JPH0736461B2 - 半導体レーザ装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は回折格子構造を有する分布定数帰還型半導体レ
ーザ装置の製造方法に関するものである。

〈従来の技術〉 半導体レーザ装置の製造方法は、発振方法によってファ
ブリペロー共振型、分布定数帰還型及びブラッグ反射型
の三つに大別される。これらの半導体レーザ装置のう
ち、分布定数帰還型及びブラッグ反射型は動的単一モー
ド動作が安定で、発振波長の温度係数が小さい等の特徴
を有するが、反射のための回折格子を作る必要があり、
ファブリペロー共振型に比べて製造工程が複雑である。

第５図は公知の分布定数帰還型の半導体レーザ装置の製
造方法の概略図であって、レーザ発振を行う活性層１の
一側方（第５図においては上方）に光しみ出し層２を挟
んで回折格子３が設けられており、光しみ出し層２にし
み出した光（活性層１へ供給された電子が導電帯から荷
電子帯へ遷移する際に放出されるエネルギーによって生
ずる超高速波数の電磁波）が回折格子３により周期的に
反射され、定在波となって発振する。形成する回折格子
の周期（ピッチ）ｄは発振波長をλ、屈折率をｎとする
と、 で表わされる（なお、ｍは定数であり、通常１或いは３
である）。

前記した半導体レーザ装置の製造方法では、発振波長λ
は通常1.5μｍ以下であり、GaAs系レーザ装置では0.85
μｍ程度である。したがって、屈折率ｎを3.5とする
と、GaAsを活性層とした半導体レーザ装置では回折格子
のピッチｄは一次（ｍ＝１）で0.12μｍ、三次（ｍ＝
３）でも0.36μｍ程度と非常に小さな値となる。

〈発明が解決しようとする課題〉 上述の如き微細な回折格子パターンは通常のフォトリソ
グラフィ法では形成することが困難で、レーザ光の干渉
を利用してフォトレジストによりマスクを形成し、半導
体表面をエッチングして凹凸を付け回折格子を形成して
いたが、工程が複雑で高度の技術を要し、再現性が悪か
った。さらに、形成した回折格子の上に半導体層を成長
させると、成長中に回折格子が変形してしまうといった
不具合が生ずることもある。

また、活性層への電子供給を行う必要があるために、他
の電子デバイスと同一の基板に半導体レーザ装置の製造
方法を形成する場合には、他の電子デバイスとの良好な
電気的絶縁が図れず、光−電子デバイスの高集積化が実
現されていない。

そこで、半導体レーザ装置の製造方法における微細な回
折格子を高再現性をもって容易に形成できると共に、他
の電子デバイスと同一基板状に形成することが可能な半
導体レーザ装置の製造方法の開発が望まれている。

〈課題を解決するための手段〉 本発明は上記に鑑み提案されたもので、活性層の一側方
に回折格子を有する半導体レーザ装置の製造方法におい
て、 超格子構造領域と該超格子構造領域への第１の不純物イ
オン注入により形成した第１非超格子構造領域により上
記回折格子を形成すると共に、該回折格子の両側への第
２の不純物イオン注入により第２非超格子構造領域を構
成して上記回折格子をストライプ状と成し、該ストライ
プ状の回折格子の側方へ第３の不純物イオンを高濃度で
注入することにより高濃度不純物注入領域を形成し、上
記ストライプ状の回折格子、非超格子構造領域及び高濃
度不純物注入領域から成る上記超格子層の不純物イオン
注入側の面に半導体層を結晶成長させ、該半導体層に生
じた欠陥層をエッチングにより除去して電気的絶縁領域
を形成するようにしたことにある。

〈作用〉 超格子構造領域へ集束イオンビームとして第1,第２不純
物イオンを注入することにより、第1,第２非超格子構造
領域を構成することによって、半導体レーザ装置の製造
方法における微細な回折格子を高再現性をもって形成で
きる。

超格子構造領域へ集束イオンビームとして第３不純物イ
オンを注入することにより、超格子層の不純物イオン注
入側の面に結晶成長させた半導体層には欠陥層が生じ、
該欠陥層は他の結晶層に比して容易にエッチングにより
除去でき、電気的絶縁領域として機能する。

