JPH0555711A - 半導体レーザ素子とその製造方法 - Google Patents
半導体レーザ素子とその製造方法Info
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Abstract
により製造可能な電流狭窄構造を有する半導体レーザ素
子とその製造方法を提供する。 【構成】 メサ形状を有する半導体基板上1に、下部ク
ラッド層2、活性層3、上部クラッド層4を順次積層し
た半導体レーザ素子において、上部クラッド層4は両性
不純物が適切にドーピングされた3−5族化合物半導体
層からなり、上部クラッド層4の電気抵抗がメサ側面に
おいてメサ上面よりも高くなるようにする。
Description
の製造方法に関する。
値を低減させるために、電流狭窄を行う必要がある。従
来の半導体レーザ素子は、電流狭窄を行うために、例え
ば図9に示すような構造をしていた。図中、11はn−
InP基板、12はn−InP下部クラッド層、13は
n−InGaAs活性層、14はp−InP上部クラッ
ド層、15および16は電流阻止層を構成するp−In
P層およびn−InP層、17はp−InGaAsコン
タクト層、18は絶縁層、19はp電極、10はn電極
である。この素子は以下のようにして作製される。即
ち、基板11上にMBE法でn−InP下部クラッド層
12、n−InGaAs活性層13、p−InP上部ク
ラッド層14を順次積層させる。次いでメサエッチング
を施して活性層を狭窄する。その後、2回目の結晶成長
としてLPE法で電流阻止層を構成するp−InP層1
5およびn−InP層16を積層し、最後に3回目の結
晶成長としてMBE法でp−InGaAsコンタクト層
17を積層する。この半導体レーザ素子では、活性層1
3の両側にpn逆接合を利用した電流阻止層を設けて電
流狭窄を行っている。図10は半導体レーザ素子の他の
例を示す断面図である。図中、21はp−GaAs基
板、22はBeドープp−AlGaAs下部クラッド
層、24は上下両面をGaAsからなるバッファ層2
3、25で覆われたInGaAs活性層、26はSiド
ープn−AlGaAs上部クラッド層、27はp−Ga
Asからなるコンタクト層、28はSiO2 などからな
る絶縁層、29はn電極、20はp電極である。p−G
aAs基板21は中央部が高くなった段差を有し、中央
の高くなった平面の面方向は(100)であり、段差を
なすメサ面の面方向は(311)Aである。Siドープ
n−AlGaAs上部クラッド層26は、Siが両性不
純物であるため、(100)基板21面上ではn型であ
るが、(311)A基板21面上ではp型になる。その
結果、Siドープn−AlGaAs上部クラッド層26
内にpn接合が形成され、横方向の電流が阻止される。
この構造の半導体レーザ素子では、一回のエピタキシャ
ル成長で電流狭窄構造を形成することができる。
流狭窄を行おうとすると、次のような問題があった。即
ち、 1)第1の例では、途中でメサエッチングの工程を挟む
ため、結晶成長工程が複数回にわかれ、製造工程が複雑
になる。また、成長を一度停止して成長装置の外部に基
板を取り出すと、不純物や酸化の影響を受け、結晶の品
質に問題が生ずる。 2)第2の例の構造では、材質を変えると電流狭窄を実
現出来なかった。例えば、段差を有するInP基板上に
InAlAsクラッド層、InGaAs活性層を形成す
る場合を例にとる。この場合、InAlAsクラッド層
にSiドーピングすると、基板の(100)面はn型に
なるが、(111)A面も(100)面と同程度のキャ
リア濃度を持つn型になってしまう。従って、(11
1)Aもしくは(311)A面のメサを持つ(100)
InP基板上にレーザ構造を形成してもpn接合による
電流狭窄を実現することができなかった。
決した半導体レーザ素子とその製造方法を提供するもの
で、メサ形状を有する半導体基板上に、下部クラッド
層、活性層、上部クラッド層を順次積層した半導体レー
ザ素子において、上部クラッド層は両性不純物がドーピ
