JP4155664B2 - Semiconductor laser device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体材料からなるレーザ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体レーザ装置は、光通信や光記録等の情報産業に幅広く使用されており、その低コスト化及び高性能化が求められている。半導体レーザ装置は、光を発する活性層と、発光した光を活性層を中心にその近傍に閉じ込める層とを有し、これらの層を含んで光を増幅する活性領域と発振に必要な帰還を生じさせる反射構造を有する共振器が形成され、発光した光がレーザ光となって放射する。活性領域と共振器は、光の放射方向に細長い構造をなす。半導体レーザ装置には、共振器が基板面に並行に配置され、基板面に垂直な端面からレーザ光を放射する端面発光型と、共振器が基板面に垂直に形成され、基板に垂直な方向にレーザ光を放射する面発光型がある。なお、注入する電流は、端面発光型では共振器を横切って流れ、また、面発光レーザでは、共振器を貫通してその長手方向に流れ、活性領域を定める所定の電流注入領域が設定される。
【0003】
端面発光型は、更に、両端面を反射面とする反射構造の共振器を備えたファブリペロー(Fabry-Perot)レーザと、内部に設けた多数の分布反射面からなる反射構造の共振器を備えた分布帰還型とがある。
【0004】
端面発光型レーザには、埋め込み型が広く採用されてきたが、最近になりリッジ型半導体レーザ装置が提案された〔米国文献「IEEEフォトニクス・テクノロジー・レターズ(IEEE Photonics Technology Letters)」第7巻第1号(1995年1月発行)の第13頁〜第15頁参照〕。リッジ型は、端面発光型レーザの低コスト化を目的としたもので、光閉じ込め層の一部である上部クラッド層を基板面から突出するリッジ構造としたものである。リッジ構造は、その直下が所定の電流注入領域となるように設計され、細長いストライプ形状をなす。リッジ構造の半導体レーザ装置では活性層が基板面の全面に形成されるが、リッジ構造によって電流注入領域が制限されるので、有効な活性層領域が設定される。
【0005】
半導体レーザ装置の製作工程において、埋め込み型が3回程度の結晶成長が必要であるのに対し、リッジ型は、1回の結晶成長で良く、従ってプロセスが簡単になり、コストの低減が可能となる。しかし、リッジ型は、埋め込み型に比較して閾値電流が大きいという欠点があった。閾値電流が大きくなるのは、リッジ構造を通って注入した電流が所定の電流注入領域を越えて横方向に拡散するためである。拡散は、電流が基板に近づく程広がる。
【0006】
そのような電流の拡散を阻止するために、クラッド層の一部に水素イオンを注入し、その部分を高抵抗化するリッジ型が提案された(例えば特開平10−229246号公報参照)。この場合、図8に示すように、まず基板5面の全面に形成した下部クラッド層12の上に活性層1を形成し、更にその上に全面に上部クラッド層4を形成してからリッジ構造の導波路20を形成し、続いて、リッジ導波路20の上面をマスクして、リッジ導波路20の側面及びクラッド層4の上面に水素イオンを注入する。この場合、水素イオンは、活性層1に達しないように浅く注入し、リッジ導波路20の側面及びクラッド層4の上面の浅い層21のみを高抵抗化する。高抵抗化した層21よって電流の拡散は、ある程度阻止されるが、高抵抗化部分を通った後での電流の拡散を抑える構造がなく、電流拡散阻止の効果が不十分という問題点があった。
【0007】
一方、横方向への注入電流の拡散が問題となるのは、面発光型レーザの場合も同様であり、その対策として、上部のクラッド層の中間に電流の流れる範囲を中心部分に制限する酸化層を設ける提案がある。しかし、この方法では、製作工程が複雑になってコストが上がるばかりでなく、上記と同様、電流の拡散を抑える効果が十分でないという問題点があった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
電流拡散阻止の効果を高めるために、不純物は、上記のように浅く導入するのではなく、活性層に達するように深く導入することが望ましい。しかし、イオン注入は、広い範囲の結晶に損傷を与える欠点があるので、活性層に達するイオン注入では信頼性に問題があった。活性層まで水素イオンをイオン注入した半導体の信頼性試験結果を図9に示す。本試験は、85℃の環境温度下で光出力が5mWで一定になるようにレーザ駆動回路を制御したときに、初期状態に比べた動作電流変化率を測定したものである。一般には、動作電流の変化率が20%を越える時間を寿命時間と規定している。図9に示したように、活性層までイオン注入した半導体レーザは、45時間で動作電流の変化率が20%を越えてしまい、通常の実用寿命時間の10,000時間以上には至らなかった。この早い劣化減少は、イオン注入により半導体結晶に損傷を与えたためと考えられる。
【0009】
本発明の目的は、従来技術の前記問題点を解決し、注入電流の横方向への拡散を効果的に抑えることによって閾値電流を低くし、かつ、低コストの新規な半導体レーザ装置を提案することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の最大の特徴は、基板上に活性層と光閉じ込め層とレーザ発振を起こさせるための反射構造とを有し、上部の光閉じ込め層がリッジ構造をなす端面発光型の半導体レーザ装置において、基板上に有する化合物半導体の一部を不純物拡散によって半絶縁層化した層により、前記活性層の領域をリッジ構造の直下に設定したことにある。
【0011】
本発明の別の特徴は、基板上に活性層と光閉じ込め層とレーザ発振を起こさせるための反射構造とを有し、当該反射構造が活性層を挟んで上下に設けた多層反射鏡によって形成され、上部の多層反射鏡が頂部が基板面に平行な面をなしかつ突起構造をなす面発光型の半導体レーザ装置において、基板上に有する化合物半導体の一部を不純物拡散によって半絶縁層化した層により、前記活性層の領域を上部の多層反射鏡の直下に設定したことにある。
