JPH03116991A - 半導体レーザ装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、屈折率ガイド型半導体レーザ装置に関する
。

（従来の技術） 半導体レーザのエピタキシャル成長方法として従来の液
相エピタキシャル成長（Ｌ　Ｐ　Ｅ）に代わって、有機
金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子ビームエピタキシ
ャル成長法（ＭＢＥ）などが広く使われるようになって
きた。これらの成長方法はＬＰＨに比較して量産性や制
御性が格段に優れているが、屈折率ガイド型半導体レー
ザの活性領域周囲の厚い埋め込み領域の成長に適さない
という問題があった。これは、成長速度が遅いこと、深
い段差がある平坦な埋め込み成長が困難であることなど
による。このような成長方法に適合したレーザ構゛造と
して、レーザ活性層のへテロｐｎ接合とクラッド層のｐ
ｎ接合との拡散電位差を利用した電流狭搾構造があげら
れる。しかし二のタイプのレーザでは、高注入時にクラ
ッド層ｐｎ接合にかかる電圧が拡散電位を越えてクラッ
ド層ｐｎ接合がターンオンしてしまい、大きなリーク電
流が流れるという問題があった。以下この問題を具体的
に説明する。

第９図はこのような拡散電位差による電流挟片構造を持
つ半導体レーザの断面図である。この半導体レーザは、
キャリア密度３　Ｘ　１０　Ｉ８ａｍ−”のｎ型１ｎＰ
基板１上に積層された厚さ１μｍ１キヤリア密度Ｉ　Ｘ
　Ｉ　Ｑ　”ａｍ−’のｎ型１ｎＰバッファ兼クラッド
層（第一半導体層）２と、その上にストライプ状に形成
された幅１００μｍ１厚さ０．１μｍのアンドープＩ　
ｎｌ−Ｇａｓ　Ａｓｙ　ｐ、−ｙ（波長１．３μｍ相当
の組成）からなる活性層（第三半導体層）３と、活性層
３と第一半導体層２の上に積層された厚さ１μｍ１キヤ
リア密度Ｉ　Ｘ　１０１８Ｃａｌ−’のｐ型１ｎＰクラ
ッド層（第二半導体層）６と、ｐ型１ｎＰ層６の上に形
成された厚さ０．５μｍ１キヤリア密度５　Ｘ　１０１
８ｃｍ−’のｐ型１　ｎ　ｒ−ｘ　Ｇ　ａ　＊　Ａ　ｓ
　ｙ　Ｐ　１−　コンタクト層７と、基板１の下部に設
けられたＡｕＧｅ電極８と、コンタクト層７の上に設け
られた。Ａ　ｕ　Ｚ　ｎ　／　Ｔ　ｉ／　Ｐ　ｔ　／　
Ａ　ｕ電極９とからなる。リーク電流を減らすため、ｎ
型クラッド層６から上は幅１６μｍのメサ構造１０にし
て、埋め込みへテロ接合の面積を小さくしている。なお
、図には明示されていないが、共振器端面はへき開によ
り形成されており、共振器長は４００μｍである。へき
開面のうち出射側には反射率０．１％の低反射率コーテ
ィングが施されており、他方のへき開面には反射率９０
％の多層膜高反射率コーティングが施されている。この
半導体レーザ・チップは適切なパッケージにマウントお
よびボンディングされている。

発振波長は１，３μｍである。

電流注入レベルが低い場合は、活性層３を含むダブルへ
テロｐｎ接合２−３−６と、活性層６のない部分のホモ
ｐｎ接合２−６との拡散電位差により、電流は有効に活
性層ｐｎ接合内に閉じ込められる。しかしながら、電流
注入レベルを上げていくとｐｎ接合にかかる電圧が高く
なってくるので、印加電圧がホモｐｎ接合の拡散電位を
越えるあたりから急激にホモｐｎ接合のリーク電流が増
加し始める。この特性を第３図に点線で示す。注入電流
１５０ｍＡ近辺からリーク電流が一急増するので、光出
力は１４０ｍＷ付近で飽和してしまう。

