JPH0513888A

JPH0513888A - 半導体発光装置およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0513888A
Application number: JP3167097A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Matsumoto; 信一松本; Etsuo Noguchi; 悦男野口; Yuichi Tomori; 裕一東盛
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1991-07-08
Filing date: 1991-07-08
Publication date: 1993-01-22

Abstract

(57)【要約】【目的】高効率かつ高出力の動作が可能な半絶縁性埋
め込み構造の半導体発光装置およびその製造方法を提供
する。【構成】ｎ−ＩｎＰ基板１０上にｎ−ＩｎＰバッファ
層２，活性層１およびｐ−ＩｎＰクラッド層３を含むメ
サストライプを配置し、クラッド層３の厚みを薄くし
て、メサストライプの高さを低くする。このメサストラ
イプのうち、少なくとも活性層１を覆う高さまでメサス
トライプの上方は除いてメサ保護層４を設け、このメサ
保護層４の上に半絶縁性ＦｅドープＩｎＰ電流阻止層５
を設ける。メサストライプとメサ保護層４との接合面積
が小さくなるので、電流リーク経路が狭められる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光伝送用光源として重
要である、半導体発光装置、およびその製造方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の半導体発光装置の一例として、
半絶縁性ＩｎＰ結晶を埋め込み層とする埋め込み構造半
導体レーザは、素子容量が小さく、高速変調が可能とな
ることから、大容量光伝送用光源として重要視されてい
る。

【０００３】半絶縁性ＩｎＰ結晶は、ＩｎＰへＦｅをド
ーピングすることで得られる。一般に、Ｆｅは、ＩｎＰ
中において拡散しやすく、また、深い準位を形成し、そ
れが非発光再結合中心となる。このためＦｅをドーピン
グした結晶が、活性層に直接接するような構造の埋め込
み構造半導体レーザでは、Ｆｅが、活性層と埋め込み層
との境界においてパイルアップしたり、活性層中に拡散
し、非発光再結合中心を形成してしまう。この結果、し
きい値電流の増加，発光効率の低下、さらには、長期安
定動作を損なうなどの問題を引き起こすことになる。

【０００４】この問題点を解決するため、従来、図１１
に示す如く、活性層の両側面にＩｎＰからなるメサ保護
層を形成し、これにより、活性層とＦｅをドーピングし
たＩｎＰ層とを分離する方法が提案されている（特開昭
６３−１２８７８６号）。

【０００５】図１１において、１０１はｎ型ＩｎＰ基
板、１０２はｎ型ＩｎＰクラッド層、１０３はＦｅをド
ーピングした半絶縁性高抵抗ＩｎＰ電流阻止層、１０４
はＩｎＧａＡｓＰ活性層、１０５はｐ型ＩｎＰクラッド
層、１０６はｐ型ＩｎＧａＡｓＰキャップ層、１０７は
活性層１０４の両側面に設けたメサ保護層、１０８はｐ
型電極、１０９はｎ型電極である。×印はメサ保護層１
０７とｐ型ＩｎＰクラッド層１０５との接合部分を示
す。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法には、素子作製上、以下に述べるような問題点があっ
た。

【０００７】メサストライプの側面にメサ保護層１０７
を形成しようとすると、ストライプ側面全面に結晶が成
長してしまう。このため、基板と素子上面とがメサ保護
層によって接続され、これが電流リーク経路となり、高
効率動作を阻む原因となる。

【０００８】半絶縁性埋め込み構造の半導体レーザのよ
うに、素子容量低減のために、３μｍ程度の厚い埋め込
み層を必要とするレーザでは、メサストライプの高さが
高くなる。このため、図１１に示す如く、メサ保護層１
０７とストライプ内の活性層１０４の上部に位置するク
ラッド層１０５との接合面積が大となり、比較的大きな
電流リーク経路が形成されてしまう。

【０００９】そこで、本発明の目的は、高効率かつ高出
力の動作が可能な半絶縁性埋め込み構造の半導体発光装
置およびその製造方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明半導体発光装置は、第１の導電型を有
する（１００）半導体基板と、該基板上に配置され、第
１の導電型を有するバッファ層、活性層、および第２の
導電型を有するクラッド層を少なくとも含み、メサスト
ライプ状に形成されたメサストライプと、該メサストラ
イプの両側面に配置され、ＦｅをドーピングしたＩｎＰ
半導体からなる半絶縁性高抵抗層とを有する半導体発光
装置において、前記クラッド層と接する前記半絶縁性高
抵抗層の境界の一部分が、（１１１）面からなる結晶面
で構成されており、前記半導体基板と前記半絶縁性高抵
抗層との間、および前記活性層と前記半絶縁性高抵抗層
との間に、それぞれ、両層を相互に分離する、第２の導
電型を有する半導体層からなるメサ保護層を配設し、お
よび前記半絶縁性高抵抗層の（１１１）面とクラッド層
との間には、前記メサ保護層が形成されないようにした
ことを特徴とする。

