JP2001223437A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 高温動作特性、低しきい値電流、横モードの
安定性といった素子特性に優れ、かつ、素子作製におけ
る低コスト化が可能なＢＨ型半導体レーザ装置を提供す
る。 【解決手段】 ＧａＡｓ基板１０２上に少なくとも光共
振器を有し、前記光共振器は光を発生する活性層１０４
領域と、前記活性層領域よりもバンド・ギャップが大き
く且つ屈折率が小さいクラッド層１０３，１０７と、前
記活性層領域の光の進行方向に交差する両側部にＧａＡ
ｓよりなる埋め込む領域１１２とを少なくとも有する半
導体レーザ装置である。光通信用として、活性層領域の
主発光層としてＧａＩｎＮＡｓがわけても好ましい。

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、および光システムに関するものである。わけても、
当該半導体レーザ装置は光通信用に供して有用である。

【０００２】

【従来の技術】現在の光通信では、通信光のモード分散
が無く長距離伝送が可能な石英系シングルモードファイ
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帯および１.
５５μｍ 帯の光が主として利用されている。これに供
する光源としては、ガリウム・インジウム砒素燐(Ｇａ
ＩｎＡｓＰ)系の半導体レーザ装置が広く実用化されて
いる。

【０００３】光通信システムの高性能化、低コスト化の
ためには、しきい値電流の低減が不可欠である。その為
には、活性層領域への注入電流の広がりを抑制し、キャ
リアを効率良く活性層へ注入することが重要である。ま
た、コア径が８μｍ 〜１０μｍと非常に小さいシング
ルモードファイバーと、半導体レーザ間の光結合損失を
低減させることも重要である。

【０００４】その為には、レーザ光の発振横モードを安
定化し、単峰性で、かつ、広がり角の小さいレーザビー
ムを得ることが必要である。

【０００５】上記目的を達成するため、活性領域等を結
晶成長した後、半導体レーザとなるストライプ領域以外
を活性層下部までエッチングによって除去し、この部分
に再度別の結晶を成長する、所謂「埋め込み(ＢＨ：Bur
ied Heterostructure)」型レーザ構造が実用化されてい
る。その一例が、光通信素子光学（米津宏雄著、工学図
書）２４０頁上に記載されている。図５に、その断面構
造図を記述した。半導体基板には、インジウム燐(Ｉｎ
Ｐ)３０２が用いられている。また、活性層は、ガリウ
ムインジウム砒素燐(ＧａＩｎＡｓＰ)井戸層３０６とＧ
ａＩｎＡｓＰ障壁層３０７との多重量子井戸層をＧａＩ
ｎＡｓＰ光ガイド層３０５で挟んだ構造である。下部ク
ラッド層３０３、および、上部クラッド層３０８にはＩ
ｎＰが用いられている。また、埋め込み(ＢＨ)層として
は、基板側から、Ｎ-ＩｎＰ層３１２、ｐ-ＩｎＰ層３１
３、Ｎ-ＧａＩｎＡｓＰ層３１４と合計３層が用いられ
ている。尚、図５で符号３１１は二酸化シリコンににな
る絶縁膜である。ＢＨ層に、活性層材料であるＧａＩｎ
ＡｓＰよりバンドギャップの大きいＩｎＰを用い、か
つ、ｎｐｎ構造にすることで、ストライプ外領域に電流
が流れない電流ブロックの効果が得られる。そのため、
活性層外に流れるリーク電流成分を低減し、キャリアを
効率良く活性層に注入できるため、しきい値電流の低減
が実現可能である。また、本構造では、活性層の垂直方
向に加え、水平方向にも、ＧａＩｎＡｓＰとＩｎＰとの
ダブルヘテロ構造が形成される。ＩｎＰの屈折率はＧａ
ＩｎＡｓＰのそれより小さく、発生したレーザ光を活性
層内に良好に閉じ込めることができる。このように水平
方向にも有効に光を閉じ込める光導波構造を造り込むこ
とにより、放射ビームの横モードが良好に制御され、基
本横モードでの発振が安定して得られるようになる。そ
の結果、本レーザ素子から放射されるレーザビームのフ
ァーフィールドパターンは単峰性で、その水平、およ
び、垂直方向における半値全角は、それぞれ３０°、お
よび、３５°と等方的な値が実現可能となっている。

