JPS6120388A - 半導体レ−ザ - 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） 本発明は半導体レーザ、特に大光出力半導体レーザに関
するものである。

（従来技術とその問題点） ＡＩＧａＡｓ／（）ａＡｓ等の結晶材料を用いた可視光
半導体レーザは小型・低消費電力で高効率の室温連続発
振全行う事ができるので、光方式のディジタルΦオーデ
ィオーディスク（ＤＡＤ）用光源として最適であシ実用
化されつつある。この可視光半導体レーザは光ディスク
等の光書きこみ用光源としての需要も高まり、この要求
をみたすため大光出力発振に耐えうる可視光半導体レー
ザの研究開発が進められている。最近ではこれらの可視
光半導体レーザの需要の急速な高まＤＫ対応するため大
量生産が行われるようになってきた。ＡｌＧａＡｓ／Ｇ
ａＡｓ可視光半導体レーザの製法においては従来から液
相成長法が用いられてきた。これ、に対して有機金属を
用いた気相成長法（Ｍｅｔａｌｏｒｇａ−ｎｉｃ　Ｃｈ
ｅｍｉｃａｌ　　Ｖａｐｏｕｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ
。

以下ＭＯＣＶＤという）は量産性と精密膜厚制御性とを
兼ね備えていることから、光デバイス作製のためのきわ
めて重要な技術の一つとなっている。

特にディビ＄ス（Ｒ，Ｄ、Ｄｕｐｕｉｓ）、　　ダピカ
ス（Ｐ、Ｄ、Ｄａｐｋｕｓ）が雑誌’Ａｐｐｌｉｅｄ　
　Ｐｈｙｓｉ−ｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒ’、１９７７年３１
巻Ｎｏ、７４６６頁から４６８頁にＭＯＣＶＤ法で成長
した半導体レーザが室温発振した事を発表して以来その
実用性が着目され、ＭＯＣＶＤ法を用いたＡｌＧａＡｓ
／ＧａＡｓ可視光半導体レーザの研究が進められるよう
になった。このうち横モード制御した波長λ＝０．７８
μｍのＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ可視光半導体レーザ素子
としては、例えば中堀、小野、梶村、中村によシ第４４
回応用物理学会学術講演会講演予稿集１９８３年１０９
頁２６ｐ−Ｐ−１６に発１また論文ｒＭＯｃＶＤ法によ
る横モード制御半導体レーザ」に見られるように、活性
層に隣辺してストライプ状領域の両側に吸収層を設は活
性層からの光のしみ出しをこの吸収層で吸収し損失領域
となし、吸収層のないストライプ状領域との間に利得−
損失のステップを設けて、横モード制御を行おうとする
ものが試作されている。

しかし、この構造では光出力５〜７ｍＷまでしか基本横
モード発振しない事、利得−損失のステップを設けるた
め吸収領域を内蔵しているが、この吸収領域では光が損
失となるために闇値電流が高くなる事、発光ビームが非
対称である事等の欠点を持ち、ＤＡＤ用光源として実用
的でないと共に大光出力発振が不可能であった。

また最近ＭＯＣＶＤ法を用いて製作した高性能な波長λ
：Ｑ、８８μｍのＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ半導体レーザ
が、ウォング（Ｃ，Ｓ、Ｈｏｎｇ）　、カセムセット（
Ｄ、Ｋａｓｅｍｓｅｔ）ｒキＡ（Ｍ、Ｅ、、Ｋｉｍ）、
ミラノ（Ｒ，Ａ、Ｍｉｌａｎｏ）、によって雑誌’Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎＬｅｔｔｅｒｓ”、１９８３年１９巻Ｎｏ
、１９，７５９頁から７６０頁に発表されている。これ
は活性層をクラッド層ではさんだ結晶を形成し、これを
メサ状にエツチングした後全体を絶縁性クラッド層で埋
込んだベリッドヘテｏ　（Ｂｕｒｉｅｄ　Ｈｅｔｅｒｏ
；ＢＨ）構造をしており、低閾値で高効率のレーザ発振
を行っている。しかし、この最大基本横モード発振光出
力は８ｍＷで大光出力発振は不可能であシ、また活性層
水平横方向の広がｐ角は比較的大きい結果を示している
が、それ以上に活性層垂直方向の広がり角は大きいと推
定され発光ビームが非対称になる等の欠点をもっていた
。

