JPS6226882A - 半導体レ−ザ装置 - 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】 １嵐立互 本発明は、半導体レーザ装置に関するものであって、更
に詳細には、不純物拡散により発光を行なう為の活性領
域を画定するタイプの半導体レーザ装置に関するもので
ある。

焚米韮笠 半導体レーザ装置は、ｐｎ接合におけるキャリアの注入
を通じて反転分布を発生させ活性領域で光の誘導放出を
起こさせるもので、利得係数を容易に大きくすることが
可能で、共振器の寸法が著しく小さい等の特徴を有して
いる。スレッシュホールドを低くし且つ室温連続動作可
能な半導体レーザ装置を得る為には、キャリアの閉じ込
めと光の閉じ込めを効率的に行なうことが必要とされ、
その為にダブルへテロ構造を使用することが広く行なわ
れている。又１発光を行なう活性領域を画定するｐｎ接
合を形成する為に、選択した不純物を拡散することも行
なわれている。

第８図は、Ｚｎ拡散を用いてｐｎ接合を形成する所謂Ｔ
　Ｊ　Ｓ　（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｊｕｎｃｔｉｏｎ
　５ｔｒｉｐｅ）構造の半導体レーザ装置の断面を示し
ている。この半導体レーザ装置は、典型的に、半絶縁性
ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２と
、ｎ−ＧａＡｓ活性層３と、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド
層４と、ｎ−ＧａＡｓキャップ層５とを、順次、この順
に積層形成した後に、基板１に達する迄Ｚｎ拡散を行な
い、Ｐ十拡散領域６とＰ拡散領域７とを形成し、更にキ
ャップ層５に生じるｐｎ接合を選択的にエツチング除去
した後、ｐ型オーミック電極８及びｎ型オーミック電極
９を蒸着して製造したものである。尚、活性層３は１層
厚が極めて薄く、約０．２ミクロンのオーダであり、又
発光を行なう活性領域３ａは、活性層３中に形成される
ｐｎホモ接合領域である。

即ち、このＴＪＳ構造では、レーザ発振は、活性層３中
のｐｎホモ接合部で行なわれる。即ち、クラッド層２及
び４の発振波長に対する屈折率は、活性層３の屈折率よ
りも小さく構成されており、従って発生された光は活性
層３に垂直な方向に関しては活性層３中に閉じ込められ
るが、活性層３に水平な方向即ち電流の流れる方向に関
しては、活性層３中のｐｎホモ接合をキャリア及び光に
対する障壁として使用している。従って、キャリア及び
光の閉じ込めが必ずしも良好とは言えず、その為に量子
効率が低いという欠点がある。

更に、活性層３中のｐｎホモ接合近傍の発光領域の断面
は、その厚さが約０．２ミクロンで幅が約３ミクロン（
ｐｎホモ接合でのキャリアの拡散長程度）と極めて小さ
い為に、光出力密度が大きくなり、その為に端面破壊が
発生することがあり、従って高光出力が得られにくいと
いう欠点がある。

更に、半絶縁性基板１を使用する為に、ｎ側の電極を基
板の裏面側から取ることが不可能であり。

ｐ側及びｎ側の両電極共上部のキャップ層５上に形成せ
ねばならない。その結果、放熱用のヒートシンクは基板
１の裏面側に接触させて設ける必要があり、その為に放
熱は層厚の比較的大きな基板１を介して行なうこととな
り、放熱効率は低く、この点からも光出力は制限されて
いる。又、層厚が０．２ミクロン以下程度の極めて薄い
活性層３を、均一に１０秒程度の短時間で成長形成させ
ることが必要であると共にメルトバックの発生を回避す
ることも必要で、ｐ側及びｎ側のオーミック電極の分離
等の製造上の困難性もある。

１−攻 本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述
した如き従来技術の欠点を解消し、製造が容易であるば
かりか、端面破壊を発生すること無く高光出力を得るこ
との可能な半導体レーザ装置を提供することを目的とす
る。

