JPS62281384A - 半導体レ−ザ素子およびその製造方法 - 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】 ３、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素子、特にダブルへテロ接合構造
の半導体レーザ素子とその製造方法に関するものである
。

（従来の技術〕 従来、このような分野の技術としては、“′ショットギ
障壁により侠客されたレーザのインデックスガイドされ
たアレイ（Ｉｎｄｅｘ−ｇｕｉｄｅｄ　ａｒｒａｙｓ　
ｏｆＳｃｈｏｔｔｋｙ　ｂａｒｒｉｅｒ　ｃｏｎｆｉｒ
ｅｄ　１ａｓｅｒｓ）　”、Ｈ，Ｔｅｍｋｉｎ　ｅｔ　
ａｔ、、　Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　Ｖｏ
ｌ、４６゜Ｎｏ、５（１９８５，３，１）、　Ａｍｅｒ
ｉｃａｎ　Ｉｎ５ｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ
（米国）　　Ｐ、４６５〜４６７に記載されるものがあ
った。

半導体レーザ素子は小型、高効率という特徴から、近年
光ファイバ通信用光源必るいは光プリンタ用光源として
開発され、すでに商品化されているものもある。これら
の用途においては、半導体レーザ素子から放出された光
はレンズ等で微小スポットに集光する必要があり、この
ため半導体レーザ素子は横シングルモードで発（辰させ
る必要がおる。横シングルモードで発振させるためには
、基板面に平行な方向に屈折率分布を形成しなければな
ら／よい。屈折率分布を形成する方法としては非常に多
くの構造が考案されているが、基本的には、基板に溝部
や凸部を設けその上に結晶成長させ、成長結晶に膜厚分
布を設けることにより等価的に屈折率分イ「を形成する
方法と、活性層をそれよりも低い屈折率の物質で埋込む
方法とに分類される。

以下、従来例の構成を図を用いて説明する。

第２図はこのような従来技術のうち、前省の型の一構成
例を示す素子断面図で必る。Ｎ型またはＰ型のＱａ　Ａ
３等からなる基板１の発（辰領域に対応する領域にはス
１〜ライブ状の溝が形成され、この基板１上には同一導
電型のＡＪＪ　Ｇａ　Ａｓ等からなるクラッド層２、こ
のクラッド層２より禁制帯幅が小さく屈折率の大きいＧ
ａ　ＡＳ　＠からなる活性層３、この活性層より禁制帯
幅が大きく屈折率の小ざいＡＪＪ　Ｇａ　ＡＳ等からな
るクラッド層４、基板１と同じ導電型の（３ａ　ＡＳ等
からなる層５が順次設けられている。そして、発成領域
の上部には電流を注入するためのＺｎ等の拡散領域６が
設けられ、Ｇａ　ＡＳ層５の上面および基板１の下面に
はそれぞれ金属電極７，８がオーミック接触して設けら
れている。

第２図の従来例の作用は、例えばＨ，Ｃ，ＣＡＳＥＹ。

ＪＲ，）１．Ｂ、　ＰＡＮＩＳＩＩ著［ヘテロ＠造レー
ザ（ｌｌｅｔｅｒ。

５ｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃｅｓｅｒｓ　）　Ｊ等の解説書
に詳しく述べられているが、その概要は次のようになっ
ている。

電極７をＰ側とし電極８をＮ　Ｈｉｌｌとすると、電極
７からの注入電流は拡散領Ｖ１．６から活性層３を通つ
て電［１８へと流れる。このとぎ、活性層３は屈折率の
小ざいクラッド＠２，４で上下方向から挟まれ、かつ水
平方向には等価的に屈折率差が形成されているので、キ
ャリアと誘導放出による光は共にこの発成領域に閉じこ
められ、従って高効率のレーザ出力を得ることができる
。

第３図は後者の型の従来装置の一構成例を示す素子断面
図である。そして、これが第２図のものと異なる点は、
クラッド層４の上には（３ａ　ＡＳ等の層は設けられず
、またＺｎ専の拡散領域も形成されていないことと、発
（股領域全体が活性層３より禁制帯幅が大きく屈折率の
小さいＡρＧａ　ＡＳ等の埋込層９に囲まれ、この埋込
層９の上面に絶縁層１０が形成されていることでおる。

