JPS6226883A - 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】 蓋生圀互 本発明は、半導体レーザ装置に関するものであって、更
に詳細には、不純物拡散により発光を行なう為の活性領
域を画定するタイプの半導体レーザ装置に関するもので
ある。

従来鼓車 半導体レーザ装置は、ｐｎ接合におけるキャリアの注入
を通じて反転分布を発生させ活性領域で光の誘導放出を
起こさせるもので、利得係数を容易に大きくすることが
可能で、共振器の寸法が著しく小さい等の特徴を有して
いる。スレッシュホールドを低くし且つ室温連続動作可
能な半導体レーザ装置を得る為には、キャリアの閉じ込
めと光の閉じ込めを効率的に行なうことが必要とされ、
その為にダブルへテロ構造を使用することが広く行なわ
れている。又、発光を行なう活性領域を画定するｐｎ接
合を形成する為に、選択した不純物を拡散することも行
なわれている。

第５図は、屈折率導波路構造を持った所謂ＢＨ型（Ｂｕ
ｒｉｅｄ−Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）型構造の
半導体レーザ装置を示している。このレーザ装置は、１
−ｑａＡｓ基板１上に、液相エピタキシャル成長技術を
使用して、ｎ−Ａｌ、ＧａＡｓクラッド層２を厚さ約１
ミクロンに被着形成し、その上にＧａＡｓ活性層３を厚
さ約０゜２ミクロンに被着形成し、更にｐ−ＡｌＧａＡ
ｓクラッド層４を厚さ約１ミクロンに成長形成させた後
に、化学エツチングによってメサ型のストライプ領域（
幅約１乃至５ミクロン）を形成し、次いで２回目のエピ
タキシャル成長によって、異なった混晶比（Ａｌの含有
量がクラッド層２及び４のものよりも大）のｎ−ＡｌＧ
ａＡｓクラッド層５をＧａＡｓ活性層３が完全に埋設さ
れるまで成長させ、更に酸化膜６を形成した後にこの膜
６をマスクとして使用してＺｎの熱拡散を行なってｐ＋
拡散領域９を形成し、次いでｎ型オーミック電極７とＰ
型オーミック電極８とを蒸着させた後、へき開法により
共振機端面を形成して製造したものである。

上述したＢＨ型半導体レーザ装置は、ＧａＡｓ活性層３
の上下左右をそれより屈折率の低いＡｌＧａＡｓ層で取
り囲む屈折率導波路構造としている為に、２回のエピタ
キシャル成長が必要である。このことは、製造工程数を
増加させるだけでなく、特にメサ型ストライプのエツチ
ング後におけるｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層４及びｒｒ
ＡＩＧａＡｓクラッド層２の酸化の危険性を招来すると
共に、２回目のエピタキシャル成長前におけるウェハの
各種汚染を発生させる原因となる。又、極めて層厚の小
さな（約０．２ミクロン）活性層３が必要であり、且つ
メサ型ストライプ形成時のエツチングの制御性を良好な
ものとする為に、活性層３の上下のクラッド層２及び４
の厚さを１ミクロン程度とする必要性が生じ。

エピタキシャル成長を高精度に制御する必要があり、そ
の点製造上の困難性が存在している。

１−血 本発明は１以上の点に鑑みなされたものであって、上述
した如き従来技術の欠点を解消し、製造が容易であるば
かりか、端面破壊を発生すること無く高光出力を得るこ
との可能な半導体レーザ装置を提供することを目的とす
る。

隻−廣 本発明に基づいて構成される半導体レーザ装置において
は、大略断面が矩形形状のストライプ状突起を形成した
基板の上にクラッド層を形成し。

そのクラッド層内に不純物を拡散させて該突起頂部をも
拡散領域内に包含させ、断面が大略矩形形状の活性領域
を画定している。この構成においては、基板とクラッド
層との間でヘテロ接合が形成されているので、大略矩形
形状の活性領域の３辺はヘテロ接合で画定されており、
一方残りの１辺はホモｐｎ接合で画定されている。従っ
て、活性領域にｎ側から注入されたキャリアは前記へテ
ロ接合による閉じ込め効果を受けると共に、ホモｐｎ接
合を介して適宜発生した光のしみ出しを可能としている
ので、光出力密度を過剥に上昇させることなく、光出力
を増加させることが可能となる。

