JPS6234473Y2

JPS6234473Y2 -

Info

Publication number: JPS6234473Y2
Application number: JP14156381U
Authority: JP
Priority date: 1981-09-24
Filing date: 1981-09-24
Publication date: 1987-09-02
Also published as: JPS5778665U

Description

【考案の詳細な説明】本考案は半導体接合レーザに関し、特に基本モ
ード発振とするための構造に関するものである。

半導体レーザを高温下において連続発振させる
ためには、その接合部から熱を除去する最良の熱
径路を与え、かつ同時に、光の損失とむだな再結
合を最小にする特定領域に光エネルギーおよび注
入電流を閉じ込める構造寸法にする必要がある。

そこで半導体レーザの電極をストライプ状電極
とし、活性層に流れる電流を閉じ込め、同時に光
エネルギーも閉じ込める。いわゆる電極ストライ
プ型半導体レーザが出現した。

しかし、ストライプ電極幅をある程度以上狭く
しても、活性層では電流が電極幅に比べて大きく
拡がるため、電流閉じ込め効果が不充分となり、
その結果、充分なモード制御が行ない得ない欠点
を有していた。さらに、この電極ストライプ型の
欠点を補う半導体レーザが提案された。いわゆ
る、埋め込みストライプ型がこれである。

第１図は埋め込みストライプ型半導体レーザの
一例の概略図である。以下この型の構造について
簡単に説明する。

例えば、ｎ型GaAs基板２の上に液相成長法に
よつて、ｎ型Ga₀.₇Al₀.₃As層３、GaAs活性層
４、ｐ型Ga₀.₇Al₀.₃As層５を順次成長させる。選
択エツチングでｐ型Ga₀.₇Al₀.₃As層５の表面から
ストライプ状電流域１１を形成するため、GaAs
基板２に達するまで、ストライプ状電流域１１直
下の部分のみ残して他の部分を取りのぞく。次に
そのエツチングした部分に再度、液相成長法によ
つてｎ型Ga₀.₇Al₀.₃As層８を成長させる。続い
て、SiO₂膜６を付け、そのSiO₂膜６のストライ
プ状電流域１１に相当する部分に窓を設け、電極
１と７とを取り付け、反射面９，１０を劈開で形
成して、埋め込みストライプ径半導体レーザが製
作される。

このように窓が設けられたSiO₂膜６と電極７
とは、レーザ反射面９，１０に直交する方向に延
在したストライプ状電流域１１を形成するととも
に、層３、５からなる二重ヘテロ接合部へ注入電
流をストライプ状として与えるためのストライプ
状電流域形成部を構成している。

この半導体レーザに順方向バイアス、すなわち
電極１に負、電極７に正の電圧を印加するとｐ型
注入領域１１を通して電流が流れ、この下の活性
層４のみが発振する。

しかも、活性層の周囲をGaAlAs層で包囲され
ているため活性層が完全な光導波路となつてい
る。故に充分な光の閉じ込め効果が得られ、電極
ストライプ型の欠点が大いに改良された。

しかし、この素子の製造工程が非常に複雑で、
新しい技術を必要とする欠点を有している。特に
結晶成長が２回にわたつていることは、この半導
体レーザの信頼性を著しく悪くする傾向にある。

すなわち、GaAlAsの結晶は一度その表面が空
気にふれると、強固な酸化膜ができ、二度とその
上に結晶を積らせることが一般には不可能であ
る。故に２回目の成長の際、この条件に合うた
め、すなわち、メサ型の両壁にGaAlAs層の露出
した部分が存在し、実際はこの部分の成長がどの
ように成長しているか明らかでない。格子欠陥が
発生しやすい条件にあることは自ずと理解され
る。このような欠点は信頼性向上のために必ず除
去せねばならない問題である。

更に、この構造の半導体レーザでは、光を閉じ
込める屈折率ステツプが、必要以上に大きくな
り、基本横モードのスポツトサイズを小さくして
いる。そのため、小光出力であつても、活性層端
面に於ける光密度は大きく、数mW程度で簡単に
端面破壊を来たすという欠点を有する。

この考案の目的は、従来の埋め込みストライプ
型半導体レーザの有している欠点を除去し、信頼
性の高い、基本モード発振が可能な半導体接合レ
ーザを提供することであつて、従来の半導体接合
レーザの活性層両側面をAlGaAs層で埋込んでし
まうかわりに、液相エピタキシヤル法によつてス
トライプ状の電流注入領域下の活性層がレーザ光
の光軸方向に平行な段差側面（この明細書で言う
段差側面とは第３図Ａの２７で示した部分を言
う。）となるように傾斜状に屈曲する構造の半導
体接合レーザを提供するものである。

