JP2000151020A - 半導体レーザ - Google Patents

半導体レーザ

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JP2000151020A
JP2000151020A JP10318136A JP31813698A JP2000151020A JP 2000151020 A JP2000151020 A JP 2000151020A JP 10318136 A JP10318136 A JP 10318136A JP 31813698 A JP31813698 A JP 31813698A JP 2000151020 A JP2000151020 A JP 2000151020A
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active layer
stripe
layer
semiconductor laser
face
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Shoji Hirata
照二 平田
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Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】歩留りの向上を図りつつ端面付近のバンドギャ
ップを広くでき、ひいては信頼性の向上、最大光出力の
増大を図れる半導体レーザを提供する。 【解決手段】逆メサ方向にストライプ状の凹凸形状を持
つ化合物半導体基板上に、クラッド層、活性層等からな
る多層膜半導体レーザ構造を有するものであって、1回
のMOCVD結晶成長で活性層の横方向に屈折率差をつ
け、かつ電流狭窄のための電流ブロック層が存在したB
H構成のSDH構造を有する半導体レーザ100におい
て、ストライプ部100aの共振器方向において端面部
100bのストライプ幅を中央部100cのストライプ
幅より大きく設定し、かつ、端面部100bにおける活
性層の厚さを中央部100cにおける活性層の厚さより
薄く形成して、端面部100bにおける活性層のバンド
ギャップEgbを中央部における活性層のバンドギャッ
プEgcより広く構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、SDH(Separate
d Double Heterostructure)構造を備えた半導体レーザ
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図10および図11は、SDH構造を有
する従来の半導体レーザを示す図であって、図10は平
面図、図11は図10のA−A線における断面図であ
る。
【0003】この半導体レーザ10は、p型の化合物半
導体(GaAs)基板11の一主面が(100)結晶面
を有し、この主面11aにストライプ状(図11におい
ては、紙面と直交する方向に延びるストライプ)にメサ
状突起11bが形成されている。このストライプ状メサ
突起11bを有する半導体基板11の主面11a上に、
1回のMOCVD結晶成長によって連続的に、p型の第
1のクラッド層12、低不純物あるいはアンドープの活
性層13、およびn型の第2のクラッド層14をエピタ
キシャル成長させた断面が三角形状のエピタキシャル成
長層が形成されている。
【0004】そして、p型の電流ブロック層15が、メ
サ状突起11b上に形成されたp型の第1のクラッド層
12、活性層13、および第2のクラッド層14を含む
エピタキシャル層の両側面に接して形成されている。さ
らに、電流ブロック層15およびメサ状突起11b上に
形成された第2のクラッド層14上に、n型のクラッド
層16が形成され、このクラッド層16上にn型のキャ
ップ層17が形成されている。
【0005】n型キャップ層17の上には、たとえばT
i/Pt/Au電極のようなn側電極18が形成されて
いる。一方、p型基板11の裏面には、たとえばAuG
e/Ni/Au電極のようなp側電極19が形成されて
いる。そして、半導体レーザ10の共振器方向のストラ
イプ部10aの幅は、均一に設定されている。
【0006】このように、半導体レーザ10はSDH構
造を用いるため、複雑な構造が1回のMOCVD(有機
