JPH04120788A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は電流狭窄構造を備えた埋め込みストライプ型の
半導体レーザ装置に関する。

（従来の技術） 現在、半導体レーザ装置は、光通信用および情報処理用
などの民生機器および産業機器の光源として広く用いら
れている。これらの半導体レーザ装置に要求される特性
（高出力、高効率、高速変調など）に対して２発振横モ
ードの安定化および発振閾値電流の低減化は必須条件で
ある。特に。

発振横モードの安定化は、光通信用におけるファイバ結
合効率や、情報処理用における光ビーム非点収差と密接
な関係があるので９重要である。

発振横モードを制御する構造に関しては、これまで多（
の報告がなされている。一般に１　ファブリ・ベロ共振
器構造の半導体レーザ装置は、電流狭窄通路を設けた利
得導波型、共振器方向に対して垂直横方向に屈折率分布
を設けた作り付けの屈折率導波型、および導波路側面を
埋め込んだ屈折率導波型などに大別される。発振横モー
ドの安定化および発振閾値電流の低減化を実現するには
。

レーザ光を発生する活性層付近の狭い領域へ注入電流が
集中的に流れるように、その広がりを抑制すると共に、
この狭い領域にレーザ光を効率よく閉じ込める構造が必
要である。

このような構造を有する半導体レーザ装置は。

通常、埋め込みストライプ型半導体レーザ装置と呼ばれ
ている。素子構造を再現性よく形成し、高い歩留りを得
るために、−回の結晶成長で作製し得る構造でなければ
ならない。このような構造では、電流注入領域を限定す
るために、ストライプ状の電極を設けるか、あるいは導
電性不純物を拡散させたストライプ状の不純物拡散領域
を形成する必要がある。第３図に、ストライプ状の不純
物拡散領域を設けた埋め込みストライプ型半導体レーザ
装置の一例を示す。この半導体レーザ装置は次のように
して作製される。

まず、　　（１００）面を有するｎ−１ｎＰ基板３０上
の［０１１］方向にストライプ状凸部３１を形成する。

次いて、ストライプ状凸部３１が形成されたｎ−１ｎＰ
基板３ｏ上に。

ｎ−１ｎＰ薄膜３２°、　Ｇａ１ｎＡｓＰ薄膜３３゛、
およびｐ−１ｎＰ薄膜３４゛を順次成長させる。このと
き、ストライプ状凸部３１の上面には、共振器方向に対
して垂直な断面形状が三角形であり、　　（１１１）Ｂ
面で囲まれたダブルへテロ構造の多層膜、すなわちその
斜面がストライプ状凸部３１の両端から成長した（１１
１）Ｂ面であるような多層膜が形成される。なお、この
多層膜は。

ｎ−１ｎＰ第１クラッド層３２．　Ｇａ１ｎＡｓＰ活性
層３３．およびｐ−１ｎＰ第２クラッド層３４から構成
されている。このとき、　ｐ−１ｎＰ薄膜３４′は、ス
トライプ状凸部３１の上面に形成されたダブルへテロ構
造中のＧａ１ｎＡｓＰ活性層３３を越えない厚さで成長
するが、　　ＩｎＰ結晶は多層膜の（１１１）８面上に
も成長するので、第３図に示すように、　ｐ−１ｎＰ薄
膜３４°はダブルへテロ構造の多層膜を被覆する。

続いて、　ｐ−１ｎＰ薄膜３４°で被覆されたストライ
プ状凸部３１を埋め込むように、　　ｎ−１ｎＰ埋め込
み層３５およびｐ−Ｇａ１ｎＡｓＰコンタクト層３６を
順次成長させる。

