JP2003502851A - アルミニウムフリー閉じ込め層を有する埋め込みリッジ半導体レーザ - Google Patents
アルミニウムフリー閉じ込め層を有する埋め込みリッジ半導体レーザInfo
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Abstract
(57)【要約】
埋め込みリッジ半導体ダイオードレーザであって、好ましくは、ＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓ系の物質を基礎としている。薄い上部クラッディグ層は、アルミニウムフリーのエッチング停止層及びアルミニウムフリーの閉じ込め層であって好ましくは上部クラッディグ層とは反対の導電型のＧａＩｎＰに覆われている。溝は、エッチング停止層へと下側に伸長する閉じ込め層中に形成される。付加されたＡｌＧａＡｓは、埋め込みリッジを形成するよう開口中に再結晶成長せしめられる。再結晶成長中、アルミニウムは、開口の底部又は開口の側面には露出しない。閉じ込め層は、ＡｌＧａＡｓに格子適合されることが好ましい。薄いエッチング停止層は、挟み込まれるＡｌＧａＡｓと同じ導電型で且つ同じバンドギャップを有することが好ましい。レーザが短波長放射を生成するように、ＡｌＧａＡｓクラッディング層のアルミニウム含有量は増加され、且つ幾らかのアルミニウムが閉じ込め層に添加されるが、クラッディング層よりも少ない。
Description
【０００１】
本発明は、半導体レーザに関する。特に、ダイオードレーザに関する。
【０００２】
赤外光スペクトルを放出する半導体ダイオードレーザは、充分に開発され、様
々な装置に広範囲に使用されている。1つの応用例として、例えば９８０ｎｍ近
辺における高パワーレーザ放出光は、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦ
Ａ）を光学的に励起（ポンピング）する。該レーザは、例えばＧａＡｓ基板上に
結晶成長せしめられたＧａＩｎＡｓ又はＡｌＧａＡｓ又は関連する物質の層群か
ら形成され得ることは知られている。典型的な端面発光レーザとなるように、ｐ
−ｎ接合は、異なるドーピングを行った半導体層により形成され、且つ電気的接
点は、該接合の上方及び下方に形成され、レーザを順方向にバイアスするよう電
気的パワーを提供し、それによって電気的に励起する。改善された構造は、非常
に厚いｐ型半導体層とｎ型半導体層のと間の量子井戸中に形成された１又はそれ
以上の非常に薄い非ドープ活性半導体領域を含み、両層とも光学クラッディング
層として作用し且つ垂直ｐ−ｎダイオード構造を形成する。複数の量子井戸は、
バリア層により電気的に隔離されている。量子井戸の組成と厚さは、放出波長、
すなわちレージング波長の精密な調整を許容する。レージング放出をなすための
水平方向に伸長する導波路は、垂直及び水平光学閉じ込め構造により形成される
。光−電子チップの端に典型的に形成される鏡は、レーザ共振器の端面を規定す
る。垂直光学閉じ込め構造は、適切な組成特性によりｐ−ｎ接合と通常密接に関
連する。水平方向の閉じ込めは、幾つかの構造により達成され得、ここではエッ
チドリッジ及び埋め込みリッジの２つについて説明する。
々な装置に広範囲に使用されている。1つの応用例として、例えば９８０ｎｍ近
辺における高パワーレーザ放出光は、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦ
Ａ）を光学的に励起（ポンピング）する。該レーザは、例えばＧａＡｓ基板上に
結晶成長せしめられたＧａＩｎＡｓ又はＡｌＧａＡｓ又は関連する物質の層群か
ら形成され得ることは知られている。典型的な端面発光レーザとなるように、ｐ
−ｎ接合は、異なるドーピングを行った半導体層により形成され、且つ電気的接
点は、該接合の上方及び下方に形成され、レーザを順方向にバイアスするよう電
気的パワーを提供し、それによって電気的に励起する。改善された構造は、非常
に厚いｐ型半導体層とｎ型半導体層のと間の量子井戸中に形成された１又はそれ
以上の非常に薄い非ドープ活性半導体領域を含み、両層とも光学クラッディング
層として作用し且つ垂直ｐ−ｎダイオード構造を形成する。複数の量子井戸は、
バリア層により電気的に隔離されている。量子井戸の組成と厚さは、放出波長、
すなわちレージング波長の精密な調整を許容する。レージング放出をなすための
水平方向に伸長する導波路は、垂直及び水平光学閉じ込め構造により形成される
。光−電子チップの端に典型的に形成される鏡は、レーザ共振器の端面を規定す
る。垂直光学閉じ込め構造は、適切な組成特性によりｐ−ｎ接合と通常密接に関
連する。水平方向の閉じ込めは、幾つかの構造により達成され得、ここではエッ
チドリッジ及び埋め込みリッジの２つについて説明する。
【０００３】
エッチドリッジ構造において、例えばｐ型層等の上部半導体クラッディング層
は、活性層に近接するよう又は活性層まで選択的にエッチングされ、上部クラッ
ディング層の薄い部分を残し且つ２から５μｍの幅を有するようにして、上部ク
ラッディング層にリッジを形成する。リッジの側面は、周囲に露出するか又は低
誘電性定数の物質で覆われ、単一モード波長構造を提供する。リッジの高さは、
幅と同等であり、光をリッジのほとんど下側の領域に横方向へ効果的に閉じ込め
