JPS6346790A - 埋込み型半導体レ−ザおよびその製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高効率で発振し高速で変調可能な光通信用半導
体レーザおよびその製造方法に関する。

〔従来の技術およびその問題点〕

半導体レーザは光フアイバ通信の光源として実用化が始
まっている。光フアイバ通信の光源として用いられる半
導体レーザは、高い高率で発振しかつ高速変調が可能な
ことが必要である。更に、実用化の進展に伴い、高い歩
留りで多量の半導体レーザが生産できる再現性の高い製
造方法が強く要望されている。ところが、従来の半導体
レーザは上記３つの条件を同時に満足することが出来な
かりた。以下に従来製作されて来た典型的な半導体レー
ザ、及びこれらのレーザー特性を改善しようとして最近
製作された、最も上記要請に近い半導体レーザについて
説明し、上記３つの要請が同時に満足出来なかった理由
を説明する。

従来製作されて来た典型的な半導体レーザは２重講平面
埋込み型半導体レーザ（Ｄｏｕｂｌｅ　Ｃｈａｎｎｅｌ
Ｐｌａｎａｒ　　Ｂｕｒｉｅｄ　　１ｌｅｔｅｒｏｓｔ
ｒｕｃｔｕｒｅ　　Ｌａ５ｅｒ　　ロ１ｏｄｅ：略して
ＤＣ−ＰＢＨＬＤ）であり、ジャーナル・オブ・ライト
ウェーブ・テクノロジー、ＬＴ−１巻、１９８３年３月
号、１９５頁〜２０２頁に詳述されている。この半導体
レーザは、ストライブ状の活性領域に電流を選択的に流
すようにするため、活性領域以外のところはｐ−ｎ−ｐ
’−ｎ接合を形成し電流をｎ−ｐの逆接合により阻止し
ている。

この構造に代表される、ｎ−ｐ逆接合による電流阻止構
造は非常に良い電流阻止効果を発揮するので、５０％を
越える高い効率で発振する。又、製造工程も再現性の高
い工程の組み合わせになっているので、高い歩留りで製
作することが出来る。

しかし、効率低下の原因となる漏れ電流がブロック層内
に形成されるｎ、　−ｐ　−ｎ　）ランジスタの動作に
より高出力時に増加する問題があった。また、ｎ−ｐ逆
接合が１０ｐＦ以上の静電容量を有するために、Ｉ　Ｇ
　ｂ　／　ｓを越える高速で変調することが難しかった
。

次に、上記半導体レーザの欠点を克服しようとして考案
された二つの半導体レーザについて説明する。第１の半
導体レーザは応用物理学会予稿集（第４６回応用物理学
会学術講演会講演予稿集、２ｐ−Ｎ−ＩＩ　、ｐ、２０
６．１９８５年秋季）に記載されている。この半導体レ
ーザは高速変調が可能となるように、活性層の両脇の平
坦なブロック層に基板に達するまでの溝を形成すること
によりダイオードの静電容量の低減を計り、小信号変調
時では５ＧＨｚという比較的高い周波数で変調可能であ
った。

しかし、この半導体レーザでも、寄生キャパシタンスの
低減は充分でなく１０ＧＨｚを越える変調が難しかった
。それはこの半導体レーザでは活性層両脇の平坦な部分
においてＳ　ｉ　０２層を挟んでｐ型電極と高濃度なｐ
型半導体が向きあっており、これにより残留キャパシタ
ンスを発生するためである。

また、第２の半導体レーザはエレクトロニクス・レター
ズ（ＥＩｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）、２１
巻、１３号、５７７頁−５７８頁、１９８５年）に記載
されており、気相埋込みで形成した半導体レーザである
。この半導体レーザは高速変調が可能となるようにダイ
オードの静電容量の低減を図り、小信号変調時では１５
ＧＨｚという高い周波数で変調可能であった。

又、高い高率で発振するよう効率低下の原因となる漏洩
電流を低減し、電流が活性層部のみを通電するようなｆ
ｉＩＩ造になっている。しかし、この半導体レーザは生
産性に大きな問題がある。それは、この半導体レーザの
構造に起因している。半導体レーザを単−横モードで発
振させるためには、活性層幅を１〜２ミクロン程度の幅
にしなければならない。しかし、この半導体レーザはメ
サの方向が＜０１１．＞方向を向いており、下に向かっ
て広がる台形状となる。そのためフォトリングラフイー
法の限界以下の１μｍ以下のストライプを形成するか、
又は数μｍ程度の広いストライブを形成し、しかる後に
活性層だけを選択的にサイドエツチングする選択エンチ
ングで活性層幅を挟めなければならない。ところが、こ
の選択エツチングは非常に制御性が低く、活性層幅を一
定にすることが困難であった。これは、このエツチング
速度が、エツチング液の温度や濃度及びエツチングされ
る活性層の組成に大きく依存するためである。このため
、気相埋込み型半導体レーザは高い歩留りでかつ大量に
生産するには不向きな半導体レーザであった。