ングされた3−5族化合物半導体層からなり、上部クラ
ッド層の電気抵抗がメサ側面においてメサ上面よりも高
くなっていることを第1発明とし、MBE法により3族
原子層、両性不純物層、次いで5族原子層を順次積層す
るサイクルを繰り返して3−5族化合物半導体層からな
る上部クラッド層を形成する上記半導体レーザ素子の製
造方法を第2発明とするものである。
物半導体に両性不純物を適切にドーピングすると、面方
位により電気抵抗値が異なるという新しい現象を見出
し、この現象を利用したものである。この現象が生ずる
理由は次のように考えられる。即ち、両性不純物は3族
サイトに入るとn型を示し、5族サイトに入るとp型を
示す。両サイトに同程度入ると補償されて高抵抗とな
る。通常、両性不純物は3族サイトに入る。しかし、3
族安定化面を人工的につくり、両性不純物を供給する
と、両性不純物を5族サイトに入れることができる。上
記現象は次のようにして半導体レーザ素子へ利用するこ
とができる。即ち、メサ形状を有する半導体基板上に上
部クラッド層を形成すると、上部クラッド層の面方位
は、メサ上面と側面では異なる。その上部クラッド層に
両性不純物を適切にドーピングすると、メサ上面と側面
では両性不純物の入るサイトが異なり、電気抵抗が異な
る。従って、メサ側面の電気抵抗をメサ上面よりも高く
すれば、注入電流をメサ上面に狭窄することができる。
本第2発明は、上記上部クラッド層の形成方法を示した
もので、MBE法により3族原子層、両性不純物層、次
いで5族原子層を順次積層するサイクルを繰り返して3
−5族化合物半導体層からなる上部クラッド層を形成す
ると、両性不純物原子は結晶面方位により3族原子と結
び付く確率が異なる。その結果、結晶の面方位により電
気抵抗が異なることになる。
を詳細に説明する。図1は本発明にかかる半導体レーザ
素子の一実施例の断面図である。図中、1はp−InP
基板、2はp−InAlAs下部クラッド層、3はノン
ドープInGaAs活性層、4はn−InAlAs上部
クラッド層、5はn−InAlAsコンタクト層、6は
絶縁層、7はn電極、8はp電極、9は上部クラッド層
に設けられた電流阻止部である。本実施例の製造方法は
以下の通りである。即ち、 1)p−InP基板1の基本面方位は(100)面であ
り、一部にエッチングによりメサ形状を形成し、メサ側
面は(111)Aとなっている。このような基板1をM
BE装置に導入する。 2)通常の予備加熱により表面酸化膜を除去した後、結
晶成長を行う。成長条件は、成長温度300〜650
℃、5族の分子線強度は3族の2〜100倍程度とす
る。先ず、Beドープp−InAlAs下部クラッド層
2、次いでノンドープInGaAs活性層3を成長させ
る。 3)次いで、原料加熱セルの開口部に設けられたシャッ
ターの開閉により成長を制御しながら、n−InAlA
s上部クラッド層4を成長させる。シャッターの開閉の
手順を図2に示す。図2において、横軸は時間軸であ
り、原料加熱セルのシャッターが開いた状態が上側の
線、閉じた状態が下側の線である。3本の線は、上から
InとAlの3族元素を含む第1の原料加熱セル(In
とAlは別のセル)、中がSiを含む第2の原料加熱セ
ル、下側がAsを含む第3の原料加熱セルを示してい
る。先ず、第1の原料加熱セルを開状態にすることによ
り成長表面を3族原子で覆う。1モノレーヤー程度3族
原子で覆った状態で停止し、次にドーパントであるSi
を含む第2の原料加熱セルを開状態にする。更に、第2
の原料加熱セルを閉じた後、ドープしたSiを挟みこむ
ように第1の原料加熱セルを再び開状態にする。ここま
での過程でSiと3族原子とが結びつく確率が高くな
り、SiはAsサイトに取り込まれやすくなる。最後
に、Asを含む第3の原料加熱セルを開状態にし、3族
にみあうAsを供給した後、ノンドープInAlAsを
成長して1サイクルとする。このような成長サイクルを
数〜数千回繰り返す。このようにして形成されたn−I
nAlAs上部クラッド層4はメサ側面では高抵抗のI
