JP3648357B2 - 半導体レーザ素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子及びその製造方法に係り、特に高出力で高信頼度の素子構造及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体多層構造からなる発光領域(活性領域)を有する発光素子の製造方法において、素子端部に延伸した発光に係る半導体層(活性層又は量子井戸層と呼ばれる)に不純物を拡散し、当該半導体層の禁制帯幅を素子中央部に対して大きくし、素子中央部で発生した光が素子端部で吸収されないようにする技術は特公昭63-51557号公報(特表昭58-500681号公報)に記載されている。このような素子端部の加工は、半導体発光素子の発光出力向上に伴う端面損傷を抑止する上で有効である。
【0003】
上記技術は、その後様々な検討が加えられ、近年においては例えばS. Arimoto他によるIEEE Journal of Quantum Electronics誌(Vol.29,pp1874-1879(1993))の文献にて論じられている。この文献によれば、図14のようにAlGaInP/GaInP系半導体レーザにおいてレーザ共振器の端面の近傍に亜鉛拡散を行いGaInP活性層(発光層)14を含む自然超格子を混晶化した窓領域(ハッチング部分140)を設けている。自然超格子を混晶化すると活性層の禁制帯幅が増加するため、端面破壊現象の原因であった端面における活性層のレーザ光に対する吸収がなくなる。即ち、当該混晶化領域140はレーザ光を透明なガラス窓の如く実質上無損失で通過させ、ファブリ・ペロー共振器を構成する素子端面(劈開面)に到達させる。これにより端面破壊現象が防止され、204mWという高出力の半導体レーザが実現されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術において、窓構造を形成するための不純物拡散は窓部の半導体層の不純物濃度を大幅に増加させる。この従来技術では、レーザ光を活性層104にストライプ状に閉じ込めて発振させる。即ち、活性層104上部に互いに離間し且つ対向して形成された電流ブロック層110により、活性層104における光閉じ込めが電流ブロック間に形成されたストライプ状の間隙に沿って生じるからである(この機能ゆえ、活性層を含めた上記光導波構造はストライプ状導波路と呼ばれる)。上記従来技術では、この素子機能に鑑み、電流ブロック層の間隙が形成される半導体領域上に不純物拡散源(ZnO)を形成し、当該間隙下方を中心に混晶化領域を形成している。
【0005】
このため、活性層の禁制帯幅を十分に増大すべく不純物元素(Zn)拡散量を増やすと、却って半導体層中に導入された不純物元素が放出する荷電粒子による光吸収・散乱が大きくなり、導波路の光損失が大きくなる。その結果、活性層の局所的光吸収をなくす窓構造本来の効果を奏しながらも、一方では、動作電流の増大や発光効率の低下などの副作用が生じ、素子の出力が再現性よく向上できない問題が浮上した。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、半導体レーザの発光領域に直接不純物拡散を行わず、端面部の発光領域近傍に拡散を行い、広禁制帯幅領域が拡散領域から横方向広がる現象を発見し、これを利用した窓領域形成により上記課題を解決することを着想した。このような広禁制帯幅領域の横方向広がりは、n型GaAs基板上にn型クラッド層、活性層、p型クラッド層をこの順に積層した構造においてp型クラッド層上にn型キャップ層を設けた領域に特に顕著に見られた。また、拡散する不純物、およびクラッド層にドーピングする不純物には亜鉛をもちいると10分から30分程度の短時間の熱処理により十分な禁制帯幅増大効果が得られた。
【0007】
一般に、不純物拡散を用いて窓領域の禁制帯幅を広げる場合、拡散する不純物の濃度が大きすぎると窓部分に光損失が発生し、半導体レーザのしきい値電流の増大や効率の低下をまねいた。このため、窓領域への不純物導入の上限は5×1018cm-3程度と考えられるが、実用上窓領域の不純物濃度をこの範囲に制御することは難しかった。これは、拡散した不純物の濃度プロファイルは拡散速度の濃度依存性のため拡散の先端において急激に増大する性質を持つことと、十分な拡散速度を得るためには1019cm-3台の高い表面不純物濃度を必要とすることが原因であった。
