JPH0590706A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】活性層における等価屈折率差により、光の閉じ
込め率を向上させて、横モードを安定させ、しきい値電
流の低減と発光効率の増大を達成した。 【構成】活性層３の上部または下部にあるクラッド層
２、６の内部にあり、電流が流れる領域を一定領域に制
限する電流ブロック層５の禁制帯幅をクラッド層２、６
よりも広くし、また電流ブロック層５の屈折率をクラッ
ド層より低くした。また、電流ブロック層５を活性層３
のごく近傍に配した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光伝送システム、光情
報処理機器、光計測機器などの光源として用いられる、
高出力が得られ、高安定で横モード制御が可能な屈折率
導波型の半導体レーザ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザ素子は、光通信用光源また
は、光ディスク用光源等として広範囲に利用されつつあ
る。これらの用途に適応させるための半導体レーザ素子
においては、しきい値電流が低く、安定した基本横モー
ドで発振し、かつ、再現性良く製作できることが極めて
重要であり、このため、つくりつけ導波路が有する効果
や、電流狭窄効果を生ぜしめるため、種々の構造が考え
られている。すなわち、半導体レーザの横モードの安定
化、特に単一化は、低しきい値化、出射ビームの安定
化、変調特性の改善にとって重要な問題であり、横モー
ドの制御技術がさかんに研究開発されている。

【０００３】横モードの制御技術の一つの手段としては
屈折率導波型の半導体レーザ素子がある。屈折率導波型
の半導体レーザ素子は、接合面に平行な方向にも、屈折
率分布をつけ、三次元的な誘電体光導波路とし、積極的
に単一モード条件を満足させている。そして、通常、そ
の方法として、活性層および活性層の上下に位置するク
ラッド層をストライプ状に残し、周りをエッチングによ
り取り去った後、再び下側クラッド層と同じ材料で逆の
導電性および同じ導電性を持つ半導体、もしくは半絶縁
性の半導体をエッチングした部分に順次埋め込んだ、い
わゆる埋め込みへテロ構造とし、活性層へのキャリアの
閉じ込めとともに、活性層への光の閉じ込めを実現した
ものが用いられている。

【０００４】一方、電流の狭窄化を図るためには、活性
層の上部または下部のクラッド層に近接した場所に電流
ブロック層を設け、その一部をストライプ状に窓開け
し、電流の流れる領域を一定領域に制限した、いわゆる
内部ストライプ構造も一般に用いられてきている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題として、以下のものが挙げられる。上述の埋め
込みヘテロ構造の半導体レーザは、発光部である活性層
をエッチングし、そのエッチングした側面を再び成長に
よって埋め込むというプロセスを経るため、エッチング
面の結晶方位や二度目の成長条件によっては、活性層側
面における埋め込み再成長がうまくいかず、この部分に
欠陥が生ずることもある。また、埋め込み層における異
なる導電性の界面、つまり、ｐ−ｎ接合面の位置がうま
く活性層の位置に合っていないと電流の埋め込み層への
漏れが生じ、しきい値電流や効率を悪化させることにな
る。このように、埋め込みヘテロ構造の半導体レーザは
その作製工程で微妙なプロセスを経るため完成した素子
の特性の再現性が良くないという問題点があった。

