JPH036080A

JPH036080A - 半導体光源

Info

Publication number: JPH036080A
Application number: JP14027489A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Teraishi; 寺石　克弘
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1989-06-02
Filing date: 1989-06-02
Publication date: 1991-01-11

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、集積されることを特徴とする半導体レーザ光
の二次高調波を発生せしめるデバイスの構造及び製造方
法に関する６［従来の技術］従来より、半導体レーザ光の二次高調波発生（以下ＳＨ
Ｇと略称）の試みが為され、例えば、アプライド・フィ
ジックス・レターズ（ＡｐＨ１ｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ
　Ｌｅｔｔｅｒｓ　）　Ｖｏ　１．３５．　Ｎｏ、　６
　（１９７９）ｐ、４６１−ｐ、４６３や日経二ニーマ
テリアル１９８７年４月２０日号ｐ、９６〜ｐ１０５に
見られる如く、半導体レーザと導波路型ＳＨＧ素子をモ
ジュール化するものが考案されている１例えば、ＡｌＧ
ａＡｓ系０．８４ｎｍ波長の半導体レーザ光を光ビック
ア・ンブ用コリメータレンズ（開口数０．３）とフォー
カシングレンズ（開口数０．６）で、ＬｔＮｂＯｓ単結
晶よりなる導波路型ＳＨＧ素子の導波路端面に集光、導
入し、該ＬｉＮｂ０゜単結晶導波路内で、ＳＨＧを発生
させるものである。該モジュール全体の寸法の一例は、
１０×１０Ｘ１０Ｘ３０’である。

［発明が解決しようとする課題１然しながら、前述のモジュールには、以下の課題がある
。

１モジユール化された方式のため、光電子集積回路の一
構成素子として、ブレーナ集積が本質的に不可能。

２．　Ｓ　ＨＧ素子として、極めて高品質な大型結晶を
必要とするため、単結晶製造コストが高くなる。

３、光導波路は、通常１１．１オーダーの薄層であるた
め、半導体レーザ光共振器導波路とＳＨＧ素子導波路の
中心位置合せ、平行度調整等に厳密性を要求され、複雑
微妙な作業であり、作業性が悪い。

４半導体レーザと５）ＩＧ素子の光結合効率が低く、オ
ーバオールのＳＨＧ変換効率が低いため光出力として、
１ｍＷレベル以下である。

５、ＬｉＮｂＯ３単結晶は、可視波長域で光ダメージを
起こし易い。

本発明は、かかる課題を解決するもので、その目的とす
るところは、半導体エピタキシアル技術を全面的に活用
して、プレーナ集積型のデバイスを得ることにある。

［課題を解決するための手段］本発明の集積型二次高調波発生デバイスは、前記課題の
解決のため、その手段として以下の構成要件を具備する
ことを特徴とする。

１、ＳＨＧ用結晶材料として、化合物半導体を選択する
。

２前記化合物半導体は、半導体レーザ基板面上にＭＯＣ
ＶＤエピタキシアル成長可能である。

３、前記エビクキシアル成長は、選択的に形成すること
を含む。

４、前記ＳＨＧ機能部は、光導波路構造を有する。

５、前記先導波路は、半導体レーザの光共振器即ち活性
層を含む平面上に構成され、レーザ光は直接的にＳＨＧ
結晶に入射する。

６、半導体レーザ光共振器はリング型共振器を形成する
。

７前記ＳＨＧ機能部は、リング型共振器を形成する。

８、前記２共振器は、同一平面上に形成し、且つ光学的
に結合させる。

９、前記ＳＨＧ機能部光共振器導波路内において、励起
レーザ光とＳＨＧ光の位相整合は、光導波路のモード分
散を利用し、励起レーザ光の低次モードとＳＨＧ光の高
次モードの有効屈折率を一致させる如くに設定する。

１０　　前記リング共振器よりＳＨＧ光の取り出しは、
ＤＢＲグレーティングにより波長分離の上、先導波路に
導入する。

以上の如く構成することにより、リング共振器内にレー
ザ光を閉じ込めることが出来、ＳＨＧ変換効率を高める
と共に、平面的に集積することにより極めて小型・短波
長の半導体光源が実現できる。

