JPS62155579A - 半導体レ−ザ素子 - 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） この発明は半導体レーザ素子、特に多重量子井戸レーザ
素ｆに関する。

〔従来の技術〕

近年、従来の゛ト導体レーザと比較し１発振開始型流密
度を小さく出来ること、発振波長を量ｆ井戸層の厚さで
制御可能であること、さらに、発振開始電流値の温度依
存性が小さいこと等の理由により、多重量子井戸レーザ
素子の研究が行われている。このような多重量子井戸レ
ーザ素子は例えば文献（アプライド　フィジックス　レ
ターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈ７ｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅ
ｒｓ）４５　（１）（１９８４）Ｐ、１〜３）に開示さ
れている。第３図はこの多重量子井戸レーザ粱Ｅの要部
を示す断面図である。

第３図において、！ｌはｐ型ＧａＡｓ基板を示し、この
基板ｔｔｈにはそれぞれｌの組成比は異なるがｐ型Ｇａ
Ａ見Ａｓより成る下側クラフト層１３及び光ガイド層１
５が順次に設けである。この光ガイド層１５丘にはＧａ
Ａｓ／　ＡＪＩＬＧａＡｓから成る多重ａ＋井戸層が設
けられていて、この層は活性層１７となる超格子結晶部
分１７と、Ｚｎの熱拡散により超格ｆ構造の原子配列が
崩された混晶部分１９とで構成されている。これら活性
層１７及び混晶部分１９ｈにはｎ型Ａ１ＧａＡｓより成
る上側クラッド層２１が設けられ、ざらに、この層２１
Ｊ：にはストライプ状のｎ型ＧａＡｓキャップ層２３が
設けである。又、図中斜線で示す領域２５はＺｎを、拡
散させた領域を示す。又、上側クラッド層２１上で、か
つ、キャップ層２３の周囲にはＳｉ３Ｎ４から成る絶縁
層２７が設けである。又、２９及び３１はそれぞれｐ側
電極及びｎ側電極を示す、このような構造の多重量子井
戸レーザ素子では、活性層１７と混晶部分１９との屈折
率の違いを用いて先導波構造を得、電極をストライプ形
状として電流狭窄を行っていた。

第４図は文献（第４５回応用物理学会学術講演会予稿集
、　ｐ、１８Ｂ　　、　１４ｐ−Ｒ−９，１４ｐ−Ｒ−
１０）に開示されている。多重量子井戸レーザ素子の一
例を示す断面図である。

第４図において、４１はｎ型ＧａＡｓ基板を示し、この
基板上には化学エツチングで形成したメサストライプ４
１ａが設けである。この基板４１上にはバッファ層とし
てのｎ型ＧａＡｓ層４３と、下側クラッド層としてのｎ
型ＡｕＧａＡＳ層４５と、活性層としての多重量子井戸
層４７と、上側クラッド層としてのｐ型Ａ見ＧａＡｓ層
４９とキャップ層としてのｎ型ＧａＡｓ層５１とが設け
られている。

又、５３及び５５はそれぞれｎ側電極及びｐ側電極を示
す。この構造の多重量ｆ井戸レーザ素子では、基板４１
上に設けたメサ部分に有機金属成長法や分子線結晶成長
法により各層を結晶成長させる際、これらの成長方法特
有の成長形状を利用して屈折率導波型の多重量ｆ井戸し
−ザ素ｆを得ている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、Ｚｎの熱拡散を行って多重量ｆ井戸層の
一部を混晶部分としている構造の多重量ｆ井戸レーザ素
子では、多重量子井戸層を形成している超格ｆ構造の一
部を故意に破壊して混晶部分を形成しなければならない
。従って、こノ構造であると、特に、超格ｆ構造のまま
とした活性層と混晶部分との境界面に結晶欠陥が発生し
易くなる。このような結晶欠陥を内部に有する半導体レ
ーザは、例えば１発振寿命が低下する等、素子の信頼性
が悪化するという問題点があった。

