JP2502949B2 - 半導体量子井戸型レ―ザ及びその製造方法 - Google Patents

半導体量子井戸型レ―ザ及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、一般的には半導体レ
ーザに関するもので、特に、非吸収鏡と、電流とじこめ
効果をそなえた、平坦で、トポロジー・フリーで、単一
モードの、高出力量子井戸型レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】リッジレーザは通常、単一横モード屈折
率導波型レーザを製作するのに用いられる。この形式の
典型的な構造は、米国特許第５０５９５５２号に書かれ
ている。しかし、リッジレーザは、大きなトポロジーを
持つ（つまり、隣合った要素間の高さに大きな違いがあ
る）という明らかな不利があり、レーザの製作を困難に
し、製品を高価にしている。
【０００３】リッジレーザには、そのトポロジーは導波
領域に見られるストレスの変化を引き起こすというさら
に不利な点がある。このストレスは、レーザ構造を形成
するのに必要な層である、絶縁層と金属化層によって生
じる。これが、井戸とじこめ単一横モード導波効果を得
るのを困難なものにしている。
【０００４】ＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓ半導体レーザ構
造は量子井戸（ＱＷ）をうまく作るのに用いられてき
た。最近の発明では、ＳｉＯ2キャップを用いた選択的
混晶化がＱＷのバンドギャップを大きく増加することが
示されている。この技術は、Ｊ．Ｙ．Ｃｈｉらによって
Appl.Phys.Lett.,55(9),Aug.28,1989 に発表された文献
『ＳｉＯ2キャップと急熱アニーリングによるＧａＡｓ
／ＡｌＧａＡｓ量子井戸の空間選択的改質（Spatially
selective modification of GaAs/AlGaAs quantum well
s by SiO2 capping and rapid thermal annealing ）』
に書かれており、ＱＷのバンドギャップ断面を改良する
のに利用されている。
【０００５】半導体レーザ結晶の劈開はレーザの面を形
成するのに有利に利用されてきた。しかし、大量生産や
集積回路については、比較的最近の手法、すなわち化学
的効果を伴ったイオンビームエッチング手法を用いるの
が望ましく、この手法は劈開面と同等の品質を得るのに
うまく使われている。Ａ．Ｂｅｈｆａｒ−Ｒａｄらによ
ってAppl.Phys.Lett.,54(6),Feb.6,1989で発表された文
献『非常に高品質なエッチングされた面を持つ矩形及び
Ｌ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓレーザ（Rectangular and
L-shaped GaAs/AlGaAs lasers with very high quality
etched facets）』では、ＳｉＯ2エッチマスクを基に
した製造方法が書かれており、それによって非常に滑ら
かなエッチング面が得られている。
【０００６】高出力単一横モード半導体レーザは、光学
記録装置、エルビウム・ドープした光ファイバ増幅器、
及び周波数倍増器から分布する様々な応用に使われてき
ている。信頼性の点を考えてみると、半導体レーザは、
特に高出力半導体レーザは非吸収鏡と非吸収面とを持っ
ているという利点がある。
【０００７】さらに、電流とじこめ効果は、半導体レー
ザを低い温度で操作できるので、スレショルド電流密度
を低くするのに好都合であり、従って、その全体的な信
頼性をより高める。電流とじこめ効果はまた、面での表
面再結合電流の問題を避ける。構造中の横電流とじこめ
効果は、導波路に隣接した領域に電流が流れることを防
ぐ点でもさらに有利であり、従って、高出力での非基本
モードの発生を抑えたデバイスを作れる。
【０００８】レーザビームの低い垂直遠視野（ＶＦＦ）
性能は多くの適用において非常に望ましい。Ｍ．Ｃ．Ｗ
ｕらによるAppl.Phys.Lett.,59(9),Aug.26,1991 の文献
『周期的屈折率独立とじこめヘテロ構造量子井戸レーザ
（A periodic index separate confinement heterostru
cture quantum well laser ）』といった最近の文献
は、低いＶＦＦを達成するためにレーザ構造に施された
複雑化の度合いが示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の第１の目的
は、非吸収鏡を備えた高出力で単一モードの半導体量子
井戸型レーザを提供することである。
【００１０】他の目的は、製造を容易にするために半導
体レーザのトポロジーを無くすことである。
【００１１】さらに他の目的は、不必要な領域への電流
の漏れを無くし、それによって、スレショルド電流密度
の低下、及びレーザ操作の低温化を導くことである。
【００１２】より特定の目的は、面での表面再結合電流
を防ぎ、又同時に非吸収鏡をもたらす、不純物フリーな
拡散技術によってバンドギャップを増加してレーザの面
の近くを流れる電流を防ぐことである。
【００１３】さらなる目的は、非吸収鏡を用いること
で、高出力で単一モードのレーザの操作の信頼性を十分
に高めることである。
【００１４】さらに特定の目的は、レーザ構造の組成を
改質し、よって屈折率を変える、不純物フリーな拡散技
