JPH02216883A - 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、活性層の発振領域が薄く、光密度が低減され
ることにより高出力可能な半導体レーザ素子右よびその
製造方法に関し、さらに詳述すれば、共振器の各端面近
傍部では、該共振器の各端面近傍部を除く中央部よりも
活性層が薄層化されており、共振器の各端面近傍部の光
吸収が少ない半導体レーザ素子およびその製造方法に関
する。

（従来の技術） 半導体レーザ素子から発せられるレーザ光は。

光ディスクへの情報の記録および消去、レーザプリンタ
における画像形成、光通信システム用光源等の用途に広
く利用されており、それぞれの用途における高性能化や
、用途の拡大のために、半導体レーザ素子は高出力化が
要望されている。半導体レーザ素子では１通常、共振器
の各端面での結晶劣化により、　、１００ｍＷ程度でし
か出力することができない。このため、半導体レーザ素
子を高出力化するために、活性層を薄層化して光密度を
低減させ、共振器端面での劣化を抑制することが行われ
ている。半導体結晶を液相成長法（ＬＰＢ法）で成長さ
せる場合に、活性層を結晶性よく薄層化するために、結
晶成長の異方性を利用する方法が知られている。この方
法には、活性層における発振領域の両側方の下地層にそ
れぞれ溝部形成し、各溝部内を埋めつつ下地層全体に活
性層を成長させる方法や、活性層の下地層に設けられた
りフジに発振領域を形成するストライプ溝を設ける方法
等がある。

また、共振器における各端面の劣化を防止する半導体レ
ーザ素子として、液相成長法による結晶成長時に、活性
層の各端面近傍部をレーザ励起領域である中央部よりも
薄層化して、この各端面近傍部に光吸収のない領域（窓
領域と称する）を形成した構造が、疎水らによって、昭
和６１年春季応用物理学会関係連合講演会講演予稿集に
発表されている。

この半導体レーザ素子は１次の、ようにして製造される
。第９図（ａ）に示すように、ｐ型ＧａＡｓ基板７１上
に、形成すべき半導体レーザ素子における共振器の各端
面近傍部に相当する部分に、そ、の部分の幅方向中央部
分を挟むように各一対のストライプ加工溝７１ａ、　７
１ａおよび７１ａ、　７１ａをそれぞれ形成する。また
、各端面近傍部を除く中央部の幅方向各側部（各ストラ
イプ加工溝７１ａの外側に相当）にストライプ加工溝７
１ｂおよび７１ｂをそれぞれ形成する。次いで、このよ
うな基板７１に、第９図（ｂ）に示すように、液相成長
法によりｎ型ＧａＡｓ電流阻止層７２を、各ストライプ
加工溝７１ａおよび７１ｂが完全に埋まった状態でしか
も上面が平坦になるように１例えば０．８μｍの厚さに
積層する。

続いて、第９図（Ｃ）に示すように、各ストライプ加工
溝７１ａおよび７１ｂ内のｎ型ＧａＡｓ電流阻止層７２
をそれぞれ除去して１例えば幅８μｍ、深さ１．０μｍ
の副ストライプ溝７２ａ　＃よび７２ｂをそれぞれ形成
する。また、該ｎ型ＧａＡｓ電流阻止層７２の幅方向中
央部に、底部がＧａＡｓ基板７１に達する断面Ｖ字状の
主ストライプ溝７２ｃを０例えば１幅３μｍ。

深さ１．０μｍとなるように形成する。該主ストライプ
溝７２ｃは、電流通路となる。これに対して。

各副ストライプ溝？２ａおよび？２ｂが形成された位置
では、電流阻止層７２が厚く、電流通路が形成されない
。その結果、電流は主ストライプ溝７２ｃにのみ集中し
て流れ、効果的に電流狭窄される。

次いで、再び液相成長法により、第９図（６）に示すよ
うに、ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層７３．ｐ型Ｇａ＾Ｉ
Ａｓ活性層７４．ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層７５．ｎ
型ＧａＡｓキャップ層７６を順次成長させて、レーザ発
振用のダブルへテロ構造を形成する。

