JP2001257421A - 半導体レーザ素子および製造方法 - Google Patents
半導体レーザ素子および製造方法Info
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Abstract
素子を提供する。 【解決手段】 Alを含む半導体結晶の上に結晶成長をさ
せていたが、Alを含まない材料を用いて半導体レーザ素
子を形成する。このことにより、Alの酸化物による結晶
欠陥を発生させることがなくなる。利得領域とDBR領
域でInGaAs量子井戸活性層のInGaAsの組成
を変えることによって、利得領域で発光した光が、DB
R領域のInGaAs量子井戸活性層での吸収損失を抑
制する。よって発光効率の良い半導体レーザ素子とな
る。また、活性層を持たない窓領域を形成することによ
って、通常の低反射膜を用いても容易に1%以下の反射
率を実現する。
Description
子および製造方法に関するものである。詳しくは、Ga
As基板を用いたレザー素子で特に単一縦モード発振す
るレーザに関するものである。
素子構造を示す断面図を用いて説明する。この半導体レ
ーザ素子は、n−GaAs基板20上に、n−AlGa
Asクラッド層21と、AlGaAs光導波路層22
と、InGaAs活性層23と、p−AlGaAs光閉
じ込め層24と、p−AlGaAs上側クラッド層25
と、p−GaAsコンタクト層26とが形成されてい
る。利得領域17とDBR(Distributed
Bragg Reflector)領域18を備えてい
る。p−AlGaAsクラッド層24のDBR領域18
には回折格子8が形成されている。利得領域17側の端
面に約5%の反射率のコーティング膜28とDBR領域
18側の端面には1%以下の反射膜(以下無反射膜27
という)が形成されており、さらにDBR領域18に
は、利得領域17から電流が流れ込まないようにプロト
ン照射による電気的絶縁領域29が形成されている。
導体レーザ素子は、利得領域17で発光した光が回折格
子8のBragg反射により利得領域17に反射されレ
ーザ発振する。この場合発振波長は利得領域17で発光
する波長範囲の内で、しかも回折格子8の周期でBra
gg反射条件を満たす波長のみが単一縦モード発振す
る。
ば、J.S.Major Jr他“Sinflemode InG
aAs/GaAs distributed Bragg reflector laser diod
es operating at 1083nm"Electronics Letters ,Vol.2
9,No.24.PP2121-2122に記載されている。
法では、次に挙げるような問題点があった。図2を用い
て説明する。まず、形成時のn−GaAs基板20上へ
の結晶成長で、n−AlGaAsクラッド層21、Al
GaAs光導波層22を順次形成する。この時、Alを
含む半導体結晶を形成している。しかしこの場合、結晶
成長界面にAlの酸化物による結晶欠陥が多くできてし
まう。このような、結晶成長を行った半導体レーザ素子
は所望の性能を得られなかったり、信頼性の低いレーザ
素子になってしまう。
両方とも同一の組成のInGaAs量子井戸活性層6を
用いるために利得領域17で発光した光は、DBR領域
18で吸収され損失が起こる。その結果、発光効率の低
下を引き起こし、効率の悪いレーザ素子になってしま
う。
は、ファブリ・ペローモードを抑制するために、反射率
を1%以下に抑制した反射膜を使う必要がある。しか
し、通常のコーティング膜では、膜の厚さの制御と膜の
組成の制御が困難で安定して1%以下に反射率を抑制し
た反射膜にはならない。反射膜の反射率が安定していな
いと、半導体レーザ素子は安定した単一縦モード発振を
得ることができない。
記載したような解決するために、次のような手段を用い
る。Alを含む半導体結晶の上に結晶成長をしていた
が、Alを含まない半導体材料を用いて半導体レーザ素
子を形成する。このことにより、Alの酸化物による結
晶欠陥ができることはない。よって、特性の劣化や信頼
性の低い半導体レーザ素子になることはない。
s量子井戸活性層は両方とも同一の組成のInGaAs
を用いるために利得領域で発光した光は、DBR領域で
吸収され損失が起こっていた。しかし、この発明では、
利得領域とDBR領域でInGaAs量子井戸層のIn
GaAsの組成を変えることによって、利得領域で発光
した光がDBR領域のInGaAs量子井戸層で吸収さ
れることがない。よって、発光効率の低下が起こらない
ため、効率の良いレーザ素子になる。
持たない窓領域を形成することによって、1%以上の反
射率を持つ通常のコーティング膜を用いても容易に1%
以下の反射率を実現することができる。以上のことから
上記課題が解決される。
施形態について説明する。図1は、第1の実施形態の半
導体レーザ素子の構造を示す斜視図である。この半導体
レザー素子は、300μm程度の厚さのn−GaAs基
板1と、2μ程度の厚さのn−AlGaAsクラッド層
