JPS6180881A - 半導体レ−ザ装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、作り付け導波路構造を備えた半導体レーザ装
置の改良に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点］ ディジタル・オーディオ・ディスク（ＤＡＤ）　、ビデ
オ、ディスク、ドキュメント・ファイル等の光デイスク
装置や光通信用光源として半導体レーザの応用が開ける
につれ、半導体レーザの債産化技術が必要となってきた
。従来、半導体レーザ用の薄膜多層へテロ接合結晶製作
技術としては、スライディング・ボート方式による液相
エピタキシャル成長法（ＬＰＥ法）が用いられてきたが
、ＬＰＥ法ではウェハ面積の大型化に限度がある。この
ため、大面積で均−性及び制御性に優れた有機金属気相
成長法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢ
Ｂ法）等の結晶成長技術が近年特に注目されるようにな
ってきた。

ＭＯＣＶＤ法の特徴を生かした作り付け導波路レーザと
言えるものに、（アプライド・フィジックスレター誌、
第３７号３号２６２頁、１９８０年）に発表された第４
図に示す如き半導体レーザがある。なお、図中１はＮ　
−ＧａＡｓ基板、２はＮ　　ＧａＡＡ！Ａｓクラッド層
、３はＧａＡＪＡｓ活性層、４はＰ　−ＧａＡ７Ａｓク
ラッド層、５はＮ−ＧａＡｓ電流阻止層、６はＰ−Ｇａ
ＡＪＡｓ被覆層、７はＰ−ＧａＡｓ２７タクト層、８゜
９は金属電極を示している。この構造においては、異種
導電型の電流阻止層５により活性層への電流注入がスト
ライプ状に限定されると同時に、活性層に導波された光
が電流阻止層５及び被覆層まで滲み出し、その結果スト
ライプ直下とそれ以外の部分とで異った複屈折率差を生
じ、これによりストライプ直下部分に導波されたモード
が形成されることになる。すなわち、電流阻止層５によ
って、電流狭窄による利得導波路構造と作り付け屈折率
導波路構造とが自己整合的に形成されている。この構造
のレーザは著者等の報告によれば、室温パルス動作では
５０（ｍＡ）程度とかなり低いしきい値で発振し、また
単一モード発振が達成され横モードが十分良く制御され
ることが示されている。

なお、上記構造のレーザは基板１から電流阻止層５まで
の第１回目の結晶成長と、電流阻止層５の一部をストラ
イプ状にエツチングしたのちの被覆層６及びコンタクト
層７を形成する第２回目の結晶成長とからなる２段階の
結晶成長プロセスにより作成される。ここで、第２回目
の結晶成長の開始時点におけるクラッド層７への成長は
、−足表面が空気中に晒された０　１１　Ａ　Ｉ　Ａ　
ｓ面上への成長である。このため、従来のＬＰＥ法では
成長がｒ４シ＜、ＧａＡｌＡｓ面上への成長が容易なＭ
ＯＣＶＤ法によって始めて制御性良く製作できるように
なったものである。

ところで、半導体レーザの発振しきい値は、動作電流の
減少、寿命特性の向上等の観点からも低いことが必要で
あり、しきい値の低さはレーザの構造、性能の良し悪し
をはかる目安にもなってい　　　する。低しきい値を示
すレーザ構造としては、作り付け導波構造である埋め込
み型（ＢＨ）や横方向接合型（ＴＪ８）があり、これら
は１０〜２０（ｆｆｌＡ）以下のしきい値を示す。これ
らに比べて第１図の構造のレーザのしきい値は、前述し
た様に５０［ｍＢ）とＢＨ，ＴＪＳ型と比較して２倍以
上高い。本発明者等の実験によっても、現構造のままで
はこれ以上の低しきい値化を計ることははなはだ困難で
あることが確かめられた。この様なしきい値の違いは、
負３４図構造とＢＨ、ＴＪ　Ｓ型等との導波路効果の違
いにあると考えられる。すなわち、第４図構造は、活性
層３に導波された光がクラッド層４を通して電流阻止層
５までしみ出し、吸収を受けることによって接合面に水
平方向に等測的複素屈折率の虚数部分に差が形成されて
光がガイドされる吸収損失ガイドである。一方、ＢＨ構
造等の場合は複素屈折率の実数部分の差によって光がガ
イドされる屈折率ガイドである。つまり、第４図の構造
では、吸収損失の分だけ閾値が上昇してしまうと考えら
れる。

