JPS63287081A - 半導体レ−ザ素子の製造方法 - 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］ この発明は半導体レーザ素子の製造方法に関し、特に分
子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）を用いて高性能
半導体レーザ索子を製造する方法に関するものである。

［従来の技術］ 近年、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）による
薄膜単結晶成長技術の進歩は著しく、この成長技術を用
いれば、従来の液相エピタキシャル成長法（ＬＰＥ法）
に比べて非常に大きな面積にわたって均一な厚さの層を
成長させることができる。また、この成長技術を用いれ
ば、ＩＯＡ程度の極めて薄いエピタキシャル成長層を得
ることが可能となっている。

このような製造技術の進歩は、半導体レーザにおいても
、従来のＬＰＥ法では製作が困難であった極めて薄い層
を有する素子構造を可能とし、そのような素子構造に基
づく新しい効果を利用したレーザ素子の製作を可能とし
た。その代表的なものは量子井戸（Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗ
ａｌｌ　；略してＱＷ）レーザである。このＱＷレーザ
は、従来の二重へテロ接合（ＤＨ）レーザでは数１００
Ａ以上であった活性層厚を１００Ａ程度あるいはそれ以
下とすることによって活性層中１こ量子化準位が形成さ
れることを利用しており、従来のＤＨレーザに比べてし
きい値電流が下がり、温度特性が良く、あるいは過渡特
性に優れている等の数々の利点をａしている。これに関
する文献としては次のようなものがある。

（１）　　Ｗ、Ｔ、　Ｔｓａｎｇ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅ
ｔｔ、　ｖｏｌ、３９゜ｐ、７８６（１９８１）。

（２）　　Ｎ、に、　Ｄｕｔｔａ、　Ｊ、　ＡＩ）ｐｌ
、　Ｐｈｙｓ、Ｖｏｌ、５３゜ｐ、７２１１　　（１９
８２）。

（３）　　Ｉｌ、　Ｉｗａｍｕｒａ、　Ｔ、　５ａｋｕ
、　Ｔ、　ｌ５ｈｉｂａｓｈｌ。

Ｋ、　０ｔｓｕｋａ、　Ｙ、　ＩＩｏｒｉｋｏｓｈｌ、
　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔ。

ｖｏｌ、１９．　ｐ、１８０　（１９８３）。

このように、ＭＢＥ法による薄膜単結晶成長技術を用い
ることにより、以上に述べたような高性能半導体レーザ
素子を均一性良く得ることができる。

一方、半導体レーザ素子を高出力動作させる際には、レ
ーザ発振領域における光密度の上昇が起こり、特にレー
ザ光出射端面部における劣化が問題となる。このような
問題を解決するために、端面近傍においてレーザ発振光
の光吸収を小さくした窓構造を持った半導体レーザ素子
が知られている。この窓構造レーザの一例としては、Ｌ
ＰＥ法を用いたＷｌｎｄｏｖ　−ＶＳＩＳレーザが知ら
れている。

このレーザ素子は、基板上に形成する溝の構造を端面付
近の部分とそれ以外の部分とで変えることにより活性層
の厚さを制御し、端面近傍において窓構造を形成したも
のである。

［発明が解決しようとする問題点］ 半導体レーザ索子を高性能化するために、上記のような
窓構造の半導体レーザ素子をＭＢＥ法により作製する場
合には、次のような問題がある。

すなわち、」一連したＭＢＥ法の場合には、溝の形成さ
れた基板上に良質の単結晶を成長させるのが困難である
ため、基板上の溝構造の制御によって窓構造を形成する
ことは困難である。

ＭＢＥ法によって窓構造を作製する方法としては、活性
層に非常に周期の短い超格子（多重量子井戸）を形成し
、端面近傍においてＺｎの拡散を行なうことにより、超
格子の無秩序化によって光の吸収端を短波長化させ、吸
収を低下させる方法が知られている。

しかしこの方法の場合、端面付近でのＺｎ拡散による結
晶性の劣化によって、レーザ素子の特性が低下すること
が考えられる。

この発明は、しきい値電流が低く、温度特性や過渡特性
が優れ、しかも高出力動作において長寿命でかつレーザ
特性が低下しない半導体レーザ素子をＭＢＥ法を用いて
製造する方法を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、半導体
基板上に半導体レーザ素子を次のようにして成長させる
ものである。

半導体基板の一方の面に半導体レーザ素子の共振器長に
等しい間隔で溝部または凸部を設け、前記一方の面と反
対側の面上に、分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ法）に
よって半導体レーザ素子の各層を成長させる。