そして、　　ｐ−１ｎＰ第２クラ、ド屓３４に達するよ
うに。

Ｚｎをストライプ状に拡散させて電流注入用のＺｎ拡散
領域３７を形成する。泄後に、　ｎ−４ｎＰ基板３０の
裏面にはｎ　（ＩＩＪ電極３８を、　　ｐ−Ｇａ１ｎＡ
ｓＰ　コンタクト届３６の表面にはｐ　ｆ）ＩＩＩ電極
３９を形成することにより、第３図に示すような半導体
レーザ装置が得られる。

この埋め込みストライプ型半導体レーザ装置は。

ｐ−ｎ逆バイアスを利用した電流狭窄用の埋め込み構造
が１回の結晶成長で容易に形成できる。しかも。

Ｇａ１ｎＡｓＰ活性層３３の幅を約２μｍ程度に小さく
することができるので９発振閾値電流が比較的小さく。

横モード発振も比較的安定である。

（発明が解決しようとする課題） このように、第３図の半導体レーザ装置では。

ストライプ状凸部３１の両側の平坦部に、　ｎ−１ｎＰ
薄膜３２°、　Ｇａ１ｎＡｓＰ薄膜３３゛、およびｐ−
１ｎＰ薄膜３４°が形成されているので、ストライプ状
凸部３工の上面に形成されたＧａ１ｎＡｓＰ活性層３３
を含むダブルへテロ構造の多層膜に注入電流を集中的に
流すためには、ｐ側電極３９からｐ−１ｎＰ第２クラッ
ド層３４へ達するストライプ状のＺｎＫｆｉ領域３７を
形成する必要がある。

しかし、　ｐ−１ｎＰ薄膜３４゛は多層膜の（１１１）
８面上にも成長するので、埋め込み構造のｐ−ｎ逆バイ
アスによる電流狭窄が不完全になり、このｐ−１ｎＰ薄
膜３４゛を経由する漏れ電流が多（なり１発振閾値電流
が大きくなってしまうという問題点があった。

本発明は、上記従来の問題点を解決するものであり、そ
の目的とするところは、ストライプ状凸部を有する半導
体基板に予め電流狭窄構造を設けて、　　Ｚｎなどの導
電性不純物の拡散領域を形成する必要性をなくすことに
よって、漏れ電流が低減され１発振閾値電流が小さく安
定な横モード発振が得られるなど、素子特性が良好で信
穎性に優れた埋め込みストライプ型半導体レーザ装置を
提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明による電流狭窄構造を備えた埋め込みストライプ
型の半導体レーザ装置は、　　（１００）面上の（０１
１＞方向に　ストライプ状凸部を有する第１導電型の半
導体基板と、該ストライプ状凸部の上面に。

両側面が＋１１１１面で囲まれるように形成された。

該ストライプ状凸部よりも幅が小さいレーザ発振用の活
性層を含む、ダブルへテロ構造の多層膜と。

少なくとも該ストライプ状凸部の上面の一部を除く該半
導体基板の表面領域または表面上に形成された電流狭窄
手段とを有し、そのことにより上記目的が達成される。

上記の電流狭窄手段は、好ましくは、少なくとも半絶縁
性または第２導電型の電流狭窄層を含む半導体層である
か、あるいは深い準位を形成し得る不純物を拡散または
注入して形成された不純物拡散領域である。

（作用） （１００）面上の＜０１　Ｄ方向にストライプ状凸部を
設けた半導体基板上に、活性層を含むダブルへテロ構造
の多層膜を順次成長させると、ストライプ状凸部の上面
と、その両側の領域とては、独立に結晶成長が起こる。

ストライプ状凸部の上面には。

共振器方向に対して垂直な断面形状が台形であり。

（１１１）Ｂ面で囲まれたダブルへテロ構造の多層膜。

すなわちその斜面がストライプ状凸部の両端から半導体
基板の（１００）面と約５４．７度の角度をなして成長
した（１１１１面であるような多層膜が形成される。

したがって、ストライプ状凸部よりも幅の小さい活性層
を再現性よく形成することができる。さらに、少なくと
もその上面の一部を除いて電流狭窄手段が設けられたス
トライプ状凸部が電流狭窄構造として機能するので、そ
の上面に形成された活性層を含むダブルへテロ構造の多
層膜を、ストライプ状凸部の両側からの結晶成長によっ
て自己整合的に埋め込むだけで、埋め込みストライプ型
半導体レーザ装置が得られる。

