JPS6298690A - 半導体レ−ザ素子及びその製造方法 - Google Patents

半導体レ−ザ素子及びその製造方法

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JPS6298690A
JPS6298690A JP60240162A JP24016285A JPS6298690A JP S6298690 A JPS6298690 A JP S6298690A JP 60240162 A JP60240162 A JP 60240162A JP 24016285 A JP24016285 A JP 24016285A JP S6298690 A JPS6298690 A JP S6298690A
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layer
semiconductor laser
gaas
quantum well
cell
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Toshiro Hayakawa
利郎 早川
Naohiro Suyama
尚宏 須山
Masafumi Kondo
雅文 近藤
Kousei Takahashi
向星 高橋
Saburo Yamamoto
三郎 山本
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Sharp Corp
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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】 く技術分野〉 本発明は主に可視領域に発振波長を有する半導体レーザ
に関するもので、特にＭＢＥ（分子線エピタキシー）法
を用いて容易に製作が可能な高性能半導体レーザ素子に
関するものである。
〈従来技術〉 近年、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法あるいは有機金
属を用いた気相成長（ＭＯ−ＣＶＤ）法などの薄膜単結
晶成長技術の進歩は著しく、これらの成長技術を用いれ
ばＩＯＡ程度の極めて薄いエピタキシャル成長層を得る
ことが可能となってきている。このような製造技術の進
歩は、半導体レーザにおいても従来の液相エピタキシャ
ル成長法（ＬＰＥ）では製作が困難であった極めて薄い
層を有する素子構造に基く新しい効果を利用したレーザ
素子の製作を可能とした。その代表的なものは量子井戸
（Ｑｕａｕｔｕｍ　Ｗｅｌｌ　；略してＱＷ）レーザで
ある。このＱＷレーザは従来の二重へテロ接合（ＤＨ）
レーザでは数百Å以上あった活性層厚を１００Ａ程度あ
るいはそれ以下とすることによって、活性層中に量子化
阜位が形成されることを利用しており、従来のＤＨレー
ザ（こ比べて閾値電流が下がる、温度特性が良い、ある
いは過渡特性に優れている等の数々の利点を有している
。これに関する参考文献としては次のようなものがある
。
１）〜■汀、Ｔｓａｎｇ、Ａｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅ
ｒｓ、ｖｏｌ、　３９゜ＮＯ，ｌ０ｐｐ、７８６（＋９
８１）。
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ｈｉｂａｓｈｉ。
Ｋ＋０ｔｓｕｋａ、Ｙ、Ｈｏｒｉｋｏｓｈｉ　、Ｅｌｅ
ｃｔｒｎｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ、１９．Ｎｏ
、５．ｐｐ、１８０　（１９８３）。
このように、ＭＢＥ法やＭＯ−ＣＶＤ法などの薄膜単結
