JPH0750448A - 半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents

半導体レーザおよびその製造方法

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JPH0750448A
JPH0750448A JP19342393A JP19342393A JPH0750448A JP H0750448 A JPH0750448 A JP H0750448A JP 19342393 A JP19342393 A JP 19342393A JP 19342393 A JP19342393 A JP 19342393A JP H0750448 A JPH0750448 A JP H0750448A
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JP
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ridge
refractive index
layer
semiconductor laser
insulating layer
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JP19342393A
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Yasuhito Takahashi
康仁 高橋
Ayumi Tsujimura
歩 辻村
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 500nm付近の発振波長を有するリッジ型
青色半導体レーザを提供する。 【構成】 n−GaAs基板1上に、n−ZnMgSS
eクラッド層2、n−ZnSSeガイド層3、アンドー
プCdZnSe活性層4、p−ZnSSeガイド層5、
p−ZnMgSSeクラッド層6およびp−ZnSeキ
ャップ層7を順次形成する。p型領域にエッチングを用
いて溝13およびリッジ部14を形成する。リッジ部1
4の平坦部以外のリッジ部14の側面および溝13等に
SiO2/TiO2の多層膜8を形成する。リッジ部14
の平坦部に電極を形成する。n−GaAs基板1側の電
極を形成して、リッジ型半導体レーザが作成される。埋
め込み層にSiO2/TiO2の多層膜8を用いているの
で、光もキャリアも効率良く閉じこめられ、発振に必要
なしきい値電流は飛躍的に低減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は400〜500nm付近
の発振波長を有するリッジ型の青色半導体レーザを作成
する際、リッジ部の側面およびリッジ部の底辺に隣接す
る平坦部にクラッド層の屈折率よりも小さい屈折率から
大きな屈折率まで連続的に変化でき、反屈折率導波型か
ら屈折率導波型まで形成できる半導体レーザの構造およ
びその製造方法を提供するものである。
【0002】
【従来の技術】最近の半導体結晶成長技術の著しい進歩
によりこれまで不可能といわれていたP型のZnSe系
結晶が得られるようになり、PN接合を利用した発光ダ
イオードや半導体レーザが報告されるようになってき
た。この材料系の魅力は500nm付近の発光波長の青
色光が得られることである。
【0003】従来、II−VI族化合物半導体を利用し
て作製した半導体レーザの構造を図7に示す(アフ゜ライト゛フ
ィシ゛ックスレタース゛、M.A.HAASE et al. Appl.Phys.Lett. 59 1
272(1991))。
【0004】分子線エピタキシー法(MBE:Molecular Be
am Epitaxy)により、n型GaAs基板71上にn−G
aAsバッファー層72、n+−ZnSe層73、n−
ZnSSe層74、n−ZnSe層75、アンドープC
dZnSe活性層76、p−ZnSe層77、p−Zn
SSe層78、p+−ZnSeキャップ層79を順次積
層した後、p+−ZnSeキャップ層79上にストライ
プ状の溝を有するポリイミド層80を形成して電流狭搾
層とし、それらの上にAu電極81を、n−GaAs基
板側にIn電極82を形成した構造になっている。活性
層に用いられているCdZnSe層76の厚みは約10
nmであった。
【0005】また、III−V族化合物半導体を用いた
ものには、リッジ型構造が提案されており、発振波長に
