JPH04186686A

JPH04186686A - 半導体レーザ

Info

Publication number: JPH04186686A
Application number: JP31178290A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Watanabe; 和昭渡辺
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1990-11-17
Filing date: 1990-11-17
Publication date: 1992-07-03

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、ｍ−ｖ族化合物半導体レーザに関する。

［従来の技術］セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）などの
Ｉ［−Ｖｌ族化合物半導体、およびこれらの混晶は、広
い禁制帯幅、高比抵抗、低屈折率といった他の材料系に
はない特徴を有しており、これらの特徴を生かして、例
えばＺｎ５ｅ薄膜はＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子の
電流狭窄層及び光閉じ込め層として利用されている。第
４図は岩野らにより応物学会講演予稿集（昭和６２年春
期、２８ｐ−ＺＨ−８）に発表された、Ｚｎ５ｅ埋め込
み型ＡｌＧａＡｓ半導体レーザの構造断面図である。　
上記半導体レーザは、活性層（４１）の両側を活性層よ
りも小さな屈折率を有するクラッド層（１３，１７）で
はさんだダブルへテロ接合を有しており・　上側クラッ
ド層（１３）の途中までエツチングを施すことによって
リブ状の光導波路が形成されている。この光導波路をＺ
ｎＳｅＭｉ（２０）で埋め込むことにより光導波路が形
成されているが、Ｚｎ５ｅ層は電流狭窄層としての役割
を果たすと同時に、その低屈折率という特徴を生かして
、リブ直下とその両側の領域との間に実効屈折率段差を
生じさせ、先閉じ込め層としての役割をも果たしている
。Ｚｎ５ｅは他の埋め込み層に用いられる材料系と比較
して、高比抵抗、低屈折率という特徴を有しているおり
、キャリア、及び光波を光導波路内に有効に閉じ込め、
半導体レーザの低しきい値化、高効率化に大きく貢献し
ている。

［発明が解決しようとする課題］しかし、従来技術による通常のダブルへテロ接合型半導
体レーザでは、構造を最適化したとしてもレーザチップ
の発熱等も考慮すると、最高出力は５０ｍＷ程度と見積
られる。光デイスクシステムのピックアップ用光源とし
て半導体レーザ使用する場合、今後予想される転送レー
トの高速化のためには６０ｍＷを超える高出力半導体レ
ーザが必要となり、従来構造の半導体レーザでは対応で
きない。

そこで、本発明はこれらの問題点を解決するもので、そ
の目的とするところは、１００ｍＷ以上の高出力で連続
発振することが可能な高出力半導体レーザを、再現性よ
く提供するところにある。

［課題を解決するための手段〕本発明の半導体レーザは（１）■〜■族化合物半導体の積層構造からなるリブ状
の光導波路を有し、かつ該光導波路をＢ−■族化合物半
導体層で埋め込んでなる半導体レーザにおいて、該半導
体レーザの光導波路は少なくとも半導体基板上に積層さ
れた第１のクラッド層、第１の光導波路層、活性層、第
２の光導波路層、第２のクラッド層より形成されており
、かつ該活性層は複数の井戸層及び薄壁層よりなる量子
井戸構造を有すること（２）上記（１）項記載の半導体レーザにおいて、量子
井戸層の数が２であることを特徴とする。

［実　施　例］本発明の高６カ半導体レーザの第１の実施例を、第１図
に示す。

ｎ型ＧａＡｓ基板上にｎ型バッファー層、ｎ型下側クラ
ッド層、ｎ型下側光導波路層、量子井戸構造活性層、ｐ
型上側光導波路層、ｐ型上側クラッド層、ｐ型コンタク
ト層が順次積層されており、コンタクト層、及び上側ク
ラッド層はリブ状に加工されていて、光導波路を形成し
ている。■−■族化合物半導体によって形成される上記
光導波路は、Ｉ［−Ｖｌ族化合物半導体であるＺｎ５ｅ
によって埋め込まれている。活性層はノンドープＧａＡ
Ｓ及びノンドープＡＩＧａＡＳをそれぞれ井戸層、及び
薄壁層とする二重量子井戸構造を有しており、井戸層の
膜厚は５０λ（０，００５μｍ）である。

