JPH03171789A

JPH03171789A - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JPH03171789A
Application number: JP31136189A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Itaya; 和彦板谷
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-11-30
Filing date: 1989-11-30
Publication date: 1991-07-25

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）本発明は、電流狭窄効果と先導波効果を有するＩｎＧａ
ＡｌＰ系半導体レーザ装置に係わり、特に電流阻止層の
キャリア濃度の最適化をはかった半導体レーザ装置に関
する。

（従来の技術）近年、高密度光ディスクシステムや高速レーザプリンタ
或いはバーコードリーダ等への応用を目的として、短波
長の半導体レーザの開発が進められている。この中でも
０．６μｍ帯（赤色）に発振波長を持つＩｎＧａＡｌＰ
系半導体レーザは、有望な短波長レーザとして注目され
ている。このＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザは、有機金
属を用いた化学気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法と略記
する）により製作することができる。

ＭＯＣＶＤ法を用いて作成した単一の基本横モードを有
するＩｎＧｓ＋ＡＩＰ系半導体レーザとして、第４図に
示す如きリッジ埋込み型のレーザが提案されている。な
お、図中４１はｎ　−ＧａＡｓ基板、４２はｎ−ＧａＡ
ｓバッファ層、４３はｎ−１ｎＧａＰ：＋ンタクト層、
４４はｎ一ＩｎＧａＡｌＰクラッド層、４５はｌ　ｎＧ
ａＰ活性層、４６．４７．４８はｐ−１ｎＧａＡＩＰク
ラッド層、４９はｎ−ＧａＡｓ［流阻止層、５０はｐ−
ＧａＡｓコンタクト層、５１．５２は電極を示している
。

ところで、ＩｎＧａＡｌＰ結晶のｐ型ドーバントとして
は、Ｍｇが比較的高濃度のｐ型ドーピングができるもの
として知られている。しかしながら、Ｍｇは配管付着等
が原因によるドーピングの遅れが問題となるために、ｎ
型結晶を成長させた後でＭｇドープのｐ型結晶を成長さ
せるとｐｎ接合が例えば活性層からずれて素子特性を悪
化させる。

このドーピング遅れを回避する方法として、Ｍｇドープ
のｐ型結品を成長させる前に、成長を中断する方法があ
る。Ｐ抜け等の問題のため、ＩｎＧａＡｌＰ結晶はＭＯ
ＣｖＤ法等で用いる成長温度では、長い中断を取れない
。一方、ＧａＡｓ結品上では比較的長く中断時間をとっ
ても、結晶は損なわれない。また、一度Ｍｇがドープさ
れ出せば、その後成長する層には遅れの問題は起こらな
いため、ｐ−ＧａＡｓ基板上にＭｇドーブのｐ型結晶を
成長させていくとドーピングの遅れのない良質の半導体
レーザ用ダブルヘテロ構造が形成できる。

この考えを第４図に示す半導体レーザに適用し、基板４
１からクラッド層４４までをｐ型、クラッド層４６〜４
８及びコンタクト層５０をｎ型、電流阻止層４９をｐ型
としたところ、Ｍｇのドーピング遅れを起こさずに製作
することができた。しかしながら、電流狭窄効果が不安
定であり、十分な信頼性を有する素子を作成することは
困難であった。即ち、第４図に示す構造でｐ１”を逆に
して作成した素子のうち、大きなリーク電流を生じ、レ
ーザ発振しないものがあった。

本発明者らの実験によると、第４図に示すレーザでｐｏ
ｎを逆にすると、レーザの電流一電圧特性がサイリスタ
におけるターンオン現象と同様の特性を示しており、ま
たターンオン後の電圧が０６ｌ〜１ｖと極めて低いこと
が明らかとなった。そのために、レーザの発振を著しく
困難にしていた。これは、電流阻止層の導゛電型が、拡
散長の長い電子を少数キャリアとするｐ型となったため
に、ターンオンし易くなったためであると考えられる。

（発明が解決しようとする課題）このように従来、電流阻止層をｐ型とした半導体レーザ
においては、電流阻止層を含むブロック部のターンオン
に起因する電流狭窄効果低減の問題により、素子特性の
劣化や信頼性の低下を招いていた。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、ｐ型電流阻止層を用いた場合におい
ても、電流狭窄効果の低減を未然に防止することができ
、素子特性の向上及び信頼性の向上をはかり得る半導体
レーザ装置を提供することにある。

［発明の構威］（課題を解決するための手段）本発明の骨子は、ｐ型電流阻止層のキャリア濃度を高め
ることにより、ターンオン現象を防止することにある。

即ち本発明は、活性層をｐ型及びｎ型のクラッド層で挟
み、ｐ型クラッド層を基板側としたＩｎＧａＡｌＰ系材
料からなるダブルヘテロ構造部と、このダブルヘテロ構
造部のｎ型クラツド層上に、又はｎ型クラッド層の少な
くとも一部を除いて形成されたＧａＡ　ＩＡｓ系材料か
らなるｐ型電流阻止層と、前記ｎ型クラッド層及びｐ型
電流阻止層上に形成されたｎ型コンタクト層とを備えた
半導体レーザ装置において、前記電流阻止層のキャリア
濃度Ｄを、該キャリア濃度に対する電子の拡散長が電流
阻止層の厚さｄよりも短くなるように設定したものであ
る。

