JP2001223426A - 半導体レーザ装置およびこれを用いた光通信システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本願発明は、高温動作特性を確保したビ−ム
拡大器集積型レーザダイオ−ド（ＢＥＸ−ＬＤ）を提供
することにある。ビ−ム拡大器集積型レーザダイオ−ド
を、ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いた
構成とすると、ＧａＡｓ基板上に作製することや、従来
材料より屈折率が格段に大きい等の為、これまでの素子
構造をそのまま採用することに難点があった。 【解決手段】 本半導体レーザ装置はＧａＡｓ基板の上
部に、活性層領域とクラッド層とを含むレーザ共振器領
域と、当該レーザ光の出射面側にレーザ光のスポット径
を拡大する領域とを有し、前記レーザ光のスポット径を
拡大する領域が、ＧａＡｓとの格子定数差が−０．５％
から＋０．５％の範囲に有る半導体材料より構成する。
前記活性層領域における主発光層がＧａＩｎＮＡｓなる
ことが好ましい。本願発明は発振波長の１．３μｍより
１．５５μｍ帯の優れた高温動作特性と共にＢＥＸ−Ｌ
Ｄ特有なる光伝送路との高い結合効率を確保する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は半導体レーザ装
置、および、これを用いた光システム、ないしは光通信
システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在の光通信には、モ−ド分散が無く長
距離伝送が可能な石英系シングルモ−ドファイバーが主
として用いられている。そして、光ファイバーにおける
伝送損失が低い点から、１．３μｍ および１．５５μ
ｍ 帯の光が主として利用されている。光源としては、
ガリウムインジウム砒素燐(ＧａＩｎＡｓＰ)系の半導体
レーザ装置が広く実用化されている。

【０００３】そして、光通信システムの高信頼化、高性
能化のためには、半導体レーザ装置とファイバー間の光
結合損失を低減させることは非常に重要である。しかし
ながら、シングルモ−ドファイバーのコア径は、８ μ
ｍ 〜１０μｍ と非常に小さいため、そのアライメン
トは１μｍ 程度の細かい精度を必要としていた。

【０００４】近年、半導体レーザ装置の共振器先端に膜
厚がテ−パ−状に減少する領域を設けて、レーザ光のス
ポット径を拡大することでその放射角を狭め、アライメ
ントの許容度を高めるビ−ム拡大器集積型レーザダイオ
−ド(ＢＥＸ−ＬＤ：Ｂｅａｍ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ―Ｉ
ｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ)が開発さ
れている。その一例が、ＩＥＥＥ；ジャ−ナル・オブ・
セレクティッドトピックス・イン・カンタムエレクトロ
ニクス １９９７年 第３巻 ９６８頁誌（記事１）上
に記載されている。

【０００５】図１に、その断面構造図を簡略化して記述
した。図において４０１は下部電極、４０２はＩｎＰ基
板、４０３は下部ＩｎＰクラッド層、４０４は活性層領
域、４０５はInＧａＡｓＰ障壁層、４０６はＩｎＧａＡ
ｓＰ井戸層、４０７は上部ＩｎＰクラッド層、４０８は
ＩｎＧａＡｓコンタクト層、４０９は上部電極、４１０
はビーム拡大領域（ＢＥＸ領域）を示す。又、符号１で
示す点線はいわゆるバットジョイント界面を示してい
る。尚、図中に示しているように、本願明細書ではＢＥ
Ｘ−ＬＤを電流を注入するレーザ(ＬＤ)部とビ−ム拡大
(ＢＥＸ)部の２つの領域に分割して記述する。ＬＤ部
は、組成の異なるＧａＩｎＰＡｓを井戸層、および、障
壁層とする量子井戸型構造であり、井戸数は８程度であ
る。また、クラッド層としてインジウム燐(ＩｎＰ)が用
いられている。一方、ＢＥＸ部にも、ＧａＩｎＰＡｓが
用いられている。先述のように、ＢＥＸ部の膜厚は、Ｌ
Ｄ部との結合界面から先端部まで、テ−パ−状に減少す
るように形成される。

【０００６】記事１の例では、結合部が３００μｍ、先
端部が１００μｍである。本テ−パ−状の領域の形成方
法には、幾つかの手法がある。この例の場合は、ＬＤ部
を形成したあと、適切なパタ−ンが形成された窒化シリ
コン(ＳｉＮx)等のマスクを用いたウエットエッチング
で不必要な領域を除去し、その後、マスク上に有機金属
化学気相成長(ＭＯＣＶＤ)法で選択的に結晶成長を行う
ことで、テ−パ−領域を形成している。このように、活
性層を一度除去した後にＢＥＸ部を形成する手法を、バ
ット・ジョイントと呼んでいる。以上の手法で形成した
ＢＥＸ−ＬＤの性能においては、遠視野(ＦＦＰ：ＦＡ
Ｒ ＦＩＥＬＤ ＰＡＴＥＲＮ)像の水平方向×垂直方
向の半値幅において、７度×９度を可能にしている。こ
れは、同時に作製したファブリぺロ−型レーザダイオ−
ド(ＦＰ−ＬＤ)の２８度×３０度に比べて非常に小さ
い。その結果、 光結合損失において２ｄＢを達成して
いる。また、１ｄＢの光結合低下を引き起こすアライメ
ントの許容度を±２μｍまで高めることに成功してい
る。

