(57)【要約】【課題】電気的及び光学的閉じ込めを与える、正確に画定され制御される酸化物領域を有するモノリシックで独立してアドレス可能なレーザアレイを開発する。【解決手段】エッジエミッティングレーザのアレイ１００で、レーザの各々が、基板と、基板上に形成される複数の半導体層と、活性領域を形成する複数の半導体層の一つ又は一つ以上と、活性領域上の半導体層から形成されるウエーブガイド２１４であって、ウエーブガイド２１４が活性領域からの光放射に光学的閉じ込めを与え、ウエーブガイド２１４が溝２１０に形成される自然酸化物層２１２によって画定され、溝２１０が複数の半導体層中に形成され半導体から形成されるウエーブガイド２１４の側面まで下方に延在するウエーブガイド２１４と、アレイ中の隣接するエッジエミッティングレーザに電気的分離も与える自然酸化物２１２層と、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。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通する基板上に形成されたエッジエミッティングレーザのモノリシックアレイであって、
前記モノリシックアレイは、
内側に配置された一対の内側エッジエミッティングレーザと、
前記内側エッジエミッティングレーザの外側に配置された一対の外側エッジエミッティングレーザと、
を備え、
前記一対の内側エッジエミッティングレーザ及び前記一対の外側エッジエミッティングレーザの各エッジエミッティングレーザの各々が、
前記基板上に形成され、活性領域を形成する少なくとも１つの半導体層を含む複数の半導体層と、
前記活性領域上の半導体層から形成され、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るウエーブガイドと、
前記複数の半導体層中に形成されかつ前記ウエーブガイドの側面まで下方に延在する溝に形成され、前記ウエーブガイドを画定すると共に、隣接するエッジエミッティングレーザに電気的分離を与える、アルミニウムを含む半導体材料の酸化物を含むレーザ用の酸化物層と、
を含み、
前記モノリシックアレイは、
前記基板の下に配置され、前記活性領域のバイアスを可能にする、前記全てのエッジエミッティングレーザに共通する共通電極と、
前記複数の半導体層の上部に配置され、前記活性領域のバイアスを可能にし、前記酸化層により各々電気的分離された、前記一対の内側エッジエミッティングレーザ用の２つの内側ストライプ電極と、
前記複数の半導体層の上部に配置され、前記活性領域のバイアスを可能にし、前記酸化層により前記２つの内側ストライプ電極各々と電気的分離され、各々中間に開口部が設けられた、前記一対の外側エッジエミッティングレーザ用の２つの外側ストライプ電極と、
前記複数の半導体層の上部側に配置され、前記内側ストライプ電極と接続するための、２つの内側用コンタクトパッドと、
各々間隔を空けて前記内側用コンタクトパッドを取り囲むように配置され、前記外側ストライプ電極と直接接続された２つの外側用コンタクトパッドと、
前記外側ストライプ電極に設けられた開口部に配置され、前記内側ストライプ電極と内側用コンタクトパッドとに直接接続された接続電極と、
前記内側用コンタクトパッドと前記外側ストライプ電極とを電気的分離すると共に、前記外側ストライプ電極と前記接続電極とを電気的分離する、アルミニウムを含む半導体材料の酸化物を含むコンタクトパッド用の酸化物層と、
を含む、
エッジエミッティングレーザのモノリシックアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はモノリシック半導体レーザアレイに関し、より詳細には、光学的閉じ込め及び電気的分離のために自然酸化物層を用いる、独立してアドレス可能で高密度のレーザアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体半導体レーザのモノリシックアレイは、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】
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。
【０００５】
一般的に、レーザにおける自然酸化物の形成は、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。
【０００６】
「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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
レーザアレイには、レーザ素子をできるだけ高密度で配置することが望ましい。しかし、密接配置された素子は、電気的に接続し、又放熱によって冷却することが困難である。更に、密接配置されたレーザ素子は電気的、光学的、及び／または熱的に相互作用する傾向がある。これらの相互作用は「クロストーク」と呼ばれ、通常望ましくない。
【００１０】
個々に見れば、レーザは低パワー出力デバイスである。レーザのアレイはパワー出力を増大させ、光学システム設計を単純化するために用いることができる。アレイのレーザ素子の相互の良好な光学的位置合わせを提供及び維持し、これに工程伴う組み立て工数を最小にするために、アレイはレーザ素子が単一のモノリシック半導体構造中にあるように製造されている。
もう一つの問題は、アレイの各々のレーザ素子を独立してアドレス可能にすることである。レーザ素子がより高密度で互いにより密接に配置されるにつれ、別々に、個々にそして独立して各素子に光を放射させることがしだいに困難となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開昭６１−１１４５３５号公報
【特許文献２】特開平０５−１０２５９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、電気的及び光学的閉じ込めを与える、正確に画定され制御される酸化物領域を有するモノリシックで独立してアドレス可能なレーザアレイを開発する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、湿式酸化工程によって形成される、高密度エッジエミッティングレーザアレイ構造を提供する。レーザアレイ構造のｐ型クラッド層Alベースの合金中の、隣接する溝に自然酸化物層を形成することにより、単一横モード動作を達成する光学的閉じ込めと、各レーザダイオードを独立してアドレス可能にする電気的分離との両方を実現する。
