JPS592393B2

JPS592393B2 - 半導体レ−ザ装置およびその製造方法

Info

Publication number: JPS592393B2
Application number: JP5960378A
Authority: JP
Inventors: 渉須崎; 健志池田; 博文浪崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1978-05-18
Filing date: 1978-05-18
Publication date: 1984-01-18
Also published as: JPS54150990A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は単一モード発振を得ることのできるような半導
体レーザ装置およびその製法に関、し、従来知られてい
る直線的導波路を持つ半導体レーザのみではなく従来よ
り数段小さな曲率半径を持つ屈曲したレーザ装置やさら
に小さなリングレーザ装置をも設計、製作することので
きるような新規な構成を提供するものである。

従来縦モードが単一で、横モードが基本モードで発振す
るような半導体レーザ装置としては、ＴＪＳレーザ（ト
ランスパース・ジャンクション・ストライプ形レーザ）
装置が知られている。

このＴＪＳレーザ装置は、発振モードが安定であるとい
う点において優れているばかりでなく、発振光出力対注
入電流特性にいわゆるキックがなく直線性に優れている
点や、さらには発振しきい値電流が２０〜３０ｍＡと低
く使い易い等数々の特長を有している。このＴＪＳレー
ザ装置の断面図を第１図に示す。

まずｎ形のガリウムアーゼナイト（ＧａＡｓ）結晶基板
１０１上に液相エピタキシヤル法でｎ形のガリウム・ア
ルミニウム・アーゼナイト（ＧａＡｌＡｓ）１０２層、
ｎ形ＧａＡｓ層１０３、ｎ形ＧａＡｌＡｓ層１０４、ｐ
形ＧａＡｌＡｓ層１０５、およびｎ形ＧａＡｓ層１０６
を順次形成する。しかる後表面にシリコン・ナイトライ
ドＳｉ３Ｎ４等のマスクを施し、選択的に亜鉛（Ｚｎ）
をｎ形ＧａＡｌＡｓ層１０２まで達するようにアクセプ
タを高濃度に拡散して、ｐ＋領域１０７を形成し、次に
Ｚｎの拡散源を取除いて熱処理することによつて、すな
わち再分布拡散を行なうことによつて、Ｚｎ濃度が比較
的低くかつその勾配がゆるやかなｐ領域１０８を形成す
る。このとき上記ｎ形ＧａＡｓ層１０３中にできたこの
ｐ領域が、レーザ発振の起る活性領域１０９となる。次
に最終層ｎ形ＧａＡｓ層１０６中に浅くＺｎを拡散して
ｐ＋層１１０を形成し、正電極１１１と低抵抗接触を得
るようにする。一方ｎ形ＧａＡｓ基板１０１の裏面にも
金属電極を設けて、負電極１１２とし、上記正電極１１
１と該負電極１１２との間に電流を流すことにより、活
性領域１０９にレーザ発振を生ぜしめる。この構造にお
いては、積層厚み方向に対しては、活性領域１０９が両
ＧａＡｌＡｓ層１０２および１０４で狭まれているため
、光は比較的強の閉込められている（インデツクスガイ
デング）が、積層面内方向に対しては、拡散および熱処
理によつて形成されたｐ＋Ｐｎホモ接合構造であるため
ヘテロ接合構造を用いたものに比較して閉込め効果は大
きくはない。したがつて上記活性領域１０９は、結晶壁
開面に垂直となるようにし、しかも途中曲がらぬ様、極
力直線状に形成するのが普通である。また屈曲させる場
合にも、その曲率半径は１ｍｍ以上としなければならな
かつた。

