JP3681535B2 - Method for manufacturing optical semiconductor element - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光半導体素子,光半導体素子の製造方法,光半導体装置,光ディスクシステムおよび光磁気ディスクシステムに係わり、特に、光通信・光情報処理分野で使われる高出力の半導体発光素子(半導体レーザ)およびスラブ光導波路等の光導波路の製造技術に適用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の半導体レーザの製造方法は、文献1「公開特許公報;特開平5−67835号」に記載されている。
【0003】
文献1に記載の半導体レーザにおいては、光出力端面部における光吸収を低減するため、GaAs/AlGaAs超格子構造に亜鉛(Zn)を意図的に熱拡散させる。これにより、光出力端面部付近の半導体のエネルギーバンドギャップをZnを拡散させない部分より大きくしている。
【0004】
また、文献2「公開特許公報;特開昭63−146482号(特公昭63−52480号)」に報告されている半導体装置においても同様に、GaAs/AlGaAs超格子構造中に亜鉛(Zn)を意図的に熱拡散させた部分を設け、この部分での半導体のエネルギーバンドギャップをZnを拡散させない部分よりも大きくしている。
【0005】
また、文献3「ジャーナル オブ アプライド フィジクス(Journal of Applied Physics)、第64巻、No.7、1988年10月1日、pp.3439-3444」には、GaAs/AlGaAs超格子構造にSiを意図的に拡散させ、この部分の半導体のエネルギーバンドギャップをSiを拡散させない部分よりも大きくしている。
【0006】
一方、光半導体素子としての半導体レーザは、光ディスクシステムの光源として使用されている。図19は、従来の光ディスクシステムに用いられている光学系の配置と光路を示す模式図である。
【0007】
半導体レーザを用いた半導体発光素子66から出た光60はコリメートレンズ65、偏光ビームスプリッター64、4分の1波長(λ/4)板63、対物レンズ62を通過して、光ディスク61に到達する。
【0008】
光ディスク61の情報記録部にて反射した光は、対物レンズ62、4分の1波長板63を通り、偏光ビームスプリッター64で、光路が直角に曲げられ、収束レンズ67、シリンドリカルレンズ68を通過後、光検出器69に到達する。
【0009】
このような光ディスクシステムの光学系については、たとえば、日経BP社発行「日経エレクトロニクス」1983年10月10日号、P184(P173〜P194)に記載されている。この文献には、ビデオディスク用のレーザとして、高周波モジュールを付加した半導体レーザ・パッケージが記載されている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体超格子構造にZnやSi等を部分的に拡散させ、その部分の半導体のエネルギーバンドギャップを大きくする方法においては、半導体中に拡散させる物質(拡散源)を、(1)素子の製造工程において基板上に新たに付着する工程(不純物堆積処理工程)、(2)基板上に付着した拡散源を所望の位置およびサイズに加工する工程(パターン形成工程)、(3)熱拡散後に拡散源の残存物を除去する複雑な工程(拡散および後処理工程)がそれぞれ必要である。
【0011】
一方、光ディスクシステムにおいては、半導体発光素子66(半導体レーザ)から出た光60は、分散性が大きい。そこで、半導体発光素子66から出た光60を光ディスク61に集光して有効に使うために、光路の途中にいくつかのレンズを配置している。
【0012】
本発明の目的は、光導波路の一部を混晶化部に形成する簡易な技術を提供することにある。
【0013】
本発明の他の目的は、局所的加熱によって光導波路の一部を混晶化部に形成する技術を提供することにある。
【0014】
本発明の他の目的は、半導体積層膜に形成される光導波路の一部に半導体積層膜を構成する各半導体薄膜相互による混晶化部を形成する手法として外部から不純物を供給することなくレーザ光の照射で行う技術を提供することにある。
【0015】
本発明の他の目的は、高光出力の光半導体素子および光半導体装置を提供することにある。
【0016】
本発明の他の目的は、光源と光ディスク間にレンズを一つしか配置しない光ディスクシステムや光磁気ディスクシステムを提供することにある。
【0017】
本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【0019】
(1)結晶組成が相互に異なる半導体薄膜が複数積層されて構成される半導体積層膜を有する基板を有し、前記半導体積層膜の一部が光導波路を構成する光半導体素子であって、前記光導波路の一部は前記各半導体薄膜相互の溶融による中間的組成の混晶化部になっている。
【0020】
前記半導体積層膜は半導体発光素子(半導体レーザ)の光導波路を構成し、かつ前記混晶化部は前記光導波路の一端または両端に設けられている。前記半導体積層膜は超格子積層膜である。前記半導体積層膜は、GaInPとAlGaInPの組み合わせ、GaAsとAlGaAsの組み合わせ、InGaAsとGaAsの組み合わせ、InGaAsとInPの組み合わせ、GaNとInGaNの組み合わせ、AlGaNとGaNの組み合わせを少なくとも含む構造からなっている。
【0021】
このような光半導体素子は以下の方法によって製造される。
【0022】
結晶組成が相互に異なる半導体薄膜が複数積層されて構成される半導体積層膜を有する基板を有し、前記半導体積層膜の一部が光導波路を構成する光半導体素子の製造方法であって、前記基板上に前記半導体積層膜を形成した後、前記半導体積層膜の光導波路形成領域の一部の全幅に亘ってレーザ光を照射して前記半導体積層膜を構成する各半導体薄膜相互を混晶化させて混晶化部を形成する。
【0023】
また、前記混晶化部を1箇所または2箇所形成し、前記混晶化部を横切るように劈開を行い、この劈開面を光の出射面とさせる半導体発光素子(半導体レーザ)を製造する。
【0024】
(2)前記手段(1)の構成において、混晶化部を光導波路の一部に設けた構造であり、スラブ光導波路等の光を案内する光導波路(部品)を構成する。
【0025】
(3)前記手段(1)または手段(2)の構成の光半導体素子において、前記混晶化部には前記各半導体薄膜の接合面を通して結晶組成を混ぜ合わせるように作用する元素(たとえば、ZnやSi等)が前記半導体積層膜を構成する各半導体薄膜相互の混晶による量よりも多く含まれている。
【0026】
このような光半導体素子は以下の方法によって製造される。
【0027】
前記手段(1)の構成の光半導体素子の製造方法において、前記レーザ光照射中少なくとも前記レーザ光を照射する半導体薄膜部分にZnやSi等の不純物(前記元素)を含むガスを所望時間供給する。
【0028】
(4)密閉構造のパッケージと、前記パッケージ内に組み込まれる光半導体素子と、前記光半導体素子の光導波路端と光学的に接続され前記パッケージの内外に亘って光を伝送する光伝送手段とを有する光半導体装置であって、前記光半導体素子は前記手段(1)乃至手段(3)のいずれか1の構成になっている。
【0029】
(5)記録,読み出し用に光を用いた光ディスクシステムであって、前記光を発光する光源は前記手段(1)または(3)の光半導体素子または前記手段(4)の光半導体装置で構成され、かつ前記光源と光ディスクとの光路途中には光収束用レンズを1つだけ配設した構成になっている。
【0030】
(6)記録,読み出し用に光を用いた光磁気ディスクシステムであって、前記光を発光する光源は前記手段(1)または(3)の光半導体素子または前記手段(4)の光半導体装置で構成され、かつ前記光源と光ディスクとの光路途中には光収束用レンズを1つだけ配設した構成になっている。
【0031】
(7)前記手段(1)乃至(3)のいずれか1の構成の光半導体素子の製造方法であって、前記混晶化部を形成する領域上の前記基板の表面に中央が盛り上がる集光効果を発生させるレンズ状絶縁膜を形成し、その後前記レンズ状絶縁膜部分にレーザ光を照射させて前記混晶化部を形成する。
【0032】
(8)前記手段(1)乃至(3)のいずれか1の構成の光半導体素子の製造方法であって、前記半導体積層膜上に直接または半導体層を介して絶縁膜を形成した後、前記絶縁膜上からレーザ光を照射させて前記絶縁膜に含まれる不純物(前記元素)を前記半導体積層膜内に拡散させながら前記混晶化部を形成する。前記半導体層は前記光導波路に沿って延在するリッジになっている。
【0033】
前記(1)によれば、(a)基板表面にレーザ光を照射して半導体積層膜(超格子積層膜)を局部的に加熱、溶融し、超格子層の組成を所望の構造(各半導体薄膜相互の中間的組成)に変化させて混晶化部を形成するため、混晶化部のエネルギーバンドギャップは他の光導波路部分のエネルギーバンドギャップよりも大きくなり、混晶化部での光の吸収による損失が発生しなくなる。したがって、半導体レーザの一面または両面に前記混晶化部を設けた構造では、レーザ光出射面の劣化が起き難くなり、半導体レーザの寿命が長くなる。また、このことは半導体レーザの高出力化が達成できることにもなる。