【0012】
半導体に不純物を導入することによって半導体が半絶縁化することは公知であるが、本発明は、拡散がイオン注入と異なり結晶に与える損傷が少ないことに着目してなされた。即ち、不純物拡散を活性層に達するまで行ない、リッジ構造又は上部の多層反射鏡の直下の領域を半絶縁化した層で囲むことを可能ならしめた。この半絶縁化層によってリッジ構造又は上部の多層反射鏡の直下に活性層の領域が設定される。
【0013】
半絶縁化層には電流が流れないので、注入電流は、リッジ構造又は突起構造の直下にのみ流れるようになり、電流の拡散が抑えられる。即ち、本発明により、リッジ構造又は突起構造の直下の活性層にのみ拡散を起こすことなく電流を注入することが可能となるので、閾値電流を低減することができる。このような活性層の領域が所定の電流注入領域となる。
【0014】
図9には、本発明の半導体レーザの信頼性試験結果を合わせて示す。図9に示すように、リッジ型構造に活性層までFeを拡散させた半導体レーザの動作電流変化率は、1000時間経過後で約3%であり、これから推定寿命時間は、50,000時間以上と見積もられ、十分実用可能な推定寿命時間が得られている。
【0015】
なお、図10に示すように、イオン注入の場合の不純物の濃度が半導体の内部で最大となるのに対して、拡散の場合の不純物濃度が表面で最大となって深さ方向で減少するので、イオン注入と拡散とでは、半絶縁化層の構造の相違が明確である。
【0016】
不純物として、Fe,Cr,Ti,Ru等の周期律表(東京天文台編纂丸善発行の「理科年表昭和51年」参照)における第IVB族、第VIB族、第VIIB族及び第VIII族の遷移金属が好ましい結果を得ることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る半導体レーザ装置を図面を用いた幾つかの実施例による発明の実施の形態を参照して更に詳細に説明する。なお、図1〜図8における同一の記号は、同一物又は類似物を表示するものとする。
【0018】
【実施例】
<実施例1>
本発明を光通信用送信光源として用いる1.3μm帯の半導体レーザ装置(以下単に「半導体レーザ」という)に適用した実施例を図1に示す。断面構造を示す同図において、5はp型InP半導体基板、3は、半導体基板5上に形成した厚さ0.05μmのp型InGaAsP下部ガイド層、1は、下部ガイド層3上に形成したInGaAsPからなる5層の井戸層とその層間を埋める同材料の障壁層を有する波長1.3μmで発光する厚さが0.07μmの多重量子井戸活性層、2は、活性層1の上に形成した厚さ0.12μmのn型InGaAsP上部ガイド層、4は、上部ガイド層2上に形成した厚さ1.9μmで幅が1.8μmのリッジ構造のn型InP上部クラッド層、6は、上部ガイド層2、活性層1及び下部ガイド層3の領域を上部クラッド層4の直下の電流注入領域とするための層であり、Feを不純物として拡散させた半絶縁化層である。半絶縁化層6は、電流注入領域と上部クラッド層4の領域とが連続するように上部クラッド層4の側面にも形成される。本実施例では、半導体基板5が下部クラッド層として機能する。また、この下部クラッド層と、下部ガイド層3、上部ガイド層2及び上部クラッド層4とが光閉じ込め層になる。
【0019】
更に、図1において、7は、オーミック接触を得るための厚さ0.2μmのn型InGaAsコンタクト層、8は、コンタクト層7の上に形成した上部電極、9は、半導体基板5の裏面に形成した下部電極、10は、半絶縁化層6の表面を覆うSiO2保護層である。
【0020】
上記の本実施例の半導体レーザの製作方法を次に説明する。まず有機金属気相成長法による結晶成長により、半導体基板5の全面に下部ガイド層3となるp型InGaAsP層を厚さ0.05μmに、多重量子井戸活性層1となる5層のInGaAsP層と同材料の障壁層を厚さ計0.07μmに、上部ガイド層2となるn型InGaAsP層を厚さ0.12μmに、上部クラッド層4となるn型InP層を厚さ1.7μmに、コンタクト層7となるn型InGaAs層を厚さ0.2μmにこの順に形成する。続いて、SiO2膜11を形成し、フォトリソグラフィとエッチングにより、最上層のSiO2膜11とその下のコンタクト層7となるn型InGaAs層と更にその下の上部クラッド層4となるn型InP層を半導体部の断面が幅1.8μm高さ1.9μmの細長いストライプとなるように加工する。
【0021】
次に、有機金属気相成長炉を用いて500℃にてPH3及びH2雰囲気中でFe(C5H5)2ガスによりFeの気相拡散で行なう。これによりFe(C5H5)2ガスが熱で分解され、Fe原子が上記の各層、即ち化合物半導体層のマスク以外の領域に拡散する。拡散は、活性層1となる上記層に達するまで行なう。このときSiO2膜11がマスクとなるのでリッジ構造上部へはFe原子は拡散しない。
【0022】
さて、Fe原子が化合物半導体に導入されると、半導体のバンドギャップのほぼ中央部に準位ができるので、電子が注入されても電子は中央部の準位にトラップされるので半導体は半絶縁状態となり、従って、電流はFeが拡散した領域には流れない。このようにして、Fe原子が拡散された半絶縁化層6が図1に示すように形成される。
【0023】
半絶縁化層6を形成後、コンタクト層7上に金属による上部電極8を形成し、更に半導体基板5の裏面に金属による下部電極9を形成する。次に、フォトリソグラフィにより、半絶縁化層6の表面に保護層10となるSiO2膜を成膜し、最後に、400μmの長さでレーザ光の出射方向に直角に劈開することにより、両面劈開面を反射面とする反射構造の共振器を有するファブリペローレーザ構造の半導体レーザが完成する。なお、劈開により、リッジ構造のストライプの長さが400μmとなる。
【0024】
