JPS6042639B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体レーザの製造方法に関するものである
。

従来、溝を設けた基板結晶上に、液相成長層を形成する
技術として、分布帰還形レーザの製造技術が知られてい
る。

従来の分布帰還形レーザでは、溝は０．３μｍて浅く、
また、溝の幅と間隔は等しく０．１〜０．４μｍ程度と
小さいため、容易に表面が平坦な成長層が得られる。し
かし、溝の幅および深さが１μｍ以上となると、成長層
の表面を平坦とし、さらに、溝以外の部分の成長層の厚
さを０．６μｍ以下に薄くすることは、従来の液相成長
技術ては困難であつた。

凹溝を設けたＧａＡｓ基板結晶上に、液相エピタキシャ
ル法によつてダブルヘテロ結晶を成長して形成される発
振姿態の安定な半導体レーザ（たとえば特願昭５１−６
０００９）が提案されている。本発明は、この様な半導
体レーザを提供するに有用な製造方法を提供するもので
ある。本発明の半導体レーザの構造の骨子は次の通りで
ある。

第１の半導体層の両側に、これより禁制帯幅の大きく且
屈折率の小さな第２、第３の半導体層を接合する。この
第２、第３の半導体層の少なくとも一層に次の様な形状
を持たせる。即ち、発光領域とそれ以外の領域に対応す
る部分の少なくとも境界に半導体層の厚みに段差を持た
せ、且この半導体層の厚さの薄い領域の外部にこの半導
体層と異なる複素屈折率を有する領域を設置するもので
ある。この厚さに差を持つ半導体層は、一般に発光領域
部分に対応して厚い領域、それ以外の部分には薄い領域
となす様に設定する。

これは光の利得に有利であるからである。第１図ａを参
照しながら本発明の基本原理を説明する。

第１図ａは本発明の半導体レーザの代表例でその主要部
断面図を示すものである。６は凹溝を形成した基板結晶
で、この上に以下の層が順次成長される。

２は第２の半導体層で本例では凸部を有している。

３は第１の半導体層、４は第３の半導体層であり、レー
ザ発振の生ずる第１の半導体層の両側をこれより禁制帯
幅が大きく、屈折率の小さな第２、第３の半導体層でサ
ンドイッチし、キャリアと光子を第１の半導体層に高密
度で閉じ込めるいわゆるダブルヘテロ構造となつている
。

この例ては基板結晶６が、半導体層２の厚みの薄い領域
からしみ出した光を吸収する即ち複素屈折率の虚数部に
変化を持つ領域となつている。

ＧａＡｓ，ＧａＡｌＡｓを半導体層として用いる場合に
ついて具体例を述べる。基板は通常ＧａＡｓｌもしくは
Ｇａｌ−２Ａ１２ＡＳ１第１の半導体層はＧａｌ−ＹＡ
ｌ，Ａｓ第２、第３の半導体層はＧａｌ−ＸＡｌＯＡｓ
．である。一般に、０くｚ＜ｙ＜Ｘ〈１なる関係にある
。ここで第２の半導体層２の厚さは薄い部分（この厚み
をｔ１と記す）では第１の半導体層に沿つた導波光の一
部が基板６にしみ出す程度に小さい。また厚い部分（こ
の厚みをＴ２と記す）ではこ−れにより十分大きくして
ある。実際の装置においては、基板側と第３の半導体層
側に電極が設けられる。

図１ａにおいては、第３の半導体層側に、電極側にＧａ
Ａｓ層５が設けられており、上部よりたとえばＺｎ等を
拡散させて電極となす。以下、本発明を実施例を参照し
て詳細に説明する。

第１図ば、ＧａＡｓ基板結晶１に、幅６μｍ、深さ１μ
ｍの溝を設け、上記基板結晶表面全体に、ｎ−ＧａＯ．
７ＡｌＯ．３Ａｓ層２、ｎ−ＧａＯ．９５ＡｌＯ．。

５ＡＳ層３、ｐ−ＧａＯ．７ＡｌＯ．３Ａｓ層４、およ
びｎ−ＧａＡｓ層５をＧａ溶液を用い連続的に液相成長
した場合の各種結晶の断面図である。

実験に用いた成長開始温度は７６０℃、冷却速度は０．
３℃／分である。第２図は、本発明を適用した７６０℃
（成長温度は一般に６５０−８５０℃程度の多くは７０
０〜８００℃を用いている。）における最適成長条件の
範囲を示す。第１層目成長時の初期過冷却度（溶液の飽
和温度と、成長開始温度の差）を１℃、第１層目の成長
時間を２分とし、第２図の最適範囲の成長条件を用いて
成長した場合には、第１図ａに示した構造の結晶が得ら
れた。なお、第２〜第４層目までは、それぞれ所望の厚
さの成長層が得られるように成長時間を調節してスライ
ドボート法により連続的に成長した。しかし、第１層目
の成長を、初期過冷却度０．３℃、成長時間４分の条件
で行つた場合には、成長層の断面は第１図ｂに示したよ
うに、溝６の肩の部分が、Ｇａ溶液に溶けてだれてしま
つた。

