JPH0697603A - 半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 活性層への深い準位を形成する不純物の拡散
を抑制することができ、かつ良質の再成長界面を形成す
ることができ、内部量子効率の低下及びリーク電流の低
減をはかり得る半導体レーザ提供すること。 【構成】 活性領域の側面を電流狭窄で埋め込んだ埋込
み型半導体レーザにおいて、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に形
成されたｎ型ＩｎＰクラッド層１８と、このクラッド層
１８上にストライプ状に形成されたＩｎＧａＡｓＰ活性
層１７と、この活性層１７の側面及び上面を覆うように
形成されたｐ型ＩｎＰクラッド層１６と、クラッド層１
６，１８を選択エッチングして形成され内部に活性層１
７のストライプを有するメサストライプと、このメサス
トライプの側面に埋め込み形成されたＦｅドープの高抵
抗層１２とを具備してなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信装置等に利用さ
れる半導体レーザに係わり、特に電流狭窄構造を有する
埋め込み型半導体レーザ及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信の大容量化や通信ネットワ
ークの高度化に伴い、半導体レーザの高性能化が進めら
れている。通常、半導体レーザでは、活性領域だけに電
流を有効に注入し、光も屈折率差により活性領域に有効
に閉じ込めるために、埋め込み構造が用いられる。この
埋め込み構造に用いられる埋め込み層として、最近では
半導体中の深い準位を利用した高抵抗（半絶縁性）半導
体層を用いる技術が注目されている。

【０００３】従来例として、高抵抗半導体層を埋め込み
層に用いた半導体レーザを図６に示す（特開平２−２０
６１９２号公報）。このレーザを製造するには、まずｎ
型ＩｎＰ基板１の上に、ｎ型ＩｎＰ層７（ｎ＝１×１０
¹⁸ｃｍ^-3，厚さ１μｍ）、発光波長１．３μｍのＩｎＧ
ａＡｓＰ活性層８（厚さ０．１５μｍ）、ｐ型ＩｎＰ層
６（ｐ＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3，厚さ０．１μｍ）を結晶成
長する。次いで、＜０１１＞方向に厚さ０．２μｍのＳ
ｉＯ₂ ストライプ状マスクを形成した後、化学エッチン
グにより高さ２．５μｍのメサストライプを形成する。
さらに、ＳｉＯ₂ ストライプ状マスクを残したままで、
選択的に鉄（Ｆｅ）ドーピング高抵抗ＩｎＰ層２（厚さ
２．５μｍ）、ｎ型ＩｎＰ層３（ｎ＝１×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3，厚さ１μｍ）を結晶成長する。次いで、ＳｉＯ₂
マスクを除去した後、全面にｐ型ＩｎＰ層４（ｐ＝１×
１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１．５μｍ）、ｐ型ＩｎＧａＡｓコ
ンタクト層５（ｐ＝１×１０¹⁹ｃｍ^-3）を結晶成長す
る。最後に、基板１を１２０μｍ程度に研磨し、真空蒸
着法で電極９，１０を形成し、個々の半導体レーザに劈
開することにより、図６に示す構造が得られる。

【０００４】このような構造の半導体レーザでは、鉄ド
ープＩｎＰ層２で電子がトラップされ、さらに鉄ドープ
ＩｎＰ層２はｎ型ＩｎＰ（ＩｎＰ基板１とＩｎＰ層３）
に挟まれているのでトラップされた電子に正孔が再結合
することはない。従って、活性層８に効率良く電流が狭
窄され、低しきい値電流動作が可能となる。また、厚さ
２．５μｍの高抵抗半導体層を電流狭窄層に用いている
ために、寄生容量が小さく高速応答性も優れている。