以上により、本実施例の半導体レーザにおいて、活性層1は、半絶縁化層6に囲まれることによってリッジ構造の直下にその領域が定まり、当該領域が所定の電流活性領域になる。上記したように、半絶縁化層6には電流が流れないから、リッジ型レーザで問題となる横方向の電子の拡散が抑制され、これによって閾値電流を低減することができる。
【0025】
図2において、Feを拡散する領域の内、上部ガイド層2、多重量子井戸活性層1及び下部ガイド層3となるように基板5全面に形成した3層は、レーザ発振させるべくバンドギャップが異なる半導体の積層膜で構成されており、特に量子井戸層のバンドギャップは他の膜より小さい。この領域にFeを拡散させると、温度や拡散量の条件により、バンドギャップが平均化される混晶化が起こる。このとき、混晶化した領域はバンドギャップの平均化によって量子井戸層よりもバンドギャップが大きくなり、レーザ光による光の吸収がなくなる。そのため、閾値電流は一層小さくなり、効率が高まる。また、バンドギャップが大きい分、半絶縁化の効果が大きい。
【0026】
本実施例では、Fe原子を拡散させた領域において不純物濃度が平均して約5×1017cm-3となり、抵抗率は、7×108Ωcmとなって良好な半絶縁特性を得た。また、温度及び拡散量の条件を設定することにより、この拡散領域で混晶化を起こさせた。Fe導入領域の上記半絶縁特性によって注入電流の横方向の拡散が効果的に抑えられ、かつ、混晶化によって閾値電流が下がり、両面劈開面を反射面とする共振器長400μmのファブリペローレーザとした本実施例の半導体レーザにおいて、3.4mAの低閾値電流を得ることができた。また、85℃の高温においても、8.5mAの低閾値電流であった。拡散によって半絶縁領域を形成しているために結晶への損傷が小さく、85℃における推定寿命時間は1.8×105時間と高い信頼性を得ることができた。
【0027】
また、本実施例では、半絶縁化層6の形成に上記した一般的なプロセス技術が採用されるので、リッジ構造レーザが本来有する低コストの特徴を維持することができる。
【0028】
なお、本実施例においては、半絶縁化層6を形成するためにFeを用いたが、本発明は、それに限らず、Cr,Ti,Ru等の周期律表における第IVB族、第VIB族、第VIIB族及び第VIII族の遷移金属又はその組合わせが採用可能であり、同様の効果を得ることができる。また、リッジ構造は、基板に平行などの断面も同じ形状の構造としたが、これを上部ほど断面積が大きくなる逆メサの構造とすることが可能である。更に、活性層1は、障壁層を井戸層と同じ材料で構成したが、障壁層をInGaAlAsからなる層とすることが可能である。
【0029】
<実施例2>
本発明を光通信用送信光源として用いる1.55μm帯の半導体レーザに適用した実施例を図3に示す。断面構造を示す同図において、12は、活性層1と半導体基板5との間に設けた厚さ0.2μmのn型InAlAs下部クラッド層、13は、活性層1と上部クラッド層4との間に設けた幅1.5μmのリッジ構造の一部をなす厚さ0.2μmのp型InAlAs上部クラッド層である。ここでは、層4を第2上部クラッド層、層13を第1上部クラッド層ということとする。
【0030】
本実施例の場合、半絶縁化層6は、上部ガイド層2、活性層1及び下部ガイド層3となる基板5全面に形成した3層にFeを不純物として拡散させて形成したものであるが、実施例1の場合と異なり、リッジ構造の側面には形成されない。半絶縁化層6により、活性層1の領域が第2上部クラッド層4及び第1上部クラッド層13の直下の電流注入領域となる。
【0031】
活性層1は、InGaAlAsからなる7層の井戸層とその層間を埋める同材料による障壁層を有し、波長1.55μmで発光する厚さ0.08μmの多重量子井戸活性層である。更に、基板5はn型InP半導体基板、下部ガイド層3は厚さ0.05μmのn型InGaAlAs層、上部ガイド層2は厚さ0.05μmのアンドープ(不純物を有さない)InGaAsP層、第2上部クラッド層4は厚さ1.3μmのp型InP層、コンタクト層7は厚さ0.2μmのp型InGaAs層である。また、第1上部クラッド層13と第2上部クラッド層4とコンタクト層7とが厚さ1.7μmで幅1.5μmのリッジ構造をなす。その他は、実施例2と同様である。以上の構造で、下部クラッド層12、下部ガイド層3、上部ガイド層2、第1上部クラッド層13及び第2上部クラッド層4が光閉じ込め層になる。
【0032】
上記の本実施例の半導体レーザの製作方法を次に説明する。リッジ構造を形成するまでは、実施例1の場合と同様であり、各層は、有機金属気相成長法による結晶成長によって形成される。
【0033】
次のFe拡散の工程は、実施例1の場合とは異なり、図4に示すようにリッジ構造の側面に対してもSiO2マスク膜を施し、リッジ構造側面へのFe拡散が起こらないようにする。このセルフアライン(自己整合)形成を行なうマスク構造は、ドライエッチング技術により容易に実現可能である。拡散は、実施例1の場合と同様、拡散層1となる層に達するまで行なう。
【0034】
さて、本実施例では、不純物にZnを用いてp型半導体のリッジ構造を形成した。本実施例のFe拡散を上記3層の領域に限定するレーザ構造は、このような不純物にZnを用いたp型半導体によるリッジ構造に有効である。即ち、Fe及びZnが相互拡散しやすいため、Znを用いたp型半導体にFeを拡散させるとその拡散距離が長くなり、半絶縁化層の所定の厚さを得ることが困難となるからである。
【0035】
本実施例では、有機金属気相成長装置を用いて450℃にてFe原子を拡散させた。その結果、平均約8×1017cm-3の不純物濃度となり、抵抗率が9×108Ωcmの良好な半絶縁特性を得た。Fe導入領域のこの半絶縁特性によって注入電流の横方向の拡散が効果的に抑えられ、両面劈開面を反射面とする反射構造の長さ400μmの共振器のファブリペローレーザとした本実施例の半導体レーザにおいて、3.2mAの低閾値電流を得ることができた。また、85℃の高温においても、8.1mAの低閾値電流であり、この温度における推定寿命時間は1.1×106時間と高い信頼性を得ることができた。
