JPH0461187A - 半導体レーザおよびその製造方法 - 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］ 本発明は化合物゛４（導体の埋め込み構造を有−４る半
導体レーザおよび簡単な処理工程によ−）て微細な埋め
込み構造を（４）」する半導体レーザな作製する方ｄ、
に関する。

［従来の技術１ 従来、半導体レーザの埋め込み構造を作製４るためには
、まずＮ型クラ・ソド層、活性層およびｌ〉型クラッド
層からなるダブルヘテロ構造を作製し、しかる後にスト
ライプ状の導波層を作るｆ：？ｂの選択エツチングを行
い、さらに埋め込み層σ）成長を行なう必要があ−）だ
。このｈ法によると、−プロセス玉梓の中途で活性層の
側面が空気にさＣ）されるので、埋め込み層と活性層側
面との間で納品欠陥が発生し易く、信頼性の点で問題力
≦あ−）だ。

最近、埋め込み構造を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ
）によって一連の連続した成長によって形成する方法が
開発されている。この方法によれば、逆メサを発生する
（０１１］方位に沿って形成されたＧａＡｓ基板上−に
連続したＭＯＣＶＤにより、活性層およびブロック層を
作り込むことが可能である。

従って、活性層を一度も空気にさらすことなく、Ｃ活性
層および埋め込み層を形成することができるので、プロ
セスが簡便でかつ、信頼性の高い埋め込み型レーザが実
現できる。この方法は、ＭＯＣＶＤおよびハライド系気
相成長においては、成長速度が（１１１，）Ｇａ面（Ａ
面）＞（１００）＞（１１０）＞（１１１）Ａｓ面（Ｂ
面）の順に遅くなることを利用している。特に［０１１
３方位のストライプにおいては、ストライプの側面に対
応する（１１１１Ｂ面に沿って、ストライプ上のエピタ
キシャル膜とストライプの底面からのエピタキシャル膜
とが、はぼストライプの高さに対応して喰い違うことお
よび三角形状に（１１１）Ｂ面が左右から形成された後
は、全体が基板からのエピタキシャル膜におおわれるま
で、次の成長がほとんど進行しない現象を利用している
。第５図は、このような従来法の一例を示したものであ
る（ｌ（、Ｎａｒｕｉ　ｅｔａｌ、　　：Ｅｌｅｅｔ、
ｒｏｎｉ、ｃｓ　Ｌｐｔ、ｔ、ｐｒｓ；　Ｖｏｌ、。

２４　　Ｎｏ、１９．　ｐｐ１２４９−１２５０、（１
９８８）　８照）。第５図（Ａ）は（１，００）　ｎ−
ＧａＡｓ基板４０１を湿式１・ソチングして逆メサを形
成した状態を示す。基板の［０１１］方向は紙面に垂直
なブノ向である。第Ｅ）図（Ｂ）に示すように、ＭＯＣ
ＶＤ法によってＮ−Ａｌ１　ｏ４ｓＧａｏ、　ｕｓＡｓ
層４０２．　Ａｌ１゜１４Ｇａｏ、　ｓ８Ａ、ｓ層４０
３およびＰ−Ａｎ　０．．５Ｇａｏ、　５ｓＡｓ層４０
４を順次成長させると、それら各層とそれぞれ同じ組成
のｎ−クラッド層４０５．活性層４０６およびｐ−クラ
ッド層４０７が逆メサ部の十に成長する。次いで、　Ｎ
−Ａｌ１　ｏ４ｓＧａｏ５ｑＡｓブロック層４０８を成
長させて活性層４０６を埋め込む。さらに第５図（Ｃ）
に示すように、　Ｐ−Ａ［。＋５Ｇａｏ５ｑＡｓコンタ
ク層４０９およびＰ−ＧａＡｓキャップ層４１０を順次
成長させて、埋め込み構造半導体Ｌ／−ザな作製する。

