JPH0279486A - 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） 本発明は半導体レーザ素子に関し、特に低い闇値電流に
より安定な基本横モードで発振し得る半導体レーザ素子
に関する。

（従来の技術） 低い闇値電流により発振される半導体レーザとして、埋
込み（Ｂｕｒｉｅｄ　Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
：ＢＨ）型半導体レーザが知られている。このＢＨ型半
導体レーザは、レーザ発振する活性層領域が、該活性層
領域よりも屈折率の低い結晶にて埋込まれており。

屈折率導波路型のレーザ発振動作を行い、閾値電流が２
０ｍＡ以下と非常に低い特性を有している。しかし、該
ＢＨ型半導体レーザは、ストライプ状の活性領域を埋込
む結晶を成長させる条件が不安定なことにより横モード
が不安定になるという欠点がある。また、該ＢＨ型半導
体レーザは、光ファイバー等の光学系に結合されると、
結合された光学系からの微弱な戻り光に対して敏感であ
るために。

大きな雑音が発生するおそれがある。このため。

該ＢＨ型半導体レーザは、低雑音性を要求されるコンパ
クトディスクや、該コンパクトディスクよりも一層の低
雑音性が要求されるビデオディスクの読み取り光源とし
て使用できないという欠点がある。このようなりＨ型半
導体レーザに対し、ストライプ状の屈折率導波路の両側
に光吸収領域を設けたν５１Ｓ（Ｖ−ｃｈａｎｎｅｌｅ
ｄ　５ｕｂｓｔｒａｔｅ　Ｉｎｎｅｒ　５ｔｒｉｐｅ）
型半導体レーザも提案されている（Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙ
ｓ、　Ｌｅｔｔ。

４０、ｐ、３７２．１９８２）　、該ＶＳＩＳ型半導体
レー”し’　ハ、例えば、第４図に示すように、　ｐ−
ＧａＡｓ基板４１上にｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層４２が積
層されている。該ｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層４２の中央部
には、底部がＧａＡｓ基板４１内に達する断面Ｖ型の溝
がストライブ状に形成されており、該溝内および該ｎ−
ＧａＡｓ電流狭窄層４２上には。

ｐ−ＧａＡｌＡｓクラッド層４３が設けられている。該
ＧａＡｌＡｓクラッド層４３の上面は平坦になっており
、該ＧａＡｌＡｓクラッド層４３上に、　ｐ−ＧａＡｌ
Ａｓ活性層４４＋　ｎ−ＧａＡｌＡｓクラッド層４５．
およびｎ−ＧａＡｓキャップ層４６が順次積層されてい
る。そして、　ｎ−ＧａＡｓキャップ層４６にｎ側電極
４７が配設され、　ｐ−ＧａＡｓ基板旧にｎ側電極４８
が配設されている。

（発明が解決しようとする課題） 該ｖｓｒｓ型半導体レーザは、　ＬＰＥ（液相エピタキ
シャル成長）法により、基板上に容易に結晶を成長させ
ることができるという利点を有している。また、　ＢＨ
型半導体レーザに比較して、闇値電流が４０ｍＡ程度と
高いものの、結合される光学系からの戻り光による雑音
が小さいために、コンパクトディスク用の光源として好
適に用いられる。

コンパクトディスク用光源よりも一層の低雑音性が要求
されるビデオディスク用光源として、該ＶＳＩＳ型半導
体レーザを用いる場合には、クラッド層と活性層の厚さ
を制御して、活性層内のキャリアと光の相互作用により
レーザ発振がパルス状に継続して起こる自動発振と呼ば
れる現象を生じさせて発振スペクトルの低２ヒーレント
化を図り。

光学系からの戻り光に対する感度を低下させて低雑音化
を図ることが行われる。しかし、　ｖｓｒｓ型半導体レ
ーザは１通常、液相エピタキシャル成長法により製作さ
れるため、クラッド層および活性層の厚さを均一に制御
することは容易ではない。液相エピタキシャル成長法で
は、成長される結晶層の厚さに±１０％程度の誤差が生
じることは避けられない。従って、　ＶＳＩＳ型半導体
レーザを液相エピタキシャル法により製造する場合には
、自動発振する素子の歩留りが悪くなる。

