JPH01268179A - 半導体レーザ素子 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、半導体レーザ素子に関する。

（従来の技術） 従来より、半導体レーザ素子におけるレーザ動作用結晶
層の形成は、基板結晶上にエピタキシャル成長を行うこ
とにより得るため、エピタキシャル結晶層と格子整合の
とれた基板結晶が必要である。また、基板として用いる
に充分な品質の化合物半導体結晶は、現状では、ＧａＡ
ｓとＩｎＰのみであるため、半導体レーザ素子を製作す
るには、Ｇ　ａ　Ａ　ｓあるいはＩｎＰに格子整合する
結晶を材料とすることが必要条件となっている。

このようなことから、６００ｎＩ１１〜７００ｎＩ１１
の波長帯の光を出力する可視光半導体レーザの活性層材
料には、従来より （ＡβＧ　ａｌ−ｘ　）　ｇ　　Ｉｎ　　　Ｐ　（ξ＝
約０．５）ｘｌ−籠 結晶が選ばれている。これは組成パラメータＸを変える
ことにより、ＧａＡｓに結晶格子定数を一致させた状態
で、そのバンドギャップエネルギーをこの波長帯に対応
する１、７ｅＶ〜２．ｌｅＶに調整することができるか
らである。

実用的な特性を得るには、活性層よりもバンドギャップ
Ｅｇが大きく屈折率ｎの小さい材料で活性層を挟んだ構
造（この活性層を挟む層をクラッド層と呼ぶ）、いわゆ
るＤＨ構造（Ｄｏｕｂｌｅ　Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔ
ｕｒｅ）を形成する必要かある。クラッド層のバンドギ
ャップに関するこの要求は、電流注入により得られる活
性層中の過剰キャリアを活性層中に効率良く閉じこめ、
これによりレーザ発振に必要な大きなエネルギー反転状
態を作るためのものである。室温で連続動作する半導体
レーサ素子を得るには、このバンドギャップの差として
、△Ｅｇ≧約０．３ｅＶ　　　　　　　　　　・・・・
・・・・■が必要である。一方、クラッド層に関する屈
折率の要求は、レーザ光を活性層中に閉じこめるだめの
もので、 △ｎ　／　ｎ　＝　５〜１０％　　　　　　　　・・・
・・・・・・■の比屈折率差が要求される。この値は、
活性層とクラッド層とが形成するスラブ型光導波路が単
一モード条件を満たすためのものである。

このような条件を満たすクラッド層の材料は、活性層の
材料と同一元素からなる （　Ａ　Ｊ２　　Ｇ　ａ　１　、　）　ｇ　　Ｉ　ｎ　
　　Ｐｙｌ−η （η−約０．５、ｙ＜ｘ） 結晶である。この材料においては、 Ｅ　ｇ　　（ｙ）　　＝　　１．９＋〇、５２ｙ　　（
ｅＶ）　　　　　　＝■１’ｏｒ（ＡＪ２　　Ｇａ１．
　）ｙ）　　Ｉ　ｎ　　　Ｐｙ　　　　　　　　　　　
　　　　１−ワ（０≦ｙ≦０．８３、η＝約０５） ｎ　（ｙ）　−３，６５−０，４ｙ　　　　　　　・・
・・・・■ｆｏｒ（ＡＪ２　　Ｇａｔｙ）ｒ）　　Ｉｎ
　　　Ｐｙ　　　　　　　　」−り （η＝約０．５） なる近似式が成り立つ。

尚、」１式■を与えるバンドギャップは、レーザ発振に
必要な直接遷移のバンドギャップ（Ｄｉｒｅｃｔｂａｎ
ａｇａｐ）であり、Ｙ　＝　０．８３において２．３３
ｅＶの最大値をとる。また０、８３＜　ｙ≦１において
は、バンドギ−ｔ”７プは間接遷移型（Ｉｎｄｉｒｅｃ
ｔ　ｂａｎｄｇａｐ）であり、活性層材料としては用い
られないがクラッド層の材料としては使える、ｙ＝Ｊに
おいて２．３５ｅＶの最大値をとる。バンドギャップに
関する上式０式％ 一方、屈折率に関する上式■、■より、ｙ−ｘ≧０．４
５〜０．９０　　　　　　　　　・・・・・・・・・■
なる条件が得られる。