【０００６】更に又、最近、ジャパニーズ・ジャーナル
・オブ・アプライド・フィジックス、１９９６年第３５
巻１２７３頁誌上に、半導体レーザ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ΔＥｃが得られ
る可能性があることが報告されている。これにより、高
温動作時でも電子を十分に活性層内に閉じ込めることが
でき、１５０Ｋ以上のＴ０が実現可能で、光通信用半導
体レーザの高温動作特性を画期的に改善できることが示
されている。その後、 １９９９年秋季第６０回応用物
理学会学術講演会、予稿集第３分冊９７７頁(３ａ−Ｚ
Ｅ−３３)に、１.３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザ
において２００Ｋを超える高いＴ０が報告され、こうし
た半導体レーザの優れた高温動作特性が実験的にも確か
められるに至っている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ＧａＩｎＡｓＰ系の半
導体レーザは、材料物性的に活性層の伝導帯におけるバ
ンドオフセット（ΔＥｃ）が小さく、高温時には、高い
エネルギー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、こうした半導
体レーザを高温下で動作させると、しきい値電流やスロ
ープ効率といったレーザ特性が大幅に劣下するというこ
とが、従来より問題になっていた。

【０００８】半導体レーザの高温動作特性の指標の一つ
として、特性温度(Ｔ０)があるが、 ＧａＩｎＡｓＰ系
の半導体レーザにおけるＴ０の典型値は約６０Ｋ前後で
あり、電子を理想的に閉じ込めた場合の理論値１５０Ｋ
に対して、大きく劣っている。前項で述べたＢＨ型レー
ザ構造においても、活性層材料としてＧａＩｎＡｓＰを
用いる限り例外では無い。

【０００９】しかし、前述したように、ＧａＩｎＮＡｓ
を活性層に用いたＢＨ型レーザを作製することで、高温
動作特性に優れ、しきい値電流が低く、かつ、横モード
の安定性に優れた光通信用半導体レーザの作製が可能に
なると考えられる。

【００１０】しかしながら、ＧａＩｎＮＡｓ系の化合物
半導体材料を活性層に用いる場合、次のような難点を有
する。これまで知られたＢＨ用の埋め込み材料を用いて
ＧａＩｎＮＡｓ系のＢＨ型レーザ装置を実現するには、
いずれの材料も実現が容易でなかった。

【００１１】第１に、従来の光通信用途向けのＢＨレー
ザ（波長帯１．３μｍ或いは１．５μｍ）はＩｎＰ基板
上に形成されており、その埋め込み材料をＧａＡｓ基板
上に形成されるＧａＩｎＮＡｓ系ＢＨ型レーザに適用す
ることは格子不整合の観点から実用上不適切である。

【００１２】第２に、従来のＧａＡｓ基板上のＢＨレー
ザ（波長帯０．８５μｍ或いは０．９８μｍ）の埋め込
み層に用いてきた半導体材料、例えば、ＡｌＧａＡｓな
どはＡｌを含有する為、材料の酸化が特性の経時変化を
生み出す要因となる。

【００１３】第３に、従来のＧａＡｓ基板上のＢＨ型レ
ーザ（波長帯０．８５μｍ或いは０．９８μｍ）の埋め
込み層に用いてきた半導体材料、ＧａＩｎＡｓＰ、Ｇａ
ＩｎＰなどは成長する膜をＧａＡｓ基板に格子整合させ
転位の発生を抑制するためには、厳密な組成制御が要求
される。従って、その量産性、実用性に極めて難点が大
きい。

