JPH0332083A - 半導体光源 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、集積されることを特徴とする半導体レーザ光
の二次高調波を発生せしめるデバイスの構造及び製造方
法に関する。

〔従来の技術〕

従来より、半導体レーザ光の二次高調波発生（以下ＳＨ
Ｇと略称）の試みが為され、例えば、アプライド・フィ
ジックス・レターズ（ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ　
Ｌｅｔｔｅｒｓ　）　Ｖｏｌ、３５．Ｎｏ、６ｆ１９７
９１Ｐ、４６１−Ｐ４６３や日経ニューマテリアル１９
８７年４月２０日号Ｐ、９６〜Ｐ、　１０５に見られる
如く、半導体レーザと導波路型ＳＨＧ素子をモジュール
化するちのが考案されている０例えば、Ａｌ２ＧａＡｓ
系の０．８４ｎｍ波長の半導体レーザ光を光ピツクアッ
プ用コリーメータレンズ（開口数０．３）とフォーカシ
ングレンズ（開口数０６６）で、ＬｉＮｂＯ５単結晶よ
りなる導波路型ＳＨＧ素子の導波路端面に集光、導入し
、該Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ’　Ｏｓ単結晶導波路内で、ＳＨＧ
を発生させるものである。該モジュール全体の寸法の一
例は、１０Ｘ１０Ｘ１０Ｘ３０’である。

〔発明が解決しようとする課題］ 然しながら、前述のモジュールには、以下の課題がある
。

１、モジュール化された方式のため、光電子集積回路の
一構成素子として、プレーナ集積が本質的に不可能。

２、ＳＨＧ素子として極めて高品質な大型結晶を必要と
するため、単結晶製造コストが高くなる。

３、光導波路は、通常１μオーダーの薄層であるため、
半導体レーザ光共振器導波路とＳＨＧ素子導波路の中心
位置合せ５平行度調整等に厳密性を要求され、複雑微妙
な作業であり、作業性が悪い。

４、半導体レーザとＳＨＧ素子の光結合効率が低くオー
バオールのＳＨＧ変換効率が低いため、光出力として、
１ｍＷレベル以下である。

５、ＬｉＮｂ０−単結晶は、可視波長域で光ダメージを
起し易い。

本発明は、かかる課題を解決するちので、その目的とす
るところは、半導体エビタシアル技術を全面的に応用し
て、ブレーナ集積型のデバイスを得ることにある。

１課題を解決するための手段〕 本発明の集積型二次高調波発生デバイスは、前記課題の
解決のため、その手段として以下の構成要件を具備する
ことを特徴とする。

１、ＳＨＧ用結高結晶材料て、化合物半導体を選択する
。

２、前記化合物半導体は、半導体レーザ基板面上にＭＯ
ＣＶＤエピタキシアル成長可能である。

３、前記エピタシアル成長は１選択的に形成することを
含む。

４、前記ＳＨＧ機能部は、光導波路構造を有する。

５６前記光導波路は、半導体レーザの光共振器部わち活
性層を含む平面上に構成される。

６、半導体レーザ光共振器はリング型光共振器を形成す
る。且つ、独立する２つの共振器を有する。

？、ＳＨＧ機能部は、リング型光共振器を形成する。

８４前記３共振器は、同一平面上に形成し、且つ、光学
的に結合させる如くに近接して配置する。

９、前記ＳＨＧ機能部光共振器導波路内において、励起
レーザ光とＳＨＧ光の位相整合は、光導波路のモード分
散を利用し、励起レーザ光の低次モードとＳＨＧ光の高
次モードの有効屈折率を一致させる如くに設定する。

＋ｏ、　ｐ記すング共振器よりＳＨＧ光の取り出しは、
ＤＢＲグレーティングにより波長分離の後、該素子基板
に垂直方向に光を放出する。

以上の如く構成することにより、リング共振器内にレー
ザ光を閉じ込めることが出来、ＳＨＧ変換効率を高める
と共に、平面的に集積することにより極めて小型・短波
長の半導体光源が実現でき、素子平面に垂直なる方向に
光をとり出すことができる。

