JPS5932910B2 - 半導体レ−ザ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は共振器内に位置する帯状の活性領域を具備する
半導体本体を有し、多数の平行に配設されたＰｎ接合が
あつてキヤリヤを帯状の活性領域に注入し、この帯状の
活性領域の長手方向に放射線を放出する半導体レーザに
関するものである。

上述した種類の半導体レーザは米国特許第３，５１０，
７９５号明細書から既知である。

帯状の活性領域を有する半導体レーザは普通シングルヘ
テロ接合を有するレーザ又はダブルヘテ口接合を有する
レーザ（ＤＨレーザ）の形で今日しばしば使われていて
、これについては例えば「フイリツプステクニカルレビ
ユ一］（ＰｈｉｌｉｐｓＴｅ−ＣｈｎｉｃａｌＲｅｖｉ
ｅｗ）第３６巻第７号、１９７６年、第１９０〜２００
頁に記載がある。これらのレーザは内部で放射線が発生
する活性層を具え、その活性層の少なくとも一側が禁止
帯の幅が一層大きな不活性層に接している。而してこれ
らのレーザでは使用時間の経過と共に老化現象が生ずる
が、これらの老化現象は就中しきい値、即ら誘導放出が
発生する電流の強さの最小値が高くなること及び放出さ
れた放射線の中に自然放出が混入してくることに現われ
る。

而してこのような自然放出が生ずるとしはしば活性層の
帯状活性領域内にキヤリヤの放射線を出さない再結合が
局所的に増加した領域が形成され、そのため放射線の出
る量が下がる現象を伴なうことが判明している。またこ
のように放射線を出さない再結合が増えると温度が局所
的に上昇し、禁止帯の幅が僅かながら狭くなり、これも
また放射線放出量の低下につながる。而して上述したよ
うな局所的に発生する領域には結晶の格子欠陥が集まつ
ていることが判明しているが、これらの格子欠陥はレー
ザの使用中帯状活性領域全体に広がつてゆき、このため
レーザはすぐに使用不可能となる。活性部の容積を十分
小さくすれば自然放出の発生になやまされないですむレ
ーザが得られることが判明しているが、このようなレー
ザを作るのは困難なことが多い。前述した米国特許第３
５１０７９５号明細書には電気的に並列に接続された光
を放射するＰｎ接合の直線状のアレーを具える半導体レ
ーザが記載されている。

各Ｐｎ接合領域は導電率が非常に低く、熱伝導率が高い
半導体材料で取り囲まれており、効率よぐ冷却できるよ
うになつている。しかし、このレーザは屈折率が低い受
動層の間に、前述した格子欠陥が光の放射を伴なわない
再結合を起こす活性層を具えるダブルヘテロ接合レーザ
ではない。これに対し本発明の目的は前述した老化現象
の影響を少なくともかなりの程度小さくした新規な構造
を有する半導体レーザを提供するにある。

本発明は就中前述した格子欠陥が広がる領域を制限すれ
ば半導体レーザの寿命をかなり延ばせることを認識した
上でなされたものである。上述した目的を達成するため
本発明によれば冒頭に記載した種類の半導体レーザにお
いて前記帯状の活性領域を第１の導電形の活性半導体層
の一部と内部で放射線が発生する多数の第２の導電形の
区域とで構成し、これらの第２の導電形の区域を半導体
本体の表面上に設けた電極に電気的に接続し、第１の導
電形の活性層の第２の導電形の区域同士の間に存在する
部分の禁止帯の幅を少なくとも第２の導電形の区域の禁
止帯の幅と等しくし、第２の導電形の区域の帯状の活性
領域の長手方向に見た最大寸法を高々２０μｍと等しく
したことを特徴とする。

放射線を出す再結合が内部で生ずる第２の導電形の区域
同士の間にはさまれている活性層の第１の導電形の部分
の禁止帯の幅は上記区域の禁止帯の幅以上であるから、
この中間部は発生した放射線に対して透明である。

