JP3779040B2 - 光半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系の光半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ通信は、ケーブル１本当たりの伝送情報量が多く、電波障害の影響を受けにくいう特徴がある。現在、日米の国際電話回線や国内の主要基幹回線は光ファイバ回線に置き換えられつつある。近年、個々の加入者に対しても光ファイバ回線を利用しようとする動きが高まっている。
【０００３】
個々の加入者に対する光ファイバ通信を実現するためには、光源である半導体レーザが低価格であることが要求される。このため、温度制御装置や光アイソレータ等の高価な光部品を用いることができず、環境温度変動に対する安定性や、耐戻り光特性等が半導体レーザに対して要求される。
これまで、通信用の長波長の光半導体レーザとしては、ＩｎＰ半導体基板上に格子整合したＧａＩｎＡｓＰ系材料を堆積したＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系半導体レーザが用いられてきた。例えば、M.Aoki等により、次のような報告がなされている。
（１）M.Aoki, T.Tsuchiya, K.Nakahara, M.Komori, and K.Uomi, "High-power and wide-temperature-range operations of InGaAsP-InP strained MQW lasers with reverse-mesa ridge-waveguide structure", IEEE Photonics. Techno. Lett., vol.7, No.1, pp.13-15, Jan. 1995
（２）M.Aoki, M.Komori, T.Tsuchiya, H.Sato, K.Uomi, and T.Ohtoshi, "High performance InGaAsP/InP strained layer MQW lasers with reverse-mesa ridge-waveguide structures", IEE Electron. Lett., vol.31, No.12, pp.973-974, June 1995
（３）M.Aoki, T.Tsuchiya, K.Nakahara, M.Komori, K.Uomi, and T.Ohtoshi, "High-power, wide-temperature-range operation of InGaAsP/InP strained-layer MQW lasers with a reverse-mesa ridge-waveguide structure", OFC '95 Technical Digest, pp.255-256, Feb. 1995
これら報告におけるＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系半導体レーザの構造の一例を図１０に示す。図１０は半導体レーザの断面図である。
【０００４】
図１０に示すように、ｎ−ＩｎＰ半導体基板１００上に、ＧａＩｎＡｓＰ系のＳＣＨ−ＭＱＷ層１０４が形成されている。ＳＣＨ−ＭＱＷ層１０４は、多重量子井戸（ＭＱＷ（Multiple Quantum Well））層がＳＣＨ（Separated Confinement Heterostructure）層で挟まれた構造をしている。ＳＣＨ−ＭＱＷ層１０４上にはリッジ構造のｐ−ＩｎＰクラッド層１０８が形成されている。ｐ−ＩｎＰクラッド層１０８は、コンタクト抵抗を下げるために、ＳＣＨ−ＭＱＷ層１０４側が細い逆メサ形状をしている。ｐ−ＩｎＰクラッド層１０８側面及びＳＣＨ−ＭＱＷ層１０４上面はシリコン酸化膜１１０により覆われ、さらに、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０８はポリイミド層１１２により埋め込まれている。
【０００５】
ｐ−ＩｎＰクラッド層１０８上面には、ｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１４を介してｐ側電極１１６が形成されている。ｎ−ＩｎＰ半導体基板１００下面にはｎ側電極１１８が形成されている。
このＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系半導体レーザは、リッジ構造のｐ−ＩｎＰクラッド層１０８を逆メサ形状にすることにより、コンタクト抵抗を下げて高出力の半導体レーザを実現することができる。
【０００６】
しかしながら、このＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系半導体レーザは、発振しきい値電流値の特性温度Ｔｏが７０Ｋ程度までしか得ることができず、環境温度が変動するとレーザ発振に必要とする電流値が急激に上昇してしまい使用困難な状態になってしまう。
これに対し、温度特性の改善が期待できる長波長の半導体レーザの材料として、ＩｎＰ半導体基板上にＡｌＧａＩｎＡｓ系材料を形成したＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザが注目されている。例えば、C.E.Zah、Z.Wang、M.C.Wang等により、次のような報告がなされている。
（４）C.E.Zah et al, "High-performance uncooled 1.3μm ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＡｓ／ＩｎＰ strained-layer quantum-well lasers for subscriber loop applications", IEEE J. Quantum Electron, vol.30, No.2, pp.511-523, Feb. 1994
（５）C.E.Zah et al, "Low Threshold 1.3μm Strained-Layer ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＡｓ／ＩｎＰ Quantum Well Lasers", IEE Electron. Lett., vol.28, No.25, pp.2323-2325, Dec. 1992
（６）C.E.Zah et al, "High-performance uncooled 1.3μm ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＡｓ／ＩｎＰ strained-layer quantum-well lasers for fiber-in-the-loop applications", 94 OFC, pp.204-205, 1994
（７）Z.Wang et al, "High-reliability, high-performance, low-cost coaxial laser module at 1.3μm for local-loop applications", 94 OFC, pp.145-146, 1994
（８）Z.Wang et al, "High speed, ultralow noise, tensile strained InGaAlAs MQW lasers emitting at 1300 nm for optical communication and microwave applications", IEE Electron. Lett., vol.30, No.17, pp.1413-1414, Aug. 1994
（９）C.E.Zah et al, "Low Threshold 1.3μm Strained-Layer ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＡｓ／ＩｎＰ Quantum Well Lasers", 13th International Semiconductor Laser Conference, K-5, pp.202-203, 1992
（１０）C.E.Zah et al, "High-temperature modulation dynamics of 1.3μm ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＡｓ／ＩｎＰ compressive-strained multiple-quantum well lasers", 14th International Semiconductor Laser Conference, Th1.3, pp.215-216, 1994
（１１）Z.Wang et al, "High speed, ultra low noise operation from -40℃ to100℃ tensile strained InGaAlAs MQW lasers emitting at 1300 nm", 14th International Semiconductor Laser Conference, PD10, pp.23-24, Sept. 1994
（１２）M.C.Wang et al, "Ultrahigh temperature and ultrahigh speed operation of 1.3 μm strain-compensated ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ uncooled laser diodes", IEE Electron. Lett., vol.31, No.18, pp.1584-1585, Aug. 1995