対してクラッド層とリッジの両サイドに用いられている
絶縁層の屈折率の関係は、クラッド層の屈折率は3を越
えており、絶縁層の屈折率は3より小さいので、絶縁層
の屈折率がクラッド層の屈折率を越えることはなかっ
た。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この構
造による半導体レーザには以下の示すいくつかの課題が
存在する。III−V族化合物半導体を用いたものは、
H.C.Casey,JrとM.B.PanishによるHETEROSTRUCTURE LAS
ERS(アカテ゛ミック フ゜レス ACADEMIC PRESS 1978)を見るとこれ
までに多くの半導体レーザの構造が提案されている。従
来例で示した、いわゆる酸化膜ストライプ構造は、電流
の狭搾も光の閉じ込めも不十分であり最も発振しにくい
構造である。低しきい値電流で発振させるためには、電
流の狭搾と光の閉じ込めを同時に行い、発光領域での利
得をできるだけ大きくする必要がある。これを実現する
最も典型的な構造はBH(Buried-Heterostructure)構
造である。しかし、BH構造に用いる埋め込み層の屈折
率と活性層の屈折率差を大きくすると、横方向の光の閉
じ込めは良くなるが、メサ幅が広いと多モード化しやす
く、結果として電流の狭搾はよいにもかかわらずしきい
値電流を上げる大きな原因の一つとなる。また、用途に
よっては、光の閉じ込めを強くすることは必ずしも好ま
しいことではなく、閉じ込めを弱めて適当に光を放射し
てやる必要がある。
【0007】さらに、II−VI族化合物半導体は、I
II−V族化合物半導体のように豊富に格子整合する材
料がなく、単結晶の半導体の組合せでBH構造を形成す
るのは非常に困難であるとともに、一部では成長後加熱
するとII−VI族化合物特有の熱劣化する傾向も見ら
れる。従って、DH構造を作成した後、メサやリッジを
形成して、再び結晶成長温度に上げて埋め込みを行うと
著しい劣化が起こる問題がある。
【0008】また、p型ZnSeが容易に得られるよう
になったとはいえキャリア濃度はたかだか1×1018
ー3程度であり、オーミックを取るためのキャップ層と
しては十分ではないので、接触抵抗を下げるためにコン
タクト幅はできるだけ広くする必要がある。
【0009】そこで本発明は、単一モード発振を維持し
ながら、リッジ幅をできるかぎり広くしてなおかつ接触
抵抗を下げ、しきい値電流だけでなく動作電圧を飛躍的
に低減する半導体レーザおよびその製造方法を提供する
ことを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明の半導体レーザは、半導体基板上に少なくともI
I−VI族化合物半導体のクラッド層に挟まれた活性層
からなるDH構造を有するリッジ型半導体レーザにおい
て、リッジ部の側面および前記リッジ部の底辺に隣接す
る平坦部には、前記クラッド層の屈折率よりも小さな屈
折率の絶縁体層と大きな屈折率の絶縁体層が交互に形成
されている構成とする。
【0011】また半導体基板上に少なくともII−VI
族化合物半導体のクラッド層に挟まれた活性層からなる
DH構造を有するリッジ型半導体レーザにおいて、リッ
ジ部の側面および前記リッジ部の底辺に隣接する平坦部
には、前記クラッド層の屈折率よりも小さな屈折率の絶
縁体層と大きな屈折率の絶縁体層が混在してなる絶縁体
層が形成されている構成とする。
【0012】また半導体基板上に少なくともII−VI
族化合物半導体のクラッド層に挟まれた活性層からなる
DH構造を有するリッジ型半導体レーザにおいて、リッ
ジ部の側面および前記リッジ部の底辺に隣接する平坦部
には、前記クラッド層の屈折率よりも小さな屈折率の絶
縁体層と大きな屈折率の絶縁体層が交互に形成されてな
る絶縁体層の所定に位置に超薄膜の金属膜が形成されて
いる構成とする。
【0013】さらに半導体レーザの製造方法は、半導体
基板上に少なくともII−VI族化合物半導体のクラッ
ド層に挟まれた活性層からなるDH構造を有するリッジ
型半導体レーザにおいて、リッジ部を形成する工程と前
記リッジ部の側面および前記リッジ部の底辺に隣接する
平坦部に前記クラッド層の屈折率よりも小さな屈折率の
絶縁体と大きな屈折率の絶縁体からなる絶縁体層を形成
する工程を具備している。
【0014】また半導体基板上に少なくともII−VI
族化合物半導体のクラッド層に挟まれた活性層からなる
DH構造を有するリッジ型半導体レーザにおいて、リッ
