JP2000323789A

JP2000323789A - 窓型半導体レーザおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2000323789A
Application number: JP11130663A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Fukaya; 一夫深谷
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-05-11
Filing date: 1999-05-11
Publication date: 2000-11-24
Also published as: US6385225B1

Abstract

(57)【要約】【課題】窓領域・活性領域間の横モード結合損失および
窓領域・活性領域接合部の散乱損失が極めて低く抑えら
れた窓型半導体レーザを実現することを目的とする。【解決手段】活性層（３）とクラッド層（２，７）並び
にコンタクト層１１等で構成され、共振器両端の活性層
（３）が途切れた段差に、クラッド層（２，７）よりも
低屈折率で、かつ高抵抗な埋め込み窓層（５）が埋め込
まれている窓型半導体レーザにおいて、活性層（３）の
残る段差の上底面と埋め込み窓層５の表面が０．１μｍ
以下の精度で同一平面をなしており、その上部に電流ブ
ロック層（９，１０）により横モード制御構造が形成さ
れていることを特徴とする。また、埋め込み窓層（５）
を埋め込む工程において、塩酸添加の有機金属気相成長
法を用い、塩酸／III族比を調整して段差斜面の横方向
にのみ選択的に結晶成長させる手法を用いることを特徴
とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ及び
その製造方法に関し、特に端面における光学的摩耗劣化
の起こりにくい埋め込み窓構造を有する半導体レーザお
よびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、インターネットの急速な普及やそ
こでやり取りされる音声・映像メディアの高品質化は目
覚しいものがあるが、これらのスムーズな進歩をささえ
るのは、光ファイバ増幅・波長分割多重方式などによる
光伝送の大容量化技術である。光ファイバ増幅技術にお
いては、励起光源として、低消費電力・低雑音な増幅が
可能という利点を有する１μｍ帯の発振波長をもつ半導
体レーザが用いられており、波長分割多重技術を組み合
わせて伝送容量の拡大を図る場合、その倍率に比例して
励起光源の高出力化が要求される。

【０００３】ところで、０．６μm帯〜１μm帯の半導体
レーザは、活性領域の端面部における光摩耗型の結晶劣
化によって動作不良を起こすことが知られ、これが高出
力化を阻む最大の原因となっている。これは、発振光が
端面部の表面準位に吸収されて発熱し、発熱によって端
面近傍の半導体のバンドギャップが小さくなって発振光
を吸収することによりさらに端面の発熱が加速して、端
面近傍の結晶が劣化するというものである。この問題を
解消するために、活性層を含む活性領域を活性層にとっ
て透明、つまり活性層よりバンドギャップの大きい埋め
込み層で素子内部に埋め込み、活性領域の端面に窓領域
を形成した窓型半導体レーザが提案されている。

【０００４】代表的な埋め込み窓構造を有する窓型半導
体レーザは、その製造方法において半導体基板上に一様
に形成されたダブルヘテロ構造に、窓部に相当する部位
が途切れたストライプ状のメサを形成し、そのメサの周
囲を、発振光に対して透明な組成でかつ電流阻止できる
ような電気的特性を有する半導体層によって選択的に埋
め込む工程を含むものであった。

【０００５】しかし、この様にストライプ状メサの周囲
を一括して埋め込むタイプの窓型半導体レーザには、窓
部において、垂直方向、水平方向とも導波機構を持たな
いため、共振器の内部活性領域から埋め込み界面を出射
した発振光が共振器端面で反射して窓部を往復する間
に、そのビーム形状が大きく変化し、再び内部活性領域
に結合する際の損失（窓部復路結合損失）が大きいとい
う問題がある。この窓部復路結合損失の増大は外部微分
量子効率を下げる結果を招くことになり、また、埋め込
み界面は共振器長方向に完全に垂直ではないために、埋
め込み界面を発振光が通過する前後で出射方向が屈曲す
るという問題（出射ビームの屈曲）がある。この問題は
共振器から外部への出射方向が共振器方向から垂直方向
に傾斜するという好ましくない結果を招くことになる。
そこで、窓部を設けることによって生じる窓部結合損失
と出射ビームの屈曲が効果的に抑制された埋め込み窓型
半導体レーザが求められている。

【０００６】以上の要求から考案された埋め込み型半導
体レーザの従来例として、公開特許公報平３−１４２８
１「窓付自己整合型半導体レーザ及びその製造方法」に
記載の構造概略図を図３に示す。

