JPS63228694A - 半導体発光素子及びその製造方法 - 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
及び端面発光ダイオードなどの半導体発光素子およびそ
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は、高
速変調が可能で、かつ高い効率で発振することが必要で
ある。更に、実用化の進展に伴い、高い歩留りて多量の
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
要請されている。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要請
を満足した半導体レーザについて説明する。

従来製作された典型的な半導体レーザは、２重溝平面埋
込み形半導体レーザ（１）ｏｕｂｌｅ　Ｃｈａｎｎｅｌ
Ｐｌａｎｎｅｒ　［１ｕｒｉｅｄ　Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒ
ｕｃｕｒｅ　Ｌａ５ｅｒ　Ｄｉｏｄｅ　：以下ＤＣ−Ｐ
ＢＨ−ＬＤという）であり、雑誌ｒジャーナル・オブ・
ライトウエーフ・テクノロジー　（Ｊｏｕｒｎａｌｅ　
　ｏｆ　　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　　Ｔｅｃｈｎｏｌｏ３
ｙ）」　。

ＬＴ−１巻、１９８３年３月号、１９５頁〜２０２頁に
詳述されている。

この半導体レーザは、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ｐ　ｎ　ｐ　ＩＩ接合を形成し電流をｎｐの逆接合に
より素子している。その構造に代表される。ｎｐ逆接合
による電流素子構造は非常に良い電流素子効果を発揮す
るので、５０％を越える高い効率で発振する。又、製造
工程を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１０ρＦ？以上の静電容量を有するために、４　
Ｇ　ｂ　／　ｓを越える高速で変調することが足しかっ
た。

次に、この半導体レーザの欠点を克服して考案された半
導体レーザについて説明する。この半導体レーザは雑誌
「エレクトロニクス・レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
ｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）４．２１巻、１３号、５７７頁〜
５７８頁、（１９８５）に記載の気相再成長埋込み型と
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１５ＧＨｚ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。こ
の半導体レーザを単−横モードで発振させるためには、
活性層幅を１〜２μｍ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、下に向かって広がる台形状となる。そ
のな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
が、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
留りでかつ大旦に生産するには不向きな半導体レーザで
あった。

半導体レーザと同様に発光ダイオードも光フアイバ通信
用の光源として実用化が始まっている。

端面方向から光を取りす端面発光ダイオードは、面方向
に光を取り出す面発光ダイオードと比べて高い光出力が
得られ、又、単一モード光ファイバとの結合効率も高い
ことから数Ｋｍ〜数１０Ｋｍの長さの光通信用光源とし
て応用が期待されている。

端面発光ダイオードは、共振器を形成せずに発振させな
い点が半導体レーザと異なっているが、その構造は、基
本的には半導体レーザと殆んど同じである。従って半導
体レーザで上述した問題点が端面発光ダイオードに於い
ても共通に存在していた。

本発明の目的は、高速変調が可能でかつ高い効率で発振
・発光を生じかつその構造が生産性の高い方法で製造で
きる半導体発光素子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〕

第１の発明の半導体発光素子は、第１の導電形の半導体
基板上に第１のエピタキシャル成長層と結晶積層体とを
有し、その第１のエピタキシャル成長層は前記基板の表
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り、前記結晶積層
体は、前記第１のエピタキシャル成長層の下側の境界面
を付きぬける深さの溝の上に、第１の導電形の第２のエ
ピタキシャル成長層と発光用の活性層である第３のエピ
タキシャル成長層と第２の導電形の第４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。

第２の発明の半導体素子の製造方法は、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を気相成長法を用い
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
体マスクを設け、このストライプ状の窓の部分の前記第
１のエピタキシャル成長層表面からこの第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、前記溝の中に第
１の導電形の第２のエピタキシャル成長層と発光用の活
性層となる第３のエピタキシャル成長層と第２の導電形
の第４のエピタキシャル成長層とからなる結晶積層体を
前記誘電体マスクを用いて気相成長法によって選択的に
形成する第３の工程と、前記誘電体マスクを用いて前記
結晶積層体上に自己整合的に電流注入用電極を形成する
第４の工程とを含むことを特徴とする。

