JPH0786690A - 半導体レーザとその製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 共振器面積の縮小化をはかり、低動作電流、
低しきい値電流化をはかるとともに、確実かつ容易に量
産的製造を可能にする。 【構成】｛１００｝結晶面を主面とする第１導電型の化
合物半導体基体１上に、＜０１１＞結晶軸方向に沿って
形成されたリッジ２上にそれぞれ｛１１１｝Ｂ結晶面よ
り成る相対向する対の斜面３Ａ及び３Ｂにより挟まれて
形成された断面ほぼ台形の少なくとも第１導電型の第１
のクラッド層１１と、活性層１０と、第２導電型の第２
のクラッド層１２とを有する半導体レーザ部４を構成
し、上記｛１１１｝Ｂ結晶面を共振器の反射面及び光出
射端面とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザに係わ
る。

【０００２】

【従来の技術】通常の半導体レーザにおいては、例えば
第１の導電型を有する化合物半導体単結晶基体上に、順
次例えば第１導電型の第１のクラッド層、活性層、第２
導電型の第２クラッド層等をエピタキシャル成長し、そ
の後この基板をその劈開面で破断してペレッタイズ化す
ると共にその相対向する劈開面をもって半導体レーザの
共振器面を構成する。すなわちこの劈開面によってレー
ザ光の光出射端面とするものであり、共振器長はこれら
劈開面間の間隔によって規定されることになる。

【０００３】この場合、その光出射端面が結晶の劈開面
すなわち結晶面によって構成されることから、鏡面性に
すぐれた面として形成することができ、特性が安定した
半導体レーザを構成することができる。

【０００４】しかしながら、このように劈開面によって
共振器を構成する場合、この相対向する共振器面の間
隔、すなわちその共振器長は、破断可能な間隔、及びペ
レッタイズ化後のチップにおける取扱い上の制約から例
えばその厚さが１００μｍである場合、共振器長及び幅
は２００μｍ程度を最小とする。

【０００５】ところが、半導体レーザにおいて、その動
作電流Ｉ_OP、しきい値電流Ｉ_thの低減化をはかる上で、
その共振器長及び幅はできるだけ小さくすることが必要
とされることから、劈開面をもって共振器端、光出射端
面とすることに問題が生じて来ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、充分小さな
共振器を有する半導体レーザ、すなわち低動作電流、低
しきい値電流Ｉ_thを有する半導体レーザを、確実かつ容
易に量産的に製造することのできる半導体レーザとその
製法を提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】第１の本発明は、図１あ
るいは図２にその各例の略線的斜視図を示すように、
｛１００｝結晶面を主面とする第１導電型の化合物半導
体基体１上に、＜０１１＞結晶軸方向に沿って形成され
たリッジ２と、このリッジ上にそれぞれ｛１１１｝Ｂ結
晶面より成る相対向する対の斜面３Ａ及び３Ｂにより挟
まれて形成された断面ほぼ台形の半導体レーザ部４とを
有して成る。

【０００８】この半導体レーザ部４は、少なくとも第１
導電型の第１のクラッド層１１と、活性層１２と、第２
導電型の第２のクラッド層１３とを有し、相対向する斜
面３Ａ及び３Ｂの｛１１１｝Ｂ結晶面間にレーザ共振器
５が構成されて上記｛１１１｝Ｂ結晶面を光出射端面と
する。

【０００９】そして、このリッジ２の両側の凹部６に形
成された半導体部７の上面は、活性層１０の上述の｛１
１１｝Ｂ結晶面による端面斜面３Ａ及び３Ｂに臨む端面
位置より下方に位置させる。

【００１０】第２の本発明は、上述の第１の本発明によ
る半導体レーザの製法であって、｛１００｝結晶面を主
面とする第１導電型の化合物半導体基体１上に、＜０１
１＞結晶軸方向に沿うリッジ２を形成する工程と、この
リッジ２上に跨がって少なくとも第１導電型の第１のク
ラッド層１１と、活性層１２と、第２導電型の第２のク
ラッド層１３とをエピタキシャル成長層する工程とを採
る。

【００１１】このようにして、リッジ２上に、それぞれ
｛１１１｝Ｂ結晶面より成る相対向する対の斜面３Ａ及
び３Ｂにより挟まれた断面ほぼ台形をなし、少なくとも
第１導電型の第１のクラッド層１１と、活性層１２と、
第２導電型の第２のクラッド層１３とを有し、相対向す
る斜面３Ａ及び３Ｂの｛１１１｝Ｂ結晶面間にレーザ共
振器５が構成され、この｛１１１｝Ｂ結晶面を光出射端
面とする半導体レーザ部４を形成し、リッジ２の両側の
凹部６上にエピタキシャル成長された半導体部７が活性
層５の｛１１１｝Ｂ結晶面による端面位置より下方に位
置させた半導体レーザを得る。