このダブルへテロ構造を形成すべく結晶成長させると、
第９図（ｅ）に示すように、共振器の各端面近傍部に相
当する領域（窓領域）７０ａに設けられた各副ストライ
プ溝７２ａ内、およびこれらの部分を除く中央部領域（
レーザ励起領域）７０ｂに設けられた各副ストライプ溝
７２ｂ内で、結晶は成長速度の速い湾曲成長を起こし、
その結果、成長融液中のへＳ成分が、この湾曲部分に拡
散する現象を起こす。これにより、主ストライプ溝７２
ｃ内での結晶の成長が鈍化される。このような結晶成長
の鈍化は、主ストライプ溝７２ｃと各副ストライプ溝７
２ａおよび７２ｃとの間隔に依存し、その間隔が狭くな
るほど結晶成長速度が遅くなる。従って、各窓領域７０
ａでは結晶の成長が遅く１反対にレーザ励起領域７０ｂ
では結晶の成長が速くなる。

これにより、ｐ型ＧａＡ　ＩＡｓクラッド層７３は、主
ストライプ溝７２ｃ上では平坦になるが、各副ストライ
プ溝７２ａおよび７２ｂ上では、凹状に窪んで形成され
る。

従って、該ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層７３上に成長さ
れる活性層７４は、該クラッド層７３の影響を受けて。

副ストライプ溝７２ａおよび？２ｂ上では湾曲した状態
になり、他の部分では平坦になる。つまり、主ストライ
プ溝７２ｃ上の活性層７４の層厚は、各窓領域７０ａお
よび７０ａでは薄くなっており、これらの領域を除く中
央部のレーザ励起領域７０ｂでは、活性層７４が厚くな
っているため、各窓領域７０ａでは活性層７４はレーザ
光の吸収を低減させる窓機能が付与される。

第９図（ｅ）に示す半導体レーザ素子では、各窓領域？
Ｏａ上における主ストライプ溝？２ｃと副ストライプ溝
７２ａとの間隔を１０μｍ、レーザ励起領域７０ｂにお
ける主ストライプ溝７２ｃと副ストライプ溝？２ｂとの
間隔を３０μｍに設定し、各窓領域７０ａでの活性層７
４をレーザ領域７０ｂでの活性層７４よりも薄くしてい
る。

このような構成の半導体レーザ素子は、各窓領域７０ａ
の活性層７４が、レーザ励起領域７０ｂにおける活性層
７４よりも薄いために、該活性層７４に注入される電子
はレーザ励起領域７０ｂの活性層７４に注入される電子
よりも高伝導度となる。この現象はバンドフィリングと
呼ばれている。このため、レーザ励起領域７０ｂの活性
層７４で発振したレーザ光は、窓領域７０ａの活性層７
４では吸収されず、高出力動作が可能なウィンドウ（窓
）形半導体レーザ素子となる。

このように、活性層７４が薄くなることにより。

第１０図に示すように、該活性層７４内に閉込められる
光の割合（閉じ込め係数Ｆ）が小さくなる。例えば、活
性層７４の厚さｄ２が０．０９μｍのときに閉じ込め係
数Ｆは０．２０であるのに対し、活性層７４の厚さｄ２
が０．０４のときに閉じ込め係数Ｆは０−０６となる。

