JPH0695587B2

JPH0695587B2 - 半導体レーザ素子

Info

Publication number: JPH0695587B2
Application number: JP62244981A
Authority: JP
Inventors: 元隆種谷; 晃広松本; 弘之細羽; 完益松井
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1987-09-28
Filing date: 1987-09-28
Publication date: 1994-11-24
Anticipated expiration: 2009-11-24
Also published as: JPS6486586A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の分野］この発明は半導体レーザ素子に関し、特に、縦方向に複
数の活性層を有し、その遠視野像がほぼ真円になる半導
体レーザ素子に関する。

［従来の技術］半導体レーザ素子は、光ディスク，光通信あるいはレー
ザプリンタ用の光源として今後益々その応用が多枝にわ
たるであろうと予想されている。そのような発展の過程
において、半導体レーザ素子には、より一層の高出力，
低雑音，短波長などの特性が要求されている。このうち
でも、特に高出力に対する要求は応用システムの高速化
および高性能化に関して非常に重要である。このような
目的を持って、半導体レーザアレイが現在盛んに開発さ
れており、その最大出力は10Wレベルに達している。

第3A図ないし第3C図は従来の半導体素子を示す図であ
り、特に、第3A図は半導体レーザ素子の断面構造を示す
図であり、第3B図は第3A図に示した半導体レーザ素子の
活性層に垂直方向の遠視野像を示す図であり、第3C図は
同じく水平方向の遠視野像を示す図である。

上述の第3A図ないし第3C図に示した従来の半導体レーザ
素子は、D.R.ScifresらによってElectronics Letters,
Vol.19（５），第169頁〜第171頁（1983）に発表された
ものである。第3A図において、ｎ型GaAs基板101上に
は、ｎ−Ga_0.6Al_0.4Asクラッド層102,活性層103,p−Ga
_0.6Al_0.4Asクラッド層104,p−GaAsキャップ層105および
電極106がそれぞれ順次積層して構成されている。

上述の第3A図に示した半導体レーザ素子により発振せし
められる光の出力遠視野像のうち、レーザ活性層に垂直
方向の特性が第3B図に示され、平行方向の特性が第3C図
に示されている。高出力特性としては、連続駆動式にお
いて800mWが得られているが、水平遠視野像は第3C図に
示すように、２本のピークを有しており、１点に集光す
る場合、その片方しか利用できない。その上、ピークの
半値全角は約2.0゜と細くなっている。これは横方向に
位置する複数の発光点からの光が位相同期しているた
め、最大発光幅を開口として光が回折されることによる
ものである。

しかし、活性層に垂直な方向のビームの半値全角は第3C
図に示されているように22゜と単体のレーザ素子と同等
の太さになっている。これにより、遠視野像は縦長な楕
円形となり、その縦横比は約11と真円からはかけ離れて
いる。このように、縦横比が１からずれたビームは、レ
ンズで１点に絞り込む場合、すべての光を利用すること
は困難となり、実際にレンズに入射する光量は全パワー
の10％以下になってしまう。これら２つの理由により、
3A図に示した半導体レーザ素子では、総出力800mWのう
ちの40mW以下の光しか集光に寄与しないことになる。

上述の欠点を解決するために、D.G.DeppeらによってApp
lied Physics Letters Vol.50（７），第392頁〜第3
94頁（1987）で発表されたような層に垂直方向に複数の
活性領域を有し、それらから発せられる光を位相同期さ
せるような構造が考えられている。

第4A図ないし第4C図はそのような半導体レーザ素子を示
す図であり、特に、第4A図は断面構造を示し、第4B図は
半導体レーザ素子の活性層に垂直方向の遠視野像を示
し、第4C図は同じく水平方向の遠視野像を示す。

