(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料からなる量子井戸構造の活性層を該活性層よりバンドギャップの大きい半導体材料からなるｎ形およびｐ形のクラッド層により挟持してレーザ共振器を構成するように半導体積層部を形成し、該共振器の端面にドーパントを含む薄膜を形成し、ついで前記共振器の端面に屈折率の異なる層の積層構造からなる端面コート膜を形成し、その後加熱処理を行うことにより前記ドーパントを前記共振器の端面に拡散する半導体レーザの製法であって、
前記ドーパントを含む薄膜が、金属単体のＭｇもしくはＺｎ、またはＭｇリッチのフッ化マグネシウムもしくは酸化マグネシウム、または亜鉛リッチの酸化亜鉛のいずれかであり、ドーパントとして設けられると共に、前記端面の表面に付着する酸素と化合することによって、半導体層を構成する元素の酸化を防止する機能を有しており、
さらに、前記端面コート膜のうちの前記ドーパントを含む薄膜の側の膜を、前記ドーパントを含む薄膜がなくなって前記共振器の端面が露出する場合でも、該端面のダングリングボンドと結合してその活性化を抑制することができるアモルファスシリコン膜とする
ことを特徴とする半導体レーザの製法。
【請求項２】
前記加熱処理において、前記ドーパントを含む薄膜および前記端面コート膜が設けられる前記共振器の端面側のみを加熱する請求項１記載の半導体レーザの製法。
【請求項３】
前記半導体積層部を半導体基板上に形成し、前記加熱処理において、該半導体基板および前記クラッド層のバンドギャップより小さく、かつ、前記活性層のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する波長の光を用いて加熱する請求項１または２記載の半導体レーザの製法。
【請求項４】
半導体材料からなる量子井戸構造の活性層を該活性層よりバンドギャップの大きい半導体材料からなるｎ形およびｐ形のクラッド層により挟持してレーザ共振器を構成するように形成された半導体積層部と、該共振器の端面に形成されるドーパントを含む薄膜と、該薄膜上で前記共振器の端面に形成され、屈折率の異なる層の積層構造からなる端面コート膜、とを有し、
前記ドーパントを含む薄膜が、金属単体のＭｇもしくはＺｎ、またはＭｇもしくはＺｎの金属リッチのフッ化物、チッ化物もしくは酸化物のいずれかであり、ドーパントとして設けられると共に、表面に付着する酸素と化合することによって、半導体層を構成する元素の酸化を防止する機能を有する膜で形成され、
前記端面コート膜は、該端面コート膜のうちの前記ドーパントを含む薄膜の側の膜を、前記ドーパントを含む薄膜がなくなって前記共振器の端面が露出する場合でも、該端面のダングリングボンドと結合してその活性化を抑制することができるアモルファスシリコン膜で形成され
てなる半導体レーザ。
【請求項５】
前記端面コート膜のうちの前記ドーパントを含む薄膜の側の膜が、アモルファスシリコン膜である請求項４記載の半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報端末や光応用計測用、または光通信などの光源に適する高出力半導体レーザおよびその製法に関する。さらに詳しくは、高出力半導体レーザにおいても、端面光学損傷（ＣＯＤ）により端面が破壊するのを、抑制し得るような半導体レーザおよびその製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば光ファイバ通信における信号増幅方式として、ファイバアンプにより直接増幅して、送信する方式が採用され、２５０ｍＷ程度の高出力ファイバアンプ励起用レーザの実用化が要望されている。しかし、このような高出力半導体レーザではとくに信頼性が要求されるが、動作時間と共に、内部劣化による信頼性の問題より、端面光学損傷（catastrophic optical damage）が生じ、端面破壊レベルの低下による突然劣化が起きるという問題がある。
【０００３】
従来のこの種の端面光学損傷を防止する方法として、（１）量子井戸構造の活性層における共振器端面側のバンドギャップを大きくして光を吸収し難くする窓構造を形成する方法、（２）共振器端面に付着している酸素や共振器端面のダングリングボンドに起因して表面再結合が進み、再結合により温度が上昇すると、酸化が進むと共に光を吸収しやすくなり、さらに温度が上昇するという観点から、共振器端面にＡｒ+などのイオン照射をして表面に付着した酸素を飛ばし、または真空中で劈開などにより端面を露出させ、その後、それらの状態を維持しながら反射膜を形成したり、反射膜の形成前にアモルファスシリコンなどの中間層を設けて、ダングリングボンドをなくする方法が試みられている。
