JPS60154689A - 発光素子およびこれを用いた光通信装置 - 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】

〔技術分野〕 不発明は発光素子およびこれを用いた光通信装置に関す
る。 〔背景技術〕 オーディオディスク、ビデオディスク、光；、１１＞　
４ｇ等における発光源として半導体レーザが使用されて
いる。 半導体レーザ電子（レーザチ、、ブ）の一つのｑｕ造と
して、埋込みへテロ構造［ＢＨ；　ｂｕｒｉｅｄ−ｈｅ
ｔｃｒ。 ５ｔｒｕｃｔｕｒｅ　］　のレーザチ１．．プが開発さ
ね、ている。 たと、えば、電子材料、１９７９年４月号、２６〜２８
貝には龜ん一〇ａ７ＶＡｓ系のＢＨ半導体レーザが、電
子材料、１９７９年１２月号、５８〜６１頁および同誌
１９８３年打号９ｚ　頁にけＩｎＰ　−１ｎＧａＡｓＰ
系のＢ■）半導体レーザが記載されている。ＢＨレーザ
チップの構造１ｄ　ＧａＡｓ　−ＧａＡＪ２Ａｓ系によ
り”’Ｃ形成す＋ｔ　７；）可視光帯半導体レーザおよ
び１ｎＰ　−１ｎＧａＡｓＰ系によって形成される長波
長帯半導体レーザとも略同−４７ｔｔ造となっている。 ところで、このＢ）１半尊困レーザば、たとえば長波長
帯半導体レーザπついて説明すると、レーザチップは第
１図に示すような構造となり、製造にあってはｎ形のＩ
ｎＰの基板ｌを用いて形成される。すなわち、基板Ｊの
主面となる（１０（Ｊ）結晶面上に液相エピタキシャル
法によって、ＩＩ形１１］Ｐからなろバッフ丁ｆず号２
　、　ＩｎＧａＡｓＰからなる活性層３　、　Ｉ）形１
ｎＰからなるクラッド層４．ｐ形ＩｎＧａＡｓＰ　から
なるキャップ層５．が１μＩｌ１前後の厚さで順次ノヒ
成される。その後、この多層成長層は常用のホトリソグ
ラフィによって５〜６μｍの小のストライプ状に残るよ
う匠ブロムメタノール等のエツチング液によって除去さ
れる。ストライプ部分は結晶の＜１１ｏ＞軸方向に沿っ
て延在するように設けられる結果、活性層３．クラッド
層４．キャップ層５に亘る部分は断面形状が逆三角形と
なり、いわゆる逆メサ構造となる。また、この逆メサ構
造を形作る側面（説明の便宜上この面を逆メザ面と称１
′つ）は（１１１）結晶面となり、Ｉｎ原子が現われる
而となる。捷だ、活性層の＠は結晶表面から活性層まで
の深さと、エツチング時にキヤ・ブ１※上に設けた絶縁
膜からなるマスクの幅のみによって決まり、工、・ヂン
ダ条件には左右さ幻ないため、再現性よく活性層部を制
御できる。なお、前記ストライプ部分の逆メサＣＭ造の
下部は緩かな曲線を描く順メサ構造となるため、逆メサ
構造と順メサ構造（説明の便宜上全体をメサ状ダブルへ
テロ構造部（メサ部）６）との境が最も幅が狭いくぴれ
たネ、・り７となる。そして、活性層３はこのイ、リフ
部分の子方に形成さハている（′亀子材料、１９７９年
１２月号５８〜６１ｊ￥πおげろ、第１図および写真１
および同誌１９８３年４月号９２頁図（７）参照）。 捷た、メサ上４ノチング後にはエツチングされて窪んだ
領域にはｐ形のＩｎＰからなるブロッキング層８２口形
１ｎＰからなる埋込層９９口形１　ｎＧａＡｓＰからな
るギｙ　＝ｊブ層１０が積層されてαみは埋め込まれる
。ブだ、メサ部６はクラ・ド層４の途中に迄達するよう
にＺｎが拡散され、ｐ＋のオーミックコンタクト層１１
が設けられる。さらに、メサ部上および基板ｌの裏面に
はそれぞれ電極１２゜１３が設げられる。そして、基板
