(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体本体（１）と、
上部及び下部のクラッド層（２、３）に挟まれた活性領域（７）と、
前端部及び後端部を備えるリッジ（４）と、
それぞれミラー（１０、１２）を備えて前記端部を閉じるフロント・ファセットおよびバック・ファセットと、
リッジ（４）の両側に沿って伸張するように備えられた埋め込み材料（５）と、
前記活性領域の中にキャリアを注入するための、前記埋め込み材料の上および前記リッジの上の金属化層（６）と、
前記前端部に位置する前記キャリアの注入を制限する手段（１１）とを含む半導体リッジ導波路レーザー・ダイオードであって、
前記制限手段（１１）は、前記金属化層（６）の下の絶縁層から成り、
前記絶縁層（１１）は、前記前端部に位置し、前記レーザー導波路リッジ（４）から前記埋め込み材料（５）の一部の上にまで前記前端部に対して平行に伸張し、且つ前記端部から垂直に前記半導体本体（１）の内方へと一部分に伸張し、
前記絶縁層（１１）の前記端部に対する垂直方向への伸張長さは、前記活性領域（７）における自由キャリアの平均拡散長さと同じか又は長いことを特徴とするレーザー・ダイオード。
【請求項２】
絶縁層（１１）が、半導体本体（１）の前記前端部に対して平行な方向の幅の一部のみの上に伸張することを特徴とする請求項１記載のレーザー・ダイオード。
【請求項３】
絶縁層（１１）が、前記上部クラッド層（２）の上に接して形成されることを特徴とする請求項２記載のレーザー・ダイオード。
【請求項４】
キャリアの注入を制限する２つの手段（１１、１３）を、フロント端部およびバック端部に各１つずつ備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のレーザー・ダイオード。
【請求項５】
絶縁層（１１、１３）が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＮまたはＳｉＮから作られることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のレーザー・ダイオード。
【請求項６】
絶縁層（１１、１３）が、金属化層（６）領域の一部分のみの下に伸長していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載のレーザー・ダイオード。
【請求項７】
絶縁層（１１、１３）が約５０ｎｍの薄さであり、約２０μｍ×４０μｍの面積を覆うことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載のレーザー・ダイオード。
【請求項８】
絶縁層（１１、１３）の前記端部に対する垂直方向の伸長が、レーザーの活性領域（２、３、７）内の自由キャリアの平均拡散長さより長いことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載のレーザー・ダイオード。
【請求項９】
絶縁層（１１、１３）の横方向の伸長が、レーザーの導波リッジ（４）よりも広く、しかし金属化層の横方向の伸長よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載のレーザー・ダイオード。
【請求項１０】
レーザー・ダイオードの基板がＧａＡｓであり、
活性領域がＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓであり、および、
絶縁層がＳｉＮであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載のレーザー・ダイオード。
【請求項１１】
活性領域（７）及び前端部と後端部を備えたレーザー導波路リッジ（４）を有する高出力のリッジ導波路レーザー・ダイオードを作る方法であって、
パターン形成した絶縁層（１１）を前記活性領域（７）の上の上部クラッド層（２）と前記活性領域にキャリアを注入する金属化層（６）の間に挿入することによって、ポンピングしない端部を提供することを含み、
埋め込み材料（５）をレーザー導波路リッジ（４）の両側に沿って伸張するように形成し、
