JPH0265285A - 半導体レーザ - 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） 本発明は高出力を必要とされる工業用および医療用半導
体レーザに関する。

（従来の技術） 半導体レーザは高効率かつ小型・軽量のため利用分野が
急激に広がっている。レーザメスや工業加工用の半導体
レーザでは１００ｍＷ以上の光出力が望まれている。波
長８００ｎｍ帯で用いられる通常のＡｌＧａＡｓレーサ
ではレーザ光出力は、端面破壊レベルで制限されている
。この端面破壊レベルを向上させるためにこれまで多く
のレーザ構造が提案されてきたが、未だ実用レベルには
達していない。その原因は構造かあまりに複雑で信頼性
および生産性に乏しいからである。その中で構造が比較
的簡単でかつ高出力動作可能な半導体レーザとしてウィ
ンドウストライプレーザ（ＩＥＥＥ、ジャーナル　オブ
　カンタムエレクトロニクス誌、第ＱＥ−１５巻、８号
、８月、１９７９年、７７５７８１頁）かある。以下ウ
インドウストライプレ−ザ（以降ＷＳ−ＬＤと略記する
）について簡単に説明する。

第３図はＷＳ−ＬＤを光の進行方向に垂直な面で切断し
た断面図である。その構造は（１００）面を有するｎ型
ＧａＡｓ基板１上にずべてのｎ型のＡ　］　ｏ３Ｇ　ａ
　Ｏ，７Ａ　Ｓ第１クラッド層く厚さ２、Ｏｕｍ）２、
Ａ　Ｉ　０．０６Ｇ　ａ　（１，９４Ａ　Ｓ活性層（厚
さ０．２ｕｍ）３、Ａ　ｌ　ｏ３Ｇ　ａ　ｏ、　７　Ａ
　Ｓ第２クラッド層（厚さ１．５ｕｍ）４およびｎ型Ｇ
ａＡｓ層（厚さ０．５μ目、後に除去するのて図では表
していない）を液相エピタキシャル成長法で成長する。

この時、Ａ　Ｉ　０．０６Ｇ　ａ　０．９４Ａ　Ｓ活性
層３のキャリア濃度は〜２ｘｌＯ】８ｃｍ−３である必
要がある。この結晶の表面に＜０１１　＞方向に沿って
、幅２μｍ、長さ２５０ＩＪｍの開口部を持つ窓状のＳ
ｉＯ２膜のマスクを形成し、５ｘ１０”ｃｍ’の拡散フ
ロントかＡ１．、．６Ｇａｏ９４ＡＳ活性層３下端に達
するまで亜鉛拡散（その拡散フロン１〜を破線で第１拡
散フロント２１として示した）を行う。このあとＳ　ｉ
　Ｏ２マスクおよびＧａＡｓ層を除去し、再ひＳｉＯ□
膜２６全２６ッタし一オーミックコンタクト用の亜鉛拡
散（その拡散フロントを第２拡散フロント２２として破
線で示した）を行い、結晶表面に正電極２３、裏面に負
電極２４を蒸着で形成する。最後にウィンドウ外部の近
傍をへき開し、（０１１）面を共振器とすることでＷ　
Ｓ　−Ｌ　Ｄは完成する。

この結果、Ａ　Ｉ　０．０６Ｇ　ａ　０．９４Ａ　Ｓ活
性層３中には電子濃度２ｘ１０１８ｃｍ’、ホール濃度
３ｘｌＯ’８Ｃｍ　’の高濃度のｐｎ接合が形成される
。

ＡｌＧａＡｓは１ｘ１０１８ｃｍ４以上にドーピングす
ると光学的特性が大きく変化する。ずなわち、ｎ型Ｇａ
Ａｓでは、実効的な禁止帯幅はバンド端で決まる禁止帯
幅よりも大きくなり、ｐ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓでは不純物準
位が実効的な禁止帯幅を小さくしている。また、屈折率
はアンドープのＧａＡｓに比べ共に減少するかその大き
さはｐ型の方が大きい。このことはｎ領域に比べｎ領域
では、屈折率が小さくなるとともに、バンドギャップは
大きくなることを意味する。

第４図は、ＷＳ−ＬＤを共振器軸方向に垂直な面で切断
して示す断面図であり、併せて実効的な禁止帯幅を模式
的に示す図である。発振軸方向については共振器近傍の
ｎ領域か活性領域３１の発振光に対して透明領域３２に
なるから、端面破壊レベルが飛躍的に向上する。また層
厚に平行な横方向では、屈折率差によって幅２μｍの活
性領域であるｎ領域２５に発振光が導波される。このよ
うにＷＳＬＤはプレーナ構造でありながら安定な基本横
モード発振が可能で同時に端面破壊レベルがきわめて高
いという特徴がある。