ジ部を形成する工程と前記リッジ部の側面および前記リ
ッジ部の底辺に隣接する平坦部に前記クラッド層の屈折
率よりも小さな屈折率の絶縁体と大きな屈折率の絶縁体
および金属膜からなる絶縁体層を形成する工程を具備し
ている。
【0015】
【作用】半導体レーザでは光と注入キャリアをいかに効
率よく閉じ込めるかが重要であり、本発明によるリッジ
型レーザでは、リッジ幅が広いにもかかわらず光と注入
キャリアが効果的に閉じこめられて、低しきい値電流で
発振が可能となる。リッジ幅が広いため接触抵抗が低減
でき動作電圧も飛躍的に低減できる。
【0016】
【実施例】以下に、実施例を用いて本発明を説明する。
【0017】(実施例1)図1は、n−GaAs基板1
上に、n−ZnMgSSeクラッド層2、n−ZnSS
eガイド層3、アンドープCdZnSe活性層4、p−
ZnSSeガイド層5、p−ZnMgSSeクラッド層
6およびp−ZnSeキャップ層7を順次形成した後、
p型領域に化学エッチングあるいはドライエッチングを
用いて溝13およびリッジ部14を形成する。クラッド
層の組成はGaAs基板1に整合するように選ばれてい
る。たとえば、バンドギャップエネルギーが3eVのと
き、クラッド層の組成はZn0.79Mg0.210.24Se
0.76となる。ガイド層の組成もGaAs基板に格子整合
するように組成が決定されてZnS0.06Se0.94とな
る。
【0018】リッジ部14の平坦部以外のリッジ部14
の側面および溝13等にSiO2/TiO2の多層膜8を
形成する。リッジ部の形成および溝部の多層膜の形成方
法は後に説明する。リッジ部14の平坦部に電極材料と
して例えばAuを形成した後、例えばCr10およびA
u11を形成する。n−GaAs基板1側の電極材料と
しては例えばInを用いた電極を形成して、リッジ型半
導体レーザが作成される。
【0019】本発明のリッジ型半導体レーザでは、リッ
ジ部14の側面および溝13にクラッド層材料のZnM
gSSeの屈折率(発振波長480nmに対して屈折率
は2.6)よりも小さな屈折率のSiO2(同発振波長
に対して屈折率は1.46)および大きな屈折率のTi
2(同発振波長に対して屈折率は2.8)の多層膜8
を用いている。キャリアの閉じ込めを効率良く行なうに
は、深くエッチングして溝13をn型層に形成するとよ
いが、リッジ部14の側面に活性層4の表面が現われる
ために、表面再結合などのリーク電流が流れたり、非発
光中心が発生して、結局しきい値電流が上昇するので、
溝13は活性層4を横切らないようにする。活性層4の
厚さが10nmの時、層厚方向の光の閉じこめ係数を最
大にするための各層の厚さを求めると、ガイド層3、5
の厚さはおよそ90nmとなる。p−ZnMgSSeク
ラッド層6の一部をエッチング除去して溝13をガイド
層5上に形成した場合、埋め込み層にSiO2のみを用
いると、単一横モード発振するためにはリッジ幅は50
0nm以下である必要があるが、埋め込み層にSiO2
/TiO2の多層膜8を用いて屈折率を2.55程度に
すると、単一横モード発振するためのリッジ幅は10μ
m程度まで広げることが可能となる。
【0020】例えばSiO2とTiO2の厚さの比が1:
4であり、発振波長が500nm付近だと、SiO2
20nmでTiO2が80nmで5ペア程度あればよ
い。p型における接触抵抗がIII−V族化合物半導体
に比べて若干大きいので、リッジ幅を広くして抵抗を下
げるためにも、SiO2/TiO2多層膜8で埋め込むこ
とは極めて有効である。光もキャリアも効率良く閉じこ
められているので、発振に必要なしきい値電流は飛躍的
に低減することができた。また、SiO2/TiO2多層
膜8の屈折率を変えることで、溝13をp型のクラッド
層内に形成したり、ガイド層内に形成したりできるの
で、レーザ光の遠視野像を制御可能となる。
【0021】(実施例2)次に、第2の実施例について
図2を用いて説明する。構造は図1に示す第1の実施例
とほとんど同じであるが、異なるのはSiO2/TiO2
多層膜8のかわりにSiO2とTiO2が混在する膜を用
いることである。混在する割合を調整することで、屈折
率を1.46から2.8まで連続的に変化させることが
可能となる。
【0022】実施例1では、所望の屈折率を得るために
はSiO2膜とTiO2膜の厚さと全層数を制御する必要
があるが、実施例2ではSiO2とTiO2の混合割合の
みであり、ある程度の層厚があればよい。屈折率が2.