好適実施形態においては、この様な矩形形状のストライ
プ突起を反応性イオンエツチング（ＲＩＥ）又は化学エ
ツチングで形成し、クラッド層は基板上にエピタキシャ
ル形成する。更に、光出力を増加させたい場合には、こ
の様な矩形形状のストライプ突起を所定ピッチで複数個
並列的に複数個アレイ状に設けると良い。

以下、添付の図面を参考に、本発明の具体的実施の態様
に付いて詳細に説明する。

第１図は１本発明半導体レーザ装置の１実施例を示して
いる。第１図に示した半導体レーザ装置は、大略矩形状
の基板１０を有している。基板１０は第１導電型を有し
ており且つ第１屈折率を有する物質、例えばｎ−ＧａＡ
ｓ等の物質から構成さ九でおり、その厚さは大略５０乃
至６０ミクロンとすると良い。基板１０の上表面には大
略矩形形状の断面を持った長沢即ちストライプ状の突起
２０が形成されており、基板１０の上表面の中央付近を
縦断して延在している。後述する如く、この断面が大略
矩形形状のストライプ状突起２０は、好適には、基板１
０を反応性イオンエツチング又は化学エツチングするこ
とによって形成する。ストライプ状突起２０は、その矩
形断面を画定する左右の側面２０ａ及び２０ｃと上部側
面２０ｂとを有しており、その底部側面は基板１０の上
表面と同一面にある。又、この突起２０は、好適には、
幅が１ミクロン以下で高さが２ミクロン以上の寸法とす
る。

基板１０の上表面上にはストライプ状突起２０を完全に
被覆してクラッド層１１が被着形成されている。クラッ
ド層１１は、第１導電型で且つ第１屈折率よりも小さな
第２屈折率の物質から形成されており、例えばｎ−Ａｌ
ＧａＡｓ　（ＡｌとＧａの混晶比が０．４：０．６）を
使用すると良い。クラッドＭ１１は５例えば、３乃至４
ミクロン程度の厚さとすることが可能であるが、その厚
さは突起１０ａを充分に被覆する様に適宜決定すること
が可能である。従って、基板１０とクラッド層１１との
間の界面はへテロ接合を画定しており、断面矩形状のス
トライプ突起２０はその３面２０ａ、２°Ｑｂ、２０ｃ
がそれよりも屈折率の・小さな物質で取り囲まれてスラ
ブ型導波路を形成している。。クラッド層１１の上には
、電流ブロック層１２が被着形成されており、この層１
２は、第１導電型と反対極性の第２導電型の物質、例え
ばｐ−ＡｌＧａＡｓ　（ＡｌとＧａの混晶比が０．４：
０．６）、から構成されている。

