JPH11340568A

JPH11340568A - 半導体装置及びその作製方法

Info

Publication number: JPH11340568A
Application number: JP14082798A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Tanaka; 俊明田中
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-05-22
Filing date: 1998-05-22
Publication date: 1999-12-10

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は半導体層に設ける拡散領域や拡散方
式について新たに考案し、利得領域の結晶品質を低下さ
せない拡散手法により所望の特性を達成できる半導体素
子を提供することが課題である。【解決手段】積層した半導体層に対して、半導体電子
素子の溝側面や光素子の端面から水平方向に不純物拡散
させ、電流狭窄や禁制帯幅増大させた領域を設ける構成
とする。【効果】本発明の実施例によると、半導体素子の基本
特性を損なうことなく注入電流の利用効率を高め、より
高い利得特性を得ることができる。本手法では、必要な
領域以外に対して不純物拡散を行わないため、利得領域
の結晶品質を極端に劣化させずに混晶化による電流狭窄
や禁制帯幅増大の効果を得た。発光素子では、端面窓構
造を制御性よく設計通りに作製でき、所望の高出力特性
が再現性よく得られる半導体レーザ素子を提供できた。
これにより、従来素子に比べて低閾値動作でかつ安定な
高出力特性を実現した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体層に対して
不純物の拡散工程を施して作製される半導体装置に関係
し、特に半導体レーザを含む半導体発光素子に好適な素
子構造とその作製方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、基板上に積層した多種の半導体層
において拡散領域を設けるには、表面の半導体層に拡散
源を付着させて下方の半導体層へ不純物を拡散させる手
法を用いている。半導体層に拡散領域を設ける例とし
て、半導体発光素子のうち半導体レーザ素子の共振器端
面近傍に不純物を拡散することにより、禁制帯幅を増大
させた透明窓構造を形成できることが示されている。従
来技術では、不純物拡散によって窓構造を設けた高出力
半導体レーザついて、アイイイイ・ジャーナル・クァン
タム・エレクトロニクス1993年29巻6号1874-1879頁(IEE
E J．Quantum Electron.1993, vol.29, No.6, pp.1874-
1879)において示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来技術では、表面の
半導体層から不純物を拡散するために、内部の半導体層
に届くまでに不純物が経由した他の半導体層の結晶性を
著しく劣化させてしまう。上記公知例では、発光活性層
だけではなくその上部にあたる光導波層にも不純物が拡
散されているため、光導波層の結晶品質が低下し内部光
損失が増大してしまう欠点が生じる。また公知例に示さ
れる手法では、積層した多種の半導体層のうち特定の半
導体層に選択的に拡散領域を設けることについては言及
していない。

【０００４】本発明では、積層した半導体層に対して選
択的に拡散領域を設ける手法を適用し、所望の特性を達
成できる半導体装置を提供する。本手法により、特に半
導体発光素子において基本特性をほとんど損なわない透
明窓構造を形成し、光出力が端面破壊に制限されない高
出力特性を再現性よく達成できる半導体レーザ素子を提
供する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明では、積層した半
導体層に対して、半導体層の溝側面や端面から水平方向
に不純物拡散させ、所定の半導体層に選択的に拡散領域
を設ける手法を考案し、素子の電流注入する領域を制限
させる電流狭窄や半導体層の無秩序化によって禁制帯幅
を増大させた領域を構成する。

【０００６】本発明の構成と手法について概略を図１に
示した。半導体基板上に積層した半導体層に設けた溝側
面や端面に対して、水平方向から半導体層に沿って不純
物拡散ができるように、まず拡散源を付着させ拡散保護
膜を設け、さらに側面保護膜等の素子に必要な膜を構成
する。発光素子の場合には、拡散保護膜の外側に多層膜
による端面反射膜を設ける。拡散源や拡散保護膜は、素
子の作製に必要な側面保護膜や端面反射膜の本来の機能
に影響しない膜厚で設けるものとする。特に発光素子の
場合には、端面反射膜の反射率を設計値からはずれない
ように、拡散源や拡散保護膜を薄膜層として設定する。
不純物拡散は、拡散保護膜によって、その外側の側面保
護膜や端面反射膜の方へは進行せず、半導体層にのみ進
むようにできる。また、拡散保護膜の特徴として、拡散
不純物を通さない緻密さを有しているとともに、拡散源
のもつ応力を補償しかつ熱伝導度の高い材料により構成
されていることが望ましい。