2と、50μm程度の厚さのGaAs光閉じ込め層3
と、p電極12と、n電極13とを備えている。利得領
域17とDBR領域18と窓領域19と無反射膜16と
低反射膜15を備えている。図1に示される、A−A’
断面は、光導波路部分の断面になり、B−B’断面は利
得領域17部分の断面になる。
工程を示す斜視図である。図4(a)は、この発明の半
導体レーザ素子製造工程を示す斜視図である。図4
(b)は、図4(a)における上面図である。図5(a)
は、この発明の半導体レーザ素子製造工程を示す斜視図
である。図5(b)は、製造工程におけるA−A’断面
図である。図5(c)は、製造工程におけるB−B’断
面図である。図6(a)は、この発明の半導体レーザ素
子製造工程を示す斜視図である。図6(b)は、製造工
程におけるA−A’断面図である。図6(c)は、図6
(a)における上面図である。図7(a)は、この発明
の半導体レーザ素子製造工程を示す斜視図である。図7
(b)は、製造工程におけるA−A’断面図である。図
7(c)は、製造工程におけるB−B’断面図である。
図8(a)は、この発明の半導体レーザ素子製造方法を
示す斜視図である。図7(b)は、製造工程におけるB
−B’断面図である。図9(a)は、この発明の半導体
レーザ素子製造工程を示す斜視図である。図9(b)
は、製造工程におけるB−B’断面図である。図10
は、図1におけるA−A’断面図である。
3に示す様に、300μm程度の厚さのn−GaAs基
板1上に、MOCVD(metal organic chemical vapor
deposition)を用いて、n−AlGaAsクラッド層2
を2μ程度の厚さに形成する。次に、GaAs光閉じ込
め層3を50μm程度の厚さに順次形成する。
め層3上にSiN等の誘電体薄膜を選択成長マスク4と
して200nmから300nm程度の厚さで形成する。
詳しくは図4(b)に示す様に、利得領域17では、光
導波路となる部分にW1の間隔を持ち、一対のストライ
プ状の選択成長マスク4を形成する。利得領域17での
選択成長マスク4は幅W2で長さL2である。また、窓
領域19では、幅をW1より広く、窓領域19の長さと
同じL1を持つ選択成長マスク4を半導体レーザ素子完
成時に光導波路になる部分へ形成する。
さを決めるものであり、利得を得るのに必要十分な長さ
に設計する。一般的な半導体レーザ素子の利得領域17
の長さは、300μmから500μm程度である。高出
力を得るためには、700μm以上の長さを用いる。
示す様に、GaAs光閉じ込め層3の露出している部分
に、下部GaAs光閉じ込め層5を50nmから70n
m程度、InGaAs量子井戸活性層6と上部GaAs
光閉じ込め層7を100nmから120nm程度の厚で
順次結晶成長させる。このときInGaAs量子井戸活
性層6のInGaAsの組成および厚さは所望の発振波
長を得ることができるように適宜決定する。
よって、InGaAs量子井戸活性層6の、InGaA
sの組成を変えることができる。詳しくは、両側を選択
成長マスクで挟まれている部分の結晶成長は、選択成長
マスクがない部分よりも成長速度が速くなり、結晶膜の
厚さも厚くすることができる。つまりこのように厚く形
成した部分はバンドギャップ波長で長波長の部分にな
る。
マスク4のW1の幅を10μmから20μm程度、選択
成長マスク4のW2の幅を20μmから50μmとする
と、InGaAs量子井戸活性層6の、InGaAsの
組成が変わり、InGaAs量子井戸活性層6のバンド
ギャップ波長をDBR領域18と利得領域17で変える
ことができる。この場合DBR領域18より利得領域1
7の方が50nm以上バンドギャップ波長を長くするこ
とができる。
は長い方が良いが、長くすると光の放射角が広がり、実
際に使用する場合ファイバとの結合が悪くなる。例えば
この実施形態では、窓領域の長さL1を10μmから2
0μmにすることで、光の放射角を広げることなく反射
率を1%以下にすることが容易にできる。詳しくは、I
nの組成が20%、厚さ7nmの場合、選択成長マスク
のない部分では、バンドギャップ波長で約980nmに
なる。利得領域17でのバンドギャップ波長はこれより
も長波長になりバンドギャップ波長は、約1030nm
になる。
す様に、上部GaAs光閉じ込め層7のDBR領域18
に、回折格子8を形成する。形成方法は、例えばレジス
トを塗布した後に通常の干渉露光方法によりレジストを
パターニングし化学エッチングにより波形の回折格子8
を形成する。回折格子8の間隔は所望の発振波長が得ら
れるように適宜設定する。次に、選択成長マスク4を除
去する。
す様に、p−AlGaAsクラッド層9、p−GaAs
コンタクト層10を順次成長させる。次に、横モード抑
制のための導波路を形成する。この実施形態では図8
(a)、図8(b)に示す様に、メサ型のリッジ構造の導
波路を形成する。次に電極形成のためにSiN絶縁膜1
1を全面に形成し、リッジの頂上部にp−GaAsコン
タクト層10を露出させるように、SiN絶縁膜11を
