JPS62152192A - 垂直発振型レーザ - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は半導体レーザに関し、特に、基板に対して垂直
方向に発振レーザ光を出力する面発光レーザないし垂直
発振型レーザの製造方法における改良に関する。

〈従来の技術） ノ、（板に対して垂直にレーザ出力光が得られる面発光
レーザないし垂直発振型レーザは、臂開工程が不要であ
ること、大面積化が容易であること等の利点から、レー
ザ・アレイや大出力レーザへの応用が検討されている。

特に半導体ヘテロ・エピタキシャル多層膜を用いた前置
発振型レーザは、−回のエピタキシャル成長で波長選択
性を有する光共振器と活性層とをモノリシックに形成で
きるため１反射層を形成するための）、（板エツチング
が不要であったり、発振波長が安定である等の利点も付
加され、集積化にも有利であることから期待が゛ぶせら
れている。

しかるに、この種の垂直発振型レーザにおいて最も初期
に提案されたものは、ノ、（本市には第１２図（Ａ）に
示すようなものである。

簡単に説明すると１層状に形成された活性層４及びその
上下のクラフト層３．５から成るｐｎ接合を有し、上下
端面にはこのレーザの電流注入用電極としても機能する
金属ミラー１が設けられて垂直方向の光共振器が構成さ
れ、出力レーザ光は大きな矢印工で示すように、このミ
ラー１．１の対向方向に沿った方向に出射される。

また、すでに知られているように、所期の電流狭窄効果
を起こすため、上側金属層ｌの下には狭窄対象部分を残
してそれ以外の部分を覆う絶縁層２が設けられ、当該金
属層ｌはこの絶縁層２のない部分にて上側クラッド層３
に接するようになっており、基板６も同様に狭窄対象部
分にて座削られ、ド側金属層ｌもこの座削り部分におい
て下側・ケラ、ド層５に接するようになっている。

一方、第１２図（Ｂ）に示すように、同じ従来例ではあ
っても、反射層ないし光共振器リフレクタとして半導体
ヘテロ多層膜８．９を利用した構造もある。

同一符号は先の第１２図（Ａ）に示す第一の従来例にお
ける構成子と同様の構成子を示すが、この素子では活性
層４の上下両面をｐ型ヘテロ半導体多層膜ミラー８とｎ
型ヘテロ半導体多層膜ミラー９とで挟んだ格好になって
おり、素子上下両端面上の金属層７．７は電極のみの作
用を営むようになっている。

このような従来例に対して、第１２図（Ｃ）に示すよう
に、本出願人が特願昭５９−１２５８８７号（特開昭−
号公報）にて開示したものがある。

この第１２図（Ｃ）に示される垂直発振型レーザは、ま
ず活性層と基板ｌＯに対する垂直方向の光共振器とが半
導体ヘテロ多層膜による同一の構造体１１として構成さ
れている点で特徴があり、この活性層兼光共振器１１の
横力向−側には少数キャリア閉じ込め用のｐ型りラッド
層１２が、他側にはｎ型クラッド層１３が、それぞれ同
様に基板１ｏに対して垂直方向に形成されて成っている
。これに伴い、電流注入用電極１４．１５も両クラッド
層１２．１３の外側に沿って基板１０に対し垂直に形成
されている。

この従来例において活性層兼光共振器１１に用いられる
上記の半導体ヘテロ多層膜には、本出願人がそれ以前に
すでに開示した特開昭５１３−３Ｅｔ９８８号公報に記
載されているもの等が採用される。この特開昭５８−３
６９８８号公報中にて開示されている半導体−、テロ多
層）１りは、その厚さ方向の屈折率の変化のノ、（本周
期がレーザ光の管内波長の１／２となっており、このｌ
／２の屈折率基本周期は、１／４管内波長の整数倍（１
を含む）の厚味を持つ高屈折率媒質層と、同じくｌ／４
管内波長の整数倍の厚味を持つ低屈折’−ｆ１媒質層と
で構成するか、あるいは厚味方向のＭＩ成等を１７２管
内波長を周期として連続的に変化させることにより得ら
れている。

〈発明が解決しようとする問題点〉 ト記した三つの従来例を考えるに際し、予め述べれば、
この種の半導体レーザの発振条件は、平均レーザ利得を
ｇ、レーザ長をし、光共振器を構成するミラーの等価反
射率をＲとすると、レーザ利得ｇ−Ｌが光共振型損失Ｉ
ｎ（１／Ｒ）を上回ること、すなわち、 ｇ−Ｌ＞Ｉｎ（１／　Ｒ）　　　　　　、、、、ｌ）な
る式を満たすことである。

そして、この式ｌ）を実際上、満足させて、この種の垂
直発振型レーザを室温連続発振させるためには、上記特
願昭！ｄ　−１２５８８７号明細書中や上記特開昭５９
−３６９８８号公報中に記載されている所からして、現
状における具体的な要件を次の三条性に絞ることができ
る。

条件■：光共振器の等価反射率が９０〜９５％程度以上
あること。

条件（す：活性層の長さくレーザ長）が５脚程度以上は
あること。ただし通常のエビタ リシャル成長技術により成長可能な膜 厚範囲を逸脱する程の厚さは要さない こと。

条件■：キャリアの閉じ込め構造を有し、既存の水平方
向発振型ないし横型ダブル・ ヘテロ（ＤＨ）レーザと同程度の注入電流密度において
同程度のレーザ利得が得 られること。したがって上記条件■に おいて通常の１５０１１ｍないし２００刺程度の膜厚に
比せば活性層厚が薄くなった のであるならば、レーザ利得は利得率 として向上しているものであること。

