JPS6325517B2

JPS6325517B2 -

Info

Publication number: JPS6325517B2
Application number: JP55097397A
Authority: JP
Inventors: Osamu Matsuda; Yoshifumi Mori; Kenji Morisane; Masaaki Ayabe
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1980-07-16
Filing date: 1980-07-16
Publication date: 1988-05-25
Also published as: JPS5723291A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は半導体レーザー装置に係り、特に、光
出力の増大化を図り、放射ビームの広がり角を小
さくすることができるようにしたものである。

従来、半導体レーザー装置においては、例えば
いわゆるダブルヘテロ接合構造を有し、接合面に
平行な方向に関してその電流と光の閉じ込め構造
を採るようにしたものが、種々提案され、実施さ
れてきた。

一方接合面に垂直方向に関してその閉じ込めを
行うようにしたものとしては、LOC（Large
Optical Cavity）、SC（Seperate Confinement）、
MH（Multi−heterojunction）と称されるものが
ある。第１図はそのLOC構造による半導体レー
ザー装置の断面を示すもので、この場合第１図の
紙面に直交する方向にレーザー光が取り出される
ようになされるものであり、この場合、ｎ型の
GaAs基板１上にエネルギーギヤツプ幅が大きい
ｎ型のAl_0.35Ga_0.65Asよりなるクラツド層すなわ
ち閉じ込め層２がエピタキシヤルによつて被着形
成され、更にこれの上にｎ型のAl_0.2Ga_0.8Asより
なるキヤビテイ層３が同様にエピタキシヤル成長
され、更にこれの上に例えばＰ型のGaAs活性層
４がエピタキシヤル成長され、更にこれの上にｐ
型のエネルギーギヤツプ幅が大なるAl_0.35Ga_0.65
Asのクラツド層すなわち閉じ込め層５がエピタ
キシヤル成長され、これの上に更に電極被着層と
なる例えばｐ型の高濃度のGaAs半導体キヤツプ
層６が被着されてなる。そして、このキヤツプ層
６上に絶縁層７が被着され、これに第１図におい
て紙面と直交する方向に延長するストライプ状の
窓７ａが穿設され、この窓７ａを通じて一方の電
極８がキヤツプ層６にオーミツクに被着され、基
板１の裏面に他方の電極９が被着されてなる。

第２図は、この半導体レーザー装置における厚
み方向ｔに関する共振器屈折率分布を示し、第３
図は同様の厚み方向に関する光強度の分布の様子
を示すものである。

このような構造による半導体レーザー装置にお
いて意図するところは、活性層に注入キヤリアに
よる利得の存在するいわば注入領域部分と、注入
キヤリアは存在しないがクラツド層との界面のヘ
テロ接合における屈折率の差を有する面によつて
挾まれたいわゆるキヤビテイ層を形成することに
より光強度分布の平担化、すなわち活性層におけ
る出力密度を、一定の総出力に対して下げること
にある。又この光強度分布の平坦化から、接合に
垂直方向のビームの広がり角も回折効果が小さく
なることにより小さくすることができる効果がも
たらされている。しかしながらこのようなLOC
構造などの半導体レーザー装置においては、その
共振器における光強度の最大となる位置が、活性
層内部に存在するものであるためにその高出力化
に限度がある。すなわちこの活性層は、比較的エ
ネルギーギヤツプ幅の小さい化合物半導体層であ
るので、この層の端面から光が導出される場合、
この層での光の吸収が比較的大きいがためにここ
における温度上昇が大となり、この端面において
の破損が生じ易く、これがため、高出力化には限
度が生じてしまう。又、その放射ビームのパター
ンも垂直方向に関しては、活性層の厚さの制御に
よつて例えば0.1μｍオーダに小さくすることがで
きるが、水平方向に関しては、電極８の被着幅を
制御して電流通路の制限によつて数μｍ〜数10μ
ｍとされていることから、垂直方向と水平方向に
関する非対称性が大きい。更に利得分布が共振器
断面積に比して小さいため一定の出力を得るため
の動作電流Idが著しく増大するという欠点もあ
る。

