JPS5940317B2 - リブガイドストライプ型半導体多層薄膜光導波路及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ストライプ構造半導体多層薄膜光導波路構造
及びその製造方法に関するものである。

一般に、多層エピタキシャル成長法により薄膜光導波路
を製作する場合、その構造は薄膜平面方向で一様となり
、平面内で一定の方向に一定の幅の光導波路構造を持た
せるには、ストライプ状のメサ型エッチングを行つたり
イオン注入を行ラ等の方法がとられていた。しかし、メ
サ構造では、光導波路の側面が直接空気に接し大きな屈
折率差を生じるため多モードの導波路となり易く、露出
した側面は劣化の原因となり勝である等の欠点があつた
。又、イオン注入によるものも、注入に伴う諸々のダメ
ージが存在し良好な結果を得るに至つていない。この問
題は、同じく多層薄膜構造をもつヘテロ構造半導体レー
ザにもあてはまる。ヘテロ構造半導体レーザの横モード
を制御しその特性を向上させるためには、ヘテロ平面内
に一定の方向と適当な幅をもつストライプ状導波路構造
を持たせることが必要である。本発明の目的は、このよ
うなストライプ状光導波路（本発明において光導波路と
は、単なる光導波路にとどまらず半導体レーザの活性層
をも範囲に含むものどする。

）を基板結晶に一定の加工を施すことにより基板上に一
回のエピタキシヤル成長で成長せしめた多層薄膜中に自
動的に作り込む結晶成長法及びそれに適した構造を与え
ることにある。この発明によるストライプ状光導波路＆
ζメサ型光導波路等と異なり、一回の多層エプタキシヤ
ル成長で製作することが出来るために製作が簡単であり
、劣化の恐れがなく、且つストライプ内外の実効的屈折
率差を製作パラメーターの選定により任意の値にするこ
とが出来るので低次モードの光伝播が可能となり、同時
にストライプエツジでの散乱損失が少ないなどの、多く
の利点を有する。

さて、以下従来例をまず検討することから始めよう。光
導波路として最も苛酷な要求を突きつけられるのは半導
体レーザであるといつてもよいので、以後の説明は半導
体レーザを例にとる力（本発明を限定するものではない
。半導体レーザの横モードの制御は、活性層に注入する
電流をストライプ状の特定領域に閉じ込めようとする試
み、すなわち電極ストライプ型が提唱されるに及んで初
めて実現された。

その後、各種のストライプ構造が開発され現在に至つて
いるが、いずれもそれぞれの欠点を有し特性上不満足な
ものである。たとえば、電極ストライプ型等、単に電流
分布のみを規定した場合には、レーザ光は主として利得
分布によりストライプ方向に導かれる力（この利得によ
る導波路作用は不安定でもあり、容易に高次横モード発
振や多モード発振を起し、更にこれにより電流一光出力
特性が歪む場合も多い。

そのため、導波路作用を構造的にレーザ素子の内部に作
り込んでこれらの欠点を修正しようとする試みが行われ
ている。いわゆる埋め込み型のストライプレーザもこう
した試みの一つと理解し得る。この型式では、ストライ
プ状の活性領域の周囲を高いバンドギヤツプ、低屈折率
の半導体で取り囲み、強い光導波路作用をもたせている
。その結果かなり良い成績を収めたものの、その一方で
屈折率差が必要以上に大きくならざるを得ず、ために、
ストライプ幅が１μｍ以内では基本モード発振するもの
の、それ以上のストライプ幅になると高次モードの混入
が避け難くなつていた。又、ストライプ幅が狭ければ当
然ながら光出力が数ＭＷ以下に制限されることはやむを
得ない事ではあるが、やはり出力が小さ過ぎる。更にこ
の構造を作るためには、メサエツチングをはさむ２回の
エピタキシヤル成長を行わねばならないという製造技術
上の大きな欠点を持つている。こうした埋め込み型の諸
々の欠点、小出力の問題等を改良する目的からは、リブ
ガイドストライプ型半導体レーザが提案されている。

