JP2010062273A - 半導体レーザアレイ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】横方向に光閉じ込め増加により、発振閾値電流が小さい、放射光のアスベクト比は低い半導体レーザアレイを提供する。
【解決手段】第１導電型半導体基板上に形成された第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層の上に量子井戸構造を含む活性層と、前記活性層の上にストライプ溝を有する第２導電型半導体層とを備え、前記ストライプ溝部下の活性層の一部を無秩序化させて、前記無秩序化される領域とリッジ部間の第２導電型半導体層の中に活性層まで領域の一部が不純物を熱拡散法によって第1導電型半導体に変更されるものを持つことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信、光情報処理などの技術分野において光源として用いられる半導体レーザ素子に関する。

近年、AlGaInP材料系の赤色半導体レーザ素子が、レーザプリンタ光源、高密度光ディスクピックアップ、POF（Plastic Optical Fiber）通信の光源として非常に注目されている。中でも、半導体レーザアレイ（半導体モノリシックレーザアレイ）素子は、複数のビームが出射可能で、高密度が可能という優れた特長を有しているため、高速レーザプリンタ、光ディスクピックアップ、光ファイバ通信の光源として用いられている。

半導体レーザアレイから出射される複数のビームは、半導体レーザアレイの構成が簡単で、位置精度が高いことから、同一のレンズを通して集光されるように、半導体レーザアレイの各素子はできるだけ高密度で配置されている必要がある。

しかし、端面半導体レーザの出射ビーム形状は、活性層の垂直方向に長い楕円形状である。レーザプリンタでは、このような楕円形ビームの中心丸い部分の光のみを利用するため、垂直方向に長く広がったレーザビームは無効な部分が多くなり、光利用効率が低いという問題がある。そこで、垂直方向に長く広がったレーザビームの無効な部分を少なくして、光利用効率を向上するため、放射光のアスペクト比（垂直放射角と水平放射角の比）を低減させ、ビームを近円化させる必要がある。そのために二つの方法が用いられている。

その一つの方法は、クラッド層のAl組成の最適化や飽和吸収層の使用などにより、垂直方向の出光面積を増加させて、垂直方向の放射角を低減させる方法である。活性層の垂直方向の出光面積の増加により、垂直方向の放射角を低減させる技術では、垂直放射角の低減が閾値電流増大を伴うことがある。

他の方法は、再成長技術（特許第３６９１８２８号公報参照）や拡散あるいはイオン注入技術（特開平６−９７５８９号公報参照）により、活性層の平行方向における光閉じ込めが増強し、水平放射角度を増大させる方法がある。

図２は、前記特開平６−９７５８９号公報に記載されたレーザ発振部の間隔が狭いレーザアレイ素子の斜視図である。n-GaAs基板２０１上にMOCVD（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法によりエピタキシャル成長させたn-AlGaAsクラッド層２０２、AlGaAs/GaAsからなる量子井戸構造の活性領域２０３、p-AlGaAsクラッド層２０４、p-GaAsキャップ層２０６が形成される。更に、p-AlGaAsクラッド層２０４を途中までエッチングしてストライプ状リッジが形成され、更に、絶縁層２０８、ｐ側電極２０９及び基板２０１の裏面のｎ側電極が形成されている。これにより、GaAs基板２０１上に、複数の半導体レーザアレイが構成される。更に、エッチング領域に「不純物拡散による半導体多層膜の無秩序化」技術を用いて量子井戸構造を含む無秩序化領域２０７が形成されている。無秩序化された領域は禁則帯幅が増加し屈折率が減少するので、電流狭窄構造と光閉じ込め構造を形成する。これにより、素子の発振閾値電流を減少させることが可能になる。

例えば、特許文献２では図３のように、InP基板３０１の上側の全面にＮ型クラット層３０２と光閉じ込め層３２３と活性層３２４と光閉じ込め層３２５とＰ型クラット層３２６を積層形成する。次に量子井戸構造の幅Ｌを約２μｍ残してメサ．ストライプ形状になるようにその左右両側をエッチング除去し、この除去した部分に、P型InP層３０９とN型InP層３１０を再成長することによって埋め込んで狭窄層３０８とする。これら活性層３２４と狭窄層３０８を形成した上側にInPからなるＰ型クラット層３１１を成長形成し、後に、下面側にＮ側電極３１２を、上面側にＰ側電極３１３を形成することによって作製された半導体レーザ素子は活性層から発するビームの広がりパターンがほぼ円形状の光が放射できる。

