JP2733210B2 - Semiconductor stripe laser - Google Patents

Semiconductor stripe laser

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JP2733210B2
JP2733210B2 JP7177071A JP17707195A JP2733210B2 JP 2733210 B2 JP2733210 B2 JP 2733210B2 JP 7177071 A JP7177071 A JP 7177071A JP 17707195 A JP17707195 A JP 17707195A JP 2733210 B2 JP2733210 B2 JP 2733210B2
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睦郎 小倉
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H01S5/1237Lateral grating, i.e. grating only adjacent ridge or mesa

Landscapes

  • Semiconductor Lasers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は半導体レーザに関し、特
にストライプ型の半導体レーザ(半導体ストライプレー
ザ)における特性改善を図るための構造的改良に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor laser, and more particularly to a structural improvement for improving characteristics of a stripe type semiconductor laser (semiconductor stripe laser).

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体レーザは、1970年代以降、徐々に
その特性が改良されてきたが、そもそも半導体レーザ
は、キャリアの注入に伴ってまず自然放出光が放射さ
れ、その一部が光共振器モードとして増幅されて、増幅
率が損失を上回った時点で当該光共振モードが優勢とな
り、誘導放出により能率の良い電子−光変換が可能とな
る原理に従っている。
2. Description of the Related Art Semiconductor lasers have been gradually improved in characteristics since the 1970s, but in the first place, semiconductor lasers emit spontaneous emission light upon injection of carriers, and a part thereof is an optical resonator. The mode is amplified as a mode, and when the amplification factor exceeds the loss, the optical resonance mode becomes dominant, and it follows the principle that efficient electron-light conversion can be achieved by stimulated emission.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の半導体
レーザは、当初の自然放出光の漏洩を抑え込む工夫に乏
しく、効率の良い光放出のためにはある程度大きな一定
のしきい値電流を有していた。さらにまた、活性層の側
面や出射端面における再結合の問題とか出射端面の物理
的保護に関しても特に有利な構造を開示するものがなか
った。本発明は基本的にこうした従来例における欠点の
改善を図り、半導体レーザの中でも分布帰還原理を採用
したストライプレーザにおいて、極めて低いしきい値、
理想的には無しきい値での駆動も可能にし得る構造原理
を持ち、あるいはまた再結合抑制効果に優れた半導体ス
トライプレーザを提供せんとするものである。
However, the conventional semiconductor laser has few means for suppressing the leakage of the spontaneous emission light at the beginning, and has a certain large threshold current for efficient light emission. I was Furthermore, there is no disclosure of a structure that is particularly advantageous with respect to the problem of recombination on the side surface or the emission end face of the active layer or the physical protection of the emission end face. The present invention basically addresses these drawbacks of the conventional example, and employs the distributed feedback principle among semiconductor lasers.
In the stripe laser, extremely low threshold,
Ideally, it is intended to provide a semiconductor stripe laser having a structural principle capable of driving without a threshold value or having an excellent recombination suppressing effect.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明では上記目的を達
成するため、レーザ発振を起こす活性層を上下クラッド
層で挟み、活性層の端面からレーザ光を出力する半導体
ストライプレーザにおいて、半導体ストライプレーザを
分布帰還レーザに構成すると共に、レーザ光の出射端面
を含め、活性層の周囲の全てをクラッド層で覆うことを
提案する。さらに、活性層の周囲を覆うクラッド層を半
導体多層膜により構成することも提案する。
Since the present invention SUMMARY OF] To achieve the above object, sandwiching the active layer to cause laser oscillation in the vertical clad layer, a semiconductor stripe laser for outputting laser light from an end face of the active layer, a semiconductor stripe laser To
It is proposed to configure a distributed feedback laser and cover the entire periphery of the active layer including the laser light emitting end face with a cladding layer. Furthermore, it is proposed that the clad layer covering the periphery of the active layer is formed of a semiconductor multilayer film.

【0005】[0005]

【実施例】図1,2,3には、それぞれ本発明に従って
作製された半導体レーザの実施例が示されているが、こ
こではまず、便宜のため、本発明半導体レーザを作製す
るのに用いると好適な半導体の微細加工方法の基本的な
一工程例に関し、図4,5に即して説明する所から始め
る。
FIGS. 1, 2 and 3 show an embodiment of a semiconductor laser manufactured according to the present invention. Here, for the sake of convenience, a semiconductor laser according to the present invention is first used. A basic example of one step of a semiconductor fine processing method is described with reference to FIGS.

