JPH10200207A

JPH10200207A - 半導体レーザの製造方法

Info

Publication number: JPH10200207A
Application number: JP138297A
Authority: JP
Inventors: Mitsuki Yamada; みつき山田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-01-08
Filing date: 1997-01-08
Publication date: 1998-07-31
Anticipated expiration: 2017-01-08
Also published as: JP2937156B2

Abstract

(57)【要約】【課題】活性層としてヘテロ界面にＶ族切替が含まれ
かつＡｌを含む混晶層を有する量子井戸構造を用いた半
導体レーザを製造する場合において、ヘテロ界面でのＶ
族元素の相互拡散を抑制して急峻な界面をなし、かつＡ
ｌを含む混晶の良好な結晶性を実現する。【解決手段】量子井戸構造（多重量子井戸活性層４）
をなすバリア層９及び量子井戸層８の少なくとも一方が
Ａｌを含む混晶層で形成された半導体レーザの製造方法
において、バリア層９と量子井戸層８との間の良好なヘ
テロ界面が得られる程度の低基板温度で、Ａｌを含む混
晶層の結晶成長を実行し（工程(a)）、その後、結晶成
長が行われた基板１０に対してラピッド・サーマル・ア
ニーリング（ＲＴＡ）を実施する（工程(b)）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザの製
造方法に関するものであり、特に、Ａｌ（アルミニウ
ム）を含む混晶を活性層領域に用い、かつ活性層領域に
互いに異なるＶ族元素を含む混晶のヘテロ界面を有する
半導体レーザの製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】加入者系光通信用の１.３μｍ（波長）
帯半導体レーザには、高温を含む温度範囲で動作する性
能が要求されている。高温で半導体レーザの特性が劣化
する一つの原因として、活性層に注入されたキャリア、
特に電子が、熱により高エネルギー状態となってバリア
の高さを超え、活性層からオーバーフローし、これによ
って発光効率が低下することが挙げられる。量子井戸活
性層を有する半導体レーザにおいては、量子井戸活性層
からのこの電子のオーバーフローを抑制するために、量
子井戸活性層とバリア層との伝導帯のエネルギーの不連
続値を大きくするような量子井戸構造が有効であると考
えられる。バリア層にＡｌを含む混晶を用いた量子井戸
構造は、この伝導帯でのバンド不連続値を大きくとれる
ため、高温度特性が期待される。ザー（Ｚａｈ）らは、
「アイ・イー・イー・イー・ジャーナル・オブ・カンタ
ム・エレクトロニクス（IEEE J. Quantum Electro
n.）」第３０巻第２号（１９９４年）第５１１〜５２３
頁において、ＡｌＧａＩｎＡｓをバリア層として用いた
半導体レーザにおいて良好な温度特性が得られたことを
報告している。

【０００３】一般に、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ
等のＡｌを含む混晶を、分子線エピタキシー成長（ＭＢ
Ｅ）法や有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法などの方法
により結晶成長する場合、Ａｌの反応性の高さを反映
し、酸化物等の不純物や非発光再結合中心となる格子欠
陥が結晶中に多く混入しやすく、こうした欠陥は光学特
性の劣化原因となる。これらのＡｌを含む混晶において
良好な結晶性を得るために、成長時の基板温度を高くす
ることが必要である。ツァン（Ｔｓａｎｇ）らは、雑誌
「アプライド・フィジクス・レターズ（Appl. Phys. Le
tt.）」第３６巻第５号（１９８０年）の第１１８〜１
２０頁において、ＧａＡｓを活性層としＡｌＧａＡｓを
光閉じ込め層とした半導体レーザをＭＢＥ法により作製
し、成長時の基板温度が高いほど、ＧａＡｓ活性層から
のＰＬ（フォトルミネッセンス）発光強度が増大し、ま
た半導体レーザの発振閾値が下がることを示している。
Ａｌを含む混晶を量子井戸活性層領域に用いる場合、従
来の結晶成長技術では、結晶成長する際の基板温度を高
温にして成長しなければ良好な結晶性が得られず、格子
欠陥や不純物等による非発光再結合中心が多く残存し、
良好な光学特性を得るのは困難と考えられる。

【０００４】一方、たとえばＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ半導
体積層構造におけるＰとＡｓのように、III−Ｖ族半導
体のヘテロ界面においてＶ族元素が異なる場合、結晶成
長時にＶ族元素の供給源の切替が必要となり、急峻なヘ
テロ界面を形成するのが困難であることが知られてい
る。その原因の一つが、Ｖ族元素の不安定性により、供
給源を切り替えた後にわずかに残存するＶ族元素が結晶
中に取り込まれてしまうメモリー効果である。また、メ
モリー効果を抑えるため、界面において新たな結晶の成
長前にＶ族元素の供給待機時間を確保する方法などがと
られているが、この場合は、切替後のＶ族元素が既に成
長し終えた結晶中に取り込まれたり、成長中の結晶表面
の平坦性の劣化が起こる、という問題が指摘されてい
る。このように成長中にヘテロ界面において容易にＶ族
元素の置換が起こってしまうため、急峻なヘテロ界面を
形成することが困難となる。

