JPS58178583A - 半導体レ−ザ− - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の関連する技術分野〕 この発明は半導体レーザ、特に単一モードで高出力を放
出する半導体レーザ゛に関する。

〔従来技術〕

米国特許第４２１５３１９号明細曹には表向に間にメサ
部を挾んだ１対の実質的に平行な凹溝を持つ基板を有す
る半導体レーザが開示されている。このレーザでは、基
板の表面とメサ部と凹溝の表面を第１の閉じ込め層が覆
い、この第１の閉じ込め層の上に活性り一があシ、その
活性層を第２の閉じ込め層が１っている。活性層は基板
表面の結晶方位と第１の閉じ込め層の表面の曲率によシ
横方向すなわち凹溝の軸に垂直で層の平向に沿う方向に
　　　゛厚さが増加または減少する対称または非対称の
勾配を有する。メサ部の上に当る第１の閉じ込め層の平
坦部分上の活性層がレーザの再結合領域となる。また米
国特許第４３４’７４８６号明細書には上記レーザの第
１の閉じ込め鳩と活性層との筒に導波層が挿入さｔた半
導体レーザが開示さｈている。

メサ部上の活性層はレーザの再結合領域となシ、そこで
発生した光は活性層と導波層の両方の中を伝播する。ア
プライド・フイジクス書しターズＡｐｐｌｉｅｄ　　Ｐ
ｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　　１９７８年第３２巻
第２６１〜２６３頁のボーン（Ｂｏｔｅｇ）等の論文に
は、基板表面にアリ型凹溝を形成し、その基板と凹溝の
表面に第１の閉じ込め層、活性層および第２の閉じ込め
層を設けた半導体レーザが開示さｈている。

この活性領域は凹溝の一縁に隣接して最小の厚さの部分
を持ち、凹溝上の成長速度の局部的な違いによシ横方向
に増大する厚さの勾配を有する。基板表面は（１００）
面から方位がず九でおり、活性層の厚さは僅かに非対称
となっている。光は凹溝の縁端部の最小厚さの部分で発
生する。こわらのレーザ構造のいずわの場合においても
、曲面上の成長速度が局部的に変化して厚さの異なる層
が形成され、その結果半導体レーザは優れた横方向の光
モード特性を呈する。

しかしながら発振出力、モード特性、レーザビームの安
定度をさらに改善するために、局部的な成長速度の変化
に基づく他のレーザ構造を見出すことが望ましい。

〔発明の開示〕

本願発明者は段付表面を持つ閉じ込め層上に半導体レー
ザの活性層を形成するとその段の凹陥部上で最大の厚さ
の再結合領域となり、横方向に厚さが減じなから傾斜し
た活性層か出来ることを見出した。この様にして形成さ
れた僅かに非対称の高屈折率の光伝送路は基本横モード
のみを伝播する。閉じ込め層と活性層の間に導波層を設
け、その段の上で活性層の厚さを最大にすることもでき
る。

〔発明の実施例〕

第１図において、半導体レーザ１０は長方形の通常１１
１−Ｖ族化合物から成る単結晶半導体材料の基体１２を
有し、この基体１２は平行な２つの端面１４を持ち、そ
の両端面１４の一方は光を放出し得るように一部透明に
なっている。基体１２はまた両端面１４間にこれに垂直
に延びる２つの平行側面１６を持っている。

半導体基体１２）′ｉ地地上１４側面１６の間にこれと
直角に拡がる２つの平行主表面２０．２２を持つ基板１
８を含んでいる。主表面２０には両端面１４間に延びる
１対の実質的に平行な凹溝２４が形成さｈ、両凹溝２４
間の主表面２０の部分はメサ部２０ａを形成している。

この主表面２０とメサ部２０ａの上には凹溝２４を埋め
る緩衝層２６があってこれか凹陥部２８ａを備えた段付
表面２８を有するｔりの表面２８ＫＩ″ｉ第１の閉じ込
め層３０があってこわが凹陥部２８ａから横方向に離ｔ
た凹陥部３２ａを備えた段付表面３２を有する。

