JP3024611B2 - 半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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- H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信や光情報処
理、光ディスク装置、光インターコネクションなどに用
いられる半導体レーザ素子およびその製造方法に関する
ものである。
理、光ディスク装置、光インターコネクションなどに用
いられる半導体レーザ素子およびその製造方法に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、光通信や光情報処理、光ディ
スク装置、光インターコネクションなどの用途に、半導
体レーザは、様々な環境下で大量に使用されるようにな
っており、このため、耐環境性、特に高温高出力特性に
優れた半導体レーザを安価に大量に生産することが強く
求められている。この種の半導体レーザを実現するため
には活性層以外の部分を流れる不要な漏れ電流を低減す
ることが重要であり、このため、種々の電流狭窄構造を
有する埋め込みヘテロ構造（ＢＨ：ＢｕｒｉｅｄＨｅｔ
ｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）レーザが研究・開発されて
いる。
スク装置、光インターコネクションなどの用途に、半導
体レーザは、様々な環境下で大量に使用されるようにな
っており、このため、耐環境性、特に高温高出力特性に
優れた半導体レーザを安価に大量に生産することが強く
求められている。この種の半導体レーザを実現するため
には活性層以外の部分を流れる不要な漏れ電流を低減す
ることが重要であり、このため、種々の電流狭窄構造を
有する埋め込みヘテロ構造（ＢＨ：ＢｕｒｉｅｄＨｅｔ
ｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）レーザが研究・開発されて
いる。
【０００３】優れた高温高出力特性を有するＢＨレーザ
構造として、図７に示すような断面形状を有するＤＣ−
ＰＢＨ（Ｄｏｕｂｌｅ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｐｌａｎａｒ
Ｂｕｒｉｅｄ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構
造が知られている。本構造は、ＩｎＰのｐｎｐｎサイリ
スタ構造によって構成される電流ブロック層５ａ，５ｂ
中にＩｎＰよりもバンドギャップの狭いＩｎＧａＡｓＰ
再結合層４が挿入された形となっており、ｐｎｐｎサイ
リスタのゲート電流として作用するキャリアをこの狭バ
ンドギャップ層において発光再結合させることによりサ
イリスタを構成するｎｐｎあるいはｐｎｐトランジスタ
の電流利得を低減し、サイリスタのターンオン動作を抑
制、電流狭窄特性を向上している。従来、ＤＣ−ＰＢＨ
構造は、ｎ−ＩｎＰ基板１ａ上に活性層３を平坦成長し
た後にエッチングによりメサストライプを形成し、液相
成長法（ＬＰＥ：Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔ
ａｘｙ）によって電流ブロック層を含む埋め込み層の成
長を行うことにより作製していたが、半導体層へのエッ
チングならびにＬＰＥによる埋め込み成長を用いる本製
法は、制御性・均一性・再現性の点で問題を有してい
た。
構造として、図７に示すような断面形状を有するＤＣ−
ＰＢＨ（Ｄｏｕｂｌｅ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｐｌａｎａｒ
Ｂｕｒｉｅｄ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構
造が知られている。本構造は、ＩｎＰのｐｎｐｎサイリ
スタ構造によって構成される電流ブロック層５ａ，５ｂ
中にＩｎＰよりもバンドギャップの狭いＩｎＧａＡｓＰ
再結合層４が挿入された形となっており、ｐｎｐｎサイ
リスタのゲート電流として作用するキャリアをこの狭バ
ンドギャップ層において発光再結合させることによりサ
イリスタを構成するｎｐｎあるいはｐｎｐトランジスタ
の電流利得を低減し、サイリスタのターンオン動作を抑
制、電流狭窄特性を向上している。従来、ＤＣ−ＰＢＨ
構造は、ｎ−ＩｎＰ基板１ａ上に活性層３を平坦成長し
た後にエッチングによりメサストライプを形成し、液相
成長法（ＬＰＥ：Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔ
ａｘｙ）によって電流ブロック層を含む埋め込み層の成
長を行うことにより作製していたが、半導体層へのエッ
チングならびにＬＰＥによる埋め込み成長を用いる本製
法は、制御性・均一性・再現性の点で問題を有してい
た。
【０００４】図中、５ａはｐ−Ｉｎｐブロック層、５ｂ
はｎ−ＩｎＰブロック層、６はｐ−ＩｎＰ埋め込み層、
７ａはｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層、８は絶縁膜、９
は電極を示している。以下の図８〜図１０についても同
