JPH0137867B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は、積層したエピタキシヤル層にストラ
イプ状電極を設けてなる電極ストライプ型の半導
体レーザ素子およびその製造方法ならびにその製
造装置に関し、特に、その構成および製造工程を
簡単化して性能を向上させるようにしたものであ
る。

〔従来技術〕

最近多く実用化されて来たビデオデイスクの記
録、再生には専ら半導体レーザ素子が用いられて
いるが、その半導体レーザとしては、戻り光ビー
ムの作用効果をできるだけ低減させるために、マ
ルチモードで動作させる利得導波型の電極ストラ
イプ半導体レーザ素子が多く用いられている。

従来用いられているこの種電極ストライプ型の
半導体レーザダイオードには、電極ストライプレ
ーザ、プレナーストライプレーザ、プロトンスト
ライプレーザ、Ｖ溝ストライプレーザなどがあ
る。いずれにおいても、レーザ発光を行なう活性
層およびｐ型、ｎ型の電極層は概ね同様の構成の
エピタキシヤル層を半導体基板上に積層してある
が、特に、かかる積層エピタキシヤル層に設ける
ストライプ部分には、種々の構成のものがある。

すなわち、上述したようにエピタキシヤル層を
積層したストライプ型の半導体レーザ素子を製作
するために、従来は、順次に積層するエピタキシ
ヤル層における最終半導体層（たとえばGaAs
層）をエピタキシヤル成長させた後に、電極スト
ライプレーザでは、SiO₂を用いた誘電体絶縁層
を被着してフオトレジスト法によりｐ型電極をス
トライプ構造に形成したり、プレナーストライプ
レーザでは、ｐ型電極層形成のためにエピタキシ
ヤル層にZnの拡散をストライプ状に行なつてス
トライプ状のZn拡散領域を形成したり、プロト
ンストライプレーザでは、エピタキシヤル層にプ
ロトンイオンを注入することによりストライプ状
部分以外に高抵抗領域を形成したり、さらに、Ｖ
溝ストライプレーザでは、エピタキシヤル層に対
して適切なフオトレジスト法を用いてｐ型電極層
形成のためのZn拡散をＶ溝ストライプ状に選択
的に行なつて、しかる後に、最終製作工程として
電極用導電物質層を蒸着していた。

これらストライプ状部分の幅Ｓによつてこの種
半導体レーザ素子の特性は第１図Ａ〜Ｅ、第２図
Ａ〜Ｅおよび第３図Ａ〜Ｅにそれぞれ示すように
変化する。

すなわち、第１図Ａ，Ｂ，…，Ｅはストライプ
部分の幅Ｓが約5μｍの場合の諸特性を示し、第
２図Ａ，Ｂ，…，Ｅはストライプ部分の幅Ｓが約
10μｍの場合の諸特性を示し、第３図Ａ，Ｂ，
…，Ｅはストライプ部分の幅Ｓが約20μｍの場合
の諸特性を示す。

ここで、第１図Ａ、第２図Ａ、第３図Ａはスト
ライプ幅Ｓを上述のように変化させた場合におけ
るレーザ光の縦モードスペクトル分布を示し、ス
トライプ幅Ｓ5μｍの場合のみマルチモードを
呈している。第１図Ｂ、第２図Ｂ、第３図Ｂはス
トライプ幅Ｓを上述のように変化させた場合にお
けるレーザ光の過渡応答を示し、ストライプ幅Ｓ
5μｍの場合以外にはスパイクが生じている。
以下同様にして、第１図Ｃ、第２図Ｃ、第３図
Ｃ、第１図Ｄ、第２図Ｄ、第３図Ｄ、および第１
図Ｅ、第２図Ｅ、第３図Ｅは、それぞれ、レーザ
光のフアーフイールドパターン（水平横モード）、
ニヤフイールドパターン（水平横モード）および
電流−光出力特性を電極幅Ｓ5μｍ、10μｍ、
20μｍの場合について示している。これらの諸特
性のうち、第２図Ｅに示したストライプ電極幅Ｓ
10μｍの場合の電流−光出力特性曲線には、電
流値70〜80ｍＡのところでキンクが生じており、
そのために、第２図Ｃ，Ｄに示したように、レー
ザ光放射のフイールドパターンが電流値の大小に
よつて大幅に変化している。したがつて、電流−
光出力特性曲線にかかるキンクのない良好な特性
を得るためにはストライプ幅Ｓを5μｍ前後ある
いは20μｍ前後にする必要があつた。