一方［０１１］方位に直交する［０１１］方イウのスト
ライプ」二の成長においては、ストライプの側面は（１
１１１Ａ面に対応して、成長のご（初期を除いては、ス
トライプ上のエピタキシャル層と底面からのエピタキシ
ャル層とは連続することが翔られていた（Ｈ，Ｆ、　Ｔ
、　Ｖａｎ’ｔ、　Ｂ１１ｋ　ｅｔ　ａｌ、　：Ｊ、　
ＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｉｖｔｈ；　Ｖｏｌ、　９２（１
９８８）、　ｐｐｌ、６５−１７０参照）、。

［発明が解決し、ようどする課題１ このように、従来の方法は、［０１１］方向に沿ったス
トライプ形状への応用が限られていた。本発明は［０１
１，１方向に沿、ったストライプにおいても、電流阻止
層を形成し２て活性層を埋め込むことが可能であり、さ
らに１ｌｌｌｌＡ基板を用いても埋め込み構造を作製し
得る７５法、およびそのような方法を用いて作製される
新規な構造の半導体レーザを提供することを目的とする
。

層からなり、厚さ方向に幅の挟い傾斜側［ｎｌを有する
ダブルヘテロ構造と、該ダブルヘテロ構造を埋め込ん”
Ｉｃ’　Ｉｆｆｆｆ上次形成１た第Ｓ≧導Ｎ型、ｉ；　
Ｊ、び第１導電型のブロック層を有Ｊることを特徴とす
る。

本発明方法は牢、導体草様１に■ｊ直端［「Ｔ１を；Ｈ
−する少なくとも１個の突起を形成する］−程と、沖続
［またエピタキシャル成長によって、前記突起上に第１
導電型のクラッド層、活性層および第′、＞導電型のク
ラッド層からなるダブルヘテロ構造を形成Ｌ２、同時に
前記突起以外の部分に前記ダブル・＼テロ構造を囲んで
第２導電型のブ０ツク層お、１゛び第１導電型のブロッ
クを形成するユ程とを有−づることを特徴どする。

［課題を解決するための手段］ かかる目的を達成するために、本発明による半導体１．
・−ザは、化合物半導体基板」−に形成された垂直端面
をイｊする少なくとも１個の島状突起と、該島状突起の
表面に順次形成された第】導電型のクラッド層、活性層
および第２導電型のクラッド［作　用］ 本発明者の検討の結果、リアクティブイオンビームエツ
チング（ＲＴＢＥ）等のドライエツチング技術を用いる
と、［０１１］方向に沿ったストう、イブにおいても、
電流阻」ノ層を形成するのに十分な層厚のエピタキシャ
ル層の段差が形成されることが明らかどなった。すなわ
ち（１０（＋　）基板１゛８に、非直端面を持つ直方体
あるいは円柱を形成した後にＭＯＣＶＤによる一連の上
程によ−）てダブルヘテ℃構造およびｎ−ブロック層、
Ｐ−コンタクト層を成長すると、立体的にクラッド層お
よびブロック層に全周にオ）だ・〕で囲まれた活性層を
形成することができる。また（１１．＋、）Ａ基板を用
いると（１１１１８面で囲まれた三角錐形のエピタキシ
ャル層を形成することが可能となるので、上記手法によ
り、三角錐の［１］に活性層を形成し、かつ、全体を電
流阻止層で埋め込むことが可能になる。