一構成部分については、同一符号を付して説明する。
はｎ−ＩｎＰブロック層、６はｐ−ＩｎＰ埋め込み層、
７ａはｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層、８は絶縁膜、９
は電極を示している。以下の図８〜図１０についても同
一構成部分については、同一符号を付して説明する。
【０００５】一方、制御性・均一性・再現性に優れた有
機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎ
ｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法に
より、ＢＨ構造を作製した半導体レーザが盛んに研究開
発されているが、ここでもｐｎｐｎブロック層に狭バン
ドギャップの再結合層を挿入することによる高温高出力
特性の改善が提案されている。図８は、特開平６−３３
８６５４公報に掲載されているｐ型基板１ｂを用いたＲ
ＩＢ−ＰＢＨ（Ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｌａｙｅｒ
Ｉｎｓｅｒｔｅｄ Ｐｌａｎａｒ Ｂｕｒｉｅｄ Ｈ
ｅｔｅｒｏ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）レーザの断面を示し
たものであり、さらに特開平８−２３６８５８公報にお
いては、電流ブロック５ａ、５ｂに挿入する再結合層４
のバンドギャップ組成ならびに位置を最適化することに
よって、高温高出力特性を改善することが可能であるこ
とが示されている。しかしながら、ＭＯＶＰＥ法によっ
て埋め込み成長を行う本製法においても、半導体層への
エッチング制御性・均一性・再現性に起因する素子特性
のばらつきを回避できないという問題があった。図８
中、１ｂはｐ−ＩｎＰ基板、７ｂはｎ−ＩｎＧａＡｓコ
ンタクト層、１１ｂはｐ−ＩｎＰクラッド層、１６はｎ
−ＩｎＰ第１埋め込み層、１７はｎ−ＩｎＰ第２埋め込
み層である。
機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎ
ｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法に
より、ＢＨ構造を作製した半導体レーザが盛んに研究開
発されているが、ここでもｐｎｐｎブロック層に狭バン
ドギャップの再結合層を挿入することによる高温高出力
特性の改善が提案されている。図８は、特開平６−３３
８６５４公報に掲載されているｐ型基板１ｂを用いたＲ
ＩＢ−ＰＢＨ（Ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｌａｙｅｒ
Ｉｎｓｅｒｔｅｄ Ｐｌａｎａｒ Ｂｕｒｉｅｄ Ｈ
ｅｔｅｒｏ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）レーザの断面を示し
たものであり、さらに特開平８−２３６８５８公報にお
いては、電流ブロック５ａ、５ｂに挿入する再結合層４
のバンドギャップ組成ならびに位置を最適化することに
よって、高温高出力特性を改善することが可能であるこ
とが示されている。しかしながら、ＭＯＶＰＥ法によっ
て埋め込み成長を行う本製法においても、半導体層への
エッチング制御性・均一性・再現性に起因する素子特性
のばらつきを回避できないという問題があった。図８
中、１ｂはｐ−ＩｎＰ基板、７ｂはｎ−ＩｎＧａＡｓコ
ンタクト層、１１ｂはｐ−ＩｎＰクラッド層、１６はｎ
−ＩｎＰ第１埋め込み層、１７はｎ−ＩｎＰ第２埋め込
み層である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】これに対し、ＩＥＥＥ
フォトニクステクノロジーレターズ，Ｖｏｌ．９，Ｎ
ｏ．３（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏ
ｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｍａｒｃｈ １９９７ Ｖ
ｏｌ．９ Ｎｏ．３，ｐ．２９１〜２９３）に記載され
ているように、選択成長を利用して活性層を含むメサス
トライプを直接形成することにより、半導体層へのエッ
チングを回避し、優れた高温高出力特性を有するＢＨレ
ーザを均一性・再現性良く作製する方法が提案されてい
る。図９（ａ），（ｂ）はそれぞれ本方法によってｎ型
基板１ａ上に作製されたＤＣ−ＰＢＨレーザの断面構造
ならびに活性層３の成長に用いられる選択成長マスク２
のパターンを示したものであるが、選択成長マスク２の
幅Ｗｍを３〜１０μｍ程度とすることによって、活性層
３から該マスク幅Ｗｍだけ離れた位置に狭バンドギャッ
プ層が挿入された構造を実現している。しかしながら、
本方法においては、再結合層４のバンドギャップならび
に位置を独立して制御し、最適化することが不可能であ
るという問題があった。
フォトニクステクノロジーレターズ，Ｖｏｌ．９，Ｎ
ｏ．３（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏ
ｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｍａｒｃｈ １９９７ Ｖ