【００１１】本発明半導体発光装置の他の形態は、前記
メサ保護層は、第２の導電型を有する導電性ブロック層
と、バンドギャップが前記活性層のバンドギャップより
大きく、かつＩｎＰのバンドギャップよりも小さい半導
体層とから成ることを特徴とする。

【００１２】本発明製造方法は、第１の導電型を有する
半導体基板上に、少なくとも第１の導電型を有するクラ
ッド層、活性層、および第２の導電型を有するクラッド
層をこの順序に積層して積層体を形成する工程と、前記
積層体の上に所定の形状のマスクを形成する工程と、前
記マスクを介して、前記積層体を少なくとも前記活性層
までエッチングしてメサストライプを形成する工程と、
前記メサストライプの両側面を、Ｆｅをドーピングしな
い半導体層からなるメサ保護層によって、少なくとも前
記活性層を覆うように埋め込む工程と、Ｆｅをドーピン
グした半絶縁性高抵抗ＩｎＰ半導体層からなる電流阻止
層を前記メサストライプの上方を空所にしたまま、少な
くとも前記マスクの高さを越え、および所定の厚さに形
成する工程と、前記電流阻止層、および前記メサストラ
イプ上の半導体層上に、第２の導電型を有する半導体層
からなるクラッド層および電極層をこの順序に積層する
工程とを具えたことを特徴とする。

【００１３】

【作用】従来の半絶縁性埋め込み構造半導体レーザで
は、メサ保護層がメサストライプの全面に形成されるの
で、メサ保護層とｐ型ＩｎＰとの接合面積が大きく、こ
れが電流リーク経路となり、高効率動作を阻んでいた。
これは、メサストライプの高さを、埋め込み層の厚さ相
当にするために生じる問題であった。

【００１４】これに対して、本発明では、埋め込み層形
成時におけるメサストライプの高さを、メサ保護層の厚
み程度に低くし、メサストライプの両側面をメサ保護層
によって少なくとも活性層を覆うようにこの活性層の高
さの位置まで埋め込み、かかる後に、必要とする半絶縁
性電流阻止層を形成する工程を経て半導体発光装置を形
成とする。

【００１５】すなわち、本発明では、メサストライプの
高さをメサ保護層の厚さ程度に低くするために、メサス
トライプ内の活性層の上部に配置するクラッド層の厚み
を薄くする。これにより、メサストライプとメサ保護層
との接合面積を小さくすることができ、以て電流リーク
経路を極力狭めることが可能となる。

【００１６】さらにまた、本発明では、基板と反対の導
電性を有し空乏化しているＩｎＰ半導体層からなる導電
性ブロック層を含むメサ保護層を、メサストライプの側
面のみならず、基板と半絶縁性埋め込み層との間にも両
者を分離する形で配置する。これにより、基板から埋め
込み層への電子（基板がｎ型基板の場合）、あるいは正
孔（基板がｐ基板の場合）の拡散を防ぐことができる。
この結果、半絶縁性結晶に電子と正孔が同時に注入する
ダブルインジェクションによる再結合電流の発生が抑え
られ、埋め込み層を通じてのリーク電流が低減し、高効
率動作が可能となる。このように、メサ保護層が、基板
から埋め込み層への電子、あるいは正孔の拡散を防ぐ機
能を兼ね備えた半絶縁性ＩｎＰ埋め込み構造半導体レー
ザは、従来なかった。

【００１７】さらに、本発明の他の形態では、活性層の
側面にバンドギャップが活性層のバンドギャップよりも
大きく、かつＩｎＰのバンドギャップよりも小さいＩｎ
ＧａＡｓＰなどの半導体層を形成し、そのうえで先に述
べた導電性ブロック層を形成して両層によりメサ保護層
を構成する。これにより、活性層と活性層に直接接する
半導体層との屈折率差を小さくすることができ、活性層
幅が広くなっても、基本モード発振が可能となる。この
結果、半導体レーザの直列抵抗を低減でき、高出力動作
を行う上で有利となる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。

