光デバイス／半導体レーザ
２７．埋め込みヘテロ構造
前項ですでに埋め込みヘテロ構造（ＢＨ構造）について触れましたが、この項ではＧａＡｓ系ＢＨ構造の具体例をもう少し追加説明をしておきます。
図２７－１はＢＨ構造の半導体レーザの斜視図です(1)。構造を簡単に説明します。基板はｎ型ＧａＡｓ基板です。その上にｎ型Ｇａ0.7Ａｌ0.3Ａｓクラッド層、とくに不純物を入れていない（アンドープまたはノンドープと言います）ＧａＡｓ活性層、ｐ型Ｇａ0.7Ａｌ0.3Ａｓクラッド層が積層されています。この３つの層の周りはアンドープＧａ0.7Ａｌ0.3Ａｓ埋め込み層で囲まれています。
表面には絶縁膜が着けられ、ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層が露出している部分だけ取り除かれています。このｐ型クラッド層の上部は電極とのコンタクトを良くするためにｐ型不純物の濃度が高くしてあります。ｐ型不純物濃度の高いＧａＡｓ層などを着ける場合もあります。この層をコンタクト層などと呼びます。その上に上部電極が設けられています。ＧａＡｓ基板の下面には下部電極が設けられています。
各部の寸法の例を示すと、活性層であるＧａＡｓ層の厚みは0.5μｍ、幅は１μｍ程度、共振器長（素子の長さ）は400μｍ位です。このようなレーザのしきい電流は10ｍＡ程度と非常に小さくなるはずです。
上記の素子寸法の場合、電流が流れる面積は400平方μｍ、すなわち４×10-6ｃｍ2ととても小さいですから、比較するためには１ｃｍ2当たりのしきい電流つまりしきい電流密度を求めて比較した方がよいです。10ｍＡを４×10-6ｃｍ2で割ると、2500Ａ／ｃｍ2（2.5ｋＡ／ｃｍ2）となります。ＢＨ構造でない電極がべたについたＤＨ構造のブロードエリアレーザでもしきい電流密度は数ｋＡ／ｃｍ2になりますから、ＢＨ構造にすることによって電流密度はそれほど大幅には減りません。つまりレーザ発振、誘導放出を起こさせるにはこの程度の電流密度で電子、正孔を流し込む必要があるのです。
しかしＢＨ構造の素子にはその一部分にだけ集中して電流が流れるようになりますから、実際に流れる電流は非常に小さくなります。無駄な電流は素子を加熱するはたらきをしますから、それが減ると素子は長く安定に動作できることになります。
このようなＢＨ構造の作り方について図２７－２を参照しながら説明しておきます(1)。
（ａ）まず初めにＧａＡｓ基板の上に３つの半導体層を順に液相エピタキシャル成長法によって成長させます。２２項で説明したスライド式のＬＰＥ装置を使います。
（ｂ）この３層を細長く加工します。これはフォトリソグラフィー法によって細長い部分だけ残して他の部分をエッチングして取り除きます。このエッチングには硫酸と過酸化水素水と水の混合液などのエッチング液を用います。ＧａＡｓなどを溶かすにはどんな液がよいかはいろいろ研究されていて、このような特殊な組成の混合液（他の種類もある）がよいことがわかっています。エッチングはＧａＡｓ基板が露出したら止めるように液の温度とエッチング時間を管理します。このエッチングで図のように側面が垂直にはならず、正確には下側が広くなる、いわゆるメサ型になりやすいかもしれません。
（ｃ）２回目の液相エピタキシャル法によって埋め込み層を成長させます。細長く加工した部分の一番上の層はＧａＡｌＡｓですが、Ａｌが入った層の表面は酸化しやすく、エッチングをする過程で空気に触れると簡単に酸化してしまいます。ところが液相エピタキシャル法でＧａＡｌＡｓを成長する場合、下地が酸化されているとその上には結晶が成長しないという性質があります。このため層２の上には２回目の成長では何も着かないという都合のよいことになります。また液相エピタキシャル法は下地にでこぼこがあってもできる表面は平らになるという性質もあり、埋め込み層を作るにはこれも都合がよいことになります。
注意しなければいけないのは上下のクラッド層はＡｌを含んでいますが、その側面には結晶が成長しにくいという性質があります。ただＡｌを含んでいないＧａＡｓ面には結晶がよく成長するので、この場合のようにＧａＡｓ基板が露出しているとうまく全体に成長が起こるとされています。しかしクラッド層との界面に空洞などができていないかはよく注意する必要があります。
（ｄ）表面に絶縁層としてＳｉＯ2層をＣＶＤ法などによって着け、コンタクト層の表面になる場所だけフォトリソグラフィー法でＳｉＯ2層を取り除きます。
（ｅ）上下表面に電極となる金属層を形成して素子が完成します。
以上はＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓからできたＢＨ構造の半導体レーザの例です。この場合、何度も言うようにＡｌ組成が0.3でなく0.2でも0.4でもＧａＡｓと格子整合しますので、問題ありません。電流の閉じ込めと光の閉じ込めに適するようにＡｌ組成を選べばそれでよいわけです。活性層はＡｌＧａＡｓとすることもでき、発光波長を短くすることができます。
しかし光通信の分野への応用に重要なＩｎＰをベースにした半導体レーザではピンポイントでしか格子定数が一致しません。このため素子の作り方も難しくなります。このＩｎＰ系については後に触れますので、そこでもう一度ＢＨ構造について説明することにします。
(1)特開昭50-119584号
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