本発明においては、上述の諸欠点を解消した半
導体レーザー装置を提供するものである。

すなわち、本発明においては、キヤリア注入が
行われる活性層より成る複数の注入領域を設け
て、これらを互いに所要の距離関係をもつて配置
することによつて単一のモードで発振するように
し、その光の強度の最大となる位置がこれら注入
領域を構成する活性層外のエネルギーギヤツプ幅
の大なる領域すなわちクラツド層に存在するよう
になし、このようにすることによつてこのエネル
ギーギヤツプ幅の大なる領域の端面の光取出し面
の光吸収を小となし、これによる温度上昇の低減
下をはかり、これに伴う端面の破壊を効果的に回
避し、これに伴つて高出力化を図ることができる
ようにする。更に厚み方向に関する共振器幅を大
きくすることにより放射ビームの断面を水平、垂
直に関しほぼ等しくして断面円形の対称性にすぐ
れたビームを得ることができるようにする。

第４図を参照して本発明による半導体レーザー
の一例を説明する。

本発明においては、例えば化合物半導体基板１
１上に、１の導電型、図示の例えばｎ型の下側の
クラツド層１２をエピタキシヤル成長し、更にこ
れの上にこれと同じ導電型の第１の活性層１３を
エピタキシヤル成長し、その上にこれと同導電型
のキヤビテイ層１４、更にその上にこれと同導電
型の第２の活性層１５、更にその上にこれと同導
電型の上側のクラツド層１６、更にそれの上にこ
れと同導電型のキヤツプ層１７を順次エピタキシ
ヤル成長によつて形成し、各層１７，１６，１
５，１４，１３，１２を横切つてその例えば一半
部に選択的に他の導電型の例えばｐ型の不純物の
Znを拡散してｐ型領域１８を形成し、これを他
部のｎ型領域１９との間にPN接合Ｊを形成す
る。そして、この場合キヤツプ層１７に、１接合
Ｊを排除する例えばエツチング溝２２を形成し、
溝２２によつて区分されたｎ型及びｐ型のキヤツ
プ層１７ａ及び１７ｂ上に夫々一方の電極２０及
び２１をオーミツクに被着する。

基板１１は半絶縁性を有するGaAs化合物半導
体基板より構成し得る。下側及び上側のクラツド
層１２及び１６は、活性層１３及び１５に比して
夫々エネルギーギヤツプ幅が大きいAl_0.35Ga_0.65
As化合物半導体層より形成し得る。また、第１
及び第２の活性層１３及び１５はこれに比しエネ
ルギーギヤツプ幅が小さい例えばGaAs化合物半
導体より構成し得る。又両活性層１３及び１５間
のキヤビテイ層１４は、活性層１３及び１５に比
しエネルギーギヤツプ幅が広いAl_0.2Ga_0.8Asより
構成し得る。またキヤツプ層１７はGaAs化合物
半導体によつて構成し得る。このように基板１１
上に各半導体層１３〜１７が成長されて成る半導
体基体に、Pn接合Ｊの横切る第１及び第２の活
性層１３及び１５において夫々キヤリアの注入領
域ａ及びｂによる再結合発光領域を形成する。こ
れら注入領域ａ及びｂの間隔は、電極２０及び２
１間に順方向電圧を印加した場合において注入領
域ａ及びｂにおいて生ずる発光が互に干渉して丁
度第４図中×印で示す符号Ｃが付された位置、す
なわち、活性層１３及び１５外における両層１３
及び１５間のキヤビテイ層１４において光の強度
の最大となる位置がくるように両者間の位置関係
を設定する。このような構成によれば、第４図の
紙面に沿う端面より紙面と直交する方向にレーザ
ー光の放射が行われるが、この場合、上述したよ
うにその光の強度の最大となる位置Ｃが、エネル
ギーギヤツプ幅の小なる活性層１３及び１５以外
の、エネルギーギヤツプ幅の大なるキヤビテイ層
１４の端面に存在するようにしたのでその出力を
十分大とすることができる。すなわち冒頭に述べ
たようにバンドギヤツプ幅の狭い領域においては
その光吸収が大であるためにここにおける発熱が
大となつて端面の破壊を生ずるおそれがあるが、
バンドギヤツプ幅の大なる部分にその光強度の最
大の位置を持ち来たしたことによつて、このよう
な欠点を回避でき光吸収を十分小さくできる。す
なわち透明度の高いところにおいてビームの取り
出しを行うので温度上昇を効果的に回避すること
ができてこれに伴つて光出力の増大化を図ること
ができる。