【０００７】図３のレーザ構造は、次のように製造す
る。まず、ｎ型ＧａＡｓ基板３１上にＭＯＶＰＥ技術に
より、ｎ型Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓクラッド層３２を、次に活
性層３３、p型Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓクラッド層３４、最後
にｐ型ＧａＡｓキャップ層３５を、順次連続成長する。
次に、活性領域のみレジストで覆い、ウェットエッチン
グで窓部を活性層直下まで除去する。そしてレジストを
除去し、全面にp型Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ光ガイド層３８、
ｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ電流ブロック層３９、ｎ型ＧａＡ
ｓ電流ブロック層４０を連続成長して活性領域を埋め込
む。そこで、今度は、窓領域のみレジストで覆い、ウェ
ットエッチングで活性領域をｐ⁺型ＧａＡｓキャップ層
３５内まで除去し、窓領域と活性領域を平坦化する。次
に、ウェハ表面にストライプ状ＳｉＯ_２膜５１をマスク
に用いてウェットエッチングで、p型Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ
クラッド層３４をメサストライプメサ両サイドで０．３
μm〜０．４μm厚残す。さらに、ＳｉＯ_２膜５１を付け
たままで再成長を行い、ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層４
１を選択的に成長し、メサストライプ両サイドを埋め込
む。最後に、活性領域のＳｉＯ_２ストライプ膜のみ除去
した後、p型電極３６をウェハ表面に形成し、裏面にｎ
型電極３７を形成する。さらに、窓領域の中央で劈開し
て、図３の窓型半導体レーザは製造される。

【０００８】このような窓型半導体レーザでは、窓領域
において、垂直方向には、光閉じ込め層であるp型Ａｌ_z
Ｇａ_1-zＡｓ光ガイド層３８が設けられており、水平方
向には、活性領域と同様にメサ両サイドのｎ型電流ブロ
ック層４１によってモード制御構造をなす。活性領域か
ら窓領域に結合した発振横モードは、垂直・水平方向と
もに導波機構を有する窓領域を往復するので、再び活性
領域に結合する際のビーム形状の変化が少なくてすみ、
窓部復路結合損失を小さくすることができる。また、発
振光は窓部で導波されており、劈開端面を垂直に通過す
るので、出射ビームの屈曲は起こらない。

【０００９】その他の従来技術を概略的にのべることに
する。

【００１０】特開昭５６―８８９０号公報は、端面埋め
込み型半導体レーザに関し、活性層を挟む活性層よりも
禁制帯幅の広い一対のエピタキシャル層のうち半導体基
体に近い側のエピタキシャル層上に活性層端面のうち共
振器反射面に平行な方の一対を覆うように厚い一対のエ
ピ層を設け、屈折率を大きくして光導波機構をもたせ、
レーザ光に対し透明としたものである。しかし、これで
は格子欠陥が発生することが多く、電極や反射面の熱劣
化を生ずるという欠点があった。

【００１１】又、特開昭６４―４２８８４号公報は、ヘ
テロ接合型半導体レーザ素子であって、活性層と窓層と
もに浅いメサエッチングにより幅方向寸法が精度よく得
られ、レーザ横モード発振が安定であるが、窓層におけ
る回折損により、しきい値電流が増大したり、光学的損
傷を招く場合が多いという欠点を有している。

【００１２】特開平５―６７８３７号公報は、半導体基
板上に活性層をクラッド層で挟んだダブルヘテロ構造が
形成され、活性層を含む活性領域が活性層よりも禁制帯
幅の大きい埋め込み層により素子内部に埋め込まれ、こ
の埋め込み層が活性領域の両端面に位置する窓部を構成
している窓型半導体レーザ素子であって、この窓部が禁
制帯幅の異なる複数の半導体層からなる導波路構造を有
するものである。このような構造では、第１に、活性領
域の内部導波路と窓部導波路との光強度分布を空間的に
精度良く一致させることが困難であるので、互いの結合
効率を十分に大きくすることができず、遠視野像の歪み
が発生する。第２に、内部導波路と窓部導波路とをずら
して配置する必要がある場合には導波路損失や波面歪曲
による遠視野像の歪みが起こる。さらに、垂直・水平の
両方向において、非点隔差が発生するという欠点があっ
た。

