JPS5818790B2 - 二重ヘテロ接合レ−ザ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は二重へテロ接合レーザ、特に活性層内の応力
を零または圧縮応力にして長寿命化をはかった二重へテ
ロ接合レーザに関する。

近年、二重へテロ接合レーザによって室温連続発振に成
功して以来、実用的な接合レーザの開発研究が精力的に
行なわれている。

現在二重へテロ接合レーザの発振モード制御、寿命につ
いてはかなりよくなっている力瓢まだ実用に供するには
充分でない。

従来の二重へテロ接合レーザはＧａＡｓ基板上に液相成
長法によってｎ型ＡｌｘＧａ１−ＸＡＳ層、Ｐ型ＧａＡ
ｓ活性層、Ｐ型Ａｌ）（Ｇａ１ ＸＡＳ層を順次形成し
、ＧａＡｓ基板表面およびＰ型ＡｌＸＧａ１−ＸＡＳ層
の表面にそれぞれ電極を付けて作られる。

本来の二重へテロ接合レーザの機能、すなわち注入キャ
リアの閉じこめとレーザ光の閉じこめ作用を果たすため
には、上記ＧａＡｓ活性層をはさんで設けられているｎ
型およびＰ型のＡｌ ｘＧａｌ−ＸＡＳ層の厚さは発振
光の波長程度（０，５〜１μｒｒＬ）あれば充分である
。

ところが、上記の従来の二重へテロ接合レーザにおいて
はＧａＡｓ基板上に通常５〜１０μｍの厚さのｎ型Ａ
Ｉ ＸＧ ａ １−Ｘ Ａ ｓ層を成長させ、その上に
ほぼ０．５〜１μｍ程度のＧａＡｓ活性層、続いて１ｒ
Ｉｌ程度のＰ型ＡｌＸＧａ１−ＸＡＳ層を成長させてい
る。

このようにＧ ａ Ａ ｓ基板上に比較的厚い（５〜１
０μｍ）ＡＩＸＧａ、ＸＡＳ層を成長させるのは、Ｇａ
Ａｓ基板面の凹凸や基板に存在する欠陥が活性層の膜圧
や平坦度に影響を与えないようにするためである。

しかしながら、ＧａＡｓ基板上のＡｌＸＧａ１ ＸＡＳ
層の厚さが厚くなると次のような問題が生じる。

すなわち、ＡＩ ＸＧａ１−ＸＡＳとＧａＡｓは結晶成
長温度に近い９００℃では格子常数が一致しているが、
常温ではＡｌＸＧａ１−ＸＡＳの方が僅かに大きい格子
常数をもっている。

常温におけるＧａＡｓの格子常数をａ、ＡｌＸＧａ１−
ｘＡＳのそれをａ＋△ａとすると、△ａ ／ ａはＸの
値に比例して増大し、ｘ −０，３では△ａ ／ ａ
＝ ５ ｘｌｏ−４である。

従って、ＧａＡｓ基板上に厚いＡ Ｉ ＸＧ ａ １
ｘＡ ｓ層を有する従来の二重へテロ接合レーザは、
常温では格子常数の不一致のため変形する。

このためＡｌＸＧａ１ ＸＡＳ層によってはさまれてい
るＧａＡｓ活性層には両側から大きな応力が働き、その
中に歪を発生させる。

こｑみは両側のＡＩ ＸＧａ１−ＸＡ３層が厚ければ厚
いほど大きい。

そして活性層内の歪みの存在は二重へテロ接合レーザの
寿命を長くすることに関して大きなさまたげとなる。

この発明の目的は活性層内の歪み、従って応力を減少さ
せ長寿命の二重へテロ接合レーザを提供することにある
。

この発明によれば、ＧａＡｓ基板上に連続液相成長法に
よって、基板と同一結晶のＧａＡｓ層と、ＡｌＸ２Ｇａ
１−Ｘ２ＡＳ層と、ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３ＡＳ活性層と
、Ａｌｘ４Ｇａ１−Ｘ４ＡＳ層（ただし、Ｘ３はＸ２及
びＸ４より小さい）とを順次形成した二重へテロ接合レ
ーザが得られる。

まず本発明の原理について説明する。

第１図は本発明の詳細な説明するためのＧａＡｓ −Ａ
ＩＸＧａｌ−ＸＡｓ二重へテロ接合レーザの概念図であ
って、１はＧａＡｓ基板で厚さｄｌ、２はＧａＡｓ基板
１の上に液相成長させたＡ Ｉ Ｘ ２ Ｇ ａ １−
ｚ ２Ａｓ層で厚さｄ２．３は同様にＡｌＸ２Ｇａ、−
Ｘ２ＡＳ層２上に液相成長させたＧａ Ａ ｓ活性層で
厚さｄ３．４（′□ａＡｓ活性層３の上に液相成長させ
た厚さｄ４のＡ’Ｘ４ Ｇａ １−Ｘ４ＡＳ 層である
。