【００１２】

【作用】上述したように、＜０１１＞結晶軸方向に沿っ
てリッジ２が形成された｛１００｝結晶面の基体１上に
エピタキシャル成長を行う場合、その＜０１１＞結晶軸
に沿うリッジ２の縁部に沿ってこれより上方に｛１１
１｝Ｂ結晶面が発生してくると、この面は例えば｛１０
０｝結晶面に比して格段にそのエピタキシャル成長速度
が遅いことから、ここで見掛け上エピタキシャル成長が
停止し、これによって｛１１１｝Ｂ面による斜面３Ａ及
び３Ｂが発生してくる。

【００１３】したがって、リッジ２の幅、高さ、各エピ
タキシャル成長の半導体層の厚さを選定することによっ
て、リッジ２上に断面台形の少なくとも第１のクラッド
層１１と活性層１２と第２のクラッド層１３より成る半
導体レーザ部４を形成することができる。

【００１４】そして、この半導体レーザ部４における共
振器５の長さは、上述のエピタキシャル成長によって発
生してくる斜面３Ａ及び３Ｂの間隔によって、つまりリ
ッジ２の幅によって設定できることから、この共振器長
は、２００μｍ未満の例えば１００μｍにも形成でき
る。

【００１５】また、この共振器の端面、すなわち光の出
射端面は、特定の結晶面すなわち｛１１１｝Ｂによって
形成されるので、すぐれた鏡面となる。

【００１６】

【実施例】本発明による半導体レーザの一例を、本発明
による製法の一例と共に説明する。

【００１７】図３に示すように、（１００）結晶面を主
面とする第１の導電型例えばｎ型の例えばＧａＡｓ単結
晶化合物半導体基体１を用意する。そして、その一主面
にエッチングレジスト３１、例えばフォトレジストを、
＜０１１＞方向に沿うストライプ部を中央に有し、両端
に幅広部を有するＨ状パターンに形成する。

【００１８】そして、このエッチングレジスト３１をマ
スクに、基体１の一主面からエッチング、例えば化学的
エッチングあるいはドライエッチングを行って両側に凹
部６が形成されたストライプ状のリッジ２が中央に形成
され、その両端に幅広部２１及び２２が形成された例え
ばＨ状パターンの突部２３を形成する。

【００１９】その後、図４に示すように、先ずエッチン
グレジスト３１を除去してから、基体１上に順次メチル
系のＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Depos
ition)によって、図示しないが必要に応じてバッファ層
を介して基体１と同導電型の例えばＡｌＧａＡｓの第１
のクラッド層１１、真性もしくは低不純物濃度の例えば
ＧａＡｓもしくはＡｌＧａＡｓの活性層１２、第２の導
電型のｐ型の例えばＡｌＧａＡｓの第２のクラッド層１
３、これと同導電型の例えばＧａＡｓのキャップ層１４
を連続的にエピタキシャル成長する。

【００２０】このようにすると、＜０１１＞結晶軸方向
に沿うリッジ２の相対向する両縁部に沿ってこれより上
方に｛１１１｝Ｂ結晶面が発生してこの｛１１１｝Ｂ面
による斜面３Ａ及び３Ｂが発生し、リッジ２上において
断面台形をなし、その両端に上述の幅広部２１及び２２
上に広がる幅広部４１及び４２が形成されたＨ状パター
ンの第１のクラッド層１１と、活性層１２と、第２のク
ラッド層１３と、キャップ層１４が積層されてなる半導
体レーザ部４が構成される。

【００２１】この場合、リッジ２すなわちＨ状パターン
の突部２３の高さ、すなわち凹部６の深さ、各化合物半
導体層の厚さを選定することによって、図１及び図２に
示すように、凹部６上にも形成される各バッファ層、第
１のクラッド層１１、活性層１２、第２のクラッド層１
３及びキャップ層１４のエピタキシャル成長による半導
体部７の上面が、リッジ２上の半導体レーザ部４におけ
る活性層１２の、斜面３Ａ及び３Ｂに臨む端面位置より
下方に位置するようにする。

【００２２】そして、図５に示すようにこのように形成
されたＨ状パターンの突部２３上の半導体レーザ部４の
キャップ層１４上にＳｉＯ₂ 等の絶縁層１５を形成し、
これにリッジ２上において斜面３Ａ及び３Ｂを横切る方
向にストライプ状窓１５Ｗを穿設し、この窓１５Ｗ内を
含んで幅広部上にわたって一方の電極１６を被着し、基
体１の裏面に他方の電極１７を被着形成する。

