JPS62176182A - 半導体レ−ザ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は高速で変調可能な光通信に適した半導体レーザ
及びその製造方法に関する。

（従来の技術およびその問題点） 半導体レーザは光フアイバ通信の光源として実用化が始
まっている。この用途で用いられる半導体レーザば、高
速変調が可能で、かつ高い効率で発源することが必要で
ある。更に、実用化の進展に伴い、高い歩留りで多量の
半導体レーザが生産できる再現性の高い製造方法が強く
要望されている。ところが、従来の半導体レーザは上記
３つの条件を同時に満足することが出来なかった。以下
に従来製作されて来た典型的な半導体レーザ、及びこれ
らのレーザ特性を改善しようとして最近製作された、最
も上記要請に近い半導体レーザについて説明し、上記３
つの要請が同時に満足出来なかった理由を説明する。

従来製作されて来た典型的な半導体レーザば２重溝平面
埋込み形半導体レーザ（ＤｏｕｂｌθＣｈａｎｎ０１Ｐ
ｌａｎｎｅｒ　Ｂｕｒｉｅｄ　Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃ
ｕｒｅ　Ｌａ５ｅｒＤｉｏｄｅ　：略してＤＣ−ＰＢＨ
−Ｉ、Ｄ　）であり、ジャーナル拳オフ゛中うイトウェ
ーブ瘤テクノロジー、ＬＴ−１巻、１９８３年３月号、
１９５頁−２０２頁に詳述されている。この半導体レー
ザけ、ストライプ状の活性領域に電流を選択的に流すよ
うにするために、活性領域以外のところはｐｎｐｎ接合
を形成し電流をｎｐの逆接合により阻止している。

こ、の構造に代表される、ｎｐ逆接合による電流阻止構
造は非常に良い電流阻止効果を発揮するので、５０％を
超える高い効率で発振する。又、製造工程も再現性の高
い工程の組み合わせによっているので、高い歩留りで製
作することが出来る。しかしｎｐ逆接合が１０　ｐＦ以
上の静電容量を有するために、４Ｇｂ／ｓを超える高速
で変調することが難しかった。

次に、上記半導体レーザの欠点を克服しようとして考案
された半導体レーザについて説明する。

この半導体レーザはエレクトロニクス・レターズ２１巻
、１３号、５７７頁−５７８頁、１９８５年（］！１ｅ
ｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｓｔｔ＠ｒｓ）記載の気相再成長
埋込み形と呼ばれている半導体レーザである。この半導
体レーザは高速変調が可能となるようにダイオードの静
電容量の低減を図り、少信号変調時では１５０Ｈ２とい
う高い周波数で変調可能であった。又、高い効率で発振
するよう、効率低下の原因となる漏洩電流を低減し、電
流が活性層部のみを通るような構造になっている。しか
しこの半導体レーザは生産性に大きな問題がある。それ
は、この半導体レーザの構造に起因している。半導体レ
ーザを単−横モードで発撮するためには、活性層幅を１
〜２ミクロン程度の幅にしなければならない。しかし、
この半導体レーザはメサの方向が（０１１）方向を向い
ており、下に向がって広がる台形状となる。そのためフ
ォトリソグラフィー法の限界以下のストライプを形成す
るか、又は幅の広いストライプを形成し、しかる後に活
性層だけを選択的にサイドエツチングする選択エツチン
グで活性層幅を狭めなければならない。ところ力瓢この
選択エツチングは非常に制御性が低く、活性層幅を一定
にすることが困難であった。これは、このエツチング速
度が、エツチング液の温度や濃度、及びエツチングされ
る活性層の組成に大きく依存するからである。このよう
に、気相再成長埋込み形半導体レーザは高い歩留りでか
つ大量に生産するには不向きな半導体レーザであった。