【００１４】以上の背景に鑑み、本願発明の目的は、Ｇ
ａＡｓ基板上にＧａＩｎＮＡｓを主たる活性層領域を構
成する半導体材料としたＢＨ型レーザの素子構造を、高
温動作特性、低しきい値電流、横モードの安定性といっ
た素子の諸特性に優れたものを提供することにある。合
わせて、本願発明の構造は素子作製における低コスト化
が可能である。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本願発明は、ＧａＡｓ基
板上に少なくとも光共振器を有し、前記光共振器は光を
発生する活性層領域と、光を閉じこめるクラッド層と、
前記活性層領域の光の進行方向に交差する両側部にＧａ
Ａｓよりなる埋め込む領域とを少なくとも有する半導体
レーザ装置である。クラッド層領域は前記活性層領域よ
りもバンド・ギャップが大きく且つ屈折率が小さい半導
体材料で構成される。クラッド層領域は、半導体層の積
層方向に、前記活性層領域の上下に設けられる。要求仕
様に応じて、当該活性層領域と両クラッド層の間に更な
る光ガイド層等が挿入されることもある。その他の構成
部材あるいはこれまで知られた諸問題の改良手段等は通
例の半導体レーザ装置の技術に従って十分である。それ
らは、例えば、結晶性改善の為のバッファ層、発光面を
覆う反射膜や保護膜、素子のパッシベーション膜等であ
る。

【００１６】上記本願発明の目的は、 ＧａＡｓ基板上
に、光を発生する活性層と光を閉じこめるクラッド層と
発生した光からレーザ光を得るための共振器構造、およ
び、活性層を埋め込む領域を備えた半導体レーザにおい
て、ＢＨ層にＧａＡｓを用いることにより達成される。
本ＢＨ層においては、ＧａＡｓ基板との間に格子不整合
転位の発生がないことは自明である。さらに、Ａｌを含
んでいないので再成長層の結晶性低下や長期的信頼性に
ついても問題はない。また、ＧａＡｓは２元半導体材料
なので、組成制御の必要性もなく、それによる素子作製
時の歩留まり低下、あるいは、組成整合条件出しによる
製造コストの増大は発生しない。

【００１７】前記活性層領域が、ＧａＩｎＮＡｓ層、Ｇ
ａＩｎＡｓＳｂ層、あるいはＧａＩｎＡｓＳｂとＧａＩ
ｎＮＡｓの混晶半導体材料層のいずれかの層を有するこ
とが、高い温度雰囲気温度での素子の動作を安定に行わ
せるに有用である。合わせて、当該半導体レーザはしき
い電流値が低いこと、かつ発振横モードの安定性におい
ても優れた特性を確保することが出来る。

【００１８】更に、本願発明においては、活性層領域は
量子井戸層と障壁層とを有する量子井戸構造を用いるこ
とが出来る。当該量子井戸領域は単一量子井戸、多重量
子井戸構造、歪量子井戸構造、あるいは歪補償型量子井
戸構造などをその要請に応じて用いることが出来る。

【００１９】本願発明の半導体レーザ装置においては、
前記活性層領域の基板側、或は、基板とは反対側、ある
いはその両者にいわゆる光ガイド層を設けることも実用
的である。光ガイド層は屈折率が当該活性層領域の各層
とりも小さい層で、光の導波を良好ならしめる。

【００２０】光ガイド層はクラッド層よりもバンドギャ
ップが小さく屈折率の大きい材料が用いられる。光ガイ
ド層は障壁層との兼用も可能である。光ガイド層には、
次ぎのような化合物半導体材料が実用上有用である。即
ち、それらはＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎ
ＡｓＳｂ、あるいは、それらの混晶半導体材料である。

【００２１】更に、本願発明では、当該半導体レーザ装
置を形成する半導体積層体が全体として、アルミニウム
（Ａｌ）を含まない半導体材料で構成されることが極め
て好ましい。それは前述した半導体材料の酸化の問題が
発生しないからである。従って、装置の長寿命に極めて
有利である。

【００２２】尚、光共振器の光帰還手段は、ファブリ・
ペロー型など、一般的に半導体レーザ装置における手段
を用いることが出来る。発振縦モードが安定であること
から、分布帰還型（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｉｂｕｔｅｄ Ｆ
ｅｅｄｂａｃｋ）が最適であり、又、分布ブラッグ反射
型（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＢｒａｇｇＤｉ
ｆｒｅｃｔｉｏｎ）なども有用である。

【００２３】本願発明になる半導体レーザ装置のいづれ
かを用いた光通信システムは、良好な光通信の諸特性を
有し、且つ極めて安価に構成することが出来る。

【００２４】尚、ここで記述する技術は、ＧａＩｎＮＡ
ｓのみならず、ＧａＡｓ基板上に形成され、光ファイバ
ー通信に適合する発振波長を提供する活性層材料を用い
た光通信用ＢＨ型レーザにおいて、全て適用が可能であ
る。具体的には、先に例示したＧａＩｎＡｓＳｂ、ある
いは、ＧａＩｎＡｓＳｂとＧａＩｎＮＡｓの混晶半導体
材料等を活性層とするＢＨ型レーザにおいても、適用可
能である。

