JPH11135893A - エッジエミッティングレーザアレイ - Google Patents

エッジエミッティングレーザアレイ

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JPH11135893A
JPH11135893A JP10241635A JP24163598A JPH11135893A JP H11135893 A JPH11135893 A JP H11135893A JP 10241635 A JP10241635 A JP 10241635A JP 24163598 A JP24163598 A JP 24163598A JP H11135893 A JPH11135893 A JP H11135893A
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semiconductor
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array
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JP10241635A
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Decai Sun
サン ディケイ
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    • H01S5/2215—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers based on oxides or nitrides using native oxidation of semiconductor layers

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気的及び光学的閉じ込めを与える、正確に
画定され制御される酸化物領域を有するモノリシックで
独立してアドレス可能なレーザアレイを開発する。 【解決手段】 エッジエミッティングレーザのアレイ１
００で、前記エッジエミッティングレーザの各々が、基
板と、前記基板上に形成される複数の半導体層と、活性
領域を形成する前記複数の半導体層の一つ又は一つ以上
と、前記活性領域上の半導体層から形成されるウエーブ
ガイド２１４であって、前記ウエーブガイド２１４が前
記活性領域からの光放射に光学的閉じ込めを与え、前記
ウエーブガイド２１４が溝２１０に形成される自然酸化
物層２１２によって画定され、前記溝２１０が前記複数
の半導体層中に形成され半導体から形成される前記ウエ
ーブガイド２１４の側面まで下方に延在するウエーブガ
イド２１４と、前記アレイ中の隣接するエッジエミッテ
ィングレーザに電気的分離も与える前記自然酸化物２１
２層と、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、前記エッジエミッティングレーザの
アレイを提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はモノリシック半導体
レーザアレイに関し、より詳細には、光学的閉じ込め及
び電気的分離のために自然酸化物層を用いる、独立して
アドレス可能で高密度のレーザアレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】固体半導体レーザのモノリシックアレイ
は、高速レーザプリンタ、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。
【０００３】リッジウエーブガイド（導波管）は半導体
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。
【０００４】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。
【０００５】一般的に、レーザにおける自然酸化物の形
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。
【０００６】「表面酸化法」 では、キャップGaAs層は、
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。
【０００７】酸化物を形成するためのもう１つの方法
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。
【０００８】この「埋込み層法」の主な欠点は、酸化の
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。
【０００９】レーザアレイには、レーザ素子をできるだ
け高密度で配置することが望ましい。しかし、密接配置
された素子は、電気的に接続し、又放熱によって冷却す
ることが困難である。更に、密接配置されたレーザ素子
は電気的、光学的、及び／または熱的に相互作用する傾
向がある。これらの相互作用は「クロストーク」と呼ば
れ、通常望ましくない。
【００１０】個々に見れば、レーザは低パワー出力デバ
イスである。レーザのアレイはパワー出力を増大させ、
光学システム設計を単純化するために用いることができ
