JPH0738198A

JPH0738198A - 半導体レーザ

Info

Publication number: JPH0738198A
Application number: JP19920593A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Kikukawa; 知之菊川; Eiji Kawamo; 英司川面; Hiroaki Yoshidaya; 弘明吉田谷
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1993-07-16
Filing date: 1993-07-16
Publication date: 1995-02-07

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、高出力動作、単一モード発振を可
能とする端面保護膜を備えた半導体レーザに関する。【構成】レーザ共振器面に設けた端面保護膜が、基板と
格子整合がとれそれぞれ異なった屈折率を有し、厚さが
レーザ光波に対する１／４波長相当長である一対の半導
体材料でなること。それが、レーザ共振器面にほぼ平行
に形成されていること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高出力動作を可能とす
る端面保護膜を備えた半導体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザは、光通信・光情報処理用
の光源等に広く用いられてきている。光情報処理用の光
源等に用いられる短波長系の半導体レーザにはカタスト
ロフィックオプティカルダメージ（光学損傷ともい
う）やダークラインディフェクト（暗線欠陥）と呼ばれ
るレーザ共振器の共振器面の破壊が起こり、そのことは
高出力動作を行なう上で大きな問題であり、素子の寿命
にも大きな影響を与えている。このため、種々の端面保
護の方法が行われている。例えば、このレーザ共振器の
共振器面を保護する方法として、端面保護膜として誘電
体層を設けたり、光子エネルギーより大きな禁制帯幅を
持つ半導体膜を用いたりしている。

【０００３】一方、レーザ共振器としたい箇所を残して
結晶を削り取り、発振方向に垂直な面を形成してレーザ
反射器とする、いわゆるエッチドミラーレーザは量産性
に優れる半導体レーザとして現在研究開発が盛んに行な
われている。しかし、エッチドミラーレーザにおいて、
半導体膜によるレーザ共振器面の保護を行おうとすると
以下の問題が発生する。すなわち、レーザ発振を行う共
振器の端面（以下、共振器端面という。）は半導体レー
ザの活性層に対して垂直に形成されていることが出射効
率上望ましいが、エッチドミラーレーザに半導体膜によ
る共振器面の保護を行うとレーザ共振を行なうべき共振
器端面の活性層に対する垂直性が失われてしまうという
問題がある。図６にその様子を示す。図６はエッチング
によるレーザ共振器面１０の断面を示している。このレ
ーザ共振器面１０に端面保護膜１１として半導体膜をエ
ピタキシャル成長により設けると、図６のように共振器
端面９は活性層３に対する垂直性が失われてしまう。こ
れはエッチドミラーレーザでは、レーザ共振器面１０は
削り取った溝の底面に連なっており、端面での半導体レ
ーザの半導体膜のエピタキシャル成長が底面でのエピタ
キシャル成長の影響を受けることを原因とする。

【０００４】そこで考え出されたのが、図７に示す、エ
ッチドミラーレーザにおいて端面の垂直性を失わない半
導体端面保護層の形成方法である（特開平3-30390 号公
報)。この半導体レーザの共振器の端面の保護層（以
下、端面保護膜という）の形成方法を以下に述べる。ま
ず、半導体基板１上に形成された活性層３と第１のクラ
ッド層２、第２のクラッド層４よりなるダブルヘテロ構
造を含む半導体多層膜のうち、レーザ共振器としたい箇
所をエッチングすることによりレーザ共振器を形成す
る。次に、形成されたレーザ共振器のレーザ共振器面１
０に露出する半導体層のうちダブルヘテロ構造より半導
体基板側の半導体層１２、または半導体基板１を共振器
の内部方向にエッチングする。さらに、レーザ共振器面
１０と、共振器内部にエッチングされた半導体層１２ま
たは半導体基板１の上とに活性層３より禁制帯幅が大き
な半導体膜を端面保護膜１１として気相エピタキシャル
成長する。この３つの工程を経て完成したエッチドミラ
ーレーザでは、レーザ共振器の共振器端面９は活性層３
に対する垂直性を維持しているとされる（図７参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来の技術で述
べたエッチドミラーレーザにおいて端面の活性層に対す
る垂直性を失わない半導体レーザの端面保護膜の形成方
法は、レーザの共振器端面９を垂直にすることを目的と
する。すなわち、半導体層のうちダブルヘテロ構造より
半導体基板１側の半導体層１２または半導体基板１を、
ダブルヘテロ構造を形成する多層膜を残して選択的に共
振器の内部方向にエッチングして、レーザ共振器面１０
と底面１３との間に凹部を形成する。この凹部がレーザ
共振器面１０と底面１３との間でそれぞれ相互の干渉を
抑えて気相エピタキシャル成長を行い、成長の分離を図
る作用を有する。

