JPS61231792A - 半導体素子の製造方法 - 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） この発明は発振光モード安定性、高光出力および低閾値
電流で動作する埋め込みへテロ構造を有する半導体レー
ザ（ＢＨレーザ）素子や半導体波路等を製造する方法と
それに使う半導体結晶に関する。

（従来技術とその問題点） ＢＨレーザに光導波方向に沿って棒状活性領域の周囲を
活性領域の禁制帯幅より広く、かつ屈折率が小さな半導
体結晶で囲んだ構造を有し、注入キャリアおよび導波光
の両者の閉じ込めにおいてきわめて優れている。このた
めＢＨレーザは低閾値電流で動作し、発振光のモード安
定性、放射ヒームの等方性に優れている。しかし、ＢＨ
レーザは棒状活性領域断面すなわち、光導波方向に直角
な活性領域断面積（導波面と呼ぶ）が小さく、高い光出
力を得ることが困難であった。

このため高い光出力が得られるＢＨレーザが茅根氏らに
より提案された。（第２６回応用物理学関係連合講演会
講演予稿集１９７９年（昭和５４年）春季１７１　　ペ
ージ講演番号２７ａ−Ｗ−８参照）この構造を第４図の
断面図に示す。ｎ形ＧａＡｓ基板１１上にｎ形ＡＪ　ｐ
　Ｇ　ａ　ｉ−ｐ、Ａｓクラッド層１２、ＡもＧａｌ　
　ｙ　Ａ　ｓガイ１層１３、Ａ１１Ｇａ１−ｘＡｓ　　
活性層１４、Ｐ形Ａ　ｌ　ｇ　Ｇ　ａ　１　　ｇＡ　ｓ
クラッド層１５およびｎ形ＡＡ’ｚ（ｒａｌ　　、Ａｓ
クラッド層１６が構成されたものである。各層のＡｌ１
組成の間ににｘ＜ｙ＜ｐユｇＳ：ｚなる関係をもたせる
ならば、Ａ　ｌｘ　Ｇａ　Ｉ　　ＸＡｓ活性層１４中に
注入キャリアか閉　じこもり、導波光はＡ１１Ｇａ１　
　、Ａｓ活性層１４のみならず、Ａ　もＧ　ａＩ　　ｙ
　Ａ　ｓガイ１層１３にも広がり、上記二つの層１３お
よび１４中を導波されるため、導波面積が広くなったこ
とに応じて高い光出力でのレーザ動作が可能となった。

従って、第４図に示したＢＨレーザは、従来の半導体レ
ーザには見られない光光質のレーザ諸特性と同時に高い
光出力動作をも可能とした。し力・し、Ｗ、４図に示し
たＢＨレーザが優れた特性を示すにもかかわらず、従来
のＢＨレーザ、すなわちＡ１１Ｇａ１　　、Ａｓガイド
層１３を有しないＢＨレーザに較べて閾値電流が高くな
る欠点を有する。これは従来形のＡＺ　Ｇａ１　　ｙＡ
ｓガイドＭ１３を有しないＢＨレーザでは、キャリアお
よび光の両者が共にＡｌｘＧａ１　　ｘＡｓ　　活性層
１４中に閉じ込もり低い閾値電流において容易にレーザ
利得が生じるためである、一方、第４図に示したＡｌｙ
Ｇａ１　　、Ａｓガイド層１３を有する構造では、キャ
リアはＡ１１Ｇａ１−ｘ　Ａ　ｓ　　活性層１４中に閉
じ込もるが、光はＡＪ　Ｇａ１−ｙＡｓガイド１台１３
中に広がるため、第１近似的には、この元の閉じ込め領
域が広がる分だけレーザ利得に生じにくく、ＡＩＸＣｘ
ａｌ−ｘＡｓ活性層１４へのキャリア注入棗を増加して
利得を得る必要があり、閾値電流が増大するという欠点
がつきまとう。閾値電流の値について概略を示すならば
、ガイドＡＡ！ｙＧａ　１．Ａｓ　Ｋｔ　Ｉ　３ヲ有し
ないＢＨレーザでは、ｌＯｍＡ以下の閾値電流が得られ
る一方、第４図に示したＡ　ｌ　ｙ　Ｇ　ａ　１ｙ　Ｍ
ガイ１層１３を有するＢＨレーザでは約２０〜３０ｍＡ
あるいは、それ以上の閾値電流となる。動作電流の低下
はＢＨレーザのヒート・シンク技術をきわめて容易にし
、動作温度が下けられる結果、半導体レーザの温度特性
の向上がはかられることは言うに及ばず、半導体レーザ
のイ百頼性の向上にもつながるものである。

