JPS63164374A - 半導体レ−ザ装置及びその製造方法 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、半導体レーザ技術に係わり、特にＩ　ｎＧａ
ＡｌＰＧａＡｌ−−ザ装置及びその製造方法に関する。

（従来の技術） ＩｎＧａＡｉＰは、ｍ−ｖ族化合物半導体中で最大のバ
ンドギャップを存するため、短波長で発振する半導体レ
ーザの材料として注目されている。特に、ＧａＡｓを基
板とし、これに格子整合するＩ　ｎＧａＡノＰをクラッ
ド層、ＩｎＧａＰを活性層とした半導体レーザは６００
　ｎｓ＋帯の発振波長を持ち、可視光半導体レーザとし
てＨｅ−Ｎ　ｅガスレーザに代わる様々な用途が考えら
れ重要である。

半導体レーザの短波長化・高信頼化には、実際に発光再
結合が生じる活性層に対し、それよりも十分にバンドギ
ャップエネルギーが大きく、注入されたキャリアを活性
層内に有効に閉込めることのできるクラッド層が存在す
ることが重要である。

ＧａＡｓに格子整合するＩｎＧａＰ活性層では、ＡＩ組
成の増加と共にそのバンドギャップエネルギーは大きく
なり、クラッド層材料として望ましいものとなる。

しかしながら、Ｉ　ｎにａＡＩＰＳＣｔにｐ型環電性を
持つＩｎＧａＡＪＰにおいては、バンドギャップエネル
ギーの増加と共にその低抵抗化が困難となる。本発明者
等は有機金属熱分解気相成長法（以下ＭＯＣＶＤ法と略
記する）により、ＧａＡｓ基板に格子整合し、バンドギ
ャップが２Ｊ　ｏＶ以上の高Ａノ組成Ｉ　ｎＧａＡノＰ
に対するｐ型ドーピングの実験を繰返した。その結果、
良好な結晶性を保ちつつ実現できる抵抗率は０．７Ωａ
以上であることが判った。

また、半導体レーザを作製する上ではオーミック接触と
なる電極を形成できることが重要である。

しかしながら、ＩｎＧａＡｉＰクラッド層へ直接オーミ
ック接触を形成するのは非常に困難である。

コレハ、ＩｎＧａＡ、ｉ？Ｐのバンドギャップが非常に
大きいこと、また特にｐ型において高濃度のドーピング
が困難である等の事情によるものと考えられる。このた
め、ＩｎＧａＡｌ！Ｐクラッド層上にＩ　ｎＧａＰ或い
はＧａＡＳ等による高濃度にドーピングされたコンタク
ト層を設けることにより、オーミック接触を容易に行え
るようにする方法が考えられている。

さて、このようにＩｎＧａＡＩＰクラッド層上に高濃度
にドーピングされたコンタクト層が必要であることを考
慮した上で、このレーザの電流狭窄について考えてみる
。以下の議論では、コンタクト層をｐ型として進めるが
、ｎ型であってもその事情は同様である。

ｐ型コンタクト層上に５ｉ０２．Ｓｉ３Ｎ４等の絶縁膜
を形成し、これによって電流狭窄を行う方法が報告され
ている。第３図は５ｉ０２を絶縁膜とする５ｉ０２スト
ライプレーザである。図中３１はｎ−ＧａＡｓ基板、３
２はｎ− Ｉ　ｎＧａＡノＰクラッド層、３３はＩｎＧａＰ活性層
、３４はｐ−１ｎＧａＡノＰクラッド層、３５はｐ−Ｇ
ａＡｓコンタクト層、３６は５ｉ０２絶縁膜、３７はｐ
側電極、３Ｂはｎ側電極である。

このレーザは、ＭＯＣＶＤ法による第１回目の結晶成長
でダブルへテロ構造を作成した後、スパッタリング法等
により約１０００人程度の５ｉ０２膜３６を形成し、フ
ォトマスクを用いたエツチングによりストライブ状に５
ｉＯ２ＪＩＩ３６を除去し、その後電極３７．３８を形
成することによって実現される。そして、上記工程は比
較的容易であり、再現性にも優れている。

