JPH0443690A - 半導体レーザ素子 - 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、光情報端末機器用光源として適切である半導
体レーザ素子に関する。

〔従来の技術〕

従来、半導体基板に種々のパターンをエツチングにより
形成し、その上に有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法で
作製されたエピタキシャル層の形状に関する例は、例え
ばジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊ、
Ａ、Ｐ）６３　、　ｐ　ｐ２２８４−２２９０（１９８
８）において論じられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、基板の段差上に成長された結晶層にお
ける不純物キャリア濃度については述べておらず、また
基板段差の傾斜した面と（１００）面の角度に依存する
不純物キャリア濃度の変化については考慮されていない
。

本発明の目的は、基板段差」；に作製された活性層の形
状を考慮し、かつ基板段差の平坦な面と傾斜した面上の
結晶層における不純物キャリア濃度の違いを利用する。

即ち、ストライプ構造横方向に高抵抗層を設け、従来の
利得導波型ストライプ構造の電流広がりを抑えることに
より、素子の閾値電流を低減することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明は、半導体レーザのス
トライプ構造における電流広がりを抑え、無効電流を低
減するものである。基板上にリッジ状段差を設けてその
上に有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長され
る発光活性層の形状とさらに光導波層における電子及び
正孔のキャリア濃度の違いを利用する。

〔作用〕

本発明において、素子の電流広がりを抑え無効電流を低
減できることを以下に説明する。

半導体レーザでは発光活性層をはさむｎ型及びｎ型光導
波層にはＩ　Ｘ　１０１ａｃｓ−”程度の正孔及び電子
濃度が必要とされる。これにより適切なキャリア移動度
と素子抵抗が確保できる。ところが、用いる基板を通常
の（１００）面より傾けていき、オフ基板を用いること
によりＡＱＧａ　Ｉ　ｎＰ光導波層におけるｎ型及びｎ
型の不純物キャリア濃度が、同しガス流量だけ流したに
もかかわらず、第４図のように変化する。

即ち、第４図（ａ）のように、ｎ型不純物によるキャリ
ア濃度は、（１，００）面より１０〜１５゜以上傾けた
オフ基板を用いると、（１００）面を有する基板の場合
より約１桁大きくなる。また。

ｎ型不純物によるキャリア濃度は、第４図（ｂ）に示し
たように、　（１００）面より１０〜１５゜以上傾けた
オフ基板を用いると（１００）面を有する基板の場合よ
り約１桁小さくなる。

そこで、例えば第１図のように、基板に（１００）面に
対して傾斜角度が１０〜１５°以上になるような傾斜面
を有するリッジ状段差を設けておく。

その上にエピタキシャル成長された結晶のうち、リッジ
状ストライプの平坦面上には通常のダブルヘテロ成長条
件で成長するが、傾斜面上には通常よりキャリア濃度が
１桁低いｎ型光導波層の領域■とキャリア濃度が１桁高
いｎ型光導波層の領域ＩＩが形成される。

このため、領域Ｉでは電子の移動度が小さくなり、ｎ型
光導波層中における高抵抗層として動き、電流の広がり
を抑えることになる。また、ｒ）型光導波層中の領域■
ではキャリア濃度が高く、領域■の力へ拡散していくた
め、ｐ　＋１接合位置が発光活性層よりずれる。このた
め、ダイオ−１への順方向立ち」−かり電圧が大きくな
り、電流が流れにくくなる。以上のことから、素子のス
トライブ構造横方向の電流広がりを抑え、無効電流を低
減することになる。

さらに、リッジ状段差上に形成された発光活性層にも段
差を生しることになる。活性層横方向において、光導波
層との屈折率の違いにより、実効的な作り付けの屈折率
差を設けることができる。

このため、通常の利得導波型ストライブｆｔ構造と異な
り、屈折率差でレーザ光を導波する屈折率導波型ストラ
イプ構造に設４１できる。つまり、低閾値電流で発振す
るレーザ素子を作製することが可能となり、より高い光
出力まで横モードを安定化させることが可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図により説明する。