金属気相成長法;Metal Organic Chemical Vapour Depo
sition)結晶成長で作製可能であり、比較的安定して均
一な特性を有する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たレーザ構造では、共振器の端面付近で、界面準位、熱
放出効率の悪さ、光密度の高さ等により、バンドギャッ
プ(Eg)が発光領域より小さくなり易く、内部で発生
したレーザ光を吸収し、より多くの発熱、そして最高発
振出力の制限、場合によっては端面破壊を起こすおそれ
もあり、レーザの信頼性を低下させていた。特に、スト
ライプ幅が10μm以上に設定されたブロードストライ
プレーザにおいてワット(W)クラスのレーザ光を出力
する場合、端面からの劣化が進む場合がある。
【0008】したがって、端面保護を行うことが、レー
ザの信頼性の点で重要になる。この点に関して、端面付
近のバンドギャップEgを上昇させる、いわゆる窓構造
が提案されている。これには、バンドギャップEgの高
い材料で埋め込む方法、および不純物(Znなど)を拡
散し、超格子構造を壊し、バンドギャップEgを上げる
方法の2つの方法が知られている。しかし、両方法とも
に複雑なプロセス技術に依存しているため、歩留り等を
悪くする可能性が高い。
【0009】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、歩留りの向上を図りつつ端面付
近のバンドギャップを広くでき、ひいては信頼性の向
上、最大光出力の増大を図れる半導体レーザを提供する
ことにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、結晶面の主面にストライプ状のメサ状突
起が形成された半導体基板上に、第1導電型の第1のク
ラッド層と、活性層と、第2導電型の第2のクラッド層
とが順次にエピタキシャル成長されたエピタキシャル成
長層を有し、活性層の横方向に屈折率差をつけ、かつ電
流狭窄のための電流ブロック層が存在するSDH(Sepa
rated Double Heterostructure)構造を備えた半導体レ
ーザであって、共振器方向において端面部の上記ストラ
イプ幅が中央部のストライプ幅より大きく設定されてお
り、端面部における活性層のバンドギャップが中央部に
おける活性層のバンドギャップより広い。
【0011】また、本発明では、端面部における活性層
の厚さが中央部における活性層の厚さより薄い。
【0012】また、本発明は、結晶面の主面にストライ
プ状のメサ状突起が形成された半導体基板上に、第1導
電型の第1のクラッド層と、活性層と、第2導電型の第
2のクラッド層とが順次にエピタキシャル成長されたエ
ピタキシャル成長層を有し、活性層の横方向に屈折率差
をつけ、かつ電流狭窄のための電流ブロック層が存在す
るSDH構造を備えた半導体レーザであって、上記スト
ライプ部には、共振器方向により幅の狭い複数本の第2
ストライプ部が形成されている。
【0013】また、本発明では、上記第2ストライプ部
は、共振器方向における中央部に形成され、端面部では
これら第2ストライプ部が融合し、一つの幅広ストライ
プを形成している。
【0014】また、本発明では、端面部における活性層
のバンドギャップが中央部における活性層のバンドギャ
ップより広い。
【0015】また、本発明では、端面部における活性層
の厚さが中央部における活性層の厚さより薄い。
【0016】本発明によれば、いわゆるマイグレーショ
ン効果により、ストライプ幅が小さく設定された中央部
では、メサ突起上の断面三角形部内において上方に活性
層が形成されやすい。すなわち、中央部の活性層の厚さ
は厚くなる。これに対して、ストライプ幅が大きく設定
された端面部では、メサ突起上の断面三角形部内におい
て下方に活性層が形成されやすい。すなわち、端面部の
活性層の厚さは薄くなる。このように、端面部における
活性層の厚さが中央部における活性層の厚さより薄く形
成されることから、端面部において、中央部に比べて量
子井戸構造を用いた場合、そのバンドギャップエネルギ
ーが上昇する。その結果、端面部の光吸収量が少なくな
り、発熱が少なくなる。すなわち、端面部が強化されて
いる。
【0017】また、本発明によれば、ストライプ部の中
央部はアレイ型のSDH構造となっていることから、両
側からのマイグレーション増強効果で、量子井戸活性層
