JPS63205980A - 半導体レ−ザ - 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１ 本発明は半導体レーザに係わり、特に半導体基板を使用
した埋込み構造の半導体レーザに関する。

［従来の技術］ 近年、光通信の光源な・どの用途で、種々の半導体レー
ザが開発されつつあるが、このような半導体レーザの一
つとし１て半導体基板を用いた埋込み構造の半導体レー
ザが提案されている（特開昭５７−２０６０８２号公報
）。

第８図は上述した半導体基板としてｐ型１ｎＰ基板を使
用した半導体レーザの断面図である。すなわち、図中１
はｐ型ＩｎＰ基板であり、このｐ型ＩｎＰ基板１上に同
じくｐ型１ｎＰのクラッド！２．Ｉｎ　Ｑａ　ＡＳ　Ｐ
からなる活性１３．ｎ型ＩｎＰのクラッド１４が積層さ
れている。そして、積層されたクラッド！２．活性１１
３．クラッド層４の周囲をｎ型１ｎＰ埋込！！５とｎ型
１ｎＰ埋込！！６とで覆っている。そして、両側に電極
７．８が取付けられている。

このような構造の半導体レーザを製造する場合、まず、
ｐ型１ｎＰ基板１上にｐ型１ｎＰのクラッド層２をエピ
タキシャル成長法で形成させ、このｐ型１ｎＰのクラッ
ド層２上にさらに Ｉｎ　Ｇａ　Ａｓ　Ｐの活性層３を同じくエピタキシャ
ル成長法で成長させ、この活性層３の上にｎ型ＩｎＰの
クラッド層４をエピタキシャル成長法で形成する。その
後、このｎ型ＩｎＰのクラッド層４上にパターン用の絶
縁層を形成し、この絶縁層をマスクにしてｐ型１ｎＰ基
板１に達するまで逆メサ形状にエツチングする。その後
、メサエッチングされた部分にｎ型ＩｎＰ埋込！５をエ
ピタキシャル成長させ、さらにこのｎ型１ｎＰ埋込層５
の上に、ｐ型１ｎＰ埋込！！！６をエピタキシャル成長
させる。その後、絶縁層を除去し、両側に電極７．８を
蒸着する。

この場合、電流制限層となるｎ型１ｎＰ埋込層５とｐ型
ＴｎＰ埋込１６との間のｐｎ接合部９の位置を活性層３
より下方に位置させることにより、活性層３を通過しな
い図中点線矢印で示すもれ電流は、抵抗率の＾いｐ型Ｉ
ｎＰ層６を経由するので、その値は小さくなり高効率、
高出力の半導体レーザが実現できる。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記構造を有する半導体レーザにおいて
は次のような問題があった。すなわち、半導体レーザに
おいて安定したレーザ光線を得ると共に低しきい値電流
を得るためには、活性層３の幅Ｗをできるだけ狭くして
、横方向に対して単一の発振モードで発光するように１
ｌｉｌＪｔ［Ｉすることが必要である。しかし、第８図
の半導体レーザにおいては、活性層３の幅Ｗは逆メサ構
造のくびれ部の幅ｄより必ず大きくなる。したがって、
活性層３の幅Ｗを狭くするには、くびれ部の幅ｄをでき
るだけ狭くする必要がある。しかしながら、くびれ部の
幅ｄを狭くすると、実線で示す電流の通路が狭くなるの
で、急激に垂直方向の抵抗が増大して発熱が生じ、高出
力が得られなくなる問題が発生する。例えば必要とする
レーザ光線の波長によっては上記活性１３の幅Ｗを２声
以下に制御するのが望ましい場合が発生するが、第８図
の半導体レーザにおいては、活性層３の幅Ｗを２−以下
にするとくびれ部の幅ｄをさらに狭くする必要があるの
で、現実問題として活性層３の幅を２ＡＩＩｎ以下にす
ることは非常に困難である。