【００１３】さらに、特開平６―１１２５８８号公報
は、基板上に、第１クラッド層、光導波路層および量子
井戸活性層を順次介してメサ状第２クラッド層を設けこ
の第２クラッド層を電流ブロック層で埋め込んだ光半導
体素子において、このようなものはストライプ方向の反
射率は著しく減少するが、ファブリ・ペロー型モードを
完全に抑制できないし、又端面での発振光の吸収を防ぐ
こともできなかった。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
した従来技術の欠点を改良するものである。即ち、上記
のような、窓部に導波構造をもつ窓型半導体レーザの構
造において重要なことは、活性領域の導波モードが窓部
の導波路に結合する際の損失を小さくすることである。
そのため、図３の窓型半導体レーザの構造においては、
窓領域の垂直光閉じ込め層であるp型Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ
光ガイド層３８を配置する位置を、精度よく活性層３３
の位置に合わせなければならない。実際のレーザウェハ
の層厚分布やエッチング深さの面内ばらつきを考慮する
と、時間制御でおよそ２μmのエッチングをおこなってp
型Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ光ガイド層３８と活性層３３の相対
位置を制御することはきわめて困難である。

【００１５】この課題について、上記の従来例（特開平
３―１４２８１号公報）はその詳細において触れていな
いが、エッチングストップ層を挿入することにより比較
的に容易に解決できるものである。しかしながら、この
問題を克服できたとしても、エッチング時に窓領域と活
性領域の間に形成された段差の斜面上に残るp型Ａｌ_zＧ
ａ_1-zＡｓ光ガイド層３８による散乱損失のために、垂
直横モードの結合効率を高くするのは難しいという第１
の問題（窓領域・活性領域接合部における垂直横モード
の散乱損失の問題）がある。

【００１６】また、窓領域の水平閉じ込め構造を決定す
るパラメータである、窓領域におけるメサ底部の位置
を、精度よく制御しなければならない。この要件が満た
されるかどうかは、窓部領域をレジストで覆い、ウェッ
トエッチングで活性領域をｐ型ＧａＡｓキャップ層５内
まで除去し、窓領域と活性領域を平坦化する工程の制御
性に左右される。すなわち、平坦化工程後に残る窓領域
と活性領域間の段差の分布は、ストライプメサ形成後に
も窓領域におけるメサ底部と活性領域のメサ底部の相対
的位置関係の分布をもたらし、それが発振光の水平横モ
ードの窓領域・活性領域間の結合効率に分布が生じる原
因となる。

【００１７】実際の分布の大きさを以下に検討する。全
面にp型Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ光ガイド層３８、ｎ型Ａｌ_xＧ
ａ_1-xＡｓ電流ブロック層３９、ｎ型ＧａＡｓ電流ブロ
ック層４０を連続成長した後の、窓領域と活性領域間の
段差のウェハ内分布は、成長層厚の面内分布程度かそれ
以上となるので、時間制御で平坦化のウェットエッチン
グを行った後に窓領域と活性領域の間に残る段差の分布
は、成長層厚の分布にウェットエッチング深さの面内分
布が加わったものとなる。

【００１８】仮に平坦化においてストップエッチングを
用いることにより、ウェットエッチング深さの分布が無
視できたとしても、成長層厚分の分布は残ってしまう。
この平坦化工程で残る窓領域間・窓領域間の段差のウェ
ハ面内分布が、活性領域・窓領域間の水平横モード結合
効率のばらつきを生じさせ、高い結合効率が得られる歩
留まりを低下させるという第２の問題（窓領域・活性領
域間水平横モード結合効率のばらつきの問題）を引き起
こすことになる。

【００１９】また、何らかの制御法によって窓領域と活
性領域の高さをあわせることが可能であったとしても、
両者の接続部付近には、どうしても凹凸構造が残ってし
まう。この凹凸構造は、メサストライプをエッチングに
より形成した後に接続部付近のメサ底部の凹凸をもたら
す。また、凹凸構造上に塗布されたレジスト膜厚の乱れ
のために、ＳｉＯ_２膜５１のストライプパターン形成時
に、接合部付近のパターン幅に乱れが生じ、メサ底部幅
の乱れをもたらす。この窓領域・活性領域接合部のメサ
底部の凹凸および幅の乱れによって、水平横モードの受
ける散乱損失が大きいという第3の問題（窓領域・活性
領域接合部の水平横モード散乱損失の問題）がある。

【００２０】本発明はこのような問題に鑑みてなされた
ものであって、ＭＯＶＰＥ技術において、極めて平坦性
の高い段差埋め込みを行うことが可能な新規な手法を用
いて、窓領域・活性領域間の横モード結合損失および窓
領域・活性領域接合部の散乱損失が極めて低く抑えられ
た窓型半導体レーザを実現することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記した目的を
達成するために、以下に記載されたような技術構成を採
用するものである。すなわち、本発明に係る第１の態様
としては、少なくとも第１クラッド層、活性層、第２ク
ラッド層、および第３クラッド層が、この順に積層され
た構造を具備し、共振器両端部において、上記第２クラ
ッド層、活性層、および第１クラッド層の途中までが除
去された段差低部に、発振光に対して透明で、かつ電気
的に高抵抗な半導体よりなる高抵抗埋め込み窓層が埋め
込まれている窓型半導体レーザにおいて、上記共振器両
端部の埋め込み窓層の上面と共振器内部における第２ク
ラッド層の上面とが０．１μｍ以下の精度で同一平面を
為していることを特徴とする窓型半導体レーザが提供さ
れる請求項１の上記の特徴から、窓領域の垂直方向の構
造と活性領域の垂直方向の構造との接合が滑らかな為、
共振器・窓接合部における垂直横モードの散乱損失が少
ないという効果が得られる。

