JPH04398B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 禁制帯幅を異にする複数の半導体層の積層体よ
りなり、上下方向（層厚方向）の光閉じ込め能は
禁制帯幅の差にもとづく屈折率の差を利用してな
し、横方向（層方向）の光閉じ込め能は不純物濃
度差にもとづく屈折率の差を利用してなす、ダブ
ルヘテロ接合型の半導体レーザの発光スポツトを
円形に近くする改良に関し、 半導体発光装置、特にダブルヘテロ接合型の半
導体レーザにおいて、横方向光放出角が縦方向光
放出角とおゝむね同一であり、発光スポツトが円
形に近く、しきい値電流の小さい半導体発光装
置、特にペダルヘテロ接合型の半導体レーザを提
供することを目的とし、 第１の導電型を有する半導体層よりなる活性層
と、この活性層を挟んで配設された第１の導電型
を有する半導体層よりなる第１クラツド層と第２
クラツド層とを備え、この第１クラツド層と前記
の活性層との中、または、前記の第２クラツド層
と前記の活性層との中のいずれかには、前記の第
１クラツド層または前記の第２クラツド層から前
記の活性層内に延びて発光ストライプの左右に略
対象な湾曲状をなし、かつ、その先端が前記の活
性層と前記の第２クラツド層との界面または前記
の活性層と前記の第１クラツド層との界面に接し
ている第２の導電型を有する領域が形成されてい
る半導体発光装置、特にダブルヘテロ接合型の半
導体レーザをもつて構成される。

〔産業上の利用分野〕

本発明は半導体発光装置に関する。特に、禁制
帯幅を異にする複数の半導体層の積層体よりな
り、上下方向（層厚方向）の光閉じ込め能は禁制
帯幅の差にもとづく屈折率の差を利用してなし、
横方向（層方向）の光閉じ込め能は不純物濃度差
にもとづく屈折率の差を利用してなすダブルヘテ
ロ接合型の半導体レーザの発光スポツトを円形に
近くする改良に関する。

〔従来の技術〕

半導体発光装置、特に半導体レーザにおいて
は、光放射パターンすなわち発光スポツトが円形
に近いことが望ましい。発光スポツトが円形であ
ると、半導体レーザの放出光を光フアイバに効率
的に結合しうるからである。しかし、従来のダブ
ルヘテロ接合型の半導体レーザにあつては、縦方
向の放射角と横方向の放射角との比は３〜５であ
り、光放射パターンは縦長の楕円形である。

光放射パターンが縦長の楕円形となる理由は、
下記のとうりである。すなわち、ダブルヘテロ接
合型の半導体レーザにおいては、縦方向（上下方
向）の光閉じ込め能は、禁制帯幅の差にもとづく
屈折率の差を利用して、クラツド層に挟み込まれ
た極めて薄い厚さ（0.1〜0.2μm）の活性層内に光
を閉じ込めようとするものであり、横方向（層方
向）の光閉じ込め能は、不純物濃度差にもとづく
屈折率の差を利用して、ストライプ領域内に光を
閉じ込めようとするものであるが、活性層の層厚
が極めて薄いため、縦方向（上下方向）の光の
「溢み出し」を有効に防止することが困難で、縦
方向の光放射出角は大きいに反し、活性層の横方
向の幅はそれ程小さくできず、数μm程度と必要
とするため、横方向（層方向）の光の「溢み出
し」はおゝむね有効に防止することができ、横方
向の光放出角は小さくなるからである。

光放射パターンを円形に近づけるためには、横
方向の光閉じ込め効果を縦方向の光閉じ込め効果
と、おゝむね同一にすることが必要である。

また、キヤリヤと光との閉じ込め効果を大きく
することは、しきい値電流を低下することにもな
り、発光効率を向上するために有効でもある。

なお、横方向の閉じ込め能力を向上させるため
に有効な手段の１つの発光領域側面にヘテロ接合
を形成することが知られているはいるが、活性層
の発光部の横方向の幅を極度に小さくすることは
容易ではないので、一般には、不純物濃度の相違
にもとづくキヤリヤや光の閉じ込め能力を利用し
た横モードガイド方式が広く使用されていること
は上記のとうであり、本発明もこの構成を前提と
する。

