JPH0810779B2 - 半導体レ−ザ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体レーザに係わり、特にｐ型半導体を基
板と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
つとしてｐ型半導体を基板とし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ｐ型半導体基板としてｐ型InP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InPのクラッド層2,InGaAsPからなる活性層3,n型InPの
クラッド層４が積層されている。そして、積層されたク
ラッド層2,活性層3,クラッド層４の周囲をｎ型InP埋込
層５とｐ型InP埋込層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InP基板１上にｐ型InP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InPのクラッド層
２上にさらにInGaAsP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InP基板１
に達するまで逆メサ形状にエッチングする。その後、メ
サエッチングされた部分にｎ型InP埋込層５をエピタキ
シャル成長させさらにこのｎ型InP埋込層５の上に、ｐ
型InP埋込層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InP埋込層５とｐ型I
nP埋込層６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
点線で示すもれ電流は、抵抗率の高いｐ型InP層６を経
由するため、その値が小さくなり、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
制御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層３の幅Ｗを２μｍ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２μｍ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２μｍ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、過度に活性層３とくびれ部とを接近
させると、エッ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制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
に電流通路を垂直形状とすることによって、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
ード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］ 本発明の半導体レーザにおいては、ｐ型半導体基板上
に、ｐ型クラッド層、In_1-XGa_XAs_1-yP_y活性層、ｎ型ク
ラッド層を含む半導体層を積層させた多層膜構造ウエハ
ーの少なくとも活性層を含む半導体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
込み層を有する。

そして、前記メサストライプを、ｎ型クラッド層、活
性層を含む逆メサ形状部と、この逆メサ形状部の活性層
から半導体基板の方向に向かって延在する垂直形状部
と、垂直形状部からさらに半導体基板の方に向かって延
在する順メサ形状部とで形成している。

さらに、前記埋込層を、ｐ型半導体基板上に埋込形成
され、メサストライプに接する面の上端部が垂直形状部
の上部に位置する電流を導電するｐ型の第１の埋込層
と、第１の埋込層の上側に埋込形成され、メサストライ
プに接する面の上端部が活性層直下に位置する電流を阻
止するｎ型の第２の埋込層と、第２の埋込層の上側に埋
込形成され、メサストライプに接する面の上端部が逆メ
サ形状部上端の高さに達する電流を阻止するｐ型の第３
の埋込層とで形成してる。

［作用］ このように構成された半導体レーザにおいては、多層
膜構造ウエハーのｐ型クラッド層、In_1-XGa_XAs_1-yP_y活
性層、ｎ型クラッド層を含む半導体層は、上方から下方
のｐ型半導体基板方向に向かって、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。したがって、活性層
の幅を狭くして低しきい値電流を得ると共に、くびれ部
が解消されるので、垂直方向の抵抗が小さくなり、高出
力を得ることが可能となる。

しかも、このような形状を有するメサストライプの周
囲が、ｐ型半導体基板から上方に向かって、電流を導通
するｐ型の第１の埋込層と、電流を阻止するｎ型の第２
の埋込層と、同じく電流を阻止するｐ型の第３の埋込層
とで埋込形成されてる。そして、第１の埋込層の上端は
垂直形状部の上部でメサストライプに接し、第２の埋込
層の上端は活性層直下でメサストライプに接し、第３の
埋込層の上端は逆メサ形状部の上端でメサストライプに
接している。

したがって、電流を阻止するｎ型の第２の埋込層の上
端が活性層直下でメサストライプに接しているので、活
性層を通過しないもれ電流がさらに小さくなり、より一
層高出力が得られる。また、Ｐ型半導体基板の上側に、
上端がメサストライプの垂直形状部に接する電流を導通
するｐ型の第１の埋込層を形成することによって、活性
層下方の抵抗を下げることかでき、さらに高出力が得ら
れる。

