JPS58219772A - レ−ザ形光放出デバイスおよびその製造方法 - 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】 （技術分野） この発明は、レーザ形の光放出デバイスに関し、１ より具体的には、基本的には光フアイバ通信システムに
適用される、屈折率の制御により光導波を与えるストラ
イプ幾何形の半導体レーザデバイスに関する。またこの
発明は、液相エピタキシャル成長による光放出デバイス
、すなわち半導体レーザデバイスの製造方法に関する。

開発された構造によれば、レーザの性能が改良されると
共に、製造および大量生産をより容易にすることができ
る。

（背景技術） ガラスまたはシリカ（石英ガラス）ファイバを伝送路と
する光通信において光源（または放射源）として用いら
れる半導体レーザデバイス（以下、単にレーザと言う。

）は、多くの場合ストライプ幾何形（以下、単にストラ
イプ形と言う。）である。言い換えれば、この形式のレ
ーザの構造は、電荷の電子と正孔の対および光（または
光放射）が閉じ込められる、いわゆる「ストライプ」の
形状の活性領域を持つ。このレーザの構造は、ストライ
プの主軸に沿って光を導波する原因となる主要な物理的
効果、ｙなわち、誘導放出の利得または有効な屈折率に
応じて、２つの形式に分類される。

「利得導波形」のレーザでは、屈折率の実部が中央部で
最小値となり、このため実際上反導波効果を発生する。

一方、「屈折率導波形」のレーザでは、屈折率の実部が
ストライプの中央部（すなわち、横断方向において）で
最大値となり、このため光導波は保証される反面、通常
は製造工程がかなり複雑になる。エピタキシャル成長に
よす活性層を形成した後で、利得導波形レーザで採用さ
れる工程と類似の工程により電流注入領域を集中させる
ことが実際に必要になり、このため、製造工程に多数の
操作と配置工程が必要となるため、製造工程が複雑にな
り、かつ構造の明確さが減少する。

（発明の開示） この発明によるレーザは、このような問題点を解消する
ものである。この発明のレーザにおいては、電流注入領
域が集中される活性領域が、エピタキシャル成長過程に
おいて、基板に切り込まれた溝の内部に埋め込まれ、か
つこの溝の幅の内にのみ制限されるものである。断面図
で見ると、この活性層は三日月形で、溝の壁部と接触す
る縁部で厚さがゼロとなる。電流注入領域が横断方向に
制限されるこの構造は、ゼロ過飽和（ｚｅｒ。

５ｕｐｅｒｓａｔｕｒａｔｉｏｎ　）の条件下におけろ
液相エピタキシャル成長の単一操作によって得られ、ゼ
ロ過飽和の条件では、エピタキシャル成長過程ハ凹表面
上では急速、凸表面上ではゼロである。

より正確に言えば、この発明は、光かその中で屈折率の
こう配によって導波されるストライプ構造の活性層を介
して光を放出するレーザ形の光放出デバイスを構成する
。このデバイスの基板はエツチングで形成されたＶ形の
溝（以下、単にＶ溝と言う。）を有し、このＶ溝の内部
にレーザの活性層が内側の第１閉込め層と外側の第２閉
込め層の間に埋め込まれ、これによりその活性層は２つ
のへテロ接合を形成する。さらにこのデバイスは、外側
の第２閉込め層に付着された１つの接触層と、基板の２
つの主面上に付着された電気的接触のための２つのメタ
ライズ層（電極金属）を含む。このレーザの顕著な特徴
は、第１に、第１閉込め層と活性層と第２閉込め層がエ
ツチングによるＶ溝の内部に制限されること、第２に、
活性層が凹形の２つのへテロ接合で制限され、凹形が外
側の第２閉込め層に向くことである。活性層は■溝に接
触する縁部において厚さがゼロである。従って７、活性
層の中央部と縁部の間の厚さの違いによって、放出光を
導波するための屈折率のこう配が生じる。

（発明を実施するための最良の形態） この発明のその他の特徴は、以下の説明および図面を考
慮してより明確にされる。

−この発明の説明に入る前に、従来の種々のレーザの予
備的な概要とその問題点を述べ、この発明の目的と効果
の理解をより明確にさせることにする。

第１図は、冒頭に述べた、光ファイバと関連して最も普
通に用いられるストライプ形ソリッドステートレーザの
概略を示す斜視図である。この形式のレーザの、光放射
および電子と正孔の対が閉じ込められるストライプ形の
活性領域を含む構造の製造方法とじ又は、種々の方法が
知られている。

