JPS6196790A - 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犬光出カ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） ＡＩＧａＡａ／ＧａＡｓ等の結晶材料を用いた可成光半
導体レーザは小型であり低消費Ｉカで高効率の室温連続
発揚を行う事ができるので、光方式のディジタル・オー
ディオ・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シ、この要
求をみたすため大光出力発振に耐えうる可成光半導体レ
ーザの研究開発が進められている。

特に最近ではこれらの可視光半導体レーザの需要の急速
な高まりに対応するため大量生産が行われるようになっ
てきた。ＡｌＧａＡｓ　／ＧａＡｓ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（Ｍｅｔａ
ｌｏｒｇａｎｉｃ　（：ｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｕｒ
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　、略してＭＯＣＶＤ　）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、今や
光デバイス作製の之めのきわめて重要な技術の一つとな
っている。特にディピュス（Ｒ，Ｄ、Ｄｕｐｕｉｓ　）
とダビカス（Ｐ、Ｄ、Ｄａｐｋｕａ）とがアプライド・
フィジックス・Ｖ　ｌ’　　（Ａｐｐｌｉｅｄ　ｐｈｙ
ｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒ　）１９７７年＃３１巻煮７４
６６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や 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。中でも横モード制御した
波長λ＝０．７８μｍのＡｌＧａＡｓ／　ＧａＡｓ可視
光半導体レーザとしては、列えば中堀、小野、梶村、中
村により第４４回応用物理学会学術訝演会講演予稿集１
９８３年１０９頁２６ｐ−ｐ−１６に「ＭＯＣＶＤ法に
よる横モード制御半導体レーザ」と題して発表された論
文に代表されるように、活性層に隣近してストライプ状
領域の両側圧吸収層を設は活性ノー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提供され試作され
ている。

しかし上記構造では光出力５〜７ｍＷまでしか基本横そ
−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
となるために閾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
でないばかシか大光出力発振は不可能であっ友。

また最近ＭＯＣＶＤ法を用いて製作した高性能な波長λ
＝０．８８ａｍ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　）　ｅキム（Ｍ、Ｅ、Ｋｉｍ）、ミ
ラノ（Ｒ。

Ａ、Ｍｉｌａｎｏ　）　、によってエレクトロンレター
ズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　１ｅｔｔｅｒｓ　）　１９８３
年１９巻Ａ１９゜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本を絶縁性クラッ
ド層で埋込んだペリラドへテロ（Ｂｕｒｉｅｄ　）（ｅ
ｔｅｒ。

：略して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り、″！九活性
層水平横方向の広がシ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。

ま念上記のいわゆるＢＨ槽構造レーザにおいて大光出力
発振をさせる方法が通常の液相成長を用−て試作され提
案されている。中でも渡辺、岡島。

浅井、茂木が第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
ＪＪ造の内反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。この方法によれば省常のＡｌＧａＡｓ　
／ＧａＡｓ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。しかし彼らの提案し
た構造では、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）が低くなるので、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。実際に上記渡辺等の報告におれば、閾値電流は通常
のＢ）１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％しか得られていない。

（発明の目的） 本発明の目的は、上記欠点を除去しＭＯＣＶＤ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のみ
ならず安定な基本横モードによる大光出力発振が可能で
あ勺、等心円的な光源となり、比較的容易にかつ多量に
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長て方向側反射面
近傍を除いた中央部分にストライプ領域を有すると共に
、該ストライプ領域両側で端面近傍領域に電流ブロック
層を有する半導体基板に隣接して、屈折率の小さい材質
からなる第１のクラッド層を設け、該ストライプ領域上
方部に該第１のクラッド層に隣接して該第１のクラッド
層よりも屈折率の大きい材質からなるストライプ状の第
１のガイド層、該第１のガイド層よりも屈折率の大きい
材質からなプ管内波長の数倍以下の層厚をセ　　　　　
有するストライプ状の活性層、該第１のガイド層と同程
度の屈折率をもつ材質からなるストライプ状の第２のガ
イド層を順次隣接して設け、活性層及びＭ２ガイド層は
反射端面に達しなり構造とし、ストライプ状の第１ガイ
ド層、活性層、第２ガイド層を埋め込む様にして第１の
クラッド層と同程度の小さい屈折率を有する材質からな
る第２のクラッド層を設け、該第２のクラッド層上にキ
ャップ層を設け、さらに、該ストライプ領域上の活性層
及び第２のガイド層と両反射面近傍の該第２のクラッド
層との隣接する面が共振器長方向においてレーザ光に対
して全反射する角度に形成した事を特徴とする。