上記各条件を満たして作られた可視半導体レーザ素子の
構造の一例を第３図に示す（電子情報通信学会技術研究
報告０ＱＥ８７−３０〜４６、（１９８７／６／２２、
ｐ、１１．５　、石川）。

同図に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−Ｇａ
Ａｓバッファ層２、ｎ−Ａ、ｇＩｎＰ第１クラッド層３
、Ｇａ１ｎＰ活性層４、ｐ−Ａ、９ＩｎＰ第２クラッド
層５、ｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層６、ｐ−ＧａＡｓｃ
ａｐ層７、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層８が形成されてい
る。

上記活性層４はｘ＝Ｏに相当する Ｇ　ａ　ｇ　　Ｉ　ｎ　１−ｇ　Ｐからなり・クラッド
層３・５はｙ＝１に相当するＡｉｒ、Ｉｎ１−、Ｐから
なる・発振波長は約６８０ｎｍである。

この半導体レーザ素子の活性層４を含むエピタキシャル
層は、ＭＯＣＶＤ法（ｌＩＩｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ
−５＝ Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｅｒ　Ｄｅｐｏｓｊｔｊｏｎ
　）により作られている。現状のＭＯＣＶＤ法で得られ
る結晶では、酸化され易いＡｉの組成比が高い場合は、
電気抵抗が高い等の結晶の品位に関する問題が多い。そ
のため本例のように、活性層４の組成はＡｉを含まぬも
のが実用化に近く、活性層の組成にＡ、１２を含むもの
、即ち発振波長が８００ｎｍ代前半の半導体レーザ素子
の実用化には困難が多い。

また、クラッド層に関しても、キャリアの閉じ込めか弱
くなる犠牲を承知で、電気抵抗を下げる目的でＡＪ２濃
度を本例よりも下げる（η＝０．３〜０．７に設定する
）のが通例である。

一方、半導体レーザ素子の量産から研究までの広い分野
に用いられている液相結晶成長法（ＬＰＥ：Ｉｊｑｕｊ
ｄ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｉｙ）では、以下に述べ
る原因で可視半導体レーザ素子の製作が困難となってい
た。即ち、ＬＰＥで （Ａｉ　　Ｇ　ａ　Ｌ−ｘ　）　５　１　ｎ　　　Ｐ　
（ξ＝約０．５）をｘ　　　　　　　　　　Ｌ−ｇ 得るためには、Ｉｎを溶媒にして、ＡＪ２、Ｇａ。

Ａｓを溶質とした溶液を用いるが、この場合Ａ、９の偏
析係数が極めて大きい。即ち、 １’Ａｘ　　＝　Ｘ５ｏｌｂ＋　　／　Ｘｌｔ、Ｉｒｕ
ｉｄ　〜１０　’　　　　　　・−−−−−−・−■Ｐ
ｏｒ　ｔｈｅ　ｇｒｏｗｔｈ　ｏｆ （Ａｎ２　Ｇａ１−ｘ八　■ｎ　　Ｐ（ξ＝約０．５）
ｘｌ−色 である。ただし、Ｘ　　は同相中でのＡ℃のモル分率で
、Ｘｌ＋１μｍｄ　　は液相中でのＡ℃のモル分率であ
る。この値は、Ａｎ２　　Ｇａ　　　ＡｓのＬＰＥの場
ｚ　　　ｌ−ｚ 合の値、 Ｆへ見　＝　Ｘ５ｏｌ＋ｄ　　／　Ｘｌ＋％ｔ＋ｊｃｌ
　　〜１０２　　　　　　・・・・・・・・・■ｆｏｒ
　ｔｈｅ　ｇｒｏｗｔｈ　ｏｆ　Ａ　１２　　Ｇ　ａ　
　　Ａ　ｓｚ　　　ｌ−ｚ に比べて、１桁はど大きい。そのため結晶成長の進行に
つれて液相中の八λの枯渇が一層速く進む。

