JP2010199520A - 半導体レーザ及び半導体レーザの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体レーザにおいては、一方の端面から共振器方向の距離が2μm以内の位置の量子井戸活性層504のバンドギャップに相当する光の波長をλw(nm)とし、共振器長をLとして、一方の端面から共振器方向の距離が(3/10)L以上、(7/10)L以下の位置の量子井戸活性層504のバンドギャップに相当する光の波長をλa(nm)とし、共振器方向において、光の波長がλw+2(nm)に相当するバンドギャップを有する量子井戸活性層504の位置から、光の波長がλa−2(nm)に相当するバンドギャップを有する量子井戸活性層504の位置との間を遷移領域とし、遷移領域の長さをLtとしたとき、λa−λw>15nmであり、Ltが25μm未満となるものである。
【選択図】図1
Description
図16に、この半導体レーザの製造プロセスを示す。はじめに、ZnO201を選択エッチングし、利得領域004となるp−GaAsコンタクト層109を選択エッチングする(図16(a))。次いで、ウェハ全面に誘電体膜202を形成する(図16(b))。その後、熱処理(アニール)によってZnO201中のZnを活性層104まで固相拡散させる(図16(c))。
以上により、この半導体レーザにおいては、p−GaAsコンタクト層109と接する部分のみから、Znが拡散することになり、全面にコンタクト層が設けられている状態で拡散させる場合と比較して、不純物の拡散が抑制されている。
さらに同文献によれば、Zn拡散領域の両側に不純物を含有した仕切領域を設けることで、アニールによる窓領域の両側における利得領域内の活性層への不純物拡散を抑制するものとされている。
かりに、Znの横方向拡散を抑制できたとしても、p−GaAsコンタクト層109のない領域の利得領域の活性層の混晶化を再現性良く抑制することは難しい。
図17に、この半導体レーザの製造プロセスを示す。はじめに、n型GaAs基板2上にn型AlGaInPクラッド層3と、活性層4と、第1のp型AlGaInPクラッド層5と、p型エッチングストップ層6と、第2のp型AlGaInPクラッド層7と、p型障壁緩和層8と、p型GaAsキャップ層9とを順次積層し、共振器端面近傍のp型GaAsキャップ層9を除去して開口部を形成した後、この開口部にZnO層11を形成し、次に、熱処理を行って、ZnO層11に含まれるZnを活性層4まで拡散を行って窓領域Mを形成し、次に、共振器方向に窓領域Mを覆うようにしたストライプ状の絶縁膜マスクパターン16を形成し、次に選択エッチング液を用いて、p型GaAsキャップ層9のみをエッチング除去した後、リッジ部17を形成するものである。同文献によれば、生産歩留まりを向上させることができるものとされている。
この活性層において非利得領域の体積が大きいと、利得が不足しがちになることから、閾値電流値の上昇を引き起こすことがあった。特に共振器長が比較的短い、光ディスク再生用のレーザでは、影響が顕著である。また、自励発振レーザのような、利得と損失の微妙なバランスを利用するデバイスでは、極端に自励発振が起きにくくなるという懸念がある。
第一に、不純物が活性層の共振器方向に拡散することにより、非利得領域が拡大し、これが閾値電流値の上昇をもたらす要因となっていた。
第二に、プロセスダメージによる結晶欠陥が発生することにより、活性層の混晶化を再現性良く制御することが困難であった。
基板と、
前記基板の上部に設けられた活性層と、を備え、
少なくとも一方の端面近傍領域の前記活性層が不純物の拡散により混晶化されているとともに、前記端面近傍領域の前記活性層のバンドギャップが前記端面近傍領域以外の領域の前記活性層のバンドギャップより大きい、半導体レーザであって、
一方の端面から共振器方向の距離が2μm以内の位置の前記活性層のバンドギャップに相当する光の波長をλw(nm)とし、共振器長をLとして、一方の前記端面から前記共振器方向の距離が(3/10)L以上、(7/10)L以下の位置の前記活性層のバンドギャップに相当する光の波長をλa(nm)とし、
