JPH0574957B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、作り付け導波路構造を備えた半導体
レーザ装置の改良に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

デイジタル・オーデイオ・デイスク（DAD）、
ビデオ・デイスク・ドキユメント・フアイル等の
光デイスク装置や光通信用光源として半導体レー
ザの応用が開けるにつれ、半導体レーザの量産化
技術が必要となつている。従来より、半導体レー
ザ用の薄膜多層ヘテロ接合結晶製作技術として
は、スライデイング・ボート方式による液相エピ
タキシヤル成長法（LPE法）が用いられてきた
が、LPE法ではウエハ面積の大型化に限度があ
る。このため、大面積で均一性及び制御性に優れ
たエピタキシヤル成長が可能な有機金属気相成長
法（MOCVD法）や分子線エピタキシ−法
（MBE法）等の結晶成長技術が注目されている。

MOCVD法の特性を生かした作り付け導波路
レーザと言えるものに、（アプライド・フイジツ
クスレター誌、第37巻３号262頁、1980年）に発
表された第６図に示す如き半導体レーザがある。
なお、図中６１はＮ−GaAs基板、６２はＮ−
GaAlAsクラツド層、６３はGaAlAs活性層、６
４はＰ−GaAlAsクラツド層、６５はＮ−GaAs
電流阻止層、６６はＰ−GaAlAs被覆層、６７は
Ｐ−GaAsコンタクト層、６８，６９は金属電極
を示している。この構造においては、異種導電型
の電流阻止層６５により活性層６３への電流注入
がストライプ状に限定されると同時に、活性層６
３に導波された光が電流阻止層６５及び被覆層６
６までしみ出し、その結果ストライプ直下とそれ
以外の部分とで異つた複屈折率差を生じ、これに
よりストライプ直下部分に導波されたモードが形
成されることになる。即ち、電流阻止層６５によ
つて、電流狭窄による利得導波路構造と作り付け
屈折率導波路構造とが自己整合的に形成されてい
る。

この構造のレーザは著者等の報告によれば、室
温パルス動作では50［mA］程度とかなり低いし
きい値で発振し、また単一モード発振が達成され
横モードが十分良く制御されることが示されてい
る。

なお、上記構造のレーザは基板６１から電流阻
止層６５までの第１回目の結晶成長と、電流阻止
層６５の一部をストライプ状にエツチングしたの
ちに被覆層６６及びコンタクト層６７を形成する
第２回目の結晶成長とからなる２段階の結晶成長
プロセスにより作成される。ここで、第２回目の
結晶成長の開始時点における被覆層６６の成長
は、一旦表面が空気中に晒されたGaAlAs面上へ
の成長である。このため、従来のLPE法では成
長が難しく、GaAlAs面上への成長が容易な
MOCVD法によつて始めて制御性良く製作でき
るようになつたものである。

ところで、半導体レーザの発振しきい値は、動
作電流の減少、寿命特性の向上等の観点からも低
いことが必要であり、しきい値の低さはレーザの
構造、性能の良い悪しをはかる目安にもなつてい
る。低しきい値を示すレーザ構造としては、作り
付け導波路構造である埋め込み型（BH）や横方
向接合型（TJS）等があり、これらは10〜20
［mA］以下のしきい値を示す。これらに比べて
第６図の構造のレーザのしきい値は、前述した様
に50［mA］とBH、TJS型と比較して２倍以上高
い。本発明者等の実験によつても、現構造のまま
ではこれ以上の低しきい値化をはかることは甚だ
困難であることが確かめられた。

このようなしきい値の違いは、第６図の構造と
BH、TJS型等との導波路効果の違いにあると考
えられる。即ち、第６図の構造は、活性層６３に
導波された光がクラツド層６４を通して電流阻止
層６５までしみ出し、吸収を受けることによつて
接合面に水平方向に等価的複素屈折率の虚数部分
に差が形成されて光がガイドされる吸収損失ガイ
ドである。一方、BH構造等の場合は複素屈折率
の実数部分の差によつて光がガイドされる屈折率
ガイドである。つまり、第６図の構造では、吸収
損失の分だけしきい値が上昇してしまうと考えら
れる。