【0008】
これに対し、本発明で用いる広禁制帯幅領域の横方向広がりは窓領域への直接的不純物拡散ではなく、窓領域近傍への不純物拡散により誘発される結晶にドーピングされていた不純物の再分布によるものである。このため、広禁制帯幅領域の不純物濃度は高々結晶成長時のドーピング量にとどまり、半導体レーザの発光領域の中に素子特性に有害な高不純物濃度の領域を形成しない。従って、高不純物濃度による半導体レーザ特性の劣化を招かず広い工程裕度をもって窓構造レーザを形成できる特徴があった。
【0009】
以上の議論に基づき、本発明では直接遷移型の半導体により構成される活性層と、該活性層を挟むように積層され且つ該活性層よりも広い禁制帯幅を有し且つ互いに異なる導電型を有する半導体層からなるクラッド層とを含み、活性層及びクラッド層を含めてなる積層構造の端部に当該積層方向に沿って設けた結晶面(端面)により共振器を構成し、少なくとも一の結晶面から共振器内部に向けて活性層に不純物を導入した領域(以下、便宜的に窓領域又は窓構造と呼ぶ)を設け、当該領域の活性層の禁制帯幅を他の領域の活性層よりも大きくした半導体レーザ素子において、上記窓領域を半導体レーザの発光領域となるストライプ状構造に隣接する領域に不純物を導入して形成する。
【0010】
この構成上の特徴を、図19に示す具体的な一例から説明する。この図は、半導体レーザ素子の共振器を横切る断面図を示し、クラッド領域a(クラッド層)を挟んで発光領域(活性層)と対向するように電流狭窄領域(クラッド領域aと逆且つクラッド領域bと同じ導電型の半導体層)が形成され、発光領域及び電流狭窄領域の屈折率n0,n2がクラッド領域aのそれn1より大きくなるように夫々を構成する半導体材料が選択されている。電流狭窄領域は図示される如く共振器方向に延伸するストライプ状の間隙で離間されることにより、共振器を横断する方向に沿って発光領域に接合されるクラッド領域aの厚みが変化し、これに応じ発光領域に閉じ込められる光強度にも分布が生ずる。このようにクラッド領域とは屈折率の異なる半導体領域を発光領域に対向させて光強度を局在させ、レーザ発振位置を上記ストライプ状間隙に対向させて制限する共振器構造を屈折率導波型という(この時、電流狭窄領域の導電型はクラッド領域aと同じでも支障ない)。一方、クラッド領域aとは逆導電型の電流狭窄領域により発光領域に注入される電流(キャリア)は進行を阻まれるため、ストライプ状の間隙で通路を制限された状態で発光領域に供給される。このようにして発光領域における電流密度に分布を持たせてレーザ光の発光強度を局在化させる共振器構造を利得導波型という。図19に示す素子構造がこれらのいずれの構造であっても、発光領域におけるレーザ発振に寄与する部分は図面のA部である。これに対し、B部はレーザ発振に直接寄与しないといえよう。従って、上述の窓領域は共振器端面の少なくともA部を含めて形成せねばならない。
【0011】
上記従来技術では、このA部の上方に形成される半導体層の上面に拡散源を形成していたが、本発明はB部の上方に拡散源を形成し、高濃度で不純物が導入されたB部の側方から当該不純物を、活性領域の禁制帯幅を広げるに必要且つ十分な量で、且つ上述のレーザ光の吸収・散乱が起こらない適正な範囲に抑えてA部に導入する。その手法の詳細は後述の実施例1にて説明するが、本発明による半導体レーザ素子の製造過程では、半導体の積層構造の上面に形成される不純物導入源の位置をストライプ状導波路(図19における光導波部)の形成予定位置を介して離間させる。本発明者の発見によれば、B部に向けた積層方向の不純物拡散に対してB部からA部への不純物拡散の速度は約2桁速いため、上記不純物導入源はさらにクラッド領域aに形成されるリッジ(丘陵部)の両側(両脇)迄、即ち図19におけるストライプ部の幅、またはそれ以上離間させても支障ない。このリッジは、図19において(a)に台形型(順メサ型)、(b)に逆台形型(逆メサ型)をしめすが、上記光閉じ込め部はリッジ幅の狭い部分に、上記ストライプ部はリッジ幅の広い部分に夫々対応する。
【0012】
