JPH02246289A

JPH02246289A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JPH02246289A
Application number: JP6804189A
Authority: JP
Inventors: Soichi Kimura; 木村　壮一; Nagataka Ishiguro; 永孝石黒
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-03-20
Filing date: 1989-03-20
Publication date: 1990-10-02

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】（産業上の利用分野）本発明は、光フアイバ通信あるいは光記録再生等に利用
される半導体発光素子に関するものである。

（従来の技術）光フアイバ通信等の発光源として用いられる半導体レー
ザあるいはＬＥＤ（端面発光型）は、従来−船釣に２回
のエピタキシャル成長により作製されていた。

第１０図に、従来の２回のエピタキシャル成長により作
製されたＩｎＧａＡｓＰ／　ＩｎＰレーザの構造断面図
を示す、これは、まず１回目のエピタキシャル成長によ
りｎ型ＩｎＰ基板５１にｎ型ＩｎＰクラッド層５２とＩ
ｎＧａＡｓＰ活性層５３とｐ型ＩｎＰクラッド層５４を
成長した後１選択的にメサエッチングを行い、２回目の
エピタキシャル成長によりメサを埋め込むことにより形
成される。２回目のエピタキシャル成長では、メサ領域
に電流を閉じ込めるためにｐ型ＩｎＰブロック層５５と
ｎ型ＩｎＰブロック層５６とＰ型ＩｎＰ埋込み層５７と
ｐ型ＩｎＧａＡｓＰキャップｆｉ５８を成長する。

この時、ｐ型ＩｎＰブロックＭ５５とｎ型１ｎＰブロッ
ク層５６はメサ上には成長させずメサ以外の領域のみ成
長させ、また、Ｐ型ＩｎＰ埋込み層５７とｐ型ＩｎＧａ
ＡｓＰキャップ層５８はメサ上も含めた全面に成長させ
る。これは、メルト溶液中の過飽和度を適当に調整する
ことにより行っている。

このようにして形成されるＩｎＧａＡｓＰ　／　ＩｎＰ
レーザにおいては、電流と光の閉じ込めがなされている
ため低しきい値電流で発振し、効率も高いため実用化さ
れている。

（発明が解決しようとする課題）ところが、このような従来の構造のレーザでは、以下の
ような欠点を有している。

すなわち、２回目のエピタキシャル成長では、バッファ
層を成長させず直接高温にさらされた基板に成長させる
ので、基板表面のｎ型ＩｎＰクラッド層５２とｐ型Ｉｎ
Ｐブロックｆｆ１５５で形成されるｐｎ接合が劣化しや
すい。このｐｎ接合が劣化すると、活性層以外に流れる
リーク電流が増加するため、発振しきい値が増大し、効
率も減少する。また。

２回目のエピタキシャル成長で昇温する際、１回目のエ
ピタキシャル成長で成長したｐ型ＩｎＰクラッド層５４
の不純物（例えば、Ｚｎ等）が拡散しやすく、ｎ型Ｉｎ
Ｐクラッド層５２とＩｎＧａＡｓＰ活性層５３とＰ型Ｉ
ｎＰクラッド層５４とで構成される、いわゆるダブルへ
テロ接合において、ｐｎ接合位置が変化しやすくなる。

このｐｎ接合位置が変化した場合、レーザの発振しきい
値や効率にばらつきを生じる。

以上のことは、レーザの歩留り低下および信頼性の低下
を招く。これらのことは、全て２回のエピタキシャル成
長を行うことにより生ずる問題である。

また、２回のエピタキシャル成長を行うこと自体コスト
が高くなり、また、工程が長くなるため、歩留りが低下
するという欠点がある。

本発明は、このような問題を解決することを目的とする
。

（課題を解決するための手段）本発明は、第１の導電型の半導体基板に選択的にメサを
形成したメサ付基板上に、基板と逆の導電型の第２の導
電型の第１の層をメサ上を除いて選択的に成長させ、連
続して第１の導電型の第２の層を成長させ、さらに第１
の導電型あるいは第２の導電型の第３の層を少なくとも
メサ上に成長させ、続けて第２の導電型の第４の層をメ
サ上も含めた基板全面に連続して成長させた半導体発光
素子である。

（作　用）本発明による半導体発光素子においては、１回のエピタ
キシャル成長だけで作製できるため、従来の２回のエピ
タキシャル成長を行うことにより生ずる問題点を解決で
きる。

（実施例）本発明による実施例を、　ＩｎＧａＡｓＰ／　ＩｎＰ系
レーザについて説明する。第１図に第１の実施例の断面
図を示す。この構造は、第２図に示すようなメサ付基板
上に液相エピタキシャル成長することにより得られる。

