JPH11135879A - リッジウエーブガイド半導体レーザ - Google Patents
リッジウエーブガイド半導体レーザInfo
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Abstract
るリッジウエーブガイド半導体レーザを提供する。 【解決手段】 基板102と、前記基板102上に形成
されるn型Al0.5In0.5P第一クラッド層104と、前記
第一クラッド層104上に活性領域を形成するドープさ
れないAl0.4Ga0.6As第一閉じ込め層106、GaAs活性層
108、及びドープされないAl0.4Ga0.6As第二閉じ込め
層110と、前記活性領域上に形成されるp型Al0.5In
0.5P 第二クラッド層112から形成されるリッジウエ
ーブガイ208ドであって、前記リッジウエーブガイド
208が前記活性領域からの光放射に対して光学的閉じ
込めを与え、前記リッジウエーブガイド208が溝20
4に形成される自然酸化物層206によって画定され、
前記自然酸化物層206が前記第二クラッド層112及
び前記活性領域から形成されるリッジウエーブガイド2
08と、前記活性領域のバイアスを可能にする第一及び
第二電極216、218とを含む、リッジウエーブガイ
ド半導体レーザ100を作製する。
Description
ド半導体レーザに関し、より詳細には、光学的閉じ込め
及び電気的分離のために、半導体レーザ構造体の上部ク
ラッド層及び活性層から形成される厚い自然酸化物層を
用いるリッジウエーブガイド半導体レーザに関する。
タ、光ファイバ通信装置、及びその他の用途に非常に望
ましい光源である。一般的なレーザ構造はいわゆる「エ
ッジエミッティング(エッジからの放射)レーザ」であ
り、半導体層のモノリシック構造体の端部から光が放射
される。
レーザの横方向の光学的閉じ込め構造を形成することが
できるので、リッジは半導体レーザのエッジエミッショ
ン(端部からの光放射)源を正確に画定する。リッジウ
エーブガイドは典型的には、半導体レーザ構造の活性半
導体層の上部の、概ね平らな上面と傾斜した側壁を有す
る半導体材料の小型のリッジである。
法は、レーザ構造体のエピタキシャルに被着された半導
体層の上部クラッド層の一部をエッチングして取り除
き、横方向リッジウエーブガイドを画定するクラッド層
材料の細いリッジを残すことである。リッジの個々の形
状寸法はエッチング手段により異なる。化学的エッチン
グはリッジに傾斜壁を形成する傾向があるが、イオンビ
ームエッチングは垂直な側壁を生成する傾向がある。更
に、イオンビームエッチングは勾配を制御した壁を生成
できる。
の方法は、不純物拡散により上部クラッド層の部分を無
秩序化することである。この不純物によって生ずる無秩
序化(IILD)は、クラッド層の無秩序化領域中の元
素の混合を引き起こし、無秩序化されていない領域に比
較して屈折率を低くする。隣接する無秩序化領域同士の
間の無秩序化されていない中央領域は、横方向のインデ
ックスガイディングされたリッジウエーブガイドを形成
する。インデックス(屈折率)ガイディングとは、異な
る材質の半導体層の間の光学的屈折率の相違を用いるこ
とを言い、ウエーブガイドが半導体層の一つからの光の
放射を光学的に閉じ込めることを可能にする。
成は、構造体の良好な電気的及び光学的閉じ込めを達成
するのに重要な段階である。酸化物形成の一つの方法は
「表面酸化法」として一般的に知られている。
レーザ構造体の活性層の上に形成され高いアルミニウム
含量を有する厚いAlGaAs層の上に置かれる。この「表面
酸化法」においては、試料の表面はまず窒化ケイ素でパ
ターニングされ、GaAsキャップ層のある部分は保護しあ
る部分は露出される。露出されたGaAs領域はその後化学
的エッチによって除去され、高いアルミニウム含量を有
する真下のAlGaAs層の表面を露出する。試料は次に水蒸
気中で酸化され、AlGaAs層中の酸化はアルミニウム含量
がより低い活性層に達するまで、表面から下に向かって
進む。活性層はアルミニウム含量が低いので、酸化工程
は活性層に達すると基本的に停止し、レーザ構造体に電
気的及び光学的閉じ込めを与える。
は、いわゆる「埋込み層酸化法」である。この方法で
は、AlAs層がレーザ構造体の活性層の上下に配置され
る。そして溝がエッチングされ、溝の間に露出ストライ
プメサ構造を形成する。エッチングの結果、活性層を間
に挟んでいるAlAs層はメサの側壁に沿って露出される。
酸化工程の際に、これらのAlAs層は横方向に、メサの側
壁から内側に、メサの中心に向かって酸化される。しか