なお、活性層３の位置をくびれ部の方へ接近させること
が考えられるが、過度に活性１！！３とくびれ部とを接
近させると、エツチング工程や埋込層のエピタキシャル
成長工程における寸法精度との関係で不良品が多発して
製造製品の歩留りが低下する問題がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、
その目的とするところは、くびれ部を解消するようにメ
サストライプ形状を設定することによって、活性層の幅
を狭くでき、高出力を維持したままレーザ光線の発振モ
ー下の安定化と低しきい値電流化を可能にした半導体レ
ーザを提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、半導体基板上に少なくとも Ｉ　ｎ　＋−ｘＧ　ａｘＡ　ｓ　ｔ−ｙｐ　Ｖ活性層を
含む半導体層を積層させた多層膜構造ウェハーの少なく
とも活性層を含む半導体層にメサストライプを形成し、
このメサストライプを埋込むように形成された埋込層を
有する半導体レーザにおいて、メサストライプを連続す
る逆メサ形状部と垂直形状部と順メサ形状部とで形成し
たものである。

［作用］ このような半導体レーザであれば、多ＷＩｉ膜構造ウェ
ハーのｌ　ｎ　＋−ＸＱ　ａｘＡ　Ｓ　＋−ＶＰ　Ｖ活
性層を含む半導体層は、連続する逆メサ形状部、垂直形
状部。

順メサ形状部とからなるメサストライプに形成されてい
る。その結果、従来のくびれ部が解消され、活性層を逆
メサ形状部の垂直形状部との接続部近傍に位置させるこ
とによって、活性層の幅を制御しやすい垂直形状部の幅
にほぼ一致させることが可能となる。

［実施例］ 以下本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

第１図は実施例の半導体レーザの断面図である。

図示するように半導体基板としてのｐ型１ｎＰ基板１１
上に同じくｐ型ＩｎＰのクラッド層１２゜Ｉｎ　Ｇａ　
Ａｓ　Ｐからなる活性層１３．ｎ型１ｎＰのクラッド層
１４が積層されている。積層されたクラッドＨ１２，活
性１１３．クラッド１１４の周囲をｐ型ＩｎＰ埋込層１
５とｎ型ＩｎＰ埋込層１６とｐ型１ｎＰ埋込層１７とで
覆っている。そして、両側に電極１８．１９が取付けら
れている。

このような構造において、クラッドＭ１４と活性［１１
３とで逆メサ形状部２０を形成し、クラッド層１２とｐ
型ＩｎＰ基板１１の上端部とで垂直形状部２１を形成し
、ｐ型ＩｎＰ基板の上部で順メサ形状部２２を形成して
いる。そして、逆メサ形状部２０．垂直形状部２１およ
び順メサ形状部２２の各埋込層１７．１６．１５と接す
る面はそれぞれ（１１１）Ａ面、（０１〒）面、（１１
１）Ｂ面となる。

また、第１図に示す半導体レーザは例えば第２図に示す
ような手順で製造される。

まず、第２図（ａ）に示すように、Ｚｎを不純物（キャ
リア濃度　５×１０　α°３）とする（１００）面のｎ
型１ｎＰ基板１１上に同じ＜Ｚｎを不純物（キャリア濃
度　２Ｘ１０　α°３）とする厚さ２．０譚のｐ型Ｉｎ
Ｐのクラッド１１２．２ｎを不純物（キャリア濃度　２
Ｘ１０ｎ”３）とする厚さ０．１ｓ１７）ｎ型Ｔ　ｎ　
＋−ｘＧａｘＡｓ　ｔ−ｙｐ　ｙの活性Ｉ！１３゜Ｓｎ
を不純物（キャリア濃度　７Ｘ１０ｆｆ°３）とする厚
さ２．０譚のｎ型１ｎＰのクラッド層１４を通常の液相
エピタキシャル成長法により上記各寸法に順次成長させ
る。そして、多層膜構造ウェハーを得る。但し、Ｏ≦Ｘ
≦０．４７．　Ｏ≦ｙ≦１である。

次に第２図（ｂ）に示すようにｎ型１ｎＰのクラッド層
１４の上に（０１１）方向に平行にストライブ形成用パ
ターン位置に、絶縁層２３として酸化シリコン（８１０
２）又は窒化シリコン（Ｓｔ　３　Ｎ４　）を帯状に形
成する。その後第２図（Ｃ）に示すように、第１のエツ
チング液としてブロム−メタノール液（Ｂｒ　２−ＣＨ
３０Ｈ）　で活性層１３を越えてわずかにｎ型１ｎＰの
クラッド層１２に達するまでエツチングを行ない、逆メ
サ形状部２０（（１１１）Ａ面）を形成する。