第２図に示すメサ付基板は、ｐ型ＩｎＰ基板１１上に通
常の絶縁膜工程とフォトリソグラフィ工程とエツチング
工程により選択的に絶縁膜（図示せず）を形成した後、
基板をエツチングして形成する。基板のエツチングは、
　ＨＣｆｌ系のエツチング液（例えば、ＨＣＱ　：　Ｈ
，ＰＯ４−１：　２）を用いると容易にできる。この時
、メサ１６の高さは３〜４μｍ、幅は１．５〜２．（ｌ
ｐｍが望ましい、これは、ＨＣＱ　：Ｈ，ＰＯ，＝　１
　：　２を用い、３〜４分エツチングすることにより容
易にできる。次に、エツチングマスクに用いた絶縁膜を
除去し、Ｈ，Ｓｏ４系溶液溶液板を洗浄した後、液相エ
ピタキシャル成長を行う。

エピタキシャル成長は、ｐ型ＩｎＰ基板１１上に、ｎ型
ＩｎＰブロック層１２（厚み〜０．５μｌ１１）とｐ型
ＩｎＰクラッド層１３（厚み〜０．５μｌ１１）とＩ　
ｎ　Ｇ　ａ　Ａｓ　Ｐ活性層１４（組成λ、＝１．３μ
ｍ、厚み〜０．１μ１１）とｎ型ＩｎＰクラッド層１５
（厚み〜６μ■）を成長する。この時、ｎ型ＩｎＰブロ
ック層１２のみメサ１６上を除いて選択的に成長させ、
他の３層はメサ１６上も含めた基板全面に成長させる。

これは、メルト溶液中の過飽和度を適当に調整すること
により可能である。すなわち、メサの側面では成長速度
が速いので、過飽和度が小さい場合は、メサ上での過飽
和度が非常に小さくなってメサ上に成長しない、ところ
が、過飽和度が大きい場合は、メサ上でも過飽和度が存
在するためメサ上にも成長する。従って、ｎ型ＩｎＰブ
ロック層１２のみ過飽和度を小さくし、他の３層の過飽
和度を大きくしてやれば、ｎ型ＩｎＰブロック層１２の
みメサ１６上には成長せず、他の３層はメサ１６上にも
成長させることができる。

成長後、ｐ型ＩｎＰ基板１１およびｎ型ＩｎＰグラツド
層１５に、それぞれｐ側電極１８（例えば、Ａｕ／Ｚｎ
）およびｎ側電極１７（例えば、Ａｕ／Ｓｎ）を通常の
電子ビーム蒸着法により形成する。

このようにして作製されたレーザを順方向にバイアスす
ると、メサ１６以外の領域ではｎ型ＩｎＰブロック層１
２が存在するため、ｐｎｐｎサイリスタ構造により電流
が流れない、従って、電流は第１図に示されるように、
矢印ａのようにメサ１６のみ流れる。さらに、メサ１６
に流れた電流は、ｐ型ＩｎＰクラッド層１３が薄いため
横方向へほとんど広がらず、メサ１６上の活性層へ効率
的に注入される。

また、　ＩｎＧａＡｓＰ層は平面上への成長に比べ曲面
上への成長の方が成長速度が速いという特徴があるため
、第１図に示されるように、　ＩｎＧａＡｓＰ活性層１
４はメサ１６上で厚く、メサ１６の側面で薄く、あるい
は途切れて成長する。よって１発光領域１９の活性層の
両側はＩｎＰで囲まれることになり、ＩｎＰとＩｎＧａ
ＡｓＰの屈折率差により発光した光が活性層内に閉じ込
められる。すなわち、発光領域１９においては電流と光
の閉じ込めがなされており、これは。

従来例で示したような２回のエピタキシャル成長で作製
したレーザと同様である。実際に、以上のようにして作
製したレーザの特性を調べたところ、発振しきい値とし
て２０〜３０ｍＡ、外部微分量子効率（片端衝当たり）
２５〜３０％が得られ、２回のエピタキシャル成長で作
製されるレーザと同等の特性が得られた。さらに、信頼
性試験の結果１歩留り６０％で１万時間以上の寿命を持
つ素子が得られ、従来のレーザに比べ大幅に改善された
。これは、２回のエピタキシャル成長を行わず、１回の
エピタキシャル成長だけでレーザを作製するため、従来
問題となっていた埋込み層のｐｎ接合の劣化や不純物の
拡散を防ぐことができたことによるものである。

次に、第２の実施例について説明する。第３図は、第２
の実施例の断面図を示している。第１の実施例と異なる
ところは、基板に形成するメサの形状であるが、成長層
の条件は第１の実施例と同じである。第１の実施例にお
いて、メサ１６上の活性層に十分な光の閉じ込めを行わ
せるためには。

