JPS6023517B2 - 半導体レ−ザ素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は単一モードで微小スポット発振する半導体レ
ーザ素子に関するものである。

従来より、この種の半導体レーザ素子としては、例えば
、特開昭５２−１４３７８７号公報（発明の名称「半導
体レーザ素子Ｄ等において提案されているようなＣＳＰ
レーザが知られている。

上記ＣＳＰレーザは横モード制御に有効な構造を有し、
第１図に示すように、ｎ型のＧａＡｓからなる基板結晶
１の表面に、Ｇａ−，ｘＡ１ｘＡｓの活性層２を挟んで
、夫々Ｇａ−，ｙＮｙＡｓ（旦し、０ミｘ＜ｙ＜１）か
らなる第１クラッド層３および第２クラッド層４を形成
するとともに、上記第１クラッド層３の厚さを薄い部分
では導波光の一部が基板結晶１にしみ出す程度に薄く形
成し、厚い部分ではこれより充分厚くし、Ｚｎの拡散に
より形成したストライプ部５から電流を注入し、発光領
域よりも広い領域に利得分布が存在する構造として、注
入電流を変化させても安定した横モード発振が得られる
ようにしている。

しかし、上記のＣＳＰレーザは、発振領域の電流注入領
域が広くなり易く、発振の関値電流が大きくなる欠点が
ある。

しかも、発振領域のストライプ中を例えば５ム肌以下と
すると、電流注入領域のストライプ中はＺｎを深く拡散
する関係上狭くできないのでますます不利になり、５仏
仇以下の微小スポット発振を得るのは困難であった。一
方、上言己欠点を除去するものとして、第２図に示すよ
うに、基板結晶１と逆の導電形を有する電流制限層６を
上記基板結晶１の表面に形成し、上記電流制限層６を除
去した部分のみに電流が流れるようにしたものも提案さ
れている。上記のようにすれば、発振の関値電流を小さ
くすることができ、５仏の以下の微小スポット発振も可
能であるが、レーザ発振領域と電流注入領域とが一致す
るため、電流注入レベルによって横モードが不安定にな
る欠点があった。

なお、上記第１図および第２図において、７はキャップ
層、８は負電極、９は正電極である。

・本発明は従来の半導体レーザ素子における上記欠点を
解消すべくなされたものであって、横モードの安定な微
小スポット発振を行わせるとともに発振の関値電流を小
さくした新規な構造を有する半導体レーザ素子を提供す
ることを目的としている。このため、本発明は、基板結
晶上に形成された電流側制限層から基板結晶に達し、基
板結晶での開き角度が上記電流側制限層での開き角度よ
りも小さく、かつ、基板結晶および上記電流側制限層で
の幅方向の中心が一致する２段形Ｖ字溝を備え、この２
段形Ｖ字溝上に活性層を挟んで第１クラッド層および第
２クラッド層が形成されて２段形Ｖ字溝の上記中心部で
他の部分よりも厚くなった第１クラッド層に接する活性
層が基板結晶側に湾曲するレーザ発振領域となっており
、この発振領域の幅が電流注入幅よりも小さくなってい
ることを特徴としている。

以下、本発明の実施例を示す図面を参照して詳細に説明
する。第３図において、１ １はＧａＡｓからなるＰ型
の基板結晶、１２はＧａ，一ＸＮｘ偽からなるｎ型の活
性層、１３はＧａ，一ｙＡ１ｙＡｓからなるＰ型の第１
クラッド層、１４はＧａ，一ｙＮｙ偽からなるｎ型の第
２クラッド層、１６はＧａ船からなるｎ型の電流制限層
、１ ７はＧａＡｓからなるｎ型のキャップ層、１８は
負電極、１９は正電極である。

上記基板結晶１１の表面には電流制限層１６をェピタキ
シャル成長させた後、中央部の開き角度がその両側部の
開き角度よりも小さくなった２段形Ｖ字溝２０を設け、
その上にｎ型の活性層１２を挟んで順にＰ型の第１クラ
ッド層１３およびｎ型の第２クラッド層１４を成長させ
てダブルヘテロ構造を形成している。