損失ガイド構造の以上のような欠点に鑑みると
き、低しきい値化を実現するためにはこうした損
失のペナルテイーを払う必要のない屈折率導波型
レーザとすることが考えられる。この考え方をも
とに考案された半導体レーザが（第５回国際固体
素子、材料コンフアレンス、エクステンデイド、
アブストラクト、153頁、1984年）に発表された
第７図に示す如きものである。即ち、ストライプ
状溝部に埋め込む層を高屈折率層７１と低屈折率
層６６の少なくとも２層とすることにより、スト
ライプ状溝部にしみ出した光が、高屈折率層の影
響を受け、接合面に水平方向についてストライプ
状溝直下部分で高くなる実効屈折率分布が生じる
ことになる。そして、高屈折率層７１の屈折率や
厚みを適当に選ぶことによつて高屈折率層７１へ
の光のしみ出しによる損失を十分小さくすること
ができ、過剰電流増加を抑えることができ、低し
きい値化を十分達成できた。

一方、追記型光デイスク装置や、消去、再書き
込みの可能な光デイスク装置の開発が急テンポで
進められており、これに伴い光デイスク書き込み
用光源として、高出力半導体レーザへの要求が高
まつている。光デイスク書き込み用光源として要
求される性能は 書き込み時の光出力として30［mW］以上の
高出力が必要であること 読み出し時の低出力動作時から書き込み時の
高出力動作にわたり横モードが基本モードで、
且つ安定していること ビームが光学系によつて小さく絞れること 等が重要である。

前記第７図に示した半導体レーザは、低しきい
値に加え、光がクラツド層に十分広がる、所謂ラ
ージ・オプテイカルキヤビテイ構造になつている
ため、高出力動作が可能であり上記性能のを満
たしている。の横モードについてはストライプ
状溝部の幅Ｗ及び活性層から第１の被覆層までの
距離ｈと、横モードの関係が上記文献に載せられ
ており、これを第８図に示す。図中、白丸は低出
力動作時に基本横モードの得られたＷとｈの値を
示している。しかし、本発明者らの実験では、第
７図に示されたデイメンジヨンをもつレーザは30
［mW］以上の高出力動作においては、いずれも
高次モード発振や光出力に依存した横モード変形
を生じることが判つた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、実効屈折率差による作り付け
導波効果を確実に生じせしめることができ、低し
きい値化をはかり得、特に30［mW］以上の高出
力動作で安定した基本横モード発振を示す半導体
レーザ装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の骨子は、被覆層を２層若しくはそれ以
上の層構造としてストライプ直下における実効屈
折率を十分大きく保持しながら被覆層に光がしみ
出すことによる損失を抑え、さらにストライプ溝
幅と導波路間距離を適当な値にすることによつて
低出力から30［mW］以上高出力動作時に亙り安
定した横モード発振を示すようにしたことにあ
る。

即ち本発明は、活性層に対し基板と反対側のク
ラツド層上に該クラツド層とは導電型の異なる異
種層をストライプ状部分を除いて形成し、且つこ
の上に上記クラツド層と同じ導電型の被覆層を形
成して、電流狭窄効果及び作り付け導波路効果を
持たせたヘテロ接合型半導体レーザ装置におい
て、前記被覆層は少なくとも２層に形成され、前
記活性層に近い方の第１の被覆層は前記クラツド
層よりも屈折率が大きい層であつて、第１の被覆
層より前記活性層に遠い方の第２の被覆層は第１
の被覆層より屈折率が小さい層であり、且つスト
ライプ状溝部の幅Ｗ及び前記活性層から第１の被
覆層までの距離ｈが、それぞれ 0.7≦Ｗ≦2.0［μｍ］ 0.5≧ｈ［μｍ］ となるようにしたものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ストライプ状溝部に埋込む層
（被覆層）を高屈折率層と低屈折率層の少なくと
も２層とすることにより、ストライプ状溝部にし
み出した光が光屈折率層の影響を受け、接合面に
水平方向についてストライプ状溝直下部分で高く
なる実効屈折率分布が生じることになる。そし
て、高屈折率層の屈折率や厚みを適当に選ぶこと
によつて、高屈折率層への光のしみ出しによる損
失を十分小さくすることができる。従つて、過剰
しきい値電流増加を抑えることができるようにな
り、低しきい値化を十分達成できる。さらに、十
分な実効屈折率差を得ることができるため、非点
隔差の小さいビームを得ることができる。

