JPH02194581A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は発光層の所定領域に電流を絞り込み、且つまた
浮遊容量が小さく高速動作可能な半導体発光素子および
その製造方法に関する。

（従来の技術） 近年、光通信や光学ディスク用の光源として、各種の半
導体発光素子が盛んに使用されている。

この中でも先導波路に沿って周期的摂動（回折格子）を
設けた分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）はこの
回折格子の波長選択性により、単一波長（単一縦モード
）での発振が容易に実現できる。

これらの素子には次のことが求められている。

■発光層の所定領域に電流を絞り込み、低電流駆動がで
きること。■浮遊容全が小さく高速動作可能であること
。■簡単且つ再現性良く製作できること。

従来は、この様な要求を実現するために、埋め込み型構
造（ＢＨ措造）の素子を、更にメサ状にエツチングして
有効面積を減らし、浮遊容量を小さくしていた。この例
を第４図を参照して説明する。

第４図は、従来の高速型ＢＨレーザダイオードの一例の
断面図である。まず、ｎ型１ｎＰ基板上１１にｎ型Ｉｎ
Ｐバッファ層（基板と同じ材料であるため、特に図示せ
ず）、アンドープＧａ！ｎＡｓＰ活性層１４、ｐ型１ｎ
Ｐクラッド層１５、ダ型Ｇａ１ｎＡｓＰオーミックコン
タクト層１Ｂを順次、有機金属気相（ＭＯＣＶＤ）結晶
成長法により積層する。

この後、これらの積層１４．１５．１６をエツチングに
より一部除去して、逆メサ状の第１のメサ・ストライプ
部２０を形成する。活性層１４は紙面と垂直方向にスト
ライプ状に形成する。次に、その周囲を、ｐ型１ｎＰ層
１７、ｎ型１ｎＰ層１８、アンドープＧａ１ｎＡｓＰキ
ヤツプ層１９を液相エピタキシャル（Ｌ　Ｐ　Ｅ）結晶
成長法で連続成長して埋め込む。これにより、レーザダ
イオードの動作時には埋め込み領域ではｐ−ｎ逆バイア
ス接合によって電流がブロックされるため、活性層１４
ストライプにのみ、電流が効率良く注入される。

しかし、この逆接合は電気界ｆｆ１ｃを持つため、高速
応答性を悪くする原因になる。そこで、これを防ぐため
に接合の面積を狭くして、電気界ｆｆ１ｃを小さくする
。即ち、第１のメサ・ストライブ部２０の両側でｐ型Ｉ
ｎＰ層１７、ｎ型ＩｎＰ層１８、アンドープＧａ１ｎＡ
ｓＰキヤツプ層１９を一部除去し、第１のメサ・ストラ
イブ部２０含む第２のメサ争ストライプ２１を形成する
。このメサ・ストライブ部２１の頂部を除く表面をＳ　
Ｌ　０２膜３０で覆い、さらにその上をｐ電極３１で覆
う。なお、ＩｎＰ基板ｌｌの裏面にはｎ電極３２を形成
する。なお、ワイヤーボンディングは第２のメサ・スト
ライプの上を避けて行なう。

この構造の半導体発光素子では、接合面積は第２のメサ
・ストライプ２１の幅と共振器長の積となる。従って、
その分だけ電気界ごＣが小さくなる。

このため、狭い活性層に効率良く電流を集中できると共
に高速動作が可能である。

またこれ以外に、第５図に示す構造の半導体発光素子も
試みられている。

この構造は、第４図の例における第１のメサ・ストライ
プを半絶縁性のＩｎＰ成長層５０で埋め込むものである
。この構造では、ｐ電極は全面電極であっても活性層１
４ストライプにのみ、電流が効率良く注入される。この
ため、電極周りの製作工程が簡単である。また、接合を
用いた電流ブロックではないので、電気容量Ｃを小さく
でき、高速動作に適している。

（発明が解決しようとする課題） 第４図に示す半導体発光素子では、次のような欠点があ
る。■第２のメサ・ストライプ２１の形成、Ｓ　１０２
膜３０の形成等、電極周りの製作工程が繁雑になる。■
埋め込み領域のｐ−ｎ逆バイアス接合に関係するパラメ
ータを最適化しなければ、活性層脇を通るリーク電流の
経路ができてしまう。

