JP2001007440A

JP2001007440A - 半導体レーザ装置及びその製造方法

Info

Publication number: JP2001007440A
Application number: JP11171508A
Authority: JP
Inventors: Toshio Azuma; 敏生東
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1999-06-17
Filing date: 1999-06-17
Publication date: 2001-01-12

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的容易に、ビームサイズ変換部によるレ
ーザビームの吸収を抑制することができる。【解決手段】導電型の半導体基板の表面上に、化合物
半導体材料からなる量子井戸層とバリア層とが交互に積
層された活性層を形成する。その活性層のうち、半導体
基板の表面内の第１の領域上の部分は、その厚さがほぼ
一定であり、第１の領域に隣接する第２の領域上の部分
は、第１の領域との境界から遠ざかるに従って徐々に薄
くなる。活性層の上に、第１導電型とは反対の第２導電
型の半導体材料からなるクラッド層を形成する。活性層
の第１の領域上の部分において構成原子の混合を生じさ
せることなく、活性層の前記第２の領域上の部分におい
て構成原子の混合を生じさせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ装置
及びその製造方法に関し、特にビームスポットサイズ変
換器が集積された半導体レーザ装置及びその製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信分野において、半導体レーザ装置
と光ファイバとを高効率に光結合させる技術が望まれて
いる。半導体レーザ装置にレーザビームのスポットサイ
ズ変換器を集積化することにより、レンズを使用するこ
となく高結合効率を実現できる。また、位置精度余裕も
大きいため、光結合工程を簡単化できる。光結合工程の
簡単化により、光通信装置の低価格化を図ることが可能
になる。特に、加入者系の光通信装置に対する低価格化
の要請が強い。

【０００３】図６に、スポットサイズ変換器を集積した
従来の半導体レーザ装置の断面図を示す。多重量子井戸
構造の活性層１００がクラッド層１０１及び１０２に挟
まれている。クラッド層１０１及び１０２の外側に、そ
れぞれ電極１０３及び１０４が形成されている。電極１
０３及び１０４は、活性層１００、クラッド層１０１及
び１０２に、その厚さ方向の電流を流す。

【０００４】活性層１００は、誘導放出部１００ｂとス
ポットサイズ変換部１００ａとにより構成される。スポ
ットサイズ変換部１００ａは、誘導放出部１００ｂとの
境界から遠ざかるに従って徐々に薄くなっている。誘導
放出部１００ｂとスポットサイズ変換部１００ａとが光
共振器を構成している。誘導放出部１００ｂで増幅され
たレーザビームが、スポットサイズ変換部１００ａの端
面から外部に放出される。

【０００５】誘導放出部１００ｂから出射端面に向かっ
て伝搬するレーザビームのスポットサイズは、スポット
サイズ変換部１００ａが薄くなるに従って大きくなる。
このため、出射するレーザビームのスポットサイズを大
きくすることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】井戸層が薄くなると、
価電子帯と伝導帯との第１エネルギ準位間の遷移エネル
ギ（以下、単に遷移エネルギと呼ぶ）が大きくなる。な
お、遷移エネルギは、フォトルミネッセンスの波長を観
測することにより特定することができる。このため、ス
ポットサイズ変換部１００ａのうち比較的薄い出射端面
近傍の部分は、レーザビームを吸収しない。ところが、
誘導放出部１００ｂとの境界近傍の部分の遷移エネルギ
は、誘導放出部の井戸層の遷移エネルギに近いため、レ
ーザビームを吸収してしまう。この吸収を抑制するため
に、通常、スポットサイズ変換部１００ａのうち誘導放
出部１００ｂとの境界近傍の部分に電流を流しておく。
すなわち、基板法線方向から見たとき、一方の電極１０
４の一部１０４ａがスポットサイズ変換部１００ａの一
部に重なるように電極を配置する。

