JP2001251019A - 高出力半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体レーザ素子において、高信頼性を得る
ことができる最大光出力を増大させる。 【解決手段】 それぞれ、ｐ型，ｎ型クラッド層６,
４；１6,14に挟まれた活性層５，15が、p⁺n⁺接合10，11
のトンネル接合を介して基板１上に積層されており、そ
れぞれの活性領域の幅Ｗ₁ は、上部活性領域はリッジス
トライプ構造により、下部活性領域は電流狭窄構造によ
り制限されている。なお、Ｗ₁ ＝10μｍ〜100μｍと
し、活性層５，12間の距離をｈ₁ としたとき、ｈ₁ ≦Ｗ
₁ 、かつ、素子幅は(Ｗ₁ +２ｈ₁ )以上とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ素子
に関し、特に、発光幅が10μｍ〜100μｍの横多モード
（multiple transverse mode）の高出力半導体レーザ素
子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】今日において、半導体レーザの用途拡大
は著しく、特に0.7-1.6μｍ帯に発振波長を有する幅広
ストライプ半導体レーザは、その高出力化に伴い固体レ
ーザやファイバ増幅器あるいはファイバレーザ励起用光
源、２次高調波発生の１次光源、印刷などにおける熱書
き込み感材へのレーザサーマル方式による画像形成用光
源、医療用、レーザ加工や半田付け等の光源として広く
用いられるようになってきた。これらの応用においては
半導体レーザの高出力化が極めて重要である。

【０００３】すでに、発光幅が10μm程度以上の横多モ
ードの高出力半導体レーザにおいて数千時間以上の寿命
を保証できる実用光出力は向上しており、例えば50μm
程度の発光幅から1.5Wの連続光出力で使用することが可
能になっている。例えば、InGaAsP量子井戸、InGaP光ガ
イド層、AlGaAsクラッド層を備えた50μmストライプ幅
の発振波長810nm半導体レーザは1.5Wで十分実用に足る
試験結果が得られている。この場合には特願平11-23911
9号に記載されている、Alフリー活性層、ドーピングに
よる低抵抗化を行った光ガイド層の層厚み増大によるピ
ーク光密度および光出射端面の温度上昇の低減効果によ
り、高光出力において高信頼性を実現している。

【０００４】この他の高出力高信頼化の技術として、光
出射端面に特殊な処理あるいは保護膜を形成する方法
（IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics,
vol.5,p.832 (1999).）や端面付近の光吸収係数を減少
させる方法（D. F. Welch, W.Streifer, R. L. Thornto
n, and T. Paoli: Electron. Lett. Vol.23 , p. 525(1
987)）等がある。

【０００５】さらに、ストライプ幅が50μｍ程度以上の
横多モードレーザにおいては、例えば波長0.87μｍのレ
ーザ発振を行う素子について、最大破壊光出力は、100
μｍ幅のストライプを有する素子で11.3W、200μｍ幅の
ストライプを有する素子で16.5Wが報告されている（Ele
ctronics Letters, Vol.34, No.2, p.184 (1998))。

【０００６】上述の各半導体レーザはいずれも発光領域
が実質的に１層から成るものであり、活性層に垂直方向
の光分布は半導体内の波長の半分程度の極めて微小な領
域に閉じこめられる。従って、光密度が高くなり、狭い
領域で発熱するために光出射端面の温度上昇が大きく、
高出力化には限界がある。

【０００７】一方、半導体レーザの各成長層に垂直な方
向に複数の活性領域を設ける方法が提案されている。文
献”Appl. Phys. Lett. vol.41, p.499 (1982)”には10
0μm幅の全面電極型のレーザにおいてDH（double heter
ostructure）層構造をp⁺n⁺トンネル接合を介して３段に
積み重ねる方法が示されている。この構造では活性層が
２μm以上と波長以上に離されているため光密度分布は
広がっている。しかしながら、連続発振のために成長層
側をヒートシンクに融着した場合には放熱が一方向にし
か行えないため、３つの発熱領域となっている活性層か
らの熱放散は制限され、ヒートシンクから離れた活性層
の温度上昇が大きくなって、信頼性の律速要因となって
しまう欠点がある。

