JPH03208390A - 半導体レーザ素子及びその製造方法 - 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〉 本発明はレーザ光出射端面近傍にレーザ光に対して光吸
収の少ない窓領域を有する半導体レーザ素子の新しい構
造及びその製造方法に関するものである。

〈従来技術及び発明が解決しようとする課題〉半導体レ
ーザの寿命を左右する要因の一つに、光出射面となるレ
ーザ共振面即ちレーザ端面結晶の劣化があることはよく
知られている。また、半導体レーザ素子を高出力で動作
させた場合にこのレーザ端面は破壊されることがある。

このときの端面破壊出力は、端面での発光面積が小さい
程、即ち光密度が大きい程低くなる。そして、通常の半
導体レーザでは端面近傍でも電流が流れ、また端面に活
性層端部が露出している。従って、レーザ素子内部で、
発生したレーザ光は端面で吸収され発熱する。この発熱
は活性層の禁制帯幅をさらに縮小させ、光吸収は益々太
き（なる。このようにして、端面での活性層結晶は破壊
に至るのである。

このような端面破壊または端面劣化を防止するために、
端面近傍を活性層よりも禁制帯幅の大きい物質とし、端
面での光吸収を少なくした端面窓壁レーザ、あるいはＮ
　ＡＭ（Ｎｏｎ　Ａｂｓｏｒｂｅｄ　Ｍｉｒｒｏｒ）レ
ーザと呼ばれるものが提案されている。しかし、これま
でに提案された端面窓壁レーザが量産され、実用化され
た例はない。この理由は高出力動作時の横モード不安定
性、製造工程の複雑さ等により歩留まりが非常に悪くな
るためである。

活性層とクラッド層の間に光ガイド層を設けたベテロ接
合半導体レーザの窓領域となる部分で活性層から上を除
去して光ガイド層を露出させ、その光ガイド層上にクラ
ッド層を再成長させる端面窓壁半導体レーザ（以下、ウ
ィンドＬＤと略す）の−例の先導波路方向への断面図を
第３図に示す。

これＶＳＩＳレーザに代表される内部ストライプ型レー
ザに光ガイド層３を付加し、窓領域１３において活性層
４、クラッド層５、保護層６をエツチングにより除去し
て光ガイド層３を露出させ、その後、窓部クラッド層７
及びキャップ層８を液相エピタキシャル（ＬＰＥ）法に
より再成長させたものである。しかし、この方法では第
３図に示すように再成長層７及び８が窓領域１３の光ガ
イド層上の全面で成長しにくいという問題がある。これ
は、光ガイド層はＡ１組成比２が０．３〜０．４のＧａ
＋−ｚＡｌｚＡｓであるためその表面は酸化されやすく
再成長時の成長核発生が起こりにくいことに起因してい
る。再成長の時間を十分に長くすれば、窓領域の光ガイ
ド層上の全面に再成長させることができるが、内部領域
１４での再成長クラッド層７が厚くなり過ぎてしまうの
で、レーザ素子の放熱が阻害され、高出力動作が不能に
なってしまう。

く課題を解決するための手段〉 本発明は、窓領域で露出されたＧａＡｌＡｓ光ガイド層
へ短時間で窓部クラッド層をＬＰＥ再成長させるための
手段を提供するものである。この新規な手段とは、その
上に成長されるべきＧａＡｌＡｓ層の近傍でＧａＡｓ基
板を露出させておけば、そのＧａＡｓ上では成長核が容
易に発生し、そこから伸びる成長フロントはＧａＡｌＡ
ｓ層側面を登り、ＧａＡｌＡｓ表面上へも移動しやすい
という現象を利用したものである。

