JP5024637B2 - Semiconductor laser device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、複数本の導波路を有し、各導波路を経由して相互に異なる波長のレーザ光を出射する半導体レーザ素子、及びその製造方法に関し、更に詳細には、出射するレーザ光の波長を自在に設定できる構成の複数本の導波路を有する半導体レーザ素子及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor laser device having a plurality of waveguides and emitting laser beams having different wavelengths via each waveguide, and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a laser beam emitted from the semiconductor laser device. The present invention relates to a semiconductor laser device having a plurality of waveguides having a configuration in which the wavelength can be freely set, and a manufacturing method thereof.
光ディスク、光磁気ディスクメモリ、レーザビーム・プリンタなどの光情報機器や光通信では、記録フォーマットの多様化、記録の高密度化に対応して、発振波長が0.6〜1.5μm帯の可視光領域で、複数の相互に異なる波長のレーザ光を出射する半導体レーザ素子が、光源等として要望されている。 In optical information equipment and optical communications such as optical disks, magneto-optical disk memories, laser beams and printers, the oscillation wavelength is visible in the 0.6 to 1.5 μm band in response to diversified recording formats and higher recording densities. A semiconductor laser element that emits a plurality of laser beams having different wavelengths in the optical region is demanded as a light source or the like.
従来、複数波長の半導体レーザ素子は、化合物半導体層の選択成長技術を使って、例えば以下の方法によって作製されている。例えば、特許文献1には、Arレーザ光で基板上をスキャンして基板内に温度分布を生じさせ、次いで有機金属分子線エピタキシャル法により基板上に成長させる化合物半導体膜の成長速度及び組成を温度分布により制御して、基板上に多波長半導体レーザアレイ等を集積させる方法を開示している。 Conventionally, a semiconductor laser device having a plurality of wavelengths is manufactured by, for example, the following method using a selective growth technique of a compound semiconductor layer. For example, Patent Document 1 discloses the growth rate and composition of a compound semiconductor film that is scanned on an substrate with Ar laser light to generate a temperature distribution in the substrate, and then grown on the substrate by metalorganic molecular beam epitaxy. A method is disclosed in which a multi-wavelength semiconductor laser array or the like is integrated on a substrate controlled by distribution.
また、特許文献2には、Arレーザ光で基板上をスキャンして基板内に温度分布を生じさせ、次いで温度分布により表面構成を変えて、配向の異なる化合物半導体層を基板上にガスソースMBE(Molecular Beam Epitaxy)法により選択的に成長させ、複数波長の半導体レーザ素子を作製する方法を開示している。 Further, in Patent Document 2, a substrate is scanned with an Ar laser beam to generate a temperature distribution in the substrate, and then the surface configuration is changed by the temperature distribution, so that a compound semiconductor layer having a different orientation is formed on the substrate as a gas source MBE. A method of manufacturing a semiconductor laser device having a plurality of wavelengths by selectively growing by a (Molecular Beam Epitaxy) method is disclosed.
また、特許文献3には、MOCVD法により基板上にバンドギャップの異なる化合物半導体層を予め部分的に成膜して基板内に温度分布を生じさせ、次いで基板上に成長させる化合物半導体層の成長速度及び組成を温度分布により制御し、基板上に多波長半導体レーザアレイ等を集積させる方法を開示している。 Further, Patent Document 3 discloses a growth of a compound semiconductor layer in which a compound semiconductor layer having a different band gap is partially formed in advance on a substrate by MOCVD to generate a temperature distribution in the substrate, and then grown on the substrate. A method of integrating a multi-wavelength semiconductor laser array or the like on a substrate by controlling the speed and composition by temperature distribution is disclosed.
しかし、上述した特許文献1〜3の手法では、以下のような問題があった。特許文献1,2の手法では、Arレーザ光を照射して温度分布を生成する際、Arレーザ光を照射した領域の基板温度は、照射したArレーザ光の光強度に応じて変化するものの、基板上でのArレーザ光の光強度を正確に調整する手段がなく、所望の温度分布を生成できないために、組成を正確に制御することが難しいという問題があった。従って、組成に基づいて発振波長を制御することが難しく、複数の所望波長のレーザ光を出射する半導体レーザ素子を作製することは、技術的に、困難である。 However, the methods of Patent Documents 1 to 3 described above have the following problems. In the methods of Patent Documents 1 and 2, when the temperature distribution is generated by irradiating Ar laser light, the substrate temperature in the region irradiated with Ar laser light changes according to the light intensity of the irradiated Ar laser light. There is no means for accurately adjusting the light intensity of the Ar laser light on the substrate, and a desired temperature distribution cannot be generated, which makes it difficult to accurately control the composition. Therefore, it is difficult to control the oscillation wavelength based on the composition, and it is technically difficult to manufacture a semiconductor laser element that emits a plurality of laser beams having desired wavelengths.
特許文献3の手法では、バンドギャップの異なる化合物半導体層を基板上に予め部分的に形成して、温度分布を生成する際、適用可能な材料が限定されているだけでなく、半導体レーザアレイを構成する各半導体レーザ素子の化合物半導体層の組成をそれぞれ任意に設定することにも制約があるという問題があった。そのために、設計の自由度が低く、複数の所望波長のレーザ光を出射する半導体レーザ素子の製造方法として実用化することは難しい。 In the method of Patent Document 3, when a compound semiconductor layer having a different band gap is partially formed on a substrate in advance to generate a temperature distribution, not only the applicable materials are limited, but also a semiconductor laser array is formed. There is also a problem that there is a restriction in arbitrarily setting the composition of the compound semiconductor layer of each semiconductor laser element to be configured. For this reason, it is difficult to put it to practical use as a manufacturing method of a semiconductor laser device that has a low degree of design freedom and emits laser beams having a plurality of desired wavelengths.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、各導波路を経由して出射するレーザ光の波長を自在に設定できる複数本の導波路を有する半導体レーザ素子、及びそのような半導体レーザ素子を少ない回数の結晶成長工程で作製できる方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor laser element having a plurality of waveguides capable of freely setting the wavelength of laser light emitted via each waveguide, and so on. An object of the present invention is to provide a method capable of manufacturing a simple semiconductor laser element by a small number of crystal growth steps.
本発明の半導体レーザ素子は、複数本の導波路を有し、各導波路を経由して相互に異なる波長のレーザ光を出射する半導体レーザ素子であって、高領域とこの高領域より低い低領域とを段差で区切るステップ状構造を基板面上に備えた基板と、Inを含む2種類のIII族元素及びNを含むV族元素を含む活性層と、活性層の上下にそれぞれ設けられ、活性層を挟む第1導電型のクラッド層及び第2導電型のクラッド層とを有して基板上に設けられた半導体積層体とを備えたものである。ここで、半導体積層体の上から平面的に見て、複数本の導波路はそれぞれ、段差からの距離が互いに異なるようにステップ状構造の高領域に設けられている。 The semiconductor laser device of the present invention is a semiconductor laser device that has a plurality of waveguides and emits laser beams having different wavelengths via each waveguide, and includes a high region and a low region lower than the high region. A substrate provided with a step-like structure on the substrate surface to divide the region by a step, an active layer containing two types of group III elements including In and a group V element including N, respectively, and provided above and below the active layer, And a semiconductor laminate having a first conductivity type clad layer and a second conductivity type clad layer sandwiching an active layer and provided on a substrate. Here, the plurality of waveguides are provided in the high region of the step-like structure so that the distances from the steps are different from each other when viewed in plan from above the semiconductor stacked body.
本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、複数本の導波路を有し、各導波路を経由して相互に異なる波長のレーザ光を出射する半導体レーザ素子の製造方法であって、高領域とこの高領域より低い低領域とを段差で区切るステップ状構造を基板面上に設ける工程と、Inを含む2種類のIII族元素及びNを含むV族元素を含む活性層と、活性層の上下にそれぞれ配置された、活性層を挟む第1導電型のクラッド層及び第2導電型のクラッド層とを有する半導体積層体を基板上に形成する工程と、半導体積層体の上から平面的に見て、複数本の導波路をそれぞれ、段差からの距離が互いに異なるようにステップ状構造の高領域に形成する工程とを含むものである。 A method of manufacturing a semiconductor laser device of the present invention is a method of manufacturing a semiconductor laser device having a plurality of waveguides and emitting laser beams having different wavelengths from each other through each waveguide. A step-like structure is provided on the substrate surface that divides the low region lower than the high region by a step, an active layer containing two types of group III elements including In and a group V element including N, and upper and lower portions of the active layer. Forming a semiconductor laminate having a first conductivity type clad layer and a second conductivity type clad layer sandwiching the active layer on the substrate, respectively, and a plan view from above the semiconductor laminate. And a step of forming the plurality of waveguides in the high region of the step-like structure so that the distances from the steps are different from each other.
本発明の半導体レーザ素子では、ステップ状構造の高領域に設けられた活性層中のIn濃度は、段差に近い程、高く、段差から離隔する程、低くなる。そして、活性層中のIn濃度が高い程、活性層のバンドギャップエネルギーが小さくなり、従って発振波長が長くなる。つまり、ステップ状構造の高領域に設けられた複数個の導波路を有する半導体レーザ素子では、導波路とステップ状構造の段差との距離が長くなるに応じて、導波路を経由して出射されるレーザ光の波長が短くなる。換言すれば、段差に最も近い導波路の活性層のIn濃度が最も高いので、活性層のバンドギャップは最も狭くなり、発振波長が最も長くなる。導波路が段差から順次遠ざかるにつれて活性層中のIn濃度が低くなるので、活性層のバンドギャップは広くなり、出射されるレーザ光の波長は長くなる。よって、同一の基板面内で発振波長を変えた複数の導波路を有する半導体レーザ素子、例えばAlGaInN系の半導体レーザ素子を実現することができる。 In the semiconductor laser device of the present invention, the In concentration in the active layer provided in the high region of the step-like structure is higher as it is closer to the step and lower as it is farther from the step. The higher the In concentration in the active layer, the smaller the band gap energy of the active layer, and thus the longer the oscillation wavelength. In other words, in a semiconductor laser device having a plurality of waveguides provided in the high region of the step-like structure, the laser beam is emitted through the waveguides as the distance between the waveguide and the step-like structure increases. The wavelength of the laser light to be shortened. In other words, since the In concentration of the active layer in the waveguide closest to the step is the highest, the band gap of the active layer is the narrowest and the oscillation wavelength is the longest. As the waveguide is gradually moved away from the step, the In concentration in the active layer becomes lower, so that the band gap of the active layer becomes wider and the wavelength of the emitted laser light becomes longer. Accordingly, it is possible to realize a semiconductor laser element having a plurality of waveguides whose oscillation wavelengths are changed in the same substrate surface, for example, an AlGaInN-based semiconductor laser element.
