JPH03297187A

JPH03297187A - 高出力半導体レーザ素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH03297187A
Application number: JP10060490A
Authority: JP
Inventors: Makoto Ishikawa; 信石川
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-04-17
Filing date: 1990-04-17
Publication date: 1991-12-27
Anticipated expiration: 2012-12-08
Also published as: JP2687668B2

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）衛星間光通信用光源及び固体レーザ励起用光源等の情報
通信分野に最適な高出力半導体レーザに関するものであ
る。

（従来の技術）０．８ｐｍ　〜０．９ｐｍに発振波長を有するＧａＡｓ
／ＡｌＧａＡｓ系及びＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の
高出力半導体レーザは、光デイスク用光源のみならず、
固体レーザ励起用光源、ＳＨＧ励起用光源、衛星間通信
用光源等の応用分野が広がり、近年急速に需要が高まっ
ている。同時に、より高出力で高信頼な半導体レーザが
求められている。しかし、この波長帯の半導体レーザは
、共振器端面部での表面準位の存在により、ある一定の
臨界光出力を越えると端面が溶触するいわゆる光学損傷
が発生ずる。この光学損傷レベルによって半導体レーザ
の高出力特性が制限されている。光学損傷を防止するた
めには表面準位の存在により誘起される端面部での光吸
収を除去すればよい。端面部での光吸収を防止したレー
ザ構造としては、例えば第７図に示すような構造が提案
されている。（ジャーナルオブクオンタムエレクトロニ
クスＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎｉｃｓＶｏｌ　２５．　Ｎｏ６．　Ｐ１４９５
．１９８９）この構造は共振器内部の利得領域７と、共
振器端面近傍の導波領域８から形成され、導波領域８は
、ＡＩ□、１１Ｇａ□、ＢｇＡｓ活性層１９の発振波長
に対して透明なｎ−Ａｌ□、５Ｇａ□、５Ａｓ埋め込み
層２２から形成されている。この結果、共振器端面部で
の光吸収は無視でき、光学損傷のない高出力な特性が得
られる。さらに、活性層１９の直下に設けられたＰ−Ａ
ｌｏ、３６Ｇａ□、６４Ａｓガイド層の働きにより、発
振光を効率よく共振器内に導波することができまたｎ−
ＧａＡｓ電流ブロック層２０により電流を有効に利得領
域７に注入することが可能となる。このため低しきい値
高効率で、３００ｍＷ以上の良好な高出力特性を得るこ
とができる。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、第７図の従来の構造では、導波領域８を
形成するため、ウェットエツチングによる活性層１９の
除去及びＭＯＶＰＥ気相成長による埋め込み層２２の再
成長等の複雑なプロセスを行なわなければならない。特
にウェットエツチングは活性層１９の直下で正確に停止
しなければ良好な高出力特性を得ることはできず、極め
て困難な制御性を要求される。こうした複雑で困難な制
御性を要求されるプロセスは、素子特性の再現性歩留り
の低下をもたらすと同時に、製造コストの上昇をまねく
。

また、従来の構造では活性層１９を除去した後に埋め込
み層２２を再成長するため、高出力特性を決定する活性
層１９と埋め込み層２２の結晶的なつながりは、再成長
時の表面状態によって大きく左右される。一般にＡｌＧ
ａＡｓの表面は酸化されやすいため、この再成長表面の
酸化膜を除去する事が高出力特性を得るためには重要な
ポイントとなる。しかしＡｌＧａＡｓの酸化膜は極めて
安定であるため再現性よく除去することは困難である。

こうした、複雑な加工プロセスと、ＡｌＧａＡｓ表面へ
の再成長によりもたらされる歩留り再現性低下が従来の
技術の問題点であった。

（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井戸層をＩｎＸＧａ１−ＸＡｓ（０≦ｘ≦０．３）、障壁層をＡ
ｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ≦１）とする活性層を有す
る歪量子井戸型半導体レーザであって共振器端面近傍の
ｈ組成Ｘが共振器内部の値より低いことを特徴とする。

また本発明の製造方法はＭＯＶＰＥ気相成長法において
、成長基板表面に部分的にレーザ光を照射することで成
長基板に周期的な温度分布を形成した状態で少なくとも
井戸層の結晶成長をする工程を有することを特徴とする
。あるいは、ＭＯＶＰＥ気相成長法において、成長基板
裏面にカーボン等の発熱体を周期的に設置し、外部から
高周波誘導加熱又は、赤外線ランプ加熱を行なうことで
成長基板に周期的な温度分布を形成して少なくとも井戸
層の結晶成長をする工程を有することを特徴とする。