第4A図において、半導体レーザ素子は、ｎ−GaAs基板30
1上に、分子線エピタキシャル（MBE）成長法により、ｎ
−AlxGa_1-xAsバッファ層302,4層のｐ−AlxGa_1-xAsクラ
ッド層303,305,307,309,3層のｐ−量子井戸（QW）構造
の活性層304,306,308を交互にかつGaAsコンタクト層312
を連続的に成長させた後、発光領域の両側にシリコンを
ｎ−AlxGa_1-xAsバッファ層302まで達するように拡散さ
せてｎ型領域310を形成する。最後に、全表面にシリコ
ンより低濃度で浅く亜鉛を拡散311し、シリコン拡散領
域310以外の表面をｐ型にする。なお、レーザ共振器は
劈開により作製されている。

半導体レーザ素子において、３つの活性層304,306,308
には、シリコン拡散領域310との界面320より電子が注入
されて発光が生じる。そして、この３つの活性層304,30
6,308は光学的に近接しており、結合状態にあるため、
発振レーザ光は位相同期状態となる。これにより、前述
の半導体レーザ素子と同様にして、活性層304,306,308
に垂直方向の開口を大きくすることが可能となり、その
遠視野像は第4B図に示すように半値全角が8.7度とな
り、１つの活性層しか有しない従来の半導体レーザ素子
の値の1/3と細くなっている。しかし、電子の注入され
るのが活性層側面の６箇所320が非常に狭い領域となっ
ているため、発光が６箇所320付近に局在することにな
る。このために、第4C図に示すように、活性層304,306,
308に平行方向の遠視野像は２つのピークを有する形と
なり、真円に近い単一ビームは実現されていないのが現
状である。

上述の電流注入形の半導体レーザ素子としては、亜鉛を
深く拡散した素子も知られており、この構造を適用した
複数活性層半導体レーザ素子も提案されている。

第5A図ないし第5C図はそのような半導体レーザ素子を示
す図であって、特に、第5A図は断面構造を示し、第5B図
は第5A図に示した半導体レーザ素子の活性層に垂直方向
の遠視野像を示し、第5C図は同じく水平方向の遠視野像
を示す。

第5A図に示した半導体レーザ素子は、半導体絶縁性また
はｎ型GaAs基板401上に、４層のｎ−AlxGa_1-xAsクラッ
ド層402,404,406,408と、３層のｎ−AlyGa_1-yAs活性層4
03,405,407を交互に形成し、最後にｎ−GaAsコンタクト
層409を成長して形成される。このときの成長法として
は、液相エピタキシャル（LPE）法や、有機金属気相エ
ピタキシャル（DM−VPE）法やMBE法などが適用可能であ
る。次に、最下部のｎ−AlxGa_1-xAsクラッド層402に達
するように表面から亜鉛拡散410を行なう。その後、熱
処理により、最初の拡散領域410のまわりに１〜２μｍ
程度の亜鉛濃度の比較的低い領域411を形成する。この
領域411はキャリア密度の差により、高濃度亜鉛拡散領
域410や拡散されていない領域より屈折率が大きくなる
ことにより光導波路となる。領域411上のGaAsコンタク
ト層409をエッチングにより取去り、その部分に絶縁物4
40を形成した後、ｐ型電極420とｎ型電極421を作成す
る。このウエハにより、劈開により共振器を形成した素
子を切離す。

［発明が解決しようとする問題点］上述のごとく構成されたた従来の半導体レーザ素子にお
いて、前述の第4A図に示した半導体レーザ素子と同様に
して、垂直方向の遠視野像は、第5B図に示すように、通
常の単一活性層素子の1/3程度の細いビームが得られて
いる。しかし、前述のごとく、光導波路を熱処理により
亜鉛の再拡散により作成しているため、制御性に欠けて
おり、かつ光導波路領域411の幅が約２μｍと小さくな
ってしまう。このため、水平方向の遠視野像が第5C図に
示すように、垂直方向よりも太いビームとなっている。
また、導波路幅の狭いことは高出力を出射させる場合に
端面での光密度の増大の原因となり、この観点からも、
第5A図に示した半導体レーザ素子は、高出力レーザ素子
として向いていないと考えられている。

