JPH04307781A - 半導体レーザ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ディスクのピックア
ップ用等に用いられる、化合物半導体レーザダイオード
に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ディスクのピックアップ用に使用され
る半導体レーザは、データ書き込み時には高出力特性が
、またデータ読み出し時には低雑音特性が要求される。 図６は、岩野らにより応物学会講演予稿集（昭和６２年
春期、２８Ｐ−ＺＨ−９）に発表された低雑音型半導体
レーザである。上記半導体レーザは、活性層（６１）の
両側を活性層よりも小さな屈折率を有するクラッド層（
１３，　１７）ではさんだダブルヘテロ構造を有してお
り、上側クラッド層（１７）の途中までエッチングを施
すことによってリブ状の光導波路が形成されている。上
記半導体レーザは、共振器端面近傍では屈折率導波構造
を、チップ中央部では利得導波構造を有している。この
様に一つのチップ内に屈折率導波領域と利得導波領域を
作り込むことにより、利得導波構造のもつマルチ縦モー
ド発振という特徴を維持しながら、屈折率導波構造の持
つ長所、すなわち低しきい値、高効率、低非点収差等も
同時に満足することができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来技術によ
る半導体レーザでは、チップ中央部に利得導波領域を抱
えているため、通常の屈折率導波型半導体レーザに比べ
るとどうしても無効電流成分が大きくなり、しきい電流
値の上昇、あるいは発振効率の低下を招いてしまう。こ
の結果、一定の光出力を得るために大きな電流を流す必
要が生じ、チップの温度が上昇して、光学損傷が低い光
密度で生じてしまう。この様なことから、従来技術の低
雑音型半導体レーザの高出力化を図るには、高効率化を
実現してチップの発熱を抑えると同時に、端面の光密度
を下げ光学損傷が起きにくくすることが必要である。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザは
、（１）少なくとも一方の端面近傍では屈折率導波路幅
と電流注入領域幅とを同じにして屈折率導波構造とし、
その他の領域では屈折率導波路幅を電流注入領域幅より
十分広くして利得導波構造とした、　ＩＩＩ−Ｖ族化合
物半導体層よりなるリブ状の光導波路を有し、かつ該光
導波路ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層で埋め込んだ構造の
半導体レーザにおいて、該半導体レーザの光導波路は、
少なくとも半導体基板上に積層された第１のクラッド層
、第１の光導波路層、活性層、第２の光導波路層、第２
のクラッド層より形成されており、該活性層は井戸層の
数が１の単一量子井戸構造を有していると同時に、第１
の光導波路層と第２の光導波路層の材質、膜厚の内少な
くとも一方が異なることを特徴とする。

【０００５】（２）上記（１）記載の半導体レーザにお
いて、量子井戸層の数が２以上の複数であることを特徴
とする。

【０００６】

【実施例】本発明の半導体レーザの第１の実施例を、図
１、及び図２に示す。

【０００７】ｎ型ＧａＡｓ基板（１１）上に、ｎ型バッ
ファー層（１２）、ｎ型下側クラッド層（１３）、ｎ型
下側光導波路層（１４）、量子井戸活性層（１５）、ｐ
型上側光導波路層（１６）、ｐ型上側クラッド層（１７
）、ｐ型コンタクト層（１８）が順次積層されている。 コンタクト層、及び上側クラッド層はリブ状に加工され
て光導波路を形成しており、上記光導波路はＩＩ−ＶＩ
族化合物半導体であるＺｎＳｅによって埋め込まれてい
る。また、レーザチップは共振器端面近傍に屈折率導波
領域を、チップ中央部に利得導波領域をそれぞれ有して
いる。活性層はノンドープＧａＡｓを井戸層とする単一
量子井戸で、井戸層の膜厚は５０Å（０．００５μｍ）
　である。

【０００８】活性層を挟み込む２層の光導波路層は、組
成、膜厚がそれぞれ異なり、活性層に対して非対称な導
波路構造となっている。

【０００９】次に本発明の高出力半導体レーザの製造方
法を、図３、及び図４を用いて説明する。なお、図３は
屈折率導波領域、図４は利得導波領域における製造工程
中の断面図をそれぞれ示す。