損失ガイド構造の以上のような欠点に鑑みるとき、低し
きい（ｔｌＪ化を実現するためにはこうした損失のペナ
ルティ−を払う必要のない屈折率等波型レーザに改良す
ることが考えられる。この考え方をもとに考案された半
導体レーザが、第５図に示すようなものである。すなわ
ち、電流阻止層５は電流阻止効果を得るために残すもの
の、この層よりも屈折率の小さいクラッド層４を充分厚
くすることによって、屈折率が高く且つレーザ光を吸収
する電流阻止層５にまで光が滲み出すのを防ぐ変りにス
トライプ状溝部分には、クラッド層４よりもわずかに屈
折率高く、かつ、レーザ光を吸収しない被覆層６を設け
たものである。この構造では、活性層３に導波された光
は、ストライプ直下部分では屈折率の大きい被覆層６を
感じる一方、ストライプの両側では屈折率の小さい層を
感じ、結果としてストライプの内側・外側では実効屈折
率の実数部分に差が生じ、屈折率導波効果によって光が
ガイドされることになる。

ところが、第５図に示すレーザは、意に反して低しきい
値が達成されないことがしばしば生じることが判ってき
た。そして、この原因が構造そのものに内在したもので
あることも判ってきた。すなわち、第５図の構造の場合
、ストライプ状溝部の両側では被覆層６にレーザ光が異
常に洩れ出し、これがこの種のレーザ特有の新たな損失
となるためであることが判った。この事情を第６図によ
って示す。まず、ｐ型・ｎ型クラッド層２，４が充分厚
い場所の接合面に垂直方向のモードの実効屈折率をｎｅ
ｆｆｏとし、被覆層６の屈折率ｎはｎ＞ｎｅｆｆ’の関
係があるとする。ところでＰ−クラッド層の厚みが充分
薄い場所では、活性１ｆｊ　３に導波された光は被覆層
６の高い屈折率を感じ、この時の導波モードのｎ　ｅｆ
ｆはｎ　６ｆｆ’より大きいある値となる。そして、こ
の状態でＰ−クラッド層の厚みを仮想的に厚くしてゆく
と、活性層３に導波された光は被覆層６を感じなくなる
ためｎ　ｅｆｆは小さくなりｎ　ｅｆｆ’にだんだん近
づくことになる。そしてさらに被覆層６が遠ざかると、
ｎ　ｅｆｆ’は被覆層６のｎよりも小さくなる。こうし
た導波モードのｎ　ｅｆｆ’よりも屈折率の大きい層が
比較的近接して存在すると、それ迄活性層３に４波され
ていた光が被覆層６の方に、参み出し、活性層３から散
逸してしまう事態が生じる。こうした現象が、被覆層６
が活性層３に近い場合に起こらず、ある適当な距離能れ
たところで発生する点が問題で第２図のレーザの場合に
はストライプ溝部では光が活性層に導波されていても、
ストライプ溝部両側では光が被覆層６に逃げだすという
現象となって現われている。以上のような導波路光がス
トライプ両１ｕ１１で、散逸してしまう現象は、この種
のレーザの端面な赤外顕微鏡で観察したとき、活性層上
部のストライプ両側部分で放射状の輝点が見出されるこ
とからも明らかである。ストライプ両側部分でもｎｅｆ
ｆ）ｎの関係が常に満たされるようにするためには、被
覆層６の屈折率ｎをｎ　、ｅｆｆ’　）　ｎの関係が満
たされるよう充分小さく選べば良い。しかしながら、こ
れでは、ストライプ直下の領域で実効屈折率を大きくと
ることが逆に難しくなるという欠点が生じる。

！ 以上のように第５図の構造のレーザでは、第１図の構造
のレーザにくらべ損失導波構造から屈折率導波構造にし
た分しきい値電流は低下するが、一方では新たな損失が
生じているために第４図とくらべ十分に低しきい値化す
ることはできていなかった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、実効屈折率差による作り付け導波路効
果を確実に生じせしめることができ、低しきい値化をは
かり得る半導体レーザ装置を提供することにある。