このことは、光の取出方向および取付位置がきびしく制
限されるということを意味し、集積化に制限を加えるの
みならず、Ｌ字状あるいはＵ字状に半導体レーザ装置を
形成して使う必要のある特殊な場合には形状が大きくな
り、しきい値の上昇モード特性の悪化、製作歩留低下、
寿命の短縮等の心配が大きくなる。以上説明したＴＪＳ
形レーザ装置の他に電極ストライプ形、プレーナストラ
イプ形、プロトン注入形、ＣＳＰ形等のレーザ装置もあ
るが、それらも積層面内方向の閉込めはインデックスカ
ーディングとなつていないため、屈曲形レーザについて
見ればＴＪＳ形より悪くはあつても良くはならない。ま
たメサエツチ形レーザ装置は屈曲に対しては強いインデ
ツクスおよびゲインガイデング構造を有し有利であるが
、モード特性で大きく劣る。本発明は上述のような従来
の問題点を解決するために成されたものでＴＪＳ構造の
インデックスカーディングとｐ＋Ｐｎ接合構造によるカ
ーディングの方向を入れ替えることによつてＴＪＳレー
ザ装置の優れた点を活かしたま＼、上記従来のＴＪＳ形
レーザ装置における屈曲に対する欠点を除去せんとする
ものである。第２図および第３図は本発明が適用された
ＴＪＳレーザ装置の一実施例を示しており、まず第２図
について説明する。

例えばｎ形のＧａＡｓ半導体結晶層２１１とｎ形のＧａ
ＡｌＡｓ半導体結晶層２１２からなる半導体結晶基板２
１０の表面に、第２図の紙面に対して垂直方向に直線状
のくぼみ部を化学エツチング等で形成し、この結晶上に
例えば液相成長法によつて薄いｎ形ＧａＡｓより成る半
導体結晶層２１３を成長させ、引続いて同じくｎ形のＧ
ａＡｌＡｓより成る半導体結晶層２１４を成長させる。
この半導体結晶層２１４の結晶表面を研磨等の方法で除
去した後全面に、例えばＺｎを熱拡散等の手法により拡
散してｐ＋領域２１５を作る。この後、拡散源として用
いたＺｎをとり除いて熱処理することによりｐ＋領域２
１５に比べてＺｎ濃度が低く、かつ濃度勾配の緩やかな
領域２１６を形成する。そして上記上面、下面にそれぞ
れ正電極２１７および負電極２１８を設けて半導体レー
ザ装置とする。なお、この場合、半導体結晶基板２１０
として、例えばｎ形ＧａＡｓ基板２１１上にｎ形ＧａＡ
ｌＡｓ層２１２を形成したものを用いる例について説明
したが、ＧａＡｌＡｓ，ＧａＡｓあるいはガリウム・ア
ーゼナイト・フオスフアイド（ＧａＡｓＰ痔の単体結晶
であつても本質的に同じである。たマ半導体結晶層２１
３の禁制帯巾が半導体結晶層２１４および半導体結晶層
２１２のいずれよりも狭ければよい。また半導体結晶層
２１４の上面を研磨する工程も本質的ではなく、例えば
くぼみ部以外の表面部分の半導体結晶層２１３の上に適
当なマスクを設けて選択的にエピタキシヤル成長を行な
えば研磨は本質的に不要となる。また、半導体結晶層２
１４のくぼみ部に適当なマスクを施して不要な部分を化
学的エツチング法により取り除いてもよい。さらにまた
上記の例では、Ｚｎの拡散も一主表面全面に施したが、
これも本質的でなく、単に半導体結晶層２１３の縦にな
つている部分、すなわちくぼみ部側面にＰｎ接合部がで
きればよいのであるから、他をマスクして選択拡散法に
より部分的に形成してもよい。いずれにせよ本質的には
、半導体結晶層２１３中にできたｐ＋Ｐｎ領域のうちの
少なくともｐ領域２１９が半導体結晶基板２１０の（あ
るいは半導体結晶層２１２の）エツチングによつてでき
たくぼみ部の側壁に面し、半導体結晶基板２１０の表面
に対し、平行とならないようにすればよいのである。

