JPH0294588A - 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） この発明は、高出力動作し然も高速変調が可能な半導体
レーザに関するものである。

（従来の技術） 半導体レーザの主用途の一つに光通信用の光源がある。

そしてこの光通信においては、少ない中継基地による長
距離伝送、高速変調による大容量伝送が目標であり、こ
のため高出力動作し然も高速変調が可能な半導体レーザ
が望まれている。ここで高出力動作が可能な半導体レー
ザとしては、例えばこの出願人に係る文献（アプライド
・フィジックス・レターズ（静ｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）的［３］　（１９８４）ｐ、２
１３２〜２８３）に開示されているものがあった。

第４図は、この文献に開示されている半導体レーザの構
造を概略的に示した断面図である。なお図面が複雑化す
ることを回避するため、断面を示すハツチングは一部省
略して示している。この半導体レーザは、ｐ型ＩｎＰ　
（１００）基板１１上にｐ型ＩｎＰ第一電流ブロック層
１３、ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層１５及びｐ型ＩｎＰ第
二電流ブロック層１７がこの順で設けられていると共に
、このｐ型ＩｎＰ第二電流ブロック層１７表面からｐ型
ＩｎＰ第一電流ブロック層１３に至るストライプ方向が
［０１１］でこのストライプ方向と直交する方向にとっ
た断面が７字の溝１９か設けられている。ここで溝１９
の幅Ｗ、（ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層１５の表面の位置
での幅）は、横モードを制御するため１．５ｕｍ以下の
適正な値にされでいる。またざらにこの半導体レーザは
、溝１９上及びｐ型ＩｎＰ第二電流ブロック層１７上に
ｐ型ＩｎＰクラッド層２１、ＧａＩｎＡｓＰ活性層２３
及びｎ型ＩｎＰクラッド層２５がこの順で設けられてい
る。そしてＧａＩｎＡｓＰ活性層２３は溝１９内におい
てその断面形状が三日月型とされている。

この半導体レーザにおいでは、基板１１下側に設けられ
たｎ側電極（図示せず）と、ｎ型ＩｎＰクラッド層２５
上側に設けられたｎ側電極（図示せず）との間（こ電流
が注入されると、溝１９の両側に在るｎ型ＩｎＰ電流ブ
ロック層１５及びｐ型ＴｎＰ第二電流ブロック層１７の
間が逆バイアスとなるため電流は溝１９に集中的に流れ
る。従って、ＧａＩｎＡｓＰ活牲層２３の三日月部分に
全ての電流が効率的に流れるようになるため、室温にお
いて６５ｍＷという最大出力が得られかつ低閾値での発
振が可能であった。

また第４図に示した半導体レーザは以下に説明するよう
な方法で形成されていた。第５図（Ａ）〜（Ｃ）はその
説明に供する製造工程図であり、製造工程中の主な工程
における素子の様子を斜視図を以って示した図である。

先ず、液相成長法（ＬＰＥ法）により、ｐ型ＩｎＰ（＋
００）基板１１上にｐ型ＩｎＰ第一電流ブロック層１３
、ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層１５及びｐ型ＩｎＰ第二電
流ブロック層１７ヲこの順に成長させる。なお各層の層
厚は、ｐ型ＩｎＰ第一電流プロ・νり層１３力λ０．５
　ｕｍ、ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層１５が０．５〜１、
Ｏｕｍ、　ｐ型ＩｎＰ第二電流ブロック層１７が１．０
ｑｍとされている（第５図（Ａ））。

次に、通常のフォトリソエツチング技術を用し）ｐ型Ｉ
ｎＰ第二電流ブロック層１７上に、この層を［０１１］
方向でストライプ状に露出する窓を有するマスク２７が
形成される（第５図（Ｂ））。次いで、ｐ型ＩｎＰ第二
電流ブロック層１７のマスク２７から露出している部分
がｐ型ＩｎＰ第一電流ブロック層１５に至るまでエツチ
ングされる。この溝１９の形成に当たりエツチング液に
塩酸（ＨＣσ）とリン酸（Ｈ２ＰＯ４）との混合液を用
いると断面が７字状の溝１９が得られる（第５図（Ｃ）
　）。