さらに、共振器方向において、光の波長がλw+2(nm)に相当するバンドギャップを有する前記活性層の位置から、光の波長がλa−2(nm)に相当するバンドギャップを有する前記活性層の位置との間を遷移領域とし、前記遷移領域の長さをLtとしたとき、
λa−λw>15nmであり、
Ltが25μm未満である、半導体レーザが提供される。
基板の上部に活性層を形成した後、前記活性層の端面近傍領域に不純物を拡散させ、この活性層を混晶化させる工程を含む、半導体レーザの製造方法であって、
前記活性層を混晶化させる工程は、
半導体層Aおよび半導体層Bを準備し、
前記半導体層Aの前記不純物に対する固溶限界濃度をMaとし、前記半導体層Bの前記不純物に対する固溶限界濃度をMbとしたとき(Ma>Mb)、前記活性層の上部に、前記半導体層Bおよび前記半導体層Aをこの順で積層する工程と、
前記端面近傍領域となる予定領域と前記端面近傍領域以外となる予定領域との間の前記半導体層Aに溝を形成する工程と、
前記端面近傍領域となる予定領域の前記半導体層Aの表面のみに接するように前記不純物を含む層を形成する、または前記端面近傍領域となる予定領域の前記半導体層Aの表面のみを前記不純物を含むガスに晒すとともに、前記半導体層Aと前記半導体層Bとを介して前記端面近傍領域となる予定領域の前記活性層に前記不純物を拡散させる工程と、を含む、半導体レーザの製造方法が提供される。
すなわち、半導体層Aに溝を形成して、端面近傍領域となる予定領域と端面近傍領域以外となる予定領域とを分離し、端面近傍領域となる予定領域の半導体層Aの表面のみに不純物を含む層または不純物を含むガスを接触させた状態で、不純物を拡散させることにより、溝を越えて、端面近傍領域以外となる予定領域の半導体層Aに不純物が拡散することを抑制することができる。
また、Ma>Mbであるため、半導体層Aの一定以上の領域に渡って不純物濃度が飽和して、半導体層Bに不純物が拡散することになる。その結果、半導体層A中への拡散開始と同時に、不純物が半導体層B中の共振器方向に拡散することを抑制することができる。
さらに、端面近傍領域以外となる予定領域の半導体層Aを残したまま、後の製造工程を実施することにより、プロセスダメージによる結晶欠陥の発生を防ぐことができる。
半導体層Aを介して半導体層Bに不純物を拡散させる不純物拡散方法であって、
前記半導体層Aおよび前記半導体層Bを準備し、
前記半導体層Aの前記不純物に対する固溶限界濃度をMaとし、前記半導体層Bの前記不純物に対する固溶限界濃度をMbとしたとき(Ma>Mb)、
前記半導体層Bの上部に前記半導体層Aを積層する工程と、
前記半導体層Aに溝を形成して、前記半導体層Bの上部に第1の半導体層Aと第2の半導体層Aとを形成する工程と、
前記第1の半導体層Aの表面のみに接するように、前記不純物を含む層を形成するとともに、前記第1の半導体層Aを介して前記半導体層Bに前記不純物を拡散させる工程を含む、不純物拡散方法が提供される。
本発明の第1の実施例について、図1および図2を用いて、説明する。
図1は、第1の実施例における半導体レーザの構成の斜視図を示す。図2は、内部の構造をわかりやすくするために、図1の構造の一部を取り除いた場合の斜視図を示す。また、図中の色の濃い部分は、Zn拡散領域511を示す。
この半導体レーザは、基板(n型GaAs基板501)と、n型GaAs基板501の上部に設けられた活性層(量子井戸活性層504)と、を備えるものである。半導体レーザの窓構造においては、少なくとも一方の端面近傍領域の量子井戸活性層504が、不純物の拡散により混晶化されているとともに、端面近傍領域の量子井戸活性層504のバンドギャップが当該端面近傍領域以外の領域の量子井戸活性層504のバンドギャップより大きいものである。本実施例においては、不純物としてZnを用いているが、これに限定されことなく、各種の金属などを用いることができる。
さらに、共振器方向において、光の波長がλw+2(nm)に相当するバンドギャップを有する量子井戸活性層504の位置から、光の波長がλa−2(nm)に相当するバンドギャップを有する量子井戸活性層504の位置との間を遷移領域とし、遷移領域の長さをLtとしたとき、