【0006】まず、図4(A) に示されているように、Ga
As基板10か、または図4(A) 中、仮想線で上下に分離し
て示すように、GaAs基板10の上にエピタキシャル成長に
より形成されたAlGaAs層11の上に、厚さ 100nm程度のタ
ングステン(W)薄膜をエッチングレジスト膜としてス
パッタリング形成し、既存、通常のリソグラフィ専用機
により、光リソグラフィか電子リソグラフィで当該レジ
スト膜を所望のパタンに応じてパターニング後、CF4プラ
ズマエッチングによって所望のパタンのタングステン薄
膜(エッチングマスク)12を残す。
[0006] First, as shown in FIG.
As shown in FIG. 4A, an AlGaAs layer 11 formed by epitaxial growth on a GaAs substrate 10 or a tungsten (about 100 nm thick) the W) thin film by sputtering is formed as an etching resist film, existing, by conventional lithography dedicated machine, after patterning the resist film by optical lithography or electron lithography according to the desired pattern, a desired pattern by CF 4 plasma etching tungsten The thin film (etching mask) 12 is left.

【0007】この後、図5に示されている加工装置13、
すなわちサンプル導入室14と横型のMOCVD成長炉15
の間にECRエッチング装置16を設けた加工装置13のサ
ンプル導入室14内に図4(A) の試料を搬入し、図示しな
い試料搬送装置(これ自体は公知のこの種の半導体加工
装置において周知である)によって当該サンプル導入室
からECRエッチング装置16に移した試料に対し、図4
(B) に示すようにタングステン薄膜12をエッチングマス
クとし、例えば 1μm 程度の深さにECRエッチングを
施す。GaAs基板10の上にエピタキシャル成長したGaAs層
11を有する試料の場合には、基板面が露出する程度の深
さにエッチングする。
[0007] Thereafter, the processing apparatus 13 shown in FIG.
That is, the sample introduction chamber 14 and the horizontal MOCVD growth furnace 15
The sample shown in FIG. 4A is carried into the sample introduction chamber 14 of the processing apparatus 13 provided with an ECR etching apparatus 16 therebetween, and is not shown in the figure. 4) for the sample transferred from the sample introduction chamber to the ECR etching apparatus 16
As shown in FIG. 3B, ECR etching is performed to a depth of about 1 μm using the tungsten thin film 12 as an etching mask. GaAs layer epitaxially grown on GaAs substrate 10.
In the case of a sample having 11, the substrate is etched to a depth such that the substrate surface is exposed.

【0008】次いで真空を破ることなく(大気に晒すこ
となく)、図示しない試料搬送装置により、ECRエッ
チング室16から直ちにMOCVD成長炉15内に試料を移
し、図4(C) に示すように、タングステン薄膜12を今度
は選択成長マスクとして用いてAlGaAs層17の選択成長を
行う。
Next, the sample is immediately transferred from the ECR etching chamber 16 into the MOCVD growth furnace 15 by the sample transfer device (not shown) without breaking the vacuum (without exposing the sample to the atmosphere), as shown in FIG. This time, the AlGaAs layer 17 is selectively grown using the tungsten thin film 12 as a selective growth mask.

【0009】このとき、Al組成が多い場合や、ドーパン
トとしてZnを用いた場合には、図4(C) 中に仮想線18で
示したように、タングステンマスク12の上に多結晶が成
長することがある。これが不要ないし不具合な場合に
は、再成長後、再度ECRエッチング室16に試料を移
し、当該多結晶薄膜18を除去すれば良い。実際上、こう
して形成される多結晶薄膜18はかなり薄いので、容易に
除去可能である。また、このような再成長とエッチング
とを適宜回数繰り返すことにより、図4(D) に示すよう
な再成長面の平坦化や、図4中には示していないが複数
層の積層構造ないし半導体多層膜構造を得ることができ
る。そして、このようにして平坦化された再成長AlGaAs
層17の上には、図4(E) に示すように、GaAs層19等をさ
らに設けることができる。
At this time, when the Al composition is large or when Zn is used as a dopant, a polycrystal grows on the tungsten mask 12 as shown by a virtual line 18 in FIG. Sometimes. If this is unnecessary or inconvenient, after regrowth, the sample may be transferred to the ECR etching chamber 16 again, and the polycrystalline thin film 18 may be removed. In practice, the polycrystalline thin film 18 thus formed is so thin that it can be easily removed. By repeating such regrowth and etching as many times as necessary, the regrowth surface is flattened as shown in FIG. 4D, or a multilayer structure or a semiconductor (not shown in FIG. 4) is formed. A multilayer structure can be obtained. Then, the regrown AlGaAs thus planarized
As shown in FIG. 4E, a GaAs layer 19 and the like can be further provided on the layer 17.