［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ｐ型InP基板11上に同じくｐ型InPのクラッド
層12,InGaAsPからなる活性層13,n型InPのクラッド層14
が積層されている。積層されたクラッド層12,活性層13,
クラッド層14の周囲を第１の埋込層としてのＰ型InP埋
込層15と第２の埋込層としてのｎ型InP埋込層16と第３
の埋込層としてのＰ型InP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、クラッド層14と活性層13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。さらに、図示
するように、電流を導通するｐ型InP埋込層15の上端は
垂直形状部21の上部でｐ型クラッド層12に接し、電流を
阻止するｎ型InP埋込層16の上端は活性層13直下でｐ型
のクラッド層12に接し、電流を阻止するｐ型InP埋込層1
7の上端はメサ形状部20の上端でｎ型のクラッド層14に
接している。

次に、第１図に示す半導体レーザは例えば第２図に示
すような手順で構成される。

まず、第２図（ａ）に示すように、Znを不純物（キャ
リア濃度５×10¹⁸cm^-3）とする（100）面のｐ型InP基板
11上に同じくZnを不純物（キャリア濃度２×10¹⁷cm^-3）
とする厚さ2.0μｍのｐ型InPのクラッド層12,Znを不純
物（キャリア濃度２×10¹⁷cm^-3）とする厚さ0.1μｍの
ｐ型In_1-XGa_XAs_1-yP_yの活性層13,Snをを不純物（キャリ
ア濃度７×10¹⁷cm^-3）とする厚さ2.0μｍのｎ型InP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、多層膜構造ウエハ
ーを得る。但し、０≦ｘ≦0.47,0≦ｙ≦１である。

次に第２図（ｂ）に示すようにｎ型InPのクラッド層1
4の上に〈011〉方向に平行にストライプ形成用パターン
位置に、絶縁層23として酸化シリコン（SiO₂）又は窒化
シリコン（Si₃N₄）を帯状に形成する。その後第２図
（ｃ）に示すように、第１のエッチング液としてブロム
−メタノール液（Br₂−CH₃OH）で活性層13を越えてわず
かにｐ型InPのクラッド層12に達するまでエッチングを
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のエッチング液
として塩酸溶液（HCl:H₂O＝4:1）を用いて例えば室温で
35秒間程度、エッチングする。すると図示するように、
クラッド層12とｐ型InP基板11部に垂直形状部21｛01
）面｝および順メサ形状部22｛（111）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。

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度12
℃でZnを不純物（キャリア濃度２×10¹⁷cm^-3）とするｐ
型InP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InP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１×10¹⁷cm^-3）とするｎ型InP埋込層1
6を二相融液法で成長させる。この場合、ｎ型InP埋込層
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Znを不純物（キャリア濃度２×10
¹⁷cm^-3）とするｐ型InP埋込層17を絶縁層23の高さまで
過飽和度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14及びｐ型InP埋込層17の表面に
Au−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ｐ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ｐ型InP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InP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、活性層13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
びれ部の幅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InP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1.5μｍ
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1.5μｍであるのに対して、従来構造
におけるくびれ部の幅ｄは0.5μｍ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と活性層13の幅Ｗとはほほ
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、エッ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層13の幅Ｗである。したがっ
て、エッ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）Ｂ面が露
出するように順メサ形状部22がエッチング形成されてい
るので、ｐ型InP埋込層15を過飽和度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）に示すように順メサ形状部を
形成せずに、（01）面を有する垂直形状部のみの構造
であれば、垂直形状部の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）Ｂ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InP埋込層16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
InP埋込層16とｐ型InP埋込層17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
と同一部分には同一符号が付してある。

この実施例の半導体レーザにおいては、埋込層を構成
する最上段の第３の埋込層としてのｐ型InP埋込層17の
表面とｎ型InPのクラッド層14の表面とを共通に覆う第
４の埋込層としてｎ型InP埋込層31が形成されている。
そして、このｎ型InP埋込層31の上面に電極18が取付け
られている。

このような構成とするためには、絶縁層23を除去した
のち、例えばSnを不純物（キャリア濃度７×10¹⁷cm^-3）
とするｎ型InP埋込層31を通常のエピキタシャル成長法
で厚さ1.5μｍまで埋込成長させ、その後電極18を蒸着
する。

一般に、絶縁層23を形成した状態でメサストライプの
周囲を複数の埋込層15,16,17で順次埋込形成していく
と、最終の埋込層17の上面と絶縁層23を除去してた後の
クラッド層14の上面とを完全に同一平面に形成すること
は困難であり、通常第６図に示すように段差が生じる。
この状態で電極18を蒸着すると、電極18の上面の平坦性
が低下し、放熱板へのダイボンディングがやり難く、ま
た、放熱特性も悪くなる。