〔実　施　例〕

本発明の一実施例として、以下のケースについて説明す
る。

１、励起レーザ光は、　Ｉｎｙ　Ｇａ＋−ｙ　Ａｓ　（
ｙ＝０．０５１活性層構成による発振波長１１０００ｎ
の光。

２、ＳＨＧ用結高結晶材料て、化合物半導体の超格子構
造膜とする。

３、前記化合物半導体膜は、半導体レーザ基板上にＭＯ
ＣＶＤ又はＭＯＭＢＥエピタキシアル成長を行ない、超
格子構造を形成する。

４、基本励起レーザ光とＳＨＧ光の位相整合は、前記Ｓ
ＨＧ光導光導波路みを制御して有効屈折率のマツチング
をとる。

５、レーザ光共振器はとＳＨＧ機能導波路は共に、リン
グ型共振器とし、レーザ発光部とＳＨＧ部は横方向に光
結合する。

６．３ＨＧ光導波路は、その上面に金属膜を堆積して、
ショットキーバリアーを形成し、その空乏層中に光導波
路が含まれるらのとする。

次に１機能及び構造について説明する。

第１図は、本実施例について、上から見た概略の平面構
造を示す図である。基板１の上に、光導波路２．３−１
及び３−２が共平面に、且つ、光の伝播と反射が多数回
可能になる如く正方形状に形成する。即わち、正方形状
のリング型光共振器を形成する。光波は、近似的に第１
図中の点線又は矢印線の如くに反射、伝播をくり返し、
多数回リング型光振器内を伝播する。該リング型光共振
器３−１及び共振器３−２の光導波路内で、レーザ発振
を起し、該２共振器と光学的に結合しているリング共振
器２の光導波路内にレーザ光エネルギーを伝播する。光
学的結合を実現するために、前記３共振器の各々の光導
波路は、共振器３−１の光導波路の両側を他の共振器２
及び３−２がはさむ形で、平行に且つ近接して配置され
ている。

従って、共振器２に伝播されたレーザ光により、該共振
器２内で、ＳＨＧ即わち、第二次高調波発生が起る。こ
の時、光結合により誘起されたレーザ光が該共振器２内
に、はぼ完全に閉じ込められることが重要な点である。

光導波路２は、例えば、ｎ　−ＶＴ族化合物半導体の２
材質ＺｎＳ／Ｚｎ５ｅの極薄膜のくり返し積層により形
成される。光導波路３−１．３−２は、ＩＩＩ　−Ｖ族
化合物半導体混晶Ｉｎｙ　Ｇａ＋−ｙ　Ａｓより成りレ
ーザ活性層を構成する。

光導波路２において、レーザ光とＳＨＧ光の位相整合を
とる必要があるので、該光導波路２の膜厚及び膜組成を
調整することになる。

例えば、レーザ光０次モードとＳＨＧ光２次モードの有
効屈折率を等しくする如く、膜厚及び膜組成を制御する
。

光導波路の横方内部わち基板ｌに平行なる方向の光閉じ
込めのため、光導波路の横部分４．５．６は、光導波路
２．３−１．３−２より低屈折率を有する材質で埋め込
み形成すればよい１本実施例では、簡便のため、リング
レーザ共振器３−１．３−２を形成するためのプロセス
時にエツチング除去されたままの空間を残しておく、従
って、屈折率Ｑ？１の空気層又は最終的にデバイスとし
て、窒素封止された場合は窒素の層となる。

前記ＳＨＧ光を該光共振器２の外部にとり出し、光源と
して利用するための手段が必要である。このため、ＳＨ
Ｇ光が発生する光導波路２の竹 表面１例えば８の部分に、ＤＢＲ回靜格子を形成する。

光導波路層の最上面に浅く、エツチング、イオン折込み
、エピタキシアル、蒸着の方法で回折 桁格子を形成する。この際、波長５００ｎｍのＳ、再 誘起されたレーザ光は４つの角で反射されて該共振器内
に閉じ込められるのに対して１発生したＳ栢 ）ＩＧ光は回ｉ格子８を透過して、基板面に垂直方苅 向に回折され外部にとり出される。

前記励起レーザ光及びＳＨＧ光は、共に、時計まわり方
向と反時計まわり方向の２種の方向の光性 波として存在しているが、回折格子を直角偏向反射の条
件に設計することにより、双方向の光波共に前記の反射
−透過の条件を同時に満足できる。

該リングレーザ３−１．３−２は、金属薄膜オーミック
電極１１より電流注入して駆動される。

光導波路２の上面に配置、形成される金属薄膜電極１２
は１例えば白金（ｐｔ）、金（Ａｕ）又はアルミニウム
（Ａｌ１）が選択され、ｎ　−−ＺｕＳ／２ｎＳｅ超格
子層光導波路２に対光導波路ョットキーバリアを形成せ
しめる。該電極１２に、逆バイアスを印加することによ
り、空乏層が形成され、該光導波路２が空乏層内に包含
され、発生した強電界により、該光導波路の屈折率が電
気光学効果の影響を受けて、変化する。これにより、前
述のレーザ光とＳＨＧ光の位相整合条件及び共振器２と
共振器３−１．３−２の光結合条件を精密に制御できる
。然ち、前記構成を全て形成、完了の後に。