前記絶縁層（１１）は、前記前端部に位置し、前記レーザー導波路リッジ（４）から前記埋め込み材料（５）の一部の上にまで前記端部に対して平行伸張し、前記リッジ（４）よりも広く、および前記半導体本体（１）の一部分のみの上に前記端部に対して垂直に内方へ伸張し、かくして前記端部に前記ポンピングしない端部を備え、前記絶縁層（１１）の前記端部に対する垂直方向への伸張長さは、前記活性領域（７）における自由キャリアの平均拡散長さと同じか又は長いことを特徴とするリッジ導波路レーザー・ダイオードを作る方法。
【請求項１２】
パターン形成した絶縁層（１１、１３）を、付着させたＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＮまたはＳｉＮ層の現場で制御された化学反応性イオン・エッチングによって形成することを特徴とする請求項１１記載のリッジ導波路レーザー・ダイオードを作る方法。
【請求項１３】
絶縁層をウェーハ全体にＰＥＣＶ付着させ、
パターン形成を、ポンピングしない端部を形成する領域上にほぼ矩形のレジストが得られるようにフォトリソグラフの工程において画定し、および
前記レジストを、前記絶縁層の不要な部分を除去する、後続のドライ化学エッチ・プロセス用のマスクとして使用することを特徴とする請求項１１記載のリッジ導波路レーザー・ダイオードを作る方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザー・ダイオードに関し、詳細には光出力の高いＡｌＧａＡｓベースのレーザー・ダイオードに関する。このようなレーザー・ダイオードは通常、光電子技術における光通信の分野で、例えばエルビウムをドープしたファイバー増幅器のための、いわゆるポンプ・レーザーとしてしばしば用いられる。特にリッジ導波路(ridge-waveguide)レーザー・ダイオードは、所与の周波数帯域において、安定した光出力で所望の狭帯域の光放射を提供することに適している。このようなレーザー・ダイオードの光出力および安定性は重大な関心事であり、通常の使用中の劣化は回避しなければならない。本発明はこのようなレーザー・ダイオードの設計改善、特にそのようなレーザー・ダイオードのフロント・ファセット（front facet）の劣化を、従来の設計と比べて非常に高い光出力において顕著に最小化または回避する改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上述のタイプの半導体レーザー・ダイオードは、特にそのようなレーザーが、光学手段によって光信号を直接増幅することに使用できるので、例えば光通信の技術において重要な構成要素になっている。これによってすべての光ファイバー通信システムを、伝送すべき信号の複雑な変換を回避して設計することが可能になり、そのシステム内の信頼性と同様にスピードが向上する。
【０００３】
ある種の光ファイバー通信において、レーザー・ダイオードはいわゆるＥＤＦＡと呼ばれるポンピング・エルビウムドープ・ファイバー増幅器用に使用され、これは当業者によく知られた種々の特許および刊行物に記載されている。いくつかの技術的な重要性の一例として出力が１５０ｍＷ以上のリッジ導波路レーザー・ダイオードがあり、その波長はエルビウム吸収線と合致するので低ノイズ増幅が達成される。この目的を十分にかなえるいくつかのレーザー・ダイオードが見出されており、今日、多数が使用されている。しかし、本発明は決してそのようなレーザー・ダイオードに制限されるものではなく、任意のリッジ導波路レーザー・ダイオードに適用できる。
【０００４】
一般に、ファイバー増幅の用途で使用されるレーザー・ダイオードのポンピング源はシングルモード・ファイバーと効率的に結合するためにシングル横モードで動作しており、その殆どが多重縦モードレーザー、すなわちファブリ・ペロー（Fabry-Perot）（またはＦＰ）レーザーである。エルビウムの吸収波長に応じて、主に３つの型がエルビウム増幅器用に使用される。１４８０ｎｍでのＩｎＧａＡｓＰ、９８０ｎｍでのひずみ(strained)量子井戸ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓレーザー・ダイオード、および８２０ｎｍでのＡｌＧａＡｓレーザー・ダイオードである。
【０００５】