【００２３】絶縁層１５及び１６の形成は、例えばそれ
ぞれいわゆるリフトオフ法によって形成できる。例えば
先ず凹部６上に形成された半導体部７上の凹部３６に、
図示しないがフォトレジスト等のマスクを埋込み、その
後、絶縁層１５の全面的形成、窓１５Ｗのフォトリング
ラフィによる開口を行い、その後マスクと共に、これの
上の絶縁層をリフトオフしてＨ状パターンの突部２３上
にのみ絶縁層１５を形成する。その後再び凹部３６内に
マスクの埋込みを行うか、または絶縁層のリフトオフ前
に電極層を絶縁層１５の窓１５Ｗ内を含めて全面的に形
成してマスクと共にこれの上の電極層、または絶縁層及
び電極層をリフトオフすることによって電極１６及びこ
れの下の絶縁層１５の形成を行うことができる。

【００２４】この構成によれば、半導体レーザ部４にお
いて斜面３Ａ及び３Ｂの｛１１１｝Ｂを共振器端面すな
わち反射面及び光出射端とする半導体レーザが構成され
る。

【００２５】したがって、リッジ２の幅、窓１５Ｗの幅
を充分に小さく選定することによって、充分小なる長さ
及び幅を有する共振器５を構成することができる。

【００２６】なお、図５で示した例では、基体１上に１
本のリッジ２を形成した場合であるが、多数本形成する
ことによって、複数のレーザを同時に形成して、各レー
ザに関して、基体１を切断して、同時に複数の目的とす
る半導体レーザを構成することもできる。

【００２７】また、図６に示すように、上述した方法に
よって対のリッジ２を平行に同時に形成し、一方に目的
とする半導体レーザ４を構成すると共に同時に他方のリ
ッジにモニター用のフォトダイオード５２を形成するこ
ともできる。

【００２８】また、図示の半導体レーザにおいては、電
極窓１５Ｗによって電流通路の制限を行うようにした場
合であるが、半導体レーザ部４内に例えば高抵抗あるい
はＰＮ接合による電流阻止層を設けて電流通路の制限を
行う構造とすることもできる等半導体レーザの構成は、
種々のタイプの構成を採り得る。

【００２９】上述したように、本発明によれば、劈開に
よらないことから共振器長Ｌの短縮化をはかることがで
き、これによってしきい値電流Ｉ_th、動作電流Ｉ_OPの低
減化をはかることができる。

【００３０】いま、利得導波型半導体レーザにおけるし
きい値電流（Ｉ_th）、動作電流（Ｉ _op）の共振器長
（Ｌ）依存性についてみる。

【００３１】一般に半導体レーザのしきい値電流密度
（Ｊ_th）は、下記数１で与えられる。

【００３２】

【数１】

【００３３】ここで、ｄ：活性層厚 η_spon：内部量子効率 Ｊ_o ：規格化しきい値電流 β：利得因子 Γ：光の閉じ込め係数 ｄ_i ：内部損失 Ｌ：共振器長 Ｒ_f ：前方端面反射率 Ｒ_r ：後方端面反射率 である。このＪ_thから、しきい値電流（Ｉ_th）および動
作電流（Ｉ_OP）は次の数２，数３のように近似できる。

【００３４】

【数２】Ｉ_th＝Ｗ×Ｌ×Ｊ_th＋Ｉ_loss（Ｌ）

【００３５】

【数３】

【００３６】 ここで、Ｗ：実効的なストライプ幅（スポットサイズ） Ｉ_loss：電流の拡がりによる無効電流（共振器長に比
例） Ｐ_OP：動作光出力 ＳＥ：スロープ効率 以上の計算式に基づいてしきい値電流（Ｉ_th）と動作電
流（Ｉ_OP）を求めた結果を表１と、図７及び図８に示
す。

【００３７】図７及び図８中、□印、○印、△印は、Ｌ
＝１５０μｍ、Ｌ＝２００μｍを従来の劈開によって形
成した場合の値をプロットしたものである。

【００３８】 ここで、ｄ＝０．０６μｍ η＝０．８ Ｊ_o ＝４０００〔Ａ／ｃｍ²／μｍ〕 β＝０．０４４〔ｃｍ・μｍ／Ａ〕 Γ＝０．１７ ｄ_i ＝２０ｃｍ^-1 Ｒ_f ＝０．３２ Ｒ_r ＝０．３２ Ｗ＝１１μｍ Ｐ_OP＝３ｍＷ ＳＥ＝０．３５Ｗ／Ａ Ｉ_loss＝２０ｍＡ（Ｌ＝２００μｍのとき） ＝１５ｍＡ（Ｌ＝１５０μｍのとき） ＝１０ｍＡ（Ｌ＝１００μｍのとき） ＝５ｍＡ（Ｌ＝５０μｍのとき）