実施例１ 第１図において、まずｎ　−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板１．（
ｎ。

＝　２　Ｘ　１０１１１Ｃ１１−”　、厚さ１．００μ
ｍ）上に順メサ状のストライプを形成するために、５ｉ
Ｏｚ１１６Ｎ（厚さ０．２μｍ：図示せず）を蒸着し、
ホトリソグラフィーにより幅１〜４μｍのス１−ライブ
状Ｓ　ｉ　Ｏ２マスクを形成する。このマスクをもとに
、ｎ　−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板１をリン酸系或いは硫酸系
水溶液でエツチングする。エツチング深さは０．５〜１
μｍが望ましく、かつリッジ状段差の傾斜した面が平坦
な面（１００）面とのなす角（図中０で示す）は少なく
とも】５°以上となっているのが望ましい。次に、Ｓｉ
ｎ、マスクを弗酸水溶液によりエツチング除去する。

この後、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）炉へ入れて、
次のダブルヘテロ層を順次成長せしめる。

ＧａＡｓバッファ層２　（ｎｏ＝１．２Ｘ１０”１−３
．厚さ０９５μｍ） ｎ　−（Ａ　ＱｘＧ　ａ、ｘＬ、、□Ｉ　ｎｏ−４ｇＰ
層３　（ｎ。

＝　Ｉ　Ｘ　１０”ｃａｉ−’　、厚さ１　、　Ｑ　−
１、５μｍ　、　Ｘ　〜０．６〜０．７） アンドープＧ　ａ５ｎＨＩ　ｎｏ、、、　Ｐ活性層４（
厚さ０．０４〜０．０７　μｍ） ｐ　−（Ａ　Ｑ　ｘＧ　ａ　１−ｘ）。ａｓｌｌ　ｎｏ
ｊ４９　Ｐクラッド層５（ｎ＾＝４〜７　Ｘ　１０１７
ｃｍ−３，厚さ０．８〜１．２μｍ　、　Ｘ　＝　０　
、６〜０　、７　）ｐ　−Ｇ　ａ、、、１１　ｎ、、、
、　Ｐ層６（ｎ＾＝　Ｉ　Ｘ　１０”（ｍ−”、厚さ０
　、０４−０　、１　ｐ　ｍ　）ｎ−ＧａＡｓ電流狭窄
層７（ｎｏ＝２〜５Ｘ１０”１−３．厚さ０　、８〜１
　、２　μｍ　）次に、５ｊｏ２膜（厚さ０　、２　ｐ
　ｍ　：図示せず）を蒸着し、ホトリソグラフィにより
中央部ストライプを取り除いたマスクを作製する。その
後、リン酸系或いは硫酸系水溶液により層６に届くまで
ｎ　−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ電流状９層７をエツチングする。

エツチングによるチャネル幅は５．５〜６．５μｍであ
ることが望ましい。

次に、再び、ＭＯＣＶＤ法によりｐ−〇ａＡｓコンタク
１−層８　（ＪＩＡ＞５　Ｘ　１０”ａ＋＋−’、厚さ
１〜３１ｚ　ｍ　）を埋め込み成長する。さらに、Ｐ電
極９及び１１電極１０を蒸着し、その後襞間スクライブ
することにより素子の形に切り出す。

本実施例によると、素子の閾値電流を従来の５０　ｒｎ
　Ａより２０〜３０ｍＡに低減させることができた。さ
らに、安定な基本横モー１−でレーザ発振し、光出力１
５ｒｎＷ以上までキンクが見られなかった。端面破壊光
出力は２０　ｍ　Ｗ以上であった。