【０００４】
窓構造を形成する方法は、たとえば永井らによる「０.９８μｍ帯リッジ型窓構造高出力半導体レーザ」（電子情報通信学会、信学技報ＥＭＤ９８−３４、４３〜４７頁、１９９８年８月）に示され、その構造例が図４に示されるように、ｎ形ＧａＡｓ基板２１上にｎ形ＡｌＧａＡｓからなるｎ形クラッド層２２、ＩｎＧａＡｓウェル層およびＧａＡｓバリア層からなるダブル量子井戸構造の活性層２３、ｐ形ＡｌＧａＡｓからなるｐ形第１クラッド層２４ａを成長した後、端面となる部分にＳｉをイオン注入し、さらにｐ形ＡｌＧａＡｓからなるｐ形第２クラッド層２４ｂ、ｐ形ＧａＡｓからなるコンタクト層２６を成長し、エッチングをして図４に示されるようなリッジ構造を形成する。その後、前述のＳｉをイオン注入した位置で劈開することにより、図４に示されるようなリッジ構造の半導体レーザが形成される。なお、リッジ構造の頂部およびＧａＡｓ基板２１の裏面には、それぞれｐ側電極およびｎ側電極が形成されるが、図では省略されている。
【０００５】
この構造にすることにより、レーザチップの端面の位置に打ち込まれたＳｉが、その後の半導体層の成長による温度により拡散して拡散層２７を形成し、端面における活性層のダブル量子井戸構造が無秩序化され、バンドギャップが大きくなる。その結果、活性層の端面側のみにおけるバンドギャップが大きくなって発振には寄与しないと共に、バンドギャップが大きいため光の吸収も小さくなり、端面でとくに光を吸収して温度が上昇し破壊するということがなくなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、窓構造を形成する半導体レーザでは、半導体層をエピタキシャル成長する途中で、チップに劈開する位置にＳｉなどのイオン注入を行わなければならず、後の劈開の位置がＳｉのイオン注入の位置と少しでもずれると端面破壊を防止する効果がなくなると共に、発光効率を低下させることとなり、製造歩留りが低下するという問題がある。
【０００７】
また、真空中でウェハを劈開してその劈開面にダングリングボンドをなくするための中間層や反射膜をコーティングするということは、非常に作業が難しいという問題がある。また、空気中で劈開して、イオン照射などによる表面の酸素を除去する方法は、イオン照射により活性層などがダメージを受けて発光効率を低下させるという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、確実に共振器端面のみのバンドギャップを大きくすることにより、端面での光を吸収しなくする窓構造を有する半導体レーザおよびその製法を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明の他の目的は、真空雰囲気下での劈開やイオン照射などを行わなくても、簡単な方法で端面に付着する酸素などの不純物を除去し、表面再結合による端面の劣化を防止することができる半導体レーザの製法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体レーザの製法は、半導体材料からなる量子井戸構造の活性層を該活性層よりバンドギャップの大きい半導体材料からなるｎ形およびｐ形のクラッド層により挟持してレーザ共振器を構成するように半導体積層部を形成し、該共振器の端面にドーパントを含む薄膜を形成し、ついで前記共振器の端面に端面コート膜を形成し、その後加熱処理を行うことにより前記ドーパントを前記共振器の端面に拡散することを特徴とする半導体レーザの製法であって、前記ドーパントを含む薄膜が、金属単体のＭｇもしくはＺｎ、またはＭｇリッチのフッ化マグネシウムもしくは酸化マグネシウム、または亜鉛リッチの酸化亜鉛のいずれかであり、ドーパントとして設けられると共に、前記端面の表面に付着する酸素と化合することによって、半導体層を構成する元素の酸化を防止する機能を有しており、さらに、前記端面コート膜のうちの前記ドーパントを含む薄膜の側の膜を、前記ドーパントを含む薄膜がなくなって前記共振器の端面が露出する場合でも、該端面のダングリングボンドと結合してその活性化を抑制することができるアモルファスシリコン膜とすることを特徴とする。