【０００７】スポットサイズ変換部１００ａを流れる電
流は、レーザ発振に寄与しない。このため、レーザ発振
効率が低下してしまう。

【０００８】スポットサイズ変換部１００ａによるレー
ザビームの吸収を防止するために、この部分を誘導放出
部１００ｂの遷移エネルギよりも大きな遷移エネルギを
有する半導体材料で形成した構造の半導体レーザ装置が
提案されている。しかし、この構造を採用するために
は、スポットサイズ変換部１００ａを誘導放出部１００
ｂの結晶成長工程とは異なる別工程で結晶成長させなけ
ればならない。このため、製造工程数が増加し、低価格
化の要請に反することになる。

【０００９】本発明の目的は、比較的容易に、ビームサ
イズ変換部によるレーザビームの吸収を抑制することが
できる半導体レーザ装置及びその製造方法を提供するこ
とである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、第１導電型の半導体基板の表面上に、化合物半導体
材料からなる量子井戸層とバリア層とが交互に積層され
た活性層を形成する工程であって、前記半導体基板の表
面内の第１の領域上の部分は、その厚さがほぼ一定であ
り、該第１の領域に隣接する第２の領域上の部分は、該
第１の領域との境界から遠ざかるに従って徐々に薄くな
るような前記活性層を形成する工程と、前記活性層の上
に、前記第１導電型とは反対の第２導電型の半導体材料
からなるクラッド層を形成する工程と、前記活性層の第
１の領域上の部分において構成原子の混合を生じさせる
ことなく、前記活性層の前記第２の領域上の部分におい
て構成原子の混合を生じさせる工程とを有する半導体レ
ーザ装置の製造方法が提供される。

【００１１】レーザビームが第２の領域上を伝搬する
時、活性層が薄くなるに従ってビームスポットサイズが
大きくなる。このため、他の光デバイスとの光結合を容
易に行うことができる。活性層の、第２の領域上の部分
の構成原子を混合させると、その部分の遷移エネルギが
井戸層の遷移エネルギよりも大きくなる。このため、第
２の領域上の活性層は、レーザビームを吸収しない。

【００１２】本発明の他の観点によると、化合物半導体
材料により形成された量子井戸層とバリア層とが交互に
積層された誘導放出部と、前記誘導放出部の一つの端面
において該誘導放出部に連続し、該誘導放出部との境界
から遠ざかるに従って薄くなり、該誘導放出部と共に光
共振器を構成するスポットサイズ変換部であって、その
組成が、前記誘導放出部を構成する原子を混合した組成
とほぼ等しい前記スポットサイズ変換部と、前記誘導放
出部及びスポットサイズ変換部からなる層を挟み、該誘
導放出部及びスポットサイズ変換部よりも低屈折率の半
導体材料からなる一対のクラッド層とを有する半導体レ
ーザ装置が提供される。

【００１３】レーザビームがスポットサイズ変換部を伝
搬する時、その厚さが薄くなるに従ってビームスポット
サイズが大きくなる。このため、他の光デバイスとの光
結合を容易に行うことができる。スポットサイズ変換部
の構成原子が混合されているため、その部分の遷移エネ
ルギが井戸層の遷移エネルギよりも大きい。このため、
スポットサイズ変換部はレーザビームを吸収しない。

【００１４】

【発明の実施の形態】図1（Ａ）は、本発明の実施例に
よる半導体レーザ装置の断面図を示す。ｎ型導電性を有
するＩｎＰからなる基板１の表面上に、ＳＣＨ（Separa
ted Confinement Heterostructure）層２、活性層３、
ＳＣＨ層４、ｐ型クラッド層５、６、ｐ⁺型コンタクト
層７がこの順番に積層されている。この積層構造の一つ
の端面が出射端面２１となり、その反対側の端面が反射
端面２２となる。出射端面２１と反射端面２２とが、光
共振器の両端の反射鏡として働く。ＳＣＨ層２からｐ型
クラッド層５までの積層は、この光共振器内のレーザ伝
搬方向（紙面の横方向）に長いメサ状に加工されてい
る。

