JP3063684B2 - 半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents

半導体レーザ及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、Al系半導体を埋
め込み層に用いた埋め込みリッジ型半導体レーザ及びそ
の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】AlGaInP系赤色半導体レーザは、
600nm帯に発振波長領域を有し、バーコード・リー
ダーや計測用光源として実用化されている。また、光磁
気やDVDなど高密度光ディスク用光源としても実用化
が進んでいる。このような光ディスク用光源として用い
られる場合、水平横モード(以下、横モードと記す)が
単一で且つ単峰性であることが望まれる。そのため、活
性層と水平方向に屈折率差が設けられた屈折率導波構造
が採用されている。
【0003】図4は、エレクトロニクス・レターズ(1
987年、第23巻、938頁−939頁)に報告され
ている埋め込みリッジ型屈折率導波構造を有するAlG
aInP系赤色半導体レーザの構造図である。この半導
体レーザは、n型GaAs基板300上に、n型GaA
sバッファ層301、n型AlGaInPクラッド層3
02、活性層303、p型AlGaInPインナークラ
ッド層304、p型GaInPエッチング停止層30
5、p型AlGaInPインナークラッド層306、p
型GaInPヘテロバッファ層307、n型GaAs電
流ブロック層308、p型GaAsコンタクト層309
を有して成る。この構造では、p型AlGaInPクラ
ッド層304、306に形成されたリッジを、レーザ光
を吸収するGaAs(n型GaAs電流ブロック層30
8)で埋め込むことによってリッジ内外に屈折率差を設
け、横モードの制御を行っている。
【0004】また、特開平7−249838号公報に
は、図5に示すような埋め込み層(光閉じ込め層)とし
てレーザ光に対して透明で且つ低屈折率であるAlIn
PやAlGaInPを用いる構造が記載されている。こ
の半導体レーザは、n型GaAs基板400上に、n型
GaAsバッファ層401、n型AlGaInPクラッ
ド層402、活性層403、p型AlGaInPクラッ
ド層404、p型GaInPヘテロバッファ層405、
n型AlInP光閉じ込め層406、p型GaAsコン
タクト層407を有して成る。この構造では、埋め込み
層(光閉じ込め層406)のAlInPがレーザ光を吸
収しないのでGaAsを用いた場合に比べて導波路損失
が小さく、低しきい値電流・高効率でのレーザ発振が可
能である。また、非点格差が小さく光ディスク用光源と
しては非常に有利である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】埋め込みリッジ構造を
作製する場合、埋め込み層の成長はリッジを形成したク
ラッド層上への再成長となる。従って、AlInPやA
lGaInPを埋め込み層に用いたAlGaInP系赤
色半導体レーザでは、埋め込み成長がAl半導体薄膜上
へのAl半導体薄膜の再成長となり、埋め込み層の表面
状態が悪化する。そして、この表面状態の悪化は、埋め
込み層が厚くなるに従いひどくなる。一方、表面状態の
悪化を低減するために埋め込み層の厚さを薄くすると、
光の閉じ込めが不十分になってしまいレーザ特性が悪く
なる。従って、この表面状態の悪化は避けられない。表
面状態の悪化による表面の凹凸は、CW動作時に放熱性
の低下をもたらし、素子特性を悪化させる。
【0006】本発明の目的は、以上の問題点を解決し
て、低しきい値電流・高効率で発振する埋め込みリッジ
型半導体レーザ及びその製造方法を提供することにあ
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、第1導電型基
板上に、第1導電型クラッド層、活性層、リッジを有す
る第2導電型クラッド層を有し、該リッジがレーザ光に
対して透明で且つ該第2導電型クラッド層より屈折率の
小さな光閉じ込め層で埋め込まれた構造を有する半導体
レーザにおいて、リッジ側面における光閉じ込め層の厚
さ(Xs)がリッジが形成されていない平坦部における
光閉じ込め層の厚さ(Xb)の3倍以上の厚さを有する
ことを特徴とする半導体レーザである。
【0008】さらに本発明は、第1導電型基板上に、第
1導電型クラッド層、活性層、リッジを有する第2導電
型クラッド層を有し、該リッジがレーザ光に対して透明
で且つ該第2導電型クラッド層より屈折率の小さな光閉
じ込め層で埋め込まれた構造を有する半導体レーザの製
造方法において、リッジ側面における光閉じ込め層の厚
さ(Xs)がリッジが形成されていない平坦部における