従って得られる結晶の組成もＡでの枯渇が一層速く進む
ので、均一組成と見なせる結晶の膜厚は、（ＡＮ　　Ｇ
ａｔ　ッへＩ　ｎ　　　Ｐの方がＸ　　　　　　　　　
ｌ−も Ａｎ２　Ｇａ　　Ａｓよりも二桁程小さい。

ｚ　　　１−ｚ ＬＰＥで得られる均一組成と見なせる結晶の膜厚は、Ａ
β　Ｇａ　　　Ａｓの場合でたかだか３〜ｚ　　　１−
ｚ ５μｍであるから、 （ＡＮ　　Ｇ　ａｔ　□）　（Ｉ　ｎ　　　Ｐの場合は
ｏ、ｏａ〜Ｘ　　　　　　　　　　　　　　１−色０．
０５μｍである。この厚さは、活性層にはともかくクラ
ッド層には全く不足している。光導波路を形成するには
少なくとも１μ■厚のクラッド層が必要である。よって
、ＬＰＥはこのような可視半導体レーザ素子の製作には
適さない。

しかしながら、ＬＰＥで可視半導体レーザ素子を製作す
ることは、ＬＰＥ装置がＭＯＣＶＤ装置に比べてはるか
に安価中簡便・安全であることに加えて、半導体レーザ
素子の横モード安定化のための構造、即ち屈折率型光導
波路を作り易い魅力があって捨てがたい。この要求を満
たすために提案されている可視半導体レーザ素子の例と
して、第４図に示す構造のものが知られている（電子情
報通信学会技術研究報告０ＱＥ８７−３０〜４［ｉ、１
９８７／６／２２、ｐ、９１、岸野他）。

本例の半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板９上に、
ｎ−ＡＪ２ＧａＡｓ第１クラッド層１０、Ｇａ１ｎＡｓ
Ｐ活性層１１、ｐ−Ａ、ｆｉＧａＡｓ第２クラッド層１
２、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１３が形成されており１
、クラッド層１０．１２はＡｎ　　　Ｇａ　　　Ａｓか
ら構成されている。この０．７　、　　０．３ クラッド層の屈折率は、この報告によれば波長６７０ｎ
ｍの光に対して３．２９であり、屈折率に関する前述０
式の要求を満たしている。

しかしながら、クラッド層に対するもう一つの要求であ
る、バンドギャップに対する前述０式の要求については
、以下に説明するように満たしていない。Ａｎ２　　Ｇ
ａ　　　Ａｓのバンドギャップはｚ　　　１−ｚ 次式で近似される。

Ｅ　ｇ　（Ｚ）　〜１．４２４　＋１．２４７ｚ（ｆｏ
ｒ　Ｏ≦ｚ＜　０．４０） −１，９００＋０．１２５ｚ＋０．１４３ｚ　２（ｆｏ
ｒ　　０．４０≦２≦１）・・・・・・０本例の場合は
ｚ＝０．７であるから、上式■によりＥ　ｇ　＝　２．
０６ｅ■となる。一方、活性層のバンドギャップは発振
波長の６７０ｎｍに対応する１、９．ＯｅＶであるから
、その差は０．１６ｅＶであり前述０式の要求を満たし
ていない。それ故、本例の半導体レーザー素子は温度特
性が悪く、室温においては連続動作ができない。