の膜が厚く形成される。一方、端面部の活性層の膜厚
は、ストライプ幅が幅広であることから、マイグレーシ
ョン効果が少なく、中央部より薄く形成される。このよ
うに、端面部における活性層の厚さが中央部における活
性層の厚さより薄く形成されることから、端面部におい
て、中央部に比べて量子井戸構造を用いた場合、そのバ
ンドギャップエネルギーが上昇する。その結果、端面部
の光吸収量が少なくなり、発熱が少なくなる。すなわ
ち、端面部が強化されている。
【0018】また、端面部においては、第2ストライプ
部が融合し、一つの幅広ストライプを形成していること
から、近視野像は均一発光となる。
【0019】また、SDH構造を用いるため、複雑な構
造が1回のMOCVD成長で作製可能である。
【0020】
【発明の実施の形態】第1実施形態 図1は本発明に係る半導体レーザの第1の実施形態を示
す平面図、図2は図1のA−A線における断面図、図3
は図1のB−B線における断面図である。
【0021】本半導体レーザ100は、逆メサ方向にス
トライプ状の凹凸形状を持つ化合物半導体基板上に、ク
ラッド層、活性層等からなる多層膜半導体レーザ構造を
有するものであって、1回のMOCVD(有機金属気相
成長法)結晶成長で活性層の横方向に屈折率差をつけ、
かつ電流狭窄のための電流ブロック層が存在したBH
(Buried Hetero Structure )構成の、いわゆるSDH
構造を有し、p型基板を用いたものである。
【0022】そして、本半導体レーザ100は、図1に
示すように、ストライプ部100aの共振器方向におい
て端面部100bのストライプ幅が中央部100cのス
トライプ幅より大きく設定されており、かつ、端面部1
00bにおける活性層のバンドギャップEgbが中央部
における活性層のバンドギャップEgcより広く構成さ
れている。このバンドギャップの調整は、活性層の膜厚
で行われている。具体的には、端面部100bにおける
活性層の厚さが中央部100cにおける活性層の厚さよ
り薄く形成されている。
【0023】以下に、半導体レーザ100の具体的な構
造について説明する。
【0024】本半導体レーザ100は、図2および図3
に示すように、第1導電型、たとえばp型の化合物半導
体(GaAs)基板101の一主面が(100)結晶面
を有し、この主面101aにストライプ状(図2および
図3においては、紙面と直交する方向に延びるストライ
プ)にメサ状突起101bが形成されている。このスト
ライプ状メサ突起101bを有する半導体基板101の
主面101a上に、1回のMOCVD結晶成長によって
連続的に、p型の第1のクラッド層(Al0.4 Ga0.6
As)102、低不純物あるいはアンドープの活性層
(Al0.12Ga0.88As)103、および第2導電型
(n型)の第2のクラッド層(Al0.4 Ga0.6 As)
104をエピタキシャル成長させた断面が三角形状のエ
ピタキシャル成長層が形成されている。
【0025】ここで、活性層103の厚さは、ストライ
プ部100aの共振器方向において端面部100bのス
トライプ幅を中央部100cのストライプ幅より大きく
設定していることから、後述するマイグレーション効果
により、端面部100bにおける活性層103b(図
2)の厚さが中央部100cにおける活性層100c
(図3)の厚さより薄く形成される。
【0026】このように、断面が三角形状のエピタキシ
ャル成長層が形成されるが、これは以下の理由による。
すなわち、ストライプ状メサ状突起101bの形状、そ
の結晶方位との関係が所定の関係を持つように選定され
て、その上面の(100)面に対して角度が約55°の
(111)B結晶面による斜面の断層部が形成される。
これは、基体101上のメサ突起101b上に成長した
エピタキシャル層に(111)B面が一旦生じ始める
と、この(111)B面へのエピタキシャル成長速度
は、他のたとえば(100)結晶面の成長速度に比し、
数十分の1以下程度にも低いことからその断層部が(1
11)Bによる斜面に沿って生じる。したがって、メサ
突起101b上には断面三角形のエピタキシャル成長層
が断層部に挟まれて形成される。
【0027】そして、p型の電流ブロック層105が、
メサ状突起101b上に形成されたp型の第1のクラッ
ド層102、活性層103、および第2のクラッド層1
04を含むエピタキシャル層の両側面に接して形成され
ている。さらに、電流ブロック層105およびメサ状突