すなわち、この構造では、以下に述べるように活性層の
ストライプ状領域内の厚さをその外側より厚くすること
により、埋め込み型より弱い導波路作用をもたせ、より
広いストライプ幅でも基本モード発振し、したがつてよ
り大きな光出力を得ようとするものである。この議論は
、単なる光導波路の場合にも、全く同様にして適用し得
る。本発明に先行する従来技術としては、このリブガイ
ドストライプ型半導体レーザを挙げるべきであり、以下
まずこの型式の製作方法及び構造等について、その何処
を本発明で解決すべき力〜図面を用いて簡単に説明する
。

第１図は、その概略を示す見取図である。例えば、｛１
００｝面のｎ型ＧａＡｓ基板２の上に、液相エピタキシ
ヤル法を用いて、ｎ型・ＧａＯ．７Ａ′０．３Ａｓ層３
、ｐ型ＧａＡｓ活性層４を順次成長させる。

ここで一旦成長をやめ、ｐ型ＧａＡｓ活性層４の表面に
〔０１１〕軸方向にストライプ状に伸びるフオトレジス
ト膜を設け、これを選択エツチング用のマスクとしてフ
オトレジスト膜の付いていない活性層部のみをエツチン
グし、成長した活性層厚よりわずかにその部分が薄くな
るようにする。こうして活性層自体にストライプ状のメ
サ形凸部が形成される。次にそのｐ型ＧａＡｓ活性層４
の上に、再度液相エピタキシヤル成長法を用いて、ｐ型
ＧａＯ．７Ａ′０．，Ａｓ層５、ｐ型ＧａＡｓ層６を成
長させる。続いてＳｉＯ，膜７を付け、活性層４のメサ
形凸部に一様に電流が流れるようにストライプ状電流域
９に相当する部分にＳｉＯ２の窓を設け、電極１，８を
取り付け、反射面１０，１１を臂開で形成して、リブガ
イドストライフ型半導体レーザ（第１図）が製作される
。この様に窓を設けられたＳｉＯ２膜７と電極８とは、
レーザ反射鏡面１０，１１に直交する方向に延在したス
トライプ状電流域９を形成するとともに、ｎ型ＧａＯ．
７Ａ′０．３ＡＳ層３とｐ型ＧａＡｓ活性層とで構成さ
れるへゼロ接合部へ注入電流をストライプ状として供給
する。この半導体レーザに、順方向バイアス、すなわち
、電極１に負の電圧を印加し電極２ＶＣ正の電圧を印加
すると、ストライプ状電流域９を通して電流が流れこの
下の活性層４がレーザ発振する。この発振部の活性層厚
は、中心が厚くその外側部がわずかに薄くなつている。
叉、この活性層を上下から挾み込む結晶層は活性層より
も屈折率を小さく選んだＧａＯ．７Ａ′０３ＡＳ層であ
る。活性層内の光は、活性層の厚さが幅方向で異なるた
め、その層厚が薄い所では厚い部分に比べて、第３層で
あるＧａＯ．７Ａ′０．３ＡＳ層の影響をより強く受け
易くなる。このことは、活性層の薄い部分の屈折率が、
その厚い所の屈折率に比らべて実効的に小さくなつたの
と等価である。すなわち、これが単なる光導波路である
としても活性層平面内に一定の方向と適当な幅をもつス
トライプ状導波路構造を設けたこととなる。例えばリブ
ガイドストライプ型半導体レーザに限つて考えれば、横
モード制御機能＆ζ電極ストライプ型のように利得分布
に依存しなくなり、その結果、広範囲の注入電流レベル
にわたつて安定した基本モード発振でしかも大きい光出
力が簡単に得られ、従来の電極ストライプ型等の欠点が
大いに改良された。この点でこのリブガイドストライプ
型は画期的な提案であつたといえる。しかし、このリブ
ガイドストライプ型は製作が非常に複雑であり、かつ新
しい技術を必要とする点に問題がある。