【0010】こうして形成された微細構造を実際に走査
型電子顕微鏡により観測した所、タングステン薄膜(タ
ングステンマスク)12の上に多結晶薄膜18が成長してい
たものの、薄いために再エッチング処理により容易に除
去可能であったし、タングステン薄膜12とGaAs層19との
間にも不利な反応は一切認められなかった。また、微細
構造の側面の垂直性は十分高く、高い精度の微細加工結
果が確認された。
When the fine structure thus formed was actually observed by a scanning electron microscope, a polycrystalline thin film 18 was grown on the tungsten thin film (tungsten mask) 12, but because of its thinness, it was easily re-etched. In addition, no adverse reaction was observed between the tungsten thin film 12 and the GaAs layer 19 at all. In addition, the verticality of the side surface of the fine structure was sufficiently high, and the result of the fine processing with high accuracy was confirmed.

【0011】ところで、半導体レーザは、既述した通
り、現在までにも徐々にその特性が改良されてきたが、
それでもなお、例えば消費電力に鑑みると、一素子当た
りの消費電力は低いものでも数ミリワット以上あった。
将来的に見ても電子集積回路に匹敵する集積密度を得る
ためには、これを少なくとも数十マイクロワットにまで
低下させる必要がある。
As described above, the characteristics of semiconductor lasers have been gradually improved up to now.
Nevertheless, in view of the power consumption, for example, the power consumption per element was several milliwatts or more even if the power consumption was low.
In order to obtain an integration density comparable to electronic integrated circuits in the future, it is necessary to reduce this to at least tens of microwatts.

【0012】一方、従来の半導体レーザにあっても小
型、高効率なものの一つに、いわゆる量子井戸型半導体
レーザがある。これでは、実際にレーザ発振の生ずる量
子井戸層ないし活性層の幾何的寸法は、一応、厚さ約10
nm、幅約 2μm、長さ約 200μm程度にまで小型化されて
いて、体積にすれば約 4μm3である。しかし、これでも
十分ではない。
On the other hand, one of the conventional semiconductor lasers having a small size and high efficiency is a so-called quantum well semiconductor laser. In this case, the geometric dimensions of the quantum well layer or active layer in which laser oscillation actually occurs have a thickness of about 10
It has been downsized to about 2 μm in width, about 2 μm in width, and about 200 μm in length, and about 4 μm 3 in volume. But this is not enough.

【0013】これに対し、図4,5に即して上述した微
細加工方法を適用すると、活性層幅は約 0.2μm 程度に
まで精度良く縮小化できるし、反射率にも工夫すれば、
長さ方向にも20μm 程度にまで縮小可能である。この場
合、活性層の体積やしきい値電流は、上述の既存レーザ
に対し、百分の一にもなり、しきい値は通常の 3ないし
10mAから0.03mAに、体積は約0.04μm3にまで減少する。
On the other hand, when the fine processing method described above with reference to FIGS. 4 and 5 is applied, the width of the active layer can be accurately reduced to about 0.2 μm.
It can be reduced to about 20μm in the length direction. In this case, the volume of the active layer and the threshold current are one-hundredth of that of the above-mentioned existing laser, and the threshold is usually 3 to
From 10 mA to 0.03 mA, the volume decreases to about 0.04 μm 3 .

【0014】しかし、分布帰還型に限らず共、このよう
な微小化の工夫だけでは、冒頭に述べた自然放出光に対
する配慮や再結合の問題に関しては何等考察されていな
いことになる。本発明はまさしく、これらに対して回答
を与えるもので、クラッド層(ある場合には望ましくは
多層反射層)で活性層の周囲を覆う構造を提案する。こ
うするとまず、自然放出光が自由には共振キャビティ外
に出られないために、見掛け上、発振しきい値のない
(ないし極めて低い)レーザ構造を得ることができる。
つまり、活性層の周囲を三次元的な高反射率ミラーで覆
えば、光共振器中に許されるモードが減少し、離散化す
るため、自然放出光も限られたモードとして出射する。
このような限定されたモードでの自然放出光は時間的に
はランダムに発生するので、それらの時間的なコヒーレ
ンシィは保たれないが、放出分布や波長はキャビティパ
ラメータにより決定されるので、見掛け上、レーザ光と
殆ど区別がつかない。従ってそのような半導体レーザ
は、実質的に無しきい値ないし極低しきい値と看做せ、
極低電流において能率の高いレーザ発振を実現できる。
これについての実施例は、後述の図2に掲げられてい
る。なお、このような見掛け上の無しきい値ないし低し
きい値レーザに関する考察自体は、 従来文献A:「微小共振器レーザ:現状と展望」,応用
物理,第61巻,第9号(1992),pp.890-901 に認められる。
However, not only the distributed feedback type but also the miniaturization method alone does not consider the consideration of spontaneous emission light and the problem of recombination mentioned above at all. The present invention provides an answer to these questions, and proposes a structure in which a cladding layer (in some cases, preferably a multilayer reflective layer) is provided around the active layer. In this case, first, since the spontaneous emission light cannot freely exit the resonance cavity, a laser structure having an apparently no oscillation threshold (or extremely low) can be obtained.
That is, if the periphery of the active layer is covered with a three-dimensional high-reflectance mirror, the modes allowed in the optical resonator are reduced and discretized, so that spontaneous emission light is also emitted as a limited mode.
Since spontaneous emission in such a limited mode occurs at random in time, their temporal coherency is not maintained, but the emission distribution and wavelength are determined by cavity parameters, so the apparent In addition, it is almost indistinguishable from laser light. Therefore, such a semiconductor laser can be regarded as having substantially no threshold value or extremely low threshold value,
Highly efficient laser oscillation can be realized at extremely low current.
An example of this is given in FIG. 2 below. In addition, the consideration itself regarding such apparent thresholdless or low threshold laser is described in Conventional Document A: “Microcavity Laser: Current Status and Outlook”, Applied Physics, Vol. 61, No. 9 (1992) , Pp.890-901.