起101b上に形成された第2のクラッド層104上
に、n型のクラッド層106が形成され、このクラッド
層106上にn型のキャップ層107が形成されてい
る。
【0028】n型キャップ層107の上には、たとえば
Ti/Pt/Au電極のようなn側電極108が形成さ
れている。一方、p型基板101の裏面には、たとえば
AuGe/Ni/Au電極のようなp側電極109が形
成されている。
【0029】なお、第1の電流ブロック層(Al0.1
0.9 As)105は、SDH構造の作製上の特徴とし
て自由にその組成と極性を選ぶことができる。
【0030】以上のような構造を有する半導体レーザ1
00においては、上述したように、活性層103の厚さ
は、ストライプ部100aの共振器方向において端面部
100bのストライプ幅を中央部100cのストライプ
幅より大きく設定していることから、マイグレーション
効果により、端面部100bにおける活性層103bの
厚さが中央部100cにおける活性層100cの厚さよ
り薄く形成されるが、以下にその理由について、図面
(図4、図5、図6)に関連付けて説明する。
【0031】図4は、MOCVD成長におけるマイグレ
ーションの効果を説明するための図である。SDH構造
のような凹凸基板上に成長させる場合、上述したよう
に、(111)B面が形成され、この上には成長が抑止
されることが知られている。この状態で(111)B面
に囲まれた、メサ突起101b上の断面三角形部に、活
性層薄膜を形成すると、図4中に破線で示した領域に供
給される原料は、成長を阻止されているため、マイグレ
ーションによって近傍の成長可能領域に移動し膜形成が
起こる。原料のマイグレーション長は成長条件や原料に
よっても異なるが、Al原料で2μm程度、Ga原料で
10μm程度である。つまり、その程度の距離にある活
性層の厚みを厚くする働きを、成長抑止領域に供給され
た原料が行うことがわかる。
【0032】また、図5は、(111)B面に囲まれた
メサ突起101b上の断面三角形部における膜厚の変化
ついて説明するための図である。図5に示すように、メ
サ突起101b上の断面三角形部において上方に進むほ
ど、つまり結晶成長が進むにつれて、成長抑止領域(図
4中破線で示した領域)の幅が広くなることから、マイ
グレーション効果が強くなり、膜厚は厚くなる。すなわ
ち、メサ突起101b上の断面三角形部内において上方
に活性層を形成した方が、下方に形成するより膜厚は薄
くなることを意味している。
【0033】したがって、ストライプ幅が小さく設定さ
れた中央部100cでは、メサ突起101b上の断面三
角形部内において上方に活性層が形成されやすい。すな
わち、中央部100cの活性層103cの厚さは厚くな
る。これに対して、ストライプ幅が大きく設定された端
面部100bでは、メサ突起101b上の断面三角形部
内において下方に活性層が形成されやすい。すなわち、
端面部100bの活性層103bの厚さは薄くなる。
【0034】このように、端面部100bにおける活性
層103b(図2)の厚さが中央部100cにおける活
性層100c(図3)の厚さより薄く形成されることか
ら、端面図100bにおいて、中央部に比べて量子井戸
構造を用いた場合、そのバンドギャップエネルギーEg
bを上昇させることができる。その結果、端面部100
bの光吸収量が少なくなり、発熱が少なくなる。すなわ
ち、端面部が強化されている。たとえば静電気耐性が強
化される。換言すれば、サージ電流印加によるレーザ端
面のダメージが抑制される。
【0035】なお、図6は、SDH構造が両側にもある
場合のマイグレーション効果を説明するための図であ
る。このように、隣接した領域にも成長阻止領域がある
と、マイグレーション効果が両隣からも生じるため、よ
り膜厚が厚く形成される。
【0036】以上説明したように、本第1の実施形態に
よれば、逆メサ方向にストライプ状の凹凸形状を持つ化
合物半導体基板上に、クラッド層、活性層等からなる多
層膜半導体レーザ構造を有するものであって、1回のM
OCVD結晶成長で活性層の横方向に屈折率差をつけ、
かつ電流狭窄のための電流ブロック層が存在したBH構
成のSDH構造を有する半導体レーザ100において、
ストライプ部100aの共振器方向において端面部10
0bのストライプ幅を中央部100cのストライプ幅よ
り大きく設定し、かつ、端面部100bにおける活性層