【０００８】また、文献”Appl. Phys. Lett. vol.42,
p.850 (1983)”には、２μm以上と極めて厚くした光ガ
イド領域に複数の活性層を設けて高出力化する方法が示
されている。この場合もピークの光密度を下げることは
できるが、パルス電流駆動の250μm幅の全面電極レーザ
素子の評価にとどまり、連続発振時の端面温度の上昇や
放熱に関してはほとんど利点のない構造となっている。
更に、特開平4-157777号明細書には、ストライプ状の光
放射部を中央に設けた、広幅ストライプのチップを電極
を介して２段に設けることにより、より高出力にて固体
レーザを励起する半導体レーザが示されている。しかし
ながら、この構成では、ｐｎ接合が２段になってしまう
ため、全体でpnpn接合構造となって、積み重ねられた２
つのレーザチップを均等に制御性良く励起することが困
難である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の状況
に鑑みてなされたものであって、高信頼性を得ることが
できる最大光出力を増大させた高出力半導体レーザ素子
を提供すること目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の高出力半導体レ
ーザ素子は、少なくとも一つの活性層と該活性層を挟む
ｐ型およびｎ型のクラッド層とから成るレーザ構造が複
数、p⁺n⁺接合のトンネル接合を介して基板上に積層され
ており、前記レーザ構造の各活性領域が10μｍ以上かつ
100μｍ以下であり、前記複数のレーザ構造の活性領域
による実質的な活性領域の幅をＷ、前記複数のレーザ構
造のうち互いに最も離れた活性層間の距離をｈとしたと
き、ｈ≦Ｗ、かつ、素子幅が(Ｗ+２ｈ)以上であり、前
記レーザ構造の各々が少なくとも電流狭窄構造もしくは
屈折率導波構造のいずれかを有することを特徴とするも
のである。

【００１１】また、前記複数のレーザ構造の各活性領域
はその幅方向位置を一致させるようにして配してもよい
し、前記複数のレーザ構造の各活性領域を幅方向に100
μｍ以内の範囲で異なる位置に配してもよい。

【００１２】なお、上記「実質的な活性領域の幅」と
は、複数のレーザ構造の各活性領域の幅方向位置が一致
している場合は最も幅広の活性領域の幅をいい、また、
各活性領域の幅方向位置が一致していない場合は、すべ
ての活性領域の幅方向端部のうち互いに最も離れた端部
間の幅方向距離をいう。

【００１３】前記複数のレーザ構造のうち、前記基板か
ら最も離れて設けられているレーザ構造がリッジ導波路
型であることが望ましい。

【００１４】前記複数のレーザ構造のうち、前記基板か
ら最も離れて設けられているレーザ構造以外のレーザ構
造が複数のストライプ状の活性領域を有するものであっ
てもよい。

【００１５】また、本発明の各高出力半導体レーザ素子
は、前記複数のレーザ構造が積層された面側と基板側と
の両方にそれぞれヒートシンクが設けられていることが
望ましい。

【００１６】ヒートシンクが設けられている場合の半導
体レーザ素子の厚みは100μｍ以下であることが望まし
い。さらに好ましくは80μｍ以下である。

【００１７】

【発明の効果】本発明の高出力半導体レーザ素子は、複
数のレーザ構造、すなわち複数の活性領域を有するが、
複数の活性領域を互いに分離して配し、高出力動作時の
光出射端面におけるピーク光強度を低減することによ
り、光化学反応などによる光出射端面の劣化を低減する
ことができる。更に、各レーザ構造の活性領域の幅を10
0μｍ以下とすることによって、活性層に平行方向の熱
の流れを有効に用いる、すなわち非発光部を放熱経路と
して有効に用いることができ、端面の温度上昇を低減す
ることにより特に連続発振動作時における素子の劣化を
更に低減することができる。この効果は、活性領域の幅
を80μｍ以下とした場合、より顕著になる。

【００１８】また、複数の活性領域のそれぞれについ
て、電流狭窄構造もしくは屈折率導波構造を備えること
により、ビーム品質に優れ、光出力-電流特性にキンク
のない高品位のレーザ光を得ることができる。

【００１９】また、前記最も離れた活性層間の距離が、
複数のレーザ構造の活性領域による実質的な活性領域の
幅以下（ｈ≦Ｗ）であるため、実質的な発光領域、すな
わち、光スポットとしての縦横が所定の範囲に収まり実
用上問題なく利用することができる。

【００２０】また、基板から最も離れて設けられている
レーザ構造以外のレーザ構造が複数のストライプ状の活
性領域を有する場合、活性層の水平方向への放熱を有効
に利用することが可能となる。

【００２１】更には、エピタキシャル成長層側の通常の
ヒートシンクに加えて、反対側の基板側にもヒートシン
クを設けることにより、更に放熱効果を向上させて温度
上昇を低減し、より高出力で高信頼性を得ることができ
る。

【００２２】なお、このような活性領域が10-100μｍの
高出力半導体レーザ素子は、熱書き込みモードの露光光
源として印刷において高品位の画像形成光源として、高
速書き込みや低感度の感材対応などの効果をもたらす。
また、固体レーザやファイバレーザ用の連続発振による
励起においては、出力変動やノイズの少ない高品位光源
となり、かつ同一面積から励起光の高出力が可能なた
め、簡便に高出力化を図ることができる。その他、加工
・医療など応用において高出力・高信頼化効果はシステ
ムの信頼性向上に大きく貢献するものである。