次に第２図（ｄ）に示すように、第２のエツチング液と
して塩酸溶液（ＨＣＩ　　：　Ｈ２０−４：　１　）を
用いて例えば室温で３５秒間程度、ｎ型１ｎＰ基板１１
の中間位置までエツチングする。すると図示するように
、クラッド層１２とｎ型１ｎＰ基板１１部に垂直形状部
２１（（０１ｊ）面）および順メサ形状部２２　（（１
１１）　Ｂ面）が形成される。

そして、最終的に上から下へ逆メサ形状部２０゜垂直形
状部２１．順メサ形状部２２が連続するメサストライプ
が得られる。なお、垂直形状部２１の高さは約２．０譚
である。

次に第２図（ｅ）に示すように、上記メサストライプの
周囲を埋込むために、第１の埋込層として過飽和温度１
２℃でＺｎを不純物（キャリア濃度　２×１０　α“３
）とするｐ型１ｎＰ埋込層１５をエピタキシャル成長法
で成長させる。この場合、ｐ型１ｎＰ埋込層１５の上端
をメサストライプの垂直形状部２１の中間部よりやや上
部に位置させる。次にこの第１の埋込層１５の次に第２
の埋込層としてＳｎを不純物（キャリア濃度　１ｘｌＯ
”Ｇ°３）とするｎ型１ｎＰ埋込層１６を二相融液法で
成長させる。この場合、ｎ型１ｎＰ埋込居１６の上端を
垂直形状部２１の活性層１３の直下とする。最後に第３
の埋込層として７ｎを不純物（キャリア濃度　’ｌ　ｘ
ｌｏ　　ｃｍ’　）とするｐ型１ｎＰ埋込層１７を絶縁
！Ｉ２３の高さまで過飽和温度１２℃で成長させる。

その後、第２図（ｆ）に示すように、絶縁層２３を除去
し、ｎ型ＩｎＰのクラッド層１４及びｎ型１ｎＰ埋込！
ｉ１７の表面にＡｌｌ　−Ｇｅ　−Ｎｉを蒸着してｎ側
の電極１８を形成し、ｐ型ＩｎＰ基板１１の裏面にＡｕ
−Ｚｎを蒸着してｎ側の電極１９を形成する。しかして
、第１図に示す構造の半導体レーザが得られる。

次にこのような構成の半導体レーザの電極１８゜１９間
に電圧を印加すると、電流が第１図中実線矢印で示すよ
うにｎ型１ｎＰ基板１１から順メサ形状部２２．垂直形
状部２１を通過して活性層１３へ流入する。また、実線
で示す電流の他に、図中一点鎖線矢印で示すように、ｐ
型ＩｎＰ基板１１からｐ型１ｎＰ埋込層１５を経由する
電流も活性層１３へ流入する。したがって、活性１１１
３はこれ等の電流によって励起される。

この場合、活性層１３の幅Ｗは垂直形状部２１の幅Ｗと
ほぼ等しくなる。すなわち、活性層１３の幅Ｗと垂直形
状部分２１の幅Ｗとの間の寸法関係は、第８図に示した
従来の半導体レーザの活性層３の幅Ｗとくびれ部の幅ｄ
との間の寸法関係に比較して大幅に改良される。したが
って、たとえ活性層１３の幅Ｗを狭くしてもこの幅Ｗよ
り狭いくびれ部の＠ｄが存在しないために、電流路の幅
が制限されることがないので、直列抵抗が大幅に上昇す
ることはない。加えて電流はｐ型１ｎＰ埋込層１５にも
流れるため、さらに直列抵抗は低下する。その結果、高
出力を維持したままで、活性層１３の幅Ｗを狭くするこ
とによって、レーザ光線の発振モードの安定化と低しき
い値電流化が可能となる。

第３図および第４図は第１図に示した実施例の半導体レ
ーザの特性図であり、第８図に示した従来構造の半導体
レーザとの比較で示す。但し、実施例構造および従来構
造の半導体レーザの活性層１３．３の幅Ｗを共に１．５
声とした場合を示す。

