JPH0555685A - 横方向注入レーザおよびその製造方法 - Google Patents

横方向注入レーザおよびその製造方法

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JPH0555685A
JPH0555685A JP21073091A JP21073091A JPH0555685A JP H0555685 A JPH0555685 A JP H0555685A JP 21073091 A JP21073091 A JP 21073091A JP 21073091 A JP21073091 A JP 21073091A JP H0555685 A JPH0555685 A JP H0555685A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 活性層への電流注入がエピタキシャル成長層
と平行に行われる横方向注入レーザの素子抵抗を低減す
る。 【構成】 活性層6に光を閉じ込めるための層4、5、
7、8、10を活性層ストライプの両側に沿って薄く形
成し、ここに低抵抗の層11を設け、この低抵抗の層1
1に電極12、13を接続する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は活性層への電流注入がエ
ピタキシャル成長層と平行に行われる構造の半導体レー
ザに関する。
【0002】
【従来の技術】横方向注入レーザでは、すべての層を不
純物を添加せずにエピタキシャル成長させ、必要な部分
に不純物を拡散させることにより、エピタキシャル成長
層に水平な方向にpn接合を形成している。この構造に
より、エピタキシャル成長層に対して垂直に電流を注入
する従来タイプの半導体レーザに比較してpn領域間の
全容量を大幅に低減でき、また、pとnとの電極を同一
平面に配置できることから、光集積回路への集積化に適
すると考えられている。
【0003】横方向注入レーザの具体的な構造の例とし
ては、フルタ他、エレクトロニクス・レターズ第24巻
第20号第1282頁から第1283頁(A.FURUTA et a
l.,Electron.Lett. Vol.24, No.20, pp.1282-1283) に
示されたものが知られている。この文献には、半絶縁性
GaAs基板上にアンドープのAlGaAs層および多
重量子井戸を形成し、その上にさらにアンドープのAl
GaAs層を成長させ、この上側のAlGaAs層に活
性層の発光領域に沿った二列の溝を形成し、この溝にそ
れぞれn型、p型の不純物を拡散して活性層を挟む横方
向のpn接合を形成した構造が示されている。n型の領
域とp型の領域とにはそれぞれ、上側のAlGaAs層
の溝以外の部分に形成されたGaAsコンタクト層を介
して電極が接続される。したがって、p側電極からの電
流は、コンタクト層、上側のAlGaAs層に形成され
たp型領域、および溝の底の部分のp型の領域を経由し
て横方向に活性層に注入される。この電流はさらに、反
対側の溝の底の部分のn型の領域、上側のAlGaAs
層に形成されたn型領域、およびコンタクト層を経由し
てn側電極に達する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の構造で
は、加工上の問題から溝の幅がそれほど小さくできず、
電流は溝の底に沿って数μmにわたって流れなければな
らない。しかも、この溝の底の部分はその組成がAlG
aAsであり、不純物が注入または拡散されていてもそ
の抵抗率はかなり高い。このため、素子抵抗が大きくな
り、良好な特性を得ることは困難であった。
【0005】本発明は、このような課題を解決し、素子
抵抗の小さい横方向注入レーザを提供することを目的と
する。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の第一の観点は横
方向注入レーザの素子構造であり、半導体基板上に不純
物を添加することなくエピタキシャルに形成された複数
の半導体層を備え、この複数の半導体層の少なくとも一
つは電流注入により誘導放射光を発生する活性層として
形成され、この活性層に近接する層はこの活性層と屈折
率の異なる光閉込層として形成され、活性層の誘導放射
光発生方向に沿ってこの活性層と実質的に同一面内の両
側にp型領域とn型領域とを備えた横方向注入レーザに
おいて、光閉込層はp型領域およびn型領域の部分が薄
く形成され、この薄く形成された部分の少なくとも一
