JPS6184087A - 多重量子井戸半導体レ−ザ及びその製造方法 - 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） この発明は多重量子井戸半導体レーザ及びその製造方法
に関し、更に詳しくは、双チャネルメサ構造の基板上に
、多重量子井戸型構造の活性層を備えた半導体レーザ装
置及びその製造方法に関するものである。

（従来の技術） 半導体レーザ装置よりレーザ光を発振する場合、横基本
モード発振が安定に保たれることが必要である。従って
横モード制御は半導体レーザ装置においては不可欠であ
る。この横モードと制御する構造について種々の提案が
なされている。その一つとして半導体基板上）て一対の
溝を形成したいわゆる双チャネルメサ構造のものがある
。この半導体レーザ装置は有機金属気相成長法によって
、上記双チャネルメサ構造の基板上にクラッド層及び活
性層を順次積層し、一対の溝間の活性層はレーザ光の導
波路として作用する。しかし、有機金属気相成長法にて
クラッド層及び活性層を形成すると、その厚さは−様と
なり、従って一対の溝間に形成された活性層は基板表面
と実質的に平行であって、この活性層を光の導波路とし
て有効に供するには導波路と導波路に接する領域との間
の屈折率の差を大きくつけることが望ましい。

一方、光デバイスを製作する一般的な方法として分子線
エピタキシャル成長法も知られている。この分子線エピ
タキシャル成長法を適用して段差のある基板上に薄膜を
成長させた場合、段差近傍上部に盛り上りが形成し、一
様な厚さの薄膜が形成しない。このため分子線エピタキ
シャル成長法によって上述のような溝のある基板上にク
ラッド層成るいは活性層のための薄膜を成長させて半導
体レーザ装置を製造することは不向きと考えられていた
。

（発明が解決しようとする問題） 上述のように、双チャネルメサ構造の基板を用いた半導
体レーザ装置が提案されているが、活性層の導波路の横
方向の光の閉じ込めに問題が残っていた。

この発明の目的は活性領域における横方向の光の閉じ込
めが充分に行われ、且つ発振閾値電流を低くすることの
できる半導体レーザ装置を提供することにある。

この発明の他の目的は上記目的を備えた半導体レーザ装
置を容易に且つ再現性良く、大量製産に適した製造する
方法を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） この発明による半導体レーザ装置は所定の間隔を保って
設けられた一対の溝を有する化合物半導体基板上に分子
線エピタキシャル成長法にでクラッド層及び量子井戸型
構造の活性層を順次成長させる。その結果、層の基板の
溝近傍上部に形成した部分は盛り上り、溝間に成長した
層は基板の長手方向に彎曲する。このように活性層が彎
曲した状態で成長するので、活性層の発振領域の横方向
を屈折率を大きくして光の閉じ込めを確実にすることが
でき、安定した横基本モード発振の半導体レーザ装置を
実現する。

更に活性層が量子井戸型構造であるため、発振閾値電流
が低く、温度依存性が小さいなどの特徴も備えている。

以下、この発明を図面に基いて詳細に説明する。

第１図は本発明の半導体レーザ装置の第１の実施例を示
し、量子井戸型構造の活性層／は活性層よりも禁制帯幅
が大きく屈折率の小さい上部クラッド層λと下部クラッ
ドＮ３により挟まれており、上部クラッド層λ上にはオ
ーミック電＃５を形成するための層≠が設けられ、下部
クラッド層３の下面にはバッファ一層ｊを介して一定の
間隔を置いて配置された一対の溝７，７を備えた００人
８などの導電性基板６が設けられている。層弘には電流
が対をなす溝７，７の上の活性層部分に集中的に流れる
ようにストライブ状の電流注入領域りが設けられている
。活性層／は厚さが２０〜２００　’ｈめ組成の異なる
２種の化合物半導体薄膜を交互に三層以上積み重ねた量
子井戸構造であって、ＧａＡｇ　、　Ｉ？ＬＰ　、　Ｇ
ｃＬＡｔＡｇ。

ＩｎＧａｋｓ　、　ＧａＡｓＰ　、　ＩｎＧａＡｓＰ　
　などの２元系、３元系あるいは４元系の禁制帯幅の異
なる二つの化合物半導体により構成されていて、上記二
つの溝間における活性層／は、溝の形状と間隔、各成長
層の厚さなどによって定まる曲率で彎曲しており、彎曲
部分の頂点近傍は発振領域ｒとなる。なお最上層係上に
はｐ側電極１０．基板乙の底面には外側電極ｌ／を設け
る。

この半導体レーザ装置の製造方法について説明すると、
Ｇａ人＃などの化合物半導体基板６上にマスクのための
膜を形成し、この膜に所定の間隔を保ってストライプ状
の溝を二本設け、化学エツチングによりＶ字型成るいは
Ｕ字型断面形状の一対の溝７，７を基板乙上洸形成する
。

