JPH03183182A - 半導体レーザ素子及びその製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は遠距離光通信用光源に適した半導体レーザ素子
及びその製造方法に関し、特に、単一横モードで発振し
、低電流で安定に動作する半導体レーザ素子及びその製
造方法に関する。

（従来の技術） １μ園帯（１，１〜１．７μ■〉の波長領域で発振する
半導体レーザ素子は、高速遠距離通信分野ニ於ける光通
信用光源として盛んに研究されている。これは、この波
長帯に於ける光通信用石英ガラスファイバの伝搬損失が
極めて低いためである。

特に、高純度材料を用いた低損失石英ガラスファイバに
は、波長１．　３μ口領域に於いて材料分散がないため
、この波長領域のレーザ光を放射する半導体レーザを用
いることによって、ＩＧＨｚ−ｋｍを越える高い遮断周
波数が得られる。

第５図に、１．　３μ−帯の光通信用光源として使用さ
れる従来の半導体レーザ素子の断面図を示す。

この半導体レーザ素子は、埋込型ダブルへテロ構造を有
するものである。

第５図かられかるように、半導体基板２１上に、ｎ型１
ｎＰクラフト層２３、ノンドープＧａ１ｎＡｓＰ活性層
２４、ｐ型１ｎＰクラッド層２５がこの順番で基板２１
側から積層されたダブルヘアロ構造のメサストライプ状
多層膜３１が設けられている。多層膜３１が設けられて
いる領域以外の領域の基板２１上には、ｐ型Ｉｎｌ’ｉ
ｌ流プロ１．り層３６及びｎ型ｌｎＰｍ流ブロック層３
７がこの順番で基板２１側から積層された埋込層が設け
られている。埋込層は、多層膜３１の側面を覆っている
。ｎ型１ｎＰ電流ブロック層３７及びｐ型ＩｎＰクラッ
ド層２５の上には、ｐ型ＩｎＰ層３８及びｐ型Ｇａ１ｎ
ＡｓＰコンタクト層２６が、この順番で基板２１側から
積層されている。ｐ型Ｇａ１ｎＡｓＰコンタクト層２６
上にはＡｕＺｎ電極２８が、基板２１の裏面にはＡｕＧ
ｅＮ極２９が形成されている。

第５図の半導体レーザ素子は、活性＠２４を含む多層膜
３１の側面が埋込層によって覆われている。このために
、単一の横モードで発振するレーザ光が得られる。また
、レーザ光を発振させるために、ダブルへテロ構造に対
して順方向に電圧を印加する場合、埋込層内に設けられ
たｐｎ接合部には逆バイアスが印加される構成となって
いる。

このために、埋込層を流れる無効電流が減少し、多層膜
３１中を電流は集中して効率よく流れる。

従って、発振閾値は低下し、低電流での安定したレーザ
発振が実現する。但し、単一横モード発振を実現し、発
振閾値（■い）を２０＋ｇＡ程度以下の低い値とするた
めには、活性層２４の幅を１．５μｍ〜２μ■程度に設
定する必要がある。

次に、第５図の半導体レーザ素子の従来の製造方法につ
いて説明する。

まず、ＬＰＥ法により、半導体基板２１上にｎ型１ｎＰ
クラッド層２３、ノンドープＧａ１ｎＡｓｒ活性層２４
及びｎ型１ｎＰクラ・１ド層２５をこの順番で基板２１
側から積層する。

次に、後工程で埋込層が埋め込まれる部分を形成するた
めに、ｎ型１ｎＰクラ・ノド層２５上に所望のパターン
を有するエツチングマスクを形成した後、該エツチング
マスクに覆われていない領域のｐ型１ｎＰクラフト層２
５、ノンドープＧａ１ｎＡｓＰ活性層２４、ｎ型１ｎＰ
クラ・ノド層２３をエツチングする。こうして、ＩｎＰ
クラ・ノド層２３、Ｇａ１ｎＡｓＰ活性層２４．１ｎＰ
クラッド層２５からなるメサストライプ状の多層膜３１
が基板２１上に形成される。このときの工・ノチングマ
スクのパターンは、活性層２４の幅を決定する重要なも
のである。