しかるに、まず第１２図（Ａ）に示されている最も初期
の構造の垂直発振型レーザでは、上下の電極１．１間に
亘る電流注入の方向と、矢印Ｉで示されるように光共振
器による光共振方向とが一致しているため、少数キャリ
アの注入密度を増加させるべく、そしてまたレーザ発振
時の少数キャリア拡散長上の制限から活性層４の厚さし
を薄くすると、そのことが逆にレーザ長りをそのまま縮
める結果になってしまう。

実際にもこの第１２図（Ａ）に示されるレーザ素子では
、レーザ長りをＩＪＩＩ１１程度以上に増加させること
は不可能であり、したがって上記条件■に反し、上記条
件■、■も満たされないことから、上記式１）を満たす
ことが木質的にできなかった。

また構造的にも、圧制り部分を必須とするためにノ、（
板にエンチングを要することから、集積化が難しく、機
械的強度も弱くなるという欠点もあった。

一方、光共振器に半導体ヘテロ多層膜を用いた第１２図
（Ｂ）に示されている垂直発振型レーザも、第１２図（
Ａ）に示すものに比せば機械的強度の問題や基板加工の
必要等からは逃れ得るものの、レーザ長りの増加が難し
いという事情は何等変わらなかった。

結局、第１２図（Ａ）、（Ｂ）に示されているように、
電流注入方向と光共振方向とが同一であって、電流注入
方向の活性層厚をそのままレーザ長りとして規定するタ
イプの垂直発振型レーザでは、レーザ利得を増加させる
ために少数キャリアの閉じ込め効率を損わないでレーザ
長りを十分に稼ぐという要件を満たすことができないの
である。

これに対し、本出願人が上記特願昭５９−１２５８８７
号明細書中で開示した第１２図（Ｃ）に示されるような
構造であると、電流注入方向と光共振器の方向とが直交
しているため、キャリア閉じ込めに関与する活性層幅Ｗ
を十分に狭めて閾値電流の増加を阻んでも、レーザ長り
は十分に長いものとすることができる。

もっとも、レーザ長りを長くできるとは言っても、従来
の横型ダブル・ペテロ・レーザにおけると同程度の１５
０脚から２００ｕｍもの長さを得ることはできない。活
性層兼光共振器１１やその両側のクラッド層１２．１３
等は一般に適当なるエピタキシャル成長に依らねばなら
ず、したがってそうした成長技術の方からの制限を受け
るためである。

しかし、こうした第１２図（Ｃ）に示される垂直発振型
レーザでは、このように長いレーザ長は必要なくなり、
結果から言えばその１７２０程度の７悶ないし１０順で
足りるのである。

これは、活性層兼光共振器１１に既述した特開昭５９−
３６９８８号公報に開示されているような半導体ヘテロ
多層膜を用いることにより、光共振器等価反射率を９０
〜９５％程度にまで一トげることができ、したがって先
の条件■を満たし得たこと、また活性層幅Ｗを例えば０
．２１Ｉｍ〜ｌｌａ程度にまで十分に狭めることもでき
、かつ両側のクラッド層１２．１３によりキャリアの閉
じ込め効率を大いに向上させることができたがために条
件■をも満たし得たこと、の主として二つの理由による
。これらの条件（Ｄ、■が満たされれば、平均レーザ利
得ｇが通常の横型ヘテロ・レーザと同程度であるならば
、上述の式ｌ）からして条件■は自動的に満たされるの
である。

そしてこのように、　７剛からせいぜい１０剛程度の厚
さであれば、当該活性層兼光共振器１１やその両側のク
ラッド層１２．１３等は、既存のエピタキシャル成長技
術で容易に形成することができ、一方、第１２図（Ａ）
、（Ｂ）に示された構造における厚味限界に化せば、十
分に厚いものとなる。

さらに、リフレクタにのみ半導体ヘテロ多層膜を用いて
いる第１２図（Ｂ）図示の従来例素子との個別的な対比
においても、当該素子ではその活性層４は上下の多層膜
８，９に挟まれた唯一の層であったのに対し、この第１
２図（Ｃ）に示される素子では、半導体ヘテロ多層膜！
１中の全ての低エネルルギ・バント′・ギヤ、ブ材料膜
を活性層として用いることが可ｆりなため、レーザ長り
を少数キャリア拡散長の制限なしに長くすることができ
る効果もあり、また、少数キャリアの注入が半導体ヘテ
ロ多層膜のエネルギ・バンド・ギャフプの障壁に沿って
行なわれるため、寄生抵抗が低減する利点もある。

以上のように、従来の垂直発振型半導体レーザにあって
は、本出願人が既に開示した第１２図（Ｃ）に示される
構造のものが最も優れていることが分かる。

が、実際にこの思想に即して製品としての半導体レーザ
を供給しようとする場合、より具体的な製造次元におい
ての問題として１次のような不具合を指摘されることが
あった。

本出願人の開示した第１２図（Ｃ）の構造を実現するた
めになされたその後の製造の実際においては、活性層兼
光共振器の一側に沿うｐ型りラッド層を形成する際、予
め形成されているｎ型の半導体ヘテロ多層膜に対してＺ
ｎを拡散する方法を用いたが、これに応じ、　ＺｎＪｔ
Ｎ故後に発生するヘテロ多層膜の結晶欠陥を除去するた
め、アニール工程が必須となった。