また、このＢＨ構造のレーザを大光出力発振させる構成
が通常の液相成長を用いて試作されている。例えば、護
送、浅井、茨木が第２９回応用物理学関係連合講演会予
稿集１６１頁（１９８２年春季）に報告したレーザは、
ＢＨ構造の真皮射面近傍を活性層よりもバンドギャップ
の大きいクラッド層で埋込み大光出力発振をさせようと
するものである。この構成によれば、通常のＡｌＧａＡ
ｓ／Ｇ　ａ　Ａ　ｓ半導体レーザにおいて大光出力発振
をさせる時に生じる反射面が破壊される現象（光学損傷
）の光出力レベルを上昇させる事ができる。しかし、こ
のＢＨ構造では、レーザ光が反射面近傍のクラッド層を
伝播する際に垂直方向、水平横方向ともに大きく広がる
ため、反射面で反射され活性領域内に入シ再励起される
光の量（カップリング効率）が低くカリ、閾値電流の上
昇および外部微分量子効率の低下をきたす欠点を有して
いる。この護送等の報告によれば、閾値電流は通常のＢ
Ｈ半導体レーザの２倍以上になシ、外部微分量子効率は
わずか１１．８％しか得られない。

（発明の目的） 本発明の目的は、これらの欠点を除去し、ＭＰＣＶＤ法
の特長を充分いかして、低閾値、高効率のレーザ発振を
すると共に、等心円的光源で安定な基本横モードによる
大光出力発振が可能であり、比較的容量にかつ多量に製
作でき、再現性および信頼性の上ですぐれた半導体レー
ザを提供する事にある。

（発明の構成） 本発明の半導体レーザの構成は、共振器の長て方向スト
ライプ状領域の中央部分を除いた領域がこの中央部分に
対して電気的に反対な極性を有する半導体基板上に隣接
して、前記ストライプ状領域全域にわたって凸部領域を
有する第１のクラッド層を設け、この第１のクラッド層
に隣接してこの第１のクラッド層よりも屈折率・が小さ
くバンドギャップの広い材質からなる第２のクラッド層
と、これら各クラッド層よりも屈折率が大きく管内波長
の数倍以下の層厚を有する活性層と、この活性層と同程
度の層厚を有し前記第１のクラッド層と同程度の屈折率
の材質からなる第３のクラッド層とを、内反射面近傍を
除いた前記ストライプ状領域の中央部分に積層した第１
の層構造と；前記活性層よりも屈折率が小さく前記各ク
ラッド層よりも屈折率の大きいガイド層と、前記各クラ
ッド層と同程度の屈折率を有する第４のクラッド層とを
、前記第１の層構造上に一様な層厚に積層した第２の層
構造とを備え；前記共振器の長て方向において前記活性
層が内反射面近傍の前記ガイド層内に位置することを特
徴とする。

（実施例） 以下図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の実施例の斜視図、第２図、第３図、第
４図は第１図のＡ−Ａ′、　Ｂ−Ｂ’　、　Ｃ−Ｃ’断
面図、第５図、第６図はこの実施例の製造途中の上面図
および斜視図である。この実施例を製造する場合、まず
第５図に示すように、（１００）面を平面とするｐ形Ｇ
ａＡｓ基板１０上をＳｉｎ、膜１１で全体を被膜した後
フォトレジスト法により、共振器の長て方向内反射面近
傍を除いた中央領域１２に、幅３μｍ長さ２５０μｍの
ストライプ状に５ｉ０２膜１１を残しその外部の８ｉ０
．膜を除去する。次にイオウ（Ｓｌ等のｎ形不純物を深
さ０．５μｍ拡散する事によシ、ストライプ状にＳｉｎ
、膜１１を残した外部領域を不純物補償しｎ形に変換さ
せ、電流ブロック層１００を形成する。

