JPH02177584A - 半導体レーザ素子およびその製造方法 - 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） 本発明は半導体レーザ素子に関し、特にリッジ導波路構
造を有する半導体レーザ素子に関する。

（従来の技術） リッジ導波路構造の半導体レーザ素子は、分子線エピタ
キシ（ＭＢＥ）法、有機金属気相成長くＭＯＶＰＥ）法
等によって平坦な基板上に設けられたレーザ動作層を用
いて屈折率導波機構が形成されたものであり、極めて簡
単な構造を有している。この半導体レーザ素子は、活性
層領域に量子井戸構造を採用できるので、１０ｍＡ程度
の低閾値電流特性を容易に得ることが可能である。

リッジ導波路構造の半導体レーザ素子の典型的な例を第
３図に示す、この素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板３１上に、
ｎ−ＧａＡｓバッファ層３２、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッ
ド層３３、ＡＩ　ＧａＡｓ屈折率傾斜型光ガイド層３４
、ＧａＡｓ量子井戸活性層３５、ＡｌＧａＡｓ屈折率傾
斜型光ガイド層３６、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層３７
、及びｐ−ＧａＡｓキャップ層３８をＭＢＥ法番″、よ
って成長させたものである。ＭＢＥ法による成長後、ｐ
−ＧａＡｓキャップ層３８の表面にストライプ状のレジ
ストマスクを形成し、このマスクの両側をｐ−クラッド
層３７の途中までエツチングにより除去して、リッジ部
３９を形成する。その後、プラズマＣＶＤ法によりＳｉ
Ｎ絶縁膜４０を形成し、リッジ部３９上の平坦領域中の
ＳｉＮ絶縁膜４゜の部分のみを選択的に除去する０次に
、基板３１を研磨して、１００μｍ程度の厚さにし、ｐ
側電極４１及びｎ側電極４２を形成した後、襞間法によ
り各素子を得る。

このように作製された第３図の半導体レーザ素子では、
活性領域は屈折率傾斜型の光ガイド層を有する量子井戸
構造とされているので、その閾値電流は１０ｍＡ程度の
低い値である。また、このような素子はジャンクシラン
アップで実装され、容易にＣＷ発振が得られる。しかし
、ジャンクションアップで実装した場合には放熱特性が
悪いので、高出力特性が悪い、或は信頼性が低下する等
の欠点がある。

第４図に示す半導体レーザ素子はそれらの問題を解消す
るためのものである。第４図の素子では、ｐ−クラッド
層３７及びｐ−キャップ層３８を選択的にエツチングし
て、リッジ部３９を規定する２本の溝４３が形成されて
いる。このような素子のレーザ特性は、リッジ部３９の
形状（主に、リッジ部３９の幅とその両側のｐ−クラッ
ド層３７の残厚）により決定される。そのため、所望の
特性を得るためには、リッジ部３９の形状を精密に制御
しなければならない、換言すれば、溝４３を形成するエ
ツチングを精密に行わなければならない。

一方、このようなレーザ素子では、ｐ−クラッド層３７
の厚さは１μｍ以上とされ、活性領域からｐ−クラッド
層３７へ滲み出た光がキャップ層３８により吸収される
ことによる損失を小さくするようにしている。また、キ
ャップ層３８の厚さも０．５μｍ以上にされるのが通常
である。従って、リッジ部３９を形成するためには、厚
さ１μｍ以上の半導体層を除去するエツチングを行わな
ければならない、このようなエツチングの精密制御は困
難である（例えば、０．　Ｗａｄａ他、Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎ。

Ｌｅｔｔ、、　　Ｖｏｌ、　　２１．　　ｐ、　　１０
２５　　（１９８５））。

ところで、ビデオディスク等のアヂログ信号を扱う分野
等で使用される半導体レーザ素子には、極めて良好な低
雑音特性が要求される。このような分野では、レーザ構
造を適切に制御して、自励発振現象が生ずるようにし、
発振スペクトルをマルチモード化し、各スペクトルが広
幅化されたレーザ素子が用いられている。

