JPH04206586A - 半導体発光装置及びその製造方法 - 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】 〔概要］ 分布帰還型半導体レーザと呼ばれる半導体発光装置及び
それを製造する方法の改良に関し、コルゲーションの保
護層が半導体レーザの長期的寿命特性の劣化を生じない
ように、また、しきい値電流を増加させないようにする
ことを目的とし、 ＩｎＰ基［（或いは層）の表面にはコルゲーションが形
成され、そのコルゲーション上にはＡｓ含有コルゲーシ
ョン保護層が形成され、そのコルゲーション保護層上に
はキャリヤの再結合を抑止する障壁層が形成され、その
障壁層上には順にガイド層、活性層、クラッド層を形成
するよう構成する。

［産業上の利用分野］ 本発明は、分布帰還（ｄｉｓｔｒｉｔ＋ｕＬｅｄｆｅｅ
ｄｂａｃｋ：ＤＦＢ）型半導体レーザと呼ばれる半導体
発光装置及びそれを製造する方法の改良に関する。

現在、光通信に於いて超高速伝送を可能とする光源とし
てＤＦＢ型半導体レーザが実現されているが、その製造
工程は複雑で、均一性、特に、活性層やガイド層の膜厚
の均一性、或いは、コルゲーション形状の均一性などに
問題があり、これを解消することが必要である。

〔従来の技術］ 第１２図は標準的なりＦＢ型半導体レーザの要部切断側
面図を表している。

図に於いて、１はＩｎＰ基板、ＩＡはコルゲーション、
２はＩｎＧａＡｓＰガイド層、３はＩｎＧａＡｓＰ活性
層、４はｌｎＰクラッド層、５はＩｎＧａＡｓＰ１ｉｌ
ｊコンタクト層をそれぞれ示している。

このＤＦＢ型半導体レーザに於けるｉｎＰ基板１上の各
半導体層は、通常、液相成長（ｌｉｑｕｉｄ　　ｐｈａ
ｓｅ　　ｅｐｉｔａｘｙ：ＬＰＥ）法で形成されている
。

また、ＬＰＥ法を適用すると、膜厚の均一性や組成の均
一性が悪いことから、有機金属気相堆積（ｍｅｔａｌｏ
ｒｇａｎｉｃ　　ｖａｐｏｕｒ　　ｄｅｐｏｓ　ｉ　ｔ
　ｉ　ｏｎ　：ＭＯＶＰＥ）法を適用して形成すること
も行われている。

〔発明が解決しようとする課題］ ＭＯＶＰＥ法を適用して各半導体層の成長を行う場合、
コルゲーションＩＡを形成したＩｎＰ基板を脱燐防止の
為のＰＨ３雰囲気中で成長温度に昇温すると、マス・ト
ランスポート現象の為にコルゲーションが変形し、条件
に依っては、消滅して平坦になってしまう。

このようなコルゲーション変形の防止方法として、 （１）　　Ａ　ｓ　Ｈ３を含んだ雰囲気下で昇温する方
法、（２）Ａｓを含む保護板からのマス・トランスポー
トでＡｓを含有する保護層を成長させる方法、（３）Ａ
ｓを含有する保護層を低温ＭＯＶＰＥ法で成長させる方
法 などが提案されている。

これ等の方法は、何れもコルゲーションＩＡの表面にＡ
ｓを含有する保護層を形成することで、マス・トランス
ポートを防止しようとするものであるが、前記（１）及
び（２）の方法では、コルゲーションＩＡの表面に成長
させる半導体層には欠陥が発生し易く、その欠陥は積層
される各半導体層に引き継がれてしまい、表面欠陥が増
加する旨の欠点がある。また、前記（３）の方法に於い
て、非整合系材料である、例えば、ＧａＡｓなどを成長
させる場合、その成長層が格子不整合に起因するミス・
フィツト転位が発生しない程度の薄膜にすることが必要
であり、しかも、このような非整合系材料からなる半導
体層が半導体レーザ内に含まれている場合、長期的な寿
命特性が劣化してしまう。従って、前記したコルゲーシ
ョンＩＡの保護層としても整合系の材料を使用しなけれ
ばらない。ところが、整合系材料の代表的なものである
Ｉ　ｎＧａＡｓを用いると、エネルギ・バンド・ギャッ
プがＩ　ｎＧａＡｓ　Ｐからなる活性層３よりも小さい
ことから、光の吸収領域、或いは、キャリヤを再結合し
て減少させる領域になってしまう。

