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JPH0274088A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

半導体レーザ装置

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JPH0274088A
JPH0274088A JP63225979A JP22597988A JPH0274088A JP H0274088 A JPH0274088 A JP H0274088A JP 63225979 A JP63225979 A JP 63225979A JP 22597988 A JP22597988 A JP 22597988A JP H0274088 A JPH0274088 A JP H0274088A
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JP
Japan
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layer
clad layer
active layer
semiconductor laser
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JP63225979A
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JPH069282B2 (ja
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Hideaki Kinoshita
木之下　秀明
Naohiro Shimada
島田　直弘
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Priority to US07/402,673 priority patent/US4982409A/en
Priority to DE68912852T priority patent/DE68912852T2/de
Priority to EP89116657A priority patent/EP0358227B1/en
Priority to KR1019890013061A priority patent/KR930000553B1/ko
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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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は主にＩｎＧａＡＱＰを使用した短波長ｇ　（ｓ
ｇ。
〜６８０μ■）用半導体レーザに関する。
（従来の技術） ＩｎＧａＡＱＰからなる四元混晶系を活性層及びクラッ
ド層に用いたダブルヘテロ構造の半導体レーザは、■−
■族化合物半導体中最も短い発振波長を得ることができ
る。
そのため光ディスクを媒体とする光情報処理や。
レーザプリンタ、プラスチイックファイバ用光源として
現在の７８０〜８３０ｎｍ帯のＧａＡＱＡｓ系半導体レ
ーザに比べてより適しているばかりでなく、６３３．８
ｎｍにピークを持つＨａ−Ｎｅガスイオンレーザの代替
器としてバーコードリーダやその地元計測制御分野へ応
用することも可能である。
ＩｎＧａＡＱＰ系半導体レーザの製造には、　　ＧａＡ
ｓ基板を用いるのが最も一般的で、この表面に格子整合
する条件でＩｎＧａＡＱＰのダブルヘテロ層を形成する
。
この四元混晶は通常Ｉｎ１−γ（Ｇａ１−アＡ　Ｑ　ｘ
　）　ｙ　Ｐの分子式で表記されるが、ｙ＝ｏ、ｓの時
Ｘの全域でＧａＡｓと±Ｉ　Ｘ　１０−’以下のオーダ
で格子整合する。
このような条件下でＩｎ、　−ｓ　ＣＧａｘ−ｘｌＱｊ