縦方向の光閉じ込めにはダブルヘテロ構造を利
用し、横モードガイドとしては不純物濃度差を利
用しているダブルヘテロ接合型の半導体レーザの
層構成の一例を第１図に示す。図において、１は
ｎ型ガリウムヒ素（ｎ−GaAs）よりなる基板で
あり、２はｎ型ガリウムアルミニウムヒ素（ｎ−
Ga₁−yAlyAs）よりなる第１クラツド層（下部
クラツド層）であり、３はｎ型ガリウムアルミニ
ウムヒ素（ｎ−Ga₁−zAlzAs）よりなる活性層
であり、４はｎ型ガリウムアルミニウムヒ素（ｎ
−Ga₁−yAlyAs）よりなる第２クラツド層（上
部クラツド層）であり、５はｐ型ガリウムアルミ
ニウムヒ素（ｐ−Ga₁−xAlxAs）よりなるｐ型
層であり、６はｎ型ガリウムヒソ（ｎ−GaAs）
よりなるコンタクト層である。７はPN接合面で
あり、このPN接合面７に囲まれた領域８はｐ型
領域である。混晶比ｚは発光周波数によつて選択
され、0.8μm帯の発振波長を得るためには通常ｚ
＝0.05程度が広く使用されており、混晶比ｘとｙ
とｚとにはｘ＝ｙ＞ｚの関係が必要である。

このような混晶比を有するダブルヘテロ接合構
造のダブルヘテロ接合型の半導体レーザにおいて
は、縦方向のキヤリヤと光との閉じ込め能力は禁
制帯幅の差にもとづく屈折率差に依存しており、
横モードガイドは濃度差にもとづく屈折率差に依
存している。すなわち、横方向の光閉じ込め作用
は第２図に示す如く、活性層３が屈折率に差のあ
る三つの領域に横方向に区切られているので、光
は中央部に集束される。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記の如き層構成を有すダブルヘテ
ロ接合型の半導体レーザにおいては、ストライプ
幅が６cmの場合その光放射角は7゜程度であり、ス
トライプ幅が4μmの場合その光放射角は8.5゜程度
であり、ストライプ幅が3μmの場合その光放射角
は11゜程度となる。すなわち、ストライプ幅が狭
くなるにつれて光放射角が大きくなる傾向があ
る。そして、光放射角を10゜以上にするためには
ストライプ幅を3μm程度以下にする必要がある。

一方、活性層３の厚さは0.1μm程度であるか
ら、縦方向の光放射角は極めて大きくなり、光放
射パターンは第８図ａ・ｂに示すような縦長の楕
円になる。第８図ａは、活性層３と上下のクラツ
ド層２・４との層構造を示し、第８図ｂは、第８
図ａとおゝむね同一の領域における発光パターン
を示す。

そこで、発光パターンを円形にするには、横方
向の光放出角も、極力縦方向の光放射角に近ず
け、少なくとも10゜以上にすることが望ましい。
しかし、横方向の光放射角を10゜以上にするため
にはストライプ幅を3μm程度以下にする必要があ
るが、ストライプ幅を3μm以下とすることは必ず
しも容易ではない。

本発明の目的は、半導体発光装置、特に、縦方
向の光閉じ込め効果はダブルヘテロ接合に起因す
る禁制帯幅の差にもとづく屈折率差に依存し、横
モードガイドは不純物濃度差にもとづく屈折率差
に依存するダブルヘテロ接合型の半導体レーザに
おいて、縦方向光放出角を横方向光放出角とおゝ
むね同一とし、発光スポツトを円形に近くし、し
きい値電流を小さくする改良を提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的は、第１の導電型を有する半導体層
よりなる活性層１３と、この活性層１３を挟んで
配設された第１の導電型を有する半導体層よりな
る第１クラツド層１２と第２クラツド層１４とを
備え、この第１クラツド層１２と前記の活性層１
３との中、または、前記の第２クラツド層１４と
前記の活性層１３との中のいずれかには、前記の
第１クラツド層１２または前記の第２クラツド層
１４から前記の活性層１３内に延びて、発光スト
ライプの左右に略対象な湾曲状をなし、かつ、そ
の先端が前記の活性層１３と前記の第２クラツド
層１４との界面または前記の活性層１３と前記の
第１クラツド層１２との界面に接している第２の
導電型を有する領域２２が形成されている半導体
レーザによつて達成される。