［実施例１ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

夫り五↓ 第１図は本発明の一実施例としての埋め込み型面発光レ
ーザの構造を示す図である。この構造は以下のようにし
て作製される。すなわち、（１，ｏＯ）ｎ”−ＧａＡｓ
基板１０１上に下部反射層として、Ａｌ１　ｏ、　＋Ｇ
ａｏ、　９ＡＳ／　Ａｌ１　ｏ、　ｔＧａｏ、　３ＡＳ
の多層月莫１０２をＭ　ＯＣＶ　Ｄ法により成長さゼる
。多層膜１０２は各層がそわぞれ媒質内波長の１７４に
対応する厚さのものを３０対形成ｔまたものである。次
いでリアクティブイオンエツチング（ＲＩＢＥ）によっ
て、−辺２　Ｉｉ、　ｍ、高さ２ＬＬｍの島状の突起１
０３を形成する。凸起１０３の端面ば垂直であり、従・
・）で突起は立方体形状となる。エツチングは例えば、
以］パのようにし１て行う。まず、基板トにフォトレジ
スト（例えばＡＺ１３００）をスピンコードし７、約２
００℃でハードベークする。ついで厚さ約１．０００人
の１１膜をその−１に設心づ、フォトリソグラフとＣＦ
４ガスプラズマ（４，５Ｐａ、投入電力１００Ｗ）によ
ってＴ１膜をバターニングし７た後に０２ガスプラズマ
（４，５Ｐａ、投入電力２００Ｗ）を用いて灰化処理を
行うど、バター；ニングされたＴｊ膜の表面は酸化し、
その直下のフォトレジストは保護されて垂直端面を有す
るマスクを得る。次に装置内を圧力１．０−＠Ｐａまで
排気し、塩素ガスを流量９．２３ＣＣＭで流しく装置内
圧力１×ｉｏ−’Ｐａ）　、印加磁界８．７５Ｘ　１Ｏ
−２Ｔ、マイクロ波の周？ｆ！数２．４５ＧＨｚ、マイ
クロ波電力１００Ｗの電ヂーヴイクロトロン共鳴条件１
・゛で、４００ｖの加速１Ｊ［を印加して、反応性イオ
ンビームエツチングを行う。エツチング速度は上述した
条件で、０．２ｇ）、ｍ／ｍｉｎである。

さらに、ＭＯＣＶＤによってＮ−Ａｌ２　ｏ４ＧａＡｓ
コンタクト層１．０４　、　ｒ”ＧａＡｓ層１０５およ
びＰ−１ｊ、！、。４ＧａｏＩＩＡｓブロック層１０６
を成長させるど、島状突起１０３上には同時に例えば厚
さ　１．５＋７．ｍのＮ−Ａ、９　ｏ４ＧａＡｓクラッ
ド層１０７．厚さ０．８ｇｍのＰ−ＧａＡｓ活性層１０
８および厚さ１．５４ｚ、ｍのＰ−Ａｌ２　ｏ４Ｇａｏ
、　ｓＡｓクラッド層１０９が形成される。この時、突
起に垂直なく　＋、　００　＞方向の成長速度に比べで
［１１１）Ｂ方向の成長速度が遅いため、突起土部の形
状は屋根状となる。屋根面１）は（１１１）Ｂ面どなる
６左右の（］、１１１Ｂ面が交ｔ＞　ｚ　ｉ’＝　ｉ′
ｉｌ′ｌで成長が停止する。突起上部の成長のうち、ｆ
、Ａｉｒおよび奥の端面は、成長速度の速い＋１．１ｌ
ｌＡ面が出現する傾向にあるが、ソースの到達条件等に
より１．垂直ないし、やや逆メサ状の端面が形成さ第１
る。Ｐ−クラッド層１０９の側面が交差し、クラッド層
１０９の頂りが線状になった時点で、ドープ種を変えて
、　Ｎ−Ａｆｌ　ｏ４Ｇａｏ、　ｅＡｓブロック層１１
０およびＰ−Ａｎ、　ｏ４Ｇａｏ　、ｌＡｓコンタクト
層１１１を順次成長させる。Ｎ〜ブＬ２ツク層２１０お
よびＰ−コンタクト層１１１は突起ト、のダブルヘテロ
構造の周囲を埋めて成長する。１）−コンタクト層１１
１がＰ−クラッド層１０９を埋めつくした後は、−様な
成長によりＰ−コンタクト＃　１１１および、キャップ
層１１２が形成される。このようにし７で、埋め込みダ
ブルヘテロ構造が作製される。面発光レーザ用の垂直型
光共振器を形成するためには、Ｐコンタクト層１１１と
キャップ層１１２の間にＰ型のＡｆｆ　（＋、　１Ｇａ
ｏ、　９　Ａｓ／　Ａｐ、　ｏ、　７ＧａＱ、　３ＡＳ
半導体多層膜による上部ミラーを形成するか、あるいは
第１図に示すように、活性層の１一部に、キャップ層１
１２０部を取り除いた後に、該電体多層膜のミラ１１．
３を形成してもよい。