【００２５】又、各半導体層の形成は、化学線エピタキ
シー法、分子線エピタキシー法または有機金属気相エピ
タキシー法のいずれかにより作製されるのが通例であ
る。

【００２６】

【発明の実施の形態】本願発明の主な諸形態を整理すれ
ば、次の通りである。

【００２７】第１は、 ＧａＡｓ基板上に少なくとも光
共振器を有し、前記光共振器は光を発生する活性層領域
と、前記活性層領域よりもバンド・ギャップが大きく且
つ屈折率が小さいクラッド層と、前記活性層領域の光の
進行方向に交差する両側部にＧａＡｓよりなる埋め込む
領域とを少なくとも有する半導体レーザ装置である。

【００２８】第２は、前記活性層領域が、ＧａＩｎＮＡ
ｓ層、 ＧａＩｎＡｓＳｂ層、あるいはＧａＩｎＡｓＳ
ｂとＧａＩｎＮＡｓの混晶半導体材料層のいずれかの層
を有することを特徴とする前記第１の実施の形態に記し
た半導体レーザ装置である。

【００２９】第３は、前記活性層領域が、量子井戸層と
障壁層とを有する量子井戸構造および、それを挟むクラ
ッド層から成り、前記クラッド層に ＧａＩｎＮＡｓ、
ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、あるいは、それらの
混晶半導体材料が用いられていることを特徴とする前記
第１および第２の実施の形態に記した半導体レーザ装置
である。

【００３０】第４は、当該半導体レーザ装置を形成する
半導体積層体が、アルミニウム（Ａｌ）を含まないこと
を特徴とする前記第１および第３の実施の形態に記した
半導体レーザ装置である。

【００３１】第５は、前記第１および第４の実施の形態
のいづれか一つに記載した半導体レーザ装置を有する光
通信システムである。

【００３２】以下、これらの諸形態を具体的に説明す
る。

【００３３】第１の発明の実施の形態の例は、埋め込み
層にＧａＡｓ、活性層における井戸層としてＧａＩｎＮ
Ａｓ、光ガイド(障壁)層としてＧａＩｎＮＡｓを用いた
ＧａＩｎＮＡｓ系ＢＨ型レーザ装置の例である。

【００３４】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(Ｍ
ＢＥ)法や有機金属化学気相成長(ＭＯＣＶＤ)法、化学
ビームエピタキシー(ＣＢＥ)法等が適している。但し、
同様の構造が形成できれば、本発明の効果を得ることが
可能であるので、上記成長手法のみに限定されるもので
はない。

【００３５】本素子構造の作製には通例のＭＯＣＶＤ法
を用いる。ここで、ＩＩＩ族元素であるガリウム(Ｇ
ａ)、インジウム(Ｉｎ)の供給源として、それぞれ有機
金属のトリエチルガリウム(ＴＥＧ)、トリメチルインジ
ウム(ＴＭＩ)を用い、Ｖ族元素である砒素(Ａｓ)の供給
源として、アルシン(ＡｓＨ３)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。

【００３６】図１は実施例１の素子の、光の進行方向と
交差する面での断面図である。本素子の活性層領域１０
４は、井戸層１０６に厚さ７ｎｍのＧａ０.７５Ｉｎ０.
２５Ｎ０.０１Ａｓ０.９９を用い、光ガイド(障壁)層１
０５をＧａ０.９４Ｉｎ０.０６Ｎ０.０２Ａｓ０.９８と
する単一量子井戸構造である。

【００３７】半導体基板はｎ型のＧａＡｓ基板（Ｎ型不
純物濃度＝１×１０１８ｃｍ-３）１０２である。Ａｓ
Ｈ３供給下のＡｓ雰囲気において基板を昇温し、ＡｓＨ
３とＴＥＧを供給して、最初に厚さ１.５μｍのＮ型Ｇ
ａＡｓによる下部クラッド層（Ｎ型不純物濃度＝３×１
０１８ｃｍ-３）１０３を形成した。次に、活性層領域
１０４を成長する。活性層領域１０４の例は次の井戸層
とこれを挟む障壁層を有している。