以上のように従来の半導体レーザでは、高い効率で発振
し、高速変調が可能であり、かつ高い歩留りで再現性良
く製造できるという３つの条件を同時に満足することが
出来なかった。本発明の目的は、高い効率で発振し、高
速変調が可能であり、かつ生産性の高い構造を有する半
導体レーザとその製造方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明によれば、半導体基板上に活性領域をこの活性領
域の屈折率より低い屈折率を有しかつ活性領域の禁制帯
幅より大きい禁制帯幅を有する半導体層で挟んだダブル
ヘテロ構造を有し、かつ活性領域が２つの溝に挟まれた
堤の中に位置し、２つの溝中に半絶縁性半導体よりなる
電流ブロック層を有し、さらに堤の先端と電流ブロック
層の上面が基板とは逆導電型のキャップ層で覆われ、キ
ャップ層の両側に電流ブロック層と接続した電流絶縁層
を有し、キャップ層の上面を除いた電流絶縁層の上面に
電気的に絶縁性をもつ有＠膜を有する半導体レーザが得
られる。

また本発明によれば、半導体基板上に活性領域をこの活
性領域の屈折率より低い屈折率を有しかつ活性領域の禁
制帯幅より大きい禁制帯幅を有する半導体層で挟んだダ
ブルヘテロ構造をエピタキシャル成長する第１の工程と
、活性領域が２つの溝に挟まれた堤の中に位置するよう
２つの渦をエツチングにより形成する第２の工程と、気
相成長法を用いて溝中に半絶縁性半導体よりなる電流ブ
ロック層を積層し、さらに堤の先端と電流ブロック層の
上面を基板とは逆導電型のキャップ層で覆う第３の工程
と、キャップ層の上面を除いた電流絶縁層の上面に電気
的に絶縁性をもつ有機膜を形成する第４の工程とを含む
半導体レーザの製造方法が得られる。

〔作用〕

本発明の半導体レーザでは活性領域の両わきの平坦部分
での漏れ電流は５ｉ０２等の絶縁膜により阻止され、ま
た、２つの渦を通る漏れ電流は半絶縁性半導体よりなる
電流ブロック層により阻止される。したがって、この部
分での漏れ電流は従来に比べて著しく低減することが可
能であり高い効率での発振が可能となる。また、活性領
域の両脇に半絶縁性半導体よりなる電流ブロック層を配
することにより従来のＤＣ−ＰＢＨレーザに必要であっ
たｎ−ｐ逆バイアス領域は不要となる。したがって、こ
の部分で発生していた寄生容量を十分小さくできる。ま
た、２つの溝の外側は厚さ数μＩｎの絶縁性の有機膜で
覆うことにより、従来の数１０００人と藩い５ｉ０２膜
だけの場合に比べて、この部分の寄生容量は１／１０以
下になる。

全体では２ｐＦ以下の寄生容量に抑えることが可能であ
る。

」−記半導体レーザの製造方法における第１のダブルヘ
テロ成長工程、第２のエツチング工程、第３の埋め込み
成長工程、および第４の絶縁層塗布工程はすべて量産に
適した再現性の高い方法であり、この方法によれば高い
歩留りで、高効率で発振し高速変調可能な半導体レーザ
を提供することができる。

