JPH06326399A - 半導体レーザ素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 コンタクト層16を有するダブルヘテロ接合型
の半導体レーザー素子において、金属配線18がダブルチ
ャネル17を横断する領域のみ残してダブルチャネル17を
形成した後に前記領域のコンタクト層16下部のＩnＰ結
晶をエッチングして、コンタクト層ブリッジ20を形成す
る。そしてこのコンタクト層ブリッジ20を用いて、ダブ
ルチャネル17中央から外部のワイヤボンド用の電極パッ
ドまで電極を配線する。 【効果】 ダブルチャネルの外でボンディング可能とな
るので、ボンディング時の歪が活性層14に直接作用して
悪影響を与えることはない。さらに、金属配線形成に一
般的な真空蒸着法を用いた場合であっても、蒸着した金
属のダブルチャネル17部分の段差による断線を防止する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、長距離光通信用など
に変調速度改善のために用いられる、「溝（ダブルチャ
ネル）」を有する半導体レーザ素子に関するものであ
る。

【０００２】

【従来技術】半導体レーザーは、半導体中の伝導帯と価
電子帯中に電子と正孔を大量につくることによって反転
分布状態を形成し、誘導放出による光の増幅をおこなう
レーザーである。なかでもレーザー・ダイオード（以下
Laser Diod：ＬＤと略す）は、半導体のPN接合に順方向
電流を流した際の、注入されたキャリアーの再結合によ
る発光を利用したレーザーであり、他のレーザーに比べ
て小型で極めて効率が高いという長所を持っている。そ
のためＬＤは、オプトエレクトロニクスの分野で非常に
重要な役割を果たしている。

【０００３】まず、このＬＤのレーザー発振について簡
単に説明する。一般に結晶のエネルギー準位は、禁止帯
の上に伝導帯、下に価電子帯があるが、半導体では伝導
体に電子がほとんどなくて価電子帯には電子が殆ど完全
に充満している。そのため、電流のキャリヤーとなる電
子も正孔も少ないので電流が流れにくい。ある種の不純
物を含むｎ型半導体では、かなりの数の電子が不純物準
位から伝導帯に熱的に励起され、他種の不純物を含むｐ
型半導体では、価電子帯の電子が不純物準位に励起され
て、かなりの数の正孔を生じているので、いずれも電流
が比較的よく流れるようになる。

【０００４】ｐ型とｎ型の接合した半導体はｐｎ接合と
呼ばれ、ｎ型に対してｐ型の方に負の電圧をかけたとき
には電流が殆ど流れないが、ｐ型の方に正の電圧をかけ
ると電流がよく流れる。このとき、ｐ型半導体の正孔は
ｎ型の方に流れ込み、ｎ型半導体の伝導電子はｐ型の方
に流れ込む。電子と正孔が出会うと結合して禁止帯幅の
エネルギーを持つ光を放出する。上記ｐｎ接合領域に十
分な数の電子と正孔が存在するとき、この領域が反転分
布状態となる。そして半導体結晶自身のへき開面が光学
的にきわめて平で２面間の平行度もすぐれているので、
これをそのまま光共振器として利用して光の増幅発振
（レーザー発振）が可能となる。

【０００５】初期のＬＤは単一の材料でｐｎ接合を作っ
たホモ接合であるが、最近のものはたいてい２種類の半
導体のヘテロ接合で作られている。ヘテロ接合とは、組
成のことなる半導体や金属の接合をいい、このヘテロ構
造においては、バンドギャップの小さい物質から大きい
物質へは電子の注入が起き難いので、電子を接合の片側
だけに分布させることができる。

【０００６】さらに、バンドギャップの小さい半導体を
バンドギャップの大きい半導体で挟み込んで作られたダ
ブルへテロ構造では、電子がバンドギャップの小さい中
央の半導体活性層中に効率よく閉じ込められることにな
る。その結果、この活性層において電子-正孔が有効に
再結合するので、より容易なレーザー発振が可能となっ
た。

【０００７】従来、この種のＬＤを発光素子として用い
た半導体レーザー素子としては、「"Distrbuted Feedba
ck Laser Emitting at 1.3μｍ for GigabitCommunicat
ion Systems";Journal of Lightwave Technology, Vol.
LT-5, No.6June 1987」に記載されるようなものがあ
る。

