JPS62259492A - 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） 本発明は半導体レーザ素子に関する。

（従来の技術） 半導体レーザ素子は光フアイバ通信や光情報処理技術に
おいて、その進展を決めるキーデバイスであり、レーザ
利得の大きな素子が求められている。半導体レーザは、
活性層がこの活性層より広い禁制帯幅をもつ半導体層で
挟まれた層構造を半導体基板上に有し、活性層中の電子
準位に電流注入しキャリヤをためてレーザ発光させる素
子である。半導体レーザのレーザ利得の増加を図るには
、３次元的なバルク電子状態に比べ２次元的電子状態で
はレーザ利得が大きい性質を用い、発光領域である活性
層中の電子が量子化される程薄い膜厚の活性層を形成す
ることが有効であることが知られている。このような薄
Ｈ莫の単層あるいは多層の活性層を持つ半導体レーザは
量子井戸レーザと呼ばれ現在盛んに研究されている。更
に、膜と平行な方向にも膜厚サイズと同程度に細い構造
を形成した場合、１次元的電子状態が形成される。この
場合には、２次元的電子状態の場合よりもレーザ利得が
更に大きくなり、従って発振閾電流の減少や、閾電流の
温度変化の減少、発振線幅の減少などを達成できる可能
性が理論的に示されている、そして、実際に半導体の細
線構造形成の試みもアプライド・フィジックス・レター
ズ（Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、４１゜６３５（１
９８２））に記載されているようにベル研（Ｂｅｌｌ研
究所）のペトロフ（Ｐｅｔｒｏｆｆ’）達によりはじま
っている。

（発明が解決しようとする問題点） ペトロフ（Ｐｅｔｒｏｆｆ）達は砒化ガリウムと砒化ア
ルミニウムガリウムとをそれぞれ約２００人づつ交互に
積層した膜にレジストからなる２ｐｍ幅のライン、スペ
ースパターンをマスクとして設はケミカルエツチングを
行ない、第２図に模式的に示したように、３角形状にエ
ツチングされた膜２１の頂点に発光層として約２００Ａ
　Ｘ　２ｏｏＡサイズの砒化ガリウムの細線を形成した
。しかし、現在までのところこのような細線構造を用い
た半導体レーザで良好な特性を得た報告は未だなされて
いない。これはウェットエツチングによる細線サイズの
制御性が悪いことや、通常の量子井戸レーザに比べ、細
線構造形成による電流ロスや光の閉じ込めロスの増加が
原因と考えられる。すなわち、第２図に模式的に示した
ように一方の電極から活性層領域を通り他方の電極へ電
流２２を流す際に、活性層に流れないで無駄に費やされ
る電流ロスが大きい点が間層と考えられる。また、電流
ブロック構造を設けて活性層への電流注入に成功したと
しても、活性層と活性層の間に利得のない領域が存在し
、いわゆる光の閉じ込め係数が減少する点が問題であっ
た。本発明の目的は、量子井戸レーザの高利得化が可能
で、かつ細線構造化する際に生ずる問題点を改善できる
構造の半導体レーザ素子を提供することである。

（間順点を解決するための手段） 本発明によれば、発光領域である活性層を含む半導体層
構造を基板の上に形成した半導体レーザ素子において、
前記活性層が階段状構造を有する特徴を付加することに
より、活性層の膜厚を薄くかつ階段構造のステップ間隔
を小さくするにつれより１次元的電子状態の特性を備え
従来型より高利得の半導体レーザ素子が得られる。

（作用） 一般に半導体レーザ素子の利得は活性層中の電子の状態
密度関数に大きく依存し、利得の違いも状態密度関数の
違いで近似的に記述できることが知られている。電子の
状態密度関数は、３次元バルク電子状態では第３図（ａ
）のように放物型、２次元的電子状態では第３図（ｂ）
のように階段型、１次元的電子状態では第３図（ｄ）の
ようにバンド端で顕著に大きい関数で表わされることが
よく知られている。ここで第３図の縦軸は状態密度関数
、横軸はエネルギーで関数の零からの立上りエネルギー
位置がバンド端を示す。本発明では、第４図に膜断面模
式図を示したように活性層４０の膜と平行な方向にステ
ップ４３を設け、膜と平行方向にもポテンシャルバリア
を設ける。従って層厚とステップ間隔を小さくすれば理
想的には、第３図（ｄ）のような−次元的電子状態が得
られる。またそれ程ステップ間隔が小さくできない場合
でも、第３図（Ｃ）に模式的に示したように、２次元的
電子状態に対し１次元的電子状態が加味された状態が形
成され、２次元的電子状態に比べ、擬１次元効果の寄与
によりレーザ利得の改善が図れるものと期待できる。ま
た、活性層４０に流れる電流４４は第４図の模式図から
もわがるように電流ロスの無駄なしで活性層４０に注入
でき、細線構造形成に伴う間層の改善ができる。また活
性層を階段構造にしたことにより、活性層自身の体積は
減少しないので、活性層への光の閉じ込め係数減少によ
る発振閾電流増加は殆んど生じないメリットが得られる
。その他、擬１次元電子状態に付随する現象はレーザ利
得に限らず、発振線幅の減少や変調応答帯域の増加等が
考えられ、また未知の量子サイズ現象も期待できる。