【０００７】他方、ジャパニ−ズ・ジャ−ナル・オブ・
アプライド・フィジックス １９９６年 第３５巻 １
２７３頁誌（記事２）上に、半導体レーザ装置の活性層
に新材料ガリウムインジウム窒素砒素(ＧａＩｎＮＡｓ)
を用いることで、３５０ｍｅＶ以上の非常に大きなΔＥ
ｃが得られ、１５０Ｋ以上のＴ０が実現可能で、光通信
用半導体レーザ装置の高温動作特性を画期的に改善でき
る可能性があることが示された。その後、フォトニック
・テクノロジ−・レタ−ズ １９９８年第１０巻４８７
頁誌（記事３）上に、本材料を用いた１．３μｍ帯での
室温連続でのレーザ発振が実際に報告され、実用化に向
けて本材料系の研究が活発化している。よって、本材料
を活性層に用いることで、高温動作特性に優れた光通信
用ＢＥＸ−ＬＤの作製が可能になると考えられる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本願発明は、良好な高
温動作特性を確保したビ−ム拡大器集積型レーザダイオ
−ドを提供することにある。

【０００９】更には、本願発明は、高温動作特性を確保
した ＧａＩｎＮＡｓ活性層領域を有するビ−ム拡大器
集積型レーザダイオ−ドを提供することにある。発振波
長１．３μｍより１．５５μｍ帯を実現すると共に、優
れた高温動作特性とＢＥＸ−ＬＤ特有なる光伝送路、例
えば光ファイバーとの高い結合効率を与えんとするもの
である。

【００１０】一般に、ＧａＩｎＡｓＰ系の半導体レーザ
装置は、活性層領域がＧａＩｎＡｓＰ系化合物半導体材
料を有する為、物性的に当該活性層の伝導帯におけるバ
ンドオフセット（ΔＥｃ）が小さい。従って、高温での
動作時には、高いエネルギ−状態に分布する電子を、十
分に活性層内に閉じ込めることができなくなる。そのた
め、本半導体レーザ装置を高温下で動作させると、しき
い値電流やスロ−プ効率といったレーザ特性が大幅に劣
下する。前述のＢＥＸ−ＬＤにおいても、ＧａＩｎＡｓ
Ｐ系の半導体レーザ装置を用いる限り、例外では無い。
従って、ＧａＩｎＡｓＰ系のＢＥＸ−ＬＤでも、半導体
レーザ装置の高温動作特性の指標の一つである特性温度
(Ｔ０)が、５８Ｋと低い値が記載されている。

【００１１】これまでの ＧａＩｎＡｓＰ系のＢＥＸ−
ＬＤに代えて、ＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体材料を用い
ることも検討されている。しかし、ＧａＩｎＮＡｓ化合
物半導体材料は、従来から用いられているＧａＩｎＡｓ
Ｐ系の半導体材料とは幾つかの点を異にする。

【００１２】第１は、用い得る半導体基板の違いであ
る。ＧａＩｎＡｓＰがＩｎＰ基板上に形成されるのに対
して、ＧａＩｎＮＡｓは主として砒化ガリウム(ＧａＡ
ｓ)基板上に形成される。ＩｎＰ、および、ＧａＡｓの
格子定数は、それぞれ５．８７Å、および、５．６５Å
であり、ＩｎＰ基板と前述のＧａＩｎＮＡｓとの間に、
４％近くの大きな格子定数差が有る。そのため、従来の
ＧａＩｎＡＳＰ系のＢＥＸ−ＬＤに用いられていた半導
体材料やその組成比を、ＧａＩｎＮＡｓ系ＢＥＸ−ＬＤ
にそのまま適用し、レーザ特性を維持すること困難であ
る。

【００１３】第２は、 ＧａＩｎＮＡｓ化合物半導体材
料は、従来から用いられているＧａＩｎＡｓＰ系の半導
体材料と屈折率が大きく異なることである。ＧａＩｎＮ
Ａｓは同じバンドギャップを有する従来材料のガリウム
インジウム砒素(ＧａＩｎＡｓ)と比較して、屈折率が格
段に大きくなる傾向に有る。このことは、例えば、ジャ
パニ−ズ・ジャ−ナル・オブ・アプライド・フィジック
ス １９９８年 第３７巻 ７５３頁誌（記事４）上に
報告されている。そのため、ビ−ム拡大器（ＢＥＸ）部
に用いる半導体材料についても、改めて検討を要する。

【００１４】以上の事実を鑑みると、ＧａＩｎＮＡｓの
物性を仔細に考慮した新しいＢＥＸ−ＬＤ構造を開発す
る必要があることが十分理解されるであろう。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本願発明の主な形態を列
挙すれば、次の通りである。

【００１６】第１の形態は、ＧａＡｓ基板の上部に、活
性層領域とクラッド層とを含むレーザ共振器領域と、当
該レーザ光の出射面側にレーザ光のスポット径を拡大す
る領域とを有し、前記レーザ光のスポット径を拡大する
領域が、ＧａＡｓとの格子定数差が−０．５％から＋
０．５％の範囲に有る半導体材料より成ることを特徴と
する半導体レーザ装置である。

【００１７】本形態は、装置の基板として、ＧａＡｓ基
板を用い、且つビ−ム拡大器領域をＧａＡｓとの格子定
数差が−０．５％から＋０．５％の範囲に有る半導体材
料を用いて構成するものである。本願発明は、高温動作
特性を確保したビ−ム拡大器集積型レーザダイオ−ド
（ＢＥＸ−ＬＤ）を提供することが出来る。ビ−ム拡大
器領域をＧａＡｓ基板に搭載しても、これまで難点とさ
れてきたレーザの発振特性の低下を回避することが出来
る。

【００１８】第２は、前記第１の形態の活性層領域にお
ける主発光層がＧａＩｎＮＡｓである形態である。

【００１９】本例は、装置の基板としてＧａＡｓ基板
を、活性層領域における主発光層としてＧａＩｎＮＡｓ
を用い、且つビ−ム拡大器領域をＧａＡｓとの格子定数
差が−０．５％から＋０．５％の範囲に有る半導体材料
を用いて構成するものである。活性層領域における主発
光層としてＧａＩｎＮＡｓを用いることは、発光波長と
して１．３μｍおよび１．５５μｍ 帯を実現するに好
適である。且つ、本形態は高温での良好な動作特性を確
保したビ−ム拡大器集積型レーザダイオ−ドを提供する
ことが出来る。本願発明では、これまでの代表的なＧａ
ＩｎＡｓＰ系レーザ装置にみられた高温での動作特性の
難点は解消される。

