JPH03222385A - 埋込み形半導体発光素子 - Google Patents
埋込み形半導体発光素子Info
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
体をクラッド層とする、埋込み形へテロ接合半導体レー
ザもしくは発光ダイオード等の埋込み形半導体発光素子
およびその製造方法に関し、特にI nGaAs系歪量
子井戸を活性層とする埋込み形のストライプ構造または
面発光半導体レーザ等の発光素子の特性改善および微細
構造の作製に関する、埋込み形半導体発光素子およびそ
の製造方法に関するものである。
を屈折率の小さい材料で埋め込む構造を有する埋込み形
ヘテo(Buried Hetero:BH)接合半
導体レーザは、横方向光閉し込めおよび電流閉じ込めか
完全にできるため、理想的な半導体レーザである。また
埋込み形成を液相エピタキシャル(Liquid P
haseEp i t aXy : LPE)により行
えば、メサ形成によりさらされた活性層側面の汚染層ま
たは結晶損傷層が、メルトバックにより、埋込み成長直
前に除去でき、電気的に清浄な界面を形成できるため、
側面リーク電流が少ない最も良好なりH半導体レーザを
作製することができる。しかしながら、大気にさらされ
たAlGaAs層表面にはAl酸化膜を含む安定な母体
酸化膜ができ、AA組成が15%程度以上のAlGaA
s層上にはエピタキシャル成長およびメルトバックが不
可能となる。第3図は従来の埋込み形半導体発光素子と
しての半導体レーザの模式的断面構造図であり、第3図
(alはへテロ接合形成後エツチングを行なった後の構
造、第3図(b)は埋込み成長後の構造を示している。
3図(a)に図示するように、GaAS基板1上に、n
−Al2o、6GaAsクラッド層2、GaAsまたは
I n G a A S歪量子井戸などを含むアンドー
プ活性領域3、I) Alo、5GaAsクラッド層
4、p−GaAsキャップ層5からなるヘテロ接合形成
後、GaAs基板1までエツチングを行なった後(第3
図(al)、埋込み成長はこの上から行ない、第3図(
b)に示す構造を採っていた。即ち、第3図(b)にお
いて6はp−AlxGa 1−x A s埋込み層、7
はn A jl! x G a 1−xAs埋込み層
、8は絶縁膜、9はp側電極である。
チング深さが深くなり微細幅もしくは微細径の形成が困
難である、(2)厚い埋込み成長層が必要である、(3
)基板lから活性層3までの距離が長くなり、埋込み層
内の電流ブロック用pn接合の位置とレーザ活性層3と
の位置関係を調整するのが困難である、なとの欠点かあ
った。このため、Al G a A Sクラッド層を有
するBH(埋込み形へテロ接合)半導体レーザでは、(
1)細いストライプ構造または微小径の面形半導体レー
ザができず・(2)もれ電流か大きい、(3)シきい値
電流が下からない1、(4)横方向モードの単一化が難
しい、などの欠点があった。特に基板に垂直に発振する
面発光半導体レーザでは、活性層を厚くするか、半導体
多層膜ミラーを形成するためエピタキシャル成長層が厚
くなり、この問題点が大きかった。
て説明したが、従来の埋込み形へテロ構造を有する半導
体発光ダイオードにおいても同様の問題点を生じていた
。
テロ)構造の基板側のAlを含む化合物半導体を用いて
形成されたクラッド層の活性層近傍に、活性層の発光波
長に対し透明な、GaAs薄層またはAA濃度が10%
以下のAnGaAsの薄層を設け、この上に埋込み成長
を行うことにより、埋込み深さを少なくし、微細で電流
もれの少ない、かつ光閉じ込めの良いストライプ形また
は面発光形の埋込み形半導体発光素子およびその製造方
注を提供するものである。
れたクラッド層内の活性層近傍にGaAs薄層またはA
l組成の少ないAl!GaAs薄層を設けた点か従来の
埋込み形半導体発光素子と異なるものである。
、本発明は、 クラッド層としてA7を含む化合物半導体を用い、該ク
ラッド層の活性層近傍に、導電形が該クラッド層と同一
のGaAs薄層またはAl濃度か10%以下のAAGa
As薄層を有し、活性層の発光波長が該薄層の吸収端よ
り長いことを特徴とする埋込み形半導体発光素子として
の構成を有するものであり、更に具体的には 、A (! G a AsもしくはApを含む化合物半
導体を用いて形成されたクラッド層の活性層近傍に、導
電形か該クラッド層と同一のGaAs薄層またはAj?