［実　施　例］本発明の一実施例として、以下のケースについて説明す
る。

１励起レーザ光は、Ｉｎ、　Ｇａ＋−ｙ　Ａｓ　（ｙ□
Ｉ］、０５）活性層組成による発振波長１１０００ｎの
光。

２、　Ｓ　ＨＧ粗結晶材料として、化合物半導体の超格
子構造膜とする。

３、＠配化合物半導体膜は、半導体レーザ基板上にＭＯ
ＣＶＤ又はＭＯＭＢＥエピタキシアル成長を行ない、超
格子構造を形成する。

４基本励起レーザ光とＳＨＧ光の位相整合は、前記ＳＨ
Ｇ先導波路の厚みを制御して有効屈折率のマツチングを
とる。

５レーザ光共振器とＳＨＧｍ能導波路は共に、リング型
共振器とし、レーザ発振部とＳＨＧ部は横方向に光結合
する。

６、　Ｓ　ＨＧ光導波路は、その上面に金属膜を堆積し
て、ショットキーバリアー形成し、その空乏層中に光導
波路が含まれるものとする。

次に１機能及び構造について述べる。第１図は、本実施
例について、上から見た概略平面図である。基板１の上
に、先導波路２及び３が共平面に、且つ、光の伝播と反
射が無限に可能なる如く正方形に形成される。即ち、正
方形状のリング型共振器を形成する。該共振器は、２個
であり、各々の共振器は４本の光導波路と４つの角の反
射面より成る。光波は近似的に、図中の波線及び矢印線
の如くに反射され、多数回診リング型光共振器内を伝播
することになる。該リング型光共振器３の部分の光導波
路内で、レーザ発振を起し、この部分の導波路内で、Ｓ
ＨＧ部ち第二次高調波の発生が起る。該２つの共振器は
、各々の先導波路が近接して配置されており、光学的に
結合している。リング共振器３で発振しているレーザー
光は、光結合のため、リング共振器２に移動して、発振
・伝播する。膝元を励起源として、光導波路２内にＳＨ
Ｇが起る。従って、光導波路２は１例えば、１ｌ−ＶＩ
族化合物半導体２材質２ｎＳ／Ｚｎ５ｅの極薄膜のくり
返し積層により形成され、光導波路３は、＋１１−　Ｖ
族化合物半導体混晶１’ｎ、　Ｇａ＋−ｙ　Ａｓより成
りレーザ活性層である。先導波路２において、レーザ光
とＳＨＧ光の位相整合をとる必要があるので、該光導波
路層２の厚みを調整する。

例えば、レーザ光０次モードとＳＨＧ光２次モードの有
効屈折率を等しくする如く、膜厚及び膜組成を制御する
。

光導波路の横方向即ち基板１に平行なる方向の光閉じ込
めのため、光導波２，３の横部分４．５．６は、光導波
２．３より低屈折率を有する材質で埋め込み形成すれば
よい。本実施では、簡便のため、リングレーザ共振器３
を形成するためのプロセス時にエツチング除去されたま
まの空間を残しておく、従って、屈折率〜１の空気層、
又は最終的にデバイスとして窒素封止された場合は窒素
の居となる。

前記ＳＨＧ光を該光共振ｉ！ｉＳ２の外部にとり出し第
１図７の如くに光源として利用するための手段が必要で
ある。このため、ＳＨＧ光が発生ずる先導波路２の角の
部分の表面、例λば８の部分にＤＢＲ回折格子を形成す
る。先導波路層の最上面にｆ９＜、エツチング、イオン
打込み、エビクキシアル、蒸着の方法で回折格子を形成
する。この際、波長１１０００ｎのレーザ光を１００％
反射し、波長５００ｎｍのＳＨＧ光に対しては、極低反
射率となる如くに、回折格子周期を設定する。この結果
、共振器２内に誘起されたレーザ光は４つの角で反射さ
れて該共振器内に閉じ込められるのに対して１発生した
ＳＨＧ光は回折格子８を透過して、光導波路ｌＯの部分
に誘導され２固有モードに調整され、外部に光７として
とり出される。

前記励起レーザ光及びＳＨＧ光は、共に、時計マワり方
向と反時計まわり方向の２ｆ！！の方向の光波として存
在しているが、回折格子を４５°入９反射の条件に設計
することにより・双方向の光波共に、前記の反射・透過
の条件を同時に満足できる。

