JPS62283690A - 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】 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、特に大光出力半導体レーザに関
するものである。

〔従来の技術〕

＾ｌ！ＧａＡｓ／ＧａＡｓ等の結晶材料を用いた可視光
半導体レーザは、小型・低消費電力で高効率の室温連続
発振を行なう事ができるので、光方式のディジタル・オ
ーディオ・ディスク（ｉ）ＡＤ）用光源として最適であ
り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ら高まり、こ
の要求をみたすため大光出力発振に耐えうる可視光半導
体レーザの研究開発が進められている。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
ため大量生産が行なわれるようになってきた。

このＡ　ｅ　ＧａＡｓ／ＧａＡｓ町視光半導体レーザの
製法とし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（Ｍｅｔａｌ
ｏｒｇａｎｉｃ　　Ｃｈｅｍｉ（ａｌ　　Ｖａｐｏｕｒ
　　ロｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　　以下ＭＯＣＶＤ法という
）は量産性と精密な膜厚制御性とを兼ね備えていること
から光デバイス作製のた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
　）　、ダビカス（Ｐ、Ｄ、Ｄａｐｋｕｓ）が雑誌”Ａ
ｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｊｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒ”　、１
９７７年３１巻Ｎｏ、　７．４６６頁から４６８頁にｒ
ＭＯＣＶＤ法で成長したＧａ１−ｘ、Ａｅ、Ａｓ／Ｇａ
Ａｓダブルヘテロ構造レーザの室温発振（Ｒｏｏｍ−Ｌ
ｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ　　ｏｆ　　
Ｇａｐ−，４Ａｅ　　ｘＡｓ／ＧａＡｓ　　ｄｏｕｂｌ
ｅ−ｈｅｔｅｒ。

Ｓ　１．　ｒ　ｕ　ｅしｕｒｅ　　１ａｓｅｒｓ　　ｇ
ｒｏｖｔｎ　　ｔｏｙ　　ｍｅｔａｌｏＢａｍｉｃ　　
ｃｈｅｔｎｉｃａｌ　ｖａｐｏｕｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉ
ｏｎ）ノという表題で発表して以来その実用性が着目さ
れ、ＭＯＣＶＤ法を用いたＡｅＧａＡｓ／ＧａＡｓ可視
光半導木レーザの研究が進められるようになった。

このうち、横モード制御した波長λ＝　０．７８μｍの
Ａ／Ｇａ＾ｓ　／　ｆｉ　ａ　Ａ　ｓ可視光半導体レー
ザ素子としては、例えば中塚、小野、梶村、中村により
第４４回応用物理学会学術講演予稿集１９８３年１０９
頁２６ｐ−Ｐ−１６に発表された論文ｒＭＯｃＶＤ法に
よる横モード制御半導体レーザ」に見られるように、活
性層に隣近してストライプ状領域の両側に吸収層を設け
、活性層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・ツブを設けて、横モード制御を行なお
うとするものが試作されている。

この構造では閾値電流が上昇する事やモード安定性が悪
い等の弊害を伴うため最近ではさらに光のガイディング
機構を改善したＭＯＣＶＤ半導体レーザがミハシ（Ｙ、
Ｍｉｈａｓｈｉ）、ナガイ（Ｙ、Ｎａｇａｉ）。

