JPH05167198A

JPH05167198A - 半導体発光素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH05167198A
Application number: JP33524491A
Authority: JP
Inventors: Naoki Nakajo; 直樹中條; Akizumi Sano; 日隅佐野; Genta Koizumi; 玄太小泉; Ryoji Suzuki; 良治鈴木; Hisaya Ikegami; 久也池上; Shunichi Minagawa; 俊一皆川; Katsuhiko Sakai; 勝彦酒井
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1991-12-18
Filing date: 1991-12-18
Publication date: 1993-07-02

Abstract

(57)【要約】【目的】製造が簡単で寿命の長い半導体発光素子及び
その製造方法を提供することを可能とする。【構成】選択的にメサストライプ９を形成した半導体
基板１上に、少なくとも前記基板と逆の導電型の電流狭
窄層２と、第１クラッド層３と、活性層４と、第２クラ
ッド層５の各層を順次積層した構造において、電流狭窄
層２をメサストライプの凸部９を除く領域に積層させ、
かつ活性層４がメサストライプの凸部９の直上でたわみ
なく平板状であることを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、雑音特性がよく指向性
が高いことが必要とされる半導体発光素子及びその製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】利得導波型半導体レーザ、特にストライ
プ幅が５μｍ以下のナローストライプ構造利得導波型半
導体レーザは、縦多モードで発振するため、レーザ光の
可干渉性が低く戻り光雑音が低い。またしきい値付近で
は、超放射成分（自然放射光が増幅されたもの）が大き
いため、スーパルミネッセントダイオードとしても使わ
れている。

【０００３】従来用いられてきた利得導波型半導体レー
ザのストライプ構造としては、プレーナストライプレー
ザ、電極ストライプレーザ、プロトンストライプレー
ザ、Ｖ溝ストライプレーザなどの電流狭窄をエピタキシ
ャル層の表面側から行う外部電流狭窄構造が用いられて
きた。

【０００４】ＶＳＩＳ構造半導体レーザは比較的簡単な
構造で電流狭窄効果が確実に得られ、またＶ溝部とその
外部との実効的な屈折率差を利用して弱屈折率導波路を
作り出している。

【０００５】ＶＳＩＳ構造半導体レーザでは、パルセー
ションモードで発振した非点収差が小さいレーザ光が得
られるため、光ディスク等の光情報機器用の光源として
広く使われている。

【０００６】しかしＶＳＩＳ構造半導体レーザは、Ｖ字
溝を液相エピタキシャル成長法により埋め込む工程を持
っており、この時Ｖ字溝は溝の最下部の両側面から中央
部に向かう成長ステップの進行によって徐々に埋められ
るため、Ｖ字溝中央部には、左右から成長してきた結晶
の接合部が生じるが、この接合部には不純物の偏析やこ
れに伴う結晶欠陥が多く発生し、素子の寿命特性を大幅
に悪化させる原因になっており、素子の生産歩留も大き
く低下してしまう。

【０００７】一方、基板に溝ではなくメサストライプを
形成した構造の屈折率導波構造の半導体レーザが提案さ
れている（特開平２−２４６２８９号公報）。

【０００８】この構造では前記下ＶＩＳＳ構造とは異な
り、メサストライプ直上部では結晶欠陥が少なく素子の
寿命も良好であると考えられる。

【０００９】この半導体レーザは、第１の導電型の半導
体基板上にメサストライプを形成し、この上に電流狭窄
層、第１クラッド層を液相エピタキシャル成長により連
続して積層するとき、電流狭窄の成長溶液として過飽和
度の比較的小さい過飽和溶液を用いることにより電流狭
窄層をメサストライプの凸部を除いて選択的に成長し、
また第１クラッド層の成長溶液として過飽和度の比較的
大きい過飽和溶液を用いることにより、第１クラッド層
の上面をメサストライプの直上部で湾曲させ、この上に
活性層を成長させることにより、発光部分の水平方向に
屈折率差を生じさせるという屈折率導波構造の半導体レ
ーザの製造方法が知られている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この屈
折率導波構造の半導体レーザは、活性層をたわませるこ
とにより水平方向の屈折率差を作り出しているため、パ
ールセッションモードで発振させるのは難しく、光ディ
スク等の光源としては戻り光による雑音特性が悪いため
に適していない。