したがって、第６図に示すようにｎ難InP埋込層31を
介在させることによって、半導体レーザの電極表面が平
坦になり、ボンディングも容易にでき、放熱性も改善さ
れる。その結果、この半導体レーザの出力をさらに増大
できる。

第７図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。第６図の実施例と同一部分に
は同一符号が付してある。

この実施例においては、活性層13と第４の埋込層とし
てのｎ型InP埋込層31との間のｎ型InPのクラッド層32の
厚さを、第１図および第６図のクラッド層14の厚さ（2.
0μｍ）より薄く、例えば0.5μｍ程度に設定している。

このように活性層13上のクラッド層32を薄く形成する
ことによって、絶縁層23を形成したのちに、クラッド層
32と活性層13とを逆メサ形状にエッチングする場合にお
ける、活性層13の幅Ｗの寸法精度をより向上できる。し
たがって、出力されるレーザ光線の安定性をより向上で
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活性層を含む逆メサ形状とこ
れに連続する垂直形状と順メサ形状にメサストライプを
形成している。したがって、抵抗を増大させることなく
活性層の幅を狭くできるので、発熱を生じにくく、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する。

また、メサストライプの周囲を、ｐ型半導体基板から
上方に向かって、電流を導通するｐ型の第１の埋込層
と、電流を阻止するｎ型の第２の埋込層と、同じく電流
を阻止するｐ型の第３の埋込層とで埋込形成している。
そして、第１の埋込層の上端は垂直形状部の上部でメサ
ストライプに接し、第２の埋込層の上端は活性層直下で
メサストライプに接し、第３の埋込層の上端は逆メサ形
状部の上端でメサストライプに接している。

したがって、電流を阻止するｎ型の第２の埋込層の上
端が活性層直下でメサストライプに接しているので、活
性層を通過しないもれ電流がさらに小さくなり、より一
層高出力が得られる。また、ｐ型半導体基板の上側に、
上端がメサストライプの垂直形状部に接する電流を導通
するｐ型の第１の埋込層を形成することによって、活性
層下方の抵抗を下げることかでき、さらに高出力が得ら
れる。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図は本発明のさ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。 11……ｐ型InP基板、12……ｐ型InPのクラッド層、13…
…活性層、14,32……ｎ型InPのクラッド層、15……ｐ型
InP埋込層、16……ｎ型InP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……ｎ
型InP埋込層、Ｗ……活性層幅、ｄ……くびれ部の幅。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山口 茂実 東京都港区南麻布５丁目10番27号 アンリ ツ株式会社内 (72)発明者 浅井 昭彦 東京都港区南麻布５丁目10番27号 アンリ ツ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭59−25290（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−200584（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ｐ型半導体基板上に、ｐ型クラッド層、In
   _1-XGa_XAs_1-yP_y活性層、ｎ型クラッド層を含む半導体層
   を積層させた多層膜構造ウエハーの少なくとも前記活性
   層を含む半導体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
   レーザであって、 前記メサストライプは、 前記ｎ型クラッド層、前記活性層を含む逆メサ形状部
   と、 この逆メサ形状部の活性層から前記半導体基板の方向に
   向かって延在する垂直形状部と、 この垂直形状部からさらに前記半導体基板の方に向かっ
   て延在する順メサ形状部とで形成されており、 前記埋込層は、 前記ｐ型半導体基板上に埋込形成され、前記メサストラ
   イプに接する面の上端部が前記垂直形状部の上部に位置
   する電流を導電するｐ型の第１の埋込層と、 この第１の埋込層の上側に埋込形成され、前記メサスト
   ライプに接する面の上端部が前記活性層直下に位置する
   電流を阻止するｎ型の第２の埋込層と、 この第２の埋込層の上側に埋込形成され、前記メサスト
   ライプに接する面の上端部が前記逆メサ形状部上端の高
   さに達する電流を阻止するｐ型の第３の埋込層とで形成
   されてなる ことを特徴とする半導体レーザ。