JP2007080887A - ２波長半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ２波長の半導体レーザの窓部をＺｎなどの不純物の拡散によってバンドギャップを広げて形成する際に、双方の窓部を同時に良好に形成できるようにする。
【解決手段】 モノリシック構造の２波長半導体レーザを製造する際に、各レーザとなる第１および第２の積層半導体の第２導電型クラッド層にドープする不純物を相違させておき、第１および第２の積層半導体の表面に互いに同一種の不純物拡散源を設け、熱処理によって不純物を拡散させることにより、双方の活性層の発光端面近傍の多重量子井戸を同時に無秩序化させる。たとえば一方の第２導電型クラッド層たるｐ型ＡｌＧａＡｓ層の不純物にＺｎを用い、もう一方の第２導電型クラッド層たるｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層の不純物にＭｇを用い、Ｚｎを拡散させる。このことにより、拡散される不純物Ｚｎの拡散速度を調節することが可能になり、双方の活性層の多重量子井戸の無秩序化、つまりは両半導体レーザの窓部を同時に作製することが可能となる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、２波長半導体レーザ及びその製造方法に関し、特に両半導体レーザの窓形成時の熱拡散時間を調節する技術に関するものである。

ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）やＣＤ（Compact Disc）などの光学的に情報を記録する光ディスクは、大量に情報を記録できる大容量記録媒体として盛んに利用されている。ＤＶＤではＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いた６５０ｎｍの発振波長の半導体レーザが用いられ、ＣＤではＡｌＧａＡｓ系材料を用いた７８０ｎｍの発振波長の半導体レーザが用いられる。

近年、６５０ｎｍ波長の半導体レーザ（以下赤色半導体レーザという）と７８０ｎｍ波長の半導体レーザ（以下赤外半導体レーザという）の両方を備えた２波長半導体レーザの開発が進められ（たとえば特許文献１、２）、なおかつ光ディスクに書き込み可能な高出力レーザが注目されている。

高出力レーザを得るには、光学端面破壊を抑制するために、端面での光吸収を抑える端面窓構造が必要である。つまり、レーザ発振を行う多重量子井戸(ＭＱＷ)活性層の端面近傍を、上層から不純物を拡散させることによって無秩序化させて、バンドギャップを広げることが必要である。その方法として、ＡｌＧａＩｎＰ系の赤色半導体レーザの上層にＺｎＯなどの不純物を堆積させ、そのＺｎを熱で拡散させる方法がある。
特開２０００−３４９３８７公報 特開２００４−１９３１５１公報

しかし、上記したようにして高出力の２波長半導体レーザを製造する場合、Ｐ系材料を用いた赤色半導体レーザに較べてＡｓ系材料を用いた赤外半導体レーザでのＺｎの拡散速度が遅いため、拡散時間を赤色半導体レーザの窓部作製条件に合わせると、赤外半導体レーザの窓部のバンドギャップの変化量が少なくなり、窓構造の効果が充分には得られない。逆に赤外半導体レーザの窓部作製条件に合わせると、赤色半導体レーザにとっては拡散時間が長すぎ、過剰な拡散によって局所的な屈折率が大きく変動し、出射光拡がり角などの厳密な制御が困難になる。

本発明は、上記問題に鑑み、２波長の半導体レーザの窓部をＺｎなどの不純物の拡散によってバンドギャップを広げて形成する際に、双方の窓部を同時に良好に形成できるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、２波長の半導体レーザそれぞれの第２導電型クラッド層にドープする不純物を相違させておくことにより、第２導電型クラッド層の上から拡散される不純物の拡散速度を調節すること、それにより両半導体レーザの窓部を同時に作製することを可能ならしめたものである。

すなわち本発明は、波長の異なる光を発する第１および第２の半導体レーザ素子を同一の基板上に備えたモノリシック構造の２波長半導体レーザを製造する際に、第１導電型の半導体基板上に、第１導電型クラッド層と、多重量子井戸構造の活性層と、第２導電型クラッド層とを順次に形成し、前記半導体基板上の所定領域に形成された各層を除去して、第１の半導体レーザ素子を構成するための第１の積層半導体を形成する工程と、前記所定領域および第１の積層半導体の形成領域を含む半導体基板上に、第１導電型クラッド層と、多重量子井戸構造の活性層と、前記第１の積層半導体の第２導電型クラッド層とは異なる不純物をドープした第２導電型クラッド層とを順次に形成し、前記第１の積層半導体上に形成された各層を除去して、第２の半導体レーザ素子を構成するための第２の積層半導体を形成する工程と、前記第１および第２の積層半導体の表面に互いに同一種の不純物拡散源を設け、熱処理によって不純物を拡散させることにより、前記第１および第２の積層半導体の活性層の発光端面近傍の多重量子井戸を同時に無秩序化させる工程とを行うことを特徴とする。

