JPH06252448A

JPH06252448A - 半導体発光素子およびその製造方法

Info

Publication number: JPH06252448A
Application number: JP3591293A
Authority: JP
Inventors: Takashi Murakami; 隆志村上; Yasushi Sakakibara; 靖榊原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-02-25
Filing date: 1993-02-25
Publication date: 1994-09-09

Abstract

(57)【要約】【目的】出射レーザ光の集光用の外部レンズの設計を
容易とできる、または外部レンズを不要とできる半導体
発光素子及びその製造方法を得る。【構成】窓構造を有する半導体発光素子において、窓
部が、該窓部を構成する半導体材料の構成元素の濃度分
布あるいは不純物の濃度分布により形成された、活性層
から出射される光に対してレンズ作用を有する屈折率分
布を有する構成とした。また、チップの表面あるいは端
面から窓部にイオン注入することにより上記構成元素の
濃度分布あるいは不純物の濃度分布を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体レーザ等の半
導体発光素子およびその製造方法に関し、特に、外部レ
ンズの設計を容易とできる、または外部レンズを不要と
できる半導体発光素子およびその製造方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】図１１は従来の半導体レーザの構造図で
あり、図において、１０１はＧａＡｓ基板、１０２はＡ
ｌx Ｇａ1-x Ａｓ下クラッド層、１０３はＡｌy Ｇａ1-
y Ａｓ活性層、１０４はＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ上クラッド
層、１０５はＧａＡｓコンタクト層、１０６はＡｌz Ｇ
ａ1-z Ａｓ電流ブロック層、１０７，１０８は電極、１
０９は出射されるレーザ光である。典型的な活性層１０
３のサイズは、幅が１．５μｍ、厚みが０．１μｍであ
る。

【０００３】次に動作について説明する。電極１０７，
１０８間に順方向電圧をかけると、活性層１０３へ電流
が注入されて、活性層で発光が生じる。下クラッド層１
０２，活性層１０３，上クラッド層１０４はダブルヘテ
ロ構造をなしているので、活性層内での電子，ホール及
び光の密度が高くなり誘導放出光が生じ、レーザ発振す
る。この時、チップの両端面は共振器の役割をなしてい
る。

【０００４】レーザ光１０９は、チップ端面より出射さ
れるが、発光箇所である活性層のサイズが１．５μｍ×
０．１μｍと小さい為に光の回折が生じ、ビームが拡が
る。通常、活性層に垂直な方向でのビームの遠視野像の
半値全角は３０°、水平方向でのビームの遠視野像は半
値全角は１８°程度である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の半導体レーザは
以上のように構成されており、実使用に際しては、外部
レンズを用いてレーザ出射光を集光することとなるが、
その出射光は上述のように放射状に拡がるので、外部レ
ンズを用いて集光する際の外部レンズの設計が複雑であ
るという問題点があった。

【０００６】この発明は上記のような問題を解消するた
めになされたもので、外部レンズを用いて集光する際の
レンズの設計を容易とできる、または外部レンズを不要
とできる半導体発光素子およびその製造方法を得ること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明に係る半導体発
光素子は、窓構造を有する半導体発光素子において、窓
部が、該窓部を構成する半導体材料の構成元素の濃度分
布、あるいは不純物の濃度分布により形成された、活性
層から出射される光に対してレンズ作用を有する屈折率
分布を有するものである。

【０００８】また、この発明に係る半導体発光素子の製
造方法は、活性層と光出射面との間に前記活性層を構成
する半導体材料よりも禁制帯幅の大きい半導体材料から
なる窓部が配置された半導体発光素子構造を形成し、そ
の後、上記窓部に、該窓部を構成する半導体材料の構成
元素あるいは不純物を所定の濃度分布をもってイオン注
入し、該窓部に、上記活性層から出射される光に対して
レンズ作用を有する屈折率分布を形成するようにしたも
のである。

【０００９】

【作用】この発明においては、窓構造を有する半導体発
光素子において、窓部が、該窓部を構成する半導体材料
の構成元素の濃度分布、あるいは不純物の濃度分布によ
り形成された、活性層から出射される光に対してレンズ
作用を有する屈折率分布を有する構成としたので、外部
レンズの設計を容易とできる、または外部レンズを不要
とできる。