１は所定通りに分割されて数１００μｍのレーザテ・ツ
ブ１４となる。なお１図中１５は絶縁膜である。 一方半導体レーザ素子を光フアイバ通信の光源としてみ
た場合、前記文献にも記載されているように、動特性の
不安定な現象としての電流−光出力特性にも・げるキン
クの発生は、パルス応等波形において異常に大きな緩和
振動や雑音の発生に繋ったり、あるいは近視野像の移動
や遠視野像の偏向による光ファイバとの結合効率の低減
に繋ったりすることから、キンクの発生は防止しなけれ
ばなちない。 他方、半導体レーザの閾値電流（Ｉｔｈ）は活性層の幅
と厚さのみに依存することから、本出願人はメサ状ダブ
ルへテロ接合部における活性層の高さ位置は活性層の幅
を決定するための単なるパラメータと考えていた。 そこで１本出願人は活性層の位置をネック部分の上方に
位置するようＫしてＢＨレーザチップを製造している。 しかし、このＢＨレーザチヅブは活性層位置１幅、ネ・
ツク幅等の１１１す御が離しく、所定値から外れ、キン
クを発生するものが多々生産され歩留が低くなるという
問題が生じるということが本出願人によってあきらかと
さ第１た。 このため１本出願人は活性層幅を所望幅域（たとえば１
．１〜１．９μｍの幅）Ｋ高歩留に生産できるよう圧、
ネ・り幅を０．９〜１．５μｒｎにし、力・つ０．１５
μｍの厚さを有する活性層の中心における位置を、ネ、
・りよりもクラ、・ド層側ＫＯ，５μＩｎ寄った位置か
らネックよりもバ・ソファ１腎側［（１，２μｍ寄った
位置に亘る範囲内に位置させる技術を開発した。 しかし、このような構造のＶ−ザチ、、ブは閾電流値（
Ｉｔｈ）が大幅に大きくなるものが多発した。 そこで、この不良解析を行なったところ、つぎのよ５な
事実が本発明者によってあきらかとされた。 すなわち、本発明者等は活性層位置は活性層幅を決める
パラメータにすぎないものと考えていた。 このため、メサ部の側面の傾斜が急である逆メサ部にお
ける厚さく高さ）変位に対する横方向の変位は順メサ部
よりは小さいため、活性層幅を高精度に制御するには、
活性層はネックよりもいくぶんクラ１．ド層側に片寄る
ように設計することが望しいと考え、活性層位置はクラ
、・ド層側（プラス側と称ス。）に０．５μｍ、バッフ
下層側（マイナス側と称す。）に０．２μｍという範囲
に位置させることを製造規格としていた。 しかし、実際には第２図のグラフで示すように、活性層
がプラス側になると急激１ＣＩｔｈが増大することがわ
かった。同グラフは縦軸に室温における閾電流（Ｉｔｈ
）Ｃ単位ｍＡ）を、横軸にネ、Ｖりに対する活性層位置
（活性層の中心部における位置）〔単位μｍ〕をとった
ものである。破線は活性層位置がその幅を決めるパラメ
ータにスキない場合の理論値による直線であるが、同グ
ラフに示すように、実際にはネックからマイナス側に進
むにつれて閾電流値は低くなり、−０，３μｍの位置で
Ｉｔｈは最小の約２４ｍＡを示し、その後は徐々ＫＩｔ
ｈけ高くなる。そして、活性層位置が−０，６〜−〇、
７π至る位ＷｔＫｂける’ｔｈがネ、・・り位置におけ
ろ’ｔｈと略同じ程度となり、そのＩＨｌ（ｄ　３２〜
３３＋１１Ａとなる。甘だ、活性層位置がプラスになる
と、急激に１ｔｈは増大し、使用に耐えなくなることが
わがる。 この理論と実測との相異は第３図に示すよ５ＶＣ１活性
層の位置がネックに対してプラス側にある場合は、レー
ザダイオード１６Ｖｃ並列にリークパス１７が存在する
