JPH01162393A - 半導体発光装置の製造方法 - 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】 〔概　要〕 特に、ＤＨ型レーザーダイオード等の半導体発光装置の
製造方法に関し、 活性層の成長制御性を改善し、製品の歩留りを向上させ
ることを目的とし、 結晶成長面が（１００）面より僅かに傾斜してなるイン
ジウムリン（ＩｎＰ）半導体基板を準備し、該半導体基
板上に溝を形成する工程と、液相エピタキシャル成長法
により、クラッド層と、該クラッド層に隣接する活性層
を、該半導体基板上と該溝の内部とに各々分離して順次
成長する工程と、を含んで構成している。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、半導体発光装置の製造方法に関し、特に、ダ
ブルへテロ（Ｄ　Ｈ）型レーザーダイオード等の半導体
発光装置の製造方法に関する。

近時、オプトエレクトロニクス（ｏｐｔｏ−ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎｉｃｓ）の応用分野は、通信をはじめとして一般
事務機器の分野や、医療用機器の分野などに多様な拡が
りをみせている。

特に、通信の分野では在来のケーブル通信網から光ファ
イバーによる通信網へと逐次更新がなされており、極め
て遠距離の例えば国際間に敷設された海底光ケーブルも
実現している。このため、光中継器に用いられる発光デ
バイスには、コヒーレントな光を高いレベルで出力し、
かつ、長寿命なことが要求される。

一般に、インジウムリン（ＩｎＰ）のｐｎ接合をこ電流
を流すことにより得られるレーザー光は、はぼ単一のス
ペクトル成分からなる極めてコヒーレント性の高い光で
あり、上述の通信網等に適用して最適な光源となる。

第３図はダブルへテロ（Ｄ　Ｈ）型レーザダイオード（
Ｌ　Ｄ　：　１ａｓｅｒ　ｄｉｏｄｅ）の基本的な構造
を示す図である。第３図において、順方向バイアスで注
入励起状態の電子（図中黒丸）は活性層内で正孔（図中
白丸）と再結合し、入射した光の位相と同位相、かつ光
の強さに比例した確率で同じ周波数の光（レーザー光）
を放出（誘導放出）し、発光・増幅する。さらに、この
増幅作用に加えて光に帰還作用をもたせるには、半導体
結晶のへき開面を利用した反射鏡により光の閉じ込めを
行う。

ＬＤは、変調周波数をＬＥＤ　（発光ダイオードｌｉｇ
ｈｔ　ｅｍｉｔｔｉｎｇ　ｄｉｏｄｅ）よりも大きくで
き、コヒーレント性と出力パワーに優れているが、温度
特性や反射光による発光不安定性に難点があった。

〔従来の技術〕

第４図はこのような難点を解決すべく製造されたＬＤの
例を示す構造図である。

半導体レーザーダイオード１は以下の工程で製造される
。すなわち、ミラー指数（１００）面のＩｎＰ基板２上
に、電流狭窄層３を液相エピタキシャル（Ｌ　Ｐ　Ｅ）
法によって成長させた後、〈０１１）方向（紙面に垂直
であり、かつ紙面の表から裏に抜ける方向）にフォトリ
ソブラフィ技術と化学薬品によるエツチングにより（１
１１）面が表出されたｖ字溝４を形成する工程と、この
工程の後に、Ａ層５．８層６．０層７、コンタクト層８
を順次成長させて積層する工程と、コンタクト層８およ
び基板２のそれぞれに電極（図示せず）を形成する工程
と、を含むプロセスを経て製造される。

その結果、Ａ層５および８層６がＶ字溝４の（１１１）
面に沿って分離され、Ｖ字溝４内に独立した下側クラッ
ド層（すなわち、Ａ層）９や活性層（すなわち、Ｂ層）
１０が形成されるとともに、活性層１０に接して上側ク
ラッド層（すなわち、０層）１１が形成されるが、この
ように、Ｖ字溝４内に下側クラッド層９や活性層１０を
独立して形成するためには、Ｖ字溝４の内部（以下、凹
部という）とＶ字溝４から出た電流狭窄層３表面上の平
坦部（以下、単に平坦部という）における結晶の成長速
度に差をもたせる必要がある。すなわち、凹部と平坦部
における成長速度が共に等しいと、第５図に示すように
両者に形成された膜が連続してしまい、回内に独立した
膜が得られなくなる。