前述した格子欠陥は放射線を出さないキヤリヤの再結合
の影響を受けて成長してゆくのであるが、このように中
間部は透明でここでは再結合がほとんど生じないから格
子欠陥はこの中間部では広がらず、成長時にあつても第
２の導電形の区域部分に限られる。このようにして本発
明によればレーザの活性部内に格子欠陥が集まつた大き
な領域が形成されることがなく、自然放出が避けられる
。本発明半導体レーザのもう一つの利点は第２の導電形
の区域から放出される放射線の１次以上のＴＥモードの
波は帯状の活性領域の長手方向に対してある角度をなす
方向に放出されるが、この際これらの１次以上のモード
の放射線は大部分次の区域にかからないようにできてい
ることで、次の区域で更に増幅されることはない。

このため（「Ｏ」次の）基本モードの放射線だけが増幅
され、電流の強さの関数として放射線の強さをとつた特
性曲線に不連続が生ずることがなくて済む。しかし、こ
うするためには第２の導電形の区域同士をあまり互に近
接して配置することはできない。これらの区域同士の相
互間の距離を少なくともこれらの区域の帯状活性領域の
長手方向での最大寸法とほぼ等しくすると好適である。
以下本明細書で第２の導電形の区域の寸法について述べ
る場合は帯状活性領域と表面とに平行な面内での寸法を
指すことに注意されたい。また第２の導電形の区域同士
の間の距離は活件層の第１の導電形の中間区域から注入
された第２の導電形のキヤリヤが（この中間区域を通り
抜けて）隣接する第２の導電形の区域に入り込み、そこ
で再結合を行なえる程短かいものであつてはいけない。

成長した格子欠陥に占められる一つの連続した区域の寸
法をできるだけ小さくするため、第２の導電形の区域の
帯状活性領域の長手方向についての最大寸法を高々１０
μｍとすると好適である。

上述した第２の導電形の区域は表面から活性層の厚さの
少なくとも一部にまで亘つて延在する第２の導電形の領
域の一部とすると好適である。所望とあらばこの第２の
導電形の区域は活性層の厚さの一部に亘つてだけ延在さ
せることもできるが、最大効率を得るには活性層の厚さ
全体に亘つて設ける方が好適である。またこの第２の導
電形の区域は活性層とその下側に隣接する不活性層との
間の接合面に極く近接して終端させると好適である。

ｎ形のひ化ガリウム又はひ化ガリウムアルミニウムで活
性層を作り、この中の一部に例えば拡散法により亜鉛を
ドーピングしてｐ形の区域を形成すると好適である。

こうするとｎ形材料はｐ形材料よりも禁止帯の幅が広い
から、禁止帯の幅についての条件は自動的に満足される
。最後に非常に重要なことで注意すべきことは、共振器
を半導体本体の反射性の側面、例えば、結晶の臂開面で
形成する場合、これらの反射面が、放射線に対し透明な
第１の導電形の材料が存在する部分で活性層と交わるよ
うにすることである。

こうすれば反射面近傍で再結合が生ずることがなく、反
射面が損傷されることが少ない。またこうすれば許容さ
れるレーザ放射線密度も反射面が第２の導電形の材料が
存在する部分で活性層と交わる場合に比べて約１０倍も
高くとれる。以下図面につき本発明を詳細に説明する。

図面は略図であつて原寸通りではない。特に明瞭ならし
めるため厚さ方向の寸法が誇張されている。断面図にあ
つては同一導電形の半導体領域には同一方向のハツチン
グを付してある。また各図を通して対応する部分には大
概同一符号を付してある。第１図は本発明半導体レーザ
の略式平面図であつて、第２図と第３図とは第１図の−
線及び一線に沿つて切つた略式断面図である。この半導
体レーザは帯状の活性領域を具備する半導体本体１を具
える。帯状の活性領域内でレーザ放射線（第１及び２図
では矢印２を付してある）がこの帯状活性領域の長手方
向に放射される。なお第１図の平面図では帯状活性領域
の境界に符号ａ″を付してある。共振器は本例では帯状
の活性領域にほぼ垂直に延在する半導体本体の２つの反
射性の側面３及び４で形成する。これらの側面３及び４
は通常半導体結晶の臂開面である。いくつかのＰｎ接合
５を設けてキヤリヤを活性領域に注入するようにする。
これらのＰｎ接合５は領域６と半導体本体の隣接部との
間に形成するが、これについては後述する。本発明に・
よれば帯状の活性領域を第１の導電形の活性半導体層７
の一部で形成する。