る。一方の電気的接点はリッジの最上部に形成される。一方、基板の下側は、他
の接点へ電気的に接地される。リッジは、リッジ幅に相当する下側の活性層の狭
い水平範囲へバイアス電流を案内する電流閉じ込めの付加機能を提供し、その結
果バイアス電流は、導波路の外側領域において浪費されることは無い。
は、活性層に近接するよう又は活性層まで選択的にエッチングされ、上部クラッ
ディング層の薄い部分を残し且つ２から５μｍの幅を有するようにして、上部ク
ラッディング層にリッジを形成する。リッジの側面は、周囲に露出するか又は低
誘電性定数の物質で覆われ、単一モード波長構造を提供する。リッジの高さは、
幅と同等であり、光をリッジのほとんど下側の領域に横方向へ効果的に閉じ込め
る。一方の電気的接点はリッジの最上部に形成される。一方、基板の下側は、他
の接点へ電気的に接地される。リッジは、リッジ幅に相当する下側の活性層の狭
い水平範囲へバイアス電流を案内する電流閉じ込めの付加機能を提供し、その結
果バイアス電流は、導波路の外側領域において浪費されることは無い。
【０００４】
しかしながら、エッチドリッジ構造は、高パワーレーザに適用する場合に幾つ
かの問題に直面する。リッジの狭い幅と基板から上側へのリッジの伸長すること
は、バイアス電流に対して直列電気抵抗を増加させ、リッジ中に発生した熱に対
する熱インピーダンスをも増加させる。更に、リッジのエッチングは、フレアリ
ッジとなる拡散制限した湿式化学エッチングにより通常実施される。しかし高パ
ワー特性は、リッジのエッチング特性に強く依存する。その結果、エッチドリッ
ジレーザは、生産性が悪いという欠点を有する。
かの問題に直面する。リッジの狭い幅と基板から上側へのリッジの伸長すること
は、バイアス電流に対して直列電気抵抗を増加させ、リッジ中に発生した熱に対
する熱インピーダンスをも増加させる。更に、リッジのエッチングは、フレアリ
ッジとなる拡散制限した湿式化学エッチングにより通常実施される。しかし高パ
ワー特性は、リッジのエッチング特性に強く依存する。その結果、エッチドリッ
ジレーザは、生産性が悪いという欠点を有する。
【０００５】
埋め込みリッジ構造は、突出するエッチドリッジ及びその問題の発生を回避す
る。その代わりに、上部半導体クラッディング層の結晶成長、例えばｐ+ドープ
ＡｌＧａＡｓ、は２つの部分に分割される。ｐ+ドープＡｌcＧａ1-cＡｓの底部
が形成せしめられた後に、例えば高アルミニウム含有量（ｂ＞ｃ）のｎ+ドープ
ＡｌbＧａ1-bＡｓの障壁（バリア）又は閉じ込め層が、ＡｌcＧａ1-cＡｓの下側
部分に結晶成長せしめられ、且つホールがｐ+ドープＡｌcＧａ1-cＡｓ層の下側
にパターン化され且つエッチングされる。ｐ+ドープＡｌcＧａ1-cＡｓクラッデ
ィング層の上側部分が、ホール中の露出したｐ+ドープＡｌcＧａ1-cＡｓと反対
の導電型にドープされたＡｌbＧａ1-bＡｓ障壁（バリア）層の上側とに亘って共
に再結晶成長せしめられる。反対の導電型にドーピングした障壁（バリア）層は
、障壁（バリア）層を貫通するホールにバイアス電流を閉じ込める。ホール内の
上部クラッディング層の上部部分は、下側部分から上方に伸長するリッジとして
動作する。上部クラッディング層の下側部分の厚さは、光を垂直方向に閉じ込め
る必要はなく、しかし、リッジの付加的な厚さは、垂直的に及び水平的に制限さ
れる。
る。その代わりに、上部半導体クラッディング層の結晶成長、例えばｐ+ドープ
ＡｌＧａＡｓ、は２つの部分に分割される。ｐ+ドープＡｌcＧａ1-cＡｓの底部
が形成せしめられた後に、例えば高アルミニウム含有量（ｂ＞ｃ）のｎ+ドープ
ＡｌbＧａ1-bＡｓの障壁（バリア）又は閉じ込め層が、ＡｌcＧａ1-cＡｓの下側
部分に結晶成長せしめられ、且つホールがｐ+ドープＡｌcＧａ1-cＡｓ層の下側
にパターン化され且つエッチングされる。ｐ+ドープＡｌcＧａ1-cＡｓクラッデ
ィング層の上側部分が、ホール中の露出したｐ+ドープＡｌcＧａ1-cＡｓと反対
の導電型にドープされたＡｌbＧａ1-bＡｓ障壁（バリア）層の上側とに亘って共
に再結晶成長せしめられる。反対の導電型にドーピングした障壁（バリア）層は
、障壁（バリア）層を貫通するホールにバイアス電流を閉じ込める。ホール内の
上部クラッディング層の上部部分は、下側部分から上方に伸長するリッジとして
動作する。上部クラッディング層の下側部分の厚さは、光を垂直方向に閉じ込め
る必要はなく、しかし、リッジの付加的な厚さは、垂直的に及び水平的に制限さ
れる。
【０００６】
一般的に、少量のアルミニウム（ｐ＜ｂ）を含有するｎ+ドープＡｌpＧａ1-p
Ａｓ保護層は、ホールエッチの前にＡｌbＧａ1-bＡｓに結晶成長せしめられて、
再結晶成長の前にアルミニウムが多い障壁（バリア）層が酸化するのを防止して
いる。しかしながら、保護層はホールエッチングの後から再結晶成長の前までは
障壁（バリア）層の側面は保護していない。側面壁の酸化は、レーザの信頼性を
低下させる。一般に、信頼性の高いレーザを得るために、アルミニウムが多い層
は次の２つの理由から避けなければならない。まずこのような層は、劈開された
ファセットにおいて酸化度が非常に高くなり易い。更に、ＡｌＡｓの格子定数は
ＧａＡｓの格子定数より小さい故、アルミニウム希薄層に対して引張り格子歪を
導入する。
Ａｓ保護層は、ホールエッチの前にＡｌbＧａ1-bＡｓに結晶成長せしめられて、