ｏｌ．９ Ｎｏ．３，ｐ．２９１〜２９３）に記載され
ているように、選択成長を利用して活性層を含むメサス
トライプを直接形成することにより、半導体層へのエッ
チングを回避し、優れた高温高出力特性を有するＢＨレ
ーザを均一性・再現性良く作製する方法が提案されてい
る。図９（ａ），（ｂ）はそれぞれ本方法によってｎ型
基板１ａ上に作製されたＤＣ−ＰＢＨレーザの断面構造
ならびに活性層３の成長に用いられる選択成長マスク２
のパターンを示したものであるが、選択成長マスク２の
幅Ｗｍを３〜１０μｍ程度とすることによって、活性層
３から該マスク幅Ｗｍだけ離れた位置に狭バンドギャッ
プ層が挿入された構造を実現している。しかしながら、
本方法においては、再結合層４のバンドギャップならび
に位置を独立して制御し、最適化することが不可能であ
るという問題があった。
【０００７】また、選択成長における成長速度ならびに
組成のマスク幅依存性を用いてスポットサイズ変換導波
路を集積した半導体レーザを作製する研究が近年盛んに
行われている。図１０（ａ）は特開平７−２８３４９０
公報に記載のスポットサイズ変換導波路集積レーザを示
したものであるが、このようなスポットサイズ変換導波
路集積レーザは、図１０（ｂ）のようにレーザ領域１３
のマスク幅を数十μｍと、スポットサイズ変換導波路領
域１４の端部におけるマスク幅との差が大きくなるよう
に設定することによって実現されるため、図１０（ａ）
のように、電流狭窄特性の改善に有効な狭バンドギャッ
プ層が活性層３の近傍の電流ブロック層５ａ、５ｂ中に
存在しない構成となる。このため、スポットサイズ変換
導波路部１４を除去したレーザ単体の特性を再結合層４
が活性層３の近傍に存在する素子と比較すると、高温高
出力特性の点で劣るものになるという問題があった。
組成のマスク幅依存性を用いてスポットサイズ変換導波
路を集積した半導体レーザを作製する研究が近年盛んに
行われている。図１０（ａ）は特開平７−２８３４９０
公報に記載のスポットサイズ変換導波路集積レーザを示
したものであるが、このようなスポットサイズ変換導波
路集積レーザは、図１０（ｂ）のようにレーザ領域１３
のマスク幅を数十μｍと、スポットサイズ変換導波路領
域１４の端部におけるマスク幅との差が大きくなるよう
に設定することによって実現されるため、図１０（ａ）
のように、電流狭窄特性の改善に有効な狭バンドギャッ
プ層が活性層３の近傍の電流ブロック層５ａ、５ｂ中に
存在しない構成となる。このため、スポットサイズ変換
導波路部１４を除去したレーザ単体の特性を再結合層４
が活性層３の近傍に存在する素子と比較すると、高温高
出力特性の点で劣るものになるという問題があった。
【０００８】本発明の目的は、半導体層によって構成さ
れた活性層が選択成長によって直接形成された半導体レ
ーザおよびその製造方法において、活性層近傍の任意の
位置に任意のバンドギャップを有する再結合層を活性層
と一括して形成することを可能とし、良好な高温高出力
特性を有する半導体レーザ素子を均一性・再現性良く作
製、安価に大量に提供することにある。
れた活性層が選択成長によって直接形成された半導体レ
ーザおよびその製造方法において、活性層近傍の任意の
位置に任意のバンドギャップを有する再結合層を活性層
と一括して形成することを可能とし、良好な高温高出力
特性を有する半導体レーザ素子を均一性・再現性良く作
製、安価に大量に提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明による半導体レーザにおいては、活性層と、
少なくとも１つの再結合層とを有する半導体レーザであ
って、活性層は、半導体層によって構成され、選択成長
によって直接形成されたものであり、再結合層は、電流
ブロック層中に選択成長によって活性層と同時に形成さ
れ、該電流ブロック層の構成材料よりもバンドギャップ
が狭いストライプ状をなすものである。
め、本発明による半導体レーザにおいては、活性層と、
少なくとも１つの再結合層とを有する半導体レーザであ
って、活性層は、半導体層によって構成され、選択成長
によって直接形成されたものであり、再結合層は、電流
ブロック層中に選択成長によって活性層と同時に形成さ
れ、該電流ブロック層の構成材料よりもバンドギャップ
が狭いストライプ状をなすものである。
【００１０】また、上記再結合層のストライプ幅は、２
０μｍ以下である。
０μｍ以下である。
【００１１】また、上記活性層と該活性層に最も近い上
記再結合層ストライプとの間隔は、１μｍ以上１０μｍ
以下である。また、前記活性層の両側に前記再結合層を
有するものである。
記再結合層ストライプとの間隔は、１μｍ以上１０μｍ
以下である。また、前記活性層の両側に前記再結合層を
有するものである。
【００１２】また、本発明による半導体レーザの製造方
法においては、半導体層によって構成された活性層を選
択成長によって直接形成する半導体レーザ製造方法であ
って、活性層成長用開口部を挾んで少なくとも１対以上
の該活性層成長用開口部以外の開口部を有する選択成長
マスクパターンを用いて活性層の選択成長を行うもので
ある。
法においては、半導体層によって構成された活性層を選
択成長によって直接形成する半導体レーザ製造方法であ
って、活性層成長用開口部を挾んで少なくとも１対以上