また、温度５０℃、定光出力動作５　ｒｎ　Ｗの寿命試
験において、２０００時間以上経過しても劣化は全く見
られないという信頼性を得た。

実施例２ 本発明の他の実施例を第２図により説明する。

まず、ｐ−ＧａＡｓ基板１’　　（ｎ＾＝２Ｘ］、ｏ”
１−９厚さ１００μｍ）上に、実施例１のようにリッジ
状のストライプを形成する。このとき、第２図のように
逆メサ状にエツチングにより形成する。次に、５１０２
マスク（図示せず）を残じたまま、ＭＯＣＶＤ法により
ｎ　　ＧａＡｓ電流狭窄層７　　（ｎｏ＝２〜５　Ｘ　
１×１０１７ｃｍ−’、厚さ０．８〜１．２μｍ）を選
択成長する。ここで、層７が逆メサリッジストライプに
接する近傍は、第２図のように傾斜を残しておくように
成長する。その後、ＳｉＯ２マスクを弗酸系水溶液によ
りエツチング除去する。

次に、ＭＯＣＶＤによりｐ　　Ｃ；　ａｏ、５１１　ｒ
ｌｏ＋４１Ｐ層６’　　（ＩＩＡ：　Ｉ　Ｘ　１０！！
１ｔｙｎ−３，厚さ０．０４〜０、１　μｍ）、　　ｐ
　−（Ａ　ＱｘＧ　ａ、−ｘ）。ＨＳＩ　Ｉ　ｎｏ＋４
ｇ　Ｐ層５（ｎ＾＝４〜７　Ｘ　１０”ａｍ−３，厚さ
０．８〜１．２μｒｎ）、アンドープＧａ、、、、Ｉｎ
ｎ−４ｓＰ活性Ｆ！Ｉ４　　（厚さ０．０４〜０．０７
．ｕｍ）、ｎ　−（Ａ　ｎｘＧ　ａｔ−Ｘ）ｏ、ｓｘ　
Ｉ　ｎｏ−４９’層３（ｎｏ＝１ｘ１０”ｃｍ−３，厚
さ］、　、　Ｏ〜１　、５　μｍ　）　、　　ｎ　−Ｇ
　ａｇ−６１Ｉ　ＴＩ６＊４＊　Ｐバフフッ層１１（ｎ
ｏ＝１ｘ１０１ｓｃｆｆｉ−’、厚さ０．１μｍ）、ｎ
−ＧａＡｓコンタクト層１２（ｎｏ）２〜４　Ｘ　１０
１８ｃｍ−’、厚さ２〜４μｍ）を順次成長する。この
後、ｎ電極］０及びｐ電極９を蒸着し、襞間スクライブ
することにより素子の形に切り出す。

本実施例によっても実施例】−と同様の効果が得られた
。

実施例３ 本発明の他の実施例を第３図により説明する。

実施例１と同様に作製するが、ＭＯＣＶＤ法により、Ｐ
　　Ｇ　ａｎ−ｂｘ　Ｉ　ｎＯ＊４９　Ｐ層６までエピ
タキシャル成長した後、Ｓ　ｉ　Ｏ２膜（図示せず）を
蒸着し、ホトリソグラフィにより幅４〜６μｍのストラ
イブマスクを形成する。この後、ＭｉＪ６と層５をエツ
チングし、リッジ状ストライプを形成する。

５ｉｎ２マスクを残したまま、ＭＯＣＶＤ法によりｎ−
ＧａＡｓ電流狭窄！！Ｊ７を選択成長する。次に、Ｓｉ
Ｏ２マスクをエツチング除去し、Ｐ−Ｇ　ａ　Ａ　ｓコ
ンタクト層８で埋め込む。Ｐ電極９及びｎ電極１０を蒸
着し、襞間スクライブすることにより素子の形に切り出
す。

本実施例によると、素子の閾値電流を１０〜２０ｍＡに
低減させることができた。さらに、キング光出力は３０
ｍＷ以上であり、端面破壊光出力は５０ｍＷ以上であっ
た。また、温度５０℃。

１０ｍＷの定光出力動作の寿命試験において、２０００
時間以上経過しても全く劣化は見られなかった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、注入電流の広がり及び無効電流を抑え
ることができるので、素子の閾値電流を低減できる。ま
た、活性層横方向の実効的屈折率差を大きく作り付ける
ことができるので、横モードを安定化できキング先出力
を向−卜させることができた。本実施例による素子では
、閾値電流１０〜３０ｍＡ、キング先出力３０ｍＷ以上
、端面破壊光出力５０ｍＷ以」二であり、また５０℃、
１０ｒｎＷの定光出力動作において２０００時間以上の
連続動作を行っても劣化は全く見られない。