【００１０】また、この発明においては、活性層と光出
射面との間に前記活性層を構成する半導体材料よりも禁
制帯幅の大きい半導体材料からなる窓部が配置された半
導体発光素子構造を形成し、その後、上記窓部に、該窓
部を構成する半導体材料の構成元素あるいは不純物を所
定の濃度分布となるようイオン注入し、該窓部に、上記
活性層から出射される光に対してレンズ作用を有する屈
折率分布を形成するようにしたから、外部レンズの設計
を容易とできる半導体発光素子、または外部レンズを不
要とできる半導体発光素子を容易に製造できる。

【００１１】

【実施例】実施例１．図１は本発明の第１の実施例によ
る半導体発光素子を示す斜視図であり、図において、１
はｎ型ＧａＡｓ基板、２はｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ下ク
ラッド層、３はＡｌy Ｇａ1-y Ａｓ活性層、４はｐ型Ａ
ｌx Ｇａ1-x Ａｓ上クラッド層、５はｐ型ＧａＡｓコン
タクト層、６は半絶縁性Ａｌz Ｇａ1-z Ａｓ電流ブロッ
ク層、７，８は電極、９は出射されるレーザ光である。
本実施例では活性層３の共振器長方向の端部は劈開端面
にまで達しておらず、活性層３の共振器長方向の端部か
ら劈開端面の間には活性層３よりも禁制帯幅の大きいク
ラッド層及び電流ブロック層が配置されている。即ち、
端面近傍に活性層で発生する光に対して透明な領域（窓
部）が配置された窓構造レーザとなっている。また、１
１は窓部に形成された屈折率分布形成領域であり、活性
層３から出射される光に対してレンズとして機能するレ
ンズ部である。本実施例において、活性層３，上クラッ
ド層４，及び電流ブロック層６の各層を構成するＡｌＧ
ａＡｓのＡｌ組成比は、ｙ＜ｘ＝ｚなる関係としてい
る。

【００１２】次に、本実施例による半導体レーザの製造
工程について説明する。図２，図３は図１の半導体レー
ザの製造方法を説明するための工程図であり、図におい
て図１と同一符号は同一又は相当部分である。

【００１３】まず、ＧａＡｓ基板１上にＡｌx Ｇａ1-x
Ａｓ下クラッド層２，Ａｌy Ｇａ1-y Ａｓ活性層３，及
びＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ上クラッド層の一部４ａを、例え
ば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて、図２
(a) に示すように順次エピタキシャル成長する。結晶成
長法としてはＭＯＣＶＤ法の他、分子線エピタキシー
（ＭＢＥ）法，液相成長（ＬＰＥ）法等を用いることが
できる。

【００１４】次に、リソグラフィー技術及びエッチング
技術を用いて、上クラッド層の一部４ａ及び活性層３の
チップ両端部分を、図２(b) に示すように除去する。こ
のようにして、その共振器長方向の端部が端面まで達し
ない活性層を形成する。ここで、上クラッド層の一部４
ａを形成した後に活性層３の成形を行なうのは、活性層
３表面がむきだしの状態でエッチング加工することに伴
う素子信頼性の劣化を防ぐためである。この後、図２
(c) に示すように、ウエハ全面にＡｌx Ｇａ1-xＡｓ上
クラッド層４ｂを結晶成長する。この成長により、活性
層３は埋め込まれる。

【００１５】次に、ウエハ上にＳｉＯ2 膜を形成し、該
ＳｉＯ2 膜をリソグラフィー技術及びエッチング技術を
用いて成形し、図２(d) に示すようにストライプ状のＳ
ｉＯ2 膜パターン１４を形成する。次に、ＳｉＯ2 膜パ
ターン１４をマスクとして、図３(a) に示すように、チ
ップの両脇の部分の半導体層を下クラッド層２に達する
までエッチングし、ストライプ状のリッジ部を形成す
る。