【０００６】しかし、ダブルヘテロ構造より半導体基板
側の半導体層１２あるいは半導体基板１を共振器の内部
方向に選択的にエッチングするためには、半導体層相互
の組成の組み合わせが限られ、多層膜の設計の自由度に
制限を受ける問題がある。例えば、上記の従来の技術で
述べた形成方法では、クラッド層２にＡｌＧａＡｓ、活
性層３にＧａＡｓを用いているのでレーザ共振器面１０
と底面１３の間に凹部を設けるためにＩｎＧａＰの半導
体層１２を用いれば、この半導体層１２のみを塩酸系エ
ッチャントを用いて選択的にエッチングすることはでき
る。しかし、クラッド層２にＩｎＧａＰ、活性層３にＧ
ａＡｓを用いた場合には、この方法は用いることができ
ない。また、ドライエッチングによりレーザ共振器面１
０を形成する方法を採用した場合、多層膜を形成してい
る半導体の組成（例えばＩｎＧａＰ）やドライエッチン
グの条件によってはレーザ共振器面１０は粗面となり反
射率が大きく低下するという課題ものこる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明では以下
の手段を採用した。半導体基板１の上に形成されたクラ
ッド層２、４と活性層３とを含む半導体多層膜に対して
溝を形成して、その溝の側壁をレーザ共振器面１０とし
て利用し、所定波長の光波を発生する半導体レーザにお
いて、このレーザ共振器面１０に以下の特徴を有する端
面保護膜１１を設けた。その端面保護膜１１と半導体基
板１とは格子整合がとれている。また、端面保護膜１１
は相互に屈折率が異なっている少なくとも一対の第１の
端面保護膜１１ａと第２の端面保護膜１１ｂとからな
る。さらに端面保護膜１１の厚さは活性層３で発生する
光波に対して１／４波長相当長である。そして最後に、
個々の端面保護膜は溝の側壁に対してほぼ平行であれば
よい。

【０００８】すなわち、本発明の特徴は、このレーザ共
振器面１０に端面保護膜１１を複数設けた点に存する。
まず、半導体基板１と端面保護膜１１との格子整合がと
れていることにより、レーザ共振器面１０と端面保護膜
１１との接合面が平滑になる。次に、屈折率が異なって
いる少なくとも一対の第１の端面保護膜１１ａと第２の
端面保護膜１１ｂとからなる端面保護膜１１を設けるこ
とにより、活性層３から出射された光は端面保護膜のそ
れぞれの界面で反射する。そして、このとき、活性層３
から出射される光の波長に対して、それぞれの端面保護
膜１１ａ、１１ｂの厚さをその波長の１／４波長相当長
にしておくことにより、帰還する光の反射率も向上させ
ることができる。以上のことは、個々の端面保護膜がレ
ーザ共振器面に対して厳密に平行でなくても、ほぼ平行
であれば得られることである。

【０００９】

【作用】以下、図１、図２、図３、および図４を用い
て、本発明の作用を説明する。図１は本発明の半導体レ
ーザ素子の断面図であり、レーザ共振器面１０に屈折率
が異なった一対の端面保護膜１１ａ、１１ｂを設けた。
半導体多層膜の所定の位置を半導体基板１にいたるまで
エッチングしたのち、そのレーザ共振器面１０に端面保
護膜１１を施す。第１の端面保護膜１１ａと第２の端面
保護膜１１ｂとは屈折率が相互に異なっているので、そ
れぞれの界面で活性層３からの出射光を反射する。