【０００５】ヘテロ界面が急峻に形成できないと量子井
戸のバンド構造が変形したりバンドギャップの変化が起
こり、光学特性の劣化をまねくことになる。このような
Ｖ族元素の切替を要するヘテロ界面の形成においては、
ナガオらが「ジャーナル・オブ・クリスタル・グロウス
（J. Cryst. Growth）」第１１１巻（１９９１年）第５
２１〜５２４頁において、ＧａＡｓ／ＡｌＩｎＰヘテロ
界面の形成に関して、比較的低温で結晶成長を行うこと
により、Ｖ族元素のＡｓとＰの置換する深さ領域が小さ
くできることを示している。結晶成長時の基板温度が高
い場合には、Ｖ族元素の拡散速度が大きくなり良質なヘ
テロ界面を形成することは困難になると考えられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来の製造方法を用いる限り、例えば高温領域での良好
な特性が期待されるＩｎＡｓＰ／ＩｎＡｌＧａＡｓ量子
井戸構造のように、ヘテロ界面にＶ族切替が含まれ、か
つＡｌを含む混晶を含む構造を結晶成長する場合、Ｖ族
元素の相互拡散を抑えて急峻な界面をなし、かつＡｌを
含む混晶の良好な結晶性を得ることは、事実上困難であ
る。

【０００７】また、Ａｌを含むIII−Ｖ族の混晶におい
ては、ＡｌとＧａの組成比を変化させることにより、格
子定数を大きく変えずにバンドギャップなどを操作する
ことが可能であり、半導体レーザのような発光素子の活
性層材料として採用される場合も多い。しかし、従来の
技術では、Ａｌを含む混晶とともにＶ族元素が異なる混
晶材料を用いた量子井戸構造の実現は難しく、設計され
る活性層構造が制限されていると考えられる。

【０００８】本発明の目的は、前記のような問題を解決
して活性層に用いる混晶材料選択の範囲を拡げるため、
活性層としてヘテロ界面にＶ族切替が含まれかつＡｌを
含む混晶を有する量子井戸構造を用いた半導体レーザを
製造する場合において、ヘテロ界面でのＶ族元素の相互
拡散を抑制して急峻な界面をなし、かつＡｌを含む混晶
の良好な結晶性を実現することが可能な製造方法を提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザの
製造方法は、基板上に、バリア層及び量子井戸層を積層
した量子井戸構造を活性層として有し、バリア層と量子
井戸層とがＶ族元素として相互に異なる元素を用いた混
晶層によって形成され、かつバリア層及び量子井戸層の
少なくとも一方がＡｌを含む混晶層で形成された半導体
レーザの製造方法において、バリア層と量子井戸層との
間の良好なヘテロ界面が得られる程度の低基板温度で、
Ａｌを含む混晶層の結晶成長を実行し、その後、結晶成
長が行われた基板に対してラピッド・サーマル・アニー
リング（ＲＴＡ）を実施する。

【００１０】本発明における低基板温度は、使用する材
料系によって異なるが、基板としてＩｎＰ基板を使用す
る場合には、典型的には５００℃以下の温度である。ま
た、本発明においては、ラピッド・サーマル・アニーリ
ングとして活性層の温度が６００℃以上となるものを実
行することが好ましい。Ａｌを含む混晶層の結晶成長を
４４０℃以上４８０℃以下の基板温度で行うことがさら
に好ましく、また、活性層の温度が６００℃以上７００
℃以下となるラピッド・サーマル・アニーリングを実行
することがさらに好ましい。

【００１１】本発明において、量子井戸層とバリア層の
組合せとしては、例えば、ＩｎＡｓＰ量子井戸層及びＩ
ｎＡｌＧａＡｓバリア層の組合せを用いることができ
る。

【００１２】本発明では、量子井戸活性層を低温で結晶
成長することにより、ヘテロ界面における、結晶成長時
のＶ族元素の相互拡散等による界面劣化を抑制し、急峻
な界面を形成することができる。また、低温で成長して
いるためにＡｌを含む混晶層には結晶中の欠陥が多く残
存していると考えられるが、本発明では、結晶成長後に
ＲＴＡにより短時間でのアニールを行っているので、Ａ
ｌを含む混晶層の結晶性を向上させることができる。Ｒ
ＴＡでは短時間で急激に昇温、降温を行うため、ＲＴＡ
中に基板が高温になることによってＶ族元素やドーパン
ト元素が拡散し結晶の光学特性を悪化させる影響は、ほ
とんどないと考えられる。したがって、本発明の方法に
より、Ｖ族元素の相互拡散が抑えられた急峻なヘテロ界
面を有し、かつ結晶性の良好なＡｌを含む混晶を有する
量子井戸を活性層とした半導体レーザの製造が可能とな
る。

