JPS63124491A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体レーザ、特に情報処理用半導体レーザに
関するものである。

〔従来の技術〕

＾１！　ＧａＡｓ／ＧａＡｓ等の結晶材料を用いた可視
光半導体レーザは、小型であり低消費電力で高効率の室
温連続発振を行うことができるので、光方式のディジタ
ル・オーディオ・ディスク（ＤＡＤ）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も高まり
、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。特に最近で
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われるようになってきた。

＾／！　ＧａＡｓ／ＧａＡｓ可視光半導体レーザの製法
として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（以下、ＭＯＣＶＤと
略す）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、今や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。

特にディビュス（Ｒ，１１，［１ｕｐｕｉｓ　）とダピ
カス（Ｐ、Ｄ。

Ｄａｐｋｕｓ　）とがアプライド・フィジックス・レタ
ーズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ）１９７７年、３１巻、７号、４６６頁から４６８頁
に「ルーム・テンベラチャ・オペレーション・オブ・Ｇ
ａ１−、入ｅ　、Ａｓ／Ｇａｐｓ・ダブル・ヘテロスト
ラフチャ・レーザース・グロン・パイ・メタルオルガニ
ック・ケミカル・ベーパ・デポジション（Ｒｏｏｎ＋−
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆ　Ｇ
ａ１−ｘＡＪ？　ｘＡｓ／ＧａＡｓ　ｄｏｕｂｌｅ−ｈ
ｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｌａｓｅｒｓ　　ｇｒｏ
ｗｎ　　ｂｙ　　ｍｅｔａＬｏｒｇａｎｉｃ　　ｃｈｅ
ｍｉｃａｌ　　ｖａｐｏｕｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）」
という表題で発表して以来その実用性が着目され、ＭＯ
ＣＶＤ法を用いたＡｆＧａＡｓ／ＧａＡｓ可視光半導体
レーザの研究が進められるようになった。

更に最近では、このＭＯＣＶＤ技術の特長の一つである
薄膜成長技術を利用してｌＱｎｍ程度以下の薄い異なっ
た半導体層膜を交互に積み重ねて成長する、いわゆる超
格子層の成長が試みられている。また、この超格子を活
性層に利用して電子の量子化された準位が禁制帯内に局
在する現象を利用した多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕ
ａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ、略してＭＱＷ）へテロ構造レー
ザの研究が行なわれている。この超格子の現象として、
レイディック（Ｗ、Ｄ、Ｌａｉｄｉｇ）、ホロニヤツク
（Ｎ、Ｈｏ１ｏｎｙａｋ）、カムラス（Ｄ、Ｃａｍｒａ
ｓ）、ヘス（Ｈ，）ｌｅｓｓ）、コールマン（Ｊ。

Ｊ、Ｃｏｌｅｍａｎ）、ダブカス（Ｐ、Ｄ、Ｄａｐｋｕ
ｓ）、バーディーン（Ｊ、Ｂａｒｄｅｅｎ）はアプライ
ド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙ
ｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）誌、１９８１年、３８巻、
１０号、７７６頁から７７８頁にわたって［ディスオー
ダ・オブ・アン・＾ｌ　Ａｓ−ＧａＡｓ　・スーパーラ
ティス・パイ・インピユリティ・ディフュージョン（口
１ｓｏｒｄｅｒ　ｏｆ　ａｎ　ＡＩ　Ａｓ−ＧａＡｓ　
ｓ＋＋ｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｂｙ　ｉｍｐｕｒｉｔｙ　
ｄｉＨｕｓｉｏｎ）」　と題して、＾ｊ’　Ａｓ−Ｇａ
Ａｓ超格子に不純物（Ｚｎ）を拡散するとｋ１２ｋｓと
ＧａＡｓとが混晶化して＾ｌ　、Ｇａ１−Ｊｓになるこ
とを発表している。