【００２０】第３は、前記第１および第２の半導体レー
ザ装置において、レーザ光のスポット径を拡大する領域
が、ＧａＡｓより成る形態である。

【００２１】第４は、前記第１、第２および第３の半導
体レーザ装置において、レーザ光のスポット径を拡大す
る領域が、窒素（Ｎ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体
材料より成る形態である。そして、窒素（Ｎ）を含むＩ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料の代表的な例は、前述のＧ
ａＩｎＮＡｓである。この材料が本願発明の目的達成に
最も好ましい材料である。

【００２２】また、本半導体レーザ装置を形成する全て
の半導体材料が、Ａｌを含まない半導体材料、なかんず
く化合物半導体材料であることが好ましい。酸化されや
すいＡｌを全く含んでいないことは、高品質な再成長層
を得ることが出来る。

【００２３】更に、本願発明の半導体レーザ装置は、発
光領域を構成する光共振器領域を、その光の進行方向に
並行な側面を、光共振器領域を構成する半導体材料より
屈折率の小さい半導体材料で埋め込んだ、いわゆる埋め
込み型（ＢＨ型：Ｂｕｒｉｅｄ Ｈｅｔｅｒｏ Ｔｙｐ
ｅ）構造を、所望に採用することが出来る。本願発明の
実施にはこうした埋め込みヘテロ構造を必ずしも必要と
しないが、レーザ発振の横モード制御に有効な埋め込み
ヘテロ構造を用いることは実用的に有用である。更に、
レーザ発振の横モード制御の為のその他の構造、手段を
上述の本願発明と合わせ用いることは有用である。

【００２４】

【発明の実施の形態】より具体的な実施の形態を説明す
るに先だって、本願発明の諸形態について一般的な詳細
説明をする。

【００２５】本願発明の半導体レーザ装置は、ＧａＡｓ
基板の上部に、光を発生する活性層領域と光を閉じこめ
るクラッド層とを少なくとも含むレーザ共振器領域と、
当該レーザ光の少なくとも一方の出射面側にレーザ光の
スポット径を拡大する領域とを有する。活性層領域とク
ラッド層とを含むレーザ共振器領域の構成は、本願発明
の材料選択を除く他の構成は通例の構成を用いて十分で
ある。又、本願明細書では、通例のファブリペロー型の
共振器が例示されるが、光帰還手段として、いわゆるＤ
ＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）
型、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅ
ｆｌｅｃｔｏｒ）型等の形態を用いることも出来る。

【００２６】ここで、活性層領域の化合物半導体材料
は、発振波長１．３μｍより１．５５μｍ帯を実現する
のが、本願の更なる狙いである。この観点で、活性層領
域の主要構成材料として、ＧａＩｎＮＡｓ（より具体的
には Ｇａ_xＩｎ_1-xＮ_yＡｓ_1-y、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦
１と表わすことが出来る）をあげることが出来る。この
材料によるレーザ発振については、既に報告がある。こ
の報告の例は、例えば、前述の記事３である。こうした
構成を本願発明に用いて十分である。当然、具体的結晶
組成は発振波長の１．３μｍ より１．５５μｍ 帯を実
現べく選択されることは言うまでもない。

【００２７】当該活性層領域は、バルク状でも可能であ
るが、実用的には単一量子井戸構造、あるいは多重量子
井戸構造を用いることが多い。こうした各種量子井戸構
造自体は、所望の特性要請に従って、通例の技術を用い
て十分である。当該活性層領域の主発光層となる井戸層
にＧａＩｎＮＡｓを用いることは言うまでもない。障壁
層はＧａＩｎＮＡｓと量子井戸構造を構成出来る材料を
選択して十分である。

【００２８】レーザ光のスポット径を拡大する領域は、
ＧａＡｓが用いられることが好ましい。更には、窒素
（Ｎ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料より成る形
態も好ましい。そして、窒素（Ｎ）を含むＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体材料の代表的な例は、前述のＧａＩｎＮＡ
ｓ（より具体的には Ｇａ_xＩｎ_1-xＮ_yＡｓ_1-y、０≦ｘ
≦１、０≦ｙ≦１と表わすことが出来る）である。この
材料が本願発明の目的達成に最も好ましい材料である。
レーザ光のスポット径を拡大する領域に適用可能な化合
物半導体材料として、この他に、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡ
ｓＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰなどをあげること
が出来る。

【００２９】そして、前記レーザ光のスポット径を拡大
する領域が、結晶成長用の基板となるＧａＡｓとの格子
定数差が−０．５％から＋０．５％の範囲に有る半導体
材料となす。格子定数差がこれより小さいと格子欠陥を
増大するし、一方、これより大きいと成長層での転位が
増大する。こうした結晶の難点は装置の光学損失を大な
らしめる。

【００３０】図２に、その場合の具体的構造の例を示
す。図２は光の進行方向に並行な面での断面図である。

【００３１】本例の主要部の構成は次の通りである。Ｌ
Ｄ部における活性層１０５は、例えば、ＧａＩｎＮＡｓ
を井戸層１０７、ＧａＡｓを障壁層１０６とする１．３
μｍ帯の発光波長を有する量子井戸構造である。クラッ
ド層１０４、及び１０８は、ＧａＡｓと格子整合する組
成比の例えば、ガリウムインジウム燐（Ｇa_0.51Ｉｎ
_0.49Ｐ）である。ＢＥＸ領域１１１は、例えば、ＧａＡ
ｓである。尚、図２において、符号１０２はＧａＡｓ基
板、１０３はバッファー層、１０４は基板側（下部と通
称する）のクラッド層、１０８は上部のクラッド層、１
０９はコンタクト層、１０１は基板側（下部と通称す
る）の電極、１１０はＬＤ部の上部電極である。図２に
は活性層領域の拡大図が小円内に例示されている。