の厚さを中央部100cにおける活性層の厚さより薄く
形成して、端面部100bにおける活性層のバンドギャ
ップEgbを中央部における活性層のバンドギャップE
gcより広く構成したので、端面部において、内部で発
生したレーザ光の吸収を少なくでき、発熱が抑えられ、
歩留りの向上、コスト削減を図りつつ端面付近のバンド
ギャップを広くでき、また、端面破壊を起こすおそれも
なく、ひいては信頼性の向上、最大光出力の増大を図れ
る利点がある。
【0037】また、SDH構造を用いるため、複雑な構
造が1回のMOCVD成長で作製可能である。
【0038】ほお、本第1の実施形態では、AlGaA
s系の半導体レーザを例に説明したが、本発明が、他の
材料系、たとえばAlGaInP系等の半導体レーザに
ついても適用でき、同様の効果を得ることができること
はいうまでもない。
【0039】第2実施形態 図7は、本発明に係る半導体レーザの第2の実施形態を
示す平面図、図8は図7のA−A線における簡略断面
図、図9は図7のB−B線における簡略断面図である。
【0040】本第2の実施形態に係る半導体レーザ10
0Aは、ストライプ幅が10μm以上に設定された出力
がワット(W)クラスの、いわゆるブロードストライプ
構造のスーパーハイパワー(SHP)半導体レーザであ
る。
【0041】本半導体レーザ100Aは、第1の実施形
態と同様に、逆メサ方向にストライプ状の凹凸形状を持
つ化合物半導体基板上に、クラッド層、ガイド層、活性
層等からなる多層膜半導体レーザ構造を有するものであ
って、1回のMOCVD(有機金属気相成長法)結晶成
長で活性層の横方向に屈折率差をつけ、かつ電流狭窄の
ための電流ブロック層が存在したBH構成のSDH構造
を有し、p型基板を用いたものであるが、以下の点で第
1の実施形態と異なる。
【0042】すなわち、本半導体レーザ100Aは、図
7に示すように、ストライプ部100aには、その中央
部100cにおいて共振器方向に、より幅の狭い複数本
の第2ストライプ部110が形成されている。すなわ
ち、本半導体レーザ100Aは、図9に示すように、ス
トライプ部100aの中央部100cはアレイ型のSD
H構造となっている。このような構造においては、共振
器中央のストライプ部は全領域が活性化されない。換言
すれば、全領域に電流が注入されないが、特性上の支障
はない。
【0043】ただし、全ての共振器方向でストライプが
分離されていると、アレイ型のSHP半導体レーザとな
り応用が限定されるが、本第2の実施形態では、ストラ
イプ部110の端面部110bにおいては、第2ストラ
イプ部111が融合し、一つの幅広ストライプを形成し
ている。
【0044】このように、端面部において幅広にストラ
イプが融合していることから、近視野像は均一発光とな
っている。
【0045】そして、上述したように、ストライプ部1
10の中央部110aはアレイ型のSDH構造となって
いることから、中央部の活性層103cは、図6に関連
つけて説明したように、両側からのマイグレーション増
強効果で、量子井戸活性層の膜が厚く形成される。一
方、端面部100bに活性層103bの膜厚は、ストラ
イプ幅が幅広であることから、マイグレーション効果が
少なく、中央部より薄く形成される。
【0046】このように、本第2の実施形態において
も、端面部100bにおける活性層103b(図8)の
厚さが中央部100cにおける活性層100c(図9)
の厚さより薄く形成されることから、端面部100bに
おいて、中央部に比べて量子井戸構造を用いた場合、そ
のバンドギャップエネルギーEgbを上昇させることが
できる。その結果、端面部100bの光吸収量が少なく
なり、発熱が少なくなる。すなわち、端面部が強化され
ている。
【0047】以上説明したように、本第2の実施形態に
よれば、歩留りの向上、コスト削減を図りつつ端面付近
のバンドギャップを広くでき、また、端面破壊を起こす
おそれもなく、ひいては信頼性の向上、最大光出力の増
大を図れる利点がある。
【0048】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
歩留りの向上、コスト削減を図りつつ端面付近のバンド
ギャップを広くでき、また、端面破壊を起こすおそれも
なく、ひいては信頼性の向上、最大光出力の増大を図れ
る利点がある。また、SDH構造を用いるため、複雑な