λa−λw>15nmであり、Ltが25μm未満となるものである。
図3および図4は、本発明の第1の実施例の半導体レーザの製造工程の手順を示す。尚、ここに示す図は、ウェハの中の半導体レーザ1素子に相当する分について示したもので、実際の製作は、この素子を多数個2次元的につないだウェハの形態で行われる。
さらに、この量子井戸活性層504を混晶化させる工程は、以下の工程(1)から(3)を含むものである。
工程(1)半導体層Aおよび半導体層Bを準備し、半導体層Aの不純物に対する固溶限界濃度をMaとし、半導体層Bの不純物に対する固溶限界濃度をMbとして(Ma>Mb)、量子井戸活性層504の上部に、半導体層Bおよび半導体層Aをこの順で積層する工程、
工程(2)端面近傍領域となる予定領域と端面近傍領域以外となる予定領域との間の半導体層Aに溝を形成する工程、
工程(3)端面近傍領域となる予定領域の半導体層Aの表面のみに接するように、不純物を含む層を形成するとともに、半導体層Aと半導体層Bとを介して端面近傍領域となる予定領域の量子井戸活性層504に不純物を拡散させる工程。
本実施例では、半導体層Aをp型GaAsキャップ層507とし、半導体層Bをp型AlGaInPクラッド層505とし、不純物はZnとして説明する。
[工程(1)]
まず、n型GaAs基板501に、n型GaInPヘテロ障壁緩和層502(厚さ0.02μm)、n型AlGaInPクラッド層503(厚さ1.2μm)、量子井戸活性層504(厚さ0.006μmのGaInP井戸層と厚さ0.005μmのAlGaInP障壁層からなる7重量子井戸)、p型AlGaInPクラッド層505(厚さ1.2μm)、p型GaInPへテロ障壁緩和層506(厚さ0.02μm)、およびp型GaAsキャップ層507(厚さ0.3μm)をMOCVD法(有機金属気相成長法)でエピタキシアル成長させる。
続いて、p型GaAsキャップ層507の上にSiO2膜(厚さ0.1μm)をCVD(Chemical Vapor Deposition)法で成膜した後、フォトリソグラフィー、ウェットエッチングを用いて、該SiO2膜の一部を開口する。
次に、該SiO2膜を全て除去した後、再び、CVD法でSiO2膜508(厚さ0.2μm)を成膜し、レーザチップにヘキ開したときに端面となる位置を中心に、その近傍のみを開口する。このとき、開口部の共振器方向の長さは、20μmである。
続けて、ZnO膜509(厚さ0.1μm)、およびSiO2膜510(厚さ0.1μm)をスパッタ法で成膜する。
またAlGaInPへのZnの固溶限界濃度はSIMS測定による積層方向のZn濃度プロファイルから見積もった。これに用いた手法は、フィジカ・ステータス・ソリディ・(a)の149号(1995年)557ページに記載されている。
図5は、本実施例の半導体レーザ(図5(a))および後述する比較例の半導体レーザ(図5(b))の活性層のバンドギャップに相当する光の波長の測定結果を示す。グラフの横軸は、端面から共振器内部に向かう方向の距離を、縦軸はフォトルミネッセンス光のピーク波長を示している。また、端面位置(横軸が0μmの位置)での波長をλw(nm)、横軸が100μmの位置での波長をλa(nm)としている。図5中のLtは、前述の遷移領域の長さを示す。
Ltにおいては、図5(a)は12μmを示し、図5(b)は46μmを示す。
本実施例の半導体レーザは、両側の端面近傍領域の量子井戸活性層504が混晶化されているとともに、端面近傍領域の量子井戸活性層504のバンドギャップが利得領域(端面近傍領域以外の領域)の量子井戸活性層504のバンドギャップより大きい窓構造を備えている。このバンドギャップが拡大した領域は、レーザ発振光に対して光吸収の無い透明な窓として機能するため、光学破壊(COD)が生じるレベルを飛躍的に高めることができる。これにより、安定性に優れた半導体レーザを実現することができる。
次に、比較例として、特許文献2に記載の半導体レーザに相当する半導体レーザの説明をする。この比較例の半導体レーザは、以下の工程により製造されるものである。