第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明のウィンドＬＤの構造図
を示すものである。（ａ）は全体構成図、（ｂ）は共振
方向での導波路中央部での断面図、（Ｃ）は導波路に垂
直方向での内部励起領域の断面図、（ｄ）は同じ（窓領
域の断面図である。第１図において１はＧａＡｓ基板、
２は下部クラッド層、３は光ガイド層（Ｇａ、ｚＡＩｚ
Ａｓ）、４は活性層（Ｇａ、−ｘＡＩｘＡｓ）、５は上
部クラッド層（Ｇａ＋−ｙＡｌｙＡｓ）、６は保護層（
Ｇ　ａ　Ａ　ｓまたはＧａＡＩＡｓ）、７．８は再成長
上部クラッド層（Ｇａ、−ｙＡＩｙＡｓ）、９はキ＋　
ツブ層（ＧａＡｓ）、ＩＯは電流阻止層（ＧａＡｓ）、
１１，１２は電極である。ここでＡ１組成比ｘ、ｙ、ｚ
は０≦）（＜ｚ＜ｙ〈ｌの関係にある。

このウィンドＬＤのストライプ状先導ｍ路は、ＧａＡｓ
基板上に形成されたチャネル溝の両肩部で活性層より発
生される光の一部が吸収されることによって起こされる
実効屈折率分布によって得られ、この実効屈折率導波路
よりも広い幅のストライプ状メサが、その両側でヘテロ
接合構造体２〜６がＧａＡｓ電流阻止層に達するまでエ
ツチング除去されることによって形成される。さらに窓
領域となる部分では保護層６、上部クラッド層５、活性
層４がエツチング除去され光ガイド層か露出される。そ
の後、ＬＰＥ再成長を行うのであるが、再成長クラッド
層７はまずＧａＡｓ１ｉ流阻止層１０上で成長が起こり
、光ガイド層３の高さになった後、成長フロントはＧａ
ＡｌＡｓ光ガイド層の両端から中央部に向かって進み露
出されていた光ガイド層全表面が再成長ＧａＡｌＡｓで
覆われる。

再成長クラッド層７はメサ側面でのリーク電流を防ぐた
めに高抵抗になるように添加不純物が選ばれる。再成長
クラッド層８は光ガイド層３が再成長クラッド層７で完
全に覆われなかった時に、それを補って再成長を完壁に
行うために設けられている。ＧａＡｓキャップ層９は素
子表面を平坦にするためと、電極抵抗を小さくするため
のものである。

く作用〉 窓領域で露出された光ガイド層上へのクラッド層のＬＰ
Ｅ再成長を確実に行うことができる。その再成長層及び
その再成長界面の結晶性も非常に良好で問題がないこと
を顕微ホトルミ法により確認した。また、分子線エビタ
牛シャル（ＭＢＥ）法や有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ
）法で再成長を行うと、その界面、特にメサ斜面での結
晶性の問題が大きいことを顕微ホトルミ法により確認し
た。

チャネル溝の両肩部での光吸収は高次横モードの発振利
得を抑圧するので、高出力動作においても安定な基本横
モードで発振させることができる。

このようにして、本発明の半導体レーザは、高出力で長
寿命、高出力で安定基本横モード発振、しかも高歩留ま
りという高出力レーザとしてふされしい特長を有してい
る。

〈実施例〉 以下、本発明を実施例に従って、図面を参照しながら詳
説する。

（実施例１） 第１図（ａ）は本発明の半導体レーザの一実施例の構成
を説明するための図である。また、第１図（ｂ　）（ｃ
　Ｘｄ　）はそれぞれ共振方向での導波路中央部での断
面図、導波路に直角方向での内部励起領域の断面図、同
じ（窓領域の断面図である。

ｐ−ＧａＡｓ基板ｌの（１００）面上にｒｌ−ＧａＡｓ
電流阻止層１０を０．８μｍの厚さにエビタキ／ヤル成
長した後、■−チャネル溝を形成し、その中央部がｐ−
ＧａＡｓ基板１へ貝通するようにした。次に、ｐ−Ｇａ
ｏ、ｓＡ　ｌｏ、ｓＡｓ下部クラッド層２、ｐ　−Ｇ　
ａ　ｏ、　ａＡ　Ｉ　０．４Ａ　Ｓ光ガイド層３、ｃ　
ａ　Ｏ，ＩＡ　Ｉ　Ｇ、　ｌ　Ａ　ｓ活性層４、ｎ−Ｇ
ａ、１．ＡＩｏ。