（作用）本発明によれば、ＧａＡｌＡｓ系（ＧａＡ　Ｉ　Ａｓ又
はＧａＡｓ）からなるｐ型電流阻止層のキャリア濃度を
高くして、電子の拡散長を電流阻止層の厚さよりも小さ
くしているので、ブロック部（電流阻止層及びその上下
層からなるｐｎｐｎ構造）におけるターンオン現象は起
き難くなる。

また、強いレーザ光の存在でブロック部がターンオンし
ても、ターンオン後の電圧を上昇させ、確実な電流狭窄
を得ることができる。従って、低しきい値で信頼性の高
い半導体レーザを実現することが可能となる。

（実施例）以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わる半導体レーザの素子
構造を示す断面図である。図中１１はｐ−ＧａＡｓｉ板
であり、この基板１１上にはＭｇドープのｐ−ＧａＡｓ
バッファ層１２及びＭｇドープのｐ−１ｎＧａＰコンタ
クト層ｌ３が形成されている。コンタクト層１３上には
、Ｍｇドープのｐ−１ｎＧａＡＩＰクラッド層１４．１
ｎＧａＰ活性層１５及びｎ−１ｎＧａＡＩＰクラッド層
１６．１７．１８からなるダブルヘテロ接合構造が形成
されている。

クラッド層１８はストライブ状に加工されており、これ
によりｐクラッド層にストライブ状リブが形成されてい
る。ここで、クラッド層１７は低ＡＩ組威若しくはＩｎ
ＧａＰ層であり、リッジ形或のためのエッチング停止層
として作用する。ダブルヘテロ接合の各層及びコンタク
ト層１３の格子定数はＧａＡｓｌ板と等しく、且つクラ
ッド層１４．１６のバンドギャップエネルギーは活性層
１５のそれより大きくなるようにＩｎ，Ｇａ，ＡＩの組
成が決定されている。

ダブルヘテロ接合構造の側面には、Ｍｇドープ（　５　
Ｘ　１０”ｃｓ−’）による厚さ　１．５μｍのｐ−Ｇ
ａＡｓ電流阻止層１９が形成されている。クラッド層１
８及び電流阻止層１９上には、ｎ−ＧａＡｓコンタクト
層２０が形成されている。

そして、コンタクト層２０の上面にはｎｍ電極２１が被
着され、基板１１の下面にｐ側電極２２が被着されてい
る。

この構造では、電流狭窄は電流阻止層１９により行われ
、先導波はストライプ状のメサに形成されたクラッド層
１８により行われる。なお、バッファ層１２の形成はＧ
ａＡｓ上に形成するＩ　ｎＧａＡ　Ｉ　Ｐ系結晶の品質
向上のためである。

ｐ−ＧａＡｓ基板１１とバッファ層１２との間で戒長を
２０分間中断し、この間にｐ型不純物としてのＭｇの供
給量を安定化した。また、コンタクト層１３はクラッド
層１４とｐ−ＧａＡｓバッファ層１２との間の電気抵抗
の低減を目的とするものであり、ＧａＡｓよりもバンド
ギャップが大きく、且つクラッド層１４よりもバンドギ
ャップが小さいものであればよい。

さて、゜第１図に示す構造のレーザの電流狭窄を良好に
実現するためには、電流阻止層１９のキャリア濃度，膜
厚の設定が重要である。以下、これらのパラメータの設
定に関して説明する。

クラッド層１８の外側の電流狭窄部は次のような層構造
を有する。即ち、ｐ−１ｎＧａＡＩＰクラッド層１４，
ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１６，１７，ｐ−ＧａＡ
ｓ電流阻止層１９及びｎ−ＧａＡｓコンタクト層２０は
ｐｎｐｎの順に接合を持つ、所謂サイリスクを形或する
。

ｐ−ＧａＡｓ電流阻止層１９は活性層１５よりも禁制帯
幅が小さいため、活性層１５からしみ出す光を吸収する
。このとき、生成・拡散する少数キャリアである電子が
ｎ−ＧａＡｓコンタクト層２０まで到達すると、これが
ゲート電流となり、このサイリスク構造がターンオンす
る。

よって、ｐ−ＱａＡｓ電流阻止層１９の電子の拡散長を
電流阻止層１つの厚さ以下程度にしなければならない゛
。

第２図にＭＯＣＶＤ法によるＭｇドーブのＧａＡｓの電
子ＩＩＩ誘起電流法によって求めた、キャリア濃度と電
子の拡散長との関係を示す（Ｊｏｕｎａｌ　ｏｆ　Ｃｒ
ｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ　５５　（１９８１）　ｐ１
８３−１９１）。このようにキャリア濃度が３　８　１
０”ｃｍ−’を越えると、６μｍ程度あった拡散長は短
くなる傾向を示す。ここで、第２図の曲線より下若しく
は左側では前記サイリスタ構造がＯＮとなり、曲線より
上若しくは右側ではＯＦＦとなる。

