JPS60189984A - 半導体レ−ザとその製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は発振モードの制御に有効な構造を有する半導体
レーザとその製造方法に関するものである。

〔従来技術〕

半導体レーザを光通信や光情報処理用の光源として使用
するにはパルスまたは直流電流で駆動した場合にその電
流の大小によらず安定な基本横モードで発振することが
要求される。基本横モードを安定に得るためには活性層
に平行な方向、即し横方向につくりっけの屈折率分布を
形成する方法が一般的である。従来、この種の半導体レ
ーザとして第１図に示すようなセルファラインド構造半
導体レーザがアブフィト・フィジツクス・レターズ（Ａ
ｐｐｌ　ｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　）
第８５巻第８号（１９７９年）の２８２ページから２８
４ページに提案されている。

この従来の半導体レーザは第１導電型の半導体基板１上
に第１導電型のクラッド層２、このクラッド層２よシ禁
制帯幅が狭く屈折率が小さい活性層８、この活性層８よ
シ禁制帯幅が広く屈折率が小さい第２導電型の中間クラ
ッド層４及びクラッド層６、活性Ｍ８と中間クラッド層
４及びクラッド層６の中間の禁制帯幅と屈折率を有する
第１導電型の反光ガイド層５、電極とのオーム性接触を
得るための第２４電型でクラッド層６より禁制帯幅が狭
く屈折率が大きいコンタクト層７がエピタキシャル成長
によシ順次形成されている。エピタキシャル成長は２回
行なわれ、先ず第１回目に反光ガイド層５までを成長し
た後、選択エツチングによりこの反光ガイド層５にレー
ザ光の光軸方向に平行なストライプ状に除去した窓を開
けて中間クラッド層４を露出させる。次にクラッド層６
と″コンタクト層７をこの上にエピタキシャル成長して
表面が平坦になるように覆う第２回目のエピタキシャル
成長を行ない、第１図のような層構造を得る。

この従来のセルファラインド半導体レーサテは、反光ガ
イド層６のある領域では活性層８から浸み出した光が反
光ガイド層５の存在に影響され、活性層８に垂直な方向
の光モードが変形す・る。この結果実効的屈折率が反光
ガイド層５のある領域ではストライプ状央の反光ガイド
層５のない領域よシ小さくなり横方向に屈折率分布がつ
くりつけられる。従って、適当な活性層８及び中間クラ
ッド層４の厚さ、反光ガイド層５のない領域のストライ
プ幅を選ぶことにより、安定な基本横モードで発振する
。

一方、注入されるキャリアは、第２導電型の中間クラッ
ド層４とクラッド層６との間に第１４電型の反光ガイド
層があって逆接合を形成しているため反光ガイド層５の
力いストライプ幅に狭められて流れる。この結果、発振
に寄与しない無効電流が少なくなり低閾値電流で発振す
る。上述の文献によれば、半導体基板１としてｎ型Ｉｎ
Ｐを用い活性層３、反光ガイド層５としてＩｎＧａＡｓ
Ｐを、クラッド層２．６、中間クラッド層４としてＩｎ
Ｐを用い、活性層８を０．１から０．２μｍ、中間クラ
ッド層４を０．２から０．５μｍ１反光ガイド層のない
ストライプの幅を８μｍとしたときに約１１１１０ｍＡ
の直流電流で発振し、光出力１０ｍＷｚｆｆｌまで安定
な゛基本横モ−ドを保ったとのことである。

体レーザには無効電流が充分低減されず低電流罪ら低い
消費電力で動作することができず、また充分高い光出力
が得られないという欠点がある。更に、従来の半導体レ
ーザでは製造上問題がちシ信頼性の高い素子を歩留り良
く得るのは困難であった。

即ら、従来の半導体レーザにおいては、注入されるキャ
リアは反光ガイド層５によって一旦は狭窄されるものの
中間クラッド層４内で横方向に拡散して再び拡がってし
まい発振に寄与しない無効電流が無くならないのである
。また、数十ｍＷの高出力を得ようとしても、活性層８
内に閉じ込められる光の密度がある限界値を超えると結
晶が破壊され、いわゆる光学損傷が生じてＶ−ザ発振を
しなくなるという問題があったのである。