上述した型の半導体レーザー・ダイオードの主な問題の１つは、端部領域、特にレーザーのフロント・ファセットにおける劣化である。この劣化は、ミラー・ファセット領域での、特に高出力時の制御されない温度上昇によるものと信じられており、この温度上昇はおそらく、これらの領域における望ましくないキャリアの再結合および自由キャリア注入に起因する加熱によるものである。
【０００６】
それゆえに、レーザー・ダイオードのファセット領域におけるキャリアの再結合を防止する方法が探求されてきた。１つの例はＩｔａｙａ他、米国特許第５  ３４３  ４６８に記載されている。この特許はレーザー構造のファセットの一部に形成した電流障壁領域を有する複合半導体レーザー・ダイオードを開示している。この設計はＩｔａｙａ他が取り組んだダイオードの種類、すなわち再成長／埋め込みさせた二重ヘテロ構造のレーザー・ダイオードにとっては有利かもしれないが、本発明が扱う種類のリッジ導波路レーザー・ダイオードに対しては製造可能ではない。ＡｌＧａＡｓレーザー・ダイオードを２ステップのエピタキシャル・プロセスで製造する場合には、さらに問題が発生する。この場合にはＡｌの急速な酸化がＩｔａｙａプロセスを妨げ、したがって工業用途としてはむしろ不適切となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の主な目的は、上述の端部劣化を防止し、すべての動作条件において安定した光出力を提供する、高出力のリッジ導波路レーザー・ダイオードの簡単で信頼性のある設計を考案することである。他の目的はそのようなレーザー・ダイオードの信頼性のある大量生産を可能にする、経済的な製造方法を提供することである。
【０００８】
さらに他の目的は、レーザー・ダイオード構造の複雑さを増すことを避けて、レーザー・ダイオードの追加の構成要素数を最小に保つことである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の問題を解決するために、簡単にいえば、本発明はいわゆるポンピングしない端部を有するリッジ導波路レーザー・ダイオードを作成しており、これによってレーザーのファセット近傍における高い応力の領域の緩和をもたらす。高電流密度、したがって応力が端部へと誘導されることを防ぐ、これらのポンピングしない端部を画定する、適切な製造プロセスは本発明の他の態様である。
【００１０】
本発明によるリッジ導波路レーザー・ダイオード構造は、以下に示すように、特に長期安定性および信頼性に関して、従来技術のレーザー・ダイオードを凌駕して顕著に改善されている。
【００１１】
この顕著な改善は、ほんの僅かに製造の複雑さを増すだけで効果が出るので、従来の製造装置を使用することが可能であり、通常の製造プロセスが適用できる。また、レーザー・ダイオードそれ自体は以前と同じ寸法をもち、したがって実装の変更または問題を回避している。
【００１２】
上で簡単に述べたように、リッジ導波路レーザー・ダイオードにおいてポンピングされない１つまたは２つの端部を設計する考え方は、レーザーのファセットに近い領域の高い応力を緩和することである。ミラーに隣接する領域は、特にフロント・ファセット／ミラー近傍において、しばしばレーザー・キャビティの劈開よって形成される結晶の不均質性およびこれらの領域内の高密度の光出力のため、信頼性の面で全導波路中最も弱いポイントであると考えられている。
【００１３】
特にフロント・ファセット領域において、非常に高い光出力時に故障率が増加することが観察できる。程度は低いが、同じことがバック・ミラーの近傍において見られる。これらの高応力領域における材料の劣化が光の出力密度と電流密度の結びつきによって加速されるので、電流密度を少なくすることが有利であると思われる。これは、本発明による１つまたは２つのポンピングしない端部を確立することによって実施される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明の実施の形態は図面を参照して説明される。
【００１５】
全般的に、本発明はレーザーの端部内の局部的な電流密度を減少させて、レーザーの局部的な加熱によって引き起こされ加速される劣化を減少させることを目的とする。
【００１６】
