JPS6028157B2 - 半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体発光素子の製造技術に関し、更に具体的
には活性領域が半導体層内に埋設されている埋め込み型
半導体レーザ素子の製造及び製造方法に関するものであ
る。

半導体レーザー素子は一般にＧａＡｓのような直接遷移
形の材料を用いた発光ダイオードを基本とするもので、
ホモ接合型、単一へテロ接合型、ダブルヘテロ接合型等
種々のタイプのものが製作されている。

これらの半導体レーザーは多重反射を行なわせる光共振
器を構成し、これに充分なキャリアの注入を行なって反
転分布状態を形成することにより、譲導放射の条件を満
たしレーザー発振を行なわしめるものである。上記光共
晶器は一般的にｐ−ｎ接合面と垂直でかつ互いに平行な
１対の結晶男開面より構成されている。

ここでｐ−ｎ接合面に日頃方向電圧を印加し、少数の電
子をｐ−ｎ接合面を越えて注入すると、それは自発的に
（個々別に）ホールと再結合し、インコヒーレントな光
を出す。電流を増すとｐ−ｎ接合近傍で励起された電子
、ホール対が再結合し、その光が他の電子、ホール対に
衝突し、その刺激のためにその対も再結合発光する。即
ち誘導放射が起こり始める。譲発された光は、刺激した
光と同じ位相で同じ方向に進むからこの作用の蓮議繰り
返し１こよって光の増幅が起きる。結晶が平坦なｐ−ｎ
接合面と、前述したようにｐ−ｎ接合面に垂直でかつ互
いに平行な１対の結晶努関面より構成されている時には
、光の一部は半透明鏡として働く結晶男関面で反射され
、さらに増幅される。即ち結晶努開面を共振面として繰
り返し反射されることにより各共振面間を多重往復運動
することになる。このようにして光は２つの鏡（共振面
）の間に閉じ込められ、さらに誘導放射で増幅を繰り返
す、電流を充分に高くすると、吸収、散乱、半透明鏡よ
りの漏れ、その他の損失に打ち勝つだけの誘導放射によ
る増幅作用がおこり、この時点で鏡（共振面）の間に閉
じ込められた光の量は急激に増加し、共振面よりレーザ
ー発振が開始される。共振面が上記横成艮０ち互いに平
行な共振面で構成されている場合レーザ−光は共振器の
両端面則ち各共振面より互いに逆向さに出力される。半
導体の屈嬢率は一般に大きく結晶表面での反射率が大き
いので、光の進行方向に対して垂直で、向かいあった２
つの面を作るだけでレーザー作用を起こすことができる
。半導体レーザーのレーザー発振には前述した事項より
明らかな如く非常に高密度の電流が必要となる。

しかしながら初期の半導体レーザーはその構造がホモ接
合型であったため光は譲導放射の起きている部分だけで
なく、隣接した領域にまで放散され、このため光の損失
が大きくなり室温での発振が低いデューティ比でのパル
ス発振に限られていた。室温連続発振は半導体レーザー
に課せられた課題の一つであったがその後の継続研究の
結果ダブルヘテロ接合型の半導体レーザーが開発される
ことにより、実現されることとなった。

ダブルヘテロ接合型半導体レーザーは○ａふの領域と、
ＧａＡｓ中のＧａを一部ＡＩで置き換えたＧａ，‐ｘ幻
ｘＡｓの領域で前記ＧａＡｓの領域をサンドィッチした
２つのへテロ接合部を有する単結晶で製作されているも
のが一般的である。へテロ接合には他の材料を使用する
こともできるが、一般にへテロ接合はホールや電子を捕
獲する性質があり、そのために再結合発光が有効に行な
われないような事態が起きる。しかしこの現象はＧａ船
とＧａ，−ｘＡ１ｘＡｓのへテロ接合では起こらない。
それは２つの材料の結晶構造が全く同一でしかも結晶格
子間隔もほとんど等しいためであると考えられる。ダブ
ルヘテロ接合型半導体レーザーでは、電子、ホール、光
が全て２つのへテロ接合の間の非常に薄い領域（約０．
５仏の）に閉じ込められている。

即ち電子はｐ−ｐヘテロ接合の伝導体の障壁によって、
ホールはｐ−ｎへテロ援合の価電子帯の障壁によって反
射され、またへテロ接合界面物質の屈折率の違いにより
光の閉じ込めが行なわれる。

