JPH01109786A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、半導体レーザ索子に関し、特に、分子線エピ
タキシー（ＭＢＥ）法で基板上に順次成長層が形成され
た半導体レーザ素子に関する。

［従来の技術］ 近年、ＭＢＥ成長技術の進歩は著しく、ＩＯＡ以下のｔ
ｌを分子層オーダーまでの極めて薄いエピタキシャル層
の制御が可能となっている。このようなＭＢＥ成長技術
の進歩は、半導体レーザの分野において、従来の液相エ
ピタキシャル成長（ＬＰＥ）法などでは製作が困難であ
った極めて薄い層をＨする素子構造の製作を可能とした
。そして、その素子構造に基づく新しい効果を利用した
半導体レーザ索子が開発されるに至った。その代表的な
ものとして量子井戸（Ｑｕａｎｔｕｍ　　Ｗｅ１１；以
下、ＱＷと称す）レーザがある。

このＱＷレーザは、ＭＢＥ法を導入することにより、従
来のダブルへテロ（Ｄｏｕｂｌｅ　　Ｈｅｔｅｒｏ；以
下、ＤＨと称す）レーザでは数百八位が形成される。こ
れによって、ＱＷレーザは、従来のＤＨレーザに比べて
、しきい値電流が下がり、また、温度特性がよく、ある
いは、過渡特性に優れているなどの数々の利点を有して
いる。

しかし、このＭＢＥ法は、その成長機構がＬＰＥ法と異
なるため、半導体レーザの素子構造として、ＬＰＥ法で
開発された電流狭窄・屈折率導波型の素子構造を適用す
ることはできない。そのために、ＭＢＥ法を用いた新た
な素子構造を持つ半導体レーザが開発された。これらは
、 （１）　第３ａ図に示す、亜鉛（Ｚｎ）拡散による超格
子の無秩序化を利用したＢＭＱＷ（Ｂｕｒｉｅｄ　　Ｍ
ｕｌｔｉｑｕａｎｔｕｍ　　Ｗｅ１１）レーザ。

参考文献：Ｈｉｓａｏ　　Ｎａｋａｓｈｉｍａｅｔ　　
ａｌ、　；ＩＥＥＥ　　Ｊ、ＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔ
ｒｏｎ、Ｖｏｌ、ＱＥ−２１，６２９（２）　第３ｂ図
に示す、ガリウム・砒素（ＧａＡｓ）の再蒸発を利用し
たＳＡＭ（ＳｅｌｆＡｌｉｇｎｅｄ　　　５ｔｒｕｃｔ
ｕｒｅ　　　ｂｙ　　ＭＢＥ）　　レーザ。

参考文献：Ｈａｒｕｏ　　Ｔａｎａｋａ　　ｅｔａｌ、
　；Ｊａｐａｎ　　　Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ。

２４、　　Ｌ８９　　（１９８５） （３）　第３Ｃ図に示す、ＭＢＥ法によるシリｎｅｔｅ
ｄ　　５ｕｂｓｔｒａｔｅ　　ＩｎｎｅｒＳｔｒｉｐｅ
）　レーザ。

参考文献：に、Ｉｍａｎａｋａ　　ｅｔ　　ａｌ、；Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　　Ｌｅｔｔｅｒｓ、（１などで
ある。これらの半導体レーザの主たる製造方法は、以下
のとおりである。

第３ａ図に示すＢＭＱＷレーザは、基板１上に、バッフ
ァ層２、第１クラッド層３、超格子活性層　−４、第２
クラッド層５、コンタクト層６を、ＭＢＥ法を用いて、
順次連続的に成長させる。その後、別工程におて、Ｚｎ
拡散処理を行ない、Ｚｎ拡散領域８を形成する。それか
ら絶縁層９および電極１０．１１を狭接して製造する。