ところで、一般に曲率をもつ固−液界面の場合、固相側
から見た界面での平衡温度Ｔ１は、表面張力（Ｃａｐｉ
　ｌ　Ｉａｒｙ）の効果から、次式■に従って求められ
る。

Ｔ、＝Ｔｅ＋ＴｅｒＫ　　＋＋＋＋■ 但し、ｒ　：　ｒ　ＬＳ／　Ｌ Ｔｅ：液相の平衡温度（平坦な界面に対する平衡温度） ｒＬｓ：固−液界面の表面張力 り二単位質量あたりの潜熱 に：界面の曲率 この式を上述の凹部および平坦部にあてはめてみた場合
、平坦部ではに＝ＯであるからＴ、　＝Ｔｅとなり、凹
部ではＫ＜ＯであるからＴ　ｒ　＝　Ｔ　ｅ−α（但し
、α−ＴｅｒＫ）となる。また、凹部と平坦部の境の肩
（以下、凸部という）では、Ｋ〉０であるからＴ、＝Ｔ
ｅ＋αとなる。すなわち、Ｔ１は凹部で最も低く、平坦
になるに従って上昇するような温度特性を示す。したが
って、ＬＰＥ法における溶液の過飽和度を用いた核生成
は、過飽和度がその場所におけるＴ、に比例するから、
凹部での核生成は他の平坦部や凸部よりも比較的低温下
で促進されることとなり、その結果、凹部における結晶
の成長速度が速められ、第４図に示す下側クラッド層９
や活性層１０をｖ字溝４内に独立して形成することがで
きる。なお、このような成長面の形状による溶液の過飽
和度に応じた成長速度ｒ０は、次式■のように示される
。

ｒｏ　＝ｒ、±ｒ２　・・・・・・■ 但し、ｒ、：凹凸部での成長速度 （凹部正符号、凸部負荷量） ｒ２　；幾何学的な形状による成長速度（平坦部Ｏ） 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、このような従来の半導体発光装置の製造
方法にあっては、結晶成長面の形状と溶液の過飽和度に
ほぼ依存してＶ字溝４内に下側クラッド層９や活性層１
０を成長させていたため、比較的に制御性が悪く、以下
に述べる理由から場合によっては、所望の形状で下側ク
ラッド層９や活性層１０を形成できないといった問題点
があった。

その結果、例えば無効電流が発生して出力パワーの低下
を招き、あるいは室温で正常なパワーが得られでも、無
効電流による自発熱により高温域でパワーダウンを生じ
るといった発光特性の劣化を招き、歩留りが悪化する問
題点があった。

すなわち、溶液から結晶核を析出させて２次元核生成を
起こすには、ある程度の大きさ以上の過飽和度を必要と
するが、過飽和度を高めていくと、前０式のｒｌが大き
くなってｒ２の効果、すなわち、凹部におけるＴ、の低
温化による核生成の促進効果が薄れてしまう。

したがって、このような理由から過飽和度には一定の上
限が課せられるので、凹部と平坦部での結晶膜厚の制御
性が悪化し、場合によっては、第６図に示すように下側
クラッド層９表面の曲率が大きくなって、その上に形成
される活性ＪｉｌＯの膜厚が影響を受け、下側クラッド
層９と上側クラッド層１１が接触してその接触面のｐｎ
接合を通して無効電流ｉｘが流れたり、また、第７図に
示すように下側クラッド層９がＶ字溝４内と平坦部で連
続して下側クラッド層９と上側クラッド層１１が接触し
、その接触面のｐｎ接合を通して無効電流ｉＸが流れる
といった不具合を発生する。