【発明の効果】
【００１４】
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】
【００１５】
【図１】本発明の、エッジエミッティングレーザアレイ構造体の半導体層の断面図である。
【図２】エッチング及び湿式酸化後の、本発明のエッジエミッティングレーザアレイ構造体の半導体層の断面図である。
【図３】本発明の、カッドスポットエッジエミッティングレーザアレイ（４点赤色レーザアレイ）構造体の断面図である。
【図４】本発明のエッジエミッティングレーザアレイの、独立してアドレス可能な４つのレーザ素子の電極パターンの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、光ウエーブガイド及び電気的接続部の間の電気的分離を形成するために、上部クラッド層を湿式酸化することによって製造される、本発明による独立してアドレス可能な高密度半導体レーザ構造１００を示す。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、２５パーセントから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。
【００１７】
これらの層の上部には、ドープされない(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P 下部閉じ込め層１０６があり、この層はおよそ３０％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、Ga0.4In0.6P 活性層１０８が被着され、これにより６７０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(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P 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３０パーセントで、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。
【００１８】
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５０ナノメータの厚さとおよそ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。
【００１９】
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、２０２、２０４、及び２０６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。４つの窒化ケイ素ストライプ２００、２０２、２０４、及び２０６は幅が４ミクロンで、５０ミクロンの間隔が置かれ、半導体構造の表面１１８を長さ方向に延びている。
【００２０】
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同士の間の溝２１０を形成するために、ストライプ２００、２０２、２０４、及び２０６間の領域２０８がエッチングされる。溝は、角度のついた側壁を有する深いくぼみを形成するリアクティブイオンエッチングまたはウエットエッチングのような方法によって、エッチングされる。溝２１０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る。
【００２１】
窒化ケイ素ストライプ２００、２０２、２０４、及び２０６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２１０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、およそ３００ナノメータの厚さの自然酸化物層２１２になる。
【００２２】
酸化工程中、構造体の他の層は、アルミニウムの含量がより低く、GaInP 及びGaAs接触層の側壁以外は水蒸気にさらされないので、基本的には酸化されないままである。窒化ケイ素ストライプの下の酸化されないままのの下のAlInP 層２１４部分は、活性層１０８を通る電流路を制御する。
【００２３】
自然酸化物領域２１２は、レーザ構造体の電流閉じ込め能力を高める。領域２１２の境界はAlGaInP 層上部閉じ込め層１１０によって基板表面に平行な方向に、及び窒化ケイ素ストライプ２００、２０２、２０４、並びに２０６、及び窒化ケイ素ストライプの下にあるAlInP 層２１４の酸化されない部分によって基板表面に垂直な方向に、画定される。更に、これらの境界は、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２１２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２１２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。この場合、横方向のウエーブガイド同士の間の間隔は密接に置かれ、厳格に制御される。従って、高度にコンパクトなレーザ構造体が形成される。
【００２４】
酸化工程の後、図３に示されるように、窒化ケイ素ストライプ２００、２０２、２０４、及び２０６は除去され、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３に示されるように、電気的に絶縁している自然酸化物層２１２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。
【００２５】
図３に示される得られた半導体レーザアレイ構造体１００は、４つのレーザ素子３００、３０２、３０４、及び３０６を有するカッドスポット（４点）レッドレーザである。各レーザ素子は半導体構造体１００の長さ方向に延在する５００μｍ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。
【００２６】