ここで、Ｚｎ拡散領域８が電流狭窄機能を有し、Ｚｎ拡
散により超格子が無秩序化した活性層領域４ｘが屈折率
導波機構を形成している。

また、第３ｂ図に示すＳＡＭレーザは、基板１上に、第
１クラッド層３、活性層４、第２クラブト層５ａ％電流
阻止層１２、および電流阻止層形成用ＧａＡｓ再蒸発保
護層１３を、ＭＢＥ法を用いて順次連続的に平坦層状に
成長させる。その後、別工程で、電流阻止層形成用保護
層１３をエツチングにより中央部を除去し、両側部１３
ａを形成する。そして、電流阻止層１２を再蒸発させる
と、電流阻止層形成用保護層１３ａの働きにより、この
保護層に接する部分のみが残留し、電流阻止層１２ａが
形成され、超高真空中で高Ａ（ｌ混晶化の第２クラッド
層５ａが表出する。

この工程後、さらにＭＢＥ法により、前記電流阻止層形
成用保護層１３ａ上に、第２クラツド層５ｂ、コンタク
ト層６を順次成長させる。最後に、電極１０および１１
を両側から狭接して製造する。

ここで、電流阻止層１２ａが電流狭窄・屈折率導波機構
を形成している。

さらに、第３Ｃ図に示すＭＢＥ成長によるＶＳＩｓ型レ
ーザは、Ｖ字溝を有する基板１上に、電流阻止層１２、
第１クラッド層３、活性層４、第２クラッド層５、コン
タクト層６を、ＭＢＥ法を用いて順次連続的に成長させ
る。その後、電極１０および１１を両側から狭接して製
造する。ここで、電流阻止層１２が電流狭窄機構を形成
し、クラッド層３が屈折率導波機構を形成している。

［発明が解決しようとする問題点］ ＭＢＥ法を用いて製造された前記半導体レーザにおいて
、第３ａ図に示すＢＭＱＷレーザは、ＭＢＥ法による成
長工程の後、Ｚｎ拡散の工程が必要である。また、第３
ｂ図に示すＳＡＭレーザでは、ＧａＡｓの再蒸発の工程
も含めて、ＭＢＥ法による２回の成長工程が必要である
。

また、第３ｃ図に示すＭＢＥ成長によるＶＳＩＳ型レー
ザにおいては、Ｎ型ＧａＡｓ電流阻止層１２を形成する
ために、Ｎ型ドーパントとしてＳｉを使用している。す
なわち、通常使用している（１００）面では、Ｓｉをド
ープされるＧａＡｓ層は、通常Ｎ型となるが、ＧａＡｓ
結晶の（ｎ１１）Ａ面１４では、Ａｓの付若係数が低く
、ＳｔがＡｓの格子位置に入りやすくなるため、この面
上でＧａＡｓ層がＰ型に変換される。したがって、この
作用を利用してＮ型の電流阻止層１２中に、Ｐ型の電流
注入領域１２ｂを形成することにより、電流狭窄機構を
実現している。ところが、（１）　７字溝を有するＰ型
基板１上に、Ｓｔをドープした成長層１２をＭＢＥ成長
させると、成長層］２の７字溝の基底部付近に平坦部１
５が形成される。この平坦部１５では、ＳｉがＮ型ドー
パントとして作用するために、この部分はＮ型となる。

したがって、電流注入領域の形成を意図した領域１２ｂ
に電流阻止層１５が形成されることなる。

（２）　活性層４の平坦部１６は、平坦性が悪くなり、
しきい値電流が高くなる。

（３）　Ｎ型土導体層５および６の形成に、通常のＳｔ
、ベリリウム（Ｂｅ）　　ドーパント以外に、スズ（Ｓ
　ｎ）　　ドーパントを必要とする。

などの問題点がある。

このように、ＭＢＥ法を用いた半導体レーザでは、電流
狭窄・屈折率導波機構を形成する場合、製造工程が複雑
になったり、素子の性能が低下するなど、不具合な面が
あった。

それゆえ、本発明の目的は、ＭＢＥ法を用いて容品に製
造できる電流狭窄・屈折率導波機構を１１ｉつ半導体レ
ーザ素子を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ ゛　本発明の半導体レーザは、第１導電型、２！板上に
、第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド
層から成る多層構造の分子線エピタキシャル成長層を成
長させた■−ｖ族化合物半導体を主とする半導体レーザ
である。そして、以下のことを特徴とする。

