JPH036081A - 半導体光源 - 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ｊ 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
法に間する。

［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・レクーズ（ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ　
Ｌｅｔｔｅｒｓ　）　Ｖ　Ｏｌ　、　　３５、Ｎｏ、　
　６　（１９７９）　ｐ、４６１〜４６３や日経ニュー
マテリアル１９８７年４月２０日号ｐ、９６〜１０５に
見られる如（、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。例えば、　Ａｌ
ＧａＡｓ系８４０ｎｍ波長の半導体レーザ光を光ピツク
アップ用コリメーターレンズ（開口数０．３）とフォー
カシングレンズ（開口数０．６）で、ＬｉＮｂＯ３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ＬｉＮｂＯ３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、
ＩＯＸＩＱｘ３０ｍばである。

［発明が解決しようとする課題］ 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、極めて高品質なる大型単結
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１μオーグーの１店であるため、
半導体レーザ光共振器導波路と５）（Ｇ素子導波路の中
心位置合わせ、平行度調整等にｆｆＦ１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ＳＨＧ素子の光結合効率が低く、オ
ーバーオールの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、ＬＩＮｂＯａ単結晶は、可視波長域で光ダメージを
起こしやすい。

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、ブ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具備するこ
とを特徴とする。

１．５［（Ｇ用結晶材月として、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前記エピタキシアル成長は１選択的に形成することを
含む。

４、前記５ＩＮＧ機能部は、先導波路構造を有する。

５、Ａｉｉ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Ｓ
ＨＧ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５ｌ（Ｇ機能部は、リング型共振器を形成する。

８前記２リング型共振器は、同一平面上に形成し、且つ
、光学的に結合させる。

９、＠記ＳＨＧ機能部光共ｔｌｉ’ｉ器導波路内におい
て励起レーザ光とＳＨＧ光の位相整合は、先導波路のモ
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。

ｌＯ前記リング型共振器よりＳＨＧ光の取り出しは、該
共振器上に光結合して配置される別の先導波路に導入し
、ＳＨＧ光を選択させる。

以上の如く構成することにより、リング型共振器内にレ
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【こより極めて小型・
単波長の半導体光源が実現できる。

［実　施　例１ 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、Ｉｎｙ　Ｇａ＋−ｙ　Ａｓ　（ｙ
＝ｏ、［１５）活性層組成による発振波長１１０００ｎ
の光。

２、ＳＨＧ用結晶材料として、化合物半導体の超格子構
造とする。

３、前記化合物半導体膜は、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Ｓ
ＨＧ光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ＳＨＧ機能導波路は共に、リング
型共振器とし、レーザ発振部とＳＨＧ部は（黄方向に光
結合する。

６、ＳＨＧ光導波路は、その上面に金属膜を堆積して、
ジョツキ−バリアーを形成し、その空乏層中に光導波路
が含まれるものとする。

７、ＳＨＧ先導波路上面の一部に、光結合する別の先導
波路を配置し、導波波長は、ＳＨＧ先に合せる。

次に、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、上から見た慨略平面図である。基板１の上
に、先導波路２及び３−１及び３−２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状に形成
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、３個であり、各々の共振器は４本の先導波
路と４つの角の反射面より成る。光波は近似的に、図中
の点線及び矢印線の如くに反射され、多数回縁リング型
光共振器内を伝播することになる。該ノング型光共振器
３−１及び３−２部分の光導波路内で、レーザ発振を起
こし、２の部分の先導波路内で、ＳＨＧ即ち第二次高調
波の発生が起こる。該３ケの共振器は、各々の光導波路
が、近接して配置されており、光学的に結合している。

リング型光共振器３−１及び３−２で発振しているレー
ザ光は、光結合のため、リング型光共振器２に移動して
、発振・伝播する。眩光を励起源として、光導波路２内
にＳＨＧが起こる。従って、光導波路２は、例えば、Ｉ
Ｉ　−Ｖｌ族化合物半導体２材質ＺｎＳ／Ｚｎ５ｅの極
薄膜のくり返し積層により形成され、光導波路３−１及
び３−２は、＋１１−Ｖ族化合物半導体混晶１　ｎｙ　
Ｇａ＋−ｙ　Ａｓより成るレーザ光とＳＨＧ光の位相整
合をとる必要があるので、該先導波路２の有効厚みを調
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。

先導波路の横方向即ち基板ｌに平行なる方向の光閉じ込
めのため、先導波路２．３−１．３−２の横部分４．５
．６は、光導波路２．３−１．３−２より低屈折率を有
する材質で埋め込み形成すればよい。本実施例では、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〜ｌ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層となる。