特に、結晶成長工程を２回に分割して行わねばならない
点は、信頼性を著しく損う事実のあることが最近の高度
な実験的理論的な検証によ゛り明らかにされた。すなわ
ち、２回目の成長の際、１回目で成長させた活性層は、
第３層以後の２回目で成長させる層を成長開始するに先
立つて、長時間高温状態で水素雰囲気中に西されるため
、その表面層は熱分解によりＡｓが蒸発するなどして非
常に乱れた状態になる。そして、この乱れた結晶表面に
第３層以後の成長層を成長することになるため、成長層
は必然的に多数の格子フ欠陥を導入しつつ成長してしま
うこととなる。

更に悪いことには、この時、既に成長し終えた活性層内
にも格子欠陥が発生することが確認されていることであ
る。そこで最近では、通常、こうした成長工程の直前に
乱れた結晶表面部を除去する手段、すなわちメルトバツ
ク工程が施されるようになつている。しかし、今議論し
ているリブガイドストライプ型の製造においては．活性
層に形成した凸部の形状を乱すことなくそれを忠実に保
つた状態で結晶層を種み重ねる必要があるたへ残念なが
らこのメルトバツク工程を施し得ない。換言すれば、こ
の従来のリブガイドストライプ型の製造方法では、格子
欠陥が発生するのを防止することは極めて困難であり、
この優秀な構造上のメリツトを生かし得ないでいた。こ
の発明の目的は、この従来のリブガイドストライプ型半
導体レーザ及びその製造方法が有している欠点を除去し
、信頼性が高く、かつ容易に実現し得る半導体レーザも
しくは光導波路の構造及びそれに最適な結晶成長方法を
提供−することにある。

この発明は、平坦面を有する活性層の層厚が発振領域の
幅方向に分布を持ち，発振領域の層厚が発振領域外側部
分の厚さに比らべて大きくなつている構造からなる半導
体レーザもしくは光導波路を得るために、基板結晶上に
一定の加工を施した後に結晶成長を行ない、結晶方位に
よる成長速度の差異を、ときとしてメルトバツク現象を
も含めて巧みに組み合せて成り立つている。

この結果、本発明を製品である光導波路ないしは半導体
レーザの構造の特徴でとらえれば、次のようである。

すなわち、光導波路ないしは半導体レーザの活性層から
見て、少くとも活性層を挟み込む隣接層よりも遠い結晶
界面である基板結晶表面にストライプ状に延在する凹状
の溝が残留している特徴を呈するリブガイドストライプ
型構造である。以下この発明のいくつかの実施態様につ
いて図面を参照して説明する。

第２図及び第３図はこの発明の概念を説明するためのも
のであり、それぞれ基板結晶及び多層成長層の概念を示
す図である。

第４図は、第２図及び第３図を用いて説明した概念に最
も近い実施態様を説明するもので、そうして出来たリブ
ガイドストライプ型半導体レーザの概略を示す図である
。たとえば第２図に示すように、表面１４が（１００）
面であるようなｎ型ＧａＡｓ基板２に〔０１０方向に平
行な幅１０μｍ１深さ２μｍ程度のストライプ状凹部１
２を選択的エツチングで形成する。

この基板結晶２の上に液相エピタキシヤル法を用いて、
第３図及び第４図に示すように厚さ３μｍ（７）ｎ型Ｇ
ａＯ．７Ａ′０．３Ａｓ層３、厚さ１μｍ（７）ｐ型Ｇ
ａＡｓ層４、厚さ１μｍのｐ型ＧａＯ．７Ａ′０．３Ａ
Ｓ層５と最後に厚さ０．８μｍ（７）ｐ型ＧａＡｓ層６
を順次形成する。次にｐ型ＧａＡｓ層６にＳｉＯ２膜７
を付け、ストライプ状電流域９を形成するために選択エ
ツチングによつて幅１０μｍのストライプ状窓を設ける
。この際、このストライプ状窓はストライプ状凹部１２
の真上に、その長手方向と平行して延在してなる。電極
』及び８を全面に蒸着し、ストライプ状窓の長手方向に
垂直な反射面１０及び１１を璧開により形成して、本発
明の結晶成長法に独特のリブガイドストライプ型半導体
レーザの一実施態様が出来あがる。