。、、ＰのバンドギャップエネルギＥｇは、第５図に示
すようにＸ＝０〜１の範囲で１．９１ｅＶから２．２５
ｅＶまでの値を取る。第５図はＡｌ２ＧａＩｎＰ混晶系
の格子定数とエネルギーギャップの関係を横軸にエネル
ギーギャツプ、縦軸に格子定数をとって示した図で出典
はＫａｚｕ＋ｗｕｒａ　Ｍ、　ｅｔ　ａｌ＋　Ｊｐｎ、
　Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、、　２２．６５４（＋９８３
）である。
このＥｇ　：　２．１７ｅＶにおける直接遷移と間接遷
移の遷移領域はＸ＝０．７に相当する。従ってこのよう
な系では活性ＪｄとしてはＸ＝０−０．２（λ＝５８０
−６８０ｎｍ）　、クラッド層としてはＸ≧０．４が通
常用いられており、これらの結晶成長はＭＯＣＶＤ法や
ＭＢＥ法などの気相良法によって行われ、第４図にはＩ
ｎＧａＡＱＰ系半導体レーザにおける最も典型的な素子
の断面図を示す。
この素子はＩｎＧａＡＱＰのダブルヘテロ層の上部にＧ
ａＡｓによる電流ブロック層をｊＱけた通常Ｉｎｎｅｒ
Ｓｔｒｉｐｅ（ＩＳ）構造と呼ばれる利得導波型のレー
ザである。この素子の製造方法は、まずｎ形ＧａＡｓ５
０表面にＭＯＣＶＤ法によってｎ形Ｉｎ、　Ｈｓ　（Ｇ
ａ０ＨＳ＾”０．５）ｏ−ｓＰからなる下部クラッド層
５１、アンドープＩｎ６＋＜Ｇａ、　、　、　Ｐ活性層
５２、ｐ形１ｎｎ−ｓ　＜Ｇａｏ−５ＡＱａ−ｓ）。、
、Ｐ上部クララド層５３、ｐ形Ｉｎｏ　ＨＳ　Ｇａ（（
＋　５　Ｐ通電容易層５４゜ｎ形Ｇ、）Ａ５電流咀止Ｊ
ｌｓｓを順次堆積して成長させるが、各層の厚みは１μ
ｍ、０．０８−０．１　μ１１．１　μｔａ、０．０５
μｍ、０．５μｍである。
また伝導形ｎ＋Ｐ形用ドーパントとしてはＳｉ（または
Ｓｅ）及びＺｎを用い、各層のキャリヤ濃度はｎ形下部
クラッド層５１がＩ　Ｘ　１０”ｃｍ−”　、　ｐ形上
部クラッド層５３が２〜８　Ｘ　１０１０１７ａ’　−
ｐ形通電容易層５４が１−２Ｘ１．Ｏ”ｃａ＋−２，ｎ
形電流阻止層がＩＸ　１０”ｃ＋ａ−’　そしてアンド
ープの活性層５２では１ＸＩＯ１ｓＣ１１−３以下であ
る。
次に電流阻止層５５内にメサ状のストライプ溝を形成後
上部にＫｏｃｖｏ法によりｐ形ＧａＡｓからなるコンタ
クト層５６を厚さ１〜３μｍ、キャリア濃度】×１０”
ｃｍ−”に堆梼成長する。
なお通電容易層５４とは、ＩｎＧａ１ＰとＧａＡｓのエ
ネルギ構造において双方の価電子帯のエネルギ差が大き
いために、これらのＰ影領域のへテロ界面に高抵抗のエ
ネルギ障壁が生じるので、このような効果を緩和する。
結晶成長を終えた半導体ウェーハ、この後ＧａＡｓ基板
５０面をラッピング処理して厚み８０μｍ程度にして鏡
面を形成後、コンタクト層５６とＧａＡｓ基板５０露出
面にはＡｕ／Ｚｎ（ｐ側）、　Ａｕ／Ｇｅ（ｎ側）など
のオーミック電極（図示せず）を配設する。次いでチッ
プに分離後実装工程としてはチップのｐ側をヒートシン
ク上にマウントして次工程に移る。
このようなＩｎＧａＡＱＰ系半導体レーザの特性に重大
な影響を及ぼす問題点としてＩｎＧａ１Ｐのｐ伝導形不
純物のドーピング問題がある。一般にこのｐ伝導形ドー
パント（Ｄｏｐａｎｔ）としては、制御性と安全性の観
点からＺｎが最も適しているが、例えばＭＯＣＶＤ法の
ような気相成長法を用いる場合、ＧａＡｓ、ＧａＡＱＡ
ｓに比べて結晶中へのＺｎの取込まれる割合いが低く、
また、結晶中でのキャリアとしての活性化率も低く、こ
れはＡＱの混晶比が高くなるにつれてその傾向は顕著に
なる。
第６図には、ＭＯＣＶＤ結晶成長によりＧａＡｓに堆積
するＩｎａ　−ｓ　（Ｇａｘ−ｘＡＲｘ）。、ｓＰにｒ
ｌ＋Ｐ不純物を導入した際の比抵抗のＸ依存性の一例を
示したが、ｎ形に比べてｐ形のＩｎＧａＡＱＰでは比抵
抗が約−桁高く、半導体レーザのｐ形クラッド層として
用いられるＸ≧０．５の領域では急激に抵抗が増大する
。第６図はｐ形ｎ形ＩｎＧａＡＱＰの比抵抗のＡΩ依存
性を示しており、出典はＨ４ｎｏ　１．　ｅｔ　ａｌ、