【０００８】上記文献に開示された半導体レーザー素子
の構造を、図３の断面図に示す。図３には、ｎ型ＩnＰ
結晶からなり下部にAuGe／Au等からなる電極27を有する
半導体基板11が記されており、この半導体基板11にはメ
サストライプ12が形成されている。このメサストライプ
12は、ｎ型ＩnＰ結晶からなる第１の半導体層13と、ｎ
型のＩnＧaＡsＰ４元結晶からなる層14aと、ＩnＧaＡs
Ｐ４元結晶からなる活性層14から形成されている。そし
てこの活性層14を含んだメサストライプ12は、ホトリソ
グラフィー及びエッチングにより、ｐ型のＩnＰ結晶か
らなる第２の半導体層15中に埋め込まれている。

【０００９】そしてこの第２の半導体層15上には、ｐ型
のＩnＧaＡsＰ４元結晶からなり金属配線18と接続する
ためのコンタクト層16と、Ti／Pt／Au等からなる金属配
線18が形成されている。

【００１０】さらに以上説明した、第１の半導体層13，
活性層14及び第２の半導体層15によってダブルヘテロ結
合を形成する半導体レーザー素子の発光部の両側には、
ｎ型ＩnＰ結晶からなるｎ-ｐ逆バイアスを用いた内部電
流狭窄層19と、ＬＤ素子の変調速度を制限する主要な要
因の一つである素子寄生容量を低減し高速変調を実現す
るための、エッチングによる「溝」（以下ダブルチャネ
ルと呼ぶ）17が形成されている。

【００１１】ＩnＧaＡsＰ４元結晶とは、Ｉn／Ｇa／Ａs
／Ｐの各元素からなる混晶であり、各元素の組成比は、
Ｉn：Ｇa：Ａs：Ｐ=１-ｘ：ｘ：１-ｙ：ｙ （０＜ｘ＜
１，０＜ｙ＜１）の関係を満たす範囲で任意に変更する
ことができる。混晶は一般的な特徴として、組成比を変
えることによって格子定数とバンドギャップが連続的に
変わる性質を有しており、適当なバンドギャップを持っ
た結晶を合成することが可能である。

【００１２】さらに、ＩnＧaＡsＰ４元結晶は組成比を
変えても格子定数が変化しないので、バンドギャップの
異なるＩnＰ結晶とＩnＧaＡsＰ４元結晶を連続的に重ね
た、ヘテロ構造を実現することができる。これら結晶の
バンドギャップは、ＩnＧaＡsＰ４元結晶に比べてＩnＰ
結晶の方が大きいので、バンドギャップの小さいＩnＧa
ＡsＰ４元結晶からなる中央の活性層14中に、電子が効
率よく閉じ込められることになる。

【００１３】図３に示した半導体レーザー素子を、上下
端に設けられた電極18，27から順方向にバイアスする
と、活性層14であるＩnＧaＡsＰ４元結晶中に高濃度の
電子と正孔を注入される。

【００１４】注入されたキャリアは、ｎ型ＩnＰ結晶と
ＩnＧaＡsＰ４元結晶，およびｐ型のＩnＰ結晶とＩnＧa
ＡsＰ４元結晶がそれぞれ形成する、ヘテロ接合界面に
おけるバリアによって活性層14に閉じ込められ、活性層
14でのみ効率良く再結合する。この時、活性層14とその
周囲の材料の屈折率の差によって、再結合によって発生
した光は狭い活性層14に完全に閉じ込められることにな
る。活性層14に注入された電子と正孔の量があるしきい
値に達すると、発光の強さが急激に増大し、この半導体
レーザー素子は結晶自身のへき開面を光共振器としてレ
ーザー発振を開始する。

【００１５】通常、半導体レーザー素子の活性層14の長
さは200〜300μｍ程度であり、結晶方位は上面が（１０
０），へき開面が（０１１）である。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記構造
の半導体レーザー素子では、寄生容量低減のためのダブ
ルチャネル17をエッチングにより形成した後に電極を形
成するが、ダブルチャネル17の肩の部分26が垂直もしく
は垂直に近い形状となってしまう。そのため、一般的な
真空蒸着法では肩の部分26で、蒸着した金属が「段切
れ」もしくは極めて薄くなる。よって、金属配線18をメ
サストライプ12直上から引出しダブルチャネル17の外で
ワイアボンドした場合には、肩の部分26で金属配線18が
断線する恐れがある。

【００１７】一方、メサストライプ12直上にワイアボン
ドした場合は、ボンディング時の歪が活性層14に直接作
用して不良発生の原因となる。

【００１８】また、電解メッキ法などによって電極を形
成し、金属配線18をダブルチャネル17の外でワイアボン
ドした場合には上記問題点は除去できるが、工程が複雑
化し歩留まり低下の原因となる問題があった。