〈実施例〉 次に、本発明の一実施例を添付図面に基づいて詳細に説
明する。

第１図および第２図は本発明によって製造されたGaAs系
の分布定数帰還型半導体レーザ装置の製造方法を示すも
のであり、例えばn⁺型GaAsよりなる基板４の上にはｎ型
GaAsよりなるバッファ層５を介して下部にｎ型GaAsより
なるクラッド層６があり、その上に光を放出する活性層
１がある。この活性層１はAlGaAs層、GaAsとAlGaAs（或
いはAlAs）の組成の異なる二種の半導体超薄膜から成る
単一層量子井戸型構造、或いは交互に多数積重ねた多層
量子井戸型構造としてもよい。

活性層１の上にはｐ型AlGaAsよりなる光しみ出し層３が
あり、その上には例えば100オングストローム厚のGaAs
層と例えば100オングストローム厚のAlGaAs層の多層構
造体にｐ型不純物としてBeを添加したｐ型の超格子層
７、ｐ型AlGaAs層８、p⁺GaAs層９が順に形成され、最上
層上及び基板底面にはそれぞれ電極13,14が設けられて
いる。

超格子層７は、第２図に示すように、中央部分に所定の
間隔を隔てて設けられた超格子構造領域10と、上記超格
子構造領域10を除いて超格子層７のｐ型不純物以上の濃
度のSiイオンを注入したｎ型の第１非超格子構造領域11
及び第２非超格子構造領域11′とから成る。上記第1,第
２非超格子構造領域11,11′を形成するための不純物は
超格子構造と異なった導電型を形成する原子が好ましい
が、同一導電型を形成する不純物でも良い。同一導電型
を形成する不純物を用いる場合は後述するごとく超格子
構造での電流の閉じ込めが超格子構造と非超格子構造の
各領域の組成の違いのみによるが、異なった導電型の場
合にはpn接合による電流の閉じ込めが出来るので有利で
ある。

上記の超格子層７の中央領域の超格子構造領域10と第１
非超格子構造領域11とによって、回折格子構造をストラ
イプ状に形成するのであり、具体的には発振方向と垂直
な方向に所定の間隔（ｄ＝ｍ・λ/2n）で超格子層に不
純物のイオン注入を行い、熱処理によって超格子構造を
崩して超格子構造よりも小さな屈折率を持つ非超格子混
晶領域を作り、実効的な回折格子を形成している。上述
の不純物イオンの注入は径をサブミクロンのオーダで制
御された集束イオンビームで行うことができるので、上
述の間隔がサブミクロンのオーダであっても、正確に不
純物イオンの注入を行うことができる。したがって、半
導体レーザ装置の製造方法における微細な回折格子の高
再現性をもって容易に形成することが可能となる。

上記回折格子として作用する超格子層７の中央領域を除
いた両側の第２非超格子構造領域11′（不純物イオンの
注入によって非超格子化）は電気と光の横方向の閉じ込
め機能を有する。

更に、上記の第２非超格子構造領域11′の例えば両側部
に第３の不純物イオンとしてSi,Be等のイオンを10¹⁴／c
m²以上の高濃度で注した高濃度不純物注入領域12を回折
格子と平行にレーザの発振方向に形成し、しかる後にｐ
型AlGaAs層８、p⁺型GaAs層９を結晶成長させると、この
高濃度不純物注入領域12上には多結晶層等の欠陥層15が
形成されることになり、この欠陥層15をエッチング除去
することにより、隣接する領域に形成された電子デバイ
スと電気的に分離されることになる。従って、半導体レ
ーザ装置の製造方法と他の電子デバイスとを同一の基板
上に形成したとしても、良好な電気的絶縁を期せるの
で、光−電子デバイスの高集積化を実現することが可能
となる。

なお、上記説明ではGaAs系半導体レーザ装置の製造方法
について述べたが、GaAs系に限らず、他の化合物半導体
レーザ装置の製造方法についても同様な効果を期待でき
る。

上記方法で製造された半導体レーザ装置の製造方法の電
極13,14に電流を供給すると、電極13から注入された正
孔と電極14から注入された電子は活性層１で結合して光
を放出する。放出された光のうち、活性層１の一側方
（図中においては上方）に設けた光しみ出し層３にしみ
出した光はストライプ状の回折格子によって反射され、
定在波が形成され発振現象が起こる。