第３図の従来例においても、第２図のものと同様に電極
７をＰ側として電極８をＮ側とすると、注入電流は埋込
層９の間のクラッド層４、活性層３およびクラッド層２
を通って、基板１から電極８へと流れる。このとき、活
性層３は屈折率の小ざいクラッド層２，４て上下方向か
ら挟まれ、かつ水平方向には屈折率の小さい埋込層９で
囲まれているので、キャリアと誘導放出による光は共に
この発振領域に閉じこめられ、従って高効率のレーザ出
力を得ることができる。

また近年では、前掲の文献（Ｈ，Ｔｅｍｋｉｎ　ｅｔ　
ａｌ、　）に示され、第４図に断面図で示すように、金
属と半導体の界面特性を利用したレーザが報告されてい
る。そしてこれが第２図および第３図のものと異なる点
は、クラッド層２と活性層３の間に発光部所面積を大ぎ
くするための層（Ａ、Ｑ組成がクラッド層２と活性層３
の中間の層）１１が設けられていることと、クラッド層
４の発振領域に対応する部分が厚く残されていることと
、電極７がＧａ　Ａｓ層５にオーミック接触されかつク
ラッド層４にショットキ接合されていることである。

第４図の従来例の作用は前掲の文献（Ｈ，Ｔｅｍｋｉｎ
ｅｔａｌ、）に詳しく説明されているが、要約すると次
のようになる。すなわち電極７が正、電極８が負になる
様に電圧をかけると、電流はオーム性接触部からＱａ　
Ａｓ層５を通って注入される。しかし、ｌ　Ｇａ　Ａｓ
層（クラッド層）４と電極７との界面はショットキ接合
の逆バイアス状態となっているため流れることはなく、
従って電流はＧａ　Ａｓ層５が形成されている領域の直
下にしか流れない。

活性層３で発光した光の大部分は活性層内に閉じこめら
れているが、エバネッセントフィールドの一部がクラッ
ド層２，４にも存在し、その上端が発掘領域に対応する
部分でない部分のクラッド層４の上面に到達することが
ある。しかし、発掘領域でない領域には金属電極７が存
在するため電場分布が異なり、発振領域との間で等価屈
折率差が形成され、従って発生した光は横方向にもとじ
込められる。その結果、高効率のレーザ出力を得ること
ができる。

（発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら第２図に示す構成の半導体レーザ素子を得
るためには、製造工程において２回の結晶成長が必要に
なり、歩留りやコストが悪くなる欠点があった。また第
３図に示す構成の半導体し一ザ素子は、凹凸のめる基板
に結晶成長させる際に結晶成長速度の結晶面方位依存性
を利用するものであるが、レーザ構造の制御が難しく、
再現性が悪いという欠点かあった。また第４図に示す構
造の半導体レーザ素子は、平坦な基板の上に結晶成長ざ
ぜるので結晶成長工程は比較的容易でおるが、結晶成長
後は高精度のエツチングが必要になり、このため高性能
の素子を再現性よく実現することが難しいという欠点が
おった。

ざらに上記した従来の半導体レーザ素子では未だ出力が
十分でなく、そのため衛生間通信、固体レーザのボンピ
ング、レーザレーダ、ツクトビジョンなどの用途に活用
するのが難しいという欠点がめった。

この発明は上記従来技術が持っていた欠点のうち、高出
力素子を再現性よく得ることが難しいという欠点を解決
した半導体レーザ素子を提供するもので必る。またこの
発明は、上記従来技術が持っていた欠点のうち、結晶成
長工程およびエツチング工程の制御が難しいという欠点
を解決した半導体レーザ素子の製造方法を提供するもの
でおる。

［問題点を解決するための手段］ この発明は上記問題点を解決するために、基板上にＡρ
Ｇａ　Ａｓ結晶で形成された第１のクラッド層上に高補
償３ｉ　ドープＧａＡｓ結晶で活性層を形成し、この活
性層上にＡρ（３ａ　Ａｓ結晶で形成された第２のクラ
ッド層上の発振領域に対応する部分に、Ｑａ　Ａｓ結晶
で形成された下側結晶層と、ＡｆｌＧａ　Ａｓ結晶で形
成された第３のクラッド層と、Ｑａ　Ａｓ結晶で形成さ
れた上側結晶層とを順次形成し、更にこの上側結晶層に
オーミック接触をすると共に第２のクラッド層にショッ
トキ接合する電極を形成したことを特徴とするものでお
る。