【００１３】本発明においては、各混晶層を結晶成長で
形成するとともに、結晶成長による最上表面層をＡｓの
みをＶ族元素として含む混晶で形成し、その後、ＲＴＡ
を実行するようにしてもよい。すなわち、ＲＴＡを行う
半導体基板の最上表面層に、Ｐを含まずＡｓのみをＶ族
元素として含む混晶を用いる。ＲＴＡにおける高温度中
では、Ｖ族元素の蒸発が表面劣化をもたらすが、Ａｓの
方がＰに比べ蒸発しにくいため、このようにＡｓのみを
Ｖ族元素として含む混晶を用いることにより、半導体基
板表面の劣化を抑えることが可能になる。

【００１４】さらに本発明においては、量子井戸構造に
おいて、量子井戸層とＡｌを含む混晶からなるバリア層
との間に、数原子層厚のスペーサ層を設けてもよい。こ
のスペーサ層は、量子井戸層へのキャリア注入をそれほ
ど妨げないような構造を保てるように設計され、例え
ば、ＩｎＰなどで構成される。Ａｌを含む混晶中には、
ＲＴＡによっても除去しきれない格子欠陥や不純物等の
非発光再結合中心が含まれ、これによって活性層に注入
されたキャリアが捕獲されることとなるが、このような
スペーサ層を設けることにより、キャリアが捕獲される
ことが抑制され、量子井戸層での発光効率の低下を防ぐ
ことが可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。図１(a)〜(e)は、本発明
の半導体レーザの製造方法の実施の一形態での各工程を
順を追って示す断面図であり、図２は、本発明の半導体
レーザの製造方法が適用可能な半導体レーザの構造の一
例を示す断面図である。

【００１６】まず、図２に示す半導体レーザについて説
明する。この半導体レーザはリッジストライプ型のもの
であって、ｎ型ＩｎＰ単結晶基板１の一方の表面上に、
ｎ型ＩｎＰクラッド層２、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ光導波路層
３、多重量子井戸活性層４及びｐ型ＩｎＡｌＡｓ光導波
路層５がこの順で積層し、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ光導波路層
５上には、リッジ状に形成されたｐ型ＩｎＰクラッド層
６、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７及びｐ型電極１２
がこの順で設けられている。またｎ型ＩｎＰ単結晶基板
１の他方の表面には、ｎ型電極１３が形成されている。
多重量子井戸活性層４は、ＩｎＡｓＰ量子井戸層８とＩ
ｎＡｌＧａＡｓバリア層９とを積層した構造であり、都
合７つの歪補償量子井戸から構成されている。ここで、
ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層９はＡｌを含む混晶であり、
またＩｎＡｓＰ量子井戸層８は、ＩｎＡｌＧａＡｓバリ
ア層９には含まれていないＶ族元素であるＰを含む混晶
であることを特徴としている。

【００１７】次に、図２に示すリッジストライプの半導
体レーザを本発明の製造方法に基づいて製造する場合の
工程について、図１を用いて説明する。本発明の製造方
法は、従来に比べて低い温度での結晶成長（図１(a)参
照）と、それに引続くラピッド・サーマル・アニーリン
グ（ＲＴＡ; rapid thermal annealing）（図１(b)参
照）とを実施して半導体レーザ基板１０を製造すること
を特徴としている。

【００１８】まず、ｎ型のＩｎＰ単結晶基板１上に、ｎ
型ＩｎＰクラッド層２、ｎ型ＩｎＡｌＡｓ光導波路層
３、多重量子井戸活性層４、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ光導波路
層５、ｐ型ＩｎＰクラッド層６及びｐ型ＩｎＧａＡｓコ
ンタクト層７を、分子線エピタキシー成長（ＭＢＥ）法
や有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法などの方法を用い
て結晶成長する。ここで、ＩｎＡｓＰ量子井戸層８とＩ
ｎＡｌＧａＡｓバリア層９から形成される多重量子井戸
活性層４を成長する際、ＩｎＡｓＰ量子井戸層８とＩｎ
ＡｌＧａＡｓバリア層９との界面における、Ｖ族元素す
なわちＡｓ及びＰの相互拡散などによる界面劣化を小さ
くするよう、基板温度を十分低温にして結晶成長を行う
（図１(a)）。ここまで形成されたものを半導体レーザ
基板１０とする。