第１図の実線で描かれた形は常温における二重へテロ接
合レーザの形状を表わしている。

ＧａＡｓ基板１の上にＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２ＡＳ層２、
ＧａＡｓ活性層３、ＡＩ）（４Ｇａ１−Ｘ４ＡＳ層４を
順次液相成長させた後、常温まで冷却すると結晶は収縮
する。

しかし前述したように常温におけるＧａＡｓの格子定数
がＡｌＸＧａ１ ｘＡｓのそれより小さいので、冷却に
よる収縮の度合はＧａＡｓ０方がＡ Ｉ ）（Ｇａ１−
ＸＡｓより大きい。

第１図の点線で示した形状は各層が独立で自由な状態に
あると仮定した場合の様子を表わしている。

すなわち、各層１，２，３，４が独立に自由になってい
るとした場合には、液相成長温度から常温まで降温する
と常温における格子常数の違いから各層が結合されてい
る状態を示す実線より、ＧａＡｓ基板１は△１１だけ縮
み、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ａｓ層２は△１２だけ伸び、
ＧａＡｓ活性層３は△１３だげ縮み、ＡｌＸ４Ｇａｌ
Ｘ４ＡＳ層４は△１４だけ伸びた形状になる。

ところが実際の形状は各層が強固に結合しているために
実線に示すようになるから、ＧａＡｓ活性層３には、引
張り応力σ３が生じＡＩ Ｘ２Ｇａ１−Ｘ２ＡＳ層２お
よび、ＡｌＸ４Ｇａｌ−Ｘ４ＡＳ層４には圧縮応力σ２
、σ４がそれぞれ生じる。

ＧａＡｓ基板１にも引張り応力が生じているが直接劣化
に関係しないので省略した。

今ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ａｓ層２、ＧａＡｓ活性層３お
よびＡｌＸ４Ｇａ１−）（４Ａｓ４４の厚さがＧａＡｓ
基板１の厚さに比べて薄いと仮定すると、ＧａＡｓ活性
層３に生じる引張り応力σ３は、ＧａＡｓとＡｌｘＧａ
１−ＸＡｓのヤング率は等しいとして、で表わされる。

実際はバイメタルのように結晶全体が曲がってくるが基
板が充分厚ければ主な歪みは第１図のように伸び縮みに
よるもので曲りの影響は少い。

ｄ′１はこのような近似における実効的なＧａＡｓ基板
１の厚みであって、実際のＧａＡｓ基板の厚さｄｌの数
分の−である。

Ｋは格子常数の違いに比例する常数、すなわち、Ｘ２（
但しＸ２−Ｘ４とする）に比例する常数である。

第１図に示すような４層製造の二重へテロ接合レーザに
おいては、ＡｌＸ２Ｇａ、−ｘ２Ａｓ層２の厚さｄ２は
太きく（５〜ＩＯμｍ）、従って、（１）式から明らか
なように活性層には大きな引張り応力σ３が存在した。

このような引張り応力はレーザ動作中に活性層に起る劣
化現象の大きな要因となっていることが研究の結果明ら
かとなった。

従って、実用的な長寿命の二重へテロ接合レーザを得る
には、歪み従って内部応力の少ない活性層を有するレー
ザを製作することが本質的に重要である。

第２図は本発明の二重へテロ接合レーザの一実施例を示
す図である。

ｎ型ＧａＡｓ基板１２の上によく知られた連続液相成長
技術でｎ型ＧａＡｓ層１３を５〜１０μｍ１つづいてｎ
型 ＡｌＸ２Ｇａ１−ｘ２ＡＳ層１４を０．５〜１ μｍ、
Ｐ型ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ａｓ活性層１５を０．１〜
１μｍ、最後にＰ型Ａｌｘ４Ｇａ、Ｘ４ＡＳ層１６を０
．５〜１μｍ１の厚さに順次形成し、その後ｎ型ＧａＡ
ｓ基板１２とＰ型ＡｌＸ４Ｇａｌ Ｘ４ＡＳ層１６の
表面にオーミック電極１１および１７を設けて二重へテ
ロ接合レーザができ上る。

この実施例においては従来の二重へテロ接合レーザと異
なり５層構造を有し、ｎ型Ｇ ａ Ａ ｓ基板１２上に
５〜１０μｍというかなり厚い同一導電型のＧａＡｓ層
１３が設けられているからｎ型ＡｌＸ２Ｇａ１ ｘ２Ａ
ｓ層１４を０．５〜１μｍと薄くしても活性層が基板面
の凹凸や欠陥の影響を受けることはない。