【００３９】

【表１】

【００４０】尚、ここで、Ｌ＝２００μｍにおけるＩ
_loss＝２０ｍＡは、実験データより概算した値であり、
Ｌ＝５０μｍ〜１５０μｍについてのＩ_lossは共振器長
Ｌに比例するとしている。また、ストライプ幅は実効的
なストライプ幅としてレーザ共振領域のスポットサイズ
を代入している。

【００４１】

【発明の効果】上述の本発明によれば、共振器長をリッ
ジ２の幅等によって選定できるものであり、半導体レー
ザの全体の大きさは、共振器の大きさに制約されること
なく、基体１の面積を任意に選定することによって選び
得ることから、その取扱いのための大きさを考慮するこ
となく共振器長を充分小さく選定できるので、共振器の
面積を充分小さくでき、これによって動作電流の低減
化、しきい値電流Ｉ_thの低減化を充分はかることができ
る。

【００４２】また、この共振器の反射面、すなわち光出
射端面を｛１１１｝Ｂによる結晶面によって形成するの
で、この面をすぐれた鏡面として形成できることから、
確実に安定したすぐれた特性の半導体レーザを構成する
ことができる。

【００４３】また、本発明によれば、この結晶面を劈開
等によるものではなく、エピタキシャル成長によって自
然に発生してくる結晶面によって構成するので、劈開等
の加工による場合比し、量産的に製造でき、さらに劈開
時の破損等による事故を回避できることから、歩留りの
向上をはかることができるなど、工業的に大きな利益を
もたらすものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体レーザの一例の要部の斜視
図である。

【図２】本発明による半導体レーザの一例の要部の斜視
図である。

【図３】本発明方法の一例の一製造工程の斜視図であ
る。

【図４】本発明方法の一例の一製造工程の斜視図であ
る。

【図５】本発明による半導体レーザの一例の斜視図であ
る。

【図６】本発明による半導体レーザの一例の斜視図であ
る。

【図７】しきい値電流の共振器長依存を示す図である。

【図８】動作電流の共振器長依存を示す図である。

【符号の説明】

１ 基体 ２ リッジ ４ レーザ部 １１ 第１のクラッド層 １２ 活性層 １３ 第２のクラッド層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １００結晶面を主面とする第１導電型の
   化合物半導体基体上に、 ０１１結晶軸方向に沿って形成されたリッジと、 該リッジ上にそれぞれ１１１Ｂ結晶面より成る相対向す
   る対の斜面により挟まれて形成された断面ほぼ台形の半
   導体レーザ部とを有し、 該半導体レーザ部は、少なくとも第１導電型の第１のク
   ラッド層と、活性層と、第２導電型の第２のクラッド層
   とを有し、上記相対向する斜面の１１１Ｂ結晶面間にレ
   ーザ共振器が構成されて上記１１１Ｂ結晶面を光出射端
   面として成り、 上記リッジの両側の凹部に形成された半導体部は上記活
   性層の上記１１１Ｂ結晶面による端面位置より下方に位
   置して成ることを特徴とする半導体レーザ。
2. 【請求項２】 １００結晶面を主面とする第１導電型の
   化合物半導体基体上に、０１１結晶軸方向に沿うリッジ
   を形成する工程と、 上記リッジ上に跨がって少なくとも第１導電型の第１の
   クラッド層と、活性層と、第２導電型の第２のクラッド
   層とをエピタキシャル成長層する工程とを採り、 上記リッジ上に、それぞれ１１１Ｂ結晶面より成る相対
   向する対の斜面により挟まれた断面ほぼ台形をなし、少
   なくとも第１導電型の第１のクラッド層と、活性層と、
   第２導電型の第２のクラッド層とを有し、上記相対向す
   る斜面の１１１Ｂ結晶面間にレーザ共振器が構成され、
   該１１１Ｂ結晶面を光出射端面とする半導体レーザ部を
   形成し、上記リッジの両側の凹部上にエピタキシャル成
   長された半導体部が上記活性層の上記１１１Ｂ結晶面に
   よる端面位置より下方に位置させた半導体レーザを得る
   ことを特徴とする半導体レーザの製法。