アニール工程を採用すること自体に困難な点はない（も
ちろん、用いないで済めばそれに越したことはない）が
、その結果、当該ヘテロ多層膜の周期構造が乱れること
が問題となった。

また当然のことではあるが、　Ｚｎ拡散によってはｎ型
のクラッド層を形成することはできないから、ダブル・
ヘテロ構造に近い機能は得られても、ダブル・ヘテロ構
造そのものを構成することはできないため、当該構造に
よる強力なキャリア閉じ込め機能も期待することができ
なかった。

本発明はこのような実情にかんがんみて成されたもので
、原理的な構造としては優れている第１２図（Ｃ）に示
される垂直発振型レーザの実現のため、上記従来例のよ
うな欠点を伴わずに完全な横型ダブル・ヘテロ構造によ
ってキャリア閉じ込め効率が高く、低悶値特性を示す垂
直発振型レーザの製造方法を提供せんとするものである
。

く問題点を解決するための手段〉 本発明は上記目的を達成するため、次のような構成によ
る垂直発振型レーザ製造方法を提供するものである。

基板の大域的な面積部分上に半導体ヘテロ多層膜を形成
する工程と； 上記半導体ヘテロ多層膜に対し、所定の平面パターンに
従ってｐ型りラッド層埋設用の溝とｎ型クラッド層埋設
用の溝とをどちらからか順番に、または同時に形成する
工程と； 上記それぞれのクラッド層埋設用の溝中に、ｐ型及びｎ
型のクラッド層を埋め込み形成する工程と； から成り、もって−上記埋設形成されたｐ型及びｎ型の
クラッド層の隣接するもの同志の間引こ挟み歿された上
記゛ト導体ヘテロ多層膜部分を、レーザ活性機能と上記
基板に対して垂直な方向の光共振機能とを併せ有する活
性層兼光共振器として規定すること： を特徴とする単向発振型レーザの製造方法。

（作用及び効果） 本発明によれば、第１２図ＣＧ）に示されるような構造
的には最も優れていると考えられる垂直発振型レーザを
実現するのに、従来のように半導体ヘテロ多層膜に対し
てのＺｎ拡散、アニール工程を経るのではなく、基板の
大域的面積部分上に一括的に形成した、そして最終的に
は活性層兼光共振器を得るための出発層となる半導体ヘ
テロ多層１１々に対し、所定の平面パターンに即して後
からｐ型、ｎ型の各クラッド層を埋設形成するようにし
たため、完全なる横方向ダブル・ヘテロ構造を得ること
が容易にでき、しかもクラッド層と活性層兼光Ｊ（振器
との界面も高品質にできるから、大きなキャリア閉じ込
め効果を期待することができる。

もちろん、一対のクラッド層の間に１文み残された活性
層兼光共振器の取直方向の周期性を乱す要因を全く発生
させないようにできるから、上記とあいまって安定な発
振波長を得ることができる。

また、上記クラッド層に関するパターニング精度によっ
て極めて高い精度で活性層兼光共振器の活性層幅を設計
することができ、パターン形状のいかんによってはさら
に電流集中効果を高める形状とすることも容易にできる
。レーザ長についてはキャリア寿命等による制限がない
から、要すれば活性層兼光共振器に許されている基板上
垂直方向の膜厚の形成可能な限度一杯まで、任意に取る
ことができる。

さらに、各タラ・ンド層を形成するための溝は、適当な
既存のエツチング技術をしても容易に断面形状を所望の
形、例えば逆メサ状等にもできるから、等価反射率の最
も高い活性層中の中央部分にレーザ利得を集中させるこ
とも容易であり、したがってさらなる低閾値特性を簡単
に得ることもできる。

集積化についても本発明によればそれは簡単である。？
ｉなるクラッド層のパターニングのいかんによって同一
基板上に所用個数を任意に得ることができる。製造上も
り開丁程が不要なため１歩留まりを良好にでき、各個別
の垂直発振型レーザを形成する場合にも簡単な溝切り作
業等で足りる。

く実　施　例〉 第１図には本発明のｌ■直発振型レーザ製造方法の一実
施例の」−程図が示されている。

第１図中にあっては具体的な材料や寸法等も併記されて
いるが、これは後述するように実際的な作成例について
用いるもので、ここではまずこれらを考えず、本発明の
要旨構成に即した基本的なレーザ作成手順の説明から始
める。

本発明においては、第１図（Ａ）に示されるように、適
当な基板ＩＯ１特に望ましくは半絶縁性基板１０の大域
的な面積部分（一般には全面となる）の上に、将来レー
ザ活性機能と該基板に対して垂直な方向の光共振機能と
を有する活性層兼光共振器の構成層となるべき半導体ヘ
テロ多層膜２１を−・括的に作ってしまう所から始める
。

これには既存の適尚なる成長方法を用いることができ、
分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）、有機金属系気相成
長法（ＭＯＣＶＤ）、液相成長法（ＬＰＥ）等を採用す
ることができる。

もちろん、先に挙げた特開昭５９−３６９８８号公報に
開示のように、この半導体ヘテロ多層膜２１は、その厚
さ方向の屈折率の変化のへ本周１１ＪＩが、得るべきレ
ーザ光の管内波長の１／２となっており、この１／２の
屈折率基本周期は、１／４管内波長の整数倍（１を含む
）の厚味を持つ高屈折率媒質層と、同じ＜１７４管内波
長の整数倍の厚味を持つ低屈折率媒質層とで構成するか
、あるいは厚味方向の組成等を　１／２管内波長を周ｌ
υ１としてｉ！ｌ続的に変化させることにより得られて
いる。