術を用いて横方向の光とじこめ効果をもたらすことであ
り、それによって単一横基本モードの操作を可能にする
ことである。
【００１５】またさらなる目的は、面を形成する通常の
劈開とエッチングとで同質のレーザ構造を形成すること
である。
【００１６】他の目的は、半導体レーザにおける複数の
組成及び／又は厚みを用いることで異なる波長を得るこ
とである。
【００１７】さらに他の目的は、半導体レーザ構造に複
数の波長を得るための量子井戸にＧａＡｓ、ＡｌＧａＡ
ｓ、ＩｎＧａＡｓ、またはＩｎＡｌＧａＡｓを用いるこ
とである。
【００１８】さらに他の目的は、低い遠視野を持った半
導体レーザ構造を得ることである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】この発明は、量子井戸型
レーザ構造を形成する方法が示されている。そのレーザ
の活性領域の外側にある領域は置換元素の拡散を促進す
るといった物質の影響を受けやすいので、活性領域の外
側のバンドギャップを大きくすることにより活性領域を
縦方向にも横方向にも制限する方法を示す。
【００２０】
【実施例】本発明の具体例を示す前に、典型的なリッジ
レーザ構造の簡単な概要を図１に基づいて示す。
【００２１】図１は、よく知られているリッジレーザ構
造１の主な素子のみを示した。基体２の上の積層構造
は、少なくともクラッド層４と６との間に挟持された活
性層５を持つ。この図は導波リッジを形成するのに必要
な工程を完了した後の構造を示す。これは、接触層７と
上部クラッド層６のリッジ部８から成る。図には、リッ
ジの側壁を埋め、かつ上部クラッド層６の表面を被覆す
る絶縁物や、完成したデバイスに電気的接点を与える金
属化層は示されていない。
【００２２】このデバイスに適当な作動電圧を印加して
励起させると、光ビーム３を発光する。図中では、レー
ザの光モード領域は活性層５周辺を中心に、リッジ９で
側方向を制限された小さなだ円１１で示されている。
【００２３】図２では、ｎ型ＧａＡｓ基体１０は分子線
エピタキシ（ＭＢＥ）装置で、下部レ−ザ構造２６をエ
ピタキシャルに成長させるのに用いられる。Ｍｏｄｕｌ
ａｒＧＥＮ ＩＩシステムのような広く普及しているＭ
ＢＥ装置の取扱いは、当業者にある程度よく知られてい
る。このレーザ層はＡｌxＧａ1-xＡｓから成る。下文で
は、ＧａＡｓは主化学成分と呼ばれ、またＡｌは置換元
素（すなわち、それ自身をＧａの代わりに置換し、従っ
てＡｌxＧａ1-xＡｓとなる。）と呼ばれる。図２の点２
８における断面を、図３に詳しく示す。ここでは、基体
１０の上に順々に成長した種々の層を示しており、それ
らは望ましくは、層１２はｎ型ＧａＡｓ緩衝層であり、
層１４はＧａＡｓで始まりＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓで終わる
直線的な濃度勾配を持った層で、この層は１００ｎｍの
厚みを持ち、Ｓｉでドープされたｎ型であり、層１６は
Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓのクラッド層で、２．５μｍの厚み
を持ち、Ｓｉでドープされたｎ型であり、層１８はＡｌ
0.4Ｇａ0.6Ａｓで始まりＡｌ0.26Ｇａ0.74Ａｓで終わる
直線的な濃度勾配を持った層で、１００ｎｍの厚みを持
ち、ドープされていない層であり、層２０はドープされ
ていないＧａＡｓ量子井戸（ＱＷ）で、７ｎｍの厚みを
持った層であり、層２２はＡｌ0.26Ｇａ0.74Ａｓの成分
で始まりＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓの成分で終わる、ドープさ
れていない、直線的な濃度勾配を持った領域で、この層
の厚みは１００ｎｍであり、及び、層２４は２００ｎｍ
の厚みを持った、ドープされていないＧａＡｓキャップ
である。
【００２４】直線的な濃度勾配（ｇｒａｄｉｎｇ、グレ
ージング）は望ましいグレージングの方法として書かれ
ているが、これらの濃度勾配層を形成するのに利用され
得る他のグレージングの様式も考えられよう。
【００２５】層１２、１４、１６、１８、２０、２２、
及び２４は量子井戸型半導体レーザ構造の下部２６を形
成する。
【００２６】次に、レーザ定義層とも呼ばれる、プラズ
マエンハンスされた化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ）された
ＳｉＯ2層３４が下部レーザ構造２６の表面上に付着さ
れる。この層はフォトレジストと緩衝ＨＦ（フッ化水素
酸）溶液を用いてパターニングされる。次にそのフォト
レジストは除去される。その構造の斜視図は図４に描か
れている。またＳｉＯ2層中の開口部３１も見られる。
開口部３１はレーザの活性領域を決める。そのパターニ
ングされたＳｉＯ2層は、それからＰＥＣＶＤ窒化シリ
コン層３６で被覆され、それは開口部３１において層２
４と接触している。そのＳｉ3Ｎ4層３６は拡散防止層と
も呼ばれる。
【００２７】図５はＳｉ3Ｎ4被覆３６を持った構造を示
す。図５の位置３８（開口部３１内）と位置３９（開口
部３１外）とにおける断面を図６と図７とにそれぞれ示
す。これらの図はそれら２つの位置での違いを明らかに
表している。
【００２８】図６の断面では、ＰＥＣＶＤ Ｓｉ3Ｎ4層
３６がＧａＡｓキャップ層２４に接触している。しか
し、図７の断面では、ＰＥＣＶＤ ＳｉＯ2層３４がＧ
ａＡｓキャップ層２４に接触している。図８は、７００
