JPS61220488A - 半導体レ−ザ装置 - 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】 （発明の技術分野〕 本発明は、作り付け導波路構造を備えた半導体レーザ装
置の改良に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

ディジタル・オーディオ・ディスク（ＤＡＤ）。

ビデオ・ディスク、ドキュメント・ファイル等の光デイ
スク装置や光通信用光源として半導体レーザの応用が開
けるにつれ、半導体レーザの量産化技術が必要となって
いる。従来より、半導体レーザ用の薄膜多層へテロ接合
結晶製作技術としては、スラ″イディング・ボート方式
による液相エピタキシャル成長法（ＬＰＥ法）が用いら
れてきたが、ＬＰＥ法ではウェハ面積の大型化に限度が
ある。

このため、大面積で均−性及び制御性に優れた工ピタキ
シャル成長が可能な有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法
）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等の結晶成長技
術が注目されている。

ＭＯＣＶＤ法の特性を生かした作り付け導波路レーザと
言えるものに、（アプライド・フィジックスレター誌、
第３７巻３号２６２頁、１９８０年）に発表された第６
図に示す如き半導体レーザがある。なお、図中６１はＮ
−ＧａＡＳ基板、６２はＮ　　ＧａＡ２ＡＳクラッド層
、６３はＧａＡ２ＡＳ活性層、６４はＰ−ＧａＡＩＩ、
ＡＳクラッド層、６５はＮ−ＧａＡＳ電流阻止層、６６
はＰ−ＧａＡｆｆｉＡＳ被覆層、６７はＰ−ＧａＡＳコ
ンタクト層、６８．６９は金属電極を示している。この
構造においては、異種導電型の電流阻止層６５により活
性！１６３への電流注入がストライプ状に限定されると
同時に、活性層６３に導波された光が電流阻止層６５及
び被覆層６６までしみ出し、その結果ストライプ直下と
それ以外の部分とで異った複血折率差を生じ、これによ
りストライプ直下部分に導波されたモードが形成される
ことになる。即ち、電流阻止層６５によって、電流狭窄
による利得導波路構造と作り付け屈折率導波路構造とが
自己整合的に形成されている。

この構造のレーザは著者等の報告によれば、空温パルス
動作では５０［ｍＡ］程度とかなり低いしきい値で発振
し、また単一モード発振が達成され横モードが十分良・
く制御されることが示されている。

なお、上記構造のレーザは基板６１から電流阻止層６５
までの第１回目の結晶成長と、電流阻止層６５の一部を
ストライプ状にエツチングしたのちに被覆層６６及びコ
ンタクト層６７を形成する第２回目の結晶成長とからな
る２段階の結晶成長プロセスにより作成される。ここで
、第２回目の結晶成長の開始時点における被覆層６６の
成長は、一旦表面が空気中に晒されたＧａＡｆｉＡＳ面
上への成長である。このため、従来のＬＰＥ法では成長
が難しく、ＧａＡＲＡＳ面上への成長が容易なＭＯＣＶ
Ｄ法によって始めて制御性良く製作できるようになった
ものである。

ところで、半導体レーザの発振しきい値は、動作電流の
減少、寿命特性の向上等の観点からも低いことが必要で
あり、しきい値の低さはレーザの構造、性能の良し悪し
をはかる目安にもなっている。低しきい値を示すレーザ
構造としては、作り付け導波路構造である埋め込み型（
ＢＨ）や横方向接合型（ＴＪＳ）等があり、これらは１
０〜２０［ｍＡ］以下のしきい値を示す。これらに比べ
て第６図の構造のレーザのしきい値は、前述した様に５
０［ｍＡ］とＢＨ，ＴＪＳ型と比較して２倍以上高い。