【００２３】また、固体レーザやファイバレーザの励起
には、数十μｍ程度の比較的小さなスポット径の半導体
レーザを用いることにより高効率化が可能である。しか
しながら従来の半導体レーザにおいては、水平方向の幅
が数十μｍの場合でも、垂直方向の幅は１μｍ程度以下
しかないため、きわめて非対称なビームであった。励起
用レーザとしては、最大のストライプ幅以下であれば垂
直方向のビーム径を広げても何ら問題を生じない。更
に、このような応用では連続発振で高出力を得ることが
重要であるが、活性領域幅を10〜100μｍ、好ましくは1
0〜80μｍ、とすれば、水平方向への放熱効果を有効に
利用して素子の端面劣化を低減することができる。連続
発振でない場合も、比較的デューティ比が小さいパルス
励起などの例外的な応用を除いて、例えば印刷における
サーマルモードのＣＴＰ（Computerto Plate）などでは
光源を変調するが、有効に熱を発生させるために数十％
のデューティ比まで用いるため、熱の影響は連続発振時
と同等である。このような応用分野においても、本発明
の半導体レーザ素子によれば、スポット径が30〜80μｍ
程度で有効な画素形成を行えるため極めて有用である。
すなわち、１％以上のデューティ比あるいはパルス幅が
１μｓ以上で利用する場合、一般に素子に対する熱の影
響が深刻であるため、本発明の半導体レーザ素子は極め
て有用である。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明の第一の実施形態に係る半
導体レーザ素子について断面構造を図１に模式的に示
し、作製方法と併せて説明する。

【００２５】先ず、減圧MOCVD（Metal Organic Chemica
l Vapor Deposition）法によりn-GaAs基板１(Si=2x10¹⁸
cm^-3ドープ)上にn-GaAsバッファ層２(Si=5x10¹⁷ cm^-3
ドープ、0.5μｍ) 、n-Al_xGa_1-xAsグレーデッドバッフ
ァ層３(Si=5x10¹⁷ cm^-3ドープ、x=0.1から0.63まで徐々
に増加、0.2μｍ)、n-Al_0.63Ga_0.37Asクラッド層４(Si=
5x10¹⁷ cm^-3ドープ、1.5μｍ)、SCH活性層５、p-GaAs層
６(Zn=7x10¹⁷ cm^-3ドープ、4nm)、n-Al_0.7Ga_0.3As電流
狭窄層７（Si=8x10¹⁷ cm^-3ドープ、0.8μｍ）、n-GaAs
層８（Si=8x10¹⁷ cm^-3ドープ、10nm）を順次成長する。

【００２６】次に、フォトリソグラフィとNH₄OH 、H
₂O₂、H₂O混合液を用いた化学エッチングにより底の幅Ｗ
₁ が60μｍ幅のストライプ溝をn-GaAs層８に形成、次に
希釈したHFを用いて、n-Al_0.7Ga_0.3As電流狭窄層７をエ
ッチングする。

【００２７】次に２回目のMOCVD成長により、p-Al_0.63G
a_0.37Asクラッド層９(Zn=7x10¹⁷ cm ^-3ドープ、2μｍ)、
p⁺-GaAs層10(Zn=2x10¹⁹ cm^-3ドープ、0.1 μｍ)、n⁺-Ga
As層11(Si=2x10¹⁸ cm^-3ドープ、0.1 μｍ)、n-GaAsバッ
ファ層12(Si=5x10¹⁷ cm^-3ドープ、0.5μｍ) 、n-Al_xGa
_1-xAsグレーデッドバッファ層13(Si=5x10¹⁷ cm^-3ドー
プ、x=0.1から0.63まで徐々に増加、0.2μｍ)、n-Al
_0.63Ga_0.37Asクラッド層14(Si=5x10¹⁷ cm^-3ドープ、2.0
μｍ)、SCH活性層15、p-Al_0.63Ga_0.37Asクラッド層16(Z
n=7x10¹⁷ cm^-3ドープ、2μｍ)、p-GaAsキャップ層17(Zn
=2x10¹⁹ cm^-3ドープ、0.1 μｍ)を順次積層する。

【００２８】なお、SCH活性層５および15はn-In_0.48Ga
_0.52P光導波層(Si=5x10¹⁷ cm^-3ドープ、0.3μｍ)、In
_0.48Ga_0.52P光導波層(アンドープ、0.1μｍ)、In_0.13Ga
_0.87As _0.75P_0.25量子井戸層(アンドープ、10 nm)、In
_0.48Ga_0.52P光導波層(アンドープ、0.1μｍ)、p-In_0.48
Ga_0.52P光導波層(Zn=7x10¹⁷ cm^-3ドープ、0.3μｍ)から
成る。

