JPS6014482A - 半導体レ−ザ装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、電流狭窄構造及び作シ付は導波路構造の双方
を備えた半導体レーザ装置の改良に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、デジタル・オーディオ・ディスク、ビデオ・ディ
スク及びドキュメント・ファイル等の光デイスク装置が
実用化され、まだ光フアイバ通信が一般化するに伴い、
これらの光源となる半導体レーザの量産化が必要となっ
ている。

従来の半導体レーザでは結晶成長法として液相成長法（
ＬＰＥ法）が用いられているが、このＬＰＥ法では大き
な基板を用いることかできす制ａ１性が十分でない、さ
らに１回の成長に要する時間が長い等のことから量産化
が跳しく、このため量産に適した結晶成長法である分子
線エピタキシー法（Δｌ１ＢＥ法）や有機金属気相成長
法（ＭＯＣＶＤ法）等が注目されるに至っている。

ＭＯＣＶＤ法に適した構造として、（アグライドフィジ
ックスレター誌、第３７巻、３号、２６２頁）に記載さ
れたレーザがある。このレーザは、第１図に示す如く平
坦に形成された活性層の上部クラッド層中に、接合面に
水平方向に関する電流狭窄と横モード制御を行う電流阻
止層を設けたものである。々お、図中１はＮ　−ＧａＡ
ｓ基板、２はＮ　−ＧａＡ７Ａｇクラッド層、３はＧａ
Ａ７Ａｓ活性層、４はＰ　−ＧａＡｔＡｓクラッド層、
５はＮ　−ＧａＡｓ％流阻止層、６はＰ　−ＧａＡｓ　
ニア　７ククト層、７，８は金属電極をそれぞれ示して
いる。

このレーザは、電流狭窄と横モード制御とが同一構造に
よシ自己整合的に実現できることがら、製造プロセスが
簡単であるが、ＧａＡＡＡｓ上への第２回目の結晶成長
が必要である。そして、この第２回目の結晶成長はＬＰ
Ｅ法では困難であシ、ＭＯＣＶＤ法によって初めて可能
とガっだものである。

上記レーデでは基板としてＮ型基板１が用いられている
が、これは電流阻止層５がＰ型よシもＮ型である方が有
利なためである。すなわち、電流’ｆ、ｆ、′：窄効果
は電流阻止層５の少数キャリアの拡散長が短い程顕著と
なり、一方少数キャリアの拡散長はＧａＡｌ１のような
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の場合、少数キャリアが正孔
であるＮπす層の方が少数キャリアが電子であるＰ型層
よシも短くなる。したがって、電流ｌ泪止層５がＮ型と
なるＮ型基板を用いた方が、電流β目止層５がＰ型とな
るＰ　２！ｌ！−！基板を用いる場合よシミ流阻止効果
の点で有利となる。

ところで、この穏のレーザを発振波長が０．８〔μｍ〕
前後となるように作製した場合、本発明者等の研究によ
れば温度特性が悪く、温度上昇による発振しきい値電流
の増加が著しく大きくなシ、発振可能最高温度が通常の
レーザに比べて低く、１００〔℃〕程度で発振不可とな
る現象や高温動作条件では著しく動作寿命が短く々る等
の現象が見出された。半導体レーザの発振しきい値電流
”ｔｈの温度依存性Ｉｆｈは■ｆｈ　＝　”　ｅｘｐ（
Ｔｏ　） で表現され、通常のレーデの場合特性温度ＴＯは１４０
〜１８０［Ｋ）となるが、第１図のレーザではＴ。は８
０〜１００〔Ｋ〕と小さいものであった。これから、第
１図のレーザが大きな温度依存性を示すのが明らかであ
る。また、電流狭窄効果が十分ではなく、シばしばしき
い値電流が１００　〔ｔｎｋ　〕以上と高くなるものや
微分量子効率が１５Ｃ％）以下と小さく、さらに光出力
が５〜１０　（ｍＷ　）程度のところで電流−光出力特
性に所笥ツキンクが発生し、高出力動作に適さないこと
等が見出された。