取り除く。
型電極12を全面に形成する。次に、n−GaAs基盤
1を適切な厚さになるまで研磨する。次に、研磨したn
−GaAs基盤の底部に、n型電極13を形成する。
分とDBR領域18部分を電気的に絶縁するために、利
得領域17とDBR領域18の間の、p型電極12とp
−GaAsコンタクト層10を、20μmから50μm
の幅でエッチングにより取り除く。この取り除いた部分
を電極分離部分14と呼ぶ。また、同時に窓領域19へ
のリーク電流が流れるのを防ぐ為にInGaAs量子井
戸活性層6のない窓領域19部分のp型電極12とp−
GaAsコンタクト層10も取り除く。またこのときp
−GaAsコンタクト層10を取り除く変わりに従来の
ようにプロトン照射方法を用いて電極分離をおこなうこ
とも可能である。また、DBR領域18のp−GaAs
コンタクト層10にプロトン照射方法を用いて電流が流
れないようにすることも可能である。
5を形成し、窓領域19の端面に無反射膜16を形成す
る。
ーザ素子では、利得領域17に適正なバイアスを印加し
利得領域17の活性層に電流を流すことによって、活性
層のInGaAs組成に対応した波長の光が発生する。
利得領域17部分で発光した光は低反射膜15の部分と
回折格子8部分を共振器端面としてレーザ発振する。発
振した光の波長のうち、回折格子8の格子間隔によりB
ragg反射条件を満たす単一波長のみが発振するよう
になる。光の取り出しは、利得領域19の低反射膜15
の方向から取り出す。
いることにより、従来の半導体レーザの課題を克服する
ことができる。まず、利得領域19部分の活性層を選択
成長で形成しているために、利得領域19でのバンドギ
ャップ波長と回折格子8部分でのバンドギャップ波長を
約50nm変化させることができる。これによって、回
折格子8部分での光の吸収による損失を防ぐことができ
る。つまり、回折格子8部分で有効にBragg条件を
満たす波長のみが反射されことによって、効率よく発光
させることができる。
l vapor deposition)成長においてAlの含まれていな
いGaAsの上に成長を行う製造工程であるために、A
lに起因する酸化物による成長界面に結晶欠陥が入り込
まない。このため、成長回数が複数になっても結晶欠陥
が少ない信頼性に優れた素子を提供することができる。
さらに、DBR領域18の端面付近の活性層を選択成長
により成長しないために、実際の端面から反射する光が
導波路に戻りにくいため通常の低反射膜を用いても容易
に1%以下の反射率を実現することができる。このた
め、端面からの反射によるファブリ・ペローモードを抑
制することができ、回折格子8の周期で決まる単一波長
で安定した発振を得ることができる。
説明する。この発明の第1の実施形態では、利得領域1
7と窓領域19に選択成長マスク4を形成し結晶を選択
成長させた。つまり利得領域19とDBR領域18それ
ぞれの、InGaAs量子井戸活性層6のInGaAs
の組成を変えた。
に選択成長マスク4を形成し、図12に示す様に、下部
GaAs光閉じ込め層5とInGaAs量子井戸活性層
6と上部GaAs光閉じ込め層7を順次選択成長させ、
レーザーを製造することも可能である。このようにレー
ザを製造した場合でも、利得領域17に適切なバイアス
を印加することによって、InGaAs量子井戸活性層
6に電流が流れ発光する。しかし、利得領域17の部分
に,選択成長マスク4利用しない、つまり選択成長で利
得領域17を形成しないために、利得領域17で発光し
た光はDBR領域18で吸収され損失となる。これは特
性の劣化となるが、DBR領域18の長さを短くするこ
とによって、特性の劣化を防ぐことができる。つまり、
このように製造した場合でも、この発明の実施形態の特
徴である無反射膜の製造の容易さ、再成長における結晶
界面への結晶欠陥の発生を防ぐことは可能である。
であるレーザ部分とDBR領域18である回折格子部分
を併せ持つ素子構造について説明した。しかし図13に
示す様にDBR領域18に回折格子8を形成せずに、利
得領域17に回折格子8を形成し、DFB(Distr
ibuted Feedback)レーザの様に形成す
ることで、レーザと光変調器を集積した構造の変調器付
レーザ等のデバイスにも応用が可能である。
7に逆バイアスを印加することで、上記のDBR領域に
あるInGaAs量子井戸層6を吸収層として利用する
ことでレーザ光の吸収量を調節でき光の変調を行うこと
ができる。
化物の結晶界面での欠損を発生させず、InGaAs量
子井戸層を1回の形成工程で、利得領域とDBR領域と
でInGaAsの組成を変えた層を積層させることがで
きる。そのため、結晶欠陥のない信頼性が高く、発光効
率の低下が起こらず効率の良いレーザ素子にすることが
できる。
御が簡単で安定して1%以下に反射率を抑制した反射膜
を使うことができるので。半導体レーザ素子は安定した
単一縦モード発振を得ることができる。
ザの製作プロセス図である。
ザの製作プロセス図である。
ザの製作プロセス図である。
