JPH0239483A - 半導体レーザダイオードとその製造方法 - 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】 庄」ＬＬｑ上」Ｌ走厨− 本発明は低電流で動作するとともに発振モードを単一に
制御でき内部に電流狭窄層を有する半導体レーザダイオ
ードとその製造方法に関するものであり、特に電流狭窄
層の形成と、発光領域層等の形成を一度のエピタキシャ
ル成長工程中に実現でき、かつ、高速、高出力動作が可
能な、半導体レーザダイオードと、その製造方法に関す
る。

従】Ｊ口支術− レーザダイオードの低電流動作、単一モード化を実現す
るための種々の構造が各所で提案され実施されている。

例えば、雑誌“ＡｐｐＨｅｄ　０ｐｔｉｃｓ”　１．Ｊ
ｕｎｅ（１９７９）の１８１２頁（第１の文献）には、
ＣＰＳレーザが示され、昭和５３年秋季応用物理学会講
演予稿集。

論文番号３ｐ−ｚ−４ｓ４頁（第２の文献）には、ＴＳ
レーザが示され、又、結晶内部に電流狭窄層を有する内
部ストライプ型レーザについては、昭和５５年春、応用
物理学会講演予稿集、論文番号２ａ−Ｇ−８の１５８頁
（第３の文献）のＳＭＬレーザが示され、さらに電子通
信学会電子デバイス研究会予稿集ＥＤ７９−５０．４９
（１９７９）　（第４）文献）ニハ、ｖＳＩＳレーザが
示されている。又、光通信用半導体レーザダイオードと
しては、”Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　Ｌｅｔｔｅｒ”！８（
１９８２）の９５３頁（第５の文献）に発表されたＤＣ
−ＰＢＨレーザが実用化されている。

これらのレーザダイオードは、低電流低閾値動作を図る
ため、注入領域を限定し、単一モード制御のためには屈
折率の大きい活性層を屈折率の小さいクラッド層で挾む
ことにより、先導波路を形成しており、そのヘテロ接合
と平行方向の活性層には、種々のストライプ構造を形成
して屈折率差による、光の閉じ込めを行う「屈折率分布
導波型」を採用している。

しかし、前述の第１、第２の文献のレーザは、注入領域
の限定のためにストライプ状に亜鉛等の拡散を行う必要
があり、そのためにはレーザ発娠部と電流通路とが一致
する様に拡散マスクを精密に位置合わせすることが必要
になる。又、第３、第４の文献のレーザでは、内部に電
流狭窄層を形成するためには、前記層成長の後にエツチ
ング工程で狭窄層の通路を形成し、再びエピタキシャル
成長工程で発光領域を形成しなければならない。

これは、第１のエビタキシャル工程で成長した層が酸化
したり処理工程で汚染され、第２のエピタキシャル工程
で良質な成長層が形成できず、第１のエピタキシャルに
採用可能な材料が限定され素子設計上の大きな制約とな
る。

又、光通信用レーザダイオードとして実用化されている
第５の文献のレーザダイオードでは、第１のエビタキシ
ャル工程での層の酸化が比較的少ない材料であるＩｎＰ
系を用いて、発光領域としてのダブルへテロ接合構造を
形成し、続いて二重チャンネルの内部を電流注入領域と
するために、フォトレジストによるエツチング工程で、
内部ストライプを形成し、その後第２のエビタキシャル
工程で、電流狭窄層を埋め込み成長している。さらに近
年、前記第５の文献のＤＣ，ＰＢＨレーザの電流狭窄層
に、半絶縁体層を用いた実施例が雑誌“Ａｐｐｌｉｅｄ
　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ″４８（２３）９Ｊ
ｕｎｅ１９８６の１５７２頁（第６の文献）に発表され
ているが、第５の文献と同様に二重の成長工程を経なけ
ればならない。

