JPH033386A - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、半導体レーザ装置に係わり、特にＩｎＧａＡ
ｆＰ系材料からなるクラッド層を持つ半導体レーザ装置
に関する。

（従来の技術） ＩｎＧａＡｌＰ系材料は、窒系材型除＜ｍ−Ｖ族化合物
半導体混晶中で最大のエネルギーギャップを有し、０．
５〜０．８μｍ帯の発光素子材料として注目されている
。特にＧａＡｓを基板とし、これに格子整合するＩｎＧ
ａＡｌＰを活性層及びクラッド層とするダブルへテロ構
造半導体レーザは、室温で発振可能な０，６μｍ帯可視
光レーザとなり、赤外域の半導体レーザにない様々な応
用が可能である。

ＩｎＧａＡｌＰ系材料は、組系材型りその格子定数が変
化し、高い信頼性を得るためには、ＧａＡｓ基板との厳
密な格子整合が必要である。

また、高い信頼性を得るための条件としては、レーザ動
作に必要な電流を低減し、高温までの発振を可能にする
ことが重要である。このとき、特にｐ型のＩｎＧａＡｌ
Ｐのドーピングにおいて、良好な温度特性を得るために
、高いキャリア濃度が要求される。これは、クラッド層
の高キャリア濃度化により、活性層とクラッド層の間に
大きなヘテロ障壁が形成でき、注入キャリアのオーバー
フローを低減できると共に、クラッド層の抵抗率を低減
し、ここで発生する過剰なジュール熱を抑えることが期
待できるからである。しかしながら、ｐ型ドーパントで
あるＺｎ’ＰＭｇは、成長中に活性層へ拡散し、レーザ
特性を損なうため、ｐ型りラッド層のキャリア濃度をむ
やみに上げることは難しいといった問題がある。

第５図（ａ）はＩｎＧａＡＩＦをクラッド層、ＩｎＧａ
ＡｌＰを活性層とする内部電流狭窄（Ｉｎｎｅｒ　５ｔ
ｒｉｐｅ：　Ｉ　Ｓ　）構造を持つ従来の半導体レーザ
を示す構造断面図であり、図中５１はｎ−ＧａＡｓ基板
、５２はｎ−ＧａＡｓバッファ　、９．５３はｎ−１ｎ
ＧａＡＩＰクラッド層、５４はＩ　ｎＧａＡ　Ｉ　Ｐ活
性層、５５はｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層、５６はｐ
−２ｎＣ；ａＰキャップ層、５７はｎ−ＧａＡｓ電流狭
窄層、５８はｐ−ＧａＡｓオーミックコンタクト層であ
る。電流狭窄層５７はストライプ状の開口部を有し、こ
の開口部及び電流狭窄層５７上にオーミックコンタクト
層５８を形成することにより、電流狭窄層５７のストラ
イプ状の開口部のみに電流を狭窄する機構をなしている
。

第５図（ａ）の構成において、ｐ型のドーパントとして
Ｚｎを用いた場合、活性層への拡散の影響なく最高の発
振温度が得られたのは、Ｉ　ｎｏ、ｓ　　（Ｇａ＋−ｘ
　Ａ　ｌｘ　）　ｏ、ｓ　Ｐの表記でＡＩ組組成が０．
７．キャリア濃度が４　Ｘ　）０１７ｃｍ−’のときで
あった。電流狭窄層５７のストライプ状の開口部の幅を
７μｍ、共振器長を３００μｍとし、ｐ側をヒートシン
ク側にマウントした素子の連続動作での初期特性は、し
きい値電流６５ｖＩＡ　ｓ最高発振温度９０℃であった
（　ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒ、　ｖｏｌ、
２４．　ｐｐ、ｇ７７、（１９Ｈ）参照）。

しかしながらこの構造では、抵抗率が大きく大きなジュ
ール熱を発生するｐ−１ｎＧａ＾ＩＰクラッド層やｎ−
ＧａＡｓ電流狭窄層が、活性層とヒートシンクの間にあ
ることにより、熱放散を行う上で必ずしも最適な構造と
はいえない。

例えば、活性層にＡ１を添加し、発振波長を６３０ｎｍ
程度に短波長化すると最高発振温度は０℃程度までしか
得られなかった。また、Ｉｓレーザの発振横モードは、
電流注入を狭窄することにより光ガイドを行うゲインガ
イド構造であり、非点隔差が大きくしきい値電流も大き
いため、光ディスク等への用途には必ずしも十分な特性
ではなかった。