しかしながら、第３図に示す構造のレーザでは次のよう
な問題点がある。即ち、良好なオーミック接触を得るた
めにｐ−ＧａＡｓコンタクト層のドーピングを高濃度と
すると、その比抵抗は非常に小さく　　（０，１Ωｎ以
下）なる。これに対し、ｐ−ＩｎＧａＡ、１７Ｐクラッ
ド層の比抵抗は０．７Ωα以上と高いため、電流はｐ−
Ｃ；ａＡｓコンタクト層で横方向へ大きく拡がってしま
い、しきい値電流の上昇を招く結果となる。これを防ぐ
ためには、ｐ−ＧａＡｓ層を薄くすることが有効であり
、且つｐ−ＧａＡｓ層を薄くすることは活性層における
熱をｐ側電極に逃がすにも有効である。しかし、Ｓ　ｉ
０２　、Ｓ　ｉ３　Ｎ４等の絶縁膜はＧａＡｓ。

Ｉ　ｎＧａＡノＰ等の半導体結晶と比べその熱伝導率が
小さので、この種の絶縁膜を用いたレーザでは、直流動
作時の活性層温度の上昇と云う問題は解決されない。

一方、ＭＯＣＶＤ法による結晶成長を２回以上行うこと
により、第４図に示すような構造を持ったレーザが提案
されている。図中４１はｎ−ＧａＡｓ基板、４２はｎ−
１ｎＧａＡノＰクラッド層、４３はＩｎＧａＰ活性層、
４４はｐ−Ｉ　ｎＧａＡノＰクラッド層、４５はｐ−Ｇ
ａＡｓ第１コンタクト層、４６はｎ−ＧａＡｓ電流狭窄
層、４７はｐ−ＧａＡｓ第２コンタクト層、４８゜４９
は電極である。

このレーザは、ＭＯＣＶＤ法による第１回目の結晶成長
でｎ−ＧａＡｓ基板４１上にｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層４
６までを順次成長したのち、フォトマスクを用いたエツ
チングによりｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層４６をストライブ
状にエツチングし、ＭＯＣＶＤ法による第２回目の結晶
成長でｐ−ＧａＡｓ第２コンタクト層４７を形成したも
のである。ｐ−ＧａＡｓ第１コンタクト層４５は、第２
回目の結晶成長の際にＡＩ！を含む表面を露出すること
による酸化膜等の影響を防ぐためである。

しかしながら、第４図に示す構造のレーザでは次のよう
な問題点がある。即ち、発光波長に対して不透明である
ｎ−ＧａＡｓ層を電流狭窄に用いるため、その厚さを１
μｍ程度以上に厚くしなければならない。これは、電流
狭窄層にしみ出した光により該狭窄層が励起され、電流
狭窄層が薄い場合には短絡が生じると云う現象、つまり
光によるターンオンを防ぐためである。従って、第２回
目の結晶成長は大きな段差上への成長をしなければなら
ず、良好な結晶を得ることが難しくなる。

また、５ｉ０２ストライプレーザと同様の事情により、
ｐ−ＧａＡｓ第１コンタクト層は薄いことが望ましいが
、この層が薄いと、ｎ−ＧａＡｓｆ！！流狭窄層をエツ
チングする際にエツチング深さを精密にコントロール必
要があり、均一性、再現性に問題を生じる可能性を持っ
ている。さらに、ＭＯＣＶＤ法による結晶成長を２回行
わなければならないと云うことは、生産性、再現性等に
問題を生じる可能性がある。

また１、第４図の構造において、ｐ−ＧａＡｓ第２コン
タクト層を形成せずに、段差上に直接ｐ側電極を形成し
た構造がＧａＡｌＡｓ系のダブルへテロレーザにおいて
提案されているが、エツチングの制御性や大きな段差上
への電極形成による電極の段切れ等の問題があることに
変わりはない。