【0015】これに対して図1には、本発明の半導体レ
ーザの一実施例ではあるが、特に再結合抑制効果を期待
するための実施例として、分布帰還原理を採用した半導
体ストライプレーザに対し本発明を適用した場合が示さ
れている。説明すると、n型GaAs基板10の上に、通常の
エピタキシャル成長技術により、n型下側クラッド層2
1、間にレーザ活性層ないし量子井戸層23を挟んだ上下
一対のグリン層22,22、p型上側クラッド層24を順次積
層形成した後、先に図4に即して説明したように既存の
専用リソグラフィ機により、タングステン薄膜12を所望
の形状にパターニングする。図示の場合、パターニング
された当該タングステン薄膜12は、その幅寸法が約 200
nm、長さが30μm 以下であるが、さらにその平面形状
は、長さ方向に側面が周期的に凹凸を繰り返す形状とな
っている。
On the other hand, FIG. 1 shows an embodiment of the semiconductor laser of the present invention. In particular, as an embodiment for expecting an effect of suppressing recombination, a semiconductor stripe laser adopting the distributed feedback principle will be described. The case where the present invention is applied is shown. To explain, an n-type lower cladding layer 2 is formed on an n-type GaAs substrate 10 by a normal epitaxial growth technique.
1. After a pair of upper and lower green layers 22 and 22 and a p-type upper cladding layer 24 having a laser active layer or a quantum well layer 23 interposed therebetween are sequentially laminated, as shown in FIG. The tungsten thin film 12 is patterned into a desired shape by the dedicated lithography machine. In the case shown in the figure, the patterned tungsten thin film 12 has a width of about 200 mm.
nm, the length is 30 μm or less, and the planar shape is such that the side surface periodically repeats irregularities in the length direction.

【0016】側面凹凸の周期は光の媒質内波長の四分の
一となっていて、かつ、長さ方向中央部分は、その下に
位相シフタ29が形成されるように、凸部分が二分の一波
長に亙って連続しており、これによりブラッグ反射波長
にて光共振器が実現するように設計されている。なお、
図4に即して説明した工程例との対応を取る意味から
は、上述のn型下側クラッド層21、レーザ活性層(この
場合は量子井戸層)23、上下一対のグリン層22,22、p
型上側クラッド層24から成る積層構造を、それら全てが
相俟って図4に示した基板10上のエピタキシャル層11に
相当すると考えれば良い。
The period of the side surface irregularities is one quarter of the wavelength in the medium of the light, and the central portion in the length direction has a half convex portion so that the phase shifter 29 is formed thereunder. It is designed to be continuous over one wavelength, thereby realizing an optical resonator at the Bragg reflection wavelength. In addition,
In order to correspond to the process example described with reference to FIG. 4, the above-described n-type lower cladding layer 21, laser active layer (in this case, a quantum well layer) 23, a pair of upper and lower grin layers 22, 22 , P
It can be considered that the laminated structure composed of the mold upper cladding layer 24 all corresponds to the epitaxial layer 11 on the substrate 10 shown in FIG.

【0017】上述のようなパタンのタングステン薄膜12
をエッチングマスクとする試料を、次いで、先に図5に
即して説明したエッチング及び再成長用加工装置13のE
CRエッチング室16に導入してエッチングを行い、その
後直ちに、大気に晒すことなくMOCVD再成長炉15に
移し、タングステン薄膜12を今度は再成長用選択マスク
として用いて、エッチングし残された部分の周囲を全
て、再成長させたi型の(すなわち半絶縁性の)AlGaAs
周囲クラッド層(埋め込み層)17で埋め込む。その上
で、タングステンパタン12上に適当な金属電極、望まし
くはAu電極25を形成して、微小分布帰還型半導体ストラ
イプレーザとして完成させる。
The tungsten thin film 12 of the pattern as described above
Is used as an etching mask, and then the etching and regrowth processing apparatus 13 described with reference to FIG.
After being introduced into the CR etching chamber 16, the etching is performed. Immediately thereafter, the wafer is transferred to the MOCVD regrowth furnace 15 without being exposed to the air, and the tungsten thin film 12 is used as a selective mask for regrowth, and the remaining portion is etched. All around, regrown i-type (ie semi-insulating) AlGaAs
It is embedded with a surrounding cladding layer (embedding layer) 17. Then, an appropriate metal electrode, desirably an Au electrode 25 is formed on the tungsten pattern 12 to complete a fine distributed feedback semiconductor stripe laser.