またこの発明は、第１の半導体結晶で形成された活性層
の下面および上面に、第１の半導体結晶より禁制帯幅が
大きく屈折率が小さい第２の半導体結晶で形成される第
１および第２のクラッド層をヘテロ接合する半導体レー
ナ素子の製造方法において、第２のクラット層上に第１
の半導体装置に尖る下側結晶層、第２の半導体結晶によ
る第３のクラッド層おにび第１の半導体結晶による上側
結晶層を順次形成した１多、発振領域に対応する領域の
上側結晶層上にレジスト膜を形成し、このレジスト膜で
被覆されない領域の上側結晶層、第３のクラッド層およ
び下側結晶層を選択エツチングにより順次除去した後、
レジスト膜を選択エツチングにより除去し、上側結晶層
にオーミック接触すると共に第２のクラッド層にショッ
トキ接合する電極を形成することを特徴としたものでお
る。

（作用） 本発明によれば、以上のように半導体レーザ素子を構成
したので、第１のクラッド層と電極のショットキ接合は
注入電流を狭搾するように動き、高補償３ｉ　ドープ（
３ａ　ＡＳで構成されるため活性層のＣＯＤレベルは高
くなり、第１のクラッド層と第２のクラッド層に挟まれ
るＧａ　ＡＳの下側結晶層は先導波路断面積を増大させ
るように動く。

また本発明によれば、以上のように半導体レーザ素子の
製造方法を構成したので、発振領域に対応する領域の上
側結晶層、第２のクラッド層および下側結晶層を平坦面
上の結晶成長と選択エツチングで形成することができる
。

［実施例］ 第１図は本発明の実施例に係る半導体レーザ素子の断面
図である。Ｎ型又はＰ型の（３ａ　ＡＳ等からなる基板
１の上にはこれと同一の導電型の八ρ（３ａ　ＡＳ等か
らなる第１のクラッド＠２が形成され、その上には高補
＠ＳｉドープＱａ　Ａｓ等からなる活性層３が形成され
る。ざらに、活性層３の上には基板１と逆導電型のＡΩ
Ｇａ　ＡＳ等からなるクラッド層（第２のクラッド層）
４が形成され、その上の発振領域に対応する領域には基
板１と逆導電型のＧａ　ＡＳ層（下側結晶層）１３、ク
ラッド層４と同一組成で同一導電型のＡΩＧａＡｓ等か
らなるクラッド層（第３のクラッド層）１２および基板
１と逆導電型のＧａ　ＡＳ層５が順次形成される。そし
て、金属からなる電極７はＱａ　ＡＳ層５にオーミック
接触し、クラッド層４にショットキ接合して設けられて
いる。

次に第１図に示す実施例の半導体レーザ素子の動作を、
基板１としてＮ型Ｇａ　ＡＳ基板を用いた場合を例にし
て説明する。電極７とＰ型（３ａ　ＡＳ層５はオーム性
接触をしており、電極７とＰ型Ａ、ＩＩＧａＡｓ（第２
のクラッド＠）層４との界面にはショットキ障壁が形成
されている。一般に、金属電極は（３ａ　ＡＳ層には容
易にオーム性接触させることが可能で、Ａ、ＱＧａＡｓ
層については特別な工夫が必要でおることが知られてあ
り、上記（７）　様％　接’Ｍｌ　状態は前掲の文献（
１１，Ｔｅｍｋｉｎ　ｅｔ　ａｌ、　　）に示される如
く容易に形成されることができる。

尚、電極８とＮ型Ｇａ　ＡＳ基板１はオーム性接触をし
ている。

電極７を正にし、電極８を負にすると、電流はオーム性
接触部からＧａ　ＡＳ層５を通って流れる。

しかし、Ａ、ＲＧａ　Ａｓからなるクラット層４と電極
７との界面はショットキ接合の逆バイアス状態となって
いるため流れることはなく、従って電流は矢印で示すよ
うにＱａ　ＡＳ層５が形成されている領域（発）辰領域
に対応する領ＩＪ：ｉ　）の直下にしか流れない。