〔作用〕

本発明に係る半導体発光装置、特にダブルヘテ
ロ接合型の半導体レーザは、上記のとおり、横方
向の光放射角を広げるため、第９図ａに示すよう
に、発光層１３内に形成されるPN接合１７を、
押し込み拡散法（ドライブンデイフユージヨン
法）等を使用して幅が狭く下方に凸の湾曲状とな
し、かつ、その下端を活性層１３の下面に接触さ
せ、活性層１３の下部領域においては横方向の寸
法を極めて小さくし、この横方向の寸法を、活性
層１３の上部領域に移るにしたがつて大きくし、
その結果、活性層１３の下部領域においては横方
向光放出角を大きくし、活性層１３の上部領域に
移るにしたがつて横方向光放出角を小さくし、活
性層１３の上部領域においては、従来技術の場合
（第８図ｂに示す）と同程度まで横方向光放出角
を小さくし、この次第に変化する光放出角を積極
的に利用して、第９図ｂに示すように、縦方向光
放出角を横方向光放出角と同程度の大きさとし、
円形の発光放出パターンを実現するものである。

また、第５図に示すように、発光層１３内での
発光領域（ｐ型領域２２）における横方向の屈折
率差は徐々に傾斜する（第５図に示すように横方
向の中心において大きくなり、左右端部において
次第に小さくなる）ことになり、特に左右端部に
おける光閉じ込め効果を小さくなり横方向光放出
角が大きくなり、その結果、縦方向光放出角が横
方向光放出角と同程度の大きさとなり、円形の発
光放出パターンを実現するものである。

本発明に係る半導体発光装置、特にダブルヘテ
ロ接合型の半導体レーザは、これらの効果を利用
して、縦方向光放出角を横方向光放出角とおゝむ
ね同一とし、発光スポツトを円形に近くし、しき
い値電流を小さくするものである。

ここで、特に重要なことは、活性層１３のｐ型
領域が下部クラツド層１２と接触していることで
ある。さもないと、活性層１３には、その下部に
ｎ型領域も存在することになり、このｎ型領域に
おいても、いくらか発光することになるが、この
ｎ型領域における発光をガイドする（閉じ込め
る）機能はないので、このｎ型領域における発光
のスポツトは大きくなることになり、一方、レー
ザの発光は上記のｐ型領域における発光とこのｎ
型領域における発光とが重畳したものであるか
ら、レーザ全体の光放出パターンは円形にはなら
ないからである。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施例に
係る半導体レーザの製造工程を説明する。

第３図参照 液相エピタキシヤル成長法を使用して、ｎ型の
ガリウムヒ素（ｎ−GaAs）基板１１上に厚さ1.5
〜2μmのｎ型のガリウムアルミニウムヒ素（ｎ−
Ga₁−yAlyAs）よりなる第１クラツド層（下部
クラツド層）１２と、厚さ0.15μmのｎ型のガリ
ウムアルミニウムヒ素（ｎ−Ga₁−zAlzAs）よ
りなる活性層１３と、厚さ0.5μmのｎ型のガリウ
ムアルミニウムヒ素（ｎ−Ga₁−yAlyAs）より
なる第２クラツド層（上部クラツド層）１４と、
厚さ1μmのｐ型のガリウムアルミニウムヒ素（ｐ
−Ga₁−xAlxAs）よりなるｐ型層１５と、厚さ
1μmのｎ型ガリウムヒ素（ｎ−GaAs）よりなる
コンタクト層１６とをつづけて形成する。このと
き、発光層１３のｎ型不純物濃度は３×10¹⁸／cm³
程度以上とする。また、混晶比ｘ，ｙ，ｚの間に
はｘ＝ｙ＞ｚの関係があることは必須であり、ｚ
の値は発光させる光の波長に応じて決定されるこ
とは周知である。

第４図参照 コンタクト層１６上に、発光領域に対応する領
域にスリツト状の開口を有する拡散マスク１９を
形成する。このマスク１９は二酸化シリコンガラ
スと窒化シリコンガラスとの二重層よりなり、ス
リツト状の開口の幅は１〜1.5μmが適当である。

次に、この拡散マスク１９を使用して、ヒ化亜
鉛（ZnAs₂）をソースとして700℃の温度におい
て約30分間拡散を実行して、ｐ型不純物濃度１×
10²¹／cm³の領域を深さ1.5μm程度まで形成する。
拡散ソースを除去した後、900℃の温度で約３時
間、押し込み拡散（ドライブインデイフユージヨ
ン）を実行する。この結果、図示するように下方
に凸の湾曲面状のPN接合面１７が形成され、そ
の断面の形状が図示するように半円形状に近いｐ
型領域２２が形成される。このｐ型領域２２のｐ
型不純物濃度は発光層１３内において0.5×
10¹⁹／cm³程度となる。また、PN接合面１７の最
下端は、第１クラツド層（下部クラツド層）１２
と活性層１３との界面に接するように形成され、
PN接合面１７の活性層１３中における傾斜が
おゝむね適当になり、かつ、活性層１３のｐ型領
域２２の幅は3μm程度となる。