晶成長技術を用いることにより、新しい多層構造を有す
る高性能半導体レーザの実用化への道が開けてきた。
従来の量子井戸レーザの代表的な構造とじてＡ　ｌｌ　
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系ＧＲＩＮ−３ＣＨ（Ｇｒａｄｅｄ　Ｉ
ｎｄｅｘ　−５ｅｐａｒａｔｅ　Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎ
ｔ　Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　）レーザが知ら
れている。この半導体レーザの活性領域におけるＡｌ混
晶比分布を第５図Ｉこ示す。従来行なわれているように
、Ｇ　ａ　Ａ　ｓを量子井戸層とするＧａＡｓ−ＧａＡ
ｊ？Ａｓ系レーザの場合にはＭＢＥ成長で製作する際に
活性層をクラッド層で挟設したダブルへテロ接合構造を
構成するクラッド層４１の界面からＡｌセル温度を下げ
ることによりＧＲＩＮ領域４２を成長させ、次にＡ６セ
ルのシャッタを閉じてＧａＡｓ１子井戸層４３を成長さ
せた後、再度Ａｌセルシャッタを開くとともＩｃＡＪ？
セルの温度を上げてＧＲＩＮ領域４４を成長させ、その
後クラッド層４５を成長させる。従って、Ａｌセルの温
度とシャッタの開閉を制御すれば１つのＡｌセルを用い
るだけで成長が可能となり、ＭＢＥ装置が複雑にならな
い利点があった。しかしながら、この構造をそのままＡ
ｄＧａＡｓ　量子井戸層を用いた可視光レーザに適用す
る場合、第６図のようｆ、ＸＡ（ｌ混晶比分布となり、
２つのＡｌセルを用いる必要が生ずる。すなわち、一方
のＡｊ？セルは０．３のＡ　ｅ混晶比を与えるように開
かれており、他方のＡｌセルてクラッド層３，７とＧＲ
ＩＮ領域４，６を制御する。従ってＡ’６セルは２つ必
要となる。またバルクＡ６ＧａＡｓ　を母子井戸層とし
ているため、キャリア注入が悪くなり発光効率を高く維
持することは困難である。
〈発明の目的〉 本発明は以上のような問題点に鑑み、ＭＢＥ法の層厚制
御性を最大限に活用することにより、従来よりはるかに
高性能で低閾値の可視半導体レーザをＡ６セル１木で製
作することのできる半導体レーザの構造及び製造法を提
供することを目的とする。
〈発明の構成〉 上記目的を達成するために、本発明の半導体レーザ素子
はＧＲＩＮ領域を含む光ガイド層を有し、ＡｌＧａＡｓ
　　１種類で母子井戸層を構成することなく各色が数Ａ
の極めて薄いＧ　ａ　Ａ　ｓとＡ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ
あるいはＧａＡｓとＡ６Ａｓから成る超格子半導体層を
母子井戸層とすることにより、Ａｌセル１本で可視光量
子井戸半導体レーザをＭ　Ｂ　Ｅ法で成長させることを
特徴とする。また超格子という基本的に３次元のキャリ
アの状態を有するがバルク結晶とはエネルギーバンド構
造の異なる半導体層を量子井戸化することにより超格子
内のキャリアを２次元化することで更に短波長域におけ
る低閾値化を図ることができるという利点を有する。
〈実施例〉 第１図は本発明の１実施例を示す半導体レーザの断面模
式図である。ｎ−ＧａＡｓ基板１（キャリア濃度Ｓ　ｉ
　＝　１０１８ｃｍ−３）上にｎ−ＧａＡｓバッファ層
２　（Ｓ　ｒ　＝　１０””備ａ、厚さ０．５μｍ）、
ｎＡ　ｌｌ　ａ、７Ｇ　ａ　ｏ、ａ　Ａ　ｓクラッド層
３　（Ｓ　ｉ　＝　１０’　８ＣＵ３゜厚さ１．５ｐｍ
）、ノンドープＡ　ｌ　ｘ　Ｇ　ａ　１ｘＡ　ｓ　ＧＲ
Ｉ　Ｎ層４（厚さ０．２ｕｍ）、ノンドープＧａＡｓ／
Ａｌｏ５Ｇａｏ５Ａｓ　超格子量子井戸層１５　（Ｇａ
Ａｓ　；　４Ａ厚×８　、Ａｊ？ｏ、５　Ｇ　ａ　ｏ、
５　Ａｓ　＋　６　Ａ厚×７＝計厚さ約７４Ａ）、ノン