【００１９】次に、このように結晶成長によって形成さ
れた半導体レーザ基板１０に、フラッシュランプアニー
ル法によりＲＴＡ処理を行う。加熱は窒素雰囲気中で行
い、また加熱中に半導体レーザ基板１０の表面層からの
Ｖ族元素の蒸発を防ぐため、図１(b)に示すように、Ｉ
ｎＰ基板１０（あるいはＧａＡｓ基板等）を半導体レー
ザ基板１１に被せ、フラッシュランプ４０からの光がＩ
ｎＰ基板１１を介して半導体レーザ基板１０に照射され
るようにして加熱を行う。このとき、加熱中に半導体レ
ーザ基板１０の結晶中のＶ族元素やドーパント元素が拡
散するのを抑制するため、温度変化が急激になるよう
に、また、加熱時間も極力短時間にすることが重要であ
る。

【００２０】次に、半導体レーザ基板１０上にマスクを
かぶせｐ型ＩｎＰクラッド層６をエッチングすることに
より、リッジ型のストライプを形成する（図１(c)）。
そして、ｐ型電極１２及びｎ型電極１３を真空蒸着法等
により形成し（図１(d)）、劈開等によりストライプ両
端にレーザ反射鏡端面を形成し（図１(e)）、図２に示
すような半導体レーザが製造できる。

【００２１】以上、本発明の実施の形態について、Ｉｎ
ＡｓＰ量子井戸層／ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層からなる
量子井戸構造の活性層領域を有する半導体レーザを製造
する場合を説明したが、本発明は、上述したような活性
層領域を有する半導体レーザに限定されるわけではな
く、量子井戸層またはバリア層のどちらかにＡｌを含む
混晶を用い、かつ量子井戸層とバリア層とに異なるＶ族
元素を含む混晶を用いた活性層領域の構造を有する半導
体レーザであれば、任意の半導体レーザに適用されるも
のである。例えば量子井戸層／バリア層として、ＩｎＧ
ａＡｓＰ／ＩｎＡｌＧａＡｓや、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩ
ｎＰを用いるような構造は、本発明が適用される半導体
レーザの活性層として採用される可能性があると考えら
れる。また、Ｖ族元素の切替は、ＰとＡｓの切替に限ら
ず、量子井戸層／バリア層に、Ｉｎ(Ｇａ)ＡｓＰ／Ａｌ
ＧａＡｓＳｂ、あるいはＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＡｓ
を用いた量子井戸構造等にも有効である。

【００２２】量子井戸は、格子整合系であっても、図２
に示す量子井戸構造のように歪が導入された系であって
も構わない。また、量子井戸活性層に限らず、バルク活
性層と光導波路層とにおいて、少なくともいずれかにＡ
ｌを含む混晶を用い、かつ双方の混晶に異なるＶ族元素
が含まれるような構造の活性層においても、本発明の製
造方法は有効である。

【００２３】また、本発明の製造方法により、すなわち
少なくとも比較的低温での結晶成長とそれに引き続くＲ
ＴＡを工程として含む製造方法により製造される半導体
レーザの構造としては、図２に示すようなリッジストラ
イプ型構造に限られるものでなく、その他の公知の構造
を用いることが可能である。

【００２４】ＲＴＡの方法としては、フラッシュランプ
アニール法が最も望ましいと考えられる。フラッシュラ
ンプアニール法によれば、短時間の加熱が可能であり、
また急激に昇温、降温を行える。このため、基板が高温
になることによってＶ族元素やドーパント元素の拡散が
起こるなどの理由により結晶の光学特性やキャリア注入
特性を悪化させることは、ほとんどないと考えられる。
また、ＩｎＰ基板あるいはＧａＡｓ基板を半導体レーザ
基板にかぶせるのみで、Ｖ族元素の蒸発を抑制すること
ができる。加熱時間は、拡散が進むのを防ぐために、極
力短くすることが望ましい。また、加熱温度が高過ぎる
場合にも、拡散等による結晶性の劣化や、結晶表面から
のＶ族元素の蒸発が起こる可能性があるため、不必要に
加熱温度を高くしない方がよい。

【００２５】以下、本発明の方法により、量子井戸構造
において量子井戸層とバリア層との間にスペーサ層が挿
入された活性層領域を有する半導体レーザを製造する場
合の工程を説明する。図３は量子井戸層とバリア層との
スペーサ層を有する量子井戸構造を説明する図であっ
て、(a)は断面構造を模式的に示し、(b)はバンド構造を
概念的に示している。