【0034】
(b)前記混晶化部の形成においては、従来技術のようにZnやSi等の結晶組成を混ぜ合わせるように作用する元素の供給を行わず、単にレーザ光照射でのみ行うことができ、従来のような不純物堆積処理工程,パターン形成工程,拡散および後処理工程を必要としなくなり、高精度かつ高歩留りで安価に混晶化部を形成することができる。したがって、半導体レーザの製造コストの低減が達成できる。
【0035】
前記(2)によれば、光導波路の一部にエネルギーバンドギャップが大きい前記混晶化部が設けられていることから、光導波路の混晶化部での光吸収が発生しなくなり、光導波路での光損失の低減が達成できる。
【0036】
前記(3)によれば、前記混晶化部は、ZnやSi等の拡散源を含む物質を気体状態で半導体基板表面の所望の領域に供給しながらその領域をレーザ光照射で局所的に加熱することによって形成するため、従来のようにZnやSi等の拡散源を含む膜を半導体基板表面上に付着していた方法に比べて拡散物質の供給方法が容易になる特長を有する。
【0037】
前記(4)によれば、光半導体装置は出射面の一面または両面に前記混晶化部を設けた構造の半導体発光素子(半導体レーザ)が組み込まれていることから、光半導体装置の長寿命化または高出力化が達成できる。
【0038】
前記(5)によれば、光ディスクシステムにおいて、光源に高出力の光半導体素子または光半導体装置を使用することから、半導体レーザ素子から出射したレーザ光の一部を無駄にする単一の光収束用レンズの構成でも、光ディスクの情報記録部での記録,読み出しが確実にできる。特に、光ディスクにレンズを近接させた構成では、光ディスク面でのスポット光の直径を小さくでき、情報記録の大容量化が可能になる。
【0039】
前記(6)によれば、光磁気ディスクシステムにおいて、光源に高出力の光半導体素子または光半導体装置を使用することから、半導体レーザ素子から出射したレーザ光の一部を無駄にする単一の光収束用レンズの構成でも、光ディスクの情報記録部での記録,読み出しが確実にできる。特に、光ディスクにレンズを近接させた構成では、光ディスク面でのスポット光の直径を小さくでき、情報記録の大容量化が可能になる。
【0040】
前記(7)によれば、混晶化部の形成において、前記混晶化部を形成する領域上の前記基板の表面に中央が盛り上がる集光効果を発生させるレンズ状絶縁膜を形成し、その後前記レンズ状絶縁膜部分にレーザ光を照射させて前記混晶化部を形成することから、前記レンズ状絶縁膜によってレーザ光を所定の半導体積層膜部分に集光させることができ、高精度に混晶化部を形成することができる。
【0041】
前記(8)によれば、混晶化部の形成において、前記半導体積層膜上に直接または半導体層を介して絶縁膜を形成した後、前記絶縁膜上からレーザ光を照射させて前記絶縁膜に含まれる不純物(前記元素)を前記半導体積層膜内に拡散させながら前記混晶化部を形成することから、レーザ光による混晶化と不純物拡散による混晶化が同時に行え、高精度に混晶化部を形成することができる。特に、前記半導体層が前記光導波路に沿って延在するリッジになっている場合には、前記リッジがレーザ光照射の目安として利用でき、混晶化部の形成位置の高精度化が達成できる。
【0042】
【発明の実施の形態及び実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態と実施例を詳細に説明する。なお、発明の実施の形態および実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【0043】
(実施形態1)
図1乃至図5は本発明の一実施形態(実施形態1)である光半導体素子(半導体レーザ素子)およびその製造方法に係わる図である。
【0044】
図1は光導波路になる部分の一部をレーザ光照射によって局部的に加熱溶融して混晶化部を形成する模式図である。
【0045】
図1で、基板1は、たとえば、GaAs基板であり、この基板上に、GaInP/AlGaInPからなる超格子積層膜(半導体積層膜)2をMOCVDや、MBEなどの結晶成長法により形成する。
【0046】
ここで、GaInP/AlGaInP超格子層は、GaInPの厚さ5nm、AlGaInPの厚さ4nm程度の厚さで、GaInPとAlGaInPとを交互に繰り返し、井戸層を3層とした構造とし、その上下を当該超格子層2よりもエネルギーギャップの大きいAlGaInP3および4にて挟んだ構造とする。この超格子層2を含んだ基板表面から、レーザ光15を基板表面に垂直に照射した。
【0047】
ここで、レーザ光15のスポットサイズは、10μm、照射パワー100mWにて、スキャン速度1μm/sで直線状に1mm行った。
【0048】
図2では、レーザ光照射部の断面を模式的に示した。この図で、レーザ照射により形成された、溶融部5は、結晶組成が、GaInPとAlGaInPとの中間的な組成になっており、溶融前の状態に比較して、エネルギーバンドギャップが80meV程度増大していることが判明した。
【0049】
(実施例1)
つぎに、半導体レーザ素子の製造技術に本発明を適用した例について説明する。本実施例1では、半導体レーザ素子の前方出射面部分を混晶化部にした例について説明する。
【0050】
図3は半導体レーザ素子の構造を示す模式的斜視図であり、図4(a)は図3のB−B線に沿う断面図、図4(b)はB−B線に沿う断面に現れた活性層のエネルギーバンドギャップ分布を示すグラフである。
【0051】
半導体レーザ素子20は、図3に示すような構造になっている。図3で各部分は、GaAs基板1、n型AlGaInPクラッド層22、活性層23、p型AlGaInPクラッド層24、エッチング停止層25、n型GaAsブロック層27、p型GaAs埋め込み層26、リッジ8、および、素子端面の混晶化部9である。
【0052】
前記活性層23は前述のようなGaInP/AlGaInPの量子井戸からなるMQW構造(超格子積層膜:半導体積層膜)である。
【0053】
また、リッジ8はp型AlGaInPクラッド層42の両側をエッチングして形成される。
【0054】
また、前記混晶化部9は、後述するように、GaInP/AlGaInPの量子井戸からなるMQW構造をレーザ光で部分的に溶融して、結晶組成を平均化した部分であり、レーザ光を照射しない部分よりもエネルギーバンドギャップを大きくした領域である。
【0055】
前記混晶化部9では、図4(b)に示すように活性層のエネルギーバンドギャップが大きくなっている。すなわち、混晶化部9は、結晶組成が、GaInPとAlGaInPとの中間的な組成になっており、エネルギーバンドギャップは、レーザ光照射によって溶融させない部分の1.907eVから80meV程度増大して1.980eVとなっている。
【0056】
半導体レーザ素子20は素子端面部に混晶化部9が存在することにより、この部分が素子内部から発光した光に対して透明になる。
【0057】
作製した素子に電流を流し、光出力をテストしたところ、50mWの光出力で連続動作させ、寿命4000時間が確認できた。一方、混晶化部を形成しない素子では、50mWの光出力で、瞬時に素子の劣化が起こった。したがって、混晶化部を導入した素子では、素子動作時、混晶化部端面での光吸収による、発熱が抑えられ、端面発熱による素子の劣化を防止できる。
【0058】
なお、この半導体レーザ素子20は、結晶欠陥密度を102 〜103 cm~2以下となるように、その製造途中で500℃,1時間(水素雰囲気)の熱処理が行われている。
【0059】
つぎに、図5(a)〜(e)を参照しながら半導体レーザ素子20の製造方法について説明する。
【0060】
最初に図5(a)に示すような混晶化部9を形成した基板1を用意する。この基板1は、図1に示すレーザ光照射による方法で形成された基板1である。
【0061】
すなわち、基板1はGaAs基板からなり、この基板1の上面にはn型AlGaInPクラッド層22,活性層23,p型AlGaInPクラッド層24,エッチング停止層25,p型AlGaInPクラッド層42が順次形成されている。前記活性層23は前述のような井戸層が3層となるGaInP/AlGaInPの量子井戸からなるMQW構造になっている。
【0062】
つぎに、図5(b)に示すように、SiO2 膜等によるストライプ状のマスク16を形成した後、このマスク16をエッチングマスクとしてp型AlGaInPクラッド層42をエッチング停止層25まで部分的に除去してストライプ状のリッジ8を形成する。
【0063】
つぎに、図5(b)に示すように、エッチングして露出したエッチング停止層25上にn型GaAsブロック層27を埋め込み形成する。
【0064】
つぎに、前記マスク16を除去してリッジ8およびn型GaAsブロック層27上にp型GaAs埋め込み層26を形成する(図5(c)参照)。
【0065】
前記リッジ8の下の活性層23部分が光導波路となることから、前記混晶化部9はこの光導波路の一部の全幅を横切るように形成されている。
【0066】
つぎに、基板1の表裏面にそれぞれ電極28,29を形成し、その後、混晶化部9を含むように、基板1の劈開を行う。図5(c)の二点鎖線部分が劈開する部分である。
【0067】