これらの特長を用いてスズキ（Ｙ、５ｕｚｕｋｉ）、ホ
リコシ（Ｙ、Ｈｏｒｉｋｏｓｈｉ）、コバヤシ（Ｍ、Ｋ
ｏｂａｙａｓｈｉ）。

才力モト（１，Ｑｌ（ａｍｏｔｏ）はエレクトロニクス
・レターズ（口ｅｃｔｏｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ
）誌、１９８４年、２０巻、９号、３８３頁から３８４
頁にわたって「フアプリケーション・オブ・ＧａＡ　Ｅ
＾Ｓ・ウィンドウ・ストライプ・マルチ・カンタム・ウ
ェル・ヘテロストラフチャ・レーザース・ニーティライ
ジング・Ｚｎ・ディフュージョン・インデユースト・ア
ロイング（Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＧａＡ／Ａ
ｓ　ｗｉｎｄｏｗ　ｓｔｒｉｐｅｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎ
ｔｕｎ−ｗｅｌｌ　ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　
１ａｓｅｒｓｕｔｉｌｉｓｉＢ　Ｚｎ　ｄｉｆｆｕｓｉ
ｏｎ−ｉｎｄｕｃｅｄ　ａｌｌａｙｉｎｇ）Ｊと題した
発表を行い、上記の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造レーザ
の両反射面近傍にＺｎを拡散して混晶化によりウィンド
ウ構造にし、大光出力発振可能なウィンドウレーザを試
作している。この構造は第６図に示したように、ｎ形Ｇ
ａＡｓ基板１００上にｎ形入ｅ　０．２５ＧａＯ，７５
ＡＳ第１クラッド層１０１、多重量子井戸（ＭＱＷ）の
活性層１０２．共振器の長て方向にリブ状の形状をもつ
ｐ形Ａｔ？　０．２５Ｇａ、）、７５Ａｓ第２クラッド
層１０３、この第２クラッド層リブ状の上にｐ形ＧａＡ
ｓキャップ層１０４を備え、両反射面近傍の活性層をそ
の水平横全面にわたってＺｎを拡散して混晶化し、ウィ
ンドウ構造１０５にした形状になっている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記スズキ等の発表したウィンドウストライプ多重量子
井戸へテロ構造レーザは、ある程度の高出力化は可能で
あることを示している。しかし、電流注入領域をかねた
リブ状構造によって光のガイディングをしているがガイ
ディング効果が小さく、その上側反射面近傍に活性層が
水平横方向全域にわたってウィンドウ化しているため光
のガイド機構はなく、光は左右に大きく広がってしまい
、その結果スズキ等が発表している様にこのウイントウ
構造によって閾値電流が２倍以上上昇している。このた
め大光出力発振特性が低下するばかりでなく、この構造
では光のガイド機構が小さく大光出力発振時において安
定な基本横モードを維持するのは困難である。

本発明の目的は、上記諸欠点を除去し、ＭＯＣＶＤ法の
特長を充分にいかして低閾値で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
発振が可能であり再現性および信頼性のすぐれた半導体
レーザを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

前述の問題点を解決するために本発明の半導体レーザは
、凸状の形状を有する半導体基板上に第１のクラッド層
を備え、この第１のクラッド層に隣接して互いにバンド
ギャップの異なる数十原子層からなる二種の超薄膜層を
交互に積み重ねた多重量子井戸の活性層を備え、この活
性層に隣接して第２のクラッド層を備え、この第２のク
ラッド層に隣接して活性層よりも屈折率が小さく第１と
第２の各クラッド層よりも屈折率が大きい材質からなる
ガイド層を備え、このガイド層に隣接してガイド層と反
対の導電型を有しガイド層よりも屈折率の小さい材質か
らなる第３のクラッド層を備えた層構造を有し、各成長
層が凸状基板の凸部に沿って一様な層厚で成長した形態
をもち、両反射面近傍において不純物を活性層内まで拡
散して混晶化するとともに、共振器の長て方向において
両反射面近傍の不純物拡散領域からそれぞれ少くともキ
ャリア拡散長以上はなれた共振器中央領域に電流注入領
域を設けたことを特徴とする。