（発明が解決しようとする問題点） このように従来、電流狭窄層として絶縁膜を用いたレー
ザは、放熱性が悪く、さらに良好な電流狭窄を実現でき
ない。また、電流狭窄層としてＧａＡｓを用いたレーザ
は、電流狭窄層における段差が大となり、結晶品質の低
下や段切れ発生等の問題がある。さらに、コンタクト層
を薄くできないので、良好な電流狭窄ができない。つま
り、従来技術では、良好な電流狭窄と良好な放熱特性を
共に満足し、高い再現性を保持しつつ、高い信頼性を有
するＩｎＧａＡＪ！Ｐ系半導体レーザを実現することは
極めて困難であった。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、Ｉ　ｎＧａＡノＰをクラッドとする半
導体レーザにおいても、良好な電流狭窄及び良好な放熱
特性を得ることができ、再現性及び信頼性の向上をはか
り得る半導体レーザ装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、上記半導体レーザ装置を容
易に作成するための半導体レーザ装置の製造方法を提供
することにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明の骨子は、ＩｎＧａＡｌ！Ｐをクラッド層とする
半導体レーザにおいて、ＧａＡｓ。

ＩｎＣ；ａＰ等のコンタクト層を介して、ＩｎＧａＡｌ
！Ｐからなる電流狭窄層を設けることにより、高い生産
性・再現性を保持しつつ、高い信頼性を有するものを作
成することを可能とした点にある。

即ち本発明は、活性層を Ｉｎ　　　Ｇａ　　ＡＪ！Ｐ（０≦ｘ、　ｙ≦１）か１
−ｘ−ｙ　　　ｙ　　　ｘ らなるクラッド層で挟んでなるダブルへテロ接合構造部
と、このダブルへテロ接合構造部の一方側に配置され、
電流通路を形成するストライブ状の開口部が設けられた
電流狭窄層と、上記ダブルへテロ接合構造部と電流狭窄
層との間に配置されたコンタクト層とを備えたダブルへ
テロ構造型のＩｎＧａＡｉＰ系レーザにおいて、前記電
流狭窄層をＩｎ　　　、　、Ｇａ　　、ＡＩ　、Ｐ（０
≦Ｘ”、　ｙ’≦１−ｘ−ｙ　　　　ｙ　　　ｘ １）で形成し、且つ前記コンタクト層をＧａ　　　ＡＩ
　Ａｓ　（０≦２≦１）及び１−ｚ　　　　　　ｚ Ｉｎ　　　Ｇａ　　Ａｓ　　　Ｐ　　（０≦ｕ、ｖ≦１
）１−ｕ　　　ｕ　　　ｌ−ｖ　　ｖ の少なくとも一方で形成するようにしたものである。

また本発明は、上記構造を実現するための半導体レーザ
装置の製造方法において、化合物半導体Ｕ板上に活性層
をＩｎ　　　　Ｇａ　　ＡＩ　　Ｐ（０１−ｘ−ｙ　　
　ｙ　　　ｘ ≦ｘ、ｙ≦１）からなるクラッド層で挾んでなるダブル
へテロ接合構造部を形成したのち、このダブルへテロ接
合構造部上にＧａ　　　ＡＩ　Ａｓ１−ｚ　　　ｚ （０≦２≦１）及びＩ’ｎ　　　Ｇａ　　Ａｓ　　　Ｐ
ｌ−ｕ　　　ｕ　　　ｌ−ｖ　　ｖ （０≦Ｕ、Ｖ≦１）の少なくとも一方からなるコンタク
ト層を形成し、次いでこのコンタクト層上にＩｎ　　、
Ｇａ　、ＡＩ！、Ｐ（０≦Ｘ’、　ｙ’≦１）１−ｘ−
ｙ　　　ｙ　　　ｘ からなる電流狭窄層を形成し、しかるのちこの電流狭窄
層をフォトマスクを用いた選択的化学エツチングにより
ストライブ状にエツチングするようにした方法である。

