JP2806409B2 - 半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents

半導体レーザおよびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体レーザおよびその
製造方法に関し、特に高発光効率で低消費電力ならびに
高密度のアレー化が可能な半導体レーザおよびその製造
方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】光通信方式や光記憶装置等で使用されて
いる光源としては半導体レーザが知られている。この半
導体レーザは、多種類の半導体構成材料を利用し、しか
も多様な構造のものが提案され、開発されている。ここ
では、半導体レーザの代表例として、GaAsを構成材
料として用いた例について図6に基づいて説明する。
【0003】発振波長が約0.9μmの半導体レーザ
は、GaAsの(100)面を半導体基板1とし、第1
のクラッド層2となるAlGaAs層、活性層3となる
GaAs層、第2のクラッド層4となるAlGaAs
層、並びに電流を注入するオーミック電極5と6により
構成されている。さらに、半導体基板の垂直方向に劈開
することなどにより反射ミラーを形成し、発振光を光出
力として外部に取り出す構造となっていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】最近では、半導体基板
上に半導体レーザをはじめとする半導体変調器・光スイ
ッチ・方向性結合器・受光器等の光機能素子を搭載した
光電子集積回路の研究および開発が進展しており、この
ためには新しい光機能素子、特に、半導体レーザの開発
が急務である。とりわけ、高密度の光機能素子を光電子
集積回路に搭載する場合には、半導体レーザの共振器の
長さ(反射端面間の距離)を所定の寸法に確実に形成で
きる技術が要求される。従来の半導体レーザの反射端面
の形成法としては、(1)ナイフなどによる劈開法、
(2)プラズマ中での反応性ガスイオンによるドライエ
ッチング法、(3)化学薬品によるウェットエッチング
法などが知られている。しかしながら、(1)の方法に
ついては、熟練した技術が必要であり、かつ共振器の長
さの再現性が悪いため、複数の半導体レーザへこの方法
を適用するのは困難である。(2)の方法および(3)
の方法については、再現性は高いが、マスクを作製する
プロセスやエッチングプロセスが増加し、特に、マスク
アライメントの工程に高い位置精度が要求される。
【0005】また、複数の半導体レーザを高密度に集積
した共振器の長さがきわめて短い半導体レーザの場合に
は、反射端面でGaAs活性層が空気に露出しているた
め、表面再結合によるキャリアの損失があり、発振閾値
が上昇し、消費電力が大きくなるという問題点があっ
た。
【0006】そこで、本発明の目的は、上述した問題点
を解消し、キャリアの損失が低く、発振閾値が低く、か
つ、消費電力の小さな半導体レーザおよびその製造方法
を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の半導体レーザは、化合物半導体から
なる基板の(111)B面上に、該基板と平行に積層さ
れた第1のクラッド層、活性層および第2のクラッド層
を有し、前記活性層は共振器の寸法を有し、かつ、前記
共振器の端面は前記基板に対して垂直に形成された前記
第2のクラッド層により被覆されている6角形状のダブ
ルヘテロ構造を有することを特徴とする。
【0008】本発明の半導体レーザの製造方法は、化合
物半導体からなる基板の(111)B面上に絶縁膜を形
成する工程と、該絶縁膜に一辺が
【0009】
【外3】 <11>方向
【0010】を有する正6角形の開口部を形成する工程
と、該開口部の基板上に第1のクラッド層を形成する工
程と、該第1 のクラッド層上に、前記基板に対して垂直
【0011】
【外4】 {10}
【0012】の側面を有する活性層を形成する工程と、
前記第1のクラッド層および前記活性層を覆う第2のク
ラッド層を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【0013】
【作用】本発明によれば、化合物半導体基板の(11
1)B面上にレーザ共振器構造を成長させるので、化合
物半導体基板の表面に垂直な(110)面を反射面とす
る6角形状の多層構造を形成することができる。
【0014】(110)反射面に対する全反射角度が小
さいため、発振閾値が極めて低い半導体レーザを実現す
ることができる。また従来の半導体レーザと異なり、出
射光の方向は基板に平行な全角度となる。
【0015】また、本発明によれば、有機金属気相成長
法の選択成長により、第2のクラッド層の横方向の成長
速度を抑制し、半導体基板に対して垂直方向に活性層を
被覆することができるため、活性層端面のキャリアの損
失が低く、発光効率が高く、かつ、集積密度の高い半導
体レーザを実現することができる。
【0016】
【実施例】以下、図面を参照しつつ本発明の実施例につ
いてAlGaAs/GaAsからなる半導体基板を用い
て説明する。
【0017】図1(a)および(b)は、それぞれ、本