℃から９００℃の範囲での所定の温度で、１５秒から１
０分の範囲の時間で行われた、急熱アニーリング（ＲＴ
Ａ）後の斜視図を示す。この特定の温度と時間は、ＰＥ
ＣＶＤ ＳｉＯ2層３４の厚みと構造のバンドギャップ
を変えるために望ましい混晶化のレベルとを含むいくつ
かのパラメータに依存する。このＲＴＡ過程はＧａＡｓ
キャップ層２４からＳｉＯ2層３４へのＧａの拡散を起
こさせる。しかし、Ｓｉ3Ｎ4層３６に直接接触している
ＧａＡｓキャップ層２４の領域からのＧａの拡散は、こ
の過程においては無視され得る。このＳｉＯ2層３４へ
のＧａの急速な拡散はＳｉＯ2層３４に覆われた領域にI
II族の空位を形成する。これは、III族の元素、つまり
ＡｌとＧａの混晶化を交互に起こす。この混晶化は、Ｓ
ｉ3Ｎ4層３６がＧａＡｓキャップ２４に直接接触してい
る開口部３１の方へ向かって、内部でわずかづつ透入し
拡散する。この透入はごくわずかで、開口部３１の周囲
から離れるに従い減少する。これは、レーザ構造におけ
る開口部の外側から内側への混晶化の度合いを、非常に
望ましく濃度勾配変化させる。
【００２９】下部レーザ構造２６は不純物フリーな拡散
過程により改質されたので、以下では２６ａと表わす。
【００３０】図８の位置４０と４２とにおける断面を図
９と１０とにそれぞれ示す。これらの図は、不純物フリ
ーな拡散過程を経て、量子井戸は完全に開口部３１の下
の領域にのみあって（開口部３１の内部と回りの極薄い
周辺を除いて）、活性領域を形成し、全く違うことを示
している。拡散の効果は、バンドギャップが活性領域の
外側で高くなり、それにより屈折率を下げることであ
る。バンドギャップの上昇は電流を活性領域に集中させ
る。屈折率の減少はビームを光学的にとじこめる。
【００３１】次に、Ｓｉ3Ｎ4層３６はＣＦ4反応性イオ
ンエッチング（ＲＩＥ）を用いて除去される。その後、
パターニングされたＳｉＯ2層３４をエッチング除去す
るのに、ＨＦが用いられる。ＧａのＳｉＯ2への混入に
より、ＳｉＯ2のエッチングは、通常のＳｉＯ2のそれと
は何かしら違った挙動を示す。代わりに、Ｓｉ3Ｎ4層３
６とパターニングされたＳｉＯ2層３４との両方を単一
低バイアス電圧ＣＦ4ＲＩＥで除去することもできる。
それからこの基体の表面は開口部３１の下の不純物フリ
ーな拡散の影響を受けていない領域のＧａＡｓを１５０
ｎｍ除去するために２００Ｈ２Ｏ：１６Ｈ２ＳＯ４：Ｈ
２Ｏ２を用いてエッチングされる。このエッチングは一
般にＧａＡｓよりもいくらか速くＡｌxＧａ1-xＡｓを除
去するので、開口部３１の下の部分は他の部分よりわず
かに高くなる。この過程における構造の斜視図を図１１
に示す。活性領域のうえの領域は数字５７で表わされて
いる。改質された下部レーザ構造２６ａはさらに２００
Ｈ2Ｏ：１６Ｈ2ＳＯ4：Ｈ2Ｏ2エッチングにより改質さ
れたので、以下では２６ｂと表わされる。高さのわずか
な違いは、構造の大きさに比べ、全く無視することがで
き、図１１では強いて描かれていない。この構造はＭＢ
Ｅ装置に入れられ、脱着は、Ａｓの流束下で、不純物フ
リーな拡散の影響を受けていない領域の上にあるＧａＡ
ｓの残り５０ｎｍに対し施される。この過程はＧａＡｓ
を除去するが、ＡｌＧａＡｓの層で止まる。この過程が
完了すると、図１２に示されるように、半導体レーザ構
造の上部５０を形成する層がＭＢＥ装置内で付着され
る。レーザ構造の上部５０は、望ましくは、以下に示す
層から成っており、層５２はＢｅでｐ型にドープされた
Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓのクラッド層で１．８５μｍの厚み
であり、層５４はＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓで始まりＧａＡｓ
で終わる、直線的な濃度勾配を持った層で、１００ｎｍ
の厚みを持ち、Ｂｅでｐ型ドープされた層であり、層５
６は（Ｂｅで）高度にｐドープされたＧａＡｓ接触層
で、５０ｎｍの厚みを持つ層である。
【００３２】改質された下部レーザ構造２６ｂは、ＭＢ
Ｅ装置内のＡｓの流束下でのＧａＡｓの除去により、さ
らに改質されたので、以下では２６ｃと表わす。直線的
なグレージングは好ましいグレージングの方法として書
かれているが、これらのグレージングされた層を形成す
るのに有利に利用され得る他のグレージングの様式も当
業者には考えられよう。
【００３３】図１２の２つの位置５８と５９とにおける
断面は図１３と１４とにそれぞれ示され、これらの図
は、不純物フリーな拡散の影響を受けていない領域５７
と、この拡散の影響を受けた領域との間の構造的な違い
を示している。
【００３４】ｎコンタクト１２６は基体の背面に付着さ
れる。ＰＥＣＶＤ Ｓｉ3Ｎ4の１００ｎｍの層１０８は
レーザ構造の表面に付着され、このｎコンタクトは、望
ましくは、ＲＴＡ装置でアニールされる。基体の表側を
窒化シリコンで覆う目的は、アニーリング中にＧａＡｓ
接触層５６からＡｓが脱離するのを防ぐためである。
【００３５】位置合わせとフォトリソグラフの解像度を
利用して、図１５に示されるように、Ｓｉ3Ｎ4層１０８
はパターニングされる。ＣＦ4 ＲＩＥは、フォトレジ
ストをマスクに用い、Ｓｉ3Ｎ4層１０８のパターニング
を行う。このフォトレジストは、その後除去される。そ
れから開口部はｐ金属コンタクトを形成される。当業者
にはよく知られている金属化リフトオフ過程を用いて、
このｐ金属コンタクト１１０は付着され、さらに望まし