次に本発明の高出力半導体レーザの製造方法を、第２図
を用いて説明する。

ｎ型ＧａＡｓ基板（１１）上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ
ー層（１２）、ｎ−ＡｌＧａＡｓ下側クラッド層（１３
）、ｎ型−ＡＩＧａＡｓ下側光導波路層（１４）、量子
井戸構造活性層（１５）、ｐ−ＡＩＧａＡ、ｓ上側光導
波路層（１６）、ｐ−ＡｌＧａＡｓ上ＩＩクラッド層（
１７）、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層（１８）を順次エピ
タキシャル成長する。各層の組成及び膜厚は表１に示す
通っテする。成長はトリメチルガリウム（（ＣＨ３）３
Ｇａ＝ＴＭＧ）等の有機金属化合物、およびアルシン（
ＡＳＨ３）　　等の水素化物を原料とする有機金属化学
気相成長法（ＭｏＣＶＤ法）によって行表１Ａ１組成　膜厚（μｍ）コンタクト層　（１８）　　０　　　　１０上側クラッ
ド層（１７）　　’Ｏ，，４０１，０上側光導波路層（
１６）　　　０．３０　　０．３量子井戸活性層（１５
）　　　Ｏｌｏ、３５下側光導波路層（１４）　　　ｏ
、３０　　０．３下側クラッド層（１３）゛　　Ｏ，’
４０　　１．０バツフアーＪｉｉ　　（１２）　　　０
　　　　　１．０基板　　　　　（１１）　　　０い、成長温度は７３０℃とする。

次いで、上記コンタクト層上に二酸化ケイ素（Ｓｉ０２
）等の絶縁膜（１９）を蒸着する。Ｓｉｏ２蒸着は常圧
化学気相蒸着法を用いて行い、その膜厚は６００〜５０
００人とする（第２図（ａ））。

その後、フォトリソグラフィー工程によって絶縁膜をパ
ターンニングし、さらに上記絶縁膜をマスクとしてリブ
のエツチングを行う。リブのエツチングには硫酸系エッ
チャントを使用し、上側の光導波路層とクラッド層の境
界部までエツチングを行う（第２図（ｂ））。

リブのエツチング後、絶縁物マスクを残したままの状態
でリブをＺｎ５ｅによって埋め込む。ここで行う埋め込
み成長も、有機金属化学気相成長法によって行なう。原
料として、ジメチル亜鉛ニジメチルセレンニアダクト（
ＤＭＺｎ−ＤＭＳｅ）、゛及びセレン化水素を用い、そ
の成長温度は２７５℃とする。Ｚｎ５ｅのエピタキシャ
ル成長を行うと、リブの側面及びリブのない部分には単
結晶のＺｎ５ｅ　（２０）が、リブ上には多結晶Ｚｎ５
ｅ（２１）が成長する（第２図（ｃ　）　、）　９ユ、
、、、〜リブ上に積層した多結晶Ｚｎ５ｅは、７μ応ｊ
件否７．。

オンビームエツチング（ＲＩＢ、Ｅ、）法１こよ、り除
去する。多結晶Ｚｎ５ｅ、単結晶Ｚｎ５ｅ、及び５ｉ０
２のエツチングレートは、多結晶Ｚｎ５ｅか１番大きく
、５ｉ０２が１番小さい。そこで、このエツチングレー
トの差を利用し、リブ上の多結晶Ｚ　ｎ　Ｓ　ｅを完全
に除去し、かつリブの上面と単結晶Ｚｎ５ｅ埋め込み層
の上面とが同じ高さになる様エツチング時間を調整し、
レーザチップの平坦化を図る（第２図（ｄ））。なお、
ＳｉＯ２のエツチングレートは、Ｚ　ｎ　Ｓ　ｅのそれ
に比べ１／３〜１／４と大変小さいため、５ｉ０２マス
クはオーバーエツチングによってリブ頭部がエツチング
されてしまうといった危険性を防ぐ、エツチングストッ
プ層としての役割も果たしている。