【００１５】出射端面２１と反射端面２２との間に境界
２０が画定されている。境界２０と反射端面２２との間
の領域においては、各層の厚さはほぼ一定である。境界
２０と出射端面２１との間の領域においては、ＳＣＨ層
２からｐ型クラッド層５までの各層の厚さは、境界２０
から離れるに従って徐々に薄くなっている。出射端面２
１における厚さは、境界２０における厚さの約１／３で
ある。なお、特に断らない限り、各層の厚さは、境界２
０と反射端面２２との間の部分の厚さを指すものとす
る。活性層３のうち境界２０と反射端面２２との間の部
分が誘導放出部３１を構成し、境界２０と出射端面２１
との間の領域がビームスポットサイズ変換部３０を構成
する。

【００１６】ＳＣＨ層２及び４は、ノンドープのＧａＩ
ｎＡｓＰにより形成され、その格子定数はＩｎＰ基板の
格子定数に整合し、その遷移エネルギは波長１．１μｍ
のエネルギに相当する。その厚さは１００ｎｍである。

【００１７】図１（Ｂ）に、活性層３の断面図を示す。
活性層３の誘導放出部３１は、歪多層量子井戸構造を有
する。すなわち、量子井戸層３ａとバリア層３ｂとが交
互に積層された多層構造を有する。バリア層３ｂは、Ｉ
ｎＰに格子整合したノンドープのＧａＩｎＡｓＰにより
形成された厚さ１０ｎｍの層であり、その遷移エネルギ
は波長１．１μｍに相当する。量子井戸層３ａは、１．
０％の圧縮歪を内在するノンドープのＧａＩｎＡｓＰに
より形成された厚さ６ｎｍの層であり、その遷移エネル
ギは波長１．３μｍに相当する。活性層３は、１０層の
量子井戸層３ａを含む。

【００１８】活性層３のビームスポットサイズ変換部３
０は、誘導放出部３１の構成原子を混合（intermixin
g）した組成を有する。原子の混合は、図３（Ｃ）を参
照して後述するように、例えば収束イオンビームを照射
することにより生じさせることができる。

【００１９】ｐ型クラッド層５は、Ｚｎ濃度５×１０¹⁷
ｃｍ^-3のＩｎＰにより形成された厚さ５００ｎｍの層で
ある。ｐ型クラッド層６は、Ｚｎ濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3
のＩｎＰにより形成された厚さ４０００ｎｍの層であ
る。ｐ⁺型コンタクト層７は、Ｚｎ濃度１×１０¹⁹ｃｍ
^-3のＧａＩｎＡｓにより形成された厚さ５００ｎｍの層
である。

【００２０】ｐ⁺型コンタクト層７の上面のうち、ビー
ムスポットサイズ変換部３０の上方の領域が、保護膜８
で覆われている。ｐ⁺型コンタクト層７及び保護膜８の
表面上にｐ側電極９が形成されている。ｐ側電極９は、
ｐ⁺型コンタクト層７側からＴｉ、Ｐｔ、及びＡｕがこ
の順番に積層された構造を有する。ｐ側電極９は、活性
層３の法線方向から見たとき、誘導放出部３１と重なる
領域においてコンタクト層７に接触し、ビームスポット
サイズ変換部３０と重なる領域においては、コンタクト
層７に接触しない。