このように基板ＩＯの大域的な面積部分の上に一括的に
形成した半導体ヘテロ多層膜２１に対し、平面的な所定
のバターニングを施し、適宜なエツチング技術によって
、将来ｐ型りラッド層を埋め込み形成するための溝とｎ
型クラッド層を埋め込み形成するための溝を同時に、ま
たは当初、一方のみを形成する。

図示の場合は上記後者の場合として、ｐ型グランド層埋
設用の溝２２のみを形成しているが、占該溝２２の深さ
は、少なくともノ、（板１０の表面を露出させる迄に至
らせる。

この溝２２を形成したならば、当該溝２２内に、すでに
第１図（＾）中には示しであるが、分子線エピタキシャ
ル法（ＭＢＥ）、有機金属系気相成長法（ＭＯＣＶＤ）
、液相成長法（ＬＰＥ）等、ｉ！当な成長技術を援用し
、ｐ型クラッド層１２を埋設的に形成する。

この実施例においてはＰ型りラッド層１２は拡幅部分と
狭幅部分とが面内の一方向（便宜的にＸ方向とし、これ
に直交する方向はｙ方向とした）に交互に周期的に繰返
された形状をしており、また図中、このｐ型クラッド層
１２はｙ方向に適宜な距離離間して平行に二つ、形成さ
れている。

ｐ型クラッド層１２を埋設し終わったならば、次いで第
１図（Ｂ）に示すように、先のＰ型りラッド層用と同様
に適選したエツチング法により、所定の・１１面パター
ンに従ってｎ型りラッド層埋、没用の溝２３をノ、（板
１０の表面を露出するべく形成する。

そうした後、この溝２３内にｎ型クラッド層１３を先と
同様（７）ＭＢＥ、ＭＯＣＶＤ、ＬＰＥ等の適選した成
長手法により埋設形成すると、本発明による垂直発振型
レーザの基本構造を得ることができる。

すなわち、ｎ型クラッド層１３も、この実施例の場合は
Ｘ方向に拡幅と狭幅の周期がｐ型りラッド層１２のそれ
と一致した周期の形状に形成されており、したがって隣
接するｐ型、ｎ型の各クラッド層１２．１３の拡＠部分
の峰同志の間にｙ方向に挟み残された′ｌ！：導体ヘテ
ロ多層膜２１の部分１１が活性層兼光共振器１１を構成
するようになる。そこで、その幅Ｗは既述してきた活性
層幅Ｗとなり、半導体ヘテロ多層１１！１！　２１の厚
味りはこの活性層兼共振器１１の部分においてレーザ長
りとなる。

また図示の場合、途中で断面を取った状態で示しである
が、当該図中に表されているものに限って言っても、活
性層兼光共振器１１の数はｐ型、ｎ型の各クラッド層１
２．１３が二つあり、それぞれの拡幅部分の峠の数が四
つであることから、全部で１２個の活性層兼光共振器１
１．．．．が一遍に形成されたことになる。これは集積
化が極めて容易なことも表している。

なお図中、表面領域にあっては仮想線の円１１で囲って
示した部分が″Ｉ該活性層兼光共振器１１ないし各個別
の川面発振型レーザに対応するが、必要に応じては、隣
接するレーザ素子の間に機械的、物理的、化学的な任意
の手法により基板１０に至る深さの溝を形成する等し、
各個別のレーザ素子を分箸しても良い。もちろん、図示
していないが、各クラッド層上の表面電極等は公知既存
の任意のｒ法により、適当なるものを備えさせることが
できる。

上記の形成手順はｐ型、ｎ型の各クラッド層の形成に関
しては、若干、変更することができる。

ｎ型クラッド層埋設用の溝２３の方を先に形成し、ｎ型
クラッド層１３を先に形成してからｐ型りランド層埋１
没用溝２２の形成、ｐ型りラッド層１２の形成という逆
の手順に変えても良いことはもちろん、両クラット層１
２．１３の埋設用溝２２　、２３を同時に形成し、その
後に順番に各クラッド層を形成するか、両タラ・ンド層
の出発Ｊ、（層となる膜は同時に形成し、その後、各導
電型を定める拡散工程やイオン住人工程等を経ても良い
。上記した本発明の要旨構成は当然のことながら、これ
らを全て含む包括的な記載となっている。

次に、上記の手順に従って作成した具体的な本発明！に
直発振型レーザの作成例につき、説明する。

まず、寥絶縁性基板１０としてＧ　ａ　Ａ　ｓ　）、ｔ
ｉ板を選び、その全１ｍノ上にＡ１とＧａのＭ１成比が
０．３　：　０．７であるＡＩＧａＡＳ／ＧａＡｓヘテ
ロ多層膜２１を既述の周期構造に従い、各ＡｌＧａＡｓ
層の膜厚を８６ｎｍ、各ＧａＡｓ層の膜厚をＢ４ｎｍと
し、それら各層の交ｔｊの重畳回数を５０回、したがっ
て全ｊ漠厚約６．５１＋ｍに亘り次の条件下でＭＢＥに
より作成した。

〈［程　譚ｌ〉 基板温度　７５０℃；　　Ｇａ　Ｆｌｌｌｌ［：　　Ｌ
、Ｌ／　１０４Ｐａ成臣時間　　？ｈｒ　；　　ＡＩ　
Ｆｌｕｘ：　　１．７／ＩＱ”ρａＡｓＦｌｕｘ：４／
１０３Ｐａ このようにして形成した半導体ヘテロ多層膜２１の全面
」二に、ｐ型グランド層埋設用の溝２２を形成するマ゛
スク材料として、及びｐ型りラッド層形成川のマスク材
＞’＋として、ＳｉＮｘを次の条件により熱化学気相成
長法（熱ＣＶ’Ｄ）で作成した。

