JPH048957B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は低閾値の駆動電流でレーザ発振する内
部ストライプ構造半導体レーザ素子、または電流
狭窄構造半導体発光タイオード等の半導体発光素
子に関するものである。

＜従来技術＞ 活性層の近傍に電流狭窄用のストライプ構造を
形成した内部ストライプ構造半導体レーザ素子は
電流狭窄の効率が高く低閾値の駆動電流でレーザ
発振を得るこことができるものと期待されてい
る。第２図は内部ストライプ構造半導体レーザ素
子の基本的構造を示す構成図である。従来より提
唱されている内部ストライプ構造半導体レーザ素
子の構成は、ｐ−GaAs基板５上にｎ−GaAsか
ら成る電流阻止層６を形成した後電流阻止層６よ
りGaAs基板５に達するストライプ溝７を加工成
形し、この上にｐ−Ga_1-yAl_yAsから成る第１ク
ラツド層１、ｎ−Ga_1-xAl_xAs（０≦ｘ＜ｙ＜１）
から成る活性層２、ｎ−Ga_1-yAl_yAsから成る第
２クラツド層３及びｎ−GaAsから成るキヤツプ
層４を順次積層したものである。またGaAs基板
５の下面にはｐ側電極９、キヤツプ層４の上面に
はｎ側電極８がそれぞれ形成され給電手段が構成
されている。ｎ側電極８、ｐ側電極９を介して通
電すると電流阻止層６の介在する領域はその接合
界面がバイアスに接合されることとなり、この部
分には電流が流れずストライプ溝７の形成された
領域のみが電流通路となる。従つてこの電流通路
に対応する活性層２の領域近傍でレーザ発振が開
始される。

＜発明が解決しようとする問題点＞ しかしながら、上記構造を有する半導体レーザ
素子に於いても実際には活性層２よよりストライ
プ溝７の溝幅内のみでの微小スポツト状レーザ発
振を確実に実現することは困難である。以下、そ
の理由について第３図ａ，ｂを参照しながら説明
する。第３図ａはストライプ溝７内に於けるエネ
ルギーバンドを示し、第３図ｂはストライプ溝７
外に於けるエネルギーバンドを示す。ストライプ
溝７に於ける第１クラツド層１及びGaAs基板５
はいずれもｐ型層であり、電圧はほとんど印加さ
れない。従つて、ストライプ溝７外に於ける第１
クラツド層１、電流阻止層６及びGaAs基板５に
も電圧は印加されず熱平衡状態のままである。波
線矢印で示すような活性層２で発生したhν（ｈ：
プランク定数、ν：振動数）のエネルギーを有す
る光はhνよりも大きなエネルギーギヤツプE_g1を
有する第１クラツド層１を透過した後、hνより
も小さなエネルギーギヤツプE_g2を有するストラ
イプ溝７近傍の電流阻止層６で吸収され、それに
よつて電子−正孔対が発生する。尚、図中白丸は
正孔、黒丸は電子を示す。その結果、電流阻止層
６には電子が蓄積され、また第１クラツド層１に
は正孔が蓄積されてターンオンし、元来非導通状
態であるべき領域が導通状態に転換される。スト
ライプ溝７の近傍が導通状態となりその直上の活
性層２で発光が生じるようになるとその光で導通
状態の領域が次第に拡大していく。即ち、非導通
領域が導通領域からの光の侵入により導通状態へ
転換され、この領域が更に周辺の非導通領域を導
通状態へ転換させることになる。このような過程
が繰り返されてついには半導体レーザ素子全域が
導通状態となり、素子全体にわたつて出力光が生
起されるに至り、電流狭窄のためのストライプ構
造はその意義を失する結果となる。

上述の問題点を除去する手段として、電流阻止
層６の光の吸収の少ない（GaAl）As層を用いる
かあるいは第１クラツド層１の厚さを充分に厚く
することが考えられる。しかしながら（GaAl）
As層表面は酸化膜が形成され易く、その上への
エピタキシヤル成長が阻害され良好な結晶が得ら
れない。また第１クラツド層１の厚さを厚くする
とストライプ溝７から注入された電流は活性層２
へ到達するまでに横方向へ拡がり、このため電流
狭窄の果が減少してスポツト発振が得られず発振
開始の閾値電流が増大する。

＜発明の概要＞ 本発明は上記現状に鑑み、技術的手段を駆使す
ることによつて電流狭窄効果の実を上げ低閾値で
スポツト状のレーザ発振を得ることのできる新規
有用な内部ストライプ構造を有する半導体レーザ
素子あるいは電流狭窄構造を有する発光ダイオー
ド等の半導体発光素子を提供することを目的とす
るものである。