マツバラ（Ｈ，Ｍａｔｓｕｂａｒａ）、イケダ（に、Ｉ
ｋｅｄａ）により゛固体素子および材料に関する第７回
会議のエクステンプイツト　アブストラクト（Ｅｘｔｅ
ｎｄｅｄ＾ｂｓｔｒａｃｔｓ　ｏｆ　７ｔｂ　Ｃｏｎｆ
ｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　５ｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ　Ｄｅｖ
ｉｃｅｓ　ａｎ＋Ｉ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＞”　１９８
５年６３頁〜６６頁に［ＭＯ−ＣｖＤによって成長した
新しいセルフ　アライン　レーザ（Ａ　Ｎｏｖｅｌ　５
ｅｌＣ−：〜ｌｉｇｎｃｄ　Ｌａ５ｅｒ　　ｗｉｔｈ　
　Ｓｍａｌｌ　　Ａｓｔｉｇａｔｉｓｍ　　Ｇｒｏｗｎ
　　ｂｙ　　ＭＯ−ＣＶＤ）＋どの題で発表されている
６ミハシ等はこのレーザをＳＢＡレーザ（曲がった活性
層をもったセルフ　アライン横道レーザ（Ｓｅｌｆ−ａ
目ｇｎｅｄｓｔｒｕｃｊｕｒｅ　　１ａｓｅｒ　　ｗｉ
ｔｈ　　ｂｅｎｔ　　ａｃｔｉｖｅ　　１ａｙｅｒ））
　　と名づけでいる。

このＳＢＡレーザは第６図に示すように基板１０１の上
に第１のクラ・ソド層１０２を設け、この層に隣接して
電流ブロック層１０３を設け、この電流ブロック層１０
３に溝を第１クラッド層１０２まであけ、その上に第２
のクラッド層１０４゜活性層１０５．第３のクラッド層
１０６．キャップ層１０７と連続して成長した構造にお
いて、活性層１０５が溝に沿って成長し溝部でへこんで
おれまがった形状をしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述したＳＢＡレーザは、活性層の活性領域（溝の部分
）の両端が屈折率の小さいクラッド層ではさみこまれて
いるので屈折率分布の大きさ△ηが５Ｘ１０−２と通常
の半導体レーザにくらべてきわめて大きくなっている。

そのため活性領域の幅を２．５μｍ程度に狭くしなけれ
ば基本横モード発振が維持できず、その最大光出力も１
２ｍＷ程度になっている。さらに、活性領域幅がせまい
のでそれに伴ってスポ・ソトサイズが小さく、その結果
光学損傷（ＣＯＤ＞の生じるレベルが〜１５ｍＷ程度で
大光出力発振が不可能である等の諸欠点を有していた。

本発明の目的は、上記欠点を除去し、Ｍ　ＯＣＶＤ法の
特長を十汁に生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発振による大光出力発振
が可能であり、等心円的な光源となり比較的容易に一回
成長で製作でき、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。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の半導体レーザは、ストライプ状凹部領域を有し
た半導体基板上に順次に第１のクラッド層と、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ガイド層
と、第２のクラッド層と、活性層と、該第２のクラッド
層とともに該活性層よりもバンドギヤ・ツブの広い材質
からなり該活性層を挟んでダブルヘテロ接合構造を構成
する第３のクラッド層と、該第３のクラッド層と電気的
に反対の導電型を有するキャップ層とをそれぞれが一様
な層厚となるように積層し、該キャップ層の該凹部領域
の上に相当する部分にスＩ・ライブ状の電流注入領域が
形成され、該活性層の該凹部領域の上に相当する部分が
該凹部領域の長て方向とその垂直方向共に該第２のクラ
ッド層を介して該ガイド層に隣接していることを特徴と
する。

〔発明の実施例〕

以下図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例の斜視図、第２図。

第３図および第４図はそれぞれ第１図に示すＡＡ′断面
図、ＢＢ’断面図およびＣＣ′断面図である４ 第５図に示すように（１００）面を平面とする１゛１形
Ｇａ、〜Ｓ基板１０上にフォ■・レジスト法によりさ２
５０μｎｌを除去してストライプ状の窓をあけ、フォト
レジスト膜１１をマスクにして深さ０．５μｍエツチン
グする。工・ソチングした部分が凹部領域１２になる。