本発明者等の実験によっても、現構造のままではこれ以
上の低しきい値化をはかることは甚だ困難であることが
確かめられた。

このようなしきい値の違いは、第６図の構造とＢＨ，Ｔ
ＪＳ型等との導波路効果の違いにあると考えられる。即
ち、第６図の構造は、活性層６３に導波された光がクラ
ッド層６４を通して電流阻止層６５までしみ出し、吸収
を受けることによって接合面に水平方向に等価的複素屈
折率の虚数部分に差が形成されて光がガイドされる吸収
損失ガイドである。一方、ＢＨ溝構造の場合は複素屈折
率の実数部分の差によって光がガイドされる屈折率ガイ
ドである。つまり、第６図の構造では、吸収損失の分だ
けしきい値が上昇してしまうと考えられる。

損失ガイド構造の以上のような欠点に鑑みるとき、低し
きい値化を実現するためにはこうした損失のペナルティ
−を払う必要のない屈折率導波型レーザとすることが考
えられる。この考え方をもとに考案された半導体レーザ
が（第５回国隔置体素子、材料コンファレンス、エクス
テンプイド。

アブストラクト、１５３頁、１９８４年）に発表された
第７図に示す如きものである。即ち、ストライプ状溝部
に埋め込む層を高屈折率層７１と低屈折率層６６の少な
くとも２層とすることにより、ストライプ状溝部にしみ
出した光が、高屈折率層の影響を受け、接合面に水平方
向についてストライプ状溝直下部分で高くなる実効屈折
率分布が生じることになる。そして、高屈折率層７１の
屈折率や厚みを適当に選ぶことによって高屈折率層７１
への光のしみ出しによる損失を十分小さくすることがで
き、過剰電流増加を抑えることができ、低しきい値化を
十分達成できた。

一方、追記型光デイスク装置や、消去、再書き込みの可
能な光デイスク装置の開発が急テンポで進められており
、これに伴い光ディスク書き込み用光源として、高出力
半導体レーザへの要求が高まっている。光ディスク書き
込み用光源として要求される性能は ■　書き込み時の光出力として３０［ｍＷ］以上の高出
力が必要であること ■　読み出し時の低出力動作時から書き込み時の高出力
動作にわたり横モードが基本モードで、且つ安定してい
ること ■　ビームが光学系によって小さく絞れること等が重要
である。

前記第７図に示した半導体レーザは、低しきい値に加え
、光がクラッド層に十分広がる、所謂ラージ・オプティ
カルキャビティ構造にな’＞”Ｃ’ｌｔ）るため、高出
力動作が可能であり上記性能の■を満たしている。■の
横モードについてはストライプ状溝部の幅Ｗ及び活性層
から第１の被覆層までの距離りと、横モードの関係が上
記文献に載せられており、これを第８図に示す。図中、
白丸は低出力動作時に基本横モードの得られたＷとｈの
値を示している。しかし、本発明者らの実験では、第７
図に示されたディメンジョンをもっレーザは３０［ｍＷ
］以上の高出力動作においては、いずれも高次モード発
振や光出力に依存した横モード変形を生じることが判っ
た。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、実効屈折率差による作り付け導波効果
を確実に生じせしめることができ、低しきい値化をはか
り得、特に３０［ｍＷ］以−ヒの高出力動作で安定した
基本横モード発振を示す半導体レーザ装置を提供するこ
とにある。

〔発明の概要〕

本発明の骨子は、被覆層を２層若しくはそれ以上の層構
造としてストライプ直下における実効屈折率を十分大き
く保持しながら被覆層に光がしみ出すことによる損失を
抑え、さらにストライプ溝幅と導波路間距離を適当な値
にすることによって低出力から３０［ｍＷ］以上高出力
動作時に厘り安定した横モード発振を示すようにしたこ
とにある。

