JPH0334485A - 半導体レーザおよびその製造方法 - 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、光通信や光情報処理などの分野で使用される
、半導体レーザの構造および製造方法に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

光通信や光情報処理の分野において、半導体レーザを光
源として用いる場合に、光ファイバとの結合は必要不可
欠になっており、その結合効率の向上は重要な課題にな
っている。

結合効率が低下する一つの原因として、半導体レーザの
活性層の厚さがＯ，１７７ＩＢ〜０．２μと薄いのに較
べて、光ファイバのコア径が数μ程度と大きいことがあ
げられる。結合効率を上げるには、レーザの出射端面の
形が光ファイバのコアの形状と類似している矩形の方が
よく、その大きさも同程度であることが望ましい。

従来、上記問題を解決するために、半導体レーザの活性
層を厚くする方法がとられていた。また。

半導体レーザの出射端面部分に、活性層よりもコア領域
が厚い導波路を再成長することにより設け。

光ファイバと結合していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら上記従来技術において、半導体レーザの活
性層を厚くする方法には、レーザの発光に必要な電流の
閾値（発振電流閾値）が上昇するという欠点があった。

また、半導体レーザの出射側に導波路を形成する方法で
は、再成長が必要であり、製造工程が複雑になるととも
に、導波路と活性領域との境界で結合損失を生じるとい
う欠点があった。

本発明の目的は、光通信や光情報処理などの分野におい
て、上記問題点に対し製造方法が容易で光ファイバとの
結合効率が高く、かつ、導波路と活性領域との結合損失
が小さい、導波路を内蔵した半導体レーザの構造および
製造方法を得ることである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、半導体レーザの活性領域を超格子構造によ
って形成し、活性層の一部を不純物混入により混晶化し
た半導体結晶とし、かつ、上記活性領域の出射方向に隣
接する導波路領域を、超格子層に不純物を混入しないで
混晶化した半導体結晶とすることにより達成される。

〔作　　　用〕

本発明では、超格子構造および超格子の混晶化を半導体
レーザに用いることにより、活性層の厚さをレーザ構造
の最適厚さにし、かつ、導波路層はそのエネルギーギャ
ップを活性層のそれよりも大きくシ、レーザ光に対して
透明にすることができる。その結果、半導体レーザの活
性層を厚くすることなく、また、再成長をすることもな
しに、光ファイバと結合するための導波路層を活性領域
に接続することができ、低閾値ながら光ファイバとの結
合効率が高い半導体レーザが得られる。

さらに、導波路層と活性層との境界は再成長を用いずに
２部分的混晶化によりなだらかに結合されているため結
合損失は小さく、活性領域での発光を有効に取出すこと
ができる。

さらに、導波路層は不純物を用いずに混晶化を行ってい
るので、自由キャリアによる吸収がなく、低損失の導波
路となる。

また、活性層の屈折率分布は、活性層の一部が１： 不純物の拡散によりなだら力Ｘ混晶化するため、屈折率
がクラッド層から活性層にかけてなだらかに上昇する、
いわゆるグレーディッド・インデックス構造になってい
る。したがって、光の閉込め効率がよくなり、レーザの
発振に要する電流の閾値がさらに低減できる。

〔実施例〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。

第１図は本発明による半導体レーザの一実施例を示す斜
視図、第２図は上記実施例の製造工程を示す断面図、第
３図は上記実施例のエネルギーバンドギャップを示す図
、第４図は上記実施例のレーザ発振閾値電流密度を示す
図、第５図は本発明の他の実施例を示す断面図である。

第１図において、１は基板で例えばｎ型のＧａＡｓ基板
よりなる。

２はｎ型の下部クラッド層で、上記ＧａＡｓ基板１より
低屈折率を有するＡｎｘａａ□−ＸＡｓ　（例えばｘ＝
０．３）よりなり、ｎ型の半導体にするためにＳ　ｉ　
ｔｅ　１０”／ａＪ程度の濃度で混入させている。３は
半導体レーザの活性層で、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／Ａ　Ｕ　
ｙＧ　ａ　＠−ｙＡ　８　（例えばｙ＝０．３）の８０
入程度の薄層を繰返し構造とした超格子層よりなる。

４は後述する方法により上記活性Ｍ３と同構造の超格子
を、部分的に混晶化した部分的混晶化超格子である。５
は上部クラッド層でＡ　Ｑ　ｚ　Ｇ　ａニー２Ａｓ（例
えばｚ＝０．３）よりなる、６はＧａＡｓからなるキャ
ップ層である。７はｐ型のオーミック電極であり、基板
１の裏側にはｎ型のオーミック電極（図示せず）が形成
される。

また、１１はｐ型の半導体を形成するためにＺｎを拡散
させた領域で、８は超格子層３の一部の領域にＺｎを拡
散させた領域、９は上部クラッド層５にＺｎを拡散させ
た領域、１０はキャップ層６にＺｎを拡散させた領域で
ある。