これに対し、横モードを制御したｌ　ｒｌａＡ　Ｉ　Ｐ
系レーザとして、選択埋め込み成長を用いたりッジ光ガ
イド（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙ　Ｂｕｒｌｅｄ　Ｒｌｄ
ｇｅＷａｖｅｇｕｉｄｅ　：　Ｓ　Ｂ　Ｒ）構造レーザ
（Ｅｘｔｅｎｄｅｄａｂｓｔｒａｃｔ　ｏｆ’　ｔｈｅ
　１８ｔｈ　ｃｏｆｅｒｅｎｃｅ　Ｏｎ　５ｏｌｉｄｓ
ｔａｔｅ　ｄｅｖｆｃｅｓ　ａｎｄ　ｍａｔｅｒｉａｌ
ｓ、　Ｔｈｅ　ＪａｐａｎＳｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ’　Ａ
ｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｌｃｓ、　Ｔｏｋｙｏ、　１９
８Ｂ。

ｐ、１５３）や、ヘテロバリアを利用した電流狭窄（Ｈ
ｅｔｅｒｏ−Ｂａｒｒｉｅｒ　Ｂｌｏｃｋｉｎｇ　：　
ＨＢ　Ｂ　）構造レーザ（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ　ａｂｓｔ
ｒａｃｔ　ｏ（’　ｔｈｅ　２０ｔｈｃｏｆ’ｅｒｅｎ
ｃｅ　　ｏｎ　　５ｏｌｉｄ　　５ｔａｔｅ　　ｄｅｖ
ｉｃｅｓ　　ａｎｄｍａｔｅｒｌａｌｓ、　　Ｔｈｅ　
　Ｊａｐａｎ　　５ｏｃｉｅｔｙ　　ｏｆ　　ＡｐｐＨ
ｅｄＰｈｙｓｉｃｓ、　Ｔｏｋｙｏ、　１９８８．　ｐ
ＪＯ７）が提案されている。

ＳＢＲレーザの構造断面図を第５図（ｂ）に示し、ＨＢ
Ｂレーザの構造断面図を同図（ｃ）に示す。なお、第５
図（ａ）と同一部分については同一符号を付し、その説
明は省略する。また、第５図（ｂ）において、５９はｐ
−ＩｎＧａＡｌＰ又はｐ−ＧａＡｌＡｓからなるエツチ
ングストップ層である。

これらの構造では、ｐ　−１ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　Ｉ　Ｐク
ラッド層に形成された、リッジにより、活性層水平方向
に屈折率分布が形成され、これによる光ガイドが可能で
ある。実際、活性層、クラッド層の厚さ１組成及びドー
ピング量等を第５図（ａ）に示したＩｓレーザと同等と
し、リッジ下部の幅を５μｍ、共振器長を３００μｍと
し、ｐ側をヒートシンク側にマウントした素子の連続動
作での初期特性は、いずれもしきい値電流３５ｍＡ。

最高発振温度１００℃で、また非点隔差は１５μｍ以下
であり、良好な横モード特性が得られた。

しかしながら、これらの場合にも、熱放散を行う上では
Ｉｓレーザと同等の問題点を有しており、さらにリッジ
下部の幅が狭く、素子抵抗が大きいためリッジ部分のク
ラッド層での発熱はＩｓレーザに比べむしろ大きい。こ
のため、温度特性的に厳しい発振波長６３０ｎｍ程度の
短波長レーザでの最高発振温度は、３０℃程度であった
。これらの素子構造に共通な問題は、活性層へのドーパ
ントの拡散、キャリアの不活性化。

さらに低い移動度等の影響から、ｐ型りラ−ラド層の抵
抗率を低くすることができず、ここでの発熱により良好
な熱特性を実現できなかったことにある。

これに対し、基板をｐ型とし、抵抗率を低くすることの
できるｎ型１ｎＧａＡＩＰクラッド層を、活性層とヒー
トシンクとの間に配置するような構造では、良好な熱特
性が期待できる。