【０００７】さらに、図１に示す基板上に積層した半導
体層I, II, III, IVのうち、例えば半導体層IIに対して
不純物拡散領域を選択的に深く設けるために、拡散すべ
き領域の半導体層IIに圧縮歪を導入しておく。圧縮歪を
導入した半導体層では、面内では格子が無歪の半導体層
に一致するが垂直方向に格子が伸び格子間隔が広がる。
図２には、無歪系半導体層と圧縮歪系半導体層の場合に
おいて、一例として不純物Znが拡散する状況を比較し
た。積層した半導体層に対して側面或いは端面から＜11
0＞或いは＜010＞の水平方向に不純物が拡散するとき、
格子間隔が広い圧縮歪系半導体層では拡散が速く拡散定
数が大きい。他方、無歪系では格子間隔が狭いため、拡
散時に格子の変形とともに抵抗が生じ、拡散が相対的に
遅く拡散定数は小さくなる。拡散定数をDとすると、水
平方向である[110]方向での関係を表すと次のようにな
る。拡散定数の大きさは、D[110](圧縮歪)＞D[110](無
歪)の関係になる。圧縮歪系半導体層では、無歪系半導
体層との拡散定数の差を利用することにより、選択的に
深い不純物拡散が可能であり、圧縮歪量に依存して歪量
を大きく導入することにより拡散深さLを相対的に大き
く設定できる。このとき、無歪系半導体層へは不純物拡
散を最少限に抑さえた形で設定できる。

【０００８】また本発明では、上記構成をもとに、不純
物を拡散させるときの手法として、以下の方法を適用し
た。不純物を拡散させるとき、単純に熱処理方法だけに
よると、より高温での処理が必要となる。そこで、本手
法では、拡散源不純物元素の結合を弱めて拡散を促進す
るために、紫外波長域の光を照射しながら熱処理する方
法を用いた。紫外線を用いることにより、熱処理の低温
化が可能であった。例えば拡散源にZnOを用いたとき、Z
nO単結晶の禁制帯幅3.3eVよりエネルギーが大きく波長
にして375nmより短い紫外線を照射しながら熱処理を行
うことにより、拡散を引き起こす熱処理温度を100℃程
度低くすることができた。従来熱処理だけであると、50
0〜600℃の温度が必要であったが、上記手法によると、
350〜450℃の温度に低減した。上記手法では、電極材料
を形成した半導体層にも適用できるようになり、電極材
料の劣化を引き起こさずに不純物を拡散させることがで
きた。熱処理方法には、ラピッドサーマルアニーリング
やレーザアニーリングを用いることもできる。また、不
純物拡散を必要とする領域にのみ、上記の紫外波長域の
レーザ光をビームを絞って照射しながら走査することに
よっても、不純物拡散を行うことができた。紫外線レー
ザ光は、不純物拡散を必要とする特定の半導体層に沿っ
て、線状に走査してもよく、また構造上不純物拡散を必
要とする狭い領域に対して、スポット状に照射してもよ
い。この場合では、熱処理を必要としない手法として適
用できる。

【０００９】以上の手法を用いて特定の半導体層に選択
的に不純物拡散領域を設けることは、利得の得られる領
域に対して、不活性な不純物の拡散領域を利用して電流
の注入する領域を制限した電流狭窄の作用を持たせた
り、また発光素子では発光活性層に直接不純物拡散領域
を形成して混晶化させることにより、禁制帯幅を増大さ
せる効果をもたらすことを可能とした。

【００１０】半導体発光素子では、特に高出力半導体レ
ーザ素子を得るための必要な構成として、Fabry-Perot
共振器の端面近傍は高い光密度と熱発生により破壊現象
を生じて光出力が制限されるため、共振器端面近傍に禁
制帯幅を大きく設定した窓構造を必要とする。これに対
して、上記手法を素子作製工程に適用することにより、
端面破壊に制限されない高出力特性を達成することがで
きる。ここで、半導体レーザ素子の発光活性層における
光閉じ込め係数をΓとし、発光活性層の内部光損失α_a
及び光導波層の内部光損失α_cとしたとき、素子全体の
内部光損失α_iはα_i=Γα_i＋（１−Γ）α_cと表され
る。高出力半導体レーザでは、発光活性層におけるΓは
一般に５％以下と小さく設定する必要があるので、上記
式の左辺第１項に比べて相対的に第２項が大きくなる。
そこで、素子全体の内部光損失α_iをできるだけ小さく
設定して基本特性を損なわないようにするには、不純物
拡散による端面窓構造を形成する際に、光導波層の結晶
性低下や内部光損失α_cの増大を極力小さく抑さえるこ
とが重要となる。即ち、発光活性層に対して選択的に深
く拡散させ、その他の半導体層である光導波層には不純
物拡散領域を最少限の深さに抑さえるようにする工夫が
必要とされる。本手法では、光導波層に対して不純物拡
散の深さを制限し、結晶品質の低下を極力抑さえている
ので、光導波層の内部光損失増大は最小限にできてい
る。