くはＲＴＡを用いてアニールされる。
【００３６】Ｓｉ3Ｎ4層１０８のパターニングは、前述
のような方法で、劈開面チャネル１０４とダイシングチ
ャネル１００とを形成するように行われる。線１１２は
劈開された面を形成する場所を示し、一方、線１１３は
一個一個のダイスを実際に形成させる切断面または劈開
面を示す。活性レーザ領域は開口部１０２の下でｐコン
タクトに向かってチャネル１００に平行にある。これは
図１６に平面図で示されている。レーザ面の劈開の名目
上の位置を定めている破線１１２は、図１６と１７とに
おけるかっこ１１４で示された距離だけ活性領域の端か
ら偏っていることに注目する。この分離が、前述の金属
化リフトオフ手法によるコンタクトの形成をさせる。側
面１２２を形成するために切断または劈開する名目上の
位置を定めている破線１１３は、かっこ１１５で示され
た距離だけ活性領域から偏っている。この距離は、図１
６と１７とに示されるように、１２２の一方の端から活
性領域までの距離と、反対側の端から活性領域までの距
離とでは、慎重に異なるように決められている。最後
に、１１２に沿ったチャネル１０４で面１２４を劈開
し、チャネル１００で側面１２２を切断または劈開して
ダイスに形成した後、このデバイスは、図１７に示され
るような最終的な形をとる。そこに見られるように、レ
ーザの完成した物理構造は非常に平らで、リッジレーザ
の弱点であるストレスの変化はこの活性領域では無視し
得る。
【００３７】他の方法として、上記の面は、Ａ．Ｂｅｈ
ｆａｒ−ｒａｄらによるAppl.Phys.Lett.,54(6),Feb.6,
1989 に概要が述べられている手法を用いて、エッチン
グによっても形成され得る。その基体は垂直方向にトポ
ロジー・フリーなので、その構造はこのエッチング手法
によって井戸を作られる。ＳｉＯ2とＳｉ3Ｎ4の付着、
パタ−ニング及び除去の過程は、当業者によく知られて
いる通常の集積回路の技法で行われる。エッチングされ
た面を形成する過程は、層１０８を付着する点で、上記
の過程とは違っている。その後の手順は、米国特許第４
８５１３６８号のＡ．Ｂｅｈｆａｒ−Ｒａｄらによる
『進行波半導体レーザの作成方法（Method of making t
ravelling wave semiconductor laser）』に概要が示さ
れている方法に従う。
【００３８】図１７に図示されているレーザ構造はその
面１２４から出力レーザビーム１１６を発生させる。
【００３９】水平遠視野はリッジ半導体レーザのリッジ
幅と残余エッチの深さを変化させることでうまく操作さ
れるが、低い垂直遠視野（ＶＦＦ）（または半導体レー
ザ接合に対し垂直の方向のビームの発散）を達成するに
はさらなる改良を必要としていた。このＶＦＦはエピタ
キシャル蒸着装置内で成長する半導体層によって主に支
配される。研究者たちは低いＶＦＦを得るために非常に
複雑な構造にしてきた（前に示したＭ．Ｃ．Ｗｕによる
文献を参照）。ここでは、レーザ構造を形成する様々な
層の組成と厚みは、最小の内部吸収となるように慎重に
設計され、低いＶＦＦを達成している。
【００４０】図１に示されたようなリッジ構造におい
て、低いＶＦＦを得ようとするなら、上で述べたような
間に不純物フリーな拡散の過程をおいた２つの過程から
成る付着法に対して、たった１段階の連続的エピタキシ
ャル成長が、図１３の構造と同等の構造を形成するのに
必要となろう。この構造において、ＡｌxＧａ1-xＡｓ中
のＡｌの濃度、厚み、及びドーピングが、前に特定した
ものと同じになる。
【００４１】さて図１８では、異なるＡｌ濃度ｘについ
て 上部及び下部クラッド層の厚みへのＶＦＦの依存性
を示したグラフが描かれている。クラッド層以外のすべ
ての層の厚みとＡｌ濃度のレベルは図１３に示したとう
りであるが、簡単にするために、上部及び下部クラッド
層の厚みは等しくしてある。ｘ＝０．７におけるＶＦＦ
は光学記憶装置といった通常の適用には高過ぎることが
明らかに示されている。この場合、ＶＦＦの変化は、１
μｍ以上のクラッド層の厚みには基本的には依存しな
い。それに対し、ｘ＝０．３では、ＶＦＦは低いが、厚
みが３．５μｍより大きい時には、その曲線は平らにな
ってしまう。
【００４２】図１９では、図１８と同じｘ値の範囲につ
いて、上部及び下部クラッド層の厚みに対する吸収の関
係図が描かれており、その吸収は、減衰金属接触層と、
構造の上部及び下部ＧａＡｓ基体のＧａＡｓ接触層とで
起こる。吸収は減衰領域で、モードの垂直分布に基本的
に依存して、変化する出力である。
【００４３】このデータは、上に引用したＷｕの文献に
示されるような非常に複雑な構造は、満足できる低いＶ
ＦＦを達成するのに必要でないことを立証している。ク
ラッド層のＡｌ濃度と厚みの正しい組み合わせが選択さ
れれば、さらにその組み合わせが低い吸収をももたらす
ならば、低いＶＦＦは、図１３の簡単な構造で容易に達
成することができる。与えられたｘ値に対する適当な厚
みは、図１８に示された曲線が平になる「遷移厚み」と
等しいか大きい。この遷移厚みはまた０．３／ｃｍとほ
ぼ等しい吸収とも対応する。例えば、ｘ＝０．６におけ
る遷移厚みはおよそ１．２μｍであり、ｘ＝０．５では
１．４μｍであり、ｘ＝０．４では１．９μｍであり、
及び、ｘ＝０．３では３．３μｍである。従って、低い
ＶＦＦの適応には、１．４μｍと２．５μｍの間のクラ
ッド層の厚みに対し、０．５と０．３の間のｘの値がこ
の位相空間の範囲で望ましいことが、当業者に理解され
るであろう。
