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JP2647076B2 - Semiconductor laser device and method of manufacturing the same - Google Patents

Semiconductor laser device and method of manufacturing the same

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JP2647076B2
JP2647076B2 JP61042933A JP4293386A JP2647076B2 JP 2647076 B2 JP2647076 B2 JP 2647076B2 JP 61042933 A JP61042933 A JP 61042933A JP 4293386 A JP4293386 A JP 4293386A JP 2647076 B2 JP2647076 B2 JP 2647076B2
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conductivity type
cladding layer
semiconductor laser
contact layer
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秀人 管原
正行 石川
幸雄 渡辺
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Toshiba Corp
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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、電流狭窄効果と光導波効果を有する半導体
レーザに係わり、特に有機金属を用いた化学気相成長法
(以下MOCVD法と略記する)による製造に適した半導体
レーザ装置及びその製造方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Object of the Invention] (Field of Industrial Application) The present invention relates to a semiconductor laser having a current confinement effect and an optical waveguide effect, and particularly to a chemical vapor deposition method using an organic metal (hereinafter referred to as a chemical vapor deposition method). The present invention relates to a semiconductor laser device suitable for manufacturing by the MOCVD method) and a manufacturing method thereof.

(従来の技術) 近年、光情報処理用光源として使用する半導体レーザ
用の半導体材料作成法として、従来使用されてきた液相
成長法(以下LPE法と略記する)に代りMOCVD法が注目さ
れている。このMOCVD法は、組成と膜厚の制御性に亙る
均一性に優れており、今後のレーザ製造技術において重
要な地位を占めると考えられている。
(Prior art) In recent years, the MOCVD method has attracted attention as a method for preparing semiconductor materials for semiconductor lasers used as light sources for optical information processing, instead of the conventionally used liquid phase growth method (hereinafter abbreviated as LPE method). I have. This MOCVD method is excellent in uniformity over controllability of composition and film thickness, and is considered to occupy an important position in future laser manufacturing technology.

MOCVD法では、LPE法と異なり溝等の段差上へは良好な
発光効率を示す結晶が得難いと云う欠点があるため、基
板から活性層までを平坦化する必要がある。MOCVD法を
利用した代表的なレーザ構造としては、第5図に示すよ
うなGaAlAsを材料として用いたものがある。これは、溝
を形成したダブルヘテロウェハ上にGaAlAsを再成長する
ことにより、自己整合的に電流狭窄及び光導波路を形成
するものである。なお、図中51はn−GaAs基板、52はn
−GaAlAsクラッド層、53はGaAs活性層、54はp−GaAlAs
クラッド層、55はn−GaAs電流阻止層、56はp−GaAlAs
クラッド層、57はp−GaAsコンタクト層、58,59は電極
を示している。しかし、この構造のレーザでは溝上に再
成長した層が光閉じ込め及び電流通路としての役割を果
たしているので、この再成長層の結晶品質に対する要請
が厳しいものとなり、これまでGaAlAsを用いたレーザの
試作が報告されているに過ぎない。
Unlike the LPE method, the MOCVD method has a drawback that it is difficult to obtain a crystal having good luminous efficiency on a step such as a groove. Therefore, it is necessary to planarize from the substrate to the active layer. As a typical laser structure using the MOCVD method, there is one using GaAlAs as a material as shown in FIG. This is to form a current confinement and an optical waveguide in a self-aligned manner by regrowing GaAlAs on a double hetero wafer having a groove formed therein. In the figure, 51 is an n-GaAs substrate, and 52 is n-GaAs.
-GaAlAs cladding layer, 53 is a GaAs active layer, 54 is p-GaAlAs
Cladding layer, 55 is an n-GaAs current blocking layer, 56 is p-GaAlAs
A clad layer, 57 is a p-GaAs contact layer, and 58 and 59 are electrodes. However, in the laser with this structure, the layer regrown on the groove plays the role of optical confinement and current path, so the demands on the crystal quality of this regrown layer have become strict. Has only been reported.

ところで、最近の技術動向として、光通信用長波長レ
ーザや光記録用短波長レーザに使用する半導体材料とし
て、より長波長化や短波長化が可能なInGaAsP,InGaAlA
s,InGaAlP等が注目されている。中でも、V族元素が1
種類のみで構成されるInGaAlP及びInGaAlAsは気相成長
法に適したものである。しかし、これらの材料はGaAlAs
と異なり基板結晶との格子整合のための条件が厳格なた
めに、複雑な層構造の作成が困難であり、これまで実用
的な単一の基本横モードを有するレーザの試作すら報告
されていない。
By the way, as a recent technical trend, as semiconductor materials used for long wavelength lasers for optical communication and short wavelength lasers for optical recording, InGaAsP and InGaAlA, which can have longer and shorter wavelengths, are used.
s, InGaAlP and the like have attracted attention. Among them, the group V element is 1
InGaAlP and InGaAlAs composed only of types are suitable for vapor phase growth. However, these materials are GaAlAs
Difficult to create a complex layer structure due to strict conditions for lattice matching with the substrate crystal, and no trial production of a practical laser with a single fundamental transverse mode has been reported so far. .