本発明の半導体レーザ素子は、導波路を経由してレーザ光を出射する半導体レーザ素子である限り適用でき、例えばpn接合分離方式の電流狭窄構造のインデックスガイド型半導体レーザ素子、ゲインガイド型、パルセーション型等の半導体レーザ素子に適用できる。また、広い発振波長範囲が要求されるWDM用光源等で使用する半導体レーザ素子として好適である。 The semiconductor laser device of the present invention can be applied as long as it is a semiconductor laser device that emits laser light via a waveguide. For example, a pn junction isolation type current guide structure index guide type semiconductor laser device, gain guide type, pulse It can be applied to a semiconductor laser element of a session type or the like. Further, it is suitable as a semiconductor laser element used in a WDM light source or the like that requires a wide oscillation wavelength range.
尚、ステップ状構造の数には制約はなく、少なくとも一つのステップ状構造が基板上に形成されておれば良い。ステップ状構造の形状にも制約はなく、最も簡単なステップ状構造は、段差が一つで、段差により一つの高領域と一つの低領域とが区画されるステップ状構造である。また、両側に段差があって、両側に低領域を、中央に高領域を形成するリッジでも、両側に高領域を、中央に低領域を形成する凹溝でも良い。また、リッジ及び凹溝は複数本あっても良い。またステップ状構造の段差の高さは、0.4μm以上あれば良い。また、凹溝の溝壁又はリッジのリッジ側壁の傾斜角度にも制約は無く、凹溝は凹溝の開口幅よりも凹溝底面の幅が広いような、傾斜角度90度以上の傾斜面を溝壁として有する凹溝でも良い。リッジは傾斜角度90度以上の傾斜面をリッジ壁として有するリッジでも良い。好適には、導波路のうちの少なくとも1つの導波路が、導波路とステップ状構造の段差との距離が50μm以下の位置に設けられている。導波路とステップ状構造の段差との距離を50μm以下にすることにより、出射されるレーザ光の波長が、他の導波路とは明確に異なる導波路を形成することができる。 Note that the number of step-like structures is not limited, and it is sufficient that at least one step-like structure is formed on the substrate. The shape of the step-like structure is not limited, and the simplest step-like structure is a step-like structure in which there is one step and one high region and one low region are partitioned by the step. Further, a ridge that has a step on both sides, a low region on both sides and a high region in the center, or a concave groove that forms a high region on both sides and a low region in the center may be used. Moreover, there may be a plurality of ridges and concave grooves. The step height of the step-like structure may be 0.4 μm or more. There is no restriction on the inclination angle of the groove wall of the groove or the ridge side wall of the ridge, and the groove has an inclined surface with an inclination angle of 90 degrees or more so that the width of the groove bottom surface is wider than the opening width of the groove. A concave groove provided as a groove wall may be used. The ridge may be a ridge having an inclined surface with an inclination angle of 90 degrees or more as a ridge wall. Preferably, at least one of the waveguides is provided at a position where the distance between the waveguide and the stepped structure is 50 μm or less. By setting the distance between the waveguide and the step of the step-like structure to 50 μm or less, it is possible to form a waveguide in which the wavelength of the emitted laser light is clearly different from other waveguides.
本発明の半導体レーザ素子によれば、段差の付いたステップ状構造を有する基板上に半導体積層体を形成し、ステップ状構造の段差と導波路との距離を変えて導波路のIn及びNを含む活性層中のIn濃度を変化させることにより、複数本の導波路から相互に異なる波長の光を出射することが可能となる。また、本発明の半導体レーザ素子の製造方法によれば、一回の結晶成長で半導体積層体を形成することが可能であり、表面モフォロジーも良く、さらに各導波路における結晶成長速度がステップ状構造からの距離に殆ど依存しないことから、設計および作製が容易になる。 According to the semiconductor laser device of the present invention, a semiconductor stacked body is formed on a substrate having a stepped structure with a step, and the distance between the stepped structure and the waveguide is changed to change the In and N of the waveguide. By changing the In concentration in the active layer, it is possible to emit light having different wavelengths from the plurality of waveguides. In addition, according to the method for manufacturing a semiconductor laser device of the present invention, a semiconductor stacked body can be formed by a single crystal growth, the surface morphology is good, and the crystal growth rate in each waveguide is a step-like structure. Design and fabrication are facilitated because it hardly depends on the distance from the device.
以下、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。尚、以下の実施形態例及び実施例で示した、化合物半導体層の組成、膜厚、成膜方法、その他寸法等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、本発明はこれら例示に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the composition of the compound semiconductor layer, the film thickness, the film forming method, and other dimensions shown in the following embodiment examples and examples are examples for facilitating understanding of the present invention, and the present invention It is not limited to these examples.
<第1の実施の形態>
(半導体レーザ素子10の構成)
図1(a)は、第1の実施の形態の半導体レーザ素子(半導体レーザ素子10)のレイアウトを示す上面図、及び図1(b)はステップ状構造の形状、並びにステップ状構造上の導波路及び分離溝の位置を示す模式的側面図である。半導体レーザ素子10は、(100)面より〔0−1−1〕方向に2°〜15°の範囲の傾斜角で傾斜した傾斜面を有するn型GaAs基板12上に、例えば〔01−1〕方向に延伸するステップ状構造14を備えている。
<First Embodiment>
(Configuration of Semiconductor Laser Element 10)
FIG. 1A is a top view showing the layout of the semiconductor laser device (semiconductor laser device 10) of the first embodiment, and FIG. 1B is the shape of the step-like structure and the lead on the step-like structure. It is a typical side view which shows the position of a waveguide and a separation groove. The
ステップ状構造14は、最も簡単な構成のステップ状構造であって、一つの高領域16と、段差18によって高領域16から低くなった一つの低領域20とを備えた構造であって、例えば段差18の高さは2.7μm、高領域16の幅は250μm、低領域20の幅は150μm、〔01−1〕方向の長さは600μmである。半導体レーザ素子10は、Inを含む2種類のIII族元素及びPを含むV族元素を含む活性層と、活性層の上下にそれぞれ配置され、活性層を挟む第1導電型のクラッド層及び第2導電型のクラッド層とを有する、AlGaInP系の化合物半導体層からなる半導体積層体を基板12上に備えている。
The step-
本実施の形態では、〔01−1〕方向に延伸する3本の導波路22A〜Cが、ステップ状構造14の高領域16に配置されている。第1導波路22Aは、段差18からの距離Xが50μm以下、例えば4μm程度の距離で段差18の近傍の高領域16に配置されている。第2導波路22Bは、段差18から距離Yが距離Xよりも長く、かつ50μm以下、例えば34μmの距離で高領域16に配置されている。第3導波路22Cは、段差18からの距離Zが距離Yよりも長く、例えば104μm程度の距離で高領域16に配置されている。各導波路22の幅を3μmとすると、以上の配置により、第1導波路22Aと第2導波路22Bの間隔が27μm、第2導波路22Bと第3導波路22Cとの間隔が67μmとなる。各導波路22は、半導体積層体に設けられた分離溝24により相互に分離されている。
In the present embodiment, three waveguides 22 </ b> A to 22 </ b> C extending in the [01-1] direction are arranged in the
ステップ状構造14を有する基板12上に多重量子井戸構造の活性層を成長させたとき、活性層中のInの濃度は、ステップ状構造14の段差18に近いほど高く、遠ざかるにつれ低くなる。従って、導波路22と段差18との距離の長短に従って、第1導波路22A、第2導波路22B、及び第3導波路22Cの順で、活性層のIn濃度は低くなり、バンドギャップは、第1導波路22A、第2導波路22B、及び第3導波路22Cの順で広くなっている。
When an active layer having a multiple quantum well structure is grown on the
つまり、半導体レーザ素子10は、第1導波路22A、第2導波路22B、及び第3導波路22Cの順で、発振波長が短くなる3個の導波路を有し、相互に異なる波長のレーザ光を各導波路22A〜Cを経由して出射する。即ち、段差と導波路の間の距離を変えることにより、半導体レーザ素子の各導波路の発振波長を変えることができる。また、傾斜基板上に化合物半導体を形成しているので、表面モフォロジーが良好になり、異常成長も大幅に抑制され、ステップ状構造の段差からの距離の違いによる成長速度変化も殆どない。
In other words, the
(半導体レーザ素子10の製造方法)
上記のような半導体レーザ素子10の製造方法について説明する。先ず、(100)面より〔0−1−1〕方向に2°〜15°傾斜した傾斜面を有するn型GaAs基板12上に、フォトリソグラフィ工程とエッチング加工工程により、〔01−1〕方向に延伸する段差18により区画された高領域16と低領域20とを有するステップ状構造14を形成する。
(Method for Manufacturing Semiconductor Laser Element 10)
A method for manufacturing the
次に、ステップ状構造14を形成した基板12上に、例えばMOCVD(有機金属化学気相成長)法により、Inを含む2種類のIII族元素及びPを含むV族元素を含む活性層と、活性層の上下にそれぞれ配置され、活性層を挟む第1導電型のクラッド層及び第2導電型のクラッド層とを有する、AlGaInP系の半導体積層体を1回の結晶成長工程で形成する。次いで、半導体レーザ素子の第1導波路22A、第2導波路22B、及び第3導波路22Cをそれぞれ構成するリッジストライプを半導体積層体の上部に形成し、各導波路22を分離溝24により分離し、電極(図示せず)を形成し、更に劈開することにより、本実施形態例の半導体レーザ素子10を作製することができる。本実施の形態における半導体レーザ素子10の製造方法によれば、一回の結晶成長で半導体レーザ素子10の半導体積層体を形成することができる。
Next, an active layer containing two types of group III elements including In and a group V element including P is formed on the
<第2の実施の形態>
図2(a)は、第2の実施の形態に係る半導体レーザ素子(半導体レーザ素子30)のレイアウトを示す上面図、及び図2(b)は凹溝の形状、並びに凹溝に対する導波路及び分離溝の位置を示す模式的側面図である。半導体レーザ素子30は、ステップ状構造の形状が異なること、及びステップ状構造に対する導波路の配置が異なることを除いて、上記第1の実施の形態の半導体レーザ素子10と同じ構成を備えている。
<Second Embodiment>
FIG. 2A is a top view showing the layout of the semiconductor laser device (semiconductor laser device 30) according to the second embodiment, and FIG. 2B is the shape of the concave groove, the waveguide for the concave groove, and It is a typical side view which shows the position of a separation groove. The