つぎに、半導体レーザ素子20の前方出射面に反射率19%のSiN/SiO2 保護膜30を、後方出射面に反射率90%のSiN/SiO保護膜31を形成し、半導体レーザ素子20を製造する。
【0068】
また、光導波路部分の結晶欠陥密度を102 〜103 cm~2以下となるように、500℃で1時間(水素雰囲気)の熱処理を行う。
【0069】
本実施例1による半導体レーザ素子20によれば、印加電圧2.5〜3.5V,電流120〜180mAで光出力が50〜70mWになる。混晶化部を設けない従来製品では印加電圧3〜4V,電流150〜300mAで光出力が20〜30mWとなる。本実施例1の半導体レーザ素子20は従来と同程度あるいはより低い印加電圧および電流で従来の2倍以上の光出力が得られることが分かる。
【0070】
本実施例1の半導体レーザ素子20は、たとえば、図6に示すような封止容器(パッケージ)に組み込まれて使用される。
【0071】
図6は一部を切り欠いた半導体レーザ装置(光半導体装置)の斜視図である。
【0072】
半導体レーザ装置(光半導体装置)35は、アセンブリの主体部品となるパッケージ本体36と、このパッケージ本体36の表面側に取り付けられる蓋体37とを有している。パッケージは、パッケージ本体36と蓋体37によって形成される。
【0073】
前記パッケージ本体36は数mmの厚さの円形の金属板からなり、その表面の中央から外れた部分には銅製のヒートシンク38が鑞材等で固定されている。
【0074】
前記ヒートシンク38の前記パッケージ本体36の中央に面する側面(前面)の先端側にはシリコン等からなるサブマウント39が固定されている。
【0075】
半導体レーザ素子20は前記サブマウント39に導電性の接合材を介して固定されている。
【0076】
また、前記パッケージ本体36の中央には、前記半導体レーザ素子20の後方出射面から出射されるレーザ光をモニターする受光素子40が固定されている。この受光素子40は、レーザ光が半導体レーザ素子20の出射面に到達しないように、傾斜した面に固定されている。
【0077】
また、前記パッケージ本体36には3本のリード41が固定されている。2本のリード41は絶縁体47を介してパッケージ本体36に貫通状態で固定されている。残りの1本のリード41はパッケージ本体36の裏面に突き合わせ状態で固定されている。
【0078】
パッケージ本体36の表面側に突出したリード41の先端と、前記半導体レーザ素子20の上面の電極や受光素子40の上面の電極は、導電性のワイヤ43で電気的に接続されている。受光素子40の裏面の電極はパッケージ本体36を介して1本のリード41に電気的に接続される。また、半導体レーザ素子20の裏面の電極はサブマウント39,ヒートシンク38およびパッケージ本体36を介して1本のリード41に電気的に接続される。
【0079】
他方、前記蓋体37はキャップ構造からなるとともに、その中央にレーザ光44を透過させる光透過窓45を有している。この光透過窓45は、蓋体37に設けた穴の部分に透明ガラス板46を重ねて固定することによって形成される。
【0080】
このような光半導体装置35では、本実施例1の半導体レーザ素子20を組み込んでいることから、光出力が50〜70mWと高出力になる。
【0081】
本実施形態1および本実施例1によれば、以下の効果を奏する。
【0082】
(1)基板1の表面にレーザ光15を照射して半導体積層膜(超格子積層膜)2を局部的に加熱、溶融し、超格子層の組成を所望の構造(各半導体薄膜相互の中間的組成)に変化させて混晶化部9を形成するため、混晶化部9のエネルギーバンドギャップは他の光導波路部分のエネルギーバンドギャップよりも大きくなり、混晶化部9での光の吸収による損失が発生しなくなる。したがって、半導体レーザ素子20の一面の前方出射面に混晶化部9を設けた構造では、前方出射面の劣化が起き難くなり、半導体レーザ(半導体レーザ素子20)の寿命が長くなる。また、このことは半導体レーザの高出力化が達成できることにもなる。
【0083】
(2)前記混晶化部9の形成においては、従来技術のようにZnやSi等の結晶組成を混ぜ合わせるように作用する元素の供給を行わず、単にレーザ光照射でのみ行うことができ、従来のような不純物堆積処理工程,パターン形成工程,拡散および後処理工程を必要としなくなり、高精度かつ高歩留りで安価に混晶化部を形成することができる。したがって、半導体レーザ(半導体レーザ素子20)の製造コストの低減が達成できる。
【0084】
(実施例2)
本実施例2の半導体レーザ素子20は、混晶化部9を半導体レーザ素子20の前後の出射面部分に形成した例である。
【0085】
半導体レーザ素子20の両端面に混晶化部9を形成することにより、片方の端面にのみ混晶化部を設けた素子に比較して、素子の光出力レベルを更に50から80%増加することができた。
【0086】
(実施例3)
本実施例3では、前記実施例1においてリッジパターンを形成した後にレーザ光照射による混晶化部を形成する例について説明する。
【0087】
図12では、半導体レーザ素子製造用のエピタキシャル膜にフォトリソグラフィーとエッチングにより、リッジ8を形成後、表面をSiO2やSiNなどの絶縁膜85で被覆する。その後、リッジ8の所望の場所に基板の外からレーザ光15を照射して加熱する。図の二点鎖線で示す部分内がレーザ光15で照射された領域である。
【0088】
レーザ光15を照射された結晶部では、結晶内にあらかじめドープしてあった亜鉛などの不純物元素が拡散して、ヘテロ接合部分の混晶化を起こしたり、あるいは、レーザ光15によって供給された熱そのもので、ヘテロ接合部が溶融する現象で、その部分のエネルギーバンドギャップがレーザ光照射前よりも大きくなる。
【0089】
この工程は、基板上でのレーザ光照射位置をコンピュータ制御により正確に位置合わせし、しかも、リッジパタン形成後に行うところが特徴である。すなわち、図1や図3に示すように、溶融部5や混晶化部9を形成してからリッジ8を形成する場合に比べて、リッジパタンの形成精度が向上する。従って、素子の製造歩留まりが大きく向上する。
【0090】
またこの例では、絶縁膜85に含まれるSiを混晶化部9内に拡散することもできる。
【0091】
これらのことから、レーザ光15による混晶化と不純物拡散による混晶化が同時に行え、高精度に混晶化部9を形成することができる。
【0092】
また、前記レーザ光15の照射時、リッジ8がレーザ光照射の目安として利用でき、混晶化部の形成位置の高精度化が達成できる。
【0093】
(実施形態2)
図9は本発明の他の実施形態(実施形態2)である半導体レーザ素子の製造において、基板上に積層した半導体超格子をレーザ光照射と不純物拡散を利用して局部的に混晶化する状態を示す模式的斜視図である。また、図10は図9のC−C線に沿う断面での説明図である。
【0094】
前記実施形態1および実施例1では、レーザ光15のみを基板1の表面に照射して、照射部の加熱溶融によって混晶化部9を形成したが、本実施形態2では、レーザ光15を照射しながら、照射部にガス状の拡散物質を供給した。
【0095】
図9に示すように、拡散物質は、レーザ光照射部に局部的に供給されるようにパイプ7を用いて供給量を制御して行う。供給する拡散物質には、GaInP/AlGaInP超格子積層膜のヘテロ接合面から、結晶組成を混ぜ合わせるように作用する元素である亜鉛(Zn),ベリリウム(Be),シリコン(Si)等の気体化合物を用いた。
【0096】
Znの気体化合物では、たとえば、ジメチル亜鉛((CH3)2Zn),Beでは、ジメチルベリリウム((CH3)2Be),シリコンでは、モノシラン(SiH4)である。
【0097】
本実施形態2の方法によれば、ジメチル亜鉛の供給量1cc/ 分程度にて、実施形態1の場合よりも、照射するレーザ光15のパワーが半分の50mWの時、GaInP/AlGaInPからなる超格子積層膜2の組成がヘテロ接合界面から混ざり合うことが判明した。
【0098】
図10に示す拡散部6がこの領域に相当する。この部分では、レーザ光照射中に外部から供給したZn(結晶組成を混ぜ合わせるように作用する元素)が結晶基板表面から内部へ拡散し、超格子積層膜2のヘテロ接合界面で、結晶組成の混合化を促進する。
【0099】
本実施形態2による混晶化部9には、各半導体薄膜の接合面を通して結晶組成を混ぜ合わせるように作用する元素(たとえば、ZnやSi等)が前記半導体積層膜を構成する各半導体薄膜相互の混晶による量よりも多く含まれている。
【0100】
拡散部6(混晶化部9)のフォトルミネッセンスを調べたところ、拡散部以外の領域に比べて、発光ピークエネルギーが70meV程度短波長側へシフトすることが分かった。
【0101】
本実施形態2によれば、前記混晶化部9は、ZnやSi等の拡散源を含む物質を気体状態で半導体基板表面の所望の領域に供給しながらその領域をレーザ光照射で局所的に加熱することによって形成するため、従来のようにZnやSi等の拡散源を含む膜を半導体基板表面上に付着していた方法に比べて拡散物質の供給方法が容易になる特長を有する。
【0102】
(実施形態3)