〔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図のＡ−Ａ’　。

Ｂ−Ｂ′、Ｃ−Ｃ’断面図である。まず第５図に示すよ
うに（１００）面を平面とするｎ形ＧａＡｓ基板ｌＯ上
に５ｉ０２膜１１を設け、フォトレジスト法で〔０了１
〕方向に幅２μｍのス１へライブ状にＳｔラッチングる
。この時（０１１）方向においては、５ｉ０２膜１１を
残した領域が凸状の順メサの構造をした凸部領域１２が
形成される。

次に、この５ｉ０２膜１１を除去した後、ｎ形へｅ０．
４’１Ｇａ０．５５Ａｓ第１クラッド層１３を１．５μ
ｍ成長し、アンドープのＧａＡｓ層５０人、アンドープ
のＡ／　ｏ、２Ｇａｏ、ｇＡｓバリヤー層３０人交互に
成長してＧａＡｓ層７層とバリヤー層６層からなる多重
量子井戸活性層１４を形成し、ｐ形＾ｅ　０．４５Ｇａ
Ｏ−５５ＡＳ第２クラッド層１５を０．０８μｍ　、　
ｐ形＾１０．３Ｇ！０．７Ａｓガイド層１６を１．０μ
ｍ、ｎ形＾ｅ　ｏｘＧａｏ−ｂｋｓ第３クラッド層１７
を０．５μｍ、ｎ形ＧａＡｓキャップ層１８を０．５μ
ｍＭＯｃＶＤ法で連続成長する。

上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なメルトを用意して基板を
移動して各層を成長し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ばかりではく各組
成各層厚を制御することは不可能である。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ことで任意の組成の層を任
意の多層に容易に成長させること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ことができる。更にＭ
ＯＣＶＤ法では薄膜成長が可能でありかつ精密な膜厚制
御性を兼ね備えているので上記の如き層厚の薄い多重量
子井戸活性層１４を層厚の制御よく成長することができ
る。ＸＭＯＣＶＤ法では各組成の微粒子が結合しながら
成長していくので成長の面方位依存性はなくどの方向に
も一様な厚さで成長する。従って本発明の構造の如く凸
状基板上に多層成長させても凸部の形状に沿って一様な
層厚の層が成長していく。この時、活性層の発振波長は
０．７７μｍ〜０．７８μｍとなる。

次に、ｎ形ＧａＡｓキャップ層１８をＳｉＯ□膜で被膜
した後、フォトレジスト法で凸状基板の凸部領域でかつ
再現射面においてそれぞれ長さ２０μｍ幅６μｍのスト
ライブ状の窓をあけＺｎを第１クラッド層１３の途中ま
で拡散する（Ｚｎ拡散領域１９）。この時Ｚｎを拡散し
た部分の多重量子井戸活性層＝　１　〇　− では無秩序化がおこり＾Ｎｏ、。ｇＧａｏ、ｃ＋２＾Ｓ
の混晶になる（混晶領域２０）。

次に、ＳｉＯ□膜を除去後、再びｎ形ＧａＡｓキャップ
層１８表面上に５ｉ０２膜２１を形成した後フオトレジ
ス１〜法で凸状基板の凸部領域に一致しかつ共振器の長
て方向において前記Ｚｎ拡散領域１９の端からそれぞれ
１０μｍはなれた共振器中央領域に幅４μｍのストライ
プ状の窓をあけＺｎのその拡散フロントがガイド層１６
内にくるように拡散する（Ｚｎ拡散領域２２〉。この後
成長面側にｐ形電極２３、基板側にｎ形電極２４をつけ
ると本実施例の半導体レーザを得る（第１図、第２図、
第３図、第４図）。