【００４４】図２０は、図１８と１９で用いた上部及び
下部クラッド層について、同じｘ値の範囲における吸収
を関数としたＶＦＦの変化を、図１８と１９のデータで
示している。図２０はまた、約０．３／ｃｍより小さい
吸収値について、ＶＦＦは基本的に吸収とは独立してい
ることを示している。
【００４５】
【発明の効果】平坦で、トポロジー・フリーな、半導体
量子井戸型レーザについて、その量子井戸活性層は、不
純物フリーな拡散の技術を駆使して形成される低い屈折
率をもった高いバンドギャップによってすべての側面を
閉じ込められた特定の領域に形成される。それにより、
電流はその活性領域に集中され、高出力で単一モードの
レーザを得ることができる。このレーザ構造は、垂直方
向のビーム発散を低くするよう設計される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のリッジ導波路レーザ構造の概略斜視
図。
【図２】本発明に従って、基体上に下部レーザ構造をＭ
ＢＥ（分子線エピタキシー）で付着した後のレーザ構造
の概略斜視図。
【図３】図２に示した構造の表面から基体部分までの断
面におけるＡｌxＧａ1-xＡｓ中のＡｌの濃度。
【図４】表面上にＳｉＯ2をＰＥＣＶＤで付着し、Ｓｉ
Ｏ2層に開口部を設けた後のレーザ構造の概略斜視図。
【図５】Ｓｉ3Ｎ4をＰＥＣＶＤで付着した後の構造概略
斜視図。
【図６】図５の点３８についての断面図。
【図７】図５の点３９についての断面図。
【図８】急熱アニ−リングした後の構造の斜視図。
【図９】図８の点４０についての断面図。
【図１０】図８の点４１についての断面図。
【図１１】Ｓｉ3Ｎ4層とＳｉＯ2層を除去した後の構造
の斜視図。
【図１２】最表面をエッチングし、上部レ−ザ構造を第
２のＭＢＥで付着して形成したものの斜視図。
【図１３】図１２の点５８についての断面図。
【図１４】図１２の点５９についての断面図。
【図１５】Ｓｉ3Ｎ4をＰＥＣＶＤで付着し、金属接触の
ための開口部を確保するためにパターニングをした後の
構造の斜視図。
【図１６】最上部に金属の付着を施した後の構造の平面
図。
【図１７】完成品の構造の斜視図。
【図１８】ＡｌＧａＡｓクラッド層中の異なるＡｌ濃度
について 上部クラッド層と下部クラッド層の厚みに対
する このレ−ザ構造での垂直遠視野（ＶＦＦ）。
【図１９】ＡｌＧａＡｓクラッド層中の異なるＡｌ濃度
について 上部クラッド層と下部クラッド層の厚みに対
する このレ−ザ構造での内部損失。
【図２０】ＡｌＧａＡｓクラッド層中の異なるＡｌ濃度
について このレ−ザ構造の内部損失に対する このレ
−ザ構造での垂直遠視野（ＶＦＦ）。
【符号の説明】
１：既知のリッジレ−ザ構造、２：基体、３：光ビ−
ム、４：下部クラッド層、５：活性層、６：上部クラッ
ド層、７：接触層、８：リッジ断面、９：導波リッジ、
１０：ｎ型ＧａＡｓ基体、１１：レ−ザの光モード領
域、１２：ｎ型ＧａＡｓ緩衝層、１４、１８、２２：濃
度勾配層、１６：クラッド層、２０：ＧａＡｓ量子井戸
（ＱＷ）、２４：ＧａＡｓキャップ、２６：レ−ザ構造
下部、３１：開口部、３４：ＰＥＣＶＤ ＳｉＯ2層、
３６：ＰＥＣＶＤ Ｓｉ3Ｎ4 拡散防止層、５０：レ−
ザ構造上部、５２：クラッド層、５４：濃度勾配層、５
６：接触層、１００：ダイシングチャネル、１０２：Ｐ
コンタクトのための開口部、１０４：面劈開チャネル、
１０８：ＰＥＣＶＤ Ｓｉ3Ｎ4層、１１０：Ｐコンタク
ト、１１２：劈開線、１１３：切断線、１１６：レ−ザ
ビ−ム、１２２：切断面、１２４：劈開面、１２６：Ｎ
コンタクト。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クリストフ・ステファン・ハーダー スイス国チューリッヒ レンゲルシュト ラッセ 66 シーエイチ−8038 (72)発明者 ハインツ・ペーター・マイヤー スイス国タルヴィル アルゼンシュトラ ッセ 21 シーエイチ−8800

Claims (50)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体基体上に積層された複数の層を含
    む、少なくとも１つの量子井戸構造を持つ半導体レーザ
    の製造方法であって、 基体上に基本化学組成と少なくとも１つの置換元素を含
    む一組のレーザ層を形成し、 上記レーザ層は、少なくとも、上記置換元素を第１の濃
    度で含有する下部クラッド層と、下部濃度勾配層とを含
    み、該下部濃度勾配層は、上記置換元素が下部界面にて
    は第２の濃度で含有され上部界面にては第３の濃度で含
    有されるように化学組成が変化しているものであり、 上記下部濃度勾配層の上に、上記置換元素を第４の濃度
    で含有する量子井戸層を形成し、 上記量子井戸層上に、上部濃度勾配層を形成し、その上
    部濃度勾配層は、上記置換元素が上記量子井戸層との下
    部界面にては第５の濃度で含有され上部界面にては第６
    の濃度で含有されるように化学組成が変化しているもの
    であり、 上記の上部濃度勾配層の上に、上記置換元素が第７の濃
    度で含有される上部クラッド層と、該上部クラッド層上
    に、上記置換元素が第８の濃度で含有される接触層を付
    着し、 上記基体の残りの部分から活性領域を含むレーザ構造を
    分離することによって上記半導体レーザを製造する方法
    において、 上記の上部濃度勾配層を形成する過程の後に、 上記の上部濃度勾配層の上に、上記置換元素が第９の濃