再結晶成長の前にアルミニウムが多い障壁（バリア）層が酸化するのを防止して
いる。しかしながら、保護層はホールエッチングの後から再結晶成長の前までは
障壁（バリア）層の側面は保護していない。側面壁の酸化は、レーザの信頼性を
低下させる。一般に、信頼性の高いレーザを得るために、アルミニウムが多い層
は次の２つの理由から避けなければならない。まずこのような層は、劈開された
ファセットにおいて酸化度が非常に高くなり易い。更に、ＡｌＡｓの格子定数は
ＧａＡｓの格子定数より小さい故、アルミニウム希薄層に対して引張り格子歪を
導入する。
【０００７】
従って、埋め込みリッジレーザを得るには、アルミニウム含有障壁（バリア）
層を使用しないか又は再結晶成長の前に他のアルミニウムコーティング層を露出
させることが望ましい。埋め込みリッジレーザを得るには、劈開中に露出される
アルミニウムの多い層を使用しないことも望ましい。
層を使用しないか又は再結晶成長の前に他のアルミニウムコーティング層を露出
させることが望ましい。埋め込みリッジレーザを得るには、劈開中に露出される
アルミニウムの多い層を使用しないことも望ましい。
【０００８】
本発明は、ＡｌＧａＡｓ系の材料を基にした埋め込みリッジ半導体導波路ダイ
オードレーザを含んでいる。本発明の実施例の１つにおいて、上部ＡｌＧａＡｓ
クラッディング層とは反対の導電型のアルミニウムフリーの閉じ込め層が、上部
ＡｌＧａＡｓクラッディング層の下側部分に亘って積層され、且つ電流注入及び
側面光学閉じ込めを共に規定する上部クラッディング層を貫通して伸長する溝が
形成される。最上部クラッディング層と呼ばれる、ＡｌＧａＡｓの更なる層は、
開口中に且つ閉じ込め層に亘って再結晶成長せしめられる。障壁（バリア）層を
貫通して伸長している溝中の最上部クラッディング層の一部は、導波路光の埋め
込みリッジとして利用される。閉じ込め層は、例えばＧａＩｎＰ等の組成を有す
る。
オードレーザを含んでいる。本発明の実施例の１つにおいて、上部ＡｌＧａＡｓ
クラッディング層とは反対の導電型のアルミニウムフリーの閉じ込め層が、上部
ＡｌＧａＡｓクラッディング層の下側部分に亘って積層され、且つ電流注入及び
側面光学閉じ込めを共に規定する上部クラッディング層を貫通して伸長する溝が
形成される。最上部クラッディング層と呼ばれる、ＡｌＧａＡｓの更なる層は、
開口中に且つ閉じ込め層に亘って再結晶成長せしめられる。障壁（バリア）層を
貫通して伸長している溝中の最上部クラッディング層の一部は、導波路光の埋め
込みリッジとして利用される。閉じ込め層は、例えばＧａＩｎＰ等の組成を有す
る。
【０００９】
本発明の他の実施例において、例えばＧａＩｎＡｓＰ等のアルミニウムフリー
エッチング停止層が、上部クラッディング層の下側部分と閉じ込め層の間に形成
される。例えばＨＣｌ：Ｈ３ＰＯ４又はＨＣｌ：ＨＢｒ：ＣＨ３ＣＯＯＨ：Ｈ２ Ｏ等の液体であるエッチング剤は、ＧａＩｎＰの閉じ込め層を選択的にエッチン
グし、ＧａＩｎＡｓＰにおいて停止され得る。従って、アルミニウムコーティン
グされていない表面は、再結晶成長せしめられるよう露出される。エッチング剤
は、閉じ込め層に開口を形成するようＶ字型溝にエッチングすることが好ましい
。
エッチング停止層が、上部クラッディング層の下側部分と閉じ込め層の間に形成
される。例えばＨＣｌ：Ｈ３ＰＯ４又はＨＣｌ：ＨＢｒ：ＣＨ３ＣＯＯＨ：Ｈ２ Ｏ等の液体であるエッチング剤は、ＧａＩｎＰの閉じ込め層を選択的にエッチン
グし、ＧａＩｎＡｓＰにおいて停止され得る。従って、アルミニウムコーティン
グされていない表面は、再結晶成長せしめられるよう露出される。エッチング剤
は、閉じ込め層に開口を形成するようＶ字型溝にエッチングすることが好ましい
。
【００１０】
アルミニウムフリー閉じ込め層を使用したダイオード導波路レーザ１０の実施
例が、図１に断面図として図示されている。ヘテロ接合ダイオードは、＜００１
＞結晶方位を有するｎ+ドープＧａＡｓウエーハにエピタキシャル成長せしめら
れている。該成長は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）又は有機金属気相成長法（
ＯＭＣＶＤ）他の方法により実施され得る。ダイオード構造は、下部分布屈折率
分離閉じ込めヘテロ構造層（以下、ＧＲＩＮＳＣＨ層と称す）１６により覆われ
たｎドープＡｌＧａＡｓの下部クラッディング層１４と、真性量子井戸構造１８
と、上部ＧＲＩＮＳＣＨ層２０と、ｐドープＡｌＧａＡｓの上部クラッディング
層２２とを含んでいる。レージング波長に対応する光学放出波長λは、量子井戸
構造１８中の１又はそれ以上の量子井戸の厚さと、各量子井戸を囲繞し且つ分離
する薄い電気的障壁（バリア）層に対する組成とによって決定される。典型的な
量子井戸の組成及び厚さは、単一で６．５ｎｍ厚さのＧａ0.82Ｉｎ0.18Ａｓであ
って、量子井戸は２ｎｍ厚さのＧａＡｓ障壁（バリア）層により囲繞されている
。ＧＲＩＮＳＣＨ層１６、２０は、光を効率良く光学的に閉じ込めるために両側
面の物質の間で線形的に徐々に変化する屈折率を提供し、活性量子井戸構造１８
を介して電子移動を促進する電界を提供する組成特性をも有する。典型的なＧＲ
ＩＮＳＣＨ層１６，２０は、１７０ｎｍの厚さを有し、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ａｓか