本発明の半導体レーザは、半導体材料からなる量子井戸構造の活性層を該活性層よりバンドギャップの大きい半導体材料からなるｎ形およびｐ形のクラッド層により挟持してレーザ共振器を構成するように半導体積層部と、該共振器の端面に形成されるドーパントを含む薄膜と、該薄膜上で前記共振器の端面に形成される端面コート膜、とを有し、前記ドーパントを含む薄膜が、金属単体のＭｇもしくはＺｎ、またはＭｇもしくはＺｎの金属リッチのフッ化物、チッ化物もしくは酸化物のいずれかであり、ドーパントとして設けられると共に、表面に付着する酸素と化合することによって、半導体層を構成する元素の酸化を防止する機能を有する膜で形成され、前記端面コート膜は、該端面コート膜のうちの前記ドーパントを含む薄膜の側の膜を、前記ドーパントを含む薄膜がなくなって前記共振器の端面が露出する場合でも、該端面のダングリングボンドと結合してその活性化を抑制することができるアモルファスシリコン膜で形成されている。
【００１１】
この方法を用いることにより、たとえば従来技術のように、Ｓｉイオンをイオン注入しておいて、そのイオン注入した部分を劈開するという位置合せを厳密に行わなくても、たとえばバー状に劈開してからその劈開面にＣＶＤ法などによりドーパントを含む薄膜を成膜して、加熱処理をすることにより拡散させるため、確実に共振器の端面に不純物を拡散させることができる。そして、量子井戸構造の活性層にドーパントが拡散することにより、量子井戸構造が無秩序化し、バンドギャップが大きくなる。その結果、活性層で発光した光が、端面側に来ても殆ど吸収されることはなく、端面に光が集中して発熱し、端面光学損傷を受けることがなくなる。
【００１２】
ここで、ドーパントを含む薄膜としては、ｐ形でもｎ形でもどちらでも構わないが、活性層やクラッド層を構成する材料より酸化しやすい材料であれば、加熱処理による不純物の拡散と共に、表面に付着している酸素と化合し、好ましくない酸素を除去することができるため好ましい。また、薄膜はドーパント金属単体でも良いし、それらの金属が化学量論的に多い金属リッチのフッ化物、チッ化物、炭化物などでもよい。このような材料として、たとえばＭｇ、Ｍｇリッチのフッ化マグネシウム、酸化マグネシウムなどが半導体材料のＡｌよりも酸化しやすくて好ましいが、Ｚｎ、Ｚｎリッチの酸化亜鉛なども挙げられる。このような金属材料を薄膜として設ける場合、加熱処理後にも残存すると、積層面と平行方向に共振器が形成される場合、共振器を挟んだ上下のクラッド層間をショートすることになるため、数原子層以下程度の非常に薄い膜にすることが必要である。
【００１３】
さらに、前記加熱処理は、薄膜および端面コート膜が設けられた端面側のみを加熱することが好ましく、ランプ加熱など表面を加熱する処理により短時間で行うことが好ましい。また、半導体層の積層構造および上下面の電極が形成された後に加熱処理を行うため、あまり全体の温度が上がらないようにし、素子としての特性の変化が生じないようにする必要がある。その観点から、ランプ加熱の熱線の波長を活性層が吸収し、半導体基板などは余り吸収しないように、半導体基板やクラッド層のバンドギャップより小さく、活性層のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する波長の光を用いることが好ましい。これら所望の波長の光はフィルタを介することにより得られる。さらに、全体の温度を余り上げないようにするためには、ランプ加熱を断続的に行うことが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明による半導体レーザおよびその製法について、その一実施形態の工程説明図が示される図１を参照しながら説明をする。本発明による半導体レーザの製法は、まず、図１（ａ）に示されるように、半導体材料からなる量子井戸構造の活性層３をその活性層３よりバンドギャップの大きい半導体材料からなるｎ形およびｐ形のクラッド層２、４により挟持してレーザ共振器を構成するように半導体積層部１０を形成し、ついで、図１（ｂ）に示されるように、共振器の端面にドーパントを含む薄膜１１を形成し、さらに端面コート膜１２、１３を形成し、その後図１（ｃ）に示されるように、加熱処理を行うことによりドーパントを共振器の端面に拡散することを特徴とする。なお、図１において、薄膜１１や端面コート膜１２、１３の厚さは誇張して大きく示されていると共に、基板１の厚さは薄く示されており、全体が実際の厚さの関係には示されていない。
【００１５】