本発明者等は、MOCVD法により形成したInGaAlP,InGaA
lAsを用いた単一の横モードを有する半導体レーザの研
究を行ってきたが、その結果、従来GaAlAsを使用したレ
ーザにて採用されてきた第5図の構造の素子では十分な
特性を得難いことが判明した。即ち、第5図の構成にお
いて基板をGaAs、クラッド層をInGaAlP、活性層をInGaP
としたレーザでは、1時間程度の極めて短い時間にて急
速に劣化し、実用に耐える信頼性を期待することはでき
ない。この劣化原因を調査するためにウェハのストライ
プ部をX線回折により調べたところ、平坦な面上に再成
長した部分では格子の不整合は0.1[%]以内であるの
に対して、溝上に再成長した部分では0.2[%]以上の
格子不整合が認められ、この大きな格子不整合に起因す
る転移の発生が急速劣化の主な原因と考えられる。
The present inventors have developed InGaAlP, InGaA formed by the MOCVD method.
We have been studying semiconductor lasers with a single transverse mode using lAs, but as a result, it is difficult to obtain sufficient characteristics with the device with the structure shown in Fig. 5, which has been conventionally used in lasers using GaAlAs. There was found. That is, in the configuration of FIG. 5, the substrate is GaAs, the cladding layer is InGaAlP, and the active layer is InGaP.
With such a laser, it rapidly deteriorates in an extremely short time of about one hour, and it cannot be expected that the laser will be practically reliable. When the stripe portion of the wafer was examined by X-ray diffraction to investigate the cause of this deterioration, the mismatch of the lattice was 0.1% or less in the portion regrown on the flat surface, while it was found on the groove. A lattice mismatch of 0.2 [%] or more is observed in the regrown portion, and the occurrence of dislocation caused by this large lattice mismatch is considered to be the main cause of rapid deterioration.

このような現象は、構成V族元素の性質が基板とは大
きく異なるために、格子整合のための条件が厳密なもの
となる混晶材料に共通したものと考えられる。従って、
今後益々要求が増大すると思われるInGaAlPやInGaAlAs
を使用した単一の基本横モードを有する半導体レーザを
実現するためには、従来GaAlAs等で用いた半導体レーザ
の作成技術はそのままでは適用できないことは明らかで
あり、全く新しい技術が要求される。
Such a phenomenon is considered to be common to mixed crystal materials in which the conditions for lattice matching are strict because the properties of the constituent group V elements are significantly different from those of the substrate. Therefore,
InGaAlP and InGaAlAs expected to increase in demand in the future
In order to realize a semiconductor laser having a single fundamental transverse mode using a semiconductor laser, it is clear that the conventional technique for manufacturing a semiconductor laser using GaAlAs or the like cannot be applied as it is, and a completely new technique is required.

(発明が解決しようとする問題点) 上記のように従来装置では、InGaAlPやInGaAlAs等の
格子整合のための条件が厳格な液晶材料を使用した場
合、段差を有する表面に高品質の結晶を成長させること
が困難であり、光導波路及び電流狭窄構造と備えた単一
の基本横モードを有する半導体レーザを実現することは
極めて困難であった。
(Problems to be Solved by the Invention) As described above, in the conventional device, when a liquid crystal material such as InGaAlP or InGaAlAs, which has strict conditions for lattice matching, is used, a high-quality crystal is grown on a surface having a step. It is very difficult to realize a semiconductor laser having a single fundamental transverse mode provided with an optical waveguide and a current confinement structure.

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、InGaAlPやInGaAlAs等の格子整合の
ための条件が厳格な液晶材料を使用しても、段差を有す
る表面に高品質の結晶を成長させることができ、単一の
基本横モード有する信頼性の高い半導体レーザ装置を提
供することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to provide a high-quality surface with a step even if a liquid crystal material such as InGaAlP or InGaAlAs that has strict conditions for lattice matching is used. And a highly reliable semiconductor laser device having a single fundamental transverse mode.

また本発明の他の目的は、上記目的を達成する半導体
レーザ装置の製造方法を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor laser device which achieves the above object.

[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、構成V族元素が基板とは異なるため
格子不整合等の問題により結晶成長が困難な半導体材料
を使用した半導体レーザにおいて、クラッド層に設けた
ストライプ状凸部の周辺に基板と同一のV族元素にて構
成される異種のIII−V族半導体とのヘテロ接合を形成
して、電流狭窄を光導波構造を作成することにより、前
記結晶成長が困難な半導体材料の再成長を回避したこと
と、結晶成長時に結晶表面でのV族雰囲気を極めて短時
間にて切換えることにより、相互に異なるV族元素にて
構成される半導体のヘテロ接合の作成を可能にした点に
ある。
[Structure of the Invention] (Means for Solving the Problems) The gist of the present invention is that a semiconductor laser using a semiconductor material which is difficult to grow due to problems such as lattice mismatch because the constituent group V element is different from the substrate. Forming a heterojunction with a heterogeneous III-V semiconductor composed of the same group V element as that of the substrate around the stripe-shaped protrusion provided in the cladding layer to create an optical waveguide structure with current confinement In this way, it is possible to avoid the regrowth of the semiconductor material in which the crystal growth is difficult, and to switch the group V atmosphere on the crystal surface during the crystal growth in a very short time, thereby forming the semiconductor material composed of mutually different group V elements. This makes it possible to form a heterojunction of a semiconductor to be formed.

即ち本発明は、第1導電型半導体基板と、第1導電型
クラッド層,活性層及びストライプ状の凸部を有した第
2導電型クラッド層からなり、上記半導体基板上に形成
されたダブルヘテロ接合構造部と、このダブルヘテロ接
合構造部上に第2導電型クラッド層の凸部の少なくとも
一部を除いて形成された電流阻止層とを具備し、光導波
及び電流狭窄を行う半導体レーザ装置において、前記基
板,ダブルヘテロ接合構造部及び電流阻止層の構成材料
をそれぞれIII−V族化合物半導体で形成し、且つ前記
ダブルヘテロ接合構造部の構成V族元素を前記基板の構
成V族元素とは異なるものとし、前記電流阻止層の構成
V族元素を前記基板の構成V族元素と同一にするように
したものである。
That is, the present invention comprises a first conductive type semiconductor substrate, a first conductive type clad layer, an active layer, and a second conductive type clad layer having a stripe-shaped projection, and a double hetero-type clad layer formed on the semiconductor substrate. A semiconductor laser device comprising: a junction structure portion; and a current blocking layer formed on the double hetero junction structure portion by removing at least a part of the projection of the second conductivity type cladding layer, and performing optical waveguide and current confinement. Wherein the constituent materials of the substrate, the double heterojunction structure and the current blocking layer are each formed of a III-V compound semiconductor, and the group V elements of the double heterojunction structure are combined with the constituent V elements of the substrate. And the constituent V element of the current blocking layer is the same as the constituent V element of the substrate.

