(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リッジウエーブガイド半導体レーザであり、
基板と、
前記基板上に形成されるｎ型Al0.5In0.5P 第一クラッド層と、
前記第一クラッド層上に活性領域を形成するドープされないAl0.4Ga0.6As第一閉じ込め層、GaAs活性層、及びドープされないAl0.4Ga0.6As第二閉じ込め層と、
前記活性領域上に形成されるｐ型Al0.5In0.5P 第二クラッド層から形成されるリッジウエーブガイドであって、前記活性領域からの光放射に対して光学的閉じ込めを与え、前記基板表面を前記第二クラッド層が部分的にエッチングされるまでエッチングすることで形成される溝に形成される酸化物層によって画定され、前記酸化物層が前記第二クラッド層及び前記活性領域から形成されるリッジウエーブガイドと、
前記活性領域のバイアスを可能にする第一及び第二電極とを含む、
リッジウエーブガイド半導体レーザ。
【請求項２】
前記酸化物層が、アルミニウムを含む半導体材料の酸化物を含む、請求項１に記載のリッジウエーブガイド半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリッジウエーブガイド半導体レーザに関し、より詳細には、光学的閉じ込め及び電気的分離のために、半導体レーザ構造体の上部クラッド層及び活性層から形成される厚い酸化物層を用いるリッジウエーブガイド半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体半導体レーザは、高速レーザプリンタ、光ファイバ通信装置、及びその他の用途に非常に望ましい光源である。一般的なレーザ構造はいわゆる「エッジエミッティング（エッジからの放射）レーザ」であり、半導体層のモノリシック構造体の端部から光が放射される。
【０００３】
リッジウエーブガイド（導波管）は半導体レーザの横方向の光学的閉じ込め構造を形成することができるので、リッジは半導体レーザのエッジエミッション（端部からの光放射）源を正確に画定する。リッジウエーブガイドは典型的には、半導体レーザ構造の活性半導体層の上部の、概ね平らな上面と傾斜した側壁を有する半導体材料の小型のリッジである。
【０００４】
リッジウエーブガイドを形成する一つの方法は、レーザ構造体のエピタキシャルに被着された半導体層の上部クラッド層の一部をエッチングして取り除き、横方向リッジウエーブガイドを画定するクラッド層材料の細いリッジを残すことである。リッジの個々の形状寸法はエッチング手段により異なる。化学的エッチングはリッジに傾斜壁を形成する傾向があるが、イオンビームエッチングは垂直な側壁を生成する傾向がある。更に、イオンビームエッチングは勾配を制御した壁を生成できる。
【０００５】
リッジウエーブガイドを形成するもう一つの方法は、不純物拡散により上部クラッド層の部分を無秩序化することである。この不純物によって生ずる無秩序化（ＩＩＬＤ）は、クラッド層の無秩序化領域中の元素の混合を引き起こし、無秩序化されていない領域に比較して屈折率を低くする。隣接する無秩序化領域同士の間の無秩序化されていない中央領域は、横方向のインデックスガイディングされたリッジウエーブガイドを形成する。インデックス（屈折率）ガイディングとは、異なる材質の半導体層の間の光学的屈折率の相違を用いることを言い、ウエーブガイドが半導体層の一つからの光の放射を光学的に閉じ込めることを可能にする。
【０００６】
一般的に、レーザにおける酸化物の形成は、構造体の良好な電気的及び光学的閉じ込めを達成するのに重要な段階である。酸化物形成の一つの方法は「表面酸化法」として一般的に知られている。
【０００７】
「表面酸化法」 では、キャップGaAs層は、レーザ構造体の活性層の上に形成され高いアルミニウム含量を有する厚いAlGaAs層の上に置かれる。この「表面酸化法」においては、試料の表面はまず窒化ケイ素でパターニングされ、GaAsキャップ層のある部分は保護しある部分は露出される。露出されたGaAs領域はその後化学的エッチによって除去され、高いアルミニウム含量を有する真下のAlGaAs層の表面を露出する。試料は次に水蒸気中で酸化され、AlGaAs層中の酸化はアルミニウム含量がより低い活性層に達するまで、表面から下に向かって進む。活性層はアルミニウム含量が低いので、酸化工程は活性層に達すると基本的に停止し、レーザ構造体に電気的及び光学的閉じ込めを与える。
【０００８】
酸化物を形成するためのもう１つの方法は、いわゆる「埋込み層酸化法」である。この方法では、AlAs層がレーザ構造体の活性層の上下に配置される。そして溝がエッチングされ、溝の間に露出ストライプメサ構造を形成する。エッチングの結果、活性層を間に挟んでいるAlAs層はメサの側壁に沿って露出される。酸化工程の際に、これらのAlAs層は横方向に、メサの側壁から内側に、メサの中心に向かって酸化される。しかし、構造体の他の層は、アルミニウムの含量が低いので、基本的に酸化されないままである。酸化されたAlAs層は、AlAs層の上及び下の両方の領域の有効屈折率を低下させ、間に挟まれた活性層に横方向の電気的及び光学的閉じ込めを与える。