【００１０】まず表１に示す様な積層構造を、ｎ型Ｇａ
Ａｓ基板上に順次エピタキシャル成長する。成長はトリ
メチルガリウム（（ＣＨ３）３Ｇａ：ＴＭＧ）等の有機
金属化合物、およびアルシン（ＡｓＨ３）　等の水素化
物を原料とする有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法
）によって行ない、その成長温度は７３０℃とする。

【００１１】

【表１】

【００１２】次いで、上記コンタクト層上に二酸化ケイ
素（ＳｉＯ２　）等の絶縁膜（１９）を熱ＣＶＤ法によ
って蒸着し（図３，４（ａ））、フォトリソグラフィー
工程によってパターンニングする。さらに上記絶縁膜を
マスクとしてリブのエッチングを行う。リブのエッチン
グには硫酸系エッチャントを使用し、上側の光導波路層
とクラッド層の境界部までエッチングを行う（図３，４
（ｂ））。

【００１３】リブのエッチング後、絶縁物マスクを残し
たままの状態でリブをＺｎＳｅによって埋め込む。ここ
で行う埋め込み成長も、有機金属化学気相成長法によっ
て行なう。原料として、ジメチル亜鉛＝ジメチルセレン
＝アダクト（ＤＭＺｎ−ＤＭＳｅ）、及びセレン化水素
を用いた（図３，４（ｃ））。

【００１４】リブ上に積層した多結晶ＺｎＳｅは、反応
性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）法により除去す
る。ここでは、リブ上の多結晶ＺｎＳｅを完全に除去す
ると同時に、ＺｎＳｅ、及びＳｉＯ２　のエッチングレ
ートの差を利用して、リブの上面とＺｎＳｅ層の上面と
が同じ高さになる様にエッチング時間を調整し、チップ
に平坦化を図る（図３，４（ｄ））。

【００１５】リブ上に積層した多結晶ＺｎＳｅの除去後
、利得導波領域を作成する。利得導波領域においては、
電流注入幅を屈折率導波路幅より小さくする必要がある
。そこで、コンタクト層は中央の電流注入領域を残して
他はエッチングにより除去する。上側クラッド層はその
Ａｌ組成が　０．４５と大きいため、その上に電極を直
接形成してもコンタクトが取れず、電流注入領域以外か
ら電流が注入されるということはない（図４（ｅ））。

【００１６】以上のようにして、屈折率導波領域、利得
導波領域がそれぞれ形成された。最後に、基板を１００
μｍ厚まで研磨し、ｐ側、ｎ側それぞれの電極を蒸着す
ると、ＺｎＳｅ埋め込み分離閉じ込め型単一量子井戸レ
ーザ（ＳＣＨ−ＳＱＷ−ＬＤ）が完成する（図３，４（
ｆ））。

【００１７】ところで、チップの一部分に利得導波領域
を導入することによって低雑音化を図る半導体レーザに
おいては、利得導波領域においてある程度の無効電流が
流れてしまう。このため屈折率導波領域のみからなる半
導体レーザ（以下単純ストライプ型レーザと称する）に
比べると、一定の光出力を得るためにより多くの電流を
流す必要が生じる。すなわちレーザチップの発熱量が大
きくなり、端面の光学損傷（ＣＯＤ：Ｃａｔａｓｔｒｏ
ｐｉｃ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｄａｍａｇｅ、以下ＣＯＤと
略する）レベルは、単純ストライプ型レーザのそれに比
べて低くなってしまう。また、端面の光密度がＣＯＤレ
ベルに達する前に、光出力は熱的に飽和してしまうこと
もある。この様なことから、発熱量が大きい半導体レー
ザにおいては、発光効率を向上させ、駆動電流を少しで
も小さく抑えることが必要である。