（１３）M.C.Wang et al, "Ultra-high temperature and ultra-high speed operation of 1.3μm AlGaInAs/InP Uncooled Laser Diodes", IEEE/LEOS Annual Meeting '95 SCL6.2, pp.280-281, 1995
（１４）H.Lu et al, "High performance AlGaInAs/InP strained MQW lasers for optical communication", IEEE/LEOS Annual Meeting '96 ThB2, pp.281-282, 1996
（１５）R.Ranganathan et al, "Influence of blue-shifted energy in the spectrum for 1.5μm AlInGaAs/InP MQW DFB lasers on dispersion penalty in 2.5 Gbit/s systems", IEEE/LEOS Annual Meeting '96 ThI2, pp.337-338, 1996
（１６）M.C.Wang et al, "Highly-reliable, high-perfomance 1.3μm low-cost laser diodes for fiber-to-the-home applications", IEEE/LEOS Annual Meeting '96 ThU2, pp.415-416, 1996
（１７）A.Balida et al, "Correlation of light-to heavy-hole valence band splitting with performance of 1.3μm uncooled tensile-strained AlInGaAs/InP MQW FP lasers", IEEE/LEOS Annual Meeting '96 ThU3, pp.417-418, 1996
これら報告におけるＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザの素子構造の一例を図１１に示す。図１１は半導体レーザのバンド構造を示している。
【０００７】
図１１に示すように、ｎ−ＩｎＰ半導体基板１２０上に、ＡｌＩｎＡｓクラッド層１２２が形成されている。ＡｌＩｎＡｓクラッド層１２２上には、ＡｌＧａＩｎＡｓ系のＳＣＨ−ＭＱＷ層１２４が形成されている。ＳＣＨ−ＭＱＷ層１２４は、ＭＱＷ層がＳＣＨ層で挟まれた構造をしている。ＳＣＨ−ＭＱＷ層１２４上には、ＡｌＩｎＡｓクラッド層１２６が形成されている。ＡｌＩｎＡｓクラッド層１２６上にはｐ−ＩｎＰクラッド層１２８が形成されている。
【０００８】
これまでの報告では、特性温度にして１００Ｋ程度の温度特性を温度特性を有するＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザが得られている。
また、このＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザでは、活性層であるＳＣＨ−ＭＱＷ層１２４にＡｌが含まれているため、メサを形成して埋め込み成長を行う構造で製造することは困難である。そこで、Ａｌを含む材料系の半導体レーザではリッジ構造を採用している。
【０００９】
リッジ構造の半導体レーザの場合、図１０において説明したように、コンタクト抵抗を下げるために、逆メサ形状にすることが望ましい。しかしながら、図１１の半導体レーザの場合、ｐ−ＩｎＰクラッド層１２８を逆メサ形状にするエッチャントを用いてエッチングすると、ＡｌＩｎＡｓクラッド層１２６までエッチングされてしまうため、制御性よく逆メサ形状のＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ半導体レーザを実現することができない。
【００１０】
一方、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ半導体レーザであって、ｐ−ＩｎＰクラッド層とｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層の間にエッチングストッパ層を挿入する構造について次のような報告がある。
（１８）B.Stegmuller, B.Bonchert, and R.Gessner, "1.57μｍ strained-layer quantum-well GaInAlAs ridge-waveguide laser diodes with high temperature (130℃) and ultrahigh-speed (176Hz) performance", IEEE Photon. Technol. Lett., vol.5, No.6, pp.597-599, June 1993
この報告におけるＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザの素子構造を図１２に示す。図１２は半導体レーザの構造とバンド構造を示している。
【００１１】
図１１に示すように、ｎ−ＩｎＰ半導体基板１３０上に、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ系のＳＣＨ−ＭＱＷ層１３２が形成されている。ＳＣＨ−ＭＱＷ層１３２上にはｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層１３４が形成されている。ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層１３４上には、ｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓエッチングストッパ層１３６を介してメサ形状のｐ−ＩｎＰクラッド層１３８が形成されている。
【００１２】
ｐ−ＩｎＰクラッド層１３８上面には、ｐ+−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１４０を介してｐ側電極１４２が形成されている。ｎ−ＩｎＰ半導体基板１３０下面にはｎ側電極１４４が形成されている。ｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓエッチングストッパ層１３６上面及びｐ−ＩｎＰクラッド層１３８側面及び上面は、酸化アルミニウム層１４６により覆われている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層１３４とｐ−ＩｎＰクラッド層１３８の間にｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓエッチングストッパ層１３６を挿入すれば、この層でエッチングが停止してｐ−ＩｎＰクラッド層１３８をメサ形状にすることができる。しかしながら、このｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓエッチングストッパ層１３６を挿入したために、価電子帯側に大きな井戸が形成され、直列抵抗が大きくなってしまい、十分な特性が得られない。
【００１４】
本発明の目的は、良好な温度特性を実現し、直列抵抗が低いＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系の光半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、ＩｎＰ半導体基板と、前記ＩｎＰ半導体基板上に形成された活性層と、前記活性層上に形成され、前記ＩｎＰ半導体基板に格子整合（−０．２％〜＋０．２％）したｐ型ＡｌＩｎＡｓからなる第１クラッド層と、前記第１クラッド層上に形成され、ＰＬ波長が０．９５μｍ〜１．１μｍの範囲内にあり、前記ＩｎＰ半導体基板に格子整合したｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなる半導体層と、前記半導体層上に形成され、ｐ型ＩｎＰからなる第２クラッド層とを有することを特徴とする光半導体装置によって達成される。
【００１６】
上述した光半導体装置において、前記第１クラッド層、前記半導体層、及び前記第２クラッド層のドーパント濃度は１×１０17ｃｍ-3以上であることが望ましい。
上述した光半導体装置において、前記第２クラッド層は、逆メサ形状をしていることが望ましい。
【００１７】
上述した光半導体装置において、前記活性層は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系材料の多重量子井戸構造を含むことが望ましい。
上述した光半導体装置において、前記多重量子井戸構造は、圧縮歪が加わったＡｌＧａＩｎＡｓ活性層と、歪がほとんど加わらないＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層とを交互に積層して構成されていることが望ましい。
【００１８】
上記目的は、ＩｎＰ半導体基板上に、活性層と、前記ＩｎＰ半導体基板に格子整合したｐ型ＡｌＩｎＡｓからなる第１クラッド層と、ＰＬ波長が０．９５μｍ〜１．１μｍの範囲内にあり、前記ＩｎＰ半導体基板に格子整合したｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなる半導体層と、ｐ型ＩｎＰからなる第２クラッド層とを形成する第１の工程と、前記第２クラッド層上にマスク層を形成する第２の工程と、前記マスク層をマスクとして前記第２クラッド層をエッチングする第３の工程とを有することを特徴とする光半導体装置の製造方法によって達成される。
【００１９】
上述した光半導体装置の製造方法において、前記第３の工程では、前記第２クラッド層を逆メサ形状にすることが望ましい。