【００２２】本発明に係る第２の態様としては、請求項
２の記載により請求項１の効果「垂直横モードの接合部
散乱損失がすくない」ことに加えて、共振器内部の垂直
横モードが、窓部の垂直横モードと一致することによ
り、「共振器内部・窓部間の垂直横モードの結合損失が
すくない」という効果が得られる。

【００２３】本発明に係る第３の態様としては、請求項
３の記載により、前記第３のクラッド層内に、水平横モ
ード制御構造を有する事から、０．１μｍの精度で平坦
に窓部が埋め込まれた構造の上部構造に窓部、共振器内
部ともに共通の第３クラッドを有し、そのなかに水平横
モード制御構造が形成されているので、窓部・共振器接
合部に導波路の乱れが全くない。そのため、「共振器・
窓接合部における水平横モードの散乱損失が少ない」と
いう効果が得られる。

【００２４】本発明に係る第４の態様として、請求項４
の記載により、請求項２において、第３のクラッド層内
に水平横モード制御構造をゆうする事から、請求項２と
３の要件が共存することにより窓部の水平横モードのス
ポットサイズと共振器内部の水平横モードのスポットサ
イズが一致する。そのため、「共振器内部・窓部間の水
平横モードの結合損失が少ない」という効果が得られ
る。

【００２５】本発明に係る第５の態様として、請求項５
の記載により、精度のよい平坦化埋め込みを行うために
必要な基板の面方位に関する限定が得られる。

【００２６】本発明に係る第６の態様として、請求項６
の記載により、共振器内部発熱分布は、前端面側で大き
いことから前端面側の埋め込み窓層を長くとることによ
り埋め込み界面近傍で発生した熱を窓層を介して効率よ
く放散させることが望ましい。結合効率の低い窓では、
窓長を長くできないが、本発明では、結合効率の高い窓
が得られるので、窓長を長くすることが出来る。

【００２７】本発明に係る第７の態様として、請求項７
の記載により、次のごとく発明の作用が与えられる。即
ち、本発明の窓型半導体レーザの構造によれば、窓領域
の垂直光閉じ込め層である埋め込み窓層と活性領域の垂
直光閉じ込め構造との相対位置関係がウェハ面内でまっ
たく分布をもたないので、活性領域・窓領域間の垂直横
モードの結合損失の分布は、埋め込み窓層厚分を形成す
るときのエッチング深さ分布に起因するもののみとな
り、極めて小さくすることができる。

【００２８】また、垂直横モードの散乱体となる活性領
域と窓領域の接合部の斜面は、その長さが埋め込み窓層
の厚さ程度に押さえられるため、それがもたらす垂直横
モードの散乱損失は埋め込み窓構造としては最小とな
る。さらに、活性領域・窓領域ともに同一の断面構造を
もつ水平横モード制御構造が形成されているので、活性
領域・窓領域間の水平横モードの結合損失も極めて小さ
くすることができる。

【００２９】また、本発明の窓型半導体レーザの製造方
法によれば、段差形成の後にその用いたマスクを完全に
除去することにより段差上底部、下底部ともに半導体を
表出させた後、有機金属気相成長装置において、段差下
底部と段差上底部の面積比および段差上底部の幅に応じ
てIII族原料供給量に対する塩酸または塩素を含むガス
の供給量のモル比を調整して塩酸または塩素を含むガス
を添加しながら成長を行うことにより、埋め込み窓層を
段差下底部の上部のみに選択的に成長するという手法を
用いている。

【００３０】この手法によると、供給された半導体の原
料は、（１００）面近傍の結晶表面におけるマイグレー
ション距離が極めて長くなるために、（１００）面近傍
である段差上底部にはほとんどとりこまれず、その代わ
りに段差斜面のみにとりこまれる。この手法を用いれ
ば、段差下低部を横方向から埋め込んでいくことによ
り、段差上底部を露出させたまま段差下部を完全に平坦
に埋めこむことができる。

