JPH0632335B2 - 半導体レ−ザの製造方法 - Google Patents

半導体レ−ザの製造方法

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JPH0632335B2
JPH0632335B2 JP20092384A JP20092384A JPH0632335B2 JP H0632335 B2 JPH0632335 B2 JP H0632335B2 JP 20092384 A JP20092384 A JP 20092384A JP 20092384 A JP20092384 A JP 20092384A JP H0632335 B2 JPH0632335 B2 JP H0632335B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、多重量子井戸(Multi-Quantum Well,以下MQW
と略す)構造を有する半導体レーザの製造方法に関す
る。
〔従来技術〕
活性層に多重量子井戸構造を有するMQWレーザが従来か
ら知られている(アプライド・フジィックス・レターズ
39巻、10号、1981年、786〜788ページ)。このMQWレ
ーザは、第3図(a)に示すように、活性層3が第3図(b)
のようにGaAsよりなるウェル層6とこれより禁制帯幅が
広いAlxGa1-xAs(0<x<1)よりなるバリア層7とを
交互に規則的に積層した多重量子井戸を形成している。
GaAsウェル層6及びAlxGa1-xAsバリア層7は200 Å以下
の薄膜であるため、量子効果が働き、GaAsウェル層6内
に電子及びホールの量子準位が形成されている。
一般にMQWレーザではこの2つの量子準位間の遷移を利
用するため、低い閾値電流でレーザ発振に到り、また発
振閾値電流の温度安定性も高い等の特長を有している。
第3図に示した従来のMQWレーザではGaAsウェル層への
キャリアの注入効率を上げるためにAlxGa1-xAsバリア層
の禁制帯幅を活性層を挾み込む2つのAlyGa1-yAsクラッ
ド層より小さく、即ち0<x<y1となるようにして
ある。これは、AlxGa1-xAsバリア層がキャリアに対して
障壁として働き、AlyGa1-yAsクラッド層から注入される
キャリアが充分にGaAsウェル層内に局在するのを妨げる
作用があるためであり、低い発振閾値電流を得るために
重要な点である。しかし、AlxGa1-xAsバリア層とAlyGa
1-yAsクラッド層の組成を異なるものにする必要がある
ために、以下に述べるように、従来は複雑な製造装置が
必要であった。
従来、第3図(a)に示すMQWレーザは、以下のようにして
製造されてきた。
先ず、第1導電型の半導体基板(n型GaAs基板)1上に
第1導電型の第1半導体層(n型Al0.4Ga0.6Asクラッド
層)2を1.5μm、多重量子井戸構造を有し、第1半導
体層2より禁制帯幅が狭く屈折率の大きい第2半導体層
(活性層)3を600 Å、第2半導体層3より禁制帯幅が
広く屈折率の小さい第2導電型の第3半導体層(p型Al
0.4Ga0.6Asクラッド層)4を1.5μm、電極とのオーム
性接触を得易すくするための第2導電型のコンタクト層
(p型GaAsコンタクト層)5を1μmの厚さでこれらを
順次、分子線エピタキシー法によりエピタキシャル成長
する。この際、第2半導体層(活性層)3は、第3図
(b)のように2種の半導体薄膜、すなわち、厚さ120 Å
のアンドープGaAsウェル層6を4層、厚さ40ÅのAl0.2G
a0.8Asバリア層7をその間に3層挾んだMQWを形成する
ように順次成長する。
尚、第3図b中に示したように、第2半導体層3の禁制
帯幅とはこのMQWに形成される電子の第1量子準位11
とホールの第1量子準位12間のエネルギー差を指し
(以下同様)、この従来例の場合室温においてAl0.02Ga
0.98Asに相当する約1.452eVの禁制帯幅となる。
次に、コンタクト層5と、半導体基板1の表面に電極金
属8,9を蒸着等の方法により付着させ、更に、劈開等
の方法によりファブリペロー反斜面を得て半導体レーザ
が出来上がる。
〔発明が解決しようする問題点〕
ところで分子線エピタキシー法では、成長させる結晶の
構成元素をそれぞれ独立にるつぼに収納し、これらを加
熱して、基板に向って蒸発させる。従って従来のMQWレ
ーザのようにAl0.2Ga0.8Asバリア層7とAl0.4Ga0.6Asク
ラッド層2及び4のように2つの異なったAlAs組成の結
晶を成長させるには2つのAl蒸発源を必要な組成に対応
した異なった温度にあらかじめ加熱して置き、必要な時
にシャッターの開閉によって成長させる方法が一般的に
なっている。従って、従来の製造方法ではAl用の蒸発源
が2つ必要であった。これは分子線エピタキシー装置を
複雑にし、装置の限られた空間の有効利用にも不利であ
る。また電力を約2倍消費することになるので好ましく
ない。
本発明の目的は、上述の欠点をなくしたMQWレーザの新