一方、従来の製造方法によれば、前述したように主とし
て２回のエビタキＶヤ！成長工程と選択エツチング工程
とから成る複雑な工程が必要である。第２回目のエピタ
キシャル成長工程としては、コンタクト層７の表面を平
坦にすべく、表面が平坦に成長し易い性質の液相エピタ
キシャル法によるのが普通でおる。しかしながら、液相
エビタキシャμ法では基板結晶を高温の水素雰囲気中に
長時間放置する工程があるため、この間に結晶が熱劣化
をおこし易い。即ら、ＧａＡｓ　、　ＩｎＰ等の化合物
半導体では蒸気圧の高いＶ族成分（Ａｓ、Ｐ等）が解離
し、Ｖ旅宿格子点が発生して非常に乱れた状態になる。

この熱劣化は直接水素雰囲気に曝らされる結晶表面で著
しく、このような表面にエビタキシャμ成長を行なうと
結晶欠陥が多数導入された結晶性の悪い結晶ができる。

従来の半導体レーザではこのようなＶ旅宿格子点が中間
クラッド層４や反光ガイド層５の表面に発生し、第２回
目のエピタキシャル成長工程で成長されるクラッド層６
、コンタクト層フの結晶性を低下させていた。このよう
に結晶性が損われた半導体Ｖ−ザでは素子としての信頼
性が劣シ、動作寿命も短くなる゛という問題がある。以
上のように従来の製造方法では工程が複雑で、しかも良
質の結晶を得るのが困難であ如、信頼度の高い半導体レ
ーザを歩留り良く得ることができない欠点を有していた
のである。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記の欠点を解消し、発振閾値電流が
より低く、高出力で安定な基本横モード発振し、信頼性
の高い新規な半導体レーザ並びにその半導体レーザを歩
留り良く得ることのできる製造方法を提供することにあ
る。

〔発明の構成〕

本発明の半導体レーザは、第１導電型の半導体基板上に
少なくとも第１導電型のクラッド層と該クラッド層よシ
禁制帯輻が小さく屈折率の大きい第１導電型の光ガイド
層と該光ガイド層よシ禁制帯幅が小さく′屈折率が大き
い活性層と該活性層及び前記光ガイド層の何れよシも禁
制帯幅が大きく屈折率が小さい第２導を型のクラッド層
とが順次形成され、前記光ガイド層は、互いに禁制帯幅
の異なる少くとも２種の半導体結晶が交°互に積層され
た超格子からなり、レーザ光の光軸方向に平行に延在す
るストライブ状領域を除いて、前記第２導電型のクラッ
ド層側から前記光ガイド層に達する深さまで第２導電型
の不純物が導入され前記光ガイド層の該不純物が導入さ
れた領域は不純物が導入されない領域に比し禁制帯幅が
大きく屈折率が小さい合金混晶を形成していることを特
徴とする半導体レーザおよび、第１導電型の半導体基板
上に少くとも第１４電型のクラッド層と該クツ・ソド層
より小さい禁制帯幅と大きい屈折率を有し、少くとも２
種の互いに禁制帯幅の異なる半導体結晶を交互に積層し
た超格子からなる第１導電型の光ガイド層と、該光ガイ
ド層より禁制帯幅７！ｌ玄ｌＪＸさく屈折率が大きい活
性層と該活性層及び前記光ガイド層の何れよりも禁制帯
幅が大きく屈折率が小さい第２導電型のクラッド層とを
順次形成するエピタキシャル成長工程と、Ｖ−ザ光の光
軸方向に平行に延在するストライブ状領域を除いて、前
記第２導電型のクラッド層側から前記光ガイド層に達す
る深さまで第２導電型の不純物を導入し前記光ガイド層
の該不純物が導入された領域を導入されないストライプ
状の領域に比し禁制帯幅が大きく屈折率が小さい第２導
電型の合金混晶とする不純物導入工程とを行うことを特
徴とする半導体レーザの製造方法である。