【００３１】その結果、本発明の窓型半導体レーザ構造
の特徴である、埋め込み窓層の上面が、凹凸のない平滑
な面をなし、かつ段差上底部がなす平面との高低差が
０．１μm以内である構造を実現できる。しかも、塩酸
または塩素を含むガスの添加の効果により、埋め込み窓
層の電気的特性を高抵抗にすることができる。

【００３２】

【実施例】以下に、本発明に係る窓型半導体レーザおよ
びその製造方法に関し、図２（ａ）〜（ｇ）を参照し
て、詳細に説明する。

【００３３】本実施例では、III−V族半導体の結晶成長
を行うのに有機金属気相成長技術（ＭＯＶＰＥ技術）を
用い、Ｇａの供給源としては、ＴＭＧ（トリメチルガリ
ウム）、Ａｌの供給源としてはＴＭＡ（トリメチルアル
ミニウム）、Ｉｎの供給源としてはＴＭＩ（トリメチル
インジウム）、Ａｓの供給源としてはＡｓＨ_３（アルシ
ン）、ｎ型ドーパントのＳｉの供給源としてはＳｉＨ_４
（シラン）、ｐ型ドーパントのＭｇの供給源としてはＣ
ｐ_２Ｍｇ（シクロペンタディエニルマグネシウム）を、
ＭＯＶＰＥ装置の反応管に導入する。

【００３４】まず、図２（ａ）に示すように、（１０
０）面から［１−１１］方向に０．５°傾斜したｎ型Ｇ
ａＡｓ基板１（Ｓｉドープ、不純物濃度１×１０^１８ｃ
ｍ^−３）上に、Ｓｉ濃度１×１０^１７／ｃｍ^３のｎ型Ａ
ｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓクラッド層２を２μmの厚さに
成長温度７６０℃で、アンドープのＩｎＧａＡｓ多重量
子井戸ＳＣＨ活性層３（これは、Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９
Ａｓ層6０ｎｍ／ＧａＡｓ層５ｎｍ／Ｉｎ_０．２４Ｇａ
_０．７６Ａｓ層４ｎｍ／ＧａＡｓ層５ｎｍ／Ｉｎ
_０．２４Ｇａ_０．７６Ａｓ層４ｎｍ／ＧａＡｓ層５ｎｍ
／Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層６０ｎｍが順次積層した
多層構造である）を成長温度６１０℃で、Ｍｇ濃度２×
１０^１８／ｃｍ^３の下部ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ
クラッド層４を０．２μｍの厚さに成長温度６１０℃
で、順次成長する。

【００３５】続いて、図２（ｂ）に示すように、図２
（ａ）の半導体表面にレジストパターン２０を被覆した
領域以外の領域のみにエピ結晶表面をだし、リン酸系エ
ッチング液（Ｈ_３ＰＯ_４＋Ｈ_２Ｏ_２＋５Ｈ_２Ｏ、２０
℃）で、一定時間エッチングすることにより、活性層３
を除去し、深さ０．５μmの段差構造を形成する。

【００３６】段差パターンの具体的な配置は、幅１０μ
mの狭幅ストライプ状段差下底部２１が２０μｍ隔てた
対をなして形成されており、その外側に１０μｍ隔てた
広幅２０μｍのストライプ状段差下底部２２が連続して
形成されており（図中には２本のみ示されているが、実
際にはその外側にも存在する）、さらに、２本のストラ
イプ状段差下底部２１の間に、幅１０μｍの窓領域段差
下底部２３がストライプの長手方向に９００μmピッチ
で形成されている。

【００３７】次に、レジストパターン２０を除去し、段
差構造の上底部・下底部ともに半導体表面を露出させた
後、ウェハをＭＯＶＰＥ装置の反応管内に導入し、図２
（ｃ）に示すように、Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ埋め込
み窓層５を成長温度７００℃で成長する。このＡｌ
_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ埋め込み窓層５の成長は、反応管
に塩酸ガスを導入しながら成長を行い、III族元素の供
給量に対する塩酸ガスの供給量のモル比（塩酸／III族
比）を２に設定する。塩酸／III族比が１を超えると、
（１００）面近傍の面方位をもつ結晶表面でのIII族原
料のマイグレーション距離が極めて長くなり、（１０
０）面の両側に段差斜面が存在するとき、（１００）近
傍の面よりも原料がとりこまれやすい段差の斜面に選択
的に結晶成長がすすむことになり、段差の上底部には埋
め込み窓層５は成長しない。また、埋め込み窓層５の成
長層厚は、エッチング段差０．５μｍの半分の０．２５
μmに設定する。