該リングレーザ３は、金属薄膜オーミック電極１１より
電流注入して駆動される。

光導波路２の上面に配置・形成される金属薄膜ｉ極１２
は１例えば、白金（ｐｔ）　、金（Ａｕ）又はアルミニ
ウム（Ａ１）の中が選択され、ｎ”　−ＺｎＳ／Ｚｎ５
ｅ超格子層先導波路２に対して、ショットキーバリアを
形成せしめる。該電極１２に、逆バイアスを印加するこ
とにより、空乏層が形成され、該光導波路２が空乏層内
に包含され１発生した強電界により、該先導波路の屈折
率が電気光学効果の影響を受けて、変化する。これによ
り、前述のレーザ光とＳＨＧ先の位相整合条件及び共振
器２と共振器３の光結合条件を精密に制御できる。然も
、前記構成を全て形成・完了の後に、外部電源により調
整できることが特徴である。

振器を、独立して形成することにより、該リング共振器
内に励起レーザを閉じ込めることにより、有効にＳＨＧ
変換を行なうことができ、オーバーオールのＳＨＧ変換
効率を高めることが出来、１００ｍＷレーザ光出力時に
、３０ｍＷのＳＨＧ先出力出力現できた。

次に、本発明構造の製法について詳細に説明する。

第２図は、本発明一実施例を示す第１図の半導体レーザ
部即ちＡ−Ａ′断面の構造を示す図である。２０はｎ　
−ＧａＡｓ基板。２１はｎ−ＧａＡｓバッファー層、２
２はｎ　−Ａｌｘ　Ｇａ＋−ｘ　Ａｓ　（Ｘ＝Ｏ，ｌ　
）　、　２３はｎ　−Ｉｎ、　Ｇａ＋−ｙ　Ａｓ　（ｙ
＝０．０５）　、　２４はｎ−Ａｌ−Ｇａ＋−−Ａｓ　
（Ｘ：０．１　）　−２５はｐ　−Ａｌｘ　Ｇａ＋−ｘ
Ａｓ　（Ｘ＝０．１　）　、　　２６はｎ　−ＧａＡｓ
キャップ層。２７はＳｉ０ｇ膜、２８はＺｎ拡散領域を
示し、　　ｎ　　Ａ１．ｘＧａ、−、Ａｓ層２２とｎ−
ＧａＡｓバッファー層２１の境界までの深さに拡散する
。その結果として、ｎ−Ｉｎｙ　Ｇａ＋−ｙ　Ａｓ　（
ｙ＝０．０５）層２３の一部分にＺｎが拡散されｐ型に
なった部分が活性層を形成する。前敗されｐ型になった
部分が活性層を形成する。前述の各層はＭＯＣＶＤ法に
より基板２０の上にエビクキシアル成長する。ＭＯＣＶ
Ｄ条件は概略以下の如くである。

基板温度　　　：　　７６０”〜８２０℃圧力　　　　
　：　　７６０　　ＴｏｒｒＶ族／　ＩＩＩ族比　：５
０〜１００成長速度　　　：０．０７μｍ／ｍｉｎＭＯＣＶＤ原料
ガスは、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム
、トリメチルインジウム及びアルシンである。２ｎ拡散
領域の形成は、周知の拡散方法による。５１０２膜２７
に２ＬＬＸ　１５０μのぎを開け、温度６００°Ｃ〜６
５０°Ｃで拡散する。Ｚｎａ度は、１ｘｌｏ”／ｃｒｎ
’である。

次に、第１図のＳ　ＨＧ　機能部分を形成するために、
第１図レーザ発振部以外をエツチングにより、第２図ｎ
　−ＧａＡｓバッファー層２１まで除去する。該露出ｎ
　−ＧａＡｓ２１表面上に、ＳＨＧ機能先導波路を構成
するＺｎ５ｘ　Ｓｅ＋−＋＋クラッド層及び導波路層を
エピタキシアル成長する。該エツチングは、ＥＣＲ方式
プラズマ装置によりＲＩＢＥ法による。エツチングガス
はＣＣＬを採用した。ＲＩＢＥプロセスの方が、化学エ
ツチングプロセスに比較して、エツチング表面が極めて
平滑になり、且つ、コーナ一部分が直角に形成され、好
ましい形状になる。従って、良好なエビクキシアル成長
表面が得られる。該表面を基板にして、Ｓ　ＨＧ　機能
部を形成する。第１図Ｂ−Ｂ’断面右側Ｓ　ＨＧ　４１
能部のエピタキシアル成長方法を第３図により説明する
。初めに、ＧａＡｓ基板３４に熱ＣＶＤ法等によりマス
ク３４の５ｉＯｚを堆積する。この状態が第３図（ａ）
である。次に、フォトリソグラフィ技術によりＳｉＯ□
のパターニングを行なう。このとき、導波路層を形成す
る部分のＳｉＯ□をエツチングにより除去する。この状
態が第３図（ｂ）である。バターニングされたＳｉＯ□
をマスクとして選択エピタキシアル成長により、クラッ
ド層のＺｎＳ。