【０００５】しかしながら、この種のレーザにあっては
次のような問題があった。第１に、活性領域と鉄ドーピ
ング埋め込み層が直接接触しているために、結晶成長中
に鉄が活性領域に拡散してしまう。このため、活性領域
に深い準位が形成され、非発光再結合で失われるキャリ
アが増大し、内部量子効率が低下してしまう。第２に、
活性領域を埋め込むときに、ＳｉＯ₂ をマスクにした選
択成長を用いるため、マスク近傍で良質な結晶を成長す
ることが難しく、活性領域と埋め込み領域の界面の結晶
性が悪くなってしまう。このため、活性領域のわきを流
れるリーク電流が多く、十分な低しきい値電流動作を実
現するのが困難である。

【０００６】さらに、図６のような構造では、２μｍ程
度以上のメサ状の活性領域を選択成長で埋め込む必要が
あるため、ＭＯＣＶＤ法などの気相成長法で埋め込む際
に、選択成長マスクの側面で＜１１１＞方向に異常結晶
成長が発生しやすいという問題点もあった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、埋め
込み型半導体レーザにおいては、電流狭窄層としての高
抵抗埋め込み層の成長の際に鉄などの深い準位を作る不
純物が活性領域に拡散してしまい、内部量子効率が低下
する。さらに、活性領域を埋め込むときに活性領域と埋
め込み領域の界面の結晶性が悪くなってしまい、良質な
再成長界面が得られず、活性領域のわきを流れるリーク
電流が大きくなる問題があった。

【０００８】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、活性領域への深い準位
を形成する不純物の拡散を抑制することができ、かつ良
質の再成長界面を形成することができ、内部量子効率の
低下及びリーク電流の低減をはかり得る半導体レーザ及
びその製造方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、活性領
域と埋込み電流狭窄層が直接接触しないように、深い準
位を形成する不純物をドーピングしていない半導体層を
間に挟んで、電流狭窄層を形成することと、活性領域の
埋め込み成長を全面成長を用いて行うことにある。

【００１０】即ち本発明は、活性領域の側面を電流狭窄
層で埋め込んだ埋込み型半導体レーザにおいて、半導体
基板上に形成された第１導電型半導体層と、この第１導
電型半導体層上にストライプ状に形成された活性領域
と、この活性領域の側面及び上面を覆うように形成さ
れ、かつ該活性領域のストライプよりも幅の広いストラ
イプ状に形成された第２導電型半導体層と、この第２導
電型半導体層の側面に埋め込み形成された電流狭窄層と
を具備してなることを特徴とする。

【００１１】また本発明は、上記半導体レーザの製造方
法において、半導体基板上に第１導電型クラッド層を成
長したのち、この第１導電型クラッド層上に活性層を成
長し、次いで活性層をストライプ状に残して選択エッチ
ングし、ストライプ状に加工された活性層の側面と上面
を覆うように第２導電型クラッド層を成長し、次いで第
２導電型クラッド層を選択的にエッチングし、活性層の
ストライプを内側に含むメサストライプを形成し、次い
でこのメサストライプの側面に電流狭窄層を埋め込み成
長するようにした方法である。

【００１２】より具体的には、本発明の半導体レーザ
は、以下のような手順で形成される。 (1) まず、第１導電型半導体基板上に、第１導電型クラ
ッド層と活性層を含む半導体層を結晶成長する。このと
き、活性層の上側に、例えばクラッド層と同一の半導体
で、ノンドープ或いは第２導電型の半導体層を０．１〜
０．２μｍ程度積層してもよい。 (2) 次に、活性層をストライプ状に加工し活性領域を形
成する。この場合、活性層から上側だけをストライプ状
に加工してもよいし、活性層よりも下側の半導体層を含
めて加工してもよい。このとき、ストライプ状に加工す
る領域の厚さは０．５μｍ以下程度にしておくのが望ま
しい。 (3) 次に、ストライプ状に加工した活性領域の全面を覆
うように、第２導電型のクラッド層を含む半導体層を結
晶成長する。 (4) 次に、活性領域を内側に含むように、メサストライ
プを形成する。このとき、メサストライプの幅は、活性
領域の幅より１〜３μｍ程度広くなるようにするのが望
ましい。 (5) 最後に、メサストライプの外側の凹部を、電流狭窄
層としての高抵抗半導体層を含む半導体層で埋め込んだ
後、ｐ側及びｎ側電極を形成する。