【００１９】この発明は以上述べた、ダブルチャネル17
が存在することを理由とする金属配線18形成上の問題点
を解決した、寄生容量の低い半導体レーザー素子を提供
することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】この発明の半導体レーザ
素子は上記問題を解決するために、寄生容量低減のため
の溝状のダブルチャネルによって、他の基板表面領域か
ら隔離されて形成され、上部に半導体材料からなるコン
タクト層が形成されているダブルヘテロ接合型の半導体
レーザ素子において、電極配線の構造としてダブルチャ
ネルをまたいで半導体レーザー素子と他の基板表面領域
とをつなぐためにコンタクト層の一部を延長して形成さ
れたアーチ状の構造を有するコンタクト層ブリッジと、
このコンタクト層ブリッジ上に形成され且つ半導体レー
ザ素子と接続する電極配線とを設けたものである。

【００２１】あるいは、この発明の半導体レーザ素子の
製造法方において、基板上にバンドギャップが大きい第
１導電形の第１半導体層を形成する工程と、この第１半
導体層上にバンドギャップが小さく半導体レーザー素子
の発光部となる活性層を形成する工程と、この活性層上
にバンドギャップが大きい第２導電形の第２半導体層を
形成する工程と、この第２半導体層上にコンタクト層を
半導体材料から形成する工程と、第１の半導体層、活性
層、第２の半導体層及びコンタクト層の形成が完了した
基板の第１の表面領域をエッチングし、半導体レーザー
素子を他の基板表面領域から隔離するための溝状のダブ
ルチャネルとなる開口部を形成する工程と、基板の第１
の表面領域に隣接する第２の表面領域を、開口部側壁部
から選択的にコンタクト層以外をエッチングし、ダブル
チャネルを第２の領域にも形成すると共に、アーチ状の
構造を有するコンタクト層ブリッジを形成する工程と、
コンタクト層ブリッジ上に金属配線を形成する工程とを
行うものである。

【００２２】

【作用】上記構造としたので、金属配線はダブルチャネ
ルの部分では歪みやたわみのない平坦なコンタクト層ブ
リッジ上に形成される。そして金属配線に、ダブルチャ
ネルの外側でワイアボンディングすることができる。

【００２３】さらに上記製造方法を用いたので、コンタ
クト層ブリッジをダブルチャネル形成時に同時に形成す
ることができる。

【００２４】

【実施例】図１及び図２は、この発明の半導体レーザ素
子の電極金属の配線方法を示した工程断面図であり、以
下この工程断面図に基づいて説明する。

【００２５】この発明の半導体レーザ素子の構造を、図
２（ｄ）及び（ｄ’）に示す。図２（ｄ）はこの発明の
半導体レーザー素子の斜視図であり、図２（ｄ’）は図
２（ｄ）中に示されたＢ−Ｂ’断面を示した断面図であ
る。

【００２６】これらの図に示されるように、ｎ型ＩnＰ
結晶からなる半導体基板11にはメサストライプ12が形成
されている。このメサストライプ12は、ｎ型ＩnＰ結晶
からなる第１の半導体層13と、ＩnＧaＡsＰ４元結晶か
らなる活性層14から構成されており、ホトリソグラフィ
ー及びエッチングにより、ｐ型のＩnＰ結晶からなる第
２の半導体層15中に埋め込まれ、さらに半導体レーザー
素子の発光部となる活性層14の両側には、ｎ型ＩnＰ結
晶からなる内部電流狭窄層19が形成されている。これら
の構成によって、中央のメサストライプ12上にＩnＧaＡ
sＰ４元結晶からなる活性層14を有しＩnＰ結晶成長が終
了した埋め込み型半導体レーザウェハ（Buride- Heter
ostructure-Laser-Diode-ウェハ：以下ＢＨ-ＬＤウェハ
と略す）21を形成する。このＢＨ-ＬＤウェハ21上に
は、ｐ型のＩnＧaＡsＰ４元結晶からなり金属配線18と
接続するためのコンタクト層16が形成されている。そし
て、素子寄生容量を低減するためのダブルチャネル17が
ＢＨ-ＬＤウェハ21に形成されている。

【００２７】さらに、コンタクト層16は一部が架橋され
て外周に接続するコンタクト層ブリッジ20を有してお
り、このコンタクト層ブリッジ20上にメサストライプ12
直上部のコンタクト22と外周部に形成されたボンディン
グパッド23とを接続するための電極配線が真空蒸着等の
一般的な技術によって形成されている。