〈［程ａ２＞ ）、（板温度　７２０°Ｃ；　成膜時間　１０ｍ１ｎ、
　；Ｎ２　　：２．５１／ｍｉｎ、：　　ＮＨ３：　　
０．７５１／ｍｉｎ、；ＳｉＨ＜　（３％Ａｒヘース）
　　：　１ｏｃｃ／ｗｉｎ、　；１１Ｑ　　　　厚　　
５０ｎｍ　　； このマスク材料ＳｉＮｘに夕・１し、第１図（Ａ）に示
されるように、拡幅部分と狭幅部分のＩ１１！続から成
る所定の・ＩＬ面パターニングに即し、まずｐ型りラ７
Ｆ層埋設用溝とすベニ！！、ｐ　ｕ’ｔｉ部分をのみ聞
１−１すへく、・１層；亥ＳｉＮｘ自体をエンチングし
た。そのためのマスクには市販の商品番号Ａ２１３００
−３７を用い、・し１該エツチングは下記条件ドでのブ
ラスマ・エンチングとした。

く　１′、　　　１１１１　　　＋１３〉ｘ　、７チ７
グ・ガス：　ＣＦ４　　；　　０．５Ｔｏｒｒ　　；５
０ｍＷ／ａｍ２；　　　１５ｍ１ｎ、　　；このように
して選択量［ＩさせたＳｉＮｘをマスクとし、次の条件
下のウェット・エンチングにより、ＡｌＧａＡｓ　／　
ＧａＡｓヘテロ多層膜２１をエンチングしてｐ型りラッ
ト層埋設用溝２２を形成した。

＜［：　　　程　　＋１４） 硫酸：燐酸・過醇化水素水：水＝　１：２４：８：１Ｂ
室温５ｍ１ｎ、：深さ　約１０岬； その後、上記形成された溝２２内にに記ＳｉＮｘを成長
マスクとしてそのまま用い、ＡＩ：Ｇａの組成比が０．
３５　：　０．６５であるＡ　ｌＧａＡｓ／　ＧａＡｓ
　ｐ型りラッド層１２をＬＰＨにより、下記の条件に従
い形成した。

く丁　　程　　ａ５） 成長温度　７５０℃；　降温率０．３℃／ｗｉｎ。

成長時間　約１０ｍ１ｎ、　； しかるに、このようにして形成されたｐ型りラ、ド層１
２の寸法は、拡幅部分が約２００ｇ１、狭幅部分か約Ｉ
ＱＯＩａ、そして長手方向（Ｘ方向）寸法が約１０ｍｍ
である。これら寸法に関して若モ配慮すべきことを述べ
れば、上記のようなＬＰＨにおいては、溝の深さに対し
ての狭幅部分の寸法に注意しないと、Ｇａメルトがその
表面張力により基板１０に接しない場合があるというこ
とである。

ト記且体例のように、溝の深さが１０１Ｂ程度の場合は
、１−■の狭幅部分の寸法は上記のような　１１００ｐ
稈度がド限−ｊ°法となった。また、エツチング・パタ
ーンが狭幅部分と拡幅部分の連続により上述のように連
結されているのも、ＧａメルＩ・の表面張力の！ン臂を
最少限度に抑えるのに一役かっている。

この点は後述のｎ型クラッド層の形成に関しても同様で
ある。

−上記のようにｐ型りラッド層１２を形成した後、次い
で」−述した工程韓２から工程露５までの作業を繰返し
、ただし導電型をｎ型に規定するようにしながら、所定
の平面パターンに即して第１図（Ｂ）図示のように、Ａ
ｌ：Ｇａの組成比がｏ、３５　：　Ｏ，ｅ５テあるＡ　
ｌＧａＡｓ　／　ＧａＡｓのｎ型クラッド層１３を形成
した。

このとき、当該ｎ型クラッド層１３の拡幅部分と狭幅部
分の周期がｐ型りラッド層１２のそれと同一になるよう
にし、かつ、ｐ型、ｎ型の両クラッド層１２．１３の拡
幅部分相互の峰同志が１悶から３順程度の間で選択した
距離に近接するようにした。

したがって、この峰同志の間の寸法Ｗにて規定される領
域のＡ　ｌＧａＡｓ　／　ＧａＡｓヘテロ多層膜２１の
部分１１が木単向発振型レーザの活性層兼光共振器１１
として規定される領域となり、換言すれば本作成例によ
る爪面発振型レーザの場合、その活性層幅ＷはＩＩＩｊ
ｌｌから３１１Ｂ程度の間の規定された寸法で、基板ｌ
Ｏに対して前直な方向のレーザ長は約８順のものとなっ
た。

ただし、活性層幅Ｗは要すればさらに縮めることもでき
、サブ・ミクロン・オークにすることも既存のエンチン
グないしパターニング技術で高精ｊ朗に１１丁能である
。

以ヒにようにして１旧直発振型レーザのノ、（本構造か
得られたならば、先に第１２図に即して述べた従来例に
おいて採用されているのと同様で良い公知既存の適当な
る技術を援用して、Ｐ型　ｎ型のそれぞれのクランド層
に対し、一般にそのヒ面りに十−Ｅ７りな電極を施した
り　必要に応じて先に記したように、隣接するレーザ間
に少なくとも基板１０に至る分＃　ｔ＋Ｗを切り込んだ
りして製品として完成すれば良い。また、特にで１次元
集積化を必要とせず、個別の素子を得たい場合には、分
離溝を）、（板１０をも切り通すように形成すれば良い
。