この活性半導体層７は多数の第２の導電形の領域８を具
備しており、この内部で放射線が発生する。これらの領
域８は前述した領域６を介して半導体本体の表面９上に
設けられた電極１０に電気的に接続する。この電極１０
は本例では金属層で形成する。また本発明によれば第１
の導電形の活性層７の領域８同士の間にはさまれた部分
の禁止帯の幅は少なくとも領域８の禁止帯の幅と等しく
する。最後に本発明によれば帯状活性領域の長手方向に
見た時の領域８の最大寸法が２０μｍ以下となるように
する（本例では２０μｍより短かい）。本例では半導体
本体１は厚さ１００μｍドーピング濃度１０１８シリコ
ン原子／０１１０ｎ形ひ化ガリウムの基体１１を具える
。

この基体１１の上に厚さ２μｍドーピング濃度５×１０
１７スズ原子／ｄの組成がＧａＯ．６５ＡｌＯ．３５Ａ
ｓであるｎ形ひ化ガリウムアルミニウム層１２を設ける
。このひ化ガリウムアルミニウム層１２を以下第１の不
活性層と称するが、この第１の不活性層１２の上に厚さ
０．２μｍドーピング濃度１０１８スズ原子／ｄの組成
がＧａＯ．９５ＡｌＯ．Ｏ５Ａｓであるｎ形ひ化ガリウ
ムアルミニウムから成る前述した活性層７が存在する。
この活性層７の上に厚さ１．５μｍドーピング濃度５×
１０１７スズ原子／ｄの組成がＧａＯ．６５ＡｌＯ．３
５Ａｓであるｎ形の第２の不活性層１３を設ける。この
第２の不活性層１３の上に厚さ０．３μｍドーピング濃
度５×１０１７スズ原子／〜のひ化ガリウムから成るｎ
形コンタクト層１４を形成する。表面９上にある例えば
酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコンその他
の絶縁材料から成る絶縁層１６にあけた窓１５から亜鉛
を拡散させてｐ形領域６，８を得る。基体１１の下側に
は金属層１７を設ける。金属層１７に対して金属層（電
極）１０が正となる電圧を印加してＰｎ接合５に順方向
にバイアスをかける。そうすると順方向の電流の強さが
しきい値を越えた時レーザ動作が起こる。前述した種類
のダブルヘテロ接合型の既知のダイオードレーザではｐ
形拡散領域６，８が連続した帯状の区域をなしてレーザ
の全長に亘つて延在しているが、そこではこの区域に存
在する結晶の格子欠陥により放射線を出さない再結合が
増大する。

而して動作時、殊にこのようなレーザの連続動作時にこ
れらの格子欠陥は上述した放射線を出さない再結合の影
響を受けて増加し、遂にはレーザはしきい値の上昇の他
に自然放出を呈し、使いものにならなくなる。これらの
格子欠陥は区域８全体を覆うまでに成長することがある
。これに対し本発明に係るレーザでは区域８のどこに存
在する如何なる格子欠陥でも増大するにしても高々一つ
の区域８内にとどまる。

中間にある第１の導電形の活性層７の部分は放射線に対
して透明であつて、ここで電子一正孔対が形成されるこ
とはなく、従つて再結合も起こらない。それ故一つの区
域の格子欠陥が成長して他の格子欠陥を含まない区域８
を侵すことはない。本発明に係る構造を有するレーザを
用いれば不利益を伴なう自然放出を避け得ることが判明
している。