上述した光半導体装置の製造方法において、前記第３の工程では、Ｂｒ系のエッチャントにより前記第２クラッド層をエッチングすることが望ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態による半導体レーザを図１を用いて説明する。図１は本実施形態の半導体レーザの構造を示す図である。
約２７０μｍ厚で不純物濃度が約２．０Ｅ＋１８ｃｍ-3のｎ−ＩｎＰ半導体基板１０上に、約５０〜４００ｎｍ厚で不純物濃度が約５．０Ｅ＋１７ｃｍー3のｎ−Ａｌ0.47Ｉｎ0.53Ａｓクラッド層１２が形成されている。
【００２１】
ｎ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層１２上には、約１００±１０ｎｍ厚で、ＰＬ波長が約１．０μｍのｉ−Ａｌ0.32Ｇａ0.15Ｉｎ0.53Ａｓ ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）層１４を介して、多重量子井戸層１６が形成されている。多重量子井戸層１６は、約４±１ｎｍ厚で、ｎ−ＩｎＰ半導体基板１０に対して１．５％程度の圧縮歪が加わるｉ−Ａｌ0.12Ｇａ0.12Ｉｎ0.76Ａｓ活性層と、約１０±５ｎｍ厚で、ｎ−ＩｎＰ半導体基板１０に対して無歪で、ＰＬ波長が約１．０μｍのｉ−Ａｌ0.32Ｇａ0.15Ｉｎ0.53Ａｓ障壁層とが交互に積層して形成されている。多重量子井戸層１６の活性層数は、例えば、８層である。多重量子井戸層１６上には、約１００±１０ｎｍ厚で、ＰＬ波長が約１．０μｍのｉ−Ａｌ0.32Ｇａ0.15Ｉｎ0.53Ａｓ ＳＣＨ層１８が形成されている。
【００２２】
ＳＣＨ層１８上には、約５０〜４００ｎｍ厚で不純物濃度が５．０Ｅ＋１７ｃｍー3のｐ−Ａｌ0.47Ｉｎ0.53Ａｓクラッド層２０が形成されている。ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層２０上には、数１０ｎｍ厚で、ＰＬ波長が約１．０５μｍで、不純物濃度が約５．０Ｅ＋１７ｃｍー3のｐ−Ｇａ0.115Ｉｎ0.885Ａｓ0.246Ｐ0.7 54エッチングストッパ層２２を介して、約２０００±１００ｎｍ厚で不純物濃度が１．０Ｅ＋１８ｃｍ-3のｐ−ＩｎＰクラッド層２４が形成されている。ｐ−ＩｎＰクラッド層２４上には、約５００±１００ｎｍ厚で、不純物濃度が２．０Ｅ＋１９ｃｍ-3で、不純物濃度が約１．０Ｅ＋１９ｃｍー3のｐ+−Ｉｎ0.523Ｇａ0.467Ａｓコンタクト層２６が形成されている。
【００２３】
ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２、ｐ−ＩｎＰクラッド層２４及びｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２６は、図１に示すように、ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層２０側が狭い逆メサ形状のリッジ構造となるように加工されている。このリッジ構造は、中央の突出部分以外の領域はシリコン酸化膜２８により覆われている。ｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２６の露出部分、及びシリコン酸化膜２８上には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ層からなるｐ側電極３０が形成されている。ｎ−ＩｎＰ半導体基板１０の下面には、ＡｕＧｅ／Ａｕ層からなるｎ側電極３２が形成されている。
【００２４】
本実施形態によれば、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２の組成比を調整することにより、エッチングストッパ層２２とｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層２０との間のヘテロ障壁をなくすことができる。このことについて図２及び図３を用いて説明する。
図２に、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２の組成比を変化した場合の価電子帯側でのエネルギー不連続量の変化を示す。横軸にエッチングストッパ層２２のＰＬ波長をとり、縦軸に価電子帯側でのエネルギー不連続ΔＥｖをとる。ΔＥｖ１は、ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層２０とのエネルギー不連続量であり、ΔＥｖ２は、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２とｐ−ＩｎＰクラッド層２４とのエネルギー不連続であり、ΔＥｖ３は、ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層２０とｐ−ＩｎＰクラッド層２４とのエネルギー不連続量である。これらエネルギー不連続量ΔＥｖ１、ΔＥｖ２、ΔＥｖ３の間には、ΔＥｖ３＝ΔＥｖ１＋ΔＥｖ２なる関係がある。
【００２５】
図２に示すように、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２の組成比を変化させると、ＰＬ波長の増加に応じて、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２とｐ−ＩｎＰクラッド層のエネルギー不連続ΔＥｖ２が増加する。ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層２０とｐ−ＩｎＰクラッド層２４とのエネルギー不連続量ΔＥｖ３は一定であり変化しない。
【００２６】
このため、エネルギー不連続量ΔＥｖ２がエネルギー不連続量ΔＥｖ３より小さい場合には、図３（ａ）に示すように、価電子帯側において、ｐ−ＩｎＰクラッド層２４と、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２と、ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層２０とのヘテロ接合において段差が生ずる。一方、エネルギー不連続量ΔＥｖ２がエネルギー不連続量ΔＥｖ３より大きい場合には、図３（ｂ）に示すように、価電子帯側において、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２が井戸となるエネルギーバンドとなる。
【００２７】
したがって、エネルギー不連続量ΔＥｖ２がエネルギー不連続量ΔＥｖ３とほぼ等しい場合には、図３（ｃ）に示すように、価電子帯側において、ｐ−ＩｎＰクラッド層２４とｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２とでの段差がなくなる。
ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２のＰＬ波長を約１．０５μｍとし、エネルギー不連続量ΔＥｖ２がエネルギー不連続量ΔＥｖ３とほぼ等しくなることが最も望ましいが、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２のＰＬ波長が０．９５〜１．１μｍ程度であっても、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２のヘテロ接合における直列抵抗が十分に小さくなり効果的である。エッチングストッパ層２２の組成比は、ＰＬ波長が約１．０５μｍでは、ｐ−Ｇａ0.115Ｉｎ0.885Ａｓ0.246Ｐ0.754となり、ＰＬ波長が０．９５〜１．１μｍの範囲では、ｐ−Ｇａ0.029Ｉｎ0.971Ａｓ0.063Ｐ0.937〜ｐ−Ｇａ0.153Ｉｎ0.847Ａｓ0.328Ｐ0.672の範囲となる。
【００２８】
このように、本実施形態によれば、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２の組成比を適切な範囲内の値とすることにより、図４に示すエネルギーバンド図となり、エッチングストッパ層２２とｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層２０との間の価電子帯側でのヘテロ障壁をなくして直列抵抗を低下させることができる。比較のため、図５に、図１１の半導体レーザのエネルギーバンド図を示し、図６に、図１２の半導体レーザのエネルギーバンド図を示す。本実施形態の半導体レーザは、エッチングストッパ層を設けていながら、図５に示す図１１の半導体レーザのようにヘテロ障壁がない低い直列抵抗を実現できる。図６に示す図１２の半導体レーザのエネルギーバンド図と比較すれば、直列抵抗が低下していることがよくわかる。
【００２９】
次に、本実施形態による半導体レーザの製造方法を図７及び図８を用いて説明する。
まず、ｎ−ＩｎＰ半導体基板１０上に、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、約５０〜４００ｎｍ厚のｎ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層１２と、約１００±１０ｎｍ厚のｉ−ＡｌＧａＩｎＡｓ ＳＣＨ層１４と、ｉ−ＡｌＧａＩｎＡｓ活性層とｉ−ＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層を交互に積層した多重量子井戸層１６と、約１００±１０ｎｍ厚のｉ−ＡｌＧａＩｎＡｓＳＣＨ層１８と、約５０〜４００ｎｍ厚のｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層２０と、数１０ｎｍ厚のｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２と、約１０００±１００ｎｍ厚のｐ−ＩｎＰクラッド層２４と、約５００±１００ｎｍ厚のｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２６とを、この順番で積層する（図７（ａ））。