前記第１図に示すレーザの温度特性及び電流狭窄効果に
おける欠点は、活性層３に隣接するＰ型クラッド層４の
Ｐ型不純物濃度を十分高くできない点にある。ＭＯＣＶ
Ｄ法を用いて作成されるＧａＡｔＡｓ系レーザの場合、
Ｐ型不純物としてはＺｎが通常であるが、Ｐ型クラッド
層４のＺｎ濃度と発振しきい値電流の温度依存性を示す
特性温度Ｔｏ　との間に密接な関係があシ（例えばジャ
ーナルオブエレクトロニックマテリアル誌。

第１２巻、２号、３４５頁に記載のＳ、ＤａＨｅｒｓｅ
ｅ氏他の論文）、特性温度を１６０１：Ｋ）以上とする
ためには、Ｐ型クラッド層４中のＺｎ濃度を約２　Ｘ　
１０１８［ａｎ−３：］にする必要があると云われてい
る。本発明者等の実験においても同様の結果を得ている
。

ところが、第１図のレーザにおいてはＰ型クラッド層４
の厚み（実際には活性層３と電流阻止層５との間のクラ
ッド層４の厚み）が０．４〔μｍ〕程度と薄いため、こ
の層４にドープされたＰ型不純物であるＺｎは、十分高
濃度にドープされていても２回目の結晶成長の高温′４
Ｍ世内に両側の層に拡散し、結果として低濃度の不純物
しかドープされないことになる。しかも、ｚｎの拡散は
、ＧａＡｔＡｓ中のＡｔの組成が大きくなる程顕著とな
るだめ、クラッド層５中のＡｔ絹成を大きくする必要が
ある発振波長の短いレーザ程顕著となる。また、ｚｎの
拡散を見込して予めＰ型クラッド層４の初期のキャリア
濃度を例えばＩ　Ｘ　１０１９（ｃｍ−３）と十分高く
しておくこと渉４えられるが、との場合高濃度にドープ
されたＺｎが電流狭窄層５やＮ型クラッド層２まで拡散
し、これらの一部若しくは全部をＰ型層に反転せしめる
ような事態が生じる。そして、レーデの発振しきい値電
流が数１００１００（と極めて高く力ることか見出され
た。この現象のため、Ｐ型クラッド層４のＰ型キャリア
濃度を３Ｘ１０　Ｃｃｍ　）以上にするととはできカか
った。さらに、ｚｎ濃度を限度一杯にした場合でもレー
ザの特性温度Ｔｏは１００［Ｋ］と小さく、Ｐ型クラッ
ド層４の実質的なキャリア濃度は、前記論文の結果と比
較して２Ｘ１０　Ｃの　〕を疾かに下回ったものになっ
ているのが判明したＯ 上記の問題は、活性層３と電流阻止層５との間のＰ型ク
ラッド層４の厚みを十分厚くできない点にある。Ｚｎが
ドープされたＰ型クラッド層４を厚くできる場合には、
Ｎ型層に接するＰ型層のＺｎが拡散してもＰ型層の奥の
方からＺｎが拡散しＮ型層に拡散したＺｎを補償する効
果が生じるため、Ｐ型層のキャリア濃度低下は抑えられ
る。したがって、Ｐ型クラッド層４が十分厚ければ、尚
初のドープされた分布に近いキャリア濃度を分布を実現
することが可能となる。この点からＰ型クラッド層４を
できるだけ厚くした方がよいが、それができないと云う
制約は接合面に水平方向の横モード制御のため接合面に
水平方向の作シ付は導波路効果を生じせしめるための条
件によって生じる。すなわち、第１図に示すレーザでは
、活性層３に導波されたモードの裾が第２図に示す如く
電流阻止層５まで滲み出し、Ｐ型クラッド層４と異なる
複素屈折率差を感じるために、ストライプ部分とその両
側とでは活性層３に導波されたモードの実効屈折率が異
なる。その結果として、接合面に水平方向のモードに関
し、ストライプ部分に光を閉じ込めるような等側屈折率
分布が生じるようにたっている。したがって、この構造
のレーザでは、活性層３に導波されたモードの裾が電流
阻止層５ｆで滲み出すようＰ型クラッド層４の厚み（活
性層３と電流阻止層５との間のクラ歩ド層４の厚み）を
薄くする必要があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、温度特性が良好で、かつ干る半導体レ
ーザ装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の骨子は、前記第１図に示す構造において、活性
層と電流阻止層との間にクラッド層よシも屈折率の太き
ガ光導波路層を設け、との光導波路層の厚みを十分厚く
することにある。