【００１１】さらに窓構造の効果を十分発揮させるに
は、図１に示す、発光活性層における不純物拡散領域の
深さLを共振器端面から５〜４０μｍの範囲に、好まし
くは１０〜３０μｍの範囲に設定することにより達成し
た。本手法を適用した半導体レーザでは、基本特性をほ
とんど劣化させずに、端面破壊レベルに制限されない高
出力動作を確保でき、熱飽和に到るまで最大光出力を引
き出すことにより、窓構造を設けない場合に比べて、光
出力を最大４倍程度まで安定に確保した高出力特性を再
現性よく実現した。

【００１２】以上の議論に基づき、本発明者は次の半導
体装置を着想した。

【００１３】その代表的な構成は、基板上に設けたヘテ
ロ構造を有する多種の半導体層において、積層した半導
体層の溝側面或いは端面に固相の不純物拡散源を薄膜と
して形成しておき、該半導体層の積層方向とは垂直な方
向から不純物拡散を行うことにより、積層した他の半導
体層に比較して内部の特定の半導体層に選択的に深く拡
散領域を設けてあることを特徴とする。このような構成
の半導体装置は、特にIII-V族化合物半導体材料から構
成される半導体発光素子に有効である。

【００１４】そして上述の半導体装置の好ましき構成と
しては、上記積層した半導体層に対して水平方向から不
純物を拡散し、積層した半導体層のうち内部の特定の半
導体層には＜110＞或いは＜010＞方向から不純物を拡散
してあることにより選択的に拡散領域を設けることや、
この選択的に設けられた拡散領域を構成する所定の半導
体層に少なくとも圧縮歪を導入することが推奨される。
さらに、上記選択的に拡散領域を設ける特定の半導体層
を少なくとも圧縮歪を導入した半導体層とし、上記特定
の半導体層のうち不純物を拡散した領域の禁制帯幅を不
純物を拡散していない領域よりも大きくする。そして、
その望ましき禁制帯幅の差は、少なくとも50meV以上と
することを推奨する。

【００１５】上述の半導体装置の望ましき他の態様とし
ては、上記選択的に拡散領域を設ける特定の半導体層に
は多重量子井戸構造を形成してあり、該多重量子井戸構
造に対して水平方向の＜110＞或いは＜010＞方向から不
純物拡散を行うことにより内部よりも禁制帯幅が大きい
表面近傍領域を構成する。この構成において、上記歪多
重量子井戸構造には少なくとも量子井戸層に圧縮歪を導
入した圧縮歪多重量子井戸構造としてあり、該圧縮歪多
重量子井戸構造に対して水平方向の＜110＞或いは＜010
＞方向から不純物拡散を行うことにより内部よりも禁制
帯幅が大きい表面近傍領域を構成することが推奨され
る。また、上記歪多重量子井戸構造には量子井戸層に圧
縮歪を導入し量子障壁層に引張歪を導入して歪補償多重
量子井戸構造を構成し、この歪補償多重量子井戸構造に
対して水平方向の＜110＞或いは＜010＞方向から不純物
拡散を行うことにより内部よりも禁制帯幅が大きい表面
近傍領域を構成することも推奨される。

【００１６】以上の半導体装置を特に半導体レーザとし
て実施する場合、上記基板上部に設けた発光活性層と光
導波層とを含むストライプ状の導波路構造を有するレー
ザ共振器を構成し、その発光活性層にレーザ共振器端面
から水平方向に不純物を拡散して不純物拡散領域を設
け、上記発光活性層に形成された不純物拡散領域の禁制
帯幅を該発光活性層の上記不純物が拡散されない他の領
域（多くの場合、共振器内部に構成されるため「内部領
域」とも称す）よりも大きくすることが望ましい。この
場合、上記レーザ共振器の端面に拡散源を設けておき、
該レーザ共振器端面から垂直方向にある発光活性層に沿
って＜110＞或いは＜010＞方向から不純物を拡散させて
上記不純物拡散領域を形成することが推奨される。ま
た、上記ストライプ構造に対して上記レーザ共振器の両
端面から発光活性層に沿って不純物を拡散導入して該発
光活性層の該レーザ共振器両端面近傍の禁制帯幅を不純
物を拡散導入していない他の領域（例えば、上記内部領
域）よりも禁制帯幅を大きくし、上記共振器端面近傍の
不純物拡散領域は不純物を拡散していないストライプの
内部領域で発生したレーザ光のエネルギーよりも大きい
禁制帯幅であり且つ透明導波となる窓効果を持たせる
（換言すれば、上記内部領域に比べてレーザ光の吸収を
抑制する）ことも推奨される。