あるいは、仮に溶液の過飽和度を小さくすると、溶液か
らの結晶核の析出が減少して、特に第８図に示すように
平坦部において結晶の成長が行われない欠陥部を生じて
しまい、この欠陥部を介して無効電流ｉｘが流れるとい
った不具合を発生する。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、
所定のミラー指数の面から僅かに傾斜した面を有する基
板上に各層を成長させることにより、平坦部における結
晶の成長速度を遅くし、要求される溝内の結晶の成長速
度に応じて溶液の過飽和度を最適なものに設定できるよ
うにして活性層の成長制御性を改善し、製品の歩留りを
向上させることを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明では、上記目的を達成するために、結晶成長面が
（１００）面より僅かに傾斜してなるインジウムリン（
ＩｎＰ）半導体基板を準備し、該半導体基板上に溝を形
成する工程と、液相エピタキシャル成長法により、クラ
ッド層と、該クラッド層に隣接する活性層を、該半導体
基板上と政情の内部とに各々分離して順次成長する工程
と、を含んで構成している。

〔作　用〕

本発明では、平坦部の結晶表面に基板の面傾斜に応じた
波状段差が現われ、平坦部の実効面積が拡大される。

したがって、結晶の成長速度は溶液から析出された結晶
核を取り込む種子結晶の表面積に反比例するから、この
場合、平坦部における成長速度が遅くなり、一方、溝内
の成長速度は過飽和度に依存して決定される。

その結果、過飽和度を適切に設定して溝内の活性層を所
望の形状に形成することができ、無効電流を回避して製
品の歩留りを向上させることができる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係る半導体発光装置の製造方法の一実
施例によって製造されたＤ　Ｈ型半導体レーザーダイオ
ードの構造を示す図である。

半導体レーザーダイオード２０は以下の工程で示すプロ
セスを経て製造される。

第１の工程 まず、ミラー指数（１００）面から０．１度〜０゜５度
程度に傾斜した面（以下、７面）を有するｎ−ＩｎＰか
らなる基板２１上に、ｐ−１ｎＰからなる電流狭窄層２
２をＬＰＥ法により成長させる。なお、この電流狭窄層
２２は、基板２１にｐ型の導電型を与える不純物を拡散
させることによっても形成可能である。

第２の工程 次いで、フォトリソグラフィ技術にて〈０１１〉方向の
Ｖ字溝２３を形成する。このとき、Ｖ字溝２３は電流狭
窄層２２から基板２１に達するように形成する。形成に
際しては、エツチング液としてＨｃｐ　：　Ｒ，ｐｏ４
の混液を使用するが、ＨＣｊ２　：Ｈ３Ｐ０．の混合液
を用いた場合、ＨＣｌの割合を小にするとＶ字溝２３の
形状はＶ字状ではなく、底面を有する略Ｕ字状にするこ
とができる。そして、何れの形状でも内部斜面には（１
１１）面が表出されることとなる。したがって、本発明
はＶ字溝２３の形状が略Ｕ字状であっても適用されるこ
とは言うまでもない。

策主■工租 Ｖ字溝２３の形成後、再びＬＰＥ法により、ｎ　−Ｉｎ
ＰのＡ層２４を、その上にノンドープのＩｎＧａＡｓＰ
の８層２５を、さらに、その上にｐ−’ＩｎＰの０層２
６を、その上にｐ”　−１’ｎＧａ　Ａ　ｓ　Ｐのコン
タクト層２７を、順次成長させて積層する。

第４の工程 この後、通常の技法で基板２１にｎ側オーム電極２８を
、コンタクト層２７にｐ側オーム電極２９を形成して完
成する。

上述の第３の工程において、各層の成長速度は、前０式
に示したように凹部であるＶ字溝２３の内面に接した界
面で早く、一方、凸部や平坦部では比較的に遅い。しか
し、従来のように溶液の過飽和度や界面形状のみに依存
して成長速度を律した場合、凹部とそれ以外の場所にお
ける成長速度の差が比較的に少ないので、前述したよう
な低制御性に起因した各種不具合を生じる。

これに対し、本実施例ではミラー指数（１００）面から
僅かに傾斜させた７面（例えば、０．１度〜０．５度程
度の傾斜）を有する基板２１を用い、この基板２１の７
面上に電流狭窄層２２、Ａ層２４．８層２５．０層２Ｇ
を順次液相エピタキシャル成長させている。