の該活性層成長用開口部以外の開口部を有する選択成長
マスクパターンを用いて活性層の選択成長を行うもので
ある。
【００１３】また、上記活性層成長用開口部以外の開口
部は、幅２０μｍ以下のストライプ形状である。
部は、幅２０μｍ以下のストライプ形状である。
【００１４】また、上記活性層成長用開口部と該活性層
成長用開口部に最も近い活性層成長用以外の開口部との
間のマスク幅が１μｍ以上１０μｍ以下である。
成長用開口部に最も近い活性層成長用以外の開口部との
間のマスク幅が１μｍ以上１０μｍ以下である。
【００１５】また、活性層を直接形成するための選択成
長マスクパターンに、活性層成長用開口ストライプの他
に電流ブロック層に挿入する再結合層を成長するための
開口ストライプを作製し、このマスクパターンによって
再結合層の位置とバンドギャップを制御するものであ
る。
長マスクパターンに、活性層成長用開口ストライプの他
に電流ブロック層に挿入する再結合層を成長するための
開口ストライプを作製し、このマスクパターンによって
再結合層の位置とバンドギャップを制御するものであ
る。
【００１６】選択成長においては、マスク開口部とマス
ク部との面積比が大きい、すなわち開口面積が大きいほ
ど、その開口部の単位面積当たりに供給される原料が減
少し、成長速度が低下する。この際、ＩｎＧａＡｓＰな
どの材料では、供給される原料組成も短波長化するた
め、量子井戸層厚の減少による量子効果の増大により、
そのバンドギャップ変化はバルク活性層の場合よりも大
きくなる。
ク部との面積比が大きい、すなわち開口面積が大きいほ
ど、その開口部の単位面積当たりに供給される原料が減
少し、成長速度が低下する。この際、ＩｎＧａＡｓＰな
どの材料では、供給される原料組成も短波長化するた
め、量子井戸層厚の減少による量子効果の増大により、
そのバンドギャップ変化はバルク活性層の場合よりも大
きくなる。
【００１７】先の図９（ｂ）のような、選択成長パター
ンを用いる従来の全選択成長型ＤＣ−ＰＢＨレーザにお
いては、活性層を成長する為の開口部の幅Ｗｏは、光の
活性層への閉じ込めと横モード安定性のバランスといっ
た観点から通常１〜２μｍ程度のある一定の値に設定さ
れる。ここで、再結合層のバンドギャップは、狭い開口
部に成長される活性層よりも大きくなるが、このＷｏ＝
一定という条件下では活性層と再結合層とのバンドギャ
ップ差はマスク幅Ｗｍによって決定され、Ｗｍが大きい
ほど両者のバンドギャップ差は大きくなる。しかしなが
ら、この場合には活性層と再結合層の距離が増大するこ
とになり、再結合層のバンドギャップと位置とをそれぞ
れ独立に設定することはできない。
ンを用いる従来の全選択成長型ＤＣ−ＰＢＨレーザにお
いては、活性層を成長する為の開口部の幅Ｗｏは、光の
活性層への閉じ込めと横モード安定性のバランスといっ
た観点から通常１〜２μｍ程度のある一定の値に設定さ
れる。ここで、再結合層のバンドギャップは、狭い開口
部に成長される活性層よりも大きくなるが、このＷｏ＝
一定という条件下では活性層と再結合層とのバンドギャ
ップ差はマスク幅Ｗｍによって決定され、Ｗｍが大きい
ほど両者のバンドギャップ差は大きくなる。しかしなが
ら、この場合には活性層と再結合層の距離が増大するこ
とになり、再結合層のバンドギャップと位置とをそれぞ
れ独立に設定することはできない。
【００１８】本発明は、後述の実施形態に説明する図１
のように、選択成長マスク２のパターンに活性層以外に
も開口ストライプを設けることを特徴とするが、活性層
と再結合層との位置関係がマスク幅Ｗｍ１によって決定
される点は従来と同様である。しかしながら、再結合層
のバンドギャップは、マスク幅Ｗｍ１，Ｗｍ２ならびに
マスク開口幅Ｗｏ１，Ｗｏ２、いずれのパラメータに対
しても変化するため、Ｗｏ１＝一定、かつ、Ｗｍ１＝一
定とした場合、すなわち活性層幅と再結合層との位置を
固定した条件下においても、他のＷｏ２ならびにＷｍ２
をパラメータとして再結合層のバンドギャップを制御す
ることが可能である。従って、再結合層の位置とバンド
ギャップをそれぞれ独立に制御、最適化することによ
り、電子や正孔の漏れ電流を最小に抑えた電流ブロック
層構造を有する半導体レーザの作製が可能となる。
のように、選択成長マスク２のパターンに活性層以外に
も開口ストライプを設けることを特徴とするが、活性層
と再結合層との位置関係がマスク幅Ｗｍ１によって決定
される点は従来と同様である。しかしながら、再結合層
のバンドギャップは、マスク幅Ｗｍ１，Ｗｍ２ならびに
マスク開口幅Ｗｏ１，Ｗｏ２、いずれのパラメータに対
しても変化するため、Ｗｏ１＝一定、かつ、Ｗｍ１＝一
定とした場合、すなわち活性層幅と再結合層との位置を
固定した条件下においても、他のＷｏ２ならびにＷｍ２
をパラメータとして再結合層のバンドギャップを制御す
ることが可能である。従って、再結合層の位置とバンド
ギャップをそれぞれ独立に制御、最適化することによ
り、電子や正孔の漏れ電流を最小に抑えた電流ブロック
層構造を有する半導体レーザの作製が可能となる。
【００１９】ここで、活性層と再結合層との間隔が大き
すぎると、狭バンドギャップ層の挿入によるｐｎｐｎブ
ロック層構造のターンオン抑制効果が小さくなり、電流
狭窄特性が低下し、逆に間隔が小さすぎると再結合層の