【００３２】上述の例では、活性層におけるΔＥｃは３
５０ｍｅＶが得られ、高温動作時の電子の溢れ出しを抑
制可能である。これにより、１５０Ｋ以上のＴ０が可能
となる。図２に示した例の変形として、クラッド層２０
４、及び、２０８にアルミニウムガリウム砒素(ＡｌＧ
ａＡｓ)を用いることもできる。但し、この場合には、
図３に示すように、ＢＥＸ部形成の際のメサエッチング
の歩留まりを向上させるため、エッチングストップ層２
１１としてＧａＩｎＡｓＰ等の燐（Ｐ）を含む半導体材
料を、例えば活性層の下側に一層以上挿入することが有
効である。

【００３３】ここで、ＢＥＸ領域２１２に用いたＧａＡ
ｓは、バンドギャップ波長が０．８７μｍと非常に短
く、１．３μｍの光に対してほぼ透明である。よって、
従来ＢＥＸ−ＬＤでＢＥＸ部に用いられている１．１μ
ｍ前後のバンドギャップ波長のＧａＩｎＡｓＰと比較し
て、ＢＥＸ部での吸収損失を無視できるため、高性能な
ＢＥＸ−ＬＤの形成が可能となる。

【００３４】尚、図４も光の進行方向に並行な面での断
面図である。同図において、符号２０２はＧａＡｓ基
板、２０３はバッファー層、２０４は基板側（下部と通
称する）のクラッド層、２０８は上部のクラッド層、２
０９はコンタクト層、２０１は基板側（下部と通称す
る）の電極、２１０はＬＤ部の上部電極である。図４に
も活性層領域の拡大図が小円内に例示されている。

【００３５】次に、さらに高性能なＧａＩｎＮＡｓ系Ｂ
ＥＸ−ＬＤを得るため、ＬＤ部とＢＥＸ部の界面である
バット・ジョイント界面を伝搬する光の影響について考
察する。

【００３６】バット・ジョイント界面の光の影響を考慮
すると、対象とする光導波路を構成する半導体材料の等
価屈折率とバンドギャップの関係は下記の関係がより良
好である。即ち、等価屈折率では、ＢＥＸ部とＬＤ部の
等価屈折率の差が０．１より小さく、一方、バンドギャ
ップはＢＥＸ部＞ＬＤ部である。以下、この関係につい
て考察する。

【００３７】ここで、ＬＤ部での活性層領域における等
価屈折率(ｎ_act)を、以下の式で定義した。

【００３８】ｎａｃｔ＝（（Ｌ_w×ｎ_w２＋Ｌ_b×ｎ_b２）
／（Ｌ_w＋Ｌ_b））^0.5…（１） ここで、Ｌ_w、及び、Ｌ
_bは井戸層、及び、障壁層の膜厚である。ｎ_w、及び、ｎ
_bは井戸層、及び、障壁層の屈折率である。Ｌ_wとＬ_bの
典型値として、それぞれ６ｎｍと１０ｎｍを適用する
と、ＧａＩｎＰＡｓ系ＬＤのｎ_actが３．４前後と求ま
るのに対し、ＧａＩｎＰＡｓ系ＬＤでは３．５４と格段
に大きくなる。これは、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層のｎ_wが
大きいためである。図２の構造においては、ＢＥＸ部に
ＧａＡｓを用いていることから、その屈折率(ｎ_BEX)は
３．４１となる。従って、バット・ジョイント界面での
屈折率差(Δn＝ｎ_act−ｎ_BEX）は、約０．１となり、非
常に大きい。よって、バット・ジョイント界面を伝搬す
る光に対して反射の影響が無視できなくなり、レーザ特
性の劣化を引き起こす可能性がある。

【００３９】そこで、ＧａＩｎＮＡｓ系ＢＥＸ−ＬＤの
さらなる高性能化のためには、 ＧａＡｓに格子整合
し、かつ、ＧａＡｓよりも屈折率の大きな材料をＢＥＸ
部に用いることが好ましい。そのためには、レーザ光の
スポット径を拡大する領域に、Ｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化
合物半導体材料が用いられることが好ましい。特に、Ｇ
ａＡｓに格子整合する組成のＧａＩｎＮＡｓが用いられ
ることが好ましい。

【００４０】図５に、ＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎ
ＮＡｓのバンドギャップエネルギ−、および、１．３μ
ｍにおける屈折率を示した。Ｎ組成が１％、Ｉｎ組成が
３％程度のＧａＩｎＮＡｓを用いれば、ｎ_BEXとして約
３．５を得ることが可能となり、Δｎを０近くまで低減
することが可能である。よって、レーザ内部を伝搬する
光への反射の影響を大幅に低減することが可能となる。
また、そのときのバンドギャップエネルギ−は１．３ｅ
Ｖ〜１．４ｅＶであり、依然として１．３μｍの光に対
してほぼ透明である。よって、ＢＥＸ部での吸収損失も
無視できる。

【００４１】図２の例では、Ａｌを含む半導体層が全く
用いられていない。本装置構造の作製においては、一度
プロセス加工した層上に、再び結晶成長を行う再成長工
程が必須である。よって、酸化されやすいＡｌを全く含
んでいないことは、高品質な再成長層を形成する上で、
非常に大きな利点である。