ここで、格子整合或いは不整合の問題のみを考えるなら
ば、Ａ１を含有する半導体層を用いることが知られてい
る。この半導体層はＡ１の含有量を選択することで、成
る範囲で格子定数を適切に合わせることができ、しかも
、エネルギ・ハンド・ギャップは広くなるなど好ましい
特徴をもっているが、半導体層を成長させる際、高温で
行わないと多数の深い準位が生成され、Ｉ　ｎＧａＡｓ
の場合と同様、その深い準位が存在する領域は、キャリ
ヤを再結合に依って減少させてしまうような領域として
機能する為、半導体レーザのしきい値電流を増加させて
しまうなどの問題がある。

本発明は、コルゲーションの保護層が半導体レーザの長
期的寿命特性の劣化を生じないように、また、しきい値
電流を増加させないようにしようとする。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明の詳細な説明する為のエネルギ・バンド
・ダイヤグラムを表している。

図に於いて、１１は基板、１２はコルゲーション保護層
、１３は障壁層、１４はガイド層、１５は活性層、１６
はクラッド層、Ｅｖは価電子帯の頂、Ｅｃは伝導帯の底
をそれぞれ示している。

本発明に依るＤＦＢ型半導体レーザでは、コルゲーショ
ン保護層１２上に障壁層１３が介在している。

この障壁層１３は、ガイド層１４よりもエネル′ギ・バ
ンド・ギャップが大きく、活性層１５からのオーバ・フ
ロー・キャリヤに対し、エネルギ的なｗＩＷとなるもの
であり、トンネリングが発生しない程度の厚さにするこ
とが必要である。また、場合に依って、複数のｗｌ壁膜
を有し且つそれ等の障壁層はトンネリングが発生しない
程度の厚さになっていても良く、換言すると、複数の単
量子井戸（ｓｉｎｇｌｅ　　ｑｕａｎｔｕｍ　ｗｅｌｌ
：５ＱＷ）からなっていても良い。

第２図は第１図に見られるＤＦＢ型半導体レーザと比較
する為のＤＦＢ型半導体レーザのエネルギ・バンド・ダ
イヤグラムを表し、第１図に於いて用いた記号と同記号
は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。