【0018】このレーザは、本発明に従った結果とし
て、ストライプ状活性層23の光の出射端面となる長さ方
向の両端面もまた、側面側と同様にAlGaAsクラッド層17
で覆われることになり、換言すればストライプ状レーザ
構造部分の周囲が全て、完全に埋め込まれた構造とな
る。このように、側面を始め光強度の高い出射端面まで
クラッド17により覆われている構造は、再結合抑制効果
を期待できるため、特に短波長のレーザ光を発振する分
布帰還型ストライプレーザを得るに望ましい構造であ
る。もちろん、物理的な出射端面保護効果もある。
As a result of the laser according to the present invention, both ends of the stripe-shaped active layer 23 in the longitudinal direction, which are light emission end faces, are also formed on the AlGaAs cladding layer 17 similarly to the side surfaces.
In other words, the entire periphery of the stripe-shaped laser structure becomes a completely buried structure. As described above, since the structure in which the emission end face having a high light intensity is covered with the cladding 17 from the side surface can be expected to have the effect of suppressing recombination, it is particularly necessary to obtain a distributed feedback stripe laser that oscillates short-wavelength laser light. This is a desirable structure. Of course, there is also a physical output end face protection effect.

【0019】なお、素子抵抗を減少させるためには、先
に図4(C) に即して少し述べたように、再成長工程を経
ることでタングステン薄膜12上に堆積することのある多
結晶AlGaAs18をエッチングして除去した後、pドープAl
GaAs層やGaAs層を選択成長させることも有効である。ま
た、この図1に示した半導体ストライプレーザ作製の実
際では、微小パタンとしてのタングステン薄膜12のパタ
ン形状は、光の媒質内波長の四分の一に相当する程に高
精度な数十nmの精度で形成した。図4に即して上述した
微細加工方法において、将来的にさらに高精度で数nm精
度までにパターニング精度を向上できれば、長さ方向に
直交する横方向の形状の如何により、量子細線の量子レ
ベルを制御できるので、発光部の量子レベルを導波部の
それより小さくすることもできるようになり、導波部で
の光吸収をより低下させることも可能となる。さらに、
この図1に示す実施例の微小分布帰還レーザを上述した
微細加工方法で作成することは、別な意味でも極めて有
利である。量子井戸幅等は最初の均一な結晶成長で決定
されるし、また、側面形状は結晶方位に関係なくドライ
エッチング用マスクの平面形状の任意なパタンにより決
定されるので、レーザストライプの方向は自由に設定し
得るからである。
In order to reduce the element resistance, as described earlier with reference to FIG. 4C, a polycrystal which may be deposited on the tungsten thin film 12 through a regrowth step is used. After removing AlGaAs 18 by etching, p-doped Al
It is also effective to selectively grow a GaAs layer or a GaAs layer. Also, in the actual production of the semiconductor stripe laser shown in FIG. 1, the pattern shape of the tungsten thin film 12 as a minute pattern has a precision of several tens of nm so as to correspond to a quarter of the wavelength in the medium of light. Formed with precision. In the fine processing method described above with reference to FIG. 4, if the patterning accuracy can be improved to several nm accuracy with higher accuracy in the future, depending on the shape in the horizontal direction perpendicular to the length direction, the quantum level of the quantum wire can be improved. Can be controlled, so that the quantum level of the light emitting section can be made smaller than that of the waveguide section, and the light absorption in the waveguide section can be further reduced. further,
It is extremely advantageous to produce the minute distributed feedback laser of the embodiment shown in FIG. 1 by the above-mentioned fine processing method in another sense. Since the quantum well width and the like are determined by the initial uniform crystal growth, and the side shape is determined by an arbitrary pattern of the planar shape of the dry etching mask regardless of the crystal orientation, the direction of the laser stripe is free. Because it can be set to