（実施例） 以下に本発明の実施例について説明する。

第１図に、半絶縁性の電流狭窄層を電流狭窄手段として
用いた本発明の半導体レーザ装置の一実施例を示す。こ
の半導体レーザ装置は９次のようにして作製された。

まず、　　（１００）面を有するｎ−４ｎＰ基板１０上
に、ホトレジストを塗布し、得られたホトレジスト膜に
。

幅４μｍのマスクを用いて、　　［０１１］方回に延び
るストライプ状の溝を形成した。そして、電子ビーム蒸
着法によって、全面に、　Ａｌ２Ｏ３膜（厚さ２，５０
０　　）を形成した後、リフトオフ法によって９幅４μ
刊のＡｌ２Ｏ３ストライプ状マスク１７を形成した。

次いで、第２図（ａ）に示すように、　Ｈ２Ｓｏ４系エ
ッチャント（Ｈ２Ｓ０４：Ｆ１２０２：Ｈ２０＝３：１
：１．６０℃）を用いた化学エツチング法によって２幅
２μｍの逆メサ状リッジ（ストライプ状凸部）１１を形
成した。このとき。

ストライプ状凸部１１の側面は＋２２１１面および（１
１１１面で構成されている。

続いて、第２図（ｂ）に示すように、　　Ａｌ２Ｏ３ス
トライプ状マスク１７を残したまま、有機金属気相成長
（ＭＯＣＶＤ＞法によって、　ＦｅドープＩｎＰＪｉ１
４（ストライプ状凸部１１の両側の平坦部での厚さ約０
．５μｍ）を成長させた。このとき、　　ＦｅドープＩ
ｎＰ層１４は＋２２１１面および＋１１１１面上にも成
長するが、　　（１１１１面上における成長速度は小さ
かった。また、　　［１１１１面は１２２１１面および
（１００）面に挟まれており、しかもその面積が小さい
ので、ストライプ状凸部１１の側面（すなわち、　　（
２２１１面および（１１１１面〉と、その両側における
ｎ−１ｎＰ基板ｌＯの表面である（１００）面とが、す
べてＦｅドープＩｎＰ層１４で被覆された。この後、　
　ＨＦ溶液を用いて、　Ａｌ２Ｏ３ストライプ状マスク
１７を除去することにより、電流狭窄構造を備えたｎ−
１ｎＰ基板１０が得られた。この場合、　　Ｆｅドープ
ＩｎＰ層１４は、高抵抗であり、半絶縁性の電流狭窄層
として機能する。

この電流狭窄構造を備えたｎ−１ｎＰ基板１０上に、減
圧ＭＯＣＶＤ法によって、　Ｓｉドープｎ−１ｎＰ薄膜
１２°（平坦部での厚さ０．５μｍ）およびノンドープ
Ｇａ１ｎＡｓＰ薄膜１３°（平坦部での厚さ０．２μｍ
）を順次成長させた。このとき、ストライプ状凸部１１
の上面には、第１図に示すように、共振器方向に対して
垂直な断面形状が台形であり、　　（１１１）Ｂ面で囲
まれたダブルへテロ構造の多層膜、すなわちその斜面が
ストライプ状凸部１１の両端から成長した（１１１）Ｂ
面であるような多層膜が形成された。この多層膜は、　
Ｓｔドープｎ−１ｎＰバッファ層１２（キャリア濃度〜
ＬｘｌＯ”ｃｎ＋−３）と。