発明に係る半導体レーザの基本構造を示す断面図および
平面図である。
【0018】その構造は、半導体基板1上の一部に所定
の共振器寸法の第1のクラッド層2、活性層3および第
2のクラッド層4を半導体基板1と平行に順次積層し、
かつ、活性層3の共振器端面が半導体基板1に垂直方向
に形成され、その活性層3の端面が第2のクラッド層4
により連続的に被覆され、半導体基板1および第2のク
ラッド層4に電流注入用のオーミック電極5、6が形成
された半導体レーザである。
【0019】半導体基板1の方位が(111)B面の
時、絶縁膜7に一辺が
【0020】
【外5】 <11>方向
【0021】を有する正6角形の開口部8が形成される
と共に、活性層の端面は(110)面となる。
【0022】図1に示した構造および形状において、半
導体レーザの両オーミック電極5,6から電流を注入す
ると、ダブルヘテロ構造による利得媒質で、かつ光の閉
じ込め効果により、六角形状の導波モード(図中、光は
点線で示したモード)で全反射しながら伝搬し、利得を
増加して発振して光出力として取りだされる。この時、
従来の平行な共振器をもつ半導体レーザとは異なり、
【0023】
【外6】 {10}反射面
【0024】に対する全反射角度が小さいため、発振閾
値が極めて低い半導体レーザを実現することができる。
また、従来の半導体レーザと異なり、出射光の方向は基
板に平行な全角度になる。
【0025】図2は本発明の半導体レーザの製造工程を
示す模式的断面図である。まず、(111)B面をもつ
GaAsの半導体基板1の上に、SiO2 膜からなる絶
縁膜7をスパッタリング法あるいはCVD法で30nm
の厚みに堆積させる。この絶縁膜7の全面にフォトレジ
ストを塗布したのち、一辺が
【0026】
【外7】 <11>方向
【0027】を向いた正六角形の開口部を光露光もしく
は電子ビーム露光等を用いて窓を開け、その後、希釈弗
酸からなる化学薬品または反応性イオンエッチングによ
り絶縁膜7の一部を除去した。その後、不要なレジスト
をアセントなどで除去した(図2(a))。次に、半導
体の原料となるトリメチルガリウム(TMG)、トリメ
チルアルミニウム(TMA)およびアルシン(AsH
3 )を供給すべき有機金属気相成長装置にこの基板を装
着する。
【0028】図3は、(111)B面を有するGaAs
からなる半導体基板の成長温度とAlGaAsからなる
クラッド層の厚さ方向(図中、Vにて示す)と横方向
(図中、Lにて示す)の成長速度との関係を示す特性図
である。
【0029】トリメチルガリウム(TMG)の圧力は
3.6×10-6atm、トリメチルアルミニウム(TM
A)の圧力は4.0×10-6atm、アルシン(AsH
3 )の圧力は1.0×10-4atmで反応管内に供給し
た。AlGaAsが成長する反応管内の圧力(W.
P.)は76Torrとした。
【0030】図3から解るように、厚さ方向の成長速度
と横方向の成長速度とは半導体基板の温度により変化す
る。従って、温度を選択することにより、成長速度を制
御することができる。
【0031】まず、半導体基板1の温度を810℃に設
定し、AlGaAsの第1のクラッド層2を0.4μm
の厚みにGaAsの活性層3を0.1μmの厚みに成長
させた(図2の(b))。この条件では、図3の特性図
からわかるように垂直方向に成長して横方向に成長しな
い六角形状の成長層が得られた。
【0032】次に、半導体基板1の温度を780℃に低
下させ、AlGaAsの第2のクラッド層4を0.4μ
mの厚みに成長させると、図3の特性図からわかるよう
に厚さ方向だけでなく、横方向にも0.1μmの厚みに
成長させることができ、活性層3を埋め込むことができ
た。このようにして活性層3を挟む第1のクラッド層2
および第2のクラッド層4によりダブルヘテロ構造が形
成されることになる(図2(c))。
【0033】最後に、半導体基板1および第2のクラッ
ド層2にAuGeNi等からなるオーミック電極5、6
を形成させると(図2(d))、本発明の半導体レーザ
を作製することができる。
【0034】本方法は、フォトリソグラフィーと有機金
属成長法を利用するだけの簡易な製造プロセスであり、
しかも、共振器の長さは当初の絶縁膜の開口部の大きさ
によって決定できる。本実施例において、開口部の大き
さを通常の紫外線露光法により500μm、100μ
m、50μm、5μm、および2μmのフォトマスクを
利用して半導体レーザを作製し、その発光特性を調べ
た。その結果、多モード発振および単一モード発振を確
認した。共振器の長さが1μm以下のサブミクロンの極
短の共振器の長さの半導体レーザは、電子ビーム露光法
等を用いることにより実現することができ、発光波長と
同程度の共振器の長さを有する半導体レーザを容易に実
現することができる。また、活性層を埋め込むととも
に、共振器の端面を半導体材料を用いて全面的に被覆し
ているため、反射端面における光の損失を妨げられるの
で、発光効率を高めることができる。
【0035】共振器の方法は、絶縁膜の窓開けにより任
意に設定することができ、特に、共振器の寸法を短くす
ることができ、作製プロセスが簡略しているため、マス
クのような位置合わせが不要となる。
【0036】図4(a)および(b)は、それぞれ本発