この段付表面３２上には導波層３４があってとハが凹陥
部３２ａから横方向に離れた凹陥部３６ａを備えた表面
３６を持つ。さらにこの導波層３４の表面３６に１１−
ｔその最大厚さ部分の上に肩部４０を持ち１段付次面３
６の凹陥部３６ａの土に最大厚さ部分４２を持つ活性層
３８かある。この活性層３８土には第２の閉じ込め層４
４があシさらにそΩ上に上被層４６がある。この１鳴４
６の上には電気的絶縁層４８があり、活性層４０の最大
厚さ部分４２の上で端面１４間に凹溝状に延ひる開口部
５０を有する。この電気的絶縁層４８と開口部５０内に
ある上被層４６の部分の上に第１の電気接触し２があり
、第２の主表面２２土に基板のへ気的接触５４かある。

第２図において、半導体レーザｌｏｌ″ｉまたその端面
１４にレーザ１０の放出する光の波長で実質的に透明な
保護膜６２を有する。反対側の端面１４にはレーザ１０
の放出する光を反射する反射膜６４が配置されている。

基板１８、緩衝層２６、第１の閉じ込め層３ｏ、導波層
３４Ｆｉｐ型かｎ型のいすｈか一方で、第２の閉じ込め
層４４と上被層４６はこれと反対の導電型である。

これら各層の導電型はその相対関係が保たれる限シ逆転
し得ることは明らかである。

活性層３８、導波層３４、第１および第２の閉じ込め層
３０．４．−を形成する材料は、導波層３４の屈折率が
第１および第２の閉じ込め層３０．．４０の屈折率より
大きく、また活性層３８の屈折率がこの導波−３４の屈
折率よシさらに大きくなるように選択されている。

種々のエピタキシャル層は前記米国特許第４２１５３１
９　Ｊｉ３−オヨび第３７５３８０１５Ｊ−ｃ７）各明
ａＩ書記載の公知の液相エピタキシャル法を用いて形成
することかでき−る。液相エピタキシャル法では特定の
層の一部分の成長速度がその層の成長する表面の局部曲
率によって変シ、表面の負の局部曲率が大きいほど、す
なわち表面から見て表面の凹み方が大きいほど局部成長
速度が高くなる。

基板１８は通常ｎ型の■−■族化合物で推奨例としてｎ
型ＧａＡｓから成シ、主結晶面から方位けずわでいるが
、凹溝の部分を除いて実質的に平坦な主表面２０を持っ
ている。一般にこの表面は（１００）面群の１つに近く
、凹溝軸が（１１０）結晶軸方向に平行になっている。

結晶軸として（１１０）方向の１つを用いると半導体基
体の端面１４が臂開面となるため好ましい。第３図には
基板がＹ軸に平行な１対の凹溝を持つ場合の方位ずれが
示されている。Ｙ軸は基板表面の平面内にあって凹溝の
軸に垂直であシ、またＺ軸は基板表面に垂直である。

基板表面はＶＺ面に沿って角θだけ（００１）結晶面か
ら偏位し、Ｙ軸と凹溝の軸Ｈ（１１０）結晶軸に平行で
あるが、（１１０）軸はＹ軸からＹ−Ｚ面に沿って角θ
だけすねている。基板表面の偏位角θけＹ−Ｚ面すなわ
ち凹溝の軸に垂直な平向に沿って約０．５〜３°好まし
い。このとき基板表面は低表面エネルギーの結晶面、こ
こでは（１００）面群の１つから僅かにずれている。こ
の表面にエピタキシャル成長を行な５と、より低いエネ
ルギーの（１００）面に成長しようとして、表面に垂直
な方向からすｈた角度の成長が進んでいく。凹溝がない
場合は成長した層の表面に１つ以上の無作為に分布した
段か形成される。凹溝はこの表面に有用に位置決めさｔ
た段付部の規則正しい配列を予測し得るように形成する
働きをする。

層の段付部はその層が厚さσ１い部分である第１の領域
から厚さの薄い部分である第２の領域へ遷移する部分で
あって、この第１および第２の領域の間の遷移領域が段
付面である。またその段付面に隣接する第１の領域の部
分がその段の肩部である。段付部と第２の領域の表面の
接続１部で表面が凹形になシ、この上で成長する層の成
長速度が最大になる。このように段付表面に成長する層
はその段の前方で最も速く成長し、凹陥部を埋めてその
段を下層の段よシ横方向にずらしていく。従っである層
の段の位置はその層の厚さとその下層の段の位置に依存
する。

