JPS62273791A - 半導体量子井戸レ−ザの作製方法 - 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】 発明の詳細な説明 （産業上の利用分野） 本発明は半導体量子井戸レーザの作製方法に関する。

（従来の技術） 半導体レーザは光フアイバ通信や光情報処理技術におい
て、その進展を決めるキーデバイスであり、レーザ利得
の大きな半導体レーザの作製が求められている。半導体
レーザのレーザ利得の増加を図るには、３次元的なバル
ク電子状態に比べ２次元的電子状態ではレーザ利得が大
きい性質を用い、発光領域である活性層中の電子が量子
化される程薄い膜厚の活性層を形成することが有効であ
ることが知られている。更に、膜と平行な方向にも膜厚
サイズと同程度に細い構造を形成した場合、１次元的電
子状態が形成される。この場合には、２次元的電子状態
の場合よりもレーザ利得が更に大きくなり従って発振閾
電流の減少や、閾電流の温度変化の減少、発振線幅の減
少などを達成できる可能性が理論的に示されている。そ
して、実際に半導体の細線構造形成の試みも、アプライ
ド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌ
ｅｔｔ、４１−。

６３５（１９８２））に記載されているようにベル研究
所のベトロフ達によりはじまっている。

（発明が解決しようとする問題点） 細線構造を持った半導体レーザを作製する場合に、次の
ような点が問題である。上記のペトロフ達に代表される
従来の細線構造形成方法では、細線構造のサイズの制御
性が悪いことが先ず上げられる。第４図はペトロフ達の
細線構造形成方法の模式膜断面図である。細線構造のプ
ロセスを簡単に説明すると、第４図（ａ）のように基板
１の上に約２００人程度の膜厚の砒化ガリウムからなる
活性層１０を分子ビームエピタキシャル（ＭＢＥ）成長
した後、レジストからなる２層ｍ幅のライン・スペース
パターン２１のマスクを設け、第４図（ｂ）のようにケ
ミカルエツチングを行ない、３角形状にエツチングされ
た基板膜上の頂点に活性層の細線パターン２０をペトロ
フ達は形成した。よく知られているように、ウェットエ
ツチングによるパターン形成プロセスの寸法制御は極め
て難しい点が問題である。

更に半導体レーザの場合、電流ロスや光の閉じ込めロス
を小さくする必要がある。例えば、ペトロフ達の細線構
造を第４図（ｃ）のようにクラッド層２２で埋め込んだ
場合、注入した電流２３の活性層細線パターン２０に流
入する割合を増加するためには、活性層細線パターン２
０のまわりに電流ブロックパターンを設けるか、あるい
は活性層細線パターン間隔を狭めることが必要である。

いずれの場合でも、これらの細線構造を形成する微細加
工技術は従来極めて難かしい点が問題であった。また、
上記活性層細線パターンと活性層細線パターンの間の利
得のない領域を減少しいわゆる光の閉じ込め係数を増加
するためにも、パターン間隔を減少することが要請され
るが、従来の素子作製方法では、この要請を満足できな
いことが問題であった。

本発明の目的は、半導体レーザの量子井戸効果を用いて
高利得化が可能で、かつ細線構造化する際に生ずる問題
点を改善できる半導体量子井戸レーザ作製方法を提供す
ることである。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、ステップ成長する面を主表面とした基板上に
半導体層を１層または複数層形成する工程と、活性層と
活性層よりも禁止帯幅の大きい半導体層とが同一平面内
で縞文様になるよう禁止帯の大きい半導体層及び活性層
を量子効果が現われる幅または厚さで同一平面上に交互
に成長する工程と、前記活性層及び禁止帯幅の大きい半
導体層上に半導体層を１層ないし数層形成する工程と、
電極を形成する工程とを少なくとも備えている構成とな
っている。

