JPS6355875B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、光通信、光計測及び光情報処理の分
野で重要な役目を果たす半導体発光装置、特に半
導体レーザの製造方法に関するものである。

従来、半導体レーザの動作電流の低減化と動作
特性の安定化のために、各種の構造のストライプ
型レーザが考えられている。これらのストライプ
型レーザは、電流を発光領域にのみ有効に注入す
るための電流制御機構と、誘電体導波作用による
発振横モードの安定化の為の屈折率導波機構とを
基本的に具えている。第１図は従来のストライプ
型半導体レーザの一例を示す図である。第１図に
おいて、結晶成長の前にGaAs基板１に幅５〜
7μmのストライプ状の溝７を形成し、その後ｎ型
AlGaAs層２、活性層となるｎ型AlGaAs層３、
ｐ型AlGaAs層４、ｎ型GaAs層５の各層の成長
を順次行なう。上述した構造において、AlGaAs
層２と４のバンドギヤツプの幅はAlGaAs層３の
バンドキヤツプよりも大きくなるようにAlの成
分比が決められており、いわゆるダブルヘテロ接
合構造となつている。さらに、６はｐ型のGaAs
層で印加された電流はこのGaAs層６の領域のみ
を通つて流れる。そのため、上述した構造のスト
ライプ型レーザにおいては単一横モードの発振が
得られて、安定なレーザ発振が実現される。

しかしながら、上述した構造のストライプ型レ
ーザでは、１〜５の各層は一回の結晶成長過程で
作製されるが、ｐ型GaAs層６は結晶成長後拡散
技術によりｎ型をｐ型に反転させて作製せざるを
得ないため、その製造方法は複雑である。また、
６の領域は溝の領域７に正確に対応して作製する
必要があるため、ホトリソグラフイー技術におけ
る高度のマスク合せが要求され、レーザ作製上歩
止りの低下、製作コストの上昇を招いている。さ
らに、６の電流制御領域がレーザの発光部である
活性層３より離れているため、電流が横方向に広
がり有効に溝の部分に注入されず、動作電流の低
減化が阻害される。

第２図は従来のストライプ型半導体レーザの他
の例を示す図である。第２図において、まずｎ型
（もしくはｐ型）のGaAs基板１′上に拡散技術
（もしくは結晶成長）によつてｐ型（もしくはｎ
型）のGaAs層２′を形成し、その後エツチング
を行なつてＶ字型の溝７′を形成する。ｎ型（も
しくはｐ型）のAlGaAs層３′、活性層となるｐ
型のAlGaAs層４′、ｐ型（もしくはｎ型）の
AlGaAs層５′、ｐ型（もしくはｎ型）のGaAs層
６′の各層の成長を順次基板１′上に結晶成長によ
り行なう。上述した構造は第１図の例と同じくダ
ブルヘテロ接合構造になつている。そのため、電
流はＶ溝７′の部分のみを通つて流れることにな
り、横モードの導波されている箇所と電流の注入
される箇所が一致して能率の良いレーザ発振が得
られる。

しかしながら、上述したGaAs層２′の形成に
おいては、基板１′がｎ型GaAs基板の場合には
拡散技術によりまたｐ型GaAs基板の場合には結
晶成長によりそれぞれｐ型GaAs、ｎ型GaAsを
作製し、その後にＶ溝７′のエツチング工程が必
要なため、３′〜６′各層の結晶成長の前に高度の
技術が要求される二つの工程が必要となる。上述
した拡散工程では温度、時間を精密に制御して
２′の幅を厳密に制御する必要があり、また結晶
成長工程では更に複雑な操作と制御が必要とな
る。そのためレーザ作製時の歩止まりの低下と製
作コストの上昇といつた問題は未解決のまま残る
ことになる。

本発明の目的は上述した不具合を解決し、屈折
率導波機構と電流制御機構を一回の結晶成長過程
のみで同時にレーザ内に作製する製造方法を提供
しようとするものである。

本発明の他の目的は、半導体レーザのみにとど
まらず他の半導体装置の作製プロセスの簡略化と
性能向上に利用することができる製造方法を提供
しようとするものである。

本発明は、基板に任意の形状を有する溝もしく
は突起を形成する工程と、この基板上に基板の材
料とは異なるｐ型あるいはｎ型の半導体結晶の結
晶成長を行ないその際前記溝又は突起に影響され
て基板面内での成長結晶に層厚の差を生ぜしめる
工程と、続いて結晶成長の条件を成長とは逆に結
晶がエツチングされる条件に調整して前工程で成
長した成長ウエハの全面を一様にエツチングし、
結晶のエツチングされる速度が材料の種類および
結晶方位により異なることを用いて前記成長結晶
を一様にエツチングする間に、前記成長した結晶
の厚さが薄い箇所で基板内に任意の形状の切り込
みを形成する工程と、上記の切込みを形成した構
造の上に再度同一の結晶成長過程を繰返し、この
間に複数個のｐ型およびｎ型の半導体層を形成す
る工程とより成ることを特徴とするものである。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