リブ上に積層した多結晶Ｚｎ５ｅの除去後、マスクの絶
縁膜を除去し、基板を１００μｍ厚まで研磨する。最後
に、ｐ側、ｎ側それぞれの電極を蒸着すると、Ｚｎ５ｅ
埋め込み分離閉じ込め型二重量子井戸レーザ（ＳＣＨ−
ＤＱＷ−ＬＤ）が完成するく第２図（ｅ））。

本発明の半導体レーザは、活性層に超薄膜よりなる量子
井戸構造を採用している。このため、活性層で生じた光
は上下の光導波路層にしみだし、活性層における光密度
は、通常のダブルへテロ接合型半導体レーザに比べて低
くなっている。また量子井戸構造を導入したことにより
、半導体レーザの最高出力を決定するファクターの一つ
である端面破壊密度が大幅に向上している。その値は約
６ｍＷ／ｃｍ２であり、通常のダブルへテロ接合型半導
体レーザの端面破壊密度（２〜４ｍＷ／ｃｍ２）と比較
すると、約２倍向上したことになる。

この光のしみだし効果、及び端面破壊密度の向上により
本発明の半導体レーザはノンコート素子の場合でｌｌ０
Ｗという最高出力を達成した。共振器端面に誘電体膜の
コーティングを施し効率よ（レーザ光を取り出せば、最
高出力が更に大きくなることは言うまでもない。

また、量子井戸構造の導入によりキャリアは狭い井戸内
に閉じ込められ、電子、あるいはホールの準位は量子化
される。この結果発光効率が向上し、レーザ発振を開始
するしきい電流値は小さくなる。

さて、井戸層の数を変えたときどうなるか、考察を加え
る。まず注入キャリアの閉じ込めについて考える。井戸
層が１層のみの場合、井戸層の層厚が薄い、あるいは注
入電流が多いとき、キャリアが井戸層からす−）＜−フ
ローしてしまう。すなわち発光に関与しない電流が流れ
たり、発振のモードが不安定になったりする。このため
しきい電流値が上昇し、発光効率が低下する。すなわち
レーザチップの発熱量が増加して、レーザ光の出力は端
面が光学損傷（ＣＯＤ　：　Ｃａｔａｓｔｒｏｐｉｃ　
０ｐｔｉｃａＩ　Ｄａｍａｇｅ、以下ＣＯＤと略する）
レベルに達する前に熱的に飽和し、発振を停止する０　
以上より発光効率、あるいはしきい電流値のみの観点か
らみれば、井戸層の数が多い方が有利であることがわか
る。　　　　　　　　　　〜しかしながら、レーザ光の光導波路層へのしみ出しを考
慮すると事態は逆になる。すなわち井戸層の数を増やし
ていくと、キャリアのオーバフローが減少し発光効率は
向上するが、同時に活性層の光の閉じ込め係数も太き（
なり、レーザ光の光導波路層へのしみだしは減少する。

すなわち、活性層における光密度が増大し、低い出力の
段階でＣＯＤを起こしてしまう。レーザ光の光導波路層
へのしみだしを太き（するには、井戸層の数を減らす必
要がある。