第２図に見られるＤＦＢ型半導体レーザと第１図に見ら
れるＤＦＢ型半導体レーザとが相違するところは、障壁
層１３の有無である。

前記したところから、本発明に依る半導体発光装置に於
いては、 （１）表面にコルゲーション（例えばコルゲーション２
１Ａ）が形成されたＩｎＰ基板（例えばｎ−ＩｎＰ基板
２１）と、前記コルゲージヨシ上に形成されたＡｓを含
有したコルゲーション保護層（例えばｎ−１ｎＧａＡｓ
コルゲ一シヨン保護層２２）と、前記コルゲーション保
護層上に形成されそこでのキャリヤの再結合を抑制する
障壁層（例えばｎ−ＩｎＰ障壁層２３）と、該障壁層上
に順に形成されたガイド層（例えばｎ−ＩｎＣａＡｓＰ
ガイド層）及び活性層（例えばノン・ドープＩ　ｎＧａ
Ａｓ　Ｐ活性層２５）及びクラッド層（例えばｐ−１ｎ
Ｐクラッド層２６）と を備えてなるか、或いは、 （２）前記（１）に於いて、コルゲーションがＩｎＰ基
板の上にエピタキシャル成長されたＩｎＰｌｉに形成さ
れてなること を特徴とするか、或いは、 （３）前記（１）に於いて、Ａｓ含有コルゲーション保
護層がＩｎＰに格子整合したＡＩＩ　ｎＡｓ或いはＧａ
１ｎＡｓ或いはＡｆｆｉＧａ　Ｉ　ｎＡｓから選択され
た何れか一つを材料とするものであること を特徴とするか、或いは、 （４）前記（１）に於いて、障壁層がＩｎＰ或いはＡｊ
！Ｉ　ｎＡｓから選択された何れか一つを材料とするも
のであること を特徴とするか、或いは、 （５）前記（ｉ）に於いて、障壁層はコルゲーション保
護層に隣接して形成されてなること を特徴とするか、或いは、 （６）前記（１）に於いて、障壁層が多層に構成されて
単量子井戸の積層体からなっていることを特徴とするか
、或いは、 （７）前記（１）に於いて、コルゲーション保護層の構
成材料に於けるエネルギ・バンド・ギャップが活性層の
それに比較して小さいものである場合にエネルギ・バン
ド・ギャップが実効的に広くなる単量子井戸構造とする
こと を特徴とするか、或いは、 （８）分布帰還をする為のコルゲーションを覆うコルゲ
ーション保護層をコルゲーションが変形しない程度の低
温で形成する工程と、 次いで、前記コルゲーション保護層上にそこでのキャリ
ヤの再結合が発生することを抑止する障壁層を少なくと
も該コルゲーション保ＷＬＮの成長温度に比較して高い
温度で形成する工程と、 次いで、前記障壁層上にガイド層及び活性層及びクラッ
ド層を順に形成する工程 が含まれている。

（作用） 第１図及び第２図に見られるＤＦＢ型半導体レーザに於
いて、活性Ｉ！１５に注入されるキャリヤは、基板１１
側からのｎ型、及び、表面のクラ。

ド層１６側からのｐ型の二種類である。

第２図に見られるＤＦＢ型半導体レーザでは、電子は図
に示した矢印ｅの経路で注入され、そして、注入電子流
は、主としてガイド層１４中のキャリヤ濃度、ガイド層
１４と活性１１５との界面に介在する伝導帯側バンド不
連続、バイアス電流で決まるので、電子に対する問題は
少ない。

これに対し、正孔は図に示した矢印りの経路で注入され
、この場合、活性層１５をオーバ・フローしてきたキャ
リヤがガイド層１４中で全部は再結合できない。

このようなことから、第１図に見られるＤＦＢ型半導体
レーザと第２図に見られるＤＦＢ型半導体レーザ、従っ
て、障壁層１３の有無に依って活性層１５に於けるキャ
リヤ分布は異なったものとなる。

第３図は第１図に見られるＤＦＢ型半導体レーザに於け
る価電子帯の頂を表すエネルギ・バンド・ダイヤグラム
であり、また、第４図は第２図に見られるＤＦＢ型半導
体レーザに於ける価電子帯の頂を表すエネルギ・バンド
・ダイヤグラムであり、第１図及び第２図に於いて用い
た記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つ
ものとする。

第３図及び第４図から明らかなように、障壁層１３がな
い場合、同じキャリヤの注入量でも、活性層１５中のキ
ャリヤ濃度は小さいのに対し、障壁層１３があることに
依って、コルゲーション保護層１２へのキャリヤの流れ
込みは非常に小さくなっている。

ところで、障壁層１３の位置はガイド層１４中に在れば
良いと考えられるが、この障壁層１３を通過するキャリ
ヤの量は、障壁層１３の直前に於けるキャリヤ濃度に比
例するので、できる限り活性層１５から離れた位置にあ
ることが好ましく、また、ガイドＮ１４としては、一般
に、［ｎＧａＡｓＰを材料とすることが多いが、その場
合、低温で成長されるコルゲーション保護層１２に於け
る結晶性に掻めて敏感であって、表面欠陥を生じ易い。

従って、表面欠陥が発生し難いＩｎＰなどの障壁１１１
３をコルゲーション保護Ｊｌ！１２とガイド層１４との
間に介在させることは好ましいと考えられ、また、その
障壁層１３はガイド層１４に於ける屈折率を変化させな
い範囲で多層にした方が良い。