と推定される。そこで、本発明者ンま活性層位置とＩ−
Ｖ特性の関係を！Ｉ、！ｉｌ査した結果、第４図に示す
ように、Ｉ−Ｖ特性がリーキーになっており、上記推定
を裏付けている。 ところで、活性層位置の正負の違いは、活性ＩＩイの両
側が逆メサ部のエツチングによって形成された逆メサ部
あるいは１順メサ部のエツチングによって形成された順
メザ面に現われるが否７Ｊ１の違いである。−万、ネ１
．りに近接した順メザ面部分は燐（ＰＪの原子が現われ
る（１１１）面であり、逆メサ部はＩｎ原子が現われる
（ｉ　ｉ　ｉ　）面である。したがって、燐ＴＰＪの原
子が現われる（１！１）面にあっては、界面の接合が良
好で、Ｉｎの原子が現われる（１１１）面にあっては界
面の接合が不完全であり、リークバスが発生すると考え
られる。 そこで、本発明者は活性層位置なネ、７りの下（マイナ
ス側）Ｋ位置させることによって、閾ｉｔｔ流値の低減
が達成できることに気がつき本発明を成した。 〔発明の目的〕 本発明の目的は閾電流値が低い発光素子を提供すること
にある。 本発明の他の目的は発光素子の與造歩留が高くなる発光
素子を提供することにある。 本発明の他の目的は駆動′電流が低くヵ・っ安定した発
光素子を内蔵することにより、安定した信頼度の高い光
通信が可能となる光通信装置を提供することにある。 本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、
本明細書の記述および添付図面力）らあきらかになるで
あろう。 〔発明の概要〕 本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば下記のとおりである。 すなわち、本発明の発光素子は、レーザ光を端面から発
光する活性層の側面が界面状態が不安定となる逆メサ部
に現われないようにメサ状ダブルへテロ構造部のネック
の下に設けていることから、洩れ電流の低減を図ること
ができ、閾電流値の低下を達成できる。この結果、駆動
電流も小さくなり、素子の発熱も少なくなって、安定し
たレーザ発光が行なえるようになる。したがって、電流
−光出力特性におけるキンク（突起）の発生が防止でき
ることから、光通信装置にこのレーザチ、７ブを組み込
めば、雑音の発生防止、光ファイバとの光結合の安定化
ができ、信頼度の高い光通信が達成できる。 〔実施例〕 第５図〜第１Ｏ図は本発明の一実施例によるＢＨレーザ
チ・ツブの製造における各製造工程でのワーク等の断面
図である。また、第１１図は同し−ザチ・ツブを箱型の
パリケージに組み込んだ例であり、光通信用発信装肘（
発光電子装置）の断面図である。 最初ｆレーザチップブの構造をその製造段階を追うこと
によ−〕て説明する。 この実施例のレーザチップを製造するには、最初に第５
図に示されるようなウェハ（半導体薄板）１８が用意さ
れる。ウェハ１８は厚さ２００μＩｌ１前後の不純物ｎ
度が５ＸＩＱ１８ａｔσｎｓ・σＩ〕のｎ形のＩｎＰ　
からなる基板１と、この基板ｌの主面となる（１００）
結晶面上にエピタキシャル成長された多層成長層とから
なっている。すなわち、多層成長層は下層力・ら上層に
向って、ロー形のＩｎＰからなるバ、ッフ丁層２　、　
ＩｎＧａＡｓＰからなる活性層３、ｐ形のＩｎｐ７１Ｉ
ｓらなるクラッド層４．ｐ形のＩｎＧａＡｓＰからなる
キャップ層５とからなっている。 前記活性層３は上下面にヘテロ接合を有しダブルへテロ
接合を構成するとともに、活性層３は０．１５μｍの厚