１−履 本発明に基づいて構成される半導体レーザ装置において
は、大略断面が三角形状のストライプ状突起を形成した
基板の上にクラッド層を形成し、そのクラッド層内に不
純物を拡散させて該突起頂部をも拡散領域内に包含させ
、断面が大略三角形状の活性領域を画定している。この
構成においては、基板とクラッド層との間でペテロ接合
が形成されているので、大略三角形状の活性領域の２辺
はへテロ接合で画定されており、一方残りの１辺はホモ
ｐｎ接合で画定されている。従って、活性領域にｎ側か
ら注入されたキャリアは前記へテロ接合による閉じ込め
効果を受けると共に、ホモｐｎ接合を介して適宜発生し
た光のしみ出しを可能としているので、光出力密度を過
剰に上昇させることなく、光出力を増加させることが可
能となる。

好適実施形態においては、この様な三角形状のストライ
プ突起を異方性エツチングで形成し、クラッド層は基板
上にエピタキシャル形成する。更に、光出力を増加させ
たい場合には、この様な三角形状のストライプ突起を所
定ピッチで複数個並列的に複数個設けると良い。

以下、添付の図面を参考に１本発明の具体的実施の態様
に付いて詳細に説明する。

第１図は、本発明半導体レーザ装置の１実施例を示して
おり、その内部構成をより明確に図示する為にその手前
の部分を一部切り欠いて示しである。第１図に示した半
導体レーザ装置は、大略矩形状の基板１０を有している
。基板１０は第１導電型を有しており且つ第１屈折率を
有する物質、例えばｎ−ＧａＡｓ等の物質から構成され
ており、その厚さは大略５０乃至６０ミクロンとすると
良い。

基板１ｏの上表面には大略三角形状の断面を持った長沢
即ちストライプ状の突起１０ａが形成されており、基板
１０の上表面の中央付近を縦断して延在している。後述
する如く、この断面が大略三角形状のストライプ状突起
１０ａは、好適には、基板１０を異方性エツチングする
ことによって形成する。

基板１０の上表面上にはストライプ状突起１０ａを被覆
してクラッド層１１が被着形成されている。クラッド層
１１は、第１導電型で且つ第１屈折率よりも小さな第２
屈折率の物質から形成されており１例えばｎ−ＡｌＧａ
Ａｓを使用すると良い。クラッド層１１は、例えば、３
乃至４ミクロン程度の厚さとすることが可能であるが、
その厚さは突起１０ａを充分に被覆する様に適宜決定す
ることが可能である。従って、基板１０とクラッド層１
１との間の界面はへテロ接合を画定している。クラッド
層１１の上には、電流ブロック層１２が被着形成されて
おり、この層１２は、第１導電型と反対極性の第２導電
型の物質、例えばｐ−ＡｌＧａＡｓ、から構成されてい
る。

電流ブロック層１２の上には、キャップ層１３が被着形
成されており、これは例えばｎ−ＧａＡｓから構成する
と良い、このキャップ層１３の表面からクラツド層１１
内部へかけて選択した不純物を拡散させて高濃度拡散領
域１４と低濃度拡散領域１５とが形成されている。ここ
で前記電流ブロック層１２は、ｎ−ＧａＡｓキャップ層
１３中に拡散により生じるｐｎ接合から基板１０へ電流
が流れるのを防止する役割を果たす。これらの拡散領域
１４及び１５は、基板１０及びクラッド層１１の導電型
と反対極性の導電型の不純物（例えば、Ｚｎ）を拡散し
て構成しており、上述した如く、基板１０及びクラッド
層１１がｎ型の場合、これらの拡散領域１４及び１５の
導電型は夫々Ｐ十及びｐである。重要な点であるが、低
濃度拡散領域１５はストライプ状突起１０ａの頂部を包
含しているということである。換言すると、第３図に示
した如く、ストライプ状突起１０ａの頂部は、低濃度拡
散領域１５内に延在しており、従って該頂部１０ａ′は
反対の導電型（本例ではｐ型）へ変換されている。この
為、頂部１０８′の底辺りはホモｐｎ接合を形成してお
り、一方頂部１０ａ′の両斜辺は基板１０とクラッド層
１１との間のへテロ接合を形成しているにの頂部１０ａ
’が所謂発光における活性領域に対応しており、後述す
る如く５キヤリア及び光がこの領域１０ａ′に閉じ込め
られて光発振を行なう。