上記のエツチングによりＩｎＰクラ・ノド層２３、Ｇａ
　Ｉ　ｎＡｓＰ活性層２４、ＩｎＰクラッド層２５が除
去された領域の基板２１上に、ＬＰＥ法により、ｐ型１
ｎＰ電流ブロック層３６及びｎ型！ｎＰ電流ブロック層
３７をこの順番で基板２１側から積層する。このとき、
埋込層が多層膜３１の側面を覆うようにし、しかも、ｐ
型！ｎＰ電流プロ９．り層３６とｎ型１ｎＰｉｉ流ブロ
ック層３７の界面（ｐｎ接合面）の高さが、活性層２４
の高さに一致するようにする。

工・フチングマスク除去後、ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層
３７及びＩｎＰクラッド層２５の上に、ＬＰＥ法により
ｐ型１ｎＰ層３８、ｐ型Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓＰコンタクト
層２６をこの順番で基板２１側から積層する。

次に、ｐ型Ｇａ１ｎＡｓｐ＝＋ンタクト層２６上にＡｕ
Ｚｎ１１極２８を、基板２１の裏面にＡｕＧｅ電極２９
を形成する。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上述の従来技術においては、以下に述べ
る問題点があった。

所定幅の活性層２４を形成するためには、基板２１上の
全面に活性層２４を含む多層の膜を形成した後、この多
層の膜の所定領域を高精度でエッチングし、所定幅の多
層膜３１を形成する工程が必要である。レーザ発振の横
モードを安定化するためには、活性層２４の幅の所定の
値からのズレを０．１μｍ程度以下に抑える制御が必要
である。

上記従来技術によれば、ウエノ＼上全面に形成された多
層の膜の所定部分を深くエツチングすることによって多
層膜３１を形成するため、このような精度で、活性層２
４の幅を再現性良く決定することは困難である。このた
め、活性層２４の幅に大きなバラツキが生しることにな
る。

また、無効電流を低減するためには、埋込層に於けるｐ
ｎ接合の高さを活性層の高さに一致させるように、各層
の層厚を制御しなければならない。

ｐｎ接合の高さと活性層２４の高さとの間に大きなズレ
が生じてしまうと、活性層２４を流れることなく埋込層
を流れる無効電流が増加する。このため、半導体レーザ
素子の発振閾値が高くなってしまう。

また、ダブルへテロ構造を形成するための結晶成長工程
と埋込層を形成するための結晶成長工程との間に、エツ
チング工程等の工程が必要であるため、工程が複雑であ
る。更に、上記の結晶成長工程間に、結晶層中に大気雰
囲気から不純物が混入してしまう可能性がある。

このように、従来技術によれば、製造工程中に生じた寸
法のバラツキ等のために、特性の劣化した半導体レーザ
素子が多数形成されてしまうことがある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであ
り、その目的とするところは、活性層の幅の制御を高精
度で行うことができる半導体レーザ素子及びその製造方
法を提供することにある。

本発明の他の目的は、埋込層の層厚の制御を高精度で行
う必要がない半導体レーザ素子及びその製造方法を提供
することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の半導体レーザ素子は、半導体基板と、該半導体
基板上に形成された誘電体膜と、該誘電体膜に形成され
、該基板に達っする溝と、該溝内の該基板上に設けられ
た、活性層を含むメサストライプ状の積層構造と、該積
層構造の両側面に設けられた埋込層とを備え、該基板の
主たる面が（１００）面であり、抜溝が＜０１１＞方向
に沿う溝であり、該積層構造の側面が（１１１）面のフ
ァセットであり、該埋込層が該積層構造の抵抗よりも高
い抵抗を有しており、そのことにより上記目的が遠戚さ
れる。