半導体レーザ素子30のステップ状構造は、図2に示すように、上記第1の実施の形態の半導体レーザ素子10と同じn型GaAs基板12上に設けられた、例えば〔01−1〕方向に延伸する凹溝34として形成されている。凹溝34は、両側の高領域36A、Bから中央の低領域40を区画する段差38A、Bを有し、例えば段差38の高さ、つまり溝深さが2.7μm、溝幅が62μm、〔01−1〕方向の長さが600μmである。半導体レーザ素子30は、第1の実施の形態と同じ構成の半導体積層体をn型GaAs基板12上に備えている。
As shown in FIG. 2, the stepped structure of the
本実施の形態では、〔01−1〕方向に延伸する3本の導波路42A〜Cが、凹溝34の両側の高領域36に配置されている。第1導波路42Aは、凹溝34の段差38Bからの距離Xが50μm以下、例えば4μm程度の距離で高領域36Bに配置されている。第2導波路42Bは、段差38Aからの距離Yが距離Xよりも長く、かつ50μm以下、例えば34μmの距離で高領域38Aに配置されている。第3導波路42Cは、段差38Bからの距離Zが距離Yよりも長く、例えば104μm程度の距離で高領域36Bに配置されている。以上の配置により、第1導波路42Aと第2導波路42Bとの間隔が100μm、第2導波路42Bと第3導波路42Cとの間隔が200μmとなる。また、各導波路42は、半導体積層体に設けられた分離溝44により相互に分離されている。
In the present embodiment, three waveguides 42 </ b> A to 42 </ b> C extending in the [01-1] direction are arranged in the high regions 36 on both sides of the
本実施の形態の半導体レーザ素子30では、上記第1の実施の形態の半導体レーザ素子10と同様、導波路42と段差38との距離の長短に従って、第1導波路42A、第2導波路42B、及び第3導波路42Cの順で、活性層のIn濃度は低くなり、バンドギャップは、第1導波路42A、第2導波路42B、及び第3導波路42Cの順で、広くなっている。つまり、本実施の形態の半導体レーザ素子30は、3本の導波路42A〜Cを有し、第1導波路42A、第2導波路42B、及び第3導波路42Cの順で、発振波長が短いレーザ光を各導波路42A〜Cを経由して出射する。
In the
即ち、本実施の形態では、段差38と導波路42の間の距離を変えることにより、各導波路42の発振波長を自在に変えることができる。また、凹溝34の溝幅を変えることにより、各導波路42の発振波長を変えることなく第2導波路42Bと第1導波路42Aとの間隔、或いは第2導波路42Bと第3導波路42Cとの間隔を変えることができるので、設計の自由度が大きくなる。更には、傾斜基板上に半導体積層体を形成しているので、表面モフォロジーが良好で、異常成長も大幅に抑制され、凹溝34からの距離の違いによる成長速度変化も殆どない。
That is, in the present embodiment, the oscillation wavelength of each waveguide 42 can be freely changed by changing the distance between the step 38 and the waveguide 42. Further, by changing the groove width of the
上記半導体レーザ素子30については、上記第1の実施の形態の半導体レーザ素子10と同様にして作製することができる。即ち、上記半導体レーザ素子10と同じn型GaAs基板12上に、フォトリソグラフィ工程とエッチング加工工程により、ステップ状構造として〔01−1〕方向に延伸する凹溝34を形成する。以下、上記第1の実施の形態の半導体レーザ素子10と同様にして、一回の結晶成長で半導体レーザ素子30を作製することができる。
The
<第3の実施の形態>
図3(a)は、第3の実施の形態に係る半導体レーザ素子(半導体レーザ素子50)のレイアウトを示す上面図、及び図3(b)はリッジの形状、並びにリッジに対する導波路及び分離溝の位置を示す模式的側面図である。半導体レーザ素子50は、ステップ状構造の形状が異なること、及びステップ状構造に対する導波路の配置が異なることを除いて、第1の実施の形態の半導体レーザ素子10と同じ構成を備えている。
<Third Embodiment>
FIG. 3A is a top view showing the layout of the semiconductor laser device (semiconductor laser device 50) according to the third embodiment, and FIG. 3B is the shape of the ridge, and the waveguide and separation groove for the ridge. It is a typical side view which shows the position. The
半導体レーザ素子50のステップ状構造は、上記第1の実施の形態の半導体レーザ素子10と同じn型GaAs基板12上に設けられた、例えば〔01−1〕方向に延伸するリッジ幅が同じ複数個の凸状のリッジ54A〜C(図3では3本のリッジを図示)として形成されている。リッジ54は、リッジ54上の高領域56と、高領域56から両側の低領域60を段差58によって区画し、例えばリッジ高さが2.7μm、リッジ幅が100μm、周期が150μm、〔01−1〕方向の長さが600μmである。半導体レーザ素子50は、上記第1の実施の形態の半導体レーザ素子10と同じ構成の半導体積層体をn型GaAs基板12上に備えている。
The step-like structure of the
本実施の形態では、〔01−1〕方向に延伸する導波路62A〜Cが、各リッジ54A〜C上に1つずつ設けられている。第1導波路62Aは第1リッジ54Aの近い方の段差58からの距離Xが50μm以下、例えば4μm程度の距離で第1リッジ54A上に設けられている。第2導波路62Bは第2リッジ62Bの近い方の段差58からの距離Yが距離Xよりも長く、かつ50μm以下、例えば24μm程度の距離で第2リッジ54B上に設けられている。第3導波路62Cは第3リッジ62Cの近い方の段差58からの距離Zが距離Yよりも長く距離、例えば44μm程度の距離で第3リッジ54C上に設けられている。各導波路の幅を3μmとすると、以上の配置により、第1導波路62Aと第2導波路62Bとの間隔と、第2導波路62Bと第3導波路62Cとの間隔とは、同じ間隔であって、それぞれ、167μmとなる。各導波路62は、分離溝64により相互に分離されている。
In the present embodiment, one
本実施の形態の半導体レーザ素子50では、上記第1の実施の形態の半導体レーザ素子10と同様、段差58と導波路62との距離の長短に従って、第1導波路62A、第2導波路62B、及び第3導波路62Cの順で、活性層のIn濃度は低くなり、バンドギャップは、第1導波路62A、第2導波路62B、及び第3導波路62Cの順で広くなっている。つまり、本実施の形態の半導体レーザ素子50は、3個の導波路62A〜Cを有し、第1導波路62A、第2導波路62B、及び第3導波路62Cの順で、発振波長が短いレーザ光を各導波路62A〜Cを経由して出射する。
In the
本実施の形態の半導体レーザ素子50では、段差58と導波路62の間の距離を変えることにより、各導波路の発振波長を自在に変えることができる。また、リッジ54同士の間隔を変えることにより、各導波路62の発振波長を変えることなく、第1導波路62Aと第2導波路62Bとの間隔、第2導波路62Bと第3導波路62Cとの間隔を変えることができるので、設計の自由度が大きくなる。また、傾斜基板上に半導体積層体を形成しているので、表面モフォロジーが良く、異常成長も大幅に抑制され、段差58からの距離の違いによる成長速度変化も殆どない。
In the
上記半導体レーザ素子50の製造方法についても、上記第1の実施の形態の半導体レーザ素子10と同様にして作製することができる。即ち、上記半導体レーザ素子10と同じn型GaAs基板12上に、フォトリソグラフィ工程とエッチング加工工程により、〔01−1〕方向に延伸するリッジ54A〜Cを形成する。以下、上記第1の実施の形態の半導体レーザ素子10と同様にして、一回の結晶成長で本実施形態例の半導体レーザ素子50を作製することができる。
The manufacturing method of the
<第4の実施の形態>
図4(a)は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子(半導体レーザ素子70)のレイアウトを示す上面図、及び図4(b)はリッジの形状、並びにリッジに対する導波路及び分離溝の位置を示す模式的側面図である。図4に示す部位のうち図3と同じ部位には同じ符号を付して、その説明を省略している。半導体レーザ素子70は、3個のリッジ72A〜C(図4では簡単に3個のみ図示)のリッジ幅が相互に異なること除いて、第3の実施の形態の半導体レーザ素子50と同じ構成を備えている。
<Fourth embodiment>
4A is a top view showing the layout of the semiconductor laser device (semiconductor laser device 70) according to the present embodiment, and FIG. 4B is the shape of the ridge, and the position of the waveguide and the separation groove with respect to the ridge. It is a typical side view which shows. 4 that are the same as those shown in FIG. 3 are marked with the same symbols and descriptions of them will be omitted. The
リッジ72A〜Cは、例えばリッジ高さが2.7μm、周期Pが150μm、〔01−1〕方向の長さが600μmであって、リッジ幅は、第1リッジ72Aが100μm以下、例えば25μm程度、第2リッジ72Bが第1リッジ72Aより広くかつ100μm以下、例えば35μm程度、第3リッジ72Cが第2リッジ72Bよりも広い100μmである。 ここで、周期Pとは、図4に示すように、第1リッジ74Aの中央から第2リッジ74Bの中央まで、また第2リッジ74Bの中央から第3リッジ74Cの中央までを言う。半導体レーザ素子70は、第1の実施の形態と同じ構成の半導体積層体をn型GaAs基板72上に備えている。
The
本実施の形態では、〔01−1〕方向に延伸する3個の導波路74A〜Cは、各リッジ72の中央付近に1つずつ配置されている。これにより、第1導波路74Aは第1リッジ72Aの両側の段差58からの距離Xが12.5μm程度になり、第2導波路72Bは第2リッジ72Bの両側の段差58からの距離Yが17.5μm程度になり、第3導波路72Cは第3リッジ72Cの両側の段差58からの距離Zが50μm程度になる。各導波路の幅を3μmとすると、以上の配置により、第1導波路74Aと第2導波路74Bとの間隔と、第2導波路74Bと第3導波路74Cとの間隔が、同じであって、それぞれ、147μmである。
In the present embodiment, three waveguides 74 </ b> A to 74 </ b> C extending in the [01-1] direction are arranged one by one near the center of each ridge 72. Accordingly, the distance X from the
本実施の形態の半導体レーザ素子70では、上記第1の実施の形態の半導体レーザ素子10と同様、段差58と導波路74との距離の長短に従って、第1導波路74A、第2導波路74B、及び第3導波路74Cの順で、活性層のIn濃度は低くなり、バンドギャップは、第1導波路74A、第2導波路74B、及び第3導波路74Cの順で広くなっている。つまり、本実施の形態の半導体レーザ素子70は、3個の導波路を有し、第1導波路74A、第2導波路74B、及び第3導波路74Cの順で、発振波長が短いレーザ光を各導波路74A〜Cを経由して出射する。
In the
本実施の形態では、リッジ72のリッジ幅を変えて段差58と導波路74の間の距離を変えることにより、各導波路の発振波長を自在に変えることができる。更に、リッジ幅の異なるリッジ72としたことにより、それぞれの導波路74の活性層のIn濃度が導波路74の両側の段差58の影響を受けることから、小さいリッジ幅の変化で活性層のIn濃度を大きく変える、すなわちバンドギャップを大きく変えることができる。また、リッジ72の間隔を変えることにより、各導波路74の発振波長を変えることなく、第1導波路74Aと第2導波路74Bとの間隔、及び第2導波路74Bと第3導波路74Cの間隔を変えることができるので、設計の自由度を大きくすることができる。また、傾斜基板上に半導体積層体を形成しているので、表面モフォロジーが良く、異常成長も大幅に抑制され、段差58からの距離の違いによる成長速度変化も殆どない。
In the present embodiment, by changing the distance between the
上記半導体レーザ素子50の製造方法についても、上記第1の実施の形態の半導体レーザ素子10と同様にして作製することができる。即ち、上記半導体レーザ素子10と同じn型GaAs基板12上に、フォトリソグラフィ工程とエッチング加工工程により、〔01−1〕方向に延伸するリッジ72A〜Cを形成する。以下、上記第1の実施の形態の半導体レーザ素子10と同様にして、一回の結晶成長で本実施形態例の半導体レーザ素子70を作製することができる。
The manufacturing method of the
<第5の実施の形態>
(半導体レーザ素子の構成)
本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、以下の項目(1)及び(2)が、上記第1の実施の形態の半導体レーザ素子10と異なり、それ以外の構成は、上記第1の実施の形態の半導体レーザ素子10と同様である。
(1)本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、(100)面より〔0−1−1〕方向に2°〜15°の範囲の傾斜角で傾斜した傾斜面を有するn型GaAs基板10に代えて、傾斜面でないフラットな基板面、つまり(0001)面を基板面とするn型GaN基板上にステップ状構造を備えていること。
(2)本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、Inを含む2種類のIII族元素及びPを含むV族元素を含む活性層を有するAlGaInP系の化合物半導体層からなる半導体積層体に代えて、Inを含む2種類のIII族元素及びNを含むV族元素を含む活性層を有するAlGaInN系の化合物半導体層からなる半導体積層体を基板上に備えていること。
<Fifth embodiment>
(Configuration of semiconductor laser element)
The semiconductor laser device according to the present embodiment is different from the
(1) The semiconductor laser device according to the present embodiment has an n-
(2) The semiconductor laser device according to the present embodiment is replaced with a semiconductor stacked body composed of an AlGaInP-based compound semiconductor layer having an active layer containing two types of group III elements including In and a group V element including P. And a semiconductor laminate comprising an AlGaInN-based compound semiconductor layer having an active layer containing two types of Group III elements including In and Group V elements including N on a substrate.