Ｓｅ、−ｘ３２、さらにその上に導波路層３３を、同一
の成長炉内で連続して形成する。このときマスクのＳｉ
Ｏ２上には堆積物がなく、第３図（Ｃ）の如き状態とな
る。該選択エピタキシアル成長は以下の方法で実現でき
る。原料として、Ｚｎ、　Ｓ及びＳｅの有機化合物を用
いて、成長圧力が１００Ｔｏｒｒ以下、成長議席が４０
０°Ｃ以上７００℃以下、Ｖｌ族原料とＩＩＩ族原料の
モル比が６以下の条件で減圧ＭＯＣＶＤ法又はＭＯＭＢ
Ｅ法により実施する。ＺｎＳ／Ｚｎ５ｅ超格子エビクキ
シアル膜は、原料のＳ及びＳｅの首根化合物蒸気の供給
を予め設定された時間シーフェンスに従って交互に行な
うことにより、−層あたり１０〜１００オングストロー
ムの厚みの膜を次々にｆｊｉｐ’する。前記膜層を形成
した後、弗酸系のエッチャントにより５１０２を除去し
、第３図（ｄ）の如くに光導波路が完成する。

前記の例では、マスク材として５ｉＯｉ膜を用いたが、
ｓｉ３　Ｎ４等の他の誘電体薄膜またはＷ等の金属薄膜
も同様に用いることができる。さらに、超格子エピタキ
シアル模として、ＺｎＳ／Ｚｎ５ｅ超格子エビクキシア
ル膜の外に、　Ｃ（Ｉ　Ｓ　／　Ｃｄ　Ｓ　ｅ超格子、
ＺｎＴｅ／Ｚｎ５ｅ超格子、ＣｄＳｅ／Ｚｎ５ｅ超格子
、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ超格子もまた適用できる。

前記実施例に於いては、半導体レーザ活性層の組成とし
て、Ｉｎ、　Ｇａ＋−ｙ　Ａｓ系の場合を例示したが、
ＡＬ　Ｇａ１−ｘ　Ａｓ系やＩｎｘ　Ｇａ＋−ｍ　Ｐｙ
　Ａ３＋−＋＋系が使の波長領域用として実現でき、基
板にＩｎＰも適用できる。

また、前記実施例に於いては、Ｐ−Ｎ接合を拡散プロセ
スにより、形成しているが、他の方法として、イン打込
法でも実現でき、さらに、エビクキシアル成長時に、Ｎ
型ドーパントを同時に気相よりトーイングすることがで
き、この方法によるＰ−Ｎ接合が前記拡散プロセル接合
よりもレーザ発振効率は良い。液相エピタキシャル法に
よるＰ−Ｎ接合も可能である。

また、前記実施例に於いては、第１図の４．５．６の領
域をエツチング除去空間としているが、該領域全面を光
導波路２と同一材質により同時にエビクキシアル成長し
て後に、レーザ光共振器、光導波２及び光導波路１０の
部分をマスク保護して残余の部分にプロトンイオン打込
みを行なうことができる。即ち、この結果、全ての先導
波の横側面は、プロトン（Ｈ゛）がドーピングされたＺ
ｎＳ／Ｚｎ５ｅ超格子層にカバーされ、プロトンドーピ
ング有無による屈折率の差により光閉じ込めが実現され
る３これにより、該チップ表面に段差が無くなり、平面
が形成され、他の素子又は電極・配線が集積しやすくな
るメリフトがある。