［作用］ この発明の製造方法によると、半導体基板に溝部あるい
は凸部が設けられているので、エピタキシャル成長時の
基板加熱の効率が溝部あるいは凸部のある部分とその他
の部分とで異なる。しだがって、溝部あるいは凸部が設
けられている面と反対側の面上に各層をＭＢＥ法によ°
って成長させると、溝部あるいは凸部のある部分とそれ
以外の部分とでは成長温度が異なり、これによって、成
長する層の厚さが異なってくる。すなわち、溝部あるい
は凸部のある部分における成長層が他の部分よりも薄く
なるように基板加熱する。このような方法で成長された
ウェハを用い、溝部あるいは凸部のある部分が共振器端
面となるように半導体レーザ素子を作製すると、溝部あ
るいは凸部のある部分が他の部分に、対して窓部となり
、端面劣化が抑制される。

［実施例］ 以下−二の発明の実施例を図面を用いて説明する。

まず、ＧａＡｓの成長速度の成長温度依存性について説
明する。　　　− 第３図は、ＧａＡｓをＧａＡｓ基板上にエピタキシャル
成長させるときのＧａＡｓ成長速度と基板温度との関係
を示したグラフである。図から明らかなように、成長温
度が６９０℃以下の場合、ＧａＡｓ成長速度は材料の供
給律速となって一定となっているが、６９０℃を越える
と成長温度を高くするに従い成長表面からのＧａの再蒸
発が活°発になり、ＧａＡｓ成長速度が急激に低下する
。

次に、この発明による半導体レーザ素子の製造方法の第
１の実施例を説明する。

第１図はこの実施例に用いる半導体レーザ素子製造用半
導体基板の断面図であり、第４図はこの実施例により製
造される半導体レーザ素子の断面図である。

この実施例は、ＭＢＥ法によりＧａＡｓ基板上にＡＱＧ
ａＡｓ層およびＧａＡｓ層を成長させるものである。

まず、第１図に示すように、厚さｔｌ−３００μｍのｎ
−ＧａＡｓ基板１の一方の面に、幅Ｗ１−５０μｍ、深
さｈｌ−２００μｍの溝部２をＬｌ−２５０μｍの間隔
をおいて複数設ける。この溝部２は、フォトマスクを用
いた化学エツチングによ、って容品に形成することがで
きる。

次に、前記ｎ−ＧａＡｓ基板１の溝部２を設けた面をＩ
ｎにより基板ホルダに接着する。そして、溝部２を設け
た面と反対側の面上に、第４図に示すように、ＭＢＥ法
によってＳｉドープｎ−Ａ［ｘＧａ＋−ｘＡｓクラッド
層１１、Ａ（ｌｙＧａｌ−ｙＡｓ活性層１２、Ｂｅドー
プｐ　Ａｌ１ｊｘＧａ＋−８Ａｓクラッド層１３、Ｇａ
Ａｓキャップ層１４を順にエピタキシャル成長させる。

設定基板温度を６９０℃とした場合、溝部２のない部分
では、設定値の６９０℃で成長が行なわれるが、溝部２
の部分では溝部２内までＩｎが充満しており、Ｉｎの熱
伝導率がＧａＡｓの熱伝導率より大きいことにより、設
定値よりも高い温度で成長が行なわれる。

実験によって、溝部２のある部分の温度は、他の部−分
に比べて１０℃高温になっていることが確かめられてい
る。

溝部２のない部分では、ｎ　　ＡｆＬｘＧａ＋−８Ａｓ
クラッド層１１、ＡｆｌｙＧａｌ−ｙＡｓ活性層１２、
ｐ−ＡｆＬｘ　Ｑａ＋−Ｘ　Ａｓクラッド層１３のＡＮ
混晶比は、それぞれＸ−０，５、Ｙ−０，１５、Ｘ−０
，５となった。これに対して、溝部２のある部分では、
ｎ−クラッド層１１、活性層１２、ｐ−クラッド層１３
の１ｍ混晶比は、それぞれＸ−０，６、Ｙ−０，２、Ｘ
−０，６と高くなっている。これは、第３図により説明
したように、溝部２を設けた部分では、それ以外の部分
に比べて成長層表面の温度が高いことによりＧａの再蒸
発が活発となるためである。活性層１２のバンド端は、
溝部２のない部分では７６０ｎｍであるのに対し、溝部
２のある部分では７３５ｎｍとなって窓構造となる。

この溝部２の中央部で成長面に対して垂直に襞間するこ
とによって、端面に窓構造を有する高出力で長寿命の半
導体レーザ素子が作製される。

次に、この発明の第２の実施例を説明する。

この実施例は、上記実施例と同様の方法を用いて、第５
図に示す半導体レーザ素子を製造するものである。第５
図の半導体レーザ素子は、層厚が電子のドブロイ波長よ
りも小さい量子井戸層を用いたＯ　ＲＩ　Ｎ　−Ｓ　Ｃ
Ｈ（Ｇｒａｄｅｄ　Ｉｎｄｅｘ−９ｅｐａｒａｔｅｄＣ
ｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ　ｌ１ｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕ
ｒｅ）構造を有するものである。