〔発明の概要］ 本発明は、ストライプ直下における実効屈折率がストラ
イプ両何部のそれよりも十分大きく保持しながらも被覆
層への異常なしみ出しによる光の損失を極力抑えたレー
ザを提供せんことを目的とする。

すなわち本発明は、活性層に対し基板と反対側のクラッ
ド層上に該クラッド層とは導電型の異なる層がストライ
プ状部分を除いて形成され、且つこの上に上記クラッド
層と同じ導電型の被覆層が形成され電流狭窄効果及び作
り付け導波路効果を有するヘテロ接合型半導体レーザ装
置において、前記被覆層は少なくとも２層に形成され、
前記活性層に近い方の第１の被覆層は前記クラッド層よ
りも屈折率が大きい層であって、且つ、ストライプ状溝
部側面を除いて形成されたものであり第１の被ｆσ層よ
り上記活性層に遠い方の第２の被覆層は第１の被覆層よ
りも屈折率が小さくなるようにされたものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ストライプ状溝部に埋め込む層を高屈
折率層と低屈折率層の少くとも２層とすることにより、
ストライプ状溝部に♂み出した光が高屈折率層を感じ、
接合面に水平方向に実効屈折率分布を生ずることになる
。ここにおいて被覆層の低屈折率層の屈折率ｎを前述し
た活性層１＝導波されたモードの実効屈折率ｎ　ｅｆｆ
’に充分近い値とするかもしくはｎ　ｅｆｆ−よりも小
さい値とするならばストライプ状溝部側面直下の領域に
おいても、前述した議論に基づき活性層に導波された光
が被３　Ｐ　ｆｌ？ｌｌへ逸散することは生じえない。

また披ＱＤの高屈折率層の屈折率を充分大きくするか若
しくは充分厚くすることによってストライプ状溝部直下
にモードを閉じ込めるに必要とされる実効屈折率層が存
在しないがゆえに、仮に高屈折率層の屈折率を充分大き
くとったとしても、従来のレーザのように被覆された光
が散逸することは起り得ない。したがって本発明のレー
ザでは過剰閾値電流増加を極力抑えることができ、屈折
率導波型レーザによる低閾値化を充分達成できるように
なった。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の一実施例に係わる半導体レーザの概略
構造を示す断面図である。図中２１はＮ−Ｇ　ａ　Ａ　
ｓ基板、２２はＮ−Ｇａ６．ａｓ　Ａｌｏ、ｓｓ　Ａ３
クラッド層、２３はＧ”　ｏ　ｏｔ　Ａｌ　０６＠　Ａ
　ｓ活性層、２４はＰ　　Ｇ　ａ　（１，６５ＡＩ！ｏ
　、５ｓＡｓクラッド層、５はＮ　−ＧａＡａ電流阻止
層、２６はＰ　−Ｇａ、、　ｋｌｏ、、Ａｓ第１被覆層
、２７はＰ　　ｏａｏ、６１　””、Ｂ５　Ａｓ第２被
覆屑、四はＰ−ＱａＡｓ　コンタクト層、２９．３０は
金属電極層をそれぞれ示している。