その他に、通常のレーザの２重異種接合を２〜３回積層
し、活性層の存在しないｐ−ｎ逆バイアス界面ではキャ
ルアをトンネルさせる試みもなされているが、駆動時の
電圧が増大し、発熱による劣化が生じるなどの問題点が
あった。このように、従来のいずれの半導体レーザ素子
においても、真円に近いビームでかつ高出力光を発する
ことができるものは皆無であった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、1W以上の高出力
で垂直と水平のビームの拡がり角の比がほぼ１に等しい
真円パターンの光を放射できる半導体レーザ素子を提供
することである。

［問題点を解決するための手段］この発明は２層以上の光を発する第１種半導体層とその
上下に位置しかつ第１種半導体層より禁制帯幅が大き
く、屈折率の小さい第２種および第３種の半導体層を含
む半導体レーザ素子において、第２種および第３種の半
導体層は互いに逆の導電形式を有し、各第２種半導体層
はこの第２種半導体層と同一導電形式のある領域に接し
各第３種半導体層はこの第３種半導体層と同一導電形式
のある領域に接していることにより、導電形式の異なる
領域が櫛形をなし、第１種半導体層に対して水平方向に
光を放出するように構成したものである。

［作用］この発明にかかる半導体レーザ素子は、導電形式の異な
る領域の境界が櫛形となるように形成したので、この境
界部分における禁制帯幅を小さく選ぶことにより、この
部分での立ち上がり電圧が低くなり、選択的に電流が流
れ、光を第１種半導体層に対して水平方向に効率的に放
出できる。

［発明の実施例］第1A図ないし第1D図はこの発明の一実施例を示す図であ
り、特に、第1A図は断面構造を示し、第1B図はｐ−ｎ界
面形状を示し、第1C図は第1A図に示した半導体レーザ素
子の活性層に垂直方向の遠視野像を示し、第1D図は同じ
く水平方向の遠視野像を示す。

まず、第1A図を参照して、この発明の一実施例の構成に
ついて説明する。半導体レーザ素子は、半絶縁性のGaAs
基板１上にMBE法を用いてｐ−AlxGa_1-xAsクラッド層２
を1.5μｍ厚，アンドープの多重量子井戸活性層３を0.1
0μｍ厚,n−AlxGa_1-xAsクラッド層４を1.8μｍ厚，アン
ドープの多重量子井戸活性層５を0.10μｍ厚,p−AlxGa
_1-xAsクラッド層６を1.8μｍ厚，アンドープの多重量子
井戸活性層７を0.10μｍ厚，最後にｎ−AlxGa_1-xAsクラ
ッド層８を1.5μｍ厚で順次成長させて形成される。こ
のとき、各多重量子井戸活性層3,5,7の禁制帯幅は、各
クラッド層2,4,6,8よりも小さくかつ屈折率は各クラッ
ド層2,4,6,8より大きくなるようにその構造を選択する
ようにした。

次に、上述の成長ウエハの一部をストライプ状にSi₃N₄
膜13などによって覆い、それ以外の部分をGaAs基板１の
位置までエッチングする。そして、このエッチング部の
右側には、ｐ−AlyGa_1-yAsクラッド層９を成長させ、左
側にはｎ−AlyGa_1-yAsクラッド層10を成長させる。この
ときの成長法としては、LPE方やOM−VPE法などが適用可
能であり、片側の成長を実施している間、他方のエッチ
ング面または成長面はSiO₂やSi₃N₄などの誘電体膜によ
り覆うことにより、その部分への結晶成長を防いでい
る。

上述の成長のとき、１度に両側ともｎ−AlyGa_1-yAsクラ
ッド層9,10を成長させてしまい、領域９のみをイオン打
込みや熱拡散の技術を用いて、その導電形式をｐ型に反
転させるようにしてもよい。但し、両側のクラッド層9,
10は多重量子井戸活性層3,5,7より屈折率が小さく、禁
制帯幅は大きくなるように、その材料を決定させること
が重要である。この実施例では、ｘ＝ｙに選んだ。最後
に、ｐ−AlyGa_1-yAsクラッド層９上にｐ型電極11を形成
し、ｎ−AlyGa_1-yAsクラッド層10上にｎ型電極12を形成
し、長さ360μｍの共振器を劈開により形成する。

