridge 1a having a {111} B surface 6 on the side surface. 4, it is possible to suppress an increase in the band gap in the vicinity of the {111} B plane 6 as compared with the central portion, and the band gap of the In-mixed AlGaAs active layer 4 can be substantially reduced over the entire area in the plane. It can be made uniform. Thereby, the overflow of injected carriers from the In-mixed AlGaAs active layer 4 to the current blocking layers 7 on both sides thereof is suppressed and the leakage current is reduced, so that the oscillation threshold current is lower than in the prior art, and A semiconductor laser having a high characteristic temperature can be obtained.
[0056]
Although the embodiments of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible.
[0057]
For example, the numerical values, materials, structures, and the like given in the above-described embodiment are merely examples, and are not limited thereto. Specifically, for example, in the above-described embodiment, the conductivity type of each semiconductor layer constituting the substrate or the laser structure may be reversed. Further, for example, an active layer having a multiple quantum well structure may be used.
[0058]
Further, in the above-described embodiment, the compound semiconductor layer growth method according to the present invention is applied during the formation of the active layer among the semiconductor layers constituting the laser structure, and the growth is performed so that In is mixed into AlGaAs. However, the same growth method can be used when forming a layer other than the active layer. When forming a thick layer such as a clad layer, when the compound semiconductor layer growth method according to the present invention is used, In is taken into the growth layer so that the thickness of the growth layer does not exceed the critical film thickness. Thus, it is necessary to select the supply amount of the In raw material.
[0059]
In the above-described embodiment, the compound semiconductor layer growth method according to the present invention is applied when AlGaAs is grown on a semiconductor substrate on which a convex pattern is formed, taking an SDH structure semiconductor laser as an example. As described above, the method of growing a compound semiconductor layer according to the present invention can be similarly applied to the case where AlGaAs is grown on a semiconductor substrate on which a recess pattern is formed so as to fill the recess. is there. Further, for example, when a mixed crystal semiconductor such as AlGaAs is selectively grown on a (100) plane GaAs substrate using a growth mask made of an insulating film having a stripe-shaped opening extending in the [011] direction. Similarly, since the {111} B plane appears in the growth layer, the compound semiconductor layer growth method according to the present invention can be applied.
[0060]
In addition, the above-described embodiment is an example in which a {111} B plane appears in the growth layer, but a crystal plane other than the {111} B plane, for example, the {111} A plane or {100} When a surface or the like appears, a growth layer having a substantially uniform band gap is obtained even when growth is performed in which In is mixed in AlGaAs, as in the case of forming the active layer in the above-described embodiment. be able to.
[0061]
In addition to AlGaAs, the present invention can also be applied, for example, when GaInP is grown on a structural substrate or selectively grown on a semiconductor substrate using a growth mask. That is, for example, when GaInP is grown by a usual method on a (100) -oriented GaAs substrate having the same ridge structure as that in the above-described embodiment, {111} B A face appears. At this time, due to the different migration lengths of Ga and In, as a result of In being selectively taken in in the vicinity of the {111} B plane during the growth, the growth layer in the vicinity of the {111} B plane is obtained. The band gap of the part is reduced compared to the central part. Therefore, during the growth of GaInP, the raw materials used for the growth of GaInP (for example, TMG, TMIn, and phosphine (PH_Three)) Is mixed with a raw material containing Al (for example, TMA). In this case, Al has a migration length almost equal to In, and when it is incorporated into GaInP, the band gap is changed in the direction in which the band gap increases. The reduction of the band gap in the portion is suppressed, and a growth layer having a substantially uniform band gap can be obtained throughout the entire surface.
[0062]
The present invention also provides a case of growing a group III-V compound semiconductor and a case of growing a group II-VI compound semiconductor and a group IV-IV compound semiconductor in addition to a semiconductor laser using a group III-V compound semiconductor. It is also possible to apply to semiconductor lasers using II-VI group compound semiconductors and IV-IV group compound semiconductors. The method for growing a compound semiconductor layer according to the present invention can also be applied when manufacturing a semiconductor device other than a semiconductor laser.
[0063]
【The invention's effect】
As described above, according to the method for growing a compound semiconductor layer according to the present invention, when the mixed crystal semiconductor is grown, the first raw material used for growing the mixed crystal semiconductor has a migration length smaller than that of the first element. In addition, the zinc blende type crystal structure is obtained by mixing the second raw material containing the third element that changes the band gap of the mixed crystal semiconductor when incorporated into the mixed crystal semiconductor. When the mixed crystal semiconductor is grown on the structure substrate or selectively grown, a growth layer having a substantially uniform band gap can be obtained.
[0064]
According to the semiconductor laser of the present invention, at least the active layer is formed on the mixed crystal semiconductor having a zinc blende type crystal structure including the first element and the second element having a migration length smaller than the first element. The {111} B surface appeared due to the fact that the migration length is smaller than that of the first element and the third element that changes the band gap of the mixed crystal semiconductor when mixed into the mixed crystal semiconductor is mixed. The band gap of the active layer grown in a state can be made uniform. As a result, for example, an increase in the band gap in the portion near the {111} B surface of the active layer can be suppressed, so that an overflow of injected carriers from the active layer to the current blocking layer is suppressed, resulting in an oscillation threshold. The value can be reduced and the characteristic temperature can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an AlGaAs-based SDH semiconductor laser according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing an AlGaAs-based SDH semiconductor laser according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing an AlGaAs SDH structure semiconductor laser according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the growth process of the active layer on the top of the ridge and the band gap of the active layer on the top of the ridge during the manufacture of the SDH structure semiconductor laser according to the embodiment of the present invention; FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing an AlGaAs SDH structure semiconductor laser according to an embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing an AlGaAs-based SDH semiconductor laser according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the temperature dependence of the operating current-optical output characteristics of an AlGaAs-based SDH semiconductor laser according to an embodiment of the present invention, and the operating current of an AlGaAs-based SDH semiconductor laser according to the prior art. -It is a graph which shows the temperature dependence of an optical output characteristic.
FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a semiconductor laser having an SDH structure according to the prior art.
FIG. 9 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a semiconductor laser having an SDH structure according to the prior art.
FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a semiconductor laser having an SDH structure according to the prior art.
FIG. 11 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a semiconductor laser having an SDH structure according to the prior art.
FIG. 12 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a semiconductor laser having an SDH structure according to the prior art.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a growth process of an active layer on the top of the ridge and a schematic diagram showing a band gap of the active layer on the top of the ridge when a semiconductor laser having an SDH structure according to the prior art is manufactured; .
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... p-type GaAs substrate, 3 ... p-type AlGaAs clad layer, 4 ... In mixed AlGaAs active layer, 5, 8 ... n-type AlGaAs clad layer, 6 ... {111} B surface 7 ... current blocking layer, 7a, 7c ... p-type AlGaAs layer, 7b ... n-type AlGaAs layer, 9 ... n-type GaAs cap layer, 10 ... n-side electrode, 11 ...・ P-side electrode