メサ１６での段差をある程度大きく　Ｌ／、　ＩｎＧａ
ＡｓＰ活性層１４がメサ１６上で厚く、メサ１６の側面
で薄く成長するようにしなければならない、メサ１６の
高さは、エツチングの制御性を考慮すると３〜４μｍが
限界であるので、段差を大きくするためにはｎ型ＩｎＰ
ブロックＭ１２をある程度薄く（〜０．５μｍ）成長す
る必要がある。そこで、第１の実施例においてｎ型Ｉｎ
Ｐブロック５１２を薄く成長すると、メルト溶液中の過
飽和度のわずかな変化により、第９図に示すような段切
れ９１が発生し、リーク電流の原因となる場合がある。

これは、メサ１６の側面側の領域９２における成長速度
が平坦部に比べ速いため。

その外側の平坦部における過飽和度が小さくなることに
より、わずかなメルト溶液の過飽和度の変化でもメサ周
囲に部分的な不飽和領域が生じるためである。第２の実
施例では、これを改善するために、メサ部の形成方法に
さらに工夫を加えた。

メサの形成は、まず、第４図に示すように、ネガレジス
ト４２のパターンを通常のフォトリソグラフィ工程によ
り形成後、これをマスクとして１例えばｒ３ｒ・メタノ
ール溶液（０，４％）によりエツチングする。約１分間
エツチング後の断面形状を第５図に示す１図に示される
ように、エツチングにより２つの溝４０が形成され、同
時に２つの溝４０に挟まれた領域にメサ３６が形成され
る。この時、メサ３６の幅は１．５〜２．０趨、高さ、
すなわち２つの溝４０の深さは〜３．０μ墓が望ましい
、然る後、ネガレジスト４２を除去後、再びネガレジス
ト４３を塗布し、通常のフォトリソグラフィ工程により
、第６図に示すように、メサ３６のみを覆うようにパタ
ーニングする。これをマスクとして１例えばＢｒ・メタ
ノール溶液（０，６％）を用い、約４５秒エツチングす
ると、第７図に示すような形状となる０図に示されるよ
うに、　Ｂｒ・メタノール溶液によりエツチングすると
、２つの溝４０と基板表面との境となる角（領域４１）
が滑らかになる。

第７図に示す形状のｐ型ＩｎＰ基板３１に、ｎ型ＩｎＰ
ブロック層３２とｐ型ＩｎＰクラッド層３３とＩｎＧａ
ＡｓＰ活性層３４とｎ型ＩｎＰクラッド層３５を第１の
実施例と同様の条件で成長し、さらに、第１の実施例と
同様に電極を形成した後の断面を第３図に示す０図に示
されるように、第７図の形状のメサ付基板に成長させる
と、ｎ型ＩｎＰブロック層３２を薄くしても段切れは発
生しない、これは、溝４０内の表面はどの部分において
もある曲率をもった面があられれているため、成長速度
がどの部分においてもほぼ一定となり、よって、過飽和
度の分布が起きないためである。従って、ｎ型ＩｎＰブ
ロック層３２をできるだけ薄くして、活性層のメサ３６
における段差を大きくすることができる。実際に、ｎ型
ＩｎＰブロック層の厚みを０．３〜０．４μ墓として成
長させても段切れは発生しなかった。この時、活性層の
厚みはメサ３６上で〜０．１μ−となり、メサ３６の側
面ではほとんど成長しなかった。これは、ｎ型ＩｎＰブ
ロック層の厚みを薄くしたことによって、活性層のメサ
３６における段差を２．８〜３．２μ■と大きくできた
ことによるものである。

ところで、基板にメサを形成する工程において。

第６図と第７図に示される工程は、次のような理由によ
り必要となる。すなわち、第６図、第７図の工程なしに
第５図のｐ型ＩｎＰ基板３１に成長すると、第８図に示
されているように、２つの溝４０と基板表面との境とな
る角（矢印すの部分）においてｎ型ＩｎＰブロック層４
６が途切れ、バイアス時に矢印すのごとくリーク電流が
流れる。これは、ｎ型ＩｎＰブロック層４６をメサ３６
上に成長させないため過飽和度を小さくしているが、そ
のため、２つの溝４０ど基板表面との境となる角（矢印
すの部分）において過飽和度が非常に小さくなるためと
考えられる。第６図、第７図に示す工程により、２つの
溝４０と基板表面との境となる角をエツチングすると１
図に示されるように領域４１が滑らかになり。

成長時にｎ型ＩｎＰブロック層４６がこの領域で途切れ
ることはない、これは、領域４１が滑らかになると２つ
の溝４０と基板表面とが曲面でつながることになり、よ
って、この領域において成長速度の差がなくなり、過飽
和度の分布が起こらないためによるものと考えられる。