４つのレーザ素子３００、３０２、３０４、及び３０６は共通の底部すなわちｎ型電極２１８を共有し、別々の、独立してアドレス可能な、上部つまりｐ型電極２１６ａ、２１６ｂ、２１６ｃ、及び２１６ｄをそれぞれ有する。各レーザ素子は、レーザ構造体のフロントファセットエッジ（端）を介して光を放射するために、ドープされない(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P 下部閉じ込め層１０６、Ga0.4In0.6P 活性層１０８、及びドープされない(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P 上部閉じ込め層１１０を含む。
【００２７】
隣接した自然酸化物層２１２同士の間の電極２１６の下部のAlInP 上部クラッド層２１４の酸化されない部分は、レーザ素子の光放射の実際の屈折率閉じ込めリッジウエーブガイドを形成する。これは自然酸化物の屈折率がおよそ1.6 で、AlInP の屈折率が典型的には3.0 を超えるからである。横方向ウエーブガイド２１４は、自然酸化物層２１２により区切られており、放射される光を光学的に閉じ込める。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。
【００２８】
モノリシック半導体構造におけるレーザ素子の高密度及び素子の近接配置のため、内部ストライプレーザ素子３０２及び３０４への電気的接点は、図４で図示されるように、特別なパターンニングを必要とする。
【００２９】
外部ストライプ電極２１６a は、コンタクトパッド３１０に直接接続されている。
【００３０】
コンタクトパッド３１２から内部ストライプ電極２１６ｂへの電気的相互接続を容易にするために、狭い窓３１４が外部ストライプ電極２１６ａを横切って開けられ、窓領域の露出面も酸化させる。この窓は電極のように金属で被覆されておらず自然酸化物層２１２であり、ホトリソグラフマスキング及びエッチング工程で形成される。窓３１４は、内部ストライプ電極２１６ｂのための金属相互接続電極３１６が、外部ストライプ電極２１６ａを越えて大きなコンタクトパッド３１２まで達することができるようにする。外部ストライプ電極２１６ａを越える開口部３１４は幅が１０μｍである。これに対し、この実施例のレーザキャビティは５００μｍの長さである。コンタクトパッド３１０及び３１２は、外部電極２１６ａの外側の、ストライプ電極と同じ側にある。
【００３１】
外部ストライプ電極２１６ａを越える窓開口部３１４は、その下に位置するレーザ素子３００の放射動作に影響しない。
【００３２】
同様に、このカッドスポットレーザの他方の外部ストライプ電極２１６ｄは、コンタクトパッド３１８に直接接続される。他方の内部ストライプ電極２１６ｃは、コンタクトパッド３２４と接続するために外部ストライプ電極２１６ｄ中の窓３２２を越えて延びている。コンタクトパッド３１８及び３２４は、外部電極２１６ｄの外部のストライプ電極と同じ側にある。
【００３３】
窓、及び電極ストライプの外側のコンタクトパッドとの内側ストライプ電極の相互接続電極を使用することによって、やはり独立してアドレス可能なレーザ素子を高密度化することができる。
【００３４】
本発明のカッドスポットレッドレーザは優れた性能を示す。４つのレーザ素子の全てが、均一なしきい値電流（およそ１７ｍＡ）及び微分量子効率（＞４０パーセント／ファセット）を有する。ストライプレーザ素子同士の間の波長差は１０Ａより小さく、高い均一性を表す。ファーフィールド測定は、レーザ素子が単一の横モードで動作することを示す。
【００３５】
Al０x の自然酸化物層は良好な熱放散を与える。自然酸化物層は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、ダイオード間の熱クロストークは小さいと予想される。
【００３６】
本発明の５０μｍ横方向間隔のデュアルスポット（２点）レッドレーザは５ｍＷ/ 各パワーレベルで1.2 ％、及び１０ｍＷ／各パワーレベルで１％のクロストークを示した。自然酸化物層は、モノリシック構造内の高密度にもかかわらず、個々のレーザ素子を熱的に隔離する役割を果たす。
【００３７】
熱クロストークは、レッド自然酸化物閉じ込めカッドスポットレーザの２５μｍ分離でわずか1.3 ％であり、０（しきい値のちょうど下）から１０ｍＷの変調レベルでのデュアルレッド自然酸化物閉じ込めレーザの１５μｍ分離では1.5 ％であった。このクロストークは、５０μｍ分離でさえ通常およそ４％から５％であるエッチング及び再成長により形成されたデュアルスポット埋め込みリッジレッドレーザと比較してずっと低い。
【００３８】
モノリシックレーザアレイの製造に湿式酸化法を用いる利点はいくつかある。第一に、湿式酸化は埋め込みリッジデバイスを画定するのに用い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うることができる。第二に、内部ストライプに電気的接続をするのが容易であり、このことによって電気的分離に必要なイオン注入法を省略することができる。第三に、ヘキサスポット（６点）及びオクタスポット（８点）レーザのような、カッドスポットレーザ以上のデバイスレイアウトを設計することが可能である。
【００３９】
マルチスポットレーザには、Alx Ga1-x As合金が通常クラッド層として用いられる。Alx Ga1-x As（ｘ＞0.6 ）は５００℃以下の温度で容易にAl０x 自然酸化物に変換できるので、この手法はＩＲレーザにも適用できるはずである。
【００４０】
自然酸化物屈折率ガイドInGaP-(Al x Ga1-x )0.5n0.5p 量子井戸可視レーザは、エッチング及び再成長によって製造される従来の埋め込みリッジ可視レーザと比較して、より低いしきい電流及びより高い量子効率を有する改良された動作特性を示す。本発明のカッドスポットレッドレーザのしきい電流は１８ｍＡであり、微分量子効率は、パルス動作下では６６％を超え、ＣＷ動作下では６２％を超える。比較すれば、同じ構造体からのエッチング及び再成長によって製造される埋め込みリッジウエーブガイドレーザは、３０ｍＡを超える典型的なしきい電流及び４０％の微分量子効率を示す。本発明の酸化物閉じ込めウエーブガイドレーザのより低いしきい値は、より低いレーザキャビティー損失を示す。
【符号の説明】
【００４１】
１０0 半導体レーザ構造
１０２ 基板
１０８ 活性層
２１０ 溝
２１２ 自然酸化物層
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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