【００１３】

【作用】本発明では、活性領域と深い準位を形成する不
純物をドーピングした高抵抗半導体層（電流狭窄層）と
活性領域は、直接接触することなく第２導電型半導体層
を介して接している。このため、活性領域への深い準位
を形成する不純物の拡散を抑制することができ、内部量
子効率の低下が生じない。また、活性領域を埋め込むの
に、選択成長でなく全面成長を用いているため、良質な
再成長界面を得ることができ、活性領域のわきを流れる
リーク電流は非常に少なくなる。さらに、活性領域のメ
サエッチングが０．５μｍ以下程度で、埋め込み成長が
全面成長であるため、ＭＯＣＶＤ法などの気相成長法を
用いても、選択成長マスク側面での異常結晶成長は発生
しない。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。なお、ここではＩｎＰを基板とするＩｎＧａＡｓ
Ｐ系の半導体レーザを例にとって説明するが、他の材料
系の半導体レーザの場合にも同様に実施可能なものであ
る。

【００１５】図１は、本発明の第１の実施例に係わる半
導体レーザの概略構成を示す断面図である。図中１１は
ｎ型ＩｎＰ基板であり、この基板１１上にはｎ型ＩｎＰ
クラッド層１８が形成され、このクラッド層１８上には
ＧａＩｎＡｓＰ活性層１７がストライプ状に形成されて
いる。活性層１７の側面及び上面、さらにクラッド層１
８上には、ｐ型ＩｎＰクラッド層１６が形成され、その
上にｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層１５が形成されてい
る。そして、クラッド層１８，１６及びコンタクト層１
５は、内部に活性層１７のストライプを含んでメサスト
ライプを形成している。

【００１６】メサストライプの側面には、電流狭窄層と
しての鉄（Ｆｅ）ドープの高抵抗半導体層１２，ｎ型Ｉ
ｎＰ層１３，ノンドープＩｎＧａＡｓＰ層１４が埋込み
形成されている。そして、基板上面側にｐ側電極１９が
形成され、基板下面側にｎ側電極２０が形成されてい
る。

【００１７】次に、上記構造の実施例レーザの製造工程
を図２を参照して説明する。まず、図２（ａ）に示すよ
うに、ｎ型ＩｎＰ基板１１の上に、ＭＯＣＶＤ法でｎ型
ＩｎＰクラッド層１８（ｎ＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3，厚さ１
μｍ）、発光波長１．３μｍのノンドープＩｎＧａＡｓ
Ｐ活性層１７（厚さ０．１５μｍ）を結晶成長する。

【００１８】次いで、活性層１７上に＜０１１＞方向に
厚さ０．２μｍのＳｉＯ₂ ストライプ状マスク（図示せ
ず）を形成した後、０．２μｍ程度の化学エッチングを
施して、図２（ｂ）に示すようにストライプ状の活性領
域を形成する。このエッチングでは、ストライプ以外の
活性層１７を確実に除去するために、クラッド層１８の
表面までオーバエッチングする。

【００１９】次いで、図２（ｃ）に示すように、ＳｉＯ
₂ マスクを除去した後、活性層１７の側面及び上面を覆
うように、有機金属気相成長法でｐ型ＩｎＰクラッド層
１６（ｐ＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3，厚さ１．３μｍ）、ｐ型
ＩｎＧａＡｓコンタクト層１５（ｐ＝１×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3，厚さ０．３μｍ）を結晶成長する。ここで、活性
領域を埋め込む結晶成長は、選択成長ではなく全面成長
である。