又、基板に予めメサストライプを形成し、その上に下側
クラッド層等の各層を結晶成長させてなる積層構造を有
する多重量子井戸レーザ素子では１段差を有する基板（
メサストライプ構造を有する基板面）上に結晶成長が行
われているため。

成長させた結晶中に不要な応力が残存することになる。

このため、この応力により多重量子井戸レーザ素子の特
性が悪化してしまうという問題点があった。

さらに、前述した何れの多重量子井戸レーザ素子も、そ
の構造上、横モードの光の閉じ込めを屈折率分布により
行う屈折率導波型の多重量子井戸レーザ素子である。こ
のため１例えば光ディスクへの書込み及び光ディスクか
らの読出し用光源として用いる際に求められる、戻り光
の影響を受けても発振状態が安定で、かつ、信頼性の高
い多重量子井戸レーザ素子を作製することは難しかった
。

この発明の目的は、上述した問題点を解決して、多重ｆ
ｆ１ｆ井戸レーザ素子木来の特性を実現出来、かつ、必
要に応じて屈折率導波型又は利得／損失導波型の一部又
は双方の特性をもたせることの出来る構造を有した多重
量子井戸レーザ素子を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） この目的の達成を図るため、この発明によれば、ｎ５Ｇ
ａＡｓ基板上に、下側クラッド層と、活性層と、上側ク
ラッド層とを具える半導体レーザ素子において、 活性層をベリリウムを含む多重’＆ｆ井戸構造とし、こ
の活性層上に設ける北側クラッド層を、電流狭窄チャネ
ル部と、電流狭窄チャネル部及び活性層間の第一クラッ
ド層と、電流狭窄チャネル部上の第二クラッド層とを以
って構成したことを特徴とする。

（作用〕 このような構成によれば、電流狭窄チャネル部を有する
上側クラッド層により導波路が形成される。又、活性層
に接する第一クラッド層の膜厚を変えることにより、多
重Ｍｆ井戸レーザ素子を屈折率導波型の特性を有する素
ｆとするか、利得／損失導波型の特性を有する素子とす
るか、又は。

屈折率導波型と利得／損失導波型との中間の特性を有す
る素子が得られる。

又、ベリリウムにより多重量子井戸構造が熱破壊される
限界温度を引き上げることが出来る。

（実施例） Ｊ−１Ｔ、第１図及び第２図（Ａ）〜（Ｄ）を参照して
、この発明の一実施例につき説明する。尚、これら図は
この発明が理解出来る程度に概略的に示しであるにすぎ
ずその形状、寸法及び配置関係は図示例に限定されるも
のではない。

第１図はこの発明の多重量子井戸レーザ素子の構造を説
明するため、素子の要部を示す断面図である。

第１図において、６１はｎ型ＧａＡｓ基板（以下、単に
基板８１と称することもある）を示す、このＱａＡｓ基
板６１の（００１）面上には、バッファ層としてＳｔが
ドープされたｎ型ＧａＡｓ層６３と、下側クラッド層と
してＳｉがドープされたｎ型Ａｌｘ　Ｇ　ａｌ−ｘ　Ａ
　ｓ層６５と、活性層としテヘリリウム（Ｂｅ）を含む
Ｇ　ａＡ　ｓ／　Ａｌｖ　Ｇ　ａｌｙ　ＡＳ多重ｒｒＬ
ｆ井戸層６７とが順次に設けられている。