しかし、ｐ型のＧａＡｓ基板上に、ｐ型とｎ型を逆にし
たＩｓレーザやＳＢＲレーザでは、ヒートシンク側のｎ
−１ｎＧａＡＩＰクラッド層において、ｐ型電流狭窄層
中での少数キャリアである電子の拡散長が大きく、良好
な電流狭窄効果は得られなかった。また、ＨＢＢレーザ
では、ｎ　−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　ｎ　−１ｎ　Ｇ　ａ
　Ａ　Ｉ　Ｐ間の電圧降下はｐ−ＧａＡｓ基板−１ｎＧ
ａＡ　Ｉ　Ｐ間に比べ小さく、やはり良好な電流狭窄効
果は得られなかった。

（発明が解決しようとする課題） このように従来、１ｎＱａＡＩＰ系材料からなるクラッ
ド層を持つ半導体レーザにおいて、良好な熱特性を得る
ために、ｐ型のＧａＡｓ基板を用い、抵抗率が低いｎ型
１　ｎＧａＡ　Ｉ　Ｐクラッド層を活性層とヒートシン
クとの間に配置するような構造とすると、ｎ型クラッド
層におけるキャリア（電子）の拡散長が大きくなり、良
好な電流狭窄効果を得ることは困難であった。

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型の化合物半導体基板を用い、抵
抗率が低いｎ型ｌ　ｎＧａＡ　！　Ｐクラッド層を活性
層とヒートシンクとの間に配置するような構造において
、良好な熱特性と共に良好な電流狭窄効果を実現し得る
半導体レーザ装置を提供することにある。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、良好な熱特性を得るためにｎ型１ｎＧ
ａＡＩＰクラッド層を活性層とヒートシンクとの間に配
置する構成において、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層側
で電流狭窄を行うことにある。

即ち本発明は、ｐ型の化合物半導体（例えばＧａＡｓ）
を基板とし、ＩｎＧａＡｌＰからなるクラッド層を有す
るダブルへテロ接合構造の半導体レーザ装置において、
基板側にあるｐ型クラッド層と基板との間に、基板より
もエネルギーギャップが大きく、ｐ型クラッド層よりも
エネルギーギャップが小さい有する中間エネルギーギャ
ップ層を設け、さらにこの中間エネルギーギャップ層を
ストライプ状に形成するようにしたものである。

（作０用） 本発明によれば、ｐ型のＧａＡｓ基板を用いてこの上に
ダブルへテロ構造を形成するため、ｎ型１ｎＧａＡＩＰ
クラッド層が活性層とヒートシンクとの間に配置される
ことになり、良好な熱特性を得ることができる。これに
加え、中間エネルギーギャップ層の存在によりキャリア
（電子）の拡散長が小さなｐ型１ｎＧａＡＩＰクラッド
層側で電流狭窄を行えるので、良好な電流狭窄効果を得
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 ＩｎＧａＡｌＰ層をクラッド層とする半導体レーザの概
略構造を示す断面図である。図中１１はｐ−ＧａＡｓ基
板であり、この基板１１上にはストライプ状のｐ−１ｎ
ＧａＰ中間エネルギ−ギャップ層１２が形成されている
。中間エネルギーギャップ層１２の上、さらに中間エネ
ルギーギャップ層１２のストライプ外部にある基板１１
上には、ｐ−１ｎＧａＡＩＰクラッド層１３、ＩｎＧａ
ＡｌＰ活性層１４及びｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１
５を積層して、発光能動部となるダブルへテロ構造部が
形成されている。ダブルへテロ構造部の最上層のｎ型ク
ラッド層１５上には、ｎ−ＧａＡｓオーミックコンタク
ト層１６が形成されている。

ダブルへテロ接合部の各層１３．１４．１５及びｐ型中
間エネルギーギャップ層］２の格子定数は基板１１とほ
ぼ等しく、且つクラッド層１３．１５のバンドギャップ
エネルギーは活性層１４のそれより大きくなるようにＩ
ｎ、Ｇａ。

ＡＩの組成がそれぞれ設定されている。また、基板１１
の下面及びオーミックコンタクト層１６の上面には図示
しない電極が形成され、さらにオーミックコンタクト層
１６側は図示しないヒートシンクにマウントされるもの
となっている。

中間エネルギーギャップ層１２の厚さは５００Å以上で
あり、そのキャリア濃度を５　Ｘ　１０１７ｃｒＹ３以
上とすることにより、ｐ−ＧａＡｓ基板１１、ｐ−１ｎ
ＧａＰ中間エネルギーギャップ層１２．ｐ−１ｎＧａＡ
ＩＰクラッド層１３の間の電圧降下は非常に小さく、動
作電圧の増加。