【０００６】一方、上述のもう１つの従来技術であるい
わゆる内部ストライプ型半導体レーザ素子では、電流ブ
ロック層の材料がクラッド層と同じか、あるいはクラッ
ド層より禁制帯幅の狭い、すなわち屈折率の高い材料を
用いて電流狭窄効果をもたせている。電流ブロック層が
クラッド層と同じ材料の場合には、接合面に平行な方向
には屈折率差がつかず利得導波型になり、その結果、高
出力時にモードが不安定になってしまうという問題点が
ある。これを防ぐには上側のクラッド層に内部ストライ
プの位置に合わせてリッヂ部をつけて、屈折率導波型と
するというように余分な工程を必要としていた。また、
電流ブロック層がクラッド層より禁制帯幅の狭い材料の
場合には、電流ブロック層における吸収損失によってス
トライプ部分以外の光を除去して横モードを安定させて
いるため、しきい値電流や効率を悪化させるという問題
があった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明では以下の手段を採用した。まず、本発明の
半導体レーザ素子では、活性層３の上部または下部にあ
るクラッド層２またはクラッド層６の内部にあり、電流
が流れる領域を一定領域に制限する作用をもつ、電流ブ
ロック層５の禁制帯幅をクラッド層２またはクラッド層
６よりも広くし、電流ブロック層５の屈折率をクラッド
層より低くした。次に、この電流ブロック層５を活性層
３のごく近傍に配して、活性層３における接合面と平行
な方向での等価屈折率に差をもたせ、横モードを安定さ
せて光の閉じ込め率を向上させる構造としている。ま
た、半導体レーザ素子の特性に大きく影響を及ぼす光の
閉じ込め率は、活性層３と電流ブロック層５との間隔、
及び電流ブロック層５の間のストライプ状の間隔５ａと
の相互関係により決定される。本発明はその最適値を決
定したことにより最適な形状の屈折率導波型の半導体レ
ーザ素子を提供する。

【０００８】

【作用】以下、図１を用いて、本発明の半導体レーザ素
子の動作について説明する。本発明の半導体レーザ素子
では、下から半導体基板１、（以下、半導体基板側のク
ラッド層を第１クラッド層２とする）第１クラッド層
２、活性層３、（以下、活性層を介し、半導体基板から
はなれたところに位置するクラッド層を第２クラッド層
４とする）第２クラッド層４、電流ブロック層５、（以
下、電流ブロック層をエッチングして形成されたストラ
イプ状の間隔５ａを埋め込み、その電流ブロック層５の
上部にも形成されたクラッド層を上部第２クラッド層６
という）上部第２クラッド層６、コンタクト層７が層状
に構成されている。ここで、活性層３の禁制帯幅はクラ
ッド層のものよりも小さく、また電流ブロック層５の禁
制帯幅を第１クラッド層２及び第２クラッド層４よりも
広くしている。また、その形状の一部が削除され、スト
ライプ状の間隔５ａが形成されている。そして、そのス
トライプ状の間隔５ａを埋め込むように形成された上部
第２クラッド層６を有する。

【０００９】このように構成された半導体レーザ素子は
以下のように動作する。まず、半導体基板１とコンタク
ト層７との間にｐ−ｎ接合の順方向のバイアス電圧が印
加されると、電流は逆バイアスとなっている電流ブロッ
ク層５の部分には流れず、ストライプ状の間隔５ａから
活性層３に集中して流れ、第１クラッド層２、第２クラ
ッド層４から正孔と電子とが活性層３に注入される。注
入されたこれらのキャリアは、ヘテロ接合界面の障壁作
用により活性層３に閉じ込められて、再結合し、発光す
る。活性層３で発光した光は、屈折率の低い電流ブロッ
ク層５の作用により、等価屈折率差を有し、接合面に平
行な方向においても、ストライプ状の間隔５ａの部分に
閉じ込められ、３次元の導波路を形成する。このような
導波路により導波された光はストライプ状の間隔５ａの
長手方向に垂直な、対向する劈開端面によって構成され
るファブリ・ペロー型共振器の作用でレーザ発振に至
る。

【００１０】

【実施例】図１は本発明の半導体レーザ素子の第１の実
施例の構造を示す断面図、図２は斜視図である。図１、
図２において、下からｐ型のインジウムリン（以下、Ｉ
ｎＰとする）の半導体基板１、ｐ型ＩｎＰのバッファ層
を兼ねた第１クラッド層２、ｐ型、ｎ型またはアンドー
プのインジウムガリュウムひ素リン（以下、ＩｎＧａＡ
ｓＰとする）の活性層３、ｎ型のＩｎＰの第２クラッド
層４、ｐ型のＩｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ組成の電流
ブロック層５、ｎ型のＩｎＰの上部第２クラッド層６、
ｎ型ＩｎＧａＡｓＰのコンタクト層７が層状に構成され
ている。そして、半導体素子の上部と下部にそれぞれｎ
電極８、ｐ電極９が設けられている。