上述の如くして形成された半導体レーザ素子のｐ型領域
15とｎ型領域16の形状を第1B図に示す。但し、GaAs基板
１は絶縁性のものを用いているので、基板１へ電流が流
れないと考えることができる。このように、ｐ−ｎ界面
は櫛形になっており、そのうち活性層3,5,7の存在する
部分のみが２重異種接合構造20をなしている。その他は
AlxGa_1-xAsにより同種接合となる。素子作製手順の説明
中において述べたように、活性層3,5,7の禁制帯幅はこ
れら活性層3,5,7を取囲むクラッド層2,4,6,8,9,10に比
べて小さく選ばれているので、ｐ−ｎ界面での立ち上が
り電圧は、２重異種接合部20のみが低くなり、電圧を両
電極に印加した場合には、この異種接合部20に選択的に
電流が流れることになる。

このようにして、活性層3,5,7内にキャリアがｐ側,n側
より注入されて再結合することにより、発光が効率的に
実現される。この実施例と、前述の第3A図ないし第3C図
および第4A図ないし第4C図に示した例とを比較すると明
らかなように、キャリアの注入される界面が、この実施
例の方が格段に広くなっている。これは、この実施例に
よる半導体レーザ素子では、面状に上下からキャリアが
注入されるのに対して、従来の半導体レーザ素子では、
横方向に線状に注入する点が大きく異なっていることに
基づくものである。これによって、活性層3,5,7の全域
にわたって均一なキャリアの注入が実現され、第4A図な
いし第4C図に示した従来の半導体レーザ素子のように、
出力ビームが水平方向に２つになることはない（第1D
図）。

また、垂直方向の遠視野像は、第1C図に示すように、３
つの活性層3,5,7で発振する光が、それぞれの間のクラ
ッド層4,6にしみ出し、その減衰光の裾同士が重なり会
うことにより、位相同期したパターンとなっている。そ
の垂直方向のビーム半値幅は10.3゜，水平方向のビーム
の半値幅は9.5゜となっており、その比は1.08と非常に
１に近い値をとっていることがわかる。

このように、真円に近いビームはレンズにその80％程度
の光を入射させられ、かつその光を１点の円形スポット
に絞り込むことができる。高出力特性としては、活性層
3,5,7が３つ存在するため、第3A図に示した従来の半導
体レーザ素子の効果と同様にして、単体のレーザ素子に
比べて３倍の出力を発することが可能になる。この実施
例においては、室温連続駆動時において、約200mWの出
力を観測することができた。

なお、第1C図および第1D図に示した測定は、出力180mW
で行なわれたものである。このように、この発明を適用
することにより、この実施例による半導体レーザ素子で
は、ほぼ真円なるビームで200mWもの高出力レーザ光を
発することが可能になっていることがわかる。

次に、２次元に配列されたレーザにこの発明を適用した
実施例について説明する。

第2A図はその断面構造図である。この第2A図に示した実
施例は、まずｎ−GaAs基板201上に、LPE方により、ｎ−
AlxGa_1-xAsクラッド層202を2.0μｍ厚，無添加のAlxGa
_1-yAs活性層203を0.08μｍ厚,p−AlxGa_1-xAsクラッド層
204を1.0μｍ厚,n−AlxGa_1-xAsクラッド層205を1.0μｍ
厚，無添加AlyGa_1-yAs活性層206を0.08μｍ厚,p−AlxGa
_1-xAsクラッド層207を1.0μｍ厚,n−AlxGa_1-xAsクラッ
ド層208を1.0μｍ厚，無添加AlyGa_1-yAs活性層209を0.0
8μｍ厚,p−AlxGa_1-xAsクラッド層210を1.0μｍ厚,n−A
lxGa_1-xAsクラッド層211を1.0μｍ厚，無添加AlyGa_1-yA
s活性層212を0.08μｍ厚,p−AlxGa_1-xAsクラッド層213
を1.5μｍ厚無添加GaAsコンタクト層214を0.3μｍ厚で
順次連続的に成長させる。但し、ｘ＜ｙである。