外部電源により調整できることが特徴である。

以上の如くに、ＳＨＧ励起専用のリング型光共振器を、
独立して形成することにより、該リング共振器内に励起
レーザを閉じ込めることにより、有効にＳＨＧ変換を行
なうことができ、オーバーオールのＳＨＧ変換効率を高
めることが出来、各々ｌｏＯｍＷレーザ光出力時先出３
０ｍＷのＳＨＧ先出力出力現できた。

次に、本発明構造の製法について述べる。

第２図は１本発明−実施例を示す第１図半導体レーザ部
即わちＡ−Ａ　′断面の構造を示す図である。２０はｎ
−ＧａＡｓ基板、２１はｎ−ＧａＡｓバッファー層、２
２はｎ−ＡｌｘＧａｐ−ＩｌＡｓ（ｘ　＝０．ｌ　ｌ　
、　２３はｎ−１ｎｙＧａ＋−ｙＡｓ（ｙ　＝０．０５
１．２４はｎ−ＡｌｘＧａｐ−ｍＡｓ（ｘ　＝　Ｏｌｌ
　−２５はＰ−ＡｌｘＧａｐ−ｘＡｓ（ｘ　＝０．１１
　、２６はｎ−ＧａＡｓキャップ層、２７はＳｉ０ｇ膜
、２ＢはＺｎ拡散領域を示し、ｎ−ＡｌｘＧａｐ−Ｊｓ
層２２と　ｎ−ＧａＡｓバッファー層２土層２１までの
深さに拡散する。その結果として、ｎ　−ＩｎｙＧａ＋
−、Ａｓ　（ｙ＝ｏ、０５１層２３の一部分にＺｎが拡
散されＰ型になった部分が活性層を形成する。

前述の各層はＭＯＣＶＤ法により基板２０の上にエピタ
キシアル成長する。ＭＯＣＶＤ条件は概略以下の如くで
ある。

基板温度：７６０＠〜８２０℃ 圧　　　　　　　カニ　　７６０ＴｏｒｒＶ族／　ＩＩ
Ｉ族比　＝５０〜１００ 成長速度：０．０７μｍ／ｍｉｎ ＭＯＣＶＤ原料ガスは、トリメチルガリウム、トリメチ
ルアルミニウム、トリメチルインジウム及びアルシンで
ある。Ｚｎ拡散領域の形成は、周知の拡散方法による。