つぎに、上記構成による半導体レーザの製造方法につい
て説明する。まず、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）ある
いは有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等の原子レベル
での膜厚制御可能な結晶法を用いて、基板ｌ上にｎ型ク
ラッド層２を２μ、つづいて活性層、導波路層になる上
記超格子層３を１μ、上部クラッド層５を２μｍ、キャ
ップ層６を０．２μエピタキシヤル成長させる。

上記成長ウェハについては、第２図にそれぞれ示すよう
なプロセスを行うが、つぎに順を追って説明する。上記
のようにｎ型基板１上に、ｎ型下部クラッド層２、超格
子層３、上部クラッド層５、キャップ層６を順次積層し
たのち、全面にプラズマＣＶＤ法などによりＳ　ｉ　Ｏ
，を２００ＯＡ程度堆積させる。その後、レーザ領域の
上部だけを、ホトリソグラフィ技術および反応性イオン
エツチング（ＲＩＥ）により除去する。つぎに上記Ｓｉ
Ｏ２でバタン化された超格子側と別のＧａＡｓウェハと
を重ねた状態で、水素雰囲気中で昇温速度３０℃／ｓｅ
ｃ、熱処理温度９５０℃、熱処理時間３０ｓｅｃの条件
で熱処理する。この熱処理によってＳ　ｉ　Ｏ，膜の下
部の超格子は部分的に混晶化され１部分的混晶化超格子
層４になり、第２図（ａ）に示すように導波路Ｒ４が形
成される。つぎに上記ウェハをＺｎＡｓ、とともにＳ　
ｉ　Ｏ，アンプル内に封じ入れ、５７５℃の熱処理温度
で４時間熱処理する。これにより第２図（ｂ）に示すよ
うに、Ｓｉｎ、で覆われていない領域はＺｎが拡散する
。

Ｚｎの拡散フロントは、活性層を形成する超格子層３の
中程に存在する。上記超格子層内のＺｎが拡散した領域
は混晶化がおこる。これにより活性層内の混晶化した領
域はクラッド層となり、上記Ｚｎ拡散領域は約４　Ｘ　
１０１″／ｃｉのキャリア濃度のｐ要領域になる。

つぎに、ＲＩＥ等によりＳｉｎ、を除去し、第２図（ｃ
）に示すようにｐ型電極７を蒸着し、最後にｎ型電極を
基板１の裏面に蒸着（図示せず）して製作が完了する。

上記製造工程中のＺｎ拡散において、Ｚｎを拡散させた
上部クラッド層９からＺｎ拡散フロントに向けて、Ｚｎ
の濃度が徐々に減少するため、活性層内の超格子におけ
るＺｎ拡散領域の混晶化の程度は、Ｚｎ濃度の減少にし
たがって小さくなっている。これにともない、有効エネ
ルギー・ギャップは徐々に小さくなり、屈折率が徐々に
大きくなるいわゆるグレーディッド・インデックス型の
構造になる０部分的に混晶化された超格子領域４のエネ
ルギー・ギャップは、部分的混晶化にともない超格子層
３に較べて大きくなっている。

なお、上記Ｓｉｎ、膜を用いた混晶化方法は。

Ｓｉ３Ｎ４膜でもよく、また、Ｚｎ、Ｓｉ元素の熱処理
による拡散によっても可能である。

上記エネルギー・ギャップの関係を第３図に示す６第３
図（ａ）は第２図（ｂ）に示すＡ−Ａ’断面のエネルギ
ー・ギャップ図で、第３図（ｂ）は上記第２図（ｂ）の
Ｂ−Ｂ’断面のエネルギーギャップ図である。第３図（
ａ）において、ＥＬは超格子層３からなる活性層のバン
ドギャップ、Ｅ−は部分的混晶化超格子４からなる導波
路層のバンドギャップである。第３図（ｂ）において、
ＥＣは上部クラッド層５および下部クラッドＲ２のバン
ドキャップ、ＥＧはキャップＮ６および基板１における
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層のバンドギャップである。

本実施例では上記のように、レーザ領域の活性層の厚さ
を薄くしたことと、上部クラッド層をグレーディッドイ
ンデックス型にしたこととにより、半導体レーザの発振
電流閾値を小さくすることができた。一般に、半導体レ
ーザの発振電流閾値は、つぎのように書くことができる
。

ここで、Ｊｔｈは発振電流閾値、Ｊ、は量子効率１、活
性層の厚さｌμの場合の発振電流閾値、ｄは活性層の厚
さ、ηは量子効率、βは利得定数、αｉは活性層内の導
波損失、Ｌは共振器長、Ｒは共振器端の反射率、ｒは光
の閉込め係数である。

式かられかるように、活性層厚さｄを薄くすると閾値電
流密度Ｊｉｈは低くなる。しかし、通常のレーザ構造の
場合は、さらに活性層の厚さｄを薄くすると、光の閉込
め状態が悪くなり、逆に閾値Ｊｔｈは高くなる（ｒｃｃ
ｄ”のため、第２項がｄに反比例して大きくなる）とい
う欠点があった。これに対して、グレーディッドインデ
ックス型では、ｄを薄くしても光の閉込め状態が極端に
悪くなるということはなく、Ｊｔｈを下げることができ
る（ｒ’ｃｃ　ｄのため、第２項はｄに依存しなくなる
）。