上述した例においては２つの注入領域ａ及びｂ
によつて単一モードの発光を生じるようにした場
合であるが、例えば第５図に示すようにｎ型の領
域１９を挾んでその両側に対称的にｐ型の領域１
８を形成し、２つのPn接合面J₁及びJ₂を相対向し
て設け、各活性層１３及び１５に夫々第１及び第
２の注入領域a₁b₁及びa₂b₂を形成して、これら各
注入領域の位置を選定することによつて夫々より
発生した光が互に干渉してその発光強度の最大位
置が接合J₁及びJ₂の間の中央のキヤビテイ層１４
に符号ａで示す位置に存在するようになすことも
できる。

また、あるいは第６図に示すように例えばｐ型
の領域１８を中央の一部に形成し、このｐ型領域
１８を挾んでその両側にｎ型領域１９が存在する
ようにして同様に第１及び第２の活性層１３及び
１５を横切つてPn接合Ｊが生ずるようにして
夫々第１及び第２の注入領域a₁a₂，b₁b₂を形成す
るようにすることもできる。この場合において
も、その発光強度の最大位置Ｃがキヤビテイ層１
４に来るようにする。

尚、第５図及び第６図において第６図と対応す
る部分には同一符号を付して重複説明を省略す
る。

第７図は本発明による半導体レーザー装置の、
更に他の例を示すもので、この例においては例え
ばｎ型のGaAs基板１１の１の面上に所要の幅ｗ
を除いて他部に他の導電型の電流制限用のｐ型の
GaAs半導体層２３を選択的に形成し、これの上
にｎ型の下側のクラツド層例えばAl_0.35Ga_0.65As
よりなる化合物半導体層１２をエピタキシヤル成
長し、これの上に第１の活性層の例えばこれと異
なる導電型のＰ型のGaAs化合物半導体よりなる
活性層１３をエピタキシヤル成長し、これの上に
これと同導電型の例えばｐ型のAl_0.1Ga_0.9Asの化
合物半導体よりなるキヤビテイ層１４をエピタキ
シヤル成長する。そしてこれの上にその一部を限
つて第２の例えばｐ型のGaAs化合物半導体より
なる活性層１５を形成し、これの上に上側のこれ
と異なる導電型のｎ型のAl_0.35Ga_0.65As化合物半
導体より成るクラツド層１６を形成し、更にこれ
の上に、これと同導電型のｎ型のGaAs化合物半
導体よりなるキヤツプ層１７を形成した場合であ
る。そして、第２の活性層１５、上側のクラツド
層１６、キヤツプ層１７の夫々の側面及び外表面
を覆つて絶縁層２４を被着し、キヤツプ層１７上
の一部に窓２４ａを穿設してこれに第１のカソー
ド電極２０ａをオーミツクに被着し、基板１１の
裏面に第２のカソード電極２０ｂをオーミツクに
被着し、更にキヤビテイ層１４上にアノード電極
２１をオーミツクに被着するようにした場合であ
る。