上記のようにして作成された本垂直発振型レーザの一つ
に関し、走査電子顕微鏡により断面構造写真を撮ったも
のが第２図である。

図中、中央の明暗（ないし白黒）のストライプ集合領域
がＭＢＥ形成されたＡｌＧａＡｓ／　ＧａＡｓヘテロ多
層膜による活性層兼光共振器１１であり、白いストライ
プブはそれぞれＡｌＧａＡｓ薄膜に、黒いストライプは
それぞれＧａＡｓ１ｉｌ膜に相当する。黒いストライプ
の中で、高さ方向中央よりはやや土寄りに、特に他より
は厚くなっているＧ　ａ　Ａ　ｓ　＄；ｉ膜があるが、
これは実際には上から２０ペア目のもので、先に挙げた
特開昭５９−３８９８８号公報に開示のように、この部
分を起点として光路が管内波長の整数倍となるようにす
るものである。

ストライプ領域の左右は、順番に二回のＬＰＥ成長で形
成されたｎ型、ｐ型の各ＡｌＧａＡｓ／　ＧａＡｒクラ
ッド層であるが、特徴的なのは、中央の多層膜領域と＋
Ｉｆ成長されたこれらクラッド層との界面が非常に鮮明
であることである。従来のＺｎ拡散法により形成された
垂直発振型レーザに対して指摘されていた格子の歪も全
く生じていない。

またこの実施例においては、第２図に明示されているよ
うに、中央の二倍厚のＧａＡｓ膜近傍の光共振器の光学
的な中心部において左右のクラッド層が最も張り出して
くるようになっていて、巴該活性層兼光共振器が鼓（つ
づみ）型になっているが、これは等価的な反射率が最も
高い活性層部分にレーザ利得を集中させ、閾値電流をさ
らに低下させ得るように機能する。

このような断面形状は、先に工程＠４で挙げたウェット
・エツチング工程において１００方位の基板１０で（１
１０）の逆メサ方位を選ぶことにより得ることができる
。

しかし逆に、垂直な界面を得たい場合には、例えば硫醜
：燐酸：過酸化水素水：木＝２：５：５：４０等の容積
比に選べば良く、その他、容積比を適宜に選択すること
により、ある程度以上の設計自由度で溝側面の断面形状
を設計することができる。

第３図は同様に上記工程によって作成した川向発振型レ
ーザの−・つの表面の光学顕微鏡写真を示している。図
中、上方かｐ型クランド層１２及びそのトに形成された
Ａｕ　／　Ｃｒ　／　ＡｕＢｅ　ｐ型電極であり、下方
がｎ型りランド層１３及びその上に形成されたＡｕ　／
　Ｎ　ｉ　／　ＡｕＧｅ　ｎ型電極である。これらの間
に挟まれた部分がアンドープＡ　ｌＧａＡｓ／　ＧａＡ
ｓヘテロ多層ＩＩり２１であり、特に最も狭幅となって
いる部分が実効的に活性層兼光共振器１１として規定さ
れる。

本第３図では、先に説明したように、上記基本的な実施
例の工程によった場合、隣接するレーザ素子のクラッド
層相互は連結した状７ｇで得られるので、図中、左右に
黒く幅を持った線で示されているように、ダイアモンド
・ダイシング・ソーによって約２０ｇ＋の深さに亘り分
離溝を形成し、隣接し・−ザ素子を分離、独立させた状
態が示されている。

第４図には第２図及び第３図に示される本発明によって
作成された垂直発振型レーザの駆動電流対電圧特性が示
されている。

開園（Ａ）はＩＩＩＦｉ力向、同図（Ｂ）は零交差付近
から逆方向にかけての特性であるが、まず同図（＾）か
ら読み取れるように、順方向立ち上がり電圧は約１．４
Ｖであり、１０ｍＡ通電時における微分抵抗は約５０Ω
である。また同図（Ｂ）からして逆方向耐圧は約２７Ｖ
となっており、ハード・ブレークダウン特性を示してい
る。

以上のような特性値及び特性傾向は、本発明のように横
方向に形成したＤＨ構造が正常な電気的特性を有し、再
成長界面においても結晶欠陥がほとんど問題にならない
ものであることを教えている。

第５図は同様に上記作成した６直発振型レーザのパルス
電流駆動時における発光特性であって。

光共振器の中心波長８［１０ｎ＋ｗに対応して半値幅２
．６１ｆｆｉの発光ピークが観察されている。駆動電流
を３０ｍＡから増加させるに従ってスーパ・リニアに光
出力が増加しており、誘導放出による所期のレーザ動作
が行なわれていることを示唆している。

第６１；４は本発明方法により作成した。ただし上記と
異なり先兵振器中心波長を８７５ｒ＋＋ｓに設定したＩ
Ｆ直全発振型レーザ発光スペクトラムを示しているが、
このように、室温におけるＧａＡｓのバンド端発光と光
共振器の中心波長とが一致している場合には、室温にお
いて鋭いピークが生ずる。