【００２９】次に、フォトリソグラフィとH₂SO₄:H₂O₂:H
₂O=20:1:1混合液を用いた化学エッチングにより、幅10
μｍのストライプ状溝のペアを形成して、溝間に底の幅
Ｗ₁が60μｍ幅のリッジストライプ構造を形成する。こ
の時、溝部においてp-Al_0.63Ga_0.37Asクラッド層16が厚
みｄ₁ が0.2μｍ程度以下となるようエッチングを行
う。下部のSCH活性層15に到達しても良い。

【００３０】その後、プラズマCVDによりSiO₂を絶縁膜1
8として形成し、フォトリソグラフィと希釈したHFを用
いてメサの上面のメサの両端から1-5μｍより内側のSiO
₂をストライプ状にエッチング除去する。

【００３１】次に、ｐ側電極19（Ti/Pt/Ti/Pt/Au）を蒸
着および熱処理により形成し、n-GaAs基板１底面を研磨
して、素子全体の厚みが100μｍ程度になるまで薄くす
る。最後に、n側電極20（AuGe/Ni/Au）を蒸着および熱
処理により形成する。このウエハから、共振器長1.5mm
長さ約1cmのレーザバーをダイアモンド針によるスクラ
イブと劈開により切り出し、光出射面は8％、裏面は95
％以上となるように光学膜をコーティングする。最後に
ダイアモンド針によるスクライブと劈開により幅約500
μｍのレーザチップ（レーザ素子）30を切り出す。この
チップを銅ヒートシンク32上にInはんだ (厚み4-5μｍ)
を用いてｐ電極19側を接着する（図２参照）。

【００３２】この半導体レーザ素子は室温において波長
約809nmで閾値電流約150mAにて発振し、光出力-電流特
性にはキンクがなく、５W以上の高出力動作が可能であ
る。本実施形態においては、２つの活性領域の幅はそれ
ぞれ屈折率導波路および電流狭窄構造により60μmに制
御されているため、それぞれの活性領域の水平方向につ
いては矩形状の発光パタンを示す。

【００３３】また、本実施形態では最上部のレーザ構造
にリッジ導波路型を採用することにより、２回のMOCVD
成長により、２つの活性領域に屈折率導波の電流狭窄構
造を作りつけることが可能であり、成長回数を２回に抑
えることで作製工程を簡略化している。

【００３４】本実施形態の半導体レーザ素子の熱の流れ
を模式的に図２に示す。図２中においては、図１で示し
たレーザチップ30が上下逆に示されており、レーザチッ
プ30については活性領域31のみが示されている。なお、
活性領域31で発生した熱の流れは図中矢印で示されてい
る。本発明者の検討により、ストライプ幅Ｗが100μｍ
程度以下の場合には、活性領域から水平方向への熱の流
れが放熱に有効に効いている（参考文献：T.Hayakawa、
Appl. Phys. Lett. Vol. 75, No.20, p.3204(199
9)）。従って、このような比較的狭いストライプ幅にお
いては、複数の活性領域31を成長層方向に離して積層し
た場合、ヒートシンク32から離れた活性領域ほど横への
熱流による放熱の寄与が大きくなるため、全体として発
熱部である活性領域を分散した分だけ放熱を改善するこ
とができる。また、複数の活性領域間の距離ｈをストラ
イプ幅の最大値より小さくとれば、垂直方向の発光幅が
ｈ≦Ｗで実質の発光領域がストライプ幅より大きくなら
ないため、このような幅広ストライプの横多モードレー
ザにおいて実用上問題ない。

【００３５】更に、図３に示すように成長層と反対側、
すなわち基板側にもヒートシンク33を設けることによ
り、複数の活性層から更に有効な放熱を行うことができ
る。この際、活性層間の距離ｈを大きくとる（ただし、
ｈ≦Ｗ）と同時にチップの研磨厚みを小さくすることに
よりさらに放熱効率を上げることができる。研磨厚みは
100μｍ以下、望ましくは80μｍ以下とするとより効果
的である。なお、研磨厚みとは基板を研磨することによ
って調整するレーザ素子の厚みである。

【００３６】本発明の第二の実施形態に係る半導体レー
ザ素子について断面構造を図４に模式的に示し、作製方
法と併せて説明する。

【００３７】まず、MOCVD成長により、n-GaAs基板41(Si
=2x10¹⁸ cm^-3ドープ)上にn-GaAsバッファ層42(Si=5x10
¹⁷ cm^-3ドープ、0.5μｍ)、n-Al_xGa_1-xAsグレーデッド
バッファ層43(Si=5x10¹⁷ cm^-3ドープ、x=0.1から0.6ま
で徐々に増加、0.2μｍ)、n-Al_0.6Ga_0.4Asクラッド層44
(Si=5x10¹⁷ cm^-3ドープ、1.5μｍ)、SCH活性層45、n-Ga
As層46(Si=8x10¹⁷ cm^-3ドープ、4nm)、n-(Al_0.9Ga_0.1)
_0.52In_0.48P電流狭窄層47（Si=1x10¹⁸ cm^-3ドープ、0.8
μｍ）、n-GaAs層48（Si=8x10¹⁷ cm^-3ドープ、10nm）を
順次成長する。