尚、ステップ状構造の延伸方向に制約はないが、本実施形態例では、ステップ状構造は第1の実施の形態と同様に〔01−1〕方向に延伸しているとしている。以上のことを除いて、図1(a)を本実施の形態の半導体レーザ素子のレイアウトを示す上面図、及び図1(b)を本実施の形態の半導体レーザ素子のステップ状構造の形状、並びにステップ状構造上の導波路及び分離溝の位置を示す模式的側面図とすることができる。 In addition, although there is no restriction | limiting in the extending | stretching direction of a step-like structure, in this example of embodiment, it is supposed that the step-like structure is extended | stretched in the [01-1] direction similarly to 1st Embodiment. Except for the above, FIG. 1A is a top view showing the layout of the semiconductor laser device of this embodiment, and FIG. 1B is the shape of the step-like structure of the semiconductor laser device of this embodiment. Moreover, it can be a schematic side view showing the position of the waveguide and the separation groove on the step-like structure.
以下の本実施の形態に係る半導体レーザ素子についての説明は、上述の項目(1)及び(2)を考慮して、上記第1の実施の形態に係る半導体レーザ素子10についての説明を修正したものである。本実施の形態に係る半導体レーザ素子11は、図1に示すように、(0001)面からなる基板面を有するn型GaN基板12上に、例えば〔01−1〕方向に延伸するステップ状構造14を備えている。
In the following description of the semiconductor laser device according to the present embodiment, the description of the
ステップ状構造14は、最も簡単な構成のステップ状構造であって、一つの高領域16と、段差18によって高領域16から低くなった一つの低領域20とを備えた構造であって、例えば段差18の高さは2.7μm、高領域16の幅は250μm、低領域20の幅は150μm、〔01−1〕方向の長さは600μmである。半導体レーザ素子11は、Inを含む2種類のIII族元素及びNを含むV族元素を含む活性層と、活性層の上下にそれぞれ配置され、活性層を挟む第1導電型のクラッド層及び第2導電型のクラッド層とを有する、AlGaInN系の化合物半導体層からなる半導体積層体を基板12上に備えている。
The step-
本実施の形態では、〔01−1〕方向に延伸する3本の導波路22A〜Cが、ステップ状構造14の高領域16に配置されている。第1導波路22Aは、段差18からの距離Xが50μm以下、例えば4μm程度の距離で段差18の近傍の高領域16に配置されている。第2導波路22Bは、段差18から距離Yが距離Xよりも長く、かつ50μm以下、例えば34μmの距離で高領域16に配置されている。第3導波路22Cは、段差18からの距離Zが距離Yよりも長く、例えば104μm程度の距離で高領域16に配置されている。各導波路22の幅を3μmとすると、以上の配置により、第1導波路22Aと第2導波路22Bの間隔が27μm、第2導波路22Bと第3導波路22Cとの間隔が67μmとなる。各導波路22は、半導体積層体に設けられた分離溝24により相互に分離されている。
In the present embodiment, three waveguides 22 </ b> A to 22 </ b> C extending in the [01-1] direction are arranged in the
ステップ状構造14を有する基板12上に多重量子井戸構造の活性層を成長させたとき、活性層中のInの濃度は、ステップ状構造14の段差18に近いほど高く、遠ざかるにつれ低くなる。従って、導波路22と段差18との距離の長短に従って、第1導波路22A、第2導波路22B、及び第3導波路22Cの順で、活性層のIn濃度は低くなり、バンドギャップは、第1導波路22A、第2導波路22B、及び第3導波路22Cの順で広くなっている。
When an active layer having a multiple quantum well structure is grown on the
つまり、本実施形態例の半導体レーザ素子11は、第1導波路22A、第2導波路22B、及び第3導波路22Cの順で、発振波長が短くなる3個の導波路を有し、相互に異なる波長のレーザ光を各導波路22A〜Cを経由して出射する。即ち、本実施形態例では、段差と導波路の間の距離を変えることにより、半導体レーザ素子の各導波路の発振波長を変えることができる。また、傾斜基板上に化合物半導体を形成しているので、表面モフォロジーが良好になり、異常成長も大幅に抑制され、ステップ状構造の段差からの距離の違いによる成長速度変化も殆どない。
That is, the
(半導体レーザ素子の製造方法)
本実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法は、以下の項目(1)及び(2)において、上記第1の実施の形態に係る半導体レーザ素子10の製造方法と異なることを除いて、上記半導体レーザ素子10と同様のステップを備えている。
(1)本実施の形態の半導体レーザ素子の製造方法では、基板として、(100)面より〔0−1−1〕方向に2°〜15°の範囲の傾斜角で傾斜した傾斜面を有するn型GaAs基板10に代えて、傾斜面でないフラットな基板面、つまり(0001)面を基板面とするn型GaN基板を使用すること。
(2)本実施の形態の半導体レーザ素子の製造方法では、Inを含む2種類のIII族元素及びNを含むV族元素を含む活性層を有するAlGaInN系の化合物半導体層からなる半導体積層体に代えて、Inを含む2種類のIII族元素及びNを含むV族元素を含む活性層を有するAlGaInN系の化合物半導体層からなる半導体積層体を基板上に形成すること。
(Method for manufacturing semiconductor laser device)
The manufacturing method of the semiconductor laser device according to the present embodiment is the same as that of the
(1) In the manufacturing method of the semiconductor laser device of the present embodiment, the substrate has an inclined surface inclined at an inclination angle in the range of 2 ° to 15 ° in the [0-1-1] direction from the (100) plane. Instead of the n-
(2) In the method of manufacturing a semiconductor laser device according to the present embodiment, a semiconductor stacked body composed of an AlGaInN-based compound semiconductor layer having an active layer containing two types of group III elements including In and a group V element including N is used. Instead, a semiconductor stacked body made of an AlGaInN-based compound semiconductor layer having an active layer containing two types of group III elements including In and a group V element including N is formed on a substrate.
以下の本実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法についての説明は、上述の項目(1)及び(2)を考慮して、上記第1の実施の形態に係る半導体レーザ素子10の製造方法についての説明を修正したものである。先ず、(0001)面からなる基板面を有するn型GaN基板12上に、フォトリソグラフィ工程とエッチング加工工程により、〔01−1〕方向に延伸する段差18により区画された高領域16と低領域20とを有するステップ状構造14を形成する。
In the following description of the method for manufacturing the semiconductor laser device according to the present embodiment, the above-described items (1) and (2) are taken into consideration, and the method for manufacturing the
次に、ステップ状構造14を形成した基板12上に、例えばMOCVD(有機金属化学気相成長)法により、Inを含む2種類のIII族元素及びNを含むV族元素を含む活性層と、活性層の上下にそれぞれ配置され、活性層を挟む第1導電型のクラッド層及び第2導電型のクラッド層とを有する、AlGaInN系の半導体積層体を1回の結晶成長工程で形成する。次いで、半導体レーザ素子の第1導波路22A、第2導波路22B、及び第3導波路22Cをそれぞれ構成するリッジストライプを半導体積層体の上部に形成し、各導波路22を分離溝24により分離し、電極(図示せず)を形成し、更に劈開することにより、本実施形態例の半導体レーザ素子11を作製することができる。本実施の形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、一回の結晶成長で半導体レーザ素子11の半導体積層体を形成することができる。
Next, an active layer containing two kinds of group III elements including In and a group V element including N is formed on the
尚、上記第5の実施の形態においても、上記第2〜第4の実施の形態に係るステップ状構造あるいはリッジ構造をそれぞれ採用することができ、この場合には、図2〜図4を各形態の図面として参照することできる。 In the fifth embodiment, the step-like structure or the ridge structure according to the second to fourth embodiments can be employed. In this case, FIGS. Reference can be made to the drawings in the form.