次いで膜を除去し、分子線エピタキシャル成長法によっ
て、基板上にバフフッ層Ｓ１下部クラッド層３、多重量
子井戸型の活性Ｎ／、上部クラッド層２、電極１０を形
成するための半導体層弘を順次成長する。上述の如く多
層構造体が形成したら、最上半導体層弘より上部クラッ
ド層２に達するまでストライプ状ＫＺ九などの不純物を
選択拡散して電流注入領域９を形成し、最上半導体層弘
及び基板６底面には電極とするための金属１０　、　／
／をそれぞれ蒸着し、端面を勇開して共振器を形成して
、第１図に示した構造の半導体レーザ装置と７なる。上
述の膜、溝の形成、半導体層の形成、電極の蒸着などは
公知のＣＶＤ法、フォトリングラフィ法、分子線エピタ
キシャル成長法、金属蒸着法などを用いて行う。

（作用） 上記構成の半導体レーザ装置に電流を供給すると、発振
は電流が集中する発振領域？で起る。

この場合、発振領域にの横方向は屈折率の高い上部クラ
ッド層２に接するために、光の横方向の閉じ込めが行な
われ、水平横モードが制御される。−例として、上部ク
ラッド層−をｐ型Ａｔ６，４　Ｇａ　ｏ、６　Ａｇ　（
厚さ２μｍ）、下部クラッド層３をｎ型Ａｔｏ、、　Ｇ
ａ。、６　Ａｓ層（厚さ２　ｐｍ　）とし、一対の溝間
隔８μｍのキャリア濃度Ｉ　Ｘ　１０”　ｉ３の外型Ｇ
ａｐｓ基板２の上に構成された、活性層の幅Ｓが３μｍ
、曲率半径が約２０　ｐｍ　であり、ｔｏｏ　Ｘ厚ＯＧ
ｃＬＡｇ　層と１００Ｘ厚のＡｔ０４　Ｇ（１０，８Ａ
ｇ層を各５層及び４層積み重ねた多重量子井戸型活性層
を有する半導体レーザ装置は近視野像の半値全幅１．２
μｍ、遠視野像の半値全角２１°の横基本モードで発振
し、この基本モードは注入電流を増やしても安定に保た
れた。このようにこの構造においては発振横モードの近
視野像の幅が電流注入領域幅よりも狭くなる。また発振
光の横波がり角度を大きくすると、発振スポットの形状
は円形に近づく。

活性層の彎曲する曲率は溝の深さ、形状、溝間の距離、
基板と活性層までの距離及び層を形成する半導体の種類
などによって決まり、曲率を小さくすると、横方向の実
効的な屈折率差が大きくなる結果、光の横方向への閉じ
込めが確実となり、発振スポットの形状が円形に近づい
てくる。

また活性層の幅Ｓは基板上の溝の間隔が同じであっても
、活性層と基板間の距離を変えることＫより、調整する
ことができる。

（実施例） ｎ型ＧａＡｓ　（キャリア濃度Ｉ　Ｘ　１０　”　ｃｒ
ｎ”　）基板の（１ｏｏ　）面上に厚さ約１０００大の
５ｉ６Ｎ４膜をＣＶＤ法によりつけ、フォトリングラフ
ィ法により上記膜に幅２μｍのストライプ状の溝をくτ
０〉方向に８μｍの間隔を保って二本設け、化学エツチ
ングによって基板にＶ字型の断面形状を持つ１７１（２
さ約２μｍ）を一対形成し、続いて化学エツチングによ
り５ｓ３Ｎ、膜を除去する。

次に上記一対の溝を形成した基板上に分子線エピタキシ
ャル成長法によって、ル型ＧαＡ８バッファ一層（厚さ
〜４　ｐｍ　）、ｎ型Ａ、１６．４Ｇ（Ｚｏ、ａ　Ａ１
層（厚ｇ２μｍ）、１００　Ａ　厚ＯＧａＡｇ　層ト１
００　Ｘ　Ｊｉのｋｔｏ、２Ｇａ　ＯＪ　Ａ、層を交互
に９層積層した多重量子井戸型ｉｌｌ　Ｉｕ活性層、ｐ
型Ａｔｏ、、　ＧｃＬｏ、Ｂ　ｉｔｉ　（厚さ２μｍ）
、ｎ型ＧａＡｇ層（厚さ１　ｐｍ　）を順次成長する。

形成した多層構造体の最上層の一対のＶ字状１１４間の
中心江対応する位置より選択不純物拡散法によって、Ｚ
ｎをｐ型ｋＬ６．４　Ｇｃｔ　ｏ、ａ　ＡＪ　Ｎに達す
るまでストライプ状に選択拡散する。Ｚｎを拡散したス
トライプ状の電流注入領域の幅は約４μｍである。最後
に最上層及び基板底面には金属膜を電極として蒸着し、
端面を骨間して共振器を形成し、第１図に示した構成の
半導体レーザ装置が形成する。

この半導体レーザ装置の活性層の幅は３μｍ、曲率半径
が約３μｍでレーザ光の発振スポット径は活性層の幅よ
り狭くなる。この装置をパルス電流で駆動した時の電流
−光出力特性を第２図のグラフに示す。共振器長が１６
０　ｐｍで、発振閾値電流は３１？ＦＩＡであって、横
基本モードで発振し、軸モードは単１であり、発振波長
は８７４．Ｚｎｍであった。