（発明が解決しようとする課題） このように従来構造の可視半導体レーザ素子では、結晶
成長手段として比較的に安価・簡便・安全である液相結
晶成長法装置を用いて室温連続動作可能な素子を製造す
ることができず、一方、ＭＯＣＶＤ法を用いて製造して
も得られる（１！、　Ｑａｔ−ｙ　）Ｉ　　Ｉ　ｎ、、
　Ｐ結晶の品質が不安定で、製作歩留りが低下するとい
う問題があった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
ので、可視半導体レーザ素子に必要な結晶層（Ａ、ｇ　
　Ｇａ　　　）′１’Ｉｎ１−、Ｐｙ　　　１−ｙ （ｙ≠０、η−約０．５）の厚さを必要最少限とする構
造とすることで、簡便かつ製作歩留りに優れた構造の半
導体レーザ素子を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の半導体レーザ索子は、ＧａＡｓからなる基板と
、 （Ａβ　Ｇ　ａ　１−ｘ）　５　　Ｉ　ｎ　　　Ｐ　’
　（ξ−約０．５）からなる活性層と、前記活性層の上
下面に形成され、かつ活性層よりも屈折率が小さくバン
ドギャップの大きい半導体材料からなるクラッド層とを
有する半導体レーザ素子において、前記各クラッド層を
、前記活性層に接する側を （ＡＪ２　　　Ｇａｔｙ）ｑ　　　Ｉｎ　　　　　Ｐ　
　（７７＝約０．５　、ｙ１一つ ｘ＜ｙ）からなる層とし、他方側を Ａβ　Ｇａ　　　Ａｓからなる層とする２層構造とｚ　
　　ｌ−ｚ したことを特徴とするものである。

（作　用） 活性層内に注入されたキャリアがトンネル効果により逃
げ出す量を無視できるに必要な、キャリア閉じ込め層の
最少の厚さは高々数百オングストロームであり、液相結
晶成長法によっても製作可能な厚さである。またこの程
度の厚さであれば、（Ａｉ　　Ｇ　ａ　１ｙ　）　ｑ　
　Ｉ　ｎ　　　Ｐの電気抵抗が多ｙ　　　　　　　　　
　　１−η 少とも高くても、素子設計上は無視てきる。従って、可
視半導体レーザ素子を液相結晶成長法を用いて製作する
ことが可能となる。また、電気抵抗増加による製作歩留
まり低下を招くことなく、ＭＯＣＶＤ法により半導体レ
ーザ素子を製作することができる。

（実施例） 以下本発明の一実施例について図を参照して説明する。

第１図は、液相結晶成長法により製作した実施例の可視
半導体レーザ素子の構成を示す図である。

発振波長６７０ｎｍに対応する ｐ−ＧａＢＩ−ξＰ（ξ＝約０，５）を材料とする厚さ
約０，１μｍの活性層２１、厚さ約０．０２μｍのｐ−
Ａｊ２＋）　　Ｉ　ｎ　　　Ｐ　（７７＝約０．５）層
からなるキトワ ヤリア閉じ込め層２２、厚さ約０．３μｍのｐＡＪ’Ｇ
ａ　　　Ａｓ層からなる光閉じ込め０．８　　０．４ 層２３、これら光閉じ込め層２３、キャリア閉じ込め層
２２の二層からなる下部クラッド層２４、厚さ約０．０
２μｍの ヤリア閉じ込め層２５、厚さ約０，３μｍのｎ−ＡＪ２
Ｇ　ａ　　　Ａ　ｓ層からなる光閉じ込め０．６　　０
．４ 層２６、これらキャリア閉じ込め層２５、光閉じ込め層
２６の二層からなる上部クラッド層２７およびオーム性
電極を得るためのｎ−ＧａＡｓを材料とするオーム接触
層２８が液相結晶成長法により作られた結晶層である。