上記第１クラッド層１３は、その成長の時間を極端に短
くすることにより、２段形Ｖ字溝２０の開き角度の小さ
い中央部のみを厚く（例えば、０．８山肌以上）、それ
以外の部分を薄く（例えば、ｏ．４山肌以下）成長させ
ている。

上記第２クラッド層１４の上にはキャップ層Ｉ７を形成
し、該キャップ層１７の上には負電極１８を形成する一
方、基板結晶１１の裏面には正電極１９を形成している
。

半導体レーザ素子を上記構成とすれば、活性層１２のう
ち、２段形Ｖ字溝２０の中央部に形成された第１クラッ
ド層１３の肉厚の厚い部分に接する中Ｗのストライプで
のみ発振が起り、その他の部分では、導波光の一部が基
板結晶１１側へしみ出し、レーザ発振は起らない。

また、上記半導体素子に流れる電流は、基板結晶１１と
逆の伝導形を有する電流制限層１６によって制限され、
２段形Ｖ字溝２０１こよって上記電流制限層１６の除去
された中Ｗのストライプのみに注入される。

従って、Ｗ＞ｗとなって発振領域よりも広い領域に電流
を注入することができ、電流注入レベルに対して安定な
横モードを有する微小スポット発振レーザを得ることが
できるとともに、ホールバーニングを防止できる。

また、本発明は２段形Ｖ字溝を形成しているから、２段
形Ｖ字溝の上に第１クラッド層１３，活性層１２，第２
クラッド層１４およびキャップ層１７を連続液相ェピタ
キシャル成長させた場合、溝部分のメルトバックが生じ
ない。

このため２段形Ｖ字溝の共振器方向（第３図の紙面に垂
直な方向）に変形を生ぜず、２段形Ｖ字溝は共振器方向
に均一な溝中が形成され、従って安定な横モードを有す
るレーザ光が得られる。なお、上記した各層の伝導型を
上記とは逆の伝導型とすることもできるが、エレクトロ
ンの拡散長がホールの拡散長よりも数倍大きいので、電
流制限層１６はｎ型の方がより薄くできるため、製作が
容易である。

次に、本願発明者が行った第３図の半導体レーザ素子の
製作例についてより具体的に説明する。

第４図ａに示すように、まず、Ｚｎを１×１び９肌‐３
ドープした（１００）面を有するＰ型のＧａ＄よりなる
基板結晶１ １上に、液相ェピタキシャル成長法により
、Ｔｅを５×１び８肌‐３ドープしたｎ型のＧａ松層を
２ム肌の厚さに成長させて、電流制限層１６を形成した
。次に、この成長面上に、通常のフオトレジスト工程に
より（１１０）方向に、シュプレィ・フア・イースト社
製の感光性樹脂ＡＺ１３５０（商品番号）等により、中
３ｒｍのストライプ状の窓を有するフオトレジスト膜を
形成し、この窓を通して、（アンモニア水）：（過酸化
水素水）：（水）：１：３：５０のエッチング液を使用
して、１６℃で４分間化学エッチングすることにより、
第４図ｂに示すように、深さ３山肌、中６ム仇のＶ字形
溝２０を形成した。

上記フオトレジスト膜を除去した後、全面を上記エッチ
ング液で２分間エッチングすると、電流制限層１６は２
一肌から１山川に均一にエッチングされるとともに、Ｖ
字形溝２０′の両肩がエッチングされて、第４図ｃに示
すような２段形Ｖ字溝２０が形成された。

このとき、ｗ＝２．５ｒｍ，Ｗ＝３．５〆のであった。
次に、上記のように電流制限層１６および２段形Ｖ字溝
２０を形成した基板結晶１１上には、連続ヱピタキシャ
ル成長法により、Ｇａ′ｙＮｙふからなるＰ型の第１ク
ラッド層１３，Ｇａ，一ＸＡ１ｘぷからなるｎ型の活性
層１２，Ｇａ′ｙＡ１ｙＡｓからなるｎ型の第２クラッ
ド層１４およびＧａ船からなるキャップ層１７を順次成
長させた。