次に、マスク２７が除去され、その後、溝１９上及びｐ
型ＩｎＰ第二電流ブロック層１７上に、ＬＰＥ法を用い
、ｐ型ＩｎＰクラッド層２１、Ｇａ１ｎＡｓＰ活性層２
３及びｎ型ＩｎＰクラッド層２５ヲこの順に成長させる
。ここで溝１９の側面は（ＩＩＩ）８面となっているの
で、ＧａＩｎＡｓＰ活性層２３は溝１９内において三日
月状の断面を有する層に成長する。なお横モードを制御
するため、ＧａＩｎＡｓＰ活性層２３の三日月状部分の
幅は約１．５μｍ以下の好適な値に、三日月部分の中心
部の厚さはＯ，１５ｕｍ以下の好適な値にされる。この
ようにして第４図に示す半導体レーザが得られる。

また、第４図に示した半導体レーザでより一層の高出力
化を図るため、共振器長と共振器端面反射率とに着目し
た研究がこの出願に係る出願人によりなされておりこれ
について例えば文献（電子通信学会技術研究報告００Ｅ
８６−３２　（１９８６）　ｐ、２５〜２９）に開示さ
れている。この文献によれば、半導体レーザの基本構造
は第４図に示した構造とし、共振器長を適正な値にしか
つ共振器の出射側の端面に低反射率の膜を設けることに
より高出力化が図れたとある。

一方、第４図に示すような構造の半導体レーザを高速変
調をも可能なものとするためには浮遊容量を小ざくする
必要がある。その場合、この半導体レーザにおいてはｎ
型ＩｎＰ電流ブロック層１５及びｐ型ＩｎＰ第二電流ブ
ロック層１７の逆バイアス構造部分で浮遊容量が生じる
ことから、上述の各文献には記載されていないが、浮遊
容量低減のため第６図に示すようにＶ溝１９の両側の各
電流プロ・ｙり層にｎ型ＩｎＰクラッド層２５表面から
ｐ型ＩｎＰ第−電流ブロック層１３に至る深さの溝（図
中３１．３３で示しである。）を形成することが一般に
行われていた。なおこれら２つの溝３１．３３の間ｗＡ
ｗ２は出来るだけ狭いほうが良く、通常は製作上の制約
から１０〜２０ｕｍ程度とされる。またこれら溝３１゜
３３内、及び、ｎ型ＩｎＰクラッド層２５の活性層２３
の三日月状部分に対応する部分以外の部分上には、絶縁
膜としての誘電体膜（例えばＳｉＯ２膜）３５が設けら
れていた。さらに、ｐ型ＩｎＰ基板１１下側にはｎ側電
極３７が、ｎ型ＩｎＰクラッド層２５上側にはｎ側電極
３９がそれぞれ設けられていた。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、第６図を用いて説明したような従来の半
導体レーザでは、Ｖ溝１９と、溝３１．３３との間に電
流ブロックのための逆バイアスのｐ−ｎ構造部分がいず
れにしろ残存するため、これに起因する浮遊容量は生じ
てしまい、従って、高速変調動作特性を悪化させる原因
になるという問題点があった。

ざらに、溝３１．３３及び誘電体膜３５を設けるために
製造工程が長くかつ複雑になるという問題点があった。

この発明はこのような点に鑑みなされたものであり、従
ってこの発明の目的は上述の問題点を解決し、高出力で
かつ高速変調動作が可能で然も従来に比し簡易な構造の
半導体レーザを提供することにある。

