JPH036077A - 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１ 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・
レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔ
ｅｒｓ　）　Ｖｏｌ、３５．Ｎｏ、６ｆ１９７９１Ｐ、
４６１〜Ｐ４５３や日経ニューマテリアル１９８７年４
月２０日号Ｐ、９６〜Ｐ、１０５　ｋ：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λば、Ａ　Ｉ　ＧａＡｓ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）ｔ
’、ＬｉＮｂＯ５単結晶ヨリする導波路型ＳＨＧ素子の
導波路端面に集光し結合させ、該Ｌ　ｉ　ＮｂＯ３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］ 然しなから、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オーグーの薄膜の層であるた
め、半導体レーザの先導波路とＳＨＧ素子の先導波路の
中心位置合せ、平行度調整等に厳審性を要求され、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、ＬｘＮｂＯｓ単結晶は、可視波長域で光ダメージを
起し易く、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。

〔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用結晶材料として５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エビクキシアル成長可能である。

３、前記エビタシアル成長は、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。

５８前記先導波路は、半導体レーザの光共振器部わも活
性層を含む平面上に構成され、レーザ光は直接的にＳＨ
Ｇ結晶に入射する。

６、半導体レーザ発振条件の設定は、半導体レーザの先
導波路とこれに結合されているＳＨＧ機能部の光導波路
の両光導波路を含んで構成することを前提とする。即わ
ち、レーザ共振器内に前記ＳＨＧ結晶が配置されること
である。

７、ＳＨＧ光出財端面に、５）（Ｇ励起源レーザ光は反
射し、且つＳＨＧ先は透過せしめる薄膜を形成する。

８　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、励起波の最低次モードとＳＨＧの
高次モードを一致させる如くに設定する。

９．５）ＩＧ光を先導波路よりなる光ガイドにより集光
せしめ、光の広がりを小さ（しぼる。

〔実　施　例Ｊ 本実施例は、以下の設定である。

■　励起レーザ光は、Ｉｎｙ　Ｇａ＋−ｙ　Ａｓ　（ｙ
＝　０．５　）活性層構成により１発振波長１１０００
ｎ光。

２、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。

３　前記化合物半導体は、半導体レーザ基板面上にＭＯ
ＣＶＤ又はＭＯＭＢＥエビク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５）ＩＧ先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、レーザ光共振器は、ファプリーベロー型とし、レー
ザ発光部と５ｌ（Ｇ部を含む設計とする。

