JPH033286A - 二次高調波発生デバイス - 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］ 本発明は集積化されてい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ＳＨＧ
と略称）の試みが為され、アプライド・フィジックス・
レクーズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　ＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅ
ｒｓ　）　Ｖｏｌ、　３５　、　Ｎｏ、　６、（１９７
９）Ｐ、　４６１−Ｐ、４６３や日経ニューマテリアル
１９８７年４月２０日号Ｐ、９６〜Ｐ、１０５に見られ
るように、半導体レーザと導波路型ＳＨＧ素子とをモジ
ュール化するものが考案されている。 例えば、Ａ１ＧａＡｓ系の８４ｍｍ波長の半導体レーザ
光を光ピツクアップ用コリメークレンズ（開口数０．３
）とフォーカシングレンズ（開口数０．６）で、Ｌ　ｉ
　Ｎ　ｂ　Ｏｓ単結晶よりなる導波路型ＳＨＧ素子の導
波路端面に集光し結合させ、該ＬｉＮｂ０−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、Ｉ　Ｑｘ　１０Ｘ３０ｍｍ’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残され
ている。 １、モジュール化されているため、光電子集積回路の一
構成素子として、ブレーナ集積が不可能。 ２、ＳＨＧ素子として極めて高品質な大型単結晶を必要
とするため、製造コストが高くなる。 ３、光導波路は、通常１μオーダーの薄膜の層であるた
め、半導体レーザの光導波路とＳＨＧ素子の光導波路の
中心位置合せ、平行度調整等に厳密性を要求され、複雑
な技術であり、作業性が悪い。 ４、ＳＨＧ変換効率が低く、光出力として１ｍＷレベル
以下である。 ５、ＬｉＮｂＯ５単結晶は、可視波長域で光ダメージを
起こし易く、不安定である。 本発明は、かかる課題を解決するもので、その目的とす
るところは、半導体エピタキ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。 ［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、前記課題を
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用結晶材料として、化合物半導体の超格子構
造を選択する。 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を行なう。 ３、前記エピタキシアル成長は、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。 ５、前記光導波路は、半導体レーザの光共振器即ち活性
層を含む平面上に構成され、レーザ光は直接的にＳＨＧ
結晶に入射する。 ６、半導体レーザ発振条件の設定は、半導体レーザの光
導波路とこれに結合されているＳＨＧ機能部の光導波路
の両溝波路を含んで構成することを前提とする。即ち、
レーザ共振器内に前記ＳＨＧ結晶が配置される。 ７、ＳＨＧ光出射端面に、ＳＨＧ励起源レーザ光は反射
し且つＳＨＧ光は透過せしめる干渉フィルターを形成す
る。 ８、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、励起波の低次モードとＳＨＧの高次モ
ードの各々の有効屈折率を一致させる如（に設定する。 【実　施　例］ 第１図は、本発明の一実施例を示す概略斜視図である０
本実施例は以下の設定である。 １、励起レーザ光は、Ｐ−ＩｎｙＧａｒｙＡｓ（ｙ＝０
．０５）組成の活性層、の発振波長１１０００ｎ光。 ２、ＳＨＧ光は、化合物半導体Ｚｎ５ｅ及びＺｎＳの交
互エピタキシアル単結晶積層によりＳＨＧ変換され発生
する。 ３、前記化合物半導体超格子積層は光導波路を形成し、
クラッド層は化合物半導体Ｚｎ５ｘＳｅ＋−ｘ　　（ｘ
＝０．５〜０１７）のＭＯＣＶＤ！ビタキシアル層で形
成する。 ４、基本励起レーザ光と５ｔ−ＩＧ光の位相整合は、前
記光導波路の厚みを制御して有効屈折率のマツチングを
とる。 ５、レーザ共振器は、へき開面６および７で構成される
ファプリーペロー型である。 ６、ｎ−ＧａＡｓ基板１及び３１の結晶方位は、＜１１
０＞であり、従って、ＳＨＧ機能部結品はこの方位にエ
ピタキシアル成長する。 次に、機能及び構造について説明する。第１図において