このような方法で形成した面発光レーザは、活性層が２
島状に形成された突起の面積よりも小さく形成できるこ
と、成長中に、活性層が空気にさらさｔｌることかない
ので、良好な結晶品質の埋め込み層ができること、等に
より、ｌＩｌ＋、４Ｊ以）の低し７きい値電流を有する
面発光Ｌ／−ザが天理できる。

さらに、第１図番ごおいては、基板に（１０（ｌｌ〕−
ノ侍を用いたが、（１１１，１Ｂ位の基板を用いること
により、正四角錐形状に、突起面）−のエピタキシャル
層を形成することが可能である。例えば基板表面を（１
１１）Ａどした場合に（１１１）Ｂ面でかこまれた正四
面体が形成される。この場合には、第１図において、２
側面すなわち線状の活性層の狭さくが起こるのに対し７
．３側面からの活性層面積の縮小がＥ’１能どなり、累
子の微小化には好都合である。

匹？。

さらに基板上に２次元的に成形された複数の島状突起上
に−様なＭＯＣＶＤ成長を行なうことにより、端面出射
型１ノ−ザの高性能化を行うことが可能となる。

例えば第２Ａ図に示すようにリアクティブイオンビーム
エツチングによりｎ″−ＧａＡｓ基板１０１上に０．２
〜１　ｇｍの間隔で、島状の突１２０１−２０４を形成
して８き、次に第１図と同様なＭＯＣＶＤ成長を行う。

第２Ｂ図および第２Ｃ図はこのようにｔ、て作製したレ
ーザの、第２Ａ図におけるＡ−Ａ′線および！３−Ｂ′
線に沿った断面図である。図示するように、ブロック［
１０６および１１０に囲ま第１、た微小なダブルヘテロ
構造（Ｎ−クラッド層１０７（０゜８ｔｔｍ厚）　、　
Ｐ−ＧａＡｓ活性層１０８（０，］、ｇｍ厚）、Ｐ＝ク
ラッド層１０９（０，８ｇｍ厚））を連続的に形成する
ことができる。

この構造は、埋め込み構造および電流阻止層を有するた
め／１人効率が良く、更に、活性層のストライプが多重
に分割されでいるため、基本縦モトの間隙が広く、安定
な午−縦モード動作が天理できる。さらに、第２Ｂ図、
第２０図１に示した構造においては、出射面がＡｌ２Ｇ
ａＡｓブロック層でおおわれているため、出射ウィンド
ウ付きレーザとして、高出力動作が可能となる。この効
果はＩＩ、−セグメントレーザ、例えば第２Ｂ図の構造
を図のＣ１Ｃ′で切断し、レーザ長を２００μｍ程度に
設定した１、−ザにおいでも実更できる。

夫茄、酊 更に導波モード波長程度の微細加工をほどこすことによ
り、新しい形式の介在帰還型レーザな実現することがで
きる。

第３図はそのようなし・−ザの一例を示し、同図（ａ）
は長１．方向の断面図、図（ｂ）は図（ａ）のＤ−Ｄ’
線に沿った断面図である６ｎ”−ＧａＡｓ基板上にＮ−
Ａ（！、　ｏ、　５Ｇａ０．７ＡＳクラッド層３０１を
成長させる。ＲＩＢＥによ−）て、その表面にピッチ０
．１〜０．２ｇ、ｍ、アスベク）・比１／２〜１程度の
グレーティング３０２を導波モード波長の１７４〜３／
４に対応する周期で設け、さらにＲＩＢＥによって側面
を垂直にエツチングして幅２μｍ程度のストライプ３０
３を形成する。次に実施例１と同様にＭＯＣＶＤによっ
て厚さ０．２　μｍのＮ−Ａ　Ａ　ｏ４Ｇａｏ、　ｓＡ
ｓ層（Ｎ−コンタクト層１０４．　　Ｎ−ガイド層３０
７）　、厚さ　０゜ｌｕｍのＰ−ＧａＡｓ層１０５（活
性層１０８Ｌ厚さ０．８ａ、ｍのＰ−Ａ、Ｃｏ、　ａＧ
ａｏ、　ｓＡｓ層（Ｐ−ブロック層１０Ｇ、　Ｐ−クラ
ッド層１．０９）、　　Ｎ−Ａｊ２　ｏ４Ｇａ、、　、
ＩＡｓブロック層１１０゜［）−Δ（）、ｏ４Ｇａｏ、
　ａＡｓコンタクト層１１１およびｐ’−ＧａＡｓキャ
ップ層の６層を連続しで成長させ、埋め込みｌ＼テロ構
造を作製する。