この場合、実施例構造における垂直形状部２１の幅Ｗは
１．５譚であるのに対して、従来構造におけるくびれ部
の幅ｄは０．５譚である。第３図から明らかなように、
実施例構造においては、くびれ部が存在しないために、
垂直方向の抵抗が少ないので、電流増加に対して電圧上
昇が少なく、対電圧特性に優れていることが理解できる
。

さらに、第４図においても、同一電流値に対してレーザ
光線の出力を増大できることが理解できる。

また、垂直形状部２１の幅Ｗと活性！１３の幅Ｗとはほ
ぼ同じ寸法であるので、同一活性層幅Ｗを得る場合、活
性層１３の幅Ｗ制御が第８図に示した従来構造の活性層
３の幅Ｗ制御に比較して製造時における制御が容易であ
る。また、エツチング工程時における制御すべき最小幅
は第８図の従来構造においてはくびれ部の幅ｄであるの
に対して実施例においては活性１１３の幅Ｗである。し
たがって、エツチング精度により制御可能な最小幅が規
制される場合は、活性幅Ｗを従来構造に比較してより狭
く設定できる。

さらに、第５図（ａ）に示すように（１１１）８面が露
出するように順メサ形状部２２がエツチング形成されて
いるので、ｐ型１ｎＰ埋込！！１５を過飽和温度１２℃
でエピタキシャル成長させる場合に、結晶成長がスムー
スに行なわれる。その結果、順メサ形状部２２および垂
直形状部２１近傍における各埋込層１５，１６の寸法精
度を大幅に向上できる。

ちなみに、第５図（ｂ）に示すように全く順メサ形状部
を形成せずに、（ｏｌｌ）面を有する垂直形状部のみの
構造であれば、埋込層の垂直形状部における成長が早く
なりすぎて、図示するように埋込層の結晶がスムースに
成長しなくて境界面においてとぎれ部が発生する場合が
多い。

また、逆メサ形状部２０と（０１〒）面を有する垂直形
状部２１と（１１１）３面を有する順メサ形状部２２と
でメサストライプを形成するとともに、活性層１３を逆
メサ形状部２０における垂直形状部２１との接続部の真
上に位置させているので、二相融液法によるエピタキシ
ャル成長法を用いることによってｎ型１ｎＰ埋込１１１
６の先端を活性層１３の直下で止まらせることが容易で
ある。したがって、ｎ型１ｎＰ埋込層１６とｐ型１ｎＰ
埋込１！１１７との間の境界ｐｎ接合部の位置を活性層
１３の直下に形成することが可能であるので、もれ電流
をより少なくできる。

第６図（ａ）は本発明の他の実施例に係わる半導体レー
ザを示す断面図である。第１図に示す実施例の半導体レ
ーザと同一部分には膚−符号が付しである。

この実施例の半導体レーザにおいては、第１図に示すメ
サストライプを埋込む埋込層を構成するｐ型１ｎＰ基板
１１に接するｐ型１ｎＰ埋込層１５が除去され、ｎ型Ｉ
ｎＰ埋込層１６が直接ｐ型ＩｎＰ基板１１に接している
。なお、このｎ型ＩｎＰ埋込層１６の垂直形状部２１内
の上端位置は第１図の位置と同じである。したがって、
この場合の垂直形状部２１の高さは第１図の実施例の約
２／３程度の１．３５程度あれば活性層１３近傍の形状
を充分維持できる。

このような構成であると、第１図に一点鎖線矢印で示し
た電流が生じなくなるので、結果的に活性層１３の下方
位置の抵抗値が増大する。したがって、発熱等の制約の
ために大電流を流すことは不可能であるので、高出力は
望めない。しかし、一つの埋込層が省略できるので、製
造工程を簡素化できる。したがって、例えば出力を１０
ｍＷ以下で使用する場合は上述した簡素化された半導体
レーザで充分実用になる。

第６図（ｂ）は本発明のさらに別の実施例に係わる半導
体レーザを示す断面図である。この実施例においては、
第１図の実施例の半導体レーザのｎ型１ｎＰ埋込！！１
６とｐ型ＩｎＰ埋込層１７との代りに絶縁層３１を埋込
んでいる。このような構成においては、活性層１３下方
位置の直列抵抗を第１図の実施例の場合より低くできる
ので、さらに高出力が望める可能性がある。