方、望ましくは双方に光閉込層より低抵抗の層を備え、
この低抵抗の層に電極が接続されたことを特徴とする。
【0007】活性層にGaAs結晶または量子井戸を用
い、光閉込層にAlGaAs混晶を用いる場合には、低
抵抗の層としてp型領域にはp型、n型領域にはn型の
GaAsを用いることが望ましい。InP系の場合に
は、活性層にInGaAsまたはInGaAsP混晶を
用い、光閉込層にInGaAsP混晶ないしInPを用
い、低抵抗の層として高濃度に不純物が添加されたIn
GaAs混晶を用いることができる。
【0008】本明細書では、三元系または四元系の混晶
について、特に必要な場合以外にはAlGaAs、In
GaAs、InGaAsPのように混晶比を省略して記
載する。
【0009】光閉込層には、活性層の誘導放射光発生方
向に沿ってこの活性層と実質的に平行な面に周囲の層と
屈折率の異なるガイド層を備えることが望ましい。
【0010】本発明の第二の観点は上述の横方向注入レ
ーザを製造する方法であり、半導体基板上に活性層およ
び光閉込層を含む複数の半導体層を不純物を添加するこ
となくエピタキシャル成長させる第一工程と、活性層の
誘導放射光発生方向に沿った両側の部分を薄く形成する
第二工程と、この薄く形成された部分の一方にp型領
域、他方にn型領域を形成する第三工程とを含む横方向
注入レーザの製造方法において、第二工程に続いて前記
薄く形成された部分に低抵抗の層を成長させる工程を含
むことを特徴とする。
【0011】第二工程では、活性層の誘導放射光発生方
向に沿った部分にリッジストライプを残して他の部分を
エッチングしてもよく、活性層の誘導放射光発生方向に
沿ってリッジストライプを成長させてもよい。
【0012】p型領域およびn型領域を形成する第三工
程では、低抵抗の層が形成された後にイオン注入または
拡散により不純物を添加してもよいが、低抵抗の層を成
長させる工程においてその少なくとも一方に不純物を添
加しておいてもよい。
【0013】低抵抗の層を成長させる工程では光閉込層
を全体に覆うように成長させ、第三工程によりp型領域
およびn型領域を形成した後にリッジストライプの上の
部分をエッチングしてもよく、リッジストライプの側部
にのみ低抵抗の層を選択成長させてもよい。エッチング
の代わりに、リッジストライプ上にO2 などをイオン注
入して絶縁化してもよい。
【0014】
【作用】電流を横方向に流す層として低抵抗の層を用い
ることにより、素子の直列抵抗が低減され、キャリアの
注入効率が高まり、駆動時の発熱が低減され、レーザ素
子としての発振特性が改善される。また、直流抵抗が低
減されることから、レーザ素子としての高周波特性が改
善される。
【0015】
【実施例】図1は本発明実施例の横方向注入レーザの構
造を示す断面図であり、ストライプ方向を横切る断面の
構造を示す。
【0016】この横方向注入レーザは、半導体基板1上
に不純物を添加することなくエピタキシャルに形成され
た複数の半導体層としてバッファ層2、超格子バッファ
層3、クラッド層4、GRIN(傾斜屈折率)層5、S
QW(単一量子井戸)層6、GRIN層7、ブロック層
8、ガイド層9およびクラッド層10を備える。SQW
層6は電流注入により誘導放射光を発生する活性層とし
て用いられ、このSQW層6に近接するGRIN層5、
7、クラッド層4、ブロック層8およびクラッド層10
はSQW層6と屈折率の異なる光閉込層として用いられ
る。また、SQW層6の誘導放射光発生方向に沿って、
このSQW層6と実質的に同一面内の両側に、p型領域
とn型領域とを備える。
【0017】ここで本実施例の特徴とするところは、光
閉込層、特にクラッド層10が、p型領域およびn型領
域の部分で薄く形成され、この薄く形成された部分にそ
れぞれGRIN層5、7、クラッド層4、ブロック層8
およびクラッド層10より低抵抗のキャップ層11を備
え、このキャップ層11にそれぞれ電極12、13が接
続されたことにある。
【0018】クラッド層10の一部が薄く形成されてい
ることから、このクラッド層10には、SQW層6によ
る誘導放射光発生方向に沿ってリッジストライプが形成
される。このリッジストライプとSQW層6との間に
は、横方向に光を閉じ込めるため、SQW層6と実質的
に平行な面に周囲の層と屈折率の異なるガイド層9を備
える。
【0019】各層の組成例を以下に示し、実際に試作し
た素子の図1と同等の断面を図2に示す。図2において
(a)はSEM像写真であり、(b)は(a)の写真の
各部を説明する図である。