し、構造体の他の層は、アルミニウムの含量が低いの
で、基本的に酸化されないままである。酸化されたAlAs
層は、AlAs層の上及び下の両方の領域の有効屈折率を低
下させ、間に挟まれた活性層に横方向の電気的及び光学
的閉じ込めを与える。
量を制御するのが困難だということである。高いアルミ
ニウム含量を有するAlAsまたはAlGaAsの酸化率は、アル
ミニウムの含有組成率と工程の変動に応じて変化するの
で、アルミニウムの含有組成率または工程のパラメータ
のいかなる変化も酸化速度の変化に反映され、それは次
には酸化量の不確定性を生み出す。この工程は比較的、
温度に敏感である。従って、このような手法がレーザを
形成するのに適用されると、デバイスは典型的に製造適
性及び歩留りの問題を生じる。
めを与える自然酸化物層を有するリッジウエーブガイド
半導体レーザの必要性がある。
び湿式酸化によって製造されるリッジウエーブガイド半
導体レーザ構造体を提供する。上部クラッド層は部分的
にエッチングされリッジを形成し、自然酸化物層は残り
の上部クラッド層及びリッジの外側の活性領域から湿式
酸化される。厚い自然酸化物層はリッジウエーブガイド
に強力な光閉じ込めを与える。
ッジウエーブガイドを形成するために、上部クラッド層
及び活性層の湿式酸化によって製造される、本発明によ
る半導体レーザ構造体100を示す。
下部クラッド層104は、金属有機化学蒸着法(MOC
VD)と一般に称される周知のエピタキシャル成長工程
を用いてn型GaAs基板102上に成長する。液相エピタ
キシー(LPE)、分子線エピタキシー(MBE)など
の被着工程、またはその他の既知の結晶成長工程もま
た、用いることができる。下部クラッド層104のアル
ミニウムモル分率及びドーピングレベルはそれぞれ、5
0パーセント、及び1〜5x1018cm-3の範囲であ
る。AlInP クラッド層104の厚さはおよそ1ミクロン
(μm)である。n型GaAs基板102のドーピングレベ
ルは、およそ5x1018cm-3であるかそれより高い。
図示しないが、より低い生産性が許容できる場合には、
下部クラッド層104の被着の前にバッファ層が被着さ
れてもよい。
0.4Ga0.6As下部閉じ込め層106があり、この層はおよ
そ40%のアルミニウム含量とおよそ120ナノメータ
の厚さを有する。この下部閉じ込め層106が被着され
た後、GaAs活性層108が被着され、これにより840
ナノメータ(の波長)での光放射が生じる。活性層10
8は単一量子井戸、多重量子井戸、または量子井戸の厚
さより大きい厚さを有する層であってもよい。量子井戸
の厚さは、典型的には5ナノメータから20ナノメータ
の範囲である。活性層108の上部には、ドープされな
いAl0.4Ga0.6As上部閉じ込め層110がある。この閉じ
込め層110のアルミニウム含量は典型的には40%
で、厚さはおよそ120ナノメータである。下部及び上
部閉じ込め層106、110は、活性層108と共に、
より低いしきい電流とより小さな光の発散を有する層構
造を一般的に生成する。
よそ1ミクロンのp型Al0.5In 0.5P上部クラッド層11
2が被着される。典型的には、このクラッド層112は
50パーセントのアルミニウム含量と5x1018cm-3
のマグネシウムドーピングレベルを有する。上部p型Al
0.5In 0.5Pクラッド層112の上部にはGa0.5In0.5P層
114があり、この層は典型的には40%のアルミニウ
ム含有組成率、50ナノメータの厚さ、及びおよそ5x
1018cm-3のマグネシウムドーピングレベルを有す
る。このGaInP 層114は、GaInP 層114上に被着さ
れたp+-GaAs キャップ層116と共に、レーザ構造体へ
のオーム性接触の形成を促進する。このp+-GaAs キャッ
プ層116は典型的には100ナノメータであり、1x
1019cm -3のマグネシウムドーピングレベルである。
半導体層が被着された後、窒化ケイ素ストライプ200
がホトリソグラフィ法によって半導体構造体の上面11
8に形成される。窒化ケイ素ストライプ200は幅が4
ミクロンで、半導体構造の表面118を長さ方向に延び
ている。
0は、窒化ケイ素ストライプの片側の領域202をエッ
チングし、溝204を形成する。溝は、角度のついた側
壁を有する深いくぼみを形成する反応性イオンエッチン
グのような方法によって、エッチングされる。溝204
はGaAsキャップ層116、GaInP 層114、及び部分的
にAl0.5In0.5P 上部クラッド層112を貫いて、800
ナノメータの深さまでエッチングされ、上部閉じ込め層