【００２８】そしてこの発明の半導体レーザ素子の電極
配線は、以下に示す各工程を経ることによって形成され
る。

【００２９】まず図１（ａ）に示すように、ＢＨ-ＬＤ
ウェハ21上に、ＩnＧaＡsＰ４元結晶からなるコンタク
ト層16を設け、さらに一般的なホトリソグラフィーによ
りホトレジストパターン24（ＯＭＲ：東京応化製）を形
成する。

【００３０】次に図１（ｂ）に示すように、臭素とメタ
ノールのエッチング液（臭素１．５％，体積比）でこの
ＢＨ-ＬＤウェハ21及びコンタクト層16をエッチングす
ることにより、ダブルチャネル17を形成する。このエッ
チング工程において使用するエッチング液はＩnＰ結晶
とＩnＧaＡsＰ４元結晶を両方共にエッチングして、ダ
ブルチャネル1717が形成できるものであればよい。この
ときの、図１（ａ）中に示されたＡ−Ａ’断面は図１
（ｂ’）に示すようになり、次工程でコンタクト層ブリ
ッジ20になる領域には、ダブルチャネル17はまだ形成さ
れていない。

【００３１】次に図１（ｃ）に示すように、塩酸系のエ
ッチング液（例えば塩酸４：水１，体積比，液温度２℃
以下）を用いて選択エッチングを行う。塩酸系のエッチ
ング液は一般的に、ＩnＰ結晶はエッチングするがＩnＧ
aＡsＰ４元結晶はエッチングしない選択エッチング液で
ある。この選択エッチングを行うことにより、ダブルチ
ャネル17はＢＨ-ＬＤウェハ21のＩnＰ結晶層のみがエッ
チングされる。

【００３２】この結果Ａ−Ａ’断面は図１（ｃ’）に示
すようになり、ＩnＧaＡsＰ４元結晶からなるコンタク
ト層ブリッジ20が形成される。この図１（ｃ’）では便
宜上他の溝部と同じ断面形状になっているが、ＩnＰ結
晶が選択エッチングされコンタクト層ブリッジ20が形成
された時点でエッチングをストップしてもよい。

【００３３】以上の工程によって図１（ｃ），（ｃ’）
に示されたようなダブルチャネル17が形成された後、図
２（ｄ）に示すように、エッチングマスクとなったホト
レジストパターン24を除去し、ＳiＯ２等の誘電体膜25
を形成する。そして活性層14上部に電極コンタクト溝を
ホトリソグラフィー及びエッチングにより形成した後、
金属配線18を形成する。この時金属配線18は、ダブルチ
ャネル17中央部のメサストライプ12直上部のコンタクト
22からコンタクト層ブリッジ20を通り、ダブルチャネル
17外のボンディングパッド23と接続される。この金属配
線18の形成方法は、一般的な真空蒸着法とホトリソグラ
フィー及びエッチングにより行う。

【００３４】この様なコンタクト層ブリッジ20とダブル
チャネル17を形成することで、図２（ｄ）のＢ−Ｂ’断
面は図２（ｄ’）に示すようになり、ダブルチャネル17
内に電極金属を配線することによるダブルチャネル肩部
の「段切れ」を防止でき、かつ素子寄生容量も低減でき
るようになる。

【００３５】この実施例ではダブルへテロ構造の半導体
レーザー素子を形成するための半導体材料として、バン
ドギャップが大きく屈折率が大きい半導体材料としてＩ
nＰ結晶を、バンドギャップが小さく屈折率が小さい活
性層及び金属配線と接続するためのコンタクト層として
ＩnＧaＡsＰ４元結晶を用いているが、この発明はこれ
らの半導体結晶の組み合わせに限定されるものではな
く、ＧaＡlＡsＰ３元結晶とＧaＡs結晶からなるダブル
へテロ構造の半導体レーザー素子にも適応することがで
きる。

【００３６】さらにこの発明の製造方法は、ダブルチャ
ネルを形成するに際して、コンタクト層以外の半導体材
料を選択的にエッチングすることが可能であれば、実施
例以外の半導体材料，エッチング液及びエッチング条件
でも実施可能である。

【００３７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、この発明は
素子寄生容量低減のためのダブルチャネルを形成すると
き、電極配線がダブルチャネルを横断する領域を残して
ダブルチャネルを形成する。そして、コンタクト層を残
してエッチングする選択エッチングによって電極配線の
ためのコンタクト層ブリッジを形成する。そしてこのコ
ンタクト層ブリッジ上に、ダブルチャネル中央に設けら
れた半導体レーザー素子のコンタクトからワイヤボンド
用の電極パッドまで電極金属を配線する。