また従来のＢ）ル−ザの製造方法は、極めて簡略化した
Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ化合物半導体から成る例につい
て示せば、第５図でＩａ）ｔｒｉ、ｎ形ＧａＡｓ基板り
ｌ上にｎ形Ａ／ａＧａ１−ａＡｓクラッド層１２、Ｑａ
Ａｓ活性層１３１．Ａｌｂ＠（ｊａ　１−ｂ”ガイド層
１４１、Ｐ形ＡＡ’　ｃＧａニー。Ａｓクラッド層１５
を連続エピタキシャル成長により多層へゾロ構造を作り
、そのメ 後エツチング工程で第５図（ｂ）に示すようなｌす形ス
トライプ構造を作り、さらにエピタキシャル成長により
ｎｖ／ＡＡ！、ｌＧａ１−ｄＡｓ　　クラッド層１６を
成長し第５図（Ｃ）の構造を作り出しているが、これで
は一連のエピタキシャル成長をエツチング工程をはさみ
最低２回行う必要があり、第１のエピタキシャル成長の
メサ・エツチング工程ではメサ・エツチング側壁を含ん
だエツチング面の不純物等による汚染、さらに第２のエ
ピタキシャル高温過程による第１のエピタキシャル結晶
層の熱劣化等が生じるためＢＨレーザの特性の低下およ
び劣化の原因、さらには製作再現性の悪い主原因となっ
ていた。またレーザだけでなく元導波路を作成する場合
でも製造プロセス上同じような問題があった。

（発明の目的） 本発明の目的は低い閾値を流で１９作し、発振光モード
の安定した高い光出力が得なれしかも共振器端面の光学
損傷が生じにぐいＢＨレーサや光導波路等を製造すると
き、エピタキシャル成長を１回の工程のみで行うことが
でき、かつエツチング工程を必要としない製造方法を与
えることと、前記製造方法を可能とせしめる半導体結晶
構造を示すことである。

（発明の構成） 本発明の骨子は、エピタキシャル成長を１回の工程のみ
で行うことができ、かつエツチング工程を必要としない
ＢＨレーザや光導波路等の製造方法、すなわち実効的禁
制帯幅Ｅｇｌ　を有する超格子層とその上に実効的禁制
帯幅Ｅｇ□　を有する超格子層を重ねた２層構造（ただ
し、Ｅｇ□＜８ｇ２）を、前記両超格子層よりも禁制帯
幅大なる結晶層ではさみ込んだ４層構造を少なくとも有
する半導体結晶ウェハ上方よりウェハ面内の一部領域に
、前記両超格子層をはさみ込んだ両結晶層の禁制帯幅よ
り小さくかつＥｇ□　より大きな光子エネルギーを持つ
レーザによる出力強度変調照射を行い、照射部の超格子
層を制御良く混晶化Ｊこ導くことを特徴とする半導体素
子の製造方法と、これに用いる半導体結晶構造、すなわ
ち実効的禁制帯幅Ｅｇ□を有する超格子層とその上に実
効的禁制帯＃ＡＥｇ２を有する超格子層を重ねた２層構
造（ただし、Ｅｇｌ＜８ｇ２を有する超格子層を重ねた
２層構造（ただし、（Ｅｇｌ＜８ｇ２）−を、前記両超
格子層よりも禁制帯幅大なる結晶層ではさみ込んだ４層
構造を少なくとも有する半導体結晶構造を与える。