【００１１】また従来用いられてきたプレーナストライ
プレーザ、電極ストライプレーザ、プロトンストライプ
レーザ、Ｖ溝ストライプレーザ等の電流狭窄をエピタキ
シャル層の表面側から狭窄する構造の外部電流狭窄構造
利得導波型半導体レーザはエピタキシャル成長の後で、
Ｚｎ拡散あるいはＣＶＤ膜形成あるいはプロトン照射と
フォトリソグラフィー工程の組み合わせによる比較的複
雑な製造工程を必要とする問題がある。

【００１２】そこで、本発明の目的は、前記した従来技
術の欠点を解消し、製造が簡単で寿命の長い半導体発光
素子及びその製造方法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、選択的にメサストライプを形成した第１の
導電型の半導体基板上に、少なくとも前記基板と逆の導
電型の第２の導電型の第１層（電流狭窄層）と、第１の
導電型の第２層（クラッド層）と、第１の導電型又は第
２の導電型又はアンドープの第３層（活性層）と、第２
の導電型の第４層（第２クラッド層）の各層を順次積層
した構造において、第１層をメサストライプの凸部を除
く領域に積層させ、かつ第３層がメサストライプの凸部
の直上でたわみなく平板状であることを特徴とする半導
体発光素子であり、また少なくとも第１の導電型の半導
体基板上にメサストライプを形成する第１の工程と、前
記基板上に第２の導電型の第１層を前記メサストライプ
の凸部を除く領域に積層する第２の工程と、第１の導電
型の第２層を基板全面に積層する第３の工程と、第１の
導電型又はアンドープの第３層を基板全面に積層する第
４の工程と、第２の導電型の第４層を基板全面に成長す
る第５の工程を含み、第２の工程以後の工程を連続して
液相エピタキシャル成長法で行い、かつ前記第２の工程
で過飽和度の比較的小さい過飽和溶液を用いることによ
りメサストライプの凸部を除く領域に選択的に第１層を
積層し、第３の工程で過飽和度の比較的小さい過飽和溶
液を用いることにより、ストライプ状の凸部を完全に埋
め込み、第２層の上面を平坦にすることを特徴とする半
導体発光素子の製造方法である。

【００１４】また第１の導電型の半導体基板上に少なく
ともメサストライプ形状を持つ少なくとも第１の導電型
の第１層と、前記第１層の直上部分を除く部分を埋め込
んだ形状を持つ第２の導電型の第２層と、前記第１層及
び第２層の直上に、第１の導電型の第３層と、第１の導
電型又は第２の導電型又はアンドープの単層又は超格子
構造を持つ第４層と、第２の導電型の第５層とを順次積
層した構造の半導体レーザにおいて、第１層のバンドギ
ャップのエネルギーが、発光した光のエネルギーよりよ
り大きく、第２層のバンドギャップのエネルギーが発光
した光のエネルギーより小さいことを特徴とする半導体
発光素子であり、また少なくとも半導体基板上に第１層
を積層する第１の工程と、この第１層をメサストライプ
形状に加工する第２の工程と、第２層を前記メサストラ
イプ形状に加工する第２の工程と、第２層を前記メサス
トライプの直上を除く領域に積層する第３の工程と、第
３層を基板全面に積層する第４の工程と、第４層を基板
全面に積層する第５の工程と、第５層を基板全面に積層
する第６の工程の各工程を含み、第３の工程から第６の
工程を連続してエピタキシャル成長により積層すること
を特徴とし、第３の工程で過飽和度の比較的小さい溶液
を使用することによりメサストライプ直上を除く領域に
選択的に第２層を積層することを特徴とする半導体発光
素子の製造方法である。