、　Ｊｐｎ、　Ａｐｐｌ。
Ｐｈｙｓ、、　２３．　Ｎｏ、　９．　Ｌ７４６（１９
８４）である。
更に、上記したように結晶中でのＺｎ活性化率が低いの
で、キャリアとして作用しないＺｎが多量に取込まれて
おり、その量もＸと共に増加する。このＺｎは結晶中で
欠陥となり、結晶の光学的劣化や熱的劣化の原因になる
。
（発明が解決しようとする課題） 上記したＩｎＧａ１ｌＰ系半導体レーザでは、ｐ路上部
クラッド層がレーザの特性に決定的な影響を及ぼす。即
ちｐ路上部クラッド層の抵抗が高いために素子の直列抵
抗が高くなり、駆動電圧が上昇する。また、他の層に比
べてこの層の抵抗が高いことは電流阻止層の直下で横方
向に電流が広がることにつながり、このために活性層で
の電流注入面積が大きくなり、ロスが大きくなってしき
い値電流、駆動電流が増加する。更に、もともとＩｎＧ
ａＡＱＰの熱抵抗はＧａＡｓ、　ＧａＡＱＡｓにくらべ
て高い（ＡＱ混晶比が高い程熱抵抗は増大し、ＡＩ２／
Ｇａ＝１で最大になる）が、キャリア濃度の低いＰ形上
部クラッド層はｎ彫工部クラッド層より更に熱抵抗が高
くなる。
このために発光部での熱放散が悪くなり、高温下でのレ
ーザ特性は著しく低下し劣化を促進することになる。そ
のり、上記のようにｐ層上部クラッド）Ｆｌには過剰な
Ｚｎによる欠陥が存在するために熱や光に対して劣化を
起こし易い、実際、劣化した素Ｔについてその原因とな
る欠陥（ＤＬＤやＤＳＤ）はＰ形上部クラッド層に発生
する。
このような問題はＰ形上部クラッド層におけるＡＱ混晶
比が高くなる程起り易くなるが、　ＡＱ’Ｉｆ１品比を
低くすると逆にキャリアの閉込めや光のしみだし量など
の問題から層の厚さを大きくする必要があり、ｐ形上部
クラッド層に係わる問題に対してはあまり有効でない。
本発明は上記の事情により成されたもので、特にＩｎＧ
ａＡＱＰ系半導体レーザの性能向上を目指すことを目的
とする。
〔発明の構成〕
（課題を解決するための手段） 半導体基板に形成した活性層及びｎｙＰ形クラッド層を
ＩｎＧａＡＱＰとするダブルヘテロ構造の半導体レーザ
において、ｐ形半導体基板に形成するｐ形クラッド層と
、前記活性層を挟んで形成するｎ形クラッド層とのバン
ドギャップエネルギーにより構成される非対称なダブル
ヘテロ構造を具備し。
活性層からの発光光がｎ形クラッド側に導波されること
に本発明の特徴がある。
（作　用） 即ちｐ形■−■族基板を使用したＩｎＧａＡ１１Ｐ系半
導体レーザにおいて、従来構造とは逆の導電形で素子構
造を形成し、しかもＩｎＧａＡＱＰのダブルヘテロ構造
の一部であるｐ形上部クラッド層のバンドギャップを小
さくするか、あるいはｎ彫工部クラッド層内部に屈折率
の大きい導波層を形成する。
この結果、活性層における発光による光をｎ形クラッド
層側に導波してｐ形上部クラッド層による素子特性への
影響を低減した。
（実施例） 第１図を参照して本発明に係わる一実施例を詳しく説明
する。
１１１備したＰ形ＧａＡｓ基板１表面にＭＯＣＶＤ法に
よりｐ形Ｉｎ、　、、Ｇａ１１．、Ｐ通電容易層ｌ　ｐ
形Ｉｎ、　＋　５　（Ｇａ０Ｈ３ＡＱｏ、、）。、、Ｐ
下部クラッドＭ３、アンドープＩｎ（１＋５Ｇａ６　Ｈ
ｇ　Ｐ活性層４．ｎ形Ｉｎ６．５（Ｇａｓ−ｓＡＩ２ａ
−ｓ）。、ｓＰ上上部クラド１層５更にＰ形ＧａＡｓ電
流阻止層６を順次堆積して成長させるが、各層の厚みは
夫々０．０５ｐｍ、　０．６−０．８μｍ、０．０８〜
Ｏ，ｌμｓ＋、　１μｍ及び０．５μ馬である。
ｎ形及びｐ形用のドーパントとしてはＳｉ　（またはＳ
ｅ）とＺｎを用い、各層のキャリア濃度はＰ形通電容易
層２が１〜２　Ｘ　１０”ｃｍ−’　、　ｐ彫工部クラ
ッド層３が２〜５　Ｘ　１０”ｃｍ−’　、　ｎ浴上部
クラッド層５が３　Ｘ　１０１１０ｌ７’　、　ｐ形電
流阻止Ｎ６が１〜２Ｘ１０”ｃｏｄ−３である。
この後Ｐ形電流阻止層５の中央部分にメサ状のストライ
プ溝７をこの多層構造の重なり方向に直交する方向即ち