上記の活性層厚さと閾値電流との関係を第４図に示す。

本実施例における閾値電流密度は実線で示しており、グ
レーディッドインデックスを導入していない場合を点線
で示している。従来のように、ファイバとの結合効率を
上げるため活性層を厚くした半導体レーザの場合、活性
層厚さは１μ程度であり、Ｊｔｈは５　Ｘ　１０３Ａ／
ｃ（であるのに対して、本実施例では活性層厚さを薄く
しグレーディッドインデックス型のクラッドを用いたこ
とにより、例えば、ｄ＝ｏ、２ｔＩｔｍの場合１×１０
″Ａ／ｄと低くなっている。

また本実施例では、厚さ１μ程度の導波路層を再成長す
ることなしに形成しているため、光ファイバとの結合損
失は小さくなっている。導波路層の有効屈折率は活性層
の有効屈折率に較べて小さく、逆に層の大きさは導波路
層が活性層に較べて大きい。したがって、光のモードの
整合性もよくなっている。

第５図は本発明の他の実施例を示す図である。

本実施例は前記実施例の半導体レーザ部分を分布反射型
にしたものであり、導波路部分に回折格子１４が刻まれ
ており、出射側のへき開面には無反射コーティング１３
を施している。本実施例の半導体レーザの製作は、前記
実施例の半導体レーザを形成したのち、導波路層４の上
部のキャップ層６と上部クラッドＮ５とを、ＲＩＥ等に
より上部クラッド層５の厚さが０．２ｔＭ残るまで削り
落し、残された上部クラッド層５の上面に回折格子１４
を、また出射側のへき開面に無反射コーティング１３を
、それぞれ公知の技術によって形成する。

上記半導体レーザの活性層部３はＺｎ拡散により厚さが
狭くなっており１発振閾値電流は低くなっている。導波
路部４は部分的混晶化により再成長することなしに製作
され、活性層における発光波長に対して透明になってい
る。

上記２つの実施例の説明では、横モードを安定化するた
めのストライプ構造について触れなかったが、本発明は
、埋込みへテロ構造やりッジ導波路構造など、各種のス
トライプ構造に適用されることはいうまでもない。また
、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ａ　ＱＧ　ａ　Ａ　ｓ系だけで
なく、Ｉ　ｎＧａＡｓＰ／Ｉ　ｎＰ系やＩ　ｎ　Ｇ　ａ
　Ａ　ｓ　／　Ｉ　ｎ　Ａ　Ｑ　Ａ　ｓ系などの他の半
導体材料にも適用可能である。

〔発明の効果〕

上記のように本発明による半導体レーザは、異種の半導
体を交互に積層した超格子構造を有し。

活性領域と導波路領域とを備えた半導体レーザにおいて
、上記活性領域が超格子構造により形成され、活性層の
一部が不純物を混入して混晶化した半導体結晶からなり
、かつ、上記活性領域の出射方向に隣接する導波路領域
が、上記活性領域と同構造の超格子層を、不純物を混入
しないで混晶化した半導体結晶からなることにより、活
性層の厚さをレーザ構造の最適の厚さにし、かつ、混晶
化によって形成されたクラッドがグレーディッドインデ
ックス型になっているため、レーザ発振電流閾値を低減
化することができ、また、不純物を導入しない方法によ
る部分的混晶化超格子構造を用いて、再成長することな
く導波路層を形成することができる。この結果、光ファ
イバとの結合損失が小さく、消費パワーが小さい半導体
レーザを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体レーザの一実施例を示す斜
視図、第２図（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ上記実施例の製
造工程を示す図、第３図（ａ）および（ｂ）は上記実施
例の縦および横のエネルギーバンドギャップをそれぞれ
示す図、第４図は上記実施例のレーザ発振閾値電流密度
を示す図、第５図は本発明の他の実施例を示す断面図で
ある。 ３・・・超格子構造Ｍ　　　４・・・部分的混晶化超格
子ｌ １・・・Ｚｎ拡散領域 工４・・・回折格子

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、異種の半導体を交互に積層した超格子構造を有し、
   活性領域と導波路領域とを備えた半導体レーザにおいて
   、上記活性領域が超格子構造により形成され、活性層の
   一部が不純物を混入して混晶化した半導体結晶からなり
   、かつ、上記活性領域の出射方向に隣接する導波路領域
   が、上記活性領域と同構造の超格子層を、不純物を混入
   しないで混晶化した半導体結晶からなることを特徴とす
   る半導体レーザ。 ２、上記半導体レーザは、分布反射型レーザであり、回
   折格子を上記導波路領域に形成したものであることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載した半導体レーザ
   。 ３、異種の半導体を交互に積層した超格子構造を有し、
   活性領域と導波路領域とを備えた半導体レーザにおいて
   、不純物を拡散させて上記活性領域の超格子の一部を混
   晶化することにより、活性層の厚さを狭くする工程と、
   上記導波路領域の超格子層を不純物を導入しないで混晶
   化する工程とを有することを特徴とする半導体レーザの
   製造方法。