ノンドープＧａ１ｎＡｓＰ活性層１３（発光波長１．３
μｍ＞とから構成されている。

引き続いて、　　Ｚｎドープｐ−１ｎＰクラッド層１５
（キャリア濃度〜５ｘｌＯ１７ｃｍ−３，平坦部での厚
さ２．５　μｍ）およびＺｎドープｐ−Ｇａ　ＩｎＡｓ
Ｐコンタクト層１６（層中６ア濃度〜１ｘｌＯＩ８ａｍ
−３，平坦部での厚さ０．５μｍ）を順次成長させた。

このとき、ストライプ状凸部１１の上方では、成長速度
の面方位依存性によって、　Ｇａ１ｎＡｓＰ結晶の成長
は（１００）面上でのみ起こる。これに対し、　　［ｎ
Ｐ結晶の成長は、　　（１００）面上だけでなく、　　
（１１１）８面上でも起こるが、　　（１１１）８面上
での成長速度が（１００）面上での成長速度の１／１ｏ
以下であるので、このような結晶成長の面方位依存性に
よって、ダブルへテロ構造の多層膜は、共振器方向に対
して垂直な断面形状が台形になるように成長した。

また、ストライプ状凸部１１の両側の領域においても、
同様の構成の多層膜が同時に成長しており。

結晶成長が進むにつれて、　　（１１１）Ｂ面を含むす
べての表面上において、均一な速度の結晶成長が起こり
、ストライプ状凸部１１の上面に形成されたダブルへテ
ロ構造の多層膜は、　Ｚｎドープｐ−１ｎＰクラッド層
１５によって埋め込まれた。

さらに、ストライプ状凸部１１上における多層膜の側面
がその底面となす角度は、　　（１００）面と（１１１
）Ｂ面とが結晶学的になす角度に相当するので、この角
度が常に約５４．７度となるように精度よく結晶成長が
起こる。したがって、上述したように７幅３μｍのスト
ライプ状凸部１１を形成することにより。

ノンドープＧａ１ｎＡｓＰ活性層１３の幅を、単一横モ
ード発振を得るのに必要な幅２μｍに再現性よく設定す
ることができた。

最後に、　ｎ−１ｎＰ基板１０の裏面にはｎ側ＡｕＧｅ
電極１８を、　　Ｚｎドープｐ−Ｇａ　ＩｎＡｓＰコン
タクト層１６の層中６はｐ側ＡｕＺｎ電極１９を形成す
ることにより９竿１図に示すような埋め込みストライプ
型の半導体レーザ装置を得た。

上記の実施例では、減圧ＭＯＣＶＤ法の特徴である選択
成長を利用して、ノンドープＧａ１ｎＡｓＰ活性層１３
を含むダブルへテロ構造の多層膜を形成したので。

この活性層の幅を２μｍ程度に容易に精度よく、かつ再
現性よく設定できた。また、高抵抗のＦｅドープｌｎＰ
層１４を用いた電流狭窄構造を、予めｎ−１ｎＰ基板１
０に形成しておいたので、ストライプ状凸部１１の両側
を、　　Ｚｎドープｐ−１ｎＰクラッド層１５で埋め込
むだけで、埋め込みストライプ型半導体レーザ装置が容
易に得られた。

したがって、上記の実施例で得られた半導体レーザ装置
は、単一横モードで安定に発振すると共に、漏れ電流が
少なく発振閾値電流の小さいなど。

良好な素子特性を示した。

なお、上記の実施例では、　　ＦｅドープｌｎＰ層１４
を半絶縁性の電流狭窄層として用いたが、−船釣には。

半導体基板とは導電型が異なる半導体層を用いてもよく
１例えば上記の実施例では、　ｎ−１ｎＰ基板１０とは
導電型が異なるｐ型の半導体層を用いることができる。

この場合、半導体基板の導電型（すなわち。

第１導電型）をｎ型とし、電流狭窄層の導電型（すなわ
ち、第２導電型）をｐ型としているが、逆に第１導電型
をｐ型とし、第２導電型をｎ型としてもよい。

また、上記の実施例では、　　ｎ−１ｎＰ基板１０に電
流狭窄構造を形成するために、　ＦｅドープＩｎＰ層１
４を成長させる際、およびノンドープＧａ１ｎＡｓＰ活
性層１３を含むダブルへテロ構造の多層膜を成長させる
際には。