【００４２】以上により、本発明構造を用いることで、
優れた高温動作特性と光ファイバーとの高い結合効率を
有するＧａＩｎＮＡｓを活性層領域に用いたＢＥＸ−Ｌ
Ｄの作製が可能となる。

【００４３】尚、本半導体レーザ装置の製造に際して
は、化学線エピタキシ−法(ＣＢＥ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ)、分子線エピタキシ−法（Ｍ
ＢＥ：Ｍｏｒｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ)
または有機金属気相エピタキシ−法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｏ
ｌｅｃｕｌａｒ Ｏｒｇａｎｉｃ ＣｈｅｍｉｃａｌＤｅ
ｐｏｓｉｔｉｏｎ）のいずれかにより作製されるのが好
ましい。これらについての具体的な適用例は、以下の実
施の形態の欄で詳しく説明される。

【００４４】［発明の実施の形態１］発明の実施の形態
例１は、レーザ光のスポット径を拡大する領域にＧａＡ
ｓを用いたＧａＩｎＮＡｓ系ＢＥＸ−ＬＤの例である。
本例の基本構造は前述の図２の例と基本的の同様であ
る。図２は前述の通り光に並行な面でのに断面図であ
る。尚、図３に本例の斜視図を示す。本例は、いわゆる
埋め込みヘテロ構造を有する半導体レーザ装置の例であ
る。

【００４５】本素子構造の作製には、精密な膜厚制御や
材料の瞬時の切り替えが必要であること、また、ＧａＩ
ｎＮＡｓにおける窒素（Ｎ）の導入には、非平衡状態で
の成長法が適しているという点で分子線エピタキシー法
や有機金属化学気相成長法、化学ビームエピタキシ−法
等が適している。

【００４６】本例の半導体レーザ装置の活性層領域は、
井戸層１０７にＧa_0.75Ｉｎ_0.25Ｎ_0.01Ａｓ_0.99(膜厚：
７ｎｍ)、障壁層１０６にＧａＡｓ（膜厚：１０ｎｍ）
を用いた多重量子井戸構造である。多重量子井戸構造の
周期数は３である。また、クラッド層１０４、及び、１
０８にはＧa_0.51Ｉｎ_0.49Ｐである。本装置構造の作製
にはＭＯＣＶＤ法を用いる。ここで、ＩＩＩ族元素であ
るガリウム(Ｇa)、インジウム(Ｉｎ)の供給源として、
それぞれ有機金属のトリメチルガリウム(ＴＥＧ)、トリ
メチルインジウム(ＴＭI)を用い、Ｖ族元素の供給源と
して、アルシン(ＡｓＨ₃)、フォスフィン(ＰＨ₃)を用い
た。また、n型不純物としてシラン（ＳｉＨ₄）、ｐ型不
純物としてジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いた。Ｎの
供給源としては、ジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）を使
用した。

【００４７】作製する半導体基板はn型のＧａＡｓ基板
１０２（ｎ型不純物濃度＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3）を用い
る。ＡｓＨ₃供給下の砒素（Ａｓ）雰囲気において、基
板を昇温し、最初に厚さ０．５μｍのｎ型ＧａＡｓバッ
ファ−層１０３（ｎ型不純物濃度＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3）
を成長する。続いて、 厚さ１．５μｍのn型ガリウムイ
ンジウム燐（Ｇa_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ）による下部クラッド
層１０４を形成した。次に、活性層領域１０５を成長す
る。最初にＡｓＨ₃とＴＥＧを供給し、厚さ１０ｎｍの
ノンド−プＧａＡｓ障壁層１０６を成長する。次に、Ａ
ｓＨ₃とＴＥＧと共にＤＭＨｙとＴＭIの供給を開始し、
膜厚７ｎｍのノンド−プＧa_0.75Ｉｎ_0.25Ｎ_0.01Ａｓ
_0.99井戸層１０７を形成する。続いて、ＤＭＨｙとＴＭ
Iの供給を停止し、厚さ１０ｎｍのノンド−プＧａＡｓ
障壁層１０６を成長する。Ｇa_0.75Ｉｎ_0.25Ｎ_0.01Ａｓ
_0.99／ＧａＡｓの積層をさらに２回繰り返し、井戸数３
の多重量子井戸活性層領域１０５を作製した。本ウエハ
を一度大気中に取り出した後、ＳｉＮ_x膜を蒸着する。

【００４８】次に、通例のフォトエッチング工程により
ＳｉＮ_x膜の任意の部分を除去して、選択成長工程用の
マスクパタ−ンを形成する。これをエッチングマスクに
して、ウエットエッチングにより、ＢＥＸ部を形成する
領域を除去した。ＧａＡｓ／ＧaＩｎＰ間においては選
択エッチングが容易であるので、下部ＧaＩｎＰクラッ
ド層１０４直上まで、分留り良く除去することができ
た。その後、再びＭＯＣＶＤ装置内に導入し、ＳｉＮx
マスク上にＡｓＨ₃とＴＥＧを供給することで、ＧａＡ
ｓの膜厚がテ−パ−状に変化するＢＥＸ領域１１１を形
成した。その後、本多層成長ウエハを再び大気中に取り
出し、ＳｉＮxを完全に除去した後、再度ＭＯＣＶＤ装
置内に導入し、ＬＤ、及び、ＢＥＸ部上部に、厚さ１．
５μｍのｐ型Ｇa_0.51Ｉｎ_0.49Ｐによる上部クラッド層
１０８（ｐ型不純物濃度＝７×１０¹⁷cｍ^-3）、ｐ型Ｇ
ａＡｓコンタクト層１０９（ｐ型不純物濃度＝５×１０
¹⁹cｍ^-3）の順に成長した。