（作用）成長基板にＧａＡｓを用い、活性層の井戸層にＩｎｘＧ
ａ１−ｘＡｓを用いた量子井戸型半導体レーザは、格子
整合はとれていなくともある一定の臨界膜厚以下であれ
ば、ミスフィツト転位が発生せず、０．８〜１．０μｍ
帯の良好な発振特性が得られる。加えて格子整合のとれ
たＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の量子井戸レーザとは異な
り重い正孔と軽い正孔の縮退がとけるため、誘導放出の
遷移確率が高まり、発振しきい値電流密度が大幅に低減
する。（ジャーナルオブクオンタムエレクトロニクスＪ
ｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎ
ｉｃｓ、　Ｖｏｌ、　２４．　Ｎｏ、８．　Ｐ１６０５
．１９８８）こうしたＩｎＧａＡｓの量子井戸構造はＭ
ＯＶＰＥ又はＭＢＥ等の気相成長法を用いて形成される
。この場合りとＧａの原料供給量を一定としても、成長
基板の温度に応じてＩｎＸＧａ１−ＸＡｓのＩｎ組成Ｘ
が変化する。６００〜８００°Ｃの範囲では、Ｉｎの固
相から気相への再離脱により、高温になる程Ｉｎ領域Ｘ
が減少する傾向をもつ。

（ジャーナルオブクリスタルグロースＪｏｕｒｎａｌ　
ｏｆＣｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ、　９７．Ｐ５５１
．１９８９）。

従って、本発明の構造のように、成長基板に周期的な温
度分布を形成して第１図（ａ）のようなＩｎｘＧａ１−
ｘＡｓ／Ａ１ｙＧａ１−ｙＡｓの量子井戸構造（ここで
各層の伝導帯のエネルギーダイアグラムを第１図（ｂ）
に示す。）を成長した場合、高温部での玩組成Ｘは、低
温部の値に比べて低くなる。ＩｎＸＧａ１　、Ａｓはｈ
組成Ｘが低いほどバンドギャップエネルギーが大きくな
る。また高温部では等測的にｈの供給量が低下するため
に、井戸層厚も薄くなる。以上の効果から、高温部での
電子の遷移エネルギーは低温部での値より大きくなる。

従って、高温部で成長した部分にへき開面を形成して、
共振器を形成すれは、端面部は第２図に示すように発振
光に対して、透明となり、光学損傷のない高出力特性が
得られる。この製作方法では１回の結晶成長だけで利得
領域７と導波領域８を形成することができ、精密なエツ
チング工程も再成長工程もないため、歩留り及び再現性
のよい高出力半導体レーザを低コストで製作することが
可能となる。

（実施例）以下、第１図の図面を用いて本発明に係わる実施例を詳
しく説明する。まず、ＭＯＶＰＥ又はＭＢＥ気相成長法
を用いてｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎ−Ａ１２Ｇａ１−２
Ａｓクラッド層２．１−ＡＩ、Ｇａ１　、Ａｓガイド層
３活性層となる１−ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ井戸層４（０
≦ｘ≦０．３）、１−ＡＩ、Ｇａ１−、Ａｓガイド層３
、Ｐ−Ａ１２Ｇａ１−２Ａｓクラッド層５（ｙ＜ｚ）、
Ｐ−ＧａＡｓキャップ層６を順次形成する。この成長の
際例えば第３図に示すような加熱方法を用いる。通常ｎ
−ＧａＡｓ基板１は、高周波誘導によって加熱されたカ
ーボンサセプタ９を通して加熱される。

ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ井戸層４の成長直前に５０μｍΦ
程度に集光したＡｒレーザ光を成長表面に周期的にスキ
ャンさせる。この結果図に示すように成長表面に周期的
な温度分布が形成され高温部と低温部で、Ｉｎ組成Ｘの
異なる量子井戸構造が形成される。第４図は別の加熱方
法を示している。この場合、ｎ−ＧａＡｓ基板１は周期
的に形成したカーボン等の赤外線吸収発熱体１２の上に
設置する。この状態で１〜５μｍの加熱用赤外光を基板
裏側から照射する。赤外光は発熱体１２で吸収されて熱
を発生するがＧａＡｓは１〜５μｍの赤外光に対してほ
ぼ透明であるため発熱せず従って、基板表面には発熱体
１２の部分でピークを持つ、周期的な温度分布が形成さ
れる。この加熱方法の場合は全層の成長を周期的な温度
分布のもとで行なうことになるが、ＡｌＧａＡｓ成長で
はＡ１組成及び層厚の成長温度依存性は小さいので、井
戸層４のみ周期的な温度分布の影響を受ける。

上記成長条件で形成した量子井戸ウェハに横モード制御
構造と、電流狭さく構造を導入して本発明に係わる高出
力半導体レーザが形成される。

第５図は、単一ストライプ型のセルファライン型屈折率
導波レーザを形成した例である。この構造では、Ｐ−Ａ
１２Ｇａ１　、Ａｓクラッド層５中に残りＰ−クラッド
層厚０．３ｐｍのメサを形成し、減圧ＭＯＶＰＥ法によ
りｎ−ＡｌｕＧａｌ−ｕＡｓ電流ブロック層１４を選択
的に形成する。再成長の際、５ｉ０２等の誘電体のマス
クを用いればメサ上部には成長層が形成されず良好な選
択埋め込み成長を行なうことができる。この場合、ｚ＜
ｕとすればＰ−クラッド層５の屈折率は電流ブロック層
１４より高くなるため、発振光はメサ部に閉じ込められ
、低しきい値で、高効率な横モード制御レーザが得られ
る。Ｉｎ組成Ｘの低い領域に、電流ブロックとなる５ｉ
０２絶縁膜１７を形成した後、この部分にへき開面によ
る共振器端面を形成して、本発明に係わる実施例が製作
できる。