また、本発明によればストライプ状溝部の幅Ｗ
及び活性層から被覆層までの距離ｈが第５図に示
す斜線領域、即ち0.7≦Ｗ≦2.0［μｍ］、0.5≧ｈ
［μｍ］の領域にある場合、上記の効果を少しも
損うことなく、低出力時から30［mW］以上の高
出力動作に亙つて安定した基本横モード発振が得
られる。

第５図において、斜線領域よりもｈ大の領域で
は、光出力によるモードの変形が生じ、非点隔差
も大きかつた。この領域では高屈折率層が活性層
から遠のくため、実効屈折率差が小さくなり、モ
ードの閉込みは、電流分布による利得分布によつ
て行われるゲインガイド型になる。このため、あ
る程度の高出力になるとホールバーニング等の現
象が起こり利得分布が変化してモードの変形が生
じると考えられる。また、斜線領域よりＷ大の領
域においては、ｈの小さい領域では屈折率差が付
き過ぎるために、高次モードの発振が起る。ｈの
それ程小さくない領域では、屈折率差は生じてい
るが、Ｗが大きいために高出力動作時には、ホー
ルバーニング現象が起こりモードの変形が生じ
た。また、Ｗが２［μｍ］以下では、ｈが0.5［μ
ｍ］以下であればホールバーニング現象は殆ど起
こらない。

なお、第５図中に示す曲線は接合面に平行な方
向１次モードのカツトオフ条件を示しているが、
ｈが小さくなり屈折率差が大きく付いてもＷが小
さい場合には高次モードは立ち難く、Ｗが２［μ
ｍ］以下では30［mW］以上まで基本モード発振
を示した。一方、Ｗが0.7［μｍ］以下になるとモ
ードのしみ出しが大きくなりゲインガイド性が強
くなり、再びモードの変形や非点隔差等が生じ
る。さらにプロセス的にもＷを0.7［μｍ］以下に
制御することは非常に困難であり、量産性にも不
向きである。

以上の点から、Ｗ、ｈの値を第５図の斜線領域
（0.7≦Ｗ≦２、0.5≧ｈ）にとることによつて出
力30［mW］以上まで安定した基本横モードで発
振するレーザが得られることになる。なお、ホー
ルバーニング現象の起こる光出力は、Ｗやｈのと
り方によつて様々に変化し、また、実際に横モー
ドに影響を及ぼすか否かは、実効屈折率差の大小
との相対関係にもよる。従つてここで示した領域
は、光デイスク書込み用光源に必要な性能である
光出力30［mW］以上まで安定した基本横モード
で発振する特性を満たすために必要なデイメンジ
ヨンであり、（第５回国際固体素子材料、コンフ
アレンス、153頁、1984年）に見られるように10
［mW］程度の動作状態からは容易に類推できる
ものではない。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の詳細を図示の実施例によつて説
明する。

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である。図中１１はＮ
−GaAs基板、１２は、Ｎ−Ga_0.65Al_0.35Asクラツ
ド層、１３はGa_0.92Al_0.08As活性層、１４はＰ−
Ga_0.65Al_0.35Asクラツド層、１５はＮ−GaAs電流
阻止層（異種層）、１６はＰ−Ga_0.8Al_0.2As第１
被覆層、１７はＰ−Ga_0.65Al_0.35As第２被覆層、
１８はＰ−GaAsコンタクト層、１９，２０は金
属電極層をそれぞれ示している。

