JPH01319981A - 半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体レーザ、特に高出力が要求される半導
体レーザ及びその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

従来から、例えばレーザビームプリンタ、宇宙通信等の
分野に使用される半導体レーザにおいては高出力が要求
されることから、レーザ出射端面が光学損傷（Ｃａｔａ
ｓｔｒｏｐｈｉｃ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｄａｍａｇｅ。

Ｃ０Ｄ）を受は劣化する。従って、高出力化半導体レー
ザを製造するにはＣＯＤが起きないように端面の光出力
密度を低下させるとか、その他各種保護膜を形成するな
どの検討がなされている。

例えば化合物半導体超格子（量子井戸）の不純物誘起無
秩序化（Ｄ　１ｆｆｕｓｉｏｎ　Ｉ　ｎｄｕｃｅｄ　Ｄ
　ｉｓｏｒ−ｄｅｒｉｎｇ、　Ｄ　Ｉ　Ｄ）又は、混晶
化を、半導体レーザの構造の作製に用いる試みは、アプ
ライド　フィジクス　レター第４５巻、第１頁（１９８
４）　　［Ａｐｐｌ−Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　４５．
　ｐａｇｅ　１　（１９８４））　　（以下１文献１と
云う）及び電気通信学会技術研究報告ＯＱＥ　８４−７
３　、第１頁〜第７頁（以下、文献２と云う）において
論じられている。特に後者は、レーザの高出力動作時に
生じるＣＯＤを避けるために半導体レーザの端面部に、
ＤＩＤを用いて、レーザの高出力化に成功している。

〔発明が解決しようとする課題〕

半導体レーザの高出力動作時に生じるＣＯＤは、レーザ
の端面近傍に存在する界面準位により、同一組成の活性
層でも、中央部に比べ、端面部のバンドギャップが小さ
くなっていることに起因して生じる。すなわち、レーザ
の高出力動作時に端面近傍におけるレーザ光の吸収によ
り、端面で局所的に温度が上昇する。この局所的な過剰
発熱は、その部分のバンドギャップをさらに小さくする
ため、さらに発熱が増加するというループを生じ、つい
には、レーザ端面が溶融し、非可逆的な破壊が生じる。

これを防ぐには、界面準位が生じ得る領域の活性層のバ
ンドギャップを、それ以外の領域の活性層のバンドギャ
ップと比べ大きくすれば良い。

前述の文献２では、量子井戸型レーザの活性層に到達す
るようにＺｎＡｓ２を原料として６３０℃で４０分間熱
処理し、Ｚｎを熱拡散している。

第２図及び第３図は、この文献２記載の内容を説明する
ための図である。第２図は、量子井戸構造を有する半導
体レーザのウェーハの活性層の上のクラッド層以上を除
いた平面図で、図中の１はレーザの活性領域、２はＺｎ
が拡散され、レーザ活性層の量子井戸構造が、不純物誘
起混晶化により、広バンドギヤツプ化した領域を示す。

図中で、Ｌはレーザの活性層の長さを示す。−点鎖線２
′は半導体レーザの共振器となる反射面を形成するため
に行なう襞間の位置を示す。

第３図は、半導体レーザ用ウェーハ全体の第２図のＡ−
Ａ　’における断面の一部２の近傍の断面形状を示した
もので、図中で３はｐ−ＧａＡｓ基板、４はｐ−Ｇａｏ
、Ｇ５Ａｎ。、、、Ａｓクラッド層、５はｐ−Ｇａ０．
、Ａｎ。、、Ａｓ光ガイド層、６は多重量子井戸層（活
性層）、７はｎ−Ｇａｏ、６５ＡＱ。、　３５　Ａ　ｓ
クラッド層、８はＳ　ｉ０２パッシベーション膜、９は
ｎ−ＧａＡｓキャップ層である。Ｚｎの拡散防止マスク
（図面省略）を用いて、領域１以外の所にＺｎを拡散し
、活性層６に届くように、拡散領域２（第３図では斜線
で表示）を作る。この領域２はレーザ光に対し透過性で
、窓領域と呼ばれる。活性層６における拡散領域２のレ
ーザ共振器長さ方向の長さｄは、不純物による吸収損失
を防ぐ意味から、小さい方が良いが、襞間の精度が数岬
であるため、ｄをそれ以下にすることができない。