【００３８】これにより、狭幅ストライプ段差下底部２
１近傍と窓領域ストライプ段差下底部２３近傍において
は、段差下底部の面積の占める割合（下底部面積／上底
部面積＋下底部面積）が０．５以下であるため、０．２
５μm層厚相当の成長がすすむ間に深さ０．５μmの段差
が完全に埋め込まれる。

【００３９】一方、広幅ストライプ段差下底部２２近傍
においては、段差下底部の面積の占める割合が０．５以
上であるために、０．２５μm層厚相当の成長がすすむ
間に深さ０．５μmの段差は完全には埋め込まれず、わ
ずかに溝が残る構造が形成される。狭幅ストライプ段差
下底部近傍は、埋め込み窓層５の成長の途中で、段差が
完全に埋め込まれて（１００）面近傍の平坦面形成され
るが、それ以降に供給された原料は、十分に長いマイグ
レーション距離をもつことにより、広幅ストライプ段差
下底部２２の配置される領域まで達してまだ完全に埋め
込まれていない段差斜面に取り込まれる。以上のメカニ
ズムにより、図２（ｃ）に示される埋め込み構造が得ら
れる。

【００４０】さらに、図２（ｄ）に示すように、引き続
きＭＯＶＰＥ装置内において、成長温度を７００℃に保
ったまま、Ｍｇ濃度２×１０^１８／ｃｍ^３のｐ型Ａｌ
_０．３Ｇａ_０．７Ａｓエッチングストップ層６を０．１
μmの厚さに、Ｍｇ濃度２×１０^１８／ｃｍ^３の上部ｐ
型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓクラッド層７を２μmの厚
さに、Ｍｇ濃度５×１０^１８／ｃｍ^３のｐ型ＧａＡｓキ
ャップ層８を１μmの厚さに成長する。

【００４１】次に、図２（ｅ）に示すように、ウェハ表
面にＳｉＯ_２膜２４を形成し、２本の狭幅ストライプ段
差下底部２２の間に幅３μmのストライプ状のレジスト
パターンを形成し、バッファードフッ酸を用いてＳｉＯ
_２膜をエッチングすることにより、ストライプパターン
をＳｉＯ_２膜２４に転写する。次いで、反応性イオンビ
ームエッチング技術を用いた気相エッチングにより、ス
トライプ状のメサを形成する。気相エッチングは、上部
ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓクラッド層７の途中まで
の深さでおこない、次いでレジストを除去した後、クエ
ン酸系エッチング液を用いて、追加エッチングを行う。
このクエン酸エッチング液は、Ａｌ組成０．２の層をエ
ッチングするがＡｌ組成０．３の層のエッチングがしづ
らくなるようにエッチングレートのＡｌ組成選択性が調
節されている。追加エッチング時間は、エッチング表面
が、ｐ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓエッチングストップ
層６に達し、かつメサ底部幅が３μmになるように調整
する。以上の工程により、図２（ｅ）に示すメサストラ
イプが形成される。

【００４２】次いで、図２（ｆ）に示すように、ストラ
イプ状パターンのＳｉＯ_２膜２４を付けたままで、塩酸
／III族比を０．２にして成長温度７００℃で再成長を
行い、Ｓｉ濃度３×１０^１８／ｃｍ^３のｎ型Ａｌ_０．４
Ｇａ_０．５Ａｓ電流ブロック層９、Ｓｉ濃度１×１０
^１９／ｃｍ^３のｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層１０を選択
的に成長し、メサストライプの両サイドを埋め込む。

【００４３】最後に、図２（ｇ）に示すように、ストラ
イプ状パターンのＳｉＯ２膜２４を除去した後、成長温
度６５０℃でＭｇ濃度１×１０^１９／ｃｍ^３のｐ型Ｇａ
Ａｓコンタクト層１１を成長し、さらに、ｐ側電極１２
をウェハ表面に形成し、裏面にｎ側電極１３を形成す
る。さらに、窓領域段差下底部２３の中央からずれた位
置で劈開し、窓領域長５μm、活性領域長８９０μm、全
長９００μmの本発明の窓型半導体レーザは完成する。
但し、窓領域長が長い方の端面を前面とする。

【００４４】次に、本発明にかかる窓型半導体レーザの
動作の特徴について、図１を用いて説明する。図１の構
造を有する半導体レーザの電極間に順方向のバイアス電
圧を印加すると、ｐ側電極１２より注入されたホール
（電子空孔）は、メサストライプの両サイドに設けられ
たｎ型Ａｌ_０．４Ｇａ_０．５Ａｓ電流ブロック層９とｎ
型ＧａＡｓ電流ブロック層１０への注入が阻止されるた
め、ほぼ全数がメサストライプのｐ型ＧａＡｓキャップ
層８と上部ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓクラッド層７
と、その直下のｐ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓエッチン
グストップ層６、下部ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓク
ラッド層４を流れて、メサストライプ直下の活性層３に
注入される（活性領域）。メサストライプ直下の一部で
ある窓領域およびメサストライプから少し離れた位置に
Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ埋め込み窓層５が埋め込まれ
た領域は、この層が電気的に高抵抗であるためにホール
はほとんど注入されない。