図11〜図13は本発明の他の実施形態(実施形態3)である半導体レーザ素子の製造に係わる図である。図11は基板上に積層した半導体超格子を基板上に形成したレンズ状絶縁膜でレーザ光を集光させて局部的に混晶化する状態を示す模式的斜視図、図12は図11のD−D線に沿う断面での説明図、図13は基板上にレンズ状絶縁膜を形成する方法を示す模式的断面図である。
【0103】
本実施形態3では、レーザ光15を照射する基板1の表面に光を集光する効果を奏する長いレンズ状の絶縁膜(レンズ状絶縁膜81)を形成し、このレンズ状絶縁膜81により、基板表面に照射するレーザ光15を絞って、GaInP/AlGaInP超格子積層膜2の局所的溶融により、エネルギーバンドギャップを大きくするものである。
【0104】
図12は、あらかじめSiO2 などの絶縁膜からなる長いレンズ状絶縁膜81を形成した基板表面上にレーザ光15を照射して、レンズ状絶縁膜81に照射されたレーザ光15がレンズ効果で光束が絞られAlGaInP膜上に大きな光密度で照射される様子を模式的に示す。ここで、長いレンズ状絶縁膜81は、たとえば、図13に示すようにシャドウマスク82を用いたSiO2 のCVD法等によりマスク開口部83を基板1の特定の場所にあわせることで形成することができる。
【0105】
図12でマスク開口部83の寸法を10μm程度、シャドウマスクと基板表面との距離を10μmにすると、CVDで形成される長いレンズ状の絶縁膜パタンの裾野は30μm程度になる。また、絶縁膜の最も厚い部分が1μm程度あればレンズ効果を起こさせることができ、高精度に溶融部5(混晶化部9)を形成することができる。
【0106】
図11および図12に示した実施形態3では、AlGaInP結晶部分は、絶縁膜により保護され,結晶表面からのリン原子の離脱を防止できる、すなわち、結晶表面の劣化を防止できることも大きな特徴である。
【0107】
(実施形態4)
図14は本発明の他の実施形態(実施形態4)における光ディスクシステムのピックアップ部を示す模式図である。
【0108】
本実施形態4では、光ディスクシステムの光源として本発明による半導体レーザ素子を組み込んだ例について説明する。
【0109】
図14は、本発明による光ディスクシステムに用いられている光学系の配置と光路を示す模式図である。
【0110】
光源(半導体発光素子66)から出た光60はコリメートレンズ65、偏光ビームスプリッター64、4分の1波長(λ/4)板63を通過して、光ディスク61に到達する。
【0111】
光ディスク61の情報記録部にて反射した光は、4分の1波長板63を通り、偏光ビームスプリッター64で、光路が直角に曲げられ、収束レンズ67、シリンドリカルレンズ68を通過後、光検出器69に到達する。
【0112】
半導体発光素子66としては、本発明による前記各実施形態も実施例による光出力が50〜70mWとなる高出力の半導体レーザ素子20が使用される。半導体レーザ素子20は、たとえば、図6に示されるような光半導体装置35として使用される。
【0113】
本実施形態4の光ディスクシステムによれば、光源に高出力の半導体レーザ素子20を使用することから、半導体レーザ素子から出射したレーザ光の一部を無駄にする単一の光収束用レンズの構成でも、光ディスクの情報記録部での記録,読み出しが確実にできる。
【0114】
すなわち、光路の途中にあるレンズはたとえ1つでも省くことにより、光学系の組み立て調整が容易になり、システムの製造時間短縮、製造コスト低減に寄与する。
【0115】
(実施形態5)
図15は本発明の他の実施形態(実施形態5)における光ディスクシステムのピックアップ部を示す模式図である。
【0116】
本実施形態5では、前記実施形態4の光ディスクシステムにおいて、コリメートレンズ65を光ディスク61側に配置した構成になっている。このように、光ディスク61にレンズ(コリメートレンズ65)を近接させた構成では、光ディスク面でのスポット光の直径を小さくでき、情報記録の大容量化が達成できる。このことは、光ディスク61の小型化も可能になる。
【0117】
(実施形態6)
図16は本発明の他の実施形態(実施形態6)における光ディスクシステムのピックアップ部を示す模式図である。
【0118】
本実施形態6の光ディスクシステムは、4分の1波長(λ/4)板63の光ディスク61側の面にレンズ70を張り合わせた構造になっていることから光学系の組み立て調整を容易にすることが可能である。
【0119】
また、組み立てスペースが小さくなり、光ディスクシステムの小型化が達成できる。
【0120】
(実施形態7)
図17は本発明の他の実施形態(実施形態7)における光磁気ディスクシステムのピックアップ部を示す模式図である。
【0121】
前記実施形態4〜実施形態6では、記録面に凹凸を設けた光ディスク装置の光学系への適用例を述べたが、記録媒体に磁性物質を用いた光磁気ディスクにも同様に適用できる。
【0122】
半導体発光素子66から発光された光60は、偏光ビームスプリッター64、対物レンズ62を通過して、光磁気ディスク93ディスク61の光磁気ディスク記録面90に到達する。
【0123】
また、光磁気ディスク記録面90にて反射した光は、対物レンズ62を通り、偏光ビームスプリッター64で、光路が直角に曲げられ、図示しない光検知器に導かれる。
【0124】
書き込み時には、高出力の光60が光磁気ディスク記録面90に照射され、光磁気ディスク記録面90が加熱される。この状態でコイル91に印加される電流の方向によって磁化の向きが変わり、情報が記録される。読み出し時には低光出力で磁化の向き(相変化)を光磁気ディスク記録面90での反射光量の違いで検出する。
【0125】
(実施形態8)
図18は本発明の他の実施形態(実施形態8)である光導波路を示す模式的断面図である。
【0126】
本実施形態8は、スラブ光導波路等の光導波路95に本発明を適用したものである。
【0127】
図18に示すように、GaAsからなる基板1の上面のInP14とInP13との間に半導体積層膜を形成する。この例では、半導体レーザ素子製造の場合と異なり、半導体積層膜は必ずしも超格子積層膜である必要はない。たとえば、半導体積層膜として、GaInPAs/GaInAs12を形成する。
【0128】
このGaInPAs/GaInAs12は、積層膜平面導波路を構成する。
【0129】
そこで、前記実施形態1の場合と同様の方法により、前記基板1の上面からレーザ光15を照射して局部的に加熱溶融して溶融部5(混晶化部9)混晶化部を形成する。
【0130】
本実施形態8の光導波路95では、混晶化部9ではGaInPAs/GaInAs12で構成される光導波路の一部がそのエネルギーバンドギャップが他の光導波路部分よりも大きくなることから、透明の領域になり、この領域での光の損失を防止できるため、光損失の小さい光導波路95を製造することができる。
【0131】
本実施形態1の光導波路95は、前記半導体レーザ素子を製造する場合における各実施形態や実施例の手法を適用することができる。
【0132】
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない、たとえば、前記実施形態および実施例では、半導体結晶(半導体積層膜)は、AlGaInP/GaInPヘテロ接合の場合を記述したが、AlGaAs/GaAs、GaN/AlGaN,GaN/InGaN,InGaAs/GaAsヘテロ接合などの系においても適用できることはいうまでもない。
【0133】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【0134】
(1)本発明によれば従来よりも簡単な製造方法で光導波路の一部にエネルギーバンドギャップが大きくなる混晶化部を形成できる。
【0135】
(2)この結果、半導体レーザの高出力化を容易に達成できる。
【0136】
(3)また、光の損失の少ない光導波路を提供することができる。
【0137】
(4)また、本発明による半導体レーザを用いることにより、光ディスクシステムや、光磁気ディスクシステムの光学系を簡素にすることができ、光ディスクシステムや光磁気ディスクシステムの組み立て工程の短縮やコスト低減が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態(実施形態1)である光半導体素子(半導体レーザ素子)の製造において、基板上に積層した半導体超格子をレーザ光照射によって局部的に混晶化する状態を示す模式的斜視図である。
【図2】図1のA−A線に沿う断面図である。
【図3】本発明の実施例1の半導体レーザ素子の構造を示す模式的斜視図である。
【図4】図3のB−B線に沿う断面図とその断面に現れた活性層のエネルギーバンドギャップ分布を示すグラフである。
【図5】本実施例1の半導体レーザ素子製造における各工程での基板等を示す模式的断面図である。
【図6】本実施例1の半導体レーザ素子を組み込んだ半導体レーザ装置を示す一部を切り欠いた斜視図である。
【図7】本実施例2の半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【図8】本実施例3の半導体レーザ素子製造における混晶化方法を示す模式的斜視図である。
【図9】本発明の他の実施形態(実施形態2)である半導体レーザ素子の製造において、基板上に積層した半導体超格子をレーザ光照射と不純物拡散を利用して局部的に混晶化する状態を示す模式的斜視図である。