以上をまとめると、レーザ出力の熱的な飽和を防ぐため
には量子井戸活性層の井戸層の多い方が良く、光のしみ
だし効果のためには井戸層の数が少ない方が良いという
ことになる。上記考察のもとに井戸層の数をｎ＝１．　
２．　３の３種類のレーザを製作しその特性を調べたと
ころ、しきい値、及び発光効率にについてはｎ＝２の場
合の方がｎ＝１の場合よりも良く、ｎ＝＝２とｎ＝３と
では差がなかった。また最高出力は、ｎ＝２の場合がい
ちばん大きくノンコート素子で１１０ｍＷを記録した。

実験結果を表２に示す。

表２ｎ　　　しきい電流値　　　最高８カ１　　　　２０ｍＡ　　　　　、８５ｍＷ２　　　　１
５ｍＡ　　　　１１０ｍＷ３　　　　１５ｍＡ　　　　
　９５ｍＷさて、埋め込み層として用いたＺｎ５ｅは、
■−Ｖ族化合物半導体と比較して比抵抗が高く、キャリ
アの閉じ込めが有効に働く。また、屈折率が約　２．５
４とＧａＡｓ等に比べて小さいため、光波の横方面の閉
じ込めも有効に行われる。このキャリア、及び光波の閉
じ込め効果により低しきい値化、高効率化が容易に達成
できる。

また、Ｚｎ５ｅは５ｉ０２等の他の誘電体絶縁膜と比べ
熱伝導性に優れている。従って、電流狭窄に使用する場
合、高出力で連続駆動する必要があっても発生した熱は
効率よ（放熱され、チップの温度上昇に基づく効率の低
下、あるいはしきい電流値の上昇等を最小限に抑えるこ
とができる。

Ｚｎ５ｅを埋め込み層に用いる効果は、チップの発熱が
大きい場合、すなわち高出力駆動する場合はど有効とな
る。

本発明の第２の実施例を、第３図に示す。第１図に示し
た第１の実施例との違いは、光導波路構造が基板に達す
るまでエツチングされている点と、リブの埋め込みをＧ
ａＡｓと格子整合するＺｎＳ６、ａ６Ｓ　ｅ　２．ｓａ
　（３１）によって行っている点の２点である。

この実施例においては、活性層と格子定数が一致するＺ
ｎＳＳｅ混晶でリブを埋め込んでいるため、格子ミスマ
ツチに基づく活性層へのストレスがかかりにく（なって
いる。従って、活性層に格子欠陥が生じにくくなり、こ
の結果半導体レーザの高信顆性、高性能化が可能となる
。また、埋め込み層を形成するＺｎＳＳｅの側からみて
も、埋め込み成ｉ中、リブ側面との界面においてストレ
スが生じないため、良質の埋め込み層を形成することが
できると同時に、リブ側面への密着性が向上し、光波、
及びキャリアの閉じ込め効果がより同上する。

なお、本発明の半導体レーザの実施例の説明においては
、埋め込み層として■−■族化合物半導体であるＺｎ５
ｅ、あるいはＺｎＳＳｅを用いた場合について説明を行
ってきたが、他のＩＩ−Ｖｌ族化合物半導体を用いた場
合でも、同様の効果を得ることができる。すなわち、■
族原料としてはセレン、硫黄、テルル等があげられ、■
族原料としては亜鉛、カドミウム等が利用でき、これら
を組み合わせた、２元系、３元系、４元系等の混晶にオ
イても、良好な特性を得ることができる。なお、いずれ
の場合でも、活性層を形成するｍ−ｖ族化合物半導体と
埋め込み眉とを格子マツチングさせり方がよい結果が得
られることは言うまでもない。

加えて、本発明の半導体レーザはＡｌＧａＡｓ系以外の
レーザ材料、例えばＩｎＧ、ａＡｓＰ系、ＩｎＧａＰ系
の材料に対しても同様に適用できる。

また、実施例において各層の導電型をすべて反対にした
構造（ｐをｎに、ｎをｐに置き換えた構造）についても
同様の効果が期待できる。

［発明の効果コ本発明の半導体レーザは以下に述べるような効果を有し
、Ｉ［−Ｖｌ族化合物半導体の持つ特徴を十分生かすと
同時に、１００ｍＷクラスの高８力で連続発振できる半
導体レーザの作製を可能とする。