正孔に対するポテンシャルが低いために活性層上のｐク
ラッド層から活性層脇のｐブロック層を通過して再結合
層に流れ込む漏れ電流が増加する。従って、本発明にお
ける活性層と該活性層に最も近い再結合層ストライプと
の間隔は１μｍ以上１０μｍ以下であることが望まし
い。なお、再結合層のストライプ幅Ｗｏ２は特に限定さ
れるものではないが、Ｗｏ２が大きすぎるとＷｍ２によ
る再結合層組成の制御範囲が小さくなるため、２０μｍ
以下の値で設計されることが望ましい。
すぎると、狭バンドギャップ層の挿入によるｐｎｐｎブ
ロック層構造のターンオン抑制効果が小さくなり、電流
狭窄特性が低下し、逆に間隔が小さすぎると再結合層の
正孔に対するポテンシャルが低いために活性層上のｐク
ラッド層から活性層脇のｐブロック層を通過して再結合
層に流れ込む漏れ電流が増加する。従って、本発明にお
ける活性層と該活性層に最も近い再結合層ストライプと
の間隔は１μｍ以上１０μｍ以下であることが望まし
い。なお、再結合層のストライプ幅Ｗｏ２は特に限定さ
れるものではないが、Ｗｏ２が大きすぎるとＷｍ２によ
る再結合層組成の制御範囲が小さくなるため、２０μｍ
以下の値で設計されることが望ましい。
【００２０】また、本発明を用いれば、選択成長を用い
てスポットサイズ変換導波路を集積化したレーザを作製
する場合でも、電流狭窄特性の向上に有効な狭バンドギ
ャップ層が活性層近傍の電流ブロック層に挿入された構
造とすることが可能であり、この場合にも上記のように
再結合層の位置とバンドギャップを独立に制御すること
が可能である。
てスポットサイズ変換導波路を集積化したレーザを作製
する場合でも、電流狭窄特性の向上に有効な狭バンドギ
ャップ層が活性層近傍の電流ブロック層に挿入された構
造とすることが可能であり、この場合にも上記のように
再結合層の位置とバンドギャップを独立に制御すること
が可能である。
【００２１】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明するが、本発明は以下の実
施の形態に限定されるものではない。なお、図８以下の
図に図示したものと同一構成部分には、同一符号を付し
て説明する。
て図面を参照して詳細に説明するが、本発明は以下の実
施の形態に限定されるものではない。なお、図８以下の
図に図示したものと同一構成部分には、同一符号を付し
て説明する。
【００２２】図２は本発明の第一の実施の形態の半導体
レーザの構造を示したものである。図１に示したよう
に、半導体基板１上に形成された選択成長マスク２には
活性層を成長するためのストライプ開口と、ブロック層
中に挿入する再結合層を成長するためのストライプ開口
とがパターニングしており、これにより活性層３と再結
合層４との一括選択成長が行われる。
レーザの構造を示したものである。図１に示したよう
に、半導体基板１上に形成された選択成長マスク２には
活性層を成長するためのストライプ開口と、ブロック層
中に挿入する再結合層を成長するためのストライプ開口
とがパターニングしており、これにより活性層３と再結
合層４との一括選択成長が行われる。
【００２３】図３は本実施形態の半導体レーザの製造方
法を説明するための実施例として、１．３μｍ帯のファ
ブリペローレーザ（ＦＰ−ＬＤ）の作製工程を示した図
である。図３（ａ）中、２ａは、選択成長前にｎ−Ｉｎ
Ｐ基板１ａ表面にＣＶＤ法により堆積され、フォトリソ
グラフィーによりパターニングされたＳｉＯ2マスクで
あり、そのマスク幅Ｗｍ１＝３．０μｍ，Ｗｍ２＝３．
０μｍ、開口幅Ｗｏ１＝１．５μｍ，Ｗｏ２＝５．０μ
ｍである。このようなＳｉＯ2マスク２ａを形成した基
板（ｎ−ＩｎＰ基板１ａ）上に、活性層成長用開口スト
ライプ部における膜厚ならびに組成で、ｎ−ＩｎＰクラ
ッド層１１ａ（厚さ０．２μｍ，ドーピング濃度１×１
０18ｃｍ-8）、ＩｎＧａＡｓＰのＳＣＨおよび歪ＭＱＷ
構造を有する活性層３（量子井戸数６，厚さ０．２μ
ｍ，発光波長１．３μｍ）、ｐ−ＩｎＰクラッド層１１
ｂ（厚さ０．１μｍ，ドーピング濃度７×１０17ｃ
ｍ-3）を順次成長する。ここで、活性層成長用開口部よ
り広い開口幅を有する再結合層成長用開口ストライプ部
に成長されたＩｎＧａＡｓＰ再結合層４は成長速度の低
下と組成の短波長化の結果、発光波長１．２３μｍとな
っている。次に、フォトリソグラフィーにより活性層３
を含むメサ型光導波路の上部にのみＳｉＯ2マスク１２
を形成し、ｐ−ＩｎＰブロック層５ａ（厚さ０．５μ
ｍ，ドーピング濃度３×１０17ｃｍ-3）およびｎ−Ｉｎ
Ｐブロック層５ｂ（厚さ０．７μｍ，ドーピング濃度１
×１０18ｃｍ-8）からなる電流狭窄構造を成長し、さら
にＳｉＯ2マスク１２を除去した後にｐ−ＩｎＰ埋め込
み層６及びｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層７ａを成長し
た後、電極９を作製し、最後に劈開によって共振器長３
００μｍの半導体レーザとした。本実施形態にかかる半
導体レーザの電流・光出力特性は、２００素子の平均値
で、２５℃において閾値電流７．２ｍＡ，スロープ効率
０．３２Ｗ／Ａ、８５℃において閾値電流１７．８ｍ
Ａ，スロープ効率０．２５Ｗ／Ａと良好な特性を示し
た。