最近では、結晶層を略均−な厚さに成長させ得る方法と
して、　ＭＢＥ（分子線エピタキシ）法やＭＯＶＰＥ（
有機金属熱分解気相成長）法が開発されている。

しかし、このＭＢＥ法やＭＯＶＰＥ法では、結晶を積層
すべき表面上に結晶層が略均−な厚さに成長されるため
、　ｖｓｒｓ型半導体レーザのように、断面Ｖ字状の溝
が形成された電流狭窄層４２上に、該溝を埋込んでしか
も上面が平坦になるように結晶層を成長させることは困
難である。その結果、　　ＭＢＥ法やよりＭＯＶＰＥ法
では、　ＶＳＩＳ型半導体レーザを製造することはでき
ず、従ってＶＳＩＳ型半導体レーザのクラッド層および
活性層の厚さを制御して該ｖｓｒｓ型半導体レーザを自
動発振させることができない。

本発明は上記従来の問題を解決するものであり。

その目的は、低い閾値電流で、しかも安定な基本横モー
ドで発振し得て、さらには低雑音性でありビデオディス
ク用光源として好適に用いられる半導体レーザ素子を提
供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の半導体レーザ素子は、基板上に設けられ、活性
領域を有するストライプ状メサと、該メサの上に設けら
れ、該メサの幅寸法よりも小さい幅寸法を有するストラ
イプ状の電流注入層と、該電流注入層の両側方に、該電
流注入層の両側面を埋め込むべく設けられた。該活性領
域からの光を吸収する光吸収性及び電流阻止性を有する
埋め込み層と、を具備してなり、そのことにより上記目
的が達成される。

（実施例） 以下に本発明を実施例について説明する。

本発明の半導体レーザ素子は、第１図に示すように、中
央部にメサ状の突部がストライブ状に形成されたｎ−Ｇ
ａＡｓ基板１１を有する。該ｎ−ＧａＡｓ基板１１のス
トライブ状の突部上には、　ｎ−Ｇａ＋−、ＡＩ、Ａｓ
クラッドＪｉｉ１２．　Ｇａ＋−ｘＡＩＪｓ活性層１３
．　ｐ−Ｇａ、、ＡＩ、Ａｓクラッド層１４（ただしｙ
＞ｘ）が順次、メサ状に積層されている。該ｐ−Ｇａ、
ｙＡＩｙＡｓクラッド層１４の中央部には、ｐ−Ｇａ、
、ＡＩＪｓ電流注入層１５がストライブ状に積層されて
いる（ただしｚ＞ｙ）。ｍｌ）−Ｇａ＋−ｇＡ］ｇＡｓ
電流注入Ｎ１５の幅寸法Ｗは、　ｐ−Ｇａ、−、ＡＩ、
Ａｓクラット層１４の幅寸法Ｗよりも小さい。

ｎ−ＧａＡｓ１板１１の中央部のノサ状の突部を除く各
側部上には、該ｎ−ＧａＡｓ基板１１の突部、　ｎ−Ｇ
ａ、、ＡＩ。

Ａｓクラッド層１２．　Ｇａ’ＡＩＡＳ活性層１３．お
よびｐ−Ｇａ＋−ｙＡｌｙＡｓクラッド層の１４を埋込
むべくｐ−ＧａＡｌＡｓ高抵抗第１埋込み層１６が積層
されている。該ｐ−ＧａＡＩＡＳ高抵抗第１埋込み層１
６は各側部上面が側方になるに連れて緩やかに傾斜して
いる。そして、該ｐ−−ＧａＡＩＡｓ高抵抗第１埋込み
層１６上にはｐ−ＧａＡｓ第２埋込み層１７が積層され
ている。該ｐ−ＧａＡｓ第２埋込み層１７の上面は、　
ｐ−Ｇａ、、ＡＩ、Ａｓクラツド層１４上面と等しい高
さになっている。