（作用） 本発明によれば、５ｉ０２やＳｉ３Ｎ４等の絶縁膜と異
なり熱伝導率の高いＩｎＧａＡｌ！Ｐを電流狭窄層とし
て用いているので、活性層で発生した熱をこの電流狭窄
層を介して電極側に効果的に逃がすことができる。また
、電流狭窄層であるＩｎＧａＡ、ｊ’Ｐが発光波長に対
して透明であることから、この層を薄くしても光により
ターンオン等が発生することはない。従って、電流狭窄
層における段差を小さくすることが可能であり、この上
に形成する電極やコンタクト層を良好に形成することが
できる。さらに、コンタクト層としてｌ　ｎＧａＡノＰ
ＡＩツチング選択性の高い材料（ＧａＡｓ等）を用いれ
ば、コンタクト層を十分薄くすることも可能である。

従って、Ｉ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｌ！　Ｐをクラッド層と
する半導体レーザにおいても、高い生産性を実現できる
簡便な構造を持ち、且つ高い信頼性を実現できる良好な
電流狭窄、放熱のできる半導体レーザの実現が可能とな
る。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わる半導体レーザの概略
構造を示す断面図である。図中１１はｎ−ＧａＡｓ基板
であり、この基板１１上にはｎ　−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／
＜ッファ層１２が形成されている。バッファ層１２上に
は、ｎ−１ｎＧａＡＩＰクラツド層１３．ＩｎＧａＰ活
性層１４及びｐ−ＩｎＧａＡＪＰクラッド層１５からな
るダブルへテロ接合構造部が形成されている。クラッド
層１５上には、ｐ−Ｉ　ｎＧａ　Ｐ：２ンタクト層１６
及びｐ−ＧａＡｓコンタクト層１７が形成されている。

コンタクト層１７上には、電流通路となる部分に開口部
を設けたＩ　ｎＧａＡノＰＡＩ狭窄層１８が形成されて
いる。そして、電流狭窄層１８及びその開口部において
露出したコンタクト層１７上にはｐ側電極１９が形成さ
れ、基板１１の下にはｎ側電極２０が形成されている。

なお、電流狭窄層１８の導電型はｎ型、高抵抗、低濃度
にドープされたｐ型のいずれでもよい。

このような構成であれば、ストライブ状の開口部を設け
た電流狭窄層１８により、良好な電流狭窄を行うことが
でき、活性層１４の発光領域をストライブ状に規定して
レーザ発振を行わせることができる。

ここで、ＩｎＧａＡノＰをＡＩ狭窄層として用いること
による効果は、次のようなメカニズムによって説明され
る。即ち、ＩｎＧａＡノＰとＡＩ金属との間のオーミッ
クコンタクトは困難であり、しかも１　ｎＧａＡノＰＡ
Ｉが高抵抗であり、これに電流を流すことは困難である
。また、半導体し−ザの発光波長のエネルギーより大き
なバンドギャップを有するＩｎＧａＡＪ！Ｐを電流狭窄
層とすることにより、光によるターンオンを防ぐことが
できる。実際には、これらのいくつかが同時に起きるた
め、ｎ−ＧａＡｓ等を電流狭窄層とした場合に比べ、そ
の電流狭窄効果は絶大である。

上記理由から、電流狭窄層１８の厚さを０．５μｎ以下
に薄くした場合でも電流狭窄効果は十分であり、その上
部に電極を設ける場合、段切れ等の問題は生じ難い。ま
た、直接電極を形成せず、第２のｐ−ＧａＡｓコンタク
ト層をコンタクト層１７の一部及び電流狭窄層１８上に
設け、その上に電極を形成する場合においても、段差が
小さいときには結晶性が損われることは殆どない。