（′実施例〕 図面を用いて本発明について詳細に説明する。

第１図は本発明の第１の発明である埋込み型半導体レー
ザの一実施例を示す図である。活性領域１１は、禁制帯
幅０．９５ｅＶの１ｎＧａＡｓＰ結晶で１．３μｍで発
光する。この活性層はｎ形ＩｎＰ基板１３上で、上下か
ら禁制帯幅が１．３ｅ■のｎ形ＩｎＰバッファ層１２と
ｐ形ＩｎＰクラッド層１４により、また、左右からＦｅ
ドープＩｎＰ組成の半絶縁性電流ブロック層１５によっ
て囲まれ、しかも、屈折率導波形の導波構造が形成され
ている。さらに、堤の先端と電流ブロック層１５の上面
とは、ｐ形１ｎＰキャップ層１６で覆われている。この
ｐ形ＩｎＰキャップ層１６の上側は、ｐ形１ｎＧａＡｓ
Ｐコンタクト層１７で覆われ、ｐ形ＩｎＰキャップ層１
６の両側には、電流ブロック層１５に接続された電流絶
縁層としてＳ　ｉ　０２層１８が設けられている。５ｉ
０２層１８の上面には、電気的に絶縁性をもつ有機膜で
あるポリイミド層２１が設けられ、また、コンタクト層
１７及びｎ形ＩｎＰ基板１３にそれぞれ接して、ｐ形電
極１９及びｎ形電極２０が設けられている。以上のよう
な構造の埋込み形半導体レーザでは、２つの溝にうめこ
まれた電流ブロック層１５、および、ポリイミド層２１
とＳ　ｚ　０２層１８により、ｎ形電極１９とｎ形電極
２０に印加された電圧により流れる電流はｐ形ＩｎＧａ
ＡｓＰコンタクト層１７、ｐ形ＩｎＰキャップ層１６、
ｐ形１ｎＰクラッド層１４、活性領域１１およびｎ形Ｉ
ｎＰバッファ層１２へと選択的に流れる。したがって、
漏れ電流は非常に少なく高い高率で発振する。

寄生容量は主に２箇所で発生する。１つは溝の外側に配
置されたダブルヘテロ構造の寄生容量であり、他の１つ
はｎ形電極１９と渦の外側のｐ形りラッド層１４とがポ
リイミド層２１と８１０２層１８を挟んで対向すること
により構成される寄生容量である。半導体レーザのキャ
ビティ長を３０　Ｃ）μｍ、電極面積を３００　ｔ、ｔ
　ｍ　Ｘ　３００　μｍとすると、前者による寄生容量
は半絶縁性電流ブロック層１５の電気抵抗がおおきいた
め、十分に小さく無視でき、また、後者による寄生容量
はポリイミド層厚２．５μｍ、ＳｉＯ２層厚Ｑ、　２μ
ｒｎのとき、約１　ｐ　Ｆとなる。したがって、全寄生
容量は約１ｐ「？となり従来の半導体レーザに比べて〜
１／１０にできる。

次に第１図に示した本発明の半導体レーザの製造方法の
一実施例について説明する。第２図は、製造工程の各段
階における断面図を示す。

まず、第１の工程として硫黄ドープｎ−１ｎＰ基板１３
の上に気相成長法で硫黄ドープｎ−ＩｎＰバッファ層１
２（厚さ２．５μｍ、ｎ＝ＩＸ域１１（バンドギャップ
０．９５ｅＶ、厚さ０゜１μｍ）、亜鈴ドープｐ−Ｉｎ
Ｐクラッド層１４るダブルヘテロ（Ｄ　Ｈ）構造を形成
する。

次に、第２の工程でこのようなりＨ結晶に通常のフォト
リソグラフィー法とケミカルエツチングにより約１μｍ
の長さのひさしを持つＳ　ｉ　０２層と２つの溝２５．
２６を形成する。このために、まず第２図（ａ＞に示す
ようにＤＨ結晶上にＳｉＯ２層１８を形成し、ストライ
プ状に２つの窓２３．２４を開ける。次にＳｉＯ２層１
８をマスクにしてＤＨ結晶をブロムメタノール溶液でサ
イドエツチングが生じるまで深くエツチングする。この
ときストライブ状の窓２３．２４を結晶方位（０１１）
に平行に形成すると第２図（ｂ）に示されるＶ字形の？
４２５．２６が２つ形成される。これら２つの溝の間に
は、活性領域１１をよむ堤が形成される。次にフォトレ
ジスト２２を設け、通常のフォトリソグラフィ及びエツ
チングにより、活性領域を含む堤の部分に窓を開け、堤
の上部のＳｉＯ□層１８全１８した。この状態を第２図
（Ｃ）に示す。更にフォトレジスト２２を除去すると第
２図（ｄ）に示す形状が形成される。