電流ブロック層１２の上には、キャップ層１３が被着形
成されており、これは例えばｎ−ＧａＡｓから構成する
と良い。このキャップ層１３の表面からクラツド層１１
内部へかけて選択した不純物を拡散させて高濃度拡散領
域１４と低濃度拡散領域１５とが形成されている。ここ
で前記電流ブロック層１２は、ｎ−ＧａＡｓキャップ層
１３中に拡散により生じるｐｎ接合から基板１０へ電流
が流れるのを防止する役割を果たす。これらの拡散領域
１４及び１５は、基板１０及びクラッド層１１の導電型
と反対極性の導電型の不純物（例えば、Ｚｎ）を拡散し
て構成しており、上述した如く、基板１０及びクラッド
層１１がｎ型の場合、これらの拡散領域１４及び１５の
導電型は夫々ｐ十及びｐである。重要な点であるが、低
濃度拡散領域１５はストライプ状突起２０の頂部を包含
しているということである。従って該頂部２０’は反対
の導電型（本例ではｐ型）へ変換されている。この為、
頂部２０′の底辺３０ｃはホモｐｎ接合を形成しており
、一方頂部２０′の３辺は基板１ｏとクラッド層１１と
の間のへテロ接合を形成している。この頂部２０′、特
にｐｎ接合３０ｃ及びその近傍、が所謂発光における活
性領域に対応しており、後述する如く、キャリア及び光
がこの領域２０′に閉じ込められて光発振を行なう。　
更に詳説すると、頂部２０’の３側辺はへテロ接合であ
りまたその底辺３０ｃはホモｐｎ接合であるから、２０
′にｎ側から注入されたキャリアは前記へテロ障壁によ
って頂部２０’内に閉じ込められ、一方クラッド層１１
の屈折率は基板１０の屈折率よりも低いので、頂部２０
′の３側辺は光ガイドを構成しており、従って発生され
た光はこの頂部２０′に案内されてストライプ状突起１
０ａの長手軸方向に進行する。この様に、本発明半導体
レーザ装置においても、利得導波型のみならず屈折率導
波型の構造を有しているが、大略矩形形状の断面を持っ
た頂部２０′の３側面のみ屈折導波型構造とされており
、底辺３０ｃは単にホモｐｎ接合として電流通路を提供
するだけであるから、発生された光は４側面方向の内の
１方向である底辺３０ｃの方向に他の方向と比べて比較
的容易にしみ出すことが可能であり、従って光出力密度
が過剰に増加することが防止され、且つ光出力を増加す
ることを可能としている。

尚、第１図に示した構造においては、ｐｎ接合面は、電
流ブロック層１２とクラッド層１１との境界面３０ａと
、クラッド層１１中のＰ拡散領域１５とクラッド層１１
との境界面３０ｂと、ストライプ状突起２０内部におけ
るｐ拡散領域１５と基板１ｏとの境界面３０ｃとの３つ
のｐｎ接合面がある。ここで、境界面３０ａ及び３０ｂ
におけるｐｎ接合面を流れる電流は、ＡＩＧａＡｓ（Ａ
ｌとＧａの混晶比が０．４：０．６）の禁制帯幅がＧａ
Ａｓのそれよりも大きい為に、一定バイアス電圧を印加
した状態においては、ＧａＡｓのｐｎ接合面を流れる電
流よりもｅｘｐ（−ΔＥｇ／ｋＴ）だけ小さくなる（尚
、ΔＥｇはＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとの禁制帯幅の差、
にはボルツマン定数、Ｔは温度）ので、注入電流は平板
型ストライプ構造中のｐｎ接合３０ｃに集中し、この部
分でレーザ発振が起こる。

尚、突起２０は、好適実施例では、第１図に示した如く
、ｐ拡散領域１５内に延在させる。これにより、キャリ
アの活性領域への注入をより効果的に行なうことが可能
となる。一方、突起２０の上部側面２０ｂを所望により
ｐ十拡散領域１４内に位置させることも可能である。

次に、第１図に示した実施例の製造方法の１例に付いて
第２ａ図乃至第２ｄ図を参考に説明する。

先ず、略矩形のｎ−ＧａＡｓ基板］、Ｏを用意し、それ
を反応性イオンエツチング又は化学エツチングにより処
理して５図示した如く、上表面上に１端がら他端へ直線
的に延在する断面が大略矩形形状のストライプ状突起２
０を形成する。好適には、突起２０の幅を１ミクロン以
下とし高さを２ミクロン以上とする。この場合に、例え
ば、　Ｃ１□−Ａｒ系ガスを使用する反応性イオンエツ
チング（ＲＩＥ）技術によって突起２０を形成する場合
には、例えば、ホトレジスト（ＯＥＢＲ−１０３０）を
エツチング用のマスクとして使用し、全ガス圧約ＩＰａ
、高周波電力密度０．８Ｗ／ｃｉ１．　Ｃ１２ガス流量
２ｃｄ／分、Ａｒガス流量１０ａｌ／分の条件で約４分
間エツチングを行なうことによって、深さ約２ミクロン
の垂直なＧａＡｓ基板のエツチングを行なうことが可能
である。この様な反応性イオンエツチングは、ＣＣＩ、
　Ｆ２−０□−Ａｒ系、ＣＦ４系等のガスを使用して実
施することも可能である。この様にして形成された平板
型突起２０を有する基板１０の全体的な構成を第４図に
斜視図で示しである。