減圧ＭＯＣＶＤ法を用いたが、常圧ＭＯＣＶＤ法を用い
るか。

あるいは気相エピタキシャル成長（ＶＰＥ）法または分
子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法を用いてもよい。

さらに、半導体基板上にストライプ状凸部（ストライプ
状凸部）を形成する方向として［０１１］方回を選択し
たが、結晶学的に等価な［０１１］方向であっても、同
様の効果を得ることができる。

また、上記の実施例では、　　ＩｎＰ−ＧａｌｎＡｓＰ
系の埋め込みストライプ型半導体レーザ装置について説
明したが、　ＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓ系の埋め込みスト
ライプ型半導体レーザ装置や、多元混晶系を含む他の化
合物半導体を用いた埋め込みストライプ型半導体レーザ
装置についても、同様の効果を得ることができる。

（発明の効果） このように１本発明によれば、埋め込みストライプ型半
導体レーザ装置において１幅の狭い活性層を再現性よく
形成し得ると共に、電流注入用の不純物拡散領域を形成
する必要がなく、漏れ電流を低減することができる。し
たがって１発振閾値電流が小さく安定な単一横モード発
振が得られるなど、素子特性が良好で信頼性に優れた埋
め込みストライプ型半導体レーザ装置が高い歩留りで得
られる。

４、　　　　　の　　　な号　日 第１図は本発明の半導体レーザ装置の一実施例を示す断
面図、第２図（ａ）および（ｂ）は第１図の半導体レー
ザ装置の作製するために用いられる電流狭窄構造を備え
た半導体基板の作製工程を示す断面図、第３図は従来の
代表的な埋め込みストライプ型半導体レーザ装置を示す
断面図である。

１０、３０・−ｎ−１ｎＰ基板、　　１１．３１−・・
逆メサ状リッジ（ストライプ状凸部）、　　１２．３２
−　ｎ−ＩｎＰバッファ層、１３゜３３−・・ノンドー
プＧａ　ＩｎＡｓＰ活性層、　　１４−ＦｅドープＩｎ
Ｐ層（電流狭窄層）、　　１５．３５・・・Ｚｎドープ
ｐ−１ｎＰクラッド層、　　１６．３６・＝　　Ｚｎド
ープｐ−Ｇａ１ｎＡｓＰコンタクト層。

１７・・・Ａ１２ｏ３ストライプ状マスク、　　１８．
３８・・・ｎ側電極１９．３９・ｐ側電極、　　３４・
＝ｐ−１ｎＰクラッド層、　　３７−Ｚｎ拡散領域。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電流狭窄構造を備えた埋め込みストライプ型の半導
   体レーザ装置であって、 （１００）面上の〈０１１〉方向にストライプ状凸部を
   有する第１導電型の半導体基板と、 該ストライプ状凸部の上面に、両側面が｛１１１｝面で
   囲まれるように形成された、該ストライプ状凸部よりも
   幅が小さいレーザ発振用の活性層を含む、ダブルヘテロ
   構造の多層膜と、 少なくとも該ストライプ状凸部の上面の一部を除く該半
   導体基板の表面領域または表面上に形成された電流狭窄
   手段と、 を有する半導体レーザ装置。 ２、前記電流狭窄手段が、少なくとも半絶縁性または第
   ２導電型の電流狭窄層を含む半導体層である、請求項１
   に記載の半導体レーザ装置。 ３、前記電流狭窄手段が、深い準位を形成し得る不純物
   を拡散または注入して形成された不純物拡散領域である
   、請求項１に記載の半導体レーザ装置。