【0020】ちなみに、図4,5に即して説明した微細
加工方法は、ある意味で基本的な機能素子としての電子
導波路、それも任意の平面形状ないし経路パタンの量子
細線の作製にも有用である。量子細線構造は、基本的に
は本発明実施例としての図1に示す半導体レーザの横断
面構造と同様ないし類似の構造であるが、GaAs系で言え
ば、少なくともGaAs基板上に下側クラッド層であるAlGa
As層と、実質的な導波路層ないしコア層としての電子の
波長オーダ(約10nm)の厚みのGaAs層と、上側クラッド
層であるAlGaAs層とを積層形成し、平面形状的に見てこ
れらを線状(ストライプ状)にパターニングした後、両
側面の側にAlGaAs層を再成長させて左右クラッド層とし
たものである。
Incidentally, the microfabrication method described with reference to FIGS. 4 and 5 is, in a sense, applicable to the production of an electron waveguide as a basic functional element, and also to a quantum wire having an arbitrary planar shape or a path pattern. Useful. The quantum wire structure is basically the same or similar to the cross-sectional structure of the semiconductor laser shown in FIG. 1 as an embodiment of the present invention, but in the case of a GaAs system, at least a lower cladding layer is formed on a GaAs substrate. AlGa
An As layer, a GaAs layer having a thickness on the order of the wavelength of electrons (approximately 10 nm) as a substantial waveguide layer or a core layer, and an AlGaAs layer as an upper cladding layer are formed by lamination. Is patterned in a linear shape (stripe shape), and then an AlGaAs layer is regrown on both side surfaces to form left and right clad layers.

【0021】その外にも、図4,5に示した微細加工方
法は、上記の量子細線を作製するに際し、エッチング及
び再成長用マスク12のパターニング時に、当該パタンを
例えばY字型の分岐状形状にすることで、その構造自体
はすでに周知のY字型電子ないし光分岐路を形成するに
も有用であり、一旦二又に分かれて再度一本の線路ない
し導波路にまとまるような形状にパターニングすれば、
いわゆるマッハチェンダ干渉素子等を作製するにも有利
に用いることができる。さらに、一本の主たる導波路に
対し、副導波路がその長さの途中で近づいて再度離れて
行くような形状にパターニングすれば、四端子方向性結
合器も実現できる。換言すれば、このように導波路のパ
ターニング形状に関する特徴によって特定の機能を実現
する各種の電子ないし光受動機能素子を作製するのに
も、図4,5に即して説明した微細加工方法は極めて有
用な手法である。
In addition, in the fine processing method shown in FIGS. 4 and 5, when the above-described quantum wires are manufactured, the pattern is formed into a Y-shaped branched shape when the etching and regrowth mask 12 is patterned. By making it into a shape, the structure itself is also useful for forming a well-known Y-shaped electron or optical branching path, and is once divided into two parts so that it can be combined into one line or waveguide again. By patterning,
It can also be advantageously used for producing a so-called Mach-Cheander interferometer or the like. Furthermore, a four-terminal directional coupler can be realized by patterning a single main waveguide such that the sub-waveguide approaches and moves away in the middle of its length. In other words, the microfabrication method described with reference to FIGS. 4 and 5 is also necessary for producing various electronic or optical passive functional elements that realize a specific function by the features related to the patterning shape of the waveguide. This is a very useful technique.

【0022】図2には、本発明の他の実施例として、一
般にマイクロキャビティレーザと呼ばれる半導体微小レ
ーザが示されている。レーザ機能部分は先に説明した半
導体レーザと同様、ストライプ状活性層としてのGaAs量
子井戸層23を上下のクラッド層で挟んだレーザ構造部分
を有しているが、さらにその上下を、半導体多層膜、特
にこの場合はn型AlGaAsの多層膜(例えばAl組成比が
0.2のAlGaAs層と 0.7のAlGaAs層の交互積層構造)26
と、Al組成比が同様に異なるp型AlGaAsの交互積層構造
による多層膜27とにより挟んでいる。また、本発明に従
い活性層23の左右両側及びレーザ出射端面を覆うように
設けられる再成長AlGaAs層によるクラッド層も、i型で
Al組成比の異なるAlGaAs多層膜28としている。このよう
に、活性層ないしコア層の左右上下を全て半導体多層膜
28で埋め込むと、高い反射特性が得られるので、すでに
述べたような微小体積の光共振器であってもその損失を
低減することができ、自然放射光の自由な出射をも制限
し得るため、空間的な出射パタンや発光波長に関する限
り、至上、無しきい値に近い特性を得ることができる。
ただし、本発明半導体レーザは、微小構造に作製される
ことが最も望ましいものの、少し大きい寸法の構造体に
も本発明の構造原理の適用は可能であり、例えば図2に
示される構造の半導体レーザも既存クラスの大きさ、す
なわち幅 2μm 程度、長さ 100μm 程度に形成しても良
い。
FIG. 2 shows a semiconductor microlaser generally called a microcavity laser as another embodiment of the present invention. The laser function portion has a laser structure portion in which a GaAs quantum well layer 23 as a stripe-shaped active layer is sandwiched between upper and lower cladding layers, similarly to the semiconductor laser described above. In particular, in this case, an n-type AlGaAs multilayer film (for example, when the Al composition ratio is
Alternating structure of 0.2 AlGaAs layer and 0.7 AlGaAs layer) 26
And a multilayer film 27 having a p-type AlGaAs alternately laminated structure having similarly different Al composition ratios. Further, the cladding layer of the regrown AlGaAs layer provided so as to cover the left and right sides and the laser emission end face of the active layer 23 according to the present invention is also an i-type.
The AlGaAs multilayer films 28 having different Al composition ratios are used. In this way, the left, right, top and bottom of the active layer or core layer are all semiconductor multilayer films.
By embedding with 28, high reflection characteristics can be obtained, so even if the optical resonator has a small volume as described above, the loss can be reduced, and the free emission of spontaneous radiation can be limited. As far as spatial emission patterns and emission wavelengths are concerned, it is possible to obtain characteristics close to no threshold value.
However, although it is most desirable that the semiconductor laser of the present invention be manufactured in a microstructure, the structure principle of the present invention can be applied to a structure having a slightly larger dimension. May be formed to the size of the existing class, that is, about 2 μm in width and about 100 μm in length.