、Ｂ−Ｂ’断面より図上左側が半導体レーザ部を、図上
右側がＳＨＧ機能部を構成する。 両者はｎ−ＧａＡｓ基板ｌ上にＭＯＣＶＤエビクキシア
ル成長されている。ｎ−ＩｎｙＧａｒｙＡＳ　（３／＝
０．０５）層２の一部分２′は、Ｚｎ拡散によりＰ型に
ドーピングされた活性層で、当該領域でレーザ発振を起
す、ＺｎＳ　／　Ｚ　ｎ　Ｓ　ｅ超格子エピタキシアル
層３は光導波路を形成する。 Ｚｎ５ｘＳｅｒｘ工ピタキシアル成長層４はクラッド層
を形成する。ｎ−ＧａＡｓ基板３１上に４−３と順次エ
ピタキシアル成長する。活性層２′と光導波路３は同一
平面上にあり、断面Ｂ−Ｂ′上で相互にエピタキシアル
的に接続されている。当該Ｚｎ５ｅ層３の寸法は、厚さ
０．７〜１．０ｕｍ、幅３〜５　ｕ　ｍ、長さ２〜５　
ｍ　ｍである。 へき開面６及び７は平行であり、対向する反射鏡を構成
する。レーザ光共振器は、反斜面６、Ｐ−ＩｎｙＧａｒ
ｙＡｓ　（ｙ＝０．０５）層２゛光導波路３及び反射鏡
７により構成される。光導波路３においてＳＨＧが発生
する。該ＳＨＧ光が反射鏡７を透過して外部に出射され
る。これは、ＳＨＧ光波長が励起レーザ光波長の坏にな
るため反斜面７を透過できることによる。横方向のレー
ザ光閉じ込めはｎ−ＩｎｙＧａｒｙＡｓ２とＰ−Ｉ　ｎ
ｙＧａｒｙＡｓの屈折率差で、上下方向のレーザ光閉じ
込めはＡｌ２ＧａＡｓ層２２．２３の組成による屈折率
差で実現する。かくの如くに、レーザ光共振器内にＳＨ
Ｇ機能を構成することができる０以上の構成により光導
波路内の励起レーザ光強度を高めることができる。従っ
て非線型光学効果であるＳＨＧが効果的に発生する。さ
らに、前記光導波路層３をＺ　ｎ　Ｓ　／　Ｚ　ｎ　Ｓ
　ｅ超格子エピタキシアル層にすることにより、ＺｎＳ
又はＺｎ５ｅの単体結晶の場合よりも非線型光学定数が
大きくなっていると見られ、明らかに単体結晶の場合よ
りも変換効率が高くなっている。これ等の結果、放射さ
れるＳＨＧ光出力が大きくとれる。 例を示すと、ＳＨＧ効率として１ｍＷあたり５％が実現
でき、ＳＨＧ光出力は励起光６０ｍＷに対して３ｍＷで
ある。 次に、本発明構造の製法について述べる。 第２図は、本発明一実施例を示す第１図の半導体レーザ
部即ち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、２２
はｎ　−Ａ　１２　ｘ　Ｇ　ａ　ｌ’−Ｘ　Ａ　５（ｘ
＝Ｏ，ｌ）、２３はｎ−ＩｎｙＧａ＋−ｙ　Ａｓ（ｙ＝
０．０５）、２４はｎ−Ａｌ２ｘＧａ＋−＋＋　Ａｓ　
（ｘ　＝Ｏ，ｌ）、　２５はＰ　−Ａ　Ｑ　ｘ　Ｇ　ａ
　＋−ｘ　Ａｓ　（ｘ＝０．１）、２６はｎ−ＧａＡｓ
キャップ層、２７はＳｉＯ□膜、２８はＺｎ拡散領域を
示し、ｎ−Ａｌ２ｘＧａｔ−ｘ　Ａｓ層２２とｎ−Ｇａ
ＡＳバッファー層２１の境界までの深さに拡散する。そ
の結果として、ｎ−ＩｎｙＧａｒｙＡｓ（ｙ＝ｏ、、０
５）層２３の一部分２′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の上にエビクキシアル成長する。ＭＯＣＶ
Ｄ条件は概略以下の如くである。 基板温度　　：　　７６０＠〜８２０℃圧力　　　　＋
　　７６０Ｔｏｒｒ Ｖ族／　ＩＩＩ族比：　５０〜１００ 成長速度　　：０．０７−μｍ／ｍｉｎＭＯＣＶＤ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。ＳｉＯ□膜２７
に２μ×１５０μの窓を開け、６００℃〜６５０℃で拡
散する。Ｚｎ濃度はｌＸｌ０”／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Ｂ−Ｂ′より右側部分をエツチングにより、第２図ｎ
−ＧａＡｓバッファー層２１まで除去する。該露出ｎ−
ＧａＡｓ２１表面上に、ＳＨＧ機能光導波路を構成する
Ｚ　ｎ　Ｓ　ｘ　Ｓ　ｅ　＋　−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、ＥＣ
Ｒ方式プラズマ装置によりＲＩＢＥ法による。エツチン
グガスはＣｅ２４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、第１図エツチング
表面９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Ｂ−Ｂ′断面右側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）である０次にフォト
リングラフィ技術により５ｉＯａのバターニングを行な