ストライプ状に形成してから、上部にＭＯＣＶＤ法によ
ってｎ形コンタクト層８を５厚さ１〜３μ■、キャリア
濃度２〜５　Ｘ　１０’　”　Ｃｍ−’に堆積成長させ
る。
このような工程を経た半導体ウェーハであるｐ形ＧａＡ
ｓ基板１を鏡面研磨して全体の厚さをほぼ８０μｍとし
てから、このＧａＡｓ基板１とｎ形コンタクトＮ８の露
出面にはオーミック電極９，１０を設置する。
このオーミック電極８はＡｕ／Ｚｎで作り、ｎ形コンタ
クト層８に設置するオーミック電極１０はＡｕ／Ｇｅで
構成して半導体レーザ装置を完成する。
この電極形成を終えて複数のレーザ装置をモノリシック
に形成した半導体ウェーハは、常法に従って分離して得
られるチップのｎ形コンタクト層に形成したオーミック
電極１０をヒートシンクに公知の方法でマウントする。
この実施例に示した半導体レーザ装置は第４図の従来素
子とｎ形とｐ形を丁度逆の構造としたもので（Ｐ形通電
容易層２はｐ導電影領域特有の問題であるので、導電形
の変化に伴って基板側に形成する）ある。
更に第４図の従来例に比べてｐ層下部クラッド層３のＡ
Ｉ２混晶比Ｘを０．７と高くしているので屈折率が低く
なり、活性層からの光のしみだしが少なくなる。従って
クラッド層の厚さを薄くすることができ、第５図に明ら
かなようにＸに伴うＺｎのドーピング効率の低下により
キャリア濃度は低くなる。
次に第２Ｂ！Ｉにより他の実施例を説明する。即ち。
このレーザ装置では１発生した電流を効果的に閉じこめ
得るように電流阻止層の中間にｎ形クラッド層を配置す
る。
この実施例では第１図に示した装置と活性層４までは同
一の構造であり、これに重ねてｎ形Ｉｎ６．５　（Ｇａ
、　、ｓＡ’ｏ　、＊−１，、）。、、Ｐからなる光ガ
イド層１工をｆｆ１ｆｌＦするのが特徴である。
更に図に明らかなようにｎ形１ｎｏ　−ｓ　（ｃａｎ　
、３　Ａ　Ｉｌｏ　、ｔ　）。、、ｅからなる上部クラ
ッド層１２は電流阻止層Ｉ３のほぼ中央部分に埋設し５
図にあるように光ガイド層１１のほぼ真中にストライプ
状に延長するのに等方性食刻工程を利用する。しかし、
光ガイドＭ１１と上部クラッド層１２の化学的組成が近
似しているので等方性食刻工程により上部クラッドＪｌ
１１２を除去するには、どうしてもストッパ層が必要に
なる。
従ってエツチングストップ層１４を光ガイド層１ｏに重
ねて設置する。
エツチングストップＭ１４はｎ形Ｉｎ（１、Ｓ　Ｇａｇ
　ｍ　ｇ　Ｐからなり、更にｎ彫工ｎｇ−５（ａａ６−
３ＡＱｎ、７）。、、Ｐからなる上部クラッド、ＩＦ１
２をＭＯＣＶＤ法により堆積成長する。
この上部クラッドＭ１２は、上記したように等方性食刻
工程により中央部分をストライプ状に残し。
次にｐ形ＧａＡｓ電流阻止Ｎ１３をＭＯＣＶＤ法により
堆積成長する。この工程は残った上部クラッド層１２に
マスクを設置して行うので第２図のように特殊な形状を
持ったｐ形ＧａＡｓ電流阻止層１３が得られ、引続いて
ｎ形オーミック層１４を重ねて形成する。
上部クラッドＭ１２、電流阻止Ｊｉｌ１３及びオーミッ
ク層１４のキャリア濃度は第１図の例と全く同様である
ので記載を省略する。
この例では活性層４に重ねて設置する光ガイド層１１、
エツチングストップ層１４及び上部クラッド層１２の厚
さの合計はほぼ１μ冨と第１図の例に比べて薄く、更に
電流阻止層１３により囲まれているので屈折率の大小関
係によりこの電流閉込めに効果を発揮することになる。
なお、オーミック電極９゜ｌＯは第１図と同様な組成と
方法で形成する。このために、この半導体レーザ装置の
横モードを水平、垂直とも制御できる屈折率導波型のレ
ーザ装置が得られ、第１図に示した半導体レーザ装置よ
り高性能のものが得られる。上記したＰ形ＧａＡｓ電流
阻止層を形成する時使用するＺｎに代えて、拡散による
ｎ形層の反転を押えるために拡散速度の小さいＭｇの使
用、更にｐ形層の代わりにＨ（プロトン）のイオン注入
による高抵抗層を作ることもできる。
上記実施例ではＧａＡｓ基板表面に成長したＩｎＧａＡ