上記構造のレーザは、第２図（ａ）〜（Ｃ）に示す工程
によって実現される。まず、第５図（ａ）に示す如く、
面方位（１００）のＮ−ＧａＡｓ基板２１（ＳＬドープ
Ｉ　Ｘ　１０ｍ８ｍ　’　）　上１−１ｌｉ−サ１．５
　Ｃμｍ）　（７）　Ｎ　−Ｇａｏ、ａｓ　ＡＡ！６．
Ｂ５　Ａｓクラッド層２２、（８ｅドープ１×１０１？
ｃＩＩｖ”　）　、厚！：　ｏ、Ｏｓ　（μｍ、ｌ　（
７）７：／　Ｆ　−フＧ”　ｏ、ｓｓ　ＡＪ　６．６＠
　Ａｓ活性層２３、厚さ１．５Ｃμｍ〕のＰ−Ｇａ、、
、　ｋｌ、、、　Ａｓクラッド層２４　（Ｚｎドープ７
×ＩＱ”ｃｍ−”　）及び厚さ１　（、ｕｍ）のＮ　−
ＧａＡｓ　電流阻止層（異種層）　２５（Ｂｅドープ５
　Ｘ　ｌ□”ｃ’ｍ−”　）を順次成長した。この第１
回目の結晶成長にはＭＯＣＶＤ法を用い、成長条件は基
板温度７５０　Ｃ”Ｏ）、Ｖ／ｍ＝２０、キャリアガス
（Ｈｌ）の流量”＝１０　（Ａ！／ｍｉｎ　）、原料は
トリメチルガリウＡ　（ＴＭＧ　：　（ＣＨ）、Ｇａ　
）　、　）リメチルアルミニウム（ＴＭＡ　：　（ＣＨ
，）、ＡＪ　）　、　　アルシン（Ａ”ｓ）　、ｐ−ド
ーパント：ジエチル亜鉛（ＤＥＺ　：　（Ｃ，Ｈ＠）ｔ
　Ｚｎ　）、ｎ−ドーパント：セレン化水素（Ｈ，８ｅ
　）で、成長速度は０．２５　（μｍ／ｍｉｎ　）であ
った。なお、第１回目の結晶成長では必ずしも瞥 ＭＯ−ＣＶＤ法を用いる必要はないが、大面積で均一性
の良い結晶成長が可能なＭＯ−ＣＶＤ法を用いることは
、量産化を考えた場合ＬＰＥ法に比べて有利である。

次に、第２図（ｂ）に示す如く電流阻止層２５上にフォ
トレジスト３１を塗布し、該レジスト３１に幅３〔μｍ
〕のストライプ状窓を形成し、これをマスクとして電流
阻止層２５を選択エツチングし、さらにクラッド層２４
を途中までエツチングしてストライプ状の溝３２を形成
した。次いで、レジスト３１を除去し表面洗浄処理を施
したのち、第２回目の結晶成長をＭＯＣＶＤ法で行った
。すなわち、第６図（Ｃ）に示す如く全面に厚さ０．３
［μｍ］Ｐ−Ｇａ０．　ＡＪ、、　Ａｓ第１被覆層２６
、Ｐ　　Ｇａ　６．６５　Ａ１６．１６　Ａｓ第２　＋
’ｌ　ｉ’Ｕ　％　２７及びＰ−ＧａＡｓ被薫層（Ｚｎ
ドープ５×ＩＱ”　ｃｍ−３）四を成長形成した。

ところでストライプ状溝３２は面方位（１００）　Ｇａ
Ａａ基板平方晶を用いたときには通称逆メサ方向に形成
する゛必要がある。逆メサ方向とは酸化剤を含む硫酸素
エッチャント等の面異方性の強いエッチャントを用い、
フォトレジスト等をマスクとしてメサを形成したとき、
上方にゆくに従い幅が狭くなるメサが形成される（０１
月に等価な方向、すなわち頴メサ方向に対し直交する（
０１１）に等価な面方位のことである。ストライプ状溝
をいわゆる逆メサ方向に選びＭＯＣＶＤ法により成長を
行うと、溝部底部の（１００）面には成長が進むが溝部
側面にはほとんど成長が行われない。ＭＯＣＶＤ成長と
おけるこの現象は比較的良く知られた事実である。これ
は、ストライプ状溝をいわゆる順メサ方向にス！びＭＯ
ＣＶＤ成長を行った場合には溝部底部のみならず溝部側
面にも同じように成長するのと好対照である。本発明の
構造は（１００）面方位基板を用いた場合には逆メサ方
向に選ぶことによって実現できる。これ以降は通常の電
極材は工程によりコンタクト層２８上にＣｒ　−Ａｕ電
極層２９を、基板２１下面にＡｕ　−Ｇｅ電極３０を被
着して前記第１図に示す構造を得た。

かくして得られた試料をへき開により共振器長２５０〔
μｍ〕のファプリベロー型レーザに切り出した素子の特
性は、しきい値亀流３５〔ｍ人〕、と低く、微分・量子
効率も５０〔％〕と良好であった。また、出力１２〔ｍ
Ｗ〕以上までキンクのない線形性の良い電流−光出力特
性が得られた。また、レーザ端面より放射されたレーザ
光ビームの接合面に水平方向、垂直方向のビームウェス
トは端面に一致しており、屈折率ガイドが充分におこな
われていることが確認できた。