前記ＳＨＧ光を該光共振器２の外部にとり出して第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光が発生する光導波路２の直線部分
の表面、例えば９の部分にのせて別の導波路を形成する
。先導波路層２の最上面に薄く、イオン打込み、エピタ
キシアル、蒸着の方法で光導波路を形成する。中間に、
光閉じ込め層をはさみ込む如くに、例えばＺｎＳ層その
上にＺｎ５ｅ層とエビクキシアル成長する。Ｚｎ５ｅ層
が光導波層になるにの際、波長１１０００ｎのレーザ光
には光結合せず、波長５００ｎｍのＳＨＧ光に対しては
、１００％光結合する如くに、光導波路膜厚を設定する
。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
、発生したＳＨＧ光は光結合されている前記先導波路９
の部分に誘導され、固有モードに調整されて、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、時計まわり方
向と反時計まわり方向の２種の方向の光波として存在し
ているが、回折格子を１８０゜入・反射の条件に設計す
ることにより、逆方向の光波も反射されて、光７として
同時にとり出される。該リングレーザ３−１．３−２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。

先導波路２の上面に配置・形成される金属薄膜電極１２
は、例えば、白金（ｐｇ　、金（Ａｕ）又はアルミニウ
ム（ＡＩ）の中から選択され、ｎ−−ＺｎＳ／Ｚｎ５ｅ
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が空乏層に包
含され、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光の位相整合条件及び共振器２
と共振器３−１．３−２の光結合条件を精密に制御でき
る。しかも、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。

以上の如くに、ＳＨＧ励起専用のリング型光共振器を、
独立して形成することにより、該リング型光共振器内に
励起レーザ光を閉じ込めることになり、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、２００ｍＷレーザ光出力時に、
３０ｍＷのＳＨＧ光出力が実現できた。

次に１本発明構造の製法について詳細に説明する。第２
図は１本発明実施例を示す第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　−Ｇａ
Ａｓ基板、２１はｎ　−ＧａＡｓバッファー層、２２は
ｎ　−Ａｌｘ　Ｇａ＋−ｘ　Ａｓ　（Ｘ；０．１　）　
−２３はｎ　−Ｉｎ、　Ｇａ＋−ｙ　Ａｓ　（ｙ：ｏＯ
ｓ）　、　２４はｎ−Ａ１１ｌＧａ＋−１ｌＡｓ　（Ｘ
：Ｏ，Ｉ　）　−２５はｐ−Ａｌｘ　Ｇａ＋−ｘＡｓ　
（Ｘ□０．ｌ　）　、　　２６はｎ−ＧａＡｓキャップ
層。２７はＳｉＯ□膜。２８はＺｎ拡散領域を示し、ｎ
−Ａ１ｍＧａ＋−ｘ　Ａｓ　（Ｘ：Ｏ，ｌ　）　　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　−ＩｎｙＧａ＋−ｙ　Ａ
ｓ　（ｙ＝０．０５）　２３の一部分にＺｎが拡散され
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。ＭＯＣ
ＶＤ条件は概略以下の如くである。

基板温度　　　　　７６０〜８２０°Ｃ圧力　　　　　
：　　７６０　　ＴｏｒｒＶ族／　ＩＩＩ族、比　、　
　５０〜１００成長速度　　　：　　０．０７ｔ１／ｍ
ｉｎＭＯＣＶＤ原相ガスは、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。Ｚｎ拡散領域の形成は、周知の拡散方法によ
る。ＳｉＯ□膜２７に２μ×１５０μの窓を開け、温度
６００〜６５０℃で拡散する。

ｚｎａ度は、大略１　ｘ　ｌ　Ｏ”１ｃｒｄである。ま
た、ｐ型ドーピングガスとしてトリメチル亜鉛、ｎ型ド
ーピングガスとしてセレン化水素を用いて、エピタキシ
アル成長時にガス系からドーピングしてｐｎ接合を形成
することもできる６ 次に、第１図のＳ　ＨＧ機能部分を形成するために、第
１図の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ＺｎＳ＋＋　Ｓｅ＋−ｘクラッド層及び導波路層をエ
ビクキシアル成長する。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エツチングは、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のた
めの表面が得られる。該表面を基板にして、ＳＨＧ機能
部を形成する。第１図Ｂ−Ｂ’断面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３１に熱ＣＶＤ法等によりマスク
３４の５ｔｏ２を堆積する。この状態が第３図（ａ）で
ある６次に、フォトリソグラフィー技術により５１０２
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。パターニングされたＳｉＯ□
をマスクとして選択エビクキシアル成長により、クラッ
ド層の２ｎＳｘ　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ＳｉＯ□上には堆積物がなく、第３図（
ｃ）の如き状態になる。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Ｓ
ｅの有機化合物を用いて、成長圧力が１００Ｔｏｒｒ以
下、成長温度が４００℃以上７００℃以下、Ｖｉ族原料
とＩＩ族原料のモル比が６以下の条件で低圧ＭＯＣＶＤ
法又はＭＯＭＢＥ法により実施する。

２ｎＳ／Ｚｎ５ｅ超格子エピタキシアル膜は、原料のＳ
及びＳｅの有機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
に積層する。前記膜層を形成して後、弗酸系のエッチャ
ントにより５ｉＣｈを除去し第３図（ｄ）の如くに先導
岐路が完成する。前記の例では、マスク材としてＳ　ｊ
　０２　ＩＩＭを用いたが。