(実施例1)
本実施例は、上記第1の実施の形態の半導体レーザ素子の具体例であって、図5、図6、及び図7は、それぞれ、実施例1の半導体レーザ素子80の構成を示す斜視図、図5の線I−Iでの断面図、及び第1導波路近傍の化合物半導体層の積層構造を示す断面拡大図である。図5から図7に示す部位のうち、図1と同じ部位には同じ符号を付し、説明を省略する。本実施例の半導体レーザ素子80は、図5に示すように、(100)面より〔0−1−1〕方向に10°傾斜した傾斜面に第1の実施の形態と同じステップ状構造14を備えたn型GaAs基板81上に、AlGaInP系の化合物半導体層からなる半導体積層体82を備えている。
Example 1
This example is a specific example of the semiconductor laser device of the first embodiment, and FIGS. 5, 6, and 7 are perspective views showing the configuration of the
半導体積層体82は、図7に示すように、n型GaAs基板81上に、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる膜厚が1.1μmのn型クラッド層84、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなるガイド層86、Ga0.5In0.5P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなる多重量子井戸構造の活性層88、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなるガイド層90、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる膜厚0.3μmのp型クラッド層92、Ga0.5In0.5Pからなるp型エッチングストップ層94、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる膜厚が1.1μmのp型クラッド層96、及び、GaAsからなる膜厚が0.35μmのp型キャップ層98の積層構造として構成されている。活性層88は、膜厚が3.5nmのGa0.5In0.5P層と、膜厚が4.0nmの(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P層とから構成された3周期の多重量子井戸構造として形成されている。図7は第1リッジストライプ23A近傍の化合物半導体層の積層構造を示しているが、半導体積層体82は他の領域でも同じ積層構造を備えている。
As shown in FIG. 7, the semiconductor stacked
半導体積層体82のうち、図6に示すように、エッチングストップ層94をエッチング停止層として、p型キャップ層98及びp型クラッド層96がエッチングされ、第1から第3導波路22A〜Cをそれぞれ構成する、幅が3μmの第1から第3リッジストライプ23A〜Cが、ステップ状構造14の高領域16上に〔01−1〕方向に形成されている。第1リッジストライプ23Aと段差18との距離は4μm、第2リッジストライプ23Bと段差18との距離は34μm、第3リッジストライプ23Cと段差18との距離は104μmである。
As shown in FIG. 6, the p-
各リッジストライプ23A〜Cは、各リッジストライプ23上のp型キャップ層98を除いて、リッジ脇がGaAs層からなるn型埋め込み層100で埋め込まれている。p型キャップ層98及びp型クラッド層96とn型埋め込み層100とのpn接合分離により電流狭窄構造が構成されている。更に、各リッジストライプ23のp型キャップ層98にそれぞれ接続するように、p型キャップ層98及びn型埋め込み層100上に、相互に独立のp側電極102が形成されている。また、第2リッジストライプ23B上のp側電極102は、第3リッジストライプ23C上を横切って延在する引出し電極104を介して接続されているので、第3リッジストライプ23Cのp側電極102と引出し電極104との間には絶縁膜106が設けてある。更に、n型GaAs基板81の裏面には、図5に示すように、共通のn側電極108が形成されている。各リッジストライプ23A〜Cの間には素子分離溝24が形成され、第2リッジストライプ23Bと第3リッジストライプ23Cとの間の分離溝24は、ポリイミドなどの絶縁物で埋め込まれた埋め込み絶縁層110となっている。尚、図5では、第2リッジストライプ23Bのp側電極102の引出し電極104が、便宜上、図6とは異なり、第1リッジストライプ23A上を横切って延びている。
Each ridge stripe 23 </ b> A to 23 </ b> C is buried with an n-type buried
本実施例の半導体レーザ素子80は、第1から第3のリッジストライプ23A〜Cに、それぞれ、インデックスガイド構造として形成され、上記第1の実施の形態で説明したように、第1導波路22A、第2導波路22B、及び第3導波路22Cの順で発振波長が短くなる3個の導波路を有し、相互に異なる波長のレーザ光を各導波路22A〜Cを経由して出射する。以上の構成により、本実施例の半導体レーザ素子80は、上記第1の実施の形態と同等の効果を奏する。
The
図8を参照して、本実施例の半導体レーザ素子80の製造方法を説明する。図8は、本実施例の半導体レーザ素子80用の基板の構成を示す斜視図である。図8に示すように、フォトリソグラフィ及びH2SO4、H2O2、及びH2Oの混合エッチャントによるウエットエッチング法により、(100)面より〔0−1−1〕方向に10°傾斜した傾斜面を有するn型GaAs基板81をエッチングして、深さが2.7μm、幅が200μmで〔01−1〕方向に延在し、溝壁として段差18を両側に有する凹溝112を〔0−1−1〕方向に800μm周期で形成した。尚、図8には、最終的に1つの半導体レーザ素子80を構成する基板領域をZで示した。
With reference to FIG. 8, the manufacturing method of the
次いで、凹溝112を形成した基板81上に、基板温度を690℃としてMOCVD法により、図7に示すように、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる膜厚が1.1μmのn型クラッド層84、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなるガイド層86、Ga0.5In0.5P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなる多重量子井戸構造の活性層88、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなるガイド層90、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる膜厚0.3μmのp型クラッド層92、Ga0.5In0.5Pからなるp型エッチングストップ層94、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる膜厚が1.1μmのp型クラッド層96、及び、GaAsからなる膜厚が0.35μmのp型キャップ層98を、順次、積層して、半導体積層体82を形成した。
Next, on the
次に、エッチングストップ層94をエッチング停止層として、フォトリソグラフィとウエットエッチング法によって、図6に示すように、〔01−1〕方向に延びる幅3μmの第1から第3リッジストライプ23A〜Cを凹溝112の段差18からそれぞれ4μm、34μm、及び104μm離して形成した。次いで、絶縁膜によるマスキングとMOCVD法によって、第1から第3リッジストライプ23A〜C上のp型キャップ層98を除く領域に、n型GaAs埋め込み層100を成膜し、第1から第3リッジストライプ23A〜Cのリッジ脇を埋め込んだ。続いて、フォトリソグラフィ及びH2SO4、H2O2及びH2Oの混合エッチャントによるウエットエッチング法によりエッチングして、第1リッジストライプ23Aと第2リッジストライプ23Bとの間、及び第2リッジストライプ23Bと第3リッジストライプ23Cとの間に、それぞれ、幅10μmでn型GaAs基板81まで達する素子分離溝24を形成した。分離溝24の形成では、HClとH2Oとの混合液をエッチャントとするウエットエッチング、或いはRIEなどを用いても良い。
Next, by using the
次に、p型キャップ層98及びn型埋め込み層100上に、第1から第3リッジストライプ23A〜Cのp型キャップ層10にそれぞれ接続するように、p側電極102を形成した。次いで、マスキングにより部分的に第3リッジストライプ23Cのp側電極102上に、SiO2やSiNなどからなる絶縁層106を形成し、続いてポリイミドなどにより分離溝24を埋め込んで埋め込み絶縁層110を形成した。更に、引出し電極104を形成して、第2リッジストライプ23Bのp側電極102に対する2層配線を形成した。
また、n型GaAs基板81の裏面を研磨して所定の基板厚に調整した後、n側電極108を形成した。最後に、(01−1)面で劈開し、(0−1−1)面で素子分離することにより、図5に示す半導体レーザ素子80を作製した。以上のようにして、発振波長がそれぞれ異なる3つの導波路22A〜Cを備えたAlGaInP系半導体レーザ素子80を一回の結晶成長で同じ基板81上に形成することができる。
Next, the p-
Further, after the back surface of the n-
(実施例2)
本実施例は、上記第2の実施の形態の半導体レーザ素子の具体例であって、図9及び図10は、それぞれ、実施例2の半導体レーザ素子120の構成を示す斜視図、及び図9の線II−IIでの断面図である。図9及び図10に示す部位のうち、図2及び図5から図7と同じ部位には同じ符号を付し、説明を省略する。本実施例の半導体レーザ素子120は、図9に示すように、ステップ状構造として第2の実施の形態と同じ凹溝34を備えたn型GaAs基板81の傾斜面上に、実施例1と同じAlGaInP系の化合物半導体層からなる半導体積層体82(図7参照)を備えている。本実施例では、上記第2の実施の形態で説明したように、凹溝34が、n型GaAs基板81の傾斜面上に、深さが2.7μm、幅が62μm、周期が500μmで〔01−1〕方向に設けられている。
(Example 2)
This example is a specific example of the semiconductor laser device of the second embodiment, and FIGS. 9 and 10 are a perspective view and a perspective view showing a configuration of the
図10に示すように、第1から第3導波路42A〜Cをそれぞれ構成する幅が3μmの第1から第3リッジストライプ43A〜Cが、実施例1と同様に、エッチングストップ層94上のp型キャップ層98及びp型クラッド層96をエッチングすることにより、〔01−1〕方向に形成されている。第1リッジストライプ43Aは、凹溝34の一方の段差38Bから4μm離れた位置に、第2リッジストライプ43Bは、凹溝34の他方の段差38Aから34μm離れた位置に、第3リッジストライプ43Cは、凹溝34の一方の段差38Bから104μm離れた位置に、それぞれ、設けてある。また、第1から第3リッジストライプ43A〜Cは、実施例1と同様に、n型GaAs埋め込み層100で埋め込まれている。更に、実施例1と同様に、各リッジストライプ43の間には素子分離溝44が形成され、第1リッジストライプ43Aと第3リッジストライプ43Cとの間の分離溝44は、ポリイミドなどの絶縁物で埋め込まれた埋め込み絶縁層110となっている。
As shown in FIG. 10, the first to
以上の構成により、本実施例の半導体レーザ素子120は、第1から第3のリッジストライプ43A〜Cに、それぞれ、インデックスガイド構造として形成され、上記第2の実施の形態で説明したように、第1導波路42A、第2導波路42B、及び第3導波路42Cの順で、発振波長が短くなる3個の導波路42A〜Cを有し、相互に異なる波長のレーザ光を各導波路42A〜Cを経由して出射する。以上の構成により、本実施例の半導体レーザ素子120は、上記第2の実施の形態と同等の効果を奏する。
With the above configuration, the
図11を参照して、本実施例の半導体レーザ素子120の製造方法を説明する。図11は、本実施例の半導体レーザ素子120用の基板の構成を示す斜視図である。図11に示すように、実施例1と同様にしてn型GaAs基板81をエッチングし、深さが2.7μm、幅が62μmで〔01−1〕方向に延伸する凹溝34を〔0−1−1〕方向に500μm周期で形成した。尚、図11中に最終的に1つの半導体レーザ素子120を構成する領域をZで示した。
With reference to FIG. 11, the manufacturing method of the