また本発明は、第１導電型の基板上に、第１導電型クラッド層と多重量子井戸構造の活性層と第２導電型クラッド層とをそれぞれ有する、波長の異なる光を発する第１および第２の半導体レーザ素子が形成されたモノリシック構造の２波長半導体レーザにおいて、前記第１および第２の半導体レーザは、それぞれの第２導電型クラッド層に互いに異なる不純物がドープされていて、それぞれの活性層の発光端面近傍の多重量子井戸が第２導電型クラッド層の上から拡散された互いに同一種の不純物により無秩序化されていることを特徴とする。

ここで、第１および第２の半導体レーザ素子の第２導電型クラッド層にドープされている互いに異なる不純物とは、それぞれにドープされている１または複数の不純物の種類や組み合わせが互いに異なっていることを言い、同一組み合わせの複数の不純物を使用したときに、その複数の不純物間の比率が、双方の第２導電型クラッド層で異なっている場合も含む。

本発明によれば、第１および第２の半導体レーザの第２導電型クラッド層に互いに異なる不純物を用いることにより、バンドギャップを広げるべく各第２導電型クラッド層の上から熱拡散させる不純物の拡散速度を調節すること、それにより熱処理時間を同等にすることが可能になり、両半導体レーザの窓構造を、高出力を確保しながら、同時に作製することが可能である。過剰な拡散は回避できるので、局所的な屈折率の変動等は伴わない。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１および図２は、本発明の一実施形態における２波長半導体レーザの製造方法を説明する工程断面図である。

図１（ａ）に示すように、有機金属気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）などのエピタキシャル成長法により、第１導電型の基板１０１上に、第１導電型のバッファ層１０２と、第１導電型のクラッド層１０３と、発振波長７８０ｎｍの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１０４と、第２導電型のクラッド層１０５と、第２導電型のコンタクト層１０６とを順次エピタキシャル成長させて、第１の半導体レーザ素子となる第１の積層構造１１Ａを形成する。ここで第１導電型はｎ型、第２導電型はｐ型である。

詳細には、基板１０１は１０度オフのＳｉドープｎ型ＧａＡｓ基板（キャリア濃度１．０Ｅ１８ｃｍ^−３；以下キャリア濃度については値のみ記す）である。第１導電型のバッファ層１０２はＳｉドープｎ型ＧａＡｓバッファ層（１．０Ｅ１８ｃｍ^−３、膜厚０．４μｍ）、第１導電型のクラッド層１０３はＳｉドープｎ型Ａｌ_０.５５Ｇａ_０.４５Ａｓクラッド層（１．０Ｅ１８ｃｍ^−３、膜厚２．５μｍ）、活性層１０４はＧａＡｓウェル層とＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓバリア層とからなる多重量子井戸(ＭＱＷ)の活性層、第２導電型のクラッド層１０５はＺｎドープｐ型Ａｌ_０．５５Ｇａ_０．４５Ａｓクラッド層（１．０Ｅ１８ｃｍ^−３、膜厚１．５μｍ）、第２導電型のコンタクト層１０６はＺｎドープｐ型ＧａＡｓコンタクト層（１．０Ｅ１９ｃｍ^−３、膜厚０．４μｍ）である。

次に、図１（ｂ）に示すように、第２の半導体レーザの形成領域を確保するために、上記した各層１０３、１０４、１０５、１０６の所定領域をエッチングにより除去した後、
第１導電型のクラッド層１０７と、発振波長６５０ｎｍの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１０８と、第２導電型のクラッド層１０９と、第２導電型のコンタクト層１１０とを順次エピタキシャル成長させて、第２の半導体レーザ素子となる第２の積層構造１２Ａを形成する。