この種ストライプ型半導体レーザ素子は、同じ
く従来の屈折率導波型半導体レーザ素子に比較す
れば、構成が簡単であり、また、製作工程数も少
ないが、その比較的簡単なエピタキシヤル層積層
後に上述したような工程でストライプを形成しな
ければならず、その工程が相対的に複雑であるう
えに、電極形成前にエピタキシヤル層を一旦大気
に曝す必要が工程上生ずるという欠点があつた。

半導体レーザ素子製作における歩留りや再現性
は、製作工程数が多くなるほど低下し、特に、所
要の製作雰囲気から出して大気に曝す毎度に著し
い性能劣化を来たすのが一般であるから、従来の
ように最終工程完了前に一旦大気に曝したうえ
で、ストライプ電極構造形成のための比較的複雑
な製作工程を必要とするのでは、折角のエピタキ
シヤル積層構造の優位性を著しく阻害する欠点が
あつた。

〔目的〕

本発明の目的は、上述した従来の欠点を除去
し、エピタキシヤル層積層後のストライプ状構造
形成過程を簡単化して、製作工程を減少させると
ともに、完成前に一旦大気に曝す必要を生ずる製
作工程をなくし、信頼性および再現性を向上させ
たストライプ型の半導体レーザ素子およびその製
造方法を提供することにある。

〔発明の要点〕

すなわち、本発明半導体レーザ素子は、半導体
基板上に、活性層をはさんで閉じ込め層および電
極層をエピタキシヤル成長層の形態で配置し、活
性層にストライプ状に印加した電圧に応じてレー
ザ発光を行なう半導体レーザ素子において、基板
とは反対側の閉じ込め層および電極層としてそれ
ぞれMg⁺イオンでドープされた半導体層を配設
し、Mg⁺イオンでドープされた電極層上には当
該電極層をストライプ状に露出させてAr⁺イオン
をドープしたAlAsからなる高抵抗のエピタキシ
ヤル層を配置し、電極層およびそのストライプ状
露出部分を覆つて電極を配置したことを特徴とす
るものである。

本発明製造方法は、半導体基板上に、第１電極
層、第１閉じ込め層および活性層としての半導体
層を順次にエピタキシヤル成長させる工程と、活
性層上に第２閉じ込め層を成長させかつMg⁺イ
オンでドープする工程と、第２閉じ込め層上に第
２電極層を成長させかつMg⁺イオンでドープす
る工程と、ガス放電により生成したAr⁺イオンの
雰囲気中においてAlAsからなる高抵抗の最終半
導体層を第２電極層上に分子線エピタキシヤル成
長させる工程と、最終半導体層にストライプ状に
エツチングを施した上に電極層を被着することを
特徴とするものである。

〔実施例〕

以下に図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

まず、本発明による電極ストライプ型半導体レ
ーザ素子の構成例を第４図に示す。図示の構成例
においては、下図に電極導電層Ｌ１０を被着した
ｎ型GaAs基板Ｌ１の上にMBE法により従来慣
例の態様で、GaAsを基体とする組成の各種のエ
ピタキシヤル層を順次に成長させて積層する。す
なわち、まず、GaAsバツフア層Ｌ２を形成する
が、このバツフア層Ｌ２は３層以上の積層の場合
の結晶性の改善のためのものであり、ノンドープ
のGaAsによつて構成する。このバツフア層Ｌ２
は、直上層Ｌ３を十分に厚く形成する場合にはこ
の層Ｌ３をｎ型バツフア層となして、層Ｌ２を省
略することができる。ついで、ｎ型の電極層とし
てSiをドープしたGaAs層Ｌ３を形成するが、そ
の厚みを0.4μｍ程度にし、キヤリヤ数ｎを40×
10¹⁸cm^-3程度にする。ついで、電子および光の閉
じ込め層として、Siをドープしたｎ型AlGaAs層
Ｌ４を配置するが、そのAlの混晶比ｘを0.35程度
とし、また、厚みを1.0μｍ程度、キヤリヤ数ｎを
30×10¹⁷cm^-3程度とする。ついで、レーザ活性層
としてノンドープのGaAs層Ｌ５を形成するが、
その厚さを0.2μｍ程度とする。