本発明の製造方法は、（１００）面を主たる面とする半
導体基板上に誘電体膜を形成する工程と、＜０１１＞方
向に沿う溝を該基板に達するようにして該誘電体膜に形
成する工程と、活性層を含むメサストライプ状の積層構
造を該溝内の該基板上にのみ選択的に成長させる工程と
、該積層構造の側面を該積層構造よりも高い抵抗を有す
る材料で埋め込む工程と、を包含しており、そのことに
より上記目的が達成される。

（実施例） 以下に本発明を実施例について説明する。

第１図に、本発明の第１の実施例の断面図を示す。

面方位（１００）のｎ型１ｎＰ基板１の上に、Ｓｔ、Ｎ
４膜からなる非晶質の誘電体膜（膜厚０゜２〜０．５μ
■）２が設けられている。誘電体膜２には、基板１に達
する幅５μｍの溝１０が［０１１］方向（共振器方向、
図面に垂直）に沿うようにして設けられている。基板１
に達する溝ＩＯが誘電体膜２に設けられているので、溝
ｌＯを介して電極間に駆動電流が流れることになる。

溝ｌＯ内の基板ｌ上には、ＳＩドープｎ型ＩｎＰクラッ
ド層（層厚２μ■、キャリア濃度ｎ　％　Ｉ　Ｘｌ　０
　”ｃｏ＋−３）　３、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ活性
層（層厚０．１５μｍ、発振波長１．．３μｍ）４、Ｚ
ｎドープｐ型１ｎＰクラッド層（層厚１μｍ１キャリア
濃度ｐ　〜５　Ｘ　１０　”ｃ＋ｅ−３）　５、及びＺ
ｎｎドープ型Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓＰ：ｆｆンタクト層（層
厚０゜１μ−、キャリア濃度１）　〜１　ｘ　１０　”
ｃｍ−３）　　６がこの順番で基板ｌ側から積層された
メサストライプ状の積層構造からなる多層膜１１が設け
られており、ダブルへテロ構造が形成されている。多層
膜１１の側面は（１１１）　Ｂ面であり、側面と基板ｌ
の表面とのなす角度は５４．７度である。従って、この
角度と溝１０の幅とｐ型ＩｎＰクラ・ノド層３の層厚と
によって幾何学的に決定される活性層４の幅は、２μ富
となる。

多層膜１１が設けられている領域以外の領域の基板１上
には、埋込層として、多層膜１１よりも抵抗の高いＦｅ
ドープＩｎＰｉｉ流プロ・ツク層（抵抗率ｉｏ５Ω・８
１以上）７が、多層膜１１の側面を覆うようにして設け
られている。

高抵抗ＩｎＰＮ流ブロツブロック層型Ｇａ１ｎＡｓＰコ
ンタクト層６上にはＡｕＺｎ電極８が、基板ｌの裏面に
はＡｕＧｅ電極９が形成されている。

本実施例の半導体レーザ素子は、（１１１）８面ファセ
ットの側面を有するメサストライプ状のダブルへテロ構
造を備えている。（１１１）８面ファセットと基板１の
表面とのなす角度は、結晶学的に定まった値（５４，７
度）である。このような（１１１）８面ファセットの側
面を有するメサストライプ状のダブルへテロ構造によっ
て、後述するように、例えばＭＯＣＶＤ法を用いた選択
成長によって形成することができるという効果がもたら
される。

本実施例の半導体レーザ素子は、この角度と溝１０の幅
とｎ型ＩｎＰクラッド層３の層厚と・によって定まるバ
ラツキの少ない幅を有する活性層４を備えているため、
発振横モードが安定し、しかも素子間の特性バラツキが
低減されている。

また、埋込層が高抵抗層であり、しかも埋込層と基板１
との間に誘電体層２が設けられているため、埋込層を流
れる無効電流が低減されている。

以下に、第１図に示す半導体レーザ素子の作製方法につ
いて第２図を参照しながら説明する。

まず、面方位（１００）のｎ型１ｎＰ基板１上に、プラ
ズマＣＶＤ法を用いて５ｔ３Ｎ、膜からなる誘電体膜２
を形成した。次に、通常のフォトエツチング工程により
、幅５μｍの溝１０を、［０１１］の方向に沿うように
して誘電体膜２に形成した（第２図（ａ））。なお、溝
１０の深さが基板ｌに達するように、エツチング条件を
調節した。