【0036】
また、本実施例も実施例1と同様、リッジ構造レーザが本来有する低コストの特徴を維持することができる。
【0037】
以上の実施例1、2では、劈開面を利用した共振器を有するファブリペロー型半導体レーザを取り上げたが、本発明は、これに限らず、他のタイプの半導体レーザや関連する装置に適用可能であり、例えば、分布帰還型半導体レーザや発振波長制御の分布帰還型半導体レーザの他、電界吸収型変調器を集積した半導体レーザ、出射光のモード拡大器を集積した半導体レーザ、更には共振器構造を持たない半導体光増幅素子に適用可能である。
【0038】
発振波長制御の分布帰還型半導体レーザは、分布帰還型の反射構造を有し、リッジ構造の側下部近傍に発光波長より短い波長のレーザ光を照射せしめる窓構造を有し、レーザ照射により発振波長を制御することができる構造を有する半導体レーザ装置である。
【0039】
電界吸収型変調器は、半導体レーザとほぼ同じ構造を有し、活性層に相当する層が逆バイアスを掛けると光を吸収する層になり、電圧を掛けない状態では光の透過層になることを利用して、レーザ光の変調を行なう。半導体レーザと共に同一基板上に形成可能である。モード拡大器は、端面発光型の端面の近傍で活性領域の断面積を端面に近づく程小さくした部分で形成され、従って、半導体レーザと同時に作製される。
【0040】
<実施例3>
本発明を0.85μm帯の面発光型半導体レーザに適用した実施例を図5に示す。断面構造を示す同図において、14は、半導体基板5上と下部ガイド層3の間に配置したn型AlAs/GaAlAsの24.5対からなる下部半導体多層反射鏡、15は、p型AlAs/GaAlAsからなる22対の上部半導体多層反射鏡、16は、上部反射鏡15と同一構造の半導体多層膜を示す。
【0041】
上部反射鏡膜15は、基板に平行な断面が5μm×5μmの正方形の形状で基板面から突起した構造をなし、半導体多層膜16は、上部反射鏡15の外周部に間隙を置いて配置される。
【0042】
本実施例の場合、半絶縁化層6は、上記間隙に露出している半導体領域にCrを不純物として拡散させて形成したものである。半絶縁化層6により、上部ガイド層2、活性層1及び下部ガイド層3の領域が上部反射鏡15の直下の電流注入領域となる。また、活性層1は、GaAsからなる3層の井戸層とその層間を埋めるGaAlAsからなる障壁層を有し、波長0.85μmで発光する厚さ0.04μmの多重量子井戸活性層である。その他、基板5はn型GaAs半導体基板、下部ガイド層3は厚さ0.1μmのn型GaAlAs層、上部ガイド層2は厚さ0.1μmのp型GaAlAs層であり、上部電極8は上部反射鏡15上に形成され、下部電極9は、基板5の裏面に形成される。以上の構造で、下部反射鏡14、下部ガイド層3、上部ガイド層2及び上部反射鏡15が光閉じ込め層になる。
【0043】
上記の本実施例の半導体レーザの製作方法を次に説明する。有機金属気相成長法による結晶成長により、基板5上に下部反射鏡14、下部ガイド層3、活性層1、上部ガイド層2及び上部反射鏡15となる各層をこの順に形成する。次に、フォトリソグラフィとエッチングにより上部反射鏡15となる層に上記間隙を形成する。これによって矩形状の上部反射鏡15と半導体多層膜16とが形成される。この2者は同じ工程で成膜したもであるので、高さが同一となる。続いて、上部反射鏡15の側面と半導体多層膜16の表面にSiO2の保護膜10を形成する。
【0044】
次に、図6に示すように、上部反射鏡15の上面にマスクとなるSiO2絶縁膜11を形成し、その後、有機金属気相成長装置を用い、Cr有機化合物ガスを使用して450℃にてCr原子を拡散させる。拡散は、活性層1となる層に達するまで行なう。本実施例では、半絶縁化層6の領域の半導体表面以外は、SiO2絶縁膜10,11で覆われるために拡散時に効率よくCr原子が半絶縁化層6の領域の半導体表面に集まり、短時間で拡散を実施することができる。この場合、半導体多層膜16は、Cr原子の拡散領域を上記間隙に制限するためだけに利用するもので、半導体レーザへの作用を持たない。
【0045】
このように、金属原子を拡散する領域を電流の横方向への拡散を抑えるのに十分な効果が得られる範囲に限定する方法は、実施例1,2の半導体レーザにおいても適用できることは言うまでもない。逆に、実施例1,2のように半導体多層膜16を持たず、面発光レーザを突起構造のみをマスクにして不純物を拡散させる構造とすることが可能である。なお、上部反射鏡膜15は、本実施例では断面形状を正方形の形状としたが、これに限らず、矩形や円その他の断面形状で頂部が平坦な突起構造とすることも可能である。
【0046】
本実施例の半絶縁化層6は、平均約1×1018cm-3の不純物濃度となり、抵抗率は1.2×106Ωcmと良好な半絶縁特性を得た。製作した面発光半導体レーザは、室温で0.7mAの低い閾値電流で発振し、更に85℃では閾値電流が0.82mAと増加量が少なかった。更に、85℃、2mW一定光出力動作寿命試験において3000時間を経過しても劣化は認めらず、推定寿命は3万時間と、極めて高い信頼性を得ることができた。
【0047】
なお、本実施例では、反射鏡15,14を半導体多層膜で形成したが、これに限らず、半導体多層膜と誘電体多層膜の組み合わせとすることが可能である。
【0048】
<実施例4>