らＡｌ0.28Ｇａ0.72Ａｓの間の様々な組成を有している。この全体の構造は、垂
直方向に２９°の半値幅の遠視野角度を有するビームを提供する。
例が、図１に断面図として図示されている。ヘテロ接合ダイオードは、＜００１
＞結晶方位を有するｎ+ドープＧａＡｓウエーハにエピタキシャル成長せしめら
れている。該成長は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）又は有機金属気相成長法（
ＯＭＣＶＤ）他の方法により実施され得る。ダイオード構造は、下部分布屈折率
分離閉じ込めヘテロ構造層（以下、ＧＲＩＮＳＣＨ層と称す）１６により覆われ
たｎドープＡｌＧａＡｓの下部クラッディング層１４と、真性量子井戸構造１８
と、上部ＧＲＩＮＳＣＨ層２０と、ｐドープＡｌＧａＡｓの上部クラッディング
層２２とを含んでいる。レージング波長に対応する光学放出波長λは、量子井戸
構造１８中の１又はそれ以上の量子井戸の厚さと、各量子井戸を囲繞し且つ分離
する薄い電気的障壁（バリア）層に対する組成とによって決定される。典型的な
量子井戸の組成及び厚さは、単一で６．５ｎｍ厚さのＧａ0.82Ｉｎ0.18Ａｓであ
って、量子井戸は２ｎｍ厚さのＧａＡｓ障壁（バリア）層により囲繞されている
。ＧＲＩＮＳＣＨ層１６、２０は、光を効率良く光学的に閉じ込めるために両側
面の物質の間で線形的に徐々に変化する屈折率を提供し、活性量子井戸構造１８
を介して電子移動を促進する電界を提供する組成特性をも有する。典型的なＧＲ
ＩＮＳＣＨ層１６，２０は、１７０ｎｍの厚さを有し、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ａｓか
らＡｌ0.28Ｇａ0.72Ａｓの間の様々な組成を有している。この全体の構造は、垂
直方向に２９°の半値幅の遠視野角度を有するビームを提供する。
【００１１】
この実施例において、ｐドープＧａＩｎＡｓＰの薄い（５乃至１０ｎｍ）エッ
チング停止層２４は、上部クラッディング層２２に亘って結晶成長せしめられ、
ｎ+ドープＧａＩｎＰのアルミニウムフリーの閉じ込め層２６はエッチング停止
層２４に亘って結晶成長せしめられている。閉じ込め層２６の組成は、上部クラ
ッディング層２２の組成に対して選択され、その結果閉じ込め層２６は、低屈折
率を有し、横屈折率差Δｎ1は、この２つの物質の間で形成せしめられる。閉じ
込め層２６は、＜１１０＞方向に沿って伸長する埋め込みリッジをフォトマスク
し、電流注入及び横方向の光学閉じ込めの両方を規定する。斜面溝２８は、閉じ
込め層２６をエッチングして形成されるが、エッチングはエッチング停止層２４
にて停止される。この異方性エッチングは、ＨＣｌ：Ｈ3ＰＯ4（体積比１：１）
又はＨＣｌ：ＨＢｒ：ＣＨ3ＣＯＯＨ：Ｈ2Ｏ（体積比３０：３０：３０：５）の
如きエッチング剤により実施され得、ＧａＩｎＰの中の上方に配向するファセッ
トをエッチングするものの、Ａｓがかなり含まれているＧａＩｎＡｓＰはエッチ
ングしない。
チング停止層２４は、上部クラッディング層２２に亘って結晶成長せしめられ、
ｎ+ドープＧａＩｎＰのアルミニウムフリーの閉じ込め層２６はエッチング停止
層２４に亘って結晶成長せしめられている。閉じ込め層２６の組成は、上部クラ
ッディング層２２の組成に対して選択され、その結果閉じ込め層２６は、低屈折
率を有し、横屈折率差Δｎ1は、この２つの物質の間で形成せしめられる。閉じ
込め層２６は、＜１１０＞方向に沿って伸長する埋め込みリッジをフォトマスク
し、電流注入及び横方向の光学閉じ込めの両方を規定する。斜面溝２８は、閉じ
込め層２６をエッチングして形成されるが、エッチングはエッチング停止層２４
にて停止される。この異方性エッチングは、ＨＣｌ：Ｈ3ＰＯ4（体積比１：１）
又はＨＣｌ：ＨＢｒ：ＣＨ3ＣＯＯＨ：Ｈ2Ｏ（体積比３０：３０：３０：５）の
如きエッチング剤により実施され得、ＧａＩｎＰの中の上方に配向するファセッ
トをエッチングするものの、Ａｓがかなり含まれているＧａＩｎＡｓＰはエッチ
ングしない。
【００１２】
ウエーハは、結晶成長チャンバに戻され、通常上部クラッディング層２２と同
様の組成とドープ量のｐドープＡｌＧａＡｓの最上部クラッディング層３０が、
溝２８の底部にあたるエッチング停止層２４及び閉じ込め層２６に亘って再結晶
成長せしめられる。溝２８を埋めるＡｌＧａＡｓは、低屈折率の閉じ込め層によ
り囲まれたリッジとして作用する。何となれば、リッジは、ほとんど真下の層中
に光学波長を横方向に閉じ込めるよう作用する故、閉じ込め層２６の上部の最上
部クラッディング層３０の深さは、それほど重要ではない。光学及び電気的効果
を改善するために上部クラッディング層２２及び最上部クラッディング層３０の
間の組成及びドープ量は変更可能である。しかしながら、これらは通常同じ物質
を用いている。
様の組成とドープ量のｐドープＡｌＧａＡｓの最上部クラッディング層３０が、
溝２８の底部にあたるエッチング停止層２４及び閉じ込め層２６に亘って再結晶
成長せしめられる。溝２８を埋めるＡｌＧａＡｓは、低屈折率の閉じ込め層によ
り囲まれたリッジとして作用する。何となれば、リッジは、ほとんど真下の層中
に光学波長を横方向に閉じ込めるよう作用する故、閉じ込め層２６の上部の最上
部クラッディング層３０の深さは、それほど重要ではない。光学及び電気的効果
を改善するために上部クラッディング層２２及び最上部クラッディング層３０の