　５ｉＯｚ膜２７に２μｘｘｓｏｕの窓を開け、６００
℃〜６５０℃で拡散する。　Ｚｎ濃度はＩ　Ｘ　Ｉ　Ｏ
”／ｃｒｎ’である。

次に、第１図のＳＨＧ機能部分を形成するために、第１
図レーザ発振部以外をエツチングにより、第２図ｎ−Ｇ
ａＡｓバッファー層２１まで除去する。該露出ｎ−Ｇａ
Ａｓ２１表面上に、ＳＨＧ機能先導光導波路成するＺｎ
５ｘＳｅ　＋　−ｍクラッド層及び導波路層をエピタキ
シアル成長する。該エツチングは、ＥＣＲ方式プラズマ
装置によりＲＴＢＥ法による。エツチングガスはＣＣＸ
、を採用した。ＲＩＢＥプロセスの方が化学エツチング
プロセスに比較して、エツチング表面が極めて平滑にな
り、かつ、コーナ一部分が直角に形成され、好ましい形
状になる。従って、良好なエピタキシアル成長表面が得
られる。該表面を基板にして、ＳＨＧ機能部を形成する
。第１図レーザ　′断面ＳＨＧ機能部のエピタキシアル
成長方法を第３図により説明する。初めに、ＧａＡｓ基
板３４上に熱ＣＶＤ法等によりマスク３４の５ｉｎｓを
堆積する。この状態が第３図（ａンである０次にフォト
リソグラフィ技術により５ｉｎｓのパターニングを行な
う、このとき導波路層を形成する部分の５ｉｎｓをエツ
チングにより除去する。この状態が第３図（ｂ）である
、パタニングされた５ｉｎｓをマスクとして選択エピタ
キシアル成長によりクラッド層のＺｎ５ｘＳｅ＋−ｘ　
３２、さらにその上に導波路層３３を同一の成長炉内で
連続して形成する。このときマスクのＳｉｎ、上には堆
積物がなく第３図（Ｃ）の如き状態となる。該選択エピ
タキシアル成長は以下の方法で実現できる。原料として
Ｚｎ、　Ｓ及びＳｅの有機化合物を用い、成長圧力が１
００Ｔｏｒｒ以下、成長温度が４００℃以上７００℃以
下、■族原料とｎＩ族原料のモル比が６以下の条件で減
圧ＭＯＣＶＤ法又はＭＯＭＢＥ法により実施する。　Ｚ
ｎＳ／２ｎＳｅＢ格子エビクキシアル膜は、原料のＳ及
びＳｅの有機化合物蒸気の供給を予め設定された時間シ
ーフェンスに従って交互に行なうことにより、−層あた
り１０−１００オングストロームの厚みの膜を次々に積
層する。前記膜層を形成した後、弗酸系エッチャントに
より５ｉｎｓを除去し、第３図（ｄ）の如くに光導波路
が完成する。前記の例では、マスク材として５ｉｎｓを
用いたが、　５ｉｓＮ４等の他の誘電体薄膜又はＷ等の
金属薄膜も同様に用いることができる。さらに、超格子
エピタキシアル膜として、ＺｎＳ／２ｎＳｅ超格子エピ
タキシアル膜の外に、　ＣｄＳ／ＣｄＳｅ超格子、Ｚｎ
Ｔｅ／Ｚｎ５ｅ超格子、　ＣｄＳｅ／Ｚｎ５ｅ超格子、
ＣｄＳｅ／ＺｎＳ超格子、　ＣｄＳ／ＺｎＳ超格子ちま
た適用できる。

前記実施例に於いては、半導体レーザ活性層の組成とし
て、ＩｎｙＧａ＋−、Ａｓ系の場合を例示したが、＾１
ｘＧａ＋−，Ａｓ系やＩｎＸＧａ＋−ｘＰ３’Ａ８＋−
ｙ系が他の波長領域用として実現でき、基板にＩｎＰも
適用できる。

また、前記実施例に於いては、Ｐ−Ｎ接合を拡散プロセ
スにより形成しているが、他の方法として、イオン折込
法でも実現でき、さらに、エピタキシアル膿成長時に、
Ｎ型ドーパントを同時に気相よりドーピングすることが
でき、この方法によるＰ−Ｎ接合が前記拡散プロセス接
合よりもレーザ発振効率は良い、液相エビクキアル法に
よるＰ−Ｎ接合も可能である。

また、前記実施例に於いては、第１図４，５．６の領域
をエツチング除去空間としているが、該領域全面を光導
波路２と同一材質により、同時にエピタキシアル成長し
て後に、レーザ光共振器３−１．３−２．光導波２及び
光導波路１０の部分をマスク保護して残余の部分にプロ
トンイオン打込みを行々うことができる。即わち、この
結果、全ての先導波の横側面は、プロトン（Ｈ’″）が
ドーピングされたＺｎＳ／Ｚｎ５ｅ超格子層にカバーさ
れ、プロトンドーピング有無による屈折率の差により光
閉じ込めが実現される。これにより、該チップ表面に段
差が無くなり、平面が形成され、他の素子または、１！
極、配線が集積し易くなるメリットがある。

抑 次に、第１図８のＤＢＲ回嗣各子は以下の方法で形成す
る。レーザ光を照射しつつ光電気化学的エツチングを行
なう、第４図に概略原理図に示す、４０は加工用レーザ
ビーム、４１はビームスプリッタ−で、被加ニゲレーテ
ィング４３より反射されるモニター光を分離し、光検出
器４２に導入し、その場観察で、グレーティング４３の
加工状況を知る。４４は反射鏡で、レーザ光を直角に偏
向して、被加工体４３わち４３の表面上で、他のレーザ
光と干渉させることにより、グレーティングのパターン
をホログラフィックに形成する。

レーザ光の照射部分はエツチングされ、暗部はエツチン
グされない、４５は被加工体が浸漬されているエツチン
グ液である。被加工体に電気バイアスを印加して、その
表面に空乏層を形成しておく、レーザ光は、エキシマ−
レーザの波長２５７ｎｍ光である。エツチング液は、　
ＨｇＳＯ４：ＨＪｇ：Ｈ−０＝ｌ：１：１００（体積比
）又は、　ＨＮＯ，：Ｈ，０＝１：２０（体積比）の液
である。試薬濃度は、Ｈ２Ｓ０４＝９８％（重量）　、
　ＨＮＯｓ−７０％（重量）及びＨ□Ｑ＊＝　３０％（
重量）である６反射＠４４と被加工体４３をセットして
いる台を回転することに右 より１回蘂周期を連続的に変更できる。