このため、上述の構造では所望の特性の半導体発光素子
が、安価で且つ安定に得られにくかった。

また、第５図に示す半導体発光素子では、半絶縁性のＩ
ｎＰ層５０は、現在の技術では十分な耐圧特性が得られ
ていない。即ち、温度が上昇すると半絶縁性が崩れて、
活性層以外を電流が流れてしまう。従って、未完成技術
であり、実用には供せられなかった。

本発明は、上記従来技術の課題を解決するもので、簡単
な製作工程で、発光領域に電流を絞り込め、且つ高速動
作可能で実用的な半導体発光素子を提供するものである
。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、基板の表裏を貫通する所定形状の孔部を有す
る半絶縁性半導体基板と、前記孔部に充填された第１の
導電型を有する半導体材料と、前記孔部の上で前記第１
の導電型を有する半導体材料上に積層された少なくとも
半導体発光層および第２の導電型を有する半導体材料層
とを有する半導体発光素子である。

また本発明は、半絶縁性半導体基板に所定形状の溝を形
成する工程と、前記溝を第１の導電型を有する半導体材
料で埋める工程と、次に前記半絶縁性半導体基板の結晶
成長面側を鏡面研磨する工程と、この基板上に少なくと
も半導体発光層および第２の導電型を有する半導体材料
１層を積層する工程と、この基板を裏面から前記第１の
導電型を有する半導体材待が露出するまで前記基板を研
磨する工程とを有することを特徴とする請求項１記載の
半導体発光素子の製造方法である。

また本発明は、半絶縁性半導体基板上に少なくとも半導
体発光層および第２の導電型を有する半導体材料層を含
む結晶成長層を積層する工程と、次に前記半絶縁性半導
体基板の裏面側から前記結晶成長層の最下層面に達する
溝を前記半絶縁性半導体基板に形成する工程と、前記溝
に第１の導電型を有する半導体材料を埋め込む工程とを
含むことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の
製造方法である。

（作　用） 本発明は、確実に絶縁性が保証できる完成度の高い半絶
縁性基板を利用するものである。このため、本発明では
、半絶縁性半導体基板に所定形状の孔部を有し、ここに
第１の導電型の半導体材料を埋め込んで、基板の一部に
導電性を持たせ、ここに電流通路を形成するものである
。

完成度の高い半絶縁性半導体基板を利用するため、確実
に絶縁性が保証され、また絶縁性の温度依存性も小さい
ため、所望の発光領域に電流を絞り込める。このため、
全面電極で良く、電極周りの製造工程が容易となる。ま
た、電気容量Ｃも小さくできるため、高速動作が可能で
ある。利得導波路構造の場合は、活性層の脇を流れるリ
ーク電流は原理的に存在しないため、高出力性、温度特
性の点で有利となり、その再現性も高い。更に、活性層
の脇を露出してから、２回目の結晶成長をしないため、
信頌性も高い。

また、導電性領域付きの半絶縁性半導体基板表面が平坦
であるため、その上の発光層までの距離を薄くできる。

従って、電流の拡がりも少なく、全面に発光領域があっ
ても、発光面積を小さくできる。これは、レーザの場合
、利得導波路構造としても実効ストライブ幅を１〜２μ
ｍ程度と狭くできることになり、低閾値電流動作が実現
できる。

また、本発明の製作方法では、半絶縁性半導体基板に所
望の形状の深い湾を穿ち、それを導電性（半導体）材？
；Ｉで埋め、更に表面を鏡面研磨するものである。これ
によれば、従来の基板と同様の感覚で使用することがで
きる。つまり、この基板上にＤＦＢレーザ用のコルゲー
ジシン等の加工も行なえるし、結晶成長もできる。最後
にこの基板の裏面を研磨し、溝部の導電性材ｑを露出さ
せ、導通をとる。

また他の製造方法では、半絶縁性半導体基板上に結晶成
長を行なった後、裏面から所望の形状の深い溝を結晶成
長面に達するまで穿ち、その溝に導電性材料で埋めるこ
とにより、導通をとるものである。