【００１７】以上の半導体装置を、半導体発光素子又は
半導体レーザ装置として実現する場合、上記不純物の拡
散源を上記ストライプ状の光導波構造の上記レーザ共振
器の両端面に隣接して設け、該拡散源の外側を拡散保護
膜で覆い、且つ該拡散保護膜の外側にレーザ共振器のレ
ーザ光反射膜を形成して作製するプロセスの採用が推奨
される。このプロセスにおいて、上記拡散保護膜は上記
拡散源からの不純物拡散を防止する作用を有し、熱処理
により上記レーザ共振器端面に隣接した拡散源から不純
物が発光活性層を含む半導体層に向かって一方向にのみ
拡散させて、発光活性層のレーザ共振器の両端面近傍の
禁制帯幅を該不純物が拡散されない内部領域よりも大き
くした窓構造を形成するとよい。また、上記不純物の拡
散源としてZnO又はZnS或いはZnSeを設けておき、熱処理
によって上記不純物拡散領域を共振器の両端面近傍に形
成することにより、上記窓構造を構成するとよい。さら
に、上記拡散保護膜としてAlN又はSiN或いはGaNを設け
ておき、熱処理によって不純物拡散領域を共振器の両端
面近傍に形成することにより、窓構造を形成するとよ
い。いずれのプロセスにおいても、少なくとも屈折率の
異なる２組の誘電体多層膜構造からなる上記レーザ光反
射膜の反射率に対して、上記拡散源や上記拡散保護膜は
影響しない範囲でそれぞれの膜厚を設けておき、熱処理
によって不純物拡散領域を共振器の両端面近傍に形成す
ることにより、上記窓構造を形成することが推奨され
る。

【００１８】本発明により提供される上述の半導体装置
構成又は上述のいずれかの作製方法による半導体装置に
おいて、上記光導波層及び上記発光活性層が形成される
基板の主面が、(100)面または(100)面のテラスを有する
か、又は(100)面から0〜５４．７°の範囲でオフした面
方位を有するとよく、当該基板として５〜16°範囲でオ
フした面方位を有したGaAs或いはInP基板を使用するこ
とが好ましい。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の具体的な実施の形態を、
実施例1乃至7と夫々の関連図面を用い、以下に詳細に説
明する。

【００２０】＜実施例１＞本発明の一実施例について、
図３と４及び５を用いて示す。図３において、 (100)面
方位を有したｎ型GaAs基板１上に、ｎ型GaAsバッファ層
２、ｎ型AlGaInP光導波層３、III族元素の秩序配列構造
を有したアンドープ圧縮歪GaInP量子井戸層３層と引張
歪AlGaInP量子障壁層４層及び両側に設けた無歪AlGaInP
光分離閉じ込め層からなる多重量子井戸構造活性層４、
ｐ型AlGaInP光導波層５、ｐ型AlGaInP層６、ｐ型AlGaI
nP光導波層７、ｐ型GaInP層８を順次有機金属気相成長
（MOVPE）法によりエピタキシャル成長させる。次に、
絶縁膜マスクをストライプ状に設けて、ホトリソグラフ
ィー工程を経てエッチングにより層６に到るまで層８及
び７を除去する。その後、絶縁膜マスクを残したまま、
ｎ型GaAs電流狭窄層９μｍOVPE法により選択成長させ
る。絶縁膜マスクを除去した後、MOVPE法によりｐ型GaA
sコンタクト層１０を埋め込む。次に、ホトリソグラフ
ィー工程を経てエッチングを行うことにより、ｐ型GaAs
コンタクト層１０は横断面図５に示すように、共振器端
面部に相当する領域を除去した形にしておく。さらに、
図３のストライプ構造の両側において、ホトリソグラフ
ィー工程とエッチングにより、素子の寄生容量を低減す
るための溝を層３に到るように設ける。さらに、ストラ
イプ部に電流を注入する領域を制限する絶縁膜マスク１
１を設け、ｐ側電極１２を蒸着する。この際、縁膜マス
ク１１は共振器端面部において、図５に示すように共振
器端面近傍に対して電流非注入とする役割を果たしてい
る。その後、基板１を研磨エッチングし、バー状に劈開
して共振器を形成しておく。次に、図５に示す共振器両
端面に対して、不純物拡散源ZnO層１３を蒸着し拡散保
護膜AlN膜１４、少なくとも屈折率の異なる２組の誘電
体多層膜構造からなる共振器端面反射膜１５を設ける。
共振器端面反射膜１５は、レーザ光を高出力で出射する
一方の前面側を１０％程度の低反射率の反射膜とし、他
方の後面側を９０％程度の高反射率の反射膜とする。こ
のとき、不純物拡散源ZnO層１３と拡散保護膜AlN膜１４
は、共振器端面反射膜１５で上記のように設計される反
射率には影響しない膜厚で導入するものとした。その
後、ZnO単結晶のもつ禁制帯幅3.3eVよりエネルギーが大
きく、波長にして375nmより短い紫外線を共振器端面に
照射しながら、温度３５０〜４５０℃で熱処理を行うこ
とにより、＜110＞方向から不純物拡散領域１６を形成
した。この際、拡散保護膜により不純物は共振器端面反
射膜の方には進行せず、半導体層にのみ拡散させること
が可能であった。さらに不純物拡散領域１６は、発光活
性層４に相当する領域が選択的に深く形成でき、発光活
性層における拡散領域１６の共振器端面からの深さを５
〜４０μｍの範囲に、好ましくは１０〜３０μｍの最適
範囲に調節設定した。最後に、ｎ側電極１７を蒸着しス
クライブすることにより、共振器内部と共振器端面部に
それぞれ相当した図３と４の素子縦断面と導波路中央部
の横断面図５を得た。不純物拡散のための熱処理方法
は、上記以外にもラピッドサーマルアニーリングやレー
ザアニーリングを用いてもよい。また共振器端面におい
て、ZnO単結晶のもつ禁制帯幅3.3eVよりエネルギーが大
きく、波長にして375nmより短い紫外線レーザのビーム
光を発光活性層に沿って走査させることによっても、不
純物拡散を引き起こさせ、共振器端面近傍の禁制帯幅を
増大させることが可能であった。この場合には、ｐ側電
極１２を蒸着し、先にｎ側電極１７を形成した後、不純
物拡散源ZnO層１３、拡散保護膜AlN膜１４、共振器端面
反射膜１５を設けて、紫外線レーザのビーム光走査によ
る不純物拡散を行うことができる。