【００３８】次に、フォトリソグラフィとH₂SO₄、H
₂O₂、H₂O混合液を用いた化学エッチングにより底の幅Ｗ
bが30μｍの2つのストライプ状溝をＷa＝30μm離してn-
GaAs層48に形成、次にHClを用いて、n-(Ga_0.5Al_0.5)
_0.52In_0.48P電流狭窄層47をエッチング、H₂SO₄、H₂O₂、
H₂O混合液を用いて、n-GaAs層46をエッチングする。

【００３９】次に、第２回のMOCVD成長により、p-Al_0.6
Ga_0.4Asクラッド層49(Zn=7x10¹⁷ cm ^-3ドープ、2μｍ)、
p⁺-GaAs層50(Zn=2x10¹⁹ cm^-3ドープ、0.1 μｍ)、n⁺-Ga
As層51(Si=2x10¹⁸ cm^-3ドープ、0.1 μｍ)、n-GaAsバッ
ファ層52(Si=5x10¹⁷ cm^-3ドープ、0.5μｍ) 、n-Al_xGa
_1-xAsグレーデッドバッファ層53(Si=5x10¹⁷ cm^-3ドー
プ、x=0.1から0.6まで徐々に増加、0.2μｍ)、n-Al_0.6G
a_0.4Asクラッド層54 (Si=5x10¹⁷ cm^-3ドープ、2.0μ
ｍ)、SCH活性層55、p-Al_0.6Ga_0.4Asクラッド層56(Zn=7x
10¹⁷ cm^-3ドープ、2μｍ)、p-GaAsキャップ層57(Zn=2x1
0¹⁹ cm^-3ドープ、0.1μｍ)を順次積層する。

【００４０】なおここで、SCH活性層45および55はn-In
_0.48Ga_0.52P光導波層(Si=5x10¹⁷ cm^{- 3}ドープ、0.3μ
ｍ)、In_0.48Ga_0.52P光導波層(アンドープ、0.1μｍ)、I
n_0.13Ga_{0 .87}As_0.75P_0.25量子井戸層(アンドープ、10 n
m)、In_0.48Ga_0.52P光導波層(アンドープ、0.1μｍ)、p-
In_0.48Ga_0.52P光導波層(Zn=7x10¹⁷ cm^-3ドープ、0.3μ
ｍ)から成る。

【００４１】次に、フォトリソグラフィとH₂SO₄:H₂O₂:H
₂O=20:1:1混合液を用いた化学エッチングにより、幅10
μｍのストライプ状溝のペアを形成して、溝間に底の幅
Ｗcが40μｍのリッジストライプ構造を形成する。この
時、溝部においてp-Al_0.6Ga_{0 .4}Asクラッド層56の厚みｄ
₂ が0.1μｍ程度以下となるようエッチングを行う。な
おこのとき下部のSCH活性層55に到達しても良い。

【００４２】その後、プラズマCVDによりSiO₂を絶縁膜5
8として形成し、フォトリソグラフィと希釈したHFを用
いてメサの上面のメサの両端から1-5μｍより内側のSiO
₂をストライプ状にエッチング除去する。さらに、前記
第一の実施形態と同様のプロセスにより、ｐ側電極（Ti
/Pt/Ti/Pt/Au）59形成、基板研磨、ｎ側電極（AuGe/Ni/
Au）60形成、バー切り出し、端面コーティング、チップ
切り出しによりレーザチップ70が完成する。このチップ
70を銅ヒートシンク72上にInはんだ (厚み4-5μｍ)を用
いてｐ電極59側を接着する（図５参照）。

【００４３】なお、本半導体レーザ素子70における実質
的な活性領域の幅とは、各活性領域のうちもっとも離れ
た端部間の幅方向距離Ｗ₂ であり、活性層間の距離ｈ₂
はこの距離Ｗ₂ より小さく設定されている。

【００４４】図５に本実施形態の半導体レーザ素子の熱
の流れを模式的に示す。図５中においては、図４で示し
たレーザチップ70が上下逆に示されており、レーザチッ
プ70については活性領域71b,c のみが示されている。な
お、活性領域71b,c で発生した熱の流れは図中矢印で示
されている。

【００４５】本実施形態では、ｐ電極59に接触したヒー
トシンク72からの放熱が異なる活性領域71b,c に効果的
に行われるように、GaAs基板41側の活性領域71b を活性
層に水平方向に２分割して活性層の水平方向への放熱を
有効利用している。すなわち、図５に模式的に熱の流れ
を示すように、ヒートシンク72から離れた活性領域71b
からの放熱は水平方向の熱の広がりを有効に利用し、ヒ
ートシンク72に近い方の活性領域71c の温度上昇を低減
した活性領域配置となっている。