（発明が解決しようとする課題） しかしながらＷＳ−ＬＤにはいくつかの問題点がありそ
れかこれまで実用化を阻んで来た。その第１は端面破壊
レベルの向上と横モードの安定化を独立に設定すること
ができないことである。第２に導波路形状を拡散で制御
しているから、拡散のばらつきがそのまま特性のばらつ
きにつながるということである。ＷＳ−ＬＤの場合、ク
ラッド層に拡散か広がるから、活性層に幅３ＩＩｍの導
波路を形成するためには結晶表面の拡散マスクの幅は１
．５ｕｍ以下でなければならない、このことは精密なパ
ターニング技術が要求されるとともに拡散不均一の原因
になっている。第３の問題点として、横モードの安定性
か悪いことが挙げられる。ＷＳＬＤでは活性領域とその
外部との実効的な屈折率差は高々１ｘ１０−３であり、
かつキャリア密度によって値が変化するから、高出力動
作では横モードが不安定になる。第４に、出射光の非点
隔差か大きいということである。ＷＳ−ＬＤでは出射端
面近傍では横方向の導波機構がな１、いから、２０ＩＩ
ｍ程度の非点隔差は避けられない。このように、従来の
半導体レーザには解決ずべき課題があった。

そこで、本発明の目的は、光出力１００ｍＷ以上で、非
点隔差が小さく、横モード安定性に優れ、再現性がよく
、安価に製造できる半導体レーザを提供することである
。

（課題を解決するための手段） 本発明は、第１導電型の化合物半導体基板上に第１導電
型のクラッド層、第１導電型の活性層、第１導電型の第
２クラッド層および第２導電型のキャップ層を積層した
半導体レーザ結晶において、結晶表面に第１結晶方位に
沿って形成したストライプ状の誘電体をマスクとして、
該結晶表面がら第２導電型の不純物を前記活性層に達す
るまて注入することにより該活性層の導電型が反転して
あり、第２結晶方位に沿って、深さが前記第２クラッド
層に達するストライプ状のメサが形成してあり、前記活
性層よりも禁止帯幅が小さい第２導電型の光吸収層で該
メサの両脇が埋め込んであることを特徴とする半導体レ
ーザである。

（作用） 本発明の主眼は端面破壊レベルの向上と横モード安定化
を独立に制御することにある。そこで、本発明ては、端
面破壊レベルの向上は、共振器軸方向にドーピング差を
つけて端面付近に発振光に対して透明な領域を形成する
ことによって達成し、横モード安定化は屈折率導波路を
つくり付けることによって達成している。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例を示す斜視図であり、第２図
は第１図のＡ−Ａ′矢視断面図である。なお、第１図に
おけるＡ−Ａ’線およびＢ−Ｂ’線は同図のウェハの上
面に接触しているものとする。

以下に第１図実施例の製作方法について説明する。

まず（１００）面を有するｎ型ＧａＡｓ基板１にｎ型Ａ
　］　ｏ３Ｇ　ａ　０．７　Ａ　ｓ第１クラッド層（厚
さ１．５μｍ）２、ｎ型Ａ　Ｉ　０．０６Ｇ　ａ　０．
９４Ａ　Ｓ活性層（Ｈさ０．１膜ｍ）３、ｎ型Ａ　ｌ　
ｏ、　ｓＧ　ａ　０．７Ａ　Ｓ第２クラッド層（厚さ１
．５膜ｍ）４、ｎ型ＧａＡｓキャップ層（厚さ０．５μ
ｍ＞５を有機金属熱分解気相成長法（以下ＭＯＶＰＥ法
と略記する）により結晶成長する。各層のドーピングは
、活性層およびキャップ層のＳｉ濃度が２ｘ１０１８ｃ
ｍ’、それ以外の層のＳｉ濃度が１ｘｌＯ”ｃｍ−３で
ある。