明に係る半導体レーザを直列に5個整列させた場合の平
面図および断面図である。1個のレーザの共振器(活性
層)の長さは2μmで、共振器間の間隙は0.5μmで
ある。このような構造において、5個の半導体レーザに
電流を注入すると、発光方向は配列の方向に選択的に一
方向となり(図のaおよびb方向)、単一モード発振と
なるが、発光強度が高められ、高光出力を実現すること
ができる。
【0037】図5は、複数の半導体レーザを(110)
面が相互に対向するように整列させた場合の平面図であ
る。
【0038】図5の構造では、個別のレーザまたは整列
する方向にレーザを規制的に発光させたり、あるいは外
部から光を照射することにより、三方向の光の伝搬を利
用して光スイッチや光メモリ等の機能を有する光集積回
路に応用することができる。また、複数の光による結
合、すなわち、2次元的ネットワークが効率よく形成さ
れるため、このネットワークに情報をになわせる光スイ
ッチ、光メモリ等の光情報処理回路も実現することがで
きる。
【0039】本発明の実施例では、AlGaAs/Ga
As系の半導体材料で説明してきたが、GaInP/G
aAs、GaInAs/InP等のIII −V族化合物半
導体およびその混晶系、ZnSe/GaAs等のII−VI
族化合物半導体とその混晶系材料でも実現することがで
きる。
【0040】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
有機金属気相成長法の選択成長により、第2のクラッド
層の横方向の成長速度を抑制し、半導体基板に対して垂
直方向に活性層を被覆することができるため、活性層端
面のキャリアの損失が低く、発光効率が高く、かつ、集
積密度の高い半導体レーザを実現することができる。
【0041】さらに、本発明によれば、活性層の埋め込
み成長と共振器の長さを容易に制御することができ、出
射方向を制御でき、また、発振閾値が極めて低い。
【0042】さらにまた、本発明によれば、新規な光機
能素子への発展や光電子集積機能回路へ本発明の半導体
レーザを適用でき、新規な光情報処理システムを実現す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体レーザの模式図である。
【図2】本発明に係る半導体レーザの製造方法を示す工
程図である。
【図3】半導体基板の成長温度とクラッド層の成長速度
との関係を示す特性図である。
【図4】本発明に係る半導体レーザを直線的に整列させ
た模式図である。
【図5】本発明に係る複数の半導体レーザを2次元的に
整列させた平面図である。
【図6】従来の半導体レーザの模式的断面図である。
【符号の説明】
1 半導体基板 2 第1のクラッド層 3 活性層 4 第2のクラッド層 5 オーミック電極 6 オーミック電極 7 絶縁膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−30578(JP,A) 特開 平5−167192(JP,A) 特表 平5−508971(JP,A) APPL.PHYS.LETT.58〜 18!(1991)P.2018−2020 J.CRYSTAL GROWTH 115(1991)P.69−73 JPN.J.APPL.PHYS.P ART2 32〜9B!(1993)P.L 1293−L1296 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01S 3/18

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 化合物半導体からなる基板の(111)
    B面上に、該基板と平行に積層された第1のクラッド
    層、活性層および第2のクラッド層を有し、前記活性層
    は共振器の寸法を有し、かつ、前記共振器の端面は前記
    基板に対して垂直に形成された前記第2のクラッド層に
    より被覆されている6角形状のダブルヘテロ構造を有す
    ることを特徴とする半導体レーザ。
  2. 【請求項2】 化合物半導体からなる基板(111)B
    面上に絶縁膜を形成する工程と、 該絶縁膜に一辺が 【外1】 <11>方向 を有する正6角形の開口部を形成する工程と、 該開口部の基板上に第1のクラッド層を形成する工程
    と、 該第1 のクラッド層上に、前記基板に対して垂直な 【外2】 {10} の側面を有する活性層を形成する工程と、 前記第1 のクラッド層および前記活性層を覆う第2のク
    ラッド層を形成する工程とを含むことを特徴とする半導
    体レーザの製造方法。
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JP4784966B2 (ja) * 2003-11-18 2011-10-05 シャープ株式会社 半導体レーザ装置および照明装置

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J.CRYSTAL GROWTH 115(1991)P.69−73
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