Ｓｉａ　Ｎ４等の他の誘電体膜またはＷ等の金属膜も同
様に用いることができる。さらに、超格子エピタキシア
ル膜として、ＣｄＳ／Ｃｄ５ａ、　ＺｎＴｅ／Ｚｎ５ｅ
、　ＣｄＳｅ／２ｎＳｅ、　ＣｄＴｅ／ＺｎＳ、　Ｃｄ
Ｓ／ＺｎＳの各超格子エビクキシアル膜もまた適用でき
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、Ｉｎｙ　Ｇａ＋−ｙ　Ａｓ系の場合を例示したが、
Ａｌ、ｌ　Ｇａ＋−ｍ　Ａｓ系やＩｎｘ　Ｇａ１−ｍ　
Ｐｙ　ＡＳＩ−１１系が他の波長領域用として実現でき
、基板としてＩｎＰ結晶も適用できる。

また、ｐｎ接合形成の他の方法として、イオン打ち込み
法、液相エピタキシアル法も可能である。

また、前記実施例に於いては、第１区の４．５．６の領
域をエツチング除去空間としているが、該領域前面を先
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３−１．３−２、光導波路２
部分をマスク保護して残余の部分に、プロトンイオン打
ち込みを行なう方法がある。即ち、この結果、全ての光
導波路の横側面は、プロトン（Ｈｏ）がドーピングされ
たＺｎＳ／Ｚｎ５ｅ超格子層でカバーされ、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。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
くなるメリットがある。

次に、第１図８のＤＢＲ回折格子は以下の方法で形成す
る。１ノーザ光を！Ｉｎ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、被加工グレー
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４２に導入しその場観察で、グレーティング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、他のレーザ光
と干渉させることにより、グ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２５７ｎｍ
光である。エツチング液は、Ｈａ　Ｓｏ、：　　Ｈ２０
２：　　１（２０＝１＋ｌ：１００（体積比）又は、Ｈ
Ｎｏ３：　　Ｈ２０＝１・２０（体積比）の液である。

試薬濃度は、１１２ＳＯ，＝９８％（重量）　、　）Ｉ
ＮＯ，＝　７０％（重量）及びＨ−０２”　３０％（重
量）である６反射鏡４４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
路側面の工・ンチング加工にも極めて良好な適合性があ
り、平滑で、且つ、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、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〕

以上説明した如くに、本発明は以下の効果を有する６ ■、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、プレーナー集
積できるポテンシャルを有する。

３．３０ｍＷクラスの半導体レーザが実現でき、１００
ｍＷクラスも期待できる。

４高品質大型単結晶が不要である。

５、従来のｒＣ技術が活用できる。

６、従って、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
、完全性の高い品質が確保できるので、高変換効率が実
現できる。

８、エピタキシアル超格子膜層により、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ＳＨＧ
共振器内に閉じ込めることができ、減衰するまでＳＨＧ
用光エネルギーとして寄与できる。

以上の如くに、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リンク−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おける半導
体レーザ部の概略断面構造図。 第３図（ａ）〜（ｄ）は、本発明の半導体光源の一実施
例におけるＳＨＧ＋幾能部光導波路の製造プロセスの概
略を説明する図。 第４図は１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６１　・　・　・ＧａＡ
ｓ基板 ２・・・ＳＨＧ機能機能シリング共振器導波路３・リン
グレーザ発振部光導波路 ４・・・横方向光閉じ込め層 ５　・ ６　・ ７　・ ８　・ ９　・ １１　・ １２　・ ２０　・ ２　ｌ　・ ２ ２３　・ ２４　・ ５ ２６　・ ７ ２８　・ １ ３２　・ ３３　・ 　４ ・同上 ・同上 ・出射ＳＨＧ光 ・回折格子 ・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　　Ａ１１ｌ　Ｇａｔ−ｍ　Ａｓ ・ＩｎｙＧａ＋−ｙ　Ａｓ　（活性層を含む）−ｎ　−
Ａｌｌｌ　Ｇａｔ−ｘ　Ａｓ ・ｐ　−ＡＩＸ　Ｇａｔ−ｘ　Ａｓ ・ｎ　−ＧａＡｓ ・ＳｉＯ２膜 ・Ｚｎ拡散領域 ・ＧａＡｓ基板 ・Ｚｎ　ＳＸ　Ｓｅ１□クラッド層 ・超格子構造先導波路 ・ＳｉＯ□マスク ４０　・ １ ４２　・ ４３　・ ４４　・ ４５　・ ・レーザビーム ・ビームスプリッタ− ・デテクター 液加ニゲレーティング ・反射鏡 ・エツチング液

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 平面上に構成される半導体光源において、リング型光導
   波路内で第二次高調波を発生させることを特徴とする半
   導体光源。