JPH02109387A - 半導体レーザ素子及びその製造方法 - 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】 Ｃ産業上の利用分野） 本発明は、光デイスク用等として好適な低雑音高出力特
性を有する半導体レーザ素子およびその製造方法に関す
る。

〔従来の技術〕

従来、リッジ導波路構造を形成するにはエツチング液を
用いて光導波層をエツチング加工することを行っていた
が、光導波層の膜厚制御はエツチング液のエッチ速度を
考慮して時間を設定することにより実施していた。なお
、この例に関連するものとしては、例えば第３５回応用
物理学関係連合講演会予稿集３１ｐ−ＺＰ−１７（１９
８８年）ｐ９１２或いは電子情報通信学会技術研究報告
０ＱＥ８８−５（１９８８年）ｐｐ３３−３８等が挙げ
られる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、リッジ導波路構造を形成する際に　半
導体レーザの基本特性に大きく関与する光導波層の膜厚
に対する制御手段について配慮がト分ではなく、光導波
層膜厚がエツチング液の温度、組成１時間等の変化で大
きく左右されるという問題があった５ 本発明の目的は、光導波層の加工を単にエツチング時間
によって制御するのではなく、エツチング停止層を導入
して結晶成長法により所望の光導波層膜厚を実現する。

さらに、エツチング停止層を導入することにより）艶念
される半導体レーザ特性の劣化を防止する対策を施すこ
とにある。

〔ａ題を解決するための手段〕

Ｌ記目的の光導波層膜厚制御は、結晶成長において活性
層上部の光導波層の途中に所望の膜厚だけ光導波層を残
すように薄膜のエツチング停止層を挿入することにより
達成される。このエツチング停止層は光導波層に比ベエ
ッチング速度が極端に遅く、量子サイズ効果の生じる薄
膜でもＦ分エツチング停止ト層として機能するものを導
入する。

エツチング停止層は光導波層内において設けられている
のでそのバンドギャップのエネルギーが＼ レーザ光エネルギーよりも小さいと光吸収損失を生じた
りその屈折率が活性層よりも大きいとレーザ光が一部導
波され、レーザ光分布の対称性が悪くなったりすること
がある。このため、後の工程によってエツチング停止り
層と光導波層との間で組成の無秩序化を起こしてエツチ
グ停止Ｆ層のバンドギャップ及び屈折率を光導波層の性
質に近くなるようにして問題を解決する。

〔作用〕

リッジ導波路構造を形成する際の光導波Ｍ　Ｉｔ！Ｊ　
／ゾを制御する手段の作用とその手段を用いることによ
り及ぼされる半導体レーザ特性への悪影響を防ぐ対策と
を以下に説明する。

半導体基板上に半導体レーザ用に結晶成長された結晶層
において、活性層上部の光導波層に対してリッジ導波路
を形成するため、あらかじめ上部光導波層内においてリ
ッジ部以外に所望の膜厚だけ光導波層を残すように光導
波層とエツチング選択比の大きいエツチング停止層を導
入する。そしツチングによりエツチング停止層までエツ
チング加工すれば、所望のリッジ導波路構造を結晶成長
条件の精度で制御性良く作製することが可能となる。

エツチング停止層は活性層近くの光導波層内に設けられ
るため、光導波層と組成が異なるとレーザ光の吸収損失
や光導波分布の非対称性の原因となる。そこで、まずエ
ツチング停止層によるレーザ光の吸収損失を小さくする
ために以下のようにする。

エツチング停止Ｅ層を薄膜にして量子サイズ効果を利用
することにより、を子準位間のバンドギャップエネルギ
ーをレーザ光発振波長のエネルギーより太きして光吸収
損失を小さくする。

しかしながら、エツチング停止層を薄膜にするだけでは
光吸収損失は十分小さくならず、光導波層よりも屈折率
が高いとレーザ光がエツチング停止層に導波される恐れ
があるにれを防ぐため、後の工程によりエツチング停止
層と光導波層との間で組成の無秩序化を施す。