次に、ＭＯＣＶＤ法を用いた選択成長により、溝１０内
の基板ｌ上にのみダブルへテロ構造を有する多層膜１１
を形成した（第２図（ｂ））。このとき、非晶質の誘電
体膜２上では結晶成長が起こらないようにした。結晶成
長の際、ガス種等を調節することにより、ｎ型１ｎＰク
ラッド層３、ノンドープＧａ　Ｉ　ｎＡｓＰ活性層４、
ｐ型ＩｎＰクラッド層５、及びｐ型Ｇａ１ｎＡｓＰコン
タクト層６をこの順番で基板ｌ側から連続的に成長させ
た。このとき、基板温度を約６５０℃に、また、雰囲気
圧力を約７６Ｔｏｒｒに保った。この選択成長の際、（
１１１）　８面上には結晶成長が起こらないという成長
速度の面方位依存性があり、結晶成長後の多層膜１１の
側面には、（１１１）８面ファセットが形成された。こ
うして、［０１１］方位に沿う満１０上には、結晶成長
面である上面を（１００）面とし、溝１０に沿う側面を
（１１１）８面とする多層膜１１を形成した０次に、多
層膜１１を成長させなかった誘電体膜２上に、高抵抗１
ｎＰ電流プロ・ツク層７を、多層膜１１の側面を覆うよ
うにして成長させた。成長の際、基板温度を約５５０℃
に、また、雰囲気圧力を７６０Ｔｏｒｒ　（常圧）に保
った。この成長条件では、選択成長が起こらないため、
多層膜ｌｌ上にも誘電体膜２上にもほぼ同じ厚さの層が
成長したく第２図（Ｃ））。なお、誘電体膜２が非晶質
膜であるため、その上に成長させた高抵抗！ｎＰ電流ブ
ロック層７は、非晶質又は多結晶となっている。

上記の多層膜を形成したときの選択成長と埋込層を形成
したときの非選択的な成長とは、同一のＭＯＣＶＤ装置
内に於いて、ウェハを大気中に取り出すことなく、ただ
温度、圧力等の成長条件を変更するだけで連続して行っ
た。

次に、ポリイミド樹脂ＰＩＱ（不図示）をウェハ上の全
面に塗布した後、ポリイミド樹脂ＰＩＱ及び高抵抗１ｎ
Ｐ電流ブロツク層７の一部をその表面からｐ型Ｇａ１ｎ
ＡｓＰコンタクト層６の上面までエッチバックすること
により、ウェハ表面の平坦化を行った（第２図（ｄ））
。

平坦化された高抵抗ＩｎＰ電流ブロック層７及びｐ型Ｇ
ａ１ｎＡｓＰコンタクト層６上にＡｕＺｎ電極８を形成
した。また、基板１の裏面にＡｕＧｅｍ極９を形成した
（第２図（ｅ））。こうして、第１図の半導体レーザ素
子が形成された。

このように、本実施例では、所定幅を有する活性層４を
歩留り良く形成するために、ＭＯＣＶＤ法により、活性
層４を含む多層膜１１を基板１上の溝１０の上にメサス
トライプ状に選択成長させた。こうしてリッジ状に成長
させた多層膜１１の側面に（１１１）Ｂ面を有するファ
セットを形成した。（１１１）８面ファセットと基板１
の表面とのなす角度は、結晶学的に定まった値（５４゜
７度）であるため、溝１０の幅に対してｎ型ＩｎＰクラ
ッド層３の層厚を調節することによって活性層４幅を高
精度で制御することができた。こうしてリッジ状の多層
膜１１を形成したため、従来の上うにウェハ上全面に形
成された多層の膜の所定部分を深くエツチングする工程
が不要であった。

このため、活性層４の幅の設計寸法が２μｍ程度である
にもかかわらず、この値からのズレを０．１μｍ以下に
抑えることが容易であった。従って、活性層４の幅を再
現性良く制御することができ、活性層４の幅に大きなバ
ラツキが生じてしまうことがなくなった。