    度で含有されるキャップ層を形成し、 上記キャップ層上にレーザ定義層を付着し、 上記レーザ定義層を、対応する活性領域の上に少なくと
    も１つの開口部を持つようにパターニングし、 上記レーザ定義層と上記開口部を覆う拡散防止層を該拡
    散防止層が上記開口部で上記キャップ層と接触するよう
    に付着し、 上記置換元素が拡散することによって、上記活性領域の
    外側の上記量子井戸層をレーザ光を発生できない高いバ
    ンドギャップの物質に変え、よって電流が上記活性領域
    に導かれるように、上記基体を所定の時間と温度で加熱
    し、 上記拡散防止層、上記レーザ定義層及び上記キャップ層
    を除去することによって、活性領域内に電流をとじこめ
    ておくことのできる高いバンドギャップ物質に囲われた
    活性領域を基にした量子井戸を有する平坦な構造を形成
    する、追加過程を施す、 ことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】請求項１記載の方法において、上記レーザ
    層を形成する過程は少なくともｎ型ＧａＡｓ層を形成す
    る過程を含むことを特徴とする方法。
  3. 【請求項３】請求項１記載の方法において、上記基本化
    学組成はＧａＡｓであり、上記下部クラッド層を形成す
    る過程は、下部クラッド層中の置換元素の濃度をＡｌ
    0.4Ｇａ0.6Ａｓに相当する値に設定することを含むこと
    を特徴とする方法。
  4. 【請求項４】請求項３記載の方法において、上記クラッ
    ド層を形成する過程でＳｉはｎ型ドーピングを施すのに
    用いられることを特徴とする方法。
  5. 【請求項５】請求項４記載の方法において、上記のｎド
    ープされたクラッド層を形成する過程は、該クラッドの
    厚みを２．５μｍに設定することを含むことを特徴とす
    る方法。
  6. 【請求項６】請求項１記載の方法において、上記基本化
    学組成はＧａＡｓであり、上記レーザ層を形成する過程
    は、該下部界面における上記置換元素の上記第２の濃度
    をＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓに相当する値に設定し、該上部界
    面における上記置換元素の上記第３の濃度をＡｌ0.26Ｇ
    ａ0.74Ａｓに相当する値に設定し、上記の２つの界面の
    間で上記置換元素は直線的に濃度変化するように処理す
    ることにより、下部濃度勾配層を形成する過程を含むこ
    とを特徴とする方法。
  7. 【請求項７】請求項６記載の方法において、上記濃度勾
    配層はドープされていないことを特徴とする方法。
  8. 【請求項８】請求項７記載の方法において、上記濃度勾
    配層は１００ｎｍの厚みを持つことを特徴とする方法。
  9. 【請求項９】請求項１記載の方法において、上記基本化
    学組成はＧａＡｓであり、上記量子井戸層を形成する過
    程は、ドープされていないＧａＡｓで、従って、上記置
    換元素の第４の濃度を零に設定することを含むことを特
    徴とする方法。
  10. 【請求項１０】請求項１記載の方法において、上記基本
    化学組成はＧａＡｓであり、上記の量子井戸を形成する
    過程は、Ａｌ及びＩｎからなる族から選択された少なく
    とも１つの置換元素を含むことを特徴とする方法。
  11. 【請求項１１】請求項９記載の方法において、上記量子
    井戸は７ｎｍの厚みを持つことを特徴とする方法。
  12. 【請求項１２】請求項１０記載の方法において、上記量
    子井戸の厚みは３乃至１５ｎｍの範囲内にあることを特
    徴とする方法。
  13. 【請求項１３】請求項１記載の方法において、上記基本
    化学組成はＧａＡｓであり、上記レーザ層を形成する過
    程は、該下部界面における上記置換元素の上記第５の濃
    度をＡｌ0.26Ｇａ0.74Ａｓに相当する値に設定し、該上
    部界面における上記置換元素の上記第６の濃度をＡｌ
    0.4Ｇａ0.6Ａｓに相当する値に設定し、上記の２つの界
    面の間で上記置換元素は直線的に濃度変化するように処
    理することにより、上部濃度勾配層を形成する過程を含
    むことを特徴とする方法。
  14. 【請求項１４】請求項１３記載の方法において、上記勾
    配層はドープされていないことを特徴とする方法。
  15. 【請求項１５】請求項１４記載の方法において、上記勾
    配層は１００ｎｍの厚みを持つことを特徴とする方法。
  16. 【請求項１６】請求項１記載の方法において、上記基本
    化学組成はＧａＡｓであり、上記上部クラッド層を形成
    する過程は、上記置換元素の上記第７の濃度をＡｌ0.4
    Ｇａ0.6Ａｓに相当する値に設定することを含むことを
    特徴とする方法。
  17. 【請求項１７】請求項１６記載の方法において、上記ク
    ラッド層はＢｅを用いてｐ型ドープされていることを特
    徴とする方法。
  18. 【請求項１８】請求項１７記載の方法において、上記ク
    ラッド層は１．８５μｍの厚みを持つことを特徴とする
    方法。
  19. 【請求項１９】請求項１記載の方法において、上記基本
    化学組成はＧａＡｓであり、上記接触層を形成する過程