【0023】この図2に示したマイクロキャビティレー
ザは、いわゆるマイクロFETに代表される量子波動素
子と組合せて図5に示すような電子−光結合素子を得る
のに使うこともできる。すなわち、図5に示す電子−光
結合素子では、図2に即して既に述べたマイクロキャビ
ティと同様で良いマイクロキャビティ構造71が、量子ド
ット63を含む量子波動素子50を取り囲んでいる。そのた
め、このマイクロキャビティ71中では電子系とフォトン
系とが強く相互作用し得るようになり、光の採り得る状
態も数個以下に制限されるので、フォトンと電子−正孔
対が可逆的に変換可能となる。すなわち、量子波動素子
50で論理的な演算を行い、その結果が量子ドット63の荷
電分布や組込み電界の変化として表されるように設計す
ると、量子ドット63における量子準位がマイクロキャビ
ティ71の共振波長に一致した瞬間に、効率良く特定のフ
ォトンが出射するようにできる。
The microcavity laser shown in FIG. 2 can be used for obtaining an electron-optical coupling device as shown in FIG. 5 in combination with a quantum wave device represented by a so-called micro FET. That is, in the electron-optical coupling device shown in FIG. 5, a microcavity structure 71 which may be the same as the microcavity already described with reference to FIG. Therefore, in the microcavity 71, the electron system and the photon system can strongly interact with each other, and the state in which light can be taken is limited to several or less, so that the photon and the electron-hole pair are reversibly formed. It can be converted. That is, the quantum wave element
By performing a logical operation at 50 and designing the result to be expressed as a change in the charge distribution or built-in electric field of the quantum dot 63, the moment the quantum level in the quantum dot 63 matches the resonance wavelength of the microcavity 71, In addition, specific photons can be efficiently emitted.

【0024】そこでさらに、こうした構造を持つ複数の
マイクロキャビティ71,・・・・・・ 同志を光導波路72で接続
すれば、演算、記憶動作は電子系で、伝送は光で、とい
うように、従来からもこのこと自体は提案されていた、
言わば「役割分担」の手法をミクロな素子中でも行うこ
とができるようになる。電子導波路においては、電子が
フェルミオンであるために一つの状態には一つの電子し
か収容し得ず、理想状態でも一モード当たり12.9KΩの
抵抗を必要とする前提があるが、ポゾン粒子であるフォ
トンを伝送に用いれば、光導波路の基本モードにて収容
できる粒子数に制限はなくなり、伝送速度は著しく向上
する。
Further, if a plurality of microcavities 71 having such a structure are connected by an optical waveguide 72, arithmetic and storage operations are performed by an electronic system, transmission is performed by light, and so on. This has been proposed in the past,
In other words, the "role sharing" method can be performed even in a micro device. In an electron waveguide, one electron can be accommodated in one state because the electron is fermion, and there is a premise that an ideal state requires a resistance of 12.9 KΩ per mode. If a certain photon is used for transmission, the number of particles that can be accommodated in the fundamental mode of the optical waveguide is not limited, and the transmission speed is significantly improved.

【0025】以上、本発明の幾つかの実施例につき詳記
したが、本発明の要旨構成に即する限り、種々の改変は
自由である。
Although several embodiments of the present invention have been described in detail above, various modifications are free as long as they conform to the gist of the present invention.