発振開始電流値はｐ−ｎ接合とｐ−ｐヘブロ接合にはさ
まれた活性層の厚みに依存する。即ち電子、ホール、光
の閉じ込められた活性層が薄くなれば励起電子の総数が
それだけ少なくて済み発振開始電流値は低下することと
なる。ダブルヘテロ接合型は電流の流れる方向、即ち縦
方向にキャリアと光の閉じ込めを行なって室温連続発振
を達成したものであるが、これらの閉じ込めをさらに横
方向にも行なったものがストライプ構造の半導体レーザ
ーである。

ストライプ構造とすることにより低電流動作が可能とな
り、発振特性の制御が容易となる。また通電時の発熱領
域が帯状となるため熱拡散がよくなり、室温がかなり高
くても連続動作が可能となる。従釆ストライプ構造半導
体レーザーの１例として、袴公昭５２一４０９５８号に
埋め込み型ストライプ構造を有するダブルヘテロ接合型
半導体レーザーが開示されている。

この半導体レーザーの構造を第１図Ａ，Ｂに示す。スト
ライプ構造は第１図Ａに示す如く、ＧａＡｓ基板１上に
順次ＧａＮ舵から成る第１層２，ＧａＡｓから成る第２
層３（活性層），ＧａＡＩＡｓから成る第３層４，Ｇａ
偽から成る第４層５を積層した後、第４層５表面より第
４層５内途中迄メサェッチングを行なって第４層５にス
トライプ部を形成し、更にこのメサェッチングを行なっ
て露出した表面領域にＧａＮ偽の溶液を接触させ、昇温
操作を介して第１層２より第４層５までの結晶層をメル
トバックして残部をストライプ状に構築した後、降温操
作を介して溶液より結晶６を成長させ、第１図Ｂに示す
如く埋め込み型としている。Ｇａ船はＧａＡＩＡｓと異
なり溶液との濡れ性が良好なので第４層５はＧａＡＩＡ
ｓ溶液と接触した後昇温すると溶液の溶解度が増加した
分だけ表面部分が溶液中に溶け込む。しかしながら上記
埋め込み型ストライプ構造に於いて問題となるのはメル
トバック時にＧａＮＡｓ溶液にメルトバックするＧａＡ
ｓの量制御である。即ちメルトバック量を層表面で均一
に制御することは非常に困難であり、実際には第２図に
示す如くメルトバックする層の溶液と接触する表面に凹
凸が生じ、再現性と歩溜りの点で難点がある。埋め込み
型ストライプ構造の他の例として特公昭５２−４１１０
７号にその構造及び製造方法が開示されている。

これは第３図Ａに示す如くＧａＡｓ基板１上に順次積層
されたＧａＡＩ偽から成る第１層２，ＧａＡｓから成る
第２層３，及びＧａＮ船から成る第３層４を、第３層４
表面よりＧａＡｓ基板１に達する迄メサェッチングして
、残部をストライプ状に構築し、然る後第３図Ｂに示す
如くストライプ部及びＧａＡｓ基板１上全面にＧａＡＩ
ふから成る被覆層７を成長させることにより、活性層と
なる第２層３をＧａＡＩ母から成る第１層２、第３層４
及び被覆層７で完全に包囲したものである。しかしなが
らこの埋め込み型ストライプ構造に於いても次の如き欠
点が在する。即ち、Ｇａ山ＡＳから成る被覆層７を成長
させる際、第２層３の端面が高温下で雰囲気ガスに露さ
れるため、活性層としての結晶性悪化を無視できなくな
る。またＣａｎＡｓは一般に酸化され易い性質を有する
ため、第１層２及び第３層４の端面並びに表面に酸化膜
が形成される可能性が高く、従って被覆層７を成長させ
た場合、第１層２及び第３層４との界面に於ける接合性
及び結晶性に関して良好な結果を得ることは困難である
。

以上の理由により上記購造を有する半導体レーザーは素
子寿命が大きく減退することとなる。本発明は上記現状
に鑑み、埋め込み型ストライプ構造に製造技術面での改
良技術を導入した新規有用な半導体発光素子の製造方法
を提供することを目的とする。

以下、本発明を実施例に従って図面を参照しながら詳細
に説明する。

第４図Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは本発明の１実施例を示すダブル
ヘテロ接合型Ｇａ母系半導体レーザ素子の製造工程説明
図である。

第４図Ａに示す如く、レーザー作製用の基板として、Ｓ
ｉのドープされたキャリア濃度２×１び８弧‐３のｎ＋
−Ｇａ船基板１を使用し、このｎ＋−ＧａＡｓ基板１上
に連続液相ェピタキシャル成長法で単結晶成長層を積層
形成する。