次に、表面から0.5μｍの深さまでボロンまたは水素を
全面にイオン注入し、この部分230を高抵抗化させる。
積層されたｎ型クラッド層202,205,208,211を接続する
領域として、集束イオンビームを用いてSiを打込み、ｎ
型貫通領域221を幅約２μm,周期10μｍで形成する。同
様にして、ｐ型貫通領域220として、幅２μｍのZnのイ
オンビーム打込みを行なう。これは、ｎ型貫通領域221
の中央に位置させる。これにより、イオン注入されない
領域は３μｍ幅の５μｍ周期の形状となる。

これらのイオン注入領域220,221は、最も基板側に位置
する活性層を貫いていることが重要である。続いて、ｎ
型貫通領域表面を覆うようにして、Si₃N₄膜などのよう
な絶縁膜240を形成する。なお、ｐ型貫通領域の表面の
絶縁膜はエッチングにより取除かれている。最後に、ウ
エハ表面には、ｎ型電極215を形成し、基板側にはｎ型
電極216を形成し、共振器をへき開により作成する。

第2B図は上述の手順により作成された半導体レーザ素子
のｐ−ｎ界面形状を表わした図である。第2B図におい
て、斜線部はｐ領域251であり、その他はｎ領域250であ
る。但し、表面のボロンしか注入されていない領域230
は高抵抗であるので、両領域250,251には含まれない。
前述の第1A図ないし第1C図に示した実施例と同様にし
て、この発明の実施例による半導体レーザ素子のｐ−ｎ
界面は、櫛形になっておりかつその形状のものが横方向
に配列されていることがわかる。ｐ−ｎ界面のうち、立
ち上がり電圧の低い部分は太い線で示された部分252と
なる。これは、この部分のみが２重異種接合構造をとっ
ているためである。両電極間に適当な電圧を印加する
と、この異種接合ｐ−ｎ界面252の部分で効率的にキャ
リアの注入が起こり、これによりレーザ発振を実現す
る。

第2C図（ａ）は第2A図における線Ａ−Ａ′方向でのエネ
ルギバンド図であり、第2C図（ｂ）はそのときの屈折率
分布260と光強度分布261を示す図である。

第2C図（ａ）に示すエネルギバンド図から４層の活性層
203,206,209,212でのみ電子と正孔の再結合が効率的に
起こることがわかる。屈折率分布260は活性層AlyGa_1-yA
sとクラッド層AlxGa_1-xAsの混晶比がｘ＞ｙの関係を有
していることより、活性層203,206,209,212でのみ屈折
率が大きくなる。周期は約２μｍである。この屈折率分
布260により光強度分布261は、活性層203,206,209,212
にピークの局在する形状でかつ各ピークの裾はクラッド
層10で重なり合うようになっている。この重なりが縦方
向（Ａ−Ａ′方向）の光の結合を生じせしめるのであ
る。

第2D図は第2A図に示した線Ｂ−Ｂ′方向の屈折率分布27
0と光強度分布271を示す図である。ｎ型貫通領域221と
ｐ型貫通領域220において、屈折率が小さくなるのは、
この部分のキャリア濃度が５〜10×10¹⁸cm^-3程度に大き
くなっていることによるものである。但し、各クラッド
層でのキャリア濃度は１〜1.5×10¹⁸cm^-3である。線Ａ
−Ａ′方向と同様にして、ｎまたはｐ型貫通領域220,22
1で光強度が減衰し、２重異種接合ｐ−ｎ界面部252にそ
のピークが局在する形となる。光の結合も線Ａ−Ａ′方
向と同様の原理により実施されている。

上述のごとく、２次元の配列された発光点252からのレ
ーザ光は光結合により位相同期した状態となる。出力80
0mW時の遠視野像は第2D図（垂直方向）および第2E図
（水平方向）に示すように、垂直方向半値幅4.2゜，水
平方向半値幅2.5゜となっている。楕円率は1.68で、前
述の実施例よりも大きな値となっているが、その高出力
光を発する能力を考え合わせれば、十分応用上問題のな
い値であると判断できる。また、ここでは、４×４の２
次元位相同期レーザアレイを示した原理的には任意のマ
トリクス状アレイの作成が可能である。