上述した様に、従来技術では、発光領域と電流注入領域
とを、別個の工程で形成している。即ち、発光領域を先
に形成し、電流注入領域を後に形成する第１．第２．第
５．第６の文献の方法と、先に電流注入用の狭窄領域を
形成して、後で発光領域形成する第３．第４の方法とが
あるが、いずれも、二段階のエピタキシャル成長工程で
形成するため、歩留りの低下を防ぐために高い工程能力
が必要とされる。又、製造工程が複雑化、長時間化する
ために製造コストが大幅にアップし、生産性が乏しいも
のとなる。

素子特性上の問題点として、従来の電流狭窄はＰＮ接合
の逆バイアスのバリアーにより電流（ホール）をブロッ
クして導通を阻止するものであるために、印加電流が増
大すると漏れ電流成分も増加し、内部効率が低下する。

第５の文献のＤＣ。

ＰＢＨレーザダイオードの場合には、狭窄部のＰＮＰＮ
接合のサイリスタがターンオンして導通し、光出力か飽
和・減少する。このため、単一モードでの電流−光出力
特性の直線性が失われ、高出力動作が、できなくなる欠
点を有する。

＝　　　、の 本発明は、前述した従来技術を解決するために、電流注
入領域を形成するための電流狭窄層に、半絶縁層を採用
し、−度の液相エピタキシャル工程での内部電流狭窄領
域と、発光領域とを形成する事を可能とする構造及び製
造方法から成る。

本発明の半導体レーザダイオードは基板表面に二重のス
トライプ状の溝に挟まれたメサ型の、ストライプ状凸部
を有する半導体基板と、前記基板の凸部以外の表面に第
１の半絶縁体層と前記基板と同導電型で、この基板より
もバンドギャップが小さい材質から成る活性領域が前記
凸部上に平坦に配置され、さらに前記活性層の前記凸部
以外に隣接して設けられた前記基板とバンドギャップか
等しい第２の半絶縁体層と、前記凸部活性領域に隣接し
た前記基板と異なる導電型でバンドギャップが等しいク
ラッド層から成ることを特徴とする。

本発明の半導体レーザダイオードの製造方法は、一導電
型の半導体基板に、メサ型のストライプ状凸部を形成し
、ボートスライド式液相エピタキシャル成長法により前
記凸部以外に電流狭窄層として、鉄（Ｆｅ）又はコバル
）（Ｇｏ）を添加した半絶縁体層を形成する工程と、前
記凸部を含む全表面に、一導電型の活性層を形成する工
程と、前記活性層の上に、反対導電型のクラッド層及び
キャップ層を順次形成する工程とを含んで構成される。

ｉ且 上記手段の製造方法により、ストライプ状凸部以外は、
半絶縁体層が形成され、凸部頂上の平坦面上には活性層
及びクラッド層が形成されて注入電流の狭窄層での導通
がなくなり、注入電流密度か高くなり、半導体レーザダ
イオードの発振閾値が下がり、低電流動作が可能になる
。又、印加電流を増加してもターンオンしないから、レ
ーザダイオードの反射面の光学的損傷に至るまでの光出
力である約１５０〜２００■Ｗレベルまでの高出力動作
が可能になる。

実」１例− 次に図面を参照しながら本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明の一実施例のレーザ光に垂直な素子の
主要断面図、第２図は電流狭窄部の製造過程を示す斜視
図である。本実施例は、第２図のように半導体基板１０
上に二重のストライプ溝（二重チャルネル）２０と、こ
れらのストライプ溝２０によって挟まれたメサ型の凸部
とが形成され、この半導体基板１０上に電流狭窄層であ
る第１の半絶縁体層１１、活性層１２、第２の半絶縁体
層１３、第２のクラッド層１４、およびキャップ層１５
が一度のエピタキンヤル成長工程で連続して順次形成さ
れたものである。