る。アレイのレーザ素子の相互の良好な光学的位置合わ
せを提供及び維持し、これに工程伴う組み立て工数を最
小にするために、アレイはレーザ素子が単一のモノリシ
ック半導体構造中にあるように製造されている。
【００１１】もう一つの問題は、アレイの各々のレーザ
素子を独立してアドレス可能にすることである。レーザ
素子がより高密度で互いにより密接に配置されるにつ
れ、別々に、個々にそして独立して各素子に光を放射さ
せることがしだいに困難となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】従って、電気的及び光
学的閉じ込めを与える、正確に画定され制御される酸化
物領域を有するモノリシックで独立してアドレス可能な
レーザアレイを開発する必要がある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は、湿式酸化工程
によって形成される、高密度エッジエミッティングレー
ザアレイ構造を提供する。レーザアレイ構造のｐ型クラ
ッド層Alベースの合金中の、隣接する溝に自然酸化物層
を形成することにより、単一横モード動作を達成する光
学的閉じ込めと、各レーザダイオードを独立してアドレ
ス可能にする電気的分離との両方を実現する。
【００１４】
【発明の実施の形態】図１は、光ウエーブガイド及び電
気的接続部の間の電気的分離を形成するために、上部ク
ラッド層を湿式酸化することによって製造される、本発
明による独立してアドレス可能な高密度半導体レーザ構
造１００を示す。図１で示されるように、ｎ型Al0.5In
0.5P下部クラッド層１０４は、金属有機化学蒸着法（Ｍ
ＯＣＶＤ）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、
２５パーセントから５０パーセント、及び１〜５ｘ１０
18ｃｍ-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１０
２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。
【００１５】これらの層の上部には、ドープされない(A
l0.6Ga0.4)0.5In0.5P 下部閉じ込め層１０６があり、こ
の層はおよそ３０％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、Ga0.4In0.6P 活性層１０８が被着さ
れ、これにより６７０ナノメータ（の波長）での光放射
が生じる。活性層１０８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(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P 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３０パーセントで、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。
【００１６】上部閉じ込め層１１０が形成された後、お
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５０ナノメータの厚
さとおよそ５ｘ１０18ｃｍ-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１１
４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、１ｘ１０19ｃｍ-3のマグネシウムドーピングレ
ベルである。
【００１７】図１に示される半導体構造１００の全ての
半導体層が被着された後、窒化ケイ素ストライプ２０
０、２０２、２０４、及び２０６がホトリソグラフィ法
によって半導体構造体の上面１１８に形成される。４つ
の窒化ケイ素ストライプ２００、２０２、２０４、及び
２０６は幅が４ミクロンで、５０ミクロンの間隔が置か
れ、半導体構造の表面１１８を長さ方向に延びている。
【００１８】図２に示されるように、半導体構造体１０
０は窒化ケイ素ストライプ同士の間の溝２１０を形成す
るために、ストライプ２００、２０２、２０４、及び２
０６間の領域２０８がエッチングされる。溝は、角度の
ついた側壁を有する深いくぼみを形成するリアクティブ
イオンエッチングまたはウエットエッチングのような方
法によって、エッチングされる。溝２１０はGaAsキャッ
プ層１１６、GaInP 層１１４、及び部分的にAl0.5In0.5
P 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る。
【００１９】窒化ケイ素ストライプ２００、２０２、２
０４、及び２０６が表面に残った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２１０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、およそ３００
ナノメータの厚さの自然酸化物層２１２になる。
【００２０】酸化工程中、構造体の他の層は、アルミニ
ウムの含量がより低く、GaInP 及びGaAs接触層の側壁以
外は水蒸気にさらされないので、基本的には酸化されな
いままである。窒化ケイ素ストライプの下の酸化されな