【００４９】その後、ウエハを大気中に取り出し、スト
ライプ状の酸化シリコン(ＳｉＯ₂)マスク(幅約５μｍ)
によりメサエッチングを行い、リッジ型の構造を形成し
た後、再度ＭＯＣＶＤ装置内に導入し、ｐ型Ｇa_0.51Ｉ
ｎ_0.49Ｐ１１２、ｎ型Ｇa_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ１１３、ｐ型
Ｇa_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ１１４の順に成長し、埋め込み層を
形成した。

【００５０】その後、 ＳｉＯ₂マスクを除去して、ＬＤ
部直上部にｐ型電極１１０を形成した。さらに、基板裏
面にｎ型電極１０１を形成した後、両端面の劈開工程を
経て、素子長６００μｍのＢＥＸ−ＬＤ装置を得た。続
いて、素子後面に反射率９５％の高反射膜を形成した。

【００５１】このような作製工程を経て試作した装置
は、閾値電流値約１０ｍＡで室温連続発振した。発振波
長は１．３μｍである。２５℃から８０℃の範囲におけ
るＴ０は１４０Ｋと非常に高い値が得られた。また、本
装置のＦＦＰ像の水平方向×垂直方向の半値幅は、１０
°×１０°が得られた。尚、図４に示すように、上部ク
ラッド層２０８、及び、下部クラッド層２０４として、
ＡｌＧａＡｓを用いることもできる。この場合には、先
述のウエットエッチング工程での分留りを良くするた
め、下部ＡｌＧａＡｓクラッド層直上に、ＧａＩｎＡｓ
Ｐ等のＰを含む材料からなる膜厚１０nｍ程度のエッチ
ングストップ層２１１を導入することが有効である。

【００５２】［発明の実施の形態２］発明の実施の形態
例２は、レーザ光のスポット径を拡大する領域にＧａＩ
ｎＮＡｓを用いたＢＥＸ−ＬＤ構造を有する例である。
図２を用いて具体的に説明する。本例は、前述のいわゆ
る埋め込みヘテロ構造を有する半導体レーザ装置の例で
ある。

【００５３】活性層領域の成長方法をガスソ−スＭＢＥ
(ＧＳ−ＭＢＥ)法とし、それ以外の再成長をＭＯＣＶＤ
法によって行った。ＧＳ−ＭＢＥ法では、ＩＩＩ族元素
の供給源として、Ｇa、Ｉｎを用い、Ｖ族元素の供給源
として、Ａｓに関してはＡｓＨ₃、Ｐに関してはＰＨ₃を
用いた。また、n型不純物としてシリコン(Ｓｉ)、ｐ型
不純物として四臭化炭素(ＣＢｒ₄)用いた。なお、ｐ型
不純物としてベリリウム(Ｂｅ)を用いても良い。Ｎにつ
いては窒素（Ｎ₂）ガスをＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕ
ｅｎｃｙ）プラズマ励起した窒素（Ｎ）ラジカルを使用
した。なお、窒素プラズマの励起は、その他にＥＣＲ
（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ＣｙｃｒｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａ
ｎｃｅ：電子サイクロトロン共鳴）プラズマを用いても
行うことができる。ＭＯＣＶＤ法におけるＩＩＩ族、お
よび、Ｖ族元素の供給源は、発明の実施の形態１と同じ
材料を使用した。

【００５４】作製する半導体基板はn型のＧａＡｓ基板
１０２（ｎ型不純物濃度＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3）を用い
る。ＡｓＨ₃供給下のＡｓ雰囲気において基板を昇温
し、最初に厚さ０．５μｍのｎ型ＧａＡｓバッファ−層
１０３（ｎ型不純物濃度＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3）を成長す
る。続いて、厚さ１．５μｍのｎ型Ｇa_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ
による下部クラッド層１０４を形成した。次に、活性層
領域１０５を成長する。最初にＡｓＨ₃とＧaを供給し、
厚さ１０ｎｍのノンド−プＧａＡｓ障壁層１０６を成長
する。次に、窒素（Ｎ）ラジカルとＩｎの供給を開始
し、膜厚６ｎｍのノンド−プＧa_0.75Ｉｎ_0.25Ｎ_0.01Ａ
ｓ_0.99井戸層１０７を形成する。続いて、Ｎラジカルと
Ｉｎの供給を停止し、厚さ１０ｎｍのノンド−プＧａＡ
ｓ障壁層１０６を成長する。Ｇa_0.75Ｉｎ_0.25Ｎ_0.01Ａ
ｓ_0.99／ＧａＡｓの積層をさらに２回繰り返し、井戸数
３の多重量子井戸活性層領域を作製した。本ウエハを一
度大気中に取り出した後、ＳｉＮx膜を蒸着する。

【００５５】次に、フォトエッチング工程によりＳｉＮ
x膜の任意の部分を除去して、選択成長工程用のマスク
パタ−ンを形成する。これをエッチングマスクにして、
ＲＩＥ法によるドライエッチングで、ＢＥＸ部を形成す
るための領域を除去した。その後、今度はＭＯＣＶＤ装
置内に導入し、ＳｉＮxマスク上にＴＥＧ、ＴＭI、ＤＭ
Ｈｙ、ＡｓＨ₃を供給することで、Ｇa_0.75Ｉｎ_0.25Ｎ
_0.01Ａｓ_0.99の膜厚がテ−パ−状に変化するＢＥＸ領域
１１１を形成した。その後、本多層成長ウエハを再び大
気中に取り出し、ＳｉＮxを完全に除去した後、再度Ｍ
ＯＣＶＤ装置内に導入し、ＬＤ、及び、ＢＥＸ部上部
に、厚さ１．５μｍのｐ型Ｇa_0.51Ｉｎ_0.49Ｐによる上
部クラッド層１０８（ｐ型不純物濃度＝７×１０¹⁷ｃｍ
^-3）、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０９（ｐ型不純物濃
度＝５×１０¹⁹ｃｍ^-3）の順に成長した。その後、ウエ
ハを大気中に取り出し、ストライプ状のＳｉＯ₂マスク
(幅約５μｍ)によりメサエッチングを行い、リッジ型の
構造を形成した後、再度ＭＯＣＶＤ装置内に導入し、ｐ
型 Ｇa_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ、ｎ型Ｇa_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ、ｐ型
Ｇa_0.51Ｉｎ_0.49Ｐの順に成長し、埋め込み層を形成し
た。尚、この埋め込み層の基本考え方は前述の実施の形
態１のものと同様である。本図ではこれらの埋め込み層
は省略した。