その後、５ｉ０１膜１１を除去した後、ｐ形Ａ１ｏＡＧ
ａｏ、ｓＡｓ第１クラッド層１３を１．５μｍ、ｐ形Ａ
　Ｉ　ｏｊＧ　ａ　ｏｓ　Ａ　ｓ　第２クラッド層１４
を０．３μｍ、アンドープＡ１　ｏ、ｘｓＧａｏＪｌｓ
Ａｓ活性層１．５を０．０５μｍ。

ｎ形Ａ１ｏ４ＧａｏＪＡｓ第３クラッド層１６を０．０
５μｍ。

ＭＯＣＶＤ法で連続成長させる。この成長において、Ｍ
ＯＣＶＤ法は従来の液相成長法とは異なる有機金属を用
いた気相成長であるので、混合ガスの組成を変化させる
事により任意の組成の層を任意の多層に容易に成長させ
る事ができる。更に、ＭＯＣＶＤ法では薄膜成長が可能
であり、かつ精密な膜厚制御性を兼ね備えているので、
このように層厚の薄い活性層１５および第３クラッド層
１６を層厚の制御よく成長する事ができる。

次に７オトレジスト法によりｓ　　ｐ形ＧａＡｓ基板１
０のままに残した共振器の長て方向中央領域１２上にあ
たる部分を含めてフォトレジストを残し。

内反射面近傍に幅４０μｍ共振器の長て方向に対して垂
直になるようなストライプ状９部分の７オトレジストを
除去し、この内反射面近傍を深さ０５μｍエツチングし
て第１クラッド層１３内で止める。次に％Ｓｉｎ！膜１
７で全１７被膜した後、フォトレジスト法によりｐ形Ｇ
ａＡｓ基板１０上の中央領域１２を含んだ共振器長全域
にわたって幅３μｍのストライプ状に５ｉＯ１膜１７を
残してその外部のＳｉｎ、膜を除去する。このストライ
プ状に残したＳｉｎ、膜１７をマスクとして深さ０．９
μｍエツチングする。その結果共振器長て方向内反射面
近傍で線第１クラッド層１３に凸部領域が形成され、ｐ
形ＧａＡｓ基板１０上の中央領域１２の部分にはストラ
イプ状の第２クラッド層１４、アンドープ活性層１５、
第３クラッド層１６の層構造が残される（第６図）。

次に、８ｉ０．膜１７ｔｌ−除去した後、ｎ形ＡＩ０．
２５ＧＢ　０．７６　Ａ　ｓガイド層１８を０．６μｍ
、ｎ形Ａｌｏ４Ｇ　ａ　ｏ、ａ　Ａ　ｓ第４り２ラド層
１９　ｔ−１，０μｍ、　ｎ形ＧａＡｓキャップ層２０
に０．５μｍ、ＭＯＣＶＤ法で連続成長する。この成長
において内反射面近傍のストライプ状凸部領域部分の第
１クラッド層１３の上に成長したガイド層１８はその成
長表面の高さが第１クラツド１１３の成長表面の高さか
ら０．５μｍの高さになるので共振器の長で方向におい
て中央領域の活性層１５に隣接しかつ内部に含んだ形状
になる。

この成長において、ＭＯＣＶＤ法では各組成の粒子が結
合しながら成長していくので、Ａ１組成モル比の比較的
高い第１クラツド層１１．第２クラッド層１３の上にも
成長する事ができ、更に成長の面方位依存性はなく、ど
の面方向にも一様な厚さで成長する。従って本実施例の
凸状の各領域では凸状の形状に沿って一様力層厚にガイ
ド層１８゜第４クラツド層１９．キャップ層２０が成長
する。