【００４５】一方、ｎ側電極１３から注入された電子
は、ｎ型ＧａＡｓ基板１、ｎ型Ａｌ_０ _．２Ｇａ_０．８Ａ
ｓクラッド層２を流れて、Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ埋
め込み窓層５が埋め込まれた領域以外の領域の活性層３
に注入される。その結果、ホール・電子ともに高濃度に
注入されるのはストライプ直下すなわち、導波路直下の
活性領域に限定され、窓領域は電流非注入領域となる。

【００４６】さて、活性領域でキャリアの再結合で発振
した光は、活性領域と窓領域の接合部を通過し、低い結
合損失で埋め込み窓層５にスムーズに結合されて窓領域
を導波し、端面で反射された後再び窓領域を導波し、さ
らに再び低い結合損失で活性領域の導波路に結合する。

【００４７】このように、窓領域への高効率結合と端面
による反射を通じて帰還をくり返し、増幅発振する。埋
め込み窓層の屈折率は、発振光の垂直横モードの形状
が、活性領域と窓領域でほぼ一致するように設定されて
いて、しかもキャリア非注入なのでキャリア注入による
屈折率低下はなく、活性領域と窓領域の間で、安定で高
効率な垂直横モードの結合が得られる利点を有する。

【００４８】また、発振光の水平横モードの制御は、活
性領域・窓領域ともに、メサストライプがｎ型Ａｌ
_０．４Ｇａ_０．５Ａｓ電流ブロック層９、ｎ型ＧａＡｓ
電流ブロック層１０に埋め込まれた、同一断面構造をも
つ導波路構造によって行われるため、活性領域・窓領域
間でほとんど損失のない水平横モードの結合が得られる
利点を有する。

【００４９】なお、上記実施例では、ＡｌＧａＡｓ／Ｇ
ａＡｓ系の半導体レーザ素子について説明したが、Ｉｎ
ＧａＡｓＰ／ＧａＡｓ系の半導体レーザ素子やＡｌＧａ
ＩｎＰ／ＧａＡｓ系の半導体レーザ素子にも適用するこ
とができる。

【００５０】

【発明の効果】本発明において、極めて平坦性の高い段
差埋め込みを行うことが可能な新規な手法を用いること
により、窓領域の垂直光閉じ込め層である埋め込み窓層
と活性領域の垂直光閉じ込め構造との相対位置関係がウ
ェハ面内で均一に制御され、また、活性領域と窓領域の
接合部の斜面の長さが埋め込み窓層の厚さ程度に押さえ
られるため、窓領域・活性領域間の垂直横モードの結合
損失および散乱損失は最小限に低く抑えられ、さらに、
活性領域・窓領域ともに同一の断面構造をもつ水平横モ
ード制御構造が形成されているので、活性領域・窓領域
間の水平横モードの結合損失も極めて小さい、という利
点を有する。

【００５１】したがって、本発明によれば、水平横モー
ド制御された高効率の光通信用高出力レーザとして応用
され得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の実施例である窓型半導体レー
ザの断面構造の概略を示す斜視図である。