また本発明は上記構造の半導体レーザ装置の製造方法
において、第1導電型半導体基板上に、第1導電型クラ
ッド層,活性層及び第2導電型クラッド層からなり上記
基板を構成するV族元素と異なるV族元素を含むダブル
ヘテロ接合構造部と、第2導電型コンタクト層とを有機
金属を用いた化学気相成長法により上記順に連続して成
長形成したのち、上記第2導電型コンタクト層上にエッ
チングマスクを形成し、次いで上記マスクを用い前記コ
ンタクト層を選択エッチングし、且つ前記第2導電型ク
ラッド層をその途中まで選択エッチングして該クラッド
層にストライプ状の凸部を形成し、次いで前記マスクを
残したまま或いはマスクを除去したのち、前記ダブルヘ
テロ接合構造部上及びコンタクト層の側面に有機金属を
用いた化学気相成長法により前記基板を構成するV族元
素と同じV族元素を含む電流阻止層を成長形成するよう
にした方法である。
The present invention also relates to a method of manufacturing a semiconductor laser device having the above structure, wherein a V-group element comprising a first conductivity type cladding layer, an active layer and a second conductivity type cladding layer on a first conductivity type semiconductor substrate. A double heterojunction structure portion containing a group V element different from the above, and a second conductivity type contact layer are successively grown and formed in the above order by a chemical vapor deposition method using an organic metal, and then the second conductivity type contact layer is formed. Forming an etching mask thereon, then selectively etching the contact layer using the mask, and selectively etching the second conductivity type cladding layer halfway to form a stripe-shaped protrusion in the cladding layer; Then, while leaving the mask or after removing the mask, chemical vapor deposition using an organic metal on the double hetero junction structure and on the side surface of the contact layer. It is a method to grow a current blocking layer including the same V group element as the V group element which constitute the substrate by.

(作用) 本発明によれば、段差を有する表面上に成長される電
流阻止層が基板と同一のV族元素から構成されるので、
電流阻止層は高品質の結晶状態で成長させることにな
る。従って、光導波及び電流狭窄構造をMOCVD法を利用
して自己整合的に形成することが可能となり、InGaAlP
やInGaAlAs等の格子整合のための条件が厳格な混晶材料
を使用した半導体レーザの実現が可能となる。
(Function) According to the present invention, the current blocking layer grown on the stepped surface is composed of the same group V element as the substrate,
The current blocking layer will be grown in a high quality crystalline state. Therefore, the optical waveguide and the current confinement structure can be formed in a self-aligned manner by using the MOCVD method.
A semiconductor laser using a mixed crystal material having strict conditions for lattice matching, such as InGaAlAs or InGaAlAs, can be realized.

(実施例) まず、実施例を説明する前に、本発明の基本原理につ
いて説明する。
(Example) First, before describing an example, a basic principle of the present invention will be described.

本発明者等は、半導体レーザを構成する各層の形成手
法として、原料にIII族メチル系有機金属であるトリメ
チルアルミニウム,トリメチルガリウム及びトリメタル
インジウム、V族水素化物であるアルシン及びホスフィ
ンを用いた大気圧未満の圧力下での有機金属熱分解を用
い、InP基板上に成長したInGaAlAs若しくはInP上に段差
を形成してこの上にInP或いはInGaAlAsを再成長する実
験と、GaAs基板上に成長したInGaAlP若しくはGaAlAs上
に段差を形成してこの上にGaAlAs或いはInGaAlPを再成
長する実験とを繰返した。その結果、段差を形成したGa
AlAs或いはInGaAlP上へのGaAlAsの再成長は容易であっ
たが、高品質のInGaAlPの再成長は困難であった。ま
た、段差を形成したInP或いはInGaAlAs上へのInPの再成
長は容易であったが、InGaAlAsの再成長は困難であっ
た。これらの再成長層をX線回折により調べたところ、
InGaAlPとInGaAlAsでは段差部と平坦部では格子定数が
大きく異なり、多数の転移が観測された。
As a technique for forming each layer constituting the semiconductor laser, the present inventors have used a group III methyl organic metal such as trimethyl aluminum, trimethyl gallium and trimetal indium, and a group V hydride arsine and phosphine. An experiment of forming a step on InGaAlAs or InP grown on an InP substrate and regrowing InP or InGaAlAs on this using metalorganic pyrolysis under a pressure lower than atmospheric pressure, and InGaAlP grown on a GaAs substrate Alternatively, an experiment of forming a step on GaAlAs and regrowing GaAlAs or InGaAlP thereon was repeated. As a result, Ga
Regrowth of GaAlAs on AlAs or InGaAlP was easy, but regrowth of high quality InGaAlP was difficult. Moreover, although regrowth of InP on InP or InGaAlAs having a step was easy, regrowth of InGaAlAs was difficult. When these regrown layers were examined by X-ray diffraction,
The lattice constants of InGaAlP and InGaAlAs were significantly different between the step and the flat part, and many transitions were observed.

これらのInGaAlPとInGaAlAs混晶の段差上への再成長
が困難なのは、次の理由によると考えられる。即ち、In
GaAlAPを構成するInP,GaP,AlPの格子定数が、この混晶
が格子整合しなければならないGaAsの格子定数と大きく
異なるり格子定数が組成に対して敏感になるために、段
差を有する表面上にこの混晶を再成長した場合、段差部
と平坦部との間の結晶成長のし方の相違が僅かの組成の
ずれを引起こし、その結果大きな格子不整合に結付くか
らである。また、InGaAlAsの段差上への再成長が困難で
あるのも同様の理由に基づくものと考えられる。一方、
格子整合しなければならない基板と同一のV族元素から
構成されるInPやGaAlAs等では、このような格子整合上
の問題がないので、適切な手法によれば、段差上へも高
品位の結晶が再現性良く成長可能であるものと考えられ
る。
It is considered that it is difficult to regrow these InGaAlP and InGaAlAs mixed crystals on the step because of the following reasons. That is, In
The lattice constant of InP, GaP, and AlP that constitute GaAlAP is significantly different from the lattice constant of GaAs that this mixed crystal must lattice-match, or the lattice constant is sensitive to composition. This is because, when this mixed crystal is regrown, a difference in the crystal growth between the step portion and the flat portion causes a slight composition shift, which results in a large lattice mismatch. It is also considered that it is difficult to regrow InGaAlAs on the step for the same reason. on the other hand,
In InP, GaAlAs, etc. composed of the same Group V element as the substrate that must be lattice-matched, there is no such problem with lattice matching. Is considered to be able to grow with good reproducibility.