【００４６】本発明の第三の実施形態に係る半導体レー
ザ素子について断面構造を図６に模式的に示し、作製方
法と併せて説明する。

【００４７】まず、MOCVD成長により、n-GaAs基板101(S
i=2x10¹⁸ cm^-3ドープ)上にn-GaAsバッファ層102(Si=1x1
0¹⁸ cm^-3ドープ、0.5μｍ)、n-Al_xGa_1-xAsグレーデッド
バッファ層103(Si=5x10¹⁷ cm^-3ドープ、x=0.1から0.5ま
で徐々に増加、0.2μｍ)、n-Al_0.５Ga_0.５Asクラッド層
104(Si=5x10¹⁷ cm^-3ドープ、1.5μｍ)、SCH活性層105、
p-Al_0.5Ga_0.5Asクラッド層106(Zn=7x10¹⁷ cm^-3ドープ、
2μｍ)、p⁺-GaAs層107(Zn=2x10¹⁹ cm^-3ドープ、0.1 μ
ｍ)、n⁺-GaAs層108(Si=2x10¹⁸ cm^-3ドープ、0.1μｍ)、
n-GaAsバッファ層109(Si=5x10¹⁷ cm^-3ドープ、0.5μｍ)
、n-Al_xGa_1-xAsグレーデッドバッファ層110(Si=5x10¹⁷
cm^-3ドープ、x=0.1から0.5まで徐々に増加、0.2μ
ｍ)、n-Al_0.5Ga_0.5Asクラッド層111(Si=5x10¹⁷ cm^-3ド
ープ、2.0μｍ)、SCH活性層112、p-Al_0.5Ga_0.5Asクラッ
ド層113(Zn=7x10¹⁷ cm^-3ドープ、2μｍ)、p-GaAsキャッ
プ層114(Zn=2x10¹⁹ cm^-3ドープ、0.3 μｍ)を順次積層
する。ここで、SCH活性層105および112はAl_0.3Ga_0.7As
光導波層(アンドープ、0.3μｍ)、Al_0.08Ga_0.92As量子
井戸層(アンドープ、10 nm)、Al_0.3Ga_0.7As光導波層(ア
ンドープ、0.3μｍ)から成る。

【００４８】次に、プラズマCVDとフォトリソグラフィ
およびエッチングにより発光ストライプＷ₃＝40μｍに
対応する部分にストライプ状のSiN_x膜（厚み0.2μｍ）
を形成する。更にプラズマCVDを用いてウエハ全面にSiO
₂膜（厚み0.5μｍ）を形成する。次に、熱処理によりSi
O₂膜と接するストライプ部以外のp-GaAsキャップ層から
Ga空孔を拡散することによって、欠陥拡散部118におい
て量子井戸の無秩序化により屈折率導波構造を形成す
る。この後、SiO₂膜を除去し、ストライプ部以外のp-Ga
Asキャップ層をNH₄OH:H₂O₂混合エッチング液によりエッ
チング除去し、更にSiN_x膜をエッチング除去する。

【００４９】その後、プラズマCVDによりSiN_x膜（厚み
0.2μｍ）を形成、フォトリソグラフィおよびエッチン
グにより発光ストライプＷ₃ に対応する部分にストライ
プ状の窓を形成する。さらに、上記第一の実施形態と同
様のプロセスにより、ｐ側電極（Ti/Pt/ Au）116形成、
基板研磨、ｎ側電極（AuGe/Ni/Au）117形成、バー切り
出し、端面コーティング、チップ切り出しによりレーザ
チップを完成する。

【００５０】本発明の第四の実施形態に係る半導体レー
ザ素子について断面構造を図７に模式的に示し、作製方
法と併せて説明する。

【００５１】まず、第１回のMOCVD成長成長において、n
-GaAs基板121(Si=2x10¹⁸ cm^-3ドープ)上にn-GaAsバッフ
ァ層122(Si=1x10¹⁸ cm^-3ドープ、0.5μｍ)、n-In_0.48Ga
_{0.5 2}Pクラッド層123(Si=1x10¹⁸ cm^-3ドープ、1.5μ
ｍ)、SCH活性層124、p-In_0.48Ga _0.52Pクラッド層125(Zn
=1x10¹⁸ cm^-3ドープ、0.2μｍ) 、n-GaAs層126（Si=7x1
0 ¹⁷ cm^-3ドープ、10nm）、n-In_0.48(Ga_0.7Al_0.3)_0.52P
電流狭窄層127（Si=2x10¹⁸cm^-3ドープ、0.8μｍ）、n-G
aAs層128（Si=7x10¹⁷ cm^-3ドープ、10nm）を順次積層す
る。