本、実施例において凸部の両側の溝２０では、第１及び
第２の半絶縁体層１１．１３によって電流が狭窄され、
メサ凸部の頂上２１部分のみに電流が流れる。

なる。又、接合に平行な方向に活性層のＮｅｆｆの変化
率が大きくなると、光の閉じ込め効果が大きくなり、発
光スポットサイズが２〜３μ層以上になると容易に高次
の横モードが発生してしまう。しかし、第３図に示すよ
うに、本実施例の凸部頂上２１の巾は１〜２μ醜程度で
あり、活性層厚は溝の両側の方が厚くかつ、なだらかに
湾曲している。

そのため、光は凸部の両側に漏れ、かつ、実効屈折率の
変化が小さいから、高次の横モードは存在しなくなる。

従って、基本モードのみとなり安定した単一モード制御
が可能となる。

このことから、横モード制御された高出力レーザが、第
２の実施例として提案される。即ち、凸部頂上２１の巾
を２〜４μ醜まで拡大しても、本実施例のように活性層
がなだらかに湾曲していれば、高次モードは発生しない
から、より注入レベルを高め高効率の高出力半導体レー
ザダイオードが可能となる。

尚、低電流動作については、前記〔作用〕の項で述べた
通り、本発明の実施により、漏れ電流を極限まで低下せ
しめることができ、低い発振閾値で、かつ、高出力動作
が可能となる。

次に、本発明の半導体レーザダイオードの製造方法につ
いて説明する。

第２図は本発明のレーザダイオードの製造方法について
説明するために示した断面図である。

まず、第２図に示すように、（１００）面を上面にした
ｎ型１ｎＰ基板１０の上面にフォトレジストを塗布し、
これを幅数μ層２間隔２００〜３００μｍのストライブ
形状で選択エツチングを行い、メサ凸部の頂上２１の巾
が０．５〜２μｍで、凸部の両側に、溝巾がそれぞれ２
〜５μｍになる二重チャンネル２０を形成する。

そして、基板１０の洗浄処理工程を経て、通常のボート
スライド法液相エピタキシャル成長を行う。すなわち、
高純度のグラファイト製ボートにｎ型１ｎＰ基板１０お
よび、各層成長用材料を配置した後に、高純度水素ガス
雰囲気中に、約６３０〜６７０℃で２〜４時間保持した
後に、冷却速度０．３〜０．８℃／ｍｊｎで徐令し、数
”Ｃｒ４温した時点で、第１の半絶縁体層１１となる。

鉄もしくはコバルトが０．３〜１．０　　Ｃａｔｏ■％
〕添加された成長溶液を、基板１０に接触せしめ、凸部
頂上２１以外の部分に比抵抗が１００ｃｍ以上の第１の
ＩｎＰ半絶縁体層１１を成長せしめる。この成長条件は
溶液の過冷却度を極めて小さく抑え、準平衝状態に制御
することである。即ち、面方位の成長速度依存性を強め
て、溶質が凸部傾斜面に拡散し、凸部頂上２１付近に存
在せしめないことが重要な成長条件となる。

次に第３図に示すように、ｎ型１ｎＧａＡｓＰ　４元混
晶を所望の活性層波長組成に制御して、凸部頂上２１で
の、活性層１２の層厚が０．０５〜０．１５μｍに成る
ように成長せしめる。

さらに、第２の半絶縁体層１３を、第１の半絶縁体層１
１同様の成長条件で、凸部以外に成長せしめた後に、第
２のクラッド層１４となる、亜鉛が添加され、キャリア
ｌ農度が５〜２０Ｘ１０”［ｃｍ−’）のＰ型１ｎＰ層
を１〜３μｍ成長せしめ、さらに電極形成のためのＰ型
キ、ヤップ層１５を０．５〜３μ膿、−度の液相エピタ
キシャル成長工程で形成する。続いて、ウェーハ製造工
程を経て、電極形成しさらに、素子製造工程を経て、出
来た半導体レーザダイオードに順方向電流を流して、発
振閾値が数ｍＡ程度で数１１１以上の単一モード光出力
を得ることができ、印加電流を増すと、レーザ光が直線
的に増加し、数１０ｍＷ〜１００ｍＷの光出力を得るこ
とができる。