【００３８】ＡｓＨ３とＴＥＧと共にＤＭＨｙとＴＭＩ
の供給を開始し、厚さ１４０ｎｍのノンドープＧａ０.
９４Ｉｎ０.０６Ｎ０.０２Ａｓ０.９８光ガイド(障壁)
層１０５を成長する。ＡｓＨ３、ＴＥＧ、ＤＭＨｙ、Ｔ
ＭＩの供給量を瞬時に変化させ、膜厚７ｎｍのノンドー
プＧａ０.７５Ｉｎ０.２５Ｎ０.０１Ａｓ０.９９井戸層
１０６を形成する。続いて、同様にＡｓＨ３、ＴＥＧ、
ＤＭＨｙ、ＴＭＩの供給量を瞬時に変化させ、厚さ１４
０ｎｍのノンドープＧａ０.９４Ｉｎ０.０６Ｎ０.０２
Ａｓ０.９８光ガイド(障壁)層１０５を成長する。さら
に、ＤＭＨｙとＴＭＩの供給の供給を停止し、厚さ１.
５μｍのｐ型ＧａＡｓによる上部クラッド層（ｐ型不純
物濃度＝７×１０１７ｃｍ-３）１０７、ｐ型ＧａＡｓ
コンタクト層（ｐ型不純物濃度＝５×１０１９ｃｍ-
３）１０８の順に成長した。

【００３９】その後、このような半導体積層体を成長し
た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)のマスク(幅約３μｍ)を用いて、前記活
性層下部までメサエッチングを行い、リッジ型の構造を
形成する。そして、このＳｉＯ２マスクを除去した。続
いて、再度ＭＯＣＶＤ装置内にウエハを導入し、第１の
ｐ型ＧａＡｓ埋め込み層（ｐ型不純物濃度＝７×１０１
７ｃｍ-３）１１１、第２のｎ型ＧａＡｓ埋め込み層
（ｎ型不純物濃度＝１×１０１８ｃｍ-３）１１２を順
に成長した。

【００４０】尚、上記埋め込み層は、活性層領域におけ
る光軸に平行な両側面を少なくとも覆って形成すれば良
いが、実用的にはリッジ型部の両側部を埋め込んで形成
する。この構成は漏れ電流阻止の観点でより有用であ
る。この観点は、本願の他の実施の形態においても同様
である。

【００４１】その後、再度ＳｉＯ２マスク１１０による
電極パターン開孔を形成し、その上に、ｐ型電極１０９
を形成した。

【００４２】基板研磨工程後、裏面にｎ型電極１０１を
形成し、さらに劈開工程を経た後、素子長６００μｍの
ＢＨ型レーザ素子を得た。続いて、素子の後面に反射率
９５％の高反射膜１２０を形成した。図２はこうして完
成した半導体レーザ装置の斜視図である。尚、発光面の
保護の為、素子の前面に低反射膜が実用的には設けられ
る。図２ではこの低反射膜は、半導体積層体の断面構造
の理解を容易となす為、図示が省略されている。これら
の高低反射膜自体は通例のもので十分である。

【００４３】このような作製工程を経て試作した素子
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
素子のＦＦＰ（Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ）
像の水平方向×垂直方向の半値幅は、３０°×３５°が
得られた。尚、本発明構造は、井戸層に、ＧａＩｎＡ
ｓ、ＧａＡｓＩｎＳｂ、および、それらの混晶半導体材
料など、ＧａＡｓ基板上に形成される長波長帯発光材料
を用いた半導体レーザにおいて、適応可能である。ま
た、本実施例では、ＢＨ層のみならず、全ての半導体層
がＡｌを含んでいない。このように、酸化されやすいＡ
ｌを全く含まずＢＨ型レーザが形成できることは、素子
の高性能化、長期的信頼性を得る上で、大きな利点であ
る。

【００４４】第２の発明の実施の形態は、埋め込み層に
ＧａＡｓ、活性層における井戸層としてＧａＩｎＮＡ
ｓ、光ガイド(障壁)層としてＧａＩｎＡｓを用いたＧａ
ＩｎＮＡｓ系ＢＨ型レーザ装置の例である。