本発明レーザのこの他の利点は既知のＤＨレーザよりも
熱放出が良いことと、区域８とｎ形材料との間に厚さ方
向に見て屈折率に段差があることに起因する非点収差が
ないことである。図面を簡明ならしめるために区域８を
５個しか図示していないが、この数は普通はこれよりも
ずっと多ぃ。上述した例では区域８の数は実際には２５
であつた。これらの区域８の寸法は約６×６μｍであり
、区域８同士の間の距離も６μｍであり、レーザの全長
が３３４μｍであつた。側面３と４は第１図及び第２図
に見るようにｎ形活性層７となつている部分に最も近い
ｐ形区域８から約２０μｍの距離離して設けた。こうす
れば反射面３と４で再結晶はほとんど起こらず、これら
の反射面３及び４が回復不能な損傷を受ける放射線の強
さは反射面３及び４をｐ形区域８に設けた場合に比して
約１０倍も高くとれた。本発明半導体レーザは例えば以
下のようにして作ることができる。

出発材料はドーピング濃度１０１８シリコン原子／Ｃ！
１１（７）ＧａＡｓ（７）ｎ形基体１１とする。このｐ
形基体１１の上に前述した厚さとドーピング濃度とを有
する層１２，７，１３及び１４を順次に液相からエピタ
キシヤル成長させる。液相からエピタキシヤル成長させ
る方法は半導体技術の分野で広く用いられている手法で
あり、その詳細をここに記す必要はあるまい。必要とあ
らばデイ一・エルウエル（Ｄ．ＥＩｗｅＩＩ）とジエイ
・ジエイ・ジュール（Ｊ．Ｊ．Ｓｃｈｅｅｌ）の共著「
クリスタルグロース ブロム ハイテンペラチユアソリ
ユーシヨンズ」（ＣｒｙｓｔａｌＧｒＯｗｔｈｆｒＯｍ
ＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＳＯｌｕｔｉＯｎｓ）
、ＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ社刊１９７５年発行、第
４３３〜４６７頁を参照されたい。次に層１４の表面に
０．１５μｍ厚のマスキング層１６〔本例では酸化アル
ミニウム（Ａ／！２０３）〕を設ける。

これは例えば蒸着法により行なうことができる。このマ
スキング層１６に通常のフオトエツチング法により窓１
５をあける。エツチ液としては例えば７０りの濃リン酸
（Ｈ３ＰＯ４）を用いることができる。次に例えば拡散
源としてＺｎＡ５２を入れた真空カプセル内で６２０℃
で亜鉛を窓１５を通して拡散する。

この際酸化アルミニウム層１６がマスクの役をする。拡
散時間は層７，１３及び１４の厚さに依存する。層の厚
さを前述した例の通りにすればこの拡散時間は約１９分
である。こうするとほぼ層１２と層７との界面まで達す
るｐ形領域６，８が得られる。それ程深く拡散させる必
要がなく、従つて縦方向の拡散が浅い別の方法があるが
、それは亜鉛を拡散させる前にＧａＡｓは溶かすがＧａ
ＡｌＡｓは溶かさない選択性を有するエツチ液を用いて
窓１５の区域の層１４を取り除くものである。

このようなエツチ液は例えば３０（Ｆｆ）Ｈ２Ｏ２２５
ＣＩｔと水２５〜とに増し液としてＮＨ４ＯＨを加えて
…を８にした液から成る。次に金属層１０と１７とを設
けるが、金属層１０は例えばクロム層として、金属層１
７は金一ゲルマニウムーニツケル合金とする。

最後にこうしてできたレーザを通例通り放熱部材に取り
付け（金属層１０側を放熱部材に取り付けると好適であ
る）、パツケージ内に納める。液相からエピタキシヤル
成長させる代りに他の方法、例えば気相エピタキシャル
成長法によつて上記レーザを作ることもできる。

第１図にはまた説明のために方向２米も示されているが
、これは例えば中央の区域８内で発生した１次のＴＥモ
ードのレートのレーザ放射線がこの中央の区域８から出
てゆく方向である。