第３図はＹ軸に平行な方向を持つような偏位を示すが、
この偏位の方向はＹ軸と異なり、Ｙ軸とある角を成して
Ｘ−Ｙ平面内にあることもある。

本願発明者は、成長層の表面上に形成された段の大きさ
がこの偏位の方向とＹ軸の間の角が大きいほど減少する
ことを見出した。Ｘ−Ｙ平面内で±２０°以上の角度に
なると、形成される段が小さくなシ、成長層の厚さの変
化を誘起する段の効果が減少する。

基板表面の方位は（１００］面に近いものが推奨さｈる
が、（ｌ１１Ｂ　１面のような他の結晶面群も有用であ
る。

第１図には（１１０、：］結晶軸方向と平行な凹溝軸か
ら得られたアリ型凹溝２４が示さｈているが、この凹溝
２４はその軸に他の結晶軸を用いるか、他の化学エツチ
ング液を用いることによって例えばＵ字形、■字形、長
方形等の他の形状にすることもできる。凹溝２４は表面
の幅が通常約４〜２０μで、約ＩＱμが好ましく、また
深さが約４μである。また凹溝の間隔は通常約２０〜４
５μで、約３２μ′が好ましい。凹溝は例えば米国特許
第４２１５３１９号明細書記載の標準写真食刻法を用い
て形成される。

メサ部２０ａの表面の凹溝２４の底面からの高さを１９
８１年１２月２３日付米国特許願第３３３’７６７号明
細書記載のように主表面２０のそわと異ならせることも
できる。この高さの差によってその上に成長する層の曲
率が増加する。この高さの差は通常約３μまでであるが
約１〜２μが好ましい。

緩衝層２６は通常基板１８と同一の材料から作られ、メ
サ部２Ｏａ上で約１〜３μの厚さを持つ。この層の厚さ
はそ゛の下の凹溝のため横方、向に変化し、方位ずれに
よって非対称となっている。

第１の閉じ込め層３０ｉｊｎ型のＡ〜Ｇａニー−５から
ｆ；ｔり、ここでＡ／＋７）濃度比Ｗは約ｏ　、２５〜
６　、４、通常０．３である。この層は厚さがメサ部上
で約１〜４μで、横方向に非対称に変化する。導波層３
４ｒＩ″ｉあればｎ型のＡｌｘ　Ｇ　ａよ−ｋＡ　ｓ　
から成シ、ここでＭの濃度比ｉ／′ｉ第１の閉じ込め層
３０の濃度比より小さいが活性層３８のＭ濃度比よりは
大きく、通常的Ｑ、２である。この導波層３４は活性層
３８の下側にあるものとして説明しているが、活性層３
８の上に設けることもできることが容易に判る。活性層
３８は薄くドープしたＰ型またＶｉｎ型のＡｌ　ｙ　Ｇ
　ａニーｙ　Ａｓから成シ、ここでＡ５の濃度比ｙｈ通
常約０〜０．１である。この層の最大厚さ部分４２／′
ｉ導波層３４の表面３６の段３６ａの正面に隣接するそ
の表面３６の凹陥部上にあるが、導波層３４がない場合
は第１の閉じ込め層３０の表面３２の段３２ａの凹陥部
上にある。第２の閉じ込め層４４は通常的１〜２μの厚
さを持ち、ｋｌの濃度比２が約０°、２５〜０．４で通
常的０．３〜０．３５のＰ型のＡｇ２Ｇａニー２Ａｓか
ら成る。上被層４６はＰ型ＧａＡｓから成フ、その厚さ
は通常的０．２〜１．５μで、約０．５μが好ましい。

各層の屈折率の関係が保六わる限り他の■−■族化合物
の組合せをこの発明のレーザに用いることができること
は明らかである。

第４ａ図および第４ｂ図はそハぞｈ導波層３４の肩部４
０からの変位による活性層３８および導波層３４の厚さ
の変化を代表的半導体レーザ１０について示す。

導波層３４の最大厚さの点は凹陥部３６ａの肩の部分に
あシ、約２．２μの最大厚さから横方向に厚さが非対称
に減少している。導波層の厚さはこの点で約０．５〜３
．５μでよい。活性層３８の厚さが最大の部分４２はそ
の活性層３８の成長速度が段３６ａの凹陥部上で最大に
なるため、肩部４０から横方向に離れる。活性層３８は
この点で約０．１５μの厚さを持ち、約０，１μまで非
対称に厚さが減じていく。この活性層の最大厚さは約０
．０５〜０．３μでよい。