（作用） 一般に半導体レーザの利得は活性層中の電子の状態密度
関数に大きく依存し、利得の違いも状態密度関数の違い
で近似的に記述できることが知られている。電子の状態
密度関数は、３次元バルク電子状態では第３図（ａ）の
ように放物線型、２次元的電子状態では第３図（ｂ）の
ように階段型、１次元的電子状態では第３図（ｄ）のよ
うにバンド端で顕著に大きい関数で表わされることがよ
く知られている。ここで第３図の縦軸は状態密度関数、
横軸はエネルギーで関数の立上りエネルギー位置がバン
ド端を示す。本発明では第２図に膜断面の模式図を示し
たように、活性層１０の膜厚を活性層面内で一定の距離
間隔毎に変化させ微細構造を作製する。あるいは、一定
の距離間隔毎に活性層とクラッド層を交互に同一平面上
に形成する。この場合の電子の状態密度関数は第３図（
ｅ）に模式的に示したように２次元的電子状態と１次元
的電子状態の中間的状態をとるものと考えられる。従っ
て、本発明の方法で作製された半導体レーザは、活性層
膜厚が同じで膜厚変化のない平坦活性層の従来型半導体
レーザに比べ、擬１次元効果の寄与によりレーザ利得の
改善が図れる。また、活性層に流す電流は第２図からも
わかるように電流は必らず活性層を通って流れるため電
流ロスは殆んどない。また、平坦な活性層に比べ活性層
の体積は殆んど変わらないため光とじ込めに関するロス
も平坦の場合に比べ殆んど増えない。そして、本発明で
は、活性層の微細構造を結晶のステップ成長の性質を用
いて形成するため、従来困難とされたれ１００人オーダ
の加工技術を必要としないでしかも、原子層オーダの精
度で作製できる点が特徴である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明
する。

（実施例） 第１図は本発明の詳細な説明する作製工程の概略図であ
る。第２図は半導体レーザの側面図を示す。第２図のよ
うに本発明の活性層１０は活性層面内で一定の距離間隔
毎に変化していることを示している。その他の層構造は
通常の単一量子井戸レーザと同じである。以下、このよ
うな構造の作製方法について、更に詳しく示す。一般に
基板面を結晶軸面から傾けた基板１では、その表面はミ
クロ的には第１図（ａ）、（ｂ）のようなステップ成長
となる。このステップは非常に小さく肉眼では見えない
。本実施例ではレーザ構造に必要なりラッド層１２を成
長した後、第１図（ｂ）のように活性層を形成する第１
の膜（成長膜Ａ）４１を成長する。成長方法としてはこ
こではＭＢＥ成長法の場合を例にとる。その他の気相成
長法の場合も同様であるが、結晶成長は段差凹部４４に
おいて最も早く成長がはじまり、かつ基板の表面に平行
な方向に原子層の成長が進む性質を示す。段差凸部４５
においては、１段下のステップ４で成長した原子層が、
結晶構造的に等価位置にないため結晶の段差構造は崩れ
ることなく原子層オーダの精度で保持される。このよう
な結晶成長の性質はステップ成長としてよく知られてい
る。

実際にも連続的な成長において、階段状構造が保たれ、
しかも、原子層オーダの成長時間毎に、階段状構造が現
れることが、反射高エネルギー電子回折（ＲＨＥＥＤ）
信号の強度振動の観測において確認されている。本実施
例ではこのような結晶成長の性質を用い、ＲＨＥＥＤ信
号ｄモ信号−モニターながら、ステップ成長を行う。そ
の際第１図（Ｃ）のように活性層を形成する第２の膜（
成長膜Ｂ）４２が成長膜Ａの表面に平行に原子層成長し
た途中において、成長膜Ｂのソースを１時遮断し、バリ
ア層膜（成長膜Ｃ）４３のソースを供給し、第１図（ｄ
）のように成長膜Ｃを成長させる。上記の工程（Ｃ）〜
（ｄ）を繰返すことにより第１図（ｅ）のように原子層
゛オーダの微細周期構造を形成することができる。次い
で、第１図（ｆ′）のようにクラッド層１３を積み、第
１図（ｇ）のように電極１６゜１７を形成する工程によ
りレーザが作製される。本実施例では第２図に示したよ
うに通常の砒化ガリウム基板面を［００１］軸から［１
１０］軸の方向に約３°傾け、表面に結晶性の段差ステ
ップをもつ基板を用いた。この場合ステップ４の段差は
１格子定数（約６人）である。ステップ周期は約１００
人である。本実施例では通常のＭＢＥ成長条件を用い、
第１図のようにしてアルミニウム組成比が約０．３５の
砒化アルミニウムガリウムクラッド層１２，１３、砒化
ガリウム活性層１０を成長した。１２はＮ型、１３はＰ
型にドープし基板はＮ型のものを用いた。なお１１は光
のとじ込めのための砒化アルミニウムガリウムからなる
ガイド層でクラッド層に隣接して設けである。本実施例
においては、第１図のようにクラッド層１２、ガイド層
１１さらに活性層組成の砒化ガリウム原子層を膜厚１８
だけ成長した後、第１図（ｅ）〜（ｄ）の工程により、
バリア層構造１４を形成する。バリア層構造１４の組成
は活性層のものより禁制帯幅の大きい材料であればよい
。本実施例ではガイド層１１と同じ材料を用い第２図の
ように膜厚１９まで成長し、引き続きガイド層膜 ２・ １１とクラッド層１３を成長した。その後は通常のよう
に電極とのコンタクトをとるためのキャップ層１５を成
長し、電極１６．１７を設けた。活性層の両端は通常の
ように襞間端面２，３で形成した。このように作製され
た半導体レーザは活性層膜厚が膜厚１９とほぼ同じで平
坦な通常の量子井戸レーザに比べ発振閾電流密度が顕著
に減少する結果が得られた。また、バリヤ層構造の周期
を第２図の実施例では約５０人周期としたが、この周期
を変化させた場合、周期が短かくなるにつれ、発振閾電
流密度が減φする傾向を示した。なお、第１図では基板
の底と電極面はレーザ端面２，３と垂直な図を示したが
、これは結晶成長後試料を整形したものであり本発明の
作製方法において特に本質的なものではない。