このように、拡散電位差により電流挟挿を行う従来構造
の半導体レーザには、高注入時に大きなリーク電流が流
れ、大きな光出力が得られないという問題があった。

（発明の解決しようとする課題） 以上のように、従来の拡散電位差により電流挟挿を行う
半導体レーザでは、高注入時に大きなリーク電流が流れ
、大きな光出力が得られないという問題があった。

本発明の目的は、拡散電位差により電流挟挿を行う半導
体レーザにおいて、高注入時のリーク電流を低減し、大
きな光出力が得られる半導体レーザを提供することにあ
る。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、第一導電型の第一半導体層（第一のクラッド
層）と第二導電型の第二半導体層（第二のクラッド層）
との間にストライプ状に形成されかつ第一および第二半
導体層よりも禁制帯幅の狭い第三半導体層（活性層）と
、第一および第二半導体層を介して第三半導体層に電流
を注入する手段とを備えた埋め込みへテロ構造の半導体
レーザ装置において、第一半導体層と第二半導体層との
間の領域であってかつストライプ状の活性層より外部の
領域（埋め込み領域）に、第一半導体層よりも禁制帯幅
が広くかつ第一半導体層とは格子定数が異なる厚さ２５
ｎｍ以下の第四半導体層［スートモルフイック（ｐｓｅ
ｕｄｏｓｏｒｐｈｌｃ　）層］が形成され、第四半導体
層と第二半導体層との間に第四半導体層よりも禁制帯幅
が狭い第一導電型の第五半導体層が形成された半導体レ
ーザ装置である。

（作用） 第一半導体層と第二半導体層はクラッド層で第三半導体
層（活性層）より禁制帯幅が大きく、活性層へ電子と正
孔を注入する役割と、活性層に光を閉じ込める役割を合
せ持つ。活性層への電流閉じ込めは、活性層とクラッド
層とで形成されたダブルへテロｐｎ接合と第二半導体層
と第五半導体層の間に形成された埋め込みｐｎ接合との
間の拡散電位差により達成される。電流注入レベルが低
い場合は埋め込みｐｎ接合がオンしないのでリーク電流
は流れない。電流注入レベルを上げていくと埋め込みｐ
ｎ接合にかかる電圧が大きくなってリーク電流が流れ始
める。このとき従来の半導体レーザでは急速にリーク電
流が増加してしまうが、本発明の半導体レーザでは第四
半導体層が障壁となるので、リーク電流の増加を抑える
ことができる。

第四半導体層を障壁として使うためには、第四半導体層
の禁制帯幅を第一および第五半導体層の禁制帯幅より十
分に大きくする必要があるが、−股に第一半導体層に格
子整合・する半導体層を用いると十分な障壁高さを得る
ことは難しい。しかし、格子整合がとれなくても半導体
層の層厚を十分に薄くすると、転位や非発光再結合中心
のような、素子特性に悪影響を及ぼす欠陥を導入するこ
となしに第四半導体層を弾性的に歪ませてやることがで
きる。このように弾性的に歪んだ薄膜層をスートモルフ
イック（ｐｓｅｕｄｏｓｏｒｐｈｌｅ　）層と呼ぶ。こ
の層の厚さの上限は材料によって異なるが、−数的な化
合物半導体を想定すると、２５ｎｍ程度までは致命的な
欠陥を形成することなしに歪ませることが可能である。

なお十分な障壁効果を得るためには、トンネル電流が流
れない程度の厚さが必要である。本発明は、このような
第四半導体層として、禁制帯幅が大きなスートモルフイ
ック層を用いている。