【図10】図9のC−C線に沿う断面での説明図である。
【図11】本発明の他の実施形態(実施形態3)である半導体レーザ素子の製造において、基板上に積層した半導体超格子を基板上に形成したレンズ状絶縁膜でレーザ光を集光させて局部的に混晶化する状態を示す模式的斜視図である。
【図12】図11のD−D線に沿う断面での説明図である。
【図13】本実施形態3において基板上にレンズ状絶縁膜を形成する方法を示す模式的断面図である。
【図14】本発明の他の実施形態(実施形態4)における光ディスクシステムのピックアップ部を示す模式図である。
【図15】本発明の他の実施形態(実施形態5)における光ディスクシステムのピックアップ部を示す模式図である。
【図16】本発明の他の実施形態(実施形態6)における光ディスクシステムのピックアップ部を示す模式図である。
【図17】本発明の他の実施形態(実施形態7)における光磁気ディスクシステムのピックアップ部を示す模式図である。
【図18】本発明の他の実施形態(実施形態8)である光導波路を示す模式的断面図である。
【図19】従来の光ディスクシステムのピックアップ部を示す模式図である。
【符号の説明】
1…基板、2…GaInP/AlGaInP超格子積層膜(半導体積層膜)、3,4…AlGaInP、5…溶融部、6…拡散部、7…パイプ、8…リッジ、9…混晶化部、12…GaInPAs/GaInAs、13,14…InP、15…レーザ光、16…マスク、20…半導体レーザ素子、22…n型AlGaInPクラッド層、23…活性層、24…p型AlGaInPクラッド層、25…エッチング停止層、26…p型GaAs埋め込み層、27…n型GaAsブロック層、30…SiN/SiO2 保護膜、31…SiN/SiO保護膜、35…光半導体装置、36…パッケージ本体、37…蓋体、38…ヒートシンク、39…サブマウント、40…受光素子、41…リード、42…p型AlGaInPクラッド層、43…ワイヤ、44…レーザ光、45…光透過窓、46…透明ガラス板、47…絶縁体、61…光ディスク、62…対物レンズ、63…4分の1波長板、64…偏光ビームスプリッター、65…コリメートレンズ、66…半導体発光素子、67…収束レンズ、68…シリンドリカルレンズ、69…光検出器、70…レンズ、81…長いレンズ状絶縁膜、82…シャドウマスク、83…マスク開口部、85…絶縁膜、86…バッファー層、87…キャップ層、90…光磁気ディスク記録面、91…コイル、93…光磁気ディスク、95…光導波路。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical semiconductor element, an optical semiconductor element manufacturing method, an optical semiconductor device, an optical disk system, and a magneto-optical disk system, and more particularly, a high-power semiconductor light-emitting element (semiconductor laser) used in the fields of optical communication and optical information processing. And a technology effective when applied to a manufacturing technology of an optical waveguide such as a slab optical waveguide.
[0002]
[Prior art]
A conventional method for manufacturing a semiconductor laser is described in
[0003]
In the semiconductor laser described in
[0004]
Similarly, in a semiconductor device reported in
[0005]
[0006]
On the other hand, a semiconductor laser as an optical semiconductor element is used as a light source of an optical disk system. FIG. 19 is a schematic diagram showing the arrangement and optical path of an optical system used in a conventional optical disc system.
[0007]
Light 60 emitted from a semiconductor light emitting device 66 using a semiconductor laser passes through a collimating lens 65, a polarizing beam splitter 64, a quarter wavelength (λ / 4) plate 63, and an objective lens 62, and reaches the optical disc 61. .
[0008]
The light reflected by the information recording unit of the optical disc 61 passes through the objective lens 62, the quarter-wave plate 63, the optical path is bent at a right angle by the polarizing beam splitter 64, and passes through the converging lens 67 and the cylindrical lens 68. The light detector 69 is reached.
[0009]
The optical system of such an optical disk system is described in, for example, “Nikkei Electronics” October 10, 1983 issue, P184 (P173 to P194) issued by Nikkei BP. This document describes a semiconductor laser package to which a high frequency module is added as a laser for a video disk.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In a method of partially diffusing Zn, Si, or the like in a conventional semiconductor superlattice structure and increasing the energy band gap of the semiconductor in that portion, a substance (diffusion source) to be diffused in the semiconductor is used as follows: A process of newly adhering to the substrate in the manufacturing process (impurity deposition process), (2) a process of processing the diffusion source adhering to the substrate into a desired position and size (pattern formation process), and (3) after thermal diffusion Each requires complex steps (diffusion and post-treatment steps) to remove the residue of the diffusion source.
[0011]
On the other hand, in the optical disk system, the
[0012]
An object of the present invention is to provide a simple technique for forming a part of an optical waveguide in a mixed crystal part.
[0013]
Another object of the present invention is to provide a technique for forming a part of an optical waveguide in a mixed crystal part by local heating.