この形式のレーザの基板１は、２つの閉込め層により制
限された活性層２を有し、これにより活性層２は２つの
へテロ接合を形成する。光放出は、ビームの集中と導波
を保証するために活性層２の内部に形成されたストライ
プ（すなわち活性領域）５によってのみ発生される。

活性領域であるストライプ５の厚さｄは、通常００５な
いし１μｍの範囲内にあり、ペテロ接合により決定され
る。長さｌは１００ないし５００μｍの範囲内にあり、
ストライプ５０両端で結晶を制限する両へき面の間の距
離に等しい。従来の多くのストライプ形レーザの構造は
、活性領域であるストライプ５の幅Ｗを決定するモード
に関係し、この幅Ｗは通信用の低出力レーザの場合は１
なＬ−１゜１０μｍの範囲内である。

上記ストライプ形レーザの構造は、ストライプ５の横断
方向Ｏｘにおける放射導波な発生させる主要な物理的効
果により、　１．、、、．２種類に分類されるが、他方
、Ｏｙ力方向導波はへテロ接合によって保証さの横断面
図である。

比較を容易にするため、第２図において第１図と同一部
分は同一の参照番号で示す。

第２図の利得導波形レーザでは、横断方向の導波は誘導
放出利得の分布（ｐｒｏｆｉｌｅ　）によって保証きれ
、この誘導放出利得の分布は注入されたキャリヤの密度
分布で決まり、キャリヤの密度分布は活性領域の中央部
で最大値を示さねばならない。

このような結果を達成する多くの手段か既に文献に記載
されている。これらの方法は全て、平坦な基板上に各エ
ピタキシャル層を均一に付着させろことを基本としてい
る。従って、活性層の外側に電流が流れることを防止す
る手段が設けられる。

例えば第２図のレーザでは、基板１上に形成される活性
層２は２つの閉込め層３．４により制限され、誘導放出
利得の分布は、上方の閉込め層４内金体がメタライズ層
（電極金属）８により覆われるが、絶縁区画６．７によ
り、電荷キャリヤの密度分布は活性領域の中央部で最大
値となる。この密度の変化は第２図において矢印で概略
的に示されるが、矢印は、メタライズ層８の閉込め層４
と接触する中央部付近、従って活性層２の中央部付近で
は間隔が狭く、活性層２の外側部分では間隔が広い。

本出願人は既に、局部的な絶縁区画６．７を形成するた
めにプロトン（陽子）を深さ約１μｍに打ち込むことに
よって、第２図に示す形式の構造を製造している。

上述の利得導波形レーザの構造は２つの欠点を呈する。

１つは、ストライプの有効幅が、活性領域に注入される
自由キャリヤが横断方向に拡散するため、数μｍ以下に
小さくできないことである。

第２は、自由キャリヤの密度分布が中央部で最大値を持
つため、材料の屈折率の実部が最小値となり、従って反
導波効果を生じさせ、最終的に損失が増大することであ
る。この２つの効果によって、レーザのしきい値電流が
放出波長０．８５μｍにおいて下限値が約４０ｍＡとな
り、放出波長１．３μｍにおいて上限値が１００ｍＡ以
上となる。

第２図の構造図の下に、活性層２における屈折率ｎの実
部を横座標Ｘの関数として表わす曲線を示す。この曲線
は、密度分布によって範囲が定められるストライプの中
央部で、屈折率ｎが（実部において）最小となることを
、明瞭に示している。

光導波の第２の構造形式は屈折率を利用するもので、第
３図および第４図に示す。

これらの屈折率導波形レーザの構造では、横断方向の導
波は導波路の有効屈折率の実部の分布により決まり、こ
の分布は活性領域の中央部で最大となるように設定され
、この最大値は上述した最小値よりも明らかに高い値で
ある。導波路の有効屈折率は、その導波路に局部的に用
いられた種々の材料の屈折率を適切に重みづけした平均
値とみなすことができ、従って材料と構造の双方に応じ
て決まる。上述の屈折率導波形レーザの構造は２つの形
式に分けられろ。