〔実施例〕

第５図は本発明一実施例を説明する為の要部切断側面図
を表している。

図に於いて、２１はｎ−１ｎＰ基板、２２はｎ−ＩｎＧ
ａＡｓコルゲーション保護層、２３はｎ−ＩｎＰ障壁層
、２４はｎ−１ｎＧａＡｓＰガイド層、２５はノン・ド
ープＩ　ｎＧａＡｓ　Ｐ活性層、２６はｐ−１ｎＰクラ
ッド層、２７はｐ”−ＩｎＧａＡｓ　Ｐ電橋コンタクト
層をそれぞれ示している。尚、電極は省略しである。

このＤＦＢ型半導体レーザが第１図及び第３図に見られ
るエネルギ・ハンド・ダイヤグラムについて説明された
ような特性をもつことは云うまでもない。

第６図乃至第９図は第５図に見られる実施例を製造する
場合について説明する為の工程要所に於けるＤＦＢ型半
導体レーザの要部切断側面図を表し、以下、これ等の図
を参照しつつ詳細に解説する。尚、第５図に於いて用い
た記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つ
ものとする。

第６図参照 エンチング・ガスをメタンとする反応性イオン°エンチ
ング（ｒｅａｃｔｉｖｅ　　ｉｏｎｅｔｃｈｉｎｇ：Ｒ
ＩＥ）法を適用することに依り、ＳｎをドープしたＩｎ
Ｐ基板２１にコルゲーション２１Ａを形成する。

この場合、 コルゲーション２１Ａのピッチ：２４ｏｏ（λ〕コルゲ
ーションの深さ＝３００〔入〕 とした。

第７図参照 ＭＯＶＰＥ法を適用することに依って、ＩｎＧａＡｓ　
Ｐコルゲーション保護層２２を形成する。

この場合、 成長温度：３８０Ｃ”Ｃ） 成長速度：６００（入／時間］ 成長時間：２〔分〕 層厚：２０〔入〕 Ｖ１ｍ比：約１０００ ＡｓＨ３の流量：１５００（ＣＣ） とした。

具体的な成長の操作としては、Ｍ○ＶＰＥ装置内にＩｎ
Ｐ基板２１を入れて、成長温度までの昇温時にＰＨｘを
１００（ｃｃ）程度流しなから１５〔分］かけて３８０
Ｃ”Ｃ）で安定させ、それからＩｎＣａＡｓＰの成長を
行った。

第８図参照 引き続いてＭＯＶＰＥ法を適用し、Ａ　ｓ　Ｈｘの流量
を５０（ｃｃ）にまで絞り、ＩＯＣ分］かけて温度を６
００［”Ｃ）まで昇温し、ｎ−１ｎＰ障壁層２３、 ｎ−１ｎＧａＡｓＰガイド層２４、 ノン・ドープＩｎＧａＡｓＰ活性層２５、ｐ−１ｎＰク
ランド層２６Ａ、 Ｉ　ｎＧａＡｓ　Ｐキ＋７プ層２８ を成長させた。

ここで、各半導体層に関する主要なデータを例示すると
次の通りである。尚、成長速度は活性層２５まで全て１
００〔入／分］とした。

■　障壁層２３について 厚さ：１００（人］ ■　ガイド層２４について Ｅ９　：　１．１３　（ｅＶ） 厚さ：１５００　（人〕 ■　活性層２５について Ｅ、：０．８０　（ｅＶ） 厚さ：１５００（人］ ■　クラッド層２６Ａについて 厚さ：１　［μｍ］ ■　キャップ層２８について 厚さ：ｏ、３μｍ］ 第９図参照 エッチャントをフッ酸士過酸化水素とするウェット・エ
ツチング法を適用することに依り、ＩｎＧａＡｓＰキャ
ップ層２日をエツチングして除去する。