【００１５】

【作用】上記の構成によれば、メサストライプを形成し
た半導体基板上に液相エピタキシャル層を形成して半導
体レーザを形成するにおいて、第１のクラッド層をメサ
ストライプの凸部を完全に埋め込み、かつその上面が完
全に平坦になるようにして活性層と第２クラッド層を形
成することで、１回のエピタキシャル成長で、しかも外
部電流狭窄構造利得導波型レーザのように複雑な工程を
必要とせずに製造することができる。

【００１６】またＧａＡｌＡｓ系の利得導波構造の半導
体レーザを作成する場合、ＧａＡｓ基板上のメサストラ
イプの凸部と活性層との間の第１クラッド層の厚さが薄
いと活性層を導波するレーザ光が半導体基板上のストラ
イプ状の凸部にしみだし吸収されるため、実効的な屈折
率差が生じ水平方向の屈折率反導波性から非常に強くな
るため、典型的な利得導波構造半導体レーザの特性を示
さなくなるため、メサストライプの凸部と活性層との間
の第１クラッド層の厚さを０．４μｍ以上とするのが望
ましい。

【００１７】また半導体レーザ（半導体発光素子）にお
いて、バンドキャップのエネルギーが大きいメサストラ
イプ形状の光透過層のまわりをその層の反対の導電型を
持つバンドギャップのエネルギーの小さい電流狭窄吸収
層で埋め込み、その上に第１クラッド層と第２クラッド
層を成長することにより弱屈折率導波構造の半導体レー
ザとすることができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て詳述する。

【００１９】図１，図２により本発明における半導体発
光素子であるＧａＡｌＡｓ系利得導波型半導体レーザに
ついて説明する。

【００２０】先ず図１はナローストライプ構造のＧａＡ
ｌＡｓ系利得導波型半導体レーザの断面図を示し、図２
（ａ）〜（ｅ）はその製造工程を示すものである。

【００２１】図１において、１は選択的にメサストライ
プ９を形成した第１の導電型の半導体基板、２は、少な
くとも前記基板と逆の導電型の第２の導電型の第１層
（電流狭窄層）、３は、第１の導電型の第２層（クラッ
ド層）、４は、第１の導電型又は第２の導電型又はアン
ドープの第３層（活性層）で、メサストライプ９の直上
に発光領域１０が形成される。５は、第２の導電型の第
４層（第２クラッド層）、６はキャップ層で、これら各
層は順次積層されて形成され、第１層２をメサストライ
プの凸部９を除く領域に積層させ、かつ第３層３がメサ
ストライプの凸部の直上でたわみなく平板状に形成され
る。

【００２２】これをより具体的に図２により説明する。

【００２３】図２（ａ）に示すようにＧａＡｓ基板１の
（１００）面上に［０−１１］方向に幅３μｍのストラ
イプ状のレジストパターンを形成し、硫酸系のエッチン
グ液で約２．５μｍの深さのエッチングを行いメサスト
ライプの凸部９を形成する。

【００２４】次にこのＧａＡｓ基板１上にスライドボー
トを用いた５層連続液相エピタキシャル成長法により５
層のエピタキシャル層２〜６を成長させる。

【００２５】先ず図２（ｂ）に示すようにｎ型ＧａＡｓ
電流狭窄層２の成長溶液をその過飽和度が１℃と比較的
低いい状態でＧａＡｓ基板１と接触させる。これにより
電流狭窄が図２（ｂ）に示すようにメサストライプの凸
部９を除く領域に約０．５μｍ成長する。この時メサス
トライプの凸部９は、この過飽和度の比較的低い成長溶
液により約０．２μｍメルトバックされる。次にｐ型Ｇ
ａ0.4Ａｌ0.6 Ａｓ第１クラッド層３の成長溶液をその
過飽和度が１．５℃と比較的低い状態で接触させる。こ
れにより先ず第１クラッド層３が第２図（ｂ）の点線の
ところまでメサストライプの凸部９を除く領域に約１．
５μｍ成長する。この時メサストライプの凸部９は、こ
の過飽和度の比較的低い成長溶液により約０．３μｍメ
ルトバックされる。第１クラッド層はこの点線まで成長
した後は今度はストライプ状の凸部９を含む全領域にわ
たって平坦に成長する。本実施例ではストライプ状の凸
部９の上約２μｍの厚さになるように成長を行った。