【００３０】
次に、リッジ構造を形成するために、ｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２６上全面にシリコン酸化膜からなるマスク層４０を形成し、続いて、後述するエッチングによるメサが逆メサ形状になるような方向のストライプとなるように、マスク層４０をパターニングする（図７（ｂ））。
次に、このマスク層４０をマスクとして、例えば、エタン及び水素ガスを含むエッチングガスを用いてｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２６及びｐ−ＩｎＰクラッド層２４の一部を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりエッチングする。続いて、Ｂｒ系のエッチャント、例えば、臭化水素酸を用いてｐ−ＩｎＰクラッド層２４をエッチングする。ｐ−ＩｎＰクラッド層２４は、図７（ｂ）に示すように、逆メサ形状となる。Ｂｒ系のエッチャントを用いたエッチングは、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２で停止する。
【００３１】
次に、硫酸系のエッチャント、例えば、硫酸を用いて、残存したｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２を除去する（図７（ｃ））。
次に、フッ酸を含むエッチャントを用いたウエットエッチングによりマスク層４０を除去し、その後、パッシベーション用のシリコン酸化膜２８を形成する（図８（ａ））。
【００３２】
次に、シリコン酸化膜２８に電極取り出し用の窓を開口し（図８（ｂ））、全面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層からなるｐ側電極３０を形成する（図８（ｃ））。続いて、ｎ−ＩｎＰ半導体基板１０下面を研磨した後に、全面にＡｕＧｅ／Ａｕ層からなるｎ側電極３２を形成する（図８（ｃ））。
このように本実施形態によれば、エッチングストッパ層の材料としてＢｒ系のエッチャントによりエッチングされないｐ−ＧａＩｎＡｓＰを用いたので、ｐ−ＩｎＰクラッド層をエッチングして逆メサ形状に形成することができる。
【００３３】
本発明の他の実施形態による半導体レーザを図９を用いて説明する。図９は本実施形態の半導体レーザの構造を示す図である。図１乃至図８に示す実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の半導体レーザでは、ｐ−ＩｎＰクラッド層２４が、図９に示すようにメサ形状の側壁がほぼ垂直である点を除いては、図１乃至図８に示す実施形態の半導体レーザと同じである。本実施形態ではｐ−ＩｎＰクラッド層２４をエッチングする際に、Ｂｒ系のエッチャントの代わりに、例えば、塩素を含む塩素系のエッチャントを用いる。これにより、ｐ−ＩｎＰクラッド層２４は側壁がほぼ垂直であるメサ形状となり、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２により停止する。
【００３４】
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、活性層として多重量子井戸構造を用いたが、他の構造、例えば、単層の活性層でもよい。
また、上記実施形態における素子構造はあくまで本発明を適用した一例であって、本発明が上記実施形態の素子構造に限定されるものではない。
【００３５】
さらに、上記実施形態では、半導体レーザに本発明を適用したが、半導体レーザ以外の他の光半導体装置に本発明を適用してもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、ｐ型ＡｌＩｎＡｓクラッド層とｐ型ＩｎＰクラッド層との間にｐ型ＧａＩｎＡｓＰ半導体層を挿入したので、このｐ型ＧａＩｎＡｓＰ半導体層によりｐ型ＩｎＰクラッド層のエッチングを停止することができる。しかも、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ半導体層のＰＬ波長を０．９５μｍ〜１．１μｍの範囲内としたので、ヘテロ接合における障壁を低くして直列抵抗を十分に小さくすることができる。また、ＩｎＰ半導体基板上にＡｌＧａＩｎＡｓ系材料を形成したＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系光半導体装置であるので、温度特性の改善が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による半導体レーザの断面図である。
【図２】ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層の組成比と、価電子帯側でのｐ−ＩｎＰクラッド層に対するエネルギー不連続量との関係を示すグラフである。
【図３】ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層の組成比を変化した場合の半導体レーザのエネルギーバンド図である。
【図４】本発明の一実施形態によれる半導体レーザのエネルギーバンド図である。
【図５】従来のＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザの一例のエネルギーバンド図である。
【図６】従来のＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザの他の例のエネルギーバンド図である。
【図７】本発明の一実施形態による半導体レーザの製造方法の工程断面図（その１）である。
【図８】本発明の一実施形態による半導体レーザの製造方法の工程断面図（その２）である。
【図９】本発明の他の実施形態による半導体レーザの断面図である。
【図１０】従来のＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系半導体レーザの断面図である。
【図１１】従来のＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザの一例のエネルギーバンド図である。
【図１２】従来のＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザの他の例の断面図及びエネルギーバンド図である。
【符号の説明】
１０…ｎ−ＩｎＰ半導体基板
１２…ｎ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層
１４…ＳＣＨ層
１６…多重量子井戸層
１８…ＳＣＨ層
２０…ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層
２２…ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層
２４…ｐ−ＩｎＰクラッド層
２６…ｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
２８…シリコン酸化膜
３０…ｐ側電極
３２…ｎ側電極
４０…マスク層
１００…ｎ−ＩｎＰ半導体基板
１０４…ＳＣＨ−ＭＱＷ層
１０８…ｐ−ＩｎＰクラッド層
１１０…シリコン酸化膜
１１２…ポリイミド層
１１４…ｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１１６…ｐ側電極
１１８…ｎ側電極
１２０…ｎ−ＩｎＰ半導体基板
１２２…ＡｌＩｎＡｓクラッド層
１２４…ＳＣＨ−ＭＱＷ層
１２６…ＡｌＩｎＡｓクラッド層
１２８…ｐ−ＩｎＰクラッド層
１３０…ｎ−ＩｎＰ半導体基板
１３２…ＳＣＨ−ＭＱＷ層
１３４…ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層
１３６…ｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓエッチングストッパ層
１３８…ｐ−ＩｎＰクラッド層
１４０…ｐ+−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
１４２…ｐ側電極
１４４…ｎ側電極
１４６…酸化アルミニウム層
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系の光半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ通信は、ケーブル１本当たりの伝送情報量が多く、電波障害の影響を受けにくいう特徴がある。現在、日米の国際電話回線や国内の主要基幹回線は光ファイバ回線に置き換えられつつある。近年、個々の加入者に対しても光ファイバ回線を利用しようとする動きが高まっている。
【０００３】
個々の加入者に対する光ファイバ通信を実現するためには、光源である半導体レーザが低価格であることが要求される。このため、温度制御装置や光アイソレータ等の高価な光部品を用いることができず、環境温度変動に対する安定性や、耐戻り光特性等が半導体レーザに対して要求される。
これまで、通信用の長波長の光半導体レーザとしては、ＩｎＰ半導体基板上に格子整合したＧａＩｎＡｓＰ系材料を堆積したＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系半導体レーザが用いられてきた。例えば、M.Aoki等により、次のような報告がなされている。
（１）M.Aoki, T.Tsuchiya, K.Nakahara, M.Komori, and K.Uomi, "High-power and wide-temperature-range operations of InGaAsP-InP strained MQW lasers with reverse-mesa ridge-waveguide structure", IEEE Photonics. Techno. Lett., vol.7, No.1, pp.13-15, Jan. 1995