発熱の増加は全くなかった。また、ｐ型クラッド層１３
の組成を Ｉ　ｎ＋−ｙ　　（Ｇａ＋−ｘ　Ａ　ｌｘ　）　ｙ　Ｐ
の表記で、ｙ〜０．５．ｘ≧０．６とすることにより、
中間エネルギーギャップ層１２を介せずにｐ−ＧａＡｓ
基板１１とｐ−１ｎＧａＡＩＰクラッド層１３が直接接
している部分の電圧降下は十分大きくなる。このため、
中間エネルギーギャップ層１２による電流狭窄構造を実
現することができる。

活性層１４に形成される段差は、中間エネルギーギャッ
プ層１２の表面と基板１１の表面との段差がほぼ保存さ
れ、これが活性層厚程度以下の平坦さであれば横方向の
屈折率ガイド構造は形成されず、ゲインガイドでの発振
が可能であった。また、中間エネルギーギャップ層１２
の表面と基板１１の表面の平坦さが１００人程度量下で
あば、これらの上に形成されるダブルへテロ構造部に結
晶欠陥等は形成されず、良好な信頼性を得るのに十分で
あった。

中間エネルギーギャップ層１２のストライプの幅を７μ
ｍ、共振器長を３００μｍとしたときの連続動作での初
期特性は、発振波長８７０ｎｍのとき、しきい値電流５
５ｍ　Ａ　、最高発振温度１２０℃程度まで改善された
。また、発振波長６３０ｎｍ程度に短波長化しても最高
発振温度は３０℃程度であり、室温での動作が可能にな
った。

また、モード特性等については、前記第５図（ａ）に示
したＩｓ構造レーザとほぼ同等であった。

かくして本実施例によれば、ｐ−ＧａＡｓ基板１１を用
いてこの上にダブルへテロ構造を形成するため、ｎ−１
ｎＧａＡＩＰクラッド層１５が活性層１４とヒートシン
クとの間に配置されることになり、良好な熱特性を得る
ことができる。これに加え、ｐ−１ｎＧａＰ中間エネル
ギーギャップ層１２の存在により、キャリア（電子）の
拡散長が小さなｐ−１ｎＧａＡＩＰクラッド層１３側で
電流狭窄を行えるので、良好な電流狭窄効果を得ること
が可能となる。

ここで、電流狭窄をｐ型クラッド層側で実現するか、ｎ
型クラッド層側で実現するかによる違いを説明する。第
２図（ａ）は本実施例のようにｎ型クラッド層１３側で
電流狭窄を行った例を示し、同図（ｂ）はｐ−ＧａＡｓ
層１７を用いてｎ型クラッド層１５側で電流狭窄を行っ
た例を示している。第２図（ａ）（ｂ）のいずれもｐ型
クラッド層１３では電流の広がりは小さく、ｎ型クラッ
ド層１５では電流の広がりが大きくなっている。これは
、ｐ−１ｎＧａＡＩＰ層に比してｎ−１ｎＧａＡＩＰ層
のキャリア（電子）拡散長が大きいため、つまりｐ−１
ｎＧａＡＩＰ層よりもｎ−１ｎＧａＡＩＰ層の方が抵抗
率が低いためである。

活性層１４に着目すると、第２図（ａ）では電流狭窄幅
は十分に短くなっており、発光領域幅も短くなっている
。これに対して第２図（ｂ）では、活性層１４における
電流狭窄幅が広くなり、発光領域幅も広くなっている。

つまり、ｎ型クラッド層１５側で電流狭窄構造を実現し
ても良好な電流狭窄効果を得ることはできず、ｐ型クラ
ッド層１３側で電流狭窄構造を実現することにより良好
な電流狭窄効果を得ることができるのである。

第３図及び第４図は、本発明の他の実施例の概略構成を
示す断面図である。なお、第３図中の３１．〜，３６及
び第４図中の４１．〜４６は第１図中の１１．〜，１６
に対応している。この実施例が先に説明した実施例と異
なる点は、中間エネルギーギャップ層の表面を基板の表
面と積極的にずらすことにより、活性層に段差を設ける
ことにある。即ち、第３図では中間エネルギーギャップ
層３２の表面を基板３１の表面より高く、第４図では中
間エネルギーギャップ層４２の表面を基板４１の表面よ
り低く設定している。