【００５６】その後、ＳｉＯ₂マスクを除去して、ＬＤ
部直上部にｐ型電極１１０を形成した。さらに、基板裏
面にn型電極１０１を形成した後、劈開工程を経て、素
子長６００μｍのＢＥＸ−ＬＤ装置を得た。続いて、素
子後面に反射率９５％の高反射膜を形成した。このよう
な作製工程を経て試作した装置は、閾値電流値約６ｍＡ
で室温連続発振した。発振波長は１．３μｍである。２
５℃から８０℃の範囲におけるＴ０は１５０Ｋと非常に
高い値が得られた。また、本装置のＦＦＰ像の水平方向
×垂直方向の半値幅は、７°×９°が得られた。

【００５７】［発明の実施の形態３］発明の実施の形態
例３は、レーザ光のスポット径を拡大する領域にＧａＩ
ｎＮＡｓを用いたＧａＩｎＮＡｓ系ＢＥＸ−ＬＤの別の
形態の例である。

【００５８】本形態例では、クラッド層にＧａＡｓを用
いる。図６は本例の光に並行な面での断面図である。本
例は埋め込みヘテロ構造を有する半導体レーザ装置の例
である。

【００５９】この例では素子の成長方法はＣＢＥ法とす
る。ＩＩＩ族元素の供給源としては、ＴＥＧ、および、
ＴＭIを用い、Ｖ族元素の供給源としては、ＡｓＨ₃、Ｐ
Ｈ₃、ＤＭＨｙを用いた。これらの原料は、ＭＯＣＶＤ
法と全く同じである。しかしながら、成長中の真空度が
ＭＯＣＶＤ法に比べ、ＣＢＥ法においては１〜２桁低い
ため、原料の急峻な切り替えが可能で、良好な半導体界
面の形成に有利である。

【００６０】作製する半導体基板はｎ型のＧａＡｓ基板
３０２（ｎ型不純物濃度＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3）を用い
る。ＡｓＨ₃供給下のＡｓ雰囲気において基板を昇温
し、最初に厚さ２μｍのn型ＧａＡｓ下部クラッド層３
０３（ｎ型不純物濃度＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3）を形成し
た。次に、ＧａＩｎＡｓＰからなるエッチングストップ
層３１０(膜厚１０ｎｍ)を形成した。続いて、活性層３
０４を成長する。ＴＭＩとＤＭＨｙを同時に供給するこ
とによって、最初に厚さ１０ｎｍのノンド−プＧa_0.97
Ｉｎ_0.03Ｎ_0.01Ａｓ_0.99障壁層３０５を成長する。次
に、ＴＭIとＤＭＨｙの供給量を変化させ、膜厚７ｎｍ
のノンド−プＧa_0.75Ｉｎ_0.25Ｎ_0.01Ａｓ_0.99井戸層３
０６を形成する。続いて、再び、厚さ１０ｎｍのノンド
−プＧa_0.97Ｉｎ_0.03Ｎ_0.01Ａｓ_0.99障壁層３０５を成
長する。 Ｇa_0.75Ｉｎ_0.25Ｎ_0.01Ａｓ_0.99／Ｇa_0.97Ｉ
ｎ_0.03Ｎ_0.01Ａｓ_0.99の積層をさらに２回繰り返し、井
戸数３の多重量子井戸活性層を作製した。

【００６１】本多層成長ウエハを一度大気中に取り出し
た後、ＳｉＮxを蒸着する。次に、フォトエッチング工
程によりＳｉＮ_x上に選択成長用のマスクパタ−ンを形
成した。これをマスクにして、ウエットエッチングによ
り、ＢＥＸ部を形成する領域を一度除去した。 本エッ
チング工程は、エッチングストップ層の導入により分留
り良く行うことができた。その後、再びＣＢＥ装置内に
導入し、ＡｓＨ₃とＴＥＧと共にＤＭＨｙとＴＭIを供給
し、Ｇa_0.97Ｉｎ_0.03Ｎ_0.01Ａｓ_0.99を選択成長法によ
り形成し、テ−パ−上に膜厚が変化するＢＥＸ領域を作
製した。

【００６２】その後、本多層成長ウエハを再び大気中に
取り出し、ＳｉＮ_xを完全に除去した後、再度ＣＢＥ装
置内に導入し、ＬＤ、及び、ＢＥＸ部上部に、厚さ１．
５μｍのｐ型ＧａＡｓによる上部クラッド層３０７（ｐ
型不純物濃度＝７×１０¹⁷ｃｍ^-3）、ｐ型ＧａＡｓコン
タクト層３０８（ｐ型不純物濃度＝５×１０¹⁹ｃｍ^-3）
の順に成長した。その後、ウエハを大気中に取り出し、
ストライプ状のＳｉＯ₂マスク(幅約３μｍ)によりメサ
エッチングを行い、リッジ型の構造を形成した後、再度
ＭＯＣＶＤ装置内に導入し、 ｐ型ＧａＡｓ、ｎ型Ｇａ
Ａｓ、ｐ型ＧａＡｓの順に成長し、埋め込み層を形成し
た。尚、この埋め込み層の基本的な考え方は、材料選択
に差はあるが、前述の実施の形態１および２のものと同
様である。