【００２６】次にｐ型Ｇａ0.95Ａｌ0.05Ａｓ活性層４を
０．１μｍ、ｎ型Ｇａ0.6 Ａｌ0.4Ａｓ第２クラッド層
５を２μｍ、最後にｎ⁺型ＧａＡｓキャップ層６を１μ
ｍ、第２図（ｃ）のようにたわみがない平板状に成長を
行う。

【００２７】次に第２図（ｅ）に示すようにＡｕＧｅ＼
Ｎｉ＼Ａｕｎ側電極７を真空蒸着法で形成し、ＧａＡ
ｓ基板１の裏側を研磨とエッチングして全厚を１００μ
ｍとし、ＡｕＺｎ＼Ｎｉ＼Ａｕｐ側電極８を真空蒸着
法で形成し、４００℃でアロイしてオーミック電極を形
成する。

【００２８】こうして作成した半導体レーザは、λ＝８
３０ｎｍで縦多モード発振し、３０ｍＷ程度までキンク
がない典型的なナローストライプ構造利得導波型半導体
レーザの特性を示した。

【００２９】この半導体レーザの特性を図３（ａ）に示
した。図は光出力１０ｍＷの時のスペクトルを示したも
のである。このスペクトルにおいて、しきい電流付近で
は超放射性分が大きいスペクトルを示し、スーパールミ
ネッセントダイオードとして機能している。また図３
（ｂ）に光出力１ｍＷの時のスペクトルを示す。

【００３０】またレーザ光の出射面を反射防止膜でコー
ティングすると、しきい値付近での超放射性分がさらに
増加し、より大出力のスーパルミネッセントダイオード
として機能させることができた。図３（ｃ）に光出力２
ｍＷの時のスペクトルを示す。

【００３１】尚、本実施例ではＧａＡｌＡｓ系の発光素
子に関する実施例を示したが、他の系（例えばＩｎＧａ
ＡｓＰ系）の発光素子にも適用することが可能である。

【００３２】図４は本発明の他の実施例の半導体レーザ
の断面図である。

【００３３】この半導体レーザは、第１の導電型の半導
体基板１１上に少なくともメサストライプ形状を持つ少
なくとも第１の導電型の第１層（光透過層）１２と、前
記第１層１２の直上部分を除く部分を埋め込んだ形状を
持つ第２の導電型の第２層（電流狭窄光吸収層）１３
と、前記第１層１２及び第２層１３の直上に、第１の導
電型の第３層（第１クラッド層）１４と、第１の導電型
又は第２の導電型又はアンドープの単層又は超格子構造
を持つ第４層（活性層）１５と、第２の導電型の第５層
（第２クラッド層）１６と第６層（キャップ層）１７を
順次積層した構造の半導体レーザにおいて、第１層１２
のバンドギャップのエネルギーが、発光した光のエネル
ギーよりより大きく、第２層１３のバンドギャップのエ
ネルギーが発光した光のエネルギーより小さくしたもの
である。

【００３４】この半導体レーザの動作原理を図５により
説明する。

【００３５】電流が電流狭窄光吸収層１３によりメサス
トライプ２０の領域に狭窄されるため、活性層１５に注
入される電流は（メサストライプ２０の幅）＋（第２ク
ラッド層の厚さ）程度の幅に狭窄される。

【００３６】この注入された電流により利得が発生し、
誘導放出光が発生する。第１クラッド層１４からしみだ
した光は、メサストライプ２０の直上では光透過層１２
がこの光に対し透明なために、光の分布は点線２１のよ
うに第１クラッド層１４の外まで広がるがメサストライ
プ２０の外部では電流狭窄のために光の分布は点線２２
のように第１クラッド層１４の外に広がらない。このよ
うにメサストライプ２０の端で光の分布が変わるために
メサストライプ２０の直上と、それ以外の部分では、実
効的な屈折率差が生じ、その分布は図５（ｂ）のよう
に、メサストライプ２０の直上で屈折率が高い弱屈折率
導波構造となる。メサストライプ１０の幅と第１クラッ
ド層１４の厚さを最適化すればパルセーションモードで
発振する半導体レーザを製造することができる。