しい製造方法を提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明の半導体レーザの製造方法は、第1導電型の半導
体基板1上に、少くとも第1導電型の第1半導体層2
と、該第1半導体層2より禁制帯幅が狭く屈折率が大き
く、かつ互いに禁制帯幅の異なる少くとも2種の半導体
薄膜6,7を、該2種の半導体薄膜の少くとも1種には
Siを不純物として添加して、交互に2周期以上積層した
多重量子井戸構造を有する第2半導体層3と、該第2半
導体層3より禁制帯幅が広く屈折率が小さい第3半導体
層4を順次エピタキシャル成長して基板結晶を形成する
エピタキシャル成長工程と、 前記基板結晶に熱を加え前記第2半導体層3を構成する
第2種の半導体6,7を互いに混合せしめる加熱工程と を行うことを特徴とする半導体レーザの製造方法であ
る。
以下本発明を図面を参照しながら詳細に説明する。第1
図(a)は本発明によって得られるMQWレーザを説明する概
略断面図、第1図(b)は活性層付近のエネルギーバンド
図である。第2図(a)〜(d)に本発明の製造方法の主要な
工程図を示す。なお、図において、構成部分は従来と同
一のため、同一構成部分は第3図(a)〜(b)と同一番号を
もって示してある。
本発明は、分子線エピタキシー法によって製作されたMQ
W層に熱を加えることによりバリア層7とウェル層6と
を混合させられることに基いている。即ち本発明者らが
実験したところ、アンドープのGaAsウェル層とSiをドー
プしたAlxGa1-xAsバリア層とかならる量子井戸は、水素
中で熱処理するとGaとAlの原子が相互に固相拡散する結
果井戸形状が変形することがわかった。例えば、バリヤ
層7をAl0.4Ga0.6Asとした場合、800 ℃、4分間の熱処
理によりバリア層7の厚さにもよるがMQWの禁制帯幅を
1〜100 meVもの広い範囲にわたって増加させることが
できる。この増加は、GaとAlとの相互拡散によって組成
プロファイルがエピタキシャル成長直後の矩形から角の
とれた形状に変化し、第1図(b)のようにバンド構造も
矩形(破線)から角のとれた形状に変化する結果、電子
の第1量子準位11とホールの第1量子準位12が、そ
れぞれ拡散後の電子の第1量子準位13と拡散後のホー
ルの第1量子準位14とにエネルギー的に上昇したこと
と対応している。このようなバンド構造の形状変化は、
熱処理により、エピタキシャル成長されたAlxGa1-xAsバ
リア層の組成xを減少させ、その結果、バリア層の禁制
帯幅を減少させ得ることを示している。このような熱処
理による量子井戸形状の変形は、バリア層とウェル層6
とがアンドープの場合にも見い出されているが、この場
合の変形量は本発明のようにSiドープされた場合より約
1桁小さく、本発明者らの実験では相互拡散係数にして
4×10-20cm2/sec程度である。従って本発明のようにS
iをドープすることにより、より短い時間でバリア層7
の組成を変化させることができ、製造工程に要する時間
を短縮できる利点がある。以上説明で明らかなように、
AlxGa1-xAsバリア層にSiをドープしたMQWを採用すれ
ば、バリア層7の組成xをあらかじめAlyGa1-yAsクラッ
ド層の組成yと等しくエピタキシャル成長し(第2図
(b))、次に加熱処理することにより第2図(c)、従来と
同様の構造を有するMQWレーザを製造できる(第2図
(d))。従来と異なり、Al用の蒸発源は、AlyGa1-yAsク
ラッド層の組成用の1本だけで事足りることになる。ま
た得られるAlxGa1-xAsバリア層の組成xは、熱処理温度
と時間を調整することにより制御できる。
〔実施例〕
次に本発明の一実施例を図面を参照して説明する。先
ず、n型のGaAs(100)基板1を有機洗浄し、次いで化
学的エッチングにより清浄な表面を得ておく(第2図
(a))。次に通常の分子線エピタキシー装置に基板1を
導入し、通常の方法で以下の層構造をエピタキシャル成
長する。即ちn型Al0.4Ga0.6Asクラッド層2(Siドー
プ)を1.5μm、厚さ120ÅのGaAsウェル層6(アンドー
プ)と厚さ40Åのn型Al0.4Ga0.6Asバリア層7(Siドー
プ)を交互にそれぞれ4及び3層積層したMQW活性層3
(厚さ600Å)を、p型Al0.4Ga0.6Asクラッド層4(Be
ドープ)を1.5μm、P型GaAsコンタクト層5(Beドー
プ)を1μmの厚さで順次積層して基板結晶を得る(第
2図(b))。こうして得られた基板結晶を分子線エピタ
キシー装置から取り出し、800 ℃に加熱した水素雰囲気
中に5分間放置する。この際、表面からAsが解離するの
を防ぐために別のGaAsカバー基板(アンドープ)10を基
板結晶の表面に接するように被せて加熱すると良い(第
2図(c))。次に通常の方法でp型GaAsコンタクト層5
の上にp型オーム性電極8を、n型GaAs基板1の側にn
型オーム性電極9をそれぞれ蒸着し、更にレーザ反射鏡