このとき、本発明により製造した半導体レーザ装置の如
く、回折格子を形成する超格子層７の導電型をｐ型に非
超格子構造領域をGaAsとAlGaAsが混じり合ったAlGaAs結
晶でｎ型にしておくと、電極13から注入された正孔は非
超格子構造領域は通らず、超格子領域のみを通ることに
なる。そこで、非超格子構造領域のピッチｄをλ/2nと
すると、超格子構造領域と非超格子構造領域からなる回
折格子では、非超格子構造領域の屈折率が超格子構造領
域の屈折率よりも小さくなるため、非超格子構造領域付
近を節として定在波が形成される。

このとき、電流は上述のように超格子構造領域のみを流
れ、この超格子構造領域の下の光しみ出し層３は定在波
の電界強度の強い領域であるため、利得が増え、発振効
率が向上する。

また、超格子層７はGaAsとAlGaAsの繰り返しで形成され
ているため、GaAsとAlGaAsの禁制帯幅の差は流れる電子
あるいは正孔のポテンシャルバリアとなるため出来るだ
け小さい方が望ましいが、一方禁制帯の幅の差を小さく
すると不純物のイオン注入によって混晶化した時に超格
子構造領域との差が小さくなり光の閉じ込め上不利であ
る。GaAs−AlGaAs超格子のポテンシャルバリアは電子の
バリアが正孔のバリアの５倍程度あり大きいとされてい
る。そこで、超格子構造領域はポテンシャルバリアの大
きなｎ型とするよりはポテンシャルバリアの小さなｎ型
とする方が抵抗が下がり有利である。

次に、上記したGaAs系の分布定数帰還型半導体レーザ装
置の製造方法の一実施例を第３図に基づいて説明する。

基板４上にｎ型不純物を５×10¹⁷／cm³添加したGaAsよ
りなるバッファ層５、ｎ型不純物を５×10¹⁷／cm³添加
したAl_0.35Ga_0.65Asよりなるクラッド層６、0.1μｍ厚
のGaAsよりなる活性層１、ｐ型不純物を５×10¹⁷／cm³
添加した0.6μｍ厚のAl_0.15Ga_0.85Asよりなる光しみ出
し層３、不純物を２×10¹⁷／cm³添加したｐ型GaAs（100
オングストローム厚）−Al_0.4Ga_0.6As（100オングスト
ローム厚）20層の超格子層７を順次分子線結晶成長方法
で成長する（第３図（ａ））。

次いで、10^-10トール以上の高真空下でビーム径を0.1μ
ｍに集束したイオンビームを用いてマスクを使用せずに
Siを100KeVの加速エネルギーで６×10¹³／cm²濃度で超
格子層７に所定の間隔を保って注入する（第３図
（ｂ））。この第１非超格子構造領域16のピッチを0.36
μｍとすると、三次の回折格子が得られることになる。
更に、同じように不純物を中央の回折格子をストライプ
状に残して、該回折格子の両側方にイオンビームでSiを
注入し、第２非超格子構造領域17を形成する（第３図
（ｃ））。その結果、この第２非超格子構造領域17によ
り横方向の電流と光の閉じ込めが行われることになる。

更に、形成された半導体レーザ装置の製造方法を同一基
板上に形成された他のデバイスから電気的に分離するた
め、基板上の境界となる位置に10¹⁴／cm²以上の高濃度
でSi、Be等の不純物を注入して高濃度不純物注入領域12
を形成する（第３図（ｄ））。上述の集束イオンビーム
による不純物イオンの注入はマスクを用いずに連続して
行うことができる。さらに、上記回折格子形成の際に位
相調整用の部分的にピッチの異なる部分を作ることも容
易である。

上述のように、超格子層７に第１〜第３の不純物イオン
を注入して第１非超格子構造領域11、第２非超格子構造
領域11′、高濃度不純物注入領域12を形成したら、超格
子層７の不純物注入側の面（図中上面）に不純物を５×
10¹⁷／cm²添加したｐ型AlGaAsよりなるｐ型AlGaAs層
８、不純物を１×10¹⁹／cm²添加したｐ型GaAsよりなるP
⁺型GaAs層９を連続して高真空下で結晶成長させ、最後
に最上層上に金属を蒸着して電極13とする（第３図
（ｅ））。不純物の活性化或いは不純物注入部分の非超
格子化のため、上記の電極形成前に800℃30分程度のア
ニール処理を行う。