１１Ｐについてだけ述べたが、ＧａＡｓや、他の格子整
合する条件でＧａＡｓ基板表面に形成したＩｎＧａ１Ｐ
系半導体レーザにも本発明は適用できる。
〔発明の効果〕
第３図ａにはダブルヘテロ接合における屈折率分布を、
第３図すに光強度分布を、活性層及びこれを挟んで設置
したクラッド層をパラメータとして示した。
図中点線が従来例、実線が本願を示しており、屈折率分
布が対称な従来例では光強度分布のピークは活性層の中
心位置にあるのに対して、本願ではｎ形上部クラッド層
側に偏っている６即ち、ｎ形クラッド屡のＸをｐ形クラ
ッド層のそれに対して相対的に小さくすることによって
ｐ。
ｎクラッド層と活性層間には第３回ａのような屈折率分
布ができ、これによって活性層での発光光は第３図すの
ようにｎ形上部クラッド層に導波され、従って従来の半
導体レーザ装置に比べて結晶欠陥の多いＰ路上部クラッ
ド層へのしみだしが少なくなる。
更に、従来の素子に比べて結晶欠陥の多いｐ彫工部クラ
ッド層への光のしみだし量が減少し、光強度に対する劣
化レベルを上げることができる。
ｎ形クラッド層における熱抵抗はｐ形に比べて低いため
光による温度上昇も小さく、しかもｎ側がヒートシンク
にマウントされることによって熱放散も良いので、半導
体レーザ装置の動作温度も上昇する。
ｎ、ｐ形クラッド層におけるＡＱ混晶比（ｘ）の差が大
きい程、上記の効果は大きくなる。また、ｎ形クラッド
層のＸが小さい程熱抵抗は小さくなるので温度特性は向
上する。
ｎ形クラッド層のＸを下げた場合、光のしみだし址が大
きくなるため上部クラッド層厚さを大きくしなければな
らないが、第６図に示したように上部クラッド層を構成
するｎ形１ｎＧａＡＱＰでは比抵抗は十分低いため厚く
することによる直列抵抗の増加による影響は少ない。ま
た、電流阻止層直下での電流の広がりも、ｐ彫工部クラ
ッド層に比べて抵抗が十分低いので、広がりはほとんど
Ｐ彫工部クラッド層で決まっており、その厚さの寄与は
さほど大きくないと考えられる。
【図面の簡単な説明】
第１図及び第２図は本発明に係わる実施例の要部を示す
断面図、第３図は各図に示した半導体レーザ装置の特性
を表した図、第４図は従来の半導体レーザ装置の概略を
明らかにした断面図、第５図と第６図は■−■族化合物
半導体からなる混晶体の特性を示す図面である。 ３・・・下部クラッド層　　　　４・・・活性層５．１
２・・・上部クランド層 代理人　弁理士　大　胡　典　夫 第１図 第　　３１１ 第２図 第４図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 半導体基板に形成した活性層及びｎ、ｐ形クラッド層を
    ＩｎＧａＡｌＰとするダブルヘテロ構造の半導体レーザ
    において、ｐ形半導体基板に形成するｐ形クラッド層と
    、前記活性層を挟んで形成するｎ形クラッド層とのバン
    ドギャップエネルギーにより構成される非対称なダブル
    ヘテロ構造を具備し、活性層からの発光光がｎ形クラッ
    ド側に導波されることを特徴とする半導体レーザ装置。
JP63225979A 1988-09-09 1988-09-09 半導体レーザ装置 Expired - Fee Related JPH069282B2 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP63225979A JPH069282B2 (ja) 1988-09-09 1988-09-09 半導体レーザ装置
US07/402,673 US4982409A (en) 1988-09-09 1989-09-05 Semiconductor laser device
DE68912852T DE68912852T2 (de) 1988-09-09 1989-09-08 Halbleiterlaser.
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