【００５２】次に、フォトリソグラフィとH₂SO₄、H
₂O₂、H₂O混合液を用いた化学エッチングにより底の幅Ｗ
₄ が20μｍ幅のストライプ溝をn-GaAs層128に形成、次
にHClを用いて、n-In_0.48(Ga_0.7Al_0.3)_0.52P電流狭窄層
127をエッチング、H₂SO₄、H₂O₂、H ₂O混合液を用いて、n
-GaAs層126をエッチングする。

【００５３】次に第２回目のMOCVD成長において、p-In
_0.48Ga_0.52Pクラッド層129(Zn=1x10^{1 8} cm^-3ドープ、2μ
ｍ) 、p⁺-GaAs層130(Zn=2x10¹⁹ cm^-3ドープ、0.1 μ
ｍ)、n⁺-GaAs層131(Si=2x10¹⁸ cm^-3ドープ、0.1 μ
ｍ)、n-GaAsバッファ層132(Si=5x10¹⁷cm^-3ドープ、0.5
μｍ) 、n-In_0.48Ga_0.52Pクラッド層133(Si=1x10¹⁸ cm
^-3ドープ、1.5μｍ)、SCH活性層134、p-In_0.48Ga_0.52P
クラッド層135(Zn=1x10¹⁸ cm^-3ドープ、0.2μｍ) 、n-G
aAs層136（Si=7x10¹⁷ cm^-3ドープ、10nm）、n-In_0.48(G
a_0.7Al_0.3)_0.52P電流狭窄層137（Si=2x10¹⁸ cm^-3ドー
プ、0.8μｍ）、n-GaAs層138（Si=7x10¹⁷ cm^-3ドープ、
10nm）を順次積層する。

【００５４】次に、フォトリソグラフィとH₂SO₄、H
₂O₂、H₂O混合液を用いた化学エッチングにより底の幅Ｗ
₄ が20μｍ幅のストライプ溝をn-GaAs層138に形成、次
にHClを用いて、n-In_0.48(Ga_0.7Al_0.3)_0.52P電流狭窄層
137をエッチング、H₂SO₄、H₂O₂、H ₂O混合液を用いて、n
-GaAs層136をエッチングする。

【００５５】次に第３回目のMOCVD成長として、p-In
_0.48Ga_0.52Pクラッド層139(Zn=1x10¹⁸cm^-3ドープ、1.8
μｍ)、p-GaAsキャップ層140(Zn=2x10¹⁹ cm^-3ドープ、
0.3μｍ)を積層する。

【００５６】なお、ここでSCH活性層124、134はIn_0.1Ga
_0.9As_0.8P_0.2光導波層(アンドープ、0.08μｍ)、GaAs
_0.8P_0.2引っ張り歪障壁層(アンドープ、10nm)、In_0.28G
a_0.72As圧縮歪量子井戸層(アンドープ、7 nm)、GaAs_0.8
P_0.2引っ張り歪障壁層(アンドープ、10nm)、In_0.1Ga_0.9
As_0.8P_0.2光導波層(アンドープ、0.08μｍ)から成る。

【００５７】その後、第一の実施形態と同様のプロセス
により、ｐ側電極（Ti/Pt/Au）141形成、基板研磨、ｎ
側電極（AuGe/Ni/Au）142形成、バー切り出し、端面コ
ーティング、チップ切り出しによりレーザチップを完成
する。

【００５８】なお、各活性領域の幅方向の位置は必ずし
も一致している必要はなく図８に示すように、上部の電
流狭窄によるストライプと下部の電流狭窄によるストラ
イプはその幅方向に異なる位置に配されていてもよい。
図８に示す半導体レーザ素子は図７と同等の層には同符
号を付し作製方法については省略する。それぞれのスト
ライプ幅はＷd,Ｗeであるが、二つの活性領域の幅方向
の端部のうち互いに最も離れた端部間距離が実質的な活
性領域幅Ｗ₄ ’であり、活性層間の距離ｈ₄'はこの実質
的な活性領域幅よりも小さく設定する。なお、この実質
的な活性領域幅Ｗ₄'は100μｍ以下とする。

【００５９】本発明の第五の実施形態に係る半導体レー
ザ素子の断面構造を図８に模式的に示す。上述の第四の
実施形態（図７参照）と同様の層構造であるが、活性領
域を３段重ねた構造となっている。作製方法、層構成の
詳細については上記の実施形態と同様であるため省略す
る。

【００６０】本半導体レーザ素子は、ｎ型基板150上に
ｎ型クラッド層151,156,161、ｐ型クラッド層154,159,1
63にそれぞれ挟まれた活性層152,157,162からなる三つ
のレーザ構造がｐ⁺ｎ⁺接合155,160を介して積層されて
構成されている。基板側の二つのレーザ構造に関しては
電流狭窄層153,158により活性領域幅Ｗ₄ が制限されて
おり、基板から最も離れたレーザ構造はリッジ構造163
によって活性領域幅が制限されている。