【００２６】この量子井戸構造が、図２に示す半導体レ
ーザの活性層領域と異なる点は、ＩｎＡｓＰ量子井戸層
８とＩｎＡｌＧａＡｓバリア層９との間に、数原子層の
ＩｎＰ層３０をスペーサ層として挿入してある点であ
る。スペーサ層により量子井戸層とバリア層との間隔が
確保されているため、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層９中に
含まれていた格子欠陥や不純物がＲＴＡによっても除去
しきれない場合であっても、これらの欠陥が非発光再結
合中心となって活性層に注入されたキャリアが捕獲され
る確率は小さくなり、量子井戸層での発光効率の低下を
防ぐことが可能となる。また、ＲＴＡによりＩｎＰ層３
０とＩｎＡｌＧａＡｓバリア層９間でＶ族元素の相互拡
散や、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層９に多く含まれる欠陥
のＩｎＰ層３０への侵入があったとしても、ＩｎＡｓＰ
量子井戸層８への影響は小さくなり、ＩｎＡｓＰ量子井
戸層８の光学特性の低下を防ぐことができる。ＩｎＰ層
３０の厚さを不必要に大きくすることは、正孔（ホー
ル）の量子井戸層への注入を妨げる構造をなす可能性が
あるため、スペーサ層（ＩｎＰ層３０）はなるべく薄い
ことが望ましい。

【００２７】次に、本発明の別の実施の形態として、結
晶成長によって形成される半導体基板のうち最上表面層
がＡｓのみをＶ族元素として含む場合について説明す
る。

【００２８】上述の図１(a)に示す工程において、結晶
成長されたＲＴＡ処理前の半導体レーザ基板の最上表面
層を、例えばＩｎＧａＡｓのようにＡｓのみをＶ族元素
として含む混晶とする。図２に示すような活性層を有す
る半導体レーザの場合、最上表面層は、ここで説明する
ようにＩｎＧａＡｓコンタクト層とするほか、ＩｎＧａ
ＡｓＰコンタクト層とする場合、あるいは、コンタクト
層が酸化、汚染等により劣化するのを防ぐためコンタク
ト層上にＩｎＰ等を成長する場合などが考えられる。半
導体レーザとしての機能発現上の観点から半導体レーザ
基板の最上層がＰを含む混晶となる場合、さらに、その
上に、Ｖ族元素としてＡｓのみを含む混晶を成長させる
ようにすることができる。このとき、ＲＴＡ時に半導体
レーザ基板にかぶせる基板としては、ＧａＡｓ基板を用
いるようにする。ＲＴＡ時には瞬間的に半導体レーザ基
板が高温になるため、Ｐ、Ａｓ等のＶ族元素の蒸発によ
る半導体レーザ基板表面の劣化が問題となる。これを防
ぐため、上述したように、ＲＴＡ時にＩｎＰ基板やＧａ
Ａｓ基板を半導体レーザ基板上にかぶせるが、Ｐは非常
に蒸発しやすいため、ＲＴＡによりＩｎドロップレット
などの表面欠陥が現れやすい。Ａｓは、Ｐに比べ蒸発速
度が遅いため、表面劣化を抑制することができる。そこ
でここでは、最上表面層にはＶ族元素としてＡｓのみが
含まれるようにするとともに、ＧａＡｓ基板をかぶせて
ＲＴＡを行うようにする。ＲＴＡ後、Ｖ族元素としてＡ
ｓのみを含む混晶である最上表面層がその後の半導体レ
ーザ作製の工程において不要な場合には、エッチングに
より最上表面層を除去すればよい。例えばその最上表面
層がＩｎＧａＡｓ層の場合、硫酸系やリン酸系のエッチ
ャント等を用いたウェットエッチングにより、除去する
ことが可能である。

【００２９】

【実施例】本発明について、実施例によりさらに詳しく
説明する。

【００３０】《実施例１》図４は実施例１で製造される
半導体レーザの構成を示す模式断面図である。この半導
体レーザは、図２に示す半導体レーザと同様の構成のも
のであって、ＳｎドープＩｎＰ単結晶基板１４の一方の
表面上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層１５、ｎ型Ｉｎ_0.52Ａ
ｌ_0.48Ａｓ光導波路層１６、多重量子井戸からなる活性
層１７及びｐ型Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ光導波路層１８が
この順で積層し、ｐ型Ｉｎ_0.52Ａｌ _0.48Ａｓ光導波路層
１８上には、リッジ状に形成されたｐ型ＩｎＰクラッド
層１９、ｐ型Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓコンタクト層２０及
びｐ型電極２２がこの順で設けられている。またＳｎド
ープＩｎＰ単結晶基板１４の他方の表面には、ｎ型電極
２１が形成されている。活性層１７は、７周期のＩｎＡ
ｓ_0.45Ｐ_0.55量子井戸層２３とＩｎ_0.375(Ａｌ_0.6Ｇａ
_0.4)_0.625Ａｓバリア層２４から形成されている。ここ
で、ＩｎＡｓ_0.45Ｐ_0.55量子井戸層２３はＩｎＰに対し
圧縮歪を持ち、Ｉｎ_0.375(Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4)_0.625Ａｓバ
リア層２４はＩｎＰに対し引張歪を持っており、歪補償
量子井戸となるように設計されている。これらの半導体
積層構造を、ガスソースＭＢＥ法により結晶成長した
（図１(a)の工程）。活性層１７の領域の成長時の基板
温度は、４６０℃とした。従来の成長方法によりＩｎＡ
ｌＧａＡｓバリア層を成長する場合には、良好な結晶を
得るためには基板温度は５２０℃以上が望ましいが、本
実施例においてはバリア層と量子井戸層との間のＡｓ及
びＰの相互拡散を抑制するために、基板温度を４６０℃
と下げて結晶成長を行った。このように低温での結晶成
長により形成した半導体基板に対し、次に、ＩｎＰ基板
をキャップとしてかぶせ、フラッシュランプアニール法
により窒素雰囲気中で６５０℃で１０秒間のＲＴＡを行
った（図１(b)の工程）。