文献２では、Ｌ’、＋Ｌ’２の最小値が約２０虜であり
、しきい電流値Ｉｔｈは、窓領域のない場合、すなわち
、Ｌ’１＋Ｌ’２＝Ｏの場合と比べ３倍に増加している
。

従って、窓構造によるレーザ端面のＣＯＤ防止効果はあ
っても、この技術では、半導体レーザの効率が低下する
上に、襞間の位置の不確定さによる素子の特性分布が大
きくなるという欠点を有する。

従って、活性層の端面窓形成領域に不純物を拡散するこ
とにより混晶化して、エネルギーバンドギャップを活性
層のそれよりも大きくする領域をできるだけ小さくし、
かつ、その厚みを一定にできるような構造並びにプロセ
スが必要であり、これが発明が解決しようとする課題で
ある。

本発明の目的は上記課題を解決することにあり。

その第１の目的は改良された窓領域の形成された端面を
有する半導体レーザを提供することにあり、第２の目的
はそれを得るための改良された製造方法を提供すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

上記第１の目的は、半導体レーザ端面の少なくとも活性
層に所定量の不純物イオンが打込まれ、半導体レーザ自
身のレーザ光照射で、照射領域のみ選択的に前記不純物
が活性化されて、不純物イオンの打込まれていない活性
層の組成よりも広いバンドギャップを形成して成る端面
を具備して成ることを特徴とする半導体レーザにより、
達成される。

つまり、本発明においては、半導体レーザ端面全体に不
純物元素イオンが打込まれたとしても、活性層の窓形成
領域に打込まれた不純物元素のみが選択的に活性化され
、この窓領域が不純物元素イオンが打込まれていない内
部の活性層の組成よりも広いバンドギャップを形成する
。従って、端面の窓形成領域以外に打込まれた不純物元
素イオンは、活性化されない。従って混晶化することは
ないし又導電性を有することもない。むしろ、窓形成領
域以外の端面に打込まれた不純物元素イオンは活性化す
べきでない。そのような理由から、不純物元素イオンの
打込層は端面の窓形成領域のみに選択的に設けるのが最
も望ましい。しかし、端面における活性層は極めて小領
域であることから、製造上の理由からも上記のように端
面全体に不純物元素を打込んで、活性層に打込まれた元
素のみを選択的に活性化することにより混晶化すること
で、広いバンドギャップを有する窓領域を実現する方が
より実際的である。なお、不純物元素イオンの打込層と
しては、余り厚くすると電流損失が増大することから、
実用的には高々１ｐ以内、好ましくは５００〜５０００
人である。また、不純物元素イオンの打込量については
、ｌＸｌ０”〜５×１０１ｇケ／ｃｍ３程度あれば十分
である。

また、上記不純物元素イオンとしては、Ｚｎ。

Ｓｉ、　Ｇａ、　Ａｎ、　Ｂ及びＦから成る群から選ば
れる少なくとも１種が好ましい。特に好ましい元素はＺ
ｎであり、次いでＳｉ、Ｇａの順で好ましい。

活性層の構成について述べれば、周知のいずれの構成で
も適用可能であるが、特に有効なのは量子井戸を構成す
る超格子構造であろう。

次に、上記半導体レーザを得るための第２の目的は、少
なくとも活性層を含む半導体レーザの端面に不純物元素
を所定量、所定の深さにイオン打込みする工程と、前記
イオン打込み後に半導体レーザに通電し、自己のレーザ
光発振出力により前記端面のレーザ光照射領域の不純物
元素のみを選択的に活性化し、前記端面に不純物元素イ
オンの打込まれていない活性層の組成よりも広いバンド
ギャップを形成する工程とを有することを特徴とする請
求項１．２もしくは３記載の半導体レーザの製造方法に
より、達成される。

上記イオン打込みする工程は、周知の半導体装置の製造
プロセスで使用されているイオンインプランテーション
技術により容易に所定の不純物元素を半導体レーザの端
面に打込むことができる。

代表的な工業的処理工程としては、打込チャンバー内に
多数の半導体レーザをそれぞれの一方の端面が同一平面
を構成するように並べ、多数個同時処理し、次いで反転
し、他方の端面を上記と同様に処理することにより両端
面にそれぞれ一括処理することができる。また、後の実
施例の項で詳述するように１例えば第８図に示すように
、ウェハの段階で、それぞれのレーザの端面が露出する
ように溝を設けておき、この端面に斜方からイオン打込
みすれば、打込み方向を反転するだけで、例えば、ウェ
ハを回転させるなど、ウェハとイオン源の位置を相対的
に変えるだけで容易に両端面に同時に打込み処理するこ
とができる。