更に詳説すると、頂部１０ａ’の両斜辺はへテロ接合で
ありまたその底辺りはホモｐｎ接合であるから、１０ａ
’　にｎ側から注入されたキャリアは前記へテロ接合の
電位障壁によって頂部１０ａ’内に閉じ込められ、一方
クラッド層１１の屈折率は基板１０の屈折率よりも低い
ので、頂部１０ａ’の両斜辺は光ガイドを構成しており
、従って発生された光はこの頂部１０ａ’　に案内され
てストライプ状突起１０ａの長手軸方向に進行する。こ
の様に、本発明半導体レーザ装置においても、利得導波
型のみならず屈折率導波型の構造を有しているが、大略
三角形の断面を持った頂部１０ａ’の両方の斜面のみ屈
折導波型構造とされており、底辺りは単にホモｐｎ接合
として電流通路を提供するだけであるから、発生された
光は３方向の内の１方向である底辺りの方向にしみ出す
ことが可能であり、従って光出力密度が過剰に増加する
ことが防止され、且つ光出力を増加することを可能とし
ている。

次に、第１図に示した実施例の製造方法の１例に付いて
第２ａ図乃至第２ｄ図を参考に説明する。

先ず、略矩形のｎ−ＧａＡｓ基板１０を用意し、それを
異方性エツチングにより処理して、図示した如く、上表
面上に１端から他端へ直線的に延在する断面が大略三角
形のストライプ状突起１０ａを形成する。この場合に、
例えば、　（１００）面のＧａＡｓ基板を使用して、Ｈ
，ＳＯ２：　Ｈ□０□：Ｈ，Ｏ＝１：１：８の体積比の
エツチング液（液温２０℃）を使用して約１分間エツチ
ングした場合には、頂角θ＝７０°３２′で高さが２乃
至３ミクロンの二等辺三角形断面のメサ型ストライプ状
の突起１０ａを（０１１）方向に形成させることが可能
である。

次いで、第２ｂ図に示した如く、基板１０上に被着して
、エピタキシャル成長法によって、ｎ−ＡｌＧａＡｓク
ラッド層１１、ｐ−ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層１２　
、　ｎ−ＧａＡｓキャップ層１３を順次積層形成する。

尚、この場合に、ＡＩとＧａの混晶比を５例えば、０゜
４：０．６とすると良い０次いで、第２ｃ図に示した如
く、不純物（例えば、Ｚｎ）を拡散させてその拡散フロ
ントを突起１０ａの先端を通過させる。

この場合、Ｓｕｎ、を拡散用マスクとして使用し、石英
アンプル中に、マスクした基板１０及び各層１１乃至１
３からなる構成体とＺｎＡｓ２とを真空封入し、７００
℃前後の温度でストライプ状突起１０ａの先端から約２
ミクロン上方の位置までＺｎを熱拡散してｐ十拡散領域
１４を形成する。次に、この構成体とＡｓとを石英アン
プルに真空封入し、９００℃前後の温度で約２時間熱処
理を行なって２ミクロン程度拡散フロントを押し込みｐ
拡散領域１５を形成する。この場合に、拡散領域１５の
拡散フロントを突起１０ａの内部へ押し込んで断面が大
略三角形状の活性領域１０ａ′を形成するが、その底辺
りの幅は約０．２乃至０．５ミクロンとするのが好適で
ある。

次いで、第２ｄ図に示した如＜、ｎ型オーミック電極（
例えば、ＡｕＧｅＮ１）　１６及びｐ型オーミック電極
（例えば、Ｃｒ−Ａｕ）　１７を被着形成する。この様
にして製造したウェハからへき開法により共振器端面２
１及び２２を形成して第１図に示した半導体レーザ装置
とする。従って、この構成においては、電極１６及び１
７間に垂直に電流を流してレーザ発振動作を行なわせる
。