本発明の半導体レーザ素子の特徴を図19に示すストライプ状光導波路を有する素子構造の例から記せば、A部における不純物濃度はB部より低く、その望ましき濃度範囲は前者において1×1017cm-3以上且つ1×1018cm-3未満、後者において1×1018cm-3以上且つ1×1019cm-3以下である。即ち、濃度のオーダから見れば両者の不純物濃度範囲には僅か1桁の違いしかないが、不純物導入によるレーザ光の吸収・散乱による損失で見ると2桁又はそれ以上の優位性が前者に認められた。ストライプ状光導波路を有する素子構造において、このような不純物の濃度の関係を有する前者(A部)は例えば電流狭窄領域に設けられたストライプ状間隙部下方の発光領域と、後者(B部)はストライプ状リッジ部を有するクラッド領域aの当該リッジ部両側の部分の下方に位置する発光領域と夫々記せよう。
【0013】
以上の説明は、発光領域をクラッド層に挟まれた一活性層とした例に基づくが、発光領域を量子サイズ効果が現れる所謂量子井戸層とこれより禁制帯幅の大きい(但し、クラッド層より小さい)障壁層とを含み、この量子井戸層を障壁層で挟むように積層した所謂量子井戸構造としてもよい。量子井戸構造の発光領域は、1層の量子井戸層を2層の障壁層で挟む所謂単一量子井戸構造(SQW)としてもn層(nは2以上の自然数)の量子井戸層と(n+1)層又は(n−1)層の障壁層を交互に繰り返して積層する所謂多重量子井戸構造(MQW)としてもよく、夫々の層厚は例えば2nm以上30nm以下の範囲に設定するとよい。なお、量子井戸構造の発光領域において上述の不純物濃度の関係を示す領域(換言すれば、実質的に発光に寄与するキャリア再結合が生じる「狭義の発光領域」)は量子井戸層に相当する。
【0014】
狭義の発光領域となる半導体層を3種類以上の構成元素からなる化合物半導体層(n元系の混晶半導体層:nは構成元素の種類数)で形成する場合の望ましき条件を記せば、当該半導体層中には更なる組成の周期的変動が積層方向に沿って存在させることが望ましい。この周期的な組成変動は自然超格子と呼ばれ、通常超格子構造と呼ばれる積層構造に比べて組成の変動繰り返しが短い特徴を有し、具体的には電子のド・ブロイ波長よりも短い周期の組成の変動を有する。このため、例えば上述の2nmの量子井戸層をIn0.5Ga0.5Asで構成しても、この層は更に細かいInAs層とGaAs層の繰り返しを含み、且つInAs層ともGaAs層とも異なる物性を有する。自然超格子に関しては実施例1において更に具体的に言及する。
【0015】
上記窓領域形成のために導入される不純物としては、亜鉛(Zn)を用いることが望ましく、その拡散方法は例えば亜鉛の酸化物(ZnO)膜を拡散源として半導体層表面に形成して当該半導体層中に固相拡散させるとよい。不純物元素は、また珪素(Si)やカドミウム(Cd)を用いても本発明の実施は可能であり、前者においてはSi膜を、後者においては酸化物(CdO)膜を拡散源として用いるとよい。
【0016】
このような固相拡散をストライプ状導波路の側方に行う際、ストライプ状リッジが形成されるクラッド層(クラッド層となる半導体層)の上面のリッジ形成予定部分上方にクラッド層を構成する半導体層より不純物の拡散速度の遅い半導体材料からなる膜を形成し、上記拡散源を当該半導体膜を跨ぐように当該クラッド層上面に形成するとよい。当該半導体膜として推奨される材料は、Ga含有量の高いIII−V族化合物半導体が挙げられ、例えばAlGaInPでクラッド層を構成する場合は半導体膜をGaAsで構成すると効果的である。また、当該クラッド層をp型とした場合、半導体膜の導電型をn型とするとプロセス上有利である。ストライプ状導波路の側方において半導体多層膜の積層方向に沿って拡散した不純物は、上述の半導体膜下方に位置する半導体層に向けて横方向拡散により導入できる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましき実施の形態を実施例1乃至3及びその関連図面を用いて詳細に説明する。なお、同一又は類似の構成要素には同じ参照番号を付してある。
【0018】
<実施例1>
本発明第1の実施例の半導体レーザの構造を図1から図4を用いて説明する。
【0019】
まず図1及び2を参照して半導体レーザ素子の発光領域の共振器端面となる部分及びその近傍部分に不純物を導入して所謂窓構造を形成するまでのプロセスを説明する。図1及び図2は窓構造形成が終了した段階での一形態を模式的に示し、図1は半導体基板上に成長された半導体膜の積層構造をその上面(成長表面)から見た図であり、図2は図1に示すa−aの一点破線に沿った断面を示す。図2において、101はGaAs基板を示しており、このGaAs基板101の面方位は(100)面である。この基板上にn型In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5Pからなる厚さ1.8μm程度のn型クラッド層102、アンドープIn0.5(Ga0.5Al0.5)0.5Pからなる光ガイド層103で挾持されているIn0.5Ga0.5P活性層104、p型In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5Pからなる厚さ1.5μm程度のp型クラッド層105、p型In0.5Ga0.5P層106、およびn型GaAsキャップ層107を順次結晶成長した。