第３図は他の実施例に係わる半導体レーザの概略構造を
示す断面図である。なお、第１図と同一部分には同一符
号を付してその詳しい説明は省略する。この実施例が先
に説明した実施例と異なる点は、前記異種層を２層にし
たことにある。すなわち、ｐ−ＧａＡ／Ａｓクラッド層
２４とｎ−ＧａＡａ第１異種層２５との間１：　ｎ　−
Ｇａ６．４　Ａｌｏ、１１　Ａｓ第２異種層２ｓａが挿
入されている。これはストライプ両伺の領域における活
性層２３に導波されたモードの実効屈折率を小さくする
ことに寄与する。したがって、第１被覆層２６の効果と
あいまって、ストライプ直下に大きな実効屈折率分布を
生じせしめることができる。実際には、単−基本横モー
ド発振を安定に得るための実効屈折率差は適当量あれば
良く、大きすぎても高次横モードを発振させる原因とな
りて好ましいことではなく、実効屈折率差を大きくとる
ことができるようになる利点はストライプ直下のｐ−ク
ラッド層の厚みを厚くし、工程の歩留り、信頼性の確保
等に振り向けるようにするのが良い。第２糧異種層２５
ａを尋人したことによる他のメリットは第１図の実施例
でのｐ−クラッド層２４を通して広がる無効電流成分を
、ｐ−クラッド層２４が薄、くなる分だけ少なくするこ
とができる点である。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。例えば構成材料としてはＧ１ＡｌＡｓに限るもの
ではな（ＩｎＧａＡｍＰやＡＪＧａＩｎＰ等の他の化合
物半導体材料を用いてもよい。さらに、結晶成長法とし
てＭＯＣＶＤ法のかわりにＭＢＥ法を用いることも可能
である。また、基板としてＰ型基板を用い、各層の導電
型を逆にすることも可能である。その他、本発明の要旨
を逸脱しない範囲　　　　１で、種々変形して実施する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例Ｃ二係わる半導体レーザの概
略構造を示す概面図、第２図（１）〜（ｃ）は上記実施
例レーザの製造工程を示す断面図、第３図は他の実施例
の概略構造を示す断面図、第４図は従来の半導体レーザ
の概略構造を示す断面図、第５図はストライプ状の実効
屈折率差を、大きくした半導体レーザの概略構造を示す
断面図、第６図は第５図に示すレーザの導波路特性を示
す模式図である。 ２１　、、、　ｎ　−ＧａＡｓ基板、 ２２−　’　　Ｇａｏ、ａｓ　ｋｌｏ、ｍｓ　”クラッ
ド層、２３−　ｏａｏｊ！　Ａｌ　ｏ、ｏ　ｓ　”活性
層、２４　、、、　ｐ　−Ｇａｏ、６１Ｉ）Ｊ、、、Ａ
ｓクラッド層、２５・・・ｎ　＝　ＧａＡ　ｓ電流阻止
層（異種層）、２６−　ｐＧａｏｏ、ＡＡ！ｏ、ｔ　”
第１被覆層、２７−　ｐｏａ０６ｆｆ人ｌｏ３．Ａｓ第
２被覆層、２８・・・ｐ　−ＧａＡｓコンタクト層、２
９　、３０・・・電極 ３１・・・レジスト、 ３２・・・ストライプ状溝。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑（ほか１名）第　　１
　図 第　　２　図 （Ｃ） 第　　３　図 第　　４　　図 ブ 第　　６　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）活性層に対し基板と反対側のクラッド層上に該ク
   ラッド層とは導電型の異なる異種層をストライプ状部分
   を除いて形成し、且つこの上に上記クラッド層と同じ導
   電型の被覆層を形成して電流狭窄効果及び作り付け導波
   路効果を持たせたヘテロ接合型半導体レーザ装置におい
   て、前記被覆層は少なくとも２層に形成され、前記活性
   層に近い方の第１の被覆層は前記クラッド層よりも屈折
   率が大きい層であつて、且つ、ストライプ状溝部側面を
   除いて形成されたものであり、第１の被覆層より上記活
   性層に遠い方の第２の被覆層は第１の被覆層より屈折率
   が小さいものであることを特徴とする半導体レーザ装置
   。
2. （２）前記クラッド層は、前記ストライプ状部分に対応
   する溝がその途中まで形成されたものであることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の半導体レーザ装置。