【００６１】なお、第三〜第五の実施形態に係る各半導
体レーザ素子には第一の実施形態の場合と同様にして、
それぞれ基板側、成長層側にヒートシンクを設けるとさ
らに効果的に放熱でき、信頼性高く高出力発振を行うこ
とができる。

【００６２】なお、上述の各半導体レーザ素子の最大ス
トライプ幅Ｗ_n(n=3,4,5)は、10〜100μｍであり、活性
層間の距離ｈ_n(n=3,4,5)はそれぞれ各ストライプ幅Ｗ_n
より小さい。レーザ素子の厚みは100μｍ以下、好まし
くは80μｍ以下であり、各素子幅は約500μｍでＷ_n＋２
ｈ_n以上を満たすものである。

【００６３】上記各実施形態においては、活性領域が２
段もしくは３段の場合について説明したが、４段以上の
複数のレーザ構造をさらにp⁺n⁺トンネル接合を介して積
層してもよい。また、各活性領域については単一量子井
戸の例のみ記載したが量子井戸を複数配した多重量子井
戸であってもよい。また、InGaAlP系の600nm帯レーザ、
InP基板上の1.3-1.6μｍ帯レーザ、InGaN系レーザなど
様々な材料系の半導体レーザに適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施形態に係る半導体レーザ素
子の断面模式図

【図２】本発明の第一の実施形態の半導体レーザ素子の
活性領域からの熱の流れを示す説明図

【図３】素子の上下にヒートシンクを設けた場合の半導
体レーザ素子の活性領域からの熱の流れを示す説明図

【図４】本発明の第二の実施形態に係る半導体レーザ素
子の断面模式図

【図５】本発明の第二の実施形態の半導体レーザ素子の
活性領域からの熱の流れを示す説明図

【図６】本発明の第三の実施形態に係る半導体レーザ素
子の断面模式図

【図７】本発明の第四の実施形態に係る半導体レーザ素
子の断面模式図

【図８】第四の実施形態の半導体レーザ素子の変更例

【図９】本発明の第五の実施形態に係る半導体レーザ素
子の断面模式図

【符号の説明】

１ n-GaAS基板 ２, 12 n-GaAsバッファ層 ３, 13 n-AlGaAsグレーデッドバッファ層 ４, 14 n-AlGaAsクラッド層 ５, 15 ＳＣＨ活性層 ６, 16 p-AlGaAsクラッド層 10 p⁺-GaAs層 11 n⁺-GaAs層 17 p-GaAsキャップ層 18 SiO₂ 30 半導体レーザ素子 31 活性領域 32，33 ヒートシンク Ｗ_n 活性領域の幅 ｈ_n 活性領域間隔

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも一つの活性層と該活性層を挟
   むｐ型およびｎ型のクラッド層とから成るレーザ構造が
   複数、p⁺n⁺接合のトンネル接合を介して基板上に積層さ
   れており、 前記複数のレーザ構造の各活性領域の幅が10μｍ以上か
   つ100μｍ以下であり、 前記複数のレーザ構造の活性領域による実質的な活性領
   域幅をＷ、前記複数のレーザ構造のうち互いに最も離れ
   た活性層間の距離をｈとしたとき、ｈ≦Ｗ、かつ、素子
   幅が(Ｗ+２ｈ)以上であり、 前記レーザ構造の各々が少なくとも電流狭窄構造もしく
   は屈折率導波構造のいずれかを有することを特徴とする
   高出力半導体レーザ素子。
2. 【請求項２】 前記複数のレーザ構造の各活性領域が幅
   方向に100μｍ以内の範囲で異なる位置に配されている
   ことを特徴とする請求項１記載の高出力半導体レーザ素
   子。
3. 【請求項３】 前記複数のレーザ構造のうち、前記基板
   から最も離れて設けられているレーザ構造がリッジ導波
   路型であることを特徴とする請求項１または２いずれか
   記載の高出力半導体レーザ素子。
4. 【請求項４】 前記複数のレーザ構造のうち、前記基板
   から最も離れて設けられているレーザ構造以外のレーザ
   構造が複数のストライプ状の活性領域を有することを特
   徴とする請求項１から３いずれか記載の高出力半導体レ
   ーザ素子。
5. 【請求項５】 前記複数のレーザ構造が積層された面側
   と基板側との両方にそれぞれヒートシンクが設けられて
   いることを特徴とする請求項１から４いずれか記載の高
   出力半導体レーザ素子。
6. 【請求項６】 厚みが100μｍ以下であることを特徴と
   する請求項５記載の高出力半導体レーザ素子。