JPS6120390A - 半導体レ−ザ素子とその製造方法 - 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】 〔技術分野〕 本発明は、積層したエピタキシャル層にストライプ状電
極を設けてなる電極ストライプ型の半導体レーザ素子お
よびその製造方法ならびにその製造装置に関し、特に、
その構成および製造工程を簡単化して性能を向上させる
ようにしたものである。

〔従来技術〕

最近多く実用化されて来たビデオディスクの記録、再生
には専ら半導体レーザ素子が用いられているが、その半
導体レーザとしては、戻り光ビームの作用効果をできる
だけ低減させるために、マルチモードで動作させる利得
導波型の電極ストライプ半導体レーザ素子が多く用いら
れている。

従来用いられているこの種電極ストライプ型の半導体レ
ーザダイオードには、電極ストライプレーザ、プレナー
スドライブレーザ、プロトンストライプレーザ、■溝ス
トライプレーザなどがある。いずれにおいても、レーザ
発光を行なう活性層およびｐ型、ｎ型の電極層は概ね同
様の構成のエピタキシャル層を半導体基板上に積層しで
あるが、特に、かかる積層エピタキシャル層に設けるス
トライプ部分には１種々の構、成のものがある。

すなわち、上述したようにエピタキシャル層を積層した
ストライプ型の半導体レーザ素子を製作するために、従
来は、順次に積層するエピタキシャル層における最終半
導体層（たとえばＧａＡｓＦｗ）をエピタキシャル成長
させた後に、電極ストライプレーザでは、ＳｉＯ□を用
いた誘電体絶縁層を被着してフォトレジスト法によりｐ
型電極をストライプ構造に形成したり、プレナースドラ
イブレーザでは、ｐ空電極層形成のためにエピタキシャ
ル層にＺｎの拡散をストライプ状に行なってストライプ
状のＺｎ拡散領域を形成したり、プロトンストライプレ
ーザでは、エピタキシャル層にプロトンイオンを注入す
ることによりストライプ状部分以外に高抵抗領域を形成
したり、さらに、Ｖ＠ストライプレーザでは、エピタキ
シャル層に対して適切なフォトレジスト法を用いてｐ空
電極層形成のためのＺｎ拡散をＶ溝ストライプ状に選択
的に行なって、しかる後に、最終製作工程として電極用
導電物質層を蒸着していた。

これらストライプ状部分の輻Ｓによってこの種半導体レ
ーザ素子の特性は第１図（Ａ）〜（Ｅ）、第２図（Ａ）
〜（Ｅ）および第３図（Ａ）〜（Ｅ）にそれぞれ示すよ
うに変化する。

すなわち、第１図（Ａ）、（Ｂ）、・・・、（Ｅ）はス
トライプ部分の幅Ｓが約５ルーの場合の緒特性を示し、
第２図（Ａ）、（Ｂ）、・・・、（Ｅ）はストライプ部
分の輻Ｓが約ｌθμ−の場合の緒特性を示し、第３図（
Ａ）、（Ｂ）、・・・、（Ｅ）はストライプ部分の幅Ｓ
が約２０＃Ｌｍの場合の緒特性を示す。

ここで、第１図（Ａ）、第２図（Ａ）、第３図（Ａ）は
ストライプ幅Ｓを上述のように変化させた場合における
レーザ光の縦モードスペクトル分布を示し、ストライプ
幅Ｓ、５ｉＬ腸の場合のみマルチモードを呈している。

第１図（Ｂ）、第２図（Ｂ）、第３図（Ｂ）はストライ
プ幅Ｓを上述のように変化させた場合におけるレーザ光
の過渡応答を示し、ストライプ幅Ｓ２！５．層の場合以
外にはスパイクが生じている。以下同様にして、第１図
（Ｃ）、第２図（Ｃ）、第３図（Ｃ）、第１図（Ｄ）、
第２図（Ｄ）、第３図（Ｄ）、および第１図（Ｅ）、第
２図（Ｅ）、　第３図（Ｅ）は、それぞれ、レーザ光の
ファーフィールドパターン（水平横モード）、ニヤフィ
ールドパターン（水平横モード）および電流−光出力特
性を電極幅Ｓ急５＃Ｌ謬　、１０に腸、２０ＪＬｍの場
合について示している。これらの緒特性のうち、第２図
（Ｅ）に示したストライプ電極幅５ｇ１Ｏ＃Ｌ鵬の場合
の電流−光出力特性曲線には、電流値７０〜８０鳳Ａの
ところでキングが生じており、そのために、第２図（Ｃ
）、（Ｄ）に示したように、レーザ光放射のフィールド
パターンが電流値の大小によって大幅に変化している。