ドープＡ　ｌ　ｘ　Ｇ　ａ　＋　ｘＡ　ｓ　　Ｇ　ＲＩ
　Ｎ層６（厚さ０．２　μｍ　）　、　ｐ−Ａｊ？０．
７Ｇａｏ、３ＡＳクラッド層７　（Ｂｅ＝１０１８ｃｙ
ｘ　ａ、厚さ１．５　Ｐｍ　）　、　　ｐ　−Ｇ　ａ　
Ａ　ｓキａｅｙプ層８　（Ｂ　ｅ＝　１０＋５−−ｓ、
厚さ０．５μｍ　）　、ｎ　　Ａ　（１０，５Ｇ　ａ　
Ｏ，５Ａ　ｓ電流閉じ込め層９　（Ｓ　ｉ　＝　１０１
８ｒ３　、厚さ０．３ｕｍ）をＭＢＥ法により連続的に
成長させる。量子井戸層１５近傍の模式的なＡＮ混晶比
分布を第２図に示す。
ＭＢＥ装置内でｎ　−Ａｇ、７Ｇ　ａｏ、３Ａ　ｓクラ
ッド層３成長後５ｉセルのシャッタを閉じＡｌセルの温
度を下げることによりＡｌ混晶比が２乗分布をもって０
．７から０．５まで変化するＧＲＩＮ領域４を形成する
。このＧＲＩＮ領域４は光ガイド層としての作用を呈す
る。次にＡｅセルシャッタの閉・開を繰り返すことによ
り厚さ４ＡのＧ　ａ　Ａ　ｓ層と厚さ６ＡのＡｌｏ５Ｇ
ａｏ５ＡＳ層を交互に成長させる。この成長によりレー
ザ発振用超格子量子井戸領域１５が形成される。次にＡ
ｌセルシャッタを開いてＡ６セルの温度を上げることに
よりＡ６混晶比が２乗分布をもって０．５から０．７ま
で変化する光ガイド層としてのＧＲＩＮ領域６を形成し
た後、Ｂｅセルシャッタを開いてｐＡ　ｌ　ｏ、７　Ｇ
　ａ　ｏ、ａ　Ａ　ｓクラッド層７を成長させる。以上
の成長法により、超格子量子井戸領域Ｉ５を両面方向か
らＧＲＩＮ領域４，６で挾み、その外方にクラッド層３
，７を重畳させた可視光域のレーザ発振動作部をＡｇセ
ル１本で成長させることが可能となる。上記ＭＢＥ成長
後、ＨＦ（フッ化水素）エツチング液を用いて電流閉じ
込め層９を幅５μｍでストライプ状に選択エツチングし
、電流を流すチャネル領域を形成する。この電流閉じ込
め層９とチャネル領域でレーザ発振動作部に対する電流
狭窄用ストライプ構造が構成される。ｎ側電極としてＡ
　ｕ　Ｇ　ｅ−Ｎｉ　、ｐ側電極としてＡｕＺｎをそれ
ぞれＧ　ａ　Ａ　ｓ基板裏面ｌとキャップ層８及び電流
閉じ込め層９上に蒸着して合金化し、オーミック電極を
形成する。
以上により作製された半導体レーザ素子にｐ側電極及び
ｎ側電極を介して駆動電流を注入すると、レーザ発振動
作部より可視光のレーザ光が放射される。その発振波長
は６９０ｎｍ、閾値電流は８０ｍＡで、室温連続発振が
得られた。
第３図は本発明の他の実施例に係る半導体レーザの活性
領域におけるＡ６６混晶比布を示す説明図である。本実
施例では超格子量子井戸領域２５をＧａＡｓ／Ａ６Ａｓ
超格子層（ＧａＡｓ層の厚さ６Ａにより形成している。
上述の実施例と同様にＧＲＩＮ領域４を成長した後、Ａ
ｌセルシャッタを閉じてＧ　ａ　Ａ　ｓ層（６Ａ）を形
成し、次にＡｆｆセルシャッタを開くと同時にＧａセル
シャッタを閉じてＡ６Ａｓ　（４Ａ　）を形成する。Ａ
ｌセルシャッタとＧａセルシャッタの開閉を繰り返すこ
とによってＧａＡｓ／Ａｊ？Ａｓ超格子層が形成される
。レーザ発振動作部はＧ　ａ　Ａ　ｓ　／Ａ　Ｉ　Ａ　
ｓ超格子量子井戸領域２５をＧＲＩＮ領域４．６で挾み
その外方へクラッドＪω３，７を配置した構造となり、
他の素子構造部分は上記実施例と同一である。
以上の実施例のように超格子層を構成する一つの層が３
分子層程度以下に設定された超格子構造Ｓこ用いる層を
Ａｊ？ＧａＡｓ層とＡ６Ａｓ層のいずれかより選択する
こと及び各層の層厚を変化させることにより超格子層の
エネルギーバンド構造を制御することが可能となり、従
来の数十Ａの層により構成された多重量子井戸構造と異
なってキャリア注入効率の低下を防ぐことができる。ま
た、量子井戸層全体の厚みを変えることにより超格子層
内に形成される量子孕位を制御することができるため、
発振波長存び閾値電流の最適値を幅広く制御することが