このとき、エツチング面は（０１１）方向においては順
メサの形状をし、Ｃｏ１１）方向では逆メサの形状をし
ている。

次に、このフォトレジスト膜１１を除去した後、第１図
〜第４図に示すようにｎ形Ａｆ０．５Ｇａ（、，５Ａｓ
第１クラッド層１３を１．０μｍ、ｎ形＾（！　０−３
５ＧａＯ６６５ＡＳガイド層１４を１．０　μｒｎ−ｎ
形＾ｅ　０１４５ｃａＯ１５５＾Ｓ第２クラッド層１５
を０．１μｍ、ア〉・ドープ入ｅ　０１５Ｇａ０．８５
ＡＳ活性層１６を０．０６μｍ　、　Ｐ形人ｆ　０．５
ＧａＯ０５人Ｓ第３クラッド層１７を１．５　μｍ、ｎ
形ＧａＡｓキャップ層１８を１．０　ｐｍ、ＭＯＣＶＤ
法で連続成長させる。

ｔｒ、記成長において従来から行われている液相成長法
は各成長層ごとに各組成を制御したメルトを用窓して基
板を移動して各層を成長させていく方法であるため本発
明の如き多層構造の成長はきわめて困難であるばかりで
なく各組成各層厚を制御する事は不可能である。これに
対してＭＯＣＶＤ法は有機金属を用いた気相成長法であ
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ので本発明
の構造の成長を制御よく容易に行う事ができる、 更に、Ｍ　ＯＣＶ　Ｄ法では各組成の微粒子が結合しな
から成長していくので成長の面方位依存性はなく、との
方向にも一様な厚さで成長する。従って、本発明の構造
の如く四部領域１２に多層成長させてら凹部の形状に沿
って一様な層厚の層が成長していく。

次に、ｎ形ＧａＡｓキャップ層１８の成長表面上に５ｉ
ｔ）２膜１９を形成させた後、フォトレジスト法で基板
１０の凹部領域１２上に位置するようにしてＳｉＯ□膜
１９膜幅９μｍ長さ２４０μｍの窓を開け、亜鉛を拡散
フロントが第３クラッド層１７内にくるように拡散する
（拡散領域２０）、このとき拡散領域２０は凹部領域１
２上に成長した活性層１４に対して幅および長さともに
小さい方が洩れ電流が少なくなるのでよ−り望ましい。

次に、電極としてキャップ層１８側にＰ形オーミックコ
ンタクト２１を形成し、基板側にｎ形オーミックコンタ
クト２２を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。

本実施例の構造において、電極から流入された電流はギ
ヤ・ツブ層１８および第３クラッド層１７の亜鉛拡散領
域２０３通って第３クラッド層１７に流れこみ、続いて
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１６の水平横方向に拡散していき利得分布
を形成し、第４図における左右の端面を光の反射面とし
て共振器を構成しレーザ発振を開始する。

本実施例の構造では、電流は共振器の長て方向中央部分
に形成したストライプ状の亜鉛拡散領域２０から注入さ
れるが、活性層１６が第３クラッド層１７の一部を介し
てこの亜鉛拡散領域２０に隣近しているので、四部領域
１２の外部の両反射面近傍に流れこむ電流はきわめて少
ない。特に、活性層１６に隣接する第３クラ・ソド層１
７の抵抗を比較的高くすると画成射面近傍まで広がって
活性層１ｂに流れこむ電流は無視できる程になる。

さらに共振器の中央部分の凹部領域１２の活性層１６は
共振器の長で方向において画成射面近傍との境界ではそ
の両端がバンドギャップの広い第２クラッド層１５に接
しているので凹部領域１２の活性層１６内に注入された
キャリアは垂直方向のみならず共振器の長で方向にも閉
じこめられ利得の１．昇か助長される９その結果、低閾
値で発振する事ができる。

本実施例の構造では、活性層１６は第３図に見られるよ
うにその水平横方向においては第２クラ・ソド層１５に
つづいて、ガイド層１４にはさみこまれている。従って
、活性層１６の光は水平横力向ては屈折率の高い活性層
】６に集光し正の屈折率分布にちとづく正の屈折率ガイ
ディング機構が作りつけられている。一般に活性層の両
端が屈折率の低いクラ・ソド層ではさみこまれている場
合には正の屈折率分布が大きくなりすぎ、その結果−成
極モード発振か低励起レベルで生じるおそれがあるので
これを抑圧するため、前記ミハシ等が提案したＳＢＡレ
ーザのように活性層の幅を狭く限定する必要がある。そ
の結果、スポットサイズが小さくなり光出力の上限が低
下する。これに対して本実施例の構造では、活性層１６
の両端に隣接した第２クラッド層１５は層厚が薄いので
光はガイド層１４の影響を受ける。ガイド層１４の屈折
率はクラッド層より大きく活性層１６との屈折率差は比
較的小さいので活性層１６の水平横方向に作りつけられ
る正の屈折率分布の高さを適切にする事ができ安定な基
本横モード発振を広範囲にわたる電流注入領域で維持す
る事ができる。