（課題を解決するための手段） この目的の達成を図るため、この発明の半導体レーザに
よれば、ｐ型ＩｎＰ　（１００）基板と、この基板上に
設けられたＦｅドープ半絶縁牲ＩｎＰ層と、この半絶縁
性ＩｎＰ層表面から前述の基板に至るストライプ方向が
［０１１］でこのストライプ方向と直交する方向にとっ
た断面がＶ字のストライプ状の溝と、このストライプ状
の溝内に前述の基板側から順に設けられたｐ型ＩｎＰク
ラッド層、ＧａＩｎＡｓＰ活性層及びｎ型ＩｎＰクラッ
ド層とを臭えると共に、当該半導体レーザの共振器長を
、該共振器の長さを長くすることで得られる熱抵抗低減
効果等によるレーザ出力増加量のほうが内部損失による
レーザ出力低下量より勝る範囲内の値であってより大き
な値とし、 この共振器の出射側端面にレーザ光のこの共振器内への
反射率を低下させる膜を具えたことを特徴とする。

（作用） このような構成の半導体レーザによれば、Ｆｅドープ半
結締性ＩｎＰ層自体が電流ブロック層として機能するの
で、ｐ−ｎ接合を逆バイアスさせた積層構造を設けるこ
となく電流狭窄が行なえる。

このため、ｐ−ｎ接合を用いた電流ブロック層がない分
、浮遊容量が低減する。

また、共振器長を適正な範囲内で長くしたため当該半導
体レーザの所要光出力を確保するための駆動電流上席が
低くなり然も熱抵抗が低減するので、注入電流の限界を
高く出来る。

また、出射側端面にレーザ光の共振器内への反射率を低
下させる膜を具えたため、レーザ光は当該半導体レーザ
外部に効率的に出力されるようになる。

またｐ型基板を用いでいることから、ｎ側電極をｎ型Ｉ
ｎＰクラッド層に直接（キャップ層なしで）形成出来ｎ
側電極の形成が容易になる。ざらにキャリアを高濃度に
含む基板を用いればｎ側電極のオーミック接触も容易に
行なえる。

（実施例） 以下、図面を参照してこの発明の半導体レーザの実施例
につき説明する。なお、実施例の説明に用いる各図はこ
の発明が理解出来る程度に概略的に示しであるにすぎず
、従って、この発明が図示例にのみ限定されるものでな
いことは理解されたい。

′　レーザ　　造り日 先ず実施例の半導体レーザの構造につき説明する。第１
図はその説明に供する図であり、この半導体レーザを斜
視図を以って示した図である。

この半導体レーザは、４１で示すｐ型ＩｎＰ　（１００
）基板と、この基板４１上に設けられたＦｅ（鉄）ドー
プ半絶縁性ＩｎＰ層４３と、この半絶締牲ＩｎＰ層４３
表面から基板４１に至るストライプ方向が［０１１１で
このストライプ方向と直交する方向にとった断面がＶ字
のストライプ状の溝４５と、このストライプ状の溝４５
内に基板１側から願１こ設けたｐ型ＩｎＰクラッド層４
７、ＧａＩｎＡｓＰ活性層４９及びｎ型ＩｎＰクラッド
層５１とを具える。ざらにまたこの半導体レーザにおい
ては、共振器長りを、この長ざＬを長くすることで得ら
れるレーザ出力増加量のほうが内部損失によるレーザ出
力低下量より勝る範囲内の値であってより大きな値（詳
細は後述する）としであると共に、この共振器の出射側
端面にレーザ光の共振器内への反射率を低下させる膜５
３を設けである。なお、共振器の他方の端面は愕開面の
ままとしても良く、或いは高反射率の膜を設けた端面と
しても良い、また図示せずも、基板４１の下側にｎ側電
極を、ｎ型ＩｎＰクラッド層５１の上側にｎ側電極を設
けである。

次に、この半導体レーザの各構成成分の詳細な説明を行
なう。

先ずＦｅドープの半絶縁性ＩｎＰ層４３の層厚は、厚い
ほうが容量を小さく出来また電流ブロック時の耐圧を高
く出来高性能な半導体レーザが得られ易いが、その後の
溝４５を形成すること等の作製上の制約を考えると極端
に厚くすることは出来ない。