（実施例） 以下０面を用いて本発明の詳細な説明する。第１図は本
発明の実施例め斜視図、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平
面図訃よび斜視図である。

この実施例の製造方法は第５図に示すように（１００）
面を平面とするｐ形ＱａＡｓ基板１０上を５ｉｌｌ膜１
１で全体を被膜した後フォトレジスト法により、共振器
の長て方向側反射面近傍を除いた中央領域に幅３μｍ長
さ２５０μｍのストライプ状にｓ　ｔｏｔ膜１１を残し
その外部の５ｉｏｔ［を除去する。

その結果ｓｔｏｗ膜１１を残した領域がストライプ領域
１２となる。次にイオウＧ）等のｎ彫工純物を深さ０．
５μｍ拡散し、ｓ　ｊｏｔ膜１１を残したストライプ領
域１２の外部領域を不純物補償したｎ形に変換させる。

この領域が電流ブロック層１３となる。

その後ｓ　ｉＱ、膜１１を除去した後ｐ形Ａｌ　０，５
ｃａ０，５Ａｌｌ第１クラッド層１４を０．８μｍｏｐ
形Ａｉｏ、ｚｓＧａＯ，７５Ａａ第１ガイド層１５を１
．０μｍアンドープＡｌ　（１，１５ＧａＱＪ　Ｂ　Ａ
８活性層１６を０．０５μｍ、ｎ形Ａｉｏ、ｚｓＧａｏ
、７５Ａｌｌ第２ガイド層１７を０．２ａｍＭＯＣＶＤ
法で連続成長させる。

上記成長において、ＭＯＣＶＤ法は従来から行われてい
る液相成長法とは異なり、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で、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、上記の如き層厚の薄い
活性層１６を層厚の制御よく成長する事ができる。

次にフォトレジスト法によシストライプ領域１２の共振
器長て方向に位置する両反射面近傍に幅３μｍ長さ３０
μｍのストライプ状にフォトレジストを除去し、この両
反射面近傍を深さ０．４μｍエツチングして第１ガイド
層１５内で止める。このときストライプ領域１２と両反
射面近傍とのなす角θ（第４図）は共振器長方向におい
て、■−〇がレーザ発搦光の臨界角よシも小さくなるよ
うにする。

すなわち臨界角ψは このときθとしては ０くθ＜　−−ｔｈ　　（−） ２　　　　　ｆｉｌ 本発明の一例では活性層のみならず第１．第２のガイド
層へしみ出して伝搬する光も全反射するには ０〈θ（１６，５度 にする事が望ましい。こうすれば共振器中央の励起領域
から発光し活性層１６および第１と第２のガイド眉１５
．１７ｔｌ−共振器長方向に伝搬する光の一部は斜面で
全反射されて両度射面近傍を活性層の共振器長方向に進
行する事ができる。次にＳｔＯ。

膜１８で全体を被膜し之後フォトレジスト法によシスト
ライプ領域１２と上記エツチングした両度射面近傍とか
らなる共振器の長て方向全長に幅３μｍのストライプ状
に５ｉｏｔ膜１８を残しその外部のＳｉｎ、膜を除去す
る。このストライプ状に残シ友ＳＸＯ，膜１８をマスク
として深さ１．５μｍエツチングし第１クラッド層１４
内で止める。この結果共振長て方向内反射面近傍では第
１クラッド層１４上に第１ガイド層１５からなる凸部領
域が形成されストライプ領域１２にはストライプ状の第
１ガイド層１５、活性層１６．第２ガイド層１７の層構
造が残）　　　　　　　される（第６図）。

次にｓ　ｉｏ！膜１８を除去した後ｎ形Ａｌ　ｇ、５Ｇ
ａｏ、、Ａｓ第２クラッド層１９を１．０μｍ　、　ｎ
形ＱａＡｓキャｙプ層２０を０．５μｍＭＯｃＶＤ法で
連続成長する。

上記成長において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成長の面方位依存性はなく、
どの方向にも一様な厚さで成長する。