間の組成及びドープ量は変更可能である。しかしながら、これらは通常同じ物質
を用いている。
【００１３】
ｐ++ドープＧａＡｓ接触層３２は、最上部クラッディング層３０に亘って結晶
成長せしめられる。金属接触層３４、３６は、接触パッドに電気的バイアス回路
構成を提供するようウエーハの上部及び下部に各々配置される。その後ウエーハ
は、賽の目に切られて分離チップにされ、チップの端面は、レーザ共振器の端部
を規定する鏡の如く形成され、そのうちの一方は、一部透過するようにしている
。
成長せしめられる。金属接触層３４、３６は、接触パッドに電気的バイアス回路
構成を提供するようウエーハの上部及び下部に各々配置される。その後ウエーハ
は、賽の目に切られて分離チップにされ、チップの端面は、レーザ共振器の端部
を規定する鏡の如く形成され、そのうちの一方は、一部透過するようにしている
。
【００１４】
クラッディング層及び閉じ込め層のより正確な組成と厚さは、本発明の実施例
として記載する。しかしながら、これらは実施例としてのみ記載され、他の変数
が本発明に使用され得る。２つの導電型のクラッディング層１４、２２及び最上
部クラッディング層３０は、レーザが９８０ｎｍ光を発光するよう設計されるた
めにＡｌ0.28Ｇａ0.72Ａｓの組成が通常使用される。何となれば、ＡｌＡｓ及び
ＧａＡｓは、ほぼ同様な格子定数（０．５６６０５ｎｍ対０．５６５３３ｎｍ）
を有する故、クラッディング層は、基板１２に本質的に格子に整合する。アルミ
ニウムフリーのｎ+型の閉じ込め層２６の組成は、Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐに選択さ
れることが好ましく、ＧａＡｓに格子整合する。この組成は、Ａｌ0.385Ｇａ0.6 15 Ａｓと同等となる１．９０４ｅＶのバンドギャップエネルギーを生成し、９８
０ｎｍにおいてＡｌ0.45Ｇａ0.55Ａｓと同等である３．２６８の屈折率を生成す
る。エッチング停止層２４と上部クラッディング層部分２２，３０とのバンドギ
ャップの等量性は、エッチング停止層２４が電流注入の障壁（バリア）として作
用することを防止する。何となれば、閉じ込め層２６は、２つの上部クラッディ
ング層部分２２，３０と反対の導電型を有する故、バイアス電流の注入を埋め込
みリッジ２８の領域に閉じ込める。しかしながら、電流注入の水平方向の閉じ込
めは、閉じ込め層２６の深さに制限され、且つ溝の形状は平均断面積を増加させ
る。その結果、直列電気抵抗は最小になる。
として記載する。しかしながら、これらは実施例としてのみ記載され、他の変数
が本発明に使用され得る。２つの導電型のクラッディング層１４、２２及び最上
部クラッディング層３０は、レーザが９８０ｎｍ光を発光するよう設計されるた
めにＡｌ0.28Ｇａ0.72Ａｓの組成が通常使用される。何となれば、ＡｌＡｓ及び
ＧａＡｓは、ほぼ同様な格子定数（０．５６６０５ｎｍ対０．５６５３３ｎｍ）
を有する故、クラッディング層は、基板１２に本質的に格子に整合する。アルミ
ニウムフリーのｎ+型の閉じ込め層２６の組成は、Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐに選択さ
れることが好ましく、ＧａＡｓに格子整合する。この組成は、Ａｌ0.385Ｇａ0.6 15 Ａｓと同等となる１．９０４ｅＶのバンドギャップエネルギーを生成し、９８
０ｎｍにおいてＡｌ0.45Ｇａ0.55Ａｓと同等である３．２６８の屈折率を生成す
る。エッチング停止層２４と上部クラッディング層部分２２，３０とのバンドギ
ャップの等量性は、エッチング停止層２４が電流注入の障壁（バリア）として作
用することを防止する。何となれば、閉じ込め層２６は、２つの上部クラッディ
ング層部分２２，３０と反対の導電型を有する故、バイアス電流の注入を埋め込
みリッジ２８の領域に閉じ込める。しかしながら、電流注入の水平方向の閉じ込
めは、閉じ込め層２６の深さに制限され、且つ溝の形状は平均断面積を増加させ
る。その結果、直列電気抵抗は最小になる。
【００１５】
閉じ込め層と上部クラッディング層の間の相対的屈折率の点から、本発明のア
ルミニウムフリーのＧａＩｎＰ閉じ込め層は、従来技術のアルミニウムリッチ閉
じ込め層と同様の水平方向光学閉じ込めを提供可能である。クラッディング層１
４、２２、３０及びＧＲＩＮＳＣＨ層１６，１８により提供される垂直光学閉じ
込めと閉じ込め層２６及び上部クラッディング層２２，３０との間の屈折率差に
より提供される水平光学閉じ込めとの組合わせは、＜０１１＞方向に沿って伸長
する導波路領域３８を提供する。導波路領域３８の図示された形状は、単に示唆
するものであって、実際の導波の境界は、明瞭ではない。
ルミニウムフリーのＧａＩｎＰ閉じ込め層は、従来技術のアルミニウムリッチ閉
じ込め層と同様の水平方向光学閉じ込めを提供可能である。クラッディング層１
４、２２、３０及びＧＲＩＮＳＣＨ層１６，１８により提供される垂直光学閉じ
込めと閉じ込め層２６及び上部クラッディング層２２，３０との間の屈折率差に
より提供される水平光学閉じ込めとの組合わせは、＜０１１＞方向に沿って伸長
する導波路領域３８を提供する。導波路領域３８の図示された形状は、単に示唆
するものであって、実際の導波の境界は、明瞭ではない。
【００１６】