    は、上記置換元素の上記第８の濃度をＧａＡｓに相当す
    る値に設定することを含むことを特徴とする方法。
  20. 【請求項２０】請求項１９記載の方法において、上記接
    触層はＢｅを用いてｐ型ドープされていることを特徴と
    する方法。
  21. 【請求項２１】請求項２０記載の方法において、上記接
    触層は５０ｎｍの厚みを持つことを特徴とする方法。
  22. 【請求項２２】請求項１記載の方法において、上記レー
    ザ層によって形成される量子井戸型レーザは、上記下部
    クラッド層、上記下部濃度勾配層、上記量子井戸層、上
    記上部濃度勾配層、上記上部クラッド層、及び上記接触
    層を含むことを特徴とする方法。
  23. 【請求項２３】請求項１記載の方法において、上記基本
    化学組成はＧａＡｓであり、上記キャップ層を付着する
    過程は、上記置換元素の上記第９の濃度をＧａＡｓに相
    当する値に設定することを含むことを特徴とする方法。
  24. 【請求項２４】請求項２３記載の方法において、上記キ
    ャップ層はドープされていないことを特徴とする方法。
  25. 【請求項２５】請求項２４記載の方法において、上記キ
    ャップ層は２００ｎｍの厚みを持つことを特徴とする方
    法。
  26. 【請求項２６】請求項１記載の方法において、上記レー
    ザ定義層を付着する過程は、ＰＥＣＶＤ ＳｉＯ2を付
    着することを含むことを特徴とする方法。
  27. 【請求項２７】請求項１記載の方法において、上記レー
    ザ定義層をパターニングする過程は、フォトリソグラフ
    法と緩衝ＨＦ溶液を用いた開口部作成を含むことを特徴
    とする方法。
  28. 【請求項２８】請求項１記載の方法において、上記拡散
    防止層を付着する過程は、ＰＥＣＶＤＳｉ3Ｎ4を付着す
    ることを含むことを特徴とする方法。
  29. 【請求項２９】請求項２８記載の方法において、上記Ｓ
    ｉ3Ｎ4拡散防止層は上記活性領域の上で上記キャップ層
    と接触することを特徴とする方法。
  30. 【請求項３０】請求項１記載の方法において、上記所定
    の温度で上記基体を加熱する過程は、７００℃から９０
    ０℃の範囲の温度で上記基体を加熱することを含むこと
    を特徴とする方法。
  31. 【請求項３１】請求項１記載の方法において、上記所定
    の時間で上記基体を加熱する過程は、１５秒から１０分
    の範囲の時間で上記基体を加熱することを含むことを特
    徴とする方法。
  32. 【請求項３２】請求項１記載の方法において、上記基本
    化学組成はＧａＡｓであり、上記加熱はＧａの上記レー
    ザ定義層への拡散を生じることを特徴とする方法。
  33. 【請求項３３】請求項３２記載の方法において、上記レ
    ーザ定義層へのＧａの上記拡散はIII族の空位を生じ、
    よってIII族元素の混晶化（ｉｎｔｅｒｍｉｘｉｎｇ）
    を生じることを特徴とする方法。
  34. 【請求項３４】請求項３３記載の方法において、上記II
    I族元素はＧａ及びＡｌであり、上記混晶化は、上記レ
    ーザ定義層の下でのバンドギャップを高めることを特徴
    とする方法。
  35. 【請求項３５】請求項３３記載の方法において、上記拡
    散防止層の除去はＲＩＥを用いることを含むことを特徴
    とする方法。
  36. 【請求項３６】請求項３５記載の方法において、上記Ｒ
    ＩＥはＣＦ4を用いることを特徴とする方法。
  37. 【請求項３７】請求項１記載の方法において、上記レー
    ザ定義層の除去には緩衝ＨＦ溶液を用いることを含むこ
    とを特徴とする方法。
  38. 【請求項３８】請求項１記載の方法において、上記レー
    ザ定義層の除去はＲＩＥを用いることを含むことを特徴
    とする方法。
  39. 【請求項３９】請求項３８記載の方法において、上記Ｒ
    ＩＥはＣＦ4を用いることを特徴とする方法。
  40. 【請求項４０】請求項１記載の方法について、上記キャ
    ップ層の除去は部分的にＨ2Ｏ：Ｈ2ＳＯ4：Ｈ2Ｏ2を用
    いて行われることを特徴とする方法。
  41. 【請求項４１】請求項４０記載の方法について、上記Ｈ
    2Ｏ：Ｈ2ＳＯ4：Ｈ2Ｏ2はそれぞれ２００：１６：１の
    比を持つことを特徴とする方法。
  42. 【請求項４２】請求項１記載の方法について、上記キャ
    ップ層の除去は部分的にＡｓの加圧下にあるＭＢＥ装置
    内で行われることを特徴とする方法。
  43. 【請求項４３】ＧａＡｓ基体上に積層された複数の層を
    含む、少なくとも１つの量子井戸構造をもつ半導体レー
    ザの製造方法であって、 ＧａＡｓの緩衝層を基体上に形成し、 その緩衝層の上部界面の上に第１下部濃度勾配層を形成
    し、該濃度勾配層は緩衝層との界面ではＧａＡｓとなり
    上部界面ではＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓとなるように直線的に
    変化する化学組成を有するものであり、 上記第１下部濃度勾配層上にＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓの下部
    クラッド層を形成し、 上記下部クラッド層の上に第２下部濃度勾配層を形成