以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明す
る。
Hereinafter, details of the present invention will be described with reference to the illustrated embodiments.

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−GaAsバッファ層12及びn−In
GaPバッファ層13が形成されている。バッファ層13上に
は、n−InGaAlPクラッド層14,InGaP活性層15及びp−I
nGaAlPクラッド層16,17,18からなるダブルヘテロ接合構
造部が形成されている。ここで、クラッド層17は低Al組
成であり、後述のエッチング停止層として作用する。ま
た、クラッド層18はストライプ状に加工されており、こ
れによりpクラッド層にストライプ状リブが形成されて
いる。クラッド層18上には、p−InGaAlPコンタクト層1
9及びp−GaAsコンタクト層20が形成されている。ダブ
ルヘテロ接合構造部及びコンタクト層20の側面には、n
−GaAs電流阻止層21が形成されている。コンタクト層20
及び電流阻止層21上には、p−GaAsコンタクト層22が形
成されている。そして、コンタクト層22の上面に金属電
極23が被着され、基板11の下面に金属電極24が被着され
ている。
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic structure of a semiconductor laser according to one embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 11 denotes an n-GaAs substrate, on which an n-GaAs buffer layer 12 and n-In
A GaP buffer layer 13 is formed. On the buffer layer 13, an n-InGaAlP cladding layer 14, an InGaP active layer 15, and a p-I
A double heterojunction structure comprising nGaAlP cladding layers 16, 17, 18 is formed. Here, the cladding layer 17 has a low Al composition and acts as an etching stop layer described later. Further, the clad layer 18 is processed in a stripe shape, whereby a stripe-shaped rib is formed in the p-clad layer. On the cladding layer 18, a p-InGaAlP contact layer 1 is formed.
9 and a p-GaAs contact layer 20 are formed. On the side surface of the double hetero junction structure and the contact layer 20, n
A -GaAs current blocking layer 21 is formed. Contact layer 20
On the current blocking layer 21, a p-GaAs contact layer 22 is formed. Then, a metal electrode 23 is attached to the upper surface of the contact layer 22, and a metal electrode 24 is attached to the lower surface of the substrate 11.

この構造では、電流狭窄はコンタクト層20と電流阻止
層21により行われ、光導波はストライプ状のメサに形成
されたクラッド層18により行われる。なお、バッファ層
13はGaAs上に形成するInGaAlP系結晶の品質向上のため
である。また、コンタクト層(中間コンタクト層)19
は、クラッド層18とコンタクト層20との間の電気抵抗の
低減を目的とするものであり、コンタクト層20よりもバ
ンドギャップが大きく、且つクラッド層18よりもバンド
ギャップが小さいものであればよい。さらに、中間コン
タクト層19のバンドギャップを、クラッド層18及びコン
タクト層20に接する部分でこれらと同様にし、クラッド
層18からコンタクト層20まで徐々に変化させるようにし
てもよい。
In this structure, the current confinement is performed by the contact layer 20 and the current blocking layer 21, and the optical waveguide is performed by the cladding layer 18 formed in a stripe-shaped mesa. The buffer layer
Reference numeral 13 is for improving the quality of the InGaAlP-based crystal formed on GaAs. The contact layer (intermediate contact layer) 19
Is intended to reduce the electric resistance between the cladding layer 18 and the contact layer 20, and may be any as long as the band gap is larger than the contact layer 20 and the band gap is smaller than the cladding layer 18. . Further, the band gap of the intermediate contact layer 19 may be made similar to the band gap at the portion in contact with the cladding layer 18 and the contact layer 20, and may be gradually changed from the cladding layer 18 to the contact layer 20.

次に、上記構成の半導体レーザの製造方法について説
明する。
Next, a method of manufacturing the semiconductor laser having the above configuration will be described.