つまり、この手段の一つとして、第１図に示すように、
結晶成長段階でエツチング停止層７の上下あるいは少な
くとも片方に上部光導波層と同じ導電型で高濃度に不純
物をドーピングした結晶層６を設ける。そして、エツチ
ング停止層までケミカルエツチングした後、ｎ型Ｏａ　
Ａ　ｓブロン９層１０を選択再成長するが、この前に有
機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）において−担結晶成長温
度（６５０〜７００℃）より高い温度８００〜８５０℃
へ昇温させる。この熱処理工程を経ることによって、エ
ツチング停止層７の上下の高濃度不純物層６から不純物
が拡散することによって２図における斜線部領域で示す
ようにエツチング停止層６と上部光導波層との間で組成
の無秩序化を起こさせることができる。この結果、エツ
チング停止層の領域が光導波層の組成に近くなり、光吸
収損失や光導波非対称性を防ぐことができる。

また、別の手段として、第２図に示すようにエツチング
停止層まで光導波層をエツチング加工した後、ＭＯＣＶ
Ｄ法でｎ型Ｏａ　Ａ　ｓブロン９層１０を選択成長する
前に高濃度に不純物ドープしたＰ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　層
１４を選択成長する。この後、−担結晶成長温Ｍ、６５
０〜７００℃より高い温度８００〜８５０℃へ昇温させ
る。このとき、層１４より不純物が拡散して、エツチン
グ停止層と上部光導波層との間で組成の無秩序化を起こ
すことができる。

また、エツチング停止層に高濃度に不純物をドーピング
しておいて、後の熱処理工程により組成の無秩序化を生
起させてもよい。

上述の如く本発明では、従来に比べ作製プロセス工程を
増やすことなく、結晶成長炉における昇温工程を加える
だけで従来の欠点を解決することができる。

〔実施例〕

実施例１ 本発明における一実施例になるレーザ素子を第１図に示
す。

第１図において、まずｎ型ＧａＡｓ（００１）基板１（
厚さ１００μｍ）上に、ｎ型Ｏａ　Ａ　ｓバラフッ層２
　（厚さ０．５　μｍ、　　Ｉ　Ｘ　１０”（！＋１−
Ｉｌ）、ｎ型Ａ、　Ｑ　ｘＧ　ａ　１−ＸＡ　９クラッ
ド層３（ｘ＝０．４５゜厚さ１．０〜１．５μｍ、９Ｘ
１０１７Ｃ１ｍ−８）、アンドープＡ　Ｑ　ｙＧ　ａ　
！−ＦＡ、　ｓ活性層４　（ｙ＝ｏ、１４゜厚さ０．０
６−０．０８　ｐ　ｍ）、　ｐ型Ａ　Ｑ　ｒ　Ｇ　ａｘ
−ｘ　Ａ　ｓクラッドＷ５（ｘ、〜０．４５．厚さ０．
２〜０．３μｍ　、　６　Ｘ　１０Ｊ７ａｍ−３）　、
高濃度不純物ドープｐ型Ａ、　Ｑ　ｘ’　Ｇ　ａ　１−
ｘ’　Ａ　ｓクラッドＮＧ（ｘ’＝０．５．厚さ０．１
−０．２μｍ、５Ｘ１０’６−５ｘ　１０１９＞−’）
、　ｐ型Ａ、　Ｑ　ｚＧ　ａ　１．−ｚ／１９エツチン
グ停止層７（ｚ＝ｏ、厚さ３−１．０μｒｎ、ｌＸｌ０
Ｉ！■−８）、高濃度不純物ドープＰ型Ａ、　Ｑ　ｘ’
　Ｇ　ａｘ−ｘ’　Ａ　ｓクラッド層６　（ｘ’　〜０
．５．厚さ０．１〜０．２７’ｍｌ　５Ｘ１０１δ〜５
　Ｘ　１０１９ａｉ−Ｂ）　、　Ｐ型Ａ　ｎｘＧ　ａ　
１−、Ａ　ｓクラッドＪｆ４Ｂ（ｘ＝０．４５、厚さ０
．４〜０．６　ｐｍ、　６　Ｘ　１０１７ｅ１ｍ−”）
　、　ｐ型ＧａＡｓキャップ層９　（厚さＯｏ−２ｔｔ
、ｓＸｌ　０　”〜５　Ｘ　１０１９＞−８）を順次有
機金属気相成長（Ｍ、０ＣＶＤ）法により成長するにの
後、絶縁膜マスク（Ｓ　ｉ　０２厚さ０．２〜０．３μ
ｍ図示せず）をストライブ状に作製する。