第３図〜第５図はこの発明による半導体レーザ装置の他
の実施例をそれぞれ示す概略断面図であって、第３図は
第１図に示した半導体レーザ装置において、ＧＩＺＡ　
ｓ基板／の二つの溝７゜７で挟まれた領域を残してｐ型
不純物を拡散成るいは注入して選択的にｐ型ＧａＡｓ領
域／２を形成する。その結果、このｐ型頭域１２にはｐ
−ｎ−ｐ−ｎ接合が形成されるため電流が流れない。

従って注入された電流は中央の狭い領域のみしか流れず
、発振領域ｒに集中し、発振の閾値電流密度が減少し、
発振の量子効率も増加する。

上述のｐ型頭域／２は通常のｚｎの選択拡散、または分
子線結晶成長法、有機金属気相成長法によって形成する
。この場合、最上層弘をｎ型ＧａＡｇ層とする代り、ｐ
型ＧａＡａ層としても良い。

第４図は電流狭さく路を形成した半導体レーザ装置の実
施例を示し、基板６上に二つの溝７゜７が形成したら、
溝で挟まれた領域を除いて選択的に８＊０２　ｔ　５ｓ
３Ｎ４ｔ　Ａ−ｔ、０３などの絶縁膜１３を付け、しか
る後に分子線結晶成長法にて、バッファ一層５、下部ク
ラッド層３、量子井戸型構造活性層ｌ、上部クラッド層
コ、半導体層弘を成長させる。その結果、基板の一対の
溝で挟まれた領域には単結晶が成長するが、両側の絶縁
膜／３上には多結晶が成長するために高抵抗となり、電
流の狭さくは確実に行われて、電流は中央の発振領域ｒ
’ｌ’ｃ集中して流れ、第３図の実施例と同様に発振閾
値電流密度が減少する。

第５図は基板に形成する二つの溝７．７をＵ字形断面と
した実施例を示し、基板７Ｃ溝を形成する際に選択エツ
チングのマスクを＜１１０＞方向にとること江より逆メ
サ断面形状の溝を先ず形成し、次にこの溝の端部分化学
エツチングで除去することにより上述のＵ字形溝が形成
する。

１　このＵ字形溝を有する基板上に分子線結晶成長方法
により半導体薄膜を１＠次成長させると、成長表面に形
成する凹凸は腹が成長するに従って次第江ゆるやかにな
る。従って、活性層の曲率半径が大きくなり、しかも彎
曲する方向がＶ字形溝の場合とは逆になる。このように
活性層の曲がりがゆるやかだなると実効的な屈折率差は
小さくなる。このため、発振するレーザ光の横方向の拡
がり角度は小さくなり、従って発振スポットは円になり
にくいが、十分安定な横モード制御ができる。

（発明の効果） 以上の説明で明らかなように、この発明による半導体レ
ーザ装置は双チャネルメサ構造の基板を用いて量子井戸
型の活性層を彎曲した構造としたことてより発振領域の
横方向の実効的な屈折率を大きくして光の横方向への閉
じ込めを確実にすることができ、従って発振するレーザ
光の横モードが安定する。即ち注入電流が変動しても発
振のスポットが位置ずれせず、発振スポットを円形に近
づけることができ、その結果、レーザビームをレンズで
絞り込むのが容易になる。また発振領域は上述の彎曲し
た活性層の頂部近傍に限られるため、注入１Ｅ流を発振
領域へ集中させることが容易となって発振閾値電流密度
が減少する。更にこの半導体レーザ装置は分子線結晶成
長法によって製造するため膜の厚さ、組成の制御性が良
く、再現性良く大量生産をすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による半導体レーザ装置の一実施例を
示す概略断面図、第２図は本発明の半導体レーザ装置の
注入電流と発振レーザ光の出力の関係を示すグラフ、第
３〜５図はそれぞれ本発明の半導体レーザ装置の他の実
施例と示す概略断面図である。 ／・・・量子井戸型活性層、２・・・上部クラッド層、
３・・・下部クラッド層、≦・・・基板、７・・・溝、
！・・・発振領域、９・・・電流注入領域、／２・・・
ｐ型頭域、／３・・・酸化膜。 イ６ｅ　ノ？カ　　テゴ１ 特許出願人　　工業技術院長二す←十ド佇茫弓う第１図 第２図 １し−ン六εノ　　（ｍＡ） 第３図 第４図 第５図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）定められた間隔を保つて設けられた一対の溝を有
   する半導体基板の上記溝間上に上下をクラッド層で挟ま
   れた量子井戸型構造の活性層を上記クラッド層の長手方
   向に彎曲した状態で設け、該彎曲した活性層の頂点近傍
   を発振領域としたことを特徴とする半導体レーザ装置。
2. （２）化合物半導体基板表面に定められた間隔を保つて
   一対の溝を形成し、次いで該基板上に下部クラッド層、
   量子井戸型構造活性層、上部クラッド層を順次分子線結
   晶成長法にて成長させることから成り、上記基板の一対
   の溝間上の活性層を彎曲させて形成することを特徴とす
   る半導体レーザ装置の製造方法。