第2図(a)〜(f)は実施例レーザの製造工程を示
す断面図である。まず、原料としてメタル系III族有機
金属(トリメチルインジウム,トリメチルガリウム,ト
リメチルアルミニウム)と、V族水素化物(アルシン,
ホスフィン)とを使用した大気圧未満の圧力下でのMOCV
D法により、第2図(a)に示す如く面方位(100)のn
−GaAs基板11(Siドープ,3×1018cm-3)上に厚さ0.5
[μm]のn−GaAs第1バッファ層12(Seドープ,3×10
18cm-3),厚さ0.5[μm]のn−InGaP第2バッファ層
13(Seドープ,3×1018cm-3),厚さ1.5[μm]のn−I
n0.5Ga0.2Al0.3P第1クラッド層13(Seドープ,1×1018
cm-3),厚さ0.1[μm]のIn0.5Ga0.5P活性層15,厚さ
0.1[μm]のp−In0.5Ga0.2Al0.3P第2クラッド層16
(Mgドープ,2×1018cm-3),エッチング停止層として作
用する厚さ0.02[μm]のp−In0.5Ga0.4Al0.1P第3
クラッド層17(Mgドープ,2×1018cm-3),厚さ1.4[μ
m]のp−In0.5Ga0.2Al0.3P第4クラッド層18(Mgド
ープ,2×1018cm-3),中間コンタクト層としての厚さ0.
01[μm]のp−In0.5Ga0.4Al0.1P第1コンタクト層1
9(Mgドープ,2×1018cm-3)及び厚さ0.5[μm]のp−
GaAs第2コンタクト層20(Mgドープ,2×1018cm-3)を順
次成長してダブルヘテロウェハを形成した。続いて、第
2コンタクト層20上に、シランガスの熱分解と写真蝕刻
により幅5[μm],厚さ0.1[μm]のストライプ状
にSiO2膜26を形成した。
2 (a) to 2 (f) are cross-sectional views showing the steps of manufacturing the laser of the embodiment. First, as a raw material, a metal group III organic metal (trimethyl indium, trimethyl gallium, trimethyl aluminum) and a group V hydride (arsine,
MOCV under subatmospheric pressure using phosphine)
According to the D method, n of the plane orientation (100) is determined as shown in FIG.
−0.5 thickness on GaAs substrate 11 (Si-doped, 3 × 10 18 cm −3 )
[Μm] n-GaAs first buffer layer 12 (Se-doped, 3 × 10
18 cm -3 ), 0.5 [μm] thick n-InGaP second buffer layer
13 (Se-doped, 3 × 10 18 cm -3 ), 1.5 μm thick n-I
n 0.5 Ga 0.2 Al 0.3 P first cladding layer 13 (Se-doped, 1 × 10 18
cm -3 ), 0.1 [μm] thick In 0.5 Ga 0.5 P active layer 15, thickness
0.1 [μm] p-In 0.5 Ga 0.2 Al 0.3 P second cladding layer 16
(Mg doped, 2 × 10 18 cm −3 ), p-In 0.5 Ga 0.4 Al 0.1 P third layer having a thickness of 0.02 [μm] acting as an etching stop layer
Cladding layer 17 (Mg doped, 2 × 10 18 cm -3 ), thickness 1.4 [μ
m] p-In 0.5 Ga 0.2 Al 0.3 P fourth cladding layer 18 (Mg-doped, 2 × 10 18 cm −3 ), and a thickness of 0.4 mm as an intermediate contact layer.
01 [μm] p-In 0.5 Ga 0.4 Al 0.1 P first contact layer 1
9 (Mg-doped, 2 × 10 18 cm −3 ) and 0.5 μm thick p-
A GaAs second contact layer 20 (Mg doped, 2 × 10 18 cm −3 ) was sequentially grown to form a double hetero wafer. Subsequently, an SiO 2 film 26 was formed on the second contact layer 20 in the form of a stripe having a width of 5 μm and a thickness of 0.1 μm by thermal decomposition of silane gas and photolithography.

次いで、第2図(b)に示す如く、SiO2膜26をマスク
として用い、GaAsの選択エッチャントにより第2コンタ
クト層20をエッチングして第1コンタクト層19を露出さ
せ、幅3[μm]のGaAsのストライプ状メサ27を形成し
た。
Next, as shown in FIG. 2 (b), using the SiO 2 film 26 as a mask, the second contact layer 20 is etched by a GaAs selective etchant to expose the first contact layer 19, and has a width of 3 [μm]. A GaAs stripe-shaped mesa 27 was formed.

次いで、第2図(c)に示す如く、GaAsストライプ状
メサ27をマスクとして用い、InGaAlPの選択エッチャン
トにより、第3クラッド層17が露出するまで第1コンタ
クト層19及び第4クラッド層18をエッチングして、スト
ライプ状メサ28を形成した。
Then, as shown in FIG. 2 (c), the first contact layer 19 and the fourth cladding layer 18 are etched by the selective etching of InGaAlP using the GaAs striped mesa 27 as a mask until the third cladding layer 17 is exposed. Thus, a stripe-shaped mesa 28 was formed.

このウェハをGaAsの選択エッチャントにて処理するこ
とにより、第2コンタクト層20をエッチングしてその幅
を狭くし、第2図(d)に示す形状のストライプ状メサ
29を形成した。なお、GaAsの選択エッチャントは、28%
アンモニア水,35%過酸化水素水及び水を1:30:9の割合
いで混合したものであり、20[℃]にて使用した。ま
た、InGaAlPの選択エッチングは、硫酸或いは燐酸であ
り、40〜130[℃]の温度にて使用した。
By processing this wafer with a selective etchant of GaAs, the second contact layer 20 is etched to reduce its width, and a stripe-shaped mesa having the shape shown in FIG.
29 formed. The selective etchant of GaAs is 28%
A mixture of ammonia water, 35% hydrogen peroxide solution and water at a ratio of 1: 30: 9 was used at 20 [° C.]. The selective etching of InGaAlP was performed using sulfuric acid or phosphoric acid at a temperature of 40 to 130 [° C.].

次いで、トリメチルガリウムとアルシンを原料として
使用した減圧下でのMOCVD法により、第2図(e)に示
す如くn−GaAs電流阻止層21(Mgドープ,5×1018cm-3
を厚さ0.5[μm]成長した。このとき、成長は希釈ホ
スフィンガスを導入しつつ700[℃]まで昇温した後、
ホスフィンガス流をアルシンガス流に切換え、約1秒間
待機した後、トリメチルガリウム有機金属ガスを導入す
ることにより行った。その結果、前記SiO2膜26上にはGa
Asの成長は全く見られず、第2図(e)に示す断面形状
のウェハが得られた。
Next, as shown in FIG. 2E, the n-GaAs current blocking layer 21 (Mg-doped, 5 × 10 18 cm −3 ) was formed by MOCVD under reduced pressure using trimethylgallium and arsine as raw materials.
Was grown to a thickness of 0.5 [μm]. At this time, the growth is performed after the temperature is raised to 700 ° C. while introducing the diluted phosphine gas.
The phosphine gas flow was switched to the arsine gas flow, and after waiting for about 1 second, the reaction was carried out by introducing a trimethylgallium organometallic gas. As a result, Ga on the SiO 2 film 26
As growth was not observed at all, and a wafer having a sectional shape shown in FIG. 2 (e) was obtained.