う、このとき導波路層を形成する部分の５ｉＯｚ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
、バターニングされたＳｉｎ、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Ｚｎ５ｎＳｅ＋−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ＳｉＯ□上には堆
積物がな（第３図（Ｃ）の如き状態となる。該選択エビ
クキシアル成長は以下の方法で実現できる。原料として
２ｎ、Ｓ及びＳｅの有機化合物を用い、成長圧力が１０
０Ｔｏｒｒ以下、成長温度が４００℃以上７００℃以下
、■１族原料とＩＩＩ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／Ｚｎ５−ｅ超格子エピタキシアル膿は、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〜ｌＯＯオングストロームの厚みの膿を次々に
積層する。＠記膜層を形成した後、弗酸系エッチセント
による５ｉｎｓを除去し、第３図（ｄ）の如く光導波路
が完成する。前記の例では、マスク材として５ｉＯ−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、Ｚ　ｎ　
Ｓ　／　Ｚ　ｎ　Ｓ　ｅ超格子エピタキシアル膜を用い
たが、Ｃｄ　Ｓ　／　Ｃｄ　Ｓ　ｅ超格子、Ｚ　ｎ　Ｔ
　ｅ　／　Ｚ　ｎ　Ｓ　ｅ超格子、Ｃｄ　Ｓ　ｅ　／　
Ｚ　ｎＳｅ超格子、Ｃｄ　Ｓ　／　Ｚ　ｎ　Ｓ超格子も
また適用できる。 また、レーザ励起光とＳＨＧ先の位相整合なとるだめに
、光導波路層の幅、厚さ及び長さは制限される。各寸法
を変動させて、励起レーザ光ＴＥＯ次モードとＳＨＧ光
ＴＥ２次モードとが一致する寸法を設定する。さらに、
光導波路の出射端面７とＩ　ｎｙＧａ＋□Ａｓ端面６で
レーザ共振器を形成する０両端面ともへき開面とする。 該界面は光反射率を調整するため薄膜蒸着を行なう、端
面６はＡｎＭ＊とし、端面７は周知の干渉フィルターと
する。端面６の反射率は１００％に近づけ、端面７は励
起レーザ光を反射しＳＨＧ光は透過する如く設定する。 以上の結果、波長５００ｎｍのＳＨＧ光発生が実現でき
、光出力３ｍＷにて、ＳＨＧ変換効率として、５％／　
ｍ　Ｗが達成できた。 ［発明の効果］ 以上説明した如くに、本発明は以下の効果を有する。 １、極めてコンパクトであり、従来のＩＣチップと同等
に扱える。 ２、光電子集積回路の一構成素子として、ブレーす集積
できる。 ３、良質な大型単結晶が不要になる。 ４．３ｍＷクラスの半導体レーザが実現でき、１０ｍＷ
０ｍＷクラスできる。 ５、従来のＩＣ技術の応用で１作製できる。 ６、従って、大量生産が可能で、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、高変換効率が得られる。 ８゜超格子エピタキシアル膜層により、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た。 前記のとおり、きわめて広汎に、有用な効果をもたらす
と期待され、特に光磁気記憶装置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図は本発明の二次高調波発生デバイスの一実施例を
示す概略構造を示す斜視図。 第２図は本発明の二次高調波発生デバイスの一実施例に
おける半導体レーザ部の断面構造図。 第３図（ａ）〜（ｄ）は本発明の二次高調波発生デバイ
スの一実施例における５ｔ−ＩＧ機機能売光導波路製造
プロセスを説明する図６ １　・ ２　・ ２′ ３　・ ４　・ ６　・ ７　・ ８　・ ２０　・ ２　ｌ　・ ２２　・ ２３　・ ｎ−ＧａＡｓ基板 光導波路を含む層 光導波路を構成する活性層 光導波路 クラッド層 へき開面 伯のへき開面 Ｐ電極 ｎ−ＧａＡｓ基板 ｎ−ＧａＡｓバッファー層 ｎ−ＡｆｉｘＧａ＋−＋＋　Ａｓ ｒ　ｎｙＧａ＋−ｙ　Ａｓ　（活性層を含む） ２４　・ ２５　・ ２６　・ ２７　・ ２８　・ ３　ｌ　・ ３２　・ ３３　・ ３４　・ ・　ｎ−Ａｌ２ｘＧａ＋−＋＋　　Ａｓ・　Ｐ−Ａｌ２
ｘＧａ＋−＋＋　　Ａｓ・　ｎ−ＧａＡｓ ・５ｉＯｉ膜 ・Ｚｎ拡散領域 ・ＧａＡｓ基板 −ＺｎＳｘＳｅ＋−ｘクラッド層 ・超格子構造光導波路 ・５ｉＯ−マスク 以

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ共振器と超格子構造を有する光導波路を同一平面
   上に配置してなることを特徴とする二次高調波発生デバ
   イス。