【００１１】図３の（ａ）〜（ｄ）は図１に示した本発
明の半導体レーザ素子の製造工程を示した図である。ま
ず、図３（ａ）に示すようにｐ型ＩｎＰの半導体基板１
上に、液相成長法（ＬＰＥ）、有機金属気相エピタキシ
ャル成長（ＭＯＶＰＥ）法、分子線エピタキシャル成長
（ＭＢＥ）法などの方法により、ｐ型ＩｎＰのバッファ
層を兼ねた第１クラッド層２、ｐ型、ｎ型又はアンドー
プのＩｎＧａＡｓＰの活性層３、ｎ型のＩｎＰの第２ク
ラッド層４、ｐ型のインジウムアルミニウムひ素（以
下、ＩｎＡｌＡｓとする）の電流ブロック層５の各層を
順次成長させる。この各層の組成はいずれも半導体基板
であるＩｎＰの結晶格子に整合した組成を選んでいる。

【００１２】次に、図３（ｂ）に示すように、表面にＳ
ｉＮｘ膜１０をプラズマＣＶＤ法などによって堆積させ
た後、フォトリソグラフィ技術によってレジスト膜にス
トライプ状の間隔５ａをあけて形成し、これをマスクと
してＳｉＮｘ膜１０をフッ酸等でエッチングする。さら
に、このＳｉＮｘ膜１０をマスクとして電流ブロック層
５を硫酸系の選択性エッチングでＩｎＰの第２クラッド
層４の上部境界面までエッチングし、ストライプ状の間
隔５ａを形成する。

【００１３】そして、図３（ｃ）に示すように表面のＳ
ｉＮｘ膜１０を剥いだ後、第２回目の結晶成長によりｎ
型ＩｎＰの上部第２クラッド層６、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ
のコンタクト層７を形成する。

【００１４】最後にｐ型ＩｎＰ半導体基板１の側にｐ電
極９、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰのコンタクト層７側にｎ電極
８を蒸着し、アロイング等によりオーム性接触を形成し
て、図３（ｄ）に示した半導体レーザ素子が完成する。

【００１５】各層の層厚は、例えば、ｐ型ＩｎＰのバッ
ファ層を兼ねた第１クラッド層２を１μｍ、ＩｎＧａＡ
ｓＰの活性層３を０．０５〜０．３μｍ、ｎ型ＩｎＰの
第２クラッド層４を０．０１〜０．６μｍ、ｐ型ＩｎＡ
ｌＡｓの電流ブロック層５を０．１〜１μｍ、ｎ型Ｉｎ
Ｐからなる上部第２クラッド層６を０．２〜２μｍ、ｎ
型ＩｎＧａＡｓＰのコンタクト層７を０．０３〜０．５
μｍとし、ストライプ状の間隔５ａの幅は０．５〜８μ
ｍ程度とすることが必要である。ここで、第１クラッド
層２、活性層３、上部第２クラッド層６、及びコンタク
ト層７の層厚は一般的な値であるが、第２クラッド層６
の最小値を０．０１μｍとしたのは電流ブロック層にス
トライプ状の間隔５ａを選択エッチングにより加工する
ときにエッチングストップ層として十分耐えられるよう
にする必要からである。また、最大値０．６μｍという
値は、活性層３を導波している光の層厚方向の電界の広
がりのすそが電流ブロック層５に届かなくなってしま
い、電流ブロック層５による等価屈折率差がつかなくな
って横方向の光閉じ込めが弱くなる限界の値である。一
方、電流ブロック層５の層厚を０．１μｍから１μｍと
することにより、キャリアの拡散による電流の漏れを防
ぎ、この電流ブロック層５に覆われる部分とストライプ
状の間隔５ａとの活性層３の等価屈折率差を実用上、十
分なだけ与えて、屈折率導波型のレーザとして低しきい
値電流で高効率の動作を得ることができる。この場合、
例えば、ＩｎＧａＡｓＰの活性層３を０．１μｍとした
ときの、導波路が多モードとならない場合の最大のスト
ライプ状の間隔（以下、最大導波路幅という）は、電流
ブロック層５の厚みと第２クラッド層４の厚みとの関係
に関連する。すなわち、半導体レーザ素子の特性に大き
く影響を及ぼす光の閉じ込め率は、活性層３と電流ブロ
ック層５との間隔、及び電流ブロック層５の間のストラ
イプ状の間隔５ａとの相互関係により決定される。最大
導波路幅は図４のグラフに示すようにＣの値に応じて定
まる導波路幅を選択しなければならない。