この様に、素子全面に電極７が形成されていても電流狭
搾機能が備わっている。

活性＠３で発生した光の大部分は活性層３内に閉じ込め
られているが、若干部分はエバネッセントフィールドが
クラッド層２，４に存在するようになる。ここで、活性
層３の厚さを０．０５〜０．１μｍ、クラッド層４の厚
さを０．１〜０．５μｍとすると、エバネッセントフィ
ールドはＧａ　ＡＳ　層１３まで到達する。一方、Ｇａ
Ａｓ層１３がない領域には金属電極７が存在するため電
場分布が異なり、（３ａ　ＡＳ層１３がある領域とない
領域とて等価屈折率差が形成され、前掲の論文で解説さ
れているように発生した光は横方向にも閉じ込められる
。上下方向の光の閉じ込めは第１のクラッド層２と第３
のクラッド層１２とで行われ、光は活性層３とＧａ　Ａ
Ｓ層１３を伝播する。待に３ｉ　ドープＧａ　Ａｓ活性
層３で発生した光は１３ａ　ＡＳの吸収端より長波長な
ので、Ｇａ　ＡＳ層１３では吸収されない。従って先導
波路断面積は３層にまたがることになりいわゆるＬ　Ｏ
Ｃ（ｌａｒｇｅ　ｏｐｔｉｃａｌＣａＶｉｔｙ）　＠造
となって高出力特性が明（寺できる。

また、活性層３に高補償ＳｉドープＧａＡｓを用いてい
るのでＣＯＤ　（ＣａｔａＳｔｒＯｐｈｉＣｏｐｔｉｃ
ａｌｄａｍａｇｅ　）レベル（瞬時光学損傷レベル）を
高くでき、より一層の高出力を実現できる。

換言ずれば本実施例は、活性層３にＳｉ　ドープＱａ　
ＡＳを用い、かつ第２のクラッド層４上にＧａ　ＡＳ層
１３を形成することによって、ＣＯＤレベルの向上とＬ
ＯＧ構造の形成を同時に達成し、従って極めて高出力を
可能にしているので必る。

次に、この半導体レーザ素子の製造方法を、第５図の工
程別素子断面図に従って説明する。

まず、平坦な（３ａ　ＡＳ基板１上に各層を所定の厚さ
で結晶成長させる（第５図（ａ）図示）。このように本
実施例では、平坦な基板を使用しているため、層厚制御
はｉｔ較的容易である。特に活性層３に高補償Ｓｉドー
プ（３ａ　Ａｓを用いるときは結晶成長温度が高くなり
、従って溝を形成したり埋込みをしたりすることは困難
であるが、本発明方法では平坦な基板上に平坦に層を形
成していけばよいので、工程の制御が容易である。

次に、フォトレジスト１４を塗布し、通常のフォトリソ
グラフィ技術により２〜４μｍ幅のストライプ部を残す
（同図（ｂ）図示）。次にアンモニアと過酸化水素を混
合したエツチング液によりＧａ　ＡＳ　＠選択エツチン
グする。このエツチング液はＧａ　ＡＳのみエツチング
し、ＡＮ　（３ａ　ＡＳはエツチングしないので、レジ
スト１４に覆われない部分の（３ａ　ＡＳ層５だり除去
出来る（同図（Ｃ）図示）。次にフッ酸又はＨＣＮによ
り Ａ、Ｑ　Ｇａ　Ａｓのエツチングを行う。このエツチン
グ液は、ＡＮ　Ｇａ　Ａｓのみエツチングし、Ｑａ　Ａ
Ｓはほとんどエツチングしないため、レジスト１４に覆
われないＡｆＪＧａ　ＡＳ　Ｉ脅１２だけ除去できる（
同図（ｄ）図示）。次に前）ホのＧａ　Ａｓの選択エツ
チング液によりＧａ　Ａｓ　Ｈ１３を除去する（同図（
ｅ）図示）。これらのエツチング工程は組成の異なる層
の界面で各エツチングが止まるので、エツチング時間を
精密に制御する必要がない。

次にレジスト１４をエツチングで除去した後（同図（ｆ
）図示）、電極７，８を形成する（同図（ＣＩ）図示）
。電極材料として、Ｎ側オーム性電極材料としてはＡＵ
　Ｇｅ　−Ｎｉ　、Ｐ側電極としてはｐｔ−ｒ；を用い
ることができる。電極材料は他のものでも良く、ショッ
トキ接合部とオーミック接触部の間で材料を変えても良
い。