本発明はｎ−GaAsのキヤリア濃度が高くなる
程GaAsのバンドギヤツプよりも大きなエネルギ
ーを有する光即ち0.89μmより短波長の光に対し
ては吸収係数αが小さくなる性質及びキヤリア濃
度が高い程少数キヤリアである正孔の拡散長L_p
が短かくなる性質を有するｎ−GaAs層を利用し
て電流狭窄の信頼性を向上させることのできるス
トライプ構造を有する半導体レーザ素子または電
流狭窄構造を有する発光ダイオード等の半導体発
光素子を提供するものである。

＜実施例＞ 以下、本発明を実施例に従つて図面を参照しな
がら詳説する。

第１図Ａは本発明の実施例の半導体レーザ素子
に用いられるｎ−GaAs層の吸収係数の波長依存
性がそのキヤリア濃度によつて大きく変化する様
子を示す説明図である。図中曲線l₁はキヤリア濃
度３×10¹⁸cm^-3、l₂はキヤリア濃度７×10¹⁸cm^-3の
場合の特性曲線である。第１図Ｂは同じく正孔の
拡散長L_pがキヤリア濃度の増大によつて短くな
る様子を示す。また同時に第１図Ｂ中にｐ−
GaAsに於ける少数キヤリアである電子の拡散長
L_oを示す。ｐ−GaAsの場合はキヤリア濃度１×
10¹⁸Tcm^-3以上では常に少数キヤリアは発光再結
合をし、その光の再吸収に起因して電子の拡散長
L_oは長い。

一方、ｎ−GaAsの場合はキヤリア濃度３×
10¹⁸cm^-3以下では発光再結合が中心であるが、キ
ヤリア濃度３×10¹⁸cm^-3以上で急激に非発光再結
合が支配的となり正孔の拡散長L_pは短かくなる
（Ｊ，APPL，PHYS，Vo144，No.３ 1973，
P1281）。

電子の拡散長L_oはキヤリア濃度を５×10¹⁸cm^-3
以上としても2μm以下にすることはできないので
ｎ−GaAs基板上にｐ−GaAs層を形成してこれ
を電流阻止層として用いることは電流狭窄上不都
合である。一方、ｐ型GaAs基板上にｎ−GaAs
層を形成してこれを電流阻止層とする場合でも従
来の如くキヤリア濃度が１×10¹⁸cm^-3程度である
と正孔の拡散長は2μm以上と長く光の吸収係数も
大きいので電流阻止層を2μm以下の厚さにするこ
とはできない。このことはストライプ溝の幅Ｗを
6μm以下にエツチング加工することが困難である
ことを意味する。

第１図Ｂよりｎ−GaAsのキヤリア濃度を３×
10¹⁸cm^-3以上とすると正孔の拡散長L_pは急激に減
少し、1μm以下となる。従つて、第２図に示すｐ
−GaAs基板５上に形成される電流阻止層６とし
てｎ−GaAs層を用い、そのキヤリア濃度を３×
10¹⁸cm^-3以上として、その厚さ1μm以下に設定
し、ストライプ溝７の幅Ｗを5μm以下に加工成形
することによりストライプ幅の小さい電流狭窄機
構が得られる。第１図Ａ，Ｂより電流阻止層６で
あるｎ−GaAs層のキヤリア濃度をより高くする
程その厚さを薄くできることがわかる。例えばｎ
−GaAs層のキヤリア濃度を７×10¹⁸cm^-3とすれ
ば、この上にエピタキシヤル成長された多層結晶
から成るレーザ発振波長0.83μmの半導体レーザ
素子に於けるｎ−GaAs層内の吸収係数を1000cm
^-1、正孔の拡散長L_pを0.2μmにすることができ、
ｎ−GaAs層の厚さを0.3μm程度に薄くしても溝
加工後の電流狭窄が可能であり、その電流狭窄効
果は高く低閾値の駆動電流で半導体レーザ素子の
レーザ動作を得ることができる。