即ち第１層２としてＳｉのドープされたｎ−Ｇも．７Ａ
ＩＭ船を層厚約０．５〜２．０ムｍで、活性層となる第
２層３として同様にＳｉのドープされたｐ−ＧａＡｓを
層厚約０．１〜１．０仏ので、第３層４としてＴｅのド
ープされたｎ−Ｇも．７ＡＩ船瓜を層厚約０．５〜２．
０Ａので、第４層５として同様にＴｅのドープされたｎ
−ＧａＡｓを層厚約０．５〜３．０山机で、各々順次ｎ
＋−ＧａＡｓ基板１側より積層する。成長完了後第４層
５上に酸化膜８、例えばＡＩ２０３等をＣＶＤ法により
付着させ、フオトェッチング法により酸化膜８に貫通溝
状の欠損部９を平行間隔Ｗで複数本配列形成する。欠損
部９で第４層５は露出している。次に上記構造ゥェハー
を炉中で酸化膜８側表面よりＧａＡＩ偽溶液と接触させ
る。

ＧａＡＩ母溶液は酸化膜８と濡れることはなく、欠損部
９より侵入して第４層５のＧａ偽表面と濡れる。従って
ＧａＮＡｓ溶液を第４層５に接触させた後、炉中を昇温
すると第４図Ｂに示す如く、第４層５は接触面よりＧａ
ＡＩＡｓ溶液中に溶け込む。この時のメルトバックの深
さと横方向へ溶け込む距離は種々の実験の結果、ほぼ等
しいことが判明した。従って２本の欠損部９の間でメル
トバックせずにストライプ状に残存した第４層５のスト
ライプ幅ｒは、メルトバツクの深さをｄとすると、ｒ＝
Ｗ−幻の関係で再現性良く得られる。メルトバック完了
後炉中温度を降下するとメルトバックした第４層５の領
域で結晶成長が開始される。この時の結晶成長部分の高
さが第４層５の表面より高くなる前に成長を停止する。
成長停止の方法としてはＧａ，‐ｘ山ｘＡｓ（ｘ＞０．
５）から成る成長層を最終的に成長させ、後にフツ化水
素（ＨＦ）で溶解させる方法を用いることが望ましい。
次に第４図Ｃに示す如く、酸化膜８を完全に除去した後
、再度全面にＡＩ２０３等の酸化膜１０を付着し、電流
注入通路となるストライプ部１１のみフオトェッチング
法により酸化膜１０を除去する。

ストライプ部１１は第４層５のメルトバック時に溶解し
ないで残存した部分に対応し、メルトバック後成長した
再成長層１２に挟まれた部分である。然る後酸化膜１０
上及び第４層５のストライプ部１１表面上にｐ側電極１
３を蒸着して第４図Ｄの如くとする。

この時、ストライプ部１１の接触抵抗を低くするため、
酸化膜１０をマスクとしてＺｎ等の不純物を第４層５の
表面近傍に拡散した後ｐ側電極１３を蒸着形成すること
もできる。また第４層５にあらかじめＺｎ等をドープし
ておくことも可能である。ｎ±ＧａＡｓ基板１側にはｎ
側電極を蒸着形成することにより本発明の１実施例であ
る半導体レーザー素子が製作される。上記実施例に於い
て、第１届２を１．０〃の、第２層３を０．２山肌、第
３層４を１．０仏肌、第４層５を１．５ムのにそれぞれ
設定し、また欠損部９の配列間隔Ｗを１５ムｍ、欠損部
９の溝幅を３．０ムｗ、メルトバツクの深さｄを５．０
山肌とすると、ｒ＝Ｗ−幻の関係式よりストライプ部１
１のストライプ幅ｒ＝５．０ムのが再現性良く、均一に
得られた。