以下、本発明の実施例について図面を用いて更に詳細に
説明する。

（実施例） 第１図は本発明の詳細な説明する素子断面概略図である
。第１図は半導体レーザの基板１の発光端面２，３に垂
直な側面図を示す。第１図のように本発明の活性層は階
段状であることを示している。層構成は通常の単一端子
井戸レーザと同様とした。以下、このような構造の形成
例について簡単にしめす。本実施例では階段状構造を次
のように形成した。先ず通常の砒化ガリウム基板面の軸
を結晶軸［００１］から［１１０］軸のまわりに約２°
傾は表面に結晶性の段差ステップ４を持つ基板を準備す
る。この場合ステップ段差は１格子定数である約６人、
ステップ間隔は約１６０人となる。この上に例えばＭＢ
Ｅ成長法を用い、活性層１０の両側にガイド層１１を、
さらにその外側にクラッド層１２．１３を階段状にエピ
タキシャル成長を行う。このような、階段状成長の現象
はステップ成長現象としてよく知られており、例えば砒
化ガリウム基板ついては、アプライド、フィジックスル
ターズ（Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、４５，６２０
（１９８４））に記載の実験により、砒化ガリウムと砒
化アルミニウム層のステップ成長が確認されている。本
実施例では通常の量子井戸レーザに用いられる層構成を
採用し、第１図のようにｎ型砒化ガリウム基板の上にア
ルミニウム組成比が約０．３５の砒化アルミニウムガリ
ウムクラッド層１２，１３、砒化ガリウム活性層１ｏを
分子ビームエピタキシャル（ＭＢＥ）法で成長した。

１２はＮ型１３はＰ型にドープし基板はｎ型のものを用
いた。なお、１１は光のとじ込めのため屈折率をクラッ
ド層より低めた組成の砒化アルミニウムガリウムからな
るガイド層である。１６．１７は電極で、１５は電極と
コンタクトをとるためのキャップ層である。このように
作製された半導体レーザは、活性層膜厚が同じで、階段
状構造のない通常の量子井戸レーザに比べ発振閾電流密
度が減少する結果が得られた。また、基板面結晶軸がら
の傾き角を１°、２°。

３°と変え階段構造のステップ長さを短がくするにつれ
、上記の改善効果が大きくなる傾向を示した。

また第１図では、紙面に垂直方向については示していな
いが、従来のように電流狭窄用の構造を設けた。このと
き電極１６．１７間を流れる発振閾電流も、活性層を階
段構造にしたことにより階段構造でない場合に比べ減少
することがわかった。その他、本実施例では活性層微細
構造の形成を、微細加工プロセスを施すことなく、形成
できた。このように素子作成工程が簡単であることも本
発明の半導体レーザ素子の利点である。なお、第１図で
レーザ光出射端面ば、活性層膜方向と垂直に形成されて
いる。これは、通常の（１１０）結晶襞間面を用いれば
容易に形成できる。第１図で基板の底と電極面はレーザ
端面２，３と垂直な図を示している。これは結晶成長復
電極付は前に整形したものであり、整形を省略しても本
発明のレーザ素子の特性に本質的な変化はない。

本実施例では、活性層が単一の量子井戸層からなる場合
について述べたが、多層の多重量子井戸や層間に電子相
互作用のある超格子構造からなる場合も擬１次元効果の
寄与が期待でき本実施例の構造の素子は有効である。ま
た活性層膜厚が量子井戸の場合程薄くない場合でもステ
ップサイズに応じ効果は、ある程度期待できる。本実施
例では砒化ガリウム系のＭＢＥ成長の例を述べたが方法
は他の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、や通常の気
相成長エピタキシャル法（ＶＰＥ）についてもまた材料
系はインジウムリン砒化ガリウム系や砒化インジウムガ
リウム系等地の系についても、有効であることは容易に
類推される。

なお本実施例では素子活性層の長手方向に階段構造を設
けたが長手方向と垂直方向に階段構造を設けても、同様
に半導体レーザの高利得化が図れる。

（発明の効果） 以上説明したように本発明の半導体レーザ素子は、活性
層を階段構造にしたことにより、同じ膜厚の２次元的な
活性層を持つ半導体レーザに比ベレーザ利得が高く、か
つこれまで提供されている細線構造レーザに比べ電流ロ
スや光とじ込めの問題の少ない良好な特性のものが得ら
れる。また、特別な微細加工プロセスを施さずに形成で
きる方法がある等、光素子の集積化や生産性向上にも適
しており、高性能の半導体レーザ素子として用いること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の素子１折面概略図、第２図
は従来試みられた発光層細線形成パターンの断面概略図
、第３図は（ａ）３次元バルク構造（ｂ）２次元平面構
造（ｃ）擬１次元的階段溝造（ｄ）１次元綿線構造の各
電子状態の状態密度関数を示す図、第４図は本発明の素
子主要部の作用説明図である。 １・・基板、　　　２・・・光出射端面、　　３・・・
他の端面、４・・・ステップ　１０・・・活性層、　　
　１１・・・ガイド層、１２．１３・・・クランド層、
　　　　　１５・・・キャップ層、１６．１７・・・電
極、　　　　　　　２０・・・発光層、２２・・・電流
、　　　　　　　　　４０・・・活性層、４３・・・ス
テップ、　　　　　　　４４・・・電流。 〈二　′ 第２図 ２２電流 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 発光領域である活性層を含む半導体積層構造を基板の上
   に形成した半導体レーザ素子において、前記活性層が階
   段状構造を有することを特徴とする半導体レーザ素子。