次いで、第２ｂ図に示した如く、基板１０上に被着して
、エピタキシャル成長法によって、ｎ−ＡｌＧａＡｓク
ラッド層１１、ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層１２、
ｎ−ＧａＡｓキャップ層１３を順次積層形成する。

尚、この場合に、Ａ１とＧａの混晶比を、例えば、０゜
４：０．６とすると良い。次いで、第２ｃ図に示した如
く、不純物（例えば、Ｚｎ）を拡散させてその拡散フロ
ントを突起２０の先端を通過させる。この場合、Ｓｉｎ
、を拡散用マスクとして使用し、石英アンプル中に、マ
スクした基板１０及び各層１１乃至１３からなる構成体
とＺｎＡｓ２とを真空封入し。

７００°Ｃ前後の温度で少なくともストライプ状突起２
ｏの先端から２ミクロン程度上方の位置までＺｎを熱拡
散してｐ十拡散領域１４を形成する。

次に、この構成体とＡｓとを石英アンプルに真空封入し
、９００’Ｃ前後の温度で約２時間熱処理を行なって２
ミクロン程度拡散フロントを押し込みｐ拡散領域１５を
形成する。この場合に拡散領域の拡散フロントを突起２
ｏの内部へ押し込んで断面が大略矩形状の活性領域２０
’　を形成する。

次いで、第２ｄ図に示した如く、ｎ型オーミック電極（
例えば、ＡｕＧａＮ１）　１６及びｐ型オーミック電極
（例えば、　Ｃｒ−Ａｕ）　１７を被着形成する。この
様にして製造したウェハからへき開法により共振器端面
を形成して第１図に示した半導体レーザ装置とする。従
って、この構成においては、電極１６及び１７間に垂直
に電流を流してレーザ発振動作を行なわせる。

第３図は、本発明の別の実施例を示しており、この場合
の基本的な構成は、第１図のものと同じであるが、基板
１０の上表面上には所定のピッチで離隔させて複数個の
ストライプ状突起２０がアレイ状に配列して設けられて
いる。各突起２ｏは低濃度拡散領域１５内にその頂部を
延在させて活性領域を形成しており、突起２０と同数の
活性領域が設けられている。この場合、各突起間隔は約
１ミクロン程度にすることが可能であり、又数１０本の
突起を配設させることも可能である。従って、第４図の
アレイタイプの構造は、更に光出力密度を向上させるこ
とを可能としている。

第３図の実施例においては、更に基板１０にストライプ
状突起２０を形成した後に、同じ表面上で突起２０を越
えない程度の厚さで下側電流ブロック層１８を被着形成
しており、その上に突起２０を被覆してクラッド層１１
を被着形成している。

この下側電流ブロック層１８は、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラ
ッド層１１中に形成されるｐｎ接合面、即ちｐ拡散領域
１５の拡散フロントとの境界面からのレーザ動作に関与
しない漏れ電流をブロックすることを目的としている。

又、この下側電流ブロック層１９はｐ−ＡＩＧａＡＳか
ら形成すると良い。この構成によれば、注入電流はスト
ライプ状突起２０中のｐｎ接合部分３０ｃにのみ集中す
るので、発振スレッシュホールド電流の低減を図ること
が可能である。

尚、この様な構成は第１図の実施例に対しても適用可能
であることは勿論である。又、第３図の実施例において
、電流ブロック層１８を除去することも可能である。

以上の実施例においては、平板型ストライプ構造をＧａ
Ａｓ基板上に形成しているが、平板型ストライプ構造は
ＧａＡｓ基板上に成長形成させたＧａＡｓバッファ層、
又はＧａＡｓ基板上に成長形成させたＡｌＧａＡｓ層、
又はＧａＡｓバッファ層上に成長形成させたＡ　ｌＧａ
Ａｓ層にも同様に形成させることが可能である。尚、基
板１０及びクラッド層１１を共にＡｌＧａＡｓから形成
する場合には、基板１０のＡｌＧａＡｓはクラッド層１
１のそれよりＡ１成分のより少ない混晶比のものとする
と良い。又、以上の説明では、化合物半導体物質として
ＡＩＧａＡ／ＧａＡｓを使用した場合に付いて説明した
が５本発明はその他の化合物半導体物質、例えばＩｎＧ
ａＡｓＰ／ＩｎＰ等にも適用可能であることは勿論であ
る。