さとなり、他の層は１μｍ以下から２ｆｉｒｎ程度に及
ぶ麿さとなっている。 つぎに、第６図に示すように、このウェハ■８の主面に
は平行＆Ｃ幅が５〜６μｍ程度の帯状のＳｉｎ、膜等か
らなるマスク１９が複数Ｊ［り成される。 そ

【−て、マスク１９から露出する半２：ｌ、”、体層
はプロメタノール等の工、Ｘ＋チンダ液によって工、ノ
チンダされる。エツチングは特に限定はされないが基板
１０表層部に迄達する。このエツチングはバ、・ノフ了
層２の途中深さで終了するようＫｌ−てもよい。 前記マスク］９は結晶の（１１０＞軸方向に沿って設け
られていることから、マスク１９の下部に残留するメサ
状ダブルへテロ構造部（メサ部）６のキャリプ層５．ク
ラッド層４に亘る部分は断面形状が逆三月形となり、逆
メサ部となる。また、バリフ了層２および基板ｌの上層
部分は上部から下部に放物線を描くような順メザ樽造と
なる。また、逆メサ部の逆メサ面は１ｎ原子が露出する
（１１１）結晶面となり、順メサ部の」二端部分のメサ
面はＰ（燐）の原子が露出する（１１１）面となる。そ
して、逆メサ部と順メサ部との境にはメサ状ダブルへテ
ロ構造部６で最も細くくびれたネック７を生じる。そし
て、この実施例ではネック幅はたとえば０．９〜１．５
μｍとなるように形成される。すなわち、逆メサ面は結
晶の（１１１）面となることから、各層の寸法およびマ
スク幅をあらかじめ設定することによって再現性よく形
成できる。また、０，１５μｍの厚さを有する活性層３
はクラッド層４に対する面（」二面）がネック７の高さ
よりも低く（マイナス）となっている。すなわち、活性
層３の位置は第２図のグラフからして、たとえば、零か
ら−０，６μｍの位置（活性層の中心高さにおける位置
）となるようにする。この結果、この方法によって製造
されるレーザチップは、閾電流値（Ｉｔｈ）が２４＝３
０ｍＡ程度の低い値となる。この結果、活性層３の幅は
最大でも２μｍ以下となる。 つぎに、ウェハ１８の主面はマスク１９を除去された後
、第７図に示すよ５［１工、ノチングによって窪んだ領
域にｐ形のＩｎＰ　からなるプロリキング層３．ｎ形の
ＩｎＰからなる埋込層９．ｎ形のＩｎＧａＡｓＰ　から
なるキャップ層ＩＯが順次液相エピタキシャル法によっ
て埋め込１れる。 つぎπ、第８図に示すよ５に、ウェハ１８の＝ＪＥ面は
メサ部６の上面が露主するようにマスク２０が形成され
た後、Ｚｎが拡散される。マスク２０ばＣＶＤ−ＰＳＧ
膜等の絶縁膜あるいは絶縁膜および絶縁膜をバターニン
グする際使用されたホトレジスト膜の２層構菫等でもよ
し・。このＺｎ拡散によって、メサ部６にはクラッド層
４の途中深さに迄達するｐ＋形のオーミ、・クコンタク
ト層１１が形成される。 つぎに、第９図に示すように、マスク２０が除去され、
ウェハ１８の主面側には下層がＣｒ、上層がＡｕからな
る電極１２が形成される。また、ウェハ１８は下面の基
板部分がエツチングされる。 そして、基板１の厚さが１００μｍ程度となったウェハ
１８の裏面にはＡｕＱｅＮｉ　、　Ｐｄ　、　Ａｕと順
次蒸着が行なわれ、もう一つの電極１３が形成される。 つぎに、ウェハ１８Ｆｉ所望状態に分断され、第１Ｏ図
に示さり、るようなりＨレーザチップ１４が多数興造さ
れる。 こσ）ようなレーザチップ１４は発光波長が１．３／１
ｍ帯であること１ハへ、第１．１図で示すように、光通
信用の発信装置２１π光源として組み込捷れる。すなわ
ち１発信装置は金属製のステム２２の窪み底中火の台座