【００２１】基板１の下面上に、ｎ側電極１０が形成さ
れている。ｎ側電極１０は、ＡｕＧｅ層とＡｕ層との積
層構造を有する。

【００２２】図２は、活性層３の遷移エネルギの面内分
布を示す。横軸は、光共振器内のレーザ伝搬方向の位置
を表し、その左端が出射端面２１に相当し、右端が反射
端面２２に相当する。縦軸は遷移エネルギを表す。誘導
放出部３１においては、遷移エネルギはほぼ一定であ
り、量子井戸層３ａの遷移エネルギに相当する。境界２
０の位置に、ビームスポットサイズ変換部３０側の遷移
エネルギが高くなるような段差が形成されている。この
段差は、ビームスポットサイズ変換部３０の構成原子を
混合したために形成されたものである。従って、ビーム
スポットサイズ変換部３０の、境界２０側の端部の遷移
エネルギは、量子井戸層３ａの遷移エネルギとバリア層
３ｂの遷移エネルギとの中間の大きさになる。

【００２３】ビームスポットサイズ変換部３０の遷移エ
ネルギは、境界２０から遠ざかるに従って徐々に大きく
なる。これは、活性層３の膜厚が徐々に薄くなるためで
ある。ビームスポットサイズ変換部３０の遷移エネルギ
が、誘導放出部３１の遷移エネルギよりも大きいため、
ビームスポットサイズ変換部３０は、誘導放出部３１で
誘導放出され光共振器内を往復するレーザビームを吸収
しない。従って、ビームスポットサイズ変換部３０に電
流を流す必要がない。図１（Ａ）を参照して具体的に説
明すると、ｐ側電極９は、誘導放出部３１に電流を注入
するが、ビームスポットサイズ変換部３０にはほとんど
電流を注入しない。

【００２４】次に、図３〜図６を参照して、実施例によ
る半導体レーザ装置の製造方法を説明する。

【００２５】図３（Ａ）は、ＩｎＰ基板１の、一つの半
導体レーザ装置を形成すべき部分の平面図を示す。一つ
の半導体レーザ装置は、例えば、一つの辺（図３（Ａ）
においては横方向に延在する辺）の長さが５００μｍの
長方形領域内に形成される。図３（Ａ）の左側の辺及び
右側の辺が、それぞれ図１（Ａ）の出射端面２１及び反
射端面２２に相当する。なお、出射端面２１、反射端面
２２、及びそれらに隣り合う端面は、すべてのウエハ工
程が終了した後に基板をへき開することにより形成され
る。

【００２６】境界２０と反射端面２２との間の領域に、
図の横方向に延在する幅２０μｍの帯状領域４１が画定
されている。厚さ約３００ｎｍのＳｉＯ₂マスク４０が
帯状領域４１の両側を覆う。出射端面２１と境界２０と
の間隔は約２００μｍであり、反射端面２２と境界２０
との間隔は約３００μｍである。

【００２７】図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の一点鎖線Ｂ３
−Ｂ３における断面に相当する。基板１の表面上に、減
圧有機金属化学気相成長（ＬＰＭＯ−ＣＶＤ）により、
ＳＣＨ層２、活性層３、ＳＣＨ層４、及びｐ型クラッド
層５を形成する。Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓ、及びＰの原料とし
て、それぞれトリメチルインジウム、トリエチルガリウ
ム、アルシン、及びフォスフィンを用いる。ｐ型不純物
であるＺｎの原料としてジメチル亜鉛を用いる。成長温
度は、６００〜６２０℃とする。

【００２８】図３（Ａ）に示すマスクパターン４０の上
にはＧａＩｎＡｓＰ層が堆積しない。また、マスクパタ
ーン４０に挟まれた帯状領域４１における成長速度は、
その他の領域における成長速度よりも速い。境界２０と
出射端面２１との間の領域においては、境界２０から遠
ざかるに従って成長速度が徐々に低下する。このため、
図３（Ｂ）に示すように、境界２０と出射端面２１との
間の領域においては、各層の厚さが、境界２０から遠ざ
かるに従って徐々に薄くなる。本実施例の場合、出射端
面２１における膜厚が、境界２０における膜厚の約１／
３であった。