（構成の詳細な説明） 本発明の半導体結晶の極めて簡略化した構造の断面図を
第１図に示す。

第１図で１１は本発明の特許請求の範囲２で示した半導
体結晶を成長させるための半導体結晶基板である。

ＡＪＧａＡｓ　系化合物半導体から成る例について示せ
ば、１１はｎ形Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板、１２は禁制帯幅Ｅ
ｇ３　なるｎ１ＡＡ！ＧａＡｓ層、１３は実効的禁制帯
幅Ｅｇ１　なるＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超格子層、１４は実
効的禁制帯幅〜２　なるＡ　Ｉ　Ａ　ｓ／Ｇ　ａ　Ａ　
ｓ超桓子層、１５は禁制帯幅Ｅｇ４　なるｐ＃　ＡＡ’
　Ｑａ　Ａ　５層である。

禁制帯幅の関係は、Ｅｇｌと８ｇ４はＥｇ□よりも大き
いことを特徴とする。

次に本発明の特許請求の範囲２で示した半導体結晶を用
い、本発明の特許請求の範囲１で示したところのＢＨレ
ーザ光導波路等を製造するための・・半導体結晶の極め
て簡略化した代表的製造工程を第２図に示す。

第２図で（ａＪは、第１図で示した本発明の特許請求の
範囲２にある半導体結晶をななめ前方から見た図である
。この構造のエピタキシャル基板は、Ｍｏ１ｅｃｕｌａ
ｒ　　Ｂｅａｍ　Ｂｐｉｔａｘｙ（ＭＢＥ）法やａ Ｍｅ許ｔｌｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａ　Ｖａｐｏ
ｒ　　Ｄｅｐ−ｏｓｉｔｉｏｎ（ＭＯＣＶＤ）法などで
容易に得ルコトカできる。

ＡｌＧａＡｓ　系化合物半導体から成る例について示せ
ば、１１はｎ形ＧａＡｓ基板、１２は禁制帯幅Ｅｇ３　
　なるｎ形ＡＡ！ＧａＡｓ　クラッド層、１３は実効的
禁制帯幅Ｅｇ１　　なるＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超格子活性
層、１４け実効的禁制帯幅Ｅｇ□なるＡｌＡｓ／ＧａＡ
ｓ超格子ガイド層、１５は禁制帯幅Ｅｇ４なるｐ形Ａ　
Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　クラッド層である。

禁制帯幅の関係はＥｇｌ≦〜２であり、ただし、両超格
子層を挾むＡｌＧａＡｓ　クラッド層の禁制帯＠Ｂｇ３
（！：Ｅ２４はＥ２□　よりも大きい。

次に、第２図で（ｂ）は、光導波路またはレーザのスト
ライプ構造をなす部分を製造する概念を示す。

エピタキシャル面上方よりエピタキシャル基板に垂直ｌ
こストライプ領域Ｂを除く両側のＡの部分をレーザ光り
でアニールしている状態を示している。

このレーザ光の光子エネルギーＥＬは、ｐ形ＡｌＧａＡ
ｓ　クラッド層１５の禁制帯幅のエネルギーＥｇ４より
小さく、ＡＡ！Ａｓ／ＧａＡｓＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超格
子ガイド層１４ギーＥｇ２　の間にＥｇ□＜Ｅ　Ｌ、＜
Ｅ　ｇ　４の関係があり、かつレーザ光の全党出力はＡ
Ａ’Ａｓ／ＧａＡｓ超格子層１３とＡｌＡｓ／Ｇ　ａ　
Ａ　ｓ超格子ガイド層１４を合金化し、ＡＡ！ＧａＡｓ
ＡｌＧａＡｓ層１６とするに十分かつ適当なものとする
。

第２図で（Ｃ）Ｕ、ストライプ領域Ｂを除いてレーザ光
によるアニールが完了したエピタキシャル基板を示して
おり、Ｂ）（レーザや導波路が完成している。

引き続いて今度は、ストライプ領域Ｂに、前記の光子エ
ネルギーを持つレーザによる本発明であるところの変調
照射を行い、照射部下のＡｌ！Ａｓ／ＧａＡｓ超格子ガ
イド層１４超格子ガイ側層１４混晶化に導く様子を第２
図（Ｃ）に示す。