電気絶縁層４８は酸素または水蒸気中でシランのような
シリコン？含む気体を熱分解することによって、上被層
４６上に被着した２酸化シリコンから成るもの力；好ま
しい。開口部５０Ｉｒｉ標準の写真食刻法を用いて形成
し、ここに露出した上被層部分に通常亜鉛を約０．１〜
０．２μの深さまで拡整させた後絶縁層４８と開口部５
０内の上被層４６上に第１の電気接触を被着する。この
接触はチタン、白金、金を順次真空蒸着によって被着し
たものが好ましい。

基板の電気接触５４は銀錯共融合金を真空蒸着して焼結
した後、ニッケルと金を順次被着することによって形成
することができる。

また電気絶縁層４８を上被層４６と同一の材料で逆導電
型を持つ層で形成するによりこの２層間の境界Ｋ　Ｐ　
−ｎ　接合を形成することもできる。このＰ−〇接合は
電気接触５２．５４間に順方向バイアス電圧を印加した
とき逆バイアス状態になるため、開口部５０以外に電流
が流れなくなる。

保護膜６２は酸化アルミニウムまたは同様の透明材料か
ら成シ、米国特許第４１７８５６４号明細書開示のよう
に放出光の波長の約％波長の厚さを持っている。反対側
の端面１４には米国特許第３７０１０４７号または第４
０９２６５９号明細書開示のように反射膜６４が被着さ
れている。

電気接触５２．５４間に順方向バイアス電圧を印加する
と、電流がＰ　−ｎ接合領域を横切って流れる。

電流がレーザ作用のしきい値以上になると、活性層に注
入された電子と正孔が再結合して発生する光がレーザ作
用を行なう。このレーザ作用は活性層３８の最大厚さの
部分で起きる。導波層３４と活性層３８の屈折率差が小
さいため、活性層中で発生した光はこの活性層と導波層
の両方を伝播する。

横方向に伝播するレーザビームの閉じ込めは活性層と導
波層の実効屈折率の横方向の変化に変換できるこれらの
層の横方向の厚さの変化によって行なわｈる。導波層を
含む４層構造の実効屈折率は Ｎｅｆ　ｆ−ｎ（十〇ａ（ｒ）（ｎａ−ｎｃ）十〇ｇ（
ｒＸｎｇ−ｎｃ）で与えられる。ここでｎａ、ｎｇ、　
ｎｃｌｄそれぞｔ活性層、導波層、閉じ込め層の屈折率
、Ｇａ（ｒ）　、Ｇｇ（ｒ）は活性層３８の最大厚さの
部分４２の中心点からの横方向距離ｒの函数とした活性
層と導波層中の光モード振幅の比率を示す。活性層の最
大厚さ部分では、光はほとんど活性層中にあり、活性層
の厚さ変化による屈折率変化の寄与が支配的となるが、
この部分の中心点から横に離れるに従って活性層は次第
に薄くなル、活性層を伝播する光の振幅の割合が小さく
なって光の大部分に導波層中を伝播し、導波層の厚さ変
化による屈折率変化の寄与が支配的になシ始める。第５
図は代表的な半導体レーザ１０の横方向変位に対する実
効屈折率を示す。

実効屈折率は活性層３８の最大厚さ部分４２で最大で横
方向に非対称に次第妬減少して正屈折率の導波層を形成
する。この正屈折率の導波層はレーザビームの基本モー
ドすなわち最低次モードの伝播だけを行う。

ム （ＯＯｌ）面から（１１０〕方向ＶＣ１，０°偏位して
切ったｎ型ＧａＡｓ基板の研磨面に（１１０）方向に沿
って１対のアリ型凹溝を化学エツチングで形成した（す
なわち偏位方向は溝の軸に垂直になっている）。