法を説明するための実施例として、１．３μｍ帯のファ
ブリペローレーザ（ＦＰ−ＬＤ）の作製工程を示した図
である。図３（ａ）中、２ａは、選択成長前にｎ−Ｉｎ
Ｐ基板１ａ表面にＣＶＤ法により堆積され、フォトリソ
グラフィーによりパターニングされたＳｉＯ2マスクで
あり、そのマスク幅Ｗｍ１＝３．０μｍ，Ｗｍ２＝３．
０μｍ、開口幅Ｗｏ１＝１．５μｍ，Ｗｏ２＝５．０μ
ｍである。このようなＳｉＯ2マスク２ａを形成した基
板（ｎ−ＩｎＰ基板１ａ）上に、活性層成長用開口スト
ライプ部における膜厚ならびに組成で、ｎ−ＩｎＰクラ
ッド層１１ａ（厚さ０．２μｍ，ドーピング濃度１×１
０18ｃｍ-8）、ＩｎＧａＡｓＰのＳＣＨおよび歪ＭＱＷ
構造を有する活性層３（量子井戸数６，厚さ０．２μ
ｍ，発光波長１．３μｍ）、ｐ−ＩｎＰクラッド層１１
ｂ（厚さ０．１μｍ，ドーピング濃度７×１０17ｃ
ｍ-3）を順次成長する。ここで、活性層成長用開口部よ
り広い開口幅を有する再結合層成長用開口ストライプ部
に成長されたＩｎＧａＡｓＰ再結合層４は成長速度の低
下と組成の短波長化の結果、発光波長１．２３μｍとな
っている。次に、フォトリソグラフィーにより活性層３
を含むメサ型光導波路の上部にのみＳｉＯ2マスク１２
を形成し、ｐ−ＩｎＰブロック層５ａ（厚さ０．５μ
ｍ，ドーピング濃度３×１０17ｃｍ-3）およびｎ−Ｉｎ
Ｐブロック層５ｂ（厚さ０．７μｍ，ドーピング濃度１
×１０18ｃｍ-8）からなる電流狭窄構造を成長し、さら
にＳｉＯ2マスク１２を除去した後にｐ−ＩｎＰ埋め込
み層６及びｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層７ａを成長し
た後、電極９を作製し、最後に劈開によって共振器長３
００μｍの半導体レーザとした。本実施形態にかかる半
導体レーザの電流・光出力特性は、２００素子の平均値
で、２５℃において閾値電流７．２ｍＡ，スロープ効率
０．３２Ｗ／Ａ、８５℃において閾値電流１７．８ｍ
Ａ，スロープ効率０．２５Ｗ／Ａと良好な特性を示し
た。
【００２４】なお、本発明の第一の実施の形態を示す図
２では素子容量の低減や劈開後のバー（レーザアレイ）
状態での隣接素子との電気的分離等の為に、電気的分離
溝を通常のエッチング技術を用いて形成した場合の構造
を示しているが、このような電気的分離溝１０によって
半導体レーザアレイとした場合においても本発明が適用
可能であることはいうまでもない。またこの実施形態に
は、ファブリペロー共振器型のレーザを用いて説明した
が、ＤＦＢレーザ構造あるいはＤＢＲレーザ構造として
も良く、その発振波長も上記の実施例の１．３μｍ帯に
限定されるものではなく、例えば１．５５μｍや１．６
５μｍ、０．９８μｍ、あるいは０．６８μｍ等の可視
波長帯を含め、いかなる波長帯であってもよい。また、
この実施形態では歪量子井戸層を用いた歪ＭＱＷ構造と
したが、無歪ＭＱＷ構造や歪補償型ＭＱＷ構造あるいは
バルク活性層を用いてもよく、その構成材料としてはＩ
ｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の他に、ＡｌＧａＩｎＡｓ／Ｉ
ｎＰ系，ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系，ＡｌＧａＩｎＰ／
ＧａＩｎＰ系その他いかなる半導体材料系を使用したも
のであっても良い。
２では素子容量の低減や劈開後のバー（レーザアレイ）
状態での隣接素子との電気的分離等の為に、電気的分離
溝を通常のエッチング技術を用いて形成した場合の構造
を示しているが、このような電気的分離溝１０によって
半導体レーザアレイとした場合においても本発明が適用
可能であることはいうまでもない。またこの実施形態に
は、ファブリペロー共振器型のレーザを用いて説明した
が、ＤＦＢレーザ構造あるいはＤＢＲレーザ構造として
も良く、その発振波長も上記の実施例の１．３μｍ帯に
限定されるものではなく、例えば１．５５μｍや１．６
５μｍ、０．９８μｍ、あるいは０．６８μｍ等の可視
波長帯を含め、いかなる波長帯であってもよい。また、
この実施形態では歪量子井戸層を用いた歪ＭＱＷ構造と
したが、無歪ＭＱＷ構造や歪補償型ＭＱＷ構造あるいは
バルク活性層を用いてもよく、その構成材料としてはＩ
ｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の他に、ＡｌＧａＩｎＡｓ／Ｉ
ｎＰ系，ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系，ＡｌＧａＩｎＰ／
ＧａＩｎＰ系その他いかなる半導体材料系を使用したも
のであっても良い。
【００２５】図４は本発明の第二の実施の形態のスポッ
トサイズ変換導波路集積半導体レーザの構造を示したも
のである。
トサイズ変換導波路集積半導体レーザの構造を示したも
のである。
【００２６】本発明の他の実施形態の例として、１．３
μｍ帯のスポットサイズ変換導波路集積ＦＰ−ＬＤを作
製するための選択成長マスクパターンを示したものを図
５に示す。図中、活性層を成長するためのストライプ開
口幅Ｗｏ１＝１．３μｍ、ブロック層中に挿入される再
結合層を成長するためのストライプ開口幅Ｗｏ２＝４μ
ｍ、マスク幅Ｗｍ１＝５μｍで一定、Ｗｍ２は長さ２５