ストライプ状のＢ領域の手前（０）より奥（！りに向う
Ｘ方向（黒い矢印の方向）に沿って、前記のレーザ光を
第２図で＋６）が示す。

レーザ光強度工、の分布（ＩＬＸ）　を持つように強度
変調をかけて、レーザ光照射によるアニールを行う。

レーザ光強度の分布を第２図で（ｅ）のように強度変調
照射する方法としては、一定の光出力のレーザ光をＯ−
１間で掃引速度は一定として、レーザ光強度そのものを
変調する方法などが考えられるが、いずれの方法にても
、計画的に制御良く照射下のＡＩ　Ａ　ｓ　／Ｑａ　Ａ
　３超格子ガイド層１４を混晶化に導くことは可能であ
る。

第２図で（ｄ）はレーザ光によるアニールがすべて完了
したエピタキシャル基板を示しており、ＢＨレーザや導
波路が完成している。

また、第２図で（ｆ）は端面より離れた内部での断面図
、同じ（（ｇ［：共振器端面近傍での断面図を示すもの
であり、（ｆｌおよび（ｇ）の違いは、ＡＪＡｓ／Ｇａ
Ａｓ超格子ガイド層１４の厚みにあり、（ｆｌでは薄く
、（ｇ）では厚くなっている。

第２図のけ）と（ｇ）で、レーザ動作時の発根光の強度
分布を示したように、（ｇ）図に示した端面近傍でｎＡ
ｌＡｓ／ＧａＡｓ超格子カイト層１４とＡｌＡｓ／Ｇａ
　Ａ　ｓ超格子活性層１３に広がって大きなビーム径と
なっている一方げ）でＨＡＩＡｓ／ＧａＡｓ超格子ガイ
ド層１４超格子ガイド光１４まい領域に閉じこもっ１お
り、さらにＡ　Ｉ　Ａ　ｓ　／Ｇ　ａ　Ａ　ｓ超格子活
性層１４がない構造ではｆｔ、　ｕ　Ａ　Ｉ　Ａ　ｓ　
／Ｇ　ａ　Ａ　ｓ超格子活性層１３中に、はぼ完全に閉
じこめられる。

すなわち、第２図（ｄｌの構造では共畿器長方向の大部
分で、’ｆはほぼＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超格子活性層１３
中を導波するために、低いキャリア注入でレーザ動作を
開始する。しかも、元の放出端である共畿器鏡面で厚い
ＡＡ’　Ａ　ｓ　／Ｇａ　Ａ　ｓ超格子ガイド層１４が
あり、導波光のスポット径が広がり、この結果、共振器
鏡面レーザ光放出端面での光のパワー密度が下がり、い
わゆる共撮端面における光学損傷が生じにくく、高い光
出力での動作が可能となる。さらに上記利点を有す素子
は１回のエピタキシャル工程と、レーザ照射工程のみで
作成できる為、従来法に比較して各エピタキシャル層の
熱履歴が少なく、したがって熱劣化が少なく、しかも、
エツチング工程を必要としない為、汚染による劣化がな
い。

（実施例） 第３図は実施例として、本発明の半導体結晶を用い、引
き続いて本発明の方法で製作したＢＨレーサの外観の概
念因（ａ）と、その光放出端面近傍での断面図（ｂｌと
共振器上で共倣器長方向での断面図（Ｃ）を示す。

まず、第２図の（ａ）と同等のエピタキシャル基板をＭ
ＢＥ法により成長させ、その後ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐ
ｏｒ　　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＣＶＤ）法により５ｉ
０２層１７を形成した。