最初、非選択性のエッチャント、例えばリン酸。

過酸化水素水、エチレングリコール混合溶液を用いて、
Ｐ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層９をケミカルエツチングした後、
選択性のエッチャントである０例えば塩酸と水の混合水
溶液を用いてエツチング停止層７までエツチング加工す
る。

次に、絶縁膜マスクを残したまま、再度ＭＯＣＶＤ成長
炉に試料を入れてｎ型ＧａＡｓブロック層１０を選択成
長するが、この前に成長炉において通常の成長温度６５
０〜７００℃より高い温度８００〜８５０℃まで昇温し
、アルシンＡ　ｓ　Ｈ５を流しながら１０〜３０分熱処
理を行った。このとき、エツチング停止層７と高濃度不
純物ドープ層６との間で組成の無秩序化が起こり（図中
斜線部類域）、エツチング停止層７の領域の組成は高く
なる。この後連続して成長温度６５０〜７００℃まで降
温して、前述のｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓブロック層１０（厚
さ０．６−０，９　）ｔｍ、３〜５　Ｘ　１０”次に、
−旦成長炉より試料をとり出して絶縁膜マスクを除去す
る。さらに、成長炉に試料を戻してｐ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ
キャップ層１１　（厚さ１．０〜１．５　μｍ、　２　
Ｘ　１０”〜Ｉ　Ｘ　Ｌ　Ｏ’９ｃｎ−３）を結晶成長
する６次いで、ｐ電極１２及びｎ電極１３を蒸着した後
、へき開スクライブして素子の形に切り出す。

本実施例において、基本横モードで安定なレーザ発振を
させるためには、ストライプ幅Ｓを３〜８μｍとするこ
とが望ましく、特に４〜６μｍが適切であった。

リッジ導波路構造のリッジ部以外の光導波層膜厚は、層
５と層６の膜厚の和ｄに結晶成長条件の精度でもって制
御性良く作製することができた。

この膜厚ｄが０．２〜０．３μｍのとき、レーザの縦モ
ードはシングルモードとなり、０．４〜０．６μｍのと
き縦多モードで自励発振した。閾値電流はｄが小さい時
の方が低く、０．２〜０．３ｐｍのとき３０〜４０　ｍ
　Ａ、０．４−０．６μｍのはｄが０　、２〜０　、３
　ｐ　ｍ　（７）とき４０〜５０　ｍ　Ｗ　テあり、ｄ
が０．４−０．６μｍのとき１０〜２０ｍＷであった。

膜厚ｄを制御することにより、光デイスク用の高出力特
性或いはビデオディスク用の低雑音特性を満足するレー
ザ素子を再現性良く作製することが可能であった。

実施例２ 本発明による他の実施例を第２図に示す０本レーザ素子
は実施例１と同様に作製するが、エツチング停止層７の
上下に高濃度不純物ドープ層を設けるのではなく、エツ
チング停ｄ：Ｍ’ｉまで上部光導波層をエツチング加工
した後ｎ型ＧａＡｓブロック層１０を選択成長する前に
高濃度に不純物をドーピングしたｐ型Ｇ　ａ　Ａ、　ｓ
層１４をまず選択成長する。