次いで、凹溝34を形成した基板81上に、実施例1と同様にして、690℃の基板温度でMOCVD法により、実施例1と同じ半導体積層体82を形成した。以下、実施例1と同様にして、第1から第3リッジストライプ43A〜Cを形成し、n型GaAs埋め込み層100によって第1から第3リッジストライプ43A〜Cのリッジ脇を埋め込み、続いて、p側電極102、絶縁層106、埋め込み絶縁層110、及び引出し電極104を形成した。次に、(01−1)面で劈開し、(0−1−1)面で素子分離することにより、図9に示す半導体レーザ素子120を作製した。以上のようにして、発振波長がそれぞれ異なる3つの導波路42A〜Cを備えた半導体レーザ素子120を一回の結晶成長で同一基板81上に形成することができる。
Next, the same semiconductor stacked
(実施例3)
本実施例は、上記第3の実施の形態の半導体レーザ素子の具体例であって、図12及び図13は、それぞれ、実施例3の半導体レーザ素子122の構成を示す斜視図、及び図12の矢視III −III での断面図である。図12及び図13に示す部位のうち、図3及び図5から図7と同じ部位には同じ符号を付し、説明を省略する。本実施例の半導体レーザ素子122は、図12に示すように、ステップ状構造として上記第3の実施の形態の半導体レーザ素子50と同じ3本のリッジ54A〜Cを備えたn型GaAs基板81の傾斜面上に、実施例1と同じAlGaInP系の化合物半導体層からなる半導体積層体82(図7参照)を備えている。本実施例では、上記第3の実施の形態で説明したように、3本の第1から第3リッジ54A〜Cが、n型GaAs基板81上に、高さが2.7μm、幅が100μm、周期が150μmで、〔01−1〕方向に形成されている。
(Example 3)
This example is a specific example of the semiconductor laser device of the third embodiment, and FIGS. 12 and 13 are a perspective view and a perspective view showing the configuration of the semiconductor laser device 122 of Example 3, respectively. It is sectional drawing in arrow III-III. Of the parts shown in FIG. 12 and FIG. 13, the same parts as those in FIG. 3 and FIG. 5 to FIG. As shown in FIG. 12, the semiconductor laser device 122 of this example includes an n-
図13に示すように、第1から第3導波路62A〜Cをそれぞれ構成する幅が3μmの第1から第3リッジストライプ63A〜Cが、実施例1と同様に、エッチングストップ層94上のp型キャップ層98及びp型クラッド層96をエッチングすることにより、〔01−1〕方向に形成されている。第1リッジストライプ63Aが、第1リッジ54Aの一方の段差58Aから4μm離れた位置で、第2リッジストライプ63Bが第2リッジ54Bの一方の段差58Aから24μm離れた位置で、第3リッジストライプ63Cが第3リッジ54Cの一方の段差58Aから44μm離れた位置で、それぞれ、第1から第3リッジ54A〜C上に形成されている。
As shown in FIG. 13, the first to
また、第1から第3リッジストライプ63A〜Cは、実施例1と同様に、n型GaAs埋め込み層100で埋め込まれている。更に、実施例1と同様に、各リッジストライプ63A〜Cの間には素子分離溝44が形成され、第1リッジストライプ63Aと第2リッジストライプ63Bとの間の分離溝44は、ポリイミドなどの絶縁物で埋め込まれた埋め込み絶縁層110となっている。
The first to
以上の構成により、本実施例の半導体レーザ素子122は、第1から第3のリッジストライプ63A〜Cに、それぞれ、インデックスガイド構造として形成され、上記第3の実施の形態で説明したように、第1導波路62A、第2導波路62B、及び第3導波路62Cの順で、発振波長が短くなる3個の導波路62A〜Cを有し、相互に異なる波長のレーザ光を各導波路62A〜Cを経由して出射する。以上の構成により、本実施例の半導体レーザ素子122は、上記第3の実施の形態と同等の効果を奏する。
With the above configuration, the semiconductor laser element 122 of this example is formed as an index guide structure in each of the first to
図14を参照して、本実施例の半導体レーザ素子の製造方法を説明する。図14は、本実施例の半導体レーザ素子122を作製するための基板の構成を示す斜視図である。図14に示すように、実施例1と同様にしてn型GaAs基板81をエッチングし、深さが2.7μm、幅が100μmの〔01−1〕方向に延伸するリッジ54A〜Cを〔0−1−1〕方向に150μm周期で形成した。また、図14中に最終的に1つの半導体レーザ素子122を構成する領域をZで示した。
With reference to FIG. 14, the manufacturing method of the semiconductor laser device of the present embodiment will be described. FIG. 14 is a perspective view showing a configuration of a substrate for producing the semiconductor laser element 122 of the present embodiment. As shown in FIG. 14, the n-
次いで、リッジ54を形成した基板81上に、実施例1と同様にして、690℃の基板温度でMOCVD法により、実施例1と同じ半導体積層体82を形成した。以下、実施例1と同様にして、第1から第3リッジストライプ63A〜Cを形成し、n型GaAs埋め込み層100で第1から第3リッジストライプ63A〜Cのリッジ脇を埋め込み、続いて、p側電極102、絶縁層106、埋め込み絶縁層110、及び引出し電極104を形成した。次に、(01−1)面で劈開し、(0−1−1)面で素子分離することにより、図12に示す半導体レーザ素子122を作製した。以上のようにして、発振波長がそれぞれ異なる3つの導波路62A〜Cを備えた半導体レーザ素子122を一回の結晶成長で同一基板81上に形成することができる。
Next, the same semiconductor stacked
(実施例4)
本実施例は、上記第4の実施の形態の半導体レーザ素子の具体例であって、図15は実施例3の図13に対応した実施例4の半導体レーザ素子124の構成を示す断面図である。図15に示す部位のうち、図4及び図5から図7と同じ部位には同じ符号を付し、説明を省略する。本実施例の半導体レーザ素子124は、図15に示すように、ステップ状構造として第4の実施の形態と同じ3本のリッジ74A〜Cを備えたn型GaAs基板81の傾斜面上に、実施例1と同じAlGaInP系の化合物半導体層からなる半導体積層体82(図7参照)を備えている。本実施例では、上記第4の実施の形態で説明したように、リッジ幅が相互に異なる3本の第1から第3リッジ74A〜Cが、n型GaAs基板81上に、高さが2.7μm、周期が150μmで〔01−1〕方向に形成されている。リッジ幅は、第1リッジ74Aが25μm、第2リッジ74Bが35μm、第3リッジ74Cが100μmである。
Example 4
This example is a specific example of the semiconductor laser device of the fourth embodiment, and FIG. 15 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor laser device 124 of Example 4 corresponding to FIG. 13 of Example 3. is there. 15 that are the same as those shown in FIGS. 4 and 5 to 7 are marked with the same symbols and descriptions of them will be omitted. As shown in FIG. 15, the semiconductor laser device 124 of the present example has a step-like structure on an inclined surface of an n-
第1から第3導波路72A〜Cをそれぞれ構成する幅が3μmの第1から第3リッジストライプ73A〜Cが、実施例1と同様に、エッチングストップ層94上のp型キャップ層98及びp型クラッド層96をエッチングすることにより、〔01−1〕方向に形成されている。図15に示すように、第1から第3リッジストライプ73A〜Cが、それぞれ、第1リッジ74A上、第2リッジ74B上、及び第3リッジ74C上のほぼ中央に位置している。これにより、第1導波路72Aは第1リッジ74Aの両側の段差58からの距離が12.5μm程度となり、第2導波路72Bは第2リッジ74Bの両側の段差58からの距離が17.5μmとなり、第3導波路74Cは第3リッジ74Cの両側の段差58からの距離が50μm程度となる。
The first to
また、第1から第3リッジストライプ73A〜Cは、実施例1と同様に、n型GaAs埋め込み層100で埋め込まれている。更に、実施例1と同様に、各リッジストライプ73の間には素子分離溝64が形成され、第1リッジストライプ63Aと第2リッジストライプ63Bとの間の分離溝64は、ポリイミドなどの絶縁物で埋め込まれた埋め込み絶縁層110となっている。
Further, the first to
以上の構成により、本実施例の半導体レーザ素子124は、第1から第3のリッジストライプ73A〜Cに、それぞれ、インデックスガイド構造として形成され、上記第4の実施形態で説明したように、第1導波路72A、第2導波路72B、及び第3導波路72Cの順で、発振波長が短くなる3個の導波路72A〜Cを有し、相互に異なる波長のレーザ光を各導波路72A〜Cを経由して出射する。以上の構成により、本実施例の半導体レーザ素子124は、上記第4の実施の形態と同等の効果を奏する。
With the above configuration, the semiconductor laser element 124 of the present example is formed as an index guide structure in each of the first to
本実施例の半導体レーザ素子124は、n型GaAs基板81上にリッジ幅が相互に異なる3本の第1から第3リッジ74A〜Cを形成することを除いて、実施例3の半導体レーザ素子122と同様にして作製することができる。
The semiconductor laser device 124 of the present embodiment is the same as that of the third embodiment except that three first to
実施例1から4では、リッジの高さ、又は凹溝の深さは2.7μmであったが、これに限らず、0.4μm以上であれば、同様の効果が得られる。リッジの高さ、又は凹溝の深さが例えば4μmであっても、同様の効果が得られる。また、実施例1から4では、p型リッジのリッジ脇をn型GaAs埋め込み層で埋め込んだインデックスガイド構造の半導体レーザ素子を例にして第1の発明を説明したが、第1の発明を適用できるレーザ構造は、この限りではなく、例えばゲインガイド型半導体レーザ素子、バルセーション型半導体レーザ素子等に適用できる。 In Examples 1 to 4, the height of the ridge or the depth of the groove was 2.7 μm. However, the present invention is not limited to this, and the same effect can be obtained if the height is 0.4 μm or more. The same effect can be obtained even when the height of the ridge or the depth of the groove is 4 μm, for example. In the first to fourth embodiments, the semiconductor laser device having an index guide structure in which the ridge side of the p-type ridge is buried with the n-type GaAs buried layer has been described as an example, but the first invention is applied. The laser structure that can be used is not limited to this, and can be applied to, for example, a gain guide type semiconductor laser element, a balsation type semiconductor laser element, or the like.