【００３１】図５に、本実施例により作製した半導体基
板と、従来の製造方法に基づいて作製した半導体基板の
フォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルを示してい
る。従来の製造方法による半導体基板は、本実施例の半
導体基板と同一の構成であるが、ＩｎＡｌＧａＡｓバリ
ア層を基板温度５２０℃で成長させ、かつ、ＲＴＡを実
施しなかった点で異なっている。図５に示されるよう
に、本実施例による半導体基板からは、従来の方法によ
る半導体基板よりも２５倍強いＰＬ発光ピーク強度が得
られており、本実施例の半導体基板では結晶の光学特性
が大きく改善されていることが分かる。ＩｎＡｌＧａＡ
ｓバリア層を５２０℃で成長した基板についても、結晶
成長後にＲＴＡを行うことによりＰＬ発光強度増大が観
察されたが、発光強度増大の程度は小さかった。また、
本実施例において、Ｉｎ_0.375(Ａｌ_0. ₆Ｇａ_0.4)_0.625Ａ
ｓバリア層２４の成長時の基板温度を４６０℃とした場
合、その後のＲＴＡによって、非常に大きなＰＬ発光強
度増大が観察された。

【００３２】結局、本発明の製造方法を用いることによ
り、ＩｎＡｓＰ量子井戸層とＩｎＡｌＧａＡｓバリア層
とのヘテロ界面が急峻で、かつＩｎＡｌＧａＡｓバリア
層の結晶性が良好で欠陥の少ない、量子井戸構造が実現
できたためと考えられる。

【００３３】ＲＴＡでの加熱時間は、長すぎるとヘテロ
界面においてＶ族元素やドーパントの拡散を促進し、結
晶性の劣化を引き起こす可能性があるため、１０秒とし
たが、３０秒まで加熱時間を長くした場合でも、ＰＬ強
度に及ぼす効果は変化しなかった。また、ＲＴＡでの加
熱温度を６５０℃よりも高くした場合には、ＰＬ強度は
それほど変わらないものの、半値幅の増大やピークのシ
フトが観察され、結晶性が劣化した可能性を示唆されて
いる。よって、図２に示す構造の半導体レーザにおいて
は、６５０℃１０秒間のＲＴＡが最適な条件と考えられ
る。

【００３４】図６は、本実施例により作製されたＩｎＡ
ｓ_0.45Ｐ_0.55量子井戸層２３及びＩｎ_0.375(Ａｌ_0.6Ｇ
ａ_0.4)_0.625Ａｓバリア層２４からなる量子井戸構造の
断面構造（図６(a)）及びそのバンド構造（図６(b)）を
示している。この構造においては、伝導帯のバンド不連
続値ΔＥ_cが大きくとれると考えられるため、高温でも
電子の閉じこめがよくなり高温度特性が期待される。上
述したように、この構造の実現は、本発明の製造方法を
用いなければ困難である。

【００３５】《実施例２》実施例１と同様の構造である
が、図３に示すのと同様に、ＩｎＡｓ_0.45Ｐ_0.55量子井
戸層２３とＩｎＡｌＧａＡｓバリア層２４との間にスペ
ーサ層として２原子層（０.６ｎｍ）のＩｎＰ層３０を
挿入してある点で異なっている半導体基板を実施例１と
同様の方法で作製し、そのＰＬスペクトルを測定した。
その結果、スペーサ層としてのＩｎＰ層３０を挿入しな
いものに比べ、ＰＬ発光強度は１０倍程度増大する効果
が得られた。これは、ＲＴＡによりＩｎＡｌＧａＡｓバ
リア層の欠陥は大きく減少し結晶性は向上しているもの
の、結晶性は完全ではないが、ＩｎＰ層３０を挿入して
バリア層と量子井戸層との間の距離を確保することによ
って、ＲＴＡで除去し切れていない欠陥に基づく非発光
再結合の確率を低く抑えることができた効果によるもの
であると考えられる。また、スペーサ層であるＩｎＰ層
の存在は、ＲＴＡ時におけるＩｎＡｓＰ量子井戸層とＩ
ｎＡｌＧａＡｓバリア層との間でのＶ族元素の相互拡散
や、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層中の欠陥のＩｎＡｓＰ量
子井戸層への侵入を抑制し、井戸層の光学特性の低下を
防ぐ効果をもたらす可能性もある。