詳細には、第１導電型のクラッド層１０７はＳｉドープｎ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層（１．０Ｅ１８ｃｍ^−３、膜厚２．５μｍ）、活性層１０８はＧａＩｎＰウェル層と（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐバリア層とからなる多重量子井戸(ＭＱＷ)の活性層、第２導電型のクラッド層１０９はＭｇドープｐ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層（１．０Ｅ１８ｃｍ^−３、膜厚１．５μｍ）、第２導電型のコンタクト層１１０はＺｎドープｐ型ＧａＡｓコンタクト層（１．０Ｅ１９ｃｍ^−３、膜厚０．４μｍ）である。

次に、図１（ｃ）に示すように、第１の積層構造１１Ａ上の第２の積層構造１２Ａをエッチングにより除去して、第１半導体レーザ素子となる第１の積層体１１と、第２半導体レーザ素子となる第２の積層体１２とをモノリシック状に形成する。

次に、図２（ａ）に示すように（共振器長方向に沿った断面を示している）、発光端面近傍の窓領域１１１にＺｎＯ１１３／ＳｉＯ_２１１４、利得部にＳｉＯ_２１１２／ＺｎＯ１１３／ＳｉＯ_２１１４の膜を形成する。図中の括弧外の符号は第１の半導体レーザ素子に対応し、括弧内の符号は第２の半導体レーザ素子に対応する。

この状態で熱処理を行う。このことにより、図２（ｂ）に示すように、ＺｎＯ１１３膜が直上に形成された窓領域１１１において、ＺｎＯ１１３膜からのＺｎが下層のＺｎを押し出す、もしくはそのまま活性層１０４（または１０８）まで拡散して、高濃度Ｚｎ拡散領域１１５が形成され、活性層１０４（または１０８）の内でＺｎが拡散された領域はＭＱＷ構造が無秩序化された領域となる。

この際に下層の不純物は、上述したように、第１の半導体レーザでは、第１導電型（ｎ型）のバッファ層１０２およびクラッド層１０３の不純物をＳｉとし、第２導電型（ｐ型）のクラッド層１０５およびコンタクト層１０６の不純物をＺｎとしている。また第２の半導体レーザでは、第１導電型（ｎ型）のバッファ層１０２およびクラッド層１０７の不純物をＳｉとし、第２導電型（ｐ型）のクラッド層１０９の不純物をＭｇとし、第２導電型（ｐ型）のコンタクト層１１０の不純物をＺｎとしている。

つまり、第１半導体レーザの第２導電型（ｐ型）のクラッド層１０５には不純物としてＺｎを用い、第２半導体レーザの第２導電型（ｐ型）のクラッド層１０９には、第１半導体レーザとは異なる不純物Ｍｇを用いている。このように第２半導体レーザの第２導電型（ｐ型）のクラッド層１０９にＭｇを用いると、Ｚｎを用いる場合に比べて、同等のバンドギャップ、屈折率まで無秩序化するのに要する熱処理時間が長くなる。このため、第１半導体レーザ、第２半導体レーザの窓構造を、同時に同一時間だけ熱処理（アニール）することで、作製することができる。

熱処理後に、図２（ｃ）に示すように、ＳｉＯ_２１１４，１１２，ＺｎＯ１１３の膜をエッチングにより除去する。図示を省略するが、導波路、電流ブロック層、基板１０１に接続するｎ型電極およびｐ型電極などをさらに形成することにより、２波長半導体レーザを完成させる。

図３に、第１および第２の半導体レーザの第２導電型（ｐ型）クラッド層たるＡｌＧａＡｓ層とＡｌＧａＩｎＰ層に不純物を拡散させる際の、熱処理時間とバンドギャップ変動量（窓領域の活性層の波長変動量）との関係を示す。光吸収を充分に抑える端面窓構造を作製するには、利得部に対して、窓部のバンドギャップの変動量が１８〜２４ｍｅＶ必要である。

図３（ａ）は、ＡｌＧａＡｓ層とＡｌＧａＩｎＰ層に同一種の不純物Ｚｎを用いる従来法による結果を示す。バンドギャップ変動量１８〜２４ｍｅＶを確保するために、ＡｌＧａＩｎＰ層を備えたレーザでは１００〜１２０（ｍｉｎ）を要するのに対し、ＡｌＧａＡｓ層を備えたレーザでは１８０〜２１０（ｍｉｎ）を要し、両レーザに関して必要なバンドギャップ変動量を同時に確保できる熱処理時間は存在しない。