実施例2の発光波長1.55μm帯を1.3μm帯に変更した実施例を以下に説明する。構造は図3とほぼ同様である。本実施例の場合、基板5はn型GaAs半導体基板、下部クラッド層12は厚さ1μmのn型GaAlAs層、ガイド層3は厚さ0.15μmのn型GaAlAs層、活性層1は、GaInNAsからなる3層の井戸層とその層間を埋めるGaAsからなる障壁層を有し、波長1.3μmで発光する厚さ0.04μmの多重量子井戸活性層、上部ガイド層2は厚さ0.1μmのアンドープのGaAlAs層、半絶縁化層6は、上部ガイド層2、活性層1及び下部ガイド層3となる基板5全面に形成した3層にCrを不純物として拡散させて形成した層、第1上部クラッド13は厚さ1.6μmのp型GaAlAs層、第2上部クラッド層4は厚さ0.1μmのp型GaAs層、コンタクト層7は厚さ0.1μmのp型GaAs層である。また、第1上部クラッド13と第2上部クラッド層4とコンタクト層7とが厚さ1.8μmで幅1μmのリッジ構造をなす。その他は、実施例2と同じである。
【0049】
半絶縁化層6は、実施例2の場合と同様、リッジ構造の側面には形成されず、活性層1の領域が第2上部クラッド層4及び第1上部クラッド層13の直下の電流注入領域となるように形成される。
【0050】
Cr拡散までの工程は、実施例2の場合と同様である。半絶縁化層6を形成するための拡散工程において、本実施例では有機金属気相成長装置を用い、Cr有機化合物ガスを使用して520℃にてCr原子を拡散させた。その結果、半絶縁化層6は、平均約3×1017cm-3の不純物濃度となり、抵抗率は3×108Ωcmと良好な半絶縁特性を得た。Cr不純物導入領域の良好な半絶縁特性を反映して注入電流の横方向の拡散が効果的に抑えられ、両面劈開面を反射面とする共振器長400μmのファブリペローレーザとした本実施例の半導体レーザにおいて、2.8mAの低閾値電流を得ることができた。また、GaInNAs半導体とGaAsの大きな伝導帯バンドギャップ差を反映して85℃の高温においても4.1mAの低閾値電流であり、この温度における推定寿命時間は3.9×105時間と高い信頼性を得ることができた。
【0051】
<実施例5>
本発明を青色発光の半導体レーザに適用した実施例を図7に示す。断面構造の同図において、17はサファイア基板である。また、本実施例の場合は、下部クラッド層12はサファイア基板17上に形成した厚さ1μmのn型AlGaN層、下部ガイド層3は厚さ0.2μmのn型InGaN層、活性層1は、InGaNからなる多層の井戸層とその層間を埋める同材料からなる障壁層を有し、青色で発光する厚さ0.05μmの多重量子井戸活性層、上部ガイド層2は厚さ0.2μmのp型InGaN層、上部クラッド層4は厚さ2μmのp型AlGaN、コンタクト層7は厚さ0.2μmのp型GaN層であり、上部クラッド層4とコンタクト層7とが厚さ2.2μmで幅1.5μmのリッジ構造をなす。
【0052】
更に、本実施例では、クラッド層4と同一構造の半導体層18をクラッド層4の周辺部の一部に設けている。この2者は、同じ工程で成膜したものであるので高さが同じである。クラッド層4と半導体層18の間に間隙を設けており、半絶縁化層6は、当該間隙に露出している半導体領域にFeを不純物として拡散させて形成したものである。半絶縁化層6により、活性層1の領域が上部クラッド層4の直下の電流注入領域となる。保護層10は、リッジ構造の側面及び半導体層18の表面に形成されている。
【0053】
また、サファイア基板17が絶縁体であるので、基板上面の一部分を下部クラッド層12に達するまでエッチングし、露出した下部クラッド層4の上に下部電極9を形成する。これによって下部電極9と下部クラッド層4との電気的接触を取ることができる。また、上部電極8は、コンタクト層7の上に形成される。以上の構造で、下部クラッド層12、下部ガイド層3、上部ガイド層2及び上部クラッド層4が光閉じ込め層になる。
【0054】
半絶縁化層6を形成するための拡散工程において、本実施例では有機金属気相成長装置を用いて700℃にてFe原子を拡散させた。その結果、半絶縁化層6は、平均約3×1017cm-3の不純物濃度となり、抵抗率は3×108Ωcmと良好な半絶縁特性を得た。Fe不純物導入領域のこの半絶縁特性を反映して注入電流の横方向の拡散が効果的に抑えられ、両面劈開面を反射面とする共振器長800μmのファブリペローレーザとした本実施例の青色半導体レーザにおいて、25mAの低閾値電流を得ることができた。また、70℃の高温においても、53mAの低閾値電流であり、この温度における推定寿命時間は1.5×105時間と高い信頼性を得ることができた。
【0055】
なお、基板は、サファイアとしたが、これに限らず、GaN基板とすることが可能である。
【0056】
【発明の効果】
本発明によれば、注入電流の横方向の拡散が効果的に抑えられるので、閾値電流を大幅に低減することができ、更に、簡単な製作工程で半絶縁化層の形成が可能であるので、低コストの半導体レーザを実現することができる。また、リッジ形状に拡散するために拡散深さが小さく、従って拡散の横方向広がりが小さいので、活性層幅制御に優れる半導体レーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体レーザ装置の第1の実施例を説明するための断面図。
【図2】第1の実施例の製作工程を説明するための断面図。
【図3】本発明の第2及び第4の実施例を説明するための断面図。
【図4】第2の実施例の製作工程を説明するための断面図。
【図5】本発明の第3の実施例を説明するための断面図。
【図6】第3の実施例の製作工程を説明するための断面図。
【図7】本発明の第5の実施例を説明するための断面図。
【図8】従来の半導体レーザ装置を説明するための断面図。
【図9】半導体レーザの信頼性試験結果を示す曲線図。
【図10】深さ方向の不純物濃度の変化を示す曲線図。
【符号の説明】
1…多重量子井戸活性層、2…上部ガイド層、3…下部ガイド層、4,13…上部クラッド層、5…半導体基板、6…半絶縁化層、7…コンタクト層、8…上部電極、9…下部電極、10…保護層、11…マスク膜、12…下部クラッド層、14…下部半導体多層反射鏡、15…上部半導体多層反射鏡、16…半導体多層膜。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser device made of a semiconductor material.