いままのの下のAlInP 層２１４部分は、活性層１０８を
通る電流路を制御する。
【００２１】自然酸化物領域２１２は、レーザ構造体の
電流閉じ込め能力を高める。領域２１２の境界はAlGaIn
P 層上部閉じ込め層１１０によって基板表面に平行な方
向に、及び窒化ケイ素ストライプ２００、２０２、２０
４、並びに２０６、及び窒化ケイ素ストライプの下にあ
るAlInP 層２１４の酸化されない部分によって基板表面
に垂直な方向に、画定される。更に、これらの境界は、
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２１２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２１２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。この場合、横方
向のウエーブガイド同士の間の間隔は密接に置かれ、厳
格に制御される。従って、高度にコンパクトなレーザ構
造体が形成される。
【００２２】酸化工程の後、図３に示されるように、窒
化ケイ素ストライプ２００、２０２、２０４、及び２０
６は除去され、金属コンタクト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１
１６のみを被覆することができる、または図３に示され
るように、電気的に絶縁している自然酸化物層２１２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。
【００２３】図３に示される得られた半導体レーザアレ
イ構造体１００は、４つのレーザ素子３００、３０２、
３０４、及び３０６を有するカッドスポット（４点）レ
ッドレーザである。各レーザ素子は半導体構造体１００
の長さ方向に延在する５００μｍ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。
【００２４】４つのレーザ素子３００、３０２、３０
４、及び３０６は共通の底部すなわちｎ型電極２１８を
共有し、別々の、独立してアドレス可能な、上部つまり
ｐ型電極２１６ａ、２１６ｂ、２１６ｃ、及び２１６ｄ
をそれぞれ有する。各レーザ素子は、レーザ構造体のフ
ロントファセットエッジ（端）を介して光を放射するた
めに、ドープされない(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P 下部閉じ
込め層１０６、Ga0.4In0 .6P 活性層１０８、及びドープ
されない(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P 上部閉じ込め層１１０
を含む。
【００２５】隣接した自然酸化物層２１２同士の間の電
極２１６の下部のAlInP 上部クラッド層２１４の酸化さ
れない部分は、レーザ素子の光放射の実際の屈折率閉じ
込めリッジウエーブガイドを形成する。これは自然酸化
物の屈折率がおよそ1.6 で、AlInP の屈折率が典型的に
は3.0 を超えるからである。横方向ウエーブガイド２１
４は、自然酸化物層２１２により区切られており、放射
される光を光学的に閉じ込める。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。
【００２６】モノリシック半導体構造におけるレーザ素
子の高密度及び素子の近接配置のため、内部ストライプ
レーザ素子３０２及び３０４への電気的接点は、図４で
図示されるように、特別なパターンニングを必要とす
る。
【００２７】外部ストライプ電極２１６a は、コンタク
トパッド３１０に直接接続されている。
【００２８】コンタクトパッド３１２から内部ストライ
プ電極２１６ｂへの電気的相互接続を容易にするため
に、狭い窓３１４が外部ストライプ電極２１６ａを横切
って開けられ、窓領域の露出面も酸化させる。この窓は
電極のように金属で被覆されておらず自然酸化物層２１
２であり、ホトリソグラフマスキング及びエッチング工
程で形成される。窓３１４は、内部ストライプ電極２１
６ｂのための金属相互接続電極３１６が、外部ストライ
プ電極２１６ａを越えて大きなコンタクトパッド３１２
まで達することができるようにする。外部ストライプ電
極２１６ａを越える開口部３１４は幅が１０μｍであ
る。これに対し、この実施例のレーザキャビティは５０
０μｍの長さである。コンタクトパッド３１０及び３１
２は、外部電極２１６ａの外側の、ストライプ電極と同
じ側にある。
【００２９】外部ストライプ電極２１６ａを越える窓開
口部３１４は、その下に位置するレーザ素子３００の放
射動作に影響しない。
【００３０】同様に、このカッドスポットレーザの他方
の外部ストライプ電極２１６ｄは、コンタクトパッド３
１８に直接接続される。他方の内部ストライプ電極２１
６ｃは、コンタクトパッド３２４と接続するために外部
ストライプ電極２１６ｄ中の窓３２２を越えて延びてい
る。コンタクトパッド３１８及び３２４は、外部電極２
１６ｄの外部のストライプ電極と同じ側にある。
【００３１】窓、及び電極ストライプの外側のコンタク
トパッドとの内側ストライプ電極の相互接続電極を使用
することによって、やはり独立してアドレス可能なレー
ザ素子を高密度化することができる。
【００３２】本発明のカッドスポットレッドレーザは優