110上上部クラッド層112を200ナノメータ残
す。
状態で溝を形成した後、半導体構造体100は湿式酸化
処理を受ける。構造体は、典型的には530℃を超える
高温の窒素雰囲気中で、およそ4時間、水蒸気で酸化さ
れる。酸化工程中、残りの上部クラッド層112は、溝
204の部分で酸化雰囲気にさらされる。こうして、高
いアルミニウム含量を有するAlInP から成る上部クラッ
ド層112は、溝の各々から放射上に外に向かって酸化
され、自然酸化物層206になる。
の外側の残りのAl0.5In0.5P 上部クラッド層112が最
初に酸化され、次に窒化ケイ素ストライプ200の外側
の上部Al0.4Ga0.6As閉じ込め層110の活性領域、GaAs
活性層108及び下部Al0.4Ga0.6As閉じ込め層106が
酸化される。
体材料はAlx Ga1-x As(x>0.4 )半導体材料よりずっ
とゆっくりと酸化する。Al0.5In0.5P (より遅い酸化)
及びAlGaAs合金(より速い酸化)の選択的酸化を用い
て、厚い自然酸化物層を有するリッジウエーブガイドレ
ーザ構造体は、p型Al0.5In 0.5Pクラッド領域を取り去
る(pinch off)ことなしに、AlGaAs/GaAs 活性領域を貫
いて酸化することにより製造することができる。酸化速
度は合金に依存しており、リン化物ベース合金はヒ化物
ベース合金よりずっとゆっくりと酸化する。
層で用いられる通常のAlGaAs赤外レーザ構造体における
単純な酸化工程によって、このような厚い自然酸化物層
リッジウエーブガイド構造体を形成することは不可能で
ある。70%の酸化を超えるAl組成を有するAlGaAs合金
は、活性領域で用いられるAl0.4Ga0.6Asよりずっと速く
酸化するので、p型クラッド層は取り去られ、最初に完
全に酸化されると考えられる。
イ素ストライプは除去される。自然酸化層206が、窒
化ケイ素ストライプによって被覆されないAl0.5In0.5P
上部クラッド層112、Al0.4Ga0.6As下部閉じ込め層1
06、GaAs活性層108、及びAl0.4Ga0.6As上部閉じ込
め層110から形成されることになる。
いないAl0.4Ga0.6As下部閉じ込め層106、GaAs活性層
108、及びAl0.4Ga0.6As上部閉じ込め層110は、光
放射のための活性領域を形成する。残りの酸化されてい
ないAl0.5In 0.5P上部クラッド層112は、活性領域か
ら放射される光の光学的閉じ込めのためにリッジウエイ
ブガイド208を形成する。
により光を案内する(index-guided)。自然酸化物層20
6の屈折率はおよそ1.6 、活性領域106、108及び
110の屈折率はおよそ3.2 、AlInP リッジウエイブガ
イド208の屈折率はおよそ3.0 である。屈折率の差異
は、リッジウエーブガイドによって活性領域から放射さ
れる光の、強力な光学的閉じ込めを与える。
体の電流閉じ込め能力も高め、電流の広がりを厳密に制
限する。
然酸化物層との間の境界は、エピタキシャル成長工程及
びホトリソグラフ工程によって画定されるので、比較的
滑らかで急である。酸化物領域206同士の間の間隔
は、ホトリソグラフィマスク及びエッチング工程を用い
て制御される。ホトリソグラフ工程は精度が高いので、
酸化物領域206同士の間の間隔は最小にできる。ま
た、これらの酸化された領域はエピタキシャル工程が完
了した後画定されるので、この方法で工程の融通性が高
度に許容される。
属コンタクト216及び218が、レーザをバイアスす
るために基板の表面及び底面上にそれぞれ形成される。
上部電極216は接触層114及び116のみを被覆す
ることができる、または図4に示されるように、電気的
に絶縁している自然酸化物層206を部分的に被覆する
ようにリッジの下方に延在することができる。コンタク
トを形成するのに用いられる典型的な素材は、チタン/
金の2層薄膜である。
0の長さ方向に延在する250μmの長さのキャビティ
を有し、リアファセット(図示せず)上の高反射誘電体
ミラースタック(R>95%)及びフロントまたは放射
ファセット(同様に図示せず)上のパッシベーション層
(Rおよそ25%)で被覆される。レーザ構造体100
は、3.5 mAのCWしきい電流及び35%/ファセット
の微分量子効率を有する。L−I曲線が図5に示されて
いる。9mAでの出力スペクトルが図6に示されてい
る。ビームプロファイラを用いてビームプロファイルが
検討された。駆動電流が11mA未満のとき、単一のピ
ークが横方向に沿って観察された。駆動電流が増大する
につれて、図7に示されるように、二つのピークが観察