光閉じ込め層の厚さ(Xb)の3倍以上の厚さになるよ
うに、該光閉じ込め層を形成することを特徴とする半導
体レーザの製造方法である。
【0009】本発明においては、メサ側面の埋め込み層
(光閉じ込め層)の厚さ(Xs)を平坦部の厚さ(X
b)の3倍以上にすることによって、平坦部の厚さ(X
b)が薄い場合でも有効に光の閉じ込を行うことができ
る。また、平坦部の厚さ(Xb)が薄い結果、埋め込み
層の表面状態が良好になり、表面の凹凸に起因する歩留
まりの低下を抑制できる。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態に
ついて説明する。
【0011】図1は、本発明の半導体レーザの一例を示
す構造図である。この半導体レーザは、AlInPやA
lGaAs等を埋め込み層(光閉じ込め層104)とす
る実屈折率導波AlGaInP系赤色半導体レーザであ
り、第1導電型基板100上に、第1導電型クラッド層
101、活性層102、リッジを有する第2導電型クラ
ッド層103を有し、リッジがレーザ光に対して透明で
且つ該第2導電型クラッド層より屈折率の小さな光閉じ
込め層104で埋め込まれた構造を有する。これら各層
は、代表的には、基板100がGaAs、クラッド層1
01、103がAlGaInP、活性層102がAlG
aInPまたはGaInPもしくはそれらの量子井戸構
造からなり、光閉じ込め層がAlGaInPまたはAl
InP、もしくは、AlGaAsまたはAlAsからな
る。
【0012】そして、この光閉じ込め層104の厚さに
ついて、リッジ側面における厚さ(Xs)が、リッジが
形成されていない平坦部における厚さ(Xb)の3倍以
上である。特に、厚さ(Xs)と(Xb)の差は100
nm以上であることが好ましい。また、厚さ(Xs)自
体は150nm以上であることが好ましく、厚さ(X
b)自体は300nm以下であることが好ましい。
【0013】ところで、通常、リッジ幅は5μm程度で
あり、2〜3インチ基板上にそのリッジが200〜30
0μmピッチで形成されている。従って、基板の大部分
はメサが形成されていない平坦部である。この平坦部に
おける埋め込み層(光閉じ込め層)の厚さ(Xb)を薄
くすれば、表面状態を良好に改善することができる。図
6は、AlInPを埋め込み層(光り閉じ込め層)とす
るAlGaInP系赤色半導体レーザにおいて、導波路
損失と平坦部におけるAlInP埋め込み層の厚さ(X
b)の関係を等価屈折率法により計算した結果を示すグ
ラフである。ここでは、リッジ側面の厚さ(Xs)が厚
さ(Xb)の1〜3倍の場合について示す。図6から明
らかなように、平坦部における厚さが同じでもメサ側面
の厚さが厚いと導波路損失が低減できる。
【0014】図6から明らかなように、メサ側面の埋め
込み層(光閉じ込め層)の厚さ(Xs)が平坦部の厚さ
(Xb)の3倍以上であれば、同じ導波路損失の値でも
平坦部の厚さ(Xb)は通常の1/3の厚さにすること
ができ、表面状態の改善に有効である。
【0015】なお、図7は上記計算に用いた構造図であ
り、n型GaAs基板500上に、n型GaAsバッフ
ァ層501、n型(Al0.6Ga0.40.5In0.5Pクラ
ッド層502、活性層503、p型(Al0.6Ga0.4
0.5In0.5Pクラッド層504、p型Ga0.5In0.5
ヘテロバッファ層505、n型Al0.5In0.5P光閉じ
込め層506、n型GaAs電流ブロック層507、p
型GaAsコンタクト層508を形成したものである。
【0016】また、実際のレーザ構造では、平坦部は0
°〜15゜程度オフされた{001}面であり、メサ側
面は{111}A面で形成される。{111}A面はII
I族(Al、Ga、In)安定化面であり、V族(P、
As)付着が成長の律速となる。従って、低成長温度
(580〜680℃)、V族の供給量が過剰な条件(V
/III>300)で成長することによって成長速度が増
加し、平坦部に比べてメサ側部が厚い本発明の埋め込み
構造を簡易にかつ良好に実現できる。
【0017】
【実施例】以下、本発明を実施例により更に詳細に説明
する。
【0018】<実施例1>本実施例においては、図2に
示すAlGaInP系赤色半導体レーザを作製した。
【0019】この半導体レーザの構造は、具体的には、
Siドープn型GaAs基板200上に、Siドープn
型GaAsバッファ層201(膜厚:d=0.5μ
m)、Siドープn型(Al0.6Ga0.40.5In0.5
クラッド層202(d=1.5μm)、活性層203と
してノンドープGa0.44In0.56Pウェル(d=9n
m:4層)とノンドープ(Al0.6Ga0.40.5In0.5
Pバリア(d=5nm:3層)からなる歪多重量子井戸
層、Znドープp型(Al0.6Ga0.40.5In0.5Pク