従って本発明の構造の凸状の領域では、凸状の形状に沿
って一様な層厚に第２クラツド層１９．キャップ層２０
が成長する。なお第２クラッド層１９を成長する直前に
ＨＣＩ等のガスで凸状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形オーミックーンタクト２１、基
板側にｐ形オーミツクコ／タクト２２をそれぞれつける
と本発明の構造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）（発明の作用・原理） 本実施例の構造においてｐ形基板ではストライプ領域１
２以外はその表面部分が電流ブロック層１３になってい
るので、ｐ形基板側から注入された電流はストライプ状
領域１２のみを通って第１クラッド層１４に注入される
。電流は第１クラッド層１４から第１ガイド１−１５を
通って活性層１６に注入される。活性層１６に注入され
たキャリアは活性層水平横方向に拡散していき利得分布
を形成しレーザ発振を開始する。このとき本実施例の如
く活性層１６にいたるまでｐ形の層構造になっている場
合には各層の抵抗は比較的高いので電流は横方向に広が
る事なく活性層１６に注入される。支圧活性層１６は水
平横方向は第２クラッド層１９ではさまれＢＨ層構造し
ている。従って注入電流は活性層１６に集中して流れこ
みレーザ発揚に寄与するので低閾値高効率のレー・ザ発
振をする事ができる。

本実施例の構造で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＃１
６から垂直方向に広く広がる。特に活性層１６は第１と
第２のガイド層１５．１７に隣接しているので、光は屈
接率の比較的大きいこれらガイド層１５．１７内に広く
広がる。共振器の長て中央領域のストライプ領域１２の
活性層１６で発光した光は活性層１６から第１ガイド層
１５．第２ガイド層１７に広がって共振器内を進行して
ｂく。

本実施例の１債は、活性ｒ４１６　、第２ガイド府１７
、更に第１ガイド層１５の一部は、共振器の長て方向内
反射面近傍において、第２クラッド層１９に隣接しこの
隣接回はレーザ光の進行方向に対して臨界角よりも小さ
ぐレーザ光を全反射するので光はもれる事なく両度射面
近傍では第１ガイド層１５内へと進行していく。又第１
ガイド層１５の一部は共振器長方向全域にわたってつな
がっているので、中央のストライプ領域１２の活性層１
６からこの部分までしみ出した光はそのまま第１ガイド
層１５内を直進していく。

従って活性層１６で発光し九光はすべて両度射面近傍で
は第１ガイド層１５内へ進行して−く。この両度射面近
傍の第１ガイド層１５は、垂直方向では第１クラッド層
１４と第２クラッド層１９とで挾みこまれており、水平
横方向でも両端が第２クラッド層１９で挾みこまれてお
り、ストライプ状の完全な先導波路を形成してｂる。従
って光は広がる事なく、ストライプ状の光導波路を形成
する第１ガイド層１５内を集光して進行していく。

本実施例では、各ガイド層のバンドギャップはレーザ光
に対して１４６ｍｅＶ以上広がっているので、ガイド層
内を進行する光が吸収損失を受ける事はない。こうして
両反射面近傍のストライプ状の光導波路をなす第１ガイ
ド層１５内を進行した光は一部反射面で反射され、再び
光導波機能をもつ第１ガイド層１５内を損失をうけるこ
となく戻シ、活性ｌ−１６内に入り、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。

本実施例の構造は、渡辺、岡島、浅井、茂木が第２９回
応用物理学関係連合講演会予稿集１６１頁（１９８２年
春季）に報告し念端面埋込み型ＢＨレーザとは全く異な
シ、カップリング効率が飛跳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。

本実施例の構造では、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）の生じる光出力塗 レベルを著しく上昇させる事ができる。すなわち、通常
の半導体レーザで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シ、そこでは表面
再結合を生じ空乏層化してバンーコλ ドギャップか縮Ｉしている。大光出力発振をさせ〜Ｊ− ると、この縮ノしたバンドギャップにより光の吸収を生
じ、そこで発熱して融点近くまで温度が上昇し、つい釦
は光学損傷を生じる。これに対し本実１！ｆＡ列の構造
では両反射面近傍は非励起領域になっているばかシでな
く、レーザ発蛋元はバンドギャップ差が１４６ｍｅＶ以
上も広い層を透過して発揚するので、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である。

本実施例の構造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揚時には光は活性層１６から
垂直方向に広く広がる。この様に活性層１６からの光の
しみ出しを大きくして活性層の閉込め係数（ｆｉｌｌｉ
ｎｇ　ｆａｃｔｏｒ　：　７’）を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ＷＮと
すると ｐｏ（−Ｘ効。

となシ光出力はｆｉｌｌｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒ　Ｉ’に
反比例して上昇する。まｚ　ｆｉｌｌｉｎｇ　ｆａｃｔ
ｏｒ　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によって破
壊されるレベルも同時に上昇する。従って前記したウィ
ンドウ効果による光学損傷レベルの上昇に相乗され、本
実施列の構造は光出力を大幅に上昇させる事ができる。