【００１８】本発明の半導体レーザにおいては、活性層
の膜厚が電子のド・ブロイ波長以下の量子井戸構造を採
用しており、活性層における電子、あるいは正孔の準位
は量子化されている。活性層が膜厚　０．１μｍ程度の
バルク結晶からなるダブルヘテロ構造半導体レーザと比
べると、活性層のエネルギー準位が量子化されることに
よって、発光効率が高く、しきい電流値が低くなってい
る。

【００１９】また、本発明の半導体レーザの導波路構造
は、活性層の上下で非対称となっている。この結果、生
じたレーザ光の光強度分布のピーク位置が活性層からは
ずれる。表１に示した構造を光導波路とみたてて光強度
分布を計算したところ、光強度のピーク位置は上側光導
波路層中の活性層から約　０．１２μｍの地点にあり、
活性層部分の光強度はピーク位置の７５％程度であった
。 実際には利得が存在するため計算の通りにはならないが
、活性層から光強度分布ピークをはずす効果は十分であ
る。

【００２０】以上のような考察のもとに、第１の実施例
に示した構造の半導体レーザを作成し特性を測定したと
ころ、その最高出力は約９０ｍＷであった。参考までに
活性層がバルク構造の低雑音レーザ、及び活性層は量子
井戸構造だが導波路構造が活性層の上下で対称な低雑音
レーザの最高出力を表２に示す。活性層に量子井戸構造
を導入することによって発光効率が向上し、また活性層
の上下で導波路構造を非対称とすることによって活性層
の光密度が下り、その結果として最高出力が大きくなっ
ていることがわかる。

【００２１】活性層を単一量子井戸構造ではなく、Ｇａ
Ａｓ及びＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓをそれぞれ井戸層、
障壁層とする二重量子井戸構造とすることによって、更
に高出力化を図ることができる。井戸層が１層のみの単
一量子井戸構造では、井戸層の膜厚が薄い、あるいは注
入電流が多いとき、キャリアが井戸層からオーバーフロ
ーしてしまう。この結果、発光に関与しない電流が増加
し、しきい電流値が上昇、発光効率が低下する。しかし
活性層に二重量子井戸構造を導入すると、活性層へのキ
ャリアの閉じ込めが強くなり、キャリアのオーバフロー
を低く抑えることができる。すなわち、量子井戸半導体
レーザの、発光効率をさらに高くする事ができる。

【００２２】

【表２】

【００２３】図５は、本発明の第３の実施例を示すもの
で、（ａ）は屈折率導波領域、（Ｂ）は利得導波領域の
断面をそれぞれ示す。今までにあげた２種類の実施例と
の違いは、リブが基板に達するまでエッチングされてい
る点と、リブの埋め込みをＧａＡｓと格子整合するＺｎ
Ｓ０．０６Ｓｅ０．９４（５１）によって行っている点
の２点である。

【００２４】この実施例においては、活性層と格子定数
が一致するＺｎＳＳｅ混晶でリブを埋め込んでいるため
、格子ミスマッチに基づくストレスが活性層にかかりに
くくなっている。従って、活性層に格子欠陥が生じにく
くなり、この結果半導体レーザの信頼性、性能の向上が
可能となる。また、埋め込み層を形成するＺｎＳＳｅの
側からみても、埋め込み成長中、リブ側面との界面にお
いてストレスが生じないため、良質の埋め込み層を形成
することができると同時に、リブ側面への密着性が向上
し、光波、及びキャリアの閉じ込め効果が向上する。

【００２５】なお、本発明の半導体レーザの実施例の説
明においては、埋め込み層としてＩＩ−ＶＩ族化合物半
導体であるＺｎＳｅ、あるいはＺｎＳＳｅを用いた場合
について説明を行ってきたが、他のＩＩ−ＶＩ族化合物
半導体を用いた場合でも、同様の効果を得ることができ
る。すなわち、ＶＩ族原料としてはセレン、硫黄、テル
ル等があげられ、ＩＩ族原料としては亜鉛、カドミウム
等が利用でき、これらを組み合わせた、２元系、３元系
、４元系等の混晶においても、良好な特性を得ることが
できる。なお、いずれの場合でも、活性層を形成する　
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体と埋め込み層とを格子マッチ
ングさせた方がよい結果が得られることは言うまでもな
い。