〔実施例の説明〕

以下、本発明を図面を参照して詳細に説明する。

第２図は本発明による半導体レーザの概略斜視図、第８
図１ａｌ〜（ｄｉは本発明の製造方法の重要な工程を示
す製造工程図である。第２図において、１は第１導電型
の半導体基板、９は第１導電型のクラッド層、８は活性
層、４は第２導電型の中間クラッド層、５０は第１導電
型の超格子からなる光ガイド層、６は第２導電型のクラ
ッド層、７は第２導電型のコンタクト層である。また８
、９はそれぞれ第２及び第１導電型電極でおる。まだ領
域７０゜６０、８０はそれぞれコンタクト層７、クラッ
ド層６、活性層８に第２導電型不純物が導入された領域
で、第２導電型を示し、禁制帯幅、屈折率はほとんど変
化していない。また中間クラッド層４は光ガイド層５０
の有する超格子構造に不純物を導入して超格子を消滅さ
せ、第２導電型の合金混晶に変換した領域である。尚、
各層の有する禁制帯幅並びに屈折率の大小関係は前記発
明の構成の項に記載した通りである。すなわち、光ガイ
ド層５０は第１４？Ｍ型のクラッド層２よりも禁制帯幅
が小さく屈折率は大きく壕だ活性層８は光ガイド層５０
よシも禁制帯幅が小さく屈折率が大きく、さらに第２導
電型のクラッド層６は活性層８及び光ガイド層５０の何
れよりも禁制帯幅が大きく屈折率は小さく設定されてい
るものである。光ガイド層５０の不純物が導入されて合
金混晶に変換された領域はこれが導入されない領域より
も禁制帯幅は大きく屈折率は小さい。

光ガイド層５０は禁制帯幅が小さい井戸層と、より大き
いバリア層が一定の周期で交互に積層された超格子構造
とを有している。井戸層は量子サイズ効果が生じる程度
に、換言すればこの井戸層中に電子、或は正孔が局在す
る程度に薄、＜、この結果量子準位が発生している。従
って、前述した光ガイド層５０の禁制帯幅とは井戸層中
の電、子と正孔との基底量子準位間のエネμギー差とい
う意味であり、井戸層とバリア層との組成を変化させな
ければ禁制帯幅は井戸層厚のみによって決定される。

ところで光ガイド層５０に第２導電、型不純物を導入し
た中間クラッド層４では井戸層をＩＮ成する元素とバリ
ア層を構成する元素とが互いに拡散し、その結果超格子
構造がくずれて全体として均一な合金混晶に変化してい
る。この合金混晶は元の超格子構造の有する平均的な組
成と同じ組成を有し、当然同じ禁制帯幅及び屈折率を有
す。一方、このような超格子構造の屈折率は、バリア層
厚が充分小さく隣接する井戸層間で電子及び正孔の十■
互作用が小さい場合にはこの超格子構造がくずれてでき
る合金混晶の屈折率よシも大きいことが見い出され′て
いる。それ故、中間クラッド層４の混晶組成、換言する
と、光ガイド層５０の超格子の平均的な組成をクラッド
層６．６０と略々同じになるように設定しておけば第２
図に示した本発明の半導体レーザの構造を得ることがで
きる。

本発明の半導体レーザにおいては、第２導電型不純物を
導入しないストライプ状の領域がレーザ光の導波される
活性領域となる。この領域の外側の不純物が導入された
部分では活性層８が中間クラッド層４に隔てられて光ガ
イド層５０と隣接しており、従来の七μファラインド構
造半導体レーザ（第１図）と同様の原理によりこの部分
の実効屈折率は低下している。一方、不純物が導入され
ていないストライプ状の活性領域では活性層８は光ガイ
ド層５０に接しておシ、この部分の実効屈折率はその外
側より大きい。このため本発明の半導体レーザにおいて
も横方向に実効釣力屈折率分布がつくりつけられ、その
結果安定な基本横モード発振を維持できる。

また、本発明の半導体レーザにおいては、導波されるレ
ーザ光は活性層８から光ガイド層５０に相当量浸み出し
て伝播する。この結果、活性層８内の光の密度は従来の
半導体レーザよシ小さくなシ光学損傷をおこす光出力は
増加する。換言すれば、よシ高出力まで結晶が破壊され
ること鬼くレーザ発振を得ることが可能である。