この場合、窓２４ａと電流制限用の領域２３の
窓２３ａとは互いに対向するようになす。

このような構成において、夫々電極２０ａ及び
２０ｂと２１とに順方向電圧を印加すれば、各第
１及び第２の活性層１３及び１５における夫々下
側及び上側のクラツド層１２及び１６との間の
Pn接合J₁及びJ₂を第１及び第２の注入領域として
発光が生ずるが、それら間の間隔すなわちキヤビ
テイ層１４の厚さを適当に選定することによつ
て、互いの発光が干渉して丁度キヤビテイ層１４
内に、その発光の最大強度点Ｃが存在するように
なす。この場合においても、第７図の紙面と直交
する方向にレーザー光の導出を行うものである
が、この場合においても、その光強度の最大点は
エネルギーギヤツプ幅の大なるキヤビテイ層１４
に存在し、その端面から光の導出が行われるの
で、前述した各例と同様にこの端面における光の
吸収を小となすことができて発熱の問題は解決
し、光出力の増大化を図ることができるものであ
る。

そして、この場合においても、光強度の最大位
置を、レーザー光に対して透明なキヤビテイ層１
４に存在させるようにしたので、活性層の出力密
度は一定の総出力に対して低下し、逆に言えばこ
の構造とすることによつて最大動作出力を大きく
採れることになる。

上述したように本発明装置においては、複数の
注入領域における光を互いに干渉させることによ
つて極大点を形成するようにしたので、ビームの
集中を生じさせることができ、更にビームの垂直
方向及び水平方向の比を１に近づけてその対称性
を向上することもできる。又利得のある領域が複
数個光分布内に存在するため、単独で励起する場
合に比べて一定出力に対しての動作出力が小さく
できるという利益を有する。

尚、上述の各例において、第１及び第２の活性
層１３及び１５の厚さは、しきい値電流が上ら
ず、また技術的に可能な0.05〜0.10μｍの厚さに
することが望ましい。クラツド層１２及び１６の
構成材料Al_xGa_1-xAsはｘを0.1〜0.3程度が望まし
く、その厚さは高次モードが立ちにくい範囲で厚
いものが望ましく、その厚さは0.1〜1.0μｍ前後
となる。

又上述した各例においては、複数の注入領域よ
りの発光した光の相互干渉によつて発光強度の最
大のところがキヤビテイ層に存在するようにした
場合であるが、クラツド層に存在するようになす
こともでき複数の注入領域の形成態様も種々の構
成を採り得る。

又活性層をｐ型層及びｎ型層を横切るように屈
曲させることによつて複数の特に偶数の注入領域
を構成するようになすこともできる。第８図及び
第９図は夫々その例を示すものであり、これらに
おいては、前述した各例におけるキヤビテイ層１
４と一方の活性層１３とを省略し、夫々下側及び
上側のクラツド層１２及び１６間に、１つの下に
凸、上に凸の山形の屈曲部１５ａを有する活性層
１５を設け、この山形屈曲部１５ａを横切つてク
ラツド層１２及び１６に差し渡つてPn接合Ｊを
形成するように、例えば拡散によつてｐ型領域を
平面的に形成して、この接合Ｊが活性層１５を横
切る部分に注入領域ａ及びｂを形成するようにし
た場合である。そして、この場合においても、両
注入領域ａ及びｂよりの光の干渉によつて×印で
示すその最大強度点Ｃがエネルギーギヤツプ幅の
大きいクラツド層１６又は１２に持ち来されるよ
うにする。

尚、第８図及び第９図の例と同様の構成をとる
も、接合Ｊの活性層１５を横切る位置を、第１０
図及び第１１図に示すように、活性層１５の屈曲
部１５ａの先端とするときは、注入領域ａ，ｂは
連結一体化されるが、この場合においても、両者
の発光による最大強度点Ｃをエネルギーギヤツプ
幅の大なるクラツド層１６又は１２内に在らしめ
るようにすることができる。

又、或る場合は、斜面と気相エピタキシヤル成
長との組合せによつて、この斜面と他部との不純
物の拡散速度の相違を利用して屈曲した注入領域
を形成して、その注入領域の全域からの発光が丁
度活性層外において最大となるようになす構造と
することもできる。