第３図は本発明の製造方法により作製されたス
トライプ型半導体レーザの一実施例を示す図であ
る。第３図において、１１はｎ型GaAs基板、３
２はｎ型Al_uGa_1-UAS層、１２は電流阻止層でｐ
型Al_xGa_1-xAS層、１３はクラツド層でｎ型Al_y
Ga_1-yAS層、１４は活性層でｎ型、ｐ型もしく
はドープせずに作つたAl_zGa_1-zAS層、１５はク
ラツド層でｐ型Al_sGa_1-sAS層、１６はｐ型GaAs
層である。上述した構造において、１３，１４，
１５層はダブルヘテロ接合を構成するように、
AlGaAs層１３，１５のバンドギヤツプの幅は
AlGaAs層１４よりも広くなるように構成する。
ここでは１１をｎ型GaAs層とした例を示した
が、各層のｐ，ｎを逆にすれば１１をｐ型GaAs
層としても全く同様である。

第３図に示すように電極１８，１９を設け電極
１８に正、電極１９に負の電圧を印加した場合、
Ｖ字型の溝１７以外の領域では１２，１３層の接
合面がpn接合の逆方向になつて電流の注入が阻
止され、電流は溝１７の部分のみを通つて流れ
る。Alの組成量を選択してAlGaAs層１２の屈折
率がAlGaAs層１３の屈折率よりも小さな値に、
かつAlGaAs層１３の厚さを0.5μm以下の適当な
値に設定すれば、溝１７の部分の等価的な屈折率
が周辺領域より高くなつて光が導波される。さら
に、溝１７の幅を５〜7μm以下とすれば高次モー
ドがカツトオフされた誘電体導波路とすることが
できて、発振する横モードを基本モードだけに制
限することができる。

また、ｎ型AlGaAs層３２はGaAs基板１１と
層３２の接合面にヘテロ障壁を形成するため、発
振光の一部が基板１１中に漏れることにより基板
１１に誘起される正孔がｐ型AlGaAs層１２内に
注入されるのを阻止する働きをする。AlGaAs層
１２の領域に正孔が注入されて蓄積されると、Ｖ
溝１７の両側に設けた電流制御領域の耐圧が下が
りその結果として動作電流が上がるため、特に発
振光の強度が強い場合にAlGaAs層３２の構造が
必要となる。

第４図はＶ字型の溝１７に対応した活性層１４
の中央部２０を湾曲させた場合を示しており、
AlGaAs層１３の成長時に中央部２０に対応する
部分の層厚を薄くすることによつて実現される。
第５図は活性層１４の中央部２０を完全に活性層
１４の他の部分より分離して三日月型に形成した
場合を示しており、AlGaAs層１３と活性層１４
及びその中央部２０の成長層厚や成長条件を制御
することにより実現される。この第５図で示した
実施例の場合、中央部２０より成る発光領域が広
いバンドギヤツプを有するAlGaAs内に完全に埋
め込まれているため、光の導波作用が本発明に係
る上述した実施例中最大となる。

第３〜５図に示した本発明に係るストライプ型
半導体レーザは、電流制御機構と屈折率導波機構
とを具え電流阻止層２がGaAs基板１と異なる
AlGaAs層から構成されており、更にこれらの構
造が一回の液相成長過程で作成できることを特徴
としている。以下、本発明の製造方法を図面を参
照して詳細に説明する。

第６図ａ〜ｉは第３図の実施例の作製過程を順
次示した図である。まず、第６図ａに示すように
GaAs基板上にマスク２１を設けてエツチングを
行ない、例えば第６図ｂに示すようなメサ構造部
２２を基板１１上に作製する。その後、第６図ｃ
に示すように液相エピタキシヤル成長によりｎ型
AlGaAs層３２、電流阻止層となるｐ型AlGaAs
層１２を成長させる。このとき、液相成長の性質
によりメサ構造部２２に対応するAlGaAs層１２
の中央部２３の成長層厚は他の部分より薄く成長
する。次に、As成分が未飽和であるGa＋Asの融
液に接触させるいわゆるメルトバツク法によりエ
ツチングを行なう。メルトバツク法では同じ材料
の同じ結晶軸方位に対しては同じ速度でエツチン
グが進むため、第６図ｃに示すようにメサ構造部
２２に対応するｐ型AlGaAs層１２の中央部２３
が薄くなつている場合、ある時間メルトバツクを
行なうとメサ構造部２２の上部でGaAs基板１１
が融液中に露出することになる。引き続いてメル
トバツクを行なうと、GaAs基板１１のエツチン
グされる速度はAlGaAs層１２のエツチングされ
る速度に比べて速いため、第６図ｄに示すように
メサ構造部２２が削れ始めて溝１７が形成され
る。同じ材料でも結晶方位によつてエツチングさ
れる速度が異なるため、最終的には第６図ｅに示
すようなＶ字型の溝１７が形成される。この溝１
７の形状は、ストライプマスク２１の方向を変え
ることによつて例えば台形にすることもできる。