そして、この結晶の表面にたとえば＜０１１　＞方向に
沿って幅３００　ＩＪｍの開口部をもつストライプ状の
Ｓ　ｉ　Ｏ２マスクを形成し、Ｚｎ濃度５　ｘ　１０１
８ｃｍ−３の拡散フロントが活性層３の下端に達するま
で亜鉛拡散を行う。その際の条件は、まずＺｎＡＳ２を
拡散源として拡散温度６１３°Ｃで１時間１０分間封管
拡散する。この時点で拡散フロントは第２クラッド層６
中の深さ０．７１１ｍの位置に達し、その濃度はほぼ１
ｘ１０１９ｃｍ’である。このあと表面全体をＳ　ｉ　
Ｏ２膜で覆い、拡散温度７００°Ｃで１時間封管拡散す
る。この拡散処理により、拡散フロントは活性層に達す
ると共にそのＺｎ濃度は５　ｘ　１０１８ｃ　ｍ　’と
なる。従って活性層中には共振器方向に電子濃度３　ｘ
　１０１８ｃ　ｍ−３およびホール濃度２ｘ１０１８ｃ
ｍ’のｐｎ接合が形成される。

次にＳｉＯ，拡散膜を除去した後、新たにＳｉｏ２膜を
表面に蒸着し、く０１丁〉方向に幅５μｍのストライプ
状のパターンを形成する。この５ｉＯ２１１Ｇｉをエッ
ヂングマスクとして、深さが活性層の上方０．５μｍに
達するまでエツチングする。

この結果、メサ幅３μｍ、深さ１．５μｍのストライプ
状のメサか形成される。引続き、Ｓ　ｉ　Ｏ２マスクを
残したまま、ＭＯＶＰＥ法で前記エツチングで取り去っ
た部分にＧａＡｓ光吸収層６をＭＯＶＰＥ法で埋め込み
成長を行う。このときＳｉＯ□膜は選択成長マスクとし
て機能し、メサ上部は成長しない。この後、ＳｉＯ２膜
を除去したあと、三たびＭＯＶＰＥ法によりｐ型ＧａＡ
ｓコンタクト層７を成長する。この行程は全面に亜鉛拡
散を行うことで代用してもよい。結晶表面に正電極、裏
面に負電極を形成し、最後に＜０１１＞方向に沿って前
記非拡散領域３３に共振器をへき開で形成することによ
り本発明の半導体レーザは完成する。

（発明の効果） 本発明の効果は、まず１００ｍＷ以上の高出力動作、生
産性および信頼性に優れた半導体レーザを提供できるこ
とである。第４図は第１図におけるＢ−Ｂ’　を通り基
板１に垂直な面において矢印方向に見た断面図である。

活性領域とウィンドウ領域とでは約５０ｍ　ｅ　Ｖのエ
ネルギー差かあるから最大出力は端面破壊レベルよりも
熱的飽和で決定され、１００ｍＷ以上の連続発振が可能
である。また横方向には損失導波型の導波を形成してい
るから１００ｍＷ以上にわたって安定な横モード動作が
可能であると共に、共振器端面にまで導波路が形成され
ているから非点隔差を３ｕｍ以下にすることか可能であ
る。さらに本発明の製作における拡散工程は、はとんど
全面拡散に近いから、亜鉛拡散が均一に進行する。した
がって、本発明の構造の半導体レーザはきわめて特性を
揃えて製造できる。

この点も本発明の大きな利点である。

Ａｓコンタクト層、２１・・・第１拡散フロント−２２
・・・第２拡散フロント、２３・・・正電極、２４・・
・負電極、２５・・Ｐ領域、２６・・・ＳｉＯ２膜、３
１・・・活性領域、３２・・・透明領域、３３・・・非
亜鉛拡散領域、３４・・・亜鉛拡散領域。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の斜視図、第２図は第１図実
施例のＡ−Ａ’線矢視断面図である。第３図は第２図に
相当する従来の半導体レーザの断面図である。また第４
図は第１図実施例と従来例に共通な共振器方向の断面（
第１図のＢ−Ｂ′における断面）および実効的な禁止帯
幅分布を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１導電型の化合物半導体基板上に第１導電型のクラッ
   ド層、第１導電型の活性層、第１導電型の第２クラッド
   層および第２導電型のキャップ層を積層した半導体レー
   ザ結晶において、結晶表面に第１結晶方位に沿って形成
   したストライプ状の誘電体をマスクとして、該結晶表面
   から第２導電型の不純物を前記活性層に達するまで注入
   することにより該活性層の導電型が反転してあり、第２
   結晶方位に沿って、深さが前記第２クラッド層に達する
   ストライプ状のメサが形成してあり、前記活性層よりも
   禁止帯幅が小さい第２導電型の光吸収層で該メサの両脇
   が埋め込んであることを特徴とする半導体レーザ。