即ち本発明は、活性層に対し基板と反対側のクラッド層
上に該クラッド層とは導電型の異なる異種層をストライ
プ状部分を除いて形成し、且つこの上に上記クラッド層
と同じ導電型の被覆層を形成して、電流狭窄効果及び作
り付け導波路効果を持たせたヘテロ接合型半導体レーザ
装置において、前記被覆層は少なくとも２層に形成され
、前記活性層に近い方の第１の被１層は前記クラッド層
よりも屈折率が大きい層であって、第１の被覆層より前
記活性層に遠い方の第２の被覆層は第１の被覆層より屈
折率が小さい層でおり、且つストライプ状溝部の幅Ｗ及
び前記活性層から第１の被覆層までの距離りが、それぞ
れ ０．７≦Ｗ≦２．０　［μｍ］０． ５≧ｈ［μｍ］ となるようにしたものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ストライプ状溝部に埋込む層（被覆層
）を高屈折率層と低屈折率層の少なくとも２層とするこ
とにより、ストライプ状溝部にしみ出した光が高屈折率
層の影響を受け、接合面に水平方向についてストライプ
状溝直下部分で高くなる実効屈折率分布が生じることに
なる。そして、高屈折率層の屈折率や厚みを適当に選ぶ
ことによって、高屈折率層への光のしみ出しによる損失
を十分小さくすることができる。従って、過剰しきい値
電流増加を抑えることができるようになり、低しきい値
化を十分達成できる。さらに、十分な実効屈折率差を得
ることができるため、非点隔差の小さいビームを得るこ
とができる。

また、本発明によればストライプ状溝部の幅Ｗ及び活性
層から被覆層までの距離りが第５図に示す斜線領域、即
ち０．７≦Ｗ≦２．０［μｍコ。

０．５≧ｈ［μｍ］の領域にある場合、上記の効果を少
しも損うことなく、低出力時から３０［ｍＷ］以上の高
出力動作に厘って安定した基本横モード発掘が得られる
。

第５図において、斜線領域よりもｈ大の領域では、光出
力によるモードの変形が生じ、非点隔差も大きかった。

この領域では高屈折率層が活性層から遠のくため、実効
屈折率差が小さくなり、モードの閉込めは、電流分布に
よる利得分布によって行われるゲインガイド型になる。

このため、ある程度の高出力になるとホールバーニング
等の現象が起こり利得分布が変化してモードの変形が生
じると考えられる。また、斜呻領域よりＷ大の領域にお
いては、ｈの小ざい領域では屈折率差が付き過ぎるため
に、高次モードの発振が起る。ｈのそれ程小さくない領
域では、屈折率差は生じているが、Ｗが大きいために高
出力動作時には、ホールバーニング現象が起こりモード
の変形が生じた。

また、Ｗが２［μｍ］以下では、ｈが０．５［μｍ］以
下であればホールバーニング現象は殆ど起こらない。

なお、第５図中に示す曲線は接合面に平行な方向１次モ
ードのカットオフ条件を示しているが、ｈが小さくなり
屈折率差が大きく付いてもＷが小ざい場合には高次モー
ドは立ち難く、Ｗが２［μｍ］以下では３０［ｍＷ］以
上まで基本モード発振を示した。一方、Ｗが０．７［μ
ｍ］以下になるとモードのしみ出しが大きくなりゲイン
ガイド性が強くなり、再びモードの変形や非点隔差等が
生じる。、ざらに、プロセス的にもＷをＱ、　７［μｍ
］以下に制御することは非常に困難であり、量産性にも
不向きである。