Ｎ−Ａ［。ｘＧａｏ７Ａｓ層３０１の表面に設けたグレ
ーティングの寸法、Ｎ−クラッド層１０７の厚さおよび
ストライプ３０３の高さ１１を調節することによってＧ
ａ、Ａｓ活性層１０８そのものの膜厚を周期的に変化さ
せることもでき、その結果、結合定数ｋを大きくするこ
とができる。さらにグレーティングの中央に、１／４　
λに対応する移相器３０４を設けて発振周波数を安定さ
セること、移相器３０４の左右のグレーディングの長さ
を非対称にして、一方の出射端からの出力を増すことも
可能である。

頂１ニー万王ＪＪＩ　４− また、第４Ａ図に示すように、ストライプの幅を長平方
向に変化させた島状構造３０３Ａを形成し、前述のよう
に、Ｎ−Ｐ−Ｎ−Ｐ構造のＡρＧａＡｓを成長させて半
導体レーザを作成することもできる。第４Ｂ図および第
４Ｃ図は、それぞれ第４Ａ図のＥ−Ｅ’線およびＦ−Ｆ
’線に沿った成長後の断面図である。図示するように１
１店性Ｍ幅が、周期的に変化した導波路が作成できる。

このように、活性層の厚さの代わりに幅を変えることに
よっても、導波路の伝播定数を変化させることができ、
分布帰還型レーザが実現できる。この方式は、グレーテ
ィングの作成と、ストライプの作成とを同時に、同じ深
さのエッヂングプロセスにより実現することができる利
点がある。活性Ｈ幅の周期を、導波モード波長程度にす
ることにより、第３図に示したと同様な波長安定化機能
を持つ分布帰還型レーザとなる。

また周期をｌｕｍ程度以上とすることにより、第２Ｂ図
に示したような多重導波路分割型レーザとすることも可
能である。その際の成長膜厚等は、それぞれ、第３図、
第２Ａ〜第２Ｃ図に示した例に準拠する。

ＡβＧａ、Ａｓの組成が上述した実施例に限られないこ
と、導電型が上述した実施例と逆であっても差しつかえ
ないことは言うまでもない。さらに本発明は、Ａｊ２Ｇ
ａＡｓ系だけでなく、埋め込みへテロ構造の化合物半導
体に広く適用できる。

［発明の効果〕 以上説明したように、本発明によれば半導体基板上に、
垂直端面を有する島状突起を形成し、その基板トにエピ
タキシャル成長を連続的に行うことにより、島状突起ト
に周囲を完全に埋め込み層に囲まれたダブルヘテロ構造
を、大気にさらすことなく、１回のエピタキシャル成長
で実現することが可能である。この手法を用いると、三
次元的な微細構造を有する活性層をクラッド層中に完全
に埋め込むことができ、さらに電流阻止層も同時に形成
することができるので、面発光レーザ用の微小な活性領
域や、多重分割型波長安定化レーザにおける活性層の微
細構造設計が可能となり、しきい値電流波長安定性等の
飛躍的な性能向」−が可能である。