【００２９】図３（Ｃ）に示すように、境界２０と出射
端面２１との間の領域のうち、帯状領域４１を延長した
部分にイオンビーム４５を照射する。イオンビーム４５
として、例えば活性層３内に焦点を持つＧａ⁺イオンの
収束ビームを用いる。照射条件は、例えば加速エネルギ
１００ｋｅＶ、ドーズ量１×１０¹³ｃｍ^-2である。な
お、Ｇａ⁺イオンの外にＰ⁺イオン等を用いることもでき
る。

【００３０】このイオン照射により、活性層３の構成原
子が混合され、図１（Ｂ）に示す量子井戸層３ａとバリ
ア層３ｂとの区別が不明確になる。このため、活性層３
のうちイオンビーム４５を照射した部分の遷移エネルギ
が高エネルギ側へシフトする。このようにして、図２に
示すように境界２０の位置に遷移エネルギの段差が形成
される。本実施例の場合には、この段差は約４０ｍｅＶ
であった。

【００３１】図４及び図５は、図３（Ａ）の一点鎖線Ａ
４−Ａ４における断面図に相当する。

【００３２】図４（Ａ）に示すように、ＳＣＨ層２から
ｐ型クラッド層５までの積層構造を、ＳｉＯ₂マスク１
１を用いてパターニングし、メサ状の構造体１２を残
す。これらの層のエッチングは、例えばＣＨ₄、Ｈ₂、及
びＯ₂を用いたドライエッチングにより行うことができ
る。メサ状構造体１２は、図３（Ａ）において、帯状領
域４１の長さ方向に延在し、反射端面２２から出射端面
２１まで達する。

【００３３】図４（Ｂ）に示すように、メサ状構造体１
２の両側を、ｐ型ＩｎＰからなる電流ブロック層１３で
埋め込む。電流ブロック層１３の表面上に、ｎ型ＩｎＰ
からなる厚さ５００ｎｍの電流ブロック層１４を堆積す
る。電流ブロック層１３及び１４の堆積は、ＬＰＭＯ−
ＣＶＤにより、ＳｉＯ₂マスク１１の上には成長しない
条件で行う。ｎ型の不純物として、例えばＳｉを用いる
ことができる。電流ブロック層１４を堆積した後、Ｓｉ
Ｏ₂マスク１１を除去する。

【００３４】図５（Ａ）に示すように、電流ブロック層
１４及びｐ型クラッド層５を覆うように、ｐ型ＩｎＰか
らなる厚さ４０００ｎｍのクラッド層６を堆積する。ク
ラッド層６の上に、ｐ⁺型ＧａＩｎＡｓからなるコンタ
クト層７を堆積する。コンタクト層７のＺｎ濃度は、例
えば１×１０¹⁹ｃｍ^-3とする。

【００３５】図５（Ｂ）に示すように、メサ状構造体１
２の両側に、基板１の表面層まで達する溝１５を形成す
る。溝１５の形成は、ブロム系のエッチャントを用いた
ウェットエッチングにより行う。

【００３６】基板表面を、ＳｉＯ₂からなる保護膜８で
覆う。保護膜８の、メサ状構造体１２の上方の部分に、
電極接触用の開口８ａを形成する。なお、図３（Ａ）の
一点鎖線Ｂ３−Ｂ３における断面においては、図１
（Ａ）に示すように、ビームスポトサイズ変換部３０の
上方に保護膜８が残る。

【００３７】保護膜８を覆うように、ｐ側電極９を形成
する。ｐ側電極９は、開口８ａの底面においてコンタク
ト層７に接触する。基板１の背面上に、ｎ側電極１０を
形成する。電極を形成した後、図３（Ａ）に示す反射端
面２２、出射端面２１、及び溝１５に沿って基板１０を
へき開する。

【００３８】上記実施例によると、図３（Ｃ）に示す工
程において、イオンビームを照射することにより、図１
（Ａ）に示すビームスポットサイズ変換部３０の遷移エ
ネルギを増大させている。このため、誘導放出部３１と
ビームスポットサイズ変換部３０とを別工程で堆積する
場合に比べて、比較的容易にビームスポットサイズ変換
部３０の遷移エネルギを大きくすることができる。