ＬＰＥ法を適用することに依り、 ｐ−ＩｎＰクラ７Ｆ層２６Ｂ、 ｐ”−ＩｎＧａＡｓＰ電極コンタクト層２７を継ぎ足し
成長させた。

ここで、ＬＰＥ法を適用するのは、電極コンタクト層２
７を高濃度にドーピングしたいことに依る。

ここで、各半導体層に関する主要なデータを例示すると
次の通りである。

■　クランドＪｉｉ２６Ｂについて 厚さ：０．５Ｃμｍ］ ■　電極コンタクト層２７について Ｅ９　：０．９５　（ｅＶ） 厚さ：２０００　Ｃ人〕 不純物濃度：　ｌ　Ｘ　ｌ　（］　１９（Ｃａｌ−３〕
前記した工程を経ることで、第５図に見られるＤＦＢ型
半導体レーザが得られる。

本発明に於いては、前記説明した実施例に限定されるこ
となく、多くの改変を行うことが可能である。

例えば、前記実施例では、障壁層を一層で構成したが、
これを多層で構成しても良く、その場合には量子井戸の
ような構造となる。その量子井戸構造に於いては、光学
的な屈折率をガイド層と同しにすること、障壁層の厚さ
はキャリヤがトンネリングしない程度とするのが望まし
いこと、複数の単量子井戸構造が多単量子井戸構造化し
ないようにすること、また、当然のことながら、量子井
戸構造に於けるエネルギ・バンド・ギャップは活性層に
於ける光を吸収しないことなどの諸点について配慮しな
ければならない。このような量子井戸構造の具体的な一
例としては、障壁層にＩｎＰを、そして、井戸層にＩｎ
Ｃ；ａＡｓＰ或いはＩｎＧａＡｓを用いるものを挙げる
ことができる。

第１０図及び第１１図は障壁層を多層にした実施例を説
明する為のエネルギ・ハンド・ダイヤグラムを表し、第
１図並びに第２図に於いて用いた記号と同記号は同部分
を表すか或いは同し意味を持つものとする。

図に於いて、１３Ａは多層の障壁層、ＥＧｏは量子効果
に依るエネルギ・バンド・ギャップを示している。

前記したように、障壁層はトンネリングが発生しない程
度の厚さ、例えば〜１００［人］程度にするのが望まし
いのであるが、例えば２０〔入〕〜３０（入］程度のト
ンネリング可能な厚さにした場合であっても、多層の障
壁層を用いれば、その障壁効果は同じである。

また、第１０図に見られるような多層の障壁層１３Ａを
有するもの、或いは、第１１図に見られるように障壁層
と隣接した層のエネルギ・バンド・ギャップが量子効果
に依って活性層１５のエネルギ・バンド・ギャップより
も大きくなっているものでは光の吸収はなくなる。

第１０図或いは第１１図に見られるような構造を用い、
そして、障壁層の位置、間隔、井戸層の深さなどのパラ
メータを適切に選択することで、障壁層に依る光閉じ込
めの乱れ、即ち、屈折率の変化をなくすことができる。

〔発明の効果〕

本発明に依る半導体発光装置並びにその製造方法に於い
ては、ＩｎＰ基板（或いは層）の表面にはコルゲーショ
ンが形成され、そのコルゲーション上にはＡｓ含有コル
ゲーション保護層が形成され、そのコルゲーション保護
層上にはキャリヤの再結合を抑止する障壁層が形成され
、その障壁層上には順にガイド層、活性層、クラッド層
を形成している。