【００２０】次いで、コンタクト層１５上の活性領域の
真上に位置する部分に、活性領域の幅よりも長い厚さ
０．２μｍのＳｉＯ₂ ストライプ状マスク（図示せず）
を形成する。続いて、このマスクを用いて図２（ｄ）に
示すように、化学エッチングにより高さ３μｍのメサス
トライプを形成する。

【００２１】次いで、ＳｉＯ₂ マスクを残したまま、図
２（ｅ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法で鉄ドープＩｎＰ
高抵抗層１２（厚さ２μｍ）、ｎ型ＩｎＰ層１３（ｎ＝
１×１０¹⁸ｃｍ^-3，厚さ０．８μｍ）、ノンドープＩｎ
ＧａＡｓＰ層（厚さ０．７μｍ）を順次選択成長する。
最後に、図２（ｆ）に示すように、基板１１を１２０μ
ｍ程度に研磨し、真空蒸着法で電極１９，２０を形成
し、個々の半導体レーザに劈開することにより、図１に
示すような構造が得られる。

【００２２】このようにして作成した半導体レーザは、
図６に示した従来の半導体レーザと同様に高抵抗半導体
層１２を設けてあるので、注入された電流は活性領域に
狭窄される。また、高抵抗半導体層１２と活性領域は１
μｍ程度離れているので、深い準位を作る不純物が活性
領域まで拡散することはなく、内部量子効率の低下は起
きない。さらに、活性領域は、比較的段差の小さいスト
ライプを全面成長で埋め込まれるため、良質な再成長界
面が得られ、活性領域のわきを流れるリーク電流も非常
に少ない。

【００２３】また、本実施例では、活性領域のメサエッ
チングは０．５μｍ以下程度で、埋め込み成長は全面成
長を用いているため、選択埋め込み成長を用いる場合に
発生しやすい異常結晶成長の問題は全く心配する必要が
ない。また、活性領域のメサエッチングは０．５μｍ以
下程度にしているため、エッチングマスクとしてフォト
レジストを用いても製造可能である。さらに、メサエッ
チングの深さが小さいため、サイドエッチングも少な
く、活性領域の幅の制御性も非常に高い。

【００２４】ところで、本実施例では活性領域を埋め込
んだ後、活性領域を内側に含むようなメサを形成する必
要がある。このときのエッチングマスクは通常、図３
（ａ）のように形成する。しかし、このようなエッチン
グマスクを形成するときのフォトリソグラフィでポジ型
レジストを用いると、パターニングマスク３１の非透明
部分に活性領域が隠れてしまうため、パターンずれが起
きやすい。

【００２５】この問題を回避するためには、図３（ｂ）
のように活性層１７のメサエッチングを、活性領域の近
傍でのみ行い、その外側をダミーパターン１７′として
残しておくとよい。このようにするとポジ型レジストを
用いても、パターニングマスク３１の透明部分にダミー
パターンが現れるため、これを用いてマスク合わせをす
るとパターンずれは起きない。

【００２６】また、活性領域を内側に含むメサを形成す
る際のエッチングは深さ３μｍ程度のエッチングを制御
良く行うと同時に、メサ幅を活性領域の幅より２μｍ程
度広くなるように制御する必要がある。このようなエッ
チングはＩｎＰ系のレーザの場合は、以下のようにして
エッチングを行うと制御性が高い。

【００２７】まず、図４（ａ）に示すように、ＳｉＯ₂
をマスク３１にして、硫酸系エッチャントを用いてＩｎ
ＧａＡｓコンタクト層１５をエッチングする。次いで、
図４（ｂ）に示すように、パターニングされたＩｎＧａ
Ａｓをマスクにして、塩酸系エッチャントでＩｎＰクラ
ッド層１６をエッチングする。