０μｍのレーザ領域１３では５０μｍで、長さ２００μ
ｍのスポットサイズ変換導波路領域１４において、５０
μｍから０μｍにテーパ状に減少させている。このよう
な選択成長マスクパターンを用いることにより、広いマ
スク幅を必要とするレーザ領域１３においても、図４の
ように電流ブロック層（５ａ、５ｂ）にバンドギャップ
の小さな再結合層４が挿入された、高温高出力特性に優
れた構造をとることが可能となる。本実施形態において
も、レーザ領域１３での活性層開口ストライプ部におけ
る膜厚ならびに組成を本発明第一の実施の形態の例と同
一とした設計で選択成長を行い、その結果、出射端にお
ける発光波長が１．１４μｍ膜厚がレーザ領域部の１／
３のスポットサイズ変換導波路１５、ならびにレーザ領
域１３において発光波長１．２１μｍの再結合層４が得
られた。さらに本発明第一の実施の形態の例と同一の工
程によってＢＨ成長を行い、レーザ領域全体とスポット
サイズ変換導波路領域のレーザ側４０μｍの合計２９０
μｍに電流を注入する電極構造を作製し、全素子長４５
０μｍに劈開後、後方端面に反射率９０％のコーティン
グを施してスポットサイズ変換導波路集積半導体レーザ
とした。本実施形態にかかるスポットサイズ変換導波路
集積半導体レーザは、１００素子の平均値で、２５℃に
おいて閾値電流８．５ｍＡ，スロープ効率０．３８Ｗ／
Ａ、８５℃において閾値電流２６．３ｍＡ，スロープ効
率０．２５Ｗ／Ａと良好な電流−光出力特性、ならびに
遠視野像の半値全幅が水平方向１２°，垂直方向１３°
と良好な狭放射角光出力特性を示した。
μｍ帯のスポットサイズ変換導波路集積ＦＰ−ＬＤを作
製するための選択成長マスクパターンを示したものを図
５に示す。図中、活性層を成長するためのストライプ開
口幅Ｗｏ１＝１．３μｍ、ブロック層中に挿入される再
結合層を成長するためのストライプ開口幅Ｗｏ２＝４μ
ｍ、マスク幅Ｗｍ１＝５μｍで一定、Ｗｍ２は長さ２５
０μｍのレーザ領域１３では５０μｍで、長さ２００μ
ｍのスポットサイズ変換導波路領域１４において、５０
μｍから０μｍにテーパ状に減少させている。このよう
な選択成長マスクパターンを用いることにより、広いマ
スク幅を必要とするレーザ領域１３においても、図４の
ように電流ブロック層（５ａ、５ｂ）にバンドギャップ
の小さな再結合層４が挿入された、高温高出力特性に優
れた構造をとることが可能となる。本実施形態において
も、レーザ領域１３での活性層開口ストライプ部におけ
る膜厚ならびに組成を本発明第一の実施の形態の例と同
一とした設計で選択成長を行い、その結果、出射端にお
ける発光波長が１．１４μｍ膜厚がレーザ領域部の１／
３のスポットサイズ変換導波路１５、ならびにレーザ領
域１３において発光波長１．２１μｍの再結合層４が得
られた。さらに本発明第一の実施の形態の例と同一の工
程によってＢＨ成長を行い、レーザ領域全体とスポット
サイズ変換導波路領域のレーザ側４０μｍの合計２９０
μｍに電流を注入する電極構造を作製し、全素子長４５
０μｍに劈開後、後方端面に反射率９０％のコーティン
グを施してスポットサイズ変換導波路集積半導体レーザ
とした。本実施形態にかかるスポットサイズ変換導波路
集積半導体レーザは、１００素子の平均値で、２５℃に
おいて閾値電流８．５ｍＡ，スロープ効率０．３８Ｗ／
Ａ、８５℃において閾値電流２６．３ｍＡ，スロープ効
率０．２５Ｗ／Ａと良好な電流−光出力特性、ならびに
遠視野像の半値全幅が水平方向１２°，垂直方向１３°
と良好な狭放射角光出力特性を示した。
【００２７】本実施の形態においても、前記ＦＰレーザ
構造の他、ＤＦＢレーザ構造あるいはＤＢＲレーザ構造
など、いかなるレーザ構造を用いても良く、その発振波
長ならびに構成材料によって本発明が限定されるもので
無いことは第一の実施の形態の場合と同様である。ま
た、本実施形態においては、スポットサイズ変換導波路
領域の選択成長マスク幅が直線的に減少するテーパ形状
を例として示したが、本発明の第二の実施の形態はテー
パ形状に限定されるものではなく、例えば曲線的に前方
端面側ほどテーパが緩やかになる形状でも良く、マスク
幅等の値も本実施形態に限定されるものではない。
構造の他、ＤＦＢレーザ構造あるいはＤＢＲレーザ構造
など、いかなるレーザ構造を用いても良く、その発振波
長ならびに構成材料によって本発明が限定されるもので
無いことは第一の実施の形態の場合と同様である。ま
た、本実施形態においては、スポットサイズ変換導波路
領域の選択成長マスク幅が直線的に減少するテーパ形状
を例として示したが、本発明の第二の実施の形態はテー
パ形状に限定されるものではなく、例えば曲線的に前方
端面側ほどテーパが緩やかになる形状でも良く、マスク
幅等の値も本実施形態に限定されるものではない。
【００２８】以上、本発明の第一の実施の形態および第
二の実施の形態においては、再結合層を成長するための
開口ストライプが活性層成長用開口ストライプの両側に
一対ずつパターニングされた場合を例として示したが、
例えば、図６のように活性層成長用開口ストライプの両
側に二対ずつ、あるいはそれ以上の再結合層成長用開口
ストライプが存在しても良い。
二の実施の形態においては、再結合層を成長するための
開口ストライプが活性層成長用開口ストライプの両側に
一対ずつパターニングされた場合を例として示したが、