（２）M.Aoki, M.Komori, T.Tsuchiya, H.Sato, K.Uomi, and T.Ohtoshi, "High performance InGaAsP/InP strained layer MQW lasers with reverse-mesa ridge-waveguide structures", IEE Electron. Lett., vol.31, No.12, pp.973-974, June 1995
（３）M.Aoki, T.Tsuchiya, K.Nakahara, M.Komori, K.Uomi, and T.Ohtoshi, "High-power, wide-temperature-range operation of InGaAsP/InP strained-layer MQW lasers with a reverse-mesa ridge-waveguide structure", OFC '95 Technical Digest, pp.255-256, Feb. 1995
これら報告におけるＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系半導体レーザの構造の一例を図１０に示す。図１０は半導体レーザの断面図である。
【０００４】
図１０に示すように、ｎ−ＩｎＰ半導体基板１００上に、ＧａＩｎＡｓＰ系のＳＣＨ−ＭＱＷ層１０４が形成されている。ＳＣＨ−ＭＱＷ層１０４は、多重量子井戸（ＭＱＷ（Multiple Quantum Well））層がＳＣＨ（Separated Confinement Heterostructure）層で挟まれた構造をしている。ＳＣＨ−ＭＱＷ層１０４上にはリッジ構造のｐ−ＩｎＰクラッド層１０８が形成されている。ｐ−ＩｎＰクラッド層１０８は、コンタクト抵抗を下げるために、ＳＣＨ−ＭＱＷ層１０４側が細い逆メサ形状をしている。ｐ−ＩｎＰクラッド層１０８側面及びＳＣＨ−ＭＱＷ層１０４上面はシリコン酸化膜１１０により覆われ、さらに、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０８はポリイミド層１１２により埋め込まれている。
【０００５】
ｐ−ＩｎＰクラッド層１０８上面には、ｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１４を介してｐ側電極１１６が形成されている。ｎ−ＩｎＰ半導体基板１００下面にはｎ側電極１１８が形成されている。
このＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系半導体レーザは、リッジ構造のｐ−ＩｎＰクラッド層１０８を逆メサ形状にすることにより、コンタクト抵抗を下げて高出力の半導体レーザを実現することができる。
【０００６】
しかしながら、このＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系半導体レーザは、発振しきい値電流値の特性温度Ｔｏが７０Ｋ程度までしか得ることができず、環境温度が変動するとレーザ発振に必要とする電流値が急激に上昇してしまい使用困難な状態になってしまう。
これに対し、温度特性の改善が期待できる長波長の半導体レーザの材料として、ＩｎＰ半導体基板上にＡｌＧａＩｎＡｓ系材料を形成したＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザが注目されている。例えば、C.E.Zah、Z.Wang、M.C.Wang等により、次のような報告がなされている。
（４）C.E.Zah et al, "High-performance uncooled 1.3μm ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＡｓ／ＩｎＰ strained-layer quantum-well lasers for subscriber loop applications", IEEE J. Quantum Electron, vol.30, No.2, pp.511-523, Feb. 1994
（５）C.E.Zah et al, "Low Threshold 1.3μm Strained-Layer ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＡｓ／ＩｎＰ Quantum Well Lasers", IEE Electron. Lett., vol.28, No.25, pp.2323-2325, Dec. 1992
（６）C.E.Zah et al, "High-performance uncooled 1.3μm ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＡｓ／ＩｎＰ strained-layer quantum-well lasers for fiber-in-the-loop applications", 94 OFC, pp.204-205, 1994
（７）Z.Wang et al, "High-reliability, high-performance, low-cost coaxial laser module at 1.3μm for local-loop applications", 94 OFC, pp.145-146, 1994
（８）Z.Wang et al, "High speed, ultralow noise, tensile strained InGaAlAs MQW lasers emitting at 1300 nm for optical communication and microwave applications", IEE Electron. Lett., vol.30, No.17, pp.1413-1414, Aug. 1994
（９）C.E.Zah et al, "Low Threshold 1.3μm Strained-Layer ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＡｓ／ＩｎＰ Quantum Well Lasers", 13th International Semiconductor Laser Conference, K-5, pp.202-203, 1992
（１０）C.E.Zah et al, "High-temperature modulation dynamics of 1.3μm ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＡｓ／ＩｎＰ compressive-strained multiple-quantum well lasers", 14th International Semiconductor Laser Conference, Th1.3, pp.215-216, 1994
（１１）Z.Wang et al, "High speed, ultra low noise operation from -40℃ to100℃ tensile strained InGaAlAs MQW lasers emitting at 1300 nm", 14th International Semiconductor Laser Conference, PD10, pp.23-24, Sept. 1994
（１２）M.C.Wang et al, "Ultrahigh temperature and ultrahigh speed operation of 1.3 μm strain-compensated ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ uncooled laser diodes", IEE Electron. Lett., vol.31, No.18, pp.1584-1585, Aug. 1995
（１３）M.C.Wang et al, "Ultra-high temperature and ultra-high speed operation of 1.3μm AlGaInAs/InP Uncooled Laser Diodes", IEEE/LEOS Annual Meeting '95 SCL6.2, pp.280-281, 1995
（１４）H.Lu et al, "High performance AlGaInAs/InP strained MQW lasers for optical communication", IEEE/LEOS Annual Meeting '96 ThB2, pp.281-282, 1996
（１５）R.Ranganathan et al, "Influence of blue-shifted energy in the spectrum for 1.5μm AlInGaAs/InP MQW DFB lasers on dispersion penalty in 2.5 Gbit/s systems", IEEE/LEOS Annual Meeting '96 ThI2, pp.337-338, 1996
（１６）M.C.Wang et al, "Highly-reliable, high-perfomance 1.3μm low-cost laser diodes for fiber-to-the-home applications", IEEE/LEOS Annual Meeting '96 ThU2, pp.415-416, 1996