第１の形式は、第３図に示す埋込みへテロ構造形のレー
ザである。

この形式のレーザの活性領域９は、断面が矩形状であり
、より幅の広い禁制帯を持ちかつ従って小さい屈折率を
持つ材料のｐ−ｎ接合の間に挿入される。従って、導波
路の有効屈折率の横断方向の分布は、段差状に突出した
分布である。この構造の製造方法は、最初に平坦な基板
ｌ上に均一なエピタキシャル層１０．９および１１を付
着する。次いでホトエンチング操作によって、メーサ（
ｍｅｓａ　：台地）形の活性領域９に集中させる。次に
このメーサ形の活性領域９の側方を第２のエピタキシャ
ル層の２つの絶縁区画１２および１３により覆う。従っ
て、活性領域９である光放出ストライプは、２つの閉込
め層１０と１１および２つの絶縁区画１２と１３により
埋め込まれ、幾何学的に範囲が定められる。

第３図に示す導電形は説明のためであり、逆にしてもよ
い。レーザの自由面上に付着されるメタライズ層８は電
気的接触のためのものである。

第３図の構造図の下方に示す屈折率ｎの曲線は、屈折率
の実部が最大値を持つことを示す。

屈折率導波形レーザの第２の形式はエツチング基板形で
あり、第４図に示す。

１つの溝がエツチングされた基板１上に、第１の層１４
がエピタキシャル成長により形成される。

この第１の層１４は溝の直上に陥没部を有し、工、ビタ
キシャル成長は基板１の平坦部よりも溝内の方が急速に
進行する。活性層１５となる１つの層をエピタキシャル
成長により付着する間に、第１の層１４の陥没部の内部
にメニスカス（ｍｅｎｉｓｃｕｓ　：　凹凸レンズ）が
形成され、従って、活性層１５の中央部で厚さが最大と
なる。この結果、有効屈折率の分布も第４図の構造図の
下に示す屈折率の曲線で明らかなように、中央部で最大
値を示す。従って屈折率のこう配の分布が得られろ。第
２の閉込め層１６とメタライズ層８により、構造が完成
する。

活性層がレーザデバイスの全幅に亘って存在しているの
で、次に、利得導波形レーザにおいて用いられている方
法により、表面に絶縁区画を打ち込むことによって、電
流注入領域を集中させることが必要である。

屈折率導波形レーザの場合に得られるしきい値電流は、
利得導波形レーザのそれより非常に低（、なくすことが
できれば、このしきい値電流はさらに低い値にできる。

従って、レーザの効率を低下させる原因となると共に高
いしきい値電流を必要とする横方向の洩れ電流を防止す
るために、活性層を横断方向に制限することは特に有効
である。しかしながら同時に、この形式の構造は寿命が
長く熱抵抗が低いので、活性領域を埋め込むことが要求
されろ。

第５図に示すこの発明の第１実施例による屈折率導波形
レーザの構造は、上記の要求を満足するものである。

このレーザの構造は、亜鉛により自由正孔濃度が約１０
１８ｃｍ　”にドーピングされたリン化インジウム■−
により形成されたｐ形基板１上に形成される。ＩｎＰは
各種のソリッドステートレーザに対して現在量も普通に
使用されている基板の１つであるが、この特定の選定は
この発明の範囲を限定するものではなく、この発明は一
般的に、基板用および光放出構造の層相の全ての種類の
材料、およびここで説明する導電形以外の導電形に対し
て適用することができる。

基板１はＶ形の溝、すなわち■溝１７を有し、この■溝
１７の開きの距離は約５μｍである。この■溝１７の内
部にのみ４つのエピタキシャル層が連続して成長される
。

第１の層はｐ形の第１閉込め層１８で、亜鉛により自由
正孔濃度が１０１７ないし１０１８ｃｍ”の範囲内にド
ーピングされたＩｎＰで形成され、中央部の厚さは２ｔ
ｘｒである。凹部の内部ではエピタキシャル成長がより
急速であるという事実から、第１閉込め層１８はＶ溝１
７の底部を充填する傾向を示し、エピタキシャル成長過
程の終りでは第１閉込め層１８の上面は凹状のメニスカ
スの形状となる。