次いで、SiO2膜26を除去した後、第2図(f)に示す
如く、MOCVD法により全面にp−GaAs第3コンタクト層2
2(Mgドープ,5×1018cm-3)を厚さ3[μm]成長し
た。その後、通常の電極付け工程により、第3コンタク
ト層22上にAu/Zn電極23を基板11の下面にAu/Ge電極24を
被着することによって、前記第1図に示す構造のレーザ
用ウェハを得た。
Next, after removing the SiO 2 film 26, as shown in FIG. 2 (f), the p-GaAs third contact layer 2 is entirely formed by MOCVD.
2 (Mg-doped, 5 × 10 18 cm −3 ) was grown to a thickness of 3 μm. Thereafter, an Au / Zn electrode 23 is applied on the third contact layer 22 and an Au / Ge electrode 24 is applied on the lower surface of the substrate 11 by a normal electrode attaching process, so that the laser wafer having the structure shown in FIG. I got

かくして得られたウェハをへき開して、共振器長250
[μm]のレーザ素子を作成したところ、しきい値電流
90[mA],微分量子効率片面当り20[%]と良好な特性
が得られた。光出力は駆動電流に従って20[mW]以上ま
で直線的に増大し、キンクのない良好な電流−光出力特
性を示した。また、遠視野像,近視野像共に単峰であ
り、良好なモード制御が行われていることが判明した。
The thus obtained wafer is cleaved to have a cavity length of 250.
When a [μm] laser device was fabricated, the threshold current
Good characteristics of 90 [mA] and differential quantum efficiency of 20 [%] per side were obtained. The light output increased linearly to 20 [mW] or more according to the drive current, and showed good current-light output characteristics without kink. Further, it was found that both the far-field image and the near-field image were unimodal, and that good mode control was performed.

このように本実施例によれば、電流狭窄構造及び光導
波構造を自己整合的に形成することができ、且つ電流阻
止層21としてGaAsを用いているので、段差のある表面上
にも電流阻止層21を高品質の結晶状態で成長させること
ができる。従って、光情報処理用光源として強い要求の
あるInGaAlPを使用した場合にも、単一の基本横モード
と小さな非点収差を持ち、多量の外部反射光の帰還下に
ても安定な動作を有する半導体レーザが再現性良く、し
かも高い信頼性を合わせ持って実現できることになり、
その有用性な絶大である。また、電極23が第3コンタク
ト層22の平坦な面上に被着されているので、コンタクト
層22と電極23との接触抵抗を十分小さくすることがで
き、且つ電極23の変形を招くこともない。このため、素
子特性及び信頼性の向上をはかり得る等の利点もある。
As described above, according to the present embodiment, the current confinement structure and the optical waveguide structure can be formed in a self-aligned manner, and GaAs is used as the current blocking layer 21. Layer 21 can be grown in a high quality crystalline state. Therefore, even when InGaAlP, which has strong demands, is used as a light source for optical information processing, it has a single fundamental transverse mode and small astigmatism, and has stable operation even under the feedback of a large amount of external reflected light. Semiconductor lasers can be realized with good reproducibility and high reliability.
Its usefulness is enormous. Further, since the electrode 23 is provided on the flat surface of the third contact layer 22, the contact resistance between the contact layer 22 and the electrode 23 can be sufficiently reduced, and the electrode 23 may be deformed. Absent. For this reason, there are also advantages such as improvement in element characteristics and reliability.

また、本実施例の製造方法によれば、通常問題となる
種々の困難が巧みに回避される。即ち、選択エッチング
による光導波路の形成と減圧下でのMOCVD法による電流
狭窄構造の作成は、高度な微細加工技術を用いることな
く、良好な再現性を提供する。また、実施例のようにIn
GaAlPとGaAs(GaAlAsであってもよい)とを組合わせて
光導波及び電流狭窄構造を形成する場合、InGaAlP及びG
aAsが同時に露出した表面上への再成長が必要となる
が、通常は昇温時におけるPとAsの蒸発による結晶表面
の損傷をInGaAlP及びGaAsの両者にて同時に抑制するこ
とは困難である。しかし、ここで採用した成長方法で
は、GaAs表面をSiO2層26にて被覆しているために、上記
のような問題は生じず、P雰囲気下にて昇温することに
より良好な成長が達成される。さらに、この実施例で
は、ストライプ状のSiO2膜26の幅5[μm]に対して、
第2コンタクト層20の頂部の幅は3[μm]と狭められ
る。このため、GaAs電流阻止層21の成長後の形状は前記
第2図(f)に示すようなものとなり、電流流路を形成
する第2コンタクト層20の周辺が平坦であるので、その
上への電極形成が容易になる等の利点がある。
Further, according to the manufacturing method of the present embodiment, various difficulties which are usually problems are skillfully avoided. That is, formation of an optical waveguide by selective etching and creation of a current confinement structure by MOCVD under reduced pressure provide good reproducibility without using advanced fine processing technology. In addition, as in the embodiment, In
When GaAlP and GaAs (which may be GaAlAs) are combined to form an optical waveguide and current confinement structure, InGaAlP and G
It is necessary to regrow on the surface where aAs is exposed at the same time. However, it is usually difficult to suppress damage to the crystal surface due to evaporation of P and As at the time of raising the temperature simultaneously with both InGaAlP and GaAs. However, in the growth method adopted here, since the GaAs surface is covered with the SiO 2 layer 26, the above problem does not occur, and good growth is achieved by raising the temperature in a P atmosphere. Is done. Further, in this embodiment, the width of the stripe-shaped SiO 2 film 26 is 5 [μm].
The width of the top of the second contact layer 20 is reduced to 3 [μm]. Therefore, the shape of the GaAs current blocking layer 21 after growth is as shown in FIG. 2 (f), and the periphery of the second contact layer 20 forming the current flow path is flat. There is an advantage that the electrode formation is easy.