このようにして得られたレーザ装置の電極２１７を正に
２１８を負にして順方向電流を流すと電流はｐ領域２１
９に主に流れる。

これは半導体結晶基板２１０、または２１２中に形成さ
れたｐ＋Ｐｎ接合面および半導体結晶層２１４中に形成
されたｐ＋Ｐｎ接合面における拡散電位が、半導体結晶
層２１３中にできたｐ＋Ｐｎ接合におけるそれに比べて
高くしてあるためである。また屈折率もｐ領域２１９が
周囲のいずれよりも高く設定してあるため、光ガイド構
造となり、発光がこの領域で起ると同時に他に漏れるこ
とは少なく閉じ込められる。この光ガイドの両端が例え
ば結晶の壁開面であつて上記光ガイドにほマ垂直であれ
ば、ガイドされた光はこの端で反射され、内部に光の定
在波が立ち、注入電流を増すと誘導放出を始め遂には発
振に至る。この動作原理は従来のＴＪＳレーザ装置と同
じである。異なる点は先にも記した通り半導体結晶層２
１３のガイド層たるｐ領域２１９が半導体結晶基板２１
０または半導体結晶層２１２に平行でなく垂直に近い点
にある。ｐ形領域２１９の屈折は拡散フロント面内、す
なわち半導体結晶基板２１０表面に平行である。したが
つて、この屈曲に対してはｐ領域２１９は前述のように
半導体結晶層２１２と２１４で挟まれた強いインデック
スカーディング構造となる。このカーディングの強さは
ｐ領域２１９の屈折率と半導体結晶層２１２および２１
４の屈折率との差で決まるため、各結晶の組成によつて
若干の違いがある。一例としてｐ領域２１９をｐ形Ｇａ
Ａｓとし、半導体結晶層２１２および２１４をｎ形のＧ
ａＯ６ＡｌＯ．４Ａｓとすれば、この屈折率差はほマ５
％となる。この場合には曲率半径は約１００μｍ程度ま
で小さくできる。つぎに本発明が適用された第３図のＴ
ＪＳ形レーザ装置について説明する。

この場合、半導体結晶基板２２０としてｎ形ＧａＡｓを
使用しており、この半導体結晶基板２２０の一部を化学
エツチ等の方法で除去し、つぎに液相成長法等でｎ形Ｇ
ａＡｌＡｓの半導体結晶層２２１を形成し、この上にｎ
形ＧａＡｓ半導体結晶層２２２を形成し、引続いてｎ形
ＧａＡｌＡｓ半導体結晶層２２３を成長させる。次にこ
の半導体結晶層２２３の一部を研磨するかエツチングし
、そのＺｎを拡散し、かつ熱処理を行ない、半導体結晶
層２２２のくぼみ部側面を横切るような深さの半導体結
晶層２２３，２２２および２２１中にｐ領域２２４を形
成する。このとき半導体結晶層２２２中に出来たｐ領域
が活性領域２２５となる点、および各半導体結晶層の形
成法が他の選択拡散であつてもよい点等は先述の第２図
の場合と同じである。ｐ領域２２５の方向および動作も
先述のものと全く同じである。本実施例はＧａＡｓ半導
体結晶基板上へ結晶成長するという点において第２図と
異なつており、実際に結晶成長を行なう場合容易であり
、有利である。いずれにせよ、第２図および第３図に示
すものは主要部たる活性領域およびその周辺が互に同じ
である。従つて以下の実施例においては第３図に示され
た構成をベースとして説明するが、第２図に示された構
成をベースとしても実施し得ることを付言する。第４図
は本発明の具体的実施例を示し、このような構造の半導
体レーザ装置は以下のようにして作られる。