以下、本発明を半導体レーザ素子に適用した各
種実施例について第２図に示す半導体レーザ素子
の基本構成図を用いて説明する。

実施例 １ １×10¹⁸cm^-3のキヤリア濃度を有するZ_oドープ
ｐ−GaAs基板５上に液相エピタキシヤル成長法
によりキヤリア濃度５×10¹⁸cm^-3を有するT_eドー
プｎ−GaAs層６を0.6μmの厚さに成長させこれ
を半導体レーザ素子の結晶成長用下地基板として
用いる。その後、ｎ−GaAs層６よりGaAs基板
５に至る迄ストライプ状の溝７をエツチング加工
する。ストライプ溝の幅Ｗは3μmとする。このス
トライプ溝７を300μmのピツチで形成した後、再
度液相エピタキシヤル成長法でZ_oドープｐ−
Ga_0.7Al_0.3Asから成る第１クラツド層１を層厚
0.5μmで、S_iドープｎ−Ga_0.95Al_0.05Asから成る活
性層２を層厚0.1μmで、T_eドープｎ−Ga_0.7Al_0.3
Asから成る第２クラツド層３を層厚1μmで、T_e
ドープｎ−GaAsから成るキヤツプ層４を層厚
3μmで、それぞれ順次堆積させる。次にｐ側電極
９及びｎ側電極８を蒸着形成し、ストライプ溝７
を中心とする300μm幅にウエハーを分割し、劈開
法で共振器端面を形成して半導体レーザ素子とす
る。

この内部ストライプ構造半導体レーザ素子はｐ
−GaAs基板５上のｎ−GaAs層６が電流阻止層
として働き、発振波長が0.83μmであり、その発
振閾値は共振器長を250μmとした場合平均して
25mAであつた。

実施例 ２ １×10¹⁹cm^-3のキヤリア濃度を有するZ_oドープ
ｐ−GaAs基板５上に液相エピタキシヤル成長法
によりキヤリア濃度７×10¹⁹cm^-3を有するT_eドー
プｎ−GaAs層６を0.8μmの厚さに成長させこれ
を半導体レーザ素子の結晶成長用下地基板として
用いる。その後、ｎ−GaAs層６よりGaAs基板
５に至る迄ストライプ状の溝７をエツチング加工
する。ストライプ溝７の幅Ｗは3.5μmとする。こ
のストライプ溝７を300μmピツチで形成した後、
再度液相エピタキシヤル成長法でZ_oドープｐ−
Ga_0.5Al_0.5Asから成る第１クラツド層１を層厚
0.5μmで、S_iドープｎ−Ga_0.86Al_0.14Asから成る活
性層２を層厚0.1μmで、T_eドープｎ−Ga_0.5Al_0.5
Asから成る第２クラツド層３を層厚1μmで、T_e
ドープｎ−GaAsから成るキヤツプ層４を層厚
3μmで、順次堆積する。次にｐ側電極９及びｎ側
電極８を蒸着形成し、ストライプ溝７を中心とす
る300μm幅にウエハーを分割し、共振器を劈開法
で形成する。この内部ストライプ構造半導体レー
ザ素子は発振波長0.78μmでありその発振閾値は
共振器長を250μmとした場合、平均して30mAで
あつた。

尚、本発明は光の吸収係数及び少数キヤリアの
拡散長のキヤリア濃度依存性がｎ型GaAsと同様
な性質を有する材料であれば、いかなるものにで
も適用できる。またダブルヘテロ接合型半導体レ
ーザ素子以外にシングルヘテロ接合型あるいはマ
ルチヘテロ接合型を製作する場合にも適用可能で
ある。更に半導体レーザ以外の発光素子にも応用
し得るものである。

＜発明の効果＞ 以上詳説した如く、本発明は半導体レーザ素子
または半導体レーザ素子以外の発光素子における
電流阻止層として作用するｎ−GaAsのキヤリア
濃度を３×10¹⁸cm^-3以上とし、ｐ−GaAs基板上
にエピタキシヤル成長させて結晶成長用下地基板
を構成し光の吸収及び正孔の拡散長の両面より有
利な条件を確立することにより電流狭窄効果が高
く低閾値の駆動電流特性を有する内部ストライプ
構造半導体レーザ素子、または電流狭窄構造の発
光素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ，Ｂは本発明の説明に供するｎ−
GaAs層の特性を示す説明図である。第２図は内
部ストライプ構造半導体レーザ素子の基本的構成
を示す構成図である。第３図ａ，ｂはストライプ
溝内外のエネルギーバンドを示す説明図である。 １……第１クラツド層、２……活性層、３……
第２クラツド層、４……キヤツプ層、５……
GaAs基板、６……電流阻止層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ｐ型GaAs基板５と、 該ｐ型GaAs基板５上にエピタキシヤル成長さ
   れ、ｎ型不純物がキヤリア濃度３×10¹⁸cm^-3以上
   ドープされ、かつその層厚が正孔の拡散長より若
   干厚く設定されたGaAs層６と、 該GaAs層６を貫通して形成され、前記ｐ型
   GaAs基板５に達するストライプ溝７と、 該ストライプ溝７の形成された前記GaAs層６
   上に、発光領域をなすために形成されたｐ型半導
   体、及びｎ型半導体層と、 を具備してなることを特徴とする半導体発光素
   子。