このＧａＡｓ層１３はＧａＡｓ基板表面に存在する凹凸
や欠陥の影響を除（ために設けられるのであるから、も
し凹凸や欠陥のない基板が得られれば設ける必要はない
。

いま、ｎ型ＡｌＸ２Ｇａ１ ｘ２：Ａｓ層１４とＰ型
”）（４Ｇａ１−Ｘ４Ａｓ層１６の厚さを第１図と対応
させてそれぞれｄ２、ｄ４とすると前記（１）式からｄ
２＋ｄ４の厚さを必要最小限の１〜２μｍの厚さく従の
ものは１０μｍ程度ある）にすることができるので、Ｐ
型ＡｌＸ３Ｇａ、−ｘ３Ａｓ活性層１５（通常はｘ３＝
０、すなわちＧａＡｓである）内の引張り応力σ３の値
もそれに比例して小さくなり、劣化の速度が減少する。

さらにＰ型Ａ Ｉ Ｘ ３ Ｇ ａ １ ｘ ３ Ａ
ｓ活性層１５のＡｌ添加の量Ｘ３の値を０ （ＧａＡ
ｓの場合）から増加してゆくと、その格子常数はＸ３に
比例して増加し、それにつれて活性層内の引張り応力σ
３の値は減少する。

そしであるＸ３の値石でσ３＝０となりこれ以上Ｘ３の
値（Ｘ３＞Ｘ３）を増加させると、σ３の符号は反転、
すなわち圧縮応力になる。

ＧａＡｓのような脆い結晶は一般に引張り応力には破壊
し易いが、圧縮応力には強いという性質をもっている。

従ってＡＩの添加量を適当に加減して、活性層１５内の
応力が圧縮応力になるようにすることにより著しく劣化
しにくいレーザ素子が得られ、ひいては長寿命の実用的
二重へテロ接合レーザが得られる。

上記実施例において具体的数値を示しその特性について
考察する。

ｎ型ＡＩ Ｘ２Ｇａｌ−Ｘ２Ａｓ層１４とＰ型’Ａ Ｌ
Ｘ ４ Ｇａｌ −Ｘ４ Ａ ３ 層１５（７）厚さの
和をｄ２＋ｄ４〉２μｍ、ＧａＡｓ基板１２とＧａＡｓ
層１３を含む実効的な厚さをｄ’、 ”” ２０μｍと
すれば、第１図の考察からＰ型ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ａ
Ｓ活性層１５のＡＩの添加量Ｘ３−０、すなわち活性層
がＧａＡｓからてｘ２＝ ｘ４＝ ０．３とした場合に
、活性層にＡＩをＸ３ に比例するから△１２よ０、す
なわち内部応力はＯになる。

従ってＸ２やＸ４に比べてＸ３をその内部応力は零また
は圧縮応力となり劣化は著しく減少する。

活性層にこの程度のＡ１を添加しても、二重へテロ接合
レーザの本来の機能であるキャリアや光の閉じこめ効果
はＸ２、Ｘ４とＸ３の差で決まるのでほとんど影響を受
けない。

このような点を考慮して製作した本発明の二重へテロ接
合レーザは数千時間の寿命が得られ従来のものに比較し
て数百倍改善された。

上記実施例においては、ＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓ系の二
重へテロ接合レーザについて述べたが、本発明の技術思
想は他の物質を利用し、且つ活性層に引張り応力が働く
ような二重へテロ接合レーザにも応用できることは明ら
かである。

また材料の組成並びに層の厚さの選択によって引張り応
力を減少、もしくは圧縮応力とするようなペテロ構造を
利用した一般のデバイスにも、本発明は応用できる。

以上詳細に説明したように、本発明によれば、活性層の
内部応力を零ないし圧縮応力となるようにすることによ
り長寿命の実用的な二重へテロ接合レーザが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するための４層構造の二重
へテロ接合レーザの概念図、第２図は本発明の一実施例
である５層構造の二重へテロ接合レーザの概略構成図で
ある。 図において、１・・・・・・ＧａＡｓ基板、２・・・・
・・ＡｌＸ２Ｇａ１ Ｘ２ＡＳ層、３＝ＧａＡｓ活性層
、４”・・”ＡｌＸ４Ｇａ１ Ｘ４Ａｓ層、１１，１７
・・・・・・電極、１２・・・・・・ＧａＡｓ基板、１
３・・・・・・ＧａＡｓ成長層、１４”・・”ＡｌＸ２
Ｇａ１−ｘ２Ａｓ層、１５・・・・・・Ａｌ）（３Ｇａ
１ ｘ３Ａｓ活性層、１６・・・・・・ＡｌＸ２Ｇａ１
−−Ｘ４ＡＳ層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. Ｉ ＧａＡｓ基板上に、発振波長程度の厚さのＡ ｌ
   ｘ２Ｇａ １ Ｘ２Ａｓ層と、Ａｌｘ３Ｇａ１−Ｘ
   ３Ａｓ 活性層と、ＡｌＸ４Ｇａ１−Ｘ４ＡＳ層（た
   だし、Ｘ３〈Ｘ２、Ｘ４）とを順次形成し、かつ前記活
   性層内の内部応力がＯまたは圧縮応力となるよりなＸ３
   を有することを特徴とする二重へテロ接合レーザ。