れた性能を示す。４つのレーザ素子の全てが、均一なし
きい値電流（およそ１７ｍＡ）及び微分量子効率（＞４
０パーセント／ファセット）を有する。ストライプレー
ザ素子同士の間の波長差は１０Ａより小さく、高い均一
性を表す。ファーフィールド測定は、レーザ素子が単一
の横モードで動作することを示す。
【００３３】Al０x の自然酸化物層は良好な熱放散を与
える。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、ダイオード間
の熱クロストークは小さいと予想される。
【００３４】本発明の５０μｍ横方向間隔のデュアルス
ポット（２点）レッドレーザは５ｍＷ/ 各パワーレベル
で1.2 ％、及び１０ｍＷ／各パワーレベルで１％のクロ
ストークを示した。自然酸化物層は、モノリシック構造
内の高密度にもかかわらず、個々のレーザ素子を熱的に
隔離する役割を果たす。
【００３５】熱クロストークは、レッド自然酸化物閉じ
込めカッドスポットレーザの２５μｍ分離でわずか1.3
％であり、０（しきい値のちょうど下）から１０ｍＷの
変調レベルでのデュアルレッド自然酸化物閉じ込めレー
ザの１５μｍ分離では1.5 ％であった。このクロストー
クは、５０μｍ分離でさえ通常およそ４％から５％であ
るエッチング及び再成長により形成されたデュアルスポ
ット埋め込みリッジレッドレーザと比較してずっと低
い。
【００３６】モノリシックレーザアレイの製造に湿式酸
化法を用いる利点はいくつかある。第一に、湿式酸化は
埋め込みリッジデバイスを画定するのに用いるエッチン
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うることができる。第二に、
内部ストライプに電気的接続をするのが容易であり、こ
のことによって電気的分離に必要なイオン注入法を省略
することができる。第三に、ヘキサスポット（６点）及
びオクタスポット（８点）レーザのような、カッドスポ
ットレーザ以上のデバイスレイアウトを設計することが
可能である。
【００３７】マルチスポットレーザには、Alx Ga1-x As
合金が通常クラッド層として用いられる。Alx Ga1-x As
（ｘ＞0.6 ）は５００℃以下の温度で容易にAl０x 自然
酸化物に変換できるので、この手法はＩＲレーザにも適
用できるはずである。
【００３８】自然酸化物屈折率ガイドInGaP-(Al x Ga
1-x )0.5n0.5p 量子井戸可視レーザは、エッチング及び
再成長によって製造される従来の埋め込みリッジ可視レ
ーザと比較して、より低いしきい電流及びより高い量子
効率を有する改良された動作特性を示す。本発明のカッ
ドスポットレッドレーザのしきい電流は１８ｍＡであ
り、微分量子効率は、パルス動作下では６６％を超え、
ＣＷ動作下では６２％を超える。比較すれば、同じ構造
体からのエッチング及び再成長によって製造される埋め
込みリッジウエーブガイドレーザは、３０ｍＡを超える
典型的なしきい電流及び４０％の微分量子効率を示す。
本発明の酸化物閉じ込めウエーブガイドレーザのより低
いしきい値は、より低いレーザキャビティー損失を示
す。
【００３９】
【発明の効果】前記の構成、ドーパント、ドーピングレ
ベル、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の、エッジエミッティングレーザアレイ
構造体の半導体層の断面図である。
【図２】エッチング及び湿式酸化後の、本発明のエッジ
エミッティングレーザアレイ構造体の半導体層の断面図
である。
【図３】本発明の、カッドスポットエッジエミッティン
グレーザアレイ（４点赤色レーザアレイ）構造体の断面
図である。
【図４】本発明のエッジエミッティングレーザアレイ
の、独立してアドレス可能な４つのレーザ素子の電極パ
ターンの平面図である。
【符号の説明】
１０0 半導体レーザ構造 １０２ 基板 １０８ 活性層 ２１０ 溝 ２１２ 自然酸化物層 ２１４ ウエーブガイド

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 エッジエミッティングレーザのアレイ
    で、前記エッジエミッティングレーザの各々が、 基板と、 前記基板上に形成される複数の半導体層と、 活性領域を形成する前記複数の半導体層の一つ又は一つ
    以上と、 前記活性領域上の半導体層から形成されるウエーブガイ
    ドであって、前記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、
    前記溝が前記複数の半導体層中に形成され半導体から形
    成される前記ウエーブガイドの側面まで下方に延在する
    ウエーブガイドと、 前記アレイ中の隣接するエッジエミッティングレーザに
    電気的分離も与える前記自然酸化物層と、 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、 エッジエミッティングレーザのアレイ。
  2. 【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に記載のエ
    ッジエミッティングレーザのアレイ。
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