（実施例） 第１図は、本発明の第一実施例に係わる半導体レーザの
概略断面図である。この半導体レーザは、キャリア密度
３　Ｘ　１０　”ｃｍ−３のｎ型１ｎＰ基板１上に積層
された厚さ１８ｍ１キヤリア密度ｌＸ１０１８ｃＩ１１
−３のｎ型１ｎＰバッファ兼クラッド層（第一半導体層
）２と、その上に幅１．５μｍのストライプ状に形成さ
れた厚さ０．１μｍのアンドープＩ　ｎｌ−Ｇａｓ　Ａ
ｓ、ｐｌ−ｙ（波長１．３μｍ相当の組成）からなる活
性層（第三半導体層）３と、第一のクラッド層２上であ
って活性層３の外側の部分に形成された厚さ１０ｎｍの
アンドープφスートモルフイックＩ　ｎｏ、ｓ　Ｇａｏ
、ｓ　Ｐ層（第四半導体層）４と、スートモルフイック
層４の上に積層された、厚さ０、　０９　μｍ、キャリ
ア密度Ｉ　Ｘ　１０　”ｃｍ−’のｎ型１ｎＰ層（第五
半導体層）５と、活性層３と第五半導体層５の上に積層
された、厚さ１μｍ１キヤリア密度Ｉ　Ｘ　１０　”ａ
ｓ−’のｐ型１ｎＰクラッド層（第二半導体層）６と、
ｐｌＩｎＰ層６のＰ層形成された、厚さ０，５μｍ、キ
ャリア密度５Ｘ１０”ａｍ−’のｐ型１　ｎ　ｌ−ｍ　
Ｇ　ａ　ｘ　Ａ　ｓ　ｙ　Ｐ　Ｉ−ｙコンタクト層７と
、基板ｌの下部に設けられたＡｕＧｅ電極８と、ｐ型コ
ンタクト層７の上に設けられたＡ　ｕ　Ｚ　ｎ　／　Ｔ
　ｉ　／　Ｐ　ｔ　／　Ａ　ｕ電極９ａ、９ｂとからな
る。リーク電流を減らすため、ｎ型クラッド層２から上
は幅１６μｍのメサ１ｏにして、埋め込みへテロ接合の
面積を小さくしている。

この半導体チップは３回のＭＯＣＶＤ成長により作成さ
れる。１回目の成長でｎ型クラッド層２、活性層３を成
長し、活性層３を５ｉ０２膜をマスクとしてストライプ
状に硫酸／過酸化水素系エツチング液でエツチングする
。そしてそのＳ　ｉ　Ｏ２膜をマスクとして、活性層３
のない部分にスートモルフイック層４と第五半導体層５
を成長する（２回目の成長）。この選択成長の段差は小
さいので、段差付近に異常成長が起こることはない。

次ぎに５ｔＯ２膜を除去して、全体をｐ型クラッド層６
とｐ型コンタクト層７で平坦に埋める（３回目の成長）
。エツチングにょリメサ１ｏを形成した後、表面全体を
ＳｉＮ、膜１１でおおい、メサ１０上のＳ　ｔ　Ｎ　ｘ
膜１１に開口を設け、リフトオフによりＡｕＺｎ電極９
ａを形成する。さらにＴ　ｉ　／　Ｐ　ｔ　／　Ａ　ｕ
バッド９ｂと裏面のＡｕＧｅ電極８をそれぞれ蒸若し、
へき関することによりこのレーザ・チップが形成される
。

なお、図には明示されていないが、共振器端面はへき開
により形成されており、共振器長は４００μｍである。

へき開面のうち出射側には反射率０．１％の低反射率コ
ーティングが施されており、他方のへき開面には反射率
９０％の多層膜高反射率コーチ、インクが施されている
。この半導体レーザ・チップは適切なパッケージにマウ
ントおよびボンディングされている。発振波長は１．３
μｍ、発振閾値は１２．４ｍＡである。

次に、このレーザの埋め込み部の効果を、従来例と比較
して説明する。第２図（ａ）はこの半導体レーザの１．
２ｖの電圧印加時における埋め込み部のバンド・ダイヤ
グラム、第２図（ｂ）は従来の半導体レーザの１，２■
印加時における埋め込み部のバンド・ダイヤグラムであ
る。φ。