【００１６】次に、図５、図６を用いて本発明の半導体
レーザ素子の第２の実施例を説明する。図５において、
下からｐ型ガリウムひ素（以下、ＧａＡｓとする）の半
導体基板１、ｐ型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐバッファ
層を兼ねた第１クラッド層２、ｐ型、ｎ型またはアンド
ープのインジウムガリウムひ素（以下、ＩｎＧａＡｓと
する）／ガリウムひ素（以下、ＧａＡｓとする）の活性
層３、ｎ型のＩｎＧａＰの第２クラッド層４、ｐ型Ｉｎ
０．４９Ｇａ０．２５５Ａｌ０．２５５Ｐ組成の電流ブ
ロック層５、ｎ型のＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの上部
にある上部第２クラッド層６、ｎ型のＩｎＧａＡｓＰの
コンタクト層７が層状に構成されている。そして、半導
体素子の上部と下部にそれぞれｎ電極８、ｐ電極９が設
けられている。

【００１７】各層の層厚は例えば、ｐ型インジウムガリ
ウムリン（以下、ＩｎＧａＰとする）のバッファ層を兼
ねた第１クラッド層２を１μｍ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡ
ｓの活性層３を０．０５〜０．１５μｍ、ｎ型ＩｎＧａ
Ｐの第２クラッド層４を０．０１〜０．４μｍ、ｐ型Ｉ
ｎＧａＡｌＰの電流ブロック層５を０．１〜１μｍ、ｎ
型ＩｎＧａＰ上部第２クラッド層６を０．２〜２μｍ、
ｎ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７を０．０３〜０．５
μｍとし、ストライプ部分の幅は０．５〜１０μｍ程度
とすることが必要である。ここで、第１クラッド層２、
活性層３、上部第２クラッド層６およびコンタクト層７
の層厚は一般的な値であるが、第２クラッド層４の最小
値を０．０１μｍとしたのは電流ブロック層５に最大導
波路幅を選択エッチングにより加工するときにエッチン
グストップ層として十分耐えられるようにする必要から
である。また、第２クラッド層４の厚さの最大値である
０．４μｍという値を設定したのは以下の理由からであ
る。例えば、ＧａＡｓの活性層３を０．１５μｍとした
ときの、導波路が多モードとならない最大のストライプ
状の間隔５ａの幅は、電流ブロック層５の厚み及び第２
クラッド層４の厚みとの関係に関連する。すなわち、半
導体レーザ素子の特性に大きく影響を及ぼす光の閉じ込
め率は、活性層３と電流ブロック層５との間隔、及び電
流ブロック層５の間のストライプ状の間隔５ａとの相互
関係により決定される。最大導波路幅は図６のグラフに
示すようにＣの値に応じて定まる導波路幅を選択しなけ
ればならない。その他の各層厚の幅の範囲を定めた効果
は、第１の実施例と同様である。