更に、超格子層７上に結晶成長させたｐ型AlGaAs層８及
びP⁺型GaAs層９における高濃度不純物注入領域12上に成
長させた部分は、多結晶等の欠陥層15であって、H₂SO₄-
H₂O₂-H₂O系水溶液に対し、正常な結晶層に比してエッチ
ング速度が速いので、容易に他の領域と区別してエッチ
ングにより除去することができ、電気的絶縁領域として
機能するので隣接した基板に形成されたデバイスと容易
に電気的に分離することができる。

第４図はその一実施例として、単一の基板４上に二つの
デバイスを形成するもので、レーザ装置形成領域18と電
子デバイス形成領域19の境界部分には高濃度不純物注入
領域12を設け、更に結晶成長させた後に夫々の領域にデ
バイスを形成し、しかる後に高濃度不純物注入領域12上
に成長させた結晶領域等の欠陥層15をエッチングにより
除去することによって、両デバイスは電気的に分離され
ることとなる。他のデバイスを作る関係上、P⁺型GaAs層
９をｎ型或いは高抵抗のGaAs層、AlGaAs層、更にはこれ
らの組み合わせによる多層とすることが好ましいとき
は、形成した層の電極13が設けられる位置の下部に亜鉛
を拡散させて導電状態とすればよい。

なお、図示の実施例では回折格子の両側方に高濃度不純
物注入領域12を形成するものとしたが、一側方のみに電
子デバイスを設ける場合には、該電子デバイスを設ける
側にのみ高濃度不純物注入領域12を形成するようにして
もよい。また、超格子層を構成するGaAsとAlGaAsの厚さ
或いは層数等は上述の実施例に限定されるものではな
い。

〈発明の効果〉 以上説明したように本発明によれば、これまで形成が面
倒であった回折格子構造を、超格子構造領域に第1,第２
の不純物イオンを注入することにより形成するので、微
細な回折格子を高再現性をもって容易に形成することが
可能となる。また、電流は回折格子領域にのみ流れて、
発生する定在波に影響を与えて利得が増え、発振効率が
向上する。

更に、該回折格子の側方へ第３の不純物イオンを高濃度
で注入することにより、超格子層に結晶成長させた半導
体層に欠陥層を生じさせ、該欠陥層をエッチングにより
除去するので、同一基板上に設ける他の電子デバイスと
半導体レーザ装置の製造方法との電気的絶縁を良好に行
うことができ、光−電子デバイスの高集積化に大いに貢
献するものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示すもので、第１図はこの発
明によって製造された半導体レーザ装置の製造方法の斜
視図、第２図は一部を欠切した同レーザ装置の斜視図、
第３図（ａ）〜（ｅ）は半導体レーザ装置の製造方法の
製造工程の概略を示す図、第４図は同一基板に他の電子
デバイスを形成した状態を示す斜視図、第５図は従来の
分布定数帰還型半導体レーザ装置の製造方法の斜視図で
ある。 図中、１は活性層、７は超格子層、８はｐ型AlGaAs層、
９はp⁺型GaAs層、10は超格子構造領域、11は第１非超格
子構造領域、11′は第２非超格子構造領域、12は高濃度
不純物注入領域、15は欠陥層である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き 審判の合議体 審判長 遠藤 政明 審判官 左村 義弘 審判官 河合 章 (56)参考文献 特開 昭60−7190（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−184894（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】活性層の一側方に回折格子を有する半導体
   レーザ装置の製造方法において、 超格子構造領域と該超格子構造領域への第１の不純物イ
   オン注入により形成した第１非超格子構造領域により上
   記回折格子を形成する工程、該回折格子の両側への第２
   の不純物イオン注入により第２非超格子構造領域を構成
   して上記回折格子をストライプ状とする工程、該ストラ
   イプ状の回折格子の側方へ第３の不純物イオンを高濃度
   で注入することにより高濃度不純物注入領域を形成する
   工程、上記ストライプ状の回折格子、非超格子構造領域
   及び高濃度不純物注入領域から成る上記超格子層の不純
   物イオン注入側の面に半導体を結晶成長させる工程、該
   半導体層に生じた欠陥層をエッチングにより除去して電
   気的絶縁領域を形成する工程を含むことを特徴とする半
   導体レーザ装置の製造方法。