構造が1回のMOCVD成長で作製可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体レーザの第1の実施形態を
示す平面図である。
【図2】図1のA−A線における断面図である。
【図3】図1のB−B線における断面図である。
【図4】MOCVD成長におけるマイグレーションの効
果を説明するための図である。
【図5】(111)B面に囲まれたメサ突起上の断面三
角形部における膜厚の変化ついて説明するための図であ
る。
【図6】SDH構造が両側にもある場合のマイグレーシ
ョン効果を説明するための図である。
【図7】本発明に係る半導体レーザの第2の実施形態を
示す平面図である。
【図8】図7のA−A線における簡略断面図である。
【図9】図7のB−B線における簡略断面図である。
【図10】従来の半導体レーザの平面図である。
【図11】図10のA−A線における断面図である。
【符号の説明】
100,100A…半導体レーザ、100a…ストライ
プ部、100b…端面部、100c…中央部、101…
p型半導体基板、101a…主面、101b…メサ状突
起、102…p型第1のクラッド層、103…活性層、
103b…端面部の活性層、100c…中央部の活性
層、104…n型第2のクラッド層、105…p型の電
流ブロック層、106…n型クラッド層、107…n型
キャップ層、108…n側電極、109…p側電極、1
10…第2ストライプ部。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 結晶面の主面にストライプ状のメサ状突
    起が形成された半導体基板上に、 第1導電型の第1のクラッド層と、活性層と、第2導電
    型の第2のクラッド層とが順次にエピタキシャル成長さ
    れたエピタキシャル成長層を有し、活性層の横方向に屈
    折率差をつけ、かつ電流狭窄のための電流ブロック層が
    存在するSDH(Separated Double Heterostructure)
    構造を備えた半導体レーザであって、 共振器方向において端面部の上記ストライプ幅が中央部
    のストライプ幅より大きく設定されており、 端面部における活性層のバンドギャップが中央部におけ
    る活性層のバンドギャップより広い半導体レーザ。
  2. 【請求項2】 端面部における活性層の厚さが中央部に
    おける活性層の厚さより薄い請求項1記載の半導体レー
    ザ。
  3. 【請求項3】 結晶面の主面にストライプ状のメサ状突
    起が形成された半導体基板上に、 第1導電型の第1のクラッド層と、活性層と、第2導電
    型の第2のクラッド層とが順次にエピタキシャル成長さ
    れたエピタキシャル成長層を有し、活性層の横方向に屈
    折率差をつけ、かつ電流狭窄のための電流ブロック層が
    存在するSDH(Separated Double Heterostructure)
    構造を備えた半導体レーザであって、 上記ストライプ部には、共振器方向により幅の狭い複数
    本の第2ストライプ部が形成されている半導体レーザ。
  4. 【請求項4】 上記第2ストライプ部は、共振器方向に
    おける中央部に形成され、端面部ではこれら第2ストラ
    イプ部が融合し、一つの幅広ストライプを形成している
    請求項3記載の半導体レーザ。
  5. 【請求項5】 端面部における活性層のバンドギャップ
    が中央部における活性層のバンドギャップより広い請求
    項3記載の半導体レーザ。
  6. 【請求項6】 端面部における活性層のバンドギャップ
    が中央部における活性層のバンドギャップより広い請求
    項4記載の半導体レーザ。
  7. 【請求項7】 端面部における活性層の厚さが中央部に
    おける活性層の厚さより薄い請求項5記載の半導体レー
    ザ。
  8. 【請求項8】 端面部における活性層の厚さが中央部に
    おける活性層の厚さより薄い請求項6記載の半導体レー
    ザ。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005268315A (ja) * 2004-03-16 2005-09-29 Sony Corp 半導体レーザ装置
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