本発明の目的は、高速変調が可能でかつ高い効率で発撮
し、かつその構造が生産性の高い方法で製造できる半導
体レーザおよびその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） 本願の第１の発明によれば、第１の導電形の半導体基板
上に第１の結晶積層体と第２の結晶積層体とを有し、第
１の結晶積層体は該基板の表面と垂直な方向に成長した
深い不純物準位を形成する不純物を多く含む高抵抗の半
導体からなる第１のエピタキシャル成長層と、深い不純
物準位を形成する不純物をほとんど含：士ない第２のエ
ピタキシヤル成長層とを前記基板と垂直な方向に１′１
ｎ次成長した結晶積層体を含み、第２の結晶積層体は、
該第１の結晶積層体に形成した第１のエピタキシャル成
長層の下側の境界面を突きぬける深さの溝の上に、第１
の導電形の第３のエピタキシャル成長層とレーザ発振の
ための活性層である第４のエピタキシャル成長層と第２
の導電形の第５のエピタキシャル成長層とが順次積層さ
れたダブルヘテロ構造を含むことを特徴とする半導体レ
ーザ素子が得られる。また、本願の第２の発明によれば
、第１の導電形の半導体基板上に、該基板の表面と垂直
な方向に深い不純物準位を形成する不純物を多く含む高
抵抗の半導体からなる第１のエピタキシャル成長層と深
い不純物準位を形成する不純物をほとんど含まない第２
のエピタキシャル成長層を含む第１の結晶積層体を前記
基板と垂直な方向に気相成長法を用いてエピタキシャル
成長する第１の工程と、第１の結晶積層体エピタキシャ
ル成長層上にストライプ状の窓を開けた誘電体マスクを
形成し、前記ストライプ状の窓の部分の前記第２のエピ
タキシャル成長層表面より第１のエピタキシャル成長層
の下側の境界面を突きぬける深さまでエツチングして溝
を形成する第２の工程と、前記１４４の中に第１の導電
形の第３のエピタキシャル成長層とレーザ発振のための
活性層である第４のエピタキシャル成長層と第２の導電
形の第５のエピタキシャル成長層とからなる第２の結晶
積層体を形成する第３の工程とを行なうことを特徴とす
る半導体レーザ素子の製造方法が得られる。

（作用） 本願の第１の発明による半導体レーザは、高い効率で発
振し、高速で変調が可能であり、さらに本願の第２の発
明によって生産性の高い製造方法で上記半導体レーザが
得られる。以下に、本発明による半導体レーザが上記特
徴を有する理由を説明する。

高い効率で発振する理由は、活性層の両０１１］の第１
の結晶積層体が高抵抗電流狭窄層を有しているために、
活性層を通らない電流はほとんどないからである。そこ
で、非常に高い効率で半導体レーザが発振する。

高速で変調が可能である理由を次にのべる。この半導体
レーザは電流阻止層にｐｎ接合を用いていないから、容
量が非常に小さく、高速で変調することが可能である。

第２の発明によると、高い生産性で第１の発明による半
導体レーザが得られる理由を次に説明する。この第２の
発明の製造方法では、製造するのが第１の発明になる半
導体レーザであり、この半導体レーザの構造においては
第１の結晶積層体の各層と第２の結晶積層体の各層との
相対的位置精度が比較的ゆるやかであり、かつ第１の結
晶積層体が生産性の高い気相成長法で製造され、また従
来分度性低減の原因となっていた選択的にサイドエツチ
ングする工程もないから、生産性よく半導体レーザが得
られるのである。

（実施例） 以下本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明
する。

第１図は本願の第１の発明の一実施例を説明する図で、
ｐ形ＩｎＰ半導体基板１１上に、順に積層したｐ彫工ｎ
Ｐバッファ層１２と、深い不純物準位を形成する鉄を含
む高抵抗ＩｎＰｔ１ｉ流狭窄層１３と、深い不純物準位
を形成する鉄をほとんど含まないｎ彫工ｎＰ電流狭窄層
１６とをもって第１の結晶積層体とした。ここで高抵抗
ＩｎＰ［流狭窄層１３を第１のエピタキシャル成長層呼
び、その上に積層したｎ彫工ｎＰ電流狭窄層１６を第２
のエピタキシャル成長層ト呼ぶ。次に、第２のエピタキ
シャル成長層の表面から、前記ｐ形ＩｎＰバッファ層１
２と高抵抗工ｎＰ電流狭窄層１３との境界を突きぬける
深さＶ字形の溝をエツチングで形成した。さらに溝の形
成に用いられたストライプ状の窓を開けた誘電体マスク
２１は、溝の上部に活性層を含む第２の結晶ｉｍ体を形
成する第３の工程のときのマスクとしても用いられた。