となる端面を劈開又はエッチングにより形成して第1図
に示すMQW構造を有する半導体レーザを得る(第2図
(d))。
本実施例においては、n型層のSiドーピング量は8×10
17cm-3,p型層へのBeドーピング量は、Al0.4Ga0.6Asク
ラッド層4では7×1017cm-3,GaAsコンタクト層5では
1×1019cm-3としてある。熱処理によってn型Al0.4Ga
0.6Asバリア層7は、層厚方向への組成プロファイルが
変化し、最もAlAs比が高くなるバリア層7の中心部にお
いてAl0.2Ga0.8Asとなる。同時に、GaAsウェル層6には
Al0.4Ga0.6Asバリア層7からAl原子が流入しやはり形状
が変化する。流入量は、相互拡散係数や熱処理条件によ
る。本実施例の場合、GaAsウェル層6がバリア層7の3
倍厚いためウエル層6の中心部にはAl原子に達せず、ウ
ェル層の形状が変化するだけである。こうしたMQWの形
状変化に伴ない発生する量子準位は変形前より高くなる
がこの量は、変形量と一対一に対応するので変形量を制
御すれば同時に制御して変化させることができ、相互拡
散係数をあらかじめ求めておけば、計算機シュミレーシ
ョンにより予測し、設計を行なうことができる。
以上のようにして製作した半導体レーザに順方向に通電
すれば従来のMQWレーザと比べ遜色のない良好な特性を
有するMQWレーザが得られる。尚、熱処理によりAl0.4Ga
0.6Asクラッド層2,4と活性層3の界面付近も組成プ
ロファイルが変化するがレーザ特性に悪影響はない。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、従来のMQWレー
ザと同等の構造と性能を有する半導体レーザを複雑な装
置を用いることなく、製造することができる。具体的に
は、分子線エピタキシー装置内に設けるべきAlの蒸発源
の従来のクラッド層用とバリア層用の2本から1本へ減
らすことができる。これによって装置の空間的利用効率
を上げ、消費電力を減らすことができる。また、Al蒸発
源を加熱して一定温度に安定させるのには時間がかかる
がこの時間も短縮されるので製造工程が短くなり、生産
効果を上げることができる。
また、本発明によれば、加熱工程における熱処理温度と
熱処理時間を選ぶことにより、様々な多重量子井戸形状
のMQW活性層3を得ることができる。従って1枚の基板
結晶から様々な発振波長の半導体レーザを得ることがで
きる利点がある。
尚、上述の実施例では、n型GaAs基板1を用いたが、こ
れはp型でも本発明の要件を満せば良い。また、基板と
してInPを用い、ウェル層6にInGaAs、クラッド層2,
4とバリア層7にInAlAsを用いた組み合せ等、他の半導
体の組み合せでも良いことは明らかである。
また、加熱工程において水素雰囲気中で行なう方法をあ
げたが、例えば分子線エピタキシー装置内や、真空アン
プル内でAs雰囲気を形成しそのあとで熱処理をしても同
等の効果が得られ、ランプアニールも有効と考えられ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)は本発明によって製造される半導体レーザの
主要な断面を示す断面図、第1図(b)は、その活性層付
近のエネルギーバンド図、第2(a)〜(d)は本発明の製造
方法を説明する工程図、第3図(a)は従来の多重量子井
戸レーザの主要な断面を示す断面図、第3図(b)はその
活性層付近のエネルギーバンド図である。 1……第1導電型半導体基板(n型GaAs基板)、2……
第1導電型クラッド層(n型Al0.4Ga0.6As)、3……活
性層、4……第2導電型クラッド層(p型Al0.4Ga0.6A
s)、5……コンタクト層(P型GaAs)、6……ウェル
層(アンドープGaAs)、7……バリア層、8,9……電
極、10……カバー基板、11……電子の第1量子準
位、12……ホールの第1量子準位、13……拡散後の
電子の第1量子準位、14……拡散後のホールの第1量
子準位。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1導電型の半導体基板上に、少くとも第
    1導電型の第1半導体層と、該第1半導体層より禁制帯
    幅が狭く屈折率が大きく、かつ互いに禁制帯幅の異なる
    少くとも2種の半導体薄膜を、該2種の半導体薄膜の少
    くとも1種にはSiを不純物として添加して、交互に2周
    期以上積層した多重量子井戸構造を有する第2半導体層
    と、該第2半導体層より禁制帯幅が広く屈折率が小さい
    第3半導体層を順次エピタキシャル成長して基板結晶を
    形成するエピタキシャル成長工程と、 前記基板結晶に熱を加え前記第2半導体層を構成する前
    記2種の半導体薄膜を互いに混合せしめる加熱工程と を行うことを特徴とする半導体レーザの製造方法。
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