したがって、電流−光出力特性曲線にかかるキングのな
い良好な特性を得るためにはストライプ幅Ｓを５μ■前
後あるいは２０ＪＬ１１前後にする必要があった。

この種ストライプ型半導体レーザ素子は、同じ〈従来の
屈折率導波型半導体レーザ素子に比較すれば、構成が簡
単であり、また、製作工程数も少ないが、その比較的簡
単なエピタキシャル層積層後に上述したような工程でス
トライプを形成しなければならず、その工程が相対的に
複雑であるうえに、電極形成前にエピタキシャル層を一
旦大気に曝す必要が工程上化ずるという欠点があった。

半導体レーザ素子製作における歩留りや再現性は、製作
工程数が多くなるほど低下し、特に、所要の製作雰囲気
から出して大気に曝す毎度に著しい性能劣化を来たすの
が一般であるから、従来のように最終工程完了前に一旦
大気に曝したうえで、ストライプ電極構造形成のための
比較的複雑な製作工程を必要とするのでは、折角のエピ
タキシャル積層構造の優位性を著しく阻害する欠点があ
った。

〔目的〕

本発明の目的は、上述した従来の欠点を除去し、エピタ
キシャル層積層後のストライプ状構造形成過程を簡単化
して、製作工程を減少させるとともに、完成前に一旦大
気に曝す必要を生ずる製作工程をなくし、信頼性および
再現性を向上させたストライプ型の半導体レーザ素子お
よびその製造方法を提供することにある。

〔発明の要点〕

すなわち、本発明半導体レーザ素子は、半導体基板上に
、活性層をはさんで閉じ込め層および電極層をエピタキ
シャル成長層の形態で配置し、活性層にストライプ状に
印加した電圧に応じてレーザ発光を行なう半導体レーザ
素子において、基板とは反対側の電極層上には当該電極
層をストライプ状に露出させて高抵抗材料組成のエピタ
キシャル層を配置し、電極層およびそのストライプ状露
出部分を覆って電極を配置したことを特徴とするもので
ある。

本発明製造方法は、半導体基板上に、第１電極層、第１
閉じ込め層、活性層、＄２閉じ込め層および第２電極層
としての半導体層を順次にエピタキシャル成長させ、つ
いでガス放電により生成したＡｒ＋イオンの雰囲気中に
おいて高抵抗材料組成の最終半導体層を第２電極暦上に
エピタキシャル成長させ、その最終半導体層にストライ
プ状にエツチングを施した上に電極層を被着することを
特徴とするものである。

〔実施例〕

以下に図面を参照して本発明の詳細な説明する。

まず、本発明による電極ストライプ型半導体レーザ素子
の構成例を第４図に示す８図示の構成例においては、下
図に電極導電層ＬＩＯを被着したｎ型ＧａＡｓ基板Ｌｌ
の上にＭＢＥ法により従来慣例の態様で、ＧａＡｓを基
体とする組成の各種のエピタキシャル層を順次に成長さ
せて積層する。すなわち、まず、ＧａＡｓバッファ層Ｌ
２層形２するが、このバッファ層Ｌ２は３層以上の積層
の場合の結晶性の改善のためのものであり、ノンドープ
のＧａＡｓによって構成する。このバッファ層Ｌ２は、
直上層Ｌ３を十分に厚く形成する場合にはこの層Ｌ３を
ｎ型バッファ層となして、Ｊｉ’Ｌ２を省略することが
できる。ついで、ｎ型の電極層としてＳｉをドープした
ＧａＡｓ層Ｌ３層形３するが、その厚みをＱ、４　ｇ　
ｍ程度にし、キャリヤ数ｎを４０Ｘ　１０１１０ｌ８”
程度にする。ついで、電子および光の閉じ込め暦として
、Ｓｉをドープしたｎ型ＡｌＧａＡｓ層Ｌ４を配置する
が、その／Ｍｌの混晶比Ｘを０．３５程度とし、また、
厚みを１．０ｇｍ程度、キャリヤ数ｎを３０Ｘ　ｌＯ’
ｃ＋ｓ−３程度とする。ついで、レーザ活性層としてノ
ンドープのＧａＡｓ層　Ｌ　５を形成するが、その厚さ
を０．２弘■程度とする。