[0014]
Another object of the present invention is to provide a laser without supplying impurities from the outside as a method of forming a mixed crystal portion between semiconductor thin films constituting a semiconductor multilayer film in a part of an optical waveguide formed in the semiconductor multilayer film. The object is to provide a technique for performing light irradiation.
[0015]
Another object of the present invention is to provide an optical semiconductor element and an optical semiconductor device with high optical output.
[0016]
Another object of the present invention is to provide an optical disk system or a magneto-optical disk system in which only one lens is disposed between a light source and an optical disk.
[0017]
The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.
[0019]
(1) An optical semiconductor element having a substrate having a semiconductor multilayer film formed by laminating a plurality of semiconductor thin films having different crystal compositions, wherein a part of the semiconductor multilayer film constitutes an optical waveguide, A part of the optical waveguide is a mixed crystal part having an intermediate composition by melting of the semiconductor thin films.
[0020]
The semiconductor laminated film constitutes an optical waveguide of a semiconductor light emitting device (semiconductor laser), and the mixed crystal portion is provided at one end or both ends of the optical waveguide. The semiconductor laminated film is a superlattice laminated film. The semiconductor laminated film has a structure including at least a combination of GaInP and AlGaInP, a combination of GaAs and AlGaAs, a combination of InGaAs and GaAs, a combination of InGaAs and InP, a combination of GaN and InGaN, and a combination of AlGaN and GaN.
[0021]
Such an optical semiconductor element is manufactured by the following method.
[0022]
A method of manufacturing an optical semiconductor device, comprising: a substrate having a semiconductor multilayer film configured by laminating a plurality of semiconductor thin films having different crystal compositions; and a part of the semiconductor multilayer film constitutes an optical waveguide, After the semiconductor multilayer film is formed on the substrate, a laser beam is irradiated over the entire width of a part of the optical waveguide formation region of the semiconductor multilayer film to mix each semiconductor thin film constituting the semiconductor multilayer film. To form a mixed crystal part.
[0023]
Further, one or two mixed crystal portions are formed, and cleavage is performed so as to cross the mixed crystal portion, so that a semiconductor light emitting element (semiconductor laser) is produced in which the cleavage surface is used as a light emission surface.
[0024]
(2) In the configuration of the means (1), a mixed crystal portion is provided in a part of the optical waveguide, and an optical waveguide (component) for guiding light such as a slab optical waveguide is configured.
[0025]
(3) In the optical semiconductor element having the constitution of the means (1) or means (2), an element (for example, Zn) that acts to mix the crystal composition through the bonding surface of each semiconductor thin film in the mixed crystal portion. , Si, etc.) is contained in an amount larger than the amount of mixed crystals between the semiconductor thin films constituting the semiconductor laminated film.
[0026]
Such an optical semiconductor element is manufactured by the following method.
[0027]
In the method of manufacturing an optical semiconductor element having the configuration of the means (1), a gas containing an impurity (the element) such as Zn or Si is supplied for a desired time to at least the semiconductor thin film portion irradiated with the laser light during the laser light irradiation. .
[0028]
(4) A package having a sealed structure, an optical semiconductor element incorporated in the package, and an optical transmission unit that is optically connected to an optical waveguide end of the optical semiconductor element and transmits light inside and outside the package. The optical semiconductor device has any one of the means (1) to the means (3).
[0029]
(5) In an optical disk system using light for recording and reading, the light source for emitting the light is constituted by the optical semiconductor element of the means (1) or (3) or the optical semiconductor device of the means (4). In addition, only one light focusing lens is disposed in the middle of the optical path between the light source and the optical disk.
[0030]
(6) A magneto-optical disk system using light for recording and reading, wherein the light source for emitting light is the optical semiconductor element of the means (1) or (3) or the optical semiconductor device of the means (4) In the middle of the optical path between the light source and the optical disc, only one light focusing lens is provided.
[0031]
(7) A method of manufacturing an optical semiconductor device having any one of the means (1) to (3), wherein light is concentrated at the center of the surface of the substrate on the region where the mixed crystal part is formed. A lens-shaped insulating film that generates an effect is formed, and then the lens-shaped insulating film portion is irradiated with laser light to form the mixed crystal portion.
[0032]
(8) In the method of manufacturing an optical semiconductor element having any one of the means (1) to (3), an insulating film is formed on the semiconductor stacked film directly or via a semiconductor layer, The mixed crystal part is formed while irradiating a laser beam on the insulating film to diffuse impurities (the element) contained in the insulating film into the semiconductor laminated film. The semiconductor layer is a ridge extending along the optical waveguide.
[0033]
According to the above (1), (a) the surface of the substrate is irradiated with laser light to locally heat and melt the semiconductor laminated film (superlattice laminated film), and the composition of the superlattice layer has a desired structure (each semiconductor Since the mixed crystal part is formed by changing to an intermediate composition between thin films), the energy band gap of the mixed crystal part becomes larger than the energy band gap of other optical waveguide parts, and the light in the mixed crystal part Loss due to absorption of Therefore, in the structure in which the mixed crystal portion is provided on one surface or both surfaces of the semiconductor laser, the laser light emission surface is hardly deteriorated and the life of the semiconductor laser is extended. This also achieves higher output of the semiconductor laser.
[0034]
(B) The formation of the mixed crystal part can be performed only by laser beam irradiation without supplying an element that acts to mix crystal composition such as Zn and Si as in the prior art, The conventional impurity deposition processing step, pattern formation step, diffusion and post-processing step are not required, and the mixed crystal portion can be formed with high accuracy and high yield at low cost. Therefore, the manufacturing cost of the semiconductor laser can be reduced.
[0035]
According to (2), since the mixed crystal portion having a large energy band gap is provided in a part of the optical waveguide, light absorption does not occur in the mixed crystal portion of the optical waveguide, and the optical waveguide Reduction of optical loss can be achieved.
[0036]
According to (3), the mixed crystallizing unit supplies a substance containing a diffusion source such as Zn or Si to a desired region on the surface of the semiconductor substrate in a gaseous state while locally irradiating the region with laser light irradiation. Since it is formed by heating, it has a feature that a diffusion substance supplying method is easier than a conventional method in which a film containing a diffusion source such as Zn or Si is attached to the surface of a semiconductor substrate.
[0037]
According to the above (4), since the optical semiconductor device incorporates the semiconductor light emitting element (semiconductor laser) having a structure in which the mixed crystal portion is provided on one or both sides of the emission surface, the optical semiconductor device has a long lifetime. Or higher output can be achieved.
[0038]
According to the above (5), since a high-power optical semiconductor element or optical semiconductor device is used as the light source in the optical disk system, a single light convergence that wastes part of the laser light emitted from the semiconductor laser element. Even in the configuration of the optical lens, recording and reading can be reliably performed in the information recording unit of the optical disk. In particular, in the configuration in which the lens is placed close to the optical disc, the diameter of the spot light on the optical disc surface can be reduced, and the capacity of information recording can be increased.
[0039]
According to the above (6), in the magneto-optical disk system, since a high-output optical semiconductor element or optical semiconductor device is used as the light source, a single part of the laser light emitted from the semiconductor laser element is wasted. Even with the configuration of the light converging lens, recording and reading by the information recording unit of the optical disk can be performed reliably. In particular, in the configuration in which the lens is placed close to the optical disc, the diameter of the spot light on the optical disc surface can be reduced, and the capacity of information recording can be increased.
[0040]
According to the above (7), in the formation of the mixed crystal part, the lens-like insulating film that generates the light condensing effect that the center rises on the surface of the substrate on the region where the mixed crystal part is formed is formed. Since the mixed crystal portion is formed by irradiating the lens-like insulating film portion with laser light, the lens-like insulating film can focus the laser light on a predetermined semiconductor laminated film portion, and with high accuracy. A mixed crystal part can be formed.