できるという利点を有する。更にＡ６セル１本でＭＢＥ
成長させることができるため、ＭＢＥ装置もより簡単な
ものが用いられる。
尚、上記実施例では光ガイド層全体をＧＲＩＮ層により
形成したが、第４図に示すように光ガイド層３４．３６
の一部をＧＲＩＮ層として超格子量子井戸領域３５と接
する側のＡｌ混晶比を超格子量子井戸領域３５と同程度
に下げておけばＡｅセル１本で成長が可能となる。第４
図は本発明の他の実施例を示す半導体レーザ素子の活性
領域におけるＡ６６混晶比布を示す説明図であり量子井
戸領域３５は第１図の実施例と同様に厚さ４λのＧ　ａ
　’Ａ　ｓ層と厚さ６ＡのＡ　１！　ｏ、５　Ｇ　ａ　
ｏ、ｓ　Ａ　ｓ　ｍを交互に成長させた超格子構造より
成る。この量子井戸領域３５にはＡβ混晶比が０．５か
ら０．７の範囲で変化する光ガイド層３４．３６が重畳
されているが、この光ガイド層はクラッド層３．７との
接合界面近傍でＡｌ混晶比が急峻に変化するＧＲＩＮ層
となり、量子井戸領域３５の近くでは量子井戸領域３５
とほぼ同程度のＡｅ混晶比に設定されている。
〈発明の効果〉 以上詳説した如く本発明によれば、ＭＢＥ法を活用して
極めて制御因子の自由度が広い低閾値の可視半導体レー
ザをＡ／セル１本だけ用いて構成することができ、実用
上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の１実施例を示す半導体レーザ素子の模
式断面図である。 第２図は第１図に示す半導体レーザ素子の活性領域にお
けるＡｌ混晶比分布図である。 第３図は本発明の他の実施例に係る半導体レーザ素子の
活性領域におけるＡｌ混晶比分布図である。 第４図は本発明の更に他の実施例に係る半導体レーザ素
子の活性領域におけるＡｌ混晶比分布図である。 第５図は従来のＧＲＩＮ−５ＣＨ赤外半導体レーザのＡ
ｎ混晶比分布を示す説明図である。 第６図は従来のＧＲＩＮ−５ＣＨ可視可半導体レーザの
Ａｎ混晶比分布を示す説明図である、ｌ・・・ＧａＡｓ
基板、２・・・バッフ１層、３・・・ｎ−クラッド層、
４．６・＝ＧＲＩ　Ｎ層、７−ｐ−クラッド層、８・・
・キャップ層、１５，２５．３５・・・量子井戸層。 代理人　弁理士　福　士　愛　彦（他２名）ｉ＄２　　
臨 第５　図 ＄６　ｇ Ａ！並西化 Ａｌ　５昆品化

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、ＧａＡｓとＡｌ＿ｘＧａ＿１＿−ｘ＿Ａｓ（０＜ｘ
    ≦１）の各薄膜層を１層が３分子層以下となる厚さに設
    定して交互に積層した超格子構造の量子井戸領域にＡｌ
    混晶比が徐々に変化する光ガイド層を積層し、該光ガイ
    ド層にクラッド層を重畳してレーザ発振動作部を構成し
    たことを特徴とする半導体レーザ素子。 ２、分子線エピタキシー法でＡｌ混晶比が漸次変化する
    光ガイド層を成長させる工程と、該光ガイド層に重畳し
    て分子線エピタキシー法でＡｌセルシャッタの開閉を繰
    り返しながら厚さ３分子層以下のＧａＡｓ層とＡｌ＿ｘ
    Ｇａ＿１＿−＿ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）層を交互に成長さ
    せることにより超格子構造の量子井戸領域を成長させる
    工程と、を具備して成り、前記光ガイド層及び前記量子
    井戸領域をレーザ発振動作部とすることを特徴とする半
    導体レーザ素子の製造方法。
JP60240162A 1985-10-24 1985-10-24 半導体レ−ザ素子及びその製造方法 Pending JPS6298690A (ja)

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