（１７）A.Balida et al, "Correlation of light-to heavy-hole valence band splitting with performance of 1.3μm uncooled tensile-strained AlInGaAs/InP MQW FP lasers", IEEE/LEOS Annual Meeting '96 ThU3, pp.417-418, 1996
これら報告におけるＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザの素子構造の一例を図１１に示す。図１１は半導体レーザのバンド構造を示している。
【０００７】
図１１に示すように、ｎ−ＩｎＰ半導体基板１２０上に、ＡｌＩｎＡｓクラッド層１２２が形成されている。ＡｌＩｎＡｓクラッド層１２２上には、ＡｌＧａＩｎＡｓ系のＳＣＨ−ＭＱＷ層１２４が形成されている。ＳＣＨ−ＭＱＷ層１２４は、ＭＱＷ層がＳＣＨ層で挟まれた構造をしている。ＳＣＨ−ＭＱＷ層１２４上には、ＡｌＩｎＡｓクラッド層１２６が形成されている。ＡｌＩｎＡｓクラッド層１２６上にはｐ−ＩｎＰクラッド層１２８が形成されている。
【０００８】
これまでの報告では、特性温度にして１００Ｋ程度の温度特性を温度特性を有するＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザが得られている。
また、このＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザでは、活性層であるＳＣＨ−ＭＱＷ層１２４にＡｌが含まれているため、メサを形成して埋め込み成長を行う構造で製造することは困難である。そこで、Ａｌを含む材料系の半導体レーザではリッジ構造を採用している。
【０００９】
リッジ構造の半導体レーザの場合、図１０において説明したように、コンタクト抵抗を下げるために、逆メサ形状にすることが望ましい。しかしながら、図１１の半導体レーザの場合、ｐ−ＩｎＰクラッド層１２８を逆メサ形状にするエッチャントを用いてエッチングすると、ＡｌＩｎＡｓクラッド層１２６までエッチングされてしまうため、制御性よく逆メサ形状のＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ半導体レーザを実現することができない。
【００１０】
一方、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ半導体レーザであって、ｐ−ＩｎＰクラッド層とｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層の間にエッチングストッパ層を挿入する構造について次のような報告がある。
（１８）B.Stegmuller, B.Bonchert, and R.Gessner, "1.57μｍ strained-layer quantum-well GaInAlAs ridge-waveguide laser diodes with high temperature (130℃) and ultrahigh-speed (176Hz) performance", IEEE Photon. Technol. Lett., vol.5, No.6, pp.597-599, June 1993
この報告におけるＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザの素子構造を図１２に示す。図１２は半導体レーザの構造とバンド構造を示している。
【００１１】
図１１に示すように、ｎ−ＩｎＰ半導体基板１３０上に、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ系のＳＣＨ−ＭＱＷ層１３２が形成されている。ＳＣＨ−ＭＱＷ層１３２上にはｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層１３４が形成されている。ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層１３４上には、ｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓエッチングストッパ層１３６を介してメサ形状のｐ−ＩｎＰクラッド層１３８が形成されている。
【００１２】
ｐ−ＩｎＰクラッド層１３８上面には、ｐ+−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１４０を介してｐ側電極１４２が形成されている。ｎ−ＩｎＰ半導体基板１３０下面にはｎ側電極１４４が形成されている。ｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓエッチングストッパ層１３６上面及びｐ−ＩｎＰクラッド層１３８側面及び上面は、酸化アルミニウム層１４６により覆われている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層１３４とｐ−ＩｎＰクラッド層１３８の間にｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓエッチングストッパ層１３６を挿入すれば、この層でエッチングが停止してｐ−ＩｎＰクラッド層１３８をメサ形状にすることができる。しかしながら、このｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓエッチングストッパ層１３６を挿入したために、価電子帯側に大きな井戸が形成され、直列抵抗が大きくなってしまい、十分な特性が得られない。
【００１４】
本発明の目的は、良好な温度特性を実現し、直列抵抗が低いＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系の光半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、ＩｎＰ半導体基板と、前記ＩｎＰ半導体基板上に形成された活性層と、前記活性層上に形成され、前記ＩｎＰ半導体基板に格子整合（−０．２％〜＋０．２％）したｐ型ＡｌＩｎＡｓからなる第１クラッド層と、前記第１クラッド層上に形成され、ＰＬ波長が０．９５μｍ〜１．１μｍの範囲内にあり、前記ＩｎＰ半導体基板に格子整合したｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなる半導体層と、前記半導体層上に形成され、ｐ型ＩｎＰからなる第２クラッド層とを有することを特徴とする光半導体装置によって達成される。
【００１６】
上述した光半導体装置において、前記第１クラッド層、前記半導体層、及び前記第２クラッド層のドーパント濃度は１×１０17ｃｍ-3以上であることが望ましい。
上述した光半導体装置において、前記第２クラッド層は、逆メサ形状をしていることが望ましい。
【００１７】
上述した光半導体装置において、前記活性層は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系材料の多重量子井戸構造を含むことが望ましい。
上述した光半導体装置において、前記多重量子井戸構造は、圧縮歪が加わったＡｌＧａＩｎＡｓ活性層と、歪がほとんど加わらないＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層とを交互に積層して構成されていることが望ましい。
【００１８】
上記目的は、ＩｎＰ半導体基板上に、活性層と、前記ＩｎＰ半導体基板に格子整合したｐ型ＡｌＩｎＡｓからなる第１クラッド層と、ＰＬ波長が０．９５μｍ〜１．１μｍの範囲内にあり、前記ＩｎＰ半導体基板に格子整合したｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなる半導体層と、ｐ型ＩｎＰからなる第２クラッド層とを形成する第１の工程と、前記第２クラッド層上にマスク層を形成する第２の工程と、前記マスク層をマスクとして前記第２クラッド層をエッチングする第３の工程とを有することを特徴とする光半導体装置の製造方法によって達成される。
【００１９】
上述した光半導体装置の製造方法において、前記第３の工程では、前記第２クラッド層を逆メサ形状にすることが望ましい。
上述した光半導体装置の製造方法において、前記第３の工程では、Ｂｒ系のエッチャントにより前記第２クラッド層をエッチングすることが望ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態による半導体レーザを図１を用いて説明する。図１は本実施形態の半導体レーザの構造を示す図である。
約２７０μｍ厚で不純物濃度が約２．０Ｅ＋１８ｃｍ-3のｎ−ＩｎＰ半導体基板１０上に、約５０〜４００ｎｍ厚で不純物濃度が約５．０Ｅ＋１７ｃｍー3のｎ−Ａｌ0.47Ｉｎ0.53Ａｓクラッド層１２が形成されている。
【００２１】
ｎ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層１２上には、約１００±１０ｎｍ厚で、ＰＬ波長が約１．０μｍのｉ−Ａｌ0.32Ｇａ0.15Ｉｎ0.53Ａｓ ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）層１４を介して、多重量子井戸層１６が形成されている。多重量子井戸層１６は、約４±１ｎｍ厚で、ｎ−ＩｎＰ半導体基板１０に対して１．５％程度の圧縮歪が加わるｉ−Ａｌ0.12Ｇａ0.12Ｉｎ0.76Ａｓ活性層と、約１０±５ｎｍ厚で、ｎ−ＩｎＰ半導体基板１０に対して無歪で、ＰＬ波長が約１．０μｍのｉ−Ａｌ0.32Ｇａ0.15Ｉｎ0.53Ａｓ障壁層とが交互に積層して形成されている。多重量子井戸層１６の活性層数は、例えば、８層である。多重量子井戸層１６上には、約１００±１０ｎｍ厚で、ＰＬ波長が約１．０μｍのｉ−Ａｌ0.32Ｇａ0.15Ｉｎ0.53Ａｓ ＳＣＨ層１８が形成されている。