この場合の一例を第１２図ないし第１６図を参
照してその製造方法と共に説明する。この場合に
おいても、キヤビテイ層が省略され、また活性層
は単層とされた場合である。

この場合、まず第１２図に示すように、化合物
半導体基板１１を用意し、その一主面１１ａに溝
３２を形成することによつて斜面３３を形成す
る。基板１１は、その板面方向が100結晶面方向
をなし、１の導電型、例えばｎ型の低比抵抗を有
する例えばGaAs基板よりなる。そしてこの基板
１１に対する斜面３３の形成、この例では溝３２
の形成は、いわゆる結晶学的エツチングによつて
行う。このエツチングは、基板１１の主面１１ａ
に、図示しないが、フオトレジスト、例えばAZ
−1350（商品名）を塗布し、これに露光、現像処
理を施して、特に主面１１ａに沿う、すなわち
100結晶面に沿う110結晶軸方向の例えば〔110〕
方向に帯状の窓を所要の幅、例えば1μｍ幅をも
つて穿設し、このフオトレジスト膜をエツチング
のマスクとしてエツチングに異方性を有するエツ
チング液、例えばH₃PO₄：H₂O₂：H₂Oが１：
10：10の液で所要の深さ、例えば1μｍの深さの
エツチングを行う。このようにすると、このエツ
チング液に対し、低いエツチング性を有する結晶
面の111結晶面にほぼ沿う左右側面が斜面３３と
して生じた溝３２が形成される。図示の例では溝
３２が断面逆台形状に形成された場合であるが、
溝３２の開口幅と、すなわち基板１１のフオトレ
ジストの窓の幅と、エツチング時間を選定すれ
ば、同様に左右側面が斜面３３を有するも断面形
状が底部と頂角とする断面三角形の溝３２を形成
することができる。

このように溝３２が形成された基板１１上に、
ダブルヘテロ接合を形成する各化合物半導体層の
エピタキシヤル成長を行う。この各化合物半導体
層のエピタキシヤル成長は、特に熱分解法による
すなわち気相成長法による連続作業によつて行う
ことができる。すなわち各層は、同一反応炉中に
おいて、炉中に送り込む供給材料を変換するのみ
で連続気相成長によつて形成できる。

この気相成長は、先ず第１３図に示すように、
基板１１上に斜面３３上を含んで基板１１と同様
のｎ型のGaAsよりなるバツフア層４０を必要に
応じて気相成長させ、これの上に続いて活性層に
比しそのエネルギーギヤツプ幅が広く、同様に例
えばｎ型の例えばGaAlAs化合物半導体を気相成
長させて下側の閉じ込め層、いわゆる下側のクラ
ツド層１２を形成する。この場合、この下側のク
ラツド１２の上面には、基体１１上の斜面３３に
対応する斜面４３が生ずるようにバツフア層４０
及び下側のクラツド層１２の厚さ等を選定する。
続いてこのクラツド層１２上に第１４図に示すよ
うにクラツド層１２に比しエネルギーギヤツプ幅
が小さく、このクラツド層１２と同導電型のｎ型
のGaAs化合物半導体を気相成長させて活性層１
５を斜面４３に沿う斜面４３′が上面に生ずるよ
うに形成し、続いてこれの上にこれに比しエネル
ギーギヤツプ幅の広い例えばGaAlAs化合物半導
体を気相成長させて、上側の閉じ込め層いわゆる
上側のクラツド層１６を形成する。このようにし
て活性層１５の上下各側のクラツド層１２及び１
６との各界面に両者のエネルギーギヤツプ幅の差
によつて生ずるヘテロ接合J_H1及びJ_H2を形成す
る。そしてこの上側のクラツド層１６の気相成長
にあたつて、このクラツド層の気相成長開始時の
初期においては、例えば活性層１５に対するドー
パントすなわちｎ型の不純物、例えばSeをその
まま供給してGaAlAsの化合物半導体層の気相成
長を行うも、所要時間経過後においてそのドーパ
ントを他の導電型のｐ型のドーパント例えばZn
に切換えてｐ型のGaAlAs層を形成して、上側の
クラツド層１６を形成する。このようにすると、
第１４図に破線で示すように、斜線部が形成され
ていない平坦な活性層１５上に成長したクラツド
層１６においては、pn接合Jpはこのクラツド層
１６中に活性層１５の面に沿つて、従つてクラツ
ド層１６の面方向にほぼ沿うように形成される
が、斜面部を有する部分においては活性層１５
中、又は、この活性層１５の下側のクラツド層１
２との界面付近にそのpn接合部Jpeが形成され
る。これはこの斜面部においてその結晶性に何ら
かの特異性が生じていてここにおいて見掛上の不
純物の拡散が他部に比し大きくなつていることに
よつて斜面４３に沿う接合Jpeが生ずるものと思
われる。