濃度か10%以下のAj2GaAs薄層を有し、活性層
の発光波長か該薄層の吸収端より長いことを特徴とする
埋込み形半導体レーザとしての構成を有するものであり
、或いはまた 発光層がInGaAs歪量子井戸であることを特徴とす
る埋込み形半導体レーザとしての構成を有するものであ
り、或いはまたこれらの埋込み形半導体発光素子もしく
は半導体レーザの製造方法に関するものであって、 上記薄層を基板側クラッド層内に有し、該薄層の上面ま
でメサエッチングを行なった後、液相成長7去により埋
込み形成を行なうことを特徴とする埋込み形半導体発光
素子の製造方法としての構成を有するものであり、更に
具体的には、基板上に第1の導電形のAlを含む化合物
半導体からなる第1のクラッド層を形成する第1の工程
と、 前記第1のクラッド層上にGaAs薄層もしくはAl濃
度か10%以下のAlGaAs薄層を形成する第2の工
程と、 成する第2の工程と、 前記第1のクラッド層上の薄層上に更に前記第1のクラ
ッド層と同一の層を薄く形成し第1のクラッド層内に前
記薄層を埋込み形成する第3の工程と、 前記第3の工程において形成された層上に、発光層とな
る活性領域を形成する第4の工程と、前記活性領域上に
前記第1のクラッド層とは反対の第2の導電形の化合物
半導体からなる第2のクラッド層を形成する第5の工程
と、 前記第2のクラッド層上に、前記第2のクラッド層と同
−導電形のキャップ層を形成する第6の工程と、 前記第1のクラッド層内に設けた前記薄層の上面までの
所定の深さに所定の形状にエツチングを行なう第7の工
程と、 前記露出された薄層表面上にエビタキンヤル成長により
、第2の導電形の第1の化合物半導体埋込み層と第1の
導電形の第2の化合物半導体埋込み層を少なくとも1つ
のpn接合を含んで埋込み形成する第8の工程と、 前記第8の工程後継縁膜を形成し、パターニング後前記
キャップ層に対して電極を形成する第9の工程との工程
の組み合わせにより形成されることを特徴とする埋込み
形半導体発光素子の製造方法としての構成を有するもの
である。
素子としての埋込み形半導体レーザの模式的断面構造図
を示す。
(D H)エピタキシャル成長層を有する構造を示す。
aAsクラッド層2、発光層がInGaAs歪量子井戸
であるGraded Index (GRIN)構造
からなるアンドープ活性領域3、p Alo、5Ga
Asクラッド層4、p−GaASキャップ層5を順次形
成するが、本発明ではn−Ala、g GaAsクラッ
ド層2内の活性層近傍にn−GaAs薄層21を挿入す
る。ここでInGaAs歪層の発光波長は1μm前後と
し、挿入したGaAs (吸収端〜0.9μm)によっ
ては吸収されないようにする。これは組成比としてIn
o、2GaAsを用い、厚さ100人の発光層を用いれ
ば可能である。GRIN構造はAl組成比が活性層近傍
のX=Oからx=0.6程度までのAl、G a l−
x A s層を傾斜的に形成したもので、全体の厚さが
0.05μmから0.3μm程度のものを形成する。
とも言うべきもので、例えば、基板側nAlo、5Ga
Asクラッド層2内でアンドープ活性層3から0.05
μmだけ離れた位置に厚さ0.05μmのn−GaAs
薄層21として挿入する。このn−GaAs薄層21の
厚みd、アンドープ活性層3からの距離りは、上記例の
ように、該GaAs薄層21内で伝搬モートが立たない
様にしておくことが望ましい。アンドープ活性層3内の
伝搬モードは当n−GaAs薄層21内へ幾分しみだし
く上記例では光閉じ込め効率(conf inemen
t factor)rは4%程度)があるが、発光波
長がGaAsにより吸収されないのでロスにはならない
。もちろん、このしみだしは少なくした方が光閉じ込め
効率はよい。
いため、このn−GaAs薄層21を設けることにより
、活性層伝搬モードの等偏屈折率N□は幾分(0,3%
程度)大きくなる。これは、横方向光閉じ込めおよび単
一モード化を行なう場合に考慮しておくべきことである
。例えば、ストライプ部のN□が大きくなることは、本
発明におけると同様のGaAs薄層を上部pAj?o、
6GaAsクラッド層4内に設ける場合にも同様であり
、リッジ形半導体レーザを形成したときには横方向屈折
率差が大きくとれ、横方向光閉じ込めに有利である。
施例としての埋込み形半導体発光素子の製造方法の説明
を行なう。
行なうが、そのエツチング深さは基板側n−AlGaA
sクラッド層2内に設けたn−GaAs薄層21の上面
21aまでとする。この工程では、AlGaAs選択エ
ツチング液を用いるとよい。即ち、AlGaAsをエツ
チングするがGaAsは全くエツチングしないか、また
はそのエツチング速度がAlGaAsに比べて小さいも
の、例えば弗酸、ブロム(Br)−メタノール混合液、
希釈したABエツチング液等を使用するとよい。弗酸の
場合には、GaAsを全くエツチングしない。もちろん
、その前段のエツチング工程としては逆にPAエツチン
グ液等、GaAs選択エツチング液を併用しても良いし
、ドライエツチングにより該GaAsの直上までエツチ