６　光ガイド用導波路を形成して、光ガイドして集光す
る。

７、光ガイド導波路は、光位相を調整する目的でショッ
トキーバリアーを形成し、逆バイアスに電圧を印加する
金属薄膜電極を有する。

次に、機能及び構造について述べる。

第１図において、基板１０の上に、光導路１１．１３．
１６．１７が共平面に形成され、１１は発光励起を起こ
す部分で、レーザ共振器は、１１と１３を含んで構成さ
れるファプリーペロー型である。即わち、１１の自由端
面と１３の自由端面が平行なる反射鏡を構成している６
該レーザ共振器内で、レーザ発振が起り、同時に、先導
波路１３内部で、ＳＨＧが発生する。５）ＩＧ発生の効
率を上げる目的で、後述する如くに、先導波路１３は例
えばＺｎＳ／Ｚｎ５ｅのＴＩ　−Ｖｌ族２材質の極薄膜
のくり返し積層により形成する。非線形光学効果を太き
（するためである。さらに、レーザ光とＳＨＧ光の位相
整合をとるため、積層全体の厚みを調整することにより
、例えば、レーザ光０次モードとＳ［（Ｇ光２次モード
の有効屈折率を等しくすればよい。単一のレーザ共振器
で発生できるＳＨＧ光エ光エネルギ含量度がある。従っ
て、ＳＨＧ光エ光エネルギ含量くする目的で、前記レー
ザ共振器構造を、第１図の如くに、複数個並列に配置形
成する。これは、単一のプロセスで実現でき、例えばＮ
本並列すれば、Ｎ倍のＳＨＧ光エネルギ量になる。この
時、レーザ共振器の横方向光閉じ込めのため、１２の部
分は１３の材質による薄膜層を残留させ、１４の部分は
１３の材質をエツチング除去して、空気層とする。該Ｓ
［（Ｇ光エネルギーは、光導波路１３の端面より出射さ
れて別の先導波路１５に導入される。光導波路１３と１
５は、共平面に形成され、且つ、同一材質であり５出射
口と入射口が極めて正確に合致しており有効に光入射が
できる。光導波路１５は、レーザ共振器側では、レーザ
共振器出射口に対応して、分岐しており、その反対側は
、収束されて、１本の直線状先導波路１６を形成してい
る。従って、１５に導入された複数のＳＨＧ光は進行す
る間に単一光に集光され、最終的には、先導波路部分１
６により１位相と広がりが調整されて、端面より単一光
として出射する。各分岐している先導波路部は、その長
さが異なるため、各ＳＨＧ光の光路差が生じる欠点があ
る。このために、各分岐部分に、金属薄膜１７を蒸着し
て、ショットキーバリヤーを形成し、該バリヤーの空乏
層を該分岐先導波路を厚み以上に形成する。該金属蒸着
膜を電極として、リード線１８により逆バイアス電圧を
印加することにより、個別に空乏層電界強度を増減でき
る。かく如く、各分岐光導波路の電気光学効果により、
各ＳＨＧ光の位相を増減できる。この増減により５光位
相を単一に一致させる３さらに、前記レーザ光共振器同
志は１隣接する間隔をミクロン程度に形成して、隣接す
るレーザ光振器を光結合させることにより、該Ｎ本のレ
ーザ光は全て同一位相と為さしめておく６即わち、方向
性結合器を形成してお（のである。

かくの如く、複数のＳＨＧ光を集光することにより、極
めて、高強度のＳＨＧ光として取り出すことができ、且
つ、単一の位相を有する光源である。

なお、先導波路部１５は分岐型の場合で説明しているが
、該部分にフレネル型レンズを形成することも比較的容
易にでき、該レンズ効果により集光させる方法も実現で
きた。

次に１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
郡部わち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。

２２はｎ−ＡｌｘＧａ＋−ｘＡｓ（ｘ　＝Ｏ，ｌ　ｌ。

２３はｎ　−ＩｎｙＧａｔ−ｙＡｓｆ　　ｙ＝　０．０
５１゜２４はローＡｌｘＧａ＋−ｘＡｓ　（ｘ　＝０．
１１　、２５はＰ　−ＡｌｘＧａ　ｒ　−ｘＡｓｆｘ＝
０．１１　、　２６はｎ−ＧａＡｓギャップ暦。２７は
５ｉＯｚ膜、２８はｚｎＫ散領域を示し、ｎ−ＡｌｘＧ
ａＡｓ層２２と　ｎ　−ＧａＡｓ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−Ｉｎ
ｙＧａｔ−ｙＡｓ（’／　＝０．０５１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の上にエピタ
キシアル成長する。ＭＯＣＶＤ条件は厩略以下の如くで
ある。

基　板　温　度＋７６０”〜８２０°Ｃ圧　　　　　　
　力＋　　７６０ＴｏｒｒＶ族／　ＩＩＩ族比　＝５０
〜１００ 成長速度、００７μｍ／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１周知の拡散方法による
。　５ｉＯｚ膜２７に２μＸ　１５０ｕの窓を開け、６
００℃〜６５０℃で拡散する。Ｚｎ濃度は１．　ｘ　ｌ
　Ｏ１＠／ｃｍ”である。

次に、第１図のＳ　ＨＧ　ｔｅｌ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機能先導波路
を構成するＺｎ５ｘＳｅ１−ｙ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ＲＩＢＥ法による。エツチングガ
スはＣＣ１，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図工・ンチング表
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６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、Ｓ
ＨＧ機能部を形成する。第１図Ｂ−Ｂ　’断面右１５１
１　Ｓ　ＨＧ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ＣＶ
Ｄ法等によりマスク３４のＳｉＯ□を堆積する。