本実施例では活性層が単一の量子井戸層からなる場合に
ついて述べたが、多層の多重量子井戸や層間に電子相互
作用のある超格子構造からなる場合にも素子作製方法は
基本的に同じであり適用可能である。

本実施例ではバリア層１４に導電性の材料を用いたが、
砒化ガリウムインジウム等の高抵抗の性質をもった材料
を用いた場合もポテンシャルバリアの効果以外に電流分
布制限による効果も加わって高利得が得られ、有効であ
った。

なお本実施例では砒化ガリウム系のＭＢＥ法について述
べたが、他の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や通常
の気相成長エピタキシャル法（ＶＰＥ）についても、ま
た、砒化インジウムガリウム系やインジウムリン砒化ガ
リウム系などの他の材料系に対しても有効である。

なお、本実施例では素子活性層の長手方向に活性層の膜
厚変化を設けて作製したが、長手方向と垂直方向に膜厚
変化させることも同時に半導体レーザの高利得化が図れ
有効な作製方法である。

（発明の効果） 以上説明したように本発明の半導体量子井戸レーザ作製
方法は活性層の膜厚がほぼ同等の平坦な活性層をもつ半
導体レーザに比べ顕著にレーザ利得が高く発振閾電流密
度が低いことや温度特性変化が小さいこと等の良好な特
性が得られ、かつこれまで提案されている細線構造半導
体レーザの電流ロスや光のとじ込めロスの問題の少ない
半導体レーザが作製できる。しかも特別な微細加工プロ
セスを施さずに、原子層オーダの微細な構造を得ること
ができ、光素子の集積化や生産性向上にも適しており、
高性能の半導体レーザを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す工程概略図、第２図
は本発明により得られた半導体レーザの概略図、第３図
は（ａ）３次元バルク構造（ｂ）２次元平面構造（Ｃ）
擬１次元構造（ｄ）１次元細線構造の電子状態の状態密
度関数、第４図は従来の製造方法を示す工程概略図であ
る。 １・・・基板、２・・・端面、３・・・端面、４・・・
ステップ、１０・・・活性層、１１・・・ガイド層、１
２．１３・・・クラッド層、１４・・・バリア構造、１
５・・・キャップ層、１６．１７・・・電極、１８・・
・凹部膜厚、１９・・・凸部膜厚、２０・・・活性層細
線パターン、２１・・・レジストパターン、２２・・・
クラッド層、２３・・・電流、３１，３２，３３．３４
・・・バンド端エネルギー、４１・・・成長膜Ａ、４２
・・・成長膜Ｂ１４３・・・成長膜Ｃ，４４−・・段差
凹部、４５・・・段差凸部。 第１図 第１図 第３図 第４図 Ｏ＆Ｉ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ステップ成長する面を主表面とした基板上に半導体層を
   １層または複数層形成する工程と、活性層と活性層より
   も禁止帯幅の大きい半導体層とが同一平面内で縞文様に
   なるよう禁止帯の大きい半導体層及び活性層を量子効果
   が現われる幅または厚さで同一平面上に交互に成長する
   工程と、前記活性層及び禁止帯幅の大きい半導体層上に
   半導体層を１層ないし数層形成する工程と、電極を形成
   する工程とを少なくとも備えていることを特徴とする半
   導体量子井戸レーザの作製方法。