〔作用〕

第１の発明による半導体発光素子は、高い効率で発振ま
たは、発光を生じ、高速で変調が可能であり、さらに第
２の発明の生産性の高い製造方法でその半導体発光素子
が得られる。以下に、本発明による半導体発光素子が上
記特徴を有する理由を説明する。

高い効率で発振または発光を生ずる理由は、活性層の両
側の第１のエピタキシャル成長層が高抵抗電流狭窄層と
して働き、電流は全て活性層に注入されるためである。

そこで、半導体レーザとしては非常に高い効率で発振が
生じ、又、端面発光ダイオードとしては高い発光効率が
得られる。高速で変調が可能である理由は、この半導体
レーザが電流素子層にｐｎ接合を用いないため、容量が
非常に小さく、従って高速で変調することが可能となる
。

第２の発明の製造方法は、製造するものが第１の発明に
なる半導体発光素子であり、その半導体発光素子の構造
において、第１のエピタキシャル成長層と結晶積層体の
各層との相対的位置精度が比較的ゆるやかであり、第１
のエピタキシャル成長層と結晶積層体とは生産性の高い
気相成長法で製造され、従来の量産性低下の原因となっ
ていた活性層を選択的にサイドエツチングする工程が含
まれない、又、同一の誘電体マスクによって、結晶積層
体の選択形成と、その上への電極の自己整合的な形成が
成されるので、マスクの目合せ工程が簡単化され、生産
性が向上される。

〔実施例〕

以下本発明について図面を参照して詳しく説明する。

第１図は第１の発明の一実施例の断面図、第２図（ａ）
〜（ｃ）は第２の発明を工程順に説明する断面図である
。ｎ形ＩｎＰ半導体基板１１上に、深い不純物準位を形
成する鉄を含む高抵抗ＩｎＰ電流狭窄層１２を成長しく
第２図（ａ））、この高抵抗ＩｎＰ電流狭窄層１２を第
１のエピタキシャル成長層と呼ぶ０次に、第１のエピタ
キシャル成長層の表面から、ｎ形１ｎＰ半導体基板１１
に迄突きぬける深さのＶ字形の溝２２をエッチングで形
成する。この溝２２の形成には、ストライプ状に開孔し
た誘電体マスク２１が用いられる（第２図（ｂ））。こ
のマスクは、結晶積層体を溝内に選択的に形成する第３
の工程の際のマスクとしてそのまま用いる。この結晶積
層体は、第２のエピタキシャル成長層であるｎ−ＩｎＰ
クラッド層１層上３第３のエピタキシャル成長層である
Ｉ　ｎＧａＡｓ活性層１４と、第４のエピタキシャル成
長層であるｐ−ＩｎＰクラッド層１５と、第５のエピタ
キシャル成長層であるｐ−Ｉ　ｎＰＧａＡｓＰコンタク
ト層１６とからなる。これらのエピタキシャル成長層の
形成は、気相成長法により行なったものである（第２図
（Ｃ））。

この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。また、結晶積層体も同様に気
相成長法によってハイドライヤやタロライド気相成長法
を用いると、面方向の違いによる成長速度の違いが生じ
、適当な条件でエツチング溝上に成長すると、活性層１
４は滑らかな形状の下方に凸形なる三日月状に形成され
る。高抵抗電流狭窄層１２によって、電流はエッチ〉・
グ溝上に閉じ込められ、レーザ発振に必要な電流の小さ
い半導体レーザが完成した。

本実施例では、ｎ形半導体基板１１として錫（Ｓｎ）ド
ープＩｎＰ基板、高抵抗電流狭窄層１２として厚み３μ
ｍの鉄（Ｆｅ）ドープＩｎＰ層、７字形の溝の開口部の
幅として４μｍ、ｎ形のクラッド層１３として厚み０．
５μｍのＳｎドープＩｎＰ層、活性層１４として厚み０
．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ層（＾ｇ＝１．１５μｍ）層
をそれぞれ用いた。また、ｐ側電極１７には金−亜鉛、
ｎ側電極１８には金−錫を用いて第１図の半導体レーザ
が得られた。

この実施例では、基板にｎ形ＩｎＰを用いたが、Ｐ形Ｉ
ｎＰ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。