キャリア注入により誘導される反導波作用を回避する為に、ＡｌＧａＡｓ上部
クラッディング層２２とＧａＩｎＰ閉じ込め層２６の間の横屈折率差Δｎ1は、
バルクレーザに対しては５×１０-3より大きく、量子井戸レーザに対しては１×
１０-3より大きくしなければならない。更に、導波路領域３８は、単一基本モー
ドのみ保持することが望ましいが、しかし横方向の伸長は相対的に大きく、例え
ば、出力ファセットの光学パワー密度を最小化するためにλ＝０．９８ｎｍに対
しては５μｍであり、従ってファセットの熱ダメージは無視される。第１次モー
ドに対するカットオフ幅ＷCOは、
クラッディング層２２とＧａＩｎＰ閉じ込め層２６の間の横屈折率差Δｎ1は、
バルクレーザに対しては５×１０-3より大きく、量子井戸レーザに対しては１×
１０-3より大きくしなければならない。更に、導波路領域３８は、単一基本モー
ドのみ保持することが望ましいが、しかし横方向の伸長は相対的に大きく、例え
ば、出力ファセットの光学パワー密度を最小化するためにλ＝０．９８ｎｍに対
しては５μｍであり、従ってファセットの熱ダメージは無視される。第１次モー
ドに対するカットオフ幅ＷCOは、
【００１７】
【数１】
【００１８】
の如く、横屈折率差Δｎ1の関数として主として表現され得ることが知られてい
る。ここでｎは、平均有効屈折率である。カットオフ幅ＷCOよりも小さい波長幅
において、導波路は基本モードのみを保持し、その結果、少なくとも水平方向に
おいては、単一モードである。この結果から、カットオフ波長ＷCOは、単一モー
ド導波路の最小幅を表す。カットオフ波長ＷCOと実効横屈折率差Δｎ1との間の
関係は、図２のグラフに図示されている。Δｎ1に対して１０-3の小さな値は単
一モード動作となるようビームサイズを大きくすることが所望される。ビームサ
イズは、閉じ込め層２６を貫通してエッチングされた溝２８の底部の幅によりほ
ぼ決定される。
る。ここでｎは、平均有効屈折率である。カットオフ幅ＷCOよりも小さい波長幅
において、導波路は基本モードのみを保持し、その結果、少なくとも水平方向に
おいては、単一モードである。この結果から、カットオフ波長ＷCOは、単一モー
ド導波路の最小幅を表す。カットオフ波長ＷCOと実効横屈折率差Δｎ1との間の
関係は、図２のグラフに図示されている。Δｎ1に対して１０-3の小さな値は単
一モード動作となるようビームサイズを大きくすることが所望される。ビームサ
イズは、閉じ込め層２６を貫通してエッチングされた溝２８の底部の幅によりほ
ぼ決定される。
【００１９】
しかしながら、他の理由が、Δｎ1に対して略３×１０-3を好ましい値である
ようにする。閉じ込め層と上部クラッディング層との間の境界、つまり溝２８の
端部は、光学領域の横方向の閉じ込めと電流注入閉じ込めとの両方を規定する。
非常に小さな屈折率差により、光学領域は、下側の上部クラッディング層２２中
であって閉じ込め層２６の端部を越える部分まで横方向に伸長している。その結
果、電流は導波領域の一部にのみ注入される。つまり、光学モードは電流注入に
より発生した利得領域よりも大きい。その結果、光学利得又は効率は、徐々に減
少する。この理由から、屈折率差Δｎ1は、５から７μｍのリッジ幅に対して略
３×１０-3に設定されることが好ましい。図２のグラフは、基本モードと１次横
モードの両方が保持されることを図示している。しかしながら、単一横モードで
の動作は、基本モードが閉じ込められた注入電流から十分に高い光学利得を享受
する限りにおいて得ることが可能である。第１次モードは、基本モードの１×１
０-3から３×１０-3の間の屈折率差で且つ５から７μｍのリッジ幅よりも、屈折
率が不連続であることにより閉じ込められることが知られている。その故に、電
流閉じ込めは、基本モードを助力する。
ようにする。閉じ込め層と上部クラッディング層との間の境界、つまり溝２８の
端部は、光学領域の横方向の閉じ込めと電流注入閉じ込めとの両方を規定する。
非常に小さな屈折率差により、光学領域は、下側の上部クラッディング層２２中
であって閉じ込め層２６の端部を越える部分まで横方向に伸長している。その結
果、電流は導波領域の一部にのみ注入される。つまり、光学モードは電流注入に
より発生した利得領域よりも大きい。その結果、光学利得又は効率は、徐々に減
少する。この理由から、屈折率差Δｎ1は、５から７μｍのリッジ幅に対して略
３×１０-3に設定されることが好ましい。図２のグラフは、基本モードと１次横
モードの両方が保持されることを図示している。しかしながら、単一横モードで
の動作は、基本モードが閉じ込められた注入電流から十分に高い光学利得を享受
する限りにおいて得ることが可能である。第１次モードは、基本モードの１×１
０-3から３×１０-3の間の屈折率差で且つ５から７μｍのリッジ幅よりも、屈折
率が不連続であることにより閉じ込められることが知られている。その故に、電
流閉じ込めは、基本モードを助力する。
【００２０】
実効屈折率差Δｎ1の値は、その大部分が上部クラッディング層２２及び閉じ
込め層２４の厚さに依存し、これらの組成も同様である。モデル計算が、屈折率
差Δｎ1と上部クラッディング層２２の厚さの依存性を計算し、図３のグラフに
図示する。上部クラッディング層２２の０．１８μｍの厚さは、２９°の遠視野
角度に対して３×１０-3の屈折率比を生成する。遠視野角度を２２°に狭めるこ