また、ＩｎＧａＡ、１’Ｐを電流狭窄層としたものは、
５ｉ０２やＳｉ３Ｎ４等の絶縁膜を用いたものに比べて
、その熱伝導率が大きいので、活性層１４の温度上昇を
防ぐことができると云う利点を有している。さらに、コ
ンタクト層としてＧａＡｓを用いた場合、電流狭窄層と
してのＩｎＧａＡＪ！Ｐに比ベエッチング選択性を十分
高くすることができるので、・コンタクト層の厚さを薄
くすることが可能である。これは、コンタクト層におけ
る電流の拡がりを低減し、良好な電流狭窄に有効である
。

次に、上記構造の半導体レーザの製造方法について、ｍ
２図（ａ）〜（Ｃ）を参照して説明する。

まず、第２図（ａ）に示す如く、面方位（１００）のｎ
−ＧａＡｓ基板１１上にＭＯＣＶＤ法により、ｎ−Ｇａ
Ａｓバッファ層１２．ｎ− Ｉ　ｎＧａＡノＰクラッド層１３．ＩｎＧａＰ活性層１
４．ｐ−１ｎＧａＡノＰクラッド層１５．ｐ−ＩｎＧａ
Ｐコンタクト層１６．ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１７及
びアンドープＩｎＧａＡｉＰｆｌｉ流狭窄層１８を順次
成長して、ダブルへテロウェハを形成した。このとき、
ｐ−１ｎＧａＰコンタクト層１６の厚さは５００Å以下
、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１７の厚さは１０００Å以
下とすることによって、横方向の電流の拡がりを防いだ
。また、ｐ−１ｎＧａＰコンタクト層１６は、クラッド
層１５とｐ−ＧａＡｓコンタクト層１７との間の通電を
容易にする役割を持っている。

次いで、第２図（ｂ）に示す如く、電流狭窄層１８上に
フォトレジストを塗布し、これを露光・現像処理するこ
とにより、ストライプ状の開口部を持つフォトマスク２
１を形成した。

次いで、６０℃のＨ３ＰＯ４を用いた選択性化学エツチ
ングにより、第２図（Ｃ）に示す如く、１ｎＧａＡｉＰ
電流狭窄層１８のみをストライブ状に除去する。ここで
、ＧａＡｓ及びＩｎＧａＰ層は、このエッチャントによ
るエツチング速度は極めて遅く、ＩｎＧａＡｓＰ層のみ
を容易に選択エツチングすることができる。

これ以降は、フォトマスク２１を除去したのち、電極金
属としてｐ側にＡ　ｕ　／　Ｚ　ｎ電極１９を、ｎ側に
Ａ　ｕ　／　Ｇ　ｅ電極２０を形成することによって、
前記第１図に示す構造のレーザが完成することになる。

この製造工程によれば、コンタクト層１６゜１７と電流
狭窄層１８とのエツチング選択比が極めて大きいことか
ら、精密なエツチング深さの制御をする必要がなく、容
易に電流狭窄構造を作成できる。また、５ｉ０２ストラ
イプレーザを形成する場合に必要な、５ＬＯ２膜を形成
すると言った工程を含まないので、その生産性を大幅に
向上することができる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。例えば、前記活性層の材料としては、ＩｎＧａＰに
限らず、ＧａＡｓ基板に格子整合し、バンドギャップエ
ネルギーがクラッド層のＩ　ｎ　ｔ　ッ□Ｇａ　　Ａ　
ｉＰ　（０≦ｘ、　ｙ≦１）よＸ り小さい材料であればよく、ＩｎＧ、ａＡｓＰ。

ＧａＡｌ！Ａｓ等を用いることができる。また、コンタ
クト層材料としては、ｐ−１ｎＧａＰ、ｐ−ＧａＡｓを
用いる例を挙げたが、そのいずれか一方のみ或いは、Ｇ
ａＡノＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰであってもよい。さらに、
電流狭窄層の材料として、ＩｎＧａＡ、１７Ｐの代りに
ＩｎＧａＰを用いることも可能である。