上述したメルトバツク終了後、第６図ｆに示す
ようにｎ型AlGaAs層１３の成長を行ない溝１７
の部分をAlGaAs結晶で埋め込んで表面を平担に
し、さらに活性層となるAlGaAs層１４を成長し
て第６図ｇに示す構造にする。続いてｐ型の
AlGaAs層１５、ｐ型のGaAs層１６の成長を行
ない、電極１８，１９を取り付ければ第６図ｈに
示す構造のレーザを得ることができる。

上述した実施例においては第６図ｃの中央部１
３で示すようにメサ構造部２２の上にAlGaAs層
１２を成長させたが、成長条件を調整してメサ構
造部２２上にAlGaAs層１２を成長させないよう
にすることによつて、第６図ｄ，ｅで示すメルト
バツク過程の再現性がより向上し第６図ｈで示す
最終成品の再現性もより良好となる。また、第６
図ｅに示すようにメルトバツクは基板１１にエツ
チングされる速度の遅い結晶面が現われるまで行
なつているが、第６図ｄに示す状態でメルトバツ
クを中止して以下第６図ｆ〜ｈの過程を実施して
もよい。さらに、ここまでは第６図ｂのような形
状のメサ構造部２２から出発してレーザ構造を形
成する過程を説明したが、このメサ構造部の形状
は任意でよく例えば第６図ｉのような形状から出
発しても同様の効果がある。

第７図ａ〜ｆは本発明の他の実施例を示す図で
あり、ａにはストライプ型半導体レーザの全体の
構造をｂ〜ｆにはその作製過程を順次示してい
る。第７図ａによりその構造を説明すると、１１
はｎ型GaAs基板、２４はｎ型Al_xGa_1-xAS層、
２５，２６はｎ型Al_yGa_1-yAS層（ｐ型でも、ド
ープしていなくてもよい）、２７はｐ型Al_zGa_1-z
AS層、２８はｎ型Al_tGa_1-tAS層、１５はｐ型
Al_sGa_1-sAS層、１６はｐ型GaAs層である。本実
施例では、レーザの発光領域は三日月形状の
AlGaAs層２６であり、そのバンドギヤツプの幅
は他のAlGaAsの領域に比べて狭く、第６図ａに
示すようにバンドギヤツプ幅の広い層１５，１
６，２４，２７，２８で周囲を取り囲まれてい
る。上述した構造をとつているため、AlGaAs層
１６に注入されたキヤリアは有効にレーザ利得に
寄与し、さらに１５，２８，２７の各層はこの順
でｐ−ｎ−ｐ型で電流阻止領域として作用するた
め、電流は三日月形状のAlGaAs層２６にのみ制
限されて流れる。そのため、高効率かつ低電流の
動作に適する一種の埋め込み型レーザとして作動
する。以下、本実施例の製造方法を第７図ｂ〜ｆ
を参照して詳細に説明する。

まず、第７図ｂに示すように液相エピタキシヤ
ル成長の前に基板１１上に溝２９を作製し、ｎ型
AlGaAs層３０を第７図ｃに示すように結晶成長
させる。このときAlGaAs層３０の成長時間を適
切に設定すると、溝２９に対応するAlGaAs層３
０の中央部２４を第７図ｄに示すように他の部分
より厚く、くぼんだ形状に作製できる。次にメル
トバツクを行なうと、基板１１とAlGaAs層３
０，２４とのエツチングされる速度の差により、
くぼんだ中央部２４を上部とするメサ構造部３１
が形成される。さらに、ｎ型AlGaAs層を結晶成
長させることにより、第７図ｅに示すように
AlGaAs層２５と中央部２４のくぼみに活性領域
となるAlGaAs層２６を形成する。その後、ｐ型
AlGaAs層２７、ｎ型AlGaAs層２８さらにｐ型
AlGaAs層１５，１６を結晶成長により形成し、
電極１８，１９を取り付けることにより第７図ａ
に示す構造のレーザを得ることができる。上述し
た実施例において、もしメサ構造の上部が平担で
かつその幅が２〜3μm程度に狭くなるとこの部分
における結晶の成長速度が異常に遅くなるため、
この状態でその部分の成長層厚を0.1〜0.2μm程度
にすべく成長時間を長くすると、AlGaAs層２５
の部分が厚く成長して第７図ｅに示すように２５
と２６の各層を分離して成長させることが難しく
なる。