【0020】
活性層は如何なる発光層でも良く、例えば、ダブルヘテロ構造のように均一な構造のものでも、多重量子井戸構造のようにエネルギー的に変調を受けている構造のものでも用いることが可能であるが、結晶成長時にInとGaの周期的な組成ゆらぎ、いわゆる自然超格子を生じるように形成されていることが必要である。
【0021】
ここで自然超格子とは、n種類(nは3以上の自然数)の元素で化合物半導体層(n元系の混晶半導体層とも呼ぶ)を形成するとき、人為的には当該半導体層の全域においてn種類の元素の存在比率を一定にしようと形成条件を調整しながらも、形成された半導体層においてn種類の構成元素の夫々が周期的に局在してしまう状態を指す。即ち、本実施例の活性層で論じれば、In0.5Ga0.5Pという3種類の元素から構成される3元系化合物半導体層で作製した活性層内にInP層とGaP層とが周期的に積層されてしまい、その結果、当該活性層の禁制帯幅がIn0.5Ga0.5Pの混晶半導体の値より小さくなる(換言すれば、発光波長値が混晶半導体としてよそうした値より長くなる)という物性的な特徴を示す。即ち、自然超格子では人為的に形成された超格子構造の一例に見られるような、周期的に積層された2種類の半導体層の夫々の禁制帯幅に応じて一方が他方に電子又は正孔を閉じ込めるという現象は起こらず、あくまでも積層構造が一つのバルク材料であるかのように振る舞う。この物理的な性質は、自然超格子の積層周期(交互に繰り返される2種類の半導体層の夫々の厚み)が人為的に形成される通常の超格子構造より薄く、その厚みは例えば1原子層から10原子層程度であるといえよう。本実施例では、活性層の上下面にこれとは組成の異なる光ガイド層を接合したもっとも単純なダブルヘテロ構造について説明する。
【0022】
つぎに、このような半導体積層構造を持ったウエハのn型GaAsキャップ層107をホトリソグラフ技術を用いて幅20μmのストライプ状の形状に加工する。次に、スパッタ法によりZnO膜108の堆積を行った上で、ホトリソグラフ技術を用いてZnO膜108をn型GaAsキャップ層107のストライプに直交する幅50μmのストライプ状に加工する。この段階でのウエハの上面図を図1に示す。このようなウエハを摂氏600度において約15分加熱することによりZnO膜108からの亜鉛拡散を行った。
【0023】
n型GaAsキャップ層107のない領域ではZnO膜108から直接亜鉛が拡散され亜鉛濃度が約1x1019cm-3の高濃度ドープ領域109が形成される。一方、n型GaAsキャップ層107のストライプとZnO膜108のストライプが交差した領域ではn型GaAsキャップ層107中の亜鉛の拡散速度がp型In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5Pクラッド層105中の亜鉛の拡散速度の25%以下と遅いため、ZnO膜108からの直接的亜鉛拡散は活性層には到達しない。
【0024】
しかし、n型GaAsキャップ層107の存在する領域においては前記高濃度ドープ領域に誘発された不純物の再拡散が発生し自然超格子の混晶化が進行して禁制帯幅の広がった領域110が形成される。このような不純物の再拡散はn型GaAsキャップ層107のある領域にそって毎分約20μmの速さで横方向に広がる。このため拡散領域の亜鉛拡散が活性層に到達してから約30秒で禁制帯幅が広がった領域110はn−GaAsキャップ層107のストライプとZnO膜108ストライプの交差した領域の中央まで進行する。
【0025】
このような禁制帯幅が広がった領域110は外部より導入された不純物ではなく、もともとクラッド層にドーピングされていた不純物の再分布により自然超格子の混晶化が起こるものであるため、不純物濃度の不必要な増加は起こらず窓領域の不純物吸収による損失は発生しない。以上の工程により形成された窓領域のn型GaAsキャップ層107のストライプに直交する断面を図2に示す。この段階で、不純物導入による窓構造形成プロセスは終了する(但し、窓構造を有する共振器端面は未だ劈開されていない)。