【００１９】（実施例１）図１は、本発明の一実施例と
して、ｎ型基板上にＦｅドープＩｎＰ埋め込み構造を設
けた半導体レーザを示す断面図である。

【００２０】図１において、１は活性層であり、この活
性層１は、発光波長１．３０μｍに相当するＩｎＧａＡ
ｓＰ半導体結晶である。活性層１は、ｎ型ＩｎＰ基板１
０上において、ｐ型ＩｎＰクラッド層２とｎ型ＩｎＰバ
ッファ層３に上下から挟まれてメサストライプを形成し
ている。ｐ型ＩｎＰクラッド層２の上には、ｐ型オーバ
ークラッド層６が設けられ、その上には、ｐ型電極８と
良好なコンタクトが得られるように、ｐ型ＩｎＧａＡｓ
Ｐからなる電極層７が設けられている。半絶縁性高抵抗
のＦｅドープＩｎＰ電流阻止層５とｎ型ＩｎＰ基板１０
との間には、メサストライプの両側面を覆うようにして
ｐ型ＩｎＰからなる、すなわちＦｅをドープしないメサ
保護層４が形成されており、これにより活性層１と電流
阻止層５とを分離している。ここで、メサストライプの
高さをメサ保護層４の厚さ程度に低く定める。ｎ型電極
９はｎ型ＩｎＰ基板１０の全面に配置され、およびｐ型
電極８は素子上面に配置されている。

【００２１】図２〜図５に本実施例の半導体レーザの製
造工程の各段階において形成される製品の断面図を示
す。先ず、図２に示すように、（１００）面ｎ型ＩｎＰ
基板１０（キャリア濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-3）上に、Ｓｅ
をドーパントとするｎ型ＩｎＰバッファ層３（キャリア
濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１μｍ），発光波長１．３
０μｍに相当するノンドープＩｎＧａＡｓＰ活性層１
（厚さ０．１５μｍ），Ｚｎをドーパントとするｐ型Ｉ
ｎＰクラッド層２（キャリア濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚
さ０．２μｍ），発光波長１．３０μｍに相当するノン
ドープＩｎＧａＡｓＰバッファ層１２（厚さ０．１μ
ｍ）を減圧有機金属気相成長法により形成したのち、Ｓ
ｉＯ₂ 膜１１（厚さ０．１μｍ）からなる所定の形状の
マスクを用いて、高さ約０．６μｍ、幅約１．５μｍの
メサストライプを形成する。

【００２２】次に、メサストライプの両側面を、液相成
長法を用いて、Ｚｎをドーパントとするｐ型ＩｎＰから
なるメサ保護層４（キャリア濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚
さ０．３μｍ）によって埋め込む。その結果、図３に示
すように、活性層１の両側面は、メサ保護層４によって
完全に被覆される。

【００２３】さらに、減圧有機金属気相成長法を用い
て、ＦｅドープＩｎＰ層を厚さ約３μｍにわたって成長
させて図４に示すように電流阻止層５を形成する。この
とき、電流阻止層５と基板１０との間は、メサ保護層４
によって分離されている。メサストライプの上方にはＵ
字型溝１３が形成される。

【００２４】次に、ＳｉＯ₂ 膜１１、およびＩｎＧａＡ
ｓＰバッファ層１２を除去し、液相成長法によって、ｐ
型ＩｎＰオーバークラッド層６、およびｐ型ＩｎＧａＡ
ｓＰ電極層７をこの順序に形成し、図５に示すように、
溝１３を埋め込んで素子表面を平坦化する。なお、活性
層１上のｐ型ＩｎＰオーバークラッド層６と接する半絶
縁性ＩｎＰ電流阻止層５の境界の一部分は、（１１１）
面からなる結晶面となっている。最後に、電極８および
９を形成し、さらに個々のレーザチップに切り出して、
図１に示したような構造の半導体レーザを得た。

【００２５】このようにして製作された半導体レーザの
室温における特性は、発振しきい値電流１２ｍＡ、外部
微分量子効率０．２５ｍＷ／ｍＡ、最高出力４０ｍＷで
あった。しかもまた、本実施例では、注入電流の増加に
伴う効率の低下はほとんどみられなかった。

【００２６】（実施例２）図６は、本発明の他の実施例
として、ｎ型基板上にＦｅドープＩｎＰ埋め込み構造を
設けた半導体レーザを示す断面図である。図６におい
て、図１と同様の個所には同一の符号を付すことにす
る。