以上の点から、Ｗ、ｈの値を第５図の斜線領域（０，７
≦Ｗ≦２．０．５≧ｈ）にとることによって出力３０［
ｍＷ］以上まで安定した基本横モードで発振するレーザ
が得られることになる。なお、ホールバーニング現象の
起こる光出力は、Ｗヤｈのとり方によって様々に変化し
、また、実際に横モードに影響を及ぼすか否かは、実効
屈折率差の大小との相対関係にもよる。従ってここで示
した領域は、光デイスク書込み用光源に必要な性能であ
る光出力３０［ｍＷ］以上まで安定した基本横モードで
発振する特性を満たすために必要なディメンジョンであ
り、（第５回国隔置体素子材料、コンファレンス、１５
３頁、１９８４年）に見られるように１０　［ｍＷ］程
度の動作状態からは容易に類推できるものではない。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わる半導体レーザの概略
構造を示す断面図である。図中１１はＮ−ＧａＡＳ基板
、１２はＮ　　Ｇ　ａｏ、ａｓ　Ａ　２ｏ、５ｓＡＳク
ラッド層、１３はＧ　ａｏ、ａｔ　Ａ　Ｅｏ、ａｓ　Ａ
　Ｓ活性層、１４はＰ　　Ｇ　ａ　Ｏ９＋１！Ｉ　Ａ　
Ｉｎ、ｓｓ　Ａ　Ｓクラッド層、１５はＮ−ＧａＡＳ電
流阻止層（異種層）、１６はＰ　　Ｇ　ａｎ、ｓ　　Ａ
　Ｑｏ、ｖ　　Ａ　Ｓ第１被覆層、１７はｐ　−Ｑ　ａ
ｏ、ａｓ　Ａ　Ｑｏ、３５　Ａ　Ｓ第２被覆層、１８は
Ｐ−ＧａＡＳ：Ｉンタクト層、１９．２０は金属電極層
をそれぞれ示している。

上記構造のレーザは、第２図（ａ）〜（Ｃ）に示す工程
によって実現される。まず、第２図（ａ）に示す如く、
面方位（１００）のＮ−ＧａＡＳ基板１１（Ｓｉドープ
ｌＸ１０”’ｃＩＩｔ−３＞上に、厚さ１．５［μｍ］
のＮ−Ｇａ／ＩＡｓクラッド層１２（Ｓ層上２プＩ　Ｘ
ｌ　０１７ｃｍ”　）　、厚さ０．０８　［μｍ］のア
ンドープＧａＡｆｌＡＳ活性層１３、厚さ１．５　［μ
ｍ］のＰ−ＧａＡＩＡｓクラッド８１１４（Ｚｎドープ
７Ｘ　１０”　８ｃｍ−３＞及び厚ざ１［μｍ］のＮ−
ＧａＡＳ電流阻止層１５（Ｓｅドープ５Ｘ　１０１８ｃ
ｍ’　）を順次成長せしめた。

この第１回目の結晶成長にはＭＯＣＶＤ法を用い、成長
条件は基板温度７５０　［’Ｃ］　、Ｖ／ｍ＝２０、キ
ャリアガス（Ｈ２）の流量　〜１０［ｆｆｉ／ｍｉｎ　
］　、原料はトリメチルガリウム（ＴＭＧ：　　（ＣＨ
）：ｌ　Ｇａ）、　　トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ
：　（ＣＨ３）３　ＡＩ＞、アルシン（ＡＳＨ３＞、ｐ
−ドーパントはジエチル亜鉛（ＤＥＺ：　（Ｃ２Ｈ５）
２　Ｚｒ１）、ｎ−ドーパントはセレン化水素（Ｈ２Ｓ
ｅ）で、成長速度は０、２５　［μｍ／ｍｉｎ　］とし
た。なお、第１回目の結晶成長には必ずしもＭＯＣＶＤ
法を用いる必要はないが、大面積で均一性の良い結晶成
長が可能なＭＯＣＭＤ法を用いることは、量産化を考え
た場合ＬＰＥ法に比べて有利である。

次いで、第２図（ｂ）に示す如く電流阻止層１５上にフ
ォトレジスト２１を塗布し、該レジスト２１に幅２［μ
ｍ］のストライプ状窓を形成し、これをマスクとして電
流阻止層１５を選択エツチングし、ざらにクラッドＨ１
４を途中までエツチングしてストライプ状の溝２２を形
成した。溝２２の底面の幅Ｗは２［μｍ］、底面から活
性層１３までの距離りは０．５［μｍ］に形成した。