【００３９】上記実施例では、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導
体レーザ装置を作製する場合を例にとって説明したが、
上記実施例は、その他の多重量子井戸構造を有する半導
体レーザ装置にも適用可能である。例えば、井戸層及び
バリア層をＡｌＧａＩｎＡｓで形成し、クラッド層の活
性層側をＡｌＩｎＡｓで形成し、外側をＩｎＰで形成し
た半導体レーザ装置にも適用可能である。

【００４０】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ビームスポットサイズ変換部の遷移エネルギを、誘導放
出されたレーザ光のエネルギよりも大きい。このため、
ビームスポットサイズ変換部におけるレーザ光の吸収を
防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例による半導体レーザ装置の断面図であ
る。

【図２】実施例による半導体レーザ装置の活性層の遷移
エネルギの分布を示すグラフである。

【図３】実施例による半導体レーザ装置の製造方法を説
明するための基板平面図、断面図、及び斜視図である。

【図４】実施例による半導体レーザ装置の製造方法を説
明するための基板断面図である。

【図５】実施例による半導体レーザ装置の製造方法を説
明するための基板断面図である。

【図６】従来の半導体レーザ装置の断面図である。

【符号の説明】

１基板２、４ＳＣＨ層３活性層５、６ｐ型クラッド層７ｐ⁺型コンタクト層８保護膜９ｐ側電極１０ｎ側電極１１ＳｉＯ₂マスク１２メサ状構造体１３ｐ型ＩｎＰ電流ブロック層１４ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層１５溝２０境界２１出射端面２２反射端面３０ビームスポットサイズ変換部３１誘導放出部４０マスクパターン４１帯状領域４５イオンビーム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型の半導体基板の表面上に、化
合物半導体材料からなる量子井戸層とバリア層とが交互
に積層された活性層を形成する工程であって、前記半導
体基板の表面内の第１の領域上の部分は、その厚さがほ
ぼ一定であり、該第１の領域に隣接する第２の領域上の
部分は、該第１の領域との境界から遠ざかるに従って徐
々に薄くなるような前記活性層を形成する工程と、前記活性層の上に、前記第１導電型とは反対の第２導電
型の半導体材料からなるクラッド層を形成する工程と、前記活性層の第１の領域上の部分において構成原子の混
合を生じさせることなく、前記活性層の前記第２の領域
上の部分において構成原子の混合を生じさせる工程とを
有する半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項２】前記混合を生じさせる工程が、前記活性
層の前記第２の領域上の部分に、イオンビームを照射す
る工程を含む請求項１に記載の半導体レーザ装置の製造
方法。
【請求項３】化合物半導体材料により形成された量子
井戸層とバリア層とが交互に積層された誘導放出部と、前記誘導放出部の一つの端面において該誘導放出部に連
続し、該誘導放出部との境界から遠ざかるに従って薄く
なり、該誘導放出部と共に光共振器を構成するスポット
サイズ変換部であって、その組成が、前記誘導放出部を
構成する原子を混合した組成とほぼ等しい前記スポット
サイズ変換部と、前記誘導放出部及びスポットサイズ変換部からなる層を
挟み、該誘導放出部及びスポットサイズ変換部よりも低
屈折率の半導体材料からなる一対のクラッド層とを有す
る半導体レーザ装置。
【請求項４】さらに、前記一対のクラッド層の外側に
配置され、前記クラッド層及び誘導放出部に、その厚さ
方向の電流を流す一対の電極であって、前記誘導放出部
の面法線方向から見たとき、少なくとも一方の電極は、
前記誘導放出部と重なる領域に電流を流し、前記スポッ
トサイズ変換部と重なる領域には電流を流さない請求項
３に記載の半導体レーザ装置。