まず、図13(a)に示すように、1回目のエピタキシアル成長で、n型GaAs基板1001上に、n型GaInPへテロ障壁緩和層1002、n型AlGaInPクラッド層1003、量子井戸活性層1004、p型AlGaInPクラッド層1005、p型GaInPへテロ障壁緩和層1006、p型GaAsキャップ層1007を順次積層した後、p型GaAsキャップ層1007上に、CVD、フォトリソグラフィーを用いて、LDチップの端面近傍に相当する領域に開口を有するSiO2膜1008を形成し、さらにスパッタリング法により、ZnO膜1009とSiO2膜1010を形成する。次いで、600℃前後の温度で10〜30分加熱すると、p型GaAsキャップ層1007とZnO膜1009が接している部分から、半導体側にZn原子が拡散し、図13(a)の色の濃い部分で示したようなZn拡散領域1011が形成される。次いで、SiO2膜1008、ZnO膜1009、SiO2膜1010を除去した後、続けて、図13(b)に示すように、CVD、フォトリソグラフィーにより形成したSiO2ストライプ1012をエッチングマスクとして、ウェットエッチングまたはドライエッチングにより、量子井戸活性層1004の上0.2〜0.4μmのところまで、半導体をエッチングで除去しリッジを形成する。続けて、図14(a)(b)に示すように、レジスト膜1015を形成して、フォトリソグラフィーとエッチングにより、端面近傍部のSiO2ストライプ1012とp型GaAsキャップ層1007を除去する。続けて、レジスト膜1015を除去した後、2回目、3回目のエピタキシアル成長で、図15(a)(b)に示すように、n型電流ブロック層1013、p型コンタクト層1014を形成した後、上下に電極を形成してから、Zn拡散領域1011に端面が含まれるように個片化する。以上の工程により、比較例の半導体レーザチップが得られる。
次に、比較例と対比しつつ本実施例の効果について説明する。
すなわち、比較例の半導体レーザにおいては、Ltが25μm以上であるとき、端面から共振器内部へ向かっての活性層のバンドギャップの減少のしかたが緩やかとなると、非利得領域の体積が大きくなり、利得が不足しがちになることから、閾値電流値の上昇を引き起こすことがあった。特に共振器長が比較的短い、光ディスク再生用のレーザでは、影響が顕著である。また、自励発振レーザのような、利得と損失の微妙なバランスを利用するデバイスでは、極端に自励発振が起きにくくなるという懸念がある。
これに対して、本実施例の半導体レーザの構造においては、Ltが小さいため、自励発振動作が安定する結果、可干渉性が小さくなることがわかる。
また、損失領域や非利得領域の増大により、自励発振が困難になる点、自励発振は利得と損失の大小関係に影響されやすい点、または他の特性面の点を鑑みると、遷移領域の長さLtは小さいほうがよい。
続いて、本発明の第2の実施例について、図8から図11を用いて、説明する。
図8は、第2の実施例における半導体レーザの構成の斜視図を示す。図9は、内部の構造をわかりやすくするために、図8の構造の一部を取り除いた場合の斜視図を示す。
図10、図11は、第2の実施例の半導体レーザの製造工程の手順を示す。
続いて、本発明の第3の実施例について、図12を用いて、説明する。
図12は、本発明の第3の実施例の半導体レーザの製造工程の手順を示す。
第3の実施例では、図3(b)まで第1の実施例と同じ工程を経る。それ以降、図12(a)に示すように、CVD、フォトリソグラフィー、エッチングを経て、SiO2膜512とp型GaAsキャップ層507のうち端面近傍領域となる予定領域を除去する。さらに、図12(b)に示すように、レジスト517、SiO2膜512を全面除去した後、CVD、フォトリソグラフィ、エッチングを経て、電流注入を行いたい領域のみにSiO2膜518を開口する。この後、p型GaAsキャップ層507およびSiO2膜518の上部にコンタクト層を形成し、第1の実施例と同様にして、レーザチップまでの加工を実施する。以上により、第3の実施例の半導体レーザを得ることができる。