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、前記第3コンタクト層22を省略し、第3
図に示す如く第2コンタクト層20上に電極23を直接被着
するようにしてもよい。また、第3コンタクト層22の形
成の代りに、第4図に示す如くZn等のP型ドーパントの
拡散或いはイオン注入によりP型拡散層41を形成するよ
うにしてもよい。ここで、第4図の例は、前記第2図
(e)における電流阻止層21の成長の際に、SiO2膜26を
除去しておき、全面に電流阻止層21を形成し、電流狭窄
すべき部分に上記拡散層41を形成したものである。
The present invention is not limited to the embodiments described above. For example, the third contact layer 22 is omitted, and the third
As shown in the figure, the electrode 23 may be directly deposited on the second contact layer 20. Instead of forming the third contact layer 22, the P-type diffusion layer 41 may be formed by diffusion or ion implantation of a P-type dopant such as Zn as shown in FIG. Here, in the example of FIG. 4, the SiO 2 film 26 is removed during the growth of the current blocking layer 21 in FIG. The diffusion layer 41 is formed in a portion to be formed.

また、実施例ではp−InGaAlP第4クラッド層をエッ
チングしてストライプ状リブを形成した後、p−GaAs第
2コンタクト層を再エッチングしているが、この再エッ
チング工程は必ずしも必要でない。また、p−InGaAlP
からなる第2〜第4クラッド層は、単一の層で形成する
ことも可能である。さらに、p−InGaAlP第1コンタク
ト層(中間コンタクト層)は必ずしも用いなくてもよ
い。
In the embodiment, the p-InGaAlP fourth cladding layer is etched to form the striped ribs, and then the p-GaAs second contact layer is re-etched. However, this re-etching step is not always necessary. Also, p-InGaAlP
May be formed as a single layer. Furthermore, the p-InGaAlP first contact layer (intermediate contact layer) does not necessarily have to be used.

また、本発明は実施例で述べた以外の材料を利用した
レーザにも同様に適用することができる。例えば、GaAs
を基板としたGaAlAs,InGaAsP、或いはInPを基板としたI
nGaAlAs,InGaAsPを使用したレーザ等が考えられる。さ
らに、実施例では第1導電型をn型、第2導電型をp型
としたが、これらを逆にしてもよいのは勿論のことであ
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。
Further, the present invention can be similarly applied to lasers using materials other than those described in the embodiments. For example, GaAs
GaAlAs, InGaAsP or InP substrate
A laser using nGaAlAs or InGaAsP can be considered. Further, in the embodiment, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. However, it is needless to say that these may be reversed. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