次に重要なのが、上記のようにして端面に打込まれた不
純物元素を活性化することにより、活性層の窓領域のバ
ンドギャップをその内側の不純物元素を打込んでいない
活性層のそれよりも大きくすることである。この不純物
の活性化により上記窓領域の活性層に混晶化が起こりバ
ンドギャップは大となるわけであるが、この局部的な不
純物元素の活性化は、半導体レーザをＣＯＤが生じない
発振出力下で動作させ、両端面のレーザ光照射領域（窓
形成領域）を自己の発熱で昇温させて行なうところに特
徴がある。つまり、自分自身のレーザ光でアニールする
ことになるため、他の打込領域の不純物元素イオンは活
性化されず、電気伝導的に悪影響を与えることがない。

この点が本発明の製造方法においては特に重要である。

なお、この半導体レーザ自身の発振出力によるアニール
処理は、一定出力で処理するよりは、時間的に増大させ
ることにより、段階的に活性化処理することが好ましい
。

また、上記半導体レーザの端面に不純物元素をイオン打
込みする工程においては、前記半導体レーザの端面に予
め保護膜を形成しておき、前記保護膜を通してイオン打
込みすることが望ましい。

なお、この種の保護膜は、イオン打込み後にパッシベー
ション膜として、例えばＳｉｏ、膜、アモルファスシリ
コン膜、あるいはこれらの多重膜等をＣＶＤ等の低温処
理で形成してもよいが、好ましくは前述のようにあらか
じめ形成しておいてから、イオン打込みした方が良い。

その理由は、これらの保護膜を用いることによりイオン
打込み時にレーザ端面に与える結晶欠陥の発生を最小限
に押えることができると共に、その後の外部雰囲気から
の端面保護の役目を兼ねているからである。

〔作用〕

本発明により端面に設けられた活性層の窓領域は、打込
まれた不純物元素が活性化されて混晶化が生じ、界面準
位が大きく、バンドギャップが大きくなっていることか
ら、光の吸収が少なく、従って発熱を低減する作用を有
する。また、製造方法においては、イオン打込みの精度
（±ｏ、ｏｓ、ｍ）で決まる窓領域の厚さ制御が可能に
なり、しかもレーザ自身の発振出力によるレーザアニー
ルで。

窓領域のみの打込不純物元素を選択的に活性化し。

局部的に混晶化を生じさせ、他の領域の不純物元素に対
しては何ら活性化を生じさせない。従って、レーザのし
きい値に悪影響を及ぼすことなく、高出力動作が可能と
なる。

〔実施例〕

実施例１ 以下、本発明の一実施例を用いて説明する。

第４図は、超格子のレーザ活性層を有する半導体レーザ
で、通常用いられる工程を経て、レーザ共振器を形成す
るために襞間が終った段階の素子の断面図である。ｐ−
ＧａＡｓ基板３の上に、ＭＢＥ法を用いて、Ｐ　　Ｇａ
ａ、５５Ａｎｏ、３５　Ａｓクラッド層４及び超格子構
造を有する多重量子井戸型レーザ活性層（Ｇ　ａ　Ａ　
ｓ８０人／Ｇａｏ、７ＡＩＬｏ、１Ａｓ１２０人の多重
層）６、ｎ　−Ｇａ０．、、ＡＡ。１５　Ａ　ｓクラッ
ド層７、ｎ　ＧａＡｓキャップ層９を順次成長し、レー
ザ構造を形成している。溝付基板（ｃｓｐ）による横モ
ード留し込めが可能な構造を有しているが、本発明の説
明と直接関係ないため省略した。ｐ側型［１０及びｎ側
電極１１を、通常のプロセスを用いて形成されている。

この素子を通常の方法を用いて襞間した後、レーザ共振
器の一方の端面が上になるように多数個並べ、Ｓｉイオ
ン２１を１８０ｋｅＶで、Ｓｉのドーズ量が２　Ｘｌ０
１４／ｃｍ”となるように打込んだ。