更に、本発明の半導体レーザにおける注入キャリアの流
れる経路を考えると、従来のセルファラインド構造半導
体とは異なシ中間クラッド層４と光ガイド層５０との間
の界面がｐ−ｎ接合を形成し、キャリアに対する障壁と
なっている。従ってキャリアは中間クラッド層４がかい
ストライプ状の活性領域の幅、換言すると第２図の光ガ
イドＭ５０の凸状の段差の幅に限定されて活性層８に注
入される。この点は、中間クラッド層４の中で横方向に
キャリアが拡散してしまう第１図の従来の半導体レーザ
との著しい違いであシ、無効電流が減少するのでより低
い閾値電流で発振することができる。

次に本発明半導体レーザの製造工程について、第８図に
従って詳しく説明する。先ず第１導電型の半導体基板１
（第８図ａ）上に第１導電型のクラッド層２、井戸層と
バリア層とからなる超格子構造を有する第１導電型の光
ガイド層５０、活性層８、第２導電型のクラッド層６お
よび第２導電型のコンタクト層７を順次エビタキシャ・
ｋ成長する（第８図ｂ）。次にこのコンタクト７の表面
に不純物導入を選択的に阻止するだめのストライプ状の
マスク１０を形成後、拡散或はイオン注入により第２導
電型不純物を導入する。この際、不純物は光ガイド層５
０中に達し、かつこの不純物が導入された光ガイド層間
の領域は超格子が消滅して合金混晶となり発明の構成の
項で前述したような禁制帯幅、屈折率を有する第２導電
型の中間クラッド層を形成するように濃度や深さを制御
する（第８図Ｃ）。次にマスク１０を除去し、コンタク
ト層７の表面に第２導電型電極８を、続いて半導体基板
ｌの裏面に第１導電型電極９を付着する。その後ストラ
イプ状に形成されている第２導電型不純物を導入しなか
った領域のストライプ方向に直交するレーザ反射鏡を設
けて本発明の半導体レーザを完成する（第８図ｄ）。

以上述べたように本発明の製造方法は、光ガイド層５０
に超格子構造を採用し、不純物の導入によりこの超格子
が混って合金混晶となシ禁制帯幅が広が鰺、屈折率が小
さくなるように変化する現象を利用したものである。本
発明による製造方法は、従来のセμファフインド構造半
導体レーザの製造方法とは異なりエピタキシャル成長工
程を１回しか含まず工程が簡略で歩留りの向上が期待さ
れる。

また、２回目のエピタキシャル工程により結晶性が損わ
れる欠点が除去されており、信頼性の高い素子を高い歩
留りで得ることが可能となる。以下に本発明の実施例を
示す。

〔実施例〕

半導体基板ｌとして（１００）面を主面とするｎ型Ｇａ
Ａａ基板ｌを用いた場合について、製造工程に従って説
明する。先ずｎ型ＧａＡｓ基板１を有機溶剤によって充
分洗浄した後表面の荒れた結晶を除去し、清浄かつ平坦
な表面が得られるように化学的エツチングを行なう。次
にこのｎ型ＧａＡｓ基板ｌを分子線エピタキシ装置内に
導入し、以下の各層を順次エビタキシャμ成長する。即
ち、ｎ型Ａｌ　（１，５Ｇａ　ＯＢ　Ａｓクラッド層（
第１導電型のクラッド層）２を１．５μｍｎ型ＧａＡｓ
井戸層５０尺とｎ型ＡｌＡｓバリ７層５０Ａを交　−互
に１３０周期積層した厚さり、Ｓμｍの超脩子構造から
なるｎ型光ガイド層（第１導電型光ガイド層）５０、ア
ンドープＧａＡｓ活性層８を０−１　ａｍ　ｂ　ｐ型Ａ
ＩｏＪＧａｏ、６Ｍクラッド層（第２導電型クラッド層
）６を１．５戸、ｐ型部ｌンタクト層（第２導電型コン
タクト層）７を１．０μｍ成長する。以上の各層のｐ型
不純物としては良を使用したが、Ｍｎ　、　Ｍｇ等でも
良く、ｎ型不純物としてはＳｉ或いはＳｎを使用した。