半導体積層部１０は、たとえば図１（ａ）に基本的な斜視説明図が示されるように、たとえばｎ形のＧａＡｓ基板１上に、ｎ形ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０.１≦ｘ≦０.７、たとえばｘ＝０.６）からなるｎ形クラッド層２、ＩｎyＧａ1-yＡｓ（０.１≦ｙ≦０.３、たとえばｙ＝０.２）のウェル層とＧａＡｓのバリア層とからなるシングルまたは多重の量子井戸構造に形成されノンドープまたはｎ形もしくはｐ形の活性層３、ｐ形でＡｌxＧａ1-xＡｓからなるｐ形クラッド層４（第１クラッド層４ａおよび第２クラッド層４ｂ）、ｐ形ＧａＡｓからなるコンタクト層６の積層構造からなるダブルヘテロ構造により形成されている。なお、図示されていないが、ｐ形第１クラッド層４ａと第２クラッド層４ｂとの間に、たとえばＩｎzＧａ1-zＰからなるエッチングストップ層が設けられ、リッジ構造を形成する場合のエッチングが活性層３に達しないようにされている。このダブルヘテロ構造は、所望の発光波長に応じたバンドギャップにより活性層３の材料が定まり、キャリアを活性層３に閉じ込められるように、それよりバンドギャップの大きい材料からなるクラッド層２、４により挟持された構造になっている。したがって、所望の波長によっては、ＡｌＧａＡｓ系化合物ではなく、ＩｎＧａＡｌＰ系化合物など他の半導体が使用される。
【００１６】
活性層３は、エピタキシャル成長がされた状態では、図２（ａ）にウェル層３１が２段で形成された例のバンド構造図が示されるように、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓからなるウェル層３１とＧａＡｓからなるバリア層３２の伝導帯バンドが矩形状に変化して、ダブル量子井戸構造が形成されている。この量子井戸構造はシングル量子井戸構造（ＳＱＷ）でも、３段以上の多重量子井戸構造（ＭＱＷ）でも構わない。なお、３３はＧａＡｓからなるガイド層、２はたとえばＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓからなるｎ形クラッド層を、４は同じ組成のｐ形クラッド層をそれぞれ示している。
【００１７】
半導体積層部１０の成長が終ったら、発光部のリッジを形成するため、マスクをして、コンタクト層６およびｐ形クラッド層４ｂを、たとえばＣｌ2などを用いたドライエッチングやＨ2ＳＯ4−Ｈ2Ｏ2系エッチング液などによりエッチングする。そして、コンタクト層６上にｐ側電極８を、半導体基板１の裏面にｎ側電極９をそれぞれ形成する。なお、図では模式化して示されているが、ｐ側電極８は、表面全面に図示しない絶縁膜を形成し、その絶縁膜のリッジ上にコンタクト孔を形成してから設けられている。
【００１８】
ついで、ウェハの状態からチップ化するため、発光端面（共振器端面）が鏡面で露出するように、まずウェハをバー状に劈開する。そして、図１（ｂ）に一方の端面部の断面説明図が示されるように、たとえばスパッタリング装置により、劈開されたバー状の端面を上向けて、まずＭｇ薄膜１１を数原子層程度、すなわち２〜５ｎｍ程度の厚さだけ成膜する。さらに、スパッタリング装置などにより、引き続き端面コート膜としてのアモルファスシリコン膜１２を発光する光の１／（４ｎ）波長となる厚さ（ｎは屈折率）、たとえば６６ｎｍ程度（ｎ＝３.７）とＡｌ2Ｏ3膜１３を同様に１／（４ｎ）波長となる厚さ、たとえば１３０ｎｍ（ｎ＝１.９）の厚さで１組または２組以上積層し、発光側端面の反射率をたとえば０.５〜２％程度、後端面側の反射率が９５〜９８％程度になるように、すなわち、前端面ではできるだけ反射させず、後端面はできるだけ反射率が高くなるように、両端面にドーパントを含む薄膜１１と端面コート膜１２、１３をそれぞれ形成する。
【００１９】
Ｍｇ薄膜１１は、後述するドーパントとして設けられると共に、表面に付着する酸素と化合して半導体層を構成する元素の酸化を防止する機能とを有している。すなわち、たとえばＡｌＧａＡｓ系化合物の構成元素であるＡｌよりも酸化しやすい元素が付着していると、端面の露出面に付着したり、Ａｌなどと酸化した酸素があっても、Ｍｇを付着して温度を上げることにより、ＭｇがＯと酸化して、半導体層との酸化物形成により光を吸収して劣化するという影響をなくすることができる。このようにＡｌより酸化力が強くてドーパントの作用をする金属を含む薄膜であることが好ましい。しかし、ドーパントとしての作用をする元素を含む薄膜を形成すれば、後に説明する熱処理を施すことにより、簡単な方法で、共振器端面のバンドギャップを大きくすることができ、光を吸収しない窓構造を形成することができる。
【００２０】
端面コート膜は、従来から用いられているのと同様に、λ／（４ｎ）（ｎは屈折率）厚の積層構造により所定の反射率になるように形成されるものであるが、本発明では、Ｍｇ薄膜側にアモルファスシリコン膜が設けられることにより、Ｍｇ薄膜がなくなって露出する端面のダングリングボンドと結合して、その活性化を抑制することができ、温度上昇に伴って酸化するという悪循環を阻止するこができる。
【００２１】