以上ここではAl_xGa_1-xAS系、GaAs系を例と
して本発明の製造方法を説明したが、材料として
はこれらに限られず例えばGaAsを基板として
AlGaInP、GaInAsP等の材料を用いても本発明
の製造方法を利用できる。また結晶成長法として
は液相エピタキシヤル成長法を例にとつて説明し
ているが、これは気相成長法でもよく成長条件の
調整によりガスエツチングを起こさせてもよいし
積極的にエツチングのためのガスを流して行なつ
てもよい。さらに、溝もしくは突起のパターンが
基板の一次元方向に同じである例を示したが、基
板の面内で２次元的なパターンとしてもよい。

上述したところから明らかなように、本発明の
半導体装置の製造方法によれば、従来の方法では
ストライプ型レーザの構造は発振横モードの単一
化により動作特性の安定化を実現するための屈折
率導波機構と動作電流の低減化のための電流制御
機構を互いに別の作製プロセスを用いて作製して
いるのに対し、ストライプ型半導体レーザを一回
の液相エピタキシヤル成長によつて作製でき、レ
ーザの作製過程から精密な制御や複雑な操作を伴
なう拡散または結晶成長の一つの過程を取り除く
ことができ、歩止りの向上や製作コストの低下の
ために有効である。

また、本発明の製造方法によれば、第３〜５図
に示すように発振横モードが導波される領域２０
と電流が流れる領域１７とが結晶成長の段階で特
別な調整をしなくても自動的に一致して形成でき
るため、第１図に示す従来例のように６の構造を
７の構造に空間的に重ね合わせるためのホトリソ
グラフイーを用いた微細なマスク合わせの技術を
必要としない。さらに、電流阻止層１２が活性層
１４と極めて近い距離に形成できるため、発振領
域２０に有効に電流を注入することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は従来のストライプ型半導
体レーザの一実施例を示す斜視図、第３図〜第５
図は本発明の製造方法により作製されたストライ
プ型半導体レーザの一実施例を示す斜視図、第６
図ａ〜ｉは第３図に示した実施例の作製過程を順
次示した断面図、第７図ａ〜ｆは本発明の他の実
施例の作製過程を順次示した断面図である。 １１……ｎ型GaAs基板、１２……ｐ型Al_x
Ga_1-xAS層、１３……ｎ型Al_yGa_1-yAS層、１４
……Al_zGa_1-zAS層、１５……ｐ型Al_sGa_1-sAS
層、１６……ｐ型GaAs層、１７……溝、１８，
１９……電極、２１……マスク、２２……メサ構
造部、２４……ｎ型Al_xGa_1-xAS層、２５，２６
……Al_yGa_1-yAS層、２７……ｐ型Al_zGa_1-zAS
層、２８……ｎ型Al_tGa_1-tAS層、２９……溝、
３０……ｎ型AlGaAs層、３１……メサ構造部、
３２……ｎ型Al_uGa_1-UAS層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板に任意の形状を有する溝もしくは突起を
   形成する工程と、この基板上に基板の材料とは異
   なるｐ型あるいはｎ型の半導体結晶の結晶成長を
   行ないその際前記溝又は突起に影響されて基板面
   内での成長結晶に層厚の差を生ぜしめる工程と、
   続いて結晶成長の条件を成長とは逆に結晶がエツ
   チングされる条件に調整して前工程で成長した成
   長ウエハの全面を一様にエツチングし、結晶のエ
   ツチングされる速度が材料の種類および結晶方位
   により異なることを用いて前記成長結晶を一様に
   エツチングする間に、前記成長した結晶の厚さが
   薄い箇所で基板内に任意の形状の切り込みを形成
   する工程と、上記の切込みを形成した構造の上に
   再度同一の結晶成長過程を繰返し、この間に複数
   個のｐ型およびｎ型の半導体層を形成する工程と
   より成ることを特徴とする半導体装置の製造方
   法。 ２ 前記基板内の切り込みの形状がＶ字型の溝で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の半導体装置の製造方法。 ３ 基板に任意の形状を有する溝を形成し、この
   基板上に基板の材料とは異なるｐ型あるいはｎ型
   の半導体結晶の結晶成長を行ない、これを一様に
   エツチングし前記結晶成長部と基板とのエツチン
   グ速度の差を利用し中央に形成された層厚の大き
   い三ケ月形の成長結晶部分を残して基板に切込み
   を形成してメサ構造を造り、このメサ構造の上に
   再度同一の結晶成長過程を繰返し、この間に複数
   個のｐ型およびｎ型の半導体層を形成することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体装
   置の製造方法。