なおガイド層１８を成長する直前にＨＣＩ等のガスで各
領域の表面を微量にガスエッチすると成長素子の再現性
、信頼性を一段と向上させる事ができる。

次に成長表面全体にｎ形オーミックコンタクト２１、基
板側にｐ形オーミックコンタクト２２をそれぞれつける
と、本実施例の半導体レーザを得る事ができる（第１図
、第２図、第３図、第４図本実施例の構造において、ｐ
形オーミックコンタクト２２からｐ形ＧａＡｓ基板１０
に注入される電流は、ｐ形Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板１０の中
央領域１２の外部領域が不純物補償されたｎ形になって
おシミ流ブロック層となるので阻止され、中央領域１２
のみを通って第１クラッド層１３に流れこむ。また、第
１クラッド層１３に流れこんだ電流の大部分は、隣接し
た第２クラッド層１４を通って活性層１５に注入される
。この構造では、活性層１５が垂直方向では第２と第３
とのクラッド層１４．１６に隣接し、水平横方向ではガ
イド層１８に隣接したＢＨ槽構造形成している。従って
注入電流は活性層からもれる事なく有効にレーザ発振に
寄与し、低閾値、高効率のレーザ発振をする事ができる
。

本実施例の構造は、活性層厚が管内波長の２〜３倍以下
ときわめて薄いためにレーザ発振時には光が活性層から
垂直方向に広く広がる。％Ｋ、この構造では、活性層１
２が層厚の薄い第３り２ラド層１６を介してガイド層１
８に隣辺しているので、光が主に屈折率の比較的大きい
このガイド層にひきこまれる。更に本実施例では、活性
層１２が屈折率のきわめて小さい第２クツツド層１４に
も隣接しているので、光がこの第２クラッド層１４で反
射され、大部分はその垂直方向の第３クラッド層１６お
よびガイド層１８へのしみ出しが助長される。こうして
共振器の長て中央領域のストライプ状領域の活性層１５
で発光した光は活性層１５から第３クラツド層１６．ガ
イド層１８に広がって共振器内を進行していく。

本実施例では、活性層１５および第３クラッド層１６は
共振器の長て方向両度射面近傍においてガイド層１８に
隣接しておシ、更にガイド層１８は共振器全長にわたっ
て一定の層厚でつながっている。従って共振器の長て方
向の中央領域にあるストライプ状凸部領域の活性層で発
光した光はもれる事なく両反射面近傍で隣接しているガ
イド層内へと進行していく。この共振器中央領域のスト
ライプ状凸部領域に隣接した反射面近傍のガイド層１８
は、垂直方向ではガイド層より屈折率の高い第１クラッ
ド層１３と第４クラッド層１９とではさみこまれ、水平
横方向でも大部分が第４クラッド層１９ではさみこまれ
ており、ストライプ状の光導波路を形成している。従っ
て光は広がる事もなくストライプ状の光導波路を形成す
るガイド層１８内を集光して進行する。本実施例ではガ
イド層のバンドギャップはレーザ発振光に対して１４６
ｍｅＶ以上広がっているのでガイド層を進行する光が吸
収損失を受ける革はない。

こうして反射面近傍のストライプ状光導波路となるガイ
ド層１８内を進行した光の一部は、反射面で反射され、
再び光導波路機能をもつガイド層１８内を損失をうける
ことなく戻り、活性層内に入って再励起されるので、低
閾値、高効率でレーザ発振をする事ができる。

本実施例は、波切らが報告した端面埋込み型ＢＨレーザ
とは全く異な夛、カップリング効率が飛躍的に高くなっ
ており、低閾値で高効率というＢＨ構造レーザのもつ基
本的特性を有している。

本実施例の構造は、両反射面近傍がレーザ発振光に対し
てバンドギャップの広いガイド層になっているので、光
学損傷（ＣＯＤ）の生じる光出力レベルを著しく上昇さ
せる事ができる。すなわち、通常の半導体レーザは、キ
ャリア注入による励起領域となる活性層端面が反射面と
して露出しており、そこでは表面再結合を生じ空乏層化
してバンドギャップが縮少しておシ、大光出力発振をさ
せると、この縮少したバンドギャップによシ光の吸収を
生じ、そこで発熱して融点近くまで温度が上昇し、つい
Ｋは光学損傷を生じる。これに対し本実施例は、両反射
面近傍が非励起領域になっていると共に、レーザ発振光
のバンドギャップ差が１４６ｍｅＶ以上も広い層を透過
して発振するので、反射面近傍での光の吸収がなく光学
損傷の生じる光出力レベルを１桁以上上昇させる事がで
き、大光出力発振が可能となる。