【0026】
ここで、本実施例に基づく半導体レーザ素子の量産イメージ、即ちGaAsウエハ上に複数の素子を形成し、これらを劈開又はスクライブで個々のチップに分離する場合の説明図を図15乃至18に示し、以下のプロセス説明に援用する。図15は窓構造形成プロセスが終了した段階のウエハを半導体層の成長面側から見た図であり、図1のイメージに相当する。但し、図1では窓構造を共振器端面の一方のみに形成する(a−a線に沿って劈開する)のに対し、図15では共振器両端面に窓構造を形成する点が異なる。120はウエハの位置合わせのために設けられたオリエンテーション・フラット部を、131はホトリソグラフ用の位置合わせマークを示し、後者はn型GaAsキャップ層107と同じプロセスで形成される。図15に示したxn−xn線及びyn−yn線(n=1〜6)はウエハ上に形成された複数の素子を個々のチップに分離するときの劈開又はスクライブの予定線であり、共振器端面は後者の線に沿った劈開により形成される。
【0027】
半導体レーザ素子の共振器端面には、互いに反射率の異なる膜が形成され、レーザ光は反射率の低い膜が形成された端面から光学系に取り出される。この端面に形成される膜はAR(Anti-Refletion)コート膜と呼ばれ、これに対して他端面に形成される膜はHR(High-Reflection)コート膜と呼ばれる。ARコートされたレーザ光出射端面に対し、HRコートされた端面においては吸収される光のエネルギーは1/2乃至1/3程度と低く、レーザ光出射端面に比べて高出力発振時の損傷のリスクは低い。そこで、図15におけるZnO膜108のうちy2−y2線、y4−y4線、及びy6−y6線に沿った膜の形成を省き、窓構造を共振器端面の一方のみに形成してもよい。
【0028】
窓構造形成終了後のプロセスについて更に説明を続ける。図16に示す如くZnO膜108を除去した後、通常の熱CVD法によりSiO2膜を堆積し、ホトリソグラフ技術を用いてn型GaAsキャップ層107のストライプの中央付近にn型GaAsキャップ層107のストライプと平行な幅約5μmのSiO2ストライプ122を形成する。このSiO2ストライプをマスクとしてp型クラッド層105の途中までをリッジ状に加工し、再度SiO2ストライプをマスクとしてn型GaAs電流ブロック層111の選択成長を行った(図17参照)。
【0029】
n型GaAsキャップ層107を取り除いた後、n型GaAs電流ブロック層111およびp型In0.5Ga0.5P層106上に、p型GaAsからなるコンタクト層112を介してAu・Zn合金からなるp側電極113が設けた(図18参照)。そして、GaAs基板101の裏面には、Au・Ge合金からなるn側電極114が設けた。このような構造のウエハを、上述の劈開予定線に沿って長さ約600μmにへき開してレ−ザチップとした。へき開の位置はZnO膜108のストライプを設けた領域となるようにへき開位置の制御を行った。以上の工程により作成した半導体レーザの窓部および窓以外の部分の断面構造を図3および図4に示す。図18には、劈開で得られたチップ単体の上面図を右下に示すが、この図において図3はC1−C1及びC3−C3の断面に、図4はC2−C2の断面に夫々相当する。図3において、不純物が高濃度に導入された領域109はn型GaAs電流ブロック層111の下方に位置するため、ここで発生した荷電粒子がレーザ光を吸収・散乱することはなく、また活性層に流れるべき電流がここをバイパスすることもない。一方、不純物導入領域110へのバイパス電流を遮断するために、窓構造上部に位置するn型GaAsキャップ層107をそのまま残してもよい。
【0030】
なお、本実施例において、亜鉛の拡散により量子井戸を混晶化する際、亜鉛拡散時間が長すぎると窓領域のホトルミネッセンス発光強度が低下することに留意する必要がある。これは、長時間の亜鉛拡散により結晶欠陥が発生することが原因と考えられる。このような発光強度の低下を起こした素子では窓構造の効果が損なわれ、端面破壊レベルの増加が少なくなる傾向があった。図20に発光強度と端面破壊レベルの関係を示すが、端面破壊レベルは発光強度の平方根に比例して変化し、発光強度の低下がまったく無い窓では窓構造の無い場合の約4倍の端面破壊レベルが得られることがわかった。これより、窓構造の効果を得るためには最低限窓形成前の5%以上の発光強度を保つように不純物拡散の条件を選択する必要があることがわかった。