図３（ｂ）は、ＡｌＧａＡｓ層に不純物Ｚｎを用い、これとは異なる不純物ＭｇをＡｌＧａＩｎＰ層に用いる本発明方法による結果を示す。ＡｌＧａＩｎＰ層を備えたレーザでは、バンドギャップ変動量が１８〜２４ｍｅＶとなる熱処理時間は１７０〜２００（ｍｉｎ）で、不純物Ｚｎを用いたときよりも長くなっており、両レーザに関して必要なバンドギャップ変動量を満たす熱処理時間１８０〜２００（ｍｉｎ）が存在している。この結果は、同じ熱処理時間で２波長半導体レーザの窓部を同時に良好に形成できることを示すものである。

なお上記した実施の形態では、一方の第２導電型クラッド層たるｐ型ＡｌＧａＡｓ層の不純物に亜鉛Ｚｎを用い、もう一方の第２導電型クラッド層たるｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層の不純物にマグネシウムＭｇを用いたが、これに限定されない。たとえばＺｎ，Ｍｇのそれぞれに代えて、あるいはＺｎ，Ｍｇのそれぞれとともに、ベリリウムＢｅや炭素Ｃを用いてもよいし、また双方に同一組み合わせの複数の不純物を用いた場合にその複数の不純物間の比率を相異ならせてもよい。

本発明の２波長半導体レーザ及びその製造方法は、高出力を実現できるので、書き込みも可能なレーザ装置等に有用である。

本発明の２波長半導体レーザの製造方法の前半工程を示す断面図 本発明の２波長半導体レーザの製造方法の後半工程を示す断面図 本発明方法および従来法で製造される２波長半導体レーザのバンドギャップ変動量と熱処理時間との相関図

符号の説明

１１ 第１の積層体
１２ 第２の積層体
１０１ 第１導電型半導体基板
１０２ 第１導電型バッファ層
１０３ 第１導電型クラッド層
１０４ 活性層
１０５ 第２導電型クラッド層
１０６ 第２導電型コンタクト層
１０７ 第１導電型クラッド層
１０８ 活性層
１０９ 第２導電型クラッド層
１１０ 第２導電型コンタクト層
１１１ 窓領域
１１２ ＳｉＯ_２膜
１１３ ＺｎＯ膜
１１４ ＳｉＯ_２膜
１１５ Ｚｎ拡散領域

Claims (2)

1. 波長の異なる光を発する第１および第２の半導体レーザ素子を同一の基板上に備えたモノリシック構造の２波長半導体レーザの製造方法であって、
   第１導電型の半導体基板上に、第１導電型クラッド層と、多重量子井戸構造の活性層と、第２導電型クラッド層とを順次に形成し、前記半導体基板上の所定領域に形成された各層を除去して、第１の半導体レーザ素子を構成するための第１の積層半導体を形成する工程と、
   前記所定領域および第１の積層半導体の形成領域を含む半導体基板上に、第１導電型クラッド層と、多重量子井戸構造の活性層と、前記第１の積層半導体の第２導電型クラッド層とは異なる不純物をドープした第２導電型クラッド層とを順次に形成し、前記第１の積層半導体上に形成された各層を除去して、第２の半導体レーザ素子を構成するための第２の積層半導体を形成する工程と、
   前記第１および第２の積層半導体の表面に互いに同一種の不純物拡散源を設け、熱処理によって不純物を拡散させることにより、前記第１および第２の積層半導体の活性層の発光端面近傍の多重量子井戸を同時に無秩序化させる工程と
   を行う２波長半導体レーザの製造方法。
2. 第１導電型の基板上に、第１導電型クラッド層と多重量子井戸構造の活性層と第２導電型クラッド層とをそれぞれ有する、波長の異なる光を発する第１および第２の半導体レーザ素子が形成されたモノリシック構造の２波長半導体レーザにおいて、
   前記第１および第２の半導体レーザは、それぞれの第２導電型クラッド層に互いに異なる不純物がドープされていて、それぞれの活性層の発光端面近傍の多重量子井戸が第２導電型クラッド層の上から拡散された互いに同一種の不純物により無秩序化されている
   ２波長半導体レーザ。

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