ｐ−Ｇａ＋−、ＡＩ、Ａｓクラッド層１４上、　ｐ−Ｇ
ａＡｌＡｓ高抵抗第１埋込み層１６上、およびｐ−Ｇａ
Ａｓ第２埋込み層１７上には＋　ｐ−Ｇａ１−Ｊｌ、Ａ
ｓ電流注入層１５を埋込むように＋　ｎ”−ＧａＡｓ第
３埋込み層１８が積層されている。

該ｎ’−ＧａＡｓ第３埋込み層１８の上面は、平坦にな
っており、ｐ−Ｇａ＋−ｇＡＩＪｓ電流注入層１５の上
面より上方に位置している。該第３埋込み層１８は、活
性層１３にて発生する光を吸収し得ると共に、電流の通
電を阻止し得る。

該ｎ”−ＧａＡｓ第３埋込み層１８の上およびｐ−Ｇａ
１−ＪＩｚＡｓ電流注入層１５の上には、上面が平坦な
ρ−Ｇａｌ−ｋＡ１ｋＡｓ第４埋込み層１９が積層され
ており（ただしｋ＞ｚ）。

該９４ａＩ−＊　Ａ１１１Ａｓ第４埋込み層１９上にｐ
−ＧａＡｓコンタクト層１０が積層されている。

そして、該ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０にｐ側電極２
１が配設されており、前記ｎ−ＧａＡｓ基板１１に口側
電極２２が配設されている。

このような構成の本発明の半導体レーザは、電流注入層
１５が、ｐ−クラッド層１４の中央部に１第４埋込み層
１８にて埋込まれてストライプ状に自己整合的に形成さ
れているため、その幅Ｗは、非常に狭くなっている。し
かも該電流注入［１５は、活性ＩＷ１３に、叶クラッド
層１４のみを挟んで、設けらでいるために、電流の通電
を阻止する第４埋込み層１８にて挟まれた電流注入層１
５から注入される電流は該ｐ−クラッド層１４での横方
向への電流の広がりが小さく、＠値電流を低くすること
ができる。活性層１３で発生した光の一部は、該活性層
１３を挟む各クラッド層１２および１４へ漏出するが、
ｐ〜クラッド層１４は薄いために、電流注入層１５の各
側方では。

その漏出した光は、該ｐ−クラッド層１４に積層された
第３埋込み層１８にて吸収される。しかし＋ｐ４ａ＋−
２へ１．Ａｓ電流注入層１５のＡＩ組成比２は、　ｐ−
Ｇａ、−、ＡＩ、Ａｓクラッド層１４のＡＩ組成比ｙよ
り大きいために、該電流注入層１５では光は吸収されな
い。その結果、活性層１３内には、実効屈折率差により
先導波路が形成される。該先導波路は、電流注入層およ
び第３埋込み層１８にて形成されるため、活性層１３の
各側方の第１および第２埋込み層１６および１７は、先
導波路とは無関係である。各第１および第２埋込み層１
６およびＩ７は、活性層１３内のキャリアの拡散を防止
すると共に、該活性層１３の各側方への電流の通電を阻
止する。

このように９本発明の半導体レーザ素子は、闇値電流が
非常に小さく、シかも、光導波路の各側方に光吸収層を
有するため高出力まで安定した基本横モード発振する。

従って、コンパクトディスク用の光源として最適である
。

活性層内のキャリアと光の相互作用によりレーザ発振が
パスル状に継続して起こる自動発振は実効屈折率が小さ
く、また発振スポット幅が大ぎく。

さらには電流注入幅が該発振スポット幅より小さい場合
に起こる。本発明の半導体レーザ素子では活性層１３と
ｐ−クラッド層１４を適当に厚くすることにより実効屈
折率を小さくシ、電流注入層１５の幅（電流注入幅）Ｗ
を出来るだけ小さくすることにより自動発振を起こし得
る。半導体レーザ素子が自助発振すれば、縦モードがマ
ルチ化すると共に。