さらに、第６図（Ｃ）に示すように、第１図に示す全部
の埋込層１５．１６．１７を一つの絶縁層３２で形成す
ることも可能である。このような構成であっても、電流
は順メサ形状部２２および垂直形状部２１を介して活性
層１３へ集められる。

なお、この場合、活性！！１３の下方の抵抗値は第６図
（ａ）の実施例と同様であるが、製造方法がより簡素化
される可能性がある。

第７図（ａ）は本発明のさらに別の実施例に係わる半導
体レーザを示す断面図である。

この実施例においては、半導体基板としてｎ型ＩｎＰ基
板４１を使用している。したがって、このｎ型１ｎＰ基
板４１上にｎ型ＩｎＰのクラッド１４２、Ｉｎ　Ｇａ　
Ａｓ　Ｐ活性層４３．ρ型１ｎＰのクラッド層４４が積
層され、その周囲をｐ型ＩｎＰ埋込層４５およびｎ型１
ｎＰ埋込Ｉ！！４６１’覆っている。なお、ｐ型１ｎＰ
のクラッド層４４と電極１８との間の接触抵抗を低下さ
せるために、このクラッド層４４と電極１８との間にＩ
ｎ　Ｇａ　Ａｒ　Ｐキャップ層４７を介挿させている。

このような構成においても、ｐ型１ｎＰ埋込層４５とｎ
型１ｎＰ埋込層４６との間でｐｎ接合面が形成されるの
で、電流は順メサ形状部および垂直形状部を介して活性
層４３へ集中される。また、第５図（ａ）（ｂ）で示し
た寸法精度上の効果も期待できる。

第７図（ｂ）は半導体基板としｎ型１ｎＰ基板４１を用
いた他の実施例の半導体レーザを示す断面図である。こ
の実施例においては、第７図（ａ）の各埋込層４５，４
６を一つの絶縁層４８で形成している。このような構成
であったとしても第６図（Ｃ）の実施例でで示した効果
が期待できる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明の半導体レーザによれば、く
びれ部を解消するように垂直形状にメサストライプを形
成している。したがって、活性層の幅を狭くできるので
、高出力を維持したままレーザ光線の発振モードの安定
化と低しきい値電流化を可能にできる。また、メサスト
ライプを垂直形状の下部で順メサ形状に形成しているの
で、埋込層の寸法精度を向上でき、製品の歩留りを大幅
に向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる半導体レーザを示す
断面図、第２図は同実施例の製造手順を示す図、第３図
および第４図は同実施例の効果を示す特性図、第５図は
同実施例の寸法精度を説明するための図、第６図は本発
明の他の実施例に係わる半導体レーザを示す断面図、第
７図は本発明のざらに別の実施例に係わる半導体レーザ
を示す断面図、第８図は従来の半導体レーザを示す断面
図である。 ｉ　ｉ　・ｐ型ＩｎＰ基板、１２　・・・ｐ型１ｎＰの
クラッド層、１３．４３・・・活性層、１４・・・ｎ型
ＩｎＰのクラッド層、１５・・・ｐ型１ｎＰ埋込層、１
６・・・ｎ型１ｎＰ埋込層、１７・・・ｐ型ＩｎＰ埋込
層、１８．１９・・・電極、２０・・・逆メサ形状部、
２１・・・垂直形状部、２２・・・順メサ形状部、２３
・・・絶縁層、３１．３２．４８・・・絶縁層、４１・
・・ｎ型１ｎＰ−基板、４４・・・キャップ層、Ｗ・・
・活性層幅、ｄ・・・くびれ部の幅。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 （ａ）　　　　　　　　　（ｂ）　　　　　　　　　（
ｃ）第２図 第３図 第４図 （ａ）　　　　　　　　　　　　　　　（ｂ）第７図 箔８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体基板上に少なくともＩｎ＿１＿−＿ｘＧａ＿ｘＡ
   ｓ＿１＿−＿ｙＰ＿ｙ活性層を含む半導体層を積層させ
   た多層膜構造ウェハーの少なくとも前記活性層を含む半
   導体層にメサストライプを形成し、このメサストライプ
   を埋込むように形成された埋込層を有する半導体レーザ
   において； 前記メサストライプは連続する逆メサ形状部と垂直形状
   部と順メサ形状部とで形成されたことを特徴とすとる半
   導体レーザ。