活性層と電流阻止層との間にクラッド層よシも屈折率の
大きな光導波路層を設けた場合、活性層に関し電流阻止
層側へのモードの裾の滲み出しを大きくすることができ
る。したがって、Ｐ型層となる光導波路層を従来のＰ型
りラッド層よシも厚く形成することが可能となる。また
、本発明者等の実験によれば、上記構造のレーザにおい
て、活性層のＡｔ組成をθ〜０．２の範囲に・選び発振
波長を８８０〜７６０　［：　ｎｍ　’］とし、光導波
路層のＡｔ組成を０．２５〜０．４５の範囲とし、光導
波路層の厚みを０．２〜１０〔μ？＋１１の範囲で変え
て各親レーザを作成し、発振しきい値電流の湿度依存性
を示す特性温度Ｔ。をｙｙ＋べたところ第３図のような
結果が得られた。なお、図中縦線はデータのバラツキを
示している。ここで、光導波路層のキャリア濃度は２×
１０１８Ｃｃｌｎ−３）とした。これは、発振しきい値
電流が最も低いものが得られた条件で、キャリア濃度を
これ以上高くすると発振しきい値電流は高くなった。

半導体レーザの特性温度Ｔ。が１００ＣＫ）以下である
と、７０〔℃〕以上での動作寿命が著しく低下（千時間
以下）シ、実用性は殆どなくなる。一方、特性温度Ｔ。

が１４０［：Ｋ）以上であると、１万時間以上の寿命が
期待でき、光デイスク用、例えばＤＡＤ用光源（動作寿
命５千時間以上）として十分使用することができる。

また、従来の利得導波路整レーザでは、費性温度Ｔｏは
通常１４０［Ｋ］以上であシ、この特性温度Ｔｏは十分
良好なものと云われている。

したがって、前記第３図から光導波路層の厚みは０．６
〔μｍ〕以上あればよいと推定される。

本発明はこのような点に着目し、Ｎ型基板上にＮ型クラ
ッド層、活性層、Ｐ型光導波路層及びＮ型電流阻止層を
順次成長形成し、かつ電流阻止層に光導波路層まで至る
ストライプ状の溝部を形成し、さらにこの溝部を含み電
流阻止層上にＰ型りラッド層及びＰ型コンタクト層を順
次成長形成して半導体レーデ装置を構成し、上記半導波
路層の屈折率を上記各クラッド層のそれよシ大きくシ、
また好ましくは光導波路層の厚さを０，６〔μｍ〕以上
に設定するようにしたものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、光導波路層の存在によって、活性層に
導波されたモードの裾の滲み出しを活性層に関し電流阻
止層側に十分大きくすることができる。このため、Ｐ型
不純物の拡散が問題となる光導波路層を十分厚く形成す
ることができる。したがって、クラッド層のＡｔ組成を
大きくする必要のある発振波長が短いレーザにあっても
、特性温度Ｔｏを良好（１４０に以上）に保ち、かつ電
流狭窄効果を十分大きくすることができる。この効果は
、光デイスク用光源として用いる場合に極めて有効であ
る。

カお、本発明レーザにおいてストライプ部分における接
合面に垂直方向の屈折率分布は、所詰２−ジ・オノティ
カル―キャビティ（ＬＯＣ）構造と略同様である。ＬＯ
Ｇ構造は、一般に半導体レーザの高出力化のために用い
られる。半導体レーザから得られる最大光出力は、結晶
端面の特に活性層部分がある一定の光出力密度になると
破壊されることによシ決定されるので、最大光出力を向
上させるには活性層への光閉じ込めを小さくする構造が
有効である。この点でＬＯＧ構造では、光導波路層への
光の滲み出しが大きくなるため活砂層への光閉じ込めが
弱くなシ、シたがって結晶端面が破壊される最大光出力
値が向上することになる。しかしながら、本発明におけ
るＬＯＧ類似の構造は光出力の向上を目的としたもので
はなく、その効果も異なる。