部２３にレーザチ、ノブ１４をサブマウント２４を介し
て固定した構造となっている。ｊだ、ステム２２の周壁
にはファイバーガイド２５が１１通され鑞材２６によっ
て気密的にステム２２に固定さＪｌ、’−Ｃいろ。この
フＹイバーガイド２５πはファイバケーブル２７が挿入
されている。 捷だ、フｒイバケーブル２７の内端７５３分はジャケッ
トを剥がさハてコアとクラ・ドカ・Ｆ】なる光ファイバ
２８となり、レーザチップブ１４に対面）−、レーザ光
を光フアイバ２８内に取り込むようになっている。′ま
た、光ファイバ２８の先端部分は固定材２９ＶＣよって
レーザチ・１１４に対する位置が変動しないようＶＣな
っている。また、光ファイバ２８とファイバーガイド２
５とは鑞材３ｏで気密封止さ第１、光ファイバを伝わっ
て水分がステム２２内π入らないように配慮されている
。 −力、ステム２２の他側ＩＩＦはモニタファイバケーブ
ル３１が貫通固定され、内端の光ファイ・く３２をレー
ザチップブ１４の他のレーザ光出射面に対峙すせている
。このモニタファイバ・ケーブル３１およびモニタ光フ
ァイバ３２は鑞材３３゜３４によってステム２２内を気
密に維持するようになっている。寸だ、ステム２２の渾
み部分は金属製のキヤ、ツブ３５によって気密封止され
ている。 このような発信装置２１は図示しないリード間に所定の
成用が印加されることＫより、レーザチ、・ブ１４から
レーザ光を発光する。レーザ光は光ファイバ２８を媒体
として所望箇所に伝送される。 また、レーザ光の光出力は常時モニタ光ファイバ３２に
よってモニタされ、光出力が一定と７よるように制御さ
れる。 〔効　果〕 （１）　本発明のＢＨレーザチ・・ブは活性層の位置が
メサ状ダブルへテロ措造部のネ、ツク位置よりもマイナ
スの位置にあり、活性層の側面が界面が不完全であると
考えられるＩｎが現われる。（１１１）面に対面しない
ため、また、活性層の幅が２μｍ以下と狭く形成されて
いることかＩｌ：）、閾電流値（’ｔｂ）は２４〜３０
ｍＡと低くなり、横モード発振が安定し、電流−光出力
特性におけるキンクの発生が防止できるとともに近視野
像の移動、遠視野像の偏光が防止できる。 （２１本発明のレーザチップは活性層位置がネックの下
に設けられていることがら、その識別が容易であるため
、チ、・ブ選別、中間検査の際の目安となり、作業性が
向上する。 （３）　本発明のＬ／−ザチ、ツブは■ｔｈが小さいこ
とから駆動磁流が低くなり、チ・・ブの発熱量も低く抑
えられるため、温度特性が向上し、光出力の向上。 スクリーニング歩留の向上が達成できる。 （４）　上記（３１より、温度特性が向上するため、素
子の長寿命化が図れる。 （５）上記（１）〜（４）力・ら特性の優れたレーザチ
ップのコスト低減が図れる。 （６）　本発明の「／−ザチップを組み込んだ光通信装
置は閾′亀流値が低く、駆動′電流が小さいことがら、
キックの発生、近視野像の移動、遠視野像の偏光も防止
できるため、最小の使用電力で雑音発生や光ファイバと
の光結合効率の低下をも防止できるため、信頼度が高く
安定した光通信ができることになる。 以上本発明者によってなされた発明を実施例にもとづき
具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定される
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可