すなわち、Ｓｉをドーグしたｎ形ＧａＡｓ基板ｌＩ上に
Ｓｉを１０１８ｃｌｌＬ−３ドープしたｎ形Ａｇｏ、３
７Ｑａ　０　、６３Ａ３クラッド層１２を２．０μｍ成
長し、引き続いてＡＪＡｓ　２６．Ｌを３ＸＩ０１７Ｃ
ｍ　”　ドープ、したＧａＡｓ４Ａから成るｎ形超格子
を１４周期、厚さ０．１ｔｔｍ成長し、Ｃｎ形ＡＪＡｓ
／ＧａＡｓ超格子活性層１３）その上にＡＡＡｓ　Ｉ　
３Ａ、　ｓ　ｒを３Ｘ１０１７ｃＩｎ−３ドーグしたＱ
ａＡｓ２２Ａ　　から成るｎ形超格子を２９周期、厚さ
約０，１μｍ成長し、（ｎ形ＡｌＡ　ｓ　／Ｇ　ａ　Ａ
　ｓ超格子ガイド層１４）、最後にＢｅ　を５×１０１
７１０１７Ｃドープしたｐ形Ａｌ００３７Ｇａ０．６３
Ａｓクラッド層１５を厚さ約１．５μｍ７１　Ｒ長し、
その後ＣＶＤ法で８ｉ０２層１７を厚さ約０２μｍ形成
した。

次に第２図の（ｂ）と同様にストライフ゛領域Ｂを除く
、すなわち同図でＡの部分を波長２９４３Ｘ、出力４Ｗ
（７）ルビーレーザでアニールシタ。

レーザ光によるアニールは、途中で何度かレーザ光の出
力を狗め、合金化が進んだＡＡＧａＡｓ化合物半導体層
１６からのＰＬ法による観測でその発光（ＰＬ）が１．
８ｅＶ程度のエネルギーを持つ波長になった時に終了と
した。この発光はＡｌの組成比で０．３に相当し、超格
子が完全には混晶化していないことを示しているが、キ
ャリアの閉じ込めには十分である。またストライ１領域
Ａの幅は２．０μｍ　とした。

こうして完成したウェハのストライプ領域人の上部より
本発明の方法に従い同じレーザ光を用いただし、照射時
間はストライプ領域の中央部分で先のレーザアニール時
間の半分程度とし、２００μｍ長のキャビディ両端で照
射時間０となる三角形状の時間設定で掃引した。

こうして完成したウェハのストライブト領域の上部のみ
を通常のリングラフィ法で５ｉ０２層１７を取り除き、
その後表裏のオーミックコンタクト１８．１９を取り、
適当な大きさにヘキ開し、ＢＨレーザ累子とした。完成
したＢＨレーザは閾値電流２０ｍＡ以下で発振し、また
基本モード、直流動作での発根出力が３０ｍＷ程度のＢ
Ｈレーザが再〈 現性良り得られる。

以上、実施例において１ＡＩＧａＡｓ　化合物から成ル
ダブルへテロＢＨレーザについて述べたが、本半導体結
晶及び本裂遣方法は、他の材料たとえばＩｎＰ−ＩｎＧ
ａＡｓＰ系にも適用できることはもちろんである。また
、実施例においてｎ形とある所をｐ形に、ｐ形とある所
をｎ形と変えた構造においても本発明によりＢＨレーザ
が達成できることは明らかである。