ついで、後述するように、所要元素を放電ガス中に含む
ガス放電装置を一体に構成した分子線エピタキシャル装
置を用いてガス放電により生成したＭｇ　　イオンによ
りドープした電子および光の閉じ込め層としてのｐ５！
　Ａ１ＧａＡｓ層Ｌ６を被着するが、そのＡｎの混晶比
Ｘを０．３５程度とし、厚さを１．０　ル■程度とし、
キャリヤａｐを［１，ＯＸ　１０１０１７ａ”程度とす
ル、ツい’ｔ’、上述と同様にしてＭｇ＋イオン化ドー
プを施したｐ型電極層としてのＧａＡｓＮＬ　７を配置
するが、その厚さを　０．３μ層程度とし、キャリヤ数
Ｐを８４０×＋０１８ｃ＋ｓ−”程度とする。ついで、
最終エピタキシャル層として、上述したと同様にしてＡ
ｔ＋イオンのドープを施したｐｌＪＡｌ＾Ｓよりなる高
抵抗層Ｌ８を配置する。なお、ＡｌＡｓはそれ自体で高
抵抗であるが、ドープによりＡｒ＋イオンを導入して材
料中に多量の格子欠陥を形成し、さらに高抵抗化したも
のであり、つぎに述べる電極ストライプを確実容易に構
成し得るようにする。かかる最終エピタキシャル層Ｌ８
を後述するようにしてストライプ状にエツチングして除
去し、ｐ空電極層Ｌ７をストライプ状に露出させたうえ
で、電極用導電材料としてＣｒ−Ａｕ合金を用いた電極
Ｌ９を被着し、第４図に示した構成のストライプ型の半
導体レーザ素子を完成する。したがって、本発明半導体
レーザ素子のかかる構成は、従来のストライプ型半導体
レーザ素子に比して最終ストライプ状電極部の構成が遥
かに簡単であり、製造工程についても本発明素子の方が
簡略化されている。

第５図にこの種半導体レーザ素子製造過程における最終
電極部製作工程のみを対比して示すように、従来構成の
素子の製造工程においては、最終エピタキシャル層成長
工程Ｓ−１に引続くストライプパターニング工程Ｓ−２
において誘電体絶縁層にフォトレジスト法によりさらに
ストライプ状パターンを形成した後に、■程Ｓ−３にお
いて、第１図につき前述したような不純物拡散やイオン
注入等の本発明素子にはない構成要素製作を行ない、し
かる後に、電極形成工程Ｓ−４において電極用導電層の
蒸着を行なっているのに対し、本発明による素子の製造
工程においては、工程Ｓ−ｔで最終エピタキシャル層と
して形成したＡｒ　　イオンドープのＡｊｌＡｓ高抵抗
暦Ｌ８自体し、工程Ｓ−２においてストライプ状のバタ
ーニングを施した後に、直接に工程Ｓ−４に移行して電
極を形成する。したがって、かかる製造工程の簡略化に
伴い、本発明半導体レーザ素子は従来素子に比して歩留
りおよび再現性を格段に向上させることができる。

なお、第４図示の構成における各ヘテロエピタキシャル
層Ｌ６　、Ｌ７およびＬ８にそれぞれＭｇ＋イオンおよ
びＡｒ＋イオンをドープして注入するエピタキシャル層
イオン化ドープを行なうに当っては、イオン源としてＭ
ｇのような固体をガス放電によってイオン化するととも
に、その放電用ガスとしてＡｒを存在させ、　　ＡＲＧ
ａＡｓ層Ｌ６、Ｇａｈｓ層Ｌ７のエピタキシャル成長中
にＭｇ＋イオンによるＰ型不純物ドープを選択的に行な
い、また、ＡｌＡｓ層Ｌ８のエピタキシャル成長中にＡ
ｒ”イオンによるｐ型不純物ドープを選択的に行なうよ
うにする。

すなわち、分子線エピタキシャル装置とガス放電装置と
を一体に構成し、Ｍｇを含む固体を電極としてガス放電
を行なって生成させたＭｇ＋イオンの存在する雰囲気中
において分子線エピタキシャル成長を行なわせてＭｇ＋
イオン、化ドープをエピタキシャル成長層に施し、ある
いは、その放電ガス中にＡｒを存在させて同様のＡｒ”
イオン化ドープをエピタキシャル成長層に施せば、簡単
にＭ、２４からＡｒ４０への質量切換えが行なわれて容
易にＡｒ＋イオン化ドープをエピタキシャル成長層に施
すことができ、エピタキシャル層に対するＭｇ、Ａｒに
よる選択的イオン化ドープの製作工程を著しく簡単化す
ることができる。