【００２１】本実施例によると、共振器端面に付着させ
た拡散源ZnOから不純物Znを発光活性層に選択的に深く
拡散させることができ、活性層における秩序配列構造を
崩して禁制帯幅を６０〜１２０meV共振器内部より大き
くした窓構造を形成できた。この禁制帯幅増大により、
端面破壊現象を全く抑さえることが可能であり、熱飽和
が見られるまで光出力を向上できた。窓構造を設けない
場合に比べて、窓構造の効果を十分発揮でき、光出力を
最大４倍まで達成した安定な高出力特性を実現した。本
手法における拡散条件を工夫することにより、ストライ
プ構造の光導波層に生じる不純物拡散領域を制限し、実
際の素子作製上では内部光損失の増大を最少限に抑え
た。これにより、半導体素子の基本特性を損なうことな
く注入電流の利用効率を高め、より高い利得特性を得る
ことができた。以上により、本素子では不純物拡散を行
っていない同じ共振器長の素子に比較して閾値電流や動
作電流を殆ど上昇させずに基本特性を得ることができ
た。素子は波長680〜690nmで発振し、室温の閾値電流は
30〜40mAであり、最大光出力は250〜300mW、温度80℃で
も70mWの高出力安定動作が可能であり、また5000時間以
上にわたる長期信頼性を達成した。

【００２２】＜実施例２＞本発明の他実施例について図
３と４及び５を用いて説明する。実施例１と同様に素子
を作製するが、図３中で単結晶基板に対して、(100)面
方位から[011]方向に10°オフしたｎ型GaAs傾角基板を
１として用いて素子作製工程を経る。その他、実施例１
と同様にして、素子工程を経て不純物拡散を行って、共
振器内部と共振器端面部にそれぞれ相当した導波路構造
である図３と４の素子縦断面と導波路中央部の横断面図
５を得る。

【００２３】本実施例によると、実施例１と同様、共振
器端面から水平方向に不純物拡散して、選択的に端面部
発光活性層の禁制帯幅を共振器内部より大きくした窓構
造を形成し、実施例１と同様の窓効果を得ることができ
た。不純物拡散を行った窓構造領域では、禁制帯幅を共
振器内部より５０〜１００meV大きくできた。本素子は
波長650〜660nmで発振し、室温の閾値電流は40〜50mAで
あり、最大光出力は200〜250mW、温度80℃でも60mWの高
出力安定動作が可能であり、また5000時間以上にわたる
長期信頼性を達成した。