【００１０】図２は、縦軸はレーザ共振器面１０におけ
るエネルギー反射率を示し、横軸はレーザ共振器面１０
の活性層３からの位置を示す。第１の端面保護膜１１ａ
と第２の端面保護膜１１ｂの屈折率をそれぞれ、ｎlow
＝３．１、ｎhigh＝３．５とする。そして、この屈折率
の異なった第１の端面保護膜１１ａと第２の端面保護膜
１１ｂとを一対とする。端面保護膜１１を全く設けてい
ない場合は０pairとし、○で表す。端面保護膜１１を二
層一対設けている場合を１pairとし、□で表す。端面保
護膜１１を六層三対設けている場合を３pairs とし、◇
で表す。端面保護膜１１を十層五対設けている場合を５
pairs とし、×で表す。活性層３から出射された光は、
０pairのときはレーザ共振器面１０の中心位置（すなわ
ち、活性層の出射端面が存在する位置）に限られず、そ
の周辺でも均等に反射している。１pairのとき、エネル
ギー反射率は向上するが、その反射は、中心位置に限ら
れず、周辺でも依然として均等に行われている。３pair
s のときは、中心位置での反射が周辺に比較して、やや
向上している。５pairs のときは、中心位置での反射が
より強くなっているのがわかる。すなわち、出射された
光は第１の端面保護膜１１ａ、第２の端面保護膜１１ｂ
のそれぞれが屈折率がことなっているので、その界面で
反射するが、その端面保護膜の組み合わせを多く設けれ
ば、よりエネルギー反射率が向上する。この反射した光
のレーザ共振器面１０への帰還する割合は端面保護膜を
十層五対設けた場合には７２％である。

【００１１】次に、図３を用いて、端面保護膜１１を十
層五対（５pairs ）設けた場合と端面保護膜１１を一層
だけ設けた場合とのエネルギー反射率を比較する。縦軸
はエネルギー反射率、横軸は端面保護膜１１のレーザ共
振器面１０に対する角度を示している。○は本発明の素
子で、個々の端面保護膜の厚さと屈折率を制御してエネ
ルギー反射率を制御している場合の例である。□は端面
保護膜の厚さと屈折率を制御していない場合の例でエネ
ルギー反射率の平均値を示したものであり、実際にはエ
ネルギー反射率のばらつきが存在する。例えば、一層の
端面保護膜１１の角度が０．５°の場合、端面保護膜を
十層五対設けると全体で５°傾斜するが、その場合と端
面保護膜１１を一層だけ設け、その角度が５°の場合と
比較すると、十層五対の端面保護膜１１を設けた場合の
方が端面保護膜１１を一層設けた場合に比較して約１３
倍エネルギー反射率が改善された。

【００１２】さらに、図４を用いてレーザの発振波長と
エネルギー反射率との関係を説明する。縦軸はエネルギ
ー反射率を示し、横軸は波長を示している。端面保護膜
１１を十層、５対（５pairs ）設けた場合において、エ
ネルギーの半値全幅は約２００ｎｍとなる。すなわち、
本発明の端面保護膜１１を施すことにより、波長選択性
もより向上し、単一モード発振も可能となる。

【００１３】

【実施例】次に、本発明の素子の作成方法について図面
を参照しながら説明する。図５は本発明の半導体レーザ
の作製方法を示す図である。図５（ａ）は、半導体基板
１上に第１のクラッド層２、第２のクラッド層４と活性
層３であるＳＣＨ層３０及びコンタクト層５を含む半導
体多層膜を形成したときの断面図である。図５（ｂ）
は、図５（ａ）で形成した半導体多層膜の上面のレーザ
共振器を形成する位置にマスク６を形成したときの断面
図である。図５（ｃ）は、エッチングにより半導体レー
ザのレーザ共振器面１０を形成した後、複数の端面保護
膜１１を形成する工程を示している。この複数の端面保
護膜１１を形成する工程を詳しく説明する。まず、それ
ぞれ異なる屈折率を持つ材料に対してλ／４ｎとなるよ
うに厚さｄを決定する。次に、端面の活性層付近におい
て、決定した厚みとなるように、また、屈折率が低い材
料、高い材料の順番になるように成長する。この後、素
子の上面と下面に電極（図示せず。）を蒸着する。