従ってこの層厚はこれらを考慮した適正な値、例えばこ
れに限られるものではないが２〜４ｕｍとしている。ま
たこの半絶縁性ＩｎＰ層４３の比抵抗は設計に応じた適
正な値とするのが良いが、この実施例の場合ｌＸｌ０？
Ω・ｃｍ以上の所定の値としている。

また断面がＶ字のストライプ状の溝４５は、リーク電流
を抑えるためと横モード制御のため、基板４１と、半絶
縁性ＩｎＰ層４３との界面に相当する位置での幅Ｗ３が
１〜１．５ｕｍとなるようなものとしている。

また、ｐ型ＩｎＰクラッド層４７、Ｇａ１ｎＡｓＰ活性
層４９及びｎ型ＩｎＰクラッド層５１の膜厚、組成等の
条件は設計ｆこ応した適正値に設定している。

また、Ｇａ１ｎＡｓＰ活性層の溝４５内にある部分は、
その断面形状が三日月型としてあり、さらに、リーク電
流を抑えるため、この三日月型の部分が基板４１と半絶
縁性ＩｎＰ層４３との界面よりも上の位置になるように
然も半絶縁性ＩｎＰ層４３に並ぶ位置になるようにしで
ある。なお、横モードを制御するため、この三日月型の
部分の幅は約１．５ｕｍ以下の好適な値に、三日月部分
の中心部の厚ざは０．１５ｕｍ以下の好適な値にするの
が好ましい。

また、第１図にして示した共振器長であるが、共振器長
しが２００〜１１０００ｕまでの範囲内の種々の素子を
作製し、共振器長りを長くすることで得られるレーザ出
力増加量のほうが内部損失によるレーザ出力低下量より
勝る範囲内の値のなかの適正な値を選んだところ、この
実施例では共振器長しが７００μｍ付近が好適であつ、
た、この７００ｕｍという共振器長は、現在におけるフ
ァブリベロー共振器を具える各種の半導体レーザの通常
の共振器長（約２５０〜３５０ｕｍ）の約２〜３倍に相
当する。また、共振器の幅Ｗａを約３００μｍ、高さＨ
を約１１００ｕとしである。なお、共振器長しの適正値
は、端面反射膜５３の反射率の値、半導体レーザの設計
等によって変更されるものであり、上述の値（７００ｕ
ｍ）に限定されるものでないことは理解されたい、ざら
に幅Ｗｏ、高さＨの各値も設計により変更されるもので
あることは理解されたい。

また共振器の出射側端面に設けた膜５３は、この膜５３
が設けられた端面と他方の端面との間でレーザ共振のた
めの反射が行なえる程度には光を共振器内に反射出来、
それ以外の光は外部に出射出来るような反射率を有する
ものとしである。この実施例ではこの膜をアルミナＡ’
１２０３を以って構成してありかつその反射率が１〜５
％のものとしである。しかしこの低反射率の膜５３の材
質及び反射率は上、述の例に限るものではなく、設計に
応じた適正な材質及び反射率に変更出来る。

袈Ａ１μｍ雇え朋 次にこの発明の理解を深めるため、第１図に示した半導
体レーザの製造方法の一例につき説明する。第２図（Ａ
）〜（Ｇ）はその説明に供する製造工程図であり、製造
工程中の主な工程における素子の様子を斜視図を以って
示した図である。