【００４５】ここでは活性層の成長方法をガスソースＭ
ＢＥ(ＧＳ-ＭＢＥ)法とし、それ以外の再成長をＭＯＣ
ＶＤ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Ｎ２ガス
をＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）プラズマ励
起した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 Ｃｙｃｒｏ
ｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：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。

【００４６】図３は本例の素子の、光の進行方向と交差
する面での断面図である。本素子の活性層２０４は、井
戸層２０６に厚さ７ｎmのＧａ０.７５Ｉｎ０.２５Ｎ０.
０１Ａｓ０.９９を用い、光ガイド層２０５、および、
障壁層２０７をＧａ０.９Ｉｎ０.１Ａｓとする単一量子
井戸構造である。これらの層の成長時には、Ｉｎの組成
を瞬時に変化させることが必要なので、Ｉｎ原料を供給
するためのクヌードセンセル(Ｋセル)を２本備え付け、
交互に使用することにする。

【００４７】半導体基板はＮ型のＧａＡｓ基板（Ｎ型不
純物濃度＝１×１０１８ｃｍ-３）２０２を用いる。Ａ
ｓＨ３供給下のＡｓ雰囲気において基板を昇温し、最初
に厚さ１.５μｍのＮ型ＧａＡｓによる下部クラッド層
（ｎ型不純物濃度＝３×１０１８ｃｍ-３）２０３を形
成した。次に、活性層領域２０４を成長する。

【００４８】活性層領域２０４は次のように製造され
る。最初にＡｓＨ３、Ｇａ、Ｉｎを供給し、厚さ１０ｎ
ｍのノンドープＧａ０.９Ｉｎ０.１Ａｓ光ガイド層２０
５を成長する。次に、Ｎラジカルの供給と、２本目のＫ
セルによるＩｎの供給を同時に行い、膜厚６ｎｍのノン
ドープＧａ０.７５Ｉｎ０.２５Ｎ０.０１Ａｓ０.９９井
戸層２０６を形成する。続いて、Ｎラジカルと２本目の
ＫセルによるＩＮの供給を停止し、１本めのＩｎのＫセ
ルを供給することで、厚さ１０ｎｍのノンドープＧａ
０.９Ｉｎ０.１Ａｓ障壁層２０７を成長する。さらに、
膜厚６ｎｍのノンドープＧａ０.７５Ｉｎ０.２５Ｎ０.
０１Ａｓ０.９９井戸層２０６、 厚さ１０ｎｍのノンド
ープＧａ０.９Ｉｎ０.１Ａｓ光ガイド層２０５を繰り返
し成長し、井戸数２の量子井戸活性層を形成した。続い
て、厚さ１００ｎｍのｐ型ＧａＡｓによる上部クラッド
層（ｐ型不純物濃度＝７×１０１７ｃｍ-３）２０８を
形成した。

【００４９】その後、このような半導体積層体を成長し
たウエハを再び大気中に取り出し、ストライプ状のＳｉ
Ｏ２マスク(幅約５μｍ)を用いて前記活性層下部までメ
サエッチングを行い、リッジ型の構造を形成した。Ｓｉ
Ｏ２マスクを除去した後、今度はＭＯＣＶＤ装置内に導
入し、第１のｐ型ＧａＡｓ埋め込み層（ｐ型不純物濃度
＝７×１０１７ｃｍ-３）２１１、第２のｎ型ＧａＡｓ
埋め込み層（ｐ型不純物濃度＝７×１０１７ｃｍ-３）
２１２、ｐ型ＧａＡｓになる上部クラッド部の第３の埋
め込み層３（ｐ型不純物濃度＝７×１０１７ｃｍ-３）
２１３、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層（ｐ型不純物濃度＝
５×１０１９ｃｍ-３）２０９の順に成長した。

【００５０】本多層成長ウエハをＭＯＣＶＤ装置から取
り出した後、ｐ型電極２１０を所望のパターンに形成し
た。基板研磨工程後、裏面にＮ型電極２０１を形成し、
さらに劈開工程を経た後、素子長６００μｍのＢＨ型レ
ーザ素子を得た。続いて、素子後面に反射率９５％の高
反射膜を形成した。尚、発光面に対する反射膜等は前述
と同様の考えで良い。