【0020】 基板1 半絶縁性GaAs バッファ層2 GaAs 超格子バッファ層3 GaAs/Al0.6 Ga0.4 As クラッド層4 Al0.6 Ga0.4 As GRIN層5 Alx Ga1-x As,x=0.6→0.3 SQW層6 GaAs GRIN層7 Alx Ga1-x As,x=0.3→0.6 ブロック層8 Al0.6 Ga0.4 As ガイド層9 Al0.3 Ga0.7 As クラッド層10 Al0.6 Ga0.4 As キャップ層11 GaAs(不純物Si、Zn)
【0021】図3ないし図10は図2に示した素子の製
造方法を示し、半導体基板上に活性層および光閉込層を
含む複数の半導体層を不純物を添加することなくエピタ
キシャル成長させる第一工程を図3ないし図5に、活性
層の誘導放射光発生方向に沿った両側の部分を薄く形成
する第二工程を図6に、この第二工程に続いて薄く形成
された部分に低抵抗の層を成長させる工程を図7に、薄
く形成された部分の一方にp型領域、他方にn型領域を
形成する第三工程を図8に、その後の工程を図9および
図10に示す。
【0022】図3に示す工程は第一のエピタキシャル工
程であり、基板1上にバッファ層2、超格子バッファ層
3、クラッド層4、GRIN層5、SQW層6、GRI
N層7、ブロック層8およびガイド層9を成長させた。
いずれの層にも不純物は添加していない。結晶成長には
MOVPE(有機金属気相成長)を用い、成長温度78
0℃、圧力100Torrの条件で行った。
【0023】続いて図4に示すリブエッチング工程で
は、液温5℃、H2 SO4 :H2 2 :H2 O=4:
1:90の硫酸過水を用い、深さ0.04μm程度のエ
ッチングを行い、横方向に光を閉じ込めるための構造を
形成した。エッチングの深さは「ブロック層8内でエッ
チングが停止すればよい」という考えで設定した。これ
は、GRIN層7までエッチングすると特性の劣化が懸
念され、逆にガイド層9が残ると屈折率差が小さくなっ
て光の閉じ込め効果が悪化するからである。
【0024】リブエッチング工程の後、図5に示す第二
のエピタキシャル工程を実行し、不純物を添加せずにク
ラッド層10を成長させた。この工程においても、結晶
成長にはMOVPEを用い、成長温度750℃、圧力1
00Torrの条件で行った。このクラッド層10の組
成はブロック層8と同じなので、図5ではこれらの境界
面を破線で示した。
【0025】第二エピタキシャル工程に続いて図6に示
すリッジエッチング工程を実行し、液温30℃、H3
4 :H2 2 :H2 O=3:1:50のリン酸過水を
用いてクラッド層10をエッチングし、リッジストライ
プを形成した。このリッジストライプは、後の工程でイ
オンを全面に注入できるように、順メサ型にした。
【0026】この後、図7に示す第三のエピタキシャル
工程を実行し、アンドープのキャップ層11を成長させ
た。この工程においても、結晶成長にはMOVPEを用
い、成長温度750℃、圧力100Torrの条件で行
った。
【0027】続いて、図8に示すイオン注入工程を行
い、リッジストライプを中心にして一方の側にSi、他
方の側にZnをイオン注入した。具体的には、リッジス
トライプの片側をレジストで覆って反対側にイオンを注
入し、そのときのレジストを除去した後に反対側をレジ
ストで覆って再び別のタイプのイオンを注入した。イオ
ンの注入エネルギおよびドーズ量は、 Si:注入エネルギ=100keV、ドーズ量=1×1015cm-2 Zn:注入エネルギ=150keV、ドーズ量=1×1015cm-2 とした。特性上は、ドーズ量が3×1014cm-2以上あ
れば問題ないと考えられる。
【0028】イオン注入工程では、リッジストライプ上
のキャップ層11にSiとZnとの双方のイオンが注入
され、ここにpn接合が形成されてしまう。そこで、図
9に示すエッチング工程により、このリッジストライプ
上のキャップ層11を取り除いた。この工程では、液温
20℃のNH3 :H2 2 =1:20のアンモニア過水
を用い、深さ0.3μm程度のエッチングを行った。図
9ではリッジストライプの上の部分だけが除去されてい
るように示しており、試作時にもそのように意図してリ
ッジストライプの斜面部分をマスクで覆っておいたが、
実際には、図2に示したように斜面部分のキャップ層1
1もエッチングされてしまった。
【0029】このエッチングの後、図10に示すよう
に、800℃、120分のアニーリングを行い、不純物
の熱拡散によってSQW層6の一部を無秩序化し、ま
た、リッジストライプを挟んでpn接合を形成した。