すなわち、本発明は光導波路層を設けることによってモ
ードの滲み出しを大きクシ、活性層と電流阻止層との間
の厚みの許容値を大きくするようにしたものであって、
通常のＬＯＣ構造とは作用及び効果を全く異にする。し
かも、ストライプ両側部分における接合面に垂直方向の
層構造はＬＯＧ構造とは明らかに異っている。すなわち
、本発明構造は結果としてＬＯＧ構造に類似しているが
、通常のＬＯＧ構造からは予想し得ない作用及び効果が
得られ、ＬＯＣ構造の単なる応用で々いのは明らかであ
る。

〔発明の実施例〕

第４図は本発明の一実施例に係わる半導体レーザの概略
構造を示す断面図である。図中１１はＮ　−ＧａＡｓ基
板、１２はＮ　−Ｇａｑ、４５ＡｔＯ６５５ＡＳクラッ
ド層、１３はＧ　ａ　ｏ、５　ｓ　ＡｔＯ，１２Ａ　Ｂ
活性層、１４はＰ−ＧＰＬｏ、６５ｋｌ−ｏｓ７ｋＢ光
導波路層、１５はＮ−ｃＲｓ電流阻止層、１６はＰ　−
Ｇａｏ、４５Ａｔｏ、５５Ａ８クラッド層、１７はＰ　
−ＧａＡｓコンタクト層、１８は電流阻止層１５に形成
したストライプ状溝部、１９．２０は金属電極をそれぞ
れ示している。

ここで、光導波路層１４の厚みは０．８〔μｍ〕と比較
的厚く形成した。また、光導波路層１４の屈折率は、該
層１４のＡｔ組成がクラッド層１２．１６のＡｔ組成よ
り少ないので、クラッド層１２．１６よりも高いものと
なっている。

このような構成であれば、接合面に垂直方向の屈折率分
布は第５図に示す如くなる。このため、導波されたモー
ドの滲み出しは電流阻止層１５側に大きくなシ、その結
果光導波路層１４の厚みが０．８１μｍ〕と大きくても
、モードの裾は電流阻止層１５まで十分滲み出すことに
なる。したがって、温度特性が良好で、電流狭窄効果も
十分大きなレーザが実現されることになる。

第６図（ａ）〜（ｃ）は上記構造のレーザの製造工程を
示す断面図である。まず、第６図（、）に示す如く面方
位（１ｏｏ）のＮ　−ＧａＡｓ基板ＺＪ（Ｓｉドーグｔ
　ｎ　＝Ｉ　Ｘ　１　（１１８Ｃ１ｎ−３）上に厚さ１
．５〔μｍ　〕のＮ　−Ｇａｐ、４５Ａｔ（１，５５Ａ
８６１２（Ｓｌｌ　ドープ＊　ｎ＝ｌＸ１０１７ｃｍ−
３）、厚さｏ、　ｏ　ｓ　（μｍ〕のアンド−ｆ　Ｎ　
−Ｇａｏ、ａ６Ａｔｏ、１２Ａ８　層１３　、厚さ０．
８〔μｍ〕のＰ　−ＧａＯ，６３ＡｔＯ，５７Ａｓ層１
４　（Ｚｎドープｐ　ｐ＝２ｘ　１０１８ｃｍ−３）及
び厚さ１〔μｍ〕のＮ　−ＧａＡｓ層１　ｓ　（Ｓｅ　
ドープ、ｎ　＝　５　Ｘ　１０１８ｃｍ）を上記順に成
長形成した。この第１回目の結晶成長には、大面積の良
質結晶成長が可能なＭＯＣＶＤ法を用いたが、通常のＬ
ＰＥ法やＭＢＥ法を用いてもよい。

次に、第６図（ｂ）に示す如く電流阻止層１５上にスト
ライプ部分を除いてレジスト２１を形成し、このレジス
ト２１をマスクとして電流阻止層１５を光導波路層１４
に至る深さまで選択エツチングした。これにょシ、電流
阻止層１５に幅３〔μｍ〕のストライプ状溝部１８が形
成された。次いで、再びＭＯＣＶＤ法を用い、第６図（
ｃ）に示す如く全面に厚さ１〔μｍ〕のＰ−Ｇａｏ５．
ｋｌ、４５Ａｓ層１６　（Ｚｎドープｙｐ＝１ｘｌＯｏ
ｎ　）及び厚さ３　（ｔｔｍ　〕のＰ　−ＧａＡｓ層１
７　（Ｚｎドープ。