ングしてもよい。エツチング後のGaAs表面21aは
必要ならば、エピタキシャル成長前に希塩酸などにより
さらに清浄化してもよい。
Nアンドープ活性層3を0.3μm、両クラッド層2及
び4の厚さを1,5μm、オーミック形成用p−GaA
sキャップ層5を0゜3μmとすると、2.15μmで
ある。該n−GaAs薄層21が無<n−GaAs基板
1までエツチングするときには従来のエツチング工程に
おけるエツチング深さは3.6μmである。1μm程度
の微細な埋込み用ストライプまたはメサ径を形成すると
きには、深さの方が大きいため、ウェットエツチングの
場合の構成がり、ドライエツチングの場合の深さの制御
バラツキを考慮すると、従来の埋込み形半導体発光素子
におけるエツチング深さとしての3.6μmの値と本発
明による埋込み形半導体発光素子における製造方法とし
てのエツチング深さ2.15μmの値との差は非常に大
きな違いがある。
とみなし、この上に波相エピタキシャル成長により埋込
み成長を行なう。このとき、アンドープ活性層3までの
距離は、0.05μmであリ、従来の埋込み形半導体発
光素子の場合の1゜65μmにくらべ、非常に小さい。
とする場合には、このpn接合のストライプ内活性層と
の位置が重要となる。このpn接合の最適位置は基板が
n形かp形か、または埋込み層6に電極をつけてこの埋
込み層の電位を直接制御するかにより異なるが、いずれ
にせよ、本発明の場合には、成長面からアンドープ活性
層3までの距離が小さいことにより、この位置の調整が
格段に容易となり、また制御性も容易である。
あってもまたクラッド層4と活性層3の境界近傍にあっ
てもよい。
液相成長用のGa溶液によりメルトバックも可能であり
、このGaAsをメルトバックした後埋込み成長させて
もよい。
ったが、Alが10%以下の低濃度の場合には表面の母
体酸化膜の形成が少ないため、この上にAAGaAsの
液相(L P E)成長が可能であり、本発明の目的の
薄層として使用することができる。この場合には、活性
層としてGaAsまたはAl組成が0付近のAlGaA
sの使用が可能である。例えば、活性層3としての発光
層をGaAsとした場合には、該薄層Alo、o4Ga
ASとすればよい。
導体発光素子もしくは半導体レーザの模式的断面構造図
を図示している。2Aおよび4Aは半導体多層膜でなる
n形、p形キャビティー用ミラーで、例えば発光波長に
対し各々、λ/4厚であるGaAs、AlAsからなる
多層膜で構成されている。従って、この場合、上記薄層
21等は多層膜キャビティー用ミラーの一部を構成し、
その厚みはλ/4とする。発光層をInGaAs歪量子
井戸としたときには発光波長は約1μmであり、GaA
s基板に対して透明であるため、n−GaAs基板1側
からレーザ出力が得られる。
ー長はエピタキシャル層の厚さで決まっており、発光サ
イズ、従って動作電流はメサ径で決まる。従って、原理
的には、径を小さくするほど発振しきい値は下がるが、
実際には、径を小さくするほど活性層側面でのリーク電
流(非発光電流)の影響が大きくなり、従来の面発光半
導体レーザのしきい値は、1mA止まりであった。本発
明の面発光埋込み形半導体レーザでは、1μm程度の微
細径でかつ活性層側面が電気的に清浄なため、しきい値
100μA以下の半導体レーザが実現できる。面形レー
ザダイオード(LD)は、多数の素子を2次元配置した
光集積回路の構成として使用されることか多いため、低
しきい値でかつ特性をそろえることが要求されるが、低
しきい値に加え、メサ高さか低いため特性のそろった素
子を提供することかできる。
発光素子としてダブルへテロ接合(DH)形のストライ
プ形または面発光形半導体レーザの場合について主とし
て説明したが、DH形形光光ダイオードLight
Emitting Diode:LED)でも同様に
適用することができる。
で行なう場合に効果が大きいことは上述したが、MOC
VDなどの気相成長で埋込む場合も、前記薄層が埋込み
用の良好な基板表面を提供し、エピタキシャル成長層の
結晶性を改善できる点で同様に効果がある。また発光成
長についても、Ga I nP/AlGa I nP系
可視光半導体レーザなと、クラッド層としてAlGaA
sさらにはAlを含む化合物半導体を用いるものならす
べて適用できる。
反対とした構造でもよいことはもちろんである。即ち、
実施例では基板側をn形としたがp形として形成し、他
の領域の導電形を反対に形成してもよいことはもちろん
である。
はAj?、Ga、As (x≦0.1)薄層を導入した
ことにより、埋込みへテロ接合(B H)エピタキシャ
ル基板が形成され、発光波長に対して透明であり、かつ
例えば、ストライプ型の場合にはモートの伝搬モートが
立たないような条件に形成することで、埋込みへテロ接
合(BH)の深さを小さく形成でき、ストライプ型の場
合にはストライプ幅を微細に、面型の場合には微小パタ
ーンかできるためドツトのサイズを小さくできるという
利点がある。このため、しきい値電流を下げることがで