但し、リッジ脇にp型AlGaInPクラッド層505が露出した後のSiO2膜形成は、結晶品質の低下を極力抑えるために、CVDなどの低ダメージでのプロセスが望ましい。
工程(1)半導体層Aおよび半導体層Bを準備し、半導体層Aの不純物に対する固溶限界濃度をMaとし、半導体層Bの不純物に対する固溶限界濃度をMbとしたとき(Ma>Mb)、半導体層Bの上部に半導体層Aを積層する工程、
工程(2)半導体層Aに溝を形成して、半導体層Bの上部に第1の半導体層Aと第2の半導体層Aとを形成する工程、
工程(3)第1の半導体層Aの表面のみに接するように、不純物を含む層を形成するとともに、第1の半導体層Aを介して半導体層Bに不純物を拡散させる工程。
ここで、半導体層A、半導体層B、および不純物は上述したものと同様のものを用いることができる。
不純物を含むガスとしては、Znを含むガスであれば特に限定されず、たとえば、DEZ(ジエチルジンク)等を用いることができる。
502 n型GaInPヘテロ障壁緩和層
503 n型AlGaInPクラッド層
504 量子井戸活性層
505 p型AlGaInPクラッド層
506 p型GaInPへテロ障壁緩和層
507 p型GaAsキャップ層
508 SiO2膜
509 ZnO膜
510 SiO2膜
511 Zn拡散領域
512 SiO2膜
513 n型AlInP/GaAs電流ブロック層
514 p型GaAsコンタクト層
515 n型電流ブロック層
516 p型GaAsコンタクト層
517 レジスト
518 SiO2膜
1001 n型GaAs基板
1002 n型GaInPへテロ障壁緩和層
1003 n型AlGaInPクラッド層
1004 量子井戸活性層
1005 p型AlGaInPクラッド層
1006 p型GaInPへテロ障壁緩和層
1007 p型GaAsキャップ層
1008 SiO2膜
1009 ZnO膜
1010 SiO2膜
1011 Zn拡散領域
1012 SiO2ストライプ
1013 n型電流ブロック層
1014 p型コンタクト層
1015 レジスト膜
Claims (26)
- 基板と、
前記基板の上部に設けられた活性層と、を備え、
少なくとも一方の端面近傍領域の前記活性層が不純物の拡散により混晶化されているとともに、前記端面近傍領域の前記活性層のバンドギャップが前記端面近傍領域以外の領域の前記活性層のバンドギャップより大きい、半導体レーザであって、
一方の端面から共振器方向の距離が2μm以内の位置の前記活性層のバンドギャップに相当する光の波長をλw(nm)とし、共振器長をLとして、一方の前記端面から前記共振器方向の距離が(3/10)L以上、(7/10)L以下の位置の前記活性層のバンドギャップに相当する光の波長をλa(nm)とし、
さらに、共振器方向において、光の波長がλw+2(nm)に相当するバンドギャップを有する前記活性層の位置から、光の波長がλa−2(nm)に相当するバンドギャップを有する前記活性層の位置との間を遷移領域とし、前記遷移領域の長さをLtとしたとき、
λa−λw>15nmであり、
Ltが25μm未満である、半導体レーザ。 - 前記活性層の上部に設けられたクラッド層と、
前記クラッド層の上部に設けられたキャップ層と、をさらに備え、
前記キャップ層の前記不純物に対する固溶限界濃度が、前記クラッド層の前記固溶限界濃度より高い、請求項1に記載の半導体レーザ。 - 前記キャップ層を構成する材料は、GaAsを含む、請求項2に記載の半導体レーザ。
- 前記クラッド層を構成する材料は、GaInP、AlGaInPまたはAlGaAsを含む、請求項2または3に記載の半導体レーザ。
- 前記活性層を構成する材料は、GaInP、AlGaInPまたはAlGaAsを含む、請求項1から4のいずれかに記載の半導体レーザ。
- 前記不純物は、Znである、請求項1から5のいずれかに記載の半導体レーザ。
- 前記活性層の上部に設けられた電流ブロック層を、さらに備え、自励発振する、請求項1から6のいずれかに記載の半導体レーザ。
- 前記遷移領域の長さLtが、12μm以下かつ1μm以上である、請求項1から7のいずれかに記載の半導体レーザ。