【００２２】
ＳＣＨ層１８上には、約５０〜４００ｎｍ厚で不純物濃度が５．０Ｅ＋１７ｃｍー3のｐ−Ａｌ0.47Ｉｎ0.53Ａｓクラッド層２０が形成されている。ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層２０上には、数１０ｎｍ厚で、ＰＬ波長が約１．０５μｍで、不純物濃度が約５．０Ｅ＋１７ｃｍー3のｐ−Ｇａ0.115Ｉｎ0.885Ａｓ0.246Ｐ0.7 54エッチングストッパ層２２を介して、約２０００±１００ｎｍ厚で不純物濃度が１．０Ｅ＋１８ｃｍ-3のｐ−ＩｎＰクラッド層２４が形成されている。ｐ−ＩｎＰクラッド層２４上には、約５００±１００ｎｍ厚で、不純物濃度が２．０Ｅ＋１９ｃｍ-3で、不純物濃度が約１．０Ｅ＋１９ｃｍー3のｐ+−Ｉｎ0.523Ｇａ0.467Ａｓコンタクト層２６が形成されている。
【００２３】
ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２、ｐ−ＩｎＰクラッド層２４及びｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２６は、図１に示すように、ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層２０側が狭い逆メサ形状のリッジ構造となるように加工されている。このリッジ構造は、中央の突出部分以外の領域はシリコン酸化膜２８により覆われている。ｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２６の露出部分、及びシリコン酸化膜２８上には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ層からなるｐ側電極３０が形成されている。ｎ−ＩｎＰ半導体基板１０の下面には、ＡｕＧｅ／Ａｕ層からなるｎ側電極３２が形成されている。
【００２４】
本実施形態によれば、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２の組成比を調整することにより、エッチングストッパ層２２とｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層２０との間のヘテロ障壁をなくすことができる。このことについて図２及び図３を用いて説明する。
図２に、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２の組成比を変化した場合の価電子帯側でのエネルギー不連続量の変化を示す。横軸にエッチングストッパ層２２のＰＬ波長をとり、縦軸に価電子帯側でのエネルギー不連続ΔＥｖをとる。ΔＥｖ１は、ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層２０とのエネルギー不連続量であり、ΔＥｖ２は、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２とｐ−ＩｎＰクラッド層２４とのエネルギー不連続であり、ΔＥｖ３は、ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層２０とｐ−ＩｎＰクラッド層２４とのエネルギー不連続量である。これらエネルギー不連続量ΔＥｖ１、ΔＥｖ２、ΔＥｖ３の間には、ΔＥｖ３＝ΔＥｖ１＋ΔＥｖ２なる関係がある。
【００２５】
図２に示すように、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２の組成比を変化させると、ＰＬ波長の増加に応じて、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２とｐ−ＩｎＰクラッド層のエネルギー不連続ΔＥｖ２が増加する。ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層２０とｐ−ＩｎＰクラッド層２４とのエネルギー不連続量ΔＥｖ３は一定であり変化しない。
【００２６】
このため、エネルギー不連続量ΔＥｖ２がエネルギー不連続量ΔＥｖ３より小さい場合には、図３（ａ）に示すように、価電子帯側において、ｐ−ＩｎＰクラッド層２４と、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２と、ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層２０とのヘテロ接合において段差が生ずる。一方、エネルギー不連続量ΔＥｖ２がエネルギー不連続量ΔＥｖ３より大きい場合には、図３（ｂ）に示すように、価電子帯側において、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２が井戸となるエネルギーバンドとなる。
【００２７】
したがって、エネルギー不連続量ΔＥｖ２がエネルギー不連続量ΔＥｖ３とほぼ等しい場合には、図３（ｃ）に示すように、価電子帯側において、ｐ−ＩｎＰクラッド層２４とｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２とでの段差がなくなる。
ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２のＰＬ波長を約１．０５μｍとし、エネルギー不連続量ΔＥｖ２がエネルギー不連続量ΔＥｖ３とほぼ等しくなることが最も望ましいが、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２のＰＬ波長が０．９５〜１．１μｍ程度であっても、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２のヘテロ接合における直列抵抗が十分に小さくなり効果的である。エッチングストッパ層２２の組成比は、ＰＬ波長が約１．０５μｍでは、ｐ−Ｇａ0.115Ｉｎ0.885Ａｓ0.246Ｐ0.754となり、ＰＬ波長が０．９５〜１．１μｍの範囲では、ｐ−Ｇａ0.029Ｉｎ0.971Ａｓ0.063Ｐ0.937〜ｐ−Ｇａ0.153Ｉｎ0.847Ａｓ0.328Ｐ0.672の範囲となる。
【００２８】
このように、本実施形態によれば、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２の組成比を適切な範囲内の値とすることにより、図４に示すエネルギーバンド図となり、エッチングストッパ層２２とｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層２０との間の価電子帯側でのヘテロ障壁をなくして直列抵抗を低下させることができる。比較のため、図５に、図１１の半導体レーザのエネルギーバンド図を示し、図６に、図１２の半導体レーザのエネルギーバンド図を示す。本実施形態の半導体レーザは、エッチングストッパ層を設けていながら、図５に示す図１１の半導体レーザのようにヘテロ障壁がない低い直列抵抗を実現できる。図６に示す図１２の半導体レーザのエネルギーバンド図と比較すれば、直列抵抗が低下していることがよくわかる。
【００２９】
次に、本実施形態による半導体レーザの製造方法を図７及び図８を用いて説明する。
まず、ｎ−ＩｎＰ半導体基板１０上に、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、約５０〜４００ｎｍ厚のｎ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層１２と、約１００±１０ｎｍ厚のｉ−ＡｌＧａＩｎＡｓ ＳＣＨ層１４と、ｉ−ＡｌＧａＩｎＡｓ活性層とｉ−ＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層を交互に積層した多重量子井戸層１６と、約１００±１０ｎｍ厚のｉ−ＡｌＧａＩｎＡｓＳＣＨ層１８と、約５０〜４００ｎｍ厚のｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層２０と、数１０ｎｍ厚のｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２と、約１０００±１００ｎｍ厚のｐ−ＩｎＰクラッド層２４と、約５００±１００ｎｍ厚のｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２６とを、この順番で積層する（図７（ａ））。
【００３０】
次に、リッジ構造を形成するために、ｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２６上全面にシリコン酸化膜からなるマスク層４０を形成し、続いて、後述するエッチングによるメサが逆メサ形状になるような方向のストライプとなるように、マスク層４０をパターニングする（図７（ｂ））。
次に、このマスク層４０をマスクとして、例えば、エタン及び水素ガスを含むエッチングガスを用いてｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２６及びｐ−ＩｎＰクラッド層２４の一部を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりエッチングする。続いて、Ｂｒ系のエッチャント、例えば、臭化水素酸を用いてｐ−ＩｎＰクラッド層２４をエッチングする。ｐ−ＩｎＰクラッド層２４は、図７（ｂ）に示すように、逆メサ形状となる。Ｂｒ系のエッチャントを用いたエッチングは、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２で停止する。
【００３１】
次に、硫酸系のエッチャント、例えば、硫酸を用いて、残存したｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２を除去する（図７（ｃ））。