以下この考案の実施例について図面を参照して
説明する。

第２図は本考案を実施した場合の半導体接合レ
ーザの概略図である。たとえば、（100）面である
ｎ型GaAs基板１３に〔01１〕方向に平行な傾斜
状表面を選択的エツチングで形成する。続いて、
この基板結晶１３の上に液相エピタキシヤル法を
用いて、ｎ−GaAlAs層１４、GaAs−活性層１
５、ｐ−GaAlAs層１６、ｐ−GaAs層１７を連
続的に成長する。次にｐ型GaAs層１７にSiO₂膜
１８を付け、ストライプ状電流域２０を形成する
ために選択エツチングでストライプ状窓を設け
る。

この際このストライプ状窓は傾斜状に屈曲した
活性層２４の真上に、平行に延存するように設け
る。電極１９および１２を全面に蒸着し、ストラ
イプ状電流域２０の長手方向に垂直な端面２１お
よび２２を劈開にて形成することで本考案を実施
した半導体接合レーザが出来あがる。

本実施例の電極１９の正の電圧。電極１２に負
の電圧を印加すると、電流はストライプ状電流域
２０から注入され、その真下の活性層２４で発振
光が発生する。本実施例によればストライプ状電
流域２０の真下の活性層２４は、屈曲した傾斜状
断面を有する。この傾斜状に屈曲した活性層２４
は、その周囲を活性層１５より屈折率の小さな
GaAlAs層１４，１６で包囲されたと同じ作用を
有する。

すなわち、光は屈折率変化のある境界面が存在
する場合、屈折率の大きい方に反射され閉じ込め
られるようになる。故に、本考案の構造はこの光
の性質にもとづく光導波路が活性層１５の発振領
域２４に設けられたことに等しくなる。

従つて光の完全な閉じ込めが得られ、点状発光
を可能とし、かつモード制御が容易となる。

次に本実施例の具体的な製法に付き図面に基づ
いて説明する。

第３図Ａに示したGaAs基板１３の（100）面２
５を用いて、まずｎ型GaAs基板１３を厚さ400μ
ｍに研摩し、化学エツチングで表面の破壊層を取
りのぞき、鏡面となす。鏡面仕上した（100）面
２５に普通のフオトレジスト膜を塗布し、〔01
１〕方向に平行な、幅100μｍ、ピツチ500μｍの
フオトレジスト膜の付着しない部分を形成し、第
３図Ａの基板構成を形成する。溝２６の幅はその
ピツチより小さければ十分である。又溝２６の深
さも１〜５μｍあるいはそれ以上の深さでも良
い。

溝２６は普通の化学エツチングで選択的に形成
される。すなわち、GaAsのとき、NH₄OH₁：
H₂O₂10の混合液で室温に維持して撹拌しながら
行うのが好ましい。

エツチングされた溝２６は傾斜側壁２７（段差
側面）を構成し、かつその傾斜壁は｛111｝Ａ面
となる。この｛111｝Ａ面は基板表面（100）と丁
度54゜44′の角度を有する。溝２６の形成に続い
て、残りのフオトレジスト膜を除去して、そして
層１４，１５，１６，１７が普通の液相エピタキ
シヤル成長によつて連続して成長して第３図Ｂの
層構造を形成する。

層１４は基板１３に構成した形状を保つ様な成
長で終らせる必要がある。

活性層１５の屈曲部２４の構成は、層１４の成
長形状に支配される。

実際上、層１４と、１５，２４が成長する根拠
は、溝２６の深さ、溝２６の幅、基板結晶１３の
結晶学方向、成長時間、成長温度、溶解飽和度、
等の要因で左右される。

特に基板結晶に特定の面方向を有する構成面を
持つ形状下で成長する場合、成長速度の方向依存
性の支配を強くうける成長層となる。

成長速度と結晶方向との関係は｛111｝Ａ面＞｛100｝面＞｛111｝Ｂ面にある。

故に第３図Ａに示したようなｎ型基板１３上に
成長すると溝２６の傾斜側壁２７が｛111｝Ａ面
であることから、溝２６の｛100｝平坦面での成
長層厚は、同じ｛100｝面である基板表面２５の
その厚さより実効的に厚くなり、より成長が進み
層が厚くなるにしたがい、溝幅は狭くなり、溝の
深さも徐々に縮まつてくる。溝２６の傾斜側壁２
７の傾むきは、しだいにゆるやかに変化して行
く。そしてある成長層厚以上になると溝部分は完
全に平坦となる。