このような構成であれば、中間エネルギーギャップ層３
２．４２のキャリア濃度、厚さ、さらにｐ型りラッド層
３３．４３の組成を前記第１図の例と同様に設定するこ
とによって、先の実施例と同様に良好な電流狭窄が可能
であった。

しかも、活性層３４．４４が段差を有することから、活
性層３４．４４に対して横方向の屈折率ガイド構造が形
成されるので、横モードの制御が可能となる。

第３図では、段差の大きさを活性層厚程度以上に設定し
、中間エネルギーギャップ層３２の幅を３μｍ程度とす
ることにより、ｌｏｍＷ以上の高光出力まで安定な基本
横モード発振が可能であった。第４図では、段差の大き
さをクラッド層厚の半分程度に設定し、中間エネルギー
ギャップ層４２の幅を４μｍ程度とすることにより、ｌ
Ｏｍ　Ｗ以上の高光出力まで安定な基本横モード発振が
可能であった。

いずれの構造においても、前記第５図（ｂ）（ｃ）に示
したような、ＳＢＲレーザやＨＢＢレーザのように、モ
ード制御のためにＧａＡｓ層を活性層に近接する必要が
なく、光吸収が小さいため、共振器長３００μｍの素子
で２０ｍ　Ａ程度の低しきい値の動作、さらに２μｍ程
度と非常に小さな非点隔差が得られた。また、これらの
素子の最高発振温度は、発振波長８７０ｎｍのもので１
５０℃、６３０ｎｍのもので８０℃が得られた。これは
、しきい値電流が低減できたこと、発熱が大きなｐ型の
ＩｎＧａＡｌＰクラッド層を、活性層の温度上昇に大き
な影響を与える活性層とヒートシンクの間ではなく、基
板側に配置したことによる。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。実施例では、中間エネルギーギャップ層としてｐ
−１ｎＧａＰを用いた場合の半導体レーザについて述べ
たが、中間エネルギーギャップ層はＩｎＧａＡｌＰクラ
ッド層とＧａＡｓ基板の中間のエネルギーギャップを有
するものであればよい。例えば、中間エネルギーギャッ
プ層としてＩｎＧａＡｌＰやＧａＡ　Ｉ　Ａｓを用いて
も、同様の効果が得られるのはいうまでもない。また、
中間エネルギーギャップ層によりｐ型クラッド層側に電
流狭窄を実現した本発明構造に加え、ｎ型クラッド層側
にストライプ状開口を有するｐ−ＧａＡｓ等による電流
阻止層を設けることにより、より確実な電流狭窄を行う
ことも可能である。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−ＧａＡｓ等の
化合物半導体基板を用い、その上にＩｎＧａＡｌＰから
なるクラッド層を有するダブルへテロ構造を形成した構
造において、基板側にあるクラッド層と基板との間に、
基板よりエネルギーギャップが大きく、且つクラッド層
よりエネルギーギャップが小さいストライプ状の中間エ
ネルギーギャップ層を設けているので、良好な熱特性に
加えて良好な電流狭窄効果を備えた半導体レーザ装置を
実現することが可能となる。

【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概略
構造を示す断面図、第２図は上記実施例による電流狭窄
効果を説明するための模式図、第３図及び第４図は本発
明の他の実施例の概略構造を示す断面図、第５図は半導
体レーザの従来構造を示す断面図である。 １１　、３１　；　４１−ｐ　−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板、
１２．３２．４２・・−ｐ−１ｎＧａＰ中間エネルギー
ギャップ層、 １Ｂ、３３．４３−ｐ−１ｎＧａＡＩＰクラッド層、 １４．３４．４４−１ｎＧａＡＩＰ活性層、１５．３５
．４５・＝ｎ−１ｎＧａＡＩＰクラッド層、 １６．３６．４６−−−ｎ−ＧａＡｓオーミックコンタ
クト層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｐ型の化合物半導体基板と、この基板上に形成され、活
   性層をＩｎＧａＡｌＰ系材料からなるｐ型及びｎ型のク
   ラッド層で挟んだダブルヘテロ構造部とを備えた半導体
   レーザ装置において、 前記基板とｐ型クラッド層との間に、前記基板よりもエ
   ネルギーギャップが大きく、且つ前記ｐ型クラッド層よ
   りもエネルギーギャップが小さいｐ型の中間エネルギー
   ギャップ層をストライプ状に設けてなることを特徴とす
   る半導体レーザ装置。