先ずｐ型ＩｎＰ基板４１上にＭＯＣＶＤ法（有機金属気
相成長法）により、ＦｅドープのＩｎＰ層４層上３成す
る。この形成をこの実施例では以下に説明するように行
なった。Ｉｎ（インジウム）の原料としてトリメチルイ
ンジウム（ＴＭＩ）　、Ｐ（リン）の原料としてホスフ
ィン（ＰＨ３）　、Ｆｅ　（鉄）の原料としてシクロペ
ンタジェニル鉄（ＣｓＨｓ）２Ｆｅを用いた。また主な
結晶成長条件を、成長温度は６５０℃とし、全ガス流量
は３ｕ／ｍｉｎとし、Ｖ／ＩＩＩ比（ＰＨ３とＴＭＩと
のモル比）は５０〜１００の範囲の好適な値とし、（Ｃ
ｓＨｓ）２Ｆｅの流量はＦｅドープＩｎＰ層の成長後の
比抵抗がｌＸｌ０’Ω・ｃｍ以上の値になるような流量
とした。このような条件の下、ｐ型ＩｎＰ基板４１上に
ＦｅドープのＩｎＰ層４層上３〜４μｍの厚さに成長さ
せた（第２図（Ａ））。

次に、従来と同様の方法でＦｅドープの半）′８縛性Ｉ
ｎＰ層４３上に、この層を［０１１１方向でストライプ
状に露出する窓を有するマスク（図示せず）を形成し、
次いで、塩酸−リン酸の混合エッチャントによりこの半
絶縁性ＩｎＰ層４３のマスクから露出している部分をｐ
型ＩｎＰ基板４１に至るまでエツチングし、ストライプ
状の溝４５を形成する（第２図（Ｂ））、なおマスク寸
法、エツチング条件等は、溝４５のｐ型ＩｎＰ基板４１
と、ＦｅドーブエｎＰ層４３との界面部分での幅Ｗ３が
１〜１．５ａｍとなるような寸法及び条件とした。

次に、マスクを除去し、その後、溝４５ヲ有するｐ型Ｉ
ｎＰ基板４１上に、即ち、溝４５上及びＦｅドープＩｎ
Ｐ層４３上に、液相成長法（ＬＰＥ法）を用い、ｐ型Ｉ
ｎＰクラッド層４７、ＧａＩｎＡｓＰ活性層４９及びｎ
型ＩｎＰクラッド層５１をこの順に成長させる。ここで
溝４５の側面はＣｎＨ２面となっているので、ＧａＩｎ
ＡｓＰ活性層４９は溝４５内において三日月状の断面を
有する層に成長する。なあリーク電流を抑える点から、
ＧａＩｎＡｓＰ活性層４９の三日月状の部分が、ｐ型Ｉ
ｎＰ基板４１とＦｅトープのＩｎＰ層４層上３界面より
ＦｅドープのＩｎＰ層４層側３側るように成長条件を制
御した。さらに、横モードを制御するため、ＧａＩｎＡ
ｓＰ活性層２３の三日月状部分の幅が約１．５ａｍ以下
の好適な値に、三日月部分の中心部の厚ざがｏ、１５ａ
ｍ以下の好適な値になるように成長条件を制御した。

次いで、従来公知の方法によりｐ型ＩｎＰ基板４１の下
側にｎ側電極（図示せず）を、ｎ型ＩｎＰクラッド層５
１の上側にｎ側電極を形成し、次いで、例えば襞間を用
いた素子分離技術により基板から個々の半導体レーザを
分離した。この分離に当たり、この実施例では共振器長
しが７００ｕｍになるように襞間を行なった。

次に、共振器の出射側の端面にレーザ光の共振器内への
反射率を低下させる膜５３を形成する。この実施例では
スパッタ法により反射率が１〜５％となるようにＡ’１
２０３’ｊｉ、コーンティングすることでこの膜５３を
形成した。

このようにして第１図に示す半導体レーザが得られた。

なお、ＦｅドープのＩｎＰ層の形成は、ＭＯＣＶＤ法以
外の方法例えばＬＰＥ法やガスを用いたＭＢＥ法でも行
なうことが出来る。また、共振器の出射側の端面に設け
る低反射膜の形成は、スパッタ法以外の方法例えば電子
ビーム蒸着法でも行なうことが出来る。