次に、フッ酸を含むエッチャントを用いたウエットエッチングによりマスク層４０を除去し、その後、パッシベーション用のシリコン酸化膜２８を形成する（図８（ａ））。
【００３２】
次に、シリコン酸化膜２８に電極取り出し用の窓を開口し（図８（ｂ））、全面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層からなるｐ側電極３０を形成する（図８（ｃ））。続いて、ｎ−ＩｎＰ半導体基板１０下面を研磨した後に、全面にＡｕＧｅ／Ａｕ層からなるｎ側電極３２を形成する（図８（ｃ））。
このように本実施形態によれば、エッチングストッパ層の材料としてＢｒ系のエッチャントによりエッチングされないｐ−ＧａＩｎＡｓＰを用いたので、ｐ−ＩｎＰクラッド層をエッチングして逆メサ形状に形成することができる。
【００３３】
本発明の他の実施形態による半導体レーザを図９を用いて説明する。図９は本実施形態の半導体レーザの構造を示す図である。図１乃至図８に示す実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の半導体レーザでは、ｐ−ＩｎＰクラッド層２４が、図９に示すようにメサ形状の側壁がほぼ垂直である点を除いては、図１乃至図８に示す実施形態の半導体レーザと同じである。本実施形態ではｐ−ＩｎＰクラッド層２４をエッチングする際に、Ｂｒ系のエッチャントの代わりに、例えば、塩素を含む塩素系のエッチャントを用いる。これにより、ｐ−ＩｎＰクラッド層２４は側壁がほぼ垂直であるメサ形状となり、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層２２により停止する。
【００３４】
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、活性層として多重量子井戸構造を用いたが、他の構造、例えば、単層の活性層でもよい。
また、上記実施形態における素子構造はあくまで本発明を適用した一例であって、本発明が上記実施形態の素子構造に限定されるものではない。
【００３５】
さらに、上記実施形態では、半導体レーザに本発明を適用したが、半導体レーザ以外の他の光半導体装置に本発明を適用してもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、ｐ型ＡｌＩｎＡｓクラッド層とｐ型ＩｎＰクラッド層との間にｐ型ＧａＩｎＡｓＰ半導体層を挿入したので、このｐ型ＧａＩｎＡｓＰ半導体層によりｐ型ＩｎＰクラッド層のエッチングを停止することができる。しかも、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ半導体層のＰＬ波長を０．９５μｍ〜１．１μｍの範囲内としたので、ヘテロ接合における障壁を低くして直列抵抗を十分に小さくすることができる。また、ＩｎＰ半導体基板上にＡｌＧａＩｎＡｓ系材料を形成したＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系光半導体装置であるので、温度特性の改善が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による半導体レーザの断面図である。
【図２】ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層の組成比と、価電子帯側でのｐ−ＩｎＰクラッド層に対するエネルギー不連続量との関係を示すグラフである。
【図３】ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層の組成比を変化した場合の半導体レーザのエネルギーバンド図である。
【図４】本発明の一実施形態によれる半導体レーザのエネルギーバンド図である。
【図５】従来のＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザの一例のエネルギーバンド図である。
【図６】従来のＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザの他の例のエネルギーバンド図である。
【図７】本発明の一実施形態による半導体レーザの製造方法の工程断面図（その１）である。
【図８】本発明の一実施形態による半導体レーザの製造方法の工程断面図（その２）である。
【図９】本発明の他の実施形態による半導体レーザの断面図である。
【図１０】従来のＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系半導体レーザの断面図である。
【図１１】従来のＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザの一例のエネルギーバンド図である。
【図１２】従来のＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ系半導体レーザの他の例の断面図及びエネルギーバンド図である。
【符号の説明】
１０…ｎ−ＩｎＰ半導体基板
１２…ｎ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層
１４…ＳＣＨ層
１６…多重量子井戸層
１８…ＳＣＨ層
２０…ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層
２２…ｐ−ＧａＩｎＡｓＰエッチングストッパ層
２４…ｐ−ＩｎＰクラッド層
２６…ｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
２８…シリコン酸化膜
３０…ｐ側電極
３２…ｎ側電極
４０…マスク層
１００…ｎ−ＩｎＰ半導体基板
１０４…ＳＣＨ−ＭＱＷ層
１０８…ｐ−ＩｎＰクラッド層
１１０…シリコン酸化膜
１１２…ポリイミド層
１１４…ｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１１６…ｐ側電極
１１８…ｎ側電極
１２０…ｎ−ＩｎＰ半導体基板
１２２…ＡｌＩｎＡｓクラッド層
１２４…ＳＣＨ−ＭＱＷ層
１２６…ＡｌＩｎＡｓクラッド層
１２８…ｐ−ＩｎＰクラッド層
１３０…ｎ−ＩｎＰ半導体基板
１３２…ＳＣＨ−ＭＱＷ層
１３４…ｐ−ＡｌＩｎＡｓクラッド層
１３６…ｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓエッチングストッパ層
１３８…ｐ−ＩｎＰクラッド層
１４０…ｐ+−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
１４２…ｐ側電極
１４４…ｎ側電極
１４６…酸化アルミニウム層
Claims (8)
- ＩｎＰ半導体基板と、
前記ＩｎＰ半導体基板上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成され、前記ＩｎＰ半導体基板に格子整合したｐ型ＡｌＩｎＡｓからなる第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に形成され、ＰＬ波長が０．９５μｍ〜１．１μｍの範囲内にあり、前記ＩｎＰ半導体基板に格子整合したｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなる半導体層と、
前記半導体層上に形成され、ｐ型ＩｎＰからなる第２クラッド層とを有し、
前記半導体層は、前記第２クラッド層をエッチングする際のエッチングストッパ層である
ことを特徴とする光半導体装置。 - 請求項１記載の光半導体装置において、
前記第１クラッド層、前記半導体層、及び前記第２クラッド層のドーパント濃度は１×１０17ｃｍ-3以上である
ことを特徴とする光半導体装置。 - 請求項１又は２記載の光半導体装置において、
前記第２クラッド層は、逆メサ形状をしている
ことを特徴とする光半導体装置。 - 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光半導体装置において、
前記活性層は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系材料の多重量子井戸構造を含む
ことを特徴とする光半導体装置。 - 請求項４記載の光半導体装置において、
前記多重量子井戸構造は、圧縮歪が加わったＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層と、歪がほとんど加わらないＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層とを交互に積層して構成されている
ことを特徴とする光半導体装置。 - ＩｎＰ半導体基板上に、活性層と、前記ＩｎＰ半導体基板に格子整合したｐ型ＡｌＩｎＡｓからなる第１クラッド層と、ＰＬ波長が０．９５μｍ〜１．１μｍの範囲内にあり、前記ＩｎＰ半導体基板に格子整合したｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなる半導体層と、ｐ型ＩｎＰからなる第２クラッド層とを形成する第１の工程と、
前記第２クラッド層上にマスク層を形成する第２の工程と、
前記マスク層をマスクとし、前記半導体層をエッチングストッパ層として、前記第２クラッド層をエッチングする第３の工程と
を有することを特徴とする光半導体装置の製造方法。 - 請求項６記載の光半導体装置の製造方法において、
前記第３の工程では、前記第２クラッド層を逆メサ形状にする
ことを特徴とする光半導体装置の製造方法。 - 請求項７記載の光半導体装置の製造方法において、
前記第３の工程では、Ｂｒ系のエッチャントにより前記第２クラッド層をエッチングする
ことを特徴とする光半導体装置の製造方法。
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