特開平６−９７５８９号公報 特許第３６９１８２８号公報

前記図２のレーザアレイ素子では、不純物を熱拡散法によってｎ型クラッド一部までｎ型半導体を形成しているため、駆動電流の一部がバイアス電流としてｎ型無秩序化領域２０７にも流れ込み、非発光再結合による熱が生じた。これは特に、AlGaInP系材料では、クラッド層と活性層の禁則帯幅の差が十分ではないにもかかわらず、無秩序化領域２０７の不純物濃度が高くなることにより、電気抵抗率が大幅に減少してバイアス電流がかなり大きくなるからである。

前記図３のレーザアレイ素子では、活性層３２４の左右両側の光閉じ込め層３０８が再成長によって形成されているため、半導体レーザ素子の歩留まりは特に半導体アレー素子にとって悪くなる。

本発明は、上記従来例の欠点に鑑み、レーザビームの水平広がり角度が小さくなることを抑制し、製造が容易である半導体レーザアレイ素子を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、少なくとも、第１導電型半導体基板上に形成された第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層の上に量子井戸構造を含む活性層と、前記活性層の上にリッジ部と当該リッジ部の両側のストライプ溝部とを有する第２導電型半導体層とを積層して構成された半導体レーザアレイ素子であって、
前記ストライプ溝部中に活性層を無秩序化される領域を備え、
前記無秩序化された活性層領域と隣リッジ部中心間の距離が４μｍ〜１５μｍの範囲に規制されていることを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記無秩序領域と隣リッジ部上表面間の電気抵抗は３００Ω以上であることを特徴とするものである。

本発明の第３の手段は前記第１の手段において、前記無秩序化された活性層領域と隣リッジ部間の第２導電型半導体のストライプ溝部から活性層までの領域の中に不純物を熱拡散法によって第1導電型半導体を形成された構造をもつことを特徴とするものである。

本発明の第４の手段は前記第１ないし第３の手段において、前記無秩序領域は熱拡散法或はイオン注入により形成されることを特徴するものである。

本発明によれば、活性層に無秩序化させる領域により、横方向の光閉じ込めを増大して、更に、リック電流を防止する構造により、放射光のアスペクト比を低くなる製造容易の半導体レーザアレイ素子を提供することが可能になる。

本発明の実施例について図面を参照して説明する。

半導体基板１としては、例えばｎ型のGaAs基板が用いられる。まず、図４に示すように、ｎ-GaAs基板４０１上に、n-AlGaInP クラッド層４０２（ｎ＝３×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ：２μｍ）、活性層４０３（例えば５ｎｍ厚、＋０．７％圧縮歪みのGaInPウェルと４ｎｍ厚のAlGaInPバリアを交互に積層してウェルを３層含んだ構成とした）を結晶成長させる。

なお、本実施例の半導体レーザアレイ素子では、MOVPE(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy)法による結晶成長が用いられる。

次に図４に示すように、活性層４０３上に、ｐ-AlGaInP第１クラッド層４０４a（ｐ＝１〜１０×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ：０．１５〜０．４５μｍ）、p-GaInPエッチングストップ層４０５(厚さ：１０ｎｍ)、ｐ-AlGaInP第２クラッド層４０４ｂ（ｐ＝５×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ：１．０〜１．５μｍ）、ｐ−GaAsコンタクト層４０６（ｐ＝０．２〜１×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ：０．２〜０．７μｍ）が順次に結晶成長させる。

そしてｐ−GaAsコンタクト層４０６上に、周期は３０μｍのストライプ状レジストパターンを形成して、エッチングストップ層４０５までの各層をエッチング加工する。このようにして、図４に示す半導体レーザアレイ素子のリッジストライプ構造が形成される。このとき、半導体レーザアレイ素子のリッジ部４０９の幅Ｗは約２〜３μｍである。