本発明は上記実施例に限定されるものでなく、種々の変
形が可能である。例えば、Ｇａ　、Ａｓ、１！　Ｇａ　
Ａｓ以外の■−Ｖ族化合物半導体のレーザについても適
用することができる。また本発明に係る製造方法は、活
性層に３ｉ　ドープ（３ａ　ＡＳを用いたときに（結晶
成長温度が高いとぎ）に特に好適であるが、これに限定
されるものでなく、他の半導体材料（例えばＩｎ　Ｇａ
　ＰＡｓ　）を用いた半導体レーザ素子の製造工程にも
用いることができる。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように本発明に係る半導体レーザ素
子では、活性層に高補償３ｉ　ドープＧａ　Ａｓ結晶を
用い、クラッド層上の発振領域に対応する部分にＧａ　
、Ａｓ結晶層（下側結晶層）を形成し、電流注入部の金
属電極とＧａＡｓ層（上側結晶＠）をオーミック接触す
ると共にそれ以外の部分をショットキ接合させるように
したので、３ｉ　ドープによるＣＯＤレベルの向上と、
Ｇａ　ＡＳ層（下側結晶層）によるＬＯＤｌ造すなわち
先導波路断面積の増大と、ショットキ接合による電流狭
搾機構の３つを同時に実現することができ、従って衛生
通信、固体レーザのポンピング等に応用できる程度の高
出力を期待することができる。

また本発明に係る製造方法では、基板上にクラッド層、
活性層等を順次結晶成長させ、その後に選択エツチング
により発振領域に対応する部分以外の上側結晶層、第３
のクラッド層、下側結晶層を順次取り除くようにしたの
で、結晶成長工程およびエツチング工程を容易かつ正確
に開祖１でき、従って量産性とコストの低下を期待する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る半導体レーザ素子の断面
図、第２図乃至第４図はそれぞれ従来の半導体レーザ素
子の構成例の断面図、第５図は第１図の半導体レーザ素
子の製造工程別断面図で必る。 １・・・基板、２・・・第１のクラッド層、３・・・活
性層、４・・・第２のクラッド層、５・・・上側結晶層
、７．８・・・金属電極、１２・・・第３のクラッド層
、１３・・・下側結晶層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板と、 この基板上にＡｌＧａＡｓ結晶で形成された第１のクラ
   ッド層と、 この第１のクラッド層上に高補償ＳｉドープＧａＡｓ結
   晶で形成された活性層と、 この活性層上にＡｌＧａＡｓ結晶で形成された第２のク
   ラッド層と、 この第２のクラッド層上の発振領域に対応する部分にＧ
   ａＡｓ結晶で形成された下側結晶層と、この下側結晶層
   上にＡｌＧａＡｓ結晶で形成された第３のクラッド層と
   、 この第３のクラッド層上にＧａＡｓ結晶で形成された上
   側結晶層と、 この上側結晶層にオーミック接触をすると共に前記第２
   のクラッド層にショットキ接合する電極とを備える半導
   体レーザ素子。 ２、第１の半導体結晶で形成された活性層の下面および
   上面に、前記第１の半導体結晶より禁制帯幅が大きく屈
   折率が小さい第２の半導体結晶で形成される第１および
   第２のクラッド層をヘテロ接合する半導体レーザ素子の
   製造方法において、前記第２のクラッド層上に前記第１
   の半導体結晶による下側結晶層、前記第２の半導体結晶
   による第３のクラッド層および前記第１の半導体結晶に
   よる上側結晶層を順次形成し、 発振領域に対応する領域の前記上側結晶層上にレジスト
   を形成し、 このレジスト膜で被覆されない領域の前記上側結晶層、
   第３のクラッド層および下側結晶層を選択エッチングに
   より順次除去し、 前記レジスト膜を選択エッチングにより除去し、前記上
   側結晶層にオーミック接触すると共に前記第２のクラッ
   ド層にショットキ接合する電極を形成することを特徴と
   する半導体レーザ素子の製造方法。 ３、第１の半導体結晶はＧａＡｓ結晶であり、第２の半
   導体結晶はＡｌＧａＡｓ結晶である特許請求の範囲第２
   項記載の半導体レーザ素子の製造方法。 ４、活性層は高補償ＳｉドープＧａＡｓ結晶で形成され
   ている特許請求の範囲第３項記載の半導体レーザ素子の
   製造方法。