基板２９は厚さ約１００μｍのｐ−ＧａＡｓの板３０と
、厚さ約１μｍのｎ−ＧａＡｓ層からなる電流阻止層３
１とから構成されている。

基板２９表面にストライプ状に走る幅約３μＭの溝３２
は、横方向のモードを最低次に安定化するために設けた
ものである。尚、この溝３２が電流阻止層３１を貫通し
ているので、金属電極３３．３４より注入される励起用
電流は溝３２の上部近傍に限定される。これは内部スト
ライプ構造と呼ばれ、従来から（ＡＪ２Ｇａ）Ａｓを材
料とする近赤外域の半導体レーザ素子で実用化されてい
る無効電流の少ない優れた構造であり、液相結晶成長法
を用いてしか製作できない構造である。同図において符
号３５．３６は、ストライプ状溝３２に路直交するへき
開面であり、レーザ共振器用鏡面である。こうして作ら
れた半導体レーザ素子は、発振波長Ｂ７０ｎｍで室温連
続動作し、所望の結果を得た。

第２図に示す実施例は、ＭＯＣＶＤ法により製作した可
視半導体レーザ素子である。従来例と異なる点は、活性
層４０両側のクラッド層の構成である。即ち、クラッド
層４１．４２は夫々キャリア閉じ込め層４２．４４と光
閉じ込め層４５．４７６とにより構成されている。符号
４７は、ｎ−ＧａＡｓ基板である。

本実施例によれば、キャリア閉じ込め層４３．４４に用
いたＡβｑ　　Ｉｎ　　　Ｐが長電気抵抗が高１一つ くとも、当該層の厚さが極めて薄いので製作歩留りに悪
影響を及ぼすことは無かった。

尚、上記二つの実施例においては、活性層の材料はいず
れもＧａ３Ｉｎ　　　Ｐ（ξ＝約０．５）であ−ｇ ったか、これは （Ａｊ２　　Ｇａ１−ｘ）Ｉ　　Ｉｎ　　　Ｐ（ξ−約
０．５）でｘｌ−！ あっても本発明の効果は失われない。また、基板のＧａ
Ａｓ結晶に格子整合をとるために、でも本発明の効果は
失われない。

［発明の効果コ 以上説明したように本発明によれば、半導体レーザ素子
を液相結晶成長法を用いて製作することが可能となり、
また、電気抵抗増加による製作歩留りの低下を招くこと
なく、ＭＯＣＶＤ法により半導体レーザ素子を製作する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の半導体レーザ素子の構成を示すを示す
斜視図、第２図は本発明の他の実施例の構成を示す断面
図、第３図は従来の半導体レーザ素子の構成を示す断面
図、第４図は他の従来装置の構成を示す断面図である。 ２１・・・・・・・・・活性層 ２２．２５・・・キャリア閉じ込め層 ２３．２４・・・光閉じ込め層 ２４・・・・・・・・・下部クラッド層２７・・・・・
・・・・上部クラッド層２９・・・・・・・・・基板 ４０・・・・・・・・・活性層 ４１・・・・・・・・・下部クラッド層４２・・・・・
・・・・上部クラッド層４３．４４・・・キャリア閉じ
込め層 ４５．４６・・・・・・光閉じ込め層 ４７・・・・・・・・・基板 出願人　　　　　　株式会社　東芝 代理人　弁理士　　須　山　佐　−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ＧａＡｓからなる基板と、 （Ａｌ＿ｘＧａ＿１＿−＿ｘ）＿ξＩｎ＿１＿−＿ξＰ
   （ξ＝約０．５）からなる活性層と、 前記活性層の上下面に形成され、かつ活性層よりも屈折
   率が小さくバンドギャップの大きい半導体材料からなる
   クラッド層とを有する半導体レーザ素子において、 前記各クラッド層を、前記活性層に接する側を（Ａｌ＿
   ｙＧａ＿１＿−＿ｙ）＿ηＩｎ＿１＿−＿ηＰ（η＝約
   ０．５、ｘ＜ｙ）からなる層とし、 他方側をＡｌ＿ＺＧａ＿１＿−＿ＺＡｓからなる層とす
   る２層構造としたことを特徴とする半導体レーザ素子。