[0002]
[Prior art]
Semiconductor laser devices are widely used in the information industry such as optical communication and optical recording, and their cost reduction and high performance are required. The semiconductor laser device has an active layer that emits light and a layer that confines the emitted light in the vicinity of the active layer, and includes the active region that amplifies the light including these layers and feedback necessary for oscillation. A resonator having a reflection structure to be generated is formed, and emitted light is emitted as laser light. The active region and the resonator have an elongated structure in the light emission direction. In a semiconductor laser device, a resonator is arranged in parallel with a substrate surface, an edge-emitting type that emits laser light from an end surface perpendicular to the substrate surface, and a resonator is formed perpendicular to the substrate surface, and the direction perpendicular to the substrate There is a surface emitting type that emits laser light. In the edge-emitting type, the current to be injected flows across the resonator. In the surface-emitting laser, the current flows through the resonator in the longitudinal direction, and a predetermined current injection region that defines the active region is set. .
[0003]
The edge-emitting type further includes a Fabry-Perot laser having a reflecting structure with reflecting surfaces at both ends, and a reflecting structure with a number of distributed reflecting surfaces provided inside. There is a distributed feedback type.
[0004]
Embedded type lasers have been widely used as edge-emitting lasers. Recently, ridge-type semiconductor laser devices have been proposed [US document "IEEE Photonics Technology Letters", Vol. 7, Vol. 1 (issued January 1995), pages 13-15]. The ridge type is intended to reduce the cost of the edge-emitting laser, and has a ridge structure in which an upper clad layer that is a part of the optical confinement layer protrudes from the substrate surface. The ridge structure is designed to have a predetermined current injection region immediately below it, and has an elongated stripe shape. In the semiconductor laser device having the ridge structure, the active layer is formed on the entire surface of the substrate. However, since the current injection region is limited by the ridge structure, an effective active layer region is set.
[0005]
In the manufacturing process of the semiconductor laser device, the buried type requires crystal growth of about three times, whereas the ridge type requires only one crystal growth, so that the process becomes simple and the cost can be reduced. Become. However, the ridge type has a drawback that the threshold current is larger than that of the buried type. The threshold current increases because the current injected through the ridge structure diffuses laterally beyond a predetermined current injection region. The diffusion spreads as the current approaches the substrate.
[0006]
In order to prevent such current diffusion, a ridge type has been proposed in which hydrogen ions are implanted into a part of the cladding layer to increase the resistance of the part (see, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-229246). In this case, as shown in FIG. 8, first, the
[0007]
On the other hand, the diffusion of the injection current in the lateral direction becomes a problem also in the case of a surface emitting laser. As a countermeasure, an oxidation that restricts the current flow range in the middle of the upper cladding layer to the central portion There are proposals to provide a layer. However, this method has a problem that not only the manufacturing process is complicated and the cost is increased, but also the effect of suppressing current diffusion is not sufficient as described above.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In order to enhance the effect of blocking current diffusion, it is desirable to introduce the impurity deeply so as to reach the active layer, instead of introducing it as shallow as described above. However, since ion implantation has a defect of damaging a wide range of crystals, there is a problem in reliability in ion implantation reaching the active layer. FIG. 9 shows the reliability test results of the semiconductor in which hydrogen ions are implanted up to the active layer. In this test, the rate of change in operating current compared to the initial state was measured when the laser drive circuit was controlled so that the optical output was constant at 5 mW at an environmental temperature of 85 ° C. Generally, the time when the change rate of the operating current exceeds 20% is defined as the lifetime. As shown in FIG. 9, the semiconductor laser ion-implanted to the active layer has a change rate of the operating current exceeding 20% in 45 hours, and does not reach the normal practical life time of 10,000 hours or more. . This rapid decrease in deterioration is thought to be due to the semiconductor crystal being damaged by ion implantation.
[0009]
The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and to propose a novel semiconductor laser device that lowers the threshold current by effectively suppressing the diffusion of the injected current in the lateral direction and that is low in cost. There is.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The most significant feature of the present invention is an edge emitting semiconductor laser device having an active layer, a light confinement layer, and a reflection structure for causing laser oscillation on a substrate, and the upper light confinement layer forms a ridge structure. The active layer region is set immediately below the ridge structure by a layer in which a part of the compound semiconductor on the substrate is formed into a semi-insulating layer by impurity diffusion.
[0011]
Another feature of the present invention is that an active layer, a light confinement layer, and a reflection structure for causing laser oscillation are formed on a substrate, and the reflection structure is formed by a multilayer reflector provided above and below the active layer. In the surface emitting semiconductor laser device in which the upper multilayer reflector has a surface parallel to the substrate surface and has a protruding structure, a part of the compound semiconductor on the substrate is formed into a semi-insulating layer by impurity diffusion. According to the layer, the region of the active layer is set immediately below the upper multilayer reflector.