【図２】図２（ａ）−（ｇ）は、本発明の実施例である
窓型半導体レーザの製造工程概略図である。

【図３】図３は、従来の窓型半導体レーザの断面構造の
概略を示す斜視図である。

【符号の説明】

１…ｎ型ＧａＡｓ基板２…ｎ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓクラッド層３…活性層４…下部ｐ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓクラッド層５…高抵抗Ａｌ_ｗＧａ_１−ｗＡｓ埋め込み窓層（ｗ＜
ｙ）６…ｐ型Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓエッチングストップ層
（ｚ＞ｙ）７…上部ｐ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓクラッド層８…ｐ型ＧａＡｓキャップ層９…ｎ型Ａｌ_ｂＧａ_１−ｂＡｓ電流ブロック層（ｂ＞
ｙ）１０…ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層１１…ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１２…ｐ側電極１３…ｎ側電極２０…レジスト２１…狭幅ストライプ段差下底部２２…広幅ストライプ段差下底部２３…窓領域段差下底部２４…ＳｉＯ_２膜３１…ｎ型ＧａＡｓ基板３２…ｎ型Ａｌ_ｙ´Ｇａ_１−ｙ´Ａｓクラッド層３３…活性層３４…ｐ型Ａｌ_ｙ´Ｇａ_１−ｙ´Ａｓクラッド層３５…ｐ型ＧａＡｓキャップ層３６…ｐ側電極３７…ｎ側電極３８…ｐ型Ａｌ_ｚ´Ｇａ_１−ｚ´Ａｓ（ｚ´＜ｙ´）光
ガイド層３９…ｎ型Ａｌ_ｘ´Ｇａ_１−ｘ´Ａｓ（ｘ´＞ｙ´）電
流ブロック層４０、４１…ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層５１…ＳｉＯ_２膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも第１クラッド層、活性層、第
２クラッド層、および第３クラッド層が、この順に積層
された構造を具備し、共振器両端部において、上記第２
クラッド層、活性層、および第１クラッド層の途中まで
が除去された段差底部に、発振光に対して透明で、かつ
電気的に高抵抗な半導体よりなる高抵抗埋め込み窓層が
埋め込まれている窓型半導体レーザにおいて、上記共振
器両端部の埋め込み窓層の上面と共振器内部における第
２クラッド層の上面とが０．１μｍ以下の精度で同一平
面を為していることを特徴とする窓型半導体レーザ。
【請求項２】前記埋め込み窓層の屈折率が、窓部の垂
直横モードのスポットサイズと共振器内部のスポットサ
イズが一致するように設定されている、請求項１記載の
窓型半導体レーザ。
【請求項３】前記第３のクラッド層内に、水平横モー
ド制御構造を有する請求項１記載の窓型半導体レーザ。
【請求項４】前記第３のクラッド層内に、水平横モー
ド制御構造を有する、請求項２記載の窓型半導体レー
ザ。
【請求項５】前記第１クラッド層、活性層、第２クラ
ッド層および第３クラッド層が（１００）近傍の面方位
を持つIII―V族半導体基板上に順次エピタキシャルに形
成されてウェハを形成する、請求項１記載の窓型半導体
レーザ。
【請求項６】前記共振器両端が窓層で埋め込まれてな
り、前端面に低反射率コーティングが、また後端面に高
反射率コーティングがほどこされている窓型半導体レー
ザにおいて、前端面側の埋め込み窓層の長さが後端面の
埋め込み窓層の長さよりも長い、請求項１記載の窓型半
導体レーザ。
【請求項７】 III−V族半導体の結晶成長を行うのに有
機金属気相成長技術（ＭＯＶＰＥ）を用い、Ｇａ，Ａ
ｌ，Ｉｎ，Ａｓの供給源材料、第１導電型ドーパントの
Ｓｉおよび第２導電型ドーパントのＭｇの各供給源材料
をＭＯＶＰＥ装置の反応管に導入する工程、（１００）近傍の面方位を持つ第１導電型III−V族半導
体基板上に、第１導電型の第１クラッド層、活性層及び
第２導電型の第２クラッド層がエピタキシャルに順次成
長する工程、上記半導体基板表面の特定領域にエピタキシャル結晶表
面を出し、エッチングにより上記活性層を除去し、段差
構造を形成する工程、該段差形成の工程の後に段差形成に用いたマスクを完全
に除去して、上記段差上底部および段差下底部ともに半
導体表面を露出させる工程及び、該露出工程の後に、有機金属気相成長装置において、該
段差下底部と該段差上底部の面積比および該段差上底部
の幅に応じて、III族原料供給量に対する塩酸または塩
素を含むガスの供給量のモル比を調整して、塩酸または
塩素を含むガスを添加しながら成長を行うことにより、
段差斜面が側方に伸びる方向にのみ選択的に埋め込み窓
層を成長させる工程を具備する窓型半導体レーザの製造
方法。
【請求項８】ＭＯＶＰＥ装置内において、成長温度を
一定にして、エッチングストップ層、第３のクラッド層
およびキャップ層をそれぞれの厚さに成長させる工程、ウエハ表面にＳｉＯ_２膜を形成し、エッチング、転写後
にメサストライプを形成する工程、異なるＳｉ濃度の電流ブロック層をそれぞれ選択的に成
長させてメサストライプの両側を埋め込む工程及び、ＳｉＯ_２膜を除去した後、第２導電型コンタクト層を成
長し、さらに第１および第２導電型電極をウエハの表裏
に形成し、窓領域段差下底部の中央でへき開し規定の寸
法の窓領域長、活性領域長および全長を有する窓部を形
成する工程を具備する請求項７記載の窓型半導体レーザ
の製造方法。