又、この活性層８７トには第一・クラッド層としてＢｅ
がドープされたｐ型ＡＲＫ　Ｇ　ａｌ−ｘ　Ａ　ｓ層６
９を、この多重部：ｒ井戸し−ザ素ｆを屈折率導波型と
するか又は利得／損失導波型とするかに応じた。適切な
膜厚で設けである（詳細は後述する）、このｐ型Ａ！；
Ｌｘ　Ｇａ＋、ｘ　Ａｓ層８９上には光吸収層及び電流
狭窄層としてそれぞれ作用するＳｔがドープされたｎ型
ＧａＡｓ層７Ｉと、ｎ型Ａｌｘ　Ｇ　ａｔ−Ｘ　Ａ　ｓ
層７３とが順次設けられている。さらに、これらの層７
１及び７３の一部分を所定の結晶方向にストライブ状に
除去してｐ型ＡｉｘＧａ＋−にＡＳ１９の一部分を露出
させた構造となっている。ざらに、この露出されたｐ型
Ａｌ　ｘ　Ｇ　ａｌ−ＸＡＳ８９（７）一部分及びｎ型
ＡＪｌｘ　Ｇａ＋−ｘ　Ａｓ層７３の両表面に、第二ク
ラッド層としてｐ型ＡＪＬｘ　Ｇ　ａｌ−ｘ　Ａ　ｓ層
７５を設けてあ６．　ここで層６９と層７５とは同一の
材料で形成されているから、層６９とＭ２Ｓとはストテ
イズ部分で連結して上側クラット層７Ｂを構成する。こ
の上側クラッド層７θのストライプ状の連結部分は電流
狭窄チャネル部７７となる。又、ｎ型Ｇ　ａ　Ａ　’ｓ
層７１とｎ型ＡＪＬｘＧａ１にＡｓ層７３とは、Ｂｅを
ドープしたｐ型Ａ立、Ｇ　ａ　ｌｘ　Ａ　３層６８及び
７５の各層に挟まれた構造となる。この構造では、ｐ型
ＡＪｌｘ　Ｇ　ａｌｘ　Ａ　ｓ層６３とチャネル部７７
の両側のｎ型ＧａＡｓ層７１及びｎ型Ａｌｘ　Ｇ　ａ　
ｌ−Ｘ　Ａ　５層７３との間は逆バイアスとなるから、
′ＦＬ流はチャネル部７７を集中して流れ、電流狭窄作
用が得られ、基本横モード発振の安定化を図ることが出
来る。

さらに、上側クラッド層７９上にはキャップ層としてＳ
ｔをドープしたｐ型ＧａＡｓｌ３８１が設けられている
。又、キャップ層８１上にはｐ側電極８３が、基板６１
の下側にはｎｆｌｔｌｌ電極８５がそれぞれ設けられて
いる。

以下に、この発明の多重量子井戸レーザ素ｆの理解を深
めるために、この多重ｆｆ１Ｆ井戸レーザ素Ｆの製造方
法の一例につき説明する。

７ＪＳｚ図（Ａ）〜（Ｄ）は、この発明の多重量ト井戸
レーザ素子の製造工程図であり、工程の進度に応じた、
素子の要部を示す断面図である。尚、これら図において
、第１図と同一の構成成分については同一の符号を付し
て示す。

先ず、有機金属気相成長法（ＯＭＶＰＥ）又は分子線結
晶成長法（ＭＢＥ）によりｎ型ＧａＡｓ基板６１の（０
０１３面上に順次に、バッファ層としてＳｉをドープし
たｎ型ＧａＡｓ層６３と、下側クラッド層としてＳｔを
ドープしたｎ型Ａｌｘ　Ｇ　＆Ｉ−ｘ　Ａ　ｓ層６５と
、活性層としてＢｅをドープしたＧａＡｓ層　Ａｎｙ　
Ｇａ＋　ｖ　Ａｓ多重量子井戸層６７と、第一・クラッ
ド層としてＢｅをドープしたｐ型Ａｕｘ　Ｇ　ａｌｘ　
Ａ　ｓ層６９と、Ｓｔをドープしたｎ型ＧａＡｓ層７１
とを成長させる（第２図（Ａ）　）　、この際、ｐ型Ａ
ｉｘ　Ｇ　ａｌ−ｘ　Ａ　ｓ層６９を成長させる膜厚は
、この多重量子井戸レーザ素ｆを屈折率導波型の特性を
有する素子とするか、利得／損失導波型の特性を有する
素子とするか又は両者の特性を有する中間型の素ｆとす
るかに応じて、所望の膜厚とする。屈折率導波型の素子
ではその発振モードは縦モード屯−モードであるのに対
して、利得／損失導波型の素子では縦モードは多モード
となる。例えば、戻り光を極力避けたい場合は、縦モー
ドが多モードとなる。利得／損失導波型の素子となるよ
うにｐ型Ａ見。