スブクトル幅が拡大するため１発振されるレーザ光のコ
ヒーレント長が短くなり、従って、結合される光学系か
らの戻り光に対しての感度が低下して低雑音化が図れる
。本発明の半導体レーザ素子における活性層１３および
クラッド層１４はＭＢＥ法またはＭＯＶＰＥ法を利用す
ることにより、はぼ均一な厚さに成長させることができ
る。

次に９本発明の半導体レーザ素子の具体的な製造方法に
ついて説明する。第２図（ａ）に示すように１例えば、
直径２インチのｎ−ＧａＡｓ基板３１上に。

ＭＢＥ法により、ｌｕｍの厚さのｎ−Ｇａｏ、　５ＳＡ
Ｉ０．４ＳＡＳクラ・ンド層３２．０．１１μｍの厚さ
のＧａｏ、ｅｔ八へ０１３八Ｓ活性層３３．０．２３μ
ｍの厚さのｐ−Ｇａｏ、　５ｓＡｌｏ、　ａｓ八へクラ
ッド層３４．厚さ０．１５ａｍのＧａｏ、　４Ａ１６．
６ＡＳ電流注入層３５を、順次、成長させた。各層の厚
さは、設定値に対して±２χの範囲内に入っており、均
一性は良好であった。

次に、電流注入層３５の上面全面にレジスト（Ａｚ−１
３５０）　２３を塗布して、ホトリソグラフィにより。

中央部に１０μｍ幅のストライプ領域が残るように硫酸
系エツチング液により基板に達するまで、電流注入層３
５．クラッド層３４．活性層３３およびクラッド層３２
をエツチング除去し、第２図（ｂ）に示ように、基板３
１の中央部にメサ状の突部およびメサ状の各半導体積層
構造を形成した。

次に、得られた積層構造体をフッ酸に浸し、　Ａ１組成
化が０．６と大きいＧａｏ、４Ａ１０．　ｌ、Ａｓ電流
注入層３５のみを両側面からエツチングし、第２図（Ｃ
）に示すように、そのストライプ幅を２μｍとした。

その後にレジスト２３を除去し、　ＬＰＥ法により、第
２図（ｄ）に示すように＋　１）−Ｇａ０．４ＡＩ０．
６ＡＳ高抵抗第１埋込み層３６をｐ−Ｇａｏ、　５ＳＡ
Ｉ０．４ＳＡＳクラッド層３４上面に達するように成長
させ、該高抵抗第１埋込み層３６上にｐ−ＧａＡｓ第２
埋込み層３７およびｎ”−ＧａＡｓ第３埋込み層３８を
、同様にＬＰＥ法により順次成長させた。このとき、第
２埋込み層３７は、　ｐ−Ｇａｏ、５ｓＡｌ・０．５Ａ
ｓクラッド層３４上面には成長されず、第３埋込み層３
８のみが該クラッド層３４上に成長された。

しかし、該ｐ−Ｇａ６．５ｓＡｌｏ、　ａｓＡｓクラッ
ド層３４上のＧａｏ、　４Ａ、、　、Ａｓ電流注入層３
５は、　ＡｉＭｉ成化が該クラッド層３４よりも大きい
ために、該電流注入層３５上には。

第３埋込み層３８は成長されず、該第３埋込み層３８は
０．５μｍ程度まで十分に厚く成長させることができた
。

その後、該第３埋込み層３８上および電流注入層３５上
に＋　ｐ−Ｇａ５．３Ａ１０．　＝Ａｓ第４埋込み層３
９を１、ＰＥ法により成長させた。該第４埋込み層３９
はＧａｏ、　４Ａｌ。、６Ａｓ電流注入層３５よりもＡ
１組成化が十分に大きいために、成長時間を十分に長（
すれば、該第４埋込み層３９は電流注入層３５上にも成
長させることができる。これは、　ＬＰＥ法では、　Ｇ
ａ溶液中に含まれる反応性の強いＡＩが、下地のＧａＡ
ｌＡｓ表面に形成されている酸化膜を侵触する結果、　
Ｇａ熔液と下地ＧａＡ１．Ａｓとの濡れが良好になるた
めと考えられる。