（１）　前記第１導電型基板は、（ｎｉｌ）Ａ而（ｎ≧
１）を斜面とする順メサを成長面に有している。

（２）　前記活性層及び前記クラッド層は、前記第１導
電型基板の前記順メサ形状に即した順メサを有しており
、この順メサ形状により屈折率導波機構が形成されてい
る。

（３）　前記第１導電型クラッド層上に堆積されるエピ
タキシャル成長層は、ＩＶ族両性元素がドープされた成
長層が形成されている。

（４）　前記順メサの斜面では、ＩＶ族両性元素の極性
反転によって、逆バイアス極性の接合となり、電流狭窄
機構が形成されている。

［作用］ 第２図は、本発明の概要を示す模式図であり、本発明の
作用を本図を用いて説明する。

ＩＶ族両性元素がドープされる層１９は、基板１７上に
形成された（ｎｉｌ）Ａ面を斜面とする順メサ１７ａに
即した順メサを有している。この順メサの斜面１９ａ上
では、Ｖ族元素の付若係数が低いため、通常、（１００
）面上ではドナーとして働くＩＶ族両性元素は、Ｖ族元
素の位置に入り込みアクセプターとなり、第１導電型の
領域１９ｂを形成する。この結果、第２導電型の層１つ
の第１導電型領域１９ｂが、電流狭窄領域として作用す
る。

また、各成長層は、基板１７の順メサ形状を反映してお
り、活性層１８のレーザ発振領域１８ａは、横方向にも
ＩＶ族両性元素がドープされる層１っで挾み込まれ、レ
ーザ光を閉込める屈折率導波路が形成されている。

［実施例］ 第１図は、本発明の実施例である■−ｖ族化合物半導体
レーザ素子の断面構造を、模式的に示した図である。以
下、本図に基づいて半導体レーザの構造および製造方法
について説明する。

Ｚｎを１×１０１８／Ｃｍ３　ドープし、また、（１１
１）Ａ面２０ａを斜面とする順メサ（メサ幅２μｍ、メ
サ高さ１．５μｍ）２０を形成したＰ型ＧａＡｓ基板２
１上に、ＢｅをｌＸｌ０’　８／ａｍ３ドープした層厚
３０００ＡのＰ型ＧａＡＳバッファ層２２、ＢｅをＩ×
１０１８／Ｃｍ３ドープした層厚１μｍのＰ型Ａ　１１
０，７　Ｇ　ａ　ｏ、　３　Ａｓクラッド層２３、Ｂｅ
をＩ　Ｘ　１０”　／ａｍ３ドープした層厚２００ＯＡ
のＰ型ＧＲＩＮ層（Ａ見ｘＧａ、−ｘ　Ａｓ　；　ｘは
クラッド層２３側から活性層２５側へ０．７→０．２に
漸次減少）２４、ノンドープの層厚１００ＡのＧａＡｓ
ｆｆ１子井戸活性層２５、ＳｔをｌＸｌ０”／ｃｍ”　
ドープした層厚２００ＯＡのＧＲＩＮ層（Ａ　Ｑ、ｘ　
Ｇ　ａ　＋　−ｘＡｓ；ｘは活性層２５側からクラッド
層２７側へ０．２→０，７に漸次増加）２６、ＳＬをＩ
×１０１０１８７Ｃドープした層厚５Ｃ１００ＡのＡｍ
０１？　Ｇａ６．、Ａｓクラッド層２７、ＳＬを２×１
０１８／Ｃｍ３ドープした層厚３０００ＡのＧａＡｓコ
ンタクト層２８を、ＭＢＥ法を用いて基板温度７００℃
で順次連続的に成長させる。

その後、基板２１の裏面を研摩し、厚さを１５０μｍと
する。さらに、フォトリソグラフィの手法および選択エ
ッチャントを用い、成長時、クラッド層２７と類似形状
を有していたＧａＡｓコンタクト層を、台形の頭頂部２
８を残して除去する。