【図面の簡単な説明】

第１〜３図は本発明の実施例の素子縦断面図、第４図は
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板の傾角とともに変化する不純物ドー
ピングによるＡ　Ｑ　Ｇ　ａ　Ｉ　ｎ　Ｐ層の正孔及び
電子濃度を示す図である。 １・・・ｎ−ＧａＡｓ基板、１’−ｐ−ＧａＡｓ基板、
２・・・・ｎ−ＧａＡｓバッファ層、３・・・ｎ　−（
Ａ　Ｑ　ｘ　Ｇ　ａ　ｘ−ｘ）。、２、Ｉ　ｎＯ０！ｉ
ｐ層、４・・・アンドープＧ　ａＯｎＳＩ　Ｉ　ｎ　Ｄ
　＋４Ｉ　Ｐ活性層、５−　ｐ　−（Ａ　Ｑ　ｘＧ　ａ
　、−ｘ）。、Ｓ１１　ｒ１ｇ＋４ｇ　Ｐ層、６　・ｐ
　−Ｇａ、、、、Ｉｎ０．、、Ｐバッファ層、７−ｎ　
　ＧａＡｓ電流狭窄層、８・・・ｐ　−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ
コンタクト層、９・＝　ｐ　１１１極、１０−　ｎ電極
、１１・・・ｎ−Ｇ　ａ　ｏ　＊　ｂ、Ｉ　ｎ６＋４ｓ
Ｐバッファ層、１２−　ｎ　−冨　３　図 電手膚Ｓ（（＃−’ジ ホール１洟 （（４ｙｌ−リ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板上において平坦な面と傾斜した面とを有
   するリッジ状ストライプを形成し、傾斜した面と平坦な
   面とのなす角度をできるだけ大きく、望ましくは少なく
   とも１０〜１５°以上とした該リッジ状ストライプ上に
   、バンドギャップの小さなＡｌＧａＩｎＰ半導体発光活
   性層をバンドギャップの大きなＡｌＧａＩｎＰ半導体光
   導波層ではさんだダブルヘテロ構造を設け、該リッジ状
   ストライプ平坦面の幅よりも該発光活性層の幅を大きく
   するようにしたことを特徴とする半導体レーザ素子。 ２、特許請求の範囲第１項記載の半導体レーザ素子にお
   いて、半導体基板上に形成したリッジ状ストライプの幅
   を、１〜４μｍの範囲とし、その上部に形成される活性
   層平坦部の幅が２〜５μｍの範囲となるようにして作製
   されることを特徴とする半導体レーザ素子。 ３、特許請求の範囲第１及び２項記載の半導体レーザ素
   子において、該活性層における構造を単一量子井戸ＳＣ
   Ｈ（セパレイト　コンファインメント　ヘテロストラク
   チャ：ＳｅｐａｒａｔｅＣｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ　Ｈｅ
   ｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造とするが、或いは多
   重量子井戸構造とすることを特徴とする半導体レーザ素
   子。 ４、特許請求の範囲第１、２及び３項記載の半導体レー
   ザ素子において、該活性層に対してｐ型或いはｎ型の不
   純物をドーピングし、そのドーピングレベルを５×１０
   ＾１＾７〜５×１０＾１＾８ｃｍ＾−＾３の範囲とする
   ことを特徴とする半導体レーザ素子。 ５、特許請求の範囲第１、２、３及び４項記載の半導体
   レーザ素子において、該リッジ状段差の傾斜部上に成長
   させるｎ型またはｐ型のＡｌＧａＩｎＰ光導波層におけ
   る電子または正孔キャリア濃度が該リッジ状段差の平坦
   部上に成長されるｎ型またはｐ型のＡｌＧａＩｎＰ光導
   波層におけるよりも小さく、少なくとも１×１０＾１＾
   ７ｃｍ＾−＾３以下になるように設定されたことを特徴
   とする半導体レーザ素子。