【００２４】＜実施例３＞本発明の他実施例について、
図６と７及び８を用いて示す。図６において、 (100)面
方位を有したｎ型GaAs基板１上に、ｎ型GaAsバッファ層
２、ｎ型GaInP光導波層１８、アンドープ圧縮歪GaInAs
量子井戸層２層と引張歪GaInAsP量子障壁層３層及び両
側に設けた無歪GaAs光分離閉じ込め層からなる多重量子
井戸構造活性層１９、ｐ型GaInP光導波層２０、ｐ型Ga
InAsP層２１、ｐ型GaInP光導波層２２、ｐ型GaInAsP層
２３を順次MOVPE法によりエピタキシャル成長させる。
次に、絶縁膜マスクをストライプ状に設けて、ホトリソ
グラフィー工程を経てエッチングにより層６に到るまで
層２３及び２２を除去する。その後、絶縁膜マスクを残
したまま、ｎ型GaInP電流狭窄層２４μｍOVPE法により
選択成長させる。絶縁膜マスクを除去した後、MOVPE法
によりｐ型GaAsコンタクト層２５を埋め込む。その他、
実施例１や２と同様にして、素子工程を経て不純物拡散
を行って、共振器内部と共振器端面部にそれぞれ相当し
た導波路構造である図６と７の素子縦断面と導波路中央
部の横断面図８を得る。

【００２５】本実施例によると、不純物拡散を行った窓
構造領域では、禁制帯幅を共振器内部より５０〜１００
meV大きくできた。実施例１や２と同様の窓効果によ
り、端面破壊を全く抑さえて熱飽和が見られるまで最大
光出力を向上させた。本素子は波長975〜985nmで発振
し、室温の閾値電流は15〜25mAであり、最大光出力850
〜950mW、温度90℃でも400mWの高出力安定動作が可能で
あり、また10000時間以上にわたる長期信頼性を達成し
た。

【００２６】＜実施例４＞本発明の他実施例について、
図９と１０及び１１を用いて示す。図９において、(10
0)面方位を有したｎ型InP基板２６上に、ｎ型InPバッフ
ァ層２７、ｎ型InP光導波層２８、アンドープ圧縮歪GaI
nAsP量子井戸層４層と引張歪GaInAsP量子障壁層５層及
び両側に設けた無歪GaInAsP光分離閉じ込め層からなる
多重量子井戸構造活性層２９、ｐ型InP光導波層３０、
ｐ型GaInAsP層３１、ｐ型InP光導波層３２、ｐ型GaInAs
P層３３を順次MOVPE法によりエピタキシャル成長させ
る。次に、実施例１や２及び３と同様にしてストライプ
形成を行い、図９に示すｎ型InP電流狭窄層３４μｍOVP
E法により選択成長させｐ型GaInAsPコンタクト層３５を
埋め込む。その後実施例１や２及び３と全く同様にし
て、素子工程を経て不純物拡散を行って、共振器内部と
共振器端面部にそれぞれ相当した導波路構造である図９
と１０の素子縦断面と導波路中央部の横断面図１１を得
た。

【００２７】本実施例によると、不純物拡散を行った窓
構造領域では、禁制帯幅を共振器内部より５０〜１００
meV大きくできた。本素子は波長1310〜1330nmで発振
し、室温の閾値電流は15〜25mAであり、最大光出力は90
〜150mW、温度90℃でも50mWの高出力安定動作が可能で
あり、また10000時間以上にわたる長期信頼性を達成し
た。

【００２８】＜実施例５＞本発明における実施例１や２
のレーザ素子を光源として光ディスクシステム装置を構
成したところ、レーザ素子は温度80℃で少なくとも光出
力100mWで動作することが確認できた。本素子を光源と
して搭載した書き換え可能な光デイスクシステム装置
は、80℃の動作温度でも１０⁶回の書き換え回数を達成
し、１万時間以上の連続動作にも安定継続した。

【００２９】＜実施例６＞本発明における実施例３のレ
ーザ素子を光源として送信システム装置の光増幅器を構
成したところ、レーザ素子は温度９０℃で少なくとも光
出力400ｍＷで動作することが確認できた。本素子を光
源とする光増幅器装置のファイバ出射端で、90℃の動作
温度においても200mWの光出力を達成し要求仕様を満足
できた。

【００３０】＜実施例７＞本発明における実施例４のレ
ーザ素子を光源として光加入者用送信システム装置を構
成したところ、レーザ素子は温度90℃で少なくとも光出
力50mWで動作することが確認できた。本素子を光源とす
る光加入者用システム装置では、90℃の動作温度でのフ
ァイバ出射端における20mWの光出力の要求仕様を満足で
きた。

【００３１】

【発明の効果】本発明では、共振器端面に付着させた拡
散源から不純物を発光活成層に沿って水平方向に拡散さ
せる手法を考案し、発光活性層に対して選択的に深く拡
散領域を設け共振器端面近傍領域の禁制帯幅を増大させ
た。本手法では、必要な領域以外の光導波層に対して最
少限の拡散深さに制限することにより、利得領域の結晶
品質を維持し内部光損失の増大を抑制した。これによ
り、半導体素子の基本特性を損なうことなく、注入電流
の利用効率を高め、より高い利得特性を得ることができ
た。本素子では、従来手法による窓構造を有する素子に
比べて低閾値で動作し、窓構造を設けない場合に比べて
光出力を最大４倍まで達成し、安定な高出力特性を実現
した。本素子を光源として搭載した書き換え可能な光デ
イスクシステム装置は、80℃の動作温度でも１０⁶回の
書き換え回数を達成し、１万時間以上の連続動作にも安
定継続した。また、本発明を応用した素子を送信システ
ム装置の光増幅器に搭載して、ファイバ出射端で90℃の
動作温度においても200mWの光出力を達成した。さらに
本発明を応用した素子を光源とする光加入者用システム
装置では、90℃の動作温度でもファイバ出射端における
20mWの光出力特性を達成した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の素子構成概略と不純物拡散領域を示す
断面図。