そして、そこにプラズマＣＶＤおよびフォトリソグラフ
ィの手法を用いて、四窒化三ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）絶縁
膜２つを形成後、Ａｕ／ＡｕＺｎのＰ型電極３０とＡ　
ｕ　Ｇ　ｅ　／　Ｎ　ｉのＮ型電極３１を蒸着させ、チ
ップに分割する。

ここで、ＧＲＩＮ層２６では、前述のように■装置性元
素として、Ｓｔがドープされている。そして、このＧＲ
ＩＮ層２６の順メサの斜面（１１１）Ａ面２６ａ上では
、Ｖ族元素Ａｓの付若係数が低く、脱落したＡｓの位置
にＳｔが入り込む現象が生じる。この結果、この斜面上
の領域は、通常Ｎ型ドーパントとして作用するＳｉが、
Ｐ型ドーパントとして作用することにより、Ｐ型に変換
される。そして、このＰ型に変換された領域は、電流狭
窄領域を形成する。また、クラッド層２７においても同
様の状態が生じている。

上述の製造工程を経て製造された半導体レーザにおいて
、共振器長１５０μｍとした素子の場合、しきい値電流
１０ｍＡでレーザ発振を得ることができた。比較のため
に、本発明の半導体レーザとは順メサ形状を７字溝形状
にしたことのみ相違するＶＳＩＳレーザを製造し、試験
した結果、しきい値電流２０ｍＡでレーザ発振を得た。

これにより、本実施例による半導体レーザ素子は、従来
のＭＢＥ成長によるＶＳＩＳ型レーザ素子より低いしき
い値電流でレーザを発振することが判明した。

本実施例においては、■−Ｖ族化合物半導体の材料とし
てＡ　Ｑ、　ｙ　ｃ　ａ　Ｉ−Ｘ　Ａ　ｓを用い、電流
狭窄・屈折率導波路形成に用いる■装置性元素のドーパ
ントとしてＳｔを用いたが、他の材料の組合わせにおい
ても同様の効果が得られるものであれば構わない。

また本実施例では、第１導電型としてＰ型、第２導電型
としてＮ型を用いたが、この逆の組合わせも考え得る。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によれば、基板上に形成した（ｎ
ｉｌ）Ａ面（ｎ≧１）を斜面とする順メサ部と、活性層
上に積層される成長層のドーパントとして、■装置性元
素を用いることによって、１回の連続的ＭＢＥ成長で電
流狭窄・屈折率導波機構を有する■−ｖ族半導体レーザ
素子を製造することができるので、その製造工程の簡略
化が図れる。さらに、本発明の〒導体レーザでは、従来
のｖｓｔｓレーザより低いしきい値電流でレーザを発振
することができるので、実用上有益である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す半導体レーザ索子構
造の模式図である。 第２図は、本発明の詳細な説明するための半導体レーザ
素子構造の模式図である。 第３ａ図から第３Ｃ図までは、従来ＭＢＥ法により製造
された電流狭窄・屈折率導波型半導体レーザ素子であり
、第３ａ図はＢＭＱＷレーザ素子、第３ｂ図はＳＡＭレ
ーザ索子、第３ｃ図はＶＳＩＳ型レーザ素子の模式図で
ある。 図において、１，１７．２１は基板、１７ａ。 ２０は基板に形成された順メサ、４，１８．２５は活性
層、３．２３は第１クラッド層、５，１９゜２７は第２
クラッド層、２４および２６はＧＲＩＮ層である。 なお、各図中、同一ね号は同一または相当する部分を示
す。 第　１　（２）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 第１導電型基板上に、第１導電型クラッド層、活性層、
   第２導電型クラッド層から成る多層構造の分子線エピタ
   キシャル成長層を成長させたIII−Ｖ族化合物半導体を
   主とする半導体レーザにおいて、 前記第１導電型基板は、（ｎ１１）Ａ面（ｎ≧１）を斜
   面とする順メサを成長面に有しており、前記分子線エピ
   タキシャル成長層は、前記第１導電型基板の前記順メサ
   形状に即した順メサを有しており、 前記第１導電型クラッド層上に形成された前記分子線エ
   ピタキシャル成長層には、IV族両性元素がドープされて
   いる層が形成されていることを特徴とする、半導体レー
   ザ素子。