第５図参照 上記せるように、PN接合面１７が下方に凸の
湾曲状であると、活性層１３中における実質的屈
折率は、第５図に示すように、活性層１３内のｐ
型不純物領域２２において、その横方向中心にお
いては大きいが、左右の端部においては徐々に小
さくなつている。そのため、光閉じ込め効果も、
横方向中心においては大きいが、左右の端部にお
いては徐々に小さくなつており、そのため、光放
出角は、特に左右の端部において大きくなる。

それと同時に、〔作用〕の項で述べたように、
活性層１３の下部領域においては横方向の寸法は
極めて小さくし、この横方向の寸法は、活性層１
３の上部領域に移るにしたがつて大きくなり、そ
の結果、活性層１３の下部領域において横方向光
放出角が大きくし、活性層１３の上部領域に移る
にしたがつて横方向光放出角を小さくなり、活性
層１３の上部領域においては、従来技術の場合
（第８図ｂに示す）と同程度まで横方向光放出角
が小さくなり、この次第に変化する光放出角の効
果により、縦方向光放出角と横方向光放出角とが
同程度の大きさなり、その結果、発光スポツトす
なわち光放出パターンは、第９図ｂに示すよう
に、縦方向光放出角が横方向光放出角と同程度の
大きさとなり、円形の発光放出パターンを実現す
る。

第６図参照 リン酸等をフツ酸等とを使用して拡散マスク１
９を溶解除去した後、コンタクト層１６上に正電
極２０を、また、基板１１の下面に負電極２１を
蒸着する。

以上の工程をもつて製造されたダブルヘテロ接
合型の半導体レーザは、上記のとおり、横方向の
光放射角が活性層１３の下部においては極めて大
きく、この光放射角は、上部に向かつて次第に小
さくなつているので、レーザ全体としての横方向
の光放出角は大きくなり、レーザ全体としては縦
方向の光放射角と横方向の光放射角とが同一程度
となる。

実験結果によれば、ストライプ幅が６cmの場
合、横方向光放射角は8゜となり、ストライプ幅が
4μmの場合、横方向光放射角は10゜となり、スト
ライプ幅が3μmの場合、横方向光放射角は14゜と
なり、第１図に示す従来技術の場合に比し、20〜
30％大きくされている。一例として、ストライプ
幅が3μmであり出力が5mWである場合の遠視野
像（フアーフイールドパターン）を図示すると第
７図のとうりである。破線をもつて示された従来
の半導体レーザの特性Ａに比べて実線をもつて示
された本発明による半導体レーザの特性Ｂは横方
向光放射角が広く、大幅に改善されていることが
明らかである。

また、本発明に係る半導体発光装置、特に、ダ
ブルヘテロ接合型の半導体レーザにおいては、発
光領域の断面積が、従来のダブルヘテロ接合型の
半導体レーザに比べて小さくされているので、結
果的にしきい値電流が減少されるという効果も大
きい。

以上の説明にあつてはガリウムヒ素（GaAs）
とガリウムアルミニウムヒ素（GaAlAs）との組
合せをもつて構成された半導体発光装置について
述べてあるが、結晶整合が可能であり基礎吸収端
波長が適当であり禁制帯幅が適当である、他の半
導体の組合せをもつても構成可能なことは云うま
でもない。例えば、インジユウムリン（InP）と
インジユウムガリウムヒ素リン（InGaAsP）等
の組合せ等である。