これによりレーザ光はさらに高出力にて発振し得る。゛
第９図（ｅ）に示す半導体レーザ素子では最大２００ｍ
１ｌの出力を得ることができる。

（発明が解決しようとする課題） このようなウィンドウ型半導体レーザ素子では。

ダブルへテロ構造の結晶成長時に、各窓領域７０ａにお
いて、　Ａｓ成分を各副ストライプ溝７２ａ内に集中的
に拡散させてから遠ざけるように集中的に拡散させるこ
とにより、活性層７４を薄層化する。しかし、このよう
なＡｓ成分の流れに対して、各副ストライプ溝？２ａ内
へは各副ストライプ溝７２ａの外側からも逆方向へＡｓ
成分が流入する。この方向へのＡｓ成分の流れは、せい
ぜい数１０μｍの間からのＡｓ成分の流れに対し、結晶
成長時には１００μｍ以上もあるの外側の平坦部から生
じるため、主ストライプ溝？２ｃから遠のくように各副
ストライプ溝７２ａ内に流入するＡｓ成分を反対方向く
主ストライプ溝？２ｃ方向）へ拡散する。このように各
副ストライプ溝７２ａの外側からその内部へ流入するＡ
ｓ成分は、活性層７４を薄くするべく、電流阻止層７２
の各副ストライプ溝７２ａを深くすれば、−層増大する
。また、各副ストライプ溝７２ａの外側からその内部に
流入するＡｓ成分の流れは、はとんど制御することがで
きない。

このような現像は、ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層７３を
電流阻止層７２上に成長させる際にも生じるため。

共振器の各端面近傍部における電流阻止層７２の副スト
ライプ溝７２ａが該クラッド層７３にて埋まるおそれも
ある。このようになれば、活性層７４を薄層化すること
が一層困難になり、活性層７４として成長される結晶成
分の分布が不均一になる。

さらに、主ストライプ溝？２ｃの各側方にそれぞれ１本
ずつ副ストライプ溝？２ａが設けられている構成では、
基板７１を構成するＧａＡｓ成分と、クラッド層７３．
活性層７４およびクラッド層７５を構成するＧａＡｌＡ
ｓ成分とは室温におけ膨張係数が異なることにより生じ
る歪みの影響を、主ストライプ溝７２ｃが最も受けやす
い。このため、高出力にて連続発振させると、共振器各
端面近傍部の主ストライプ溝？２ｃ上の活性層７４にお
ける発振領域に、ダークライン（暗線）が発生しやすく
、共振器各端面近傍部が著しく劣化する。

本発明は、上記従来の問題を解決するものであり、その
目的は、共振器の各端面近傍部において結晶性の良い薄
層化された活性層を容易に製造し得るため、高出力動作
による信頼性の低下を抑制し得で、高出力にて安定的に
レーザ光を発振し得る半導体レーザ素子およびその製造
方法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、ストライプ状の発振領域
が形成された活性層を有し、共振器の各端面近傍部にお
ける該活性層の発振領域の各側方部分に対応した下地層
部分に、該活性層の発振領域を薄層化すべく該発振領域
の各側方部分を凹状に窪ませる複数のストライプ状の溝
部を有してなり、そのことにより上記目的が達成される
。

本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、活性層が積層
される下地層に、該活性層に形成されるストライプ状発
振領域に対応させてストライプ状の溝部を形成するとと
もに、該溝部の共振器各端面辺部に相当する部分の各側
方部分に複数のストライプ状の溝部を形成する工程と、
該下地層に液相成長法により活性層を含む半導体層を積
層する工程と、を包含してなり、そのことにより上記目
的が達成される。

（実施例） 以下に本発明を実施例について説明する。

本発明の半導体レーザ素子は、第１図に示すように、ｎ
型ＧａＡｓ、基板２１における共振器の各端面近傍部に
相当する領域（窓領域）２０ａに１例えば。

幅１０μ岳の６本ストライプ状の加工溝２１ａ、　２１
ａ。

・・・がそれぞれ並設されている。また、共振器の各端
面近傍部を除く中央部に相当する領域（レーザ励起領域
）２０ｂには９例えば１幅６μｍの８本のストライプ状
加工溝２１ｂ、　２１ｂ、・・・が形成されている。

各窓領域２０ａにおける基板２１には、ｎ型ＧａＡｓあ
るいはｎ型ＧａＡｌＡｓ電流阻止層２２が、各加工溝２
１ａ内を含む全面に渡って１例えば０．８μｍ、の厚さ
に積層されている。従って、該電流阻止層２２には。