一方、光は活性層１６からしみ出し、垂直方向に広がる
。この時、第２クラ・ソド層１５にしみ出した光は第２
クラッド層１５が薄く、かつこの層に隣接して屈折率の
高いガイド層１４があるのでガイド層１４へと大きく広
がる。

本実施例の様に、活性層からの光のしみ出しと大きくし
て活性層垂直方向の光の閉じ込め係数（ｆｉｌｌｉｎｇ
ｆａｃｔｏｒ　＞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。通常の＾ｇＧａＡｓ／ＧａＡ
ｓ半導体レーザを大光出力レーザ発振させると反射面が
破壊される現象が生じる。この現象は光学損傷として古
くから知れておりそのレベルはＣＷレーザ発振では〜Ｉ
ＭＷ／’ｃｍ”で生じる。通常Ａｅ　ＧａＡｓ／ＧａＡ
ｓ半導木レーザの反射面破壊の生じる光出力ｐＭは活性
層の層厚をｄ、閉じ込め係数（ｆｉｌｌｉＢ　ｆａｃｔ
ｏｒ　）を「、横モードのスボ・ソトサイズをＷ　／／
とすると となりｐＭは「に反比例して上昇する。

本実施例の構造を用いればｒ　＜０．０１になりｐＭ＞
ｌｏｏｍＷか可能となり大光出力レーザ発振が可能にな
る。

本実施例の構造では、活性層１６は共振器の長で方向の
画成射面近傍において第２クラッド層１５を通してガイ
ド層１４につながっており、このガイド層１４は共振器
全長にわたって一定の層厚でつながっている。光は垂直
方向には共振器中央部分の活性層１６からガイド層１４
にわたって広がり、水平横方向では凹部領域１２の凹部
のストライプ幅の範囲に入っている。この光は共振器の
長手方向に進み、その大部分が画成射面近傍では第２ク
ラッド層１５を通過してガイド層１４内へと進行してい
く。このとき、光の一部は画成射面近傍の活性層１６内
への進行していくが、この領域の活性層１６は励起され
ていないのでレーザ発振光に対して〜１５０ｃ＋ｉ’の
吸収領域となる。

レーザ発振は最も利得が大きく損失の小さい所で生じる
ので、前記の如く光は共振器の中央部分の活性層１ｂか
らガイド層１４内へと直進してレーザ発振を開始する。

画成射面近傍では活性層１６の水平横方向には光のガイ
ド機構はないが凹部領域１２から共振器の長て方向の反
射面までの距離をキャリアの拡散長の１倍以上２〜３倍
以下にしておけば光が横に広がる事もない。特に、本実
施例の如く、画成射面近傍のガイド層１４の高さの半分
付近に共振器中央部分の活性領域となる活性層１６を位
置させておけば反射面で反射されてきた光は有効に活性
層１６にはいる。本実施例ではガイド層１４のバンドギ
ャップはレーザ発振光に対して１５７ｍｅＶ以上広がっ
ているので、光は画成射面近傍のガイド層１４内を損失
をうける事なく進行し、反射゛　　面で一部反射され効
率よく活性領域の活性層１６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。

本実施例の構造では、画成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
として露出しており、そこでは表面再結きを生じ空乏層
化してバンドギャップが縮少している。大光出力発振を
させると、この縮少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
いには光学損傷を生じる。これに対し本実施例の構造で
は画成射面近傍は非励起領域になっているばかりでなく
、レーザ発振光はバンドギャップ差が１５７ｍｅＶ以上
も広い層を透過して発振するので、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となる。