ここで、所定のミラー指数面から僅かに傾斜した面をも
つ基板上に、液相エピタキシャル成長させた場合、成長
層表面の模様（Ｓｕｒｆａｃｅ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇい
が波状になる現象は知られた事実であるから、第２図（
ａ）にその傾斜角が（１００）面もしくは（１００）面
に極めて近い基板を用いた場合の成長層表面断面形状を
、第２図（ｂ）にその傾斜角が（１００）面から僅かな
場合の成長層表面断面形状をそれぞれ示すように、傾斜
角が僅かな場合の（第２図（ｂ））成長層表面の表面積
は、従来よりも実効的に拡大されることとなる。

したがって、結晶の成長速度は結晶を取り込む種子結晶
の表面積、すなわち、基板２１やその上に積層される電
流狭窄層２２、Ａ層２４．８層２５の表面積に反比例す
るから、波状表面をもつ平坦部の成長速度はへき閲され
たＶ字溝２３内における成長速度よりも遅いものとなり
、従来よりも両者の成長速度差が大きくなる。

その結果、平坦部における結晶の成長速度が従来よりも
さらに遅くなるので、溶液の過飽和度を太き目に設定し
てＡ層２４や８層２５の成長操作を行うことができ、結
局、Ｖ字溝２３内部に下側クラッド層（すなわち、Ａ層
）３０と活性層（すなわち、Ｂ層）３１とをＡ層２４や
８層２５から分離独立して形成できるとともに、活性層
３１の上に上側クラッド層（すなわち、０層）３２を形
成して、これら下側クラッド層３０、活性層３１および
上側クラッド層３２を均一に、かつ制御性よく所望の形
状で形成することができる。

これにより、無効電流の発生を回避して製品特性の均一
化、高延命化を図ることができ、歩留りを改善すること
ができる。

なお、本実施例ではＶ字溝２３内に分離独立した活性層
３１を有するＤＨ型半導体レーザーダイオードを例とし
たが、これに限らず、同様の構造のものであれば他の発
光ダイオード等の発光素子であってもよい。さらに、そ
のＶ字溝２３の断面形状も、内部斜面に（１１１）面が
表出されているものであればよく、例えばＵ字形やある
いは他の形状であってもよい。

本実施例では基板２１の傾斜角を０．１度〜０．５度程
度としたが、その傾斜角の適値は、要求されるＶ字溝２
３内と平坦部との成長速度差や、コンタクト層２７とｐ
側オーム電極２９との接合性などを考慮して決定される
べきであり、例示した傾斜角に限定されるものではない
。

また、前記傾斜面はどの方向に向って傾いていても、上
述した効果を得ることが可能であり、特にその方向は限
定されるものでは無い。

〔発明の効果〕

本発明によれば、所定のミラー指数の面から僅かに傾斜
した面を有する基板上に各層を液相エピタキシャル成長
させ・ているので、平坦部における結晶成長表面積を実
効的に拡大することができ、該平坦部における結晶の成
長速度を溝内の成長速度に比して遅くすることができる
。

したがって、要求される溝内の結晶の成長速度に応じて
溶液の過飽和度を最適なものに設定することができ、溝
内に形成される活性層の制御性を改善して製品の歩留り
を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１．２図は本発明に係る半導体発光装置の製造方法の
一実施例を示す図であり、 第１図はその方法により製造された半導体レーザーダイ
オードの構造を示す図、 第２図（ａ）、（ｂ）はその波状が形成された成長層表
面の様子をそれぞれ示す図、 第３図はＤＨ型ＬＤの基本的な構造を示す図、第４図は
従来の半導体発光装置の製造方法によって製造された半
導体レーザーダイオードの構造を示す図、 第５図は溶液の過飽和度を小さくした場合の成長膜の形
成状態を説明するための図、 第６〜８図は従来の半導体発光装置の製造方法の問題点
を説明するための図である。 ２１・・・・・・基板、 ２３・・・・・・７字溝（溝）、 ３１・・・・・・活性層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 結晶成長面が（１００）面より僅かに傾斜してなるイン
   ジウムリン（ＩｎＰ）半導体基板を準備し、 該半導体基板上に溝を形成する工程と、 液相エピタキシャル成長法により、クラッド層と、該ク
   ラッド層に隣接する活性層を、該半導体基板上と該溝の
   内部とに各々分離して順次成長する工程と、を含むこと
   を特徴とする半導体発光装置の製造方法。