第２の結晶積層体は、第３のエピタキシャル成長層であ
るｐ−■ｎＰクラッド層１４と、第４のエピタキシャル
成長層であルＩｎＧａＡｓＰ活性層１５と、第５のエピ
タキシャル成長層であるｎ−工ｎＰクラッド層１７と、
第６のエピタキシャル成長層である工ｎＰコンタクト層
１８とからなる。このとき、第４のエピタキシャル成長
層であるＩｎＧａＡｓＰ活性層１５の両側は、深い不純
物準位を形成する鉄をほとんど含まないｎ形ＩｎＰ電流
狭窄層１６である第２のエピタキシャル成長層が位置す
るように、第１の結晶積層体と第２の結晶積層体の各層
の厚みが選ばれた。これは、活性層１５の両側に深い不
純物準位を形成する鉄をほとんど含まないｎ形電流狭窄
層１６を配置し、非発光再結合中心となる高抵抗電流阻
止層１３の鉄の影響を避け、高い発光効率の活性層を得
るためである。第１の結晶積層体のエピタキシャル成長
は、気相成長法により行なったものである。気相成長法
は量産性が高く、かつ鉄、クロムなどの深い不純物を混
入することにより、容易に高抵抗層を成長することが可
能である。第２の結晶積層体は液相成長法によって成長
したが、液相成長法によるエピタキシャル成長は面方位
の違いによる成長速度の違いが大きく、エツチング溝上
に成長した場合、活性層１５は滑らかな形状の下方に凸
形なる三日月形に形成される。液相成長法で形成された
活性層１５け非常に結晶性が良好で、高い発光効率を有
した。また、高抵抗電流狭窄層１３とｎ形電流狭窄層１
６によって、電流はエツチング溝上に閉じ込められ、レ
ーザ全損に必要な電流が小さい半導体レーザとなった。

本実施例では、ｐ形半導体基板１１として唾鉛（Ｚｎ）
ドープエｎＰ基板、バッファ層１２として２ミクロン厚
みのＺｎ　　ドープＩｎＰ層、高抵抗電流狭窄層１３と
して厚み１ミクロンの鉄（Ｆｅ）ドーブエｎＰ層、ｎ形
電流狭窄層１６として２ミクロンのＳドープエｎＰ層、
７字形の溝の開口部の幅として４ミクロン、ｐ形のクラ
ッド層１４として厚み０．５ミクロンのＺｎドープＩｎ
Ｐ層、活性層１５として厚み０．１ミクロンのＩｎＧａ
ＡｓＰ層、ｎ形のクラッド層１７として厚み２ミクロ／
のＳドープエｎｐ層、コンタクト層１８として厚み０．
５ミクロンの８ド一プエｎＰ層をそれぞれ用いた。また
、ｐ側電極１９には金−亜鉛、ｎ側電極２０には金−錫
を用いた。

上記実施例では基板にｐ形１ｎＰを用いたが、ｎ形１ｎ
Ｐを用いてもよい。その場合はその他の層の導電形も総
て逆になる。

本発明が上記実施例における各層厚、エツチング溝幅、
各層のドーパ７トの種類に限定されないのは明らかであ
る。

上記実施例では、バッファ層１２として２ミクロン厚み
のＺｎドープＩｎＰ　エピタキシャル層が用いられたが
、この層はなくてもほぼ同様な効果が得られる。

上記実施例では、ＩｎＰコンタクト層１８が用いられた
が、この層はなくても良い。

上記実施例では、深い不純物準位を形成する鉄をほとん
ど含まないｎ形電流狭窄層１６としてｎ形Ｓドープエｎ
Ｐが用いられたが、高純度層ＩｎＰもしくは、ｐ彫工ｎ
Ｐでもよい。

上記実施例では、ＩｎＰ　−ｒｎＧａＡｅＰ系材料が用
いられたが、本発明がこの材料系に限定されず、ＧａＡ
θ−ＡＩＧａＡθ等の他の半導体材料系にも適用可ｔｊ
１″、なことは明らかである。

上記実施例では、溝の形状がＶ字形であったが、この形
状はＵ字形や、先端だけＶ字形の矢形でも良い。

次に、本発明の半導体レーザの製造方法の一実施例につ
いて、第２図を参照して説明する。第２図（ａ）は、ｐ
形半導体基板１１上に、ｐ形バッファ層１２と高抵抗電
流狭窄層１３とｎ形電流狭窄層１６とからなる第１の結
晶積層体を気相成長法でエピタキシャル成長する第１の
工程を示す。特に、高抵抗電流狭窄層１３は鉄を混入し
た工ｎ金属を原料として用いた気相成長法で形成した。

気相成長法は高抵抗の層を成長することが可能であり、
この層の比抵抗は約１，０ＸＩＯ’Ω・スと電流狭窄に
は十分大きい値が得られた。また、気相成長法は膜厚制
御性が高く、かつ大面積の成長が可能であり又ウェファ
面内の均一性が液相成長法に比べて格段に良い。そのた
め、第１の結晶積層体を気相成長法で形成すると、大面
積で均一性の良いウェファが得られ、量産性が向上した
。気相成長法の条件としては、気圧１気圧、温度６５０
℃、水素ガス流量（２５００Ｃ６７分）、Ｉｎと反応さ
せるＨＣｊガス流量（６ｃｃ／分）、　フォスフインガ
ス流ｆｆ１（６ｃＣ／分）とした。次に第２の工程とし
て第２図（ｂ）に示すように第１の結晶積層体のｎ形電
流狭窄層１６の表面にストライプ状の窓を有する酸化シ
リコンマスク２１を形成し、ブロムメタノールにより１
字形の溝２２を形成した。さらに第３の工程として第２
図（Ｃ）に示すように前記底面がＶ字形のエツチング溝
２２の上（、第３のエピタキシャル成長層であるｐ形り
ラッド層１４と、第４のエピタキシャル成長層であるレ
ーザ発振のための活性層１５と、第５のエピタキシャル
成長層であるｎ形りラッド層１７と、第６のエピタキシ
ャル成長層であるフンタクト層１８とからなる第２の結
晶積層体を液相成長法でエピタキシャル成長した。この
ときの液相成長法の条件は、従来行なわれて来た溝上の
成長条件であった。