【０００９】
この「埋込み層法」の主な欠点は、酸化の量を制御するのが困難だということである。高いアルミニウム含量を有するAlAsまたはAlGaAsの酸化率は、アルミニウムの含有組成率と工程の変動に応じて変化するので、アルミニウムの含有組成率または工程のパラメータのいかなる変化も酸化速度の変化に反映され、それは次には酸化量の不確定性を生み出す。この工程は比較的、温度に敏感である。従って、このような手法がレーザを形成するのに適用されると、デバイスは典型的に製造適性及び歩留りの問題を生じる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、光学的閉じ込めを与える酸化物層を有するリッジウエーブガイド半導体レーザの必要性がある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エッチング及び湿式酸化によって製造されるリッジウエーブガイド半導体レーザ構造体を提供する。上部クラッド層は部分的にエッチングされリッジを形成し、酸化物層は残りの上部クラッド層及びリッジの外側の活性領域から湿式酸化される。厚い酸化物層はリッジウエーブガイドに強力な光閉じ込めを与える。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、酸化物層を有するリッジウエーブガイドを形成するために、上部クラッド層及び活性層の湿式酸化によって製造される、本発明による半導体レーザ構造体１００を示す。
【００１３】
図１で示されるように、ｎ型Al0.5In 0.5P下部クラッド層１０４は、金属有機化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）と一般に称される周知のエピタキシャル成長工程を用いてｎ型GaAs基板１０２上に成長する。液相エピタキシー（ＬＰＥ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）などの被着工程、またはその他の既知の結晶成長工程もまた、用いることができる。下部クラッド層１０４のアルミニウムモル分率及びドーピングレベルはそれぞれ、５０パーセント、及び１〜５ｘ１０18ｃｍ-3の範囲である。AlInP クラッド層１０４の厚さはおよそ１ミクロン（μｍ）である。ｎ型GaAs基板１０２のドーピングレベルは、およそ５ｘ１０18ｃｍ-3であるかそれより高い。図示しないが、より低い生産性が許容できる場合には、下部クラッド層１０４の被着の前にバッファ層が被着されてもよい。
【００１４】
これらの層の上部には、ドープされないAl0.4Ga0.6As下部閉じ込め層１０６があり、この層はおよそ４０％のアルミニウム含量とおよそ１２０ナノメータの厚さを有する。この下部閉じ込め層１０６が被着された後、GaAs活性層１０８が被着され、これにより８４０ナノメータ（の波長）での光放射が生じる。活性層１０８は単一量子井戸、多重量子井戸、または量子井戸の厚さより大きい厚さを有する層であってもよい。量子井戸の厚さは、典型的には５ナノメータから２０ナノメータの範囲である。活性層１０８の上部には、ドープされないAl0.4Ga0.6As上部閉じ込め層１１０がある。この閉じ込め層１１０のアルミニウム含量は典型的には４０％で、厚さはおよそ１２０ナノメータである。下部及び上部閉じ込め層１０６、１１０は、活性層１０８と共に、より低いしきい電流とより小さな光の発散を有する層構造を一般的に生成する。
【００１５】
上部閉じ込め層１１０が形成された後、およそ１ミクロンのｐ型Al0.5In 0.5P上部クラッド層１１２が被着される。典型的には、このクラッド層１１２は５０パーセントのアルミニウム含量と５ｘ１０18ｃｍ-3のマグネシウムドーピングレベルを有する。上部ｐ型Al0.5In 0.5Pクラッド層１１２の上部にはGa0.5In0.5P 層１１４があり、この層は典型的には４０％のアルミニウム含有組成率、５０ナノメータの厚さ、及びおよそ５ｘ１０18ｃｍ-3のマグネシウムドーピングレベルを有する。このGaInP 層１１４は、GaInP 層１１４上に被着されたp+-GaAs キャップ層１１６と共に、レーザ構造体へのオーム性接触の形成を促進する。このp+-GaAs キャップ層１１６は典型的には１００ナノメータであり、１ｘ１０19ｃｍ-3のマグネシウムドーピングレベルである。
【００１６】
図１に示される半導体構造１００の全ての半導体層が被着された後、窒化ケイ素ストライプ２００がホトリソグラフィ法によって半導体構造体の上面１１８に形成される。窒化ケイ素ストライプ２００は幅が４ミクロンで、半導体構造の表面１１８を長さ方向に延びている。