このような自励発振レーザ素子の一例を第５図に示す、
第５図のレーザ素子は、Ｖ　Ｓ　Ｉ　Ｓ　（Ｖ−ｃｈａ
ｎｎｅｌｅｄ　５ｕｂｓｔｒａｔｅ　Ｉｎｎｅｒ　５ｔ
ｒｉｐｅ）レーザと呼ばれるものであり、ｎ−ＧａＡｓ
基板５１上に、ｐ−ＧａＡｓｔ流狭窄層５２、ｎ−Ａｌ
ＧａＡｓクラッド層５３、ｎ−ＡｌＧａＡｓ活性層５４
、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層５５、ｐ−ＧａＡｓキャ
ップ層５６が液晶成長法によって形成されている。

また、５７はｐ側電極、５８はｎ側電極である。

電流狭窄層５２の表面から基板５１に達するＶ字形溝５
９によってストライブ状の電流路が形成されており、活
性層５４の渭５９上の領域が発振領域となるようにされ
ている。

第５図のレーザ素子では、■字形溝５９の両側のｐ−ク
ラッド層５５の厚さを適度に大きくして（例えば、０．
３μｍ）、屈折率導波機構を弱めることにより自動発振
が得られる（林地、信学技報　ＭＷ８４−２４．　Ｐ、
　６５　（１９８４））、そのためには、■字形溝５９
上方領域に於ける結晶成長を精密に制御する必要がある
。ところが、このようなＶＳＩＳレーザの成長に用いら
れる液晶成長法では、そのような精密な制御は困難であ
るため、再現性が劣り、製造歩留りが悪いという問題が
ある。更に、ＶＳＩＳレーザは、低閾値電流化が困難で
あり、閾値電流は５０ｍＡ程度である。

上述の自励発振は、第３図及び第４図に示したリッジ導
波路構造の半導体レーザ素子に於いて、リッジ部３９の
両側のｐ−クラッド層３７の残厚を適当に大きくして屈
折率導波機構を弱めることによって得ることができる。

しかし、そのためにはリッジ部３９の幅やｐ−クラッド
層３７の残厚を精密に制御しなければならず、前述と同
様に１μｍ程度の厚い半導体層を精密にエツチングする
のは困難である。

（発明が解決しようとする課題） 上述のように、従来の半導体レーザ素子では、所望の特
性（特に自励発振現象）を得るためには、エツチングを
精密に行わなければならず、製造が困難である。また、
再現性に劣り、歩留りが悪いという問題もある。更には
、ジャンクションアップでしか実装できない構造のもの
もあり、高出力特性が悪く、信頼性が低下するという欠
点がある。

本発明はこのような現状に鴛みてなされたものであり、
製造が容易であり、再現性に優れ、歩留りが高く、低閾
値電流特性であり、しかもジャンクションダウンで実装
することができる半導体レーザ素子を提供することにあ
る。

（課題を解決するための手段） 本発明の半導体レーザ素子は、半導体基板上に、第１の
クラッド層、第１の光ガイド層、活性層、第２の光ガイ
ド層及び第２のクラッド層を有する積層構造が設けられ
、該積層構造の上部にストライプ領域が形成された半導
体レーザ素子であって、該第２のクラッド層に於いては
、該第２の光ガイド層とは反対側の部分のドーピング濃
度が、該第２の光ガイド層側の部分のドーピング濃度よ
りも高く、該ストライプ領域が、該第２のクラッド層よ
り突出するリッジ構造を有しており、該ストライプ領域
の側方が高抵抗の埋込層によって埋め込まれており、そ
のことにより上記目的が達成される。

光ガイド層は屈折率傾斜型の構成とするのが好ましい、
また、第２のクラッド層の厚さは４０００人〜１０００
０人の範囲とするのが好適である。

第２のクラッド層の厚さが４０００人〜６０００人であ
る場合には、第２のクラッド層のドーピング濃度は、第
２の光ガイド層と接する厚さが少なくとも１０００人の
部分に於いて３Ｘ１０”ｃｍ３以下とし、第２の光ガイ
ド層とは反対側の部分では３Ｘ１０”ｃｍ−’よりも大
きくするのが好ましい。