第７図は本発明により作成される垂直発振型レーザの先
兵振器中心波長をさらに８４５ｎｍ付近に設定した場合
の発光特性を示しており、素子温度−１０°Ｃにおいて
は発光に明瞭なピークが現れていないのに対し、−４０
℃からさらに一７０’ｃと素子温度を下げていくに連れ
、鋭いピークが現れてくる。これはヘテロ多層膜の反射
１１りによる波長選択特性に依存するものではないと考
えられる。そうであるならば、例え−１０’Ｃ程度の温
度領域においてもすでにその傾向は現れてしかるべきだ
からである。

したがってこの第７図に示される特性＃１向も。

ＧａＡｓの発光バンドと光共振器の中心波長とが一致し
た結果生起した誘導放出現象によるものと見て全角であ
る。

しかるに、既述の第５図ないし第７図による特性例を見
てみると１本発明の製造方法によって実際に作成された
６直発振型レーザにおいては、その発振スペクトラム幅
か２〜３ｎｍと、既存のシングル・モート・レーザに比
すと約−桁、大きくなっている。この半値幅はレーザへ
の注入電流や光共振器の中心波長、あるいはまたそれに
対応する動作温度等には余り影響を受けないことからし
て、上記のようにスペクトラム幅が広がってしまってい
るのは、レーザ動作している素子部分に隣接して寄生の
発光ダイオード・モード領域が生じたためと思われる。

第３図に示した平面視野と同一の視野で発光パターンを
見た光学顕微鏡写真である第８図によると、本発明で予
定した通りにｐ型及びｎ型クラット層によってタプル・
ヘテロ型のキャリア閉じ込め機能が（動く中央の予定発
光領域（２０，ｓｍＸ　２μｍ）のみならず、クラッド
層の側面、特に図中、上方のｐ型クラッド層の側面に沿
って大きく発光領域が拡大していることが分かる。

こうした現象のある一方で、電ｒ−線励起電流像による
解析を行なった所、゛ト絶縁性ノ、（板がクラントド乃
に関するＬＰＥ成長中にｐ型に変成しており、ｎ型クラ
ンド層との間で一タ生ｐｎ接合を形成していることが判
明した。

したがってこのようなキャリアの空間的な漏れを減少さ
せるためには、活性層を囲む領域を全てバンド・ギャッ
プの大きなＡ　ｌＧａＡｓ層にし、かつこの領域を゛壮
絶縁性とするか、または電流通路に沿ってｐｎ接合の逆
バイアス状態による拡散バリアを形成する等図れば良い
。

また、基板に対する漏れ電流を阻止するためには、第９
図に示すように、Ｐ型及びｎ型クランド層の丁にそれぞ
れ逆の導電型、つまりｐ型ならｎ型、ｎ型ならｐ型（第
９図は後者で代表して示しである）のＡｌＧａＡｓ層を
基板との間に形成して置くことが有効である。これは、
各クラッド層の下にそれぞれ逆の導電型の電流ｊｌｌ　
＋ｔｘ層を設けて置くと、基板経由の漏れ電流はいづれ
かの電流阻止層が逆バイアスとなることにより阻止され
るという理由による。

さらに空間的に発光領域を限定するためには、ＡｌＧａ
Ａｓ／ＧａＡｓヘテロ多層膜にあって両クラッド層の対
向拡幅部分にて狭窄されていない部分を除去した後、Ｍ
ＯＣＶＤ等でその除去部分中に半絶縁性Ａ　Ｉ　Ｇａ　
Ａｓを埋め込み形成するか、第１０図に示されるように
、中央の活性層兼光共振器１１ないし実効的な発光領域
とすべき領域を取囲んで周方向に連続して）ＩＶｌにｐ
−ｎ−ｐ−ｎ−、、、、、、、、なるエンドレスｐｎ接
合構造ができるように、ｐ型Ａ　ｌＧａＡｓクランド層
１２に隣接してｎ型ＡｌＧａＡｓの電流用１Ｆ層１３°
、１３°を。

ｎ型ＡｌＧａＡｓクラット層１３に隣接してはｐ型電流
阻（１・層１２’、　１２°を各形成するように図ると
良い。

また、先にも述べたが、第８図においてはｐ型りランド
層に沿って発光領域が広がっていることから、電ｒ・の
拡散及びｐ型りランド層への゛重子の注入か起こってい
ることが分かるので、活性層兼光共振器１１自体をｐべ
１１にドープすることも、ｌＩｉ、子の活性層内への閉
じ込めを強化する。・キ味からは有効な「一段となる。

発光スペクトラ１、の゛ｈ値幅を狭くし、寄生発光ダイ
オード領域を縮小さセるためには光Ｊ（振器の最適化が
望ましいが、それには第１１図（Ａ）に示されるような
上記作成例に見られるＤＦＢ　（分布帰亮）型に代えて
、第１１図（Ｂ）に示されるようにＤＢＲ（分布ブラッ
グ反射）型の原理を採用すると良い。

より詳しく　’ＩＴうと、１；記作成例は第１１図（＾
）に示されるようにＤＦＢ原理に即したもので、半導体
ヘテロ多層膜全体がキャリア注入領域として゛、シ′ｊ
する利点はあるが、同図に示すように光ノ（振器の中心
部以外は表面及び基板に向かって急速に光電界強１片が
弱くなる欠点を有するため、中心部以外は誘導放出、す
なわちレーザ発振が起こり難い欠点がある。