続いて第１５図に示すように、上側のクラツド
層１６上に所要の厚さをもつてこれと同導電型の
例えばｐ型の化合物半導体層GaAsを気相成長し
た電極被着層となるキヤツプ層１７を形成する。
この場合、このキヤツプ層１７の表面１７ａにお
いては、溝２によつて生じた凹凸を埋込んで平坦
な面を形成するようになし得る。

次に第１６図に示すように半導体層８の面８ａ
と基体１の裏面とに夫々対となるアノード電極２
１及びカソード電極２０をオーミツクに被着す
る。

このようにして得られた半導体レーザー装置は
pn接合Jpがその一部の限られた部分Jpeにおいて
のみ、活性層１５中またはこの活性層１５の下側
のクラツド層１２との界面付近に形成されるもの
であり、このような構成により電流集中は活性領
域１５における限られた部分Jpeにおいて生じ、
ここに限定的に注入領域ａ(b)が形成される。した
がつてこの注入領域ａ(b)の屈曲形状、及び活性層
１５における位置、したがつて活性層１５の形
状、厚さ等をも選定することによつて、注入領域
ａ(b)による発光の最大位置ｃを第１０図及び第１
１図で説明したようにクラツド層１６中に存在さ
せるようにすることができる。

尚、第８図ないし、第１１図及び第１６図に示
した例では活性層１５が３角状に屈曲した形状と
した場合であるが、比較的曲率半径の小さい彎曲
形状として同様の効果を得るようにすることもで
きる。

また、第１７図に示す例は、第１２図ないし第
１６図で説明したと同様の製造工程をとつて形成
するも斜面４３が台形溝によつて形成され、且
つ、pn接合Jpを形成するためのドーパントのド
ービング開始時点、或いは拡散の深さを適当に選
定することによつて注入領域ａ及びｂの位置が活
性層１５の斜面４３部のみに生ずるようにし、発
光の最大位置がクラツド層１６に存在するように
した場合である。この場合においては、第７図で
説明したような電流制限用の領域２３を設けてし
きい値電流の低減化をはかつた場合である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の半導体レーザー装置の略線的断
面図、第２図はその屈折率分布図、第３図はその
光強度分布図、第４図ないし第７図は夫々本発明
による半導体レーザー装置の各例の断面図、第８
図及び第９図は夫々本発明装置の各例の要部の略
線的断面図、第１０図及び第１１図は第８図及び
第９図の変形例を示す要部の略線的断面図、第１
２図ないし第１６図は夫々本発明の説明に供する
半導体レーザー装置の製造方法の一例の工程図、
第１７図は本発明装置の他の例の断面図である。１１は半導体基板、１２及び１６はクラツド
層、１３及び１５は活性層、１４はキヤビテイ
層、１８及び１９はｐ型領域及びｎ型領域、Ｊ，
Jpはpn接合である。

Claims

【特許請求の範囲】

１複数の再結合発光領域を有し、該再結合発光
領域は発光した光が単一のモードで発振する距離
関係に配置され、上記光の強度の最大位置が活性
層外にあるようにした半導体レーザー装置。