尚、埋込層は高抵抗材料で構成されていてもよいし、絶
縁材料によって構成されていてもよい。

（実施例） 本発明を実施例について以下に説明する。

第１図（ａ）に本発明の一実施例の断面図を示す。

本実施例の製造工程を説明する。先ず、ｎ−ＧａＡｓ基
板１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２、ｎ−ＡｌＧａＡ
ｓクラッド層３、ＡｌＧａＡｓ屈折率傾斜型光ガイド層
４、ＧａＡｓ単一量子井戸活性層５、ＡｌＧａＡｓ−屈
折率傾斜型光ガイド層６、Ｂｅドープのｐ−ＡｌＧａＡ
ｓクラッド層７、及びＢｅドープのｐ−ＧａＡｓキャッ
プ層８をＭＢＥ法によって成長させた。ｐ−ＡｌＧａＡ
ｓクラッド層７の厚さは約６０００人、ｐ−ＧａＡｓキ
ャップ層８の厚さは約２０００人とした。ｐ−クラッド
層７のドーピング濃度は、第１図（ｂ）に示すように、
光ガイド層６に接した部分からキャップ層８の方向に約
４０００〜５０００人の領域（ａｍｂの領域）では約ｌ
Ｘｌ０”ｃｍ−”とし、キャップ層８側の領域（ｂ〜Ｃ
の領域）では約８×１０　”ｃ　ｍ−”とした、ｂ〜Ｃ
の領域のドーピング濃度は約５Ｘ　１０”　〜１　ｘ　
１０”ａｍ−’とするのが好適である。光ガイド層側の
領域（ａｍｂ）とキャップ層側の領域（ｂ〜Ｃ）との間
にはドーピング濃度の遷移領域を設けた。このドーピン
グ濃度の変化はＢｅセルの温度を調整することによって
行った。また、キャップ層８のドーピング濃度は該キャ
ップ層側の領域（ｂ−ｃ）のそれと同じとした。

次に、フォトリソグラフィ法を用いてキャップ層８上に
ストライブ状のレジストマスクを形成した後、ｐ−クラ
ッド層７の途中までエツチングを行ってリッジ部１２（
幅約２．５μｍ）を形成した。エツチングは、キャップ
層８　（２０００人）とｐ−クラッド層７の約２０００
人の厚さの部分との合計約４０００人の厚さの半導体層
を除去するように行われ、リッジ部１２両側のｐ−クラ
ッド層７の残厚が４０００人程度８なるようにした。

即ち、エツチングの界面とｐ−クラッド層７のドーピン
グ濃度が変化する部分（ｂの部分）とがはぼ一致するか
、エツチングの界面が該部分よりも若干キャップ層８側
にあるようにした。

プラズマＣＶＤ法によりＳｉＮ絶縁層９を約４０００人
の厚さに形成し、フォトリングラフィ法を用いてリッジ
部１２上のＳｉＮ絶縁層９を選択的に除去した。これに
より、リッジ部１２の上面（即ち、キャップ層８の表面
）とＳｉＮ絶縁層９の表面とがほぼ一致する。前述の従
来例と同様の基板１の研磨、電極１０及び１１の形成、
並びに襞間を行って半導体レーザ素子を得た。

本実施例では、リッジ部１２両側のｐ−クラッド層７の
厚さが約４０００人とされているので、リッジ部１２に
より形成されている屈折率導波機構は相当弱くなってい
る。更に、エツチングの界面とｐ−クラッド層７のドー
ピング濃度が変化する部分とがほぼ一致するか、エツチ
ングの界面が該部分よりも若干キャンプ層８側にあるよ
うにされているので、ｐ−クラッド層７内での電流の広
がりは抑えられて小さなものになっている。これらの理
由により、本実施例の素子は自動発振が容易に得られ、
出力０．５〜８ｍＷの範囲で自動発振が観測された。戻
り光量３％以下では、相対雑音強度は一１３５ｄＢ／Ｈ
ｚ以下に抑制されており、良好な雑音特性が得られた。

また、発振閾値電流は１５〜２０ｍＡであった。

リッジ部１２の上面とＳｉＮ絶縁層９の表面とがほぼ一
致しているので、本実施例の素子は活性層領域側をマウ
ントするジャンクションダウン方式で実装することがで
きる。従って、放熱特性が改善され、高出力特性及び信
頼性が改善される。