【００１６】この後、ＳｉＯ2 膜パターン１４を残した
まま、エッチングしたチップ両脇部分にＡｌz Ｇａ1-z
Ａｓ電流ブロック層６を成長する。ＭＯＣＶＤ法ではＳ
ｉＯ2 上には成長が生じないので、図３(b) に示すよう
な形状に埋込成長が行なわれる。次に、ＳｉＯ2 膜パタ
ーン１４を除去した後、図３(c) に示すように、ウエハ
全面に上クラッド層の残りの部分４ｃ，及びＧａＡｓコ
ンタクト層５を順次結晶成長する。

【００１７】以上の工程により、活性層３の端部が端面
まで達しておらず、活性層３の端部とレーザ光出射端面
との間にＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ活性層よりも禁制帯幅の大
きいＡｌy Ｇａ1-y Ａｓ（ｘ＜ｙ）クラッド層４，及び
Ａｌz Ｇａ1-z Ａｓ（ｘ＜ｚ）電流ブロック層６が配置
された窓構造が形成される。

【００１８】図４は窓部にレンズ部１１を形成する方法
を示す図であり、図において、図２，図３と同一符号は
同一又は相当部分であり、また、１０は半導体レーザチ
ップの窓部となる領域、１５は集束イオンビーム、１６
ａ〜１６ｃは集束イオンビームにより走査される領域で
ある。ここで、図２，図３では半導体レーザの１チップ
分を示しているが、劈開等によりレーザ光出射端面を形
成する前は、図４に示すように、複数のチップは連なっ
た形状となっている。

【００１９】図１に示す半導体レーザのレンズ部１１
は、窓部を構成する半導体層に該半導体層の構成元素で
あるＡｌを所定の濃度分布になるよう導入することによ
り形成される。

【００２０】以下、窓部にＡｌを所定の濃度分布になる
よう導入することによりレンズ部１１を形成することが
できる理由について説明する。図５は“ヘテロストラク
チャレーザーズ”，４４頁（H.C.Casey.Jr,M.B.Panish,
"HETERO STRUCTURE LASERS", P.44, ACADEMIC PRESS 1
978 ）に掲載された、Ａｌx Ｇａ1-x ＡｓのＡｌ組成ｘ
と屈折率の関係を示す図である。図において、横軸はレ
ーザ光の波長、縦軸は該波長に対する屈折率を示す。図
から明らかなように、どの波長帯でもＡｌ組成ｘが増す
ほど屈折率が小さくなる。従って、窓部を構成する半導
体層に、例えば、活性層端部の正面の中央部分でＡｌ濃
度が最も低く中央部分から素子幅方向に離れるに従って
Ａｌ濃度が増すような濃度分布でＡｌを導入するとＡｌ
導入領域の屈折率分布は凸型となり、活性層から出射さ
れる光に対して凸レンズとして機能する。

【００２１】図４に示す集束イオンビームによるイオン
注入の方法を用いれば、簡単に所望のＡｌ濃度分布を形
成することが可能である。例えば、上述のように、活性
層端部の正面の中央部分で最も低く中央部分から素子幅
方向に離れるに従って増すような濃度分布は、Ａｌを導
入すべき領域にイオンビームを走査する際、活性層端部
の正面の中央部分から最も離れた走査領域１６ａにおい
ては走査速度を遅くするか、あるいは走査回数を多くす
ることにより高い濃度でＡｌ導入を行ない、走査領域１
６ｂ，走査領域１６ｃと中央に近づくに従って、走査速
度を速めるか、あるいは走査回数を少なくすることによ
って徐々にＡｌ濃度を減らすことにより容易に実現でき
る。このように所望の濃度分布をもってＡｌイオンを注
入した後、アニールによりＡｌＧａＡｓのＡｌ組成のく
みかえを行なうことにより、凸型の屈折率分布をもつレ
ンズ部１１を形成することができる。この後、図４中の
二点鎖線で示す位置で劈開することによりチップを分離
し、電極形成のプロセスを経て図１に示す半導体レーザ
が完成する。