従って、サイリスタ構造のターンオンを防止するには、
電流阻止層１９のキャリア濃度を第２図の曲線より上若
しくは右側に設定する必要がある。本実施例においては
、リッジを平坦化するのに適した１〜１．５μｍなる電
流阻止層の厚さに対しては３　Ｘ　ｔｏ１９ｃｍ−’以
上とすれば、上記の条件を満たす拡散長とすることがで
きる。

本発明者らの実験によれば、電流阻止層１つのキャリア
濃度を５　Ｘ　１０Ｉ９ｃＩ−３と設定した第１図に示
すレーザはストライプ幅を５μｍ１共振器長を３００μ
ｍとしたとき、しきい値３５ｍＡで発振し、２０ｍＷま
で単一横モードの良好な特性が得られた。寿命試験にお
いても５０℃，３−ｗの条件で１０００時間以上の安定
な動作を確認した。

このよう本実施例によれば、ｐ−ＧａＡｓ電流阻止層１
９のキャリア濃度を最適に設定することにより、電流阻
止層１つを含むサイリスク構造のターンオ．ンを防止す
ることができ、半導体レーザの素子特性及び信頼性の向
上をはかることができる。また、基板側にｐ型層として
いるので、Ｍｇのドーピング遅れを回避することが可能
となり、これによっても素子特性の向上をはかることが
できる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。実施例では、エッチングストップ層が電流阻止層と
ｎ型クラッド層の間に存在していたが、このエッチング
ストップ層は必ずしも必要なく、省略することもできる
。また、リッジ構造を有するレーザに限らず、第３図に
示す如く電流阻止層にストライプ状窓を設けた構造に適
用することも可能である。

また、ダブルヘテロ構造において、活性層はＩｎＧａＰ
に限らずＩ　ｎＧａＡ　Ｉ　Ｐ系材料で、クラッド層よ
りも禁制帯幅が小さいものであればよい。同様に、電流
阻止層はＧａＡｓに限らずＧａＡｌＡｓ系材料であれば
よい。つまり、ｐクラッド層をＩｎ１−ｗ　　（Ｇａ＋−ｘ　Ａｌｘ）ｗ　Ｐ，活性層
をＩ　ｎ＋−ｗ　　（Ｇａ＋−ｙ　Ａｌｙ　）　ｗ　ＰＳ
ｎクラッドを１　ｎＨ−ｗ　　（Ｇａ＋−ｚ　Ａ　ｌｚ　）　ｗ　Ｐ
としたとき、（０≦ｙ＜ｘ≦１，Ｏ≦ｙ＜ｚ≦１．０＜
ｗ＜１）の関係であればよい。同様に、ｐ型電流阻止層
はＧａ１−ＵＡＩＵＡｓとしたとき、（０≦ｕく１）の
関係であればよい。その他、本発明の要旨を逸脱しない
範囲で、種々変形して実施することができる。

［発明の効果〕以上詳述したように本発明によれば、ｐ型電流阻止層の
キャリア濃度を最適化することにより、ｐｎｐｎサイリ
スクのターンオン現象を防止することができる。従って
、電流狭窄効果の低減を未然に防止することができ、素
子特性の向上及び信頼性の向上をはかり得る半導体レー
ザ装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる半導体レーザの素子
構造を示す断面図、第２図はキャリア濃度と電子の拡散
長との関係を示す特性図、第３図は本発明の変形例を示
す断面図、第４図は従来レーザの素子構造を示す断面図
である。１　１−ｐ　−　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板、１　２−ｐ　−
　Ｇ　ａ　Ａ　ｓバッファ層、１　３−ｐ　−　１　ｎ
　Ｇ　ａ　Ｐ　コンタクト層、１　４−ｐ　−　１　ｎ
　Ｇ　ａ　Ａ　Ｉ　Ｐクラッド層、１　５−１　ｎ　Ｇ
　ａ　Ｐ活性層、１６，１７．１８・・・ｎ−１ｎＧａＡＩＰクラッド層
、１　９　・−ｐ　−　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ電流阻止層、２０
・・・ｎ　−　Ｇ　ａ　Ａ　Ｓコンタクト層、２１．２
２・・・電極。

Claims

【特許請求の範囲】活性層をｐ型及びｎ型のクラッド層で挟み、ｐ型クラッ
ド層を基板側としたＩｎＧａＡｌＰ系材料からなるダブ
ルヘテロ構造部と、このダブルヘテロ構造部のｎ型クラ
ッド層上に、又はｎ型クラッド層の少なくとも一部を除
いて形成されたＧａＡｌＡｓ系材料からなるｐ型電流阻
止層と、前記ｎ型クラッド層及びｐ型電流阻止層上に形
成されたｎ型コンタクト層とを備えた半導体レーザ装置
において、前記電流阻止層のキャリア濃度Ｄを、該キャリア濃度に
対する電子の拡散長が電流阻止層の厚さｄよりも短くな
るように設定したことを特徴とする半導体レーザ装置。