【0031】
本実施例の半導体レーザは波長680nm、しきい値電流約50mAで室温連続発振し、最大光出力は約300mWで、光出力100mWにおいて5000時間以上の連続動作が可能であった。
【0032】
<実施例2>
本発明第2の実施例の半導体レーザの構造を図5から図8に示す。201はGaAs基板を示しており、このGaAs基板201は、(100)面から[011]方向に7度傾斜した面方位を有している。この基板上にn型In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5Pからなる厚さ1.8μm程度のn型クラッド層102、多重量子井戸活性層202、p型In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5Pからなる厚さ1.5μm程度のp型クラッド層105、p型In0.5Ga0.5P層106、およびn−GaAsキャップ層107を順次結晶成長した。
【0033】
活性層202は厚さ5nmのIn0.55Ga0.45P層203と厚さ5nmのIn0.45(Ga0.5Al0.5)0.55P層204が4周期積層した多重量子井戸構造となっている。
【0034】
つぎに、このような半導体積層構造を持ったウエハのn型GaAsキャップ層107をホトリソグラフ技術を用いて図5のような幅20μmのストライプと幅50μmのストライプが交差した十字形の形状に加工する。次に、スパッタ法によりZnO膜108の堆積を行った上で、ホトリソグラフ技術を用いてZnO膜108をn型GaAsキャップ層107の幅50μmのストライプ上に幅40μmのストライプじょうに残るように加工する。
【0035】
このようなウエハを摂氏600度において約30分加熱することによりZnO膜108からの亜鉛拡散を行った。ZnO108を残した領域ではZnO膜108から直接亜鉛が拡散され亜鉛濃度が約1x1019cm-3の高濃度ドープ領域109が形成される。
【0036】
一方、n型GaAsキャップ層107のストライプが交差した領域ではZnO膜108からの直接的亜鉛拡散は活性層には到達しない。
【0037】
しかし、n型GaAsキャップ層107の存在する領域においては高濃度ドープ領域に誘発された不純物の再拡散が発生し超格子の混晶化が進行する。このような不純物の再拡散はn型GaAsキャップ層107のある領域にそって毎分約20μmの速さで横方向に広がるため拡散領域の亜鉛拡散が活性層に到達してから約30秒で禁制帯幅が広がった領域110はn型GaAsキャップ層107のストライプの交差した領域の中央まで進行する。
【0038】
このような短波長化領域は外部より導入された不純物ではなく、もともとクラッド層にドーピングされていた不純物の再拡散により超格子の混晶化が起こるために生じるものであるため、不純物濃度の不必要な増加は起こらず窓領域の不純物吸収による損失は発生しない。以上の工程により形成された窓領域のn−GaAsキャップ層107の幅20μmのストライプに直交する断面を図6に示す。
【0039】
ZnO膜108を除去した後、通常の熱CVD法によりSiO2膜を堆積し、ホトリソグラフ技術を用いてn型GaAsキャップ層107の幅20μmのストライプの中央付近にn型GaAsキャップ層107のストライプと平行な幅約5μmのSiO2ストライプを形成する。このSiO2ストライプをマスクとしてp型In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5Pクラッド層105の途中までをリッジ状に加工し、再度SiO2ストライプをマスクとしてn−GaAs電流ブロック層111の選択成長を行った。
【0040】
n型GaAsキャップ層107を取り除いた後、n型GaAs電流ブロック層111およびp型InGaP層106上には、p型GaAsからなるコンタクト層112を介してAu・Zn合金からなるp側電極113が設けられている。そして、GaAs基板201の裏面には、Au・Ge合金からなるn側電極114が設けられている。このような構造のウエハを長さ約600μmにへき開してレ−ザチップとした。へき開の位置はZnO膜108のストライプを設けた領域となるようにへき開位置の制御を行った。以上の工程により作成した半導体レーザの窓部および窓以外の部分の断面構造を図3および図4に示す。
【0041】