【００３７】図６を用いて本発明の半導体レーザの製造
方法を一実施例を説明する。

【００３８】先ず図６（ａ）に示すようにｐ−ＧａＡｓ
基板１１の上にｐ−Ｇａ0.6 Ａｌ0.4 Ａｓ光透過層１２
を１層だけエピタキシャル成長し、成長装置から取り出
す。

【００３９】次にフォトリソグラフィーとエッチングプ
ロセスにより図６（ｂ）に示すようなメサストライプ２
０を形成する。

【００４０】次に液相エピタキシャル成長法により、ｎ
−ＧａＡｓ電流狭窄・光吸収層１３をメサストライプ２
０を形成した基板１１上に成長する。この時、成長溶液
として過飽和度の低い溶液を使用すると、メサストライ
プ２０の頂上付近のＧａＡｌＡｓの酸化層が自然にメル
トバックされるため、図６（ｃ）のようにメサストライ
プ２０の直上を除く領域に選択的にｎ−ＧａＡｓ電流狭
窄・光吸収層１３を成長することができる。

【００４１】次に前の工程と連続して図６（ｄ）に示す
ように、ｐ−Ｇａ0.6 Ａｌ0.4 Ａｓ第１クラッド層１
４、ｐ−Ｇａ0.87Ａｌ0.13Ａｓ活性層１５、ｎ−Ｇａ0.
6 Ａｌ0.4 Ａｓ第２クラッド層１６、ｎ⁺Ｇａ0.98Ａｌ
0.02Ａｓキャップ層１７を連続して成長する。

【００４２】最後に、ｎ−コンタクト電極１８、ｐ−コ
ンタクト電極１９を真空蒸着・アロイを行い、図６
（ｅ）のように形成する。

【００４３】図７に本発明の半導体レーザの別の実施例
を示す。

【００４４】図５，図６の例においては、メサストライ
ブ２０を形成する際に、ｐ−ＧａＡｓ基板１１の上にｐ
−Ｇａ0.6 Ａｌ0.4 Ａｓ光透過層１２をエピタキシャル
成長させ、フォトリソグラフィーとエッチングプロセス
により基板１１の表面までエッチングしたが、図７の実
施例においては、光透過層１２の表面を一部残してメサ
ストライプ２０を形成したもので、その他の層１３〜１
７及び電極１８，１９は図５，６の実施例と同じであ
る。

【００４５】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば次のごとき
優れた効果を発揮する。

【００４６】(1) 一回の液相エピタキシャル成長で内部
狭窄構造を有する利得導波型半導体レーザを形成するこ
とができるため工程を簡略化できる。

【００４７】(2) 内部電流狭窄構造を採用しているた
め、公知の外部電流狭窄構造と組み合わせれば、従来の
片側のみの電流狭窄構造の利得導波型半導体レーザと比
べ無効電流の少ない高効率のものが作製できる。

【００４８】(3) メサストライプの上に活性層を形成す
るのでＶ溝上に活性層を形成していた従来のＶＩＳＳレ
ーザと同性能で寿命の長い素子が製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す断面図である。

