JPH01114092A - 埋込み型半導体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、特に寄生容量が小さく、超高速変調に好適な
埋込み型半導体レーザに関する。

（従来の技術〕 光フアイバー通信の大容量化のために、超高速変調（１
０〜３０　Ｇ　Ｈｚ　）の可能な半導体レーザが望まれ
ている。これまでの光フアイバー通信に用いられている
半導体レーザは、埋込み型半導体レーザ（Ｂｕｒｉｅｄ
　Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　：　Ｂ　Ｈ）であ
り。

これは、低しきい電流で、縦モード、横モード共に単一
であり、さらに他の半導体レーザに比べて寄生インピー
ダンスが小さいためである。しかし、このＢＨレーザに
おいても、その変調帯域は、ストライプ外部の寄生容量
により、約３　Ｇ　Ｈｚに制限されている。寄生容量を
低減するためには、ストライプ外部の半導体接合面積を
小さくすることが考えられる。その１つの方法として、
ストライブの近傍以外の埋込み層をエツチング等により
、除去することが、上手他により、昭和６１年度電子通
信学会光・電波部門全国大会請演論文集ＮＱ２３２にて
発表されている。この報告では、残存しているメサ幅は
５μｍであり、ストライプ外部の埋込み層の残存してい
る幅は片側約２μｍとなる。この寄生容量は８９Ｆであ
り、これによる変調帯域は４〜５ＧＨｚに制限されてい
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、ストライプ外部の寄生容量を低減する
ために、−度成長した埋込み層をエツチングにより除去
する方法である。１０ＧＨｚ以上の変調帯域を実現する
ためには、残存させる埋込み層の幅を０．５μｍ程度に
する必要があり、上記従来技術では、エツチングマスク
の合わせ精度・寸法精度、及びサイドエッチの点で不可
能であった。

本発明の目的は、ストライプ外部の埋込み層の幅を１．
０μｍ以下、寄生容量を３ｐＦ以下程度に形成すること
を容易にし、１０〜３０ＧＨｚの変調帯域を有する半導
体レーザを提供することにある。

上記目的の第１の達成手段は、埋込み層の形状をメサス
トライプの両側に埋込んだ活性層より屈折率の小さい結
晶層中に設ける側面が垂直な溝により規定することであ
る。溝は臭素、塩素などのハロゲン系ガスを使用して反
応性イオンエツチング法あるいは反応性イオンビームエ
ツチング法により形成する。

また、上記目的の第２の達成手段は、埋込み層をメサス
トライプに被着形成した膜厚３μｍ以下の活性層より屈
折率の小さい半導体薄膜とすることである。薄膜はＭＯ
ＣＶＤ法、ハライド系ＶＰＥ法、クロライド系ＶＰＥ法
、あるいはＭＢＥ法などにより形成する。

〔作用〕

上記第１の達成手段においては、臭素、塩素などのハロ
ゲン系ガスを使用した。反応性イオンエツチング法ある
いは、反応性イオンビームエツチング法により、側面が
ほぼ垂直な溝を形成することができる。これにより、活
性層の両側１μｍ以内のところに、再現性よく基板結晶
に達する溝を作製することができる。その結果１例えば
電流ブロック層のｐｎｐもしくはｎｐｎ接合よりなる埋
込み層の寄生容量を１０〜４０ｐＦから１〜３ｐＦにま
で低減することができる。従来の埋込み型半導体レーザ
の変調帯域は電気的特性により制限されており、接合容
量をＣ２直列抵抗をＲとすると、遮断周波数ｆは、ｆ＝
Ｌ／Ｃ２πＣＲ）で与えられる。本発明により、ｆを一
桁改善することができる。さらに、作製した溝の表面を
基板結晶材料と接着性がよく、熱膨張係数がほぼ等しい
。