第６図は、本発明の構造を用いてマルチストライプ型高
出力半導体レーザを製作した例である。電流狭さく構造
は、プロトン注入１８によって形成される。プロトン注
入を行なった領域は高抵抗となるため電流はストライプ
部分に有効に注入される。この場合もＩｎ組成Ｘの低い
領域には全域にプロトン注入を行ない。この部分にへき
開面による共振器端面を形成する。この構造では、特に
横モード制御構造を導入していないため、単峰な出射ビ
ームは得られないが単一ストライプでは、得られないワ
ットクラスの高出力特性を得ることができる。単一スト
ライプの第５図の構造、マルチストライプの第６図の構
造いずれの場合でも光学損傷のない高出力で高信頼な半
導体レーザが再現性よく実現できる。

（発明の効果）ＭＯＶＰＥ又はＭＢＥ等の気相成長法によって形成され
るＩｎＧａＡｓの量子井戸構造の場合、ｈとＧａの原料
供給量を一定としても、成長基板の温度に応じてＩｎｘ
Ｇａ１−ｘＡｓのＩｎ組成Ｘが変化する。６００°Ｃ〜
８００°Ｃの範囲ではＩｎの固相から気相への再離脱に
より、ｈ組成Ｘが減少する。従って本発明の構造のよう
に成長基板に周期的な温度分布を形成してＩｎＸＧａ１
−ｘＡｓの量子井戸構造を成長した場合高温部でのｈ組
成Ｘは、低温部の値に比べて低くなる。また高温部では
、等測的にｈの供給量が低下するため、井戸層厚も薄く
なる。以上の効果から、高温部での電子の遷移エネルギ
ーは、低温部での値より大きくなる。従って高温部で成
長した部分にへき開面を形成して、共振器を形成すれば
端面部は第２図に示すように発振光に対して透明となり
、光学損傷のない高出力特性が得られる。この製作方法
では１回の結晶成長だけで利得領域７と、導波領域８を
形成することができ精密なエツチング工程も再成長工程
もないため、歩留り及び再現性のよい高出力高信頼な半
導体レーザを低コストで実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第５図、第６図は、本発明の実施例を示す構造
図、第２図は本発明の原理を示す図、第３図、第４図は
、本発明の製造方法の一工程を示す図、第７図は従来の
技術の素子の構造図をそれぞれ示す。図において、１・ｎ−ＧａＡｓ基板、２−ｎ−Ａ１．Ｇａｌ−２Ａｓ
クラッド層、３・１−ＡｌｙＧａ１　、Ａｓガイド層、
４・１−ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ井戸層、５−Ｐ−Ａｌｚ
Ｇａｌ−２Ａｓクラッド層、６−Ｐ−ＧａＡｓキャップ
層、７・・・利得領域、８・・・導波領域、９・・・カ
ーボンサセプタ、１０・・・レーザ光、１１・・・高周
波コイル、１２００．赤外線吸収発熱体、１３・・・加
熱用赤外光、１４・・・ｎ−ＡｌｕＧａｌ　＋　ｕＡｓ
電流ブロック層、１５−ｎ電極、１６・Ｐ電極、１７・
・・５ｉ０２絶縁膜、１８・・・プロトン注入、１９°
＝ＡＩ０．１１Ｇａ□、ＢｇＡｓ活性層、２０・ｎ−Ｇ
ａＡｓ電流ブロック層、２１−　Ｐ−ＡＩｏ、３６Ｇａ
ｏ、６４Ａｓガイド層、２２−・・。−ＡＩ□、５０ａ
□、５Ａｓ埋め込み層をそれぞれ示す。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）井戸層をＩｎ＿ｘＧａ＿１＿−＿ｘＡｓ（０≦ｘ
≦０．３）、障壁層をＡｌ＿ｙＧａ＿１＿−＿ｙＡｓ（
０≦ｙ≦１）とする活性層を有する歪量子井戸型半導体
レーザであって共振器端面近傍のＬｎ組成ｘが共振器内
部の値より低いことを特徴とする半導体レーザ素子。
（２）ＭＯＶＰＥ又はＭＢＥ気相成長法において、成長
基板表面に部分的にレーザ光を照射することで成長基板
に周期的な温度分布を形成して結晶成長する工程を有す
ることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
（３）ＭＯＶＰＥ又はＭＢＥ気相成長法において、成長
基板裏面にカーボン等の発熱体を周期的に設置し外部か
ら高周波誘導加熱又は、赤外線ランプ加熱を行なうこと
で成長基板に周期的な温度分布を形成して結晶成長する
工程を有することを特徴とする半導体レーザの素子製造
方法。