上記実施例では基板にｐ形ＩｎＰを用いたが、ｎ彫工ｎ
Ｐを用いてもよい。その場合はその他の層の導電形も総
て逆になる。

本発明が上記実栴例における各同厚、エツチング溝幅、
各層のドーパ／トの種類、成長の条件に限定されないの
は明らかである。

（発明の効果） 以上詳細に述べて来たように、本発明によれば、電流阻
止層の接合容量が著しく低減され高速変調が可能になり
、かつ高抵抗電流阻止層により漏れ電流が低減されその
ため高い効率で発振し、かつその構造において第１の結
晶積層体の各層と第２の結晶積層体の各層との相対的位
置精度が比較的ゆるやかであり、かつ第１の結晶積層体
が生産性の高い気相成長法で製造されるから、量産に適
した半導体レーザが得られ、さらに高速変調が可能で高
い効率で発振する半導体レーザの量産に適した製造方法
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願の第１の発明の一実施例を示す模式的な断
面図、第２図（ａ）〜（Ｃ）は本願の第２発明の一実施
を工程順に説明する図であり、同図（ａ）は第１の工程
、同図（ｂ）は第２の工程、同図（Ｃ）は第３の工程を
それぞれ示す。 図において、１１・・・ｐ形半導体基板、１２・・・ｐ
形バッファ層、１３・・・高抵抗電流狭窄層、１４・・
・ｐ形りラッド層、１５・・・活性層、１６・・・ｎ形
電流狭窄層、１７・・・ｎ形りラッド層、１８・・・コ
ンタクト層、１９・・・ｐ側電極、２０・・・ｎ側電極
、２１・・・酸化シリコンマスク、２２・・・溝をそれ
ぞれ示す。 代理人　　弁理士　　本　庄　伸　弁 箱１図 第２図（ａ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の導電形の半導体基板上に第１の結晶積層体
   と第２の結晶積層体とを有し、その第１の結晶積層体は
   前記基板の表面と垂直な方向に成長した深い不純物準位
   を形成する不純物を多く含む高抵抗の半導体からなる第
   １のエピタキシャル成長層と、深い不純物準位を形成す
   る不純物をほとんど含まない第２のエピタキシャル成長
   層とを前記基板と垂直な方向に順次成長した結晶積層体
   を含み、前記第２の結晶積層体は、前記第１の結晶積層
   体に形成した前記第１のエピタキシャル成長層の下側の
   境界面を突きぬける深さの溝の上に、第１の導電形の第
   ３のエピタキシャル成長層とレーザ発振のための活性層
   である第４のエピタキシャル成長層と第２の導電形の第
   ５のエピタキシャル成長層とが順次積層されたダブルヘ
   テロ構造を含むことを特徴とする半導体レーザ。
2. （２）第１の導電形の半導体基板上に、この基板の表面
   と垂直な方向に深い不純物準位を形成する不純物を多く
   含む高抵抗の半導体からなる第１のエピタキシャル成長
   層と深い不純物準位を形成する不純物をほとんど含まな
   い第２のエピタキシャル成長層とを含む第１の結晶積層
   体を前記基板と垂直な方向に気相成長法を用いてエピタ
   キシャル成長する第１の工程と、前記第１の結晶積層体
   上にストライプ状の窓を開けた誘電体マスクを形成し、
   前記ストライプ状の窓の部分の前記第２のエピタキシャ
   ル成長層表面より前記第１のエピタキシャル成長層の下
   側の境界面を突きぬける深さまでエッチングして溝を形
   成する第２の工程と、前記溝の中に第１の導電形の第３
   のエピタキシャル成長層とレーザ発振のための活性層で
   ある第４のエピタキシャル成長層と第２の導電形の第５
   のエピタキシャル成長層とからなる第２の結晶積層体を
   形成する第３の工程とを行なうことを特徴とする半導体
   レーザの製造方法。