基板結晶材料と同種の元素を少なくとも一種類含んだ酸
化物で被うことにより、寿命信頼性を向上させることが
できる。

上記第２の達成手段においては、上記成長法によれば、
メサ形状をほぼ保存しながら埋込み層が成長するので、
活性層の両側にほぼ同様の膜厚の埋込み層が成長し、ま
たこの薄膜埋込み層の幅は、その成長時間のみにより、
厳密に制御できる。従って、０．５μｍ以下の埋込み層
形成が十分制御よく形成でき、その寄生容量は主に埋込
み層のキャリア濃度により決まる。埋込み層をアンドー
プ。

あるいは意図的に不純物を導入して高抵抗化を行ったと
ころ、寄生容量は１ｐＦ程度に低減できた。

さらには、埋込み層を通り流れるリーク電流も１ｍＡ以
下に押さえることができた結果高出力動作も可能となり
、緩和振動周波数の増大も可能となった。また、ストラ
イプ外部の埋めこみ層と電極の間にＳ　ｘ　Ｏｘ、　Ｓ
　ｉ　Ｎｘ膜等の絶縁膜を設けてストライプ内外の絶縁
を行うことにより、寄生容量の低減効果は、さらに顕著
となる。以上の構成により、２０〜３０ＧＨｚの変調帯
域を有する半導体レーザを可能ならしめた。

〔実施例〕

以下、本発明の詳細な説明する。

実施例１ 第１図は本発明の実施例の断面図である。ｎ型ＩｎＰ基
板１の表面に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層２、アン
ドープＩｎＧａＡｓＰ活性層３ｙＰ型ＩｎＧａＡｓＰバ
ツフアー層４ｔＰ型ＩｎＰクラッド層５を順次液相成長
法により形成した後１幅１μｍ程度の活性層３を残した
メサストライプ１３を形成する。

その後、メサストライプ１３の両側にｐ型Ｉｎ、Ｐ埋込
み層６．ｎ型ＩｎＰ埋込み層７を液相成長法により成長
させて電流ブロック層を形成し、続いて全面にｐ型Ｉｎ
Ｐクラッド層ａｙＰ型ＩｎＧａＡｓＰキャップ層９を液
相成長法により形成する０次に。

上面および下面にそれぞれｐ側電極１０（Ａｕ／Ｃｒ）
およびｎ側電極１１　（Ａ　ｕ　／ＡｕＧｅＮ１）を蒸
着法により形成した６次に、臭素、塩素などのハロゲン
系ガスを用いた反応性イオンエツチング法あるいは反応
性イオンビームエツチング法に′より、活性層の両側近
傍に、側面が活性層に対し、はぼ垂直な溝１４を形成し
た。エツチングのマスクには、５ｉＯｚもしくはホトレ
ジストを使用した。

このように溝１４を活性層３近傍に形成することにより
、寄生容量を１０〜４０ＰＦから１〜３９Ｆに低減する
ことができた。直列抵抗は５Ωであり、変調帯域２０Ｇ
Ｈｚ　（−３ｄＢバンド幅）を得た。

実施例２ 第２図は本発明の実施例２の断面図である。実施例２は
、基板１に達する深さを有する溝１４を設けた点に特徴
がある０本実施例では、寄生容量を１０〜４０ｐＦから
１〜３ｐＦに低減でき、変調帯域２０ＧＨｚ　（−３ｄ
Ｂバンド幅）を得た。

実施例３ 第３図は本発明の実施例３の断面図である。実施例３は
、基板に達する深さを有する溝１４を活性層３近傍に設
けた後、酸素およびリン気流の下で、２００〜４００℃
で熱処理することにより、溝１４表面を基板結晶材料の
酸化物被膜１２で覆ったことを特徴としている。本実施
例では、寄生容量は、１〜３ｐＦと低く、変調帯域２０
　Ｇ　Ｈｚ（−３ｄＢバンド幅）を得ることが出来た。

溝１４の表面を、基板結晶材料と同種の元素を少なくと
も１種類含んだ酸化物で覆うことにより１表面の安定化
がなされた。この結果、温度５０℃光出力１０ｍＷ時間
１０００ｈｒの加速寿命試験を行なった後も変調帯域の
劣化は生じなかった。