された。単一横モード動作には、ウエーブガイドモード
の計算からリッジ幅が1μm未満である必要がある。
る。自然酸化物層は30W/kmの良好な熱コンダクタ
ンスを有するが、この熱コンダクタンスはクラッド層及
びウエーブガイドのAlInP より5倍良好で、GaAsキャッ
プ層の熱コンダクタンスより2倍高い。レーザ素子は低
いしきい値及び高い効率を有するので、隣接するレーザ
ダイオード間の熱クロストークは小さいと予想される。
化法を用いる利点はいくつかある。湿式酸化は、埋め込
みリッジウエーブガイドレーザ構造体を画定するのに用
いられるエッチング及び再成長方法に取って代わり、よ
り高い歩留り及びより良いダイオード性能をもたらす。
強力な光学的閉じ込めはより狭いストライプレーザ及び
(リングキャビティレーザのような)湾曲した形状レー
ザの作製を可能にする。より狭いストライプを用いて、
非常に密接に配置されるエッジエミッティングレーザを
作製することが可能である。より大きな横方向での屈折
率の変化はまた、より狭いストライプのより大きな横方
向での回折角度を意味する。これにより、出力ビームプ
ロファイルは、より対称的に、光ファイバ結合やより円
状のビーム形状を必要とする他の用途により適するよう
に形作られる。
う一つの利点は、AlInP が AlGaAsよりずっと大きなバ
ンドギャップを有しているということである。AlInP ク
ラッド層を含む赤外レーザは、全てのAlGaAsレーザよ
り、より高い動作温度でより小さなリーク電流を有す
る。
が、本発明の自然酸化層を含むリッジウエーブガイド半
導体レーザは、In0.5(AlGa)0.5P/AlGaAsのようなほかの
半導体材料を用いることにより、0.7 μmから1μmの
レーザ波長を網羅する。
ル、及び寸法は単に例示的なものであり、これらのパラ
メータの変更は許容可能である。更に、図で示される層
に加えて、他の層を含んでもよい。温度及び時間のよう
な実験条件における変更も許容される。最後に、GaAs及
びGaAlAsの代わりにGaAlSb、InAlGaP 、またはアルミニ
ウムを含む他のIII-V 族合金のような他の半導体材料も
用いることができる。
半導体層の断面側面図である。
ウエーブガイドレーザ構造体の半導体層の断面側面図で
ある。
ラフである。
断面側面図である。
力−電流曲線を示すグラフである。
Wスペクトルを示すグラフである。
ームプロファイルを示すグラフである。
Claims (2)
- 【請求項1】 リッジウエーブガイド半導体レーザであ
り、 基板と、 前記基板上に形成されるn型Al0.5In0.5P 第一クラッド
層と、 前記第一クラッド層上に活性領域を形成するドープされ
ないAl0.4Ga0.6As第一閉じ込め層、GaAs活性層、及びド
ープされないAl0.4Ga0.6As第二閉じ込め層と、 前記活性領域上に形成されるp型Al0.5In0.5P 第二クラ
ッド層から形成されるリッジウエーブガイドであって、
前記リッジウエーブガイドが前記活性領域からの光放射
に対して光学的閉じ込めを与え、前記リッジウエーブガ
イドが溝に形成される自然酸化物層によって画定され、
前記自然酸化物層が前記第二クラッド層及び前記活性領
域から形成されるリッジウエーブガイドと、 前記活性領域のバイアスを可能にする第一及び第二電極
とを含む、 リッジウエーブガイド半導体レーザ。 - 【請求項2】 前記自然酸化物層が、アルミニウムを含
む半導体材料の自然酸化物を含む、請求項1に記載のリ
ッジウエーブガイド半導体レーザ。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US08/920,444 US6044098A (en) | 1997-08-29 | 1997-08-29 | Deep native oxide confined ridge waveguide semiconductor lasers |
US920444 | 1997-08-29 |
Publications (2)
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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US (1) | US6044098A (ja) |
EP (1) | EP0905836B1 (ja) |
JP (1) | JP4213261B2 (ja) |
DE (1) | DE69809675T2 (ja) |
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