実際、第３図に示されるように、ｎ型ＺｎＰブロック層
３２の厚みを０．３〜０．４μ讃と薄く成長した場合に
おいても、領域４１において途切れが発生することはな
かった。

以上のような理由により実際に作製されたレーザにおい
ては、ｎ型ＩｎＰブロック層を０．３〜０．４ｐｍと薄
くしても段切れが発生せず、よって、リーク電流をなく
した状態でメサの段差を制御性よく高くでき、活性層の
形状の再現性が第１の実施例に比べ大幅に改善される。

これらのことにより１発振しきい値が１５〜２５ｍＡ、
外部微分量子効率が２７〜３２％（片面当たり）と、第
１の実施例に比べ同等もしくはより良好な特性が得られ
た。さらに、第２の実施例の特徴として、ウェハ内およ
びウェハ間でのばらつきの少ない１歩留りの高い素子が
再現性よく得られた。

以上、２つの実施例について述べたが、２つの実施例と
も成長層である第２層、すなわちｐ型ＩｎＰクラッド層
をメサ上にも成長させている。これは、通常基板に直接
活性層を成長させると基板欠陥の影響を受けやすいとい
われているためであるが、我々の実験によれば、Ｐ型Ｉ
ｎＰクラッド層をメサ上に成長させず直接活性層をメサ
上に成長させた場合においても、ｐ型ＩｎＰクラッド層
をメサ上に成長させた場合と同様の結果が得られた。

従って、先に述べた実施例においては、ｐ型ＩｎＰクラ
ッド層をメサ上にも成長させる場合を示したが、ｐ型Ｉ
ｎＰクラッド層をｎ型ＩｎＰブロック層と同じようにメ
サ上を除いて選択的に成長させてもかまわない、この時
は、ｐ型ＩｎＰクラッド層の過飽和度を実施例の場合よ
り適当に小さくしてやればよい。

なお１本実施例ではＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系レーザに
ついて述べたが、他の化合物半導体材料（例えば。

ＧａＡｓ系）を用いてもかなわない、また、レーザ以外
にも１例えば端面発光型ＬＥＤ等にも応用できる。さら
に、実施例ではｐ型基板を用いたが、特にこれに限定す
る必要はなく、ｎ型基板を用いても同様に形成できるこ
とはいうまでもない。

（発明の効果）以上述べたように、本発明によれば、１回のエピタキシ
ャル成長により素子を作製できるため。

工程を簡略化でき、従来２回のエピタキシャル成長を行
うことによって生じていた問題点、すなわち歩留りの低
下、信頼性の低下およびコスト高という点を解決しうる
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による第１の実施例の断面図、第２図は
第１の実施例の作製プロセスを説明する断面図、第３図
は第２の実施例の断面図、第４図ないし第７図は第２の
実施例の作製プロセスを説明する断面図、第８図は第５
図の基板に成長した場合の断面図、第９図はｎ型ＩｎＰ
ブロック層の段切れ発生時の断面図、第１０図は従来例
の断面図を示す。１１・・・ｐ型ＩｎＰ基板、１２・・・ｎ型ＩｎＰブロ
ック層、　１３・・・ｐ型ＩｎＰクラッド層、　１４・
・・ＩｎＧａＡｓＰ活性層、　１５−ｎ型ＩｎＰクラッ
ド層。１６・・・メサ、　１７・・・ｎ側電極、　１８・・・
ｐ側電極、　１９・・・発光領域。特許出願人　松下電器産業株式会社第１図第２図第６図あり２９２携戚手続補正書（自発）平成１年月２６日

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１の導電型の半導体基板に選択的にメサを形成
したメサ付基板上に、前記基板と逆の導電型の第２の導
電型の第１の層を前記メサ上を除いて選択的に成長させ
、連続して第１の導電型の第２の層を前記メサ上も含め
た基板全面に、あるいは前記メサ上を除いて選択的に成
長させ、さらに連続して第１の導電型あるいは第２の導
電型の第３の層を少なくとも前記メサ上に成長させ、さ
らに連続して第２の導電型の第４の層を前記メサ上も含
めた基板全面に成長させてなることを特徴とする半導体
発光素子。
（２）第３の層の禁制帯幅が第２の層および第４の層よ
り小さいことを特徴とする請求項（１）記載の半導体発
光素子。
（３）メサ付基板は、エッチングにより形成された２つ
の溝に挟まれた領域をメサとし、前記溝と基板表面の境
となる角をエッチングし、滑らかにしてなることを特徴
とする請求項（１）記載の半導体発光素子。
（４）エッチングはＢｒ・メタノール溶液で行われたこ
とを特徴とする請求項（３）記載の半導体発光素子。