【００３６】このようにこの実施例２の構造において量
子井戸層とバリア層間にＩｎＰ層を挟み込んだ場合、図
３に示すように、バリア層と井戸層との間に価電子帯の
バンド構造での高い障壁３１ができ、これが正孔の量子
井戸層への注入の妨げになる可能性があると考えられる
が、本実施例のようにＩｎＰ層厚が５〜６原子層（１.
５〜１.８ｎｍ）程度以下であれば、注入効率の大きな
低下はないと考えられる。

【００３７】この実施例２により作製した半導体基板を
用いて、図２に示すようなリッジストライプ構造の半導
体レーザを図１の工程により作製した。レーザの発振波
長は１.３μｍで、発振閾電流密度は１０００Ａ／ｃｍ²
が得られ、本実施例のような量子井戸構造においても、
実用的な半導体レーザが作製可能であることが確認され
た。実施例１及び２での量子井戸構造は、伝導帯でのバ
ンド不連続値が大きいと考えられ、高温領域での温度特
性が期待されるが、本発明の製造方法によってこの量子
井戸構造を有する半導体レーザを実現することができ
た。また、実施例２と同様の構造であって、ＲＴＡを省
いた工程により作製したリッジストライプ型の半導体レ
ーザにおいては、発振閾電流密度は３２００Ａ／ｃｍ²
であり、ＲＴＡの効果が大きく、本発明の製造方法が有
効であることが示された。

【００３８】《実施例３》図７(a)〜(e)は、実施例３で
の半導体レーザの製造方法の各工程を順を追って示す断
面図である。ここでの工程が図１に示した工程と異なる
ところは、結晶成長（図７(a)）の工程において、ｐ型
ＩｎＧａＡｓコンタクト層７の上に、さらに、ＩｎＰキ
ャップ層３３とＩｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ層３４を成長させ
る点である。結晶成長の後、ＲＴＡ（図７(b)）とリッ
ジストライプの形成（図７(c)）は図１に示すものと同
様に行われるが、図７(d)に示す電極形成工程の直前
に、Ｉｎ₀ _.52Ａｌ_0.48Ａｓ層３４とＩｎＰキャップ層３
３は、それぞれ、硫酸系エッチャント及び塩酸エッチャ
ントを用いて、エッチングにより除去される。ここで
は、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７上に成長されたＩ
ｎＰキャップ層３３は、電極形成前にコンタクト層が酸
化、汚染され、電極との接触抵抗が悪化するのを防ぐた
めの層である。

【００３９】本実施例は、ＩｎＰキャップ層３３上にさ
らにＩｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ層３４を成長していることを
特徴とする。ここでＩｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ層３４は、Ｖ
族元素としてＡｓのみを含む混晶である。そして、図７
(b)におけるＲＴＡの工程では、キャップとしてＧａＡ
ｓ基板３６を半導体レーザ基板１０上にかぶせ、フラッ
シュランプアニール法によるＲＴＡを実施している。

【００４０】半導体基板の最上表面層がＩｎＰ層であっ
てＲＴＡ時に半導体基板にＩｎＰ基板をキャップとして
かぶせた場合（実施例１,２）と、この実施例３のよう
に最上表面層がＩｎＡｌＡｓ層であってＲＴＡ時にＧａ
Ａｓ基板をキャップとした場合とで、ＲＴＡにより発生
したＩｎドロップレッドなどの表面欠陥の密度を比較し
た。その結果、最上表面層がＩｎＰ層の場合では、欠陥
密度約１５００／ｃｍ ²程度であったが、本実施例のよ
うに表面層にＡｓのみをＶ族元素として含む混晶を用い
た場合では、ほとんど欠陥は見られなかった。このよう
に、ＲＴＡ時における最上表面層がＡｓのみをＶ族元素
として含む混晶となるように、半導体基板を結晶成長す
ることにより、ＲＴＡによる表面構造の劣化を防ぐこと
ができる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、Ａｌを含
む混晶層を有するとともにＶ族元素が異なるヘテロ界面
を有する量子井戸構造を活性層として用いた半導体レー
ザにおいて、Ａｌを含む混晶層を低基板温度での結晶成
長によって形成し、結晶成長後にラピッド・サーマル・
アニーリング（ＲＴＡ）を実行することにより、ヘテロ
界面の組成変化が急峻で、かつＡｌを含む混晶層におい
て欠陥が少なく、結晶性が良好な、すなわち光学特性の
よい、量子井戸活性層が得られるという効果がある。こ
れによって、Ａｌを含む混晶層を用いる場合でも、ヘテ
ロ界面でいわゆるＶ族切替がないように構造を設計する
必要がなくなり、広範囲の構造の半導体レーザの製造が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】(a)〜(e)は、本発明の半導体レーザの製造方法
の実施の一形態での各工程を順を追って示す断面図であ
る。