Ｓｉの打込まれた領域を１２で示す。多重量子井戸のレ
ーザ活性層６のうち、Ｓｉを高濃度で打込まれた領域を
１７とする。

第５図に示したように引き続きＳｉｎ、のパッシベーシ
ョン膜１３を形成した後、レーザ・チップの反対側の端
面を上にして、再度、第４図の場合と同一条件下で、第
６図に示したようにＳｉイオン打込みを行なう。

Ｓｉイオンが打込まれた領域を１４、その領域の内、レ
ーザ活性層の部分を１８とした。続いて、第７図に示す
ように５ｉｏｔとアモルファス・シリコンの多重薄膜を
パッシベーション膜として形成し、レーザ共振器として
高い反射率を有する鏡１５を形成した。

こ九らのプロセスは、両端面にＳｉイオンを打込む過程
を除いては、高出力レーザ作製のプロセスとまったく同
じである。さらに、通常の方法を用いて、組立て、配線
を行ない一応の半導体レーザを完成する。

一方、Ｓｉを打込んでいない本件実施例と同一の構造を
有する半導体レーザで、予めＣＯＤとなるレーザ出力限
界を求めておき、その時の出力の９５％に相当する出力
となる電流（この場合６５ｍＡＸ２０分）を上記集７図
の素子に流す。この様子を第１図は示したものであり、
Ｓｉを打込まれたレーザ活性領域１７及び１８は、レー
ザ光１６を吸収し、温度が上昇する。この状態で１０時
間通電すると、領域１７．１８の超格子は、■族元素Ｇ
ａと晟及びＳｉイオンの移動により、混晶化し、レーザ
光に対して透明な窓領域１９及び２０となる。

本件実施例と同一構造を有するＳｉイオンを打込まない
通常のレーザのＣＯＤ出力が１５０ｍＷであるのに対し
、Ｓｉイオンを打込み、レーザ発振による混晶化を行な
った本件実施例の素子によるＣ○Ｄ出力は、３００ｍＷ
と、大幅な改善がみられた。

実施例２ 実施例１と同一の方法でレーザ素子を作製し、レーザに
通電する際の方法のみ変化させた。

ＣＯＤ出力の９５％で２時間通電後、９８％で２時間、
１１０％でさらに１時間と段階的に通電した。

この方法により、領域１９と２０の混晶化がさらに完全
となり、ＣＯＤ出力は、５００ｍＷとなった。

実施例３ Ｓｉイオンのかわりに、Ｚｎイオンを６００ｋｅ　Ｖで
打込んだ。他の条件は、実施例１と同様である。

ＣＯＤ出力出力３５０ｍ手導体レーザが得られた。

実施例４ 実施例１のＳｉイオンのかわりにＦイオンを打込んで同
様の処理をしたものでも実施例１とほぼ同様の効果が得
られた。

実施例５ 同一チップ上に、実施例１と同様の構造で、かつ５本の
レーザストライプを持つ、フェーズド・アレイ・レーザ
を作り、レーザ端面に、Ｓｉｏ２とＳｉＯ，／ａ−５ｉ
の非対称反射率を有するパッシベーション膜を被着させ
た後、Ｓｉイオンを打込み、レーザ共振器の両端面にＳ
ｉイオンを打込んだ。

しかる後に、実施例２と同様の手法を用いて、レーザ発
振によるレーザ活性層の混晶化を行なった。

このレーザのＣＯＤ出力は、２Ｗであった。

実施例６ 以下、第８図に従って説明する。

実施例１の半導体レーザを襞間して共振器を形成するか
わりに、マスク２２を用いて、電極１１をバターニング
し、ＧａＡｓ／ＧａＡＡＡｓをＣＵ、を用いて、反応性
イオンエツチングすることにより端面２４を形成し、Ｇ
ａＡｓ基板にまで達する溝２３を形成した。

レーザ共振器の長さは、　２５（ｂｍ、溝２３の共振器
長手方向の長さを５０−とした。マスク２２をつけたま
ま、斜め方向より端面２４に、ＳＬイオン２１を打込ん
だ。続いて反対側の端面にも同様にイオン打込みを行な
った後、Ｓｉｎ、のパッシベーションを行ない、通電に
よるレーザ光自身のアニールでレーザ活性層６の混晶化
を行なった後に、溝２３をスクライブして、レーザ素子
を分離した。