次に第３の工程で２つのｉ２５．２６の上に第１図に示
されるように気相成長法で電流ブロック層１５を形成す
る。このとき、ＩｎＰ電流ブロック層１５は、ＳｉＯ２
層１８のひさしに接続された状態になるように形成され
る。続いて、ｐ形ＩｎＰキャップ層１６およびｐ形Ｉ　
ｎＧａＡｓコンタクト層１７を、その上に選択的に形成
する。気相成長法特有の性質として講２５．２６を有す
るＷ字形の領域の上に結晶成長を行なうと中心部の堤の
上への成長は最も遅い。この気相成長法特有の性質を利
用して第１図の構造が実現される。このようにして形成
された結晶のキャップ層１６及びコンタクＩ・層１７は
Ｓ　ｉ　０２層１８に比べて約３μｍの高さのメサを形
成する。

そこで第４の工程において前記段差を絶縁性の有機膜で
あるポリイミド層２］によって埋める。

この場合、ポリイミドには５光性のものを用い、通常の
フォトリソグラフィの方法により塗布し、前記メサの上
部を除去し窓開けした後硬化させる。

その後、通常の方法によってｎ形電極１９とｎ形電極２
０を形成する。

上記第１から第４の工程はすべて量産に適した方法であ
る。特に、第３の工程における気相成長による埋め込み
成長は再現性か高く、かつ、均一性も高・い。したがっ
て、このような方法によって製作された半導体レーザの
特性はばらつきが少なく、高い歩留りで得られることが
わかった。

上記実施例では、活性領域１１のＩ　ｎＧａＡｓＰ結晶
の禁制帯幅が０．９５ｅＶであったなめ１゜３μｍで発
振するレーザが得られたが、この混晶組成は波長１．１
μｍから１．６５μｍのどの波長で発振するようにも設
定が可能である。

上記実施例では第１の工程に気相成長法を用いたがＤＩ
−１構造は液相成長法、ＭＢＥ方法等の他の成長法によ
り形成してもよい。

〔発明の効果〕

本発明による半導体レーザは５０％の以上の非常に高い
効率で発振し、かつ］、　ＯＧ　Ｈｚを越える高い周波
数で応答が可能であった。また、本発明による製造方法
では、溝の形成、及びそこへの埋め込み成長が再現性良
くでき、したがって大変高い歩留りを得ることが出来た
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の埋込み型半導体レーザの一実施例の断
面図、第２図（ａ）〜（ｄ）は本発明の埋込み型半導体
レーザの製造工程を示す断面図である。 １１・・・活性領域、１２・・・ｎ形ＩｎＰバッファ層
、１３・・・ｎ形１ｎＰ基板、１４・・・ｐ形ＩｎＰク
ラッド層、１５・・・ＦｅドープＩｎＰ電電流ブロク２
層１６・・・ｐ形ＩｎＰキャップ層、１７・・・ｐ形Ｉ
ｎＧａＡｓＰコンタクト層、１８＝・５ｉ０２層、１９
・・・ｎ形電極、２０・・・ｎ形電極、２１・・・ポリ
イミド層。 １Ｎ１ノ （−ａ−２ （Ｃ） （ｆ） 援　２　可

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板上に活性領域をこの活性領域の屈折率
   より低い屈折率を有しかつ前記活性領域の禁制帯幅より
   大きい禁制帯幅を有する半導体層で挟んだダブルヘテロ
   構造を有し、前記活性領域が２つの溝に挟まれた堤の中
   に位置し、前記溝中に半絶縁性半導体よりなる電流ブロ
   ック層を有し、さらに前記堤の先端と前記電流ブロック
   層の上面が前記基板とは逆導電型のキャップ層で覆われ
   、前記キャップ層の両側に前記電流ブロック層と接続し
   た電流絶縁層を有し、前記キャップ層の上面を除いた前
   記電流絶縁層の上面に電気的に絶縁性をもつ有機膜を有
   することを特徴とする埋込み型半導体レーザ。
2. （２）半導体基板上に活性領域をこの活性領域の屈折率
   より低い屈折率を有しかつ活性領域の禁制帯幅より大き
   い禁制帯幅を有する半導体層で挟んだダブルヘテロ構造
   をエピタキシャル成長する第１の工程と、前記活性領域
   が２つの溝に挟まれた堤の中に位置するよう前記２つの
   溝をエッチングで形成する第２の工程と、気相成長法を
   用いて前記溝中に半絶縁性半導体よりなる電流ブロック
   層を積層し、さらに前記堤の先端と前記電流ブロック層
   の上面を前記基板とは逆導電型のキャップ層で覆う第３
   の工程と、前記キャップ層の上面を除いた前記電流絶縁
   層の上面に電気的に絶縁性をもつ有機膜を形成する第４
   の工程とを含むことを特徴とする埋込み型半導体レーザ
   の製造方法。