上記構造のレーザは、第２図ａ〜ｃに示す工程
によつて実現される。まず、第２図ａに示す如
く、面方位（100）のＮ−GaAs基板１１（Siド
ープ１×10¹⁸cm^-3）上に、厚さ1.5［μｍ］のＮ−
GaAlAsクラツド層１２（Seドープ１×10¹⁷cm
^-3）、厚さ0.08［μｍ］のアンドープGaAlAs活性
層１３、厚さ1.5［μｍ］のＰ−GaAlAsクラツド
層１４（Znドープ７×10¹⁸cm^-3）及び厚さ１［μ
ｍ］のＮ−GaAs電流阻止層１５（Seドープ５×
10¹⁸cm^-3）を順次成長せしめた。

この第１回目の結晶成長にはMOCVD法を用
い、成長条件は基板温度750［℃］、／＝20、
キヤリアガス（H₂）の流量〜10［／min］、原
料はトリメチルガリウム（TMG：（CH）₃Ga）、
トリメチルアルミニウム（TWA：（CH₃）₃Al）、
アルシン（AsH₃）、ｐ−ドーパントはジエチル
亜鉛（DEZ：（C₂H₅）₂Zn）、ｎ−ドーパントはセ
レン化水素（H₂Se）で、成長速度は0.25［μｍ／
min］とした。なお、第１回目の結晶成長には必
ずしもMOCVD法を用いる必要はないが、大面
積で均一性の良い結晶成長が可能なMOCMD法
を用いることは、量産化を考えた場合LPE法に
比べて有利である。

次いで、第２図ｂに示す如く電流阻止層１５上
にフオトレジスト２１を塗布し、該レジスト２１
に幅２［μｍ］のストライプ状窓を形成し、これ
をマスクとして電流阻止層１５を選択エツチング
し、さらにクラツド層１４を途中までエツチング
してストライプ状の溝２２を形成した。溝２２の
底面の幅Ｗは２［μｍ］、底面から活性層１３まで
の距離ｈは0.5［μｍ］に形成した。

次いで、レジスト２１を除去し表面洗浄処理を
施したのち、第２回目の結晶成長をMOCVD法
で行つた。即ち、第２図ｃに示す如く全面に厚さ
0.02［μｍ］Ｐ−GaAlAs第１被覆層１６、厚さ
1.25［μｍ］のＰ−GaAlAs第２被覆層１７及び厚
さ５［μｍ］のＰ−GaAsコンタクト層１８（Zn
ドープ５×10⁸cm^-3）を成長形成した。これ以降
は、通常の電極付け工程によりコンタクト層１８
上にCr−Au電極層１９を、さらに基板１１の下
面にAu−Ge電極２０を被着して前記第１図に示
す構造を得た。

かくして得られた試料をへき開により共振器長
250［μｍ］のフアブリペロー型レーザに切り出し
た素子の特性は、しきい値電流35［mA］と低く、
微分量子効率も50［％］と良好であつた。また、
出力50［mW］以上までキンクのない線型性の良
い電流−光出力特性が得られた、さらに、レーザ
単面より放射されたレーザ光ビームの接合面に水
平方向、垂直方向のビームウエストは端面に一致
しており、良好な屈折率ガイドになつていること
が確認できた。

また、出力30［mW］以上まで安定な基本横モ
ード発振を示し、高出力時のモード変形や高次モ
ード発振は生じないことが確認された。第３図ａ
はＷ、ｈが共に第５図の斜線領域内にある第２図
に示したレーザ、同図ｂはＷが斜線領域よりはず
れて大きいＷ＝３［μｍ］のレーザのビームサイ
ズの半値全幅を光軸方向について測定したもので
ある。第３図ａの斜線領域内のデイメンジヨンを
持つレーザでは非点隔差はゼロで、高出力時のモ
ード変化もない。一方、第３図ｂのレーザではス
ポツトサイズの極小値が２ケ所に生じたり、高出
力時にモード変形を生じていることが判る。ま
た、非点隔差も生じており、その値も光出力によ
つて異なつている。

第４図は他の実施例に係わる半導体レーザの概
略構造を示す断面図である。なお、第１図と同一
部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省
略する。この実施例が先に説明した実施例と異な
る点は、前記異種層を２層にしたことにある。即
ち、Ｐ−GaAlAsクラツド層１４とＮ−GaAs第
１異種層１５との間にＮ−Ga_0.4Al_0.6As第２異種
層１５ａが挿入されている。これは、ストライプ
両側の領域における活性層１３に導波されたモー
ドの実効屈折率を小さくすることに寄与する。