第１閉込め層１８の上に、活性層１９を構成するドーピ
ングされないＧａｘ工ｎ１．、ｘＡｓｙＰｌ−７により
形成される第２の層が成長され、その組成は、その固溶
体の格子パラメータが基板１σ−格子パラメータと同一
になり、かつ放出波長が１３０μｍであることが保証さ
れるように選定される。これらの条件は、Ｘ＝０．２８
　　および　ｙ　＝　０．６０の時に全て満足されろこ
とが知られている。エピタキシャル成長の条件は、活性
層が中央部の厚さが０１ないし０．５ｓｎの範囲内にあ
り、縁部の厚さがゼロである三日月形を呈するように調
整される。

この三日月形は極めて自然に得られるか、その理由は、
エピタキシャル成長が既に凹状である表面、すなわち第
１閉込め層１８０表面で行われ、凹状部の中央部で成長
が大きくなるからである。

このレーザは第２閉込め要録により形成される第２のへ
テロ接合を有し、この第２閉込め層２ｏは、自由電子濃
度が第１閉込め層１８の自由正孔濃度より高く、かっ１
０”ｃｍ−より小さいように錫でドーピングされたｎ形
のＩｎＰで形成される。この第２閉込め層２０の形状も
メニスカス状であるが、このエピタキシャル成長が上面
が凹状である活性層１９自体の上で始まるからである。

最後に、第２閉込め要録の上に、自由電子濃度が１ＯＬ
８ｃｍ−３であるように錫でドーピングされたｎ形のＩ
ｎＰで形成される接触層２１が付着される。この接触層
２１のエピタキシャル成長の条件は、表面が基板１と同
一レベルにあり、かつ実質的に平坦であるように調整さ
れる。

実用上周知のごとくに、■溝１７の両側にプロトンが深
さ約１μＩηに打ち込まれ、絶縁区画２２とｎを形成す
る。この絶縁区画２２と２３は、■溝１７の外部で基板
１とメタライズ層２４とを隔絶させる効果を奏する。実
際に、メタライズ層２４と２５がレーザ構造の上面と下
面に付着されて電気的接触（電極金属）を形成する。

この発明のレーザの構造上の特徴は、溝１７の形状と、
活性層１９および閉込め層１８．２０がこの溝１７の内
部に制限されることにある。

実際には、基板１にエツチングされた■溝１７は、エピ
タキシャル成長操作を開始する以前の元の形状が平坦面
で形成されたＶ形であり、そのためこの■溝１７と基板
１の上面との交点には鋭い角が形成されている。しかし
なから上述したように、エピタキシャル成長過程は、凹
状領域における方が凸状または鋭い凸状の角を有する領
域よりも進行が急速である。このため、レーザの各種の
層を形成するために必要ないくつがのエピタキシャル成
長操作の際、それらの各層は■溝１７の内部に優先的に
形成され、そのＶ溝１７内に制限され、■溝１７の内部
に埋め込まれる。同時に、■溝１７の面と基板ｌの上面
の間に形成される鋭い角は、エピタキシャル浴内での各
エピタキシャル成長操作においてわずかずつ溶解する。

レーザの製造が完了した時点では、■溝１７には基板１
の上面と接続し、かつその上ではエピタキシャル成長が
発生しない、丸みを持った凸表面２６が形成されること
になる。

レーザの各層が■溝１７の内部に制限されるという事実
は、特に、■溝１７と基板１の上面とを接続する凸表面
２６に起因する。

エピタキシャル成長操作の際、各エピタキシャル層を構
成する材料は恐も（基板１の平坦領域上に付着するので
あろう。エピタキシャル成長の方法は、後述するように
、平坦領域上に付着される各層が、■溝１７の内部より
もがなり薄い厚さを有し、かついずれにせよ基板１の凸
表面２６によって■溝１７の内部に付着される各層から
分離されることを保証するように調整される。

第６図はこの発明の第２実施例による屈折率導波形レー
ザの構造を示す。基板１と上部のメタライズ層２４の間
の隔絶は、爾５図における打ち込まれた絶縁区画２２、
おに代えて、例えばアルミナなどの絶縁材料による薄い
絶縁層２７により行われる。