[発明の効果] 以上詳述したように本発明によれば、第2導電型クラ
ッド層のストライプ状凸部のように段差を有する表面上
に成長される電流阻止層を基板と同じV族元素から構成
しているので、電流狭窄構造と光導波構造とを自己整合
的に形成しながらも、電流阻止層を高品質の結晶状態で
成長させることができる。このため、InGaAlPやInGaAlA
s等の格子整合のための条件が厳格な混晶材料を使用し
たにも拘らず、単一の基本横モードを有する信頼性の高
い半導体レーザが実現されることになり、光情報処理用
光源等として極めて有効である。
[Effects of the Invention] As described above in detail, according to the present invention, a current blocking layer grown on a surface having a step like a stripe-shaped convex portion of a second conductivity type cladding layer is made of the same group V element as a substrate. , The current blocking layer can be grown in a high-quality crystalline state while the current confinement structure and the optical waveguide structure are formed in a self-aligned manner. For this reason, InGaAlP and InGaAlA
Despite the use of a mixed crystal material with strict conditions for lattice matching such as s, a highly reliable semiconductor laser having a single fundamental transverse mode will be realized, and a light source for optical information processing It is extremely effective.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の一実施例に係わる半導体レーザの素子
構造を示す断面図、第2図(a)〜(f)は上記実施例
レーザの製造工程を示す断面図、第3図及び第4図はそ
れぞれ変形例を示す断面図、第5図は従来レーザの素子
構造を示す断面図である。 11……n−GaAs基板、12……n−GaAsバッファ層、13…
…n−InGaPバッファ層、14……n−InGaAlPクラッド層
(第1導電型クラッド層)、15……InGaP活性層、16,1
7,18……p−InGaAlPクラッド層(第2導電型クラッド
層)、19……p−InGaAlPコンタクト層、20,22……p−
GaAsコンタクト層、21……n−GaAs電流阻止層、23,24
……電極、26……SiO2膜。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an element structure of a semiconductor laser according to one embodiment of the present invention, and FIGS. 2 (a) to 2 (f) are cross-sectional views showing manufacturing steps of the laser of the above-described embodiment, and FIGS. 4 is a sectional view showing a modification, and FIG. 5 is a sectional view showing an element structure of a conventional laser. 11 ... n-GaAs substrate, 12 ... n-GaAs buffer layer, 13 ...
... n-InGaP buffer layer, 14 ... n-InGaAlP cladding layer (first conductivity type cladding layer), 15 ... InGaP active layer, 16, 1
7,18 ... p-InGaAlP cladding layer (second conductivity type cladding layer), 19 ... p-InGaAlP contact layer, 20,22 ... p-
GaAs contact layer, 21 ... n-GaAs current blocking layer, 23, 24
…… electrode, 26 …… SiO 2 film.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石川 正行 川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社 東芝総合研究所内 (72)発明者 渡辺 幸雄 川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社 東芝総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−166586(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Masayuki Ishikawa 1st Toshiba-cho, Komukai-shi, Kawasaki-shi Inside Toshiba Research Institute, Inc. Within the Research Institute (56) References JP-A-62-166586 (JP, A)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】第1導電型GaAs基板と、第1導電型クラッ
ド層,活性層及びストライプ状の凸部を有した第2導電
型クラッド層からなり、上記半導体基板上に形成された
ダブルヘテロ接合構造部と、このダブルヘテロ接合構造
部上に第2導電型クラッド層の凸部の少なくとも一部を
除いて形成された第1導電型電流阻止層と、前記第2導
電型クラッド層の凸部上に形成された少なくとも2個以
上の第2導電型コンタクト層とを具備し、光導波及び電
流狭窄を行う半導体レーザ装置において、前記ダブルヘ
テロ接合構造部及び電流阻止層の構成材料はそれぞれII
I−V族化合物半導体であり、前記ダブルヘテロ接合構
造部は前記基板を構成するAs元素とは異なるV族元素を
含み、前記電流阻止層は基板と同一のAs元素を含んでお
り、前記電流阻止層は、第2導電型クラッド層の凸部の
肩部に相当する部分で突出し、前記第2導電型コンタク
ト層の2層よりも高く構成することを特徴とする半導体
レーザ装置。
1. A double hetero-type GaAs substrate comprising a first conductivity type GaAs substrate, a first conductivity type cladding layer, an active layer and a second conductivity type cladding layer having a stripe-shaped projection. A junction structure, a first conductivity type current blocking layer formed on the double hetero junction structure by removing at least a part of the projection of the second conductivity type cladding layer, and a projection of the second conductivity type cladding layer; A semiconductor laser device having at least two or more second conductivity type contact layers formed on the portion and performing optical waveguide and current confinement, wherein the constituent materials of the double hetero junction structure portion and the current blocking layer are II, respectively.
An IV group compound semiconductor, wherein the double heterojunction structure portion includes a group V element different from the As element constituting the substrate, the current blocking layer includes the same As element as the substrate, The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the blocking layer protrudes at a portion corresponding to a shoulder of the projection of the second conductivity type cladding layer, and is higher than the two layers of the second conductivity type contact layer.
【請求項2】前記ダブルヘテロ接合構造部がInxGa1-x-y
AlyP(0≦y≦1)前記電流阻止層がGa1-zAlzAs(0≦
z≦1)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。
2. The method according to claim 1, wherein the double hetero junction structure is In x Ga 1-xy.
Al y P (0 ≦ y ≦ 1) The current blocking layer is Ga 1 -z Al z As (0 ≦
2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein z ≦ 1).
【請求項3】前記第2導電型クラッド層上の第2導電型
コンタクト層は、3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. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein said second conductivity type contact layer on said second conductivity type cladding layer is three layers.
【請求項4】第2導電型クラッド層直上の第2導電型コ
ンタクト層は、そのコンタクト層上のコンタクト層より
もバンドギャップが大きく、該クラッド層よりもバンド
ギャプが小さい第2導電型中間コンタクト層であること
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。
4. A contact layer of the second conductivity type immediately above the cladding layer of the second conductivity type has a larger band gap than the contact layer on the contact layer and a smaller band gap than the cladding layer. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein:
【請求項5】前記中間コンタクト層は、前記コンタクト
層に近い方でそのバンドギャップが小さく、前記第2導
電型クラッド層に近い方でそのバンドギャップが大き
く、且つその間でバンドギャップが徐々に変化するもの
であることを特徴とする特許請求の範囲第4項記載の半
導体レーザ装置。
5. The intermediate contact layer has a smaller band gap nearer to the contact layer, a larger band gap nearer to the second conductivity type cladding layer, and the band gap gradually changes therebetween. 5. The semiconductor laser device according to claim 4, wherein
【請求項6】III−V族化合物半導体材料からなる半導
体レーザ装置の製造方法において、第1導電型GaAs基板
上に、第1導電型クラッド層,活性層及び第2導電型ク
ラッド層からなり上記基板を構成するAs元素と異なるV
族元素を含むダブルヘテロ接合構造部と、第2導電型コ
ンタクト層とを有機金属を用いた化学気相成長法により
上記順に連続して成長形成する工程と、上記第2導電型
コンタクト層上にエッチングマスクを形成する工程と、
次いで上記マスクを用い前記コンタクト層を選択エッチ
ングし、且つ前記第2導電型クラッド層をその途中まで
選択エッチングして該クラッド層にストライプ状の凸部
を形成する工程と、次いで前記マスクを残したまま或い
はマスクを除去したのち、少なくとも前記ダブルヘテロ
接合構造部上及びコンタクト層の側面に有機金属を用い
た化学気相成長法により前記基板を構成するAs元素と同
じV族元素を含む電流阻止層を、前記クラッド層の凸部
の肩部に相当する部分で突出するように成長形成する工
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。
6. A method for manufacturing a semiconductor laser device comprising a III-V compound semiconductor material, comprising a first conductivity type cladding layer, an active layer and a second conductivity type cladding layer on a first conductivity type GaAs substrate. V different from As element constituting the substrate
A step of successively growing and forming a double heterojunction structure containing a group III element and a second conductivity type contact layer in the above order by a chemical vapor deposition method using an organic metal; Forming an etching mask;
Then, the contact layer is selectively etched using the mask, and the second conductivity type cladding layer is selectively etched halfway to form stripe-shaped protrusions in the cladding layer, and then the mask is left. As it is or after removing the mask, at least on the double hetero junction structure and on the side surfaces of the contact layer, a current blocking layer containing the same group V element as the As element constituting the substrate by a chemical vapor deposition method using an organic metal. Growing the semiconductor laser device so as to protrude at a portion corresponding to a shoulder of the convex portion of the cladding layer.
【請求項7】前記電流阻止層を形成する際に前記マスク
を残しておき、前記電流阻止層を形成した後に該マスク
を除去し、次いで前記コンタクト層及び電流阻止層上に
有機金属を用いた化学気相成長法により再び第2導電型
コンタクト層を成長形成することを特徴とする特許請求
の範囲第6項記載の半導体レーザ装置の製造方法。
7. The method according to claim 1, wherein the mask is left when forming the current blocking layer, the mask is removed after forming the current blocking layer, and then an organic metal is used on the contact layer and the current blocking layer. 7. The method for manufacturing a semiconductor laser device according to claim 6, wherein the second conductivity type contact layer is formed again by chemical vapor deposition.
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