本実施例は、共振器の長て方向中央領域にあるストライ
プ状領域において、活性領域である活性層１５の両端が
ガイド層１８に隣接しており、活性層水平横方向にフく
シうけられる屈折率差を比較的小さくする事ができる。

これに対し従来のＥＨレーザは活性層両端が活性層より
はるかに屈折率が小さいクラッド層で挾みこまれてお９
、このため活性層水平横方向に作シつけられる屈折率差
がきわめて大きく、この状態で基本横モード発振をさせ
るためＫは活性層の幅を１〜２μｍ程度に限定する必要
があった。本実施例では、その屈折率差が比較的小さい
ので活性層幅を通常のＢＨレーザの２〜３倍にしても安
定な基本横モード発振を広範囲にわたる電流注入領域で
維持する事ができる。

本実施例では、活性層が管内波長の２〜３倍以下ときわ
めて薄いために、レーザ発振時には光は活性層１５から
垂直方向に広く広がる。この様に活性層からの光のしみ
出しを大きくして活性層の閉込め係数（ｆｉｌｌｉｎｇ
　ｆａｃｔｏｒ；７’）ｉ小さくする事は大光出力レー
ザ発振の上で著しい効果を持つ。半導体レーザの光出力
Ｐはスポット−サイズに比例するので活性層の層厚をｄ
、横モードのスポットサイズをＷ、とすると次式のよう
になる。

ｐｃｃ％Ｗ。

光出力は係数Ｊ’に反比例して上昇する。またこの係数
ｒを小さくする事は同時に半導体レーザの活性層内の光
の量が少なくなるので活性層が光出力忙よって破壊され
るレベルも同時に上昇する。

従ってウィンドウ効果による光学損傷レベルの上昇に相
乗され、光出力を大幅に上昇させる事ができる。

本実施例は、このように活性層垂直方向への光のしみ出
しが大きく、活性層内での光の閉込め係数が小さいので
レーザ発振をさせるにＬ多量の注入キャリアが必要とな
る。このような場合一般には活性層から活性層に隣接し
た層へキャリアが漏れ出やすくな力その結果閾値電流が
上昇するおそれがある。これに対し本実施例では活性層
が特にバンドギャップの広い第２のクラッド層と第３の
クラッド層とで挾み込まれているので、注入キャリアが
漏れ出る事なく活性層内に閉込められて有効に再結合を
するため比較的低閾値でレーザ発振を開始する。

更に活性層がバンドギャップの広いクラッド層ではさみ
こまれている本実施例では、温度を上昇しても活性層か
ら垂直方向に漏れ出るキャリアの量を低減する事ができ
る。従って、閾値電流Ｉｔｈｍｃｃ　ｅ　ｘ　ｐ　（△
Ｔ／Ｔ、　）　（ΔＴは温度上昇の割合）で表わされる
特性温度Ｔ０が大きくなり、高温動作にも充分耐える事
ができ素子の信頼性を向上する事ができる。

本実施例の様に、活性層からの光のしみ出しを大きくす
る事は活性層垂直方向の広がシ角−を急激に減少させる
事ができる。本実施例金用いれば広がり角（を１５度程
度以下にする事ができる。

一方、活性層水平横方向では正の屈折率ガイディング機
構が作りつけであるので、横モードのスポットサイズを
調整して、活性層水平横方向の広がり角θ、を１２〜１
５度にする事ができる。更に両反射面近傍にある光導波
機構を進行するうちに光はこの領域全体に広がるが、端
面から放射されたレーザ光はこの機構を形成しているガ
イド層の幅と厚さとに限定されているので、外部光学系
とのカップリングもや夛やすくその効率を上昇させる事
ができる。