【図２】本発明の不純物拡散源と半導体層の界面を拡大
した断面図。

【図３】本発明の一実施例の素子における共振器内部を
示す縦断面図。

【図４】本発明の一実施例の素子における共振器端面部
を示す縦断面図。

【図５】本発明の一実施例の素子における不純物拡散領
域を示す横断面図。

【図６】本発明の他実施例の素子における共振器内部を
示す縦断面図。

【図７】本発明の他実施例の素子における共振器端面部
を示す縦断面図。

【図８】本発明の他実施例の素子における不純物拡散領
域を示す横断面図。

【図９】本発明の他実施例の素子における共振器内部を
示す縦断面図。

【図１０】本発明の他実施例の素子における共振器端面
部を示す縦断面図。

【図１１】本発明の他実施例の素子における不純物拡散
領域を示す横断面図。

【符号の説明】

１…ｎ型GaAs基板、２…ｎ型 GaAsバッファ層、３…ｎ
型AlGaInP光導波層、４…GaInP/AlGaInP圧縮歪多重量子
井戸構造活性層、５…ｐ型AlGaInP光導波層、６…ｐ型A
lGaInP層、７…ｐ型AlGaInP光導波層、８…ｐ型GaInP
層、９…ｎ型GaAs光吸収電流狭窄層、１０…ｐ型GaAsコ
ンタクト層、１１…絶縁膜マスク、１２…ｐ側電極、１
３…不純物拡散源、１４…拡散保護膜、１５…端面反射
膜、１６…不純物拡散領域、１７…ｐ側電極、１８…ｎ
型GaInP光導波層、１９…GaInAs/GaInAsP圧縮歪多重量
子井戸構造活性層、２０…ｐ型GaInP光導波層、２１…
ｐ型GaInAsP層、２２…ｐ型GaInP光導波層、２３…ｐ型
GaInAsP層、２４…ｎ型GaInP電流狭窄層、２５…ｐ型Ga
Asコンタクト層、２６…ｎ型InP基板、２７…ｐ型InPバ
ッファ層、２８…ｐ型InP光導波層、２９…GaInAsP/GaI
nAsP圧縮歪多重量子井戸構造活性層、３０…ｐ型InP光
導波層、３１…ｐ型GaInAsP層、３２…ｐ型InP光導波
層、３３…ｐ型GaInAsP層、３４…ｎ型InP電流狭窄層、
３５…ｐ型GaInAsコンタクト層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に設けたヘテロ構造を有する多種の
半導体層において、積層した半導体層の溝側面或いは端
面に固相の不純物拡散源を薄膜として形成しておき、該
半導体層の積層方向とは垂直な方向から不純物拡散を行
うことにより、積層した他の半導体層に比較して内部の
特定の半導体層に選択的に深く拡散領域を設けてあるこ
とを特徴とする半導体装置。
【請求項２】請求項２に記載の半導体装置において、上
記積層した半導体層に対して水平方向から不純物を拡散
し、積層した半導体層のうち内部の特定の半導体層には
＜110＞或いは＜010＞方向から不純物を拡散してあるこ
とにより選択的に拡散領域を設けてあることを特徴とす
る半導体装置。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の半導体装置
において、選択的に拡散領域を設ける特定の半導体層は
少なくとも圧縮歪を導入した半導体層からなる構造によ
り構成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】請求項３に記載の半導体装置において、上
記選択的に拡散領域を設ける特定の半導体層は、少なく
とも圧縮歪を導入した半導体層であり、該特定の半導体
層のうち不純物を拡散した領域は不純物を拡散していな
い領域よりも禁制帯幅が大きく設定してある構造により
構成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】請求項４に記載の半導体装置において、上
記選択的に拡散領域を設ける特定の半導体層は、不純物
を拡散した領域の禁制帯幅が不純物を拡散していない領
域よりも大きく少なくとも50meV以上の差を設けてある
構造を形成してあることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】請求項３乃至５項のいずれかに記載の半導
体装置において、上記選択的に拡散領域を設ける特定の
半導体層には多重量子井戸構造を形成してあり、該多重
量子井戸構造に対して水平方向の＜110＞或いは＜010＞
方向から不純物拡散を行うことにより内部よりも禁制帯
幅が大きい表面近傍領域を構成してあることを特徴とす
る半導体装置。
【請求項７】請求項６項に記載の半導体装置において、
上記歪多重量子井戸構造には少なくとも量子井戸層に圧
縮歪を導入した圧縮歪多重量子井戸構造としてあり、該
圧縮歪多重量子井戸構造に対して水平方向の＜110＞或