実際にも上記において試作した活性層兼光共振！ｌ：　
ｔ　、の反射率は９５％以上はあるが、多層膜の周辺部
ではレーザ光が中心部に比して５％にしか達していない
。

そこでレーザ光のスペクＩ・ラム純度を１’＋’＋Ｉめ
るためには、第＋ＩＩＡ（Ｂ）に示されるようにＤＢＲ
原理・を採用し、光ノ（振器の中心部のＧａＡｓ層の厚
味を増大し、チ該中心部にのみ、キャリアを注入するよ
うに図ることが有効である。この場合、光共振器の内部
の光゛上界は、同ＩＡに併示のようにキャリア注入「１
域の全域に１１゛って最大値が保証されるものとなる。

このようなりＢＲ原理を採用すると、必要なエビクキシ
ャル層が厚くなる欠点はあるが、上記のように光共振器
の中心部分にのみ、キャリアを集中させることができる
ため、より−・層の低閾値化をも達成することができる
ようになる。

もっとも、実際にはキャリアの注入分布を厳密１こ第１
Ｘ図（Ｂ）に示されるようにする必要はなく、活性層兼
ノ（振器１１の中央部分のＧａＡｓ層の厚さを例えばｌ
１１ｍから３神程度に設定し、かつそれをｐ型にする一
方で、そのトＦの多層膜部分はアンドープにする等によ
って、当、該中央部分にのみ電流を集中させる程度で十
分である。

なお、ｌ−記作成例においては、クランド層埋設用溝形
成のためにウエッＩ・・エツチングを使用したが、これ
に限定されることはなく、他の手法。

例えば反応性イオン・エンチングとか反応性イオン・ヒ
ーム・エンチ／り等を採用しても良好なりラント層対活
性層界面を得ることかできるし、マスクもＳ＋Ｎｘに限
らず、　Ｓ　ｉ０２はもとよりＡＩＧａＡｓ（７）自然
酸化膜を利用することもできる。

ｙらに　■二足実施例においては現在、最も妥当と；ど
、われるＡ　１ＧａＡｓ　／　ＧａＡｓヘテロ多層膜に
関してのみの作成例を挙げたが１本発明の製造方法は連
続ヘテロ・エピタキシィか可能で格子整合を取ることが
できる系であれば、他の系のヘテロ多層膜であっても適
用することができる。例えばＩＩ　−ＩＶ族化合物半導
体系ではＧａＡｓ基板ヒのｌ′ｌＥ鉛カルコゲナイド系
、［＋−Ｖ族系ではＧａ　ＩｎＡｓＰ系、ＧａＡ　Ｉ　
ＩｎＰ系、ＧａＡ　ｌｓｂ系３等が挙げられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の垂直発振型レーザ製造方法のｅ＋７ま
しい一実施例における主要工程途中における説明［４、
第２図は本発明の製造方法により実際に作成された６直
発振型レーザの主要部分断面の走査電子ＩＫＪ微鏡写真
、第３図は同じく本発明により実際に作成された＋％直
全発振型レーザ表面構造を示す光学ｗＪ微鏡写真、第４
図は第２図及び第３図に示される６直発振型レーザの駆
動電流対電圧特性を取ったオシロスコープ写真、第５図
、第６図、第７図はそれぞれ本発明により作成された東
向発振型レーザの発光スペクトラム例を示す特性図、第
８図は第３図と回じモ面視野における実際の発光パター
ン例を撮影した光学顕微鏡写真、第９図は基板とクラン
ド層との間に電流用１に層を挿入した場合の当該主要部
断面の走査電子顕微鏡写真、第１０図はモ面的な電流阻
ＩＦ層を設ける場合の概略構成図、第１１図は本発明に
より作成される市ｌＩ′Ｉ発振型レーザの活性層兼光共
振器を分ｌｔｉ帰電型とした場合と分１＋ｉブランク反
射型とした場合の相違の説明図、第１２図は従来におけ
る重置発振型（／−ザの構造説明図、である。 図中、ｌＯは〕、（板、１１は活性層兼光共振器、１２
はｐ型りランド層、　１２“はｐ型電流阻１に層、１３
はｎ型クラッド層、　１３゛はｎ型電流阻止層、２１は
基板の大域的な面積領域上に一括的に形成された半導体
ヘテロ多層膜、２２はｐ型クラッド層埋設用の溝、２３
はｎ型クラッド層埋設用の溝、である。 佐藤孝４Ｌ　　　川 第１図（Ｂ） 第２図 第３１′４ Ｐ−ＴＹＰＥＡ［，３５ＧａＡｓ　ＣＬＡＤＤＩＮＧＬ
ＡＹＥＲ＆　ＥＬＥＣＴＲＯＤＥ Ｎ−ＴＹＰＥＡｌ、３５ＧａＡｓＣＬＡＤＤＩＮＧＬＡ
ＹＥＲ＆　　ＥＬＥＣＴＲＯＤＥ 第４図（〜 第４図（８） 第５図 う成長（ＮＭ） 第８図 第９図 示抑斤 第１１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 基板の大域的な面積部分上に半導体ヘテロ多層膜を形成
   する工程と； 上記半導体ヘテロ多層膜に対し、所定の平面パターンに
   従ってｐ型クラッド層埋設用の溝とｎ型クラッド層埋設
   用の溝とをどちらからか順番に、または同時に形成する
   工程と； 上記それぞれのクラッド層埋設用の溝中に、ｐ型及びｎ
   型のクラッド層を埋め込み形成する工程と； から成り、もって上記埋設形成されたｐ型及びｎ型のク
   ラッド層の隣接するもの同志の間に挟み残された上記半
   導体ヘテロ多層膜部分を、レーザ活性機能と上記基板に
   対して垂直な方向の光共振機能とを併せ有する活性層兼
   光共振器として規定すること； を特徴とする垂直発振型レーザの製造方法。