次に、エッチングしたストライプの溝部４１５の中間部からＺｎ拡散により領域４０７を形成し、領域４０７の活性層を無秩序化される。領域４０７とリッジ部４１６中心の間の距離は約６〜１２μｍである。

次に、ストライプの溝部４１５からｐ-AlGaInP第１クラッド層４０４aにｎ型不純物シリコン（Si）を３００〜８００℃／５〜１２０分間の熱拡散により注入し、リッジ部４１６とＺｎを熱拡散された領域４０７の間の電気抵抗は約６００Ωようにn型導電半導体領域４０８を形成される。

次に、絶縁膜４０９をCVD（Chemical Vapor Deposition）法で堆積したあと、コンタクト層４０６上にはｐ側電極４１０が形成され、基板４０１の裏面は、機械的研磨および化学エッチングにより厚さ約１００μｍまで研削した後、ｎ側電極４１１が形成されている。このようにして、本実施例による半導体レーザアレイ素子ができ上がる。

以上により、Ｚｎ拡散により無秩序化された領域４０７の活性層部のAl組成が増加するため屈折率が低下し、横方向の光閉じ込めが高くて、レーザ光の水平放射角度が大きくなるので、アスペクト比を低減されることができる。更に、ｎ型領域４０８はリッジ部とZn拡散させる領域４０７の間に電気抵抗が高い領域を形成させて、電流が領域４０７経由リックすることは防止できる。図５に示すシミュレーション結果ように、無秩序領域とリッジ中心間の距離は１１μｍ場合、端面レーザの放射光のアスペクト比は無秩序化されないデバイスと比べて３０％ほどを低減することはできる。それで、発振閾値電流が小さい、放射光のアスベクト比は低い半導体レーザアレイを得ることができる。

本実施例ではAlGaInP系半導体レーザアレイ素子について示したが、AlGaAs系やInGaAsP系などIII-V族、窒化物系化合物材料よりなる半導体レーザアレイ素子についても適用でき、同様の効果を得ることができる。

本発明の実施例に係る半導体レーザアレイの斜視図である。 従来の半導体レーザアレイの斜視図である。 従来の他の半導体レーザアレイの断面図である。 本発明の実施例に係る半導体レーザアレイの断面図である。 シミュレーションした放射光のアスペクタと無秩序領域とリッジ部中心間の距離の関係を示す図である。

符号の説明

１…ｎ-GaAs基板、２…ｎ-AlGaInPクラッド層、３…活性層、４a…ｐ型AlGaInP第1クラッド層、５…ｐ型GaInPエッチングストップ層、４ｂ…ｐ型AlGaInP第２クラッドう層、６…ｐ型GaAsコンタクト層、７…Ｚｎ拡散領域、８…Ｓｉ拡散により形成されたｎ型領域、９…絶縁膜、１０…ｐ側電極、１１…ｎ側電極、１５…ストライブ溝部、１６…リッジ部。

Claims (4)

1. 少なくとも、第１導電型半導体基板上に形成された第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層の上に量子井戸構造を含む活性層と、前記活性層の上にリッジ部と当該リッジ部の両側のストライプ溝部とを有する第２導電型半導体層とを積層して構成された半導体レーザアレイ素子であって、前記ストライプ溝部中に活性層を無秩序化される領域を備え、前記無秩序化された活性層領域と隣リッジ部中心間の距離が４μｍ〜１５μｍの範囲に規制されていることを特徴とする半導体レーザアレイ素子。
2. 請求項１に記載の半導体レーザアレイ素子において、前記無秩序領域と隣リッジ部上表面間の電気抵抗は３００Ω以上であることを特徴とする半導体レーザアレイ素子。
3. 請求項１に記載の半導体レーザアレイ素子において、前記無秩序化された活性層領域と隣リッジ部間の第２導電型半導体のストライプ溝部から活性層までの領域の中に不純物を熱拡散法によって第1導電型半導体を形成された構造をもつことを特徴とする半導体レーザアレイ素子。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体レーザアレイ素子において、前記無秩序領域は熱拡散法或はイオン注入により形成されることを特徴する半導体レーザアレイ素子。

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