なお、上述の実施例の他に、活性層の構造としては、GR
IN−SCH（Graded Index Separate Confinement Het
erostructure）を適用することや、光ガイド層を挿入す
ることも考えられる。活性層を多重量子井戸構造にし、
イオン注入や不純物拡散により、無秩序化することで横
方向の屈折率差を作りつけることもできる。その他に、
レーザを構成する材料の異なるものや、前述の実施例と
すべての導電形式が逆のものや結晶成長法の異なるもの
なども考えられる。

［発明の効果］以上のように、この発明によれば、導電形式の異なる領
域の境界が櫛形となるように形成することにより、高出
力を発しかつ出力ビームの楕円率が１に近い（ビーム形
状の真円に近い）レーザ光を半導体層に対して水平方向
に効率よく放出することができる。

【図面の簡単な説明】

第1A図はこの発明の一実施例の断面構造図である。第1B
図はこの発明の一実施例のｐ−ｎ界面形状を示す図であ
る。第1C図はこの発明の一実施例の活性層に垂直方向の
遠視野像を示す図である。第1D図は同じく水平方向の遠
視野像を示す図である。第2A図はこの発明の他の実施例
の断面構造図である。第2B図はこの発明の他の実施例の
ｐ−ｎ界面形状を示す図である。第2C図（ａ）は第2A図
に示した線Ａ−Ａ′方向のエネルギバンドを示す図であ
り、第2C図（ｂ）は同じく線Ａ−Ａ′方向の屈折率分布
と光強度分布を示す図であり、第2C図（ｃ）は同じく線
Ｂ−Ｂ′方向の屈折率分布と光強度分布を示す図であ
る。第2D図はこの発明の他の実施例の活性層に垂直方向
の遠視野像を示す図である。第2E図は同じく水平方向の
遠視野像を示す図である。第3A図，第4A図，第5A図は従
来の半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。第3B
図，第4B図，第5B図は従来の半導体レーザ素子の活性層
に垂直方向の遠視野像を示す図である。第3C図，第4C
図，第5C図は同じく水平方向の遠視野像を示す図であ
る。図において、１はGaAs基板、2,6はｐ−AlxGa_1-xAsクラ
ッド層、3,5,7は多重量子井戸活性層、4,8はｎ−AlxGa
_1-xAsクラッド層、９はｐ−AlyGa_1-yAsクラッド層、10
は−AlyGa_1-yAsクラッド層、11はｐ型電極、12はｎ型電
極、203,206,209,212は無添加AlyGa_1-yAs活性層、202,2
05,208,211はｎ−AlxGa_1-xAsクラッド層、204,207,210,
213はｐ−AlxGa_1-xAsクラッド層、214は無添加GaAsコン
タクト層、220はｐ型貫通領域、221はｎ型貫通領域を示
す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松井完益大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (56)参考文献特開昭58−225680（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−152683（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−15094（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−115892（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２層以上の光を発する第１種半導体層と、
前記第１種半導体層の上下に位置しかつ前記第１種半導
体層より禁制帯幅が大きく、屈折率の小さい第２種およ
び第３種の半導体層を含み、前記第１種の半導体層に対
して平行な方向にレーザ光を導波する半導体レーザ素子
において、前記第２種の半導体層と前記第３種の半導体層は互いに
逆の導電形式を有し、前記各第２種半導体層は該第２種
半導体層と同一導電形式のある領域に接し、前記各第３
種半導体層は該第３種半導体層と同一導電形式のある領
域に接していることにより、導電形式の異なる領域の境
界が櫛形をなし、かつ隣接する第１種半導体層で発生せ
しめられるレーザ光同志は光学的に結合するように前記
第１種半導体層を配置することを特徴とする、半導体レ
ーザ素子。