本実施例では、ＩｎＰ−１ｎＧａＡｓＰ系材料が用いら
れたが、この材料系に限定されず、ＧａＡｓ−Ａｌ！Ｇ
ａＡｓ等の他の半導体材料系にも適用可能なことは明ら
かである。

本実施例では、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、第２の本発明の半導体レーザの製造方法の一実施
例について説明する。第２図（ａ）はｎ形半導体基板１
１上に、高抵抗電流狭窄層１２とｎ形電極狭窄層からな
る第１のエピタキシャル成長層を気相成長法で形成する
第１の工程を示し、高抵抗電流狭窄層１２は鉄を混入し
たＩｎ金属を原料として用いた気相成長法で形成する。

この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１．０ＸＩＯ８Ω・口と電流狭
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、かつ気相の成長
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°Ｃ１水素ガス流ｉ　（２５００
ｃ　ｃ　／分）、Ｉｎと反応させるＨＣ１ガス流量（６
ｃｃ／分）、フォスフインガス流量（６ｃｃ／分）とし
た。

次に、第２の工程は、第２図（ｂ）に示すように第１の
エピタキシャル成長層のｎ形電流狭窄層１２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７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
、底面が７字形のエツチング溝２２の上に、第２のエピ
タキシャル成長層であるｎ形りラッド層１３と、第３の
エピタキシャル成長層である活性層１４と、第４のエピ
タキシャル成長層であるｐ形りラッド層１５と、第５の
エピタキシャル成長層であるコンタクト層１６とからな
る結晶積層体を気相成長法で選択的にエピタキシャル成
長した。このときの気相成長法の上面は、第１の工程の
場合とは同じであった０次に、第４の工程として酸化シ
リコンマスク２１をそのまま用いて、第１図に示すよう
にｐ側電極１７を結晶積層体上に自己整合的に形成した
。

本実施例では、基板にｎ形ＩｎＰを用いたが、ｐ形Ｉｎ
Ｐを用いてもよく、その場合は他の層の導電形の総て逆
になる。

これらの実施例は、全て半導体レーザに関するものであ
ったが、共振器を形成せずに発振を抑えた場合、端面発
光ダイオードに適用できることは明らかである。

〔発明の効果〕

以上詳細に述べたように、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て高速変調が可能になり、
かつ工程高電流阻止層により漏れ電流が低減されるため
に高い効率で発振または発生を生じ、かつその構造にお
いて第１のエピタキシャル成長層と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
エピタキシャル成長層と結晶積層体が生産性の高い気相
成長法で製造されることから、量産に適した半導体発光
素子が得られ、さらに高速変調が可能で高い効率で発振
または発光する半導体発光素子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）は第２の発明の一実施例を工程順
に説明する断面図である。 １１・・・ｎ型ＩｎＰ半導体基板、１２・・・高抵抗Ｉ
ｎＰ電流狭窄層、１３・・・ｎ−ＩｎＰクラッド層、１
４・・・ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、１７・・・ｐ側
電極、１８・・・ｎ側電極、２１・・・誘電体マスク、
２２・・・溝。 茶　２　Ｍ

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のエピタキシ
   ャル成長層と結晶積層体とを有し、その第１のエピタキ
   シャル成長層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
   導体からなり、前記結晶積層体は、前記第１のエピタキ
   シャル成長層の下側の境界面を付きぬける深さの溝の上
   に、第１の導電形の第２のエピタキシャル成長層と発光
   用の活性層である第３のエピタキシャル成長層と第２の
   導電形の第４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発光
   素子。
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
   層を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設け、このストライプ
   状の窓の部分の前記第１のエピタキシャル成長層表面か
   らこの第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２のエピタキシャ
   ル成長層と発光用の活性層となる第３のエピタキシャル
   成長層と第２の導電形の第４のエピタキシャル成長層と
   からなる結晶積層体を前記誘電体マスクを用いて気相成
   長法によって選択的に形成する第３の工程と、前記誘電
   体マスクを用いて前記結晶積層体上に自己整合的に電流
   注入用電極を形成する第４の工程とを含むことを特徴と
   する半導体発光素子の製造方法。