〔発明の効果〕

以上説明せるとおり、本発明に係る半導体発光
装置、特に、禁制帯幅を異にする複数の半導体層
の積層体よりなり、上下方向（層厚方向）の光閉
じ込め能は禁制帯幅の差にもとづく屈折率の差を
利用してなし、横方向（層方向）の光閉じ込め能
は不純物濃度差にもとづく屈折率の差を利用して
なすダブルヘテロ接合型の半導体レーザにあつて
は、第１の導電型を有する半導体層よりなる活性
層と、この活性層を挟んで配設された第１の導電
型を有する半導体層よりなる第１クラツド層と第
２クラツド層とを備え、この第１クラツド層と前
記の活性層との中、または、前記の第２クラツド
層と前記の活性層との中のいずれかには、前記の
第１クラツド層または前記の第２クラツド層から
前記の活性層内に延びて発光ストライプの左右に
略対象な湾曲状をなし、かつ、その先端が前記の
活性層と前記の第２クラツド層との界面または前
記の活性層と前記の第１クラツド層との界面に接
している第２の導電型を有する領域が形成されて
いるので、活性層の下部領域においては横方向の
寸法が極めて小さく、横方向光放出角が大きくな
り、活性層の上部領域に移るにしたがつて横方向
の寸法が大きくなるので、横方向光放出角が次第
に小さくなり、活性層の上部領域においては、従
来技術の場合と同程度まで横方向光放出角が小さ
くり、この次第に変化する光放出角の効果によ
り、縦方向光放出角と横方向光放出角とが同程度
の大きさとなり、円形の発光放出パターンが実現
する。また、活性層内での発光領域（ｐ型領域）
における横方向の屈折率差は徐々に傾斜する（第
５図に示すように横方向の中心において大きくな
り、左右端部において次第に小さくなる）ので、
特に左右端部における光閉じ込め効果を小さくな
り横方向光放出角が大きくなり、縦方向光放出角
を横方向光放出角と同程度の大きさとし、円形の
発光放出パターンを実現する効果もある。

その結果、発光スポツトが円形に近く、しきい
値電流が小さい半導体発光装置、特に、ダブルヘ
テロ接合型の半導体レーザを提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来技術に係る半導体発光装置の基
板断面図である。第２図は、第１図に示す層構成
における活性層内の横方向屈折率差の変化を示す
グラフである。第３図，第４図，第６図は、本発
明の一実施例に係る半導体発光装置の製造方法に
おける主要工程完了後の基板断面図である。第５
図は、第４図に示す層構成における活性層内の横
方向屈折率差の変化を示すグラフである。第７図
は、本発明の一実施例に係る半導体発光装置の遠
視野像と従来技術に係る半導体発光装置の遠視野
像とを比較するグラフである。第８図ａは、従来
技術に係るダブルヘテロ接合型の半導体レーザの
発光層と上下のクラツド層との層構造を示す図で
ある。第８図ｂは、従来技術に係るダブルヘテロ
接合型の半導体レーザの、第８図ａに示す領域と
おゝむね同一の領域における発光パターンを示す
図である。第９図ａは、本発明に係るダブルヘテ
ロ接合型の半導体レーザの発光層と上下のクラツ
ド層との層構造を示す図である。第９図ｂは、本
発明に係るダブルヘテロ接合型の半導体レーザ
の、第９図ａに示す領域とおゝむね同一の領域に
おける発光パターンを示す図である。 １，１１…基板（ｎ−GaAs）、２，１２…第
１クラツド層（ｎ−Ga₁−yAlyAs）、３，１３…
活性層（ｎ−Sa₁−zAlzAs）、４，１４…第２ク
ラツド層（ｎ−Ga₁−yAlyAs）、５，１５…ｐ型
層（ｐ−Ga₁−xAlxAs）、６，１６…コンタクト
層（ｎ−GaAs）、７，１７…PN接合面、８，１
８…従来技術に係るダブルヘテロ接合型の半導体
レーザのｐ領域、１９…拡散マスク、２０…正電
極、２１…負電極、２２…本発明に係るダブルヘ
テロ接合型の半導体レーザのｐ型領域。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の導電型を有する半導体層よりなる活性
   層１３と、 該活性層１３を挟んで配設された第１の導電型
   を有する半導体層よりなる第１クラツド層１２と
   第２クラツド層１４とを備え、 該第１クラツド層１２と前記活性層１３との
   中、または、前記第２クラツド層１４と前記活性
   層１３との中には、前記第１クラツド層１２また
   は前記第２クラツド層１４から前記活性層１３内
   に延びて発光ストライプの左右に略対象な湾曲状
   をなし、かつ、その先端が前記活性層１３と前記
   第２クラツド層１４との界面または前記活性層１
   ３と前記第１クラツド層１２との界面に接してな
   る第２の導電型の領域２２が形成されてなり、 発光スポツトが略円形である ことを特徴とする半導体発光装置。