【００６３】その後、ＳｉＯ₂マスクを除去して、ＬＤ
部直上部にｐ型電極３０９を形成した。さらに、基板裏
面にn型電極３０１を形成した後、劈開工程を経て、素
子長６００μｍのＢＥＸ−ＬＤ装置を得た。続いて、素
子後面に反射率９５％の高反射膜を形成した。

【００６４】このような作製工程を経て試作した装置
は、閾値電流値約８ｍＡで室温連続発振した。発振波長
は１．３μｍである。２５℃から８０℃の範囲における
Ｔ０は１３５Ｋと高い値が得られた。また、本装置のＦ
ＦＰ像の水平方向×垂直方向の半値幅は、９°×１０°
が得られた。

【００６５】

【発明の効果】本願発明は、良好な高温動作特性を確保
したビ−ム拡大器集積型レーザダイオ−ドを提供するこ
とにある。

【００６６】更には、本願発明は、高温動作特性を確保
したＧａＩｎＮＡｓ活性層領域なるビ−ム拡大器集積型
レーザダイオ−ドを提供することが出来る。

【００６７】本願発明は、優れた高温動作特性と共にビ
−ム拡大器集積型レーザダイオ−ドに特有なる光伝送路
との高い結合効率を有する。本願発明は、光通信用ビ−
ム拡大器集積型レーザダイオ−ドとして好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は従来例なる半導体レーザ装置の光の進行
方向に並行な面での断面図である。

【図２】図２は本願発明の半導体レーザ装置の光の進行
方向に並行な面での断面図である。

【図３】図３は本願発明の半導体レーザ装置の斜視図で
ある。

【図４】図４は本願発明の別な半導体レーザ装置の光の
進行方向に並行な面での断面図である。

【図５】図５はＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＮＡｓ
のバンドギャップエネルギ−、および、１．３μｍにお
ける屈折率を示す図である。

【図６】図６は本願発明の更に別な半導体レーザ装置の
光の進行方向に並行な面での断面図である。

【符号の説明】

１−バットジョイント界面、１０１−下部電極、１０２
−ＧａＡｓ基板、１０３−バッファ−層、１０４−下部
クラッド層、１０５−活性層領域、１０６−障壁層、１
０７−井戸層、１０８−上部クラッド層、１０９−コン
タクト層、１１０−上部電極、１１１−ＢＥＸ領域、２
０１−下部電極、２０２−ＧａＡｓ基板、２０３−バッ
ファ−層、２０４−下部クラッド層、２０５−活性層、
２０６−障壁層、２０７−井戸層、２０８−上部クラッ
ド層、２０９−コンタクト層、２１０−上部電極、２１
１−エッチングストップ層、２１２−ＢＥＸ領域、３０
１−下部電極、３０２−ＧａＡｓ基板、３０３−下部Ｇ
ａＡｓクラッド層、３０４−活性層、３０５−障壁層、
３０６−井戸層、３０７−上部ＧａＡｓクラッド層、３
０８−コンタクト層、３０９−上部電極、３１０−エッ
チングストップ層、３１１−ＢＥＸ領域、４０１−下部
電極、４０２−ＩｎＰ基板、４０３−下部ＩｎＰクラッ
ド層、４０４−活性層、４０５−InＧａＡｓＰ障壁層、
４０６−InＧａＡｓＰ井戸層、４０７−上部ＩｎＰクラ
ッド層、４０８−InＧａＡｓコンタクト層、４０９−上
部電極、４１０−ＢＥＸ領域、１１２、１１３、１１４
−埋め込み層である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 青木 雅博 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 魚見 和久 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 Ｆターム(参考） 5F073 AA53 AA55 AA74 AA87 CA17 CB02 CB07 DA05 DA25 EA19 EA29 HA10 5K002 BA13 CA11

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＧａＡｓ基板の上部に、活性層領域とク
   ラッド層とを含むレーザ共振器領域と、当該レーザ光の
   出射面側にレーザ光のスポット径を拡大する領域とを有
   し、前記レーザ光のスポット径を拡大する領域が、Ｇａ
   Ａｓとの格子定数差が−０．５％から＋０．５％の範囲
   に有る半導体材料より成ることを特徴とする半導体レー
   ザ装置。
2. 【請求項２】 前記活性層領域における主発光層がＧａ
   ＩｎＮＡｓであることを特徴とする請求項１に記載の半
   導体レーザ装置。
3. 【請求項３】 前記レーザ光のスポット径を拡大する領
   域がＧａＡｓより成ることを特徴とする請求項１又請求
   項２に記載の半導体レーザ装置。
4. 【請求項４】 前記レーザ光のスポット径を拡大する領
   域が窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料より成る
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体
   レーザ装置。
5. 【請求項５】 前記レーザ光のスポット径を拡大する領
   域がＧａＩｎＮＡｓより成ることを特徴とする請求項４
   に記載の半導体レーザ装置。
6. 【請求項６】 当該半導体レーザ装置を形成する半導体
   材料が、Ａｌを含まない半導体材料より成ることを特徴
   とする請求項１より請求項５のいずれかに記載の半導体
   レーザ装置。
7. 【請求項７】 前記活性層領域の等価屈折率と前記レー
   ザ光のスポット径を拡大する領域の等価屈折率との屈折
   率差が０．１より小さく、且つ前記活性層領域のバンド
   ギャップが前記レーザ光のスポット径を拡大する領域の
   バンドギャップより小さいことを特徴とする請求項第
   １、２、４、５、および６項のいずれかに記載の半導体
   レーザ装置。
8. 【請求項８】 光源として、請求項１より請求項７のい
   ずれかに記載の半導体レーザ装置が少なくとも１つ用い
   られた光通信システム。