６μｍ程度の幅を有する６本の副ストライプ溝２２ａが
並設された状態になっている。該電流阻止層２２の中央
部には、断面Ｖ字状の主ストライプ溝２２ｃが形成され
ている。該主ストライプ溝２２ｃは９例えば幅３μｍ、
深さ１μｍ、となっており、その底部が基板２１内に達
している。また、レーザ励起領域２０ｂにも同様の電流
阻止層２２が各加工溝２１ｂを含む全面にわたって１例
えば０．８μｍの厚さに積層されており０幅４μｍ程度
の８本の副ストライプ溝２２ｂが並設されている。

各窓領域２０ａおよびレーザ励起領域２０ｂにおける電
流阻止層２２には、ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層２３が
積層されている。該ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層２３は
。

各副ストライプ溝２２ａおよび２２ｂの上方域の上面部
が凹状に窪んだ状態になっており、他の部分は平坦にな
っている。そして、該クラッド層２３上に。

ｐ型Ｇａ＾１＾Ｓ活性層２４が積層されている。該活性
層２４も、各副ストライプ溝２２ａおよび２２ｂ上方域
の上面部分が凹状に湾曲している。該活性層２４には。

ｎ型ＧａＡ　ＩＡｓクラッド層２５が、積層されている
。該クラッド層２５は上面が平坦になっており、該クラ
ッド層２５上にｎ型ＧａＡｓキャップ層２６が積層され
ている。該キャップ層２６の上面も平坦１．？なってい
る。

このようなウィンドウ型半導体レーザ素子は。

次のように製造される。まず、第２図（ａ）に示すよう
に、ｐ型ＧａＡｓ基板２１における。形成される半導体
レーザ素子の共振器の各端面近傍部分に相当する窓領域
２０ａ　ｂよび２０ａに１幅１０μｍのストライプ状の
加工溝２ｉａをエツチングにより２例えば、６本が幅方
向に並設されるように形成する。

同時に、各窓領域２０ａを除く中央部のレーザ励起領域
２０ｂに１幅６μｍのストライプ状の加工溝２１ｂを、
エツチングにより９例えば８本が幅方向に並設されるよ
うに形成する。次いで、該基板２１上に、　ＭＣ１ＣＶ
Ｄ法あるいはＭｏａ法等の気相成長法により、ｎ型Ｇａ
Ａｓあるいはｎ型ＧａＡｌＡｓ電流阻止層２２を。

全体が所定の厚さとなるように成長させる。これにより
、ｐ型ＧａＡｓ基板２１の各加工溝２１ａおよび２１ｂ
内にも、ｎ型ＧａＡｓあるいはｎ型ＧａＡｌＡｓ電流阻
止層２２が成長され、第２図（ｂ）に示すように、各加
工溝２１ａおよび２２ａ内に、副ストライプ溝２２ａお
よび２２ｂがそれぞれ形成される。このとき、窓領域２
０ａの副ストライプ溝２２ａは１幅が６μｍ程度、レー
ザ励起領域の副ストライプ溝２２ｂは９幅が４μｍ程度
とされ、それぞれの深さはｌＡ１！ｌ＋程度とされる。

なお、第２図ら）に示すように、電流阻止層２２が副ス
トライプ溝２２ａおよび２２ｂを有した状態で基板２１
上に形成されるのであれば、気相成長法に限らず１例え
ば液晶成長法により、ｎ型ＧａＡｓあるいはｎ型ＧａＡ
ｌＡｓを上面が平坦になるように成長させた後に、基板
２１の各加工溝２１ａおよび２１１１内にそれぞれ副ス
トライプ溝２２ａおよび２２ｂをエツチングにて形成す
る方法を用いてもよい。

さらに、電流阻止層２２０幅方向中央部に、ストライプ
幅３μｍ、深さ１μｍの断面Ｖ字状の主ストライプ溝２
２ｃを形成する。該主ストライプ２２ｃの底部はｐ型Ｇ
ａＡｓ基板２１に達し、該主ストライプ溝２２ｃにのみ
電流経路が形成される。その結果。