【００１７】
図２に示されるように、半導体構造体１００は、窒化ケイ素ストライプの片側の領域２０２をエッチングし、溝２０４を形成する。溝は、角度のついた側壁を有する深いくぼみを形成する反応性イオンエッチングのような方法によって、エッチングされる。溝２０４はGaAsキャップ層１１６、GaInP 層１１４、及び部分的にAl0.5In0.5P 上部クラッド層１１２を貫いて、８００ナノメータの深さまでエッチングされ、上部閉じ込め層１１０上上部クラッド層１１２を２００ナノメータ残す。
【００１８】
窒化ケイ素ストライプ２０が表面に残った状態で溝を形成した後、半導体構造体１００は湿式酸化処理を受ける。構造体は、典型的には５３０℃を超える高温の窒素雰囲気中で、およそ４時間、水蒸気で酸化される。酸化工程中、残りの上部クラッド層１１２は、溝２０４の部分で酸化雰囲気にさらされる。こうして、高いアルミニウム含量を有するAlInP から成る上部クラッド層１１２は、溝の各々から放射上に外に向かって酸化され、酸化物層２０６になる。
【００１９】
湿式酸化中、窒化ケイ素ストライプ２００の外側の残りのAl0.5In0.5P 上部クラッド層１１２が最初に酸化され、次に窒化ケイ素ストライプ２００の外側の上部Al0.4Ga0.6As閉じ込め層１１０の活性領域、GaAs活性層１０８及び下部Al0.4Ga0.6As閉じ込め層１０６が酸化される。
【００２０】
図３に示されるように、Al0.5In0.5P 半導体材料はAlx Ga1-x As（ｘ＞0.4 ）半導体材料よりずっとゆっくりと酸化する。Al0.5In0.5P （より遅い酸化）及びAlGaAs合金（より速い酸化）の選択的酸化を用いて、厚い酸化物層を有するリッジウエーブガイドレーザ構造体は、ｐ型Al0.5In 0.5Pクラッド領域を取り去る(pinch off)ことなしに、AlGaAs/GaAs 活性領域を貫いて酸化することにより製造することができる。酸化速度は合金に依存しており、リン化物ベース合金はヒ化物ベース合金よりずっとゆっくりと酸化する。
【００２１】
Alx Ga1-x As（ｘ＞0.7 ）がｐ型クラッド層で用いられる通常のAlGaAs赤外レーザ構造体における単純な酸化工程によって、このような厚い酸化物層リッジウエーブガイド構造体を形成することは不可能である。７０％の酸化を超えるAl組成を有するAlGaAs合金は、活性領域で用いられるAl0.4Ga0.6Asよりずっと速く酸化するので、ｐ型クラッド層は取り去られ、最初に完全に酸化されると考えられる。
【００２２】
図２に示される酸化が終了すると、窒化ケイ素ストライプは除去される。酸化層２０６が、窒化ケイ素ストライプによって被覆されないAl0.5In0.5P 上部クラッド層１１２、Al0.4Ga0.6As下部閉じ込め層１０６、GaAs活性層１０８、及びAl0.4Ga0.6As上部閉じ込め層１１０から形成されることになる。
【００２３】
図４に示されるように、残りの酸化されていないAl0.4Ga0.6As下部閉じ込め層１０６、GaAs活性層１０８、及びAl0.4Ga0.6As上部閉じ込め層１１０は、光放射のための活性領域を形成する。残りの酸化されていないAl0.5In 0.5P上部クラッド層１１２は、活性領域から放射される光の光学的閉じ込めのためにリッジウエイブガイド２０８を形成する。
【００２４】
リッジウエイブガイド２０８は屈折率の差により光を案内する(index-guided)。酸化物層２０６の屈折率はおよそ1.6 、活性領域１０６、１０８及び１１０の屈折率はおよそ3.2 、AlInP リッジウエイブガイド２０８の屈折率はおよそ3.0 である。屈折率の差異は、リッジウエーブガイドによって活性領域から放射される光の、強力な光学的閉じ込めを与える。
【００２５】
酸化物領域２０６はまた、レーザ構造体の電流閉じ込め能力も高め、電流の広がりを厳密に制限する。
【００２６】
活性領域と、リッジウエイブガイドと、酸化物層との間の境界は、エピタキシャル成長工程及びホトリソグラフ工程によって画定されるので、比較的滑らかで急である。酸化物領域２０６同士の間の間隔は、ホトリソグラフィマスク及びエッチング工程を用いて制御される。ホトリソグラフ工程は精度が高いので、酸化物領域２０６同士の間の間隔は最小にできる。また、これらの酸化された領域はエピタキシャル工程が完了した後画定されるので、この方法で工程の融通性が高度に許容される。
【００２７】
酸化工程の後、図４に示されるように、金属コンタクト２１６及び２１８が、レーザをバイアスするために基板の表面及び底面上にそれぞれ形成される。上部電極２１６は接触層１１４及び１１６のみを被覆することができる、または図４に示されるように、電気的に絶縁している酸化物層２０６を部分的に被覆するようにリッジの下方に延在することができる。コンタクトを形成するのに用いられる典型的な素材は、チタン／金の２層薄膜である。
【００２８】