（実施例１） 以下、本発明をＧａ　Ｉ　ｎＡｓ　Ｐ／Ｉ　ｎＰ系材料
を用いた分布帰還型レーザダイオードに適用したの斜視
図である。

半絶縁性１ｎＰ基板からなる基板１００には、表裏を貫
通するストライプ状の孔部２００を有し、その溝２００
内にはｎ型１ｎＰ３００が充填されている。

この基板１００およびｎ型１ｎＰ３００の表面には回折
格子１２が設けられ、更にｎ型Ｇａ１ｎＡｓＰ導波路層
１３（λ−１，２７μｍ帯組成、０．１μｍ厚）、アン
ドープＧａ　ＩｎＡｓＰ活性層１４（λ−１，５５μｍ
帯組成、０．１μｍ厚）、ｐ型ＩｎＰクラッド層１５、
ｐ＋型Ｇａ１ｎＡｓＰオーミックコンタクト層１６（λ
−１，１５μｍ帯組成）が積層されている。そして、オ
ーミックコンタクト層１６の表面にはｎ電極３１、また
基板ｌＯＯの裏面にはｎ電極３２が形成されている。

この半導体発光素子によれば、半絶縁性半導体基板１０
０の孔部２００に充填されたｎ型ＩｎＰ３００に電流通
路が制限され、所望の発光領域に電流を絞り込める。こ
のため、電極は全面電極で良く、電極周りの製造工程が
容易となる。また、電気容量Ｃも小さくできるため、高
速動作が可能である。

更に、半絶縁性゛４−導体基板表面か平坦であるため、
その上の発光層までの距離を薄くできる。従って、電流
の拡がりも少なく、全面に発光領域があっても、発光面
積を小さくできる。このため、利得導波路構造としても
実効ストライプ幅を狭くでき、低閾値電流動作が実現で
きる。

次に、この半導体発光素子の製造方法について説明する
。第２図は実施例の分布帰還型レーザダイオードの製作
工程図を示す図である。

まず、半絶縁性１ｎＰ基板１００上に深さ１００μｍ１
幅１μｍのストライブ状の溝２００を反応性イオンビー
ムエツチング法で形成した。次に、Ｉ　ｎ　Ｃ１３とＩ
ｎＰを高温部にセットし、低温部にこの基板１．００を
セットして気相中でＩｎＰを成長する方法（半封管領斜
温度気相トランスポート法）でｎ型ＩｎＰ３００を溝２
００中と基板表面に成長させた（同図ａ）。この方法は
８１０℃程度の比較的低温でできるのと、狭い溝中にも
隙間無く成長するので最適である。

次にその表面を鏡面研磨し、余分な成長層を除去すると
共に表面を平坦にした（同図ｂ）。

更に、この基板の表面に回折格子１２を形成し、その上
にｎ型Ｇａ１ｎＡｓＰ導波路層１３、アンドープＧａ１
ｎＡｓＰ活性層１４、ｐ型１ｎＰクラッド層１５、ｐ＋
型Ｇａ１ｎＡｓＰオーミックコンタクト層１Ｂを順次、
ＭＯＣＶＤ結晶成長法により積層した。勿論、ＬＰＥ結
晶成長法を用いても良い（同図Ｃ）。

この後、ｒｌ型１ｎＰ３００が露出するまで基板１００
の裏面を研磨して、ウェファを完成した（同図ｄ）。こ
れにより基板の表裏間がＤ型１ｎＰ３００を介して導通
する。次に、ウェファの表裏にそれぞれｎ電極３１．ｎ
電極３２を全面に形成した。

このウェファではストライブ状溝２００の１本分が１素
子であるので、そのように襞間分離して、目的とする第
１図に示す３１′導体発光素子を得た。

（実施例２） 第；（図は他の実施例による分ｎ督＾）還型し＝−ザダ
イオードの製作■二程図を示す。

まず、半絶縁性１ｎＰλξ板１００上に回折格子１２を
形成した。この後、その上にｌ”ｌ型Ｇａ１ｎＡｓＰ光
導波層１３　Ｃλ−［２７ｕｒｎ帯組成、０．１μｍ厚
）、アンドープＧａ１ｎＡｓＰ活性層１４（λ−１，５
５μｍ帯組成、０．１μｍ厚）、ｐ型１ｎｐクラッド層
１５、ｐ＋型Ｇａ１ｎＡｓＰオーミックコニ／タクト層
１Ｇ（λ−１，１５μｍ帯組戎）を順次、実施例１ヒ同
様に積層した（間区ａ）。