本実施例の半導体レーザは波長650nm、しきい値電流約50mAで室温連続発振し、最大光出力は約200mWで、光出力80mWにおいて5000時間以上の連続動作が可能であった。
【0042】
<実施例3>
本発明第3の実施例の半導体レーザの構造を図9から図13に示す。101はGaAs基板を示しており、このGaAs基板101は、(100)方向の面方位を有している。この基板上にn型In0.5Ga0.5Pからなる厚さ1.8μm程度のn型クラッド層301、多重量子井戸活性層302、p型In0.5Ga0.5Pからなる厚さ1.5μm程度のp型クラッド層303、p型In0.2Ga0.8As0.6P0.4層304、およびn型GaAsキャップ層107を順次結晶成長した。
【0043】
活性層302は厚さ5nmのIn0.2Ga0.8As0.6P0.4層305と厚さ5nmのGaAs層306が2周期積層した多重量子井戸構造となっている。
【0044】
つぎに、このような半導体積層構造を持ったウエハのn型GaAsキャップ層107をホトリソグラフ技術を用いて幅20μmのストライプと幅50μmのストライプが交差した図9のような形状に加工する。この形状は図5に示した実施例2の場合と類似しているが、幅20μmのストライプが幅50μmのストライプと交わる部分に幅5μmの間隙を設けてあることが特徴である。次に、スパッタ法によりZnO膜108の堆積を行った上で、ホトリソグラフ技術を用いてZnO膜108をn型GaAsキャップ層107の50μmのストライプ上の幅40μmのストライプ状に加工する。この段階でのウエハの上面図を図9に示す。
【0045】
このようなウエハを摂氏600度において約30分加熱することによりZnO膜108からの亜鉛拡散を行った。ZnO膜108を残した領域ではZnO膜108から直接亜鉛が拡散され亜鉛濃度が約1x1019cm-3の高濃度ドープ領域109が形成される。
【0046】
一方、n型GaAsキャップ層107のストライプが交差した領域ではZnO膜108からの直接的亜鉛拡散は活性層には到達しない。
【0047】
しかし、n型GaAsキャップ層107の存在する領域においては高濃度ドープ領域に誘発された不純物の再拡散が発生し超格子の混晶化が進行する。このような不純物の再拡散はn型GaAsキャップ層107のある領域にそって毎分約20μmの速さで横方向に広がるため拡散領域の亜鉛拡散が活性層に到達してから約30秒で禁制帯幅が広がった領域110はn型GaAsキャップ層107のストライプとZnO膜108のストライプの交差した領域の中央まで進行する。
【0048】
この時、禁制帯幅の広がった領域はn型GaAsキャップ層107のある領域のみに広がるため、n型GaAsキャップ層107の間隙を超えて幅20μmのストライプまで進行することはない。
【0049】
このような再拡散領域は外部より導入された不純物ではなく、もともとクラッド層にドーピングされていた不純物により超格子の混晶化が起こるために生じるものであるため、不純物濃度の不必要な増加は起こらず窓領域の不純物吸収による損失は発生しない。以上の工程により形成された窓領域のn−GaAsキャップ層107のそれぞれのストライプに直交する断面を図10および図11に示す。
【0050】
ZnO膜108を除去した後、通常の熱化学気相堆積法によりSiO2膜を堆積し、ホトリソグラフ技術を用いてn型GaAsキャップ層107の幅20μmのストライプの中央付近にn型GaAsキャップ層107のストライプと平行な幅約5μmのSiO2ストライプを形成する。このSiO2ストライプをマスクとしてp型In0.5Ga0.5Pクラッド層304の途中までをリッジ状に加工し、再度SiO2ストライプをマスクとしてn型In0.5Ga0.5P電流ブロック層307の選択成長を行った。
【0051】
n型GaAsキャップ層107を取り除いた後、n型In0.5Ga0.5P電流ブロック層307およびp型In0.2Ga0.8As0.6P0.4層304上には、p型GaAsからなるコンタクト層112を介してAu・Zn合金からなるp側電極113が設けられている。そして、GaAs基板101の裏面には、Au・Ge合金からなるn側電極114が設けられている。このような構造のウエハを長さ約600μmにへき開してレ−ザチップとした。へき開の位置はZnO膜108のストライプを設けた領域となるようにへき開位置の制御を行った。以上のようにして作成した半導体レーザの構造を図7に示す。
【0052】