レーザ構造体１００は、半導体構造体１００の長さ方向に延在する２５０μｍの長さのキャビティを有し、リアファセット（図示せず）上の高反射誘電体ミラースタック（Ｒ＞９５％）及びフロントまたは放射ファセット（同様に図示せず）上のパッシベーション層（Ｒおよそ２５％）で被覆される。レーザ構造体１００は、3.5 ｍＡのＣＷしきい電流及び３５％／ファセットの微分量子効率を有する。Ｌ−Ｉ曲線が図５に示されている。９ｍＡでの出力スペクトルが図６に示されている。ビームプロファイラを用いてビームプロファイルが検討された。駆動電流が１１ｍＡ未満のとき、単一のピークが横方向に沿って観察された。駆動電流が増大するにつれて、図７に示されるように、二つのピークが観察された。単一横モード動作には、ウエーブガイドモードの計算からリッジ幅が１μｍ未満である必要がある。
【００２９】
酸化物層はまた、良好な熱放散を与える。酸化物層は３０Ｗ／ｋｍの良好な熱コンダクタンスを有するが、この熱コンダクタンスはクラッド層及びウエーブガイドのAlInP より５倍良好で、GaAsキャップ層の熱コンダクタンスより２倍高い。レーザ素子は低いしきい値及び高い効率を有するので、隣接するレーザダイオード間の熱クロストークは小さいと予想される。
【００３０】
モノリシックレーザ構造体の製造に湿式酸化法を用いる利点はいくつかある。湿式酸化は、埋め込みリッジウエーブガイドレーザ構造体を画定するのに用いられるエッチング及び再成長方法に取って代わり、より高い歩留り及びより良いダイオード性能をもたらす。強力な光学的閉じ込めはより狭いストライプレーザ及び（リングキャビティレーザのような）湾曲した形状レーザの作製を可能にする。より狭いストライプを用いて、非常に密接に配置されるエッジエミッティングレーザを作製することが可能である。より大きな横方向での屈折率の変化はまた、より狭いストライプのより大きな横方向での回折角度を意味する。これにより、出力ビームプロファイルは、より対称的に、光ファイバ結合やより円状のビーム形状を必要とする他の用途により適するように形作られる。
【００３１】
クラッド層にAl0.5In 0.5P合金を用いるもう一つの利点は、AlInP が AlGaAs よりずっと大きなバンドギャップを有しているということである。AlInP クラッド層を含む赤外レーザは、全てのAlGaAsレーザより、より高い動作温度でより小さなリーク電流を有する。
【００３２】
レーザ構造体はAlInP/AlGaAs合金からなるが、本発明の酸化層を含むリッジウエーブガイド半導体レーザは、In0.5(AlGa)0.5P/AlGaAsのようなほかの半導体材料を用いることにより、0.7 μｍから１μｍのレーザ波長を網羅する。
【００３３】
前記の構成、ドーパント、ドーピングレベル、及び寸法は単に例示的なものであり、これらのパラメータの変更は許容可能である。更に、図で示される層に加えて、他の層を含んでもよい。温度及び時間のような実験条件における変更も許容される。最後に、GaAs及びGaAlAsの代わりにGaAlSb、InAlGaP 、またはアルミニウムを含む他のIII-V 族合金のような他の半導体材料も用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のリッジウエーブガイドレーザ構造体の半導体層の断面側面図である。
【図２】  エッチング及び湿式酸化後の、本発明のリッジウエーブガイドレーザ構造体の半導体層の断面側面図である。
【図３】  数種の半導体材料の酸化厚さ対温度の逆数のグラフである。
【図４】  本発明のリッジウエーブガイドレーザ構造体の断面側面図である。
【図５】  図４のリッジウエーブガイドレーザ構造体の電力−電流曲線を示すグラフである。
【図６】  図４のリッジウエーブガイドレーザ構造体のＣＷスペクトルを示すグラフである。
【図７】  図４のリッジウエーブガイドレーザ構造体のビームプロファイルを示すグラフである。
【符号の説明】
１００    リッジウエーブガイド半導体レーザ
１０２    基板
１０４    ｎ型Al0.5In0.5P 第一クラッド層
１０６    Al0.4Ga0.6As第一閉じ込め層
１０８    GaAs活性層
１１０    Al0.4Ga0.6As第二閉じ込め層
１１２    ｐ型Al0.5In 0.5P第二クラッド層
２０４    溝
２０６    酸化物層
２０８    リッジウエーブガイド
２１４    ウエーブガイド
【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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【図６】
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【図７】
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