発則ｊ峠ＬＬ 本発明による効果は以下の通りとなる。

（イ）基板凸部に電流狭窄層ストライプが設けられてい
るため、電流注入領域限定用のストライプ形成のための
マスク位置を、発光領域と精密に合わせ込む必要がない
。従って、注入領域と発光領域とのずれのために生ずる
注入キャリア密度分布の非対称性に伴う発振モードの不
安定性を解消し、単一モード制御が容易に実現できる。

（０）電流狭窄層として、半絶縁体層を採用したために
、漏れ電流成分が極限まで抑えられ、発振閾値の低下と
高出力動作の両者を同時に実現できる。

（ハ）電流狭窄領域作成工程をエピタキシャル成長工程
の間に介在させる、いわゆる“二重エビ”を解消し、−
度のエピタキシャル成長工程で、所期の目的が達成でき
る。

（ニ）半絶縁体層が素子のキャパシタンスを支配するた
め、高速動作が可能になる。

したがって、製造工程での大幅な歩留向上が計られると
ともに、成長装置、成長工数の半減を図れるため、極め
て量産性が高（なる。

以上の説明から明らかな様に、本発明によって低閾値で
高出力動作する単一モードの半導体レーザダイオードが
高い生産性で得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の半導体レーザダイオード
の概略的断面図、第２図は、第１図の（１００）而を上
面にしたＩｎＰ基板のメサ状凸部頂上平坦耶以外の領域
に、液相エピタキシャル成長により電流狭窄用の半絶縁
体層を形成した斜視図、第３図は第１図のダイオードの
要部拡大断面図である。 ０・・・半導体（ＩｎＰ）基板、 １・・・第１の半絶縁体（ｌｎＰもしくはＩｎＧａＡｓ
Ｐ元混晶）層、 ２・・・活性層、 ３・・・第２の半絶縁体（ｌｎＰもしくはＩｎＧａＡｓ
Ｐ元混晶）層、 ４・・・第２のクラッド層、 ５・・・キャンプ層、 ６・・・電流狭窄及び発光領域、 Ｏ・・・二重のストライプ溝（チャンネル）、１・・・
メサ凸部の頂上。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、二重のストライプ状の溝を両側に有し、この二重溝
   に挟まれたメサ型ストライプ状凸部を形成した一導電型
   半導体基板と、 前記凸部の頂上平坦部以外を埋めるよう設けられた半絶
   縁体の第１の電流狭窄層と、 前記基板よりバンドギャップの小さい一導電型活性層と
   、 前記活性層に隣接して、前記凸部頂上平坦部以外を埋め
   るよう設けられた半絶縁体の第２の電流狭窄層と、 前記活性層の上に設けられた反対導電型の第２のクラッ
   ド層と、 前記第２のクラッド層の上に設けられたキャップ層とを
   含むことを特徴とする半導体レーザーダイオード。 ２、（ａ）一導電型半導体基板に、メサ型のストライプ
   状凸部を形成する工程と、 （ｂ）前記凸部頂上の平坦面以外の部分に、鉄、もしく
   はコバルトを添加した溶液を用いてＩｎＰの半絶縁性化
   合物半導体層による電流狭窄層を形成する工程と、 （ｃ）前記凸部を含む全表面に一導電型活性層を形成す
   る工程と、 （ｄ）前記活性層の上に反対導電型の第２のクラッド層
   及びキャップ層を順次形成する工程とを含み、 前記（ｂ）〜（ｄ）の各工程を液相エピタキシャル成長
   法による連続した一度の成長工程で行うことを特徴とす
   る半導体レーザダイオードの製造方法。