【００２７】図６において、活性層１は、発光波長１．
３０μｍに相当するＩｎＧａＡｓＰ半導体結晶である。
この活性層１は、ｎ型ＩｎＰ基板１０上において、ｐ型
ＩｎＰクラッド層２とｎ型ＩｎＰバッファ層３に上下か
ら挟まれてメサストライプを形成している。ｐ型ＩｎＰ
クラッド層２の上には、ｐ型ＩｎＰオーバークラッド層
６が設けられ、その上には、ｐ型電極８と良好なコンタ
クトが得られるように、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなる電
極層７が設けられている。活性層１と電流阻止層５との
間は、基板１０上に設けた、発光波長１．１μｍに相当
するＩｎＧａＡｓＰ半導体結晶からなる半導体層２１に
よって分離されている。半絶縁性高抵抗のＦｅドープＩ
ｎＰ電流阻止層５と半導体層２１との間には、ｐ型Ｉｎ
Ｐからなる導電性ブロック層２２が設けられている。本
例では、これら両層２１と２２とによりＦｅが意図的に
ドープされていないメサ保護層２３を構成する。本例に
おいても、メサストライプの高さをメサ保護層２３の厚
さ程度に低く定めておく。ｎ型電極９はｎ型ＩｎＰ基板
１０の全面に配設され、およびｐ型電極は素子上面に配
設されている。

【００２８】図７〜図１０に本実施例の半導体レーザの
製造工程の各段階において形成される製品の断面図を示
す。先ず、図７に示すように、（１００）面ｎ型ＩｎＰ
基板１０（キャリア濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-3）上に、Ｓｅ
をドーパントとするｎ型ＩｎＰバッファ層３（キャリア
濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１μｍ），発光波長１．３
０μｍに相当するノンドープＩｎＧａＡｓＰ活性層１
（厚さ０．１５μｍ），Ｚｎをドーパントとするｐ型Ｉ
ｎＰクラッド層２（キャリア濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚
さ０．２μｍ），発光波長１．３０μｍに相当するノン
ドープＩｎＧａＡｓＰバッファ層１２（厚さ０．１μ
ｍ）を減圧有機金属気相成長法により形成したのち、Ｓ
ｉＯ₂ 膜１１（厚さ０．１μｍ）からなる所定の形状の
マスクを用いて、高さ約０．６μｍ、幅約３μｍのメサ
ストライプを形成する。

【００２９】次に、図８に示すように、メサストライプ
の両側面に、液相成長法を用いて、発光波長１．１μｍ
に相当するＩｎＧａＡｓＰ半導体層２１を形成し、この
後にＺｎをドーパントとするｐ型ＩｎＰからなる導電性
ブロック層２２（キャリア濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ
０．３μｍ）を形成し、両層２１と２２によってメサ保
護層２３を構成する。このとき、活性層１の両側面は、
半導体層２１によって完全に被覆される。ここで、半導
体層２１を構成するＩｎＧａＡｓＰはｐ型，ｎ型あるい
はノンドープのいずれであってもよい。

【００３０】さらに、減圧有機金属気相成長法を用い
て、ＦｅドープＩｎＰ層を厚さ約３μｍにわたって成長
させて、図９に示すように、電流阻止層５を形成する。
このとき、電流阻止層５と基板１０との間は、メサ保護
層２３によって分離されている。メサストライプの上方
にはＵ字型溝２４が形成される。

【００３１】次に、ＳｉＯ₂ 膜１１、およびＩｎＧａＡ
ｓＰバッファ層１２を除去し、液相成長法によって、ｐ
型ＩｎＰオーバークラッド層６、およびｐ型ＩｎＧａＡ
ｓＰ電極層７をこの順序に形成し、図５に示すように、
溝１３を埋め込んで素子表面を平坦化する。なお、活性
層１上のｐ型ＩｎＰオーバークラッド層６と接する半絶
縁性ＩｎＰ電流阻止層５の境界の一部分は（１１１）面
からなる結晶面となっている。最後に、電極８および９
を形成し、さらに個々のレーザチップに切り出して、図
６に示したような構造の半導体レーザを得た。

【００３２】このようにして製作された半導体レーザの
室温における特性は、発振しきい値電流１８ｍＡ、外部
微分量子効率０．２５ｍＷ／ｍＡ、最高出力６０ｍＷで
あり、本実施例においても、注入電流の増加に伴う効率
の低下はほとんどみられなかった。