キャリア濃度の典型的な値はｎ型Ａｌ　ｏ、５Ｇａｏ、
５クラッド層２が１×１０１７１８、ｎ型光ガイド層５
０がＩ　Ｘ　Ｉ　Ｑ１？ｅｍ　ａ。

ｐ型Ａｌｏ、１Ｇａｏ＄クラッド層６がｌ　Ｘ　１０　
ｍ　、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層７がＩ　Ｘ　Ｉ　Ｑ”
ｃｍ　’である。

次に、選択不純物拡散マスクとなる５ＩＯ２マスク１０
を通常のＣＶＤ法で付着し、フォトリソグフフイによっ
て幅２乃至２０μｍのストライプ状に加工する。その上
からｐ型不純物としてＺｎｔ−ｎ型光ガイド層に達する
深さまで拡散し、ｎ型光ガイド層の超格子構造を消滅さ
せｐ型Ａｌ　ｏ、５Ｇａ　ｏ、５μｍ中間クラッド層（
第２導電型の中間クラッド層）４を形成する。典型的な
Ｚｎの濃度は１０　ｄ　である。乙のとき、ｐ型Ａｌ　
ｏ　ｒ、Ｇａ　ｏ、ｓＡｓ　クラッド層６０とｐ型Ｇａ
入Ｓコンタクト層７０とはＺｎ拡散の施されないストラ
イプ状領域より高いキャリア濃度を有し、また、禁制帯
幅及び屈折率が変化しているがその量は無視できるほど
小さくレーザ発振に支障はない。所望の幅の活性領域、
換言すれば中間クラ・ンド層４のないストライプ状領域
を得るには、適当な５ｉＯｓ＋マスクｌＯの幅とＺｎ拡
散の時間とを選んで制御すれば良く、本実施例の場合、
中間クラッド層の厚さを０．８μｍ、光ガイド層５０の
活性層８と接する凸部の幅、只０ち中間クラッド層４の
形成されない幅を５声とした。

次ＩＣ５ｉ０２マスク１０をエツチングによシ除去し、
その後にコンタクト層７の表面にｐ型電極８を、ｎ型軛
Ｍ基板１の裏面にｎ型電極９を付着する。

最後にｈ拡散のされていないストライプ状活性領埴のス
トライプの延びた方向に直交する（ｌｌＯ）檗開面を形
成してレーザ反射鏡とし、第２図に示す構造の半導体レ
ーザを得た。

以上述べた実施例においては、ｎ型光ガイド層５０は、
量子サイズ効果によｐ　１．５８２ｅＶの禁制帯幅を有
する。これはＡｌ　ｏ３ｓＧａ　Ｏ０８□Ｍという組成
比の合全混晶に相当する。一方、屈折率は、発振波長に
対し約３．８８となる。また、ＧａＡｓ活性層８の屈折
率は約８，６０、ｎ及びｐ型Ａｌｏ、５Ｇａｏ、５Ａク
ラッド層２，６並びにｐ型Ａｌ　ｏ５Ｇａｏ、ａＡｓ中
間クラッド層４の屈折率は約８．２８となっている。こ
の結果活性層８に平行な方向に、１〜２　×Ｉ　Ｃｒ２
の屈折率差を有する実効的な屈折率分布が形成され、安
定な基本横モード発振が得られた。またレーザ光の大部
分は活性層８から光ガイド層５０に浸み出しているので
光学損傷をおこす光出力は増大している。

〔発明の効果〕

以上実施例によって詳細に説明したように本発明の半導
体レーザでは１００ｍＡ以下の低い閾値電流で基本横モ
ード発振し、電流対光出力特性の直線性は光出力が１０
ｍＷ以上でも良好であり、安定な基本横モードを高い光
出力時においても得ることができる。また製造方法が容
易な構造を採用しており信頼性、歩留シに優れている。

本発明の製造方法によればこのような高性能の信頼性の
高い半導体レーザを賽易に高い歩留シで得ることができ
、この点で２回のエピタキシャル成長工程による従来の
セルファラインド構造半導体レーザの場合に比し性能並
びに製造工程を著しく改善できる。