この絶縁層２７の■溝の直上には窓が形成され、上方の
メタライズ層２４と接触層２１間の電気的接触を行なう
。

可能な別の実施例は、材料の導電性を逆にするもので、
基板１と第１閉込め層１８をｎ形とし、第２閉込めＮ２
０と接触層２１をｐ形とする。

同様に、上述した各材料はこの発明のいかなる限定をも
意味するものではない。このような材料、＼ の選択は、所望の放出波長等の規準に対応する。

従って、ＱａＡｓ基板上にＧａ　ＸＭ、−、の組織の材
料を付着するように選定して、ｏ２７ないし０．９μｍ
のスペクトル領域で放出させることもできろ。満足でき
る基本的な条件は、活性層１９の禁制帯幅か閉込め層１
８および２０の禁制帯幅より少なくとも０．２　ｅＶだ
け小さく、従ってダラ゛ルヘテロ接合構造を構成すると
いう事実にある。

最後に、接触層２１の組成を第２閉込め層かの組成とは
異ならしめ、接触抵抗を最小にすることができろ。従っ
て材料組成がＱａＡＨＡ　ｓ系である場合は、接触層２
１はＧａＡｓが有利であり、一方、材料組成がＧａＩｎ
ＡｓＰ系の場合は、接触層２１は基板１かｎ形のＩｎＰ
である場合にＧａｐ、４７　Ｉｎｋ、５３　Ａｓである
ことが好ましい。

前述したように、この発明のレーザの製造方法は■溝の
内部にエピタキシャル成長を集中させることに基づいて
いる。しかしながら、各層が■溝内に効果的に集中され
ることを保証するためには、エピタキシャル成長の条件
は非常に精密で、ゼロ過飽和（ｚｅｒｏ　５ｕｐｅｒｓ
ａｔｕｒａｔｉｏｎ　）として公知の条件に対応する。

２つのエピタキシャル成長技術、スなわち液相エピタキ
シャル成長と気相エピタキシャル成長が採用される。全
ての場合に、レーザの製造は明らかに、基板ウニ〜ハ上
に複数のデバイスが一緒に組み込まれる集合操作である
。

第１の技術では、基板に＠以ってホトエツチングされた
溝が設けられるだけである。基板は公知の構成のシャッ
タ形液相エピタキシャル成長るつは内に配置され、この
るつぼの中で基板は、付着しようとするエピタキシャル
層の組成を関数として選択された組成を持つ浴液を収容
した多数の井戸（Ｗｅｌｌ）の下方の位置に、次々に移
動される。

エピタキシャル付着過程は通常の技術とは異なる。

実際に、各溶液の組成は、平坦な基板に対する平衡温度
Ｔｅが、エピタキシャル成長過程に対して選定され、か
つ使用される材料に応じて決まる一定温度Ｔｃ　（Ｇａ
　ＩｎＡｓＰ／ＩｎＰの場合は５５０ないし６５０℃、
ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓの場合は７５０ないし８５０°
Ｃ）に対して１０５°Ｃの範囲内にあることが保証され
ろように調整される。かくして、基板は各溶液の下に次
次に導入される。基板の平坦部では成長はゼロであるが
、■−溝の内部の凹部力１、上方言い換えればエピタキ
シャル成長井戸の方向を向いている部分では、成長が存
在する。従って第５図および第６図に示したようなエピ
タキシャル層の形状が決定される。成長過程は、袈′面
が基板１０レベルに到達した時に、接触層２１をもって
終了する。

過飽和はΔＴ　＝　Ｔｅ−Ｔｃにより定義されるので、
この成長技術は「ゼロ過飽和」成長と称される。

第６図に示すような、アルミナで絶縁したレーザを製造
する第２実施例では、基板１は■溝の上方で開口したア
ルミナ層２７を含む。この場合のエピタキシャル成長技
術は上述したものと同様であるが、アルミナが存在する
ことにより過飽和に関する許容度がより緩（なる。

また、気相エピタキシャル成長技術も用いられ、特に、
熱力学平衡に近似した技術、すなわち、公知の実用的手
段により気相の組成を調整することにより、基板のエツ
チング洗浄からエピタキシャル成長へ進行し、従って過
飽和を調整することを可能にする技術が用いられる。