単なる光導波路のときも電極等が不要なだけで、活性層
や基板の形状は全く同様である。本発明の原理を前記実
施態様を例にとつて説明すると以下のようである。

第２図に示した基板ＧａＡｓ２に形成すべき最初のスト
ライプ状凹部１２は、｛１００｝面１４の〔０１０方向
と平行に位置する様にエツチングパターンを決め、例え
ばＢｒ−ＣＨ３ＯＨ系エツチング液を用い選択的エツチ
ングを行つて形成するとよい。すると、ストライプ状凹
部１２の両側面１３には、｛１１１｝Ａ面が現われメサ
形の凹部を呈する。このように、ストライプ状凹部は結
晶方位により選択的に強いエツチング作用を呈するエツ
チング液を用いることで、微細な精度の良い面方位を有
するものが簡．単に得られる。又、各構成面がある特定
の面方位を有するような形状に加工した基板結晶を用い
て結晶成長を行なうと、成長速度の結晶方位依存性が強
く現われる。この現象を巧みに利用するのが本発明であ
るといつてもよい。一般に、液相エピ・メキシヤル法に
おける成長速度の方位依存性は、｛１１１｝Ａ面〉｛１
００｝面〉｛１１１｝Ｂ面の関係を呈する。故に、第２
図に示したような基板上に成長すると、第３図及び第４
図に示すようＣフ に、メサ形凹部１２上における成長厚（成長速度と説明
してもよい）ａはメサ形凹部の両側面１３が｛１１１｝
Ａ面であることの影響をうけ、｛１００｝基板面１４の
成長厚（成長速度と説明してもよい）ｂより実効的に厚
く（速く）なり、成長が進み厚くなるにしたがい凹部の
幅をしだいにせばめながらその段差も徐々に縮まつてく
る。

そして、ある成長厚まで達すると凹部は完全にうまり、
その表面も平坦になる。このような現象は、液相エピタ
キシヤル成長法では良く見られる特徴的な性質で、その
理由は上記したような理論で説明される。本発明は、こ
の現象を積極的に巧みに応用する事で課題を解決した。
すなわち、第１層の成長は、基板に最初加工した凹部の
痕跡がその表面にわずかに残る時点でとどめ、続いて活
性層の成長を行ないその表面が平坦になるようにする。
こうすると、得られる活性層は基板凹部の真上領域にお
いてわずかに厚く、その外側部が薄くなる。この活性層
自体の構造は、従来のリブガイドストライプ型半導体レ
ーザの構造と基本的に同じであるが、活性層の形状をこ
うするに伴う周辺構造に本発明の特徴が現われる。もち
ろん、単なる光導波路についても全く同様である。本発
明によれば、従来の製作方法のように液相エピタキシヤ
ル成長工程を二分割する必要がなくなり、一度の連続成
長でリブガイドストライプ型構造が得られ、更に製作工
程が簡単になることから当然ながら結晶成長及びプロセ
ス中において劣化の要因となる欠陥の発生を誘起する機
会が少なくなる。

その結果、長寿命化、信頼性及び再現性の向上をもたら
丁。以上リブガイド型半導体レーザのストライプ部とそ
の製造方法を例に本発明を詳述した八本発明による結晶
成長法は、一般の半導体結晶多層薄膜内にストライプ状
の光導波路を製作するのに役立つ。