55となるようにSiO2とTiO2を1:4の割合で混
合して実施例1に示したようにガイド層上に形成された
溝13に埋め込むと単一横モード発振するためのリッジ
幅は10μm程度まで広げることが可能となる。光もキ
ャリアも効率良く閉じこめられているので、発振に必要
なしきい値電流は飛躍的に低減することができた。
【0023】(実施例3)次に、第3の実施例について
図3を用いて説明する。構造は図1に示す第1の実施例
とほとんど同じであるが、SiO2/TiO2多層膜8の
かわりにSiO2/TiO2の多層膜中に非常に薄い金属
薄膜が形成されて、屈折率だけでなく消衰係数の制御を
行い、反屈折率導波型の半導体レーザを形成する。II
−VI族化合物半導体レーザは分子線エピタキシー(M
BE法)で作製されるので、積層構造を作製した後、p
−ZnMgSSeクラッド層の一部をエッチング除去し
て溝を形成した後、劣化を招くことなく、再び、単結晶
の半導体材料で溝部を埋め込むことは、非常に困難であ
るために、実施例1、2に示すように、絶縁材料で溝部
を埋め込むのであるが、絶縁層の中に非常薄い金属薄膜
を形成すると、光の吸収が起こるために、実施例1や2
の構造よりもさらに効果的に光をリッジ部に閉じ込める
ことができる。リッジ幅は実施例1や2と同様に10μ
m程度まで広げることが可能である。また、光もキャリ
アも効率良く閉じこめられているので、発振に必要なし
きい値電流は飛躍的に低減することができた。
【0024】(実施例4)次に、第4の実施例について
説明する。図4は半導体レーザの製造方法について示し
たものである。図4(a)は、分子線エピタキシー法
(以下MBE法いとう)でn−GaAs基板1上にn−
Zn1-xMgxySe1-yクラッド層2を1μm、nーZ
nS0.06Se0.94ガイド層3を0.15μm、アンドー
プCd0.2Zn0.8Se活性層4を120Å、pーZnS
0.06Se0.94ガイド層5を0.15μm、p−Zn1-x
MgxySe1-yクラッド層6を1μmおよびp−Zn
Seキャップ層7を0.1μm順次積層したものであ
る。クラッド層における組成xとyはGaAs基板と格
子整合を保ちながらバンドギャップエネルギーが2.9
eV以上になるように選ばれる。例えば、バンドギャッ
プエネルギーが3eVの場合、xは0.21、yは0.
24となる。
【0025】図4(b)はp−ZnSeキャップ層7上
に光CVD法によりSiO2膜41を0.3μm形成し
た後、レジストを塗布し、ストライプ状のマスクを使っ
てストライプを形成し、現像後、沸酸と沸化アンモニウ
ムが1対10に混合されたエッチャント溶液でストライ
プ状にSiO2膜41を除去したものを示す。
【0026】図4(c)は、重クロム酸カリウムと硫酸
を3対2の割合で混合したエッチング液を用いてp−Z
nSeキャップ層7とp−ZnMgSSeクラッド層6
の一部をエッチング除去したものを示す。エッチング速
度は200nm/minで、制御性がよく、4分30秒
エッチングして、図4(c)に示すように、溝部13の
深さを900nmにする。エッチングに伴って形成され
たリッジ部14の幅は10μmである。このようにし
て、溝部13およびリッジ部14を形成した後、図4
(d)に示すように、SiO2膜41を沸酸と沸化アン
モニウムの混合液でエッチング除去した後、例えば後述
するような方法でSiO2/TiO2多層膜8あるいはS
iO2・TiO2膜21あるいはSiO2/TiO2/金属
多層膜31を形成する。これらの薄膜を形成した後、ホ
トリソグラフィー技術を用いて、リッジ部14上の薄膜
を除去し、Au9を蒸着し、引続きレジストおよびレジ
スト上のAuを取り除き、Cr10およびAu11を蒸
着して、実施例1、2および3に示すようの半導体レー
ザを作製する。ここで、n−GaAs基板1の裏面側の
例えばInを使用する場合は、MBE成長する際の張り
付け材として用いたInをそのまま電極材料として用い
ることができる。
【0027】Si02/TiO2多層膜8およびSiO2