はφ、は、それぞれ電子と正孔に対する擬フエルミポテ
ンシャルである。スートモルフイックＩ　ｎＧａＰ層４
は伝導帯Ｅ、に大きな障壁を形成し、価電子帯Ｅ、の障
壁は小さい。どちらのレーザでも埋め込みｐｎ接合がタ
ーンオンしているが、本実施例（ａ）の場合はスートモ
ルフイック層４が電子に対する障壁として働くため、こ
の部分で約０，２５Ｖの電圧降下が起っている。従って
、埋め込みｐｎ接合５−６にかかる電圧（Ｖ＃−’？φ
、−φｂ　４０．９５Ｖ）は従来の埋め込みｐｎ接合２
−６にかかる電圧（■２．→φ、−φ、→１．２０Ｖ）
と比較して小さくなっている。従って、第五半導体層を
正孔に対する障壁と見なす事もできる。このため、本実
施例の半導体レーザの埋め込みｐｎ接合を流れる電流は
従来例のレーザの場合と比べて大幅に低減される。本実
施例の半導体レーザと従来例の半導体レーザの電流対先
出力特性を第３図で比較する。従来例の半導体レーザ（
点線）では１５０ｍＡ近辺からリーク電流が急激に増加
するので光出力は１４０ｍＷ付近で飽和する。一方、本
発明の半導体レーザ（実線）では若干のリーク電流はあ
るものの、その増加はスートモルフイック障壁層４の存
在により抑制されるので、２００ｍＷ以上の高出力動作
が可能になる。また、この結果、消費電力や熱の発生も
低減でき、信頼性も向上する。

この構造は、ｐｎｐｎサイリスタ類似構造による埋め込
み構造の内部のｐ型埋め込み層をスートモルフイック層
４で置き換えた構成と考えることもできる。しかし、ｐ
ｎｐｎ構造は一般に厚い埋め込み層により形成しなけれ
ばならないのに対し、本構造では薄い埋め込み成長でよ
＜、ＭＯＣＶＤやＭＢＥのような成長方法によく適合す
る。また、サイリスタ類似構造は一端ターンオンしてし
まうと電流抑制機能が無くなるのに対して、本発明の埋
め込み構造はターンオン後も電流抑制機構が働く　。

第４図を参照して、本発明の第二実施例に係る半導体レ
ーザを説明する。この実施例ではスートモルフイック障
壁層４は、ｐ型クラッド層６とｎ型１ｎＰ層５ｂとで形
成されるｐｎ接合の一方の側に複数（例えば２層）設け
られている。即ちスートモルフイック層４ａ上にｎ型１
ｎＰ層５ａが形成され、ｎ型１ｎＰ層５ａ上にスートモ
ルフイック層４ｂが形成され、スートモルフイック層４
ｂ上にｎ　！４２１　ｎ　Ｐ層５ｂが形成されている。

この様にしても先の実施例と同様な効果を得ることがで
きる。

第５図を参照して、本発明の第三実施例に係る半導体レ
ーザを説明する。この実施例ではスートモルフイック障
壁層４は、ｐ型クラッド層６ｂとｎ型１ｎＰ層５とで形
成されるｐｎ接合の両側に設けられている。即ちスート
モルフイック層４ａ上にｎ型１ｎＰ層５が形成され、ｎ
型１ｎＰ層５上にｐ型クラッド層６ｂが形成され、ｐ型
クラッド層６ｂ上にスートモルフイック層４ｂが形成さ
れている。この様にしても先の実施例と同様な効果を得
ることができる。

第６図を参照して、本発明の第四実施例に係る半導体レ
ーザを説明する。活性層３を流れるキャリアを妨害しな
いように注意すれば、スートモルフイック層４を活性層
３のある部分にまで延ばすことができる。例えば、第１
図の実施例を少し変更して、第６図に示すように、スー
トモルフイック−１ｎＧａＰ層４を活性層３とｐ型クラ
ッド層６との間に設けても、正孔に対する障壁は低いの
で、活性層３を流れるキャリアへの影響を少なくできる
。

第７図を参照して、本発明の第五実施例に係る半導体レ
ーザを説明する。この実施例は、第５図の第三実施例と
第６図の第四実施例との組み合わせである。即ち、ｎ型
１ｎＰ層５と活性層３の上にｐ型クラッド層６ｂが形成
され、ｐ型クラッド層６ｂ上にスートモルフイック層４
ｂが形成され、スートモルフイック層４ｂ上にｐ型クラ
ッド層６ａが形成されている。この様にしても先の実施
例と同様な効果を得ることができる。