【００１４】以下、具体例について説明するＧａＡｓの
半導体基板１上に厚さ１．５μｍのＧａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ
の第１のクラッド層２を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰ
Ｅ法ともいう）により積層した。その後ＩｎＧａＡｓ、
ＧａＡｓからなる厚さ１５００オングストロームのＳＣ
Ｈ−ＭＱＷの活性層３、厚さ１．５μｍのＧａ0.51Ｉｎ
0.49Ｐの第２のクラッド層４、ＧａＡｓのコンタクト層
５を積層して半導体レーザのウェハを作製した。作製し
た半導体レーザウェハの上面の共振器を形成する位置に
マスク６として厚さ５０００オングストロームのＳｉＯ
₂膜を形成した。次にこのＳｉＯ₂膜をマスク６として
リアクティブイオンビームエッチング（ＲＩＢＥ
ともいう）により、図５（ｃ）のような形状になるよう
にレーザ共振器面１０を形成した。さらに有機金属気相
成長法によりレーザ共振器面１０と底面１３とに厚さ
０．０７５μｍのＩｎＧａＰと厚さ０．０７μｍのＧａ
Ａｓからなる５対の保護膜を再成長させた。このウェハ
の厚さを研磨により１００μｍ程度にし、素子上面に電
流狭窄のためにストライプの窓を開けた窒化硅素膜を成
膜し、最後に素子上面、下面にそれぞれ電極（図示せ
ず。）を蒸着した。

【００１５】本実施例では、端面保護膜１１を二層一対
から十層五対まで設けた場合、すなわち、端面保護膜が
偶数存在する場合について説明している。しかし、端面
保護膜１１が奇数、例えば三層あり、レーザ共振器面１
０の位置から第一番目の端面保護膜と第二番目の端面保
護膜と第三番目の端面保護膜とがそれぞれ屈折率を相違
させていても同様の効果が得られることはいうまでもな
い。

【００１６】

【発明の効果】本発明の半導体レーザでは、以下の効果
が得られた。第１に、レーザ共振器の端面に設けられた
本発明の端面保護膜により、活性層から出射された光の
反射率は大幅に向上し、低しきい値、高出力、長寿命の
半導体素子が得られた。第２に、端面保護膜として設け
た多層膜は、波長選択性を有しており、単一モード発振
が容易になった。

【００１７】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体レーザの断面図。

【図２】本発明の作用を説明した図。

【図３】本発明の作用を説明した図。

【図４】本発明の作用を説明した図。

【図５】本発明の素子の作成方法を示した図。

【図６】従来の技術の説明した図。

【図７】従来の技術の説明した図。

【符号の説明】

１半導体基板。２第１のクラッド層。３活性層。３０ＳＣＨ層。４第２のクラッド層。５コンタクト層。６マスク。９共振器端面。１０レーザ共振器面。１１端面保護膜。１１ａ第１の端面保護膜。１１ｂ第２の端面保護膜。１２半導体層。１３底面。７、８は欠番。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に形成されたクラッド層と活
性層とを含む半導体多層膜に対して溝を形成し、該溝の
側壁をレーザ共振器面として利用した所定波長の光波を
発生する半導体レーザにおいて、前記レーザ共振器面には前記溝の側壁の壁面にほぼ平行
に形成された多層の端面保護膜を備え、該多層の端面保
護膜は少なくとも一対の、前記半導体基板と格子整合が
とれ第一の屈折率を有し、かつ厚さが該光波に対する１
／４波長相当長である第１の半導体材料と、前記半導体
基板と格子整合がとれ第１の屈折率とは異なる第２の屈
折率を有し、かつ厚さが該光波に対する１／４波長相当
長である第２の半導体材料とからなることを特徴とする
半導体レーザ。