【００１８】次に、図７、図８を用いて本発明の半導体
レーザ素子の第３の実施例を説明する。図７において、
下からｐ型ＧａＡｓの半導体基板１、ｐ型Ａｌ０．４４
Ｇａ０．５６Ａｓバッファ層を兼ねた第１クラッド層
２、ｐ型、ｎ型またはアンドープのＩｎＧａＡｓ／Ｇａ
Ａｓの活性層３、ｎ型のＡｌ０．４４Ｇａ０．５６Ａｓ
の第２クラッド層４、ｐ型Ｉｎ０．５１Ａｌ０．４９Ｐ
組成の電流ブロック層５、ｎ型のＡｌ０．４４Ｇａ０．
５６Ａｓ上部にある上部第２クラッド層６、ｎ型ＩｎＧ
ａＡｓＰのコンタクト層７が層状に構成されている。そ
して、半導体素子の上部と下部にそれぞれｎ電極８、ｐ
電極９が設けられている。

【００１９】各層の層厚は例えば、ｐ型Ａｌ０．４４Ｇ
ａ０．５６Ａｓバッファ層を兼ねた第１クラッド層２を
１μｍ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓの活性層３を０．０５
〜０．０８μｍ、ｎ型Ａｌ０．４４Ｇａ０．５６Ａｓの
第２クラッド層４を０．０１〜０．４μｍ、ｐ型ＩｎＡ
ｌＡｓの電流ブロック層５を０．１〜１μｍ、ｎ型Ｉｎ
Ｐ上部第２クラッド層６を０．２〜２μｍ、ｎ型ＩｎＧ
ａＡｓＰコンタクト層７を０．０３〜０．５μｍとし、
ストライプ部分の幅は０．５〜１０μｍ程度とする事が
適切である。ここで、第１クラッド層２、活性層３、上
部第２クラッド層６およびコンタクト層７の層厚は一般
的な値であるが、第２クラッド層４の最小値を０．０１
μｍとしたのは電流ブロック層５に最大導波路幅を選択
エッチングにより加工するときにエッチングストップ層
として十分耐えられるようにする必要からである。ま
た、第２クラッド層４の厚さの最大値である０．４μｍ
という値を設定したのは以下の理由からである。例え
ば、ＩｎＧａＡｓＰ／ＧａＡｓの活性層３を０．０８μ
ｍとしたとき、導波路が多モードとならない最大のスト
ライプ状の間隔５ａの幅は、電流ブロック層５の厚み及
び第２クラッド層４の厚みとの関係に関連する。すなわ
ち、半導体レーザ素子の特性に大きく影響を及ぼす光の
閉じ込め率は、活性層３と電流ブロック層５との間隔、
及び電流ブロック層５の間のストライプ状の間隔５ａと
の相互関係により決定される。最大導波路幅は図８のグ
ラフに示すようにＣの値に応じて定まる導波路幅を選択
しなければならない。その他の各層厚の幅の範囲を定め
た効果は、第１の実施例と同様である。

【００２０】

【効果】まず、第１に、本発明の半導体レーザ素子で
は、ストライプ状の窓部分以外のｐ型ＩｎＡｌＡｓの電
流ブロック層５に覆われている領域では、ｎ型ＩｎＰの
第２クラッド層４、上部第２クラッド層６と電流ブロッ
ク層５とでｐ−ｎ接合が形成されており、ｐ電極９側を
プラスにした方向で電圧を印加しても逆バイアスとなる
ため電流が流れない。このため、本構造では従来の内部
ストライプ型半導体レーザと同様に、電流はストライプ
状の窓部分に集中して流れ、ストライプ部分への高レベ
ルのキャリア閉じ込めが可能である。第２に、本発明で
は、活性層３の上部にある、クラッド層６の内部にある
電流ブロック層５の禁制帯幅をクラッド層に比較して広
くして屈折率をクラッド層より低くし、さらに活性層の
近傍に配した。そのため、活性層３における水平方向の
等価屈折率差が有効に作用し、吸収等によらずに光の閉
じ込め率を向上させて横モードを安定させることがで
き、しきい値電流の低減や発光効率の増加などの素子特
性の向上が可能となった。第３に、電流ブロック層５が
第２クラッド層４と格子整合した組成を有することか
ら、素子の表面を平面にすることが可能となり、電極の
蒸着が容易となった。第４に、電流ブロック層５が第２
クラッド層４に対してエッチング選択性を持ち、最大導
波路幅のエッチング加工が再現性良くできる。