第４図は、本発明の別の実施例を示しており、この場合
の基本的な構成は、第１図のものと同じであるが、基板
１０の上表面上には所定のピッチで離隔させて複数個の
ストライプ状突起１０ａがアレイ状に配列して設けられ
ている。各突起１０ａは低濃度拡散領域１５内にその頂
部を延在させて活性領域を形成しており、突起１０ａと
同数の活性領域が設けられている。この場合、各突起間
隔は約３乃至１０ミクロン程度にすると良く、又数１０
本の突起を配設させることも可能である。

従って、第４図のアレイタイプの構造は、更に光出力密
度を向上させることを可能としている。

第５図は、本発明の更に別の実施例を示している。本例
も構成的には、第１図の実施例と基本的に同じであるが
、本例では、基板１０の上にエピタキシャル成長により
バッファ層１８を形成し、このバッファ層１８の表面を
エツチングしてストライプ形状の突起１８ａを形成して
いる。基板１０がｎ−ＧａＡｓである場合には、バッフ
ァ層１８は例えばｎ−ＧａＡｓで形成すると良い。この
バッファ層１８は成長層の結晶性回復の効果を得る為に
設けるものであるが、機能的には基板１０の一部とも考
えることが可能であるから、本明細書では、「基板」と
はこの様なバッファ層も包含することが可能なものであ
ると理解すべきである。

第６図は、本発明の更に別の実施例を示している。この
場合には、基板１０にストライプ状突起１０ａを形成し
た後に、同じ表面上で突起１０ａを越えない程度の厚さ
で下側電流ブロック層１９を被着形成しており、その上
に突起１０ａを被覆してクラッド層１１を被着形成して
いる。この下側電流ブロック層１９は、ｎ−ＡｌＧａＡ
ｓクラッド層１１中に形成されるｐｎホモ接合面、即ち
ｐ拡散領域１５の拡散フロントとの境界面からのレーザ
動作に関与しない漏れ電流をブロックすることを目的と
している。又、この下側電流ブロック層１９はＰ−ＡＩ
ＧａＡｓから形成すると良い。この構成によれば、注入
電流はストライプ状突起１０ａに集中するので、発振ス
レッシュホールド電流の低減を図ることが可能である。

尚、この様な構成は第５図の実施例に対しても適用可能
であることは勿論である。

第７図は、本発明の更に別の実施例を示しており、この
実施例も他の実施例と基本的構成を同じくするものであ
るが、基板１０の上表面に形成したストライプ状突起１
０ａの直上方位置のキャップ層】、３の表面に、突起１
０ａと同方向へ延在する断面Ｖ字形状の溝２０を形成し
、この溝２ｏを介してＺｎ等の不純物を拡散させて拡散
領域１４及び１５を形成している。この様な構成とする
ことによって、拡散時間を短縮することが可能となり、
その結果ウェハの損傷を極力防止することが可能となる
と共に、クラッド層１１中のｐｎ接合面の面積が減少さ
れ、それにより漏れ電流が低減される。尚、このＶ字形
状溝はクラッド層１１に到達するものであっても良い。

又、本実施例の構成は、前述した何れの実施例に適用す
ることも可能である。

尚、基板１０及びクラッド層１１を共にＡｌＧａＡｓか
ら形成する場合には、基板１０のＡｌＧａＡｓはクラッ
ド層１１のそれよりＡ１成分のより少ない混晶比のもの
とすると良い。又、以上の説明では、化合物半導体物質
としてＡＩＧａＡ／ＧａＡｓを使用した場合に付いて説
明したが、本発明はその他の化合物半導体物質、例えば
ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ等にも適用可能であることは勿
論である。

効果 以上詳説した如く、本発明は、ＧａＡｓ単結晶又はＡｌ
ＧａＡｓ単結晶等からなる基板の上表面に断面が大略三
角形状のストライプ状突起を形成し、その上に基板のも
のよりも小さな屈折率を持ったＡｌＧａＡｓクラッド層
を被着形成し、Ｚｎ等の不純物を拡散させて突起の頂点
近傍で突起内部にホモｐｎ接合を形成してレーザ動作領
域を画定することに特徴を有している。従って、本発明
によれば、従来、必要とされた極めて薄い（約０．２ミ
クロン程度）活性層を形成することが不要であり、従っ
てエピタキシャル成長過程が極めて容易化される。