【００３３】なお、本発明は上述した実施例にのみ限ら
れるものではなく、たとえば導電型をｐ型とｎ型とで互
いに入れ換えることもできる。

【００３４】

【発明の効果】以上述べてきたように、本発明によれ
ば、メサストライプの高さを低くすることで、メサスト
ライプ内において活性層の上部に位置するクラッド層と
メサ保護層との接合面積を小さくすることができる。こ
のため、メサ保護層を通じてのリーク電流の低減が可能
となった。しかもまた、本発明によれば、メサ保護層に
基板から半絶縁性埋め込み層への電子、あるいは正孔の
拡散を防ぐ機能をもたせることによって、半絶縁性埋め
込み層内におけるダブルインジェクションによる再結合
電流の発生が抑えられ、高効率かつ高出力動作が実現で
きた。さらに加えて、本発明によれば、活性層側面の半
導体層をＩｎＧａＡｓＰ半導体層とし、活性層との屈折
率差を小さくすることによって、メサストライプ幅を広
くとることが可能となり、直列抵抗の低減が図られ、以
て出力特性をさらに改善できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるＦｅドープＩｎＰ埋め
込み構造半導体レーザの構造を示す断面図である。

【図２】実施例１の製造工程において形成される製品の
断面図である。

【図３】実施例１の製造工程において形成される製品の
断面図である。

【図４】実施例１の製造工程において形成される製品の
断面図である。

【図５】実施例１の製造工程において形成される製品の
断面図である。

【図６】本発明の他の実施例であるＦｅドープＩｎＰ埋
め込み構造半導体レーザの構造を示す断面図である。

【図７】実施例２の製造工程において形成される製品の
断面図である。

【図８】実施例２の製造工程において形成される製品の
断面図である。

【図９】実施例２の製造工程において形成される製品の
断面図である。

【図１０】実施例２の製造工程において形成される製品
の断面図である。

【図１１】メサ保護層を有する、従来のＦｅドープＩｎ
Ｐ埋め込み構造半導体レーザの例を示す断面図である。

【符号の説明】

１活性層２ｐ−ＩｎＰクラッド層３ｎ−ＩｎＰバッファ層４ｐ−ＩｎＰメサ保護層５半絶縁性ＦｅドープＩｎＰ電流阻止層６ｐ−ＩｎＰオーバークラッド層７ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ電極層８ｐ型電極９ｎ型電極１０ｎ−ＩｎＰ基板１１ＳｉＯ₂ 膜１２ＩｎＧａＡｓＰバッファ層１３溝２１ＩｎＧａＡｓＰ層２２ｐ−ＩｎＰ導電性ブロック層２３メサ保護層２４溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の導電型を有する（１００）半導体
基板と、該基板上に配置され、第１の導電型を有するバッファ
層、活性層、および第２の導電型を有するクラッド層を
少なくとも含み、メサストライプ状に形成されたメサス
トライプと、該メサストライプの両側面に配置され、Ｆｅをドーピン
グしたＩｎＰ半導体からなる半絶縁性高抵抗層とを有す
る半導体発光装置において、前記クラッド層と接する前記半絶縁性高抵抗層の境界の
一部分が、（１１１）面からなる結晶面で構成されてお
り、前記半導体基板と前記半絶縁性高抵抗層との間、および
前記活性層と前記半絶縁性高抵抗層との間に、それぞ
れ、両層を相互に分離する、第２の導電型を有する半導
体層からなるメサ保護層を配設し、および前記半絶縁性
高抵抗層の（１１１）面とクラッド層との間には、前記
メサ保護層が形成されないようにしたことを特徴とする
半導体発光装置。
【請求項２】前記メサ保護層は、第２の導電型を有す
る導電性ブロック層と、バンドギャップが前記活性層の
バンドギャップより大きく、かつＩｎＰのバンドギャッ
プよりも小さい半導体層とから成ることを特徴とする請
求項１記載の半導体発光装置。
【請求項３】第１の導電型を有する半導体基板上に、
少なくとも第１の導電型を有するクラッド層、活性層、
および第２の導電型を有するクラッド層をこの順序に積
層して積層体を形成する工程と、前記積層体の上に所定の形状のマスクを形成する工程
と、前記マスクを介して、前記積層体を少なくとも前記活性
層までエッチングしてメサストライプを形成する工程
と、前記メサストライプの両側面を、Ｆｅをドーピングしな
い半導体層からなるメサ保護層によって、少なくとも前
記活性層を覆うように埋め込む工程と、Ｆｅをドーピングした半絶縁性高抵抗ＩｎＰ半導体層か
らなる電流阻止層を前記メサストライプの上方を空所に
したまま、少なくとも前記マスクの高さを越え、および
所定の厚さに形成する工程と、前記電流阻止層、および前記メサストライプ上の半導体
層上に、第２の導電型を有する半導体層からなるクラッ
ド層および電極層をこの順序に積層する工程とを具えた
ことを特徴とする半導体発光装置の製造方法。