【図２】本発明の半導体レーザの製造方法が適用可能な
半導体レーザの構造の一例を示す断面図である。

【図３】量子井戸層とバリア層との間にスペーサ層を有
する量子井戸構造を説明する図であって、(a)は断面構
造を模式的に示す図、(b)はバンド構造を示す図であ
る。

【図４】実施例１によって製造される半導体レーザの構
造を示す断面図である。

【図５】実施例１による半導体レーザ基板と従来の製造
方法による半導体レーザ基板のフォトルミネッセンス
（ＰＬ）スペクトルを示すグラフである。

【図６】実施例１での半導体レーザの量子井戸構造を説
明する図であって、(a)は断面構造を模式的に示す図、
(b)はバンド構造を示す図である。

【図７】(a)〜(e)は、実施例３での半導体レーザの製造
方法の各工程を順を追って示す断面図である。

【符号の説明】

１ｎ型ＩｎＰ単結晶基板２,１５ｎ型ＩｎＰクラッド層３ｎ型ＩｎＡｌＡｓ光導波路層４多重量子井戸活性層５ｐ型ＩｎＡｌＡｓ光導波路層６,１９ｐ型ＩｎＰクラッド層７ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層８ＩｎＡｓＰ量子井戸層９ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層１０ＩｎＰ基板１１半導体レーザ基板１２,２２ｐ型電極１３,２１ｎ型電極１４ＳｎドープＩｎＰ単結晶基板１６ｎ型Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ光導波路層１７活性層１８ｐ型Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ光導波路層２０ｐ型Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓコンタクト層２３ＩｎＡｓ_0.45Ｐ_0.55量子井戸層２４Ｉｎ_0.375(Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4)_0.625Ａｓバリア層３０ＩｎＰスペーサ層３１価電子帯でのバンド障壁３２ＩｎＧａＡｓコンタクト層３３ＩｎＰキャップ層３４ＩｎＡｌＡｓ層３５ＧａＡｓ基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、バリア層及び量子井戸層を積
層した量子井戸構造を活性層として有し、前記バリア層
と前記量子井戸層とがＶ族元素として相互に異なる元素
を用いた混晶層によって形成され、かつ前記バリア層及
び前記量子井戸層の少なくとも一方がＡｌを含む混晶層
で形成された半導体レーザの製造方法において、前記バリア層と前記量子井戸層との間の良好なヘテロ界
面が得られる程度の低基板温度で、前記Ａｌを含む混晶
層の結晶成長を実行し、その後、前記結晶成長が行われた基板に対してラピッド
・サーマル・アニーリングを実施することを特徴とす
る、半導体レーザの製造方法。
【請求項２】基板としてＩｎＰ基板を使用し、前記低
基板温度が５００℃以下の温度であり、前記活性層の温
度が６００℃以上となるラピッド・サーマル・アニーリ
ングを実行する請求項１に記載の半導体レーザの製造方
法。
【請求項３】前記Ａｌを含む混晶層の結晶成長が、４
４０℃以上４８０℃以下の基板温度で行われる請求項１
または２に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項４】前記活性層の温度を６００℃以上７００
℃以下とするラピッド・サーマル・アニーリングを実行
する請求項１または２に記載の半導体レーザの製造方
法。
【請求項５】前記各混晶層を結晶成長で形成するとと
もに、結晶成長による最上表面層を、ＡｓのみをＶ族元
素として含む混晶で形成する、請求項１乃至４いずれか
１項に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項６】前記結晶成長が行われた基板上に、Ｇａ
Ａｓ基板を載置し、その状態でフラッシュランプからの
光を前記ＧａＡｓ基板を介して前記活性層に照射するこ
とにより、ラピッド・サーマル・アニーリングが実行さ
れる請求項５に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項７】前記結晶成長が行われた基板上に、Ｇａ
Ａｓ基板またはＩｎＰ基板を載置し、その状態でフラッ
シュランプからの光を前記ＧａＡｓ基板または前記Ｉｎ
Ｐ基板を介して前記活性層に照射することにより、ラピ
ッド・サーマル・アニーリングが実行される請求項１乃
至４いずれか１項に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項８】前記量子井戸構造が、ＩｎＡｓＰ量子井
戸層及びＩｎＡｌＧａＡｓバリア層からなる請求項１乃
至７いずれか１項に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項９】前記量子井戸構造において、前記バリア
層がＡｌを含む混晶からなり、かつ前記量子井戸層と前
記バリア層との間にスペーサ層が形成されている請求項
１乃至８いずれか１項に記載の半導体レーザの製造方
法。