ラッド層204(d=1.5μm)、Znドープp型G
0.5In0.5Pへテロバッファ層205(d=0.1μ
m)、埋め込み層としてSiドープn型Al0. 5In0.5
P光閉じ込め層206(平坦部における厚さd=0.1
μm)とSiドープn型GaAs電流ブロック層207
(d=1.0μm)の多層構造、Znドープp型GaA
sコンタクト層208(d=3.0μm)からなるリッ
ジ埋め込み構造とした。
【0020】ここで、Siドープn型Al0.5In0.5
光閉じ込め層206のメサ側面における厚さは、平坦部
の3.5倍の厚さである350nmとし、また、埋め込
み層直下のZnドープp型(Al0.7Ga0.30.5In
0.5Pクラッド層204の厚さは300nmとした。
【0021】この半導体レーザは、図3に示す工程に従
い、具体的には以下のようにして作製した。レーザ構造
は、3回の有機金属気相成長(MOVPE)法で作製
し、原料としては、AlGaInP、GaInP、Al
InP成長にはトリメチルアルミニウム(TMA1)、
トリエチルガリウム(TEGa)、トリメチルインヂウ
ム(TMIn)、フォスフィン(PH3)を、GaAs
成長にはトリメチルガリウム(TMGa)とアルシン
(AsH3)を用いた。また、基板にはGaAs(00
1)just基板を用いた。
【0022】まず、1回目の成長として、n型GaAs
基板200を硫酸系溶液でエッチングして表面を清浄化
した後、MOVPE反応管中に設置し、n型GaAsバ
ッファ層201、n型(Al0.6Ga0.40.5In0.5
クラッド層202、活性層203、p型(Al0.6Ga
0.40.5In0.5Pクラッド層204、p型Ga0.5In
0.5Pヘテロバッファ層205を順次成長させ、図3
(a)の構造を得た。
【0023】これを反応管から取り出した後、熱CVD
(400℃)で酸化シリコン膜209を300nmの膜
厚に堆積した。次に、この酸化シリコン膜209をフォ
トリソグラフィ技術により4μm幅のストライプ状にエ
ッチングした。次いで、酸化シリコン膜209をマスク
としてp型Ga0.5In0.5Pヘテロバッファ層205、
p型(Al0.6Ga0.40.5In0.5Pクラッド層204
を選択的にエッチングして図3(b)に示すリッジ構造
を形成した。
【0024】この基板を再び反応管に設置し、2回目の
成長で埋め込み層であるn型Al0. 5In0.5P光閉じ込
め層206とn型GaAs電流ブロック層207を形成
して図3(c)に示す構造を得た。この埋め込み層の成
長条件は、成長温度610℃、V/III=450で行っ
た。その後、反応管から取り出して酸化シリコン膜20
9を除去後、再び反応管に設置して3回目の成長でp型
GaAsコンタクト層208を成長させ、図2の構造が
得られた。
【0025】埋め込み層成長後の表面状態を観察する
と、AlInPを300nm成長した従来例の揚合、表
面の大部分はヒロックで覆われているのに対して、10
0nmと薄い本実施例では、ヒロックも観察できるが大
きさも小さく、全体的に平坦な鏡面状態となった。これ
は、成長層の厚さが薄いためにヒロックを核として3次
元成長していないことに起因する。
【0026】作製したレーザは、n側、p側の電極を形
成後、共振器長700μmにへき開し、7%−90%の
端面非対称コーティングを施した。そして、Siのヒー
トシンクに融着後直径5.6mmのステムに組立ててレ
ーザ特性を評価した。発振波長は、25℃、30mWで
681nmであった。25℃におけるしきい値電流(C
W動作)は35mA、スロープ効率は1.1W/Aが得
られた。スロープ効率の共振器長依存性より、導波路損
失と活性層での吸収の和である内部損失は6cm-1と見
積もることができた。活性層での吸収は4〜5cm-1
度と考えると、導波路損失は十分低減されている。この
値は、AlInPを平坦部とメサ側面に300nm成長
した場合と同じである。従って、低温(610℃)、高
V/III比(450)でAlInP成長を行い、メサ側
面の成長速度を増加させることにより、平坦部における
厚さが従来の1/3の厚さで導波路損失を低減できるこ
とが確認できた。
【0027】
【発明の効果】以上のように、本発明の半導体レーザで
は、メサ側面の埋め込み層(光閉じ込め層)の厚さ(X
s)を平坦部の厚さ(Xb)3倍以上にすることによっ
て、平坦部の厚さ(Xb)が薄い場合でも有効に光の閉
じ込を行うことができる。また平坦部の厚さ(Xb)が
薄い結果、埋め込み層の表面状態が良好になり、表面の
凹凸に起因する歩留まりの低下等を抑制できる。
【0028】また、本発明の半導体レーザの製造方法に
おいて、低成長温度(580〜680℃)、高V/III
比(300以上)で埋め込み層(光閉じ込め層)の成長
を行う態様によれば、メサ側面の成長速度が増加し、平