この方法では、チップを個々に並べて打込みをしたり、
パッシベーションをしなくて良く、大量生産に適してい
る。

実施例７ レーザ活性層として、厚さ０．１７ｍのＧａＡｓからな
るダブルへテロ構造のレーザに対し、Ｓｉイオン打込み
の電圧を１５０ｋｅＶと９０ｋｅ　Ｖの２通りで行ない
、レーザ端面の５ｉｌ１度が低下しないようにすること
で、良好な窓領域が得られた。

〔発明の効果〕

実施例を用いて述べてきたように、本発明によれば、活
性層端面に極めて薄い窓領域が形成されるため、レーザ
の微分量子効率の低下や、レーザの発振しきい電流値を
上昇させることなく、ＣＯＤレベルの高いレーザが得ら
れる。

不純物の活性化による■族元素間の空間的な移動は、欠
陥を埋める働きも生じるため、パッシベーション膜によ
り半導体界面近傍に生じる欠陥を、本発明で減じること
ができる。高出力レーザを長寿命化することができる。

また、自分自身のレーザ光でイオン打込みされた活性層
の窓形成領域をアニールするため、他の打込領域のイオ
ンが活性化されず、電気伝導的に悪影響を与えることが
ない。完全なセルフ・アラインのプロセスである。もし
、Ａρρ１．　Ｐ　ｈｙｓ。

Ｌｅｔｔ、　４９．１４４７　（１９８６）に示された
ようなレーザ光を外部から照射し、混晶化した場合には
、不要の部分まで導伝性を有してしまい、ショート状態
となり１本発明の目的にそぐわない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例となる半導体レーザの断面図
、第２図は従来の窓付レーザの平面図。 第３図は第２図のＡ−Ａ　’における断面図、第４図〜
第７図はそれぞれ本発明の半導体レーザの製造工程を示
す断面図、第８図はウェーハ状態のまま行なう本発明の
他の実施例となるプロセスを示す断面図である６ １・・基板 ２．７・・・クラッド層 ６・・・超格子レーザ活性層 １２、１４・・・不純物イオン打込領域１３、１４・・
・パッシベーション膜 １６・・・半導体レーザ出力光 １９、２０・・・レーザ光により加熱され、混晶化した
領域 代理人弁理士　　中　村　純之助 第８図 第３図 第４図 第５図 １１＝−＠ｆＥ４７ｒＩ：Ｓ、ｔ’ａ’ソ７にさ；ｔＡ
Ｒ領５＼２１・・−５ａ’ｔＴｉイｆ＞

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体レーザ端面の少なくとも活性層に所定量の不
   純物イオンが打込まれ、半導体レーザ自身のレーザ光照
   射で、照射領域のみ選択的に前記不純物が活性化されて
   、不純物イオンの打込まれていない活性層の組成よりも
   広いバンドギャップを形成して成る端面を具備して成る
   ことを特徴とする半導体レーザ。 ２、上記半導体レーザの活性層が量子井戸を構成して成
   ることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。 ３、上記不純物イオンが超格子の不純物誘起無秩序化を
   生じさせるイオンから成ることを特徴とする請求項２記
   載の半導体レーザ。 ４、上記不純物イオンがＺｎ、Ｓｉ、Ｇａ、Ａｌ、Ｂ及
   びＦから成る群から選ばれる少なくとも１種の元素のイ
   オンであることを特徴とする請求項１、２もしくは３記
   載の半導体レーザ。 ５、少なくとも活性層を含む半導体レーザの端面に不純
   物元素を所定量、所定の深さにイオン打込みする工程と
   、前記イオン打込み後に半導体レーザに通電し、自己の
   レーザ光発振出力により前記端面のレーザ光照射領域の
   不純物元素のみを選択的に活性化し、前記端面に不純物
   元素イオンの打込まれていない活性層の組成よりも広い
   バンドギャップを形成する工程とを有することを特徴と
   する請求項１、２もしくは３記載の半導体レーザの製造
   方法。 ６、上記半導体レーザの端面に不純物元素をイオン打込
   みする工程において、前記半導体レーザの端面に予め保
   護膜を形成しておき、前記保護膜を通してイオン打込み
   することを特徴とする請求項４記載の半導体レーザの製
   造方法。 ７、上記半導体レーザ自身の発振出力を時間的に増加さ
   せ、段階的に不純物元素の活性化処理を行なうことを特
   徴とする請求項４記載の半導体レーザの製造方法。