例えば、図６のように活性層成長用開口ストライプの両
側に二対ずつ、あるいはそれ以上の再結合層成長用開口
ストライプが存在しても良い。
【００２９】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、半導体レーザの電流狭窄特性を向上し、良好な高温
高出力特性を有する半導体レーザを安価に量産すること
が可能となる。
ば、半導体レーザの電流狭窄特性を向上し、良好な高温
高出力特性を有する半導体レーザを安価に量産すること
が可能となる。
【００３０】その理由は、良好な制御性・均一性・再現
性を有する全選択成長型ＢＨレーザおよびその製法にお
いて、電流狭窄特性の向上に有効な狭バンドギャップ層
の位置とバンドギャップ組成を任意に制御し最適化する
ことが可能になるからである。
性を有する全選択成長型ＢＨレーザおよびその製法にお
いて、電流狭窄特性の向上に有効な狭バンドギャップ層
の位置とバンドギャップ組成を任意に制御し最適化する
ことが可能になるからである。
【図１】本発明の作用を説明する図である。
【図２】本発明の第一の実施の形態を説明する図であ
る。
る。
【図３】本発明の第一の実施の形態の一例を説明する図
である。
である。
【図４】本発明の第二の実施の形態を説明する図であ
る。
る。
【図５】本発明の第二の実施の形態の一例を説明する図
である。
である。
【図６】本発明にかかる活性層成長用開口ストライプの
両側に２対の再結合層成長用開口ストライプが存在する
選択成長マスクパターンを示す図である。
両側に２対の再結合層成長用開口ストライプが存在する
選択成長マスクパターンを示す図である。
【図７】従来例１の説明図である。
【図８】従来例２の説明図である。
【図９】従来例３の説明図である。
【図１０】従来例４の説明図である。
１ 基板 １ａ ｎ−ＩｎＰ基板 １ｂ ｐ−ＩｎＰ基板 ２ 選択成長マスク ２ａ ＳｉＯ2マスク ３ 活性層 ４ 再結合層 ５ 電流ブロック層 ５ａ ｐ−ＩｎＰブロック層 ５ｂ ｎ−ＩｎＰブロック層 ６ ｐ−ＩｎＰ埋め込み層 ７ コンタクト層 ７ａ ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層 ７ｂ ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層 ８ 絶縁膜 ９ 電極 １０ 電気的分離溝 １１ クラッド層 １１ａ ｎ−ＩｎＰクラッド層 １１ｂ ｐ−ＩｎＰクラッド層 １２ ＳｉＯ2マスク １３ レーザ領域 １４ スポットサイズ変換導波路領域 １５ スポットサイズ変換導波路 １６ ｎ−ＩｎＰ第１埋め込み層 １７ ｎ−ＩｎＰ第２埋め込み層 １８ ＳＣＨ層 １９ 多重量子井戸構造 ２０ 開口部
Claims (8)
- 【請求項１】 活性層と、少なくとも１つの再結合層と
を有する半導体レーザであって、 活性層は、半導体層によって構成され、選択成長によっ
て直接形成されたものであり、 再結合層は、電流ブロック層中に選択成長によって活性
層と同時に形成され、該電流ブロック層の構成材料より
もバンドギャップが狭いストライプ状をなすものである
ことを特徴とする半導体レーザ。 - 【請求項２】 上記再結合層のストライプ幅は、２０μ
ｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体
レーザ。 - 【請求項３】 上記活性層と該活性層に最も近い上記再
結合層ストライプとの間隔は、１μｍ以上１０μｍ以下
であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体
レーザ。 - 【請求項４】 前記活性層の両側に前記再結合層を有す
ることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。 - 【請求項５】 半導体層によって構成された活性層を選
択成長によって直接形成する半導体レーザ製造方法であ
って、活性層成長用開口部を挾んで少なくとも１対以上
の該活性層成長用開口部以外の開口部を有する選択成長
マスクパターンを用いて活性層の選択成長を行うことを
特徴とする半導体レーザ製造方法。 - 【請求項６】 上記活性層成長用開口部以外の開口部
は、幅２０μｍ以下のストライプ形状であることを特徴
とする請求項５に記載の半導体レーザ製造方法。 - 【請求項７】 上記活性層成長用開口部と該活性層成長
用開口部に最も近い活性層成長用以外の開口部との間の
マスク幅が１μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴と
する請求項５又は６に記載の半導体レーザ製造方法。 - 【請求項８】 半導体層によって構成された活性層を選
択成長によって直接形成する半導体レーザ製造方法であ
って、 活性層を直接形成するための選択成長マスクパターン
に、活性層成長用開口ストライプの他に電流ブロック層
に挿入する再結合層を成長するための開口ストライプを
作製し、このマスクパターンによって再結合層の位置と
バンドギャップを制御するものであることを特徴とする
半導体レーザの製造方法。
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