【００５１】このような作製工程を経て試作した素子
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。２５℃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、本素
子のＦＦＰ像の水平方向×垂直方向の半値幅は、３０°
×３５°が得られた。尚、本発明構造も、発明の実施の
形態１と同様に、井戸層に、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡ
ｓＳｂ、および、それらの混晶半導体材料など、ＧａＡ
ｓ基板上に形成される長波長帯発光材料を用いた半導体
レーザにおいて、適応可能である。また、本実施例で
は、ＢＨ層のみならず、全ての半導体層がＡｌを含んで
いない。このように、酸化されやすいＡｌを全く含まず
ＢＨ型レーザが形成できることは、素子の高性能化、長
期的信頼性を得る上で、大きな利点である。

【００５２】図４は別な実施の形態に示される半導体レ
ーザ装置の光の進行方向と交差する面での断面図であ
る。本例は、光帰還手段として回折格子を用いたＤＦＢ
型の例である。この例では、上記の図２に示した構造
で、半導体層２０８の上面に通例の方法で回折格子が設
けられた。当該半導体レーザ装置の他の構成は前述の例
と同様である。図４の例では、回折格子が活性層領域の
上部に配置されているが、活性層領域に対して基板２０
２側に配置しても良いことは云うまでもない。本例に限
らず、いわゆるＤＦＢ、ＤＢＲ型レーザに本願のＢＨ型
で活性層領域を埋め込むことが出来る。

【００５３】次に、本願発明の半導体レーザ装置を用い
た光伝送システムの例を例示する。図６は波長多重光伝
送装置の例である。この例は、光送信部１、光前段増幅
器２、光ファイバ３、インライン増幅器４、光後段増幅
器５、光受信部６を有する。これらのシステムは、光送
信部１以外の各部材は通例の部材を用いて十分である。
従って、これらについての詳細は説明を省略する。図６
の構成に示すように、光送信部１は、例えば前記第２の
実施の形態に説明した半導体レーザ装置を光源として有
する。こうして、本光システムでは、安定した信号通信
を確保することが出来、且つ極めて安価にシステムを実
現することが出来る。

【００５４】＜従来技術との比較＞ここで、本願発明の
有用なる側面を見るに従来技術との比較を説明する。

【００５５】実用上、光通信用として重要視されている
ＧａＩｎＮＡｓ系半導体レーザ装置の場合、結晶成長用
の基板は、従来から用いられているＧａＩｎＡｓＰ系の
半導体材料とは材料を異にする。すなわち、ＧａＩｎＡ
ｓＰがＩｎＰ基板上に形成されるのに対して、ＧａＩｎ
ＮＡｓは主として砒化ガリウム(ＧａＡｓ)基板上に形成
される。ＩｎＰ (格子定数５.８７Å)とＧａＡｓ(格子
定数５.６５Å)の間の格子定数差は、約４％も有る。そ
のため、従来のＧａＩｎＡｓＰ系ＢＨ型レーザに用いら
れていた半導体材料やその組成比を、ＧａＩｎＮＡｓ系
ＢＨ型レーザにそのまま適用し、レーザ特性を維持する
こと困難である。

【００５６】一方、ＧａＡｓ基板上に作製される半導体
レーザとしては、アルミニウムガリウム砒素(ＡｌＧａ
Ａｓ)を活性層に用いた０.８５μｍ帯半導体レーザや、
ガリウムインジウム砒素(ＧａＩｎＡｓ)を活性層に用い
た０.９８μｍ帯半導体レーザが、既に実用化されてい
る。これらのレーザにおいても、同様の効果を得るため
ＢＨ型の構造が実現されている。具体的には、クラッド
層、および、ＢＨ層として、ＡｌＧａＡｓやガリウムイ
ンジウム燐(ＧａＩｎＰ)、ＧａＩｎＡｓＰといった材料
が用いられている。ＡｌＧａＡｓは、アルミニウム砒素
(ＡｌＡｓ)とＧａＡｓの混晶半導体であるが、ＡｌＡｓ
(格子定数５.６６Å)とＧａＡｓの格子定数差が０.２％
程度であるため、組成制御における厳密さはそれほど
要求されない。しかしながら、酸化されやすいＡｌを含
んでいるため、ＢＨ層を形成する際の再成長界面での酸
化膜の除去等に難点があり、再成長層の結晶性低下が懸
念される。また、長時間動作時において、酸化の進行に
よる素子の信頼性低下も問題となる。