【００２２】図６(a) は、上述の工程を経て作製された
図１に示す半導体レーザのVIａ−VIａ断面とレンズ部１
１のＡｌ濃度を示す図、図６(b) は図１に示す半導体レ
ーザのVIｂ−VIｂ断面とレンズ部１１のＡｌ濃度，及び
屈折率を示す図である。これら図において、図１と同一
符号は同一又は相当部分である。また、図６(a) におい
て、チップ長Ｌ1 は例えば４００μｍ，窓部の長さＬ2
は例えば２０μｍ、図６(b) において、チップ幅Ｗ1 は
例えば３００μｍである。活性層３の典型的なサイズ
は、幅が１．５μｍ、厚みが０．１μｍである。

【００２３】図６(b) に示すように、レンズ部１１の、
ｙ方向（素子幅方向）のＡｌ濃度は活性層端部の正面の
中央部分で最も低く中央部分から素子幅方向に離れるに
従って増すような分布となっており、このため、該レン
ズ部の屈折率は、活性層端部の正面の中央部分で最も大
きく中央部分から素子幅方向に離れるに従って小さくな
る凸型の分布となる。このようなレンズ部１１を設けた
本実施例では、活性層３から端面へ向かって出射された
光は、図６(b) に示すように素子内で拡がるが、Ａｌイ
オン注入により形成されたレンズ部１１を通過する時
に、その凸型屈折率分布により凸レンズと同じ原理で集
光される。なお、本実施例では、図６(b)に示すよう
に、活性層３の端部から出た光はクラッド層のみならず
電流ブロック層をも通過して出射されること、及びレン
ズ部１１はクラッド層と電流ブロック層にわたって形成
される必要があることから、設計の容易さ等を考慮して
ＡｌxＧａ1-x Ａｓクラッド層とＡｌz Ｇａ1-z Ａｓ電
流ブロック層のＡｌＧａＡｓのＡｌ組成比を上述のよう
に等しくしている。一方、図６(a) に示すように、レン
ズ部１１にはｚ方向にもＡｌ濃度分布が形成されている
が、この分布は意識的に形成したものではなく、イオン
注入後のアニールにより生じたもので、上述のようなレ
ンズ作用はない。

【００２４】このように、本実施例では、窓構造の半導
体レーザの窓部に該窓部を構成する半導体材料の構成元
素を所定の濃度分布になるよう導入し、屈折率分布を設
けた構成としたから、従来、放射状に拡がって出射して
いたレーザ光は、ｙ方向に関しては収束されたレーザ光
として出射させることができ、外部レンズにより出射レ
ーザ光を集光する場合、外部レンズによる集光はｚ方向
（層厚方向）のみを考慮すればよく、その設計を容易と
できる。

【００２５】実施例２．上記第１の実施例では、Ａｌ濃
度を活性層端部の正面の中央部分で最も低く中央部分か
ら素子幅方向に離れるに従って増すような分布とし、凸
レンズを形成したものについて示したが、逆にＡｌ濃度
を活性層端部の正面の中央部分で最も高く中央部分から
素子幅方向に離れるに従って低くなるような分布とし凹
レンズを形成することも可能である。この場合のＡｌ濃
度分布は、図６に示すイオン注入工程で、Ａｌを導入す
べき領域にイオンビームを走査する際、活性層端部の正
面の中央部分から最も離れた走査領域１６ａにおいては
走査速度を速くするか、あるいは走査回数を少なくする
ことにより低い濃度でＡｌ導入を行ない、走査領域１６
ｂ，走査領域１６ｃと中央に近づくに従って、走査速度
を遅くするか、あるいは走査回数を多くすることによっ
て徐々にＡｌ濃度を増すことにより容易に実現できる。

【００２６】実施例３．上記第１，第２の実施例では窓
部を構成する半導体材料の構成元素であるＡｌを所定の
濃度分布になるよう導入するものについて説明したが、
他の不純物を所定の濃度分布をもって導入することによ
っても屈折率分布を得ることができる。図７は図５と同
じ“ヘテロストラクチャレーザーズ”に掲載された、Ｇ
ａＡｓ中にｐ型あるいはｎ型不純物をドープした場合の
キャリア濃度と屈折率の関係を示す図である。図７から
わかるように、導入する不純物のキャリア濃度を変える
ことにより半導体の屈折率は変化する。従って、上記実
施例で示したイオン注入の方法を用いて、窓部に所望の
濃度分布になるよう不純物を導入することにより、窓部
にレンズ作用を有する屈折率分布を形成することができ
る。