（発明の効果） 本発明の構造は、ウォングらによって発表されたレーザ
とは全く異カシ、基本横モードレーザ発振を維持した状
態で大光出力レーザ発振が可能であシ発光ビームも等心
円形に近い等のすぐれたレーザ発振特性を有している。

更に、全面電極を用いる等製造方法も比較的やさしく、
ＭＯＣＶＤ法特有の層厚の制御性のすぐれた利点をいか
して再現性よく作る事ができる。

更に、本発明による半導体レーザは、励起領域が直接反
射面Ｋｊｌｌ出している通常の半導体レーザに比べて、
外部との化学反応はおこ９にくく反射面の光学反応によ
る劣化を阻止する事ができる。

なお本実施例はＡＪＧａＡｓ／ＧａＡｓダブルへテロ接
合結晶材料について説明したが、他の結晶材料例えばＩ
ｎＧａＡｓＰ／Ｉｎｋ、　ＩｎＧａＰ／ＡＩ　ＩｎＰ、
　ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓＳｂ／Ｇ
ａＡｓ８ｂ　等数多くの結晶材料に適用が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の斜視図、第２図、第３図、第
４図は第１図のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’断面図、
第５図はこの実施例のｐ形ＧａＡｓ基板上に電流ブロッ
ク層を拡散よ〕形成した時の上面図、第６図はこの実施
例の共振器の長て方向にストライプ状の凸部領域を形成
した時の斜視図である。図において １０・・・・・・ｐ形ＧａＡｓ基板、１１・・・・・・
Ｓｉｎ、膜、１２・・・・・・中央領域、１３・・・・
・・ｐ形ＡＩｏＡＧａｏ、ａＡｓ第１り２ラド層、１４
・・・・・・ｐ形Ａ　ｌ　ｏｓ　Ｇ　ａｏ、ｓ　Ａ　ｓ
　第２クラッド層、１５・・・・・・アンドープＡＩｏ
ｘｓＧａｏ、５ａＡｓ活性層、１６−＝−ｎ形Ａ１ｏＡ
Ｇａｏ、ｅＡｓ第３クラッド層、１７・・・・・・Ｓｆ
Ｏ，膜、１８・・・・・・ｎ形Ａｌ０ＪＩＩＧＢ　０．
ＴＳ　Ａ　Ｓガイド層、１９−−　ｎ形ＡＩｏａＧａｏ
、ａＡｓ第４クラッド層、２０・・・・・・ｎ形ＧａＡ
ａキャップ層、２１・・・・・・ｎ形オーミックコンタ
クト、２２・・・・・・ｐ形オーミックコンタクト、１
００・・・・・・電流プロッ第１図 第２図 第３図 髪４図 弗５図 弾６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 共振器の長て方向ストライプ状領域の中央部分を除いた
   領域がこの中央部分に対して電気的に反対な極性を有す
   る半導体基板上に隣接して、前記ストライプ状領域全域
   にわたって凸部領域を有する第１のクラッド層を設け、
   この第１のクラッド層に隣接して、この第１のクラッド
   層よりも屈折率が小さくバンドギャップの広い材質から
   なる第２のクラッド層と、これら各クラッド層よりも屈
   折率が大きく管内波長の数倍以下の層厚を有する活性層
   と、この活性層と同程度の層厚を有し前記第１のクラッ
   ド層と同程度の屈折率の材質からなる第３のクラッド層
   とを、両反射面近傍を除いた前記ストライプ状領域の中
   央部分に積層した第１の層構造と；前記活性層よりも屈
   折率が小さく前記各クラッド層よりも屈折率の大きいガ
   イド層と、前記各クラッド層と同程度の屈折率を有する
   第４のクラッド層とを、前記第１の層構造上に一様な層
   厚に積層した第２の層構造とを備え；前記共振器の長て
   方向において前記活性層が両反射面近傍の前記ガイド層
   内に位置することを特徴とする半導体レーザ。