能であることはいうまでもない。 〔利用分野〕 以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
をその背景となった利用分野である長波長帯半導体レー
ザ技術に適用した場合について説明しまたが、それに限
定されるものではなく、たとえば、ＧａＡｓ　−ＧａＡ
ｌ！、Ａｓ系による可視光Ｂ　Ｈｖ−ザ、光ＩＣ等の発
光電子装置にも適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のＢＨレーザチップの断面図、第２図は活
性層位置変化における閾電流の相関を示すグラフ。 第３図はダブルへテロ接合部における等価回路図。 第４図はＶ−１特性を示すグラフ。 第５図は本発明によるＢＨレーザチップの製造に用いる
ウェハの断面図、 第６図は同じ（’ＢＨレーザチ、ツブ典造におけるメサ
エ、ソチングが施されたウェハの断面図、第７図は同じ
く埋込み成長処理が施されたウェハの断面図、 第８図は同じくオーミ・ツクコンタクト層が形成された
ウェハの断面図、 第９図は同じく電極が設けられたウェハの断面図、 第」０図は同じ（ＢＨレーザチ、ツブの断面図、第１１
図は本発明によるＢＨレーザチ、ツブを組み込んだ光通
信用の発信装置（発光電子装置）の断面図である。 １・・・基板、２・・・バタフγ層、３・・・活性層、
４・・クラ・ソド層、５・・・キャップ層、６・・・メ
サ状ダブルヘテロ構造部（メサ部）、７・・ネ・り、８
・・プロ・ソキンダ層、９・・埋込層、１０・・キャッ
プ層、１１・・オーミックコンタクト層、１２．１３−
・電極％　１４・・レーザチッグ、１５・・絶縁膜、１
６・・レーザダイオード、１７・・リークパス、１８・
・・ウェハ、１９　、２　（１・・・マスク、２１・・
発振装置、２２・・ステム、２３・・・台座部、２４・
・ザブマクント、２５・・ファイバガイド、２６・・鑞
材、２７・・ファイバケーブル、２Ｂ・・・光ファイバ
、２９・・固定材、３０・・・鑞材、３１・・モニタフ
ァイバケーブル、３２・・・光ファイバ、３３．３４・
・鑞材、３５・・・キャップ〇 第　１　図 第　２　図　第　３　図 三か１−１４稙運ＣＩＬ冗） 第　４　図 第　５１．４ ／ 第　６　図 第　７　図 第　８　図 １１Ｊ 第　９　図 、１７ｒ、’） ぴ　２ 第１０凶 第１１図 （（ ２）″　２！

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　上部が逆三角形状の逆メサ部、下部が順メサ部と
   なりかつその界面が最もくびれたネ９．Ｊりとなり、か
   つ中層匠そ幻ぞれ上下面かへテロ接合となる活性層を有
   するメサ状ダブルへテロ構造部を有する発光素子であっ
   て、前記活性層はその側面が逆メサ部の逆メサ而に接し
   ないように活性層の上面はネ・ツクよりも低くかつネ、
   ｙりに近接した位置に配設されていることを特徴とする
   発光素子。 ２、　上部が逆三角形状の逆メサ部、下部が順メサ部と
   なりかつその界面が最もくびれだネックとなり、かつ中
   層にそれぞれ上下面かへテロ接合となる活性層を有する
   メサ状ダブルへテロ構造部を有する発光素子であって、
   前記活性層はその側面が逆メサ部の逆メサ而に接しない
   ように活性層の上面はネ・・りよりも低くかつネ、・り
   に近接した位置に配設された発光素子を発光源としたこ
   とを特徴とする光通信装置。