Claims

In a state where the {111} B surface appears on the side surface of the AlGaAs layer, the first material used for the growth of the AlGaAs layer is mixed with the second material containing In to form a concavo-convex structure on one main surface. By growing on the one main surface of the formed semiconductor substrate, the AlGaAs layer in the portion near the {111} B plane takes in more band gap than the central portion of the AlGaAs layer. The AlGaAs layer growth method in which the increase is canceled by the reduction of the band gap due to the incorporation of more In than the central portion of the AlGaAs layer.

2. The AlGaAs layer according to claim 1, wherein In is taken into the AlGaAs layer so that a difference between a band gap near the {111} B surface of the AlGaAs layer and a band gap in the center is less than 100 meV. Growth method.

The semiconductor substrate is a (100) -oriented GaAs substrate, and a stripe-shaped ridge extending in the [011] direction is formed on one main surface of the GaAs substrate, and the AlGaAs layer is formed on the top of the ridge. 3. The method for growing an AlGaAs layer according to claim 1, wherein the AlGaAs layer is grown.

The method for growing an AlGaAs layer according to any one of claims 1 to 3, wherein the AlGaAs layer is grown by metal organic chemical vapor deposition.

5. The mixing amount of the second raw material with respect to the first raw material is selected so that In is taken into the AlGaAs layer so that the thickness of the AlGaAs layer does not exceed the critical film thickness. The method for growing an AlGaAs layer according to claim 1.

A semiconductor substrate having a {100} plane as a main surface and stripe-shaped convex portions provided on the main surface;
A first conductivity type first AlGaAs clad layer, an AlGaAs active layer, and a second conductivity type second layer, which are stacked separately on the convex portion of the semiconductor substrate and on both sides of the convex portion. An AlGaAs cladding layer,
The first AlGaAs cladding layer, the AlGaAs active layer, and the second AlGaAs cladding layer on the convex portion constitute a stripe portion having a triangular cross section surrounded by a side surface made of a {111} B plane. ,
A current block layer is provided on both sides of the stripe portion so as to cover the side surface of the AlGaAs active layer in the stripe portion, and the second AlGaAs cladding layer and the current block layer in the stripe portion are provided. When manufacturing a semiconductor laser provided with a third AlGaAs cladding layer of the second conductivity type on top,
The AlGaAs active layer is grown on the convex portion by mixing the second raw material containing In with the first raw material used for the growth of the AlGaAs active layer, so that the vicinity of the {111} B plane is increased. In the AlGaAs active layer in the portion, an increase in the band gap due to incorporation of more Al than in the central portion of the AlGaAs active layer, a band gap due to the incorporation of more In than in the central portion of the AlGaAs active layer. Semiconductor laser manufacturing method that cancels out due to the decrease in the laser.

7. The method of manufacturing a semiconductor laser according to claim 6, wherein the semiconductor substrate is a (100) plane GaAs substrate, and the convex portion extends in a [011] direction.

The InGaAs is incorporated into the AlGaAs active layer so that a difference between a band gap in the vicinity of the {111} B plane of the AlGaAs active layer and a band gap in the central portion is less than 100 meV. Semiconductor laser manufacturing method.

9. The method of manufacturing a semiconductor laser according to claim 6, wherein the AlGaAs active layer is grown by metal organic chemical vapor deposition.

7. The mixing amount of the second raw material with respect to the first raw material is selected so that In is taken into the AlGaAs active layer so that the thickness of the AlGaAs active layer does not exceed the critical film thickness. The manufacturing method of the semiconductor laser as described in any one of -9.