次いで、レジスト２１を除去し表面洗浄処理を施したの
ち、第２回目の結晶成長をＭＯＣＶＤ法で行った。即ち
、第２図（Ｃ）に示す如く全面に厚さ０．０２　［μｍ
］　Ｐ−ＧａＡｉｌ、Ａｓ第１被覆層１６、厚さ１．２
５　［μｍ］のＰ−ＧａＡｆｆｉＡＳ第２被覆層１７及
び厚さ５［μｍ］のＰ−（３ａＡｓ：ｌンタクト層１８
（Ｚｎドープ　５Ｘ１０８ｃｒｎ“３）を成長形成した
。これ以降は、通常の電極層は工程によりコンタクト層
１８上にｃｒ−Ａｕ電極層１９を、さらに基板１１の下
面にＡ（，１−Ｇｅ電極２０を被着して前記第１図に示
す構造を得た。

かくして得られた試料をへき開により共振器長２５０［
μｍ］のファブリベロー型レーザに切り出した素子の特
性は、しきい値電流３５［ｍＡ］と低（、微分看子効率
も５０［％］と良好であった。また、出力５０［ｍＷ］
以上までキンクのない線形性の良い電流−光出力特性が
得られた。さらに、レーザ端面より放射されたレーザ光
ビームの接合面に水平方向、垂直方向のビームウェスト
は端面に一致しており、良好な屈折率ガイドになってい
ることが確認できた。

また、出力３０［ｍＷ］以上まで安定な基本横モード発
振を示し、高出力時のモード変形や高次モード発振は生
じないことが確認された。第３図（ａ）はＷ、ｈが共に
第５図の斜線領域内にある第２図に示したレーザ、同図
（ｂ）はＷが斜線領域よりはずれて大きいＷ＝３［μｍ
］のレーザのビームサイズの半一全幅を光軸方向につい
て測定したものである。第３図（ａ）の斜線領域内のデ
ィメンジョンを持つレーザでは非点隔差はゼロで、高出
力時のモード変化もない。一方、第３図（ｂ）のレーザ
ではスポットサイズの極小値が２ケ所に生じたり、高出
力時にモード変形を生じていることが判る。また、非点
隔差も生じており、その値も光出力によって異なってい
る。

第４図は他の実施例に係わる半導体レーザの概略構造を
示す断面図である。なお、第１図と同一部分には同一符
号を付して、その詳しい説明は省略する。この実施例が
先に説明した実施例と異なる点は、前記異種層を２層に
したことにある。即ち、Ｐ−Ｇａ／ＩＡｓクラッド層１
４とＮ−ＧａＡｓ第１異種層１５との間にＮ　　Ｇ　ａ
ｏ、＋　　Ａ　ｊ２　ｏ、ａＡＳ第２異種層１５ａが挿
入されている。これは、ストライプ両側の領域における
活性層１３に導波されたモードの実効屈折率を小さくす
ることに寄与する。

従って本実施例によれば、第１被覆層１６による効果と
あいまって、ストライプ直下に大きな実効屈折率分布を
生じせしめることができる。実際には、単−基本横モー
ド発振を安定に得るための実効屈折率差は適当量あれば
良く、大き過ぎても高次横モードを発振させる原因とな
って好ましいことではなく、実効屈折率差を大きくとる
ことができるようになる利点はストライプ直下のＰ−ク
ラッド層１４の厚みを厚くし、工程の歩留り、信頼性の
確保等に振り向けるようにするのが良い。