Ｇａ１−ＸＡＳ層６９の膜厚を厚く（通常は０．５ｇｍ
程度以上の厚さ）すれば良い。又、レーザ出力光を一点
に正確に、かつ、小さなスポットで集束したい場合には
、屈折率導波型の素ｆとなるように、ｐ型Ａｕｘ　Ｇ　
ａｌ−ｘ　Ａ　ｓ層６９の膜厚を薄くすれば良い。

次に、フォトリングラフィ法と、ウェット又はドライエ
ツチング法とによりｎ型ＧａＡｓ層７１を力■工して、
例えば幅が１０ｇｍ以下でストライプ状に長い逆メサ形
状となるように、かつ、逆メサ部分Ｖｉａ以外の領域の
膜厚が１牌ｍ程度で残存するように、ｎ型ＧａＡｓ層７
１の不要部分を除去して、突出部７１ａを有する第２図
ＣＢ）に示す構造を得る。

次に、液相エピタキシャル成長法により、ｎ型ＧａＡｓ
層７１の逆メサ部分７１ａ以外の領域上に、ｎ型Ａｌｘ
　Ｇａ＋　ｘ　Ａｓ層７３を成長させる（７Ｊｔ、２図
（Ｃ））、このような選択成長はｎ型Ａｌｘ、　Ｇ　ａ
　１　イＡｓ層７３を成長させる際のメルトの過飽和度
を２〜３°Ｃと設定しておけば、メサ部分の幅が１０ｇ
ｍ以下としであるからメサ部分７１ａ、ｈにはｎ型Ａ文
Ｘ　Ｇ　ａｌ−ｘ　Ａ　Ｓは成長しない。続いて、ｎ型
ＧａＡｓ層７１のメサ部分７１ａを未飽和のＧａＡｓメ
ルトによりメルトバックして、メサ部分？ｌａ下のｐ型
Ａｕｘ　Ｇ　ａｌ−ｘ　Ａ　ｓ層６９の部分を露出する
。この際、ｎ型ＡｕｘＧａ１１．Ａｓ層７３のメルトバ
ック速度はｎ型ＧａＡｓ層７１のメルトバック速度と比
較して数分の−であるから、ｎ型ＧａＡＳ層７１のメサ
部分７１ａが先にメルトバックされて、第２図（Ｄ）に
示す構造を得る。このｎ型ＡＪｌｘ　Ｇ　ａｔ−ｘ　Ａ
　ｓ層７３の成長工程及びメサ部分７１ａのメルトバラ
ツク工程での雰囲気温度は高温（〜８００℃）となるが
、活性層である多重量子井戸層６７にはベリリウム（Ｂ
ｅ）がドーピングされているため、多重量子井戸層６７
の超格子構造がこの熱により破壊されることはない。こ
のＢｅの効果については文献（アプライド　フィジック
ス　し　タ　−　ズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ
　Ｌｅｔｔｅｒｓ）４Ｂ　（９）（１９８５）Ｐ、８４
９〜Ｐ、８５０　）に開示されている。さらに多重量子
井戸層６７がドーパントの熱拡散を阻止する特性を有す
るから、多重量子井戸層６７と接している下側クラッド
層６５のこの層６５にドーピングされているＳｉが、多
重ａｆ井戸層６７を通過することが出来ず、従って、こ
のＳ【が上側クラッド層６９に熱拡散することはない。