二の後、裏面から幅１ｕｒｎのストライブ状の溝２００
を形成した。このとき、エッチャントとして塩酸を用い
ると、塩酸はＩｒｘＧａＡｓＰ層をエツチングしないの
で、ｎ型Ｇａ１ｎＡｓＰ光導波層１３で自動的にエツチ
ングが停止する。この場合、成長層の底面で自動的にエ
ツチングが停止するようなエラチャン・トを月Ｒ）るこ
とがポイントである。

次に、第１の実施例と同様に半封管領斜温度気相トラン
スポート法でｎ型Ｉｒ＋Ｐ３００を溝２００中に成長さ
せた（同図ｂ）。

次に、基板１０Ωの裏面を研磨して適当な厚さに調整し
てウェファを完成した（同図Ｃ）。この後、ウェファの
表裏にそれぞれｐ２Ｘ極、■電極を全面に形成した。更
に、ストライブ１水分が１素子であるので、そのように
臂開分離しＣ１第１図に示す半導体発光素子をｊ）た。

［発明の効果］ 本発明によれば、電気容ｆｆ１ｃを小さくできるため、
高速動作が可能な°ｒ導体発光素子が得られる。

更に、全面電極で１１いため、電極周りの工程は極めて
単純化できる。

また、完成度の高い半絶縁性基板を利用するため、絶縁
性が保証され、所望の発光領域に電流を絞り込める。更
に、導電性領域付きの半絶縁性基板表面が平坦であるた
め、その上の発光層までの距離を薄くでき、電流の拡が
りも少ない。このため、全面に発光領域があっても、発
光面積を小さくできる。これは、レーザの場合、利得導
波路措造としても実効ストライプ幅を１〜２μｍ程度と
狭くできることになる。これにより、低閾値電流動作が
実現できる。

更に、ｉｌｌ得導波路構造の場合は、活性層の脇を流れ
るリーク電流は原理的に存在（２ないため、高出力性、
温度特性の点で有利となり、その再現性も高い。また、
活性層の脇を露出し、てから、２回工程図、 第３図は他の実施例の製作Ｔ程図、 第４ の断面構造模式図、 第５図は従来例の高速動作切 代理人　弁理士　則　近　憲　（６ 同　　　　竹　花　喜久男 限らず、ＬＥＤ等の他の平導体発光素子にも適用できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の分布帰還型ｘｚｙｒｉ’ｔジレーザ第 図 第 図 第 図 第 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板の表裏を貫通する所定形状の孔部を有する半
   絶縁性半導体基板と、前記孔部に充填された第１の導電
   型を有する半導体材料と、前記孔部の上で前記第１の導
   電型を有する半導体材料上に積層された少なくとも半導
   体発光層および第２の導電型を有する半導体材料層とを
   有する半導体発光素子。
2. （２）半絶縁性半導体基板に所定形状の溝を形成する工
   程と、前記溝を第１の導電型を有する半導体材料で埋め
   る工程と、次に前記半絶縁性半導体基板の結晶成長面側
   を鏡面研磨する工程と、この基板上に少なくとも半導体
   発光層および第２の導電型を有する半導体材料層を積層
   する工程と、この基板を裏面から前記第１の導電型を有
   する半導体材料が露出するまで前記基板を研磨する工程
   とを有することを特徴とする半導体 発光素子の製造方法。
3. （３）半絶縁性半導体基板上に少なくとも半導体発光層
   および第２の導電型を有する半導体材料層を含む結晶成
   長層を積層する工程と、次に前記半絶縁性半導体基板の
   裏面側から前記結晶成長層の最下層面に達する溝を前記
   半絶縁性半導体基板に形成する工程と、前記溝に第１の
   導電型を有する半導体材料を埋め込む工程とを含むこと
   を特徴とする半導体発光素子の製造方 法。