【００２６】加えて、本発明の半導体レーザはＡｌＧａ
Ａｓ系以外のレーザ材料、例えばＩｎＧａＡｓＰ系、Ｉ
ｎＧａＰ系の材料に対しても同様に適用できる。また、
実施例において各層の導電型をすべて反対にした構造（
ｐをｎに、ｎをｐに置き換えた構造）についても同様の
効果が期待できる。

【００２７】

【発明の効果】低雑音型半導体レーザに量子井戸活性層
、及び非対称光導波路構造を導入した本発明の半導体レ
ーザは、以下の様な効果を有する。

【００２８】（１）量子井戸活性層を用いたことにより
、発光効率が飛躍的に向上すると同時に、発振しきい電
流値が低くなった。これは、活性層内のキャリアのエネ
ルギー準位が量子化されたためである。駆動電流が比較
的大きく発熱しやすい本発明の様な構造の半導体レーザ
においては、低しきい値化、高効率化は特に重要であり
、量子井戸構造の導入は非常に有効である。

【００２９】（２）量子井戸活性層においては、発振し
た光が活性層から上下の光導波路にしみだしやすく、活
性層の光密度が下がる。また、導波路構造を活性層の上
下で非対称とすることにより、光強度分布のピークが活
性層からはずれる。すなわち、非対称構造導波路によっ
ても活性層の光密度が下がり、さらに高出力化が期待で
きる。また、端面の光学損傷を起こす光密度が、バルク
構造活性層の半導体レーザに比べると約　１．５〜２倍
に高くなり、この点でも高出力化の点で有利である。

【００３０】（３）活性層を多重量子井戸化することに
よって、活性領域からのキャリアのオーバーフローが抑
制される。すなわち、無効電流が減少しチップの発熱が
抑えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す斜視図。

【図２】本発明の第１の実施例を示す断面図で、（ａ）
は屈折率導波領域、（ｂ）は利得導波領域を示す断面図
。

【図３】（ａ）から（ｆ）は本発明の半導体レーザの屈
折率導波領域の製造工程を示す断面図。

【図４】（ａ）から（ｆ）は本発明の半導体レーザの利
得導波領域の製造工程を示す断面図。

【図５】本発明の第２の実施例を示す断面図で、（ａ）
は屈折率導波領域、（ｂ）は利得導波領域を示す断面図
。

【図６】従来技術を示す斜視図。

【符号の説明】

１１　　ｎ型ＧａＡｓ基板 １２　　ｎ型ＧａＡｓバッファー層 １３　　ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層 １４　　ｎ型ＡｌＧａＡｓ光導波路層 １５　　量子井戸活性層 １６　　ｐ型ＡｌＧａＡｓ光導波路層 １７　　ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層 １８　　ｐ型ＧａＡｓコンタクト層 １９　　ＳｉＯ２　マスク ２０　　単結晶ＺｎＳｅ ２１　　多結晶ＺｎＳｅ ２２　　ｐ型オーミック電極 ２３　　ｎ型オーミック電極 ５１　　単結晶ＺｎＳＳｅ ６１　　活性層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　少なくとも一方の端面近傍では屈折率
   導波路幅と電流注入領域幅とを同じにして屈折率導波構
   造とし、その他の領域では屈折率導波路幅を電流注入領
   域幅より十分広くして利得導波構造とした　ＩＩＩ−Ｖ
   族化合物半導体層よりなるリブ状の光導波路を有し、か
   つ該光導波路ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層で埋め込んだ
   構造の半導体レーザにおいて、該半導体レーザの光導波
   路は、少なくとも半導体基板上に積層された第１のクラ
   ッド層、第１の光導波路層、活性層、第２の光導波路層
   、第２のクラッド層より形成されており、該活性層は井
   戸層の数が１の単一量子井戸構造を有していると同時に
   、第１の光導波路層と第２の光導波路層の材質、膜厚の
   内少なくとも一方が異なることを特徴とする半導体レー
   ザ。
2. 【請求項２】　　量子井戸層の数が２以上の複数である
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。