この実施例の場合も設定基板温度は６９０”Ｃである。

まず、第１図に示したｎ−ＧａＡｓ基板１上に、Ｓｉド
ープｎ−ＡｉｘＧａｌ−ｘＡｓクラッド層２１を成長さ
せる。Ａｌｌ混晶比は溝部２のない部分ではＸ−０，５
となった。次に、その上に、溝部２のない部分でＡｆＬ
混晶比を０．５から０゜２まで放物線状に変化させたノ
ンドーブグレーデドインデックス（ＧＲＩ　Ｎ）層２２
、ノンドープＧａＡｓ活性層２３、Ａｍ混晶比を０．２
から０゜５まで放物線状に変化させたノンドープグレー
デドインデックス（ＧＲＩＮ）層２４を成長させ、さら
にＢｅドープｐ−ＡＩＩＸ　Ｇａ、−ｘＡｓクラッド層
２５　（Ｘ＝０．５）　、ＧａＡｓキャップ層２６を成
長させる。活性層２３の厚さは溝部２のない部分で６Ｏ
Ａとする。これに対して、溝部２のある部分では成長温
度が高いため、Ｇａの再蒸発によって活性層２３の厚さ
は４０又となり、また、量子井戸障壁の高さを決めるＧ
ＲＩＮ層２２．２４の底のＡｆＬ混晶比も０．３と高く
なった。この結果、活性層２３のバンド端は、溝部２の
ない部分で８３０ｎｍとなるのに対し、溝部２のある部
分では７９０ｎｍと量子効果によって上昇し、窓構造と
なる。この溝部２の中央部で成長面に対して垂直に男開
することによって、端面に窓構造を存し、高出力で動作
しかつ長寿命ををし、しかも量子効果によって低電流動
作可能な半導体レーザ素子が均一性良く作製される。

なお、この実施例においてＧａＡｓ活性層の代わりにＡ
Ｑ、ＧａＡｓ活性層を用いることによって、活性層のＡ
ｍ混晶比の溝部における上昇によりさらに溝部のある部
分とない部分とでバンド端エネルギの差を大きくするこ
とができる。

また、この実施例では活性層を単一量子井戸構造とした
が、多ｆｆｉ量子井戸構造を用いた場合にも全く同様の
効果が得られる。

次に、この発明の第３の実施例を説明する。

この実施例は、第１図に示す溝部の設けられた基板の代
わりに、第２図に示す凸部の設けられた基板を用いるも
のである。

まず、第２図に示すように、厚さｔ２−２００μｍのＧ
ａＡｓ基板１の一方の面に、幅Ｗ２−５０μｍ１高さｈ
２−１００μｍのストライブ状の凸部３をＬ２−・２５
０μｍの間隔をおいて復数設けておく。

この実施例の場合、Ｉｎによる基板の接着は行なわず、
Ｔａ板等の均熱板をこの凸部３に接触するように配置し
、その裏面からヒータによって加熱するという公知の基
板加熱方式を用いる。この場合、ストライブ状の凸部３
は均熱板からの熱伝導により加熱効率が高いため、他の
部分よりも基板表面での成長温度が高くなる。

以下、上記第１および第２の実施例と同様にして、Ｇａ
Ａｓ基板１上にＭＢＥ法によって各層を成長させて半導
体レーザ索子を作製する。

なお、第１および第２の実施例の場合には、溝部を基板
の一方の側辺から他方の側辺まで連続するように形成し
てもよいが、第６図に示すように、部分的に不連続にな
るように形成してもよい。このように形成した場合には
、基板の機械的強度を補強することができる。

［発明の効果１ 以上のようにこの発明によれば、半導体基板の一方の面
に共振器長に等しい間隔で溝部あるいは凸部を設け、反
対側の面上にＭＢＥ法により各層を成長させることによ
って、溝部あるいは凸部のある部分において活性層が薄
く形成され、その部分が窓部となるので、しきい値電流
が低く、温度特性や過渡特性が優れ、しかも高出力動作
において長寿命でかつレーザ特性が低下しない半導体レ
ーザ素子が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１および第２の実施例に用いる半
導体基板を示す断面図、第２図はこの発明の第３の実施
例に用いる半導体基板を示す断面図、第３図はＧａＡｓ
成長速度の基板温度依存性の実験結果を示すグラフ、第
４図はこの発明の第１の実施例により製造される半導体
レーザ素子の断面図、第５図はこの発明の第２の実施例
により製造される半導体レーザ素子の断面図、第６図は
この発明の第１および第２の実施例に用いる半導体基板
を裏面から見た図である。 図において、１は半導体基板、２は溝部、３は凸部を示
す。 第１図 基板二ｌ（Ｃ） −第４図 第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ発振用活性層を有する多層構造の半導体レーザ素
   子をエピタキシャル成長させる半導体基板の一方の面に
   、前記半導体レーザ素子の共振器長に等しい間隔で溝部
   または凸部を設け、前記一方の面と反対側の面上に、分
   子線エピタキシャル成長法によって半導体レーザ素子の
   各層を成長させる半導体レーザ素子の製造方法。