- リッジ型のストライプ、またはリッジ埋め込み型のストライプを有する、請求項1から8のいずれかに記載の半導体レーザ。
- 前記端面近傍領域と前記端面近傍領域以外の領域との間の前記キャップ層に溝が設けられている、請求項2から9のいずれかに記載の半導体レーザ。
- 前記共振器長Lが、500μm以下である、請求項1から10のいずれかに記載の半導体レーザ。
- 基板の上部に活性層を形成した後、前記活性層の端面近傍領域に不純物を拡散させ、この活性層を混晶化させる工程を含む、半導体レーザの製造方法であって、
前記活性層を混晶化させる工程は、
半導体層Aおよび半導体層Bを準備し、
前記半導体層Aの前記不純物に対する固溶限界濃度をMaとし、前記半導体層Bの前記不純物に対する固溶限界濃度をMbとしたとき(Ma>Mb)、前記活性層の上部に、前記半導体層Bおよび前記半導体層Aをこの順で積層する工程と、
前記端面近傍領域となる予定領域と前記端面近傍領域以外となる予定領域との間の前記半導体層Aに溝を形成する工程と、
前記端面近傍領域となる予定領域の前記半導体層Aの表面のみに接するように前記不純物を含む層を形成する、または前記端面近傍領域となる予定領域の前記半導体層Aの表面のみを前記不純物を含むガスに晒すとともに、前記半導体層Aと前記半導体層Bとを介して前記端面近傍領域となる予定領域の前記活性層に前記不純物を拡散させる工程と、を含む、半導体レーザの製造方法。 - 前記半導体層Aをキャップ層とし、前記半導体層Bをクラッド層としたとき、
前記端面近傍領域以外となる予定領域において、前記クラッド層の上部に前記キャップ層を残す、請求項12に記載の半導体レーザの製造方法。 - 前記端面近傍領域となる予定領域において、前記クラッド層の上部に前記キャップ層を残す、請求項12または13に記載の半導体レーザの製造方法。
- 前記端面近傍領域となる予定領域において、前記クラッド層の上部の前記キャップ層を除去し、前記クラッド層の上部に電流ブロック層を形成する、請求項12または13に記載の半導体レーザの製造方法。
- 前記電流ブロック層は、単層または多層構造である、請求項15に記載の半導体レーザの製造方法。
- 前記溝を形成する工程において、
前記溝の内部に、前記不純物の拡散を防止する層を形成する工程を含む、請求項12から16のいずれかに記載の半導体レーザの製造方法。 - 前記不純物は、Znである、請求項12から17のいずれかに記載の半導体レーザの製造方法。
- 前記半導体層Bを構成する材料は、GaInP、AlGaInPまたはAlGaAsを含む、請求項12から18のいずれかに記載の半導体レーザの製造方法。
- 前記半導体層Aを構成する材料は、GaAsを含む、請求項12から19のいずれかに記載の半導体レーザの製造方法。
- 前記不純物を含む層は、スパッタリング法により形成したZnO膜である、請求項12から20のいずれかに記載の半導体レーザの製造方法。
- 自励発振する、請求項12から21のいずれかに記載の半導体レーザの製造方法。
- 半導体層Aを介して半導体層Bに不純物を拡散させる不純物拡散方法であって、
前記半導体層Aおよび前記半導体層Bを準備し、
前記半導体層Aの前記不純物に対する固溶限界濃度をMaとし、前記半導体層Bの前記不純物に対する固溶限界濃度をMbとしたとき(Ma>Mb)、
前記半導体層Bの上部に前記半導体層Aを積層する工程と、
前記半導体層Aに溝を形成して、前記半導体層Bの上部に第1の半導体層Aと第2の半導体層Aとを形成する工程と、
前記第1の半導体層Aの表面のみに接するように、前記不純物を含む層を形成するとともに、前記第1の半導体層Aを介して前記半導体層Bに前記不純物を拡散させる工程を含む、不純物拡散方法。 - 前記不純物は、Znである、請求項23に記載の不純物拡散方法。
- 前記半導体層Bを構成する材料は、GaInP、AlGaInPまたはAlGaAsを含む、請求項23または24に記載の不純物拡散方法。
- 前記半導体層Aを構成する材料は、GaAsを含む、請求項23から25のいずれかに記載の不純物拡散方法。
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