坦部に比べてメサ側面の厚さを簡易に3倍以上厚く成長
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体レーザの一例を示す構造図であ
る。
【図2】実施例1で作製した半導体レーザを示す構造図
である。
【図3】実施例1での各製造工程(a)〜(c)を示す
構造図である。
【図4】従来のリッジ埋め込み型半導体レーザ(GaA
s埋め込み)を示す構造図である。
【図5】従来のリッジ埋め込み型半導体レーザ(AlI
nP埋め込み)を示す構造図である。
【図6】等価屈折率法による導波路損失のAlInP埋
め込み厚さ依存性の計算結果を示すグラフである。
【図7】等価屈折率法の計算に用いた構造図である。
【符号の説明】
100 第1導電型基板 101 第1導電型クラッド層 102 活性層 103 第2導電型クラッド層 104 光閉じ込め層 200、300、400、500 n型GaAs基板 201、301、401、501 n型GaAsバッフ
ァ層 202、402、502 n型(Al0.6Ga0.40.5
In0.5Pクラッド層 302 n型(Al0.4Ga0.60.5In0.5Pクラッド
層 203、303、403、503 活性層 204、404、504 p型(Al0.6Ga0.40.5
In0.5Pクラッド層 304 p型(Al0.4Ga0.60.5In0.5Pインナー
クラッド層 305 p型Ga0.5In0.5Pエッチング停止層 306 p型(Al0.6Ga0.40.5In0.5Pインナー
クラッド層 205、307、405、505 p型Ga0.5In0.5
Pヘテロバッファ層 206、406、506 n型Al0.5In0.5P光閉じ
込め層 207、308、507 n型GaAs電流ブロック層 208、309、407、508 p型GaAsコンタ
クト層 209 酸化シリコン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 H01L 33/00

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1導電型基板上に、第1導電型クラッ
    ド層、活性層、リッジを有する第2導電型クラッド層を
    有し、該リッジがレーザ光に対して透明で且つ該第2導
    電型クラッド層より屈折率の小さな光閉じ込め層で埋め
    込まれた構造を有する半導体レーザにおいて、リッジ側
    面における光閉じ込め層の厚さ(Xs)がリッジが形成
    されていない平坦部における光閉じ込め層の厚さ(X
    b)の3倍以上の厚さを有することを特徴とする半導体
    レーザ。
  2. 【請求項2】 基板がGaAs、クラッド層がAlGa
    InP、活性層がAlGaInPまたはGaInPもし
    くはそれらの量子井戸構造からなり、且つ光閉じ込め層
    がAlGaInPまたはAlInPからなる請求項1記
    載の半導体レーザ。
  3. 【請求項3】 基板がGaAs、クラッド層がAlGa
    InP、活性層がAlGaInPまたはGaInPもし
    くはそれらの量子井戸構造からなり、且つ光閉じ込め層
    がAlGaAsまたはAlAsからなる請求項1記載の
    半導体レーザ。
  4. 【請求項4】 リッジ側面における光閉じ込め層の厚さ
    (Xs)と、平坦部における光閉じ込め層の厚さ(X
    b)の差が100nm以上である請求項1〜3の何れか
    一項記載の半導体レーザ。
  5. 【請求項5】 リッジ側面における光閉じ込め層の厚さ
    (Xs)が150nm以上であり、平坦部における光閉
    じ込め層の厚さ(Xb)が300nm以下である請求項
    1〜4の何れか一項記載の半導体レーザ。
  6. 【請求項6】 第1導電型基板上に、第1導電型クラッ
    ド層、活性層、リッジを有する第2導電型クラッド層を
    有し、該リッジがレーザ光に対して透明で且つ該第2導
    電型クラッド層より屈折率の小さな光閉じ込め層で埋め
    込まれた構造を有する半導体レーザの製造方法におい
    て、リッジ側面における光閉じ込め層の厚さ(Xs)が
    リッジが形成されていない平坦部における光閉じ込め層
    の厚さ(Xb)の3倍以上の厚さになるように、該光閉
    じ込め層を形成することを特徴とする半導体レーザの製
    造方法。
  7. 【請求項7】 成長温度が580℃以上680℃以下、
    III族原料に対するV族原料の供給量比(V/III比)が
    300以上の条件下で、光閉じ込め層を成長させる請求
    項6記載の半導体レーザの製造方法。
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