[0041]
According to (8), in forming the mixed crystal part, after forming an insulating film directly or via a semiconductor layer on the semiconductor laminated film, the insulating film is irradiated with laser light from the insulating film. Since the mixed crystal portion is formed while diffusing impurities (the elements) contained in the semiconductor laminated film, mixed crystallization by laser light and mixed crystallization by impurity diffusion can be performed at the same time, and high-precision mixing is achieved. A crystallization part can be formed. In particular, when the semiconductor layer is a ridge extending along the optical waveguide, the ridge can be used as a guide for laser light irradiation, and high accuracy of the formation position of the mixed crystal portion can be achieved. .
[0042]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments and examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments and examples of the invention, and the repetitive description thereof is omitted.
[0043]
(Embodiment 1)
FIGS. 1 to 5 are diagrams relating to an optical semiconductor element (semiconductor laser element) and a method for manufacturing the same according to an embodiment (Embodiment 1) of the present invention.
[0044]
FIG. 1 is a schematic view of forming a mixed crystal part by locally heating and melting a part of a portion that becomes an optical waveguide by laser light irradiation.
[0045]
In FIG. 1, a
[0046]
Here, the GaInP / AlGaInP superlattice layer has a GaInP thickness of about 5 nm and an AlGaInP thickness of about 4 nm, and has a structure in which GaInP and AlGaInP are alternately repeated to form a well layer of three layers. The structure is sandwiched between
[0047]
Here, the spot size of the
[0048]
In FIG. 2, the cross section of the laser beam irradiation part is typically shown. In this figure, the melted part 5 formed by laser irradiation has an intermediate composition between GaInP and AlGaInP, and the energy band gap is increased by about 80 meV compared to the state before melting. Turned out to be.
[0049]
Example 1
Next, an example in which the present invention is applied to a semiconductor laser device manufacturing technique will be described. In the first embodiment, an example in which the front emission surface portion of the semiconductor laser element is a mixed crystal portion will be described.
[0050]
3A and 3B are schematic perspective views showing the structure of the semiconductor laser device. FIG. 4A is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 3, and FIG. 4B appears in a cross section taken along line BB. 5 is a graph showing an energy band gap distribution of the active layer.
[0051]
The
[0052]
The
[0053]
The
[0054]
The mixed crystallizing part 9 is a part obtained by partially melting an MQW structure composed of GaInP / AlGaInP quantum wells with laser light and averaging the crystal composition, as will be described later. This is a region in which the energy band gap is larger than the portion that is not.
[0055]
In the mixed crystal part 9, the energy band gap of the active layer is large as shown in FIG. In other words, the crystallized portion 9 has an intermediate composition of GaInP and AlGaInP, and the energy band gap is increased by about 80 meV from 1.907 eV at the portion not melted by laser light irradiation. .980 eV.
[0056]
The
[0057]
When a current was passed through the fabricated device and the optical output was tested, the device was continuously operated with an optical output of 50 mW, and a lifetime of 4000 hours could be confirmed. On the other hand, in the element in which the mixed crystal portion is not formed, the element was instantly deteriorated at a light output of 50 mW. Therefore, in an element in which a mixed crystal part is introduced, heat generation due to light absorption at the end face of the mixed crystal part is suppressed during element operation, and deterioration of the element due to heat generation at the end face can be prevented.
[0058]
The
[0059]
Next, a method for manufacturing the
[0060]
First, a
[0061]
That is, the
[0062]
Next, as shown in FIG.2After the stripe-shaped
[0063]
Next, as shown in FIG. 5B, an n-type
[0064]
Next, the
[0065]
Since the
[0066]
Next,
[0067]
Next, SiN / SiO having a reflectance of 19% is formed on the front emission surface of the semiconductor laser element 20.2The
[0068]
Further, the crystal defect density of the optical waveguide portion is set to 102 -10Three cm ~2Heat treatment is performed at 500 ° C. for 1 hour (hydrogen atmosphere) so as to be as follows.
[0069]
According to the
[0070]
The
[0071]
FIG. 6 is a perspective view of a semiconductor laser device (optical semiconductor device) with a part cut away.
[0072]
The semiconductor laser device (optical semiconductor device) 35 includes a package
[0073]
The
[0074]
A
[0075]
The
[0076]
A
[0077]
Three leads 41 are fixed to the
[0078]
The tip of the lead 41 protruding to the surface side of the
[0079]
On the other hand, the
[0080]
In such an
[0081]
According to the first embodiment and the first embodiment, the following effects are obtained.
[0082]
(1) The surface of the
[0083]
(2) The formation of the mixed crystal portion 9 can be performed only by laser beam irradiation without supplying an element that acts to mix crystal composition such as Zn or Si as in the prior art. Thus, the conventional impurity deposition processing step, pattern formation step, diffusion and post-processing step are not required, and the mixed crystal portion can be formed with high accuracy and high yield at low cost. Therefore, the manufacturing cost of the semiconductor laser (semiconductor laser element 20) can be reduced.
[0084]
(Example 2)
The
[0085]
By forming the mixed crystal portions 9 on both end faces of the
[0086]
(Example 3)
In the third embodiment, an example will be described in which a mixed crystal portion is formed by laser beam irradiation after the ridge pattern is formed in the first embodiment.
[0087]
In FIG. 12, a
[0088]
In the crystal part irradiated with the
[0089]
This process is characterized in that the laser beam irradiation position on the substrate is accurately aligned by computer control, and is performed after the ridge pattern is formed. That is, as shown in FIGS. 1 and 3, the formation accuracy of the ridge pattern is improved as compared with the case where the
[0090]
In this example, Si contained in the insulating film 85 can also be diffused into the mixed crystal part 9.
[0091]
Accordingly, mixed crystallization by the
[0092]
Further, when the
[0093]
(Embodiment 2)
FIG. 9 shows a semiconductor laser device according to another embodiment (Embodiment 2) of the present invention, in which a semiconductor superlattice laminated on a substrate is locally mixed using laser light irradiation and impurity diffusion. It is a typical perspective view which shows a state. FIG. 10 is an explanatory view in a cross section taken along the line CC of FIG.
[0094]
In the first embodiment and the first embodiment, only the
[0095]
As shown in FIG. 9, the diffusion material is controlled by using a pipe 7 so as to be supplied locally to the laser beam irradiation unit. The diffusion material to be supplied includes gaseous compounds such as zinc (Zn), beryllium (Be), and silicon (Si), which are elements acting to mix the crystal composition from the heterojunction surface of the GaInP / AlGaInP superlattice laminated film. Was used.
[0096]
In the gaseous compound of Zn, for example, dimethylzinc ((CH3) 2Zn), Be is dimethylberyllium ((CH3) 2Be), and silicon is monosilane (SiH4).
[0097]
According to the method of
[0098]
The
[0099]
In the mixed crystallization portion 9 according to the second embodiment, elements (for example, Zn, Si, etc.) that act to mix the crystal composition through the bonding surfaces of the semiconductor thin films are mutually connected to the semiconductor thin films. More than the amount of mixed crystals.
[0100]
When the photoluminescence of the diffusion part 6 (mixed crystal part 9) was examined, it was found that the emission peak energy was shifted to the short wavelength side by about 70 meV compared to the region other than the diffusion part.
[0101]
According to the second embodiment, the mixed crystal unit 9 supplies a substance containing a diffusion source such as Zn or Si to a desired region on the surface of the semiconductor substrate in a gaseous state while locally irradiating the region with laser light irradiation. Therefore, the diffusion material supply method is easier than the conventional method in which a film containing a diffusion source such as Zn or Si is deposited on the surface of the semiconductor substrate.
[0102]
(Embodiment 3)
11 to 13 are diagrams relating to the manufacture of a semiconductor laser device according to another embodiment (Embodiment 3) of the present invention. FIG. 11 is a schematic perspective view showing a state in which a semiconductor superlattice laminated on a substrate is focused on a laser beam by a lens-like insulating film formed on the substrate and locally mixed, and FIG. 12 is a diagram of FIG. FIG. 13 is a schematic sectional view showing a method of forming a lens-like insulating film on a substrate.
[0103]
In the third embodiment, a long lens-like insulating film (lens-like insulating film 81) having an effect of condensing light is formed on the surface of the
[0104]
FIG. 12 shows SiO 2 in advance.2On the surface of the AlGaInP film, the
[0105]
In FIG. 12, when the dimension of the mask opening 83 is about 10 μm and the distance between the shadow mask and the substrate surface is 10 μm, the base of the long lens-like insulating film pattern formed by CVD becomes about 30 μm. Further, if the thickest portion of the insulating film is about 1 μm, the lens effect can be caused, and the molten portion 5 (mixed crystal portion 9) can be formed with high accuracy.