上記の各半導体層を形成するのに使用した溶液組成、成
長時間および各半導体層の山混晶比を、発振波長８３仇
凧の赤外光レーザおよび発振波長７６仇肌の可視光レー
ザの場合について、夫々次の第１表および第２表に示す
。

第 １ 表 第 ２ 表 上記第１表もしくは第２表の飽和溶液を８００℃より１
℃の急冷による過冷却の後、０．１００／分で降温し、
基板結晶１１に上記飽和溶液を順次接触させることによ
り成長させた。

この場合、平坦部および２段形Ｖ字溝２０の両肩での第
１クラッド層１３，活性層１２，第２クラッド層１４お
よびキャップ層１７の厚さは夫々０．１〃凧，０．０３
ム肌，０．４ｒのおよび２Ａのであり、２段型Ｖ字溝２
０の中央部での上記各層の厚さは夫々０．８一肌，０．
１一肌，０．８仏のおよび２．２山肌であった。

本発明はエッチングで２段形Ｖ字溝を形成するから、２
段形Ｖ字溝をメルトバックで形成する場合に比べて共振
器方向に均一な溝中Ｗを形成することができる。

また、第４図ｂのようにＶ字溝を形成した後、全面をエ
ッチングして２段形Ｖ字溝を形成するので、２つの溝の
中心は自動的に一致する。このため、スポットと電流分
布の中心も一致し、発振モードの安定化に作用する。結
晶成長後、基板結晶１１の裏面を研磨して、全体を約１
００仏のの厚さとし、第３図に示すように、正電極１９
としてＡｕ−Ｚｎを上記裏面に黍着する一方、負電極１
８としてＡｕ−技‐Ｎｉをキャップ層１７上に蒸着し、
４７０ｏ○でアフタアロイさせた。

次に、（１１０）面でへき関して反射面（共振器）を形
成することにより、第３図のレーザ素子を得た。

上記の半導体レーザ素子の製作過程は、 Ｇａ船，ＣａｎＡｓ以外の材料を使用する半導体レーザ
素子に対しても当然に適用可能であり、他の発光素子に
も応用することができる。

また、ダブルヘテロ嬢合半導体レーザに限定されるもの
ではない。なお、上記のようにして製作した単一モード
レーザ素子の闇値電流は発振波長８３皿肌の場合は２５
肌Ａ，７６皿仇の場合は３５のＡで、電流−光出力特性
は６０のＷまで直線的であった。

以上、詳細に説明したことからも明らかなように、本発
明は、基板結晶に設けた２つの開き角度を有する２段形
Ｖ字溝の中央部で第１クラッド層を他の部分よりも厚く
成長させてレーザ発振領域を形成するとともに他の部分
を発光の吸収領域とするようにしたから、横モードの安
定な微小なスポット発振を得ることができ、発振スポッ
トが例えば２．５山仇以下と小さく単一モードであるこ
と、駆動電流が極めて小さくて済む等の点で光学式ビデ
オディスク、レーザプリンタ等の光源として最適なもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は夫々従来の半導体レーザ素子の断
面図、第３図は本発明に係る半導体レーザ素子の断面図
、第４図ａからｄは夫々第３図の半導体レーザ素子の製
作過程の説明図である。 １１・・・基板結晶、１２・・・活性層、１３…第１ク
ラッド層、１４・・・第２クラッド層、１６・・・電流
制限層、１７・・・キャップ層、１８・・・負電極、１
９・・・正電極、２０・・・２段式Ｖ字溝。 第１図 第２図 第３図 第４図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 基板結晶上に形成された電流制限層から基板結晶に
   達し、基板結晶での開き角度が上記電流制限層での開き
   角度よりも小さく、かつ、基板結晶および上記電流制限
   層での幅方向の中心が一致する２段形Ｖ字溝を備え、こ
   の２段形Ｖ字溝上に活性層を挾んで第１クラツド層およ
   び第２クラツド層が形成されて２段形Ｖ字溝の上記中心
   部で他の部分よりも厚くなつた第１クラツド層に接して
   いる活性層が基板結晶側に湾曲するレーザ発振領域とな
   つており、この発振領域の幅が電流注入幅よりも小さく
   なつていることを特徴とする半導体レーザ素子。