【0030】この後、リッジストライプの両側のキャッ
プ層11にそれぞれAuGe/Auのn電極12、Ag
Zn/Auのp電極13を設け、基板1の裏面を研磨し
て全膜厚を100μm程度にし、アロイングのためN2
雰囲気中で350℃、2分間加熱して図2に示した素子
を得た。
【0031】図11は共振器長1000μmとして試作
した素子の特性例を示す。この特性は連続発振時のもの
であり、横軸は注入電流、縦軸は出力パワーとバイアス
電圧とを示す。この例では、注入電流38.8mAをし
きい値としてレーザ発振が生じ、そのときのバイアス電
圧は2.11Vであった。パルス発振の場合にはさらに
低しきい値電流の特性が得られ、この素子が十分な特性
を示すことがわかった。また、近視野像を測定したとこ
ろ、リッジ付近のみで発光していることがわかった。
【0032】図12ないし図14は図5ないし図6に示
した工程の変形例を示す。この方法では、低抵抗の層を
全面に成長させてからリッジエッチングを行うのではな
く、活性層の誘導放射光発生方向に沿ってリッジストラ
イプを選択成長させる。すなわち、リッジストライプを
形成しようとする部分に窓の開いたマスク120を用い
てクラッド層10を成長させ、マスク120を除去して
さらにキャップ層11を成長させる。
【0033】図15および図16は図7および図9に示
した工程の変形例を示す。この方法では、キャップ層1
1を全面に成長させてからリッジストライプの上の部分
をエッチングするのではなく、リッジストライプの上に
マスク150を設けておいて、必要な部分のみにキャッ
プ層11を選択成長させる。
【0034】以上の説明ではイオン注入により不純物を
添加していたが、少なくともリッジストライプの片側に
ついて拡散法により不純物を添加しても本発明を同様に
実施でき、イオン注入の回数を減らすことができる。ま
た、アニールをランプアニールにより行っても本発明を
同様に実施できる。さらに、リッジストライプ上にもキ
ャップ層11を成長させた場合には、エッチングの代わ
りに、リッジストライプ上にO2 などをイオン注入して
絶縁化しても本発明を同様に実施できる。活性層につい
ては、SQWの代わりにMQWやバルクを用いても本発
明を同様に実施できる。
【0035】また、GaAsに格子整合する組成だけで
なく、他の材料を用いた場合にも本発明を同様に実施で
きる。例えばInPに格子整合させる場合の各層の組成
例を以下に示す。
【0036】 基板1 InP クラッド層(上述のバッファ層2ないしクラッド層4に相当) InP 閉込層(上述のGRIN層5、7に相当) InGaAsP (例えばλg =1.1、1.2、1.3μmの三段構成) SQW層6 InGaAs ブロック層8 InP ガイド層9 InGaAsP(λg =1.3μm) クラッド層10 InP キャップ層11 InGaAs InGaAsPの組成はInPに格子整合するものを選
ぶ。λg は禁制帯幅に対応する光の波長である。イオン
注入または熱拡散により添加される不純物としては、n
型にはSi、p型にはBeが一般的である。
【0037】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の横方向注
入レーザは、電流が横方向に流れる層に低抵抗の層を設
けることにより、素子の直列抵抗を低減できる。このた
め、用意に効率よくキャリアを注入でき、素子駆動時の
発熱が低減されるので、素子の発振特性が改善される効
果がある。また、キャリア注入の効率が高いことから、
素子の高周波特性が改善される効果がある。
【0038】横方向注入レーザは構造的に集積化に適し
ているが、本発明の横方向注入レーザはさらに、発振特
性、高周波特性がよく、発熱も小さい。したがって、光
集積回路内に集積化される光源に利用して特に効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施例の横方向注入レーザの構造を示す
断面図であり、ストライプ方向を横切る断面の構造を示
す図。
【図2】実際に試作した素子の断面を示す図であり、
(a)はSEM像写真、(b)は写真の各部を説明する
図。
【図3】実施例の製造方法を示す図であり、第一のエピ
タキシャル工程を示す図。
【図4】実施例の製造方法を示す図であり、リブエッチ
ング工程を示す図。
【図5】実施例の製造方法を示す図であり、第二のエピ
タキシャル工程を示す図。
【図6】実施例の製造方法を示す図であり、リッジエッ
チング工程を示す図。
【図7】実施例の製造方法を示す図であり、第三のエピ