ついで、後述するように、所要元素を放電ガス
中に含むガス放電装置を一体に構成した分子線エ
ピタキシヤル装置を用いてガス放電により生成し
たMg⁺イオンによりドープした電子および光の
閉じ込め層としてのｐ型AlGaAs層Ｌ６を被着す
るが、そのAlの混晶比ｘを0.35程度とし、厚さを
1.0μｍ程度とし、キヤリヤ数ｐを6.0×10¹⁷cm^-3程
度とする。ついで、上述と同様にしてMg⁺イオ
ン化ドープを施したｐ型電極層としてのGaAs層
Ｌ７を配置するが、その厚さを0.3μｍ程度とし、
キヤリヤ数ｐを8.0×10¹⁸cm^-3程度とする。つい
で、最終エピタキシヤル層として、上述したと同
様にしてAr⁺イオンのドープを施したｐ型AlAs
よりなる高抵抗層Ｌ８を配置する。なお、AlAs
はそれ自体で高抵抗であるが、ドープによりAr⁺
イオンを導入して材料中に多量の格子欠陥を形成
し、さらに高抵抗化したものであり、つぎに述べ
る電極ストライプを確実容易に構成し得るように
する。かかる最終エピタキシヤル層Ｌ８を後述す
るようにしてストライプ状にエツチングして除去
し、ｐ型電極層Ｌ７をストライプ状に露出させた
うえで、電極用導電材料としてCr−Au合金を用
いた電極Ｌ９を被着し、第４図に示した構成のス
トライプ型の半導体レーザ素子を完成する。した
がつて、本発明半導体レーザ素子のかかる構成
は、従来のストライプ型半導体レーザ素子に比し
て最終ストライプ状電極部の構成が遥かに簡単で
あり、製造工程についても本発明素子の方が簡略
化されている。

第５図にこの種半導体レーザ素子製造過程にお
ける最終電極部製作工程のみを対比して示すよう
に、従来構成の素子の製造工程においては、最終
エピタキシヤル層成長工程Ｓ−１に引続くストラ
イプパターニング工程Ｓ−２において誘電体絶縁
層にフオトレジスト法によりさらにストライプ状
パターンを形成した後に、工程Ｓ−３において、
第１図につき前述したような不純物拡散やイオン
注入等の本発明素子にはない構成要素製作を行な
い、しかる後に、電極形成工程Ｓ−４において電
極用導電層の蒸着を行なつているのに対し、本発
明による素子の製造工程においては、工程Ｓ−１
で最終エピタキシヤル層として形成したAr⁺イオ
ンドープのAlAs高抵抗層Ｌ８自体に、工程Ｓ−
２においてストライプ状のパターニングを施した
後に、直接に工程Ｓ−４に移行して電極を形成す
る。したがつて、かかる製造工程の簡略化に伴
い、本発明半導体レーザ素子は従来素子に比して
歩留りおよび再現性を格段に向上させることがで
きる。

なお、第４図示の構成における各ヘテロエピタ
キシヤル層Ｌ６，Ｌ７およびＬ８にそれぞれ
Mg⁺イオンおよびAr⁺イオンをドープして注入す
るエピタキシヤル層イオン化ドープを行なうに当
つては、イオン源としてMgのような固体をガス
放電によつてイオン化するとともに、その放電用
ガスとしてArを存在させ、AlGaAs層Ｌ６、
GaAs層Ｌ７のエピタキシヤル成長中にMg⁺イオ
ンによるｐ型不純物ドープを選択的に行ない、ま
た、AlAs層Ｌ８のエピタキシヤル成長中にAr⁺
イオンによるｐ型不純物ドープを選択的に行なう
ようにする。

すなわち、分子線エピタキシヤル装置とガス放
電装置とを一体に構成し、Mgを含む固体を電極
としてガス放電を行なつて生成させたMg⁺イオ
ンの存在する雰囲気中において分子線エピタキシ
ヤル成長を行なわせてMg⁺イオン化ドープをエ
ピタキシヤル成長層に施し、あるいは、その放電
ガス中にArを存在させて同様のAr⁺イオン化ド
ープをエピタキシヤル成長層に施せば、簡単に
Mg24からAr40への質量切換えが行なわれて容易
にAr⁺イオン化ドープをエピタキシヤル成長層に
施すことができ、エピタキシヤル層に対する
Mg、Arによる選択的イオン化ドープの製作工程
を著しく簡単化することができる。