ｐ＝５Ｘ１０　ｃｍ　）を順次成長した。この第２回目
の結晶成長は、露出したＧａＡＡＡｓ層上への成長であ
るから、ＬＰＥ法では困難である。

この後、Ｐ側電梗としてＣｒ／Ａｕ　Ｉ　Ｎ側電極とし
てＡｕＧｅ　−Ａｕを真空蒸着して得られたウェハを共
振器長２５０〔μｍ〕に切断して前記第５図に示す構造
を実現した。

かくして得られた素子の特性は、発振波長７９０　Ｃｎ
ｍ　）　？　Ｌきい値電流５０　（ｍＡ　〕、微分効率
２０［％）、電流−光出力のキンクは１５　〔ｍＷ　）
　＊端面破壊出力は２０　（ｍＷ　）と従来のレーザに
比べて十分良好なものであった。

また、３００［：ｎ５ｅｃ〕幅のパルス動作で発振しき
い値電流をＯ〜１００［℃）の温度範囲でめた特性温度
Ｔ。は１６０　［：　Ｋ〕であった。

この特性温度ＴＯ（＝１６０Ｋ）は、前記第゛１図に示
すレーザのそれが１００［Ｋ］であったのに対し、十分
過ぎる程良好な値である。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。例えば、前記光導波路層の厚みは０，８〔μｍ〕に
限るものではなく、特性温度１４０［：Ｋ）を得るのに
必要な厚み０．６〔μｔｙｔ〕以上でめればよい。さら
に、先導波路層としてのＧａＡｔＡｓ　ＯＡＡ組成は実
施例に何ら限定されるものではなく、クラッド層におけ
るＡｔ組成よシも少ないものであればよい。また、構成
材料としてはＧａＡｔＡｓ系に限らず、ＩｎＧａＡｓＰ
その他の■−Ｖ族化合物半導体を用いることができる。

さらに、結晶成長法としてＭＯＣＶＤ法の代シにＭＢＥ
法を用いることも可能である。また、Ｐ型不純物として
拡散し易いＭｇ　、　Ｂｅ　３を用いる場合にも、本発
明を適用し得るのは勿論のことである。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種種変形し
て実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はそれぞれ従来例を説明するだめのも
ので第１図は従来レーザの概略構造を示す断面図、第２
図は上記レーザの屈折率分布を示す模式図、第３図は本
発明の詳細な説明するだめのもので光導波路層厚みに対
する特性温度Ｔｏの変化を示す特性図、第４図乃至第６
図。そ、１νれ氷見、。一実施例を説明す、たゎのもの
で第４図は実施例レーザの概略構造を示す断面図、第５
図は上記レーザの屈折率分布を示す模式図、第６図（、
）〜（Ｃ）は上記レーザの製進工程を示す断面図である
。 １１−　Ｎ　−ＧａＡｓ基板、１２−Ｎ　−ＧａｏＡ５
”ｏ、ｓｓＡ！！クラッド層、１　ｓ−：アンドープＧ
ａ、　Ｏ，Ｂ８ＡｔＯ，１２Ａｓ活性層、１４・・・Ｐ
　’−ＧａＯ，６３Ａｔａ、ｓ　７ＡＩｌｌ光導波路層
、１５　・”　Ｎ　−ＧａＡｓ　Ｔｆｉ流阻流層止層Ｇ
−Ｐ−ＧａＡｓ層１，５５Ａ８クラッド層、１７−　、
Ｐ　−ＧａＡｓコンタクト層、１８・・・ストライプ状
溝部、１９゜２０・・・金属電極。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）化合物牛導体材料からなシダプル・ヘテロ接合構
   造を有する半導体レーザ装置において、Ｎ型基板上に成
   長形成されたＮ型クラッド層と、このＮ型クラッド層上
   に成長形成された活性層と、この活性層上に成長形成さ
   れたＰ型光導波路層と、との光導波路層上に成長形成さ
   れ、かつ上記光導波路層まで至るストライプ状の溝部が
   形成されたＮ型電流阻止層と、上記溝部を含み電流阻止
   層上に成長形成されたＰ型りラッド層とを具備し、前記
   光導波路層はその屈折率が前記各クラッド層よシも大き
   いものであることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. （２）前記光導波路層の厚みを、０．６［μｍ３以上に
   設定して々ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の半導体レーザ装置。