ｓＡｓ上部クラッド層５、ｎ−Ｇａｏ、ＩＡ　Ｉｏ、、
Ａｓ保護層６からなるペテロ接合構造の多層膜をＬＰＥ
成長法により成長させた。次に、■チャネル溝がほぼ中
央部にくるような幅３０μｍのメサを、その両側をｎ−
ＧａＡｓ電流阻止層１０に達するまでエツチング除去す
ることにより形成した。さらに、窓領域となる部分１３
では、長さ３０μｍにわたって硫酸系のエツチング液に
よって保護層６と活性層４を、フッ酸系のエツチング液
によって上部クラッド層５を除去することにより光ガイ
ド層３を露出させた。

再成長工程として、Ｇｅを少量添加したｐ−Ｇａ　ｏ、
　ｓＡ　Ｉ　ａ、　ｓＡ　Ｓ再成長クラッド層７、ｎ　
−Ｇ　ａ　ｏ。

ｓＡ　ｌ　ｏ、　ｓＡ　Ｓ再成長クラッド層８、ｎ−Ｇ
ａ、Ａｓキャップ層９を順次ＬＰＥ成長させた。再成長
クラッド層７は、窓領域１３では光ガイド層３上に再成
長するが、内部励起領域１４では保護層６の高さまでは
い上がって成長し保護層６の表面には成長しない。もし
再成長クラッド層７の光ガイド層上への再成長が部分的
に完全でない場合またはその表面が平坦にならない場合
でも、再成長クララド層８によって再成長は完全となり
その表面も平坦になる。ｐ−Ｇａ、、、Ａ　ｌｏ、ｓＡ
ｓ再成長クラッド層の比抵抗は１〜５Ω／ｃｍ程度であ
るが、メサ内部の比抵抗は０．０１０７ｃｍ以下である
のでメサ側面でのリーク電流はほとんど無視できる。

また、素子のほとんどの部分を占めるメサ部以外の領域
ではｐｎｐ−ｎの逆バイアス接合により電流は完全に阻
止される。

成長面にはｎ型電極１１を、基板裏面にはｐ型電極１２
を形成した後、窓領域１３内でへき開して共振面を形成
した（共振器長しは４００μｍ、窓領域Ｌｗは約１５μ
ｍとした）。

第１図（ｂ）に示すように、接合に垂直方向の光分布は
、内部励起領域１４では２つのクラッド層２．５に挟ま
れた光ガイド層３と活性層４の厚さとＡ１組成比によっ
て決定され、窓領域１３では２つのクラッド層２．７に
挟まれた光ガイド層３の厚さとＡ１組成比によって決定
される。これらの光分布の形状はできるだけ近いほうが
２つの領域での光結合係数が大きくなる結果、低しきい
値電流、高微分効率が得られ、高出力での動作電流を小
さくすることができる。接合に平行方向の光分布は、内
部励起領域においても窓領域においても■チャネルの幅
によって決定され、その幅が６μｍ以下であれば（実施
例では５μｍ）、高出力まで安定な基本横モードを得る
ことができる。これは■チャネル両側での光吸収により
高次横モード利得が抑制されるためである。

窓領域１３では活性層は存在せず、活性層より禁制帯幅
の大きい光ガイド層とクラッド層が存在するだけである
ので、レーザ光に対して吸収のない完全な窓となる。

本実施例のウィンドＬＤは波長８１０ｎｍで、しきい値
電流６０ｍＡで発振し、２００ｍＷまで基本横モードで
あった。光出射端面には光透過膜を後端面には光反射膜
を形成して、光出力を測定した所、パルス動作で８００
ｍＷ、ＣＷ動作で３５ＱｍＷを得ることができた。ビー
ム放射角の半値全幅は接合に平行方向で１００、垂直方
向で２５°であった。また、５０°Ｃ，１５０ｍＷでの
エージングテストでの動作電流の増加は１０００時間で
約４％（３００ｍＡ−”３１２ｍＡ）であった。