また、凹溝又はリッジ構造の形成では、ウェットエッチング法に限らず、凹溝又はリッジ構造を形成できる限り、形成方法には制約は無く、例えばRIE(反応性イオンエッチング)を用いても良い。また、ウェットエッチング法で使用するエッチャントの種類についても、凹溝又はリッジ構造を形成できる限り、制約は無い。また、凹溝又はリッジ構造を形成する際、凹溝の溝側壁又はリッジの側壁の傾斜角度も、実施例1から4の図面で図示した傾斜に限ることはない。凹溝は、例えば図16(a)に示すように、凹溝の開口幅よりも凹溝底面の幅が広いような、傾斜角度90度以上の傾斜面を溝壁として有する凹溝でも良い。また、リッジ構造は、同様に、図16(b)に示すように、傾斜角度90度以上の傾斜面をリッジ壁として有するリッジ構造でも良い。 The formation of the groove or ridge structure is not limited to the wet etching method, and there is no limitation on the formation method as long as the groove or ridge structure can be formed. For example, RIE (reactive ion etching) may be used. Also, the type of etchant used in the wet etching method is not limited as long as a concave groove or ridge structure can be formed. Further, when forming the groove or ridge structure, the inclination angle of the groove side wall of the groove or the side wall of the ridge is not limited to the inclination shown in the drawings of the first to fourth embodiments. For example, as shown in FIG. 16A, the groove may be a groove having an inclined surface with an inclination angle of 90 degrees or more as a groove wall so that the width of the groove bottom surface is wider than the opening width of the groove. Similarly, as shown in FIG. 16B, the ridge structure may be a ridge structure having an inclined surface with an inclination angle of 90 degrees or more as a ridge wall.
また、実施例1から4では、活性層88を多重量子井戸層としたが、バルク活性層でも良く、また多重量子井戸層を歪超格子層としても良い。歪は圧縮歪であっても、引っ張り歪であっても、歪補償した歪超格子層としても良い。また、半導体積層体82の成長温度を690℃としたが、690℃未満の低温でも690℃を超える高温でも良く、例えば640℃から730℃の範囲の成長温度で、実施例と同様の効果を得ることができる。
In Examples 1 to 4, the
(実験例1)
ステップ状構造の段差と導波路との距離が様々な導波路を有する実施例1から3の半導体レーザ素子80、120、122を試料として作製し、導波路のバンドギャップに相当するフォトルミネッセンス・スペクトルを測定し、図17に測定結果を示した。図17は、ステップ状構造の段差からの導波路の距離とレーザ光の波長との関係を示すグラフであって、横軸にステップ状構造の段差からの導波路の距離を取り、その距離の導波路から出射されるレーザ光の波長を縦軸に取っている。図17から判るように、導波路とステップ状構造の段差との距離が短くなるにつれて、発光波長が長波長化しており、遠ざかるにつれて短波長化している。また、図17に示すように、ステップ状構造の段差から50μm離れた領域では、発光波長が殆ど変化しなくなることから、同一基板上で異なる波長の光を発振する半導体レーザ素子を実現するためには、少なくとも1つの導波路をステップ状構造から50μm以内の範囲に配置することが望ましい。
(Experimental example 1)
The
(実験例2)
リッジ幅が相互に異なり、かつ様々なリッジ幅を有するリッジを有する実施例4の半導体レーザ素子124を作製し、各リッジ上の導波路のバンドギャップに相当するフォトルミネッセンス・スペクトルを測定し、図18に測定結果を示した。測定は、リッジの中央部において行った。図18は、リッジ幅とレーザ光の波長との関係を示すグラフであって、横軸にリッジ幅を取り、そのリッジ幅のリッジ上の導波路から出射されるレーザ光の波長を縦軸に取っている。図18から判るように、リッジ幅が広くなるにつれて、発光波長が短波長化していることが確認された。図18に示すように、リッジ幅が100μmを超えると、発光波長が殆ど変化しなくなることから、同一基板上で異なる波長のレーザ光を発振するレーザを実現するためには、少なくとも1つの導波路を幅100μm以下のリッジ上に配することが望ましい。
(Experimental example 2)
The semiconductor laser device 124 of Example 4 having ridges having different ridge widths and having various ridge widths was manufactured, and a photoluminescence spectrum corresponding to the band gap of the waveguide on each ridge was measured. 18 shows the measurement results. Measurements were taken at the center of the ridge. FIG. 18 is a graph showing the relationship between the ridge width and the wavelength of the laser beam. The horizontal axis represents the ridge width, and the vertical axis represents the wavelength of the laser beam emitted from the waveguide on the ridge having the ridge width. taking it. As can be seen from FIG. 18, it was confirmed that the emission wavelength was shortened as the ridge width was increased. As shown in FIG. 18, since the emission wavelength hardly changes when the ridge width exceeds 100 μm, in order to realize lasers that oscillate laser beams having different wavelengths on the same substrate, at least one waveguide is provided. Is preferably disposed on a ridge having a width of 100 μm or less.
(実施例5)
本実施例は、上記第5の実施の形態の半導体レーザ素子の具体例であって、上記第1の実施の形態の半導体レーザ素子と同じステップ状構造14を備えたn型GaN基板上に、AlGaInN系の化合物半導体層からなる半導体積層体を備えている。本実施例の半導体レーザ素子の構成については、実施例1の半導体レーザ素子の構成を説明した段落〔0039〕から段落〔0043〕の記載で、実施例1の半導体レーザ素子の各要素を以下のように読み替えることにより、本実施例の半導体レーザ素子の構成を説明することができる。また、読み替えにより、図5を実施例5の半導体レーザ素子の構成を示す斜視図、図6を図5の線I−Iでの実施例5の半導体レーザ素子の断面図、及び図7を実施例5の第1導波路近傍の化合物半導体層の積層構造を示す断面拡大図とすることができる。
(Example 5)
This example is a specific example of the semiconductor laser device of the fifth embodiment, and is formed on an n-type GaN substrate provided with the same step-
以下の読み替えでは、→の左側が実施例1の要素、→の右側がそれに対応する実施例5の要素である。基本的には、GaAsをGaNに読み替え、かつ、AlGaInPのPをNに読み替えて、AlGaInNにしている。
実施例1の半導体レーザ素子80 → 実施例5の半導体レーザ素子80
(100)面より〔0−1−1〕方向に10°傾斜した傾斜面に第1の実施の形態と同じステップ状構造14を備えたn型GaAs基板81 → (0001)面からなる基板面上に第1の実施の形態と同じステップ状構造14を備えたn型GaN基板81
AlGaInP系 → AlGaInN系
(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる膜厚が1.1μmのn型クラッド層84 → (A10.7Ga0.3)0.5In0.5Nからなる膜厚が1.1μmのn型クラッド層84
In the following replacement, the left side of → is the element of the first embodiment, and the right side of → is the corresponding element of the fifth embodiment. Basically, GaAs is replaced with GaN, and P of AlGaInP is replaced with N to obtain AlGaInN.
An n-
AlGaInP-based → AlGaInN-based (Al0.7Ga0.3) n-
(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなるガイド層86 → (A10.5Ga0.5)0.5In0.5Nからなるガイド層86
Ga0.5In0.5P/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなる多重量子井戸構造の活性層88 → Ga0.5In0.5N/(A10.5Ga0.5)0.5In0.5Nからなる多重量子井戸構造の活性層88
(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなるガイド層90 → (A10.5Ga0.5)0.5In0.5Nからなるガイド層90
(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる膜厚0.3μmのp型クラッド層92 → (A10.7Ga0.3)0.5In0.5Nからなる膜厚0.3μmのp型クラッド層92
Ga0.5In0.5Pからなるp型エッチングストップ層94 → Ga0.5In0.5Nからなるp型エッチングストップ層94
(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pからなる膜厚が1.1μmのp型クラッド層96 → (A10.7Ga0.3)0.5In0.5Nからなる膜厚が1.1μmのp型クラッド層96
GaAsからなる膜厚が0.35μmのp型キャップ層98 → GaNからなる膜厚が0.35μmのp型キャップ層98
A p-
P-type
A p-
P-
実施例5の活性層88は、膜厚が3.5nmのGa0.5In0.5P層と、膜厚が4.0nmの(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P層とから構成された実施例1の3周期の多重量子井戸構造に代えて、膜厚が3.5nmのGa0.5In0.5Nと膜厚が4.0nmの(A10.5Ga0.5)0.5In0.5Nとから構成された3周期の多重量子井戸構造として形成されている。
The
更に、実施例1の半導体レーザ素子の製造方法を説明した段落〔0045〕から段落〔0048〕の記載で、上述と同様に読み替えることにより、図8を参照して、本実施例の半導体レーザ素子の製造方法を説明することができる。 Further, in the description of paragraphs [0045] to [0048] describing the manufacturing method of the semiconductor laser device of the first embodiment, the semiconductor laser device of the present embodiment can be read in the same manner as described above with reference to FIG. The manufacturing method can be explained.