従つて本実施例によれば、第１被覆層１６によ
る効果とあいまつて、ストライプ直下に大きな実
効屈折率分布を生じせしめることができる。実際
には、単一基本横モード発振を安定に得るための
実効屈折率差は適当量あれば良く、大き過ぎても
高次横モードを発信させる原因となつて好ましい
ことでなく、実効屈折率差を大きくとることがで
きるようになる利点はストライプ直下のＰ−クラ
ツド層１４の厚みを厚くし、工程の歩留り、信頼
性の確保等に振り向けるようにするのが良い。第
２種異種層１５ａを導入したことによる他のメリ
ツトは第１図の実施例のＰクラツド層１４を通し
て広がる無効電流成分をＰ−キラツド層１４が薄
くなる分だけ少なくすることができる点である。

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。例えば、前記ストライプ状溝部の
幅Ｗは２［μｍ］に限るものではなく、0.7〜2.0
［μｍ］の範囲で適宜変更可能である。同様に、
活性層から第１の被覆層までの距離も0.5［μｍ］
に限るものではなく、0.5［μｍ］以下で適宜変更
可能である。また、構成材料としてはGaAlAsに
限るものではなく、InGaAsPやAlGaInP等の他
の化合物半導体材料を用いてもよい。さらに、結
晶成長法としてMOCVD法の代りにMBE法を用
いることも可能である。また、基板としてＰ型基
板を用い、各層の導電型を逆にすることも可能で
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。

【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ａ〜ｃは上記
実施例レーザの製造工程を示す断面図、第３図
ａ，ｂは上記実施例レーザ及び従来レーザにおけ
る光軸方向に沿つたビームサイズの半値全幅の測
定値を示す特性図、第４図は他の実施例の概略造
を示す断面図、第５図は本発明の概要を説明する
ための特性図、第６図乃至第８図はそれぞれ従来
の問題点を説明するためのもので第６図は従来レ
ーザの概略構造を示す断面図、第７図はストライ
プ状の実効屈折率差を大きくした半導体レーザの
概略構造を示す断面図、第８図は第７図に示すレ
ーザの低出力動作時における横モード状態と構造
デイメンジヨンを示した図である。 １１……Ｎ−GaAs基板、１２……Ｎ−Ga_0.65
Al_0.35Asクラツド層、１３……Ga_0.92Al_0.08As活
性層、１４……Ｐ−Ga_0.65Al_0.35Asクラツド層、
１５……Ｎ−GaAs電流阻止層（第１異種層）、
１５ａ……Ｎ−Ga_0.4Al_0.6AS電流阻止層（第２異
種層）、１６……Ｐ−Ga_0.8Al_0.2As第１被覆層、
１７……Ｐ−Ga_0.65Al_0.35As第２被覆層、１８…
…Ｐ−GaAsコンタクト層、１９，２０……電
極、２１……レジスト、２２……ストライプ状溝
部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 活性層に対し基板と反対側のクラツド層上に
   該クラツド層とは導電型の異なる異種層をストラ
   イプ状部分を除いて形成し、且つこの上に上記ク
   ラツド層と同じ導電型の被覆層を形成して、電流
   狭窄効果及び作り付け導波路効果を持たせたヘテ
   ロ接合型半導体レーザ装置において、前記被覆層
   は少なくとも２層に形成され、前記活性層に近い
   方の第１の被覆層は前記クラツド層よりも屈折率
   が大きい層であつて、第１の被覆層より前記活性
   層に遠い方の第２の被覆層は第１の被覆層より屈
   折率が小さい層であり、且つストライプ状溝部の
   幅Ｗ及び前記活性層から第１の被覆層までの距離
   ｈをそれぞれ 0.7≦Ｗ≦2.0［μｍ］ 0.5≧ｈ［μｍ］ に設定してなることを特徴とする半導体レーザ装
   置。 ２ 前記活性層に対し基板と反対側のクラツド層
   は、前記ストライプ状部分に対応する溝がその途
   中まで形成されたものであることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の半導体レーザ装置。