同図において３０１はｎ形ＧａＡｓ基板であり、この基
板３０１表面に半径（ト）の弧に沿つてシリコンナイト
ライド（Ｓｉ３Ｎ４）膜よりなるマスクを形成し、硫酸
系エツチヤントおよび酒石酸系エツチヤントで深さ約５
μｍ程度まで基板３０１をエツチングして除去する。つ
ぎにＳｉ３Ｎ４膜を除去し、この基板上へｎ形のＧａＯ
．６ＡｌＯ．４Ａｓ層３０２を約３〜５μｍ液相成長法
で成長させ、この上にｎ形ＧａＡｓ層３０３を約０．３
μｍ成長させ、さらにｎ形ＧａＯ．６ＡｌＯ．４Ａｓ層
３０４を約５μｍ成長させる０こうして出来た結晶衣面
を研磨して主表面が平担になる様に特に厚い部分は約３
μｍ除去する。次に一主表面全面からＺｎを約２μｍ拡
散した後熱処理を加え、Ｐｎ接合面を表面から３〜４μ
ｍの深さに作る。こうして巾０．３μｍ厚さ１〜２μＭ
Ｏ）ｐ形ＧａＡｓ領域３０５を形成し、同図に示すよう
に、結晶を壁開して端面を鏡面にすれば、上記ｐ形Ｇａ
Ａｓ領域が導波路として働いて、（４）−（Ｂ）間で共
振器を形成し、注入電流の増大に伴つて発振を起させる
ことができる。このようにすれば従来の構造と異なり、
共振面（自）−（９）を結晶の１つの壁開面に作ること
ができ、したがつて光の取出しを一方の面だけに限定す
ることができるという利点がある。なお、上記実施例で
は導波路はちようど半円状としたが、それを第５図に示
すようにＫ円状に分割すれば、光出力を互に９００異な
る方向にとり出すことができる。

また、第６図に示すように完全な円状のま＼とすれば、
いわゆるリングレーザ装置を作ることができる。

さらにまた、上記円状の導波路の曲率を零、すなわち曲
率半径を無限大とすれば、導波路は直線となる。すなわ
ち通常の半導体レーザ装置と同様に相対向する２つの壁
開面間で共振器を形成するような構造とすることもでき
、その利用範囲は極めて広い。また、以上の説明では正
電極を低抵抗で接続するためのｐ＋ＧａＡｓ層を設けた
例は示さなかつたが、これは本発明において本質的でな
いためであつて第１図に示した従来形ＴＪＳレーザと同
じく最終層としてＧａＡｓ層を別途付け加えてもよいこ
とは明白である。

また、第４図ないし第６図においては電極が示されてい
ないが、それは説明図が複雑になるためであつて実際に
は当然電極が形成される。さらにまた、上記実施例では
ＧａＡｓ，ＧａＡｌＡｓ等の半導体を用いた場合につい
て説明したが、ＧａＰや、ＧａＡｓＰ，ＧａＳｂ等の他
の−族化合物半導体、ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＣｄＳ，Ｃｄ
Ｔｌ，ＺｎＴｌ等の−族化合物半導体を組み合せて用い
ても良いことはいうまでもない。