本例のように帯状活性領域の長手方向に沿つて測つた区
域８同士の相互間の距離を少なくとも区域８の最大寸法
と同程度にとれば、２米方向に出る放射線は大部分隣の
区域８に入らず、従つて更に増幅されることはない。一
層高次のモードについては一層このようにいえる。この
結果１次以上のＴＥモードがそれだけ余計に抑えられる
から原理的には活性領域が連続している既知のレーザの
場合よりも僅かながらも一層幅の広い帯状活性領域を使
うこともできる。逆に本発明半導体レーザでは一つのＴ
Ｅモードのレーザ放射線だけが相当量出力されるという
ことができる。前述した例に示したように（第１図参照
）、活性領域の長手方向に見て第２の導電形の区域８は
中心をいずれも一本の直線（一線）上にのせ互に一列に
並ぶようにすると好適である。

しかし場合によつては区域８の中心を交互に２本の平行
な直線の一方にのせ、これらの２本の平行な直線間の距
離を活性領域の幅方向の区域８の寸法よりも短かくする
と好適である。

これは殊に第１図に類似している第４図の平面図に略式
図示したように一方の直線１−５上にくる区域８′を第
１の電極１０′に接続し、他方の直線２−７上にくる区
域８″を第２の電極１０″に接続する場合に好適である
。こうすれば電極１０′又は１０″の一方又は他方を電
極１７に対して付勢するのに従つてレーザビーム２′又
は２″が発生するが、この場合これらの２本のレーザビ
ームの放射線領域間の距離が非常に短かく、既知の「動
く」レーザビームを発生するレーザの場合よりも相当に
短かくなる本発明は以上述べた実施例に限定されるもの
ではなく、当業者ならば種々変更できるものである。

例えば第１，２及び３図の実施例のようにｐ形領域６，
８を活性層７の厚さ全体に亘つて延在させる必要はなく
、本発明の目的を達成するには第１図の−線に対応する
方向に従つて見た第５図の断面図に略式図示したように
区域８を活性層７の厚さの一部にだけ延在させれば足り
る。一層深く亜鉛を拡散させて層１２の一部にまで延在
させてもよい。

またダブルヘテロ接合レーザを用いる必要もない。

例えば第１乃至３図に示したレーザで領域７と１２の半
導体材料を同一組成にして作つたシングルヘテロ接合レ
ーザでも本発明手法を用いれば有利である。第２の導電
形の区域の寸法をいずれの区域も全部同一にする必要は
ない。

殊に活性領域の長手方向の寸法を（幾何学的に）周期的
に変えることもできる。これを第６図に略式図示した。
このような構造のレーザは本願人により以前に出願され
たオランダ国特許第７９００６６８号明細書に記載され
ている帯状活性領域の幅に周期的な変化を持たせた構造
のレーザの特性と類似した特性を呈する。種々の層の半
導体材料だけでなく、区域８のドーピング材料も任意に
変えることができる。

また活性層の禁止帯の幅についての条件を考慮に入れる
ならば両方の導電形を互に反対にすることもできる。ま
た場合によつては区域８ではなく区域７の区域８同士の
間に存在する部分をドーピングにより得なければならな
いこともある。またこのドーピングも拡散により行なう
必要は必らずしもなく、場合によつてはイオン注入その
他の方法で得ることもできる。最後に以上の諸例では第
２の導電形の区域の形状を正方形又は長方形としてある
が、実際の場では常にこうするとは限らないことに注意
する必要がある。