また、上記の選択成長と非選択な成長とを、同一のＭＯ
ＣＶＤ装置内に於いて、ウェハを大気中に取り出すこと
なく連続的に行ったため、工程が簡単化され、大気雰囲
気から結晶層へ不純物が混入してしまうことが防止され
た。

また、埋込層として設けた高抵抗！ｎＰ電流ブロック層
７は、ｐｎ接合を有しない高抵抗層であるため、その層
厚を高精度で制御する必要がなかった。従って、工程バ
ラツキによって埋込層を流れる無効電流が増加してしま
うこともなく、発振閾値が低い半導体レーザ素子を歩留
り良く製造することができた。

第２の実施例について、以下に第３図を参照しながら説
明する。

第２の実施例では、満１０の沿う方向が［０１１］であ
る。

面方位（１００）のｎ型１ｎＰ基板１の上に、８１３Ｎ
４膜からなる非晶質の誘電体膜（膜厚０゜３μ＋ｎ）　
２が設けられている。誘電体膜２には、基板１に達する
幅１．５μ阻の溝１０が［０１１］方向く共振器方向、
図面に垂直〉に沿うようにして設けられている。溝１０
の沿う方向が［０１１］であることによって、選択的に
溝１０に成長する多層膜１１の側面である（１１１）Ｂ
面と基板１の表面とがなす角度は、結晶学的に決まる値
（１２５，３度）となる。従って、第１の実施例の場合
とは異なり、第３図に示すように、第２の実施例では活
性層４の幅が溝１０の幅よりも広くなる。

本実施例でも、溝１０の幅に対してｎ型１ｎＰクラッド
層３の層厚を調節することによって、活性層４の幅を高
精度で制御することができる。従って、第１の実施例と
同様の効果を得ることができる。

第３の実施例について、以下に第４図を参照しながら説
明する。第３の実施例では、ダブルヘテロ構造を有する
多層膜１１を形成する工程までは、第１の実施例の工程
と同様であるので、埋込層の形成工程以降の工程につい
て説明する。

第３の実施例を作製する際、多層膜工１を選択成長によ
り形成した後、多層膜１１が形成されていない領域の基
板！上に、第１の実施例と同様の方法により、埋込層と
して、高抵抗１ｎＰ電流ブロツク層７を、多層膜１１の
側面を覆うようにして成長させる。このとき、高抵抗１
ｎＰ電流ブロツク層７の層厚を多層膜１１の膜厚よりも
薄くする点が、第１の実施例と異なる点のひとつである
。

高抵抗？ｎＰ電流ブロック層７を形成した後、高抵抗Ｉ
ｎＰ電流ブロック層７のうちｐ型ＧａＩｎＡｓＰコンタ
クト層６上に位置する部分に対して、ｐ型不純物のイオ
ン注入を行う。これによって、その部分のみを低抵抗の
ｐ型拡散層１３とする。

次に、ウェハ上にＳＯＧ膜１４を形成することによって
ウェハ表面を平坦化した後、ＳＯＧ膜１４を表面からエ
ヅチバックすることによってｐ型拡散層１３の表面を露
出させる。

最後に、ｐ型拡散層１３及びＳＯＧ膜１膜上４上ｕＺｎ
電極８を形成し、基板１の裏面にＡｕＧｅ電極９を形成
する。

本実施例の半導体レーザ素子によれば、他の実施例と同
様に、低電流で安定した単一横モード発振を達成するこ
とができる。

本実施例では、平坦化をＳＯＧ塗布法と工・フチバック
法とを併用して行う例について説明したが、平坦化をＳ
ＯＧ塗布法だけで行っても良い。

また、ｐ型拡散層１３を形成する方法として、イオン注
入性以外に、他のドーピング方法を用いても良い。

なお、上記の何れの実施例でもＧａ　ＩｎＡｓＰ系半導
体材料を用いたが、他の系、例えばＡｌＧａＡｓ系、Ｉ
ｎＧａＡＩＰ系等の半導体材料を用いても同様の効果を
得ることができる。半導体の導電型については、実施例
の導電型を逆にしたものであっても良い。