この後連続して通常の結晶成長温度６５０〜７００℃よ
り高い温度８００〜８５０℃に昇温しで１０〜３０分熱
処理を施すことにより、エツチング停止層と上部光導波
層との間で組成の無秩序化を起こさせる。（図中斜線部
類域）さらに、結晶成長温度６５０〜７００℃に降温し
てｎＪｊ：！ＧａＡｇブロック層１０を結晶する。この
後の工程は、実施例１と同様である。本実施例でも、実
施例１と同様性能を有する素子特性を得ることができた
。

実施例３ 本発明の他の実施例を第３図を用いて説明する。

実施例１と実施例２で導入した高濃度不純物ドープＭ６
および１４を５両方膜けることにより。

エツチング停止層と上部光導波層との間で組成の無秩序
化を十分に起こさせた。

本実施例でも、実施例１及び２と同様の素子特性を得る
ことができた。

実施例４ 本発明のさらに他の実施例を第４図を用いて説明する。

実施例１，２及び３と違って活性層４を多重敏子井戸構
造とする。素子の作製プロセスは実施例２または３と同
様であるが、熱処理工程を十分行って高濃度に不純物を
ドープした層６がら不純物をリッジ部以外は活性層４に
まで拡散して届くように処理する（図中斜線部類域）。

このようにすることによって、リッジ部以外に相当する
領域の活性層４ａは混晶化し、リッジ部に相当する領域
の活性層４ｂがいわゆる埋め込み構造となる。このため
１強いＡｌｌ折率導波構造となるので、縦モードはシン
グルモードとなる傾向が強かった。素子特性は、光導波
層の膜厚ｄに大きく依存せず、閾値電流が２０〜３０ｍ
Ａ、キング発生光出力６゜−７０ｍ　Ｗ、端面破壊レベ
ル１００〜ｌｌＯｍＷを得た。

〔発明の郊）果〕

本発明によれば、リッジ導波路構造を有する半導体レー
ザにおいて従来技術よりも光導波層の膜厚を所望の膜厚
に制御性かつ再現性良く作製できるので、目標とする半
導体レーザの特性を安定に得ることが可能であった。リ
ッジ部以外の光導波層膜厚を０．２〜０．３μｍに制御
したとき、閾値型’ｄ４３０−４０　ｍ　Ａ　、スロー
プ効率０．５〜０．６ｍ　Ｗ　／　ｍ　Ａでかつキング
発生光出力４０〜５０ｍＷの縦単一モード発振レーザ素
子を得た。これらの素子は、光デイスク記録消去用光源
として必要な高出力特性を満足する素子特性を有してい
た。

また、光導波層膜厚を０．４〜０．６μｍに制御したと
き１．閾値電流５０〜６０　ｒｎ　Ａ、スロープ効率０
．４〜０　、５　ｍ　Ｗ　／　ｍ　Ａでかつキング発生
光出力１０〜２０ｍＷの縦多モード自励発振レーザ素子
を得た。これらの素子は、ビデオディスク用光源として
必要な低雑音特性（相対雑音強度１０−１４〜１０−１
３Ｈｚ−１）を満足する素子特性を有していた。

本発明の方法によれば、従来技術に加えて熱処理工程を
増やすだけで、エツチング停止層によって、レーザ特性
に悪影響を与えることなく容易に上記の効果を得ること
ができる。