本実施例の半導体レーザは波長980nm、しきい値電流約50mAで室温連続発振し、最大光出力は約500mWで、光出力200mWにおいて5000時間以上の連続動作が可能であった。
【0053】
【発明の効果】
本発明によれば半導体レーザの出力を出力以外の特性を劣化させずに大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明第1の実施例のn型GaAsキャップ層とZnOのストライプ配置図。
【図2】本発明第1の実施例の拡散領域の断面図。
【図3】本発明第1の実施例の半導体レーザの窓領域の断面構造図。
【図4】本発明第1の実施例の半導体レーザの窓以外の領域の断面構造図。
【図5】本発明第2の実施例のn型GaAsキャップ層とZnOのストライプ配置図。
【図6】本発明第2の実施例の拡散領域の断面図。
【図7】本発明第2の実施例の半導体レーザの窓領域の断面構造図。
【図8】本発明第2の実施例の半導体レーザの窓以外の領域の断面構造図。
【図9】本発明第3の実施例のn型GaAsキャップ層とZnOのストライプ配置図。
【図10】本発明第3の実施例の拡散領域の幅20μmのストライプに沿った断面図。
【図11】本発明第3の実施例の拡散領域の幅50μmのストライプに沿った断面図。
【図12】本発明第3の実施例の半導体レーザの窓領域の断面構造図。
【図13】本発明第3の実施例の半導体レーザの窓以外の領域の断面構造図。
【図14】従来の窓構造半導体レーザの構造図。
【図15】本発明第1の実施例における半導体レーザ素子の量産イメージの説明図。
【図16】本発明第1の実施例における半導体レーザ素子の量産イメージの説明図。
【図17】本発明第1の実施例における半導体レーザ素子の量産イメージの説明図。
【図18】本発明第1の実施例における半導体レーザ素子の量産イメージの説明図。
【図19】本発明における不純物導入位置の一例の説明図。
【図20】半導体レーザ素子の端面におけるPL(ホトルミネッセンス)強度の低下率と当該端面のCOD(カタストロフ・光学劣化)との相関関係を示す図。
【符号の説明】
101…GaAs基板、102…n型In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5Pクラッド層、103…アンドープIn0.5(Ga0.5Al0.5)0.5P光ガイド層、104…アンドープIn0.5Ga0.5P活性層、105…p型In0.5(Ga0.3Al0.7)0.5Pクラッド層、106…p型In0.5Ga0.5Pクラッド層、107…n型GaAsキャップ層、108…ZnO膜、109…高濃度ドープ領域、110…禁制帯幅が広がった領域、111…n型GaAs電流ブロック層、112…p型GaAsコンタクト層、113…Au・Zn電極、114…Au・Ge電極、201…GaAs基板、202…活性層、203…In0.55Ga0.45Pクラッド層、204…In0.45(Ga0.5Al0.5)0.55Pクラッド層、301…n型In0.5Ga0.5Pクラッド層、302…活性層、303…p型In0.5Ga0.5Pクラッド層、305…p型In0.2Ga0.8As0.6P0.4層、306…In0.2Ga0.8As0.6P0.4層、307…GaAs層。
Claims (1)
- 第1導電型の半導体基板上に第1導電型のクラッド層、活性層および第2導電型のクラッド層を順次形成し、
前記クラッド層上にストライプ状に第1導電型のキャップ層を設け、ストライプ状の前記キャップ層の下の活性層が半導体レーザの発光領域となるようにし、
前記キャップ層を横切るようにZnOからなる拡散源を有する層を設け、
前記拡散源を加熱することにより前記拡散源から拡散される不純物である第1のZnを活性層の両脇に拡散させて導入し、
前記第1のZnが前記活性層の両脇に拡散導入されることに誘発されて、前記キャップ層の下であって、かつ、前記第2導電型のクラッド層に予め導入されている第2のZnが前記キャップ層の下の前記活性層へ拡散され、それにより前記第2のZnが拡散された部分の前記活性層のバリア層とウエル層とが混晶化され、 その後、前記第2のZnを拡散させた活性層の領域を劈開してその劈開面をレーザ共振器の反射鏡とすることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
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