これがため、上側クラッド層であるｐ型Ａ文にＧ　ａ　
＋−ｘ　Ａ　ｓ層６９とｎ型ＧａＡｓ層７１との間に形
成される電流狭窄層となるｐｎ接合層が保護されること
になる。

続いて、液相エピタキシャル成長法により、ｎ型ＡｆＬ
ｘ　Ｇ　ａｌ−ｘ　Ａ　ｓ層７３と、メサ部分？１ａを
メルトバックすることにより露出したｐｙ！１ＡｕＸＧ
ａｌ−ＸＡＳ層６９の一部分との両表面に、第二クラッ
ド層としてＰ型Ａ文ｘＧａｌ−ｘＡｓＡｓ層上５キャッ
プ層となるｐ型ＧａＡｓ層８１とを順次に成長させる。

ここで層６９と層７５とは同一の材料で形成されている
から１層６９と層７５とはストライプ部分で連結して上
側クラッド層７８を構成する。この上側クラッド層７９
のストライプ状の連結部分を電流狭窄チャネル部７７と
称する。このチャネル部７７の両側（７）Ｐ型Ａｌ＊　
Ｇａ＋、ｘ　Ａｓ層６９と、ｎ型ＧａＡｓ層７１及びｎ
型Ａｎ　ｘ　Ｇ　ａ　ｌ−ｘ　Ａ　ｓ層７３との間は逆
バイアスとなるから、電流はチャネル部７７を集中して
流れ、電流狭窄作用が得られる。

続いて、Ｐ側ＴＬ極８３およびｎ側電極８５のそれぞれ
のＩＴｉ、極を形成した後、襞間、ポンディング等を行
って半導体レーザ素ｆである多重Ｍｆ井戸レしザ素ｆが
完成する（第１図）。

（発明の効果） 上述した説明からも明らかなように、この発明によれば
、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、Ｆ側りラッド層と、活性層と
、上側クラッド層とを具える半導体レーザ素ｆにおいて
、活性層をベリリウムを含む多重量子井戸構造とし、Ｅ
側りラッド層を、電流狭窄チャネル部と、電流狭窄チャ
ネル部及び活外層間の第一クラッド層と、電流狭窄チャ
ネル都市の第二クラッド層とを以って構成しである。

従って、電流狭窄チャネル部を有する上側クラッド層に
より導波路が形成される。このため、従来の素子のよう
にＺｎの熱拡散又は基板に形成した溝を用いて光閉じ込
めを行わずに導波路の形成が行える。

又、活性層と接する上側クラッド層の第一クラッド層の
膜厚を厚く（通常、０．５μｍ程度以上の厚み）するこ
とにより、従来出来なかった、戻り光雑音が極めて発生
しにくい利得／損失型の多重量子井戸レーザ素子が実現
出来る。又、この第一クラッド層の厚みを薄くすること
により、屈折率導波型の特性を有する素Ｆを得ること、
さらに、屈折率導波型と利得／損失導波型の中間の特性
を有する素子を得ることが出来る。

又、活性層である多重量子井戸層にベリリウムをドープ
しであるため、この発明の多重量子井戸レーザ素子を形
成する工程中の液晶エピタキシャル成長時及びメルトバ
ック時の雰囲気温度により、多重量子井戸構造が破壊さ
れることを防止出来る。

これがため、結晶欠陥や応力の影響のない多重量子井戸
レーザ素子本来の特性を実現出来、かつ、必要に応じて
屈折率導波型又は利得／損失導波型の一万又は双方の特
性を具えさせることの出来る構造を有した多重量ｆ井戸
手導体し−ザ素ｆを提供出来る。