このようにして、第４埋込み層３９を第３埋込み層３９
上面および電流注入層３５上にｐ−ＧａＡｓコンタクト
層３０を厚さ５μｍ程度の厚さに成長させた。

次に、基板３１の裏面を研磨して全体の厚さを１５０μ
ｍ程度とした後に、　ｐ−ＧａＡｓコンタクト層３０に
＾ｕ−Ｚｎのｐ側電極を、ま−た基板３１裏面にＡｕ−
Ｇｅのｎ側電極を設けた。そして、へき開により、共拡
器長が２５０μｍとなるように、レーザ共振面を形成し
た。

得られた半導体レーザは、闇値電流２０ｍＡで波長７８
０ｎｍのレーザ発振が得られた。そのときの発振スペク
トルを第３図に示す。第３図より明らかにかなように、
自助発振により縦モードがマルチ化しており、戻り光に
よる雑音は著しく減少する。

このような特性の該半導体レーザは９０％の歩留りで製
造することができる。

なお、上記実施例では、ダブルへテロ構造の半導体レー
ザ素子について説明したが１量子井戸構造の半導体レー
ザであっても本発明は適用できる。

先導波路の各側方に光吸収領域を有する本発明の量子井
戸型半導体レーザも、略均−な厚さに結晶を成長し得る
ＭＢＥ法と埋込み成長可能なＬＰＥ法とを用いることに
より、容易に製造し得る。

また、上記実施例の各半導体層の各導電型が全て逆にな
っていてもよい。

（発明の効果） 本発明の半導体レーザ素子は、このように、ダフルへテ
ロ構造または量子井戸構造上に、その幅より狭い幅のス
トライプ状の電流注入層が光吸収性および電流阻止性の
埋込み層にて挟まれて設けられているため、闇値電流が
非常に小さく、高出力まで安定な基本横モードにて発振
し得、さらには低雑音性である。その結果、コンパクト
ディスク、ビデオディスクの読取り用光源として好適に
用いることができる。また９本発明の半導体レーザ素子
は、成長結晶層の厚さ制御性に優れたＭＢＥ法またはＭ
ＯＶＰＥ法と埋込み成長可能なＬＰＥ法とを組合わせる
ことにより容易に製造することができ。

歩留りが著しく向上する。

４　パ　の　　な皆゛日 第１図は本発明の半導体レーザ素子の一例を示す断面図
、第２図（ａ）〜（ｄ）はそれぞれその製造工程を示す
断面図、第３図はその発振スペクトルを示すグラフ、第
４図は従来のｖｓｒｓ型半導体レーザ素子の断面図であ
る。

１Ｏ−ｐ−ＧａＡｓコンタクト層、　１１・・・ｎ−Ｇ
ａＡｓ基板、１２゜１４・＝ｎ−Ｇａ、−，ＡＩ、　Ａ
ｓクラッド層、　１３・・・Ｇａ、−、Ａ１．Ａｓ活性
層＋　１５−ｐ−Ｇａ＋−、Ａ１．Ａｓ電流注入層、　
＋６”’ｐ−ＧａＡ　ＩＡｓ高抵抗第１埋込み層、　１
７−・−ｐ−ＧａＡｓ第２埋込み層、　１８−ｎ”−Ｇ
ａＡｓ第３埋込み層、　１９”’ｐ−Ｇａ＋−ｋＡＩＩ
Ａｓ第４埋込み層。

以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上に設けられ、活性領域を有するストライプ状
   メサと、 該メサの上に設けられ、該メサの幅寸法よりも小さい幅
   寸法を有するストライプ状の電流注入層と、 該電流注入層の両側方に、該電流注入層の両側面を埋め
   込むべく設けられた、該活性領域からの光を吸収する光
   吸収性及び電流阻止性を有する埋め込み層と、 を具備する半導体レーザ素子。