また、第４図示の構成における最終エピタキシャル層Ｌ
８に図示のような所望の輻Ｓのストライプ状窓を形成す
るに当っては、エピタキシャル成長させたＡ１Ａｓ層Ｌ
８にフォトレジスト法によりストライプ幅Ｓのストライ
プパターンを形成し。

ＡＪＬＡｓに対して特に選択的に大きいエッチ効果を呈
する化学エッチ液、例えばＮＨ，ＯＨ、−８２０，、を
用いてエツチングを施せば、その化学エッチ効果は、直
下層としてのＧａＡｓ層Ｌ７のフロントで急激に減少す
るので、ＡＪＬＡｓｊｉ）Ｌ８に簡単に窓が形成されて
、直下のＰ空電極層Ｌ７かストライプ状に露出すること
になり、その露出部に接した電極導電層Ｌ９を蒸着する
工程が極めて簡単になる。

なお、前述したイオン化ドープの際のイオン生成のため
に行なうガス放電に用いるエネルギーは通例２．５　Ｋ
ｅＶ程度であるから、イオンの加速に伴ってエピタキシ
ャル成長層が受ける放射損傷は無視することができる。

特に、本発明による半導体レーザ素子製作過程の特徴と
する一貫したエピタキシャル成長過程における最終エピ
タキシャル成長層がＡ又Ａｓ高抵抗層Ｌ８であり、高抵
抗の絶縁性のみを必要とし、電気的または光学的機能は
何ら必要としないのであるから、上述した本発明による
ストライプ状電極製作工程には何らの問題も生じない。

以上に説明したように、本発明半導体レーザ素子は、そ
の層構成、したがって、製造工程の簡単化の点で有効で
あるが、その利点を活かした本発明レーザ素子の他の構
成例としては、っざの２つがある。

（１）最終エピタキシャル層に施す電極ストライプ形成
のためのエツチングパターンを、第４図示の単純なスト
ライプ状とする代わりに、多フイラメント化、シングル
モード化、あるいは、リングレーザ等を含めたスト−ラ
イブの円弧化を施すことができる。そのパターニングの
例を第６図、第７図および第８図に示すが、そのいずれ
も第４図示の例と全く同様の工程により製造することが
できる。

まず、第６図に示すパターニングの例においては、エピ
タキシャル結晶層の臂開面ｃｓに直交する方向に複数個
のストライプ状フィラメントＦ１〜Ｆ４を等間隔に形成
するとともに、各フィラメントの相互間を橋絡する光導
波路ａ−ｃを設けである。かかる多フイラメント化の結
果、位相の揃ったいわゆるフェイズドアレイ型レーザ素
子が構成され、波長および位相がともに完全に揃った大
出力レーザを実現することができる。さらに、各フィラ
メントＦｌ−Ｆ４間を橋絡する光導波路ｔｉ−ｃを省略
するとともに、各フィラメン）Ｆｌ−Ｆ４内の光の場が
相互に作用する程度に相互の間隔を近づけると、位相の
みが揃った大出力レーザあるいはアレイ型レーザの製作
が可能となる。

第７図に示すノ（ターニングの例においては、エピタキ
シャル結晶層の臂開面Ｃ８にわずかに斜交する方向にス
トライプ領域を形成して臂開面Ｃ８に直交する方向のレ
ーザ発振を行なわさせると、実効的に作用するストライ
プ領域の幅が図示のように著しく狭小化されて、電流−
光出力特性の直線性が良好なシングルモード化されたレ
ーザ素子が得られる。

第８図に示すパターニングの例においては。

直線状のストライプ領域ＳＴＩと曲線状のストライプ領
域ＳＴ２とを連結させ、各ストライプ領域により発生し
たレーザ光Ｌｏｕｔｌ〜Ｌｏｕｔ３の相互干渉により発
振波長の温度変化による変動を抑えて発振波長が安定し
た半導体レーザ素子を製造することができる。

（２）本発明半導体レーザ素子の他の変形構成例では、
積層したエピタキシャル層のうち、例えば第４図示の構
成におけるノンドープＧａＡｓ１　Ｌ　５のような活性
層の構成を量子井戸構造やグレーデッド屈折率分布構造
にして複線化し、それぞれ、良好な温度特性や低閾値電
流密度の半導体レーザ素子を製造し得るようにする。か
かる構造の活性層は従来慣用のエピタキシャル成長技術
を駆使して、本発明による半導体レーザ素子製造方法の
特徴とする各１回ずつの一連のエピタキシャル成長過程
、ストライプパターン化過程および電極形成過程のうち
で製造可能であり、本発明半導体レーザ素子の信頼性お
よび再現性を一層向上させることができる。その構成例
を第９図、第１０図および第１１図に示す。