nAlAs層となり、電流阻止部9を形成する。(11
1)A面方位であるメサ側面上に形成された電流阻止部
9の電気抵抗率は、(100)面方位であるメサ上面に
比較して102 〜106 倍高くなっている。 4)次いで、コンタクト層5を成長させる。その後、プ
ラズマCVDなどにより、絶縁層6を形成し、フォトリ
ソグラフィの技術によりストライプ状電極7を形成す
る。次にSiドープInAlAs層の電気抵抗率と結晶
面方位の関係についての実験結果について説明する。メ
サ形状を有するFeドープ半絶縁性InP基板上に、基
板温度400℃でSiドープInAlAsを上記シャッ
ター開閉手順(3族面ドープと称す)で形成した時の電
気抵抗率の測定結果を図3に示す。基板の基本面方位と
メサ斜面の面方位は(100)、(111)Aであり、
さらに、これらの面から1°および2°の角度でオフし
たものである。なお、比較のために、通常行われるI
n、Al、As、Siのシャッターをすべて開いた状態
で成長させた時(バルクドープと称す)の電気抵抗率も
示した。この結果より、本実施例のシャッター開閉手順
を用いてメサ斜面に形成したSiドープInAlAs
は、メサ上面に比較して105 以上の電気抵抗率を有す
ることがわかる。なお、上記実施例において基板の基本
面方位は(100)面から5°程度のオフ角を持ってい
てもよく、メサ斜面の面方位は(111)Aのほか、
(211)A、(311)A、(411)A、(51
1)Aでもよく、これらの面方位から5°程度のオフ角
を持っていてもよい。また、メサ斜面は結晶のA面とは
限らず、B面でもよい。また、基板はGaAs、GaS
b、Si、GaAsPでもよく、活性層は量子井戸層や
InAlGaAsの四元層などで構成してもよく、クラ
ッド層はSCH構造やGRIN構造でもよい。さらに、
上部クラッド層としてAlGaAs、両性不純物として
Cを用いてもよく、また、上部クラッド層としてAlG
aInAs、両性不純物としてSiを用いてもよい。さ
らに、上部クラッド層を形成する際のシャッター動作も
上述の手順とは限らず、図4、図5、図6、図7、図8
に示すような手順でもよい。
サ形状を有する半導体基板上に、下部クラッド層、活性
層、上部クラッド層を順次積層した半導体レーザ素子に
おいて、上部クラッド層は両性不純物が適切にドーピン
グされた3−5族化合物半導体層からなり、上部クラッ
ド層の電気抵抗がメサ側面においてメサ上面よりも高く
なっているため、電流狭窄構造を有する半導体レーザ素
子をMBE装置により一回の結晶成長で製造することが
でき、分割成長による結晶品質の低下を防ぎ、製造の工
程数を減らすことができるという優れた効果がある。
面図である。
料加熱セルのシャッター開閉手順の説明図である。
板上に形成したSiドープInAlAs層の電気抵抗率
と、基板面方位およびSiドープ方法との関係を示す図
である。
ター開閉手順の他の例の説明図である。
ター開閉手順のさらなる他の例の説明図である。
ター開閉手順のさらなる他の例の説明図である。
ター開閉手順のさらなる他の例の説明図である。
ター開閉手順のさらなる他の例の説明図である。
る。
ある。
Claims (2)
- 【請求項1】 メサ形状を有する半導体基板上に、下部
クラッド層、活性層、上部クラッド層を順次積層した半
導体レーザ素子において、上部クラッド層は両性不純物
がドーピングされた3−5族化合物半導体層からなり、
上部クラッド層の電気抵抗がメサ側面においてメサ上面
よりも高くなっていることを特徴とする半導体レーザ素
子。 - 【請求項2】 MBE法により3族原子層、両性不純物
層、次いで5族原子層を順次積層するサイクルを繰り返
して3−5族化合物半導体層からなる上部クラッド層を
形成することを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ
素子の製造方法。
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