以下の実施例5の説明は、上述の読み替えを行ったものである。本実施例の半導体レーザ素子80は、図5に示すように、(0001)面からなる基板面上に第1の実施の形態と同じステップ状構造14を備えたn型GaN基板81上に、AlGaInN系の化合物半導体層からなる半導体積層体82を備えている。
In the following description of the fifth embodiment, the above-described replacement is performed. As shown in FIG. 5, the
半導体積層体82は、図7に示すように、n型GaN基板81上に、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Nからなる膜厚が1.1μmのn型クラッド層84、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Nからなるガイド層86、Ga0.5In0.5N/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Nからなる多重量子井戸構造の活性層88、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Nからなるガイド層90、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Nからなる膜厚0.3μmのp型クラッド層92、Ga0.5In0.5Nからなるp型エッチングストップ層94、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Nからなる膜厚が1.1μmのp型クラッド層96、及び、GaAsからなる膜厚が0.35μmのp型キャップ層98の積層構造として構成されている。活性層88は、膜厚が3.5nmのGa0.5In0.5N層と、膜厚が4.0nmの(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5N層とから構成された3周期の多重量子井戸構造として形成されている。図7は第1リッジストライプ23A近傍の化合物半導体層の積層構造を示しているが、半導体積層体82は他の領域でも同じ積層構造を備えている。
As shown in FIG. 7, the semiconductor stacked
半導体積層体82のうち、図6に示すように、エッチングストップ層94をエッチング停止層として、p型キャップ層98及びp型クラッド層96がエッチングされ、第1から第3導波路22A〜Cをそれぞれ構成する、幅が3μmの第1から第3リッジストライプ23A〜Cが、ステップ状構造14の高領域16上に〔01−1〕方向に形成されている。
第1リッジストライプ23Aと段差18との距離は4μm、第2リッジストライプ23Bと段差18との距離は34μm、第3リッジストライプ23Cと段差18との距離は104μmである。
As shown in FIG. 6, the p-
The distance between the
各リッジストライプ23A〜Cは、各リッジストライプ23上のp型キャップ層98を除いて、リッジ脇がGaAs層からなるn型埋め込み層100で埋め込まれている。p型キャップ層98及びp型クラッド層96とn型埋め込み層100とのpn接合分離により電流狭窄構造が構成されている。更に、各リッジストライプ23のp型キャップ層98にそれぞれ接続するように、p型キャップ層98及びn型埋め込み層100上に、相互に独立のp側電極102が形成されている。また、第2リッジストライプ23B上のp側電極102は、第3リッジストライプ23C上を横切って延在する引出し電極104を介して接続されているので、第3リッジストライプ23Cのp側電極102と引出し電極104との間には絶縁膜106が設けてある。更に、n型GaAs基板81の裏面には、図5に示すように、共通のn側電極108が形成されている。各リッジストライプ23A〜Cの間には素子分離溝24が形成され、第2リッジストライプ23Bと第3リッジストライプ23Cとの間の分離溝24は、ポリイミドなどの絶縁物で埋め込まれた埋め込み絶縁層110となっている。尚、図5では、第2リッジストライプ23Bのp側電極102の引出し電極104が、便宜上、図6とは異なり、第1リッジストライプ23A上を横切って延びている。
Each ridge stripe 23 </ b> A to 23 </ b> C is buried with an n-type buried
本実施例の半導体レーザ素子80は、第1から第3のリッジストライプ23A〜Cに、それぞれ、インデックスガイド構造として形成され、第1の実施の形態で説明したように、第1導波路22A、第2導波路22B、及び第3導波路22Cの順で発振波長が短くなる3個の導波路を有し、相互に異なる波長のレーザ光を各導波路22A〜Cを経由して出射する。以上の構成により、本実施例の半導体レーザ素子80は、上記第1の実施の形態と同等の効果を奏する。
The
図8を参照して、本実施例の半導体レーザ素子80の製造方法を説明する。図8は、本実施例の半導体レーザ素子80用の基板の構成を示す斜視図である。図8に示すように、フォトリソグラフィ及びH2SO4、H2O2及びH2Oからなるの混合エッチャントによるウエットエッチング法により、(0001)面を基板面とするn型GaN基板81をエッチングして、深さが2.7μm、幅が200μmで〔01−1〕方向に延在し、溝壁として段差18を両側に有する凹溝112を〔0−1−1〕方向に800μm周期で形成した。尚、図8には、最終的に1つの半導体レーザ素子80を構成する基板領域をZで示した。
With reference to FIG. 8, the manufacturing method of the
次いで、凹溝112を形成した基板81上に、基板温度を690℃としてMOCVD法により、図7に示すように、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Nからなる膜厚が1.1μmのn型クラッド層84、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Nからなるガイド層86、Ga0.5In0.5N/(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Nからなる多重量子井戸構造の活性層88、(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5Nからなるガイド層90、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Nからなる膜厚0.3μmのp型クラッド層92、Ga0.5In0.5Nからなるp型エッチングストップ層94、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Nからなる膜厚が1.1μmのp型クラッド層96、及び、GaAsからなる膜厚が0.35μmのp型キャップ層98を、順次、積層して、半導体積層体82を形成した。
Next, on the
次に、エッチングストップ層94をエッチング停止層として、フォトリソグラフィとウエットエッチング法によって、図6に示すように、〔01−1〕方向に延びる幅3μmの第1から第3リッジストライプ23A〜Cを凹溝112の段差18からそれぞれ4μm、34μm、及び104μm離して形成した。次いで、絶縁膜によるマスキングとMOCVD法によって、第1から第3リッジストライプ23A〜C上のp型キャップ層98を除く領域に、n型GaAs埋め込み層100を成膜し、第1から第3リッジストライプ23A〜Cのリッジ脇を埋め込んだ。続いて、フォトリソグラフィ及びH2SO4、H2O2及びH2Oの混合エッチャントによるウエットエッチング法によりエッチングして、第1リッジストライプ23Aと第2リッジストライプ23Bとの間、及び第2リッジストライプ23Bと第3リッジストライプ23Cとの間に、それぞれ、幅10μmでn型GaAs基板81まで達する素子分離溝24を形成した。分離溝24の形成では、HCl及びH2Oをエッチャントとするウエットエッチング、或いはRIEなどを用いても良い。
Next, by using the
次に、p型キャップ層98及びn型埋め込み層100上に、第1から第3リッジストライプ23A〜Cのp型キャップ層10にそれぞれ接続するように、p側電極102を形成した。次いで、マスキングにより部分的に第3リッジストライプ23Cのp側電極102上に、SiO2やSiNなどからなる絶縁層106を形成し、続いてポリイミドなどにより分離溝24を埋め込んで埋め込み絶縁層110を形成した。更に、引出し電極104を形成して、第2リッジストライプ23Bのp側電極102に対する2層配線を形成した。また、n型GaAs基板81の裏面を研磨して所定の基板厚に調整した後、n側電極108を形成した。最後に、(01−1)面で劈開し、(0−1−1)面で素子分離することにより、図5に示す半導体レーザ素子80を作製した。以上のようにして、発振波長がそれぞれ異なる3つの導波路22A〜Cを備えたAlGaInN系半導体レーザ素子80を一回の結晶成長で同じ基板81上に形成することができる。
Next, the p-
(実施例6〜8)
実施例2〜4に対しても、実施例5で説明した実施例1に対する読み替えと同様の読み替えを行うことができる。また、読み替えを行うことにより、実施例2から実施例4で参照した図9から図15をそのまま実施例6から8の図面として参照することができる。
(Examples 6 to 8)
For the second to fourth embodiments, the same replacement as the replacement for the first embodiment described in the fifth embodiment can be performed. Further, by replacing the readings, FIGS. 9 to 15 referred to in the second to fourth embodiments can be directly referred to as the drawings of the sixth to eighth embodiments.
実施例5〜8では、基板としてn型GaN基板を使用しているが、n型GaN基板に限らず、例えばサファイア基板或いはサファイア基板上にGaN層を積層してなる基板を使用することができる。GaN基板を使用した実施例5〜8では、n側電極108をn側GaN基板81の裏面に設けていたが、サファイア基板或いはサファイア基板上にGaN層を積層してなる基板を基板として使用するときには、サファイア基板が導電性を有しないので、基板とn型クラッド層84との間に、n型AlGaInN層からなるコンタクト層を設け、かつそのコンタクト層を一部露出させ、露出面にn側電極を設ける。各導波路のn側電極は、共通の引出し電極により外部に接続する。
In Examples 5 to 8, an n-type GaN substrate is used as the substrate. However, the substrate is not limited to an n-type GaN substrate. For example, a sapphire substrate or a substrate obtained by laminating a GaN layer on a sapphire substrate can be used. . In Examples 5 to 8 using a GaN substrate, the n-
10……第1の実施の形態の半導体レーザ素子、12……n型GaAs基板、14……ステップ状構造、16……高領域18……段差、20……低領域、22……導波路、24……分離溝、30……第2の実施の形態の半導体レーザ素子、34……凹溝、36……高領域、38……段差、40……低領域、42……導波路、44……分離溝、50……実施形態例の半導体レーザ素子、54……リッジ、56……高領域、58……段差、60……低領域、62……導波路、64……分離溝、70……第4の実施の形態の半導体レーザ素子、72……リッジ、74……導波路、80……実施例1の半導体レーザ素子、81……n型GaAs基板、82……半導体積層体、84……n型クラッド層、86……ガイド層、88……活性層、90……ガイド層、92……p型クラッド層、94……p型エッチングストップ層、96……p型クラッド層、98……p型キャップ層、100……n型埋め込み層、23A〜C……第1から第3リッジストライプ、102……p側電極、104……引出し電極、106……絶縁膜、108……n側電極、110……埋め込み絶縁層、112……凹溝、120……実施例2の半導体レーザ素子、43A〜C……第1から第3リッジストライプ、122……実施例3の半導体レーザ素子、63A〜C……第1から第3リッジストライプ、124……実施例4の半導体レーザ素子、73A〜C……第1から第3リッジストライプ。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
高領域と前記高領域より低い低領域とを段差で区切るステップ状構造を基板面上に備えた基板と、
Inを含む2種類のIII族元素及びNを含むV族元素を含む活性層と、前記活性層の上下にそれぞれ設けられ、前記活性層を挟む第1導電型のクラッド層及び第2導電型のクラッド層とを有して前記基板上に設けられた半導体積層体と
を備え、
前記半導体積層体の上から平面的に見て、前記複数本の導波路はそれぞれ、前記段差からの距離が互いに異なるように前記ステップ状構造の高領域に設けられている
半導体レーザ素子。 A semiconductor laser element having a plurality of waveguides and emitting laser beams having different wavelengths from each other through each waveguide,
A substrate provided with a step-like structure on the substrate surface for separating a high region and a low region lower than the high region by a step;
An active layer containing two types of group III elements including In and a group V element including N, and a first conductivity type cladding layer and a second conductivity type provided above and below the active layer and sandwiching the active layer, respectively. A semiconductor laminate having a cladding layer and provided on the substrate,
The semiconductor laser device, wherein the plurality of waveguides are provided in a high region of the step-like structure so that the distances from the steps are different from each other when viewed from above the semiconductor stacked body.
請求項1に記載の半導体レーザ素子。 2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the step-like structure has a concave groove on the substrate, and the plurality of waveguides are respectively provided in a high region delimited by a step of the concave groove.
請求項1に記載の半導体レーザ素子。 The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the step-like structure has a ridge on the substrate, and the plurality of waveguides are provided on the ridge.
請求項1に記載の半導体レーザ素子。 The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the substrate is any one of a GaN substrate, a sapphire substrate, and a substrate in which a GaN-based semiconductor layer is stacked on the sapphire substrate.
請求項1に記載の半導体レーザ素子。 2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein at least one of the waveguides is provided at a position where a distance between the waveguide and a step of the step-like structure is 50 μm or less.
請求項2に記載の半導体レーザ素子。 The semiconductor laser device according to claim 2, wherein at least one of the waveguides is provided at a position where a distance between the waveguide and the step of the concave groove is 50 μm or less.
高領域と前記高領域より低い低領域とを段差で区切るステップ状構造を基板面上に設ける工程と、
Inを含む2種類のIII族元素及びNを含むV族元素を含む活性層と、前記活性層の上下にそれぞれ配置された、前記活性層を挟む第1導電型のクラッド層及び第2導電型のクラッド層とを有する半導体積層体を基板上に形成する工程と、
前記半導体積層体の上から平面的に見て、前記複数本の導波路をそれぞれ、前記段差からの距離が互いに異なるように前記ステップ状構造の高領域に形成する工程と
を有する半導体レーザ素子の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor laser device having a plurality of waveguides and emitting laser beams having mutually different wavelengths via each waveguide,
Providing a step-like structure on the substrate surface that divides a high region and a low region lower than the high region by a step; and
An active layer containing two types of group III elements including In and a group V element including N, and a first conductivity type cladding layer and a second conductivity type disposed above and below the active layer and sandwiching the active layer Forming a semiconductor laminate having a clad layer on a substrate;
A step of forming each of the plurality of waveguides in a high region of the step-like structure so that the distances from the steps are different from each other when viewed in plan from above the semiconductor laminate. Production method.
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