また、該光電気化学的エツチング方法は、前述の光導波
路側面のエツチング加工に６極めて良好な適合性があり
、平滑で基板に直角なる平面が形成される。

以上の如く、最適条件を設定して形成された本発明の光
源は、波長５００ｎｍのＳＨＧ光出力を３０ｍＷとり出
すことができた。励起レーザ光出力は１００ｍＷＸ２＝
２００ｍＷである。

［発明の効果］ 以上説明した如く、本発明は以下の効果を有する。

ｌ　。

２゜ ３゜ ４゜ ５゜ ６゜ 極めてコンパクトであり、従来のＬＤチップと同等に扱
える。

光電子集積回路の一構成素子として、ブレーナ集積でき
るポテンシャルを有する。

高品質大型単結晶が不要である。

３０ｍＷクラスの半導体レーザが実現できる。

従来のＩＣ技術が活用できる。

従って、大量生産可能で、製造コストの低減が可能であ
る。

７、ＳＨＧ結晶がＭＯＣＶＤエピタキシアル成長により
完全性の高い品質が確保できるので、高変換効率が得ら
れる。

８、エピタキシアル超格子膜層により、極めて高い非線
型光学定数が得られ、高変換効率が実現できる。

９、リング型共振器の複数組合せ構造により、レーザ光
を有効にＳＨＧ共振器内に閉じ込めることができ、減衰
するまでＳＨＧｍ光エネルギーとして寄与できる。

１０、ＳＨＧ光を基板に垂直方向にとり出すため、本発
明素子構造を同一平面上に複数集積できる。

以上の如くに、きわめて広部に有用な効果をちたらし、
特に、光磁気記録システム及びレーザプリンター用光源
として有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の半導体光源の一実施例を示す概略の
平面構造図。 第２図は、本発明半導体光源の一実施例における半導体
レーザ部の概略断面構造図。 第３図（ａ）〜（ｄ）は、本発明半導体光源の一実施例
におけるＳＨＧ機能機能導光導波路造プロセスの概略を
説明する図。 第４図は、本発明半導体光源の一実施例におけ竹 るＤＢＲ回琲格子の製法を説明する図。 ４　・ ５　・ ６　・ ８　・ １１　　・ ｌ　２　・ ２０　・ ＧａＡｓ基板 ５ＨＧｔｌｌ能部リング共振器光導波路２ リングレーザ発層部光導波路 横方向光閉じ込め層 同上 同上 再 ＤＢＲ回範格子機能部 オーミック電極 ショットキーバリア電極 ｎ−ＧａＡｓ基板 ２１　・　・　・ ２２　・　・　・ ２３　・　・　・ ２４　・　・　・ ２５　・　・　・ ２６　・　・　・ ２７　・　・　・ ２８　・　・　・ ３　ｌ　・　・　・ ３２　・　・　・ ３３　・　・　・ ３４　・　・　・ ４０　・　・　・ ４　ｌ　・　・　・ ４２　・　・　・ ４３　・　・　・ ４４　・　・　・ ４５　・　・　・ ・　ｎ−ＧａＡｓバッファー層 ・ｎ−ＡｌｘＧａ＋−Ｊｓ −ＩｎｙＣａ＋−ｙＡｓ　　（活性層を含む）・　　ｎ
−ＡｌｘＧａ＋−ｍＡｓ ・Ｐ−ＡｌｘＧａ＋−ｘＡｓ ・　ｎ　−ＧａＡｓ ・５ｉＯａｌ！ ・Ｚｎ拡散領域 ・ＧａＡｓ基板 −Ｚｎ５ｘＳｅ＋−＋＋クラッド層 ・超格子構造光導波路 ・５ｉＯｚマスク ・レーザビーム ・ビームスプリッタ− ・デテクター ・被加ニゲレーティング ・反射鏡 ・エツチング液 以 上 第７）１ヨ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 平面上に構成される半導体光源において、レーザ発振機
   能を有するリング型光共振器２つ及び第二次高調波発生
   機能を有するリング型光共振器１つを含むこと、前者光
   導波路が後者光導波路の両側に近接して配置されること
   及び後者光導波路表面上に回折格子を配置することを含
   んで成る半導体光源。