（発明の効果） 以上のように、本発明によれば、１回の連続エピタキシ
ャル成長に引き続いて、レーザ光により計画的に制御良
くアニールするのみでよい為、エツチングで側壁を露出
したときなどに生じる外部からの不純物による汚染やた
び重なるエピタキシャル高温過程による結晶層の熱劣化
等による特性の低下や劣化の心配もなく極めて容易に、
低閾値電流で動作し、しかも共畿器端面の光学損傷が生
じにくく、高い光出力のＢＨレーザや光導波路等を製造
できることがわかる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の半導体結晶の断面図、ｆＭ２図（ａ
）〜（ｄｌｆ１本発明によるＢＨレーザの主要な工程で
の斜視図、（ｅ）はレーザ光強度の分布図、（ｆｌ、（
ｇ）は断面図、第３図（ａ）は実施例としてＡＩ　Ｇａ
　Ａ　ｓ化合物半導体から成るＢＨレーザの斜視図、（
ｂ）、（ｃｌはこのＢＨレーザの断面図、第４図は従来
形Ｂ　Ｈレーザの断面図、第５図（ａｌ〜（Ｃ１は従来
形ＢＨレーザの主要な工程での基板の断面図である。 １１・−・・・ｎ形Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板］２・・・・・
・ｎ形Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　　クラッド層１３・・
・・・・ｎ形ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ超格子活性層、または
同等の禁制帯幅、屈折率を持つｎ形ＡｌＧａＡｓ活性層 １４・・・・・・ｎ形Ａ　Ｉ　Ａ　ｓ　／Ｇ　ａ　Ａ　
ｓ超格子ガイド層、または同等の禁制帯幅、屈折率を持
つｎ形ＡＡ’ＱａＡｓガイド層 １５−−−−−−　ｐ形Ａ　Ｉｔ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　ク
ラッド層１６・・・・・・ｎ形のレーザ光によりアニー
ルされた超格子層、または同等の禁制帯幅、屈折率を持
つｎ形Ａ　Ｉ　Ｇａ　Ａ　ｓ　クラッド層１７・・・・
−８ｉ０２層 １８．１９・・・・・・オーミックコンタクト層Ａ・・
・・・・・・・ウェハ真上から見た場合のストライプ領
域を除く領域 Ｂ・・・・・・・・・ウェハ真上から見た場合のストラ
イプ領域第１図 ＩＩ　：　　ｎ　’ｆｔ’ｒ　ｅａＡｓ基板１２　：　
　ｎ形Ａ！、ＧｔｔＡｓ／９１３：　　ん’！Ａｓ／Ｇ
ａＡｓ　Ｍｌ　；Ｆｌｈ１層１４　：　　ＡＪＩＡｓ／
ＧａＡｓ　Ｊｕｌ　ｋ”ｒ屑１５　：　　ＦＷ’１Ａｉ
ＧａＡｓ層 第　３　図 ｔｒニア１形ＣｒａＡｓ７ｆ＝３反 １２：　　ｎｆｔ’ｔＡｌｏ、５７Ｇａ、ｕ７４ｓ’７
　ラ、Ｊ”層１３：　ｎＭ３μｓ／ＧａＡｓ　Ｈ易３−
活φ１１４　：　　ｎｆ’ｔｌｄＡｓ／（ｒａＡｓＡＥ
７ｒｂ”ｒ力′イト１１５：　　ｆ’ＦＡＪ！、ｏ、３
ｙＧａｏ、Ａ３Ａｓフラッド・層１７：　Ｓ；Ｏｔ／！ １８．１（／：オーミッグコンタクト１揃　４　図 １１：ｎｔＣｒａＡｓ幕Ｒ １２’　　７７Ｗ’１Ａ１ｐＧａｒ−ｒＡ１クラッドノ
曹１３　：　　ＡノＩＣｒａｔ−ＨＡｓ力゛イド１／４
　　：　　　Ａノｘｃｒａｒ−ｘＡｓ　　８小生層１５
　：　　ｒ形Ａ１７　ｅａｔ−ＨＡｓクラ・、　）゛層
１６　　　：　　　　ｎｆｎＡｌｗＧａｔ−ｚＡｓ　ク
ラ゛ンドノ雫を第　５　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．実効的禁制帯幅Ｅｇ＿１を有する超格子層とその上
   に実効的禁制帯幅Ｅｇ＿２を有する超格子層を重ねた２
   層構造（ただし、Ｅｇ＿１＜Ｅｇ＿２）を、前記両超格
   子層よりも禁制帯幅大なる結晶層ではさみ込んだ４層構
   造を少なくとも有する半導体結晶ウェハ上方よりウェハ
   面内の一部領域に、前記超格子層をはさみ込んだ両結晶
   層の禁制帯幅より小さくかつＥｇ＿２より大きな光子エ
   ネルギーを持つレーザーによる出力強度変調照射を行い
   、照射部の超格子層を制御良く混晶化に導くことを特徴
   とする半導体素子の製造方法。
2. ２．実効的禁制帯幅Ｅｇ＿１を有する超格子層とその上
   に実効的禁制帯幅Ｅｇ＿２を有する超格子層を重ねた２
   層構造（ただし、Ｅｇ＿１＜Ｅｇ＿２）を前記両超格子
   層よりも禁制帯幅大なる結晶層ではさみ込んだ４層構造
   を少なくとも有する半導体結晶。