このような現象を積極的に朽みに応用すると、
活性層１５に屈曲部２４を有し、層１６，１７を
平坦な成長層となすことができる。

その際、活性層１５の屈曲部２４の成長層厚は
｛100｝平坦面上の層厚より厚くなるのが一般的で
ある。

溝２６の巾を100μｍ、深さを１μｍとした場
合、基板表面２５｛100｝面上に於ける各々の層
厚を次のごとくするのが最適である。

層１４の厚さは0.2μｍ、層１５の厚さは0.1μ
ｍ，層１６の厚さは2.0μｍ、層１７の厚さは２
μｍとする。その時、層１５の屈曲部２４の厚さ
は0.2μｍとなる。層１４と層１６のアルミニウ
ムの濃度の範囲は0.15〜0.7が許容されるけれど
も、典形的には0.3である。層１４，１５，１
６，１７のドープレベルは、それぞれ約５×10¹⁷
電子／cm²、約２×10¹⁷空孔／cm²、約７×10¹⁷空
孔／cm²、約１×10¹⁸空孔／cm²である。第３図Ｂの
層構成を有する結晶を、その溝２６の中央から切
断し、第３図Ｃの結晶を形成し、これに電極を付
けて、半導体接合レーザとなす。

電極１９は、活性層１５の傾斜状屈曲部２４の
みに均一な注入電流を与えるようなストライプ状
電流域２０をSiO₂膜１８を介して形成する。

本実施例を効率よく動作させるには層１７の表
面が平坦となる事が望ましい。なぜなら活性層か
らの熱放散、電極付け工程等が有利となる。

又、平坦な結晶層表面に電極を形成する事は電
極形成の際に信頼性を悪くする格子欠陥の発生が
少なくする傾向にあり、長寿命化に大きく寄与し
ている。

更に第一層目１４の層厚を制御することで、活
性層の傾斜角度を最適に形成することが出来る。

以上説明したように、本考案のレーザは基本モ
ードで発振し、そのしきい値も低く信頼性も高
い。この動作を可能にするのは活性層１５の中央
部２４が屈曲し、低屈折率物質の層１４と１６に
よつてほとんど完全に取りかこまれるからであ
る。

又、屈曲部２４の活性層厚がその平坦部に於け
る層厚より厚くなつていることにより、屈曲部領
域の屈折率はその両側の平坦領域の屈折率より大
きくなる。すなわち、活性層の屈曲部が光導波路
機構として作用する。

更に活性層領域が垂直状に屈曲している従来の
半導体レーザ（特開昭51−114887）と本考案とが
一見同じように見えるが、本考案の特徴は傾斜状
に屈曲した活性層領域にある。すなわち、この構
造の相違のために次に述べるような利点をもたら
すものである。本考案の半導体レーザは、従来の
活性層が垂直状に屈曲している半導体レーザと比
較して、その屈曲段差部の寸法が同じならば活性
層領域に生ずる屈折率差が小さくなる。従がつて
基本横モード発振に必要な段差部の高さを本考案
の方が大きく出来る。これは、より基本横モード
発振が広い範囲の動作電流まで維持できる半導体
レーザを提供する事に連なるものである。