【００２７】ＧａＡｓへのｐ型不純物としては例えば亜
鉛（Ｚｎ），カドミウム（Ｃｄ），ベリリウム（Ｂ
ｅ），マグネシウム（Ｍｇ）等があり、ｎ型不純物とし
てはシリコン（Ｓｉ），セレン（Ｓｅ），硫黄（Ｓ），
テルル（Ｔｅ）等がある。

【００２８】実施例４．上記実施例では、窓部に対し、
チップの表面から、窓部を構成する半導体材料の構成元
素あるいは不純物を注入し、ｙ方向（チップ幅方向）に
のみレンズ作用を有する屈折率分布を形成したものにつ
いて示したが、図８に示すように、チップを劈開して分
離した後に、窓部に対し、チップ端面から窓部を構成す
る半導体材料の構成元素あるいは不純物をイオン注入し
てレンズ部を形成するようにしてもよい。この方法によ
れば、図８に示すように、ｙ方向，及びｚ方向に格子状
にイオンビームを走査することにより、ｙ方向のみなら
ずｚ方向に関しても構成元素あるいは不純物の濃度分布
を形成することができるので、ｙ方向，及びｚ方向の両
方にレンズ作用を有する窓部を備えた半導体レーザを実
現できる。

【００２９】このような、ｙ方向，及びｚ方向の両方に
レンズ作用を有する窓部を備えた半導体レーザにおいて
は、レーザ光はｙ方向，及びｚ方向の両方において収束
されたビームとなって出射されるので、レーザ出射光を
外部レンズを用いて集光する必要がなく、外部レンズを
不要とできる。

【００３０】実施例５．上記実施例では、電流ブロック
層を活性層の両側にこれと接して配置した構造の半導体
レーザについて示したが、レーザの電流狭窄構造及び光
導波路構造はこれと異なるものであってもよい。図９は
本発明の第５の実施例による半導体レーザを示す図であ
り、図９(a) はその斜視図、図９(b) は図９(a) 中のIX
ｂ−IXｂ線における断面図である。図において、２１は
ｎ型ＧａＡｓ基板、２２はｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ下ク
ラッド層、２３はＡｌy Ｇａ1-y Ａｓ活性層、２４はｐ
型Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ上クラッド層、２５はｐ型ＧａＡ
ｓコンタクト層、２６はｎ型Ａｌz Ｇａ1-z Ａｓ電流ブ
ロック層、２７，２８は電極、１１はレンズ部である。
このような構造では、製造時に活性層の側面が広い面積
にわたって露出することがないので、信頼性の高い素子
を実現できる。

【００３１】実施例６．上記実施例では、レーザチップ
端面が共振器として作用するレーザ、いわゆるファブリ
・ペロー型レーザに適用したものについて説明したが、
本発明はレーザチップ端面を共振器として用いない分布
帰還型（Distributed-Feedback；ＤＦＢ）レーザにも適
用することができ、上記実施例と同様の効果を奏する。

【００３２】図１０はＤＦＢレーザに適用した本発明の
第６の実施例による半導体発光素子の構造を示す共振器
長方向に沿った断面模式図であり、図において図６(a)
と同一符号は同一又は相当部分である。また、３０は活
性層３に近接して形成された回折格子である。ファブリ
・ペロー型レーザでは端面が共振器として働く為に、端
面の状態がレーザ特性に大きく影響を与える。従って、
端面にレンズを形成することにより、閾値、動作電流等
の特性が大きく変化する可能性がある。しかし、ＤＦＢ
レーザは回折格子による光の反射を利用してレーザ発振
させるので、端面の状態の影響を受けにくい。従って、
本発明のように端面にレンズ部１１を形成する際には有
利である。