いは＜010＞方向から不純物拡散を行うことにより内部
よりも禁制帯幅が大きい表面近傍領域を構成してあるこ
とを特徴とする半導体装置。
【請求項８】請求項６又は請求項７項記載の半導体装置
において、上記歪多重量子井戸構造には量子井戸層に圧
縮歪を導入し量子障壁層に引張歪を導入した歪補償多重
量子井戸構造としてあり、該歪補償多重量子井戸構造に
対して水平方向の＜110＞或いは＜010＞方向から不純物
拡散を行うことにより内部よりも禁制帯幅が大きい表面
近傍領域を構成してあることを特徴とすか半導体装置。
【請求項９】請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体
装置において、上記基板上部に設けた発光活性層と光導
波層とを含むストライプ状の導波路構造を有するレーザ
共振器と、該発光活性層に該レーザ共振器端面から水平
方向に不純物を拡散して形成した不純物拡散領域とを有
し、上記発光活性層に形成された不純物拡散領域の禁制
帯幅は該発光活性層の上記不純物が拡散されない他の領
域（内部領域）よりも大きいことを特徴とする半導体装
置。
【請求項１０】請求項９に記載の半導体装置において、
上記レーザ共振器の端面に拡散源を設けておき、該レー
ザ共振器端面から垂直方向にある発光活性層に沿って＜
110＞或いは＜010＞方向から不純物を拡散させて上記不
純物拡散領域を構成したことを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】請求項９又は請求項１０に記載の半導体
装置において、上記ストライプ構造に対して上記レーザ
共振器の両端面から発光活性層に沿って不純物を拡散導
入して該発光活性層の該レーザ共振器両端面近傍の禁制
帯幅を不純物を拡散導入していない他の領域（内部領
域）よりも禁制帯幅を大きくし、上記共振器端面近傍の
不純物拡散領域は不純物を拡散していないストライプの
内部領域で発生したレーザ光のエネルギーよりも大きい
禁制帯幅であり且つ透明導波となる窓効果を有している
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】請求項９乃至１１のいずれかに記載の半
導体装置を、上記不純物の拡散源を上記ストライプ状の
光導波構造の上記レーザ共振器の両端面に隣接して設
け、該拡散源の外側を拡散保護膜で覆い、且つ該拡散保
護膜の外側にレーザ共振器のレーザ光反射膜を形成して
作製することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１３】請求項１２に記載の半導体装置の作製方
法において、上記拡散保護膜は上記拡散源からの不純物
拡散を防止する作用を有し、熱処理により上記レーザ共
振器端面に隣接した拡散源から不純物が発光活性層を含
む半導体層に向かって一方向にのみ拡散させて、該発光
活性層の該レーザ共振器の両端面近傍の禁制帯幅を該不
純物が拡散されない内部領域よりも大きくした窓構造を
形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１４】請求項１３に記載の半導体装置の作製方
法において、上記拡散源としてZnO又はZnS或いはZnSeを
設けておき、熱処理によって上記不純物拡散領域を共振
器の両端面近傍に形成することにより、上記窓構造を構
成することを特徴とする半導体装置の作製方法
【請求項１５】請求項１３に記載の半導体装置の作製方
法において、上記拡散保護膜としてAlN又はSiN或いはGa
Nを設けておき、熱処理によって不純物拡散領域を共振
器の両端面近傍に形成することにより、窓構造を構成し
てあることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１６】請求項１３乃至１５のいずれかに記載の
半導体装置の作製方法において、少なくとも屈折率の異
なる２組の誘電体多層膜構造からなる上記レーザ光反射
膜の反射率に対して、上記拡散源や上記拡散保護膜は影
響しない範囲でそれぞれの膜厚を設けておき、熱処理に
よって不純物拡散領域を共振器の両端面近傍に形成する
ことにより、窓構造を構成してあることを特徴とする半
導体装置の作製方法。
【請求項１７】請求項１乃至１１項のいずれかに記載の
半導体装置又は請求項１２乃至１６のいずれかの作製方
法による半導体装置において、上記光導波層及び上記発
光活性層が形成される基板の主面は、(100)面または(10
0)面のテラスを有するか、又は(100)面から0〜54.7°の
範囲でオフした面方位を有することを特徴とする半導体
装置。