また、第４図示の構成における最終エピタキシ
ヤル層Ｌ８に図示のような所望の幅Ｓのストライ
プ状窓を形成するに当つては、エピタキシヤル成
長させたAlAs層Ｌ８にフオトレジスト法により
ストライプ幅Ｓのストライプパターンを形成し、
AlAsに対して特に選択的に大きいエツチ効果を
呈する化学エツチ液、例えばNH₄OH−H₂O₂を
用いてエツチングを施せば、その化学エツチ効果
は、直下層としてのGaAs層Ｌ７のフロントで急
激に減少するので、AlAs層Ｌ８に簡単に窓が形
成されて、直下のｐ型電極層Ｌ７かストライプ状
に露出することになり、その露出部に接した電極
導電層Ｌ９を蒸着する工程が極めて簡単になる。

なお、前述したイオン化ドープの際のイオン生
成のために行なうガス放電に用いるエネルギーは
通例2.5KeV程度であるから、イオンの加速に伴
つてエピタキシヤル成長層が受ける放射損傷は無
視することができる。特に、本発明による半導体
レーザ素子製作過程の特徴とする一貫したエピタ
キシヤル成長過程における最終エピタキシヤル成
長層がAlAs高抵抗層Ｌ８であり、高抵抗の絶縁
性のみを必要とし、電気的または光学的機能は何
ら必要としないのであるから、上述した本発明に
よるストライプ状電極製作工程には何らの問題も
生じない。

以上に説明したように、本発明半導体レーザ素
子は、その層構成、したがつて、製造工程の簡単
化の点で有効であるが、その利点を活かした本発
明レーザ素子の他の構成例としては、つぎの２つ
がある。

(1) 最終エピタキシヤル層に施す電極ストライプ
形成のためのエツチングパターンを、第４図示
の単純なストライプ状とする代わりに、多フイ
ラメント化、シングルモード化、あるいは、リ
ングレーザ等を含めたストライプの円弧化を施
すことができる。そのパターニングの例を第６
図、第７図および第８図に示すが、そのいずれ
も第４図示の例と全く同様の工程により製造す
ることができる。

まず、第６図に示すパターニングの例におい
ては、エピタキシヤル結晶層の劈開面CSに直
交する方向に複数個のストライプ状フイラメン
トＦ１〜Ｆ４を等間隔に形成するとともに、各
フイラメントの相互間を橋絡する光導波路ａ〜
ｃを設けてある。かかる多フイラメント化の結
果、位相の揃つたいわゆるフエイズドアレイ型
レーザ素子が構成され、波長および位相がとも
に完全に揃つた大出力レーザを実現することが
できる。さらに、各フイラメントＦ１〜Ｆ４間
を橋絡する光導波路ａ〜ｃを省略するととも
に、各フイラメントＦ１〜Ｆ４内の光の場が相
互に作用する程度に相互の間隔を近づけると、
位相のみが揃つた大出力レーザあるいはアレイ
型レーザの製作が可能となる。

第７図に示すパターニングの例においては、
エピタキシヤル結晶層の劈開面CSにわずかに
斜交する方向にストライプ領域を形成して劈開
面CSに直交する方向のレーザ発振を行なわさ
せると、実効的に作用するストライプ領域の幅
が図示のように著しく狭小化されて、電流−光
出力特性の直線性が良好なシングルモード化さ
れたレーザ素子が得られる。

第８図に示すパターニングの例においては、
直線状のストライプ領域ST1と曲線状のストラ
イプ領域ST2とを連結させ、各ストライプ領域
により発生したレーザ光Lout１〜Lout３の相
互干渉により発振波長の温度変化による変動を
抑えて発振波長が安定した半導体レーザ素子を
製造することができる。

(2) 本発明半導体レーザ素子の他の変形構成例で
は、積層したエピタキシヤル層のうち、例えば
第４図示の構成におけるノンドープGaAs層Ｌ
５のような活性層の構成を量子井戸構造やグレ
ーデツド屈折率分布構造にして複雑化し、それ
ぞれ、良好な温度特性や低閾値電流密度の半導
体レーザ素子を製造し得るようにする。かかる
構造の活性層は従来慣用のエピタキシヤル成長
技術を駆使して、本発明による半導体レーザ素
子製造方法の特徴とする各１回ずつの一連のエ
ピタキシヤル成長過程、ストライプパターン化
過程および電極形成過程のうちで製造可能であ
り、本発明半導体レーザ素子の信頼性および再
現性を一層向上させることができる。その構成
例を第９図、第１０図および第１１図に示す。