特１ＪＬ明 次にこの発明の半導体レーザの動作電流に対する光出力
特性を調べた。用いた試料素子は、その共振器長が約７
００ｕｍで、共振器の出射側端面には反射率がおおよそ
５％の膜を具え、他方の端面ば男開面としてあり、Ｆｅ
ドープ半絶縁性ＩｎＰ層の比抵抗が約５Ｘ　１０８Ω・
ｃｍとしであるものである。試験は室温における連続動
作（ＣＷ）により行なった。第３図は、その結果を示し
たもので、横軸に動作電流（ｍＡ）をとり、縦軸に光出
力（ｍＷ）７ａとり動作電流に対する光出力をプロット
して示した図である。第３図からも理解出来るようにこ
の試料素子によれば最大出力９０ｍｗが得られることが
分かった。なお、素子の適正化特にＦｅドープの半絶縁
性ＩｎＰ層の適正化を進め電流狭窄をより確実なものと
すれば、さらに高出力が期待出来る。

（発明の効果） 上述した説明からも明らかなように、この発明の半導体
レーザによれば、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ層を電流ブ
ロック層に用いているので、ｐ−ｎ接合を逆バイアスさ
せた構成の電流狭窄層が不要になり浮遊容量が低減する
。従って、良好な高速変調特性が得られる。

また、溝内の活性層に効率的に電流注入がなされること
に加え、共振器長を長くしたため当該半導体レーザの所
要光出力を確保するための駆動電流密度が低くなり、さ
らに、熱抵抗が低減するから、注入電流の限界を高く出
来る。ざらに、出射側端面にレーザ光の共振器内への反
射率を低下させる膜を具えたため、レーザ光は素子外部
に効率的に出力されるようになる。従って、高出力動作
が可能になる。

また、従来必要とされたストライプ状の溝の両側の浮遊
容量低減用の溝も必要ないので、構造も簡易になり、し
たがってその製造も容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例の半導体レーザの構造を概略的に示す
斜視図、 第２図（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例の半導体レーザの製造
方法の一例を示す工程図、 第３図は、実施例の半導体レーザの特性の一例を示す図
であり、動作電流に対する光出力特性を示す図、 第４図は、従来技術の説明に供する図であり、高出力動
作が可能な従来の半導体レーザの構造を概略的に示す断
面図、 第５図（Ａ）〜（Ｃ）は、従来技術の説明に供する図で
あり、第４図に示した従来の半導体レーザの製造方法を
示す工程図、 第６図は、従来の半導体レーザの説明に供する図であり
、高速変調動作を目的とした従来の半導体レーザの構造
を概略的に示す断面図である。 ４１−ｐ型ＩｎＰ（１００）基板 ４３・・・Ｆｅドープ半絶縛牲ＩｎＰ層４５・・・スト
ライプ状の溝 ４７・・・ｐ型ＩｎＰクラッド層 ４９−ＧａＩｎＡｓρ活牲層 ５１・活量層ｎＰクラッド層 ５３・・・出射側端面に設けた低反射率の膜。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ｐ型ＩｎＰ（１００）基板と、 該基板上に設けられたＦｅドープ半絶縁性ＩｎＰ層と、 該半絶縁性ＩｎＰ層表面から前記基板に至るストライプ
   方向が［０１１］で該ストライプ方向と直交する方向に
   とった断面がＶ字のストライプ状の溝と、 該ストライプ状の溝内に前記基板側から順に設けられた
   ｐ型ＩｎＰクラッド層、ＧａＩｎＡｓＰ活性層及びｎ型
   ＩｎＰクラッド層とを具えると共に、当該半導体レーザ
   の共振器長を、該長さを長くすることで得られるレーザ
   出力増加量のほうが内部損失によるレーザ出力低下量よ
   り勝る範囲内の値であってより大きな値とし、 該共振器の出射側端面にレーザ光の該共振器内への反射
   率を低下させる膜を具えたこと を特徴とする半導体レーザ。