【００５７】一方、ＧａＩｎＰ、および、ＧａＩｎＡｓ
ＰはＡｌを含んでいないので、先述の問題は生じない。
しかしながら、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓに対する、ＧａＰ
(格子定数５.４５Å)、および、ＩｎＰとの格子定数差
が大きいので、成長する膜をＧａＡｓ基板に格子整合さ
せ転位の発生を抑制するためには、厳密な組成制御が要
求される。例えば、ＧａＩｎＰの場合には、ＧａＡｓに
格子整合させるため、Ｉｎ組成にして４８±１％の範囲
に精密に制御する必要がある。実際の作製においては、
原料の供給条件等が日々径時変化するため、歩留まり低
下を引き起こす。そのため、頻繁に組成整合の条件出し
を行わねばならず、余分な製造コストを要するといった
問題が生じている。よって、ＡｌＧａＡｓやＧａＩｎ
Ｐ、ＧａＩｎＡｓＰといった材料を、ＧａＩｎＮＡｓを
活性層に用いたＢＨ型レーザのＢＨ層に適用すること
は、素子の高性能化、あるいは、素子の低コスト化を推
進する上で、非常に大きな障害となると考えられる。

【００５８】本願発明は、上記した従来諸技術に見られ
る諸難点のいずれの観点をも解決するものである。

【００５９】

【発明の効果】本願発明は、ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎ
ＮＡｓを主たる活性層領域を構成する半導体材料とした
ＢＨ型レーザの素子構造を、高温動作特性、低しきい値
電流、横モードの安定性といった素子の諸特性に優れた
装置を提供する。合わせて、本願発明の構造は素子作製
における低コスト化が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は実施の形態１に示される半導体レーザ装
置の光の進行方向と交差する面での断面図である。

【図２】図２は実施の形態１に示される半導体レーザ装
置の斜視図である。

【図３】図３は実施の形態２に示される半導体レーザ装
置の光の進行方向と交差する面での断面図である。

【図４】図４は別な実施の形態に示される半導体レーザ
装置の光の進行方向と交差する面での断面図である。

【図５】図５は従来素子であるＧａＩｎＰＡｓ系ＢＨ型
レーザの断面図である。

【図６】図６は光通信システムの例を示す図である。

【符号の説明】

１０１−下部電極、１０２−ＧａＡｓ基板、１０３−下
部クラッド層、１０４−活性層、１０５−光ガイド(障
壁)層、１０６−井戸層、１０７−上部クラッド層、１
０８−コンタクト層、１０９−上部電極、１１０−Ｓｉ
Ｏ２層、１１１−ＧａＡｓ埋め込み層１、１１２−Ｇａ
Ａｓ埋め込み層２、２０１−下部電極、２０２−ＧａＡ
ｓ基板、２０３−下部クラッド層、２０４−活性層、２
０５−光ガイド層、２０６−井戸層、２０７−障壁層、
２０８−上部クラッド層、２０９−コンタクト層、２１
０−上部電極、２１１−ＧａＡｓ埋め込み層１、２１２
−ＧａＡｓ埋め込み層２、２１３−上部クラッド埋め込
み層３、３０１−下部電極、３０２−ＩｎＰ基板、３０
３−下部クラッド層、３０４−活性層、３０５−光ガイ
ド層、３０６−井戸層、３０７−障壁層、３０８−上部
クラッド層、３０９−コンタクト層、３１０−上部電
極、３１１− ＳｉＯ２層、３１２−第１のＩｎＰ埋め
込み層、３１３−第２のＩｎＰ埋め込み層、３１４−第
３のＩｎＰ埋め込み層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 俊明 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 青木 雅博 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目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 AA22 AA45 AA64 AA73 AA83 BA01 CA17 CB02 DA05

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＧａＡｓ基板上に少なくとも光共振器を
   有し、前記光共振器は光を発生する活性層領域と、前記
   活性層領域よりもバンド・ギャップが大きく且つ屈折率
   が小さいクラッド層と、前記活性層領域の光の進行方向
   に交差する両側部にＧａＡｓよりなる埋め込む領域とを
   少なくとも有することを特徴とする半導体レーザ装置。