（実施例２） 第２図（ａ）〜（ｄ）に第２の実施例の構成図と断面図
を示す。この構造は窓領域と内部励起領域の境界部分を
電流非導通としたことに特長がある。

第１の実施例のウィンドＬ　Ｄのエージング中に劣化し
た素子を解析した所、活性層が窓領域に接する部分１５
で結晶の劣化が進行していることが判明した。この劣化
を抑制することを目的としてその部分に電流が流れない
ようにした所、大きな効果があることを発見した。この
電流非導通の方法として、実施例では電流阻止層１０の
厚さをその部分でＶチャネル溝の深さよりも厚くするこ
とにより実現した。即ち、電流導通部分では、ｐ−ｃａ
Ａｓ基板にテラス部１６が設けられているので■チャネ
ル溝の中央部は電流阻止層１０を貫通し、非導通部分で
はテラス部がないので■チャネル溝は電流阻止層を貫通
しない。この電流非導通部分１７の長さＬｂは窓領域の
長さＬｖよりも１５μｍ長くした。即ち、Ｌｗ−１５μ
ｍに対してＬｂ＝３０μｍとした。

本実施例のウィンドＬＤも実施例１と同じ特性を示した
が、５０°Ｃ，１５０ｍＷでのエージングテストにおけ
る動作電流の増加は約１％（３００ｍＡ−”３０３ｍＡ
）と大幅な改善効果が実証された。

〈発明の効果〉 本発明のウィンドＬＤの効果を以下にまとめる。

（１）窓領域においても光ガイド層と■チャネルによる
３次元導波路が形成されているので、しきい値電流が低
く微分効率が高い。

（２）窓領域における光ガイド層上へのクラッド層の再
成長がＬＰＥの性質をうまく利用することにより実現さ
れているので、量産性に優れ、高出力動作での信頼性が
高い。

本発明の半導体レーザは、動作電流、横モード、信頼性
等の面で、従来の端面窓型半導体レーザの実用化を阻ん
できた問題点を解決した産業上有用な半導体デバイスで
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）乃至（ｄ）は本発明の第１の実施例の構造
を示す図、第２図（ａ）乃至（ｄ）は本発明の第２の実
施例の構造を示す図、第３図は従来のウィンドＬＤにお
いて、光ガイド層上での再成長が不完全となることを示
す図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）内部励起領域と、該内部励起領域の長さ方向両端
   面に形成された窓領域と、を備えた半導体レーザ素子で
   あって、 第１導電型ＧａＡｓ基板と、 該基板上に形成され、前記基板に達するストライプ状の
   溝を有した第２導電型ＧａＡｓ電流阻止層と、 前記ストライプ状の溝を覆い、素子の両端面間を延伸し
   て均一な幅を有するストライプ状メサ型多層構造体と、 該メサ型多層構造体非形成領域の前記第２導電型ＧａＡ
   ｓ電流阻止層上、及び前記メサ型多層構造体の少なくと
   も前記窓領域上に形成された第１導電型ＧａＡｌＡｓ液
   相エピタキシャル成長層と、を備え、 前記内部励起領域のメサ型多層構造体内にのみ活性層が
   形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. （２）前記ストライプ状の溝が、前記窓領域から該窓領
   域に隣接した前記内部励起領域端部に亙って、前記第２
   導電型ＧａＡｓ電流阻止層内にあって、前記第１導電型
   ＧａＡｓ基板に達していないことを特徴とする請求項第
   １項記載の半導体レーザ素子。
3. （３）内部励起領域と、該内部励起領域の長さ方向両端
   面に形成され、活性層を持たない窓領域とを備えた半導
   体レーザ素子の製造方法であって、第１導電型ＧａＡｓ
   基板上の第２導電型ＧａＡｓ電流阻止層に、前記基板に
   達するストライプ状の溝を形成する工程と、 前記ストライプ状の溝を覆い、素子の両端面間を延伸し
   て均一な幅を有するストライプ状メサ型多層構造体を形
   成する工程と、 前記メサ型多層構造体非形成領域の前記第２導電型Ｇａ
   Ａｓ電流阻止層上、及び前記メサ型多層構造体の少なく
   とも窓領域上に、第１導電型ＧａＡｌＡｓ液相エピタキ
   シャル成長層を形成する工程と、 からなることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法
   。