尚、上記実施例ではｎ型ＧａＡｓ基板ｌを用いたがこれ
をｐ型として以下全ての層、電極の導を型を入れ換えて
も本発明の要件は満す。また、第２導電型不純物を拡散
により導入したがこれはイオン注入であっても良い。ま
た、活性層３をアンドープＧａＡｓとしたがこれは不純
物ドープされていても、或はＡｌＧａＡｓであっても特
許請求の範囲に記載された要件を満していれば良い。各
クラッド層についても同様であシ、また光ガイド層５ｏ
についても井戸層とバリア層の組成、厚さを変えても本
発明の要件を満せば良いことは言うまでもない。

また結晶材料としてＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓではなく、
ＩｎＰ　、　ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ　、　ＡＩ
　ＩｎＡｓ等の他のｉ−ｖ化合物半導体や、ＩＩ−Ｖｌ
、ＩＶ−Ｖｌ化合物半導体を用いても良い。

上記実施例では、エピタキシャル成長方法として分子線
エピタキシ法を用いたが、これはイオンビームエピタキ
シ法等類似の方法や、有機金属熱分解法、ハロゲン或は
ハイドフィト気相成長法であっても良いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のセルファラインド構造半導体レーザの概
略を示す斜視図、第２図は本発明の半導体レーザの概略
を示す斜視図、第８図１８）〜ｌｄ）は本発明の製造方
法の重要な工程を示す工程説明図である。 ｌ　・第１導電型半導体基板、２・・第１導電型クラッ
ド層、８・・・活性層、４・・・第２導電型中間クラッ
ド層、５・・−第１導電型反光ガイド層、５０−・・第
１導電型光ガイド層（超格子構造）、６・・〜第２導電
型クラッド層、７・・・第２導電型コンタクト層、８・
・・第２導電型電極、９・・・第１導電型″ｆｔＷｉ、
ｌＯ・・・選択不純物導入マスク、ａｏ、　ａｏ、　ｑ
ｏ・・・第２導電型不純物を導入した領域。 第３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１導電型の半導体基板上に少くとも第１導電型
   のクラッド層と該クラッド層より禁制帯幅が小さく屈折
   率の大きい第１導電型の光ガイド層と該光ガイド層よ如
   禁制帯幅が小さく屈折率が大きい活性層と該活性層及び
   前記光ガイド層の何れよシも禁制帯幅が大きく屈折率が
   小さい第２導電型のクラッド層とが順次形成され、前記
   光ガイド層は、互いに禁制帯幅の異なる少くとも２種の
   半導体結晶が交互に積層された超格子からなシ、レーザ
   光の光軸方向に平行に延在するストライプ状領域を除い
   て、前記第２導電型のクラッド層側から前記光ガイド層
   に達する深さまで第２導電型の不純物が導入され前記光
   ガイド層の該不純物が導入された領域はこれが導入され
   ない領域に比し禁制帯幅が大きく屈折率が小さい合金混
   晶を形成していることを特徴とする半導体レーザ。
2. （２）第１導電型の半導体基板上に少くとも第１導電型
   のクラッド層と該クラッド層より小さい禁制帯幅と太き
   一へ屈折率を有し、少くとも２種の互い忙禁制帯幅の異
   なる半導体結晶を交互に積層した超格子からなる第１導
   電型の光ガイド層と、該光ガイド層より禁制帯幅が小さ
   く屈折率が大きい活性層と該活性層及び前記光ガイド層
   の何れよ〕も禁制帯幅が大きく屈折率が小さい第２導電
   型のクラッド層とを順次形成するエピタキシャル成長工
   程と、 レーザ光の光軸方向に平行に延在するストライプ状領域
   を除いて、前記第２導電型のクラッド層側から前記光ガ
   イド層に達する深さまで第２導電型の不純物を導入し、
   前記光ガイド層の該不純物が導入された領域を導入され
   ないストライプ状の領域に比し禁制帯幅が大きく、屈折
   率が小さい第２導電型の合金混晶を形成する工程とを行
   うことを特徴とする半導体レーザの製造方法。