又、本発明の構成においては、頂部に活性領域を画定し
たストライプ状突起は断面が大略三角形状であり、従っ
て突起はそれが基板に近付くに従いその幅が大きくなっ
ており、その為に発振光は、基板に対して垂直な方向と
基板に対して水平な方向に夫々同程度（例えば、約３ミ
クロン）の拡がりを有している。従って、ＴＪＳ型半導
体レーザ装置と比較して、同じ光出力時における装置端
面での光出力密度を大幅に低減することが可能である。

通常半導体レーザでの最大光出力は、レーザ端面近傍で
の光の吸収によって端面破壊が発生する光出力密度（約
１０”Ｗ／ａ＃）によってその上限が略決定される。従
って、上述した如く、本発明の構成によって、発振光の
断面形状を拡大して光出力密度を減少することが出来れ
ば、それだけ−店先出力を大きくさせることが可能であ
る。又、端面における発振光の断面形状を円形に近いも
のとすることが可能である。

更に、活性領域は基板側方向を除き、屈折率の小さいＡ
ｌＧａＡｓクラッド層で囲まれているので、屈折率導波
路構造が形成されており、又この構造は同時にＧａＡＩ
ＡＳとＧａＡｓのシングルへテロ接合と成っている為に
ｎ側から注入されたキャリアに対する閉じ込め効果も増
大されており、高効率動作を可能としている。

以上、本発明の具体的実施の態様に付いて詳細に説明し
たが、本発明はこれら具体例にのみ限定されるべきもの
では無く、本発明の技術的範囲を逸脱すること無しに種
々の変形が可能であることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づいて構成された半導体レーザ装置
の１実施例を示した一部切欠概略斜視図、第２ａ図乃至
第２ｄ図は第１図の装置の１製造方法の代表的ステップ
を示した各概略断面図、第３図は本発明の原理を示した
説明図、第４図は本発明の別の実施例を示した概略断面
図、第５図乃至第７図は本発明の更に別の実施例を示し
た各一部切欠概略斜視図、第８図は従来のＴＪＳ型半導
体レーザ装置の基本的構造を示した概略断面図、である
。 （符号の説明） １ｏ：基板 １０ａ　ニスドライブ状突起 １１：クラッド層 １２：電流ブロック層 １３：キャップ層 １４：高濃度拡散領域 １５：低濃度拡散領域 特許出願人　　　株式会社　リ　コ　一同　　　　　リ
コ一応用電子研究所 株式会社 第　１　図 第２ｂ図 ３−２ｏ図　　　　　　　　第２ｄ図 第３図 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１導電型で第１屈折率の第１物質から構成されて
   おり且つ１表面上に断面が大略三角形状のストライプ状
   突起を形成した基板と、前記ストライプ状突起を被覆し
   て前記基板の１表面上に被着形成しており前記第１導電
   型で前記第１屈折率よりも小さい第２屈折率の第２物質
   から構成されているクラッド層と、前記クラッド層及び
   前記ストライプ状突起の所定の一部に第２導電型の不純
   物を拡散させた拡散領域と、を有することを特徴とする
   半導体レーザ装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記ストライプ状
   突起の大略三角形状断面の底辺が前記基板の１表面と同
   一面上にあり、前記拡散領域は前記ストライプ状突起の
   頂部を包含しており、前記頂部が活性領域を画定してい
   ることを特徴とする半導体レーザ装置。 ３、特許請求の範囲第２項において、前記第１物質がＧ
   ａＡｓ又はＡｌＧａＡｓであり、前記第２物質が前記第
   １物質と異なる混晶比のＡｌＧａＡｓであることを特徴
   とする半導体レーザ装置。 ４、特許請求の範囲第３項において、前記拡散領域を形
   成する不純物がＺｎであることを特徴とする半導体レー
   ザ装置。 ５、特許請求の範囲第２項において、前記ストライプ状
   突起は前記基板を異方性エッチングすることによって形
   成したものであることを特徴とする半導体レーザ装置。