例えば、従来の構造（特開昭51−114887）の場
合、その半導体レーザの活性層が0.2μｍ厚のと
き、屈折率差は約10％程度となる。この屈折率差
で一次横モードがカツトオフとなり、基本横モー
ドのみが発振する活性層の幅、すなわちその段差
の大きさは約1.0μｍである。製作を容易にする
ためこの段差をより大きくして上記発振条件を得
ようとするならば、当然屈折率差を小さくする必
要がある。従来の構造では、このための手段とし
て活性層厚を薄くするか、コア領域に屈折率の小
さい結晶を用いるかが考えられる。しかし、いず
れの方法でもレーザの基本特性を損う結果とな
る。すなわち活性層厚を薄くすると発振閾値は上
昇し、又コア領域の屈折率を小さくすれば温度特
性は悪くなり、高温動作が困難となる。一方、本
考案の構造は上述の欠点を生ずることなく屈折率
を小さくすることができる利点がある。すなわ
ち、活性層の傾斜部領域の角度を適当に変えるこ
とで、必要な屈折率差の大きさを簡単に制御でき
る。この傾斜部領域の角度の制御は、基板結晶上
に他の領域と結晶成長速度の異なる結晶面を側面
とする凸部を形成しているために可能となつてい
る。従来のは材料が決まれば屈折率差は必然的に
決まつてしまうが、本考案は材料が決まつても傾
斜状屈曲部の角度が決まらないと屈折率差は決ま
らない。このため傾斜角を適当に選ぶことで最適
の屈折率差が得られる。このように本考案は従来
のものに比較して設計パラメータが１つ多く、最
適設計の自由度を広く与えるものであり、素子製
作上、非常に重要な要素をもたらす。本考案は傾
斜角を変えて屈折率差10％から１％に小さくする
と、基本横モード発振のみが得られる活性層幅は
２〜３μｍと広くすることができ、素子の作製が
容易となるとともに基本横モード発振する動作電
流範囲も広くなる。

一方従来のもの（特開昭51−114887）の活性層
幅を上記と同じく２〜３μｍとしても基本横モー
ド発振の動作電流範囲は広がらず、数mWで一次
横モード発振が起つてしまう。このように本発明
は活性層の傾斜部の長さを長くしても基本横モー
ド発振が簡単に得られるばかりか、その動作電流
範囲が広がる利点がある。また素子製作上、設計
パラメータが多いためその形状の制御が容易で信
頼性、大量生産性にも優れている。

本考案の実施例に於いて、第１結晶層のｎ−
AlGaAs層１４の基板表面（100）面上の層厚を
レーザ光がGaAs基板側に浸み出す程度の薄さ、
たとえば0.4μｍ以下すると、光吸収による損失
型光導波路作用を設けた構造の半導体レーザを得
ることも出来る。

これまでは、GaAs−AlGaAs材料から成る半
導体レーザについてのみ説明したが、たとえば
InP−InGaAsP材料に応用しても同じ効果を有す
る半導体レーザを製作する事ができる基板１３に
ｎ−InP結晶、その上に第１の結晶層１４として
ｎ−InP層、活性層１５にInGaAsP層、第２の結
晶層１６にＰ−InP層、電極形成層１７にＰ−
InGaAsP層を成長することで発振波長が1.0〜1.5
μｍの半導体レーザが得られる。

以上、本考案の実施の一例として、二重ヘテロ
接合部に注入電流を与えるためのストライプ状電
流域形成部が電極ストライプ型の場合についての
み説明したが、先に述べたように本考案はストラ
イプ状電流形成部がプレーナ、ストライプ型の半
導体レーザに応用しても又その他のストライプ型
の半導体レーザに用いても、まつたく同様な効果
が得られる。

又、本考案は液相エピタキシヤル法のみなら
ず、気相エピタキシヤル法、分子線エピタキシヤ
ル法等に適用してもまつたく同様な効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の埋め込みストライプ型半導体レ
ーザの斜視図、第２図は本発明による一実施例で
あるストライプ型半導体接合レーザの斜視図、第
３図Ａ，Ｂ，Ｃは第２図のレーザの製造の主な工
程段階におけるレーザの斜視図である。図面において、２，１３……ｎ型GaAs基板、
３，８，１４……ｎ型GaAlAs層、４，１５，２
４……GaAs活性層、１６，５……ｐ型GaAlAs
層、１７……ｐ型GaAs層、６，１８……SiO₂
膜、１，１０，１２，１９……電極、９，１０，
２１，２２……端面、１１，２０……ストライプ
状電流域、２６……〔01１〕方向の溝、２７……
（111）Ａ面傾斜側壁（段差側面）、をそれぞれ示
す。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

活性層結晶より禁止帯幅が広く互いに伝導形の
異なる２つの結晶層で、活性層結晶を挟み込むよ
うに接合してなる二重ヘテロ構造の半導体レーザ
において、基板結晶表面での結晶成長速度と異な
る速度で結晶が成長する面を斜面とする凸部を有
する基板結晶上に、傾斜状の屈曲部を備えた活性
層結晶を形成し、該傾斜状屈曲部を発光領域と
し、該傾斜状の段差側面はレーザ光の光軸方向と
平行となし、ストライプ状の電流注入領域を該発
光領域の真上に構成し、更に平坦な電極形成層を
有することを特徴とする半導体接合レーザ。