また、各結晶成長法の例として液相成長法を示したが、
その方法に限定されることなく、気相成長法、ＣＶＤ法
（ケミカル・ベーパー・デポジシヨン法）、有機金属輸
送法、モレキユラービーム法等によつても製作可能であ
る。さらにまた、エツチング法も化学エツチングを例に
示したが、これに限定されず、プラズマエツチ法、逆ス
パツタ法、イオンミーリング法等を用いてもよい。さら
にまた、光導波路に関係ない不要部をエツチングで取り
除いたり、プロトン注入したりする工程を付加してもよ
い。また、不純物の拡散も前述したように全面的に行な
う必要はなく、その方法も熱拡散のみでなくイオン注入
法を組合せても良い。以上説明から明らかなように、本
発明によれば強いインデックスカーディングによつて導
波される積層面内方向には基本モードが立ち、積層面に
垂直な方向には、カーディングが弱く、ｎ形ＧａＡｓ側
へ漏れ出したり、散乱された光が見られる場合があるが
、本発明ではこのｎ形層の厚昧を２〜３μｍまで薄くで
きるため、その影響を軽減できるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のＴＪＳ形レーザの構造を示す断面図、第
２図および第３図は本発明が適用されたＴＪＳ形レーザ
の代表的な２つの構造例を示す断面図、第４図ないし第
６図はいずれも本発明の具体的実施例を示す斜視図であ
る。１０１・・・・・・ｎ形ＧａＡｓ結晶基板、１０２・・
・・・・ｎ形ＧａＡｌＡｓ層、１０３・・・・・・ｎ形
ＧａＡｓ層、１０４・・・・・・ｎ形ＧａＡｌＡｓ層、
１０５・・・・・・ｐ形ＧａＡｌＡｓ層、１０６・・・
・・・ｎ形ＧａＡｓ層、１０７・・・・・・ｐ＋領域、
１０８・・・・・・ｐ領域、１０９・・・・・・活性領
域、１１０・・・・・・ｐ＋層、１１１・・・・・・正
電極、１１２・・・・・・負電極、２１０・・・・・・
半導体結晶基板、２１１・・・・・・ｎ形ＧａＡｓ半導
体結晶層、２１２・・・・・・ｎ形ＧａＡｌＡｓ半導体
結晶層、２１３・・・・・・ｎ形ＧａＡｓ半導体結晶層
、２１４・・・・・・ｎ形ＧａＡｌＡｓ半導体結晶層、
２１５・・・・・・ｐ＋領域、２１６・・・・・・ｐ形
拡散領域、２１７・・・・・・正電極、２１８・・・・
・・負電極、２１９・・・・・・ｐ領域、２２０・・・
・・・ｎ形ＧａＡｓ半導体結晶基板、２２１．．．．．
．ｎ形ＧａＡｌＡｓ半導体結晶層、２２２・・・・・・
ｎ形ＧａＡｓ半導体結晶層、２２３・・・・・・ｎ形Ｇ
ａＡｌＡｓ半導体結晶層、２２４・・・・・・ｐ領域、
２２５・・・・・・活性領域、３０１・・・・・・ｎ形
ＧａＡｓ半導体結晶基板、３０２・・・・・・ｎ形Ｇａ
ＡｌＡｓ層、３０３・・・・・・ｎ形ＧａＡｓ層、３０
４・・・・・・ｎ形ＧａＡｌＡｓ層、・・・・・・ｐ形
ＧａＡｓ領域。

Claims

【特許請求の範囲】１一主表面を有する第１導電形の半導体結晶基板また
はその一主表面上に形成された第１導電形の第１の半導
体結晶層とヘテロ接合を形成し、かつその禁制帯巾が上
記第１のそれより狭い第２の半導体結晶層とヘテロ結合
を形成しかつその禁制帯巾が上記第２の半導体結晶層の
それより広い第１導電形の第３の半導体結晶層とを備え
、上記２つのヘテロ接合面の少なくとも一部分が上記結
晶基板の一主表面とは平行とならないように形成されて
なり、かつ上記第２半導体結晶層中には第１導電形の部
分および第２導電形の部分ならびにこれら第１導電形の
部分と第２導電形の部分との間に形成された上記第２導
電形の部分よりは低濃度の第２導電形の部分が上記半導
体結晶基板の主表面と平行な面内で屈曲して設けられ、
これによつて生ずる接合面が上記基板結晶の主表面と平
行でない部分において設けられていることを特徴とする
半導体レーザ装置。２第１導電形の第１の半導体結晶基板にその主表面内
で屈曲したくぼみ部を形成する工程と、少なくとも上記
くぼみ部の側面に第１導電形の第２の半導体結晶を堆積
させる工程と、上記第１導電形の第２の半導体結晶表面
へ第１導電形の第３の半導体結晶を堆積させる工程と、
上記第１導電形の第２半導体結晶の導電形を第２導電形
に変えるに足る濃度の不純物を表面からドープする工程
とを具備して成ることを特徴とする半導体レーザ装置の
製造方法。３半導体結晶基板にその主表面内で屈曲したくぼみ部
を形成する工程と、少なくとも上記くぼみ部の側面を含
む表面に第１導電形の第１の半導体結晶を堆積させる工
程と、上記第１の半導体結晶面上へ第１導電形の第２の
半導体結晶を堆積する工程と、上記第２の半導体結晶上
へ第１導電形の第３の半導体結晶を堆積する工程と、上
記第２の半導体結晶の導電形を第２の導電形に変換する
に足る濃度の不純物を表面からドープする工程とを具備
して成ることを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法
。