これらの観点からは、ドーパントを含む薄膜は、Ｍｇに限らず、Ｚｎなどの他の元素を含むものでもよい。また、このようなドーパントを含む薄膜は、ＭｇやＺｎなどの金属単体に限らず、これらの金属を多く含む金属リッチのフッ化物、チッ化物、酸化物、たとえばＭｇリッチのフッ化マグネシウムや酸化マグネシウム、Ｚｎリッチの酸化亜鉛などを用いることができる。
【００２２】
その後、図１（ｃ）に示されるように、ランプ１７により端面コート膜１２、１３側から照射して加熱する。このランプ１７により加熱する理由は、半導体層の積層および電極の形成まですでに終っており、全体の温度が上昇し過ぎると、半導体レーザの特性に影響が生じたり、電極とのオーミックコンタクトが悪化したりする虞れがあるため、全体の温度は余り上昇させないことが好ましく、また、Ｍｇ薄膜の温度が上昇して半導体層内に拡散したり、近傍の酸素を吸着すればよいためである。したがって、ランプ加熱をする場合でも、たとえば０.０５〜１秒程度の短時間の加熱で行うことが必要であり、それでも加熱が不充分な場合は、断続的にランプ加熱をすることが好ましい。
【００２３】
さらに、全体の温度を余り上げない方法として、図１（ｃ）に示されるように、可視光カットフィルタ１５および赤外カットフィルタ１６を介して照射し、活性層３では吸収するが、半導体基板１やクラッド層２、４などでは吸収しない波長の光にして照射することが好ましい。図１（ｃ）に示されるような可視光カットフィルタ１５と赤外カットフィルタ１６を挿入したときの透過する光の波長は、図３に示されるようになり、波長として０.８〜１.１μｍの光が照射され、ＡｌＧａＡｓやＧａＡｓには殆ど吸収されない波長の光となる。たとえば図３に示されるランプスペクトルを有する出力が１６ｋＷのランプを用いて、前述の半導体レーザの端面にＭｇ薄膜および端面コートを形成したものに、０.５秒程度の間光を照射した結果、端面の数百ｎｍ程度の厚さだけＭｇが拡散し、端面の表面に付着した酸素も吸着し、端面破壊の生じない半導体レーザが得られた。なお、特定の波長近傍の光のみに絞る場合、前述のような２種類のフィルタを使用しなくても、バンドパスフィルタを用いれば、１枚のフィルタを挿入するだけで同様の効果が得られる。
【００２４】
この共振器端面にドーパントを含む薄膜を付着し、熱処理をして拡散させることにより、図２（ｂ）に端面における活性層近傍のバンド構造図が示されるように、量子井戸構造による矩形状の伝導帯バンドが崩れて量子井戸構造でなくなり、バンドギャップが大きくなる。そのため、活性層で発光する光を吸収しなくなり、端面光学損傷を防止することができる。さらに、このドーパントにＭｇのような酸素と化合しやすい材料を用いることにより、またはドーパントを含む薄膜に酸素と化合しやすい材料を含ませることにより、端面の表面に付着した酸素を簡単に取り込むことができ、真空中での劈開や、イオン照射などの難しい作業を行うことなく、窓形成工程と同時に表面再結合による劣化を防止することができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、非常に簡単な方法により、確実に共振器端面のみにおけるバンドギャップを大きくして窓構造を形成することができ、端面光学損傷を防止することができる。さらに、ドーパントを含む薄膜に、半導体層を構成する元素より酸素と化合しやすい元素を含ませることにより、共振器端面に付着したり、化合した酸素をゲッタリングすることができ、表面再結合による端面光学損傷をも防止することができる。その結果、高出力の半導体レーザにおいても、非常に信頼性の高い半導体レーザが得られ、ファイバアンプの励起用光源などの信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による製法の工程を示す説明図である。
【図２】本発明による半導体レーザの半導体積層状態と熱処理後における活性層近傍端面のバンド構造を示す図である
【図３】本発明による熱処理で照射する光の波長を絞る例を示す図である。
【図４】従来半導体レーザの窓構造を形成する例の説明図である。
【符号の説明】
２    ｎ形クラッド層
３    活性層
４    ｐ形クラッド層
１０    半導体積層部
１１    Ｍｇ薄膜
１２    端面コート膜
１３    端面コート膜
【図１】
0004832657.tif 000002
【図２】
0004832657.tif 000003
【図３】
0004832657.tif 000004
【図４】
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