次にメサ部の頂部だけを露出するＳ！０２マスクを用い
て再びエツチングを行ない、メサ部の表面を最初の表面
から約１μだけ低くした。次に液相エピタキシャル法を
用いて基板と融体を０．７５°Ｃ／分の冷却速度で８５
０℃から８００°Ｃｊで冷却しつつレーザの各層を順次
成長させた。溝の逆熔融を防止するため、最初軽度の過
冷却を行なった。被着りまた層は計型Ｇ　ａ　Ａ　ｓの
緩衝層、ｎ型ＡＡ’　０　、３１Ｇ　ａ□　、６ｇＡ　
ｓの第１の閉じ込め層、ｎ型ＡＩ！。、２□Ｇａｏ、７
９Ａｓの導波層、ドープしないＡｎｏ、０６ＧａＯ，９
４Ａｓの活性層、Ｐ型ｋｌ　　Ｇａ　　Ａｓの第２の閉
じ込め層、Ｐ十型ＧａＡｓ０，３４　　０．６６ の上部被復層である。成長が終了すると、５ｉ０２の の絶縁層を被着し１幅１０μ、接触用帯状層をレーザ゛
領域上に形成した。次に電気接触を前述のようにして形
成した。

このウェハから細長い小片を襞間で切出し、光を放出す
る而ＫＡ１２０３の％波長の保護膜を、また反対側の端
面に６層の誘電体層から成る反射膜を被着した。次に個
々のダイスをこの細長い小片から切出し、試験のためヘ
ッダに固定した。

次にジャーナル・オブ・アプライドやフイジクス（Ｊｏ
ｇｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌ　ｉｅｄ　　Ｐｈｙｓｉｃｓ
　）　１９７４年第４５巻第５１１２〜５１１４頁掲載
のオールソン（Ｏｌｓｅｎ　）の論文に開示された５°
の角度研磨とそれによる露出面の着色によシこのレーザ
の断面構造を°解析した。

各層の厚さは光学顕微鏡で測定した。この結果導波層の
最大厚さは２．２μで、厚さが横方向に一方では１０μ
にわたって１．３５μまで、他方では１３μにわたって
１．６５μまで傾斜していた。活性層の厚さは段の凹陥
部上で０．１５μの最大値を示し、それの肩の部分の約
０．↓μまで傾斜していた。

連続レーザ動作では室温で約６０ｍＷまで、７０°Ｃの
周囲温度で約１５ｍＷまでの出力が得られた。パルスし
きい値電流の温度係数Ｔｏは一３０°Ｃ〜２０°Ｃの温
度領域では１９０°Ｃｌ２Ｏ°Ｃ〜５０°Ｃの温度領域
では１０５°Ｃであった。出力レーザビームの縦横の遠
視野像は出力５ｏｍＷまで安定で、２０°Ｃにおいて出
力が％になる幅は約２３°と２６１あった。動作したレ
ーザの約７０係が２０℃で約５０ｍＷの出力まで単−縦
、横並びに軸方向モードの動作を示した。

【図面の簡単な説明】

第１図は発明の半導体レーザの斜視図、第２図はこのレ
ーザの側面図、第３図は基板の方位ずｔの模式図、第４
ａ図は半導体レーザの活性層の横方向の厚さの変化を示
す図、第４ｂ図は半導体レーザの導波層の横方向の厚さ
の変化を示す図、第５図は半導体レーザの実効屈折率の
勾配を示す図である。 １０・・・半導体レーザ、１２・・・基体、１４・・・
レーザ端面、１８・・・基板、１２０ａ・・・メサ部、
２４・・・凹溝、３０・・・第１の閉じ込め層、３８・
・・活性層、４４・・・第２の閉じ込め層、５２．５４
・・・電気接触。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　少なくとも一方が光を放出し得るように半透
   明になっている平行な両端面を有する基体を含み、その
   基体がその主表面に上記両端面間に延び、間にメサ部を
   挾む実質的に平行な凹溝を持つ基板と、上記基板の表面
   、凹溝の表面およびメサ部を覆い、段付き表面を持つ第
   １の閉じ込め層と、この第１の閉じ込め層の段付き表面
   を覆い、その厚さがその段付き表面の段の凹みの上を最
   大として両側に薄くなる勾配を有する活性層と、この活
   性層を憶う第２の閉じ込め層と、上記基板と上記第２の
   閉じ込め層の上記活性層の最大厚さの部分の上にある部
   分とに設けた電気接触とを含み、上記活性層の最大厚さ
   の部分をレーザの再結合領域とした半導体レーザ。