・TiO2膜21の成膜方法について図5を用いて説明
する。リアクター54の中に、ヒーター52上にウエハ
ー51を載置する。ウエハー51上には外部から紫外線
53が照射できるようになっている。リアクター54内
には、SiO2膜を形成するためのSiH4ガス55、O
2ガス56およびキャリアガスとしてN2ガス57を導入
するための配管が、また、TiO2膜を形成するための
TiCl458、H2O59およびキャリアガスとしてN
260を導入するための配管が、それぞれ具備されてい
る。薄膜を形成する時、ウエハー51の温度はヒーター
を用いて200℃に保たれる。SiO2/TiO2多層膜
8を形成する場合、例えば屈折率の大きいTiO2膜を
50nm形成する。この時のTiCl458およびH2
59は恒温槽で蒸気圧を制御し、バブリングするための
キャリアガスの流量をマスフローコントローラーで正確
に制御することにより、リアクター54に導入する流量
を制御する。TiO258の温度を30℃、H2O59
の温度を70℃にしてそれぞれに流れるキャリアガスの
流量を10cc/minおよび90cc/minとした
とき、TiO2膜形成速度は、10nm/minとな
る。5分で50nmの厚さのTiO2膜が得られる。次
にSiO2膜を形成するために、SiH455を100c
c/min、O 256を100cc/minおよびキャ
リアガスN257を200cc/minに切り替える。
成膜速度は、10nm/minであり、1分で10nm
のSiO2膜が得られる。これらを10回繰り返して、
全膜厚を600nmとする。このとき500nmの光が
感じる屈折率はp−ZnMgSSeの屈折率より若干小
さい値となり、光は横方向には緩やかな閉じ込めとな
り、リッジ幅を10μm程度でも単一横モードで安定し
て発振が得られることになる。それぞれの層厚および層
数を制御することで屈折率を1.46から2.8まで連
続的に変化させることができる。
【0028】また、絶縁体層の中に金属薄膜を形成する
場合は、図6に示すように、例えばAlの薄膜の場合は
有機金属であるトリメチルアルミニウム(以下TMAと
する)61をキャリアガスのH262と一緒にリアクタ
ー54に導入すればよい。ウエハー51の温度が200
℃とAlを形成するには若干低い温度であるが、紫外線
53でアシストすることと、TMA61を多く導入する
ことで、良好なAlの薄膜が形成される。
【0029】以上の発明では、光CVD法を用いて絶縁
層の形成を行ったが、スパッター法やEB蒸着法でもで
きることはいうまでもない。
【0030】
【発明の効果】このように本発明によれば、単一横モー
ドで低しきい値電流動作する発振波長が400〜500
nm帯の青色半導体レーザが再現性よく得られるため、
大量生産、ローコスト化が図られ、本発明の効果は非常
に大なるものがある。また、波長が短いだけでなく、単
一横モード発振しているので、光ディスクの光源やレー
ザビ−ムプリンターの光源として使用できるので、応用
範囲は極めて広い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例のリッジ型半導体レーザの構
造断面図
【図2】本発明の一実施例のリッジ型半導体レーザの構
造断面図
【図3】本発明の一実施例のリッジ型半導体レーザの構
造断面図
【図4】本発明の製造工程断面図
【図5】本発明の一実施例の光CVD装置を示す概略図
【図6】本発明の一実施例の光CVD装置を示す概略図
【図7】従来の半導体レーザの構造断面図
【符号の説明】
1 n−GaAs基板 2 n−ZnMgSSe 3 n−ZnSSe 4 un−CdZnSe 5 p−ZnSSe 6 p−ZnMgSSe 7 p−ZnSe 8 SiO2/TiO2多層膜 9 Au 10 Cr 11 Au 12 In 13 溝 14 リッジ部 21 SiO2・TiO2 31 SiO2/TiO2/Al多層膜

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板上に少なくともII−VI族化