【００２８】このようにしてエッチングすると、ＩｎＰ
のエッチングは基板に対して垂直に進むためメサ幅の制
御性が高い。また、活性層１７のメサエッチングを活性
領域の近傍でのみ行っているため、ＩｎＰクラッド層１
６をエッチングするとき、活性層１７の残っている部分
１７′ではエッチングが自動的にストップする。このた
めエッチング深さをモニターすることができて、エッチ
ング深さの制御性も高い。

【００２９】図５は、本発明の第２の実施例に係わる半
導体レーザの概略構成を示す断面図である。なお、図１
と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省
略する。この実施例の半導体レーザの構造は、ｐｎ逆接
合を電流狭窄に利用している以外、ほぼ第１の実施例と
同じ構造である。即ち、本実施例では電流狭窄層として
メサストライプの側面に、ｐ型ＩｎＰ層２１，ｎ型Ｉｎ
Ｐ層１３，ノンドープＩｎＧａＡｓＰ層１４が選択的に
埋込み成長されている。

【００３０】この実施例の場合も、活性領域を選択成長
でなく、全面成長で埋め込んでいるため、活性領域側面
における非常にリーク電流が少ない。従って、第１の実
施例と同様の効果が得られる。

【００３１】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない、実施例では半導体材料としてＩｎＧ
ａＡｓＰ系を用いたが、これに限らず埋め込み型半導体
レーザに適用することができる。また、活性領域の幅や
メサストライプの幅等は、仕様に応じて適宜変更可能で
ある。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々
変形して実施することができる。

【００３２】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、電
流狭窄層に鉄などの深い準位を作る不純物をドーピング
した高抵抗半導体層を利用した場合に、活性領域にドー
ピングした不純物が拡散することを抑えられるため、内
部量子効率が低下しない。さらに、活性領域の埋め込み
に選択成長でなく全面成長を用いるため、良質な再成長
界面が容易に得られ、リーク電流を少なくすることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係わる半導体レーザの
概略構成を示す断面図。

【図２】第１の実施例の半導体レーザの製造工程を示す
断面図。

【図３】メサストライプ形成工程の一例を示す図。

【図４】メサストライプ形成工程の他の例を示す図。

【図５】本発明の第２の実施例に係わる半導体レーザの
概略構成を示す断面図。

【図６】従来の埋め込み型半導体レーザの概略構成を示
す断面図。

【符号の説明】

１１…ｎ型ＩｎＰ基板、 １２…鉄ドープ高抵抗ＩｎＰ層、 １３…ｎ型ＩｎＰ層、 １４…ノンドープＩｎＧａＡｓＰ層、 １５…ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、 １６…ｐ型ＩｎＰクラッド層、 １７…ノンドープＩｎＧａＡｓＰ活性層、 １８…ｎ型ＩｎＰクラッド層、 １９…ｐ側電極、 ２０…ｎ側電極、 ２１…ｐ型ＩｎＰ層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古山 英人 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝総合研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板上に形成された第１導電型半導
   体層と、この第１導電型半導体層上にストライプ状に形
   成された活性領域と、この活性領域の側面及び上面を覆
   うように形成され、かつ該活性領域のストライプよりも
   幅の広いストライプ状に形成された第２導電型半導体層
   と、この第２導電型半導体層の側面に埋め込み形成され
   た電流狭窄層とを具備してなることを特徴とする半導体
   レーザ。
2. 【請求項２】半導体基板上に第１導電型クラッド層を成
   長する工程と、前記第１導電型クラッド層上に活性層を
   成長する工程と、前記活性層をストライプ状に残して選
   択エッチングする工程と、ストライプ状に加工された活
   性層の側面と上面を覆うように第２導電型クラッド層を
   成長する工程と、前記第２導電型クラッド層を選択的に
   エッチングし、前記活性層のストライプを内側に含むメ
   サストライプを形成する工程と、前記メサストライプの
   側面に電流狭窄層を埋め込み成長する工程とを含むこと
   を特徴とする半導体レーザの製造方法。