（１）多重量子井戸構造の導入により、端面破壊密度が
通常のダブルへテロ接合を有する半導体レーザに比べて
約２倍に向上する。このことは、最高８力の向上を意味
する。また井戸層の数を複数とすることによって、井戸
層からのキャリアのオーバーフローを減らすことができ
、単一量子井戸構造活性層を有する半導体レーザと比べ
ても、低しきい値、高スロープ効率が達成される。

また、量子井戸構造の導入によってｎ−ｖｒ族化合物半
導体埋め込みレーザが持つ特性は何ら損ねられることな
い。そればかりか、高出力時には低出力の場合よりもＩ
Ｉ−ＶＩ族化合物半導体の持つ特性がより有効に発揮さ
れる。

（２）　Ｉ［−Ｖｌ族化合物半導体の格子定数はＧａＡ
Ｓのそれと近いため、格子ミスマツチに基づく活性領域
に与えるストレスを最小限に抑えることができ、半導体
レーザの長寿命、及び高出力時の信頼性の向上が計れる
。

（３）ｎ−Ｖｌ族化合物半導体は、■−ｖ族化合物半導
体と比べて高比抵抗、低屈折率である。従って、キャリ
ア、及び光波が有効に光導波路内に閉じ込められ、半導
体レーザの低しきい値化、高効率化が容易に達成される
。特に、高出力時にはわずかな漏れ電流がチップの発熱
等につながるので、電流及び光を有効に閉じ込めること
は必要である。

（４）また、ｎ−ｖｘ族化合物半導体は銹電体薄膜と比
べて熱伝導率が非常に大きい。このため、高８力で連続
発振をした場合でも発生した熱がスムーズにチップから
放熱され、チップの温度上昇に基づく効率の低下、ある
いはしきい値の上昇を招くことが少なくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例を示す半導体レーザの
構造断面図。第２図（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施例の半導
体レーザの製造工程を説明する工程断面図。第３図は、本発明の第２の実施例を示す半導体レーザの
構造断面図。第４図は、従来例を示す半導体レーザの構造断面図。１１　・ｎ型ＧａＡｓ基板１２・・・ｎ型ＧａＡｓバッファー層１３・・・ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１４・・・ｎ型
ＡＩ　ＧａＡｓ光導波路層１５・・・多重量子井戸活性
層１６・・・ｐ型ＡｌＧａＡｓ光導波路層１７・・・ｐ型
ＡｌＧａＡｓクラッド層１８・・・ｐ型ＧａＡｓコンタ
クト層１９・・・ＳｉＯ２マスク２０・・・単結晶Ｚｎ５ｅ２１・・・多結晶ＺｎＳ　ｅ２２・・・ｎ型オーミック電極２３・・・ｎ型オーミック電極３１−・・単結晶Ｚｎ５Ｓｅ４１・・・活性層以上８［ｉ人セイコーエプソン株式会社代理人弁理土鈴木喜三部（他１名）（ａ）　　　　　　　　　　（ｄ）（ｂ）　　　　　　　　　　　　　　　　（ｅ）（ｃ）第２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）III−Ｖ族化合物半導体の積層構造からなるリブ
状の光導波路を有し、かつ該光導波路をII−VI族化合物
半導体層で埋め込んでなる半導体レーザにおいて、該半
導体レーザの光導波路は少なくとも半導体基板上に積層
された第１のクラッド層、第１の光導波路層、活性層、
第２の光導波路層、第２のクラッド層より形成されてお
り、かつ該活性層は複数の井戸層及び薄壁層よりなる量
子井戸構造を有することを特徴とする半導体レーザ。
（２）量子井戸層の数が２であることを特徴とする請求
項（１）記載の半導体レーザ。