本実施例の構造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υ角転を急激に減少さ
せる事ができる。特に活性層がガイド層に挾みこまれて
いる本実施例では広が９が助長されθ工≦１５度にする
事ができる。これに対し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て°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
シ角θ９を０９＝１２〜１５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之レーザ光はこ
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υやすく
その効率を上昇させる事ができる。

（本発明の効果） 本発明の構造は、ウォング（Ｃ，Ｓ、Ｈｏｎｇ　）　。

カセｂ−ｉｙト（Ｄ　、　Ｋａａｅｍｓｅｔ　）　、キ
ム（Ｍ、Ｅ。

Ｋｘｍ　）　＃ミラノ（Ｒ、Ａ　、　Ｍｉｌａｎｏ　）
によりてエレクトロン　レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　
Ｌｅｔｔｅｒａ　）　１９８３年、１９巻、Ａ１９，７
５９頁から７６０頁に発表されたレーザとは全く異なり
、基本横モードレーザ発振を維持した状帽で大光出力レ
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ｆ【極を
用いる等製造方法も比較的やさしく、ＭＯＣＶＤ去特有
の層厚の制御性のすぐれｔ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４域が直接反射
面に露出している通常の半導体レーザに比べて、外部と
の化学反応はおこシ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Ａ　Ｉ　ＧａＡ　ｓ／Ｇ　ａＡｓダブル
へテロ接合結晶材料について説明１７たが、他の結晶材
料例えばＩｎＧａＡｓＰ／　ＩｎＰ、　ＩｎＧａＰ／Ａ
ＩＩｎＰ　、　ＩｎＧａＡｓＰ／　ＩｎＧａＰ　、　Ａ
ｌＧａＡｓＳｂ／　ＧａＡｓＳｂ　！＄？ｌｔ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図は本発明の一実施例の斜視図、第２１゜第３図、
第４図は第１図のＡ−Ａ’　、　Ｉ３−Ｂ’　、　Ｃ−
Ｃ′断面図、第５図はこの実施例でストライブ領域外部
ＪＩｃ屯流ブロック層を形成した時の平面図、第６図は
この冥７Ｊｌ？ｉ例で共会器の長て方向にストライプ状
の凸部領域を形成し友時の斜睨図である。図において １０　・ｐ形ＱａＡｓ基板　１１１−５ｔｏ膜り １２・・・ストライプ領域　１３・磁流ブロック層１４
−・−ｐ形Ａｌ　６．５０ａＯ，５ＡＳ第１クラッド層
１５・・ｐ形Ａｌ　６，２５Ｇａｏ、７５ＡＳ第１ガイ
ド層１６−・・アンドープＡＩ　０．１５ＧＡＩＩＬｓ
　５ＡＳ活性層１７＝−ｎ形Ａｌ（Ｌ２５Ｇａ０．７５
Ａ”第２ガイド層１８・・・ＳＸＯ，膜 １９−ｎ形Ａｌ　ｏ、５Ｇａ６，５Ａ８４２クラッド層
２０・・・ｎ形ＧａＡｓ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 である。 享　　Ｚ　　面 Ａ　　　　　　　　　　　　　　　Ａ″亭　　３　　図 Ｂ　　　　　　　　　　　　　　Ｂ″ 千　　４　　図 半　　乙　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 共振器長て方向両反射面近傍を除いた中央部分にストラ
   イプ領域を有すると共に、該ストライプ領域両側で端面
   近傍領域に電流ブロック層を有する半導体基板に隣接し
   て、屈折率の小さい材質からなる第１のクラッド層を設
   け、前記ストライプ領域上方部に該第１のクラッド層に
   隣接して該第１のクラッド層よりも屈折率の大きい材質
   からなるストライプ状の第１のガイド層、該第１のガイ
   ド層よりも屈折率の大きい材質からなり管内波長の数倍
   以下の層厚を有するストライプ状の活性層、該第１のガ
   イド層と同程度の屈折率をもつ材質からなるストライプ
   状の第２のガイド層を順次隣接して設け、前記活性層及
   び第２ガイド層は反射端面に達しない構造とし、さらに
   前記ストライプ状第１ガイド層、活性層、第２ガイド層
   を覆うようにして第１のクラッド層と同程度の小さい屈
   折率を有する材質からなる第２のクラッド層を設け、該
   第２のクラッド層上にキャップ層を設け、該ストライプ
   領域上の活性層および第２のガイド層と両反射面近傍の
   該第２のクラッド層との隣接する面が共振器長方向にお
   いてレーザ光に対して全反射する角度に形成した事を特
   徴とする半導体レーザ。