【００２１】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す断面図。

【図２】本発明の第１の実施例を示す斜視図。

【図３】本発明の製造工程を示す図。

【図４】本発明の効果を説明した図。

【図５】本発明の第２の実施例を示す断面図。

【図６】本発明の第２の実施例の効果を説明した図。

【図７】本発明の第３の実施例を示す断面図。

【図８】本発明の第３の実施例の効果を説明した図。

【符号の説明】

１ 半導体基板。 ２ 第１クラッド層。 ３ 活性層。 ４ 第２クラッド層。 ５ 電流ブロック層。 ５ａ ストライプ状の間隔。 ６ 上部第２クラッド層。 ７ コンタクト層。 ８ ｎ電極。 ９ ｐ電極。 １０ ＳｉＮｘ膜。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に設けられた第一及び第二
   のクラッド層（２，４）と、該二つのクラッド層間に置
   かれた活性層（３）とを備えた半導体レーザ素子であっ
   て、 前記少なくとも一方のクラッド層内には、前記活性層に
   近接した位置に設けられ、前記クラッド層より禁制帯幅
   が広く、かつ前記クラッド層とは逆の導電性を有する半
   導体でなり、光の透過方向に沿って電流を通過させるス
   トライプ状の間隔（５ａ）を持つ電流ブロック層（５）
   とを備えたことを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 【請求項２】 前記電流ブロック層（５）が、前記活性
   層（３）から０．６μｍ以下の距離をもって隔てられ、
   かつ、電流を通過させるストライプ状の間隔（５ａ）を
   ０．５μｍ以上、８μｍ以下とした請求項１記載の半導
   体レーザ素子。
3. 【請求項３】 前記半導体基板（１）がＩｎＰ、前記ク
   ラッド層（２，４）がＩｎＰ、前記活性層（３）がＩｎ
   ＧａＡｓＰ、前記電流ブロック層（５）がＩｎ０．５２
   （Ｇａ（１−ｘ）Ａｌｘ）０．４８Ａｓから構成され、
   Ａｌの組成比が０．７≦ｘ≦１であることを特徴とする
   請求項１、又は請求項２記載の半導体レーザ素子。
4. 【請求項４】 前記電流ブロック層（５）が、前記活性
   層（３）から０．４μｍ以下の距離をもって隔てられ、
   かつ、電流を通過させるストライプ状の間隔（５ａ）が
   ０．５μｍ以上、１０μｍ以下とした請求項１記載の半
   導体レーザ素子。
5. 【請求項５】 前記半導体基板（１）がＧａＡｓ、前記
   クラッド層（２，４）がＩｎＧａＰ、前記活性層（３）
   がＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ、前記電流ブロック層（５）
   がＩｎ０．４９（Ｇａ（１−α）Ａｌα）０．５１Ｐか
   ら構成され、Ａｌの組成比が０．１≦α≦１であること
   を特徴とする請求項１、又は請求項４記載の半導体レー
   ザ素子。
6. 【請求項６】 前記半導体基板（１）がＧａＡｓ、前記
   クラッド層（２，４）がＡｌＧａＡｓ、前記活性層
   （３）がＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ、前記電流ブロック層
   （５）がＩｎ０．４９（Ｇａ（１−γ）Ａｌγ）０．５
   １Ｐから構成され、Ａｌの組成比が０．１≦γ≦１であ
   ることを特徴とする請求項１、又は請求項４記載の半導
   体レーザ素子。
7. 【請求項７】 前記活性層（３）が前記半導体基板の半
   導体材料と格子整合のとれた組成、または２％以内の圧
   縮もしくは引っ張り歪みを持たせた組成の単一、もしく
   は複数の量子井戸を含む量子井戸層、障壁層、光閉じ込
   め層からなることを特徴とする請求項１、２、３、４、
   ５、６又は請求項７記載の半導体レーザ素子。