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
方向の広がり角θ上を急激に減少させる事ができる。特
に本実施例ではθ上く１５度にする事ができる。これに
対し活性層水平横方向の広がり角θ７７はθ１７”　１
０〜１５度程度になる。

従って、円に近い形で光が広がっていく光源を得る事が
でき、実用に際して外部の光学系とのカップリング効率
を著しく上昇させる事ができる。

〔発明の効果〕

本発明は、前記ミハシ等が提案したＳＢＡレーザとは異
なり、屈折率分布を適切な値にでき、スポットサイズが
大きくても安定な基本横モード発振を大光出力まで維持
できる上に、画成射面近傍にレーザ発振光を透過させる
。ウィンドウ構造を備えており以下の効果をもつ。

（＋）大光出力発振ができる。

（２）安定な基本横モード発振を大光出力においても維
持する事ができる。

（３）光かほとんど円形に広がる光源にでき、外部光学
系とのカップリング効率が上昇するので光学系をコンパ
クトにする事ができる。

（４〉−回成長で製作できる。

等の利点を有する。

なお、上記実施例ではｎ形ＧａＡｓ基板を用いたがｐｎ
を反転させてもよい。

また、本実施例はＡ　Ｉ！　ＧａＡｓ／ＧａＡｓダブル
ヘテロ接自結晶材料について説明したが、その池の結晶
材料例えば、ＩｎＧａＰ／　Ａｆｆ　ＩｍＰ　、　１ｎ
ＧａＡｓＰ／ＩｎＰ　。

ＩｎＧａＡｓＰ／ＴｎＧａＰ　、　　ｋｅ　ＧａＡｓＳ
ｂ／ＧａＡｓＳｂ等数多くの結晶材料に適用する事がで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の斜視図、第２図。 第３図および第４図はそれぞれ第１図のＡＡ′。 ＢＢ’およびＣＣ′断面図、第５図は第１図に示す基板
１０のみの斜視図、第６図はミハシ等が提案した従来の
ＳＢＡレーザの断面図である。 １０・・・ｎ形ＧａＡｓ基板、１１・・・）オトレシス
１〜膜、１２．、、凹部領域、１Ｂ＝−ｎＪＴＪ　へ（
：　。、　、ＧａＯ、５Ａｓ第１クラッド層、ｌ　４−
　ｎ形Ａ　（！　ｌ）、３５ｃａ０．６５ＡＳガイド層
、１５−・−ｎ形Ａ　ｅ　＋１．４５ＧａＯ，５５ＡＳ
第２クラッド層、１６−・・アンドープＡＮ　ｎ、＋５
Ｇａｏ、ｓｑｌ＼Ｓ活性層、ｌ　７−Ｐ形＾（！　＋１
．５（ｉａｎ、５Ａｓ第３クラツド層、］　８−−−　
ｎ形ＧａＡｓキャップ層、１９　・＝　５ｉ０２膜、２
０・・・亜鉛拡散領域、２１・・Ｐ形オーミックコンタ
クト、２２・・・ｎ形オーミックコンタクＩ−０清　２
　　面 第　３　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ストライプ状凹部領域を有した半導体基板上に順次に第
   １のクラッド層と、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ガイド層と、第２のクラッド層と、
   活性層と、該第２のクラッド層とともに該活性層よりも
   バンドギャップの広い材質からなり該活性層を挟んでダ
   ブルヘテロ接合構造を構成する第３のクラッド層と、該
   第３のクラッド層と電気的に反対の導電型を有するキャ
   ップ層とをそれぞれが一様な層厚となるように積層し、
   該キャップ層の該凹部領域の上に相当する部分にストラ
   イプ状の電流注入領域が形成され、該活性層の該凹部領
   域の上に相当する部分が該凹部領域の長て方向とその垂
   直方向共に該第２のクラッド層を介して該ガイド層に隣
   接していることを特徴とする半導体レーザ。