とは、厚さを０．３１μｍに増加する。厚さは、ここに記載された埋め込みリッ
ジの方がエッチドリッジよりも略５０％程厚くなる。他のモデル計算は、屈折率
差が閉じ込め層２６の小なる厚さ、つまり短いリッジに対して充分に減少するこ
とを示す。しかし屈折率差Δｎ1は、閉じ込め層２６が略０．４μｍの厚さにお
いて飽和される。よってほんの少しだけ大なる厚さが選択される。
込め層２４の厚さに依存し、これらの組成も同様である。モデル計算が、屈折率
差Δｎ1と上部クラッディング層２２の厚さの依存性を計算し、図３のグラフに
図示する。上部クラッディング層２２の０．１８μｍの厚さは、２９°の遠視野
角度に対して３×１０-3の屈折率比を生成する。遠視野角度を２２°に狭めるこ
とは、厚さを０．３１μｍに増加する。厚さは、ここに記載された埋め込みリッ
ジの方がエッチドリッジよりも略５０％程厚くなる。他のモデル計算は、屈折率
差が閉じ込め層２６の小なる厚さ、つまり短いリッジに対して充分に減少するこ
とを示す。しかし屈折率差Δｎ1は、閉じ込め層２６が略０．４μｍの厚さにお
いて飽和される。よってほんの少しだけ大なる厚さが選択される。
【００２１】
単一モードからマルチモード動作へ転移する限界となる高キンクパワーを達成
する為に、上部クラッディング層のｐ型ドープは、キャリア分布が光学モードに
適合するように最適化する必要がある。 ＧａＡｓに対する閉じ込め層の格子整合は正確にする必要は無い。閉じ込め層
の組成が、ＧａＡｓ及びＡｌＡｓの化合物に等しい格子定数を生成すれば、格子
整合としては充分である。
する為に、上部クラッディング層のｐ型ドープは、キャリア分布が光学モードに
適合するように最適化する必要がある。 ＧａＡｓに対する閉じ込め層の格子整合は正確にする必要は無い。閉じ込め層
の組成が、ＧａＡｓ及びＡｌＡｓの化合物に等しい格子定数を生成すれば、格子
整合としては充分である。
【００２２】
閉じ込め層２６とエッチング停止層２４は、完全にアルミニウムフリーである
ことが好ましいとはいえ、例えばアニオンに対して２原子％の量の如く、小なる
アルミニウムは、それでもなお従来技術の酸化抵抗に対して１０倍より以上の改
善を提供する。 上記したレーザダイオードは、９８０ｎｍ近辺における光学放出を生成する。
該ダイオードは、ＡｌＧａＡｓクラッディング層中のアルミニウムの量の増加に
より、短波長つまり可視領域においても、拡大され得る。しかしながら、リッジ
に光を光学的に閉じ込めることが要求された閉じ込め層が高屈折率を得る為に、
充分な量のアルミニウムが閉じ込め層に添加され得、ＧａＡｌＩｎＰの組成を生
成する。この少量のアルミニウムは、アニオンに対して１０から１５原子％まで
上昇され得るが、ＡｌＧａＡｓクラッディング層中のアルミニウム量より少なく
、且つ閉じ込め物質の一部にＧａＩｎＰを使用しない閉じ込め層中に要求される
アルミニウム量よりも少ない。
ことが好ましいとはいえ、例えばアニオンに対して２原子％の量の如く、小なる
アルミニウムは、それでもなお従来技術の酸化抵抗に対して１０倍より以上の改
善を提供する。 上記したレーザダイオードは、９８０ｎｍ近辺における光学放出を生成する。
該ダイオードは、ＡｌＧａＡｓクラッディング層中のアルミニウムの量の増加に
より、短波長つまり可視領域においても、拡大され得る。しかしながら、リッジ
に光を光学的に閉じ込めることが要求された閉じ込め層が高屈折率を得る為に、
充分な量のアルミニウムが閉じ込め層に添加され得、ＧａＡｌＩｎＰの組成を生
成する。この少量のアルミニウムは、アニオンに対して１０から１５原子％まで
上昇され得るが、ＡｌＧａＡｓクラッディング層中のアルミニウム量より少なく
、且つ閉じ込め物質の一部にＧａＩｎＰを使用しない閉じ込め層中に要求される
アルミニウム量よりも少ない。
【００２３】
たとえ記載されたレーザダイオードは量子井戸の活性領域を含むものであった
としても、本発明は、バルクダイオードレーザに有利に利用され得、ｐ−ｎ接合
は、反対側にドープされたクラッディング層間に形成されるか、又は薄い真性活
性層はｐ−ｉ−ｎ接合を形成するよう挿入され得る。 本発明は、従来技術を超える多くの利点を提供する。埋め込みリッジ構造は、
配置された層の厚さと組成にのみ依存する故、横方向に亘って屈折率差の厳密な
調整を提供する。これに対して、エッチドリッジ構造は、リッジのエッチング時
間に依存する厚さを有する平面上部クラッディング層を生成する。厚さの均一性
又はエッチング特性における様々な変形は、残存する上部クラッディング層及び
屈折率の対比における厚さの影響に対して拡大される。埋め込みリッジ構造は、
エッチドリッジ構造よりも低い直列電気的抵抗も提供する。故に、埋め込みリッ
ジ構造に対する接触は、光学導波路の幅よりも大きく作成される。更に、熱的独
立性は、埋め込みリッジ構造に対して減少される。
としても、本発明は、バルクダイオードレーザに有利に利用され得、ｐ−ｎ接合
は、反対側にドープされたクラッディング層間に形成されるか、又は薄い真性活
性層はｐ−ｉ−ｎ接合を形成するよう挿入され得る。 本発明は、従来技術を超える多くの利点を提供する。埋め込みリッジ構造は、
配置された層の厚さと組成にのみ依存する故、横方向に亘って屈折率差の厳密な
調整を提供する。これに対して、エッチドリッジ構造は、リッジのエッチング時
間に依存する厚さを有する平面上部クラッディング層を生成する。厚さの均一性