【図２】第１図の半導体発光素子の製造方法を示す図で
ある。

【図３】第１図の半導体発光素子のスペクトル特性を示
す図である。

【図４】本発明の他の実施例を示す断面図である。

【図５】図４の半導体発光素子の動作原理を示す図であ
る。

【図６】図４の半導体発光素子の製造方法を示す図であ
る。

【図７】図４の他の実施例を示す断面図である。

【符号の説明】

１半導体基板２電流狭窄層（第１層）３第１クラッド層（第２層）４活性層（第３層）５第２クラッド層（第４層）９メサストライプの凸部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木良治茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社日高工場内 (72)発明者池上久也茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社日高工場内 (72)発明者皆川俊一茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社日高工場内 (72)発明者酒井勝彦茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社日高工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】選択的にメサストライプを形成した第１
の導電型の半導体基板上に、少なくとも前記基板と逆の
導電型の第２の導電型の第１層（電流狭窄層）と、第１
の導電型の第２層（第１クラッド層）と、第１の導電型
又は第２の導電型又はアンドープの第３層（活性層）
と、第２の導電型の第４層（第２クラッド層）の各層を
順次積層した構造において、第１層をメサストライプの
凸部を除く領域に積層させ、かつ第３層がメサストライ
プの凸部の直上でたわみなく平板状であることを特徴と
する半導体発光素子。
【請求項２】少なくとも第１の導電型の半導体基板上
にメサストライプを形成する第１の工程と、前記基板上
に第２の導電型の第１層を前記メサストライプの凸部を
除く領域に積層する第２の工程と、第１の導電型の第２
層を基板全面に積層する第３の工程と、第１の導電型又
はアンドープの第３層を基板全面に積層する第４の工程
と、第２の導電型の第４層を基板全面に成長する第５の
工程を含み、第２の工程以後の工程を連続して液相エピ
タキシャル成長法で行い、かつ前記第２の工程で過飽和
度の比較的小さい過飽和溶液を用いることによりメサス
トライプの凸部を除く領域に選択的に第１層を積層し、
第３の工程で過飽和度の比較的小さい過飽和溶液を用い
ることにより、ストライプ状の凸部を完全に埋め込み、
第２層の上面を平坦にすることを特徴とする半導体発光
素子の製造方法。
【請求項３】第１の導電型の半導体基板上に少なくと
もメサストライプ形状を持つ少なくとも第１の導電型の
第１層と、前記第１層の直上部分を除く部分を埋め込ん
だ形状を持つ第２の導電型の第２層と、前記第１層及び
第２層の直上に、第１の導電型の第３層と、第１の導電
型又は第２の導電型又はアンドープの単層又は超格子構
造を持つ第４層と、第２の導電型の第５層とを順次積層
した構造の半導体レーザにおいて、第１層のバンドギャ
ップのエネルギーが、発光した光のエネルギーよりより
大きく、第２層のバンドギャップのエネルギーが発光し
た光のエネルギーより小さいことを特徴とする半導体発
光素子。
【請求項４】第１層の上面と、第２層の上面の一部又
は全体が平坦であることを特徴とする請求項第３項に記
載の半導体発光素子。
【請求項５】少なくとも半導体基板上に第１層を積層
する第１の工程と、この第１層をメサストライプ形状に
加工する第２の工程と、第２層を前記メサストライプ形
状に加工する第２の工程と、第２層を前記メサストライ
プの直上を除く領域に積層する第３の工程と、第３層を
基板全面に積層する第４の工程と、第４層を基板全面に
積層する第５の工程と、第５層を基板全面に積層する第
６の工程の各工程を含み、第３の工程から第６の工程を
連続してエピタキシャル成長により積層することを特徴
とし、第３の工程で過飽和度の比較的小さい溶液を使用
することによりメサストライプ直上を除く領域に選択的
に第２層を積層することを特徴とする半導体発光素子の
製造方法。
【請求項６】少なくとも半導体基板上に第１層を積層
する第１の工程と、この第１の工程をメサストライプ形
状に加工する第２の工程と、第２層を基板全面に積層す
る第３の工程と、メサストライプ直上の第２層を完全に
取り除くまでメルトバック或いはエッチバックを行う第
４の工程と、第３層を基板全面に積層する第５の工程
と、第５層を基板全面に積層する第７の工程を含み、第
３の工程から第７の工程を連続して同一成長装置内で行
うことを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子の製
造方法。
【請求項７】第３の工程から第７の工程までを液相エ
ピタキシャル成長法によって行い、第４の工程と第５の
工程で用いる溶液を同一のものとし、前記溶液又は飽和
溶液又は未飽和度の比較的小さい溶液を用いることを特
徴とする請求項６記載の半導体発光素子の製造方法。