上記実施例１〜３では、溝表面を高温・酸素およびリン
気流下で酸化することにより、酸化被膜を得たが、ＣＶ
Ｄ法もしくは光ＣＶＤ法により溝表面に酸化被膜を形成
しても、同様に寿命信頼性を向上させることができた。

実施例４ 第４図は本発明の実施例４の断面図である。ｎ型ＩｎＰ
基板１０１上にｎ型ＩｎＰバッファ層１０２　、　Ｉｎ
ＧａＡｓＰ活性層（厚さ０．１−０．４ｕｍ）１０３ｔ
　ｐ型ＩｎＰ層１０４．ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ保護層１０
５を順次成長する。その後、幅１μｍ程度の幅の活性層
１０３を残したメサストライプ１１３を形成する。この
時、突出したメサストライプ１１３の機械的保護のため
に、ストライプから両側に１０μｍ以上離れた領域では
エツチングを行なわず、成長層を残しておく、この後、
ＭＯＣＶＤ法により、アンドープＩｎＰ層１０６を０．
３μｍ成長した。ＭＯＣＶＤ法の非平衡な成長メカニズ
ムを有する成長法は、メサストライプ１１３の形状をほ
ぼ保存しながら膜成長するので活性層の両側にも０．３
μｍのアンドープＩｎＰ層１０６が成長する。この後、
ＳｉＯｘ膜７を４０００人堆積して、ストライプ１１３
外部の電気絶縁を行ない、メサストライプ１１３上部の
Ｓ　ｉ　Ｏｘ膜１０７を除去し、これをマスクにしてメ
サ上部の埋込みＩｎＰ層１０６を除去し、Ｚｎ拡散領域
１０８を設けた。この後、ｐ側電極１０９．ｎ側電極１
１０を形成したのち、へき開法により共振器長２００μ
ｍの半導体レーザ装置を得た。

、　　試作した素子は波長１．３μｍにおいてしきい°
電流１０ｍＡで発振した。室温における光出力１０ｍＷ
時における小信号周波数特性の測定結果を第７図中の一
点鎖線で示す、緩和振動に伴う共振状ピークが１５　Ｇ
　Ｈｚ付近に現われ、３ｄＢ低下周波数は２０　Ｇ　Ｈ
ｚまで達した。また素子の寄生インピーダンスによるロ
ールオフ３ｄＢ低下周波数は約１６ＧＨｚであり、測定
により得られた寄生容量Ｃ＝１．５ｐＦ　、直列抵抗Ｒ
＝６０から求まるｆ＝（２πＣＲ）−”の１７ＧＨ２と
ほぼ一致した。またアンドープＩｎＰ層１０６を通って
流れるリーク電流は約２ｍＡであり、重大な問題は生じ
なかった０以上のように、ＭＯＣＶＤ法により形成され
た薄膜ＩｎＰによる埋込み型半導体レーザは、寄生容量
が大幅に低減でき、秀れた高周波特性を実現できた。

実施例５ 第５図は本発明の実施例５の断面図である。本実施例の
構成及び製作方法は実施例４とほぼ同様であるが異なる
点は次の２点である。まず、活性層が厚さ１０ｎｍのＩ
　ｎｏ、ｓａＧ　ａｏ＊４ｔＰウェル層と厚さ１０ｎｍ
のＩｎＰバリア層を各々１層層ずつ交互に積層した多重
量子井戸活性層１１１となっている。さらに、メサスト
ライプ１１３形成後の埋込み層１１２形成をハライド系
ＶＰＥ法により行い、０．５μｍ厚さのＦｅドープＩｎ
Ｐ層を形成したことである。この埋込み時には、メサス
トライプ１１３形成用のＳｉ０ｇマスクを残しておいた
ために、メサストライプ１１３上部には埋込み層１１２
は成長していない。