又はエッチング特性における様々な変形は、残存する上部クラッディング層及び
屈折率の対比における厚さの影響に対して拡大される。埋め込みリッジ構造は、
エッチドリッジ構造よりも低い直列電気的抵抗も提供する。故に、埋め込みリッ
ジ構造に対する接触は、光学導波路の幅よりも大きく作成される。更に、熱的独
立性は、埋め込みリッジ構造に対して減少される。
【００２４】
本発明の埋め込みリッジレーザダイオードは、従来技術の埋め込みリッジレー
ザダイオードを超える利点を提供し、閉じ込め層とエッチング停止層の両方は、
アルミニウムフリー又は少なくともアルミニウムの含有量が少ない。その結果、
少ない又は全く無いアルミニウムは、再結晶成長中に露出される。再結晶成長中
の酸化する機会の減少は、より信頼性の高い装置となる。
ザダイオードを超える利点を提供し、閉じ込め層とエッチング停止層の両方は、
アルミニウムフリー又は少なくともアルミニウムの含有量が少ない。その結果、
少ない又は全く無いアルミニウムは、再結晶成長中に露出される。再結晶成長中
の酸化する機会の減少は、より信頼性の高い装置となる。
【００２５】
様々な変更と変形が、本発明の精神と範囲から離れることなく本発明に対して
実施され得ることは、当業者には明らかであろう。従って、本発明は、特許請求
の範囲及びそれと均等の範囲内で提供される発明の変形と変更を含むことを企図
する。
実施され得ることは、当業者には明らかであろう。従って、本発明は、特許請求
の範囲及びそれと均等の範囲内で提供される発明の変形と変更を含むことを企図
する。
【図１】 本発明の埋め込みリッジレーザの１実施例の断面図である。
【図２】 第１オーダ光学モードと、クラッディングと閉じ込め層の間の反射対
比との間の関係図である。
比との間の関係図である。
【図３】 上部クラッディング層のインデックス対比の依存性に関するグラフで
ある。
ある。
１０ ダイオード導波路レーザ
１２ 基板
１４ 下部クラッディング層
１６ 下部ＧＲＩＮＳＣＨ層
１８ 量子井戸構造
２０ 上部ＧＲＩＮＳＣＨ層
２２ 上部クラッディング層
２４ エッチング停止層
２６ 閉じ込め層
２８ 溝
３０ 最上部クラッディング層
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，
ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ
Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＥ，ＡＬ，Ａ
Ｍ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ
，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，
ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，Ｈ
Ｕ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ
，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，
ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，Ｎ
Ｚ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ
，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，
ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ
Claims (7)
- 【請求項１】 第１導電型のＡｌＧａＡｓからなる下部クラッディング層と、 前記下部クラッディング層上に形成された第２導電型のＡｌＧａＡｓからなる
第１上部クラッディング層と、 前記第１上部クラッディング層の上に形成され且つ電流を案内するための開口
を有する第１導電型の実質的にアルミニウムフリーの半導体閉じ込め層と、 前記閉じ込め層を貫通する開口に形成された第２導電型のＡｌＧａＡｓを含む
第２上部クラッディング層と、 を含むことを特徴とする埋め込みリッジダイオードレーザ。 - 【請求項２】 前記閉じ込め層の屈折率は、前記第１上部クラッディング層より
も小であることを特徴とする請求項１記載のダイオードレーザ。 - 【請求項３】 前記閉じ込め層と前記閉じ込め層との間の屈折率差は、１×１０ -3 から３×１０-3の間の範囲にあることを特徴とする請求項１記載のダイオード
レーザ。 - 【請求項４】 前記開口の幅は、５から７μｍの間の範囲にあることを特徴とす
る請求項３記載のダイオードレーザ。 - 【請求項５】 前記第２上部クラッディング層は、前記閉じ込め層の上側にも形
成されることを特徴とする請求項１記載のダイオードレーザ。 - 【請求項６】 前記閉じ込め層は、ＧａＩｎＰを含むことを特徴とする請求項１
記載のダイオードレーザ。 - 【請求項７】 前記閉じ込め層の前記ＧａＩｎＰは、前記下部クラッディング層
及び前記第１上部クラッディング層の前記ＡｌＧａＡｓに実質的に格子整合する
ことを特徴とする請求項６記載のダイオードレーザ。
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