【0026】[0026]

【発明の効果】本発明によれば、従来の問題点を解決
し、極めて低しきい値、理想的には無しきい値の半導体
レーザを得ることができる構造原理が提供される。ま
た、側面及び出射端面も全てクラッド層により覆われて
いるので、そこでの再結合抑制効果が期待でき、比較的
短波長のレーザを構築するに有利な構造も提供される
外、いずれの場合にも、併せて出射端面の保護を図るこ
とができる。
According to the present invention, there is provided a structural principle capable of solving the conventional problems and obtaining a semiconductor laser having an extremely low threshold value, ideally no threshold value. In addition, since the side surface and the emission end face are all covered with the cladding layer, an effect of suppressing recombination there can be expected, and in addition to providing an advantageous structure for constructing a laser having a relatively short wavelength, in any case, In addition, it is possible to protect the emission end face.

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

【図1】本発明半導体ストライプレーザの一実施例とし
ての微小分布帰還型レーザの概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a minute distribution feedback laser as one embodiment of a semiconductor stripe laser of the present invention.

【図2】本発明半導体ストライプレーザの他の実施例と
しての端面出射型マイクロキャビティレーザの概略構成
図である。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an edge-emitting microcavity laser as another embodiment of the semiconductor stripe laser of the present invention.

【図3】本発明半導体ストライプレーザを組み込み得る
電子−光結合素子の一例の概略構成図である。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an example of an electron-optical coupling device that can incorporate the semiconductor stripe laser of the present invention.

【図4】本発明半導体ストライプレーザの作製に適用す
ると好適な微細加工方法の工程例の説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram of a process example of a fine processing method suitable for application to the production of a semiconductor stripe laser of the present invention.

【図5】図4に示す微細加工方法を実行するに適当な装
置構成例の説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram of an example of an apparatus configuration suitable for executing the fine processing method shown in FIG. 4;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 半導体ないし半絶縁性基板, 12 エッチング及び再成長用マスク, 13 エッチング及び再成長用加工装置, 14 サンプル導入室, 15 MOCVD成長炉, 16 ECRエッチング室, 17 再成長層ないし活性層周囲を覆うクラッド層, 21 下側クラッド層, 23 レーザ活性層ないし量子井戸層, 24 上側クラッド層, 26 下側半導体多層膜, 27 上側半導体多層膜, 28 活性層周囲を覆うクラッド層としての半導体多層
膜.
10 Semiconductor or semi-insulating substrate, 12 Etching and regrowth mask, 13 Etching and regrowth processing equipment, 14 Sample introduction chamber, 15 MOCVD growth furnace, 16 ECR etching chamber, 17 Covering around regrowth layer or active layer Cladding layer, 21 lower cladding layer, 23 laser active layer or quantum well layer, 24 upper cladding layer, 26 lower semiconductor multilayer film, 27 upper semiconductor multilayer film, 28 semiconductor multilayer film as cladding layer surrounding active layer.

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 レーザ発振を起こす活性層を上下クラッ
ド層で挟み、該活性層の端面からレーザ光を出力する半
導体ストライプレーザであって;上記活性層を上下クラッド層で挟んだ積層構造の平面形
状を、長さ方向に側面が周期的に凹凸を繰り返す形状と
したこと; 該側面凹凸の周期は光の媒質内波長の四分の一となって
いて、かつ、長さ方向中央部分は位相シフタが形成され
るように凸部分が二分の一波長に亙って連続しているこ
と; 上記レーザ光の出射端面を含め、上記活性層の周囲の全
てをクラッド層で覆ったこと; を特徴とする半導体ストライプレーザ。
1. A semiconductor stripe laser in which an active layer causing laser oscillation is sandwiched between upper and lower cladding layers, and a laser beam is output from an end face of the active layer ; form
The shape is such that the side surface periodically repeats irregularities in the length direction.
That the period of the side irregularities is a quarter of the wavelength in the medium of light.
And a phase shifter is formed in the central part in the longitudinal direction.
The convex part is continuous over half the wavelength so that
When; semiconductor stripe laser, wherein; including emitting facet of the laser beam, it was covered with cladding layers all around the active layer.
【請求項2】 レーザ発振を起こす活性層を上下クラッ
ド層で挟み、該活性層の端面からレーザ光を出力する半
導体ストライプレーザであって; 上記レーザ光の出射端面を含め、上記活性層の周囲の全
てをクラッド層で覆ったこと; 上記クラッド層は半導体多層膜により構成されているこ
と; を特徴とする半導体ストライプレーザ。
2. An active layer that causes laser oscillation is vertically
And a laser beam output from the end face of the active layer.
A conductor stripe laser; including a laser light emitting end face, and a light emitting element having a laser beam emitted from the entire periphery of the active layer;
A semiconductor cladding layer, wherein the cladding layer is formed of a semiconductor multilayer film.
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