端部における局部的な電流は、レーザー・ダイオードの他の部分における電流のように、本質的にレーザー・ダイオードを駆動する注入電流によって発生する。したがって、局部的な電流密度を減少させ、最終的にレーザー・ダイオードの端部内の電流の流れを防止するためには、これらの端部に注入する電流を少なくしなければならない。接点のリフト・オフ、エッチングによる接点の除去、またはこれらの領域の周りの接点を中断することを含めて、様々なプロセスがテストされた。しかし、テストされ実現されたプロセスの殆どは材料、処理、または信頼性の問題のために失敗に終わった。
【００１７】
所望のポンピングしない端部を得る最も成功した手法は「絶縁層」プロセスであった。この手法は、追加の薄い絶縁層が半導体のコンタクト層とレーザー・ダイオードの端部の金属コンタクト間に配置される点で従来のものとは異なる。半導体のコンタクト層は除去してしまってもよい。
【００１８】
この利点は４つある。絶縁層は、
・  この領域内のコンタクト層の効果的な絶縁を提供し、
・  劈開(cleaving)の品質に悪影響を与えず、
・  装置の電子−光特性に影響せず、
・  被覆金属層によって良い熱接触を提供する。
【００１９】
高出力時に特に重要な、十分な冷却を提供するために、金属化した全面を金属コンタクトとして残しておくことが有利であることが見出された。
【００２０】
また、寸法、特に絶縁層の縦方向への伸長が制限されることが見出された。
【００２１】
・  縦方向の最小の伸長はレーザー・ダイオードの半導体材料における自由キャリアの中位拡散長よりも大きくなければならない。したがって、最小の長さは使用する半導体の材料特性に依存する。
【００２２】
・  一方、絶縁層の最大長さは、通常レーザー・ダイオードの効率を低下させる光吸収損失が増加するため、制限される。
【００２３】
・  最悪の場合、Ｐ／Ｉ特性が、レーザーしきい値をわずかに超えて不均質性を見せ始める可能性がある。
【００２４】
絶縁層の横方向の伸長はレーザー・ダイオードのリッジ構造によって定まり、後者よりも大きいことが好ましい。
【００２５】
全般的な考察は以上の通りである。
【００２６】
図１および２は本発明の実施形態の基本的な配置、すなわちＡｌＧａＡｓリッジ導波路レーザー・ダイオードの正面図を示す。半導体本体、ここではＧａＡｓ基板１がレーザー・ダイオードの基材を構成する。
【００２７】
原理的に、９８０ｎｍのポンピング・レーザー・ダイオードは、２つのＡｌＧａＡｓクラッド層２および３に挟まれたＳＱＷ（ひずみ量子井戸）活性領域７からなる。上面のｐ−金属化層は半導体のリッジ導波路４を埋め込み材料５と共に被覆する。
【００２８】
基板１の底部はｎ−金属化層１４である。さらに図２は、上面の金属化層６とＡｌＧａＡｓ活性領域層２間に、リッジ４を超えて伸長している、ここではＳｉＮから作られた追加の絶縁層１１を示す。
【００２９】
追加の絶縁層１１は、図３および４に示し、以下に述べるように、レーザーリッジ４の全長の一部分のみを超えて縦方向に伸長する。２つのリッジ保護層８および９はレーザー・ダイオードの残りの表面を被覆し、環境からそれを保護する。
【００３０】
図３および４は本発明によるＡｌＧａＡｓレーザー・ダイオードの上面を示す。２つのリッジ保護層８および９はレーザー・ダイオードの全長にわたって伸長し、保護層の間にはリッジ４を有し、リッジは図３において単線で示されている。このようなＡｌＧａＡｓリッジ導波路レーザー・ダイオードの物理的な寸法は実に小さく、約０．４×１．８ｍｍ、厚さは約０．１５ｍｍであることに留意されたい。
【００３１】
図４はレーザー・ダイオードのフロント・ファセット部を拡大して示す。フロント・ミラー１０はレーザー・ダイオードのフロント・ファセット、リッジ４を超えて伸長するｐ−金属化層６およびレーザー・ダイオード１の周辺部に及ぶ。
追加の絶縁層１１は金属化層６の下においてリッジ４の末端に配置されており、レーザー・ダイオードの活性領域からこの金属化層６の小さな部分を絶縁し、このようにしてレーザー・ダイオードのフロント端でポンピングしない末端部を画定する。
【００３２】
図３に示すように、バック・ミラー１２はレーザー・ダイオードのバック・ファセットを包含する。レーザー・ダイオードのフロント端での層１１と本質的に同一である、第２の追加の絶縁層１３をそこに配置してもよい。この層１３はレーザー・ダイオードのフロント端においてと同様、障壁効果をもたらす。しかし、この第２の絶縁は必要ではない。本発明の利点の大部分はレーザー・ダイオードのフロント端における単一の絶縁層１１によってすでに達成されよう。また、逆の配置、すなわちレーザー・ダイオードのバック端にのみ絶縁層を配置し、フロント端には何も配置しなくても、ある条件と環境下では有利に作動するであろう。