レーザ光の発振に必要な電流は、この主ストライプ溝２
２ｃに集中して流れ９発振に寄与しない無効電流を抑制
することができる。

その後、該電流阻止層２２上および副ストライプ溝２２
ａおよび２２ｂ内、および主ストライプ溝２２ｃ内全体
に、液相成長法（ＬＰＢ法）により、ｐ型ＧａＡｌＡｓ
クラッド層２３．ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層２４．ｎ型６
ａ＾ＩＡｓクラッド層２５．およびｎ型ＧａＡｓキャッ
プ層２６を順次成長させて、ダブルへテロ接合形レーザ
発振用多層構造を形成する。これにより第１図に示す本
発明の半導体レーザ素子が得られる。

レーザ発振用のダブルへテロ接合形多層構造に結晶を成
長させる際には、　Ａｓ成分が副ストライプ溝２２ａお
よび２２ｂ内に集中的に拡散され、各ｐ型ＧａＡｌ＾Ｓ
クラッド層２３は、各副ストライプ溝２２ａの間および
各副ストライプ溝２２ｂの間では、薄層化され、各副ス
トライプ溝２２ａおよび２２ｂ内の上面は凹状に湾曲し
た状態になる。そして、該ｐ型Ｇａ＾ＩＡｓクラッド層
２３上に積層されるｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層２４のＡｓ
成分も、ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層２３の凹状に湾曲
した部分内に集中的に拡散される。このとき、主ストラ
イプ溝２２ｃの各側方には、それぞれ複数の副ストライ
プ溝２２ａおよび２２ｂが形成されているため、主スト
ライプ溝２２ｃ上の活性層２４は。

確実に薄層化される。しかも、各窓領域２０ａにおける
各副ストライプ溝２２ａは、レーザ励起領域２０ｂにお
ける各副ストライプ溝２２ｂよりも幅寸法が広くなって
いるため、各窓領域２０ａの各副ストライプ溝２２ａ内
に拡散するＡｓ量が、レーザ励起領域２０ｂの各副スト
ライプ溝２２ｂ内に拡散するＡｓ量よりも多くなり、従
って、主ストライプ溝２２ｃの上方の発振領域における
活性層の層厚は、各窓領域２０ａでは薄く、レーザ励起
領域２０ｂでは各窓領域２０ａよりも厚くなっている。

本実施例では、ｐ型ＧａＡ１＾Ｓクラッド層２３および
ｐ型Ｇａ＾１＾Ｓ活性層２４の層厚を０．０１μｍ以下
の精度で制御でき９面内分布も±５％内に抑制すること
ができた。また、各副ストライプ溝２２ａ″Ｊ３よび２
２ｂ内において、主ストライプ溝２２ｃ方向へのＡｓ成
分の拡散を抑制できるため、ｐ型Ｇａ＾ＩＡｓクラッド
層２３にて各副ストライプ溝２２ａおよび２２ｂが埋ま
ることなくｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層２３を成長でき
た。

その結果、レーザ励起領域２０ｂでは、主ストライプ溝
２２ｃ上方の発振領域であるｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層２
４の厚さを０．０８μ丘とされるのに対し、各窓領域２
０ａにおける主ストライプ溝２２ｃ上方の発振領域では
、該活性層２４を０．０２ｎｌ程度の厚さに、結晶性を
損なうことなく成長できた。従って、各窓領域２０ａで
はレーザ光の吸収の少ない、ウィンドウ形半導体レーザ
を構成することができ、室温連続発振で３００ｍＷの光
出力が得られた。

ダブルへテロ構造の結晶成長時におけるＧａＡｓ基板２
１とＧａＡｌＡｓ各層との熱膨張係数の相違による歪み
は、レーザ励起領域２０ｂにおける主ストライプ溝２２
ｃの各側方にそれぞれ複数の副ストライプ溝２２ａおよ
び２２ｂが設けられて、活性層２４がその部分の上方で
湾曲しているために、各湾曲部に分散されている。本実
施例では、　５０℃、　７０ｎｌの出力にて３０００時
間以上で発振することができ、信頼性にも優れていた。

なお、各窓領域２０ａ、およびレーザ励起領域２０ｂの
副ストライプ溝２２ａおよび２２ｂの本数は複数本であ
れば何本でもよく、また、それぞれの領域において９等
しい幅寸法である必要はなく、主ストライプ溝２２ｃに
対してそれぞれ対称性を有していればよい。