第５図はこの時の半導体レーザー素子を示す要部構成斜
視図である。メルトバツク後の再成長層１２としてはｎ
−Ｇも．６ＡＩｏ．４＄を適用し、ストライプ部１ １
にＺｎ＆２をソースとしてＺｎを拡散した後Ａｕ−Ｔｊ
合金を３００℃で蒸着してｐ側電極１３を形成する。ま
たｎ十一Ｇａ公基板１側は表面部分を若干ラッピング等
で削除した後Ａｕ一Ｑ−Ｎｉ合金を黍着してｎ側電極１
４を形成する。第４層５と再成長層１２、及び第３層４
と再成長層１２、で形成される界面のｐ−ｎ接合１５の
ビルトインポテンシャルは第３層４と第２層３で形成さ
れる界面のｐ−ｎ接合面１６のそれよりも大きいため、
レーザー発振時に電流はｐ−ｎ接合１５には実質的に流
れないでストライプ部１１を横断するｐ−ｎ接合面１６
にのみ流れる。従って再成長層１２による電気的損失は
全くなく、活性層である第２層３は○ろ．７ＡＩｏ．３
松及びＧも．６ＮＭＡｓによって完全に包囲され、電気
的及び光学的閉じ込め効果は顕著となる。第５図の半導
体レーザー素子は結晶の（１１０）面を男閥面としてフ
アブリ・ベロー共振器を構成したものであり、発振開始
電流ｌｔｈは従来のダブルヘテ。接合型半導体レーザー
．素子よりもかなり低く、約２０肌Ａの値が得られた。
また動作寿命に於いても現在１００餌時間連続発振した
時点で劣化現象が全く見られず、安定に動作を持続して
いる。上記実施例はＧａＡｓ系半導体レーザー素子につ
し、て説明したが、本発明はこれに限定されるものでは
なく、他の半導体レーザーにも当然に適用可能である。

また半導体レーザーのみならずへテロ接合を有する他の
半導体発光素子にも適用することができる。本発明によ
ればメルトバック時の制御性が良好で、再現性と歩蟹り
の良い埋め込み型ストライプ構造を得ることができ、ま
た多層結晶構造をェピタキシャル成長させた後、多層結
晶表面に酸化膜等のマスクを被覆し、該マスクに微４・
ストライプ幅の貫通溝を形成して貫通溝から多層結晶表
面に融液を接触させ、昇温して多層結晶を融液接触部よ
りメルトバツクした後再成長させるため、多層結晶内の
ＧａＡＩＡｓ層の如き酸化され易い結晶層が外気と接触
することなくマスク内部に収納された状態で電流狭窄用
ストライプ構造が加工されることとなり、ストライプ構
造部には酸化膜等が形成されることがなく、メルトバッ
ク後の再成長層によって接合性及び結晶性を阻害するこ
となく確実にストライプ構造を埋設することができる。

メルトバツク時の制御性が良好であることはストライプ
幅をより狭くすることを可能とするものであり、レーザ
ー動作時等に微小スポット領域で単一の強度最大点を有
する基本横モード発振を得ることができる。従ってビデ
オディスク用光源等の用途に最適の発光素子となる。ま
た通信用ファイバー等への光結合に対しても有効な技術
である。以上詳説した如く、本発明は製作に際し、困難
な制御性を強いることなく、簡単な操作で上記種々の優
れた効果を奏する非常に産業的意義の卓越した半導体発
光素子製造技術である。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ，Ｂ、第２図及び第３図Ａ，Ｂは従来の埋め込
み型ストライプ構造を有する半導体レ−ザーの要部構成
図である。 第４図Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは本発明の１実施例を示すダブル
ヘテロ接合型半導体レーザー素子の製造工程説明図であ
る。第５図は本発明の１実施例を示すダブルヘテロ接合
型半導体レーザー素子の要部構成斜視図である。２・・
・…第１層、３・・・・・・第２層（活性層）、４・・
・・・・第３層、８，１０・・・・・・酸化膜、９・・
・…欠損部、１１・・…・ストライプ部、１２・・・・
・・再成長層。 舞／図第２図 策３図 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光出力用活性層にＧａＡｌＡｓ層を接合してヘテロ
   接合を形成した多層結晶成長層を基板上に積層して成る
   半導体発光素子の製造方法に於いて、前記基板上に成長
   された前記多層結晶成長層表面にマスクを被覆し、該マ
   スクに微小ストライプ幅の平行貫通溝を形成し、該貫通
   溝を介して前記多層結晶成長層表面をメルトバツク用溶
   液と選択接触せしめ、昇温過程を介して該溶液との接触
   部に沿つて前記多層結晶成長層を溶解するとともに該接
   触部を軸芯とする円筒放射状の溶解領域を拡大し、該溶
   解領域が互いに抵触しない範囲で降温過程を介して前記
   溶解領域を凝固せしめることにより再成長層を形成し、
   該再成長層に挾まれた前記多層結晶成長層内に前記活性
   層を限定するとともに前記再成長層と前記活性層の接合
   する界面で、光の屈折率差に基き、前記活性層内へ光を
   閉じ込める導波構造を構成することを特徴とする半導体
   発光素子の製造方法。 ２ 前記活性層はレーザ発振用活性層で構成され、前記
   活性層にダブルヘテロ接合界面を付与するＧａＡｌＡｓ
   結晶層を挾設して前記多層結晶成長層を構成した特許請
   求の範囲第１項記載の半導体発光素子の製造方法。