溝の肩の部分が、第１図ｂのようにだれると、横方向の
屈折率変化が実効的に少なくなり、たとえば前述した新
提案のレーザー素子の発振姿勢の安定な半導体レーザを
得るのが困難となるため好ましくない。溝の肩の部分で
基板結晶がＧａ溶液に溶解する原因として、溝の肩の部
分ては、基板結晶の曲率半径が小さいために、Ｇａ溶液
へのＧａ．Ａｓの溶解度が増大し、Ｇａ溶液が実効的に
未飽和となることが挙げられる。この問題は、第１層目
の成長溶液の初期過冷却度を大きくすることによつて解
決できた。即ち、溶液の初期過冷却度を０．５℃以上と
することにより、溝の肩の部分における基板結晶の溶解
を、実用上問題のない程度に小さくできた。また、第１
層目の成長を、初期過冷却度４℃、成長時間２０８の条
件で行つた場合には、成長層の断面が第１図ｃに示した
ようになつた。

即ち、第１層目は平坦とならず、さらに、第２層目は溝
の部分で凹面状に成長し、かつ、溝の部分での第２層目
の厚さは、溝以外の部分での厚さより厚くなつた。第１
図ｃのように、第１層目が平坦でない場合には、レーザ
発振は、第２層目が厚くなつている溝の中央部にのみ起
つた。そのため、大きな光出力を得ることができず、さ
らに、光ビームの拡がりが大きくなるため、光ファイバ
ーとの結合効率が低くなつた。この問題を防止するため
には、第１層目が平坦に成長することが不可欠な条件で
ある。平坦な第１層目は、第１層目の成長時間を３囲２
以上とすることにより実現できた。一方、第１層目の成
長層の厚みが、溝以外の部分で０．６μｍ以上となると
第２層目の厚さを再現性良く製作できる限界（〜０．０
５μｍ）まで薄くしても第２層目からしみ出した光か基
板結晶に到達しなくなるため、基板結晶に溝を設けてあ
つても、横方向の屈折率差がなくなり、発振姿勢の安定
化された半導体レーザを再現性良く製作するのが困難と
なる。溝の部分以外におけるＣａｌ−０Ａ１０Ａｓ成長
層の厚さＬ（ｄ）は、成長温度をＴ（Ｋ）、初期過冷却
度をδＴｌＣＣ）、冷却速度をＡＣＣ／秒）、成長時間
をｔ（秒）とした場合に、次式で近似することができる
。従つて、溝以外の部分における第１層目の成長層厚さ
が０．６μｍ以下となる条件は、上述の式においてＲＬ
Ｊが０．６μｍ以下となる旨代人することにより、下記
（１）式で与えられる。

（なお、式中のｘは成長せしむる Ｇａｌ−ＸＡｌｘＡｓ（７）ＡｌＡｓのモル分率ｘを示
す） ・・・・（１）以上の説明から明らかなように、
第２図に示したごとく、初期過冷却度０．５℃および成
長時間３０秒を示す直線、および（１）式を示す曲線て
囲まれた領域が、発振姿勢の安定化された半導体レーザ
を液相成長法で製作する場合の最適成長条件てある。

なお、他の構成部分については従来法に従がつて製造す
れば良い。

なお、実施例としてＧａ−Ａｌ−Ａｓ系の半導体レーザ
を取り上げたが、Ｉｎ−Ｇａ−Ｍ−ｐ系等、他”の材料
を用いて、発振姿勢の安定化された半導体レーザを製作
する場合にも、同様の最適成長条件を用いることが不可
欠であることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、溝を設けた基板結晶を用いたダブルヘテロ構
造の半導体レーザ用結晶の断面図、第２図は、成長温度
が７６０℃の場合の本発明にる最適成長条件範囲を示す
図てある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ その表面領域にレーザ光の進行方向に直交する断面
   形状が台形状、その深さが略１μｍ、その幅が１〜６μ
   ｍなる溝を設けたＧａＡｓ結晶基板上に、Ｇａ＿１＿−
   ＿ｘＡｌ＿ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）層を液相成長するに当
   つて、（１）溶液の初期過冷却度が０．５℃以上であり
   、（２）成長時間が３０秒以上であり、かつ、（３）溶
   液の初期過冷却度〔δＴｉ（℃）〕および成長時間〔ｔ
   （秒）〕は、成長温度をＴ（Ｋ）、冷却速度をａ（℃／
   秒）とした場合、実質的に次式δＴｉ・ｔ＾１＾／＾２
   ＋２／３ａ・ｔ＾３＾／＾２≦５．８×１０＾−＾１＾
   １・Ｔ＾２／｛ｅｘｐ（−１．３２×１０＾４＾／＾Ｔ
   ）｝・１／（１−ｘ）（式中のｘは上記ＡｌＡｓのモル
   分率、ｘを示す）を満足する、上記３成長条件を満した
   液相成長法によりそのＧａ＿１＿−＿ｘＡｌ＿ｘＡｓ層
   の上面が実質的に平坦な面とし、且つこのＧａ＿１＿−
   ＿ｘＡｌ＿ｘＡｓ層の前記台形状の溝以外の領域に接す
   る領域の厚さを０．６μｍ以下となし、更にこのＧａ＿
   １＿−＿ｘＡｌ＿ｘＡｓ層上に別異の半導体層を成長さ
   せる工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方
   法。