    し、その濃度勾配層は下部クラッド層との界面ではＡｌ
    0.4Ｇａ0.6Ａｓとなり上部界面ではＡｌ0.26Ｇａ0.74Ａ
    ｓとなるように直線的に変化する化学組成を有するもの
    であり、 上記第２下部濃度勾配層との界面上にＧａＡｓの量子井
    戸層を形成し、 上記量子井戸層の上に第１上部濃度勾配層を形成し、該
    濃度勾配層は量子井戸層との界面ではＡｌ0.26Ｇａ0.74
    Ａｓとなり上部界面ではＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓとなるよう
    に直線的に変化する化学組成を有するものであり、 上記第１上部濃度勾配層の上にＧａＡｓのキャップ層を
    形成し、 上記キャップ層を覆うレーザ定義層を付着し、 上記レーザ定義層を、対応する活性領域の上に少なくと
    も１つの開口部を持つようにパターニングし、 上記レーザ定義層を覆う拡散防止層を、該拡散防止層が
    上記開口部で上記キャップ層と接触するように付着し、 活性領域の外側の量子井戸層への置換元素の拡散によっ
    て、当該活性領域の外側の量子井戸層をレーザ光を発生
    できない高いバンドギャップの物質に変え、よって電流
    が上記活性領域に導かれるように、上記基体は所定の温
    度で所定の時間加熱し、 上記拡散防止層、上記レーザ定義層及び上記キャップ層
    を除去し、 上記第１上部濃度勾配層との界面上にＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａ
    ｓの上部クラッド層を形成し、 上記上部クラッド層の上部界面の上に第２上部濃度勾配
    層を形成し、その濃度勾配層は上部クラッド層との界面
    ではＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓとなり上部界面ではＧａＡｓと
    なるように直線的に変化する化学組成を有するものであ
    り、 上記第２上部濃度勾配層の上にＧａＡｓの接触層を形成
    する、過程を含む方法。
  44. 【請求項４４】半導体基体上に積層された複数の層を含
    む、少なくとも１つの量子井戸構造をもつ半導体レーザ
    であって、 基体上に基本化学組成と少なくとも１つの置換元素を含
    む一組のレーザ層が付着され、 上記レーザ層は、少なくとも、上記置換元素を第１の濃
    度で含有する下部クラッド層と、下部濃度勾配層とを含
    み、該下部濃度勾配層は、上記置換元素が該下部界面に
    ては第２の濃度で含有され、該上部界面にては第３の濃
    度で含有されるように化学組成が変化しているものであ
    り、 上記下部濃度勾配層の上に、上記置換元素を第４の濃度
    で含有する量子井戸層を有し、 上記量子井戸層上に、上部濃度勾配層を有し、該上部濃
    度勾配層は、上記置換元素が、上記量子井戸層との下部
    界面にては第５の濃度で含有され、該上部濃度勾配層の
    上部界面にては第６の濃度で含有されるように変化して
    いる化学組成をもち、 上記上部濃度勾配層の上の、上記置換元素を第７の濃度
    で含有する上部クラッド層と、該上部クラッド層上の、
    上記置換元素を第８の濃度で含有する接触層とを有し、 上記基体の残りの部分から活性領域を含むレーザ構造を
    分離して形成される半導体レーザにおいて、 屈折率が放射されるビームの垂直方向の発散を抑制する
    ように、上記上部及び下部クラッド層の上記濃度は、上
    記上部及び下部濃度勾配層の上記濃度変化と関係するこ
    とを特徴とする半導体レーザ。
  45. 【請求項４５】請求項４４記載の半導体レーザにおい
    て、上記レーザはリッジレーザであり、上記量子井戸層
    は上記活性領域にのみ存在することを特徴とする半導体
    レーザ。
  46. 【請求項４６】請求項４４記載の半導体レーザにおい
    て、上記上部及び下部クラッド層中の上記置換元素のク
    ラッド濃度、及び上記上部及び下部クラッド層の厚み
    は、上記レーザビームの垂直遠視野を遠視野発散量より
    小さくするものであることを特徴とする半導体レーザ。
  47. 【請求項４７】請求項４４記載の半導体レーザにおい
    て、上記基本化学組成はＧａＡｓであり、上記置換元素
    はＡｌであり、上記クラッドＡｌ濃度は上記Ａｌの第３
    及び第５の濃度より大きく、０．６より小さく、また上
    記上部及び下部クラッド層の上記厚みは上記クラッドＡ
    ｌ濃度での遷移厚みより大きいことを特徴とする半導体
    レーザ。
  48. 【請求項４８】請求項４７記載の半導体レーザにおい
    て、上記クラッド濃度は０．６より小さく、上記遷移厚
    みは１μｍより大きいことを特徴とする半導体レーザ。
  49. 【請求項４９】請求項４７記載の半導体レーザにおい
    て、上記クラッド濃度は０．５より小さく、上記遷移厚
    みは１．２μｍより大きいことを特徴とする半導体レー
    ザ。
  50. 【請求項５０】請求項４７記載の半導体レーザにおい
    て、上記クラッド濃度は０．４より小さく、上記遷移厚
    みは１．５μｍより大きいことを特徴とする半導体レー
    ザ。
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