[0106]
In the third embodiment shown in FIGS. 11 and 12, the AlGaInP crystal portion is protected by an insulating film, and it is also a great feature that phosphorus atoms can be prevented from detaching from the crystal surface, that is, deterioration of the crystal surface can be prevented. .
[0107]
(Embodiment 4)
FIG. 14 is a schematic diagram showing a pickup section of an optical disc system according to another embodiment (Embodiment 4) of the present invention.
[0108]
In the fourth embodiment, an example in which a semiconductor laser device according to the present invention is incorporated as a light source of an optical disk system will be described.
[0109]
FIG. 14 is a schematic diagram showing the arrangement and optical paths of the optical system used in the optical disc system according to the present invention.
[0110]
The light 60 emitted from the light source (semiconductor light emitting element 66) passes through the collimating lens 65, the polarizing beam splitter 64, and the quarter wavelength (λ / 4) plate 63 and reaches the optical disc 61.
[0111]
The light reflected by the information recording unit of the optical disc 61 passes through the quarter-wave plate 63, the optical path is bent at a right angle by the polarizing beam splitter 64, passes through the converging lens 67 and the cylindrical lens 68, and then the photodetector. Reach 69.
[0112]
As the semiconductor light emitting device 66, the high output
[0113]
According to the optical disk system of the fourth embodiment, since the high-power
[0114]
That is, by omitting even one lens in the middle of the optical path, the assembly adjustment of the optical system is facilitated, which contributes to shortening the system manufacturing time and manufacturing cost.
[0115]
(Embodiment 5)
FIG. 15 is a schematic diagram showing a pickup section of an optical disc system in another embodiment (Embodiment 5) of the present invention.
[0116]
In the fifth embodiment, the collimating lens 65 is arranged on the optical disc 61 side in the optical disc system of the fourth embodiment. Thus, in the configuration in which the lens (collimator lens 65) is placed close to the optical disc 61, the diameter of the spot light on the optical disc surface can be reduced, and the capacity of information recording can be increased. This also makes it possible to reduce the size of the optical disc 61.
[0117]
(Embodiment 6)
FIG. 16 is a schematic diagram showing a pickup unit of an optical disc system according to another embodiment (sixth embodiment) of the present invention.
[0118]
The optical disk system of the sixth embodiment has a structure in which the lens 70 is bonded to the surface of the quarter wavelength (λ / 4) plate 63 on the optical disk 61 side, so that the assembly adjustment of the optical system is facilitated. Is possible.
[0119]
Further, the assembly space is reduced, and the optical disk system can be miniaturized.
[0120]
(Embodiment 7)
FIG. 17 is a schematic diagram showing a pickup section of a magneto-optical disk system in another embodiment (Embodiment 7) of the present invention.
[0121]
In the fourth to sixth embodiments, the application example to the optical system of the optical disk apparatus having the unevenness on the recording surface has been described. However, the present invention can be similarly applied to a magneto-optical disk using a magnetic substance as a recording medium.
[0122]
The light 60 emitted from the semiconductor light emitting element 66 passes through the polarization beam splitter 64 and the objective lens 62 and reaches the magneto-optical disk recording surface 90 of the magneto-optical disk 93 disk 61.
[0123]
Further, the light reflected by the magneto-optical disk recording surface 90 passes through the objective lens 62, the optical path is bent at a right angle by the polarization beam splitter 64, and is guided to a photodetector (not shown).
[0124]
At the time of writing, high-
[0125]
(Embodiment 8)
FIG. 18 is a schematic cross-sectional view showing an optical waveguide which is another embodiment (Embodiment 8) of the present invention.
[0126]
In the eighth embodiment, the present invention is applied to an optical waveguide 95 such as a slab optical waveguide.
[0127]
As shown in FIG. 18, a semiconductor laminated film is formed between InP14 and InP13 on the upper surface of the
[0128]
This GaInPAs / GaInAs12 constitutes a laminated film planar waveguide.
[0129]
Therefore, by the same method as in the first embodiment, the
[0130]
In the optical waveguide 95 of the eighth embodiment, in the mixed crystal part 9, a part of the optical waveguide composed of GaInPAs / GaInAs12 has a larger energy band gap than the other optical waveguide parts, so that it is in a transparent region. Thus, since loss of light in this region can be prevented, the optical waveguide 95 with small light loss can be manufactured.
[0131]
For the optical waveguide 95 of the first embodiment, the methods of the respective embodiments and examples in the case of manufacturing the semiconductor laser element can be applied.
[0132]
Although the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. For example, in the above-described embodiments and examples, the semiconductor crystal (semiconductor laminated film) has been described as being an AlGaInP / GaInP heterojunction, but AlGaAs / GaAs, GaN / AlGaN, GaN / InGaN, and InGaAs / GaAs heterojunction. Needless to say, the present invention can also be applied to systems such as bonding.
[0133]
【The invention's effect】
The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0134]
(1) According to the present invention, a mixed crystal part having an increased energy band gap can be formed in a part of the optical waveguide by a simpler manufacturing method than in the prior art.
[0135]
(2) As a result, high output of the semiconductor laser can be easily achieved.
[0136]
(3) It is also possible to provide an optical waveguide with little light loss.
[0137]
(4) Further, by using the semiconductor laser according to the present invention, the optical system of the optical disk system and the magneto-optical disk system can be simplified, and the assembly process of the optical disk system and the magneto-optical disk system can be shortened and the cost can be reduced. Can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a state where a semiconductor superlattice stacked on a substrate is locally mixed by laser light irradiation in the manufacture of an optical semiconductor device (semiconductor laser device) according to an embodiment (embodiment 1) of the present invention. It is a typical perspective view which shows.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 3 is a schematic perspective view showing the structure of a semiconductor laser device according to Example 1 of the present invention.
4 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 3 and a graph showing an energy band gap distribution of an active layer appearing in the cross section.
5 is a schematic cross-sectional view showing a substrate and the like in each step in manufacturing a semiconductor laser device of Example 1. FIG.
6 is a perspective view with a part cut away showing a semiconductor laser device incorporating the semiconductor laser element of Example 1. FIG.
7 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor laser device according to Example 2. FIG.
8 is a schematic perspective view showing a mixed crystallization method in manufacturing a semiconductor laser device of Example 3. FIG.
FIG. 9 shows a semiconductor laser device according to another embodiment (embodiment 2) of the present invention, in which a semiconductor superlattice laminated on a substrate is locally mixed using laser light irradiation and impurity diffusion. It is a typical perspective view which shows the state to do.
10 is an explanatory diagram in a cross section taken along the line CC of FIG. 9;
FIG. 11 is a diagram illustrating a method of manufacturing a semiconductor laser device according to another embodiment (embodiment 3) of the present invention; condensing laser light with a lens-shaped insulating film formed on a substrate with a semiconductor superlattice laminated on the substrate; FIG. 6 is a schematic perspective view showing a state in which a mixed crystal is locally formed.
12 is an explanatory diagram in a cross section taken along line DD of FIG.
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing a method for forming a lenticular insulating film on a substrate in the third embodiment.
FIG. 14 is a schematic diagram showing a pickup section of an optical disc system in another embodiment (Embodiment 4) of the present invention.
FIG. 15 is a schematic diagram showing a pickup section of an optical disc system in another embodiment (Embodiment 5) of the present invention.
FIG. 16 is a schematic diagram showing a pickup section of an optical disc system in another embodiment (Embodiment 6) of the present invention.
FIG. 17 is a schematic diagram showing a pickup unit of a magneto-optical disk system in another embodiment (Embodiment 7) of the present invention.
FIG. 18 is a schematic cross-sectional view showing an optical waveguide which is another embodiment (Embodiment 8) of the present invention.
FIG. 19 is a schematic diagram showing a pickup unit of a conventional optical disc system.
[Explanation of symbols]
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