まず、第９図では、第４図示の構成例においては単一の
ノンドープＧａＡｓ活性層Ｌ５の上下にそれぞれ単一の
ｎ型およびｐ型の光閉じ込め層Ｌ４およびＬ６を設けた
のに対して、ＡｌＧａＡｓ光閉じ込め層Ｌｌｌとノンド
ープＧａＡｓ活性層Ｌ＋２とを交互に例えば１０層積層
して多層エピタキシャル活性層による量子井戸構造とす
る。かかる多層量子井戸構造におけるエネルギーバンド
ギャップの交互変化の態様を第１０図に示す。

第１１図は、単一もしくは上述の様に多層井戸構造にし
たＧａｐｓ活性ｆｉＬ１３の上下に設けた光閉じ込め用
Ａ文ＧａＡｓ層Ｌ＋４．Ｌ１５のエネルギーバンドギャ
ップを、図示のように、活性層Ｌ＋３から距るに伴って
増大させたグレーデッド屈折率分布構造にしたものであ
る。

〔効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、多数
のエピタキシャル層の積層よりなるストライプ型の半導
体レーザ素子を、各１回ずつの一連のエピタキシャル成
長過程、ストライプパターン化過程および電極形成過程
のみよりなる単純な製造工程により、エピタキシャルＭ
積層過程の途中で外気に曝すことなく良質の半導体レー
ザ素子が得られ、その構成、特に、最終電極部の構成。

したがって、その製造工程が簡単化されるので。

従来に比して格段に優れた信頼性および再現性を有する
ストライプ型の半導体レーザ素子を容易に実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｅ）、第２図（Ａ）〜（Ｅ）。 第３図（Ａ）〜（Ｅ）は従来のストライプ型半導体レー
ザ素子のストライプ幅を変化させた場合の緒特性をそれ
ぞれ示す線図、 第４図は本発明によるストライプ型の半導体レーザ素子
の構成例を示す断面図、 第５図は同じくその本発明レーザ素子の製造過程の一部
を従来の製造過程と対比して示すフローチャート、 第６図、第７図および第８図は同じくその本発明レーザ
素子の他の構成例の一部をそれぞれ示す上面図、 第９図は本発明の他の構成例における活性層の層構成を
示す線図、 第１０図および第１１図はその活性層のエネルギーバン
ドギャップの分布図である。 Ｌ　１−ｎ−ＧａＡｓ基板、 Ｌ２・・・ＧａＡｓバッファ層、 Ｌ　３−ｎ−ＧａＡｓ電極層、 Ｌ４−・−ｎ−Ａ１ＧａＡｓ閉じ込め層、Ｌ　５　・−
ＧａＡｓ活性層、 Ｌ８−　ｐ−Ａ１ＧａＡｓ閉じ込め層、Ｌ７　・−・ｐ
−ＧａＡｓ電極層、 Ｌ８・・・ｐ−Ａ文Ａｓ高抵抗層、 Ｌ　９．　Ｌ　１０・・・電極層。 第１図 波長λ ｖ４閣を 放射角θ 位置χ 電流ｌ 第２図 波長λ 時間を 放射角θ 位置χ 電液Ｉ 第３図 波長λ 時間を 放＠勇θ １笠置χ 電烹ｌ 第４図 灼田、カ Ｌｏｕｔ＋ Ｌｏｕ＋２ 第１０図 エネル矢−バンドＮ′量ｉγ 第１１図 エネル（−）勉ド倍ｌフ０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）半導体基板上に、活性層をはさんで閉じ込め層およ
   び電極層をエピタキシャル成長層の形態で配置し、前記
   活性層にストライプ状に印加した電圧に応じてレーザ発
   光を行なう半導体レーザ素子において、前記基板とは反
   対側の前記電極層上には当該電極層をストライプ状に露
   出させて高抵抗材料組成のエピタキシャル層を配置し、
   当該電極層およびそのストライプ状露出部分を覆って電
   極を配置したことを特徴とする半導体レーザ素子。 ２）半導体基板上に、第１電極層、第１閉じ込め層、活
   性層、第２閉じ込め層および第２電極層としての半導体
   層を順次にエピタキシャル成長させ、ついでガス放電に
   より生成したＡｒ＾＋イオンの雰囲気中において高抵抗
   材料組成の最終半導体層を前記第２電極層上にエピタキ
   シャル成長させ、その最終半導体層にストライプ状にエ
   ッチングを施した上に電極層を被着することを特徴とす
   る半導体レーザ素子の製造方法。