第３図〜第８図は、主ストライプ溝２２ｃと各副ストラ
イプ２２ａおよび２２ｂの形状の他の実施例を示すもの
であり、第３図および第４図に示す実施例では、各窓領
域２０ａの副ストライプ溝２２ａとレーザ励起領域２０
ｂの副ストライプ溝２２ｂとを連続的に形成しており、
第４図に示す実施例では、その連結部をテーバ状にして
いる。

第５図に示す実施例では、複数本（３本）の主ストライ
プ溝２２ｃがアレイ状に形成されており。

得られる半導体レーザ素子の最大光出力は著しく向上す
る。

第６図に示す実施例では、レーザ励起領域２０ｂにふけ
る副ストライプ溝２２ｂを、ストライプ方向にそれぞれ
分割したものである。

第７図および第８図に示す実施例では、それぞ。

れレーザ励起領域２０ｂには副ストライプ溝を設けない
構成であり、第８図では、各窓領域２０ａにおける各副
ストライプ溝２２ａの幅方向寸法を、外側に配設される
ものが順次小さくなるように構成している。

なお１本発明は、上記各実施例とは結晶層の導電型が全
て逆になったものや、　ＧａＡｓ系材料とは異なる材料
を用いたもの、また、導波路が直線ではなくその一部に
湾曲部を有するものや分岐結合構造を有するものであっ
ても適用でき、さらには。

電流注入領域規定方法がストライプ溝によらないものや
横方向の屈折率差を作り出す方法が上記実施例とは異な
っていてもよい。

（発明の効果） 本発明の半導体レーザ素子は、このように、共振器の各
端面近傍部にふいて、活性層に右けるストライプ状の発
振領域の各側方部の下地層に副ストライプ溝を複数設け
たものであるから、該共振器の端面近傍部においては１
発振領域の活性層を結晶性よくきわめて薄くなっており
、レーザ光を高出力にて、しかも長時間にわたって安定
的に発振しうる。本発明の半導体レーザ素子の製造方法
では、結晶性の良い活性層をきわめて容易に製造し得て
、しかも、共振器端面近傍部における劣化を抑制し得る
半導体レーザ素子がきわめて容易に製造し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体レーザ素子の断面構成図、第２
図（ａ）および（ハ）はその製造工程をそれぞれ示す斜
視図、第３図〜第８図はそれぞれその半導体レーザ素子
の主ストライプ溝および副ストライプ溝の他の実施例を
示す平面図、第９図（ａ）〜（ｅ）は従来の半導体レー
ザ素子の製造工程をそれぞれ示す断面図、第１θ図は半
導体レーザ素子の活性層の厚さと光閉じ込め係数の関係
を示すグラフである。 ２０ａ・・・窓領域、２０ｂ・・・レーザ励起領域、　
　２１”−’ｐ型ＧａＡｓ基板、　　２２−ｎ型ＧａＡ
ｓあるいはｎ型Ｇａ＾ＩＡｓ電流阻止層、　　　２２ａ
、２２ｂ・・・副ストライプ溝。 ２３−ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層ド層、　　２４−１）型
ＧａＡｌＡｓ活性層、２５・・・ｎ型ＧａＡ］Ａｓクラ
ッド層。 ＧａＡｓキャップ層。 ２６・・・ｎ型 以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ストライプ状の発振領域が形成された活性層を有し
   、共振器の端面近傍部における該活性層の発振領域の各
   側方部分に対応した下地層部分に、該活性層の発振領域
   を薄層化すべく該発振領域の各側方部分を凹状に窪ませ
   る複数のストライプ状の溝部を有してなる半導体レーザ
   素子。 ２、活性層が積層される下地層に、該活性層に形成され
   るストライプ状発振領域に対応させてストライプ状の溝
   部を形成するとともに、該溝部の共振器各端面近傍部に
   相当する部分の各側方部分に複数のストライプ状の溝部
   を形成する工程と、該下地層に液相成長法により活性層
   を含む半導体層を積層する工程と、を包含する半導体レ
   ーザ素子の製造方法。