次に、本実施例の半導体レーザの動作１作用。

効果について説明する。電極２３から注入された電流は
、キャップ層１８および第３クラッド層１７のＺｎ拡散
領域２２を通り、ガイド層１６および第２クラッド層１
５を通って活性層１４に注入される。活性層１４に注入
されたキャリアは、活性層水平横方向に拡散していき利
得分布を形成しレーザ発振を開始する。本実施例の構造
では、電流は共振器中央部分においてＺｎ拡散領域２２
を通って注入されるので両反射面近傍のＺｎ拡散領域１
９まで流れこみ無効電流になる割合はきわめて少ない。

特に本実施例の構造では、両反射面近傍のＺｎ拡散領域
１９は共振器中央領域の電流注入領域からキャリア拡散
長以上はなれているので、活性層に注入されたキャリア
がＺｎ拡散領域１９まで拡散していく割合もきわめて少
ない。特に活性層上部のガイド層１６の抵抗を比較的高
くすると両反射面近傍のＺｎ拡散領域１９に流れこむ電
流は無視できる程になる。

一方、光は活性層１４からしみ出し垂直方向に広がる。

この時第２クラツド層１５にしみ出した光は、第２クラ
ッド層に隣接して屈折率の高いｐ形ガイド層１６がある
ので、この層にひきこまれる。その結果、光の垂直方向
の広がりはより助長される。

本実施例の構造では、活性層は第３図に見られるように
その水平横方向においては第２クラッド層１５につづい
てガイド層１６にはさみこまれている。従って、活性層
の光は水平横方向では屈折率の高い活性層に集光し正の
屈折率分布にも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
クラッ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−次槽モード発振が低
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
め活性層の幅を狭く限定する必要がある。これに対して
本実施例の構造では活性層両端に隣接した第２クラッド
層は層厚が薄いので光はガイド層の影響を受ける。ガイ
ド層の屈折率はクラッド層より大きく活性層との屈折率
差は比較的小さいので活性層水平横方向に作りつけられ
る正の屈折率分布の高さを比較的小さくする事ができ安
定な基本横モード発振を高範囲にわたる電流注入領域で
維持することができる。

本実施例の構造の如く活性層が第１および第２のクラッ
ド層ではさまれていることは次の効果を持つ。すなわち
、上記のように活性層垂直方向へ−１３＝ の光のしみたしが大きいときには、活性層内での光の閉
込め係数（ｆｉｌｌｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒ）が小さくな
るのでレーザ発振をさせるには多量の注入キャリアが必
要となる。このとき本実施例の構造の如く活性層がバン
ドギャップの広いクラッド層ではさみこまれている場合
には、注入キャリアは活性層内に閉込められて有効に再
結合するため比較的低閾値でレーザ発振を開始する。特
に本実施例の構造では第２クラッド層に隣接したガイド
層にはストライプ状のキャリア注入領域からのみ電流が
注入されるので、キャリア注入領域を本実施例のように
狭くすると共に亜鉛拡散領域２２のフロントをガイド層
内深く入れてガイド層および第２クラッド層での電流の
横広がりを少なくできるので更に注入電流が有効にレー
ザ発振に寄与するので低閾値、高効率のレーザ発振を行
なう。更に活性層がバンドギャップの広いクラッド層で
はさみこまれている本実施例の構造では温度を上昇して
も活性層から垂直方向に漏れ出るキャリアの量を低減す
ることができるので高温動作にも耐えうることができる
素子の信頼性を向上することができる。

さらに、本実施例の構造では、両度射面近傍の活性層は
Ｚｎ拡散により混晶化し１１！　ＧａＡｓになり多重量
子井戸活性層の発振光に対して透明なウィンドウ構造に
なっている。本実施例の構造は前記スズキ等のウィンド
ウストライプレーザとは異なり、共振器中央部分では等
価的にＢＨレーザと同じ正の屈折率光に基づくガイディ
ング機構により光はガイディングされ安定な横モード発
振を維持することができる。また混晶化したウィンドウ
部分の屈折率はガイド層より大きく光は垂直方向のみな
らず水平横方向もウィンドウ部分に集光して進行するの
で、スズキ等のレーザの如くウィンドウ部で光が広がる
こともない。こうしてウィンドウ部分を進行した光は、
損失をうけることもなく反射面に達し、反射面で反射し
た光は混晶領域２０に続いた活性層に効率よくはいり再
励起をされるので低閾値・高効率でレーザ発振をするこ
とができる。