本実施例においては、波長１．５μｍにおいて、しきい
電流５　ｍ　Ａで発振した。実施例４に比べてしきい電
流が低減した理由は２点であり、まず、第１点は多重量
子井戸活性層の量子サイズ効果により、低キヤリア密度
で発振可能となった。第２点は埋込み層１１２にＦｅド
ープＩｎＰ層を用いたために高抵抗（ρ＞１０６Ωｃ１
１）化したため、リーク電流が押さえられた（＜０．１
ｍＡ）ためである。本素子の室温における光出力９ｍＷ
時の小信号周波数特性を第７図中の実線で示す。まず、
量子サイズ効果により、緩和振動周波数は２５ＧＨｚま
で増大した。また、埋込み層が高抵抗化できたため、そ
の寄生容量はＩｐＦ程度に低減し、寄生インピーダンス
によるロールオフ３ｄＢ低下周波数は２５　Ｇ　Ｈｚま
で達した。

実施例６ 第６図は本発明をＧａＡ　Ｑ　Ａｓ系半導体レーザに適
用した場合の実施例６の断面図である。ｎ型ＧａＡｓ基
板１２１上にｎ型ＧａＡ　（ｌ　Ａｓクラッド層１２２
゜厚さ７層ｍのＧａＡｓウェルとＩ　Ｘ　１０　”ａｍ
−’のｐドーピングを行った厚さ７層ｍのＧａｏ、ａＡ
　’ｎ　ｏ、ｚＡｓバリヤを交互にそれぞれ５層ずつ積
層した変調ドープＭＱＷ活性層１２３．ｐ型ＧａＡ　Ｑ
　Ａｓクラッド層１２４．ｐ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓキャップ
層１２５を順次。

ＭＯＣＶＤ法あるいはＭＢＥ法により成長する。

本実施例では特に緩和振動周波数を増大するために、活
性層に変調ドープＭＱＷを導入した。、この後、実施例
４と同様のメサストライプ１１３を形成し、ＭＯＣＶＤ
法により、アンドープである高抵抗ＧａＡ　ｎ　Ａｓ層
１２６を０．３　μｍ成長する。この後、５ｉｆｔ層１
２７を３０００人堆積し、その上にポリイミド膜１２８
を塗布し、表面を平坦化する。その後、メサストライプ
１１３上部の５ｉｎｓ膜１２７とポリイミド膜１２８を
除去して、これをマスクにして、ＧａＡ　Ｑ　Ａｓ埋込
み層１２６をエツチングにより除去し、ｐ側電極１２９
．ｎ側電極１３０を形成する。素子はへき間長１５０μ
ｍとした。

′試作した素子は波長８３０ｎｍにおいて、しきい電流
４ｍＡで発振した。光出力１３ｍＷにおける緩和振動周
波数は、変ＷＲｐドープの効果により、３０　Ｇ　Ｈｚ
を超え、測定不能であった。また、素子の寄生容量は約
１．５ｐＦ　、直列抵抗は４Ωで、これらの寄生インピ
ーダンスによるロールオフ３ｄＢ低下周波数は約２２　
Ｇ　Ｈｚであった。