次に、第１図８のＤＢＲ回折格子は以下の方法で形成す
る。レーザ光を照射しつつ光化学的エツチングを行なう
。第４図に概略原理図を示す。４０は加工用レーザビー
ム、４１はビームスプリッタ−で、被加工クレーディン
グ４３より反射されるモニター光を分離し、光検出器４
２に導入し、その場観察で、クレーティング４３の加工
状況を知る。４４は反射鏡で、レーザ光を直角に偏向し
て、被加工表面即ち４３の表面上で、池のレーザ光と干
渉させることにより、クレーティングのパターンをホロ
グラフィックに形成する。レーザ光の照射部分はエツチ
ングされ、暗部はエツチングされない、４５は被加工体
が浸漬されているエツチング液である。被加工体に電気
バイアスを印加して、その表面に空乏層を形成しておく
。レーザ光は、エキシマ−レーザの波長２５７　ｎｍ光
である。工・ンチングン夜は、）１□ＳＱ４：８２０□
：　　）＋２０＝１　に１００（体積比）又は、ＨＮＯ
３・　Ｈ２０＝１２０（体積比）の液である。試薬濃度
は、１（２ＳＯ，＝９８％（重量）　、　ｌｌＮ０３＝
　７０％（重量）及び）１．　Ｏ，＝　３０％（重量）
である。反射鏡４３と被加工体４３をセットしている台
を回転することにより、格子周期を連続的に変更できる
。

また、該光電気化学的エツチング方法は、前述の光導波
路側面にエツチング加工にも極めて良好な適合性があり
、平滑で、基板に直角なる平面が形成される。

以上の如く、最適条件を設定して形成された本発明の光
源は１波長５００ｎｍのＳＨＧ光出力を３０ｍＷ取り出
すことができた。

〔発明の効果１以上説明した如く、本発明は以下の効果を有する。

■極めてコンパクトであり、従来のＬＤチップと同等に
扱える。

２光電子集積回路の一構成素子として、ブレーナ集積で
きるポテンシャルを有する。

３高品質大型単結晶が不要である。

４．３０ｍＷクラスの半導体レーザが実現でき、１００
ｍＷクラスも其月待できる。

５従来のＩＣ技術が活用できる。

６従って５大量生産可能で、製造コストの低減が可能で
ある。

？、ＳＨＧ結晶がＭＯＣＶＤエピタキシアル成長により
、完全体の高い品質が確保できるので、高変換効率が得
られる。

８、エピタキシアル超格子ｌＩｉ層により、極めて高い
非線形光学定数が得られ、高変換効率が実現できる。

９、リング型共振器構造により、レーザ光を有効にＳＨ
Ｇ共振器内に閉じ込めることができ、減衰するまでＳＨ
Ｇ用光エネルギーとして寄与できる。

以上の如（に、きわめて広汎に有用な効果をもたらし、
特に、光磁気記録システム及びレーザブノンタ用光源と
して有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の半導体光源の一実施例を示す概略の
平面構造図。第２図は、本発明の半導体光源の一実施例にあける半導
体レーザ部の概略断面構造図。第３図（ａ）〜（ｄ）は１本発明の半導体光、原の一実
施例における５）ＩＧ機機能先光導波路製造プロセスの
概略を説明する図。第４図は、本発明の半導体光源の一実施例におけるＤＢ
Ｒ回折格子の製法を説明する図。 ■　・　・２　・　・３　・　・４　・　・５　・　・６　・　・・ＧａＡｓ基板・ＳＨＧ機能部リング共振器先導波路・リングレーザ発振部先導波路横方向光閉じ込め層・同上・同上出Ｉｔ　Ｓ　ＨＧ光１０１２０１２３４５６７８１２３４０１２・ＤＥＲ回折格子機能部先導波路オーミック電極ショットキーバリア電極・ｎ−ＧａＡｓ基板ｎ−ＧａＡｓバッファー層ｎ　　Ａｌｘ　Ｇａ＋−＋＋　Ａｓ −Ｉｎ、　Ｇａ＋−ｙ　Ａｓ　（活性層を含む）ｎ　−
ＡＩＸ　Ｇａ１−ｘ　Ａｓｐ　　Ａ１１ｌ　Ｇａ＋−＋＋　Ａｓｎ　−ＧａＡｓ・、Ｓ１０□膜２ｎ拡散領域ＧａＡｓ基板・２ｎ　Ｓｘ　Ｓｅ＋−。クラッド層。超格子構造先導波路・５ｉ０２マスク・レーザビーム・ビームスプリッタ− ・デテクター　３４５・・液加ニゲレーティング・・反射鏡・・エツチング液

Claims

【特許請求の範囲】

平面上に構成される半導体光源において、レーザ発振機
能及び二次高調波発生機能の各々の機能を有する二種類
のリング型光共振器を同一平面上に配置すること及び前
記二種類のリング型共振器を近接して配置することを特
徴とする半導体光源。