タキシャル工程を示す図。
【図8】実施例の製造方法を示す図であり、イオン注入
工程を示す図。
【図9】実施例の製造方法を示す図であり、リッジスト
ライプ上のキャップ層に対するエッチング工程を示す
図。
【図10】実施例の製造方法を示す図であり、アニーリ
ング工程を示す図。
【図11】試作した素子の特性例を示す図。
【図12】製造方法の変形例を示す図であり、選択成長
のためのマスク形成を示す図。
【図13】製造方法の変形例を示す図であり、クラッド
層の選択成長を示す図。
【図14】製造方法の変形例を示す図であり、キャップ
層の成長を示す図。
【図15】製造方法の変形例を示す図であり、選択成長
のためのマスク形成を示す図。
【図16】製造方法の変形例を示す図であり、キャップ
層の選択成長を示す図。
【符号の説明】
1 基板 2 バッファ層 3 超格子バッファ層 4、10 クラッド層 5、7 GRIN層 6 SQW層 8 ブロック層 9 ガイド層 11 キャップ層 12、13 電極
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成3年8月28日
【手続補正1】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図2
【補正方法】変更
【補正内容】
【図2】

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に不純物を添加することな
    くエピタキシャルに形成された複数の半導体層を備え、 この複数の半導体層の少なくとも一つは電流注入により
    誘導放射光を発生する活性層(6)として形成され、 この活性層に近接する層はこの活性層と屈折率の異なる
    光閉込層(4、5、7、8、10)として形成され、 前記活性層の誘導放射光発生方向に沿ってこの活性層と
    実質的に同一面内の両側にp型領域とn型領域とを備え
    た横方向注入レーザにおいて、 前記光閉込層は前記p型領域および前記n型領域の部分
    が薄く形成され、 この薄く形成された部分の少なくとも一方に前記光閉込
    層より低抵抗の層(11)を備え、 この低抵抗の層に電極が接続されたことを特徴とする横
    方向注入レーザ。
  2. 【請求項2】 活性層はGaAsを主成分とする材料で
    形成され、 光閉込層はAlGaAs混晶を主成分とする材料で形成
    され、 低抵抗の層はGaAsを主成分とする材料で形成された
    請求項1記載の横方向注入レーザ。
  3. 【請求項3】 光閉込層には、活性層の誘導放射光発生
    方向に沿ってこの活性層と実質的に平行な面に周囲の層
    と屈折率の異なるガイド層(9)を備えた請求項1記載
    の横方向注入レーザ。
  4. 【請求項4】 半導体基板上に活性層および光閉込層を
    含む複数の半導体層を不純物を添加することなくエピタ
    キシャル成長させる第一工程と、 前記活性層の誘導放射光発生方向に沿った両側の部分を
    薄く形成する第二工程と、 この薄く形成された部分の一方にp型領域、他方にn型
    領域を形成する第三工程とを含む横方向注入レーザの製
    造方法において、 前記第二工程に続いて前記薄く形成された部分に低抵抗
    の層を成長させる工程を含むことを特徴とする横方向注
    入レーザの製造方法。
  5. 【請求項5】 第二工程は、活性層の誘導放射光発生方
    向に沿った部分にリッジストライプを残して他の部分を
    エッチングするエッチング工程を含む請求項4記載の横
    方向注入レーザの製造方法。
  6. 【請求項6】 第二工程は、活性層の誘導放射光発生方
    向に沿ってリッジストライプを成長させる選択エピタキ
    シャル工程を含む請求項4記載の横方向注入レーザの製
    造方法。
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WO2022113153A1 (ja) * 2020-11-24 2022-06-02 日本電信電話株式会社 半導体光素子

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WO2022113153A1 (ja) * 2020-11-24 2022-06-02 日本電信電話株式会社 半導体光素子

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