また、上記実施例４〜６において、ストライプ外部の絶
縁は５ｉｎｓ膜のみを示したが、他の絶縁膜（ＳｉＮつ
膜）を用いても、はぼ同様の効果が得られた。

以上のように本発明による薄膜の埋込み層を有する半導
体レーザは高速変調特性に秀れ、しかもリーク電流を低
減できることがわかった。また。

本発明は、グレーティングのブラッグ反射を用いたＤＦ
ＢあるいはＤＢＲレーザに対しても適用できることは言
うまでもない。

また、上記各実施例１〜６において導電型を反対にした
構造（ｐをｎに、ｎをｐに）においてもほぼ同様の効果
が得られた。

また、本発明はその技術的手段から判断して、室温連続
発振ができる全範囲の半導体レーザの構成に対して適用
できることは当業者が容易に理解し得るところである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ストライプ外部の埋込み層の幅を制御
良く簡便に１．０μｍ以下特には０．５μｍ程度にでき
、寄生容量を大幅に低減できるので、従来の半導体レー
ザに比べてはるかに秀れた２０Ｇ　Ｈｚ以上の超高速変
調可能で、寿命信頼性の高い半導体レーザを作製するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図、第４図、第５図および第６図
は各々本発明の実施例１．実施例２．実施例３．実施例
４．実施例５および実施例６の半導体レーザ装置の断面
図である。第７図は本発明の実施例４および実施例５の
半導体レーザ装置の高速変調特性の測定結果を示す図で
ある。 １−ｎ型ＩｎＰ基板、２−　ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイ
ド層、３・・・アンドープＩｎＧａＡｓＰ活性層、４・
・・ｐ型ＩｎＧａＡｓＰバアファー層、５・・・ｐ型Ｉ
ｎＰクラッド層、６・・・ｐ型１．ｎＰ埋込み層、７・
・・ｎ型ＩｎＰ埋込み層、８・・・ｐ型ＩｎＰクラッド
層、９・・・ｐ型ＩｎＧａＡｓＰキャップ層、１０−　
ｐ側電極、１１−　ｎ側電極、１２・・・酸化被膜、１
３・・・メサストライプ、１４−・・溝、１０３−Ｉｎ
ＧａＡｓＰ活性層、１０６−・・ＭｏＣＶＤ法によるア
ンドープＩｎＰ層、１０７゜１２７−８　ｉ　Ｏｘ膜、
１０９”’Ｐ電極、１１１　・・・多重量子井戸活性層
、１１２・・・ＦｅドープＩｎＰ層、１１３・・・メサ
ストライプ、１２３・・・変調ドープＭＱＷ層、１２６
−ＭｏＣＶＤによる高抵抗第１図 第２図 ′＄４１￥１ 第５図 １１８メ１八ｒ７４ノ 周仮牧　（Ｇ）（ｚ） １２８不′リイミトｌｉＩ喪

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、埋込み型半導体レーザにおいて、埋込み層はメサス
   トライプの両側に埋込んだ活性層より屈折率の小さい半
   導体結晶層中に設けた溝により形状が規定されているこ
   とを特徴とする埋込み型半導体レーザ。 ２、上記溝は、基板に達する深さを有する特許請求の範
   囲第１項記載の埋込み型半導体レーザ。 ３、上記溝の表面を基板結晶材料と同様の元素を少なく
   とも１種類含んだ酸化物によつて被つた特許請求の範囲
   第１項または第２項記載の埋込み型半導体レーザ。 ４、埋込み型半導体レーザにおいて、埋込み層はメサス
   トライプに被着形成した膜厚３μｍ以下の活性層より屈
   折率の小さい半導体薄膜であることを特徴とする埋込み
   型半導体レーザ。 ５、上記埋込み層は、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ハライ
   ド系ＶＰＥ法、クロライド系ＶＰＥ法、光ＣＶＤ法のい
   ずれかの成長法により形成した特許請求の範囲第１項記
   載の埋込み型半導体レーザ。 ６、上記埋込み層は、アンドープもしくはＦｅ、Ｃｒ、
   Ｏ等の不純物を導入して高抵抗化し、半絶縁化したもの
   である特許請求の範囲第４項記載の埋込み型半導体レー
   ザ。 ７、上記埋込み層は、ＧａＡｌＡｓ系半導体レーザでは
   ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザ
   ではＩｎＰである特許請求の範囲第４項記載の埋込み型
   半導体レーザ。 ８、上記活性層は、電子のドウ・ブロイ波長以下の厚さ
   のウェル層と、該ウェル層よりも禁制帯幅の大きいバリ
   ア層とを交互に重ね合わせた多重量子井戸活性層である
   特許請求の範囲第４項記載の埋込み型半導体レーザ。 ９、上記埋込みメサストライプの上部以外の領域の上記
   埋込み層上にＳｉＯ＿２あるいはＳｉＮ＿ｘ膜等の絶縁
   膜を堆積した特許請求の範囲第４項記載の埋込み型半導
   体レーザ。