ザの製作プロセス図である。
ザの製作プロセス図である。
ザの製作プロセス図である。
ザの製作プロセス図である。
ーザの製作プロセス図である。
ーザの製作プロセス図である。
ーザの製作プロセス図である。
ーザの製作プロセス図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 同一のn−GaAs基板上に互いに隣接
する利得領域とDBR領域と、該DBR領域の光出射方
向の端面に窓領域を形成する半導体レーザ製造方法にお
いて、 前記n−GaAs基板上にn−AlGaAsクラッド層
と、GaAs光閉じ込め層とを順次積層する工程と、 前記GaAs光閉じ込め層上に選択成長マスクを形成す
る工程と、 前記GaAs光閉じ込め層上の前記選択成長マスク以外
の部分へ下部GaAs光閉じ込め層と、InGaAs量
子井戸活性層、上部光閉じ込め層を順次積層する工程
と、 前記上部光閉じ込め層の前記DBR領域に回折格子を形
成する工程と、 前記利得領域、前記DBR領域および前記窓領域にp−
AlGaAsクラッド層と、更にp−GaAsコンタク
ト層を順次積層する工程と、 前記窓領域の端面に反射膜を形成する工程と、 を含むことを特徴とする半導体レーザの製造方法。 - 【請求項2】 同一のn−GaAs基板上に互いに隣接
する利得領域とDBR領域と、該DBR領域の光出射方
向の端面に窓領域を有した半導体レーザにおいて、 前記n−GaAs基板上にn−AlGaAsクラッド層
とGaAs光閉じ込め層とを有し、 該GaAs光閉じ込め層上に下部GaAs光閉じ込め
層、InGaAs量子井戸活性層、上部光閉じ込め層を
有し、 前記上部光閉じ込め層の前記DBR領域に回折格子を有
し、 該回折格子上前記利得領域、前記DBR領域および前記
窓領域にp−AlGaAsクラッド層とp−GaAsコ
ンタクト層を有し、 前記窓領域の端面に反射膜を有していることを特徴とす
る半導体レーザ。 - 【請求項3】 請求項2に記載の半導体レーザにおい
て、 前記GaAs光閉じ込め層上に前記利得領域および前記
DBR領域とで異なる組成のInGaAs量子井戸活性
層を有していることを特徴とする半導体レーザ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000066920A JP2001257421A (ja) | 2000-03-10 | 2000-03-10 | 半導体レーザ素子および製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000066920A JP2001257421A (ja) | 2000-03-10 | 2000-03-10 | 半導体レーザ素子および製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001257421A true JP2001257421A (ja) | 2001-09-21 |
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ID=18586198
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000066920A Pending JP2001257421A (ja) | 2000-03-10 | 2000-03-10 | 半導体レーザ素子および製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2001257421A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111064076A (zh) * | 2018-10-17 | 2020-04-24 | 住友电工光电子器件创新株式会社 | 光学半导体器件及其制造方法 |
JPWO2022038756A1 (ja) * | 2020-08-20 | 2022-02-24 |
-
2000
- 2000-03-10 JP JP2000066920A patent/JP2001257421A/ja active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111064076A (zh) * | 2018-10-17 | 2020-04-24 | 住友电工光电子器件创新株式会社 | 光学半导体器件及其制造方法 |
JPWO2022038756A1 (ja) * | 2020-08-20 | 2022-02-24 | ||
WO2022038756A1 (ja) * | 2020-08-20 | 2022-02-24 | 日本電信電話株式会社 | 半導体チップおよび光モジュール |
JP7376837B2 (ja) | 2020-08-20 | 2023-11-09 | 日本電信電話株式会社 | 半導体チップおよび光モジュール |
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