JPH036079A - 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１ 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・レクーズ（ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ　
Ｌｅｔｔｅｒｓ　）　Ｖｏ　１　、　３５．　Ｎｏ、　
　６　（１９７９）ｐ、４６１−ｐ、４６３や日経ニュ
ーマテリアル１９８７年４月２０日号ｐ、９６〜ｐ１０
５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ものが考案されている１例えば、Ａ
ｌＧａＡｓ系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タレンズ（開口数０，３）とフォ
ーカシングレンズ（開口数０６）で、ＬｘＮｂＯｓ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ＬＩＮｂＯ８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、ブレーナ集積が本質的に不可能。

２．　Ｓ　ＨＧ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ｌｕ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５ｔ（Ｇ素子導波路の中
心位置合せ、平行度調整等に厳密性を要求され、複雑微
妙な作業であり５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、ＬｉＮｂ０ａ単結晶は、可視波長域で光ダメージを
起こし易い。

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活用
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１ 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、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る。

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

７前記ＳＨＧ機能部は、リング型共振器を形成する。

８、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Ｓ　ＨＧ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。

１０　　前記リング共振器よりＳＨＧ光の取り出しは、
ＤＢＲグレーティングにより波長分離の上。

光導波路に導入する。

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机 〔実　施　例１ 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。

ｌ励起レーザ光は、Ｉｎ、　Ｇａ＋−ｙ　Ａｓ　（３”
　　　）活性層組成による発振波長１１０００ｎの光。

２、ＳＨＧ用結晶材料として、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Ｓ
ＨＧ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レーザ光共振器とＳＨＧ機能導波路は共に、リング型
共振器とし、レーザ発振部とＳＨＧ部は横方向に光結合
する。

６、ＳＨＧ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
路が含まれるものとする。

次に、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２３−１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。即ち、正方形状のリング型共振器を
形成する。但し、レーザ共振器３−２は、１つの角が欠
けており、端面の反射により共振器機能をもつ。

光波は、近似的に第１図中の波線及び矢印線の如くに反
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、ＳＭＣ即ち、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、ＩＩ　−Ｖｌ族化合物半導体の
２材質Ｚ、ｎＳ／２ｎＳｅ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、＋１１−　
Ｖ族化合物半導体混晶Ｉｎ、　Ｇａｐ−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ＳＭＣ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次モトの有効
屈折率を等しくする如く、膜厚及び膜組成を制御する。

光導波路の横方向即ち基板１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。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（。従っ
て、屈折率〜ｌ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ＳＭＣ光を該光共振器２の外部にとり出し第１図７
の如（に光源として利用するための手段が必要である。

このため、ＳＭＣ光が発生する光導波路２の角の部分の
表面１例えば８の部分にＤＢＲ回折格子を形成する。光
導波路層の最上面に浅く、エツチング、イオン打込み、
エピタキシアル、蒸着の方法で回折格子を形成する。こ
の際、波長１１０００ｎのレーザ光を１００％反射し。

波長５００ｎｍのＳＭＣ光に対しては、極低反射率とな
る如くに、回折格子周期を設定する。この結果、共振器
２内に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、発生したＳＭＣ光
は回折格子８を透過して、光導波路１０の部分に誘導さ
れ、固有モードに調整され、外部に光７としてとり出さ
れる。

前記励起レーザ光及びＳＭＣ光は、共に、時計まわり方
向と反時計まわり方向の２種の方向の光波として存在し
ているが、回折格子を４５°入・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は、金属薄膜オーミック′ｒ４ｒｒＡ
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、例えば、白金（ｐｔ）　、金（Ａｕ）又はアルミニ
ウム（Ａ１）が選択され、ｎ−−ＺｎＳ／Ｚｎ５ｅ超格
子溜光導波路２に対して、シ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１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ＳＭＣ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
。然も、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
レーザな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５ｔ−ＩＧ変換効率
を高めることが出来、ｌｏＯｍＷレーザ光出力時に、３
０ｍＷのＳＨＧ光出力が実現できた。

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　−Ａｌｘ　Ｇａｐ−ｘ　Ａｓ　（Ｘ＝Ｏ１ｌ）、
２３はｎ　−Ｉｎ、　Ｇａｐ−ｙ　Ａｓ　（ｙ＝０．０
５）　、　２４はｎ−Ａｌ、ｌＧａ＋−ｘ　Ａｓ　（Ｘ
：０．ｌ　）　−２５はｐ　−Ａｌ、　Ｇａｐ−＋＋Ａ
ｓ　（ＸＪ、ｌ　）　、　２６はｎ−ＧａＡｓキャップ
層、２７は５１０２膜。２８は２ｎ拡散領域を示し、ｎ
−ＡｌｘＧａ＋−ｘ　Ａｓ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、　Ｇａ＋−ｙ　Ａｓ　（ｙ・０．０５）
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の上にエビクキシアル成長する。ＭＯＣＶＤ条件は
概略以下の如くである。

基板温度　　　・　７６０℃〜８２０℃圧力　　　　　
−：　　７６０　　ＴｏｒｒＶ族／　Ｉｌｌ族比　：　
５０〜１００成長速度　　　　　０．０７ｕｍ／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
。Ｓ１０□膜２７に２μＸ　ｌ　５０ｕの窓を開け、温
度６００℃〜６５０℃で拡散する。Ｚｎ濃度は、ｌ　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バッファー屡２１まで除去する。該露出ｎ　−Ｇ
ａＡｓ２１表面上に、ＳＨＧ機能光導波路を構成するＺ
ｎ５ｘ　５ｅｔ−ヶクラッド層及び導波路層をエビクキ
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ＣＣＬ
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、且つ、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ＳＨ５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に熱ＣＶＤ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ＳｉＯ，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８１０．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５ｘＯ２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２ｎＳｘ　Ｓｅ＋
−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５ｉＯａ
上には堆積物がなく、第３図（Ｃ）の如き状態になる。