また、基板の加ユ１寸法をサブミクロンに設定すること
により量子細線や皿子ドツト状の完全埋め込み構造を形
成することが可能になり、量子効果による状態密度制御
を利用した高性能レーザの開発にも用いることが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例とし□ての面発光し・−ザの
構造を示す図、 第２Ａ図、第２Ｂ図および第２Ｃ図はそれぞれ本発明の
他の実施例としての活性層多重分割型波長安定化レーザ
の製法を説明する図、 第３図は本発明のさらに他の実施例としての分布帰還型
レーザの構造を示す図、 第４Ａ図〜第４Ｃ図はさらに他の実施例の構造を示す図
、 第５図は従来の埋め込みストライプレーザの製造過程を
示す図である。 １（Ｌ８　−−−　　Ｐ−ＧａＡｓ　　９占刺脣付、１
０９　＝□　Ｐ−Ａ、９　ａ、　Ｊａｏ、　ｓＡｓクラ
ッド層、１１０−　Ｎ−Ａｊ２　ｏ４Ｇａｏ、　ｓＡｓ
ブロック層、１．１１　・＝　Ｐ−Ａｊ’！　ｏ、　＜
Ｇａａ、　ａＡｓコンタクトＩ―、１１２・・・ド〜Ｇ
ａＡｓキャップ層、］、　１．３・・・誘電体ミラー ２０１．２０２．２０３，２０４・・・島状突起、３０
１−’　Ｎ−Ａ、９　ｏ　ａＧａｏ　ｔＡｓクラッド層
、３０２・・・グレーティング、 ３０３、３０３Ａ・・・ストライプ、 ３０４・・・移相器、 ３０７　・＝　　ＡＲｏ、　ｚＧａｏ、　ｓＡｓガイド
層。 −（１００）ｎ”−ＧａＡｓ基板、 −／ｌ　（１，＋Ｇａａ、　ｅＡｓ／Ａｊ２　ｏ、　７
ＧａＯ，Ｊｓ多層膜、・・・島状突起、 ・・・Ｎ−Ａβ。４Ｇａｏ８Ａｓコンタクト層、−−−
Ｐ−ＧａＡ、ｓＭ！　。 ・＝　Ｐ−Ａｆｆ　ａ４Ｇａｏ、　ｓＡｓブロック層、
−−−Ｎ−ＡＡ　ａ４Ｇａｏ、　ｓＡｓクラッド層、指
定代理人 Ｉ業技術院電子技術総合研究所長 ３０３Ａ 〜　１０１ 第４Ｂ図 第４Ｃ図 （ｂ） （Ｃ） 第５ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）化合物半導体基板上に形成された垂直端面を有する
   少なくとも１個の島状突起と、 該島状突起の表面に順次形成された第１導電型のクラッ
   ド層、活性層および第２導電型のクラッド層からなり、
   厚さ方向に幅の狭い傾斜側面を有するダブルヘテロ構造
   と、 該ダブルヘテロ構造を埋め込んで順次形成された第２導
   電型および第１導電型のブロック層を有することを特徴
   とする半導体レーザ。 ２）前記半導体レーザが面発光レーザであることを特徴
   とする請求項１に記載の半導体レーザ。 ３）前記半導体レーザが端面出射型レーザであつて、前
   記ダブルヘテロ構造の前後に出射ミラーが設けられてい
   ることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。 ４）前記島状突起が二次元的に配置され、前記活性層が
   分割されていることを特徴とする請求項１に記載の半導
   体レーザ。 ５）前記島状突起の表面に周期的な凹凸を有するストラ
   イプがあり、前記活性層あるいは、活性層とクラッド層
   の中間の屈折率を有するガイド層の厚さが周期的に変化
   していることを特徴とする請求項１に記載の半導体レー
   ザ。 ６）前記島状突起の側面の幅が周期的に変化しているこ
   とを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。 ７）半導体基板上に垂直端面を有する少なくとも１個の
   突起を形成する工程と、 連続したエピタキシャル成長によって、前記突起上に第
   １導電型のクラッド層、活性層および第２導電型のクラ
   ッド層からなるダブルヘテロ構造を形成し、同時に前記
   突起以外の部分に前記ダブルヘテロ構造を囲んで第２導
   電型のブロック層および第１導電型のブロックを形成す
   る工程 とを有することを特徴とする半導体レーザの製造方法。