第２種異種層１５ａを導入したことによる他のメリット
は第１図の実施例のＰ−クラッド層１４を通して広がる
無効電流成分をＰ−キララド層１４が薄くなる分だけ少
なくすることができる点である。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。例えば、前記ストライプ状溝部の幅Ｗは２［μｍ
］に限るものではなく、０．７〜２．０［μｍ］の範囲
で適宜変更可能である。同様に、活性層から第１の被覆
層までの距離も０゜５［μｗＬ］に限るものではなく、
０．５［μｍコ以下で適宜変更可能である。また、構成
材料としてはＧａＡＪ２Ａｓに限るものではなく、１　
ｎＧａＡＳＰｆ’／１ＧａＩｎＰ等の他の化合物半導体
材料を用いてもよい。ざらに、結晶成長法としてＭＯＣ
ＶＤ法の代りにＭＢＥ法を用いることも可能である。ま
た、基板としてＰ型基板を用い、各層の導電型を逆にす
ることも可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲で、種々変形して実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる半導体レーザの概略
構造を示す断面図、第２図（ａ）〜（Ｃ）は上記実施例
レーザの製造工程を示す断面図、第３図（ａ）（ｂ）は
上記実施例レーザ及び従来レーザにおける光軸方向に沿
ったビームサイズの半値全幅の測定値を示す特性図、第
４図は他の実施例の概略構造を示す断面図、第５図は本
発明の詳細な説明するための特性図、第６図乃至第８図
はそれぞれ従来の問題点を説明するためのもので第６図
は従来レーザの概略構造を示す断面図、第７図はストラ
イプ状の実効屈折率差を大きくした半導体レーザの概略
構造を示す断面図、第８図は第７図に示すレーザの低出
力動作時における横モード状態と構造ディメンジョンを
示した図である。 １１−Ｎ−Ｇ　ａＡ　ｓ基板、１２−Ｎ　−Ｇ　ａｏ、
ａｓＡ　Ｉｌｏ、ｓｓ　Ａ　Ｓクラッド層、１３　・・
・Ｇ　ａ　ｏ、ｏｔ　Ａ　Ｊ２ｏ、ａｌｌＡＳ活性層、
１４　・・・Ｐ　−Ｇ　ａｎ、ａｓ　Ａ　Ｑｏ、ａｓ　
Ａ　Ｓクラッド層、１５・・・Ｎ−ＧａＡＳ電流阻止層
（第１異種層）　、１５ａ−Ｎ　Ｇａｏ、＋　　Ａ２ｏ
、ａ　　ＡＳ電流阻止層（第２異種層）　、１６−Ｐ−
ＧａＯｏｓＡ　（１１１，２Ａ　Ｓ第１被覆層、１７”
”Ｐ　　Ｇａｏ、ａｓＡ　Ｑ　ｏ、ｓｓ　Ａ　Ｓ第２被
覆層、１８・Ｐ−ＧａＡＳコンタクト層、１９．２０・
・・電極、２１・・・レジスト、２２・・・ストライプ
状溝部。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 ｑ 第２図 第２図 第３１Ｉｌ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）活性層に対し基板と反対側のクラッド層上に該ク
   ラッド層とは導電型の異なる異種層をストライプ状部分
   を除いて形成し、且つこの上に上記クラッド層と同じ導
   電型の被覆層を形成して、電流狭窄効果及び作り付け導
   波路効果を持たせたヘテロ接合型半導体レーザ装置にお
   いて、前記被覆層は少なくとも２層に形成され、前記活
   性層に近い方の第１の被覆層は前記クラッド層よりも屈
   折率が大きい層であつて、第１の被覆層より前記活性層
   に遠い方の第２の被覆層は第１の被覆層より屈折率が小
   さい層であり、且つストライプ状溝部の幅Ｗ及び前記活
   性層から第１の被覆層までの距離ｈをそれぞれ ０．７≦Ｗ≦２．０［μｍ］ ０．５≧ｈ［μｍ］ に設定してなることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. （２）前記活性層に対し基板と反対側のクラッド層は、
   前記ストライプ状部分に対応する溝がその途中まで形成
   されたものであることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の半導体レーザ装置。