[0012]
Although it is known that a semiconductor is semi-insulated by introducing an impurity into the semiconductor, the present invention has been made by paying attention to the fact that diffusion causes less damage to a crystal unlike ion implantation. In other words, impurity diffusion was performed until the active layer was reached, and it was possible to surround the region immediately below the ridge structure or the upper multilayer reflector with a semi-insulating layer. By this semi-insulating layer, an active layer region is set immediately below the ridge structure or the upper multilayer reflector.
[0013]
Since no current flows through the semi-insulating layer, the injected current flows only directly under the ridge structure or the protrusion structure, and current diffusion is suppressed. That is, according to the present invention, it is possible to inject current without causing diffusion only in the active layer immediately below the ridge structure or the protrusion structure, so that the threshold current can be reduced. Such a region of the active layer becomes a predetermined current injection region.
[0014]
FIG. 9 also shows the reliability test results of the semiconductor laser of the present invention. As shown in FIG. 9, the operating current change rate of the semiconductor laser in which Fe is diffused to the active layer in the ridge structure is about 3% after 1000 hours, and the estimated lifetime is 50,000 hours or more. Estimated life time that is sufficiently practical is obtained.
[0015]
As shown in FIG. 10, the impurity concentration in the case of ion implantation is maximized inside the semiconductor, whereas the impurity concentration in diffusion is maximized on the surface and decreases in the depth direction. The difference in the structure of the semi-insulating layer is clear between ion implantation and diffusion.
[0016]
Periodic table of Fe, Cr, Ti, Ru, etc. as impurities (“Science Chronology, published by Tokyo Astronomical Observatory edited by Karasuma Zen) 1976 Group IVB, Group VIB, Group VIIB and Group VIII transition metals in) can give favorable results.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a semiconductor laser device according to the present invention will be described in more detail with reference to embodiments of the invention according to some examples using the drawings. In addition, the same symbol in FIGS. 1-8 shall display the same thing or a similar thing.
[0018]
【Example】
<Example 1>
FIG. 1 shows an embodiment in which the present invention is applied to a 1.3 μm band semiconductor laser device (hereinafter simply referred to as “semiconductor laser”) used as a transmission light source for optical communication. In the figure showing a cross-sectional structure, 5 is a p-type InP semiconductor substrate, 3 is a 0.05 μm thick p-type InGaAsP lower guide layer formed on the
[0019]
Further, in FIG. 1, 7 is an n-type InGaAs contact layer having a thickness of 0.2 μm for obtaining ohmic contact, 8 is an upper electrode formed on the
[0020]
Next, a method for manufacturing the semiconductor laser of this embodiment will be described. First, by crystal growth by metal organic vapor phase epitaxy, a p-type InGaAsP layer serving as the
[0021]
Next, PH is used at 500 ° C. using a metal organic chemical vapor deposition reactor. Three And H 2 Fe (C in the atmosphere Five H Five ) 2 This is performed by vapor phase diffusion of Fe with a gas. This allows Fe (C Five H Five ) 2 The gas is decomposed by heat, and Fe atoms diffuse into the above-described layers, that is, regions other than the mask of the compound semiconductor layer. Diffusion is performed until the layer that becomes the
[0022]
Now, when Fe atoms are introduced into a compound semiconductor, a level is formed in the central part of the semiconductor band gap, so that even if electrons are injected, the electrons are trapped in the central level, so that the semiconductor is semi-insulating. Therefore, no current flows in the region where Fe is diffused. Thus, the
[0023]
After forming the
[0024]
As described above, in the semiconductor laser of this embodiment, the
[0025]
In FIG. 2, the three layers formed on the entire surface of the
[0026]
In this example, the average impurity concentration in the region where Fe atoms are diffused is about 5 × 10 5. 17 cm -3 And the resistivity is 7 × 10 8 Good semi-insulating properties were obtained with Ωcm. Further, by setting the conditions of temperature and diffusion amount, mixed crystallization was caused in this diffusion region. A Fabry-Perot laser having a cavity length of 400 μm with a double-sided cleaved surface as a reflecting surface, which effectively suppresses lateral diffusion of the injected current due to the semi-insulating characteristics in the Fe introduction region, and lowers the threshold current due to mixed crystallization. In the semiconductor laser of this example, a low threshold current of 3.4 mA could be obtained. Further, even at a high temperature of 85 ° C., the low threshold current was 8.5 mA. Since the semi-insulating region is formed by diffusion, the damage to the crystal is small, and the estimated lifetime at 85 ° C. is 1.8 × 10 6. Five Time and high reliability were obtained.
[0027]
Further, in this embodiment, since the general process technique described above is employed for forming the
[0028]
In this embodiment, Fe is used to form the
[0029]
<Example 2>
FIG. 3 shows an embodiment in which the present invention is applied to a 1.55 μm band semiconductor laser used as a transmission light source for optical communication. In the figure showing the cross-sectional structure, 12 is an n-type InAlAs lower cladding layer having a thickness of 0.2 μm provided between the
[0030]
In the present embodiment, the
[0031]
The
[0032]
Next, a method for manufacturing the semiconductor laser of this embodiment will be described. The steps up to the formation of the ridge structure are the same as in the case of Example 1, and each layer is formed by crystal growth by metal organic vapor phase epitaxy.