例えば第７図及び第８図に図示したように円形、三角形
その他の断面形状にすることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明半導体レーザの平面図、第２図はその一
線に沿つて切つた断面図、第３図は−線に沿つて切つた
断面図、第４図は本発明半導体レーザのもう一つの実施
例の平面図、第５図は本発明半導体レーザの更にもう一
つの一線方向の断面図、第６，７及び８図は本発明半導
体レーザの更に他の実施例の平面図である。 １・・・・・・半導体本体、２・・・・・・レーザ放射
線の出る方向（２米・・・・・・１次モードのレーザ放
射線の出る方向）、３，４・・・・・・反射面（側面）
、５・・・・・・Ｐｎ接合、６・・・・・・ｐ形領域、
７・・・・・・活性層、８・・・・・・放射線発生区域
（ｐ形）、９・・・・・・表面、１０・・・・・・電極
、１１・・・・・・ｎ形ひ化ガリウム基体、１２・・・
・・・ｎ形ひ化ガリウムアルミニウム層（第１の不活性
層）、１３・・・・・・ｎ形ひ化ガリウムアルミニウム
層（第２の不活性層）、１４・・・・・・ｎ形ひ化ガリ
ウムコンタクト層、１５・・・・・・窓、１６・・・・
・・絶縁層、１７・・・・・・電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 共振器内に位置する帯状の活性領域を具備する半導
   体本体を有し、この共振器が半導体本体のこの帯状の活
   性領域に垂直な反射性の側面により形成され、多数の平
   行に配設されたｐｎ接合があつてキャリヤを帯状の活性
   領域に注入し、この帯状の活性領域の長手方向に放射線
   を放出する半導体レーザにおいて前記帯状の活性領域が
   第１の導電形の活性半導体層の一部を形成し、この活性
   半導体層が同じく第１の導電形の禁止帯の幅が一層広い
   ２個の不活性層の間に位置し、活性半導体層が内部で放
   射線が発生する多数の第２の導電形の区域を具え、これ
   らの第２の導電形の区域を半導体本体の表面上に設けた
   電極に電気的に接続し、第１の導電形の活性層の第２の
   導電形の区域同士の間に存在する部分の禁止帯の幅を少
   なくとも第２の導電形の区域の禁止帯の幅と等しくし、
   第２の導電形の区域の最大寸法を高々２０μｍと等しく
   したことを特徴とする半導体レーザ。 ２ 前記第２の導電形の区域の帯状の活性領域の長手方
   向に見た最大寸法を高々１０μｍとしたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の半導体レーザ。 ３ 前記第２の導電形の区域同士の帯状の活性領域の長
   手方向に見た相互間の距離を少なくともこれらの区域自
   体の最大寸法とほぼ等しくしたことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項又は第２項記載の半導体レーザ。 ４ 前記第２の導電形の区域をいずれも中心を一直線上
   にのせて帯状の活性領域の長手方向に見て一列に並ばせ
   たことを特徴とする特許請求の範囲前記各項のいずれか
   に記載の半導体レーザ。 ５ 前記第２の導電形の区域を中心が交互に２本の平行
   な直線の一方にのるようにして帯状の活性領域の長手方
   向に見て２本の平行直線上に並ぶように配列したことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか
   に記載の半導体レーザ。 ６ 前記２本の平行直線間の距離を前記第２の導電形の
   区域の帯状の活性領域の幅方向の寸法よりも短かくした
   ことを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の半導体レ
   ーザ。 ７ 一方の直線上にのつている区域を第１の電極に接続
   し、他方の直線上にのつている区域を第２の電極に接続
   したことを特徴とする特許請求の範囲第５項又は第６項
   に記載の半導体レーザ。 ８ 前記第２の導電形の区域の少なくとも帯状の活性領
   域の長手方向の寸法を全部同一としたことを特徴とする
   特許請求の範囲前記各項のいずれかに記載の半導体レー
   ザ。 ９ 活性層内にある前記第２の導電形の区域を表面から
   この活性層の厚さの少なくとも一部にまで亘つて延在す
   る第２の導電形の領域の一部としたことを特徴とする特
   許請求の範囲前記各項のいずれかに記載の半導体レーザ
   。 １０ 前記第２の導電形の区域を活性層の厚さ全体に亘
   つて延在させたことを特徴とする特許請求の範囲前記各
   項のいずれかに記載の半導体レーザ。 １１ 前記活性層をｎ形のひ化ガリウム又はひ化ガリウ
   ムアルミニウムで作つたことを特徴とする特許請求の範
   囲前記各項のいずれかに記載の半導体レーザ。 １２ 前記第２の導電形の区域を亜鉛をドーピングして
   形成したことを特徴とする特許請求の範囲第１２項記載
   の半導体レーザ。 １３ 前記共振器を半導体本体の反射性を有する側面で
   形成し、これらの両側面を第１の導電形の材料が存在す
   る部分で活性層と交わるようにしたことを特徴とする特
   許請求の範囲前記各項のいずれかに記載の半導体レーザ
   。