まず、第９図では、第４図示の構成例におい
ては単一のノンドープGaAs活性層Ｌ５の上下
にそれぞれ単一のｎ型およびｐ型の光閉じ込め
層Ｌ４およびＬ６を設けたのに対して、
AlGaAs光閉じ込め層Ｌ１１とノンドープ
GaAs活性層Ｌ１２とを交互に例えば10層積層
して多層エピタキシヤル活性層による量子井戸
構造とする。かかる多層量子井戸構造における
エネルギーバンドギヤツプの交互変化の態様を
第１０図に示す。

第１１図は、単一もしくは上述の様に多層井
戸構造にしたGaAs活性層Ｌ１３の上下に設け
た光閉じ込め用AlGaAs層Ｌ１４，Ｌ１５のエ
ネルギーバンドギヤツプを、図示のように、活
性層Ｌ１３から距るに伴つて増大させたグレー
デツド屈折率分布構造にしたものである。

〔効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、多数のエピタキシヤル層の積層よりなるスト
ライプ型の半導体レーザ素子を、各１回ずつの一
連のエピタキシヤル成長過程、ストライプパター
ン化過程および電極形成過程のみよりなる単純な
製造工程により、エピタキシヤル層積層過程の途
中で外気に曝すことなく良質の半導体レーザ素子
が得られ、その構成、特に、最終電極部の構成、
したがつて、その製造工程が簡単化されるので、
従来に比して格段に優れた信頼性および再現性を
有するストライプ型の半導体レーザ素子を容易に
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ〜Ｅ、第２図Ａ〜Ｅ、第３図Ａ〜Ｅは
従来のストライプ型半導体レーザ素子のストライ
プ幅を変化させた場合の諸特性をそれぞれ示す線
図、第４図は本発明によるストライプ型の半導体
レーザ素子の構成例を示す断面図、第５図は同じ
くその本発明レーザ素子の製造過程の一部を従来
の製造過程と対比して示すフローチヤート、第６
図、第７図および第８図は同じくその本発明レー
ザ素子の他の構成例の一部をそれぞれ示す上面
図、第９図は本発明の他の構成例における活性層
の層構成を示す線図、第１０図および第１１図は
その活性層のエネルギーハンドギヤツプの分布図
である。 Ｌ１……ｎ−GaAs基板、Ｌ２……GaAsバツ
フア層、Ｌ３……ｎ−GaAs電極層、Ｌ４……ｎ
−AlGaAs閉じ込め層、Ｌ５……GaAs活性層、
Ｌ６……ｐ−AlGaAs閉じ込め層、Ｌ７……ｐ−
GaAs電極層、Ｌ８……ｐ−AlAs高抵抗層、Ｌ
９，Ｌ１０……電極層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体基板上に、活性層をはさんで閉じ込め
   層および電極層をエピタキシヤル成長層の形態で
   配置し、前記活性層にストライプ状に印加した電
   圧に応じてレーザ発光を行なう半導体レーザ素子
   において、前記基板とは反対側の前記閉じ込め層
   および前記電極層としてそれぞれMg⁺イオンで
   ドープされた半導体層を配設し、前記Mg⁺イオ
   ンでドープされた電極層上には当該電極層をスト
   ライプ状に露出させてAr⁺イオンをドープした
   AlAsからなる高抵抗のエピタキシヤル層を配置
   し、当該電極層およびそのストライプ状露出部分
   を覆つて電極を配置したことを特徴とする半導体
   レーザ素子。 ２ 半導体基板上に、第１電極層、第１閉じ込め
   層および活性層としての半導体層を順次にエピタ
   キシヤル成長させる工程と、該活性層上に第２閉
   じ込め層を成長させかつMg⁺イオンでドープす
   る工程と、該第２閉じ込め層上に第２電極層を成
   長させかつMg⁺イオンでドープする工程と、ガ
   ス放電により生成したAr⁺イオンの雰囲気中にお
   いてAlAsからなる高抵抗の最終半導体層を前記
   第２電極層上に分子線エピタキシヤル成長させる
   工程と、該最終半導体層にストライプ状にエツチ
   ングを施した上に電極層を被着する工程とを有す
   ることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方
   法。