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て
、成長圧力が１ｏＯＴｏｒｒ以下、成長ｉ＝度ｈｓ　４
００°Ｃ以上７００°Ｃ以下、　Ｖｌ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Ｍ
ＯＭＢＥ法により実施する。　ＺｎＳ／Ｚｎ５ｅ超格子
エピタキシアル膜は、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、弗酸系のエッチャントによりＳｉＯ□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５ｉＯｚ膜を用いたが、　Ｓｉ
３Ｎ４等の他の誘電体薄膜または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、Ｚｎ３／Ｚｎ５ｅ超格子エピタキシアル膜の
外に、　ＣｄＳ／ＣｄＳｅ超格子、ＺｎＴｅ／Ｚｎ５ｐ
超格子、　ＣｄＳｅ／Ｚｎ５ｅ超格子、ＣｄＳｅ／Ｚｎ
Ｓ超格子、　ＣｄＳ／ＺｎＳ　Ｍｌ格子もまた適用でき
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、Ｉｎｙ　Ｇａ＋−ｙ　Ａｓ系の場合を例示したが、
ＡＩＸ　Ｇａ＋−ｘ　Ａｓ系やＩｎ＋＋　Ｇａ１−ｘ　
Ｐｙ　ＡＳＩ−Ｘ系が他の波長領域用として実現でき、
基板にＴｎＰ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、イン打込
法でも実現でき、さらに、エピタキシャル膜成長時に、
Ｎ型ドーパントを同時に気相よりトーイングすることが
でき、この方法によるＰ−Ｎ接合が前記拡散プロセル接
合よりもレーザ発振効率は良い。液相エピタキシャル膜
によるＰ−Ｎ接合も可能である。

また５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なうことができる。即ち、この結
果、全ての光導波の横側面は、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（なり、平面が形成され、他の素子又は電極・配線が
集積しやすくなるメリットがある。

次に、第１図８のＤＢＲ回折格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図に概略原理図を示す。４０は加工用レーザ
ビーム、４１はビームスプリッタ−で、被加工グレーデ
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、被加工表面即ち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、Ｈ，５Ｏ４＝　Ｈ，Ｏ。

Ｈ２０＝ｌ　：　ｌ　、　１００　（体積比）又は、Ｈ
Ｎ０ｘＨ２０＝１＋２０（体積比）の液である。試薬濃
度は、ＨＩＳＯ，＝　９８％（重量）　、　ＨＮＯ，：
　７０％（重量）及び８．０□：３０％（重量）である
。反射鏡４３と被加工体４３をセットしている台を回転
することにより、格子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も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取り出
すことができた。

［発明の効果］ 以上説明した如く１本発明は以下の効果を有する。

ｌ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。

２４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。

３高品質大型単結晶が不要である。

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技術が活用できる。

６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工ピタキシアル超格子膜層により、極めて高い非線形
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ＳＨＧ用光エネルギーとして寄与できる。

以上の如くに、きわめて広汎に有用な効果をもたらし、
特に、光磁気記録システム及びレーザブノンタ用光源と
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の
平面構造図。 第２図は、本発明の半導体光源の一実施例における半導
体レーザ部の概略断面構造図。 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るＤＢＲ
回折格子の製法を説明する図。 ｌ　・　・　・　・　・　・　・　・　・ＧａＡｓ基板
２・・・・・・・・・Ｓ　ＨＧ　１８能部リング共振器
光導波路 ３−１．３−２・・・リングレーザ発振部光導波路 ４・・・・・・・・・横方向光閉じ込め層５　・・・・
・・・・同上 ６・・・・・・・・・同上 ７・・・・・・・・・出射ＳＨＧ光 ８・・・・・・・・・ＤＢＲ回折格子機能部】０・・・
・・・・・・光導波路 １１・・・・・・・・・オーミック電極１２　・・・・
・・・・ショットキーバリア電極 ２０・　・　・　・　・　・　・　・　・ｎ　−ＧａＡ
ｓ基板２１・　・　・　・　・　・　・　・　・ｎ−Ｇ
ａＡｓバッファー層２２−　−　−　−　−　−　−　
　・　・　ｎ−ＡｌｘＧａ、−ｘＡｓ２３−−−−−−
−−　・ＩｎｙＧａ＋−ｙＡｓ（活性石を含む） ２４−−−−−＝−ｎ−ＡｌｘＧａ＋−ｘＡｓ２５　・
　・　・　・　・　・　・　・　・　ｐ−Ａ１ウ　Ｇａ
、−１ｌ　ＡＳ２６　・　・　・　・　・　・　・　・
　・　ｎ　−ＧａＡｓ２７・　・　・　・　・・　・　
・　・Ｓ１０．膜２８・・・・・・・・・Ｚｎ拡散領域 ３１・　・　・　・　・　・　・　・　・ＧａＡｓ基板
３２・・・・・・・・・Ｚｎ　Ｓｘ　５ｅｌ−ｘクラッ
ド層 ３３・・・・・・・・・超格子構造光導波路３４・・・
・・・・・・５ｉ０２マスク４０・　・　・　・・　・
　・　・　・レーザビーム４１・・・・・・・・・ビー
ムスプリッタ−４２・・・・・・・・　・デテクター ４３・・・・・・・・・液加ニゲレーティング４４・・
・・・・・・・反射鏡 ４５・・・・・　・・・　・エツチング液以上

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つを含むこと及び前者
   の光導波路が後者の光導波の両側に、近接して配置され
   ることを特徴とする半導体光源。