第８図を参照して、本発明の第六実施例に係る半導体レ
ーザを説明する。この実施例では、ｐ型ＩｎＰ基板１の
上に半導体レーザが形成されている。埋め込み部におい
て、第８図のようにスートモルフイック層４がｐ型りラ
ッド層２．５の中にくるように配置すれば、第１図の実
施例と同様の効果が期待できる。この実施例では、活性
層３の上に形成されたｎ型クラッド層６Ｃが、ｐ型クラ
ッド層５により囲まれている。

本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、様々
な変形が可能である。例えば、活性層に接して先導波層
が形成されている場合、分布帰還型半導体レーザや分布
ブラッグ反射型半導体レーザ、活性層に量子井戸を有す
る半導体レーザ、両端面に無反射コーティングを施した
進行波形半導体レーザ増幅器、複数の電流注入電極を有
する軸方向不均一注入機能レーザ（波長可変レーザなど
）、双安定レーザなど、様々な形態の半導体レーザに応
用できる。また、本発明のスートモルフイック障壁層は
電流閉じ込め層のほか、共振器端面近傍の活性層を取り
除いたいわゆる窓構造半導体レーザの窓の部分や、双安
定レーザや自励発振（パルセーション）レーザの可飽和
吸収層などにも応用することができる。

上記の実施例では第五半導体層と第一半導体層は同一の
材料からなるが、これらは必ずしも同一である必要はな
い。また、材料もＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系に限定され
るものではなく、Ｉ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　Ｉ　Ｐ　／　Ｇ
　ａ　Ａ　ｓ系、Ｇ　ａ　Ａ　Ｉ　Ａ　ｓ　／　Ｇ　ａ
　Ａ　ｓ系などにも応用できる。

スートモルフイック障壁層も１ｎＧａＰに限定されるも
のではなく、様々な■−ｖ族半導体、■−■半導体、Ｓ
ｉＣなどが利用できる。必要に応じて、スートモルフイ
ック層に不純物をドーピングしても良い。成長方法もＭ
ＯＣＶＤのほか、ＭＢＥ、ハイドライド気相成長、クロ
ライド気相成長、ＣＢＥ　（ケミカルビームエピタキシ
）、ＭＯ−ＭＢＥなど様々な方法が考えられる。

また、各実施例において、各半導体層の導電型を逆にし
ても同様な効果を得ることができる。

［発明の効果］ 本発明によれば、スートモルフイック層を設けたので、
リーク電流が少なく高出力動作可能な半導体レーザが、
制御性よく容品に得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一実施例の半導体レーザのレーザ・
ストライプに垂直な切断面による断面図、第２図は第一
実施例と従来例の半導体レーザの電流閉じ込め領域のバ
ンド・ダイヤグラム、第３図は第一実施例と従来例の半
導体レーザの電流対先出力特性の比較図、第４図は本発
明の第二実施例の半導体レーザの断面図、第５図は本発
明の第三実施例の半導体レーザの断面図、第６図は本発
明の第四実施例の半導体レーザの断面図、第７図は本発
明の第五実施例の半導体レーザの断面図、第８図は本発
明の第六実施例の半導体レーザの断面図、第９図は従来
例の半導体レーザの断面構造図である。 １・・・半導体基板、２・・・第一半一導体層、３・・
・第三半導体層、４・・・第四半導体層、５・・・第五
半導体層、６・・・第二半導体層、８・・・電極、９・
・・電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第一導電型の第一半導体層と、第二導電型の第二半導体
   層と、前記第一半導体層と前記第二半導体層の間にスト
   ライプ状に形成され前記第一および第二半導体層よりも
   禁制帯幅の狭い第三半導体層と、前記第一半導体層と前
   記第二半導体層との間の領域であって前記ストライプ状
   の第三半導体層を除いた領域に形成され前記第一半導体
   層よりも禁制帯幅が広く前記第一半導体層の格子定数と
   は異なる格子定数を有し厚さが２５ｎｍ以下の第四半導
   体層と、前記第四半導体層と前記第二半導体層との間に
   形成され前記第四半導体層よりも禁制帯幅が狭い第一導
   電型の第五半導体層と、前記第一半導体層と前記第二半
   導体層を介して前記第三半導体層に電流を注入する手段
   とを具備していることを特徴とする半導体レーザ装置。