また、上記実施例では、溝の沿う方向として［０１１］
の場合、及び［０１１］の場合について説明したが、＜
０１１＞で示される他の結晶学的に同価な方向であって
も良い。

（発明の効果） このように本発明の半導体レーザ素子は、（１１１）面
の側面を有するメサストライプ状のダブルへテロ構造を
備え、所望の値に幅が高精度で調節された活性層を有し
ているため、発振横モードが安定し、しかも素子間の特
性バラツキが低減されている。また、埋込層が高抵抗層
であり、しかも埋込層と基板との間に誘電体層が設けら
れているため、埋込層を流れる無効電流が減少し、発振
閾値が低減されている。

本発明の製造方法によれば、　（１１１）面の側面を有
するダブルへテロ構造の多層膜を基板上の溝に選択成長
させることによって、活性層幅を再現性良く高精度で制
御することができる。このため、活性層幅に大きなバラ
ツキが生じない。従って、所定幅の活性層を有し、単一
横モードで安定に動作する半導体レーザ素子を歩留り良
く形成することかできる。

また、ダブルへテロ構造を形成するための層成長工程と
埋込層を形成するための層成長工程とを、それらの工程
の間にエツチング工程を行うことなく、同一装置内に於
いて連続的に行うことができる。このため、工程が簡単
化され、大気雰囲気から成長層へ不純物が混入してしま
うことが抑制される。

また、埋込層の層厚を高精度で制御する必要がない、こ
のため、埋込層形成の際の工程バラツキによって埋込層
を流れる無効電流が増加してしまうこともなく、発振閾
値が低い半導体レーザ素子を歩留り良く製造することが
できる。

従って、本発明によれば、低電流で単一横モード発振を
行う、特に、遠距離光通信用光源に適した半導体レーザ
素子を歩留り良く提供することができる。

４、　　　の、　な！日 第１図は本発明の第１の実施例を示す断面図、第２図（
ａ）〜＜ｅ＞は第１の実施例の作製方法を説明するため
の断面図、第３図は第２の実施例を示す断面図、第４図
は第３の実施例を示す断面図、第５図は従来例を示す断
面図である。

１・・・ｎ型１ｎＰ基板、２・・・誘電体膜、３・・・
ｎ型ＩｎＰクラッド層、４・・・ノンドープＧａＩｎＡ
ｓＰ活性層、５・・・ｐ型１ｎＰクラッド層、６・・・
ｐ型Ｇａ１ｎＡｓＰコンタクト層、７・・・高抵抗１ｎ
Ｐ電流ブロツク層、８・・・ＡｕＺｎ電極、９・・・Ａ
ｕＧｅ電極、１０・・・溝、１１・・・多層膜、１３・
・・ｐ型拡散層、１４・・・ＳＯＧ膜。

以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板と、 該半導体基板上に形成された誘電体膜と、 該誘電体膜に形成され、該基板に達っする溝と、該溝内
   の該基板上に設けられた、活性層を含むメサストライプ
   状の積層構造と、 該積層構造の両側面に設けられた埋込層とを備え、 該基板の主たる面が（１００）面であり、 該溝が＜０１１＞方向に沿う溝であり、 該積層構造の側面が｛１１１｝面のファセットであり、 該埋込層が該積層構造の抵抗よりも高い抵抗を有してい
   る半導体レーザ素子。 ２、（１００）面を主たる面とする半導体基板上に誘電
   体膜を形成する工程と、 ＜０１１＞方向に沿う溝を該基板に達するようにして該
   誘電体膜に形成する工程と、 活性層を含むメサストライプ状の積層構造を該溝内の該
   基板上にのみ選択的に成長させる工程と、該積層構造の
   側面部分を該積層構造よりも高い抵抗を有する材料で埋
   め込む工程と、 を包含する半導体レーザ素子の製造方法。