【００３３】
導波路４に沿った絶縁層１１の長さ、および適用可能な場合、レーザー・ダイオードのバック端における第２の絶縁層１３の長さは、２つの制限事項によって決定される。その長さはレーザー・ダイオードの活性領域における自由キャリアの平均自由拡散長さと少なくとも同じ、好ましくはより長くなければならない。
一方、レーザー・ダイオードの出力／電流曲線が低下することは回避しなければならず、このことが絶縁層１１および／またはレーザー・ダイオードのバック端における絶縁層１３の最大長さを制限する。
【００３４】
図５は標準のリッジ導波路レーザー・ダイオードで行った寿命測定を、本発明によるポンピングしない端部を有するレーザー・ダイオードと比較したグラフである。示しているのは関数−ｌｎ（Ｓ（ｔ））であり、ここでＳ（ｔ）は生存関数または時間ｔまでに母集団中の生存が予想される数を通常表す生存分数である（Ｓ（ｔ）＝ｎ（ｔ）／ｎ（０））。２つの曲線の差は印象的である。標準の「ポンピングした」レーザー・ダイオードは、高出力の状態、ここでは注入電流１Ａおよび温度２５℃において、「ポンピングしない」レーザー・ダイオードと比較して１０倍の故障率を示している。この温度および注入電流ではシングル・モードレーザー・ダイオードは約８００ｍＷの光出力を放射する。
【００３５】
以下に本発明によるポンピングしない端部を有するレーザー・ダイオードの製造方法を述べる。
【００３６】
本質的に、このプロセスは図３および４に示したように、レーザー半導体とｐ−金属化層の間に、１つ以上のパターン形成した絶縁層を導入することによって実現する。好ましい方法は、適当なパターンを、現場で制御されたＰＥＣＶ（プラズマ強化化学蒸着）付着させたＳｉＮ層のドライ化学反応性イオン・エッチバックによって形成することである。代替としてスパッタ・プロセスを用いてもよい。
【００３７】
通常、本明細書で述べた種類のレーザー・ダイオード数百個が半導体ウェーハ上に作られる。
【００３８】
コンタクト層を除いてリッジ導波路を絶縁材料（ここではＳｉＮ）で埋め込んだ後に、約５０ｎｍの薄いＳｉＮ絶縁層をウェーハ全面にＰＥＣＶ付着させる。
ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３またはＴｉＮなどの他の材料および厚さを使用してもよい。パターン形成はフォトリソグラフの工程において、２０μｍ×４０μｍ角のレジストの残りが、後で「ポンピングしない」端部を形成する領域上に実現されるように実行される。レジストは続くドライ化学エッチ・プロセス用のマスクとして使用される。後でレジストは通常のように有機溶媒と水を用いて剥離する。次いで製造プロセスは標準的なｐ−金属化処理工程および当業者に知られた後続の工程へと続く。
【００３９】
当業者であれば追加の利点および変更は容易に想起できよう。したがって本発明は本明細書でこれまでに示し、述べた特定の実施形態、詳細、および工程に制限されるものではない。特許請求の範囲において定義される全般的な発明の概念の趣旨および範囲を逸脱することなく、変更を行うことは可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】リッジ導波路レーザー・ダイオードの一般的な構造の正面図である。
【図２】レーザー・ダイオードのフロント・ファセットを拡大して示す図である。
【図３】２つのファセットおよびポンピングしない端部を有するレーザー・ダイオードの上面図である。
【図４】レーザー・ダイオードのフロント部を拡大した上面図である。
【図５】ポンピングしたレーザー・ダイオードに対して、本発明によるポンピングしないレーザー・ダイオードを比較する、寿命が大きく増加した例を示すグラフである。
【符号の説明】
１    半導体本体
２、３、４、７    活性領域
４    リッジ
６    金属化層
１０、１２    ミラー
１１、１３    絶縁層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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