本実施例の構造では、両度射面部分がレーザ発振光に対
してバンドギャップの広いウィンドウになっているので
、光学損傷（ＣＯＤ＞の生じる光出力レベルを著しく上
昇させることができる。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、そこでは表面再結合を生じ空
乏層化してバンドギャップが縮小している。大光出力発
振をさせると、この縮小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
造では両度射面近傍は非励起領域になっているばかりで
なく、レーザ発振光を透過して発振するので、反射面部
分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桁以上上昇させることができ、大光出力発振が可能と
なる。

本実施例のように活性層からの光のしみ出しを大きくす
ることは活性層垂直方向の広がり角θ土を急激に減少さ
せることができる。これに対して活性層水平横方向では
比較的強い正の屈折率ガイディング機構が作りつけであ
るので横モードのスポットサイズを狭くして活性層水平
横方向の広がり角θＩを比較的大きくすることができる
。従ってθ土〜θγとなり等心円的な光源を得ることが
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ことができる。

なお、上記実施例ではｎ形ＧａＡｓ基板を用いたが、ｐ
ｎを反転させても本発明は実現できる。また本実施例は
Ａｊ？　ＧａＡｓ／ＧａＡｓダブルへテロ接合結晶材料
について説明したが、その他の結晶材料、例えばＩｎＧ
ａＰ／＾ｌ　ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａ１’、
ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、Ａｊ’　ＧａＡｓＳｂ／Ｇａ
ＡｓＳｂ等数多くの結晶材料の半導体レーザにも本発明
は適用できる。

〔発明の効果〕

本発明の半導体レーザは、前述のスズキ等が発表したレ
ーザ構造とは異なり、光は等価的にＢＦＩ構造によって
ガイディングされており、しかも両度射面近傍ではスト
ライブ状のウィンドウ領域に集光して光は進行するので
、（イ）低閾値、高効率の発振をし大光出力発振が可能
である。（ロ）安−１７＝ 定な基本横モード発振を大光出力においても維持するこ
とができる。（ハ）等心円的な光源となり外部の光学的
とのカップリング効率を上昇させる事ができる、等の利
点をもつ。

【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Ａ−Ａ’　。 Ｂ−Ｂ’　、　Ｃ−Ｃ′断面図、第５図はこの実施例に
おいて基板を形成した時の断面図、第６図はスズキ等が
試作したウィンドウストライプレーザの斜視図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 凸状の形状を有する半導体基板上に、第１のクラッド層
   を備え、該第１のクラッド層に隣接して互いにバンドギ
   ャップの異なる数十原子層からなる二種の超薄膜層を交
   互に積み重ねた多重量子井戸の活性層を備え、該活性層
   に隣接して第２のクラッド層を備え、該第２のクラッド
   層に隣接して該活性層よりも屈折率が小さく該第１と第
   ２の各クラッド層よりも屈折率が大きい材質からなるガ
   イド層を備え、該ガイド層に隣接して該ガイド層と反対
   の導電型を有し該ガイド層よりも屈折率の小さい材質か
   らなる第３のクラッド層を備えた層構造を有し、該各成
   長層が該凸状基板の凸部に沿って一様な層厚で成長した
   形態をもち、両反射面近傍において不純物を該活性層内
   まで拡散して混晶化するとともに、共振器の長て方向に
   おいて該両反射面近傍の不純物拡散領域からそれぞれ少
   くともキャリア拡散長以上はなれた共振器中央領域に電
   流注入領域を設けたことを特徴とする半導体レーザ。