ここで１本発明では、ＡａＧａｐｓ系の材料を用いて説
明したが、　Ａｌ２ＧａＩｎＰ系あるいはＩ　ｎ　Ｇ　
ａ　Ａ　ｓ　Ｐ系の材料においても同様の効果が得られ
ることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明の実施例を示すレーザ素子の
縦断面図である。 １−　ｎ型ＧａＡｓ基板、２−ｎ型ＧａＡｓバッファ層
、３−　ｎ型Ａ　Ｑ　ｘＧ　ａ　ｔ−ｘＡ　ｓクラッド
層５４゜（４ａ、　４　ｂ）　＝・アンドープＡ　Ｑ　
ｙＧ　ａ　１−ｙＡ、　ｓ活性層、５・・・ｐ型Ａ　Ｑ
　ｗＧ　ａ　ｘ−ｘＡ、　ｓクララド層、６・高濃度り
型ＡＱｘＧａ＋−ｘＡｓクラッド層、７・・・Ｐ型Ａ　
Ｑ　ｚＧ　ａ　１−２Ａ　３工ツチング停止層、８・ｐ
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板上にバンドギャップの小さな半導体発光
   活性層とその上下バンドギャップの大きな半導体光導波
   層とを有し、該半導体発光活性層の上部に所定の間隔を
   おいて該上部光導波層内に所定の膜厚でもつて形成した
   該光導波層とはエッチング選択比を大きくとることがで
   きるエッチング停止層を有し、かつ該エッチング停止層
   の上下の該上部光導波層において所定の膜厚だけ高濃度
   に不純物をドーピングしておき、後の熱処理によつて該
   エッチング停止層と該上部光導波層との間で組成の無秩
   序化を起こさせた層を有してなることを特徴とする半導
   体レーザ素子。 ２、半導体基板上にバンドギャップの小さな半導体発光
   活性層とその上下にバンドギャップの大きな半導体光導
   波層とを設け、該半導体発光活性層の上部に所定の間隔
   をおいて該上部光導波層内に所定の膜厚でもつて該光導
   波層とはエッチング選択比を大きくとることができるエ
   ッチング停止層を形成し、かつ該エッチング停止層の上
   下の該上部光導波層において所定の膜厚だけ高濃度に不
   純物をドーピングしておき、後の熱処理によつて該エッ
   チング停止層と該上部光導波層との間で組成の無秩序化
   を起こさせる工程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。 ３、上記エッチング停止層まで光導波層をエッチング加
   工してリッジ導波路構造を作製した後、上部光導波層と
   同じ導電型の不純物を高濃度にドーピングした結晶層を
   成長し、後の熱処理工程により該エッチング停止層と該
   上部導波層との間で組成の無秩序化を起こさせる工程を
   有することを特徴とする請求項第２項記載の半導体レー
   ザ素子の製造方法。 ４、エッチング停止層を上部光導波層よりＡｌ組成の低
   いＡｌ＿ｘＧａ＿１＿−＿ｘＡｓ（０≦ｘ≦０．１）層
   として、膜厚を５〜２０ｎｍの範囲とすることを特徴と
   する請求項第１項記載の半導体レーザ素子。 ５、上記エッチング停止層の上下に設ける高濃度不純物
   ドープ層の不純物濃度を５×１０＾１＾８〜５×１０＾
   １＾９ｃｍ＾−＾３とすることを特徴とする請求項第１
   項もしくは第４項記載の半導体レーザ素子。 ６、上記エッチング停止層の上下に設ける高濃度不純物
   ドープ層の膜厚を０．０５〜０．２μｍの範囲とするこ
   とを特徴とする請求項第１項、第４項もしくは第５項記
   載の半導体レーザ素子。 ７、上記リツジ導波路構造を作製した後に結晶成長する
   高濃度不純物ドープ層の不純物濃度を、５×１０＾１＾
   ８〜５×１０＾１＾９ｃｍ＾−＾３の範囲に制御するこ
   とを特徴とする請求項第３項記載の半導体レーザ素子の
   製造方法。 ８、上記リツジ導波路構造を作製した後に結晶成長する
   高濃度不純物ドープ層の膜厚を０．０５〜０．３μｍと
   することを特徴とする請求項第３項もしくは第７項記載
   の半導体レーザ素子の製造方法。