【００３８】このコンタクト層ブリッジを用いた電極配
線は、ダブルチャネルの領域で配線の歪みやたわみが発
生することなく、一般的な真空蒸着法を用いた場合であ
っても、蒸着した金属がダブルチャネル部分の段差によ
って「段切れ」もしくは極めて薄くなることはない。こ
の結果この部分での電極配線の断線を防止する効果を有
する。

【００３９】さらに、ダブルチャネル中央の半導体レー
ザー素子部へ直接ワイアボンディングする必要がないの
で、ボンディング時の歪が活性層に直接作用して悪影響
を与えることはない。当然のことながら素子寄生容量
も、従来のダブルチャネルを有する半導体レーザ素子に
較べ増加することはない。

【００４０】そして、この電極配線の製造方法を用いれ
ば、上記効果を有するコンタクト層ブリッジを、ダブル
チャネル形成と同時に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかる半導体レーザ素子の、電極配
線方法を示した工程断面図である。

【図２】この発明にかかる半導体レーザ素子の、電極配
線方法を示した工程断面図である。

【図３】従来の、ダブルチャネルを有する半導体レーザ
素子の構造を示した断面図である。

【符号の説明】

１１ 半導体基板 １２ メサストライプ １３ 第１の半導体層 １４ 活性層 １５ 第２の半導体層 １６ コンタクト層 １７ ダブルチャネル １８ 金属配線 １９ 内部電流狭窄層 ２０ コンタクト層ブリッジ ２１ ＢＨ-ＬＤウェハ ２２ コンタクト ２３ ボンディングパッド ２４ ホトレジストパターン ２５ 誘電体膜

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板に形成されたバンドギャップが大き
   い第１導電形の第１半導体層と、 前記第１半導体層上に形成されたバンドギャップが小さ
   く半導体レーザー素子の発光部となる活性層と、 前記活性層上に形成されたバンドギャップが大きい第２
   導電形の第２半導体層と、 前記第２半導体層上に半導体材料によって形成されたコ
   ンタクト層とを有し、 寄生容量低減のために溝状のダブルチャネルによって他
   の基板表面領域から隔離されて形成された半導体レーザ
   ー素子において、 前記コンタクト層からなり前記ダブルチャネルをまたい
   で前記半導体レーザー素子と前記基板の他の表面領域と
   をつなぐアーチ状の構造を有するコンタクト層ブリッジ
   と、 前記コンタクト層ブリッジの上に形成された金属配線と
   を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 【請求項２】 (a)埋め込み型半導体レーザウェハから
   なる第１層を形成する工程と、 (b)前記第１層上に第２層を形成する工程と、 (c)前記第１及び２層の第１表面領域をエッチングし、
   開口部を形成する工程と、(d)前記第１表面領域に隣接
   する第２表面領域を、前記開口部側壁部から前記第１層
   を選択的にエッチングし、前記第２層によって前記第２
   領域にアーチ状の構造を形成する工程と、 (e)前記アーチ状の構造上に配線を形成する工程とを有
   することを特徴とする半導体レーザー素子の製造法方。
3. 【請求項３】 (a)基板に、バンドギャップが大きい第
   １導電形の第１半導体層を形成する工程と、 (b)前記第１半導体層上に、バンドギャップが小さく半
   導体レーザー素子の発光部となる活性層を形成する工程
   と、 (c)前記活性層上に、バンドギャップが大きい第２導電
   形の第２半導体層を形成する工程と、 (d)前記第２半導体層上に、コンタクト層を半導体材料
   から形成する工程と、 (e)前記第１の半導体層、活性層、第２の半導体層及び
   コンタクト層の形成が完了した前記基板の第１の表面領
   域をエッチングし、半導体レーザー素子を他の基板表面
   領域から隔離するための溝状のダブルチャネルとなる開
   口部を形成する工程と、 (f)前記基板の第１の表面領域に隣接する第２の表面領
   域を、前記開口部側壁部から選択的に前記コンタクト層
   以外をエッチングし、前記ダブルチャネルを前記第２の
   領域にも形成すると共に、アーチ状の構造を有するコン
   タクト層ブリッジを形成する工程と、 (g)前記コンタクト層ブリッジ上に金属配線を形成する
   工程とを有することを特徴とする半導体レーザー素子の
   製造法方。