【図面の簡単な説明】

７５１図はこの発明の多重量子井戸半導体レーザ素ｆの
一実施例を示す断面図、 第２図（Ａ）〜（Ｂ）はこの発明の多重量子井戸半導体
レーザ素子の製造方法の一例を説明するための製造工程
図、 第３図及び第４図は従来の多重量子井戸半導体レーザ示
す断面図である。 ６１・−・ｎ型ＧａＡｓ１板 ６３・・・パックァ層（ｎ型ＧａＡｓ層）ｅ　５　・・
・下側クラッド層（ｎ型Ａｌ　ｘ　Ｇ　ａ　１−ｘ　Ａ
　３層） ６７・・・多重量子井戸層 ６９・・・第一クラッド層（ｐ型ＡＪＬｘ　Ｇ　ａｌ−
ｘ　Ａ　ｓ層） ７１・・−ｎ型ＧａＡｓ層 ’　　　７３−−−ｎ型Ａｌ　ｘ　Ｇ　ａ　＋　−ｘ　
Ａ　３層７５・・・第二クラッド層（ｐ型Ａ見、Ｇａト
、Ａｓ層） ７７・・・電流狭窄チャネル部 ７８・・・上側クラッド層 ８１・・・キャップ層（Ｐ型ＧａＡｓ層〕８３・・・ｐ
側電極 ８５・・・ｎ側電極。 特許出願人　　　　沖電気工業株式会社６ｆ　：　７７
９＆ａＡ５基＆　　　６３　：　ｊ−ζ７７１漫Ｃｎ型
Ｇ−ａＡｓｌｊ＞５ｆ゛下イ則７ｔ−ｙドＡ　（ｎ’Ｑ
ＡＪ−ｚｌｒａｆ−ｘＡｓｌ＋　）６７：　、！ｔｅｔ
＋井７’４　　　　７ｆ：ｎ”；：（ｒａＡｓ層６ｑＪ
−クラッド／９　（ｐ＜Ａｌｙ、＆１ｌｔ−ｚＡｓ／’
り７．３：ｎ型ＡＪｘｌｔａｔ−ｘＡｓ／９７５Ｊニク
フツド屑（Ｐ型Ａ１工Ｇｄｆ−χＡｓ層）７７：電流状
牙＋ｉオル舒　　　η；エイ則り２ツド漫δｆ　ヤ〒−
、乙層Ｃ戸型０ａ△５乃）１！ＦＪ：　ｐイ到４１ｈ　
　　　　　　　　　＆５　、７２４１１９ｆイ（ｋこの
４ト明の夕吏量子手４４岑し一ブのりｌカ回第１図 二の発δ月の千導４手し−゛す′の製造工、ｌ！国二の
発明の牛導イ杢し−寸゛の製遁工桟凪、ｔｔの号ｔ！°
チ牛導イ杢ムーサ゛の廖り力ｍ第３図 従来の夕！量子す導イ奎し一寸゛の前面記第４図 手続ネ甫正書く方式） ％式％ １事件の表示　　昭和６０年特許願１６９５０９号２発
明の名称 半導体レーザ素子 ３補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住所　（〒＝１０５） 東京都港区虎ノ門１丁目７番１２号 名称（０２９）沖電気工業株式会社 代表者　橋本　南海男 ４代理人　〒１７０　　　ｆｆｉ　（９８８）５５６３
住所　東京都豊島区東池袋１丁目２０番地５図面の簡単
な説明の欄 ７補正の内容 明細書第１６頁第１２行目の「第２図（Ａ）〜（Ｂ）　
Ｊ　ヲＦ７Ｊ、２図（Ａ）　〜（Ｄ）　Ｊ　ト訂正する
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ｎ型ＧａＡｓ基板上に、下側クラッド層と、活性
   層と、上側クラッド層とを具える半導体レーザ素子にお
   いて、 活性層をベリリウムを含む多重量子井戸構造とし、 上側クラッド層を、電流狭窄チャネル部と、電流狭窄チ
   ャネル部及び活性層間の第一クラッド層と、電流狭窄チ
   ャネル部上の第二クラッド層とを以って構成したこと を特徴とする半導体レーザ素子。