この状態が第３図（ａ）である０次にフォトリソグラフ
ィ技術により５１０２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ＳｉＯ□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。パターニ
ングされた５ｉＯｚ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ＳｉＯ□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２ｎ、　
Ｓ及びＳｅの有機化合物を用い、成長圧力が１ｏＯＴｏ
ｒｒ以下、成長温度が４００℃以上７００℃以下、Ｖｌ
族原料と１１１族原料のモル比が６以下の条件で減圧Ｍ
ＯＣＶ　Ｄ法又はＭＯＭＢＥ法により実施する。

ＺｎＳ／Ｚｎ５ｅ超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。前記積層を形成した後、弗酸系エッチャント
によりＳｉＯ□を除去し、第３図（ｄ）の如く先導波路
が完成する。前記の例では、マスク材としてＳｉＯ□を
用いたが、５ｉｄＬ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、ＺｎＳ／Ｚ
ｎ５ｅ超格子エピタキシアル膜を用いたが、ＣｄＳ／Ｃ
ｄＳｅ超格子、２ｎＴｅ／ｚｎＳｅ超格子、ＣｄＳｅ／
Ｚｎ５ａ超格子、ＣｄＳ／ＺｎＳ　Ｍｌ格子もまた適用
できる。

また、先導波路１６の出射端面に、干渉フィルターを蒸
着により形成して、レーザ光は１００％反射させ、ＳＨ
Ｇ先のみとり出すこととする。

以上の結果、波長５００ｎｍのＳＨＧ光発生が実現でき
、光出力３０　ｍ　Ｗ　Ｓ　ＨＧ光が達成できた。

［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、ブレーナ集積
できる。

３、良質な大型単結晶が不要になる。

４．３０ｍＷクラスの半導体レーザが実現でき、１００
ｍＷクラスも期待できる。

５　従来のＩＣ技術の応用で製作できる。

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、超格子エビクキシアル膜層により、極めて高い非線
型光学定数で得られ、高変換効率が実現できる。

９、光ガイド相当部の先導波路は、目的に合せて、容易
に設計変更が可能で、自由度が極めて高い。

前記のとおり、きわめて広汎に有用なる効果をもたらす
と期待でき、特に、光磁気配・１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、本発明の半導体光源の一実施例を示す概略平
面構造を示す図。 第２図は、本発明の半導体光源の一実施例における半導
体レーザ部の透面構造を示す図。 第３図（ａ）〜（ｄ）は、本発明の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を説明
する図。 ＩＯ・・・基板 １１・・・レーザ発光光導波路 １２・・・光閉じ込め層 １３・・・二次高調波発生光導波路 １４・　・光閉し込め層 １５・・・集光用光ガイド導波路 １６・・・先導波路 １７　・・ショットキー薄バ莫電極 １８・　・　・リード線 ２０　・−・ｎ−ＧａＡｓ基板 ２１−−　−　　ｎ−ＧａＡｓバッファー層２２−−−
　　ｎ−ＡｌｘＧａ＋、＋＋Ａｓ２３　・−−ＩｎｙＧ
ａ＋−、Ａｓ　（活性層を含む）２４−　・−ｎ−Ａｌ
ｘＧａ＋−ｘＡｓ２５−−−　　Ｐ−Ａ１ｘＧａ＋−ｘ
Ａｓ−ＧａＡｓ ・　ＳｉＯ□ｎ莫 ・Ｚｎ拡散領域 ＧａＡｓ基板 Ｚｎ５ｘＳｅ＋−ｘクラッド層 ・・超格子構造光導波路 ・・５ｉＯｚマスク ２６　・　・ 　７ ２８　・ １ ３２　・ ３３　・ 　４

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. モノリシリックに構成される半導体光源において、レー
   ザ発光機能、二次高調波発生機能及び光ガイド機能の各
   々の機能を有する三種の光導波路を複数個同一平面上に
   形成すること、前記レーザ発光光導波路と前記二次高調
   波発生光導波路でレーザ共振器を形成すること、隣接す
   る前記レーザ共振器を光結合すること及び複数個の光を
   単一光に収束せしめる手段を形成することを特徴とする
   半導体光源。