[0033]
Unlike the first embodiment, the next Fe diffusion step is performed on the side surface of the ridge structure as shown in FIG. 2 A mask film is applied so that Fe diffusion to the side surface of the ridge structure does not occur. The mask structure for forming this self-alignment (self-alignment) can be easily realized by a dry etching technique. Diffusion is performed until the layer that becomes the
[0034]
In this example, a p-type semiconductor ridge structure was formed using Zn as an impurity. The laser structure in which Fe diffusion in this embodiment is limited to the three-layer region is effective for a ridge structure made of a p-type semiconductor using Zn as an impurity. That is, since Fe and Zn easily diffuse each other, if Fe is diffused into a p-type semiconductor using Zn, the diffusion distance becomes long, and it becomes difficult to obtain a predetermined thickness of the semi-insulating layer. is there.
[0035]
In this example, Fe atoms were diffused at 450 ° C. using a metal organic vapor phase growth apparatus. As a result, an average of about 8 × 10 17 cm -3 Impurity concentration and resistivity of 9 × 10 8 Good semi-insulating properties of Ωcm were obtained. This semi-insulating property of the Fe introduction region effectively suppresses the lateral diffusion of the injection current, and the reflection structure having a double-sided cleaved surface as a reflective surface is a resonator Fabry-Perot laser having a length of 400 μm. In the semiconductor laser, a low threshold current of 3.2 mA could be obtained. Further, even at a high temperature of 85 ° C., the low threshold current is 8.1 mA, and the estimated lifetime at this temperature is 1.1 × 10 6. 6 Time and high reliability were obtained.
[0036]
In addition, the present embodiment can maintain the low-cost characteristics inherent to the ridge structure laser as in the first embodiment.
[0037]
In the first and second embodiments, the Fabry-Perot type semiconductor laser having a resonator using the cleavage plane is taken up. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to other types of semiconductor lasers and related devices. For example, in addition to a distributed feedback semiconductor laser or a distributed feedback semiconductor laser with oscillation wavelength control, a semiconductor laser integrated with an electroabsorption modulator, a semiconductor laser integrated with a mode expander of emitted light, and a resonator The present invention can be applied to a semiconductor optical amplifier having no structure.
[0038]
An oscillation wavelength control distributed feedback semiconductor laser has a distributed feedback reflection structure, and has a window structure in which a laser beam having a wavelength shorter than the emission wavelength is irradiated near the lower side of the ridge structure. This is a semiconductor laser device having a structure capable of controlling.
[0039]
An electroabsorption modulator has almost the same structure as a semiconductor laser, and a layer corresponding to an active layer becomes a layer that absorbs light when a reverse bias is applied, and a light transmission layer when no voltage is applied. Is used to modulate the laser beam. It can be formed on the same substrate together with the semiconductor laser. The mode expander is formed with a portion in which the cross-sectional area of the active region is reduced near the end face in the vicinity of the end facet type end face, and thus is manufactured simultaneously with the semiconductor laser.
[0040]
<Example 3>
FIG. 5 shows an embodiment in which the present invention is applied to a 0.85 μm band surface emitting semiconductor laser. In the figure showing the cross-sectional structure,
[0041]
The upper reflecting
[0042]
In this embodiment, the
[0043]
Next, a method for manufacturing the semiconductor laser of this embodiment will be described. Layers to be the
[0044]
Next, as shown in FIG. 6, the upper surface of the upper reflecting
[0045]
Thus, it goes without saying that the method of limiting the region in which the metal atoms are diffused to a range in which a sufficient effect for suppressing the current diffusion in the lateral direction can be obtained can be applied to the semiconductor lasers of the first and second embodiments. . Conversely, unlike the first and second embodiments, the
[0046]
The
[0047]
In this embodiment, the reflecting mirrors 15 and 14 are formed of a semiconductor multilayer film. However, the present invention is not limited to this, and a combination of a semiconductor multilayer film and a dielectric multilayer film can be used.
[0048]
<Example 4>
An example in which the emission wavelength 1.55 μm band of Example 2 is changed to the 1.3 μm band will be described below. The structure is almost the same as in FIG. In this embodiment, the
[0049]
Similar to the second embodiment, the
[0050]
The steps up to Cr diffusion are the same as in the second embodiment. In the diffusion step for forming the
[0051]
<Example 5>
An embodiment in which the present invention is applied to a blue-emitting semiconductor laser is shown in FIG. In the figure of the sectional structure,
[0052]
Further, in this embodiment, the
[0053]
Further, since the
[0054]
In the diffusion step for forming the
[0055]
In addition, although the board | substrate was sapphire, it is not restricted to this, A GaN board | substrate can be used.
[0056]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the lateral diffusion of the injection current is effectively suppressed, the threshold current can be greatly reduced, and furthermore, a semi-insulating layer can be formed by a simple manufacturing process. A low-cost semiconductor laser can be realized. Further, since the diffusion depth is small because it diffuses in the ridge shape, and therefore the lateral spread of the diffusion is small, a semiconductor laser excellent in active layer width control can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a first embodiment of a semiconductor laser device according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the first embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining second and fourth embodiments of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of a second embodiment.
FIG. 5 is a sectional view for explaining a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the third embodiment.
FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining a conventional semiconductor laser device.
FIG. 9 is a curve diagram showing a reliability test result of a semiconductor laser.
FIG. 10 is a curve diagram showing a change in impurity concentration in the depth direction.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記リッジ構造は、レーザ光の放射方向と並行な両側面に化合物半導体を半絶縁化した層が形成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。And a reflecting structure for causing the active layer and optical confinement layer and the laser oscillation on a substrate, an upper optical confinement layer in the semiconductor laser device of the edge-emitting forming a ridge structure was form shapes on the substrate A layer of a compound semiconductor including a layer to be the active layer, the side surface of which is a semi-insulating layer formed by doping a semi-insulating layer by doping a semi-insulating impurity into a region other than the region immediately below the ridge structure A region of the active layer in contact with the ridge structure is set immediately below the ridge structure ;
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the ridge structure is formed with a semi-insulating layer of a compound semiconductor on both side surfaces parallel to the laser light emission direction .
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