き、しかも光の閉じ込め効率も良好となり、微細化され
た半導体発光素子もしくは光集積回路用埋込み形半導体
レーザ等が形成できるという利点かある。ま゛た前述の
如く、活性層伝搬モードの等偏屈折率N。9の調整も容
易であり効果的である。
タキシャル成長を用いることかできメサ形成によりさら
された活性層側面の汚染層または結晶損傷層かGaAs
の場合特にGaのメルトバックにより埋込み成長直前に
除去でき、電気的に清浄な界面を形成できるため上記の
如く浅く形成できるとともにさらに側面リーク電流の少
ない良好な埋込み形半導体発光素子が形成できる。
ることができ、本発明による埋込み形半導体発光素子お
よびその製造方法は両方ともに適用できるという利点も
ある。
素子の模式的断面構造図、第2図は本発明の他の実施例
としての面発光埋込み形半導体発光素子(レーザ)の模
式的断面構造図であり、第3図は従来の埋込み形半導体
レーザの模式的断面構造図である。 1− n −G a As基板、2 □・・n A
12 x G a +−xAsクラッド層(x > 0
、 3 ) 、21− n −G aAsまたはn
A 42 x G a +−x A s薄層(X≦0
゜1) 、3=−Alx Gap−、As (0
≦x<0. 1)またはI nGaAs歪量子井戸を発
光層とするGRIN形または通常のレーザ活性層、4・
・・pA jl’ x G a I−x A Sクラッ
ド層(x>0.3)、5−= p −G a A sキ
ャラプ層、6・−p−Aj2.Ga1−xAs埋込み層
、T−=n−Ant Ga1−x AS埋込み層、8・
・・絶縁膜、9・・・p側電極、2A・・・n形半導体
多層膜キャビティー用ミラー 4A°゛。
Claims (2)
- (1)クラッド層としてAlを含む化合物半導体を用い
、該クラッド層の活性層近傍に、導電形が該クラッド層
と同一のGaAs薄層またはAl濃度が10%以下のA
lGaAs薄層を有し、活性層の発光波長が該薄層の吸
収端より長いことを特徴とする埋込み形半導体発光素子
。 - (2)基板上に第1の導電形のAlを含む化合物半導体
からなる第1のクラッド層を形成する第1の工程と、 前記第1のクラッド層上にGaAs薄層もしくはAl濃
度が10%以下のAlGaAs薄層を形成する第2の工
程と、 前記第1のクラッド層上の薄層上に更に前記第1のクラ
ッド層と同一の層を薄く形成し第1のクラッド層内に前
記薄層を埋込み形成する第3の工程と、 前記第3の工程において形成された層上に、発光層とな
る活性領域を形成する第4の工程と、前記活性領域上に
前記第1のクラッド層とは反対の第2の導電形の化合物
半導体からなる第2のクラッド層を形成する第5の工程
と、前記第2のクラッド層上に、前記第2のクラッド層
と同一導電形のキャップ層を形成する第6の工程と、前
記第1のクラッド層内に設けた前記薄層の上面までの所
定の深さに所定の形状にエッチングを行なう第7の工程
と、 前記露出された薄層表面上にエピタキシャル成長により
、第2の導電形の第1の化合物半導体埋込み層と第1の
導電形の第2の化合物半導体埋込み層を少なくとも1つ
のpn接合を含んで埋込み形成する第8の工程と、 前記第8の工程後絶縁膜を形成し、パターニング後前記
キャップ層に対して電極を形成する第9の工程との工程
の組み合わせにより形成されることを特徴とする埋込み
形半導体発光素子の製造方法。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2017000A JP2814124B2 (ja) | 1990-01-27 | 1990-01-27 | 埋込み形半導体発光素子 |
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JP2814124B2 JP2814124B2 (ja) | 1998-10-22 |
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ID=11931739
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Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6220392A (ja) * | 1985-07-18 | 1987-01-28 | Sharp Corp | 半導体レ−ザ素子 |
JP3092065U (ja) * | 2002-08-12 | 2003-02-28 | 株式会社ギガ | 静電気除去マット |
-
1990
- 1990-01-27 JP JP2017000A patent/JP2814124B2/ja not_active Expired - Lifetime
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JP2814124B2 (ja) | 1998-10-22 |
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