前記構成を採ることに依り、コルゲーションの変形を防
止する保護層が存在していても、その上に障壁層が形成
されているので、活性層からコルゲーション保護層への
キャリヤの流れ込みは有効に阻止され、従って、半導体
レーザの長期的寿命特性の劣化、及び、しきい値電流を
増加を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明する為のエネルギ・ハンド
・ダイヤグラム、第２図は第１図に見られる本発明の詳
細な説明する為のＤＦＢ型半導体レーザと比較する為の
ＤＦＢ型半導体レーザのエネルギ・バンド・ダイヤグラ
ム、第３図は第１図に見られるＤＦＢ型半導体レーザに
於ける価電子帯の頂を表すエネルギ・ハンド・ダイヤグ
ラム、第４図は第２図に見られるＤＦＢ型半導体レーザ
に於ける価電子帯の頂を表すエネルギ・ハンド・ダイヤ
グラム、第５図は本発明一実施例を説明する為の要部切
断側面図、第６図乃至第９図は第５図に見られる実施例
を製造する場合について説明する為の工程要所に於ける
ＤＦＢ型半導体レーザの要部切断側面図、第１Ｏ図は障
壁層を多層にした実施例を説明する為のエネルギ・ハン
ド・ダイヤグラム、第１１図も障壁層を多層にした実施
例を説明する為のエネルギ・ハンド・ダイヤグラム、第
１２図は標準的なりＦＢ型半導体レーザの要部切断側面
図をそれぞれ表している。 図に於いて、１１は基板、１２はコルゲーション保護層
、１３は障壁層、１４はガイド層、１５は活性層、１６
はクラッド層、Ｅｖは価電子帯の頂、Ｅｃは伝導帯の底
、２１はｎ−１ｎＰ基板、　　′２２はｎ−１ｎＧａＡ
ｓコルゲ一シヨン保護層、２３はｎ−１ｎＰ障壁層、２
４はｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層、２５はノン・ドープ
ＩｎＧａＡｓＰ活性層、２６はｐ−ＩｎＰｎチク９フ、
２７はｐ。 −ＩｎＣ；ａＡｓＰ電極コンタクト層をそれぞれ示して
いる。 特許出願人　　　冨士通株式会社 代理人弁理士　　相　谷　昭　司 代理人弁理士　　渡　邊　弘　− 原理を説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラム第
１図 二イ・ルギ・バンド・ダイヤグラム 第２図 目　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｃ実施
例を説明する為の工程要所に於けるＤＦＢ型半導体レー
ザの要部切断側面図第６図 実施例を説明する為の工程要所に於けるＤＦＢ型半導体
レーザのＷ部切断側面図第７図 障壁層を多層にした実施例のエネルギーバンド・ダイヤ
グラム第１０図 障壁層を多層にした実施例のエネルギ・バンド・ダイヤ
グラム第１１図

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面にコルゲーションが形成されたＩｎＰ基板と
   、 前記コルゲーション上に形成されたＡｓ含有コルゲーシ
   ョン保護層と、 前記コルゲーション保護層上に形成されそこでのキャリ
   ヤの再結合を抑制する障壁層と、該障壁層上に順に形成
   されたガイド層及び活性層及びクラッド層と を備えてなることを特徴とする半導体発光装置。
2. （２）コルゲーションがＩｎＰ基板の上にエピタキシャ
   ル成長されたＩｎＰ層に形成されてなること を特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
3. （３）Ａｓ含有コルゲーション保護層がＩｎＰに格子整
   合したＡｌＩｎＡｓ或いはＧａＩｎＡｓ或いはＡｌＧａ
   ＩｎＡｓから選択された何れか一つを材料とするもので
   あること を特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
4. （４）障壁層がＩｎＰ或いはＡｌＩｎＡｓから選択され
   た何れか一つを材料とするものであることを特徴とする
   請求項１記載の半導体発光装置。
5. （５）障壁層はコルゲーション保護層に隣接して形成さ
   れてなること を特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
6. （６）障壁層が多層に構成され単量子井戸の積層体から
   なっていること を特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
7. （７）コルゲーション保護層の構成材料に於けるエネル
   ギ・バンド・ギャップが活性層のそれに比較して小さい
   ものである場合にエネルギ・バンド・ギャップが実効的
   に広くなる単量子井戸構造とすること を特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
8. （８）分布帰還をする為のコルゲーションを覆うコルゲ
   ーション保護層をコルゲーションが変形しない程度の低
   温で形成する工程と、 次いで、前記コルゲーション保護層上にそこでのキャリ
   ヤの再結合が発生することを抑止する障壁層を少なくと
   も該コルゲーション保護層の成長温度に比較して高い温
   度で形成する工程と、 次いで、前記障壁層上にガイド層及び活性層及びクラッ
   ド層を順に形成する工程 が含まれてなることを特徴とする半導体発光装置の製造
   方法。