従って、特許請求の範囲に規定されるこの発明により、
埋め込まれた活性層を持つレーザな製造するために、制
限された各層の特別な成長か溝の内部で発生することは
、ゼロ過飽和の結果である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のストライプ形ソリッドステートレーザの
概略を示す斜視図、第２図は従来の利得導波形レーザの
横断面図、第３図は従来の埋込みへテロ構造を持った屈
折率導波形レーザの横断面図、第４図は従来のエツチン
グ基板形の屈折率導波形レーザの横断面図、第５図はこ
の発明の第１実施例による屈折率導波形レーザの横断面
図、第６図はこの発明の第２実施例による屈折率導波形
レーザの横断面図である。 １・・・基板、　　　　　　１７・・・■溝、１８・・
・第１閉込め層、　　１９・・・活性層、２０・・・第
２閉込め層、　　２１・・・接触層、２２　、２３・・
・絶縁区画、　　　鴎、２５・・・メタライズ層、２６
・・・凸表面、　　　　　２７・・・絶縁層、ｎ・・・
屈折率。 ＦＩＧ、２ ．３ ＦＩＧ、４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）光が屈折率のこう配によって導波されるストライ
   プ構造の活性層を介して光を放出するレーザ形光放出デ
   バイスにおいて、 基板がエツチングにより形成されたＶ溝を有し、該■溝
   内において前記活性層が内側の第１閉込め層と外側の第
   ２閉込め層の間に埋め込まれて、これにより該活性層が
   ２つのへテロ接合を形成し、前記第２閉込め層の外側に
   接触層が付着され、前記基板の２つの主面のそれぞれに
   電気的接触のためのメタライズ層が付着され、前記第１
   閉込め層と前記活性層と前記第２閉込め層が前記■溝の
   内部に形成され、前記活性層が２つの凹形のへテロ接合
   により限定され、該活性層の凹形の向きが外側の第２閉
   込め層に向き、該活性層の１力記■溝に接触する縁部の
   厚さがゼロであり、該活性層の中央部と縁部の間の厚さ
   の違いにより放出光の導波のための屈折率のこう配を生
   じさせることを特徴とするレーザ形光放出デバイス。 （２）　　レーザの■溝の領域への電流注入が２つの絶
   縁区画により制限され、該２つの絶縁区画かプロトンの
   打込みにより絶縁性に形成され、かつ該２つの絶縁区画
   により上方のメタライズ層と基板とを隔絶させる特許請
   求の範囲第１項記載のレーザ形光放出デバイス。 （３）　　レーザの■溝の領域への電流注入がアルミナ
   層により制限され、該アルミナ層が前記■溝の直上に開
   口部を有し、かつ該アルミナ層がメタライズ層と基板と
   を隔絶させる特許請求の範囲第１項記載のレーザ形光放
   出デバイス。 （４）基板と”第１閉込め層がｎ形のＩｎＰであり、Ｉ
   澹 活埴層がＧａｘＩｎｌ−ｘＡＳｙＰｌ−ｙ（但し、Ｘ　
   ＝　０．２８゜ｙ＝０．６０）であり、第２閉込め層が
   ｐ形のＩｎＰであり、接触層がｐ形のＧａ　０．４７Ｉ
   　ｎ　ｏ、　５３Ａｓである特許請求の範囲第１項ない
   し第３項のいずれかに記載のレーザ形光放出デバイス。 （６）■溝が基板の上面と接続する２つの凸形の表面を
   有し、該表面の凸側か前記■溝方向を向（特許請求の範
   囲第１項記載のレーザ形光放出デバイス。 （力　活性層と第１閉込め層と第２閉込め層と接触層が
   、ゼロ過飽和の条件ΔＴ＝Ｔｅ−’ｌ”ｃ（但し、Ｔｅ
   は平坦な基板についてのエピタキシャル媒体の平衡温度
   、Ｔｃはエピタキシャル成長温度であり、層を成長させ
   るためのエピタキシャル媒体の組成がＴｅ＝Ｔｃである
   ように選択された条件）９もとで、■溝内に集中された
   エピタキシャル成長により得られる特許請求の範囲第１
   項ないし第６項のいずれかに記載のレーザ形光放出デバ
   イスの製造方法。