この方法によると、ストライプ内部と外部の光導波層の
厚さの割合を任意に調節出来、これによりストライプ内
外の実効屈折率の差を望みの低次横モードだけが伝播し
得る値にえらぶことが出来る。特に（ＧａＡ′）Ａｓ多
層薄膜等の化合物半導体を用いる場合に本発明は最適で
あり、結晶方向による選択エツチングと結晶成長速度の
相異をたくみに利用してこの目的を達することが出来る
。特に本発明によれば、あらかじめ基板に加工をほどこ
しておけば、多層エピタキシヤル成長そのものは殆んど
通常の手法のままで、光導波路構造を多層薄膜の中に組
み込むことが出来る点が大きな利点である。すなわち６
製作の容易さ、高い信頼性が期待される。又、本発明は
液相エピタキシヤル法のみならず、気相エピタキシヤル
法や分子線エピタキシヤル法ｉ等に適用してもまつたく
同様な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のリブガイドストライプ型半導体レーザ
の概略斜視図を、第２図は本発明の結晶成長に用いる基
板結晶一汐ｕを示す概略斜視図を、第３図は本発明を適
用した時に得られる成長層の一例を示す概略斜視図を、
第４図は本発明による一実施例であるリブガイドストラ
イプ型半導体レーザの概略斜視図をそれぞれ示す。 図面において、１，８・・・電歌２・・・ｎ型ＧａＡｓ
基板、３・・・ｎ型ＧａＡ′Ａｓ層、４゜゜・ＧａＡｓ
活性層、５・・・ｐ型ＧａＡ′Ａｓ層、６・・・ｐ型Ｇ
ａＡｓ層、７・・・ＳｌＯ２膜、９・・・ストライプ状
電流域、１０，１１・・・レーザ反射鏡面、１２・・・
〔０１１〕方向のストライプ状凸部、１３・・・（１１
１）Ａ面、１４・・・基板結晶の（１００）面、ａ・・
・〔０１′Ｔ）方向のストライプ状凹部の成長層厚、ｂ
・・・（１００）面の成長層厚をそれぞれ示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 平坦面を有する活性層中にあつて導波路を構成する
   ストライプ領域の厚さを、ストライプ領域外側部分の厚
   さに比らべて厚くする、リブガイドストライプ型半導体
   多層薄膜光導波路であつて、活性層から見て少くとも活
   性層を挾み込む結晶層よりも遠い結晶界面である基板結
   晶界面にストライプ状に延在する凹部が設けられている
   ことを特徴として具備するリブガイドストライプ型半導
   体多層薄膜光導波路。 ２ 母材結晶が閃亜鉛鉱形の結晶構造であり基板結晶表
   面として表われる主平曲として｛１００｝面を選び、＜
   ０１１＞軸方向に延在するストライプ状凹部の両側面と
   して｛１１１｝Ａ面もしくは｛１１１｝Ｂ面が現われて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のリブ
   ガイドストライプ型半導体多層薄膜光導波路。 ３ 平坦面を有する活性層中にあつて光導波路を構成す
   るストライプ領域の厚さを、ストライプ領域外側部分の
   厚さに比らべて厚くする、リブガイドストライプ型半導
   体多層薄膜光導波路の製造方法であつて、ストライプ状
   に延在する凹部をあらかじめその表面に設けた基板結晶
   を用意し、この基板結晶上に、少なくとも、活性層を挾
   み込む第１の結晶層、活性層、活性層を挾み込む第２の
   結晶層を順次積層し、その際結晶成長速度の結晶方位依
   存性を利用して前記活性層の構成を得ることを特徴とす
   るリブガイドストライプ型半導体多層薄膜光導波路の製
   造方法。 ４ 閃亜鉛鉱形の結晶構造を有する半導体基板の主平面
   が｛１００｝面となるように調整し、この主平面に＜０
   １１＞軸方向に延在し底面が｛１００｝面、両側面が｛
   １１１｝Ａ面もしくは｛１１１｝Ｂ面となるようにスト
   ライプ状凹部を選択性エッチングにより形成し、更に多
   層エピタキシヤル積層を重ねるに、｛１１１｝Ａ面上の
   結晶成長速度が｛１００｝上の結晶成長速度よりも大き
   いことを利用する特許請求の範囲第３項記載のリブガイ
   ドストライプ型半導体多層薄膜光導波路の製造方法。