紘−果 以上詳説した如く、本発明は、ＧａＡｓ単結晶又はＡｌ
ＧａＡｓ単結晶等からなる基板の上表面に断面が大略矩
形形状のストライプ状突起を形成し、その上に基板のも
のよりも小さな屈折率を持ったＡｌＧａＡｓクラッド層
を被着形成し、Ｚｎ等の不純物を拡散させて突起の頂点
近傍で突起内部にホモｐｎ接合を形成してレーザ動作領
域を画定することに特徴を有している。従って、本発明
によれば、従来、必要とされた極めて薄い（約０．２ミ
クロン程度）活性層を形成することが不要であり、従っ
てエピタキシャル成長過程が極めて容易化される。

又、本発明の構成においては、頂部に活性領域を画定し
たストライプ状突起は断面が大略矩形形状であり、活性
領域は基板側方向を除き、屈折率の小さいＡｌＧａＡｓ
クラッド層で囲まれているので、屈折率導波路構造が形
成されており、又この構造は同時にＡｌＧａＡｓとＧａ
Ａｓのシングルへテロ接合と成っている為にｎ側から注
入されたキャリアに対する閉じ込め効果も増大されてお
り、高効率動作を可能としている。更に、突起２０の幅
は任意の寸法に設定可能であり、その幅を大きくするこ
とにより活性領域の体積を増大することが可能であり、
従って出力密度を増大させることなく光出力を大きくさ
せることが可能である。

以上、本発明の具体的実施の態様に付いて詳細に説明し
たが１本発明はこれら具体例にのみ限定されるべきもの
では無く１本発明の技術的範囲を逸脱すること無しに種
々の変形が可能であることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づいて構成された半導体レーザ装置
の１実施例を示した概略断面図、第２ａ図乃至第２ｄ図
は第１図の装置の１製造方法の代表的ステップを示した
各概略断面図、第３図は本発明の別の実施例を示した概
略断面図、第４図は第１図の基板の構成を示した概略斜
視図、第５図は従来のＢＨ型半導体レーザ装置の基本的
構造を示した概略断面図、である。 （符号の説明） １０：基板 ２０ニスドライブ状突起 １１：クラッド層 １２：電流ブロック層 １３：キャップ層 １４：高濃度拡散領域 １５：低濃度拡散領域 第１図 第２ｂ図 第３図 １Φ 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１導電型で第１屈折率の第１物質から構成されて
   おり且つ１表面上に断面が大略矩形状のストライプ状突
   起を形成した基板と、前記ストライプ状突起を被覆して
   前記基板の１表面上に被着形成しており前記第１導電型
   で前記第１屈折率よりも小さい第２屈折率の第２物質か
   ら構成されているクラッド層と、前記クラッド層及び前
   記ストライプ状突起の所定の一部に第２導電型の不純物
   を拡散させた拡散領域と、を有することを特徴とする半
   導体レーザ装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記ストライプ状
   突起の大略矩形状断面の１辺が前記基板の１表面と同一
   面上にあり、前記拡散領域は前記ストライプ状突起の頂
   部を包含しており、前記頂部が活性領域を画定している
   ことを特徴とする半導体レーザ装置。 ３、特許請求の範囲第２項において、前記第１物質がＧ
   ａＡｓ又はＡｌＧａＡｓであり、前記第２物質が前記第
   １物質と異なる混晶比のＡｌＧａＡｓであることを特徴
   とする半導体レーザ装置。 ４、特許請求の範囲第３項において、前記拡散領域を形
   成する不純物がＺｎであることを特徴とする半導体レー
   ザ装置。 ５、特許請求の範囲第２項において、前記ストライプ状
   突起は前記基板を反応性イオンエッチング又は化学エッ
   チングすることによって形成したものであることを特徴
   とする半導体レーザ装置。