    合物半導体のクラッド層に挟まれた活性層からなるDH
    構造を有するリッジ型半導体レーザにおいて、リッジ部
    の側面および前記リッジ部の底辺に隣接する平坦部に
    は、前記クラッド層の屈折率よりも小さな屈折率の絶縁
    体層と大きな屈折率の絶縁体層が交互に形成されている
    ことを特徴とする半導体レーザ。
  2. 【請求項2】半導体基板上に少なくともII−VI族化
    合物半導体のクラッド層に挟まれた活性層からなるDH
    構造を有するリッジ型半導体レーザにおいて、リッジ部
    の側面および前記リッジ部の底辺に隣接する平坦部に
    は、前記クラッド層の屈折率よりも小さな屈折率の絶縁
    体層と大きな屈折率の絶縁体層が混在してなる絶縁体層
    が形成されていることを特徴とする半導体レーザ。
  3. 【請求項3】半導体基板上に少なくともII−VI族化
    合物半導体のクラッド層に挟まれた活性層からなるDH
    構造を有するリッジ型半導体レーザにおいて、リッジ部
    の側面および前記リッジ部の底辺に隣接する平坦部に
    は、前記クラッド層の屈折率よりも小さな屈折率の絶縁
    体層と大きな屈折率の絶縁体層が交互に形成されてなる
    絶縁体層の所定に位置に超薄膜の金属膜が形成されてい
    ることを特徴とする半導体レーザ。
  4. 【請求項4】半導体基板上に少なくともII−VI族化
    合物半導体のクラッド層に挟まれた活性層からなるDH
    構造を有するリッジ型半導体レーザにおいて、リッジ部
    を形成する工程と前記リッジ部の側面および前記リッジ
    部の底辺に隣接する平坦部に前記クラッド層の屈折率よ
    りも小さな屈折率の絶縁体と大きな屈折率の絶縁体から
    なる絶縁体層を形成する工程を具備していることを特徴
    とする半導体レーザの製造方法。
  5. 【請求項5】半導体基板上に少なくともII−VI族化
    合物半導体のクラッド層に挟まれた活性層からなるDH
    構造を有するリッジ型半導体レーザにおいて、リッジ部
    を形成する工程と前記リッジ部の側面および前記リッジ
    部の底辺に隣接する平坦部に前記クラッド層の屈折率よ
    りも小さな屈折率の絶縁体と大きな屈折率の絶縁体およ
    び金属膜からなる絶縁体層を形成する工程を具備してい
    ることを特徴とする半導体レーザの製造方法。
  6. 【請求項6】半導体基板上に少なくともII−VI族化
    合物半導体のクラッド層に挟まれた活性層からなるDH
    構造を有するリッジ型半導体レーザにおいて、リッジ部
    を形成する際、所定の割合で混合された重クロム酸カリ
    ウムと硫酸の溶液で形成されることを特徴とする請求項
    4または5に記載の半導体レーザの製造方法。
  7. 【請求項7】半導体基板上に少なくともII−VI族化
    合物半導体のクラッド層に挟まれた活性層からなるDH
    構造を有するリッジ型半導体レーザにおいて、リッジ部
    の側面および前記リッジ部の底辺に隣接する平坦部に前
    記クラッド層の屈折率よりも小さな屈折率の絶縁体と大
    きな屈折率の絶縁体および金属膜からなる絶縁体層を形
    成する際、前記小さな屈折率の絶縁体層はSiO2 であ
    り、リアクターの外部から紫外線を照射しながらシラン
    もしくはジシランと酸素を前記リアクター内に導入して
    形成し、前記大きな屈折率の絶縁体層はTiO2 であ
    り、四塩化チタンと水を前記リアクター内に導入して形
    成し、金属薄膜は有機金属化合物と水素を前記リアクタ
    ー内に導入して形成されることを特徴とする請求項4ま
    たは5に記載の半導体レーザの製造方法。
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