【００３３】なお、上記各実施例ではＡｌＧａＡｓ系半
導体で構成された半導体レーザに適用したものについて
説明したが、本発明はＩｎＧａＡｓＰやＡｌＧａＩｎＰ
等他のIII −Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザに
ついても適用することができ上記実施例と同様の効果を
奏する。

【００３４】また、上記各実施例では半導体レーザを例
にとって説明したが、窓構造を設けた発光ダイオードに
も適用することができることは言うまでもない。

【００３５】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、活性
層と光出射面との間に前記活性層を構成する半導体材料
よりも禁制帯幅の大きい半導体材料からなる窓部が配置
された窓構造を有する半導体発光素子において、上記窓
部を、不純物の濃度分布あるいは構成元素の濃度分布に
より形成された屈折率分布を有し上記活性層から出射さ
れる光に対してレンズ作用を有するものとしたので、外
部レンズの設計を容易とできる効果がある。

【００３６】また、この発明によれば、活性層と光出射
面との間に前記活性層を構成する半導体材料よりも禁制
帯幅の大きい半導体材料からなる窓部が配置された半導
体発光素子構造を形成し、その後、上記窓部に、該窓部
を構成する半導体材料の構成元素あるいは不純物を所定
の濃度分布をもってイオン注入し、該窓部に、上記活性
層から出射される光に対してレンズ作用を有する屈折率
分布を形成するようにしたから、外部レンズの設計を容
易とできる半導体発光素子、または外部レンズを不要と
できる半導体発光素子を容易に製造できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例による半導体発光素子
である半導体レーザの構造を示す図である。

【図２】図１に示す半導体レーザの製造工程の一部を示
す図である。

【図３】図１に示す半導体レーザの製造工程の一部を示
す図である。

【図４】この発明の半導体発光素子の製造方法における
半導体レーザのレンズ部の形成方法の一例を示す図であ
る。

【図５】ＡｌＧａＡｓのＡｌ組成と屈折率の関係を示す
図である。

【図６】図１に示す半導体レーザのVIａ−VIａ断面とレ
ンズ部のＡｌ濃度、及び図１に示す半導体レーザのVIｂ
−VIｂ断面とレンズ部のＡｌ濃度，及び屈折率を示す図
である。

【図７】この発明の第３の実施例による半導体発光素子
の原理を示すための、半導体中に導入するｐ型またはｎ
型不純物のキャリア濃度と半導体の屈折率の関係を示す
図である。

【図８】この発明の半導体発光素子の製造方法における
半導体レーザのレンズ部の形成方法の他の例を示す図で
ある。

【図９】この発明の第５の実施例による半導体発光素子
である半導体レーザの構造を示す図である。

【図１０】この発明の第６の実施例による半導体発光素
子である半導体レーザの構造を示す図である。

【図１１】従来の半導体レーザの問題点を説明するため
の図である。

【符号の説明】

１基板２下クラッド層３活性層４上クラッド層５コンタクト層６電流ブロック層７電極８電極９レーザ出射光１０窓部１１レンズ部１４ＳｉＯ2 膜パターン１５集束イオンビーム２１基板２２下クラッド層２３活性層２４上クラッド層２５コンタクト層２６電流ブロック層２７電極２８電極３０回折格子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】活性層と光出射面との間に前記活性層を
構成する半導体材料よりも禁制帯幅の大きい半導体材料
からなる窓部が配置された窓構造を有する半導体発光素
子において、上記窓部が、該窓部を構成する半導体材料の構成元素の
濃度分布、あるいは不純物の濃度分布により形成され
た、上記活性層から出射される光に対してレンズ作用を
有する屈折率分布を有することを特徴とする半導体発光
素子。
【請求項２】活性層と光出射面との間に前記活性層を
構成する半導体材料よりも禁制帯幅の大きい半導体材料
からなる窓部が配置された半導体発光素子構造を形成す
る工程と、上記窓部に、該窓部を構成する半導体材料の構成元素あ
るいは不純物を所定の濃度分布になるようイオン注入
し、該窓部に、上記活性層から出射される光に対してレ
ンズ作用を有する屈折率分布を形成する工程とを含むこ
とを特徴とする半導体発光素子の製造方法。