また実施例では、１回のエピタキシャル成長で作成でき
る生産性の高い構造を挙げたが、ｐ側電極下に２回目の
エピタキシャル成長によってｐ−ＧａＡｓコンタクト層
を設けることによっても電流狭窄の効果は十分である。

さらに、基板としてｐ−ＧａＡｓを用い、各層の導電型
を逆にしたレーザを実現することも可能である。その他
、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施
することができる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、 ＩｎＧａＡｌ！Ｐをクラッド層とする半導体レーザにお
いても、Ｉ　ｎＧａＡ１２層を電流狭窄層として用いる
ことにより、良好な電流狭窄及び放熱が可能となり、従
って高い信頼性を有する半導体レーザを、高い生産性、
再現性を持って実現することができ、その有用性は大で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる半導体レーザの概略
構造を示す断面図、ｍ２図は上記レーザの製造工程を示
す断面図、第３図及び第４図はそれぞれ従来レーザの概
略構造を示す断面図である。 １１−　ｎ　−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板、１２−ｎ　−Ｇ　
ａ　Ａ　ｓバッファ層、１３・・・ｎ−１ｎＧａＡノＰ
クラッド層、１４−１　ｎ　Ｇ　ａ　Ｐ活性層、１５　
・・・ｐ−１ｎＧａＡＪ！Ｐクラッド層、１６　・・・
ｐ−ｆｎＧａＰコンタクト層、１７　・・・ｐ−ＧａＡ
ｓコンタクト層、１８・・・ＩｎＧａＡＪ！Ｐ電流狭窄
層、１９．２０−・・電極、２１・・・フォトマスク。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 第２図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）活性層をＩｎ＿１＿−＿ｘ＿−＿ｙＧａ＿ｙＡｌ
   ＿ｘＰ（０≦ｘ、ｙ≦１）からなるクラッド層で挟んで
   なるダブルヘテロ接合構造部と、このダブルヘテロ接合
   構造部の一方側に配置され、電流通路を形成するストラ
   イプ状の開口部が設けられた Ｉｎ＿１＿−＿ｘ′＿−＿ｙ′Ｇａ＿ｙ′Ａｌ＿ｘ′Ｐ
   （０≦ｘ′、ｙ′≦１）からなる電流狭窄層と、上記ダ
   ブルヘテロ接合構造部と電流狭窄層との間に配置され、 Ｇａ＿１＿−＿ｚＡｌ＿ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）及びＩｎ
   ＿１＿−＿ｕＧａ＿ｕＡｓ＿１＿−＿ｖＰ＿ｖ（０≦ｕ
   、ｖ≦１）の少なくとも一方からなるコンタクト層とを
   具備してなることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. （２）前記コンタクト層は第１導電型層であり、電流狭
   窄層は第２導電型層、高抵抗層或いは低濃度にドープさ
   れた第１導電型層であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の半導体レーザ装置。
3. （３）化合物半導体基板上に、活性層を Ｉｎ＿１＿−＿ｘ＿−＿ｙＧａ＿ｙＡｌ＿ｘＰ（０≦ｘ
   、ｙ≦１）からなるクラッド層で挟んでなるダブルヘテ
   ロ接合構造部を形成する工程と、上記ダブルヘテロ接合
   構造部上にＧａ＿１＿−＿ｚＡｌ＿ｚＡｓ（０≦ｚ≦１
   ）及びＩｎ＿１＿−＿ｕＧａ＿ｕＡｓ＿１＿−＿ｖＰ＿
   ｖ（０≦ｕ、ｖ≦１）の少なくとも一方からなるコンタ
   クト層を形成する工程と、上記コンタクト層上に Ｉｎ＿１＿−＿ｘ′＿−＿ｙＧａ＿ｙ′Ａｌ＿ｘ′Ｐ（
   ０≦ｘ′、ｙ′≦１）からなる電流狭窄層を形成する工
   程と、フォトマスクを用いた選択性化学エッチングによ
   り上記電流狭窄層をストライプ状にエッチングする工程
   とを含むことを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法
   。