本実施例素子の最大光出力は７０ｍＷであった。

また、高温雰囲気中（５０℃）で光出力５ｍｗに於いて
信顆性試験を行ったところ、約４０００時間以上安定し
て発振した。

尚、リッジ部１２の側方を埋め込んでリッジ部１２の上
面とＳｉＮ絶縁層９の表面とがほぼ一致させる構成分、
第３図に示す従来のリッジ導波路構造に適用することは
不可能ではない、しかし・、そのためには、ＳｉＮ絶縁
膜４０の厚さを１μｍ以上にしなければならず、放熱効
果が減少し、厚い絶縁層に起因するストレスによって信
頼性が低下する可能性がある。

第２図（ａ＞に本発明の他の実施例を示す、この実施例
の積層構造は第１図（ａ）の実施例のそれと略同様であ
るが、キャップ層８を設けず、ｐ−クラツド層７上部の
深さ３０００人の部分にＺｎ拡散領域１５を形成した。

リッジ部１２の高さ（即ち、ｐ−クラッド層７をエツチ
ングする深さ）は４０００人とした。ｐ−クラッド層７
のドーピング濃度は１×１０１ｓ１０１ｓとしな、Ｚｎ
拡散領域１５については、Ｚｎ拡散によってその不純物
濃度は３Ｘ１０Ｉ９ｃｍ”程度まで増加するので、この
領域のｐ型不純物濃度は第２図（ｂ）に示すような変化
をする０本実施例の各特性は上述の実施例のそれらと同
様であった。

本実施例では、Ｚｎ拡散領域１５が形成されているので
、低抵抗の良好なコンタクトを形成することが可能であ
る。また、キャップ層が形成されていないので、その厚
さ分だけエツチング深さを小さくすることができ、エツ
チング制御がより容易になる。或いは、キャップ層の厚
さ分だけｐ　−クラッド層７の厚さをより大きくするこ
とができるので、特性をより改善することができる。

尚、上述の各実施例では活性層５は単一量子井戸構造と
したが、多重量子井戸構造とすることもできる。光ガイ
ド層は屈折率傾斜型にする必要はなく、通常のＳＣＨ型
の構成であってもよい。

（発明の効果） 本発明によれば、このように、低閾値電流であり、低雑
音特性に優れ、ジャンクションダウンで実装できるので
高出力特性及び信頼性が良好な半導体レーザ素子が得ら
れる。また、本発明の半導体レーザ素子では、エツチン
グ深さを小さくすることができるので、エツチング深さ
の制御が容易であり、生産性及び歩留りが向上する。

、　譬　　の　　　ｔ＝　日 第１図（ａ）は本発明の一実施例の断面図、同図（ｂ）
はその実施例中の第２のクラッド層より上方のドーピン
グ濃度の分布を模式的に示すグラフ、第２図（ａ）は他
の実施例の断面図、同図（ｂ）は第２図（ａ）の実施例
中の第２のクラッド層より上方のドーピング濃度の分布
を模式的に示すグラフ、第３図〜第５図はそれぞれ従来
例の断面図である。

ｌ　−−−ｎ　−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板、２−・−ｒｌ　
−Ｇ　ａ　Ａ　ｓバフフッ層、３・・・ｎ−ＡｌＧａＡ
ｓクラッド層（第１のクラッド層）、４・・・ＡｌＧａ
Ａｓ屈折率傾斜型光ガイド層（第１の光ガイド層）、５
・・・ＧａＡｓ単一量子井戸活性層、６・・・ＡｌＧａ
Ａｓ屈折率傾斜型光ガイド層（第２の光ガイド層）、７
・・・ｐ　−ＡｌＧａＡｓクラッド層（第２のクラッド
層）、８・・・ｐ−ＧａＡｓキャップ層、９・・・Ｓｉ
Ｎ絶縁層、１２・・・リッジ部、１５・・・Ｚｎ拡散領
域。

以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板上に、第１のクラッド層、第１の光ガイ
   ド層、活性層、第２の光ガイド層及び第２のクラッド層
   を有する積層構造が設けられ、該積層構造の上部にスト
   ライプ領域が形成された半導体レーザ素子であつて、 該第２のクラッド層に於いては、該第２の光ガイド層と
   は反対側の部分のドーピング濃度が、該第２の光ガイド
   層側の部分のドーピング濃度よりも高く、 該ストライプ領域が、該第２のクラッド層より突出する
   リッジ構造を有しており、 該ストライプ領域の側方が高抵抗の埋込層によって埋め
   込まれている 半導体レーザ素子。